JP4822175B2 - 対物レンズ、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズ、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置に関し、特に異なる波長の光源を用いて異なる光情報記録媒体に対して適切に情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置、並びにそれに用いる対物レンズに関する。

近年、波長４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザを用いて、情報の記録及び／又は再生（以下、記録及び／又は再生を、記録／再生、或いは、記録再生ともいう）を行える高密度光ディスクシステムの研究・開発が急速に進んでいる。一例として、ＮＡ０．８５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（以下、ＢＤという）では、ＤＶＤ（ＮＡ０．６、光源波長６５０ｎｍ、記憶容量４、７ＧＢ）と同じ大きさである直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１層あたり２３〜２７ＧＢの情報の記録が可能であり、又、ＮＡ０．６５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＨＤ ＤＶＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＤＶＤ：以下、ＨＤという）では、直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１層あたり１５〜２０ＧＢの情報の記録が可能である。尚、ＢＤでは、光ディスクの傾き（スキュー）に起因して発生するコマ収差が増大するため、ＤＶＤにおける場合よりも保護層を薄く設計し（ＤＶＤの０．６ｍｍに対して、０．１ｍｍ）、スキューによるコマ収差量を低減している。以下、本明細書では、このような光ディスクを「高密度光ディスク」と呼ぶ。

ところで、かかるタイプの高密度光ディスクに対して適切に情報の記録／再生ができると言うだけでは、光ディスクプレーヤ／レコーダの製品としての価値は十分なものとはいえない。現在において、多種多様な情報を記録したＤＶＤが販売されている現実をふまえると、高密度光ディスクに対して情報の記録／再生ができるだけでは足らず、例えばユーザが所有しているＤＶＤに対しても同様に適切に情報の記録／再生ができるようにすることが、高密度光ディスク用の光ディスクプレーヤ／レコーダとしての商品価値を高めることに通じるのである。このような背景から、高密度光ディスク用の光ディスクプレーヤ／レコーダに搭載される光ピックアップ装置は、高密度光ディスクとＤＶＤの何れに対しても互換性を維持しながら適切に情報を記録／再生できる性能を有することが望まれる。

高密度光ディスクとＤＶＤの何れに対しても互換性を維持しながら適切に情報を記録／再生できるようにする方法として、高密度光ディスク用の光学系とＤＶＤ用の光学系とを情報を記録／再生する光ディスクの記録密度に応じて選択的に切り替える方法が考えられるが、複数の光学系が必要となるので、小型化に不利であり、またコストが増大する。

従って、光ピックアップ装置の構成を簡素化し、低コスト化を図るためには、互換性を有する光ピックアップ装置においても、高密度光ディスク用の光学系とＤＶＤ用の光学系とを共通化して、光ピックアップ装置を構成する光学部品点数を極力減らすのが好ましい。そして、光ディスクに対向して配置される対物レンズを共通化し、更にこの対物レンズを単レンズ構成とすることが光ピックアップ装置の構成の簡素化、低コスト化に最も有利となる。尚、情報の記録／再生を行う際に使用される光束の波長が互いに異なる複数種類の光ディスクに対して共通な対物レンズとして、球面収差の波長依存性を有する回折構造をその表面に形成し、かかる回折構造の波長依存性を利用して、記録／再生波長や、光ディスクの保護層厚さの違いによる球面収差を補正する対物レンズが知られている。

ここで、特許文献１には、高密度光ディスクとＤＶＤに対して互換可能に情報の記録及び／又は再生を行える単レンズ構成の対物レンズが開示されている。

ここで、特許文献１に開示された対物レンズは、青紫色レーザ光束に対して２次回折光を発生させ、ＤＶＤ用の赤色レーザ光束に対して１次回折光を発生させるような回折構造を有し、かかる回折構造の回折作用により高密度光ディスクとＤＶＤの保護層厚さの違いによる球面収差を補正するものである。

特開２００４−７９１４６号公報

しかし、この対物レンズは、単レンズ構成であるので、低コストで生産が可能であるものの、以下に述べるような２つの課題を有している。

課題の１つは、回折構造により発生する球面収差の波長依存性が大きいことである。このような場合、発振波長が設計波長からずれたレーザ光源が使用できず、レーザ光源の選別が必要となるため光ピックアップ装置の製造コストが増大する。回折光の回折角は、「回折次数×波長／回折ピッチ」で表される。回折作用を利用して使用波長（以下、使用波長を、記録／再生波長ともいう）が互いに異なる光情報記録媒体（以下、光情報記録媒体を、光ディスクともいう）間の互換を実現するためには、使用波長間の回折角に所定の差を持たせる必要がある。上述した「レーザ光源の選別問題」は、高密度光ディスクとＤＶＤの使用波長間で「回折次数×波長」の値が殆ど同じ回折構造を利用していることに起因している。特許文献１に開示された対物レンズにおいて、青紫色レーザ光束と赤色レーザ光束との「回折次数×波長」の比は８１０／６５５＝１．２４と１に近いため（但し、波長の単位をｎｍとした）、高密度光情報記録媒体とＤＶＤの保護層厚さの違いによる球面収差を補正するために必要な回折角の差を得るためには、回折ピッチを小さくしなければならない。そのため、回折構造の球面収差の波長依存性が大きくなり、上述したような、「レーザ光源の選別問題」が顕在化する。

