(57)【要約】【課題】光ピックアップ装置の小型化を図りつつ、光記録媒体の種類に応じて結像位置を切り替えられる光ピックアップ装置用対物レンズを実現する。【解決手段】光ピックアップ装置１００は、発光波長が異なる第１の発光部１０１ａ及び第２の発光部１０１ｂを持つ半導体レーザ素子アレイを用いて、記録面の高さが異なるＣＤ（又はＣＤ−Ｒ）及びＤＶＤのうちから選択された光記録媒体１１０に、光記録媒体１１０に適合する波長のレーザ光を照射することにより、光記録媒体１１０に情報を記録し又は光記録媒体１１０に記録された情報を再生する。光ピックアップ装置１００に設けられた有限共役型の対物レンズ１０３の開口数ＮＡは、レーザ波長に応じて変化し、それによって対物レンズ１０３を透過したレーザ光は光記録媒体１１０の記録面上に結像する。【選択図】　　　図１
2004071064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を対物レンズを介して記録面の高さの異なる第１及び第２の光記録媒体に照射して、前記第１及び第２の光記録媒体の記録または再生を行う光ピックアップ装置において、前記光ピックアップ装置は異なる発光波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイを有し、前記対物レンズは開口数の切り替えを前記異なる発光波長の切り替えで制御して前記第１または第２の光記録媒体に結像するように設計されていることを特徴とする有限共役型の光ピックアップ装置用対物レンズ。
【請求項２】
前記対物レンズと前記半導体レーザ素子アレイとが相対的に固定されて配置するように設計されていることを特徴とする請求項１記載の有限共役型の光ピックアップ装置用対物レンズ。
【請求項３】
異なる波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイの発光部間の距離が２７０μｍ以下であること特徴とする請求項１記載の光ピックアップ装置用対物レンズ。
【請求項４】
前記第１の光記録媒体に適合する一方の波長のレーザ光を透過させて前記第１の光記録媒体に照射させた場合に、レンズ光軸を含む円形の中心部と、その外周にある環状の中間部を透過するレーザ光が記録面に結像し、前記第２の光記録媒体に適合する他方の波長のレーザ光を透過させて前記第２の光記録媒体に照射させた場合に、前記中心部と、前記中間部の外周にある環状の外囲部を透過するレーザ光が記録面に結像するように、開口数の切り換えを発光波長の切り換えで制御することを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ装置用対物レンズ。
【請求項５】
前記中心部と、前記中間部が同一のレンズ関数で定義されていることを特徴とする請求項４記載の光ピックアップ装置用対物レンズ。
【請求項６】
異なる発光波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイに対し固定された位置に対物レンズを設ける場合に、前記対物レンズの開口数の切り替えを前記異なる発光波長の切り替えで制御でき、かつ前記異なる発光波長のレーザ光が前記第１または第２の光記録媒体に結像するように前記対物レンズを設けることを特徴とする光ピックアップ装置用対物レンズの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光記録媒体の記録および再生のために用いられる対物レンズに関し、特に、基板厚みの異なる２種類の光記録媒体の何れ対してもその光記録媒体に応じた良好な集光特性を満足させることのできる有限共役型の光ピックアップ装置用対物レンズおよびその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なＤＶＤ用の再生装置は、ＤＶＤだけでなく、コンパクトディスク（ＣＤ）の再生と近年急速に普及した追記型ＣＤ（ＣＤ−Ｒ）の再生または記録が必要とされる。ＤＶＤを再生する再生光には、６５０ｎｍ帯の赤色レーザが用いられ、ＣＤまたはＣＤ−Ｒを再生する再生光には、７８０ｎｍ帯の赤外レーザが用いられる。従って、現状のＤＶＤ再生装置には、赤色レーザ光を生成する赤色半導体レーザ素子と赤外レーザ光を生成する赤外半導体レーザ素子との２つの半導体レーザ素子が搭載されている。
【０００３】
また、パソコン等の情報機器に対する小型・薄型化の要望に伴い、ＤＶＤ再生装置の小型・薄型化が必要とされている。これを実現するためには、ＤＶＤ再生装置の小型および薄型化が必要不可欠となる。光ピックアップの小型・薄型化の方法として、光学系の簡素化があげられる。その一つの方法として、単一の対物レンズでＤＶＤとＣＤの互換を達成することである。ＤＶＤとＣＤでは、ディスクの基板厚、レーザ波長、レーザを使用する対物レンズの開口数ＮＡが異なり、単一の対物レンズでＤＶＤとＣＤの互換を達成する方式が提案されている。
【０００４】
