(57)【要約】【課題】凸形状の位相シフト素子で収差補正を可能とし、従来方式に比べ低コストかつ高精度で、良好な信号特性を得る。【解決手段】対物レンズ群は、位相シフト素子１１、高屈折率液体１２、対物レンズ１３からなる。位相シフト素子１１と、位相シフト面に満たされた高屈折率液体１２により位相差付与し、対物レンズ１３で光ディスク１４記録面に集光する。高屈折率液体１２は容器１５と蓋１６の中に封入され、蓋１６は透明材料で、透過光束に不必要な収差を発生させない平行平板で、かつ光軸に対し垂直に配置される。凸形状の面を持つ位相シフト素子１１と、高屈折率液体１２とにより位相差を付与することで凹形状の位相シフト素子と同様な効果を得られる。低コストで切削加工の容易、かつ精度の向上した凸形状から凹形状の金駒により射出成形した凸形状の位相シフト素子を凹形状の位相シフト素子に代えて対物レンズに用いて、波長補正することが可能となる。【選択図】図１
2010211853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ディスクに情報の記録、再生および消去の少なくともいずれか１を行うときに、光源から出射される光を前記光ディスクの情報記録面に集光する対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置されて、光軸を中心とする複数の輪帯状領域に分割され、かつ隣接する輪帯状領域間で段差を設けた位相シフト面を有する位相シフト素子とを備え、
前記位相シフト素子は、
前記位相シフト面に、光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の内側においては、光軸から遠くなるにつれて前記複数の輪帯状領域で光軸方向の厚さが厚くなるように段差が形成され、かつ光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の外側においては、光軸から遠くなるにつれて前記複数の輪帯状領域で光軸方向の厚さが薄くなるように段差が形成された凸形状の輪帯状位相段差を持ち、波長λにおける屈折率がｎ１の透明樹脂材料を用いて射出成形した光学素子と、
前記位相シフト面上に、波長λにおける屈折率がｎ２（＞ｎ１）である液体で満たされ、液面が光軸に対し垂直である高屈折率液体と、からなり、
前記対物レンズと前記位相シフト素子が一体化されたことを特徴とする対物レンズ群。
【請求項２】
前記対物レンズの設計波長λ１において、前記位相シフト素子の光学素子および高屈折率液体にて付与される光学的位相差は、２πの整数倍であることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ群。
【請求項３】
請求項１または２記載の対物レンズ群を搭載することを特徴とする光ピックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップ装置を備える光ディスク装置、この光ディスク装置を備える情報処理装置に係り、特に、複数種類の光ディスクに対してデータの記録、再生および消去の少なくともいずれか１を行うために用いられる対物レンズ群と、この対物レンズ群を搭載した光ピックアップ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル技術の進歩およびデータ圧縮技術の向上に伴い、音楽、映画、写真およびコンピュータソフトウェアなどの情報（以下、「コンテンツ」ともいう）を記録するための情報記録媒体（メディア）として、ＣＤ（compact disc）やＤＶＤ（digital versatile disc）などの光ディスクが注目されるようになり、その低価格化とともに、光ディスクを情報記録の対象媒体とする光ディスク装置が普及するようになった。
【０００３】
光ディスク装置では、光ディスクのスパイラル状または同心円状のトラックが形成された記録面に、レーザ光の微小スポットを形成することにより情報の記録を行い、記録面からの反射光に基づいて情報の再生などを行っている。
【０００４】
この光ディスク装置には、光ディスクの記録面にレーザ光を照射するとともに、記録面からの反射光を受光するために、光ピックアップ装置が設けられている。
