JP2004138895A

JP2004138895A - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP2004138895A
Application number: JP2002304640A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 大井　好晴
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP4300784B2

Abstract

【課題】同一の対物レンズを用いて、使用波長の異なる複数種類の光ディスクの情報の記録および再生を安定して行える光ヘッド装置を得る。
【解決手段】位相補正素子の平面内における波長λ_２の入射光束が規定する開口数ＮＡ_２の領域に入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状でかつ階段状の凹凸部が形成され、さらに凹凸部の各段における波長λ_１（λ_１＜λ_２）の透過光の位相差が４πとなるように凹凸部が形成された第１の位相補正面１を備る位相補正素子１０を構成し、光ヘッド装置の光源と対物レンズとの間の光路中に搭載する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ヘッド装置に関し、特に２種以上の光記録媒体の情報の記録または再生に使用する光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ用の光記録媒体（以後、光記録媒体を「光ディスク」という）の情報の記録および再生のために、光源として波長が７９０ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡ（開口数）が０．４５から０．５までの対物レンズ、および情報記録面保護用のカバー厚が１．２ｍｍの光ディスクが使用される。一方、ＤＶＤ光ディスクの情報の記録および再生には、光源として波長が６５５ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡが０．６から０．６５までの対物レンズおよびカバー厚が０．６ｍｍの光ディスクが使用される。
【０００３】
さらに、記録情報量を増大させるため、光源として波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡが０．６５の対物レンズおよびカバー厚が０．６ｍｍの光ディスクまたはＮＡが０．８５の対物レンズおよびカバー厚が０．１ｍｍの光ディスクが提案されている。以下、波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザで使用する光ディスクを特にＨＤ光ディスクという。
【０００４】
ＣＤ光ディスクとＤＶＤ光ディスクとＨＤ用の光ディスクとではカバー厚または使用波長が異なるため、それぞれを互換的に使用する場合、いずれか一種の光ディスクに対して設計された対物レンズを別の光ディスクに用いると大きな球面収差が発生し、情報の記録および再生ができない問題があった。
【０００５】
ＨＤ光ディスクに対して波面収差が最小になるよう設計された対物レンズを用いて、ＤＶＤ光ディスクの情報の記録および再生を行う場合に生じる球面収差を低減するため、ＨＤ用の波長λ_１の入射光の偏光方向とＤＶＤ用の波長λ_２の入射光の偏光方向を直交させ使用する偏光性位相補正素子が提案されている。
【０００６】
従来の偏光性位相補正素子の構成例の断面図を図７に示す。偏光性位相補正素子２０は常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料層２を備え、複屈折材料層が光学結晶のときは主光学軸が、高分子材料のときは分子配向軸が、一方向に揃っており、複屈折材料層には断面形状が鋸歯状であり、かつ入射光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部が偏光性位相補正素子のＮＡ＝０．６０の領域に形成され、凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎ_ｏとほぼ等しい屈折率ｎ_ｓの均質屈折率透明材料３が充填されている。
【０００７】
ＨＤ用の光ディスクへ波長λ_１の常光偏光が入射した場合、図７（ｂ）に示すように偏光性位相補正素子の透過波面は変化することなく、対物レンズの収差性能を維持する。一方、ＤＶＤ光ディスクへ波長λ_２の異常光偏光が入射した場合、図７（ａ）に示すように光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する透過波面となり、ＤＶＤ光ディスクの情報の記録および再生ができる。
【０００８】
