(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正のパワーを有する屈折レンズと、該屈折レンズの少なくとも一方のレンズ面に形成された微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造とを有し、前記回折レンズ構造は、記録密度の低い光ディスクに必要充分な低NAの光束が透過する共用領域と、記録密度の高い光ディスクに対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域とに区分され、前記共用領域の回折レンズ構造は、光ディスクの保護層の厚さの相違に基づく球面収差の変化を入射光の波長の変化により補正するような球面収差の波長依存性を有し、前記高NA専用領域の回折レンズ構造は、前記共用領域の回折レンズ構造より球面収差の波長依存性が小さく、波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を有し、かつ、高NAに対応する波長において、前記屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面収差の変化を、温度変化に伴う入射光の波長変化により補正するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。
【請求項２】
前記共用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量を、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnC、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φC(ｈ)＝(Ｐ2Cｈ2＋Ｐ4Cｈ4＋Ｐ6Cｈ6＋…)×ｍ×λ
により定義される光路差関数φC(ｈ)により表し、前記高NA専用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量を、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnEを用いて、
φE(ｈ)＝(Ｐ2Eｈ2＋Ｐ4Eｈ4＋Ｐ6Eｈ6＋…)×ｍ×λ
により定義される光路差関数φE(ｈ)により表したとき、
Ｐ2C＞Ｐ2E
Ｐ4C＜Ｐ4E        ただし Ｐ4C＜０
の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項３】
前記高NA専用領域の回折レンズ構造の最も内側の輪帯の幅が、前記共用領域の回折レンズ構造の最も外側の輪帯の幅より大きいことを特徴とする請求項２に記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項４】
前記屈折レンズは樹脂製であり、前記４次の光路差関数係数が、Ｐ4C＜Ｐ4E＜０の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項５】
前記高NA専用領域の回折レンズ構造は、前記屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面収差の変化を、半導体レーザーの温度変化に伴う波長変化により補正するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする請求項４に記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項６】
前記回折レンズ構造は、前記共用領域及び前記高NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周が、隣接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向の段差を有し、前記共用領域と前記高NA専用領域との境界部分においては、前記高NA専用領域の最も内側の輪帯の内周が、前記共用領域の最も外側の輪帯の外周に対してレンズが薄くなる方向の段差を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ヘッド用対物レンズ。
【請求項７】
前記回折レンズ構造は、全域において、外側の輪帯の内周が、隣接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向の段差を有し、前記高NA専用領域の最も内側の輪帯は、当該輪帯の内周と外周との光路差関数値の差が波長より長くなる幅広の輪帯であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ヘッド用対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、保護層の厚さが異なる複数種類の光ディスクに対する記録／再生が可能な光ヘッドに使用される高ＮＡ(開口数)の対物レンズに関し、特に屈折レンズのレンズ面に回折レンズ構造を形成した屈折・回折ハイブリッドレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクは、情報が記録される記録面と、この記録面を覆う透明な保護層とを有し、この保護層を介して光ヘッドからのレーザー光が記録面に集光される。そして、光ディスクは、光ディスク装置のターンテーブルに搭載されて回転駆動され、光ディスクのラジアル方向に移動可能な光ヘッドにより情報が記録／再生される。ここで光ディスクの保護層の厚さが異なると、ターンテーブル面を基準とした記録面の位置が異なることとなり、これは、光ヘッドと記録面との距離が保護層の厚さによって変化することを意味する。
【０００３】
したがって、保護層の厚さが異なる複数の光ディスクに対応するためには、光ヘッドは保護層の厚さが大きくなるほどスポットを遠くに形成する必要がある。例えば、ＣＤ(コンパクトディスク)やＣＤ−Ｒの保護層の厚さは1.2mmであるのに対し、ＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)の保護層の厚さは半分の0.60mmであるため、これら両方の光ディスクに対する記録／再生を可能とするためには、レーザー光の集光位置を保護層中で０．６ｍｍ(空気換算で約０．４ｍｍ)移動させる必要がある。
【０００４】
対物レンズを光軸方向に移動させれば、近軸的な集光位置を移動させることはできるが、保護層の厚さが変化すると球面収差が変化するため、単に対物レンズを移動させるのみではレーザー光の波面が乱れ、スポットを必要な径に収束させることができず、情報の記録／再生が不可能となる。
