(57)【要約】      （修正有）【課題】複数種類の光ディスクに対して適切な互換を実現するための位相構造を一方の面に設けて、収差等を発生させることなく光ビームを集光する対物レンズを提供する。【解決手段】少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズにおいて、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、収差を抑える輪帯状の位相構造１１を有し、この位相構造１１が、第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準非球面形状ＳＢを決定し、第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるための補正必要収差量を算出し、各凹部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、凹部の幅内における位置Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃと所定の関係式から各凹部の高さを決定することにより得られた幅及び高さで形成された輪帯状の複数の凹部が、基準となる非球面形状ＳＢに設けられるように、形成されている。【選択図】図４
2009170018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズにおいて、
少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有し、
上記位相構造は、上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状を決定し、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように上記位相構造で打ち消すための上記半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、上記補正必要収差量を式（１）で算出されるＸで区切ることで各凹部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、上記各凹部毎に、上記凹部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凹部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凹部との交点を第２の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記非球面形状との交点を第３の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（２）を満たすように上記各凹部毎の高さを決定することにより得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された上記輪帯状の複数の凹部が、上記非球面形状に設けられるように、形成されている対物レンズ。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（１）
ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡ＝λ１×ｍ２  ・・・（２）
但し、式（１）及び式（２）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＯ：上記第４の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＯＡ：上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＡ：上記第３の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【請求項２】
上記位相構造は、上記第１の位置が、上記凹部の幅内の上記非球面形状の半径方向の中間位置とされて得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された複数の凹部が設けられるように形成されている請求項１記載の対物レンズ。
【請求項３】
上記位相構造は、上記第１の位置が、上記第１の位置を複数の箇所に設定した場合にそれぞれ得られる上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の傾きの平均の傾きと、当該第１の位置により得られる第２の位置とを結ぶ直線の傾きと、が同じ傾きとなるような位置とされて、得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された複数の凹部が設けられるように形成されている請求項１記載の対物レンズ。
【請求項４】
上記位相構造は、上記決定された幅で形成される上記各凹部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以上となってしまう場合に、当該幅をさらに分割して各凹部の位置及び幅を決定し、上記さらに分割した各凹部毎の上記第１乃至第４の位置が上記式（２）を満たすように上記各凹部毎の高さを決定することにより得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された複数の凹部が設けられるように形成されている請求項１記載の対物レンズ。
【請求項５】
複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズにおいて、
少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凸部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有し、
上記位相構造は、上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状を決定し、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように上記位相構造で打ち消すための上記半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、上記補正必要収差量を式（３）で算出されるＸで区切ることで各凸部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、上記各凸部毎に、上記凸部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凸部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凸部との交点を第２の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記凸部との交点を第３の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（４）を満たすように上記各凸部毎の高さを決定することにより得られた上記各凸部の幅及び高さで決定された上記輪帯状の複数の凸部が、上記非球面形状に設けられるように、形成されている対物レンズ。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（３）
ＣＡ＋ｎ１×ＡＯ−ＢＯ＝λ１×ｍ２  ・・・（４）
但し、式（３）及び式（４）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＡ：上記第４の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＡＯ：上記第２の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＯ：上記第３の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【請求項６】
上記位相構造は、上記第１の位置が、上記凸部の幅内の上記非球面形状の半径方向の中間位置とされて、得られた上記各凸部の幅及び高さで形成された複数の凹部が設けられるように形成されている請求項５記載の対物レンズ
【請求項７】
上記位相構造は、上記第１の位置が、上記第１の位置を複数の箇所に設定した場合にそれぞれ得られる上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の傾きの平均の傾きと、当該第１の位置により得られる第２の位置とを結ぶ直線の傾きと、が同じ傾きとなるような位置とされて、得られた上記各凸部の幅及び高さで形成された複数の凸部が設けられるように形成されている請求項５記載の対物レンズ。
【請求項８】
上記位相構造は、上記決定された幅で形成される上記各凹部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以上となってしまう場合に、当該幅をさらに分割して各凹部の位置及び幅を決定し、上記さらに分割した各凸部毎の上記第１乃至第４の位置が上記式（４）を満たすように上記各凸部毎の高さを決定することにより得られた上記各凸部の幅及び高さで形成された複数の凸部が設けられるように形成されている請求項５記載の対物レンズ。
【請求項９】
複数種類の光ディスクに対して少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを選択的に照射することにより情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップにおいて、
上記少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズを備え、
上記対物レンズは、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有し、
上記位相構造は、上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状を決定し、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように上記位相構造で打ち消すための上記半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、上記補正必要収差量を式（５）で算出されるＸで区切ることで各凹部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、上記各凹部毎に、上記凹部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凹部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凹部との交点を第２の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記非球面形状との交点を第３の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（６）を満たすように上記各凹部毎の高さを決定することにより得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された上記輪帯状の複数の凹部が、上記非球面形状に設けられるように、形成されている光ピックアップ。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（５）
ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡ＝λ１×ｍ２  ・・・（６）
但し、式（５）及び式（６）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＯ：上記第４の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＯＡ：上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＡ：上記第３の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【請求項１０】
複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光するとともに、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有する対物レンズを設計する対物レンズの設計方法において、
入力された上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状に基づいて、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量を算出するステップと、
上記補正必要収差量を式（７）で算出されるＸで区切ることで各凹部の位置及び幅を算出するステップと、
上記各凹部毎に、上記凹部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凹部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凹部との交点を第２の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記非球面形状との交点を第３の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（８）を満たすように上記各凹部の高さを算出するステップと、
上記各凹部の幅及び上記各凹部の高さと、上記非球面形状とから上記対物レンズの形状を算出するステップとを備える対物レンズの設計方法。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（７）
ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡ＝λ１×ｍ２  ・・・（８）
但し、式（７）及び式（８）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＯ：上記第４の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＯＡ：上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＡ：上記第３の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【請求項１１】
複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光するとともに、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凸部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有する対物レンズを設計する対物レンズの設計方法において、
入力された上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状に基づいて、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量を算出するステップと、
上記補正必要収差量を式（９）で算出されるＸで区切ることで各凸部の位置及び幅を算出するステップと、
上記各凸部毎に、上記凸部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凸部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凸部との交点を第２の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記凸部との交点を第３の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（１０）を満たすように上記各凸部の高さを算出するステップと、
上記各凸部の幅及び上記各凸部の高さと、上記非球面形状とから上記対物レンズの形状を算出するステップとを備える対物レンズの設計方法。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（９）
ＣＡ＋ｎ１×ＡＯ−ＢＯ＝λ１×ｍ２  ・・・（１０）
但し、式（９）及び式（１０）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＡ：上記第４の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＡＯ：上記第２の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＯ：上記第３の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられる対物レンズ、及びこれを用いた光ピックアップ、並びに対物レンズの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、情報信号の記録媒体として、波長７８５ｎｍ程度の光ビームを用いて信号の記録再生を行うＣＤ（Compact Disc）、波長６５０ｎｍ程度の光ビームを用いて信号の記録再生を行うＤＶＤ(Digital Versatile Disc)等の光ディスクや、さらに高密度記録を可能とするため青紫色半導体レーザ等による波長４０５ｎｍ程度の光ビームを用いて信号の記録再生を行う光ディスク（以下、「高密度記録光ディスク」という。）が用いられ、この種の光ディスクに情報信号の記録を行い、あるいは光ディスクに記録された情報信号の再生を行うための光ディスク装置があり、この光ディスク装置には、光ディスクの半径方向へ移動され、この光ディスクに対して光ビームを照射する光ピックアップが設けられている。
