JP3634736B2 - 光ヘッド用対物レンズおよび光ヘッドの光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）装置、あるいは光磁気ディスク（ＭＯ）装置等の光情報記録再生装置の光ヘッドに使用される高ＮＡ（開口数）の対物レンズ、およびこの対物レンズを用いた光ヘッドの光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量化、小型化が要求される光情報記録再生装置の光ヘッドには、一般に樹脂製の両面非球面レンズが利用される。ただし、樹脂レンズはガラスレンズと比較して温度変化による屈折率変化や形状変化が大きいため、それによる性能変化が問題となり易い。例えば、温度が上昇すると、樹脂レンズの屈折率は低下するため、これに伴って球面収差が補正過剰となる方向に変化し、波面収差が劣化する。樹脂レンズの温度変化に対する屈折率の変化率は、ほぼ−１１×１０−５／℃である。
【０００３】
表１は、焦点距離３．０ｍｍ、使用波長６５０ｎｍの樹脂製レンズについて、温度が４０度上昇した際、すなわち屈折率が−４４０×１０−５変化した際の波面収差（ｒｍｓ値、単位：λ（波長））の変化量を、ＮＡをパラメータとして示した表であり、図１６はそのグラフである。
【０００４】
【表１】
ＮＡ 波面収差（ｒｍｓ、単位：λ）
０．００ ０．０００
０．１０ ０．０００
０．２０ ０．００１
０．３０ ０．００３
０．４０ ０．００７
０．５０ ０．０１８
０．６０ ０．０４３
【０００５】
一般に、ＣＤ （コンパクトディスク）装置用の対物レンズは、ＮＡが０．４５程度であり、波面収差の許容範囲の上限が０．０４λ程度であるため、９０度程度の温度変化があっても波面収差は許容範囲内となり、温度変化による波面収差の劣化は実用上は問題とならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＶＤ装置用の対物レンズはＮＡが０．６０、ＭＯ装置用の対物レンズはＮＡが０．５５程度であり、波面収差の許容範囲の上限が０．０３λ程度であるため、４０度〜５０度程度の温度変化があると波面収差が許容範囲の上限を越え、情報の記録、再生に支障をきたす可能性がある。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、温度変化による波面収差の変化を小さく抑え、ＤＶＤ装置用、あるいはＭＯ装置用の高ＮＡの対物レンズとして利用する場合にも、利用可能な温度範囲を広げることができる光ヘッド用対物レンズを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ヘッド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、光源部から発する第１のレーザー光を第１の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させると共に、第１のレーザー光より波長が長い第２のレーザー光を第１の光ディスクより保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる単レンズであって、いずれか一方のレンズ面を、光軸を含む中心領域と、この中心領域の周囲を囲み前記中心領域より面積の狭い周辺領域とに区分し、中心領域を、段差のない連続面として形成し、周辺領域に、微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造を形成したことを特徴とする。回折レンズ構造は、第１の光ディスクに対して最適化されており、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有し、第１の光ディスクの使用時には、中心領域、周辺領域に入射した第１のレーザー光が共に同一の位置に集光して比較的小さなスポットを形成し、かつ、温度変化による集光特性の劣化を防ぎ、第２の光ディスクの使用時には、周辺領域に入射した第２のレーザー光は拡散し、中心領域に入射した第２のレーザー光のみが集光して比較的大きなスポットを形成する。
【０００９】
上記のように回折レンズ構造を設けることにより、第１の光ディスクの使用時には、温度変化による影響を避けることができる。また、温度補償のための回折レンズ構造は、周辺領域のみに設けてあれば集光性能の変化を実用上問題のないレベルに抑えることができる。周辺領域の面積が中心領域の面積に比べ大きくなると、球面収差の波長依存性が大きくなり、ロット違いによる半導体レーザーの発振波長の個体差等による性能劣化が問題となる。このため、周辺領域の面積は中心領域の面積よりも小さくなるように区分されている。したがって、第１の光ディスク使用時に利用される第１のレーザー光に対しては高い開口数 （ ＮＡ ） を確保できると共に、第２の光ディスク使用時に利用される第２のレーザー光に対しては収差を発生させ、実質的に開口数を小さくして第１の光ディスクに対するより大きな第２の光ディスクに適したサイズのスポットを形成することができる。
【００１０】
前述のように、屈折レンズの球面収差は温度上昇により補正過剰となる方向に変化する。一方、光ヘッドの光源として一般に用いられる半導体レーザーは、温度上昇により発振波長が長波長側にシフトする特性を有する。そこで、回折レンズ構造には、波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を持たせれば、温度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変化を、温度上昇による半導体レーザーの長波長側への波長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができる。
【００１１】
また、この発明にかかる光ヘッドの光学系は、レーザー光を発する光源部と、このレーザー光を光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる対物レンズとを備え、対物レンズのレンズ面の周辺領域に、温度補償用の回折レンズ構造を形成し、中心領域を段差のない連続面として形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、光源部は、短波長の第１のレーザー光と長波長の第２のレーザー光とを選択的に発し、第２のレーザー光を発散光として対物レンズに対して入射させ、第１のレーザー光を平行光若しくは第２のレーザー光より弱い発散光として対物レンズに入射させる。対物レンズは、第１のレーザー光を保護層が薄く記録密度が高い第１の光ディスク（例えばＤＶＤ）の記録面上に集光させると共に、第２のレーザー光を保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスク（例えばＣＤ）の記録面上に集光させる。
【００１３】
上記のように記録密度の異なる２種類の光ディスクが使用される場合、対物レンズの周辺領域に形成される温度補償用の回折レンズ構造は、記録密度の高い第１の光ディスクに対して最適化される。したがって、第１の光ディスク使用時に利用される第１のレーザー光に対しては高い開口数（ＮＡ）を確保できると共に、第２の光ディスク使用時に利用される第２のレーザー光に対しては収差を発生させ、実質的に開口数を小さくして第１の光ディスクに対するより大きな第２の光ディスクに適したサイズのスポットを形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ヘッドの光学系の実施形態を説明する。最初に光学系の全体構成について説明し、続いて対物レンズの実施例を説明する。実施形態の光ヘッドは、この例ではＤＶＤ等のように記録密度が相対的に高い光ディスク（以下、第１の光ディスクという）に対して記録あるいは再生が可能である。
【００１５】
