JP4807258B2 - 対物レンズ及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズ及びピックアップ装置に関する。

近年、光ピックアップ装置において、光ディスクに記録された情報の再生や、光ディスクへの情報の記録のための光源として使用されるレーザ光源の短波長化が進み、例えば、青紫色半導体レーザや、第２高調波発生を利用して赤外半導体レーザの波長変換を行う青紫色ＳＨＧレーザ等の波長４０５ｎｍのレーザ光源が実用化されつつある。

これら青紫色レーザ光源を使用すると、デジタルバーサタイルディスク（以下、ＤＶＤと略記する）と同じ開口数（ＮＡ）の対物レンズを使用する場合で、直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１５〜２０ＧＢの情報の記録が可能となり、対物レンズのＮＡを０．８５にまで高めた場合には、直径１２ｃｍの光ディスクに対して、２３〜２７ＧＢの情報の記録が可能となる。以下、本明細書では、青紫色レーザ光源を使用する光ディスク及び光磁気ディスクを総称して「高密度光ディスク」という。

ところで、高密度光ディスクとして、現在２つの規格が提案されている。１つはＮＡ０．８５の対物レンズを使用し保護層厚みが０．１ｍｍであるブルーレイディスク（以下、ＢＤと略記する）であり、もう１つはＮＡ０．６５乃至０．６７の対物レンズを使用し保護層厚みが０．６ｍｍであるＨＤ ＤＶＤ（以下、ＨＤと略記する）である。将来、市場にこれら２つの規格の高密度光ディスクが流通する可能性があることを鑑みると、既存のＤＶＤやＣＤだけでなく、何れの高密度光ディスクに対しても記録及び／又は再生を行なうことができる互換用光ピックアップ装置は重要であり、中でも高密度光ディスク、ＤＶＤ、及びＣＤに対して対物レンズを共用して互換を行なう１レンズ方式は最も理想的な形態である。

複数の光ディスクに対して互換性を持つ光ピックアップ装置では、従来より、それぞれの光ディスクに使用される光束の波長や保護基板厚が異なることに起因して発生する球面収差の補正方法として、対物光学系への入射光束の発散度合いを変えたり、あるいは、光ピックアップ装置を構成する光学素子の光学面に回折構造を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしＢＤやＨＤ ＤＶＤとＣＤとの互換を達成する場合には、それぞれの光ディスクの基板厚の差が大きいため、対物光学系（以下、対物レンズともいう）への入射光束の発散度合いを変える方法のみで互換を達成しようとすると、対物レンズのトラッキングにより生じるコマ収差が大きく、良好な記録信号や再生信号が得られない。一方、光学素子に回折構造を設け、回折作用を利用することにより互換を達成しようとすると、高密度ディスクに使用される青紫色レーザ光とＣＤに使用される赤外レーザ光との波長比により、共に９０％以上の高い光量が得られない。更に回折構造の波長依存性が互換を達成するための設計によって決定されるため、対物レンズへの各入射光の波長がばらついたり変化したりした場合は波面収差に影響を与える。

特開２００２−２９８４２２号公報 特許文献１に記載の発明は、複数の光ディスクのそれぞれに対する対物レンズの光学系倍率を０とすることで、各光ディスクに対する情報の記録及び再生を可能としようとするものであるが、この方法ではトラッキング時のレンズシフトによるコマ収差は発生しにくい反面、回折作用による波長特性の変化が大きくなり、レーザのロット間で発振波長がばらついた場合などに波面収差が悪化するという問題がある。また、ＣＤといった最も低密度な光ディスクに対する光利用効率に改善は見られるものの、未だ高密度ディスクを最優先した対物レンズ設計の色合いが強く、最も低密度な光ディスクに対する光利用効率としては充分ではないという問題がある。そのため、最も低密度な光ディスク、より具体的にはＣＤに対する情報の記録又は再生の更なる高倍速化を実現することが難しいという問題もある。

