(57)【要約】【課題】３種類の光記録媒体に対する書き込み／読み出しを、波長の異なる２種類の光のみを用いて行い、構造の簡略化および低コスト化を可能にする。【解決手段】回折素子１が、内周部分に、第１の波長の光ビーム１９ｂを回折して複数の回折光に分割し、そのうちの１つを、対物レンズ１３を介して、第１の光記録媒体２ｃの適切な深さ位置に集光させ、他の１つを、対物レンズ１３を介して、第２の光記録媒体２ｂの適切な深さ位置に集光させることができ、第２の波長の光ビーム１９ａを全透過させ、対物レンズ１３を介して、第３の光記録媒体２ａの適切な深さ位置に集光させることができる第１の領域１ａを有する。その外側には、第１の波長の光ビーム１９ｂを回折して、その回折光を、対物レンズ１３を介して、第２の光記録媒体２ｂの適切な深さ位置に集光させることができる第２の領域１ｂを有している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に回折構造を有する回折素子において、
前記回折構造の少なくとも一部は、第１の波長の光ビームを回折して複数の回折光に分割し、前記複数の回折光のうちの１つを、対物レンズを介して、第１の光記録媒体の、該第１の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができ、かつ、前記複数の回折光のうちの他の１つを、前記対物レンズを介して、第２の光記録媒体の、該第２の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができるとともに、第２の波長の光ビームを全透過させ、前記対物レンズを介して、第３の光記録媒体の、該第３の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができる回折領域である
ことを特徴とする回折素子。
【請求項２】
内周部分に、前記回折領域である第１の領域を有し、
前記第１の領域の外側に、前記第１の波長の光ビームを回折して、その回折光のうちの１つを、対物レンズを介して、前記第２の光記録媒体の、該第２の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができるもう１つの回折領域である第２の領域を有している
請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
前記第１の領域の外側に、前記第２の波長の光ビームを全透過させ、前記対物レンズを介して、前記第３の光記録媒体の、該第３の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができる第３の領域を有している
請求項２に記載の回折素子。
【請求項４】
前記第１の波長の光ビームを回折して、その１次光を、前記第１の光記録媒体と前記第２の光記録媒体のうちのいずれか一方の記録および／または再生に用い、２次光を、前記第１の光記録媒体と前記第２の光記録媒体のうちの他方の記録および／または再生に用いる
請求項１に記載の回折素子。
【請求項５】
前記第１の波長の光ビームを出射する第１の光源、および前記第２の波長の光ビームを出射する第２の光源と、
前記対物レンズと、
前記第１および第２の光源と前記対物レンズとの間に配置された、請求項１から４のいずれか１項に記載の回折素子と、
を有する光ピックアップ。
【請求項６】
請求項５に記載の光ピックアップを有し、
前記第１の記録媒体、前記第２の記録媒体、および前記第３の記録媒体に対して、前記第１および第２の光源から、前記回折素子および前記対物レンズを介して光を照射可能である、光学記録および再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収差補正用の回折素子と、それを有する光ピックアップと光学記録および再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＢＤ（Blu-ray Disc（商標）：ブルーレイディスク）等の光記録媒体に対する記録の書き込みや、それらの光記録媒体からの記録の読み出しを行う際には、それぞれの光記録媒体に対応する波長の光が照射される。光記録媒体の種類ごとに、照射すべき光の波長と、光記録媒体の表面から信号面までの距離（光記録媒体の表面から光を集光させるべき位置までの深さ）が、それぞれ異なる。すなわち、３種類の光記録媒体の記録の書き込みおよび／または読み出しを行う場合には、３つの光源（３つの発光領域）から出射された波長の異なる３つの光を、それぞれ異なる位置に集光させる。単一の光ピックアップを用いて、前記したような３種類の光記録媒体の記録の書き込みおよび／または読み出しを行う場合には、各集光位置にそれぞれ個別に収差（球面収差）が発生するので、それらの収差を個別に補正することが望まれる。
【０００３】
特許文献１，２に記載の発明では、対物レンズまたは対物レンズと組み合わせて用いられる回折素子の一方の光学面上に、階段形状の第１位相変調手段が設けられ、この対物レンズまたは回折素子の他方の光学面上に、階段形状の第２位相変調手段が設けられている。従って、引用文献１，２の構成では、ある１つの光記録媒体（例えばＣＤ）に対する記録の書き込みおよび／または読み出しを行う際には、光源から放射された光のうちの特定の波長（７８０ｎｍ）に関して第１位相変調手段によって回折光を適度なレンズパワーにて発散光にすることにより球面収差の補正を行った上で、その光記録媒体の信号面（表面から約１．２ｍｍの深さ位置）に集光させる。他の光記録媒体（例えばＤＶＤ）に対する記録の書き込みおよび／または読み出しを行う際には、光源から放射された光のうちの他の１つの波長（６６０ｎｍ）に関して第２位相変調手段によって、前記した波長７８０ｎｍの場合と同様の回折効果により球面収差の補正を行った上で、その光記録媒体の信号面（表面から約０．６ｍｍの深さ位置）に集光させる。このようにして、種類の異なる光学記録媒体のそれぞれに適した光の照射が行える。
【０００４】