もう１つの課題は、傾斜が大きな光学面上に回折構造を形成しているため、段差部分の光束のけられや、回折構造の輪帯形状角部などの微細な構造の転写不良による透過率低下が起こり、十分な光利用効率が得られないことである。対物レンズの開口数が大きくなるほど、光学面の傾斜は大きくなるため、開口数０．８５の対物レンズを使用するＢＤでは、かかる透過率の低下がより顕著となる。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、異なる波長の光束を用いて、複数種類の光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に適用可能な対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さい対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することである。本発明の更なる目的は、異なる種類の光情報記録媒体に対して良好に情報の記録及び／又は再生を行える対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さく、高い透過率を有する単レンズ構成の対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係るに記載の対物レンズは、光ピックアップ装置に用いられる対物レンズであって、パワーを有するレンズの一面に、所定の特性を持つ第１光路差付与構造と第２光路差付与構造とを重畳させた重畳構造を有する。

異なる波長の光束を用いて、複数種類の光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に適用可能な対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さい対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。

また、異なる種類の光情報記録媒体に対して良好に情報の記録及び／又は再生を行える対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さく、高い透過率を有する単レンズ構成の対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。

対物レンズの縦球面収差図の概略図である。 対物レンズの縦球面収差図の概略図である。 対物レンズの縦球面収差図の概略図である。 光源側の光学面に回折構造と位相構造とを形成した対物レンズＯＢＪの例にかかる断面図である。 光源側の光学面に回折構造と位相構造とを形成した対物レンズＯＢＪの別例にかかる断面図である。 本実施の形態の光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。

以下本発明の好ましい形態を説明する。

第１の構成の対物レンズは、第１波長λ１の第１光束を出射する第１光源と、第２波長λ２（λ１＜λ２）の第２光束を出射する第２光源と、対物レンズを含む集光光学系と、光検出器とを少なくとも有し、厚さｔ１の保護層を有する第１光情報記録媒体に対して、前記第１光束を用いて情報の再生及び／又は記録を行い、厚さｔ２（ｔ１＜ｔ２）の保護層を有する第２光情報記録媒体に対して、前記第２光束を用いて情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置に用いられる対物レンズであって、
パワーを有する前記対物レンズの一面に、入射される光束の波長をより長い波長とした場合には球面収差が補正不足方向に変化する第１光路差付与構造と、第２光路差付与構造とを重畳させた重畳構造を有し、
前記対物レンズの前記一面は、光軸を含む中央領域と前記中央領域を囲む周辺領域とを有し、前記重畳構造は前記中央領域に形成され、
前記第１光路差付与構造は、前記第１光束の入射に対して回折効率が最大となる回折次数と、前記第２光束の入射に対して回折効率が最大となる回折次数とが、同一次数となる回折構造であり、
前記同一次数は１であり、
前記対物レンズは樹脂レンズであって、
以下の（２）式、及び（３）式を満たす。
３８０ｎｍ＜λ１＜４２０ｎｍ （２）
６３０ｎｍ＜λ２＜６８０ｎｍ （３）

第２の構成の対物レンズは、第１の構成に記載の対物レンズにおいて、前記対物レンズの前記一面には、前記重畳構造が形成された部分と、前記重畳構造が形成されていない部分とを有する。

第３の構成の対物レンズは、第１又は第２の構成に記載の対物レンズにおいて、前記対物レンズの前記一面は、光ピックアップ装置に搭載された際に光源側に配置される面である。

第４の構成の対物レンズは、第１乃至第３の構成の何れかに記載の対物レンズにおいて、前記対物レンズの前記一面は、凸面である。

第５の構成の対物レンズは、第１乃至第４の構成の何れかに記載の対物レンズにおいて、前記対物レンズの他方の面は、非球面である。

第６の構成の対物レンズは、第１乃至第５の構成の何れかに記載の対物レンズにおいて、前記対物レンズは、単レンズである。

第７の構成の対物レンズは、第１乃至第６の構成の何れかに記載の対物レンズにおいて、前記回折構造のブレーズ化波長λＢが以下の（１）式を満たす。

λ１＜λＢ＜λ２ （１）

第８の構成の対物レンズは、第１乃至第７のいずれかの構成に記載の対物レンズにおいて、前記第１光情報記録媒体に対して情報の再生又は記録を行う際の、前記対物レンズの開口数をＮＡ１とし、前記第２光情報記録媒体に対して情報の再生又は記録を行う際の、前記対物レンズの開口数をＮＡ２としたとき、前記開口数ＮＡ２内に相当する領域内に前記重畳構造を備え、前記回折構造のブレーズ化波長λＢ、前記開口数ＮＡ１、及び前記開口数ＮＡ２が以下の（４）式、及び（５）式を満たす。

１．１５×λ１＜λＢ＜０．８５×λ２ （４）
ＮＡ２／ＮＡ１＜０．８ （５）

なお、ここでいう「位相構造」とは、光軸方向の段差を複数有し、入射光束に対してその段差間で光路差を付加する構造の総称である。この段差により入射光束に付加される光路差は、入射光束の波長の整数倍であっても良いし、入射光束の波長の非整数倍であっても良い。また、本明細書において、「光路差付与構造」とは、上述の位相構造、及び回折構造を含む位相差付与構造を含むものとする。