【０００５】
一方、記録密度の高いＤＶＤの記録再生には、ビームスポットを小さく絞るため、６３５ｎｍ〜６６０ｎｍ程度の短波長のレーザー光が利用されるのに対し、ＣＤ−Ｒの再生には、その分光反射率の特性から７８０ｎｍ程度のレーザー光を利用する必要がある。したがって、これら複数種類の光ディスクの使用を可能にするためには、光ヘッドは少なくとも２つの発光波長が異なるレーザー光源を備える必要がある。
【０００６】
そこで、使用されるレーザー光の波長の違いを利用して保護層の厚さの違いによる球面収差の変化を補正するために、対物レンズの表面に回折レンズ構造を形成する技術が知られている。形成される回折レンズ構造は、球面収差の波長依存性を有し、保護層の厚さの変化による球面収差の変化を、レーザー光の波長の切換により生じる回折レンズ構造の球面収差の変化により相殺する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折レンズ構造は波長依存性を有するため、温度変化や半導体レーザーの個体差により使用波長が設計波長からずれると、波面収差を劣化させる。このことは、記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−Ｒの使用時にはさほど問題とならないが、記録密度の高いＤＶＤの使用時には、波面収差の許容量が小さいため、情報の記録再生に支障を来す可能性がある。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光ディスク切換時の保護層の厚さ変化による球面収差を補正するための回折レンズ構造を一面に備えつつ、温度変化や光源の個体差により波長が設計波長からずれた場合にも、最適なビームスポットを形成することができる対物レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ヘッド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、正のパワーを有する屈折レンズと、屈折レンズの少なくとも一方のレンズ面に形成された微細な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構造とを有し、回折レンズ構造は、記録密度の低い光ディスクに必要充分な低NAの光束が透過する共用領域と、記録密度の高い光ディスクに対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域とに区分され、共用領域の回折レンズ構造は、光ディスクの保護層の厚さの相違に基づく球面収差の変化を入射光の波長の変化により補正するような球面収差の波長依存性を有し、高NA専用領域の回折レンズ構造は、共用領域の回折レンズ構造より球面収差の波長依存性が小さく、波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を有し、かつ、高NAに対応する波長において、前記屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面収差の変化を、温度変化に伴う入射光の波長変化により補正するような球面収差の波長依存性を有することを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、共用領域を透過した光束は、その波長を切り替えることにより、保護層の厚さの異なる複数の光ディスクに対し、良好に球面収差の補正された波面を形成する。一方、高NA専用領域を透過した高NAに対応する波長の光束は、球面収差が良好に補正されるため、共用領域を透過した光束と共にスポットを形成する。
【００１１】
共用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnC、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φC(ｈ)＝(Ｐ2Cｈ2＋Ｐ4Cｈ4＋Ｐ6Cｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φC(ｈ)により表され、高NA専用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量は、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnEを用いて、
φE(ｈ)＝(Ｐ2Eｈ2＋Ｐ4Eｈ4＋Ｐ6Eｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φE(ｈ)により表される。この表現形式では２次の項の係数Ｐ2C、Ｐ2Eが負の時に近軸的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ4C、Ｐ4Eが負の時に周辺に向かって正のパワーが増加し、アンダーの球面収差を発生する作用を持つこととなる。
【００１２】
この発明の光ヘッド用対物レンズは、２次及び４次の光路差関数係数が、以下の関係を持つことが望ましい。
Ｐ2C＞Ｐ2E
Ｐ4C＜Ｐ4E        ただし Ｐ4C＜０
【００１３】
また、高NA専用領域の回折レンズ構造の最も内側の輪帯の幅を、共用領域の回折レンズ構造の最も外側の輪帯の幅より大きく設定することができる。すなわち、回折レンズ構造を規定する(Ｐ2Eｈ2＋Ｐ4Eｈ4＋Ｐ6Eｈ6＋…)をｈで微分したものの絶対値を格子密度と定義すると、共用領域と高NA専用領域との境界部分において、共用領域の格子密度の方が大きいこととなる。
さらに、屈折レンズが樹脂製である場合には、４次の光路差関数係数が、Ｐ4C＜Ｐ4E＜０の関係を満たすことが望ましい。より詳細には、高NA専用領域の回折レンズ構造は、屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面収差の変化を、半導体レーザーの温度変化に伴う波長変化により補正するような球面収差の波長依存性を有することが望ましい。
【００１４】
なお、回折レンズ構造は、共用領域及び高NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周が、隣接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向の段差を有する。そして、共用領域の光路差関数との連続性を保ちつつ、４次の係数の絶対値を小さくし、かつ、２次の係数の絶対値を大きくして高NA専用領域の光路差関数を決定すると、高NA専用領域の最も内側の輪帯の内周が、共用領域の最も外側の輪帯の外周に対してレンズが薄くなる方向の段差を有することとなる。
