(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板厚さ、情報記録密度の異なる２種類の光情報記録媒体に、情報を記録または再生するために、レーザ光を情報記録膜面に集光する対物レンズであって、前記対物レンズの周辺部分では、情報記録密度の高い光情報記録媒体の基板厚に対して前記レーザ光を球面収差なく集光できる形状とし、前記対物レンズの中心部分では、情報記録密度の低い光情報記録媒体の基板厚と前記情報記録密度の高い光情報記録媒体の基板厚との間の基板厚で前記レーザ光を球面収差なく集光できる形状とし、前記中心部分と前記周辺部分とで焦点位置を一致させたことを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】
基板厚さ、情報ピット穴深さ、情報記録密度の異なる２種類の光情報記録媒体から、共に情報を記録または再生するために、波長λ２のレーザ光を情報記録膜面に集光する請求項１項記載の対物レンズであって、周辺部分は記録密度の大きい第１の光情報記録媒体の基板厚さを通して集光するときに無収差となり、中心部分は２種類の基板厚さの間の基板厚さを通して集光するときに無収差となり、第１の光情報記録媒体の基板に対する、中心部分を透過する光と合わせた入射光の集光スポット２乗平均平方根波面収差が、約０．０４λ（λは使用するレーザ光の波長）以下であり、かつ、中心部分のみを透過する光によって記録密度の低い第２の光情報記録媒体を記録または再生するに当たって、中心部分のみの開口数ＮＡ２と、該中心部分の光が無収差で集光される基板厚さと第２の光情報記録媒体の基板の厚さの誤差によって生じる波面収差Ｗｒｍｓが、第２の光情報記録媒体から光学的に収差なく良好に情報を記録または再生する光源波長λ１、開口数ＮＡ１の通常の対物レンズを有する光ヘッドに比較して、
【数２】
0004006032.tif 000026
（ただしｎ１、ｎ２はそれぞれ波長λ１、λ２に対する情報記録媒体基板の屈折率）をほぼ満たすことを特徴とする対物レンズ。
【請求項３】
請求項２において、第２の光情報記録媒体の基板厚さが約１．２ｍｍであって、
【数３】
0004006032.tif 000027
をほぼ満たすことを特徴とする対物レンズ。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれかに記載の対物レンズであって、レンズ全体としてアッベの正弦条件をほぼ満たすことを特徴とする対物レンズ。
【請求項５】
請求項１から４のうちいずれかに記載の対物レンズであって、周辺部分と中心部分との境界部分の形状を滑らかに接続したことを特徴とする対物レンズ。
【請求項６】
請求項１から４のうちいずれかに記載の対物レンズであって、中心部分の最適基板厚さをレンズ中心から同心円状に連続的に可変としたことを特徴とする対物レンズ。
【請求項７】
請求項１から４のうちいずれかに記載の対物レンズであって、周辺部分または中心部分に薄膜を装荷することによってなることを特徴とする対物レンズ。
【請求項８】
光源と、
透明な平行平板基板を通して光学的に情報を記録再生する光記録媒体に該光源からのレーザ光を前記媒体の情報記録膜面に集光し、その中心部分と周辺部分で非球面形状を異ならしめることにより、前記中心部分と前記周辺部分で該レーザー光をそれぞれ独立に収差なく集光するための該基板の最適な厚さが異なるようにされ、前記中心部分と前記周辺部分とで焦点位置を一致させた対物レンズと、
光記録媒体からの反射光を光源に戻る光路から分岐させる光分岐素子と、
光検出器と、
光記録媒体上に集光スポットを位置決めする手段とを有することを特徴とする光ヘッド。
【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から光学的に情報を再生する光ディスク装置に係り、特に基板厚さが異なる光ディスクから信号を再生する光ヘッドおよびそれに用いる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクは大容量可換情報記録媒体として近年めざましく進歩を続けている。そのため記録再生方式や記録密度、ディスクサイズが多岐にわたっており、それらの互換性の確保が困難となりつつある。特にこれまで最も普及しているのがCD-ROM(Compact Disc - Read Only Memory)であり、新たな光ディスクの開発にあたってはCD-ROMとの互換性の要求が大きい。このCD-ROMに続く次世代高密度ROMとして、最近SD-ROM(Super Density - Read Only Memory)が提案されている。ここでは記録密度を向上させるために対物レンズの開口数(Numerical Aperture:NA)を従来CDの0.45から0.6に向上させている。光ディスク上の集光スポットの大きさは使用するレーザ光源の波長をλとしたとき、λ/NAに比例するため、NAを大きくすればそれにしたがって光スポットを小さくすることができる。光スポットが小さければ高密度の情報ピットを品質良く再生することができるので、光ディスクの記録密度を向上させることができるのである。ところがNAを大きくするとそれにともなって、ディスクが傾いたときに生じるコマ収差が急激に増大し、光ディスク上の集光スポットをかえって劣化させてしまうためむやみにNAを大きくすることができない。そこでSD-ROMにおいてはディスクの基板の厚さをCD-ROMの1.2mmから0.6mmに薄くすることが提案されている。ディスクが傾いたときのコマ収差はディスク基板の厚さに比例するため、NAを大きくしたことによるコマ収差の増大を基板を薄くすることで相殺することをねらったのである。
【０００３】
ところが基板の厚さをCD-ROMと変えてしまうとSD-ROMとCD-ROMの互換性を保つことが難しくなる。というのは光ディスクの基板ごしに光を集光するとそのままでは球面収差が生じてしまうため、光ディスク用の対物レンズでは特定の基板厚さに対応してそれを補償する球面収差を持つようにあらかじめ設計されているからである。つまり0.6mmの基板厚さに対して最適化された対物レンズで1.2mmの基板厚さのCDを再生しようとすると、0.6mmの基板厚さずれによる球面収差が生じてしまい、光スポットがぼけて、信号を再生することができなくなるのである。
