(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
短波長のレーザー光を保護層の厚さが薄く記録密度が高い第１の光ディスクに集光させ、長波長のレーザー光を保護層の厚さが厚く記録密度が低い第２の光ディスクに集光させる光ヘッド用対物レンズにおいて、
方向によりパワーを異ならせることにより、前記短波長のレーザー光を前記対物レンズの光軸と平行に垂直入射させ前記第１の光ディスクに集光させる際に、波面収差0.01λ[rms]以上に相当する非点収差を発生させると共に、当該対物レンズの光軸と前記光ディスクの法線とが一致する仮想状態において、前記短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクに集光させる際と前記長波長のレーザー光を前記第２の光ディスクに集光させる際とで逆符号の軸外の３次コマ収差を発生させることを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。
【請求項２】
平行光として入射する短波長および長波長のレーザー光を前記各光ディスクに集光させる無限遠共役型レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項３】
単一のレンズから構成され、いずれか一方のレンズ面に、波長が長くなるにしたがって補正不足となる球面収差の波長依存性を有する輪帯状の回折レンズ構造が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項４】
短波長のレーザー光を発光する第１の半導体レーザーと、
前記第１の半導体レーザーの発光点に近接して発光点が配置され、長波長のレーザー光を発する第２の半導体レーザーと、
前記第１の半導体レーザーからの光を保護層の厚さが薄く記録密度が高い第１の光ディスクに集光させ、前記第２の半導体レーザーからの光を保護層の厚さが厚く記録密度が低い第２の光ディスクに集光させる請求項１〜３のいずれかに記載の対物レンズとを備え、
前記第１、第２の半導体レーザーからの光により形成される集光点が、前記対物レンズに対して光学系の光軸と平行に平行光を入射させた際に形成される２つの焦線のうち、前記対物レンズに近い側の焦線の方向に沿って配列するよう前記第１、第２の半導体レーザーの発光点を配置すると共に、前記対物レンズの光軸と前記光ディスクの法線とを前記対物レンズに近い側の焦線を含む平面内で相対的に傾けて配置したことを特徴とする光ヘッド。
【請求項５】
前記第１，第２の半導体レーザーから前記対物レンズまでを含む光学系全体を、該光学系の光軸が前記光ディスクの法線に対して傾くよう相対的に傾斜させることによりコマ収差を補正したことを特徴とする請求項４に記載の光ヘッド。
【請求項６】
入射側の屈折率をｎ、射出側の屈折率をｎ'、射出光が光軸となす角をＵ'、近軸倍率をｍ、主平面上の入射高さをＨ1、焦点距離をｆとして正弦条件違反量ＳＣの値を以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義し、前記第２の光ディスクに必要十分なＮＡに相当する光が前記対物レンズを透過する領域を共用領域と定義したとき、前記対物レンズの光軸と前記光ディスクの法線とが一致する仮想状態において、前記短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクに集光させる際の有効領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、前記長波長のレーザー光を前記第２の光ディスクに集光させる際の前記共用領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
−２．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜ −０．５ …(１)
を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光ヘッド。
【請求項７】
前記対物レンズを、該対物レンズの光軸が前記光ディスクの法線および前記対物レンズを除く光学系の光軸に対して傾くよう相対的に傾斜させることによりコマ収差を補正したことを特徴とする請求項４に記載の光ヘッド。
【請求項８】
入射側の屈折率をｎ、射出側の屈折率をｎ'、射出光が光軸となす角をＵ'、近軸倍率をｍ、主平面上の入射高さをＨ1、焦点距離をｆとして正弦条件違反量ＳＣの値を以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義し、前記第２の光ディスクに必要十分なＮＡに相当する光が前記対物レンズを透過する領域を共用領域と定義したとき、前記対物レンズの光軸と前記光ディスクの法線とが一致する仮想状態において、前記短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクに集光させる際の有効領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、前記長波長のレーザー光を前記第２の光ディスクに集光させる際の前記共用領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(２)、
−４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜ −１．０ …(２)
を満たすことを特徴とする請求項７に記載の光ヘッド。
【請求項９】
前記第１，第２の半導体レーザーが１つのパッケージに内蔵されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の光ヘッド。
【請求項１０】
前記第１，第２の光ディスクを回転させるスピンドルモーターと、請求項４〜９のいずれかに記載の光ヘッドと、該光ヘッドの少なくとも一部を前記光ディスクの半径方向にスライドさせる駆動機構とを備え、前記対物レンズに近い側の焦線が前記光ディスクの接線方向に一致するよう前記光ヘッドと前記光ディスクとの相対位置関係が設定されていることを特徴とする光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、保護層の厚さや記録密度が異なる複数種類の光ディスクに対する記録／再生が可能な光ディスク装置、およびこれに含まれる光ヘッド、対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、保護層(記録面を覆う透明基板)の厚さや記録密度が異なる複数の規格がある。例えば、記録密度が比較的低いＣＤ(コンパクトディスク)、ＣＤ−Ｒ(ＣＤレコーダブル)の保護層の厚さは1.2mmであるのに対し、記録密度が比較的高いＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)の保護層の厚さは半分の0.60mmである。
