JP4280896B2 - 光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及び色収差補正素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置及び対物レンズに関し、特に、高密度な光情報記録又は再生を達成できる光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及び色収差補正素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光ディスクはＣＤ（コンパクトディスク）またはＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）で知られているように、音楽情報、映像情報の蓄積またはコンピューターデータの保存といった、デジタルデータの保存に広く使われている。更に、近年における情報化社会の到来とともに、これらの光ディスクの大容量化がより強く求められているという実情がある。
【０００３】
ここで、光ディスクにおいて、単位面積あたりの記録容量（記録密度）の向上は、光ピックアップ装置用光学系から得られる集光スポットのスポット径を小さくすることで実現できる。このスポット径は、周知のようにλ／ＮＡ（ただし、λは光源の波長、ＮＡは対物レンズの像側開口数）に比例するので、スポット径を小さくするためには、光ピックアップ装置で使用される光源の短波長化、及び光ディスクに対向して配置される対物レンズの高開口数化が有効である。
【０００４】
このうち、光源の短波長化に関しては、波長４００ｎｍ程度のレーザ光を発生する青紫色半導体レーザの研究が進展を見せており、その実用化も近いといえる。ここで、光ピックアップ装置では、一般的に情報の再生時のレーザパワーよりも記録時のレーザパワーの方が大きいため、再生から記録に切り替える際に出力変化により中心波長が瞬時的に数ｎｍとぶ、いわゆるモードホッピング現象を起こす場合がある。かかるモードホッピング現象に起因して発生したデフォーカス誤差は、対物レンズをフォーカシング動作させることで除去できるが、対物レンズの軸上色収差が補正されていないと、対物レンズをフォーカシング動作させるまでの数ｎｓｅｃの間は、デフォーカス誤差による記録不良等の不具合が生じる。対物レンズの軸上色収差は、それを通過する光束の光源波長が短くなるほど大きくなるので、光源波長が短くなるほどモードホッピング現象に起因した波面収差劣化は大きくなる傾向がある。以上の理由から、特に青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置では、対物レンズの軸上色収差の補正が必要であるといえる。
【０００５】
対物レンズの軸上色収差を簡単な構成で補正するための素子として、回折作用を利用した色収差補正素子が公知である。青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置において、対物レンズの軸上色収差を補正するためのかかる色収差補正素子を備えた光ピックアップ装置及び光ピックアップ装置用光学系が、以下の特許文献１乃至３に記載されている。
【特許文献１】
特開２００１−２５６６７２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０８８９４号公報
【特許文献３】
特開２００２−０８２２８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１に記載された光ピックアップ装置は、青紫色半導体レーザ光源と対物レンズとの間の平行光束中に配置された回折素子により、対物レンズの軸上色収差を補正するものであり、特許文献２に記載された光ピックアップ装置用光学系は、青紫色半導体レーザ光源からの発散光束を平行光束に変換して対物レンズに導くためのコリメートレンズの光学面上に回折構造を形成して、その作用により、対物レンズの軸上色収差を補正するものであり、特許文献３に記載された光ピックアップ装置は、青紫色半導体レーザ光源と対物レンズとの間の平行光束中に配置されたエキスパンダーレンズの光学面上に回折構造を形成して、その作用により、対物レンズの軸上色収差を補正するものである。
【０００７】
上記の光ピックアップ装置及び光ピックアップ装置用光学系では、色収差補正素子から射出されて対物レンズに向かう光束が、回折構造の作用により半導体レーザの波長が、光ピックアップ装置用光学系の設計波長より長くなる方向に変化した場合には収斂光束となり、半導体レーザの波長が、光ピックアップ装置用光学系の設計波長より短くなる方向に変化した場合には発散光束となるので、この特性を利用することで、対物レンズの軸上色収差を補正することができる。しかるに、このように、半導体レーザの波長変化により対物レンズに向かう光束の発散度が変化すると、対物レンズの倍率が変化するため球面収差が発生する。
【０００８】
光ピックアップ装置において光源として使用される半導体レーザは、製造誤差により個体間に±１０ｎｍ程度の波長差がある。上記の光ピックアップ装置及び光ピックアップ装置用光学系において、このように波長が、光ピックアップ装置用光学系の設計波長からずれた半導体レーザを使用する場合、対物レンズの倍率変化に伴って発生する球面収差を除去するため、コリメートレンズ位置や半導体レーザ位置の初期調整が必要となり、光ピックアップ装置の製造コストが増大する。
【０００９】
特に、上記の問題は、一般的に光ピックアップ装置のコスト低減やコンパクト化を図るための一手法である高開口数の対物レンズの単レンズ化によって、より顕在化される傾向がある。単レンズでは、入射光束の波長変化に伴う球面収差の変化（以降では、かかる球面収差の変化を「球面色収差」と呼ぶ）は開口数の４乗に比例して増大する。そのため、コリメートレンズ位置の調整や半導体レーザ位置の初期調整で、上記の対物レンズの倍率変化に伴い発生した球面収差変化に加えて、対物レンズ自身に残留する球面色収差を補正する必要がある。また、高開口数の対物レンズの単レンズ化を実現するためには、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを確保するため、高屈折率材料を使用するのが望ましい。
