(57)【要約】本発明は、光ディスクに対し情報信号の記録又は再生するために用いられる光学ピックアップ用の対物レンズであり、物体側より順に、非球面からなる第１面Ｓ１と非球面からなる第２面Ｓ２とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層（２１）と、非球面からなる第２面Ｓ２と非球面からなる第３面Ｓ３とを有するガラス製のレンズ（２２）とによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数（ＮＡ）を有する。この対物レンズは、像面においてレーザ光を回折限界近くまで集光させることができる。
2002103430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、
上記非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、
基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、上記基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有することを特徴とする光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項２】
上記第１面が回折面を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項３】
上記第２面が回折面を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項４】
上記第３面から像点までの作動距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項５】
上記回折面を含む第１面又は第２面のいずれか一方は、非球面係数の値を有する請求の範囲第４項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項６】
第１面及び第２面は、同一のベース曲率及び非球面係数を有する非球面であることを特徴とする請求の範囲第５項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項７】
上記第１面又は上記第２面が回折面とされた樹脂層は、透過位相型であると共に、上記第１面又は上記第２面がブレーズ形状で構成されていることを特徴とする請求の範囲第６項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項８】
上記第１面の外周側にアパーチャが設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項９】
上記回折面は、設計次数が２次以上とされたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１０】
上記樹脂層は、０．１ｍｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１１】
上記ガラス製のレンズは、４２０ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が１．６５以上の硝材により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１２】
上記ガラス製のレンズは、メニスカス形状であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１３】
上記回折面が形成された第１面又は第２面の表面に、周期が基準波長のほぼ１／２で振幅が基準波長のほぼ１／２の周期構造を有し、上記回折面の凹凸形状よりも微細な同心円状の凹凸形状が形成されたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１４】
上記第３面と像面との間に０．３ｍｍ以下の厚みを有する保護カバーが配置されると共に、上記保護カバーに起因する球面収差を補正するようにされていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１５】
上記対物レンズは、更に、上記非球面から成る第３面と非球面から成る第４面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層を備えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１６】
上記第３面が回折面を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１７】
上記第４面が回折面を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１８】
上記第３面又は上記第４面が回折面とされた樹脂層は、透過位相型であると共に、上記第３面又は上記第４面がブレーズ形状で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１５項記載の光学ピックアップ用対物レンズ。
【請求項１９】
レーザ光を出射するレーザ発光素子と、レーザ光を光記録媒体の記録層に集光させる対物レンズと、レーザ光を受光する受光素子と、上記レーザ発光素子から出射されたレーザ光を対物レンズに入射させると共に光記録媒体の記録層で反射され上記対物レンズを透過したレーザ光を受光素子に入射させる光学素子とを有する光学ピックアップであって、
