(57)【要約】  実施形態において、光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズとを備える。対物レンズは、第１グレーティングと、第１グレーティングと同一面内に形成された２グレーティングとを備えている。第１および第２グレーティングは、それぞれ、３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有しており、それぞれの位相段差位置は互いに異なっている。第１グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する。一方、第２グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する。この結果、第１グレーティングおよび第２グレーティングを透過した青、赤、赤外の波長を有する光ビームは、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折される。
2012176361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、
前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズと、
を備え、
前記対物レンズは、ブレーズグレーティング構造を有し、
前記ブレーズグレーティング構造は、
前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、
前記第１グレーティングと同じ面内に形成され、かつ前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状で、前記第１グレーティングの位相段差の位置とは異なる位置に配置された位相段差を有し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングと、を含み、
前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折する、光ピックアップ。
【請求項２】
ｎを１以上の整数として、前記第１グレーティングの、前記レンズ中心軸から数えてｎ番目の位相段差の位置が、前記第２グレーティングの、前記レンズ中心軸から数えてｎ番目の位相段差の位置よりも外周側にある、請求項１に記載の光ピックアップ。
【請求項３】
前記第１グレーティングの位相段差は、前記第２グレーティングの位相段差よりも深く、
前記グレーティング構造は、異なる深さを有する２種類の位相段差が前記レンズの半径方向に交互に配列された領域を含む、請求項１または２に記載の光ピックアップ。
【請求項４】
前記ブレーズグレーティング構造は、
前記第１グレーティングを規定する位相関数と前記第２グレーティングを規定する位相関数とが加算された位相関数によって規定される、請求項１から３の何れかに記載の光ピックアップ。
【請求項５】
光ディスクを回転させる駆動部と、
請求項１から４のいずれかに記載された光ピックアップと、
前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部と、
を備える光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光ディスクに記録されたデータを読み出すための光ピックアップ、および当該光ピックアップを備える光ディスク装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクに記録されているデータは、比較的弱い一定の光量の光ビームを回転する光ディスクに照射し、光ディスクによって変調された反射光を検出することによって再生される。再生専用の光ディスクには、光ディスクの製造段階でピットによる情報が予めスパイラル状に記録されている。これに対して、書き換え可能な光ディスクでは、スパイラル状のランドまたはグルーブを有するトラックが形成された基材表面に、光学的にデータの記録／再生が可能な記録材料膜が蒸着等の方法によって堆積されている。書き換え可能な光ディスクにデータを記録する場合は、記録すべきデータに応じて光量を変調した光ビームを光ディスクに照射し、それによって記録材料膜の特性を局所的に変化させることによってデータの書き込みを行う。【０００３】
なお、ピットの深さ、トラックの深さ、および記録材料膜の厚さは、光ディスク基材の厚さに比べて小さい。このため、光ディスクにおいてデータが記録されている部分は、２次元的な面を構成しており、「記録面」または「情報面」と称される場合がある。本明細書では、このような面が深さ方向にも物理的な大きさを有していることを考慮し、「記録面（情報面）」の語句を用いる代わりに、「情報層」の語句を用いることとする。光ディスクは、このような情報層を少なくとも１つ有している。なお、１つの情報層が、現実には、相変化材料層や反射層などの複数の層を含んでいてもよい。【０００４】
光ディスクからデータを読み出すこと、および／または、前記光ディスクにデータを書き込むためには、光ピックアップを備える光ディスク装置が用いられる。光ピックアップは、光ビームを出射する光源と、光源から出射された光ビームを光ディスク上に収束する対物レンズと、光ディスクを光ビームで照射しているときに光ディスクから反射された光の強度を測定する光検出器とを備えている。【０００５】
