(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長の第１レーザ光の光路に同軸に配置された集光レンズと、前記集光レンズへ第１レーザ光の回折光を入射する同軸に配置された透過型の回折光学素子とからなる対物レンズモジュールであって、前記回折光学素子が、
入射面及び射出面と、
前記入射面及び射出面の少なくとも一方の光軸周囲に設けられ、且つ光軸から順に異なる半径距離によって画定された異なる回折角の回折格子からなる第１、第２及び第３領域と、を有し、
前記第１領域が第１レーザ光の奇数次数の回折光を前記集光レンズへ回折し、前記第２領域が第１レーザ光の偶数次数の回折光を前記集光レンズへ回折し、前記第３領域が第１レーザ光の偶数次数又はゼロ次の回折光を前記集光レンズへ回折して、前記集光レンズが前記第１、第２及び第３領域からの回折光を所定開口数にて集光することを特徴とする対物レンズモジュール。
【請求項２】
前記第１領域は、前記第１波長より長い第２波長の第２レーザ光と前記第２波長より長い第３波長の第３レーザ光とが前記光路に沿ってそれぞれ前記第１、第２及び第３領域へ入射された場合、前記第１レーザ光の回折光の奇数次数以下の回折次数の第３レーザ光を前記集光レンズへ回折して、前記集光レンズが前記第１領域からの回折光を前記所定開口数より小さい第２開口数にて集光することを特徴とする請求項１項に記載の対物レンズモジュール。
【請求項３】
前記第２領域は、前記第２レーザ光と第３レーザ光とが前記光路に沿ってそれぞれ前記第１、第２及び第３領域へ入射された場合でも、前記第１レーザ光の回折光の偶数次数以下の回折次数の第２レーザ光のうちの特定の回折光のみを前記集光レンズへ回折して、前記集光レンズが前記第２領域からの回折光を前記所定開口数及び第２開口数の間の値の第３開口数にて集光することを特徴とする請求項２項に記載の対物レンズモジュール。
【請求項４】
前記第１領域及び第２領域を通過する前記第３レーザ光の像面位置における湾曲した球面収差波面が極大となる前記回折光学素子の半径距離が、前記第２領域内に存在するよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズモジュール。
【請求項５】
前記第１、第２及び第３レーザ光の有効径に対する回折光学素子の入射又は射出面における回折面の径は、夫々第１回折有効径、前記第１回折有効径より小なる第２回折有効径、及び前記第２回折有効径より小なる第３回折有効径であり、
前記第１領域に形成される第１回折レンズ構造は、前記回折光学素子の入射又は射出面における前記第３回折有効径よりさらに小なる第４回折有効径内に形成され、前記第２領域に形成される第２回折レンズ構造は、前記回折光学素子の入射又は射出面における前記第２回折有効径内に形成され、前記第４回折有効径から前記第３回折有効径の間の第４領域内において前記第３レーザ光による縦球面収差がゼロとなるような像面位置が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズモジュール。
【請求項６】
前記第２回折レンズ構造は、前記回折光学素子の入射又は射出面における前記第２回折有効径よりさらに小で且つ前記第３回折有効径より大なる第５回折有効径内に形成され、前記第５回折有効径から前記第２回折有効径の間の第５領域内において前記第２レーザ光による縦球面収差がゼロとなるような像面位置が設定されていることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項７】
前記第１レーザ光を第１記録媒体上に集光するための対物レンズとして前記集光レンズを、第２記録媒体に集光する前記第２レーザ光および第３記録媒体に集光する前記第３レーザ光で共用し、
前記第１記録媒体は第１厚さの第１透過保護層を介して受光する記録層を有し、前記第２記録媒体は前記第１厚さ以上の第２厚さの第２透過保護層を介して受光する記録層を有し、前記第３記録媒体は前記第２厚さより大なる第３厚さの第３透過保護層を介して受光する記録層を有し、
前記第１回折レンズ構造は、前記第１レーザ光と前記第２及び第３レーザ光との波長の差異に加えて前記第１透過保護層と前記第２及び第３透過保護層との差分に基づいて発生する収差を補正するとともに、前記第２回折レンズ構造は、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光との波長の差異に加えて前記第１透過保護層と前記第２透過保護層との差分に基づいて発生する収差を補正することを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項８】
前記第１回折レンズ構造を構成する位相段差と前記第２回折レンズ構造を構成する位相段差では、段差で発生する光路長差が同一波長において異なることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項９】
前記第１回折レンズ構造を構成する位相段差のうち、最外周の位相段差で発生する光路長差とそれ以外の位相段差で発生する光路長差が同一波長において異なることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１０】
前記第２回折レンズ構造を構成する位相段差のうち、最外周の位相段差で発生する光路長差とそれ以外の位相段差で発生する光路長差が同一波長において異なることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１１】
前記回折光学素子の前記入射又は射出面における前記第３回折有効径内の領域に、前記第１回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量と前記第２回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量を足し合わせた深さの位相段差が少なくとも一つ以上存在することを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１２】
前記第１回折レンズ構造を構成する位相段差の方向と前記第２回折レンズ構造を構成する位相段差の方向がすべて等しいことを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１３】
前記第１回折レンズ構造は、前記第１レーザ光が前記第１回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が５の倍数を除く奇数であることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１４】
前記第２回折レンズ構造は、前記第１レーザ光が前記第２回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が１０の倍数を除く偶数であることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１５】
前記回折光学素子の入射又は射出面における前記第１回折有効径内に設けられ、且つ前記第１レーザ光の微小な波長変動により発生する色収差を補正する第３回折レンズ構造をさらに具備し、
前記第３回折レンズ構造は、前記第１レーザ光が前記第３回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が１０の倍数であることを特徴とする請求項５に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１６】
前記回折光学素子は、前記対物レンズと一体として設けられることを特徴とする請求項１項に記載の対物レンズモジュール。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１項に記載の対物レンズモジュールを具備することを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光ピックアップを具備す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】
【技術分野】  本発明は、対応波長の異なる光ディスクから情報を記録再生する光情報記録再生装置における光ピックアップの光学系に関し、特に、異なる波長のレーザ光源を使う複数の光記録媒体への互換性を可能にする光情報記録再生装置、光ピックアップ、対物レンズモジュール、回折光学素子に関する。
【背景技術】  光情報記録再生装置には、光記録媒体の例えばＤｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ（以下ＤＶＤという）、Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ（以下ＣＤという）などの光ディスクから記録情報を読み取りできる光ディスク装置がある。
ＤＶＤとＣＤから記録情報を読み取りできるコンパチブル光ディスク装置が知られている。ＤＶＤでは基板厚は０．６ｍｍであり、対応波長は６３５ｎｍ〜６５５ｎｍ、対物レンズの開口数（ＮＡ）は０．６程度である。ＣＤでは基板厚は１．２ｍｍであり、対応波長は７６０ｎｍ〜８００ｎｍ、対物レンズの開口数は０．４５程度である。このコンパチブル光ディスク装置では、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ付近レーザ光源とＣＤ用の波長７８０ｎｍ付近のλＤＶＤのレーザ光を発光するレーザ光源とを搭載する場合がある。
例えば、ＤＶＤ／ＣＤの基板厚みの異なる情報記録媒体に情報の記録再生を可能とする光ピックアップ装置及びそれに用いる対物レンズ並びに光学素子を提供する技術が提案されている（特開２００１−２３５６７６号公報参照）。回折輪帯を設けた対物レンズを光ピックアップ装置に用いることにより、開口数が小さい側の使用状態で所定開口数の外側の光束をフレアとして、厚さの異なる複数種の情報記録媒体に対して、情報の記録再生を行う光ピックアップ装置を提案している。かかる回折輪帯を設けた対物レンズは、回折輪帯をもつ回折面を有し、回折面の光路差関数をΦ（ｈ）とするとき（ｈは光軸からの距離）、所定距離ｈの箇所でｄΦ（ｈ）／ｄｈが不連続または実質的に不連続な関数であることを特徴としている。
一方、Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ（以下ＢＤという）の透過保護層の厚さ（ＤＶＤなどの透明基板厚に相当）は０．１ｍｍであり、対応波長は４０８ｎｍ、対物レンズの開口数は０．８５程度である。よって、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤのコンパチブル光ディスク装置には、上記コンパチブル光ディスク装置の構成に加えて、波長４０８ｎｍ付近のλＢＤのレーザ光を発光するレーザ光源、その光学系を搭載する必要がある。また、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤでは全て光ディスク厚みが異なるため、３種類の異なる球面収差を補正する手段を有する必要がある。さらに、開口数も全て異なるので、これに対応する手段も有する必要がある。しかしながら前記引用文献では、これらの手段に関する具体的な記載はなされていない。すなわち、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤといった３つ以上の異なる光源波長、開口数（有効径）、光ディスク厚み（透過保護層の厚さ）の記録媒体互換を従来の単一対物レンズで実現することが困難である。
そこで、コンパチブル装置用の光ピックアップの実現方法として、ＢＤ専用対物レンズとＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズを使い、波長ごとに切り換える方法が考えられるが、２枚の対物レンズを要すので、複雑なレンズ切り替え機構が必要でコストが増大し、アクチュエータが大きくなるので小型化に不利である。また、他の方法として、対物レンズとコリメータレンズと組み合せる方法が考えられるが、対物レンズに対してコリメータが固定しているため、対物レンズの移動時の性能を維持することが難しい、などの問題が発生する。
いずれにしても、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤのコンパチビリティーを確保するため複数光源を用い専用のプリズム、レンズなどの光学系を構成すると、光ピックアップ又は光ヘッド全体が複雑になり、大型になる傾向がある。
【発明の開示】
そこで、本発明の解決しようとする課題には、対応波長の異なる光ディスク又は記録面に対し記録再生可能な小型化に適した光情報記録再生装置、光ピックアップ、回折光学素子を提供することが一例として挙げられる。
本発明の対物レンズモジュールは、第１波長の第１レーザ光の光路に同軸に配置された集光レンズと、前記集光レンズへ第１レーザ光の回折光を入射する同軸に配置された透過型の回折光学素子とからなる対物レンズモジュールであって、
入射面及び射出面と、
前記入射面及び射出面の少なくとも一方の光軸周囲に設けられ、且つ光軸から順に異なる半径距離によって画定された、異なる回折角の回折格子からなる第１、第２及び第３領域と、を有し、
前記第１領域が第１レーザ光の奇数次数の回折光を前記集光レンズへ回折し、前記第２領域が第１レーザ光の偶数次数の回折光を前記集光レンズへ回折し、前記第３領域が第１レーザ光の偶数次数又はゼロ次の回折光を前記集光レンズへ回折して、前記集光レンズが前記第１、第２及び第３領域からの回折光を所定開口数にて集光することを特徴とする。
本発明の回折光学素子は、第１レーザ光を第１記録媒体上に集光するための対物レンズを、前記第１レーザ光とは波長の異なる複数のレーザ光及び該複数のレーザ光の夫々に対応する複数の記録媒体で共用するために、前記第１レーザ光及び前記複数のレーザ光の光路上に設けられる回折光学素子であって、
前記複数のレーザ光は、第２記録媒体に対応する第２レーザ光と第３記録媒体に対応する第３レーザ光とを含み、
前記光軸周囲に設けられ、且つ前記第１レーザ光と前記第２及び第３レーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第１回折レンズ構造と、
前記第１回折レンズ構造周囲に設けられ、且つ前記第１レーザ光と前記第２レーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第２回折レンズ構造とを具備することを特徴とする。
本発明の回折光学素子においては、前記第１記録媒体は第１厚さの透過保護層を介して受光する記録層を有し、前記第２記録媒体は前記第１厚さ以上の第２厚さの透過保護層を介して受光する記録層を有し、前記第３記録媒体は前記第２厚さより大なる第２厚さの透過保護層を介して受光する記録層を有する。
本発明の回折光学素子においては、前記第１回折レンズ構造は、前記第１レーザ光と前記第２及び第３レーザ光との波長の差異に加えて前記透過保護層の第１厚さと前記透過保護層の第２及び第３厚さとの差分に基づいて発生する収差を補正するとともに、前記第２回折レンズ構造は、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光との波長の差異に加えて前記透過保護層の第１厚さと前記透過保護層の第２厚さとの差分に基づいて発生する収差を補正する。
さらに、本発明の回折光学素子においては、前記回折光学素子の入射又は射出面に設けられ、且つ第１レーザ光の微小な波長変動により発生する色収差を補正する第３回折レンズ構造を具備することを特徴とする。
本発明の光ピックアップは、上記対物レンズモジュール又は回折光学素子を具備することを特徴とする。また、本発明の光情報記録再生装置は、上記光ピックアップを具備することを特徴とする。
以上のような対物レンズモジュール又は回折光学素子が使用されるピックアップの構成では、回折光学素子に施された工夫により、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ全てを無限系で設計してあるので、ピックアップの光路を簡素化できるため好ましい。
前記ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換における球面収差補正用回折光学素子に、色収差補正用回折レンズ構造を付加することにより、不連続となっている色収差を補正することが可能となっている。
球面収差補正用回折レンズ構造と、色収差補正用回折レンズ構造を一体化することにより、組み立て調整誤差やトラッキングによるレンズシフトにより不連続な色収差補正に支障を来すといった問題を解消している。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明による実施形態の光ピックアップ内部の概略構成図である。
図２は、本発明による他の実施形態の光ピックアップ内部の概略構成図である。
図３は、本発明による実施形態の回折光学素子の光軸上から見た正面図である。
図４は、本発明による実施形態の回折光学素子の断面図である。
図５は、本発明による実施形態の回折光学素子を含む対物レンズモジュールによるＣＤに対する縦球面収差を示すグラフを説明する線図である。
図６は、本発明による実施形態の回折光学素子を含む対物レンズモジュールによるＣＤに対する波面収差を示すグラフを説明する線図である。
図７は、本発明による実施形態の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの動作を説明するため対物レンズモジュールの概略断面図である。
図８は、本発明による他の実施形態の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図９は、本発明による他の実施形態の回折光学素子の概略断面図である。
図１０は、本発明による他の実施形態の回折光学素子の概略断面図である。
図１１は、本発明による他の実施形態の回折光学素子における回折レンズ構造の合成を説明するための線図である。
図１２は、本発明による他の実施形態の回折光学素子の概略断面図である。
図１３は、本発明による他の実施形態の回折光学素子構造を有する複合対物レンズの概略断面図である。
図１４は、本発明による回折光学素子の製造方法に含まれる光学設計に用いる位相関数法を説明するための線図である。
図１５は、本発明による実施例１の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１６は、本発明による実施例１の回折光学素子の概略断面図である。
図１７は、本発明による実施例１の回折光学素子の概略断面図である。
図１８は、本発明による実施例１で用いている対物レンズのＤＶＤ及びＣＤに対する球面収差を示すグラフである。
図１９は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造１を構成する位相段差とそれを通過する波面の光路長差を説明するための線図である。
図２０は、本発明による実施例１の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＣＤに対する縦球面収差を位相関数法を用いて計算した結果を示すグラフを説明する線図である。
図２１は、本発明による実施例１の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＣＤに対する波面収差を位相関数法を用いて計算した結果を示すグラフを説明する線図である。
図２２は、本発明による実施例１の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＤＶＤに対する波面収差形状を位相関数法を用いて計算した結果を示すグラフである。
図２３は、本発明による実施例１の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＣＤに対する波面収差形状を位相関数法を用いて計算した結果を示すグラフである。
図２４は、本発明による実施例１の回折光学素子における回折レンズ構造１の光軸からの高さに対する回折レンズ関数のグラフである。
図２５は、本発明による実施例１の回折光学素子における回折レンズ構造１を光軸上から見た正面図である。
図２６は、本発明による実施例１の回折光学素子における回折レンズ構造１をＢＤ用レーザ光の回折効率が１００％となるように製造した回折レンズ構造の断面図である。
図２７は、本発明による実施例１の回折光学素子における回折レンズ構造１のＢＤ用レーザ光とＣＤ用レーザ光の回折効率の均衡を考慮して製造した他の実施例の回折レンズ構造を示す断面図である。
図２８は、本発明による実施例１の回折光学素子における回折レンズ構造２を構成する位相段差とそれを通過する波面の光路長差を説明するための線図である。
図２９は、本発明による実施例１の回折光学素子を使用した対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を位相関数法を用いて計算した結果示すグラフである。
図３０は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を暫定的な形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図３１は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を暫定的な形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図３２は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を暫定的な形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図３３は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を暫定的な形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図３４は、本発明による実施例１の回折光学素子の領域の境界の位相段差量で位相ずれを調整した場合の回折レンズ構造の断面図である。
図３５は、本発明による実施例１の回折光学素子の領域の境界の位相段差量で位相ずれを調整した場合の対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を示すグラフである。
図３６は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ関数の定数項ｄ０の値により位相ずれを調整した場合の光軸からの高さに対する回折レンズ構造１の回折レンズ関数のグラフである。
図３７は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造１の回折レンズ関数の定数項ｄ０の値により位相ずれを調整した場合の対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を示すグラフである。
図３８は、本発明による実施例１の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図３９は、本発明による回折光学素子の製造方法に含まれる光学設計に用いる非球面形状を説明するための線図である。
図４０は、本発明による回折光学素子の設計結果を表す際の段差及び輪帯面番号を説明するための線図である。
図４１は、本発明による回折光学素子の設計結果を表す際の段差量の段差符号を説明するための線図である。
図４２は、本発明による実施例１の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面を模式的に示すグラフである。
図４３は、本発明による実施例１の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面のサグ量を説明するグラフである。
図４４は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図４５は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図４６は、本発明による実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図４７は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図４８は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図４９は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図５０は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図５１は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図５２は、本発明による実施例１の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図５３は、スポット形状を表す値である半値幅とサイドローブ強度を示すグラフである。
図５４は、本発明による実施例１の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図５５は、本発明による実施例１の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図５６は、本発明による実施例１の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図５７は、本発明による実施例１の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図５８は、本発明による実施例２の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図５９は、本発明による実施例２の回折光学素子の概略断面図である。
図６０は、本発明による実施例２の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面を模式的に示すグラフである。
図６１は、本発明による実施例２の回折光学素子における回折レンズ構造の光軸からの高さに対する回折レンズ関数のグラフである。
図６２は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の光軸上から見た正面図である。
図６３は、本発明による実施例２の回折光学素子のＢＤ用レーザ光の回折効率を１００％として製造した回折レンズ構造の断面図である。
図６４は、本発明による実施例２の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ｂの断面を模式的に示すグラフである。
図６５は、本発明による実施例２の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図６６は、本発明による実施例２の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図６７は、本発明による実施例２の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図６８は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図６９は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図７０は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図７１は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図７２は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図７３は、本発明による実施例２の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図７４は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図７５は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図７６は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図７７は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図７８は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールによる最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図７９は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールによる光源の波長が４０３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図８０は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールによる光源の波長が４１３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図８１は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図８２は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図８３は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図８４は、本発明による実施例２の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図８５は、本発明による実施例２の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面（集光点）の移動量を示すグラフである。
図８６は、本発明による実施例２の変形例の回折光学素子の概略断面図である。
図８７は、本発明による実施例３の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図８８は、回折光学素子の段差の製造誤差を示す部分断面図である。
図８９は、本発明による実施例３の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ｂの断面を模式的に示すグラフである。
図９０は、本発明による実施例３の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ａの断面を模式的に示すグラフである。
図９１は、本発明による実施例３の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ａ及び回折レンズ構造Ｂを合成した場合の断面を模式的に示すグラフである。