【００１０】
ところが、一般的に高屈折率材料は低分散であるので、色収差補正素子で補正するべき軸上色収差量が大きくなる傾向がある。そのため、かかる高屈折率材料からなる対物レンズの軸上色収差を補正するためには、色収差補正素子から対物レンズに向かう光束の、半導体レーザの波長変化に伴う発散度変化を大きく設定する必要があり、この結果、波長が光ピックアップ装置用光学系の設計波長からずれた半導体レーザを使用する場合に、対物レンズの倍率変化が大きくなる。従って、対物レンズの倍率変化に伴う球面収差の発生が大きくなり、コリメートレンズ位置の初期調整量や半導体レーザ位置の初期調整量が増大する。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、波長の短い青紫色レーザ光源を使用する光ピックアップ装置に搭載される光ピックアップ装置用光学系であって、入射する光の波長が変化した場合に発生するデフォーカス誤差及び球面収差を小さく抑えることができる光ピックアップ装置用光学系を提供することを目的とする。さらに、この光ピックアップ装置用光学系に適用可能な色収差補正素子を提供することを目的とする。また、これらの光ピックアップ装置用光学系や色収差補正素子を搭載した光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置を提供することも本発明の目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光ピックアップ装置用光学系は、色収差補正素子と、前記色収差補正素子を介して入射する波長５００ｎｍ以下の光束を集光する対物レンズとを備えた光ピックアップ装置用光学系において、
前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定され、
前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の原理について説明する。図１（ａ）は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系ＯＳの断面図であり、図１（ｂ）は、色収差補正素子の半導体レーザ側の光学面の拡大図であり、図１（ｃ）は、色収差補正素子の対物レンズＯＢＪ側の光学面の拡大図である。本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系ＯＳは、図１に示すように、図示しない青紫色半導体レーザ光源から射出され、図示しないコリメートレンズによりコリメートされた平行光束中に配置される色収差補正素子ＣＡと、この色収差補正素子ＣＡを介した光束を、光ディスクＯＤの保護層ＤＰを介して情報記録面ＤＲ上に集光する対物レンズＯＢＪとから構成されている。
【００１４】
色収差補正素子ＣＡはその光学面上に、拡大図（図１（ｂ）、（ｃ））に示したように微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成された輪帯構造（ここでは回折構造）を有し、かかる輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長から１０ｎｍの範囲で前記所定の波長（例えば、光ピックアップ装置用光学系ＯＳの設計波長λ_０）より長い（又は短い）波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きく（又は小さく）なる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有する。そのため、色収差補正素子ＣＡを通過した前記所定の波長の光束が平行光束であるとした場合、色収差補正素子ＣＡを通過した前記所定の波長より長い（又は短い）波長の光束は収斂光束（又は発散光束）となるので、対物レンズＯＢＪの軸上色収差を補正することが可能である。
【００１５】
ところが、上述したように、半導体レーザの波長変化により対物レンズに向かう光束の発散度が変化すると、対物レンズの倍率が変化するため球面収差が発生する。例えば、光ピックアップ装置用光学系の設計波長λ_０よりΔλだけ長い波長の青紫色半導体レーザを使用する場合、色収差補正素子ＣＡを通過した光束は収斂光束となるので、そのままでは対物レンズの倍率は大きくなる方向に変化する。そのため、対物レンズの球面収差は補正過剰方向に変化する（図２（ａ）参照）。
【００１６】
一方、光ピックアップ装置用光学系の設計波長λ_０よりΔλだけ短い波長の青紫色半導体レーザを使用する場合、色収差補正素子ＣＡを通過した光束は発散光束となるので、対物レンズの倍率は小さくなる方向に変化する。そのため、対物レンズの球面収差は補正不足方向に変化する（図２（ｂ）参照）。
【００１７】
これに対し、色収差補正素子ＣＡの光学面上に形成された輪帯構造に、入射光束の波長変化に伴いその近軸パワーが変化するような近軸パワーの波長依存性に加えて、入射光束の波長変化に伴いその球面収差が変化するような球面収差の波長依存性を持たせることで、対物レンズＯＢＪの倍率変化に伴って発生する球面収差を打ち消すように作用させることが可能である。すなわち、５００ｎｍ以下の所定の波長から１０ｎｍの範囲で前記所定の波長（例えば、光ピックアップ装置用光学系ＯＳの設計波長λ_０）より長い（又は短い）波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足（又は補正過剰）になる方向に変化するような球面収差の波長依存性を持たせることで、対物レンズＯＢＪの倍率変化により、補正過剰（又は補正不足）になる方向に変化する球面収差を打ち消すことができる。
【００１８】
