JP4201196B2

JP4201196B2 - 光ヘッド装置および光ディスク装置

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Publication number: JP4201196B2
Application number: JP2004164262A
Authority: JP
Inventors: 慶明金馬; 定夫水野; 賢一郎浦入; 秀樹林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2016-05-27
Also published as: JP2004281050A

Description

本発明は、光ディスクあるいは光カードなど、光媒体もしくは光磁気媒体（情報媒体）上に記憶される情報の記録・再生あるいは消去を行う光ヘッド装置に関するものである。

高密度・大容量の記憶媒体として、ピット状パターンを有する光ディスクを用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク、ビデオディスク、文書ファイルディスク、さらにはデータファイルと用途を拡張しつつ、実用化されてきている。微小に絞られた光ビームを介して光ディスクへの情報の記録再生が高い信頼性のもとに首尾よく遂行されるメカニズムは、ひとえにその光学系によっている。その光学系の主要部である光ヘッド装置の基本的な機能は、回折限界の微小スポットを形成する集光性、前記光学系の焦点制御とトラッキング制御、及び、ピット信号の検出に大別される。これらは、目的、用途に応じて、各種の光学系ならびに光電変換検出方式の組合せによって現わされている。

近年、光学系設計技術の進歩と光源である半導体レーザの短波長化により、従来以上の高密度の記憶容量を持つ光ディスクの開発が進んでいる。高密度化のアプローチとしては、光ディスク上へ光ビームを微小に絞る集光光学系の光ディスク側開口数（ＮＡ）を大きくすることが検討されている。その際、問題となるのが光軸の傾き（いわゆるチルト）による収差の発生量の増大である。開口数ＮＡを大きくすると、チルトに対して発生する収差量が大きくなる。これを防ぐためには、光ディスクの基板の厚み（基材厚）を薄くすれば良い。例えばＮＡ＝０.５、基板の厚みｔ１＝１.２ｍｍの時と同じ量のチルト許容度を得るためには、ＮＡ＝０.６の時には基板の厚みｔ２＝０.６ｍｍにすれば良い。上記の理由から、高密度の光ディスクでは基板の厚みを薄くすることが望ましい。このため、既に市販されているコンパクトディスク（ＣＤ）を初めとした多くの在来の光ディスクよりも、次世代の高密度光ディスクの基板の厚みは薄くなると考えられる。当然、在来の光ディスクと次世代の高密度光ディスクとの両方を記録再生できる光ディスク装置が必要になる。そのためには、異なる基板の厚みの光ディスク上に、回折限界まで光ビームを集光することのできる集光光学系を備えた光ヘッド装置が必要である。

本発明者は、基板の厚みの異なる複数の光ディスクに対して使用できる光ヘッドを既に提案している（特開平第７−９８４３１号公報）。光ヘッドにおいて、光源からの光ビームを平行光にし、対物レンズにより微小スポットに集光して光ディスク上を照射する。光ディスクからの反射光は、もとの光路を逆にたどるが、ビームスプリッタで反射され、光検出器により検出される。ここで、基板の厚みの異なる複数の光ディスクに対して光ヘッドを使用するために、対物レンズと、入射光の１部を回折するホログラムレンズとを組み合わせた２焦点レンズを用い、異なる厚みの光ディスク上にそれぞれ回折限界まで集光される集光スポットを形成する。ホログラムレンズは、入射光の１部を回折するため、たとえば、同心円状の格子パターンを備え、透過光（０次回折光）も十分な強度を有する。ホログラムレンズにより回折された光と回折されない光とは、光軸上の異なる焦点位置に集光される。したがって、異なる厚みの基板上に微小スポットを形成できる。ここで、ホログラムレンズはレンズ作用を有するので、２つの焦点の光軸方向の位置は異なり、一方の焦点で情報の記録再生をしているときには、他方の焦点を集光点とする光ビームは大きく広がっており光強度は小さく、記録再生には影響を与えない。
特開平第７−９８４３１号公報特開昭第６１−１８９５０４号公報特開昭第６３−２４１７３５号公報特開昭第５８−８５９４４号公報特開昭第６２−６７７３７号公報

上述した２焦点レンズを用いた光ヘッド装置には、改良、発展すべき点がある。たとえば、２焦点レンズを、対物レンズとホログラムレンズとを組み合わせて構成するが、種々の構成が考えられる。特に、光ヘッド装置を小型化するために、光源としては半導体レーザーを用いることが望ましいが、半導体レーザーを用いることによる問題もある。図１に示すように、半導体レーザーは、光ビームを活性層２００１の端面近傍の発光点２００２から出射する。ここで、光ビームの遠視野像は、活性層２００１に平行なＸ方向の広がり角度θ_Xよりも、活性層２００１に直交するＹ方向の広がり角度θ_Yの方が広い。図２は、半導体レーザーから出射する光ビーム（光ビーム径がφ４ｍｍの場合）のＸ方向(ａ)とＹ方向(ｂ)の光強度分布２００３を示す。上述のように、両方向で分布が大きく異なっている。この光ビームを、入射光の１部を回折する上述のホログラムレンズに入射させると、斜線部分にそれぞれ示すように、Ｘ方向(ａ)とＹ方向(ｂ)において外周部の光強度のほうが内周部よりも強くなる。Ｙ方向の広がり角が広いので、特に、Ｙ方向の外周部の光強度が、内周部の光強度よりも強くなる。

