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JP2005135555A - 光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置 - Google Patents

光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 単位波長変化あたりの球面収差の変化量の抑制を可能とすることにより、レーザ光源の量産における歩留まりを向上させ、製造コストの低減を可能とする光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置を提供する。
【解決手段】 本発明の光学素子は、波長λ1（ｎｍ）の第１光束が入射した場合にはｎ1次の回折光を発生し、波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束が入射した場合にはｎ2次（｜ｎ1｜≧｜ｎ2｜）の回折光を発生する回折構造が形成された光学面と、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成される光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置に関する。
従来より、異なる記録密度の複数種類の光ディスクに対して記録／再生を行うことが可能な光ピックアップ装置が知られている。例えば、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）とＣＤ（コンパクトディスク）を１つの光ピックアップ装置を用いて記録／再生するものがある。また、近年、記録密度が異なる光ディスクとして、青紫色レーザ光源（例えば、青紫色半導体レーザや青紫色ＳＨＧレーザなど）を用いる高密度光ディスク（以下、記録／再生用のレーザ光源として、青紫色レーザ光源を使用する光ディスクを総称して「高密度光ディスク」という）と、従来のＤＶＤ、更にはＣＤとも互換性のある光ピックアップ装置が要求されてきている。
高密度光ディスクとＤＶＤとに対して互換性を有する光ピックアップ装置として、以下の特許文献１〜３に記載されているように、光軸を中心とする所定数の輪帯から構成される回折構造を形成した回折光学素子を利用する技術が知られている。
特開２００１−６０３３６号公報 特開２００２−２９８４２２号公報 特開２００１−９３１７９号公報
上記の特許文献に記載されている技術は、高密度光ディスクの記録／再生用ビームとして２次（或いは３次）回折光を利用し、ＤＶＤの記録／再生用ビームとして１次（或いは２次）回折光を利用するというように、高密度光ディスクの記録／再生用ビームの回折次数よりも低い回折次数のビームをＤＶＤの記録／再生用ビームとして利用する技術である。この技術によると、それぞれの光ディスクの記録／再生用ビームに対して高い回折効率を確保しつつ、青紫色波長領域における微小な波長変化に対するフォーカス位置の変動を抑制することができる。
このように、それぞれの光ディスクの記録／再生用ビームに対して高い回折効率を確保するためには、高密度光ディスクの記録／再生用ビームの波長λ1、ＤＶＤの記録／再生用ビームの波長λ2、λ1、λ2に対する回折光学素子の屈折率をそれぞれＮ1、Ｎ2としたとき、以下の式、
δφD＝｛ｎ1・λ1／（Ｎ1−１）｝／｛ｎ2・λ2／（Ｎ2−１）｝
で定義される、回折構造によりλ1に付加される光路長とλ2に付加される光路長の比δφDが１に近い値となるように、高密度光ディスクの記録／再生用ビームの回折次数ｎ1と、ＤＶＤの記録／再生用ビームの回折次数ｎ2の組合せを選択する必要がある。
然るに、上記の関係を満たす回折次数ｎ１と回折次数ｎ２の組合せの回折光を発生する回折構造を、高密度光ディスクとＤＶＤとの間の互換を実現するために利用する場合、回折構造の単位波長あたりの球面収差の変化量が大きくなるため、レーザ光源の選別が必要となり、レーザ光源の製造コストの増大、光ピックアップ装置の製造コストの増大を招来するという課題がある。
かかる単位波長変化あたりの球面収差の変化量は対物光学系の開口数（ＮＡ）の４乗に比例して増大するため、特に、高密度光ディスクの一規格であるブルーレイディスクに代表されるような、開口数（ＮＡ）０．８５の対物光学系と０．１ｍｍの保護層を使用する規格（以下、０．１ｍｍ規格という）の高密度光ディスクにおいては、上記の問題がより一層顕在化する。
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、単位波長変化あたりの球面収差の変化量の抑制を可能とすることにより、レーザ光源の量産における歩留まりを向上させ、製造コストの低減を可能とする光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生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、請求項１に記載の発明は、波長λ1（ｎｍ）の第１光束が入射した場合にはｎ1次の回折光を発生し、波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束が入射した場合にはｎ2次（｜ｎ1｜≧｜ｎ2｜）の回折光を発生する回折構造が形成された光学面と、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成される光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学素子において、前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で前記第１光束の波長が変化した場合に前記回折構造で発生する球面収差変化を小さく抑制する機能を有することを特徴とする。
請求項１及び２に記載の発明によると、回折構造の作用により０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差の補正や、青紫色波長領域と赤色波長領域との間における対物光学系の波長分散に起因する球面収差の補正や、青紫色波長領域における微小な波長変化に対するフォーカス位置の変動を小さく抑制することが可能となる。しかし、回折構造は球面収差の波長依存性が大きいために、±１０ｎｍ程度の入射光束の波長変化に対する球面収差変化が大きくなる。かかる球面収差の変化量はＮＡ4に比例して増大するため、ＮＡ０．８５の対物光学系を使用する０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクにおいては、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差が厳しいものとなってしまう。そこで本発明による光学素子においては、光路差付与構造により青紫色波長領域における±１０ｎｍ程度の入射光束の波長変化に対する球面収差変化を小さく抑える構成をとることにより、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差を緩和した。これにより、青紫色レーザ光源の量産における歩留まりの向上、青紫色レーザ光源や光ピックアップ装置の製造コストの低減が可能となる。
尚、本明細書においては、情報の記録／再生用の光源として、青紫色半導体レーザや青紫色ＳＨＧレーザを使用する光ディスクを総称して「高密度光ディスク」といい、ＮＡ０．８５の対物光学系により情報の記録／再生を行い、保護層の厚さが０．１ｍｍ程度である規格の光ディスクの他に、ＮＡ０．６５の対物光学系により情報の記録／再生を行い、保護層の厚さが０．６ｍｍ程度である規格の光ディスクも含むものとする。また、このような保護層をその情報記録面上に有する光ディスクの他に、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、これらの保護層或いは保護膜の厚さが０の光ディスクも含むものとする。また、本明細書においては、高密度光ディスクには、情報の記録／再生用の光源として、青紫色半導体レーザや青紫色ＳＨＧレーザを使用する光磁気ディスクも含まれるものとする。
また、本明細書においては、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−Ａｕｄｉｏ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ等のＤＶＤ系列の光ディスクを総称して「ＤＶＤ」といい、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ａｕｄｉｏ、ＣＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等のＣＤ系列の光ディスクを総称して「ＣＤ」という。
また、本明細書においては、「回折構造がｎ次の回折光を発生する」とは、回折構造において波長λの光束が入射した場合に発生する様々な次数の回折光のうち、ｎ次の回折光の回折効率が最大であることと同義であり、「ｎ次の回折光を発生する回折構造」とは、「波長λの光束が入射した場合にｎ次の回折光が最大の回折効率で発生するようにブレーズ化された回折構造」と同義である。従って、「光ディスクの記録／再生用ビームとしてｎ次の回折光を利用する」とは、回折構造において波長λの光束が入射した場合に発生する様々な次数の回折光のうち、最大の回折効率を有するｎ次の回折光を光ディスクの情報記録面上に集光することで、光ディスクに対する情報の記録及び／又は、光ディスクに記録された情報を再生することと同義である。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、
ＩＮＴ（δφD）−δφD＜０ （１）
δφD＝｛ｎ1・λ1／（Ｎ1−１）｝／｛ｎ2・λ2／（Ｎ2−１）｝ （２）
を満たすとともに、前記回折構造は、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光学素子において、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔD（μｍ）、λB（ｎｍ）を前記λ1より短い所定の波長、前記λBに対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮB、としたとき、以下の（３）式を実質的に満たすことを特徴とする。
ΔD＝ｎ1・λB×１０-3／（ＮB−１） （３）
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の光学素子において、前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正不足方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする。
０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差や、青紫色波長領域と赤色波長領域との間における対物光学系の波長分散に起因する球面収差を補正するためには、回折構造により発生する球面収差の波長依存性を利用する。ここで、請求項３の発明のように、高密度光ディスク用の記録／再生用ビームの波長λ1、回折次数ｎ1、ＤＶＤ用の記録／再生用ビームの波長λ2、回折次数ｎ2との間に（１）式、及び（２）式の関係が成り立つ場合には、回折構造に入射光束の波長が長波長側にシフトした際に球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を持たせるのが好ましい。
この場合には、請求項４の発明のように、光軸近傍の回折構造のブレーズ化波長λBがλ1より短い所定の波長であることが好ましく、これにより、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。具体的には、光軸に最も近い段差ΔDが（３）式を実質的に満たすのが好ましい。
