(57)【要約】      （修正有）【課題】複数波長の光源と、単一のプラスチック製対物レンズにより３種類の光記録媒体記録面に光束を収束し、光利用効率の損失なく温度変動による球面収差を補正し、安定した記録再生を行う。【解決手段】位相シフタ面５０３で適切な球面収差の発生量を得るために、その材料特性と、位相段差形状の値を適切に設定が必要となる。温度変化に伴う光源の発振波長の変化量（ｄλ／ｄＴ）のとき収差補正素子５０１の屈折率の変化量（ｄｎ／ｄＴ）とし、位相シフタ面５０３の光軸方向段差ｈの膨張率（ｄｈ／ｄＴ）、段数（ｍ）のとき、（数１）2010061764.tif 000018を満たすことで、位相シフタ面５０３の球面収差が適切な発生量となり、ＢＤ系光記録媒体１０７の記録面スポットを良好に集光できる。（数１）の範囲を満たす場合球面収差を０．０７λｒｍｓ以下とすることができる。【選択図】図２
2010061764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の光記録媒体に対して記録再生する際の収差を補正する樹脂材料で形成される光学素子であって、
前記収差補正する光学素子は、輪帯状に形成された光軸方向の段差による位相シフタ面を有し、
前記樹脂材料の温度１度の増減あたりの屈折率変化を（ｄｎ／ｄＴ）、
前記樹脂材料の温度１度の増減あたりの段差変化を（ｄｈ／ｄＴ）、
前記位相シフタ面の段数をｍとしたとき、
次の（数１）
【数１】
2010061764.tif 000017
を満たすことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
第１の光源から出射する波長λ１の第１の光束により記録再生する基板厚ｔ１の第１光記録媒体と、
第２の光源から出射する波長λ２の第２の光束により記録再生する基板厚ｔ２の第２光記録媒体と、
第３の光源から出射する波長λ３の第３の光束により記録再生する基板厚ｔ３の第３光記録媒体と、
前記第１光記録媒体に最適化された対物レンズと、
前記１つの対物レンズによって各光記録媒体の記録再生をする集光ユニットに備えられた前記記録再生する際の収差を補正する光学素子において、
前記収差補正する光学素子は、一方の面が回折面で構成され、他方の面が位相シフタ面で構成されてなり、
前記回折面は、第１の光束に対して回折せず、第２，第３の光束に対して回折することで光記録媒体の違いよって生じる球面収差を補正する回折面であり、
前記位相シフタ面は、常温において、光軸方向の段差が波長の整数倍であって、第１光記録媒体に対して、対物レンズで温度変化に比例して発生する球面収差ΔＳＡとは逆方向の球面収差−ΔＳＡが発生する位相シフタ面であることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理装置に用いられる光ピックアップに係り、特に、記録密度が異なる複数種類の光記録媒体に対して情報を記録再生する際に、互換性を実現するため収差補正する光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
映像情報，音声情報またはコンピュータ上のデータを保存する手段として、記録容量０．６５ＧＢのＣＤ系光記録媒体、記録容量４．７ＧＢのＤＶＤ系光記録媒体などの光記録媒体が普及しつつある。そして、近年、さらなる記録密度の向上および大容量化の要求が強くなっている。
【０００３】
このような光記録媒体の記録密度を向上させる手段としては、光記録媒体に情報の書き込みまたは読み出しを行う光ピックアップにおいて、対物レンズの開口数（以下、ＮＡという）を大きくすること、あるいは、光源の波長を短くすることにより、対物レンズによって集光され、光記録媒体上に形成されるビームスポットを小径化することが有効である。
【０００４】
そこで、例えばＣＤ系光記録媒体では、対物レンズのＮＡが０．５０、光源の波長が７８０ｎｍとされているのに対して、ＣＤ系光記録媒体よりも高記録密度化がなされたＤＶＤ系光記録媒体では、対物レンズのＮＡが０．６５、光源の波長が６６０ｎｍとされている。そして、光記録媒体は、前述したように、さらなる記録密度の向上および大容量化が望まれており、そのためには、対物レンズのＮＡを０．６５よりもさらに大きく、あるいは、光源の波長を６６０ｎｍよりもさらに短くすることが望まれている。
【０００５】
このような大容量の光記録媒体および光情報処理装置として、「Blu-ray Disc」（以下、ＢＤ系光記録媒体という）の規格が提案されている。青色の波長領域の光源とＮＡ０．８５の対物レンズを用いて、２２ＧＢ相当の容量確保を満足する光記録媒体である。
【０００６】
ＢＤ系光記録媒体のような高密度な情報の記録および／または再生を行える光ピックアップであっても、従来から大量に供給されたＣＤ系，ＤＶＤ系光記録媒体に対しても情報の記録および／または再生を確保する必要がある。そして、記録再生すべき光記録媒体の種類に応じて、適切な波長の光源を選択し、この選択した光束に対して適切な光学処理を施し、それぞれ光記録媒体の基板厚さの違いによって生じる球面収差を補正することが望ましい。
【０００７】
異なる光記録媒体を１つの光ピックアップを用いて記録あるいは再生するものとしては、２つの対物レンズを用いる手段が提案されている（特許文献１参照）。また、部品点数の削減、小型化ために１つの対物レンズにより複数規格の光記録媒体に対応する手段も提案されている（特許文献２参照）。
【０００８】
また、光ピックアップ内部の温度変化によって生じる光記録媒体の情報記録面に対する集光スポット形成性能の劣化を補償する手段としては、回折レンズを用いる手段が提案されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００５−２０９２９９号公報
【特許文献２】特開２００５−３３９７１８号公報
【特許文献３】特開２００６−９２７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記の特許文献１のような手段では、２つの対物レンズを用いるため、部品点数が多くなり、小型化，低コスト化に適さない。さらに、光記録媒体に応じて対物レンズを可動させて、さらに切り替える必要があるため、アクチュエータの機構が複雑となる上、情報へのアクセス時間がかかるという課題が生じる。
【００１０】
また、特許文献２では、対物レンズを構成する材質をガラス製としている。この場合、対物レンズの重量が大きくなりアクチュエータへの負荷が大きくなるという問題がある。さらに、ガラス製では、射出成形による製造が困難であることと、プラスチック製の対物レンズと比較してコストが増加するという問題がある。
【００１１】
一方、軽量で射出成形による製造コストの削減が行えるプラスチック製の対物レンズを用いた場合、光ピックアップ内部の温度変動に起因して、プラスチックレンズの形状、材料の屈折率、および光源から出射される光束の発振波長などが変化することで、集光スポットに収差が発生し、記録および再生が正常に行われないおそれがある。
【００１２】
前記の特許文献３の手段では、１つの対物レンズを用いて、対物レンズの曲面上に温度補償のための位相構造を形成している。しかしながら、青色対応のＮＡ０．８５を満たす対物レンズの非球面上に位相構造を形成することは困難であり、製造上の課題が大きい。また、温度補正機構に回折構造を用いているため、光利用効率が低下するという課題がある。
【００１３】
