(57)【要約】【課題】環境湿度が生じても、変形を低減した波面精度の良い樹脂製の回折光学素子を実現する。【解決手段】収差補正素子５０１の外形形状を、回折領域５０２ａと平坦部５０２ｂとの境界と同様の円形状とする。また円形状として円形に近似した多角形を含み、６角形においても同様である。この構造により、収差補正素子５０１として用いられるＰＭＭＡ等の樹脂が、吸湿性によって形状変形したり、屈折率，透過率の光学特性が変動したりすることを防ぎ、環境湿度が変化しても、うねり等の変形を低減した波面精度の良い光学素子を実現する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に対して垂直方向の面を持ち、光束が通過する光線有効径内において前記光軸と同軸の同心円状で２つ以上の領域に分割し、前記分割した領域の少なくとも１つに前記垂直方向の面上で断面が凹凸形状となる回折構造を有する光学素子であって、
樹脂材料により構成するとともに、前記光軸と同軸の円形状または円形に近似した多角形状の外形形状としたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記外形形状を円形の板状としたことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記回折構造を光軸と同軸の同心円状に複数形成したことを特徴とする請求項１または２記載の光学素子。
【請求項４】
前記回折構造の断面を矩形形状としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記回折構造の断面を階段形状としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記回折構造を表裏の両面に形成し、光軸と同軸の同心円状で２つ以上に分割した領域の前記同心円の半径がそれぞれの面で異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
基板厚の異なる２種類以上の光記録媒体に情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光ピックアップにおいて、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子と、波長の異なる第１，第２の光源と、第１の光記録媒体の記録面上に光束を集光する前記第１の光源波長で最適化した対物レンズとを備え、前記光学素子に有する回折構造からの回折光により前記第２の光源からの光束が第２の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差を補正することを特徴とする光ピックアップ。
【請求項８】
基板厚の異なる３種類以上の光記録媒体に情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光ピックアップにおいて、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子と、波長の異なる第１，第２，第３の光源と、第１の光記録媒体の記録面上に光束を集光する前記第１の光源波長で最適化した対物レンズとを備え、前記光学素子の両面に形成した前記回折構造からのそれぞれの回折光により、前記第２の光源からの光束が第２の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差、および前記第３の光源からの光束が第３の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差のそれぞれを補正することを特徴とする光ピックアップ。
【請求項９】
光記録媒体の記録面に光束を照射して情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光情報処理装置において、
請求項７または８記載の光ピックアップを備えたことを特徴とする光情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂で形成された光学素子に関するものであり、環境湿度が変化しても変形しない光学素子とこれを用いる光ピックアップおよび光情報処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光ピックアップ、光情報処理装置は、より短波長の半導体レーザーからの光束を用いて、高密度な情報の記録および／または再生を可能としたものが開発されている。例えば、光源の発振波長λが４０５ｎｍ程度の青紫色半導体レーザーを光源とし、開口数（以下、ＮＡという）が０．８５の対物レンズを用いたシステムの開発が進んでいる。これは現行のＤＶＤ（ＮＡ＝０．６，λ＝６６０ｎｍ）の記録容量４．７ＧＢに対して、例えばＮＡ＝０．８５，λ＝４０５ｎｍでは、２５ＧＢ程度の情報の記録が可能となる。
【０００３】
また、そ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，ＤＶＤ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。３つの異なる記録媒体を共用してそれぞれ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、例えば１つの回折面を用いて、波長λ１の光束による次世代ＤＶＤ、波長λ２の光束による従来のＤＶＤ、および波長λ３の光束によるＣＤのそれぞれについて、互換性のあるようにしたものが提案されている。そのため波長選択性を備えた回折構造を設けることも行われている（特許文献１，２参照）。
