(57)【要約】【課題】位相シフト機能と開口切換機能を備えて簡略化した光学素子により、ＤＶＤ，ＣＤ系の互換時に生じる球面収差を補正し、２段階の開口切換で３世代互換を達成する。【解決手段】位相補正素子１０７に、光源からの出射光の光軸に直交する面にて同心円状で、光軸方向への断面形状が２段以上の階段状の位相シフトパターンと、位相シフトパターン上に断面が周期的な凹凸の回折パターンを重畳する。位相シフトパターンは青色系で最適化した対物レンズにＤＶＤ系の光を入射させた場合に発生する球面収差を抑制し、回折パターンは青色系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の各媒体の最適なＮＡを実現するために開口切換を行う。【選択図】    図３
2005025869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う光ピックアップであって、光源からの出射光の光軸に直交する面において、領域毎に位相シフト量の異なる位相シフトパターンと、領域毎に回折量の異なる回折パターンとを重畳する位相補正素子を備えたことを特徴とする光ピックアップ。
【請求項２】
前記位相補正素子の位相シフトパターンが、光軸方向への断面形状が２段以上の階段形状であることを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
【請求項３】
前記位相補正素子の回折パターンが、光軸方向への断面形状が周期的な凹凸の回折パターンであり、位相シフトパターン上に形成したことを特徴とする請求項１または２記載の光ピックアップ。
【請求項４】
前記位相補正素子への光源からの入射光が、前記出射光の光軸に直交する面において略同心円状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項５】
前記位相補正素子において、位相シフトパターンと回折パターンが重畳された領域を、出射光の光軸に直交する面の外周部に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項６】
光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、各々波長の異なる３つの光源と、前記各光源の出射光を前記光記録媒体に集光させるための対物レンズを備え、位相補正素子の位相シフトパターンが、前記各光源から出射する３波長のいずれか２波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項７】
前記光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、位相補正素子の位相シフトパターンが、波長λ１，λ３に対して２πの略整数倍となる位相差を与え、かつ波長λ３を、波長λ１の略整数倍としたことを特徴とする請求項６記載の光ピックアップ。
【請求項８】
前記位相補正素子の位相シフトパターンとして、付加する位相差が２πの略整数倍となる波長以外の光で光記録媒体上に集光させたときに発生する球面収差と逆極性の位相を与える位相シフトパターンとしたことを特徴とする請求項６または７記載の光ピックアップ。
【請求項９】
光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、各々波長の異なる３つの光源と、前記各光源の出射光を前記光記録媒体に集光させるための対物レンズを備え、位相補正素子の回折パターンが、前記各光源から出射するいずれかの波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１０】
光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、各々波長の異なる３つの光源と、前記各光源の出射光を前記光記録媒体に集光させるための対物レンズを備え、位相補正素子の回折パターンが、前記各光源から出射する３波長のいずれか２波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１１】
前記各光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効的開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、次の条件
ＮＡ（λ１）＝ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）
を満足する対物レンズを用い、かつ前記対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、次の条件
φ２＞φ１＞φ３
を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側かつφ１以内の領域１と、φ１以降外側の領域２に形成したことを特徴とする請求項９または１０記載の光ピックアップ。
【請求項１２】
前記各光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効的開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、次の条件
ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）
を満足する対物レンズを用い、かつ前記対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、次の条件
φ１＞φ２＞φ３
を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側かつφ２以内の領域１と、φ２以降外側の領域２に形成したことを特徴とする請求項９または１０記載の光ピックアップ。
【請求項１３】
前記各光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効的開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、次の条件
ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）
を満足する対物レンズを用い、かつ前記対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、次の条件
φ１＝φ２＞φ３
を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側の領域に形成したことを特徴とする請求項１０記載の光ピックアップ。
【請求項１４】
前記各光源からの出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズを、前記各光源のうち波長の最も短い光源において、収差の波面が最小となるように形成したことを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項１５】
前記各光源からの出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズを、前記各光源のうち波長の最も短い光源点灯時には無限系の入射光束で使用し、前記各光源のうち残りの光源の少なくともいずれか１の光源点灯時には有限系の入射光束で使用することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項１６】
前記光源の出射光が集光された光情報記録媒体からの反射光を検知する受光素子を備え、位相補正素子の回折パターンから位相差を与えた回折光を、前記受光素子の外部で集光したことを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項１７】
前記光源からの出射光において、波長λ１の光源点灯時には無限系の入射光束で使用し、波長λ２の光源点灯時には有限系の入射光束で使用して、位相補正素子の回折パターンに代えて開口部を対物レンズの前側主点から前記光源側へ（数１）で求める所定距離ｔの位置に配置したことを特徴とする請求項１３記載の光ピックアップ。
【数１】
2005025869.tif 000004
ここで    ｆ：対物レンズの焦点距離
ＮＡ１：波長λ１の光源点灯時の像面側開口数
ＮＡ２ｏｂｊ：波長λ２の光源点灯時の光源側開口数
Ｌ：波長λ２の光源点灯時の物体距離
【請求項１８】
前記位相補正素子に用いる硝種において、ｄ線の屈折率ｎｄ、及びｄ線のアッベ数νｄが、次の条件
１．５０＜ｎｄ＜１．６６、及び５５＜νｄ＜８５
を満足することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項１９】