例えば、特開平１１−９６５８５号公報には、図１６（ａ）（ｂ）に示すように光軸近傍の第１光束Ｓｄ１は第１の結像位置の記録又は再生と、第２の結像位置の記録又は再生に利用すると共に、前記第１光束Ｓｄ１よりも外側の第２光束Ｓｄ２は主に第２の結像位置の記録又は再生に利用し、前記第２光束Ｓｄ２よりも外側の第３光束Ｓｄ３は主に第１の結像位置の記録又は再生に利用するものが提案されている。
【０００５】
この場合、上述の対物レンズは、対物レンズと発光源であるレーザとの間にコリメートレンズを挿入して、対物レンズに入射する光を平行光とすることにより、異なるディスクの基板厚およびレーザ波長に対して、対物レンズの開口数ＮＡおよび結像位置を切り替るレンズ設計を容易にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディスクの変動に対して変位する対物レンズに対して、常に平行に光が入射するためには、対物レンズの変位量に対して十分大きなコリメートレンズを必要とする。その結果、単一の対物レンズを用いたとしても、コリメートレンズが大きく、さらに無限光学系となるため光路長も長く、小型化が妨げられるという問題があった。
【０００７】
また、光ピックアップの小型・薄型化の方法としては、１枚のレンズで光学系を構成できる有限共役型対物レンズが望ましい。しかし、発散光では、ディスクの変動に対して変位する対物レンズに入射する角度が常に変化し、かつ発光波長も変わった場合、レンズ設計は非常に困難であり、未だ実現されていない。
【０００８】
一方、半導体レーザ素子としては、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子の集積化が実現されはじめている。現状のＤＶＤ再生装置は、赤色半導体レーザ素子用および赤外半導体レーザ素子用の２つの光学系部品から構成されており、赤色と赤外の２つの半導体レーザ素子を集積化することにより光学系部品を共有することが可能となるので、光ピックアップの小型および薄型化が実現できるためである。
【０００９】
例えば、図１７に示すように赤色半導体レーザ素子および赤外半導体レーザ素子の集積化としては、一の基板上に集積されたモノリシック型の半導体レーザ素子アレイが、特開平１１−１８６６５１号公報に開示されている。
【００１０】
赤外半導体レーザ素子の発光部と赤色レーザ素子の発光部との間隔は、半導体拡散プロセスのフォトリソグラフィの精度で制御できるため、ハイブリッドにレーザチップを組み立てるものに比べて非常に高精度に設けることができ、かつ２７０μｍ以下にすることができる。
【００１１】
本発明は、一の基板上に集積された波長が異なる発光部を持つモノリシック型の半導体レーザ素子アレイの発光部の間隔を非常に高精度かつ２７０μｍ以下とできることに着目し、かつ、対物レンズと発光部との相対的な位置を固定することにより、波長が異なる発光部からの発散光に対する対物レンズの開口数ＮＡおよび結像位置を切り替るレンズ設計を容易にし、異種の光記録媒体に対して適合できる有限共役型対物レンズを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の光ピックアップ装置用対物レンズは、レーザ光を対物レンズを介して記録面の高さの異なる第１及び第２の光記録媒体に照射して、前記第１及び第２の光記録媒体の記録または再生を行う光ピックアップ装置において、前記光ピックアップ装置は異なる発光波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイを有し、前記対物レンズは開口数の切り替えを前記異なる発光波長の切り替えで制御して前記第１または第２の光記録媒体に結像するように設計されているものである。
【００１３】
この構成により、異なる波長の発光部を持つ半導体レーザ素子の各発光部と対物レンズまでの距離が略同一となることにより、有限光学系の発散光であっても発光波長の切り換えで開口数ＮＡの切り換えを制御し、光記録媒体に結像することができる。
【００１４】
本発明の光ピックアップ装置用対物レンズは、さらに前記対物レンズと前記半導体レーザ素子アレイとが相対的に固定されて配置するように設計されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の光ピックアップ装置用対物レンズは、さらに異なる波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイの発光部間の距離が２７０μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、各光記録媒体に結像するスポットの波面収差を許容される範囲にすることができる。
【００１６】
本発明の光ピックアップ装置用対物レンズは、さらに前記第１の光記録媒体に適合する一方の波長のレーザ光を透過させて前記第１の光記録媒体に照射させた場合に、レンズ光軸を含む円形の中心部と、その外周にある環状の中間部を透過するレーザ光が記録面に結像し、前記第２の光記録媒体に適合する他方の波長のレーザ光を透過させて前記第２の光記録媒体に照射させた場合に、前記中心部と、前記中間部の外周にある環状の外囲部を透過するレーザ光が記録面に結像するように、開口数の切り換えを発光波長の切り換えで制御することが好ましい。この好ましい構成によれば、記録媒体の基板厚の相違にあわせて結像位置を変更および開口数ＮＡの切り換えをすることができる。