ところが、色収差補正素子ＣＡの輪帯構造に、入射光束の波長変化に伴って近軸パワーと球面収差の両方が変化するような特性を持たせると、隣接する輪帯同士の光軸に垂直な方向の間隔（以降、輪帯ピッチ）が、その設計波長の数倍程度と極めて微細な構造となり、また、輪帯の総数が極めて多くなってしまう。そのため、金型加工が困難となり、また、成形時の転写性の劣化が大きくなる。かかる転写性の劣化は、回折効率、すなわち光透過率の低下につながる。さらに、輪帯の総数が増加すると、金型加工に要する時間が増大するので製造コストが上昇してしまう。
【００１９】
そこで、本発明においては、図１に示したように、色収差補正素子ＣＡの両方の光学面上に輪帯構造を形成している。これにより、１つの光学面上に形成された輪帯構造の輪帯ピッチを広げることができ、さらに、輪帯の総数を少なくすることができる。例えば、上記輪帯構造の機能をそれぞれの光学面上の輪帯構造に均等に分配することで、１つの光学面上に形成された輪帯構造の輪帯ピッチは２倍となり、輪帯の総数は半分となるので、金型加工を容易にすることができ、さらに、転写性の劣化に伴う光透過率の低下を小さく抑えることができる。また、金型加工に要する時間が短縮される結果、製造コストを小さく抑えることができる。
【００２０】
ところで、高開口数の単レンズ構成の対物レンズＯＢＪを実現するためには、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを確保するため、高屈折率材料を使用するのが望ましいが、一般的に高屈折率材料は低分散であるので、色収差補正素子ＣＡで補正するべき軸上色収差量が大きくなる。そのため、かかる高屈折率材料からなる対物レンズＯＢＪの軸上色収差を補正するためには、色収差補正素子ＣＡから対物レンズＯＢＪに向かう光束の、入射光束の波長変化に伴う発散度変化を大きく設定する必要があり、この結果、波長が設計波長からずれた半導体レーザを使用する場合に、対物レンズの倍率変化が大きくなるので、それに伴う球面収差の発生が大きくなる。また、対物レンズＯＢＪが高開口数の単レンズである場合、対物レンズＯＢＪの球面収差の波長特性は図３のようになる。単レンズでは、入射光束の波長がその設計波長より長く（又は短く）なった場合に、その球面収差が補正過剰（又は補正不足）になる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有する。この球面収差の変化量（図３において、マージナル光線の球面収差の変化量ΔＳＡＲに相当）は、開口数の４乗に比例して増大する。
【００２１】
これに対して、本発明においては、色収差補正素子ＣＡの輪帯構造に、入射光束の波長変化に伴って球面収差が変化するような特性を持たせたので、対物レンズＯＢＪを高開口数の単レンズした場合でも、半導体レーザの波長変化に伴う倍率変化による球面収差の変化と、対物レンズＯＢＪ自身の球面収差の変化（図３において、ΔＳＡＲ）の両方を打ち消すように作用させることが可能である。
尚、本明細書中で用いる「設計波長」とは、光学素子に対して倍率、温度、入射光束径等、全く同じ条件で様々な波長の光束を入射させた場合に、収差が最小となる波長、或いは、光学素子が回折構造を有する場合、回折構造が最大となる波長をいうものとする。又、色収差補正素子の素材は限定されないが、射出成形により光学面の微細構造を精度良く転写するためには、素材はプラスチックであることが望ましい。
【００２２】
また、微細な輪帯構造を有する色収差補正素子を形成するための金型は、シリコン等で形成した母型の素材にレジストを塗布した上で、電子ビーム描画により微細構造を形成し、現像及びドライエッチングを経て得られた母型に対し、電鋳を成長させることで得ることができる。但し、金型の製造方法は、これに限られず、電子ビーム描画により、色収差補正素子の光学面に直接、微細構造を彫り込んでも良い。
【００２３】
色収差補正素子は単体に限らず、例えば輪帯ピッチが小さくなりすぎて製造困難となる場合には、色収差補正素子を２つ以上設けて、それらの光学面を利用して回折パワーを分担させても良い。更に、色収差補正素子により、所望の球面収差を有する波面を発生させるには、少なくとも１つの非球面を色収差補正素子に設けるのが望ましい。より好ましくは、輪帯構造が巨視的に見て非球面とするのがよい。
【００２４】
光ピックアップ装置用光学系に適用可能な色収差補正素子として、図示しない青紫色半導体レーザ光源から射出された発散光束の発散角を変換して対物レンズに導くカップリングレンズや、図示しないコリメートレンズによりコリメートされた平行光束の径を変換して対物レンズに導くエキスパンダーレンズを用いてもよい。
【００２５】
また、図１の光ピックアップ装置用光学系ＯＳでは、色収差補正素子ＣＡの回折構造を平面上に形成しているが、凹面または凸面上に形成してもよい。特に、図１に示すように、かかる回折構造を凹面上に形成する場合は、後述の数２で表される回折構造の近軸パワーと、凹面の屈折面としての屈折パワーの絶対値をほぼ同じにして、その符号を逆にすると、色収差補正素子ＣＡに入射する光束径と色収差補正素子ＣＡから射出される光束径とをほぼ同じにすることができる（図１（ａ）参照）。このとき、かかる回折構造を光軸を含む断面で見ると、図１（ｂ）、（ｃ）の拡大図に示されるように、各輪帯構造が階段状となる。
【００２６】
請求項２に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記対物レンズは、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズであると、より高い屈折率を得ることができるので好ましい。
【００２７】
請求項３に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記対物レンズは、ｈ線の屈折率が１．６以上の材料から形成された単レンズであると好ましい。
【００２８】
請求項４に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記対物レンズは、像側開口数が０．７以上とされると好ましい。