また、上記特許文献１に開示された技術をそのまま適用した場合には、光ピックアップ装置の製造コストの上昇や製造作業の効率悪化を招くという問題がある。

本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、最も低密度な光ディスクに対する光利用効率をより向上させ、それを高倍速の記録又は再生が可能な光ピックアップ装置への容易に適用できるようにしつつも、高密度ディスクを含む３種類以上の異なる光ディスクに対して互換可能であるとともに、良好な波長特性及びトラッキング特性を有する対物レンズ及びこの対物レンズを用いた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に、項１記載の構成は、少なくとも、保護基板厚ｔ１の第１光ディスクに対して第１光源から出射される波長λ１の光束を用いて情報の再生を行い、保護基板厚ｔ２の第２光ディスクに対して第２光源から出射される波長λ２（１．５×λ１≦λ２≦１．７×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行い、保護基板厚ｔ３（１．９×ｔ１≦ｔ３≦２．１×ｔ１）の第３光ディスクに対して第３光源から出射される波長λ３（１．８×λ１≦λ３≦２．２×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行う光ピックアップ装置用の対物レンズにおいて、
前記対物レンズの少なくとも１つの光学面に、第１光ディスクの再生と、第２及び第３光ディスクの再生及び記録の双方を行うために利用される共用領域を備え、
前記共用領域には、第１光ディスクに対する前記波長λ１の光束の回折効率が５０％以上となり、且つ、第３光ディスクに対する前記波長λ３の光束の回折効率が７０％以上となる回折構造が形成された対物レンズである。
対物レンズの光学面上に形成する回折構造は、第１光ディスクの保護層と第２光ディスクの保護層及び第３光ディスクの保護層の厚みの差に起因する球面収差、及び／又は、環境温度変化に伴う対物レンズの屈折率変化及び発振波長の変化に起因した波面収差を補正するための構造である。
また、回折構造の形状は、図１（ａ）、１（ｂ）に模式的に示すように、複数の輪帯１００から構成され、光軸を含む断面形状が鋸歯状である。尚、図１（ａ）、１（ｂ）は、回折構造を平面上に形成した場合を模式的に示したものであるが、これを球面或いは非球面上に形成しても良い。尚、本明細書では、図１（ａ）、１（ｂ）に示したような複数の輪帯から構成される回折構造を記号「ＤＯＥ」で表すものとする。このような回折形状は、光軸に対して垂直方向の各輪帯幅は上記波面収差を補正するために、各輪帯の光軸に平行な深さは波長λ１〜λ３の光束に対する回折効率のために、決定される。
本明細書において、レンズに付与された反射防止膜などのコート層は、コート層の光軸に平行な厚みが各輪帯の光軸に平行な深さよりも薄い場合には、媒質Ａ及び媒質Ｂには含まれない。但し、コート層の光軸に平行な厚みが、各輪帯の光軸に平行な深さよりも厚い場合には、コート層も媒質Ａ、又は媒質Ｂに含まれるものとする。これは、回折輪帯の深さが入射する光に対して与える位相が、そのコート層の屈折率に依存するからである。

本明細書においては、上述したＢＤやＨＤ以外にも、情報記録面上に数〜数十ｎｍ程度の厚さの保護膜を有する光ディスクや、保護層或いは保護膜の厚さが０（ゼロ）の光ディスクも高密度光ディスクに含むものとする。

本明細書においては、ＤＶＤとは、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−Ａｕｄｉｏ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ等のＤＶＤ系列の光ディスクの総称であり、ＣＤとは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ａｕｄｉｏ、ＣＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等のＣＤ系列の光ディスクの総称である。

回折構造を示す図面（ａ）及び（ｂ）である。 光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。 対物レンズの構造を示す要部平面図である。 対物レンズの構造を示す要部拡大平面図である。 対物レンズの構造を示す要部拡大平面図である。

以下、本発明の好ましい形態を説明する。

項２記載の構成は、項１に記載の対物レンズにおいて、前記回折構造は、断面が鋸歯状で、光軸を中心とした複数の輪帯に分割されている。
項３記載の構成は、項１に記載の対物レンズにおいて、２つのレンズで構成されている。
項４記載の構成は、項３に記載の対物レンズにおいて、前記回折構造が、前記対物レンズの前記２つのレンズのうち光源側に配置されるレンズに形成されている。
項５記載の構成は、項１に記載の対物レンズにおいて、
６０≦｜（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）｜≦８０を満たす。

前記の構成は、項１〜５のいずれか一項に記載の対物レンズにおいて、前記波長λ１の光束に対する前記対物レンズの像側開口数をＮＡ１、前記波長λ２の光束に対する前記対物レンズの像側開口数をＮＡ２としたとき、ＮＡ１＝ＮＡ２であることが好ましい。

本構成によれば、第１光ディスクと第２光ディスクの再生及び／又は記録を行なう際の対物レンズの有効径差が小さく、個別に開口制限を設ける必要が無い。

前記の構成は、項１〜５のいずれか一項に記載の対物レンズにおいて、前記波長λ３の光束の光路上であって前記第３光源と前記対物レンズとの間に開口制限素子が配置されることが好ましい。

本構成によれば、波長λ３の光束に対する開口制限を行なうことができる。

前記の構成は、項１〜５のいずれか一項に記載の対物レンズにおいて、前記波長λ１及びλ２の光束のうち少なくとも一方の光路上に、通過光束の色収差を補正する機能を有する色収差補正素子が配置されることが好ましい。

また、前記対物レンズにおいて、前記色収差補正素子がコリメートレンズであることが好ましい。

前記の構成によれば、対物レンズにより波長λ１及び波長λ２の光束のうち一方の光束に対してのみ色収差補正が可能である場合でも、他方の波長に対しても色収差補正素子により色収差補正を行なうことができる。この色収差補正素子としては、例えばコリメートレンズが挙げられる。