近年、光ディスクとして、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤが普及している。ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤは全体の厚さおよび直径は等しいが、それぞれ、異なる物理的構造を有しており、光ディスクの光入射側表面（光ディスク表面）から情報層までの距離も異なる。また、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤのデータ再生または記録は、それぞれ、青、赤、および赤外の波長を有する光ビームによって行われる。１つの光ディスク装置が、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤのいずれをもサポートするため、光ピックアップは、青、赤、および赤外の波長を有する光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源を備えている。【０００６】
上述のように、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤでは、それぞれ、光ディスク表面から情報層までの距離が異なるため、通常の対物レンズでは、異なる球面収差が発生することになる。本明細書では、光ディスク表面から情報層までの距離を、「光透過層厚」と称することにする。【０００７】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、それぞれ、厚さが異なる光透過層５を有する３種類の光ディスク２００と、対物レンズ１００によって収束される光ビームとを模式的に示す図である。図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃの光ディスク２００は、それぞれ、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤに相当している。光透過層５の厚さは、光ディスク２００の光入射側表面から情報層５０までの距離である。これらの図からわかるように、対物レンズ１００を透過した光ビームは、各光ディスク２００の光透過層５を透過して情報層５０に集束される。【０００８】
以下、図８から図９を参照して、従来の光ピックアップの構成例と、その光ピックアップが備える対物レンズ１００の構成を説明する。【０００９】
まず、図８を参照して、公知の光ピックアップの構成例を説明する。図８では、簡単のため往路側（光源からディスク面に向かう側）のみの構成を記載し、復路側（光ディスクから光検出器に向かう側）の構成を省いている。図８に示される例において、まず、ＢＤが光ディスク装置に装填されている場合を考える。この場合、青色発光半導体レーザ等の光源６ａから青色の光（波長０．４０５μｍ）が出射される。光源６ａから出射された青色の光ビームは、ダイクロイックミラープリズム７で反射され、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。このダイクロイックミラープリズム７は、青の波長を有する光を反射し、赤及び赤外の波長を有する光を透過するように構成されている。この例における光学系は、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。青色の光ビームは、対物レンズ１００を経て、厚さ０．１ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。ＢＤは、図７Ａに示されるように、厚さ１．１ｍｍの光ディスク基材２００と、厚さ０．１ｍｍの光透過層５とを有しており、情報層５０はディスク基材と光透過層５との間に位置している。ＢＤにおける光透過層は、厚さ０．１ｍｍの保護層によって構成されている。なお、ＤＶＤは、厚さ０．６ｍｍの一対のディスク基材を張り合わせた構造を有しており、情報層５０は一対のディスク基材の間に位置している。従って、ＤＶＤにおける光透過層５は、厚さ０．６ｍｍの１つのディスク基材に相当し、光透過層厚さは０．６ｍｍである。一方、ＣＤは、厚さ１．２ｍｍのディスク基材を備え、情報層５０は、ディスク基材の裏面側に位置している。したがって、ＣＤにおける光透過層５は、厚さ約１．２ｍｍのディスク基材に相当し、光透過層厚は１．２ｍｍである。【００１０】
光ディスク装置にＤＶＤまたはＣＤが装填された場合、光源６ｂから赤色の波長を有する光ビームまたは赤外の波長を有する光ビームが出射される。この光源６ｂは、赤色半導体レーザと赤外半導体レーザが１つのパッケージ内に配置されている。赤色と赤外色の２波長を独立して発光する半導体レーザの光源６ｂを出射する赤色、又は赤外の光（波長０．６６０μｍ、または０．７８５μｍ）は、ダイクロイックミラープリズム７を透過し、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。その後、赤色または赤外の光ビームは、対物レンズ１００を経て、それぞれ、厚さ０．６、１．２ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。この例における光学系も、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。【００１１】