【００２９】
請求項５に記載の光ピックアップ装置用光学系において、光軸から遠い側にある輪帯ほどその面積が小さくなると好ましい。
【００３０】
請求項６に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記輪帯構造のうち、前記色収差補正素子の有効径の半分の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｈ、前記色収差補正素子の有効径の周辺の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｆ、としたとき、次式を満たすと好ましい。
０．４＜Ｐｈ／Ｐｆ−２＜８ （１）
【００３１】
請求項７に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ_０（ｎｍ）、前記設計波長λ_０における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となると好ましい。
ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
（ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ_０×１０^３） （３）
【００３２】
すなわち、高次の回折光を用いて、上述した機能を発揮させるようにした場合、図１（ａ）、（ｂ）に点線で示すように、１面当たりの輪帯ピッチを倍数分広げることが可能となる。それにより、色収差補正素子をより容易に製造できる。
【００３３】
前記輪帯構造は、巨視的にみると凹面である。色収差補正素子の両面に輪帯構造を設けた場合、そのパワーをゼロとするためには（すなわち、光源と対物レンズの平行光束中に配置できるようにするためには）、かかる輪帯構造を巨視的に見て凹面を構成するようにする。
【００３４】
請求項８に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であると好ましい。色収差補正素子の入射光束径と出射光束径とを等しくするためには、光軸近傍の輪帯構造を階段状とする必要があるからである。尚、色収差補正素子の入射光束径と出射光束径とを等しく維持すれば、色収差補正素子によって光束が曲げられないので、シェーディングによる回折効率の低下を抑制できる。
【００３５】
請求項９に記載の光ピックアップ装置用光学系において、前記輪帯の総数が１つの光学面あたり２０以上１５０以下であると好ましい。
【００３６】
前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材で光軸直交方向に固定されてなる。本発明において、色収差補正素子ＣＡで故意に球面収差を発生させるので、製造誤差により波長が基準波長からずれた青紫色半導体レーザを使用した場合に、対物レンズのトラッキング駆動を行うと、色収差補正素子と対物レンズとの光軸ズレが生じ、それによりコマ収差が発生する恐れがある。従って良好なトラッキング特性を得るためには、前記色収差補正素子と前記対物レンズとを保持部材で光軸直交方向に固定させ、光軸ズレが生じないよう一体的にトラッキング駆動を行うことが望ましい。色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪを一体化した具体例を、図４及び図５に示す。図４では、色収差補正素子ＣＡのフランジ部ＣＡＦと、対物レンズＯＢＪのフランジ部ＦＬがここでいう保持部材を兼ねており、両者を接合部で嵌合・接着することで一体化している。また、図５では、色収差補正素子ＣＡや対物レンズＯＢＪとは別体の保持部材ＨＬにより色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪを嵌合し、接合部で接着することで一体化している。
【００３７】
請求項１０に記載の光ピックアップ装置は、
光源波長が５００ｎｍ以下である光源と、
前記光源から射出された光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させることによって情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置用光学系と、を有する光ピックアップ装置において、
前記光ピックアップ装置用光学系は、色収差補正素子と、前記色収差補正素子を介して入射する前記光源からの光束を集光する対物レンズとを備え、
前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定され、
前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする。
【００３８】
請求項１１に記載の光ピックアップ装置において、前記対物レンズは、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズであることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項２に記載の作用効果と同様である。
【００３９】
請求項１２に記載の光ピックアップ装置において、前記対物レンズは、ｈ線の屈折率が１．６以上の材料から形成された単レンズであることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項３に記載の作用効果と同様である。
【００４０】
請求項１３に記載の光ピックアップ装置において、前記対物レンズは、像側開口数が０．７以上とされたことを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項４に記載の作用効果と同様である。
【００４１】
請求項１４に記載の光ピックアップ装置において、光軸から遠い側にある輪帯ほどその面積が小さくなると好ましい。
【００４２】