図１は第１の実施形態にかかる光ヘッドの光学系の説明図である。この光学系は、レーザーモジュール２１、コリメートレンズ２４、対物レンズ１０で構成されている。レーザーモジュール２１は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子である。対物レンズ１０は、図示しない公知のフォーカシング機構によりその光軸方向に移動可能であり、かつ、トラッキング機構により光ディスクの半径方向にも移動可能である。
【００１６】
ＤＶＤ等の０．６ｍｍの保護層を有する高記録密度の第１の光ディスクＤ１を使用するためには、小さいビームスポットを作るために波長６３５〜６６５ｎｍの赤色光が必要とされる。そこで、レーザーモジュール２１は、発振波長６５０ｎｍの半導体レーザーを備える。
【００１７】
なお、レーザーモジュール２１は、コリメートレンズ２４から発した第１のレーザー光が平行光として対物レンズ１０に入射するように、すなわち、対物レンズの物体距離が無限遠となるように、コリメートレンズ２４の前側焦点に一致して配置されている。
【００１８】
レーザーモジュール２１の半導体レーザーから発した波長６５０ｎｍの第１のレーザー光は、平行光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第１の光ディスクＤ１の記録面にビームスポットを形成する。光ディスクからの反射光は、レーザーモジュール２１に設けられた受光素子により受光され、フォーカシングエラー信号、トラッキングエラー信号、そして再生時には記録された情報の再生信号が検出される。
【００１９】
次に、図２に基づいて対物レンズ１０の構造について詳細に説明する。図２は、実施形態にかかる対物レンズ１０を示す説明図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は縦断面の一部拡大図である。
【００２０】
対物レンズ１０は、非球面である２つのレンズ面１１，１２を有する両凸の樹脂製単レンズである。対物レンズ１０の第１面１１は、図２（Ａ）に示すように、光軸を含む中心領域と、該中心領域の周囲を囲む周辺領域とに区分される。中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとは、面積比が１：１より小さくなるように、すなわち周辺領域ＲＥが中心領域ＲＣよりも狭くなるように区分されている。
【００２１】
第１面１１の周辺領域ＲＥには、図２（Ａ）に示したように光軸を中心とする同心輪帯状の回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、図２（Ｃ）に示す通り、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。第１面１１の中心領域ＲＣと、第２面１２の全域とは、回折レンズ構造を持たない連続面である。
【００２２】
周辺領域ＲＥに形成される回折レンズ構造は、温度変化による集光特性の変化を補償する機能を有する。この回折レンズ構造は、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有している。屈折レンズの球面収差は、温度上昇により補正過剰となる方向に変化する。一方、光源として用いられる半導体レーザーの温度変化による波長シフトは、約０．２ｎｍ／℃であり、例えば温度が４０℃上昇した場合には８ｎｍ波長が長波長側にシフトする。
【００２３】
そこで、上記のように回折レンズ構造に波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を持たせることにより、温度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変化を、温度上昇による長波長側への波長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができる。
【００２４】
なお、図２の例では、対物レンズ１０の第１面１１の周辺領域ＲＥにのみ回折レンズ構造を形成しているが、対物レンズ１０がＤＶＤとＣＤとに兼用される場合には、中心領域ＲＣに色収差を補正するための回折レンズ構造を形成してもよい。また、回折レンズ構造を形成するのは第１面１１に限られず、第２面１２に形成してもよい。
次に、上述した実施形態に基づく対物レンズ１０の具体的な実施例を４例提示する。
【００２５】
【実施例１】
図３は、実施例１にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。レーザー光は平行光（物体距離∞）として対物レンズ１０に入射し、第１の光ディスクＤ１の記録面上に集光する。実施例１の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表２に示されている。実施例１の対物レンズ１０の第１面１１は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．５０を満たす中心領域ＲＣと１．５０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣは段差のない連続面、周辺領域ＲＥには波長により球面収差を変化させる回折レンズ構造が形成されている。中心領域ＥＣと周辺領域ＲＥのベースカーブ（回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状）とは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面１２は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。
【００２６】
第１面１１の中心領域ＲＣの非球面、周辺領域のベースカーブ、および第２面１２の非球面の形状は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
Ｘ（ｈ）＝Ｃｈ２／（１＋√（１−（１＋Ｋ）Ｃ２ｈ２））＋Ａ４ｈ４＋Ａ６ｈ６＋Ａ８ｈ８＋Ａ１０ｈ１０＋Ａ１２ｈ１２
【００２７】
また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次（偶数次）の光路差関数係数Ｐｎ、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ（ｈ）＝（Ｐ２ｈ２＋Ｐ４ｈ４＋Ｐ６ｈ６＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ（ｈ）により表すことができる。光路差関数φ（ｈ）は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路差を示す。付加量は、軸上の光路に対して光路が長くなる方向を正として表す。
【００２８】
実際の回折レンズ構造の微細形状は、上記の光路差関数で表わされる光路長から波長の整数倍の成分を消去することにより決定される。すなわち、輪帯幅は、例えば１次回折光を用いる場合には、輪帯の内周と外周とで光路差関数が一波長分の差を持つように決定され、輪帯間の段差は、入射光に１波長の光路長差を与えるように決定される。
【００２９】
表２では、第１面１１の中心領域ＲＣの非球面形状を定義する各係数、第１面１１の周辺領域ＲＥのベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、面間隔、ｄ線の屈折率、アッベ数νｄ、そして、第２面の非球面形状を定義する各係数が示されている。表中、ＮＡ１、ｆ１、λ１、ＷＤ１、ＯＤ１は、それぞれ第１の光ディスクＤ１使用時の開口数、対物レンズの焦点距離（単位：ｍｍ）、波長（単位：ｎｍ）、作動距離（単位：ｍｍ）、物体距離（単位：ｍｍ）である。
【００３０】
【表２】
【００３１】
図４（Ａ）は、実施例１の対物レンズ１０の第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図４（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ，６４５ｎｍ，６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。各グラフ（Ａ），（Ｂ）の横軸は収差の発生量を示し（単位：ｍｍ）、縦軸は開口数ＮＡを示す。