対物レンズ１００は透明媒質（ガラス、プラスチック等）を材料にして構成され、その中心軸は光軸Ｌに一致する。対物レンズ１００の表面には、鋸歯状の断面をなすグレーティング１ａが形成されている。グレーティング１ａの位相段差部は、光軸Ｌを中心軸とする同心円状に配列されている。このグレーティング１ａは、それによる回折次数が、青波長に対して３次、赤、赤外波長に対して２次となるように設定されている。【００１２】
図９Ａは、従来例におけるグレーティングの断面形状の一部を示す。深さｄ1のグレーティング１ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂとなる。図９Ｂは、対物レンズ１００のレンズ基材１を形成する透明媒質をＺｅｏｎｅｘ３５０（屈折率ｎd＝１．５０６２０，アッベ数υd＝５６．３８７７）、グレーティング１ａの深さｄ1を２．５８μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍの時に、３次回折光の効率が６９．５％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、２次回折光の効率がそれぞれ９９．７％，６５．２％となる。【００１３】
次に、これらの従来例に於ける対物レンズ１００を収差の面から考察してみる。光透過層厚ｘの光ディスクを想定し、この光透過層厚で発生する球面収差（ベース収差）をキャンセルするように対物レンズを設計したとする。このレンズにグレーティングを付加することで、ベース収差分と光透過層厚の球面収差分を共に吸収するものとする。この場合、回折によって青波長λ1の光には光透過層厚（０．１−ｘ）分の球面収差が加わり、赤波長λ2の光には光透過層厚（０．６−ｘ）分の球面収差が加わり、赤外波長λ3の光には光透過層厚（１．２−ｘ）分の球面収差が加わると考えることができる。実際にはレンズ材料やディスク基材の分散影響があり、短波長になるほどディスクやレンズの屈折率は大きくなり、それに連動して球面収差の差異も大きくなる。この球面収差の増大を光透過層厚差に換算し、青波長λ1、赤波長λ2、赤外波長λ3での収差変化量をｔ1、ｔ2、ｔ3（ただし赤外波長を分散の基準としｔ3＝０とする）とおくと、短波長になるほど収差は光透過層厚差のプラス側に作用するのでｔ1＞ｔ2＞ｔ3＝０である。従って、回折によって青波長λ1の光には光透過層厚（０．１−ｘ＋ｔ1）分の球面収差、赤波長λ2の光には光透過層厚（０．６−ｘ＋ｔ2）分の球面収差、赤外波長λ3の光には光透過層厚（１．２−ｘ＋ｔ3）分の球面収差が加わることになる。【００１４】
一方、回折によって発生する位相変化（収差）は回折次数×波長に比例するので、グレーティングでの回折次数を青波長λ1でｐ次、赤波長λ2でｑ次、赤外波長λ3でｒ次とすると、次式が成立する。
（式１）（０．１−ｘ＋ｔ1）：（０．６−ｘ＋ｔ2）：（１．２−ｘ＋ｔ3）＝ｐλ1：ｑλ2：ｒλ3【００１５】
仮にｑ＝ｒ、及びλ1＝０．４０５μｍ、λ2＝０．６６０μｍ、λ3＝０．７８５μｍとし、赤以上の波長では分散が小さいことから近似的にｔ2＝ｔ3＝０とすれば、（式１）よりｘ＝−２．５７ｍｍとなり、次式が成立する。
（式２）    ｐ／ｑ＝６６０（０．１−ｘ＋ｔ1）／４０５（０．６−ｘ）＝１．３７＋０．５１*ｔ1
ｔ1は正の値であり、レンズ材料の分散値によって０．１未満から０．２程度まで調節できる。例えば低分散の材料を使う場合、ｐ／ｑ≒１．４であるが、高分散の材料を使うことで増大し、ｐ／ｑ≒１．５にできる。（式２）の条件に最も近く、最も次数の少ない組み合わせは、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２である。言い換えれば、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２の関係こそ、光透過層厚差で発生する収差を極小化できる条件である。【００１６】
このように、従来例に於ける光ディスク装置は、対物レンズ１００に平行な光４ａを入射する構成であっても、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差を極小化でき、また３つの異なった波長に対し、ある程度の光利用効率（回折効率）を維持できる。また、対物レンズ１００に入射する光４ａを平面波にできることから、対物レンズ１００と入射光線４ａとの位置調整も容易になり、対物レンズ１００のトラッキングシフトにより発生する収差を抑えることができるので、より小型で安価な光学系を提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第２００６／０７７９１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
