(57)【要約】      （修正有）【課題】十分な作動距離を確保でき、色収差及び入射光束の波長変化に対する球面収差が補正され、更に、光利用効率の高い光ピックアップ装置用の光学素子、及びこの光学素子を対物レンズとして搭載した光ピックアップ装置、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。【解決手段】本発明光ピックアップ装置１０は、プラスチック製の収差補正素子４０と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるためのガラス製の集光レンズ５０と、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、回折構造７０が形成された光学面と、光路差付与構造６０が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有し、前記集光レンズは、非球面を少なくとも１つ有する１群１枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする。【選択図】図１
2005038481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるためのガラス製の集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、
前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有し、
前記集光レンズは、非球面を少なくとも１つ有する１群１枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項２】
プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるための集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、
前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有し、
前記集光レンズは、プラスチック材料中に、直径が３０ｎｍ以下の粒子を分散させた材料を用いて成形された、非球面を少なくとも１つ有する１群１枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項３】
前記集光レンズは、以下の（１）式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
｜Ａ｜＜１０×１０−５                （１）
但し、Ａは温度変化に対する前記集光レンズの屈折率の変化率であり、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長に対する前記集光レンズの屈折率ｎ、前記集光レンズの線膨張係数α、前記集光レンズの分子屈折力［Ｒ］により、次式であらわされる。
【数１】
2005038481.tif 000009
【請求項４】
前記集光レンズは、以下の（２）式を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
｜Ａ｜＜８×１０−５                    （２）
【請求項５】
前記集光レンズは、以下の（３）式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
｜Ａ｜＜６×１０−５                                （３）
【請求項６】
前記粒子は無機材料であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項７】
前記無機材料が酸化物であることを特徴とする請求項６に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項８】
前記酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする請求項７に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項９】
前記集光レンズ中における、前記プラスチック材料と前記粒子との体積比が、９：１乃至９：６の範囲内であることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１０】
前記収差補正素子は、１群１枚構成の単レンズであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１１】
Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、ＰＤ＝−２・ｂ２で定義される近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）と、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる近軸における合成パワーＰＴ（ｍｍ−１）とが、以下の（４）式を満たすことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
０．０３≦ＰＤ／ＰＴ≦０．１５                        （４）
【請求項１２】
Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、２次の光路差関数係数ｂ２以外の次数の光路差関数係数が全て０であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１３】
前記回折構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、最大有効径位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｆ（ｍｍ）と、最大有効径の５０％の位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｈ（ｍｍ）とが以下の（５）式を満たすことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
０≦｜Ｐｈ／Ｐｆ−２｜＜０．５                        （５）
【請求項１４】
Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、ＰＤ＝−２・ｂ２で定義される近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）と、前記収差補正素子の近軸における屈折パワーＰＲ（ｍｍ−１）とが、以下の（６）式を満たすことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
−１．２≦ＰＤ／ＰＲ≦−０．８                        （６）
【請求項１５】
前記光路差付与構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成され、入射光束の波長が長波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正不足方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差変化を補正し、かつ、入射光束の波長が短波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正過剰方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差変化を補正することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１６】
前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び／又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、環境温度変化に伴う発振波長変化であることを特徴とする請求項１５に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１７】