上記対物レンズは、物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、上記非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、上記基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有することを特徴とする光学ピックアップ。
【請求項２０】
上記第３面から像点までの作動距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１９項記載の光学ピックアップ。
【請求項２１】
上記第３面と像面との間に０．３ｍｍ以下の厚みを有する保護カバーが配置されると共に、上記対物レンズは、上記保護カバーに起因する球面収差を補正するようにされていることを特徴とする請求の範囲第１９記載の光学ピックアップ。
【請求項２２】
上記レーザ発光素子は、波長を４２０ｎｍ以下とするレーザ光を出射することを特徴とする請求の範囲第１９項記載の光学ピックアップ。
【請求項２３】
上記対物レンズは、更に、上記非球面から成る第３面と非球面から成る第４面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層を備えることを特徴とする請求の範囲第１９記載の光学ピックアップ。
【請求項２４】
回転するディスク状をなす光記録媒体に対し、上記光記録媒体の半径方向に移動自在とされた光学ピックアップによって情報の記録及び再生を行うディスクドライブ装置であって、
上記光学ピックアップは、４２０ｎｍ以下の波長のレーザ光を出射するレーザ発光素子と、レーザ光を光記録媒体の記録層に集光させる対物レンズと、レーザ光を受光する受光素子と、上記レーザ発光素子から出射されたレーザ光を対物レンズに入射させると共に光記録媒体の記録層で反射され上記対物レンズを透過したレーザ光を受光素子に入射させる光学素子とを有し、
上記対物レンズは、物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、上記非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、上記基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有することを特徴とするディスクドライブ装置。
【請求項２５】
上記第３面から像点までの作動距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第２４項記載のディスクドライブ装置。
【請求項２６】
上記第３面と像面との間に０．３ｍｍ以下の厚みを有する保護カバーが配置されると共に、上記対物レンズは、上記保護カバーに起因する球面収差を補正するようにされていることを特徴とする請求の範囲第２４記載のディスクドライブ装置。
【請求項２７】
上記対物レンズは、更に、上記非球面から成る第３面と非球面から成る第４面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層を備えることを特徴とする請求の範囲第２４項記載のディスクドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光記録媒体に対しレーザ光を照射して、情報の記録及び／又は再生を行うディスクドライブ装置に用いられる光学ピックアップ用の対物レンズ、この対物レンズを用いた光学ピックアップ、さらにはこの光学ピックアップを用いたディスクドライブ装置に関し、レーザ光を光記録媒体の記録面に回折限界まで集光させることができる対物レンズ、この対物レンズを用いた光学ピックアップ、この光学ピックアップを用いたディスクドライブ装置に関する。
背景技術
情報信号の記録媒体として、レーザ光を記録面に照射することによって情報の記録及び再生を行うようにされた非接触型で記録密度も高い光記録媒体が広く用いられている。光記録媒体は、記録された情報信号の検索のし易さ等の点から、ディスク状をした光記録媒体（以下、「光ディスク」という。）が広く用いられている。
光ディスクは、同心円状又は螺旋状をした記録トラックを有し、互いに隣接する記録トラック間の間隔、即ち、トラックピッチは、例えば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）の場合では約１．６μｍであったが、近年のＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｄｉｓｃ／Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）では０．７４μｍと狭くされることによって、情報信号の記録密度が大幅に向上している。
ＤＶＤ等のトラックピッチを狭くして情報の記録密度向上させた光ディスクに対しレーザ光を照射して情報信号の記録や再生を行うためには、トラックピッチの大きい光ディスクに対する場合よりも更に小さいビームスポットをその記録面上に形成する必要がある。