また、温度補償構造のない対物レンズの例も示されているが、この場合は、２つの収差補正面に加えて温度補償面を有しており、部品点数が多くなって、小型化，低コスト化に適さないという課題がある。
【００１４】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一のプラスチック製対物レンズを用いて、３種類の光記録媒体の記録面に、必要なＮＡ（開口数）で光束を収束することができるとともに、光利用効率の損失なく温度変動による球面収差を良好に補正し、安定した記録再生を行うことができ、軽量で射出成形による製造コストの削減が可能なプラスチック製対物レンズを用いた、単一の収差補正する光学素子を提供することで、部品点数を削減し、小型化および低コスト化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、複数種類の光記録媒体に対して記録再生する際の収差を補正する樹脂材料で形成される光学素子であって、収差補正する光学素子は、輪帯状に形成された光軸方向の段差による位相シフタ面を有し、樹脂材料の温度１度の増減あたりの屈折率変化を（ｄｎ／ｄＴ）、樹脂材料の温度１度の増減あたりの段差変化を（ｄｈ／ｄＴ）、位相シフタ面の段数をｍとしたとき、次の（数１）
【００１６】
【数１】
2010061764.tif 000003
を満たすことを特徴とする。
【００１７】
この構成により、光ピックアップ内部の温度が変化した場合であっても、温度の変化に比例して、球面収差を適切な発生量とすることができ、光記録媒体の記録面スポットを良好に集光することが可能となり、良好な温度特性が得られ、安定した記録・再生を行うことができる。
【００１８】
また、請求項２に記載した光学素子は、第１の光源から出射する波長λ１の第１の光束により記録再生する基板厚ｔ１の第１光記録媒体と、第２の光源から出射する波長λ２の第２の光束により記録再生する基板厚ｔ２の第２光記録媒体と、第３の光源から出射する波長λ３の第３の光束により記録再生する基板厚ｔ３の第３光記録媒体と、第１光記録媒体に最適化された対物レンズと、１つの対物レンズによって各光記録媒体の記録再生をする集光ユニットに備えられた記録再生する際の収差を補正する光学素子において、収差補正する光学素子は、一方の面が回折面で構成され、他方の面が位相シフタ面で構成されてなり、回折面は、第１の光束に対して回折せず、第２，第３の光束に対して回折することで光記録媒体の違いよって生じる球面収差を補正する回折面であり、位相シフタ面は、常温において、光軸方向の段差が波長の整数倍であって、第１光記録媒体に対して、対物レンズで温度変化に比例して発生する球面収差ΔＳＡとは逆方向の球面収差−ΔＳＡが発生する位相シフタ面であることを特徴とする。
【００１９】
この構成によって、３種類の光記録媒体に対して、１つの回折面で、光記録媒体の違いにより生じる球面収差を補正することができ、さらに１つの位相シフタ面で、温度変化による対物レンズで発生する球面収差を抑えることができ、１つの対物レンズおよび収差補正する光学素子により複数の光記録媒体の互換が可能となり、部品点数の削減、小型化および低コスト化が実現でき、また回折面数が少ないため、効率低下を抑制できる。
【００２０】
また、軸方向の段差が波長の整数倍で構成されているため、温度変動のない常温にて、位相シフタ面の凹凸形状が、第１、第２および第３の光束に対して不感帯となり、実質的には位相差を生じさせることなく、３波長互換のための回折面と同一光路中に配置でき、回折面と位相シフタ面の一体形成も可能となり、また位相段差による効率低下を抑制できるために高い光利用効率を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一のプラスチック製対物レンズを用いて、３種類の光記録媒体の記録面に、必要なＮＡ（開口数）で光束を収束することができるとともに、光利用効率の損失なく温度変動による球面収差を良好に補正し、安定した記録再生を行い、かつ軽量で射出成形による製造コストの削減が可能なプラスチック製対物レンズを用いるとともに、単一の収差補正する光学素子を提供することにより、部品点数の削減し、小型化および低コスト化を実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態における光ピックアップの概略構成を示す図である。図１に示すように、単一の対物レンズ１０６で、異なる光源波長を用いて、３種類の光記録媒体（ＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系）を異なる有効瞳半径で記録または再生を行う互換型の光ピックアップである。
【００２４】
ＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の光記録媒体１０７，１１７，１２７の基板厚は、それぞれ０．１ｍｍ，０．６ｍｍ，１．２ｍｍであり、それぞれＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の光記録媒体に対応する。開口数は、それぞれＮＡ０．８５，ＮＡ０．６５，ＮＡ０．４５であり、また第１，第２，第３の光源の波長λ１，λ２，λ３は、それぞれ４０５ｎｍ，６６０ｎｍ，７８５ｎｍである。
【００２５】
図１に示す光ピックアップは、ＢＤ系光記録媒体１０７に対して、半導体レーザ１０１，コリメートレンズ１０２，プリズム１０４，１／４波長板１０５，対物レンズ１０６，偏光ビームスプリッタ１０３，検出レンズ１０８，受光素子１１０，収差補正手段５０１により構成される。第１の光源である半導体レーザ１０１の中心波長は４０５ｎｍであり、対物レンズ１０６の開口数（ＮＡ）は０．８５である。ＢＤ系光記録媒体１０７の基板厚は０．１ｍｍである。
【００２６】
半導体レーザ１０１の出射光は、コリメートレンズ１０２により略平行光にされる。コリメートレンズ１０２を通過した光は偏光ビームスプリッタ１０３に入射し、プリズム１０４より偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１，対物レンズ１０６を介して集光される。ＢＤ系光記録媒体１０７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、偏光ビームスプリッタ１０３により入射光と分離して偏向され、検出レンズ１０８により受光素子１１０上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。
【００２７】
また、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に対して、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザ１３０ａから出射した光は、発散角変換レンズ１３２，波長選択性ビームスプリッタ１３３を経て、プリズム１０４により偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１、対物レンズ１０６を介して、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に集光される。このＤＶＤ系光記録媒体１１７の基板厚は０．６ｍｍであり、対物レンズ１０６のＮＡは０．６５である。ＮＡの切り替えは、収差補正手段５０１により行われる。ＤＶＤ系光記録媒体１１７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、波長選択性ビームスプリッタ１３３により偏向され、ホログラム素子１３０ｂにより入射光と分離して受光素子１３０ｃ上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。
