(57)【要約】第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査する光走査デバイスであって、そのデバイスは、回折部分（１１）を含む対物レンズ（１０）を有し、その回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、ここで前記第一の波長の放射が実質的に回折なしで前記回折部分を透過し、前記対物レンズが前記第一の波長に対して第一の集束特性を有するように、パターン素子の階段における合計の階段の高さは、【数１０】2004508655.tif 000016である高さｈ１の倍数に実質的に等しく、λ１は、前記第一の波長であり、ｎは、回折部分が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、ここで階段は、第二の波長の放射が前記回折部分によって回折され、前記対物レンズが第二の波長の放射の選択された回折次数に対して前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性を有するように、配置され、前記パターン素子の隣接する階段間の相対的な階段の高さは、ａｈ１に実質的に等しい相対的な階段の高さを含み、ここでａは、整数であり、ａ＞１であり、それによって、前記選択された回折次数の第二の波長の放射に対して改善された透過効率を提供することを特徴とする。
2004508655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査する光走査デバイスであって、
前記デバイスは、回折部分を有し、
前記回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、
前記パターン素子の階段に属する合計の光路は、前記第一の波長の放射が前記回折部分によって実質的に回折されないように、及び、前記デバイスが前記第一の波長に対する第一の集束特性を有するように、前記第一の波長の倍数に実質的に等しく、
前記階段は、前記第二の波長の放射が前記回折部分によって回折されるように、及び、前記デバイスが選択された回折次数の前記第二の波長の放射に対して前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性を有するように、配置され、
前記パターン素子の隣接する前記階段間の相対的な階段の高さは、ａλ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含み、ａは、整数であり、ａ＞１であり、λ１は、前記第一の波長であり、前記選択された回折次数の前記第二の波長の放射に対して改善された透過効率を提供することを特徴とする光走査デバイス。
【請求項２】
前記パターン素子は、透過における動作に適合され、
前記パターン素子の階段における合計の階段の高さは、
【数１】
2004508655.tif 000012
である高さｈ１の倍数に実質的に等しく、ｎは、前記回折部分が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、前記パターン素子の隣接する前記階段間の前記相対的な階段の高さは、ａｈ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含む請求項１記載の光走査デバイス。
【請求項３】
前記パターン素子内の前記相対的な階段の高さは、複数の異なる値を含む請求項１記載の光走査デバイス。
【請求項４】
前記合計の階段の高さは、前記階段が各々φ２＝２π（ｂ＋ｃ）を満たす前記第二の波長の放射に対する位相差を発生させるように選択され、ｂは、前記パターン素子の階段にわたって変動してもよい整数であり、ｃは、前記パターン素子の階段にわたって変動する１より小さい非整数である請求項１又は２記載の光走査デバイス。
【請求項５】
ｃは、前記パターン素子にわたって単調に増加するか、又は単調に減少する請求項４記載の光走査デバイス。
【請求項６】
（ｂ＋ｃ）は、前記パターン素子にわたって単調に増加するか、又は単調に減少する請求項４記載の光走査デバイス。
【請求項７】
前記パターン素子の一端における階段は、前記パターン素子において最大の合計の階段の高さを有し、
前記階段は、前記パターン素子において、ｃに対して最小値を有する位相差を発生させる請求項４記載の光走査デバイス。
【請求項８】
前記パターン素子の一端における階段は、前記第二の波長の放射に対しておおよそ２πの倍数の位相差を発生させる請求項１記載の光走査装置。
【請求項９】
前記回折部分によって生じる前記第一及び前記第二の波長の放射に対して発生する球面収差の差は、前記デバイスによって走査される第一及び第二の光記録担体において発生する球面収差の差を実質的に補償する請求項１記載の光走査デバイス。
【請求項１０】
それぞれ第一及び第二の波長の放射並びに第一及び第二の開口数で、第一及び第二の情報層の深さを有する光記録担体を走査する光走査デバイスにおいて使用する光学素子であって、