この問題を解決する従来の手段は例えばオプティカル・レビュー第１巻第１号１９９４年２７ー２９頁（Optical Review ,Vol.1,No.1 (1994) pp.27-29.）、及び三菱電機ニュース・リリース、開発No.9507（平成７年６月２１日）に記載されている。
【０００４】
前者は0.6mm用対物レンズ表面にホログラムを形成し、その回折光によってCDを再生し、透過光によてSDを再生するというものである。ここではCDを再生するときに生じる球面収差を補償するようにホログラムのパターンをあらかじめ設計しておくのである。
【０００５】
後者は0.6mm用の対物レンズと、1.2mm用の対物レンズを両方光ヘッドに搭載し、可動アクチュエータによって２つのレンズを切り替えて使用するというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、それぞれ課題が残っている。
【０００７】
前者においてはホログラムを使用するため、CDを再生するときにもSD用の光スポットが生じ、SDを再生するときにもCD用の光スポットが生じる。またディスクで反射した光も再び回折されてしまう。これらにより光量の損失が避けられない。特にこれは今後書き換え可能型のＳＤが開発されるときに、大きな問題となりうる。
【０００８】
後者においては２つのレンズを切り替えるため、レンズを２個使用することによるコストの増大、レンズの位置の再現性や、アクチュエータが大きく、重くなることによる応答特性の劣化などの問題がある。
【０００９】
これに鑑み、本発明の目的は光量の損失なく、安価に、精度よく基板厚さ1.2mmのＣＤと基板厚さ0.6mmのＳＤの信号を再生することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、光源と、光情報記録媒体に光源からの光を集光するための対物レンズと、光記録媒体からの反射光を光源に戻る光路から分岐させる光分岐素子と、光検出器と、光記録媒体上の情報ピット列に集光スポットを位置決めする手段とから少なくとも構成される光ヘッドにおいて、光情報記録媒体から、光学的に収差なく良好に情報を記録または再生する光源波長λ１、対物レンズ開口数ＮＡ１の光ヘッドに比較して、２乗平均平方根波面収差Ｗｒｍｓ、光源波長λ２、対物レンズ開口数ＮＡ２を
【００１１】
【数４】
0004006032.tif 000002
【００１２】
0004006032.tif 000003
（ただしｎ１、ｎ２はそれぞれ波長λ１、λ２に対する情報記録媒体基板の屈折率、ｄは情報ピット深さ）をほぼ満たすようにする。
【００１３】
また透明な平行平板基板を通して光学的に情報を記録再生する光情報記録媒体に、情報を記録または再生するために、レーザー光を情報記録膜面に集光する対物レンズで、中心部分と周辺部分で該レーザー光をそれぞれ独立に収差なく集光するための該基板の最適な厚さが異ならせる。
【００１４】
また基板厚さ、情報ピット穴深さ、情報記録密度の異なる２種類の光情報記録媒体から、共に情報を記録または再生するために、波長λ２のレーザー光を情報記録膜面に集光する上記の対物レンズで、周辺部分は記録密度の大きい第１の光情報記録媒体の基板厚さを通して集光するときに無収差となり、中心部分は２種類の基板厚さの間の基板厚さを通して集光するときに無収差となり、第１の光情報記録媒体の基板に対する、中心部分を透過する光と合わせた入射光の集光スポット２乗平均平方根波面収差を約０．０４λ（λは使用するレーザ光の波長）以下とする。かつ、中心部分のみを透過する光によって記録密度の低い第２の光情報記録媒体を記録または再生するに当たって、中心部分のみの開口数ＮＡ２と、該中心部分の光が無収差で集光される基板厚さと第２の光情報記録媒体の基板の厚さの誤差によって生じる波面収差Ｗｒｍｓが、第２の光情報記録媒体から光学的に収差なく良好に情報を記録または再生する光源波長λ１、開口数ＮＡ１の通常の対物レンズを有する光ヘッドに比較して、上記（数１）（ただしｎ１、ｎ２はそれぞれ波長λ１、λ２に対する情報記録媒体基板の屈折率）をほぼ満たすようにする。
【００１５】
また実際にはＣＤに相当する第２の光情報記録媒体の基板厚さが約１．２ｍｍであるから、
【００１６】
【数５】
0004006032.tif 000004
【００１７】
0004006032.tif 000005
をほぼ満たようにすればよい。
【００１８】
またこれらの対物レンズでにおいて、レンズ全体としてアッベの正弦条件をほぼ満たしめる。
【００１９】
またこれらの対物レンズでにおいて、周辺部分と中心部分との境界部分の形状を滑らかに接続させる。
【００２０】
またこれらの対物レンズでにおいて、中心部分の最適基板厚さをレンズ中心から同心円状に連続的に可変とさせる。
【００２１】
またこれらの対物レンズでにおいて、周辺部分または中心部分に薄膜を装荷することによって中心部分と周辺部分の最適基板厚さを異ならしめる。
【００２２】
またこれらの対物レンズを、全面にわたって一様な基板厚に最適化されたレンズと、物体側に配置された中心部分に穴のあいた平行平板によって構成させる。
【００２３】
またこれらの対物レンズを用いて、基板厚さ1.2mmの光記録媒体と基板厚さが1.2mmとは異なる光記録媒体とから信号を再生できる光ヘッドを構成する。
【００２４】
また基板厚さ1.2mmの光ディスクと基板厚さが1.2mmとは異なる光ディスクから対物レンズを交換することなく信号を再生でき、基板厚さが1.2mmとは異なる光ディスクを再生するに当たって、レンズ部分の入射光量に対する再生用スポットの全光量の割合が90%以上とさせる。
【００２５】
またこれらの対物レンズを用いて、厚さ1.2mmの基板に記録された情報を再生するにあたって、周辺部分に入射する光の光量を低減または遮光させる。
【００２６】
さらにその光量低減または遮光手段を対物レンズが情報ピットを追随するのに連動させて動かす。
【００２７】
さらにあるいは対物レンズと光量低減または遮光手段を一体化する。
【００２８】
また厚さ1.2mmの基板に記録された情報を再生するにあたって周辺部の光を低減する他の手段として、光検出器の大きさや光学系の最適化を行う。
