(57)【要約】【課題】  許容できる波長域が十分広く、モードホップ等による焦点ずれを良好に補正でき、且つ、製造が容易な光ヘッドを提供する。【解決手段】  光路中の２つの面の第一の面及び第二の面に複数の輪帯状の位相ステップ構造を有し、第一の面の隣り合う位相ステップの、光軸に垂直な方向の略中間に第二の面の位相ステップが位置する。また、位相ステップ構造は色収差補正素子の両面に形成、ビームエキスパンダを構成する凸レンズの両面に形成、又はコリメータレンズとビームエキスパンダを構成する凹レンズの対向する面に形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの放射光を対物レンズによって光ディスク上の情報トラック上に収束し、情報の記録或いは再生を行う光ヘッドにおいて、少なくとも光路中の２つの面の第一の面及び第二の面に複数の輪帯状の位相ステップ構造を有しており、前記第一の面の隣り合う位相ステップの、光軸に垂直な方向の略中間に前記第二の面の位相ステップが位置していることを特徴とする光ヘッド。
【請求項２】
前記第一の面或いは前記第二の面における輪帯構造の隣り合う位相ステップの最小間隔が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド。
【請求項３】
前記光源の波長が５００ｎｍ以下で、前記対物レンズの開口数が０．８以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ヘッド。
【請求項４】
前記位相ステップ構造は、色収差補正素子の両面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ヘッド。
【請求項５】
前記位相ステップ構造は、ビームエキスパンダを構成する凸レンズの両面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ヘッド。
【請求項６】
前記位相ステップ構造は、コリメータレンズとビームエキスパンダを構成する凹レンズの対向する面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスクに光学的に情報を記録し、或いは再生する光ヘッドに関し、特に、色収差補正素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長４００ｎｍ程度の半導体レーザ光源と、開口数（ＮＡ）が０．８５程度の対物レンズを用いた高密度光ディスクシステムの開発が進められている。このシステムでは、短波長化、高ＮＡ化に伴い焦点深度が浅くなり、ＣＤやＤＶＤでは問題とならなかった軸上色収差を補正する必要が生じている。
【０００３】
一般に、半導体レーザは、出力変化、温度変化等によってモードホップが起こり、発振波長が瞬間的に変化する。記録、再生の切り替え時にシフトする波長は１〜２ｎｍ程度と言われているが、このような僅かな波長変動でも対物レンズで発生する色収差は大きなものとなる。そのため、フォーカスサーボが追従するまでの間、焦点ずれを生じてしまい、安定な記録再生を行う事ができなくなる。
【０００４】
このようなモードホップによる軸上色収差補正するため、例えば、特開２００１―２５６７７２号公報に開示された補正素子が知られている（特許文献１）。同公報のものでは、回折構造の波長分散は屈折レンズと逆の符号をとるため、回折素子を用いることによって波長シフトによる焦点位置ずれを打ち消すことができる。但し、上述のような高密度光ディスクシステムにおいて、十分に軸上色収差を補正するためには、回折構造の最小輪帯幅が約１０μｍと小さくなってしまい、成型によって製造することは困難である。そこで、高次の回折光を用いる等して、最小輪帯幅を製造可能な範囲で保つといった方法が用いられている。
【０００５】
また、特表２００３−５１８６３７号公報に開示されているように階段状の位相ステップ構造を同心円上に形成する光学素子も提案されている（特許文献２）。段差による位相差は、２π・ｍ（ｍは整数）となっており、設計波長においては透過波面に対して作用しない。設計波長からずれることによって、段差による位相ステップが波長の整数倍からずれ、波面にパワーが生じる。
【０００６】
これにより、位相ステップ構造を適切に設計すれば、対物レンズ等の光学系の軸上色収差を打ち消すことができる。但し、こういった構造の場合にも、次数ｍを１とした場合には、構造が微細化して製造が困難となるため、段差による位相ステップの次数ｍを２以上の高次の値とし、最小輪帯幅を製造可能な範囲で保つ方法が用いられている。
【特許文献１】特開２００１―２５６７７２号公報