また、特許文献３に記載の発明では、光源と対物レンズの間に収差補正手段が配置されており、この収差補正手段の一方の面に、階段形状の位相変調手段（回折面）が形成されている。この位相変調手段の段差を利用することによって、３種類の光学記録媒体のそれぞれに適した波長の光をそれぞれの信号面に照射することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３８５８５号公報
【特許文献２】特許３９６６３０３号公報
【特許文献３】特開２００７−２９４０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に記載の発明では、対物レンズまたは回折素子の両面にそれぞれ独立した回折構造が形成されている。従って、光は２つの回折構造を必ず通過することになり、光透過率の低下が避けられない。さらに、対物レンズまたは回折素子の板厚を挟んで両面に形成された回折構造同士の偏心が生じ易いため、光ビームの品質低下を招く可能性がある。また、光が両回折構造からそれぞれ位相差を付与されると、所定の集光位置における良好な収差補正ができなくなるため、引用文献１，２では、両回折構造は、一方の回折構造によって位相差を付与される波長の光に対して、他方の回折構造から位相差を付与することがないように設計されている。すなわち、それぞれの回折構造は、光記録媒体の種類に応じた波長の光の所定の集光位置における収差補正を実現させることのみならず、他の波長の光に対して影響を及ぼさないようにすることも目的として設計される。従って、その設計は非常に煩雑なものになる。
【０００７】
また、特許文献１〜３のいずれにおいても、波長の異なる３種類の光ビームを用いるために、３つの光源（３つの発光領域）が必要である。特許文献３に記載の発明において、波長の異なる３種類の光を用いて３種類の光記録媒体にそれぞれビームスポットを結像させる際の光路図が、図７（ａ）〜７（ｃ）に示されている。この発明では、図７（ａ）に示すように、ＢＤ２２ａを用いる場合には、回折素子２１が、図示しないコリメータレンズで平行光にされたＢＤ用の波長４０５ｎｍの光２４ａをそのまま通過させ、対物レンズ２３によって、ＢＤ２２ａの信号面２２ａ’（表面から約０．１ｍｍの深さ位置）に集光させる。図７（ｂ）に示すように、ＤＶＤ２２ｂを用いる場合には、コリメータレンズで平行光にされたＤＶＤ用の波長６６０ｎｍの光２４ｂを、回折素子２１によって異なるパワーに発散させ、対物レンズ２３によって、ＤＶＤ２２ｂの信号面２２ｂ’（表面から約０．６ｍｍの深さ位置）に集光させる。そして、図７（ｃ）に示すように、ＣＤ２２ｃを用いる場合には、コリメータレンズで平行光にされたＣＤ用の波長７８０ｎｍの光２４ｃを、回折素子によって異なるパワーに発散させ、対物レンズ２３によって、ＣＤの信号面２２ｃ’（表面から約１．２ｍｍの深さ位置、すなわちＣＤ２２ｃの裏面に一致する位置）に集光させる。こうして、３種類の光記録媒体２２ａ〜２２ｃに対して、それぞれ球面収差の小さい良好なビームスポットを得ることができる。しかしながら、単一の光ピックアップにおいて、出射する光ビームの波長が異なる３種類の光源（３つの発光領域）を用意する場合には、必然的に、波長の異なる３種類の光２４ａ〜２４ｃの光路を確保する必要があるため、光学系が複雑になる。また、光学部品を共有化して部品点数の低減を図ったとしても、光軸調整などの工程が煩雑になり、さほどの低コスト化は期待できない。さらに、３つの波長の光２４ａ〜２４ｃに対応させるために、回折素子２１の設計に制約が生じ、特許文献３の図２，３等に示すように、回折パターンを構成する溝の深さをかなり大きく設計せざるを得ず、製造が困難になってしまう。
【０００８】
このように、特許文献３の構成では、波長の異なる３種類の光２４ａ〜２４ｃが通過する回折素子２１の一方の面に構成された回折構造のみによって、３つの波長の光２４ａ〜２４ｃの全てに関してそれぞれ適切な透過率や回折効率を得るために、回折パターンの構造が複雑になるとともに、製造の歩留まりが悪くなり、また設計の自由度が著しく制限されてしまい、必然的に製造コストを増大させてしまう。
【０００９】
そこで本発明の目的は、３種類の光記録媒体に対する記録の書き込み／読み出しを、波長の異なる２種類の光のみを用いて行うことができ、構造の簡略化および低コスト化が可能な回折素子、光ピックアップ、および光学記録および再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一方の面に回折構造を有する回折素子において、回折構造の少なくとも一部は、第１の波長の光ビームを回折して複数の回折光に分割し、複数の回折光のうちの１つを、対物レンズを介して、第１の光記録媒体の、該第１の光記録媒体に適した深さ位置（第１の記録媒体の信号面）に集光させることができ、かつ、複数の回折光のうちの他の１つを、対物レンズを介して、第２の光記録媒体の、該第２の光記録媒体に適した深さ位置（第２の記録媒体の信号面）に集光させることができるとともに、第２の波長の光ビームを全透過させ、対物レンズを介して、第３の光記録媒体の、該第３の光記録媒体に適した深さ位置（第３の記録媒体の信号面）に集光させることができる回折領域であることを特徴とする。
【００１１】
内周部分に、前記した回折領域である第１の領域を有し、第１の領域の外側に、第１の波長の光ビームを回折して、その回折光のうちの１つを、対物レンズを介して、第２の光記録媒体の、該第２の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができるもう１つの回折領域である第２の領域を有していることが好ましい。
【００１２】
さらに、第１の領域の外側に、第２の波長の光ビームを全透過させ、対物レンズを介して、第３の光記録媒体の、該第３の光記録媒体に適した深さ位置に集光させることができる第３の領域を有していることがより好ましい。
【００１３】
第１の波長の光ビームを回折して、その１次光を、第１の光記録媒体と第２の光記録媒体のうちのいずれか一方の記録および／または再生に用い、２次光を、第１の光記録媒体と第２の光記録媒体のうちの他方の記録および／または再生に用いてもよい。