図９２は、本発明による実施例３の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図９３は、本発明による実施例３の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図９４は、本発明による実施例３の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図９５は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図９６は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図９７は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図９８は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図９９は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１００は、本発明による実施例３の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１０１は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１０２は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１０３は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１０４は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１０５は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールによる最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１０６は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールによる光源の波長が４０３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１０７は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールによる光源の波長が４１３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１０８は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図１０９は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図１１０は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図１１１は、本発明による実施例３の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図１１２は、本発明による実施例３の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面（集光点）の移動量を示すグラフである。
図１１３は、本発明による実施例４における回折レンズ構造Ａ１の回折レンズ関数を示すグラフである。
図１１４は、本発明による実施例４における回折レンズ構造Ａ２の回折レンズ関数を示すグラフである。
図１１５は、本発明による実施例４の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ｂの断面を模式的に示すグラフである。
図１１６は、本発明による実施例４の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ａの断面を模式的に示すグラフである。
図１１７は、本発明による実施例４の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造Ａ及び回折レンズ構造Ｂを合成した場合の断面を模式的に示すグラフである。
図１１８は、本発明による実施例４の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１１９は、本発明による実施例４の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１２０は、本発明による実施例４の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１２１は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１２２は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１２３は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１２４は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１２５は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１２６は、本発明による実施例４の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１２７は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１２８は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１２９は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１３０は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１３１は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールによる最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１３２は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールによる光源の波長が４０３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１３３は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールによる光源の波長が４１３ｎｍに変動した場合の最良像面におけるＢＤの波面収差形状を示すグラフである。
図１３４は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図１３５は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポット形状全体を示すグラフである。
図１３６は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールのＢＤの波長４０３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図１３７は、本発明による実施例４の対物レンズモジュールのＢＤの波長４１３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示すグラフである。
図１３８は、本発明による実施例４の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面（集光点）のの移動量を示すグラフである。
図１３９は、本発明による実施例５の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１４０は、本発明による実施例５の回折光学素子の概略断面図である。
図１４１は、本発明による実施例５の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＤＶＤに対する縦球面収差を位相関数法を用いて計算した結果を示すグラフを説明する線図である。
図１４２は、本発明による実施例５の回折光学素子における回折レンズ構造２の光軸からの高さに対する回折レンズ関数のグラフである。
図１４３は、本発明による実施例５の回折光学素子における回折レンズ構造３の光軸からの高さに対する回折レンズ関数のグラフである。
図１４４は、本発明による実施例５の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面を模式的に示すグラフである。
図１４５は、本発明による実施例５の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＢＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１４６は、本発明による実施例５の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１４７は、本発明による実施例５の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１４８は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１４９は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１５０は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１５１は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＢＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１５２は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１５３は、本発明による実施例５の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１５４は、本発明による実施例５の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１５５は、本発明による実施例５の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１５６は、本発明による実施例５の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１５７は、本発明による実施例５の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１５８、本発明による実施形態の回折光学素子の断面図である。
図１５９は、本発明による実施形態の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの動作を説明するため対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１６０、本発明による実施形態の回折光学素子の断面図である。
図１６１は、本発明による実施形態の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの動作を説明するための対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１６２、本発明による実施形態の回折光学素子の断面図である。
図１６３は、本発明による実施形態の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの動作を説明するため対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１６４は、本発明による実施例６の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１６５は、本発明による実施例６の回折光学素子の概略断面図である。
図１６６は、本発明による実施例６の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面を模式的に示すグラフである。
図１６７は、本発明による実施例６の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＨＤ−ＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１６８は、本発明による実施例６の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１６９は、本発明による実施例６の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１７０は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１７１は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１７２は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１７３は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１７４は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１７５は、本発明による実施例６の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１７６は、本発明による実施例６の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１７７は、本発明による実施例６の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１７８は、本発明による実施例６の対物レンズモジュールを用いた場合のＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１７９は、本発明による実施例６の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１８０は、本発明による実施例７の回折光学素子と対物レンズからなる対物レンズモジュールの概略断面図である。
図１８１は、本発明による実施例７の回折光学素子の概略断面図である。
図１８２は、本発明による実施例７の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面を模式的に示すグラフである。
図１８３は、本発明による実施例７の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＨＤ−ＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１８４は、本発明による実施例７の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１８５は、発明による実施例７の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１８６は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１８７は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１８８は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図１８９は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１９０は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１９１は、本発明による実施例７の回折光学素子の回折レンズ構造の実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図１９２は、本発明による実施例７の対物レンズモジュールを用いた場合のＨＤ−ＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１９３は、本発明による実施例７の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１９４は、本発明による実施例７の対物レンズモジュールを用いた場合のＨＤ−ＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１９５は、本発明による実施例７の対物レンズモジュールを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図１９６は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの概略断面図である。
図１９７は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの概略断面図である。
図１９８は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズのＨＤ−ＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図１９９は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズのＤＶＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図２００は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズのＣＤの波面収差を実際の形状のデータにより計算した結果を示すグラフである。
図２０１は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図２０２は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図２０３は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポット形状を示すグラフである。
図２０４は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＨＤ−ＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図２０５は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＤＶＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図２０６は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズの実際の面形状データより対物レンズモジュールの波面収差を計算し、その波面収差を用いて計算したＣＤ上のスポットサイドローブ形状を示すグラフである。
図２０７は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズを用いた場合のＨＤ−ＤＶＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図２０８は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポット半値幅値とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図２０９は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズを用いた場合のＨＤ−ＤＶＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
図２１０は、本発明による実施例８の回折レンズ構造が施された対物レンズを用いた場合のＣＤに対するチルト時のスポットサイドローブ強度とディスクチルト角度と関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
（光ピックアップ）
図１は実施形態の光ピックアップの概略を示す。光ピックアップは、第１波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍ例えば４０８ｎｍ付近の短波長のλＢＤを射出するＢＤ用半導体レーザＬＤ１と、第１波長より長い第２波長すなわち６３０ｎｍ〜６７０ｎｍ例えば６６０ｎｍ付近のＤＶＤ用の長波長λＤＶＤを射出するＤＶＤ用半導体レーザＬＤ２と、第２波長より長い第３波長７６０ｎｍ〜８００ｎｍ例えば７８０ｎｍ付近のＣＤ用の更に長波長のλＣＤを射出するＣＤ用半導体レーザＬＤ３と、を備えている。半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３はＢＤ用、ＤＶＤ用及びＣＤ用として択一的に切り換えて点灯される。
さらに光ピックアップは、これら第１、第２及び第３レーザ光λＢＤ、λＤＶＤ及びλＣＤの光路を共通させる光軸結合素子の光軸結合プリズム（色合成プリズム）１０を備えている。この光学系の光軸結合プリズム１０は、図１に示すように、半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３の発散レーザ光を共通の光路となすように設計され、３つの光束の光軸を略一致させる機能を有する。光軸結合プリズム１０中のそれぞれのダイクロイックミラーは所望の波長のレーザ光を透過又は反射する特性を有しており且つ、入射角度依存性を持つように多層誘電体薄膜により形成されている。また、光軸を合成する光軸結合素子は、光軸結合プリズムに限定されることなく、ダイクロイックミラーに代えて、回折角の波長差を使った回折格子、液晶コレステリック層などを、光軸結合素子に用いることができる。
また、光ピックアップは、光軸結合プリズム１０の光軸の下流にビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、及び対物レンズモジュール１６を備えている。以上の光照射光学系によって、第１半導体レーザＬＤ１及び第２半導体レーザＬＤ２の少なくとも一方からのレーザ光は、光軸結合プリズム１０及びビームスプリッタ１３を経て、コリメータレンズ１４で平行レーザ光にされ、を透過して、対物レンズモジュール１６によって、その焦点付近に置かれている光ディスク５に向けて集光され、光ディスク５の情報記録面のピット列上で光スポットを形成する。
以上の光照射光学系に加えて、光ピックアップはさらに検出レンズ１７など光検出光学系を有しており、対物レンズモジュール１６、及びビームスプリッタ１３は光検出光学系にも利用されている。ＣＤ、ＢＤ又はＤＶＤの光ディスク５からの反射光は、対物レンズモジュール１６で集められを介してビームスプリッタ１３によって検出用集光レンズ１７に向けられる。検出レンズ１７で集光された集束光は、例えば、シリンドリカルレンズ、マルチレンズなどの非点収差発生素子（図示せず）を通過して、例えば、直交する２線分によって４分割されてなる４つの受光面を有する４分割光検出器の受光面２０中心付近に光スポットを形成する。
また、光検出器の受光面２０は復調回路３０及びエラー検出回路３１に接続されている。エラー検出回路３１は対物レンズモジュールのトラッキング制御及びフォーカス制御用のアクチュエータ２６を含む機構を駆動する駆動回路３３に接続されている。
４分割光検出器は、その受光面２０中心付近に結像された光スポット像に応じた電気信号を復調回路３０及びエラー検出回路３１に供給する。復調回路３０は、その電気信号に基づいて記録信号を生成する。エラー検出回路３１は、その電気信号に基づいてフォーカスエラー信号や、トラッキングエラー信号や、その他サーボ信号などを生成し、アクチュエータの駆動回路３３を介して各駆動信号を各アクチュエータに供給し、これらが各駆動信号に応じて対物レンズモジュール１６などをサーボ制御駆動する。
（対物レンズモジュール）
図１に示すように、ＢＤ用、ＤＶＤ用及びＣＤ用のレーザ光源ＬＤ２からのレーザ光を、光軸結合プリズム１０によって１つの光路を共用し、対物レンズモジュール１６によりＢＤ、ＤＶＤ又はＣＤの光ディスク記録面上に集光させる。
この対物レンズモジュール１６は、レーザ光を記録面へ集光する集光レンズ（基準レンズ）１６ａと、透光性の平板上に複数の位相段差からなる回折輪帯（光軸を中心とした回転対称体）すなわち回折格子を有する回折光学素子１６ｂ（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）と、を組み合せた複合対物レンズの組立体である。集光レンズ１６ａ及び回折光学素子１６ｂは、ホルダ１６ｃによって光軸に同軸に配置され、回折格子を有する回折光学素子１６ｂは光源側すなわち光軸結合プリズム１０から集光レンズ１６ａまでの光路中に位置する。
集光レンズ１６ａは、λＢＤの波長範囲４００ｎｍ〜４１０ｎｍ、透過保護層の厚さ０．１ｍｍに対して収差が補正された開口数０．８５を有する非球面レンズ（ＢＤ用対物レンズ）を用いる。
図２は他の実施形態の光ピックアップの概略を示す。上記半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３に代えて、光源に第１、第２及び第３波長を発する３波長レーザＬＤ１２３を使用することにより、光軸結合プリズムなどを省略できピックアップの光路はさらに簡素化されるため好ましい。
（回折光学素子）
本実施形態の回折光学素子１６ｂは、ＢＤ用対物レンズと組み合わせてＤＶＤとＣＤの記録再生を可能とするものである。
回折光学素子１６ｂは図３に示すように、ガラス、プラスチックなどからなる基板の入射側又は射出側の少なくとも一方の表面に形成された回折格子すなわち回折輪帯１６ｅからなる。回折輪帯１６ｅは光軸を中心に複数本の同心円に切削され又はフォトリソグラフィにより積層された環状溝又は凸の輪帯である。なお、上記のような物理的な段差構造以外でも、同心円状に不連続な屈折率分布を持たせた構造でも同様の効果が得られる。すなわち、回折輪帯は、物理的な段差構造、あるいは同心円状の不連続な屈折率分布により、あるいはその他何らかの手段により、そこを透過する光の波面の位相に段差を生じさせるものであればよい。このように、光の波面の位相に、段差を生じさせる構造をまとめて位相段差、あるいは位相段差構造とよぶ。また、位相段差量の表記方法に関しては、物理的な段差構造の寸法で表記したり、屈折率が不連続となる点での屈折率差で表記したり、そこで発生する光路長差あるいは位相差量などで表記することが可能である。一般に、各回折輪帯１６ｅの断面形状はブレーズ形状すなわち鋸歯状、又は、階段形状となるように形成されることが多い。例えば、鋸歯状断面の回折格子は回折効率が他より高いので有利である。回折格子断面形状の作成法として、フォトリソグラフィ技術を応用する方法と、ダイヤモンドバイトなどで精密切削する方法とがあり、これらによって、擬似的にブレーズを形成した多段階ブレーズ又はブレーズ形状の回折格子ができるが、いずれの方法でも構わない。または、かかる多段階ブレーズ又はブレーズ形状を金型に雛形を形成しておき、射出成形又はいわゆる２Ｐ法で透明材料から複数の回折光学素子を複製することもできる。
回折光学素子の回折輪帯１６ｅは回折レンズ構造を構成する。回折レンズは非球面レンズの面上に回折面を形成したレンズであり、回折レンズ構造は例えば巨視的非球面形状上に形成された同心円状の位相段差で構成される。回折レンズ構造は、図４ａに示すように、少なくとも基板の片面に設けられ、対物レンズの記録媒体に対応した有効径に応じて異なる半径位置で画定された複数の領域にて区画されている。回折レンズ構造は、透過保護層の厚さの違いや波長の違いによる球面収差を補正するように、形成されている。回折レンズ構造の具体的な構造は以下のとおりである。
最内周の領域１では、第１レーザ光（ＢＤ用レーザ光、波長４０８ｎｍ）に対しては球面収差補正効果が無く、第２レーザ光（ＤＶＤ用レーザ光、波長６６０ｎｍ）及び第３レーザ光（ＣＤ用レーザ光、波長７８０ｎｍ）に対しては球面収差補正効果がある回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ｛例えば（ＢＤ：１次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＢＤ：３次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＢＤ：７次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）、（ＢＤ：９次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝を利用できるように第１回折レンズ構造（第１収差補正手段）が形成されている。なお、（ＢＤ：５次光、ＤＶＤ：３次光、ＣＤ：２又は３次光）の組は、ＢＤ用レーザ光及びＤＶＤ用レーザ光で回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する位相差が揃ってしまうので、除外してもよい。よって、第１レーザ光が第１回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が５の倍数を除く奇数となるように設計されている。回折レンズ構造によって発生する回折光の回折効率は、それを構成する同心円状の位相段差の段差量によって調節することができる。特に領域１ではＢＤ用レーザ光の回折効率が最大となるように位相段差量を決定してしまうと、ＣＤ用レーザ光の所望とする回折次数における十分な回折効率得ることができず、同時に不要な回折光が発生することになるので、ＢＤ用レーザ光の回折効率とＣＤ用レーザ光の回折効率のバランスを考慮して設計されていることが望ましい。なお、このように回折効率のバランスを考慮して設計した場合、位相段差で発生する光路長差が波長の整数倍からずれることに伴い、鋸波状の波面収差が部分的に発生するが、このことによるスポット形状の劣化はほとんど無いため問題ない。回折レンズ構造を構成する複数の位相段差の深さは、発生する光路長差がすべての段差で同一となるように設計するが、最外周の位相段差で発生する光路長を他の位相段差とは異なるように設計することにより、他の領域を通過する波面との位相をより正確に合わせることができ、より良好な集光性能が得られるようになるため、好ましい。
領域１より外側の中周部にある領域２には、ＢＤ用レーザ光及びＣＤ用レーザ光に対しては球面収差補正効果が無く、ＤＶＤ用レーザ光に対してのみ球面収差補正効果がある回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ｛例えば（ＢＤ：２次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＢＤ：４次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＢＤ：６次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）、（ＢＤ：８次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝が利用できるように第２回折レンズ構造（第２収差補正手段）が形成されている。ＢＤについて１０次回折光の場合、すべての媒体の記録及び再生に対応したレーザ光に対して回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する位相差がほぼ揃ってしまい、ＤＶＤ用レーザ光のみに対して選択的に収差補正効果を与えられないためＢＤ用レーザ光が第２回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が１０の倍数を除く偶数となるように設計されている。回折レンズ構造を構成する位相段差の深さに関しては、要求仕様に応じてＢＤ用レーザ光の回折効率が最大となるような光路長差を発生するように設定してもよいし、ＢＤ用レーザの回折効率とＤＶＤ用レーザの回折効率とのバランスを取ることを考慮してもよい。また、鋸波状の波面収差が発生する場合は、領域１の場合と同様に、最外周の位相段差のみ、発生する光路長差が異なるように設計するとより良好な集光特性が得られるようになるため、好ましい。