【特許文献２】特表２００３−５１８６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高次の位相ステップを用いる場合には、許容できる波長域が狭くなってしまうといった問題がある。一般に、青紫ＬＤは製造誤差等によって発振波長が４００〜４１５ｎｍ程度にばらつくことが知られている。上記従来例のような場合、光源の発振波長が位相構造の設計波長から大きくずれた場合には、残留波面収差がスポット品位の劣化を招き、安定した性能を得られなくなってしまう。そのため、利用できるＬＤ素子が限られ、選別することになれば大きなコストアップにつながるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、許容できる波長域が十分広く、モードホップ等による焦点ずれを良好に補正でき、且つ、製造が容易な光ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、光源からの放射光を対物レンズによって光ディスク上の情報トラック上に収束し、情報の記録或いは再生を行う光ヘッドにおいて、少なくとも光路中の２つの面の第一の面及び第二の面に複数の輪帯状の位相ステップ構造を有しており、前記第一の面の隣り合う位相ステップの、光軸に垂直な方向の略中間に前記第二の面の位相ステップが位置していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、製造が容易で、且つ、広い波長域で波面収差が抑えることのできる色収差補正素子を用いることにより、レーザ発振波長バラツキを広い範囲で許容することができ、且つ、モードホップ等による軸上色収差を完全に抑えた光ヘッドを、低コストで提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は本発明の光ヘッドの第１の実施形態を示す図である。記録／再生用光源である半導体レーザ１の波長は４０７ｎｍ付近である。コリメータレンズ２は半導体レーザ１からの発散光を平行化するレンズである。ビームエキスパンダは凹レンズ３と凸レンズ４からなっており、球面収差を補正するため凹レンズ３は光軸方向への移動機構（図示せず）を備えている。
【００１３】
色収差補正素子５は平行平面板の両面に同心円の階段構造を有する。１／４波長板６は直線偏光を円偏光に変換し、対物レンズ７はＮＡ０．８５で、微小スポットを保護層厚１００μｍの光ディスクに回折限界以下で収束させる。色補正素子５が無い場合には、この光学系が持つ軸上色収差は０．２１μｍ／ｎｍである。
【００１４】
図２は色収差補正素子５を示す図である。図２では色収差補正素子５の特徴を示すためステップ数を省略し、段差はやや強調して示している。波長４０７ｎｍにおいて、各ステップの光路長差が波長の整数倍となっており、第一面の段差は第二面の隣り合う段差のほぼ中間に位置している。
【００１５】
表１は色収差補正素子５の第一面と第二面のデータを示す。表１におけるｒは瞳径で規格化した位相ステップの半径位置、ｈはステップ高さ(μm)である。材質はd線での屈折率１．４８７４９のＦＫ５である。輪帯構造の最小幅は４５μｍ以上となっており、金型の機械加工において十分な精度を得られる大きさを確保している上、成型における転写ミスの頻度も低く抑えられている。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
図３は波長変動に伴う焦点位置の変化を示す。色収差補正素子５による色収差補正有りの場合と色収差補正無しの場合を比較して示す。図３のグラフから明らかなように色収差補正素子５を挿入することにより、焦点ずれが広い波長範囲にわたって補正されていることが分かる。
【００１８】
図４は波長４１０ｎｍの時の波面誤差を示す。この時、対物レンズ７及びビームエキスパンダ３，４は４０７ｎｍでの状態から動かしていないが、焦点ずれの成分は生じていない。しかし、位相構造の段差の影響で、鋸歯状の不連続な波面誤差成分が発生しており、残留波面収差に対して支配的な成分となっている。
【００１９】
図５は各波長においての波面収差を示す。破線は従来の波面収差、実線は本実施形態の波面収差を示す。従来の色収差補正素子を用いた場合において輪帯構造の最小幅を本実施形態の色収差補正素子５と同じにし、前述した従来例に相当する第一面と第二面で位相構造の段差を同じ位置にした場合には、波長４００ｎｍで３５ｍλ、波長４１５ｍλで３７ｍλの波面収差が発生する。これは、上述した位相構造の段差の影響が設計波長から離れるに従い大きくなるためである。
【００２０】
それに対し、本実施形態における色収差補正素子５を用いた場合には、第二面の段差が第一面の段差の中間に位置するようにしているため、この残留波面収差成分を抑制でき、波長４００nmから４１５nmの範囲で波面収差は２０mλｒｍｓ以下と約１／１．８に波面収差が抑えられている。
【００２１】
以上のようにして製造が容易な素子を用いて、広い波長域で波面収差が抑えることができる。なお、位相ステップ構造としては、断面形状が階段状のものや、鋸歯状のものが知られているが、それらを含めあらゆる形態をとることが可能である。よって、対物レンズやビームスプリッタ等、様々な光学素子と複合化することが可能である。これは、以下の実施形態おいても同様である。
【００２２】
（第２の実施形態）