【００１４】
本発明の光ピックアップは、第１の波長の光ビームを出射する第１の光源、および第２の波長の光ビームを出射する第２の光源と、対物レンズと、第１および第２の光源と対物レンズとの間に配置された、前記したいずれかの構成の回折素子とを有する。
【００１５】
本発明の光学記録および再生装置は、前記した構成の光ピックアップを有し、第１の記録媒体、第２の記録媒体、および第３の記録媒体に対して、第１および第２の光源から、回折素子および対物レンズを介して光を照射可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の回折素子によると、異なる波長を有する２種類の光を用いて、３種類の光記録媒体のそれぞれの信号面にいずれかの光を精度良く集光させて、良好な書き込み／読み出しを行うことができる。それによって、従来に比べて構造の簡略化が図れ、その結果、必要な光源の数の減少により低コスト化が可能であるとともに、製造工程の簡略化に伴う歩留まり向上と製造コストの削減が可能である。
【００１７】
また、回折素子に２つの回折領域（第１および第２の領域）を設け、特定の種類の光記録媒体に対しては２つの回折領域の回折光を併用する構成にする場合には、クロストークを抑制してより良好な書き込み／読み出しを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の回折素子の平面図である。
【図２】図１に示す回折素子の回折構造の一部を示す拡大図である。
【図３】（ａ）は図１に示す回折素子と対物レンズを通る光がＢＤの信号面に集光する状態を示す模式図、（ｂ）は図１に示す回折素子と対物レンズを通る光がＤＶＤの信号面に集光する状態と、ＣＤの信号面に集光する状態とを示す模式図である。
【図４】（ａ）は図１に示す回折素子の第１の領域の光強度が１の場合のビームスポットの強度分布を示すグラフ、（ｂ）は第１の領域の光強度が０の場合のビームスポットの強度分布を示すグラフ、（ｃ）は第１の領域の光強度が０．２の場合のビームスポットの強度分布を示すグラフ、（ｄ）は第１の領域の光強度が０．３の場合のビームスポットの強度分布を示すグラフである。
【図５】図１に示す回折素子の第１の領域の光強度と、サイドローブの光強度との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す回折素子を含む、本発明の一実施形態の光学記録および再生装置を示す模式図である。
【図７】（ａ）は従来の回折素子と対物レンズを通る光がＢＤの信号面に集光する状態を示す模式図、（ｂ）は従来の回折素子と対物レンズを通る光がＤＶＤの信号面に集光する状態を示す模式図、（ｃ）は従来の回折素子と対物レンズを通る光がＣＤの信号面に集光する状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１に本発明の回折素子１の概略平面図が示され、図２にその回折素子１の一方の面に形成された回折構造が示されている。本実施形態の回折素子１は、半径１．５ｍｍの円形の平面形状を有するレンズ状であり、その内周部に位置する回折領域である第１の領域１ａ（中心から半径０．７１７ｍｍ以下の範囲）は、ＣＤ（第１の光記録媒体）２ｃの書き込み／読み出しのためのビームスポットの生成と、ＤＶＤ（第２の光記録媒体）２ｂの書き込み／読み出しのためのビームスポットの生成とに寄与する。具体的には、第１の領域１ａには、一様な高さの段差が、平面的に見て（収差補正手段の面方向に見て）単一のピッチで配置された階段状のパターンを有する回折構造が形成されている。なお、回折レンズによって通常の凹凸レンズと同様の集束および発散の特性を達成するためには、その回折構造のピッチは、図２に示すように厳密には内周から外周にかけて徐々に狭くなるような特定の規則に基づいた変化率を持たせる必要があるが、このように特定の規則に基づいて変化する場合も含めて、本明細書中では「単一のピッチ」と称する。
【００２１】
第１の領域１ａの階段状のパターンは、同じ高さの３段の段差が繰り返し配置されたパターンであり、この階段状のパターンの１段の高さは７９０ｎｍである。この階段状のパターンは、ＢＤ（第３の光記録媒体）２ａの書き込み／読み出しに適した波長４０５ｎｍの青色レーザ光１９ａを、図３（ａ）に示すようにほぼ平行光のまま全透過させるが、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに適した波長６６０ｎｍの赤色レーザ光１９ｂを、図３（ｂ）に示すように２種類の発散角に分離して透過させる。この第１の領域１ａの最外周部分（中心から半径０．７１７ｍｍの部分）における−１次光の発散角度は約１．８６度であり、これはＤＶＤ用のビームスポットの結像に適した（球面収差が３０ｍλ以下になる）レンズパワーに相当する。一方、第１の領域１ａの最外周部分における−２次光の発散角度は約３．７３度（−１次光の約２倍）であり、これはＣＤ用のビームスポットの結像に適した（球面収差が３０ｍλ以下になる）レンズパワーに相当する。ここで、スカラ回折理論による概略の回折効率はそれぞれ２６％と２２％であり、これらの光量比にしたがって各次数の回折光に分割されて、２種類のビームスポットを形成することができる。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、本実施形態の回折素子１の第１の領域１ａは、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍの赤外レーザ光１９ｂを−１次光と−２次光に回折し、そのうちの−１次光を対物レンズ１３によってＤＶＤ２ｂの信号面２ｂ’（ＤＶＤ２ｂに適した、表面から約０．６ｍｍの深さ位置）に集光させる。この−１次光が、ＤＶＤ２ｂの良好な書き込み／読み出しに寄与する。一方、第１の領域１ａは、−２次光を対物レンズによってＣＤ２ｃの信号面２ｃ’（ＣＤ２ｃに適した、表面から約１．２ｍｍの深さ位置、すなわちＣＤ２ｃの裏面に一致する位置）に集光させる。