【００１７】
本発明の光ピックアップ装置用対物レンズは、さらに前記中心部と、前記中間部が同一のレンズ関数で定義されていることが好ましい。
【００１８】
本発明の光ピックアップ装置用対物レンズの設計方法は、異なる発光波長の発光部を持つ半導体レーザ素子アレイに対し固定された位置に対物レンズを設ける場合に、前記対物レンズの開口数の切り替えを前記異なる発光波長の切り替えで制御でき、かつ前記異なる発光波長のレーザ光が前記第１または第２の光記録媒体に結像するように前記対物レンズを設けるものである。
【００１９】
この構成によれば、有限光学系の発散光であっても発光波長の切り換えで開口数ＮＡの切り換えを制御し、光記録媒体に結像することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る光ピックアップ装置用対物レンズ及びその設計方法について図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明に用いる各図は、本発明を理解することができる程度に概略的に示してあるにすぎず、本発明が各図に示す例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００２１】
図１（ａ）は、本実施形態の対物レンズを備えた光ピックアップ装置の概略構成を示す図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の対物レンズの領域を表す正面図である。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、光ピックアップ装置１００は、ＬＤ・ＰＤ集積ユニット１０１、回折光学素子１０２及び対物レンズ（本実施形態の対物レンズ）１０３が一体的に固定配置されたユニットとして構成されており、対物レンズ１０３側が、記録・再生の対象となる光記録媒体１１０と対向している。ここで、ＬＤ・ＰＤ集積ユニット１０１は、発光波長が異なる第１の発光部１０１ａ及び第２の発光部１０１ｂを持つ半導体レーザ素子（ＬＤ）アレイと、受光素子（ＰＤ）とが集積されて１部品となったものである。すなわち、光ピックアップ装置１００においては、対物レンズ１０３は、第１の発光部１０１ａ及び第２の発光部１０１ｂ、つまりＬＤアレイに対して固定した位置に配置されている。また、光ピックアップ装置１００は、第１の光記録媒体であるＣＤ又はＣＤ−Ｒと、第１の光記録媒体よりも基板厚の小さい第２の光記録媒体であるＤＶＤとに対して共用されるものである。言い換えると、光記録媒体１１０は、第１及び第２の光記録媒体のうちから選択された光記録媒体であって、光記録媒体１１０の種類によって光ピックアップ装置１００は光記録媒体１１０に対する位置を変える。
【００２３】
尚、図１（ａ）において、光記録媒体１１０の記録面（光記録媒体１１０の主面のうち対物レンズ１０３の反対側の面）を、光記録媒体１１０がＣＤ又はＣＤ−Ｒ（第１の光記録媒体）である場合には実線で、光記録媒体１１０がＤＶＤ（第２の光記録媒体）である場合には破線で示している。
【００２４】
ところで、光ピックアップ装置１００のように、対物レンズが固定されたユニットを異種の光記録媒体のそれぞれに対して移動させる方式を用いた一体化構造の光ピックアップ装置においては、光記録媒体の種類に応じて切り替え発光する半導体レーザ素子の２つの発光部が光路上の略同一位置に並ぶ。すなわち、各発光部から対物レンズまでの光路が固定されていると共に、各発光部と対物レンズとの間の距離が略同一になる。言い換えると、対物レンズから光記録媒体までの距離だけが可変になる。本願発明者らは、以上のような条件と、切り替え発光する２つの発光部から照射されるレーザ光の波長が異なることとを利用することによって、記録又は再生に必要なレーザ波長が異なる２種の光記録媒体のそれぞれに適合するように開口数ＮＡが切り替わる対物レンズ及びその設計方法を発明した。
【００２５】
具体的には、第１の光記録媒体（ＣＤ又はＣＤ−Ｒ）及び第２の光記録媒体（ＤＶＤ）のそれぞれの記録又は再生においては、必要なレーザ波長、対物レンズの開口数ＮＡ、記録面の高さ、及び結像したレーザ光のスポット径が異なる。それに対して、これらの相違と対応するために、光ピックアップ装置１００の全体を移動させてレーザ光の焦点合わせを行なうことを前提として、本実施形態では対物レンズ設計を次のように行なう。すなわち、図１（ｂ）に示すように、本実施形態の対物レンズ１０３は、レンズ光軸を含む円形の中心部１０３ａと、環状の周縁部１０３ｃと、中心部１０３ａと周縁部１０３ｃとにより挟まれた環状の中間部１０３ｂとを備えている。ここで、図１（ａ）に示すように、ＬＤ・ＰＤ集積ユニット１０１の第１の発光部１０１ａがＣＤ又はＣＤ−Ｒと適合する一の波長（例えば７９０ｎｍ）のレーザ光１０５Ａを発光する場合、レーザ光１０５Ａは、回折光学素子１０２を透過した後に対物レンズ１０３に入射する。