【０００３】
記録密度が高いＤＶＤの記録・再生には、ビームスポット径を小さく絞るために６３５−６６０ｎｍ程度の短波長のレーザー光を利用する必要がある。一方、ＣＤ−Ｒの記録・再生にはその反射特性から７８０ｎｍ程度の長波長のレーザー光を利用する必要がある。
【０００４】
これらの光ディスクは、混在して利用されるため、光ディスク装置はいずれの規格の光ディスクをも利用可能であることが望ましい。このため、ＤＶＤとＣＤ−Ｒとを共に利用するためには、光ディスク装置は、それぞれの光ディスクの特性に応じた波長のレーザー光を発する少なくとも２つの半導体レーザーを備える必要がある。また、光ディスク装置の小型化のためには、光ヘッドの光学系もできる限りコンパクトであることが望ましく、対物レンズ等の光学素子については２つの波長について兼用とし、光源部には２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを利用することが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように保護層の厚さが違う２種類の光ディスクの両者に対して対物レンズを兼用し、両方のディスクに対して球面収差を補正すると、コマ収差を両方のディスクに対して補正することはできない。このため、波面収差は、いずれの光ディスクに対しても対物レンズに対するレーザー光の入射角度が０度の時に最小値をとり、入射角度が０度から離れるにしたがって増加する。また、記録密度が大きいＤＶＤには大きなNA(開口数)が要求されるため、入射角度の変化による非点収差の増加も大きく、必要な性能が得られる入射角度の範囲はＣＤに対するより狭くなる。したがって、ＤＶＤに対して波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲は、ＣＤに対して波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲に含まれ、その中央部分と重複することになる。
【０００６】
ここで、上記のように２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを使用する場合には、各半導体レーザーの発光点が対物レンズの光軸に対して垂直な方向に並列するため、２つの波長のレーザー光の対物レンズに対する入射角度に所定の角度差があり、２つの波長のレーザー光の入射角度を共に波面収差が最小になる０度にすることはできない。このため、２つの光ディスクに対して波面収差が許容範囲となるようバランスをとりながら入射角度を設定する必要があるが、上記のように入射角度の範囲が共に０度を中心とした分布であるため、所定の角度差を保つためには、通常ＤＶＤに対する入射角度とＣＤに対する入射角度とは符号が逆になり、かつ、それぞれの範囲の周辺部分に設定されることになる。このため、設定できる入射角度の範囲が狭く、厳密な設定が要求され、組み立てに手間がかかると共に、設計値通りでも波面収差の値が許容限界値に近くなるため、光学系全体の精度を高く保つ必要がある。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを利用し、対物レンズ等の光学素子を２つの波長について兼用した場合にも、収差の発生を抑え、規格が異なる複数の光ディスクに対して信号の記録再生が可能な光ディスク装置、およびこれに含まれる光ヘッド、対物レンズの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる対物レンズは、上記の目的を達成させるため、方向によりパワーを異ならせることにより、短波長のレーザー光を対物レンズの光軸と平行に垂直入射させ保護層が薄く記録密度が高い第１の光ディスクに集光させる際に、波面収差0.01λ[rms]以上に相当する非点収差を発生させると共に、当該対物レンズの光軸と光ディスクの法線とが一致する仮想状態において、短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際と長波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際とで逆符号の軸外の３次コマ収差を発生させることを特徴とする。
【０００９】
上記のように軸上で非点収差を発生させることにより、いずれの光ディスクに対しても、波面収差の最小値は増加するものの、波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲を広げることができる。また、第１の光ディスクと第２の光ディスクとに対して逆符号のコマ収差を発生させるよう設定すると、対物レンズの光軸と光ディスクの法線とを相対的に傾けることにより、第１、第２の光ディスクに対して互いに異なる入射角度で波面収差を補正することができる。すなわち、第１、第２の光ディスクに対して波面収差が最小となる入射角度が、０度を基準にして互いに逆方向にシフトし、波面収差が許容レベル以下となる入射角度の範囲も同様に入射角度０度を基準にして互いに逆方向にシフトする。したがって、第１の光ディスクに対する入射角度の範囲が、従来のように第２の光ディスクに対する入射角度の範囲に含まれるのではなく、一部が重複したとしても、それぞれ異なる範囲に分布する。このため、２つの発光点を備えるレーザーモジュールを利用する場合(各発光点から発して対物レンズに入射するレーザー光が所定の角度差を持つ場合)にも、設定できる入射角度の範囲が広く、従来のような厳密な設定は不要となる。
【００１０】
なお、本発明の対物レンズは、平行光として入射する短波長および長波長のレーザー光を各光ディスクに集光させる無限遠共役型レンズであることが望ましい。また、単一のレンズで構成される場合には、いずれか一方のレンズ面に、波長が長くなるにしたがって補正不足となる球面収差の波長依存性を有する輪帯状の回折レンズ構造を形成することが望ましい。
【００１１】
