JP2009146484A

JP2009146484A - 光情報記録再生装置用対物レンズおよび光情報記録再生装置

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Publication number: JP2009146484A
Application number: JP2007320829A
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Inventors: Satoshi Inoue; 智井上; Daisuke Koreeda; 大輔是枝; Shuichi Takeuchi; 修一竹内
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Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02
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Abstract

【課題】複数種類の光ディスクに対して互換性を有し、特に相対的に記録密度が低い光ディスク使用時の光利用効率を向上させた場合において、球面収差を抑えて良好なスポットを形成するとともに、特に記録密度が高い光ディスク使用時における軸上色収差を補正し、多層構造を有する場合においてもフォーカシング機能の低下を抑えることができる光情報記録再生装置用対物レンズを提供することである。
【解決手段】
光情報記録再生装置用対物レンズは、複数の光路差関数によって規定され、かつ入射光束に互いに異なる光路長差を付与する複数の段差群を持つ位相シフト構造を持つ対物レンズを有し、各段差群が第一の光束に対して付与する光路長差ΔＯＰＤ１、ΔＯＰＤ２が所定の条件を満たし、かつ各光路差関数の二次の係数がそれぞれ所定の関係を有するように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、記録密度や保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置および該装置に搭載される対物レンズに関する。

光ディスクには、従来、ＣＤやＤＶＤといった記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。また近年、情報記録のさらなる高容量化を実現すべく、ＤＶＤよりも一層記録密度の高い新規格の光ディスクが実用化されている。該新規格の光ディスクとしては、例えばＨＤＤＶＤやＢＤ(Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ)等がある。このような新規格の光ディスクは、ＤＶＤの保護層厚と同等もしくはそれ以下の保護層厚を有する。このように規格の異なる複数の光ディスクが存在するためユーザの利便性に鑑み、近年、光情報記録再生装置、より厳密には装置内に設けられる対物光学系は、上記の三種類の光ディスクに対して互換性を持つことが要求される。なお、本文において、光情報記録再生装置と記した場合には、情報の記録専用装置、情報の再生専用装置、情報の記録および再生兼用装置、の全てを含むものとする。また、互換性を持つとは、使用する光ディスクを切り替えたとしても部品を交換したりすることなく情報の記録または再生が保証されることをいう。

装置が規格の異なる複数の光ディスクに対して互換性を持つためには、まず、規格が異なる光ディスクの切り替え時に、保護層の厚みによって変化する球面収差を補正しつつ、情報の記録または再生に使用する光の開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応した大きさのビームスポットを得る必要がある。一般にスポット径は波長が短いほど小さくできる。そこで従来、記録密度に応じて、光情報記録再生装置では、複数の波長のレーザー光が使用される。例えば、ＤＶＤ使用時には、ＣＤ使用時に用いられる約７９０ｎｍより短い約６６０ｎｍの波長のレーザー光が用いられる。また、該新規格の光ディスク使用時には、その記録密度の高さからＤＶＤに対する情報の記録または再生時に用いられる波長よりもさらに短波長の光（例えば４０８ｎｍあたりのいわゆる青色レーザー光）が用いられる。

また、各々の光ディスクに対して、良好な状態で各光ディスクの記録面位置に収束させる一つの手段として、対物光学系を構成する一つまたは複数の光学素子（例えば対物レンズ）における任意の一面に輪帯状の微細な段差を有する輪帯構造を設け、該輪帯構造の作用によって、異なる波長の光を各々対応する光ディスクの記録面において良好に収束させる技術が実用化されている。

上記光学素子は、光源の個体差や温度変化等の環境変化によって、使用するレーザー光の波長が設計波長からずれることにより生じる球面収差も補正するような作用を持つことが好ましい。なお設計波長とは、各光ディスクに対する情報の記録または再生に最適とされる各レーザー光の波長を意味する。

上記のように、例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤＶＤのように三種類の光ディスクに対して互換性を持つ対物光学系は、例えば以下の特許文献１に提案される。

特開２００７−４９６２号公報

特許文献１に記載の対物光学系は、ＨＤＤＶＤ等の新規格の光ディスク使用時に非常に高い光利用効率が得られるように設計された位相シフト構造を持つ。特許文献１に記載の対物光学系は、ＣＤ使用時に発生する不要回折次数光（つまりフレア光）に起因するフォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比の低下を、該ＣＤ使用時の軸上色収差をコントロールすることにより低減している。なお、本文において、光利用効率とは、光源から照射された光の光量を基準とした場合において、情報の記録または再生に用いられる光ディスクの記録面での光量の割合を意味する。

ここで、他の規格の光ディスク使用時における光利用効率を犠牲にしてまで、新規格の光ディスクを使用する時における光利用効率を非常に高く設定することは、必ずしも要求されているわけではない。

つまり、上記特許文献１に記載の構成とは別の観点から、ＣＤ、ＤＶＤ、新規格の光ディスクのように三種類の光ディスクに対して互換性を持つ対物光学系を提供することも考えられる。例えば、ＣＤのような比較的記録密度が低い光ディスクに対する情報の記録または再生の安定性を保証するために、ＣＤ使用時における光利用効率をある程度まで向上させる構成が考えられる。