項６記載の構成にかかる光ピックアップ装置は、
第１光源と、第２光源と、第３光源と、対物レンズとを備え、
少なくとも、保護基板厚ｔ１の第１光ディスクに対して前記第１光源から出射される波長λ１の光束を用いて情報の再生を行い、保護基板厚ｔ２の第２光ディスクに対して前記第２光源から出射される波長λ２（１．５×λ１≦λ２≦１．７×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行い、保護基板厚ｔ３（１．９×ｔ１≦ｔ３≦２．１×ｔ１）の第３光ディスクに対して前記第３光源から出射される波長λ３（１．８×λ１≦λ３≦２．２×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行い、
前記対物レンズの少なくとも１つの光学面に、第１光ディスクの再生と、第２及び第３光ディスクの再生及び記録の双方を行うために利用される共用領域を備え、
前記共用領域には、第１光ディスクに対する前記波長λ１の光束の回折効率が５０％以上となり、且つ、第３光ディスクに対する前記波長λ３の光束の回折効率が７０％以上となる回折構造が形成され、
前記回折構造が形成されている前記光学面を境界とし、前記光学面の光源側の媒質Ａと前記光学面の光ディスク側の媒質Ｂとの前記波長λ１の光束に対する屈折率差ｎ _ｄ１ 、前記波長λ２の光束に対する前記媒質Ａと前記媒質Ｂとの屈折率差ｎ _ｄ２ が、
５７≦｜（ｎ _ｄ２ −ｎ _ｄ１ ）／（λ２−λ１）｜≦９０
を満たす。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図２は、ＨＤ（第１光ディスク）に対しては適切に情報の再生のみを行ない、ＤＶＤ（第２光ディスク）とＣＤ（第３光ディスク）に対しては適切に情報の再生及び／又は記録を行える光ピックアップ装置ＰＵの構成を概略的に示す図である。

ＨＤの光学的仕様は、波長λ１＝４０７ｎｍ、保護層（保護基板）ＰＬ１の厚さｔ１＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ１＝０．６５であり、ＤＶＤの光学的仕様は、波長λ２＝６５５ｎｍ、保護層ＰＬ２の厚さｔ２＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ２＝０．６５であり、ＣＤの光学的仕様は、波長λ３＝７８５ｎｍ、保護層ＰＬ３の厚さｔ３＝１．２ｍｍ、開口数ＮＡ３＝０．５１である。

但し、波長、保護層の厚さ、及び開口数の組合せはこれに限られない。また、第１光ディスクとして、保護層ＰＬ１の厚さｔ１が０．１ｍｍ程度のＢＤを用いても良い。

また、第１光ディスク、第２光ディスク及び第３光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の、対物レンズの光学系倍率ｍ１、ｍ２及びｍ３は、ｍ１＝０、−１／１０＜ｍ２≦−１／１００及び−１／１０＜ｍ３≦−１／１００となっている。即ち、本実施の形態における対物レンズＯＢＪでは、第１光束が平行光として入射し、第２光束及び第３光束が緩い発散光として入射する構成となっている。但し、本発明においては、必ずしも対物レンズの光学系倍率ｍ１、ｍ２及びｍ３が上記範囲内である必要は無い。

光ピックアップ装置ＰＵは、高密度光ディスクＨＤに対して情報の再生を行う場合に発光され４０７ｎｍのレーザ光束（第１光束）を射出する青紫色半導体レーザＬＤ１（第１光源）、第１光束用の光検出器ＰＤ１、ＤＶＤに対して情報の再生及び／又は記録を行う場合に発光され６５５ｎｍのレーザ光束（第２光束）を射出する赤色半導体レーザＬＤ２（第２光源）とＣＤに対して情報の再生及び／又は記録を行う場合に発光され７８５ｎｍのレーザ光束（第３光束）を射出する赤外半導体レーザＬＤ３（第３光源）とが一体化された光源ユニットＬＵ、第２光束及び第３光束共通の光検出器ＰＤ２、第１光束のみが通過する第１コリメートレンズＣＯＬ１、第２光束及び第３光束が通過する第２コリメートレンズＣＯＬ２、その光学面上に位相構造としての回折構造が形成され、レーザ光束を情報記録面ＲＬ１、ＲＬ２，ＲＬ３上に集光させる機能を有する両面が非球面とされた対物レンズＯＢＪ、第１ビームスプリッターＢＳ１、第２ビームスプリッターＢＳ２、第３ビームスプリッターＢＳ３、絞りＳＴＯ、センサーレンズＳＥＮ１及びＳＥＮ２等から構成されている。

光ピックアップ装置ＰＵにおいて、ＨＤに対して情報の再生を行う場合には、図２において実線でその光線経路を描いたように、まず、青紫色半導体レーザＬＤ１を発光させる。青紫色半導体レーザＬＤ１から射出された発散光束は、第１ビームスプリッターＢＳ１を通過し、第１コリメートレンズＣＯＬ１に至る。

そして、第１コリメートレンズＣＯＬ１を透過する際に第１光束は平行光に変換され、第２ビームスプリッターＢＳ２及び１／４波長板ＲＥを通過して、対物光学素子ＯＢＪに至り、対物レンズＯＢＪによって第１保護層ＰＬ１を介して情報記録面ＲＬ１上に形成されるスポットとなる。対物レンズＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。

情報記録面ＲＬ１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、１／４波長板ＲＥ、第２ビームスプリッターＢＳ２、第１コリメートレンズＣＯＬ１を通過し、第１ビームスプリッターＢＳ１で分岐され、センサーレンズＳＥＮ１により非点収差が与えられて、光検出器ＰＤ１の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ１の出力信号を用いてＨＤに記録された情報を読み取ることができる。

また、ＤＶＤに対して情報の再生及び／又は記録を行う場合には、図２において点線でその光線経路を描いたように、まず、赤色半導体レーザＬＤ２を発光させる。赤色半導体レーザＬＤ２から射出された発散光束は、第３ビームスプリッターＢＳ３を通過し、第２コリメートレンズＣＯＬ２に至る。