前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び／又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、製造誤差による発振波長ばらつきであることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１８】
前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する前記輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置の７５％の位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されていることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項１９】
前記光路差付与構造の前記微細な段差の光軸方向の深さをｄ（μｍ）、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ（ｎｍ）、前記収差補正素子の前記波長λに対する屈折率をｎとしたとき、以下の（７）式を満たすことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
３≦ｄ・（ｎ−１）／（λ×１０−３）≦１０                        （７）
【請求項２０】
前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ（ｎｍ）、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる開口数をＮＡとしたとき、以下の（８）及び（９）式を満たすことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
λ≦４５０ｎｍ                            （８）
０．６０≦ＮＡ≦０．９５                    （９）
【請求項２１】
前記収差補正素子と前記集光レンズは共に、波面収差がマレシャル限界内となるように収差補正されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項２２】
前記収差補正素子と前記集光レンズは、それぞれ、接合部材を介して接合されていることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
【請求項２３】
レーザー光源と、前記レーザー光源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するための対物光学系と、を有する光ピックアップ装置において、前記対物光学系として、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項２４】
請求項２３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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップ装置用の光学系、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光ディスクの高密度化に伴い、光ディスクへの記録／再生に使用される光ピックアップ装置の対物レンズは、集光スポットをより小さくするという要求からその開口数（ＮＡ）が高いものが用いられるようになっている。
例えば、波長λが４０５ｎｍの青紫色半導体レーザー光源を使用する高密度光ディスク用の光ピックアップ装置では、高密度化を達成するために開口数ＮＡが０．８５の対物レンズを用いることが提案されている。
【０００３】
開口数が０．８５の対物レンズとして、入射光束に対する屈折力を二つのレンズに分担させることで、個々のレンズの製造公差を緩和することでＮＡ０．８５を達成したガラス製の２群レンズが以下の特許文献１に記載されている。
しかし、波長４０５ｎｍのレーザー光束と、ＮＡ０．８５の対物レンズを使用する高密度ディスクでは、０．１ｍｍの厚さの保護層を採用しているので、保護層表面の傷が情報の記録／再生特性に与える影響が大きい。そのため、対物レンズの設計において作動距離を確保することは、対物レンズが光ディスクとの干渉により保護層表面を傷つけることを防ぐ上で非常に重要となる。
【０００４】
２群構成の対物レンズでは、入射光束を２つのレンズのそれぞれで屈折させて光ディスクの情報記録面上に集光させるため、光ディスクに対向する光学面を通過する際のマージナル光線の光軸からの高さが小さくなり、対物レンズから光ディスクまでの距離（作動距離）が短くなるので、対物レンズと光ディスクが干渉しやすくなる。特に、特許文献１に記載されている様なガラス製の２群対物レンズでは、その質量が大きくなるため、対物レンズが光ディスクとの干渉により保護層表面に傷を付ける可能性が非常に高くなる。
【０００５】
かかる問題に対応すべく、以下の特許文献２に記載されているような、ＮＡ０．８５のガラス製の単レンズが提案されている。
単レンズ構成とすることで、作動距離を大きく確保でき、又、軽量となるので、対物レンズと光ディスクとの干渉による保護層表面の破損を防ぐことが可能となるが、ＮＡ０．８５の単レンズでは、光源側の光学面の曲率が大きくなりがちであるので、光学面同士の光軸ずれにより容易にコマ収差が発生してしまう。そのため、ＮＡ０．８５の単レンズの生産効率を高めるためには、高屈折率ガラス材料を使用することで、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保する必要がある。
【０００６】
また、光ピックアップ装置では、一般に情報の再生時のパワーよりも記録時のレーザーパワーのほうが大きいため、再生から記録に切り替える際に出力変化によりレーザー光源の中心波長が瞬時的に数ｎｍとぶ、モードホッピングを起こす場合がある。かかるモードホッピングにより発生するフォーカス位置ずれは対物レンズをフォーカシングすることで除去できるが、対物レンズがフォーカシングするまでの数ｎｓｅｃの間は、フォーカス位置ずれによる記録不良などの不具合が生じる。このフォーカス位置ずれは光源波長が短くなるほど大きくなるので、光源波長が短くなるほどモードホッピングによる波面収差劣化は大きくなる。
【０００７】
単レンズは２群レンズと比較して、入射光束の同じ波長変化に対する色収差の発生量は大きくなる傾向があり、特に、上述のガラス製の単レンズにおいて、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保するために、高屈折率ガラス材料を使用した場合には、かかるフォーカス位置ずれがより大きくなる。これは、高屈折率ガラス材料は一般的に波長分散が大きく、かかる高屈折率ガラス材料からなる単レンズの色収差が大きくなるためである。以上の理由から、青紫色半導体レーザーを光源として使用し、対物レンズとして高屈折率ガラス製の単レンズを使用する場合には、対物レンズの色収差の補正は必須となる。
【０００８】
ところで、従来、ＣＤ、ＭＯ、ＤＶＤなどの光情報記録媒体の記録／再生用の光ピックアップ装置に用いられる対物レンズには、主にプラスチック製の単レンズが用いられている。
プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて比重が小さいため、対物レンズを駆動するアクチュエータへの負担を軽減でき、対物レンズの追従を高速に行うことができる。
また、プラスチック材料を金型で射出成形して製造されるプラスチックレンズは、所望の金型を製造よく作製することで、高精度に大量生産することが可能であり、レンズの高性能や低コスト化を図ることが可能となる。
【０００９】
従って、作動距離を大きく確保するという点で、２群構成のレンズに対して有利な高密度光ディスク用の単レンズ構成の対物レンズにおいても、軽量、且つ、安定した性能で低コストに大量生産可能なプラスチックレンズを使用するのが好ましい。
しかるに、高ＮＡの単レンズをプラスチックレンズとした場合、温度変化に伴う屈折率変化により発生する球面収差（以下、本明細書ではかかる球面収差を「温度収差」と呼ぶ）が問題となる。これは、温度変化に伴う屈折率変化において、プラスチックレンズがガラスレンズに比べて２桁程度大きいことに起因する。この温度収差は、ＮＡの４乗に比例するので、高密度光ディスクに用いられるＮＡ０．８５の対物レンズをプラスチックレンズとした場合には、使用可能な温度範囲が非常に狭くなるという問題があった。