しかし、ＣＤ使用時における光利用効率を向上させることはすなわち新規格の光ディスク使用時に不要回折次数光が発生し、フォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比低下を招くことを意味する。なお、不要回折次数光とは、情報の記録または再生に用いられない回折次数の光を言う。これに対し、正規回折次数光とは、情報の記録または再生に用いられる回折次数の光を言う。ここで、上記特許文献１と同様に、不要回折次数光の集光位置を微調整することにより、フォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することが考えられる。しかし、新規格の光ディスクは記録層を複数持つ多層構造を採用するものもある。そのため、ただ単純に上記特許文献１と同様の視点に基づいて対物光学系を設計すると、正規回折次数光が集光する記録層の近傍にある他の記録層位置に不要回折次数光が集光し、フォーカスエラー信号により一層悪影響を及ぼすといった新たな問題を招きかねない。

本発明は上記の事情に鑑み、波長が異なる複数種類の光束を使用して規格の異なる三種類の光ディスクのいずれに対する情報の記録または再生を行った時であっても、各光ディスクの記録面上において球面収差を抑えて良好なスポットを形成するとともに、ＣＤのように記録密度が相対的に低い光ディスク使用時の光利用効率を従前よりも向上させると共に、ＨＤＤＶＤのように記録密度の高い光ディスク使用時において、軸上色収差の発生を良好に抑えかつ多層構造を有する場合においてもフォーカシングエラー信号のＳ／Ｎ比を高く維持した光情報記録再生装置用対物レンズおよび該対物レンズを好適に備える光情報記録再生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の光情報記録再生装置用対物レンズは、記録密度が高い順に定義される第一から第三の各光ディスクに対して、互いに異なる第一から第三の光束のいずれかを使うことにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる対物レンズであって、第一の光ディスク使用時に用いられる前記第一の光束の波長をλ１（ｎｍ）、前記第二の光ディスク使用時に用いられる第二の光束の波長をλ２（ｎｍ）、前記第三の光ディスク使用時に用いられる前記第三の光束の波長をλ３（ｎｍ）とすると、
λ１＜λ２＜λ３
であり、対物レンズは、少なくとも一方の面に、第三の光束を第三の光ディスクの記録面上に収束させる第一の領域を有し、該領域は、同心状の複数に分割された屈折面で構成され、かつ隣り合う屈折面間において、入射光束に対して異なる光路長差を付与する第一と第二の段差群を持つ位相シフト構造を有しており、第一及び第二の段差群に含まれる段差の位置は、それぞれ第一および第二の光路差関数によって規定され、第ｉ（ｉは自然数）の光路差関数φｉ（ｈ）を、以下の式、

ただし、ｈは、光軸からの高さ、
Ｐｉ２、Ｐｉ４、Ｐｉ６、…は、それぞれ第ｉの光路差関数における二次、四次、六次、…の係数、
ｍｉは、入射光束の回折効率が最大となる回折次数、
λは、入射光束の使用波長、をそれぞれ表す、
で表すと、第一の光束の波長に対する第一の光路差関数における二次の係数Ｐ１２が正となり、第一の光束の波長に対する第二光路差関数における二次の係数Ｐ２２が負となるように構成され、第一の段差群は、段差部で第一の光束に対して付与する光路長差をΔＯＰＤ１（ｎｍ）とすると、以下の条件、

ただし、Ｎ１は自然数または０である、
を満たし、第二の段差群は、段差部で第一の光束に対して付与する光路長差をΔＯＰＤ２（ｎｍ）とすると、以下の条件を満たすことを特徴とする。

ただし、Ｎ２は自然数である。

請求項１に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、各条件を満たすように構成することにより、いずれの光ディスク使用時であっても光利用効率を高くすることができる。また、各光路差関数の二次の係数を上記のように設定することにより、第一の光ディスク使用時において、軸上色収差の発生を適切に抑制することができ、かつ不要回折次数光の光量を小さくすることでフォーカスエラー信号の波形の崩れを抑えることができる。

請求項２に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、以下の条件を満たすことが望ましい。

ただし、上記条件におけるｆ１（ｍｍ）は、第一の光束に対する対物レンズの焦点距離を表す。

請求項３に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。

また、請求項４に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、以下の条件を満たすことが望ましい。

さらに、請求項５に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、以下の条件を満たすことが望ましい。

請求項６に記載の光情報記録再生装置用対物レンズによれば、Ｎ１＝１、Ｎ２＝１とすることができる。

別の観点から、本発明に係る光情報記録再生装置は、記録密度が高い順に定義される第一から第三の各光ディスクに対して、互いに異なる第一から第三の光束のいずれかを使うことにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置であって、第一の光ディスク使用時に用いられる第一の光束の波長をλ１（ｎｍ）、第二の光ディスク使用時に用いられる第二の光束の波長をλ２（ｎｍ）、第三の光ディスク使用時に用いられる第三の光束の波長をλ３（ｎｍ）とすると、
λ１＜λ２＜λ３
であり、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ３、とすると、
ＮＡ１＞ＮＡ３かつＮＡ２＞ＮＡ３
であり、第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
であり、三種類の光束を照射する三つの光源と、上述した種々の特徴を持つ光情報記録再生装置用対物レンズと、を有し、第一から第三の波長の光束は、いずれも略平行光束の状態で対物レンズに入射することを特徴とする。