この−２次光が、ＣＤ２ｃの良好な書き込み／読み出しに寄与する。こうして、１種類の光（波長６６０ｎｍの赤外レーザ光）１９ｂを用いて、本発明の回折構造の第１領域１ａで回折することにより、ＤＶＤ用とＣＤ用の２種類のビームスポットを形成でき、ＤＶＤ２ｂの良好な書き込み／読み出しとＣＤ２ｃの良好な書き込み／読み出しとに寄与することができる。さらに、第１の領域１ａはＢＤ用の青色レーザ光１９ａを全透過させ、対物レンズ１３によってＢＤ２ａの信号面２ａ’（ＢＤ２ａに適した、表面から約０．１ｍｍの深さ位置）に集光させる。この透過光が、ＢＤ２ａの良好な書き込み／読み出しに寄与する。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態の回折構造の第１の領域１ａは、１種類の光１９ｂを回折させて２種類の光記録媒体（ＤＶＤ、ＣＤ）２ｂ，２ｃに対する良好な書き込み／読み出しができるビームスポットの結像に寄与する。その結果、２種類の光１９ａ，１９ｂを用いて３種類の光記録媒体（ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ）２ａ〜２ｃに対する良好な書き込み／読み出しを可能にするためのビームスポットの結像に寄与するという、従来にはない優れた効果が得られる。
【００２４】
なお、図面上ではあまり明確に示されていないが、実際には、図３（ａ）〜（ｂ）に示されている本実施形態の回折構造１のピッチや段差は、図７（ａ）〜（ｃ）に示されている従来の回折構造のピッチや段差とは異なっており、前記したように各光記録媒体の良好な書き込み／読み出しに寄与する回折光を生成するために適しているとともに、より成形しやすい形状および大きさになっている。
【００２５】
以上の説明では、回折素子１の内周部に位置する第１の領域１ａ（中心から半径０．７１７ｍｍ以下の範囲）による、ＤＶＤ２ｂ、ＣＤ２ｃ、ＢＤ２ａの書き込み／読み出しを行うためのビームスポットの結像作用について述べたが、図１に示す回折素子１の、第１の領域１ａの外側に位置するもう１つの回折領域である第２の領域１ｂ（中心から半径０．７１７ｍｍ〜１．１９７ｍｍの範囲）もまた、ＤＶＤ２ｂおよびＢＤ２ａの良好な書き込み／読み出しのためのビームスポットの生成に寄与する。
【００２６】
具体的には、図２に示すように、第２の領域１ｂの階段状のパターンは、同じ高さの４段の段差が、第１の領域の階段状のパターンを引き継ぐピッチで繰り返し配置されたパターンであり、この階段状のパターンの１段の高さは、第１の領域１ａの段差の高さよりも大きい１５４０ｎｍである。この階段状のパターンは、ＢＤ（第３の光記録媒体）２ａの書き込み／読み出しに適した波長４０５ｎｍの青色レーザ光１９ａを、図３（ａ）に示すようにほぼ平行光のまま全透過させるが、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに適した波長６６０ｎｍの赤色レーザ光１９ｂを、図３（ｂ）に示すように回折させる。この第２の領域１ｂの最外周部分（中心から半径１．１９７ｍｍの部分）における＋１次光の発散角度は約３．１２度であり、これはＤＶＤ用のビームスポットの結像のみに寄与する。第２の領域１ｂの＋２次光の回折効率は低く、＋１次光の回折効率は高くなっている。例えば、第２の領域１ｂの＋２次光の回折効率は１．９％であり、この＋２次光の回折光は十分に弱いため、ＣＤ２ｃの書き込み／読み出し用のビームスポットの結像に寄与しない。一方、第２の領域１ｂの＋１次光の回折効率は６３．７４％であり、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出し用のビームスポットの結像に寄与する。なお、同じ向きに回折される回折光の次数に関して、第１の領域１ａ（−１次光など）と第２の領域１ｂ（＋１次光など）とで異なる符号を付与している理由は、図２に示すように、２つの領域１ａ，１ｂの階段状パターンの段差の向きが逆になっているからである。
【００２７】
従って、前記したように第１の領域１ａの−２次光を利用してＣＤ２ｃの良好な書き込み／読み出しを行うことができるのに加えて、第１の領域１ａの−１次光と第２の領域１ｂの＋１次光とを併用することによってＤＶＤ２ｂの良好な書き込み／読み出しを行うことができる。ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しは、第２の領域１ｂの＋１次光のみを用いて行い、第１の領域１ａの−１次光を用いないことも考えられるが、超解像効果によって発生するビームスポット周辺のサイドローブ光の強度を低減するために、第２の領域１ｂの＋１次光のみでなく第１の領域１ａの−１次光も用いることが好ましい。この点について以下に説明する。
【００２８】
本実施形態で用いられる回折素子１は、アモルファスポリオレフィン系高分子材料やポリメチルメタアクリレート系高分子材料など光学特性に優れた材質からなるのが望ましく、例えば、ＢＤ用の波長４０５ｎｍの光１９ａに対する屈折率が１．５２５であり、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍの光１９ｂに対する屈折率が１．５０７である材質からなる。そして、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに適したビームスポット径を達成するために必要な、波長６６０ｎｍの光１９ｂに関する開口数ＮＡが０．６０〜０．６５であることは従来から知られており、ＣＤ２ｃの書き込み／読み出しに適したビームスポット径を達成するために必要な光１９ｂに関する開口数ＮＡは、波長６６０ｎｍの光の場合には０．３８であることが、今回の発明に伴う計算により明らかになった。
【００２９】
