(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２及び第３の光記録担体を、それぞれ第１の波長λ１、第２の波長λ２及び第３の波長λ３の放射を用いて走査する光走査装置であって、これら３つの波長は、第３の波長λ３＜第１の波長λ１＜第２の波長λ２の関係を有し、前記装置は、
前記放射のビームを発する放射源と、
前記光記録担体のうちの選択された１つに前記ビームを集束させる対物レンズ系と、
前記ビームの経路に配置された位相変化構造と、
を有し、前記位相変化構造は、異なる高さの複数の位相変化素子を有し、前記ビーム中の光路の非周期的な段差をつけられたプロファイルを形成する光走査装置であって、前記段差をつけられたプロファイルは、第１の波長λ１において当該第１の波長λ１の波長に合った位相に保ち、第２の波長λ２において前記光記録担体の厚さに起因する収差を修正する球面収差波面を示す位相となるようにし、及び第３の波長λ３において位相の変化量が一定になることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
｜λ１−λ２｜、｜λ２−λ３｜及び｜λ１−λ３｜はそれぞれ２０ｎｍよりも大きい、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
｜λ１−λ２｜、｜λ２−λ３｜及び｜λ１−λ３｜はそれぞれ５０ｎｍよりも大きい、請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
第１の波長λ１における、或る前記位相変化素子を通過する前記光路と、別の前記位相変化素子を通過する前記光路との長さの差は、２πの倍数に略等しい前記ビームにおける位相変化に対応する、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項５】
異なる高さの位相変化素子について、前記波長λ２の光がとり得る位相の値の数は、前記波長λ３の光がとり得る位相の値の数とは異なる、請求項３に記載の光走査装置。
【請求項６】
２及び３に等しいｉについて、波長λｉの光がとり得る位相の値の数Ｂｋは、不等式：
【数１】
0004666563.tif 000033
によって決定され、ここで整数ｋは前記不等式及び
【数２】
0004666563.tif 000034
に従う最小の正の整数であり、このとき｛ｂ０，ｂ１，...,ｂｋ｝はｋ番目の項で切り捨てられた連分数であり、ｈ１及びｈｉはそれぞれ波長λ１及びλｉにおいて前記光路における２πの位相変化をもたらす位相変化素子の高さである、請求項４に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記位相変化構造は、λ１における最小の位相段差Φｍｉｎと最大の位相段差Φｍａｘとの間の差を示し、前記差は、
｜Φｍａｘ−Φｍｉｎ｜＞２πＢｋ
に従い、ここでＢｋは２及び３に等しいｉについて波長λｉの１つの光がとり得る位相の値の、最小の数である、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記位相変化構造は略円形であり、前記段差をつけられたプロファイルの段差は略環状である、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記位相変化構造は前記対物レンズ系のレンズの表面上に形成される、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記位相変化構造は、前記放射源と前記対物レンズ系との間に備えられた光学プレート上に形成される、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項１１】
前記光学板はλ／４板又はビームスプリッタを有する、請求項１０に記載の光走査装置。
【請求項１２】
第１、第２及び第３の光記録担体を、それぞれ第１の波長λ１、第２の波長λ２及び第３の波長λ３の放射のビームを用いて走査する光装置における利用のためのレンズであって、これら３つの波長は、第３の波長λ３＜第１の波長λ１＜第２の波長λ２の関係を有し、前記レンズは前記ビームの経路中に配置された位相変化構造を有し、前記位相変化構造は異なる高さの複数の位相変化素子を有し、前記ビーム中の光路の非周期的な段差をつけられたプロファイルを形成するレンズにおいて、前記段差をつけられたプロファイルは、第１の波長λ１において当該第１の波長λ１の波長に合った位相に保ち、第２の波長λ２において前記光記録担体の厚さに起因する収差を修正する球面収差波面を示す位相となるようにし、及び第３の波長λ３において位相の変化量が一定になることを特徴とするレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光対物レンズを有する光走査装置に関する。本発明の特有な一実施例は、コンパクトディスク（ＣＤ）、従来のデジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）及び所謂次世代ＤＶＤといった、３つの異なるタイプの光記録担体からデータを読み取ることが可能な光走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これらの所謂次世代ＤＶＤは最近、従来のＤＶＤからデータを読み取り又は書き込みするために利用される赤色レーザダイオードよりも著しく短い波長において光を発する青色レーザダイオードの出現に続いて提案された。青色レーザダイオードの波長はより一般に利用される赤色レーザダイオードの波長よりも短いため、青色レーザダイオードはＤＶＤにより小さなスポットを形成することができ、それ故次世代ＤＶＤのトラックは従来のＤＶＤのトラックよりも近接して配置されることができる。その結果としてこのことは、これらの次世代ＤＶＤは、従来のＤＶＤよりも大きなデータ記憶容量を持つことを意味し、典型的に記憶容量における少なくとも２倍の増加が得られることができる。