また、偏光ビームスプリッタと１／４波長板を用い、半導体レーザから出射する直線偏光が偏光ビームスプリッタを往路で透過し、光ディスクで反射されて復路で１／４波長板を往復することにより、半導体レーザの出射直線偏光と直交する直線偏光に変換して、偏光ビームスプリッタを反射させて光検出器へと集光させることにより、光利用効率の高い信号光検出ができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−５６５６０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、偏光ビームスプリッタと１／４波長板を従来の偏光性位相補正素子に用いた場合、往路と復路で偏光性位相補正素子への入射光の偏光状態が異なり、復路で波長λ_１および波長λ_２で大きな球面収差が発生するため問題であった。
【００１１】
また、ＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対応した、３波長用の位相補正素子が存在しないため、単一の対物レンズを用いてこれら３種の光ディスクの情報の記録および再生を行うことは困難であった。
【００１２】
本発明は、上記の従来技術の欠点を解決し、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも波長λ_１とλ_２（λ_１＜λ_２）の２つの光を出射する光源と、光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、光記録媒体の情報記録面からの反射光を検出する光検出器と、光源から対物レンズに至る光路中に波長λ_２の入射光の透過波面を変化させる位相補正素子とを備える、光記録媒体に情報の記録または再生を行う光ヘッド装置において、前記位相補正素子はその平面内における波長λ_２の入射光束が規定する開口数ＮＡ_２の領域に入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状でかつ階段状の凹凸部が形成され、さらに凹凸部の各段における波長λ_１の透過光の位相差が２πｍ（ｍは自然数）となるように凹凸部が形成された第１の位相補正面を備えていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１４】
また、前記位相補正素子は、第１の位相補正面に加えて、前記位相補正素子の平面内における波長λ_２の入射光束の規定する開口数ＮＡ_２の領域に、入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部が第１の位相補正面とは異なる面に形成された第２の位相補正面を備え、第２の位相補正面は常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）で分子配向軸が一方向に揃った有機物の複屈折性材料層からなり、凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎ_ｏと等しい屈折率ｎ_ｓの均質屈折率透明材料が充填されている上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１５】
また、前記位相補正素子は、第１の位相補正面に加えて、前記位相補正素子の平面内における波長λ_２の入射光束の規定する開口数ＮＡ_２の領域に、入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部が第１の位相補正面とは異なる面に形成された第３の位相補正面を備え、第３の位相補正面は波長λ_１において屈折率が等しくかつ波長λ_２において屈折率がたがいに異なる２種の均質屈折率透明材料からなり、一方の均質屈折率透明材料の凹凸部の少なくとも凹部に他方の均質屈折率透明材料が充填されている上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１６】
さらに、前記位相補正素子は、波長λ_１に対する位相差がπ／２の奇数倍となる位相板がさらに追加され一体化されている上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の光ヘッド装置における位相補正素子１０の一例の断面図を図１に、平面図を図２示す。図１においては、透光性基板５上の第１の位相補正面１と第２の位相補正面２と位相板４と透光性基板６上の開口制限フィルタ７からなる。
【００１８】
使用波長λ_１＝４０５ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対して、良好な収差となるよう設計されたＮＡ_１＝０．６５のＨＤ用対物レンズを、使用波長λ_２＝６５５ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスクにＮＡ_２＝０．６５で用いたときに発生する波面収差の一例を図３（ａ）に示す。ここでは使用波長の相違に伴い対物レンズおよび光ディスクの屈折率波長分散に起因した球面収差を示し、横軸は開口径に対応した開口数ＮＡであり、縦軸は光軸上の光線（ＮＡ＝０）に対する各ＮＡ値での光線の位相差の断面を表す。実際にはほぼ軸対称の３次元形状の分布をなす。このように大きな球面収差が残留したままでは対物レンズにより光は充分集光されず、光ディスクの記録および再生ができない。