【００１５】
ただし、上記のように領域の境界部のみ段差の方向が逆になると、回折レンズ構造の形成が困難である。そこで、高NA専用領域の最も内側の輪帯を当該輪帯の内周と外周との光路差関数の値が波長より長くなる幅広の輪帯とすることができ、この場合には、回折レンズ構造の段差は全域において同一方向となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ヘッド用対物レンズの実施形態を説明する。図１は、実施形態にかかる対物レンズ１０を示す説明図であり、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は縦断面図、(Ｃ)は縦断面の一部拡大図である。この対物レンズ１０は、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ互換装置の光情報記録再生装置の光ヘッドに適用され、光源である半導体レーザーから発したレーザー光をディスク等の媒体上に収束させる機能を有している。
【００１７】
対物レンズ１０は、非球面である２つのレンズ面１１，１２を有する両凸の樹脂製単レンズであり、第１面１１に図１(Ａ)に示したように光軸を中心とする同心輪帯状の回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、図１(Ｃ)に示す通り、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。第２面１２は、回折レンズ構造を持たない連続面である。
【００１８】
対物レンズ１０の表面は、記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の光ディスクに必要充分な低NAの光束が透過する共用領域RCと、この共用領域RCの周囲に位置し、ＤＶＤ等の記録密度の高い光ディスクに対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域REとに区分することができる。回折レンズ構造は、共用領域RCと高NA専用領域REとを含む全域に形成されている。なお、共用領域RCは、NA0.45〜0.50の光束が透過する位置より内側の領域であり、高NA専用領域REは、それより外側の領域である。
【００１９】
図２はこの発明にかかる光ヘッド用対物レンズを使用した光ヘッドの光学系の説明図である。この光学系は、ＤＶＤ用モジュール２１、ＣＤ用モジュール２２、ビームコンバイナ２３、コリメートレンズ２４、対物レンズ１０で構成されている。各モジュール２１，２２は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子である。対物レンズ１０は、図示しない公知のフォーカシング機構によりその光軸方向に移動可能であり、かつ、トラッキング機構により光ディスクの半径方向にも移動可能である。
【００２０】
0.6mmの保護層を有する光ディスク（以下、「薄保護層型光ディスク」という）であるＤＶＤを使用するためには、小さいビームスポットを作るために波長635〜665nmの赤色光が必要とされ、1.2mmの保護層を有する光ディスク（以下、「厚保護層型光ディスク」という）のうち、少なくともＣＤ−Ｒを使用するためには、その分光反射率の関係で近赤外光が必要となる。そこで、ＤＶＤ用モジュール２１は、発振波長656nmまたは659nmの半導体レーザーを備え、ＣＤ用モジュール２２は、発振波長790nmの半導体レーザーを備える。
【００２１】
薄保護層型光ディスクＤ1(図中実線で示す)の使用時には、ＤＶＤモジュール２１を作動させる。対物レンズ１０は図２中に実線で示した位置に配置され、ＤＶＤモジュール２１の半導体レーザーから発した波長656nmまたは659nmのレーザー光Ｌ1は、図中実線で示したように薄保護層型光ディスクＤ1の情報記録面に集光する。他方、厚保護層型光ディスクＤ2(図中破線で示す)の使用時には、ＣＤモジュール２２を作動させる。対物レンズ１０は図中破線で示したように、相対的に光ディスクに近づいた位置に配置され、ＣＤモジュール２１の半導体レーザーから発した波長790nmのレーザー光Ｌ2は、図中破線で示したように厚保護層型光ディスクＤ2の情報記録面に集光する。各光ディスクからの反射光は、各モジュールに設けられた受光素子により受光され、フォーカシングエラー信号、トラッキングエラー信号、そして再生時には記録された情報の再生信号が検出される。
【００２２】
次に、対物レンズ１０の第１面１１に形成された回折レンズ構造の構成について説明する。
対物レンズ１０の共用領域RCに形成された回折レンズ構造は、所定の次数の回折光、実施形態では１次回折光が、短波長(656nmまたは659nm)においては薄保護層型光ディスクＤ1に対して良好な波面を形成し、長波長(790nm)においては厚保護層光ディスクＤ2に対して良好な波面を形成するよう波長依存性を有するよう設計されている。具体的には、共用領域RCの回折レンズ構造は、光ディスクの保護層の厚さの相違に基づく球面収差の変化を入射光の波長の変化により補正するような球面収差の波長依存性、すなわち、波長が長波長側に変化した際に補正不足となるような球面収差の波長依存性を有している。
【００２３】
光ディスク光学系の球面収差は、ディスク厚が厚くなるとより補正過剰となる方向に変化する。一方、薄保護層型ディスクＤ1については短波長、厚保護層型光ディスクＤ2については長波長のレーザー光が用いられる。そこで、上記のように共用領域RCの回折レンズ構造に波長が長波長側に変化した場合に球面収差が補正不足となる方向に変化する特性を持たせることにより、ディスク厚が厚くなることにより補正過剰となる球面収差を、波長が長くなることにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の波長依存性を利用して打ち消すことができる。
【００２４】
高NA専用領域REの回折レンズ構造は、共用領域RCの回折レンズ構造より球面収差の波長依存性が小さく、高NAに対応する波長(656nmまたは659nm)において薄保護層型ディスクＤ1に対して球面収差が十分補正されるよう設定されている。
【００２５】
このような構成によれば、薄保護層型ディスクＤ1の記録再生時には、共用領域RC、高NA専用領域REを透過した波長656nmまたは659nmのレーザー光が、いずれも良好に球面収差が補正された状態で薄保護層型ディスクＤ1の記録面に集光し、高NA、短波長で薄保護層型ディスクＤ1の記録密度に適合した径の小さいスポットが形成される。これに対して厚保護層型光ディスクＤ2の記録再生時には、共用領域RCを透過した波長790nmのレーザー光は、良好に球面収差が補正された状態で厚保護層型光ディスクＤ2の記録面に集光するが、高NA専用領域REを透過した波長790nmのレーザー光は、球面収差が充分に補正されないため、共用領域RCを介して形成されるスポットから離れた位置にドーナツ状に広がる。この結果、低NA、長波長で厚保護層型光ディスクＤ2の記録密度に適合した径の大きなスポットが形成される。