このような対物レンズは、第一の領域の外側に第一の波長の光束、第二の波長の光束をそれぞれ第一の光ディスク、第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ第三の波長の光束の収束には寄与しないことを特徴とする第二の領域を有することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、第三の光ディスク使用時における光利用効率を向上させた場合であっても、第一の光ディスク使用時における軸上色収差を補正し、不要回折次数光に起因するフォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。すなわち、本発明によれば、フォーカシング機能を劣化させることなく、記録密度の異なる三種類の光ディスクの記録面上において良好なスポットを形成可能な光情報記録再生用対物レンズおよび該対物レンズを搭載する光情報記録再生装置が提供される。

以下、本発明の実施形態の光情報記録再生装置用対物光学系について説明する。本実施形態の対物光学系は、光情報記録再生装置に搭載され、保護層厚、記録密度等といった規格がそれぞれ異なる三種類の光ディスクについて互換性を有している。

以下では説明の便宜上、上記三種類の光ディスクのうち、記録密度が最も高い光ディスク（例えばＨＤＤＶＤ等の新規格の光ディスク）を第一の光ディスクＤ１、第一の光ディスクＤ１に比べて相対的に記録密度が低い（例えばＤＶＤやＤＶＤ−Ｒ等）を第二の光ディスクＤ２、記録密度が最も低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第三の光ディスクＤ３、と記す。

各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層厚をそれぞれｔ１〜ｔ３とすると、本実施形態で想定する各保護層厚には、例えば以下のような関係がある。
ｔ１＝０．６ｍｍ
ｔ２＝０．６ｍｍ
ｔ３＝１．２ｍｍ

また、各光ディスクＤ１〜Ｄ３のそれぞれに対して情報の記録または再生を行う場合、記録密度の違いに対応した大きさのビームスポットが得られるように、必要とされるＮＡの値を変化させる必要がある。ここで、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に必要とされる最適な設計開口数を、それぞれＮＡ１、ＮＡ２、ＮＡ３とすると、各ＮＡには以下のような関係がある。
ＮＡ１＞ＮＡ３かつＮＡ２＞ＮＡ３

つまり、記録密度の高い第一の光ディスクＤ１および第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時には、より小径なスポットの形成が要求されるため、必要なＮＡが高くなる。これに対し、最も記録密度の低い第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時には、必要とされるＮＡは比較的小さい。なお、どの光ディスクも、情報の記録または再生時には、図示しないターンテーブル上に載置され回転駆動される。

上記のように記録密度が異なる各光ディスクＤ１〜Ｄ３を使用する場合、各記録密度に対応した大きさのビームスポットが得られるように、光情報記録再生装置内において、それぞれ異なる波長のレーザー光が用いられる。具体的には、第一の光ディスクＤ１に対して情報の記録または再生を行う際には、最も小径のビームスポットを第一の光ディスクＤ１の記録面上において形成するために、最も短波長（第一の波長）であるレーザー光（以下、第一のレーザー光という）を光源から照射する。また、第三の光ディスクＤ３に対して情報の記録または再生を行う際には、最も大きな径のビームスポットを第三の光ディスクＤ３の記録面上において形成するために、最も長波長（第三の波長）であるレーザー光（以下、第三のレーザー光という）を光源から照射する。そして第二の光ディスクＤ２に対して情報の記録または再生を行う際には、第二の光ディスクＤ２の記録面上において比較的小径のスポットを形成するために、第一のレーザー光よりは長波長であってかつ第三のレーザー光よりは短波長（第二の波長）であるレーザー光（以下、第二のレーザー光という）を光源から照射する。

図１は、本実施形態の光情報記録再生装置１００の概略構成を表す模式図である。光情報記録再生装置１００は、第一のレーザー光を照射する光源１Ａ、第二のレーザー光を照射する光源２Ａ、第三のレーザー光を照射する光源３Ａ、コリメートレンズ２０、対物光学系としての対物レンズ１０、ビームスプリッタ４１、４２、ハーフミラー４３、受光部４４を有する。

なお、光情報記録再生装置１００では、上記の各光ディスク使用時に必要とされるＮＡが各々異なることに対応する必要がある。そのため、光情報記録再生装置１００では、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すような、光源３Ａ〜対物レンズ１０の光路間に第三のレーザー光の光束径を規定する開口制限素子が配設されていてもよい。

図２（Ａ）は、一例として開口制限素子６０を配設した状態の対物光学系３０近傍を拡大して示す図である。図２（Ａ）に示すように、配設可能な開口制限素子６０は、光源側から順に第一面６１と第二面６２を有する。図２（Ｂ）は、開口制限素子６０を第一面６１側から臨んだ概略図である。図２（Ｂ）に示すように、開口制限素子６０の第一面６１は、同心円状に区分けされた二つの光透過領域６３ａ、６３ｂを有する。第一の光透過領域６３ａは、第一から第三までの全てのレーザー光を透過する性質を持つ。また、第二の光透過領域６３ｂは、第一と第二のレーザー光のみ透過し、第三のレーザー光を遮蔽する性質を持つ。なお、本実施形態では、開口制限素子６０を第二面６２側から臨んでも図２（Ｂ）と同様の状態が観察される。このような開口制限素子６０を配設することにより、第三のレーザー光を所定の径に規定する（絞る）ことができる。つまり、必要とする径を持つスポットを第三の光ディスクＤ３上に形成することができる。