【００１０】
このような問題に対して、プラスチック材料中に直径１０ｎｍ〜１５ｎｍの無機材料を混合することで、プラスチック材料の成形性を保持したまま、温度変化に伴う屈折率を低減した新しい光学材料（以下、本明細書では、かかる光学材料を「アサーマル樹脂」と呼ぶ）が発表された（２００３年７月４日付け日刊工業新聞）。この発表によると、温度が上昇すると屈折率が下がるプラスチック材料（この発表による例では、アクリル樹脂）に、温度が上昇すると屈折率が上昇する無機材料（この発表による例では、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５））を体積比で４：１の割合で均質に混成することで両者の屈折率の温度依存性を打ち消すことが可能となる。
このようなアサーマル樹脂を使用することで環境温度が変化しても集光性能が劣化しないＮＡ０．８５の単レンズが射出成形により大量生産することが可能となるが、依然として色収差に関する問題は残る。
【００１１】
対物レンズの色収差を簡単な構成で補正するための素子として、回折作用を利用した回折素子が公知である。青紫色半導体レーザーを光源として使用する光ピックアップ装置において、対物レンズの色収差を補正するためのかかる回折素子を備えた光ピックアップ装置が、以下の特許文献３に記載されている。
特許文献３に記載された光ピックアップ装置は、青紫色半導体レーザー光源と対物レンズとの間の平行光束中に配置された回折素子により、対物レンズの色収差を補正するものであり、半導体レーザーの波長が長くなる方向に変化した場合には、回折素子から射出されて対物レンズに向かう光束が回折作用により収斂光束となり、半導体レーザーの波長が短くなる方向に変化した場合には、発散光束となることで対物レンズの色収差が補正される。
【００１２】
尚、本明細書においては、光学素子により集光されたスポットの径が最小となる集光位置を「フォーカス位置」といい、入射光束の波長変化によるフォーカス位置の移動を「フォーカス位置ずれ」という。本明細書においては、「フォーカス位置ずれ」と「色収差」とは同義であり、入射光束の所定量の波長変化に対する光学素子の色収差に起因して発生する波面収差変化を回折限界以下となるように補正することを「色収差の補正」という。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−１２３４１０号公報
【特許文献２】
特開２００３−１１４３８３号公報
【特許文献３】
特開２００１−２５６６７２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザーの波長変化により、回折素子を透過して対物レンズに向かう光束の発散度が変化すると、対物レンズの倍率が変化するため球面収差が発生する。特に、高屈折率ガラス製の単レンズの色収差を補正するためには、回折素子を透過して対物レンズに向かう光束の、半導体レーザーの波長変化に伴う発散度変化（即ち、近軸における回折パワー）を大きく設定する必要があり、この結果、半導体レーザーの波長が変化した場合に、対物レンズの倍率変化に伴う球面収差変化がより大きくなる。
【００１５】
半導体レーザーは、環境温度の変化やアクチュエータからの放熱により温度が上昇すると、発振波長が長くなる特性を有するが、高屈折率ガラス製の単レンズの色収差の補正のために、回折素子を使用する光ピックアップ装置では、波長変化に対する球面収差変化が大きくなるため、温度変化に伴う半導体レーザーの波長変化により発生する球面収差変化は無視できない量となる。
更に、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ーは、製造誤差により個々の発振波長に±１０ｎｍ程度の波長ばらつきがある。そのため、対物レンズの波長変化に対する球面収差変化が大きいと、基準となる波長からずれた半導体レーザーを使用することを用いることができず、半導体レーザーの選別が必要となり、光ピックアップ装置の製造コストが上昇する。
【００１６】
また、前述した、アサーマル樹脂製の単レンズにおいても、回折素子により色収差を補正した場合には、やはり、環境温度の変化や個々の発振波長ばらつきにより回折素子への入射波長が変化した際の、対物レンズの倍率変化に伴う球面収差変化は無視できない量となる。
これは、倍率変化に伴う球面収差変化量がＮＡの４乗と、１／λとに比例して増大するからであり、仮に、アサーマル樹脂の波長分散が、現在において光ディスク用の光学素子の材料として使用可能なガラス材料のうち、最小の波長分散を有する材料（ｄ線におけるアッベ数が７０程度）と同等まで改善されたとしても、回折素子への入射波長が変化した際に、倍率変化に伴って発生する球面収差の補正は必要となる。
【００１７】
ここで、上述の回折素子に球面収差の波長依存性を持たせることで、波長変化に対する球面収差変化を補正することも可能であるが、入射光束の波長変化に対するフォーカス位置ずれに加えて、入射光束の波長変化に対する球面収差変化も補正する場合には、回折構造の輪帯に垂直な方向の幅が小さくなるので、成形時の転写不良による回折効率の低下や、輪帯の光軸方向の段差に入射する光束がその進路を遮断されることに伴う光利用効率の低下が懸念される。更に、輪帯の数が増大するので金型加工に要する時間が長くりなり回折素子の製造コストが上昇する。
【００１８】
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、十分な作動距離を確保でき、色収差及び入射光束の波長変化に対する球面収差が補正され、更に、光利用効率の高い光ピックアップ装置用の光学素子、及びこの光学素子を対物レンズとして搭載した光ピックアップ装置、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。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるためのガラス製の集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有し、前記集光レンズは、非球面を少なくとも１つ有する１群１枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする。
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズに持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズと光ディスクとの干渉を防ぐことが出来る。更に、回折構造により集光レンズの色収差を補正しているので、レーザーのモードホッピングにより、入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録／再生特性を維持できる。
【００２１】
また、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う半導体レーザーの波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無く、且つ、製造誤差により発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
そして、回折構造を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造を色球面収差補正用として用いることにより、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなり収差補正素子成形時の転写性が向上する。更に、収差補正素子の光学面上に、回折構造や光路差付与構造の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造に入射する光束のうち、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【００２２】
尚、入射光束煮対する屈折力のほとんどを負担する集光レンズは、製造における光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保するために、本発明による光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の発振波長における屈折率が１．５５以上のガラス材料から構成されるのが望ましい。