【０００３】
ここでは従来のＤＶＤ及び次世代のＤＶＤは、当分野においては通常どおり、それぞれ赤色ＤＶＤ（Red-DVD）及び青色ＤＶＤ（Blue-DVD）と呼ぶ。
【０００４】
特定のタイプの光記録担体からデータを読み込む又は該担体からデータを書き込むために様々な異なる装置を顧客が購入する必要があることを回避するため、単一の光走査装置が、例えば異なるフォーマットの多数の光記録担体からデータを再生することができることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、主にこれらの異なるフォーマットの記録担体及び関連する走査装置は異なる特性をもつため、この賞賛に値する目的は一方で思われるほど達成が容易ではない。
【０００６】
例えば、ＣＤ特にＣＤ−Ａ（CD-audio）、ＣＤ−ＲＯＭ（CD-read
only memory）及びＣＤ−Ｒ（CD-recordable）が利用可能であり、約７８０ｎｍのレーザ波長と０．４５の開口数（ＮＡ）とを用いて走査されるように設計される。一方、赤色ＤＶＤは約６６０ｎｍのレーザ波長で走査されるように設計され、青色ＤＶＤは約４０５ｎｍのレーザ波長で走査されるように設計される。ＤＶＤを読み取るためには０．６のＮＡが一般に利用され、一方ＤＶＤを書き込むためには０．６５のＮＡが一般に必要とされる。
【０００７】
事を複雑にする要因は、特定の波長で読み出されるように設計されたディスクは、他の波長で常に読み取られることができるわけではないということである。この例は、７８５ｎｍの波長において高い変調を得るために、記録層に特別な色素が塗布される必要があるＣＤ−Ｒである。６６０ｎｍの波長においてディスクからの信号の変調は、前記色素の波長感受性のため、該波長における読み出しが実行可能でなくなる程小さくなる。一方、より高いデータ容量を持つ新たなシステムを導入するとき、市場において高い受容性レベルを得るために、新たな読み取り及び書き込み装置が現存する記録担体と逆に互換性があることが重要である。それ故、ＤＶＤシステムは全ての存在するＣＤのタイプを読み取ることが可能であるように、７８５ｎｍのレーザ及び６６０ｎｍのレーザを含む必要がある。同様の理由は、６６０ｎｍのために設計されたＤＶＤ二重層ディスクを青色レーザで読む場合にも当てはまる。従って、全てのＣＤ及びＤＶＤの赤色／青色を読み取ることが可能なシステムは７８５ｎｍレーザ、６６０ｎｍレーザ及び４０５ｎｍレーザを含む必要がある。
【０００８】
ＤＶＤとＣＤは、典型的にディスクのデータ担持層の保護層として働くその透過基板の厚さにおいても異なり、その結果記録担体の入射面からのデータ層の深度は、記録担体のタイプ毎に変わる。例えばＤＶＤについてはデータ層の深度は約０．６ｍｍであるのに対し、ＣＤについてはデータ層の深度は約１．２ｍｍである。前記保護層を透過する放射ビームによって被られる球面収差は一般に光走査装置の対物レンズにおいて補償される。
【０００９】
これらの異なるメディアに対する異なる特性の結果として、例えば他の異なるタイプの記録担体のために最適化された光走査装置を用いて記録担体からデータを読み取ろうと試みる場合に問題が生じ得る。例えば、他のタイプのもののために最適化された対物レンズを用いてあるタイプの担体が読み取られた場合、大量の球面収差及び無視できない量のスフェロクロマティズム（spherochromatism）が引き起こされ得る。前記装置は、それぞれが各波長に向けた３つの対物レンズを備えられることができる。しかしながらこの方法は比較的高価である。
【００１０】
それ故、異なる波長のレーザ放射を利用して種々の異なる光担体媒体を走査する単一の光対物レンズを持つ装置を提供することが非常に好ましい。
【００１１】
この目的のため、例えば国際特許出願公開ＷＯ９９／５７７２０において、同一の対物レンズを利用しながらも、異なる波長のレーザ放射を用いて赤色ＤＶＤ及びＣＤからデータを読み取ることが可能なシステムを提供することが以前に提案された。前記文献は、回折性の素子を含む、２つの屈折性の非球面か又は１つの非球面及び１つの屈折性の球面を持つ鋳造されたプラスチックの対物レンズを利用するシステムを記載している。前記レンズは、２つのディスクフォーマットの異なる厚さによって引き起こされる異なる球面収差及び異なる読み取り波長によって引き起こされる異なる色収差についての修正が可能である。
【００１２】
Katayama、Komatsu及びYamanakaの三氏は、「Dual-Wavelength optical head with a wavelength selective filter for 0.6 and 1.2mm thick substrate optical disks」と題された彼らの「Applied Optics」の論文（「Applied Optics」、Volume 38、No.17、1999年6月10日、3778頁を参照）において記載された他のシステムを設計した。彼らのシステムは、レーザ源と対物レンズとの間に配置された波長選択フィルタを有し、前記フィルタを透過した光の位相分布（phase distribution）を前記光の波長が変化するにつれて変化させる。前記フィルタは、前記対物レンズの直径よりも小さい直径を持つ円の内側の領域と外側の領域とにそれぞれ形成される、同心の位相フィルタパターンと干渉フィルタパターンを有する。前記干渉フィルタパターンは６５０ｎｍの光を透過し、７８０ｎｍの光を反射する。このことは、６５０ｎｍの光に対するＮＡは前記対物レンズの最大ＮＡに等しく（即ち約０．６）、それに対し７８０ｎｍの光に対するＮＡは前記円の直径によって決定され、約０．