JP4329329B2 - 光学素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報記録媒体の情報記録面に光束を集光させる光学素子、対物光学素子及び光ピックアップ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長赤色レーザの実用化に伴い、ＣＤ（コンパクトディスク）と同程度の大きさで大容量化させた高密度の光情報記録媒体（光ディスクともいう）であるＤＶＤ（デジタルビデオディスク）が製品化されている。
ＤＶＤ用記録再生装置では、６５０nｍの半導体レーザを使用したときの対物レンズの光デイスク側の開口数ＮＡを０．６〜０．６５としている。ＤＶＤはトラックピッチ０．７４μｍ、最短ピット長０．４μｍであり、ＣＤのトラックピッチ１．６μｍ、最短ピット長０．８３μｍに対して半分以下に高密度化されている。また、ＤＶＤにおいては、光ディスクが光軸に対して傾いたときに生じるコマ収差を小さく抑えるために、保護基板厚は０．６ｍｍとＣＤの保護基板厚の半分になっている。
【０００３】
また、上述したＣＤ、ＤＶＤの他に、光源波長や透明基板厚さが異なる種々の規格の光ディスク、例えばＣＤ−Ｒ，ＲＷ（追記型コンパクトディスク）、ＶＤ（ビデオディスク）、ＭＤ（ミニディスク）、ＭＯ（光磁気ディスク）なども商品化されて普及している。
さらに半導体レーザの短波長化が進み、波長４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザ光源と、像側開口数（ＮＡ）を０．８５程度まで高めた対物レンズを用いた保護基板厚０．１ｍｍ程度の高密度光ディスク（以下、「高密度ＤＶＤ」という。）や、像側開口数（ＮＡ）を０．６５程度とした対物レンズを用いた保護基板厚０．６ｍｍ程度の高密度ＤＶＤの研究・開発が進んでいる。
【０００４】
そして、一つの対物レンズを介して二種類の光ディスクの情報記録面へ二種類の異なる波長の光束を集光させることができる、いわゆる互換性を有する光ピックアップ装置が各種提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
上記特許文献１及び特許文献２には、複数の鋸歯断面形状の回折輪帯が形成された回折光学素子を備える光ピックアップ装置が開示されている。
これら装置は、例えば、二種類の異なる波長の光束それぞれに対し、ブレーズの深さを所定の次数の回折光の回折効率がより高くなる深さにすることで高い回折効率を得、その回折光を所定の光ディスクに集光させ、一つの対物レンズで二種類の光ディスクに対して情報の記録／再生を行なうものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９３１７９号公報
【特許文献２】
特開２０００−８１５６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に開示された装置は、二種類の異なる波長の光束でそれぞれ異なる回折次数の回折光を対物レンズにより所定の光ディスクに集光するものであり、その回折次数は二種類の波長の差により決定されるため、回折次数の組み合わせが限られ、二種類の光ディスクそれぞれの軸上色収差や温度変化による球面収差等の補正にも制限がある。
また、特許文献２に開示された装置は、二種類の異なる波長の光束で同じ回折次数の回折光を対物レンズにより所定の光ディスクに集光するものである。
【０００７】
図８は、特許文献１及び２に開示されたような周知の鋸歯状断面構造の回折光学素子を用いて、光源波長を３５０ｎｍから８００ｎｍの範囲で変化させた場合の、−２次回折光から＋２次回折光の回折効率を計算したものである。
この回折光学素子では、波長４００ｎｍ付近における−１次回折光の回折効率がほぼ１００％となるように設定している。従って、例えばＤＶＤ用として利用される波長６５０ｎｍ付近では、−１次回折光の回折効率が５０％から６０％程度に減少してしまい、波長差が大きい光ディスクの互換では光量不足を招くおそれがあった。
このような、特定波長以外の波長に関する回折効率の低下は、回折光学素子の一つのブレーズを特定波長の光束が通過する際に、この光束に対して特定波長の整数倍の光路差を与えるようにブレーズの寸法を設計しているため、特定波長以外の波長の光束がブレーズを通過する際には、この光束に対して波長の非整数倍の光路差が与えられることが一つの要因である。
【０００８】
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、基板厚さの異なる二種類の光情報記録媒体に対する情報の再生及び／又は記録に用いられ、二種類の波長に関して十分な回折効率を得られる光学素子、対物光学素子及び光ピックアップ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、第１の光源（３）から出射される第１の波長λ1の光束を用いて保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体（２）に対して情報の再生及び／又は記録を行い、第２の光源（５）から出射される第２の波長λ２（λ２＞λ１）の光束を用いて保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体（４）に対して情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置（１）の光学素子（１０）であって、少なくとも一つの光学面（１０ａ）に光軸（Ｌ）を中心とした複数の回折輪帯（２１）からなる回折構造（２０）を備えると共に、前記回折輪帯の複数の光学面のそれぞれに、前記回折輪帯を通過する光束に対して予め定められた光路差を付与する光路差付与構造（３０）を備え、前記回折構造の光学面は、光路差付与構造が無いと仮定した場合、前記波長λ１の光束のＬ次（Ｌ≠０）回折光が最大の回折効率となる回折作用を有し、波長λ２の光束のＭ次（Ｍ≠０）回折光が最大の回折効率となる回折作用を有する構造（２２）であり、前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光の少なくとも一方に対しては位相に変化を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくし、
前記波長λ１が、３７０ｎｍ≦λ１≦４３０ｎｍであることを特徴とする。
【００１０】
ここで、本明細書中において光学素子とは、光ピックアップ装置の光学系を構成する、例えば、対物レンズ（対物光学素子）、カップリングレンズ(コリメータ)、ビームエキスパンダ、ビームシェイパ、補正板等の部材を指す。
また、光学素子としては、単一のレンズのみで構成されているものに限定されず、複数のレンズを光軸方向に組み合わせて構成されるレンズ群をまとめて光学素子としてもよい。