各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対して情報の記録または再生を行う場合、図１に示すように、各光源１Ａ〜３Ａから照射された各レーザー光束は、各ビームスプリッタ４１、４２によって共通の光路に導かれ、コリメートレンズ２０により平行光束に変換される。コリメートレンズ２０を透過した各レーザー光束は、対物レンズ１０に入射する。

なお、光情報記録再生装置１００の基準軸ＡＸは、図１中一点鎖線で表示されている。図１に示す対物レンズ１０の光軸は基準軸ＡＸと一致している。しかし、情報の記録または再生の過程において、トラッキング動作などにより対物レンズの光軸が基準軸ＡＸから外れる状態も起こりうる。

しかし、上記のように、対物レンズ１０に入射する各レーザー光を平行光束にすることにより、対物レンズ１０をトラッキングした時におけるコマ収差等の軸外収差の発生を抑えることができる。

対物レンズ１０を透過した各光束は、情報の記録または再生の対象となる各光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面近傍に収束する。なお、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面は、保護層とレーベル層とによって挟持されている。対応する光ディスクの記録面で反射した各レーザー光は、各ビームスプリッタ４１、４２、およびハーフミラー４３を透過し、受光部４４により検出される。

以上の概説した光情報記録再生装置１００のように、各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時において異なる波長のレーザー光を用いる場合、各光ディスク使用時によって、対物レンズの屈折率の変化や、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層２１の厚さの違いに起因して、球面収差が変化する。

従って、対物レンズ１０は、三種類の光ディスクＤ１〜Ｄ３をそれぞれ使用する時に発生する球面収差を補正して各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対して互換性を有するように構成される。そのため、本実施形態の対物レンズ１０は、以下に詳述するような特徴を持つ。

図１に示すように、対物レンズ１０は、光源側から順に第一面１１と第二面１２を有する。対物レンズ１０は、各面１１、１２とも非球面である両凸のプラスチック製単レンズである。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該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Ａ_２ｉ（ただし、ｉは１以上の整数）として、以下の数８の式で表される。

また、対物レンズ１０の少なくとも一方の面（本実施形態では第一面１１）には、基準軸ＡＸを中心とした同心状に複数に分割された屈折面からなる位相シフト構造が設けられる。該位相シフト構造は、各屈折面の境界に形成される複数の微小な段差を有する。該段差は、入射光束に対して、互いに異なる光路長差を付与する複数の段差群に区別される。本実施形態の対物レンズ１０の位相シフト構造は、第一と第二の二種類の段差群を有する。

より詳しくは、第一の段差群は、段差部で第一のレーザー光に対して付与する光路長差ΔＯＰＤ１が以下の条件（１）を満たすように設計される。

ただし、Ｎ１は整数である。

条件（１）は、特に第三の光ディスクＤ３使用時における光利用効率を積極的に高くするための条件である。第一の段差群が条件（１）の下限以下になるように構成されると、第三の光ディスクＤ３使用時の光利用効率が約５０％を下回ってしまう。また、第一の段差群が条件（１）の上限以上になるように構成されると、第一の光ディスクＤ１使用時における光利用効率が約７０％を下回ってしまう。このように、条件（１）を満たさない場合、特に各光ディスクＤ１、Ｄ３に対する情報の記録または再生に用いられる光の光量が十分に確保することができない。そのため、安定した情報の記録または再生ができないおそれが生じ、好ましくない。

また、第二の段差群は、段差部で第一のレーザー光に対して付与する光路長差ΔＯＰＤ２が以下の条件（２）を満たすように設計される。

ただし、Ｎ２は整数である。

条件（２）は、高記録密度の光ディスクＤ１、Ｄ２使用時における光利用効率を積極的に高くするための条件である。第一の段差群が条件（２）の下限以下になるように構成されると、第一の光ディスクＤ１使用時の光利用効率が約９５％を下回ってしまう。また、第一の段差群が条件（２）の上限以上になるように構成されると、第二の光ディスクＤ２使用時における光利用効率が約８５％を下回ってしまう。このように、条件（２）を満たさない場合、特に各光ディスクＤ１、Ｄ２に対する情報の記録または再生に用いられる光の光量が十分に確保することができない。そのため、安定した情報の記録または再生ができないおそれが生じ、好ましくない。

上記のように複数種類の段差群を持つ位相シフト構造は、例えば以下のように設計される。まず、第一から第三の各レーザー光における回折効率が最大となる回折次数の比率が互いに異なる複数種類の光路差関数を算出する。算出すべき光路差関数は必要とする段差群の数に相当する。従って、本実施形態では、第一の光路差関数と第二の光路差関数を算出する。