このとき、レーザ光１０５Ａのうち中心部１０３ａ及び中間部１０３ｂをそれぞれ透過する部分がＣＤ又はＣＤ−Ｒ（第１の光記録媒体）の記録面上に結像し且つレーザ光１０５Ａのうち周縁部１０３ｃを透過する部分がボケて該記録面上に結像しないように、対物レンズ１０３の設計を行なう。一方、図１（ａ）に示すように、ＬＤ・ＰＤ集積ユニット１０１の第２の発光部１０１ｂがＤＶＤと適合する他の波長（例えば６６０ｎｍ）のレーザ光１０５Ｂを発光する場合、レーザ光１０５Ｂは、回折光学素子１０２を透過した後に対物レンズ１０３に入射する。このとき、レーザ光１０５Ｂのうち中心部１０３ａ及び周縁部１０３ｃをそれぞれ透過する部分がＤＶＤ（第２の光記録媒体）の記録面上に結像し且つレーザ光１０５Ｂのうち中間部１０３ｂを透過する部分がボケて該記録面上に結像しないように、対物レンズ１０３の設計を行なう。
【００２６】
以上のような対物レンズ設計は、例えば、第１の光記録媒体であるＣＤ又はＣＤ−Ｒの記録又は再生に必要なスポット径を得るための対物レンズの開口数ＮＡを０．４５とする一方、第２の光記録媒体であるＤＶＤの記録又は再生に必要なスポット径を得るための対物レンズの開口数ＮＡを０．６０とすることによって行なわれる。尚、レンズを透過して光記録媒体の記録面に結像する光が通るレンズの最大径の部分（レーザ光１０５Ａの場合は中間部１０３ｂの外周であり、レーザ光１０５Ｂの場合は周縁部１０３ｃの外周である）を結像点から見たときの光軸に対する角度をθとすると共に屈折率をｎ（空気の場合はｎ＝１）としたときに、開口数ＮＡは、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθによって定義される。従って、透過した光がボケて記録面上に結像しないレンズ領域を、発光波長の切り換えにより制御することによって、開口数ＮＡの切り換え、つまりスポット径の切り替えを制御することができる。また、レンズの所定領域を透過した光を記録面上でボケさせるためには、光記録媒体の種類に応じて半導体レーザ素子の発光波長を切り替えたときに、レンズの所定領域における球面収差が急激に変化するようにレンズ設計を行なえばよい。このレンズ設計は、具体的には、結像した光のスポット径が必要な値になると共にサイドローブが所定値以下になるように、レンズ特性を調整しながら行なわれる。
【００２７】
尚、本実施形態の対物レンズ１０３においては、対物レンズ１０３の円形の中心部１０３ａが、第１及び第２の光記録媒体での光の結像に共用されているので、対物レンズ１０３への入射光量の利用率が高くなる。
【００２８】
次に、ユニットとしての前述の光ピックアップ装置１００、及び対物レンズ１０３のそれぞれの具体的な設計例について説明する。
【００２９】
図２（ａ）は、光記録媒体１１０がＤＶＤ及びＣＤのそれぞれである場合における、対物レンズ１０３の焦点距離、対物レンズ１０３における光の入射面側の有効径Ｒ１、対物レンズ１０３における光の出射面側の有効径Ｒ２、ＬＤ・ＰＤ集積ユニット１０１の発光部１０１ａ及び１０１ｂから光記録媒体１１０の記録面までの全光路長（ＴＴ）、発光部１０１ａ及び１０１ｂから対物レンズ１０３の入射面までの距離（ＯＤ）、対物レンズ１０３のレンズ厚（ＣＴ）、及び対物レンズ１０３の出射面から光記録媒体１１０の表面までの距離（ＷＤ）の設計例（設計例１及び設計例２）を示している。尚、有効径Ｒ１及びＲ２の値は、焦点距離との関係を考慮して、開口数ＮＡがＤＶＤ及びＣＤのそれぞれのピット径に適合するように定められている。また、図２（ａ）に示す数値の単位は全てｍｍである。
【００３０】
図２（ｂ）は、光ピックアップ装置１００と光記録媒体１１０との光学配置におけるＴＴ、ＯＤ、ＣＴ及びＷＤの各設計パラメータ同士の関係を説明する図である。尚、図２（ｂ）において、図１（ａ）と共通の構成要素には同じ符号を付けている。また、図２（ｂ）に示すように、設計例１及び２において、発光部１０１ａ及び１０１ｂから回折光学素子１０２までの距離は０．６８５ｍｍであり、回折光学素子１０２の厚さは２．８ｍｍである。また、図示は省略しているが、いずれの設計例においても、発光部１０１ａと発光部１０１ｂとの間の距離は１２０μｍであり、光記録媒体１１０の表面から記録面までの距離は、ＤＶＤの場合で０．６ｍｍ、ＣＤの場合で１．２ｍｍである。さらに、いずれの設計例においても、回折光学素子１０２の素材の屈折率を１．５２５２５０に、対物レンズ１０３の素材の屈折率を１．５３０４７３に、光記録媒体１１０の屈折率を１．５５８５２０３にそれぞれ設定している。但し、前述の各屈折率は、レーザ波長が６６０ｎｍのときのものである。
【００３１】
ところで、本実施形態においては、対物レンズ１０３を、例えば下式に示すような非球面式で表されるレンズとして設計している。
【００３２】
【数１】
2004071064.tif 000003
【００３３】
上式において、ｚは、レンズ中心を基準とする厚さ方向のレンズ表面位置（光記録媒体側の位置が＋）を示し、ｘは、レンズ中心を基準とする横幅方向のレンズ表面位置（厚さ方向の＋側から見て右側の位置が＋）を示している。また、Ｒはレンズ曲率を示し、ｋ、Ａ４　、Ａ６　、Ａ８　、Ａ１０はそれぞれ非球面係数を示している。