なお、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ーや青紫色ＳＨＧレーザー等の青紫色レーザー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ほかに、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ほかに、情報記録面上に数〜数十ｎｍの厚さの保護膜を有する光ディスクや、あるいは保護膜の厚さが０である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、青紫色レーザーを使用する光磁気ディスクも含むものとする。
【００２３】
また、本明細書においては、「収差補正素子」とは入射光束の波長変化に伴い他の光学素子で発生する波面収差変化を抑制する機能を有する光学素子を指し、「集光レンズ」とは、「収差補正素子」から射出された光束を集光し結像する機能を有する光学素子をさす。即ち、「収差補正素子」は、入射光束の波長変化に伴い「集光レンズ」で発生する波面収差変化を抑制する。
そして、「収差補正素子」と「集光レンズ」から構成される光学素子を、光ピックアップ装置において対物レンズとして使用する場合は、「収差補正素子」は集光レンズよりもレーザー光源に近い位置に配置され、「集光レンズ」は収差補正素子よりも光ディスクに近い位置に配置される。
【００２４】
また、本明細書においては、「光路差付与構造」は、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差を持って分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、入射光束の波長が所定の波長においては、隣接する輪帯を通過する波面間で入射光束の波長の整数倍の光路差を発生し、波長が前記所定の波長から変化した場合においては、隣接する輪帯を通過する波面間で発生する光路差が入射光束の波長の整数倍からずれるような特性を有する構造を指す。
かかる「光路差付与構造」の具体的な構造は、中心領域の外側に隣接する輪帯は、該中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されかつ、最大有効径位置の７５％の位置における輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されている構造である。
ここで、「中心領域」とは光軸を含み、光軸から最も近い位置の段差で囲まれる光学領域を指す。
【００２５】
また、本明細書において、「回折構造」は、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、入射光束が所定の波長である場合には、隣接する輪帯を通過する波面間で入射光の波長の整数倍の光路差を、回折作用により発生し、入射光束の波長が、前記所定の波長から変化した場合においては、隣接する輪帯を通過する波面間で発生する光路差が入射光束の波長の整数倍からずれるような特性を有する構造を指す。
かかる「回折構造」の具体的な構造は、光軸を含む断面形状が、光軸から離れるに従い、光路長が長くなるように光軸方向に変移している階段形状である構造や、光軸を含む断面形状が鋸歯形状である構造である。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるための集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも１つずつ有し、前記集光レンズは、プラスチック材料中に、直径が３０ｎｍ以下の粒子を分散させた材料を用いて成形された、非球面を少なくとも１つ有する１群１枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の（１）式を満たすことを特徴とする。
｜Ａ｜＜１０×１０−５                （１）
但し、Ａは温度変化に対する前記集光レンズの屈折率の変化率であり、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長に対する前記集光レンズの屈折率ｎ、前記集光レンズの線膨張係数α、前記集光レンズの分子屈折力［Ｒ］により、上記数１式であらわされる。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の（２）式を満たすことを特徴とする。
｜Ａ｜＜８×１０−５                    （２）
【００２９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の（３）式を満たすことを特徴とする。
｜Ａ｜＜６×１０−５                                （３）
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記粒子は無機材料であることを特徴とする。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記無機材料が酸化物であることを特徴とする。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、請求項２〜８のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズ中における、前記プラスチック材料と前記粒子との体積比が、９：１乃至９：６の範囲内であることを特徴とする。
【００３４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による光学系と同様に、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズに持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズと光ディスクとの干渉を防ぐことができる。
また、集光レンズの材料として、プラスチック材料中に、直径が３０ｎｍ以下の粒子を分散させた材料を使用することにより、プラスチック材料の成形性を保持したまま、温度変化に伴う屈折率を低減しているので、高ＮＡの単レンズでありながら、屈折率変化による球面収差変化を小さく抑えることができる。
そして、回折構造により集光レンズの色収差を補正しているので、レーザーのモードホッピングにより、入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録／再生特性を維持できる。
【００３５】
また、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う半導体レーザーの波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無く、且つ、製造誤差により発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
そして、回折構造を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造を色球面収差補正用として用いることにより、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなり収差補正素子成形時の転写性が向上する。更に、収差補正素子の光学面上に、回折構造や光路差付与構造の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造に入射する光束のうち、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【００３６】
ここで、本発明の光学系における集光レンズの屈折率の温度変化について説明する。温度変化に対する屈折率の変化率は、Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚの公式に基づいて、屈折率ｎを温度ｔで微分することにより、上記数１中のＡで表される。