ここで、第１の領域１ａを通る光の光強度を変化させた場合の、ビームスポットの強度分布を、スカラ回折理論を用いて算出した結果を図４（ａ）〜４（ｄ）に示す。なお、この第１の領域１ａを通過する波長６６０ｎｍの光１９ｂの−２次光が対物レンズ１３を通して結像する時の開口数ＮＡは０．３８以下であり、第２の領域１ｂを通過する波長６６０ｎｍの光１９ｂの＋１次光が対物レンズ１３を通して結像する時の開口数ＮＡは０．６以下である。前者の光（第１の領域１ａの−２次光）はＣＤ２ｃの書き込み／読み出しに適した径のビームスポットを形成し、後者の光（第２の領域１ｂの＋１次光）はＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに適した径のビームスポットを形成する。ここでは、第１の領域１ａの中心部分を通る光の光強度を、０〜１の範囲で規格化した値として示している。
【００３０】
図４（ａ）は、第１の領域１ａの光強度を１とした場合、すなわち、第１の領域１ａを通る光をすべて、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに利用するために信号面２ｂ’に結像させた場合のビームスポットの強度分布を示している。この光強度は、ビームスポットの中心の光強度を１として規格化した値である。図４（ａ）に示すように第１の領域１ａの光強度を１とした場合には、超解像効果を生じず、従来のＤＶＤの規格条件において得られるビームスポットとほぼ同等の結果が得られている。
【００３１】
これに対して、図４（ｂ）は、第１の領域１ａの光強度を０とした場合、すなわち、第１の領域１ａを通る光をＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに全く利用せず（ＤＶＤ２ｂの信号面２ｂ’に結像させず）、円環状の第２の領域１ｂを通る光のみを、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しに利用するために信号面２ｂ’に結像させた場合のビームスポットの強度分布を示す。図４（ｂ）を図４（ａ）と対比するとわかるように、この場合には、超解像効果によって光ビームがより小さく絞られ、理論限界値を超えた小さなスポット径を達成することが可能になる。しかしながら、光ビームの中心部分の周囲の円環部分（サイドローブ）、特に中心からの距離ξが±０．８μｍ前後の部分の光強度は、図４（ｂ）に示す第１の領域１ａの光強度が０の場合の方が、図４（ａ）に示す第１の領域１ａの光強度が１の場合に比べて高い。これは、ＤＶＤ２ｂの再生時に隣接トラックからのクロストークを引き起こす原因になる。従って、サイドローブの光強度を、クロストークを生じさせない程度にまで抑える必要がある。
【００３２】
図４（ｃ）と図４（ｄ）には、第１の領域１ａの光強度をそれぞれ０．２と０．３に設定した場合のビームスポットの強度分布を示している。図４（ａ）〜４（ｄ）を見るとわかるように、内周部の第１の領域１ａの光強度の増大に伴って、サイドローブの光強度が減少する傾向がある。この傾向を踏まえつつ、ＤＶＤ再生時のＲＦ（Radio Frequency）信号の品質を検証した上で、第１の領域１ａの光強度は、クロストークが十分に小さいレベルになるような値に設定する必要がある。
【００３３】
図５は、第１の領域１ａを通る光の光強度（規格化値）と、サイドローブにおける光強度（規格化値）との関係を示している。さらに、表１には、これらの関係に加えて、サイドローブに起因して生じる、ＤＶＤ再生時の隣接トラックからのクロストークのレベルを、本トラックの再生信号レベルの比として表したシミュレーション結果を示している。このシミュレーションは、ＤＶＤ、厳密にはＤＶＤ−ＲＯＭの再生すべきトラックに沿って図４（ａ）〜（ｄ）に示すようなビームスポットをトレースした場合に得られる信号出力と、この際に、周波数の異なる信号が記録された隣接トラックからの信号出力の漏れの成分の出力とを比較し、その比率を計算したものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
図５および表１を見ると、前記したように、第１の領域１ａの光強度の増大に伴って、サイドローブの光強度が低下し、さらに、それに伴ってクロストークのレベルも小さくなることがわかる。光学記録および再生装置においては、実用上、クロストークのレベルを−２０ｄＢ以下、望ましくは−３０ｄＢ以下に抑える。これを達成するためには、サイドローブの光強度を約０．０４以下、望ましくは約０．０２５以下にする。そのために、第１の領域１ａの光強度を０．４以上、望ましくは０．６以上になるように設定する。このことは、第２の領域１ｂの＋１次光のみを利用するのではなく、第２の領域１ｂの＋１次光と第１の領域１ａの−１次光とを併用してＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しを行うことが、超解像効果によって発生するサイドローブの光強度を低減してクロストークを低減するために有効であることを意味する。
【００３６】
なお、光記録媒体の高精度の書き込み／読み出しを行うためには、信号面に結像するビームスポットの径を光記録媒体（光記録ディスク）のピットサイズに合わせた大きさに絞り込むことが必要であり、そのためには、光ビームが通過する光学系の開口数ＮＡを各光記録媒体に応じて適宜に設定する必要がある。そして、対物レンズ１３の、光ビームが通過する領域の面積が大きいほど、開口数ＮＡが大きい。そうすると、第１の領域１ａを通過する光のみを利用してＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しを行うよりも、第１の領域１ａと第２の領域１ｂとを合わせた広い面積を通過する光を利用してＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しを行った方が、開口数ＮＡを大きく取れるため、ビームスポットの径をＤＶＤの仕様規格に相当するまで小さくすることができ、その結果、高精度の書き込み／読み出しが可能になる。従って、第１の領域１ａの−１次光のみならず、第２の領域１ｂの＋１次光も利用してＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しを行うことが好ましい。