JP4788783B2 - 対物光学素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

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対物光学素子及び光ピックアップ装置に関する。

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。

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。

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収束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１〜３参照。）。
上記特許文献１及び特許文献２には、平板状のホログラム光学素子と屈折型の対物レンズとを別体に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、二種類の波長のうち一方の波長の光束に関してはホログラム光学素子を透過させた後、対物レンズを介して所定のディスク上に集光させ、他方の波長の光線に関してはホログラム光学素子を通過する際に発散するように回折させた後、回折光のうちの−１次回折光を対物レンズを介して所定の光ディスク上に集光させることにより、一つの対物レンズで２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。

また、上記特許文献３には、光軸を中心とした同心円状の領域（中央領域）にホログラムを形成し、中央領域の周囲（周辺領域）に回折格子を形成した光学素子と屈折型の対物レンズとを別体に備える光ピックアップ装置が開示されている。
この装置は、中央領域において、波長６３５ｎｍの光束を透過させる一方で波長７８０ｎｍの光束を回折させる。また、周辺領域において、波長６３５ｎｍの光束を透過させる一方で、波長７８０ｎｍの光束を回折により実質的に遮断する。
このように、波長６３５ｎｍの光束を全て対物レンズに入射させ、波長７８０ｎｍの光束のうち中央領域を通過する光束のみを発散するように回折させて対物レンズに入射させることにより、一つの対物レンズで２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。

特開平９−５４９７３号公報 特開平９−３０６０１８号公報 国際公開第９８／１９３０３号パンフレット

しかし、特許文献１〜３に開示された装置はいずれも、二種類の波長の光束のうち一方の光束をホログラム光学素子で回折させ、他方の光束を透過させた後、対物レンズを介して所定の光ディスク上に集光するものである。
ここで、回折効率はホログラム光学素子に形成する凹凸の段数により決定されるものであり、透過光の回折効率をほぼ１００％とした場合における回折光の回折効率には限界があり（例えば、４段構造では約８１％、５段構造では約８８％、６段構造では約９１％程度）、情報の記録用に使用する場合、回折光の光量が不十分なものとなる問題や、凹凸の段数を増やすことにより金型の加工、成形が困難になるという問題がある。

また、特許文献１〜３に開示された装置はいずれも、ホログラム光学素子を対物レンズとは別体に配置する、つまり、ホログラム光学素子と対物レンズとを離して配置しているので、装置が大型化するという問題があった。
また、光束をホログラム光学素子で発散するように回折させるので、全光量に対して利用に供される光量の割合が小さくなり、光量低下を招くという問題があった。

また、ホログラム光学素子と対物レンズとを離して配置することにより偏心や像高特性の悪化を招き、結果的に軸上色収差や設計段階での想定値を超える温度変化により発生する球面収差（以下、「温度特性収差」という。）等が発生するという問題があった。
また、平板状のホログラム光学素子を用いることから、ホログラム光学素子の表面に形成する階段状の凹凸（干渉縞パタン）の数が多くなり、製造工程が複雑化するという問題があった。

本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、使用基準波長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、十分な光量を確保できると共に、像高特性の悪化を低減し、軸上色収差や温度変化による球面収差等を補正できる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。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
使用基準波長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、使用基準波長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対物光学素子であって、
所定の非球面形状の光学面に光軸を中心とした複数の回折輪帯を備えると共に、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、
前記回折輪帯では、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合、使用基準波長λ１の光束のＬ次（Ｌ≠０）回折光が最大の回折効率を有するよう回折され、使用基準波長λ２の光束のＭ次（Ｍ≠０）回折光が最大の回折効率を有するよう回折され、
前記光路差付与構造は、前記回折輪帯によって発生した使用基準波長λ１の光束の前記Ｌ次回折光、及び、使用基準波長λ２の光束の前記Ｍ次回折光に対して、回折次数を実質的に変化させる光路差を付与することを特徴とする。

ここで、本明細書中において対物光学素子とは、狭義には光ピックアップ装置に光情報記録媒体を装填した状態で、最も光情報記録媒体に近い位置において、光情報記録媒体と対向して配置される集光作用を有する光学素子を指し、例えば対物レンズが挙げられる。
また、広義にはその光学素子とともに、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に移動可能な光学素子を指すものとする。
また、対物光学素子としては、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対物光学素子としてもよい。