【００２８】
さらに、ＣＤ系光記録媒体１２７に対して、中心波長が７８５ｎｍの半導体レーザ１４０ａから出射した光は、発散角変換レンズ１４２，波長選択性ビームスプリッタ１４３を経て、プリズム１０４により偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１，対物レンズ１０６を介して、ＣＤ系光記録媒体１２７に集光される。このＣＤ系光記録媒体１２７の基板厚は１．２ｍｍであり、対物レンズのＮＡは０．４５である。ＮＡの切り替えは、収差補正手段５０１により行われる。ＣＤ系光記録媒体１２７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、波長選択性ビームスプリッタ１４３により偏向され、ホログラム素子１４０ｂにより入射光と分離して受光素子１４０ｃ上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。
【００２９】
ここで、対物レンズ１０６は厚さ０．１ｍｍのＢＤ系光記録媒体１０７を高精度に記録，再生できるように最適に設計されている。設計波長は４０５ｎｍであり、４０５ｎｍでは波面収差が０．０１λｒｍｓ以下と十分小さくなるよう設計されている。
【００３０】
なお、本実施形態の対物レンズ１０６は、厚さ０．１ｍｍのＢＤ系光記録媒体１０７に最適に設計されているが、これに限定されるものではない。例えば、情報記録面を２層有する２層のＢＤ系光記録媒体では、情報記録面は光の入射側から０．０７５ｍｍ，と０．１ｍｍの位置に有するため、その中間値の厚さ０．０８７５ｍｍを設計中央値とするように、異なる厚さの基板厚に最適設計されていても良い。
【００３１】
本実施形態における対物レンズ１０６は両面非球面形状であり、面の頂点を原点とし、光源から光記録媒体へ向かう光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、ｒを近軸曲率半径、κを円錐係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊ，・・・を非球面係数とするとき、面の光軸方向の距離ｘと半径Ｒの関係より、非球面形状は、（数２）
【００３２】
【数２】
2010061764.tif 000004
で表される。各面および各領域の面データを（表１）に示す。
【００３３】
【表１】
2010061764.tif 000005
ここで、対物レンズ１０６の有効瞳半径は３．０ｍｍである。また、対物レンズ１０６の材料としては、樹脂（例えば、日本ゼオン社製のＺＥＯＮＥＸ３４０Ｒ：ＺＥＯＮＥＸ（ゼオネックス：登録商標））を用いる。
【００３４】
また、図２〜図４は本実施形態の収差補正手段５０１を説明するための図であり、図２，図３は拡大された断面図、図４は収差補正素子の回折面を示す図である。
【００３５】
収差補正手段５０１の片側面は、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に対して、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザ１３０ａから出射した光と、ＣＤ系光記録媒体１２７に対して、中心波長が７８０ｎｍの半導体レーザ１４０ａから出射した光が、基板厚の違いと、波長の違いにより発生する球面収差を補正するための互換素子である。さらに、収差補正手段５０１は、それぞれの光記録媒体に対して、対物レンズ１０６の開口切り替えをするための開口制限の機能を有する。
【００３６】
図２は本実施形態における収差補正手段５０１と対物レンズ１０６の構成を模式的に示す断面図である。図２に示すように、収差補正手段５０１と対物レンズ１０６は、鏡筒１２１により同軸で一体化されている。具体的には、円筒状の鏡筒１２１の一端に、収差補正手段５０１を固定し、他端に対物レンズ１０６を固定して、これらを光軸に沿って同軸に一体化した構成となっている。対物レンズ１０６は、主として鏡筒１２１の内側に凸の形状をしたレンズ面を有する。
【００３７】
いま、ＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１０７，１１７，１２７を記録，再生するときに、対物レンズ１０６はトラッキング制御により、光軸に対して直交方向に±０．５ｍｍ程度の範囲内で移動する。ところが、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７に対しては、収差補正手段５０１により回折を受けるため、収差補正手段５０１が移動せずに、対物レンズ１０６だけが移動すると、収差が発生して集光スポットが劣化してしまう。
【００３８】
そこで、収差補正手段５０１と対物レンズ１０６を一体化させ、トラッキング制御時に一体で移動させることにより、良好な集光スポットを得る構成としている。なお、収差補正手段５０１または対物レンズ１０６の少なくとも一方にフランジを設け、このフランジを介して直接一体化する構成にしても良い。
【００３９】
本実施形態では、第１，第２，第３の光束は、いずれも収差補正手段５０１に平行光で入射する。つまり、発散光や収束光ではないため、各光記録媒体の記録再生時に、トラッキング制御により一体化された対物レンズ１０６と収差補正手段５０１が偏芯しても、コマ収差が発生しないという利点がある。
【００４０】
図３に本実施形態の収差補正手段の断面図を示す。収差補正手段５０１は、回折構造が形成されている回折面５０２と、位相段差構造が形成されている位相シフタ面５０３を有する。なお、図３では回折面５０２を対物レンズ側、位相シフタ面５０３を光源側としたが、この配置は逆であっても良い。
【００４１】
また、収差補正手段５０１の平板面の一部に回折構造および位相シフタ構造が形成されていれば良く、構造が形成されていない領域があって良い。
【００４２】
ここでいう回折面５０２とは、垂直断面形状を周期的な凹凸形状とし、波長に応じた回折光を生じさせる回折構造が形成されている面である。また、位相シフタ面５０３とは、垂直断面形状を非周期的な凹凸形状とし、凹凸による光路差により位相差を生じさせる位相段差構造が形成されている面である。
【００４３】
収差補正手段５０１の材料としては樹脂を用いる。樹脂はガラスと比べて軽く、かつ成形加工が容易であるため大量生産がしやすい。本実施形態の収差補正手段５０１は対物レンズ１０６の可動部１２０に搭載され、対物レンズ１０６と一体駆動するため、軽い方が望ましい。
【００４４】
樹脂としては、例えば吸湿が小さく青色波長に対して耐久性の良好である日本ゼオン社製のＺＥＯＮＥＸ（ゼオネックス：登録商標）などである。
【００４５】
ここで、前述の回折面５０２について図４を参照しながら説明する。回折面５０２は、図４に示すように光束が通過する範囲内に、同心円状に分割された３つの領域、第１の中心領域５０２ａ、第２の中心から２番目の領域５０２ｂ、第３の中心から３番目の領域５０２ｃを有する。
【００４６】