【００２９】
またこれらの対物レンズを用いて、基板厚さ1.2mmと0.6mmの光記録媒体から信号を再生できる光ヘッドを構成する。
【００３０】
また透明な平行平板基板を通して情報ピットを光学的に記録再生するために、レーザー光を情報記録膜面に集光する対物レンズの光源側の近軸焦点が、対物レンズ光源側表面から2mm以上離れており、対物レンズ周辺部分に入射する光の光量を低減、または遮光する手段を有し、光記録媒体上の情報列に光スポットを追随させるためのアクチュエータとしてガルバノミラーを用い、ガルバノミラーの回転軸を該対物レンズのレーザ光源側の近軸焦点付近に配置させる。
【００３１】
また上記の対物レンズにおいて、光源側の近軸焦点を対物レンズ光源側表面から2mm以上離れさせる。
【００３２】
またこの対物レンズを用い、厚さ1.2mmの基板に記録された情報を再生するにあたって、該対物レンズ周辺部分に入射する光の光量を低減、または遮光する手段を有し、光記録媒体上の情報列に光スポットを追随させるためのアクチュエータとしてガルバノミラーを用い、ガルバノミラーの回転軸を該対物レンズのレーザ光源側の近軸焦点付近に配置させる。
【００３３】
異なる基板厚さの２種類の光ディスクを１つの対物レンズで両方とも再生しようとすると、どうしても少なくとも一方には収差が発生することは避けられない。では収差がある場合に集光された光スポットはどの程度劣化し、光ディスクの信号品質は無収差に対してどの程度低下するであろうか。集光された光スポットの評価指標として従来、２乗平均平方根波面収差と、それと次のように１対１に関係づけられるストレール強度がある。
【００３４】
【数６】
0004006032.tif 000006
【００３５】
0004006032.tif 000007
これらは共に、ある単一の開口数、単一の波長において収差の大きさを比較する指標であるため、収差を含む異なる波長、異なる開口数の光スポットがどの程度のスポット径に絞り込まれているかという指標にはならない。そこでこの比較ができるようにストレール強度の概念を拡張して定義することにする。まず無収差の場合、光スポットの大きさはλ/NAに比例することがよく知られている。したがって対物レンズの入射瞳に入射する光量を一定とすると、スポットの中心強度は集光スポットの面積に反比例すると考えられるから、それはNA/λの２乗に比例するはずである。また収差による影響を考えた場合、無収差の中心強度に対する収差がある場合の中心強度がストレール強度である。したがって収差があり、なおかつ波長や開口数の異なる光スポットの集光具合の指標としてはストレール強度にNA/λの２乗を乗じた値が妥当であると考えられる。これを拡張ストレール強度と呼び、次のように定義することにする。
【００３６】
【数７】
0004006032.tif 000008
【００３７】
0004006032.tif 000009
また波長が変わり、ＣＤの情報ピットの深さｄが見かけ上変わると、再生信号振幅も変わる。基板の屈折率をｎ、情報ピット深さをｄとすれば再生信号振幅はほぼｓｉｎ２（２πｎｄ／λ）に比例して変わることが知られている。したがって拡張ストレール強度にこれを乗じた値をパフォーマンスファクタと呼び、
【００３８】
【数８】
0004006032.tif 000010
【００３９】
0004006032.tif 000011
と表す。これにより収差があり、開口数や、波長の異なる光ヘッドどうしの再生信号見積もりが可能となる。すなわち、たとえば収差があっても異なる波長と開口数で無収差と同じ信号品質となる条件が見つけられる可能性があるわけである。
【００４０】
対物レンズを中心部分と周辺部分で分割し、該レーザー光を最適に集光するための該基板の最適な厚さがそれぞれ異なると、周辺部分の光は周辺部分に最適化された所定の基板厚さを通して集光したとき無収差となる。しかしこの基板厚さに対して異なる基板厚さに最適化された中心部分では球面収差が生じるため、中心部分と周辺部分を含めたレンズ瞳全体での収差はゼロでなくなる。
【００４１】
一般にザイデルの球面収差
【００４２】
【数９】
0004006032.tif 000012
【００４３】
0004006032.tif 000013
に対して、２乗平均平方根波面収差を最小とするにはゼルニケの球面収差の式の形
【００４４】
【数１０】
0004006032.tif 000014
【００４５】
0004006032.tif 000015
となるように焦点ずれと位相ずれを与えればよい。ここでＷ40は球面収差のザイデルの収差係数、ρは瞳半径を１としたときの半径座標である。このとき２乗平均平方根波面収差は
【００４６】
【数１１】
0004006032.tif 000016
【００４７】
0004006032.tif 000017
で与えられる。
【００４８】
中心部分のみに加わる球面収差を瞳全体として見た場合の２乗平均平方根波面収差を最小とするには、中心部分のみで（数７）のような波面収差となるように焦点ずれと位相ずれを与えたとき、周辺部分で収差が０となるようにすればよい。ここで中心部分と周辺部分の分割半径をRとすれば、Ｗ40を新たに半径Rでの球面収差のザイデルの収差係数とすれば、この収差関数は
【００４９】
【数１２】
0004006032.tif 000018
【００５０】
0004006032.tif 000019
となる。このとき同様にして瞳全体としての２乗平均平方根波面収差は
【００５１】
【数１３】
0004006032.tif 000020
【００５２】
となる。
【００５３】
0004006032.tif 000021
本発明においてはこの２乗平均平方根波面収差を約０．０４λ以下とする。
【００５４】
この値の根拠を以下に説明する。収差の大きさの目安としては２乗平均平方根波面収差が0.07λ以下であるというマレシャルの基準が一般的に広く用いられている。しかし光ヘッドにおいては対物レンズ以外のいろいろな要因を含めてこの値に抑える必要がある。それらは例えば焦点ずれ、ヘッド調整ずれによる球面収差、非点収差、コマ収差、半導体レーザの非点収差、ディスク傾きによるコマ収差、ディスク基板厚さずれによる球面収差、対物レンズ成形誤差による球面収差、コマ収差、非点収差であり、本発明による収差と合わせて全部で１１項目ある。これらの寄与をすべて均等であると仮定すれば、いろいろな要因の誤差による全体の分散はそれぞれの分散の和と考えられるから、本発明による誤差に許される２乗平均平方根波面収差としては