そして、第２コリメートレンズＣＯＬ２を透過する際に緩い発散光に変換され、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射して、１／４波長板ＲＥを通過して対物レンズＯＢＪに至り、対物レンズＯＢＪによって第２保護層ＰＬ２を介して情報記録面ＲＬ２上に形成されるスポットとなる。対物レンズＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。

あるいは、第２光束を、第２コリメートレンズＣＯＬ２を通過する際に緩い収束光に変換し、第２ビームスプリッタＢＳ２で反射させ、１／４波長板ＲＥを通過させて対物レンズＯＢＪに入射させるものとしても良い。

情報記録面ＲＬ２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、１／４波長板ＲＥを通過し、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射した後、コリメートレンズＣＯＬ２を通過し、第３ビームスプリッターＢＳ３で分岐され、光検出器ＰＤ２の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ２の出力信号を用いてＤＶＤに記録された情報を読み取ることができる。

また、ＣＤに対して情報の再生及び／又は記録を行う場合には、図２において２点鎖線でその光線経路を描いたように、まず、赤外半導体レーザＬＤ３を発光させる。赤外半導体レーザＬＤ３から射出された発散光束は、第３ビームスプリッターＢＳ３を通過し、第２コリメートレンズＣＯＬ２に至る。

そして、第２コリメートレンズＣＯＬ２を透過する際に緩い発散光束に変換され、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射して、１／４波長板ＲＥを通過して対物レンズＯＢＪに至り、対物レンズＯＢＪによって第３保護層ＰＬ３を介して情報記録面ＲＬ３上に形成されるスポットとなる。対物レンズＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。

情報記録面ＲＬ３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、１／４波長板ＲＥを通過し、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射した後、コリメートレンズＣＯＬ２を通過し、第３ビームスプリッターＢＳ３で分岐され、光検出器ＰＤ２の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ２の出力信号を用いてＣＤに記録された情報を読み取ることができる。

次に、対物レンズＯＢＪの構成について説明する。

図３に示すように、対物レンズＯＢＪは、一群一枚構成のプラスチック製の単レンズである。

対物レンズＯＢＪの光学面Ｓ１における、第１ディスクの再生と、第２および第３光ディスクの再生及び／又は記録を行うために利用される共用領域ＲＣには回折構造ＤＯＥが形成されており、出射面Ｓ２は屈折面となっている。

回折構造ＤＯＥは、光軸Ｌを中心とした同心円状の複数の輪帯Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）で構成されると共に光軸Ｌを含む断面形状が鋸歯形状となっている。

回折構造が形成されている光学面は、その光学面を境界として光源側が空気（媒質Ａ）、光ディスク側が対物レンズの媒質（媒質Ｂ）で構成されている。空気はいかなる波長の光に対しても屈折率は１であるから、波長λ１の光に対する対物レンズの媒質の屈折率をｎ_１、波長λ２の光に対する対物レンズの媒質の屈折率をｎ_２とすると、ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１＝ｎ_１−ｎ_２となる。従って、（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）＝（ｎ_１−ｎ_２）／（λ２−λ１）であり、これは、媒質Ｂの屈折率の波長依存性を表し、５．７×１０^５≦｜（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）｜≦９．０×１０^５を満たすようになっている。

また、複数の輪帯の各輪帯間の段差の光軸に平行な深さ及び光軸からの垂直距離をｄｉ［ｍｍ］、ｈｉ［ｍｍ］とすると、前記輪帯間の段差の数ｍがｍ＞７の場合には、以下の（１）式を用いて最小二乗法により近似することにより得られたＣ_２ｋ（ｋは０から５の整数）を用いて光軸からの垂直距離ｈｉにおける光軸に平行な深さｄを計算し、計算された値ｄからの前記ｄｉの値の差が最大である段差と最小である段差を除き、その他の全ての段差を再近似し、前記各輪帯間の前記段差の数ｍがｍ≦７の場合には、前記光軸からの垂直距離ｈｉにおける光軸に平行な深さｄの計算において、以下の（１）式に代えて以下の（２）式を用いて最小二乗法により近似した場合に得られるだけのＣ_２ｋ（ｋは０からｍ−３の整数）を用いるとともに、計算されたｄの数が３以下となる場合には、前記再近似において、計算された値ｄと前記ｄｉとの差が最大である段差と最小である段差を除くことなく全ての段差を再近似する。前記回折構造が形成されている光学面は、これらの近似を行った場合のピアソンの相関関数Ｒが０．９９９９８≦Ｒとなる近似係数Ｃ_０を用いて、
α＝＝Ｃ_０×｜ｎ_ｄ１／λ１｜
でαを定義すると、
３．３８≦α≦３．４５、
５．３７≦α≦５．４６、
７．２５≦α≦７．３９、
９．３８≦α≦９．４５、
１１．４１≦α≦１１．４３
のうち、いずれか一つを満たすようになっている。