中心領域５０２ａはＣＤ系光記録媒体１２７に対するＮＡ０．４５の領域に相当し、本実施形態では半径０．８２ｍｍと設定する。中心領域５０２ａには、波長４０５ｎｍの第１の光束をそのまま透過させ、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７の基板厚の違いと、波長の違いより生じる球面収差を補正するように、第２，第３の光束を回折させる回折構造が形成されている。
【００４７】
２番目の領域５０２ｂは、ＣＤ系光記録媒体１２７に対するＮＡ０．４５の領域からＤＶＤ系光記録媒体１１７に対するＮＡ０．６５の領域に相当し、本実施形態では半径０．８２ｍｍから１．０８ｍｍに設定する。２番目の領域５０２ｂには、波長４０５ｎｍの第１の光束をそのまま透過させ、ＤＶＤ系光記録媒体１１７の基板厚の違いと、波長の違いより生じる球面収差を補正するように、第２の光束を回折させ、かつ第３の光束は、ＣＤ系光記録媒体１２７の記録面に集光しないような回折構造が形成されている。
【００４８】
３番目の領域５０２ｃは、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に対するＮＡ０．６５からＢＤ系光記録媒体１０７に対するＮＡ０．８５の領域に相当し、本実施形態では半径１．０８ｍｍから１．５０ｍｍに設定する。３番目の領域５０２ｃは回折構造が形成されない平坦部であり、第１，第２，第３の光束をそのまま透過させるため、ＢＤ系光記録媒体１０７に対しては対物レンズ１０６より集光され、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７に対しては集光されない構造となる。
【００４９】
したがって、回折面５０２は、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７に対して、第２，第３の光束で発生する収差を補正し、かつ開口を切り替えるような構成となり、良好なスポットを形成できる。
【００５０】
収差補正手段５０１は、平行光で入射してきた光束を発散方向に回折させることで、収差の補正を行っている。つまり、発散光を対物レンズ１０６へ入射するときに発生する収差と、基板厚や波長の違いによって発生する収差を逆極性にすることで補正している。発散光を対物レンズ１０６へ入射させると、対物レンズ１０６と光記録媒体との距離であるワーキングディスタンスが広がるため、小径で高ＮＡの対物レンズ１０６でＣＤ系光記録媒体１２７のような基板厚の厚いものに集光させる際には、都合の良い構成となる。
【００５１】
収差補正手段５０１の中心領域５０２ａの断面は、図３に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状凹凸部からなる。各輪帯状凹凸部は階段形状であり、４つの段数を有する。ここで、段数とは、最下段も含めて数えている。輪帯状凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。
【００５２】
輪帯状凹凸部のピッチは、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に対しては、−１次回折光、ＣＤ系光記録媒体１２７に対しては、−２次回折光を用い、それぞれで発生する収差を補正するよう設定される。
【００５３】
ここで、−１次回折光について図５を参照しながら説明する。図５は入射光２０１ａが、４段の階段形状の回折構造を通過する際の波面の様子を示している。入射光２０１ａの波面は、４段の階段形状の回折構造を通過すると、それぞれ階段形状に応じて位相差が生じ、結果として出射光２０１ｂのように−１次回折光として回折される。階段形状の各段の高さは０．７５λの位相差が付与されるよう設定されている。
【００５４】
また、−２次回折光について図６を参照しながら説明する。図６は入射光２０２ａが、４段の階段形状の回折構造を通過する際の波面の様子を示している。入射光２０２ａの波面は、４段の階段形状の回折構造を通過すると、それぞれ階段形状に応じて位相差が生じ、結果として出射光２０２ｂ，２０２ｃのように−２次回折光と、＋２次回折光として回折される。このとき階段形状の各段の高さは、０．５λの位相差が付与されるよう設定されている。
【００５５】
以上のようにして発生する−１次回折光が対物レンズ１０６により集光されＤＶＤ系光記録媒体１１７に、−２次回折光がＣＤ系光記録媒体１２７に良好集光するように、ピッチを設定している。
【００５６】
回折面５０２の光路差関数は、（数３）
【００５７】
【数３】
2010061764.tif 000006
と定義される。
【００５８】
ただし、光軸垂直面の光軸と交わる点を原点とし、光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、φは光路差関数、Ｒは半径（光軸からの距離）、Ｃ１，Ｃ２，…は光路差係数である。中心領域５０２ａの面における光路差係数を（表２）に示す。また、中心領域５０２ａのピッチの最小値は２０μｍ、輪帯数は２１である。輪帯数とは回折構造の１周期（図５に示すピッチ２００）の数である。
【００５９】
【表２】
2010061764.tif 000007
図５，図６を比較すると分かるように、同じピッチであれば、回折光の次数の絶対値が大きいほど、回折する角度が大きい。ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７において発生する球面収差量は、ＤＶＤ系よりＣＤ系の光記録媒体の方が大きい。これは基板厚差や波長の差が大きいためである。
【００６０】
したがって、収差補正量がより大きいＣＤ系光記録媒体１２７に対して用いる回折光の次数の方を、ＤＶＤ系光記録媒体１１７より大きくすると、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７に対して同時に、収差を補正することが可能となる。つまり、第１，第２，第３の光束で最も強く発生する回折光の次数を、それぞれＮ１１，Ｎ１２，Ｎ１３とするとき、｜Ｎ１１｜＜｜Ｎ１２｜＜｜Ｎ１３｜の関係が成り立つ必要がある。
【００６１】
本実施形態では、Ｎ１１＝０，Ｎ１２＝−１，Ｎ１３＝−２としている。これは用いる次数は小さい方が、回折効率が高いためである。
【００６２】
また、収差補正手段５０１の２番目の領域５０２ｂの断面は、図３に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状の凹凸部からなる。各輪帯状の凹凸部は階段形状であり、５つの段数を有する。輪帯状の凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。
【００６３】
この輪帯状の凹凸部のピッチは、ＤＶＤ系光記録媒体１１７に対して、発生する収差を補正するよう設定される。したがって、第１，第２の光束で最も強く発生する回折光の次数を、それぞれＮ２１，Ｎ２２とするとき、｜Ｎ２１｜＜｜Ｎ２２｜が成り立つよう設定する。本実施形態ではＮ２１＝０，Ｎ２２＝＋１を用いた。
【００６４】
２番目の領域５０２ｂは、ＣＤ系光記録媒体１２７に対しては開口を制限する機能を有するよう、−２次回折光が発生しない階段状の溝深さが設定されている。この詳細については後述する。また、本実施形態の２番目の領域５０２ｂのピッチの最小値は１７μｍ、輪帯数は１４である。
【００６５】
次に、回折面５０２の各段の高さについて図７を用いて説明する。なお、回折光学系では、入射光のエネルギーは回折効率と呼ばれる効率で変換される。
【００６６】