３つの波長の光に対し、色収差および球面収差をさらに抑制することが求められている。本発明の実施形態によれば、色収差、球面収差をさらに抑制することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の実施形態において、光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズと、を備え、前記対物レンズは、ブレーズグレーティング構造を有し、前記ブレーズグレーティング構造は、前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、前記第１グレーティングと同じ面内に形成され、かつ前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状で、前記第１グレーティングの位相段差の位置とは異なる位置に配置された位相段差を有し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングとを含み、前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折する。【００２０】
本発明の実施形態において、光ディスク装置は、光ディスクを回転させる駆動部と、上記いずれかに記載された光ピックアップと、前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の実施形態によれば、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、高い回折効率を確保できる。また、低分散の光学材料を使いながら、３つの異なった光透過層厚で発生する収差や色収差を低減できる。また、レンズへの光入射を無限系に構成できるので、収差の発生を抑えるとともに光学構成を簡略化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態における光ディスク装置の構成例を示すブロック図
【図２】第１の実施形態に於ける光ピックアップの断面構成図
【図３Ａ】第１の実施形態に於けるグレーティング面１Ａの断面構成図
【図３Ｂ】第１の実施形態におけるグレーティング面１Ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ
【図４Ａ】第１の実施形態におけるグレーティング１ａの断面形状図
【図４Ｂ】第１の実施形態におけるグレーティング１ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ
【図５Ａ】第１の実施形態におけるグレーティング１ｂの断面形状図
【図５Ｂ】第１の実施形態におけるグレーティング１ｂでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ
【図６Ａ】第１の実施形態に於ける青色光の光線追跡結果
【図６Ｂ】第１の実施形態に於ける赤色光の光線追跡結果
【図６Ｃ】第１の実施形態に於ける赤外光の光線追跡結果
【図７Ａ】ＢＤの断面構成を模式的に示す図
【図７Ｂ】ＤＶＤの断面構成を模式的に示す図
【図７Ｃ】ＣＤの断面構成を模式的に示す図
【図８】従来例に於ける光ディスク装置の断面構成図
【図９Ａ】従来例におけるグレーティングの断面形状図
【図９Ｂ】従来例におけるグレーティングでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ
【図１０】（ａ）は、第１グレーティング１ａを規定する位相関数ΦＡ（ｒ）を示し、（ｂ）は、第２グレーティング１ｂを規定する位相関数ΦＢ（ｒ）を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
従来の光ディスク装置において以下の問題があることを本発明者は見出した。
【００２４】
すなわち、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２の組み合わせは、（式２）に最も近いものの、乖離（すなわち収差）は存在する。（式１）、（式２）の指針に基づいて実際に設計すると、ＮＡ０．５、レンズ材料Ｚｅｏｎｅｘ３５０（ｎd＝１．５０６２０，υd＝５６．３８７７）の条件で、ＤＶＤ，ＣＤの収差を１４及び６ｍλ程度まで低減できるものの、ＢＤ側で７９ｍλの収差が残る（設計案Ａ）。この収差を低減させるために、レンズ基材１の材料を高分散のもの（例えば鐘紡Ｏ−ＰＥＴ等）に変えると、収差は低減できるものの、ＢＤ側での色収差（１ｎｍの波長変動に伴うμｍ単位の焦点位置の変化）が大きくなり、目標値０．３μｍ／ｎｍ以下を維持できなくなる。
【００２５】
本発明の実施形態において、光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズと、を備え、前記対物レンズは、ブレーズグレーティング構造を有し、前記ブレーズグレーティング構造は、前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、前記第１グレーティングと同じ面内に形成され、かつ前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状で、前記第１グレーティングの位相段差の位置とは異なる位置に配置された位相段差を有し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングとを含むみ、前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、実効的に３次、２次、２次の次数で回折する。