請求項１５に記載の光ピックアップ装置において、前記輪帯構造のうち、前記色収差補正素子の有効径の半分の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｈ、前記色収差補正素子の有効径の周辺の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｆ、としたとき、次式を満たすと好ましい。
０．４＜Ｐｈ／Ｐｆ−２＜８ （１）
【００４３】
請求項１６に記載の光ピックアップ装置において、前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ₀（ｎｍ）、前記設計波長λ₀における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となることを特徴とする。
ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
（ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ₀×１０³） （３）
本発明の作用効果は、請求項７に記載の作用効果と同様である。
【００４５】
請求項１７に記載の光ピックアップ装置において、前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項８に記載の作用効果と同様である。
【００４６】
請求項１８に記載の光ピックアップ装置において、前記輪帯の総数が１つの光学面あたり２０以上１５０以下であると好ましい。
【００４８】
請求項１９に記載の光情報記録再生装置において、請求項１０乃至１８に記載の光ピックアップ装置を搭載したことを特徴とする。
【００４９】
請求項２０に記載の色収差補正素子は、光源波長５００ｎｍ以下の光源と、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズ構成の対物レンズとの間の光路中に配置される色収差補正素子であって、
前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定されて用いられ、
前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする。
【００５０】
請求項２１に記載の色収差補正素子において、前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ₀（ｎｍ）、前記設計波長λ₀における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となることを特徴とする。
ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
（ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ₀×１０³） （３）
本発明の作用効果は、請求項５に記載の作用効果と同様である。
【００５２】
請求項２２に記載の色収差補正素子において、前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項７に記載の作用効果と同様である。
【００５３】
なお、本明細書において、回折構造が形成された光学面とは、光学素子の表面、例えばレンズの表面に、レリーフを設けて、入射光束を回折させる作用を持たせる面のことをいい、同一の光学面に回折の作用を生じる領域と生じない領域がある場合は、回折の作用を生じる領域をいう。また、回折構造とは、この回折を生じる領域のことをいう。レリーフの形状としては、例えば、光学素子の表面に、光軸を中心として略同心円状の輪帯として形成され、光軸を含む平面でその断面をみれば、各輪帯は鋸歯状、あるいは階段状のような形状が知られているが、そのような形状を含むものである。
【００５４】
なお、本明細書において、対物レンズとは光ピックアップ装置に光情報記録媒体（光ディスク）を装填した状態において、最も光情報記録媒体側の位置で、これと対向すべく配置される集光作用を有するレンズを指すものとする。従って、本明細書において、対物レンズの開口数及び像側開口数とは光情報記録媒体側の開口数であって、それぞれの光情報記録媒体の規格で規定されている開口数、あるいは、それぞれの光情報記録媒体に対して、使用する光源の波長に応じ、情報の記録／再生をするために必要なスポット径を得ることができる、回折限界性能を有する開口数を指すものとする。
【００５５】
また、本明細書において、情報の記録とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に情報を記録することをいう。また、本明細書において、情報の再生とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に記録された情報を再生することをいう。本発明による対物レンズは、記録だけあるいは再生だけを行うために用いられるものであってもよいし、記録および再生の両方を行うために用いられるものであってもよい。また、ある光情報記録媒体に対しては記録を行い、別の光情報記録媒体に対しては再生を行うために用いられるものであってもよいし、ある光情報記録媒体に対しては記録または再生を行い、別の光情報記録媒体に対しては記録および再生を行うために用いられるものであってもよい。なお、ここでいう再生とは、単に情報を読み取ることを含むものである。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光ピックアップ装置用光学系ＯＳを搭載した光ピックアップ装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図６は、本実施の形態に係る光ピックアップ装置ＰＵの概略構成図である。光ピックアップ装置ＰＵは、図６に示すように光源となる半導体レーザＬＤを備えている。半導体レーザＬＤは、波長４００ｎｍ程度の光束を射出するＧａＮ系青紫色半導体レーザ、或いはＳＨＧ青紫色半導体レーザである。