図７の破線に示すような鋸歯状のキノフォーム形状は、ある波長でブレーズ化されると、その波長での回折効率は薄型近似の場合、理論的には１００％である。回折面５０２は、３波長のうち、４０５ｎｍの第１の光束に対しては０次回折光、６６０ｎｍ，７８５ｎｍの第２，第３の光束に対しては±１次以上の回折光として使用し、図７のような階段近似した形状とする。
【００６７】
なお、階段形状とは、鋸歯状のキノフォーム形状を近似した形状のことであり、階段形状の傾斜方向とは、鋸歯状の傾斜方向のことである。また、階段形状にすると、理想的なキノフォーム形状を製作するよりも容易となる。さらに、０次回折光とは、入射光の入射する際の進行方向をそのまま保つ透過光のことである。
【００６８】
回折面５０２における中心領域５０２ａは、第２の光束に対して回折効率が最も大きくなる次数Ｎ１２と、第３の光束に対して回折効率が最も大きくなる次数Ｎ１３の関係が｜Ｎ１２｜＜｜Ｎ１３｜となる必要がある。さらに、第１の光束に対しては、０次回折光を用いる。したがって、それぞれの光束における回折光の効率が大きくなるように、回折構造の高さを設定しなければならない。
【００６９】
図７に示すように、階段形状の溝深さをＤ、鋸歯状の溝深さをＨ、階段形状の段数をｍとすると、例えば、４段の場合、０次回折光、±１次回折光と±２次回折光の最大の回折効率となる溝深さの位相差は（表３）のようになる。
【００７０】
【表３】
2010061764.tif 000008
また、（表４）は、ｍ段の場合に一般化したときの、一段当たりの位相差を示している。（表４）のような条件に一段の高さを設定すると、所望の回折次数を最も効率よく得ることができる。
【００７１】
【表４】
2010061764.tif 000009
本実施形態のように４段の場合、第１の光束４０５ｎｍに対しては、階段の一段分の位相差が波長の整数（Ｎ１）倍になるようにして０次回折光の効率を最大にする。第２の光束６６０ｎｍに対しては、一段分の位相差が波長の０．７５倍と波長の整数（Ｎ２）倍を加算した値になるようにして−１次回折光の効率を最大にする。もしくは０．２５倍と波長の整数（Ｎ２）倍を加算した値になるようにして＋１次回折光の効率を最大にする。第３の光束７８５ｎｍに対しては、一段分の位相差が波長の０．５倍と波長の整数（Ｎ３）倍を加算した値になるようにして±２次回折光の効率を最大にする。原理は、図５，図６で示したように回折構造の段数に応じて、一段の高さを所望の位相差を得られるように設定すると、回折効率が大きくなる。
【００７２】
各光束で所望の回折光の次数の効率が大きくなるように、材料と高さを選定する。階段形状の４段においては、第２の光束に対しては−１次回折光、第３の光束に対しては−２次回折光を用いる。
【００７３】
図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は階段形状の溝深さＤと回折効率の関係を示す図であり、（ａ）は第１の光束、（ｂ）は第２の光束、（ｃ）は第３の光束に対する関係であり、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いたベクトル計算の結果である。効率計算時のピッチは２０μｍとした。材料にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いる場合、全段の溝深さＤを７．２μｍとすると、どの波長に対しても高い効率を得ることができる。
【００７４】
回折効率は、第１，第２，第３の光束でそれぞれ８６％，６７％，３９％となる。７．２μｍの溝深さＤは一段に換算すると、溝の深さは２．４μｍとなる。これは、４０５ｎｍの波長に対しては、波長の整数倍の位相差、６６０ｎｍの波長に対しては、波長の整数倍と０．７５波長を加算した分の位相差、７８０ｎｍの波長に対しては、波長の整数倍と０．５波長を加算した分の位相差を発生させる溝深さとなっている。
【００７５】
このように、４段の階段形状で形成される回折構造で、｜Ｎ１２｜＜｜Ｎ１３｜となる次数でそれぞれ回折効率が高く、かつ第１の光束に対して透過してくる０次回折効率が高くなる条件は、Ｎ１２＝−１、Ｎ１３＝−２となる。
【００７６】
また、２番目の領域５０２ｂは、第２の光束に対しては回折して収差を補正し、第３の光束に対してはＣＤ系光記録媒体１２７上に集光しないようにする。例えば、０次回折光、±１次回折光と±２次回折光の最大の回折効率となる溝深さの位相差は（表５）のようになる。
【００７７】
【表５】
2010061764.tif 000010
また、階段形状が５段の場合、４０５ｎｍに対しては、階段の一段分の位相差が波長の整数倍になるようにして０次回折光の効率を最大にする。第２の光束６６０ｎｍに対しては、一段分の位相差が波長の０．２倍と波長の整数倍を加算した値になるようにして＋１次回折光の効率を最大にする。第３の光束７８５ｎｍに対しては、一段分の位相差が波長の整数倍になるようにして±２次回折光を発生させないようにする。
【００７８】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は階段形状の溝深さＤと回折効率の関係を示す図であり、段数は５段である。図９（ａ）は第１の光束、図９（ｂ）は第２の光束、図９（ｃ）は第３の光束に対する関係であり、ＲＣＷＡ法を用いたベクトル計算の結果である。効率計算時のピッチは２０μｍとした。材料にＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いる場合、全段の溝深さＤを６．４μｍとすると、どの波長に対しても高い効率を得ることができる。つまり、第１の光束の０次回折光の効率は８４％、第２の光束の＋１次回折光の効率は７３％、第３の光束の−２次回折光の効率は０％となる。また、第３の光束に対しては、０次回折光が７８％と効率が良い。
【００７９】
図１０（ａ）はＣＤ系光記録媒体上に集光するときの光束、（ｂ）はＣＤ系光記録媒体上に形成される光線分布を示す図である。中心領域５０２ａを通過する光束は−２次回折光として、ＣＤ系光記録媒体１２７上に集光される。一方、２番目の領域５０２ｂを通過する光束は、０次回折光として、そのまま透過するため、ＣＤ系光記録媒体１２７上では、集光せず周辺にフレア光として大きく広がり、記録再生に影響しない。
【００８０】
その他の構成として、例えばＰＭＭＡの場合４段で溝深さＤ４．８μｍ（第１の光束の一段の位相差：２λ）、３段で溝深さＤ３．２μｍ（第１の光束の一段の位相差：２λ）、あるいは３段で溝深さＤ６．４μｍ（第１の光束の一段の位相差：４λ）といった構成でも良い。
【００８１】
３番目の領域５０２ｃは、回折構造のない平坦部になっている。図３に示すように、３番目の領域５０２ｃの平坦部の高さは、回折構造の最下段に対して第１の光束の波長の整数倍になるように設定する。本実施形態では、波長の５倍の位相差に相当する４．０μｍに設定した。
【００８２】
この３番目の領域５０２ｃの平坦部を透過した光束は、第２，第３の光束に対しては有効径外となるため、スポット形成には不要光となる。ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７上では、図１０（ｂ）に示すのと同様にフレア光として大きく広がる。一方、第１の光束に対しては、中心領域５０２ａ，２番目の領域５０２ｂの最下段に対して波長の整数倍の位相差となるように溝深さを設定した。本実施形態では波長の５倍の４μｍとしたが、これに限定されるものではない。
【００８３】