【００２６】
このように、対物レンズの有効径内を共用領域と高NA専用領域とに区分する場合、回折レンズ構造の設計手法には次の３通りの考え方がある。
(1) 共用領域RCと高NA専用領域REとの回折レンズ構造を共通の光路差関数で定義し、各領域のブレーズ化波長を異ならせる。
(2) 高NA専用領域REを段差のない連続面とし、ＤＶＤに対して良好な波面を形成するよう非球面形状を設定する。
(3) 高NA専用領域REにおける球面収差の波長依存性を、共用領域RCより小さく設定する(本発明)。
【００２７】
(1)の方法では、共用領域のブレーズ化波長λBを２つの光源の波長の間の波長に設定し、高NA専用領域のブレーズ化波長を短い側の波長に設定する。例えば、ＤＶＤ用の光源の発光波長を660nm、ＣＤ，ＣＤ−Ｒ用の光源の発光波長を780nmとすると、共用領域のブレーズ化波長を720nm、高NA専用領域のブレーズ化波長を660nmとする。この方法では、厚保護層型光ディスクＤ2の使用時に、高NA専用領域を透過した光束が共用領域を透過した光束と共に集光する。したがって、収差が良好に補正されていれば、スポットが小さくなりすぎて信号の再生に支障をきたし、収差が残存している場合にはスポットが広がって隣接するトラックの信号が混入(ジッターが発生)する可能性がある。このため、(1)の方法を用いる場合には、前述したように、厚保護層型光ディスクＤ2の使用時に高NAの部分を遮る絞り機構が必要となる。
【００２８】
さらに、(1)の方法で設計された対物レンズは、レンズ面の全域において波長に対する球面収差変化の感度が高いため、波長が僅かに変化するだけで波面収差が急激に劣化する。このことは、記録密度の低い厚保護層型ディスクＤ2の使用時にはさほど問題とならないが、記録密度の高い薄保護層型ディスクＤ1の使用時には、波面収差の許容量が小さいため、半導体レーザーの発光波長に対する許容幅を狭めるという問題を生じる。
【００２９】
次に、(2)の方法では、高NA専用領域REが軸上色収差を発生させ、かつ、球面収差の波長依存性も持たないため、厚保護層型ディスクＤ2の使用時には高NA専用領域REを透過した光束は軸上色収差と球面収差とを大きく発生させ、共用領域RCを透過した光束により形成されるスポットから十分に離れたところにドーナツ状にぼけて広がる。また、薄保護層型ディスクＤ1の使用時にも、レーザー光の波長が設計波長に一致していれば、収差が良好に補正された径の小さいスポットを形成することができる。
【００３０】
しかし、(2)の方法では、共用領域RCは波長の変化により球面収差を大きく変化させる回折面であるのに対し、高NA専用領域REは非回折面であるため、共用領域を透過した光束と高NA専用領域を透過した光束との波面の連続性がなく、薄保護層型ディスクＤ1の使用時にレーザー光の波長が設計波長からずれると、波面収差が急激に劣化する。したがって、この場合にも半導体レーザーの発光波長に対する許容幅を狭めるという問題を生じる。
【００３１】
そこで、本発明では(3)の方法を採用している。すなわち、全面に回折レンズ構造を形成することにより、波長が変化した際の波面の連続性を保ちつつ、高NA専用領域における球面収差の波長依存性を小さくすることにより、薄保護層型ディスクＤ1の使用時の波長変動による波面収差の劣化を防ぐことを可能としている。
【００３２】
また、高NA専用領域REの回折レンズ構造は、樹脂製の屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面収差の変化を、光源として利用される半導体レーザーの温度変化に伴う波長変化により補正するような球面収差の波長依存性を有する。樹脂レンズはガラスレンズと比較して温度変化による屈折率変化や形状変化が大きいため、それによる性能変化が問題となり易い。例えば、温度が上昇すると、樹脂レンズの屈折率は低下するため、これに伴って球面収差が補正過剰となる方向に変化し、波面収差が劣化する。樹脂レンズの温度変化に対する屈折率の変化率は、ほぼ−１０×１０-5／℃である。一方、光ヘッドの光源として用いられる半導体レーザーは、温度上昇により発振波長が長波長側にシフトする特性を有する。変化の度合いは、４０℃の上昇で＋８nm程度である。
【００３３】
そこで、高NA専用領域REの回折レンズ構造に波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足となる方向に変化するような特性を残すことにより、温度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変化を、温度上昇による半導体レーザーの長波長側への波長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができる。
【００３４】
共用領域RCの回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnC、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φC(ｈ)＝(Ｐ2Cｈ2＋Ｐ4Cｈ4＋Ｐ6Cｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φC(ｈ)により表し、高NA専用領域REの回折レンズ構造による光路長の付加量は、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数ＰnEを用いて、
φE(ｈ)＝(Ｐ2Eｈ2＋Ｐ4Eｈ4＋Ｐ6Eｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φE(ｈ)により表す。この表現形式では２次の項の係数Ｐ2C、Ｐ2Eが負の時に近軸的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ4C、Ｐ4Eが負の時に周辺に向かって正のパワーが増加し、アンダーの球面収差を発生する作用を持つこととなる。
【００３５】
実際の回折レンズ構造の微細形状は、上記の光路差関数で表わされる光路長から波長の整数倍の成分を消去することにより、フレネルレンズ状の光路長付加量を持つように決定する。すなわち、輪帯幅は、実施形態のように１次回折光を用いる場合には、輪帯の内周と外周とで光路差関数が一波長分の差を持つように決定される。また、輪帯間の段差は、入射光に１波長の光路差を与えるように決定される。