（ｉ＝１，２，３・・・ｍ）・・・（１）

（ｉ＝１，２，３・・・ｍ）・・・（２）
但し、Ｃ_２ｋは定数、ｋは整数、ｉは自然数、ｍは前記各輪帯間の前記段差の数を表す。

前述の通り、輪帯間の光軸に平行な深さは波長λ１乃至λ３の光に対する回折効率によって決定される。回折効率が１００％となる光の波長をブレーズ化波長λＢ、その回折次数をｍＢと表すと、隣り合う輪帯を通過した光束はλＢ×ｍＢの光路長差を有する。光路長差は光の方向に沿った光の距離の差であり、回折構造ＤＯＥへの入射光束及び出射光束が光軸に対して角度を有するような光軸から離れた位置における段差量（＝ｄ 図４を参照）は、ｍＢ×λＢ／（ｎ_Ａ’−ｎ_Ｂ’）（＝ｌ 図５を参照）（λＢ：ブレーズ化波長、ｎ_Ａ’及びｎ_Ｂ’：λＢに対する媒質Ａ、媒質Ｂの屈折率、ｍＢ：ブレーズ化波長の回折次数）からずれる。そのずれ量は、回折構造が光路差関数で設計されている場合、光路差関数で決定される。一般的に球面収差を補正する光路差関数はベキ級数で表示されるため、高さｈｉと深さｄｉとの関係もベキ級数で表すことができる。そこでｄｉとｈｉとの関係を、上記（１）式の近似によって表せば、定数項となるＣ_０は、仮想的な、光軸からの高さが０の位置に段差がある場合の段差量となる。

なお、回折構造の鋸歯形状の先端部が例えば製造誤差により鋭角に成形されず、ラウンドしている場合には、光学面の延長線と段差の延長線とが交わる点を上記ｄｉの深さの計測点とする。

また、光軸からの高さが０の位置では、回折構造ＤＯＥに対する入射光束や出射光束が光軸に対して成す角度が０であるため、上記Ｃ_０は、Ｃ_０＝ｍＢ×λＢ／（ｎ_Ａ’−ｎ_Ｂ’）（（２）式）とも表すことができる。

ここで、波長λ１［ｍｍ］の光束に対する媒質Ａの屈折率をｎ_Ａ、波長λ１［ｍｍ］の光束に対する媒質Ｂの屈折率をｎ_Ｂとした時、α＝Ｃ_０×ｎ_ｄ１／λ１は、Ｃ_０＝α×λ１／ｎ_ｄ１＝α×λ１／（ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ）（（３）式）と変形でき、（２）式と（３）式とを比較すると、λＢ≠λ１及びｎ_Ａ’−ｎ_Ｂ’≠ ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ関係から、ｍＢ≠α、つまり、αがｍＢ（ブレーズ化波長の回折次数（整数））からずれることが分かる。

また、波長変化に対する、光の入射側の媒質Ａと出射側の媒質Ｂとの屈折率差ｎｄの変化（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）は、｛（ｎ_Ａ’−ｎ_Ｂ’）−（ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ）｝／（λＢ−λ１）と変形することができ、５７≦｜（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）｜≦９０を満たすので、αを上記範囲内とすることは、結果的にλＢの範囲を限定することになる。

またαのｍＢからのずれ量はｍＢが大きくなるにつれて小さくなるが、これは高次回折ほど波長変化に対する回折効率の低下が大きいため、使用波長λ１≒λＢとして波長λ１の光に対する回折効率を高める必要があるためである。

αはｍλに近い数値であるから、αの整数部がｍλである。

仮に光路長の差が波長λ１のちょうど整数倍であれば、α＝整数となり、第１光束が対物レンズＯＢＪを通過する際の光量の低下が抑えられ、ほぼ１００％の光量を確保できることになり、仮にα≠整数であれば、αの値に応じた光量の低下が発生することになる。

具体的には、３．３８≦α≦３．４５、５．３７≦α≦５．４６、７．２５≦α≦７．３９、９．３８≦α≦９．４５、１１．４１≦α≦１１．４３の範囲内であれば、第１光束の光量は低下するものの、ＨＤに対する情報の再生専用の用途としては十分な光量を確保でき、また、ＤＶＤ及びＣＤに対する情報の再生及び／又は記録に十分な第２光束及び第３光束の光量を確保できる。

また、回折構造ＤＯＥは、αの整数部が奇数（好ましくは３）となるように、つまり、波長λ１の第１光束に対してほぼ奇数倍の光路差を付与するように段差の距離ｄを設定している。これにより、波長４０７ｎｍ（回折構造ＤＯＥが形成された対物レンズの波長４０７ｎｍに対する屈折率は１．５５９８０６である）に対して回折次数が奇数となる回折光（例えば＋３次回折光）の回折効率がほぼ１００％となり、この回折構造ＤＯＥに対して第２光束（回折構造ＤＯＥが形成された対物レンズの波長６５５ｎｍに対する屈折率は１．５４０７２５である）が入射すると、＋２次回折光が８８％の回折効率で発生するので、第１光束と第２光束の何れの波長領域においても十分な回折効率が得られる。