本発明の対物レンズを想起するに至る考え方を、分かり易く説明するために、以下に具体的な一例を挙げながら説明するが、本発明はこの具体例に限定されるものではない。図１〜３は、対物レンズの縦球面収差図の概略図である。図１〜３に示す、近軸像点位置を原点とする球面収差において、近軸像点よりも手前側で光軸と交わる場合（図で原点より左側、すなわち対物レンズに近い側）を「補正不足」、近軸像点よりも遠い位置で光軸と交わる場合（図で原点より右側、すなわち対物レンズに遠い側）を「補正過剰」とする。ここでは、第１の光情報記録媒体としてＢＤ、第２の光情報記録媒体としてＤＶＤを例にとり説明する。縦軸の瞳座標Ｅ２はＤＶＤの開口数に相当し、Ｅ１はＢＤの開口数に相当する。

まず、ＢＤとＤＶＤの保護層厚さの差に起因して生じる球面収差、及び／又は使用する光束の波長の差に起因して生じる球面収差を補正するために回折構造のみを、前記対物レンズの光学面における中央領域（瞳座標０〜Ｅ２の範囲）に形成した場合を考える。図１は、かかる場合の縦球面収差図である。

図１の実線で示すように、波長λ１の光束が通過した場合、球面収差の値は光軸からの位置に関わらずゼロであるとする。中央領域に形成した回折構造はＢＤとＤＶＤの保護層厚さの差に起因する球面収差を補正するための構造であるので、入射光束の波長が長くなった場合に球面収差が補正不足方向に変化し、入射光束の波長が短くなった場合に球面収差が補正過剰方向に変化するような特性を有する。従って、波長λ１がΔλ（Δλ＞０）だけ長くなった場合には、図１において点線で示したように、中央領域では球面収差は補正不足方向に変化し、波長λ１がΔλ（Δλ＞０）だけ短くなった場合には、図１において一点鎖線で示したように、中央領域では球面収差は補正過剰方向に変化する。しかし、図１に示す例では、周辺領域である瞳座標Ｅ２〜Ｅ１の範囲においては、回折構造が存在しないので、球面収差の波長依存性は小さく、球面収差はほぼ一定である。このように、波長が変化した場合に、球面収差カーブが不連続になると、５次以上の高次成分の球面収差が発生することになるため問題となる。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、製造誤差により数ｎｍ程度の波長誤差を個体間で持つ。かかる波長誤差により発生する３次球面収差成分は、コリメートレンズの光軸方向の位置調整により補正できるものの、高次球面収差は、コリメートレンズの光軸方向の位置調整だけでは補正出来ない。そのため、図１に示したような球面収差の波長依存性を有する対物レンズでは、設計波長からずれた半導体レーザが使用できないため、半導体レーザの選別が必要となり量産として成立しない虞がある。

上述のような課題に対して、本発明における対物レンズの一態様では、図２に示すような球面収差の波長依存性を有する位相構造を形成した。図２は、対物レンズの光学面に、所定の位相構造のみを形成した場合の縦球面収差図である。この位相構造は、入射光束の波長が長くなった場合に球面収差が補正過剰方向に変化し、入射光束の波長が短くなった場合に球面収差が補正不足方向に変化し、前述した回折構造とは逆の波長依存性を有する。

図１に示す回折構造の特性に合わせて、図２に示す位相構造の特性を決めることで、回折構造の球面収差の波長依存性をうち消すようにできできる。また更に、図３に示す縦球面収差図のように、λ１−Δλの光束が通過した場合でもλ１＋Δλの光束が通過した場合でも、球面収差カーブが連続となるようにした場合には、高次球面収差の発生を小さくできる。

このとき、位相構造により付加される光路差を、ＢＤの設計波長（λ１）とＤＶＤの設計波長（λ２）のそれぞれに対して同じ位相差となる位相構造の段差量に決定することによって、位相構造を形成した場合でも、回折構造によるλ１とλ２の集光特性を変化させず、回折構造の球面収差の波長依存性（ここでは、λ１やλ２から数ｎｍの範囲で入射光束の波長が変化した際の球面収差変化を指す）を補正することが可能となる。尚、「同量の光路差」とは、λ１とλ２に対して位相構造により付加される光路差が以下の２つの式を満たすものとする。

ａ×０．９×λ１ ≦ Ｌ１ ≦ ａ×１．１×λ１
ｂ×０．９×λ２ ≦ Ｌ２ ≦ ｂ×１．１×λ２
ここで、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、位相構造の一つの段差によって生じる波長λ１、λ２での光路差である。また、ａは任意の整数を表し、ｂはａよりも小さい任意の正の整数を表す。

尚、ａとｂの組み合わせは、（ａ、ｂ）＝（５、３）、（１０、６）であることが好ましい。

ここで、本態様の対物レンズでは、回折効率が最大となる回折次数が、前記第１光束及び前記第２光束の何れに対しても同一次数となるように、回折構造の段差量を決定しているため、大きなピッチでの球面収差補正（記録／再生波長や、保護層厚さの違いによる球面収差の補正）が可能である。従って、回折構造の球面収差の波長依存性が大きくなりすぎないため、それを補正するための位相構造のピッチが小さくなりすぎない。そのため、回折構造や位相構造の形状誤差による透過率低下を抑制できる。