そして、請求項５の発明のように、光路差付与構造にλ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束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方向に変化するような球面収差特性を持たせることにより、回折構造の球面収差特性を相殺するのが好ましい。これにより、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差を緩和することが可能となる。
請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、
ＩＮＴ（δφD）−δφD＞０ （４）
δφD＝｛ｎ1・λ1／（Ｎ1−１）｝／｛ｎ2・λ2／（Ｎ2−１）｝ （５）
を満たすとともに、前記回折構造は、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正不足方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光学素子において、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔD（μｍ）、λB（ｎｍ）を前記λ1乃至λ2の範囲内の所定の波長、前記λBに対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮB、としたとき、以下の（６）式を実質的に満たすことを特徴とする。
ΔD＝ｎ1・λB×１０-3／（ＮB−１） （６）
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の光学素子において、前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする。
０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差や、青紫色波長領域と赤色波長領域との間における対物光学系の波長分散に起因する球面収差を補正するためには、回折構造により発生する球面収差の波長依存性を利用する。ここで、請求項６の発明のように、高密度光ディスク用の記録／再生用ビームの波長λ1、回折次数ｎ1、ＤＶＤ用の記録／再生用ビームの波長λ2、回折次数ｎ2との間に（４）式、及び（５）式の関係が成り立つ場合には、回折構造に入射光束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方向に変化するような球面収差特性を持たせるのが好ましい。
この場合には、請求項７の発明のように、光軸近傍の回折構造のブレーズ化波長λBが前記λ1乃至λ2の範囲内の所定の波長であることが好ましく、これにより、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。具体的には、光軸に最も近い段差ΔDが（６）式を実質的に満たすのが好ましい。
そして、請求項８の発明のように、光路差付与構造にλ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束の波長が長波長側にシフトした際に球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を持たせることにより、回折構造の球面収差特性を相殺するのが好ましい。これにより、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差を緩和することが可能となる。
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光学素子は、少なくとも最大有効径の０％から７５％の高さの範囲内に非球面を有することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の光学素子において、前記回折構造は、前記非球面上に形成されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明のように、回折構造が形成される光学素子が光軸から離れるに従い光路長が長くなるような非球面を少なくとも最大有効径の０％から７５％の高さの範囲内に有するのが好ましい。これにより、非球面の作用と回折構造の作用を組合わせて、０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差や、青紫色波長領域と赤色波長領域との間における対物光学系の波長分散に起因する球面収差を良好に補正することが可能となる。
更に、球面収差の補正効果を最大限に発揮するためには、請求項１０に記載の発明のように、かかる非球面上に回折構造が形成されていることが最も好ましい。
尚、ここでいう「最大有効径」とは、波長λ1の第１光束に対する光学素子の有効径を指す。
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子において、前記回折構造による光路長の付加量を、光路差関数係数Ｂ2、Ｂ4、Ｂ6、Ｂ8、Ｂ10・・・、回折次数ｎを用いて以下の数式（７）で定義したとき、
φb＝ｎ×（Ｂ2ｈ2＋Ｂ4ｈ4＋Ｂ6ｈ6＋Ｂ8ｈ8＋Ｂ10ｈ10＋・・・） （７）
Ｂ2とＢ4の符号が互いに異なることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、回折構造の輪帯の幅を小さくなり過ぎないようにすることで、金型加工を容易にし、回折構造の形状誤差による光量損失を小さく抑えるための条件である。２次の光路差関数係数Ｂ2と４次の光路差関数係数Ｂ4の符号を互いに異ならしめることで、光路差関数φbの単位変化量あたりのｈの変化量を大きくすることが出来る。これは、回折構造の輪帯の幅が大きくなることに相当し、金型加工の容易化、光量損失の抑制等を達成することが可能となる。これらの作用効果をより一層達成するためには、光路差関数φbが変曲点を有するようにＢ2とＢ4の大きさを設定することが好ましい。また、Ｂ2とＢ4の符号を互いに異なるように設定することでＤＶＤの作動距離を大きく確保することが可能となる。
請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子において、前記回折構造が形成された光学面において、少なくとも最大有効径の０％から７０％の高さの範囲内に前記回折構造が形成され、少なくとも最大有効径の８５％の高さから最大有効径の１００％の高さまでの範囲内には前記回折構造が形成されていないことを特徴とする。
請求項１２に記載の発明によると、ＤＶＤに対する記録／再生に必要なＮＡ内でのみ、０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差が回折構造の作用により補正されるので、ＤＶＤの情報記録面上のスポットが必要以上に絞られることが無く、ＤＶＤのチルトによるコマ収差量が大きくなり過ぎない。また、ＤＶＤのＮＡから外側の領域を通過する第２光束は、高密度光ディスクとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を有することになり、ＤＶＤの情報記録面上ではスポットの形成に寄与しないフレアー成分となる。これは、光学素子自身がＤＶＤに対する開口制限機能を有することと等価であるので、本発明による光学素子を搭載した光ピックアップ装置は、ＤＶＤのＮＡに対応する絞りを別途搭載する必要が無く、その構成を簡略なものにすることが可能となる。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の光学素子において、前記光路差付与構造が形成された光学面において、少なくとも最大有効径の０％から７０％の高さの範囲内に前記光路差付与構造が形成され、少なくとも最大有効径の８５％の高さから最大有効径の１００％の高さまでの範囲内には前記光路差付与構造が形成されていないことを特徴とする。
請求項１２に記載の構成とする場合には、回折構造の球面収差の波長依存性の相殺を、ＤＶＤに対する記録／再生に必要なＮＡ内で行えばよいので、請求項１３に記載の発明のように、ＤＶＤのＮＡ内のみに光路差付与構造を形成するのが好ましい。そして、ＤＶＤのＮＡから外側の領域を通過する第１光束と、ＤＶＤのＮＡ内の領域を通過する第１光束の波面の位相が、少なくともλ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の波長領域で揃うように光路差付与構造を決定するのが好ましい。
尚、ここでいう「最大有効径」とは、波長λ1の第１光束に対する光学素子の有効径を指す。
請求項１４に記載の発明は、請求項５又は８に記載の光学素子において、前記光路差付与構造は、前記波長λ1の第１光束に対しては実質的に光路差を与えず、波長λ1＋１０（ｎｍ）、及び波長λ1−１０（ｎｍ）の第１光束に対しては光路差を付加させることを特徴とする。
光路差付与構造は、請求項１４の発明にあるように、光学素子の設計波長であるλ1に対しては実質的に光路差を与えず、λ1＋１０（ｎｍ）、及びλ1−１０（ｎｍ）に対しては光路差を与える構造であるのが好ましく、これにより、回折構造により発生する球面収差の波長依存性の相殺を良好に行うことが可能となる。具体的には、光路差付与構造の光軸に最も近い段差ΔP（μｍ）を以下の式を実質的に満たすように決定するのが好ましい。
ΔP＝ｍ・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）
ここで、ｍは正の整数、Ｎ1は波長λ1の光束に対する光学素子の屈折率である。
請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光路差付与構造の前記輪帯は、その幅が非周期的に変化することを特徴とする。
請求項１６に記載の発明は、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光路差付与構造の前記段差は、その方向が有効径内で入れ替わることを特徴とする。
請求項１７に記載の発明は、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光路差付与構造の前記段差は、その方向が有効径内で全て同一であることを特徴とする。
光路差付与構造の設計において、各輪帯の幅や段差方向は、光路差付与構造で補正するべき波面形状に依存する。光路差付与構造の具体的な構造としては、請求項１５の発明のように、各輪帯の幅が非周期的に変化する構造であってもよい。また、請求項１６の発明のように、段差の方向が有効径内で入れ替わるような構造であってもよいし、或いは、請求項１７の発明のように、段差の方向が有効径内で全て同一である構造であってもよい。
尚、ここでいう「有効径」とは、波長λ1の第１光束に対する光学素子の有効径を指す。
請求項１８に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学素子において、｜λ2−λ1｜が５０ｎｍより大きく、｜ｎ1｜＞｜ｎ2｜を満たすことを特徴とする。
請求項１８に記載の発明によれば、λ2とλ1の差が５０ｎｍより大きい場合には、ＤＶＤの記録／再生用ビームとして、高密度光ディスク用の記録／再生用ビームよりも低い次数の回折光を使用することで、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。このように、次数の異なる回折光をそれぞれの光ディスクの記録／再生ビームとして使用するように決定された回折構造は、同じ次数の回折光を使用する場合に比べて、球面収差の波長依存性が大きいために、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差が非常に厳しいものとなってしまうが、本発明による光学素子においては、光路差付与構造により青紫色波長領域における±１０ｎｍ程度の入射光束の波長変化に対する球面収差変化を小さく抑える構成をとっているので、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差を緩和することが可能である。