本発明の光ヘッドは、短波長のレーザー光を発光する第１の半導体レーザーと、第１の半導体レーザーの発光点に近接して発光点が配置されて長波長のレーザー光を発する第２の半導体レーザーと、第１の半導体レーザーからの光を第１の光ディスクに集光させ、第２の半導体レーザーからの光を第２の光ディスクに集光させる上記の対物レンズとを備え、第１、第２の半導体レーザーからの光により形成される集光点が、対物レンズに対して光学系の光軸と平行に平行光を入射させた際に形成される２つの焦線のうち、対物レンズに近い側の焦線の方向に沿って配列するよう第１、第２の半導体レーザーの発光点を配置すると共に、対物レンズの光軸と光ディスクの法線とを対物レンズに近い側の焦線を含む平面内で相対的に傾けて配置したことを特徴とする。
【００１２】
対物レンズにコマ収差を持たせ、対物レンズの光軸と光ディスクの法線とを相対的に傾けることにより、第１，第２の光ディスクに対して共にコマ収差を補正することができる。これらを傾けるためには、(a)第１，第２の半導体レーザーから対物レンズまでを含む光学系全体を、光学系の光軸が光ディスクの法線に対して傾くよう相対的に傾けてもよいし、(b)対物レンズのみを傾けてもよい。
【００１３】
(a)の場合、第１、第２の光ディスクの保護層の厚さの違いによる影響と、これらの記録密度の違いによる必要なＮＡの違いによる影響とが共に打ち消し合う。例えば第１の光ディスクがＤＶＤ、第２の光ディスクがＣＤである場合には影響がほぼキャンセルされ、傾きによるコマ収差の変化は、第１，第２の光ディスクに対してほぼ同じ値になる。
【００１４】
(b)の場合、必要なＮＡの違いによる影響により、傾きによるコマ収差の変化は、第１の光ディスクに対する場合の方が第２の光ディスクに対する場合より大きくなる。
【００１５】
非点収差が最小になる入射角度は第１，第２の光ディスクでほぼ同じになるため、コマ収差が最小になる入射角度も第１，第２の光ディスクで等しくすることが望ましい。ただし、上記のように傾きに対するコマ収差の変化が(a)の場合と(b)の場合とで異なるため、それぞれの設定に応じて対物レンズが持つコマ収差の量を変えることが望ましい。
【００１６】
(a)の場合には、第１の光ディスクに対する軸外コマ収差が、第２の光ディスクに対する軸外コマ収差の−１倍であることが望ましく、対物レンズの光軸と光ディスクの法線とが一致する仮想状態において、短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際の有効領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、長波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際の共用領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
−２．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜  −０．５  …(１)
を満たすことが望ましい。
【００１７】
(b)の場合には、第１の光ディスクに対する軸外コマ収差が、第２の光ディスクに対する軸外コマ収差の−２倍であることが望ましく、以下の条件(２)、
−４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜  −１．０  …(２)
を満たすことが望ましい。
【００１８】
正弦条件違反量ＳＣの値は以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義される。式中、ｎは入射側の屈折率、ｎ'は射出側の屈折率、Ｕ'は射出光の光軸となす角、ｍは近軸倍率、Ｈ1は主平面上の入射高さ、ｆは焦点距離である。また、共用領域は、第２の光ディスクに必要十分なＮＡに相当する光が対物レンズを透過する領域として定義される。
【００１９】
対物レンズに軸上の非点収差を持たせるには、１面をトーリック面のような方向によりパワーの異なる面形状とすればよい。射出成形による場合には、金型を方向によりパワーの異なる面形状としてもよいし、成形条件を適宜設定することにより非点収差を持たせることもできる。
【００２０】
さらに、本発明の光ディスク装置は、第１，第２の光ディスクを回転させるスピンドルモーターと、上記の光ヘッドと、光ヘッドの少なくとも一部を光ディスクの半径方向にスライドさせる駆動機構とを備え、対物レンズに近い側の焦線が光ディスクの接線方向に一致するよう光ヘッドと光ディスクとの相対位置関係を設定したことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる対物レンズ、およびこれを利用した光ヘッド、光ディスク装置の実施形態を説明する。最初に、光ヘッドを含む光ディスク装置の実施形態を説明した後、対物レンズの具体的な設計例を説明する。図１は実施形態にかかる光ディスク装置を示す斜視図、図２は図１の光ディスク装置に含まれる光ヘッドの光路を展開して示す説明図である。
【００２２】
実施形態の光ディスク装置１は、0.6mmの保護層を有する記録密度が高いＤＶＤ等の第１の光ディスクＤ1と、1.2mmの保護層を有する記録密度が低いＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の第２の光ディスクＤ2とを利用可能である。光ディスク装置１は、図１に示すように、第１，第２の光ディスクＤ1，Ｄ2を回転させるスピンドルモーター２と、光ヘッド１０とを備えている。光ヘッド１０は、図示せぬ駆動機構により光ディスクＤ1，Ｄ2の半径方向Ｒにスライドされる。
【００２３】
光ヘッド１０は、第１，第２の半導体レーザー１１ａ，１１ｂを内蔵するレーザーモジュール１１、各半導体レーザーから発した発散光を平行光に変換するコリメーターレンズ１２、レーザー光の断面形状を整形すると共にモニター用のレーザー光を分離するビーム整形・分離プリズム１３、分離されたモニター光を受光するモニターセンサ１４、プリズム１３を透過したレーザー光を光ディスクＤ1，Ｄ2に向けて反射させる立ち上げミラー１５、そして、反射されたレーザー光を光ディスクＤ1，Ｄ2の記録面に収束させる対物レンズ２０を備えている。
【００２４】
半導体レーザー１１ａ，１１ｂは、これらを１つにパッケージしたレーザーモジュール１１に互いに近接して組み込まれており、かつ、このレーザーモジュール１１は、両半導体レーザーの発光点が、光学系の光軸Ａｘ(ここでは対物レンズ２０の光軸に一致する)を挟んで両側に位置するよう配置されている。すなわち、第１，第２の半導体レーザーの発光点は、いずれも光軸Ａｘに対して軸外に配置されている。なお、両半導体レーザーは、各半導体レーザーからの光により形成される集光点の並び方向が光ディスクＤ1，Ｄ2の接線方向に一致するよう配列している。