【００３２】
また、図５（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図４（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。この屈折率の変化は、温度が４０℃上昇した場合の変化に対応している。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図５（Ａ）に示すようにＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。回折レンズ構造が設けられていない場合には、ＮＡが大きくなるに従って球面収差が単調にオーバー側に変化し、高ＮＡの領域で発生する球面収差の量が過大となる。
【００３３】
【実施例２】
表３は、実施例２の対物レンズの具体的な数値構成を示す。実施例２の対物レンズは、基本形状が実施例１の対物レンズと同一であり、第１面の周辺領域ＲＥの構成が異なるのみであるため、この領域の数値のみ表示する。また、外形は図３と同一であるため、レンズ図は省略する。
【００３４】
【表３】
【００３５】
図６（Ａ）は、実施例２の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図６（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図７（Ａ） （Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図６（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図７（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００３６】
【実施例３】
図８は、実施例３にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。実施例３の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表４に示されている。実施例３の対物レンズ１０の第１面２１は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．５０を満たす中心領域ＲＣと１．５０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣには色収差補正用の回折レンズ構造が形成され、周辺領域ＲＥには温度補償用の回折レンズ構造が形成されている。また、第２面２２は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。
【００３７】
【表４】
【００３８】
図９（Ａ）は、実施例３の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図９（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図１０（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図９（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図１０（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００３９】
【実施例４】
図１１は、実施例４にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。実施例４の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表５に示されている。実施例４の対物レンズ１０の第１面１１は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。また、第２面１２は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．２０を満たす中心領域と１．２０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣは段差のない連続面とされ、周辺領域ＲＥには波長により球面収差を変化させる回折レンズ構造が形成されている。
【００４０】
【表５】
【００４１】
図１２（Ａ）は、実施例４の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図１２（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図１３（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図１２（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図１２（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００４２】
以下の表６は、対物レンズの温度変化ΔＴ℃に対する波面収差（ｒｍｓ、単位：λ）の変化を示し、上記の４つの実施例の対物レンズと、回折レンズ構造が設けられていない比較例の対物レンズとの値を示している。図１４は、表６をグラフ化したものである。
【００４３】
【表６】
【００４４】
表６，および図１４に示されるとおり、周辺領域ＲＥに回折レンズ構造を形成することにより、温度変化による波面収差の発生量を半分以下に抑えることができる。このように温度補償のための回折レンズ構造を周辺領域ＲＥにのみ形成することにより、波面収差の発生を小さく抑えられ、かつ、中心領域を規格の異なる光ディスクに対して共用する場合にも適用可能な対物レンズを構成することが可能となる。
【００４５】
すなわち、温度補償のための回折レンズ構造を中心領域ＲＣにも形成した場合には、ＤＶＤ等の第１の光ディスクに対しては温度変化による波面収差の劣化をより小さく抑えることができるものの、波長依存性が大きくなるために使用波長が異なる他の光ディスクに対しては利用することができなくなる。これに対して、周辺領域にのみ温度補償のための回折レンズ構造を形成した場合には、周辺領域は第１の光ディスクを使用する際に適した専用の領域となるものの、中心領域は使用波長が異なる他の光ディスクに対しても利用することが可能となる。
【００４６】
特に、長波長のレーザー光を利用してＣＤ等の記録密度が相対的に低く、保護層の厚い光ディスク（以下、第２の光ディスクという）を使用する場合には、上記のように周辺利用域を第１の光ディスクに対する専用領域とすることにより、第２の光ディスクの利用時には周辺領域を通った光は拡散し、実質的にＮＡを小さくして形成されるビームスポットが必要以上に小さくなるのを防ぐことができる。
【００４７】
上述した４つの実施例の対物レンズを、２種類の光ディスクを利用可能な光ヘッドに適用した第２の実施形態につき図１５に基づいて説明する。図１５は、記録密度の高いＤＶＤと記録密度の低いＣＤ、ＣＤ−Ｒ（ＣＤレコーダブル）に対して記録あるいは再生が可能な光ヘッドの光学系を示す説明図である。この光学系は、第１レーザーモジュール２１、第２レーザーモジュール２２、ビームコンバイナ２３、コリメートレンズ２４、対物レンズ１０で構成されている。各モジュール２１，２２は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子である。
【００４８】
第１のレーザーモジュール２１は、図１の例と同様、発振波長６５０ｎｍの半導体レーザーを備える。一方、１．２ｍｍの保護層を有する低記録密度の第２の光ディスクＤ２のうち、少なくともＣＤ−Ｒを使用するためには、その分光反射率の関係で近赤外光が必要となる。そこで、第２のレーザーモジュール２２は、発振波長７８０ｎｍの半導体レーザーを備える。