また、使用基準波長とは、使用基準温度において光源から出射される光束の波長を指す。
使用基準温度とは、対物光学素子及び光ピックアップ装置が使用される環境の温度変化範囲内にある、常温（１０〜４０℃程度）のことである。
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。

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、本発明における対物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。

また、光学面上に形成される回折輪帯とは、対物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、回折輪帯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、所定の非球面形状の光学面とは、各回折輪帯の始点を結んでできる仮想の非球面形状からなる光学面のことをいう。
また、所定の非球面形状の光学面に対する実質的な傾きをもつ光学面とは、例えば、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回折輪帯構造となる光学面のことをいう。

また、一般に回折輪帯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、回折効率とは回折輪帯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、使用基準波長λ１（λ２）の光が対物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。

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、対物光学素子の像側の開口数とは、対物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、対物光学素子が備える回折輪帯などによって、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。

請求項１に記載の発明によれば、光路差付与構造が、回折輪帯によって発生した使用基準波長λ１の光束の前記Ｌ次回折光、及び、使用基準波長λ２の光束の前記Ｍ次回折光に対して、回折次数を実質的に変化させる光路差を付与する。
従って、使用基準波長λ１の光束のＬ次以外の次数に相当する回折光が第１の光情報記録媒体に出射され、波長λ２の光束のＭ次以外の次数に相当する回折光が第２の光情報記録媒体に出射されることになる。
このように、対物光学素子に形成した回折輪帯と光路差付与構造との二段階で各波長の光束の回折次数を実質的に変化させることができるので、各光束の回折次数を適宜変化させて、光情報記録媒体の種類に応じた十分な光量を有する回折光を得ることができる。また、回折効率や回折次数に対する設計の自由度を増大させることができる。

また、従来の光ピックアップ装置は、回折光学素子などを用いて、所定の波長を有する光束に対して回折光を得るものであるが、本発明における対物光学素子では、回折輪帯により得られる、波長λ１の光束のうち最大の回折効率を有する次数の回折光と、波長λ２の光束のうち最大の回折効率を有する次数の回折光を利用して光情報記録媒体に対する情報の再生及び／又は記録を行なうので、光情報記録媒体の種類に応じた十分な光量を有する回折光を得ることができる。
また、光情報記録媒体への情報の再生及び／又は記録用として回折光を用いるので、各種収差（軸上色収差、温度特性収差等）を精度良く補正することができる。

また、所定の非球面形状に形成された光学面上に光軸を中心とした複数の回折輪帯を備えると共に、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定められた光路差を付与する光路差付与構造を備える。
従って、回折輪帯を有する光学素子と、例えばホログラム光学素子のような光路差付与構造を有する光学素子とを別体に配置する場合と比較して、光ピックアップ装置を小型化できると共に、偏心や像高特性の悪化を防止できる。
また、平板状のホログラム光学素子のように、階段形状の不連続面を光軸に対して直交する平面上に形成する場合と比較して、階段形状の不連続面の総数又は回折輪帯の数を少なくすることができ、製造工程数を削減することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の対物光学素子であって、前記回折輪帯が、鋸歯状の構造であり、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。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の対物光学素子であって、前記光学面が、光軸を中心とする略円形の中央領域と、中央領域の外周を覆う周辺領域とに区分され、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。

請求項３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。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の対物光学素子であって、前記回折輪帯の数が３から２０のいずれかであることを特徴とする。

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対物光学素子であって、前記光路差付与構造が使用基準波長λ２の光束に対して使用基準波長λ２の整数倍の光路差を付与することを特徴とする。

請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項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λ２の光束に対して波長λ２の整数倍の光路差が付与される。つまり、波長λ２の光束に対しては、光路差付与構造により実質的に位相差が与えられない。従って、回折輪帯により回折された、最大の回折効率を有する波長λ２の光束のＭ次回折光を、そのままＭ次回折に相当する光束として第２の光情報記録媒体に出射することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の対物光学素子であって、Ｌ＝Ｍであることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、使用基準波長λ1の光束を保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体に対して集光させ、使用基準波長λ２（λ２＞λ１）の光束を保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体に対して集光させる対物光学素子を備え、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１〜６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。