【０００５】
通常、光ピックアップ装置は、レーザ光を所定の発光パワー（出力）で出射する光源と、光源から出射されるレーザ光を情報記録媒体の記録面に導くとともに、記録面で反射されたレーザ光を所定の受光位置まで導く光学系、およびその受光位置に配置された受光素子などを備えている。
【０００６】
ＣＤは、光束の入射面と記録面との間隔である基板厚が１．２ｍｍであり、発振波長が７８０ｎｍの光源、および開口数が０．４の対物レンズを用いることとされている。また、ＤＶＤは、基板厚が０．６ｍｍであり、発振波長が６６０ｎｍの光源、および開口数が０．６の対物レンズを用いることとされている。
【０００７】
また、コンテンツの情報量は、年々増加する傾向にあり、光ディスクの記録容量のさらなる増加が期待されている。そこで、Blu-ray Disc（以下、「ＢＤ」と略述する）やＨＤ−ＤＶＤ（High Definition DVD、以下「ＨＤ」と略述する）の規格が提唱された。
【０００８】
ＢＤは基板厚が０．１ｍｍであり、発振波長が４０５ｎｍの光源、および開口数が０．８５の対物レンズを用いることとされている。一方、ＨＤは基板厚が０．６ｍｍであり、発振波長が４０５ｎｍの光源、および開口数が０．６５の対物レンズを用いることとされている。 
【０００９】
これらの情報記録媒体に情報の記録、再生するための、光ピックアップ装置を作るうえで大きなコストウェイトを占める部品が対物レンズである。そのため、ＣＤ，ＤＶＤといった光ディスクのピックアップでは、コスト面で有利な樹脂材料で成形された対物レンズを採用した光ピックアップ装置が市場の大半を占める。この傾向はＢＤといった高密度の光ピックアップ装置でも起こると予想され、事実ガラス材料で成形された対物レンズを用いずに、樹脂材料で成形された対物レンズを用いている高密度の光ピックアップ装置が増え始めている。
【００１０】
しかしながら、樹脂材料で成形された対物レンズは、ガラス材料で成形された対物レンズに比べ、光源に使われる半導体レーザの製造ばらつきによる数ｎｍ程度の発振波長のずれ、あるいはモードホッピングなどといった数ｎｍ程度の波長変化により発生する色収差、特に球面収差の変動量が大きいという欠点がある。特に、高密度の光ピックアップ装置に用いるような高ＮＡ（＞０．８）の対物レンズの場合、球面収差の変化量はＮＡの４乗に比例して大きくなるため、その影響はより顕著となる。
【００１１】
したがって、光ピックアップ装置に搭載するレーザ光の波長によっては、発振波長ずれによって良好なスポットが得られず、光ピックアップ装置の製品品質が確保できなかったり、モードホッピングによる発振波長ずれにより、良好なスポットが得られず信号品質の劣化が起き、信号の記録・再生・消去に支障を来す可能性がある。
【００１２】
一例として、ＮＡ０．８５、設計基準波長４０５ｎｍ、焦点距離１．７６５ｍｍである１群１枚構成のプラスチック対物レンズ（以下、ＢＤ用プラスチック対物レンズという）の波長変化に対する球面収差の変化の様子を図６に示す。また、図７にＢＤ用プラスチック対物レンズのレンズデータを示す。なお、ＢＤ用プラスチック対物レンズの材料は、硝材としてシクロオレフィン系樹脂が用いられ、波長が４０５ｎｍの光束の屈折率は１．５２４、アッベ数は５６．０である。
【００１３】
図８はＢＤ用プラスチック対物レンズに入射する光源の波長が（ａ）は４０１ｎｍ、（ｂ）は４０５ｎｍ、（ｃ）は４０９ｎｍのとき、集光したスポット付近の径方向に対する波面収差を表したグラフである。ＢＤ用プラスチック対物レンズの設計基準波長である（ｂ）４０５ｎｍのとき波面収差量が最小となっており、設計基準波長から波長がずれると、波面収差が向きを持って発生することが分かる（図８（ａ）の波面２１、（ｃ）の波面２２を参照）。
【００１４】
波長変化による信号品質の劣化を防ぐ手段の１つとして、対物レンズの温度変化によって発生する球面収差を打ち消すような収差を発生させる、収差補正用の光学素子を搭載する技術がある。
【００１５】