さらに、本態様の対物レンズでは、比較的傾斜が小さい中央領域に微細な段差を有する回折構造や位相構造を形成しているため、段差部分の光束のけられや、微細構造の転写不良による透過率低下が抑制でき、十分な光利用効率を得ることが可能である。

尚、回折構造と位相構造とは、異なる光学面に形成しても上述の効果が得られるが、この場合、形状誤差による透過率低下が起こる可能性のある光学面が２つとなってしまう。本態様の対物レンズのように、回折構造と位相構造とを同一の光学面上に重畳して形成することで、形状誤差による透過率低下を抑制できるという利点がある。

図４は、光源側の光学面に回折構造と位相構造とを形成した対物レンズＯＢＪの例にかかる断面図であるが、理解しやすいように回折構造ＤＳと位相構造ＰＳとは誇張して描いている。中央領域ＣＲは、そこを通過した第１光束及び第２光束がそれぞれ共に、それぞれ対応する光情報記録媒体の記録又は再生に共通して利用される領域に対応し、周辺領域ＰＲは、そこを通過した第１光束のみが、対応する光情報記録媒体の記録又は再生の際に利用される領域に対応する。図４において、実線で示す光軸Ｘを中心とした断面がブレーズ状の回折構造ＤＳは、位相構造ＰＳと重畳させているため、局所的に軸線方向に変位した構成となっている。図４に示す例では、回折構造ＤＳが正の向きのブレーズ構造のみからなるために、位相構造ＰＳにおける光軸方向の段差及びその延長線とブレーズの頂点を通る線とを結ぶと、位相構造ＰＳの形状を示す包絡線（図４で示す点線）が描かれる。尚、回折構造ＤＳとして、負の向きのブレーズ構造を混在させてもよい。

第９の構成の光ピックアップ装置は、光源と、第１乃至第８の構成の何れかに記載の対物レンズと、光検出器とを備えた。

第１０の構成の光情報記録再生装置は、第９の構成に記載の光ピックアップ装置を搭載した。

また、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おいて光情報記録媒体に対向する位置に配置され、光源から射出された光束を、光情報記録媒体（光ディスクともいう）の情報記録面上に集光する機能を有する光学系であって、光ピックアップ装置に搭載された際には、アクチュエータにより少なくとも光軸方向に変位可能される光学系を指す。「対物レンズ」は単レンズであっても良いし、複数のレンズから構成されていても良く、また他の光学素子を含んでいても良い。

また、対物レンズをガラスレンズとする場合は、ガラス転移点Ｔｇが４００℃以下であるガラス材料を使用すると、比較的低温での成形が可能となるので、金型の寿命を延ばすことが出来る。このようなガラス転移点Ｔｇが低いガラス材料としては、例えば（株）住田光学ガラス製のＫ−ＰＧ３２５や、Ｋ−ＰＧ３７５（共に製品名）がある。

ところで、ガラスレンズは一般的に樹脂レンズよりも比重が大きいため、対物レンズをガラスレンズとすると、重量が大きくなり対物レンズを駆動するアクチュエータに負担がかかる。そのため、対物レンズをガラスレンズとする場合には、比重が小さいガラス材料を使用するのが好ましい。具体的には、比重が３．０以下であるのが好ましく、２．８以下であるのがより好ましい。

また、対物レンズを樹脂レンズとする場合は、環状オレフィン系の樹脂材料を使用するのが好ましく、環状オレフィン系の中でも、波長４０５ｎｍに対する温度２５℃での屈折率が１．５４乃至１．６０の範囲内であって、−５℃から７０℃の温度範囲内での温度変化に伴う波長４０５ｎｍに対する屈折率変化率ｄＮ／ｄＴ（℃−１）が−１０×１０−５乃至−８×１０−５の範囲内である樹脂材料を使用するのがより好ましい。

或いは、本発明の対物レンズに適した樹脂材料として、上記環状オレフィン系以外にも「アサーマル樹脂」がある。アサーマル樹脂とは、母材となる樹脂の温度変化に伴う屈折率変化率とは、逆符号の屈折率変化率を有する直径が３０ｎｍ以下の粒子を分散させた樹脂材料である。一般に、透明な樹脂材料に微粉末を混合させると、光の散乱が生じ、透過率が低下するため、光学材料として使用することは困難であったが、微粉末を透過光束の波長より小さい大きさにすることにより、散乱が事実上発生しないようにできることがわかってきた。

さて樹脂材料は、温度が上昇することにより、屈折率が低下してしまうが、無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこでこれらの性質をあわせて打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化が生じないようにすることも知られている。本発明の対物レンズの材料として、母材となる樹脂に３０ナノメートル以下、好ましくは２０ナノメートル以下、さらに好ましくは１０〜１５ナノメートルの無機粒子を分散させた材料を利用することで、屈折率の温度依存性が無いか、あるいはきわめて低い対物レンズを提供できる。

たとえば、アクリル樹脂に、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の微粒子を分散させている。

母材となる樹脂は、体積比で８０、酸化ニオブは２０程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる等の技術により、必要な分散状態を生じさせることが出来る。

後述するように、母材となる樹脂と粒子との混合・分散は、対物レンズの射出成形時にインラインで行うことが好ましい。いいかえると、混合・分散した後は、対物レンズに成形される迄、冷却・固化されないことが好ましい。