なお、光路差関数は、対物レンズ１０の回折レンズとしての機能を光軸からの高さｈにおける光路長付加量の形で表現される。第ｉ（ただし、ｉは自然数）の光路差関数をφｉ（ｈ）とすると、該φｉ（ｈ）は、以下の式によって表される。

光路差関数φｉ（ｈ）において、Ｐｉ２、Ｐｉ４、Ｐｉ６、…は、それぞれ第ｉの光路差関数における二次、四次、六次、…の係数を表す。また同関数において、ｍｉは、入射光束の回折効率が最大となる回折次数を、λは、入射光束の使用波長をそれぞれ表す。

次いで、算出された各光路差関数を重ね合わせることにより、上記位相シフト構造の形状を求める。このように、互いに異なる二つの光路差関数に基づき位相シフト構造を設計することにより、第一のレーザー光に対して付与する光路長差が異なる二種類の段差群（第一の段差群、第二の段差群）がもたらされる。

既述の通り、上記条件（１）は、主として第三の光ディスク使用時における光利用効率の向上を目的とした条件である。そのため、条件（１）を満たすような第一の段差群は、段差量が比較的大きめに設定される。よって、第一の段差群は、第一の光ディスクＤ１に対する情報の記録または再生時における光利用効率を十分に確保する作用に乏しく、多少のフレア光を発生させてしまう。

上記のフレア光は、集光する位置によっては、フォーカシングエラー信号のＳ／Ｎ比を低下させる一因となることが知られている。従って、該フレア光がフォーカシングエラー信号のＳ／Ｎ比に影響を与えないように集光位置を調整する必要がある。ここで特に、第一の光ディスクＤ１には記憶容量のより一層の大容量化を目的とした多層（例えば二層）構造の光ディスクも想定される。そのため、上記集光位置の調整は、多層構造の光ディスクＤ１使用時にもフォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比を高く維持できるように行う必要がある。

単層、多層いずれの構造を採る光ディスクＤ１使用時であってもフォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比を低下させない位置に上記フレア光を集光させるためには、第一の段差群を規定する第一の光路差関数における係数Ｐ１２を正の値に設定する。近軸の回折パワーは負となる。これにより、第一の光ディスクＤ１使用時に集光するフレア光は、正規回折次数光が集光する位置に重なるように集光する。より具体的には、第一の段差群は、係数Ｐ１２が以下の条件（３）を満たすように構成される。

係数Ｐ１２が条件（３）を満たすことにより、多層構造の光ディスクＤ１使用時であってもフォーカスエラー信号のＳ／Ｎ比に影響を与えにくい位置に上記フレア光を集光させることができる。この点について説明を加える。多層構造の光ディスクＤ１の記録層を便宜上光源側から順に第一記録層、第二記録層と定義する。係数Ｐ１２が条件（３）を満たすことにより、一方の記録層に対する情報の記録または再生時に集光するフレア光が、他方の記録層位置に集光せず、フォーカスエラー信号にノイズとして現れる現象を有効に回避することができる。

ただし、第一の光路差関数における係数Ｐ１２を正の値に設定すると、第一の光ディスクＤ１使用時における軸上色収差が補正不足になってしまう。そこで、本実施形態では、第二の段差群を規定する第二の光路差関数における係数Ｐ２２を負の値に設定することにより、フレア光の集光位置調整に起因して発生する軸上色収差を良好に補正している。

より具体的には、第二の段差群は、係数Ｐ２２が以下の条件（４）を満たすように構成される。

条件（４）の値が下限を下回ると、位相シフト構造が第一のレーザー光に与えるパワーが強くなりすぎ、軸上色収差が過剰補正になってしまうため好ましくない。また、条件（４）の値が上限以上になる換言すれば係数Ｐ２２が正の値を採ると、軸上色収差補正の実効性が無くなるため好ましくない。

さらに、本実施形態の対物レンズ１０は、上記フレア光集光位置調整を行いつつ軸上色収差補正作用を好適に実現するために係数Ｐ１２と係数Ｐ２２に関し、以下の条件（５）、さらには条件（６）を満たすように構成される。

上記に示すような各条件を満たす位相シフト構造を設計することにより、各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時に、対応する第一から第三のレーザー光を略平行光束に変換して用いたとしても、各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時に発生する球面収差を良好に抑えることができる。同時に、トラッキング動作時に発生するコマ収差や非点収差を良好に抑えることもできる。さらに、第一の光ディスクＤ１使用時において、不要回折次数光の発生を抑えてフォーカシング機能を良好に保つことができる。

なお、上述した特徴を持つ位相シフト構造は、必ずしも対物レンズ１０の第一面１１全域に設ける必要はない。上述した位相シフト構造は、対物レンズ１０の光軸を含む最も内側の領域であってかつ第三のレーザー光の収束に寄与する領域、つまり第一から第三のいずれのレーザー光の収束にも寄与する領域（以下、第一の領域という）に設けられていればよい。

本実施形態の対物レンズ１０では、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生に必要なＮＡを確保するための有効光束径の違いに応じた構成が採られる。例えば、第一の領域の外側に第一の領域とは異なる位相シフト構造を持つ第二の領域が設けられる場合がある。