【００２６】
ある実施形態では、ｎを１以上の整数として、前記第１グレーティングの、前記レンズ中心軸から数えてｎ番目の位相段差の位置が、前記第２グレーティングの、前記レンズ中心軸から数えてｎ番目の位相段差の位置よりも外周側にある。
【００２７】
ある実施形態では、前記第１グレーティングの位相段差は、前記第２グレーティングの位相段差よりも深く、前記グレーティング構造は、異なる深さを有する２種類の位相段差が前記レンズの半径方向に交互に配列された領域を含む。
【００２８】
ある実施形態では、前記ブレーズグレーティング構造は、前記第１グレーティングを規定する位相関数と前記第２グレーティングを規定する位相関数とが加算された位相関数によって規定される。
【００２９】
本実施形態の光ディスク装置は、光ディスクを回転させる駆動部と、上記いずれかに記載された光ピックアップと、前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部とを備える。
【００３０】
以下、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
【００３１】
まず、本実施形態の光ピックアップを説明する。この光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズとを備える。
【００３２】
上記の対物レンズは、ブレーズグレーティング構造を有している。このブレーズグレーティング構造は、第１グレーティングと、第１グレーティングと同一面内に形成された２グレーティングとを備えている。第１および第２グレーティングは、それぞれ、３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有しており、それぞれの位相段差位置は互いに異なっている。第１グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する。一方、第２グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する。この結果、第１グレーティングおよび第２グレーティングを透過した青、赤、赤外の波長を有する光ビームは、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折されることになる。
【００３３】
本発明の実施形態において、第１グレーティングおよび第２グレーティングは、同一面内で分離しているため、それぞれが別々に回折作用を働き、全体としては２つのグレーティングの回折次数が加わった次数の回折作用を果たすことができる。
【００３４】
また、「第１グレーティングおよび第２グレーティングが、同一面内に形成されている」とは、言い換えると、第１グレーティングおよび第２グレーティングは、対物レンズが有する２つの面、すなわち、レーザ光が入射する側の面、及びレーザ光が出射する側の面のうち、一方の面内に形成されている。
【００３５】
なお、第１グレーティング及び第２グレーティングは、レーザ光が入射する側、及びレーザ光が出射する側のいずれの面に形成されていてもよい。
【００３６】
なお、ｎを整数とするとき、本明細書において「グレーティングがｎ次の次数で光ビームを回折する」とは、「グレーティングの回折によって生じる複数の次数の回折光のうち、ｎ次の回折光の回折効率が最も高い」ことを意味するものとする。また、「青の波長を有する光ビームを、ｎ次の次数で回折する」とは、ｎ次の回折光の回折効率が最も高くなる波長が青色帯域に少なくともひとつ存在することを意味するものとする。赤及び赤外の波長を有する光ビームの回折についても同様である。
【００３７】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照しながら、上記の光ピックアップを備える本実施形態の光ディスク装置の構成例を説明する。図１に示す光ディスク装置５００は、パーソナルコンピューター、光ディスクプレーヤー、光ディスクレコーダー等の光学ドライブとして好適に用いられ得る。なお、後述する他の実施形態でも、対物レンズ以外の構成は、本実施形態の構成と同様の構成を有している。このため、他の実施形態については、光ディスク装置の構成については説明を省略する。
【００３８】
図１は、光ディスク装置５００の構成例を示すブロック図である。光ディスク装置５００は、光ピックアップ５０１と、光ディスク２００を回転させるスピンドルモータ（駆動部）５０３と、光ピックアップ５０１の位置を制御する移送モータ５０２と、これらの動作を制御する制御部５０５と、不揮発性メモリ５０６とを備えている。光ディスク２００として、ＢＤ、ＤＶＤ、またはＣＤが光ディスク装置５００に装填され得る。
【００３９】