【００１９】
なお、このような球面収差を補正する方法として、対物レンズへの入射光を発散光とするいわゆる有限光学系構成があるが、対物レンズの光軸に対して直交する面内の対物レンズ移動に対して発生する収差が大きいため安定したトラッキング制御を行う上で実用上問題であった。
【００２０】
対物レンズへの入射光を平行光とするいわゆる無限光学系構成において、図３（ａ）に示す波面収差を補正する本発明の第１の位相補正面１について以下に説明する。
【００２１】
ガラスなどの透光性基板５の波長λ_２＝６５５ｎｍに対する開口数ＮＡ_２＝０．６５の領域に、光軸に関して回転対称性を有する輪帯形状でかつ階段状の凹凸部を形成する。ここで、各隣接する輪帯間の凹凸段差ｄは一定で、各段における屈折率ｎの均質材料の透過光と空気の透過光との波長λ_１に対する位相差２π×（ｎ−１）×ｄ／λ_１を２πｍ（ｍは自然数）でｍ＝２、すなわち４πとしている。λ_１＝４０５ｎｍおよびλ_３＝７９０ｎｍの場合、均質材料の屈折率ｎの波長分散を考慮すると、波長λ_１に対して位相差を４πとすれば波長λ_３に対してほぼ２πとなる。すなわち、このような凹凸部段差ｄからなる輪帯形状でかつ階段状の凹凸部に波長λ_１または波長λ_３の光が透過しても透過波面は変化しない。
【００２２】
一方、凹凸段差ｄを透過した波長λ_２の光に対して、位相差２π×（ｎ−１）×ｄ／λ_２位相遅れが生じる。図３を用いて具体例を説明する。段差ｄを透過した波長λ_２の光は空気に対して凸部材料の屈折率波長分散を考慮すると位相差１．２０×２π相当の透過波面の位相遅れが発生する。すなわち、輪帯形状の凹凸部段差ｄ当たり１波長分の位相差２πとの差異が位相差０．２０×２πの透過波面位相遅れとなる。
【００２３】
ここで、ＨＤ波長λ_１の透過光の透過波面が変化しない凹凸段差ｄは位相差２π×（ｎ−１）×ｄ／λ_１＝２π×ｍ（ｍは自然数）の場合であるが、波長λ_２の透過光に対する位相補正作用は位相差２π×（ｎ−１）×ｄ／λ_２と１波長分の位相差２πとの差異が小さな値ほど図３（ａ）に示す球面収差を低減できるので好ましい。また、ｍが小さな値ほど波長λ_１または波長λ_２の±１５ｎｍ程度の波長ばらつきに対する透過波面変動は少なく、かつ精度よく段差加工しやすいため好ましい。その結果、ＤＶＤ波長の位相差０．６０×ｍ×２πでは、ｍ＝２すなわち波長λ_１に対して位相差が４πとなる段差ｄとすることにより、ＤＶＤ波長λ_２に対して最適な位相補正面となる。ｍが４より大きくなると段差加工がやりにくく好ましくない。
【００２４】
したがって、図３（ａ）を示す波面収差を補正するように凹凸部の輪帯半径と凸部の高さを設定することにより、透過波面が図３の（ｂ）に示す断面形状となり、（ａ）と（ｂ）を合成した結果、残留する波面収差は（ｃ）まで低減される。その結果、ＮＡ_１＝０．６５のＨＤ用（４０５ｎｍ波長帯）に収差最小となるよう設計された対物レンズと第１の位相補正面１が形成された位相補正素子を一体で用いることにより、ＮＡ_２＝０．６５のＤＶＤ用（λ_２＝６５５ｎｍ波長帯）においても入射光は充分集光されるため、光ディスクの記録および再生が良好にできる。
【００２５】
次に、第１の位相補正面１により補正された図３（ｃ）に示す残留波面収差をさらに低減する本発明における第２の位相補正面２について以下に説明する。ガラスなどの透光性基板の開口数ＮＡ_２＝０．６５の領域に、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅの複屈折材料層である高分子液晶層を形成する。図１では第１の位相補正面が形成された透光性基板５の反対側面に形成した場合を示す。ここで、液晶モノマーの溶液を透光性基板上の配向処理の施された配向膜上に塗布し、液晶分子の配向ベクトル（分子配向軸）を基板と平行面内の特定方向に揃うように配向させた後、紫外線などの光を照射して重合硬化させ高分子液晶層とする。
【００２６】
次に、高分子液晶層を断面形状が図３の（ｃ）に相当した輪帯形状になるようフォトリソグラフィ法および反応性イオンエッチング法により図１の第２の位相補正面２に示す形状に加工する。このとき、図４（本発明における位相補正素子の第２の位相補正面または第３の位相補正面の波面収差の補正作用を示す波面収差の部分拡大図）の斜線部で示すように高分子液晶層の各凸部を多段の階段形状または１段の凸部形状としてもよい。
【００２７】
さらに、高分子液晶層の凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎ_ｏとほぼ等しい屈折率ｎ_ｓの均質屈折率透明材料３が充填されている。ここで、高分子液晶層の厚さＤは波長λ_２の異常光偏光が高分子液晶層と均質屈折率透明材料を透過するときに発生する光路長差（ｎ_ｅ−ｎ_ｓ）×Ｄが図３の（ｃ）に示す波面収差を補正するように設定される。
【００２８】