領域２より外側の外周部にある領域３には、全ての波長に対して球面収差補正効果の無いような回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ（例えば、ＢＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光）が利用できるように第３回折レンズ構造（第３収差補正手段）が形成されている。また、領域３は回折レンズ構造を形成しなくともよい（ゼロ次光のみ透過）。よって、所定のＢＤ用開口数０．８５が実現される。
図４ａに示す例では、第１回折レンズ構造、第２回折レンズ構造及び第３回折レンズ構造がすべて同一の面に形成されている。このようにすべての回折レンズ構造を一つの面に形成することにより、位相段差を成形するための微細構造を有する金型を複数必要としないため、製造容易となり、同時にコスト面においても好ましい。また、それぞれの回折レンズ構造におけるＢＤ用レーザ光の回折次数やＤＶＤおよびＣＤの像面位置を適切に設定することにより、図４ａのように全ての位相段差の方向を同一にそろえることができる。ここで、位相段差の方向とは、段差の内周側の面を基準にした外周側の面の移動方向で表すこととする。このように位相段差の方向をすべて同一方向にそろえることにより、面形状は微小な輪帯状のくぼみや突起の無い、単純な階段形状となるため、金型作製が容易となり好ましく、さらに離型性の悪化が抑えられることにより金型を長寿命化するとともに、成形不良率を低減できるため、好ましい。
このように、本実施形態の回折光学素子はＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの透過保護層の厚み違いにより発生する球面収差を補正するため、その少なくとも１面に微細な同心円状の位相段差からなる回折レンズ構造が形成されている。これにより、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤを全て無限系として球面収差を補正すると同時にそれぞれの光ディスクの記録再生に必要な開口数へ開口制限することが可能となる。
次に、回折次数の選択によりＤＶＤ／ＣＤで異なる開口数（有効径）の制限を実現する回折レンズ構造の作用を詳細に説明する。
回折レンズ構造は、光学材料の表面に複数の微少な位相段差で形成されている。屈折率Ｎの光学材料に形成された深さｄの位相段差を波長λのレーザ光が通過すると、段差の部分で波面に｛（Ｎ−１）ｄ／λ｝×λの光路長差が発生する。回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する光路長差が｛（Ｎ−１）ｄ／λ｝×λである場合、波長λの光に対して回折レンズ構造ではｒｏｕｎｄ［（Ｎ−１）ｄ／λ］次光の回折効率が最大となる。ただし、ｒｏｕｎｄ［］は［］内の数値を四捨五入して得られる整数である。また、回折レンズ構造を構成する一つの位相段差で補正できる収差量は［ｒｏｕｎｄ［（Ｎ−１）ｄ／λ］−｛（Ｎ−１）ｄ／λ｝］λである。つまり、（Ｎ−１）ｄ／λが整数である場合、すなわち、位相段差で発生する光路長差が波長の整数倍である場合、位相段差で補正できる収差量はゼロとなるが、回折効率はほぼ１００％となる。逆に、（Ｎ−１）ｄ／λが整数からずれるほど、つまり、位相段差で発生する光路長差が波長の整数倍からずれるほど、一つの位相段差で補正できる収差量は大きくなるが、回折効率は低下していく。
光学材料の屈折率Ｎは一般に波長によって異なり、波長が短くなるほど屈折率は高くなる。ＢＤ用レーザ光の波長λＢＤは４０８ｎｍ程度であり、ＣＤ用レーザ光の波長λＣＤは７８０ｎｍ程度であり、前記のように屈折率が波長によって異なるため、これらのレーザ光が同一の位相段差を通過した場合の（Ｎ−１）ｄ／λの値を比較すると、ほぼ２：１になる。
このようなことから、ＢＤ用レーザ光に対して２ｍλＢＤ（ｍは整数）の光路長差が発生する位相段差では、ＣＤ用レーザ光に対して発生する光路長差が略ｍλＣＤとなる。従って、ＢＤ用レーザ光の２ｍ次光の回折効率が最大となり、これに対して球面収差補正効果を持たないように回折レンズ構造を設計した場合、ＣＤ用レーザ光では、ｍ次光の回折効率が最大となり、これに対しても回折レンズ構造は球面収差補正効果をほとんど持たないため、ＣＤに対する球面収差の補正が不可能となる。
一方、ＢＤ用レーザ光に対して（２ｍ＋１）λＢＤの光路長差が発生するように回折レンズ構造の位相段差量を設定すると、回折レンズ構造では（２ｍ＋１）次の奇数次回折光の回折効率が最大となる。この場合、ＣＤ用レーザ光では、位相段差で発生する光路長差が略（ｍ＋１／２）λＣＤとなる。つまり、ＢＤ用レーザ光とＣＤ用レーザ光では、位相段差で発生する光路長差の波長の整数倍からのずれ量が異なるため、ＢＤ用レーザ光に対しては収差補正効果を持たず、ＣＤ用レーザ光に対しては収差補正効果を持つ回折レンズ構造を実現することが可能となる。
さらに、このような現象を利用して、図４ｂに示すようにＣＤ有効径に対応する第３回折有効径の領域１に関してはＢＤ用レーザ光で奇数次の回折光を利用する第１回折レンズ構造とすることにより、ＢＤで球面収差を発生せずにＤＶＤの球面収差を補正するように設計された第１回折レンズ構造でＣＤの収差をある程度補正することが可能となる。また、第３回折有効径外の領域２に関しては、ＢＤ用レーザ光の偶数次の回折光を利用する第２回折レンズ構造とすることにより、ＢＤで球面収差を発生せずにＤＶＤの球面収差を補正するように設計された第２回折レンズ構造で、ＣＤの球面収差を補正せずに残留させることが可能となる。
ただし、これらの回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する光路長差が５λＢＤとなるように設計した場合、ＤＶＤ用レーザ光では、位相段差で発生する光路長差が略３λＤＶＤとなるため、ＢＤで球面収差を発生せずにＤＶＤで球面収差を補正することは不可能となる。つまり、第１回折レンズ構造は、ＢＤ用レーザ光の５の倍数を除く奇数次の回折光を利用する回折レンズ構造とし、第２回折レンズ構造は、ＢＤ用レーザ光の１０の倍数を除く偶数時の回折光を利用する回折レンズ構造とすればよい。
ＤＶＤ有効径に対応する第２回折有効径外の領域３に関しては、ＤＶＤ及びＣＤの両方に対して球面収差を補正しなければ、ＢＤに対しては収差を発生させずにＤＶＤ及びＣＤの両方に対して光をフレアとして拡散させることができる。さらに、第２回折有効径内で且つ第３有効径外の領域２では、ＣＤに対してのみ球面収差が存在するので、ＣＤに対してのみ光をフレアとして拡散させることができる。
このように、使用される複数の光源波長のうち最も短い波長のレーザ光を入射した場合に発生する回折光のうち、回折効率が最大となる回折次数が、領域１に形成された回折レンズ構造では奇数（５の倍数を除く）、最外周と最内周の領域の間の領域２に形成された回折レンズ構造では偶数（１０の倍数を除く）となるようにすることにより、３つの異なる開口数に対応した有効径内の光に対してのみ球面収差を補正し、有効径外の光は球面収差を補正しないことによりフレアとして拡散させることができる。
よって、光軸を中心とする２つの円にて分割された３つの領域に分割し、これらのうち少なくとも２つの領域には同心円状の微細な位相段差にて構成される回折レンズ構造は、開口数の違うＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤのそれぞれの光に対して最適な開口数を付与することができる。
なお、このような構成を利用せずにＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤのそれぞれの光に対して最適な開口数を付与する方法として、同心円状に波長選択性の透過率特性を有する膜を施す方法も考えられるが、この場合、膜を部分的に施すことが困難であり、製造工程が複雑化するため好ましくない。
次に、ＤＶＤ／ＣＤで異なる量の球面収差を補正する手段を詳述する。
ＤＶＤの透過保護層（基板）厚みは０．６ｍｍでＣＤの透過保護層（基板）厚みは１．２ｍｍであるため、補正すべき球面収差量が異なる。つまり、ＢＤ／ＤＶＤ互換用に設計された回折レンズ構造では、ＣＤに対して球面収差を完全に補正することはできない。同様に、ＢＤ／ＣＤ互換用に設計された回折レンズ構造では、ＤＶＤに対して球面収差を完全に補正することはできない。これは、回折レンズ構造を構成する一つの位相段差で補正できる収差量［ｒｏｎｄ［（Ｎ−１）×ｄ／λ］−｛（Ｎ−１）×ｄ／λ｝］λの値の比率を、ＤＶＤとＣＤの補正すべき球面収差量の比率と同じ値にすることができないからである。このような場合、ＤＶＤもしくはＣＤのどちらかの入射光を発散光もしくは収束光にすることにより、回折レンズ構造にて補正しきれなかった球面収差を補正することが可能である。しかしながら、たとえばＢＤ／ＤＶＤを平行光入射とし、ＣＤのみ発散光もしくは収束光とした場合、ピックアップの構成が複雑になってしまうといった問題があり、このような観点からＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの全てが平行光入射であることが望ましい。
これを実現する方法としては、以下に示す３つの方法が考えられる。
第１の方法としては、図４ｂのような構成におけるＤＶＤ／ＣＤで共用される領域１に形成される第１回折レンズ構造の設計において、ＤＶＤで補正すべき球面収差量とＣＤで補正すべき球面収差量の中間の量の球面収差を補正するように設計し、ＤＶＤとＣＤで残留する球面収差量のバランスをとる方法が考えられる。この方法では、ＤＶＤとＣＤの双方において収差が０．０７λｒｍｓ以下となるような設計を得ることができる。
第２の方法としては、図４ｃに示すように領域１に第１回折レンズ構造とＢＤ用レーザ光に対して１０を除く偶数次の回折光を発生する第４回折レンズ構造を混在させる方法が考えられる。この方法では、まず第１回折レンズ構造をＢＤ／ＣＤ互換用に設計する。第１回折レンズ構造は、ＤＶＤ用レーザ光に対しても球面収差補正効果を有するが、その補正量が補正すべき球面収差量と異なるため、それらの差分に相当する球面収差が残留する。このＤＶＤにおける残留球面収差を補正すべく第２回折レンズ構造と同様にＢＤ用レーザ光に対して偶数次の回折光を発生する第４回折レンズ構造を追加して残留収差を補正する。第４回折レンズ構造はＢＤ用レーザ光に対して収差補正効果を持たず、且つ偶数次の回折光を発生するように設計されているので、ＣＤ用レーザ光に対しても収差補正効果を持たない。つまり、第４回折レンズ構造を追加したことによるＣＤの波面に対する悪影響はない。この方法では、ＤＶＤ／ＣＤの双方において領域１における収差を十分小さい値に抑える設計が可能となる。なお、設計結果によっては、第１回折レンズ構造を構成する位相段差と第４回折レンズ構造を構成する位相段差の間隔が非常に小さくなる場合があるが、その場合はそれら２つの位相段差を合成して１つの位相段差とすることにより位相段差の総数を減らすことが可能となる。すなわち、２つの隣接する位相段差の段差量を足し合わせた段差量の段差を、それらの位相段差があったどちらかの位置あるいはその間のどこかに配置すればよい。このように、位相段差を合成した場合、それぞれの位相段差が本来の設計値からわずかにずれるため、若干の性能劣化が発生するが、合成する２つの位相段差が近接している場合、そのずれは小さいため、性能劣化は問題とならない。このように２つの位相段差を合成することにより２つ必要であった位相段差の数を一つに減らすことができるため、金型製造が容易となり好ましく、成型時の離型性が向上するため、金型寿命が長寿命化し、さらに成形不良率も低減されるので好ましい。
第３の方法として、発明者は上記の２つ方法とは違った設計手法によりＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの全てが平行光入射となるような設計を見いだした。以下にその詳細を示す。
球面収差は、レンズの開口数の４乗に比例する。従って、図４ｄに示すようにＤＶＤ／ＣＤの共用設計領域である領域１をＣＤの有効径に対応する第３回折有効径より小さくし、開口数を減らすことによって、補正しきれず残留する球面収差量を減らすことができる。たとえば、ＤＶＤ／ＣＤ共用設計領域を８０％程度にした場合、残留する球面収差量は４１％程度まで低減される。しかしながら、単に共用設計領域を減らすと、ＣＤに対する開口数が小さくなってしまうため、ＣＤの記録及び再生に支障を来す。そこで、発明者は領域１を通過したＣＤ用レーザ光の集光位置に注目した。図５は、ＣＤに対する縦球面収差を表す図であり、縦軸は光軸を基準とした光軸と垂直な方向の距離、すなわち光軸からの高さを表しており、横軸は光軸方向の位置を表している。ここで示す例では、領域１の回折レンズ構造はＣＤに対して収差が補正されるように設計されている。図５に示すように、補正前の縦球面収差が領域２内で且つＣＤ有効径内側のどこか１点でゼロとなるような位置に、ＣＤ用レーザ光の所望とする回折光の集光位置を設定し、ＣＤ有効径より狭くなるように領域１を制限することにより、ＤＶＤにおいて領域１に残留する球面収差を低減することを提案する。すなわち、図４ｄに示すように、領域２内で且つＣＤの有効径に相当する第３回折有効径の中にある領域４を考慮することによって、ＣＤ有効径より狭くなるように領域１を制限する。また、図６はＣＤに対する波面収差を表す図であり、横軸は光軸からの高さを、縦軸は収差量を表している。ここで示すように、縦球面収差がゼロとなる光軸からの高さｈにおいて波面の傾斜はゼロとなり、その周辺においても波面の傾斜は比較的緩いため、この領域だけ取り出して考えると収差はそれほど大きくならない。つまり、ｈ近傍の領域４の波面は、領域１を通る波面と位相を合わせることによって、球面収差を補正していないにもかかわらずＣＤの再生に利用することができる。以上のように、第１回折レンズ構造を設計する際に、ＣＤにおける第４領域のどこかに縦球面収差がゼロとなるような像面位置を設定することにより、領域１の狭小化が可能となる。このように設計された回折光学素子を用いた場合、ＤＶＤでは領域１にて若干の収差が残留することになるが、その収差量はわずかであり、実質的に問題とはならない。また、この設計方法では、領域１に複数の回折レンズ構造を構成する位相段差が混在しないので、位相段差数の増加を伴わない設計が可能となるため好ましい。さらに、前述の通り、特に領域１ではＢＤ用レーザ光との回折効率のバランスを考慮する必要があるが、領域１の面積が狭小化されているため、ＣＤ用レーザ光の回折効率を考慮してＢＤの回折効率を落としたとしても、その影響は狭小化しない場合に比べて小さく抑えることができるので好ましい。
以上、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの回折効率が最大となる回折次数と球面収差補正および開口制限効果とを勘案すると、各領域で利用するＢＤ用レーザ光の回折次数の組み合わせを表１の示すように、まとめることができる。
【表１】
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（対物レンズモジュールの動作）
図７は、対物レンズモジュールの動作を示す。
図７（Ａ）に示すように、λＢＤの第１レーザ光が略平行光として回折光学素子１６ｂに入射するとき、全ての領域を通る光はそのまま略平行光として対物レンズ１６ａへ導かれる。対物レンズ１６ａにより集光された光は、ＢＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。
また、図７（Ｂ）に示すように、λＤＶＤの第２レーザ光が略平行光として入射するとき、回折光学素子におけるＤＶＤの有効径に対応する第２回折有効径内の領域１、領域２を通過する光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、回折光学素子における第２回折有効径外を通過した光は、レンズ１６ａによって集光されＤＶＤ保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
さらに、図７（Ｃ）に示すように、λＣＤ９の第３レーザ光が略平行光として入射するとき、ＣＤの有効径に相当する第３回折有効径内の領域１及び領域４を通過する光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、第３回折有効径外を通過した光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
（色収差補正）
回折光学素子に色収差補正機能を持たせた場合は、球面収差補正用回折レンズ構造を追加したことにより不連続となっていた色収差を補正し、レーザの波長変動時にも安定した動作を実現できる。
ＢＤでは、対応する対物レンズの開口数が０．８５と非常に大きく、且つ使用する光源の波長が短いので、焦点深度が浅くなる。従って、色収差を補正することが望ましい。通常、色収差を補正するには、屈折率の異なるガラスを使ったレンズを組み合わせて、それらの色収差を相殺させて補正するか、回折光学素子を別途用いてそれにより発生する色収差と相殺させて補正する。
本実施形態の場合、ＤＶＤやＣＤの球面収差補正と開口制限を同時に行うため、部分的に異なる特性の回折レンズ構造からなる回折光学素子を採用しているため、色収差が領域ごとに異なる特性となる。そのような場合、波長分散の異なる材料を用いた球面レンズ２枚を組み合わせた一般的な組レンズでは収差補正が煩雑となる。発明者は、そのような不連続な色収差を補正するため、回折レンズ構造による補正、すなわち、領域１及び領域２における色収差が不連続とならないように前記球面収差補正用回折レンズ構造を設計し、それに対してさらに領域３の色収差も不連続とならないように領域３に色収差補正用の回折レンズ構造を形成することとする。
本実施形態においては、すでに説明したＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ互換用の回折レンズ構造にて球面収差が補正されているので、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ全てに対して色収差補正以外の余計な収差を発生してはならない。本実施形態における第３回折レンズ構造は、色収差補正用回折レンズ構造として、全てに対して色収差補正以外の余計な収差を発生しない、例えばＢＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光の回折次数の組み合わせで利用できる。この場合、第１レーザ光が第３回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち回折効率が最大となる回折次数が１０の倍数となるように設計されている。
領域１及び領域２に形成された第１及び第２回折レンズ構造（球面収差補正用）による不連続な色収差を補正すると共に、対物レンズ自体が有する色収差を補正する場合は、第３回折レンズ構造（色収差補正用手段）をＢＤ有効径全面（ＤＶＤ，ＣＤ有効径を含む）に形成する必要がある。この場合、球面収差補正用回折レンズ構造と色収差補正用回折レンズ構造に光軸ずれが発生することは望ましくないので、球面収差補正用回折レンズ構造と色収差補正用回折レンズ構造は１つの回折光学素子に構成することが望ましい。図８に示すように、色収差補正用の第３回折レンズ構造を、球面収差補正用の第１及び第２回折レンズ構造とは異なる面に形成して一つの回折光学素子に構成することにより、従来のように色収差補正用光学素子を別途使用した場合に比べて部品点数が減少するため、ピックアップの小型化やコストダウンに多大な効果をもたらす。
その他に、第１回折レンズ構造は、第２回折レンズ構造及び第３回折レンズ構造とは異なる面に形成されていてもよい。また、第２回折レンズ構造は、第１回折レンズ構造及び第３回折レンズ構造とは異なる面に形成されていてもよい。第１回折レンズ構造、第２回折レンズ構造及び第３回折レンズ構造がいずれかの面に形成されており、各々の面に形成されている位相段差の方向（深さ方向）が全て同一であることが好ましい。
これらの回折レンズ構造を一つの回折光学素子に構成する場合、図９に示すように、回折レンズ構造を両面分けて、それぞれの面において回折レンズ構造の位相段差の方向が揃うように構成することにより、回折レンズ構造の断面形状は単純な階段形状となるため、金型加工が容易になるとともに、成形不良を低減し、金型が長寿命化するため、回折光学素子の高品位維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。
なお、第３回折レンズ構造を構成する位相段差と第１及び第２回折レンズ構造のいずれを構成する位相段差とでは、段差で発生する光路長差が異なることが好ましい。また、第３回折レンズ構造を構成する位相段差のうち、領域間の位相を合わせるために、第１、第２及び第４回折有効径近傍にある位相段差のいずれか、あるいはそれら全てにおいて他の位相段差とは異なる光路長差が発生するように設定した方が好ましい場合がある。
さらに、複数の回折レンズ構造を有する回折光学素子において、図１０に示すように、それらの回折レンズ構造をすべて片面に集約することにより、製造の難しい微細段差を有する金型を２面製造する必要が無くなるため、回折光学素子のコストダウンに多大な効果をもたらす。すなわち、回折光学素子の入射又は射出面における第３回折有効径内の領域に、第１回折レンズ構造を構成する位相段差全てと、第２回折レンズ構造を構成する位相段差の一部と第３回折レンズ構造を構成する位相段差の一部が混在するようにしてもよい。さらに、回折光学素子の入射又は射出面における第４回折有効径から第２回折有効径の間の領域に、第２回折レンズ構造の一部と第３回折レンズ構造の位相段差の一部が混在するようにしてもよい。
回折レンズ構造を片面に集約すべく、複数の回折レンズ構造を同一面同一領域に形成する際に、隣接する２つの位相段差が近接している場合、これら２つの位相段差を一つの位相段差として合成し、段差数を減らすことによって、金型の製造が容易になるとともに、離型性が向上することにより成型不良を削減できる。これも回折光学素子の高品位維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。また、段差のエッジの丸みや段差壁面のダレなどの製造誤差による光量ロスは、段差の数に応じて増加するため、段差数を減らすことは光量ロスを低減するうえでさらに好ましい。
合成する位相段差に、図１１に示すように、位相段差の方向が異なるものを組み合わせることによって、深い段差の数を減らすことができる。この場合、特に段差が垂直でなくなる壁面のダレような製造誤差に対する光量ロスが低減されるため好ましい。さらに、図のように微細な突起形状や窪みが無く（破線）なるため、金型加工が容易となり、成型時の離型性が向上することにより成形不良を削減でき、金型の微細な窪みに材料が残留することによる金型の短寿命化を防ぐことができるので、回折光学素子の高品位維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。この場合、回折光学素子の第４回折有効径内に第１回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量と第３回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量を足し合わせた深さの位相段差が少なくとも一つ以上存在する。また、回折光学素子の第４回折有効径から第２回折有効径の間の領域に第２回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量と第３回折レンズ構造を構成する位相段差の段差量を足し合わせた深さの位相段差が少なくとも一つ以上存在する。
合成する複数の回折レンズ構造で利用する回折次数を適切に選択することにより、図１２に示すように、片面側ですべての位相段差を同一方向に揃えることができる。これにより、金型形状が単純になるため加工が容易となり、成型時の離型性が向上することにより成形不良を削減でき、金型の微細な窪みに材料が残留することによる金型の短寿命化を防ぐことができる。よって、回折光学素子の高品位維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。
また、上記の説明では回折レンズ構造を有する回折光学素子と対物レンズとを別体の光学素子として説明しているが、図１３のように、対物レンズに直接回折レンズ構造を形成することも可能であり、この場合、さらに部品点数が少なくて済み好ましい。
以上、表２の示すように、各領域で利用する回折次数の組み合わせを具体的にまとめることができる。
表２は、ＢＤで利用する回折レンズ構造の回折次数に対するＤＶＤ及びＣＤの回折次数、一つの位相段差による収差補正量（利用する回折次数から段差で発生する光路長差を差し引いた値）及び回折効率を示す。なお、表２に示す回折効率は、ＢＤ用光源に対して回折効率が１となるように回折レンズ構造をブレーズ化した場合の一例であり、実際の設計においては、位相段差量を変えることによって、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおける回折効率の均衡を考慮した設計が可能である。従って、実際の回折レンズ構造におけるＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの回折効率の組み合わせＡ〜Ｄは表２の数値に限定されるものではない。
【表２】
0004340690.tif 000003
＊Ａ：ＣＤとＤＶＤの両方に対して球面収差を補正できる（領域１で利用）。
Ｂ：ＤＶＤに対してのみに球面収差を補正できる（領域２で利用）。
Ｃ：色収差補正用だけを補正できる（領域３で利用）。
Ｄ：ＣＤに対してのみに球面収差を補正できる。
一般に、屈折率Ｎの材料に形成されている段差で発生する光路長差ΔはΔ＝（Ｎ−１）ｄとなる。ただし、ｄは段差すなわち隣接段差面間の距離である。従って、ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤ用レーザ光の波長λＢＤ、λＤＶＤ及びλＣＤに対する屈折率がそれぞれＮＢＤ、ＮＤＶＤ及びＮＣＤである材料に形成されている回折レンズ構造の段差ｄにて発生する光路長差ΔＢＤ、ΔＤＶＤ及びΔＣＤはそれぞれ、
ΔＢＤ＝（ＮＢＤ−１）ｄ            （１）
ΔＤＶＤ＝（ＮＤＶＤ−１）ｄ        （２）
ΔＣＤ＝（ＮＣＤ−１）ｄ            （３）
となる。
（１）式、（２）式および（３）式において、ｄは回折レンズ構造を構成する位相段差の物理的な寸法で共通な値であるから、（１）式および（２）式から
ｄ＝ΔＢＤ／（ＮＢＤ−１）＝ΔＤＶＤ／（ＮＤＶＤ−１）
なる関係が導き出され、この式をさらに変形すると光路長差ΔＤＶＤは
ΔＤＶＤ＝（ＮＤＶＤ−１）／（ＮＢＤ−１）×ΔＢＤ          （４）
となる。
ここで、回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する光路長差がＢＤ用レーザ光に対してＦＢＤ×λＢＤ（ＦＢＤは整数でＢＤ用レーザ光の回折光の回折次数）である場合、すなわち、
ΔＢＤ＝ＦＢＤ×λＢＤ            （５）
である場合、ＢＤ用レーザ光に対してはＦＢＤ次光の回折効率が理論上１００％となる。このとき、ＤＶＤ用光源に対して位相段差が発生する光路長差ΔＤＶＤは、（４）式および（５）式から、
ΔＤＶＤ＝（ＮＤＶＤ−１）／（ＮＢＤ−１）×ＦＢＤ×λＢＤ
が得られ、これを変形すると、
ΔＤＶＤ＝｛λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ｝×λＤＶＤ
（６）
となる。よって、このような回折レンズ構造にて発生するＤＶＤ用レーザ光の回折光のうち、最も回折効率の高い回折次数ＦＤＶＤは、
ＦＤＶＤ＝ＲＯＵＮＤ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ］
（７）
である。ただし、ＲＯＵＮＤ［］は［］内の値を小数点以下で四捨五入して整数を得る、いわゆる丸めるための関数である。従って、回折レンズ構造設計時に、ＢＤ用レーザ光のＦＢＤ次光を利用する場合は、上記式を満たすＤＶＤ用レーザ光のＦＤＶＤ次光を利用するのが好ましい。従って、ＤＶＤの記録再生にはＦＤＶＤ次光を利用するのが妥当である。
一方、ＣＤ用光源に対しては、上記（１）式および（３）式から
ｄ＝ΔＢＤ／（ＮＢＤ−１）＝ΔＣＤ／（ＮＣＤ−１）
なる関係が導き出され、光路長差ΔＣＤは
ΔＣＤ＝（ＮＣＤ−１）／（ＮＢＤ−１）×ΔＢＤ
（８）
となる。これに、上記（５）式を代入すると、位相段差がＣＤ用光源に対して発生する光路長差は、
ΔＣＤ＝（ＮＣＤ−１）／（ＮＢＤ−１）×ＦＢＤ×λＢＤ
つまり、
ΔＣＤ＝｛λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＣＤ−１）／λＣＤ×ＦＢＤ｝×λＣＤ
（９）
となる。ＢＤ用光源の波長およびＣＤ用光源の波長はそれぞれ４０８ｎｍ、７８０ｎｍであり、光学材料の屈折率は波長が短くなるほど一般に大きくなるので、一般的に用いられる光学材料においては、以下のような関係が成り立つ。
ΔＣＤ≒１／２×ＦＢＤ×λＣＤ
（１０）
すなわち、位相段差で発生する光路長差の比はＢＤ用光源とＣＤ用光源でほぼ２：１となる。従って、ＢＤの回折次数ＦＢＤが偶数の場合、ＣＤ用光源に対して発生する光路長差もほぼ整数となるので、ＣＤ用光源に対して収差補正効果を持たない回折レンズ構造が設計できる。この場合、ＣＤの回折次数ＦＣＤは以下の式、
ＦＣＤ＝ＲＯＵＮＤ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＣＤ−１）／λＣＤ×ＦＢＤ］
＝ＦＢＤ／２
（１１）
によって決定される。
ＢＤの回折次数ＦＢＤが奇数の場合、ＣＤ用光源に対して発生する光路長差は整数では無くなるので、ＣＤに対しても収差補正効果を有する回折レンズ構造が設計できる。ＤＶＤやＣＤは、どちらもＢＤに比べてレーザ光透過層が厚いため、ＢＤ用対物レンズに対して補正すべき球面収差の符号は同符号となる。従って、回折レンズ構造にＤＶＤとＣＤの両方に対して収差補正効果を持たせようとした場合、位相段差が有する球面収差補正効果を同符号にする必要がある。
つまり、上記条件で求めたＤＶＤで利用する回折次数ＦＤＶＤが
ＦＤＶＤ＞λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ
（１２）
である場合は、
ＦＤＶＤ＝ＲＯＵＮＤ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ］
＝ＣＥＩＬ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ］
（１３）
であり、ＤＶＤ用レーザ光に対しては位相段差による収差補正量がプラスとなるので、ＣＤ用レーザ光に対しても位相段差による収差補正量がプラスとなるように、
ＦＣＤ＝ＣＥＩＬ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＣＤ−１）／λＣＤ×ＦＢＤ］
（１４）
で求められるＦＣＤ次光を利用する。ただし、ＣＥＩＬ［］は、［］内の値の小数点以下を切り上げて整数を得る関数である。
また、ＦＤＶＤ＜λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ
（１５）
である場合は、
ＦＤＶＤ＝ＲＯＵＮＤ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ］
＝ＦＬＯＯＲ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＤＶＤ−１）／λＤＶＤ×ＦＢＤ］
（１６）
であり、ＤＶＤ用レーザ光に対する位相段差による収差補正量がマイナスとなるので、ＣＤ用レーザ光に対しても位相段差による収差補正量がマイナスとなるように、
ＦＣＤ＝ＦＬＯＯＲ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＣＤ−１）／λＣＤ×ＦＢＤ］
（１７）
で求められるＦＣＤ次光を利用する。ただし、ＦＬＯＯＲ［］は、［］内の値の小数点以下を切り捨てて整数を得る関数である。この場合、
ＦＣＤ＝ＲＯＵＮＤ［λＢＤ／（ＮＢＤ−１）×（ＮＣＤ−１）／λＣＤ×ＦＢＤ］
（１８）
