(57)【要約】第１の光源からの光束を透明基材（７ａ）で被覆された第１の光情報記録媒体の記録面（１７ａ）に収束させ、且つ、第２の光源からの光束を透明基材（７ａ）よりも厚みの大きい透明基材（７ｂ）で被覆された第２の光情報記録媒体の記録面（１７ｂ）に収束させる対物レンズにおいて、光束の入射面に中央領域（Ａ１）と、中央領域（Ａ１）を囲む中間領域（Ａ２）と、中間領域（Ａ２）を囲む周辺領域（Ａ３）とを設ける。中間領域（Ａ２）のレンズ面に回折格子（１１）を設け、中間領域（Ａ２）と中央領域（Ａ１）及び周辺領域（Ａ３）との間に、中央領域（Ａ１）及び周辺領域（Ａ３）を通過する光束の位相に対して中間領域（Ａ２）を通過する光束の位相に進み又は遅れを生じさせる段差（１２）を設ける。段差（１２）は、第２光情報記録媒体の記録面（１７ｂ）における３次の球面収差の値が第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値を１５％以下とする値となるように形成する。
2002086577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源からの光束を透明基材で被覆された第１の光情報記録媒体の記録面に収束させ、且つ、前記第１の光源からの光束と波長が異なる第２の光源からの光束を前記透明基材よりも厚みの大きい透明基材で被覆された第２の光情報記録媒体の記録面に収束させる対物レンズであって、
前記二つの光束の入射面及び出射面の何れか一方の面に、前記二つの光束の中心軸が通る中央領域と、前記中央領域を囲むように形成された中間領域と、前記中間領域を囲むように形成された周辺領域とを有し、
前記中間領域は、レンズ面に回折構造を有し、且つ、前記中央領域及び前記周辺領域との間に、前記中央領域及び前記周辺領域を通過する光束の位相に対して前記中間領域を通過する光束の位相に進み又は遅れを生じさせる段差を有しており、
前記段差は、前記第２光情報記録媒体の記録面における３次の球面収差の値が前記第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値を１５％以下とする値となるように形成されていることを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】
前記第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値が５％以下である請求の範囲１記載の対物レンズ。
【請求項３】
前記段差が、前記第２の光情報記録媒体の記録面における３次の球面収差の値が−３０ｍλを超え３０ｍλ未満となるように形成されている請求の範囲１記載の対物レンズ。
【請求項４】
前記第１の光源からの光束を前記第１の光情報記録媒体の記録面に収束させたときに、前記段差によって生じる前記中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れθ１が、下記式（１）を満たしている請求の範囲１記載の対物レンズ。
Ｍ１×３６０度−５０度＜θ１＜Ｍ１×３６０度＋５０度  ・・・（１）
なお、上記式（１）において、Ｍ１は整数である。
【請求項５】
上記式（１）において、Ｍ１＝−４である請求の範囲４記載の対物レンズ。
【請求項６】
前記第２の光源からの光束を前記第２の光情報記録媒体の記録面に収束させたときに、前記段差によって生じる前記中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れθ２が、下記式（２）を満たしている請求の範囲１記載の対物レンズ。
Ｍ２×３６０度−１６０度＜θ２＜Ｍ２×３６０度−６０度・・・（２）
なお、上記式（２）において、Ｍ２は整数である。
【請求項７】
上記式（２）において、Ｍ２＝−３である請求の範囲６記載の対物レンズ。
【請求項８】
前記第１の光情報記録媒体の記録面を被覆する透明基材の厚みが略０．６ｍｍであり、前記第２の光情報記録媒体の記録面を被覆する透明基材の厚みが略１．２ｍｍである請求の範囲１記載の対物レンズ。
【請求項９】
前記中間領域における開口数が、０．３９〜０．４７である請求の範囲１記載の対物レンズ。
【請求項１０】
請求の範囲１から請求の範囲９のいずれかに記載の対物レンズと、前記第１の光情報記録媒体の記録面又は前記第２の光情報記録媒体の記録面で反射された反射光を受光し、電気信号に変換する受光素子とを少なくとも有することを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１１】
前記請求の範囲８記載の光ヘッド装置と、前記第１の光情報記録媒体及び前記第２の光情報記録媒体うちの何れであるかを判別し、前記受光素子で変換された電気信号から情報を読み取る回路とを少なくとも有することを特徴とする光情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、種類の異なる光情報記録媒体の記録面に光束を収束させるための対物レンズ、これを用いた光ヘッド装置及び光情報記録再生装置に関する。
背景技術
従来より、ＣＤ（コンパクトディスク）に代表される光情報記録媒体に情報の記録及び再生を行なうための光ピックアップ装置等の各種光学系が知られている。また近年、従来のＣＤと同程度の大きさでより大容量化させたＤＶＤ（デジタルビデオディスク）の開発が進んできている。
ここでＣＤとＤＶＤとを比較すると、ＣＤでは光の波長が実質上０．７８μｍの赤外半導体レーザが用いられるが、ＤＶＤでは光の波長が０．６３μｍ〜０．６５μｍの赤色半導体レーザが用いられる。また、ＤＶＤでは、光ピックアップの対物レンズの開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ：以下ＮＡと略記する）は０．６に設定され、透明基材の厚みが従来のＣＤの半分の０．６ｍｍに設定されている。更に、ＤＶＤではトラックピッチが０．７４μｍ、最短ピット長が０．４μｍであり、一方、ＣＤではトラックピッチが１．６μｍ、最短ピット長が０．８３μｍとＤＶＤの約２倍となっており、ＤＶＤはＣＤに比べて高密度化されている。