この、第２の位相補正面２に、ＨＤ用の波長λ_１およびＣＤ用の波長λ_３の常光偏光が入射し、ＤＶＤ用の波長λ_２の異常光偏光が入射することにより、常光偏光のＨＤおよびＤＶＤでは透過波面収差は変化せず、異常光偏光のＤＶＤでは図３の（ｃ）に示す残留収差を補正する。その結果、第１の位相補正面１にさらに第２の位相補正面２が形成された位相補正素子を対物レンズと一体で用いることにより、ＮＡ_２＝０．６５のＤＶＤ用（λ_２＝６５５ｎｍ波長帯）において入射光の集光性がさらに向上し、安定した光ディスクのさらに良好な記録および再生ができる。
【００２９】
したがって、第２の位相補正面がさらに形成された位相補正素子を用い、ＨＤ用の波長λ_１とＤＶＤ用の波長λ_２との偏光方向の相違により、波長λ_２の入射光に対してのみ残留波面収差をさらに低減できるため、ＤＶＤの記録および再生において安定性がさらに向上する。
【００３０】
第１の位相補正面により補正された図３（ｃ）に示す残留波面収差をさらに低減する第２の位相補正面と同様の収差補正機能を有する本発明の第３の位相補正面について以下に説明する。
【００３１】
図１において、断面形状が図３の（ｃ）に相当した輪帯形状になるように加工された複屈折材料である高分子液晶層（２の斜線部）の代わりに、均質屈折率透明材料３と屈折率波長分散の異なる均質屈折率波長分散透明材料（２の斜線部）を用いている点が異なる。外見上、第３の位相補正面は第２の位相補正面２と同じである。ただし、均質屈折率波長分散透明材料はその凹凸部の少なくとも凹部に充填された均質屈折率透明材料３に対して、ＨＤ用の波長λ_１においては屈折率がほぼ一致しＤＶＤ用の波長においては屈折差Δｎを有する。
【００３２】
このような屈折率波長分散を有する材料として、例えば、３９０ｎｍ近傍以下の波長で光吸収端を有するＴｉＯ_２やＳｉＮなどを成分として含むＳｉＯ_２との混成膜を均質屈折率波長分散透明材料とし、ＴｉＯ_２やＳｉＮなどに比べ光吸収端が短波長域でかつ４０５ｎｍ近傍で上記混成膜と屈折率が等しい均質屈折率透明材料３を用いればよい。ここで、均質屈折率波長分散透明材料（２の斜線部）の厚さＤは、波長λ_２の光が均質屈折率波長分散透明材料と均質屈折率透明材料３を透過するときに発生する光路長差Δｎ×Ｄが図３の（ｃ）に示す波面収差を補正するように設定される。
【００３３】
この、第３の位相補正面にＨＤ用の波長λ_１の光が入射した場合は透過波面収差の変化はないが、ＤＶＤ用の波長λ_２の光が入射した場合は図３の（ｃ）に示す残留収差が補正される。その結果、第１の位相補正面１にさらに第３の位相補正面２が形成された位相補正素子を対物レンズと一体に用いることにより、入射光の偏光状態に関わらず、ＮＡ_２＝０．６５のＤＶＤ用（λ_２＝６５５ｎｍ波長帯）において入射光の集光性がさらに向上し、安定した光ディスクの記録および再生ができる。
【００３４】
さらに、図１において、波長λ_１の光に対して位相差がπ／２の奇数倍となる位相板４が透光性基板６の片面に形成され、充填剤３を用いて位相補正面が形成された透光性基板５に一体化されている。位相板４としては、複屈折性を有する材料であればいずれでもよい。例えば、高分子液晶、水晶などの光学結晶や、一軸延伸により複屈折性が発現するポリカーボネートなどでもよい。また、位相板４として互いの光軸角度と位相差が異なる位相板（後述の実施例にて説明）を積層することにより、波長λ_１および波長λ_２の光に対して１／４波長板として機能する位相板が得られる。
【００３５】
さらに、図１において、透光性基板６の片面の開口数ＮＡ_３＝０．５０の領域の外に、波長λ_１および波長λ_２の光を透過しかつ波長λ_３の光を反射する開口制限フィルタ７が成膜されている。なお、ＮＡ_３＝０．５０の領域には波長λ_１、波長λ_２および波長λ_３の光を透過するとともにＮＡ_１≒ＮＡ_２＝０．６５の領域で位相差が発生しない反射防止膜（図示せず）が形成されている。開口制限フィルタ７はＴｉＯ_２やＴａ_２Ｏ_５などの高屈折率透明膜とＳｉＯ_２やＭｇＦ_２などの低屈折率透明膜を波長程度の膜厚で交互に１０から２０層程度積層されている。
【００３６】
次に、このようにして得られた位相補正素子１０を搭載した本発明の光ヘッド装置の例を、図６を用いて説明する。半導体レーザ１４Ａから放射された波長λ_１＝４０５ｎｍの直線偏光が偏光ビームスプリッタ１９で反射され、合波プリズム１７を透過し、コリメートレンズ１３により平行光となり位相補正素子１０に入射する。さらに、位相補正素子１０内の位相板は波長λ_１に対して１／４波長板として作用するため、円偏光に変換されて図５（ａ）に示すように位相補正素子１０を直進透過し、開口数ＮＡ_１＝０．６５に相当する光束がＨＤ用に設計された対物レンズ１２によりＨＤ用の光ディスク１１の情報記録面へ集光される。
【００３７】
情報記録面で反射した信号光は元の経路を逆方向に進行して、位相補正素子１０内の位相板により偏光面が９０°回転した直線偏光に変換されて位相補正素子１０を直進透過し、合波プリズム１７および偏光ビームスプリッタ１９を透過して光検出器１５Ａの受光面へ集光され、電気信号に変換される。