【００３６】
実施形態の光ヘッド用対物レンズは、２次及び４次の光路差関数係数が、以下の(a),(b)の関係を持つ。
(a) Ｐ2C＞Ｐ2E
(b) Ｐ4C＜Ｐ4E＜０
【００３７】
回折レンズは、分散に関して回折レンズは負のアッベ数を持つ屈折レンズと等価であるため、正の回折レンズと正の屈折レンズとを組み合わせることにより軸上色収差を補正することができ、このためには２次の光路差関数係数が負の値をとることとなる。一方、球面収差に波長が長くなるにしたがってアンダーとなる波長依存性を持たせるためには、４次の光路差関数係数は負の値をとる必要がある。
【００３８】
共用領域RCにおいては、回折レンズ構造は主として球面収差の波長依存性を実現すればよいため、４次の係数の絶対値は比較的大きくする必要があるが、２次の係数の絶対値は小さく設定される。反対に、高NA専用領域においては、回折レンズ構造は球面収差の波長依存性を小さくし、温度補償分に相当する依存性を持てば足りるため、４次の係数は負である必要はあるが、その絶対値は比較的小さいものとなる。また、高NA専用領域では、球面収差の波長依存性が減少させつつ、波長変動時における共用領域RCとの波面の連続性を保つために２次の係数の絶対値は比較的大きく設定される。したがって、２次、４次の光路差関数係数は、上記の条件(a),(b)の関係を満たすこととなる。
【００３９】
次に、回折レンズ構造の具体的な形状について説明する。図３は、対物レンズ１０の第１面１１における共用領域RCと高NA専用領域REとの境界部分を拡大して示す断面図である。回折レンズ構造は、共用領域及び高NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周が、隣接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向の段差を有する。
【００４０】
そして、共用領域RCの光路差関数との連続性を保ちつつ、４次の係数の絶対値を小さくし、かつ、２次の係数の絶対値を大きくして高NA専用領域REの光路差関数を決定すると、図３(A)に示すように、高NA専用領域REの回折レンズ構造の最も内側の輪帯の幅は、共用領域RCの回折レンズ構造の最も外側の輪帯の幅より大きくなり、かつ、高NA専用領域REの最も内側の輪帯の内周が、共用領域RCの最も外側の輪帯の外周に対してレンズが薄くなる方向(図中右方向)の段差を有することとなる。
【００４１】
実施形態のように屈折レンズの非球面上にフレネルレンズ状の回折レンズ構造を形成する場合にはリソグラフィの手法を用いることは困難であるため、精密旋盤を用いてバイトで回折レンズ構造のパターンを含む型を作成し、モールドによりパターンを転写する手法が採られる。しかし、上記のように領域の境界部のみ段差の方向が逆になると、この部分の型は両側の輪帯に対して窪んだ形状となり、例えば精密旋盤で輪帯構造の型を加工する際にエッジを加工できない可能性がある。
【００４２】
そこで、図３(B)に示すように、高NA専用領域REの内側の２つの輪帯を埋めて３つ目の輪帯を領域の境界部分まで延長してもよい。このようにすれば、回折レンズ構造の段差は、全域において方向が同一となるため、エッジの加工が容易となる。このように３つ目の輪帯を延長した形状とすると、結果的に高NA専用領域REの最も内側の輪帯は、内周と外周との光路差関数値が波長より長くなる幅広の輪帯となる。この形状では、２次、あるいは３次等の高次回折光を利用するのと等価とるため、使用波長がブレーズ化波長に一致している場合には問題ないが、波長がブレーズ化波長から外れると、回折効率が低下することとなる。ただし、この領域は薄保護層型ディスクＤ1使用時にのみスポット形成に寄与する領域であり、ブレーズ化波長と使用波長とのズレが小さいこと、及び全体の中に占める面積的な割合は僅かであることから、回折効率の低下は実用上は何ら問題とならない。
【００４３】
【実施例】
次に、上述した実施形態に基づく具体的な実施例を２例提示する。いずれも保護層の厚さが0.6mmの薄保護層型ディスクＤ1と、保護層の厚さが1.2mmの厚保護層型ディスクＤ2とに兼用される光ヘッド用の対物レンズである。なお、いずれの実施例においても、回折レンズ構造は対物レンズ１０の第１面１１に形成されており、１次回折光を光ディスクの記録面上に収束させる。
【００４４】
【実施例１】
以下の表１は、実施例１にかかる対物レンズ１０のデータを示す。実施例１の対物レンズ１０の第１面１１には、0≦h＜1.69となる共用領域と1.69≦hとなる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義される回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベースカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面は回折レンズ構造を有さない非球面である。
【００４５】
非球面の形状は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+K)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００４６】
表１では、第１面の共用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、第１面の高NA専用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する各係数、面間隔、使用波長での屈折率、そして、第２面の非球面形状を定義する各係数が示されている。表中、NA1、f1、λ1は、それぞれ薄保護層型光ディスクＤ1使用時の開口数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦点距離(単位:mm)、波長(単位:nm)であり、NA2、f2、λ2は、それぞれ厚保護層型光ディスクＤ2使用時の開口数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦点距離(単位:mm)、波長(単位:nm)である。
【００４７】
【表１】
NA1=0.60  ｆ1=3.360  λ1=656nm
NA2=0.50  ｆ2=3.384  λ2=790nm
第１面
共用領域(０＜ｈ＜1.69)
ベースカーブ
近軸曲率半径  ｒ  2.101
非球面係数
κ    -0.500
Ａ４  -1.81100×10-3