【００２５】
第１の半導体レーザー１１ａは、第１の光ディスクＤ1の利用時に、短波長(６５７ｎｍ)のレーザー光Ｌ1(図２に実線で示す)を発する。一方、第２の半導体レーザー１１ｂは、第２の光ディスクＤ2の使用時に長波長(７９０ｎｍ)のレーザー光Ｌ2(図２に破線で示す)を発する。各半導体レーザーから発散光として発したレーザー光は、コリメーターレンズ１２により平行光とされ、ビーム整形・分離プリズム１３、立ち上げミラー１５を介して対物レンズ２０により各光ディスクの記録面(保護層の裏面)に収束してビームスポットを形成する。
【００２６】
なお、図２では、ビーム整形・分離プリズム１３、立ち上げミラー１５の図示を省略してある。また、図２においては、便宜上、第１，第２の半導体レーザー１１ａ，１１ｂからの光線Ｌ1，Ｌ2を両方示しており、光ディスクも第１の光ディスクＤ1と第２の光ディスクＤ2とを重ねて示しているが、実際には第１の光ディスクＤ1を利用する際には短波長の第１の半導体レーザー１１ａのみを発光させ、第２の光ディスクＤ2を再生する際には長波長の第２の半導体レーザー１１ｂのみを発光させる。
【００２７】
光ディスクからの反射光は、再び対物レンズ２０を介して平行光とされ、コリメーターレンズ１２により集光されてレーザーモジュール１１に導かれる。反射光を受光してフォーカシングエラー信号、トラッキングエラー信号、再生信号等を検出するため、レーザーモジュール１１には図示せぬ複数の受光素子が設けられている。また、反射光を分割して各受光素子に導くため、例えば、光束が透過する円形の領域を４つの領域に等分割して異なる方向に射出させる複合光学部品(図示せず)がビーム整形・分離プリズム１３と対物レンズ２０との間の光路中に配置されている。これによりフォーカシングエラー検出にはダブルナイフエッジ方式、トラッキングエラー検出には位相差方式、プッシュプル方式を用いることができ、ＤＶＤ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ等の利用が可能となる。このような方法は、例えば特開平１１−５３７５９に記載されている。
【００２８】
また、光ヘッド１０には、検出されたフォーカシングエラー信号とトラッキングエラー信号とに基づいて光ディスク上の情報トラックにビームスポットを追随させるよう対物レンズ２０を駆動する図示せぬアクチュエータが設けられている。
【００２９】
続いて、図３に基づいて対物レンズ２０の詳細について説明する。図３は、対物レンズ２０を示す説明図であり、(A)は正面図、(B)は側面から見た断面図、(C)は(B)の一部拡大図である。対物レンズ２０は、図３(B)に示すような両凸の単レンズであり、コリメーターレンズ１２側となる第１面２１は回転対称な非球面上に回折レンズ構造を形成して構成され、光ディスク側となる第２面２２は方向によりパワーが異なるトーリック非球面として構成されている。トーリック非球面は、光軸に対して回転非対称であり、主経線に沿う断面形状が非円弧となる曲面である。
【００３０】
対物レンズ２０の第１面２１には、図３(Ａ)に示すように光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。対物レンズ２０の第１面２１は、記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の第２の光ディスクＤ2に必要十分な低NAの光束が透過する共用領域Ｒｃと、この共用領域Ｒｃの周囲に位置し、ＤＶＤ等の記録密度の高い第１の光ディスクＤ1に対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域Ｒｈとに区分することができる。回折レンズ構造は、共用領域Ｒｃと高NA専用領域Ｒｈとを含む第１面２１の全域に形成されている。
【００３１】
第１面２１に形成された回折レンズ構造は、波長が長くなるにしたがって補正不足となる球面収差の波長依存性を有する。光ヘッドの球面収差は、保護層が厚くなるとより補正過剰となる方向に変化する。一方、保護層が薄い第１の光ディスクＤ1については短波長、保護層が厚い第２の光ディスクＤ2については長波長のレーザー光が用いられる。そこで、第１の光ディスクＤ1の使用時を基準として球面収差を補正し、上記のように回折レンズ構造に波長が長波長に変化した場合に球面収差が補正不足となる方向に変化する特性を持たせることにより、ＤＶＤからＣＤへの切換で補正過剰となる球面収差を、波長の長波長側への変化により生じる回折レンズ構造の補正不足方向の球面収差を利用して打ち消すことができる。
【００３２】
また、第２面２２をトーリック非球面とすることにより、対物レンズ２０は、光軸Ａｘと平行に垂直入射する光束に対して所定の非点収差を発生させる。すなわち、対物レンズ２０は、第１の半導体レーザー１１ａからのレーザー光を第１の光ディスクＤ1に集光させる際に、軸上で波面収差0.01λ[rms]以上に相当する非点収差を発生させることにより、軸外の所定の入射角度で非点収差を補正している。
【００３３】
この非点収差の方向性と、半導体レーザー１１ａ，１１ｂの配列、光ディスクＤ1，Ｄ2との配置関係を図４に示す。図中、光軸Ａｘに対して垂直な面内に互いに直交するＹ軸とＺ軸とを設定する。対物レンズ２０は、Ｚ軸方向の正のパワーがＹ軸方向より強く設定されており、対物レンズ２０に対して光軸Ａｘと平行に垂直入射する光束は、対物レンズ２０に近い側にＹ軸方向に延びる第１の焦線Ｆ1を形成すると共に、これより対物レンズ２０から遠い側にＺ軸方向に延びる第２の焦線Ｆ2を形成する。
【００３４】
第１，第２の半導体レーザー１１ａ，１１ｂから発したレーザー光の集光点は、第１の焦線Ｆ1の方向、すなわちＹ軸方向に沿って配列する必要があり、よって、第１，第２の半導体レーザー１１ａ，１１ｂもＹ軸方向に沿って配列している。また、光ヘッド１０は、第１の焦線Ｆ1が光ディスクＤ1，Ｄ2の接線方向に一致するよう光ディスクＤ1，Ｄ2との相対位置関係が設定されている。
【００３５】