前記光学素子は、回折部分を含み、
前記回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、
前記パターン素子の階段に属する合計の光路は、前記第一の波長の放射が前記回折部分によって実質的に回折されないように、及び、前記デバイスが前記第一の波長に対する第一の集束特性を有するように、前記第一の波長の倍数に実質的に等しく、
前記階段は、前記第二の波長の放射が、前記回折部分によって回折されるように、及び、前記デバイスが、選択された回折次数の前記第二の波長の前記放射に対して前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性を有するように、配置され、
前記パターン素子の隣接する前記階段間の相対的な階段の高さは、ａλ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含み、ａは、整数であり、ａ＞１であり、λ１は、前記第一の波長であり、前記選択された回折次数の前記第二の波長の前記放射に対して改善された透過効率を提供することを特徴とする光学素子。
【請求項１１】
前記パターン素子は、透過における動作に適合され、
前記パターン素子の階段における合計の階段の高さは、
【数２】
2004508655.tif 000013
である高さｈ１の倍数に実質的に等しく、ｎは、前記回折部分が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、前記パターン素子の隣接する前記階段間の前記相対的な階段の高さは、ａｈ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含む請求項１０記載の光走査デバイス。
【請求項１２】
第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査する光走査デバイスにおいて使用する光学素子を設計する方法であって、
前記光学素子は、回折部分を含み、
前記方法の第一の部分において、
前記回折部分は、前記第二の波長の放射に対してｉ・２πに実質的に等しい位相変化を発生させる、各々の鋸歯状のパターン素子の最も高い側面で高さｈ２を有する、おおよそ鋸歯状の構造を近似するように設計され、
ｉは、整数であり、
前記鋸歯状の構造は、前記鋸歯状の構造を表す初期に選択された階段状の断面によって近似され、
前記方法の第二の部分において、
前記初期に選択された階段状の断面の位相プロファイルは、
【数３】
2004508655.tif 000014
であるｈ１’におおよそ等しい合計の階段の高さの階段を有する、異なる選択された階段状の断面によって近似され、
λ１は、前記第一の波長であり、ｎは、前記光学素子が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、ｋは、一つのパターン素子内で複数の異なる値を取る整数である方法。
【請求項１３】
前記初期に選択された階段状の断面は、ｊ−１≦ｘＰ≦ｊ、ｊ＝１、２、・・・Ｐに対して
【数４】
2004508655.tif 000015
によって定義される位相プロファイルに実質的に等しい位相プロファイルを有し、Ｐは、前記パターン素子の各々における階段の数であり、ｉは、整数である請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記対物レンズを製造するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査する光走査デバイスであって、
前記デバイスは、回折部分を含み、
前記回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、
前記階段の高さは、前記第一の波長の放射が、実質的に減衰しない零次回折で前記回折部分を通過し、引き続き第一の集束特性で集束されるように、及び前記第二の波長の放射が、前記回折部分によって回折され、前記第一の特性と異なる第二の集束特性で、選択された回折次数のビームに帰着するように、選択される光走査デバイス。
【請求項１６】
それぞれ第一及び第二の波長の放射ビーム並びに第一及び第二の開口数で光記録担体を走査する光走査デバイスに使用する光学素子であって、
前記光学素子は、回折部分を含み、
前記回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、
前記階段の高さは、前記第一の波長の放射が、実質的に減衰しない零次回折で前記光学素子を通過し、前記デバイスに第一の集束特性を提供するように、及び前記第二の波長の放射が、前記光学素子によって回折され、選択された回折次数のビームに帰着し、前記デバイスに前記第一の特性と異なる第二の集束特性を提供するように、選択される光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光学対物レンズを含む光走査デバイスに関する。より具体的には、排他的ではないが、本発明は、単一の光学対物レンズ系を使用し、それぞれ異なる波長のレーザー放射を伴う、コンパクトディスク（ＣＤ）及びデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）のような、二つの異なるタイプの光記録担体からのデータを書き込む及び読み取ることが可能な光走査デバイスに関する。