【００３８】
また、半導体レーザ１４Ｂから放射された波長λ_２＝６５５ｎｍの直線偏光の光は、その一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｂを透過し、合波プリズム１８を透過し、合波プリズム１７で反射された後、コリメートレンズ１３により集光され平行光となり位相補正素子１０に入射する。開口数ＮＡ_２＝０．６５に相当する光束は、位相補正素子１０により波長の相違に起因して発生する球面収差を補正するよう図５（ｂ）に示す透過波面に変換されるため、対物レンズ１２によりＤＶＤ用の光ディスク１１の情報記録面で充分小さなスポットに集光される。情報記録面で反射した信号光は元の経路を逆方向に進行して、一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｂにより回折されて光検出器１５Ｂの受光面へ集光され、電気信号に変換される。
【００３９】
ここで、位相補正素子１０内の位相板を波長λ_２に対しても１／４波長板とし、ホログラムビームスプリッタ１６Ｂとして常光偏光を透過し異常光偏光を回折する偏光ホログラムビームスプリッタを用いることにより、光利用効率が向上するため特に光ディスクへの情報の記録に有利となる。
【００４０】
また、半導体レーザ１４Ｃから放射された波長λ_３＝７９０ｎｍの直線偏光の光は、その一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｃを透過し、合波プリズム１８および合波プリズム１７で反射され、コリメートレンズ１３により集光されてわずかに発散した光として位相補正素子１０に入射する。発散した光の入射により、球面収差を補正する。位相補正素子内の開口制限フィルタにより開口数ＮＡ_３＝０．５０内の光束のみが直進透過し、図５（ｃ）に示すように透過波面は不変のまま、対物レンズ１２によりＣＤ用の光ディスク１１の情報記録面へ集光される。
【００４１】
ここで、光ディスクのカバー層および波長の相違に起因して発生する球面収差は、対物レンズ１２への入射光を発散光とすることにより補正されている。情報記録面で反射した信号光は元の経路を逆方向に進行して、一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｃにより回折されて光検出器１５Ｃの受光面へ集光され、電気信号に変換される。
【００４２】
ここで、位相補正素子１０内の位相板を波長λ_３に対しても１／４波長板とすることにより、半導体レーザ１４Ｃに帰還する戻り光の偏光面は出射光と直交するため、レーザ発信を乱すことなく安定した記録および再生が実現する。
【００４３】
したがって、本発明における位相補正素子１０をＨＤ用の光ディスクに対して設計された対物レンズ１２と一体で光ヘッド装置に搭載することにより、ＤＶＤ用の光ディスクおよびＣＤ用の光ディスクの記録および再生に用いた場合に発生する波面収差を補正できる。このため、半導体レーザから出射した光を安定して光ディスクの情報記録面へ集光し、ＨＤ、ＤＶＤとＣＤの記録および再生が実現できる。
【００４４】
なお、上記の例ではＨＤ用の対物レンズとしてカバー厚０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対してＮＡ＝０．６５で用いたとき良好な収差となるよう設計された場合について説明したが、カバー厚０．１ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対してＮＡ＝０．８５で最適設計された対物レンズに対しても同様に、本発明における位相補正素子を用いることによりＨＤ、ＤＶＤとＣＤの記録および再生が実現できる。
【００４５】
また、本発明におけるの位相補正素子１０を用いてＨＤおよびＤＶＤのみの記録または再生を実現する場合、図１に示す開口制限フィルタ７は不要である。さらに、図６に示す光ヘッド装置において、ＣＤ用の半導体レーザ１４Ｃ、光検出器１５Ｃ、ホログラムビームスプリッタ１６Ｃおよび合波プリズム１８を用いない構成とすればよい。
【００４６】
【実施例】
「例１」
本例の光ヘッド装置における位相補正素子１０の断面図を図１に、平面図を図２に示す。３波長λ_１＝４０５ｎｍ、λ_２＝６５５ｎｍ、λ_３＝７９０ｎｍに対するそれぞれの屈折率が、１．４７０、１．４５６、１．４５４である透光性基板５であるガラス基板を用意した。焦点距離３ｍｍの対物レンズを用いた場合に、このガラス基板の表面で波長λ_２の入射光束を規定する開口数ＮＡ_２＝０．６５の領域（直径３．９ｍｍ）を直接エッチングにより、断面形状が５レベル（４段）で等段差の階段の凹凸形状に加工され、かつ光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の階段の凹凸形状を有する第１の位相補正面１を形成した。さらに、第１の位相補正面１が加工されたガラス基板表面に、３波長での反射率が１％以下の反射防止膜を形成した。