【００４９】
第１の光ディスクＤ１（図中実線で示す）の使用時には、第１のレーザーモジュール２１を作動させる。対物レンズ１０は図中に実線で示した位置に配置され、第１のレーザーモジュール２１の半導体レーザーから発した波長６５０ｎｍの第１のレーザー光は、図中実線で示したように平行光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第１の光ディスクＤ１の記録面にビームスポットを形成する。他方、第２の光ディスクＤ２（図中破線で示す）の使用時には、第２のレーザーモジュール２２を作動させる。対物レンズ１０は図中破線で示したように、光ディスクに近づいた位置に配置される。第２のレーザーモジュール２２の半導体レーザーから発した波長７８０ｎｍの第２のレーザー光は、図中破線で示したように発散光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第２の光ディスクＤ２の記録面にビームスポットを形成する。
【００５０】
対物レンズ１０の周辺領域ＲＥに形成される回折レンズ構造は、第１のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際には温度変化による波面収差の劣化を防ぎ、第２のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際には球面収差を発生させる。したがって、第１の光ディスクＤ１の使用時には、中心領域ＲＣ、周辺領域ＲＥに入射した第１のレーザー光が共に同一の位置に集光し、ＮＡが比較的大きくなるためにスポット径を小さく絞ることができ、かつ、温度変化による集光性能の劣化を防ぐことができる。他方、第２の光ディスクＤ２の使用時には、周辺領域ＲＥに入射した第２のレーザー光は拡散し、中心領域ＲＣに入射したレーザー光のみがビームスポットを形成するため、ＮＡが実質的に小さくなり、スポット径が第１のレーザー光によるスポット径より大きくなる。第２の光ディスクの使用時には、ＮＡが小さいため、温度変化による波面収差の劣化は問題とならない。
【００５１】
なお、実施例１〜４の対物レンズを図１５の光学系に適用する場合、第２のレーザーモジュール２２から発した波長７８０ｎｍのレーザー光を対物レンズ１０の物体距離が−５２．０ｍｍとなるように発散光として入射させると、第２の光ディスクに対して良好なビームスポットを形成することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、対物レンズの周辺領域に、温度変化による集光性能の変化を抑える回折レンズ構造を設けることにより、ＤＶＤ等の高いＮＡが要求される対物レンズについても、温度変化による波面収差の劣化を防ぎ、装置の使用可能な温度範囲を広げることができる。また、温度補償用の回折レンズ構造を周辺領域についてのみ設けることにより、中心領域は、必要とされるＮＡが異なるＣＤ等の他の規格の光ディスクを使用する場合との兼用領域として設計できるため、それぞれの光ディスクについて専用の対物レンズを設けるよりも光学系の構成を簡略化して、小型化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態にかかる光ヘッドの光学系を示す説明図。
【図２】図１の光学系に用いられる対物レンズの（Ａ）正面図、（Ｂ）縦断面図、（Ｃ）縦断面の一部拡大図。
【図３】実施例１の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図４】実施例１の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図５】実施例１の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図６】実施例２の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図７】実施例２の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図８】実施例３の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図９】実施例３の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１０】実施例３の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１１】実施例４の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図１２】実施例４の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１３】実施例４の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１４】実施例と比較例の対物レンズの温度変化に対する波面収差の変化を示すグラフ。
【図１５】第２の実施形態にかかる光ヘッドの光学系を示す説明図。
【図１６】焦点距離３．０ｍｍ、使用波長６５０ｎｍの樹脂製レンズについて、温度が４０度上昇した際の波面収差（単位：λ（波長））の変化量をＮＡをパラメータとして示したグラフ。
【符号の説明】
１０ 対物レンズ
１１ 第１面
１２ 第２面
Ｄ１ 第１の光ディスク
２１ レーザーモジュール
２４ コリメートレンズ
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）装置、あるいは光磁気ディスク（ＭＯ）装置等の光情報記録再生装置の光ヘッドに使用される高ＮＡ（開口数）の対物レンズ、およびこの対物レンズを用いた光ヘッドの光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量化、小型化が要求される光情報記録再生装置の光ヘッドには、一般に樹脂製の両面非球面レンズが利用される。ただし、樹脂レンズはガラスレンズと比較して温度変化による屈折率変化や形状変化が大きいため、それによる性能変化が問題となり易い。例えば、温度が上昇すると、樹脂レンズの屈折率は低下するため、これに伴って球面収差が補正過剰となる方向に変化し、波面収差が劣化する。樹脂レンズの温度変化に対する屈折率の変化率は、ほぼ−１１×１０−５／℃である。
【０００３】
表１は、焦点距離３．０ｍｍ、使用波長６５０ｎｍの樹脂製レンズについて、温度が４０度上昇した際、すなわち屈折率が−４４０×１０−５変化した際の波面収差（ｒｍｓ値、単位：λ（波長））の変化量を、ＮＡをパラメータとして示した表であり、図１６はそのグラフである。
【０００４】
【表１】
ＮＡ 波面収差（ｒｍｓ、単位：λ）
０．００ ０．０００
０．１０ ０．０００
０．２０ ０．００１
０．３０ ０．００３
０．４０ ０．００７
０．５０ ０．０１８
０．６０ ０．０４３
【０００５】