【０００４】
さらに、前記のような回折素子は軽量化のため樹脂で形成されていることが望ましい。金型を用いて成形することにより、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、大量生産に適しているといえる。  
【特許文献１】特開２００５−１１４８１号公報
【特許文献２】特開２００５−１５８２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような樹脂素材の光学素子は、ガラスと比較して、温度や湿度の変化をうけて変形しやすく、この樹脂素材の温度，湿度変化による変形に起因した収差の変動が、短波長化と対物レンズの高ＮＡ化において顕著になる。したがって、従来の光ピックアップ光学系ではそれほど問題にならなかった、環境湿度の変動も、光源の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化において収差の変動に伴い波面劣化が大きくなり無視できない量となるという問題があった。
【０００６】
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、環境湿度が生じても、変形を低減した波面精度の良い樹脂製の回折光学素子を実現した光学素子とこれを用いる光ピックアップおよび光情報処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した光学素子は、光軸に対して垂直方向の面を持ち、光束が通過する光線有効径内において前記光軸と同軸の同心円状で２つ以上の領域に分割し、分割した領域の少なくとも１つに垂直方向の面上で断面が凹凸形状となる回折構造を有する光学素子であって、樹脂材料により構成するとともに、光軸と同軸の円形状または円形に近似した多角形状の外形形状としたことによって、樹脂の吸湿による形状の変化を均一化でき、環境湿度が変化しても、うねり等の変形を低減した波面精度の良い光学素子を提供できる。
【０００８】
また、請求項２〜６に記載した光学素子は、請求項１の光学素子の外形形状を円形の板状としたこと、また回折構造を光軸と同軸の同心円状に複数形成したこと、回折構造の断面を矩形形状としたこと、回折構造の断面を階段形状としたこと、さらに、回折構造を表裏の両面に形成し、光軸と同軸の同心円状で２つ以上に分割した領域の同心円の半径がそれぞれの面で異なることによって、小型，軽量化して球面収差を補正でき、環境湿度が変化しても、うねり等の変形を低減した波面精度の良い光学素子を得ることができる。
【０００９】
また、請求項７に記載した光ピックアップは、基板厚の異なる２種類以上の光記録媒体に情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光ピックアップにおいて、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子と、波長の異なる第１，第２の光源と、第１の光記録媒体の記録面上に光束を集光する第１の光源波長で最適化した対物レンズとを備え、光学素子に有する回折構造からの回折光により第２の光源からの光束が第２の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差を補正することによって、２種類の異なる基板厚、異なる光源で発生する波面収差を補正でき、小型で軽量化した高精度な光ピックアップを提供できる。
【００１０】
また、請求項８に記載した光ピックアップは、基板厚の異なる３種類以上の光記録媒体に情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光ピックアップにおいて、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子と、波長の異なる第１，第２，第３の光源と、第１の光記録媒体の記録面上に光束を集光する第１の光源波長で最適化した対物レンズとを備え、光学素子の両面に形成した回折構造からのそれぞれの回折光により、第２の光源からの光束が第２の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差、および第３の光源からの光束が第３の光記録媒体の基板を透過する際に生じる収差のそれぞれを補正することによって、３種類の異なる基板厚、異なる光源で発生する波面収差を補正でき、小型で軽量化された高精度な光ピックアップを提供できる。
【００１１】
また、請求項９に記載した光情報処理装置は、光記録媒体の記録面に光束を照射して情報の記録，再生，消去のいずれか１以上を行う光情報処理装置において、請求項７または８に記載の光ピックアップを備えたことによって、３種類の異なる基板厚、光源で発生する波面収差を補正でき、高精度な光情報処理装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、収差補正素子を小型，軽量化して球面収差の補正を可能とし、また収差補正素子の樹脂の吸湿による形状変化を均一化し、環境湿度変化に対応して、うねり等の変形を低減した波面精度の良い光学素子とこれを用いる光ピックアップおよび光情報処理装置を提供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】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態１における光ピックアップの概略構成を示した図である。図１に示すように、単一の対物レンズ１０６で、異なる波長の複数の光源を用いて、基板厚の異なる光記憶媒体を異なる有効瞳半径で情報の記録または再生を行う互換型の光ピックアップである。