一方、回折構造ＤＯＥに第３光束（回折構造ＤＯＥが形成された対物レンズの波長７８５ｎｍに対する屈折率は１．５３７２３７である）が入射すると、＋２次回折光と＋３次回折光がほぼ同じ約４０％の回折効率で発生することになる。ここで、この２つの回折光のうち前記光学系倍率ｍ１と同じ倍率において球面収差量が小さい方の２次回折光をＣＤに対する再生及び／又は記録用に用いる場合と、波長λ１の第１光束に対してほぼ偶数倍の光路差を付与するように段差の距離ｄを設定し、この回折構造を通過する際に発生する第３光束のうち最大の回折効率を有する回折光を、ＣＤに対する再生及び／又は記録用に用いる場合とを比較すると、前者の方が球面収差を補正するための光学系倍率が０に近く、トラッキング時に生じる収差を小さくすることができる。

また、回折構造ＤＯＥは、この構造により透過波面に付加される光路差で表され、この光路差は、ｈ（ｍｍ）を光軸に垂直な方向の高さ、Ｂ_２ｉを光路差関数係数、ｉを自然数とするとき、次の数１式に所定の係数を代入して定義される光路差関数φ（ｈ）（ｍｍ）で表される。

そして、本実施の形態においては、回折構造ＤＯＥが正の回折作用を有するべく、上記数１中のＢ_４がＢ_４＜０となるように設定されている。

なお、−１．０×１０^−３＜Ｂ_４＜−１．０×１０^−４を満たすことが好ましく、−７．０×１０^−４＜Ｂ_４＜−４．５×１０^−４を満たすことが更に好ましい。

このように回折構造ＤＯＥを設定することで、この回折構造を通過する波長λ１、λ２及びλ３の光束のうち少なくとも１つの光束（本実施の形態においては波長λ１の第１光束）に対して正の回折作用を与え、環境温度変化に起因した第１光束の波長変動に起因して発生する波面収差の変化量を抑制し、温度特性に優れた対物レンズを得られることができる。

なお、具体的には、環境温度変化に伴い波長λ１の光束の波長が＋５ｎｍ変動した場合の波面収差変化量ΔＷ［λｒｍｓ］がΔＷ≦０．０５を満たすように設定されている。

さらに、回折構造に負の回折パワーを持たせることが好ましく、これにより、ＨＤ及びＤＶＤに対して情報の再生及び／又は記録を行なう際の波長λ１又はλ２の光束の色収差を補正することができる。

具体的には、対物レンズの波長λ１の光束に対する波長変化１ｎｍ当たりの光軸方向の波面収差最小位置変化量ｄｆｂ／ｄλが、｜ｄｆｂ／ｄλ｜≦０．１［μｍ／ｎｍ］を満たすように回折構造ＤＯＥを設定することで、波長λ１の光束の色収差を補正し、波長特性に優れた対物レンズＯＢＪを得ることができる。また、対物レンズの波長λ２の光束に対する波長変化１ｎｍ当たりの光軸方向の波面収差最小位置変化量ｄｆｂ／ｄλが、｜ｄｆｂ／ｄλ｜≦０．１［μｍ／ｎｍ］を満たすように回折構造ＤＯＥを設定することで、波長λ２の光束の色収差を補正し、波長特性に優れた対物レンズＯＢＪを得ることができる。

また、本実施の形態においては、第１光源ＬＤ１及び第３光源ＬＤ３をそれぞれ別体に、且つ光軸Ｌ上に配置するとともに、対物レンズＯＢＪが、主に性能の許容範囲の狭い高密度光ディスクに対して正弦条件が満たされている。

従って、高密度光ディスクを使用する場合には対物レンズＯＢＪに対して例えば緩い収束光を入射させる場合でも、対物レンズＯＢＪのトラッキングにより生じるコマ収差はほとんど問題とならず、また、ＣＤでは高密度光ディスクに対して主に保護層厚と対物レンズの光学系倍率が大きく違うために正弦条件が満たされないが、対物レンズＯＢＪがトラッキングした際のコマ収差発生要因となる倍率と正弦条件のうち、倍率が小さいことから、コマ収差は十分再生及び／又は記録に用いることができるレベルとなり、トラッキング特性に優れた対物レンズを得られる。

なお、トラッキング時のコマ収差を更に補正したい場合には、対物レンズＯＢＪの光源側にコマ収差補正素子を設けるか、あるいは補正機能を有したコリメータレンズ又はカップリングレンズを設けても良い。

また、ＮＡ３に対応した開口制限を行うための開口素子として、対物レンズＯＢＪの光学面Ｓ１近傍に開口制限素子ＡＰを配置し、２軸アクチュエータにより、開口制限素子ＡＰと対物レンズＯＢＪとを一体にトラッキング駆動させる構成としてもよい。

この場合の開口制限素子ＡＰの光学面上には、透過率の波長選択性を有する波長選択フィルタＷＦが形成されている。この波長選択フィルタＷＦは、ＮＡ３内の領域では第１波長λ１乃至第３波長λ３の全ての波長を透過させ、ＮＡ３からＮＡ１の領域では第３波長λ３のみを遮断し、第１波長λ１及び第２波長λ２を透過する透過率の波長選択性を有しているので、かかる波長選択性によりＮＡ３に対応した開口制限を行うことができる。