一般に、ＣＤ （コンパクトディスク）装置用の対物レンズは、ＮＡが０．４５程度であり、波面収差の許容範囲の上限が０．０４λ程度であるため、９０度程度の温度変化があっても波面収差は許容範囲内となり、温度変化による波面収差の劣化は実用上は問題とならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＤＶＤ装置用の対物レンズはＮＡが０．６０、ＭＯ装置用の対物レンズはＮＡが０．５５程度であり、波面収差の許容範囲の上限が０．０３λ程度であるため、４０度〜５０度程度の温度変化があると波面収差が許容範囲の上限を越え、情報の記録、再生に支障をきたす可能性がある。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、温度変化による波面収差の変化を小さく抑え、ＤＶＤ装置用、あるいはＭＯ装置用の高ＮＡの対物レンズとして利用する場合にも、利用可能な温度範囲を広げることができる光ヘッド用対物レンズを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ヘッド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、光源部から発する第１のレーザー光を第１の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させると共に、第１のレーザー光より波長が長い第２のレーザー光を第１の光ディスクより保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる単レンズであって、いずれか一方のレンズ面を、光軸を含む中心領域と、この中心領域の周囲を囲み前記中心領域より面積の狭い周辺領域とに区分し、中心領域を、段差のない連続面として形成し、周辺領域に、微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造を形成したことを特徴とする。回折レンズ構造は、第１の光ディスクに対して最適化されており、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有し、第１の光ディスクの使用時には、中心領域、周辺領域に入射した第１のレーザー光が共に同一の位置に集光して比較的小さなスポットを形成し、かつ、温度変化による集光特性の劣化を防ぎ、第２の光ディスクの使用時には、周辺領域に入射した第２のレーザー光は拡散し、中心領域に入射した第２のレーザー光のみが集光して比較的大きなスポットを形成する。
【０００９】
上記のように回折レンズ構造を設けることにより、第１の光ディスクの使用時には、温度変化による影響を避けることができる。また、温度補償のための回折レンズ構造は、周辺領域のみに設けてあれば集光性能の変化を実用上問題のないレベルに抑えることができる。周辺領域の面積が中心領域の面積に比べ大きくなると、球面収差の波長依存性が大きくなり、ロット違いによる半導体レーザーの発振波長の個体差等による性能劣化が問題となる。このため、周辺領域の面積は中心領域の面積よりも小さくなるように区分されている。したがって、第１の光ディスク使用時に利用される第１のレーザー光に対しては高い開口数 （ ＮＡ ） を確保できると共に、第２の光ディスク使用時に利用される第２のレーザー光に対しては収差を発生させ、実質的に開口数を小さくして第１の光ディスクに対するより大きな第２の光ディスクに適したサイズのスポットを形成することができる。
【００１０】
前述のように、屈折レンズの球面収差は温度上昇により補正過剰となる方向に変化する。一方、光ヘッドの光源として一般に用いられる半導体レーザーは、温度上昇により発振波長が長波長側にシフトする特性を有する。そこで、回折レンズ構造には、波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を持たせれば、温度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変化を、温度上昇による半導体レーザーの長波長側への波長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができる。
【００１１】
また、この発明にかかる光ヘッドの光学系は、レーザー光を発する光源部と、このレーザー光を光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる対物レンズとを備え、対物レンズのレンズ面の周辺領域に、温度補償用の回折レンズ構造を形成し、中心領域を段差のない連続面として形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、光源部は、短波長の第１のレーザー光と長波長の第２のレーザー光とを選択的に発し、第２のレーザー光を発散光として対物レンズに対して入射させ、第１のレーザー光を平行光若しくは第２のレーザー光より弱い発散光として対物レンズに入射させる。対物レンズは、第１のレーザー光を保護層が薄く記録密度が高い第１の光ディスク（例えばＤＶＤ）の記録面上に集光させると共に、第２のレーザー光を保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスク（例えばＣＤ）の記録面上に集光させる。
【００１３】
上記のように記録密度の異なる２種類の光ディスクが使用される場合、対物レンズの周辺領域に形成される温度補償用の回折レンズ構造は、記録密度の高い第１の光ディスクに対して最適化される。したがって、第１の光ディスク使用時に利用される第１のレーザー光に対しては高い開口数（ＮＡ）を確保できると共に、第２の光ディスク使用時に利用される第２のレーザー光に対しては収差を発生させ、実質的に開口数を小さくして第１の光ディスクに対するより大きな第２の光ディスクに適したサイズのスポットを形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ヘッドの光学系の実施形態を説明する。最初に光学系の全体構成について説明し、続いて対物レンズの実施例を説明する。実施形態の光ヘッドは、この例ではＤＶＤ等のように記録密度が相対的に高い光ディスク（以下、第１の光ディスクという）に対して記録あるいは再生が可能である。
【００１５】
図１は第１の実施形態にかかる光ヘッドの光学系の説明図である。この光学系は、レーザーモジュール２１、コリメートレンズ２４、対物レンズ１０で構成されている。レーザーモジュール２１は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子である。対物レンズ１０は、図示しない公知のフォーカシング機構によりその光軸方向に移動可能であり、かつ、トラッキング機構により光ディスクの半径方向にも移動可能である。
【００１６】
ＤＶＤ等の０．６ｍｍの保護層を有する高記録密度の第１の光ディスクＤ１を使用するためには、小さいビームスポットを作るために波長６３５〜６６５ｎｍの赤色光が必要とされる。そこで、レーザーモジュール２１は、発振波長６５０ｎｍの半導体レーザーを備える。
【００１７】
なお、レーザーモジュール２１は、コリメートレンズ２４から発した第１のレーザー光が平行光として対物レンズ１０に入射するように、すなわち、対物レンズの物体距離が無限遠となるように、コリメートレンズ２４の前側焦点に一致して配置されている。
【００１８】
レーザーモジュール２１の半導体レーザーから発した波長６５０ｎｍの第１のレーザー光は、平行光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第１の光ディスクＤ１の記録面にビームスポットを形成する。光ディスクからの反射光は、レーザーモジュール２１に設けられた受光素子により受光され、フォーカシングエラー信号、トラッキングエラー信号、そして再生時には記録された情報の再生信号が検出される。
【００１９】
次に、図２に基づいて対物レンズ１０の構造について詳細に説明する。図２は、実施形態にかかる対物レンズ１０を示す説明図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は縦断面の一部拡大図である。
【００２０】
対物レンズ１０は、非球面である２つのレンズ面１１，１２を有する両凸の樹脂製単レンズである。対物レンズ１０の第１面１１は、図２（Ａ）に示すように、光軸を含む中心領域と、該中心領域の周囲を囲む周辺領域とに区分される。中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとは、面積比が１：１より小さくなるように、すなわち周辺領域ＲＥが中心領域ＲＣよりも狭くなるように区分されている。
【００２１】