請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の光学素子において、前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内であって、前記ｎ1とｎ2との組合せが、（ｎ1，ｎ2）＝（２，１）、（３，２）、（５，３）、（８，５）、（１０，６）のいずれかであることを特徴とする。
請求項１９に記載の発明のように、λ1が青紫色波長領域である３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内の波長であり、λ2が赤色波長領域である６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内の波長である場合には、具体的な回折次数ｎ1、ｎ2の組合せとして、（ｎ1、ｎ2）＝（２，１）、（３，２）、（５，３）、（８，５）、（１０，６）のいずれかであるのが好ましく、この組合せを選択することにより、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。また、回折次数ｎ1が１０より大きくなる場合であっても、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる回折次数の組合せは存在するが、その場合には、λ1からの±１０（ｎｍ）程度の波長変化に対して回折効率変動が大きくなり過ぎるので好ましくない。
請求項２０に記載の発明は、請求項１９に記載の光学素子において、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された所定数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が以下の（８）乃至（１２）式のいずれかを満たすことを特徴とする。
１．２５＜ΔD＜１．６５ （８）
２．０５＜ΔD＜２．５５ （９）
３．４０＜ΔD＜４．１０ （１０）
５．７０＜ΔD＜６．４５ （１１）
７．００＜ΔD＜８．００ （１２）
請求項２０に記載の発明は、上記の回折次数の組合せにおける回折構造のより具体的な構造に関し、回折構造の最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が（８）乃至（１２）式を満たすのが好ましい。回折次数の組合せと、（８）乃至（１２）式の対応は次のとおりである。（ｎ1，ｎ2）＝（２，１）が（８）式に対応し、（ｎ1，ｎ2）＝（３，２）が（９）式に対応し、（ｎ1，ｎ2）＝（５，３）が（１０）式に対応し、（ｎ1，ｎ2）＝（８，５）が（１１）式に対応し、（ｎ1，ｎ2）＝（１０，６）が（１２）式に対応する。尚、本発明による光学素子のように、回折構造を有する光学素子を高精度に作製するためには、転写性にすぐれるプラスチックレンズとするのが好ましい。青紫色波長領域において使用可能なプラスチック材料のほとんどは、波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内であって、ｄ線に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内である。
請求項２１に記載の発明は、請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光路差付与構造の前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔP（μｍ）、前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、以下の（１３）乃至（１６）式を満たすことを特徴とする。
０≦｜ＩＮＴ（φ1P）−φ1P｜≦０．４ （１３）
０≦｜ＩＮＴ（φ2P）−φ2P｜≦０．４ （１４）
φ1P＝ΔP・（Ｎ1−１）／（λ1×１０-3） （１５）
φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3） （１６）
光路差付与構造の光軸に最も近い段差ΔP（μｍ）を決定する際には、高密度光ディスク側の設計波長λ1だけでなく、ＤＶＤ側の設計波長λ2に対しても実質的に光路差を与えないようにするのが好ましい。これにより、本発明による光学素子のλ2に対する特性を良好なものにすることが可能となる。具体的には、請求項２１の発明のように、（１３）乃至（１６）式を満たすようにΔP（μｍ）を決定するのが好ましい。
請求項２２に記載の発明は、請求項２１に記載の光学素子において、前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内であって、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、ｐを正の整数としたとき、以下の（１７）式及び（１８）式を満たすことを特徴とする。
ＩＮＴ（φ1P）＝５ｐ （１７）
ＩＮＴ（φ2P）＝３ｐ （１８）
請求項２２に記載の発明は、光路差付与構造を、高密度光ディスク側の設計波長λ1だけでなく、ＤＶＤ側の設計波長λ2に対しても実質的に光路差を与えないようにする場合における、より具体的な構造に関し、ΔP（μｍ）が（１７）及び（１８）式を満たすのが好ましい。尚、本発明による光学素子のように、光路差付与構造を有する光学素子を高精度に作製するためには、転写性にすぐれるプラスチックレンズとするのが好ましい。青紫色波長領域において使用可能なプラスチック材料のほとんどは、波長λ1の第１光束対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内であって、ｄ線に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内である。
請求項２３に記載の発明は、請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の光学素子において、前記回折構造は、波長λ3（ｎｍ）（λ3＞λ2）の第３光束が入射した場合にはｎ3次（｜ｎ2｜≧｜ｎ3｜）の回折光を発生することを特徴とする。
請求項２４に記載の発明は、請求項２３に記載の光学素子において、｜λ2−λ1｜、｜λ3−λ2｜、及び｜λ3−λ1｜のそれぞれが５０ｎｍより大きく、｜ｎ1｜＞｜ｎ2｜≧｜ｎ3｜を満たすことを特徴とする。
請求項２３及び２４に記載の発明によれば、λ2とλ1の差、λ3とλ2の差、λ3とλ1の差それぞれが５０ｎｍより大きい場合には、ＤＶＤの記録／再生用ビームとして、高密度光ディスク用の記録／再生用ビームよりも低い次数の回折光を使用し、且つ、ＣＤの記録／再生用ビームとして、ＤＶＤ用の記録／再生用ビームと同じ次数又はより低い次数の回折光を使用することで、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。このように、次数の異なる回折光をそれぞれの光ディスクの記録／再生ビームとして使用するように決定された回折構造は、同じ次数の回折光を使用する場合に比べて、球面収差の波長依存性が大きいために、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差が非常に厳しいものとなってしまうが、本発明による光学素子においては、光路差付与構造により青紫色波長領域における±１０ｎｍ程度の入射光束の波長変化に対する球面収差変化を小さく抑える構成をとっているので、青紫色レーザ光源の発振波長に対する公差を緩和することが可能である。
請求項２５に記載の発明は、請求項２４に記載の光学素子において、前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内、前記λ3は７００ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲内であって、前記ｎ1とｎ2及びｎ3との組合せが、（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（２，１，１）、（８，５，４）、（１０，６，５）のいずれかであることを特徴とする。
請求項２５に記載の発明のように、λ1が青紫色波長領域である３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内の波長であり、λ2が赤色波長領域である６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内の波長であり、λ3が赤外波長領域である７００ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲内の波長である場合には、具体的な回折次数ｎ1、ｎ2、ｎ3の組合せとして、（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（２，１，１）、（８，５，４）、（１０，６，５）のいずれかであるのが好ましく、この組合せを選択することにより、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる。また、回折次数ｎ1が１０より大きくなる場合であっても、それぞれの光ディスクの波長領域で高い回折効率を維持することができる回折次数の組合せは存在するが、その場合には、λ1からの±１０（ｎｍ）程度の波長変化に対して回折効率変動が大きくなり過ぎるので好ましくない。
請求項２６に記載の発明は、請求項２５に記載の光学素子において、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された所定数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が以下の（１９）乃至（２１）式のいずれかを満たすことを特徴とする。
１．２５＜ΔD＜１．６５ （１９）
５．７０＜ΔD＜６．４５ （２０）
７．００＜ΔD＜８．００ （２１）
請求項２６に記載の発明は、上記の回折次数の組合せにおける回折構造のより具体的な構造に関し、回折構造の最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が（１９）乃至（２１）式を満たすのが好ましい。回折次数の組合せと、（１９）乃至（２１）式の対応は次のとおりである。（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（２，１，１）が（１９）式に対応し、（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（８，５，４）が（２０）式に対応し、（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（１０，６，５）が（２１）式に対応する。尚、本発明による光学素子のように、回折構造を有する光学素子を高精度に作製するためには、転写性にすぐれるプラスチックレンズとするのが好ましい。青紫色波長領域において使用可能なプラスチック材料のほとんどは、波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内であって、ｄ線に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内である。