なお、この体積比率は、屈折率の温度に対する変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子をブレンドして分散させることも可能である。

比率では、上記の例では８０：２０、すなわち４：１であるが、９０：１０（９：１）から６０：４０（３：２）までの間で適宜調整可能である。９：１よりも少ないと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に３：２を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。

微粒子は無機物であることが好ましく、さらに酸化物であることが好ましい。そして酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。

無機物であることは、高分子有機化合物である母材となる樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また酸化物であることによって、使用に伴う劣化を防ぐことが出来る。特に高温化や、レーザ光を照射されるという過酷な条件において、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことが出来る。

また、その他の要因による樹脂の酸化を防止するために、酸化防止剤を添加することも勿論可能である。

ちなみに、母材となる樹脂は、特開２００４−１４４９５１号公報、特開２００４−１４４９５４号公報、特開２００４−１４４９５３号公報等に記載されているような樹脂を適宜好ましく採用することができる。

尚、以上の説明では、好ましい具体的な態様として、回折構造と位相構造とを重畳させた重畳構造を光学面に形成したレンズの例を挙げて説明したが、それぞれ同様な機能を有する光路差付与構造を重畳させた重畳構造とすることができる。より具体的には、入射される光束の波長をより長い波長とした場合には球面収差が補正不足方向に変化する第１光路差付与構造と、入射される光束の波長をより長い波長とした場合には球面収差が補正過剰方向に変化する第２光路差付与構造といった、異なる少なくとも２つの光路差付与構造を、パワーを有するレンズの一面に重畳させた重畳構造とすることで、球面収差の波長依存性が小さい対物レンズを得ることが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施の形態を図面を参照して説明する。図６は、異なる光情報記録媒体（光ディスクともいう）であるＢＤとＤＶＤに対して適切に情報の記録／再生を行える本実施の形態の光ピックアップ装置ＰＵ１の構成を概略的に示す図である。かかる光ピックアップ装置ＰＵ１は、光情報記録再生装置に搭載できる。ここでは、第１光情報記録媒体をＢＤとし、第２光情報記録媒体をＤＶＤとする。

第１の光ピックアップ装置ＰＵ１は、第１波長４０８ｎｍの第１光束を射出する第１光源としての青紫色半導体レーザＬＤ１とＢＤの情報記録面ＲＬ１からの反射光束を受光する第１の光検出器ＰＤ１とが一体化された第１のモジュールＭＤ１、第２波長６５８ｎｍの第２光束を出射する第２光源としての赤色半導体レーザＬＤ２と第２の光ディスクＯＤ２の情報記録面ＲＬ２からの反射光束を受光する第２の光検出器ＰＤ２とが一体化された第２のモジュールＭＤ２、ダイクロイックプリズムＰＳ、コリメートレンズＣＬ、絞りＳＴ、対物レンズＯＢＪ、フォーカシング／トラッキング用の２軸アクチュエータＡＣ等から概略構成される。尚、対物レンズＯＢＪは、光源側の光学面が、光軸を含む中央領域と、その周辺の周辺領域とに分かれており、中央領域には、回折構造及び位相構造が形成されている。

青紫色半導体レーザＬＤ１から射出された第１波長４０８ｎｍの発散光束は、ダイクロイックプリズムＰＳを透過し、コリメートレンズＣＬにより平行光束とされた後、図示しない１／４波長板により直線偏光から円偏光に変換され、絞りＳＴによりその光束径が規制され、対物レンズＯＢＪによって厚さ０．０８７５ｍｍの保護層ＰＬ１を介して、ＢＤの情報記録面ＲＬ１上に形成されるスポットとなる。

情報記録面ＲＬ１上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、絞りＳＴを透過した後、図示しない１／４波長板により円偏光から直線偏光に変換され、コリメートレンズＣＬにより収斂光束とされ、ダイクロイックプリズムＰＳを透過した後、第１の光検出器ＰＤ１の受光面上に収束する。そして、第１の光検出器ＰＤ１の出力信号を用いて、２軸アクチュエータＡＣにより対物レンズＯＢＪをフォーカシングやトラッキングさせることで、ＢＤに記録された情報を読みとることができる。

また赤色半導体レーザＬＤ２から射出された第２波長６５８ｎｍの発散光束は、偏光ダイクロイックプリズムＰＳにより反射され、コリメートレンズＣＬにより平行光束とされた後、図示しない１／４波長板により直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズＯＢＪに入射する。対物レンズＯＢＪの中央領域を通過した第２波長６５８ｎｍの光束は、厚さ０．６ｍｍの保護層ＰＬ２を介して、ＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上に形成されるスポットとなる。

情報記録面ＲＬ２上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、絞りＳＴを透過した後、図示しない１／４波長板により円偏光から直線偏光に変換され、コリメートレンズＣＬにより収斂光束とされ、ダイクロイックプリズムＰＳにより反射された後、第２の光検出器ＰＤ２の受光面上に収束する。そして、第２の光検出器ＰＤ２の出力信号を用いて、２軸アクチュエータＡＣにより対物光学素子ＯＢＪをフォーカシングやトラッキングさせることで、ＤＶＤに記録された情報を読みとることができる。
尚、対物レンズＯＢＪの周辺領域は、微細な段差構造が形成されない非球面であるので、周辺領域を通過した第２波長６５８ｎｍの光束は、ＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上で、スポット形成に寄与しないフレア成分となる。これにより、ＤＶＤの開口数に対応した開口制限が自動的に行われる。