一般的なプラスチック材料の場合は、数１の第１項に比べて第２項の寄与が小さいので第２項はほぼ無視出来る。たとえば、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）の場合、線膨張係数αは７×１０−５である、上式に代入すると、Ａ＝−１２×１０−５となり、実測値と概ね一致する。
【００３７】
ここで、本発明の光学系における集光レンズでは、直径が３０ｎｍ以下の微粒子プラスチック材料中に分散させることにより、実質的に上式の第２項の寄与を大きくし、第１項の線膨張による変化と打ち消しあうようにさせている。
具体的には、請求項３の発明に記載されているように、従来は−１２×１０−５程度であった温度変化に対する屈折率変化率を、絶対値で１０×１０−５未満に抑えることが好ましい。より好ましくは、請求項４の発明に記載されているように、８×１０−５未満、更に好ましくは、請求項５の発明に記載されているように、６×１０−５未満に抑えることが、集光レンズの温度変化に伴う球面収差変化を低減するうえで好ましい。
例えば、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）に、酸化二オブ（Ｎｂ２Ｏ５）の微粒子を分散させることにより、このような温度変化に対する屈折率変化の依存性を解消することが出来る。
【００３８】
母材となるプラスチック材料は、体積比で８０、酸化二オブは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技術も知られており、必要な分散状態を生じさせることが出来る。
尚、この体積比率は、温度変化に対する屈折率の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。
体積比率では、上記の例では８０：２０であるが、請求項９の発明に記載されているように、９０：１０〜６０：４０までの間で適宜調整可能である。９０：１０よりも体積比率が小さいと屈折率変化抑制の効果が小さくなり、逆に、６０：４０を超えるとアサーマル樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。
【００３９】
また、請求項６の発明に記載されているように、微粒子は無機物であることが好ましく、更に、請求項７の発明に記載されているように、酸化物であることが好ましい。そして、請求項８の発明に記載されているように、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プラスチック材料との反応を低く抑えるために好ましく、また酸化物であることによって、青紫色レーザーの長時間の照射に伴う透過率劣化や波面収差劣化を防ぐことが出来る。特に、高温下において青紫色レーザーが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であれば、酸化による透過率劣化や波面収差劣化を防ぐことが出来る
【００４０】
尚、プラスチック材料に分散させる微粒子の直径が大きいと、入射光束の散乱が生じやすくなり集光レンズの透過率が低下する。高密度光ディスクにおいて、情報の記録／再生に使用される青紫色半導体レーザーでは、長時間にわたり安定したレーザー発振を得られるレーザパワーは３０ｍＷ程度であるので、光学素子の青紫色レーザーに対する透過率が低いと、情報の記録の高速化、多層ディスク対応という観点で不利となる。従って、プラスチック材料に分散させる微粒子の直径は、好ましくは２０ｎｍ以下、更に好ましくは１０〜１５ｎｍ以下であることが集光レンズの透過率低下を防ぐうえで好ましい。
【００４１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、１群１枚構成の単レンズであることを特徴とする。
【００４２】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、ＰＤ＝−２・ｂ２で定義される近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）と、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる近軸における合成パワーＰＴ（ｍｍ−１）とが、以下の（４）式を満たすことを特徴とする。
０．０３≦ＰＤ／ＰＴ≦０．１５                        （４）
【００４３】
請求項１１に記載の発明によれば、ＰＤ／ＰＴは全系に占める回折パワーの割合、つまり軸上色収差の補正度合いを示す。この値を（４）式を満足するように定めれば軸上色収差を良好に補正出来る。
【００４４】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、２次の光路差関数係数ｂ２以外の次数の光路差関数係数が全て０であることを特徴とする。
【００４５】
請求項１２に記載の発明によれば、２次以外の光路差関数係数を全て０にすることで、回折構造で色球面収差も補正する場合に比べて、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなるので、収差補正素子成形時の転写性が向上し、回折効率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる
【００４６】
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記回折構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、最大有効径位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｆ（ｍｍ）と、最大有効径の５０％の位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｈ（ｍｍ）とが以下の（５）式を満たすことを特徴とする。
０≦｜Ｐｈ／Ｐｆ−２｜＜０．５                        （５）
【００４７】
請求項１３に記載の発明によれば、ＰｈとＰｆが（５）式を満たすことで、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが回折構造で色球面収差も補正する場合に比べて長くなるので、収差補正素子成形時の転写性が向上し、回折効率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【００４８】
請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に（ここで、ｈは光軸からの高さ（ｍｍ）、ｂ２、ｂ４、ｂ６、・・・・・・はそれぞれ、２次、４次、６次、・・・・・・の光路差関数係数である）、ＰＤ＝−２・ｂ２で定義される近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）と、前記収差補正素子の近軸における屈折パワーＰＲ（ｍｍ−１）とが、以下の（６）式を満たすことを特徴とする。
−１．２≦ＰＤ／ＰＲ≦−０．８                        （６）
【００４９】
請求項１４に記載の発明によれば、ＰＤ／ＰＲは前記収差補正素子から射出される光束の収束度を示し、（６）式の条件を満足すれば射出光はほぼ平行光になり、集光レンズの設計・製造が容易になる。
【００５０】
請求項１５に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成され、入射光束の波長が長波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正不足方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差変化を補正し、かつ、入射光束の波長が短波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正過剰方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差変化を補正することを特徴とする。
【００５１】
請求項１５に記載の発明によれば、入射光束の波長が変化した場合に前記光路差付与構造によって色球面収差が補正出来る。
【００５２】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び／又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、環境温度変化に伴う発振波長変化であることを特徴とする。