【０００２】
光走査デバイスは、異なる形式の光記録担体を読み取る及び再生することが可能であることが望ましい。ＣＤは、とりわけＣＤ−Ａ（ＣＤ−オーディオ）、ＣＤ−ＲＯＭ（ＣＤ−リードオンリーメモリ）、及びＣＤ−Ｒ（ＣＤ−レコーダブル）として利用可能である。ＣＤは、約７８０ｎｍの波長及び０．４５の開口数で走査されるように設計され、ＤＶＤは、６６０ｎｍの領域における波長で走査されるように設計される。ＤＶＤに書き込むために０．６５のＮＡが、一般的に要求されるのに対して、ＤＶＤを読み取るためには、０．６のＮＡが、一般的に使用される。
【０００３】
ＤＶＤ及びＣＤは、異なる情報層の深さを提供するそれらＤＶＤ及びＣＤの透明な基板の厚さにおいて異なる。ＣＤに対するその情報層の深さが、約１．２ｍｍであるのに対して、ＤＶＤに対する情報層の深さは、約０．６ｍｍである。このように、ＣＤが、ＤＶＤに対して最適化された対物レンズを伴う光走査デバイスで読み取られるとすれば、結果として大量の球面収差が情報層に生じる。ＣＤを読み取るために開口数（ＮＡ）を約０．４５から０．３８まで減少させることによって、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤの両方を読み取るための単一の対物レンズ系及び波長６６０ｎｍのレーザービームを使用して、球面収差が、ＣＤ−ＲＯＭに蓄積された情報の適切な再構築のための制限内にあるようにするときには、この効果に対して補償することが可能である。しかしながら、加えて、ＣＤ−Ｒがその光走査デバイスによって走査されることになるとすれば、ＣＤ−Ｒが特にその７８０ｎｍの波長で書き込む及び読み取るために設計されるので、７８０ｎｍのレーザービームを利用しなければならない。ＣＤ−Ｒに対しては、有機色素をその反射特性が波長で著しく変化する記録フィルムとして使用する。ＣＤ−Ｒに蓄積された情報を再構築するために６６０ｎｍの反射光に対して十分な変調を達成することは困難である。ＤＶＤに対して使用されるのと同じ対物レンズでＣＤを読み取るために、７８０ｎｍのレーザービーム及び０．４５のＮＡを使用することは、大きな球面収差を引き起こす。従って、単一の光学対物レンズと共に６６０ｎｍ及び７８０ｎｍのレーザー放射を使用して、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＯＭ、及びＤＶＤを読み取る及び／又は記録することが可能な光ストレージデバイスを達成するために、球面収差を何らかの方法で補償しなければならない。
【０００４】
同じ対物レンズで異なる波長のレーザー放射を使用することによってＤＶＤ及びＣＤを読み取ることが可能な系は、当技術において既知である。ＷＯ９９／５７７２０は、回折素子を含む、二つの屈折非球面か、又は一つの非球面及び一つの屈折球面か、どちらかを有する成形された樹脂レンズを使用するような系を記載する。そのレンズは、色収差に対してだけでなく、二つのディスク形式に対する厚さの差によって引き起こされる球面収差を補正することが可能である。
【０００５】
ＥＰ−Ａ−９３６６０４は、二つの異なる波長のレーザー放射でＤＶＤ、ＣＤ−Ｒ、及びＣＤ−ＲＯＭ形式のディスクを読み取る及び書き込むために適切な光ピックアップデバイスを記載する。この目的のために、その中央領域に第一の回折格子のパターン及びその周辺領域に第二の回折格子パターンを有する光学素子を、対物レンズに加えて使用する。光学素子の中央領域は、第二の波長のレーザー放射における直径を増加させる他にはどんな変化もなく、第一の波長のレーザービームが透過することを許容し、このことを達成するために階段状の格子断面を使用する。周辺領域は、また、どんな変化もなく第一の波長のレーザー放射が透過することを許容し、同時にスポットの形成への寄与から第二の波長の放射を遮断する。この方法では、第二の波長の放射に使用するＮＡを所望の値まで減少させる。その素子の中央部分は、零次回折の第一の波長の放射に対して少なくとも９０％の回折効率を、及び一次回折の第二の波長の放射に対して少なくとも７０％の効率を達成する。示された例においては、格子断面における各々の階段の高さが同じ値ｈ１だけ高さにおいて増加する、四つの階段の格子断面を使用する。
【０００６】
本発明の目的は、それぞれ第一及び第二の波長の放射を使用して異なる光記録担体を走査するための改善された光走査デバイスを提供することである。
【０００７】