第二の領域の位相シフト構造は、一般に第三の光ディスクＤ３使用時よりも高いＮＡが要求される第一、第二の光ディスクＤ１、Ｄ２使用時に用いられる第一および第二のレーザー光を、対応する光ディスクＤ１、Ｄ２の記録面２２上に良好に収束させる作用を持つ。

第二の領域の位相シフト構造は、第三のレーザー光の収束に寄与しないような段差を有する。つまり、第一のレーザー光を基準とした場合（言い換えれば第一のレーザー光が入射した場合）に、第二の領域の段差において付与される光路長差のうち少なくとも一種類は、第一の領域に存在する特定の段差群において付与される光路長差の絶対値とは異なる。ここで、第一の領域に複数種類の段差群が存在する場合は、第一のレーザー光を基準とした場合に、第一の波長の偶数倍に近い光路長差を付与する段差群が、上記特定の段差に該当する。例えば、上記のように、第一の領域に二種類の段差が存在する場合、上記条件（２）を満足するような段差群（つまり第二の段差群）が、上記特定の段差群に該当する。

以上説明した実施形態の対物レンズ１０を対物光学系として用いた光情報記録再生装置１００の具体的な実施例を３例示す。各実施例１〜３の光情報記録再生装置１００は、図１に示される。なお、各実施例１〜３に関して、第三の光ディスクＤ３使用時は、情報の記録または再生に好適な開口数を得るために図２に示す開口制限素子６０を用いて光束径を規定している。そのため、第三の光ディスクＤ３使用時は、第一、第二の光ディスクＤ１、Ｄ２使用時に比べて有効光束径が小さくなる。

各実施例１〜３において使用される光ディスクは、保護層厚０．６ｍｍの最も記録密度の高い第一の光ディスクＤ１、保護層厚０．６ｍｍであり第一の光ディスクＤ１よりは記録密度の低い第二の光ディスクＤ２、保護層厚１．２ｍｍの最も記録密度の低い第三の光ディスクＤ３を想定する。

実施例１の光情報記録再生装置１００の対物レンズ１０の具体的な仕様は、表１に示される。

表１中、倍率の値が示すように、実施例１では、いずれの光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時にも、レーザー光は平行光束として対物レンズ１０に入射する。表１に示す対物レンズ１０を備える光情報記録再生装置１００の各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時における具体的数値構成は、表２〜表４に示される。

表２〜表４中、ｒはレンズ各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは情報の記録または再生時におけるレンズ厚またはレンズ間隔（単位：ｍｍ）、ｎ（Ｘｎｍ）は波長Ｘｎｍでの屈折率である。以下に説明する各実施例で示す具体的数値構成の表でも同様である。

表２〜表４に示すように、面番号１、２が対物レンズ１０の第一面１１、第二面１２を示している。また、面番号３、４が媒体である各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層および記録面を示している。面番号と光学部材の対応関係は、以下に説明する各実施例で示す具体的数値構成の表でも同様である。

また、対物レンズ１０の両面１１、１２は非球面で、各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は表５に示される。特に光源側の面１１は位相シフト構造を持つ回折面である。なお各表における表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。

また、対物レンズ１０の第一面１１は、光軸を含む第一の領域、第一の領域の外側に形成される第二の領域から構成される。第一、第二の各領域の範囲は、光軸からの高さ（つまり有効半径）ｈによって以下のように表される。
第一の領域：０．０００≦ｈ≦１．０５０
第二の領域：１．０５０＜ｈ≦１．３００

詳しくは、第一領域は、いずれのレーザー光に対しても収束に寄与する共用領域である。第二領域は、第一と第二のレーザー光の収束に寄与し第三のレーザー光の収束には寄与しない、換言すれば第三のレーザー光使用時における開口制限機能を持つ領域である。

各領域は、上記のような互いに異なる作用を有するために各領域独自の位相シフト構造を持つ。詳しくは、第一と第二の各領域は、各々、二種類の異なる光路差関数によって規定される位相シフト構造を持つ。第一面１１の各領域における位相シフト構造を規定するための各光路差関数φｉ（ｈ）における係数Ｐｉ２は表６に、回折次数ｍは表７に示される。

実施例２の光情報記録再生装置１００の対物レンズ１０の具体的な仕様は、表８に示される。また、表８に示す対物レンズ１０を備える光情報記録再生装置１００の各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時における具体的数値構成は、表９〜表１１に示される。表８中、倍率の値が示すように、実施例２も、いずれの光ディスクＤ１〜Ｄ３を使用した場合であっても、レーザー光は平行光束として対物レンズ１０に入射する。

また、対物レンズ１０の両面１１、１２は非球面で、各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は表１２に示される。特に光源側の面１１は位相シフト構造を持つ回折面である。

各領域は、上記のような互いに異なる作用を有するために各領域独自の位相シフト構造を持つ。詳しくは、第一と第二の各領域は、各々、二種類の異なる光路差関数によって規定される位相シフト構造を持つ。第一面１１の各領域における位相シフト構造を規定するための各光路差関数φｉ（ｈ）における係数Ｐｉ２は表１３に、回折次数ｍは表１４に示される。