階段形状の回折面の回折効率は、段数が多いほど、図７の破線に示すような鋸歯状のキノフォーム形状に近づくため、回折効率は向上する。しかしながら、段数が多いと一段当たりのピッチ２００が狭くなり、製造が困難になって、製造誤差によるだれなどによる影響で効率低下が発生する。
【００８４】
また、ピッチ２００が同じ場合、溝深さＤは浅い方がより回折効率が良い。さらに波長や温度変動による効率低下の影響を受けにくい。そのため、回折構造としては、溝深さＤが低く、段数が多い方が望ましい。
【００８５】
本実施形態では、回折光の次数の符号を中心領域５０２ａと２番目の領域５０２ｂで反転させることにより、第１，第２，第３の光束の回折効率と凹凸形状と溝深さの関係を大きく変化させることができる。そのため、溝深さが浅く、段数が多い回折構造を実現でき、効率の良い収差補正手段および記録再生に影響しない開口制限素子としての機能を一面で提供することができる。
【００８６】
また、回折面５０２はピッチが狭くなると、効率が低下することが知られている。したがって、ピッチが狭くなる周辺部は効率が低下する。光源の強度分布に対して、中心領域５０２ａは周辺にいくに従い、光量の低下が著しくなることが分かる。また、２番目の領域５０２ｂは中心領域５０２ａよりもさらにピッチが狭くなるが、本実施形態では、２番目の領域５０２ｂは５段、かつ中心領域５０２ａよりも溝深さが浅いため、効率の低下を低減することができ、光利用効率を上げることができる。
【００８７】
なお、段数と溝深さは、前述の記載に限定されず、次数の符号を反転させれば、容易にスポットにとって不要光が発生しない開口制限を実現することができる。
【００８８】
前述の回折面５０２で形成される収差補正機構は、対物レンズ１０６と共に用いられ、前記保護基盤厚や各波長の違いによる球面収差を補正するものであるが、対物レンズに樹脂材料を用いた場合、光ピックアップ装置の動作中にアクチュエータからの放熱や環境温度の変化に伴って球面収差が増加する。
【００８９】
この温度依存の球面収差は、おもに、プラスチック材料の屈折率変化、レンズ形状の膨張収縮、または光源の波長変動に起因して発生する。
【００９０】
例えば、光ピックアップ内部の温度上昇が生じると、半導体レーザの発振波長は長波長側にシフトし、第１の光束（λ１＝４０５ｎｍ）光源の場合には、その変化量はおよそ０．０６ｎｍ／℃となる。また樹脂は、波長変化と温度変化の影響を受け、屈折率が低くなる。そのため、対物レンズにより集光したスポットには、３次球面収差が発生する。
【００９１】
この球面収差は、対物レンズ光学系の開口数（ＮＡ）の４乗に比例して増大するため、ＮＡが０．８５となるＢＤ系光記録媒体１０７の場合は特に問題となる。
【００９２】
図１１に、第１、第２、第３の光束の温度変化に対する球面収差の増加量を示す。図１１のグラフの横軸Ｔ［℃］は光ピックアップ内の温度変化を表し、縦軸は温度変化に伴う球面収差量を表す。常温を２５℃とした。また計算には、温度変化に伴う光源の発振波長λ１の変化量ｄλ／ｄＴを、ｄλ／ｄＴ＝６．０×１０−２［ｎｍ／℃］とし、発振波長λ２，λ３の変化量ｄλ／ｄＴを、ｄλ／ｄＴ＝２．０×１０−１［ｎｍ／℃］とし、屈折率の変化量ｄｎ／ｄＴを、ｄｎ／ｄＴ＝−１．３×１０−４［１／℃］とした。また、材料の線膨張係数を７．６×１０−５とした。
【００９３】
ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体と比較し、ＢＤ系光記録媒体の増加量が大きく、およそ０．０５λｒｍｓ／１０℃程度の変化量をもつ。ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体は前述の回折面により球面収差が補正された状態において温度依存性を計算した結果である。また、図１２に有効半径位置に対する位相分布を表すＯＰＤ（Optical Path Difference：光路長差）収差特性を示す。
【００９４】
次に、前述の位相シフタ面５０３の構造について説明する。本実施形態では、位相シフタ面５０３には硝材として対物レンズと同様に樹脂が用いられ、波長が４０５ｎｍの（第１の）光束の屈折率は１．５２５であり、波長が６６０ｎｍの（第２の）光束の屈折率は１．５０７あり、波長が７８０ｎｍの（第３の）光束の屈折率は１．５０３である。
【００９５】
位相シフタ面５０３は、一例として図１３および図１４に示されるように、光軸を中心とした複数の輪帯状領域に分割され、隣接する輪帯状領域との境界が段差を有する位相シフタ面５０３が、平行平板の一方の面に形成されたものである。ここでは、位相シフタ面５０３は、７個の輪帯状領域（ｒ１〜ｒ７）に分割されており、直径ｄ２の位置までは光軸から離れるにしたがって、輪帯状領域の厚みが薄くなっている。直径ｄ１から直径ｄ２の位置までは光軸から離れるにしたがって、輪帯状領域の厚みが厚くなっている。
【００９６】
また、隣接する輪帯状領域との境界における段差は、常温において対物レンズ１０６の設計波長（本実施形態ではλ１＝４０５ｎｍ）の整数倍の光路差が生じるように設定されている。また同時にλ２，λ３に対しても略整数倍の光路差が生じるように設定されている。
【００９７】
本実施形態では、１つの段差の大きさは、９．２６μｍである。各段差（ｒ１〜ｒ７）の光軸からの距離は、それぞれ０．５０ｍｍ、０．７１ｍｍ、０．９０ｍｍ、１．２９ｍｍ、１．３７ｍｍ、１．４２ｍｍおよび１．５ｍｍである。なお、ｄ１は開口数（ＮＡ）０．８５に対応する径であり、ｄ２は開口数（ＮＡ）０．６５に対応する径である。
【００９８】
また、輪帯状領域ｒ４に対して、輪帯状領域ｒ３とｒ５、輪帯状領域ｒ２とｒ６、輪帯状領域ｒ１とｒ７がそれぞれ同じ段差を形成している。
【００９９】
なお、位相シフタ面５０３における段差の大きさ、および各段差の光軸からの距離は、本実施形態に限定されるものではなく、対物レンズ１０６の形状および設計波長、位相シフタ面５０３を構成する材料、適切な開口数などによって異なる。
【０１００】
本実施形態では、ＢＤ系光記録媒体１０７の場合には、第１の光源である半導体レーザ１０１からの光束は、一例として図２にＬａで示されるように、略平行光状態で位相シフタ面５０３に入射する。
【０１０１】
位相シフタ面５０３はＢＤ系の使用波長λ１の整数倍の位相差を付与するような段差を形成しており、各段差の厚みΔｈは、ｋ１×λ１／（ｎ１−１）で表される（ｋ１：整数）。本実施形態では、段差構造の各段差の厚みΔｈはλ１の１２倍であり、Δｈ＝１２×λ１／（ｎ１−１）＝９．２６μｍを満たす高さと設定している。
【０１０２】
ここで、λ１は常温におけるＢＤ系の使用波長４０５ｎｍ，ｎ１は常温におけるＺＥＯＮＥＸ３４０Ｒの波長４０５ｎｍにおける屈折率１．５２５である。輪帯状領域ｒ４に対して輪帯状領域ｒ３，ｒ５では１２倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ２，ｒ６では２４倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ１，ｒ７では３６倍の光路差が生じる。
【０１０３】
したがって、温度変動が小さいときには、波長λ１＝４０５ｎｍに対しては、実質上位相差を与えず、位相シフタ面５０３では何ら作用を受けることなくそのまま透過する。
【０１０４】
一方、ＤＶＤ系光記録媒体１１７の場合には、前記の回折面５０２が開口制限機能を有しているため、第２の光源（半導体レーザ１３０ａ）からの光束のうち、一例として図２にＬｂで示されるような略平行光状態で位相シフタ面５０３に入射する光束が記録面上のスポットを形成する。