【０００３】
このような光ピックアップは、使用波長等の異なる複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録や再生を行うこと、すなわち互換性を有することが望まれている。
【０００４】
光ピックアップにおいて、複数種類の光ディスク、複数の使用波長に対する互換性を持たせるためには、各光ディスクに対応した複数の対物レンズを備えるように構成することが考えられる。しかし、複数の対物レンズを備えた光ピックアップは、部品点数の増加、装置の大型化等の問題があった。
【０００５】
そのため、互換性を有する光ピックアップとして、複数の使用波長に対して共通の対物レンズを設けることが望まれている。そして、例えば使用波長や保護層厚等の異なる複数種類の光ディスクに対して共通の対物レンズを設ける場合には、それぞれの光ディスクに対して記録再生を行う際の、各種収差を補正する必要がある。
【０００６】
かかる共通の対物レンズを備え互換性を有する光ピックアップにおいて、各種収差を補正するための手法として、回折を用いる手法に加え、位相を設計することにより、非周期位相構造（Ｎｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）（以下、「ＮＰＳ」ともいう。）による位相シフトを用いる手法が知られている。すなわち、光源から出射され光ディスクに集光される光ビームの光路内に、例えば平板状で形状設計を行い所定の位相を付与する位相構造を有する平板状の光学素子を設けることにより、複数種類の光ディスク間の各種収差を補正し、互換性を実現するという方法が考えられる。かかる構成を有する光ピックアップは、この構成において互換性を実現するものであるが、さらに、部品点数の削減や構成の簡素化や小型化を図りたいという観点から、これらの位相構造を屈折レンズである対物レンズと別体にすることなく、対物レンズの一方又は両方のレンズ面上に位相構造を形成する所謂ハイブリッド型レンズへの要請が高まっている。
【０００７】
しかしながら、従来のレンズ面上に位相構造を設ける手法としては、回折を用いる手法においてごく一部に考えられているにすぎず、ＮＰＳによる位相シフトを用いる手法においては検討されていなかった（特許文献１参照）。また、その一方で、平板上で形状設計を行った位相構造を、そのままレンズ面上に設置するということも考えられるが、かかる構成としただけでは、レンズ通過後の波面が設計で狙う最適状態からずれが生じることとなり、意図しない収差の残留が発生してしまうという問題があった。
【０００８】
以上のように、対物レンズ等の屈折レンズのレンズ面に非周期の位相構造が設けられる所謂ハイブリッド型レンズの位相構造を設計することは、困難であり、すなわち、複数種類の光ディスクに対して互換を実現するための位相構造をレンズ面上に有する対物レンズにおいて、収差を良好に低減することは、困難であるという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１８６２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、複数種類の光ディスクに対して適切な互換を実現するための位相構造が設けられることにより、収差等を発生させることなく光ビームを集光することができる対物レンズ及びこれを用いた光ピックアップ、並びに対物レンズの設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するため、本発明に係る対物レンズは、複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズにおいて、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有し、上記位相構造は、上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状を決定し、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように上記位相構造で打ち消すための上記半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、上記補正必要収差量を式（１）で算出されるＸで区切ることで各凹部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、上記各凹部毎に、上記凹部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凹部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凹部との交点を第２の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記非球面形状との交点を第３の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（２）を満たすように上記各凹部毎の高さを決定することにより得られた上記各凹部の幅及び高さで形成された上記輪帯状の複数の凹部が、上記非球面形状に設けられるように、形成されている。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（１）
ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡ＝λ１×ｍ２  ・・・（２）
但し、式（１）及び式（２）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：正若しくは負の整数又は０、
ＣＯ：上記第４の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＯＡ：上記第１の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＡ：上記第３の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【００１２】
また、本発明に係る対物レンズは、複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズにおいて、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凸部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有し、上記位相構造は、上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状を決定し、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように上記位相構造で打ち消すための上記半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、上記補正必要収差量を式（３）で算出されるＸで区切ることで各凸部の上記半径方向の位置及び幅を決定し、上記各凸部毎に、上記凸部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凸部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凸部との交点を第２の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記凸部との交点を第３の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、式（４）を満たすように上記各凸部毎の高さを決定することにより得られた上記各凸部の幅及び高さで決定された上記輪帯状の複数の凸部が、上記非球面形状に設けられるように、形成されている。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（３）
ＣＡ＋ｎ１×ＡＯ−ＢＯ＝λ１×ｍ２  ・・・（４）
但し、式（３）及び式（４）中
λ１：上記第１の波長、
ｎ１：当該対物レンズを構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
ＣＡ：上記第４の位置と上記第２の位置とを結ぶ直線の距離、
ＡＯ：上記第２の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離、
ＢＯ：上記第３の位置と上記第１の位置とを結ぶ直線の距離
である。
【００１３】
また、この目的を達成するため、本発明に係る光ピックアップは、複数種類の光ディスクに対して少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを選択的に照射することにより情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップにおいて、上記少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光する対物レンズを備える光ピックアップであり、この光ピックアップに用いる対物レンズとして、上述したようなものを用いたものである。
【００１４】
さらに、この目的を達成するため、本発明に係る対物レンズの設計方法は、複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光するとともに、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有する対物レンズを設計する対物レンズの設計方法において、入力された上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状に基づいて、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量を算出するステップと、上記補正必要収差量を上述の式（１）で算出されるＸで区切ることで各凹部の位置及び幅を算出するステップと、上記各凹部毎に、上記凹部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凹部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凹部との交点を第２の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記非球面形状との交点を第３の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、上述の式（２）を満たすように上記各凹部の高さを算出するステップと、上記各凹部の幅及び上記各凹部の高さと、上記非球面形状とから上記対物レンズの形状を算出するステップとを備える。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る対物レンズの設計方法は、複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光するとともに、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凸部を設けるように、形成され、上記第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有する対物レンズを設計する対物レンズの設計方法において、入力された上記第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状に基づいて、上記非球面形状が形成されたとした場合に上記第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量を算出するステップと、上記補正必要収差量を上述の式（３）で算出されるＸで区切ることで各凸部の位置及び幅を算出するステップと、上記各凸部毎に、上記凸部の幅内の上記非球面形状の少なくとも任意の一点を第１の位置とし、上記凸部が設けられなかったとすれば、上記第１の位置に入射した上記第１の波長の光ビームが当該対物レンズ内を通過する直線と、上記凸部との交点を第２の位置とし、上記第１の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記凸部との交点を第３の位置とし、上記第２の位置から上記光軸方向に伸ばした直線と、上記第３の位置から上記光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置とし、上述の式（４）を満たすように上記各凸部の高さを算出するステップと、上記各凸部の幅及び上記各凸部の高さと、上記非球面形状とから上記対物レンズの形状を算出するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る対物レンズ及び光ピックアップは、その対物レンズの一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有することにより、収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することができ、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を実現する。
【００１７】
また、本発明に係る対物レンズの設計方法は、対物レンズの一方の面に、基準となる非球面形状に半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を算出することができ、かかる位相構造により収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することにより、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を可能とする対物レンズを設計することを実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明が適用された光ピックアップ１及びこれを用いた光ディスク装置について、図面を参照して説明する。
【００１９】
本発明が適用された光ピックアップ１は、光記録媒体としての光ディスク２に対して情報の記録再生を行うものであり、この光ディスク２を回転操作する駆動手段としてのスピンドルモータ、この光ピックアップ装置１を光ディスク２の径方向に移動させる送りモータ等とともに光ディスク装置を構成する。そして、光ピックアップ１は、スピンドルモータによって回転操作された光ディスク２に対して保護層２ａ側から光を照射して情報の記録再生を行う。
【００２０】
ここで用いられる光ディスク２は、例えば、発光波長が７８５ｎｍ程度の半導体レーザを用いたＣＤ(Compact Disc）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（ReWritable）等の光ディスクや、発光波長を６５５ｎｍ程度の半導体レーザを用いたＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−Ｒ（Recordable）、ＤＶＤ−ＲＷ（ReWritable）、ＤＶＤ＋ＲＷ（ReWritable）等の光ディスクや、さらに発光波長が短い４０５ｎｍ程度（青紫色）の半導体レーザを用いた高密度記録が可能なＢＤ（Blu-ray Disc（登録商標））等の高密度記録光ディスクである。
【００２１】
以下では、例えば、光ピックアップ１及びこれを用いた光ディスク装置により情報の再生又は記録を行う光ディスク２として、保護層の厚さが０．６ｍｍで波長６５０〜６７０ｎｍ程度の第１の波長の光ビームを記録再生光として使用するＤＶＤ等の第１の光ディスクと、保護層の厚さが１．２ｍｍで波長７６０〜８００ｎｍ程度の第２の波長の光ビームを記録再生光として使用するＣＤ等の第２の光ディスクとからなる２種類の光ディスクを用いるものとして説明する。
【００２２】
尚、以下では、上述の第１及び第２の光ディスクを用いるものとして説明するが、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、上述した第１及び第２の光ディスクに換えて、保護層の厚さが０．１ｍｍで波長４００〜４１０ｎｍ程度の光ビームを記録再生光として使用する高密度記録が可能な光ディスクを用いるように構成してもよく、さらに、上述した第１及び第２の光ディスクとともに、この高密度記録可能な光ディスクとからなる３種類の光ディスクを用いるように構成してもよい。すなわち、本発明は、上述の光ディスクのみならず光学的に記録及び／又は再生が可能な複数種類の光記録媒体に対して記録及び／又は再生を行う光ピックアップを構成する対物レンズ、これを用いた光ピックアップ及び光ディスク装置にも適用される。
【００２３】
本発明を適用した光ピックアップ１は、図１に示すように、所定の第１の波長の光ビームを出射する第１の光源部３と、第１の波長よりも波長が長い第２の波長の光ビームを出射する第２の光源部４と、第１及び第２の光源部３，４から出射された光ビームの光路を合成する光路合成手段として第１のビームスプリッタ５と、第１のビームスプリッタ５で光路を合成された第１及び第２の波長の光ビームを対応する各光ディスク２の信号記録面に集光する対物レンズ８と、第１のビームスプリッタ５と対物レンズ８との間に設けられ、第１のビームスプリッタ５で光路を合成された第１及び第２の波長の光ビームの発散角を変換して略平行光とする発散角変換手段としてコリメータレンズ６と、コリメータレンズ６と対物レンズ８との間の光路上に設けられ、コリメータレンズ６により略平行光とされた往路の光ビームを対物レンズ８側に導くとともに、光ディスク２からの復路の光ビーム（反射光）の光路を、往路の光ビームの光路から分岐する光路分岐手段としての第２のビームスプリッタ７と、光ディスク２で反射された戻りの光ビームを検出する光検出器９と、光ディスク２で反射され第２のビームスプリッタ７で往路の光ビームから光路分岐された戻りの光ビームを光検出器９の受光部上に集光するマルチレンズ１０とを備える。