前記光源からの出射光の波長に応じて偏光状態を変化させる偏光素子を備え、前記偏光素子を、位相補正素子と一体化したことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の光ピックアップを用いて、青色波長帯域用光記録媒体，赤色波長帯域用光記録媒体，赤外波長帯域用光記録媒体の少なくともいずれか１に対して、情報の記録，再生，消去の１以上を行うことを特徴とする光情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各光源からの出射光の位相分布を変化させる位相補正素子を備え、光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う光ピックアップ及びこれを用いる光情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
映像情報、音声情報、またはコンピュータにおいて処理されるデータを保存する手段として、記録容量０．６５ＧＢのＣＤ、記録容量４．７ＧＢのＤＶＤなどの光記録媒体が普及しつつある。そして、近年、さらなる記録密度の向上及び大容量化の要求が強くなっている。
【０００３】
このような光記録媒体の記録密度を上げる手段としては、光記録媒体に情報の書き込みまたは読み出しを行う光ピックアップにおいて、対物レンズの開口数（以下、ＮＡという）を大きくすること、あるいは、光源の波長を短くすることにより、対物レンズによって集光され、光記録媒体上に形成されるビームスポットの小径化が有効である。
【０００４】
そこで、例えば、「ＣＤ系光記録媒体」では、対物レンズの開口数が０．５０、光源の波長が７８０ｎｍとされているのに対して、「ＣＤ系光記録媒体」よりも高記録密度化がなされた「ＤＶＤ系光記録媒体」では、対物レンズの開口数が０．６５、光源の波長が６６０ｎｍとされている。そして、光記録媒体は、前述したように、さらなる記録密度の向上及び大容量化が望まれており、そのためには、対物レンズの開口数（ＮＡ）を０．６５よりもさらに大きく、あるいは、光源の波長を６６０ｎｍよりもさらに短くする新規格が望まれている。
【０００５】
前記高ＮＡ化、あるいは短波長化による新規格が近年提案される一方、利用者の手元には、従来の光記録媒体であるＣＤ、ＤＶＤが存在する。これらの光記録媒体と前記新規格の光記録媒体をともに同一の光情報処理装置で取り扱えることが望ましい。これを実現する最も簡単な方法としては、従来の光ピックアップと、新規格用光ピックアップの両方の光ピックアップを搭載する方法がある。しかし、この方法では、装置の小型化、低コスト化を達成することは難しい。
【０００６】
そこで、青色波長帯域の光源を用いた青色系（大容量）光記録媒体と、既存のＤＶＤ系、あるいはＣＤ系との互換が可能な光ピックアップとして、図２７に示すように青色用光源１００、ＤＶＤ用光源２００、ＣＤ用光源３００の各光源と、これらの各光源からの出射光を所定の光記録媒体に集光させるための１つの対物レンズを備えた構成が望ましい。ところで、このように１つの対物レンズで、青色系、ＤＶＤ系、あるいはＣＤ系の異なる規格の光記録媒体に集光させるためには、２つの課題が存在する。
【０００７】
まず、第１の課題は、規格の異なる複数種の光記録媒体においては、その使用するＮＡが異なる。そのために、記録，再生を行う光記録媒体に応じて、ＮＡを切り換える必要がある。そこで、ＤＶＤとＣＤの２世代互換時には、特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４に記載された開口切換素子、また大容量光記録媒体とＤＶＤの２世代互換時には、特許文献５に記載された開口切換素子、さらには３世代互換を達成するためには、特許文献６，特許文献７に記載されたような３段階の開口切換素子が必要とされていた。
【０００８】
波長（λ１）：４０７ｎｍ、ＮＡ（λ１）：０．６７、光照射側基板厚（ｔ１）：０．６ｍｍの青色系光記録媒体に対して、無限系入射（対物レンズへの入射光が平行光で入射する状態を意味する）により球面収差の波面が最小となる単一の対物レンズを用いて、波長（λ２）：６６０ｎｍ、ＮＡ（λ２）：０．６５、光照射側基板厚（ｔ２）：０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に無限系入射でスポット形成させた場合、あるいは波長（λ３）：７８０ｎｍ、ＮＡ（λ３）：０．５０、光照射側基板厚（ｔ３）：１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に無限系入射で集光させた場合、図７（ｂ），図８（ｂ）に示すように波長の違いに伴う球面収差が発生する。
【０００９】
このような課題は、ＤＶＤ／ＣＤ互換型光ピックアップにおいても同様にあった。すなわち、波長（λ２）：６６０ｎｍ、ＮＡ（λ２）：０．６５、基板厚（ｔ２）：０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に無限系入射で球面収差の波面が最小となる単一の対物レンズを用いて、波長（λ３）：７８０ｎｍ、ＮＡ（λ３）：０．５０、基板厚（ｔ３）：１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に無限系入射により集光させた場合、波長の違いと基板厚みの違いに伴う球面収差が発生する。
【００１０】
この対応方法として、例えば、特許文献３，特許文献８に記載がある。すなわち、波長の異なる２つの半導体レーザーと、波長選択性の位相シフト素子とを有し、一方の半導体レーザーから出射した波長６６０ｎｍの光を用いて厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に対して記録や再生を行い、他方の半導体レーザーから出射した波長７８０ｎｍの光を用いて厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に対して記録や再生を行うように構成し、波長選択性の位相シフト素子については、波長６６０ｎｍの光に対しては位相分布を変化させず、他方の波長７８０ｎｍの光に対しては位相分布を変化させて基板厚さの違いに伴う球面収差を補正するという手法を提案している。
【００１１】
また、他の方法として、対物レンズに対して波長６６０ｎｍのＤＶＤ側入射光が無限系、ＣＤ側入射光が有限系（いわゆる、発散光で入射する状態を意味する）とすることにより、ＤＶＤ系光記録媒体とＣＤ系光記録媒体の基板厚及び波長の差に起因する球面収差を補正する手段が一般に知られている。
【００１２】
ここで、以上のような従来例を用いて、非特許文献１には、青色系光記録媒体／ＤＶＤ系光記録媒体／ＣＤ系光記録媒体の３種類の光記録媒体を１つの対物レンズで記録あるいは再生する方法が提案されている。波長４０５ｎｍ，６５０ｎｍ，７８０ｎｍの異なる３つの半導体レーザーと、波長選択性の位相シフト素子とを有し、波長４０５ｎｍの無限系入射の光を用いて厚さ０．１ｍｍの青色系光記録媒体に対して照射を行い、波長６６０ｎｍの有限系入射の光を用いて厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に対して照射を行い、波長７８０ｎｍの有限系入射の光を用いて厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に対して照射を行う構成とし、波長選択性の位相シフト素子は波長４０５ｎｍの光に対しては位相分布を変化させず、他方の波長６６０ｎｍ，７８０ｎｍの光に対しては位相分布を変化させている。この構成では、基板厚さの違いに伴う球面収差を補正する方法として、波長選択性の位相補正素子とＤＶＤ／ＣＤの２波長を有限系にするという２種類の波面補正手段を併用している。
【００１３】
【特許文献１】
特許第３２４０８４６号公報
【特許文献２】
特許第２７１３２５７号公報
【特許文献３】
特許第２７２５６５３号公報
【特許文献４】
実用新案登録第３０３６３１４号公報
【特許文献５】
特開２００１−２１６６７６号公報
【特許文献６】
特開２０００−１８７８７０号公報
【特許文献７】
特開２００３−６７９７２号公報
【特許文献８】
特開平１０−３３４５０４号公報
【特許文献９】
特開２０００−３４８３６６号公報
【非特許文献１】
ＩＳＯＭ２００１予稿集「ＢＬＵＥ／ＤＶＤ／ＣＤ  ＣＯＭＰＡＴＩＢＬＥ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＨＥＡＤ  ＷＩＴＨ  ＴＨＲＥＥ  ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨＳ  ＡＮＤ  Ａ  ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ  ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ  ＦＩＬＴＥＲ」Ｒｙｕｉｃｈｉ  Ｋａｔａｙａｍａ  ａｎｄ  Ｙｕｉｃｈｉ  Ｋｏｍａｔｓｕ  ｐ３０〜３１
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような開口切換素子は、ＮＡの変化を避けるために対物レンズと一体可動するようにアクチュエータ上に搭載される。また、位相シフト素子においても、対物レンズとの光軸がずれるとコマ収差が発生するため対物レンズと一体可動される。一方、対物レンズをフォーカス方向、トラック方向へ可動させるアクチュエータとしては、軽量化・組付工数の低減を図るために部品点数の削減が望まれている。このような課題の対策手段として、位相シフト素子と開口切換素子を貼り合わせることが考えられるが、これによりアクチュエータ部への取り付けは簡素化することができるが重量の軽減をすることはできない。