特許文献１では、位相差を付与するような段差構造（以下、このような構造を位相シフト構造といい、このような構造を持つ面を位相シフト面、このような構造を持つ素子を位相シフト素子という）を持つことで球面収差を補正している。この特許文献１に記載の実施例では、凸形状の位相シフト素子にて波長変化補正を行っているが、位相シフト構造は対物レンズで発生する色収差の方向で決まり、凸形状の位相シフト構造である場合もあれば、凹形状の位相シフト構造である場合もある。
【００１６】
位相シフト素子を用いた波長補正素子の簡単な原理について図９を用いて説明する。高さｄの凹形状段差を持つ、屈折率ｎ１の材料からなる位相シフト素子１に、屈折率ｎ０を持つ空間（空気）から、収差を持たない光線２および光線３が入射する。ここでは、簡単のため、位相シフト素子１を構成する材料や空気の波長による色収差は無視できるほど小さい、すなわち波長が変わっても屈折率は変化しないとする。ただし、実際の位相シフト素子の設計では、波長変化による屈折率変動も考慮にいれていることは断っておく。
【００１７】
図９に示すように、光線２は位相シフト素子１の厚みが厚い部分を透過し、光線３は位相シフト素子１の厚みが薄い部分を透過するとする。位相シフト素子１に入射する前の光線２および光線３上の同一波面４は、透過する位相シフト素子１の厚さが異なるため、その厚さに応じた位相差変調を受ける。
【００１８】
位相シフト素子１の透過前の光線２および光線３上の同一波面４は、透過後の光線２上の波面５と光線３上の波面６に不連続に分割され、位相シフト素子１が凹形状の場合、波面５は波面６より遅れて出射され、凸形状であれば、波面５は波面６より進んで出射される。
その変調量の位相差Δψは（数１）となる。
【００１９】
【数１】
2010211853.tif 000003
ここでλ０は入射する光の波長であり、ここでは設計基準波長とする。
【００２０】
入射する光の波長が、対物レンズ設計基準波長λ０の場合、対物レンズはこの波長に最適化されているため、補正の必要はない。この場合、Δφを２πの整数倍ｍとすることで、補正を回避することが可能である。
すなわち、高さｄは（数２）となる。
【００２１】
【数２】
2010211853.tif 000004
【００２２】
高さｄの符号は位相シフト構造の凹凸で決まり、この場合凹ならば正、凸ならば負である。よって、ｎ１＞ｎ０なので、整数ｍの符号も高さｄと一致する。
【００２３】
ここで、設計基準波長λ０で決めた高さｄを持つ位相シフト構造にλ１（≠λ０）となる波長を持った、光線２および光線３が入射した場合を考える。
【００２４】
前述の位相シフト素子１のときと同様に、位相シフト構造を透過した後の光線２と光線３の間には位相差が発生するが、入射する光の波長がλ０からλ１に変化した場合、その位相差ΔΨは（数３）となる。
【００２５】
【数３】
2010211853.tif 000005
すなわち、ｍの符号および波長λ０と波長λ１間の大小関係で発生する位相差の符合が変わる。
【００２６】
図６〜図８に示された、ＢＤ用プラスチック対物レンズの波長補正素子を位相シフト構造で補正することを考えると、設計基準波長より短い波長である図８（ａ）４０１ｎｍの波面収差を打ち消すときは、ＢＤ用プラスチック対物レンズで発生する負の波面２１の位相差を打ち消すために、正の位相差が、また、設計基準波長より長い波長である図８（ｃ）４０９ｎｍの波面収差を打ち消すときは、ＢＤ用プラスチック対物レンズで発生する正の波面２２の位相差を打ち消すために、負の位相差を発生させる必要がある。すなわち、前述の（数３）の位相差ΔΨを与える凹形状の位相シフト構造が必要となる。
【００２７】
位相シフト素子は対物レンズで発生する球面収差を補正することを目的としているので、位相シフト構造において発生する位相差は、球面収差と同じ形状をしていることが望ましい。すなわち、光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の内側において、光軸から遠くなるにつれて各輪帯状領域の光軸方向の厚さが薄くなるように段差が形成され、また、光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の外側において、光軸から遠くなるにつれて各輪帯状領域の光軸方向の厚さが厚くなるように段差が形成された、図１０に示すような凹形状が必要となる（特許文献２参照）。