この半導体レーザＬＤから射出された発散光束は、偏光ビームスプリッタＢＳを透過し、１／４波長板ＷＰを経て円偏光の光束となった後、カップリングレンズＣＵＬで平行光束となる。この平行光束は絞りＳＴを経た後、色収差補正素子ＣＡに入射し、その後対物レンズＯＢＪによって光ディスクＯＤの保護層ＤＰを介して情報記録面ＤＲ上に集光スポットとして形成される。色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪは、色収差補正素子ＣＡのフランジ部ＣＡＦ及び対物レンズＯＢＪのフランジ部ＦＬを嵌合・接着することで一体化されており、２軸アクチュエータＡＣによって一体となってフォーカス方向及びトラッキング方向に駆動される。対物レンズＯＢＪはｄ線のアッベ数が６５以下、或いはｈ線の屈折率が１．６以上の材料から形成された単レンズであって、光ディスクＯＤ側の開口数が０．７以上とされている。
【００５７】
情報記録面ＤＲで情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物レンズＯＢＪ、色収差補正素子ＣＡを透過した後、絞りＳＴを経てカップリングレンズＣＵＬにより収斂光束となる。この収斂光束は、１／４波長板ＷＰにより直線偏光とされた後、偏光ビームスプリッタＢＳによって反射され、シリンドリカルレンズＣＹ、凹レンズＮＬを経ることによって非点収差が与えられ、光検出器ＰＤの受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤの出力信号に基づいて生成されたフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号を用いて光ディスクＯＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う。
【００５８】
また、本発明に係わる光情報記録再生装置は、上述した光ピックアップ装置ＰＵと、光ディスクＯＤをこの光ピックアップ装置により情報の記録／再生が可能に支持する図示しない光情報記録媒体支持手段とを有して構成されるものである。光情報記録媒体支持手段は、光ディスクＯＤの中心部分を保持して回転操作する回転操作装置によって構成される。
【００５９】
上述のように構成された光ピックアップ装置ＰＵ及び上述の光情報記録再生装置における光ピックアップ装置ＰＵにおいて、色収差補正素子ＣＡの両方の光学面上には、請求項１に記載のような輪帯構造が形成されているので、半導体レーザＬＤがモードホッピングを起こした場合でも、集光スポットのデフォーカス誤差の発生が小さく、光ディスクＯＤに対して常に良好に記録を行うことができる。さらに、半導体レーザＬＤの波長が、製造波長により色収差補正素子ＣＡや対物レンズＯＢＪの設計波長からずれている場合でも、集光スポットの球面収差の変化が小さいので、半導体レーザＬＤの位置やカップリングレンズＣＵＬの位置の初期調整が不要であるので、光ピックアップ装置ＰＵの製造コストを削減できる。このとき、色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪは一体となってトラッキング駆動を行うので、トラッキング駆動によるコマ収差の発生がなく良好なトラッキング特性が得られる。
【００６０】
（実施例）
次に、上述した光ピックアップ装置用光学系ＯＳとして好適な実施例を提示する。本実施例の光ピックアップ装置用光学系ＯＳにおいて、設計波長は４０７．５ｎｍ、対物レンズＯＢＪの焦点距離は１．４１ｍｍ、対物レンズＯＢＪの像側開口数は０．８５、対物レンズＯＢＪの入射瞳径は２．４ｍｍである。
【００６１】
実施例における非球面は、その面の頂点に接する平面からの変形量をＸ（ｍｍ）、光軸に垂直な方向の高さをｈ（ｍｍ）、曲率半径をｒ（ｍｍ）とするとき、次の数１で表される。ただし、κを円錐係数、Ａ_２ｉを非球面係数とする。
【数１】

【００６２】
また、実施例における回折構造としての輪帯構造は、この輪帯構造により透過波面に付加される光路差で表される。かかる光路差は、光軸に垂直な方向の高さをｈ（ｍｍ）、ｂ_２ｊを回折面係数（光路差関数係数ともいう）とするとき次の数２で定義される光路差関数Φ_ｂ（ｍｍ）で表される。
【数２】

【００６３】
この光路差関数Φ_ｂ（ｍｍ）の値をもとに回折構造を形成する場合、光路差関数Φ_ｂ（ｍｍ）の値が設計波長４０７．５ｎｍのｎ倍（ただし、ｎは自然数）変わる毎に輪帯を形成する。
【００６４】
また、実施例のレンズデータ表において、ｒ（ｍｍ）は曲率半径、ｄ（ｍｍ）は面間隔、Ｎｄはｄにｄ線における屈折率、Ｎ４１７．５は波長４１７．５ｎｍにおける屈折率、Ｎ４０７．５は設計波長４０７．５ｎｍにおける屈折率、Ｎ３９７．５は波長３９７．５ｎｍにおける屈折率、Ｎｈはｈ線（波長４０４．７ｎｍ）における屈折率、νｄはｄ線におけるアッベ数を表している。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０^−３）を、Ｅ（例えば ２．５×Ｅ―３）を用いて表すものとする。
【００６５】
実施例の光ピックアップ装置用光学系のレンズデータを表１に示す。又、その断面図を図７に示し、実施例にかかる光ピックアップ装置用光学系の対物レンズにおける球面収差図を図８（ａ）に示し、実施例にかかる光ピックアップ装置用光学系全体における球面収差図を図８（ｂ）に示す。本実施例は、図１に示した光ピックアップ装置用光学系ＯＳとして好適なものであり、対物レンズＯＢＪと、この対物レンズＯＢＪと光源の平行光束中に配置された色収差補正素子ＣＡとから構成されている。色収差補正素子ＣＡはプラスチックレンズであり対物レンズＯＢＪはガラスレンズである。なお、色収差補正素子ＣＡは、その光束射出面（表１において第２面）の直径３．４ｍｍ内で無収差となるように設計されている。
【表１】

【００６６】