対物レンズとは、狭義には光ピックアップ装置に光記録媒体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し、広義にはそのレンズとともに、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に作動可能なレンズを指すものとする。
【００１１】
また、光情報記録媒体とはＣＤ、ＤＶＤ、ＣＤ−Ｒ、ＭＤ、ＭＯ、高密度ＤＶＤ等の所定の波長の光束を用いて情報の再生及び／又は記録を行なう一般的な光ディスクを指す。
【００１２】
また、情報の再生とは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い、情報の記録とは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。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。
また、本発明における光学素子及び光ピックアップ装置は、情報の記録だけあるいは再生だけを行うために用いるものであってもよいし、記録と再生の両方を行うために用いるものであってもよい。
【００１３】
また、光学面上に形成される回折構造とは、光学素子の表面に光軸を中心としたほぼ同心円状の輪帯を設けて、入射光束を回折させる作用を有した周期構造のことをいう。
また、本発明における回折作用を有する構造とは、光軸を含む平面（子午断面）でその断面をみた場合に鋸歯状あるいは光軸方向に沿った階段状となったもの等の入射光束を回折させる作用を有する構造をいう。
また、回折構造は光学面上の全域に形成されている必要は無く、例えば、光軸を中心とした所定の領域のみに形成されていても良い。
また、回折構造は一つの光学素子が備える一つあるいは複数の光学面のうち少なくとも一つの光学面に形成されていればよい。
従って、例えば、光学素子としての対物レンズが備える、光源側の光学面又は光情報記録媒体側の光学面に回折構造を形成してもよく、さらには、それぞれの光学面に回折構造を形成する等、光ピックアップ装置を構成する光学素子の複数の光学面に回折構造を形成してもよい。
本発明における実質的に位相に変化を与えないとは、全く位相を変化させない場合に限らず、回折効率に大きな影響を与えない程度の位相変化の範囲（±０．２πラジアン程度の範囲）であれば良い。
【００１４】
また、一般に回折構造を備えた光学面からは、０次回折光、±１次回折光、±２次回折光、・・・、と無数の次数の回折光が生じるが、回折輪帯の形状を変更することにより、特定の次数の回折効率を他の次数の回折効率よりも高くしたり、場合によっては、特定の１つの次数（例えば、＋１次回折光）の回折効率をほぼ１００％とすることができる。
なお、回折効率とは回折構造により生じる回折光の光量の比率を表すもので、全次数の回折光の回折効率の和は１となる。
また、最大の回折効率を有するＬ次（Ｍ次）回折光とは、波長λ１（λ２）の光が光学素子に入射したときに、回折光の回折効率が理論的に他の次数と比較して最大となる回折次数Ｌ（Ｍ）における回折光を指す。
【００１５】
また、本明細書中において、保護基板とは光情報記録媒体の情報記録面を保護するために、情報記録面の光束入射面側に形成された光学的に透明な平行平板を指し、保護基板厚とは平行平板の厚さを指す。光源から出射された光束は、対物レンズによって保護基板を介して光情報記録媒体の情報記録面上に集光されることになる。
また、本明細書において、光学素子の像側の開口数とは、その光学素子のうち最も光情報記録媒体側に位置するレンズ面の開口数を指すものである。
また、開口数とは、光ピックアップ装置に設けられた絞りやフィルタ等の絞り機能を有する部品又は部材や、光学素子が備える回折構造などによって、最良像点におけるスポットの形成に寄与する光束が制限された結果として定義される開口数である。
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、少なくとも一つの光学面上に光軸を中心とした複数の回折輪帯からなる回折構造と、前記回折輪帯の複数の光学面のそれぞれに、前記回折輪帯を通過する光束に対して予め定められた光路差を付与する光路差付与構造を備える。
そして、光路差付与構造が、回折作用を有する構造によって回折された最大の回折効率を有する波長λ１の光束のＬ次回折光と波長λ２の光束のＭ次回折光のうち少なくとも一方に対して位相に変化を与えることにより、光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、波長λ１の光束のＬ次回折光と波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくし、前記波長λ１が、３７０ｎｍ≦λ１≦４３０ｎｍである。
従って、波長λ１の光束のＬ次回折光と波長λ２の光束のＭ次回折光の双方を、回折効率が高い状態で出射することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の光学素子であって、前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光のどちらか一方に対しては実質的に位相に変化を与えず、他方に対しては位相差を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を得られると共に、光路差付与構造により波長λ１の光束に対して実質的な位相の変化が与えられず、波長λ２の光束に対して位相の変化が与えられることで、波長λ１の光束のＬ次回折光を、最大の回折効率を維持した状態で第１の光情報記録媒体に出射でき、また、波長λ２の光束のＭ次回折光を、光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、高い回折効率の状態にして第２の光情報記録媒体に出射できる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の光学素子であって、前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光の両方に対して位相差を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を得られると共に、光路差付与構造により波長λ１の光束と波長λ２の光束の両方に対して位相差が与えられることで、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、波長λ１の光束のＬ次回折光及び波長λ２の光束のＭ次回折光の両方を高い回折効率の状態にして第１の光情報記録媒体及び第２の光情報記録媒体に出射できる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子であって、前記光路差付与構造が、前記波長λ１の光束のＬ次回折光に対して前記波長λ１のほぼ整数倍の光路差を付与することにより、前記回折構造により生じることになる位相差に実質的に変化を与えず、前記波長λ２の光束のＭ次回折光に対して、前記波長λ２の非整数倍の光路差を付与することにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１又は２と同様の効果を得られる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子であって、前記回折作用を有する構造が鋸歯状の不連続面を有し、前記光路差付与構造が光軸方向に沿った階段状の不連続面（３１）からなることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の光学素子であって、前記光路差付与構造を構成する光軸方向に沿った階段状の不連続面の数が２又は３であることを特徴とする。