ところで、対物レンズによって集光されるレーザ光のビームスポットの径は、レーザ光の設計波長に比例し、対物レンズの開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、光ディスクに照射されるビームスポットの径を小さくするためには、対物レンズの高開口数化とレーザ光の短波長化が必要となる。
一方、光ディスクに相変化方式又は他の方式で情報を記録するためには高エネルギーのレーザ光が必要であるために、また、反射されたレーザ光によるレーザノイズを低減するために、レーザ発光素子の駆動電流や電圧に高周波を重ねるなどの方法によって駆動パワーを変動させて、レーザ光の波長を短い周期で変動させるようにしている。従って、可干渉性（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）のレーザ光を光ディスクに照射する光学ピックアップにおいては、数ｎｍ程度の波長の変動に起因する色収差が発生して、光ディスク上のビームスポットが大きくなってしまう。
ところで、光学ピックアップは、図１に示すように、レーザ光２００を光ディスクの記録面に集光するための対物レンズ２０１を備えている。従来用いられている対物レンズ２０１は、図１に示すように、ガラスをモールド成形した１枚のレンズで構成されたものであって、集光性の高い非球面２０１ａを有する。
この対物レンズ２０１は、図２Ａに示す球面収差の特性図、図２Ｂに示す非点収差の特性図、図２Ｃに示す歪曲収差の特性図に示すように、非球面２０１ａを用いても±２ｎｍの波長の変動に対し±０．６μｍ／ｎｍ程度の色収差が発生していることが分かる。なお、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示す各収差図において、実線は４０５ｎｍ、破線は４０３ｎｍ及び一点鎖線は４０７ｎｍにおける値を示すものであり、非点収差を示す図２Ｂにおいて、太線はサジタル像面、細線はタンジェンシャル像面における値を示すものである。
上述したように、記録トラックのトラックピッチを狭くすることによって高記録密度化が図られた光ディスクに情報を記録するには、対物レンズによって回折限界までレーザ光を集光して、より小さなビームスポットを形成することが望ましい。従来用いられている非球面２０１ａを有するガラスをモールド成形した１枚構成の対物レンズ２０１は、上述したような色収差の発生によって回折限界までのレーザ光を集光することが困難である。
発明の開示
本発明は、本発明は、上述したような従来の実情に鑑みて提案されるものであって、記録トラックのトラックピッチを狭くすることによって高記録密度化された光記録媒体に対し情報を記録し、光記録媒体に記録された情報の再生に用いられる光学ピックアップに用いて有用な新規な対物レンズを提供することを目的とするものであり、更に具体的には、小型で、色収差の補正を効果的に行うことでき、回折限界まで光ビームを集光することができる対物レンズを提供することを目的とする。
更に、本発明は、色収差の補正を効果的に行うことができ、回折限界まで光ビームを集光することができる対物レンズを用いた光学ピックアップ、この光学ピックアップを用いた光ディスクを提供をすることを目的とする。
上述のような目的を達成するために提案される本発明に係る光学ピックアップ用対物レンズは、物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有する。この対物レンズは、像面において光を回折限界近くまで集光させることができる
本発明において、回折型レンズが定義されるベース面は、必ず、非球面係数の値を持つようにしたので、回折型レンズを光学的にバランス良く安定した状態で構成することができる。
本発明に係る対物レンズは、第１面の非球面と第２面の非球面とが同一のベース曲率及び非球面係数を有するようにしたので、樹脂層の膜厚が一定になって、温度変化等に対しての安定性を増すことができるようになる。
本発明に係る対物レンズは、第１面又は第２面が回折面とされた樹脂層は、透過位相型であると共に、第１面又は第２面がブレーズ形状で構成されているので、レンズのベース面の曲率半径を小さくすることなく、レンズの開口数を高めることができる。回折面とされる第１面又は第２面がブレーズ形状とされることにより、回折面の成形時に加工不能部分等の回折効率の低下要因及び引き目等の透過率の低下要因を排除することができる。
本発明に係る対物レンズは、第１面の外周側にアパーチャを設けることにより、レンズ周縁部を使用しないようにし、光学特性の良好な部分のみを使用するように制限でき、レンズ組み立て時における製造誤差を抑制し、性能を安定化させることができる。
本発明に係る対物レンズは、回折面を、設計次数が２次以上としているので、色収差を一層効果的に補正することによって、回折限界までレーザ光のスポット径を絞り込むことを可能となし、トラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格の光記録媒体に対応することを可能とする。
本発明に係る対物レンズを構成するガラス製単レンズは、４２０ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が１．６５以上の硝材により形成したので、必然的にガラス製単レンズの形状がメニスカス形状になるため、３次の収差を最小にすることができる。
本発明に係る対物レンズは、回折面が形成された第１面又は第２面の表面に、周期が基準波長のほぼ１／２で振幅が基準波長のほぼ１／２の周期構造を有し、上記回折面の凹凸形状よりも微細な同心円状の凹凸形状が形成されたので、研磨することが不可能な複合面であっても透過率を９０％以上にすることができる。