【００２４】
第１の光源部３は、例えば、半導体レーザ等からなり、設計波長が６６０ｎｍ程度とする所定の第１の波長の光ビームを出射する第１の発光部を有する。第２の光源部４は、例えば、半導体レーザ等からなり、設計波長が７８５ｎｍ程度とする所定の第２の波長の光ビームを出射する第２の発光部とを有する。尚、第１及び第２の光源部３、４から出射される光ビームの波長は、これに限られるものではなく、例えば波長が４０５ｎｍ程度の波長の光ビームを出射するように構成してもよい。
【００２５】
また、ここでは、異なる波長の光ビームを出射する第１及び第２の出射部をそれぞれ異なる箇所に配置された複数の光源部３，４に設けるように構成したが、それぞれ同一箇所に配置された光源部に複数の出射部となる発光部を設けるように構成するようにしてもよい。その場合には、光路合成手段としての第１のビームスプリッタ５を設ける必要がない。
【００２６】
光路合成手段としての第１のビームスプリッタ５は、第１の光源部３から出射された第１の波長の光ビームを透過し、第２の光源部４から出射された第２の波長の光ビームを反射する光路合成面５ａを有し、それぞれ入射した第１及び第２の波長の光ビームの光路を合成してコリメータレンズ６側に出射させる。
【００２７】
コリメータレンズ６は、第１のビームスプリッタ５と第２のビームスプリッタ７との間に配置され、通過する第１及び第２の波長の光ビームの発散角を変換する発散角変換手段として設けられ、第１及び第２の光源部３，４から出射され第１のビームスプリッタ５により光路を合成された第１及び第２の波長の光ビームの発散角を変換して略平行光にする。尚、コリメータレンズ６は、上述の配置に限られるものではなく、第１及び第２の波長の光ビームの出射部と対物レンズ８との間の光路上に配置されていればよい。
【００２８】
第２のビームスプリッタ７は、コリメータレンズ６と対物レンズ８との間に配置され、往路の光ビームを透過するとともに復路の光ビームを反射する光路分離面７ａを有する。第２のビームスプリッタ７は、光路分離面７ａにより第１及び第２の光源部３，４からの往路の光ビームを透過して対物レンズ８に導くとともに、光ディスク２で反射された復路の光ビームを反射してマルチレンズ１０及び光検出器９側に導く。第２のビームスプリッタ７は、光ディスク２からの戻りの光ビームの光路を、コリメータレンズ６により略平行光とされ入射される往路の光ビームの光路から分岐する光路分岐手段として機能する。
【００２９】
対物レンズ８は、コリメータレンズ６により略平行光とされ第２のビームスプリッタ７を透過した光ビームを光ディスク２の信号記録面に集光させる。対物レンズ８の入射側には、図示しない開口制限手段が設けられ、この開口制限手段は、対物レンズ８に入射する各波長の光ビームの開口数を所望の開口数となるように開口制限を行う。ここで、第１の波長の光ビームは、第１の光ディスクに対応して開口数（ＮＡ）が０．６程度とされ、第２の波長の光ビームは、第２の光ディスクに対応して開口数（ＮＡ）が０．５０程度とされる。
【００３０】
この対物レンズ８は、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状（以下、「基準非球面形状」ともいう。）に、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部及び／又は突部（以下、「凸部」ともいう。）を設けるように、形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を有している。
【００３１】
具体的には、対物レンズ８は、開口数（ＮＡ）が０．６程度とされたプラスチック製のレンズであり、その入射側の第１面８ａが、上述したような基準非球面形状に対して複数の凹部及び凸部を設けるように形成された輪帯状の位相構造を有した形状とされ、その出射側の第２面８ｂが、非球面形状とされている。尚、ここでは対物レンズ８をプラスチック製のレンズとして構成したが、ガラス製やその他の材料により構成されたレンズにより構成するようにしてもよい。すなわち、この対物レンズ８は、その一方の面である出射側の第１面８ａに、複数の光ディスクに対して波長及び保護層厚（基板厚）の差に起因する収差の発生を抑える位相構造が形成され、第１及び第２の光源部３，４から出射され、第１のビームスプリッタ５、コリメータレンズ６及び第２のビームスプリッタ７を経由して入射した第１及び第２の波長の光ビームをそれぞれ対応する第１、第２の光ディスクに対して集光する。この対物レンズ８の位相構造は、球面収差等の各収差を補正するための位相付与手段として機能するので、第１及び第２の光ディスクの波長及び保護層厚みの差に起因する球面収差等の各収差の発生を防止する。尚、ここでは、対物レンズ８の光源側の第１面８ａに位相構造を設けるように構成したが、これに限られることなく、対物レンズの光ディスク側の第２面８ｂに、基準非球面形状に対して凹部及び／又は凸部を設けるように形成された輪帯状の位相構造を設けるように構成してもよい。
【００３２】
上述の位相構造は、第１面８ａの光軸に直交する平面内における開口数（ＮＡ）が０．４５程度、すなわち第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２に対応した略円形状の領域の範囲内に設けられた第１の位相構造と、第１の位相構造の外側の領域であって、最外周が開口数（ＮＡ）が０．６程度、すなわち第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１に対応した略円環状の領域の範囲内に設けられた第２の位相構造とからなる。ここで、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に設けられた第１の位相構造１１は、後述のように、第１及び第２の光ディスクのフォーマットの違いにより発生する収差の補正用（以下、「フォーマット互換用」ともいう。）の位相構造であり、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側で第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に設けられた第２の位相構造は、後述のように、第１の波長に対する温度変化により発生する収差の補正用（以下、「温特補償用」ともいう。）の位相構造である。
【００３３】
フォーマット互換用の第１の位相構造１１は、第１の波長の光ビームに収差を発生させないように決定された基準非球面形状ＳＢに対して形成され、この基準非球面形状ＳＢがそのままで形成されたとした場合に第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、第１の波長の光ビームには収差の影響がほとんど及ぼさないような幅ＷＬ及び高さ（深さ）ＨＬで形成された輪帯状の複数の凹部が設けられているように形成されている。換言すると、第１の位相構造１１が、基準非球面形状に対して半径方向に順次隣接した輪帯状の複数の凹部が設けられているように形成されることにより、その対物レンズ８の第１面８ａの半径方向及び光軸方向を含む面の断面形状は、後述の図３に示すように、補正すべき収差に応じて、対物レンズ構成材料の基材側又は空気側に向けて所定の段差で形成される複数の段部を有するように、換言すると所定の段差で基材側に向けて掘り下げるように形成される段部や、空気側に向けて積み上げるように形成される段部を連続的に有するような形状とされている。尚、複数の凹部の幅ＷＬ及び高さＨＬは、後述のように凹部毎に適切な大きさとされている。このように、上述した各凹部のそれぞれが、１の位相構造を構成し、第１の位相構造１１は、これらの複数の位相構造からなることにより、フォーマット互換の機能を有する。
【００３４】
より具体的には、第１の位相構造１１は、第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準非球面形状ＳＢを決定し、この基準非球面形状ＳＢが形成されたとした場合に第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるようにこの第１の位相構造１１で打ち消すための半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、図２に示すように、この補正必要収差量を式（５）で算出される位相差ｘのｍ１倍毎の閾値Ｘで区切ることで各凹部の半径方向の位置及び幅ＷＬを決定し、対物レンズ８の光軸方向及び半径方向を含む断面において、この各凹部毎に、凹部の幅内の基準非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏとし、凹部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏに入射した第１の波長の光ビームが対物レンズ８内を通過する直線と、凹部との交点を第２の位置Ａとし、この第２の位置Ａから光軸方向に伸ばした直線と、基準非球面形状ＳＢとの交点を第３の位置Ｂとし、第１の位置Ｏから光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂから光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃとし、式（６）を満たすように各凹部毎の高さＨＬを決定することにより得られた各凹部の幅「ＷＬ」及び高さ「ＨＬ」で形成された輪帯状の複数の凹部が、基準となる非球面形状の基準面ＳＢに対して設けられるように形成されている。尚、式（５）で示される閾値Ｘは、式（７）で示される位相差により算出されるものである。
Ｘ＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１  ・・・（５）
ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡ＝λ１×ｍ２  ・・・（６）
ｘ＝λ１／（ｎ１−１）・・・（７）
但し、式（５）〜式（７）中
λ１：第１の波長（μｍ）、
ｎ１：対物レンズ８を構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１，ｍ２：正若しくは負の整数又は０、
ＣＯ：第４の位置Ｃと第１の位置Ｏとを結ぶ直線の距離（μｍ）、
ＯＡ：第１の位置Ｏと第２の位置Ａとを結ぶ直線の距離（μｍ）、
ＢＡ：第３の位置Ｂと第２の位置Ａとを結ぶ直線の距離（μｍ）
である。
【００３５】
ここで、上述の基準となる非球面形状ＳＢは、第１の波長の光ビームを第１の光ディスクの信号記録面に収差を発生させないような形状とされている。また、補正必要収差量は、第１の位相構造１１が設けられていない非球面形状ＳＢとされたとした場合の第１面と、上述した第２面８ｂとを有する対物レンズに、第２の波長の光ビームが入射した場合に、第２の光ディスクの信号記録面に発生してしまう収差量を打ち消す図２中曲線Ｌ１で示すような収差量であり、すなわち、図２中曲線Ｌ２で示すような、この信号記録面に発生してしまう収差量の符号を反転させたものである。尚、図２中横軸は、半径方向の位置を示し、縦軸は、Ｌ２に対しては波面収差（λ）を示し、Ｌ１に対しては補正必要収差量（λ）を示すものである。
【００３６】
そして、図２に示すように、この曲線Ｌ１で示す補正必要収差量を、式（５）及び式（７）で示されるＸ（＝ｘ×ｍ１）で区切ることにより、図３に示すような各凹部の半径方向の端部の位置Ｐｎと、各凹部の幅ＷＬｎとを決定する。ここで、ｎは、正の整数（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ−１，Ｎ，Ｎ＋１，Ｎ＋２，・・・）である。すなわち、図２に示すように、Ｌ１をＸ毎（例えば、−ｘ，−２ｘ，−３ｘ，−４ｘ）に区切ることにより、各凹部の位置Ｐ１，Ｐ２，・・・ＰＮ−１，ＰＮ＋１，ＰＮ＋２，・・・を決定し、この位置Ｐｎ間の距離を各凹部の幅ＷＬ１，ＷＬ２，・・・ＷＬＮ−１，ＷＬＮ，ＷＬＮ＋１，・・・を決定する。そして、図４に示すように、この各凹部の幅ＷＬｎ内のそれぞれで、上述したような第１乃至第４の位置Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃと、基準非球面形状の基準面ＳＢに対する各凹部の光軸方向の高さＨＬｎとを算出して決定している。尚、図４は、複数の凹部のうちの任意の一の凹部を選択して図示するものであり、上述及び以下の説明においてはこの幅ＷＬｎをＷＬとし、得られる高さＨＬｎをＨＬとして説明する。
【００３７】
また、ここでは、各凹部の半径方向の位置及び幅が、補正必要収差量を式（５）のＸで区切ることにより決定されて形成されるよう構成することで、第１の波長及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で分割し、さらに、各幅における凹部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されることで、後述のようなフォーマット互換性を実現するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、製造上の観点から所定の大きさに等分割したり、又は所定の大きさに分割して、さらに、後述のＰ−Ｖ値の観点により決定される位置及び幅となるように各凹部を形成するように構成してもよい。
【００３８】
また、ここでは、各凹部の高さを決定するための第１の位置Ｏは、図４に示すように、当該凹部の幅内の基準非球面形状ＳＢの半径方向の中間位置とされている。第１の位置Ｏを中間位置に設定することで、得られた各凹部による収差の取れ残りを小さくすることができる。ここでは、第１の位置をこのように設定して各凹部を形成するように構成したが、これに限られるものではなく、第１の位置が、第１の位置を複数の箇所に設定した場合にそれぞれ得られる第１の位置と第２の位置とを結ぶ直線の傾きの平均の傾きと、当該第１の位置により得られる第２の位置とを結ぶ直線の傾きと、が同じ傾きとなるような位置とされて、得られた各凹部の幅及び高さで形成された複数の凹部が設けられるように形成されていればよい。
【００３９】
すなわち、これは、後述のｚ＝ｇ（ｒ）で示される点Ｏ及び点Ａの直線ＯＡの傾き、すなわち、対物レンズ８に入射した光線の傾きに着目したものであり、例えば、点Ｏを両端位置に設定して得られた直線ＯＡの傾きの平均値をとってもよいし、点Ｏを基準非球面形状ＳＢの等間隔の多数の位置に設定して得られた直線ＯＡの傾きの平均値をとってもよい。第１の位置を、このように直線ＯＡの傾きの平均値の観点から選択することで、例えば当該凹部内の基準非球面形状ＳＢの半径方向及び光軸方向を含む断面における傾きが大きい場合にも、得られた各凹部による収差の取れ残りを小さくすることができる。
【００４０】
これにより、第１の位相構造１１を有する対物レンズ８は、第１の波長の光ビームに対して第１の位相構造１１がほとんど収差に影響を及ぼさないため、この第１の波長の光ビームを、その基準となる非球面形状ＳＢにより収差を発生させない状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００４１】
また、第１の位相構造１１を有する対物レンズ８は、第２の波長の光ビームに対して第１の位相構造１１が、基準非球面形状ＳＢだけであったとしたら第２の波長の光ビームに発生してしまう収差を、打ち消して低減できる程度の位相差を与えることにより、この第２の波長の光ビームを、非球面形状ＳＢとこれを基準に設けられた第１の位相構造１１により収差を十分に低減させた状態で第２の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００４２】
上述したような第１の位相構造１１が、第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、第１の波長の光ビームには収差の影響をほとんど及ぼさず、これにより上述のように第１及び第２の波長の光ビームを対応する各光ディスクの信号記録面に収差を十分に低減させた状態で集光させることができることについて説明する。そして、この説明に先立ち、従来検討されてきた平板ＮＰＳの原理や設計手法、並びにこの原理をそのまま対物レンズのような非球面形状に適用することの問題点について説明する。
【００４３】
まず、図５に示すように、平板状の光学素子に設けられた位相構造（以下では、「平板ＮＰＳ」ともいう。）であって、高さＨの凹部が設けられた位相構造に、第１及び第２の波長が入射したときの各波面の状態について説明する。尚、従来の平板ＮＰＳの設計手法においては、この位相構造の高さＨを、次の関係式Ｈ＝ｍ（λ１／ｎ１−１）を満たすようにする。ここで、式中ｍは、整数とする。尚、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、Ｈは、平板に設けられた位相構造２０１の高さを示し、Ｓλ１ｉ及びＳλ２ｉは、この位相構造２０１に入射する第１及び第２の波長の入射波面を示し、Ｓλ１ｏ及びＳλ２ｏは、入射したＳλ１ｉ及びＳλ２ｉがこの位相構造２０１により位相差ΔＰ１，ΔＰ２を付与された後の第１及び第２の波長の出射波面を示し、矢印は、波面進行方向を示す。
【００４４】
そして、図５（ａ）に示すように、第１の波長の平面波面が空気（屈折率＝１）側より入射した際には、その位相構造により、出射波面に生じる位相段差は２πの整数倍となり、すなわち、出射波面Ｓλ１ｏは入射波面Ｓλ１ｉと同じ状態を保つこととなる。具体的には、第１の波長の光における位相構造の構造高さＨによる位相差ΔＰ１は、次の関係式ΔＰ１＝Ｍｏｄｕｌｏ［（２π（（ｎ１−１）Ｈ／λ１），２π］＝Ｍｏｄｕｌｏ［（２π×ｍ），２π］＝０に示すように、入射波面は、位相構造の影響を受けることなく出射することとなる。尚、ここで、Ｍｏｄｕｌｏ［ａ，ｂ］で示される関数は、剰余関数を示し、ａをｂで割ったときの余りを示すものである（以下の説明においても同様である。）。
【００４５】