請求項２７に記載の発明は、請求項２３乃至２６のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光路差付与構造の前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔP（μｍ）、前記波長λ1の第１光束、前記波長λ2の第２光束及び前記波長λ3の第３光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1、Ｎ2及びＮ3、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、以下の（２２）乃至（２７）式を満たすことを特徴とする。
０≦｜ＩＮＴ（φ1P）−φ1P｜≦０．４ （２２）
０≦｜ＩＮＴ（φ2P）−φ2P｜≦０．４ （２３）
０≦｜ＩＮＴ（φ3P）−φ3P｜≦０．４ （２４）
φ1P＝ΔP・（Ｎ1−１）／（λ1×１０-3） （２５）
φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3） （２６）
φ3P＝ΔP・（Ｎ3−１）／（λ3×１０-3） （２７）
光路差付与構造の光軸に最も近い段差ΔP（μｍ）を決定する際には、高密度光ディスク側の設計波長λ1だけでなく、ＤＶＤ側の設計波長λ2とＣＤ側の設計波長λ3に対しても実質的に光路差を与えないようにするのが好ましい。これにより、本発明による光学素子の波長λ2及びλ3の第２及び第３光束に対する特性を良好なものにすることが可能となる。具体的には、請求項２７の発明のように、（２２）乃至（２７）式を満たすようにΔP（μｍ）を決定するのが好ましい。
請求項２８に記載の発明は、請求項２７に記載の光学素子において、前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内、前記λ3は７００ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲内であって、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、ｐを正の整数としたとき、以下の（２８）式乃至（３０）式を満たすことを特徴とする。
ＩＮＴ（φ1P）＝１０ｐ （２８）
ＩＮＴ（φ2P）＝６ｐ （２９）
ＩＮＴ（φ3P）＝５ｐ （３０）
請求項２８に記載の発明は、光路差付与構造を、高密度光ディスク側の設計波長λ1だけでなく、ＤＶＤ側の設計波長λ2とＣＤ側の設計波長λ3に対しても実質的に光路差を与えないようにする場合における、より具体的な構造に関し、ΔP（μｍ）が（２８）乃至（３０）式を満たすのが好ましい。尚、本発明による光学素子のように、光路差付与構造を有する光学素子を高精度に作製するためには、転写性にすぐれるプラスチックレンズとするのが好ましい。青紫色波長領域において使用可能なプラスチック材料のほとんどは、波長λ1の第１光束対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内であって、ｄ線に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内である。
請求項２９に記載の発明は、請求項１乃至２８のいずれか一項に記載の光学素子において、前記回折構造が形成された第１構成要素と、前記光路差付与構造が形成された第２構成要素との少なくとも２つの構成要素から構成されることを特徴とする。
請求項２９のように、本発明の光学素子を、回折構造が形成された第１構成要素と、光路差付与構造が形成された第２構成要素との、少なくとも２つの構成要素から構成するようにしてもよい。回折構造と光路差付与構造とを別々の構成要素に形成することにより、作製時に各々の構造の光学性能や形状誤差を把握しやすくなるので、光学素子の作製が容易となる。
請求項３０に記載の発明は、請求項１乃至２９のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光学素子はプラスチックレンズであることを特徴とする。
請求項３０に記載の発明のように、回折構造や光路差付与構造を有する光学素子を高精度に作製するためには、転写性にすぐれるプラスチックレンズとするのが好ましい。また、プラスチックレンズとすることにより、安定した性能で大量生産することが可能となる。
請求項３１に記載の発明は、請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の光学素子において、第１光源から射出される波長λ1（ｎｍ）の第１光束を用いて厚さｔ1の保護層を有する第１光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行い、第２光源から射出される波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束を用いて厚さｔ2（ｔ2≧ｔ1）の保護層を有する第２光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置において使用される対物光学系の構成要素であることを特徴とする。
請求項３１に記載の発明によると、請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の光学素子を、対物光学系の構成要素として使用することで、高密度光ディスクとＤＶＤとに対して互換性を有する光ピックアップ装置を提供することが可能となる。
請求項３２に記載の発明は、請求項３１に記載の光学素子において、前記対物光学系は、収差補正素子と該収差補正素子から射出された光束を光ディスクの情報記録面上に集光させるための集光素子とから構成され、前記収差補正素子が前記光学素子であることを特徴とする。
請求項３３に記載の発明は、請求項３２に記載の光学素子において、前記収差補正素子と前記集光素子は、それぞれ、光学機能部と、その周縁に形成されたフランジ部とを備え、前記収差補正素子のフランジ部と前記集光素子のフランジ部とは、これら前記収差補正素子と前記集光素子とを所定の相対位置に固定可能に形成されていることを特徴とする。
請求項３４に記載の発明は、請求項３２に記載の光学素子において、前記収差補正素子と前記集光素子は、保持部材により所定の相対位置に固定可能に形成されていることを特徴とする。
請求項３２の発明のように、本発明による光学素子を対物光学系の構成要素として使用する場合には、レーザ光源からの光束を光ディスクの情報記録面上に集光させるための集光素子と、レーザ光源との間に配設するのが好ましい。ＮＡ０．８５の集光素子は非球面の法線と光軸とのなす角が大きくなるため、集光素子の光学面上に回折構造や光路差付与構造を形成すると、段差による光線のけられの影響で光量損失が大きくなるが、本発明による光学素子をほぼノンパワーとすることで、かかる光量損失を小さく抑えることが可能となる。
その場合には、請求項３３又は請求項３４の発明のように、光学素子と集光素子とをフランジ部同士の当接又は別部材の保持部材を介すことにより一体化するのが好ましい。これにより集光素子がトラッキング駆動した場合でも光学素子との光軸ずれが起こらないので、良好なトラッキング特性を得ることが可能となる。更に、光学素子と集光素子との光軸上の間隔ｄSと、光学素子のレーザ光源側の光学面と集光素子の光ディスク側の光学面との光軸上の間隔Σｄとの比ｄS／Σｄが０．１５より小さくなるようにｄSを設定するのが好ましく、これによりフランジ部や保持部材の重量を小さくすることが可能となり、対物光学系を駆動するアクチュエータの負担を軽減することができる。
請求項３５に記載の発明は、第１光源から射出される波長λ1（ｎｍ）の第１光束を用いて厚さｔ1の保護層を有する第１光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行い、第２光源から射出される波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束を用いて厚さｔ2（ｔ2≧ｔ1）の保護層を有する第２光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、請求項１乃至３４のいずれか一項に記載の光学素子を具備することを特徴とする。
請求項３５に記載の発明によれば、請求項１乃至３４のいずれか一項と同様の効果を有する光ピックアップ装置を得られる。
請求項３６に記載の発明は、請求項３５に記載の光ピックアップ装置において、更に、第３光源から射出される波長λ3（ｎｍ）（λ3＞λ2）の第３光束を用いて厚さｔ3（ｔ3＞ｔ2）の保護層を有する第３光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、前記第３光束が、発散光束の状態で前記光学素子に対して入射するように構成されたことを特徴とする。
第３光ディスク（ＣＤ）に対しても互換性を持たせるためには、請求項３６の発明のように、第３光束を発散光束として前記光学素子に入射させるのが好ましい。これにより、保護層が厚いＣＤに対する作動距離を十分に確保することが出来る。
請求項３７に記載の発明は、請求項３５又は３６に記載の光ピックアップ装置を搭載して光ディスクに対する情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再生のうち、少なくとも一方を実行可能であることを特徴とする。
請求項３７に記載の発明によれば、請求項３５又は３６と同様の効果を有する光情報記録再生装置を得られる。
本発明によれば、単位波長変化あたりの球面収差の変化量の抑制を可能とすることにより、レーザ光源の量産における歩留まりを向上させ、製造コストの低減を可能とする光学素子、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置を得られる。
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。
[第１の実施の形態]
図１は、高密度光ディスクＨＤ（第１光ディスク）とＤＶＤ（第２光ディスク）とＣＤ（第３光ディスク）に対して適切に情報の記録／再生を行える第１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。高密度光ディスクＨＤの光学的仕様は、波長λ1＝４０５ｎｍ、保護層ＰＬ１の厚さｔ1＝０．１ｍｍ、開口数ＮＡ1＝０．８５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＝０．４５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。
図１に示すように、光ピックアップ装置ＰＵ１は、第１光束を射出する青紫色半導体レーザＬＤ１（第１光源）と光検出器ＰＤ１とが一体化された高密度光ディスク用モジュールＭＤ１、第２光束を射出する赤色半導体レーザＬＤ２（第２光源）と光検出器ＰＤ２とが一体化されたＤＶＤ用モジュールＭＤ２、第３光束を射出する赤外半導体レーザＬＤ３（第３光源）と光検出器ＰＤ３とが一体化されたＣＤ用モジュールＭＤ３、青紫色半導体レーザＬＤ１から射出されるレーザ光束の断面形状を楕円形から円形に整形するためのビーム整形素子ＢＳＨ、コリメート光学系ＣＯＬ、１軸アクチュエータＵＡＣ、対物光学系ＯＢＪ１、２軸アクチュエータＡＣ、第１のビームコンバイナＢＣ１、第２のビームコンバイナＢＣ２、絞りＳＴＯ等から構成されている。
光ピックアップ装置ＰＵ１において、高密度光ディスクＨＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図１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、ビーム整形素子ＢＳＨを通過する際に、その断面形状が楕円形から円形に整形され、第１のビームコンバイナＢＣ１を通過し、コリメート光学系ＣＯＬを透過することにより平行光束に変換された後、第２のビームコンバイナＢＣ２を順に通過し、対物光学系ＯＢＪ１によって高密度光ディスクＨＤの保護層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。