ここでサイドローブについて、説明する。図３は、入射光の１部を回折するホログラムレンズを用いた場合の、基板厚の薄い情報媒体上での集光スポットのＸ方向(ａ)とＹ方向(ｂ)での光強度分布の計算結果を示したものである。ここに、光強度は、メインローブ３８０の最大値を１００として規格化した。メインローブ３８０が記録再生に必要な光量であり、サイドローブ３８１は記録ピット形状や再生信号を劣化させる原因となる不要な光量である。メインローブ３８０の光強度の最大値を１００として規格化したときのサイドローブ３８１の光強度は、Ｘ方向は約１％であり十分に低いが、Ｙ方向は約４％であり、やや高い。サイドローブの高さが４％程度あっても、情報信号の読み取りは十分に可能であるが、振動や温度変化などの外乱に対してより安定に情報信号を読み取るためには、サイドローブをより低くするなどの方法によって、その影響を緩和するほうが望ましい。

本発明の第１の目的は、透過光も十分な強度であるホログラムレンズを利用することによって基板厚みの異なる情報媒体（光ディスク）上に回折限界まで光ビームを集光することができ、さらに、外周部の光強度が高くなることの影響を緩和して、より安定な情報信号を得ることのできる光ヘッド装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、透過光も十分な強度であるホログラムレンズを利用することによって基板厚みの異なる情報媒体（光ディスク）上に回折限界まで光ビームを集光することができる改良された光ヘッド装置を提供することである。

本発明に係る光ヘッド装置は、第１の厚さの基板を有する第１の情報媒体と、第２の厚さの基板を有する第２の情報媒体に対して情報の記録又は再生を行う光ヘッド装置であり、
光源と、前記光源から出射される光を受けて、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報記録面上に光を集光させる対物レンズと、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体で反射した光を受けて、電気信号に変換する光検出器と、を具備する。前記対物レンズは、基板を有する情報媒体の情報記録面上に、前記基板を介して光を集光させる対物レンズであって、屈折型レンズと、収差補正作用を持つホログラムレンズとを具備し、前記ホログラムレンズは、複数の領域を具備し、前記複数の領域は、第１領域と、前記第１領域に比して前記対物レンズの光軸に近い第２領域とを含む。前記ホログラムレンズは前記屈折型レンズの曲率の大きい方の面すなわち曲率半径の小さい方の面に一体形成しており、前記第１領域を通過した光と、前記第２領域を通過した光の両方を、第１の厚さの基板を有する第１の情報媒体の情報記録面上に、前記第１の厚さの基板を介して集光させ、前記第２領域を通過した光のみを、第２の厚さの基板を有する第２の情報媒体の情報記録面上に、前記第２の厚さの基板を介して集光させる。前記第１の厚さは、前記第２の厚さに比して薄く、前記第１の厚さの基板を介して光が集光するための開口数は、前記第２の厚さの基板を介して光が集光するための開口数に比して大きい。前記光源は非点隔差をもつ半導体レーザーであって、前記光源から前記対物レンズへと至る光路中に、光強度補正素子を具備し、前記光強度補正素子は液晶セルによって構成され、前記液晶セルが収差を低減する。

前記光ヘッド装置において、好ましくは、前記ホログラムレンズは、同心円状のレリーフ形状からなる。

前記第２の光ヘッド装置は、好ましくは、前記回折格子部を、光軸に近づく方向に回折する１次回折光の強度が強くなる方向にブレーズ化する。

前記光ヘッドにおいて、好ましくは、前記光源から出射される光を、前記第１の厚さの基板を有する前記第１の情報媒体の情報記録面上に、前記第１の厚さの基板を介して集光させた場合と、前記第２の厚さの基板を有する前記第２の情報媒体の情報記録面上に、前記第２の厚さの基板を介して集光させた場合と、いずれの場合も共通の光検出器によって光を受けて電気信号に変換する。

本発明に係る光ディスク装置は、前記第１の厚さの基板を有する前記第１の情報媒体と、前記第２の厚さの基板を有する前記第２の情報媒体に対して情報の記録又は再生を行う前記光ヘッド装置を用いて、前記光源から出射した光を、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報記録面上に集光し、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体から反射して戻る光を前記光検出器で受光することによってトラッキングエラー信号を検出し、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報再生を行う。

本発明に係る光ディスク装置は、上述のいずれかの光ヘッド装置を用いて、放射光源から出射した光を情報媒体上に集光し、前記情報媒体から反射して戻る光を光検出器で受光することによってトラッキングエラー信号を検出し、情報媒体の情報再生を行う。

本発明では以下のような効果が得られる。
（１）入射光の一部を回折するホログラムレンズと対物レンズとを組み合わせることによって、異なる基板厚（ｔ１とｔ２）の光ディスク（情報媒体）上に、それぞれ回折限界にまで集光される集光スポットを形成する事のできる２焦点レンズを実現でき、この２焦点レンズを用いて少ない部品点数で小型、軽量、低コストの光ヘッド装置でありながら、異なる基板の厚みの光ディスクの記録再生を一つの光ヘッド装置で行うことができる。
（２）補正ホログラムあるいは補正フィルタ等の光強度補正手段を具備することにより、情報媒体上で光ビーム（集光スポット）のサイドローブがより一層低くなり、優良な特性の再生信号を得ることができる。
（３）補正ホログラムあるいは補正フィルタ等の光強度補正手段の０次回折効率あるいは透過率の高い部分を厚くし、光路長を長くすることによって、光源として半導体レーザーを用いる場合に、半導体レーザーの非点隔差の悪影響を取り除くか、あるいは、軽減できる。
（４）補正ホログラムあるいは補正フィルタ等の光強度補正手段と組み合わせて、サーボ信号検出用の光検出器の周囲に大きな（望ましくはφ１ｍｍ以上）光検出器を設けて、外周の光を受光し、両光検出器の和を情報信号とすることにより、さらに、一層Ｓ／Ｎ比を向上し、また、周波数特性の向上を図ることもできる。
（５）補正ホログラムあるいは補正フィルタ等の光強度補正手段を対物レンズあるいはコリメートレンズの表面に形成し、部品点数を削減し、より低価格化を図ることもできる。
（６）ホログラムレンズを対物レンズ表面に形成する際に、格子パターンの格子の平均面と格子パターンのない面との表面を連続的につなぎ、かつ、格子パターンの格子の平均面と格子パターンのない面との表面を光ビームをほぼ回折限界に集光できるように設計することにより、良好な集光特性を得ることができる。