【００１５】
別の対策手段として、一枚のガラス基板の表裏それぞれに位相シフト素子と開口切換素子の機能をもたせることも考えられるが、素子を薄型化する場合、プロセスとしては表面形状の加工後に薄型化のための研磨を行うことから、両面に加工が必要な場合にある程度の厚みが必要となり、やはり薄型化は困難であるとともに、表裏での位置合わせ精度を管理する必要があるなどの問題がある。
【００１６】
また、非特許文献１，特許文献７に記載の方法では、ＤＶＤ系光記録媒体／ＣＤ系光記録媒体の互換時に十分な波面性能が得られない。一般に、回折限界の収差の波面として、マーシャル・クライテリオン：０．０７λｒｍｓが基準値として用いられることがあるが、光ピックアップでは、光記録媒体の厚み誤差、光記録媒体のチルト誤差、光記録媒体と対物レンズ位置のずれに伴うデフォーカス誤差などをはじめとする様々な誤差要因が存在し、これらの誤差に伴う収差の波面劣化の確立的な積み上げを考えると、誤差を含まない状態での収差の波面（中央値）は０．０３λｒｍｓ以下であることが望まれる。
【００１７】
しかしながら、非特許文献１，特許文献７では、ＤＶＤ系光記録媒体の収差の波面（中央値）は、約０．０５λｒｍｓもある。何故なら、１つの素子で、ＤＶＤ系とＣＤ系いずれの収差の波面も最小とすることは不可能である。すなわち、ＤＶＤ系とＣＤ系の収差の波面が最小となる位相補正素子条件の中間値を狙った設計を行わざるを得なくなり、結果、十分に収差の波面を抑制することはできないためである。
【００１８】
また、３世代の記録再生時用として特許文献６，特許文献７に提案されているような３段階の開口切換素子は構造が複雑で、波面特性、透過率特性などの性能補償が困難となり、その設計，製造手法が煩雑化するという課題があった。
【００１９】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、まず、薄型化、工程の簡素化が図れる位相シフト機能と開口切換機能を備えた光学素子を実現し、可動部であるアクチュエータの重量軽減、部品点数削減を図ることを第１の目的とし、また、ＤＶＤ系，ＣＤ系などの互換時に発生する球面収差を十分に補正可能な光学部品、光学系構成を提供することを第２の目的として、また、３段階でなく２段階の開口切換により青色／ＤＶＤ／ＣＤなどの３世代互換を達成することによって、開口切換素子としては従来の工法／構成を転用可能とすることを第３の目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載された光ピックアップは、光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う光ピックアップであって、光源からの出射光の光軸に直交する面において、領域毎に位相シフト量の異なる位相シフトパターンと、領域毎に回折量の異なる回折パターンとを重畳する位相補正素子を備えた構成によって、各機能パターンを重畳させることで加工後に素子厚を薄くし軽量化することができる。
【００２１】
また、請求項２〜５に記載された光ピックアップは、請求項１の光ピックアップであって、位相補正素子の位相シフトパターンが、光軸方向への断面形状が２段以上の階段形状であること、位相補正素子の回折パターンが、光軸方向への断面形状が周期的な凹凸の回折パターンであり、位相シフトパターン上に形成したこと、位相補正素子への光源からの入射光が、出射光の光軸に直交する面において略同心円状であること、さらに、位相補正素子において、位相シフトパターンと回折パターンが重畳された領域を、出射光の光軸に直交する面の外周部に設けた構成によって、各機能パターンを重畳さることで加工後に素子厚を薄くでき、軽量化できるとともに、入射光束の中心に外的な影響を受けることなく光量ロスや収差の発生を防ぎ、青色、ＤＶＤ、ＣＤの３世代互換ができる。
【００２２】
また、請求項６〜９に記載された光ピックアップは、光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、各々波長の異なる３つの光源と、各光源の出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズを備え、位相補正素子の位相シフトパターンが、各光源から出射する３波長のいずれか２波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与えること、さらに、光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、位相補正素子の位相シフトパターンが、波長λ１，λ３に対して２πの略整数倍となる位相差を与え、かつ波長λ３を、波長λ１の略整数倍としたこと、または、位相補正素子の位相シフトパターンとして、付加する位相差が２πの略整数倍となる波長以外の光で光記録媒体上に集光させたときに発生する球面収差と逆極性の位相を与える位相シフトパターンとした構成によって、対物レンズ入射時に発生する球面収差を、位相補正素子の位相パターンによる逆極性の球面収差により補正することができる。
【００２３】
また、請求項９，１０に記載された光ピックアップは、光記録媒体に対して情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、各々波長の異なる３つの光源と、各光源の出射光を前記光記録媒体に集光させるための対物レンズを備え、位相補正素子の回折パターンが、各光源から出射するいずれかの波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与えること、または、位相補正素子の回折パターンが、各光源から出射する３波長のいずれか２波長に対して２πの略整数倍となる位相差を与える構成によって、使用波長に応じた開口切換を行って、回折パターンにより透過させる波長の位相差を２πとして選択的に透過させることができる。
【００２４】
また、請求項１１〜１３に記載された光ピックアップは、請求項９，１０の光ピックアップであって、各光源からの出射光の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効的開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、条件：ＮＡ（λ１）＝ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）を満足する対物レンズを用い、かつ対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、条件：φ２＞φ１＞φ３を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側かつφ１以内の領域１と、φ１以降外側の領域２に形成したこと、または、条件：ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）を満足する対物レンズを用い、かつ対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、条件：φ１＞φ２＞φ３を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側かつφ２以内の領域１と、φ２以降外側の領域２に形成したこと、または、条件：ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）を満足する対物レンズを用い、かつ前記対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、条件：φ１＝φ２＞φ３を満足して、位相補正素子の回折パターンが、φ３以降外側の領域に形成した構成によって、波長λ１，λ２，λ３のそれぞれについて最適ＮＡを得ることができる。
【００２５】
また、請求項１４〜１６に記載された光ピックアップは、請求項６〜１３の光ピックアップであって、各光源からの出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズを、各光源のうち波長の最も短い光源において、収差の波面が最小となるように形成したこと、また、各光源からの出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズを、各光源のうち波長の最も短い光源点灯時には無限系の入射光束で使用し、各光源のうち残りの光源の少なくともいずれか１の光源点灯時には有限系の入射光束で使用すること、また、光源の出射光が集光された光情報記録媒体からの反射光を検知する受光素子を備え、位相補正素子の回折パターンから位相差を与えた回折光を、前記受光素子の外部で集光した構成によって、各種変動マージンの狭い最短の波長帯域で最良となる対物レンズを用いて、他の波長を調整することで収差の波面を低減し、また受光素子への回折光の影響をなくすことができる。