【００３４】
具体的には、本実施形態の対物レンズ１０３は、ＤＶＤ及びＣＤ、ＣＤ−Ｒの共用域である、レンズ光軸を含む円形の中心部１０３ａと、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ専用の中間部１０３ｂとを１つのレンズＡとして設計すると共にＤＶＤ専用の周縁部１０３ｃを１つのレンズＢとして設計し、レンズＡ及びＢを接合して一体化されたものでる。図３は、このように設計された対物レンズ１０３の外形形状を部分的に示している。図３において、一点鎖線はレンズ光軸を表している。図３に示すように、レンズＡとレンズＢとの接合部は段差形状を持つことがある。
【００３５】
図４及び図５はそれぞれ、前述の設計例１及び設計例２のそれぞれの場合における非球面係数等を含む各設計パラメータの値を示している。尚、図４及び図５において、Ｒ１面は半導体レーザ素子側のレンズ面であり、Ｒ２面は光記録媒体側のレンズ面である。また、Ａ領域は、ＤＶＤ及びＣＤ、ＣＤ−Ｒの共用域である中心部１０３ａと、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ専用の中間部１０３ｂとに対応する領域であり、Ｂ領域は、ＤＶＤ専用の周縁部１０３ｃに対応する領域である。また、図４に示す設計例１の各値は、レンズエッジ厚が０．４ｍｍ以下となるように定められたものであり、図５に示す設計例２の各値は、レンズエッジ厚が０．８ｍｍ程度になり且つ他の設計事項が設計例１と同じになるように定められたものである。
【００３６】
図６（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例１と対応する光路図（光ピックアップ装置１００と光記録媒体１１０との光学配置におけるレーザ光の光路を示す図）、及び光記録媒体がＣＤである場合の設計例１と対応する光路図をそれぞれ示している。また、図７（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例２と対応する光路図、及び光記録媒体がＣＤである場合の設計例２と対応する光路図をそれぞれ示している。尚、図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、図１（ａ）と共通の構成要素には同じ符号を付けている。また、図６（ａ）及び図７（ａ）において符号１１０ＢはＤＶＤを表しており、図６（ｂ）及び図７（ｂ）において符号１１０ＡはＣＤを表している。さらに、これらの光路図はいずれも、ＤＶＤ１１０Ｂ又はＣＤ１１０Ａの記録面（対物レンズ１０３の反対側の面）に対して、光ピックアップ装置１００を移動させて焦点合わせを行なった状態で合成されたものである。
【００３７】
図８は、前述の設計例１及び設計例２のそれぞれの場合における対物レンズ１０３の光学倍率を示している。
【００３８】
本発明は、レンズ特性によるボカしによって、開口数ＮＡを変換する開口制限素子を設けた場合と同様の効果を得ようとするものであるが、実際に、開口数ＮＡが大きいＤＶＤの波面収差について、開口制限素子を用いた場合と略同等の効果が得られる。
【００３９】
図９（ａ）は、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例１における球面収差（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ　）及びディストーション（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を示しており、図９（ｂ）は、光記録媒体がＣＤである場合の設計例１における球面収差、非点収差及びディストーションを示している。また、図１０（ａ）は、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例２における球面収差、非点収差及びディストーションを示しており、図１０（ｂ）は、光記録媒体がＣＤである場合の設計例２における球面収差、非点収差及びディストーションを示している。
【００４０】
図１１（ａ）は、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例１における点像強度分布（開口制限なし）を示しており、図１１（ｂ）は、光記録媒体がＣＤである場合の設計例１における点像強度分布（開口制限なし）を示しており、図１１（ｃ）は、光記録媒体がＣＤである場合の比較設計例１における点像強度分布（開口制限あり）を示している。また、図１２（ａ）は、光記録媒体がＤＶＤである場合の設計例２における点像強度分布（開口制限なし）を示しており、図１２（ｂ）は、光記録媒体がＣＤである場合の設計例２における点像強度分布（開口制限なし）を示しており、図１２（ｃ）は、光記録媒体がＣＤである場合の比較設計例２における点像強度分布（開口制限あり）を示している。尚、比較設計例１は、設計例１の対物レンズ１０３におけるＤＶＤ専用の周縁部１０３ｃに開口制限を設けたものであり、比較設計例２は、設計例２の対物レンズ１０３におけるＤＶＤ専用の周縁部１０３ｃに開口制限を設けたものである。