上記のような回折レンズ構造を用いて球面収差の発生量をコントロールして第１，第２の光ディスクＤ1，Ｄ2の両者に対して球面収差を補正した場合、コマ収差を両光ディスクに対して補正することはできない。そこで、対物レンズ２０は、対物レンズ２０の光軸と光ディスクＤ１，Ｄ２の法線とが一致する仮想状態において、第１の半導体レーザー１１ａからの短波長のレーザー光を第１の光ディスクＤ1に集光させる際の軸外の３次コマ収差の符号が、第２の半導体レーザー１１ｂからの長波長のレーザー光を第２の光ディスクＤ2に集光させる際の軸外の３次コマ収差の符号と異なるよう設計されている。
【００３６】
このような設定においては、上記の仮想状態において第１の光ディスクＤ１使用時はコマの尾が光軸から離れる方向に伸びる外向コマとなり、第２の光ディスクＤ２使用時はコマの尾が光軸に向かって伸びる内向コマとなる。ここで、対物レンズ２０の光軸と光ディスクＤ１，Ｄ２の法線とを相対的に傾けると、各光ディスクに対してコマ収差が補正される入射角度が異なる値となり、２つの波長のレーザー光の入射角度に所定の角度差がある場合にも、それぞれの入射角度をコマ収差が小さくなる範囲に設定することができる。
【００３７】
対物レンズ２０の光軸と光ディスクＤ１，Ｄ２の法線とを相対的に傾けるための具体例を図５に示す。図５では、簡単のため光ディスクとして第１の光ディスクＤ１のみを示している。図５(Ａ)は、第１，第２の半導体レーザー１１ａ，１１ｂから対物レンズ２０までを含む光学系全体の光軸Ａｘに対して光ディスクＤ１の法線Ａｘ1を傾けた例であり、図５(Ｂ)は、対物レンズ２０のみをその光軸Ａｘ2が光ディスクＤ１の法線に一致する光学系の光軸Ａｘに対して傾けた例である。
【００３８】
図５(Ａ)のように光ディスクを相対的に傾けてコマ収差を補正する場合、対物レンズ２０は、短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際の高NA専用領域Ｒｈ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、長波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際の共用領域Ｒｃ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
−２．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜  −０．５  …(１)
を満たす。
【００３９】
一方、図５(Ｂ)のように対物レンズのみを傾けてコマ収差を補正する場合、対物レンズ２０は、以下の条件(２)、
−４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜  −１．０  …(２)
を満たす。
【００４０】
正弦条件違反量ＳＣの値は以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義される。式中、ｎは入射側の屈折率、ｎ'は射出側の屈折率、Ｕ'は射出光の光軸となす角、ｍは近軸倍率、Ｈ1は主平面上の入射高さ、ｆは焦点距離である。
【００４１】
また、上記のように、非点収差は第１の焦線Ｆ1に沿う方向(Ｙ軸方向)についてのみ補正されているため、光ヘッドが有限系であって対物レンズがトラッキングサーボのために光ディスクの半径方向(Ｚ軸方向)に移動したときに入射角度が変化する場合には、大きな非点収差が発生して波面収差が許容限度を超える可能性があり、トラッキングサーボにより通常必要とされる対物レンズの移動幅を確保することができない。そこで、実施形態の光ヘッド１０は、対物レンズ２０に対して平行光を入射させる構成であり、対物レンズ２０は無限共役型として設計されている。したがって、トラッキングサーボにより対物レンズ２０が光ディスクの半径方向に移動した際にも、入射角度は変化せず、非点収差を発生させないため、波面収差が許容限度を超えない範囲で、トラッキングサーボのための移動幅を確保することができる。
【００４２】
次に、上述した実施形態に基づく対物レンズ２０の具体的な実施例を２例提示する。
【００４３】
【実施例１】
図６は、実施例１にかかる対物レンズ２０と第１，第２の光ディスクＤ1，Ｄ2とを示すレンズ図である。実施例１の対物レンズ２０の第１面２１には、光軸からの高さh（単位：mm）が0≦h＜1.678を満たす共用領域と1.678≦hとなる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義される回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベースカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面２２は回折レンズ構造を有さないトーリック非球面である。
【００４４】
第１面２１のベースカーブとなる回転対称非球面の形状は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+K)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００４５】
第２面２２のトーリック非球面の形状は、光軸を原点とするトーリック非球面上での座標(Y,Z)の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(Y,Z)、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向における光軸上での曲率をそれぞれCy、Cz、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。
Ｘ(X,Y)=(CyY2+CzZ2)/(1+√(1-(1+K)Cy2Y2+Cz2Z2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
ただし、上式中、h=√(Y2+Z2)である。
【００４６】
また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐn、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ2ｈ2＋Ｐ4ｈ4＋Ｐ6ｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表すことができる。光路差関数φ(ｈ)は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路長差を示す。付加量は、軸上の光路に対して光路が長くなる方向を正として表す。
【００４７】