なお、対物光学系ＯＢＪ１についての詳しい説明は後述する。
そして、対物光学系ＯＢＪ１は、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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、再び対物光学系ＯＢＪ１、第２のビームコンバイナＢＣ２、コリメート光学系ＣＯＬ、第１のビームコンバイナＢＣ１、ビーム整形素子ＢＳＨを順に通過して、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高密度光ディスクＨＤに記録された情報を読み取ることができる。
また、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図１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１のビームコンバイナＢＣ１で反射して、コリメート光学系ＣＯＬを透過することにより平行光束に変換された後、第２のビームコンバイナＢＣ２を通過し、対物光学系ＯＢＪ１によってＤＶＤの保護層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。
そして、対物光学系ＯＢＪ１は、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学系ＯＢＪ１、第２のビームコンバイナＢＣ２、コリメート光学系ＣＯＬを通過し、第１のビームコンバイナＢＣ１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に対して情報の記録／再生を行う場合には、図１において二点鎖線でその光線経路を描いたように、ＣＤ用モジュールＭＤ３を作動させて赤外半導体レーザ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２のビームコンバイナＢＣ２により反射された後、対物光学系ＯＢＪ１によってＣＤの保護層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。対物光学系ＯＢＪ１は、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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、再び対物光学系ＯＢＪ１を透過した後、第２のビームコンバイナＢＣ２により反射され、ＣＤ用モジュールＭＤ３の光検出器ＰＤ３の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ３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、対物光学系ＯＢＪ１の構成について説明する。
図２に側面図を示す対物光学系ＯＢＪ１は、本発明による光学素子を構成要素とするものである。対物光学系ＯＢＪ１は、プラスチックレンズである収差補正素子Ｌ１と、この収差補正素子Ｌ１を透過したレーザ光束を光ディスクの情報記録面上に集光させる機能を有するＮＡ０．８５の非球面ガラスレンズである集光素子Ｌ２とから構成されている。
収差補正素子Ｌ１のレーザ光源側の光学面Ｓ１には、複数の輪帯から構成される回折構造ＤＯＥが形成されている（図２の拡大図を参照）。
また、収差補正素子Ｌ１の光ディスク側の光学面Ｓ２には、複数の輪帯から構成される光路差付与構造ＰＳＴが形成されている。尚、収差補正素子Ｌ１と集光素子Ｌ２は、保持部材Ｂを介して一体化されている。
回折構造ＤＯＥは、０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正するための構造であって、かかる球面収差を良好に補正するために、回折構造ＤＯＥは非球面上に形成されている。また、高密度光ディスクの記録／再生用ビームとして２次回折光を使用し、ＤＶＤの記録／再生用ビームとして１次回折光を使用し、ＣＤの記録／再生用ビームとして１次回折光を使用することで、それぞれの光ディスクの波長領域において高い回折効率を確保している。
尚、光ピックアップ装置ＰＵ１においては、高密度光ディスクＨＤとＣＤの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正するために、対物光学系ＯＢＪ１に対して第３光束が発散光束の状態で入射する構成としている。これにより、ＣＤに対して情報の記録／再生を行う際の作動距離を大きく確保することも可能となる。
回折構造ＤＯＥは、（１）式及び（２）式を満たすので、図３の二点鎖線Ａ１に示すように、回折構造ＤＯＥに入射する光束の波長が、高密度光ディスク側の設計波長λ1からΔλだけ長波長側にシフト場合には、球面収差が補正過剰方向へ変化する球面収差特性を有する。
また、光路差付与構造ＰＳＴの各輪帯は、最大有効径（ＮＡ1に相当）の７０％の高さまでは、光軸から離れるに従って内側の輪帯よりも光路長が短くなるように変移し、それより周辺の位置では、光軸から離れるに従って内側の輪帯よりも光路長が長くなるように変移しており、図３の点線Ａ２に示すように、光路差付与構造ＰＳＴは、入射光束の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足方向へ変化する球面収差特性を有する。
上述したように、波長差の大きい２つの波長に対して互いに異なる回折次数のビームを発生する回折構造ＤＯＥは、単位波長変化あたりの球面収差の変化量が大きいが、回折構造ＤＯＥの球面収差の波長依存性を相殺されるように、光路差付与構造ＰＳＴに回折構造ＤＯＥとは逆の球面収差特性を持たせることで図３の実線Ａ３のように球面収差の波長依存性を相殺することが可能となる。
また、回折構造ＤＯＥは、λ1より短い所定の波長λBでブレーズ化されており、回折構造ＤＯＥの光軸に最も近い段差ΔD（μｍ）は（３）式を満たす。
更に、光路差付与構造ＰＳＴの光軸に最も近い段差ΔP（μｍ）は、（２８）乃至（３０）式を満たし、高密度光ディスク側の設計波長λ1とＤＶＤ側の設計波長λ2とＣＤ側の設計波長λ3に対して実質的に光路差を与えない深さに設定されている。
なお、光ピックアップ装置ＰＵ１は、ＤＶＤ及びＣＤに対して記録／再生を行なう際の開口制限を行なうためのダイクロイックフィルターＤＦＬを備えており、このダイクロイックフィルターＤＦＬは、保持部材Ｂを介して対物光学系ＯＢＪ１と一体となって光軸に垂直な方向に２軸アクチュエータＡＣにより駆動される。
また、ＤＶＤの開口数ＮＡ2より周辺の領域に形成した回折構造ＤＯＥや光路差付与構造ＰＳＴに、第２光束をフレアー化する機能を付加することで、ＤＶＤに対して記録／再生を行う際の開口制限を行っても良く、更に、ＣＤの開口数ＮＡ3より周辺の領域に形成した回折構造ＤＯＥや光路差付与構造ＰＳＴに、第３光束をフレアー化する機能を付加することで、ＣＤに対して記録／再生を行う際の開口制限を行っても良い。或いは、上記の開口制限機能を有する回折構造や光路差付与構造を、回折構造ＤＯＥや光路差付与構造ＰＳＴとは別に対物光学系ＯＢＪ１の光学面上に形成しても良い。
また、コリメート光学系ＣＯＬは、１軸アクチュエータＵＡＣにより光軸方向にその位置が変移可能であるように構成されている。これにより、高密度光ディスクＨＤの情報記録面ＲＬ１上に形成されたスポットの球面収差を補正することが可能となるので、高密度光ディスクＨＤに対して常に良好な記録／再生特性を維持することができる。
コリメート光学系ＣＯＬの位置調整により補正する球面収差の発生原因は、例えば、青紫色半導体レーザＬＤ１の製造誤差による波長ばらつき、温度変化に伴う対物光学系ＯＢＪ１の屈折率変化や屈折率分布、２層ディスク、４層ディスク等の多層ディスクに対する記録／再生時における層間のフォーカスジャンプ、保護層ＰＬ１の製造誤差による厚みばらつきや厚み分布、等である。
また、コリメート光学系ＣＯＬの位置調整により、ＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上に形成されたスポットの球面収差を補正しても良く、これにより、ＤＶＤに対する記録／再生特性を向上させることができる。
[第２の実施の形態]
次に、本発明の第２の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示す第２の光ピックアップ装置ＰＵ２は、高密度光ディスクＨＤ（第１光ディスク）とＤＶＤ（第２光ディスク）に対して適切に情報の記録／再生を行える光ピックアップ装置である。光ピックアップ装置ＰＵ２は、高密度光ディスクＨＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され４０５ｎｍの第１光束を射出する青紫色半導体レーザＬＤ１（第１光源）、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され６５５ｎｍの第２光束を射出する赤色半導体レーザＬＤ２（第２光源）、第１光束及び第２光束共通の光検出器ＰＤ１２、青紫色半導体レーザＬＤ１から射出されるレーザ光束の断面形状を楕円形から円形に整形するためのビーム整形素子ＢＳＨ、各光束を情報記録面ＲＬ１及びＲＬ２上に集光させる機能を有する対物光学系ＯＢＪ２、２軸アクチュエータＡＣ、第１のビームコンバイナＢＣ１、第２のビームコンバイナＢＣ２、第１コリメート光学系ＣＯＬ１、第２コリメート光学系ＣＯＬ２、絞りＳＴＯ、センサーレンズＳＥＮ、液晶素子ＬＣＤ等から構成されている。
光ピックアップ装置ＰＵ１において、高密度光ディスクＨＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図４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、ビーム整形素子ＢＳＨを通過する際に、その断面形状が楕円形から円形に整形され、第１コリメート光学系ＣＯＬ１を透過することにより平行光束に変換された後、第１のビームコンバイナＢＣ１、第２のビームコンバイナＢＣ２、液晶素子ＬＣＤを順に通過し、対物光学系ＯＢＪ２によって高密度光ディスクＨＤの保護層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。
なお、対物光学系ＯＢＪ２についての詳しい説明は後述する。
対物光学系ＯＢＪ２は、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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、再び対物光学系ＯＢＪ２、液晶素子ＬＣＤを通過し、第２のビームコンバイナＢＣ２で分岐され、センサーレンズＳＥＮを通過する際に非点収差が与えられ、光検出器ＰＤ１２の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ１２の出力信号を用いて高密度光ディスクＨＤに記録された情報を読み取ることができる。
また、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図４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１コリメート光学系ＣＯＬ１を透過することにより平行光束に変換された後、第１のビームコンバイナＢＣ１で反射して、第２のビームコンバイナＢＣ２、液晶素子ＬＣＤを順に通過し、対物光学系ＯＢＪ２によってＤＶＤの保護層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。