【０１０５】
光束Ｌｂが入射する領域では、本実施形態における位相シフタ面５０３の直径ｄ２領域内に形成される、輪帯状領域（ｒ１〜ｒ４）の段差により位相差が発生する。第２の光束（本実施形態ではλ２＝６６０ｎｍ）が段差の厚みΔｈにより付加される位相差は、７．１×λ２であり、輪帯状領域ｒ４に対して輪帯状領域ｒ３では略７倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ２では略１４倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ１では略２１倍の光路差が生じる。したがって、第２の光束は位相シフタ面５０３により受ける作用は小さく、透過光への影響は小さい。
【０１０６】
同様に、ＣＤ系光記録媒体１２７の場合には、前記の回折面５０２が開口制限機能を有しているため、第２の光源（半導体レーザ１４０ａ）からの光束のうち、一例として図２にＬｃで示されるような略平行光状態で位相シフタ面５０３に入射する光束が記録面上のスポットを形成する。
【０１０７】
光束Ｌｃが入射する領域では、本実施形態における位相シフタ面５０３の直径ｄ３領域内に形成される、輪帯状領域（ｒ１〜ｒ３）の段差により位相差が発生する。第３の光束（本実施形態ではλ３＝７８５ｎｍ）が段差の厚みΔｈにより付加される位相差は、５．９×λ３である。輪帯状領域ｒ４に対して輪帯状領域ｒ３では略６倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ２では略１２倍の光路差が生じ、輪帯状領域ｒ１では略１８倍の光路差が生じる。したがって、第３の光束は位相シフタ面５０３により受ける作用は小さく、透過光への影響は小さい。
【０１０８】
また、（表６）に位相シフタ面の構造と、ＢＤ系の透過光に付与される位相差を示す。
【０１０９】
【表６】
2010061764.tif 000011
以上のように各段差は波長λ１およびλ２，λ３に対して略整数倍の位相差を付与するような段差ｈを形成している。望ましくは、（数４），（数５），（数６）を満たすように設定される。
【０１１０】
つまり、第１の光源の設計温度の発振波長λ１に対する位相差が、略２πラジアンの整数倍となる（数４）
【０１１１】
【数４】
2010061764.tif 000012
を満たす段差ｈであり、また、第２の光源の設計温度の発振波長λ２に対する位相差が、（数５）
【０１１２】
【数５】
2010061764.tif 000013
を満たす段差ｈであり、また、第３の光源の設計温度の発振波長λ３に対する位相差が、（数６）
【０１１３】
【数６】
2010061764.tif 000014
を満たす段差ｈであり、（数４），（数５），（数６）において、ｎ１，ｎ２，ｎ３：補正光学素子材料の波長λ１，λ２，λ３に対する屈折率、ｋ１，ｋ２，ｋ３：整数である。
【０１１４】
これにより、温度変化のない常温において、収差補正手段５０１の位相シフタ面５０３は、各波長ともに付与される位相差が、波長のほぼ整数倍となるため、実質的には位相差を与えられず、ほぼ作用を受けることなくそのまま透過する。
【０１１５】
次に、本実施形態において、光ピックアップ内の温度変動により生じるスポット特性の劣化に対して収差補正する原理について図１５を参照しながら説明する。
【０１１６】
温度が上昇した場合、前述と同様に、光源の発振波長は長波長側にシフトし、樹脂の屈折率が低下し、また段差形状は温度上昇により膨張するため、段差は増加する。このとき、発生する位相差は、波長の整数倍からずれるため、素子透過光に波面収差が発生する。
【０１１７】
対物レンズ１０６の球面収差の発生方向と、温度変化より生じる位相シフタ面５０３の球面収差の発生方向が、互いに反対方向であり、これを利用し、段差形状の高さと半径位置を適切な値とすることで、対物レンズ１０６に発生する球面収差とは、逆位相の球面収差を付与できるため、温度によるスポット性能の劣化を低減できる。
【０１１８】
図１５は環境温度の変化に伴って発生する収差の波面形状を示す図であり、横軸は対物レンズの瞳半径位置、縦軸は位相（λ）である。図１５に示すように、発生収差４０１の波面形状を補正するため、付与位相差４０２で示す階段状の位相差を付与することによって、残留収差４０３の波面形状のように、光軸中心よりも進んでいる波面や遅れている波面が光軸中心とほぼ同じ位相に補正される。
【０１１９】
ここで、位相シフタ面により適切な球面収差の発生量を得るためには、位相シフタ面の材料特性と、位相段差形状を適切な値に設定することが必要である。温度変化に伴う光源の発振波長の変化量をｄλ／ｄＴとしたときの収差補正素子の屈折率の変化量をｄｎ／ｄＴとして、また、位相シフタ面の光軸方向段差ｈの膨張率をｄｈ／ｄＴ、段数をｍとしたとき、位相段差により付与される位相差の発生量を決める式として、（数７）
【０１２０】
【数７】
2010061764.tif 000015
で表される値をΔＸとする。
【０１２１】
次の（数８）を満たすことで、位相シフタ面の球面収差が適切な発生量となり、ＢＤ系光記録媒体１０７の記録面スポットを良好に集光することが可能となる。
【０１２２】
【数８】
2010061764.tif 000016
図１６に温度が５５℃上昇したときの、発生量ΔＸに対する補正後の球面収差量を示す。前記（数８）の範囲を満たす場合、球面収差を０．０７λｒｍｓ以下とすることができる。
【０１２３】
また、図１７は温度変化に対する補正後の球面収差の増加量ΔＳＡを示す図である。図１７において、対物レンズのみの温度特性と、図１６に示したΔＸが最適位相差量を発生させるとき、および球面収差０．０７λｒｍｓとなるときの温度特性を示した。
【０１２４】
このように、温度変化による球面収差の増加量ΔＳＡを小さく抑えることができ、前述した範囲を満たすときΔＳＡは対物レンズのみと比較して、半分以下に抑えることができる。
【０１２５】
本実施形態では、ＢＤ系光記録媒体１０７の場合、位相シフタ面５０３を図１３に示すように３段構成とした。この構成の場合に、温度変化に伴う光源の発振波長の変化量をｄλ／ｄＴ＝０．０６［ｎｍ／℃］、収差補正素子５０１の屈折率変化量はｄｎ／ｄＴ＝−１．３×１０−４とする。
【０１２６】
第１の光源の波長（λ１＝４０５ｎｍ）は、例えば温度が基準温度を２５℃として、それよりも５５℃上昇した８０℃のときには、４０５＋３．３＝４０８．３ｎｍとなり、このとき収差補正素子５０１の屈折率は１．５１７６となる。また、このとき位相段差の厚みΔｈは膨張し、９．３０μｍとなる。
【０１２７】
したがって、光路長が波長の整数倍からずれるため、素子透過光に位相差が発生する。輪帯状領域ｒ４に対して輪帯状領域ｒ３、ｒ５では−０．２１λの位相差が生じ、輪帯状領域ｒ２、ｒ６では−０．４３λの位相差が生じ、輪帯状領域ｒ１、ｒ７では−０．６４λの位相差が生じる。輪帯状領域ｒ４を通過する波面に対して位相が遅れている場合を「＋」とし、位相が進んでいる場合を「−」とした。
【０１２８】
また、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体においては、前述の回折面５０２により球面収差が補正されたスポットにおいて、温度変化による球面収差の増加量は小さい。そのため、温度変化時においても位相シフタ面５０３の影響が小さい。
【０１２９】