以下、添付の図面を用いて本発明の実施形態のうち、補正ホログラムまたは補正フィルタ、及び、異なる２つの位置に光ビームを集光する光学系について、まず説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態の光ヘッド装置を示す。この光ヘッド装置の特徴は、対物レンズ４とホログラムレンズ１０７から２焦点レンズを構成することと、外周部の光量を低下させる補正ホログラム１２２１を設けることである。この光ヘッド装置において、半導体レーザなどの放射光源２から出射した光ビーム３は、コリメートレンズ１２２によって略平行光になり、補正ホログラム１２２１を通過して外周部の光強度が低下する。光ビームは、さらに、偏光ビームスプリッタ４２を透過し、１／４波長板１５によって円偏光になる。次に、光ビームは、ホログラムレンズ１０７と対物レンズ４とに入射し、異なった焦点位置に位置される厚い情報媒体５または薄い情報媒体５１の上に集光される。情報媒体５は、基板の厚みｔ１＝１.２ｍｍの光ディスクであり、情報媒体５１は、基板の厚みｔ２＝０.６ｍｍの光ディスクである。ここで、「基板の厚み」とは、情報媒体に光ビームの入射する面から情報記録面までの厚みを指す。また、ここで「集光」という言葉を用いたが、「集光」とは、「発散光または平行光を回折限界の微小スポットにまで収束すること」と定義する。

ホログラムレンズ１０７は、図５と図６に図式的に示すように、光ビーム３に対して透明な基板９に形成されていて、中央部の輪帯状の格子パターン１０７ａと、その周囲の格子パターンのない領域１０７ｂとからなる。格子パターン１０７ａは、同心円状であり、その中心すなわち光軸は対物レンズ４と組立誤差内で一致している。

ホログラムレンズ１０７の＋１次回折光の回折効率は１００％未満であり、ホログラムレンズ１０７は、光ビーム３ａの透過光（０次回折光）６１ａも、充分な強度を有するように設計する。これは、ホログラムレンズ１０７を例えば図４に示したように凹凸形状によって作製する場合には、（レリーフ型）凹凸の高さｈをｈ＜λ／（ｎ−１）というようにより小さく、すなわち、格子部１０７ａで光ビームに与える位相変化の振幅量を、２πよりも小さくすることによって、容易に実現できる。ここで、λは光ビーム３の波長、ｎは透明基板９の屈折率である。このようにホログラムレンズ１０７のどの位置においても、透過光が充分な強度を持つようにすることによって、情報媒体５１上に透過光の形成する集光ビームのサイドローブ（図７参照）を低く抑えることができる効果を有する。

なお、ホログラムレンズ１０７が格子パターン１０７ａと、格子パターンのない領域１０７ｂからなる。格子パターン１０７ａの０次回折光（透過光）の位相は、格子パターン１０７ａによって与えられる位相変調量の平均値となる。これに対し、格子パターンのない領域１０７ｂの透過光の位相を同じぐらいに合わせることによって、集光性能を向上させることが望ましい。そこで、例えばホログラムレンズ１０７の格子パターン１０７ａをレリーフ型にする場合は、図６に示すように、格子パターン部の凹凸の平均ぐらいのレベルに格子パターンのない領域１０７ｂの表面の高さを合わせる。

情報媒体５または５１で反射した光ビ−ムは、もとの光路を逆にたどる。透過光６１は、実線で示したようにホログラムレンズ１０７を再び透過し、また、＋１次回折光６４は、破線のようにホログラムレンズ１０７で再び＋１次回折光として回折し、どちらも初めに偏光ビームスプリッタ４２を通った後と同じ光路を通り、偏光ビームスプリッタ４２で反射される。反射された光は、収束レンズ１２１によって集光され、シリンドリカルレンズ１３１などの波面変換手段によってフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号などのサーボ信号を得ることができるように波面を変換された後に、光検出器７１に入射する。光検出器７１の出力を演算することによって、サーボ信号（フォーカスエラー信号とトラッキングエラー信号）及び情報信号を得ることができる。

ホログラムレンズ１０７は、例えば図４に示したようにブレーズ化することによって、後述のように２焦点の光ビームを形成する透過光と＋１次回折光との光量和を大きくすることができ、光の利用効率を高くできるという効果がある。

対物レンズ４は、図８の（ａ）に示すように、ホログラムレンズ１０７を回折されずに透過した光ビーム６１が入射したときに、開口数ＮＡが０.６以上で、基板３７の厚みｔ２の薄い光ディスク５１上に、回折限界の集光スポット３８ａを形成できるよう設計されている。また、この場合ではホログラムレンズ１０７の格子パターン１０７ａは、対物レンズ４によって決まる開口よりも小さな径の中にだけ形成されている。従って、ホログラムレンズ１０７の格子パターンが形成されていない部分１０７ｂでは回折が全く起こらず、高ＮＡの集光スポット３８ａの光量が多くなる。