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子であって、前記光学面が光軸を中心とする略円形の中央領域と、中央領域の周辺に位置する周辺領域の２つの領域を備え、中央領域に前記回折構造と前記光路差付与構造とを備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項７記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか一項と同様の効果を得られると共に、入射光束を必要に応じて中央領域のみあるいは周辺領域のみを通過させたり、あるいは中央領域と周辺領域の両方を通過させることにより、回折効率や回折次数に対する設計の自由度をより増大させることができる。また、各種収差の補正も容易となる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子であって、Ｌ＝Ｍであることを特徴とする。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子であって、前記波長λ２が、６２０ｎｍ≦λ２≦６８０ｎｍであることを特徴とする。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学素子であって、前記光学素子は、対物光学素子であることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜９のいずれか一項と同様の効果を得られると共に、対物光学素子に対して第１の波長λ１の光束と第２の波長λ２の光束が共に発散光として入射した場合に、球面収差及び／又は波面収差を補正した状態で所定の光情報記録媒体に集光させる。
従って、従来の無限系の光ピックアップ装置において用いられていた、光源からの出射光束を平行光化させて対物光学素子に入射させるためのコリメータレンズ等の光学素子が不要となり、装置の小型化や低コスト化を達成できる。
なお、対物光学素子が波面収差を０．０５λｒｍｓ以内に収められるよう補正した状態で集光させることが望ましい。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、第１の光源から出射される第１の波長λ1の光束を用いて保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行い、第２の光源から出射される第２の波長λ２（λ２＞λ１）の光束を用いて保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする。
【００３２】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１〜１０のいずれか一項と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の光学素子、対物光学素子及び光ピックアップ装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００３６】
図１に示すように、光ピックアップ装置１は、光情報記録媒体である第一の光情報記録媒体２（本実施の形態においては高密度ＤＶＤ）に対して第一の半導体レーザ３（光源）から波長λ1（＝４０５ｎｍ）の光束を出射し、第二の光情報記録媒体４（本実施の形態においてはＤＶＤ）に対して第二の半導体レーザ５（光源）から波長λ2（＝６５５ｎｍ）の光束を出射することによって、第一の光情報記録媒体２又は第二の光情報記録媒体４の情報記録面６に情報を記録したり、記録した情報を読み取るものである。
【００３７】
そして、高密度ＤＶＤ２に情報を記録又は再生する場合は、第一の半導体レーザ３から出射された波長λ１の光束が、ビームスプリッタ７を経て、コリメータ８を透過し平行光束となる。さらにビームスプリッタ９を経て絞り１１によって絞られ、対物レンズ１０により高密度ＤＶＤの保護基板を介して情報記録面６に集光される。
この際の対物レンズ１０による波長λ１の光束に対する作用については後述する。
そして、情報記録面６で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１０、絞り１１を介して、ビームスプリッタ９を経て、コリメータ８を通過し、収束光となる。さらに、ビームスプリッタ７で反射され、シリンドリカルレンズ１２により非点収差が与えられ、凹レンズ１３を経て、光検出器１４上ヘ入射し、光検出器１４から出カされる信号を用いて、高密度ＤＶＤ２に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００３８】
ＤＶＤ４に情報を記録又は再生する場合は、第二の半導体レーザ５から出射された波長λ２の光束が、ビームスプリッタ１５を経て、コリメータ１６を透過し平行光束となる。さらにビームスプリッタ９で反射され、絞り１１によって絞られ、対物レンズ１０によりＤＶＤ４の保護基板を介して情報記録面６に集光される。
この際の対物レンズ１０による波長λ２の光束に対する作用については後述する。
そして、情報記録面６で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１０、絞り１１を介して、ビームスプリッタ９で反射され、コリメータ１６を透過し、収束光となる。さらに、ビームスプリッタ１５で反射され、シリンドリカルレンズ１７により非点収差が与えられ、凹レンズ１８を経て、光検出器１９上ヘ入射し、光検出器１９から出力される信号を用いて、ＤＶＤ４に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００３９】
また、光検出器１４、１９上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出結果に基づいて、２次元アクチュエータ６０が第一の半導体レーザ３からの光束又は第２の半導体レーザ５からの光束を、高密度ＤＶＤ２又はＤＶＤ４の情報記録面６上に結像するように対物レンズ１０を移動させるとともに、所定のトラックに結像するように対物レンズ１０を移動させるようになっている。