これに対して、図５（ｂ）に示すように、第２の波長の平面波面Ｓλ２ｉが空気側より入射した際には、その位相構造により出射波面に生じる位相段差は２πの整数倍とはならず、すなわち、出射波面Ｓλ２ｏには位相段差が生じることとなる。具体的には、第２の波長の光における位相構造の構造高さＨによる位相差ΔＰ２は、次の関係式ΔＰ２＝Ｍｏｄｕｌｏ［２π（（ｎ２−１）Ｈ／λ２），２π］で示すとおりとなり、入射波面Ｓλ２ｉは、位相構造の影響を受けて位相差ΔＰ２が付与されて出射することとなる。
【００４６】
このように、従来の平板ＮＰＳの設計手法においては、第１の波長に対しては影響を及ぼさず、第２の波長に対しては所定の位相差ΔＰ２を与えるような高さＨを設定することにより、第１の波長に対して収差を発生させず第２の波長に対しては収差を発生させてしまう対物レンズに入射する第２の波長に、所定の位相差を付与して収差を低減するというものである。この設計手法及びこの設計手法により得られる平板状位相付与素子は、平板状であるという限りにおいて優れたものではあった。
【００４７】
しかしながら、上述したように、部品点数の削減等の要請から、対物レンズ等の屈折レンズのレンズ面に上述の位相構造を設ける際に、この平板ＮＰＳで設計された位相構造をそのままレンズ面上に設けた場合には、レンズ面の曲率の存在により、第１の波長に対する位相差ΔＰ１についても第２の波長に対する位相差ΔＰ２についても、上述した関係からずれてしまうという問題があった。すなわち、平板状に対してはこの位相構造に略直交した光ビームが入射するとともに、略直交した光ビームが出射することにより、この位相構造の高さＨ分だけ位相差が付与されるのに対して、曲面状に形成されたレンズ面上に設けられた位相構造では、入射する光ビームについて、この位相構造に略直交して入射することなく、さらにレンズ内を通過する光ビーム及び出射する光ビームについてもこの位相構造に略直交して進行することなく、この位相構造を形成するための凹部が設けられた領域と、凹部が設けられていない領域とを通過する光ビームの進行方向の距離が高さＨとはずれた関係になっており、これにより、上述した所望の位相差ΔＰ１，ΔＰ２を与えることができなくなる。このようなことから、最適な条件で平板ＮＰＳを設計できたとしても、実際にレンズ面上に設けられた位相構造は、第２の波長に対して収差を十分に低減したいという所望の効果を得られないだけでなく、位相構造による影響を及ぼしたくなく且つ本来収差に対して条件の厳しい第１の波長に対しても不要な収差を発生させてしまうという重大な問題を招来してしまうものであった。
【００４８】
これに対して、本願発明を適用した対物レンズ８を構成する第１の位相構造１１は、このようなレンズ曲率による影響を考慮してこのような問題点を十分に解消するものであり、以下にこのことについて詳細に説明する。
【００４９】
第１の位相構造１１においては、上述したように輪帯状の複数の凹部が、基準非球面形状に対して第２の光ディスクの開口制限範囲内の内周から外周に亘って、所定の高さＨＬ及び所定の幅ＷＬで設けられるように、この位相構造が形成されている。複数の凹部のうち、任意の一の凹部に着目して、レンズ内の任意の点Ｅに到達する光ビームの、第１の位相構造１１が設けられていた場合の光路と、第１の位相構造１１が設けられてない場合の光路とについて上述した図４を用いて説明する。図４中Ｐａ１は、第１の位相構造１１が設けられていた場合の点Ｅに到達する光路を示し、Ｐａ２は、第１の位相構造１１が設けられていなかった場合の点Ｅに到達する光路を示す。また、図４中ｒ軸は、半径方向の座標系を示すものであり、ｚ軸は、光軸方向の座標系を示すものであり、ｆ（ｒ）は、もとのレンズ形状、すなわち、基準となる非球面形状ＳＢを示す関数であり、ｇ（ｒ）は、位相構造が設けられていなかったとした場合にレンズ面上の任意の点Ｏを通過する光線がレンズ形状により屈折されてレンズ中を透過する光線の光路を示す関数である。尚、点Ｅは、上述したような点Ｏにより決定されるｇ（ｒ）上の任意の点である。
【００５０】
ここで、この第１の位相構造１１がなかった場合の光線が、設けられていた場合の第１の位相構造１１と交わる点をＡ（第２の位置）とし、第１の位相構造１１が設けられていた場合の、この点Ａを通るような光線を逆光線追跡し、この逆光線追跡した光線上の点Ｃ（第４の位置）から光軸に対し垂直方向（半径方向）に伸ばした線と交わる点をＢ（第３の位置）とする。また、点Ａを通過した光線がレンズ内の任意の点Ｅを通過するものとし、この点Ａを通った光線がレンズの次の面（第２面８ｂ）と交わる点をＤとする。
【００５１】
実線Ｐａ１で示す第１の位相構造１１が設けられている場合の光線は、点Ｂから点Ａを経由して点Ｄに到達し、この光路長は、ＢＡ＋ＡＤ×ｎ１である。一方、実線Ｐａ２で示す第１の位相構造１１が設けられていない場合の光線は、点Ｂと同じ波面上の点Ｃから点Ｏ及び点Ａを経由して点Ｄに到達し、この光路長は、ＣＯ＋ＯＡ×ｎ１＋ＡＤ×ｎ１である。このうち、点Ａ及び点Ｄ間の光路は、物理長さと屈折率とが同じため、同じ光路長である。よって、このＰａ１とＰａ２の光路差は、ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡである。
【００５２】
ここで、上述の式（６）に示すように、この第１の位相構造１１は、この光路差がλ１の整数倍となるように構成されていることから、第１の波長の光ビームに対しては、２πの略整数倍の位相段差を付与するのみであり影響をほとんど及ぼさず、上述したような平板ＮＰＳにより算出された位相構造をそのまま非球面形状に設ける場合の問題点である第１の波長に対して不要な収差を発生させてしまう等の問題を解消する。また、同様に第２の波長に対する光路差ＣＯ＋ｎ２×ＯＡ−ＢＡに基づく位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、第２の波長に対してのみ所望の位相差を付与することができる。ここで、ｎ２は、対物レンズ８を構成する材料の第２の波長に対する屈折率を示すものである。
【００５３】
尚、上述した点Ａは、以下の式（８）及び式（９）で表される線分の交点である。また、点Ｂは、そこで算出されたｒ＝ｒＡを用いて、（ｒＡ、ｆ（ｒＡ））で表される点であり、点Ｃは、（ｒＯ、ｆ（ｒＡ））で表される点である。
ｚ＝ｆ（ｒ）＋ＨＬ  ・・・（８）
ｚ＝ｇ（ｒ）  ・・・（９）
【００５４】
このように、式（６）で示される各点の物理長さＣＯ，ＯＡ，ＢＡは、すべてＨＬの関数として表すことができる。よって、この式（６）を変数ＨＬで解くことで、レンズ面上に設置する際の第１の位相構造１１の位相高さＨＬを決定することができる。
【００５５】
以上のように、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に設けられた第１の位相構造１１は、第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、第２の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与することにより、第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させず第２の波長の光ビームに対しては収差を発生させる非球面形状を基準に位相構造が設けられた対物レンズ８を介して、第１及び第２の波長の光ビームをそれぞれの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち第１及び第２の光ディスクに対する互換性を実現する。
【００５６】
ここで、上述のように決定される幅ＷＬ及び高さＨＬで形成された各凹部からなる第１の位相構造１１の各凹部は、第１及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で幅方向に分割し、さらに各幅における凹部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されていることから、収差を低減するものであるが、例えば幅の寸法が大きい部分では、収差の取れ残りが発生することがある。このような場合に、上述の図２及び図３を用いて説明したように決定された凹部の幅のうち、例えば、凹部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下となるように凹部の幅を決定してもよい。すなわち、上述のように決定された各凹部毎に、第１の波長に対する取れ残り収差（波面収差）を算出し、これの上限（ｐｅａｋ）及び下限（ｖａｌｌｅｙ）の差を示すＰ−Ｖ値が例えば良好な収差を示す閾値０．１λ１を超えた場合には、その凹部の幅を例えば２等分、３等分の等分割や収差状態に応じた適切な複数分割等により、凹部の幅を変更してこの分割された幅毎に再度各凹部の高さを決定し、このＰ−Ｖ値が所定の閾値以下となるようにすることにより、さらに、全体の収差を低減することができる。
【００５７】
尚、上述では、対物レンズ８に設けられるフォーマット互換用の第１の位相構造として、基準非球面形状ＳＢに対して所定の幅ＷＬ及び高さＨＬで形成された輪帯状の複数の凹部が設けられることにより形成される第１の位相構造１１について説明したが、本発明を適用した対物レンズを構成する第１の位相構造は、これに限られるものではなく、基準非球面形状ＳＢに対して所定の幅及び高さで形成された輪帯状の凸部が設けられることにより形成されるような以下で説明する第１の位相構造１１Ｂのように構成してもよい。
【００５８】
第１の位相構造１１Ｂは、第１の波長の光ビームに収差を発生させないように決定された基準非球面形状ＳＢに対して形成され、この基準非球面形状ＳＢがそのままで形成されたとした場合に第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、第１の波長の光ビームには収差の影響がほとんど及ぼさないような幅ＷＬ’及び高さＨＬ’で形成された輪帯状の複数の凸部が設けられているように形成されている。換言すると、第１の位相構造１１Ｂが、基準非球面形状に対して半径方向に順次隣接した輪帯状の複数の凸部が設けられているように形成されることにより、その対物レンズの第１面の半径方向及び光軸方向を含む面の断面形状は、上述と同様に、補正すべき収差に応じて、空気側又は対物レンズ構成材料の基材側に向けて所定の段差で形成される複数の段部を有するような形状とされている。尚、複数の凸部の幅ＷＬ’及び高さＨＬ’は、後述のように凸部毎に適切な大きさとされている。このように、上述した各凸部のそれぞれが、１の位相構造を構成し、第１の位相構造１１Ｂは、これらの複数の位相構造からなることにより、フォーマット互換の機能を有する。
【００５９】
より具体的には、第１の位相構造１１Ｂは、第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準非球面形状ＳＢを決定し、この基準非球面形状ＳＢが形成されたとした場合に第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるようにこの第１の位相構造１１Ｂで打ち消すための半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、この補正必要収差量を式（１０）で算出される位相差ｘ’のｍ１’倍毎の閾値Ｘ’で区切ることで各凸部の半径方向の位置及び幅ＷＬ’を決定し、対物レンズの光軸方向及び半径方向を含む断面において、この各凸部毎に、凸部の幅内の非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏ’とし、凸部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏ’に入射した第１の波長の光ビームが対物レンズ８内を通過する直線と、凸部との交点を第２の位置Ａ’とし、第１の位置Ｏ’から光軸方向に伸ばした直線と、凸部との交点を第３の位置Ｂ’とし、第２の位置Ａ’から光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂ’から光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃ’とし、式（１１）を満たすように各凸部毎の高さＨＬ’を決定することにより得られた各凸部の幅「ＷＬ’」及び高さ「ＨＬ’」で形成された輪帯状の複数の凸部が、基準となる非球面形状の基準面ＳＢに対して設けられるように形成されている。尚、式（１０）で示される閾値Ｘ’は、式（１２）で示される位相差により算出されるものである。
Ｘ’＝λ１／（ｎ１−１）×ｍ１’  ・・・（１０）
Ｃ’Ａ’＋ｎ１×Ａ’Ｏ’−Ｂ’Ｏ’＝λ１×ｍ２’  ・・・（１１）
ｘ’＝λ１／（ｎ１−１）・・・（１２）
但し、式（１０）〜式（１２）中
λ１：第１の波長（μｍ）、
ｎ１：対物レンズ８を構成する材料の第１の波長に対する屈折率、
ｍ１’，ｍ２’：それぞれ正若しくは負の整数又は０、
Ｃ’Ａ’：第４の位置Ｃ’と第２の位置Ａ’とを結ぶ直線の距離（μｍ）、
Ａ’Ｏ’：第２の位置Ａ’と第１の位置Ｏ’とを結ぶ直線の距離（μｍ）、
Ｂ’Ｏ’：第３の位置Ｂ’と第１の位置Ｏ’とを結ぶ直線の距離（μｍ）
である。
【００６０】
ここで、上述の基準となる非球面形状ＳＢは、第１の波長の光ビームを第１の光ディスクの信号記録面に収差を発生させないような形状とされている。また、補正必要収差量は、第１の位相構造１１Ｂが設けられていない基準非球面形状ＳＢとされたとした場合の第１面と、上述した第２面８ｂとを有する対物レンズに、第２の波長の光ビームが入射した場合に、第２の光ディスクの信号記録面に発生してしまう収差量を打ち消す収差量であり、すなわち、この信号記録面に発生してしまう収差量の符号を反転させたものである。尚、各凸部の位置及び幅の算出方法については、上述の図２及び図３を用いて説明したのと同様であるので省略する。
【００６１】
また、ここでは、各凸部の半径方向の位置及び幅が、補正必要収差量を式（１０）のＸ’で区切ることにより決定されて形成されるよう構成することで、第１の波長及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で分割し、さらに、各幅における凸部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されることで、後述のようなフォーマット互換性を実現するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、製造上の観点から所定の大きさに等分割したり、又は所定の大きさに分割して、さらに、上述のＰ−Ｖ値の観点により決定される位置及び幅となるように各凸部を形成するように構成してもよい。
【００６２】
また、ここでは、各凸部の高さを決定するための第１の位置Ｏ’は、図６に示すように、当該凸部の幅内の基準非球面形状ＳＢの半径方向の中間位置とされている。第１の位置Ｏ’を中間位置に設定することで、得られた各凸部による収差の取れ残りを小さくすることができる。ここでは、第１の位置をこのように設定して各凸部を形成するように構成したが、これに限られるものではなく、第１の位置が、第１の位置を複数の箇所に設定した場合にそれぞれ得られる第１の位置と第２の位置とを結ぶ直線の傾きの平均の傾きと、当該第１の位置により得られる第２の位置とを結ぶ直線の傾きと、が同じ傾きとなるような位置とされて、得られた各凸部の幅及び高さで形成された複数の凸部が設けられるように形成されていればよい。
【００６３】
すなわち、これは、後述のｚ＝ｇ’（ｒ）で示される点Ｏ’及び点Ａ’の直線Ｏ’Ａ’の傾き、すなわち、対物レンズ８に入射した光線の傾きに着目したものであり、例えば、点Ｏ’を両端位置に設定して得られた直線Ｏ’Ａ’の傾きの平均値をとってもよいし、点Ｏ’を基準非球面形状ＳＢの等間隔の多数の位置に設定して得られた直線Ｏ’Ａ’の傾きの平均値をとってもよい。第１の位置Ｏ’を、このように直線Ｏ’Ａ’の傾きの平均値の観点から選択することで、例えば当該凸部内の基準非球面形状ＳＢの半径方向及び光軸方向を含む断面における傾きが大きい場合にも、得られた各凸部による収差の取れ残りを小さくすることができる。
【００６４】
これにより、第１の位相構造１１Ｂを有する対物レンズは、第１の波長の光ビームに対して第１の位相構造１１Ｂがほとんど収差に影響を及ぼさないため、この第１の波長の光ビームを、その基準となる非球面形状ＳＢにより収差を発生させない状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００６５】
また、第１の位相構造１１Ｂを有する対物レンズは、第２の波長の光ビームに対して第１の位相構造１１Ｂが、基準非球面形状ＳＢだけであったとしたら第２の波長の光ビームに発生してしまう収差を、打ち消して低減できる程度の位相差を与えることにより、この第２の波長の光ビームを、非球面形状ＳＢとこれを基準に設けられた第１の位相構造１１Ｂにより収差を十分に低減させた状態で第２の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００６６】
上述したような第１の位相構造１１Ｂが、第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、第１の波長の光ビームには収差の影響をほとんど及ぼさず、これにより上述のように第１及び第２の波長の光ビームを対応する各光ディスクの信号記録面に収差を十分に低減させた状態で集光させることができることについて説明する。尚、ここでは、平板ＮＰＳの原理や設計手法、並びにこの原理をそのまま対物レンズのような非球面形状に適用することの問題点については上述したとおりであるので省略し、第１の位相構造１１が、上述したレンズ曲率による影響を考慮してこのような問題点を十分に解消することができることについて以下に説明する。
【００６７】