【００５５】
【数１４】
0004006032.tif 000022
【００５６】
0004006032.tif 000023
より約０．０２１λが目安となる。したがって対物レンズそれ自体の収差は本発明による収差に成形誤差による球面収差、コマ収差、非点収差を含めると分散が４倍、すなわち２乗平均平方根波面収差としては２倍の０．０４２λ以下である必要があるのである。
【００５７】
厚さ1.2mmの基板を通して情報を再生する場合には、中心部分のみを通る光を用いる。このとき中心部分のみを通る光が無収差となる基板厚さは必ずしも１．２mmが最適とは限らない。というのは上記のように中心部分と周辺部分を合わせた瞳全体の光によって、周辺部分で無収差となる基板厚さを通して信号を再生するときの２乗平均平方根波面収差がレンズ成形誤差を含めて約０．０４λ以下である必要があるからである。しかしながらあまり１．２mmからずれると中心部分のみを用いて１．２mmの基板を通して再生する場合に発生する球面収差が増大してしまう。
【００５８】
この中心部分の光の球面収差の許容値は、従来のCDと同程度の再生信号を得るという条件から決めることができる。まず従来のCDにおいては使用波長が０．７８μm、開口数が０．４５であるので、この条件におけるパフォーマンスファクタが得られる範囲内であれば球面収差は許容できると考えることができる。無収差でのCDのパフォーマンスファクタは上に述べた波長と開口数、及びピット深さｎｄがほぼλ／６であるからＰＦ＝(0.45/0.78)2  ｓｉｎ２（π／３）=０．２５０(μm-2)であり、収差がある場合にも、より短い波長、または大きい開口数において同じ値以上のパフォーマンスファクタがあればよいと考えられる。またCDにおいても通常、焦点ずれ、ヘッドの調整ずれによる球面収差、コマ収差、非点収差、レーザの非点収差、ディスク傾きによるコマ収差、ディスク基板厚さずれによる球面収差など対物レンズ以外に起因する７項目と、対物レンズ成形ずれによる球面収差、非点収差、コマ収差の３項目を合わせて１０項目でストレール強度が最低０．８になると考えれば、対物レンズのみに起因する収差の影響を考えたストレール強度は１ー（１ー０．８）／１０×３=０．９４であるから、この場合のパフォーマンスファクタは０．２５０×０．９４=０．２３５(μm-2)となる。したがってパフォーマンスファクタが約０．２３５以上あればCDと同等の再生信号性能が得られると期待できる。
【００５９】
このように中心部分に球面収差が残っている場合にも、CDより短い波長または大きいNAで再生すればCDと同等の再生信号が得られることを示した。したがって中心部分のNAは収差の大きさにもよるが、少なくとも無収差でスポット径λ／NAがCDの値０．７８／０．４５=１．７３３μm以下となる必要があるため、中心部分のみの開口数は０．５７λ（λはμm単位で表す）以上である必要がある。
【００６０】
以上に述べたのはすべて軸上の性能であるため、軸外の光線についての性能をある程度保証するためにはレンズ全体としてアッベの正弦条件をほぼ満たすようにこの対物レンズを設計する必要がある。
【００６１】
また通常、対物レンズはモールド成形で加工されるので、型の成形の都合上、レンズに段差があると非常に加工しにくくなる。したがって本発明の対物レンズにおいても上記に述べた性能の劣化しない範囲内において周辺部分と中心部分との境界部分の形状を滑らかに接続させる必要がある。
【００６２】
また、これまで述べたのはレンズの領域分割を２領域とするものであったが、分割数が増えるとそれだけ設計の自由度が増すので、より最適な設計が可能となる。したがって究極的には中心部分の最適基板厚さをレンズ中心から同心円状に連続的に可変とさせる。
【００６３】
また周辺部分と中心部分との境界部分の段差を形成するために段差のないレンズを成形後に薄膜を装荷することによって段差を生成することにより所望の位相ずれをあたえることができる。
【００６４】
さらにまた他の方法として上記中心部分の最適基板厚について全面にわたって最適化した対物レンズを用いて、そのディスク側に中心部に穴のあいた中心部分と周辺部分の最適基板厚の差の厚さの平行平板を用いることもできる。
【００６５】
またこれらの対物レンズを用いた光ヘッドにおいて、厚さ1.2mmの基板に記録された情報を再生するにあたって、周辺部分の光の収差が著しく大きくなるのは避けられない。したがってこの領域の影響を取り除く必要が生じる場合がある。このときには周辺部に入射する光の光量を低減させるかまたは遮光する手段を用いる必要がある。
【００６６】
またこれを光検出器の大きさの設計や、光学系の設計により行うこともできる。ただし実際には光ディスクによる回折光の影響があるため、検出光学系の制限開口だけでは厳密には周辺光を完全に取り除くことはできない。しかしある程度低減させることはできる。
【００６７】
また従来、光ディスクの回転中心がディスクの案内溝カッティング時の回転中心からずれることにより、トラッキングのために対物レンズをこの偏心に応じて動かすと、反射戻り光の強度分布がずれて、プッシュプルトラッキング信号にオフセットが生じることが指摘されている。この問題は特に上記の周辺部分の光を遮光する手段が対物レンズと一体となって動かない場合により深刻となる。これは特にコンピュータ外部記憶装置用として普及している光磁気ディスク装置などに従来用いられているダブルサーボ方式を用いれば、この偏心はほとんどコースアクチュエータが追随するため対物レンズはほとんど動かずあまり問題とならない。しかし音楽用CDなどでは低価格のためダブルサーボは現在あまり使われていず、問題となる場合がある。
【００６８】
これに対しては遮光手段を対物レンズに連動させて動かせばよい。または遮光手段を対物レンズと一体化して動かしてもよい。
【００６９】