本発明の第一の態様に従って、第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査するための光走査デバイスが提供され、そのデバイスは、回折部分を有し、その回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、ここでパターン素子の階段に属する合計の光路は、前記第一の波長の放射が前記回折部分によって実質的に回折されないように、及び、前記デバイスが前記第一の波長に対する第一の集束特性を有するように、前記第一の波長の倍数に実質的に等しく、ここでその階段は、第二の波長の放射が前記回折部分によって回折されるように、及び、前記デバイスが選択された回折次数の第二の波長の放射に対して前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性を有するように、配置され、前記パターン素子の隣接する階段間の相対的な階段の高さが、ａλ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含み、ここでａは、整数であり、ａ＞１であり、λ１は、前記第一の波長であることを特徴とし、それによって、前記選択された回折次数の第二の波長の放射に対して改善された透過の効率を提供する。
【０００８】
第一の波長の倍数ａλ１であってもよい一又は複数の光路を有する適切な相対的な階段の高さを選択することによって、所望の集束特性も達成すると同時に、第一の波長の放射は、回折部分によって実質的に影響されないことになり、同時に、第二の波長の放射は、選択された次数で高い回折効率を有することになる。このことは、パターン素子における相対的に少数の階段でさえ達成され得ると共に、このようにして製造効率を改善する。
【０００９】
回折部分を、反射又は透過で動作させてもよい。反射で動作させるとき、回折部分を、走査デバイスにおいて放射の光軸の方向を変化させるために使用する鏡と、統合させることができる。透過で動作させるときは、パターン素子の階段における合計の階段の高さは、好ましくは、実質的に
【００１０】
【数５】
2004508655.tif 000003
の高さｈ１の倍数に等しく、ここでｎは、回折部分が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、前記パターン素子の隣接する階段間の相対的な階段の高さは、実質的にａｈ１に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含む。
【００１１】
本発明の別の態様に一致して、それぞれ第一及び第二の波長の放射及び第一及び第二の開口数で第一及び第二の情報層の深さを有する光記録担体を走査するための光走査デバイスにおける使用のための光学素子が提供され、前記光学素子は、回折部分を含み、ここで、その回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、ここでパターン素子の階段に属する合計の光路は、前記第一の波長の放射が前記回折部分によって実質的に回折されないと共に前記デバイスが前記第一の波長に対する第一の集束特性を有するように、前記第一の波長の倍数に実質的に等しく、ここでその階段は、第二の波長の放射が前記回折部分によって回折されるように、及び前記デバイスが選択された回折次数の第二の波長の放射に対して、前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性を有するように、配置され、前記パターン素子の隣接する階段間の相対的な階段の高さが、ａλ１に実質的に等しい光路を有する相対的な階段の高さを含み、ここでａは、整数であり、ａ＞１であり、λ１は、前記第一の波長であることを特徴とし、それによって、前記選択された回折次数の第二の波長の放射に対して改善された透過効率を提供する。
【００１２】
本発明のさらなる態様に一致して、第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査するための光走査デバイスにおける使用のための光学素子を設計する方法が提供され、前記光学素子は、回折部分を含み、ここで、前記方法の第一の部分において、回折部分は、前記第二の波長の放射に対してｉ・２πに実質的に等しい位相の変化を発生させる各々の鋸歯状のパターン素子の最も高い側面で高さｈ２のおおよそ鋸歯状の構造に近似するように設計され、ここでｉは、整数であり、鋸歯状の構造は、前記鋸歯状の構造を表す初期に選択された階段状の断面によって近似され、ここで、その方法の第二の部分において、最初に選択された階段状の断面の位相のプロファイルは、おおよそ
【００１３】
【数６】
2004508655.tif 000004
のｈ１’に等しい合計の階段の高さの階段を有する異なる選択された階段状の断面によって近似され、それによって、λ１は、前記第一の波長であり、ｎは、その光学素子が作られる材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率であり、ｋは、一つのパターン素子内で複数の異なる値を取る整数である。