４５であることを意味する。前記位相フィルタパターンは二酸化珪素のステップをつけられた構造を有し、ここで隣接するステップは高さを異にするものである。前記ステップの特定の高さは、透過された６５０ｎｍの光の位相分布が前記フィルタによって影響を受けないように、及び透過された７８０ｎｍの光の位相分布が一方で起こる球面収差及びスフェロクロマティズムについて補償するために変更されるように選択される。同様の方法が、2000年に東京で開催された「Optical Design and Fabrication conference」のプロシーディング中に発表された、Hendriks、de Vries及びUrbachの三氏による「Application of non periodic phase structures in optical systems」（325-328頁）と題された文献に記載されている。この論文においても、最適な領域分布を決定するための方法が提示された。
【００１３】
これらの以前に提案されたシステムの夫々は、２つの異なる光メディアが２つの関連する異なる波長の光を用いて照射される状況のための解決方法を提供するが、これらのシステムは関連する異なる波長の光を用いて２より多い異なるタイプの担体メディアを照射し走査することが所望されるような状況では、支援とはならない。
【００１４】
従って本発明の目的は、例えば２より多い波長の放射を利用する２より多い異なるタイプの光記録担体を走査する光走査装置を提供することにより、これらの問題を緩和することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、第１、第２及び第３の光記録担体を、それぞれ第１の波長λ１、第２の波長λ２及び第３の波長λ３の放射を用いて走査する光走査装置であって、これら３つの波長は、第３の波長λ３＜第１の波長λ１＜第２の波長λ２の関係を有し、前記装置は、前記放射のビームを発する放射源と、記光記録担体のうちの選択された１つに前記ビームを集束させる対物レンズ系と、前記ビームの経路に配置された位相変化構造と、を有し、前記位相変化構造は、異なる高さの複数の位相変化素子を有し、前記ビーム中の光路の非周期的な段差をつけられたプロファイルを形成する光走査装置であって、前記段差をつけられたプロファイルは、第１の波長λ１において当該第１の波長λ１の波長に合った位相に保ち、第２の波長λ２において前記光記録担体の厚さに起因する収差を修正する球面収差波面を示す位相となるようにし、及び第３の波長λ３において位相の変化量が一定になることを特徴とする光走査装置が提供される。
【００１６】
この構成の特長のため、複数の異なる放射波長を用いて光担体を走査することが可能である。その結果としてこのことは、多数の異なるタイプの光記録担体を走査する単一の装置を提供することが可能であることを意味する。
【００１７】
この際に、ここで用いられる「平らな（flat）」という語は、波面のモジュロ２πをとった後は結果の波面は一定であり、それ故非周期的な位相構造が相殺された一定の位相のみをもたらすことをのみを意味する。「平らな」という語は、波面が位相変化を示さないことを必ずしも意味しない。
【００１８】
これらの態様の夫々の種々の好適な実施例が、夫々の付随する従属クレームにおいて提示される。
【００１９】
本発明の他の態様は、第１の波長λ１、第２の波長λ２及び第３の波長λ３の放射を夫々用いて赤色ＤＶＤ、ＣＤ及び青色ＤＶＤを走査する光走査装置に関し、ここで前記装置は、対物レンズの表面に形成された位相構造を有し、前記位相構造は前記放射のビーム中に位相変化をもたらす複数の位相素子から成り、前記位相素子は前記レンズの直径に渡って略１４．０４０μｍ、５．８５０μｍ、−２．３４０μｍ、５．８５０μｍ及び１４．０４０μｍというようにステップ高さを用いてステップをつけられたプロファイルによって配置され、ここでλ１は略６６０ｎｍ、λ２は略７８５ｎｍ、λ３は略４０５ｎｍである。
【００２０】
本発明の更に他の態様は、第１の波長λ１、第２の波長λ２及び第３の波長λ３の放射を夫々用いて赤色ＤＶＤ、ＣＤ及び青色ＤＶＤを走査する光走査装置における利用のための対物レンズに関し、前記レンズは前記レンズの表面に形成された位相構造を有し、前記位相構造は前記放射のビーム中に位相変化をもたらす複数の位相素子から成り、前記位相素子は前記レンズの直径に渡って略１４．０４０μｍ、５．８５０μｍ、−２．３４０μｍ、５．８５０μｍ及び１４．０４０μｍというようにステップ高さを用いてステップをつけられたプロファイルによって配置され、ここでλ１は略６６０ｎｍ、λ２は略７８５ｎｍ、λ３は略４０５ｎｍである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例は添付する図を参照しながら例としてのみ以下に説明される。
【００２２】
本発明の実施例はＣＤ、赤色ＤＶＤ及び青色ＤＶＤを走査するシステムにおける利用のための位相構造を参照して以下に説明される。しかしながら、本説明は単に説明するものであり、本発明の教示は３より多いメディアを走査することができる装置の構成においても適用されても良いことは留意されるべきである。結果として、以下の説明はいずれにしても本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００２３】
図１は、以下に説明される本実施例による光記録担体１を走査する装置に共通の構成要素の模式的な説明図である。記録担体１は本実施例においては以下に例として説明されるような光ディスクである。
【００２４】