【００２６】
また、請求項１７に記載された光ピックアップは、請求項１３の光ピックアップであって、光源からの出射光において、波長λ１の光源点灯時には無限系の入射光束で使用し、波長λ２の光源点灯時には有限系の入射光束で使用して、位相補正素子の回折パターンに代えて開口部を対物レンズの前側主点から前記光源側へ（数２）で求める所定距離ｔの位置に配置した構成によって、２段階の切り換えで３世代それぞれについて最適ＮＡを得ることができる。
【００２７】
【数２】
ｔ＝Ｌ−ＮＡ１・ｆ／ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ２ｏｂｊ））
ここで    ｆ：対物レンズの焦点距離
ＮＡ１：波長λ１の光源点灯時の像面側開口数
ＮＡ２ｏｂｊ：波長λ２の光源点灯時の光源側開口数
Ｌ：波長λ２の光源点灯時の物体距離
また、請求項１８，１９に記載された光ピックアップは、請求項１〜１７の光ピックアップであって、位相補正素子に用いる硝種において、ｄ線の屈折率ｎｄ、及びｄ線のアッベ数νｄが、条件：１．５０＜ｎｄ＜１．６６、及び５５＜νｄ＜８５を満足すること、また、光源からの出射光の波長に応じて偏光状態を変化させる偏光素子を備え、偏光素子を、位相補正素子と一体化した構成によって、位相補正素子に用いる硝種により、発生する球面収差と逆極性の収差によって補正でき、光学系を小型化することができる。
【００２８】
また、請求項２０に記載された光情報処理装置は、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の光ピックアップを用いて、青色波長帯域用光記録媒体，赤色波長帯域用光記録媒体，赤外波長帯域用光記録媒体の少なくともいずれか１に対して、情報の記録，再生，消去の１以上を行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明における実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施の形態１における「青色波長帯域の使用波長４０７ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体」と、「赤色波長帯域の使用波長６６０ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と、「赤外波長帯域の使用波長７８０ｎｍの光源、ＮＡ０．５０、光照射側基板厚１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」をともに情報の記録、再生、または消去できる光ピックアップの概略構成を示す図である。
【００３１】
図１に示すように光ピックアップの要部は、青色波長帯域の半導体レーザー１０１、コリメートレンズ１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、ダイクロイックプリズム２０３，３０３、偏向プリズム１０４、開口部１０５、１／４波長板１０６、位相補正素子１０７、対物レンズ１０８、検出レンズ１１０、光束分割手段１１１、受光素子１１２より構成された青色波長帯域の光が通過する青色光学系が構築されている。コリメートレンズ１０２と偏光ビームスプリッタ１０３間に、ビーム整形プリズム１１３が配置され、半導体レーザー１０１のビーム光の出力を得るために出射光束を楕円形状の光束から略同心円状に変更している。
【００３２】
また、ホログラムユニット２０１、コリメートレンズ２０２、ダイクロイックプリズム２０３，３０３、偏向プリズム１０４、開口部１０５、１／４波長板１０６、位相補正素子１０７、対物レンズ１０８から構成された赤色波長帯域の光が通過するＤＶＤ系の赤色光学系が構築されている。
【００３３】
またさらに、ホログラムユニット３０１、カップリングレンズ３０２、ダイクロイックプリズム３０３、偏向プリズム１０４、開口部１０５、１／４波長板１０６、位相補正素子１０７、対物レンズ１０８から構成された赤外波長帯域の光が通過するＣＤ系の赤外光学系から構築されている。
【００３４】
すなわち、図１に示すダイクロイックプリズム２０３，３０３、偏向プリズム１０４、開口部１０５、１／４波長板１０６、位相補正素子１０７、対物レンズ１０８は、２ないし３つの光学系の共通部品である。
【００３５】
ここで、対物レンズ１０８は、「使用波長４０７ｎｍ、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体」に対し、無限系入射により球面収差の波面が最小になるように設計されている。
【００３６】
また、光記録媒体１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃはそれぞれ基板厚さ、使用波長が異なる光記録媒体で、光記録媒体１０９ａは基板厚さが０．６ｍｍの青色系光記録媒体、光記録媒体１０９ｂは基板厚さが０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体、光記録媒体１０９ｃは基板厚さが１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体である。記録、あるいは再生時にはいずれかの光記録媒体のみが図示しない回転機構にセットされて高速回転される。また、開口部１０５は、対物レンズ１０８をフォーカス方向、トラック方向に可動させるアクチュエータ上の対物レンズ１０８を保持するボビン上で入射光束を規制することが可能であり、具体的な光学部品を用いる必要はない。
【００３７】
以上のように構成された光ピックアップにおいて、まず、青色波長帯域の使用波長４０７ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体に情報の記録、再生、または消去する場合について説明する。波長４０７ｎｍの半導体レーザー１０１から出射した直線偏光の発散光は、コリメートレンズ１０２で略平行光とされ、ビーム整形プリズム１１３、偏光ビームスプリッタ１０３、ダイクロイックプリズム２０３，３０３を透過し、偏向プリズム１０４で光路を９０度偏向され、開口部１０５を透過し、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、位相補正素子１０７においてＮＡ０．６５に制限され、対物レンズ１０８に入射し、光記録媒体１０９ａ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生、記録、または消去が行われる。
【００３８】
光記録媒体１０９ａから反射した光は、往路とは反対回りの円偏光となり、再び略平行光とされ、１／４波長板１０６を通過して往路と直交した直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ１０３で反射されて、検出レンズ１１０で収束光とされ、光束分割手段１１１により複数の光路に偏向分割され受光素子１１２に至る。受光素子１１２からは、情報信号、サーボ信号が検出される。
【００３９】
次に、赤色波長帯域の使用波長６６０ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に情報の記録、再生、または消去する場合について説明する。図１において、２０１は、半導体レーザーのチップ２０１ａ、ホログラム２０１ｂ及び受光素子２０１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２０１の半導体レーザー２０１ａのチップから出射された波長６６０ｎｍの光は、ホログラム２０１ｂを透過し、コリメートレンズ２０２で平行光とされ、青色波長帯域の光は透過し赤色波長帯域の光は反射させるダイクロイックプリズム２０３によって偏向プリズム１０４の方向に反射され、偏向プリズム１０４によって光路が９０度偏向され、開口部１０５においてＮＡ０．６５に制限され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、位相補正素子１０７において後述する所定の位相が付加され、対物レンズ１０８に入射し、光記録媒体１０９ｂ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生、記録、または消去が行われる。
【００４０】
光記録媒体１０９ｂから反射した光は、偏向プリズム１０４で偏向され、ダイクロイックプリズム２０３で反射され、コリメータレンズ２０２で収束光とされ、図２に示すようにホログラム２０１ｂにより半導体レーザー２０１ａと同一容器（キャン）内にある受光素子２０１ｃ方向に回折されて、受光素子２０１ｃに受光される。受光素子２０１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。
【００４１】