【００４０】
図２に示すように、光学素子としての対物レンズ１０は、光ピックアップ装置の光学系を構成する両面非球面の単レンズであり、その一方（光源側）の光学面１０ａ上に光路差付与構造３０を有する回折構造２０が形成されている。
具体的には、対物レンズ１０は光軸を中心とした複数の鋸刃状の回折輪帯２１からなる回折構造２０を備えており、各回折輪帯２１の光学面は鋸歯状の回折作用を有する構造２２を備え、さらに、回折作用を有する構造２２を通過する光束に対して所定の光路差を付与する階段形状の不連続面３１（分割面）からなる光路差付与構造３０を備えている。
本実施の形態においては、分割面３１は一つの回折輪帯２１に対して２つ設けられている。
【００４１】
図３（ａ）は、波長λ１（４０５ｎｍ）と波長λ２（６５５ｎｍ）の二種類の光束であって、図３（ｂ）（ｃ）に示す回折格子（ｎ１＝１．５２５、ｎ２＝１．５０７（ｎ１、ｎ２はそれぞれ波長λ１、λ２の光束に対する屈折率））に紙面左側から入射する平行光がその回折格子を通過する際のブレーズ深さに対する位相差の変化を示すものである。
図３（ａ）中に二点鎖線で示す線は図３（ｂ）に示すような周知の鋸歯状回折構造での波長λ１の１次回折光の光束に対する位相差を、一点鎖線で示す線は波長λ２の１次回折光の光束に対する位相差を表すものである。
図３（ａ）中に実線で示す線は、図３（ｃ）に示す本発明における光路差付与構造を有する回折構造での波長λ１の１次回折光の光束に対する位相差を、点線で示す線は波長λ２の１次回折光に対する位相差を表すものである。
各分割面３１の深さｄ１は、波長λ１の２波長分の光路差が生じる深さとなっている。つまり、一つの分割面３１を通過する波長λ１の光束と、その隣の分割面３１を通過する波長λ１の光束との間に、波長λ１のほぼ２倍の光路差が生じ、かつ波面のずれが生じない長さに設定されている。
【００４２】
このように、本発明の光学素子は、光学機能面に所定の深さの分割面３１を設けてなる光路差付与構造３０により、光学素子（対物レンズ１０）を通過する波長λ１及びλ２の光束の少なくとも一方に対しては位相に変化を与える機能を有し、また、各分割面３１の表面形状３１ａを回折作用を有する構造２２を各分割面３１に対応する区間で分割して光軸Ｌ方向に移動させてなる回折輪帯２１により、波長λ１及び波長λ２の光束のうち最大の回折効率を有する回折光を高い回折効率を有する状態で出射する機能を有するものである。
例えば、図３に示すように、波長λ１（４０５ｎｍ）の光束が光学素子に入射した場合、上述のように、各分割面の表面３１ａの形状は、図３（ｂ）に示した鋸歯状の回折輪帯２１の表面の形状を、各分割面３１に対応する区間で分割して、光軸Ｌ方向に、波長λ１の光束に対して２波長分の光路差が付与されるように移動させた形状に近似したものとなっている。
【００４３】
また、波長λ１の光束には光路差付与構造３０により２波長分の光路差が付与される。
従って、図３（ａ）に示すように、波長λ１の光束に対し、光路差付与構造３０による２波長分の光路差を付与する前（二点鎖線）と後（実線）で、位相差の分布がほぼ一致する構造となっている。つまり、波長λ１の光束の１次回折光に対して位相の変化がほとんど生じない構造となっている。
一方、波長λ２の光束が光学素子に入射した場合、周知の回折構造では波長λ２の光束には回折構造により波長λ１の光束に対して最大で約０．６波長分の光路差が生じる。
また、波長λ２の光束には光路差付与構造３０により０．６×２＝１．２波長分の光路差が付与される。従って合計で１．８波長分の光路差が生じることになる。
【００４４】
ここで、光学素子が光路差付与構造３０を備えず、回折構造のみを備えている場合では、上述のように、波長λ１の光束と波長λ２の光束の位相差は最大で１．０−０．６＝０．４波長分、つまり図３（ａ）中に矢印で示すように約０．８πラジアンとなる。
ところが、光学素子が光路差付与構造３０を備えていることにより、波長λ１の光束と波長λ２の光束の位相差は最大で２．０−１．８＝０．２波長分、つまり、つまり図３（ａ）中に矢印で示すように約０．４πラジアンとなり、回折構造のみを備えている場合と比較して小さくなることが分かる。
【００４５】
このように、本発明の光学素子１０は、回折構造２０の光学面が有する回折作用により最大の回折効率を有することになる波長λ１の光束の所定次数の回折光と波長λ２の光束の所定次数の回折光のうち、波長λ１の光束の回折光に対しては光路差付与構造３０が実質的に位相の変化を与えず、波長λ２の光束の回折光に対しては光路差付与構造３０が位相に変化を与えることで、波長λ１の光束の回折光と波長λ２の光束の回折光との位相差の絶対値を小さくするものである。
なお、位相差の絶対値を０．６πラジアンより小さい範囲内に収めることが望ましい。
図４は、この際の、光源波長を３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で変化させた場合の、−２次回折光から＋２次回折光の回折効率を計算したものである。
図４から分かるように、波長４００ｎｍ付近における−１次回折光の回折効率がほぼ１００％となるだけでなく、波長６５０nｍ付近でも回折効率を８５％程度に維持することができ、十分な光量を確保できる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、上述のように、各分割面３１の深さｄ１（光軸方向の長さ）を波長λ２のほぼ整数倍の光路差をもつ長さとし、各分割面３１の表面３１ａの形状を、図３（ｂ）に示した鋸歯状の回折輪帯の表面の形状を、各分割面３１に対応する区間で分割して、光軸Ｌ方向に平行移動させた形状に近似したものとしたが、これら分割面３１の深さｄ１及び表面３１ａの形状は、使用する光束の波長等に応じて適宜変更することが可能である。
【００４７】
（実施例１）
次に、上記実施の形態で示した光ピックアップ装置１及び光学素子１０の第１の実施例について説明する。
本実施例においては、図２に示すように、両面非球面の単レンズである光学素子としての対物レンズの一方（光源側）の光学面上であって、光軸から一定高さ以下（本実施例においては１．２ｍｍ以下）の範囲Ａ１（以下、「中央領域Ａ１」という。）に回折構造２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
また、光源側の光学面上であって、中央領域Ａ１以外の範囲Ａ２（以下、「周辺領域Ａ２」という。）には、通常の鋸歯状回折輪帯が形成されている。
一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１は、光軸Ｌから離れるに従ってレンズ内部に落ち込むように形成されている。
また、回折作用を有する構造２２を波長λ１の１次回折光の回折効率が約１００％となるよう設定し、光路差付与構造３０において、波長λ１の整数倍の光路差が付与されるように設定している。
表１、表２に対物レンズのレンズデータを示す。
【００４８】
【表１】