の関係が成り立たない場合もある。つまり、ＦＢＤが奇数の場合はＣＤ用レーザ光のＦＣＤ次光は、ＤＶＤの場合と同符号の球面収差補正効果がある回折光の中では最も回折効率が高くなるが、発生するすべての回折光の中で回折効率が最も高くなるとは限らない。
このようにして、表２に示すＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤ用の回折次数の組み合わせを得ることができる。ＢＤの１１次以上の回折次数に関しては、この表２の組み合わせが繰り返されることになる。
なお、表２は、最適な回折次数の組み合わせや一つの位相段差による収差補正量を直感的に理解できるよう、ＢＤ用レーザ光に対して理論上１００％の回折効率を有するといった特定の設計条件に関して記述したが、実際の回折レンズ構造における収差補正量は、回折レンズ構造を構成する複数の位相段差の分布と巨視的非球面形状のみで決定されるので、実際はＢＤ用レーザ光の回折効率が１００％とならないように位相段差量を設計した場合でも、ＢＤに対して収差補正効果を持たないように設計されている回折レンズ構造であれば、それを構成する位相段差はＤＶＤ用レーザ光およびＣＤ用レーザ光に対して表２に示す収差補正量を有する。すなわち、位相段差量のみを変化させた場合に表２において変化する値はＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの回折効率のみである。また、表２に記載されている収差補正量や回折効率は、あくまで利用する回折次数を決定する上での参考となる例としてあげた概略値である。実際の回折レンズ構造を構成する位相段差の分布、すなわちそれぞれの位相段差の光軸から高さは、位相関数法などの設計手法を利用して設計されている。また、使用される材料の屈折率と波長の関係により、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤの回折効率も微妙に異なるので、正確な回折効率を見積もるためには実際に使用する材料の屈折率特性を考慮する必要がある。
【実施例１】  通常、光ディスクに用いられている回折レンズ構造は、同心円上の複数の微細な位相段差によって構成されており、その位相段差による光の回折を利用して光の波面を制御している。このような回折レンズ構造を設計する手法の一つとして、位相関数法が用いられる。位相関数法では、回折レンズ構造を形成する面に無限に薄い位相物体を想定し、光軸からの距離（高さ）ｈを通る光線に対して、下記式に示す位相関数Ψ（ｈ）より与えられる位相を付加して収差の計算を行う。ただし、ｄｏｒは回折次数、λ０は設計波長である。
0004340690.tif 000004
ここで、位相関数Ψ（ｈ）を下記式のように置き、Δ（ｈ）を回折レンズ関数とする。
0004340690.tif 000005
回折レンズ構造を構成する複数の位相段差の光軸からの高さは、回折レンズ関数が整数となるｈを求めることにより得られる。
第１実施例は、図１５のように、第１光情報記録媒体であるＢＤ、第２光情報記録媒体であるＤＶＤ、第３光情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能にする回折光学素子とＢＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。レンズ系の構成及びＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表３のとおりである。
【表３】
0004340690.tif 000006
実施例１の回折光学素子は、図１６に示すように片面に回折レンズ構造が形成されており、もう片面は平面となっている。実施例１の回折レンズ構造は、異なる特性を有する複数の回折レンズ構造が同心円状に構成されており、内周部より回折レンズ構造１（領域１）、回折レンズ構造２（領域２）及び平面である外周面（領域３）により構成されている。
回折光学素子で発生する収差は、回折レンズ構造が形成されている巨視的非球面形状により発生する収差と、そこに形成された位相段差により発生する収差を足し合わせたものである。本実施例では、回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせているので、ＢＤ用レーザ光に対しては回折光学素子で収差が発生しないように、巨視的非球面形状による収差と位相段差による収差が相殺されるような設計となっている。
回折レンズ構造１（領域１）及び回折レンズ構造２（領域２）を構成する位相段差のうち、それぞれの最外周の位相段差の径を回折レンズ構造の有効径とし、図１７に示すようにそれぞれφ（１）及びφ（２）（第４回折有効径及び第２回折有効径）とする。回折レンズ構造１の有効径φ（１）（第４回折有効径）は、回折光学素子におけるＣＤ有効径φ（ＣＤ）（第３回折有効径）より小さく、回折レンズ構造２の有効径φ（２）（第２回折有効径）は、回折光学素子におけるＤＶＤ有効径φ（ＤＶＤ）と同じ値である。ＢＤ有効径φ（ＢＤ）（第１回折有効径）は最大である。具体的数値（ｍｍ）を表４に示す。なお、φ（ＤＯＥ１）はφ（１）を、φ（ＤＯＥ２）はφ（２）を示す。
【表４】
0004340690.tif 000007
回折レンズ構造１と回折レンズ構造２ではＢＤにおいて利用する回折次数が異なる。回折レンズ構造１は、ＤＶＤとＣＤの両方に対して球面収差補正効果を持ち、回折レンズ構造２は、ＤＶＤに対してのみ球面収差補正効果を持ち、ＣＤに対しては球面収差補正効果を持たない。
以下に、各回折レンズ構造に関して詳しく説明する。
（回折レンズ構造１（領域１）について）
回折レンズ構造１（領域１）は、ＤＶＤとＣＤの両方に対して球面収差補正を行う。実施例１で用いている対物レンズでＤＶＤ及びＣＤを再生しようとした際に発生する球面収差の比率は、径が同一である場合は、図１８のＤＶＤ及びＣＤに対する球面収差のグラフに示すとおり、ＣＤの収差を１とした場合、ＤＶＤの収差は０．６３である。つまり、回折レンズ構造で補正される球面収差量の比率がＤＶＤとＣＤで０．６３：１≒３：５であれば、両者において球面収差がゼロとなるような回折レンズ構造を実現できる。しかし、実際にはそのような球面収差補正量の比率を有する回折レンズ構造は実現できない。このような場合、例えばＣＤの倍率を変更し、有限系とすることにより球面収差を補正できる。しかしながら、ＣＤ有限系にすることにより、光ディスクからの信号を含んだ光を受光する受光素子をＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤで共用することが困難となり、ピックアップの構成が複雑化するため、好ましくない、
表５は、ＢＤで利用する回折レンズ構造の回折次数に対するＤＶＤ及びＣＤの回折次数、位相段差による収差補正量及び回折効率を示す。
【表５】
0004340690.tif 000008
なお、表５に示す回折効率は、ＢＤ用光源に対して回折効率が１となるように回折レンズ構造をブレーズ化した場合の一例である。実際の設計では、後述の通り位相段差量を変えることによりＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤ間での回折効率の均衡を考慮した設計が可能であるので、回折レンズ構造の回折効率は表５の数値に限定されるものではない。
ＤＶＤの回折次数は、ＢＤの回折効率が１００％となるようにブレーズ化した場合に、ＤＶＤ用レーザ光に対する回折効率が最も高くなる次数を選択している。
ＣＤの回折次数は、ＤＶＤの場合と同符号の球面収差補正効果があり、その中で最も回折効率が高い回折次数を選択している。ＤＶＤの収差補正量とＣＤの収差補正量の符号を合わせた理由は、ＢＤ対物レンズを用いた場合に補正すべき球面収差の符号が同じだからである。
収差補正量は、回折レンズ構造を構成する位相段差で区切られた隣接する輪帯状の面の間で発生する位相差を光路長差に置き換えたものである。ＢＤの１１次以上の回折次数に関しては、この表５の組み合わせが繰り返されることになる。
この表５からもわかるとおり、ＤＶＤとＣＤで収差補正効果が３：５となる組み合わせは存在しないので、それに近い球面収差補正量の組み合わせ組み合わせを有し、且つＤＶＤの回折効率の高さを考慮して、表５の構造１に示すコラムの組み合わせＢＤの３次回折光、ＤＶＤとＣＤで２次回折光を利用することとした。
以下に、回折レンズ構造１（領域１）による収差補正の様子を説明する。
回折レンズ構造１は、ＢＤで３次回折光、ＤＶＤとＣＤで２次回折光を利用し、ＢＤの波面収差にはほとんど影響を与えることなくＣＤに対して球面収差がほぼゼロとなるように設計されている。
図１９に示すようにＢＤ用レーザ光に対して３次回折光の回折効率を高くするためには、位相段差によって区切られた隣接する輪帯状の面を通過する波面に３λの光路長差を与えるように位相段差量を設定する。
このように設定された回折レンズ構造においてＤＶＤ用レーザ光を用いた場合は、図１９に示すように光の波長が長くなるとともに材料の屈折率が低くなるので、隣接する輪帯状の面の間で発生する光路長差が約１．８λとなる。光の波動的性質上、光は隣接する面の間での光路長差が波長の整数倍となる方向にしか進行しないので、＋０．２λの光路長差がさらに付加された２次回折光と−０．８λの光路長差がさらに付加された１次回折光が発生することとなる。本実施例では、ＤＶＤで２次回折光を用いているが、この場合、一つの位相段差で＋０．２λの光路長差に相当する収差が発生することになる。
ＣＤ用レーザ光を用いた場合は、図１９に示すようにさらに光の波長が長くなるとともに材料の屈折率が低くなるので、隣接する輪帯状の面の間で発生する光路長差は１．５λとなる。この場合、＋０．５λの光路長差がさらに付加された＋２次回折光と−０．５λの光路長差がさらに付加された１次回折光が発生することとなる。本実施例では、ＣＤで２次回折光を用いているので、一つの位相段差で＋０．５λの光路長差に相当する収差が発生することになる。
このように、回折レンズ構造の隣接する輪帯間で発生する光路長差が波長によって異り、それに伴って付加される光路長差の違いを利用して球面収差を補正することが可能となる。
本実施例における回折レンズ構造１（領域１）は、ＢＤとＣＤの球面収差がゼロとなるように回折レンズ構造を設計したので、ＤＶＤに関しては若干の収差が残留することになる。ところで、透過保護層（基板）の厚さの違いにより発生する球面収差量は、開口数の４乗に比例して大きくなる。このようなことを考えると、補正すべき有効径を小さくし、開口数を小さくすることができればＤＶＤで残留する球面収差を小さくすることができる。しかしながら、単に有効径を小さくした場合、ＣＤに対する開口数が不足するため、支障を来すので、通常は、このような回折レンズ構造１は、補正すべき有効径全面に施す必要がある。ところが、本実施例では回折レンズ構造１を設計する際のＣＤ用レーザ光の像面位置を以下に示す条件にて決定することにより、ＣＤ有効径全面に回折レンズ構造１を施す必要のない構成を実現した。
図２０は、本実施例の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせたときのＣＤに対する縦球面収差図である。比較対象のため、回折レンズ構造による補正を行う前の縦球面収差図を薄い細い線で記述した。図からもわかるとおり、入射光の光軸からの高さφ（１）／２まで領域を通る光線は回折レンズ構造１（領域１）により球面収差が補正されているため、像面に集光されている。また、光軸からの高さφ（１）／２からφ（ＣＤ）／２を通る光線は、収差補正がなされないため球面収差がそのまま残留しているが、回折レンズ構造１を設計する際の像面位置がこの領域の１点ｈを通る光線が集光する位置に設定されているため、この領域を通る光線に関しては、若干の収差を有するものの、像面に集光する。光軸からの高さφ（ＣＤ）／２より高い位置を通る光線は、像面位置に集光せず、フレアとして拡散される。
図２１は、図２０のような縦球面収差特性を示すレンズの波面収差図である。光軸からの高さφ（１）／２までの領域の波面は、回折レンズ構造１（領域１）により球面収差が補正されているため、フラットで良好な波面形状である。一方、光軸からの高さφ（１）／２からφ（ＣＤ）／２を通る波面は、回折レンズ構造２（領域２）を通過するが、この回折レンズ構造２はＣＤ用レーザ光に対する球面収差補正効果を持たないため、球面収差がそのまま残留する。しかしながら、縦球面収差がゼロとなる位置において、波面は極大値をとり、その周辺の傾斜は緩いため集光に寄与する。一方ＣＤ有効径に相当する光軸からの高さφ（ＣＤ）／２より外側を通る波面は、傾斜がきついため集光に寄与しない。
以上のような構成で回折レンズ構造１（領域１）を設計することにより、回折レンズ構造１の有効径を最小限にとどめられ、ＢＤとＣＤに対して最適化された回折レンズ構造１を用いた場合にＤＶＤで残留する球面収差を低減することが可能となる。実際に回折レンズ構造１の有効径φ（１）は、ＣＤ有効径φ（ＣＤ）の７９％程度なので、残留する球面収差量は有効径全面に回折レンズ構造１を施した場合と比べて３９％程度まで低減できることになる。
図２２及び図２３は実施例１の回折光学素子とＢＤ用対物レンズを組み合わせた際のＤＶＤ及びＣＤの波面収差形状を位相関数法を用いて計算した結果である。図２２のＤＶＤの収差に関しては、回折レンズ構造１（領域１）の有効径φ（１）内に残留するする球面収差自体が小さく、且つ回折レンズ構造１がＤＶＤ有効径に占める割合も小さく、さらに周辺部の収差は回折レンズ構造２（領域２）により十分に補正されているので、全体としての波面収差は０．０２１λｒｍｓまで抑えられている。一方、図２３のＣＤの残留収差は、０．０５２λｒｍｓとなっており、収差値はマレシャル限界以下に抑えられているもののやや大きめに感じられる。しかしながら、このように局所的に波面が湾曲した高次収差の場合、同量の低次収差と比べてその影響は小さい。
なお、実施例として提示されている位相関数係数を用いて収差を計算すると、高さφ（１）／２より内周の波面と高さφ（１）／２より外周の波面で位相にずれが生じるが、回折レンズ関数から実形状を求めるときに、位相関数の定数項ｄ０の値や境界部近傍の段差量を微調整することで位相のずれを修正するので問題ない。このような補正が可能であることを考慮して、収差の計算においては、位相関数の定数項をＤＶＤの場合はｄ０＝１．４５６３０５０Ｅ−０５、ＣＤの場合はｄ０＝−８．７１５２００ｅ−０４と暫定的におき、各領域の位相を合わせた状態で計算している。実際の回折レンズ構造の形状を求める際には、これらのｄ０の値は用いない。以後の実施例においても、位相関数法において収差を計算する際は、各領域間に位相のずれがないよう、適宜ｄ０に暫定値を設定して行うこととする。
つづいて、回折レンズ構造１（領域１）の回折レンズ関数から実際の回折レンズ構造１の形状を求める課程を説明する。
図２４は、回折レンズ構造１の回折レンズ関数のグラフである。回折レンズ構造１の有効径内側において回折レンズ関数は図２４から明らかなように、単調増加となっている。回折レンズ構造１を構成する複数の位相段差の光軸からの高さは、図２４と図２５に示すように、かかる回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈ１〜ｈ８として求めることができる。なお、光軸からの高さｈ８は回折レンズ構造１の最外周の位相段差になるので、光軸からの高さｈ８が有効径に相当する光軸からの高さφ（１）／２になる。
次に、回折レンズ構造の微視的形状の設計に関して説明する。
回折レンズ構造１（領域１）の回折レンズ関数は単調増加となっているので、回折レンズ構造の内周部から外周部にいくに従って巨視的非球面形状より厚くなる方向にブレーズ化していき、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈ１〜ｈ８において、レンズが薄くなる方向に段差を形成する。
ＢＤ用レーザ光に対しては、回折レンズ構造の巨視的非球面形状による収差と位相段差による収差が打ち消し合うように設計されている。よって、ｈ１〜ｈ８に形成する段差を図２６に示すようにＢＤ用レーザ光の波長の３波長分の光路長差が発生するように設定する。位相段差量（深さ）ｄはｄ＝３λＢＤ／（ＮＢＤ−１）である（λＢＤはＢＤ用レーザ光の波長、ＮＢＤは段差数を示す）。この場合は、位相段差によって分割された輪帯状の面はすべて光軸に垂直な平面となる。また、このようにした場合、ＢＤ用レーザ光に対する３次回折光の回折効率は理論上１００％となる。
しかしながら、このようにした場合はＣＤ用レーザ光に対する２次回折光の回折効率は４０％程度しか得られず、さらに迷光となる１次回折光が４０％程度発生するため好ましくない。
ところで、回折レンズ構造の収差補正特性は、回折レンズ構造の巨視的非球面形状と位相段差が形成される光軸からの高さのみで決定される。そして、これらを変化させずに位相段差量のみを変化させることによって、レンズとしての特性を変えずに回折効率を調整することが可能である。更なる実施例においては、ＣＤの回折効率を向上させつつ迷光を低減するため、位相段差ｄの値を図２６の式で与えられる深さより深くしている。図２７は、更なる実施例の構造の断面図を示す。これによりＣＤ用レーザ光に対する２次回折光の回折効率が向上するが、ＢＤ用レーザ光の３次回折光の回折効率は低下するので、実施例１では両者の回折効率が均衡するよう考慮して段差量を決定した。このように段差量を変えた場合は、位相段差で分割された輪帯状の面は光軸に垂直な平面ではなく、巨視的非球面形状と位相段差の半径を変えずに段差量だけが変わるように傾斜させた円錐面もしくは非球面となる。本実施例においては、これらの輪帯状の面を非球面として表している。
回折レンズ構造１の有効径φ（１）は、ＤＶＤにおいて残留する球面収差を低減するためにＣＤ有効径φ（ＣＤ）よりさらに小さくなるよう工夫されていることはすでに述べたとおりであるが、上記のように回折レンズ構造１でＢＤにおける回折効率が低減する場合に、回折レンズ構造１の占める割合が小さくなっていることにより、全体としての効率低減を小さく抑えられる。つまり、回折レンズ構造１の有効径φ（１）を小さくすることにより、回折効率の均衡を図ったことによるＢＤの光利用効率の低下を抑えられるといった副次的効果を得ることができた。
（回折レンズ構造２（領域２）について）
回折レンズ構造２（領域２）では、下記の表６の構造２に示すコラムの組み合わせ、ＢＤで２次回折光、ＤＶＤとＣＤで１次回折光を利用することにより、ＢＤとＣＤの波面収差にはほとんど影響を与えることなくＤＶＤに対して球面収差がほぼゼロとなるような設計を実現している。
【表６】
0004340690.tif 000009
回折レンズ構造２（領域２）における収差補正の様子を以下に説明する。
図２８に示すようにＢＤ用レーザ光に対して２次回折光の回折効率を高くするためには、位相段差によって区切られた、隣接する輪帯状の面を通過する波面に２λの光路長差を与えるように位相段差量を設定する。
このように設定された回折レンズ構造においてＤＶＤ用レーザ光を用いた場合は、光の波長が長くなるとともに材料の屈折率が低くなることので、図２８に示すように隣接する輪帯状の面の間で発生する光路長差は約１．２λとなる。光の波動的性質上、光は隣接する面の間での光路長差が波長の整数倍となる方向にしか進行しないので、＋０．８λの光路長差がさらに付加された２次回折光と−０．２λの光路長差がさらに付加された１次回折光が発生することとなる。本実施例では、ＤＶＤで１次回折光を用いているが、この場合、一つの位相段差で−０．２λの光路長差に相当する収差が発生することとなる。
図２８に示すようにＣＤ用レーザ光を用いた場合は、さらに光の波長が長くなるとともに材料の屈折率が低くなるので、隣接する輪帯状の面の間で発生する光路長差は約１λとなる。この場合、隣接する輪帯間で発生する光路長差が波長の整数倍となっているので、さらに光路長差が付加されることなく１次回折光が発生する。
このように、回折レンズ構造２（領域２）では、ＤＶＤ用レーザ光に対してのみ位相段差で光路長差が追加され、ＢＤ用レーザ光とＣＤ用レーザ光に対しては新たに光路長差が付加されることはない。つまり、回折レンズ構造２では、ＤＶＤ用レーザ光に対してのみ収差補正効果を持たせることが可能となる。
回折レンズ構造２（領域２）を設計する際のＤＶＤ用レーザ光の最良像面位置は、回折レンズ構造１（領域１）の有効径内側を通る光の最良像面位置に設定する。
以上のような条件を元に回折レンズ構造２（領域２）を設計した場合のＤＶＤの波面収差を図２９に示す。光軸からの高さφ（１）／２より内周部を通る波面は回折レンズ構造１（領域１）を通過するため、若干量の球面収差が残存しており、高さφ（１）／２〜φ（２）／２においては、回折レンズ構造２（領域２）によって完全に球面収差が補正されるため、フラットで良好な波面形状となっている。なお、実施例として提示されている位相関数係数を用いて収差を計算すると、高さφ（１）／２より内周の波面と高さφ（１）／２より外周の波面で位相ずれが生じるが、回折レンズ関数から実形状を求めるときに、位相関数の定数項の値や境界部周辺の段差量を微調整することで修正できるので問題ない。このような補正が可能であることを考慮して、図２９の収差計算時には回折レンズ構造１（領域１）の位相関数の定数項ｄ０＝１．４５６３０５０Ｅ−０５と暫定的におき計算している。実際の回折レンズ構造の形状を求める際には、これらのｄ０の値は用いない。
つづいて、回折レンズ構造２（領域２）の位相関数係数から実際の回折レンズ構造２の形状を求める課程を説明する。
回折レンズ構造２の形状も回折レンズ構造１（領域１）の場合と同様の求め方で得られるが、回折レンズ構造１を透過した波面と位相が合うように修正しながら形状を設計する必要がある。まずは、回折レンズ構造１及び回折レンズ構造２の暫定的な形状を、実施例として提示してある巨視的非球面形状と位相関数係数を用いて求める。このようにして形状を求め、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差を計算するとそれぞれ図３０、図３１、図３２のようになる。なお、図３０、図３１、図３２の波面収差は、実形状の波面収差を計算し、光学的に無視できる波長の整数倍のシフト分を差し引いて記述している。
ＢＤ及びＣＤの波面収差において、回折レンズ構造１（領域１）の有効径φ（１）内に鋸波状の波面収差が存在している。これはＢＤとＣＤの回折効率の均衡を考慮したことにより、位相段差で発生する光路長差がそれぞれの波長の整数倍から若干ずれており、そのずれ分が波面収差の段差として現れているからである。同様に、ＤＶＤの波面収差にて、回折レンズ構造２（領域２）が施されている光軸からの高さφ（１）／２からφ（２）／２の間を通過する波面に鋸波状の波面収差が存在しているが、これは、位相段差で発生する光路長差がＤＶＤ用レーザ光では１．２λと１λよりやや多いため、そのずれ分が波面収差の段差として現れている。
実際には、このような鋸波状の波面収差が存在していても、スポット形状に対する悪影響はほどんど無く、わずかな不要回折光を発生するだけであるので問題はない。ただし、各領域の位相を合わせるといった観点では注意が必要である。すなわち、鋸波状の波面と位相を合わせるためには、波面の平均値に対して位相を合わせる必要がある。
図３３に示すようにＢＤの波面収差を見ると、内周部の鋸波状の波面の平均値と外周部の波面に位相のずれが生じていることがわかる。
このような位相のずれは、境界近傍の位相段差量を調節して位相を合わせることができる。回折レンズ関数の定数項ｄ０の値はゼロのままで、図３４に示すように、構造の内周から数えて第８段目の位相段差量を０．００２５１５ｍｍから０．００３８７５ｍｍへと変更（破線）することで修正し、図３５に示すように、外周部の波面をマイナス方向へシフト（破線）させた。
なお、位相のずれは、図３６に示すように、回折レンズ関数の定数項ｄ０の値を調整して（破線）、図３７に示すように、位相段差全体を内周側もしくは外周側にシフト（破線）させて位相を合わせることも可能である。
表７は、実施例１の具体的な設計結果の近軸データである。
【表７】
0004340690.tif 000010
なお、面の番号は、図３８に示すように、光が入射する順番に定義する。面番号の定義方法は、以後の実施例でも同様に行う。回折レンズ構造がある回折光学素子の入射面及び射出面をそれぞれ第１面及び第２面、ＢＤ用対物レンズの入射面及び射出面をそれぞれ第３面及び第４面、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの透過保護層の表面及び記録層をそれぞれ第５面及び第６面とする。
表８は、実施例１の設計結果における、回折レンズ構造の巨視的非球面形状及び対物レンズの非球面形状を表す非球面係数である。
【表８】
0004340690.tif 000011
なお、非球面形状は、図３９に示すとおり定義する。ただし、Ｒは近軸の曲率半径で、ｈは光軸からの高さを示し、ｚは当該非球面が光軸と交わる点を基準に測定した光軸からの高さｈおける光軸方向のサグ量を表し、光軸方向を正とする。
表９及び表１０は、回折レンズ構造の位相関数係数及び利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表９】
0004340690.tif 000012
【表１０】
0004340690.tif 000013
位相関数は下記式で表す。
0004340690.tif 000014
ただし、ｈは光軸からの高さ、Ψ（ｈ）は回折レンズ構造が施されている面の光軸からの高さｈを通る光線に与えられる位相量、ｄｏｒは利用する回折次数、λ０は設計波長であり、λ０＝４０８ｎｍである。
表１１は、回折レンズ構造１（領域１）及び回折レンズ構造２（領域２）の巨視的非球面データと回折レンズ関数から求めた実施例１における回折レンズ構造の具体的な形状を示す回折レンズ構造形状データである。
【表１１】
0004340690.tif 000015
実施例１の回折レンズ構造は、３４段の位相段差とそれにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面３４の合計３３の輪帯面、及び外周面（領域３）によって構成されている。
図４０並びに図４１は、段差及び輪帯面番号並びに段差符号の定義を示す。図４０に示すように、位相段差の番号は光軸から順番に数えており、位相段差によって分割された輪帯面の番号はそれぞれ光軸から外周部に向かって順番に数える。輪帯幅は、輪帯の内周及び外周にある位相段差の段差半径の差分を表す。段差量は、図４１に示すように内周側の面から外周側の面に対して測定し、光軸方向を正とする。
実施例１の回折レンズ構造を構成する位相段差１〜位相段差７は、ＢＤにおける回折効率とＣＤにおける回折効率の均衡を考慮して深さを決定し、中心面及び輪帯面２〜輪帯面８の非球面形状を表１２に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表１２に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面８は表１２に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表１２】
0004340690.tif 000016
位相段差８は、それぞれの領域を通る波面の位相が揃うように、位相段差１〜位相段差７よりやや深めに設定されている。位相段差８より外周部にある、輪帯面９から輪帯面３４及び外周面（領域３）は、すべて光軸に垂直な平面である。
図４２は、実施例１の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面図を模式化したもので、光軸からの高さに対する面のサグ量を表すグラフである。サグ量は、図４３のとおり光軸からの高さｈにおける面の光軸方向のたわみ量で、面の光軸上の点を基準として光軸方向を正として測定する。これら図からもわかるとおり、回折レンズ構造１（領域１）及び回折レンズ構造２（領域２）の巨視的非球面形状は凸面となっている。位相段差によって分割された輪帯状の面は、回折レンズ構造１においてはすべて非球面形状をしており、回折レンズ構造２においては全て光軸に垂直な平面となっている。回折レンズ構造１と回折レンズ構造２では、ＢＤで利用する回折次数が異なるので、位相段差量もそれに応じて異なっている。また、回折レンズ構造１と回折レンズ構造２の境界線にある位相段差８は、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てにおいて両方の回折レンズ構造を通過する波面の位相を合わせるために深めの位相段差が施されている。
図４４、図４５及び図４６は、実施例１の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールにおけるＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差であるが、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てにおいて、それぞれの有効径内において各回折レンズ構造を通過する波面の位相がほぼ揃っていることがわかる。また、前述のとおりＣＤの波面収差は光軸からの高さφ（１）／２からφ（２）／２においては収差補正されていないため、位相関数法による計算上の収差値は０．０５２λｒｍｓとやや大きめであったが、実際の形状から求めた波面収差をみると、光軸からの高さφ（１）／２からφ（２）／２の波面形状は、内周部の鋸波状の波面とほぼ同等の振幅の波面となっており、内側の鋸波状の波面と同様に見なせるため、実質上の収差はほぼゼロであると考えてよい。
実際に、この波面収差をもとに、光ディスク盤面上の波動光学的スポット形状を計算した場合、通常の無収差のレンズで形成されるスポットとほぼ同等の良好なスポット形状が得られている。
図４７、図４８、図４９、図５０、図５１及び図５２は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を横軸に半径距離を示す。図４７、図４８及び図４９はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポット形状全体を、図５０、図５１及び図５２はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＢＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズで集光した場合よりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは回折レンズ構造１（領域１）で内周部の回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、実施例１のように内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮して有効径φ（ＢＤ）にてスポット形状を計算している。すなわち、スポット形状は、特別な開口制限素子を使用せずに集光したスポット形状になるのだが、特に開口制限を行わなくとも、通常のＤＶＤ用対物レンズやＣＤ用対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られることがわかった。
また、ＤＶＤ及びＣＤ有効径外側の光が集光に影響を与えている場合、例えばディスクチルトによってコマ収差が発生すると、サイドローブの変化が通常の場合に比べてより顕著となり、安定した再生性能を得ることができない。そこで、本実施例のレンズを用いた場合のディスクチルト時のスポット形状の変化を計算し、通常のレンズと比較を行った。スポット形状変化の計算においては、有効径外側の光の影響も考慮するため、ＤＶＤ及びＣＤに対しても有効径φ（ＢＤ）にて計算を行った。スポット形状を表す値としては図５３に示すスポットの半値幅とサイドローブ強度を計算した。半値幅とは、スポットの最大強度を１とした場合に、強度が半分になる位置のスポットの幅を表し、サイドローブ強度はスポットの最大強度を１とした場合のサイドローブ強度を表す。
図５４、図５５、図５６及び図５７は、その計算結果を示すグラフである。図５４及び図５５はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を横軸にディスクチルト角度を示す。図５６及び図５７はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