このように、市場にはサイズ、基板厚、記録密度、使用波長などが異なる様々な光ディスクが存在している。このため、様々な光ディスクに対応できる対物レンズが提案されている。例えば、特開平１０−１４３９０５号公報に記載の光ヘッド装置では、対物レンズによって集光する光束を複数の光束に分け、リング状の部分の光束をＣＤに対して最適化し、ＤＶＤに対してはリング状以外の光束によりスポットを形成して最適化している。以下に、上述した光ヘッド装置について図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２は従来の光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す図である。同図に示された光ヘッド装置は、特開平１０−１４３９０５号公報に記載の光ヘッド装置と同様のものである。図１３Ａは、図１２に示す対物レンズと光ディスクがＤＶＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図であり、図１３Ｂは、図１２に示す対物レンズと光ディスクがＣＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図である。
図１２に基づいて従来の光ヘッド装置の構成及び光学系について説明する。例えば光ディスク７がＤＶＤであり、これを再生する場合は、半導体レーザ１から６５０ｎｍの波長を有する光ビーム２が出射され、光ビーム２は、ビームスプリッタ３３、コリメータレンズ３及びビームスプリッタ５を順に通過し、対物レンズ２０で光ディスク７に集光される。光ディスク７で反射された光ビーム２は、ビームスプリッタ５で反射され、光検出器４で受光される。光検出器４は受光素子を有しており、受光した反射光は電気信号に変換される。
それに対して、光ディスク７がＣＤであり、これを再生する場合は、半導体レーザ３１から７８０ｎｍの波長を有する光ビーム３２が出射される。光ビーム３２はビームスプリッタ３３で反射され、ＤＶＤを再生する光ビーム２と同様にして対物レンズ２０で光ディスク７に集光される。この場合も、光ディスク７で反射された光ビーム３２は、ビームスプリッタ５で反射され、光検出器４で受光されて電気信号に変換される。
また、図１２に示す光ヘッド装置には、光ディスク７の種類を判別するディスク判別回路２３と、光ディスク７の種類に応じて選択的に電気信号からの情報の読み取りを行なう再生信号回路２４とが接続されており、これにより光情報記録再生装置が構成されている。なお、図１２において、６は立ち上げミラー、８は検出レンズ、９は非点収差発生素子、２１は対物レンズの焦点調整のためのアクチュエータ、２２はアクチュエータ（ＡＣＴ）駆動回路である。
ところで、図１２で示した対物レンズ２０には、入射面及び出射面の少なくとも一方に特徴的な部分が設けられている。具体的には、図１３Ａ及びＢに示すように、対物レンズ２０の光ビームの入射面側には、光通路領域に対する全体有効直径より小さな外径を有するドーナツ状又は輪状の中間領域Ａ２が設けられており、中間領域Ａ２の内側が中央領域Ａ１となり、その外側が周辺領域Ａ３となっている。
よって、図１３Ａから分るように、中央領域Ａ１と周辺領域Ａ３とは、６５０ｎｍの波長を有する光ビーム２が入射したときに、ＤＶＤの透明基材７ａの下層にある記録面に焦点が合うように曲率が最適化されている。一方、図１３Ｂから分るように、中間領域Ａ２は、７８０ｎｍの波長を有する光ビーム３２が入射したときに、透明基材７ａよりも厚いＣＤの透明基材７ｂの下層にある記録面に焦点が合うように曲率が最適化されている。
また、中間領域Ａ２は、中央領域Ａ１及び周辺領域Ａ３との間に段差が形成されるように設けられている。このため、中央領域Ａ１及び周辺領域Ａ３を通過する光束の位相に対して中間領域Ａ２を通過する光束の位相に進み又は遅れが生じることになり、ディスク７の記録面において波面収差が生じるのが抑制されている。
このように、図１３に示す対物レンズ２０を用いれば、一つの対物レンズでＤＶＤとＣＤの両方に対応できることが分る。なお、図１３Ａ及びＢに示す矢印は光ディスクの記録面で反射された光ビームの進行方向を示している。また、図１３Ａに示すＤ１はＤＶＤの記録面で反射された光ビーム、図１３Ｂに示すＤ２はＣＤの記録面で反射された光ビームを示している。
しかしながら、従来の光ヘッド装置では、図１３Ａに示すように、ＤＶＤを記録再生する場合に、対物レンズ２０の中間領域Ａ２を通過する光束が記録又は再生に寄与せず、半導体レーザ１から出射されるレーザ光の利用効率が低いという問題がある。
また、従来の光ヘッド装置では、ＣＤ再生時において、対物レンズ２０の中央領域Ａ１を通る光束によりＣＤの記録面に球面収差が発生すると考えられるが、この球面収差に対して何ら補正が行なわれていないため、再生信号の劣化が発生するという問題もある。
本発明の目的は、上記課題を解決し、透明基材の厚みが薄い光情報記録媒体の再生時における光利用効率の向上と、透明基材の厚みが厚い光情報記録媒体の再生時における再生信号の劣化の抑制とを図り得る対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報再生装置を提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明の対物レンズは、第１の光源からの光束を透明基材で被覆された第１の光情報記録媒体の記録面に収束させ、且つ、前記第１の光源からの光束と波長が異なる第２の光源からの光束を前記透明基材よりも厚みの大きい透明基材で被覆された第２の光情報記録媒体の記録面に収束させる対物レンズであって、前記二つの光束の入射面及び出射面の何れか一方の面に、前記二つの光束の中心軸が通る中央領域と、前記中央領域を囲むように形成された中間領域と、前記中間領域を囲むように形成された周辺領域とを有し、前記中間領域は、レンズ面に回折構造を有し、且つ、前記中央領域及び前記周辺領域との間に、前記中央領域及び前記周辺領域を通過する光束の位相に対して前記中間領域を通過する光束の位相に進み又は遅れを生じさせる段差を有しており、前記段差は、前記第２光情報記録媒体の記録面における３次の球面収差の値が前記第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値を１５％以下とする値となるように形成されていることを特徴とする。