【００２８】
０．７１とは、３次の球面収差を現すゼルニケ多項式（数４）に示す極値点である。
【００２９】
【数４】
2010211853.tif 000006
【００３０】
このような位相シフト構造を持つ位相シフト素子を、射出成形にて製造する場合、位相シフト構造を転写する金駒は凸形状である必要がある。この凸形状の金駒を作る場合、凹形状の金駒の場合と比べて、切削長がどうしても長くなり、加工時間の長期化によるコスト増、切削量の増加によるバイトの磨耗等により、加工誤差の悪化が問題となる。よって、位相シフト構造を転写する金駒は凹形状であることが望ましく、位相シフト素子の位相シフト構造は凸形状であることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は、従来の位相シフト構造を転写する凸形状の金駒に代えて、凹形状の金駒を用いて射出成形した凸形状の位相シフト構造を用いることを可能としたものである。
【００３２】
これにより、本来は波長変動による色収差のために、凹形状の位相シフト構造が必要な対物レンズでも、凸形状の位相シフト構造を持つ位相シフト素子で色収差補正を行うことを可能とし、従来方式に比べ低コストかつ高精度で、良好な信号特性を得ることができる光ピックアップ用の対物レンズ群と、これを備えた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
前記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る対物レンズ群は、光ディスクに情報の記録、再生および消去の少なくともいずれか１を行うときに、光源から出射される光を光ディスクの情報記録面に集光する対物レンズと、光源と対物レンズとの間に配置されて、光軸を中心とする複数の輪帯状領域に分割され、かつ隣接する輪帯状領域間で段差を設けた位相シフト面を有する位相シフト素子とを備え、位相シフト素子は、位相シフト面に、光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の内側においては、光軸から遠くなるにつれて複数の輪帯状領域で光軸方向の厚さが厚くなるように段差が形成され、かつ光軸を中心とし、有効径の０．７１倍に対応する径の外側においては、光軸から遠くなるにつれて複数の輪帯状領域で光軸方向の厚さが薄くなるように段差が形成された凸形状の輪帯状位相段差を持ち、波長λにおける屈折率がｎ１の透明樹脂材料を用いて射出成形した光学素子と、位相シフト面上に、波長λにおける屈折率がｎ２（＞ｎ１）である液体で満たされ、液面が光軸に対し垂直である高屈折率液体と、からなり、対物レンズと位相シフト素子が一体化されたことを特徴とする。
【００３４】
この構成によって、凸形状の位相シフト面に高屈折率液体を満たすことで、凹形状の位相シフト素子と同等の位相差を付与することができ、位相シフト素子の段差の高さを変化させることで、高屈折率液体にて付与される光学的位相差を変化させることができ、対物レンズの波長変化により発生する球面収差を打ち消す、光学的位相差を付与する適切な段差の高さを設定することで、より小さい球面収差で光を集光させることが可能となり、凸形状の位相シフト素子を用いても、凹形状と同等の良好なスポットを形成して、良好な信号特性を得ることができ、さらに、液面を光軸に垂直とすることで、コマ収差等の信号劣化の原因となる収差の発生を防ぐこともできる。
【００３５】
また、請求項２に記載した発明は、請求項１の対物レンズ群における、対物レンズの設計波長λ１において、位相シフト素子の光学素子および高屈折率液体にて付与される光学的位相差は、２πの整数倍であることを特徴とする。
【００３６】
この構成によって、対物レンズ群は光源から発せられた光に対し、不必要な光学的位相差を付与することなく光を集光させることが可能となる。
【００３７】
また、請求項３に記載した光ピックアップ装置は、請求項１または２記載の対物レンズ群を搭載することを特徴とする。
【００３８】