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の回折素子１の第１の領域１ａと第２の領域１ｂとを利用して、１種類の光（波長６６０ｎｍの光）１９ｂを回折格子１に入射させることによって、ＤＶＤ２ｂとＣＤ２ｃという２種類の光記録媒体の書き込み／読み出しが良好に行える。さらに、ＢＤ２ａの書き込み／読み出しに適した波長４０５ｎｍの光１９ａは、回折素子１を全透過して、対物レンズ１３を介して信号面２ａ’（表面から約０．１ｍｍの深さ位置）に集光するので、ＢＤ２ａの良好な書き込み／読み出しが行える。なお、ＢＤの書き込み／読み出しのための波長４０５ｎｍの光は、第１の領域１ａおよび第２の領域１ｂに加えて第３の領域１ｃを全透過する。図１，２に示されている段差の無い平らな面である第３の領域１ｃは、波長４０５ｎｍの光１９ａを含めてあらゆる光を回折せず透過させる。従って、この構成の場合、回折素子１の全領域（第１〜３の領域１ａ〜１ｃの全て）を通る光を利用して、ＢＤ２ａの良好な書き込み／読み出しを行うことができる。前記したように、光ビームが通過する領域の面積が大きいほど開口数ＮＡを大きくとれるため、回折素子１の全領域（第１〜３の領域１ａ〜１ｃの全て）を通る光を利用することによって、開口数ＮＡを大きくしてビームスポットの径をＢＤの仕様規格に相当するまで小さくすることができ、高精度の書き込み／読み出しができる。このように、ＢＤ２ａの書き込み／読み出しを行う際には、回折素子１の全領域（第１〜３の領域１ａ〜１ｃの全て）を通る光を利用することが好ましい。
【００３８】
なお、波長６６０ｎｍの光は、第３の領域１ｃを透過した後に対物レンズ１３により屈折させられるが、ＣＤ２ｃやＤＶＤ２ｂのトラック位置とは別の位置に集光されるため、この第３の領域１ｃを通る光は、ＤＶＤ２ｂの書き込み／読み出しには寄与しない。
【００３９】
本実施形態の回折素子１によると、２種類の光源、すなわち波長４０５ｎｍの青色レーザ光１９ａを出射する光源と、波長６６０ｎｍの赤色レーザ光１９ｂを出射する光源とを用いて、３種類の光記録媒体（ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ）２ａ〜２ｃの書き込み／読み出しを良好に行うことができる。これは、本発明の回折素子１によると、波長６６０ｎｍの光を用いて、ＤＶＤ２ｂの信号面２ｂ’に集光するビームスポットと、ＣＤ２ｃの信号面２ｃ’に集光するビームスポットの両方を形成することが可能だからである。
【００４０】
なお、各ビームスポットの球面収差は、各光記録媒体の保護層厚さに応じて実用可能なレベルにまで低減できるように、回折素子１のパワーが設定されている。また、後述するが、本実施形態では光ピックアップヘッド１２に搭載されている液晶素子１７によって球面収差を補正することも可能である。
【００４１】
次に、本発明の回折格子１を有する光ピックアップを含む光学記録および再生装置の全体的な構成について説明する。図６に示すように、この光学記録および再生装置は、光記録媒体２に情報の記録または再生を行うための光ピックアップヘッド１２と、光記録媒体２としてＢＤ２ａ、ＤＶＤ２ｂ、ＣＤ２ｃを保持して回転させることができる媒体保持機構１８を有している。
【００４２】
光ピックアップヘッド１２は、光ビームを出射する光源として２つの半導体レーザ３，４を有している。半導体レーザ３は、ＤＶＤに対する書き込み／読み出しを行うための波長６６０ｎｍの赤色レーザビーム（第１の光ビーム）１９ｂを発光するものであり、半導体レーザ４は、ＢＤに対する書き込み／読み出しを行うための波長４０５ｎｍの青色レーザビーム（第２の光ビーム）１９ａを発光するものである。なお、複数の発光領域を有する特殊な光源（半導体レーザ）を用いる必要はない。
【００４３】
半導体レーザ３と半導体レーザ４とは、半導体レーザ３から出射された第１の光ビーム１９ｂの光軸と、半導体レーザ４から出射された第２の光ビーム１９ａの光軸とが互いに直交するように配置されている。
【００４４】
半導体レーザ３の光出射部に対向する位置に、回折格子５が配置されている。この回折格子５の片面には、図示しないが、半導体レーザ３から出射された第１の光ビーム１９ｂを３本の光ビーム（０次の主ビームと±１次の副ビーム）に分割するために最適化された回折格子パターンが形成されている。すなわち、回折格子５は、光記録媒体２の信号面（情報記録面）において、主ビームの集光位置を中心としてトラック方向に所定距離だけ隔てて対称な位置に±１次の副ビームがそれぞれ集光されるように、半導体レーザ３から出射された第１の光ビームを分割する。
【００４５】
また、半導体レーザ４の光出射部に対向する位置にも、回折格子６が配置されている。この回折格子６の片面には、図示しないが、半導体レーザ４から出射された、第２の光ビーム１９ａを３本の光ビーム（０次の主ビームと±１次の副ビーム）に分割するために最適化された回折格子パターンが形成されている。すなわち、回折格子６は、光記録媒体２の信号面（情報記録面）において、主ビームの集光位置を中心としてトラック方向に所定距離だけ隔てて対称な位置に±１次の副ビームがそれぞれ集光されるように、半導体レーザ４から出射された第２の光ビーム１９ａを分割する。
【００４６】
回折格子５の下流側かつ回折格子６の下流側の位置、すなわち、半導体レーザ３から出射されて回折格子５を透過した第１の光ビーム１９ｂと、半導体レーザ４から出射されて回折格子６を透過した第２の光ビーム１９ａが互いに直角に交わる位置に、ダイクロイックプリズム７が配置されている。ダイクロイックプリズム７は、略立方体形状であり、第１の光ビーム１９ｂをほぼ全透過し、第２の光ビーム１９ａをほぼ全反射する。
【００４７】
ダイクロイックプリズム７の回折格子５と対向する面と反対側には、偏光ビームスプリッタ８が配置されている。偏光ビームスプリッタ８は、ダイクロイックプリズム７からの光ビーム（往路光ビーム）の９０％程度を反射して、後述する立ち上げミラー１１に入射させるとともに、残りの１０％程度を透過させて、後述するフロントモニタ用光検出器１４に入射させる。また、偏光ビームスプリッタ８は、立ち上げミラー１１からの戻り光（復路光ビーム）を透過させて、後述するアナモフィックレンズ１５に入射させる。