Ａ６  -2.44900×10-4
Ａ８  -1.75000×10-5
Ａ10  -3.51400×10-6
Ａ12  -2.56000×10-6
回折レンズ構造
ブレーズ化波長  720nm
輪帯間段差      1.3372μm
光路差関数係数
Ｐ2C   0.0
Ｐ4C  -1.65300
Ｐ6C  -0.15050
Ｐ8C   0.0
Ｐ10C   0.0
Ｐ12C   0.0
高NA専用領域(1.69＜ｈ＜2.02)
ベースカーブ
近軸曲率半径  ｒ  2.129
非球面係数
κ    -0.500
Ａ４  -6.72000×10-4
Ａ６  -1.46200×10-5
Ａ８  -8.69200×10-5
Ａ10   2.19000×10-5
Ａ12  -5.36100×10-6
回折レンズ構造
ブレーズ化波長  657nm
輪帯間段差      1.2154μm
光路差関数係数
Ｐ2E  -2.56044
Ｐ4E  -0.80000
Ｐ6E  -0.09000
Ｐ8E   0.0
Ｐ10E  0.0
Ｐ12E  0.0
第１面第２面間隔  ｄ  2.210
屈折率       ｎ656  1.54059
ｎ790  1.53653
第２面
近軸曲率半径  ｒ  -8.450
非球面係数
κ     0.0
Ａ４   1.60200×10-2
Ａ６  -3.26800×10-3
Ａ８   1.29900×10-4
Ａ10   3.20300×10-5
Ａ12  -3.74500×10-6
【００４８】
実施例１の回折レンズ構造の輪帯番号Ｎと各輪帯の中心側の境界点の光軸からの高さhin、外側の境界点の光軸からの高さhout、輪帯幅Ｗの関係を以下の表２に示す。光軸を含む円形の領域の輪帯番号を０とし、その外側のリング状の領域に内側から順に１，２，３，…と輪帯番号を付する。最も外側の輪帯の番号は３０である。０〜１６輪帯が共用領域RC、１７〜３０輪帯が高NA専用領域REである。
【００４９】
【表２】
Ｎ    hin〜hout    Ｗ      Ｎ    hin〜hout    Ｗ
0  0.000〜0.733  0.733    16  1.655〜1.690  0.035
1  0.733〜0.957  0.224    17  1.690〜1.738  0.048
2  0.957〜1.081  0.124    18  1.738〜1.766  0.028
3  1.081〜1.171  0.090    19  1.766〜1.793  0.027
4  1.171〜1.243  0.072    20  1.793〜1.819  0.026
5  1.243〜1.303  0.060    21  1.819〜1.844  0.025
6  1.303〜1.355  0.052    22  1.844〜1.868  0.024
7  1.355〜1.401  0.046    23  1.868〜1.891  0.023
8  1.401〜1.442  0.041    24  1.891〜1.913  0.022
9  1.442〜1.480  0.038    25  1.913〜1.934  0.021
10  1.480〜1.514  0.034    26  1.934〜1.955  0.021
11  1.514〜1.546  0.032    27  1.955〜1.975  0.020
12  1.546〜1.576  0.030    28  1.975〜1.994  0.019
13  1.576〜1.604  0.028    29  1.994〜2.013  0.019
14  1.604〜1.630  0.026    30  2.013〜2.031  0.018
15  1.630〜1.655  0.025
【００５０】
図４は、実施例１にかかる回折レンズ構造の光路差関数の値を示すグラフであり、実線が共用領域RC、破線が高NA専用領域REの値を示す。横軸が光路差、縦軸が光軸からの距離を示す。また、図５は、表２に示した輪帯幅Ｗの変化を示すグラフである。各領域で、輪帯幅は輪帯番号が大きくなるに伴い、したがって、中心からの高さが高くなるに伴って漸減するが、両領域の境界である１６，１７輪帯において一旦増加する。なお、１６輪帯は、ＮＡによって決まる切替点の高さを光路差関数の値の区切りが良い値となるように幅広の輪帯とされており、１７輪帯は図３Ｂのように段差の方向を揃えるために幅広の輪帯とされている。
【００５１】
続いて、実施例１の対物レンズ１０の性能を、対物レンズと光ディスクの保護層とを含めた光学系の収差図を用いて説明する。図６〜図８は、所定の基準温度(例えば２５℃)における薄保護層型光ディスクＤ1使用時の収差を示し、図６(A)は使用波長656nmでの球面収差SAと正弦条件SCを示すグラフ、図６(B)は651nm、656nm、661nmでの球面収差を示すグラフ、図７は651nm、656nm、661nmでの波面収差を示すグラフ、図８は651nm、656nm、661nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との関係を示すグラフである。図７によれば、共用領域を透過した光束と高NA専用領域を透過した光束との波面がほぼ連続していることが理解できる。また、図８によれば、±５nmの波長変動があっても、波面収差の最小値は0.016〜0.017λ程度に抑えられ、ベストフォーカス位置では充分に小さなスポットを形成することが理解できる。
【００５２】
図９〜図１１は、温度が基準温度から４０度上昇した際の薄保護層型光ディスクＤ1使用時における図６〜図８と同様の収差を示すグラフである。４０度の温度変化が生じても、設計使用波長656nmでの波面収差は0.010λ程度、±５nmの波長変動がある場合にも波面収差の最小値は0.020λ以下に抑えられる。
【００５３】
図１２〜図１４は、基準温度における厚保護層型光ディスクＤ2使用時の収差を示し、図１２(A)は使用波長790nmでの球面収差SAと正弦条件SCを示すグラフ、図１２(B)は785nm、790nm、795nmでの球面収差を示すグラフ、図１３は785nm、790nm、795nm での波面収差を示すグラフ、図１４は785nm、790nm、795nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との関係を示すグラフである。図６と図１２とを比較すると、保護層の厚さの違いにかかわらず、両波長で良好に球面収差が補正されていることがわかる。
【００５４】
次に、実施例１との比較のため、本発明とは異なる方法により定義された実施例１と同一仕様の対物レンズを用いた場合の薄保護層型光ディスクＤ1使用時における光学系の性能を、収差図を用いて説明する。