この構成によって、従来方式より低コストで良好な信号特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、作成コストを抑えて、正確な切削加工が可能な凹形状の金駒により、射出成形した凸形状の位相シフト素子を用いることで、正確な位相シフト構造の面を持つ位相シフト素子を利用でき、凹形状と同等の良好なスポットを形成して、良好な信号特性を得ることができ、さらに、コマ収差等の信号劣化の原因となる収差の発生を防ぐこともできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態における対物レンズ群の概略構成を示す図
【図２】本実施形態の位相シフト素子の位相シフト構造を説明する図
【図３】本実施形態の位相シフト素子の位相シフト構造における高さと位置の数値データ
【図４】本実施形態の波長補正の原理を説明する模式図
【図５】波長−球面収差の変化に対する波長補正の効果を示す図
【図６】ＢＤ用プラスチック対物レンズの波長−球面収差の変化を示す図
【図７】ＢＤ用プラスチック対物レンズのレンズデータ
【図８】ＢＤ用プラスチック対物レンズにより集光した（ａ）は４０１ｎｍ、（ｂ）は４０５ｎｍ、（ｃ）は４０９ｎｍのスポット付近の径方向の波面収差を示す図
【図９】従来の波長補正の簡単な原理を説明する図
【図１０】従来の位相シフト素子の輪帯状を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００４２】
図１は本発明の実施形態における対物レンズ群の概略構成を示す図である。図１に示すように、対物レンズ群は、光源側から順に位相シフト素子１１、高屈折率液体１２、対物レンズ１３の３つからなり、図１の下側からコリメートされた平面波光束が入光する。
【００４３】
位相シフト素子１１および位相シフト面に満たされた高屈折率液体１２において位相差付与を受けた光束を、対物レンズ１３にて光ディスク１４の記録面に集光する。高屈折率液体１２は液体側面を覆う容器１５および液体上面を覆う蓋１６の中に封入されており、対物レンズ群を搭載するアクチュエータが傾いても、高屈折率液体１２はこぼれることなく、また光軸に対し液面が垂直に交わる状態を保つことができる。
【００４４】
なお、上面を覆う透明な蓋１６は、平面波光束が通るため透明な材料で作られている必要があり、透過する平面波光束に不必要な収差を発生させないため、平行平板であることが望ましく、光軸に対し垂直に配置されている。
【００４５】
この対物レンズ１３は、開口数が０．８５であり、一例として、設計上、ＢＤに対して最適化されている。すなわち、対物レンズ１３の設計波長は４０５ｎｍであり、一例として図６に示されるように、入射光束の波長が４０５ｎｍのときに波面収差が０．０１λｒｍｓ以下となるように設計されている。
【００４６】
ここで、位相シフト素子１１および位相シフト面に満たされた高屈折率液体１３の構造について、図２に基づいて説明する。
【００４７】
本実施形態では、一例として、位相シフト素子１１には硝材としてシクロオレフィン系樹脂が用いられ、波長が４０５ｎｍの光束の屈折率は１．５２４、アッベ数は５６．０であるとし、高屈折率液体１２として、液状有機化合物にハロゲン化金属を溶かした溶液が用いられ、波長が４０５ｎｍの光束の屈折率１．９３６、アッベ数は１５．８であるとする。
【００４８】
まず、位相シフト素子１１および位相シフト面に満たされた高屈折率液体１２の構造について説明する。位相シフト素子の断面構造は、図２に示すようになっており光軸の回りで回転対称的な４段の位相シフト構造である。ただし、図２中の領域の高さは、素子の厚さおよび半径方向の広がりに関しては、誇張して示されていることを断っておく。この図２の位相シフト素子１１における位相シフト構造の高さと位置については図３に記す。
【００４９】
位相シフト素子１１に満たされた高屈折率液体１２は、位相シフト構造の面に密着し満たされる。この場合の位相シフト構造の働きがどのように変わるかを図４の簡略化した位相シフト素子１１にて説明する。
【００５０】