【００４９】
表１に示すように、本実施例の対物レンズ４は、第1の光源から出射される第1の波長λ１＝６６０ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．３３ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されており、第２の光源から出射される第２の波長λ２＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．３５ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．５１に設定されている。
表１中の面番号２、２´、３はそれぞれ、対物レンズ１０の光源側の光学面１０ａのうち、光軸Ｌからの高さｈが１．２０ｍｍ以下の中央領域Ａ１、光軸Ｌからの高さが１．２０ｍｍ以上の周辺領域Ａ２、対物レンズ１０の光情報記録媒体側の光学面１０ｂを示しており、面番号４、５はそれぞれ、光情報記録媒体の保護基板の表面、記録層を表している。また、Ｒｉは曲率半径、ｄｉは第ｉ面から第ｉ＋１面までの光軸方向の変位量、ｎｉは各面の屈折率を表している。
【００５０】
対物レンズの第２面、第２´面、第３面は、それぞれ次式（数１）に表２に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００５１】
【数１】

【００５２】
ここで、Ｘ（ｈ）は光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａ_2iは非球面係数である。
【表２】

【００５３】
また、回折輪帯のピッチは数２の光路差関数に、表２に示す係数を代入した数式で規定される。
【００５４】
【数２】

ここで、Ｂ_2iは光路差関数の係数である。
【００５５】
また、数３は、光軸からの任意の高さにおける波長λ１あるいは波長λ２の光束の光路差を表す数式である。
【００５６】
【数３】

また、λｉ、ｐ、Ｎ、Ｍの値については、表３に示す。
【表３】

【００５７】
本実施例では、各回折輪帯の回折効率は、波長λ１の１次回折光に対して約１００％、波長λ２の１次回折光に対して約９５％の回折効率を得られる。これは、周知の回折構造に比べ約５％高い回折効率となる。
【００５８】
（実施例２）
次に、上記実施の形態で示した光ピックアップ装置１及び光学素子１０の第２の実施例について説明する。
本実施例においても、上記実施例１と同様に、図２に示すような両面非球面の単レンズである光学素子としての対物レンズ１０の一方（光源側）の光学面１０ａ上であって、光軸から１．３４ｍｍ以下の中央領域Ａ１に回折構造２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
また、周辺領域Ａ２には通常の鋸歯状回折輪帯が形成されている。
一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１は、光軸Ｌから離れるに従ってレンズ内部に落ち込むように形成されている。
また、回折作用を有する構造２２を波長λ１の１次回折光の回折効率が約１００％となるよう設定し、光路差付与構造３０において、波長λ１の整数倍の光路差が付与されるように設定している。
表４、表５に対物レンズのレンズデータを示す。
【００５９】
【表４】