この構成により、本発明にかかる対物レンズによれば、従来ＣＤの再生時にのみ用いられていた中間領域を通過する光束を、ＤＶＤの再生時においても用いることができ、光の利用効率を向上させることができる。また、中間領域と中央領域及び周辺領域との間に段差は、ＣＤ再生時のＣＤの記録面における球面収差を低減するように設けられるため、ＣＤ再生時の検出信号の品質を従来に比べて向上させることができる。
上記本発明の対物レンズにおいては、前記第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値が５％以下であるのが好ましい。また、前記段差が、前記第２の光情報記録媒体の記録面における３次の球面収差の値が−３０ｍλを超え３０ｍλ未満となるように形成されているのが好ましい。更に、前記中間領域における開口数は、０．３９〜０．４７であるのが好ましい。
上記本発明の対物レンズにおいては、前記第１の光源からの光束を前記第１の光情報記録媒体の記録面に収束させたときに、前記段差によって生じる前記中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れθ１が、下記式（１）を満たすようにすることで、前記第１の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値を低下させることができる。なお、下記式（１）において、Ｍ１は整数である。
Ｍ１×３６０度−５０度＜θ１＜Ｍ１×３６０度＋５０度  ・・・（１）
また、上記本発明の対物レンズにおいては、前記第２の光源からの光束を前記第２の光情報記録媒体の記録面に収束させたときに、前記段差によって生じる前記中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れθ２が、下記式（２）を満たすようにすることで、前記第２の光情報記録媒体からの再生信号のジッタ値を低下させることができる。なお、下記式（２）において、Ｍ２は整数である。
Ｍ２×３６０度−１６０度＜θ２＜Ｍ２×３６０度−６０度・・・（２）
なお、上記式（１）及び（２）においては、Ｍ１＝−４、Ｍ２＝−３に設定するのが好ましい。
上記本発明の対物レンズにおいて、前記第１の光情報記録媒体としては、記録面を被覆する透明基材の厚みが略０．６ｍｍの光情報記録媒体、例えばＤＶＤが挙げられる。また、前記第２の光情報記録媒体としては、記録面を被覆する透明基材の厚みが略１．２ｍｍの光情報記録媒体、例えばＣＤが挙げられる。
また、上記目的を達成するために、本発明の光ヘッド装置は、上記本発明の対物レンズと、前記第１の光情報記録媒体の記録面又は前記第２の光情報記録媒体の記録面で反射された反射光を受光し、電気信号に変換する受光素子とを少なくとも有することを特徴とする。
更に、上記目的を達成するために、本発明の光情報記録再生装置は、上記本発明の光ヘッド装置と、前記第１の光情報記録媒体及び前記第２の光情報記録媒体うちの何れであるかを判別し、前記受光素子で変換された電気信号から情報を読み取る回路とを少なくとも有することを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置について、図１〜図８を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態１にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１にかかる光ヘッド装置及び光情報再生記録装置は、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０が用いられている以外は、図１２で示した従来のヘッド装置及び光情報再生記録装置と同様に構成されている。なお、図１において図１２と同様の符号が付されたものは、図１２に示されたものと同様のものを示している。
このため、光ディスク７がＤＶＤである場合は、半導体レーザ１から６５０ｎｍの波長を有する光ビーム２が出射され、光ビーム２は、ビームスプリッタ３３、コリメータレンズ３及びビームスプリッタ５を順に通過し、対物レンズ２０で光ディスク７に集光される。光ディスク７で反射された光ビーム２は、ビームスプリッタ５で反射され、光検出器４で受光される。
一方、光ディスク７がＣＤの場合は、半導体レーザ３１から７８０ｎｍの波長を有する光ビーム３２が出射される。光ビーム３２はビームスプリッタ３３で反射され、ＤＶＤを再生する光ビーム２と同様にして対物レンズ２０で光ディスク７に集光される。この場合も、光ディスク７で反射された光ビーム３２は、ビームスプリッタ５で反射され、光検出器４で受光される。
また、光検出器４で受光された反射光は電気信号に変換され、再生信号回路２４に送られる。再生信号回路２４は、ディスク判別回路２３が判別した光ディスク７の種類に応じて、選択的に電気信号からの情報の読み取りを行なう。
但し、本実施の形態１にかかる光ヘッド装置においては、半導体レーザ３１は、図１２で示した光ヘッド装置に比べて、ビームスプリッタ３３で反射された平行光に２．８ｍｍ程近づけて設置されており、コリメータレンズ３からの出射光が微発散になるような光学系とされている。このため、本実施の形態１にかかる光ヘッド装置では、図１２で示した光ヘッド装置に比べて、ＣＤの記録面における球面収差を補正することができる。