実施例３の光情報記録再生装置１００の対物レンズ１０の具体的な仕様は、表１５に示される。また、表１５に示す対物レンズ１０を備える光情報記録再生装置１００の各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時における具体的数値構成は、表１６〜表１８に示される。表１５中、倍率の値が示すように、実施例３も、いずれの光ディスクＤ１〜Ｄ３を使用した場合であっても、レーザー光は平行光束として対物レンズ１０に入射する。

また、対物レンズ１０の両面１１、１２は非球面で、各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は表１９に示される。特に光源側の面１１は位相シフト構造を持つ回折面である。

各領域は、上記のような互いに異なる作用を有するために各領域独自の位相シフト構造を持つ。詳しくは、第一と第二の各領域は、各々、二種類の異なる光路差関数によって規定される位相シフト構造を持つ。第一面１１の各領域における位相シフト構造を規定するための各光路差関数φｉ（ｈ）における係数Ｐｉ２は表２０に、回折次数ｍは表２１に示される。

以上説明した実施例１〜３の対物レンズ１０を用いて情報の記録または再生を行った際の光学性能を以下に検証する。表２２は、各実施例１〜３に関する各条件（１）〜（６）の値を示す表である。また、図３〜図５は、順に各実施例１〜３において、第一の光ディスクＤ１使用時における球面収差図である。各球面収差図において、実線が設計波長である４０７ｎｍ、破線が４１２ｎｍ、一点鎖線が４０２ｎｍの光を使用した場合の球面収差を表す。

表２２に示すように、いずれの実施例１〜３も条件（１）〜（６）を満たす。よって、図３〜図５に示すように、いずれの実施例１〜３においても、設計波長のレーザー光使用時は極めて良好に球面収差が補正されている。加えて、設計波長から微少に変化した波長のレーザー光を使用した時でも、球面収差、軸上色収差がともに良好に抑えられていることが分かる。

また、図６は、各実施例１〜３の第一の光ディスクＤ１使用時におけるフレア光の集光位置と係数Ｐ１２との関係を示す図である。なお、図６におけるフレア光集光位置は、正規回折次数光の集光位置つまり第一の光ディスクＤ１記録面位置を基準としている。図６において、点ＦＰ１は実施例１での上記関係を表し、フレア光集光位置は−０．００４ｍｍである。また、点ＦＰ２は実施例２での上記関係を表し、フレア光集光位置は−０．０１７ｍｍである。点ＦＰ３は実施例３での上記関係を表し、フレア光集光位置は０．０１８ｍｍである。一般に、第一の光ディスクＤ１のバリエーションのうち多層構造を持つものは、各記録層間が２０μｍ〜４０μｍに設定されている。上記各条件（１）〜（６）を満たす実施例１〜３では、いずれも、第一の光ディスクＤ１使用時に集光するフレア光が各記録層間に位置している。つまり、該フレア光は、フォーカスエラー信号にノイズとして現れにくい位置に集光している。

図７〜図９は、順に各実施例１〜３のフォーカシングエラー信号を示す図である。図７〜図９において、（Ａ）が第一の光ディスクＤ１使用時のフォーカシングエラー信号を、（Ｂ）が第三の光ディスクＤ３使用時のフォーカシングエラー信号を、それぞれ表す。図５に示すように、いずれの実施例１〜３においても、第一の光ディスクＤ１を使用した時、各記録層間にフレア光を集光させている。従って、図７〜図９に示すように、いずれの実施例１〜３も、フォーカスエラー信号は、正規回折次数光によるＳ字波形が良好に現れている。つまり、いずれの実施例１〜３において得られるフォーカスエラー信号も、高いＳ／Ｎ比を有していることが分かる。

以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく以下に例示するように、様々な範囲で変形が可能である。

本発明に係る光情報記録再生装置用対物レンズは、各実施例の具体的数値構成に限定されるものではない。光情報記録再生装置の対物光学系を構成する対物レンズ等の光学素子の数は複数であっても良い。対物光学系が複数の光学素子から構成される場合、本発明に係る設計方法により設計される光学素子は、片側一面のみならず両面に位相シフト構造を設けることができる。

また、使用する光ディスクの規格によっては、第一の光ディスクＤ１使用時と第二の光ディスクＤ２使用時とで要求されるＮＡが大きく異なる。換言すれば対物レンズ１０の第一面１１における第一のレーザー光の有効光束径と、第二のレーザー光の有効光束径が異なる場合もあり得る。このような場合には、上記第二の領域のさらに外側により高ＮＡ（より大きな有効光束径）を確保するために設計された第三の領域を設けることもできる。例えば、第一の光ディスクＤ１使用時に要求されるＮＡが第二の光ディスク使用時におけるＮＡよりも高い場合、入射光束のうち、第一のレーザー光のみ有効に収束させ、他のレーザー光の収束には寄与しないような位相シフト構造を有する第三の領域を配設することができる。

