(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、使用される複数の波長のうち、短波長の光に対する回折効率が最大となる回折次数が３次、長波長の光に対する回折効率が最大となる回折次数が２次であり、前記短波長の光の波長が４００ｎｍ付近、前記長波長の光の波長が６５０ｎｍ付近および７８０ｎｍ付近であることを特徴とする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、使用波長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が形成された対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、使用波長が異なる複数の規格がある。例えば、ＣＤ(コンパクトディスク)、ＣＤ−Ｒの使用波長は７８０ｎｍ付近であるのに対し、ＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)の使用波長は６５０ｎｍ付近である。また、近時、ＤＶＤより記録密度の高い光ディスク、いわゆるＨＤ−ＤＶＤという規格が提案されている。ＨＤ−ＤＶＤでは、高記録密度化のため使用波長はより短波長となり、４００ｎｍ付近の光束が用いられる。光源の発光波長のバラツキを考えると、いずれの波長においても色収差は小さいほど望ましいが、特に４００ｎｍ付近の短波長域では、レンズ材料の波長分散が大きくなるため、色収差の補正が必須となる。
【０００３】
色収差を補正するためには、分散の異なる複数のレンズを組み合わせる方法と、屈折レンズの表面に回折レンズ構造を形成する方法とがあるが、後者の方法による方が、コスト、重量、サイズを抑えることができ、光ピックアップの対物レンズとしては望ましい。
【０００４】
【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により回折効率が異なるため、ＨＤ−ＤＶＤを含めた２種、または３種の波長での利用を考えると、使用波長の幅がかなり大きくなるため、いずれかの波長で回折効率が低下して光量損失が大きくなるという問題がある。
また、屈折材料の分散(dn/dλ)はＤＶＤで使われる赤色650nmと比べ400nm付近で数倍に大きくなるのに対し、回折レンズのパワーは波長に比例するため、400nm近傍で色収差を補正した場合650nmでは過剰な色収差補正のため書き込み系に使えなくなるという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、使用波長の幅が比較的大きい場合にも、回折効率の低下を防ぎつつ、色収差を補正することができる光ヘッド用対物レンズを提供することを目的とする。
【０００６】
【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輪帯から成る回折レンズ構造とを有する構成において、使用される複数の波長のうち、短波長の光に対する回折効率が最大となる回折レンズ構造の回折次数が３次、長波長の光に対する回折効率が最大となる回折次数が２次であることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、短波長、長波長のいずれの波長域でも色収差を補正することができ、かつ、波長差が比較的大きい場合にも、両波長域で高い回折効率を維持することができ、光量損失を抑えることができる。
【０００８】
また、短波長の光の波長をＨＤ−ＤＶＤの使用波長である４００ｎｍ付近とし、長波長の光の波長をＤＶＤの使用波長である６５０ｎｍ付近およびＣＤ，ＣＤ−Ｒの使用波長である７８０ｎｍ付近とすると、それぞれの波長域で３次、２次の回折効率を最大にすることができる。
【０００９】
【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、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ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の記録面上に収束させる機能を有している。
【００１０】
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、一方のレンズ面１１に図１(Ａ)に示したように光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。回折レンズ構造は、ＨＤ−ＤＶＤの使用波長においては３次光の回折効率が最大となり、ＤＶＤの使用波長においては２次光の回折効率が最大となるよう設計されている。
【００１１】
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、ＨＤ−ＤＶＤ用モジュール２１、ＤＶＤ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。
【００１２】
ＨＤ−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４００ｎｍ付近の青色光が必要とされ、ＤＶＤには、波長６５０ｎｍ付近の赤色光が使用される。そこで、ＨＤ−ＤＶＤ用モジュール２１は、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザーを備え、ＤＶＤ用モジュール２２は、発振波長６５７ｎｍの半導体レーザーを備える。