次に、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０について、図２を用いて説明する。図２Ａは、本実施の形態１にかかる対物レンズと光ディスクがＤＶＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図であり、図２Ｂは、本実施の形態１にかかる対物レンズと光ディスクがＣＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図である。
図２Ａ及びＢに示すように、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０も、従来の対物レンズ（図１３参照）と同様に、半導体レーザ１からの光束２を透明基材７ａで被覆されたＤＶＤの記録面１７ａに収束させ、且つ、半導体レーザ３１からの光束３２を透明基材７ａよりも厚みの大きい透明基材７ｂで被覆されたＣＤの記録面に収束させるために用いられる。
また、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０も、光束の入射面に、光束の中心軸が通る中央領域Ａ１と、中央領域Ａ１を囲むように形成された中間領域Ａ２と、中間領域Ａ３を囲むように形成された周辺領域Ａ３とを有している。なお、中央領域Ａ１、中間領域Ａ２及び周辺領域Ａ３は光束の出射面に設けられていても良い。
更に、中間領域Ａ２は、中央領域Ａ１と周辺領域Ａ３との間に、中央領域Ａ１及び周辺領域Ａ３を通過する光束の位相に対して中間領域Ａ２を通過する光束の位相に進み又は遅れを生じさせる段差（以下、この段差を「位相段差」という。）１２を有している。
但し、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０は、図２Ａ及びＢに示すように、中間領域Ａ２のレンズ面に回折構造（回折格子１１）を有しており、この点で従来の対物レンズ（図１３参照）と異なっている。即ち、従来の対物レンズでは、中間領域Ａ２のレンズ面の曲率が、記録面を被覆する透明基材の厚みが大きいディスク（例えば、透明基材の厚みが１．２ｍｍのＣＤ）に最適化されていただけであるに対して、本実施の形態１に対物レンズ１０では、レンズ面に回折格子１１が設けられて非球面形状になっている。
通常、回折型レンズでは、回折格子部のレンズパワーが波長に比例する性質を利用して、回折格子部のベースとなる非球面レンズ部のみでは球面収差が発生する設計とした上で、回折格子部でこの球面収差が補正される設計とできる。本実施の形態１において、中間領域Ａ２には上記の設計が行なわれており、中間領域Ａ２は、入射する光束の波長に応じて最適な透明基材の厚みが異なるように作製されている。
よって、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０においては、ＤＶＤを再生する場合、即ち半導体レーザ１からの光ビーム２が通過した場合（図２Ａ参照）と、ＣＤを再生する場合、即ち半導体レーザ３１からの光ビーム３２が通過した場合との両方において、回折格子１１を通過した光束の波面は、回折格子１１の波長依存性により最適化されることとなる。
つまり、ＤＶＤ再生時においては、中央領域Ａ１及び周辺領域Ａ３のレンズ面の曲率がＤＶＤの透明基材７ｂに最適化されており、又中間領域Ａ２を通過した光束のＤＶＤの記録面における球面収差は回折格子１１によって小さくなるため、結果としてＤＶＤの記録面において球面収差の少ない波面を得ることが可能となる。このため、対物レンズ１０のレンズ面（入射面）を通過する全ての光束がＤＶＤの記録面に収束されることとなり、ＤＶＤを再生する際の半導体レーザ１から出射される光ビーム２の利用効率を従来に比べて高めることができる。
一方、ＣＤ再生時においては、中央領域Ａ１を通過する光束によってＣＤの記録面には若干の球面収差が発生する。しかし、中間領域Ａ２は、ＤＶＤの再生時と同様にＣＤの再生時においても、回折格子により、ＣＤの透明基材７ｂ（厚み１．２ｍｍ）に対して最適化されている。
このため、中央領域Ａ１を通過する光束によって発生するＣＤの記録面における球面収差を、中間領域Ａ２を通過した光束によって少なく抑えることが可能となる。また、このＣＤの記録面に発生する球面収差は、後述するように本実施の形態１における位相段差によっても抑制される。
なお、図２Ａ中のＬは位相段差１２の段差量を示し、ｄは回折格子１１の深さｄを示している。また、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０において、中間領域Ａ２のＮＡは、０．３９〜０．４７に設定されている。このように中央領域Ａ２のＮＡを０．３９以上に設定するのは、中央領域Ａ１を通過した光束によってＣＤの記録面で発生する波面収差をＣＤの再生信号の品質に影響を与えないレベルまで低く抑えるためである。つまり、中央領域Ａ１はＤＶＤに対して曲率が最適化されているため、ＣＤ再生時に中央領域Ａ１を通過した光束はＣＤの記録面に波面収差を発生させてしまう可能性があり、これを抑制する必要があるからである。
また、このように中間領域Ａ２のＮＡを０．４７以下に設定するのは、一般的に読み取り専用ディスクであるＣＤの再生のみを考えれば、中間領域Ａ２のＮＡは０．４５以下で十分であるが、本実施の形態１ではＣＤ−Ｒの再生を考慮しており、ＣＤ−Ｒの再生に必要な光学分解能を得るＮＡとして０．４７程度が必要なためである。つまり、近年急速に普及が進んでいるＣＤ−Ｒではその記録状態から再生信号の品質が低いディスクが散見され、それを補う手段としてＮＡを若干向上させ、光学的分解能をあげるのが有効な方法であるためである。
但し、当然、ＮＡを向上させると、その副作用としてディスクが傾いた場合の収差が悪化して、面ぶれの大きなディスクの再生が困難となるという課題もある。従って、必ずしもＮＡを向上させることがすべての性能を改善する事にはならない。
よって、中間領域Ａ２のＮＡは、ＣＤ−Ｒの再生を想定しないシステムに本実施の形態１にかかる対物レンズ１０を用いるのであれば、０．３９〜０．４５に設定するのが好ましい。一方、ＣＤ−Ｒの再生を想定するシステムに本実施の形態１にかかる対物レンズ１０を用いないのであれば、０．３９〜０．４７に設定するのが好ましい。