他方、図８の（ｂ）は、低ＮＡで基板３７の厚い（厚さｔ１）情報媒体５上に、回折限界に集光スポット３８ｂを集光できることを示す。ホログラムレンズ１０７で回折された＋１次回折光６４は、対物レンズ４によって情報媒体５上に集光される。ここで＋１次回折光６４は、厚さｔ１の基板３７を通して回折限界まで絞れるように収差補正を施されている。このような収差補正作用を有するホログラムレンズ１０７の設計方法は、例えば集光スポット３８ｂから発散する球面波が、厚さｔ１の基板３７を透過した後、対物レンズ４を透過し、ホログラムレンズ１０７を形成している透明基板９を透過した光ビームと、図８の（ｂ）の光ビーム３の位相の正負を反転した光ビームの干渉パターン（ホログラムレンズの格子パターン１０７ａ）を計算すればよい。そして、例えばコンピューター・ジェネレイティッド・ホログラム（ＣＧＨ）の手法などによって、容易にホログラムレンズ１０７を作製できる。このように、入射光の一部を回折するホログラムレンズ１０７と対物レンズ４とを組み合わせることによって、異なる基板厚（ｔ１とｔ２）の光ディスク上に、それぞれ回折限界にまで集光される集光スポットを形成する事のできる２焦点レンズを実現できる。

ここで、ホログラムレンズ１０７はレンズ作用を有するので、２つの焦点の光軸方向の位置は異なり、一方の焦点スポットで情報の記録再生をしているときには、他方の焦点を集光点とする光ビームは大きく広がっており、光強度が小さく記録再生には影響を与えない。例えば図８の（ａ）のように、情報媒体５１に対して集光スポット３８ａが合焦点位置にあるときは、＋１次回折光６４は情報媒体５１の情報記録面上では大きく広がっており、記録再生には影響を与えない。これは図８の（ｂ）の場合もまた同様である。

この２つの焦点位置の差は、一方の焦点スポットで情報の記録再生をしているときに、他方の焦点を集光点とする光ビームが大きく広がって光強度が小さく記録再生に影響を与えないようにするためには、５０μｍ以上でなるべく大きくすることが望ましい。また、コンパクトディスク（ＣＤ）やレーザディスク（ＬＤ）などの基板厚ｔ１が１.２ｍｍ程度で、高密度光ディスクの基板厚ｔ２は０.４ｍｍ〜０.８ｍｍが適当と考えられることから、対物レンズのフォーカスサーボ動作を担うアクチュエータの可動範囲を考えて、２焦点位置の差はｔ１とｔ２との差０．８ｍｍ程度を大きく越えないことが望ましい。従って、図８の（ａ）のように、高ＮＡで薄い基板に対応した集光スポット３８ａの焦点距離を短くする場合、２焦点位置の差は５０μｍ以上１ｍｍ以下にする。

本実施形態において、対物レンズ４は、図４に示すように、ホログラムレンズ１０７を回折されずに透過した光ビーム６１が入射したときに、基板の厚み（ｔ２）の薄い光ディスク上に回折限界の集光スポットを形成できるよう設計されている。また、本実施形態のホログラムレンズ１０７の格子パターン１０７ａは、対物レンズ４によって決まる開口よりも小さな径の中にだけ形成されている。従って、ホログラムレンズ１０７の格子パターン１０７ｂの形成されていない部分では回折が全く起こらない。このように、入射光の一部を回折するホログラムレンズ１０７と対物レンズ４とを組み合わせることによって、異なる基板厚（ｔ１とｔ２）の光ディスク上に、それぞれ回折限界にまで集光される集光スポットを形成することのできる２焦点レンズを実現できる。

情報媒体５、５１により反射されたホログラムレンズ１０７をふたたび通った上記の透過光６１と上記の＋１次回折光とは、偏光ビームスプリッタ４２を初めに通ったときと同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ４２で反射され、次に、収束レンズ１２１によって集光される。この集光された光ビームを用いて光検出器７１によりサーボ信号の検出を行う。従って、２焦点から反射してきた光ビームの光検出器側での集光点３９は、放射光源２の出射点と共役関係にある点で一致する。このため、サーボ信号検出手段も光検出器７１も単一のものを共通に用いることができ、少ない部品点数で小型、軽量、低コストの光ヘッド装置でありながら、異なる基板の厚みの光ディスクの記録再生を一つの光ヘッド装置で行うことができるという効果を有する。

フォーカスエラー信号の検出方式は、スポットサイズディテクション法（ＳＳＤ法：特開平２−１８５７２２号公報）や、非点収差法や、ナイフエッジ法など任意の方法を用いることができる。また、トラッキングエラー信号は、プッシュプル法、ヘテロダイン法、３ビーム法など、やはり任意の方法を採用可能である。

本発明の特徴の１つは、補正ホログラム１２２１や補正フィルタ１２２５のような光強度を外周部で部分的に補正する素子を用いる点にある。光は強さと位相をもっているが、これらの素子は、光量と位相の変調素子であり、これを光学系に具備して光量と位相を所望どおりに変化させ、外周部での光強度を低下させる。

図９に、放射光源２から対物レンズ４へと至る往路の光学系を示す。補正ホログラム１２２１は、例えば（ｂ）に示すように、光軸３０００に近いところには、光を全透過する透過部１２２３を設け、光軸３０００から離れたところには、回折格子部１２２２を設ける。そして、（ａ）に示したように、往路において、放射光源２から出射した光ビーム３の光軸付近の光を全て透過し、光軸から離れた部分の光は一部を回折して透過率を低くする。