実際の回折レンズ構造の微細形状は、上記の光路差関数で表わされる光路長から波長の整数倍の成分を消去することにより決定される。すなわち、輪帯幅は、例えば１次回折光を用いる場合には、輪帯の内周と外周とで光路差関数が一波長分の差を持つように決定され、輪帯間の段差は、入射光に１波長の光路長差を与えるように決定される。
【００４８】
実施例１の対物レンズ２０の具体的な数値構成は、表１に示されている。表１では、第１面の共用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、第１面の高NA専用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、面間隔、使用波長での屈折率、そして、第２面の非球面形状を定義する各係数が示されている。表中、NA1、f1、λ1は、それぞれ第１の光ディスクＤ1使用時の開口数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦点距離(単位:mm)、波長(単位:nm)であり、NA2、f2、λ2は、それぞれ第２の光ディスクＤ2使用時の開口数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦点距離(単位:mm)、波長(単位:nm)である。また、ｒは近軸曲率半径(単位:mm)、ｄは第１面と第２面との間隔(単位:mm)、ｒｙ，ｒｚはトーリック非球面の各主経線方向の近軸曲率半径(単位:mm）である。
【００４９】
【表１】
0004205886.tif 000002
0004205886.tif 000003
【００５０】
実施例１の構成では、軸上の非点収差は波面収差０．０１２λ[rms]に相当する値であり、図５(Ａ)に示す補正手段により、光学系全体の光軸に対して光ディスクの法線を０．１６°傾けてコマ収差を補正している。また、波長657nmのレーザー光を第１の光ディスクＤ１に集光させる際の有効領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣ1の値は０．０１７７ｍｍ、波長788nmのレーザー光を第２の光ディスクＤ２に集光させる際の共用領域Ｒｃ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣ2の値は−０．０１７３ｍｍであり、ＳＣ1／ＳＣ2＝−１．０２となり、条件(１)、(２)を共に満たすが、倍率的には条件(１)の中間値に近くなり、図５(Ａ)に示すような光ディスクの法線を光学系全体の光軸に対して傾ける補正方法に適した設計である。
【００５１】
図７は、実施例１の対物レンズ２０の第１の光ディスクＤ1に対する波長657nmにおける諸収差を示す。(A)は球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は軸上の非点収差、コマ収差を与えない場合の非点収差(DS:サジタル、DM:メリディオナル)を示している。各グラフ(A),(B)の横軸は各収差の発生量を示し、単位はｍｍである。また、グラフ(A)の縦軸は開口数ＮＡ、(B)の縦軸はＹ軸方向の像高Ｙである。
【００５２】
また、図８は、軸上の非点収差、軸外のコマ収差を導入した場合の第１の光ディスクＤ1に対応する第１の半導体レーザー１１ａから発した光束の対物レンズ２０に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。入射角度＋0.5度で波面収差は最小値をとり、許容限度を0.020λとすると、0.0°から+0.77°の範囲で波面収差を許容限度以下に抑えることができる。
【００５３】
これに対して、対物レンズに非点収差、コマ収差が与えられない場合には、第１の光ディスクＤ1に対する波面収差は図９に実線で示すようになり、波面収差が許容限度0.020λに達するのは、±0.48゜となる。非点収差のみを導入すると、波面収差は図９に破線で示すようになり、波面収差の最小値は増加するものの、波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲を±0.55°に広げることができる。
【００５４】
このように、軸上で非点収差を導入することにより許容される入射角度の範囲を広げ、コマ収差を導入することにより、その範囲を入射角度０°を基準にして一方側、この例ではプラス側にシフトさせている。
【００５５】
図１０は実施例１の対物レンズ２０の第２の光ディスクＤ2に対する波長788nmにおける諸収差を示す。(A)は球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は軸上の非点収差、コマ収差を与えない場合の非点収差を示している。正弦条件違反量が第１の光ディスクに対する値とは逆符号となっている。
【００５６】
また、図１１は、軸上の非点収差、軸外のコマ収差を導入した場合の第２の光ディスクＤ2に対応する第２の半導体レーザー１１ｂから発した光束の対物レンズ２０に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。入射角度−０．６°で波面収差は最小値をとり、許容限度を0.020λとすると、−１．１°から+０．１８°の範囲で波面収差を許容限度以下に抑えることができる。
【００５７】
これに対して、対物レンズに非点収差、コマ収差が与えられない場合には、第２の光ディスクＤ2に対する波面収差は、図１２に実線で示すようになり、波面収差が許容限度0.020λに達するのは、±0.75゜となる。非点収差のみを導入すると、波面収差は図１２に破線で示すようになり、波面収差の最小値は増加するものの、波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲を±0.80°に広げることができる。
【００５８】
このように、軸上で非点収差を導入することにより許容される入射角度の範囲を広げ、コマ収差を導入することにより、その範囲を入射角度０°を基準にして一方側、この例ではマイナス側にシフトさせている。
【００５９】
ここで、２つのレーザー光間の角度差は、発光点の間隔が400μm、コリメーターレンズ１２の焦点距離が23mmとして、対物レンズ２０に対する入射角度の範囲を説明する。このような設定では、２つの波長のレーザー光の対物レンズに対する入射角度には約１°の角度差が生じる。図１３は、実施例１と同様の設計で非点収差、コマ収差が与えられていない比較例の対物レンズと、実施例１の対物レンズとについて、許容できる入射角度の範囲を比較して説明したものである。
【００６０】