本発明に係る対物レンズは、像面との間に０．３ｍｍ以下の厚みを有する保護カバーを配置すると共に、保護カバーに起因する球面収差を補正するようにしたので、保護カバーから発生する球面収差による影響を排除することができる。
上述したような目的を達成するために提案される本発明に係る光学ピックアップは、レーザ光を出射するレーザ発光素子と、レーザ光を光記録媒体の記録層に集光させる対物レンズと、レーザ光を受光する受光素子と、レーザ発光素子から出射されたレーザ光を対物レンズに入射させると共に光記録媒体の記録層で反射され対物レンズを透過したレーザ光を受光素子に入射させる光学素子とを有する光学ピックアップであり、この光学ピックアップに用いられる対物レンズは、物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、上記非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、上記基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有する。
この光学ピックアップは、４２０ｎｍ以下を基準とする数ｎｍ以内の波長範囲に対して色収差を効果的に補正することによって、回折限界までレーザ光のスポット径を絞り込むことが可能になるので、トラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格の光記録媒体に対応することができる。
この光学ピックアップにおいて、対物レンズの第３面から像点までの作動距離を０．５ｍｍ以上とすることにより、対物レンズが光記録媒体に干渉する等の問題を回避することができると共に、光記録媒体の記録層において光を回折限界近くまで集光させることができる。
本発明に係る光学ピックアップは、対物レンズの第３面と像面との間に０．３ｍｍ以下の厚みを有する保護カバーが配置すると共に、対物レンズに保護カバーに起因する球面収差を補正する機能を持たせることにより、保護カバーから発生する球面収差による影響を排除することができる。
上述したような目的を達成するために提案される本発明に係るディスクドライブ装置は、回転するディスク状をなす光記録媒体に対し、この光記録媒体の半径方向に移動自在とされた光学ピックアップによって情報の記録及び再生を行うディスクドライブ装置であり、この装置に用いられる光学ピックアップは、４２０ｎｍ以下の波長のレーザ光を出射するレーザ発光素子と、レーザ光を光記録媒体の記録層に集光させる対物レンズと、レーザ光を受光する受光素子と、上記レーザ発光素子から出射されたレーザ光を対物レンズに入射させると共に光記録媒体の記録層で反射され上記対物レンズを透過したレーザ光を受光素子に入射させる光学素子とを備える。ここで用いる対物レンズは、物体側より順に、非球面からなる第１面と非球面からなる第２面とを有し、少なくともいずれか一方の面に回折面を含む樹脂層と、非球面からなる第２面と非球面からなる第３面とを有するガラス製のレンズとによって構成され、基準波長が４２０ｎｍ以下で、且つ、基準波長の数ｎｍ以内の波長範囲に対して、光軸上の像面における色収差が補正されていると共に、０．８以上の開口数を有する。
このディスクドライブ装置は、光学ピックアップが、４２０ｎｍ以下を基準とする数ｎｍ以内の波長範囲に対して色収差を効果的に補正することによって、回折限界までレーザ光のスポット径を絞り込むことが可能とするので、トラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格の光記録媒体に対応することができる。
光学ピックアップに用いられる対物レンズの第３面から像点までの作動距離を０．５ｍｍ以上とすることにより、対物レンズが光記録媒体に干渉する等の問題を回避することができると共に、光記録媒体の記録層において光を回折限界近くまで集光させることができる。
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下において図面を参照して説明される実施の形態の説明から一層明らかにされるであろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る光学ピックアップ装置に用いられる対物レンズ、この対物レンズを用いた光学ピックアップ装置及び光ディスク装置を図面を参照して説明する。
以下に示す本発明の実施の形態は、本発明をディスク状の光記録媒体であるＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）に設けられる記録トラックのトラックピッチよりも狭い０．６μｍ程度のトラックピッチを有するディスク状の光記録媒体、例えば、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｄｉｓｃ／Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）等、記録トラックのトラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格のディスク状の光記録媒体に対して、情報の記録を行い、この記録媒体に記録された情報の再生を行う光ディスク装置に適用したものである。
まず、本発明に係る対物レンズを用いた光学ピックアップを用いる光ディスク装置を説明する。
