HD DVD/DVD/CD 互換対物レンズ
Development of an HD DVD/DVD/CD Compatible Singlet Objective Lens

池中

清乃＊

Ikenaka, Kiyono

要旨

Table 1 Optical disc specifications

われわれは次世代高密度光ディスクであるHD DVDと
DVD、CDとの互換用ピックアップ装置に使用される単玉対物レンズを開発した。対物レンズは回折効果を利用してHD DVD、DVD、CDに対して無限、無限、有限共役で球面収差が補正される。HD DVDの色補正は回折コリメー
タにより行い、CDでは開口制限素子が必要となる。本稿
ではその詳細について説明し、対物レンズに適したピックアップ光学系に関して簡単に紹介する。

Abstract
We have developed a singlet objective lens for use in
future high-density optical disc pick-up apparatus simulta-RW*:Rewritable

neously compatible with HD DVDs, DVDs, and CDs. Us-

HD DVD、DVD、CDの３種類に対するが重要である。

ing diffraction effects, the new lens corrects spherical ab-

ここでは３波長互換用ピックアップ装置に用いる対物レerrations at the infinite conjugate with HD DVDs and DVDs,ンズの開発について報告する。

and at a finite conjugate with CDs. A diffractive collimatoris provided for the correction of residual chromatic aberrations in HD DVDs, and a numerical aperture limiting ele-

２ 光ディスクの仕様の違い

ment is provided for the reading of CDs. In this report, we

HD DVDの仕様を従来の光ディスクと比較してTable １

explain this technology in detail and briefly present a pick-に示す。DVDとＣＤの互換に関しては１つの対物レンズ

up system utilizing this lens.

で記録・再生可能なDVD/CD互換ピックアップ装置が一１ はじめにに再生専用光ディスクと書き換え可能な光ディスクの２般的に普及している。HD DVDにはTable １に示すよう種類の仕様があるが、保護基板厚、対物レンズの開口数波長405åのレーザを用いて記録再生を行う次世代高密度光ディスクには、大容量化を重視したNA0.85、保護基といった対物レンズに求められる仕様はどちらも同じであり、波長以外はDVDに近い仕様となっている。

板厚0.１aのBD（Blu-ray Disc）と、NA0.65、保護基板厚0.6aのHD DVDの２種類がある。HD DVDはDVDと同じ0.6a基板を２枚張り合わせた構造で、現行のDVD製造設備利用による低コスト化とDVDとの互換性を重視している。このため、線記録密度を高めるPRML（partial re-３ 光ピックアップの互換方式
HD DVD/DVD/CD互換ピックアップ装置として、１）１レンズ方式、２）２レンズ方式が考えられる。

sponse maximum likelihood）信号処理［1］やランド・グ

１レンズ方式では３つの波長の光が同じ互換対物レンルーブ記録［1］を導入して光源を短波長化するだけで大容ズを通過して光ディスク上に集光する。このため対物レ量化を達成している。次世代高密度光ディスクを記録・ンズの設計によりピックアップ光学系の構成が決定さ再生する製品においては、既存ディスクとの互換というれ、対物レンズがピックアップ光学系の鍵となる。一観点からDVDのみならずCDとの互換性も必要であり、方、２レンズ方式は１つのピックアップ装置に２つの対＊コニカミノルタオプト㈱開発グループ

物レンズを配置するものであり、対物レンズのチェンオプティカルコンポーネント事業部

ジャー機構が必要となる分ピックアップ装置は大きくな

備考
本稿は応用物理学会日本光学会微小光学研究グループの許可を受けて、「MICROOPTICS NEWS」vol22（2004）より一部変更し転載したものである。

りコストアップする要因となる。またアクチュエータがチェンジャーを兼ねる場合には製造が難しくなる。

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2（2005）

77われわれは対物レンズや対物レンズに入射する光の角ラスチックのDVD/CD互換対物レンズは、回折構造によ度を変換するカップリングレンズ等の開発には困難を伴り球面収差を補正している。以下簡単にDVD/CD互換のうが、その他の部品は作りやすく、コンパクト且つ低コ技術を説明する。

ストで魅力的なピックアップ装置となる１レンズ方式を目指し、互換対物レンズを開発した。

対物レンズは光源側の面に断面が鋸歯形状のブレーズ型回折構造が設けられている。レンズの光学面上であってDVD、CD両方の記録・再生に用いられる領域（共用領域）ではDVD、CD共に屈折面により対物レンズから離れ４ レンズ方式の検討る方向に球面収差を生じる。 CDはDVDに比べて、波長ピックアップの小型化、低コスト化のためには、対物と保護基板厚の差の分だけより離れる方向に球面収差がレンズ以外の光源、コリメータ、センサー等の必要部品生じるが、共用領域に形成された負の回折構造により波もHD DVD、DVD、CDで共通化することが理想である。