【実施例２】  第２実施例も、第１実施例と同様に第１光情報記録媒体であるＢＤ、第２光情報記録媒体であるＤＶＤ、第３光情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、ＢＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。さらに、本実施例では、光源のわずかな波長変動による色収差の影響を考慮して設計されている。
通常、光ディスクに用いられている半導体レーザなどの光源は、温度変化や記録再生時のパワーの変動により波長が変動する場合がある。これにより、対物レンズの焦点距離が変動したり、球面収差が発生したりする。このような、波長変動に伴う色収差の波面収差量は、レンズの開口数が大きいほど大きくなる。ピックアップにおいて、特に記録から再生、もしくは再生から記録への動作変化により急激に波長が変動した場合、フォーカスサーボが追従するまでの時間はスポットがデフォーカスした状態となり、動作が不安定となる。また、フォーカスサーボが追従した後も球面収差は残留することになるので、波長変動に伴う収差は小さければ小さいほど好ましい。
通常、色収差を補正するには、波長変化に伴う屈折率変化が異なる２種類以上の材料を組み合わせた組レンズを用いるか、回折レンズ構造を用いて補正している。
実施例１のように領域によって異なる特性の回折レンズ構造を用いている場合は、領域によって色収差が異なるため、波面全体が不連続になる場合があり、これを組レンズで補正しようとした場合は、組レンズの面形状を不連続とする必要がある。この場合、ガラスでは加工が難しいため、樹脂材料を使用する必要があるが、光ディスク用光学部品として使用できる樹脂材料はガラスに比べて種類が少ないため、波長変化に伴う屈折率変化が大きく異なる２種類の組み合わせが得られない。
従って、実施例１の回折光学素子を含んだ対物レンズの色収差を補正するためには、回折光学素子を用いることが望ましい。なお、実施例１の回折光学素子を含んだ対物レンズの色収差は不連続となるので、これを補正するための回折光学素子も不連続な特性となる。
このように、色収差が不連続となる２つの光学素子を光学系に組み込む場合、両者の間に光軸ずれが発生すると不連続な収差特性がうまく組み合わせられなくなり収差補正に支障を来す。従って、これらの回折光学素子の光軸ずれは極力小さくする必要がある。また、実施例１の球面収差補正用回折光学素子とＢＤ用対物レンズ間に光軸ずれが発生した場合には、ＤＶＤ及びＣＤに対して大量のコマ収差が発生してしまうため、球面収差補正用回折光学素子とＢＤ用対物レンズ間の光軸ずれも極力小さくする必要がある。つまり、球面収差補正用回折光学素子、色収差補正用回折光学素子及び対物レンズの３つの部品は光軸ずれが十分抑えられるよう配置する必要がある。光ディスク用の対物レンズは、光ディスクの偏芯に追従するためにアクチュエータにより光軸と垂直な方向にトラッキング偏倚する構成になっているので、上記の回折光学素子もアクチュエータに搭載して対物レンズと一緒にトラッキング偏倚させる必要がある。
以上のことを考慮して、実施例２ではＤＶＤやＣＤの球面収差補正用の回折レンズ構造と色収差補正用回折レンズ構造を同一の光学素子に形成している。このように構成した回折光学素子と対物レンズを一体化してアクチュエータに搭載することにより、対物レンズがトラッキング偏倚をしても光軸ずれが発生しない構成が実現できる。また、球面収差補正用の回折レンズ構造と色収差補正用回折レンズ構造を一体化することにより、部品点数が削減できるため、光学系の簡素化及びコストダウンが可能となるため好ましい。
実施例２は、図５８のように、第１光情報記録媒体であるＢＤ、第２光情報記録媒体であるＤＶＤ、第３光情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能にする回折レンズ構造Ａ及びＢを備えた回折光学素子とＢＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。レンズ系の構成及びＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表１３のとおりである。
【表１３】
0004340690.tif 000017
回折光学素子は、図５８の左側の面（第１面）にＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ間で発生する球面収差の補正と開口制限をするように設計された回折レンズ構造Ａが形成されており、図５８の右側の面（第２面）には色収差補正用の回折レンズ構造Ｂが形成されている。回折レンズ構造Ａは、実施例１の回折レンズ構造１（領域１）と同様に、内周部に回折レンズ構造Ａ１（領域１）、中周部に回折レンズ構造Ａ２（領域２）により構成されており、外周部には回折レンズ構造が施されていない。回折レンズ構造Ｂは、内周部に回折レンズ構造Ａ１（領域１）と対物レンズを組み合わせた場合の色収差を補正するように設計されている回折レンズ構造Ｂ１、中周部に回折レンズ構造Ａ２（領域２）と対物レンズを組み合わせた場合の色収差を補正するように設計されている回折レンズ構造Ｂ２、外周部に対物レンズの色収差を補正するように設計されている回折レンズ構造Ｂ３により構成されている。なお、本実施例及び以後の実施例において回折レンズ構造ＡはＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ間で発生する球面収差の違いを補正することを主目的とした回折レンズ構造を指し、回折レンズ構造ＢはＢＤにおける色収差を低減することを主目的とした回折レンズ構造を指す。回折レンズ構造Ａ及び回折レンズ構造Ｂは、複数の異なる特性を有する回折レンズにて構成されており、それらの部分的な回折レンズ構造を回折レンズ構造Ａ１（領域１）というように語尾に番号を付けて表記することとする。
図５９は、実施例２の回折光学素子の模式断面図である。回折レンズ構造Ａは、内周部の回折レンズ構造Ａ１（領域１）、中周部の回折レンズ構造Ａ２（領域２）及び平坦な外周面（領域３）にて構成されている。回折レンズ構造Ｂは、内周部から順番に回折レンズ構造Ｂ１（領域１）、回折レンズ構造Ｂ２（領域２）、回折レンズ構造Ｂ３（領域３）にて構成されている。回折レンズ構造の有効径は図５９に示すとおりである。球面収差補正用回折レンズ構造Ａ１及び回折レンズ構造Ａ２の有効径φ（Ａ１）、φ（Ａ２）は、実施例１と同様の方法で決定する。
色収差補正用の回折レンズ構造Ｂ１（領域１）、回折レンズ構造Ｂ２（領域２）及び回折レンズ構造Ｂ３（領域３）の有効径φ（Ｂ１）、φ（Ｂ２）、φ（Ｂ３）は、それぞれ、球面収差補正用回折レンズ構造が施されている面の回折レンズ構造Ａ１（領域１）を透過した波面、回折レンズ構造Ａ２（領域２）を透過した波面、及び回折レンズ構造が施されていない外周部を通過した波面の径に対応して決定する。
回折レンズ構造Ａ１（領域１）及び回折レンズ構造Ａ２（領域２）で利用する回折次数の組み合わせは、実施例１の場合と同様に決定した。すなわち、表１４の構造Ａ１並びにＡ２に示すコラムの組み合わせＢＤの２次回折光、ＤＶＤとＣＤで１次回折光並びにＢＤの３次回折光、ＤＶＤとＣＤで２次回折光を利用することとした。
【表１４】
0004340690.tif 000018
回折レンズ構造Ａの設計に関しては、基本的に実施例１と同様の手順を踏むが、位相関数を用いた設計時には、回折レンズ構造Ｂが組み合わされることで収差の出方が若干異なるので、これらを組み合わせて全体で設計する必要がある。
色収差補正用の回折レンズ構造Ｂは、色収差補正のみを行うため、ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの全てにおいて、巨視的非球面形状による収差と位相段差による収差が相殺されるような設計とする必要がある。従って、回折レンズ構造Ｂ１（領域１）、回折レンズ構造Ｂ２（領域２）、回折レンズ構造Ｂ３（領域３）で利用する回折次数の組み合わせは、表１４の構造Ｂに示すコラムの組み合わせ、ＢＤで１０次回折光、ＤＶＤで６次回折光、ＣＤで５次回折光を利用することとした。このような回折次数の組み合わせを利用すると、ＢＤにおける色収差を補正しつつ、ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの全てにおいて収差補正効果のない回折レンズ構造を実現することができる。また、色収差は小さければ小さいほど好ましいが、それにより位相段差の段数がたくさん必要となり、製造上困難となる。このようなことから、本実施例では、色収差補正を完全には補正していない。本実施例で用いられているＢＤ用対物レンズ単体で用いた場合、波長が４０８ｎｍから４０３ｎｍに変化すると、最良像面位置が約５μｍ移動し、０．０７λｒｍｓの球面収差が発生する。これに対して、実施例２の回折光学素子を追加したことにより４０８ｎｍから４０３ｎｍに波長が変化した場合の最良像面の移動量は１．６μｍに抑えられ、そのときの残留球面収差は０．０１λｒｍｓ以下に抑えられている。つまり、実施例２の回折光学素子を追加したことにより、ＤＶＤやＣＤの記録再生が可能になるとともに、ＢＤの記録再生性能をより安定して行うことができる。
これらの回折レンズ構造の設計においては、実施例１と同様に位相関数法を用いて設計し、そこから求められる回折レンズ関数を利用して実際の面形状を設計することとなる。
表１５は、実施例２の具体的な設計結果である近軸データである。
【表１５】
0004340690.tif 000019
表１６は、実施例２における回折レンズ構造Ａ及び回折レンズ構造Ｂの巨視的非球面形状及び対物レンズの非球面形状を表す非球面係数を示す。
表１７及び表１８は、回折レンズ構造Ａ及び回折レンズ構造Ｂの位相関数係数及び利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表１６】
0004340690.tif 000020
【表１７】
0004340690.tif 000021
【表１８】
0004340690.tif 000022
回折レンズ構造の実際の形状は、上記実施例と同様に巨視的非球面形状、位相関数係数及び回折次数を用いて求める。球面収差補正用の回折レンズ構造Ａ１（領域１）と回折レンズ構造Ａ２（領域２）の形状の求め方は、実施例１と同様の手順で行ったので、詳細な説明は省略する。
表１９は、実施例２における回折レンズ構造Ａの具体的な形状を示すデータである。
【表１９】
0004340690.tif 000023
実施例２の回折レンズ構造Ａは、３４段の位相段差と、それにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面３４の合計３３の輪帯面及び外周面（領域３）にて構成されている。
実施例２の回折レンズ構造Ａにおいても、実施例１の場合と同様に、８番目の位相段差を深めにすることにより、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てにおいて回折レンズ構造１（領域１）を通る波面と回折レンズ構造２（領域２）を通る波面の位相を合わせている。
また、回折レンズ構造Ａ１（領域１）では、ＢＤにおける回折効率とＣＤにおける回折効率の均衡を考慮して、位相段差の深さを決定するとともに、中心面及び輪帯面２〜輪帯面８の面形状を表２０に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表２０に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面８は表２０に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。位相段差８より外周部にある、輪帯面９から輪帯面３４及び外周面（領域３）はすべて光軸に垂直な平面である。
【表２０】
0004340690.tif 000024
図６０は、実施例２における回折レンズ構造Ａの断面形状の模式図である。
つづいて、色収差補正用の回折レンズ構造Ｂの形状を求める課程を説明する。
図６１は、回折レンズ構造Ｂ１の回折レンズ関数のグラフである。回折レンズ構造Ｂを構成する複数の位相段差の光軸からの高さは、図６１と図６２に示すように、かかる回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈＢ１〜ｈＢ７として求めることができる。なお、光軸からの高さｈＢ７は回折レンズ構造Ｂ１の最外周の位相段差になるので、光軸からの高さｈＢ７が有効径に相当する光軸からの高さφ（Ｂ１）／２になる。
次に、回折レンズ構造の微視的形状の設計に関して説明する。
回折レンズ構造Ｂ１の回折レンズ関数は単調減少となっているので、回折レンズ構造の内周部から外周部にいくに従って巨視的非球面形状より薄くなる方向にブレーズ化していき、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈＢ１〜ｈＢ７において、レンズが厚くなる方向に段差を形成する。
回折レンズ構造Ｂ１は、ＢＤ用光源に対して１０次光を発生するように設計されており、且つ巨視的非球面形状により発生する収差と位相段差によって発生する収差が基準となる波長において打ち消されるように設計されている。回折レンズ構造Ｂを構成する位相段差量ｄを図６３に示すように設定した場合、ＢＤ用光源に対してそれぞれの位相段差で発生する光路長差は１０λＢＤとなり、１０次光の回折効率は理論上１００％となる。この場合、図６３に示すように、位相段差によって分割された輪帯状の面はすべて光軸に垂直な平面となる。
また、この回折レンズ構造Ｂ１を構成する位相段差で発生する光路長差は、ＤＶＤ用レーザ光では約６λＤＶＤ、ＣＤ用レーザ光では約５λＣＤの光路長差が発生するため、ＢＤの場合と同様に巨視的非球面による収差と位相段差による収差がほぼ打ち消し合い、ＤＶＤ用レーザ光では６次回折光、ＣＤ用レーザ光では５次回折光の理論上の回折効率がほぼ１００％となる。
回折レンズ構造Ｂ２（領域２）及び回折レンズ構造Ｂ３（領域３）に関しても同様の手順で形状を求めるが、レーザ光の波長変動が発生した際に、各回折レンズ構造を通過した波面に位相差が発生する場合があり、その場合は回折レンズ関数の定数項ｄ０の値を調整して位相段差を全体的に内周もしくは外周にシフトさせるか、位相差が発生する境界近傍の段差量で調整する方法が考えられる。実施例２の色収差補正用回折レンズ構造Ｂにおいては、回折レンズ構造Ｂ２（領域２）の定数項をｄ０＝０．０００２８５６のとすることで調整した。
表２１は、実施例２における回折レンズ構造Ｂの具体的な形状を示すデータである。
実施例２の回折レンズ構造Ｂは、３７段の位相段差と、それにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面３７の合計３６の輪帯面及び外周面（領域３）にて構成されている。
【表２１】
0004340690.tif 000025
図６４は実施例２における回折レンズ構造Ｂの断面形状の模式図である。回折レンズ構造Ｂ１、回折レンズ構造Ｂ２（領域２）及び回折レンズ構造Ｂ３（領域３）の巨視的非球面形状は全て凹面となり、位相段差によって分割された輪帯状の面は全て光軸に垂直な平面となっている。
図６５〜図６７は、回折レンズ構造の実際の形状のデータにより計算した波面収差である。ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの全てにおいて、有効径内側の波面の位相は揃っている。実施例１の場合と同様に、波面に鋸波状の収差が存在しているが、これらはスポット形状に悪影響を及ぼさないので、問題ない。
図６８〜図７３は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を横軸に半径距離を示す。図６８〜図７０はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポット形状全体を、図７１〜図７３はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＢＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズよりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは回折レンズ構造Ａ１（領域１）で回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮してスポット形状を計算しているが、通常の対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られている。
図７４〜図７７は、ディスクチルトに対するスポット形状の変化を計算した結果を示すグラフである。図７４及び図７５はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を横軸にディスクチルト角度を示す。図７６及び図７７はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
図７８〜図８０は、実施例２の対物レンズモジュールにおいて、光源の波長変動が発生した場合の最良像面における波面収差形状である。なお、回折光学素子および対物レンズの材料は、波長変動に伴い、表２２に示すように変動するものとする。
【表２２】
0004340690.tif 000026
これらの波面収差図から、±５ｎｍの波長変動が発生しても、若干の鋸波状の波面収差が発生するだけで、波面形状はほとんど悪化していないことがわかる。前述したとおり、鋸波状の波面収差は、スポット形状に悪影響を与えない。
図８１〜図８４は、波長４０３ｎｍ及び４１３ｎｍにおけるＢＤのスポット形状を示すグラフであり、比較のために設計波長４０８ｎｍにおけるスポット形状を重ねて示してある。縦軸に光強度を横軸に半径距離を示す。図８１及び図８２はそれぞれ波長４０３ｎｍ及び４１３ｎｍにおけるスポット形状全体を、図８３及び図８４はそれぞれ波長４０３ｎｍ及び４１３ｎｍにおけるスポットのサイドローブを示す。図からもわかるとおり、実施例２の回折光学素子を用いたレンズによれば、±５ｎｍの波長変動に対してスポット形状はほとんど劣化しないことがわかる。
図８５は、実施例２の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面の移動量を計算した結果を示すグラフである。実施例２のレンズでは波長変動に対する最良像面位置の移動量が対物レンズ単体の場合に比べて軽減しており、対物レンズ単体で用いた場合に比べて、波長変動に対してより安定した性能が得られることがわかる。
以上のように、実施例２のレンズによれば、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの互換記録再生が可能であるとともに、ＢＤ用対物レンズ単体で使用した場合に比べて波長変動に対してより安定した性能が得られる。
なお、実施例２においては、回折レンズ構造Ａに２種類の球面収差補正用の回折レンズ構造、回折レンズ構造Ｂに３種類の色収差補正用回折レンズ構造を形成したが、これらは、どちらの面に混在してもかまわない。
図８６は、実施例２の回折光学素子の変形例の断面図を示し、第１面に球面収差補正用回折レンズ構造Ａ１（領域１）と色収差補正用回折レンズ構造Ｂ２（領域２）を、第２面に球面収差補正用回折レンズ構造Ａ２（領域２）と色収差補正用回折レンズ構造Ｂ１及びＢ３を施した。このように、球面収差補正用回折レンズ構造と色収差補正用回折レンズ構造は必ずしもそれぞれの機能ごとに一つの面にまとめる必要はなく、これらの構成を変更することによって、回折光学素子の形状を大幅に変えることができるので、適宜作りやすい形に変形することが可能となる。
なお、図８６に示すの変形例では、第１面及び第２面の巨視的面形状が複雑になるため加工上好ましくない。一方、実施例２の回折光学素子では、第１面及び第２面ともにそれぞれの面内における段差の方向が全て揃っているため、金型の加工が容易であり、且つ成型時の離型性も良好となるため好ましい。
【実施例３】  第３実施例も、第２実施例と同様にＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、さらに、本実施例では、光源のわずかな波長変動による色収差の影響を考慮して設計されている。
第３実施例のレンズ系の構成及び、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表２３のとおりである。
【表２３】
0004340690.tif 000027
実施例２では、回折光学素子の両面に回折レンズ構造を形成したが、この場合、回折レンズ構造を素子の両面に形成するため、微細な位相段差を有する高精度な金型が２つ必要となるためコストがかかる。そこで、図８７のように、実施例３では回折レンズ構造をすべて片面に集約することにより、製造コストの低減をしている。
このような構成を実現するためには、単純に球面収差補正用回折レンズ構造の実際の形状と、色収差補正用回折レンズ構造の実際の形状を求め、それらを幾何学的に足し合わせた形状とすればよい。
ところが、このように同一面に複数の回折レンズ構造を重ねる場合、位相段差の数が多くなったり、位相段差の間隔が極端に狭くなる場合がある。位相段差の数が多くなると、以下に述べるとおり、実質的な回折効率が低下するので好ましくない。すなわち、回折レンズ構造を構成する位相段差を製造する場合、図８８の断面形状に示すようなエッジの丸みだとか壁面のダレといった製造誤差が必ず発生するため、それにより回折効率が低下する。このような、製造誤差による回折効率の低下は、当然ながら位相段差の数が多いほど著しい。従って、回折レンズ構造を設計する上で、位相段差の数を削減することにより、実質的な回折効率の低下を防ぐことができる。
そこで、実施例３では、球面収差補正用回折レンズ構造による位相段差と色収差補正用回折レンズ構造による位相段差のうち、隣接しているものを一つの段差として合成することにより、製造誤差による回折効率の低下を防いでいる。
実施例３の回折レンズ構造の設計手順は、まず同一面に球面収差補正用の回折レンズ構造Ａの位相関数と色収差補正用の回折レンズ構造Ｂの位相関数を設定し、それらの位相関数係数を最適化する。球面収差補正用の回折レンズ構造Ａは、実施例１や実施例２と同様にＣＤ有効径よりさらに小さい有効径φ（Ａ１）内にＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ互換用の回折レンズ構造Ａ１（領域１）、その外周部でＤＶＤ有効径内側にＤＶＤに対してのみ球面収差補正効果のある回折レンズ構造Ａ２（領域２）を想定する。回折レンズ構造Ａ１（領域１）及び回折レンズ構造Ａ２（領域２）で利用する回折次数の組み合わせは、実施例１及び実施例２と同様とする。また、色収差補正用回折レンズ構造Ｂは、実施例２と同様に、回折レンズ構造Ａ１（領域１）と対物レンズを組み合わせた場合の色収差を補正するように設計されている回折レンズ構造Ｂ１、中周部に回折レンズ構造Ａ２（領域２）と対物レンズを組み合わせた場合の色収差を補正するように設計されている回折レンズ構造Ｂ２（領域２）、外周部に対物レンズの色収差を補正するように設計されている対物レンズ構造Ｂ３が施されている。
回折レンズ構造Ａと回折レンズ構造Ｂは、回折光学素子の光が入射する側の面に配置した。
表２４は、実施例３の具体的な設計結果である近軸データである。
【表２４】
0004340690.tif 000028
なお、表２４に示す近軸データでは、第１面から第３面までの３面を用いて回折レンズ構造を示しているが、これはあくまで設計上の表記によるものであり、実際の面形状を求める際には、これら３つの面の設計結果を合成して一つの面形状を求める。
表２５は、実施例３における回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの巨視的非球面形状及び対物レンズの非球面形状を表す非球面係数を示す。
【表２５】
0004340690.tif 000029
表２６及び表２７は、回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの位相関数係数及び利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表２６】
0004340690.tif 000030
【表２７】
0004340690.tif 000031
実際の回折レンズ構造の形状を求めるに当たっては、まず、回折レンズ構造Ａと回折レンズ構造Ｂの形状をそれぞれ個別に求めて、それらの形状を幾何学的に足し合わせた形状を求める。それぞれの回折レンズ構造の形状は、実施例２と同様の手順で求めることができるので、詳細な説明は省略する。
図８９及び図９０は、巨視的非球面形状、位相関数係数及び回折次数を用いて個別に求めた回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの断面の模式図である。
これら回折レンズ構造を合成すると図９１のような断面形状の回折レンズ構造を得ることができる。このような回折レンズ構造を第１面に形成した回折光学素子を利用することにより、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの互換記録再生が可能になるとともに、波長変動に対してより安定した記録再生性能を得ることができる。
しかしながら、このように２種類以上の回折レンズ構造を重ね合わせるような形で合成する場合、それぞれの回折レンズ構造を構成する位相段差の間隔が極端に狭くなってしまう場合がある。位相段差の間隔が極端に狭くなると、金型の製造が難しくなり、成型時の離型性も悪くなるため好ましくない。また、位相段差の間隔が、使用する光の波長の１０倍以下程度になった場合、回折効率が著しく低下することが知られている。実施例３においては、４０８ｎｍ、６６０ｎｍ、７８０ｎｍの光源を用いているので、位相段差の間隔は、最も波長の長い７８０ｎｍの１０倍以上、つまり０．００７８ｍｍ以上確保することが望ましい。
表２８は、回折レンズ構造Ｂと回折レンズ構造Ａを幾何学的に合成した回折レンズ構造の形状を表すデータである。
【表２８】
0004340690.tif 000032
データ中、灰色で塗られているデータは、回折レンズ構造Ｂを構成していた位相段差で、そうでないデータは回折レンズ構造Ａを構成していた位相段差を表す。
表２９は、上記の形状データから、当該位相段差とその一つ内側の位相段差の間隔を示す輪帯幅が０．００７８ｍｍ以下のものを抜き出したデータを示す。これらの狭い位相段差間隔は、回折レンズ構造の製造を難しくするとともに、回折効率の低下の原因となるので好ましくない。
【表２９】
0004340690.tif 000033
そこで、実施例３においては、このように極端に隣接する２つの位相段差を一つの位相段差として合成することにより、輪帯幅を０．００７８ｍｍ以上確保することとした。
なお、２つの位相段差を合成する方法としては、合成する２つの位相段差の間のどこかに２つの位相段差量を足し合わせた位相段差を形成してもよいし、どちらかの位相段差の位置に２つの位相段差量を足し合わせた位相段差を形成し、もう片方の位相段差を消去してもよい。実施例３においては、位相段差半径の誤差に対して要求精度が厳しい回折レンズ構造Ａを構成していた位相段差の位置に、回折レンズ構造Ｂを構成していた位相段差を合成することとした。また、上記のように極端に狭い間隔の位相段差以外にも、性能に支障が出ない範囲で合成できる段差を全て合成することにより、７０段必要であった位相段差を４９段まで削減することができた。
表３０は、このような設計手順で得られた実施例３における回折レンズ構造の形状データである。灰色で塗られているデータは、合成された位相段差を示すものである。
【表３０】
0004340690.tif 000034
なお、実施例３の回折レンズ構造においても、実施例１及び実施例２と同様に、有効径φ（Ａ１）内においては、ＢＤとＣＤの回折効率の均衡を考慮して段差量が決定されており、それに応じて、中心面及び輪帯面２〜輪帯面９を表３１に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表３１に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面９は表３１に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表３１】
0004340690.tif 000035
位相段差９より外周部にある、輪帯面１０から輪帯面４９及び外周面（領域３）はすべて光軸に垂直な平面である。
このように、位相段差を合成することにより、実施例３における回折レンズ構造を構成する位相段差の間隔は最も狭いものでも０．００９ｍｍ確保されており、全ての波長において大幅な回折効率の低下のない回折レンズ構造を実現することができた。
また、このように位相段差を合成することにより、位相段差の間隔が広がるのみならず、位相段差の数が少なくなるため、金型などの製造誤差による実質的な回折効率の低下を最小限に抑えている。特に、壁面のダレに関しては、段差が深いほど回折効率が低下するが、実施例３においては、回折レンズ構造Ａと回折レンズ構造Ｂの段差の符号が逆なので、特に段差量の大きい回折レンズ構造Ｂの位相段差量を浅くすることができる。その結果、形状データで灰色に塗られている２１段の位相段差は、合成前の深い方の位相段差にくらべて浅くなっているので、好ましい。
さらに、このように逆方向の位相段差を合成すると、位相段差に微小な突起や窪み形状が無くなることになる。このような、微小な突起や窪みを成形するための金型を製造する際には、その細かさに応じて加工機の先端を細くする必要がある。ところが、加工機の先端が細くなると、剛性不足により高精度に金型を加工することが困難となる。また、金型が窪みとなるような形状の場合、成型時に材料が窪みに残留しやすくなる。その結果、回折レンズ構造の成型不良を起こすとともに、金型の寿命が短くってしまう。位相段差合成前の回折レンズ構造にはこのような欠点があったが、本実施例のように深さ方向の異なる位相段差を合成して回折レンズ構造を設計することにより、このような欠点を回避することができる。つまり、実施例３のような設計方法を採用することにより、金型を高精度に加工することが容易となり、成型不良が減少し、金型が長寿命化するため、回折光学素子の高品質維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。
図９２〜図９４は、実施例３の形状のデータにより計算した波面収差である。ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの全てにおいて、それぞれの有効径内側における波面の位相は揃っている。実施例１や実施例２の場合と同様に、波面に鋸波状の収差が存在しているが、これらはスポット形状に悪影響を及ぼさないので、問題ない。
図９５〜図１００は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を横軸に半径距離を示す。図９５〜図９７はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポット形状全体を、図９８〜図１００はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＢＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズよりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは内周部で回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮してスポット形状を計算しているが、通常の対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られている。