そして、対物光学系ＯＢＪ２は、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学系ＯＢＪ２、液晶素子ＬＣＤを通過し、第２のビームコンバイナＢＣ２で分岐され、センサーレンズＳＥＮを通過する際に非点収差が与えられ、光検出器ＰＤ１２の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ１２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。
次に、対物光学系ＯＢＪ２の構成について説明する。
図５に側面図を示す対物光学系ＯＢＪ２は、本発明による光学素子を構成要素とするものである。対物光学系ＯＢＪ２は、プラスチックレンズである収差補正素子Ｌ１と、この収差補正素子Ｌ１を透過したレーザ光束を光ディスクの情報記録面上に集光させる機能を有するＮＡ０．８５の非球面プラスチックレンズである集光素子Ｌ２とから構成されている。収差補正素子Ｌ１のレーザ光源側の光学面Ｓ１は図６（ａ）に示すように光軸を含む第１領域ＡＲＥＡ１と、第１領域ＡＲＥＡ１の周囲を囲む第２領域ＡＲＥＡ２とに分割されており、第１領域ＡＲＥＡ１に複数の輪帯から構成される回折構造ＤＯＥ（図５の拡大図を参照）が形成されている。
また、収差補正素子Ｌ１の光ディスク側の光学面Ｓ２は図６（ｃ）に示すように光軸を含む第３領域ＡＲＥＡ３と、第３領域ＡＲＥＡ３の周囲を囲む第４領域ＡＲＥＡ４とに分割されており、第３領域ＡＲＥＡ３に複数の輪帯から構成される光路差付与構造ＰＳＴが形成されている。尚、第１領域ＡＲＥＡ１及び第３領域ＡＲＥＡ３は、ＤＶＤのＮＡ内の領域に相当し、収差補正素子Ｌ１と集光素子Ｌ２は、それぞれ、その光学機能領域（青紫色レーザ光源からの光束が通過する領域）の周辺部に、光学機能領域と一体成形されたフランジ部ＦＬ１、ＦＬ２を有し、これらフランジ部ＦＬ１、ＦＬ２同士を嵌合することで一体化されている。
回折構造ＤＯＥは、０．１ｍｍ規格の高密度光ディスクとＤＶＤの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正するための構造であって、かかる球面収差を良好に補正するために、回折構造ＤＯＥは非球面上に形成されている。また、高密度光ディスクの記録／再生用ビームとして６次回折光を使用し、ＤＶＤの記録／再生用ビームとして４次回折光を使用することで双方の光ディスクの波長領域において高い回折効率を確保している。更に、回折構造ＤＯＥに対して７８５ｎｍ近傍のレーザ光束が入射した場合には３次回折光が８０％以上の高い回折効率で発生するので、対物光学系ＯＢＪ２は、高密度光ディスク、ＤＶＤ、及びＣＤに対して互換性のある光ピックアップ装置に搭載することが可能である。
回折構造ＤＯＥは、（４）式及び（５）式を満たすので、図７の二点鎖線Ａ１に示すように、回折構造ＤＯＥに入射する光束の波長が、高密度光ディスク側の設計波長λ1からΔλだけ長波長側にシフト場合には、球面収差が補正不足方向へ変化する球面収差特性を有する。
また、光路差付与構造ＰＳＴの各輪帯は、第１領域ＡＲＥＡ１内の７０％の高さまでは、光軸から離れるに従って内側の輪帯よりも光路長が長くなるように変移し、それより周辺の位置では、光軸から離れるに従って内側の輪帯よりも光路長が短くなるように変移しており、図７の点線Ａ２に示すように、光路差付与構造ＰＳＴは、入射光束の長波長側へのシフトにより球面収差が補正過剰方向へ変化する球面収差特性を有する。
上述したように、波長差の大きい２つの波長に対して互いに異なる回折次数のビームを発生する回折構造ＤＯＥは、単位波長変化あたりの球面収差の変化量が大きいが、回折構造ＤＯＥの球面収差の波長依存性を相殺されるように、光路差付与構造ＰＳＴに回折構造ＤＯＥとは逆の球面収差特性を持たせることで図７の実線Ａ３のように球面収差の波長依存性を相殺することが可能となる。
また、回折構造ＤＯＥは、λ1乃至λ2の範囲内の所定の波長λBでブレーズ化されており、回折構造ＤＯＥの光軸に最も近い段差ΔD（μｍ）は（６）式を満たす。
更に、光路差付与構造ＰＳＴの光軸に最も近い段差ΔP（μｍ）は、（１７）式及び（１８）式を満たし、高密度光ディスク側の設計波長λ1、ＤＶＤ側の設計波長λ2、ＣＤ側の設計波長λ3に対して実質的に光路差を与えない深さに設定されている。
回折構造ＤＯＥは、第１領域ＡＲＥＡ１にのみ形成されているので、第２領域ＡＲＥＡ２を通過する第２光束は、高密度光ディスクＨＤとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を有することになり、ＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上ではスポットの形成に寄与しないフレアー成分となる。これは、対物光学系ＯＢＪ自身がＤＶＤに対する開口制限機能を有することと等価であるので、光ピックアップ装置ＰＵ２は、ＮＡ2に対応する絞りを別途搭載する必要が無く、その構成を簡略なものにすることが可能となる。
なお、対物光学系ＯＢＪ２は連結部材Ｃ（図４を参照）を介して液晶素子ＬＣＤと一体化されており、対物光学系ＯＢＪ２は液晶素子ＬＣＤと一体となってトラッキングやフォーカシングを行う。この際に、図示は省略するが、液晶素子ＬＣＤの液晶分子層を挟むように配置された電極に電圧を印可することで、液晶分子層内に屈折率分布が発生する。屈折率分布が形成された液晶分子層を透過した波面には球面収差が付加されるが、このとき、高密度光ディスクＨＤの情報記録面ＲＬ１上のスポットの球面収差変化とが逆符号の球面収差がその透過波面に付加されるように、液晶分子層内の屈折率分布を制御することで、高密度光ディスクＨＤの情報記録面ＲＬ１上に形成されたスポットは常に球面収差が補正された状態を維持することができるので、高密度光ディスクＨＤに対する良好な記録／再生特性が得られる。
このような液晶素子ＬＣＤにより球面収差変化を補正する技術は、例えば特開２００１−４３５４９号公報に記載されているので、ここでは詳細な記述はしない。
尚、液晶素子ＬＣＤにより補正する球面収差の発生原因は、光ピックアップ装置ＰＵ１と同様に、青紫色半導体レーザＬＤ１の製造誤差による波長ばらつき、温度変化に伴う対物光学系ＯＢＪの屈折率変化や屈折率分布、２層ディスク、４層ディスク等の多層ディスクに対する記録／再生時における層間のフォーカスジャンプ、保護層ＰＬ１の製造誤差による厚みばらつきや厚み分布、等である。
また、液晶素子ＬＣＤにより、ＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上に形成されたスポットの球面収差を補正しても良く、これにより、ＤＶＤに対する記録／再生特性を向上させることができる。
なお、図示は省略するが、上記第１又は第２の実施の形態に示した光ピックアップ装置ＰＵ１又はＰＵ２、光ディスクを回転自在に保持する回転駆動装置、これら各種装置の駆動を制御する制御装置を搭載することで、光ディスクに対する光情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再生のうち少なくとも一方の実行が可能な光情報記録再生装置を得ることが出来る。
次に、前述した対物光学系ＯＢＪ１として最適な光学素子の実施例について説明する。
表１は光学素子のレンズデータであり、図８は光路図である。
Figure 2005135555
Figure 2005135555
 高密度光ディスク使用時の光学的仕様は、波長λ1＝４０５ｎｍ、保護層ＰＬ１の厚さｔ1＝０．１ｍｍ、開口数ＮＡ1＝０．８５、焦点距離ｆ1＝１．７６５ｍｍ、倍率ｍ1＝０であり、ＤＶＤ使用時の光学的仕様は、波長λ2＝６５５ｎｍ、保護層ＰＬ２の厚さｔ2＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ2＝０．６５、焦点距離ｆ2＝１．８２３ｍｍ、倍率ｍ2＝０であり、ＣＤ使用時の光学的仕様は、ＣＤ使用時の光学的仕様は、波長λ3＝７８５ｎｍ、保護層ＰＬ３の厚さｔ3＝１．２ｍｍ、開口数ＮＡ3＝０．４５、焦点距離ｆ3＝１．８２４ｍｍ、倍率ｍ3＝−０．１５７である。
光学面の非球面は、その面の頂点に接する平面からの変形量をＸ(mm)、光軸に垂直な方向の高さをｈ(mm)、曲率半径をr(mm)とするとき、表１（実施例２においては表３）中の係数を次の数１に代入した数式で表される。但し、κを円錐係数、A2iを非球面係数とする。
Figure 2005135555
 表１において、ＮＡ1、ＮＡ2、ＮＡ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの開口数、ｆ1、ｆ2、ｆ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの焦点距離（ｍｍ）、λ1、λ2、λ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの設計波長（ｎｍ）、ｍ1、ｍ2、ｍ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの倍率、ｔ1、ｔ2、ｔ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの保護層厚さ（ｍｍ）、ＯＢＪは物点（半導体レーザ光源の発光点）、ＳＴＯは絞り、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄ1、ｄ2、ｄ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの面間隔（ｍｍ）、Ｎλ1、Ｎλ2、Ｎλ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの設計波長に対する屈折率、νdはｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数、ｎ1、ｎ2、ｎ3はそれぞれ高密度光ディスクＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録／再生用ビームの回折次数、λBは回折構造ＤＯＥのブレーズ化波長（ｎｍ）を表す。
また、各実施例における回折構造は、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、λを入射光束の波長、光軸に垂直な方向の高さをｈ（ｍｍ）、B2jを光路差関数係数、ｎを回折次数とするとき
次の数２で定義される光路差関数φｂ（ｍｍ）で表される。
Figure 2005135555
また、収差補正素子Ｌ１のレーザ光源側の光学面Ｓ１に形成した回折構造ＤＯＥは、波長λ1に対して２次回折光を発生し、波長λ2に対して１次回折光を発生し、波長λ3に対して１次回折光を発生する構造である。λ1、λ2及びλ3に対する回折効率は、ぞれぞれ、９７．７％、９３．４％、９９．１％であり、いずれの波長に対しても高い回折効率を有する。
収差補正素子Ｌ１の光ディスク側の光学面Ｓ２に形成した光路差付与構造ＰＳＴは、各段差ΔDは、ΔD＝ｍi1・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）（但し、ｍi1＝２０）を満たす深さに設定されている（本実施例においては、Ｎ1＝１．５２４６９４であるので、ΔD＝０．０１５４３８ｍｍである）。また、各段差ΔDによりλ2に付加される光路差φ2Pは、
φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3）
＝２０・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3）
＝２０・（λ1／λ2）・[（Ｎ2−１）／（Ｎ1−１）]
＝２０・４０５／６５５・[（１．５０６５１３−１）／（１．５２４６９４−１）]