長比（５：６）に従って逆方向に球面収差が生じるためそのためには、対物レンズの結像倍率がH D D V D 、屈折作用と回折作用でDVD、CD両方において球面収差をDVD、CDに対して同じとなり且つそれぞれの光ディスクキャンセルすることができる。
（Fig.１）に対して球面収差が補正されていることが望ましい。わ

DVD/CD互換回折技術を３波長互換に適用するには次

れわれは、対物レンズの構成として小型で低コストのプのような課題がある。即ち回折でHD DVD/CDの球面収ラスチック単玉に絞って検討した。その結果、HD DVD差補正を行うと、両方とも高い回折効率が得られないことDVDに対して結像倍率が同じで球面収差が補正された対物レンズの設計解を得た。CDに対しては有限光が入射する構成となったが、トラッキング特性は問題ないレベルに抑えている。
ＨＤ DVDの光学系全体において必要な色補正機能は、コリメータに設ける構成とした。色補正機能は対物レンズ又はコリメータのような必須の光学素子に併せ持たせることで、ピックアップ装置全体の部品数を削減し低コスト化を図ることができる。
互換に必要な開口制限機能については、HD DVDの開口制限機能を対物レンズに持たせ、CDの開口制限機能をダイクロイックフィルタ等の外部素子に持たせる構成とした。Table ２に設計した対物レンズの特性を示す。

Fig.1 Principle of the DVD/CD compatible diffractive lensTable 2 Objective lens specifications

４．１ 球面収差補正
波長や基板厚等の仕様が異なる光ディスクを１つの対物レンズで記録・再生を行うためには、少なくともそれらの違いにより生じる球面収差を補正する必要がある。
球面収差補正手段には結像倍率の違いを利用する方法と回折を利用する方法がある。現在広く用いられているプ78

Fig.2 Step length dependency of diffractive efficiency

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とである。各波長の光に対するブレーズ型回折構造の回４．２HD DVD の色補正

折効率は、回折輪帯間の光軸に平行なステップの長さに光ピックアップ装置に用いる半導体レーザには、パより決定される。HD DVDの光が回折構造に入射した場ワー変化時に瞬間的に発振波長が変化する（モードホッ合に効率80％以上の回折光が生じるようなステップ長はプ）現象が存在する。その際フォーカス変化にアクチュ離散的に存在するが、それらは全て以下の２種類に大別

エータが追いつかず、フォーカスエラーが発生する。NAされる。発生する複数のCD回折光のうち最大の回折効率が高く波長が短いほど焦点深度は狭いため、HD DVDでが80％以上である場合と約40％の場合である。これはHDは光学系全体での色補正が必要となる。色収差は正の分DVDとCDとの波長比が１：２に近いことが原因である。

散を有する屈折効果が原因で生じるが、負の分散を有す（Fig.２）

る回折効果で打ち消すことができる。対物レンズとコリ以上を踏まえて、結像倍率の違いを利用する方法と回メータを色補正素子として利用することができるが、わ折を利用する方法を組み合わせて対物レンズの設計検討

れわれはそれらのうちコリメータを利用することにしを行った。対物レンズごとに、３つの光ディスクに対すた。以下に理由を述べる。

る対物レンズの結像倍率を［HD DVD/DVD/CD］と示回折構造を光学素子に形成すると、通過する光の効率し、それぞれについて互換方法と課題をまとめる。

は低下する。スカラー計算上では効率の低下がなくて４．１．１ Type A［０／０／０］

も、実際には回折構造のステップで光が遮断されるから３つの波長の光に対してコリメータ、センサーも共用である。入射又は出射する光の回折構造のステップに対可能となる最も望ましいタイプである。しかし全ての互する角度が大きいほど、あるいは回折構造のステップの換を２種類の回折を用いて行うため、CDでは有限倍率が数が増えるほど、効率低下が大きくなる。
（Fig.３）

大きくトラッキング時に生じるコマ収差が問題となる。

コリメータ及び対物レンズのそれぞれの面のうち、回またDVDでも以下のタイプに比較して２種類の回折構造

折構造のステップに対する入射、出射角が最も小さいのを設ける点で回折効率が低下する。

はコリメータの対物レンズ側の面である。一方どの面に４．１．２ Type B［０／０／負］色補正用の回折構造を設けても、回折構造のステップの回折によりHD DVD/DVDの互換を行い、結像倍率の違数は同じである。これは対物レンズの互換用回折構造でいでHD DVD/CD互換を行うタイプである。このタイプ

色補正を行った場合でも、色補正を行わない場合のスでは、CDの球面収差補正は全て結像倍率変換で達成するテップ数に色補正のためのステップ数が足し合わされるため、トラッキング時に生じるコマ収差が問題となる。