以下、本実施の形態に好適な実施例について説明する。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、２．５Ｅ−３）を用いて表すものとする。また、実施例の表中、範囲ｈは、光軸からの距離を表し、単位はｍｍ、曲率半径（Ｒ，Ｒｉ）の単位もｍｍである。

対物光学系の光学面は、それぞれ式（８）に、表に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。

ｚ＝（ｈ２／Ｒ）／［１＋√｛１−（Κ＋１）（ｈ／Ｒ）２｝］＋Ａ０＋Ａ４ｈ４＋Ａ６ｈ６＋Ａ８ｈ８＋Ａ１０ｈ１０＋Ａ１２ｈ１２＋Ａ１４ｈ１４＋Ａ１６ｈ１６＋Ａ１８ｈ１８＋Ａ２０ｈ２０
・・・（８）
但し、
ｚ：非球面形状（非球面の面頂点に接する平面から光軸に沿った方向の距離）
ｈ：光軸からの距離
Ｒ：曲率半径
Κ：コーニック係数
Ａ０：非球面のオフセット量
Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２，Ａ１４，Ａ１６，Ａ１８，Ａ２０：非球面係数
また、回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路差は、式（９）の光路差関数に、表に示す係数を代入した数式で規定される。

φ＝ｄｏｒ×λ／λＢ×（Ｃ２ｈ２＋Ｃ４ｈ４＋Ｃ６ｈ６＋Ｃ８ｈ８＋Ｃ１０ｈ１０＋Ｃ１２ｈ１２＋Ｃ１４ｈ１４＋Ｃ１６ｈ１６＋Ｃ１８ｈ１８＋Ｃ２０ｈ２０）
・・・（９）
但し、
φ：光路差関数
λ：回折構造に入射する光束の波長
λＢ：ブレーズ化波長
ｄｏｒ：光ディスクに対する記録／再生に使用する回折光の回折次数
ｈ：光軸からの距離
Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１０，Ｃ１２，Ｃ１４，Ｃ１６，Ｃ１８，Ｃ２０：回折面係数
（実施例１）
実施例１のレンズデータ（設計波長、焦点距離、像側の開口数、倍率を含む）を表１と表２に示す。実施例１は、図６に示す光ピックアップ装置に好適なガラス製（ＯＨＡＲＡ製 Ｓ−ＢＳＭ１４）の対物レンズである。光源側の光学面は、光軸から近い順に、光軸を含む第２−１面と、その周辺に形成された、第２−２面、第２−３面、第２−４面、第２−５面、そして第２−６面の６領域で構成されている。第２−１から第２−５面までの領域が中央領域に相当し、第２−６面が周辺領域に相当する。第２−１面から第２−５面にはブレーズ化波長λＢ：４９０ｎｍの回折構造が形成され、その回折次数はＢＤ：１次、ＤＶＤ：１次であり、その回折効率はＢＤ：８５％、ＤＶＤ：７９％となっている。また、第２−６面は非球面形状である。

第２−１面から第２−５面には位相構造が重畳されており、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、第２−２面では５×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算して２π×５（ｒａｄ）だけ位相が遅れることになる。また、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、それぞれ１０×λ１（ｎｍ）、５×λ１（ｎｍ）、０×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×１０（ｒａｄ）、２π×５（ｒａｄ）、２π×０（ｒａｄ）だけ位相が遅れることとなる。また、第２−１面を透過するλ２の光束に対して、第２−２面、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、それぞれ３×λ２（ｎｍ）、６×λ２（ｎｍ）、３×λ２（ｎｍ）、０×λ２（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×３（ｒａｄ）、２π×６（ｒａｄ）、２π×３（ｒａｄ）、２π×０（ｒａｄ）だけ位相が遅れることになる。すなわち、位相構造の１つの段差によりそれぞれの波長の光束に対して付加される光路差は、第１波長λ１に対しては２０４０ｎｍ、第２波長λ２に対しては１９７４ｎｍであり、何れの波長の光束に対しても略同量の光路差が付加される。尚、本実施例においては、中央領域内で、ブレーズ構造の向きが光軸から離れるに従って負の向きから正の向きへと一度入れ替わるようになっている（図５参照）。

一方、光ディスク側光学面（第３面）は、非球面形状である。かかる実施例１の対物レンズにおいては、第１波長λ１が＋５ｎｍ波長変化した際の球面収差の変化量は３次成分：０．０２９λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０１０λ１ＲＭＳであり、第２面の回折構造に位相構造を重畳させないと場合の変化量（３次成分：０．００９λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０２９λＲＭＳ）に対して、高次成分が低減されている。尚、ここでは「高次成分」を、５次成分と７次成分の２乗和の平方根としている。
（実施例２）
実施例２は、図６に示す光ピックアップ装置に好適な樹脂製の対物レンズのものである。実施例２のレンズデータ（設計波長、焦点距離、像側の開口数、倍率を含む）を表３と表４に示す。光源側の光学面は、光軸から近い順に、光軸を含む第２−１面と、その周辺に形成された、第２−２面、第２−３面、第２−４面、第２−５面、そして第２−６面の６領域で構成されている。第２−１から第２−５面までの領域が中央領域に相当し、第２−６面が周辺領域に相当する。第２−１面から第２−５面にはブレーズ化波長λＢ：４９０ｎｍの回折構造が形成され、その回折次数はＢＤ：１次、ＤＶＤ：１次であり、その回折効率はＢＤ：８５％、ＤＶＤ：７８％となっている。また、第２−６面は非球面形状である。