【００４７】
ここで、凹凸形状の１段の高さｄ_１を１．７２３μｍとし、空気との光路差が波長λ_１に対して２×λ_１となり、位相差４πに相当する。このとき、空気との光路差が波長λ_２に対しては１．２×λ_２すなわち０．２×λ_２相当となり、波長λ_３に対しては約λ_３となっている。したがって、第１の位相補正面１に入射する波長λ_１および波長λ_３の透過波面は変化しないが、波長λ_２の透過波面は階段の凹凸形状格子の輪帯分布に応じて変化する。
【００４８】
凹凸形状の各段の輪帯半径は次のように決定された。すなわち、使用波長λ_１＝４０５ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対して良好な収差となるよう設計されたＮＡ_１＝０．６５のＨＤ用対物レンズを、使用波長λ_２＝６５５ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスクにＮＡ_２＝０．６５で用いたときに発生する図３の（ａ）に示す透過波面収差を補正するように決定された。具体的には、半径０．６１４ｍｍ領域を凹部基準面とすると、半径０．６１４ｍｍから０．８７８ｍｍ領域を高さｄ_１（１段）、半径０．８７８ｍｍから１．０９８ｍｍ領域を高さ２×ｄ_１（２段）、半径１．０９８ｍｍから１．３３４ｍｍ領域を高さ３×ｄ_１（３段）、半径１．３３４ｍｍから１．６７３ｍｍ領域を高さ４×ｄ_１（４段）、半径１．６７３ｍｍから１．７８９ｍｍ領域を高さ３×ｄ_１（３段）、半径１．７８９ｍｍから１．８５７ｍｍ領域を高さ２×ｄ_１（２段）、半径１．８５７ｍｍから１．９０８ｍｍ領域を高さｄ_１（１段）、半径１．９０８ｍｍから１．９５０ｍｍ領域を基準面と同じ高さに加工した。
【００４９】
このとき、第１の位相補正面を透過した波長λ_２の透過波面を図３の（ｂ）に、図３の（ａ）と（ｂ）を合成した結果残留する透過波面収差を（ｃ）に示す。
【００５０】
図３の（ａ）のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ）波面収差は２４０ｍλと極めて大きな３次の球面収差であったが、（ｃ）では３次のＲＭＳ球面収差成分は３ｍλで高次成分も含めた全体のＲＭＳ波面収差も５４ｍλに減少し、波長λ_２でＤＶＤ用の光ディスクに適用した場合も回折限界の集光性能が得られた。
【００５１】
次に、第１の位相補正面１が形成されたガラス基板の反対側の面に、波長λ_２で常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５４および異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．６０の複屈折材料である高分子液晶層を形成した。そして、図３の（ｃ）に示す残留透過波面収差を低減するように高分子液晶層をエッチング加工し、凹部に常光屈折率ｎ_ｏとほぼ等しい屈折率ｎ_ｓ＝１．５４の均質屈折率透明材料３を充填して第２の位相補正面２とした。
【００５２】
具体的には、図４において各凸部が２レベル（１段）の矩形凹凸形状によって近似された形状で、かつ光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸形状とし、第２の位相補正面２を透過する波長λ_２の異常光偏光の透過波面が図４の（ｃ）を近似的に補正するようにした。すなわち、波長λ_２の異常光偏光に対する凹凸形状の階段の屈折率差（ｎ_ｅ−ｎ_ｓ）は０．０６であるため、図３の（ｃ）に示す波面収差０．２λ_２を２レベル（１段）の高分子液晶層で補正する場合、高分子液晶層の高さを約１．１μｍとすればよい。また、各矩形凸部に相当する高分子液晶層の同心輪帯領域をｍｍ単位で最小半径と最大半径の組（　，）で表記すると、（０．４２９，０．６１４）、（０．７５６，０．８７８）、（０．９８９，１．０９８）、（１．２０７，１．３３４）、（１．６７３，１．７４０）、（１．７８９，１．８２６）、（１．８５７，１．８８４）、（１．９０８、１．９３１）となった。
【００５３】
したがって、波長λ_２の入射光を異常光偏光とすることにより透過波面は高分子液晶層の凹凸形状の輪帯分布に応じて変化し、所望の残留収差を補正できる。具体的には、図３の（ｃ）に示すＲＭＳ波面収差の５４ｍλが２７ｍλに半減し、情報の記録および再生の安定性が向上した。
【００５４】
一方、第２の位相補正面２に入射する波長λ_１および波長λ_３の光を常光偏光とすることにより透過波面は変化しないため、良好な透過波面収差レベルに保たれている。
【００５５】
また、波長λ_１および波長λ_２の透過率が９８％以上で波長λ_３の透過率が１０％以下の開口制限フィルタ７を、透光性基板６であるガラス基板の開口数ＮＡ＝０．５０の領域を除いた図２に示す領域に形成した。また、開口数ＮＡ_３＝０．５０の領域には、波長λ_１、λ_２およびλ_３の３波長で反射率が１％以下の反射防止膜を形成した。
【００５６】