第１の位相構造１１Ｂにおいては、上述したように輪帯状の複数の凸部が、基準非球面形状に対して第２の光ディスクの開口制限範囲内の内周から外周に亘って、所定の高さＨＬ’及び所定の幅ＷＬ’で設けられるように、この位相構造が形成されている。複数の凸部のうち、任意の一の凸部に着目して、レンズ内の任意の点Ｅ’に到達する光ビームの、第１の位相構造１１Ｂが設けられていた場合の光路と、第１の位相構造１１Ｂが設けられてない場合の光路とについて上述した図６を用いて説明する。図６中Ｐａ１’は、第１の位相構造１１Ｂが設けられていた場合の点Ｅ’に到達する光路を示し、Ｐａ２’は、第１の位相構造１１Ｂが設けられていなかった場合の点Ｅ’に到達する光路を示す。また、図６中ｒ軸は、半径方向の座標系を示すものであり、ｚ軸は、光軸方向の座標系を示すものであり、ｆ’（ｒ）は、もとのレンズ形状、すなわち、基準となる非球面形状ＳＢを示す関数であり、ｇ’（ｒ）は、位相構造が設けられていなかった場合にレンズ面上の任意の点Ｏ’を通過する光線がレンズ形状により屈折されてレンズ中を通過する光線の光路を示す関数である。尚、点Ｅ’は、上述したような点Ｏ’により決定されるｇ’（ｒ）上の任意の点である。
【００６８】
ここで、この第１の位相構造１１Ｂがなかった場合の光線が、設けられていた場合の第１の位相構造１１Ｂと交わる点をＢ’（第３の位置）とする。また、第１の位相構造１１Ｂがあった場合に点Ｏ’を通る光線を逆光線追跡し、この逆光線追跡した光線上の第１の位相構造１１Ｂと交わる点をＡ’（第２の位置）とし、さらに、この逆光線追跡した光線上であって点Ｂ’から光軸に対し垂直方向（半径方向）に伸ばした線と交わる点をＣ’（第４の位置）とする。また、点Ａ’を通過した光線がレンズ内の任意の点Ｅ’を通過するものとし、この点Ａ’を通った光線がレンズの次の面と交わる点をＤ’とする。
【００６９】
実線Ｐａ２’で示す第１の位相構造１１Ｂが設けられていない場合の光線は、点Ｂ’から点Ｏ’を経由して点Ｄ’に到達し、この光路長は、Ｂ’Ｏ’＋Ｏ’Ｄ’×ｎ１である。一方で、実線Ｐａ１’で示す第１の位相構造１１Ｂが設けられている場合の光線は、点Ｂ’と同じ波面上の点Ｃ’から点Ａ’及び点Ｏ’を経由して点Ｄ’に到達し、この光路長は、Ｃ’Ａ’＋Ａ’Ｏ’×ｎ１＋Ｏ’Ｄ’×ｎ１である。このうち、点Ｏ’及び点Ｄ’間の光路は、物理長さと屈折率とが同じため、同じ光路長である。よって、このＰａ１’とＰａ２’の光路差は、Ｃ’Ａ’＋ｎ１×Ａ’Ｏ’−Ｂ’Ｏ’である。
【００７０】
ここで、上述の式（１１）に示すように、この第１の位相構造１１Ｂは、この光路差がλ１の整数倍となるように構成されていることから、第１の波長の光ビームに対しては、２πの略整数倍の位相段差を付与するのみであり影響をほとんど及ぼさず、上述したような平板ＮＰＳにより算出された位相構造をそのまま非球面形状に設ける場合の問題点である第１の波長に対して不要な収差を発生させてしまう等の問題を解消する。また、同様に第２の波長に対する光路差Ｃ’Ａ’＋ｎ２×Ａ’Ｏ’−Ｂ’Ｏ’に基づく位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、第２の波長に対してのみ所望の位相差を付与することができる。
【００７１】
尚、上述した点Ａ’は、以下の式（１３）及び式（１４）で表される線分の交点である。また、点Ｂ’は、点Ｏ’の座標（ｒＯ’，ｚＯ’）を用いて、（ｒＯ’，ｆ’（ｒＯ’）−ＨＬ’）で表される点であり、点Ｃ’は、上述のように算出されたｒ＝ｒＡ’を用いて、（ｒＡ’，ｆ’（ｒＯ’）−ＨＬ’）で表される点である。
ｚ＝ｆ’（ｒ）−ＨＬ’  ・・・（１３）
ｚ＝ｇ’（ｒ）  ・・・（１４）
【００７２】
このように、式（１１）で示される各点の物理長さＣ’Ａ’，Ａ’Ｏ’，Ｂ’Ｏ’は、全てＨＬ’の関数として表すことができる。よって、この式（１１）を変数ＨＬ’で解くことで、レンズ面上に位置する際の第１の位相構造１１Ｂの位相高さＨＬ’を決定することができる。
【００７３】
以上のように、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に設けられた第１の位相構造１１Ｂは、上述した第１の位相構造１１と同様に、第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、第２の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与することにより、第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させず第２の波長の光ビームに対しては収差を発生させる非球面形状を基準に位相構造が設けられた対物レンズを介して、第１及び第２の波長の光ビームをそれぞれの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち第１及び第２の光ディスクに対する互換性を実現する。
【００７４】
ここで、上述のように決定される幅ＷＬ’及び高さＨＬ’で形成された各凸部からなる第１の位相構造１１Ｂの各凸部は、第１及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で幅方向に分割し、さらに各幅における凸部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されていることから、収差を低減するものであるが、上述した第１の位相構造１１と同様に、収差の取れ残りが発生する場合には、例えば、凸部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下となるように凸部の幅を決定してもよい。
【００７５】
尚、上述したような第１の位相構造１１のような複数の凹部からなる位相構造は、補正すべき収差が正の収差であり、すなわち、この位相構造により付与する収差が負の収差である場合に有利な構成であり、ここで説明した第１の位相構造１１Ｂのような複数の凸部からなる位相構造は、補正すべき収差が負の収差であり、すなわち、この位相構造により付与する収差が正の収差である場合に有利な構成である。尚、あくまで、製造面を考慮して、位相構造における凹部又は凸部の各高さが小さくなるという観点から有利なだけであり、付与すべき収差が正若しくは負のいずれであったとしても、いずれの構成においても収差低減が可能である。
【００７６】
上述したような第１の位相構造１１，１１Ｂの外側には、上述したように円環状に設けられた第２の位相構造１２が設けられている。この第２の位相構造１２は、所謂温度補償用の位相構造であり、温度変化があった場合に、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側で第１の光ディスク開口制限ＮＡ１の内側を通過する第１の波長の光ビームに所定の位相差を付与することにより、温度変化により発生する収差を補正するものである。
【００７７】
温度補償用の第２の位相構造１２は、基準となる設計温度（以下、「基準設計温度」という。）における第１の波長の光ビームに収差を発生させないように決定された基準となる非球面形状ＳＢに対して形成され、この基準非球面形状ＳＢがそのままで形成されたとした場合に基準設計温度に対して最も温度差がある設計温度（以下、「最高設計温度」という。）における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、基準設計温度における第１の波長の光ビームには収差の影響がほとんど及ぼさないような幅ＷＬ’及び高さＨＬ’で形成された輪帯状の複数の凸部が設けられているように形成されている。換言すると、第２の位相構造１２が、基準非球面形状に対して半径方向に順次隣接した輪帯状の複数の凸部が設けられているように形成されることにより、その対物レンズ８の第１面８ａの半径方向及び光軸方向を含む面の断面形状は、図３に示すように、補正すべき収差に応じて、空気側又は対物レンズ構成材料の基材側に向けて所定の段差で形成される複数の段部を有するような形状とされている。尚、複数の凸部の幅ＷＬ’及び高さＨＬ’は、後述のように凸部毎に適切な大きさとされている。このように、上述した各凸部のそれぞれが、１の位相構造を構成し、第２の位相構造１２は、これらの複数の位相構造からなることにより、温度補償の機能を有する。尚、以下で、この所定の幅ＷＬ’及び所定の高さＨＬ’について説明するが、以下の説明において、上述した図６を用いて説明した第１の位相構造１１Ｂと共通する部分については、共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７８】
より具体的には、第２の位相構造１２は、基準設計温度における第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準非球面形状ＳＢを決定し、この基準非球面形状ＳＢが形成されたとした場合に最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるようにこの第２の位相構造１２で打ち消すための半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、この補正必要収差量を上述した式（１０）で算出される位相差ｘ’のｍ１’倍毎の閾値Ｘ’で区切ることで各凸部の半径方向の位置及び幅ＷＬ’を決定し、対物レンズ８の光軸方向及び半径方向を含む断面において、この各凸部毎に、凸部の幅内の基準非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏ’とし、凸部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏ’に入射した基準設計温度における第１の波長の光ビームが対物レンズ８内を通過する直線と、凸部との交点を第２の位置Ａ’とし、第１の位置Ｏ’から光軸方向に伸ばした直線と、凸部との交点を第３の位置Ｂ’とし、第２の位置Ａ’から光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂ’から光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃ’とし、式（１１）を満たすように各凸部毎の高さＨＬ’を決定することにより得られた各凸部の幅「ＷＬ’」及び高さ「ＨＬ’」で形成された輪帯状の複数の凸部が、基準となる非球面形状の基準面ＳＢに対して設けられるように形成されている。
【００７９】
尚、ここでは、補正必要収差量は、第２の位相構造１２が設けられていない基準非球面形状ＳＢとされたとした場合の第１面と、上述した第２面８ｂとを有する対物レンズに、最高設計温度における第１の波長の光ビームが入射した場合の第１の光ディスクの信号記録面に発生してしまう収差量を打ち消す収差量であり、すなわち、この信号記録面に発生してしまう収差を第２の位相構造１２が設けられている領域で打ち消すための量である。尚、各凸部の位置及び幅の算出方法については、上述の図２及び図３を用いて説明したのと同様であるので省略する。
【００８０】
すなわち、この補正必要収差量を、図２を用いて説明したのと同様に、式（１０）及び式（１２）で示されるＸ’（＝ｘ’×ｍ１’）で区切ることにより、図３に示すような各凸部の半径方向の端部の位置Ｐｋと、各凸部の幅ＷＬ’ｋとを決定する。ここで、ｋは、正の整数（ｋ＝・・・Ｋ−１，Ｋ，Ｋ＋１，・・・）である。すなわち、補正必要収差量をＸ’毎に区切ることにより、各凸部の位置・・・ＰＫ−１，ＰＫ，ＰＫ＋１・・・を決定し、この位置Ｐｋ間の距離を各凸部の幅・・・ＷＬ’Ｋ−１，ＷＬ’Ｋ，ＷＬ’Ｋ＋１・・・を決定する。そして、図６に示すように、各凸部の幅ＷＬ’ｋ内のそれぞれで、上述したような第１乃至第４の位置Ｏ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’と、基準非球面形状の基準面ＳＢに対する各凸部の光軸方向の高さＨＬ’ｋとを算出して決定している。尚、図６は、複数の凸部のうちの任意の一の凸部を選択して図示するものであり、上述及び以下の説明においてはこの幅ＷＬ’ｋをＷＬ’とし、得られる高さＨＬ’ｋをＨＬ’として説明する。
【００８１】
また、ここでは、各凸部の半径方向の位置及び幅が、補正必要収差量を式（１０）のＸ’で区切ることにより決定されて形成されるよう構成することで、第１の波長及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で分割し、さらに、各幅における凸部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されることで、後述のような温度補償を実現するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、製造上の観点から所定の大きさに等分割したり、又は所定の大きさに分割して、さらに、上述のＰ−Ｖ値の観点により決定される位置及び幅となるように各凸部を形成するように構成してもよい。
【００８２】
また、各凸部の高さを決定するための第１の位置Ｏ’は、上述した第１の位相構造１１Ｂと同様の手法により決定されている。
【００８３】
これにより、第２の位相構造１２を有する対物レンズ８は、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対して第２の位相構造１２がほとんど収差に影響を及ぼさないため、この第１の波長の光ビームを、その基準となる非球面形状ＳＢにより収差を発生させない状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００８４】
また、第２の位相構造１２を有する対物レンズ８は、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対して第２の位相構造１２が、基準非球面形状ＳＢだけであったとしたら最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生してしまう収差を、打ち消して低減できる程度の位相差を与えることにより、この最高設計温度における第１の波長の光ビームを、非球面形状ＳＢとこれを基準に設けられた第２の位相構造１２により収差を十分に低減された状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００８５】
上述したような第２の位相構造１２が、最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、基準設計温度における第１の波長の光ビームには収差の影響をほとんど及ぼさず、これにより上述のように基準設計温度から最高設計温度の範囲における第１の波長の光ビームを第１の光ディスクの信号記録面に収差を十分に低減させた状態で集光できることについて説明する。尚、ここでは、図６を用いて上述した第１の位相構造１１Ｂにおける説明と重複する部分については、説明を省略して説明する。
【００８６】
第２の位相構造１２においては、上述したように輪帯状の複数の凸部が、基準非球面形状に対して第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２範囲の外側で第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１範囲内の内周から外周に亘って、所定の高さＨＬ’及び所定の幅ＷＬ’で設けられるように、この位相構造が形成されている。レンズ内の任意の点Ｅ’に到達する光ビームの、第２の位相構造１２が設けられていた場合の光路と、第２の位相構造１２が設けられていない場合の光路とについて上述した図６を用いて説明する。尚、ここでは、図４中Ｐａ１’は、第２の位相構造１２が設けられていた場合の点Ｅ’に到達する光路を示し、Ｐａ２’は、第２の位相構造１２が設けられていなかった場合の点Ｅ’に到達する光路を示すものであり、その他のｒ軸、ｚ軸、ｆ’（ｒ）、ｇ’（ｒ）については、上述した第１の位相構造１１Ｂの場合の図４を用いた説明と同様であるので説明は省略する。また、点Ｂ’、点Ｏ’、点Ａ’、点Ｄ’、点Ｃ’及び点Ｅ’についても上述と同様であるの説明は省略する。
【００８７】
実線Ｐａ２’で示す第２の位相構造１２が設けられていない場合の光線は、点Ｂ’から点Ｏ’を経由して点Ｄ’に到達し、一方で、実線Ｐａ１’で示す第２の位相構造１２が設けられている場合の光線は、点Ｂ’と同じ波面上の点Ｃ’から点Ａ’及び点Ｏ’を経由して点Ｄ’に到達することとなる。よって、このＰａ１’とＰａ２’の光路差は、Ｃ’Ａ’＋ｎ１×Ａ’Ｏ’−Ｂ’Ｏ’である。尚、ここでｎ１は、基準設計温度における第１の波長の光ビームの屈折率を示す。
【００８８】
ここで、上述の式（１１）に示すように、この第２の位相構造１２は、この光路差がλ１の整数倍となるように構成されていることから、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対しては、２πの略整数倍の位相段差を付与するのみであり影響をほとんど及ぼさず、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対して不要な収差を発生させてしまう等の問題を解消する。また、ここで、最高設計温度における第１の波長の光ビームの屈折率をｎ１Ｈとしたときに、最高設計温度における第１の波長に対する光路差Ｃ’Ａ’＋ｎ１Ｈ×Ａ’Ｏ’−Ｂ’Ｏ’に基づく位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、最高設計温度における第１の波長に対してのみ所望の位相差を付与することができ、また、温度変化による形状変化を考慮して上述の光路差を設定して位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、さらに最適な位相差を付与することができる。
【００８９】