また、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０においては、従来の対物レンズ（図１３参照）と異なり、中間領域Ａ２の位相段差１２は、ＣＤの記録面（図２Ｂ参照）における３次の球面収差の値が、ＣＤからの再生信号の品質を確保できる値となるように、具体的には再生信号のジッタ値を１５％以下、好ましくは５％以下とする値となるように形成されている。このため、本実施の形態１にかかる対物レンズ１０によれば、従来と異なり、ＣＤ再生時において検出信号が劣化するのを抑制することができる。以下に、この位相段差１２について更に詳細に説明する。
先ず、ＤＶＤの再生時に位相段差１２が与える影響について図３及び図４を用いて説明する。図３は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＤＶＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。図３において、横軸は、半導体レーザ１から波長６５０ｎｍのレーザ光を出射した場合における、位相段差１２によって生じた中間領域Ａ２を通過する光束の位相の遅れ（以下、「位相差」という。）θ１［度］を示し、縦軸は、ＤＶＤの記録面における球面収差［ｍλ］を示している。
図３に示される位相差θ１は、対物レンズ１０の中央領域Ａ１を通過する光束の位相を基準とした値であり、中央領域Ａ１を通過する光束の位相に対して中間領域Ａ２を通過する光束の位相が遅れる方向を正としている。また、図３に示される収差は、各球面収差と波面収差とである。図３において、ＳＡ３、ＳＡ５、ＳＡ７、ＳＡ９はそれぞれゼルニケ（ｚｅｒｏｎｉｋｅ）展開における３次の球面収差、５次の球面収差、７次の球面収差、９次の球面収差を示している。また、ＴＯＴＡＬは波面収差を示している。
図４は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＤＶＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。図４において、横軸は、図３と同様の位相差θ１［度］を示し、縦軸は、ＤＶＤから得られる再生信号のジッタ値［％］を示している。
図４に示されたジッタ値は、再生信号の品質を表す指標であり、具体的には、再生信号の理想状態からのばらつきを表すものであって、正規分布した再生信号の揺らぎを再生信号クロックのウインド幅で正規化したものである。なお、図４中の「Ｄ−ＣＪＩＴ」は、「Ｄａｔａ  ｔｏ  Ｃｌｏｃｋ  Ｊｉｔｔｅｒ」を略したものであり、再生信号の理想クロックからの揺らぎを表すものである。一般的にＤＶＤ再生装置では、Ｄ−ＣＪＩＴが５％以下であれば非常によいレベルにあると言える。一方、Ｄ−ＣＪＩＴが１５％を越えるとエラー訂正が不可能なレベルとなり再生装置として破綻する。
図３及び図４に示すように、位相差θ１が大きくなるにつれて各収差とも大きくなるが、波面収差（ｔｏｔａｌ）が５０ｍλ程度以下、及び３次の球面収差（ＳＡ３）が３０ｍλ程度以下となる場合、即ち位相差θ１が５０度付近までは、再生信号品質を表すジッタ値（Ｄ−ＣＪＩＴ）の悪化は殆ど無く、ＤＶＤ再生装置の性能に影響がないと考えられる。
このことから、ＤＶＤ再生の点からは、３次の球面収差（ＳＡ３）が３０ｍλ程度以下となるように、即ち位相差θ１が下記式（１）を満たすように、位相段差１２を形成するのが好ましい言える。なお、下記式（１）において、Ｍ１は整数である。
Ｍ１×３６０度−５０度＜θ１＜Ｍ１×３６０度＋５０度  ・・・（１）
次に、ＣＤの再生時に位相段差１２が与える影響について図５及び図６を用いて説明する。図５は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。
図５において、横軸は、半導体レーザ１１から波長７８０ｎｍのレーザ光を出射した場合における位相差θ２［度］を示し、縦軸は、ＣＤの記録面における球面収差［ｍλ］を示している。図５に示される位相差θ２も、対物レンズ１０の中央領域Ａ１を通過する光束の位相を基準とした値であり、中央領域Ａ１を通過する光束の位相に対して中間領域Ａ２を通過する光束の位相が遅れる方向を正としている。また、図５に示される収差は、ゼルニケ（ｚｅｒｏｎｉｋｅ）展開における３次の球面収差（ＳＡ３）と波面収差（ＴＯＴＡＬ）である。
図６は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。図６においても、横軸は、図５と同様の位相差θ２［度］を示し、縦軸は、ＣＤから得られる再生信号のジッタ値［％］を示している。
図６に示されたジッタ値も、再生信号の品質を表す指標であり、具体的には、再生信号の理想状態からのばらつきを表すものであって、正規分布した再生信号の揺らぎを再生信号クロックのウインド幅で正規化したものである。また、図６中の「Ｄ−ＣＪＩＴ」も、「Ｄａｔａ  ｔｏ  Ｃｌｏｃｋ  Ｊｉｔｔｅｒ」を略したものである。更に、ＣＤ再生装置においても、Ｄ−ＣＪＩＴが５％以下であれば非常によいレベルにあると言える。一方、Ｄ−ＣＪＩＴが１５％を越えるとエラー訂正が不可能なレベルとなり再生装置として破綻する。
図５及び図６に示すように、位相差θ２が−１６０度（２００度）から−６０度（３００度）付近に設定されていると、３次の球面収差の絶対値は略３０ｍλ以内となり、又ジッタ値は４％を下回る値となる。このことから、ＣＤ再生の点からは、３次の球面収差（ＳＡ３）が３０ｍλ程度以下となるように、即ち位相差θ２が下記式（２）を満たすように、位相段差１２を形成するのが好ましい言える。なお、下記式（２）において、Ｍ２は整数である。
Ｍ２×３６０度−１６０度＜θ２＜Ｍ２×３６０度−６０度・・・（２）