【００１５】
本実施の形態１では、２種類の異なる基板厚を有する光記録媒体に情報の記録あるいは再生を行う場合を例としている。第１，第２の光記録媒体１０７，１３７の基板厚は、それぞれ０．１ｍｍ，０．６ｍｍ、第１，第２の開口数は、それぞれＮＡ０．８５，ＮＡ０．６５、第１，第２の光源波長は、それぞれ４０５ｎｍ（青紫色領域）、６６０ｎｍ（赤色領域）である。
【００１６】
本実施の形態１における光ピックアップは、図１に示すように第１の光記録媒体１０７に対して、半導体レーザー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，開口制限素子１０９，収差補正素子５０１，受光素子１１０より構成される。
【００１７】
第１の光源である半導体レーザー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、第１の光記録媒体１０７の基板厚は０．１ｍｍとする。半導体レーザー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を通過した光束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，開口制限素子１０９，収差補正素子５０１，対物レンズ１０６を介して第１の光記録媒体１０７に集光されることにより、情報の記録，再生が行われる。
【００１８】
また、第１の光記録媒体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。
【００１９】
同様に、第２の光記録媒体１３７に対して、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザー１３０ａから出射した光束は、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より偏向される。そして、１／４波長板１０５，開口制限素子１０９，収差補正素子５０１，対物レンズ１０６を介して、第２の光記録媒体１３７に集光される。この第２の光記録媒体１３７の基板厚は０．６ｍｍであり、対物レンズの開口数ＮＡは０．６５である。開口数ＮＡの切り替えは、波長選択性の開口制限素子１０９を用いる。
【００２０】
また、第２の光記録媒体１３７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。
【００２１】
ここで、対物レンズ１０６は厚さ０．１ｍｍの第１の光記録媒体１０７を高精度に記録，再生できるように設計されている。設計波長は４０５ｎｍであり、４０５ｎｍでは波面収差０．０１λｒｍｓ以下と十分小さくなるように、設計されている。
【００２２】
また、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を円錐形数、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１）、
【００２３】
【数１】
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で表される。各面および各領域の面データを（表１）に示す。
【００２４】
【表１】
2007226926.tif 000004
対物レンズ１０６において、ガラス部の硝材は住田光学製のＫＶＣ８１であり、樹脂部の硝材は、波長４０５ｎｍの屈折率はｎ＝１．５６３、波長６６０ｎｍの屈折率はｎ＝１．５３６、波長７８５ｎｍの屈折率はｎ＝１．５３１である。また、対物レンズの有効瞳半径は２．１５ｍｍである。
【００２５】
図２は本実施の形態１における収差補正素子を説明するための断面図、図３は上面図、図４は４段の階段状回折構造の拡大図である。
【００２６】
収差補正素子５０１は、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザー１３０ａから出射した光束が、光記録媒体の基板厚さの違いと、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。
【００２７】
図３に示すように、収差補正素子５０１は、波長４０５ｎｍの光線有効径５０２ｃ内に、回折構造が形成されている円形中央の回折領域５０２ａと、その周辺領域の平坦部５０２ｂとを有する。回折領域５０２ａは、波長４０５ｎｍの光束をそのまま透過させ、波長６６０ｎｍの光束を光記録媒体の基板厚の違いおよび波長の違いより生じる球面収差を補正するように回折させる。
【００２８】
そのため、回折領域５０２ａには溝が形成されており、回折領域５０２ａが波長６６０ｎｍの光束の有効径に相当する。波長６６０ｎｍの光束の有効瞳半径は１．７４ｍｍである。一方、周辺領域の平坦部５０２ｂは、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍの光束をそのまま透過させる。