光ディスク装置５００に装填された光ディスク２００から光学的に読み出されたデータは、光ピックアップ５０１の受光素子（図示せず）で電気信号に変換され、制御部５０５に入力される。光ピックアップ５０１は、光ビームを放射する光源（半導体レーザ）と、光ビームを集光して光スポットを光ディスク２００上に形成するための対物レンズ１００と、対物レンズ１００を駆動するアクチュエータなどの公知の構成要素を備えている。
【００４０】
制御部５０５は、光ピックアップ５０１から得た電気信号に基づいて、フォーカスエラー信号およびトラッキングエラー信号を含むサーボ信号の生成、ならび再生信号の波形等価、２値化スライス、同期データなどのアナログ信号処理を行う。制御部５０５は、システムコントローラなどを含み、ソフトウェアおよびハードウェアの組み合わせによって好適に実現される。
【００４１】
制御部５０５は、生成されたサーボ信号により、光ピックアップ５０１が光ディスク２００上に形成する光スポットを、回転する光ディスク２００の目標トラックに追従させる。制御部５０５は、光ピックアップ５０１が備える対物レンズ１００のフォーカス制御およびトラッキング制御、光ピックアップ５０１の移送制御、スピンドルモータ制御など一連の制御をデジタルサーボで実現する。すなわち、制御部５０５の働きにより、対物レンズ１００のアクチュエータ（図示せず）の駆動のほか、光ピックアップ５０１を光ディスク２００の内周や外周へ移送させる移送モータ５０２の駆動や、光ディスク２００を回転させるスピンドルモータ５０３の駆動が適切に行われる。なお、制御部５０５は、半導体ＩＣで実現可能である。不揮発性メモリ５０６には、制御部５０５で実行されるソフトウェア及び各種パラメータ等が記憶されている。
【００４２】
以下、図２から図６Ｃを参照しながら、本実施形態の光ディスク装置が備える光ピックアップ５０１の構成例を説明する。図２は、第１の実施形態に於ける光ピックアップ５０１の断面構成を示している。簡単のため、図２では、往路側（光源からディスク面に向かう側）のみの構成を記載し、復路側（ディスク面から光検出器に向かう側）の構成を省いている。
【００４３】
図２に示されるように、青色発光半導体レーザ等の光源６ａを出射する青色の光（波長０．４０５μｍ）はダイクロイックミラープリズム７で反射され、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。ダイクロイックミラープリズム７は、青の波長を有する光を反射し、赤及び赤外の波長を有する光を透過するように構成されている。この例における光学系は、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。
【００４４】
ダイクロイックミラープリズム７で反射された青色の光ビームは、対物レンズ１００を経て厚さ０．１ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。
【００４５】
光ディスク装置にＤＶＤまたはＣＤが装填された場合、光源６ｂから赤色の波長を有する光ビームまたは赤外の波長を有する光ビームが出射される。この光源６ｂは、赤色半導体レーザと赤外半導体レーザが１つのパッケージ内に配置されている。赤色と赤外色の２波長を独立して発光する半導体レーザの光源６ｂを出射する赤色の光（波長０．６６０μｍ）、又は赤外の光（波長０．７８５μｍ）は、ダイクロイックミラープリズム７を透過し、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。その後、対物レンズを経て、それぞれに対応する光ディスクの情報層５０に集光される。より具体的には、ＤＶＤが光ディスク装置に装填されているときは、赤色の光ビームが厚さ０．６ｍｍの光透過層を透過して情報層５０に集光される。一方、ＣＤが光ディスク装置に装填されているときは、赤外の光ビームが厚さ１．２ｍｍの光透過層を透過して情報層５０に集光される。この例における光学系も、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。
【００４６】
本実施形態における対物レンズ１００は、レンズ形状を有するレンズ基材１からなる。ある実施形態では、レンズ基材１には耐紫外線樹脂のＺｅｏｎｅｘ３５０（屈折率１．５０６６２、アッベ数５６．３８８）を用いることができる。レンズ基材１の表面１Ａには、鋸歯状の断面をなすグレーティング１ａ、１ｂが形成され、グレーティング１ａ、１ｂの方位は光軸Ｌを中心軸とする円周に沿っている。
【００４７】
図３Ａは、第１の実施形態に於けるレンズ基材１の表面１Ａにおける部分Ａ（図２参照）でのグレーティングの断面構成の例を示している。
【００４８】
本実施形態における対物レンズ１００は、第１グレーティング１ａおよび第２グレーティング１ｂが複合したブレーズグレーティング構造を有している。図３Ａの例では、グレーティング１ａ，１ｂの段差側面の法線が外周側に向いている。より詳細には、グレーティング１ａ，１ｂの段差側面の高屈折率側から低屈折率側に延びる法線の向き（鋸歯の向き）がレンズ中心から離れる方向に向いている。鋸歯の向きは、設計によっては内側を向く場合もあり、また位置によって、向く方向が入れ替わる場合もあるが、グレーティング１ａとグレーティング１ｂの向きは同期してほぼ同じ方向を向く。
【００４９】