光ディスク１は透過層２を有し、該透過層の片面には少なくとも１つの情報層３が配置されている。前記情報層の前記透過層の反対側に面する側は、保護層４によって周囲の影響から保護されている。前記透過層の前記装置に面する側は、ディスク入射面５である。透過層２は、前記情報層のための機構的な支持を提供することにより、前記光ディスクのための基板として働く。代わりに、透過層２は情報層３を保護するただ１つの機能を持ち、一方で前記機構的な支持は前記情報層の反対側の層によって、例えば保護層４によって又は一番上の情報層に接続された更なる情報層及び透過層によって提供されても良い。
【００２５】
図１には示さないが、情報は略平行、同心円又は螺旋のトラックに配置された光学的に検出可能なマークの形で典型的に前記光ディスクの情報層３に保存される。前記マークは、例えばピット又は周囲と異なる反射係数若しくは磁化の方向を持つ領域、又はこれらの形式の結合の形でといったように、いずれの光学的に読み取り可能な形式であっても良い。
【００２６】
前記走査装置は、調整可能な半導体レーザ又は３つの別個の半導体レーザを有し、レンズ系の方向へ発する放射ビーム７によって第１、第２及び第３の波長の放射を発する放射源６を含む。前記レンズ系は、光学軸１３に沿って配置されたコリメータレンズ９及び対物レンズ１０を含む。コリメータレンズ９は放射源６から発せられた発散するビーム７を、略平行化されたビーム１５に変換する。対物レンズ１０は、パターン１１によって図に示されている、後により詳細に説明される位相素子（又は位相構造）を有する。対物レンズ１０は、入射された平行化されたビーム１５を、選択されたＮＡを持ち情報層３上のスポット１８に到達する集束するビーム１４に変換する。検出システム１６、第２のコリメータレンズ１９及びビームスプリッタ８が、データ信号と対物レンズ１０の軸位置を機構的に調節するために利用されるフォーカスエラー信号とを検出するために備えられる。
【００２７】
図１に示されるような位相格子（phase grating）１１は対物レンズ１０の放射源に面する側（以下前記レンズの入射面と呼ぶ）に、又は代わりにレンズ１０の反対側（以下前記レンズの出射面と呼ぶ）に配置されても良い。
【００２８】
図２は上述した走査装置における利用のための対物レンズ１０の模式的な説明図である。前記走査装置は、第１の開口数で第１の波長のレーザ放射２１を用いて第１の情報層深度を持つ光記録担体を走査することが可能である。前記装置は更に、同一の光対物レンズ１０を利用して第２の開口数で第２及び第３の波長のレーザ放射２３を用いて第２の情報層深度を持つ記録担体を走査することが可能である。赤色ＤＶＤフォーマットのディスクは、例えば６２０ｎｍと７００ｎｍとの間、好ましくはλ１＝６６０ｎｍである第１の波長λ１のレーザ放射を用いて走査され得る。約０．６の開口数が赤色ＤＶＤを読み取るために利用され、０．６より大きい、好ましくは０．６５のＮＡが赤色ＤＶＤに書き込むために適用される。ＣＤフォーマットの記録担体は、０．５以下、好ましくは０．４５の開口数で、例えば７４０ｎｍと８２０ｎｍとの間、好ましくはλ２＝７８５ｎｍである第２の波長λ２のレーザ放射を用いて走査される。青色ＤＶＤフォーマットのディスクは、例えば３６５ｎｍと４４５ｎｍとの間、好ましくはλ３＝４０５ｎｍの第３の波長λ３のレーザ放射を用いて走査される。
【００２９】
対物レンズ１０上の位相構造１１は、それぞれ赤色ＤＶＤ又は青色ＤＶＤ及びＣＤ担体の前記透過層の厚さ３１及び３３における相違によって引き起こされる球面収差を補償するために構成される。前記構造は同様にスフェクロマティズム及び色収差を修正する。効果的に位相構造１１は、例えば情報層の深度の変化によって引き起こされる球面収差を補償する、該構造を通過する光中の多くの波面の偏移（wavefront deviation）をもたらすように構成される。
【００３０】
本発明の本実施例においては、無限共役型（infinite-conjugate mode）の混成レンズを利用することにより、単一の対物素子を利用した異なるフォーマットのディスク上のデータの読み取り及び書き込みが達成される。かような混成レンズは、例えば印刷処理（lithographic
process）によって又はダイヤモンド施削によって、屈折レンズの片面上に位相プロファイルを加えることにより形成されることができる。
【００３１】
対物レンズ１０は凸−凸レンズとして示されるが、平−凸又は凸−凹レンズのような他のレンズ素子タイプが利用されても良い。本実施例においては対物系は単一のレンズだが、２以上のレンズ素子を含む合成レンズであっても良い。対物レンズ１０は例えば屈折対物レンズ素子及び平面レンズ位相素子を含んでも良い。前記位相素子又は位相構造はまた、例えばλ／４板又はビームスプリッタのような、前記対物系中の又は前記対物系から分離した光学素子を有しても良いし、又はかような光学素子上に備えられても良い。
【００３２】
図３は前記位相構造を示す、対物レンズ１０の模式的な正面図である。レンズの中心に向かって徐々に幅が増加する同軸円環型のパターン要素のパターンで円形構造が適用されているのがわかる。各パターン要素は所謂位相素子の領域を規定する。無限共役方式で複数の波長についてレンズの動作を可能にするために、前記レンズは、例えばディスクの厚さにおける相違に起因する収差を修正するために、各波長について異なる量の球面収差（即ち異なる量の波面偏移）を生成する。
【００３３】
異なる球面収差の生成は、前記構造の領域が高さを異にするものであるように前記位相構造を配置することによって達成される。ここで前記高さは前記レンズを通過するビームに位相差がもたらされるように選択され、所定の波長に適用される特定の位相差は、上述のタイプの種々の有害な効果を打ち消すように選択される。
【００３４】
この点に関して、本発明の実施例において利用される前記位相構造は非周期的なパターンを持ち、それ故回折次数を形成しないことに言及することは重要である。この結果として、説明されるべき前記位相構造は回折格子によって示され得るようなタイプの固有損失を示さない。
【００３５】