【００１４】
このような二つの階段の設計工程は、第二の波長の選択されたより高い回折次数の放射に対する相対的に高い効率も保証すると同時に、第一の波長の零次回折放射に対して実質的に最大の透過効率を有する、回折部分を発生させるために有用である。
【００１５】
本発明の別の態様に一致して、第一及び第二の波長の放射で光記録担体を走査するための光走査デバイスが提供され、そのデバイスは、回折部分を含み、その回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、ここで、階段の高さは、前記第一の波長の放射が、実質的に減衰しない零次回折で前記回折部分を通過すると共に引き続き第一の集束特性で集束されるように、及び前記第二の波長の放射が、前記回折部分によって回折され、前記第一の集束特性と異なる第二の集束特性で、選択された回折次数のビームに帰着するように、選択される。回折部分を通過する放射は、回折部分で反射する放射又は回折部分を通じて透過する放射であってもよい。
【００１６】
本発明のさらに別の態様に一致して、それぞれ第一及び第二の波長の放射ビーム並びに第一及び第二の開口数で光記録担体を走査するための光走査デバイスにおける使用のための光学素子が提供され、前記光学素子は、回折部分を含み、その回折部分は、階段状の断面を有するパターン素子のパターンを含み、ここで、階段の高さは、前記第一の波長の放射が、実質的に減衰しない零次回折で前記光学素子を通過すると共に前記デバイスに第一の集束特性を提供するように、及び前記第二の波長の放射が、前記光学素子によって回折され、選択された回折次数のビームに帰着すると共に、前記デバイスに前記第一の特性と異なる第二の集束特性を提供するように選択される。
【００１７】
第一の波長の放射の透過に対する階段状の断面の特性を最適化することによって、ＤＶＤのような高密度の記録担体を走査するためのデバイスの機能を、その波長において、改善することができる。
【００１８】
ここで本発明の実施例を、添付する図面を参照して、単に例として記載することにする。
【００１９】
図１は、光記録担体１を走査するための、以下に記載される実施例と一致するデバイスに共通な構成要素の概略説明である。記録担体１は、この実施例においては、以下に例として記載することになるような、光ディスクである。
【００２０】
光ディスク１は、透明層２を含み、その側面には少なくとも一つの情報層３が配置される。透明層の反対側に面する情報層の側面は、保護層４によって環境の影響から保護される。デバイス側に面する透明層の側面は、ディスクの入口面５である。透明層２は、一又は複数の情報層に対して機械的支持を提供することによって、光ディスクに対する基板として作用する。代わりに、機械的支持が情報層の他の側面における層によって、例えば保護層４又は最上の情報層に接続されるさらなる情報層及び透明層によって、提供されると同時に、透明層２は、情報層３を保護するというただ一つの機能を有してもよい。
【００２１】
図１に示してない、実質的に平行、同心円、又はスパイラルのトラックに配置される光学的に検出可能なマークの形態で、情報を光ディスクの一又は複数の情報層３に蓄積してもよい。マークは、光学的に読み取り可能などんな形態、例えば、ピット若しくは、それらマークの環境と異なる反射係数若しくは磁化の向きを伴う領域の形態、又はこれらの形態の組み合わせであってもよい。
【００２２】
走査デバイスは、レンズ系に向って拡散する放射ビーム７として第一の波長及び第二の波長の放射を放出する、調整可能な半導体レーザー又は二つの別々の半導体レーザーを含む放射源６を含む。レンズ系は、光軸１３に沿って配置されるコリメーターレンズ９及び対物レンズ１０を含む。コリメーターレンズ３は、放射源６から放出される、拡散するビーム７を、実質的に平行なビーム１５に変換する。対物レンズ１０は、図においてパターン１１１によって示され、以下でより詳細に記載されることになる、回折素子を含む。対物レンズ１０は、入射する平行な放射ビーム１５を、結局情報層３でスポット１８になる、選択されたＮＡを有する収束するビーム１４に変換する。検出系１６、第二のコリメーターレンズ１９、及びビームスプリッター８は、データ信号及び対物レンズ１０の軸上の位置を機械的に調節するために使用されるフォーカスエラー信号を検出するために、提供される。
【００２３】
図１及び２Ａに示すような回折格子１１は、放射源に面する対物レンズ１０の側面に配置される。しかしながら、その回折格子を、代わりに、レンズ１０の他方の側面に配置してもよい。
【００２４】