以上のように、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側で第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に設けられた第２の位相構造１２は、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与することにより、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させず最高設計温度における第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させる非球面形状を基準に位相構造が設けられた対物レンズ８を介して、基準設計温度及び最高設計温度における第１の波長の光ビームをそれぞれ第１の光ディスクの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち、第１の波長に対する温度変化により発生する収差の補正用（温度補償用）の位相構造として機能することを実現する。
【００９０】
ここで、上述のように決定される幅ＷＬ’及び高さＨＬ’で形成された各凸部からなる第２の位相構造１２の各凸部は、基準設計温度及び最高設計温度に対する第１の波長に対して収差が発生しにくい状態で幅方向に分割し、さらに各幅における凸部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されていることから、収差を低減するものであるが、例えば幅の寸法が大きい部分では、収差の取れ残りが発生することがある。このような場合に、上述のように決定された凸部の幅のうち、例えば、凸部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下となるように凸部の幅を決定してもよい。
【００９１】
尚、上述では、対物レンズ８に設けられる第２の位相構造として、基準非球面形状ＳＢに対して所定の幅及び高さで形成された輪帯状の凸部が設けられることにより形成される第２の位相構造１２について説明したが、本発明を適用した対物レンズを構成する第２の位相構造は、これに限られるものではなく、基準非球面形状ＳＢに対して所定の幅及び高さで形成された輪帯状の凹部が設けられることにより形成されるような以下で説明する第２の位相構造１２Ｂのように構成してもよい。
【００９２】
第２の位相構造１２Ｂは、基準設計温度における第１の波長の光ビームに収差を発生させないように決定された基準非球面形状ＳＢに対して形成され、この基準非球面形状ＳＢがそのままで形成されたとした場合に最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、基準設計温度における第１の波長の光ビームには収差の影響がほとんど及ぼさないような幅ＷＬ及び高さＨＬで形成された輪帯状の複数の凹部が設けられているように形成されている。換言すると、第２の位相構造１２Ｂが、基準非球面形状に対して半径方向に順次隣接した輪帯状の複数の凹部が設けられているように形成されることにより、その対物レンズの第１面の半径方向及び光軸方向を含む面の断面形状は、上述と同様に、補正すべき収差に応じて、対物レンズ構成材料の基材側に向けて所定の段差で形成される複数の段部を有するような形状とされている。尚、複数の凹部の幅ＷＬ及び高さＨＬは、後述のように凹部毎に適切な大きさとされている。このように、上述した各凹部のそれぞれが、１の位相構造を構成し、第２の位相構造１２Ｂは、これらの複数の位相構造からなることにより、温度補償の機能を有する。尚、以下で、この所定の幅ＷＬ及び所定の高さＨＬについて説明するが、以下の説明において、上述した図４を用いて説明した第１の位相構造１１と共通する部分については、共通の符号を詳細な説明は省略する。
【００９３】
より具体的には、第２の位相構造１２Ｂは、基準設計温度における第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準非球面形状ＳＢを決定し、この基準非球面形状ＳＢが形成されたとした場合に最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるようにこの第２の位相構造１２Ｂで打ち消すための半径方向の位置毎の補正必要収差量を算出し、この補正必要収差量を上述した式（５）で算出される位相差ｘのｍ倍毎の閾値Ｘで区切ることで各凹部の半径方向の位置及び幅ＷＬを決定し、対物レンズの光軸方向及び半径方向を含む断面において、この各凹部毎に、凹部の幅内の基準非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏとし、凹部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏに入射した基準設計温度における第１の波長の光ビームが対物レンズ８内を通過する直線と、凹部との交点を第２の位置Ａとし、この第２の位置Ａから光軸方向に伸ばした直線と、基準非球面形状ＳＢとの交点を第３の位置Ｂとし、第１の位置Ｏから光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂから光軸方向に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃとし、式（６）を満たすように各凹部毎の高さＨＬを決定することにより得られた各凹部の幅「ＷＬ」及び高さ「ＨＬ」で形成された輪帯状の複数の凹部が、基準となる非球面形状の基準面ＳＢに対して設けられるように形成されている。
【００９４】
尚、ここでは、補正必要収差量は、第２の位相構造１２Ｂが設けられていない非球面形状ＳＢとされたとした場合の第１面と、上述した第２面８ｂとを有する対物レンズに、最高設計温度における第１の波長の光ビームが入射した場合の第１の光ディスクの信号記録面に発生してしまう収差量を打ち消す収差量であり、すなわち、この信号記録面に発生してしまう収差を第２の位相構造１２Ｂが設けられている領域で打ち消すための量である。尚、各凸部の位置及び幅の算出方法については、上述の図２及び図３を用いて説明したのと同様であるので省略する。
【００９５】
また、ここでは、各凹部の半径方向の位置及び幅が、補正必要収差量を式（５）のＸで区切ることにより決定されて形成されるよう構成することで、第１の波長及び第２の波長に対して収差が発生しにくい状態で分割し、さらに、各幅における凹部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されることで、後述のような温度補償を実現するようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、製造上の観点から所定の大きさに等分割したり、又は所定の大きさに分割して、さらに、上述のＰ−Ｖ値の観点により決定される位置及び幅となるように各凹部を形成するように構成してもよい。
【００９６】
また、各凹部の高さを決定するための第１の位置Ｏは、上述した第１の位相構造１１と同様の手法により決定されている。
【００９７】
これにより、第２の位相構造１２Ｂを有する対物レンズは、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対して第２の位相構造１２Ｂがほとんど収差に影響を及ぼさないため、この第１の波長の光ビームを、その基準となる非球面形状ＳＢにより収差を発生させない状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００９８】
また、第２の位相構造１２Ｂを有する対物レンズは、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対して第２の位相構造１２が、非球面形状ＳＢだけであったとしたら最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生してしまう収差を、打ち消して低減できる程度の位相差を与えることにより、この最高設計温度における第１の波長の光ビームを、非球面形状ＳＢとこれを基準に設けられた第２の位相構造１２Ｂにより収差を十分に低減された状態で第１の光ディスクの信号記録面に集光させることができる。
【００９９】
上述したような第２の位相構造１２Ｂが、最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるとともに、基準設計温度における第１の波長の光ビームには収差の影響をほとんど及ぼさず、これにより上述のように、基準設計温度から最高設計温度の範囲における第１の波長の光ビームを第１の光ディスクの信号記録面に収差を十分に低減させた状態で集光できることについて説明する。尚、ここでは、図３を用いて上述した第１の位相構造１１における説明と重複する部分については、説明を省略して説明する。
【０１００】
第２の位相構造１２Ｂにおいては、上述したように輪帯状の複数の凹部が、基準非球面形状に対して第２の光ディスクの開口制限範囲の外側で第１の光ディスクの開口制限範囲内の内周から外周に亘って、所定の高さＨＬ及び所定の幅ＷＬで設けられるように、この位相構造が形成されている。レンズ内の任意のＥに到達する光ビームの、第２の位相構造１２Ｂが設けられていた場合の光路と、第２の位相構造１２Ｂが設けられていない場合の光路とについて上述した図４を用いて説明する。尚、ここでは、図４中Ｐａ１は、第２の位相構造１２Ｂが設けられていた場合の点Ｅに到達する光路を示し、Ｐａ２は、第２の位相構造１２Ｂが設けられていなかった場合の点Ｅに到達する光路を示すものであり、その他のｒ軸、ｚ軸、ｆ（ｒ）、ｇ（ｒ）については、上述した第１の位相構造１１の場合の図４を用いた説明と同様であるので説明は省略する。また、点Ｏ、点Ａ、点Ｃ、点Ｂ、点Ｄ及び点Ｅについても上述と同様であるの説明は省略する。
【０１０１】
実線Ｐａ２で示す第２の位相構造１２Ｂが設けられている場合の光線は、点Ｂから点Ａを経由して点Ｄに到達し、一方で、実線Ｐａ２で示す第２の位相構造１２Ｂが設けられていない場合の光線は、点Ｂと同じ波面上の点Ｃから点Ｏ及び点Ａを経由して点Ｄに到達することとなる。よって、このＰａ１とＰａ２の光路差は、ＣＯ＋ｎ１×ＯＡ−ＢＡである。尚、ここでｎ１は、基準設計温度における第１の波長の光ビームの屈折率を示す。
【０１０２】
ここで、上述の式（６）に示すように、この第２の位相構造１２Ｂは、この光路差がλ１の整数倍となるように構成されていることから、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対しては、２πの略整数倍の位相段差を付与するのみであり影響をほとんど及ぼさず、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対して不要な収差を発生させてしまう等の問題を解消する。また、ここで、最高設計温度における第１の波長の光ビームの屈折率をｎ１Ｈとしたときに、最高設計温度における第１の波長に対する光路差ＣＯ＋ｎ１Ｈ×ＯＡ−ＢＡに基づく位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、最高設計温度における第１の波長に対してのみ所望の位相差を付与することができ、また、温度変化による形状変化を考慮して上述の光路差を設定して位相差ΔＰ２を所定の状態とすることにより、さらに最適な位相差を付与することができる。
【０１０３】
以上のように、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側で第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に設けられた第２の位相構造１２Ｂは、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与することにより、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させず最高設計温度における第１の波長の光ビームに対しては収差を発生させる非球面形状を基準に位相構造が設けられた対物レンズを介して、基準設計温度及び最高設計温度における第１の波長の光ビームをそれぞれ第１の光ディスクの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち、第１の波長に対する温度変化により発生する収差の補正用（温度補償用）の位相構造として機能することを実現する。
【０１０４】
ここで、上述のように決定される幅ＷＬ及び高さＨＬで形成された各凹部からなる第２の位相構造１２Ｂの各凹部は、基準設計温度及び最高設計温度に対する第１の波長に対して収差が発生しにくい状態で幅方向に分割し、さらに各幅における凹部の高さを収差を打ち消すような形状となるように形成されていることから、収差を低減するものであるが、上述した第２の位相構造１２と同様に、収差の取れ残りが発生する場合には、例えば、凹部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下となるような凹部の幅を決定しても良い。
【０１０５】
尚、上述したような第１の位相構造１２のような複数の凸部からなる位相構造は、補正すべき収差が負の収差であり、すなわち、この位相構造により付与する収差が正の収差である場合に有利な構成であり、ここで説明した第１の位相構造１２Ｂのような複数の凹部からなる位相構造は、補正すべき収差が正の収差であり、すなわち、この位相構造により付与する収差が負の収差である場合に有利な構成である。尚、あくまで、製造面を考慮して、位相構造における凹部又は凸部の各高さが小さくなるという観点から有利なだけであり、付与すべき収差が正若しくは負のいずれであったとしても、いずれの構成においても収差低減が可能である。
【０１０６】
以上のように構成された対物レンズ８は、その第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に設けられた第１の位相構造１１，１１Ｂにより、第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、第２の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与して、第１及び第２の波長の光ビームをそれぞれの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち第１及び第２の光ディスクに対する良好な互換性を簡易な構成で実現する。また、この対物レンズ８は、第１の位相構造１１，１１Ｂの外側、すなわち、その第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側であって第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に設けられた第２の位相構造１２，１２Ｂにより、基準設計温度における第１の波長の光ビームに対してはほとんど収差に影響を及ぼさず、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対しては所定の位相差を付与して、基準設計温度から最高設計温度までの第１の波長の光ビームをそれぞれ第１の光ディスクの信号記録面に収差を低減した状態で集光させることができ、すなわち、第１の波長に対する温度変化により発生する収差を簡易な構成で低減することを実現する。
【０１０７】
このように、本発明を適用した対物レンズ８は、その一方の面８ａに、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部（突部）を設けるように形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造として第１の位相構造１１，１１Ｂを有することにより、収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することができ、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を実現する。
【０１０８】
また、本発明を適用した対物レンズ８は、その一方の面８ａに、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように形成され、温度変化があった場合に第１の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造として第２の位相構造１２，１２Ｂを有することにより、温度変化があった場合にも収差等を低減して、第１の光ディスクに対して光ビームを良好に集光することができ、簡易な構成で温度補償機能を発揮することを実現する。
【０１０９】
尚、ここでは、第１の位相構造１１及び第２の位相構造１２からなる対物レンズ８を設けるように構成したが、これに限られるものではなく、第１の位相構造１１，１１Ｂのいずれか一方と、第２の位相構造１２，１２Ｂのいずれか一方を選択的に組み合わせて構成される対物レンズを構成してもよく、さらに、少なくとも第１及び第２の位相構造１１，１１Ｂ，１２，１２Ｂのいずれか一方を有する対物レンズを構成してもよく、その場合には、いずれか一方の機能については上述した対物レンズ８の第１の位相構造１１又は第２の位相構造１２と同様の機能を発揮するものである。
【０１１０】
上述した対物レンズ８により光ディスク２の信号記録面に集光され、光ディスク２で反射され、再び対物レンズ８を経由して第２のビームスプリッタ７で反射されることにより往路光から分岐された復路の光ビームは、マルチレンズ１０に入射される。マルチレンズ１０は、入射したこの復路の光ビームを光検出器９のフォトディテクタに集光させる。
【０１１１】
光検出器９は、光ディスク２の信号記録面で反射された光ビームのそれぞれを受光するためのフォトディテクタを有し、情報信号とともにトラッキングエラー信号及びフォーカスエラー信号等の各種信号を検出する。
【０１１２】
以上のように構成された光ピックアップ装置１は、この光検出器９により検出された戻り光により生成されたフォーカスサーボ信号、トラッキングサーボ信号に基づいて、対物レンズ８を駆動して、フォーカスサーボ及びトラッキングサーボを行う。対物レンズ８が駆動されることにより、光ディスク２の信号記録面に対して合焦する合焦位置に移動されて、光ビームが光ディスク２の記録面上に合焦されて、光ディスク２に対して情報の記録又は再生を行う。
【０１１３】