【００１３】
ＨＤ−ＤＶＤ(図中実線で示す)の使用時には、ＨＤ−ＤＶＤモジュール２１を作動させる。ＨＤ−ＤＶＤモジュール２１の半導体レーザーから発した波長４０５ｎｍのレーザー光は、図中実線で示したようにＨＤ−ＤＶＤの情報記録面に集光する。他方、ＤＶＤ(図中破線で示す)の使用時には、ＤＶＤモジュール２２を作動させる。ＤＶＤモジュール２３の半導体レーザーから発した波長６５７ｎｍのレーザー光は、図中破線で示したようにＤＶＤの情報記録面に集光する。
【００１４】
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Ｐn、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ2ｈ2＋Ｐ4ｈ4＋Ｐ6ｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表すことができる。光路差関数φ(ｈ)は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路差を示す。この表現形式では２次の項の係数Ｐ2が負の時に近軸的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ4が正の時に周辺に向かって負のパワーが漸増することとなる。
【００１５】
【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３例提示する。実施例１，２は、いずれも使用波長４００ｎｍ付近のＨＤ−ＤＶＤと、使用波長６５０ｎｍ付近のＤＶＤとの２種類の光ディスクに兼用される光ヘッド用の対物レンズ、実施例３は、更に使用波長７８０ｎｍ付近のＣＤ，ＣＤ−Ｒを加えた３種類の光ディスクに兼用される光ヘッド用対物レンズである。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、３次回折光をＨＤ−ＤＶＤ用、２次回折光をＤＶＤおよびＣＤ，ＣＤ−Ｒ用に利用している。
【００１６】
【実施例１】
図３は、実施例１にかかる対物レンズ１０と光ディスクＨＤ−ＤＶＤ(実線)，ＤＶＤ(破線)とを示すレンズ図である。実施例１では、ＨＤ−ＤＶＤの保護層の厚さをＤＶＤと等しい０．６ｍｍに設定している。
【００１７】
実施例１の具体的な数値構成は表１に示されている。面番号１、２が対物レンズ１０、面番号３、４が媒体である光ディスクの保護層を示している。表中、f1，NA1，λ1，d01は、それぞれＨＤ−ＤＶＤ使用時の焦点距離、開口数、設計波長、物体距離であり、f2，NA2，λ2，d02は、それぞれＨＤ−ＤＶＤ使用時の同様の値である。また、ｒは各面の巨視的な近軸曲率半径(単位:mm)、ｄ1はＨＤ−ＤＶＤ使用時のレンズ厚またはレンズ間隔(単位:mm)、ｄ2はＤＶＤ使用時のレンズ厚またはレンズ間隔(単位:mm)、ｎdは各レンズのd-line(588nm)での屈折率、νdはアッベ数である。
【００１８】
【表１】
0004610118.tif 000002
【００１９】
対物レンズ１０の第１面１１のベースカーブ(回折レンズ構造を除いた巨視的な形状)および第２面１２は、光軸回りに回転対称な非球面であり、そ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
【００２０】
非球面を規定する円錐係数と非球面係数は表２、そして回折レンズ構造を規定する光路差関数係数は表３に示される。有効径h=2.0の内側では、回折レンズ構造の輪帯の段差の基準値は0.00225mmである。段差の基準値は、輪帯段差部分のベースカーブの法線に対して光線が平行に入射する場合のベースカーブ法線方向の段差である。輪帯段差は光線の入射角度により変化させる必要があり、全ての輪帯で同じにはならない。
【００２１】
【表２】
0004610118.tif 000003
【００２２】
【表３】
0004610118.tif 000004
【００２３】
上記の構成によると、各波長の各次数での回折効率は、以下の表４に示される通りとなる。光路差比は、輪帯間の段差により与えられる光路差の波長に対する比であり、(ｎ−１)ｄ/λで求められる。光路差比の値が整数に近いほど、当該整数で表される次数への分配光量が大きくなる。ＨＤ−ＤＶＤに対する３次光の効率が約９６％、ＤＶＤに対する２次光の効率が約９３％となり、いずれも高い効率を確保することができる。
【００２４】
【表４】
0004610118.tif 000005
【００２５】
図４は、実施例１の対物レンズの球面収差により表される色収差のグラフであり、(Ａ)はＨＤ−ＤＶＤ使用時の４０５ｎｍ，３９５ｎｍ，４１５ｎｍ，４００ｎｍ，４１０ｎｍにおける球面収差、(Ｂ)はＤＶＤ使用時の６５７ｎｍ，６４７ｎｍ，６６７ｎｍ，６５２ｎｍ，６６２ｎｍにおける球面収差の値をそれぞれ示している。各グラフの縦軸は開口数、横軸は収差量(単位：ｍｍ)を示す。
【００２６】
【実施例２】