ここで、回折格子部１２２２の０次回折光（透過光）の位相は、回折格子部１２２１によって与えられる位相変調量の平均値となる。これに対して、格子パターンのない領域１２２３の透過光の位相を同じぐらいに合わせることによって、対物レンズ４による集光性能を向上させることが望ましい。そこで、例えば図９の（ｂ）に示すように、ホログラムの格子パターンをレリーフ型にする場合は、回折格子部１２２２の凹凸の平均（頂上部と底部の平均）ぐらいのレベルに透過部１２２３の表面の高さを合わせる。

ただし、放射光源２に半導体レーザーを用い、かつ、その半導体レーザーが非点隔差を持つ場合（図１参照）は、図１０に示すように、光軸３０００を含む中央部の透過部１２２３ａの表面の高さを回析格子部１２２２の平均より高くする。いいかえれば、透過部１２２３ａの厚みを回析格子部１２２２よりも厚くし、光路長を長くする。これによって、半導体レーザーの非点隔差の悪影響を減らし、光学系の集光特性をより良くすることもできる。半導体レーザーが非点隔差を持った場合、出射光の広がり角の狭い方向の平面内での集光点が、半導体レーザーの活性層内部へ入り込んでいる。従って、これと直角方向、つまり、出射光の広がり角の広い方向に光学系の凸レンズ作用をより大きくすることによって両方向の集光位置を一致させると、波面収差を低減できる。後述のように、図１０のＹ方向を広がり角の広い方向に一致させることが望ましいので、このＹ方向に凸レンズ作用を持たせることが望ましい。これが、透過部１２２３ａを厚くするとよい理由である。

また、補正ホログラム１２２１から回折する回折光１２２４は、不要な迷光になる。そこで、対物レンズ４の開口内に入らないようにするか、あるいは、情報媒体５または５１で反射した後に、光検出器７１に入射しないように設計することが望ましい。

回折光１２２４を対物レンズ４の開口内に入らないようにするには、回折格子部１２２２の格子ピッチを５μｍ以下、望ましくは２μｍ以下にするか、図９の（ｂ）に示したように、光軸から離れる方向に回折する回折光強度が強くなる方向に回折格子部１２２２をブレーズ化した上で、格子ピッチを２０μｍ以下、望ましくは１２μｍ以下にする。

他の方法として、回折光１２２４が情報媒体５または５１で反射した後に、光検出器７１に入射しないように設計するためには、回折格子部の格子ピッチを３０μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下にする。

また逆に、この回析光を情報媒体上に集光し、情報媒体からの反射光を光検出器で受光してその出力から、いわゆる３ビーム法によるトラッキングエラー信号を得ることも可能である。この場合は、上述の場合とは逆に光軸に近づく方向に回析する回析光強度が強くなる方向に回析格子部１２２２をブレーズ化することが望ましい。

図１１は、補正ホログラム１２２１を図９の光軸３０００の方向、すなわちＺ方向から見た例を示す。光軸３０００を表す丸と、光ビーム有効径１２２４を表す円は、説明のために仮想的に描いたもので、補正ホログラム１２２１には実際には形成しない。座標軸は、図１や図９と共通である。光ビームの広がり角度の広い方向、すなわち図１のＹ方向に光軸から離れた部分の光量を下げるため、図１１においても、Ｙ方向に光軸から離れた部分を回折格子部１２２２にすることが望ましい。

また、遠視野像（ＦＦＰ）の光強度の等高線は楕円形状であるので、回折格子部１２２２と透過部１２２３との境界線を光軸３０００から外側に向かって凸にすることにより、光量を有効に利用できるという効果を得ることができる。

図１２は、補正ホログラム１２２１の０次回折効率（透過率）のＹ軸方向の変化の例を示す。原点は、光軸３０００と補正ホログラム１２２１との交点である。外周ほど０次回折効率を低くする。このように、補正ホログラム１２２１を具備することにより、ホログラムレンズ１０７を通過した光ビームの遠視野像は、図１３のようになる。

図１３は、Ｘ方向（ａ）とＹ方向（ｂ）の光強度の分布を示す。補正ホログラム１２２１によってＹ方向の光強度を低減することによって、Ｙ方向の光強度分布（ｂ）が、図２と異なっている。すなわち、Ｙ方向の外周部の光強度が内周部よりも低くなっている。

なお、Ｙ方向の外周部の光強度を内周部よりも低くするためには、補正ホログラム１２２１の回折格子部１２２２の０次回折効率を、ホログラムレンズ１０７の０次回折効率より低くすることが望ましい。

図１３の（ｂ）の破線は、遠視野像を計算する際に用いた補正ホログラム１２２１の０次回折効率分布であり、図１２の例とは少し異なっている。

この時の情報媒体５１上での集光スポットプロファイルを計算した結果を図１４に示す。（ａ）Ｘ方向、（ｂ）Ｙ方向共にサイドローブ３８１の高さはメインローブ３８０の最大値の１％程度に納まっている。すなわち、情報媒体上で光ビーム（集光スポット）のサイドローブ３８１がより一層低くなり、優良な特性の再生信号を得ることができるという効果を得ることができる。

なお、図４のようにコリメートレンズ１２２を具備する構成では、図１５に示したように、補正ホログラム１２２１をコリメートレンズ１２２の表面の周辺部に形成することによって部品点数を削減し、より安価に光ヘッド装置を構成することができる。