【００４８】
偏光ビームスプリッタ８のアナモフィックレンズ１５と対向する面と反対側には、立ち上げミラー１１が配置されている。立ち上げミラー１１は、偏光ビームスプリッタ８からの光ビームを反射して光路を折り曲げて光記録媒体２へ向かう方向に立ち上げ、後述するコリメータレンズ９に入射させる。一方、立ち上げミラー１１は、コリメータレンズ９からの光ビームを反射して光路を折り曲げて偏光ビームスプリッタ８に入射させる。
【００４９】
立ち上げミラー１１による反射光の光路上に、コリメータレンズ９、液晶素子１７、４分の１波長板１０、前記した本発明の回折素子１、および対物レンズ１３が順番に配置されている。なお、実際には、コリメータレンズ９、液晶素子１７、４分の１波長板１０、回折素子１、および対物レンズ１３は、図６の紙面に垂直な方向に重なるように配置されている。コリメータレンズ９は、立ち上げミラー１１からの光ビームを平行光線束に変換する。コリメータレンズ９の駆動装置９ａは、球面収差量を調整するために、モータにより光軸方向にコリメータレンズ９を駆動する。
【００５０】
液晶素子１７は、球面収差、非点収差、およびコマ収差などの収差を補正するためのものである。
【００５１】
４分の１波長板１０は、立ち上げミラー１１からの主ビームおよび±１次の副ビーム（以下、これらを総称して「往路光ビーム」という。）を直線偏光から円偏光に変換するとともに、対物レンズユニット１３からの光ビームを円偏光から、往路光ビームの偏光方位と直交する方向の直線偏光に変換する。
【００５２】
対物レンズ１３は、４分の１波長板１０からの平行光線束を光記録媒体２の信号面（情報記録面）に集光するとともに、光記録媒体２からの反射光を平行光線束に変換する。この対物レンズ１３に近接して回折素子１が設けられている。
【００５３】
回折素子１は、一方の面に、前記した構成および機能を有する球面収差補正用の回折構造（図１，２参照）を有している。対物レンズ１３と回折素子１は一体的に、図示しないアクチュエータによって、光記録媒体２に垂直な方向にその光記録媒体２に対して近づいたり遠ざかったりすることができる。
【００５４】
また、ダイクロイックプリズム７から偏光ビームスプリッタ８に向かう直線の先には、フロントモニタ用光検出器１４が配置されている。フロントモニタ用光検出器１４は、半導体レーザ３，４から出射された第１および第２の光ビーム１９ａ，１９ｂの光強度を計測する。このフロントモニタ用光検出器１４の出力に基づいて半導体レーザ３，４の出力が調整される。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ８から見て立ち上げミラー１１の反対側、すなわち立ち上げミラー１１から偏光ビームスプリッタ８へ向かう直線の先には、アナモフィックレンズ１５と受光素子１６が順番に配置されている。アナモフィックレンズ１５は、偏光ビームスプリッタ８からの光ビームに、焦点ずれ誤差検出のための非点収差を与え、受光素子１６上に結像させる。受光素子１６は、受光した各光ビームを、分割された各受光領域（図示せず）においてそれぞれ独立して光電変換して電気信号を出力する。
【００５６】
このような構成の光学記録および再生装置において、媒体保持機構１８に保持されて回転させられる光記録媒体２に対する記録の書き込み／読み出しのために光を照射する方法について説明する。
【００５７】
光記録媒体２としてＤＶＤ２ｂを用いる場合には、半導体レーザ３から波長６６０ｎｍの第１の光ビーム（赤色レーザビーム）１９ｂを出射する。そして、この第１の光ビーム１９ｂは、回折格子５によって３本の光ビーム（０次の主ビームと±１次の副ビーム）に分割され、それらの３本の光ビーム（往路光ビーム）が、ダイクロイックプリズム７を透過して偏光ビームスプリッタ８に入射する。偏光ビームスプリッタ８に入射した往路光ビームは、その９０％程度が反射されて立ち上げミラー１１に入射し、立ち上げミラー１１によってさらに反射されて、コリメータレンズ９に入射して平行光線束に変換される。こうして、平行光線にされた往路光ビームは、液晶素子１７によってコマ収差等が補正され、４分の１波長板１０によって円偏光に変換された後に、本発明の回折素子１に入射する。回折素子１は、前記したように第１の領域１ａにて往路光ビームをさらに回折して−１次光と−２次光を得るとともに、第２の領域１ｂにて回折して＋１次光を得る。そして、対物レンズ１３が、回折素子１の第１の領域１ａによる回折光のうちの−１次光と、第２の領域１ｂによる回折光である＋１次光とを合わせて、光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）の信号面２ｂ’、具体的には光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）の表面から約０．６ｍｍの深さの位置に精度良く集光させる。回折素子１の回折構造は、この集光と同時に球面収差を良好に補正するように予め設計されている。なお、回折格子５によって分割された３本の光ビームのそれぞれについて、回折素子１の第１の領域１ａの−１次光および第２の領域の＋１次光を合わせて光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）の信号面２ｂ’に集光させる。従って、３本の光ビームを用いて光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）の高精度の書き込み／読み出しを行うことができる。
【００５８】