図２ａは、上述の走査デバイスにおける使用のための対物レンズ１０の概略説明である。走査デバイスは、第一の開口数における第一の波長のレーザー放射２１で第一の情報層の深さを有する光記録担体を走査することが可能である。そのデバイスは、さらに、同じ光学対物レンズ１０を使用して第二の開口数における第二の波長のレーザー放射２３で第二の情報層の深さを有する記録担体を走査することが可能である。ＤＶＤ形式のディスクを、６２０及び７００ｎｍぐらいの間の第一の波長λ１、好ましくはλ１＝６６０ｎｍのレーザー放射で走査してもよい。約０．６の開口数は、ＤＶＤを読み取るために使用され、０．６より大きい、好ましくは０．６５のＮＡは、ＤＶＤに書き込むために利用される。ＣＤ形式の記録担体は、０．５より小さい、好ましくは０．４５の開口数で、７４０及び８２０ｎｍぐらいの間の第二の波長λ２、好ましくはλ２＝７８０ｎｍのレーザー放射で走査される。対物レンズ１０は、それぞれ、ＤＶＤ及びＣＤ担体における透明層の厚さ３１及び３３の差によって引き起こされる球面収差を補正する。そのレンズは、同様にして、球面収差の色及び色収差を補正する。
【００２５】
本発明のこの実施例において、単一の対物素子を使用して異なる形式のディスクでデータを読み取ること及び書き込むことは、無限−共役方式で、ハイブリッドレンズ、即ち回折及び屈折素子を組み合わせるレンズ、を使用することによって、達成される。このようなハイブリッドレンズを、例えばリソグラフィー工程又はダイヤモンド旋盤加工によって、屈折レンズの一つの面に格子断面を適用することによって、形成することができる。
【００２６】
対物レンズ１０は、凸−凸レンズとして示されている。しかしながら、また、平−凸又は凸−凹レンズのような他のタイプのレンズ素子を使用してもよい。対物レンズ１０がこの実施例で単レンズである一方で、それは、二又は複数のレンズ素子を含む複合レンズであってもよい。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回折素子を含んでもよい。また回折素子を、対物レンズと別個の光学素子、例えば四分の一波長板又はビームスプリッターに提供してもよい。
【００２７】
図２ｂは、回折構造を説明する対物レンズ１０の概略前面図である。円形の格子構造が、レンズの中心に向って徐々に増加する幅を有する同軸の環状パターン素子のパターンと共に、利用されてきたことを理解することができる。各々のパターン素子は、回折素子のいわゆる輪帯を定義する。無限−共役方式において両方の波長に対するレンズの動作を可能にするために、レンズは、ディスクの厚さの差を補正するために、ＤＶＤ及びＣＤ−波長に対して異なる量の球面収差を発生させる。回折素子によって、対物レンズにより引き起こされる球面収差の差は、ｍ１λ１−ｍ２λ２に比例し、それによって、ｍ１及びｍ２は、それぞれλ１及びλ２のレーザー放射の回折次数である。ディスクの厚さの差における効果を補正することができるためには、ｍ１λ１−ｍ２λ２の項は、零と異ならなければならず、このように少なくとも、一つの波長の放射に対して、零でない回折次数が選択される。
【００２８】
この実施例において、発明者は、λ１を使用してＤＶＤにおけるデータを走査するために零次を、λ２を使用してＣＤにおけるデータを走査するために一次を選択する。零次においてλ１の放射の透過に対する効率を最大化するために、ＤＶＤに対する透過効率は、ＣＤに対するよりも重要であるので、回折素子は、階段状の格子断面を有し、それによって階段の高さは、階段が２πの倍数に実質的に等しい位相変化を導入するように選択される。同時に、選択される回折次数、例えば一次、におけるλ２の放射の透過に対する効率は、ＣＤからのデータの信頼できる読み出しに対して十分である。
【００２９】
λ２の放射に対する高い効率を、理想的には鋸歯状のブレーズ化された格子構造で達成することができるかもしれない。このような理想的な格子の一つの輪帯におけるパターン素子の断面を図３ａに示す。このようなブレーズ化された格子の使用及び各々のパターン素子の合計の高さを適切に選択することによって、ある一定の回折次数の放射の透過効率を最大化することができるのに対して、他の回折次数に対する透過効率を減少させる。例えば、鋸歯状の格子を一次回折の効率的な透過に対して最適化する場合に、最適化された格子断面は、それがλ２の選択される波長に対して２πの位相変化を発生させるように、各々の輪帯の最も高い側面で高さｈ２を有する。
【００３０】
一次回折に対して最適化される鋸歯構造を階段状の断面によって近似することができ、それによって位相プロファイルは、次に、ｊ−１≦ｘＰ≦ｊに対して、
【００３１】
【数７】
2004508655.tif 000005
によって与えられ、ここでｊ＝１、２、・・・Ｐであり、Ｐは、鋸歯状の構造における一つの輪帯を近似するために使用される階段の数である（参考　Ｄａｍｍａｎｎ，Ｏｐｔｉｋ３１（１９７２），ｐ．９５）。四つの階段の近似に対して図３ｂで説明される、結果として生じる構造は、全ての相対的な階段の高さが等しいものである。この近似によって達成され得る回折効率ｅｆｆは、
【００３２】
【数８】
2004508655.tif 000006
によって与えられる。
【００３３】
効率ｅｆｆは、回折の過程のために、放射の強度の透過効率として定義される。
【００３４】
このように、ブレーズ化された格子を近似するために階段を多く選択すればするほど、第二の波長λ２の回折に対して達成され得る効率が高い。