図６は第２の実施形態の光ヘッドの光学系を示す。半導体レーザ１の波長は４０７ｎｍ付近である。コリメータレンズ２は半導体レーザ１からの発散光を平行化するレンズである。ビームエキスパンダの凹レンズ３は球面収差補正のため光軸方法への移動機構を備えており、ビームエキスパンダの凸レンズ８は両面に同心円の階段構造を有する。１／４波長板６は直線偏光を円偏光に変換し、対物レンズ７はＮＡ０．８５で、微小スポットを保護層厚１００μｍの光ディスクに回折限界以下で収束させる。位相ステップ構造が無い場合、この光学系が持つ軸上色収差は０．２１μｍ／ｎｍである。
【００２３】
ビームエキスパンダの凸レンズ８に刻まれた位相ステップは、波長４０７ｎｍにおいて各ステップの光路長差が波長の整数倍となっており、第一面の段差は第二面の隣り合う段差のほぼ中間に位置している。
【００２４】
図７は本実施形態の凸レンズ８の構造を示す。位相ステップの半径位置、位相高さは第１の実施形態のものと同一であるが、凸レンズ８の球面形状が付加されている。材質はｄ線での屈折率１．４８７４９のＦＫ５である。輪帯構造の最小幅は４５μm以上となっており、金型の機械加工において十分な精度を得られる大きさを確保している上、成型における転写ミスの頻度も低く抑えられている。この位相ステップ構造による色収差補正効果は、第１の実施形態のものと同様である。即ち、本実施形態のビームエキスパンダの凸レンズ８を用いることにより、波長４００nmから４１５nmの範囲で波面収差は２０mλｒｍｓ以下に抑えられている。
【００２５】
本実施形態では、位相ステップ構造をレンズと一体化することにより、第１の実施形態と比較して、光学系をコンパクト化できる利点がある。以上のように光学部品の数を増やすことなく、且つ、製造が容易な形状を用いて、広い波長域で波面収差が抑えることができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図８は第３の実施形態の光ヘッドの光学系を示す。半導体レーザ１の波長は４０７ｎｍ付近である。コリメータレンズ９は半導体レーザ１からの発散光を平行化するレンズであり、半導体レーザ１に遠い側の面に同心円の階段構造を有する。
【００２７】
また、図９に示すようにビームエキスパンダの凹レンズ１０は半導体レーザ１に近い面に同心円の階段構造を有しており、ビームエキスパンダの凸レンズ４は球面収差補正のため光軸方法への移動機構を備えている。１／４波長板６は直線偏光を円偏光に変換し、対物レンズ７はＮＡ０．８５で、微小スポットを保護層厚１００μｍの光ディスクに回折限界以下で収束させる。
【００２８】
コリメータレンズ９の第二面及びビームエキスパンダの凹レンズ１０の第一面に刻まれた位相ステップは、波長４０７ｎｍにおいて各ステップの光路長差が波長の整数倍となっており、コリメータレンズ９の第二面の段差はビームエキスパンダの凹レンズ１０の第一面の隣り合う段差のほぼ中間に位置している。
【００２９】
図９は本実施形態におけるコリメータレンズ９と凹レンズ１０の構造を示す。位相ステップの半径位置、位相高さは第１の実施形態のものと同一であるが、コリメータレンズ９においては凸レンズの球面形状、ビームエキスパンダの凹レンズ１０の第一面においては凹レンズの球面形状が付加されている。ともに材質はd線での屈折率１．４８７４９のＦＫ５である。
【００３０】
輪帯構造の最小幅は４５μm以上となっており、金型の機械加工において十分な精度を得られる大きさを確保している上、成型における転写ミスの頻度も低く抑えられている。この位相ステップ構造による色収差補正効果は、第１の実施形態のものと同様である。即ち、本実施形態におけるコリメータレンズ９、ビームエキスパンダの凹レンズ１０を用いることにより、波長４００nmから４１５nmの範囲で波面収差は２０mλｒｍｓ以下に抑えられている。
【００３１】
本実施形態では、位相ステップ構造をレンズの一面のみに形成するので、第２の実施形態と比較して製造が容易となり、コストを抑えられる利点がある。以上のように各々の製造を更に容易にしつつ、広い波長域で波面収差が抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による光ヘッドの第１の実施形態の光学系を示す図である。
【図２】第１の実施形態の色収差補正素子を示す図である。
【図３】波長変動よる焦点位置変化を示す図である。
【図４】第１の実施形態における波面誤差を示す図である。
【図５】波面収差を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図７】第２の実施形態の色収差補正素子を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図９】第３の実施形態の色収差補正素子を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体レーザ
２  コリメータレンズ
３  凹レンズ
４  凸レンズ
５  色収差補正素子
６  １／４波長板
７  対物レンズ
８  凸レンズ
９  コリメータレンズ
１０  凹レンズ
【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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