【００４１】
図１１（ａ）、（ｂ）及び図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の対物レンズ１０３によって、サイドローブが少なく且つクロストークの発生が抑えられた点像強度分布が得られており、本実施形態の対物レンズ１０３が十分に実用性を持つことが分かる。
【００４２】
図１３は、図１１（ａ）〜（ｃ）及び図１２（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示す点像強度分布から得られたスポット径及びサイドローブの値を示したものである。図１３において、設計例１の開口制限ありの場合が図１１（ｃ）に示す比較設計例１と対応しており、設計例２の開口制限ありの場合が図１２（ｃ）に示す比較設計例２と対応している。また、図１３において、ＣＤＸはＣＤにおけるＸ方向のスポット径を示しており、ＣＤＹはＣＤにおけるＹ方向のスポット径を示している。
【００４３】
図１３に示すように、開口制限をしない本実施形態の設計例と、開口制限素子を用いた比較設計例とを比べると、スポット径の値にはほとんど差がないことが分かると共に、本実施形態の場合のサイドローブの値が実用上十分な特性を示していることが分かる。
【００４４】
図１４（ａ）は、前述の設計例１の対物レンズ１０３に対して、ＤＶＤ用のマスクとして、開口数ＮＡが０．３〜０．４５の範囲に相当する中間部１０３ｂを遮蔽する輪帯状のマスクを設けた場合を示している。また、図１４（ｂ）は、前述の設計例１の対物レンズ１０３に対して、ＣＤ用のマスクとして、開口数ＮＡが０．４５〜０．６の範囲に相当する周縁部１０３ｃを遮蔽する輪帯状のマスクを設けた場合を示している。図１４（ｃ）は、図１４（ａ）及び（ｂ）に示す対物レンズをＤＶＤ及びＣＤのそれぞれに対して用いた場合における、波面収差量、スポット径及びサイドローブの測定結果を示している。尚、図１４（ｃ）においては、マスクをしない設計例１の対物レンズ１０３をＤＶＤ及びＣＤのそれぞれに対して用いた場合における、波面収差量、スポット径及びサイドローブの測定結果も合わせて示している。
【００４５】
図１４（ｃ）に示すように、マスクをしない本実施形態と、マスクを設けた場合とを比べると、波面収差量の測定値については若干差があるものの、スポット径及びサイドローブについては略同様の測定値が得られている。すなわち、図１４（ｃ）に示すデータは、マスクのない本実施形態のレンズ構成によって十分に使用可能な光学特性が得られることを裏付けている。
【００４６】
また、図１４（ｄ）は、中間部１０３ｂと対応する開口数ＮＡの範囲が０．３５〜０．４５であるとして対物レンズ１０３の設計を行なった場合において、図１４（ａ）〜（ｃ）と同様にして得られた測定結果を示している。図１４（ｄ）に示すデータも、マスクのない本実施形態のレンズ構成が、光学特性的に十分に使用可能なものであることを裏付けている。
【００４７】
尚、図１４（ｄ）に示す結果は、加工誤差及び組込み誤差等を考慮して、マスク有りの場合における波面収差量が０．０３λＲＭＳ以下になるようにレンズ設計を行なうことによって得られたものである。しかしながら、波面収差量をマレシャルの限界値程度まで劣化させるのであれば、中間部１０３ｂと対応する開口数ＮＡの下限値をさらに大きくすることが可能である。
【００４８】
図１５は、図１（ａ）に示す光ピックアップ装置１００の第１の発光部１０１ａ（ＣＤ用発光部）が光軸上に位置する場合において第１の発光部１０１ａと第２の発光部１０１ｂとの間の距離（光源のずれ量）を変化させたときの、前述の設計例２における波面収差量の変化を示している。
【００４９】
図１５に示すように、ＣＤのマレシャルの限界値程度まで波面収差量を劣化させるのであれば、本実施形態の対物レンズ設計は、発光部１０１ａ及び１０１ｂ間の距離が２７０μｍ（０．２７ｍｍ）以下の場合（図中の一点鎖線の左側）において有効である。言い換えると、光ピックアップ装置１００の半導体レーザ素子アレイにおける各発光部同士の間の距離が２７０μｍ以下であると、光記録媒体１１０の記録面上に結像したレーザ光のスポットの波面収差を許容範囲に収めることができる。
【００５０】
以上に説明したように、光ピックアップ装置１００は、発光波長が異なる第１の発光部１０１ａ及び第２の発光部１０１ｂを持つ半導体レーザ素子アレイを用いて、記録面の高さが異なるＣＤ（又はＣＤ−Ｒ）及びＤＶＤのうちから選択された光記録媒体１１０に、光記録媒体１１０に適合する波長のレーザ光を照射することにより、光記録媒体１１０に情報を記録し又は光記録媒体１１０に記録された情報を再生する。本実施形態の対物レンズ１０３は、前述の半導体レーザ素子アレイを備えた光ピックアップ装置１００に設けられる有限共役型の対物レンズである。また、対物レンズ１０３の開口数ＮＡは、半導体レーザ素子アレイから照射されるレーザ光の波長に応じて変化し、それによって対物レンズ１０３を透過したレーザ光は光記録媒体１１０の記録面上に結像する。このとき、半導体レーザ素子アレイの各発光部１０１ａ及び１０１ｂと、対物レンズ１０３との間の距離が略同一であるため、有限光学系の発散光が対物レンズ１０３に入射する場合であっても、半導体レーザ素子アレイから照射されるレーザ光の波長の切り替えに応じて対物レンズ１０３の開口数ＮＡの切り換えを制御できる。従って、対物レンズ１０３を通過したレーザ光を、記録面の高さが異なる複数の光記録媒体のうちから任意に選択された光記録媒体１１０の記録面上に確実に結像させることができる。