請求項７に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ることができる。。

本発明によれば、対物光学素子に形成した回折輪帯と光路差付与構造との二段階で各波長の光束の回折次数を実質的に変化させることができるので、各光束の回折次数を適宜変化させて、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、また、回折効率や回折次数に対する設計の自由度が増大した対物光学素子及び光ピックアップ装置を得ることができる。

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。 対物レンズの構造を示す要部側面図である。 対物レンズの要部側面図（ａ）及び図３（ａ）中に丸印で囲んだ箇所の拡大図（ｂ）である。 対物レンズの構造を示す要部側面図である。 対物レンズの構造を示す要部側面図である。 対物レンズの構造を示す要部側面図である。 対物レンズの構造を示す要部側面図である。 対物レンズの構造を示す要部拡大側面図である。 他の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。

本発明の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。

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ＤＶＤ）に対して第一の半導体レーザ３（光源）から波長λ1（＝６５０ｎｍ）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ＣＤ）に対して第二の半導体レーザ５（光源）から波長λ2（＝７８０ｎｍ）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。なお、第一の半導体レーザ３と第二の半導体レーザ５は光源としてユニット化されている。

そして、ＤＶＤ２に情報を記録又は再生する場合は、図１に実線で示すように、第一の半導体レーザ３から出射された波長λ１の光束が、コリメータ７を透過し平行光束となる。さらにビームスプリッタ８を経て絞り９によって絞られ、対物レンズ１０により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９を介して、ビームスプリッタ８で反射され、シリンドリカルレンズ１１により非点収差が与えられ、凹レンズ１２を経て、光検出器１３上ヘ入射し、光検出器１３から出カされる信号を用いて、ＤＶＤ２に記録された情報の読み取り信号が得られる。

ＣＤ４に情報を記録又は再生する場合は、図１に破線で示すように、第二の半導体レーザ５から出射された波長λ２の光束が、コリメータ７を透過し平行光束となる。さらにビームスプリッタ８を経て絞り９によって絞られ、対物レンズ１０によりＣＤ４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９を介して、ビームスプリッタ８で反射され、シリンドリカルレンズ１１により非点収差が与えられ、凹レンズ１２を経て、光検出器１３上ヘ入射し、光検出器１３から出力される信号を用いて、ＣＤ４に記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器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１４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、ＤＶＤ２又はＣＤ４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。

図２に示すように、対物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上に回折輪帯２０と光路差付与構造３０を備えるものである。
具体的には、対物レンズ１０には、光軸Ｌを中心とした、所定の非球面形状の光学面に対して実質的な傾きをもつ鋸歯状の不連続面である複数の回折輪帯２０が形成されており、さらに、各回折輪帯２０の光学面上には、これら回折輪帯２０を通過する光束に対して所定の光路差を付与する、光軸に沿った階段状の不連続面３１（段差）からなる光路差付与構造３０が形成されている。

図３（ａ）、（ｂ）中に一点鎖線で示す線は、上述のように、各回折輪帯２０の始点を結んでできる仮想の非球面形状からなる光学面（所定の非球面形状の光学面）を表すものであり、二点鎖線で示す線は、光軸Ｌを中心として光軸から離れるにしたがってその厚みが増すように形成された、従来より周知の同心円状の鋸歯状の回折輪帯２０の外形を表すものである。
図３（ａ）、（ｂ）中に実線で示す線は、各回折輪帯２０の光学面上に形成されている、各回折輪帯２０を通過する光束に対して所定の光路差を付与する階段状の不連続面３１（段差）の外形を含む、実際のレンズ形状を表すものである。
なお、図２、図４〜図７においても、図３と同様に、上述した各形状を一点鎖線、二点鎖線及び実線で表している。
各段差３１の深さｄ１（光軸Ｌ方向の長さ）は、波長λ２に対する対物レンズ１０の屈折率をｎとした場合に、λ２／（ｎ−１）で表される値とほぼ等しくなっており、一つの段差３１を通過する波長λ２の光束と、その隣の段差３１を通過する波長λ２の光束との間に、ほぼ１波長λ２に相当する光路差が生じ、かつ波面のずれが生じない長さに設定されている。
また、各段差の表面３１ａ（光学機能面）の形状は、図３中に二点鎖線で示した鋸歯状の回折輪帯２０の表面の形状を、各段差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なっている。