＝１１．９３
≒１２
であり、各段差ΔDによりλ3に付加される光路差φ3Pは、
φ3P＝ΔP・（Ｎ3−１）／（λ3×１０-3）
＝２０・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）・（Ｎ3−１）／（λ３×１０-3）
＝２０・（λ1／λ3）・[（Ｎ3−１）／（Ｎ1−１）]
＝２０・４０５／７８５・[（１．５０３２３５−１）／（１．５２４６９４−１）]
＝９．９０
≒１０
である。即ち、光路差付与構造ＰＳＴの各段差ΔDは、λ1、λ2及びλ3の各波長に対して実質的に位相差を与えない深さとなっている。
尚、表１中のｉは、光路差付与構造の各輪帯の番号を表し、光軸を含む輪帯をｉ＝１、その外側（光軸から離れる方向）に隣接する輪帯をｉ＝２、さらに外側に隣接する輪帯をｉ＝３、・・・とする。即ち、本実施例における収差補正素子Ｌ１には、１０本の輪帯が形成されている。そして、ｈiSと、ｈiLは、それぞれ、各輪帯の始点高さ及び終点高さを表す。ｍi1dは、各輪帯の光軸方向の変移量を表し、その符号は、第１輪帯（ｉ＝１）に対してレーザ光源側に変移する場合を「−」とし、第１輪帯（ｉ＝１）に対して光ディスク側に変移する場合を「＋」とするものとする。例えば、第２輪帯（ｉ＝２）は、第１輪帯に対してレーザ光源側に０．０１５４３８ｍｍ変移しており、第１０輪帯（ｉ＝１０）は、第１輪帯に対して光ディスク側に０．０１５４３８ｍｍ変移している。
図９は、本実施例において光路差付与構造ＰＳＴが形成されていないとした場合の波長λ1＋５（ｎｍ）（＝４１０ｎｍ）に対する波面収差を表すグラフであり、図１０は、本実施例の波長λ1＋５（ｎｍ）（＝４１０ｎｍ）に対する波面収差を表すグラフである。本実施例における回折構造ＤＯＥは、入射光束の波長が長波長側にシフトすると補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有し、図９に示した波面収差の３次球面収差成分は０．３８５λＲＭＳ（λ＝４１０ｎｍ）である。これに対して、図１０に示した波面収差の３次球面収差成分は０．０３０λＲＭＳ（λ＝４１０ｎｍ）であり、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に補正不足方向に変化するような球面収差特性を有する光路差付与構造ＰＳＴにより、回折構造ＤＯＥの球面収差特性が良好に相殺されているのがわかる。
表２に、本実施例の、λ1（ｎｍ）、λ1±５（ｎｍ）、λ2（ｎｍ）、λ2±５（ｎｍ）、及びλ3（ｎｍ）、λ3±５（ｎｍ）の各波長に対する波面収差のＲＭＳ値（９次以下の球面収差成分の総和）を示す。この表から、本実施例の光学素子は、高密度光ディスクとＤＶＤとＣＤのそれぞれに対して良好な性能を有していることがわかる。
Figure 2005135555
次に、本発明の実施例２のレンズデータを表３に示し、光路図を図１１に示す。本実施例は、回折構造ＤＯＥが形成された第１収差補正素子Ｌ１と、光路差付与構造ＰＳＴが形成された第２収差補正素子Ｌ２と、集光素子Ｌ３とから構成される。第１収差補正素子Ｌ１及び第２収差補正素子Ｌ２はプラスチックレンズであり、集光素子Ｌ３はガラスレンズである。
Figure 2005135555
Figure 2005135555
 高密度光ディスク使用時の光学的仕様は、波長λ1＝４０５ｎｍ、保護層ＰＬ１の厚さｔ1＝０．１ｍｍ、開口数ＮＡ1＝０．８５、焦点距離ｆ1＝１．７６５ｍｍ、倍率ｍ1＝０であり、ＤＶＤ使用時の光学的仕様は、波長λ2＝６５５ｎｍ、保護層ＰＬ２の厚さｔ2＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ2＝０．６５、焦点距離ｆ2＝１．８０７ｍｍ、倍率ｍ2＝０である。
第１収差補正素子Ｌ１のレーザ光源側の光学面Ｓ１に形成した回折構造ＤＯＥは、波長λ1と波長λ2の双方に対して１次回折光を発生する構造であり、そのブレーズ化波長λBは４９０ｎｍである。λ1及びλ2に対する回折効率は、それぞれ８３．５％、７９．０％であり、いずれの波長に対しても高い回折効率を有する。
第２収差補正素子Ｌ２の光ディスク側の光学面Ｓ４に形成した光路差付与構造ＰＳＴは、各段差ΔDは、ΔD＝ｍi1・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）（但し、ｍi1＝５）を満たす深さに設定されている（本実施例においては、Ｎ1＝１．５２４６９４であるので、ΔD＝０．００３８５９ｍｍである）。また、各段差ΔDによりλ2に付加される光路差φ2Pは、
φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3）
＝５・λ1×１０-3／（Ｎ1−１）・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3）
＝５・（λ1／λ2）・[（Ｎ2−１）／（Ｎ1−１）]
＝５・４０５／６５５・[（１．５０６５１３−１）／（１．５２４６９４−１）]
＝２．９８
≒３
である。即ち、光路差付与構造ＰＳＴの各段差ΔDは、λ1とλ2との双方に対して実質的に位相差を与えない深さとなっている。
尚、表３中のｉは、光路差付与構造の各輪帯の番号を表し、光軸を含む輪帯をｉ＝１、その外側（光軸から離れる方向）に隣接する輪帯をｉ＝２、さらに外側に隣接する輪帯をｉ＝３、・・・とする。即ち、本実施例における収差補正素子Ｌ１には、８本の輪帯が形成されている。そして、ｈiSと、ｈiLは、それぞれ、各輪帯の始点高さ及び終点高さを表す。ｍi1は、各輪帯の光軸方向の変移量を表し、その符号は、第１輪帯（ｉ＝１）に対してレーザ光源側に変移する場合を「−」とし、第１輪帯（ｉ＝１）に対して光ディスク側に変移する場合を「＋」とするものとする。例えば、第２輪帯（ｉ＝２）は、第１輪帯に対してレーザ光源側に０．００３８５９ｍｍ変移しており、第８輪帯（ｉ＝８）は、第１輪帯に対して光ディスク側に０．００３８５９ｍｍ変移している。
図１２は、本実施例において光路差付与構造ＰＳＴが形成されていないとした場合の波長λ1＋５（ｎｍ）（＝４１０ｎｍ）に対する波面収差を表すグラフであり、図１３は、本実施例の波長λ1＋５（ｎｍ）（＝４１０ｎｍ）に対する波面収差を表すグラフである。本実施例における回折構造ＤＯＥは、入射光束の波長が長波長側にシフトすると補正不足方向に変化するような球面収差特性を有し、図１２に示した波面収差の３次球面収差成分は０．０６３λＲＭＳ（λ＝４１０ｎｍ）である。これに対して、図１３に示した波面収差の３次球面収差成分は０．０１３λＲＭＳ（λ＝４１０ｎｍ）であり、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有する光路差付与構造ＰＳＴにより、回折構造ＤＯＥの球面収差特性が良好に相殺されているのがわかる。
表４に、本実施例の、λ1（ｎｍ）、λ1±５（ｎｍ）、λ2（ｎｍ）及びλ2±５（ｎｍ）の各波長に対する波面収差のＲＭＳ値（9次以下の球面収差成分の総和）を示す。この表から、本実施例の光学素子は、高密度光ディスクとＤＶＤの双方に対して良好な性能を有していることがわかる。
Figure 2005135555
光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。 対物光学系の構造を示す図面である。 対物光学系の波長変動時における波面収差を示すグラフである。 光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。 対物光学系の構造を示す図面である。 収差補正素子の構造を示す図面（ａ）〜（ｃ）である。 対物光学系の波長変動時における波面収差を示すグラフである。 対物光学系の光路図である。 光路差付与構造が形成されていないとした場合の波長変動時の波面収差を表すグラフである。 実施例における波長変動時の波面収差を表すグラフである。 対物光学系の光路図である。 光路差付与構造が形成されていないとした場合の波長変動時の波面収差を表すグラフである。 実施例における波長変動時の波面収差を表すグラフである。
符号の説明
ＡＣ アクチュエータ
ＬＤ 光源
ＯＢＪ 対物光学系
ＯＤ 光情報記録媒体
ＰＵ 光ピックアップ装置
ＲＬ 情報記録面

Claims (37)

  1. 波長λ1（ｎｍ）の第１光束が入射した場合にはｎ1次の回折光を発生し、波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束が入射した場合にはｎ2次（｜ｎ1｜≧｜ｎ2｜）の回折光を発生する回折構造が形成された光学面と、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成される光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有することを特徴とする光学素子。
  2. 前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で前記第１光束の波長が変化した場合に前記回折構造で発生する球面収差変化を小さく抑制する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、
    ＩＮＴ（δφD）−δφD＜０ （１）
    δφD＝｛ｎ1・λ1／（Ｎ1−１）｝／｛ｎ2・λ2／（Ｎ2−１）｝ （２）
    を満たすとともに、前記回折構造は、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔD（μｍ）、λB（ｎｍ）を前記λ1より短い所定の波長、前記λBに対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮB、としたとき、以下の（３）式を実質的に満たすことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
    ΔD＝ｎ1・λB×１０-3／（ＮB−１） （３）
  5. 前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正不足方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子。
  6. 前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、
    ＩＮＴ（δφD）−δφD＞０ （４）
    δφD＝｛ｎ1・λ1／（Ｎ1−１）｝／｛ｎ2・λ2／（Ｎ2−１）｝ （５）
    を満たすとともに、前記回折構造は、入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正不足方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  7. 前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された複数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔD（μｍ）、λB（ｎｍ）を前記λ1乃至λ2の範囲内の所定の波長、前記λBに対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮB、としたとき、以下の（６）式を実質的に満たすことを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
    ΔD＝ｎ1・λB×１０-3／（ＮB−１） （６）
  8. 前記光路差付与構造は、λ1−１０（ｎｍ）乃至λ1＋１０（ｎｍ）の範囲内で入射光束の波長が長波長側にシフトした場合に、球面収差が補正過剰方向に変化するような球面収差特性を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