【００２９】
また、収差補正素子５０１の回折領域５０２ａの断面は図２に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状凸部からなり、各輪帯状凸部は４つの段を有する。ここでは、図４に示すように、段数とは、最下段も含めて数えている。また、輪帯状凸部のピッチは、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。ピッチ５０２ｄの最小値は１１μｍ、輪帯数は６８である。輪帯数とは、回折構造の１周期（ピッチ５０２ｄ）の数である。
【００３０】
さらに、収差補正素子５０１の回折構造の溝深さおよび各段の高さについて図４を用いて説明する。回折光学系では、入射光すべてのエネルギーが出射光に変換されるのではなく、回折効率と呼ばれる効率でしか変換されない。図４の点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。本実施の形態１では、２波長のうち、波長４０５ｎｍの光束に対しては透過光、波長６６０ｎｍの光束に対しては回折光として使用し、図４に示すような階段近似した形状とする。また、階段形状にすることで、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。なお、回折構造は図４の点線に示すような鋸歯状のキノフォーム形状でも良い。
【００３１】
図４において鋸歯状の回折構造の溝深さをＤとすると、０次光，１次光の最大の回折効率となる溝深さＤの位相差は（表２）に示すようになる。
【００３２】
【表２】
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波長４０５ｎｍに対しては、溝深さＤの位相差が４λ，８λ，１２λ・・・となるように、波長６６０ｎｍに対しては、溝深さＤの位相差が３λ，７λ，１１λ・・・または１λ，５λ，９λ・・・となるような溝深さＤを設定すれば良い。すなわち、波長４０５ｎｍに対しては、１段の高さＨによる位相差が１λである。１段の高さが波長の整数倍に設定して０次光の回折効率を最大にしている。
【００３３】
また、収差補正素子５０１の材料としては樹脂を用いている。樹脂はガラスと比べて軽く成型加工が容易であるため大量生産がしやすい。図２に示すように、本実施の形態１の収差補正素子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。樹脂として例えばポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭＭＡという）を用いる。ＰＭＭＡは、高い透明性、耐候性を有し、特に射出成形に適合する強みがあるため光学部品に最も広く使用されている樹脂の１つである。
【００３４】
図５にＰＭＭＡの分散特性を示す。図５の分散特性から、波長４０５ｎｍの０次光と波長６６０ｎｍの１次光の回折効率をスカラー計算させたものが図６の透過率−溝深さの関係を示す図である。階段形状の回折構造の溝深さＤが、４．８μｍ辺りで、波長４０５ｎｍの０次光、波長６６０ｎｍの１次光の効率が高く、それぞれ１００％と７０％となる。このことから本実施の形態１では収差補正素子５０１の回折構造の溝深さＤを４．８μｍに設定した。
【００３５】
また、図２に示す平坦部５０２ｂの高さは、溝の最下段に対して波長の整数倍になるように設定する。本実施の形態１では、波長の２倍の位相差に相当する３．２μｍに設定した。この平坦部５０２ｂの領域を透過した光束は、波長６６０ｎｍ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。そのため図１に示したように波長選択性の開口制限素子１０９により、波長６６０ｎｍの光束は遮断し、波長４０５ｎｍの光束のみ透過する誘電体多層膜を用いる。
【００３６】
なお、前述の開口制限素子１０９は使用しなくても良い。これは、高ＮＡ対物レンズ１０６の場合、設計波長４０５ｎｍ以外の光束に対する周辺領域の光束は、収差発生量が大きく、スポット形成には影響しないためである。
【００３７】
次に、本実施の形態１における収差補正素子の外形形状について、詳細に説明する。図３に示すように、収差補正素子５０１の外形の形状は、回折領域５０２ａと平坦部５０２ｂとの境界と同様の円形状とする。なお、円形状とは、円形に近似した多角形を含み、例えば図７に示すような６角形においても、同様の効果が得られる。
【００３８】
本実施の形態１で用いているＰＭＭＡ等の樹脂は、射出成形ができる等の強みがあるため光学部品に最も広く使用され、大量生産しやすいという特徴があるが、一方で吸湿性が弱点として挙げられる。これによる影響は屈折率や透過率といった光学特性を変動させるだけでなく、形状変形としても現れる。
【００３９】
図８は従来例の収差補正素子を示す上面図である。図８に示す従来の収差補正素子５１１の外形形状は、四角形状であり回折領域５１２ａと平坦部５１２ｂとの境界とは異なり円形状ではない。
【００４０】
図９（ａ）〜（ｄ）は図８に示した従来の収差補正素子５１１の波長４０５ｎｍの透過波面形状を示す図である。図９（ａ）は光線有効径内５１２ｃにおける透過波面を測定した結果の波面形状を示す図である。図９（ｂ），（ｃ）は図９（ａ）の波面形状を領域に分割して波面測定した結果を示す図である。図９（ｂ）は回折領域の透過波面５１２ｇの形状、図９（ｃ）は光線有効径５１２ｃ内と回折領域５１２ａの間である平坦部の透過波面５１２ｆの形状を示す図である。