図１０１〜図１０４は、ディスクチルトに対するスポット形状の変化を計算した結果を示すグラフである。図１０１及び図１０２はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を横軸にディスクチルト角度を示す。図１０３及び図１０４はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
図１０５〜図１０７は、実施例３のレンズにおいて、光源の波長変動が発生した場合の最良像面における波面収差形状である。なお、回折光学素子および対物レンズの材料は、波長変動に伴い、表２２に示すように変動するものとする。これらの波面収差図から、±５ｎｍの波長変動が発生しても、若干の鋸波状の波面収差が発生するだけで、波面形状はほとんど悪化していないことがわかる。前述したとおり、鋸波状の波面収差は、スポット形状に悪影響を与えない。
図１０８〜図１１１は、波長４０３ｎｍ及び４１３ｎｍにおけるスポット形状を設計波長である４０８ｎｍにおけるスポット形状と比較したものである。図からもわかるとおり、実施例３の回折光学素子を用いたレンズによれば、±５ｎｍの波長変動に対してスポット形状はほとんど劣化しないことがわかる。
図１１２は、実施例３の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面の移動量を計算した結果である。実施例３のレンズでは波長変動に対する最良像面位置の移動量が対物レンズ単体の場合に比べて軽減しており、対物レンズ単体で用いた場合に比べて、波長変動に対してより安定した性能が得られることがわかる。
【実施例４】  第４実施例も、実施例３と同様にＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、さらに、本実施例では、光源のわずかな波長変動による色収差の影響を考慮して設計されている。
レンズ系の構成は実施例３と同様で、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表３２のとおりである。
【表３２】
0004340690.tif 000036
実施例４では、表３３に示すように回折レンズ構造Ａで使用する回折次数の組み合わせを上記の実施例と異なるものとすることにより、実施例３と同様の効果を有するとともに、少ない位相段差数でより高い色収差補正効果を持たせるとともに、量産性のよい形状を実現している。回折レンズ構造Ａで表３３の構造Ａ１並びにＡ２に示すコラムの組み合わせＢＤの７次回折光、ＤＶＤの４次回折光、ＣＤの３次回折光並びにＢＤの６次回折光、ＤＶＤの４次回折光、ＣＤの３次回折光を利用することとした。回折レンズ構造Ｂで表３３の構造Ｂに示すコラムの組み合わせ、ＢＤで１０次回折光、ＤＶＤで６次回折光、ＣＤで５次回折光を利用することとした。設計手順は、実施例３と同様である。
【表３３】
0004340690.tif 000037
表３４は、実施例４の具体的な設計結果である近軸データである。  なお、表３４に示す近軸データでは、第１面から第３面までの３面を用いて回折レンズ構造を示しているが、これはあくまで設計上の表記によるものであり、実際の面形状を求める際には、これら３つの面の設計結果を合成して一つの面形状を求める。
【表３４】
0004340690.tif 000038
表３５は、実施例４における回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの巨視的非球面形状及び対物レンズの非球面形状を表す非球面係数である。
【表３５】
0004340690.tif 000039
表３６及び表３７は、回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの位相関数とその回折次数である。（λ０＝４０８ｎｍ）
【表３６】
0004340690.tif 000040
【表３７】
0004340690.tif 000041
図１１３及び図１１４は、実施例４における回折レンズ構造Ａ１（領域１）及び回折レンズ構造Ａ２（領域２）の回折レンズ関数である。
実施例４の回折レンズ構造Ａ１及びＡ２は、それぞれが形成される光軸からの高さの範囲において単調減少となっている。従って、回折レンズ構造Ａの実際の形状は、内周部から外周部にいくに従って巨視的非球面よりレンズが薄くなる方向にブレーズ化していき、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈ１〜ｈ２１において、レンズが厚くなる方向に段差を形成することになる。
回折レンズ構造Ａ１（領域１）については、上記の実施例と同様にＢＤとＣＤの回折効率の均衡を考慮して位相段差の深さを決定するとともに、中心面及び輪帯面２〜輪帯面９の面形状を表３８に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表３８に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面８は表３８に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表３８】
0004340690.tif 000042
また、実施例４における回折レンズ構造Ａ２（領域２）で採用した回折次数組み合わせでは、上記の実施例と同様にＢＤに対する回折効率が１００％となるようにブレーズ化すると、ＤＶＤに対する回折効率が５７．３％と低くなってしまう。そこで、実施例４では回折レンズ構造Ａ２（領域２）においても回折レンズ構造Ａ１（領域１）と同様に段差量と面形状を変更してＢＤに対する回折効率とＤＶＤに対する回折効率の均衡を考慮した。
表３９は、輪帯面１０〜輪帯面２１の非球面形状データである。つまり、輪帯面１０〜輪帯面２１は表３９に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表３９】
0004340690.tif 000043
さらに、回折レンズ構造Ａ１（領域１）を通る波面、回折レンズ構造Ａ２（領域２）を通る波面及び回折レンズ構造が施されていない領域を通る波面の全ての位相を揃えるため、それぞれの境界に存在する位相段差９と位相段差２１の深さを調整し、回折レンズ構造Ａの実際の面形状データが設計できる。
回折レンズ構造Ｂ１の形状データは、実施例２及び実施例３と同様の手順で設計できるので詳細な説明は省略する。
図１１５及び図１１６は、このようにして求めた回折レンズ構造Ｂ及び回折レンズ構造Ａの断面形状の模式図である。実施例４の回折レンズ構造Ａは、上記の実施例と異なり、対物レンズ単体が有する色収差を相殺する方向の色収差を有する。また、使用している回折次数が高いことから、その色収差の絶対量も多いため、対物レンズの色収差補正にかなり貢献している。従って、回折レンズ構造Ｂにおいては、回折レンズ構造Ａが施される内周部にそれほど多くの位相段差を必要としなかった。
このようにして求めた回折レンズ構造Ｂと回折レンズ構造Ａの形状を合成することにより、実施例４の回折レンズ構造の形状を求めることができる。
表４０は、回折レンズ構造Ｂと回折レンズ構造Ａを幾何学的に合成した回折レンズ構造の形状を表すデータである。
【表４０】
0004340690.tif 000044
灰色で塗られているデータは、回折レンズ構造Ｂを構成していた位相段差で、そうでないものは回折レンズ構造Ａを構成していた位相段差のデータを表す。実施例３の場合と同様に、回折レンズ構造Ａを構成していた位相段差と回折レンズ構造Ｂを構成していた位相段差を適宜合成して位相段差数を減らすことにより、実質的な回折効率の低下を防ぐとともに、量産上好ましい形状の回折レンズ構造を設計できる。
表４１に示すデータは、このような手順で得られた実施例４における回折レンズ構造の形状データである。灰色で塗られているデータは、合成された位相段差を示すものである。上記のように、段差を適宜合成して位相段差数を減らすことにより、４９段必要であった位相段差を４２段まで削減することができた。
【表４１】
0004340690.tif 000045
表４２は、実施例４の回折レンズ構造の中心面及び輪帯面２〜輪帯面１０の非球面形状を表すデータである。つまり、光軸上にある中心面は表４２に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面１０は表４２に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表４２】
0004340690.tif 000046
表４３は、輪帯面１１〜輪帯面２４の非球面形状を表すデータである。つまり、輪帯面１１〜輪帯面２４は表４３に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表４３】
0004340690.tif 000047
位相段差２４より外側にある輪帯面２５から輪帯面４２及び外周面（領域３）は、全て光軸に垂直な平面である。
図１１７は、実施例４における回折レンズ構造断面の模式図であるが、回折レンズ構造を構成する位相段差は全てマイナス方向で同一なため、金型の製造が容易となり、金型に材料が残留しにくいため成形不良を起こしにくくなるとともに金型が長寿命化する。つまり、実施例４のような設計方法を採用することにより、金型を高精度に加工することが容易となり、成型不良が減少し、金型が長寿命化するため、回折光学素子の高品質維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。
図１１８〜図１２０は、実施例３の形状のデータにより計算した波面収差である（条件は上記実施例と同様）。ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの全てにおいて、それぞれの有効径内側における波面の位相は揃っている。波面に鋸波状の収差が存在しているが、これらはスポット形状に悪影響を及ぼさないので、問題ない。
図１２１〜図１２６は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフである（条件は上記実施例と同様）。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮してスポット形状を計算している。ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ全てにおいて、通常のレンズで集光した場合とほぼ同等の良好なスポット形状が得られている。
図１２７〜図１３０は、ディスクチルトに対するスポット形状の変化を計算した結果である（条件は上記実施例と同様）。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズの特性との差はわずかであり、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
図１３１〜図１３３は、実施例４のレンズにおいて、光源の波長変動が発生した場合の最良像面における波面収差形状である（条件は上記実施例と同様）。なお、回折光学素子および対物レンズの材料は、波長変動に伴い、表２２に示すように変動するものとする。これらの波面収差図から、±５ｎｍの波長変動が発生しても、若干の鋸波状の波面収差が発生するだけで、波面形状はほとんど悪化していないことがわかる。前述したとおり、鋸波状の波面収差は、スポット形状に悪影響を与えない。
図１３４〜図１３７は、波長４０３ｎｍ及び４１３ｎｍにおけるスポット形状を設計波長である４０８ｎｍにおけるスポット形状を示すグラフである（条件は上記実施例と同様）。図からもわかるとおり、実施例４の回折光学素子を用いたレンズによれば、±５ｎｍの波長変動に対してスポット形状はほとんど劣化しないことがわかる。
図１３８は、実施例４の回折光学素子を用いたレンズの波長変動に対する最良像面の移動量を計算した結果である（条件は上記実施例と同様）。実施例４のレンズでは波長変動に対する最良像面位置の移動量が、対物レンズ単体の場合や実施例３のレンズを用いた場合に比べてはるかに軽減しており、波長変動に対して非常に安定した性能が得られることがわかる。
【実施例５】  第５実施例は、第１実施例と同様に第１情報記録媒体であるＢＤ、第２情報記録媒体であるＤＶＤ、第３情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、ＢＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。レンズ系の構成およびＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表４４に示すとおりである。
【表４４】
0004340690.tif 000048
実施例５の回折光学素子は、図１３９に示すように、片面に回折レンズ構造が形成されており、もう片面は平面となっている。図１４０は、実施例５の回折光学素子の模式断面図である。回折レンズ構造は、異なる特性を有する複数の回折レンズ構造が同心円状に構成されており、内周部の領域１には回折レンズ構造１および回折レンズ構造３が合成されて構成されており、中周部の領域２には回折レンズ構造２が構成されており、外周部である領域３は平面である。
なお、本実施例５の回折光学素子は、実施例１の場合と同様に色収差補正用の回折レンズ構造を持たず、球面収差補正用回折レンズ構造のみで構成されている。
領域１は、図１４０に示すように第４有効径内の内周部の領域であり、領域２は、内径が第４有効径で外径が第５有効径である輪帯状の領域であり、領域３は内径が第４有効径で外径が第１有効径である輪帯状の領域を表す。
回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３で利用する回折次数の組み合わせは、表４５の構造１、構造２及び構造３に示すコラムのとおりである。
【表４５】
0004340690.tif 000049
実施例５の回折レンズ構造１は、ＢＤ用光源に対しては収差補正効果を持たず、ＤＶＤ用光源とＣＤ用光源には収差補正効果を持たせるため、ＢＤで３次回折光、ＤＶＤとＣＤで２次回折光を利用することとし、ＣＤに対して収差補正がなされるように設計されている。回折レンズ構造１は、ＤＶＤに対しても収差補正効果を有しているが、完全に補正することはできない。
実施例５の回折レンズ構造２は、ＢＤ用光源とＣＤ用光源に対して収差補正効果を持たず、ＤＶＤ用光源に対してのみ収差補正効果を持たせるため、ＢＤで２次回折光、ＤＶＤとＣＤで１次回折光を利用することとし、ＤＶＤに対して収差補正効果がなされるように設計されている。
実施例５の回折レンズ構造３は、ＢＤ用光源とＣＤ用光源に対して収差補正効果を持たず、ＤＶＤ用光源に対してのみ収差補正効果を持たせるため、ＢＤで２次回折光、ＤＶＤとＣＤで１次回折光を利用することとし、回折レンズ構造１で完全に補正しきれなかったＤＶＤに対する収差を補正するように設計されている。
回折レンズ構造１を設計する際のＣＤの像面位置は、実施例１の場合と同様に設定されているので、その有効径である第４回折有効径の大きさは、回折光学素子におけるＣＤの有効径に対応する第３回折有効径より小さく設定することが可能となっている。
実施例５の回折レンズ構造２の設計においては、これまでの実施例と異なり、回折レンズ構造２の有効径を、回折光学素子におけるＤＶＤの有効径に対応する第２回折有効径より小なる第５回折有効径とすることを可能とするための工夫がなされている。すなわち、図１４１に示すように、修正前の縦球面収差が領域３内で、且つＤＶＤ有効径内である領域５内のどこか１点でゼロとなるような位置に、ＤＶＤ用レーザ光の所望とする回折光の集光位置を設定し、ＤＶＤ用有効径より外径が小さくなるように領域２を制限している。位相段差の１周の長さは、外周に行くほど長くなるため、外周に行くほど位相段差の製造誤差による光量損失は大きくなり好ましくない。このような観点から、実施例５の回折レンズ構造では、位相段差の存在する領域が、ＤＶＤの有効径より小さく設定されているため、好ましい。
表４６は、実施例５の具体的な設計結果の近軸データである。
【表４６】
0004340690.tif 000050
なお、表４６に示す近軸データでは、第１面から第５面までの５面を用いて回折レンズ構造を示しているが、これはあくまで設計上の表記によるものであり、実際の面形状を求める際には、これら５つの面の設計結果を合成して一つの面形状を求める。表４７は、実施例５における回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３の巨視的非球面形状および対物レンズの非球面形状を表す。
【表４７】
0004340690.tif 000051
表４８および表４９は、回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３の位相関数係数および利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表４８】
0004340690.tif 000052
【表４９】
0004340690.tif 000053
以下に回折レンズ構造の形状を求める課程を説明する。
回折レンズ構造の実形状の求め方は、まず、回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３それぞれの実形状をそれぞれの回折レンズ関数、巨視的非球面形状および使用する回折次数を用いて求める。すなわち、これまでの実施例と同様に、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さを求め、視的非球面上のその高さに所定の回折光が発生するよう、適切な方向及び深さの位相段差を形成する。つづいて、これらの実形状を幾何学的に足し合わせることにより、それらを一つの面に合成する。
以下にその具体的な課程を説明する。
回折レンズ構造１の実形状の求め方に関しては、実施例１の回折レンズ構造１と設計結果が同じであるので、実形状も同様にして求められるため、詳細な説明は省略する。
次に、回折レンズ構造２の実形状の求め方に関して説明する。図１４２は、回折レンズ構造２の回折レンズ関数を表すグラフである。回折レンズ構造２の回折レンズ関数は、領域２において単調減少となっているので、回折レンズ構造の内周部から外周部に行くに従って巨視的非球面形状より薄くなる方向にブレーズ化していき、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈ２０１〜ｈ２２１において、レンズが厚くなる方向に段差を形成する。位相段差量は、ＢＤにおいて２次光の回折効率が１００％となるように決定するが、この場合、位相段差で区切られた複数の輪帯状の面は、全て光軸と垂直な平面となる。
次に、回折レンズ構造３の実形状の求め方に関して説明する。図１４３は、回折レンズ構造３の回折レンズ関数を表すグラフである。回折レンズ構造３の回折レンズ関数は、領域１において単調減少となっているので、回折レンズ構造の内周部から外周部にいくに従って巨視的非球面形状より薄くなる方向にブレーズ化していき、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さｈ３０１〜ｈ３２４において、レンズが厚くなる方向に段差を形成する。位相段差量は、ＢＤにおいて２次光の回折効率が１００％となるように決定するが、この場合、位相段差で区切られた複数の輪帯状の面は、全て光軸と垂直な平面となる。
以上のようにして、回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３の具体的な形状がそれぞれ求まったら、それらを一つの面に合成する。特に回折レンズ構造１と回折レンズ構造３は共通の領域に形成されるので、これら２つの回折レンズ構造を合成する際に、実施例３や実施例４の場合と同様に、性能に支障のでない範囲で合成できる段差を全て合成することにより、全ての波長において大幅な回折効率の低下のない回折レンズ構造を実現することができる。
また、このように位相段差を合成することにより、位相段差の間隔が広がるのみならず、金型などの製造誤差による実質的な回折効率の低下を防ぐことができるため好ましい。
表５０は、実施例５の回折レンズ構造の具体的な形状を示す回折レンズ構造形状データである。表５０で、灰色に塗られているデータは、回折レンズ構造１を構成する位相段差と回折レンズ構造３を構成する位相段差を合成した段差である。
【表５０】
0004340690.tif 000054
実施例５の回折レンズ構造は、４９段の位相段差とそれにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面４９の合計４８の輪帯面および外周面によって構成されている。実施例５における回折レンズ構造１を構成する位相段差の深さは、＋０．００２５１５０ｍｍであるが、最外周の位相段差は、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの全てに対して領域１と領域２の位相を合わせるため＋０．００３８７５ｍｍと深めに設定されている。回折レンズ構造２および回折レンズ構造３を構成する位相段差の深さは、どちらも−０．００１４９８０ｍｍである。
実施例５の回折レンズ構造１では、第１領域の有効径に対応する半径は１．００７ｍｍであり、そこには段差１から段差２９が存在する。表５０からも明らかなように、領域１内には、回折レンズ構造１を構成する位相段差、回折レンズ構造３を構成する位相段差および回折レンズ構造１と回折レンズ構造３を構成する位相段差を足し合わせた深さの位相段差が存在する。また、領域１の最外周の位相段差である段差２９は、合成された位相段差であるが、上記の通り、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの全てに対して領域１と領域２の位相をそろえるように深めに設定されているので、他の合成された位相段差とは位相段差量が異なる。つまり、段差２９は、他の合成された位相段差である、段差２、段差８、段差１９よりプラス方向に深い段差としている。
これにより、領域１内には、４種類の異なる深さの位相段差が２９段存在することとなる。
また、実施例５の回折光学素子においては、合成される回折レンズ構造１を構成する位相段差と、回折レンズ構造３を構成する位相段差の符号が逆なので、これらを合成することにより、合成された位相段差は浅くなる。この場合、壁面のダレによる実質的な回折効率の低下を防ぐことができるため好ましい。
すなわち、このように逆符号の位相段差を合成すると、位相段差に微小な突起やくぼみ形状が無くなる。一般に、微小な突起や窪みを成形するための金型を製造する場合、その細かさに応じて加工機の先端を細くする必要があるが、加工機の先端が細くなると、剛性不足により高精度に金型を加工することが困難となる。また、金型が窪みとなるような形状の場合、成型時に材料が窪みに残留しやすくため、回折レンズ構造の成形不良を起こすとともに、金型の寿命が短くなってしまう。位相段差合成前の回折レンズ構造にはこのような欠点があったが、本実施例のように深さ方向の異なる位相段差を合成して回折レンズ構造を設計することにより、このような欠点を回避することができる。つまり、実施例５のような設計方法を採用することにより、金型を高精度に加工することが容易となり、成型不良が減少し、金型が長寿命化するため、回折光学素子の高品質維持及びコストダウンに多大な効果をもたらす。
領域１においては、ＢＤにおける回折効率とＣＤにおける回折効率の均衡を考慮して回折レンズ構造１の位相段差量が設定されており、領域１内に存在する中心面および輪帯面２から輪帯面２９の面形状は表５１に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表５１に示す非球面形状そのものであり、輪帯面２〜輪帯面２９は表５１に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。
【表５１】
0004340690.tif 000055
領域２に存在する輪帯面３０から輪帯面４９および外周面はすべて光軸に垂直な平面である。
図１４４は、実施例５の回折光学素子に形成されている回折レンズ構造の断面図を模式化したもので、光軸からの高さに対する面のサグ量を表すグラフである。
図１４５、図１４６および図１４７は、実施例５の回折光学素子を用いた対物レンズモジュールにおけるＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差であるが、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てにおいて、それぞれの有効径内において各回折レンズ構造を通過する波面の位相がほぼ揃っていることがわかる。
図１４８、図１４９、図１５０、図１５１、図１５２および図１５３は、回折レンズ構造の実際の形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を表すグラフであり、縦軸に光強度を横軸に半径距離を表す。図１４８、図１４９および図１５０は、それぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポット形状全体を、図１５１、図１５２および図１５３はそれぞれＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＢＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズで集光した場合よりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは領域１で内周部の回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、実施例５のように内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮して有効径φ（ＢＤ）にてスポット形状を計算している。すなわち、スポット形状は、特別な開口制限素子を使用せずに集光したスポット形状になるのだが、特に開口制限を行わなくとも、通常のＤＶＤ用対物レンズやＣＤ用対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られている。
図１５４、図１５５、図１５６および図１５７は、ディスクチルトに対するスポット形状の変化を計算した結果を示すグラフである。図１５４及び図１５５はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を横軸にディスクチルト角度を示す。図１５６及び図１５７はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
以上のように、実施例５のレンズによれば、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
（ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズへの応用例）
ＢＤ以外の青色光源を利用した次世代光ディスクシステムとして、透過保護層厚さ０．６ｍｍ、対応波長４００〜４１０ｎｍ、対物レンズの開口数が０．６５であるＨｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ−ＤＶＤ（以下ＨＤ−ＤＶＤという）が提案されている。ＨＤ−ＤＶＤは、対物レンズの開口数や透過保護層の厚さがＤＶＤと同じ値であるため、ＨＤ−ＤＶＤ用に設計された対物レンズを用いればＤＶＤの再生も可能なように思われる。しかしながら、実際はレンズ材料の屈折率が波長によって異なるため、ＨＤ−ＤＶＤ用に設計された通常の非球面レンズでは、球面収差が発生し、ＤＶＤの再生が困難となる。ＣＤ再生の場合は、さらに透過保護層の厚みも異なるので、やはりそのままでは再生が困難となる。従って、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズを用いてＤＶＤやＣＤの互換記録再生を行うためには、前述のＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ互換対物レンズモジュールと同様に、回折レンズ構造を用いて収差を補正する必要がある。
ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤにおける対物レンズの開口数の規格値は、それぞれ０．６５、０．６０、０．４５である。従って、対物レンズの有効径はＨＤ−ＤＶＤで最も大きくなり、ついでＤＶＤ、ＣＤと言う順番で小さくなる。つまり、ＤＶＤやＣＤにおいてそれぞれ異なる大きさの開口制限を行う必要がある。このように、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズモジュールにおいても、前述のＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズ又はそのモジュールの場合と同様の課題が存在する。その課題は本実施形態のＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズ又はそのモジュール或いは回折光学素子を用いることで解決することができる。つまり、回折光学素子に形成された回折レンズ構造は、図１５８ａに示すように、少なくとも基板の片面に設けられ且つ対物レンズの記録媒体に対応した有効径に応じて異なる半径位置で画定された複数の領域にて、区画されている。回折レンズ構造は、透過保護層の厚さの違いや波長の違いによる球面収差を補正するように、形成されている。
ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズモジュールの回折レンズ構造の具体的な構造は以下のとおりである。
最内周の領域１では、第１レーザ光（ＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光、波長４０８ｎｍ）に対しては球面収差補正効果が無く、第２レーザ光（ＤＶＤ用レーザ光、波長６６０ｎｍ）及び第３レーザ光（ＣＤ用レーザ光、波長７８０ｎｍ）に対しては球面収差補正効果がある回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ｛例えば（ＨＤ−ＤＶＤ：１次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：３次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：７次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：９次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝を利用できるように第１回折レンズ構造（第１収差補正手段）が形成されている。なお、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズモジュールにおいては、（ＨＤ−ＤＶＤ：５次光、ＤＶＤ：３次光、ＣＤ：２又は３次光）の組は、ＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光及びＤＶＤ用レーザ光で回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する位相差が揃ってしまうが、ＤＶＤに対して発生する球面収差が小さいので、この組も有効な組み合わせとして考えることができる。