からである。従って総合して回折効率の低下が最も小さ

４．１．３ Type C［０／０／負］

いのはコリメータに形成した場合である。更にその面に回折によりHD DVD/DVDの互換を行い、回折と結像倍おける有効径は他の面に比べて大きいため、（光軸に垂直率の違いとの両方を利用してHD DVD/CD互換を行うタな方向の）回折輪帯の幅が広い構造となり、加工性も向イプである。回折構造はCDで約40％の２つの回折光が生上する利点がある。

じるステップ長に設定し、一方の回折光を記録・再生にこれまでHD DVDについて述べたが色補正コリメータ使用する。回折光は回折角がHD DVDと異なるため、CDにDVDやCD波長の光が通過する場合、DVD、CD波長のでは回折と結像倍率変換で互換を分担する。従ってCDの光においても回折の色補正作用を受ける。しかし、もと結像倍率はType Bに比べて小さくすることができ、トもと有する単位波長変化時の焦点位置変化量はH D

ラッキング時に生じるコマ収差を問題ないレベルに低減

DVD、DVD、CDの順に小さくなるため、色補正用の回できる。

折構造を通過したDVD、CDの光は色収差の問題はなく、４．１．４ Type D［０／負１／負２］記録・再生に十分対応可能である。

３つの光ディスクに対する対物レンズの結像倍率が異なることで全ての互換を行うタイプである。Type Bと同様CDの有限倍率が大きくトラッキング時に生じるコマ収差が問題である。
以上のタイプ別検討結果より、Type C［０／０／負］を選択した。全てのタイプに課題はあるが、CD効率約40％に関してはハイパワーのCD用レーザが開発されていること、またHD DVD、DVDと同一センサーを用いる場合はセンサー感度を統一するためにCDではHD DVDに比べて受光量が小さいことが望ましいという状況から、実用性があると考えている。

Fig.3 Shading area of diffractive structure with light transmission
at a smaller angle(a) and a larger angle(b)KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2（2005）

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４．３ 開口制限
互換のためには各光ディスクに対して対物レンズの必

５ ピックアップ光学系

要な有効径が異なることに応じて集光に寄与するレンズ

対物レンズを用いた光ピックアップ装置の光学系一例

面の領域を変える必要がある。HD DVDとDVDを比較すを紹介する。HD DVDとDVDの対物レンズの結像倍率はると仕様上対物レンズの開口数は同じであるが、３波長同じであるため、コリメータとセンサーを共通化するこ

互換対物レンズではDVDの方が焦点距離が長いため約とができる。コリメータは回折レンズであり、HD DVD0.1aだけ有効径も大きくなる。従って正確に光ディスクの色補正素子の役割も果たす。CDの結像倍率は異なるの仕様に合わせるには、有効径が最も大きいDVD以外のが、同じコリメータとCDホロレーザを使用することで、HD DVDとCDの開口制限機能が必要となる。HD DVD開部品点数の少ない光学系が可能となる。（Fig.４）

口制限機能は対物レンズ自体に持たせているが、CDの開口制限は外部素子に依存することで、誤動作なくフォーカシングができるようにした。

６ まとめ

HD DVDの開口制限はDVD/CD互換対物レンズと同じ１レンズ方式に用いるプラスチックの単玉互換対物レ技術を用いて行う。DVD/CD互換レンズの回折面におけンズを開発した。対物レンズは、HD DVD、DVD、CDのる、共用領域より外側のDVDのみに利用する領域では、光は対物レンズに無限、無限、発散有限光として入射しDVDで球面収差を補正し、CDでは主に保護基板厚の差に球面収差が補正される。CDでは対物レンズのトラッキンよって球面収差が生じることを利用して開口制限を行っグ時に生じるコマ収差は問題とならないレベルを達成している。同様に３波長互換対物レンズではHD DVD有効た。CDの開口制限はHD DVDの色補正とＳ字特性の観点径外のDVDのみに利用する領域において、DVDでは球面から外部素子によって行うものとした。CDの回折効率は収差を補正しHD DVDの光に対しては球面収差を残留さ約40％であるが、ピックアップ装置全体で補うことが可せることでHD DVDの開口制限を行うことができる。

能である。

CDの開口制限については、CDの有効径の内側（３波長今後、更なるピックアップのコンパクト化に向けてよ共用領域）と外側（２波長共用領域）とで、異なる回折り部品点数の削減を可能とし、CDの高倍速記録を可能と構造を設けることが必要となる。しかしその場合、HDする高効率対物レンズの実現を目標としたい。

DVDの色補正が不可能となるか、又はフォーカスエラー
信号のＳ字特性に光量の高い擬似信号が生じてしまい、参考文献どちらにしても性能上問題となる。以上の理由から、CD［1］日経エレクトロニクスの有効径の内側と外側とで同じ回折構造であるがCDでは外部素子により対物レンズに入る有効径外の光を完全にカットする構成とした。

Fig.4 Pick-up optical system

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ブックス、次世代光ディスク解体新書、

日経 BP 社、2003、p90 − 98

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