さらに、赤外波長帯域の使用波長７８０ｎｍの光源、ＮＡ０．５０、光照射側基板厚１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に情報の記録、再生、または消去する場合について説明する。前述のＤＶＤ系と同様にＣＤ系の光ピックアップも受発光素子を１つのキャンの中に設置し、ホログラムを用いて光束の分離を行うホログラムユニットが一般的に用いられる。図１において、３０１は、半導体レーザー３０１ａ，ホログラム３０１ｂ及び受光素子３０１ｃを一体化して構成したホログラムユニットを示す。このホログラムユニット３０１の半導体レーザー３０１ａから出射した波長７８０ｎｍの光は、ホログラム３０１ｂを透過し、カップリングレンズ３０２で所定の発散状ビームに変換され、青色と赤色波長帯域の光は透過し赤外波長帯域の光は反射させるダイクロイックプリズム３０３によって偏向プリズム１０４の方向に反射され、偏向プリズム１０４によって光路が９０度偏向され、開口部１０５を通過し、波長板１０６を通過し楕円偏光あるいは円偏光とされ、位相補正素子１０７でＮＡ０．５０に制限され、対物レンズ１０８に入射し、光記録媒体１０９ｃ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生、記録、または消去が行われる。
【００４２】
光記録媒体１０９ｃから反射した光は、偏向プリズム１０４で偏向され、ダイクロイックプリズム３０３で反射され、カップリングレンズ３０２で収束光とされ、受光素子３０１ｃ方向に回折されて受光素子３０１ｃに受光される。受光素子３０１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。
【００４３】
次に、本実施の形態１の光ピックアップに用いる位相補正素子として、光源からの出射光の光軸に直交する面において同心円状で、光軸方向への断面形状が２段以上の階段状の位相シフトパターンと、位相シフトパターン上に断面が周期的な凹凸の回折パターンが重畳された位相補正素子を用いている。前者の位相シフトパターンは青色系で最適化した対物レンズにＤＶＤ系の光を入射させた場合に発生する球面収差を抑制する機能を有し、後者の回折パターンは青色系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の各媒体の最適なＮＡを実現するために開口切換を行う機能を有する。
【００４４】
図３（ａ）は位相補正素子の構成を模式的に示す平面図、図３（ｂ）は断面図である。この図３（ａ），（ｂ）は、図４（ａ）に正面図、図４（ｂ）に断面図を示すような素子の位相シフトパターンと、図５（ａ）に正面図、図５（ｂ）に断面図を示すような素子の開口切換用の回折パターンを重ね合わせたものである。特許文献９に示されたような素子領域毎に位相シフト機能を有する領域と開口切換を有する領域を設ける手法も提案されているが、本実施の形態１のように２つの機能（位相シフト、回折パターン）を重畳させることにより、青色／ＤＶＤ／ＣＤの３世代互換を可能とすることができる。以下の説明においては、位相シフトパターンと回折パターンを分けて説明する。
【００４５】
図６（ａ）に波長４０７ｎｍ、図７（ａ）に波長６６０ｎｍ、図８（ａ）に波長７８０ｎｍの照明系（記録再生時の位相補正素子１０７と対物レンズ１０８の部分の光路図）を示す。いま、波長４０７ｎｍで球面収差の波面が最小となる単一の対物レンズ１０８に、波長６６０ｎｍの光を無限系で入射させてＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂにスポット形成させた場合は図７（ｂ）、また波長７８０ｎｍの光を無限系で入射させてＣＤ系光記録媒体１０９ｃにスポット形成させた場合は図８（ｂ）に示すように、波長の違いあるいは基板厚みの違いに伴う球面収差が発生する。また、図６（ｂ）は波長４０７ｎｍでの球面収差を示す。ここで、図６（ｂ），図７（ｂ），図８（ｂ）の横軸は光軸からの高さを示し、瞳径で規格化されており、また横軸は球面収差の波面を示す。
【００４６】
本実施の形態１では、図７（ｂ）のように発生するＤＶＤ系の球面収差と逆極性の球面収差を発生させるために、位相補正素子１０７の位相シフトパターンを用いる。また、図８（ｂ）に示すように発生するＣＤ系の球面収差と逆極性の球面収差を発生させるために、ＣＤ系光路を有限系で構成する。
【００４７】
そして、位相補正素子１０７の位相シフトパターンは、波長４０７ｎｍ（青色系）、波長７８０ｎｍ（赤外系）では不感帯をもつ波長選択性のパターンとすることにより、波長４０７ｎｍ、波長７８０ｎｍでは不要な作用はしないとともに、波長６６０ｎｍ（赤色系）で位相補正素子の性能が十分に確保される構成となっている。
【００４８】
不感帯とするための条件について説明する。基板材料の屈折率をｎ、階段形状の１ステップの高さをｈ、点灯光源の波長をλとしたときの、位相シフトパターンで発生する位相差δ（λ）は、（数３）で与えられる。
【００４９】
【数３】
δ（λ）＝２π（ｎ−１）ｈ／λ
（数２）からδ（４０７ｎｍ）、δ（７８０ｎｍ）が２πの整数倍となる基板材料と、高さｈを選択すればよい。例えば、ｈ：１．３４μｍ、基板材料としてＨＯＹＡ社製のＢａＣＤ５のとき、λ：４０７ｎｍに対してはｎ：１．６０４９４９、δ（４０７ｎｍ）：４．０π（＝２．０π×２）、λ：６６０ｎｍに対してはｎ：１．５８６０５１、δ（６６０ｎｍ）：２．４π（＝０．４π）、λ：７８０ｎｍに対してはｎ：１．５８２５０９、δ（７８０ｎｍ）：２．０π（＝２．０π×１）。
【００５０】
図９は、ＨＯＹＡ社のカタログに記載されたガラスマップにおける硝種のｄ線の屈折率とアッベ数を示す図である。図９に示すなかの黒丸でマーキングされた（数４）、（数５）の条件に合うような硝種を、例えば（表１）のなかから選択すれば、波長４０７ｎｍ、波長７８０ｎｍにおいての位相差誤差が０．０１π以内となり、波長４０７ｎｍ、波長７８０ｎｍを不感帯とすることが可能となる。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
図９により、屈折率、アッベ数は以下の（数４），（数５）の条件を満足すればよいことを意味する。
【００５３】
【数４】
１．５０＜ｎｄ＜１．６６
【００５４】
【数５】
５５＜νｄ＜８５
なお、位相補正素子１０７は、ガラスモールド成形手法を用いた作製手法であってもよいし、エッチング手法を用いた作製方法であってもよいし、切削手法を用いてもよい。図９の範囲を満たす成形性、転写性のよい樹脂材料を用いてもよい。この場合、同心円状のパターンをもつ金型を用いて射出成形により形成される。
【００５５】
さらに、図９のガラスマップと（数３）の条件からわかるように、波長４０７ｎｍ及び波長６６０ｎｍで２πの整数倍となる硝種、または波長６６０ｎｍ及び波長７８０ｎｍで２πの整数倍となる硝種の選定において、波長の比が整数倍に近い（２倍に近い）波長４０７ｎｍと波長７８０ｎｍを選定した方が２波長で２πとなる硝種は多数存在する。
【００５６】
以上のように選定した硝種材料を用いて、波長６６０ｎｍの光に対して、対物レンズ１０８からの出射光が厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂを透過する際に生じる球面収差と、対物レンズ１０８及び位相補正素子１０７などから構成された光学系が有する球面収差の和を打ち消すような階段形状を形成すればよい。
【００５７】
すなわち、使用波長の違いに起因して発生する球面収差が、図１０のごときものであったとする。この球面収差の波面を２次元曲線として示したのが図１１（ａ）の上側の実線部分である。このような収差の波面に対し、対物レンズに光源側から入射する光束に、図１１（ａ）の下側の破線部分に示すような位相差を与えるように、位相シフトパターンの階段形状を調整すると、位相シフトパターンを透過する光束の各部で波面の遅れにより前述した収差の反面を打ち消すことができる。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における実線（収差の波面）と破線（位相シフトパターンによる波面の遅れ）の和、すなわち補正後の収差の波面を示す。もとの収差の波面（図１１（ａ）の上側の実線部分）よりも格段に小さくなる。
【００５８】
具体的には、図７（ｂ）のように発生するＤＶＤ系の球面収差と逆極性の球面収差を発生させるために、本実施の形態１では図１２のような断面形状をもつ位相シフトパターンを適用した。これにより、図７（ｃ）に示すように収差の波面は補正される。このときの収差の波面は約０．０５λｒｍｓと、有限系の構成にしないでも、非特許文献１の記載と同等レベルにある。これはＤＶＤ系のみを補正対象としたパターン形状が得られるためである。
【００５９】
また、図８（ｃ）には、ＣＤ系光路を有限系構成としたときの収差の波面を示す。このときのＲＭＳ値は、０．００６λｒｍｓである。使用上求められる０．０３０λｒｍｓを十分に満足しており、良好なスポットが形成可能となる。
【００６０】
図６（ａ），図７（ａ），図８（ａ）には青色系、ＤＶＤ系、ＣＤ系の記録再生時の位相補正素子１０７と対物レンズ１０８の部分の光路図を示すものであり、図６（ａ）は図６（ｂ）のとき、図７（ａ）は図７（ｃ）のとき、図８（ａ）は図８（ｃ）のときの様子を示している。
【００６１】