領域１より外側の中周部にある領域２には、ＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光及びＣＤ用レーザ光に対しては球面収差補正効果が無く、ＤＶＤ用レーザ光に対してのみ球面収差補正効果がある回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ｛例えば（ＨＤ−ＤＶＤ：２次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：４次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：６次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：８次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝が利用できるように第２回折レンズ構造（第２収差補正手段）が形成されている。ＨＤ−ＤＶＤについて１０次回折光の場合、すべての媒体の記録及び再生に対応したレーザ光に対して回折レンズ構造を構成する位相段差で発生する位相差がほぼ揃ってしまい、ＤＶＤ用レーザ光のみに対して選択的に収差補正効果を与えられない。よって、回折レンズ構造は、ＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光が第２回折レンズ構造を通過した場合に発生する回折光のうち、回折効率が最大となる回折次数が１０の倍数を除く偶数となるように設計されている。回折レンズ構造を構成する位相段差の深さに関しては、要求仕様に応じてＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光の回折効率が最大となるような光路長差を発生するように設定してもよいし、ＨＤ−ＤＶＤ用レーザの回折効率とＤＶＤ用レーザの回折効率とのバランスを取ることを考慮してもよい。また、鋸波状の波面収差が発生する場合は、領域１の場合と同様に、最外周の位相段差のみ、発生する光路長差が異なるように設計するとより良好な集光特性が得られるようになるため、好ましい。
領域２より外側の外周部にある領域３には、全ての波長に対して球面収差補正効果の無いような回折レンズ構造を実現できる回折光の組み合わせ（例えば、ＨＤ−ＤＶＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光）が利用できるように第３回折レンズ構造（第３収差補正手段）が形成されている。また、領域３は回折レンズ構造を形成しなくともよい（ゼロ次光のみ透過）。よって、所定のＨＤ−ＤＶＤ用開口数０．６５が実現される。
次に、ＤＶＤ／ＣＤで異なる量の球面収差を補正する手段に関して説明を行う。
ＤＶＤの透過保護層（基板）厚みは０．６ｍｍでＣＤの透過保護層（基板）厚みは１．２ｍｍであるため、補正すべき球面収差量が異なる。つまり、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ互換用に設計された回折レンズ構造では、ＣＤに対して球面収差を完全に補正することはできない。同様に、ＨＤ−ＤＶＤ／ＣＤ互換用に設計された回折レンズ構造では、ＤＶＤに対して球面収差を完全に補正することはできない。これは、回折レンズ構造を構成する一つの位相段差で補正できる収差量［ｒｏｕｎｄ［（Ｎ−１）×ｄ／λ］−｛（Ｎ−１）×ｄ／λ｝］λの値の比率を、ＤＶＤとＣＤの補正すべき球面収差量の比率と同じ値にすることができないからである。このような場合、ＤＶＤもしくはＣＤのどちらかの入射光を発散光もしくは収束光にすることにより、回折レンズ構造にて補正しきれなかった球面収差を補正することが可能である。しかしながら、たとえばＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤを平行光入射とし、ＣＤのみ発散光もしくは収束光とした場合、ピックアップの構成が複雑になってしまうといった問題があり、このような観点からＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤの全てが平行光入射であることが望ましい。
これを実現する方法は、前述のＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換レンズモジュールの場合と同じである。すなわち、第１の方法としては、図１５８ｂのような構成におけるＤＶＤ／ＣＤで共用される領域１に形成される第１回折レンズ構造の設計において、ＤＶＤで補正すべき球面収差とＣＤで補正すべき球面収差量の中間の量の球面収差を補正するように設計し、ＤＶＤとＣＤで残留する球面収差量のバランスをとる方法が考えられる。また、第２の方法としては、図１５８ｃに示すように領域１に第１回折レンズ構造とＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光に対して１０を除く偶数次の回折光を発生する第４回折レンズ構造を混在させる方法が考えられる。この方法では、まず第１回折レンズ構造をＨＤ−ＤＶＤ／ＣＤ互換用に設計する。第１回折レンズ構造は、ＤＶＤ用レーザ光に対しても球面収差補正効果を有するが、その補正量が補正すべき球面収差量と異なるため、それらの差分に相当する球面収差が残留する。このＤＶＤにおける残留する球面収差を補正すべく第２回折レンズ構造と同様にＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光に対して偶数次の回折光を発生する第４回折レンズ構造を追加して残留収差を補正する。第４回折レンズ構造はＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光に対して収差補正効果を持たず、且つ偶数次の回折光を発生するように設計されているので、ＣＤ用レーザ光に対しても収差補正効果を持たない。つまり、第４回折レンズ構造を追加したことによるＣＤの波面に対する悪影響はない。この方法では、ＤＶＤ／ＣＤの双方において領域１における収差を十分小さい値に抑える設計が可能となる。なお、設計結果によっては、第１回折レンズ構造を構成する位相段差と第４回折レンズ構造を構成する位相段差の間隔が非常に小さくなる場合があるが、その場合はそれら２つの位相段差を合成して１つの位相段差とすることにより位相段差の総数を減らすことが可能となる。すなわち、２つの隣接する位相段差の段差量を足し合わせた段差量の段差を、それらの位相段差があったどちらかの位置あるいはその間のどこかに配置すればよい。このように、位相段差を合成した場合、それぞれの位相段差が本来の設計値からわずかにずれるため、若干の性能劣化が発生するが、合成する２つの位相段差が近接している場合、そのずれは小さいため、性能劣化は問題とならない。このように２つの位相段差を合成することにより２つ必要であった位相段差の数を一つに減らすことができるため、金型製造が容易となり好ましく、成型時の離型性が向上するため、金型寿命が長寿命化し、さらに成形不良率も低減されるので好ましい。
第３の方法としては、図１５８ｄに示すように、ＤＶＤ／ＣＤの共用設計領域である領域１をＣＤの有効径に対応する第３回折有効径より小さくし、開口数を減らすことによって、補正しきれず残留する球面収差量を減らすことができる。たとえば、ＤＶＤ／ＣＤ共用設計領域を８０％程度にした場合、残留する球面収差量は４１％程度まで低減される。特に、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤは、透過保護層の厚さが等しいため、ＤＶＤで発生する球面収差量はそれほど大きくない。従って、ＤＶＤ／ＣＤ共用領域を狭くすることによって、この領域においては、ＤＶＤ用光源に対しては球面収差補正を行う必要が無くなる場合もある。なお、単に共用設計領域を減らすと、ＣＤに対する開口数が小さくなってしまうため、ＣＤの記録及び再生に支障を来す。しかしながら、前述のＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換レンズモジュールの場合と同様にＣＤ用レーザ光の集光位置を設定することにより、ＣＤに対しても所定の開口数を得ることができる。すなわち、第１回折レンズ構造を設計する際に、ＣＤにおける第４領域のどこかに縦球面収差がゼロとなるような像面位置を設定することにより、領域１の狭小化が可能となる。また、この設計方法では、領域１に複数の回折レンズ構造を構成する位相段差が混在しないので、位相段差数の増加を伴わない設計が可能となるため好ましい。さらに、前述の通り、特に領域１ではＨＤ−ＤＶＤ用レーザ光との回折効率のバランスを考慮する必要があるが、領域１の面積が狭小化されているため、ＣＤ用レーザ光の回折効率を考慮してＨＤ−ＤＶＤの回折効率を落としたとしても、その影響は狭小化しない場合に比べて小さく抑えることができるので好ましい。
図１５９は、対物レンズモジュールの動作を示す。
図１５９（Ａ）に示すようにλＨＤ−ＤＶＤの第１レーザ光が略平行光として回折光学素子１６ｂに入射するとき、全ての領域を通る光はそのまま略平行光としてＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａへ導かれる。対物レンズ１６ａにより集光された光は、ＨＤ−ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。
また、図１５９（Ｂ）に示すように、λＤＶＤの第２レーザ光が略平行光として入射するとき、回折光学素子におけるＤＶＤの有効径に対応する第２回折有効径内の領域１、領域２を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａにより集光され、ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、回折光学素子における第２回折有効径外を通過した光は、レンズ１６ａによって集光されＤＶＤ保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
さらに、図１５９（Ｃ）に示すように、λＣＤの第３レーザ光が略平行光として入射するとき、ＣＤの有効径に相当する第３回折有効径内の領域１及び領域４を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、第３回折有効径外を通過した光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
また、ＤＶＤおよびＣＤで要求される対物レンズの開口数は、規格ではそれぞれ０．６および０．４５と規定されているが、実際の製品では、それらよりやや大きめの開口数の対物レンズを用いた方が良い性能が得られる場合がある。特に記録を考慮した場合、ＤＶＤにおいては開口数０．６５程度、ＣＤにおいては開口数０．５程度の対物レンズが用いられる場合が多い。例えば、ＤＶＤに対する開口数を０．６５、とした場合、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤは開口数が同じになるので、有効径も同じになるように思われる。しかしながら、実際は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤでは、光源波長が異なることにより、対物レンズの焦点距離が異なるため、対物レンズにおける有効径（２×焦点距離×開口数）も異なってくる。一般に、硝材の屈折率は、そこを透過する光の波長が短くなるほどなるほど高くなるため、ＨＤ−ＤＶＤ用非球面対物レンズの焦点距離は短波長になるほど短くなる傾向にある。よって、光源波長の短いＨＤ−ＤＶＤに比べて、ＤＶＤでは対物レンズの焦点距離が長くなり、その結果、有効径は広くなる。このような場合、対物レンズモジュールでは、ＤＶＤの有効径が最も大きくなり、次いでＨＤ−ＤＶＤの有効径が大きく、ＣＤの有効径が最も小さくなる。つまり、対物レンズモジュールの有効径は、ＤＶＤの有効径と等しくなり、回折レンズ構造によってＨＤ−ＤＶＤとＣＤに対して異なる大きさの開口制限を行うことになる。
このような機能は、図１６０ａ、図１６０ｂ、および図１６０ｄのような構成の回折光学素子とＨＤ−ＤＶＤ用の対物レンズを組み合わせた対物レンズモジュールにて実現できる。ここで、図１６０ａ、図１６０ｂ、および図１６０ｃに示す光学素子の領域３では、ＤＶＤに対してのみ収差補正効果を有するように面形状を設定する必要がある。
また、前記光学素子と組み合わせて使用される対物レンズ１６ａにＤＶＤ用対物レンズを用いる場合は、以下のようにそれぞれの回折レンズ構造を設計すればよい。
すなわち、図１６０ａ、図１６０ｂおよび図１６０ｃにおける第１回折レンズ構造には、ＤＶＤに対しては収差補正効果が無く、ＨＤ−ＤＶＤとＣＤに対しては収差補正効果を有する回折レンズ構造を構成する。
また、第２回折レンズ構造には、ＤＶＤとＣＤに対しては収差補正効果が無く、ＨＤ−ＤＶＤに対してのみ収差補正効果を有する回折レンズ構造を構成する。
また、第３回折レンズ構造には、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ全てに対して収差補正効果を持たないような回折光の組み合わせ（例えば、ＨＤ−ＤＶＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光）が利用できるように第３回折レンズ構造を構成するか、あるいは、回折レンズを構成しなくとも良い（ゼロ次光のみ透過）。
また、図１６０ｂにおける第４回折レンズ構造には、第２回折レンズ構造と同様に、ＤＶＤとＣＤに対しては収差補正効果が無く、ＨＤ−ＤＶＤに対してのみ収差補正効果を有する回折レンズ構造を構成する。
それぞれの回折レンズ構造で使用する回折次数は、基本的にＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズと組み合わせて使用する場合と同様に決定して良い。
例えば、回折レンズ構造１に関しては、｛例えば、（ＨＤ−ＤＶＤ：１次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：３次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：５次光、ＤＶＤ：３次光、ＣＤ：２又は３次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：７次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：９次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝を利用できるように設計すればよいし、回折レンズ構造２および回折レンズ構造４に関しては、｛例えば、（ＨＤ−ＤＶＤ：２次光、ＤＶＤ：１次光、ＣＤ：１次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：４次光、ＤＶＤ：２次光、ＣＤ：２次光）、（ＨＤ−ＤＶＤ：６次光、ＤＶＤ：４次光、ＣＤ：３次光）｝、｛（ＨＤ−ＤＶＤ：８次光、ＤＶＤ：５次光、ＣＤ：４次光）｝が利用できるように設計すればよいし、回折レンズ構造３に関しては、（例えば、ＨＤ−ＤＶＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光）が利用できるように設計すればよい。すなわち、前述のＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換レンズモジュールの場合と同様に、ＢＤをＨＤ−ＤＶＤに代えて上記数式（１）〜（１８）により、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ及びＣＤ用の回折次数の組み合わせを得ることができる。上記回折次数を発生する回折レンズ構造であれば、所望とする機能を有する回折光学素子の設計が可能となるが、それらの中でさらに好ましい組み合わせを以下の表５２から求めることができる。
【表５２】
0004340690.tif 000056
表５２は、ＤＶＤで利用する回折レンズ構造の回折次数に対するＨＤ−ＤＶＤおよびＣＤの回折次数、一つの位相段差による収差補正量（利用する回折次数から段差で発生する光路長差を差し引いた値）および回折効率を示す。なお、表５２に示す回折効率は、ＤＶＤ用光源に対して回折効率が１となるように回折レンズ構造をブレーズ化した場合の１例であり、実際の設計においては、位相段差量を変えることによって、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおける回折効率の均衡を考慮した設計が可能である。従って、実際の回折レンズ構造におけるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤの回折効率の組み合わせは表５２の数値に限定されるものではない。
回折レンズ構造１は、ＤＶＤ用対物レンズを用いた際に、ＨＤ−ＤＶＤで発生する収差とＣＤで発生する収差を補正する機能を有する必要がある。この場合、ＨＤ−ＤＶＤで発生する球面収差とＣＤで発生する球面収差は、一般に逆符号になるので、回折レンズ構造１を構成する位相段差は、ＨＤ−ＤＶＤとＣＤに対してそれぞれ逆符号の収差補正量を有することが望ましい。
回折レンズ構造２は、ＨＤ−ＤＶＤに対しては収差補正を行い、ＣＤに対しては収差補正効果を持たないか、逆に収差をより増大させる効果を有することが望ましい。この場合、回折レンズ構造２を構成する位相段差は、ＨＤ−ＤＶＤとＣＤに対してそれぞれ同符号の収差補正量を有することが望ましい。このような回折次数でＨＤ−ＤＶＤの収差補正効果がある回折レンズ構造を設計すると、ＣＤに対しては球面収差をより増大させることができる。
回折レンズ構造３は、ＨＤ−ＤＶＤおよびＣＤに対して収差補正効果を持たない、あるいは、逆に収差を増大する効果があればよいので、これを構成する位相段差は、ＨＤ−ＤＶＤとＣＤの両方に対して収差補正効果を持たない、あるいはＨＤ−ＤＶＤとＣＤに対してそれぞれ逆符号の収差補正量を有することが望ましい。回折レンズ構造３を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤとＣＤの両方にとって不要な光となるが、もともとＤＶＤ用対物レンズと組み合わせて使用しているため、何もしなくとも球面収差によりフレアとなるので、開口制限をしたのと同様の効果が得られる。さらに、回折レンズ構造３にて、積極的に収差を付加することによって、この領域を通る光の影響を低減できると考えられるが、回折レンズ構造にて収差を発生させた場合、本来想定している回折次数以外の回折光が発生する場合があり、この場合、複数の回折光全てをフレアとすることが困難となる恐れがある。このようなことから、領域３には回折レンズ構造を形成しないか、又は全ての波長に対して収差補正効果が無く且つ回折効率が高い回折次数の組み合わせ（例えば、ＨＤ−ＤＶＤ：１０次光、ＤＶＤ：６次光、ＣＤ：５次光）を適用することが望ましい。
図１６１は、対物レンズモジュールの動作を示す。
図１６１（Ａ）に示すようにλＨＤ−ＤＶＤの第１レーザ光が略平行光として回折光学素子１６ｂに入射するとき、回折光学素子におけるＨＤ−ＤＶＤの有効径に対応する第１回折有効径内の領域１、領域２を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａにより集光され、ＨＤ−ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、回折光学素子における第１回折有効径外を通過した光は、レンズ１６ａによって集光されＤＶＤ保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
また、図１６１（Ｂ）に示すように、λＤＶＤの第２レーザ光が略平行光として入射するとき、全ての領域を通る光はそのまま略平行光としてＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａへ導かれる。対物レンズ１６ａにより集光された光は、ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。
さらに、図１６１（Ｃ）に示すように、λＣＤの第３レーザ光が略平行光として入射するとき、ＣＤの有効径に相当する第３回折有効径内の領域１及び領域４を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、第３回折有効径外を通過した光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
また、ＨＤ−ＤＶＤの有効径とＤＶＤの有効径が揃うようにＤＶＤの開口数を決定した設計例も可能である。この場合、開口制限はＣＤに対してのみ行えばよく、これまで例示してきた回折レンズ構造から最外周の領域３を排除した形態でＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換が実現できるため好ましい。
この場合、回折レンズ構造は図１６２ａ、図１６２ｂおよび図１６２ｃに示すような形態になる。
図１６３は、ＨＤ−ＤＶＤの有効径とＤＶＤの有効径が揃うようにＤＶＤの開口数を決定した回折光学素子を用いた対物レンズモジュールの動作を示す。
図１６３（Ａ）に示すようにλＨＤ−ＤＶＤの第１レーザ光が略平行光として回折光学素子１６ｂに入射するとき、全ての領域を通る光はそのまま略平行光としてＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａへ導かれる。対物レンズ１６ａにより集光された光は、ＨＤ−ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。
また、図１６３（Ｂ）に示すように、λＤＶＤの第１レーザ光が略平行光として回折光学素子１６ｂに入射するとき、全ての領域を通る光はそのまま略平行光としてＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａへ導かれる。対物レンズ１６ａにより集光された光は、ＤＶＤ用保護層を通過し、信号記録面上に集光される。
さらに、図１６３（Ｃ）に示すように、λＣＤの第３レーザ光が略平行光として入射するとき、ＣＤの有効径に相当する第３回折有効径内の領域１及び領域４を通過する光は、ＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過し、信号記録面上に集光される。一方、第３回折有効径外を通過した光は、対物レンズ１６ａにより集光され、ＣＤ用透過保護層を通過するが、球面収差が補正されず、フレアとなるので再生に寄与しない。
【実施例６】  第６実施例は、第１情報記録媒体であるＨＤ−ＤＶＤ、第２情報記録媒体であるＤＶＤ、第３情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、ＨＤ−ＤＶＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。レンズ系の構成およびＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表５３に示すとおりである。
【表５３】
0004340690.tif 000057
実施例６の回折光学素子は、図１６４に示すように、片面に回折レンズ構造が形成されており、もう片方は平面となっている。図１６５は、実施例６の回折光学素子の模式断面図である。回折レンズ構造は、異なる特性を有する複数の回折レンズ構造が同心円状に構成されており、内周部の領域１には回折レンズ構造１が構成されており、中周部の領域２には回折レンズ構造２が構成されており、外周部である領域３は平面である。
領域１は、図１６５に示すように第４有効径内の内周部の領域であり、領域２は、内径が第４有効径で外径が第２有効径である輪帯状の領域であり、領域３は内径が第２有効径で外径が第１有効径である輪帯状の領域を表す。回折レンズ構造１および回折レンズ構造２で利用する回折次数の組み合わせは、表５４の構造１および構造２に示すコラムの通りである。
【表５４】
0004340690.tif 000058
実施例６の回折レンズ構造１は、ＨＤ−ＤＶＤ用光源とＤＶＤ用光源に対しては収差補正効果を持たず、ＣＤ用光源には収差補正効果を持たせるため、ＨＤ−ＤＶＤで５次光、ＤＶＤで３次光、ＣＤで２次光を利用することとし、ＣＤに対して収差補正がなされるように設計されている。
実施例６の回折レンズ構造２は、ＨＤ−ＤＶＤ用光源とＣＤ用光源に対して収差補正効果を持たず、ＤＶＤに対して収差補正効果を持たせるため、ＨＤ−ＤＶＤで８次光、ＤＶＤで５次光、ＣＤで４次光を利用することとし、ＤＶＤに対して収差補正がなされるように設計されている。
回折レンズ構造１を設計する際のＣＤの像面位置は、実施例１の場合と同様に設定されているので、その有効径である第４有効径の大きさは、回折光学素子におけるＣＤの有効径に対応する第３有効径より小さく設定することが可能となっている。このように、回折レンズ構造１の有効径を小さく設定することにより、この回折レンズ構造がＤＶＤ用光源に対して収差補正効果を持たなくても、ＤＶＤにおいてこの領域で発生する収差は十分小さい値に抑えられている。
表５５は、実施例６の具体的な設計結果の近軸データである。
【表５５】
0004340690.tif 000059
表５６は実施例６における回折レンズ構造１および回折レンズ構造２の巨視的非球面形状および対物レンズの非球面形状を表す。
【表５６】
0004340690.tif 000060
表５７および表５８は、回折レンズ構造１および回折レンズ構造２の位相関数係数と利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表５７】
0004340690.tif 000061
【表５８】
0004340690.tif 000062
以下に回折レンズ構造の形状を求める課程を説明する。
回折レンズ構造の実形状の求め方は、まず、回折レンズ構造１、回折レンズ構造２および回折レンズ構造３それぞれの実形状をそれぞれの回折レンズ関数、巨視的非球面形状および使用する回折次数を用いて求める。すなわち、これまでの実施例と同様に、回折レンズ関数が整数となる光軸からの高さを求め、視的非球面上のその高さに所定の回折光が発生するよう、適切な方向及び深さの位相段差を形成する。
表５９は、実施例６における回折レンズ構造の具体的な形状を示す回折レンズ構造形状データである。
【表５９】
0004340690.tif 000063
実施例６の回折レンズ構造は、１１段の位相段差とそれにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面１１の合計１０の輪帯面、及び外周面（領域３）によって構成されている。
実施例６の回折レンズ構造を構成する位相段差１〜位相段差４は、ＨＤ−ＤＶＤにおける回折効率とＣＤにおける回折効率の均衡を考慮して深さを決定し、中心面及び輪帯面２〜輪帯面４の非球面形状を表６０に示す非球面形状とした。つまり、光軸上にある中心面は表６０に示す非球面そのものであり、輪帯面２〜輪帯面４は表６０に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。位相段差４より外周部にある、輪帯面５から輪帯面１１および外周面（領域３）は全て光軸に垂直な平面である。
【表６０】
0004340690.tif 000064
また、回折レンズ構造１と回折レンズ構造２の境界にあり、回折レンズ構造１を構成する複数の位相段差のなかで最外周に位置する位相段差４の段差量は、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てに対して回折レンズ構造１と回折レンズ構造２を通る波面の位相が揃うようにするため、位相段差１〜位相段差３よりやや深めに設定した。
図１６６は、実施例６の光学素子に構成された回折レンズ構造の断面図を表すグラフで、光軸からの高さに対する面のサグ量を表している。図中のφ（１）は回折レンズ構造１の有効径を示し、φ（２）は回折レンズ構造２の有効径を表すグラフである。回折レンズ構造１（領域１）及び回折レンズ構造２（領域２）の巨視的非球面形状は凹面となっている。位相段差によって分割された輪帯状の面は、回折レンズ構造１においては全て非球面形状をしており、回折レンズ構造２においては全て光軸に垂直な平面となっている。回折レンズ構造１と回折レンズ構造２では、ＨＤ−ＤＶＤで使用する回折次数が異なるので、位相段差量もそれに応じて異なっている。また、回折レンズ構造１と回折レンズ構造２の境界線にある位相段差４は、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤの全てにおいて両方の回折レンズ構造を通過する波面の位相を合わせるために深めの位相段差が施されている。
図１６７、図１６８および図１６９は、実施例６の光学素子を用いた対物レンズモジュールにおけるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差であるが、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てで、それぞれの有効径内において各回折レンズ構造を通過する波面の位相がほぼ揃っていることがわかる。
図１７０、図１７１、図１７２、図１７３、図１７４、および図１７５は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を、横軸に半径距離を示す。図１７０、図１７１および図１７２はそれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポット形状全体を、図１７３、図１７４、および図１７５はぞれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＨＤ−ＤＶＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズで集光した場合よりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは回折レンズ構造１（領域１）で内周部の回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、実施例１のように内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮して有効径φ（ＨＤ−ＤＶＤ）にてスポット形状を計算している。すなわち、スポット形状は、特別な開口制限素子を使用せずに集光したスポット形状になるのだが、特に開口制限を行わなくとも、通常のＤＶＤ用対物レンズやＣＤ用対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られることがわかった。
また、ＤＶＤ及びＣＤ有効径外側の光が集光に影響を与えている場合、例えばディスクチルトによってコマ収差が発生すると、サイドローブの変化が通常の場合に比べてより顕著となり、安定した再生性能を得ることができない。そこで、本実施例のレンズを用いた場合におけるディスクチルト時のスポット形状の変化を計算し、通常のレンズと比較を行った。
図１７６、図１７７、図１７８および図１７９は、その計算結果を示すグラフである。図１７６および図１７７はそれぞれＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を、横軸にディスクチルト角を示す。図１７８および図１７９はそれぞれＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
【実施例７】  第７実施例は、第１情報記録媒体であるＨＤ−ＤＶＤ、第２情報記録媒体であるＤＶＤ、第３情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能とするための回折光学素子で、ＨＤ−ＤＶＤ用両面非球面レンズと組み合わせて構成される。レンズ系の構成およびＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表６１に示すとおりである。
【表６１】
0004340690.tif 000065
第７実施例の回折光学素子は、図１８０に示すように、片面に回折レンズ構造が形成されており、もう片方は平面となっている。図１８１は、実施例７の回折光学素子の模式断面図である。回折レンズ構造は、異なる特性を有する複数の回折レンズ構造が同心円状に構成されており、内周部の領域には回折レンズ構造１が構成されており、中周部の領域２には回折レンズ構造２が構成されており、外周部である領域３は回折レンズ構造が形成されていない非球面である。