なお、中心から位相段差位置を数える場合、ｎを１以上の整数として、グレーティング１ａのｎ番目の位相段差位置は、グレーティング１ｂのｎ番目の位相段差位置よりも外周側にある。従って、グレーティング１ａとグレーティング１ｂの位相段差位置は互いに異なることになる。一例として、それぞれのグレーティングの半径ｒに対する位相関数をφ（ｒ）、定数ａを１．０近傍の値として、グレーティング１ａの位相関数はφ／ａ、グレーティング１ｂの位相関数はφ×ａで定義され得る。また、それぞれのグレーティングの位相関数に異なった定数を加えても、位相段差位置を互いに異ならせることができる。
【００５０】
図１０（ａ）は、グレーティング１ａを規定する位相関数φA（ｒ）の一例を模式的に示す図であり、図１０（ｂ）は、グレーティング１ｂを規定する位相関数φB（ｒ）の一例を模式的に示す図である。縦軸は位相、横軸はレンズ中心軸からの距離（半径方向位置）ｒである。破線の間隔はそれぞれの回折次数に対応した位相差２πに相当する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）には、それぞれ、位相が０〜2πの範囲に位相関数φA（ｒ）およびφB（ｒ）の曲線の一部を集めた鋸歯状の凹凸が示されている。これらの凹凸は、それぞれ、グレーティング１ａおよびグレーティング１ｂを独立に抽出した場合の断面形状を示している。現実にレンズに設けられるブレーズグレーティング構造は、グレーティング１ａおよびグレーティング１ｂが複合した断面形状を有している。
【００５１】
図からわかるように、グレーティング１ａの位相段差とグレーティング１ｂの位相段差とは半径方向位置が異なっている。例えば、グレーティング１ａのレンズ中心軸からｎ＝３個目の位相段差の位置は、グレーティング１ｂのレンズ中心軸からｎ＝３個目の位相段差の位置よりも外側にある。このような位置関係は、ｎ＝３の場合に限られない。
【００５２】
本実施形態におけるブレーズグレーティング構造は、φA（ｒ）＋φB（ｒ）によって規定される。このブレーズグレーティング構造は、その位相段差位置が図１０（ａ）および図１０（ｂ）で示した位相段差の位置と重なり、位相段差の深さは対応した位置での図１０（ａ）および図１０（ｂ）で示した位相段差の深さに等しい。すなわち、段差の深さが異なる２種類のグレーティング１ａおよびグレーティング１ｂが積層され、かつ、両者のレンズ中心軸方向距離がゼロの関係（２つのグレーティングが同一面内に配置されている）とみなすこともできる。
【００５３】
このブレーズグレーティング構造では、グレーティング１ａの位相段差が第２グレーティング１ｂの位相段差よりも深い。そして、異なる深さを有する２種類の位相段差がレンズの半径方向に交互に配列された領域が存在している。
【００５４】
グレーティング１ａ、１ｂは格子ベクトルの方向を揃えながら同一面内で分離されている。言い換えると、対応する位相段差の半径方向位置が異なっている。従って回折は別々に独立して起こり、かつ、全体としてはそれぞれの回折次数が加算された次数で回折が起こる。従って、グレーティング１ａの回折次数を青波長に対して２次、赤、赤外波長に対して１次、グレーティング１ｂの回折次数を青、赤、赤外波長に対して１次となるように設定すると、入射光４ａはグレーティング１ａ及び１ｂにより回折して回折光４ｂとなり、その回折次数は青、赤、赤外波長に対して３次、２次、２次になる。図３Ｂは、グレーティング１ａの深さｄ1を１．５５μｍ、グレーティング１ｂの深さｄ2を１．０３μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍの時に、３次回折光の効率が６９．２％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、２次回折光の効率がそれぞれ７６．８％，６６．９％となる。
【００５５】
なお、図３Ｂで示された回折効率は次のように説明できる。図４Ａはグレーティング１ａの断面形状を示す。深さｄ1のグレーティング１ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂ’となる。図４Ｂは、グレーティングの深さｄ1を１．５５μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍで２次回折光の効率は１００％、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては１次回折光の効率がそれぞれ８９．３％，１００％となる。図５Ａはグレーティング１ｂの断面形状を示す。深さｄ2のグレーティング１ｂにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂ”となる。図５Ｂは、グレーティングの深さｄ2を１．０３μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。１次回折光の効率は波長０．４０５μｍで６９．２％、波長０．６６０、０．７８５μｍに対してはそれぞれ８５．９％，６６．９％となる。従って、グレーティング１ａ、１ｂが格子ベクトルの方向を揃えながら同一面内に位置をずらして形成されている図３Ａの場合、全体の回折効率（図３Ｂ）は構成グレーティングの回折効率（図４Ｂ、５Ｂ）の積に相当する。
【００５６】