図１５は、前述の(1)の方法(共用領域RCと高NA専用領域REとの回折レンズ構造を共通の光路差関数で定義)による比較例１の対物レンズを用いた場合の651nm、656nm、661nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との関係を示すグラフである。±５nmの波長差により波面収差の最小値が0.02λを越えるため、半導体レーザーの個体差による波長差により、スポットを充分に小さくできない可能性がある。
【００５５】
図１６〜図１９は、前述の(2)の方法(高NA専用領域REを段差のない連続面とする)による比較例２の対物レンズを用いた場合の収差を示す。図１６及び図１７は、基準温度における収差を示し、図１６は651nm、656nm、661nmでの波面収差を示すグラフ、図１７は651nm、656nm、661nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との関係を示すグラフである。図１６によれば、共用領域を透過した光束と高NA専用領域を透過した光束との波面が不連続であることが理解できる。また、図１７によれば、±５nmの波長変動によりベストフォーカス位置が光軸方向に大きく移動し、かつ、特に長波長側へのシフトにより、波面収差の最小値が0.020λを越えることがわかる。
【００５６】
また、図１８及び図１９は、温度が基準温度に対して４０度上昇した際の図１６及び図１７と同様の収差を示すグラフである。高NA専用領域が球面収差補正効果を持たないため、４０度の温度変化による屈折率の変化により球面収差が大きくオーバーとなり、波面収差が極端に劣化する。rms値の最小値は、設計使用波長656nmにおいても0.05λを越え、スポットをＤＶＤの再生に必要な径にまで絞ることができなくなる。
【００５７】
【実施例２】
以下の表３は、実施例２にかかる対物レンズ１０のデータを示す。実施例２の対物レンズ１０の第１面１１には、0≦h＜1.62となる共用領域と1.62≦hとなる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義される回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベースカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定義される独立した非球面である。また、第２面は回折レンズ構造を有さない非球面である。
【００５８】
【表３】
NA1=0.60  ｆ1=3.214  λ1=659nm
NA2=0.50  ｆ2=3.236  λ2=790nm
第１面
共用領域(０＜ｈ＜1.62)
ベースカーブ
近軸曲率半径  ｒ 2.004
非球面係数
κ    -0.480
Ａ４  -2.09747×10-3
Ａ６  -3.84200×10-4
Ａ８  -1.85400×10-4
Ａ10   3.52100×10-5
Ａ12  -9.00000×10-6
回折レンズ構造
ブレーズ化波長  720nm
輪帯間段差      1.3400μm
光路差関数係数
Ｐ2C  -0.09161
Ｐ4C  -1.96470
Ｐ6C  -0.21942
Ｐ8C   0.0
Ｐ10C  0.0
Ｐ12C  0.0
高NA専用領域(1.62＜ｈ＜1.93)
ベースカーブ
近軸曲率半径  ｒ  2.033
非球面係数
κ    -0.48000
Ａ４  -9.02700×10-4
Ａ６  -6.75000×10-5
Ａ８  -5.56000×10-5
Ａ10  -2.73200×10-5
Ａ12  -9.40000×10-8
回折レンズ構造
ブレーズ化波長  660nm
輪帯間段差      1.2237μm
光路差関数係数
Ｐ2E  -3.00000
Ｐ4E  -1.17700
Ｐ6E   0.10970
Ｐ8E  -0.03958
Ｐ10E  0.0
Ｐ12E  0.0
第１面第２面間隔  ｄ  2.080
屈折率       ｎ659  1.54048
ｎ790  1.53653
第２面
近軸曲率半径  ｒ  -8.307
非球面係数
κ     0.0
Ａ４   2.00430×10-2
Ａ６  -7.51300×10-3
Ａ８   1.63800×10-3
Ａ10  -1.98100×10-4
Ａ12   1.02900×10-5
【００５９】
実施例２の回折レンズ構造の輪帯番号Ｎと各輪帯の中心側の境界点の光軸からの高さhin、外側の境界点の光軸からの高さhout、輪帯幅Ｗの関係を以下の表４に示す。０〜１７輪帯が共用領域RC、１８〜２９輪帯が高NA専用領域REである。
【００６０】
【表４】
Ｎ    hin〜hout    Ｗ      Ｎ    hin〜hout    Ｗ
0  0.000〜0.686  0.686    15  1.547〜1.571  0.024
1  0.686〜0.903  0.217    16  1.571〜1.594  0.023
2  0.903〜1.023  0.120    17  1.594〜1.615  0.021
3  1.023〜1.110  0.087    18  1.615〜1.697  0.082
4  1.110〜1.178  0.068    19  1.697〜1.723  0.026
5  1.178〜1.236  0.058    20  1.723〜1.749  0.026
6  1.236〜1.285  0.049    21  1.749〜1.773  0.024
7  1.285〜1.329  0.044    22  1.773〜1.795  0.022
8  1.329〜1.368  0.039    23  1.795〜1.817  0.022
9  1.368〜1.404  0.036    24  1.817〜1.838  0.021
10  1.404〜1.437  0.033    25  1.838〜1.858  0.020
11  1.437〜1.467  0.030    26  1.858〜1.877  0.019
12  1.467〜1.496  0.029    27  1.877〜1.896  0.019
13  1.496〜1.522  0.026    28  1.896〜1.914  0.018
14  1.522〜1.547  0.025    29  1.914〜1.931  0.017
【００６１】