図５は、実施例２にかかる対物レンズ１０と光ディスクＨＤ−ＤＶＤ(実線)，ＤＶＤ(破線)とを示すレンズ図である。実施例２では、ＨＤ−ＤＶＤの保護層の厚さを０．７ｍｍに設定している。実施例２の具体的な数値構成は表５に示されている。
【００２７】
【表５】
0004610118.tif 000006
【００２８】
非球面を規定する円錐係数と非球面係数は表６、そして回折レンズ構造を規定する光路差関数係数は表７に示される。有効径h=1.9の内側では、回折レンズ構造の各輪帯の段差は0.00225mmである。
【００２９】
【表６】
0004610118.tif 000007
【００３０】
【表７】
0004610118.tif 000008
【００３１】
上記の構成によると、各波長の各次数での回折効率は、表４に示した実施例１と同一になる。ＨＤ−ＤＶＤに対する３次光の効率が約９６％、ＤＶＤに対する２次光の効率が約９３％となり、いずれも高い効率を確保することができる。
【００３２】
図６は、実施例２の対物レンズの球面収差により表される色収差のグラフであり、(Ａ)はＨＤ−ＤＶＤ使用時の４０５ｎｍ，３９５ｎｍ，４１５ｎｍ，４００ｎｍ，４１０ｎｍにおける球面収差、(Ｂ)はＤＶＤ使用時の６５７ｎｍ，６４７ｎｍ，６６７ｎｍ，６５２ｎｍ，６６２ｎｍにおける球面収差の値をそれぞれ示している。
【００３３】
【実施例３】
図７は、実施例３にかかる対物レンズ１０と光ディスクＨＤ−ＤＶＤ(実線)，ＤＶＤ(破線)，ＣＤ(二点差線)とを示すレンズ図である。実施例３では、ＨＤ−ＤＶＤの保護層の厚さを０．４３ｍｍに設定している。実施例３の具体的な数値構成は表８に示されている。表中、f3，NA3，λ3，d03，ｄ3は、それぞれＣＤ使用時の焦点距離、開口数、設計波長、物体距離、レンズ厚またはレンズ間隔(単位:mm)である。
【００３４】
【表８】
0004610118.tif 000009
【００３５】
非球面を規定する円錐係数と非球面係数は表９、そして回折レンズ構造を規定する光路差関数係数は表１０に示される。回折レンズ構造の各輪帯の段差は、h<1.5の領域では0.00245mm、1.5<h<1.9の領域では0.00225mmである。
【００３６】
【表９】
0004610118.tif 000010
【００３７】
【表１０】
0004610118.tif 000011
【００３８】
上記の構成によると、h<1.5の領域における各波長の各次数での回折効率は表１１に示す通りであり、1.5<h<1.9の領域における各波長の各次数での回折効率は表４に示した実施例１と同一の値となる。ＨＤ−ＤＶＤに対する３次光の効率が約７３％、ＤＶＤに対する２次光の効率が約９７％、ＣＤに対する２次光の効率が約７１％となり、いずれも高い効率を確保することができる。
【００３９】
【表１１】
0004610118.tif 000012
【００４０】
図８は、実施例３の対物レンズの球面収差により表される色収差のグラフであり、(Ａ)はＨＤ−ＤＶＤ使用時の４０５ｎｍ，３９５ｎｍ，４１５ｎｍ，４００ｎｍ，４１０ｎｍにおける球面収差、(Ｂ)はＤＶＤ使用時の６５７ｎｍ，６４７ｎｍ，６６７ｎｍ，６５２ｎｍ，６６２ｎｍにおける球面収差、(Ｃ)はＣＤ使用時の７８０ｎｍ，７７０ｎｍ，７９０ｎｍ，７７５ｎｍ，７８５ｎｍにおける球面収差の値をそれぞれ示している。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、使用波長が異なる複数種類の光ディスクに対し、異なる次数の回折光を利用することにより、各使用波長における色収差を抑えつつ、回折効率を高く保つことができ、光量の損失を抑えることができる。
【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】  実施例１の対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図である。
【図４】  実施例１の対物レンズの各使用波長付近での色収差を示すグラフである。
【図５】  実施例２の対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図である。
【図６】  実施例２の対物レンズの各使用波長付近での色収差を示すグラフである。
【図７】  実施例３の対物レンズと光ディスクとを示すレンズ図である。
【図８】  実施例３の対物レンズの各使用波長付近での色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
２１  ＨＤ−ＤＶＤ用モジュール
２２  ＤＶＤ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】
0004610118.tif 000013
【図２】
0004610118.tif 000014
【図３】
0004610118.tif 000015
【図４】
0004610118.tif 000016
【図５】
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【図６】
0004610118.tif 000018
【図７】
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【図８】
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