次に、開口切換部分について、青色波長帯域で最良の波面を有する対物レンズに、同一光束径の赤色波長帯域の光を無限系入射させた場合、屈折力が低下して、開口数が低くなる。そのため、本実施の形態１では赤色波長帯域については、青色波長帯域での入射光束径φ１に比べ、大きな光束径φ２で入射させる。
【００６２】
図１３（ａ）は、以下の特性を有する対物レンズにおいて、青色波長帯域使用時の
入射光束径φ  ：３．９ｍｍ
開口数（ＮＡ）：０．６５
焦点距離（ｆ）：３．０ｍｍ
硝種  ：ＢａＣＤ５
ＮＡ０．６５となる有効径と波長の関係を示すものである。
【００６３】
この図１３（ａ）から、波長６６０ｎｍを使用するＤＶＤ系光記録媒体の記録、再生時には光束径φ２を４．０２ｍｍ程度にする必要があることがわかる。また、光束径φ１とφ２の関係は、対物レンズの硝種によっても異なる。図１３（ｂ）は図１３（ａ）の対物レンズと同じφ１、焦点距離、開口数の対物レンズで、硝種を変化させたときの、φ２／φ１と、使用硝種のｄ線での屈折率ｎｄの関係を示したものであり、対物レンズの硝種に応じて適当なφ２を選択してやればよい。
【００６４】
一方、ＣＤ系光記録媒体を記録、再生するときの最適なＮＡは０．５程度であるが、図１３（ａ）と同様の方法により、最適な有効径φ３を見積もると、φ３を３ｍｍ程度とすればよいことがわかる。
【００６５】
以上のように、各波長帯域に対して入射光束径φ１，φ２，φ３の３段階の開口切換が必要である。そして、本実施の形態１では、φ２をアクチュエータ部に設けた開口部１０５で制限し、φ１，φ３の切換手段としては、光源から出射された光束の波長に応じて、図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように回折によって光束径を切り換える波長選択性回折パターンが形成される位相補正素子１０７を用いる。図１４（ａ）は青色波長帯域の光束、図１４（ｂ）は赤色波長帯域の光束、図１４（ｃ）は赤外波長帯域の光束が透過する開口切換の構成を示す。
【００６６】
図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）における各光束の透過特性は、回折格子が施されていない中心部領域の入射光束径φ３以内では青色波長帯域，赤色波長帯域，赤外波長帯域の光に対して透過し、周辺部領域の入射光束径φ３以降の外周から入射光束径φ１までの領域では、青色波長帯域と赤色波長帯域の光に対しては作用せず、赤外波長帯域の光についてのみ回折させ、さらに周辺部領域の入射光束径φ１以降の外周から入射光束径φ２までの領域では、赤色波長帯域の光に対しては作用せず、青色波長帯域と赤外波長帯域の光は回折させる。
【００６７】
前述した図５（ｂ）の回折パターンに模式的な断面図に示すように、この回折格子の断面形状を、周期的な凹凸の形状として入射光束に位相差を与え、この位相差を、選択的に透過させたい波長（４０７ｎｍ，６６０ｎｍ）の２π倍とすることで波長４０７ｎｍ，６６０ｎｍの光に対しては回折効率が低く、７８０ｎｍの波長に対しては回折効率を高くできる。
【００６８】
図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、断面が凹凸形状の回折格子における０次光透過率、１次光回折効率と、凹凸形状の溝深さとの関係を、波長４０７ｎｍ，６６０ｎｍ，７８０ｎｍのそれぞれについて示す図である。
【００６９】
図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、溝深さ３．８μｍ付近では、波長４０７ｎｍ，６６０ｎｍの０次光透過率が１００％近くなり、波長７８０ｎｍの０次光透過率は０％近くなる。また、溝深さ２．６μｍ付近では、波長６６０ｎｍの０次光透過率が１００％近くなり、波長４０７ｎｍ，７８０ｎｍの０次光透過率は３０％以下となる。
【００７０】
前者の溝深さ３．８μｍ付近を図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）におけるφ３以降の外周からφ１までの範囲にとり、後者の溝深さ２．６μｍ付近を図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）におけるφ１以降の外周領域に適用すればよいことがわかる。特に溝深さは、浅いほど歩留まりはよくなるため、所望の位相差の最小公倍数を選択する。なお、溝深さ２．６μｍ付近の波長４０７ｎｍ、７８０ｎｍの０次光透過率が３０％以下であるが、透過する中心部領域に入射光束が集中することと、開口切換により回折させるのは光束径の外周部分であることから実質的に影響はない。
【００７１】
また、光源からの出射光が、光記録媒体へ向かう途中で、位相補正素子の回折パターンの領域に形成された回折格子によって、回折され光記録媒体へ向かう。その後、光記録媒体で反射されて、位相補正素子に戻ってきたときに、再度回折格子によって回折されることになる。この復路の光が受光素子に到達してしまうと、ノイズ光となってしまうことから、回折格子を形成するパターンとしては受光素子上にスポット集光しないようにパターン設計することが望まれる。
【００７２】
さらに、回折パターンの凹凸断面形状の幅については、入射光束の回折角を変えることになることから、青色／ＤＶＤ／ＣＤの３世代互換とするため使用する各波長帯域の違いによって、受光素子の形状やサイズ、対物レンズとの距離等による配置位置等の制約に応じて調整することができる。
【００７３】
また、本実施の形態１では波長４０７ｎｍの光を直線偏光から円偏光、あるいは円偏光から直線偏光に変換できるとともに、波長６６０ｎｍと波長７８０ｎｍの光については直線偏光から円偏光もしくは楕円偏光、あるいはその逆の変換が行える波長板を備えている。
【００７４】
この波長板の構成として、波長４０７ｎｍの光と波長６６０ｎｍの光と波長７８０ｎｍの光をともに直線偏光から円偏光、あるいは円偏光から直線偏光に変換できる、いわゆる１／４波長板の構成としては、ある厚さｔにおいて常光線（屈折率ｎｏ）と異常光線（屈折率ｎｅ）の位相差が波長４０７ｎｍと波長６６０ｎｍと波長７８０ｎｍの１／４となるような結晶からなる波長板を採用すればよい。すなわち、以下の（数６），（数７），（数８）の条件を満たす結晶であればよい。
【００７５】
【数６】
Δｎ１×ｔ＝｛（２ｐ＋１）／４｝×４０７（ｐ＝０，１…）
Δｎ１；波長４０７ｎｍの光源からの光に対する（ｎｏ−ｎｅ）
【００７６】
【数７】
Δｎ２×ｔ＝｛（２ｑ＋１）／４｝×６６０（ｑ＝０，１…）
Δｎ２；波長６６０ｎｍの光源からの光に対する（ｎｏ−ｎｅ）
【００７７】
【数８】
Δｎ３×ｔ＝｛（２ｒ＋１）／４｝×７８０（ｒ＝０，１…）
Δｎ３；波長７８０ｎｍの光源からの光に対する（ｎｏ−ｎｅ）
同様に、波長４０７ｎｍの光と波長６６０ｎｍの光をともに直線偏光から円偏光、あるいは円偏光から直線偏光に変換し、波長７８０ｎｍの光については楕円偏光に変換する波長板の構成としては、（数６），（数７）の条件を満足すればよい。
【００７８】
さらに、波長４０７ｎｍの光を直線偏光から円偏光、あるいは円偏光から直線偏光に変換し、波長６６０ｎｍと波長７８０ｎｍの光については楕円偏光に変換する波長板の構成としては、（数６）の条件を満足すればよい。
【００７９】
さて、ＤＶＤ系、あるいはＣＤ系の光路中に配置されてなるホログラム２０１ｂ，３０１ｂ（図１参照）として、無偏光性のホログラムを用いた場合、往路と復路の光路分離は十分に行えず、およそ光記録媒体からの戻り光の約３０％が、光源に戻ってきてしまう。一般にこのような戻り光は、ノイズ成分として半導体レーザーの発振状態を不安定化させてしまう。しかしながら、本実施の形態１では、前述のような特性をもつ１／４波長板を配置することにより、例えば、図１のＤＶＤ系ホログラムユニット２０１の出射光と光記録媒体からホログラムユニット２０１へ向かう光の偏光方向を直交させることができる。往路の光と復路の光の偏光方向を直交させることにより半導体レーザー２０１ａへの戻り光によるノイズ発生を防止することができる。そして、ＣＤ系についても同様である。
【００８０】
また、前述した特性をもつ１／４波長板を配置することにより、例えば、図１の青色系光記録媒体に対しては偏光ビームスプリッタ１０３と１／４波長板１０６が、組み合わされた偏光分離光学系が実現されており、十分な光量を得られるとともに、半導体レーザー１０１への戻り光によるノイズ発生も低減可能としている。同様に、ＤＶＤ系光路、あるいはＣＤ系光路に対しても、ホログラム２０１ｂ、３０１ｂとして偏光選択性のホログラムを使用することにより偏光分離光学系が実現可能である。
【００８１】
なお、１／４波長板１０６は（数６）〜（数８）の条件を満足する結晶に限るものではない。例えば、有機材料の位相差素子を積層配置させたものをガラス板で挟み込んだ構成であってもよい。あるいは、液晶素子などの電気光学素子を用いてもよい。そして、図１６に示すように複合素子として、位相補正素子１０７、１／４波長板１０６を一体形成してもよい。これにより、組付工程の簡素化が図れる。
【００８２】