【００５１】
また、本実施形態の対物レンズ１０３は有限共役型の対物レンズであるので、光ピックアップ装置１００の小型化を図ることができる。さらに、光ピックアップ装置１００の光学系が有限光学系となって光ピックアップ装置１００の光学部品が少なくなるので、光ピックアップ装置１００を高速化することができる。
【００５２】
また、本実施形態の対物レンズ１０３は、発光部１０１ａ及び１０１ｂつまり半導体レーザ素子アレイに対して固定した位置に配置されている。このため、各発光部１０１ａ及び１０１ｂと対物レンズ１０３との間の距離を確実に略同一にできる。
【００５３】
また、本実施形態の対物レンズ１０３は、レンズ光軸を含む円形の中心部１０３ａと、環状の周縁部１０３ｃと、中心部１０３ａと周縁部１０３ｃとにより挟まれた環状の中間部１０３ｂとを備えている。そして、第１の発光部１０１ａがＣＤ又はＣＤ−Ｒと適合する波長のレーザ光１０５Ａを発光する場合、レーザ光１０５Ａのうち中心部１０３ａ及び中間部１０３ｂをそれぞれ透過する部分がＣＤ又はＣＤ−Ｒの記録面上に結像するように、対物レンズ１０３の開口数ＮＡが変化する。一方、第２の発光部１０１ｂがＤＶＤと適合する波長のレーザ光１０５Ｂを発光する場合、レーザ光１０５Ｂのうち中心部１０３ａ及び周縁部１０３ｃをそれぞれ透過する部分がＤＶＤの記録面上に結像するように、対物レンズ１０３の開口数ＮＡが変化する。すなわち、光記録媒体１１０の基板厚つまり記録面の高さの相違に合わせて、対物レンズ１０３の開口数ＮＡの切り換えを確実に制御でき、それにより、対物レンズ１０３を通過したレーザ光の結像位置を確実に制御できる。また、本実施形態においては、対物レンズ１０３の中心部１０３ａ及び中間部１０３ｂが同一のレンズ関数によって定義されているので、レンズ設計を容易に行なうことができる。
【００５４】
尚、本実施形態において、ＣＤ又はＣＤ−ＲとＤＶＤとに共用できる光ピックアップ装置用対物レンズについて説明してきた。しかし、半導体レーザ素子の発光波長に応じて開口数ＮＡを変化させることにより、レンズの複数の領域のそれぞれを通過するレーザ光を記録面に結像させるか否かを制御するという本発明は、本実施形態に限られず、他の光記録媒体を対象とする光ピックアップ装置の光学系にも適用できるものである。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によると、半導体レーザ素子アレイの各発光部と対物レンズとの間の距離が略同一になるため、有限光学系の発散光が対物レンズに入射する場合であっても、レーザ波長の切り替えに応じて開口数ＮＡの切り換えを制御できる。従って、対物レンズを通過したレーザ光を、記録面の高さが異なる複数の光記録媒体のうちから任意に選択された光記録媒体の記録面上に確実に結像させることができる。また、本発明の対物レンズは有限共役型の対物レンズであるので、光ピックアップ装置の小型化を図ることができる。さらに、光ピックアップ装置の光学系が有限光学系となって光ピックアップ装置の光学部品が少なくなるので、光ピックアップ装置を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る対物レンズを備えた光ピックアップ装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態に係る対物レンズの領域を表す正面図である。
【図２】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤ及びＣＤのそれぞれである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１及び設計例２の設計パラメータの値を示す図であり、（ｂ）は光ピックアップ装置と光記録媒体との光学配置における各設計パラメータ同士の関係を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法によって設計された対物レンズの外形形状を部分的に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１における非球面係数等を含む各設計パラメータの値を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２における非球面係数等を含む各設計パラメータの値を示す図である。
【図６】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１と対応する光路図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１と対応する光路図である。