【００４１】
各波面の形状をもとに波面収差を計算したところ、図９（ａ）の光線有効径５１２ｃ内近傍の波面形状はＰＶ値が０．５λ、波面収差０．１λｒｍｓと波面精度が非常に悪い。通常、光学部品の波面収差は０．０２λｒｍｓ以下であることが望ましい。また、図９（ｂ）の回折領域５１２ａ内の波面収差は、０．０２λｒｍｓとなり良好な波面精度であるのに対して、図９（ｃ）の平坦部の透過波面５１２ｆの波面収差は０．１３λｒｍｓと大きく、光線有効径５１２ｃ内の波面精度が悪い原因は、平坦部にあることがわかる。
【００４２】
図９（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。平坦部は収差補正素子５１１の四角の形状に沿って、うねりが発生しており波面劣化の要因となっていると考えられる。
【００４３】
このうねりの要因は、回折領域と平坦部との境界は、外形の四角形の辺から近いところ５１２ｄと遠いところ５１２ｅが存在し、近いところ５１２ｄと遠いところ５１２ｅではＰＭＭＡの吸湿に差異がある。この吸湿の差異が変形の差異となり、うねりが発生していると考えられる。
【００４４】
図１０（ａ）〜（ｄ）に本実施の形態１の収差補正素子５０１の波長４０５ｎｍの透過波面形状を示す図である。図１０（ａ）は光線有効径５０２ｃ内における透過波面を測定した結果の波面形状を示す図である。図１０（ｂ），（ｃ）は図１０（ａ）の波面形状を領域に分割して波面測定した結果を示す図である。図１０（ｂ）は回折領域の透過波面５０２ｇの形状、図１０（ｃ）は光線有効径５０２ｃ内と回折領域５０２ａの間である平坦部の透過波面５０２ｆの形状を示す図である。
【００４５】
また、図１０（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。図１０（ａ）の光線有効径５０２ｃ内近傍の波面形状より波面収差を計算するとＰＶ値が０．１λ、波面収差０．０２λｒｍｓ、図１０（ｂ）の回折領域５０２ａ内の波面収差は、０．０１５λｒｍｓ、図１０（ｃ）の平坦部の透過波面５０２ｆの波面収差は０．０１７λｒｍｓであり、周辺部のうねりはなく良好な波面精度である。
【００４６】
このように、収差補正素子５０１の外形形状を、回折領域と平坦部との境界と同様の円形状にすることで、ＰＭＭＡの吸湿による形状の変化が均一化され、うねりを低減することができる。
【００４７】
以上のことから、本実施の形態１の収差補正素子５０１は、吸湿性を有する樹脂を材料として用いた場合でも、そりやうねりを低減した収差補正素子５０１の構造であるため、１つの対物レンズで、２種類の異なる基板厚，光源で発生する波面収差を補正することができ、高精度な光ピックアップを提供することができる。
【００４８】
図１１は本発明の実施の形態２における光ピックアップの概略構成を示した図である。ここで、前記実施の形態１を示す図１において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示す。図１１に示すように異なる波長の第１，第２，第３の光源を有し、３種類の異なる光記録媒体を、収差補正素子５２１を用いて記録または再生を行う互換型の光ピックアップである。
【００４９】
本実施の形態２における第１，第２の光源に対する光ピックアップの構成は、実施の形態１と同様であるため、その重複する説明は省略する。赤外領域の第３の光源において、中心波長λ３が７８０ｎｍの半導体レーザー１４０ａから出射した光束は、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より偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正素子５２１，対物レンズ１０６を介して、第３の光記録媒体１４７に集光される。第３の光記録媒体１４７の基板厚は１．２ｍｍであり、対物レンズ１０６の開口数ＮＡは０．４である。第３の光記録媒体１４７からの反射光は対物レンズ１０６，収差補正素子５２１，１／４波長板１０５を通過した後、波長選択性ビームスプリッタ１４３により入射光と分離して偏向され、ホログラム素子１４０ｂにより受光素子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。
【００５０】
図１２は本実施の形態２における収差補正素子を説明するための断面図、図１３は下面図、図１４は２段の階段状回折構造の拡大図である。
【００５１】
収差補正素子５２１は、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザー１３０ａから出射した光束と、中心波長が７８０ｎｍの半導体レーザー１４０ａから出射した光束が、光記録媒体の基板厚さの違いと、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。
【００５２】
図１２に示すように、収差補正素子５２１は、表面と裏面に回折構造が形成されている。この表面に形成された回折構造は実施の形態１で説明した収差補正素子５０１と同様の構造が形成されており、上面図は図３で示した。
【００５３】