さらに、透光性基板６であるガラス基板の片面に、第２の位相補正面２の高分子液晶層と同じ材料を用い、液晶分子の配向方向のそろった膜厚１．９μｍの第１層と膜厚３．８μｍの第２層とを積層した位相板４を形成した。ここで、第１層と第２層の高分子液晶層の分子の配向方向を、透光性基板５であるガラス基板の１側から見て第２の位相補正面２の高分子液晶の分子の配向方向に対して反時計回りに７２．５°および１６．５°とした。その結果、波長λ_１および波長λ_２に対して１／４波長板、波長λ_３に対しても１／４波長板に近い位相板の機能が得られた。
【００５７】
位相補正素子１０は、開口制限フィルタ７と位相板４とが形成された透光性基板６であるガラス基板と、第１の位相補正面１と第２の位相補正面２の形成された透光性基板５であるガラス基板を、均質屈折率透明充填材３を用いて接着一体化されている。
【００５８】
このようにして作製された位相補正素子１０と対物レンズ１２をアクチュエータに一体化固定し、図６に示す光ヘッド装置に搭載した。この光ヘッド装置をＨＤ用およびＤＶＤ用の光ディスクの記録および再生に用いると、対物レンズのみのときに発生したＤＶＤでの波面収差が補正された。さらに、ＣＤ用の光ディスクの記録および再生においても従来の有限系構成による収差補正法が適用できた。
【００５９】
また、ＨＤ用には偏光ビームスプリッタ１９を、ＤＶＤ用には偏光ホログラムビームスプリッタ１６Ｂを用いることにより光利用効率が大幅に向上した。その結果、安定してＨＤ用とＤＶＤ用とＣＤ用の光ディスクの記録および再生が実現した。
【００６０】
「例２」
光ヘッド装置における位相補正素子の他の例として、第２の位相補正面の代わりに本発明の第３の位相補正面を用いた構成について以下に記す。例１において、第２の位相補正面として用いられた高分子液晶層（図１において２の斜線部）の代わりに、ＳｉＮとＳｉＯ_２の体積比が４５：５５の混成膜としたＳｉＮＯの均質屈折率膜を用い、均質屈折率透明材料３である充填材として高屈折率透明樹脂を用いた。
【００６１】
波長λ_１、λ_２、λ_３におけるＳｉＮＯのそれぞれの屈折率は１．７４７、１．７２５、１．７２２、高屈折率透明樹脂の屈折率はそれぞれ１．７４７、１．７０４、１．７００で、ＳｉＮＯと高屈折率透明樹脂の屈折率差Δｎは波長λ_１では生じないが波長λ_２では０．０２１だけ生じる。
【００６２】
透光性基板５であるガラス基板の第１の位相補正面１が形成された面とは反対の面に塗布したフォトレジストをパターニングした後厚さ３．１μｍのＳｉＮＯ膜を成膜し、フォトレジストを剥離するリフトオフ加工により、第２の位相補正面と同様に各凸部が２レベル（１段）の矩形状で、かつ光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部を形成し、その凹部に高屈折率透明樹脂を充填して第３の位相補正面２とした。各矩形凸部に相当するＳｉＯＮ膜の同心輪帯領域の最小半径と最大半径および他の位相補正素子の構成は例１と同じである。
【００６３】
ＳｉＮＯ膜と高屈折率透明樹脂の光路差は０．１λ_２に相当し、ＤＶＤの図３の（ｃ）に示すＲＭＳ波面収差が５４ｍλから２７ｍλにまで半減し、光ヘッド装置に搭載した場合記録および再生の安定性が向上した。
【００６４】
第１の位相補正面と第３の位相補正面の収差補正機能は入射光の偏光状態に依存しないため透過波面は位相板４の性能にかかわらず一定であり、往路および復路においてＤＶＤで発生する波面収差を補正できる特徴がある。
【００６５】
一方、ＣＤ用の光ディスクにおいては第３の位相補正面を波長λ_３の光が透過するとき波面収差が発生するが、３次のＲＭＳ球面収差成分は１ｍλと充分小さな値で、高次成分も含めた全体のＲＭＳ波面収差も５０ｍλ程度であり、使用上問題とならなかった。
【００６６】
【発明の効果】
本発明における第１の位相補正面が形成された位相補正素子を、ＨＤ用の光ディスクにおいて収差が最小となるよう設計された対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載することにより、ＤＶＤ用の光ディスクにおいて発生する球面収差が低減されるため、ＨＤおよびＤＶＤに対して安定した情報の記録および再生ができる。
【００６７】
また、第２の位相補正面または第３の位相補正面がさらに形成された位相補正素子を用いることにより、残留波面収差をさらに低減できるため、ＤＶＤの記録および再生において安定性がさらに向上する。
【００６８】
また、第２の位相補正面は入射偏光方向を調整することにより、ＨＤ用およびＣＤ用の波長に対して収差劣化がない位相補正素子とできる。
【００６９】
また、第３の位相補正面は入射光の波長の相違にのみ依存した透過波面変化を及ぼし偏光状態には依存しないため、位相板を併用して往路と復路で位相補正素子入射偏光が異なる場合でも同じ透過波面性能とできる。
【００７０】