他の方法としてレンズを動かすのではなく、ガルバノミラーと呼ばれる可動鏡を用いて対物レンズに入射する光の傾きを変えて光スポットを動かす形のアクチュエータではこの問題を解決することができる。このためにはガルバノミラーの回転中心を対物レンズの光源側焦点におけばよい。このようにすると光軸上の光はディスクが傾いていない限り、必ずディスクに垂直に入射するため、再びガルバノミラーを反射して戻る光の強度分布にずれが生じないのである。このためガルバノミラーを光源側近軸焦点に配置するためには光源側近軸焦点が対物レンズ光源側表面から光源側に2mm以上離れていることが必要となる。これは上記に述べてきた本発明の対物レンズに対してだけでなく、レンズ全面が1.2mm以外の基板厚さに最適化され、開口数がCDよりも大きい対物レンズにおいて中心部分だけでCDの再生を行うような場合にも有効である。もちろん本発明の対物レンズを用いた場合にも有効である。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
【００７１】
図１は本発明の基本概念を示す図である。対物レンズ１は厚さ０．６mmの基板を用いたＳＤ２を再生するときにはＮＡ０．６で再生し、厚さ１．２mmの基板を用いたＣＤ３を再生するときにはＮＡ０．４２で再生する。ＮＡ０．４２の境界では位相差をつけるためにわずかながら段差がついている。ここでの設計波長は０．６３５μmである。
【００７２】
このような設計を行った根拠を以下に示す。
【００７３】
図２はNA0.6の半径を１としたときの中心部分と周辺部分の分割半径に対するＣＤ再生時のスポット性能を評価するために、中心部分でのパフォーマンスファクタ（以下ＰＦと呼ぶ）を中心部分における最適設計基板厚さを変えて表示したグラフである。ここでは分割半径の外側の周辺部分の光は開口制限により遮断している。最適設計基板厚さが1.2mmからずれるほど球面収差は大きくなり、ＰＦは小さくなる。また分割半径が大きく中心部のNAが大きいほど球面収差が小さい範囲では回折限界のスポットサイズは小さくなるのでＰＦは大きくなり、さらにNAが大きく球面収差が大きくなると逆にＰＦは減少に転じる。これによれば中心部最適設計基板厚さ０．６mm、すなわち単なる開口制限でも、従来の無収差のＣＤの０．２５（μm-2）と同じレベルのＰＦとなる分割半径があることがわかる。
【００７４】
しかしながら実際にはディスクの偏心に追随して対物レンズが動いた場合、光は収差の大きい周辺部分も透過する。また制限開口が固定されていると後で示すようにけられも生じる。
【００７５】
図３に対物レンズが偏心に追随して０．３ｍｍ動いた場合の同様の計算結果を示す。ここでは対物レンズの有効光束径は３．９６ｍｍと仮定し、偏心による球面収差の微小移動から求められる最も低次のコマ収差を導入し、けられを考慮してＰＦを求める際に用いている開口数を補正している。これによれば図２に比較して、全体にＰＦが劣化し、従来の無収差のＣＤの０．２５（μm-2）と同じレベルのＰＦが得られる最適基板厚さは約０．８ｍｍ以上となることがわかる。
【００７６】
図４にこのとき一方ＳＤすなわち0.6mmの基板をレンズ全域を使って再生するときの集光スポットの２乗平均平方根波面収差を示す。図２および図３から求められるＰＦが０．２５以上の領域を重ねて示している。これより偏心のある場合に波面収差が最小となるのは分割半径比０．７、すなわち中心部NA０．４２、中心部最適設計基板厚さ約０．８mmで波面収差として約０．０２λ程度にできることがわかる。この中心部分のNAは単に現行ＣＤの光スポット径と無収差で同じとなる波長０．６３５μmでのNA０．３６６よりは大きい値となっている。
【００７７】
図５にこのときスカラー回折理論にもとづくシミュレーションにより求めた、偏心のない場合のジッタの計算結果を示す。ここでは再生信号の信号対雑音比は約２５ｄＢを仮定し、シフトが最悪となるピットパターンでのスライスレベルがこのノイズレベルに従って変動するという前提でジッタを計算している。図２と同様にして基板厚さが０．６ｍｍでも、従来の無収差のＣＤの再生条件でのジッタの計算値と同じとなる分割半径があることがわかる。
【００７８】
図６に同様にして偏心がある場合のスカラー回折理論にもとづくシミュレーションにより求めたジッタの計算結果を示す。
【００７９】
これら図５、６において従来の無収差のＣＤの再生条件でのジッタの計算値と同じジッタが求められる領域が図４の中に示されている。この領域はほぼＰＦの従来ＣＤ無収差条件と同じとなっていることが確認でき、ＰＦを用いた設計の妥当性が確認できる。
【００８０】
図７は、図５、６と同様にしてＳＤにおけるジッタの計算を行ったものである。ＳＤにおいては波形等化が必須であるが、まだ等化条件が確定していないため、この計算の絶対値は実際とは異なる可能性がある相対的な計算結果である。ここに図５、６における従来ＣＤ無収差条件のジッタと同じ値が得られる領域を重ねて示している。これにより得られる最適な領域もほぼＰＦによる値とほぼ一致している。
【００８１】
図８はさらに以上の計算において、求められたＣＤ再生におけるジッタとＰＦの対応を比較したものである。基板厚、すなわち収差や、ＮＡ、波長の異なるいろいろな場合にもほぼＰＦとジッタは一意的に対応していることがわかる。したがってレンズを設計するにあたって複雑なジッタのシミュレーションや、実験をしなくとも、ディスクのピット深さと、再生波長、収差や、分割半径、開口数などのレンズパラメタがわかればほぼ信号品質が予想できるのである。
【００８２】
図９にこのような設計値のときにＣＤとＳＤを再生する場合の波面収差を示す。ここでＳＤを再生する場合のRMS波面収差は上記のように約０．０２λ、ＣＤを再生する場合にNA０．４２の範囲でのRMS波面収差は０．０７λとなっている。ＣＤ再生での波面収差が大きいがＰＦがＣＤと同程度であり、ジッタについても従来ＣＤ無収差条件とほぼ同じとなるので問題は生じない。
【００８３】
図１０はレンズの段差部分を滑らかに接続した場合の実施例である。レンズの性能があまり劣化しない範囲内で設計形状に近い連続曲線で段差部分を近似し、モールド成形における型の加工性を向上させることができる。
【００８４】
図１１はレンズの段差部分を薄膜４により成形した場合の実施例である。これにより原レンズ５の成形性を向上させることができる。
【００８５】