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２は、「青色波長帯域の使用波長４０７ｎｍの光源、ＮＡ０．７０、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体」と、「赤色波長帯域の使用波長６６０ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と、「赤外波長帯域の使用波長７８０ｎｍの光源、ＮＡ０．５０、光照射側基板厚１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」のそれぞれに対して、情報の記録、再生、または消去できる光ピックアップである。
【００８３】
本実施の形態２と前述した実施の形態１と異なる点は、青色系の開口数がＮＡ０．６５ではなくＮＡ０．７０として、入射光束径がＤＶＤ系に比べ青色系の方が大きくなった点である。本実施の形態２の場合、φ１をアクチュエータ部に設けた開口部１０５（図１参照）で制限し、φ２，φ３の切換手段としては、光源から出射された光束の波長に応じて、図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように回折によって光束径を切り換える波長選択性回折パターンが形成された位相補正素子１０７を用いる。
【００８４】
図１７（ａ）の青色波長帯域の光束，図１７（ｂ）の赤色波長帯域の光束，図１７（ｃ）の赤外波長帯域の光束における各光束の透過特性は、回折格子が施されていない中心部領域の入射光束径φ３では青色波長帯域，赤色波長帯域，赤外波長帯域の光を透過する。また、周辺部領域の入射光束径φ３以降の外周から入射光束径φ２までの領域では、青色波長帯域と赤色波長帯域の光に対しては作用せず、赤外波長帯域の光についてのみ回折させる。そして、周辺部領域の入射光束径φ２以降の外周から入射光束径φ１までの領域では、青色波長帯域の光に対しては作用せず、赤色波長帯域と赤外波長帯域の光は回折させる。
【００８５】
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３は、「青色波長帯域の使用波長４０７ｎｍの光源、ＮＡ０．６７、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体」と、「赤色波長帯域の使用波長６６０ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と、「赤外波長帯域の使用波長７８０ｎｍの光源、ＮＡ０．５０、光照射側基板厚１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」のそれぞれに対して、情報の記録、再生、または消去できる光ピックアップである。
【００８６】
一般に、青色波長帯域で最良の波面を有する対物レンズに、同一光束径の赤色帯域の光を無限系入射させた場合、屈折力が低下し、開口数が低くなる。逆に言うと、赤色波長帯域の光を通過させた場合に比べ、青色波長帯域の光を通過させたときの方が、ＮＡが高くなり、短波長化と加えて大容量の光ピックアップを実現することができる。一方、ＤＶＤ世代では、ＮＡが０．６５近傍と定められている。図１８は、以下の特性を有する対物レンズを例として、
入射光束径φ：３．９ｍｍ
硝種：ＢａＣＤ５（ＨＯＹＡ社製）
光記録媒体基板厚：０．６ｍｍ
青色波長４０７ｎｍと赤色波長６６０ｎｍの光を透過させたときのＮＡの関係を示すものである。図１８から、例えば、ＤＶＤ系の赤色波長の光でＮＡ０．６５のとき、同一入射光束径の青色波長の光に対しては、ＮＡ０．６７程度になることを意味する。このような関係を用いることにより、実施の形態１，２のような３段階の開口切換でなく、ＤＶＤ，ＣＤ世代同様の２段階の開口切換とすることができ、素子の簡素化が図れる。
【００８７】
そして、開口切換部分としては、光源から出射される光束の波長に応じて、図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように回折によって光束径を切り換える波長選択性を有する回折格子を形成した波長選択性回折パターンを形成してやればよい。図１９（ａ）の青色波長帯域の光束，図１９（ｂ）の赤色波長帯域の光束，図１９（ｃ）の赤外波長帯域の光束における各光束の透過特性は、回折格子が施されていない中心部領域の入射光束径φ３では青色波長帯域，赤色波長帯域，赤外波長帯域の光は透過する。また、周辺部領域の入射光束径φ３以降の外周から入射光束径φ１（＝φ２）までの領域では、青色波長帯域と赤色波長帯域の光に対しては作用せず、赤外波長帯域の光についてのみ回折させる。
【００８８】
図２０は本発明の実施の形態４における光ピックアップの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態４は、「青色波長帯域の使用波長４０７ｎｍの光源、ＮＡ０．６７、光照射側基板厚０．６ｍｍの青色系光記録媒体」と、「赤色波長帯域の使用波長６６０ｎｍの光源、ＮＡ０．６５、光照射側基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と、「赤外波長帯域の使用波長７８０ｎｍの光源、ＮＡ０．５０、光照射側基板厚１．２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」のそれぞれに対して、情報の記録、再生、または消去できる光ピックアップである。
【００８９】
本実施の形態４を示す図２０と実施の形態１を示す図１と異なる点は、ＤＶＤ系を無限系でなく有限系の入射光束として構成した点であり、図１のコリメートレンズ２０２でなく、光源からの発散の光束を所定の倍率で対物レンズ１０８に入射させるためのカップリングレンズ２０２’を備えて構成した点である。
【００９０】
本実施の形態４の光ピックアップは、前述の実施の形態１，２，３の光ピックアップとは異なり、ＤＶＤ系を有限系で構成して、また実施の形態３の光ピックアップ同様に青色系とＤＶＤ系の開口を開口部１０５で制限する構成となっているが、実施の形態３と異なり、青色系のＮＡとして所望の値を選択することができる特徴がある。また、ＤＶＤ系で発生する球面収差を有限系と位相シフトの２つの手段を用いて補正するため実施の形態１〜３に比べ波面特性が良好となる。
【００９１】
図２１は、以下の特性を有する対物レンズを例として、
硝種：ＢａＣＤ５（ＨＯＹＡ社製）
光記録媒体基板厚：０．６ｍｍ
赤色波長帯域６６０ｎｍの光を通過させたときの入射光束径（Ｘ軸）と、その入射光束径でＤＶＤ系光路がＮＡ０．６５を得るための開口部１０５−対物レンズ１０８の前側主点の間隔条件（左側Ｙ軸）の関係を示したものである。また図２１の右側Ｙ軸には青色波長帯域４０７ｎｍの光を通過させたときの入射光束径（Ｘ軸）に対する開口数：ＮＡを示している。特に、本実施の形態４における青色系光記録媒体への記録再生時の使用開口数はＮＡ０．６７であり、図２１より最適な入射光束径φ＝４．０３ｍｍと、開口部１０５−対物レンズ１０８の前側主点間距離ｔ＝１．４４ｍｍとなる。
【００９２】
以下、図２１の関係について説明する。本実施の形態４では、波長λ１＝４０７ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍの光源と、光源光を光記録媒体に集光照射する単一の対物レンズとを備え、波長４０７ｎｍの光源点灯時には無限系の入射光束で使用し、波長６６０ｎｍの光源点灯時には有限系の入射光束で使用することから、一定の開口を対物レンズ前側主点から光源側へ（数９）で求める所定距離ｔの位置に配置している。
【００９３】
【数９】
ｔ＝Ｌ−ＮＡ１・ｆ／ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ２ｏｂｊ））
ここで、  ｆ：対物レンズの焦点距離
ＮＡ１：波長λ１＝４０７ｎｍの光源点灯時の像面側開口数
ＮＡ２ｏｂｊ：波長λ２＝６６０ｎｍの光源点灯時の光源側開口数
Ｌ：波長λ２＝６６０ｎｍの光源点灯時の物体距離
このため、波長４０７ｎｍと波長６６０ｎｍの開口切換は不要となっている。さらに、図２２を参照しながら（数９）について説明する。波長λ１、開口数ＮＡ１、無限系の光路は、図２２に示す一点鎖線のごとく描かれる。そして、対物レンズの焦点距離ｆ、入射光束径φ、開口数ＮＡ１については、一般に（数１０）の関係が知られている。
【００９４】
【数１０】
ＮＡ１＝φ／２／ｆ
一方、波長λ２、開口数ＮＡ２、物体距離Ｌ、物体側開口数ＮＡ２ｏｂｊの有限系の光路は、図２２に示す実線のごとく描かれる。ここで、開口部の位置は対物レンズ前側主点から光源側に距離ｔだけ離れた位置で、波長λ２の光束径がφとなるように設置すると、（数１１）の関係が得られる。
【００９５】
【数１１】
φ／２＝（Ｌ−ｔ）×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ２ｏｂｊ））
以上の（数１１）に（数１０）を代入することにより、（数９）が得られる。前述の実施の形態４では、「青色波長帯域の光路条件：λ１＝４０７ｎｍ、ＮＡ１＝０．６７」、「赤色波長帯域の光路条件：λ２＝６６０ｎｍ、ＮＡ２＝０．６５、Ｌ＝１５７ｍｍ、ＮＡ２ｏｂｊ＝０．０１３」となり、φ＝４．０３ｍｍ、ｔ＝１．４４ｍｍという構成例を示している。