本発明の第一実施形態の光情報記録再生装置の概略構成を表す模式図である。図２（Ａ）は、配設した本発明の実施形態の対物光学系の近傍を拡大して示す図である。図２（Ｂ）は、実施形態の開口制限素子を第一面側から臨んだ概略図である。実施例１の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用した時に発生する球面収差を表す収差図である。実施例２の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用した時に発生する球面収差を表す収差図である。実施例３の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用した時に発生する球面収差を表す収差図である。実施例１〜３の、フレア光集光位置と係数Ｐ１２との関係を表す図である。図７（Ａ）は、実施例１の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図、図７（Ｂ）は、該装置の、第三のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図である。図８（Ａ）は、実施例２の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図、図８（Ｂ）は、該装置の、第三のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図である。図９（Ａ）は、実施例３の光情報記録再生装置の、第一のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図、図９（Ｂ）は、該装置の、第三のレーザー光を使用したときに検出されるフォーカスエラー信号を表す図である。

符号の説明

１Ａ、２Ａ、３Ａ光源
４１、４２ビームスプリッタ
１０対物レンズ
２０カップリングレンズ
Ｄ１〜Ｄ３光ディスク
１００光情報記録再生装置

Claims

記録密度が高い順に定義される第一から第三の各光ディスクに対して、互いに異なる第一から第三の光束のいずれかを使うことにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる対物レンズであって、
前記第一の光ディスク使用時に用いられる前記第一の光束の波長をλ１（ｎｍ）、前記第二の光ディスク使用時に用いられる第二の光束の波長をλ２（ｎｍ）、前記第三の光ディスク使用時に用いられる前記第三の光束の波長をλ３（ｎｍ）とすると、
λ１＜λ２＜λ３
であり、
前記対物レンズは、少なくとも一方の面に、前記第三の光束を前記第三の光ディスクの記録面上に収束させる第一の領域を有し、
前記領域は、同心状の複数に分割された屈折面で構成され、かつ隣り合う屈折面間において、入射光束に対して異なる光路長差を付与する第一と第二の段差群を持つ位相シフト構造を有しており、
前記第一及び第二の段差群に含まれる段差の位置は、それぞれ第一および第二の光路差関数によって規定され、
前記第ｉ（ｉは自然数）の光路差関数φｉ（ｈ）を、以下の式、

ただし、ｈは、光軸からの高さ、
Ｐｉ２、Ｐｉ４、Ｐｉ６、…は、それぞれ第ｉの光路差関数における二次、四次、六次、…の係数、
ｍｉは、前記入射光束の回折効率が最大となる回折次数、
λは、前記入射光束の使用波長、をそれぞれ表す、
で表すと、前記第一の光束の波長に対する第一の光路差関数における二次の係数Ｐ１２が正となり、前記第一の光束の波長に対する第二光路差関数における二次の係数Ｐ２２が負となるように構成され、
前記第一の段差群は、段差部で前記第一の光束に対して付与する光路長差をΔＯＰＤ１（ｎｍ）とすると、以下の条件、

ただし、Ｎ１は自然数または０である、
を満たし、
前記第二の段差群は、段差部で第一の光束に対して付与する光路長差をΔＯＰＤ２（ｎｍ）とすると、以下の条件、

ただし、Ｎ２は自然数である、
を満たすことを特徴とする光情報記録再生装置用対物レンズ。
請求項１に記載の光情報記録再生装置用対物レンズにおいて、
以下の条件、

ただし、ｆ１（ｍｍ）は、前記第一の光束に対する前記対物レンズの焦点距離を表す、を満たすことを特徴とする光情報記録再生装置用対物レンズ。
請求項１または請求項２に記載の光情報記録再生装置用対物レンズにおいて、
以下の条件、

を満たすことを特徴とする光情報記録再生装置用対物レンズ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光情報記録再生装置用対物レンズにおいて、
以下の条件、

を満たすことを特徴とする光情報記録再生装置用対物レンズ。
請求項４に記載の光情報記録再生装置用対物レンズにおいて、
さらに以下の条件、

を満たすことを特徴とする光情報記録再生装置用対物レンズ。
Ｎ１＝１、Ｎ２＝１であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光情報記録再生装置用対物レンズ。
記録密度が高い順に定義される第一から第三の各光ディスクに対して、互いに異なる第一から第三の光束のいずれかを使うことにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置であって、
前記第一の光ディスク使用時に用いられる前記第一の光束の波長をλ１（ｎｍ）、前記第二の光ディスク使用時に用いられる第二の光束の波長をλ２（ｎｍ）、前記第三の光ディスク使用時に用いられる前記第三の光束の波長をλ３（ｎｍ）とすると、
λ１＜λ２＜λ３
であり、
前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ２、前記第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数をＮＡ３、とすると、
ＮＡ１＞ＮＡ３かつＮＡ２＞ＮＡ３
であり、
前記第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、前記第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、前記第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
であり、
前記三種類の光束を照射する三つの光源と、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の光情報記録再生装置用対物レンズと、を有し、
前記第一から第三の波長の光束は、いずれも略平行光束の状態で前記対物レンズに入射することを特徴とする光情報記録再生装置。
請求項１から請求項７のいずれかに記載の光情報記録再生装置用対物レンズにおいて、
前記対物レンズは、前記第一の領域の外側に前記第一の波長の光束、前記第二の波長の光束をそれぞれ前記第一の光ディスク、前記第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ前記第三の波長の光束を前記第三の光ディスクの記録面上に収束させないことを特徴とする第二の領域を有することを特徴とする光情報記録再生装置。