このようにして照射された往路光ビームの、光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）による反射光（以下「復路光ビーム」という）は、対物レンズ１３および回折素子１を透過し、４分の１波長板１０によって直線偏光に変換され、液晶素子１７、コリメータレンズ９、および立ち上げミラー１１を介して偏光ビームスプリッタ８に入射する。さらにこの復路光ビームは、偏光ビームスプリッタ８を透過して、アナモフィックレンズ１５によって、受光素子１６上に結像する。受光素子１６は、受光した各光ビームを、分割された各受光領域（図示せず）においてそれぞれ独立して光電変換して電気信号を出力する。図示しない処理回路によってこれらの電気信号が処理されて、光記録媒体（ＤＶＤ２ｂ）に記録された情報が読み取られる。
【００５９】
光記録媒体２としてＣＤ２ｃを用いる場合にも、半導体レーザ３から波長６６０ｎｍの第１の光ビーム（赤色レーザビーム）１９ｂを出射する。第１の光ビーム１９ｂは、ＤＶＤ２ｂを用いる場合と同様に、回折格子５、ダイクロイックプリズム７、偏光ビームスプリッタ８、立ち上げミラー１１、コリメータレンズ９、液晶素子１７、４分の１波長板１０を透過する。そして、この第１の光ビーム１９ｂは、回折素子１の第１の領域１ａによって回折される。そして、回折素子１の第１の領域１ａによる回折光のうちの−２次光が、対物レンズ１３によって、光記録媒体（ＣＤ２ｃ）の信号面２ｃ’、すなわち表面から約１．２ｍｍの深さの位置に集光させられる。前記したＤＶＤ２ｂを用いる場合と同様に、回折素子１の回折構造は、この集光と同時に球面収差を良好に補正するように予め設計されている。回折格子５によって分割された３本の光ビームのそれぞれの、回折素子１の第１の領域１ａの−２次光を光記録媒体（ＣＤ２ｃ）に集光させるため、３本の光ビームを用いて光記録媒体（ＣＤ２ｃ）の高精度の書き込み／読み出しを行うことができる。
【００６０】
そして、光記録媒体（ＣＤ２ｃ）による反射光（復路光ビーム）は、対物レンズ１３および回折素子１を透過し、４分の１波長板１０、液晶素子１７、コリメータレンズ９、立ち上げミラー１１、偏光ビームスプリッタ８、アナモフィックレンズ１５を介して、受光素子１６上に結像する。そして、受光素子１６および図示しない処理回路によって、光記録媒体（ＣＤ２ｃ）に記録された情報が読み取られる。ＣＤ２ｃを用いる場合は、前記したＤＶＤ２ｂを用いる場合と、回折素子１による回折光のうちの使用される光ビームとそれが集光させられる深さ位置が異なるだけで、それ以外の経緯は全く同じであるので、これ以上の説明は省略する。
【００６１】
次に、光記録媒体２としてＢＤ２ａを用いる場合について説明する。この場合、半導体レーザ４から波長４０５ｎｍの第２の光ビーム（青色レーザビーム）１９ａを出射する。この第２の光ビーム１９ａは、回折格子６によって３本の光ビーム（０次の主ビームと±１次の副ビーム）に分割され、それらの３本の光ビーム（往路光ビーム）が、ダイクロイックプリズム７によって反射されて偏光ビームスプリッタ８に入射する。その後は、ＣＤ２ｃおよびＤＶＤ２ｂを用いる場合と同様に、偏光ビームスプリッタ８、立ち上げミラー１１、コリメータレンズ９、液晶素子１７、４分の１波長板１０を透過する。そして、この第２の光ビーム１９ａは、回折素子１の全領域で回折されずに透過され、対物レンズ１３によって、光記録媒体（ＢＤ２ａ）の信号面２ａ’、すなわち表面から約０．１ｍｍの深さ位置に集光させられる。このとき第２の光ビーム１９ａに球面収差が生じないように、対物レンズ１３が予め設計されている。
【００６２】
そして、光記録媒体（ＢＤ２ａ）による反射光（復路光ビーム）は、対物レンズ１３および回折素子１を透過し、４分の１波長板１０、液晶素子１７、コリメータレンズ９、立ち上げミラー１１、偏光ビームスプリッタ８、アナモフィックレンズ１５を介して、受光素子１６上に結像する。そして、受光素子１６および図示しない処理回路によって、光記録媒体（ＢＤ２ａ）に記録された情報が読み取られる。ＢＤ２ａを用いる場合は、前記したＣＤ２ｃおよびＤＶＤ２ｂを用いる場合と、半導体レーザ４から第２の光ビーム１９ａを出射してダイクロイックプリズム７によってそれを反射する点と、回折素子１を全透過する点のみが異なり、それ以外の経緯は全く同じであるので、これ以上の説明は省略する。
【００６３】
なお、各光記録媒体２の再生において、往路光ビームのうちの一部が、偏光ビームスプリッタ８の上方に位置するフロントモニタ用光検出器１４に入射する。このフロントモニタ用光検出器１４は各光ビームの光強度を計測し、その計測結果に基づいて半導体レーザ３，４の出力が調整される。
【００６４】
このように、前記した本発明の回折素子１を収差補正素子として光ピックアップに採用することにより、２つの光源を用いて、３種類の光記録媒体のそれぞれに適した深さ位置に集光することができ、かつそれぞれの球面収差を補正することができるため、良好な書き込み／読み出しが行える。
【００６５】
以上、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の光学記録および再生装置は、記録と再生の両方を行う光学装置のみならず、記録または再生のいずれか一方のみを行う光学装置も含む。
【符号の説明】
【００６６】
１      回折素子
１ａ    第１の領域（回折領域）
１ｂ    第２の領域（もう１つの回折領域）
１ｃ    第３の領域
２      光記録媒体
２ａ    ＢＤ（第３の光記録媒体）
２ｂ    ＤＶＤ（第２の光記録媒体）
２ｃ    ＣＤ（第１の光記録媒体）
３，４  半導体レーザ
５，６  回折格子
７      ダイクロイックプリズム
８      偏光ビームスプリッタ
９      コリメータレンズ
９ａ    駆動装置
１０    ４分の１波長板
１１    立ち上げミラー
１２    光ピックアップヘッド
１３    対物レンズ
１４    フロントモニタ用光検出器
１５    アナモフィックレンズ
１６    受光素子
１７    液晶素子
１８    媒体保持機構
１９ａ  第２の波長の光ビーム
１９ｂ  第１の波長の光ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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