【００９６】
そして、前述の実施の形態３における図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）のようにＣＤ系の外周のみ回折させるように回折パターンを設けてやれば３世代互換が可能となる。
【００９７】
次に、波長４０７ｎｍで波面が最小となる単一の対物レンズ１０８に、波長６６０ｎｍの光を無限系で入射させてＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂにスポット形成させた場合、前述の図７（ｂ）に示すように、波長の違いに伴う球面収差が発生する。また、図６（ｂ）は波長４０７ｎｍでの収差の波面である。本実施の形態４では、図７（ｂ）のように発生するＤＶＤ系の球面収差と逆極性の球面収差を発生させるために、ＤＶＤ系光路を有限系で構成するとともに位相シフトパターンを有する位相補正素子１０７を備えて構成する。
【００９８】
光路を有限系とすることは、対物レンズへの入射光束を発散状態または収束状態とすることを意味する。一般に対物レンズへの入射光束の発散状態を変化させることは、球面収差を変化させることと等価であるため、球面収差を低減可能な発散状態を選べばよい。図２３に示すように、有限系で構成されたＤＶＤ光学系の物体距離（光源と対物レンズの間隔に相当する）を変化させると収差の波面が抑制される。図２３によれば物体距離１１０〜１６０ｍｍ付近で波面劣化は小さくなる。図２３では、対物レンズと光源の間には部品が存在しない場合を例として説明しているが、実際は対物レンズと光源の間に、図２０に示すような光路長を短くするためのカップリングレンズ２０２’を配置している。
【００９９】
しかしながら、有限系の構成のみではＤＶＤ系光路の収差の波面は十分に抑制できない。そこで本実施の形態４では、有限系の構成にするとともに位相補正素子１０７の位相シフトパターンを利用することによりＤＶＤ系光路の収差の波面を抑制している。
【０１００】
この位相シフトパターンとして、具体的には、図７（ｂ）に示す無限系の光束使用時における収差の波面から、有限系を使用して図２４（ａ）のように発生するＤＶＤ光学系の残留球面収差と逆極性の球面収差を発生させるために、本実施の形態４では図２５のような断面形状をもつ位相シフトパターンを適用した。これにより図２４（ｂ）に示すように収差の波面は補正された。このときの収差の波面は約０．０３λｒｍｓとなり、前述した実施の形態１の０．０５λｒｍｓに比べて使用上求められる０．０３０λｒｍｓの値を満足することが可能となる。
【０１０１】
図２６は本発明の実施の形態５における光情報処理装置である情報記録再生装置の概略構成を示す透過斜視図である。
【０１０２】
情報記録再生装置３０は、光記録媒体４０に対して光ピックアップ３１を用いて情報の記録，再生，または消去の少なくともいずれか１以上を行う装置である。本実施の形態５において、光記録媒体４０はディスク状であって、保護ケースのカートリッジ４１内に格納されている。光記録媒体４０はカートリッジ４１ごと、挿入口３２から情報記録再生装置３０に矢印「ディスク挿入」方向へ挿入セットされ、スピンドルモータ３３により回転駆動され、光ピックアップ３１により情報の記録や再生、あるいは消去が行われる。
【０１０３】
光ピックアップ３１として、前述の実施形態１〜４に記載の光ピックアップを適宜用いることができる。また、光記録媒体として、青色波長帯域用，赤色波長帯域用，赤外波長帯域用の光記録媒体に対して、情報の記録，再生，消去の少なくともいずれか１以上をすることができる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄型化，工程の簡素化が図れる位相シフト機能と開口切換機能を備えた光学素子を用いて３世代互換が可能となり、可動部であるアクチュエータの重量軽減、部品点数削減に伴うコストダウンが実現でき、ＤＶＤ系，ＣＤ系などの互換時に発生する球面収差を十分に補正可能であり、さらに、３段階でなく２段階の開口切換により青色／ＤＶＤ／ＣＤなどの３世代互換を達成して、素子を簡素化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における光ピックアップの概略構成を示す図
【図２】半導体レーザー、ホログラム及び受光素子を一体化構成したホログラムユニットを示す図
【図３】本実施の形態１における位相補正素子の構成を模式的に示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
【図４】本実施の形態１における位相補正素子の位相シフトパターンの構成を模式的に示す（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図
【図５】本実施の形態１における位相補正素子の開口切換用回折パターンの構成を模式的に示す（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図
【図６】（ａ）は波長４０７ｎｍの位相補正素子と対物レンズの部分光路、（ｂ）は（ａ）における波長４０７ｎｍでの球面収差を示す図
【図７】（ａ）は波長６６０ｎｍの位相補正素子と対物レンズの部分光路、（ｂ）は波長４０７ｎｍで収差が最小の対物レンズに、波長６６０ｎｍの光を無限系で入射時の球面収差、（ｃ）は位相補正した球面収差を示す図
【図８】（ａ）は波長７８０ｎｍの位相補正素子と対物レンズの部分光路、（ｂ）は波長４０７ｎｍで収差が最小となる対物レンズに、波長７８０ｎｍの光を無限系で入射時の球面収差、（ｃ）波長７８０ｎｍの光を有限系で入射時の球面収差を示す図
【図９】硝種例を表すＨＯＹＡ社のガラスマップを示す図
【図１０】使用波長の違いに起因して発生する球面収差を示す図
【図１１】（ａ）は球面収差の波面（実線）と位相シフトパターン（破線）を２次元曲線で表した図、（ｂ）は補正後の収差の波面を示す図
【図１２】ＤＶＤ系の球面収差と逆極性の球面収差を発生させる位相シフトパターンの断面形状を示す図
【図１３】（ａ）は対物レンズのＮＡ０．６５となる有効径と波長の関係、（ｂ）は（ａ）の対物レンズと同じφ１、焦点距離、ＮＡにおいて、硝種を変化させたときのφ２／φ１と、使用硝種のｄ線での屈折率ｎｄの関係を示す図
【図１４】（ａ）は青色波長帯域の光束，（ｂ）は赤色波長帯域の光束，（ｃ）は赤外波長帯域の光束が透過する開口切換（φ２＞φ１＞φ３）を説明する図
【図１５】（ａ）は波長４０７ｎｍ、（ｂ）は波長６６０ｎｍ、（ｃ）は波長７８０ｎｍの０次光透過率，１次光回折効率と回折格子の溝深さとの関係を示す図
【図１６】位相補正素子、１／４波長板を一体形成した図
【図１７】（ａ）は青色波長帯域の光束，（ｂ）は赤色波長帯域の光束，（ｃ）は赤外波長帯域の光束が透過する開口切換（φ１＞φ２＞φ３）を説明する図
【図１８】青色波長４０７ｎｍと赤色波長６６０ｎｍの光を透過時のＮＡの関係を示す図
【図１９】（ａ）は青色波長帯域の光束，（ｂ）は赤色波長帯域の光束，（ｃ）は赤外波長帯域の光束が透過する開口切換（φ１＝φ２＞φ３）を説明する図
【図２０】本発明の実施の形態４における光ピックアップの概略構成を示す図
【図２１】入射光束径と開口部−対物レンズ間隔、及び開口数の関係を示す図
【図２２】開口部へ入射する光の無限系と有限系における対物レンズの焦点光路を説明する図
【図２３】有限系のＤＶＤ光学系において物体距離と収差の波面との関係を示す図
【図２４】（ａ）は有限系を用いたＤＶＤ光学系の残留球面収差、（ｂ）は残留球面収差と逆極性の収差を発生させる位相シフトパターンを適用し補正した波面を示す図
【図２５】有限系を用いたＤＶＤ光学系の残留球面収差と逆極性の収差を発生させる位相シフトパターンの断面形状を示す図
【図２６】本発明の実施の形態５における光情報処理装置である情報記録再生装置の概略構成を示す透過斜視図
【図２７】青色波長帯域の光源を用いた大容量光記録媒体と、既存のＤＶＤ、あるいはＣＤとの互換が可能な光ピックアップの概略構成を示す図
【符号の説明】
３０  情報記録再生装置
３１  光ピックアップ
３２  挿入口
３３  スピンドルモータ
４０  光記録媒体
４１  カートリッジ
１００  青色用光源
１０１，２０１ａ，３０１ａ  半導体レーザー
１０２，２０２  コリメートレンズ
１０３  偏光ビームスプリッタ
１０４  偏向プリズム
１０５  開口部
１０６  １／４波長板
１０７  位相補正素子
１０８  対物レンズ
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ  光記録媒体
１１０  検出レンズ
１１１  光束分割手段
１１２，２０１ｃ，３０１ｃ  受光素子
１１３  ビーム整形プリズム
２００  ＤＶＤ用光源
２０１，３０１  ホログラムユニット
２０１ｂ，３０１ｂ  ホログラム
２０２’，３０２  カップリングレンズ
２０３，３０３  ダイクロイックプリズム
３００  ＣＤ用光源
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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