【００３５】
しかしながら、対物レンズ１０に対してより高い製造効率を達成するために、回折素子の各々のパターン素子において最低の可能性のある数の階段を使用することが望ましい。例えば、λ２の放射の選択された回折次数に対してある一定の最小の透過効率を達成することができ、必要とされる輪帯毎の階段の数を、以下に記載するように導出することができる。代わりに、光学素子の製造工程によって制限してもよいが、輪帯毎に最大の数の階段が与えられるとすれば、λ２の放射の選択された回折次数に対する透過効率を導出してもよい。
【００３６】
さらに、λ１の放射に対する透過効率を最大化するために、格子の構造を、２πの倍数に実質的に等しい位相変化を導入するために選択される各々の合計の階段の高さｈ１’を有する階段にする。このように、合計の階段の高さｈ１’は、
【００３７】
【数９】
2004508655.tif 000007
の高さｈ１の倍数であるように決定され、ここでｎは、レンズ材料の屈折率であり、ｎ０は、隣接する媒質の屈折率である（もしも空気であれば、ｎ０＝１）。
【００３８】
しかしながら、（λ１がλ２の倍数でなければ）合計の階段の高さｈ１’を有する階段は、λ２の放射に対して２πの倍数の位相の変化を導入しない。どちらかと言えば、各々の階段によって発生する位相差は、φ２＝２π（ｂ＋ｃ）を満たし、ここでｂは、前記断面の階段にわたって変動してもよい整数であり、ここでｃは、前記断面の階段にわたって変動する１より小さく０より大きい非整数である。
【００３９】
表１は、λ２の放射に対して高さｈ１の倍数である合計の階段の高さｈ１’の階段によって導入される位相変化を示す。ここで、典型的な目的のために、対物レンズの屈折率ｎを、λ１及びλ２の放射の両方に対して、ｎ＝１．６５であると仮定する。この例におけるλ１及びλ２は、それぞれ６６０ｎｍ及び７８０ｎｍである。
【００４０】
【表１】
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表１：７８０ｎｍのレーザー放射を使用するとき、ｈ１の倍数である高さｈ１’の階段によって導入される位相変化
λ１及びλ２が互いに相対的に近い（即ち１／２＜λ１／λ２＜１）場合、１に等しいステップ値ｍに対するｃの値は、１に近いことになり、ｍが増加すると、ｃは１に近い値に戻る前に、近い値まで減少することになる。このように、ｃが零に近い値まで減少する前に、ステップ値の第一の系列ｍ＝１、２、・・・などが存在することになる。表１に示す例において、この第一の系列は、ｍ＝１、２、３、４、５、６からなる。一般的に、第一の系列は、ｍ＝１・・・Ｍからなり、ここでｍは、
ｍλ１＞（ｍ−１）λ２　　　　　（４）
を満たす全ての値である。
【００４１】
設計の過程のさらなる段階において、図３ｂに示される階段状の格子断面は、ｈ１の倍数に実質的に等しいただ一つの階段の高さｈ１’を使用するように、さらに近似される。これはわずかに一次回折のλ２の放射の透過に対する効率を減少させるけれども、零次回折のλ１の放射が実質的に１００％の効率で透過することが保証される。良好な近似を達成するために、発明者は、式（１）の助けで、ある特定の数の階段に対して階段関数によって鋸歯状の格子構造を近似することから結果として生じる位相プロファイルを最初に計算する。
【００４２】
高さｈ１の倍数である階段の高さｈ１’における良好な近似を発見するために、発明者は、表１に載せるようなλ２の放射の透過に対して、このような階段によって導入される位相変化を見る。合計の階段の高さが相対的に小さく相対的な階段の高さがパターン素子内で突然急増しないことを保証するために、階段の可能な選択は、好ましくは、式（４）によって定義される第一の系列の階段に制限される。
【００４３】
ここで、このことは、本発明に一致する解が表２に並べられる、例としての一次回折に対する二つの階段の近似に関して、より詳細に説明される。
【００４４】
【表２】
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表２：二つの階段の近似に対する階段の断面
理想的な断面における最初の階段の結果として生じる（２πの単位における）位相変化は、０．２５である。このように、０．２５に近い位相変化を導入するｈ１の単位での合計の階段の高さｈ１’が要求される。表１から、０．２３１の位相変化に帰着する、高さｈ１’＝５ｈ１の階段は、最良の一致を与える。この二つの階段の近似例において、第一の近似によって第二の波長に対して達成される効率は、４０．５％であり、その効率は、高さｈ１の倍数である高さｈ１’の階段において階段状の断面をさらに近似することによって、たった３９．９％まで減少する、。他方では、１ｈ１に続く０ｈ１の階段の高さを使用するとすれば、結果として生じる効率は、７８０ｎｍの放射に対する一次回折に関してたった８．８％であるかもしれない。
【００４５】