領域１は、図１８１に示すように第４有効径内の領域であり、領域２は、内径が第４有効径で外径が第２有効径である輪帯状の領域であり、領域３は内径が第２有効径で外径が第１有効径である輪帯状の領域を表す。回折レンズ構造１および回折レンズ構造２で利用する回折次数の組み合わせは、表６２（表５４と同一）の構造１および構造２に示すコラムの通りである。
【表６２】
0004340690.tif 000066
実施例７の回折レンズ構造１は、ＨＤ−ＤＶＤ用光源とＤＶＤ用光源に対しては収差補正効果を持たず、ＣＤ用光源には収差補正効果を持たせるため、ＨＤ−ＤＶＤで５次光、ＤＶＤで３次光、ＣＤで２次光を利用することとし、ＣＤに対して収差補正がなされるように設計されている。
実施例７の回折レンズ構造２は、ＨＤ−ＤＶＤ用光源とＣＤ用光源に対して収差補正効果を持たず、ＤＶＤに対して収差補正効果を持たせるため、ＨＤ−ＤＶＤで８次光、ＤＶＤで５次光、ＣＤで４次光を利用することとし、ＤＶＤに対して収差補正がなされるように設計されている。
最外周の領域３は、最も有効径が大きいＤＶＤで収差が発生しないように収差補正がなされた非球面形状であり、この領域には回折レンズ構造は構成されていない。この領域３では、ＨＤ−ＤＶＤおよびＣＤ用光源の光に対しては収差が残留するため、光はフレアとして拡散され、再生に寄与しない。
回折レンズ構造１を設計する際のＣＤの像面位置は、実施例１の場合と同様に設定されているので、その有効径である第４有効径の大きさは、回折光学素子におけるＣＤの有効径に対応する第３有効径より小さく設定することが可能となっている。このように、回折レンズ構造１の有効径を小さく設定することにより、この回折レンズ構造がＤＶＤ用光源に対して収差補正効果を持たなくても、ＤＶＤにおいてこの領城で発生する収差は十分小さい値に抑えられている。
表６３は、実施例６の具体的な設計結果の近軸データである。
【表６３】
0004340690.tif 000067
表６４は実施例７における回折レンズ構造１および回折レンズ構造２の巨視的非球面形状、領域３の非球面形状、及び対物レンズの非球面形状を表す。
【表６４】
0004340690.tif 000068
表６５および表６６は、回折レンズ構造１および回折レンズ構造２の位相関数係数と利用する回折次数である（λ０＝４０８ｎｍ）。
【表６５】
0004340690.tif 000069
【表６６】
0004340690.tif 000070
以下に回折レンズ構造の形状を求める課程を説明する。
回折レンズ構造１および回折レンズ構造２の巨視的非球面形状、位相関数係数および使用する回折次数を用いて求める。回折レンズ構造１に関しては、設計値や有効径が実施例６と同様であるので、形状も実施例６と同様になる。回折レンズ構造２に関しても、設計値は実施例６と同様であるが、有効径が異なることと、領域３との位相をそろえるため、この部分の実形状はやや異なる。
表６７は、実施例７における回折レンズ構造の具体的な形状を示す回折レンズ構造形状データである。
【表６７】
0004340690.tif 000071
実施例７の回折レンズ構造は、１３段の位相段差とそれにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面１３の合計１２の輪帯面、及び外周面（領域３）によって構成されている。
実施例７の回折レンズ構造を構成する位相段差１〜位相段差４は、ＨＤ−ＤＶＤにおける回折効率とＣＤにおける回折効率の均衡を考慮して深さを決定し、中心面及び輪帯面２〜輪帯面４の非球面形状を表６８に示す非球面形状とした。
【表６８】
0004340690.tif 000072
つまり、光軸上にある中心面は表６８に示す非球面そのものであり、輪帯面２〜輪帯面４は表６８に示す非球面がそれぞれの段差量に応じた分だけ光軸方向にずれている輪帯状の面である。位相段差４より外周部にある、輪帯面５から輪帯面１１全て光軸に垂直な平面である。領域３である外周面は、表６９に示す非球面形状を位相段差１３が所定量となるように光軸方向にずらしたものである。
【表６９】
0004340690.tif 000073
回折レンズ構造１と回折レンズ構造２の境界にあり、回折レンズ構造１を構成する複数の位相段差のなかで最外周に位置する位相段差４の段差量は、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てに対して回折レンズ構造１と回折レンズ構造２を通る波面の位相が揃うようにするため、位相段差１〜位相段差３よりやや深めに設定した。
また、回折レンズ構造２と領域３の境界にあり、回折レンズ構造２を構成する複数の位相段差のなかで最外周に位置する位相段差１３は、ＤＶＤに対して、外周面を通過した波面が回折レンズ構造１および回折レンズ構造２を通過した波面と位相が揃うように段差量が調節されており、段差５〜段差１２とは異なる段差量に設定されている。
図１８２は、実施例７の光学素子に構成された回折レンズ構造の断面図を表すグラフで、光軸からの高さに対する面のサグ量を表している。図中のφ（１）は回折レンズ構造１の有効径を示し、φ（２）は回折レンズ構造２の有効径を表すグラフである。回折レンズ構造１（領域１）及び回折レンズ構造２（領域２）の巨視的非球面形状は凹面となっている。位相段差によって分割された輪帯状の面は、回折レンズ構造１においては全て非球面形状をしており、回折レンズ構造２においては全て光軸に垂直な平面となっており、外周面は非球面形状をしている。回折レンズ構造１と回折レンズ構造２では、ＨＤ−ＤＶＤで使用する回折次数が異なるので、位相段差量もそれに応じて異なっている。また、回折レンズ構造１と回折レンズ構造２の境界線にある位相段差４は、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤの全てにおいて両方の回折レンズ構造を通過する波面の位相を合わせるために深めの位相段差が施されている。
図１８３、図１８４および図１８５は、実施例７の光学素子を用いた対物レンズモジュールにおけるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差であるが、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全で、それぞれの有効径内において各回折レンズ構造を通過する波面の位相がほぼ揃っていることがわかる。
図１８６、図１８７、図１８８、図１８９、図１９０および図１９１は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を、横軸に半径距離を示す。図１８６、図１８７および図１８８はそれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポット形状全体を、図１８９、図１９０および図１９１はぞれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＨＤ−ＤＶＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズで集光した場合よりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは回折レンズ構造１（領域１）で内周部の回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、実施例１のように内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＨＤ−ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮して有効径φ（ＤＶＤ）にてスポット形状を計算している。すなわち、スポット形状は、特別な開口制限素子を使用せずに集光したスポット形状になるのだが、特に開口制限を行わなくとも、通常のＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズやＣＤ用対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られることがわかった。
また、ＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤ有効径外側の光が集光に影響を与えている場合、例えばディスクチルトによってコマ収差が発生すると、サイドローブの変化が通常の場合に比べてより顕著となり、安定した再生性能を得ることができない。そこで、本実施例のレンズを用いた場合のディスクチルト時のスポット形状の変化を計算し、通常のレンズと比較を行った。
図１９２、図１９３、図１９４および図１９５は、その計算結果を示すグラフである。図１９２および図１９３はそれぞれＨＤ−ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を、横軸にディスクチルト角を示す。図１９４および図１９５はそれぞれＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＨＤ−ＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
【実施例８】  第８実施例は、第１情報記録媒体であるＨＤ−ＤＶＤ、第２情報記録媒体であるＤＶＤ、第３情報記録媒体であるＣＤの互換記録再生を可能とするための対物レンズで、第７実施例からの変形例である。実施例８の光学素子は、図１９６に示すように、対物レンズの第１面に回折レンズ構造が形成されており、もう片面は非球面となっている。レンズ系の構成およびＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤに対する設計条件は表７０に示す通りである。なお、実施例７の場合は回折レンズ構造が対物レンズからやや離れた位置にあるのに対して、実施例８の場合は回折レンズ構造が対物レンズに一体的に直接構成されているため、それに伴い、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの有効径がやや大きくなっている。
【表７０】
0004340690.tif 000074
図１９７は、実施例８の対物レンズの模式断面図である。
表７２は、実施例８の具体的な設計結果の近軸データである。
0004340690.tif 000075
表７３は、実施例８の具体的な設計結果の非球面係数および各輪帯面や外周面のオフセットを表す。
【表７３】
0004340690.tif 000076
第１面の回折レンズ構造を構成する輪帯面２〜輪帯面１３および外周面を光軸上に延長した際の光軸と交わる点は、第１面が光軸と交わる点から表７３に示す量だけオフセットしている。すなわち、輪帯面２〜輪帯面１３のオフセット量は図１９７に示すｏ２〜ｏ１３で、外周面のオフセット量はｏ１４である。オフセット量は、回折レンズ構造が形成されている面の光軸上の点を基準に、輪帯面および外周面の延長面が光軸と交わる位置を測定し、光軸方向を正とする。
表７４は、回折レンズ構造を構成する位相段差の光軸からの高さ、すなわち段差半径、輪帯幅および段差量を表すデータである。段差半径は図１９７に示すｈ１〜ｈ１３、輪帯幅は図１９７に示すＷ２〜Ｗ１３、そして、段差量は、段差の内周側の面から外周側の面に対して測定し、光軸方向を正とする。
【表７４】
0004340690.tif 000077
実施例８の回折レンズ構造は、１３段の位相段差と、それにより分割された中心面、輪帯面２〜輪帯面１３の合計１２面の輪帯面、及び外周面（領域３）によって構成されている。位相段差の光軸からの高さ（段差半径）は、基本的に実施例７と同じ値である。ただし、回折レンズ構造の位置の移動に伴う開口数の変化に対応するため、複数の位相段差のうち、最外周に位置し、ＨＤ−ＤＶＤの有効径を決定する位相段差１３の位置はやや外周側に移動されている。また、これまでの実施例１〜実施例７とは異なり、段差を対物レンズに直接形成する場合、内周部と外周部では光の屈折角が大きく異なるため、同じの光路長差を発生させるのに必要とされる物理的な段差量が光軸からの高さによって異なってくる。
図１９８、図１９９および図２００は、実施例７の光学素子を用いた対物レンズモジュールにおけるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差であるが、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの全てにおいて、それぞれの有効径内において各回折レンズ構造を通過する波面の位相がほぼ揃っていることがわかる。
図２０１、図２０２、図２０３、図２０４、図２０５および図２０６は、回折レンズ構造の実際の面形状による収差を用いて計算した波動光学的スポット形状を示すグラフであり、縦軸に光強度を、横軸に半径距離を示す。図２０１、図２０２および図２０３はそれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポット形状全体を、図２０４、図２０５および図２０６はぞれぞれＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットのサイドローブを示す。ＨＤ−ＤＶＤの集光スポットは、メインのスポットが通常のレンズで集光した場合よりやや小さく、サイドローブがやや大きい。これは回折レンズ構造１（領域１）で内周部の回折効率を若干落としたために、アポディゼーション効果が発生しているからであるが、この程度であれば記録再生においては問題ない。また、光源として利用される半導体レーザは、一般に中心から周辺に行くに従って強度が弱くなってくるので、実施例１のように内周部の効率を落としてアポディゼーション効果を発生させた方がむしろ好ましい場合もある。ＨＤ−ＤＶＤやＣＤに関しては、それぞれの有効径外側の光も考慮して有効径φ（ＤＶＤ）にてスポット形状を計算している。すなわち、スポット形状は、特別な開口制限素子を使用せずに集光したスポット形状になるのだが、特に開口制限を行わなくとも、通常のＨＤ−ＤＶＤ用対物レンズやＣＤ用対物レンズとほぼ同じスポット形状が得られることがわかった。
また、ＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤ有効径外側の光が集光に影響を与えている場合、例えばディスクチルトによってコマ収差が発生すると、サイドローブの変化が通常の場合に比べてより顕著となり、安定した再生性能を得ることができない。そこで、本実施例のレンズを用いた場合のディスクチルト時のスポット形状の変化を計算し、通常のレンズと比較を行った。
図２０７、図２０８、図２０９および図２１０は、その計算結果を示すグラフである。図２０７および図２０８はそれぞれＨＤ−ＤＶＤおよびＣＤにおけるスポットの半値幅の変化を示しており、縦軸に半値幅を、横軸にディスクチルト角を示す。図２０９および図２１０はそれぞれＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤにおけるサイドローブ強度の変化を示しており、縦軸にスポットのサイドローブ強度を横軸にディスクチルト角度を示す。ＨＤ−ＤＶＤ及びＣＤのいずれに対しても通常のレンズとほぼ同等の特性を示していることから、本実施例の対物レンズを用いた場合、特に開口制限を行わなくても従来のＨＤ−ＤＶＤ用及びＣＤ用の対物レンズを用いた場合と同等の安定した再生特性が得られることがわかる。
【図１】
0004340690.tif 000078
【図２】
0004340690.tif 000079
【図３】
0004340690.tif 000080
【図４ａ】
0004340690.tif 000081
【図４ｂ】
0004340690.tif 000082
【図４ｃ】
0004340690.tif 000083
【図４ｄ】
0004340690.tif 000084
【図５】
0004340690.tif 000085
【図６】
0004340690.tif 000086
【図７】
0004340690.tif 000087
【図８】
0004340690.tif 000088
【図９】
0004340690.tif 000089
【図１０】
0004340690.tif 000090
【図１１】
0004340690.tif 000091
【図１２】
0004340690.tif 000092
【図１３】
0004340690.tif 000093
【図１４】
0004340690.tif 000094
【図１５】
0004340690.tif 000095
【図１６】
0004340690.tif 000096
【図１７】
0004340690.tif 000097
【図１８】
0004340690.tif 000098
【図１９】
0004340690.tif 000099
【図２０】
0004340690.tif 000100
【図２１】
0004340690.tif 000101
【図２２】
0004340690.tif 000102
【図２３】
0004340690.tif 000103
【図２４】
0004340690.tif 000104
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
0004340690.tif 000107
【図２８】
0004340690.tif 000108
【図２９】
0004340690.tif 000109
【図３０】
0004340690.tif 000110
【図３１】
0004340690.tif 000111
【図３２】
0004340690.tif 000112
【図３３】
0004340690.tif 000113
【図３４】
0004340690.tif 000114
【図３５】
0004340690.tif 000115
【図３６】
0004340690.tif 000116
【図３７】
0004340690.tif 000117
【図３８】
0004340690.tif 000118
【図３９】
0004340690.tif 000119
【図４０】
0004340690.tif 000120
【図４１】
0004340690.tif 000121
【図４２】
0004340690.tif 000122
【図４３】
0004340690.tif 000123
【図４４】
0004340690.tif 000124
【図４５】
0004340690.tif 000125
【図４６】
0004340690.tif 000126
【図４７】
0004340690.tif 000127
【図４８】
0004340690.tif 000128
【図４９】
0004340690.tif 000129
【図５０】
0004340690.tif 000130
【図５１】
0004340690.tif 000131
【図５２】
0004340690.tif 000132
【図５３】
0004340690.tif 000133
【図５４】
0004340690.tif 000134
【図５５】
0004340690.tif 000135
【図５６】
0004340690.tif 000136
【図５７】
0004340690.tif 000137
【図５８】
0004340690.tif 000138
【図５９】
0004340690.tif 000139
【図６０】
0004340690.tif 000140
【図６１】
0004340690.tif 000141
【図６２】
0004340690.tif 000142
【図６３】
0004340690.tif 000143
【図６４】
0004340690.tif 000144
【図６５】
0004340690.tif 000145
【図６６】
0004340690.tif 000146
【図６７】
0004340690.tif 000147
【図６８】
0004340690.tif 000148
【図６９】
0004340690.tif 000149
【図７０】
0004340690.tif 000150
【図７１】
0004340690.tif 000151
【図７２】
0004340690.tif 000152
【図７３】
0004340690.tif 000153
【図７４】
0004340690.tif 000154
【図７５】
0004340690.tif 000155
【図７６】
0004340690.tif 000156
【図７７】
0004340690.tif 000157
【図７８】
0004340690.tif 000158
【図７９】
0004340690.tif 000159
【図８０】
0004340690.tif 000160
【図８１】
0004340690.tif 000161
【図８２】
0004340690.tif 000162
【図８３】
0004340690.tif 000163
【図８４】
0004340690.tif 000164
【図８５】
0004340690.tif 000165
【図８６】
0004340690.tif 000166
【図８７】
0004340690.tif 000167
【図８８】
0004340690.tif 000168
【図８９】
0004340690.tif 000169
【図９０】
0004340690.tif 000170
【図９１】
0004340690.tif 000171
【図９２】
0004340690.tif 000172
【図９３】
0004340690.tif 000173
【図９４】
0004340690.tif 000174
【図９５】
0004340690.tif 000175
【図９６】
0004340690.tif 000176
【図９７】
0004340690.tif 000177
【図９８】
0004340690.tif 000178
【図９９】
0004340690.tif 000179
【図１００】
0004340690.tif 000180
【図１０１】
0004340690.tif 000181
【図１０２】
0004340690.tif 000182
【図１０３】
0004340690.tif 000183
【図１０４】
0004340690.tif 000184
【図１０５】
0004340690.tif 000185
【図１０６】
0004340690.tif 000186
【図１０７】
0004340690.tif 000187
【図１０８】
0004340690.tif 000188
【図１０９】
0004340690.tif 000189
【図１１０】
0004340690.tif 000190
【図１１１】
0004340690.tif 000191
【図１１２】
0004340690.tif 000192
【図１１３】
0004340690.tif 000193
【図１１４】
0004340690.tif 000194
【図１１５】
0004340690.tif 000195
【図１１６】
0004340690.tif 000196
【図１１７】
0004340690.tif 000197
【図１１８】
0004340690.tif 000198
【図１１９】
0004340690.tif 000199
【図１２０】
0004340690.tif 000200
【図１２１】
0004340690.tif 000201
【図１２２】
0004340690.tif 000202
【図１２３】
0004340690.tif 000203
【図１２４】
0004340690.tif 000204
【図１２５】
0004340690.tif 000205
【図１２６】
0004340690.tif 000206
【図１２７】
0004340690.tif 000207
【図１２８】
0004340690.tif 000208
【図１２９】
0004340690.tif 000209
【図１３０】
0004340690.tif 000210
【図１３１】
0004340690.tif 000211
【図１３２】
0004340690.tif 000212
【図１３３】
0004340690.tif 000213
【図１３４】
0004340690.tif 000214
【図１３５】
0004340690.tif 000215
【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
0004340690.tif 000220
【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【図１４４】
0004340690.tif 000224
【図１４５】
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【図１４６】
0004340690.tif 000226
【図１４７】
0004340690.tif 000227
【図１４８】
0004340690.tif 000228
【図１４９】
0004340690.tif 000229
【図１５０】
0004340690.tif 000230
【図１５１】
0004340690.tif 000231
【図１５２】
0004340690.tif 000232
【図１５３】
0004340690.tif 000233
【図１５４】
0004340690.tif 000234
【図１５５】
0004340690.tif 000235
【図１５６】
0004340690.tif 000236
【図１５７】
0004340690.tif 000237
【図１５８ａ】
0004340690.tif 000238
【図１５８ｂ】
0004340690.tif 000239
【図１５８ｃ】
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【図１５８ｄ】
0004340690.tif 000241
【図１５９】
0004340690.tif 000242
【図１６０ａ】
0004340690.tif 000243
【図１６０ｂ】
0004340690.tif 000244
【図１６０ｃ】
0004340690.tif 000245
【図１６１】
0004340690.tif 000246
【図１６２ａ】
0004340690.tif 000247
【図１６２ｂ】
0004340690.tif 000248
【図１６２ｃ】
0004340690.tif 000249
【図１６３】
0004340690.tif 000250
【図１６４】
0004340690.tif 000251
【図１６５】
0004340690.tif 000252
【図１６６】
0004340690.tif 000253
【図１６７】
0004340690.tif 000254
【図１６８】
0004340690.tif 000255
【図１６９】
0004340690.tif 000256
【図１７０】
0004340690.tif 000257
【図１７１】
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【図１７２】
0004340690.tif 000259
【図１７３】
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【図１７４】
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【図１７５】
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【図１７６】
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【図１７７】
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【図１７８】
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【図１７９】
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【図１８０】
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【図１８１】
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【図１８２】
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【図１８３】
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【図１８４】
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【図１８５】
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【図１８６】
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【図１８７】
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【図１８８】
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【図１８９】
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【図１９０】
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【図１９１】
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【図１９２】
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【図１９３】
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【図１９４】
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【図１９５】
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【図１９６】
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【図１９７】
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【図１９８】
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【図１９９】
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【図２００】
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【図２０１】
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【図２０２】
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【図２０３】
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【図２０４】
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【図２０５】
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【図２０６】
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【図２０７】
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【図２０８】
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【図２０９】
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【図２１０】
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