図中上側の比較例では、第２の光ディスクＤ２に対する入射角度の許容範囲は±0.48°、第１の光ディスクＤ１に対する入射角度の許容範囲は±0.75°となる。角度差１°を保ちつつ両方の光ディスクに対して波面収差を許容範囲に収めるためには、以下の表２に示す設定１，設定２のいずれかに入射角度を設定する必要がある。
【００６１】
【表２】
0004205886.tif 000004
【００６２】
いずれの設定でも、0.23°の範囲内で入射角度を定める必要があり、レーザーモジュール１１の位置決めに高い精度が要求される。また、いずれの設定でも、許容範囲の中の周辺部で比較的波面収差が大きい範囲を利用することになるため、環境の変化や光学系の設定の誤差に対する許容幅が狭く、僅かな誤差が生じてもレーザー光を所定のスポット径に集光させることができなくなる。
【００６３】
これに対して実施例１の構成では、第２の光ディスクＤ２に対する入射角度の許容範囲は−1.1°〜＋0.18°、第１の光ディスクＤ１に対する入射角度の許容範囲は0.00°〜＋0.77°となる。角度差１°とすると、第１の光ディスク使用時の入射角度をその許容範囲内のいずれの角度に設定しても、第２の光ディスク使用時の入射角度はその許容範囲内に入る。すなわち、第１の光ディスクに対して0.00°〜＋0.77°、第２の光ディスクに対して−1.0°〜−0.23°というのが設定の範囲となり、比較例の各設定の３倍以上の許容幅を持つことになる。したがって、レーザーモジュール１１の設定にも厳密な位置決めは必要なく、しかも、各光ディスクに対して許容範囲の中央部分に入射角度を設定することができるため、他の光学素子の加工誤差や組み付け誤差等に対する許容量を増やすことができる。
【００６４】
【実施例２】
図１４は、実施例２にかかる対物レンズ２０と第１，第２の光ディスクＤ1，Ｄ2とを示すレンズ図である。実施例２の対物レンズ２０の具体的な数値構成は、表３に示されている。実施例２の対物レンズ２０の第１面２１には、光軸からの高さhが0≦h＜1.68を満たす共用領域と1.68≦hとなる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義される回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベースカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面２２は回折レンズ構造を有さないトーリック非球面である。
【００６５】
表３では、第１面の共用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、第１面の高NA専用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、面間隔、使用波長での屈折率、そして、第２面の非球面形状を定義する各係数が示されている。
【００６６】
【表３】
0004205886.tif 000005
0004205886.tif 000006
【００６７】
実施例２の構成では、軸上の非点収差は波面収差０．０１２λ[rms]に相当する値であり、図５(Ａ)に示す補正手段により、光学系全体の光軸に対して光ディスクの法線を０．１６°傾けてコマ収差を補正している。また、波長657nmのレーザー光を第１の光ディスクＤ１に集光させる際の有効領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣ1の値は０．０２４３ｍｍ、波長788nmのレーザー光を第２の光ディスクＤ２に集光させる際の共用領域Ｒｃ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣ2の値は−０．０１３２ｍｍであり、ＳＣ1／ＳＣ2＝−１．８４となり、条件(１)、(２)を共に満たすが、倍率的には条件(２)の中間値に近くなり、図５(Ｂ)に示すような光ディスクの法線を光学系全体の光軸に対して傾ける補正方法に適した設計である。
【００６８】
図１５は、実施例２の対物レンズ２０の第１の光ディスクＤ1に対する波長657nmにおける諸収差を示す。(A)は球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は軸上の非点収差、コマ収差を与えない場合の非点収差を示している。
【００６９】
また、図１６は、軸上の非点収差、軸外のコマ収差を導入した場合の第１の光ディスクＤ1に対応する第１の半導体レーザー１１ａから発した光束の対物レンズ２０に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。入射角度−0.55°で波面収差は最小値をとり、許容限度を0.020λとすると、−0.80°から−0.20°の範囲で波面収差を許容限度以下に抑えることができる。
【００７０】
これに対して、対物レンズに非点収差、コマ収差が与えられない場合には、第１の光ディスクＤ1に対する波面収差は図１７に実線で示すようになり、波面収差が許容限度0.020λに達するのは、±0.38゜となる。非点収差のみを導入すると、波面収差は図１７に破線で示すようになり、波面収差の最小値は増加するものの、波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲を±0.40°に広げることができる。
【００７１】
このように、軸上で非点収差を導入することにより許容される入射角度の範囲を広げ、コマ収差を導入することにより、その範囲を入射角度０°を基準にして一方側、この例ではマイナス側にシフトさせている。
【００７２】
図１８は実施例２の対物レンズ２０の第２の光ディスクＤ2に対する波長788nmにおける諸収差を示す。(A)は球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は軸上の非点収差、コマ収差を与えない場合の非点収差を示している。正弦条件違反量が第１の光ディスクに対する値とは逆符号となっている。
【００７３】
また、図１９は、軸上の非点収差、軸外のコマ収差を導入した場合の第２の光ディスクＤ2に対応する第２の半導体レーザー１１ｂから発した光束の対物レンズ２０に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。入射角度＋0.48°で波面収差は最小値をとり、許容限度を0.020λとすると、−0.70°から+1.1°の範囲で波面収差を許容限度以下に抑えることができる。
【００７４】