本発明を適用した光ピックアップ１及びこれを用いた光ディスク装置は、その対物レンズ８の一方の面である第１面８ａに、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の凹部又は凸部を設けるように形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の第１の位相構造１１，１１Ｂを有することにより、収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することができ、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を実現する。このように、本発明を適用した光ピックアップ１及びこれを用いた光ディスク装置は、各波長に対する収差等を低減して互換性を実現するとともに、この互換性を実現する位相構造を、従来の平板状の位相付与素子等を設ける必要がなく、小型化を実現するとともに、対物レンズを駆動するための対物レンズ駆動手段の可動部の重量等も小さくして、さらなる小型化及び軽量化、また感度の向上等を実現して、すなわち、小型化を実現するとともに、良好な記録再生特性を実現する。
【０１１４】
また、本発明を適用した光ピックアップ１及びこれを用いた光ディスク装置は、さらに、その対物レンズ８の一方の面である第１の面８ａの第１の位相構造１１，１１Ｂの外側に、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の凹部又は凸部を設けるように形成され、温度補償用の輪帯状の第２の位相構造１２，１２Ｂを有することにより、温度変化等があった場合にも、従来の対物レンズで発生するおそれのあった収差等を発生させることなく第１の光ディスクに対して第１の波長の光ビームを集光することができ、簡易な構成で温度変化に起因する第１の波長に対する収差を補正することを実現する。
【０１１５】
次に、上述のような対物レンズ８の設計方法について説明する。尚、以下では、第１の位相構造１１及び第２の位相構造１２を有する対物レンズ８についての設計方法を説明し、第１の位相構造１１に換えて第１の位相構造１１Ｂを有する場合、若しくは、第２の位相構造１２に換えて第２の位相構造１２Ｂを有する場合、又は、第１及び第２の位相構造１１，１２に換えて第１及び第２の位相構造１１Ｂ，１２Ｂを有する場合については、その位相構造が非球面形状ＳＢに対する凹部又は凸部からなることを除いて同様であり、さらに、第１の位相構造１１，１１Ｂ、第２の位相構造１２，１２Ｂのいずれかを有する場合については、その一部のステップを経ないことを除いて同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１１６】
本発明を適用した対物レンズの設計方法は、複数種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられ、且つ、少なくとも第１及び第２の波長の光ビームを対応する光ディスクに対して集光するとともに、少なくとも一方の面に、基準となる非球面形状ＳＢに対して、半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように、形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の第１の位相構造を有する対物レンズを設計するものである。また、本発明を適用した対物レンズの設計方法は、上述の第１の位相構造に換えて、又は第１の位相構造に加えて、温度変化が発生した場合に第１の波長の光ビームに発生する収差を抑える輪帯状の第２の位相構造を有する対物レンズを設計するものである。
【０１１７】
尚、この対物レンズの設計方法を実現する情報処理装置１００は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、キーボード、ディスプレイ等を備えた通常のコンピュータに、以下に説明する工程を実現するコンピュータプログラムがインストールされることによって、実現するものであって、図７に示すように、基準となる非球面形状を入力する入力部１０１と、入力された非球面形状等の条件に基づいて、後述するステップＳ２〜Ｓ４のように上述した第１の位相構造１１の形状を算出する第１の位相構造算出部１０２と、入力された非球面形状等の条件に基づいて、後述するステップＳ５〜Ｓ７のように上述した第２の位相構造１２の形状を算出する第２の位相構造算出部１０３と、算出された第１及び第２の位相構造１１，１２を含めた対物レンズの形状データを表示部や紙等の媒体に出力する出力部１０４とを備え、対物レンズ設計装置として機能する。以下、このような情報処理装置を用いた対物レンズの設計方法について詳細に説明する。
【０１１８】
具体的に、この対物レンズの設計方法は、図８に示すように、決定された第１の波長の光ビームに収差を発生させないような基準となる非球面形状ＳＢを入力するステップＳ１と、入力された非球面形状ＳＢに基づいて、基準となる非球面形状ＳＢが形成されたとした場合に第２の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量（以下では、「互換用補正必要収差量」という。）を算出するステップＳ２と、この互換用補正必要収差量に基づいて、第１の位相構造１１を形成するための複数の凹部の各凹部毎の幅及び高さを算出するステップＳ３と、ステップＳ３で算出された各凹部の幅及び各凹部の高さと、ステップＳ１で算出された基準となる非球面形状ＳＢとから対物レンズ８に設けられる第１の位相構造１１の実際の形状を算出するステップＳ４と、基準となる非球面形状ＳＢに第１の位相構造１１が形成されたとした場合に、温度変化があり最高設計温度となったときの第１の波長の光ビームに発生する収差を抑えるように打ち消すための補正必要収差量（以下では、「温度補償用補正必要収差量」という。）を算出するステップＳ５と、この温度補償用補正必要収差量に基づいて、第２の位相構造１２を形成するための複数の凸部の各凸部毎の幅及び高さを算出するステップＳ６と、ステップＳ６で算出された各凸部の幅及び各凸部の高さと、ステップＳ１で算出された基準となる非球面形状ＳＢとから対物レンズ８に設けられる第２の位相構造１２の実際の形状を算出するステップＳ７とを備える。
【０１１９】
ステップＳ１では、例えば４０℃程度の設計温度（以下、「基準設計温度」という。）における、ＤＶＤ等の第１の光ディスクに対する記録及び再生を考慮して決定された、第１の波長の光ビームに対して最適な対物レンズ、すなわちこのような対物レンズの算出された基準非球面形状を入力部１０１より入力する。ここでは、対物レンズの一方の面８ａの基準となる非球面形状（基準非球面形状）ＳＢと、他方の面８ｂの形状（非球面形状）とが入力される。
【０１２０】
ステップＳ２において、第１の位相構造算出部１０２は、第２の光ディスクに変更した際に発生する収差を算出する。すなわち、このステップＳ２では、ステップＳ１で算出された第１の波長に対して最適な非球面形状ＳＢとされた対物レンズを用いて、ＣＤ等の第２の光ディスクに対する記録及び／又は再生を行う際に、第２の波長の光ビームに発生する球面収差等の収差量を算出する。そして、この発生する収差量を打ち消すための互換用補正必要収差量を算出する。
【０１２１】
ステップＳ３は、図９に示すように、ステップＳ２で算出された互換用補正必要収差量を式（５）で算出されるＸで区切ることで第１の位相構造１１を形成するための各凹部の位置及び幅を算出するステップＳ３−１と、各凹部毎に、凹部の幅内の基準非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏとし、この凹部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏに入射した第１の波長の光ビームがこの対物レンズ８内を通過する直線と、この凹部との交点を第２の位置Ａとし、第２の位置Ａから光軸方向に伸ばした直線と、基準非球面形状ＳＢとの交点を第３の位置Ｂとし、第１の位置Ｏから光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂから光軸に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃとしたとき、上述の式（６）を満たすように各凹部の高さを算出するステップＳ３−２とを有する。このようにステップＳ３は、発生球面収差を打ち消すためのキャンセル位相構造としての各凹部を設計するためのものであり、このステップＳ３において、第１の位相構造算出部１０２は、上述のように各凹部の幅、高さ等を算出する。
【０１２２】
尚、各凹部により形成される第１の位相構造１１に換えて、各凸部により形成される第１の位相構造１１Ｂを形成する場合には、ステップＳ３−２において、図６を用いて上述したように、第１〜第４の位置Ｏ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’から各凸部の高さを算出する。
【０１２３】
また、上述したように、より確実な収差低減を必要とする場合には、ステップＳ３−２の後に、凹部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下であることを確認するステップを追加して設けるようにし、この追加したステップにおいて、このＰ−Ｖ値が０．１λ以上である凹部がある場合には、その凹部の幅をさらに分割してステップＳ３−２に戻るようにし、このＰ−Ｖ値が０．１λ以上である凹部がない場合には、ステップＳ４に進むように構成してもよい。
【０１２４】
ステップＳ４において、第１の位相構造算出部１０２は、ステップＳ３で算出された各凹部の幅及び高さと、基準非球面形状ＳＢとを足し合わせることによって、非球面形状ＳＢに位相構造が付与された第１の位相構造１１の実際の形状を算出することができる。ここで、算出された第１の位相構造１１は、上述のように第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に形成されており、上述したようなフォーマット互換用の機能を有する。
【０１２５】
ステップＳ５において、第２の位相構造算出部１０３は、温度を変更した際に発生する収差を算出する。すなわち、このステップＳ５では、ステップＳ１で算出された例えば４０℃程度の基準設計温度における第１の波長に対して最適な非球面形状ＳＢにステップＳ４で算出された第１の位相構造１１が形成された対物レンズを用いて、設計条件として定められる最高設計温度における第１の波長の光ビームに発生する収差量を算出する。そして、この発生する収差量を打ち消すための温度補償用補正必要収差量を算出する。このとき、第１の位相構造１１は、基準設計温度における第１の波長に対してほとんど収差を発生させないため、最適な非球面形状ＳＢとされた対物レンズを用いて最高設計温度における収差量を算出するようにしてもよい。
【０１２６】
ステップＳ６は、図１０に示すように、ステップＳ５で算出された温度補償用補正必要収差量を式（１０）で算出されるＸ’で区切ることで第２の位相構造１２を形成するための各凸部の位置及び幅を算出するステップＳ６−１と、各凸部毎に、凸部の幅内の基準非球面形状ＳＢの少なくとも任意の一点を第１の位置Ｏ’とし、この凸部が設けられなかったとすれば、第１の位置Ｏ’に入射した第１の波長の光ビームがこの対物レンズ８内を通過する直線と、凸部との交点を第２の位置Ａ’とし、第１の位置Ｏ’から光軸方向に伸ばした直線と、凸部との交点を第３の位置Ｂ’とし、第２の位置Ａ’から光軸方向に伸ばした直線と、第３の位置Ｂ’から光軸に直交する方向に伸ばした直線との交点を第４の位置Ｃ’としたとき、上述の式（１１）を満たすように各凸部の高さを算出するステップＳ６−２とを有する。このようにステップＳ６は、温度変化により発生する球面収差を打ち消すためのキャンセル位相構造としての各凸部を設計するためのものであり、このステップＳ６において、第２の位相構造算出部１０３は、上述のように各凸部の幅、高さ等を算出する。
【０１２７】
尚、各凸部により形成される第２の位相構造１２に換えて、各凹部により形成される第１の位相構造１２Ｂを形成する場合には、ステップＳ６−２において、図４を用いて上述したように、第１〜第４の位置Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃから各凹部の高さを算出する。
【０１２８】
また、上述したように、より確実な収差低減を必要とする場合には、ステップＳ６−２の後に、凸部内における取れ残りの収差のＰ−Ｖ値が０．１λ以下であることを確認するステップを追加して設けるようにし、この追加したステップにおいて、このＰ−Ｖ値が０．１λ以上である凸部がある場合には、その凸部の幅をさらに分割してステップＳ６−２に戻るようにし、このＰ−Ｖ値が０．１λ以上である凸部がない場合には、ステップＳ６に進むように構成してもよい。
【０１２９】
ステップＳ７において、第２の位相構造算出部１０３は、ステップＳ６で算出された各凸部の幅及び高さと、基準非球面形状ＳＢに第１の位相構造１１が設けられたものとを足し合わせることによって、非球面形状ＳＢに位相構造が付与された第２の位相構造１２の実際の形状、すなわち、非球面形状ＳＢに第１及び第２の位相構造１１，１２が設けられた対物レンズ８の第１面８ａの実際の形状を算出することができる。ステップＳ１で対物レンズ８の第２面８ａの形状が算出されているので、このステップＳ７により対物レンズ８の形状全体が算出されることとなる。ここで、算出された第２の位相構造１２は、上述のように第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側であって第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に形成されており、上述したような温度補償用の機能を有する。
【０１３０】
以上のようなステップＳ１〜Ｓ７からなる対物レンズの設計方法は、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内に、フォーマット互換用の第１の位相構造１１と、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の外側であって第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内に、温度補償用の第２の位相構造１２とを、従来の平板ＮＰＳ構造の設計で発生した上述した問題を解消して、非球面形状ＳＢとされた基準面に対して設けた対物レンズ８を設計することができ、すなわち、レンズの一方の面８ａに形成された第１及び第２の位相構造１１，１２によりフォーマット互換と温度補償とを実現して良好な記録再生を可能とする対物レンズ８を設計することができる。尚、ここで、ステップＳ１〜Ｓ４が第１の位相構造１１を設計するステップとして機能し、ステップＳ１，Ｓ５〜７が第２の位相構造１２を設計するステップとして機能している。
【０１３１】
本発明を適用した対物レンズの設計方法は、ステップＳ１と、ステップＳ２と、ステップＳ３−１と、ステップＳ３−２とを備えることにより、対物レンズの一方の面８ａに、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように形成され、第１及び第２の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を算出することができ、かかる位相構造により収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することにより、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を可能とする対物レンズを設計することを実現する。
【０１３２】
本発明を適用した対物レンズの設計方法は、ステップＳ５と、ステップＳ６−１と、ステップＳ６−２とを備えることにより、対物レンズの一方の面８ａに、基準となる非球面形状ＳＢに半径方向に所定の幅及び光軸方向に所定の高さの輪帯状の複数の凹部又は凸部を設けるように形成され、温度変化があった場合に第１の波長の光ビームを集光する際に発生する収差を抑える輪帯状の位相構造を算出することができ、かかる位相構造により温度変化があった場合にも収差等を低減して、第１の光ディスクに対して光ビームを良好に集光することができ、簡易な構成で温度補償機能を有する対物レンズを設計することを実現する。
【０１３３】
次に、上述したような本発明を適用した対物レンズの設計方法及び本発明を適用した対物レンズ８の実施例について説明する。また、この本発明の実施例と比較するための従来の平板ＮＰＳの考え方を適用した比較例についてもあわせて説明する。
【０１３４】
まず、設計条件として、第１の波長の設計波長は、６６２．７（ｎｍ）とし、第２の波長の設計波長は、７８８（ｎｍ）とする。また、ｎ１，ｎ２は、対物レンズ８を構成する材料の、それぞれ第１、第２の波長の設計波長における屈折率を示し、ｎ１＝１．５３９（＠６６２．７ｎｍ）とし、ｎ２＝１．５３６（＠７８８ｎｍ）とする。また、ｔは、対物レンズ８の光軸位置での厚み（ｍｍ）を示し、ｔ＝１．７５（ｍｍ）とする。
【０１３５】
また、ステップＳ１により算出される対物レンズ８の非球面形状、すなわち、第１面８ａの基準非球面形状及びＳＢ第２面８ｂの非球面形状を以下の式（１５）及びこの式（１５）中の各非球面関数を以下に示す。尚、式（１５）中において、ｒは、光軸からの距離（ｍｍ）を示し、Ｆ（ｒ）は、光軸からの距離がｒの位置における非球面の面頂点の接平面からの距離（ｍｍ）を示し、Ｋは、円推定数を示し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数を示すものである。
【０１３６】
【数１】
2009170018.tif 000003
【０１３７】
対物レンズ８の光源側の第１面８ａの基準非球面形状を示すＲ，Ｋ，Ａ〜Ｄは、以下のとおりである。
＜第１面形状＞
Ｒ：  １．７２９
Ｋ：−５．０８７×１０−１
Ａ：  ５．０１８×１０−５
Ｂ：−１．０２８×１０−４
Ｃ：  １．４７４×１０−４