本発明が適用される光ディスク装置１は、回転数を高くして記録された記録信号の読み込み及び情報信号の書き込みが高速化されたものであり、トラックピッチが非常に細かくされて記録容量が高められた、例えば、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ／Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）等の光記録媒体として用いるものであって、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置の外部記憶装置として用いられる。
ディスクドライブ装置１は、図３及び図４に示すように、各種機構が配置されたメカフレーム２を有し、メカフレーム２の上方、左右及び前後が、ネジ止め等の適宜な手段によって取り付けられたカバー体３及び前面パネル４によって覆われている。
カバー体３は、天板部３ａと該天板部３ａの両側縁からそれぞれ垂設された側面部３ｂ，３ｂと図示しない後面部とが一体に形成されている。前面パネル４には、横長の開口４ａが形成され、該開口４ａを開閉する扉体５が、その上端部を支点として前面パネル４に回動自在に支持されている。前面パネル４には、各種操作を行う複数の操作ボタン６が配設されている。
メカフレーム２は各種機構が配置される機構配置面部７ａと、機構配置面部７ａの両側縁から立設された側部７ｂ，７ｂとを有し、機構配置面部７ａの前端部にカム板や各種ギアを有するローディング機構８が配置されている。
メカフレーム２には、図４に示すように、ディスクトレイ９が図４中矢印Ａ１方向及び矢印Ａ２方向の前後方向に移動可能に支持されている。ディスクトレイ９には、前後方向に長い挿通孔９ａとディスク状の光記録媒体（以下、単に「光ディスク」という。）１００が載置されるディスク載置凹部９ｂとが形成されている。ディスク載置凹部９ｂに光ディスク１００を載置するとき、ディスクトレイ９はローディング機構８によって移動操作され、前面パネル４の開口４ａから装置本体の外部に突出され、光ディスク１００へ情報の記録又は再生を行うときには、ディスク載置凹部９ｂに光ディスク１００を載置した状態で装置本体の内部に引き込まれる。
メカフレーム２の機構配置面部７ａには、図４に示すように、移動フレーム１０がその後端部を回動支点として回動自在な状態で支持されている。
移動フレーム１０には、光ディスク１００を回転させるためのモータユニット１１が配置されている。モータユニット１１は、ディスクテーブル１１ａと駆動モータ１１ｂを含んでいる。移動フレーム１０には、光学ピックアップ１２が、図示しないガイド軸及びリードスクリューによってディスクテーブル１１ａに装着された光ディスク１００の半径方向に移動可能な状態で支持されている。
移動フレーム１０には、リードスクリューを回転させる送りモータ１３が取着されている。従って、リードスクリューが送りモータ１３によって回転されると、その回転方向に応じた方向へ光学ピックアップ１２がガイド軸に案内されて移動される。
本発明に係るディスクドライブ装置１は、光ディスク１００が、ディスクトレイ９のディスク載置凹部９ｂに載置さた状態で装置内部に引き込まれ、ディスクテーブル１１ａ上に適宜な手段によって保持され、モータユニット１１の駆動モータ１１ｂによる駆動によってディスクテーブル１１ａと共に回転されると、光学ピックアップ１２が光ディスク１００の半径方向に移動しながら、光ディスク１００に対する情報の記録又は再生が行われる。
次に、光ディスク１００に対する情報の記録又は再生を行う光学ピックアップ１２の構成について説明する。
光学ピックアップ１２は、図５に示すように、光ディスク１００の半径方向に移動自在に支持され、例えば、ハウジング１６上に支持された図示しない２軸アクチュエータを有する。ハウジング１６内には、レーザ光を発生させるレーザ発光素子１７と、このレーザ発光素子１７から出射されたレーザ光１８を平行光束にするコリメータレンズ１９等が配設され、更に、光ディスク１００の記録層にレーザ光１８を集光する、色収差補正機構を有する対物レンズ２０が図示しない２軸アクチュエータに保持されている。
光ディスク１００は、０．６μｍ程度の狭いトラックピッチを有し、基板が薄い高密度記録対応規格のものであり、光学ピックアップ１２は、このような光ディスク１００に対して情報の記録及び再生をするのに適したものである。従って、レーザ発光素子１７は、従来のＣＤ規格の波長を７８０ｎｍとするレーザ光よりも波長の短い４００ｎｍ乃至４１０ｎｍ程度の波長のレーザ光１８を発生させるものであり、レーザノイズを低減するために高周波電流を駆動電流に重ねることでレーザ光１８の波長が短い周期で変動する。
光ディスク１００の記録層に記録を行う際には、レーザ発光素子１７から高エネルギーのレーザ光１８が出射される。レーザ光１８は、コリメータレンズ１９によって平行光束にされ、対物レンズ２０によって光ディスク１００の記録層に集光され、相変化等によって情報を記録したピットが形成される。
一方、記録された情報を読みとる場合には、情報に記録を行う時よりも低エネルギーのレーザ光１８が光ディスク１００の記録層に照射され、光ディスク１００から反射されたレーザ光１８が光学ピックアップ１２内の図示しないビームスプリッタ等を含む受光系によって検出されることによって為される。