第１面１１の周辺領域ＲＥには、図２（Ａ）に示したように光軸を中心とする同心輪帯状の回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、図２（Ｃ）に示す通り、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。第１面１１の中心領域ＲＣと、第２面１２の全域とは、回折レンズ構造を持たない連続面である。
【００２２】
周辺領域ＲＥに形成される回折レンズ構造は、温度変化による集光特性の変化を補償する機能を有する。この回折レンズ構造は、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有している。屈折レンズの球面収差は、温度上昇により補正過剰となる方向に変化する。一方、光源として用いられる半導体レーザーの温度変化による波長シフトは、約０．２ｎｍ／℃であり、例えば温度が４０℃上昇した場合には８ｎｍ波長が長波長側にシフトする。
【００２３】
そこで、上記のように回折レンズ構造に波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を持たせることにより、温度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変化を、温度上昇による長波長側への波長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができる。
【００２４】
なお、図２の例では、対物レンズ１０の第１面１１の周辺領域ＲＥにのみ回折レンズ構造を形成しているが、対物レンズ１０がＤＶＤとＣＤとに兼用される場合には、中心領域ＲＣに色収差を補正するための回折レンズ構造を形成してもよい。また、回折レンズ構造を形成するのは第１面１１に限られず、第２面１２に形成してもよい。
次に、上述した実施形態に基づく対物レンズ１０の具体的な実施例を４例提示する。
【００２５】
【実施例１】
図３は、実施例１にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。レーザー光は平行光（物体距離∞）として対物レンズ１０に入射し、第１の光ディスクＤ１の記録面上に集光する。実施例１の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表２に示されている。実施例１の対物レンズ１０の第１面１１は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．５０を満たす中心領域ＲＣと１．５０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣは段差のない連続面、周辺領域ＲＥには波長により球面収差を変化させる回折レンズ構造が形成されている。中心領域ＥＣと周辺領域ＲＥのベースカーブ（回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状）とは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面１２は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。
【００２６】
第１面１１の中心領域ＲＣの非球面、周辺領域のベースカーブ、および第２面１２の非球面の形状は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
Ｘ（ｈ）＝Ｃｈ２／（１＋√（１−（１＋Ｋ）Ｃ２ｈ２））＋Ａ４ｈ４＋Ａ６ｈ６＋Ａ８ｈ８＋Ａ１０ｈ１０＋Ａ１２ｈ１２
【００２７】
また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次（偶数次）の光路差関数係数Ｐｎ、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ（ｈ）＝（Ｐ２ｈ２＋Ｐ４ｈ４＋Ｐ６ｈ６＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ（ｈ）により表すことができる。光路差関数φ（ｈ）は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路差を示す。付加量は、軸上の光路に対して光路が長くなる方向を正として表す。
【００２８】
実際の回折レンズ構造の微細形状は、上記の光路差関数で表わされる光路長から波長の整数倍の成分を消去することにより決定される。すなわち、輪帯幅は、例えば１次回折光を用いる場合には、輪帯の内周と外周とで光路差関数が一波長分の差を持つように決定され、輪帯間の段差は、入射光に１波長の光路長差を与えるように決定される。
【００２９】
表２では、第１面１１の中心領域ＲＣの非球面形状を定義する各係数、第１面１１の周辺領域ＲＥのベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、面間隔、ｄ線の屈折率、アッベ数νｄ、そして、第２面の非球面形状を定義する各係数が示されている。表中、ＮＡ１、ｆ１、λ１、ＷＤ１、ＯＤ１は、それぞれ第１の光ディスクＤ１使用時の開口数、対物レンズの焦点距離（単位：ｍｍ）、波長（単位：ｎｍ）、作動距離（単位：ｍｍ）、物体距離（単位：ｍｍ）である。
【００３０】
【表２】
図４（Ａ）は、実施例１の対物レンズ１０の第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図４（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ，６４５ｎｍ，６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。各グラフ（Ａ），（Ｂ）の横軸は収差の発生量を示し（単位：ｍｍ）、縦軸は開口数ＮＡを示す。
【００３２】
また、図５（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図４（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。この屈折率の変化は、温度が４０℃上昇した場合の変化に対応している。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図５（Ａ）に示すようにＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。回折レンズ構造が設けられていない場合には、ＮＡが大きくなるに従って球面収差が単調にオーバー側に変化し、高ＮＡの領域で発生する球面収差の量が過大となる。
【００３３】
【実施例２】
表３は、実施例２の対物レンズの具体的な数値構成を示す。実施例２の対物レンズは、基本形状が実施例１の対物レンズと同一であり、第１面の周辺領域ＲＥの構成が異なるのみであるため、この領域の数値のみ表示する。また、外形は図３と同一であるため、レンズ図は省略する。
【００３４】
【表３】
図６（Ａ）は、実施例２の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図６（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図７（Ａ） （Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図６（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図７（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００３６】
【実施例３】