適切な位相構造を設計する際の最初のステップは、「設計波長」として１つの波長を選択すること、及び該波長のために光学系を最適化することである。このことは、レンズ１０に適用されるいずれの位相構造も、該レンズを通過する前記設計波長のビームに影響を与えるべきではないことを意味する。それ故、このことは略平らな波面に帰着するべきである。言い換えると、前記位相構造は凡そ２πラジアンの倍数を加えられた定数に等しい位相変化をもたらすのみであるべきである。「倍数」という語はここでは、負の整数、０及び１を含むいずれの整数倍を含むと解釈されるべきであることは留意されるべきである。
【００３６】
良く知られているように、該ビームが高さｈのステップを通過するときに波長λ１のビームの中にもたらされる位相変化φは、
【数３】
0004666563.tif 000002
のように書かれる。ここでｎλ１は波長λ１の光についての前記ステップの屈折率であり、ｎ０は該ステップに入射する前の媒体の屈折率である（前記前の媒体が空気である場合はｎ０＝１）。
【００３７】
上述したように、（前記位相構造が前記設計波長の光に影響を与えないように）前記設計波長についてはφは２π又は２πの整数倍に等しいべきである。
【００３８】
２πに等しいφを利用することは、波長λ１において２πの位相変化を引き起こすステップの高さｈ１を与えるためにｈについて式（１）が再構成されることを可能にする：
【数４】
0004666563.tif 000003
同様の数式がｈ２（λ２において２πの位相変化を与えるために必要とされるステップの高さ）及びｈ３（λ３において２πの位相変化を与えるために必要とされるステップの高さ）についても得られる。
【数５】
0004666563.tif 000004
【数６】
0004666563.tif 000005
ここで、通過する波長λ２及びλ３の光においてどのような位相変化を高さｈ１のステップが持つかを考える。式（１）から、
【数７】
0004666563.tif 000006
又は
【数８】
0004666563.tif 000007
と書くことができる。式（２）からｈ１に代入することは、
【数９】
0004666563.tif 000008
又は
【数１０】
0004666563.tif 000009
を与える。次いで（式（２）及び（３）から）λ１及びλ２に代入すると、
【数１１】
0004666563.tif 000010
又は
【数１２】
0004666563.tif 000011
を得る。
同様の数式がφλ３について得られることができる：
【数１３】
0004666563.tif 000012
それ故、波長λ１の放射に対して２πの位相変化をもたらす高さｈ１のステップは、第２及び第３の波長の放射に対してそれぞれ２π（ｈ１／ｈ２）及び２π（ｈ１／ｈ３）の位相変化をもたらすことがわかる。
【００３９】
高さｈ１のｍ倍において、式（９）及び（１０）から前記第２及び第３の波長における位相差は、それぞれ２πｍ（ｈ１／ｈ２）及び２πｍ（ｈ１／ｈ３）のように変化することは明らかであろう。
【００４０】
しかしながら、（ｈ１／ｈ２）及び（ｈ１／ｈ３）は有理数によって近似されることができるため、ステップ高さｈ１の倍数は、他の２つの波長において限られた数の十分に異なる位相ステップのみを引き起こす。ここで異なる位相ステップの数は、結果の位相変化φが少なくとも凡そ２πの整数倍となるまで有理数（ｈ１／ｈ２）又は（ｈ１／ｈ３）が合計されることができる回数に等しい。
【００４１】
ｐ２をλ２についての異なるステップの数、ｐ３をλ３についての異なるステップの数とする。
【００４２】
ｐ２とｐ３とは異なるため、単純にステップ高さｈ１の異なる整数ｍ倍を選択することにより、λ２及びλ３について位相ステップの異なる組み合わせが選択されることができる。言い換えると、本発明の教示は前記設計波長において２πの位相差、及び他の波長において上述の離散的な位相差のいずれの結合をもたらす位相構造が形成されることを可能にする。
【００４３】
ここで赤色ＤＶＤ、青色ＤＶＤ及びＣＤからデータを読み取る装置の特定の例を考えると、３つの個別の光の波長と単一の対物レンズとを利用して、３つの異なるメディアの夫々から達成されるべきデータ読み出しを可能にする位相構造のために適切なステップ高さを算出することができる。
【００４４】
上述したように、赤色ＤＶＤは波長６６０ｎｍの光を用いて読み取られる。従って、本例においては設計波長はλ１＝６６０ｎｍであり、この波長において前記位相構造が透過する光において２πの整数倍の位相差をもたらすことが要求される。第２の波長λ２はＣＤからデータを読み取るために７８５ｎｍに等しく、第３の波長λ３は青色ＤＶＤからデータを読み取るために４０５ｎｍに等しい。位相構造１１がジアクリル（diacryl）のものでありｎλ１＝１．５６４、ｎλ２＝１．５５９、ｎλ３＝１．５９４である場合、ｎ０＝１を仮定すると、式（２）、（３）及び（４）を利用して、ステップｈ１、ｈ２及びｈ３を夫々１．１７０μｍ、１．４０４μｍ、０．６８２μｍと算出することが可能である。
【００４５】
式（９）及び（１０）から、波長λ２及びλ３のビーム中に高さｈ１のステップによってもたらされる位相差は、λ２については２π（０．８３３）ラジアン、λ３については２π（１．７１６）と等しいことが算出されることができる。０．８３３３≒５／６及び１．７１６≒１２／７より、ｐ２＝６及びｐ３＝７が得られる。ステップ高さｈ１のｍ倍についてこのデータを表にすると、以下のように表を作成することができる：
【００４６】
【表１】
0004666563.tif 000013
【００４７】
表１より、ｐ２は６に等しくｐ３は７に等しいこと（夫々φ２及びφ３の列の太字のイタリック文字を参照）、また更に離散的な位相ステップの各セットは、ステップ高さｈ１の倍数ｍの範囲を増加するにつれて、無限に繰り返すことがわかる。例えば、φ２はｍ＝１からｍ＝６まで続き、次いでｍ＝７からｍ＝１２まで繰り返す。同様にφ３はｍ＝４からｍ＝１０まで続き、次いでｍ＝１１からｍ＝１７（図示していない）まで続く。