第一の近似に対比して、本発明に一致して、結果として生じる階段の断面は、もはや、一定に増加する階段の高さを有さないか、又は発明者が階段の高さを隣接する階段に関して定義するとすれば、一つの輪帯内において結果として生じる階段の高さは、複数の異なる値を含む。
【００４６】
隣接する階段間の相対的な階段の高さが、実質的にａｈ１に等しい相対的な高さを含むパターン素子の設計を提供することによって、ここでａは整数であると共にａ＞１であるが、λ２に対するその格子の性能に関する格子の効率を、全ての相対的な階段の高さがｈ１に等しい解と比較して、著しく改善することができる。
【００４７】
表３及び４は、それぞれ三つ及び四つの階段パターンの場合における、本発明に一致する解を示す。
【００４８】
【表３】
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表３：三つの階段の近似に対する階段の断面
【００４９】
【表４】
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表４：四つの階段の近似に対する階段の断面
図３ｃは、四つの階段の例に対して結果として生じる階段の断面を説明する。右手側において、高さｈ１’が、高さｈ２’の単位で与えられる。７８０ｎｍの放射に対して結果として生じる位相変化ｃは、それぞれ、第一乃至第四の階段に対して０．０７７、０．３８５、０．６９２、及び０．８４６である。図３ｃの左手側における第一の階段は、最大の合計の階段の高さを有し、パターン素子内のｃに対する最小の値を同時に発生させる。図３ｂに示す第一の近似の、一定の相対的な階段の高さで変動する、単調に高くなる構造は、図３ｃに示す第二の近似の結果として生じる断面において、異なる相対的な階段の高さで変動する、単調に高くなる構造に転化することを、理解することができる。
【００５０】
また、もはや単調に高くなる又は低くなる序列にない階段の断面を提供することが可能である。例えば、四つの階段の例における第四の階段を、ｈ１’＝１ｈ１の代わりに階段の高さｈ１’＝８ｈ１によって近似することができるかもしれない。しかし結果として生じる近似は、より低い効率を有し、このような形状は、どんな場合においても、製造することがより困難である。しかしながら、その方法を異なるパラメータを有する場合に適用するとすれば、単調には低くならない形状を有する断面が、より良好な近似を与えてもよい。
【００５１】
上述の実施例において、ＤＶＤ及びＣＤの形式の担体を走査するための走査デバイスを記載すると同時に、その走査デバイスを、走査されるどんな他のタイプの光記録担体に対しても、代わりに使用することができることを認めることができる。上述の実施例において６６０ｎｍ及び７８０ｎｍのレーザー放射を使用すると同時に、光記録担体を走査することに適切などんな他の組み合わせの波長の放射を使用してもよいことを認めることができる。
【００５２】
上の上述の実施例のように、格子の構造がレンズの曲面に直接提供される場合に、放射は、いたるところで垂直な構造に入らず、階段の高さは、好ましくは、面の曲率を補償するために補正される。この高さの補正は、典型的には、曲率が最大である端で１０％の程度であり得る。類似の補正は、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ１６（１９９９）ｐ１１９４−１２０１のＭ．Ａ．Ｇｏｌｕｂによる“Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｌａｚｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ−ｒｅｌｉｅｆ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ”に記載されている。
【００５３】
ここで“近似する”又は“近似”の用語を使用する場合に、ある範囲の可能性のある近似を包含し、その定義は、どんな場合でも、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デバイスの実用的な実施例を提供するのに十分である近似を含むことを理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一つの実施例に従う光記録担体に対する走査デバイスの構成要素の概略説明である。
【図２ａ】
図１の走査デバイスにおける使用のための対物レンズの概略説明である。
【図２ｂ】
環状の回折構造を示す、図２ａの対物レンズの概略前面図である。
【図３ａ】
理想的な鋸歯状の格子の構造を示す。
【図３ｂ】
鋸歯状の格子構造を近似する四つの階段の階段状の格子構造を示す。
【図３ｃ】
本発明の実施例と一致して、図３ｂの構造をさらに近似する階段状の格子構造を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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