なお、以上の実施形態では、補正ホログラムはレリーフ型として説明してきたが、特開昭第６１−１８９５０４号公報や、特開昭第６３−２４１７３５号公報にも開示されているように、ニオブ酸リチウム基板の一部をプロトン交換したり、液晶セルを利用しても、同様に位相変調型の補正ホログラムを作製することができる。

また、補正ホログラム１２２１において、回折格子部１２２２は透過率を低減するために設けているので、回折格子部の代わりに金属膜や誘電体膜を形成して透過率を低減しても良い。この場合、たとえば図１６に示すように、補正ホログラムを設ける代わりに、図１７に示す補正フィルタ１２２５が、偏光ビームスプリッタ４２の表面に備えられる。この補正フィルタ１２２５は、金属膜または誘電体膜を両側に透過率低減部１２２６として設け、その間の中央に透過部１２２７を設けたものである。図１６と図１７に挿入したＸ軸とＺ軸は共通である。光ビームの有効径１２２４は、透過部１２２７の幅より広くする。このようにビームスプリッタ４２の表面に補正フィルタ１２２５を直接形成することにより、部品点数を低減できると共に、光学部品の面の数を低減でき、反射による光量の損失を避けることができるという効果を得ることができる。また、金属膜としては、安定なクロム等で形成することが望ましい。

なお、ビームスプリッタの表面に代えて、コリメートレンズ１２２において、表面に透過率低減部を設けても同様の効果を得ることができる。なお、反射光が半導体レーザーへの戻り光となって戻りノイズを誘発しないために、上記補正フィルタ表面の法線を光軸に対して傾けるとよい。特に図１６のように補正フィルタ１２２５をビームスプリッタ４２の表面に備える場合はビームスプリッタ４２を傾ける。さらに、前述の回折格子を用いた実施形態と同様に、補正フィルタ１２２５の透過部１２２７を図１８に示すように厚くし、光路長を長くすることによって、半導体レーザーの非点隔差の悪影響を取り除くことができるという効果をも得ることができる。

本実施形態に用いる補正ホログラムまたは補正フィルタと一見似たものが特開昭第５８−８５９４４号公報及び特開昭第６２−６７７３７号公報に開示されている。前者には、光軸の傾きによるクロストークを減少させるため、たとえば透明な中央部と、光を吸収または反射する縁部とからなる放射減衰素子が光路中に設置され、縁部での放射強度を低減させる。また、後者では、主ビームの他に２本の副ビームを形成するため、光分割手段を光路中に設置する。ここで、サイドローブによるクロストークを減少するため、光分割手段は、主ビームの光強度分布を周辺部で小さくする。しかし、これらは、いずれも、通常の光ビームについて、周辺で光強度を低減させ、光ビームのサイドローブを小さくさせるものである。これに対し、本発明は、入射光の１部を回折するホログラムレンズ１０７を用いた２焦点レンズ特有の問題点を解決するものである。この場合、光量分布が図２の（ｂ）に示したように特にｙ方向の外周部で大きく、情報読み取りが不安定になる可能性がある。そこで、本発明は、補正ホログラム（あるいは補正フィルタ）を用いて通常の平坦な光強度分布に戻すものである。これにより、本発明は、上述の従来技術よりもサイドローブ低減の効果が大きく、かつ、異なる基材厚に適した光ビームを１つのレンズで形成できるという顕著な効果を得ることができるものである。

図１９に示すように、本光ヘッド装置では、情報記録面上に集光されて情報を読みとった光の一部は光検出器上で大きく広がる。例えば、ホログラムレンズ１０７を用いた本発明の光ヘッド装置で、情報媒体５１（基板の厚みがｔ２の時）の再生を行うとき、情報記録面上に集光されて情報を読みとった光が、ホログラムレンズ１０７を透過した光を用いてサーボ信号や情報信号を読み出す。ここで、情報記録面上に集光されて情報を読みとった光がホログラムレンズ１０７で回折された光は、図１９に示した１次回折光４３０の様に大きく広がる。そこで、サーボ信号検出用の光検出器７５の周囲に大きな（望ましくはφ１ｍｍ以上の大きさの）光検出器７５ｃを設けて、これらの光を受光し、光検出器７５の出力と、光検出器７５ｃの出力の和を情報信号とする。これにより、さらに、Ｓ／Ｎを向上し、また、周波数特性の向上を図ることもできるという効果を得ることができる。

次に、添付の図面を用いて本発明の実施の形態のうち、ホログラムレンズと屈折型レンズとを一体成形する実施形態を説明する。
本実施形態で用いる対物レンズは、光を屈折する対物レンズ４と光の一部を回折するホログラムレンズ１０７との組み合わせで基本的に構成されている。そこで、ホログラムレンズ１０７と対物レンズ４とを、図２０に示すように、対物レンズ４上にホログラムレンズの格子パターンを直接作製することにより一体化してもよい。こうすることによって、ホログラムレンズと対物レンズとの光軸ずれを小さくすることができ、ホログラムレンズの＋１次回折光の軸外収差をより小さくでき、かつ、一層の軽量化と低コスト化を図ることもできるという効果がある。

さらにまた、設計上ホログラムレンズが光軸に対して傾くと収差が発生するような場合は、図２０に示すように、ホログラムレンズ１０７の格子パターンを対物レンズ４の曲率の大きな（曲率半径の小さな）面、すなわち情報媒体（光ディスク）の逆側に形成することにより、ホログラムレンズの光軸に対する収差を抑圧することができるという効果を得ることもまた可能である。