対物レンズＯＢＪは、図８（ａ）に示したように波長４１７．５ｎｍに対してバックフォーカスが約２．５μｍ長くなり、さらに球面収差が補正過剰方向に変化し、その波面収差は０．０４４λｒｍｓとなる。これに対して、対物レンズＯＢＪに色収差補正素子ＣＡを組み合わせることで、図８（ｂ）から明らかなように、波長変化に対するバックフォーカスの変化と球面収差の変化はほぼ完全に補正される。尚、色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪとの合成系の波長４１７．５ｎｍに対する波面収差は０．００５λｒｍｓである。また、本実施例では色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪとの間隔（表１において第２面と第３面との間隔）を２ｍｍとしているが、色収差補正素子ＣＡによる軸上色収差と球面色収差の補正効果は、この間隔にほとんど依存しないので、色収差補正素子ＣＡと対物レンズＯＢＪとの間隔は自由に設定することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、波長の短い青紫色レーザ光源を使用する光ピックアップ装置に搭載される光ピックアップ装置用光学系であって、高開口数の対物レンズを用い、且つ入射する光の波長が変化した場合にも、軸上色収差と球面収差の双方を小さく抑えることができる光ピックアップ装置用光学系を提供することができる。さらに、この光ピックアップ装置用光学系に適用可能な色収差補正素子を提供することを目的とする。また、これらの光ピックアップ装置用光学系や色収差補正素子を搭載した光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系ＯＳの断面図であり、図１（ｂ）、（ｃ）は、色収差補正素子の光学面の拡大図である。
【図２】補正が補正過剰になる場合（ａ）及び補正不足になる場合（ｂ）を説明するための球面収差図である。
【図３】本発明にかかる光ピックアップ装置用光学系の球面収差の補正を説明するための図である。
【図４】保持部材を含む光ピックアップ装置用光学系の断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）及び（ｄ）は色収差補正素子の光学面の拡大図である。
【図５】別な保持部材を含む光ピックアップ装置用光学系の断面図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）及び（ｄ）は色収差補正素子の光学面の拡大図である。
【図６】本実施の形態にかかる光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。
【図７】実施例に係わる光ピックアップ装置用光学系ＯＳの断面図である。
【図８】実施例にかかる光ピックアップ装置用光学系の対物レンズにおける球面収差図（ａ）であり、実施例にかかる光ピックアップ装置用光学系全体における球面収差図（ｂ）である。
【符号の説明】
ＰＵ 光ピックアップ装置
ＯＢＪ 対物レンズ
ＣＵＬ カップリングレンズ
ＬＤ 半導体レーザ
ＡＣ アクチュエータ
ＳＴ 絞り
ＰＤ 光検出器
ＯＤ 光ディスク

Claims (22)

1. 色収差補正素子と、前記色収差補正素子を介して入射する波長５００ｎｍ以下の光束を集光する対物レンズとを備えた光ピックアップ装置用光学系において、
   前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定され、
   前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
   前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
   前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする光ピックアップ装置用光学系。
2. 前記対物レンズは、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置用光学系。
3. 前記対物レンズは、ｈ線の屈折率が１．６以上の材料から形成された単レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ピックアップ装置用光学系。
4. 前記対物レンズは、像側開口数が０．７以上とされたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
5. 光軸から遠い側にある輪帯ほどその面積が小さくなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
6. 前記輪帯構造のうち、前記色収差補正素子の有効径の半分の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｈ、前記色収差補正素子の有効径の周辺の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｆ、としたとき、次式を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
   ０．４＜Ｐｈ／Ｐｆ−２＜８ （１）
7. 前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ₀（ｎｍ）、前記設計波長λ₀における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
   ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
   （ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
   Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ₀×１０³） （３）
8. 前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