図１２はＣＤを再生する場合に、周辺部分の光を絞り６によって遮光する場合の実施例である。ＳＤを再生する場合にはこれを取り除く必要があるため、絞りは機械的に光路から引き抜くか、または通常の写真用カメラなどに用いられている口径を機械的に可変とする機構を用いればよい。あるいは液晶やその他の電気光学的光スイッチ等を用いれば機械的な機構を用いず、電気的に遮光することができる。また同様にして遮光でなく減光をすることも可能である。
【００８６】
図１３は対物レンズ移動に伴い、位置が固定された絞り６を通って入射する光が対物レンズ１でディスク３に集光され、反射して再び絞り６を通るとその分布の中心がレンズ移動量の２倍ずれ、絞り６によってケラレが生じる様子を示している。これによりトラッキングのためのプッシュプル信号を検出するための２分割光検出器７の２つの出力には大きなアンバランスが生じ、トラッキング信号にオフセットが生じる原因となる。またレンズがずれるとディスクに入射する集光光束が傾くため球面収差の分布も大きく偏り相対的に収差量が増大してしまう。
【００８７】
図１４はガルバノミラー８を対物レンズの焦点に配置すると戻り光の光束のずれがなくなる様子を示している。ガルバノミラー８が焦点上にあれば主光線９はガルバノミラー８が傾いても平行移動するだけでディスク３への入射角度は変わらず、ディスクに傾きがなければ垂直に入射し、往路をそのまま反射して戻ることになるのである。したがって光束のずれは生じない。したがって本発明における対物レンズを絞りとともに用いて光ヘッドを構成する場合に非常に有効である。
【００８８】
図１５は制限開口を用いず、ディスクによる回折がない場合に、波長０．６３５μm、対物レンズＮＡ０．６、有効光束径３．６ｍｍ、分割半径比０．７、中心部分最適基板厚０．８ｍｍ、対物レンズと検出器に集光するためのレンズまでの間隔６０ｍｍ、集光レンズ口径５ｍｍ、集光レンズ焦点距離２５ｍｍ、集光レンズ検出器間隔２４．２ｍｍのときの、対物レンズ射出瞳の規格化半径に対する、その位置を通る光線の光線検出器上半径位置の計算結果を示したものである。これによればたとえば検出器を０．１４ｍｍφくらいとすれば、少なくとも０次光についてはＣＤ再生時に周辺部分の光を取り除き、ＳＤ再生時には全光量を検出することができる。また回折光についても、周辺部分の光が中心部分に対してかなり広がっていることがわかるので、強度が低下し、影響がかなり低減するものと考えられる。したがって、実際上このような光学系や検出器の設計により、制限開口を用いなくともＣＤ再生時にのみ不要な周辺部分の光を取り除くことができる。
【００８９】
図１６は本発明による光ヘッドの実施例である。半導体レーザ１０からの光をコリメートレンズ１１により平行光としてビーム成形プリズム１２１、１２２により楕円ビームを円形ビームとする。ビーム成形プリズムは光学系の効率が十分高いか、ディスクのトラックピッチがディスク上の光スポットの主ローブと第１暗線の間隔より広い場合に、取り除いた方が部品点数、隣接トラッククロストーク低減のために有利となる場合もある。さらにこの光はビームスプリッタ１３１を透過し、制限開口である絞り６を透過する。絞り６はＣＤ再生時に球面収差の大きい周辺部分の光をカットするために用いるものであり、ＳＤ再生時には絞り挿入手段１４により光路から取り除く。さらに立ち上げミラー１５により反射された光は２次元アクチュエータ１６に搭載されった対物レンズ１により光ディスク上に集光される。ここでは光ディスクはＣＤ３である例を示している。２次元アクチュエータ１６はトラッキング誤差信号により、ディスク半径方向に可動し、光スポットをトラック上に位置決めし、焦点誤差信号により光軸方向に可動し、焦点位置をディスク上に位置決めする。反射光は再び、対物レンズ１、立ち上げミラー１５、絞り６を透過して、ビームスプリッタ１３１を反射し、検出光学系に導かれる。ビームスプリッタ１３２を透過した光は集光レンズ１７１により集光光束とされ、ビームスプリッタ１３３に入射する。ここでは透過光はシリンドリカルレンズ１８を透過し、４分割光検出器１９に入射する。この分割検出器の対角成分の和信号どうしの差動信号を差動増幅器２２１により出力し、焦点ずれ信号とする。一方ビームスプリッタ１３３で反射した光は２分割光検出器２０に入射し、それぞれの出力の差動信号を差動増幅器２２２により出力することにより、トラッキング誤差信号を得る。またビームスプリッタ１３２を反射した光は集光レンズ１７２により光検出器２１に集光され、再生信号を得る。
【００９０】
図１７はこの絞りのまわりの光学系のみをぬき出したものであり、ＣＤを再生する場合の構成を示している。
【００９１】
図１８はこれに対してＳＤを再生する場合における同じ光学系の構成を示している。絞り６を絞り挿入手段１４により抜き差ししている。
【００９２】
図１９は制限開口、すなわち絞りを対物レンズアクチュエータに搭載する実施例を示している。ここでは絞りとして液晶素子２４を用いている。基板厚０．６ｍｍのＳＤを再生する場合には液晶に電圧印加をせず、入射する光は全面にわたって液晶素子２４を透過する。基板厚１．２ｍｍのＣＤを再生する場合には液晶に電圧印加し、周辺部の光を遮光して、絞りとして作用する。このようにすれば制限開口は、ディスクの偏心に追随してレンズが動いてもけられを生じない。
【００９３】
図２０はレンズの中心部分と周辺部分の最適基板厚の違いを、中心に穴のあいた平行平板で生じさせた場合の実施例である。基板厚０．８ｍｍに対して最適化された対物レンズ２５のディスク側の集光光束に中心部分に穴のあいた基板厚０．２ｍｍの平行平板を挿入している。これにより中心部分は基板厚０．８ｍｍ、周辺部分は基板厚０．６ｍｍに最適化されることになる。ここで、基板厚０．６ｍｍのＳＤを再生する場合の中心部分のみに発生する球面収差の形を数８に示したゼルニケの球面収差の形とするために、中心部分にはデフォーカスと位相ずれをあたえなければならない。ここではそれを行うために位相シフト膜２８のついた位相シフタ２７を一体化している。
【００９４】
以下、これまでに述べた設計仕様に従い、レンズの材料の選択の自由度を考慮して３種類のレンズ材料屈折率において実際にレンズ形状の設計を行ったので、その詳細を説明する。
【００９５】
図２１から２６はレンズ屈折率１．４９の場合の設計例にかかる図である。
【００９６】