これに対して、対物レンズに非点収差、コマ収差が与えられない場合には、第２の光ディスクＤ2に対する波面収差は、図２０に実線で示すようになり、波面収差が許容限度0.020λに達するのは、±0.96゜となる。非点収差のみを導入すると、波面収差は図１２に破線で示すようになり、波面収差の最小値は増加するものの、波面収差が許容値以下になる入射角度の範囲を±1.1°に広げることができる。
【００７５】
このように、軸上で非点収差を導入することにより許容される入射角度の範囲を広げ、コマ収差を導入することにより、その範囲を入射角度０°を基準にして一方側、この例ではプラス側にシフトさせている。
【００７６】
実施例２の構成によっても、実施例１と同様に２つの波長のレーザー光に角度差がある場合に、入射角度の許容範囲を広く確保することができ、レーザーモジュール１１の設定にも厳密な位置決めは必要ない。しかも、各光ディスクに対して許容範囲の中央部分に入射角度を設定することができるため、他の光学素子の加工誤差や組み付け誤差等に対する許容量を増やすことができる。
【００７７】
なお、上記の実施例では、対物レンズ２０の第２面をトーリック非球面とすることにより非点収差を発生させているが、射出成形により対物レンズを製造する場合には、設計上の面形状を回転対称としつつ、成形条件を適宜設定することにより非点収差を発生させることも可能である。例えば、型温の分布や樹脂温度の調整によって非点収差を付加することができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対物レンズに軸上の非点収差を与え、記録密度が高く保護層が薄い第１の光ディスクと記録密度が低く保護層が厚い第２の光ディスクとに対して逆符号のコマ収差を発生させるよう設定することにより、波面収差が許容限度を超えない入射角度の範囲を各光ディスクに対して入射角度０°を基準に逆方向にシフトさせることができ、対物レンズに入射する複数のレーザー光間に角度差がある場合にも、波面収差を抑えて良好なビームスポットを光ディスク上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態にかかる光ディスク装置を示す斜視図である。
【図２】  実施形態の光ディスク装置に含まれる光ヘッドの光路を展開して示す説明図である。
【図３】  実施形態の対物レンズを示す説明図であり、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は側面から見た断面図、(C)は(B)の一部拡大図である。
【図４】  実施形態の対物レンズにより発生する非点収差を示す斜視図である。
【図５】  実施形態の光学系と光ディスクとの配置関係を示す説明図であり、(Ａ)は光学系全体の光軸に対して光ディスクの法線を傾けた例、(Ｂ)は対物レンズのみをその光軸が光ディスクの法線に一致する光学系の光軸に対して傾けた例である。
【図６】  実施例１の対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図である。
【図７】  実施例１の対物レンズの第１の光ディスクに対応する第１の波長における諸収差を示すグラフである。
【図８】  実施例１の対物レンズに対する入射角度と第１の光ディスク使用時の波面収差との関係を示すグラフである。
【図９】  実施例１の対物レンズから軸上の非点収差、コマ収差を除いた場合と、コマ収差のみを除いた場合の図８と同様のグラフである。
【図１０】  実施例１の対物レンズの第２の光ディスクＤ２に対応する第２の波長における諸収差を示すグラフである。
【図１１】  実施例１の対物レンズに対する入射角度と第２の光ディスク使用時の波面収差との関係を示すグラフである。
【図１２】  実施例１の対物レンズから軸上の非点収差、コマ収差を除いた場合と、コマ収差のみを除いた場合の図１１と同様のグラフである。
【図１３】  実施例１の対物レンズと比較例の対物レンズとの波面収差が許容値以下となる入射角度の関係を示す説明図である。
【図１４】  実施例２の対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図である。
【図１５】  実施例２の対物レンズの第１の光ディスクに対応する第１の波長における諸収差を示すグラフである。
【図１６】  実施例２の対物レンズに対する入射角度と第１の光ディスク使用時の波面収差との関係を示すグラフである。
【図１７】  実施例２の対物レンズから軸上の非点収差、コマ収差を除いた場合と、コマ収差のみを除いた場合の図１６と同様のグラフである。
【図１８】  実施例２の対物レンズの第２の光ディスクＤ２に対応する第２の波長における諸収差を示すグラフである。
【図１９】  実施例２の対物レンズに対する入射角度と第２の光ディスク使用時の波面収差との関係を示すグラフである。
【図２０】  実施例２の対物レンズから軸上の非点収差、コマ収差を除いた場合と、コマ収差のみを除いた場合の図１９と同様のグラフである。
【符号の説明】
１  光ディスク装置
１０  光ヘッド
１１ａ  第１の半導体レーザー
１１ｂ  第２の半導体レーザー
１２  コリメーターレンズ
２０  対物レンズ
Ｄ1  第１の光ディスク
Ｄ2  第２の光ディスク
【図１】
0004205886.tif 000007
【図２】
0004205886.tif 000008
【図３】
0004205886.tif 000009
【図４】
0004205886.tif 000010
【図５】
0004205886.tif 000011
【図６】
0004205886.tif 000012
【図７】
0004205886.tif 000013
【図８】
0004205886.tif 000014
【図９】
0004205886.tif 000015
【図１０】
0004205886.tif 000016
【図１１】
0004205886.tif 000017
【図１２】
0004205886.tif 000018
【図１３】
0004205886.tif 000019
【図１４】
0004205886.tif 000020
【図１５】
0004205886.tif 000021
【図１６】
0004205886.tif 000022
【図１７】
0004205886.tif 000023
【図１８】
0004205886.tif 000024
【図１９】
0004205886.tif 000025
【図２０】
0004205886.tif 000026