収差補正素子５２１の表面には、収差補正素子５０１と同様に波長４０５ｎｍの光線有効径５０２ｃ内に、回折構造が形成されている円形中央の回折領域５０２ａと、その周辺領域の平坦部５０２ｂとを有する。回折領域５０２ａは、波長４０５ｎｍ、波長７８０ｎｍの光束をそのまま透過させ、波長６６０ｎｍの光束を、光記録媒体の基板厚の違いと、波長の違いより生じる球面収差を補正するように回折させる。
【００５４】
そのため、回折領域５０２ａには溝が形成されており、回折領域５０２ａが波長６６０ｎｍの光束の有効径に相当する。波長６６０ｎｍの光束の有効瞳半径は１．７４ｍｍである。一方、周辺領域の平坦部５０２ｂは、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８０ｎｍの光束をそのまま透過させる。
【００５５】
収差補正素子５２１の裏面の構造を図１３に示す。波長４０５ｎｍの光線有効径５２２ｃ内に、回折構造が形成されている円形中央の回折領域５２２ａと、その周辺領域の平坦部５２２ｂとを有する。回折領域５２２ａは、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍの光束をそのまま透過させ、波長７８０ｎｍの光束を、光記録媒体の基板厚の違いと、波長の違いより生じる球面収差を補正するように、回折させる。
【００５６】
そのため、回折領域５２２ａには溝が形成されており、回折領域５２２ａが波長７８０ｎｍの光束の有効径に相当する。波長７８０ｎｍの光束の有効瞳半径は１．３４ｍｍである。一方、周辺領域の平坦部５２２ｂは、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８０ｎｍの光束をそのまま透過させる。
【００５７】
収差補正素子５２１の表面は、収差補正素子５０１と同様に、同心円状に形成された複数の輪帯状凸部からなり、各輪帯状凸部は４つの段を有する。輪帯状凸部のピッチは、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。最小ピッチは１１μｍ，輪帯数は６８である。
【００５８】
同様に、収差補正素子５２１の裏面は、同心円状に形成された複数の輪帯状凸部からなるが、各輪帯状凸部は２つの段を有する。輪帯状凸部のピッチは、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。最小ピッチは１２μｍ，輪帯数は５７である。
【００５９】
次に、収差補正素子５２１の表面の溝深さについて説明する。溝深さは実施の形態１の収差補正素子５０１と同じである。図１５に、ＰＭＭＡを用いた場合の波長４０５ｎｍの０次光、波長６６０ｎｍの１次光、波長７８０ｎｍの０次光の回折効率をスカラー計算した結果を示す。実施の形態１と同様、回折構造の溝深さＤが、４．８μｍ辺りで、波長４０５ｎｍの０次光，波長６６０ｎｍの１次光，波長７８０ｎｍの０次光の効率が高く、それぞれ１００％，７０％，１００％となる。本実施の形態２の収差補正素子５２１表面の回折構造の溝深さＤは、４．８μｍに設定した。
【００６０】
また、収差補正素子５２１の裏面の溝深さについて説明する。図１４において鋸歯状の回折構造の溝深さをＤとすると、０次光、１次光の最大の回折効率となる溝深さの位相差は（表３）に示すようになる。
【００６１】
【表３】
2007226926.tif 000006
波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍに対しては、溝深さＤの位相差が２λ，４λ，６λ・・・となるように、波長７８０ｎｍに対しては、溝深さＤの位相差が１λ，３λ，５λ・・となるような溝深さを設定すれば良い。すなわち波長４０５ｎｍ，６６０ｎｍに対しては、１段の高さを波長の整数倍に設定して０次光の回折効率を最大にしている。
【００６２】
ＰＭＭＡを用いた場合の波長４０５ｎｍの０次光，波長６６０ｎｍの０次光，波長７８０ｎｍの１次光の回折効率をスカラー計算させたのが図１６である。回折構造の溝深さＤが、４．０μｍ辺りで、波長４０５ｎｍの０次光，波長６６０ｎｍの１次光，波長７８０ｎｍの０次光の効率が高く、それぞれ１００％，１００％，４０％となる。本実施の形態２の収差補正素子５２１の回折構造の溝深さＤは、４．０μｍに設定した。
【００６３】
また、収差補正素子５２１の表面の平坦部５０２ｂの高さは、実施の形態１と同様３．２μｍに設定した。そして、収差補正素子５２１の裏面の平坦部５２２ｂの高さは、回折構造の溝深さＤと同様４μｍに設定した。平坦部５２２ｂを透過した波長６６０ｎｍ，波長４０５ｎｍの光束に対しては、回折領域と同位相を有する透過光となる。
【００６４】
次に、本実施の形態２における収差補正素子の外形形状について、詳細に説明する。ここでは、収差補正素子５２１の裏面側であるが図１３に示すように、収差補正素子５２１の外形の形状は、回折領域と平坦部との境界と同様の円形状とする。
【００６５】
図１７は従来例の収差補正素子５３１を示す図で、図１７示すように収差補正素子５３１の外形形状は四角形状であり回折領域５３２ａと平坦部５３２ｂとの境界とは異なり円形状ではない。また、図１８（ａ）〜（ｄ）は図１７に示した従来の収差補正素子５３１の波長４０５ｎｍの透過波面形状を示す図である。図１８（ａ）は光線有効径内５３２ｃにおける透過波面を測定した結果の波面形状を示す図である。図１８（ｂ），（ｃ）は図１８（ａ）の波面形状を領域に分割して波面測定した結果を示す図である。図１８（ｂ），（ｃ）は図１８（ａ）の結果を領域に分割して波面測定結果を示した図である。図１８（ｂ）は回折領域の透過波面５３２ｇの形状、図１８（ｃ）は光線有効径５３２ｃ内と回折領域５３２ａの間である平坦部の透過波面５３２ｆの形状を示す図である。