このように、本発明の対物光学素子は、光学機能面に所定の深さの段差３１を設けてなる光路差付与構造３０により、対物光学素子（対物レンズ１０）を通過する光束に対して所定の光路差を付与する機能を有し、また、各段差３１の表面形状３１ａを、回折輪帯２０を各段差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とすることにより、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抽出する機能を有するものである。
例えば、波長λ１（６５０ｎｍ）の光束が対物光学素子に入射した場合、図３の領域Ａ〜Ｅを通過することにより、各光束にはそれぞれ、７８０ｎｍ−６５０ｎｍ＝１３０ｎｍ、つまり２／５πラジアンの位相差が実質的に付与されることになり、結果的に波長λ１の光束の位相が変化して、回折するようになっている。
一方、波長λ２（７８０ｎｍ）の光束が入射した場合、図３の領域Ａ〜Ｅを通過することにより、各光束にはそれぞれ１波長λ２に相当する位相差が付与されることになり、領域Ａ〜Ｅを通過した光束間に生じる位相差はほぼゼロとなる。従って、波長λ２の光束は、光路差付与構造３０によっては実質的に回折せずに、そのまま透過するようになっている。

なお、本実施の形態においては、上述のように、各段差３１の深さｄ１（光軸方向の長さ）を波長λ２の１波長分の光路差が生じる長さとし、各段差３１の表面３１ａの形状を、図３中に二点鎖線で示した鋸歯状の回折輪帯２０の表面の形状を、各段差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、これら段差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。

（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及び対物光学素子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対物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Ｌから一定高さ以下（本実施例においては１．５４ｍｍ以下）の範囲Ａ１（以下、「中央領域Ａ１」という。）に回折輪帯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１０ａ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。）は、回折輪帯２０及び光路差付与構造３０を備えておらず、通常の屈折レンズとしての機能を有している。
一つの回折輪帯２０に形成されている各段差３１は、光軸Ｌから離れるに従って光源側に突出するように形成されている。
表１、表２に対物レンズのレンズデータを示す。

表１に示すように、本実施例の対物レンズ１０は、使用基準波長λ１＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝３．０５ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６０に設定されており、使用基準波長λ２＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝３．０７ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．５０に設定されている。
表１中の面Ｎｏ．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１．５４ｍｍ以下の中央領域Ａ１、光軸Ｌからの高さが１．５４ｍｍ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、ｎｉは各面の屈折率を表している。

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１及び表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。

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、Ａ２iは非球面係数である。

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。

ここで、Ｂ２iは光路差関数の係数である。

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。

また、λｉ、ｐ、Ｎ、Ｍの値については、表３に示す。

（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及び対物光学素子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対物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１．６０ｍｍ以下の中央領域Ａ１に回折輪帯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は、回折輪帯２０及び光路差付与構造３０を備えておらず、通常の屈折レンズとしての機能を有している。
一つの回折輪帯２０に形成されている各段差３１は、光軸Ｌから離れるに従って光源側に突出するように形成されている。
表４、表５に対物レンズのレンズデータを示す。

表４に示すように、本実施例の対物レンズは、使用基準波長λ１＝４０５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４０ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．８５に設定されており、使用基準波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４６ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されている。

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。

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。

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の光束の位相差は上記数３に、表３に示す係数を代入した数式で表される。

（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及び対物光学素子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４に示すように、両面非球面の単レンズである対物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のほぼ全面に回折輪帯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２０に形成されている各段差３１は、光軸Ｌから離れるに従って光源側に突出するように形成されている。
表６、表７に対物レンズのレンズデータを示す。

表６に示すように、本実施例の対物レンズは、使用基準波長λ１＝４０５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４０ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されており、使用基準波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ＝２．４８ｍｍ、像側開口数ＮＡ＝０．６５に設定されている。