ここでは、前述した従来例で図９を用いてした説明と比較しやすいように、位相シフト素子の位相シフト構造は凹形状とする。図４に示すように位相シフト素子１１に高屈折率液体１２が密着し満たされた場合に、位相シフト素子１１の段差高さがｄ’により発生する位相差Δψ’および高さｄ’は、前述した（数１）および（数２）における「ｎ０」を「ｎ２」へ変数変換した形となり、（数５），（数６）となる。
【００５１】
【数５】
2010211853.tif 000007
【００５２】
【数６】
2010211853.tif 000008
【００５３】
高さｄ’の符号は位相シフト構造の凹凸で決まり、この場合凹ならば正、凸ならば負である。前述の（数１），（数２）のｄ、ｍとは異なり、ｎ１＜ｎ２なので、ｄ’とｍ’の符号間の関係は反転する。
【００５４】
次に、入射する光の波長がλ０からλ１に変化した場合の、位相シフト構造で発生する位相差ΔΨ’は、前述した（数３）から（数７）となり、この式は変更を受けない。
【００５５】
【数７】
2010211853.tif 000009
しかし、ｄ’とｍ’の符号の関係が反転しているため、位相シフト構造で発生する位相差ΔΨ’も反転する。
【００５６】
よって、図６〜図８で示した、ＢＤ用プラスチック対物レンズのように凹形状の位相シフト構造が必要な場合でも、凸形状の位相シフト構造を持つ位相シフト素子で補正が可能となる。
【００５７】
本実施形態の図１〜図３で示した波長補正の効果を図５に示す。破線がＢＤ用プラスチック対物レンズ単体の波長ずれによって発生した球面収差を表したグラフで、実線が本実施形態の位相シフト素子を加えた場合の球面収差を表したグラフである。
【００５８】
図５のように波長対球面収差の傾きが、本実施形態の位相シフト素子の効果により小さくなっていることが分かる。
【００５９】
このように、波長補正のためには凹形状の位相シフト素子を用いることが必要な対物レンズでも、凸形状の位相シフト素子で波長補正することが可能となる。本発明により、射出成形によって作られる位相シフト素子の金駒形状を、凸形状から凹形状とすることができ、切削量の減少効果が生まれ、加工時間の短縮による金駒作成コストの低下、切削加工を行うバイトの磨耗量が減り、加工誤差量の低下による精度向上が期待できる。
【００６０】
また、高屈折率液体１２は紫外線等により硬化させてもよい。硬化させることで、液体側面を覆う容器１５および液体上面を覆う透明な蓋１６が不必要となり、部品点数を減らすことができ、コストを下げることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る対物レンズ群と光ピックアップ装置は、作成コストを抑えて、正確な切削加工が可能な凹形状の金駒により、射出成形した凸形状の位相シフト素子を用いることで、正確な位相シフト構造の面を持つ位相シフト素子を利用でき、凹形状と同等の良好なスポットを形成して、良好な信号特性を得ることができ、さらに、コマ収差等の信号劣化の原因となる収差の発生を防ぐこともでき、光ディスク装置、この光ディスク装置を備える情報処理装置として有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１，１１  位相シフト素子
２，３  光線
４，５，６  波面
１２  高屈折率液体
１３  対物レンズ
１４  光ディスク
１５  容器
１６  蓋
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６３】
【特許文献１】特表２００３−５１８６３７号公報
【特許文献２】特開２００６−２４４５９３号公報
【図１】
2010211853.tif 000010
【図２】
2010211853.tif 000011
【図３】
2010211853.tif 000012
【図４】
2010211853.tif 000013
【図５】
2010211853.tif 000014
【図６】
2010211853.tif 000015
【図７】
2010211853.tif 000016
【図８】
2010211853.tif 000017
【図９】
2010211853.tif 000018
【図１０】
2010211853.tif 000019