【００６６】
各波面の形状をもとに波面収差を計算したところ、図１８（ａ）の光線有効径５３２ｃ内近傍の波面形状はＰＶ値が０．６λ、波面収差０．０９λｒｍｓと波面精度が非常に悪い。通常、光学部品の波面収差は０．０２λｒｍｓ以下であることが望ましい。また、図１８（ｂ）の回折領域５３２ａ内の波面収差は、０．０１９λｒｍｓ良好な波面精度であるのに対して、図１８（ｃ）の平坦部の透過波面５３２ｆの波面収差は０．０９３λｒｍｓと大きく、光線有効径５３２ｃ内の波面精度が悪い原因は、平坦部にあることがわかる。
【００６７】
図１８（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。平坦部は収差補正素子５３１の四角の形状に沿って、うねりが発生しており波面劣化の要因となっていると考えられる。
【００６８】
このうねりの要因は、回折領域と平坦部との境界は、外形の四角形の辺から近いところ５３２ｄと遠いところ５３２ｅが存在し、近いところ５３２ｄと遠いところ５３２ｅではＰＭＭＡの吸湿に差異がある。この吸湿の差異が変形の差異となり、うねりが発生していると考えられる。
【００６９】
図１９（ａ）〜（ｄ）に本実施の形態２の収差補正素子５２１の波長４０５ｎｍの透過波面形状を示す図である。図１９（ａ）は光線有効径５２２ｃ内における透過波面を測定した結果の波面形状を示す図である。図１９（ｂ），（ｃ）は図１９（ａ）の波面形状を領域に分割して波面測定した結果を示す図である。図１９（ｂ）は回折領域の透過波面５２２ｇの形状、図１９（ｃ）は光線有効径５２２ｃ内と回折領域５２２ａの間である平坦部の透過波面５２２ｆの形状を示す図である。
【００７０】
また、図１９（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。図１９（ａ）の光線有効径５２２ｃ内近傍の波面形状より波面収差を計算するとＰＶ値が０．１５λ、波面収差０．０２λｒｍｓ、図１９（ｂ）の回折領域５２２ａ内の波面収差は、０．０１５λｒｍｓ、図１９（ｃ）の平坦部の透過波面５２２ｆの波面収差は０．０１９λｒｍｓであり、周辺部のうねりはなく良好な波面精度である。
【００７１】
このように、収差補正素子５２１の外形形状を、回折領域と平坦部との境界と同様の円形状にすることで、ＰＭＭＡの吸湿による形状の変化が均一化され、うねりを低減することができる。
【００７２】
以上のことから、本実施の形態２の収差補正素子５２１は、吸湿性を有する樹脂を材料として用いた場合でも、そりやうねりを低減した収差補正素子５２１の構造であるため、１つの対物レンズで、３種類の異なる基板厚、光源で発生する波面収差を補正することができ、高精度な光ピックアップを提供することができる。
【００７３】
図２０は本発明の実施の形態３における光情報処理装置の１形態を示すブロック図であり、前述の実施の形態１，２で説明したいずれかの光ピックアップを用いて、光記録媒体に対する情報の再生，記録，消去のいずれか１以上を行う装置である。
【００７４】
図２０に示すように、光情報処理装置はスピンドルモータ１０、送りモータ１２および光学ピックアップ９等により概略が構成されており、これらは光情報処理装置全体を制御するシステムコントローラ１４により制御される。そして、光ピックアップ９のトラッキング方向への移動は、送りモータ１２とで構成されるサーボ制御回路１３により行われる。例えば、光記録媒体７の情報を再生する場合、システムコントローラ１４からのコントロール信号がサーボ制御回路１３と変復調回路１１に供給される。
【００７５】
サーボ制御回路１３では、スピンドルモータ１０を設定された回転数で回転させるとともに送りモータ１２を駆動し制御する。変復調回路１１には、光ピックアップ９の光検出器（図示せず）により検出されたフォーカシングエラー信号、トラッキングエラー信号、および光記録媒体７の何処を読み出しているかの位置情報等が供給される。フォーカシングエラー信号およびトラッキングエラー信号はシステムコントローラ１４を介してサーボ制御回路１３に供給される。
【００７６】
サーボ制御回路１３は、フォーカシング制御信号によってアクチュエータのフォーカシングコイルを駆動し、トラッキング制御信号によってアクチュエータのトラッキングコイルを駆動する。トラッキング制御信号の低域成分はシステムコントローラ１４を介してサーボ制御回路１３に供給され、送りモータ１２を駆動する。これらによって、フォーカシングサーボ、トラッキングサーボおよび送りサーボのフィードバックサーボが行われる。
【００７７】
また、光記録媒体７の何処を読み出しているかの位置情報は変復調回路１１により処理され、スピンドル制御信号としてスピンドルモータ１０に供給され、光記録媒体７の再生位置に応じた所定の回転数に制御駆動され、ここから実際の再生が開始される。そして、変復調回路１１により処理されて復調された再生データは外部回路１５を介して外部に伝送される。
【００７８】
次に、データを記録する場合、フォーカシングサーボ、トラッキングサーボおよび送りサーボのフィードバックサーボをかけるまでは再生と同様の過程を経る。外部回路１５を介して入力される入力データを光記録媒体７の何処に記録するかのコントロール信号が、システムコントローラ１４からサーボ制御回路１３および変復調回路１１に供給される。