図８は、実施例３にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。実施例３の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表４に示されている。実施例３の対物レンズ１０の第１面２１は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．５０を満たす中心領域ＲＣと１．５０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣには色収差補正用の回折レンズ構造が形成され、周辺領域ＲＥには温度補償用の回折レンズ構造が形成されている。また、第２面２２は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。
【００３７】
【表４】
図９（Ａ）は、実施例３の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図９（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図１０（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図９（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図１０（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００３９】
【実施例４】
図１１は、実施例４にかかる対物レンズ１０と第１の光ディスクＤ１とを示すレンズ図である。実施例４の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表５に示されている。実施例４の対物レンズ１０の第１面１１は回折レンズ構造を有さない回転対称非球面である。また、第２面１２は、光軸からの高さｈが０≦ｈ＜１．２０を満たす中心領域と１．２０≦ｈとなる周辺領域ＲＥとに区分され、中心領域ＲＣは段差のない連続面とされ、周辺領域ＲＥには波長により球面収差を変化させる回折レンズ構造が形成されている。
【００４０】
【表５】
図１２（Ａ）は、実施例４の対物レンズの第１の光ディスクＤ１に対する波長６５０ｎｍにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣを示し、図１２（Ｂ）は、波長６５０ｎｍ， ６４５ｎｍ， ６５５ｎｍにおける球面収差により表される色収差を示す。また、図１３（Ａ）（Ｂ）は、レンズを構成する樹脂の屈折率が０．００４４低くなった場合の図１２（Ａ）（Ｂ）と同様の収差を示す。温度上昇により屈折率が低下した場合、球面収差ＳＡは、図１２（Ａ）に示すように低ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってオーバー側に変化するものの、中心領域ＲＣと周辺領域ＲＥとの境目部分で一旦アンダー側に戻り、かつ、高ＮＡの領域ではＮＡが大きくなるに従ってアンダー側に戻るため、結果的に高ＮＡの領域での球面収差の発生を抑えることができる。
【００４２】
以下の表６は、対物レンズの温度変化ΔＴ℃に対する波面収差（ｒｍｓ、単位：λ）の変化を示し、上記の４つの実施例の対物レンズと、回折レンズ構造が設けられていない比較例の対物レンズとの値を示している。図１４は、表６をグラフ化したものである。
【００４３】
【表６】
表６，および図１４に示されるとおり、周辺領域ＲＥに回折レンズ構造を形成することにより、温度変化による波面収差の発生量を半分以下に抑えることができる。このように温度補償のための回折レンズ構造を周辺領域ＲＥにのみ形成することにより、波面収差の発生を小さく抑えられ、かつ、中心領域を規格の異なる光ディスクに対して共用する場合にも適用可能な対物レンズを構成することが可能となる。
【００４５】
すなわち、温度補償のための回折レンズ構造を中心領域ＲＣにも形成した場合には、ＤＶＤ等の第１の光ディスクに対しては温度変化による波面収差の劣化をより小さく抑えることができるものの、波長依存性が大きくなるために使用波長が異なる他の光ディスクに対しては利用することができなくなる。これに対して、周辺領域にのみ温度補償のための回折レンズ構造を形成した場合には、周辺領域は第１の光ディスクを使用する際に適した専用の領域となるものの、中心領域は使用波長が異なる他の光ディスクに対しても利用することが可能となる。
【００４６】
特に、長波長のレーザー光を利用してＣＤ等の記録密度が相対的に低く、保護層の厚い光ディスク（以下、第２の光ディスクという）を使用する場合には、上記のように周辺利用域を第１の光ディスクに対する専用領域とすることにより、第２の光ディスクの利用時には周辺領域を通った光は拡散し、実質的にＮＡを小さくして形成されるビームスポットが必要以上に小さくなるのを防ぐことができる。
【００４７】
上述した４つの実施例の対物レンズを、２種類の光ディスクを利用可能な光ヘッドに適用した第２の実施形態につき図１５に基づいて説明する。図１５は、記録密度の高いＤＶＤと記録密度の低いＣＤ、ＣＤ−Ｒ（ＣＤレコーダブル）に対して記録あるいは再生が可能な光ヘッドの光学系を示す説明図である。この光学系は、第１レーザーモジュール２１、第２レーザーモジュール２２、ビームコンバイナ２３、コリメートレンズ２４、対物レンズ１０で構成されている。各モジュール２１，２２は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子である。
【００４８】
第１のレーザーモジュール２１は、図１の例と同様、発振波長６５０ｎｍの半導体レーザーを備える。一方、１．２ｍｍの保護層を有する低記録密度の第２の光ディスクＤ２のうち、少なくともＣＤ−Ｒを使用するためには、その分光反射率の関係で近赤外光が必要となる。そこで、第２のレーザーモジュール２２は、発振波長７８０ｎｍの半導体レーザーを備える。
【００４９】
第１の光ディスクＤ１（図中実線で示す）の使用時には、第１のレーザーモジュール２１を作動させる。対物レンズ１０は図中に実線で示した位置に配置され、第１のレーザーモジュール２１の半導体レーザーから発した波長６５０ｎｍの第１のレーザー光は、図中実線で示したように平行光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第１の光ディスクＤ１の記録面にビームスポットを形成する。他方、第２の光ディスクＤ２（図中破線で示す）の使用時には、第２のレーザーモジュール２２を作動させる。対物レンズ１０は図中破線で示したように、光ディスクに近づいた位置に配置される。第２のレーザーモジュール２２の半導体レーザーから発した波長７８０ｎｍの第２のレーザー光は、図中破線で示したように発散光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０により集光されて第２の光ディスクＤ２の記録面にビームスポットを形成する。
【００５０】
対物レンズ１０の周辺領域ＲＥに形成される回折レンズ構造は、第１のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際には温度変化による波面収差の劣化を防ぎ、第２のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際には球面収差を発生させる。したがって、第１の光ディスクＤ１の使用時には、中心領域ＲＣ、周辺領域ＲＥに入射した第１のレーザー光が共に同一の位置に集光し、ＮＡが比較的大きくなるためにスポット径を小さく絞ることができ、かつ、温度変化による集光性能の劣化を防ぐことができる。他方、第２の光ディスクＤ２の使用時には、周辺領域ＲＥに入射した第２のレーザー光は拡散し、中心領域ＲＣに入射したレーザー光のみがビームスポットを形成するため、ＮＡが実質的に小さくなり、スポット径が第１のレーザー光によるスポット径より大きくなる。第２の光ディスクの使用時には、ＮＡが小さいため、温度変化による波面収差の劣化は問題とならない。
【００５１】