一方、グレーティング１ａ、１ｂによる回折は別々に起こり、２つのグレーティングを回折することで光が受ける位相変化（回折パワー）は、それぞれの回折次数の和に比例する。すなわち、回折次数の総和は青波長が３次、赤、赤外波長が２次となり、従来例と同様に、光透過層厚差で発生する収差を極小化できる条件を満たしている。しかも本実施形態では、グレーティング１ａの位相関数が１／ａ倍、グレーティング１ｂの位相関数がａ倍に変化しており、言い換えると回折パワーがグレーティング１ａの側で１／ａ倍、グレーティング１ｂの側でａ倍に変化している。回折次数は回折パワーに比例するので、グレーティング１ａにおける青、赤、赤外波長での回折パワーをｐ1、ｑ1、ｒ1として、次式が成り立つ。
（式３）      ｐ1：ｑ1：ｒ1＝１ｂ：１／ａ：１／ａ
また、グレーティング１ｂにおける青、赤、赤外波長での回折パワーをｐ2、ｑ2、ｒ2として、次式が成り立つ。
（式４）      ｐ2：ｑ2：ｒ2＝ａ：ａ：ａ
従って、これらを合計することで、２つのグレーティングで発生する青、赤、赤外波長での回折パワーｐ、ｑ、ｒが次式で表される
（式５）      ｐ：ｑ：ｒ＝（ｐ1＋ｐ2）：（ｑ1＋ｑ2）：（ｒ1＋ｒ2）＝（１ｂ＋ａ）：（１／ａ＋ａ）：（１／ａ＋ａ）
例えば、ａ＝１．１５とすると
（式６）      ｐ：ｑ：ｒ＝２．８９：２．０２：２．０２
となる。
【００５７】
従って、ｐ／ｑ＝１．４３となり、高分散の材料をレンズ基材に用いなくてもｐ／ｑ≒１．５まで到達できる。実際にａ＝１．１５として（式１）、（式２）の指針に基づいて設計すると、ＮＡ０．５の条件で、ＢＤの色収差を０．３μｍ／ｎｍ以下にしたまま、ＢＤ、ＤＶＤ，ＣＤの収差を２８及び１４及び６ｍλ程度まで低減させることができた（設計案Ｂ）。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、このときの光線追跡結果である。
【００５８】
この様に、本実施の形態は効率の点で従来例と大差がない。しかし、低分散の耐紫外線樹脂を用いながら、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる点は、従来例に比べて大きなメリットである。すなわち、第１の実施形態によれば、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、何れも６５％を超える高い回折効率を確保できる。また、無限系の構成でありながら、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる。さらに、光路長の長いレンズ基材部１に耐紫外線樹脂を用いているので、高出力の青色波長の光にも対応でき、安価で安定した光ディスク装置を提供できる。
【００５９】
なお、上述の説明では、グレーティング１ａ、１ｂの位相関数に一律の係数値１／ａ、ａを掛けたが、それぞれの位相関数を独立して設定することもでき、この場合、設計の自由度が大幅に増えるので、収差をより小さくできる。さらに、グレーティング１ａ，１ｂの形成されたレンズ表面１Ａは空気に接しているとしたが、他の透明層で積層されていてもよい。また、上述の実施形態は、対物レンズの３つの波長が実効的に通過する領域（すなわちＮＡ０．５またはＮＡ０．４５の内側）に対するものである。それ以外の領域（ＮＡ０．５またはＮＡ０．４５の外側）は、２つの波長（青と赤）、または単一の波長（青）しか実効的に通過しない領域であり、効率と収差の問題は従来の技術の組み合わせで容易に解決できるので、言及していない。
【００６０】
なお、本発明による光ディスク装置は、図１に示す構成を有する装置に限定されず、本開示の実施形態の光ピックアップを備えて動作し得る光ディスク装置であれば、他の構成を有していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本開示の光ピックアップにおける対物レンズは、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、高い回折効率を確保できる。また、レンズへの光入射を無限系に構成しても、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる。このため、これまで２個以上の対物レンズが必要だった光ディスク装置を大幅に簡素化でき、レコーダーやパソコン用光ドライブ用の光ディスク装置として有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１    レンズ基材
１ａ，１ｂ  グレーティング
４ａ  平面入射光
４ｂ  回折光
５    光透過層
６ａ  青色光源
６ｂ  赤、赤外の光源
７    ダイクロイックミラープリズム
８    コリメートレンズ
Ｌ    光軸
５０  情報層
１００  対物レンズ
２００  光ディスク
５００  光ディスク装置
５０１  光ピックアップ
５０２  移送モータ
５０３  スピンドルモータ
５０５  制御部
５０６  不揮発性メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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