第２−１面から第２−５面には位相構造が重畳されており、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、第２−２面では５×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算して２π×５（ｒａｄ）だけ位相が遅れることになる。また、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、それぞれ１０×λ１（ｎｍ）、５×λ１（ｎｍ）、０×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×１０（ｒａｄ）、２π×５（ｒａｄ）、２π×０（ｒａｄ）だけ位相が遅れることとなる。また、第２−１面を透過するλ２の光束に対して、第２−２面、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、それぞれ３×λ２（ｎｍ）、６×λ２（ｎｍ）、３×λ２（ｎｍ）、０×λ２（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×３（ｒａｄ）、２π×６（ｒａｄ）、２π×３（ｒａｄ）、２π×０（ｒａｄ）だけ位相が遅れることになる。すなわち、位相構造の１つの段差によりそれぞれの波長の光束に対して付加される光路差は、第１波長λ１に対しては２０４０ｎｍ、第２波長λ２に対しては１９７４ｎｍであり、何れの波長の光束に対しても略同量の光路差が付加される。尚、本実施例においては、中央領域内で、ブレーズ構造の向きが光軸から離れるに従って負の向きから正の向きへと一度入れ替わるようになっている（図５参照）。

一方、光ディスク側光学面（第３面）は、非球面形状である。かかる実施例２の対物レンズにおいては、第１波長λ１が＋５ｎｍ波長変化した際の球面収差の変化量は３次成分：０．０３５λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０１４λ１ＲＭＳであり、第２面の回折構造に位相構造を重畳させないと場合の変化量（３次成分：０．０２０λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０３２λＲＭＳ）に対して、高次成分が低減されている。尚、ここでは「高次成分」を、５次成分と７次成分の２乗和の平方根としている。
（実施例３）
実施例３は、図６に示す光ピックアップ装置に好適なガラス製（ＯＨＡＲＡ製 Ｓ−ＢＳＭ１４）の対物レンズのものである。実施例３のレンズデータ（設計波長、焦点距離、像側の開口数、倍率を含む）を表５と表６に示す。光源側の光学面は、光軸から近い順に、光軸を含む第２−１面と、その周辺に形成された、第２−２面、第２−３面、第２−４面、第２−５面、そして第２−６面の６領域で構成されている。第２−１から第２−５面までの領域が中央領域に相当し、第２−６面が周辺領域に相当する。第２−１面から第２−５面にはブレーズ化波長λＢ：４９０ｎｍの回折構造が形成され、その回折次数はＢＤ：１次、ＤＶＤ：１次であり、その回折効率はＢＤ：８５％、ＤＶＤ：７９％となっている。また、第２−６面は非球面形状である。

第２−１面から第２−５面には位相構造が重畳されており、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、第２−２面では−５×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算して２π×５（ｒａｄ）だけ位相が進むことになる。また、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、第２−１面を透過するλ１の光束に対して、それぞれ−１０×λ１（ｎｍ）、−１５×λ１（ｎｍ）、−２０×λ１（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×１０（ｒａｄ）、２π×１５（ｒａｄ）、２π×２０（ｒａｄ）だけ位相が進むこととなる。また、第２−１面を透過するλ２の光束に対して、第２−２面、第２−３面、第２−４面、及び第２−５面では、それぞれ−３×λ２（ｎｍ）、−６×λ２（ｎｍ）、−９×λ２（ｎｍ）、−１２×λ２（ｎｍ）の光路差が付与されるので、位相差に換算してそれぞれ２π×３（ｒａｄ）、２π×６（ｒａｄ）、２π×９（ｒａｄ）、２π×１２（ｒａｄ）だけ位相が進むことになる。すなわち、位相構造の１つの段差によりそれぞれの波長の光束に対して付加される光路差は、第１波長λ１に対しては２０４０ｎｍ、第２波長λ２に対しては１９７４ｎｍであり、何れの波長の光束に対しても略同量の光路差が付加される。尚、本実施例においては、中央領域内で、ブレーズ構造の向きは正で一定である（図４参照）。

一方、光ディスク側光学面（第３面）は、非球面形状である。かかる実施例３の対物レンズにおいては、第１波長λ１が＋５ｎｍ波長変化した際の球面収差の変化量は３次成分：０．００６λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０１４λ１ＲＭＳであり、第２面の回折構造に位相構造を重畳させないと場合の変化量（３次成分：０．０８５λ１ＲＭＳ、高次成分：０．０４２λＲＭＳ）に対して、高次成分が低減されている。尚、ここでは「高次成分」を、５次成分と７次成分の２乗和の平方根としている。

尚、実施例１から実施例３の対物レンズにおいて、第１波長λ１の回折効率の有効径内面積加重平均値を計算すると、９０．７％となり、記録／再生の高速化が求められるＢＤに対して高い光利用効率が得られる。