ところで、３次の球面収差とフォーカスオフセットには相関があることから、ＣＤのフォーカスオフセットを抑えて更なるＣＤ再生装置の性能を向上させるためには、ＣＤの記録面における３次の球面収差の絶対値が最小となるように、位相段差を形成するのが好ましいと言える。また、図３から分るように、位相差θ２が−７０度の時にＣＤの記録面における３次の球面収差の絶対値が最小になる。よって、上記式（２）より、本実施の形態１においては、ＣＤ再生時の位相差θ２は下記式（３）を満たすように設定するのが最も好ましいと言える。
θ２＝Ｍ２×３６０度−７０度                          ・・・（３）
このとき、上述したＤＶＤの再生時の位相差θ１を考慮すると、本実施の形態１においては、上記式（１）及び上記式（３）が満たされるように、位相段差１２を形成するのが最も好ましい態様である。よって、Ｍ１及びＭ２の設定は、上記式（３）で求められる位相差θ２が上記式（１）で表される範囲に含まれるように行なえば良く、本実施の形態１ではＭ１＝−４、Ｍ２＝−３となる。
ところで、位相差θ１及びθ２の調整は、位相段差１２の段差量Ｌ（図２Ａ参照）の調整により行なうことができる。段差量Ｌは下記式（４）で求めることができる。なお、下記式（４）において、θは位相差、λは中間領域Ａ２を通過する光束の波長、ｎは中間領域Ａ２における屈折率である。また、本実施の形態１において段差量Ｌは、図２Ａに示すように、中央領域Ａ１のレンズ面（又は外周領域のレンズ面）と回折格子の頂上部分を含む仮想の面との距離をいう。
Ｌ＝θ×λ／（（ｎ−１）×３６０）                    ・・・（４）
よって、ＣＤ再生時に最適な段差量Ｌは、中間領域Ａ２に入射するレーザ光の波長（λ２）が７８０ｎｍ、位相差θ２＝−３×３６０度−７０度、ｎ（＝ｎ２）＝１．５３５７９８となるから、上記式（４）より、θ２×λ２／（（ｎ２−１）×３６０）で表され、その大きさは約４．７μｍとなる。
ここで、ＤＶＤ再生時に最適な段差量Ｌが、約４．７μｍとなる位相差θ１を検討する。中間領域Ａ２に入射するレーザ光の波長（λ１）が６５０ｎｍ、ｎ（＝ｎ１）＝１．５３９４８１であるから、上記式（４）より、Ｌ＝θ１×λ１／（（ｎ１−１）×３６０）で表される。よって、位相差θ１＝−４×３６０度＋５４度としたときに、段差量Ｌは４．７μｍとなる。
しかし、回折格子１１の深さｄは、λ／（ｎ−１）（λは回折格子１１に入射する光束の波長、ｎは回折格子１１の屈折率）で表されるので、波長の異なるＤＶＤとＣＤでは図７に示されるように最適な深さが異なる。なお、図７は、図２Ａに示す回折格子を拡大して示す断面図である。
このため、例えば、ＤＶＤにあわせて回折格子の深さｄを設定して回折格子を設計すると、ＣＤ再生時に中間領域Ａ２を通過する光束の位相は、ＤＶＤ再生時に中間領域Ａ２を通過する光束の位相に対して約３０度遅れることになる。この関係は図８に示すグラフで表される。図８は、ＤＶＤ再生時の光束の位相とＣＤ再生時の光束の位相との関係を示すグラフである。
よって、図８に示す関係を考慮して、ＤＶＤとＣＤとの両方に対して最適となるように位相差θ１及びθ２を設定し、これに基づいて段差量Ｌ及び回折格子の深さｄを設定するのが好ましいと言える。
ここで、本実施の形態１における回折格子の設定波長を、ＣＤ再生用のレーザ光の波長に合わせると、上記のようにＣＤ再生時の位相差θ２は（−３×３６０度−７０度）であり、又図８よりＤＶＤでは位相が約３５度進むので、ＤＶＤ再生時の位相差θ１は、下記式（５）に示す通りとなる。
θ１＝−３×３６０度−（３０６＋３５）度
＝−３×３６０度−３４１度
＝−４×３６０度＋１９度                          ・・・（５）
上記のように位相差θ１及びθ２を設定すると、図５から分るように、ＣＤ再生時の３次の球面収差（ＳＡ３）はゼロとなる。更に、上記式（５）は上記式（１）を満たしており、上記式（５）より、ＤＶＤ再生時においては中間領域Ａ２を通る光束の位相は１９度進むため、図３よりＤＶＤの記録面では収差の少ない波面が得られることが分る。また、この場合の段差量Ｌは約４．６μｍとなる。
このように、本実施の形態１にかかる対物レンズを用いれば、ＤＶＤにおける再生性能を劣化させずに、ＣＤにおける再生性能の向上を図ることができると言える。なお、ＣＤ再生時において、ＣＤの記録面で反射された光束のうち周辺領域Ａ３を通過する光束には大きな球面収差が発生するが、この光束は再生信号には寄与しないため、再生信号に劣化が発生することはない。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報再生記録装置について、図９〜図１１を参照しながら説明する。
図９は、本発明の実施の形態２にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す構成図である。図９に示すように、本実施の形態２にかかる光ヘッド装置及び光情報再生記録装置は、実施の形態１にかかる光ヘッド装置及び光情報再生記録装置で用いられていた半導体レーザ１、半導体レーザ３１及び光検出器４の代わりに、２波長レーザユニット４１を備えており、この点で実施の形態１と大きく異なる。２波長レーザユニット４１は、モノリシック２波長レーザ４１と光検出器とを一体的にして構成したものである。
２波長レーザユニット４１に備えられたモノリシック２波長レーザ４１は、ＤＶＤ用とＣＤ用との二つの発光点を一つのチップ上に有しており、各発光点は約１００μｍ程度離れて配置されている。また、発光点からコリメートまでの距離はＤＶＤ用とＣＤ用とで等しくなるように設定されている。このため、実施の形態１ではＣＤ再生用の光学系は拡散光学系であるのに対し、本実施の形態２ではＣＤ再生用の光学系も平行光学系となっている。
本実施の形態２にかかる光ヘッド装置では、光ディスク７がＤＶＤである場合は、６５０ｎｍの波長を有する光ビーム４２が２波長レーザユニット４１から出射され、光ビーム４２はコリメータレンズ３を通過し、立ち上げミラー６で反射されて、対物レンズ４０によって光ディスク７の記録面に集光される。光ディスク７の記録面で反射された反射光は、同じ光路を辿って２波長レーザユニット２０１で受光される。