【００５３】
請求項１６に記載の発明によれば、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴い半導体レーザーの発振波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
【００５４】
請求項１７に記載の発明は、請求項１５又は１６に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び／又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、製造誤差による発振波長ばらつきであることを特徴とする。
【００５５】
請求項１７に記載の発明によれば、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、製造誤差によりレーザーの発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても、球面収差が大きくなりすぎることは無い。
【００５６】
請求項１８に記載の発明は、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する前記輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置の７５％の位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されていることを特徴とする。
【００５７】
請求項１８に記載の発明によれば、前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように変移して成形されているので、入射光束の波長が長波長側に変化した際に集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差を相殺することが出来、また、入射光束の波長が短波長側に変化した際に集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差を相殺することが出来る。
【００５８】
請求項１９に記載の発明は、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造の前記微細な段差の光軸方向の深さをｄ（μｍ）、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ（ｎｍ）、前記収差補正素子の前記波長λに対する屈折率をｎとしたとき、以下の（７）式を満たすことを特徴とする。
３≦ｄ・（ｎ−１）／（λ×１０−３）≦１０                        （７）
【００５９】
請求項１９に記載の発明によれば、ｄ・（ｎ−１）／（λ×１０−３）≦１０を満たすとき半導体レーザーの発振波長が変化したことに起因する球面収差が良好に補正出来、しかも、３≦ｄ・（ｎ−１）／（λ×１０−３）を満たすとき、前記光路差付与構造の輪帯の光軸に垂直な方向の長さが、光路差付与構造が容易に成形可能なほど確保出来、収差補正素子成形時の転写性が良く、透過率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【００６０】
請求項２０に記載の発明は、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ（ｎｍ）、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる開口数をＮＡとしたとき、以下の（８）及び（９）式を満たすことを特徴とする。
λ≦４５０ｎｍ                            （８）
０．６０≦ＮＡ≦０．９５                    （９）
【００６１】
請求項２１に記載の発明は、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子と前記集光レンズは共に、波面収差がマレシャル限界内となるように収差補正されていることを特徴とする。
【００６２】
請求項２１に記載の発明によれば、収差補正素子及び集光レンズとをそれぞれ単独で評価することが可能となるので、製造が容易となる。
【００６３】
請求項２２に記載の発明は、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子と前記集光レンズは、それぞれ、接合部材を介して接合されていることを特徴とする。
【００６４】
請求項２２に記載の発明によれば、集光レンズを収差補正素子と一体にトラッキングさせることが出来るので、入射光束が設計波長からずれた場合においてもコマ収差の発生が無く、良好なトラッキング特性を得られる。
【００６５】
請求項２３に記載の発明は、レーザー光源と、前記レーザー光源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するための対物光学系と、を有する光ピックアップ装置において、前記対物光学系として、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする。
【００６６】
請求項２４に記載の発明は、請求項２３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。
【００６７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の光ピックアップ装置１０の概略図であり、光ピックアップ装置１０は、光源としての青紫色半導体レーザー１１、偏光ビームスプリッター１２、１／４波長板１６、コリメータ１３、絞り１８、対物レンズ３０、フォーカシング／トラッキング用の２軸アクチュエータ１９、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１４、及び光検出器１５とから構成される。
なお、詳しい説明は後述するが、本発明に係る光ピックアップ装置用の光学系は、対物レンズ３０を構成する収差補正素子４０と集光レンズ５０とから成る。
青紫色半導体レーザー１１から射出された発散光束は、偏光ビームスプリッター１２を通過し、１／４波長板１６、及びコリメートレンズ１３を経て円偏光の平行光束となった後、絞り１８により光束径が規制され、対物レンズ３０によって高密度光ディスク２０の保護層２２を介して情報記録面２１上に形成されるスポットとなる。
【００６８】
情報記録面２１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３０、絞り１８、及びコリメートレンズ１３を経て収斂光束となった後、１／４波長板１６を透過することで直線偏光となり、偏光ビームスプリッター１２によって反射され、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１４を経ることにより批点収差が与えられ、光検出器１５に収束する。そして、光検出器１５の出力信号を用いて高密度光ディスク２０に記録された情報を読み取ることが出来る。
尚、波長４００ｎｍ程度のレーザー光を射出する光源として、青紫色半導体レーザーの代わりに、第二高調波発生法を利用したＳＨＧ青紫色レーザーを使用しても良い。
【００６９】
対物レンズ３０は、青紫色半導体レーザー１１から発したレーザー光を高密度光ディスク２０（例えば、ブルーレイディスク）の保護層２２を介して情報記録面２１上に集光させる機能を有し青紫色半導体レーザー１１側に配置されたプラスチック製の収差補正素子４０と、高密度光ディスク２０側に配置されたガラス製の集光レンズ５０とから構成される。収差補正素子４０と集光レンズ５０とを組み合わせて得られるＮＡは０．８５である。
更に、収差補正素子４０と集光レンズ５０、接合部材８０を用い接合されていることで、収差補正素子４０と集光レンズ５０は一体となってフォーカシングやトラッキングを行う。
【００７０】
図２に示すように、対物レンズ３０は、物体側から順に配置されたプラスチック製の収差補正素子４０とガラス製の集光レンズ５０、接合部材８０とにより構成されている。
集光レンズ５０は、非球面を少なくともひとつ（本実施の形態においては入射面５１と出射面５２の２面）有する一群一枚構成の屈折単レンズである。