【表５】

【００６０】
表４に示すように、本実施例の対物レンズは、第1の光源から出射される第1の波長λ１＝４０５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．００ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．８５に設定されており、第２の光源から出射される第２の波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．０６ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されている。
【００６１】
対物レンズの第２面、第２´面、第３面は、それぞれ上記数１に表４及び表５に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００６２】
また、回折輪帯のピッチは上記数２の光路差関数に、表５に示す係数を代入した数式で規定される。
【００６３】
また、光軸からの任意の高さにおける波長λ１あるいは波長λ２の光束の光路差は上記数３に表３に示す係数を代入した数式で表される。
【００６４】
本実施例では、各回折輪帯の回折効率は、波長λ１の１次回折光に対し約１００％、波長λ２の１次回折光に対し約８５％の回折効率を得られる。これは、周知の回折構造に比べ約３０％高い回折効率となる。
【００６５】
（実施例３）
次に、上記実施の形態で示した光ピックアップ装置１及び光学素子１０の第３の実施例について説明する。
本実施例においては、図５に示すように、両面非球面の単レンズである光学素子としての対物レンズ１０の一方（光源側）の光学面１０ａのほぼ全面に回折構造２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１は、光軸Ｌから離れるに従ってレンズ内部に落ち込むように形成されている。
また、回折作用を有する構造２２を波長λ１の１次回折光の回折効率が約１００％となるよう設定し、光路差付与構造３０において、波長λ１の整数倍の光路差が付与されるように設定している。
表６、表７に対物レンズのレンズデータを示す。
【００６６】
【表６】

【表７】

【００６７】
表６に示すように、本実施例の対物レンズは、第1の光源から出射される第1の波長λ１＝４０５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．３８ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されており、第２の光源から出射される第２の波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４０ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されている。
【００６８】
対物レンズの第２面、第３面は、それぞれ上記数１に表６及び表７に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００６９】
また、回折輪帯のピッチは上記数２の光路差関数に、表７に示す係数を代入した数式で規定される。
【００７０】
また、光軸からの任意の高さにおける波長λ１あるいは波長λ２の光束の光路差は上記数３に表３に示す係数を代入した数式で表される。
本実施例では、各回折輪帯の回折効率は、波長λ１の１次回折光に対し約１００％、波長λ２の１次回折光に対し約８５％の回折効率を得られる。これは、周知の回折構造に比べ約３０％高い回折効率となる。
【００７１】
（実施例４）
次に、上記実施の形態で示した光ピックアップ装置１及び光学素子１０の第４の実施例について説明する。
本実施例においては、上記実施例３と同様に、図５に示す両面非球面の単レンズである光学素子としての対物レンズ１０の一方（光源側）の光学面１０ａのほぼ全面に回折構造２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１は、光軸Ｌから離れるに従ってレンズ内部に落ち込むように形成されている。
また、回折作用を有する構造２２を波長λ１、λ２の光束双方の１次回折光が約８０％となるよう設定し、光路差付与構造３０において、波長λ１、λ２の光束双方に対して、それぞれの波長の整数倍ではない光路差が付与されるように設定している。
表８、表９に対物レンズのレンズデータを示す。
【００７２】
【表８】

【表９】

【００７３】
表８に示すように、本実施例の対物レンズは、第1の光源から出射される第１の波長λ１＝４０５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．３８ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されており、第２の光源から出射される第２の波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４０ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されている。
【００７４】
対物レンズの第２面、第３面は、それぞれ上記数１に表８及び表９に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００７５】
また、回折輪帯のピッチは上記数２の光路差関数に、表９に示す係数を代入した数式で規定される。
【００７６】
また、光軸からの任意の高さにおける波長λ１あるいは波長λ２の光束の光路差は上記数３に表３に示す係数を代入した数式で表される。
【００７７】
本実施例では、各回折輪帯の回折効率は、波長λ１、λ２双方の１次回折光に対し約９５％と高い回折効率を得られる。
【００７８】
（実施例５）
次に、本発明の光学素子及び光ピックアップ装置の第５の実施例について、図９を用いて説明する。
光ピックアップ装置７０は、第一の光情報記録媒体８０（本実施例においてはＤＶＤ）に対して第一の半導体レーザ７１（光源）から波長λ1（＝６５５ｎｍ）の光束を出射し、第二の光情報記録媒体８１（本実施例においてはＣＤ）に対して第二の半導体レーザ７２（光源）から波長λ2（＝７８５ｎｍ）の光束を出射する。そして、これら光束を対物レンズ１０（対物光学素子）に発散光として入射させ、所定の光情報記録媒体の情報記録面８０ａ、８１ａに集光させることによって、各種情報の記録や記録した情報の読み取りを行なうものである。
なお、第一の半導体レーザ７１と第二の半導体レーザ７２は光源としてユニット化されているため、図９には、各半導体レーザから出射される波長λ１の光束と波長λ２の光束をまとめて実線で表すものとする。
【００７９】
ＤＶＤ８０に情報を記録又は再生する場合は、第一の半導体レーザ７１から出射された波長λ１の光束は回折格子７３を通過し、ハーフミラー７４で反射する。さらに絞り７５によって絞られ、対物レンズ１０によりＤＶＤの保護基板８０ｂを介して情報記録面８０ａに集光される。
そして、情報記録面８０ａで情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１０、絞り７５、ハーフミラー７４を通過し、回折格子（図示せず）を通過して光検出器７６上ヘ入射し、光検出器７６から出カされる信号を用いて、ＤＶＤ８０に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００８０】
ＣＤ８１に情報を記録又は再生する場合も同様に、第二の半導体レーザ７２から出射された波長λ２の光束が回折格子７３を通過して、ハーフミラー７４で反射する。さらに絞り７５によって絞られ、対物レンズ１０によりＣＤの保護基板８１ｂを介して情報記録面８１ａに集光される。なお、図９には便宜上、ＣＤの保護基板８１ｂとＤＶＤの保護基板８０ｂを同じ図で表している。
そして、情報記録面８１ａで情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１０、絞り７５、ハーフミラー７４を通過し、回折格子（図示せず）を通過して光検出器７６上ヘ入射し、光検出器７６から出カされる信号を用いて、ＣＤ８１に記録された情報の読み取り信号が得られる。
【００８１】
また、光検出器７６上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出結果に基づいて、図示しない２次元アクチュエータは第一の半導体レーザ７１からの光束又は第２の半導体レーザ７２からの光束がＤＶＤ８０又はＣＤ８１の情報記録面８０ａ、８１ａ上に結像するように対物レンズ１０を移動させるとともに、所定のトラックに結像するように対物レンズ１０を移動させるようになっている。
【００８２】
本実施例においても、上記実施例１と同様に、図２に示すような両面非球面の単レンズである光学素子としての対物レンズ１０の一方（光源側）の光学面１０ａ上であって、光軸から１．５３ｍｍ以下の中央領域Ａ１に回折構造２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
また、周辺領域Ａ２には通常の鋸歯状回折輪帯が形成されており、この回折輪帯による、周辺領域Ａ２を通過する波長λ１の光束の１次回折光の回折効率がほぼ１００％となるように設定されている。
一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１は、光軸Ｌから離れるに従ってレンズ内部に落ち込むように形成されている。
各分割面３１の深さｄ１は、波長λ２の１波長分の光路差が生じる深さとなっている。つまり、一つの分割面３１を通過する波長λ２の光束と、その隣の分割面３１を通過する波長λ２の光束との間に、波長λ２のほぼ倍の光路差が生じ、かつ波面のずれが生じない長さに設定されている。
また、回折作用を有する構造２２を波長λ２の１次回折光の回折効率が約１００％となるよう設定している。
表１０、表１１に対物レンズのレンズデータを示す。
【００８３】
【表１０】