図１８に常温および温度変化＋５５℃上昇した場合のＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体の各スポット波面収差を示す。図１８において、記録面上のスポットの波面形状を示し、横軸は対物レンズの瞳半径位置、縦軸は位相（λ）である。
【０１３０】
図１８に、常温における回折構造のみのときの波面収差、＋５５℃上昇における回折構造のみのときの波面収差、および＋５５℃上昇における回折構造と位相シフタ構造の両方があるときの波面収差を示した。
【０１３１】
常温においてＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体に発生している位相差は回折面の残留収差である。ＢＤ系は、位相シフタ面により球面収差が良好に相殺されていることが分かる。また、ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体の場合、前述の（数４），（数５），（数６）に示す範囲の段差とすることで、位相シフタ面を挿入した場合でも、球面収差を発生しない。図１８にて、若干の位相段差の影響が見られるが、段差により不連続にシフトしている波面は高次収差となりスポット性能には寄与せず、また課題とする球面収差の増加は小さく抑えられる。
【０１３２】
なお、位相シフタ面における段差の大きさ、および各段差の光軸からの距離は、本実施形態に限定されるものではなく、対物レンズ１０６の形状および設計波長、位相シフタ面５０３を構成する材料、適切な開口数などによって異なる。また、位相シフタ面５０３の段差形状を適切にすることで、常温で示した回折面５０２の残留収差を低減することも可能である。
【０１３３】
前記実施形態における、位相シフタ面による温度特性の補正効果を示すグラフを図１９に示す。グラフの横軸ΔＴ［℃］は常温からの温度変化量を表し、縦軸は温度変化に伴う球面収差量を表す。
【０１３４】
ここで、対物レンズの光軸に対して、収差補正素子の光軸ずれが生じた場合を示す。回折面により発散光となるＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体の場合、軸ずれに伴って図２０に示すようなコマ収差が発生する。通常、このコマ収差を指標として軸ずれ調整組み付けが行われる。例えば、ＤＶＤ系光記録媒体の記録面に集光するためのスポットを、顕微鏡レンズなどにより拡大観察し、スポットに発生するコマ収差が小さくなる位置を最適組み付け位置として定める。
【０１３５】
一方、常温において透過、温度変化時に位相差を生じる位相シフタ面の場合、常温においては前述のようなコマ収差は発生せず、軸ずれの指標となる収差を定めにくい。単一の温度補正位相シフタ面の場合は、組み付け公差を大きくするなどの設計上の制限が発生する。しかし、本実施形態に示すように、互換用の回折面と一体形成することで、通常の調整・組み付け方法を用いることができ、製造上の課題を軽減する効果がある。
【０１３６】
以上説明したように、光ピックアップ内部の温度変化に起因して、対物レンズの形状、屈折率が変化した場合や、光源から出射される光束の波長が設計波長から変化した場合でも、収差補正素子によって、良好な波面を保つことができ、その結果として、波長変動に強い高精度な光ピックアップを提供することが可能となる。
【０１３７】
さらに、アクセス対象の光記録媒体がＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系のいずれであっても、単一のプラスチック製対物レンズで、良好な光スポットが記録面に形成されるため、装置の小型化および低コスト化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明に係る光学素子は、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一のプラスチック製対物レンズを用いて、３種類の光記録媒体の記録面に、必要なＮＡ（開口数）で光束を収束することができるとともに、光利用効率の損失なく温度変動による球面収差を良好に補正し、安定した記録再生を行い、かつ部品点数の削減し、小型化および低コスト化を実現することができ、光情報処理装置に用いられる光ピックアップに係り、記録密度が異なる複数種類の光記録媒体に対して情報を記録再生する際の互換性を実現するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の実施形態における光ピックアップの概略構成を示す図
【図２】本実施形態の収差補正手段と対物レンズの拡大図
【図３】本実施形態の収差補正手段の拡大図
【図４】本実施形態の収差補正素子の回折面を示す図
【図５】入射光が４段の階段形状の回折構造を通過する−１次回折光の波面の様子を示す図
【図６】入射光が４段の階段形状の回折構造を通過する±２次回折光の波面の様子を示す図
【図７】回折面の高さ（溝深さ）を説明する図
【図８】４段の階段形状の溝深さＤと回折効率の関係で（ａ）はＢＤ系、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系を示す図
【図９】５段の階段形状の溝深さＤと回折効率の関係で（ａ）はＢＤ系、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系を示す図
【図１０】ＣＤ系光記録媒体上に集光するときの（ａ）は光束、（ｂ）は形成される光線分布を示す図
【図１１】ＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の光束の温度変化に対する球面収差の増加量を示す図
【図１２】有効半径位置に対する位相分布を表すＯＰＤ収差特性を示す
【図１３】本実施形態の位相シフタ面の拡大図
【図１４】本実施形態の位相シフタ面を示す図
【図１５】本実施形態の収差補正する原理を説明する図
【図１６】温度が５５℃上昇時の発生量ΔＸに対する補正後の球面収差量を示す図
【図１７】温度変化に対する補正後の球面収差の増加量ΔＳＡを示す図
【図１８】常温および温度変化＋５５℃上昇した場合のＢＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体の各波面収差を示す図
【図１９】位相シフタ面による温度特性の補正効果を示す図
【図２０】軸ずれに伴って発生するコマ収差を示す図
【符号の説明】
【０１４０】
１０１，１３０ａ，１４０ａ  半導体レーザ
１０２  コリメートレンズ
１０３  偏光ビームスプリッタ
１０４  プリズム
１０５  １／４波長板
１０６  対物レンズ
１０７  ＢＤ系光記録媒体
１０８  検出レンズ
１１０，１３０ｃ，１４０ｃ  受光素子
１１７  ＤＶＤ系光記録媒体
１２０  可動部
１２１  鏡筒
１２７  ＣＤ系光記録媒体
１３０ｂ，１４０ｂ  ホログラム素子
１３２，１４２  発散角変換レンズ
１３３，１４３  波長選択性ビームスプリッタ
２００  ピッチ
２０１ａ，２０２ａ  入射光
２０１ｂ，２０２ｂ，２０２ｃ  出射光
４０１  発生収差
４０２  付与位相差
４０３  残留収差
５０１  収差補正手段
５０２  回折面
５０２ａ  中心領域
５０２ｂ  ２番目の領域
５０２ｃ  ３番目の領域
５０３  位相シフタ面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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