収差補正素子４０は、図３に示すように、その入射面４１の光軸近傍の形状が平面状で、出射面４２が凹面状とされた光学素子であり、入射面４１には光路差付与構造６０が形成され、出射面４２には回折構造７０が形成されている。
【００７１】
本発明の実施の形態における収差補正素子４０では、その入射面４１に、光路差付与構造６０を形成し、射出面４２に回折構造７０を形成する構成としたが、これとは逆に、入射面４１に回折構造７０を形成し、出射面４２に光路差付与構造６０を形成しても良い。また、入射面４１又は出射面４２のいずれか一方の光学面に光路差付与構造６０を形成し、さらに光路差付与構造６０の各輪帯上に、回折構造７０を形成しても良い。又凹面上とされた光学面に光路差付与構造６０を形成し、かつ平面状とされた光学面に回折構造７０を形成しても良い。
【００７２】
図３に示すように、光路差付与構造６０は、光軸Ｌを含むと共に光軸Ｌに直交する平面からなる中心領域６１と、この中心領域６１の外側に形成される複数の輪帯６２とから構成される。
各輪帯６２は光軸Ｌを中心とした同心円状に形成されており、その内周縁部分と外周縁部分とが光軸Ｌ方向に伸びる微細な段差６３により分割されている。
複数の輪帯６２の内、中心領域６１の外側に隣接する輪帯（輪帯６２ａ）は、中心領域６１に対して光路長が短くなるように、つまり光軸Ｌ方向に沿って光ディスク２０側に変移して成形されており、光学面の最大有効径Ｄ１に相当する位置の輪帯（輪帯６２ｂ）は、その内側に隣接する輪帯６２（ｃ）に対して光路長が長くなるように、つまり光軸Ｌ方向沿って光源１１側に変移しており、最大有効径Ｄ１の７５％に相当する位置の輪帯６２（ｄ）は、その内側に隣接する輪帯６２（ｅ）とその外側に隣接する輪帯６２（ｆ）とに対して光路長が短くなるように光軸Ｌ方向に沿って光ディスク２０側に変移して形成されている。
【００７３】
図４は、本実施の形態の光ピックアップ装置１０’の概略図であり、光ピックアップ装置１０’は、光源としての青紫色半導体レーザー１１、偏光ビームスプリッター１２、１／４波長板１６、コリメータ１３、絞り１８、対物レンズ３０’、フォーカシング／トラッキング用の２軸アクチュエータ１９、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１４、及び光検出器１５とから構成される。
なお、詳しい説明は後述するが、本発明に係る光ピックアップ装置用の光学系は、対物レンズ３０’を構成する収差補正素子４０’と集光レンズ５０’とから成る。
青紫色半導体レーザー１１から射出された発散光束は、偏光ビームスプリッター１２を通過し、１／４波長板１６、及びコリメートレンズ１３を経て円偏光の平行光束となった後、絞り１８により光束径が規制され、対物レンズ３０によって高密度光ディスク２０の保護層２２を介して情報記録面２１上に形成されるスポットとなる。
【００７４】
情報記録面２１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３０’、絞り１８、及びコリメートレンズ１３を経て収斂光束となった後、１／４波長板１６を透過することで直線偏光となり、偏光ビームスプリッター１２によって反射され、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１４を経ることにより非点収差が与えられ、光検出器１５に収束する。そして、光検出器１５の出力信号を用いて高密度光ディスク２０に記録された情報を読み取ることが出来る。
尚、波長４００ｎｍ程度のレーザー光を射出する光源として、青紫色半導体レーザーの代わりに、第二高調波発生法を利用したＳＨＧ青紫色レーザーを使用しても良い。
【００７５】
対物レンズ３０’は、青紫色半導体レーザー１１から発したレーザー光を高密度光ディスク２０（例えば、ブルーレイディスク）の保護層２２を介して情報記録面２１上に集光させる機能を有し青紫色半導体レーザー１１側に配置されたプラスチック製の収差補正素子４０’と、高密度光ディスク２０側に配置されたアサーマル樹脂製の集光レンズ５０’とから構成される。収差補正素子４０’と集光レンズ５０’とを組み合わせて得られるＮＡは０．８５である。
更に、収差補正素子４０’と集光レンズ５０’、接合部材８０を用い接合されていることで、収差補正素子４０’と集光レンズ５０’は一体となってフォーカシングやトラッキングを行う。
【００７６】
集光レンズ５０’は、非球面を少なくともひとつ（本実施の形態においては入射面５１と出射面５２の２面）有する一群一枚構成のアサーマル樹脂製の屈折単レンズである。
収差補正素子４０’は、その入射面の光軸近傍の形状が平面状で、射出面が凹面状とされた光学素子であり、入射面４１には回折構造７０が形成され、出射面４２には光路差付与構造６０が形成されている。
【００７７】
本発明の実施の形態における収差補正素子４０’では、その入射面４１に回折構造７０を形成し、出射面４２に光路差付与構造６０を形成する構成としたが、これとは逆に、入射面４１に光路差付与構造６０を形成し、出射面４２に回折構造７０を形成しても良い。また、入射面４１又は出射面４２のいずれか一方の光学面に光路差付与構造６０を形成し、更に光路差付与構造６０の各輪帯上に、回折構造７０を形成しても良い。
尚、本実施の形成における収差補正阻止４０’に形成された光路差付与構造６０、及び回折構造７０の構成及び機能は、前述した収差補正素子４０の光路差付与構造６０及び回折構造７０と同じであるので詳細な説明は割愛する。
【００７８】
そして、青紫色半導体レーザー１１からの出射光束は、収差補正素子４０の入射面４１において、各輪帯６２を通過する際に、輪帯６２の中心領域６１からの変位量（段差６３の光軸Ｌ方向の長さ）に応じた光路差が付与され、各光束に位相差が生じるようになっている。
【００７９】
そして、青紫色半導体レーザー１１の発振波長が収差補正素子４０の設計波長と同じである場合には、各輪帯６２を通過した光束の位相が情報記録面２１上でほぼ揃うように各光束に対して光路差が付与され、青紫色半導体レーザーの発振波長が収差補正素子４０の設計波長より長い場合には、透過波面の球面収差が補正不足方向に変化するような光路差を隣接する各輪帯６２間で発生することで、集光レンズ５０で発生する補正過剰方向への球面収差の変化を補正するようになっている。同様に、青紫色半導体レーザーの発振波長が収差補正素子４０の設計波長より短い場合には、透過波面の球面収差が補正過剰方向に変化するような光路差を隣接する各輪帯６２間で発生することで、集光レンズ５０で発生する補正不足方向への球面収差の変化を補正するようになっている。
【００８０】
回折構造７０は、光軸Ｌを含む中心領域７１と中心領域７１の外側に光軸Ｌ方向の微細な段差７４を持って分割された複数の輪帯７２（回折輪帯）から構成され、各回折輪帯７２の光軸Ｌを含む断面形状が階段形状に凹面７３上に形成されている。
そして、Φｂ＝ｂ２・ｈ２＋ｂ４・ｈ４＋ｂ６・ｈ６＋・・・で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）により、回折構造７０を透過する波面に付加される光路差を表した場合に、ＰＤ＝−２・ｂ２で定義される近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）と、収差補正素子４０と集光レンズ５０とを組み合わせて得られる近軸における合成パワーＰＴ（ｍｍ−１）とが（４）式を満たすことにより、回折構造７０が入射光束の波長変化に伴って集光レンズ５０で発生する軸上色収差を補正するようになっている。
０．０３≦ＰＤ／ＰＴ≦０．１５                        （４）
但し、ｈは光軸Ｌからの高さ（ｍｍ）、ｂ２，  ｂ４，  ｂ６，…はそれぞれ２次、４次、６次…の光路差関数係数を示す。
また、収差補正素子の近軸における屈折パワー（ｍｍ−１）と回折構造７０の近軸における回折パワーＰＤ（ｍｍ−１）とが（６）式を満たすように収差補正素子の射出面４２と回折構造７０が設計されている。
−１．２≦ＰＤ／ＰＲ≦−０．８                        （６）
【００８１】
また、最大有効径Ｄ２の位置における回折輪帯７２ａの光軸Ｌに垂直な方向の幅Ｐｆ（ｍｍ）と、最大有効径Ｄ２の５０％の位置における輪帯７２ｂの光軸Ｌに垂直な方向の幅Ｐｈ（ｍｍ）とが（５）式を満たすよう回折構造７０が設計されている。
０≦｜Ｐｈ／Ｐｆ−２｜＜０．５                        （５）
【００８２】