【００４８】
ｐ２とｐ３とは異なるため、単にステップ高さｈ１の適切な倍数ｍを選択することによって、λ２及びλ３についての離散的な位相ステップの全ての組み合わせが選択のために利用可能である。
【００４９】
一般的な観点で言えば、以下に示されるように、波長λ１におけるステップ高さｈ１についての十分に異なる位相ステップの数ｐｉについて数式を決定することが可能である。
【００５０】
ｈ１を波長λ１において２πの位相ステップをもたらす位相構造の高さと定義し、同様にｈｉを他の波長λｉにおいて２πの位相ステップをもたらす構造の高さと定義すると、λｉに対応する高さｈｉについての十分に異なる位相ステップの数ｐｉを見出すため、連分数ＣＦｉとして比率ｈ１／ｈｉを書ける。
【００５１】
一般に連分数（ＣＦ）は、
【数１４】
0004666563.tif 000014
によって定義される。
【００５２】
最後の等式はＣＦについての他の表記である（例えばM.Abramowitz及びI.A.Stegunによる「Handbook of mathematical functions」（Dover
Publications, New York、1970年）の19頁参照）。
【００５３】
数ｂｋが整数である場合、ＣＦは常に収束する。結果として、以下のように書くことができるＣＦｍとなるようにｍ番目のオーダーまで該ＣＦを切り捨てることができる：
【数１５】
0004666563.tif 000015
ここでＡｍ及びＢｍは、
Ａｍ＝ｂｍＡｍ−１＋Ａｍ−２、
Ｂｍ＝ｂｍＢｍ−１＋Ｂｍ−２、
Ａ−１＝１，Ａ０＝ｂ０，Ｂ−１＝０，Ｂ０＝１
によって定義される整数である。例えば、
【数１６】
0004666563.tif 000016
が得られる。係数ｂｋは以下のように決定される。
【数１７】
0004666563.tif 000017
とすると、
【数１８】
0004666563.tif 000018
が得られる。ここでＩｎｔ［］はａ０の整数部分を取ることを意味する（例えばＩｎｔ［３．２５３］＝３）。次いで、
【数１９】
0004666563.tif 000019
と定義し、
【数２０】
0004666563.tif 000020
【数２１】
0004666563.tif 000021
とすると、
【数２２】
0004666563.tif 000022
【数２３】
0004666563.tif 000023
が得られ、ＣＦｍが一義的に定義される。数ｐｉを見出すため、ｈ１／ｈｉに対応するＣＦｋｉを、該整数値のｋについてＣＦｋｉが最初に
【数２４】
0004666563.tif 000024
の関係を初めて満たすように決定しなければならない。このとき有理近似は、
【数２５】
0004666563.tif 000025
となり、これよりλ１に対応する高さｈｉについての十分に異なる位相ステップの数ｐｉは、
【数２６】
0004666563.tif 000026
によって得られることがわかる。このことは以下のことからわかる。
【数２７】
0004666563.tif 000027
整数ｍを用いてｍｈ１のステップ高さを採る場合、波長λｉにおいてもたらされる位相変化は、
【数２８】
0004666563.tif 000028
によって与えられる。ここで高さ（ｍ＋ｐｉ）ｈ１を考慮すると、高さｍｈ１を用いる場合と同じ位相がλｉについて予想される。このことは以下のように示される。
【００５４】
Ａｋは整数であるため、ステップ高さｍｈ１及び（ｍ＋ｐｉ）ｈ１によってもたらされる位相のモジュロ２πは略等しい。
【００５５】
ここで、位相構造１０がジアクリルによってつくられた、ｎλ１＝１．５６４、ｎλ２＝１．５５９、ｎλ３＝１．５９４である場合を考える。ｎ０＝１と仮定すると、式（２）、（３）及び（４）を利用してステップ高さｈ１、ｈ２及びｈ３を夫々１．１７０μｍ、１．４０４μｍ及び０．６８２μｍと算出することが可能である。
【００５６】
また式（９）及び（１０）から、波長λ２及びλ３のビーム中の高さｈ１のステップによってもたらされる位相差が、λ２については２π（０．８３３）ラジアン、λ３については２π（１．７１６）ラジアンと等しいと算出されることができる。比率のｈ１／ｈ２＝０．８３３及びｈ１／ｈ３＝１．７１６を連分数に展開することにより（表３及び表４を参照）、０．８３３３≒５／６及び１．７１６≒１２／７であることが得られ、それ故ｐ２＝６及びｐ３＝７が得られる。
【００５７】
【表２】
0004666563.tif 000029
【００５８】
【表３】
0004666563.tif 000030
【００５９】
最後に、λｉに対応する高さｈｉについての十分に異なる位相ステップの数ｐｉを、以下のように表すことが可能である。式（１１）による連分数ＣＦｉとして比率ｈ１／ｈｉを書く。式（２１）に提示された条件を満たすとすぐに前記分数を切り捨て、値Ａｋ及びＢｋを決定する。λｉに対応する高さｈｉについて十分に異なる位相ステップの数がｐｉ＝Ｂｋによって与えられる。
【００６０】
図２における対物レンズ１０は本例においては、平面−非球面素子である。対物レンズ１０は前記光学軸において２．４０１ｍｍの厚さと３．３ｍｍ入射瞳の直径を持つ。前記対物レンズのレンズボディは、波長λ１＝６６０ｎｍにおいて屈折率ｎ＝１．７６８２、λ２＝７８５ｎｍにおいてｎ＝１．７６２５、λ３＝４０５ｎｍにおいてｎ＝１．７９９８を持つＳｃｈｏｔｔ社のガラスＬＡＦＮ２８でつくられる。コリメータレンズの方に向く前記レンズボディの凸面は２．２８ｍｍの半径を持つ。前記対物レンズの前記記録担体に向かう面は平らである。ガラスのボディの頂点部におけるアクリルの薄い層において非球状の形状が認識される。ラッカーは６６０ｎｍにおいて屈折率ｎ＝１．５６４０、７８５ｎｍにおいてｎ＝１．５５８８、及び４０５ｎｍにおいてｎ＝１．５９４５を持つ。前記光学軸における該層の厚さは１７ミクロンである。回転性の対称非球面形状は式：