光学ピックアップ１２は、レーザノイズを低減するために光ディスク１００に照射するレーザ光１８の波長が変動するようにされている。このため、対物レンズ２０によって、光ディスク１００に集光する際の色収差を改善し、回折限界近くまで小さなビームスポットを作ることができる。
次に、色収差補正機能を有するようにされた対物レンズ２０の詳細について説明する。
対物レンズ２０は、図５及び図６に示すように、レーザ発光素子１７から出射されたレーザ光１８が入射する表面である第１面が所謂ブレーズ形状をした位相型回折光学レンズとなっている樹脂層２１と、パワーの大きいガラス製の非球面単玉レンズ２２から構成される。詳述すると、対物レンズ２０は、物体側より順に、回折型レンズを含む非球面からなる第１面ｒ１と非球面からなる第２面ｒ２とを有する樹脂層２１と、非球面からなる第２面ｒ２と非球面からなる第３面ｒ３とを有するガラス製の非球面単玉レンズ２２とによって構成されている。
ブレーズ形状をなす第１面ｒ１は、例えば、ノコギリ型の断面形状をした所謂ブレーズドホログラムとして、金型成形による樹脂層を形成する方法等の適宜な方法によって構成されたものである。
対物レンズ２０は、レンズ最終面ｒ３から像点までの作動距離を０．５ｍｍ以上、回折型レンズが定義されるベース面（＝ｒ２）は、必ず、非球面係数の値を持ち、第１面ｒ１の非球面と第２面ｒ２の非球面とは同一のベース曲率及び非球面係数を有する用にすることが望ましい。
一般に、波長λ（ｎｍ）に対して±δ（ｎｍ）の範囲で波長が変化する光源に対して、屈折型レンズと回折型レンズとを組みあわせたレンズの色消し条件は次のように導かれる。
波長λ、λ＋δ及びλ−δのときの硝材の屈折率をそれぞれ、Ｎ、Ｎ＋δ、Ｎ−δとすると、波長λ±δの範囲における部分的なアッベ数（以下、「部分アッベ数」という。）は次のように定義することができる。
即ち、屈折型レンズの部分アッベ数νｒは、以下の式１のようになる。
2002103430.tif 000003
回折型レンズの部分アッベ数νｄは、以下の式２のようになる。
2002103430.tif 000004
そして、屈折型レンズ及び回折型レンズの焦点距離をそれぞれ、ｆｒ、ｆｄとすると、これらの合成による合成レンズの焦点距離ｆは、以下の式３の関係を有し、軸上像点の色消し条件は、式４で表される。
2002103430.tif 000005
従って、式３及び式４から、式５が得られる。
2002103430.tif 000006
樹脂層２１によって構成される回折型レンズは、位相透過型のタイプで、表面形状が、断面形状でノコギリ型をしたブレーズドホログラム形状をなすものである。そして、回折型レンズのブレーズの幅は、中心の光軸から周縁部に行くに従って狭くなっている。ブレーズの最も狭い部分の幅である最小線幅をｗとすると、レーザ光１８のビーム半径Ｒと、回折型レンズの焦点距離ｆｄと、レーザ光１８の波長λとの関係は、近似的に、以下の式６のように表すことができる。
2002103430.tif 000007
なお、光学ピックアップ１２は、波長λ＝４０５ｎｍ、波長の変動δ＝２ｎｍ以内のレーザ発光素子１７を光源とするものであり、レーザビーム径φ＝３ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８５のものである。
図７は、式６を用いて、ブレーズドホログラムの最小線幅ｗと回折型レンズＬ１の焦点距離ｆｄとの関係を表したグラフである。また、図８は、式５を用いて、屈折型レンズＬ２の硝材の部分アッベ数νｒと屈折型レンズＬ２の焦点距離ｆｒ及び回折型レンズＬ１の焦点距離ｆｄとの関係を表すグラフである。
即ち、図７において、ブレーズの最小線幅ｗを２μｍとすると回折レンズＬ１の焦点距離ｆｄは７．４０ｍｍとなり、ブレーズの最小線幅ｗが３μｍのときにはｆｄは１１．１ｍｍ、ブレーズの最小線幅ｗが４μｍの時にはｆｄは１４．８ｍｍとなる。ここで、レンズのパワーは焦点距離の逆数であるから、これらの値が回折型レンズＬ１が採ることのできるパワーの最大の目安となる。
図８において、回折型レンズＬ１の焦点距離ｆｄの最小値が７．４０ｍｍであるとすると、屈折型レンズの硝材の部分アッベ数νｒは３２５以上の範囲で許容されることになる。同様に、回折型レンズＬ１の焦点距離ｆｄが１１．１ｍｍ及び１４．８ｍ時の屈折型レンズＬ２の硝材の部分アッベ数νｒの有効範囲はそれぞれ、５４０以上及び７５０以上となる。
従って、対物レンズ２０のガラスレンズ２２を構成するレンズの硝材は、ブレーズの最小線幅ｗに対する上記条件を満たし、ガラスモールド成形が可能なものを選択すればよいことになる。例えば、オハラ社製のＬＡＨ５３（商品名）によってガラスレンズ２２を構成すれば、部分アッベ数が６３０程度となり、最小線幅ｗが３μｍ程度の回折レンズと組みあわせることによって像点の色消しが可能となる。
このように開口数（ＮＡ）と、レーザビーム径φ（＝２Ｒ）と使用する光源とが決定すると、合成レンズとして構成された本発明に係る対物レンズ２０の焦点距離ｆと回折型レンズのアッベ数νｄが決定し、ブレーズの最小線幅ｗを規定すると、回折型レンズＬ１の焦点距離ｆｄの有効範囲を決定することができる。更に、前述した式から、屈折型レンズＬ２の焦点距離ｆｒと部分アッベ数νｒの有効範囲を決定することができるようになる。
一般的に、回折レンズの位相分布Φ（ｒ）は、
2002103430.tif 000008
と表記されるが、焦点距離ｆ２と係数Ｃ１との間には、以下に示す式７の関係が成り立つ。
2002103430.tif 000009