また、光ディスク７がＣＤである場合は、７８０ｎｍの波長を有する光ビーム４２が、上記の６５０ｎｍの波長を有する光ビーム４２を出射するチップと同じチップ上から出射される。この７８０ｎｍの波長を有する光ビーム４２も、ＤＶＤの場合と同様に、対物レンズ４０でＣＤの記録面に集光され、反射光が２波長レーザユニット２０１で受光される。
また、図９に示すように、本実施の形態２にかかる対物レンズ４０の光束の入射面にも、中央領域、中間領域及び周辺領域が設けられている。また、中間領域のレンズ面には回折格子が設けられており、中間領域と中央領域及び周辺領域との間には位相段差が設けられている。
このため、本実施の形態２にかかる対物レンズ４０においても、レンズ面（入射面）を通過する全ての光束をＤＶＤの記録面に収束することができ、ＤＶＤを再生する際において光ビーム４２の利用効率を従来に比べて高めることができる。
また、本実施の形態２にかかる対物レンズ４０においても、位相段差は、ＣＤの記録面における３次の球面収差の値が、ＣＤからの再生信号の品質を確保できる値となるように形成されている。このため、本実施の形態１にかかる対物レンズ４０を用いても、従来と異なり、ＣＤ再生時において検出信号が劣化するのを抑制することができる。
但し、本実施の形態２にかかる対物レンズ４０においては、光ヘッド装置の光学系が実施の形態１と異なるため、位相差θ１やθ２、段差量Ｌの値が対物レンズ１０と異なっている。以下に、本実施の形態２にかかる対物レンズ４０における位相段差について説明する。
本実施の形態２にかかる対物レンズ４０において、ＣＤの再生時に位相段差が与える影響について図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。
図１０に示すグラフは、図５に示したグラフと同様のものであり、横軸は、２波長レーザユニット４１から波長７８０ｎｍのレーザ光を出射した場合における位相差θ２［度］を示し、縦軸は、ＣＤの記録面における球面収差［ｍλ］を示している。図１０に示される位相差θ２も、対物レンズ４０の中央領域を通過する光束の位相を基準とした値であり、中央領域を通過する光束の位相に対して中間領域を通過する光束の位相が遅れる方向を正としている。また、図１０において示される収差も、ゼルニケ（ｚｅｒｏｎｉｋｅ）展開における３次の球面収差（ＳＡ３）と波面収差（ＴＯＴＡＬ）である。
図１１は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。図１１は、図６に示したグラフと同様のものであり、横軸は、図１０と同様の位相差θ２［度］を示し、縦軸は、ＣＤから得られる再生信号のジッタ値［％］を示している。また、図１１に示すジッタ値も、図６で示したジッタ値同様に、再生信号の品質を表す指標であり、具体的には、再生信号の理想状態からのばらつきを表すものであって、正規分布した再生信号の揺らぎを再生信号クロックのウインド幅で正規化したものである。
図１０及び図１１に示すように、位相差θ２が−１６０度（２００度）から−６０度（３００度）付近に設定されていると、３次の球面収差の絶対値は略３０ｍλ以内となり、又ジッタ値は４％を下回る値となる。このことから、本実施の形態２においても、ＣＤ再生の点からは、３次の球面収差（ＳＡ３）が３０ｍλ程度以下となるように、即ち位相差θ２が上記式（２）を満たすように、位相段差を形成するのが好ましい言える。
また、本実施の形態２においても、ＤＶＤ再生時においては、実施の形態１と同様に光学系が平行光学系となるため、ＤＶＤの再生時における位相差θ１も、実施の形態１と同様に、上記式（１）を満たすように設定するのが好ましいといえる。
但し、実施の形態１においては、ＣＤの記録面における３次の球面収差の絶対値を最小とする位相差θ２は−７０度程度であったが、本実施の形態２においては図１０から分るように、位相差θ２が−１０５度程度のときに、３次の球面収差の絶対値が最小となる。よって、上記式（２）より、本実施の形態２においては、ＣＤ再生時の位相差θ２は下記式（６）を満たすように設定するのが最も好ましいと言える。
θ２＝Ｍ２×３６０度−１０５度                        ・・・（６）
このように、実施の形態１及び２において、好ましい位相差θ２の値が異なるのは、ＣＤ再生時において、本実施の形態２では光学系が平行光学系となるのに対し、実施の形態１では光学系が発散光学系となり、実施の形態１と実施の形態２とで補正すべき球面収差の量が違うからである。
また、本実施の形態２においても、上記式（１）及び上記式（６）が満たされるように、位相段差を形成するのが最も好ましい態様である。よって、Ｍ１及びＭ２の設定は、上記式（６）で求められる位相差θ２が上記式（１）で表される範囲に含まれるように行なえば良く、本実施の形態２においてもＭ１＝−４、Ｍ２＝−３となる。
本実施の形態２においても、段差量Ｌは上記式（４）で求めることができる。よって、ＣＤ再生時に最適な段差量Ｌは、中間領域Ａ２に入射するレーザ光の波長（λ２）が７８０ｎｍ、位相差θ２＝−３×３６０度−１０５度、ｎ（＝ｎ２）＝１．５３５７９８となるから、上記式（４）より、θ２×λ２／（（ｎ２−１）×３６０）で表され、その大きさは約４．８μｍとなる。
ここで、ＤＶＤ再生時に最適な段差量Ｌが、約４．８μｍとなる位相差θ１を検討する。中間領域Ａ２に入射するレーザ光の波長（λ１）が６５０ｎｍ、ｎ（＝ｎ１）＝１．５３９４８１であるから、上記式（４）より、Ｌ＝θ１×λ１／（（ｎ１−１）×３６０）で表される。よって、位相差θ１＝−４×３６０度−１２度としたときに、段差量Ｌは４．８μｍとなる。
しかし、本実施の形態２においても、回折格子の深さｄは、λ／（ｎ−１）（λは波長、ｎは屈折率）で表されるので、（λは回折格子１１に入射する光束の波長、ｎは回折格子１１の屈折率）で表されるので、波長の異なるＤＶＤとＣＤでは図７に示されるように最適な深さが異なる。また、本実施の形態２においても、例えば、ＤＶＤにあわせて回折格子の深さｄを設定して回折格子を設計すると、ＣＤ再生時に中間領域Ａ２を通過する光束の位相は、ＤＶＤ再生時に中間領域Ａ２を通過する光束の位相に対して約３０度遅れることになる（図８参照）。