図２１は本発明によるレンズ設計条件及び設計形状の一例である。ここで、レンズ形状はレンズの光軸方向の座標をｚ、Ｒを中心曲率半径、Ｋを円錐定数、α１、α２、α３、…をそれぞれ４、６、８、…次の非球面定数として
【００９７】
【数１５】
0004006032.tif 000024
【００９８】
0004006032.tif 000025
のように表される。レンズの境界部での段差は０．１４μmであり、きわめて小さい。これは段差が１０式に示したように、ザイデルの球面収差の収差係数の１／６の位相差を生じることを必要としていることから決まっている。この場合、球面収差係数はＮＡ０．４２で０．９３λであり、これに相当する段差は０．１７μmである。実際のレンズ設計においては軸外性能も考慮して行うため、多少のずれは生じているが、オーダーはほぼ一致していることがわかる。
【００９９】
これを用いてＳＤ及びＣＤを再生する場合の構成を図２２、２３に示す。またそれぞれにおける収差図を図２４、２５に示す。ここでの球面収差はすでに述べた波面収差ではなく、光線が光軸と交わる位置のずれを示す光線収差で表している。また正弦条件はその違反量を瞳半径について示しており、通常の光ディスク用対物レンズでは設計上±0.015mmの範囲内であるが、ここでは球面収差のため、それよりはやや大きくなっている。しかしながら後に示す波面収差からわかるように、これはほぼ許容範囲内であると考えられる。非点収差、および歪曲収差はレンズに入射する平行光を傾けた場合の像高に対して示している。非点収差はきわめて小さく、実用上十分な性能を有している。また歪曲収差は、従来の光ディスクのように像が１点しか存在しない光学系においてはもともとまったく問題にならない。将来、マルチスポットの光ヘッドが必要となるときには、考慮する必要が生じることがあり得るが、その場合にもほぼ十分な性能であると考えられる。
【０１００】
図２６にさらにレンズに対して斜めに光を入射させた場合の像高に対する２乗平均平方根波面収差を示す。ここで軸上波面収差は図２１にも示したとおり、SDで０．０２５λ、CDで０．０８１λであり、SDについては先に述べた０．０４λ以下の条件を満たしている。CDについては０．０８１λでストレール強度が１ー（２π×０．０８１）２＝０．７４１であるから、パフォーマンスファクタを計算すると、０．７４１×｛０．４２／０．６３５（μm）×ｓｉｎ（０．２６π／０．６３５）｝２＝０．２９９であり、０．２４以上となって許容値を満たしている。ＣＤの軸上波面収差はこの場合、０．０７λ程度であることが解析的には予想されるが、レンズ設計においては軸外性能も考慮されているため、多少、この値よりも大きくなっている。
【０１０１】
図２７から３２はレンズ屈折率１．５９の場合の設計例にかかる図であり、上と同様の性能で設計できていることがわかる。
【０１０２】
図２７は、図２１と同様にして本発明によるレンズ設計条件及び設計形状の一例である。
【０１０３】
図２８、２９は図２２、２３と同様にして、これを用いてＳＤ及びＣＤを再生する場合の構成を示す図である。
【０１０４】
図３０、３１は図２４、２５と同様にして、それぞれにおける収差図である。
【０１０５】
図３２はレンズに対して斜めに光を入射させた場合の像高に対する２乗平均平方根波面収差である。ここで軸上波面収差は図２１にも示したとおり、SDで０．０２５λ、CDで０．０８２λであり、SDについては先に述べた０．０４λ以下の条件を満たしている。CDについては０．０８２λでストレール強度が１ー（２π×０．０８２）２＝０．７３５であるから、パフォーマンスファクタを計算すると、０．７３５×｛０．４２／０．６３５（μm）×ｓｉｎ（０．２６π／０．６３５）｝２＝０．２９６であり、０．２４以上となって許容値を満たしている。
【０１０６】
図３３から３８はレンズ屈折率１．７３の場合の設計例にかかる図であり、やはり上と同様の性能で設計できていることがわかる。
【０１０７】
図３３は、図２１と同様にして本発明によるレンズ設計条件及び設計形状の一例である。
【０１０８】
図３４、３５は図２２、２３と同様にして、これを用いてＳＤ及びＣＤを再生する場合の構成を示す図である。
【０１０９】
図３６、３７は図２４、２５と同様にして、それぞれにおける収差図である。
【０１１０】
また図３８はレンズに対して斜めに光を入射させた場合の像高に対する２乗平均平方根波面収差である。ここで軸上波面収差は図２１にも示したとおり、SDで０．０２５λ、CDで０．０８０λであり、SDについては先に述べた０．０４λ以下の条件を満たしている。CDについては０．０８０λでストレール強度が１ー（２π×０．０８２）２＝０．７４７であるから、パフォーマンスファクタを計算すると、０．７４７×｛０．４２／０．６３５（μm）×ｓｉｎ（０．２６π／０．６３５）｝２＝０．３０１であり、０．２４以上となって許容値を満たしている。
【０１１１】
【発明の効果】
光量の損失なく、安価に、精度よく基板厚さ1.2mmのＣＤと基板厚さ0.6mmのＳＤの信号を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示す概念図。
【図２】偏心のない場合の分割半径に対するＣＤ再生でのパフォーマンスファクタを示すグラフ図。
【図３】偏心のある場合の分割半径に対するＣＤ再生でのパフォーマンスファクタを示すグラフ図。
【図４】分割半径に対するＳＤ再生でのＲＭＳ波面収差を示すグラフ図。
【図５】偏心のない場合の分割半径に対するＣＤ再生でのジッタシミュレーションを示すグラフ図。
【図６】偏心のある場合の分割半径に対するＣＤ再生でのジッタシミュレーションを示すグラフ図。
【図７】分割半径に対するＳＤ再生でのジッタシミュレーションを示すグラフ図。
【図８】ＣＤ再生におけるパフォーマンスファクタとジッタの対応を示すグラフ図。
【図９】波面収差と規格化半径の関係を示すグラフ図。
【図１０】段差部分をなめらかに接続した場合のレンズの実施例側面図。
【図１１】段差部分を薄膜により成形した場合のレンズの実施例側面図。
【図１２】ＣＤ再生時に絞りを用いた場合の実施例概念図。
【図１３】レンズ移動による光束ずれを説明する概念図。
【図１４】ガルバノミラーを用いた実施例概念図。
【図１５】検出光学系による検出器上光線位置を示すグラフ図。