【図７】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２と対応する光路図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２と対応する光路図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１及び設計例２における対物レンズの光学倍率を示す図である。
【図９】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズによって生じる球面収差、非点収差及びディストーションを示す図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズによって生じる球面収差、非点収差及びディストーションを示す図である。
【図１０】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２の対物レンズによって生じる球面収差、非点収差及びディストーションを示す図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２の対物レンズによって生じる球面収差、非点収差及びディストーションを示す図である。
【図１１】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限なし）を示す図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限なし）を示す図であり、（ｃ）は光記録媒体がＣＤである場合における、比較設計例１の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限あり）を示す図である。
【図１２】（ａ）は光記録媒体がＤＶＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限なし）を示す図であり、（ｂ）は光記録媒体がＣＤである場合における、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限なし）を示す図であり、（ｃ）は光記録媒体がＣＤである場合における、比較設計例２の対物レンズによって生じる点像強度分布（開口制限あり）を示す図である。
【図１３】図１１（ａ）〜（ｃ）及び図１２（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示す点像強度分布から得られたスポット径及びサイドローブの値を示す図である。
【図１４】（ａ）は本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズに対して、ＤＶＤ用のマスクとして、開口数ＮＡが０．３〜０．４５の範囲に相当する中間部を遮蔽する輪帯状のマスクを設けたときの様子を示す図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例１の対物レンズに対して、ＣＤ用のマスクとして、開口数ＮＡが０．４５〜０．６の範囲に相当する周縁部を遮蔽する輪帯状のマスクを設けたときの様子を示す図であり、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）に示す対物レンズをＤＶＤ及びＣＤのそれぞれに対して用いた場合における、波面収差量、スポット径及びサイドローブの測定結果を示す図であり、（ｄ）は、中間部と対応する開口数ＮＡの範囲が０．３５〜０．４５であるとしてレンズ設計を行なった場合において（ａ）〜（ｃ）と同様にして得られた測定結果を示す図である。
【図１５】図１（ａ）に示す光ピックアップ装置の第１の発光部がレンズ光軸上に位置する場合において第１の発光部と第２の発光部との間の距離を色々変化させたときに、本発明の一実施形態に係る対物レンズの設計方法に基づく設計例２の対物レンズによって生じる波面収差量の変化を示す図である。
【図１６】（ａ）は従来の光ピックアップ装置用対物レンズの断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す対物レンズを光源側から見た正面図である。
【図１７】赤色半導体レーザ素子及び赤外半導体レーザ素子が一つの基板上に集積されたモノリシック型の半導体レーザ素子アレイの斜視図である。
【符号の説明】
１００　　光ピックアップ装置
１０１　　ＬＤ・ＰＤ集積ユニット
１０１ａ　第１の発光部
１０１ｂ　第２の発光部
１０２　　回折光学素子
１０３　　対物レンズ
１０３ａ　円形の中心部
１０３ｂ　環状の中間部
１０３ｃ　環状の周縁部
１０５Ａ　レーザ光
１０５Ｂ　レーザ光
１１０　　光記録媒体
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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