なお、図２０の格子パターン１０７ａの０次回折光（透過光）の位相は、格子パターン１０７ａによって与えられる位相変調量の平均値となる。従って、格子パターン１０７ａの格子の凹凸の高さの平均の面１０７０（点線で表示）と、格子パターンのない面１０７１との表面を連続的につなぎ、かつ、格子パターン１０７ａの格子の平均面１０７０と格子パターンのない面１０７１との表面を、基板厚ｔ２を通して光ビームをほぼ回折限界に集光できるように設計する。

さらに、次の実施形態として、ホログラムレンズ１０７を凸レンズ型に設計し、＋１次回折光を、基板厚みｔ２に対して集光し、０次光を基板厚みｔ１に対して集光することも可能である。この時、外周部の＋１次回折効率はほぼ１００％とし、内周部の回折効率は１００％より小さくする。そして、上述の実施形態の説明中、ホログラムレンズ１０７の０次回折効率を＋１次回折効率と読み代え、ホログラムレンズ１０７の＋１次回折効率を０次回折効率と読み代えることにより、補正ホログラム１２２１は、同様の構成で同様の効果を得ることができる。そして、この実施形態では基板厚ｔ２に対して、色収差が低減される、あるいは、発生しなくなるという効果がある。また逆に、この回析光を情報媒体上に集光し、情報媒体からの反射光を光検出器で受光して、その出力から、いわゆる３ビーム法によるトラッキングエラー信号を得ることも可能である。この場合は、上述とは逆に、光軸に近づく方向に回析する回析光強度が強くなる方向に回析格子部１２２２をブレーズ化することが望ましい。

なお、図２１は、光ヘッド装置の別の実施形態の概略を示す。この光ヘッド装置が図４に示す光ヘッド装置と異なる点は、有限光学系を用いている点と、ビームスプリッタ３６３が平板である点である。この差異により、部品点数の低減とコストダウンの効果がある。放射光源２からの光ビーム３は、補正ホログラム１２２１により外周部の光強度を変化された後、ビームスプリッタ３６３により９０°反射されて、ホログラムレンズの格子パターン１０７を備えた対物レンズ（２焦点レンズ）４（図２０参照）により、情報媒体５、５１上に集光される。情報媒体５、５１からの反射光は、ビームスプリッタ３６３を透過して、光検出器７１に入射する。

光量と位相の変調素子（補正フィルタなど）は、簡単に製造できることが望ましい。補正フィルタ１２２５は、透過率低減部１２２６と段差の２種のパターンを形成する必要があるが、以下に例示する製作法においては、パターニングのためのマスキング工程は１回だけ行えばよく、簡単かつ安価に製造可能である。以下、透過率低減部１２２６は、クロムなどの金属膜を例にとって説明するが、誘電体膜に代えることもできる。図２２は、補正フィルタ１２２５の製造法を示す。

まず、（ａ）に示すように、透明基板１２２５２を洗浄したのち、レジスト膜１２２５１をその表面にコートする。基板１２２５２は、図１６に示した例のように、ビームスプリッタ４２の表面に補正フィルタ１２２５を作成する場合は、ビームスプリッタそのものである。

次に、（ｂ）に示すように、基板１２２５４上の１部に光を遮るマスク材料（一般的にクロム）１２２５５を形成したフォトマスク１２２５３がレジスト膜１２２５１の上に載せられる。このフォトマスク１２２５３を通してレジスト膜１２２５１をパターニングのために露光する。

次に、（ｃ）に示すように、フォトマスク１２２５３を除いて、レジスト膜１２２５１を現像する。これにより、補正フィルタ１２２５の透過部１２２７に相当する部分のみにレジスト膜が残る。

次に、（ｄ）に示すように、残ったレジスト膜１２２５１をマスクにしてエッチングを行なう。これにより、基板１２２５２の表面のうち、レジスト膜１２２５１のない部分のみがエッチングされる。こうして、レジスト膜１２２５１を上に載せた段差が形成される。

次に、（ｅ）に示すように、金属膜１２２６１を蒸着またはスパッタにより形成する。金属膜１２２６１の厚さは、段差の高さより小さい。

最後に、（ｆ）に示すように、レジスト膜１２２５１を有機溶剤などにより除去する。このとき、レジスト膜１２２５１上に形成された金属膜も同時に除去できる（リフトオフ）。こうして、補正フィルタ１２２５が完成する。

図２３は、補正フィルタ１２２５の別の製造法を示す。まず、（ａ）に示すように、透明基板１２２５２を洗浄したのち、基板１２２５１の表面上に金属膜１２２６１を蒸着する。

次に、（ｂ）に示すように、さらにレジスト膜１２２５１を金属膜１２２６１上に塗布する。

次に、（ｃ）に示すように、基板１２２５４上の１部に光を遮るマスク材料（一般的にクロム）１２２５５を形成したフォトマスク１２２５３がレジスト膜１２２５１の上に載せられる。マスク材料１２２５５は、中央部以外に形成される。このフォトマスク１２２５３を通してレジスト膜１２２５１をパターニングのために露光する。

次に、フォトマスク１２２５３を取り除き、レジスト膜１２２５１を現像する。こうして、（ｄ）に示すように、レジスト膜１２２５１は、露光されない部分にのみ残る。
次に、残ったレジスト膜１２２５１をマスクにして金属膜１２２６１をエッチする。こうして、（ｅ）に示すように、透過部１２２７に相当する部分の金属膜１２２６１が除去される。