【数２９】
0004666563.tif 000031
によって与えられる。ここでｚは前記光学軸の方向における前記面の位置をミリメートルで、ｒは前記光学軸への距離をミリメータで、Ｂｋはｒのｋ乗の係数を示す。係数Ｂ２からＢ１０の値は夫々、０．２３９１０４、０．００５０８９６３５４、８．９１２７３７６・１０−５、−８．７２０８１３１・１０−６、−１．８２５８４２６・１０−６である。自由に動く距離、従って対物レンズ１０と前記ディスクとの間の距離は、前記ディスクの被覆層の厚さが０．６ｍｍであるλ１＝６６０ｎｍにおけるＤＶＤについては１．０４９ｍｍ、前記ディスクの被覆層の厚さが１．２ｍｍであるλ２＝７８５ｎｍにおけるＣＤについては０．６９５２ｍｍ、前記ディスクの被覆層の厚さが０．６ｍｍであるλ３＝４０５ｎｍにおけるＤＶＤについては０．９７１０ｍｍである。前記ディスクの被覆層の厚さは、波長λ１＝６６０ｎｍにおいては屈折率ｎ＝１．５７９８、波長λ２＝７８５ｎｍにおいてはｎ＝１．５７３１、及び波長λ３＝４０５ｎｍにおいてはｎ＝１．６１８８を持つポリカーボネートからつくられる。前記対物レンズは、６６０ｎｍでＤＶＤ及び４０５ｎｍでＤＶＤディスクを読み取る場合にスフェロクロマティズムがもたらされないように設計される。それ故前記対物レンズは既にＤＶＤ赤色及び青色読み出しに適している。前記レンズをＣＤ読み出しに適したものにするため、前記ディスクの厚さの差異及びスフェクロマティズムによって生じる球面収差は補償される必要がある。Katayama、Komatsu及びYamanakaの三氏により「Dual-Wavelength optical head with a wavelength selective filter for 0.6 and 1.2mm thick substrate optical disks」と題された彼らの「Applied Optics」の論文中に（「Applied Optics」、Volume 38、No.17、1999年6月10日、3778頁を参照のこと）、及び同様に2000年に東京で開催された「Optical Design and Fabrication conference」のプロシーディング中に発表された、Hendriks、de Vries及びUrbachの三氏による「Application of non periodic phase structures in optical systems」（325〜328頁）中に記載された方法を利用することにより、ＣＤの場合（即ち前記光媒体が凡そ７８５ｎｍの波長における光を用いて走査される場合）において０．００ラジアン、１．０４７ラジアン及び２．０９４ラジアンの相対位相、及び赤色ＤＶＤの場合において凡そ２πラジアン及びその整数倍の相対位相をもたらす３つの位相ステップ構造を備えることにより、赤色ＤＶＤ／ＣＤシステム中の球面収差及びスフェロクロマティズムを補償することが可能である（表１及び表４を参照）。
【００６１】
表１より、ＣＤの波長λ２における収差及び他の欠点を修正するために適切な位相差は、例えば０ｈ１、５ｈ１及び４ｈ１又は０ｈ１、−１ｈ１及び−２ｈ１のステップを持つ位相構造を構成することにより提供され得ることは明白である。
【００６２】
しかしながら、ＣＤと同じように青色ＤＶＤを走査することが望ましい場合、ＣＤの波長λ２における走査のために選択されたステップ高さは、前記対物レンズが青色ＤＶＤの波長λ３の光で照射されるときにかなりの位相勾配をもたらさないことが必要である。
【００６３】
再び表１を参照すると、（例えば）ステップ高さ１２ｈ１、５ｈ１及び−２ｈ１を選択することにより、ＣＤの波長λ２において望ましい位相差０．００、１．０４７及び２．０９４ラジアンと、加えて、青色ＤＶＤの波長λ３においておおよそ３．６ラジアンの凡そ等しい位相差をもたらす。
【００６４】
青色ＤＶＤの波長においてはかなりの位相勾配は無いため、前記位相構造によって引き起こされるおおよそ一定の位相変化は青色ＤＶＤの走査に影響を及ぼさない。
【００６５】
言い換えると、１２ｈ１、５ｈ１及び２ｈ１のステップ高さを用いて位相構造を構成することにより、ＣＤ、赤色ＤＶＤ及び青色ＤＶＤを走査を可能にする対物レンズを提供することが可能である。
【００６６】
この際に、負の高さを持つステップの処理の仕方を言及しておくことには価値がある。例えば−２ｈ１のステップを構成したい場合、前記レンズの全体の面に（スポット形成に影響を及ぼさない一定の波面オフセットを引き起こす）深度２ｈ１の物質の層を付加し、次いで前記ステップを形成することが望まれる領域における前記層を除去することができる。
【００６７】
表４は、ＣＤ、赤色ＤＶＤ及び青色ＤＶＤを走査することが可能な、上述したような位相構造についての測定を示す。図４は図３の線Ａ−Ａに沿った誇張された模式的な断面図を提供し、表４に示されたようなステップ高さ分布を持つ位相構造を示す。
【００６８】
【表４】
0004666563.tif 000032
【００６９】
かような構造を利用することにより、λ３においてもたらされる実効波面収差（これは前記レンズの入射瞳全体に渡っての波面の平均光路差、言い換えると前記レンズによってもたらされる収差の尺度である）は約１７ｍλであり、λ２においては約４３ｍλであることがわかる。
【００７０】
前記実行波面収差（λの波において測定される）が０．０７λ以下である場合、前記光学系は「回折限界にある」と呼ばれ、これは前記レンズ中の不完全さによってもたらされる収差が、回折効果によるスポットの幅より小さいことを意味する。走査を修正するために、全体の光学系の実効波面収差の合計は０．０７λよりも小さいべきである。λ２及びλ３における実効波面収差は０．０７λより小さいため（及び設計波長λ１においては相当の収差はもたらされないため）、上述のシステムはＣＤ、赤色ＤＶＤ及び青色ＤＶＤを走査するのに適している。