  9. 前記光学素子は、少なくとも最大有効径の０％から７５％の高さの範囲内に非球面を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子。
  10. 前記回折構造は、前記非球面上に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
  11. 前記回折構造による光路長の付加量を、光路差関数係数Ｂ2、Ｂ4、Ｂ6、Ｂ8、Ｂ10・・・、回折次数ｎを用いて以下の数式（７）で定義したとき、
    φb＝ｎ×（Ｂ2ｈ2＋Ｂ4ｈ4＋Ｂ6ｈ6＋Ｂ8ｈ8＋Ｂ10ｈ10＋・・・） （７）
    Ｂ2とＢ4の符号が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子。
  12. 前記回折構造が形成された光学面において、少なくとも最大有効径の０％から７０％の高さの範囲内に前記回折構造が形成され、少なくとも最大有効径の８５％の高さから最大有効径の１００％の高さまでの範囲内には前記回折構造が形成されていないことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子。
  13. 前記光路差付与構造が形成された光学面において、少なくとも最大有効径の０％から７０％の高さの範囲内に前記光路差付与構造が形成され、少なくとも最大有効径の８５％の高さから最大有効径の１００％の高さまでの範囲内には前記光路差付与構造が形成されていないことを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
  14. 前記光路差付与構造は、前記波長λ1の第１光束に対しては実質的に光路差を与えず、波長λ1＋１０（ｎｍ）、及び波長λ1−１０（ｎｍ）の第１光束に対しては光路差を付加させることを特徴とする請求項５又は８に記載の光学素子。
  15. 前記光路差付与構造の前記輪帯は、その幅が非周期的に変化することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学素子。
  16. 前記光路差付与構造の前記段差は、その方向が有効径内で入れ替わることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
  17. 前記光路差付与構造の前記段差は、その方向が有効径内で全て同一であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学素子。
  18. ｜λ2−λ1｜が５０ｎｍより大きく、｜ｎ1｜＞｜ｎ2｜を満たすことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学素子。
  19. 前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内であって、前記ｎ1とｎ2との組合せが、（ｎ1，ｎ2）＝（２，１）、（３，２）、（５，３）、（８，５）、（１０，６）のいずれかであることを特徴とする請求項１８に記載の光学素子。
  20. 前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された所定数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が以下の（８）乃至（１２）式のいずれかを満たすことを特徴とする請求項１９に記載の光学素子。
    １．２５＜ΔD＜１．６５ （８）
    ２．０５＜ΔD＜２．５５ （９）
    ３．４０＜ΔD＜４．１０ （１０）
    ５．７０＜ΔD＜６．４５ （１１）
    ７．００＜ΔD＜８．００ （１２）
  21. 前記光路差付与構造の前記段差のうち最も光軸に近い段差をΔP（μｍ）、前記波長λ1の第１光束及び前記波長λ2の第２光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1及びＮ2、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、以下の（１３）乃至（１６）式を満たすことを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の光学素子。
    ０≦｜ＩＮＴ（φ1P）−φ1P｜≦０．４ （１３）
    ０≦｜ＩＮＴ（φ2P）−φ2P｜≦０．４ （１４）
    φ1P＝ΔP・（Ｎ1−１）／（λ1×１０-3） （１５）
    φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3） （１６）
  22. 前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内であって、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、ｐを正の整数としたとき、以下の（１７）式及び（１８）式を満たすことを特徴とする請求項２１に記載の光学素子。
    ＩＮＴ（φ1P）＝５ｐ （１７）
    ＩＮＴ（φ2P）＝３ｐ （１８）
  23. 前記回折構造は、波長λ3（ｎｍ）（λ3＞λ2）の第３光束が入射した場合にはｎ3次（｜ｎ2｜≧｜ｎ3｜）の回折光を発生することを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の光学素子。
  24. ｜λ2−λ1｜、｜λ3−λ2｜、及び｜λ3−λ1｜のそれぞれが５０ｎｍより大きく、｜ｎ1｜＞｜ｎ2｜≧｜ｎ3｜を満たすことを特徴とする請求項２３に記載の光学素子。
  25. 前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内、前記λ3は７００ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲内であって、前記ｎ1とｎ2及びｎ3との組合せが、（ｎ1，ｎ2，ｎ3）＝（２，１，１）、（８，５，４）、（１０，６，５）のいずれかであることを特徴とする請求項２４に記載の光学素子。
  26. 前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、前記回折構造は、光軸方向の段差により分割された所定数の輪帯から構成され、前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔD（μｍ）が以下の（１９）乃至（２１）式のいずれかを満たすことを特徴とする請求項２５に記載の光学素子。
    １．２５＜ΔD＜１．６５ （１９）
    ５．７０＜ΔD＜６．４５ （２０）
    ７．００＜ΔD＜８．００ （２１）
  27. 前記光路差付与構造の前記段差のうち最も光軸に近い段差ΔP（μｍ）、前記波長λ1の第１光束、前記波長λ2の第２光束及び前記波長λ3の第３光束に対する前記光学素子の屈折率をそれぞれＮ1、Ｎ2及びＮ3、ＩＮＴ（Ｘ）をＸに最も近い整数としたとき、以下の（２２）乃至（２７）式を満たすことを特徴とする請求項２２乃至２７のいずれか一項に記載の光学素子。
    ０≦｜ＩＮＴ（φ1P）−φ1P｜≦０．４ （２２）
    ０≦｜ＩＮＴ（φ2P）−φ2P｜≦０．４ （２３）
    ０≦｜ＩＮＴ（φ3P）−φ3P｜≦０．４ （２４）
    φ1P＝ΔP・（Ｎ1−１）／（λ1×１０-3） （２５）
    φ2P＝ΔP・（Ｎ2−１）／（λ2×１０-3） （２６）
    φ3P＝ΔP・（Ｎ3−１）／（λ3×１０-3） （２７）
  28. 前記λ1は３５０ｎｍ乃至４５０ｎｍの範囲内、前記λ2は６００ｎｍ乃至７００ｎｍの範囲内、前記λ3は７００ｎｍ乃至８５０ｎｍの範囲内であって、前記光学素子は、前記波長λ1の第１光束に対する屈折率が１．５〜１．６の範囲内、ｄ線（５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数が５０〜６０の範囲内の材料から形成され、ｐを正の整数としたとき、以下の（２８）式乃至（３０）式を満たすことを特徴とする請求項２７に記載の光学素子。
    ＩＮＴ（φ1P）＝１０ｐ （２８）
    ＩＮＴ（φ2P）＝６ｐ （２９）
    ＩＮＴ（φ3P）＝５ｐ （３０）
  29. 前記回折構造が形成された第１構成要素と、前記光路差付与構造が形成された第２構成要素との少なくとも２つの構成要素から構成されることを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか一項に記載の光学素子。
  30. 前記光学素子はプラスチックレンズであることを特徴とする請求項１乃至２９のいずれか一項に記載の光学素子。
  31. 第１光源から射出される波長λ1（ｎｍ）の第１光束を用いて厚さｔ1の保護層を有する第１光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行い、第２光源から射出される波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束を用いて厚さｔ2（ｔ2≧ｔ1）の保護層を有する第２光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置において使用される対物光学系の構成要素であることを特徴とする請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の光学素子。
  32. 前記対物光学系は、収差補正素子と該収差補正素子から射出された光束を光ディスクの情報記録面上に集光させるための集光素子とから構成され、前記収差補正素子が前記光学素子であることを特徴とする請求項３１に記載の光学素子。
  33. 前記収差補正素子と前記集光素子は、それぞれ、光学機能部と、その周縁に形成されたフランジ部とを備え、前記収差補正素子のフランジ部と前記集光素子のフランジ部とは、これら前記収差補正素子と前記集光素子とを所定の相対位置に固定可能に形成されていることを特徴とする請求項３２に記載の光学素子。
  34. 前記収差補正素子と前記集光素子は、保持部材により所定の相対位置に固定可能に形成されていることを特徴とする請求項３２に記載の光学素子。
  35. 第１光源から射出される波長λ1（ｎｍ）の第１光束を用いて厚さｔ1の保護層を有する第１光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行い、第２光源から射出される波長λ2（ｎｍ）（λ2＞λ1）の第２光束を用いて厚さｔ2（ｔ2≧ｔ1）の保護層を有する第２光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、請求項１乃至３４のいずれか一項に記載の光学素子を具備することを特徴とする光ピックアップ装置。
  36. 前記光ピックアップ装置は、更に、第３光源から射出される波長λ3（ｎｍ）（λ3＞λ2）の第３光束を用いて厚さｔ3（ｔ3＞ｔ2）の保護層を有する第３光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置であって、前記第３光束が、発散光束の状態で前記光学素子に対して入射するように構成されたことを特徴とする請求項３５に記載の光ピックアップ装置。
  37. 請求項３５又は３６に記載の光ピックアップ装置を搭載して光ディスクに対する情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再生のうち、少なくとも一方を実行可能であることを特徴とする光情報記録再生装置。
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