また、実施例１から実施例３の対物レンズにおいては、回折構造のブレーズ化波長λＢを４９０ｎｍとしたが、これに限らず、ブレーズ化波長λＢを変えることで、第１波長λ１と第２波長λ２の回折効率のバランスを適宜変更することが可能である。
更に、以上の実施例では、第１光路差付与構造を回折構造とし、第２光路差付与構造を位相構造とした幾つかの例を例示したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。好ましい他の例としては、第１波長λ１の光束に対して回折効率が最大となる回折次数が３次回折光であって、且つ第２波長λ２の光束に対して回折効率が最大となる回折次数が２次回折光となる回折構造を、第１光路差付与構造とし、第１波長λ１の光束に対してはλ１のほぼ５倍の光路差を付与するものであって、且つ第２波長λ１の光束に対してはλ２のほぼ３倍の光路差を付与する位相構造を、第２光路差付与構造として、それら第１及び第２光路差付与構造を重畳した重畳構造を用いることが挙げられる。
また、第１波長λ１の光束に対してはλ１のほぼ５倍の光路差を付与するものであって、且つ第２波長λ２の光束に対してはλ２のほぼ３倍の光路差を付与する位相構造を、第１光路差付与構造とし、第１波長λ１の光束に対して回折効率が最大となる回折次数が２次回折光であって、且つ第２波長λ２の光束に対して回折効率が最大となる回折次数が１次回折光となる回折構造を、前記第２光路差付与構造として、それら第１及び第２光路差付与構造を重畳した重畳構造を用いることも、好ましい例として挙げられる。
更にまた、本発明は、ＢＤだけではなく、ＨＤを含む他の高密度光ディスク用の対物レンズに対して適用することも可能であり、上述した効果と同様の効果が得られる。

本発明によれば、異なる波長の光束を用いて、複数種類の光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に適用可能な対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さい対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。また、異なる種類の光情報記録媒体に対して良好に情報の記録及び／又は再生を行える対物レンズであって、球面収差の波長依存性が小さく、高い透過率を有する単レンズ構成の対物レンズ、この対物レンズを使用した光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。

ＣＬ コリメートレンズ
ＣＲ 中央領域
ＤＳ 回折構造
ＬＤ１ 青紫色半導体レーザ
ＬＤ２ 赤色半導体レーザ
ＭＤ１，ＭＤ２ モジュール
ＰＤ１，ＰＤ２ 光検出器
ＰＬ１，ＰＬ２ 保護層
ＰＵ１ 光ピックアップ装置
ＲＬ１，ＲＬ２ 情報記録面

Claims (10)

1. 第１波長λ１の第１光束を出射する第１光源と、第２波長λ２（λ１＜λ２）の第２光束を出射する第２光源と、対物レンズを含む集光光学系と、光検出器とを少なくとも有し、厚さｔ１の保護層を有する第１光情報記録媒体に対して、前記第１光束を用いて情報の再生及び／又は記録を行い、厚さｔ２（ｔ１＜ｔ２）の保護層を有する第２光情報記録媒体に対して、前記第２光束を用いて情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置に用いられる対物レンズであって、
   パワーを有する前記対物レンズの一面に、入射される光束の波長をより長い波長とした場合には球面収差が補正不足方向に変化する第１光路差付与構造と、第２光路差付与構造とを重畳させた重畳構造を有し、
   前記対物レンズの前記一面は、光軸を含む中央領域と前記中央領域を囲む周辺領域とを有し、前記重畳構造は前記中央領域に形成され、
   前記第１光路差付与構造は、前記第１光束の入射に対して回折効率が最大となる回折次数と、前記第２光束の入射に対して回折効率が最大となる回折次数とが、同一次数となる回折構造であり、
   前記同一次数は１であり、
   前記対物レンズは樹脂レンズであって、
   以下の（２）式、及び（３）式を満たすことを特徴とする対物レンズ。
   ３８０ｎｍ＜λ１＜４２０ｎｍ （２）
   ６３０ｎｍ＜λ２＜６８０ｎｍ （３）
2. 前記対物レンズの前記一面には、前記重畳構造が形成された部分と、前記重畳構造が形成されていない部分とを有することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
3. 前記対物レンズの前記一面は、光ピックアップ装置に搭載された際に光源側に配置される面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の対物レンズ。
4. 前記対物レンズの前記一面は、凸面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の対物レンズ。
5. 前記対物レンズの他方の面は、非球面であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の対物レンズ。
6. 前記対物レンズは、単レンズであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の対物レンズ。
7. 前記回折構造のブレーズ化波長λＢが以下の（１）式を満たすことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の対物レンズ。
   λ１＜λＢ＜λ２（１）
8. 前記第１光情報記録媒体に対して情報の再生又は記録を行う際の、前記対物レンズの開口数をＮＡ１とし、前記第２光情報記録媒体に対して情報の再生又は記録を行う際の、前記対物レンズの開口数をＮＡ２としたとき、前記開口数ＮＡ２内に相当する領域内に前記重畳構造を備え、前記回折構造のブレーズ化波長λＢ、前記開口数ＮＡ１、及び前記開口数ＮＡ２が以下の（４）式、及び（５）式を満たすことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の対物レンズ。
   １．１５×λ１＜λＢ＜０．８５×λ２ （４）
   ＮＡ２／ＮＡ１＜０．８ （５）
9. 光源と、請求項１乃至８の何れか一項に記載の対物レンズと、光検出器とを備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。
10. 請求項９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。

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