また、１／４波長板相当の位相板が一体化された位相補正素子を用い、偏光ビームスプリッタと併用することにより光学系の光利用効率が向上するため、半導体レーザ光源の消費電力の低減またはより高速な記録および再生ができる。さらに、半導体レーザ光源への戻り光に起因したレーザ発信強度変動が抑制され、光ディスクの記録および再生の安定性が向上する。
【００７１】
また、本発明における位相補正素子にさらに開口制限フィルタを一体に形成することにより、ＨＤおよびＤＶＤに加えてＣＤの光ディスクの記録および再生ができる光ヘッド装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における位相補正素子の構造を示す断面図。
【図２】本発明における位相補正素子の構造を示す平面図で、（ａ）は一方の面から見た平面図、（ｂ）は他方の面から見た平面図。
【図３】ＤＶＤ用の光ディスクにおける透過光の波面収差を示すグラフで、（ａ）は本発明における位相補正素子を用いないときに発生する波面収差、（ｂ）は本発明における位相補正素子を用いたとき、本素子の第１の収差補正面が発生する補正用の波面収差、（ｃ）は本発明における位相補正素子を用いたとき、本素子の第１の収差補正面により補正された結果残留する波面収差。
【図４】本発明における位相補正素子の第２の位相補正面または第３の位相補正面の波面収差の補正作用を示す波面収差の部分拡大図。
【図５】本発明における位相補正素子へ３種の波長の光が入射したときの光束と波面を示す図で、（ａ）は波長λ_１の光が入射したときの断面図、（ｂ）は波長λ_２の光が入射したときの断面図、（ｃ）は波長λ_３の光が入射したときの断面図。
【図６】本発明における位相補正素子を搭載した光ヘッド装置を示す構成図。
【図７】従来の位相補正素子の構造および光束と波面を示す図で、（ａ）は波長λ_２の異常光偏光が入射したときの断面図、（ｂ）波長λ_１の常光偏光が入射したときの断面図。
【符号の説明】
１：第１の位相補正面
２：第２の位相補正面または第３の位相補正面
３：均質屈折率透明材料
４：位相板
５、６：透光性基板
７：開口制限フィルタ
１０：位相補正素子
１１：光ディスク
１２：対物レンズ
１３：コリメートレンズ
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ：半導体レーザ
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ：光検出器
１６Ｂ、１６Ｃ：ホログラムビームスプリッタ
１７、１８：合波プリズム
１９：偏光ビームスプリッタ
２０：偏光性位相補正素子

Claims

少なくとも波長λ_１とλ_２（λ_１＜λ_２）の２つの光を出射する光源と、光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、光記録媒体の情報記録面からの反射光を検出する光検出器と、光源から対物レンズに至る光路中に波長λ_２の入射光の透過波面を変化させる位相補正素子とを備える、光記録媒体に情報の記録または再生を行う光ヘッド装置において、
前記位相補正素子はその平面内における波長λ_２の入射光束が規定する開口数ＮＡ_２の領域に入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状でかつ階段状の凹凸部が形成され、さらに凹凸部の各段における波長λ_１の透過光の位相差が２πｍ（ｍは自然数）となるように凹凸部が形成された第１の位相補正面を備えていることを特徴とする光ヘッド装置。
前記位相補正素子は、第１の位相補正面に加えて、前記位相補正素子の平面内における波長λ_２の入射光束の規定する開口数ＮＡ_２の領域に、入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部が第１の位相補正面とは異なる面に形成された第２の位相補正面を備え、第２の位相補正面は常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）で分子配向軸が一方向に揃った有機物の複屈折性材料層からなり、凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎ_ｏと等しい屈折率ｎ_ｓの均質屈折率透明材料が充填されている請求項１に記載の光ヘッド装置。
前記位相補正素子は、第１の位相補正面に加えて、前記位相補正素子の平面内における波長λ_２の入射光束の規定する開口数ＮＡ_２の領域に、入射光の光軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部が第１の位相補正面とは異なる面に形成された第３の位相補正面を備え、第３の位相補正面は波長λ_１において屈折率が等しくかつ波長λ_２において屈折率がたがいに異なる２種の均質屈折率透明材料からなり、一方の均質屈折率透明材料の凹凸部の少なくとも凹部に他方の均質屈折率透明材料が充填されている請求項１に記載の光ヘッド装置。
前記位相補正素子は、波長λ_１に対する位相差がπ／２の奇数倍となる位相板がさらに追加され一体化されている請求項１から３のいずれかに記載の光ヘッド装置。