図２０は、光路差関数の値を示すグラフであり、実線が共用領域RC、破線が高NA専用領域REの値を示す。横軸が光路差、縦軸が光軸からの距離を示す。また、図２１は、表４に示した輪帯幅Ｗの変化を示すグラフである。各領域で、輪帯幅は輪帯番号が大きくなるに伴い、したがって、中心からの高さが高くなるに伴って漸減するが、両領域の境界である１８輪帯において一旦増加する。
【００６２】
続いて、実施例２の対物レンズ１０の性能を、対物レンズと光ディスクの保護層とを含めた光学系の収差図を用いて説明する。図２２及び図２３は、基準温度における薄保護層型光ディスクＤ1使用時の収差を示し、図２２(A)は使用波長659nmでの球面収差SAと正弦条件SCを示すグラフ、図２２(B)は654nm、659nm、664nmでの球面収差を示すグラフ、図２３は654nm、659nm、664nmでの波面収差を示すグラフである。実施例２の対物レンズも、実施例１と同様に球面収差が補正され、かつ、薄保護層型光ディスクＤ1使用時の波長変動による収差の劣化が小さく、温度変化による収差変動も小さく抑えられている。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、保護層の厚さの違いに起因する球面収差の変化を、回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことができ、かつ、保護層が厚く記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−Ｒを利用する際には、高NA専用領域を透過した光束が広がるため、絞り機構等を設けなくともスポット径が必要以上に小さくなるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態にかかる対物レンズの外形を示す説明図であり、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は縦断面図、(Ｃ)は縦断面の一部拡大図である。
【図２】  実施形態にかかる対物レンズを使用した光ピックアップ装置の光学系の説明図である。
【図３】  実施形態にかかる対物レンズの回折レンズ構造の共用領域と高NA専用領域との境界部分を示す断面図である。
【図４】  実施例１にかかる回折レンズ構造の光路差関数の値を示すグラフである。
【図５】  実施例１にかかる回折レンズ構造の輪帯幅の変化を示すグラフである。
【図６】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の球面収差を示すグラフである。
【図７】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【図８】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図９】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光ディスク使用時の球面収差を示すグラフである。
【図１０】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【図１１】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図１２】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の球面収差を示すグラフである。
【図１３】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【図１４】  実施例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図１５】  比較例１の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図１６】  比較例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【図１７】  比較例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図１８】  比較例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【図１９】  比較例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。
【図２０】  実施例２にかかる回折レンズ構造の光路差関数の値を示すグラフである。
【図２１】  実施例２にかかる回折レンズ構造の輪帯幅の変化を示すグラフである。
【図２２】  実施例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の球面収差を示すグラフである。
【図２３】  実施例２の対物レンズを利用した光学系の基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  対物レンズ
１１  第１面
１２  第２面
RC  共用領域
RE  高NA専用領域
Ｄ1   薄保護層型光ディスク
Ｄ2   厚保護層型光ディスク
２１  ＤＶＤ用モジュール
２２  ＣＤ用モジュール
２３  ビームコンバイナ
２４  コリメートレンズ
【図１】
0003689328.tif 000002
【図２】
0003689328.tif 000003
【図３】
0003689328.tif 000004
【図４】
0003689328.tif 000005
【図５】
0003689328.tif 000006
【図６】
0003689328.tif 000007
【図７】
0003689328.tif 000008
【図８】
0003689328.tif 000009
【図９】
0003689328.tif 000010
【図１０】
0003689328.tif 000011
【図１１】
0003689328.tif 000012
【図１２】
0003689328.tif 000013
【図１３】
0003689328.tif 000014
【図１４】
0003689328.tif 000015
【図１５】
0003689328.tif 000016
【図１６】
0003689328.tif 000017
【図１７】
0003689328.tif 000018
【図１８】
0003689328.tif 000019
【図１９】
0003689328.tif 000020
【図２０】
0003689328.tif 000021
【図２１】
0003689328.tif 000022
【図２２】
0003689328.tif 000023
【図２３】
0003689328.tif 000024