以上のように、本実施の形態に示した対物レンズ系３０によれば、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズ５０に持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズ系３０と光ディスクの保護層２２との干渉を防ぐことが出来る。
更に、回折構造７０により集光レンズ５０の色収差を補正しているので、青紫色レーザー１１のモードホッピングにより入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録／再生特性を維持出来る。
【００８３】
また、光路差付与構造６０により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う青紫色半導体レーザー１１の発振波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無い。そして、回折構造７０を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造６０を色球面収差補正用として用いることにより、最大有効径Ｄ２の位置における回折輪帯輪帯７２ａの光軸Ｌに垂直な方向の幅Ｐｆ（ｍｍ）が長くなり、収差補正素子４０を成形するときの転写性が向上する。
更に、収差補正素子４０の光学面上に、回折構造７０や光路差付与構造６０の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造７０に入射する光束の内、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【００８４】
なお、図示は省略するが、上述した光ピックアップ装置１０及び１０´に、光ディスク２０を回転自在に保持する回転駆動装置やこれら各種装置の駆動を制御する制御装置等を組み合わせることで、光ディスク２０に対する情報の記録及び光ディスク２０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できる。
【００８５】
また、本実施の形態においては、光ピックアップ装置１０及び１０´が１つのレーザ光源１１を備え、１種類の規格（或いは、記録密度）の光ディスク（本実施の形態においては、高密度光ディスク２０）に対して用いられるものとしたが、これに限らず、２つ以上の光源を用いて、２種類以上の規格の光ディスク間での互換性を有する光ピックアップ装置の構成としてもよい。
【００８６】
【実施例】
次に、上述した対物レンズ系の実施例について説明する。本実施例における光学系は焦点距離ｆ＝１．７６５ｍｍ，近軸パワーＰＴ＝０．５６７ｍｍ−１、開口数ＮＡ＝０．８５、設計波長λ＝４０５ｎｍ、設計基準温度Ｔ＝２５℃に設定されている。
収差補正素子は、第１面（入射面）が平面で、第２面（出射面）が凹レンズのプラスチック製レンズであり、第１面に光路差付与構造、第２面に回折構造（回折輪帯が階段形状）が形成されている。最大有効径位置での回折輪帯幅Ｐｆ＝６．７５μｍ、最大有効径の５０％の位置での回折輪帯幅Ｐｈ＝１３．５μｍである。
また、集光レンズは、両面（第３面及び第４面）が非球面のガラス製レンズであり、焦点距離ｆ＝１．７６５ｎｍ、倍率ｍ＝０、開口数ＮＡ＝０．８５に設定されている。表１に収差補正素子及び集光レンズの曲率半径ｒ、第Ｉ面から第ｉ＋１面までの光軸Ｌ方向の位置ｄ、設計波長４０５ｎｍにおける屈折率をｎ４０５、４０６ｎｍにおける屈折率をｎ４０６、４１０ｎｍにおける屈折率をｎ４１０、ｄ線のアッベ数をνｄで表す。
【００８７】
【表１】
2005038481.tif 000003
また、集光レンズの非球面は、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、次の数２に表２中の係数を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。
【００８８】
【数２】
2005038481.tif 000004
【表２】
2005038481.tif 000005
【００８９】
また、収差補正素子の回折構造は、この回折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、光軸に垂直な方向の高さをｈ（ｍｍ）、ｂ２ｊを光路差関数係数とするとき次の数３で定義される光路差関数Φｂ（ｍｍ）に表３中の係数を代入した数式で表される。
【００９０】
【数３】
2005038481.tif 000006
【表３】
2005038481.tif 000007
【００９１】
また、光路差付与構造の各輪帯の形状は、表４で表される。
【表４】
2005038481.tif 000008
【００９２】
表４中のｉは光路差付与構造の中心領域及び各輪帯の番号を表し、光軸を含む中心領域をｉ＝１、中心領域の外側（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、本実施例における対物レンズの収差補正素子には、中心領域の外側に４本の輪帯が形成されている。そして、ｈｉ−１と、ｈｉはそれぞれ中心領域及び各輪帯の始点高さ、終点高さを示す。ｍｉｄは中心領域に対する各輪帯の光軸方向の変移量（光源から光ディスク方向に向かって変移する場合を正とする）を表す。例えば、中心領域の外側に隣接する輪帯（ｉ＝２）は、中心領域に対して光ディスク側に３．８６μｍ変移している。また、ｍｉは、設計基準波長４０５ｎｍにおいて、各輪帯を透過する光束に付与される中心領域を透過する拘束に対する光路差を表し、たとえば中心領域の外側に隣接する輪帯（ｉ＝２、ｍ＝５）を透過する光束は、中心領域を透過する光束に対して５λ（但し、λ＝４０５ｎｍ）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。
【００９３】
入射光束の波長が設計基準波長４０５ｎｍから４１０ｎｍに変化した場合における波面収差は０．０１２λｒｍｓとなった。また、青紫色半導体レーザーのモードホッピングにより、本実施例における対物レンズに対する入射光束の波長が、設計波長の４０５ｎｍから４０６ｎｍになった場合の波面収差のデフォーカス成分は０．０２４λｒｍｓとなった。
また、本実施例の対物レンズ系において、収差補正素子除いた対物レンズのみに対して、入射光束の波長が、設計波長の４０５ｎｍから４０６ｎｍになった場合の波面収差のデフォーカス成分は０．１１１λｒｍｓとなった。
これにより、上記実施例ではガラス製対物レンズのみのときに比べ、収差補正素子の回折構造の作用により、軸上色収差が補正されていることが分る。
【００９４】
【比較例】
次に、上記実施例における光路差付与構造の球面収差補正効果を説明する。比較例として、上記実施例の収差補正素子の第１面に形成した光路差付与構造が無い場合を考える。
【００９５】
この比較例において、入射光束の波長が設計基準波長４０５ｎｍから４１０ｎｍに変化した場合における波面収差は０．０５８λｒｍｓとなった。
これにより上記実施例の対物レンズ系では、光路差付与構造の作用により、入射光の波長が変化したときに発生する球面収差が良好に補正されていることが分る。
【００９６】
【発明の効果】
本発明によれば、十分な作動距離を確保出来、更に色収差及び入射光束の波長が変化した際の球面収差を補正出来、光利用効率の高いピックアップ装置用の光学素子、及びこの光学素子を対物レンズとして搭載した光ピックアップ装置、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が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
【図２】本発明に係る光学系の構成を示す横断面図である。
【図３】回折構造及び光路差付与構造を示す横断面図である。
【図４】本発明に係る光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０    光ピックアップ装置
４０    収差補正素子
５０    集光レンズ
６０    光路差付与構造
６１    中心領域
６２    輪帯
７０    回折構造
７１    中心領域
７２    輪帯
８０    接合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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