【００７９】
サーボ制御回路１３では、スピンドルモータ１０を所定の回転数に制御するとともに、送りモータ１２を駆動して光ピックアップ９を光記録媒体７の情報記録位置に移動させる。また、外部回路１５を介して変復調回路１１に入力された入力信号は、記録フォーマットに基づく変調が行われ、光ピックアップ９に供給される。光ピックアップ９では出射光の変調および出射光パワーが制御されて、光記録媒体７への記録が開始される。
【００８０】
また、光記録媒体７の種類は再生データ信号で判別し、例えば液晶駆動回路を制御して、光ピックアップ内の液晶旋光子を制御し、再生する光記録媒体７の種類に応じて入射光の偏光方向を切り替える。さらに、光記録媒体７の種類を判別する方法として、トラッキングサーボ信号やフォーカスサーボ信号を用いても良い。
【００８１】
なお、再生専用の光再生装置および記録と再生の両方可能な光記録再生装置に具備される光ピックアップに本発明の収差補正素子を用いた光ピックアップを具備すれば、基板厚の異なる光記録媒体７の情報の記録，再生品質の精度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る光学素子とこれを用いる光ピックアップおよび光情報処理装置は、収差補正素子を小型，軽量化して球面収差の補正を可能とし、また収差補正素子の樹脂の吸湿による形状変化を均一化し、環境湿度変化に対応して、うねり等の変形を低減した波面精度の良い素子とこれを用いる装置を得ることができ、環境湿度等による変形を低減し、波面精度の良い樹脂製の回折光学素子の実現に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態１における光ピックアップの概略構成を示した図
【図２】本実施の形態１における収差補正素子を説明するための断面図
【図３】本実施の形態１における収差補正素子を説明するための上面図
【図４】本実施の形態１における収差補正素子を説明するための４段の階段状回折構造の拡大図
【図５】ＰＭＭＡの分散特性を示す図
【図６】回折効率をスカラー計算した透過率−溝深さ（４段）の関係を示す図
【図７】本実施の形態１における収差補正素子の外形形状の例を示す図
【図８】従来例の収差補正素子を示す上面図
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の収差補正素子の透過波面を説明するための図
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態１の収差補正素子の透過波面を説明するための図
【図１１】本発明の実施の形態２における光ピックアップの概略構成を示した図
【図１２】本実施の形態２における収差補正素子を説明するための断面図
【図１３】本実施の形態２における収差補正素子を説明するための下面図
【図１４】本実施の形態２における収差補正素子を説明するための２段の階段状回折構造の拡大図
【図１５】回折効率をスカラー計算した透過率−溝深さ（４段）の関係を示す図
【図１６】回折効率をスカラー計算した透過率−溝深さ（２段）の関係を示す図
【図１７】従来例の収差補正素子を示す上面図
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は従来の収差補正素子の透過波面を説明するための図
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態２の収差補正素子の透過波面を説明するための図
【図２０】本発明の実施の形態３における光情報処理装置の１形態を示すブロック図
【符号の説明】
【００８４】
７  光記録媒体
９  光ピックアップ
１０  スピンドルモータ
１１  変復調回路
１２  送りモータ
１３  サーボ制御回路
１４  システムコントローラ
１５  外部回路
１０１，１３０ａ，１４０ａ  半導体レーザー
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  第１の光記録媒体
１０８  検出レンズ
１０９  開口制限素子
１１０，１３０ｃ，１４０ｃ  受光素子
１２０  可動部
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
１３７  第２の光記録媒体
１４７  第３の光記録媒体
５０１，５１１，５２１，５３１  収差補正素子
５０２ａ，５１２ａ，５２２ａ，５３２ａ  回折領域
５０２ｂ，５２１ｂ，５２２ｂ，５３２ｂ  平坦部
５０２ｃ，５１２ｃ，５２２ｃ，５３２ｃ  光線有効径
５０２ｄ  ピッチ
５１２ｄ，５３２ｄ  近いところ
５１２ｅ，５３２ｅ  遠いところ
５１２ｆ，５２２ｆ，５３２ｆ  平坦部の透過波面
５１２ｇ，５２２ｇ，５３２ｇ  回折領域の透過波面
【図１】
2007226926.tif 000007
【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】
2007226926.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
2007226926.tif 000024
【図１９】
2007226926.tif 000025
【図２０】
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