【表１１】

【００８４】
表１０に示すように、本実施例の対物レンズは、第１の光源から出射される第1の波長λ１＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．８５ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６０、結像倍率ｍ＝−１／８．０に設定されており、第２の光源から出射される第２の波長λ２＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．８７ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．４７、結像倍率ｍ＝−１／８．１に設定されている。
【００８５】
表１０中の面番号１、２は回折格子７３の光源側の表面、回折格子７３の光情報記録媒体側の表面、面番号３、３´、４はそれぞれ、対物レンズ１０の光源側の光学面のうち光軸Ｌからの高さｈが１．５３ｍｍ以下の中央領域Ａ１、光軸Ｌからの高さが１．５３ｍｍ以上の周辺領域Ａ２、対物レンズ１０の光情報記録媒体側の光学面を示しており、面番号５、６はそれぞれ、光情報記録媒体の保護基板８０ｂ、８１ｂの表面、情報記録面８０ａ、８１ａを表している。また、Ｒｉは曲率半径、ｄｉは第ｉ面から第ｉ＋１面までの光軸Ｌ方向の変位量、ｎｉは各面の屈折率を表している。
【００８６】
対物レンズ１０の第３面、第３´面、第４面は、それぞれ数１に表１０及び表１１に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
【００８７】
また、回折輪帯のピッチは上記数２の光路差関数に、表１１に示す係数を代入した数式で規定される。
【００８８】
また、光軸からの任意の高さにおける波長λ１あるいは波長λ２の光束の光路差は上記数３に表１２に示す係数を代入した数式で表される。
【表１２】