なお、係数Ｃ１は回折レンズのパワーを決定する係数であり、屈折型レンズにおけるベース面の曲率に相当する量である。従って、式７によって係数Ｃ１を選定するようにする。
回折型レンズを構成する樹脂層２１のレーザ発光素子１７側、すなわち光源側の面の曲率半径ｒ１は、３次の球面収差を最小にするよう、以下の数式８に従って選定する。
2002103430.tif 000010
また、回折型レンズとして機能する樹脂層２１の光ディスク１００側の面の曲率半径ｒ２は、必要なレンズの厚みを考慮して、その焦点距離ｆ１を一定に保つように決定される。
本発明に係る色収差機能を有する対物レンズ２０は、以上に述べた各条件を、各構成レンズの初期設定として、ベンディング及び非球面係数の最適化によって設計することが可能である。
以下に、対物レンズ２０の具体例である数値実施例について説明する。
なお、以下の説明において、「ｒｉ」はレーザ発光素子１７側から数えてｉ番目の面及びその曲率半径、「ｄｉ」はレーザ発光素子１７側から数えてｉ番目とｉ＋１番目の面との間の面間隔を示すものとする。
また、非球面形状は、「ｘ」を光軸からの高さが「ｈ」の非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離、「ｃ」を非球面頂点の曲率（＝１／Ｒ）、「ｋ」は円錐定数、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、「Ｅ」、「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｈ」及び「Ｊ」をそれぞれ第４次乃至第２０次の非球面係数とするとき、以下の式９によって定義されるものとする。
2002103430.tif 000011
回折型レンズは、振幅型と位相型とに分けられるが、本発明において樹脂層２１として構成された回折型レンズは位相型、特に、効率の点からブレーズドホログラム形状のものである。これは、一般のホログラムと同様に、製造時の２つの点光源を無限遠にあるとした時の各面上での非球面的位相のずれ係数として、基板上の曲座標多項式を使用して指定する。ここで、多項式の係数は、回折基準波長での光路差（ＯＰＤ）をｍｍ単位で与える。
即ち、回折型レンズ面上で、光軸からの高さＲの点における回折による光路差は、
2002103430.tif 000012
のように定義される。実際の形状は回折を生じさせるために、断続的に変化させる。つまり、屈折率Ｎの媒質中の光路と空気中の光路との間に生じる光路差はｔ（Ｎ−１）で与えられるので、回折レンズの各輪帯（エレメント）の段差ｄは、設計波長をλｎｍとするとき、
2002103430.tif 000013
若しくは、その整数倍となる。回折型レンズには、光路差ＯＰＤを波長λで割った余りを光路差として生じる深さを表面形状に与えることになる。
図６は、本発明に係る対物レンズ２０のレンズ構成を示すものであり、ガラスレンズ１２の硝材に前述したＬＡＨ５３を用いた例を示すものである。なお、対物レンズ２０と像面である光ディスク１００の信号記録面との間には、光ディスク１００表面に配されるポリカーボネート製の保護層２３が位置している。下記の表１に上記数値実施例の各数値を示す。
2002103430.tif 000014
表２に樹脂層２１の第１面ｒ１の回折面及び非球面、非球面とされた第２面ｒ２及び非球面とされた第３面ｒ３の４次乃至２０次の非球面係数Ａ（Ｃ２）乃至Ｊ（Ｃ１０）を示す。なお、表２中の「Ｅ」は、１０を底とする指数表現を表すものとする。
2002103430.tif 000015
上記表２に示すように、第１面ｒ１の非球面と第２面ｒ２の非球面とが同一のベース曲率及び非球面係数を有するようにしたことによって、樹脂層２１の膜厚が一定になって温度変化等に対しての安定性を増すことが可能になる。
また、表２に示すように、回折型レンズが定義されるベース面は、必ず、非球面係数の値を持つようにすることによって、回折型レンズである樹脂層２１を光学的にバランス良く安定した状態で構成することがかのうになる。
図９Ａに対物レンズ２０の球面収差を示し、図９Ｂに対物レンズ２０の非点収差を示し、図９Ｃに歪曲収差を示す。なお、図９Ａ乃至図９Ｃに示す各収差図において、実線は４０５ｎｍ、破線は４０３ｎｍ及び一点鎖線は４０７ｎｍにおける値を示すものであり、非点収差図において、太線はサジタル像面、細線はタンジェンシャル像面における値を示すものである。なお、回折基準波長は、４０５ｎｍ、設計波長は４０５ｎｍ（４０３ｎｍ乃至４０７ｎｍ）、開口数は０．８５である。
以上に説明したように、本発明に係る対物レンズ２０は、色収差補正機能を有するものであり、回折レンズを構成する樹脂層２１と、屈折型レンズとして集光性能の高い非球面単玉レンズであるガラスレンズ１２とを組みあわせてなるものである。従って、対物レンズ２０を用いた光学ピックアップ１２によって高記録密度の光ディスクへの情報の記録及び再生を行う場合、レーザ発光素子の波長が変化しても、光軸上で、ビームスポットの焦点位置の移動を０．０５μｍ／ｎｍ程度以内に抑えることが可能になり、光ディスクドライブ装置１における情報の記録及び再生動作を安定して行うことが可能となる。