また、開口の制限方法としては、波長選択フィルタＷＦを利用する方法だけでなく、機械的に絞りを切り替える方式や後述する液晶位相制御素子ＬＣＤを利用する方式でも良い。

対物レンズＯＢＪは、軽量、安価の観点からプラスチックであることが望ましいが、耐温性、耐光性を考慮すればガラスで製作しても良い。現在主に市場に出回っているのは屈折型ガラスモールド非球面レンズであるが、開発が進められている低融点ガラスを用いれば回折構造が設けられたガラスモールドレンズも製作可能である。また、光学用途のプラスチックの開発も進められている中で、温度による屈折率変化の小さい材料がある。これは、温度による屈折率変化の符合が逆の無機微粒子を混合させることで樹脂全体の温度による屈折率変化を小さくするというものであるが、同様に分散の小さい無機微粒子を混合させて樹脂全体の分散を小さくした材料もあり、それらをＢＤ用対物レンズに用いればなお一層効果的である。

本実施の形態に示したように、対物レンズの光学面に断面が鋸歯形状の回折構造を形成し、例えば５．３７≦α≦５．４６を満たすように設定することにより、第１光ディスクに対しては情報の再生専用、第２光ディスク及び第３光ディスクに対しては情報の再生及び／又は記録を適切に行なえる対物レンズ及び光ピックアップ装置を得られる。

次に、上記実施の形態で示した対物レンズの実施例（実施例１）について説明する。

表１に実施例１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は、ＨＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換用の単玉の対物レンズであり、波長λ１＝４０７ｎｍのときの焦点距離ｆ１＝３．２０ｍｍ、倍率ｍ１＝０、ＮＡ１＝０．６５に設定されており、波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ２＝３．２９ｍｍ、倍率ｍ２＝１／８７．７、ＮＡ２＝０．６５に設定されており、波長λ３＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ３＝３．２７ｍｍ、倍率ｍ３＝０、ＮＡ３＝０．５１に設定されている。

また、本実施例の対物レンズは日本ゼオン（株）の「ＺＥＯＮＥＸ３４０Ｒ」（製品名）を光学材料として用いて作製したものである。

対物レンズの光源側の光学面（第２面）及び光ディスク側の光学面（第３面）は、次の数２に表１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。

また、第２面及び第３面には回折構造ＤＯＥが形成されている。この回折構造ＤＯＥは、この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、ｈ（ｍｍ）を光軸に垂直な方向の高さ、Ｂ_２ｉを光路差関数係数、ｎを入射光束の回折光のうち最大の回折効率を有する回折光の回折次数、λ（ｎｍ）を回折構造に入射する光束の波長、λＢ（ｎｍ）を回折構造の製造波長、λＢを回折構造ＤＯＥのブレーズ化波長（本実施例では１．０ｍｍ）とするとき、次の数３式に表１に示す係数を代入して定義される光路差関数φ（ｈ）（ｍｍ）で表される。

なお、数３中の（Ａ_２ｉ×ｎ×λ／λＢ）をＢ_２ｉに置き換えたものが上記数１となる。つまり、Ａ_２ｉ×ｎ×λ／λＢ＝Ｂ_２ｉの関係が成立する。

表２に、複数の輪帯の各輪帯間の段差における光軸からの高さ（垂直距離）、光軸に平行な段差の深さｄｉ、Ｃ_０〜Ｃ_１０、近似式の値、Ｒ、αの値を示す。

ここで、Ｃ_０〜Ｃ_１０の値は、各輪帯間の段差における光軸からの高さ（垂直距離）、光軸に平行な段差の深さについて、（１）式を用いて最小近似法により近似して得られた値である。また、近似式の値は、（１）式と近似により得られたＣ_２ｋを用いて計算した、光軸からの垂直距離ｈｉにおける光軸に平行な深さの値である。Ｒは、それぞれの近似式の値とｄｉの値との差が最大である段差と最小である段差を除き、その他の全ての段差を（１）式を用いて再近似した場合のピアソンの相関係数の値である。

表２に示すように、本実施例の対物レンズは、Ｒ＝１．００００となる場合の近似式の係数Ｃ_０を用いて計算したαの値は３．４４１となり、３．３８≦α≦３．４５の関係式を満たすよう設定されている。

次に、上記実施の形態で示した対物レンズの実施例（実施例２）について説明する。

表３に実施例２のレンズデータを示す。

表３に示すように、本実施例の対物レンズは、ＨＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換用の２群２枚構成の対物レンズであり、波長λ１＝４０７ｎｍのときの焦点距離ｆ１＝３．００ｍｍ、倍率ｍ１＝１／５０．８、ＮＡ１＝０．６５に設定されており、波長λ２＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ２＝３．１０ｍｍ、倍率ｍ２＝１／４９．３、ＮＡ２＝０．６５に設定されており、波長λ３＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ３＝３．１６ｍｍ、倍率ｍ３＝−１／３２．４、ＮＡ３＝０．５１に設定されている。

また、本実施例の対物レンズは三井石油化学工業（株）の「ＡＰＥＬ」（製品名）を光学材料として用いて作製したものである。

対物レンズを構成する２枚のレンズのうち、光源側に配置されるレンズの光源側の光学面（第２面）及び光ディスク側の光学面（第３面）と、光ディスク側に配置されるレンズの光源側の光学面（第４面）及び光ディスク側の光学面（第５面）は、上記数２に表３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、第２面には回折構造ＤＯＥが形成されている。この回折構造ＤＯＥは、この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、上記数３式に表３に示す係数を代入して定義される光路差関数φ（ｈ）（ｍｍ）で表される。