なお、実施例１〜４の対物レンズを図１５の光学系に適用する場合、第２のレーザーモジュール２２から発した波長７８０ｎｍのレーザー光を対物レンズ１０の物体距離が−５２．０ｍｍとなるように発散光として入射させると、第２の光ディスクに対して良好なビームスポットを形成することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、対物レンズの周辺領域に、温度変化による集光性能の変化を抑える回折レンズ構造を設けることにより、ＤＶＤ等の高いＮＡが要求される対物レンズについても、温度変化による波面収差の劣化を防ぎ、装置の使用可能な温度範囲を広げることができる。また、温度補償用の回折レンズ構造を周辺領域についてのみ設けることにより、中心領域は、必要とされるＮＡが異なるＣＤ等の他の規格の光ディスクを使用する場合との兼用領域として設計できるため、それぞれの光ディスクについて専用の対物レンズを設けるよりも光学系の構成を簡略化して、小型化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態にかかる光ヘッドの光学系を示す説明図。
【図２】図１の光学系に用いられる対物レンズの（Ａ）正面図、（Ｂ）縦断面図、（Ｃ）縦断面の一部拡大図。
【図３】実施例１の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図４】実施例１の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図５】実施例１の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図６】実施例２の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図７】実施例２の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図８】実施例３の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図９】実施例３の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１０】実施例３の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１１】実施例４の光ヘッド用対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図。
【図１２】実施例４の対物レンズの第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１３】実施例４の対物レンズの屈折率が０．００４４低くなった場合における第１の光ディスク使用時の（Ａ）球面収差、（Ｂ）色収差をそれぞれ示すグラフ。
【図１４】実施例と比較例の対物レンズの温度変化に対する波面収差の変化を示すグラフ。
【図１５】第２の実施形態にかかる光ヘッドの光学系を示す説明図。
【図１６】焦点距離３．０ｍｍ、使用波長６５０ｎｍの樹脂製レンズについて、温度が４０度上昇した際の波面収差（単位：λ（波長））の変化量をＮＡをパラメータとして示したグラフ。
【符号の説明】
１０ 対物レンズ
１１ 第１面
１２ 第２面
Ｄ１ 第１の光ディスク
２１ レーザーモジュール
２４ コリメートレンズ
Claims (3)
- 光源部から発する第１のレーザー光を第１の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させると共に、該第１のレーザー光より波長が長い第２のレーザー光を前記第１の光ディスクより保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる単レンズであって、
いずれか一方のレンズ面が光軸を含む中心領域と、該中心領域の周囲を囲み前記中心領域より面積の狭い周辺領域とに区分され、前記中心領域は、段差のない連続面として形成され、前記周辺領域には、微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造が形成され、該回折レンズ構造は、前記第１の光ディスクに対して最適化されており、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有し、前記第１の光ディスクの使用時には、前記中心領域、前記周辺領域に入射した前記第１のレーザー光が共に同一の位置に集光して比較的小さなスポットを形成し、かつ、温度変化による集光性能の劣化を防ぎ、前記第２の光ディスクの使用時には、前記周辺領域に入射した前記第２のレーザー光は拡散し、前記中心領域に入射した前記第２のレーザー光のみが集光して比較的大きなスポットを形成することを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。 - 光源部から発する第１のレーザー光を第１の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させると共に、該第１のレーザー光より波長が長い第２のレーザー光を前記第１の光ディスクより保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる単レンズであって、
いずれか一方のレンズ面が光軸を含む中心領域と、該中心領域の周囲を囲み前記中心領域より面積の狭い周辺領域とに区分され、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有することにより温度変化による集光特性の変化を補償する機能を有する回折レンズ構造が、前記周辺領域にのみ形成され、該回折レンズ構造は、微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成り、前記第１の光ディスクに対して最適化されており、前記第１の光ディスクの使用時には、前記中心領域、前記周辺領域に入射した前記第１のレーザー光が共に同一の位置に集光して比較的小さなスポットを 形成し、かつ、温度変化による集光性能の劣化を防ぎ、前記第２の光ディスクの使用時には、前記周辺領域に入射した前記第２のレーザー光は拡散し、前記中心領域に入射した前記第２のレーザー光のみが集光して比較的大きなスポットを形成することを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。 - レーザー光を発する光源部と、前記レーザー光を光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる対物レンズとを備える光ヘッドの光学系において、
前記光源部は、第１のレーザー光と該第１のレーザー光より波長が長い第２のレーザー光とを選択的に発し、前記第２のレーザー光を発散光として前記対物レンズに対して入射させ、前記第１のレーザー光を平行光若しくは前記第２のレーザー光より弱い発散光として前記対物レンズに入射させ、
前記対物レンズのいずれかのレンズ面は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の周囲を囲み前記中心領域より面積の狭い周辺領域とに区分され、前記中心領域は、段差のない連続面として形成され、前記周辺領域には、微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造が形成され、該回折レンズ構造は、前記第１の光ディスクに対して最適化されており、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有することにより、温度変化による集光特性の変化を補償する機能を有し、
前記対物レンズは、前記第１のレーザー光を第１の光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させると共に、前記第２のレーザー光を前記第１の光ディスクより保護層が厚く記録密度が低い第２の光ディスクの記録面上に集光させることを特徴とする光ヘッドの光学系。
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