9. 前記輪帯の総数が１つの光学面あたり２０以上１５０以下であることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光ピックアップ装置用光学系。
10. 光源波長が５００ｎｍ以下である光源と、
    前記光源から射出された光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させることによって情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置用光学系と、を有する光ピックアップ装置において、
    前記光ピックアップ装置用光学系は、色収差補正素子と、前記色収差補正素子を介して入射する前記光源からの光束を集光する対物レンズとを備え、
    前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定され、
    前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
    前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
    前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
11. 前記対物レンズは、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズであることを特徴とする請求項１０に記載の光ピックアップ装置。
12. 前記対物レンズは、ｈ線の屈折率が１．６以上の材料から形成された単レンズであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光ピックアップ装置。
13. 前記対物レンズは、像側開口数が０．７以上とされたことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
14. 光軸から遠い側にある輪帯ほどその面積が小さくなることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
15. 前記輪帯構造のうち、前記色収差補正素子の有効径の半分の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｈ、前記色収差補正素子の有効径の周辺の位置における輪帯の光軸に垂直な方向の幅をＰｆ、としたとき、次式を満たすことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
    ０．４＜Ｐｈ／Ｐｆ−２＜８ （１）
16. 前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ₀（ｎｍ）、前記設計波長λ₀における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
    ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
    （ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
    Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ₀×１０³） （３）
17. 前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であることを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
18. 前記輪帯の総数が１つの光学面あたり２０以上１５０以下であることを特徴とする請求項１０乃至１７に記載の光ピックアップ装置。
19. 請求項１０乃至１８に記載の光ピックアップ装置を搭載したことを特徴とする光情報記録再生装置。
20. 光源波長５００ｎｍ以下の光源と、ｄ線のアッベ数が６５以下の材料から形成された単レンズ構成の対物レンズとの間の光路中に配置される色収差補正素子であって、
    前記色収差補正素子と前記対物レンズは、保持部材により相互に固定されて用いられ、
    前記色収差補正素子は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じる輪帯構造を、少なくとも２つの光学面上に有し、前記輪帯構造は巨視的に見て凹面状であり、
    前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その近軸パワーが前記所定の波長との波長差に応じてより大きくなる方向に変化するような近軸パワーの波長依存性を有するとともに、
    前記輪帯構造は、５００ｎｍ以下の所定の波長より１０ｎｍの範囲で長い波長の光束が通過した場合に、その球面収差が前記所定の波長との波長差に応じてより補正不足となる方向に変化するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする色収差補正光学素子。
21. 前記輪帯構造の隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差量をΔ（μｍ）、前記色収差補正素子の設計波長をλ₀（ｎｍ）、前記設計波長λ₀における前記色収差補正素子の屈折率をｎとしたとき、次式で表されるｍが２以上の整数となることを特徴とする請求項２０に記載の色収差補正光学素子。
    ｍ＝ＩＮＴ（Ｙ） （２）
    （ただし、ＩＮＴ（Ｙ）はＹを四捨五入して得られる整数）
    Ｙ＝Δ×（ｎ−１）／（λ₀×１０³） （３）
22. 前記輪帯構造の内、光軸近傍の輪帯構造を光軸を含む断面でみたとき、階段状であることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の色収差補正素子。

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