表４に、複数の輪帯の各輪帯間の段差における光軸からの高さ（垂直距離）、光軸に平行な段差の深さｄｉ、Ｃ_０〜Ｃ_１０、近似式の値、Ｒ、αの値を示す。

ここで、Ｃ_０〜Ｃ_１０の値は、各輪帯間の段差における光軸からの高さ（垂直距離）、光軸に平行な段差の深さについて、（１）式を用いて最小近似法により近似して得られた値である。また、近似式の値は、（１）式と近似により得られたＣ_２ｋを用いて計算した、光軸からの垂直距離ｈｉにおける光軸に平行な深さの値である。Ｒは、それぞれの近似式の値とｄｉの値との差が最大である段差と最小である段差を除き、その他の全ての段差を（１）式を用いて再近似した場合のピアソンの相関係数の値である。

表４に示すように、本実施例の対物レンズは、Ｒ＝１．００００となる場合の近似式の係数Ｃ_０を用いて計算したαの値は５．３８１となり、５．３７≦α≦５．４６の関係式を満たすよう設定されている。

また、ピアソンの相関係数（最小二乗法）の式を数４に示す。

本発明によれば、高密度光ディスクに対しては情報の再生のみを行ない、他の２種類の光ディスクに対しては情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置に用いられ、良好な波長特性及びトラッキング特性を有する対物レンズ及びこの対物レンズを用いた光ピックアップ装置を得られる。

Claims (6)

1. 少なくとも、保護基板厚ｔ１の第１光ディスクに対して第１光源から出射される波長λ１の光束を用いて情報の再生を行い、保護基板厚ｔ２の第２光ディスクに対して第２光源から出射される波長λ２（１．５×λ１≦λ２≦１．７×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行い、保護基板厚ｔ３（１．９×ｔ１≦ｔ３≦２．１×ｔ１）の第３光ディスクに対して第３光源から出射される波長λ３（１．８×λ１≦λ３≦２．２×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行う光ピックアップ装置用の対物レンズにおいて、
   前記対物レンズの少なくとも１つの光学面に、第１光ディスクの再生と、第２及び第３光ディスクの再生及び記録の双方を行うために利用される共用領域を備え、
   前記共用領域には、第１光ディスクに対する前記波長λ１の光束の回折効率が５０％以上となり、且つ、第３光ディスクに対する前記波長λ３の光束の回折効率が７０％以上となる回折構造が形成され、
   前記回折構造が形成されている前記光学面を境界とし、前記光学面の光源側の媒質Ａと前記光学面の光ディスク側の媒質Ｂとの前記波長λ１の光束に対する屈折率差ｎ_ｄ１、前記波長λ２の光束に対する前記媒質Ａと前記媒質Ｂとの屈折率差ｎ_ｄ２が、
   ５７≦｜（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）｜≦９０
   を満たす対物レンズ。
2. 前記回折構造は、断面が鋸歯状で、光軸を中心とした複数の輪帯に分割されている請求項１に記載の対物レンズ。
3. ２つのレンズで構成されている請求項１に記載の対物レンズ。
4. 前記回折構造が、前記対物レンズの前記２つのレンズのうち光源側に配置されるレンズに形成されている請求項３に記載の対物レンズ。
5. ６０≦｜（ｎ_ｄ２−ｎ_ｄ１）／（λ２−λ１）｜≦８０
   を満たす請求項１に記載の対物レンズ。
6. 第１光源と、第２光源と、第３光源と、対物レンズとを備え、
   少なくとも、保護基板厚ｔ１の第１光ディスクに対して前記第１光源から出射される波長λ１の光束を用いて情報の再生を行い、保護基板厚ｔ２の第２光ディスクに対して前記第２光源から出射される波長λ２（１．５×λ１≦λ２≦１．７×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行い、保護基板厚ｔ３（１．９×ｔ１≦ｔ３≦２．１×ｔ１）の第３光ディスクに対して前記第３光源から出射される波長λ３（１．８×λ１≦λ３≦２．２×λ１）の光束を用いて情報の再生及び記録の双方を行う光ピックアップ装置において、
   前記対物レンズの少なくとも１つの光学面に、第１光ディスクの再生と、第２及び第３光ディスクの再生及び記録の双方を行うために利用される共用領域を備え、
   前記共用領域には、第１光ディスクに対する前記波長λ１の光束の回折効率が５０％以上となり、且つ、第３光ディスクに対する前記波長λ３の光束の回折効率が７０％以上となる回折構造が形成され、
   前記回折構造が形成されている前記光学面を境界とし、前記光学面の光源側の媒質Ａと前記光学面の光ディスク側の媒質Ｂとの前記波長λ１の光束に対する屈折率差ｎ _ｄ１ 、前記波長λ２の光束に対する前記媒質Ａと前記媒質Ｂとの屈折率差ｎ _ｄ２ が、
   ５７≦｜（ｎ _ｄ２ −ｎ _ｄ１ ）／（λ２−λ１）｜≦９０
   を満たす光ピックアップ装置。