【００７１】
ここでは前記第３の波長において平らな波面が前記位相構造によって生成される場合のみが考慮されたが、前記第３の波長において以下のように球面収差が生成されるような場合への拡張も為されることができる。前記第３の波長について、ｐ３個の十分に異なる位相ステップがある（例えば表１の行３を参照）。第３の構成においてこれらの位相ステップを用いた（前記第３の波長において前記ディスクの前記被服層の厚さが前記第１の波長における場合のそれと異なるとき、又は大きなスフェクロマティズムが存在するときにもたらされ得る）球面収差の量の補償は、赤色ＤＶＤ及び青色ＤＶＤの場合については平らな波面をもたらす、ＣＤ構成のための球面収差修正を達成するために前記説明したものと同様に進行する。ここで前記構成は、青色ＤＶＤに対しては球面収差を生成するように構成され、一方で赤色ＤＶＤ及びＣＤの場合に対しては平らな波面をもたらす。このようにして２つの位相構造の設計に行き着く。一方は前記第２の波長に対しては所望の量の球面収差をもたらし一方では第１及び第３の波長に対しては影響を及ぼさないものであり、他方は前記第３の波長に対しては所望の量の球面収差をもたらし一方では第１及び第２の波長に対しては影響を与えないものである。前記設計の最後のステップは、互いの上部に双方の構造を単純に追加することである。２つの別個の構造の夫々の複数の位相素子の幅は異なる場合があるため、結果の位相構造は一般により複雑になる。
【００７２】
本実施例は一般には、３つの異なるタイプの光メディアから３つの関連する波長の光を用いデータを読み取ろうとする場合に関するが、本発明の教示はより多くの数の波長においてデータを読み取る（書き込む）ことが望まれるシステムにも適用されることは、当業者には理解されるであろう。
【００７３】
例えば、第４の波長λ４の光を利用して付加的にメディアを走査することが望まれる場合（例えば付加的な光メディアのタイプに対して）、表１は比率ｈ１／ｈ４の倍数を有する位相変化φ４の第４の列を含むように拡張される。λ４はλ１、λ２及びλ３とは異なるため、離散的な位相ステップの数ｐ４もｐ２又はｐ３とは異なる。結果として、単に適切なｍの値を選択することにより、位相変化φ２、φ３及びφ４の全ての組み合わせを選択することが可能となる。このようにして、例えば４つの異なる波長で４つの異なる光メディアからデータを読み取ることが可能な位相構造を提供することが可能となる。
【００７４】
それ故、本発明の教示は複数の異なるタイプの光メディアを、例えば関連する異なる波長の光を用いて走査する装置を提供するために適用されても良い。
【００７５】
以上から、本発明の範囲は以下を近似（approximate）する位相構造に拡張されることは理解されよう：
（ａ）第１の波長λ１において球面収差波面、第２の波長λ２において平らな波面、及び第３の波長λ３において平らな波面、又は
（ｂ）第１の波長λ１において球面収差波面、第２の波長λ２において平らな波面、及び第３の波長λ３において球面収差波面。
【００７６】
このことは球面収差をもたらす以下の２つの効果があるという事実に起因する。即ち（ｉ）波長の変化に起因する屈折率の変化（スフェロクロマティズムと呼ばれる）及び（ii）被覆層の厚さの変化（例えばＤＶＤは凡そ０．６ｍｍの厚さの被覆層を持ち、一方でＣＤは凡そ１．２ｍｍの厚さの被覆層を持つ）である。
【００７７】
効果（ｉ）は典型的に効果（ii）に比べて小さく、従って波長が変化し前記被覆層の厚さが変化しない場合、（ここでＤＶＤブルー、ＤＶＤレッド及びＣＤシステムに関して説明されたように）前記対物レンズ系のレンズ設計におけるスフェクロマティズムを補償することが可能である。
【００７８】
前記被覆層の厚さが全て異なる又はスフェクロマティズムが補償されることができない状況においては、位相構造（ｂ）が３つの異なる波長を用いて光データ担体を読み取ることができるシステムを更に提供することができる。
【００７９】
本発明の特定の好適な実施例はここで説明されたが、添付された請求項に定義されるように、本発明の範囲内において変更が為され得ることは理解されよう。
【００８０】
例えば上述の実施例においては、位相構造１１はレンズ１０上に備えられるが、前記位相構造は代わりに、例えばλ／４板又はビームスプリッタのような前記対物レンズと別の光学素子上に備えられても良い。
【００８１】
加えて、「近似する（approximate）」又は「近似（approximation）」という語はここでは、とり得る近似の領域をカバーすることを意図しており、この定義は、異なるタイプの光記録担体を走査する目的にかなう光走査装置の実践的な実施例を提供するためにいずれの場合にも十分な近似を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による光記録担体のための走査装置の構成要素の模式的な説明図である。
【図２】図１の走査装置における利用のための対物レンズの模式的な説明図である。
【図３】図２の対物レンズの模式的な正面図である。
【図４】図３の線Ａ−−−Ａに沿った断面図である。左の最初のステップは図３の中心から始まる。
【図１】
0004666563.tif 000035
【図２】
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【図３】
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【図４】
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