次に、（ｆ）に示すように、ＳｉＯ₂などの透明な膜１２２６２を形成する。この膜１２２６２の厚さは、金属膜１２２６１の厚さより大きい。

次に、（ｇ）に示すように、レジスト膜１２２５１を溶剤で溶かすなどして除去する。このとき、レジスト膜１２２５１の上に載っているＳｉＯ₂は、同時に除去される（リフトオフ）。こうして、補正フィルタ１２２５が完成する。

本発明に係る対物レンズの設計方法、光ヘッド装置及び光ディスク装置は、光媒体もしくは光磁気媒体（情報媒体）上に記憶される情報の記録・再生あるいは消去に利用される。

半導体レーザーの出射光の広がりの様子を説明するための斜視図である。光ビームの光量分布のグラフであり、(ａ)はＸ方向の光量分布を示し、(ｂ)はＹ方向の光量分布を示す。情報媒体上での集光スポットの光量分布のグラフであり、(ａ)は、Ｘ方向の光量分布を示し、(ｂ)は、Ｙ方向の光量分布を示す。本発明の実施形態の光ヘッド装置の概略断面図である。ホログラムレンズのホログラムパターンを表す平面図である。ホログラムレンズの断面図である。情報媒体上での集光スポットの光量分布のグラフである。２つの焦点での透過光の集光状況を説明するための複合対物レンズの断面図であり、(ａ)は、ホログラムレンズの格子パタ−ン以外にも透過光が透過する場合、(ｂ)はホログラムレンズの格子パタ−ン以内のみに透過光が透過する場合を示す。補正ホログラムの作用を説明するための図であり、(ａ)は、補正ホログラムにより外周部での光強度抑制を説明する概略を示し、(ｂ)は、補正ホログラムを示す。補正ホログラムを備える光ヘッド装置の図式的断面図である。補正ホログラムの図式的平面図である。Ｙ方向の透過率分布を示すグラフである。補正ホログラムを備えるときの光ビームの光量分布のグラフであり、(ａ)は、Ｘ方向の光量分布を、(ｂ)は、Ｙ方向の光量分布を示す。情報媒体上での集光スポットの光量分布のグラフであり、(ａ)は、Ｘ方向の光量分布を、(ｂ)は、Ｙ方向の光量分布を示す。補正ホログラムを備えたコリメートレンズの断面図である。光ヘッド装置の断面図である。補正フィルタの平面図である。補正フィルタの断面図である。光検出器上での光の様子を説明するための斜視図である。複合対物レンズの概略断面図である。複合対物レンズを備えた光ヘッド装置の別の実施形態の断面図である。補正フィルタの製造法を示す図である。補正フィルタの別の製造法を示す図である。

符号の説明

２放射光源、３光ビーム、４対物レンズ、５、５１情報媒体、７１光検出器、３６ビームスプリッタ、１０７ホログラムレンズ、１２１収束レンズ、１２２コリメートレンズ、１２２１補正ホログラム、１２２５補正フィルタ。

Claims

第１の厚さの基板を有する第１の情報媒体と、第２の厚さの基板を有する第２の情報媒体に対して情報の記録又は再生を行う光ヘッド装置であり、
光源と、
前記光源から出射される光を受けて、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報記録面上に光を集光させる対物レンズと、
前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体で反射した光を受けて、電気信号に変換する光検出器と、を具備し、
前記対物レンズは、基板を有する情報媒体の情報記録面上に、前記基板を介して光を集光させる対物レンズであって、屈折型レンズと、収差補正作用を持つホログラムレンズとを具備し、
前記ホログラムレンズは、複数の領域を具備し、
前記複数の領域は、第１領域と、前記第１領域に比して前記対物レンズの光軸に近い第２領域とを含み、
前記ホログラムレンズは前記屈折型レンズの曲率の大きい方の面すなわち曲率半径の小さい方の面に一体形成しており、
前記第１領域を通過した光と、前記第２領域を通過した光の両方を、第１の厚さの基板を有する第１の情報媒体の情報記録面上に、前記第１の厚さの基板を介して集光させ、
前記第２領域を通過した光のみを、第２の厚さの基板を有する第２の情報媒体の情報記録面上に、前記第２の厚さの基板を介して集光させ、
前記第１の厚さは、前記第２の厚さに比して薄く、
前記第１の厚さの基板を介して光が集光するための開口数は、前記第２の厚さの基板を介して光が集光するための開口数に比して大きく、
前記光源は、非点隔差をもつ半導体レーザーであって、
前記光源から前記対物レンズへと至る光路中に、光強度補正素子を具備し、
前記光強度補正素子は液晶セルによって構成され、前記液晶セルが収差を低減することを特徴とする光ヘッド装置。
前記ホログラムレンズは、同心円状のレリーフ形状からなることを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド装置。
前記光源から出射される光を、
前記第１の厚さの基板を有する前記第１の情報媒体の情報記録面上に、前記第１の厚さの基板を介して集光させた場合と、
前記第２の厚さの基板を有する前記第２の情報媒体の情報記録面上に、前記第２の厚さの基板を介して集光させた場合と、
いずれの場合も共通の光検出器によって光を受けて電気信号に変換することを特徴とする請求項１または２に記載の光ヘッド装置。
前記第１の厚さの基板を有する前記第１の情報媒体と、前記第２の厚さの基板を有する前記第２の情報媒体に対して情報の記録又は再生を行う請求項１から３のいずれかに記載の光ヘッド装置を用いて、
前記光源から出射した光を、前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報記録面上に集光し、
前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体から反射して戻る光を前記光検出器で受光することによってトラッキングエラー信号を検出し、
前記第１の情報媒体又は前記第２の情報媒体の情報再生を行うことを特徴とする光ディスク装置。