【００８９】
本実施例に示した光学素子１０及び光ピックアップ装置７０では、回折効率が波長λ１の１次回折光に対し約９６％、波長λ２の１次回折光に対し約１００％となる。
ここで、周知の回折構造（鋸歯状の回折構造）を備える光学素子及び光ピックアップ装置では、回折効率は波長λ１の１次回折光に対し約９０％、波長λ２の１次回折光に対し約１００％となる。
従って、本実施例に示した光学素子１０及び光ピックアップ装置７０では、周知の回折構造に比べ波長λ１の光束に対して約６％の光量増加を達成できる。
【００９０】
なお、本発明に係る光学素子は、上記実施例１〜５に示したものに限定されず、図６に示すような、平板状の光学素子の一方の面の全域に回折構造及び光路差付与構造を設けたものであってもよい。
また、一つの回折輪帯２１に形成されている各分割面３１が、光軸Ｌから離れるに従って光源側に突出する形状であっても良い。
【００９１】
また、図２には、鋸歯状の回折輪帯２１の表面の形状を各分割面３１に対応する区間で分割して、所定の光路差をもつようにした形状を各分割面３１の表面３１ａの形状としたが、これに限らず、図７に示すように、光路差付与機能を有した、光軸方向に沿った階段状の不連続面５０からなる回折輪帯の表面形状を、各分割面３１に対応する区間で分割して所定の光路差をもつようにした形状を各分割面の表面３１ａの形状としてもよい。
【００９２】
このように、本発明に係る光学素子は、光学機能面の少なくとも一部に、光軸を中心とした複数の回折作用を有する構造からなる回折構造と、輪帯の光学面上に形成した、この輪帯を通過する光束に対して所定の光路差を付与する階段形状の不連続面からなる光路差付与構造とを備えるものであればよい。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、波長λ１（λ２）の光束のＬ次（Ｍ次）回折光を高い回折効率を維持した状態で第１の光情報記録媒体に出射でき、また、波長λ２（λ１）の光束のＭ次（Ｌ次）回折光についても高い回折効率を有した状態で第２の光情報記録媒体に出射でき、あるいは双方とも高い回折効率でそれぞれ第１、第２の光情報記録媒体に出射できるので、光情報記録媒体の種類に応じた十分な光量の回折光が得られる光学素子及び光ピックアップ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る光ピックアップ装置及び光学素子の一例を示す概略図である。
【図２】対物レンズの構造を示す要部側面図である。
【図３】波長λ１の光束と波長λ２の光束に生じる位相差を示すグラフ（ａ）、光路差付与構造を持たない対物レンズの要部拡大図（ｂ）、光路差付与構造を持つ対物レンズの要部拡大図（ｃ）である。
【図４】回折効率を示すグラフである。
【図５】対物レンズの構造を示す要部側面図である。
【図６】対物レンズの構造を示す要部側面図である。
【図７】対物レンズの構造を示す要部拡大側面図である。
【図８】回折効率を示すグラフである。
【図９】光ピックアップ装置及び光学素子の他の実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
Ａ１ 中央領域
Ａ２ 周辺領域
Ｌ 光軸
１ 光ピックアップ装置
２ 第１の光情報記録媒体
３ 第１の光源
４ 第２の光情報記録媒体
５ 第２の光源
１０ 光学素子
１０ａ 光学面
２０ 回折構造
２１ 回折輪帯
２２ 回折作用を有する構造
３０ 光路差付与構造
３１ 階段状の不連続面（分割面）
７０ 光ピックアップ装置
７１ 第１の光源
７２ 第２の光源
８０ 第１の光情報記録媒体
８１ 第２の光情報記録媒体

Claims (11)

1. 第１の光源から出射される第１の波長λ1の光束を用いて保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行い、第２の光源から出射される第２の波長λ２（λ２＞λ１）の光束を用いて保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置の光学素子であって、
   少なくとも一つの光学面に光軸を中心とした複数の回折輪帯からなる回折構造を備えると共に、前記回折輪帯の複数の光学面のそれぞれに、前記回折輪帯を通過する光束に対して予め定められた光路差を付与する光路差付与構造を備え、
   前記回折構造の光学面は、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合、前記波長λ１の光束のＬ次（Ｌ≠０）回折光が最大の回折効率となる回折作用を有し、波長λ２の光束のＭ次（Ｍ≠０）回折光が最大の回折効率となる回折作用を有する構造であり、
   前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光の少なくとも一方に対しては位相に変化を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくし、
   前記波長λ１が、
   ３７０ｎｍ≦λ１≦４３０ｎｍ
   であることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子であって、
   前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光のどちらか一方に対しては実質的に位相に変化を与えず、他方に対しては位相差を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする光学素子。
3. 請求項１に記載の光学素子であって、
   前記光路差付与構造は、前記回折作用を有する構造によって生じる前記波長λ１の光束のＬ次回折光又は前記波長λ２の光束のＭ次回折光の両方に対して位相差を与えることにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折光との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１又は２に記載の光学素子であって、
   前記光路差付与構造が、前記波長λ１の光束のＬ次回折光に対して前記波長λ１のほぼ整数倍の光路差を付与することにより、前記回折構造により生じることになる位相差に実質的に変化を与えず、前記波長λ２の光束のＭ次回折光に対して、前記波長λ２の非整数倍の光路差を付与することにより、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合よりも、前記波長λ１の光束のＬ次回折光と前記波長λ２の光束のＭ次回折との位相差の絶対値を小さくすることを特徴とする光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子であって、
   前記回折作用を有する構造が鋸歯状の不連続面を有し、
   前記光路差付与構造が光軸方向に沿った階段状の不連続面からなることを特徴とする光学素子。
6. 請求項５に記載の光学素子であって、
   前記光路差付与構造を構成する光軸方向に沿った階段状の不連続面の数が２又は３であることを特徴とする光学素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学素子であって、
   前記光学面が光軸を中心とする略円形の中央領域と、中央領域の周辺に位置する周辺領域の２つの領域を備え、
   中央領域に前記回折構造と前記光路差付与構造とを備えることを特徴とする光学素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子であって、
   Ｌ＝Ｍであることを特徴とする光学素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子であって、
   前記波長λ２が、
   ６２０ｎｍ≦λ２≦６８０ｎｍ
   であることを特徴とする光学素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学素子であって、
    前記光学素子は、対物光学素子であることを特徴とする光学素子。
11. 第１の光源から出射される第１の波長λ1の光束を用いて保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行い、第２の光源から出射される第２の波長λ２（λ２＞λ１）の光束を用いて保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする光ピックアップ装置。

Images