よって、本実施の形態２においても、図８に示す関係を考慮して、ＤＶＤとＣＤとの両方に対して最適となるように位相差θ１及びθ２を設定し、これに基づいて段差量Ｌ及び回折格子の深さｄを設定するのが好ましいと言える。
ここで、本実施の形態２における回折格子の設定波長を、ＤＶＤ再生用のレーザ光の波長とＣＤ再生用のレーザ光の波長との中間である７２５ｎｍに設定すると、図８より、ＣＤでは位相が１５度遅れ、ＤＶＤでは位相が１８度進むことになる。よって、ＤＶＤ再生時の位相差θ１は下記式（７）に示す通りとなる。また、ＣＤ再生時の位相差θ２は下記式（８）に示す通りとなる。
θ１＝−４×３６０度−（１２−１８）度
＝−４×３６０度−６度                            ・・・（７）
θ２＝−３×３６０度−（１０５−１５）度
＝−３×３６０度−９０度                          ・・・（８）
上記のように位相差θ１及びθ２を設定すると、図１０から分るように、ＣＤ再生時の３次の球面収差（ＳＡ３）はゼロとなる。更に、上記式（７）より、ＤＶＤ再生時においては中間領域Ａ２を通る光束の位相は６度進むため、図３よりＤＶＤの記録面では収差の少ない波面が得られることが分る。また、この場合の段差量Ｌは約４．８μｍとなる。なお、上記式（７）は上記式（１）を満たしており、上記式（８）は上記式（２）を満たしている。
このように、本実施の形態２にかかる対物レンズを用いた場合も、ＤＶＤにおける再生性能を劣化させずに、ＣＤにおける再生性能の向上を図ることができると言える。また、本実施の形態２においても、ＣＤ再生時において、ＣＤの記録面で反射された光束のうち周辺領域Ａ３を通過する光束には大きな球面収差が発生するが、この光束は再生信号には寄与しないため、再生信号に劣化が発生することはない。
なお、本実施の形態１及び２においては、上述のように、ＣＤとＤＶＤとに適用できる対物レンズのみを例示して説明しているが、これに限定されるものではない。本発明にかかる対物レンズは、記録面を被覆する透明基材の厚みが異なる２種類のディスクであれば適用可能である。
産業上の利用可能性
以上のように本発明にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置によれば、従来ＣＤの再生時にのみ用いられていた中間領域を通過する光束を、ＤＶＤの再生時においても用いることができ、光の利用効率を向上させることができる。また、中間領域と中央領域及び周辺領域との間に段差は、光の利用効率やＤＶＤ特性を犠牲にすることがないように、又ＣＤ再生時のＣＤの記録面における球面収差を低減するように設けられるため、ＣＤ再生時の検出信号の品質を従来に比べて向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施の形態１にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す構成図である。
図２Ａは、本実施の形態１にかかる対物レンズと光ディスクがＤＶＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図であり、図２Ｂは、本実施の形態１にかかる対物レンズと光ディスクがＣＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図である。
図３は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＤＶＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。
図４は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＤＶＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。
図５は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。
図６は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。
図７は、図２Ａに示す回折格子を拡大して示す断面図である。
図８は、ＤＶＤ再生時の光束の位相とＣＤ再生時の光束の位相との関係を示すグラフである。
図９は、本発明の実施の形態２にかかる対物レンズ、光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す構成図である。
図１０は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤの記録面における球面収差との関係を示すグラフである。
図１１は、位相段差によって生じる中間領域を通過する光束の位相の進み又は遅れとＣＤから得られる再生信号のジッタ値との関係を示すグラフである。
図１２は従来の光ヘッド装置及び光情報記録再生装置を示す図である。
図１３Ａは、図１２に示す対物レンズと光ディスクがＤＶＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図であり、図１３Ｂは、図１２に示す対物レンズと光ディスクがＣＤの場合にこれを通過する光束とを示す断面図である。
【図１】
2002086577.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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】
2002086577.tif 000014
【図１２】
2002086577.tif 000015
【図１３Ａ】
2002086577.tif 000016
【図１３Ｂ】
2002086577.tif 000017
【国際調査報告】
2002086577.tif 000018
2002086577.tif 000019