対物レンズの第２面、第３面は、それぞれ上記数１に表６、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。

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。

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の光束の位相差は上記数３に、表３に示す係数を代入した数式で表される。

（実施例４）
次に、本発明の光学素子及び光ピックアップ装置の第４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。

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。

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。

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。

本実施例における対物光学素子は、図７に示すように、両面非球面の単レンズである対物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に回折輪帯２０と光路差付与構造３０を備える。
一つの回折輪帯２０に形成されている各段差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。
各段差３１の深さｄ１（光軸Ｌ方向の長さ）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、周辺領域Ａ２に鋸歯状の回折輪帯４０を備える、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。
表８、表９に対物レンズのレンズデータを示す。

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＝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。

表８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。

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。

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。

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１０に示す係数を代入した数式で表される。

なお、本発明に係る対物光学素子は、上記実施例１〜３に示したものに限定されず、図５、図６に示すようなものであってもよい。
図５に示す対物光学素子は、上記実施例１及び２に示した対物光学素子と比較すると、両面非球面の単レンズである対物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上の中央領域Ａ１に回折輪帯２０と光路差付与構造３０を備え、周辺領域Ａ２が通常の屈折レンズとして機能する点は一致するが、一つの回折輪帯２０に形成されている各段差３１が、光軸Ｌから離れるに従って光情報記録媒体側に突出する、即ち、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点が異なる。

図６に示す対物光学素子は、上記実施例１及び２に示した対物光学素子と比較すると、両面非球面の単レンズである対物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上の中央領域Ａ１に回折輪帯２０と光路差付与構造３０を備える点が一致するが、周辺領域Ａ２に鋸歯状の回折輪帯４０を有する点が異なる。

また、図３に示した対物レンズ１０では、鋸歯状の回折輪帯２０の表面の形状を各段差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を各段差の表面３１ａの形状としたが、これに限らず、図８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、各段差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を各段差の表面３１ａの形状としてもよい。

このように、本発明に係る対物光学素子は、非球面状に形成された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輪帯を有し、回折輪帯の光学面上に形成した、この回折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。

Ｌ 光軸
１ 光ピックアップ装置
２ 第１の光情報記録媒体
４ 第２の光情報記録媒体
１０ 対物光学素子
２０ 回折輪帯
３０ 光路差付与構造
３１ 階段状の不連続面（段差）
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 (7)

1. 使用基準波長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、使用基準波長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対物光学素子であって、
   所定の非球面形状の光学面に光軸を中心とした複数の回折輪帯を備えると共に、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、
   前記回折輪帯では、前記光路差付与構造が無いと仮定した場合、使用基準波長λ１の光束のＬ次（Ｌ≠０）回折光が最大の回折効率を有するよう回折され、使用基準波長λ２の光束のＭ次（Ｍ≠０）回折光が最大の回折効率を有するよう回折され、
   前記光路差付与構造は、前記回折輪帯によって発生した使用基準波長λ１の光束の前記Ｌ次回折光、及び、使用基準波長λ２の光束の前記Ｍ次回折光に対して、回折次数を実質的に変化させる光路差を付与することを特徴とする対物光学素子。
2. 請求項１に記載の対物光学素子であって、
   前記回折輪帯が、鋸歯状の構造であり、
   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対物光学素子。
3. 請求項１又は２に記載の対物光学素子であって、
   前記光学面が、光軸を中心とする略円形の中央領域と、中央領域の外周を覆う周辺領域とに区分され、
   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対物光学素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の対物光学素子であって、
   前記回折輪帯の数が３から２０のいずれかであることを特徴とする対物光学素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の対物光学素子であって、
   前記光路差付与構造が使用基準波長λ２の光束に対して使用基準波長λ２の整数倍の光路差を付与することを特徴とする対物光学素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の対物光学素子であって、
   Ｌ＝Ｍであることを特徴とする対物光学素子。
7. 使用基準波長λ1の光束を保護基板厚ｔ１の第１の光情報記録媒体に対して集光させ、
   使用基準波長λ２（λ２＞λ１）の光束を保護基板厚ｔ２（ｔ２≧ｔ１）の第２の光情報記録媒体に対して集光させる対物光学素子を備え、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１〜６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