【図１６】本発明による光ヘッドの実施例斜視図。
【図１７】制限開口を用いたＣＤ再生時の実施例斜視図。
【図１８】制限開口を取り除いたＳＤ再生時の実施例斜視図。
【図１９】アクチュエータに液晶フィルタによる制限開口を搭載した実施例側面図。
【図２０】中心に穴のある平行平板による実施例側面図。
【図２１】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計仕様と設計形状の表図。
【図２２】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の光学系構成図。
【図２３】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の光学系構成図。
【図２４】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の収差のグラフ図。
【図２５】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の収差のグラフ図。
【図２６】レンズ屈折率１．４９におけるレンズ設計例のＲＭＳ波面収差のグラフ図。
【図２７】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計仕様と設計形状の表図。
【図２８】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の光学系構成図。
【図２９】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の光学系構成図。
【図３０】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の収差のグラフ図。
【図３１】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の収差のグラフ図。
【図３２】レンズ屈折率１．５９におけるレンズ設計例のＲＭＳ波面収差のグラフ図。
【図３３】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計仕様と設計形状の表図。
【図３４】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の光学系構成図。
【図３５】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の光学系構成図。
【図３６】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計例のＳＤ再生時の収差のグラフ図。
【図３７】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計例のＣＤ再生時の収差のグラフ図。
【図３８】レンズ屈折率１．７３におけるレンズ設計例のＲＭＳ波面収差のグラフ図。
【符号の説明】
１‥‥対物レンズ、２‥‥ＳＤ、３‥‥ＣＤ、４‥‥薄膜、５‥‥原レンズ、６‥‥絞り、７‥‥２分割光検出器、８‥‥ガルバノミラー、９‥‥主光線、１０‥‥半導体レーザ、１１‥‥コリメートレンズ、１２１、１２２‥‥ビーム成形プリズム、１３１、１３２、１３３‥‥ビームスプリッタ、１４‥‥絞り挿入手段、１５‥‥立ち上げミラー、１６‥‥２次元アクチュエータ、１７１、１７２‥‥集光レンズ、１８‥‥シリンドリカルレンズ、１９‥‥４分割光検出器、２０‥‥２分割光検出器、２１‥‥光検出器、２２１、２２２‥‥差動増幅器、２３‥‥増幅器、２４‥‥液晶絞り、２５‥‥基板厚０．８ｍｍに最適化された対物レンズ、２６‥‥平行平板（厚さ０．２ｍｍ）、２７‥‥位相シフタ、２８‥‥位相シフト膜、２９‥‥光ディスク基板、３０‥‥レンズホルダ。
【図１】
0004006032.tif 000028
【図２】
0004006032.tif 000029
【図３】
0004006032.tif 000030
【図４】
0004006032.tif 000031
【図５】
0004006032.tif 000032
【図６】
0004006032.tif 000033
【図７】
0004006032.tif 000034
【図８】
0004006032.tif 000035
【図９】
0004006032.tif 000036
【図１０】
0004006032.tif 000037
【図１１】
0004006032.tif 000038
【図１２】
0004006032.tif 000039
【図１３】
0004006032.tif 000040
【図１４】
0004006032.tif 000041
【図１５】
0004006032.tif 000042
【図１６】
0004006032.tif 000043
【図１７】
0004006032.tif 000044
【図１８】
0004006032.tif 000045
【図１９】
0004006032.tif 000046
【図２０】
0004006032.tif 000047
【図２１】
0004006032.tif 000048
【図２２】
0004006032.tif 000049
【図２３】
0004006032.tif 000050
【図２４】
0004006032.tif 000051
【図２５】
0004006032.tif 000052
【図２６】
0004006032.tif 000053
【図２７】
0004006032.tif 000054
【図２８】
0004006032.tif 000055
【図２９】
0004006032.tif 000056
【図３０】
0004006032.tif 000057
【図３１】
0004006032.tif 000058
【図３２】
0004006032.tif 000059
【図３３】
0004006032.tif 000060
【図３４】
0004006032.tif 000061
【図３５】
0004006032.tif 000062
【図３６】
0004006032.tif 000063
【図３７】
0004006032.tif 000064
【図３８】
0004006032.tif 000065