Ｄ：−４．２６１×１０−５
【０１３８】
また、対物レンズ８の光ディスク側の第２面８ｂの非球面形状を示すＲ，Ｋ，Ａ〜Ｄは、以下のとおりである。
＜第１面形状＞
Ｒ：−６．７３９
Ｋ：−２．５９１
Ａ：  ０．２３３４×１０−１
Ｂ：−０．５４４９×１０−２
Ｃ：  ０．７２９３×１０−３
Ｄ：−０．３７１２×１０−４
【０１３９】
次に、ステップＳ２及びステップＳ３により得られた実施例の対物レンズの第１の位相構造１１を形成するための各凹部の例の各凹部の位置及び高さを表１に示す。各位置間の距離が各凹部の幅を示すものとする。尚、表１には、各凹部の位置及び幅を等しくして、従来の平板ＮＰＳの考え方を適用した比較例の各凹部の高さについても示す。また、この例においては、０．７７６〜１．１６７において、上述したＰ−Ｖ値の観点から、ステップＳ３−２の後に凹部の幅を再分割して各凹部の幅及び高さを算出した。
【０１４０】
【表１】
2009170018.tif 000004
【０１４１】
また、ステップＳ５及びステップＳ６により得られた実施例の対物レンズの第２の位相構造１２を形成するための各凸部の例の各凸部の位置及び高さを表２に示す。尚、表２には、従来の平板ＮＰＳの考え方を適用した比較例の各凸部の高さについても示す。
【０１４２】
【表２】
2009170018.tif 000005
【０１４３】
上述のように得られた実施例及び比較例の各凹部及び各凸部の幅及び高さと、上述した基準非球面形状ＳＢとからＳ４及びＳ７の手法により得られる形状に形成された実施例の対物レンズと、比較例の対物レンズのレンズ評価結果について以下に説明する。
【０１４４】
＜レンズ評価結果＞
（１−１）第１の波長の透過波面（第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の内側部分）
第１の波長の光ビームとして、波長が６６２．７（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．４０２（ｍｍ）の領域に入射した光ビームの半径方向の位置毎の波面収差を図１１（ａ）に示す。また、同様に比較例の対物レンズに入射した光ビームの波面収差を図１１（ｂ）に示す。この「（１−１）」及び次の「（１−２）」で示す評価結果は、第１及び第２の光ディスクの互換用の部分のみを示し、すなわち、半径０〜１．４０２（ｍｍ）は、第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２内の部分、すなわち、第１の位相構造１１が設けられている部分のみを示す。尚、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）、並びに後述の図１２、図１３中において、横軸は、半径方向の位置（ｍｍ）を示し、縦軸は、当該位置における波面収差（λ）を示すものである。また、図１１（ａ）の場合の残留収差は、０．０１２２λｒｍｓであり、図１１（ｂ）の場合の残留収差は、０．１１３６λｒｍｓであった。
【０１４５】
図１１（ｂ）に示すように、比較例においては、上述の平板ＮＰＳで設計した位相構造をそのままレンズ面に設けたときの問題、すなわち、不要な収差が発生しており、特にそのレンズ面の傾斜が大きい外周部において大きな収差が発生してしまうこととなる。その一方で、図１１（ａ）に示すように、本実施例においては、第１の波長の光ビームに対してほとんど収差を与えないように、すなわち、設計された非球面形状とされた基準非球面を通過するのとほぼ同様の状態で第１の光ディスクに集光されることとなる。この実施例にも示されているように、上述のステップＳ２，Ｓ３で得られた第１の位相構造、すなわち本発明を適用した対物レンズを構成する第１の位相構造１１は、第１の波長の光ビームに対して影響を与えることがなく、その設計条件で算出された非球面形状の性能を維持することができる。
【０１４６】
（１−２）第２の波長の透過波面（第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の内側部分）
第２の波長の光ビームとして、波長が７８８．０（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．４０２（ｍｍ）の領域に入射した光ビームの半径方向の位置毎の波面収差を図１２（ａ）に示す。また、同様に比較例の対物レンズに入射した光ビームの波面収差を図１２（ｂ）に示す。また、図１２（ａ）の場合の残留収差は、０．０４８９λｒｍｓであり、図１２（ｂ）の場合の残留収差は、０．１０４４λｒｍｓであった。
【０１４７】
図１２（ｂ）に示すように、比較例においては、上述の平板ＮＰＳで設計した位相構造をそのままレンズ面に設けたときの問題、すなわち、第１の波長に対して最適な形状とされた基準非球面形状ＳＢ等で形成された対物レンズに第２の波長の光ビームが入射することにより発生する収差を位相構造で十分に低減できず収差が発生してしまうこととなる。その一方で、図１２（ａ）に示すように、本実施例においては、第１の波長に対して最適な形状とされた基準非球面形状ＳＢ等で形成された対物レンズに第２の波長の光ビームが入射することにより発生する収差を第１の位相構造１１で十分に低減した状態で第２の光ディスクに集光させることができる。この実施例にも示されているように、上述のステップＳ２，Ｓ３で得られた第１の位相構造、すなわち本発明を適用した対物レンズを構成する第１の位相構造１１は、上述したように第１の波長の光ビームに対して影響を与えることなく、第２の波長の光ビームに対しては上述したフォーマットの違いにより発生する収差を低減することができ、すなわち、互換性の機能を十分に発揮することができる。
【０１４８】
（１−３）第１の波長の透過波面（第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１の内側部分）
第１の波長の光ビームとして、波長が６６２．７（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．８０２（ｍｍ）の領域に入射した基準設計温度における光ビームの半径方向の位置毎の波面収差を図１３（ａ）に示す。また、同様に比較例の対物レンズに入射した光ビームの波面収差を図１３（ｂ）に示す。この「（１−３）」で示す評価結果は、互換用の部分及び第１の波長に対する温度補償用の部分を示し、すなわち、半径０〜１．８０２（ｍｍ）は、第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１内の部分、すなわち、第１及び第２の位相構造１１，１２が設けられている部分を示す。また、図１３（ａ）の場合の残留収差は、０．０３６６λｒｍｓであり、図１３（ｂ）の場合の残留収差は、０．２４７７λｒｍｓであった。
【０１４９】
図１３（ｂ）に示すように、比較例においては、温度補償のための回折構造により基準設計温度において、大きな収差が発生してしまい、問題となる。その一方で、図１３（ａ）に示すように、本実施例においては、温度変化があった場合に、収差を十分に低減できるとともに、基準設計温度において不要な収差が発生することなく収差を十分に低減した状態で第１の光ディスクに集光させることができる。この実施例にも示されているように、上述のステップＳ５，Ｓ６で得られた第２の位相構造、すなわち本発明を適用した対物レンズを構成する第２の位相構造１２は、上述したように基準設計温度における光ビームに対しても収差を発生させることがない。尚、このような第２の位相構造１２は、最高設計温度における第１の波長の光ビームに対して発生する収差を低減することができ、すなわち、温度補償の機能を十分に発揮することができる。
【０１５０】
（２−１）第１の波長の光ビームのスポット形状（第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の内側部分）
第１の波長の光ビームとして、波長が６６２．７（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．４０２（ｍｍ）の領域に入射した光ビームの第１の光ディスクの信号記録面上のスポットの半径方向の位置における強度分布を図１４の実線Ｌ２１０に示す。また、同様に、比較例の対物レンズに入射した光ビームの信号記録面上のスポットの強度分布を図１４の実線Ｌ２１１に示す。この「（２−１）」及び次の「（２−２）」で示す評価結果は、第１及び第２の光ディスクの互換用の部分のみに入射された光ビームの強度を示す。尚、図１４、及び後述の図１５，図１６中において、横軸は、光ディスクの信号記録面上に集光されたスポットの半径方向の位置（ｍｍ）を示し、縦軸は、当該位置における光の相対強度（ａ．ｕ．）を示すものである。
【０１５１】
図１４に示すように、実線Ｌ２１１で示される比較例に対して、実線Ｌ２１０で示される本実施例においては、光強度が高い状態で光ビームを集光することができる。また、０．６１×λ／ＮＡで得られる回折限界スポット半径０．７９μｍ（＝０．６１×０．６６２７／０．５１）に近い状態でスポットを集光することができる。このように、上述のステップＳ２，Ｓ３で得られた第１の位相構造、すなわち本発明を適用した対物レンズを構成する第１の位相構造１１は、第１の波長に対して収差を十分に低減することにより、高い光強度が得られ、さらに良好なスポット形状で集光させることを実現する。
【０１５２】
（２−２）第２の波長の光ビームのスポット形状（第２の光ディスクの開口制限ＮＡ２の内側部分）
第２の波長の光ビームとして、波長が７８８．０（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．４０２（ｍｍ）の領域に入射した光ビームの第２の光ディスクの信号記録面上のスポットの半径方向の位置における強度分布を図１５の実線Ｌ２２０に示す。また、同様に、比較例の対物レンズに入射した光ビームの信号記録面上のスポットの強度分布を図１５の実線Ｌ２２１に示す。
【０１５３】
図１５に示すように、実線Ｌ２２１で示される比較例に対して、実線Ｌ２２０で示される本実施例においては、光強度が高い状態で光ビームを集光することができる。また、回折限界スポット半径０．９４μｍ（＝０．６１×０．７８８／０．５１）に近い状態でスポットを集光することができる。このように、上述のステップＳ２，Ｓ３で得られた第１の位相構造、すなわち本発明を適用した対物レンズを構成する第１の位相構造１１は、第２の波長に対しても収差を十分に低減することにより、高い光強度が得られ、さらに良好なスポット形状で集光させることを実現する。
【０１５４】
（２−３）第１の波長の光ビームのスポット形状（第１の光ディスクの開口制限ＮＡ１の内側部分）
第１の波長の光ビームとして、波長が６６２．７（ｎｍ）で、且つ上述した実施例の対物レンズの半径０〜１．８０２（ｍｍ）の領域に入射した基準設計温度における光ビームの第１の光ディスクの信号記録面上のスポットの半径方向の位置における強度分布を図１６の実線Ｌ２３０に示す。また、同様に、比較例の対物レンズに入射した光ビームの信号記録面上のスポットの強度分布を図１６の実線Ｌ２３１に示す。
【０１５５】
図１６に示すように、実線Ｌ２３１で示される比較例に対して、実線Ｌ２３０で示される本実施例においては、光強度が高い状態で光ビームを集光することができる。また、回折限界スポット半径０．６２μｍ（＝０．６１×０．６６２７／０．６５）に近い状態でスポットを集光することができる。このように、上述のステップＳ５，Ｓ６で得られた第２の位相構造、すなわち、本発明を適用した対物レンズを構成する第２の位相構造１２は、基準設計温度における光ビームに対しても不要な収差を発生させることがない。尚、このような第２の位相構造１２は、最高設計温度における光ビームに対しても収差を発生させることなく、すなわち、温度補償の機能を十分に発揮することができる。
【０１５６】
以上のように、本実施例により得られた対物レンズは、その第１の位相構造により、収差等を発生させることなく各光ディスクに対して光ビームを集光することができ、簡易な構成で複数種類の光ディスクに対する互換性を実現して、良好な記録再生特性を実現するとともに、その第２の位相構造により、温度変化等があった場合にも、従来の対物レンズで発生するおそれのあった収差等を発生させることなく第１の光ディスクに対して第１の波長の光ビームを集光することができ、簡易な構成で温度変化に起因する第１の波長に対する収差を補正することを実現して、温度変化があった場合にも良好な記録再生特性を実現する。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】本発明を適用した光ピックアップの光学系を示す光路図である。
【図２】本発明を適用した対物レンズの位相構造を形成するための凹部又は凸部の位置及び幅を決定する手法について説明するための図であり、一例としての補正必要収差量と、各所定の閾値と、これらから得られる凹部又は凸部の位置とを示す模式的な図である。
【図３】本発明を適用した対物レンズの第１及び第２の位相構造について説明するための図であり、対物レンズの拡大断面図である。
【図４】本発明を適用した対物レンズの第１及び第２の位相構造が複数の凹部により形成される場合の一の位相構造となる任意の凹部の高さを決定する手法における第１乃至第４の位置Ｏ，Ａ，Ｂ，Ｃについて説明するための図であり、対物レンズの第１及び第２の位相構造を形成するための任意の凹部の要部拡大断面図である。
【図５】本発明を適用した対物レンズを構成する位相構造と比較するために、従来の平板ＮＰＳの原理を説明するための図であり、（ａ）は、平板に設けられた位相構造に第１の波長が入射したときの入射波面及び出射波面を示し、（ｂ）は、同じ位相構造に第２の波長が入射したときの入射波面及び出射波面を示す。
【図６】本発明を適用した対物レンズの第１及び第２の位相構造が複数の凸部により形成される場合の一の位相構造となる任意の凸部の高さを決定する手法における第１乃至第４の位置Ｏ’，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’について説明するための図であり、対物レンズの第１及び第２の位相構造を形成するための任意の凸部の要部拡大断面図である。
【図７】本発明を適用した対物レンズの設計方法を実現する情報処理装置について説明するブロック図である。
【図８】本発明を適用した対物レンズの設計方法について説明するフローチャートである。
【図９】図８に示すステップＳ３についてさらに詳細に説明するためのフローチャートである。
【図１０】図８に示すステップＳ６についてさらに詳細に説明するためのフローチャートである。
【図１１】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、（ａ）は、実施例の対物レンズの第１の位相構造による第１の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図であり、（ｂ）は、比較例の対物レンズの第１の位相構造による第１の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図である。
【図１２】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、（ａ）は、実施例の対物レンズの第１の位相構造による第２の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図であり、（ｂ）は、比較例の対物レンズの第１の位相構造による第２の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図である。
【図１３】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、（ａ）は、実施例の対物レンズの第１及び第２の位相構造による基準設計温度の第１の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図であり、（ｂ）は、比較例の対物レンズの第１及び第２の位相構造による基準設計温度の第１の波長の出射波面における半径方向の位置毎の波面収差を示す図である。
【図１４】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、それぞれの対物レンズの第１の位相構造を通過した第１の波長の光ビームが第１の光ディスク上のスポットにおける相対強度分布を示す図である。
【図１５】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、それぞれの対物レンズの第１の位相構造を通過した第２の波長の光ビームが第２の光ディスク上のスポットにおける相対強度分布を示す図である。
【図１６】実施例及び比較例の対物レンズの評価結果を示す図であり、それぞれの対物レンズの第１及び第２の位相構造を通過した基準設計温度の第１の波長の光ビームが第１の光ディスク上のスポットにおける相対強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１  光ピックアップ、  ２  光ディスク、  ３  第１の光源部、  ４  第２の光源部、  ５  第１のビームスプリッタ、  ６  コリメータレンズ、  ７  第２のビームスプリッタ、  ８  対物レンズ、  ９  光検出器、  １０  マルチレンズ、  １１  第１の位相構造、  １２  第２の位相構造
【図１】
2009170018.tif 000006
【図２】
2009170018.tif 000007
【図３】
2009170018.tif 000008
【図４】
2009170018.tif 000009
【図５】
2009170018.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009170018.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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