本発明に係る対物レンズ２０は、前述した図１に示す従来の１枚構成の対物レンズａではレーザ光の±２ｎｍの波長の変動に対し±０．６μｍ／ｎｍ程度の色収差が発生するのに対し、同様の±２ｎｍ波長の変動に対し色収差が０．０１μｍ／ｎｍ程度に収まるものである。一般に、光学ピックアップのような光学系においては色収差を０．０５μｍ／ｎｍ以下にすることが要求されるが、本発明に係わる対物レンズ１０を用いることによって、十分な性能を得ることができるようになる。従って、対物レンズ２０によって、高密度記録の光ディスクに対応した、小径のスポット形成可能な光学ピックアップ及び光ディスクドライブ装置を提供するとが可能になる。
なお、対物レンズ２０のレンズ最終面ｒ３から像点までの作動距離は、０．５ｍｍ以上であることが望ましい。これは、作動距離が短いと、光ディスク表面に付着した埃等のゴミに対物レンズ２０のレンズ最終面ｒ３が接触又は衝突する可能性があり、更に、最悪の場合は、レンズ最終面ｒ３と光ディスクとが衝突し、互いに損傷を受ける可能性もある。
本発明に係る対物レンズ２０においては、色収差を効果的に補正することができるので、今後の光ディスクの主流となる書き込み可能な光ディスクに対応するレーザパワーの大きな、即ち、レーザパワーを変動させてレーザノイズを低減する手段を備えた光学ピックアップに採用することにより、高密度記録情報の再生及び記録性能に優れたものとすることが可能になる。
本発明に係る対物レンズ２０は、必要なパワーを回折型レンズと屈折型レンズに分散させることが可能であるので、同一の硝材を用いた場合、従来の対物レンズの単玉レンズに比べ、屈折型レンズであるガラスレンズ１２のパワーを小さく設計することできるので、回折型レンズを構成する樹脂層２１のベース面となる面の曲率を抑えた設計が可能となる。
更に、本発明に係る対物レンズ２０は、回折型レンズと屈折型レンズとが一体化した単玉タイプのものであるので、光学ピックアップ及び光ディスクドライブ装置において、部品点数の削減、小型化及び組み立て工程の簡素化が可能となる。
上述した対物レンズ２０は、図５及び図６に示すように、物体側より順に、回折型レンズを含む非球面からなる第１面ｒ１と非球面からなる第２面ｒ２とを有する樹脂層２１と、非球面からなる第２面ｒ２と非球面からなる第３面ｒ３とを有するガラス製の非球面単玉レンズ２２とによって構成されている。本発明に係る対物レンズ２０は、この例に限らず、物体側より順に、第２面ｒ２を回折型レンズを含む非球面としてもよい。すなわち、物体側より順に、非球面からなる第１面ｒ１と回折型レンズを含む非球面からなる第２面ｒ２とを有する樹脂層２１と、回折型レンズを含む非球面からなる第２面ｒ２と非球面からなる第３面ｒ３とを有するガラス製の非球面単玉レンズ２２とによって構成するようにしてもよい。
回折型レンズを含むブレーズ形状をなす第２面ｒ２は、例えば、ノコギリ型の断面形状をした所謂ブレーズドホログラムとして、金型成形による樹脂層を形成する方法、ガラス製のレンズの表面を切削する等する適宜な方法によって形成することができる。
次に、本発明に係る光学ピックアップ及びこの光学ピックアップに用いられる対物レンズの他の例を図面を参照して説明する。
この光学ピックアップ３２も前述した光学ピックアップと同様に、図示しないガイド軸及びリードスクリューによってシャーシ１１に支持された移動ベース１４上に、レーザ光を出射する発光素子や受光素子等を含む所要の光学素子と、対物レンズ３５を支持した図示しない２軸アクチュエータ等が搭載されている。
光学ピックアップ３２は、図１０に示すように、光ディスク１００の半径方向に移動自在に支持され、例えば、ハウジング３３上に支持された図示しない２軸アクチュエータを有する。ハウジング３３内には、レーザ光を発生させるレーザ発光素子３７と、このレーザ発光素子３７から出射されたレーザ光３８を平行光束にするコリメータレンズ３９等が配設されている。レーザ発光素子３７から出射したレーザ光３８は、コリメータレンズ３９によって平行光束にされ、対物レンズ３５によって光ディスク１００の記録層に集光される。
ところで、光学ピックアップ３２は、情報の記録密度が高い光ディスク１００に情報の記録及び情報の再生を行うことができるようにされたものである。従って、レーザ発光素子３７は、７８０ｎｍの波長のレーザ光を発生する従来のＣＤ規格のレーザ発光素子よりも短い波長、例えば、４００ｎｍ乃至４１０ｎｍ程度のレーザ光を発生するものであり、レーザノイズを低減するために高周波電流を駆動電流に重ねることでレーザ光の波長が短い周期で変動する。
光ディスク１００に記録を行う際には、レーザ発光素子３７から高エネルギーのレーザ光が出射され、コリメータレンズ３９によって平行光束にされ、この平行光束にされたレーザ光３８が対物レンズ３５に入射して光ディスク１００の記録層上に集光されレーザスポットを形成する。このレーザ光のエネルギーによって記録層が、例えば、相変化し、情報信号に対応したピットを形成し、情報信号の記録が行われる。
一方、光ディスク１００に記録された情報を再生する場合には、情報に記録を行う時よりも低エネルギーのレーザ光がレーザ発光素子３７から出射され、コリメータレンズ３９によって平行光束にされ、この平行光束にされたレーザ光３８が対物レンズ３５に入射して光ディスク１００の記録層上に集光されレーザスポットを形成する。光ディスク１００の記録層で反射されたレーザ光が入射時とはとは逆の光路を経て、光学ピックアップ３２内の受光素子等を含む図示しない受光系によって検出される。
対物レンズ３５の作動距離、即ち、対物レンズ３５を構成するレンズの最も光ディスク１００寄りの面から像点、すなわち、光ディスク１００のレーザ光が集光する記録層までの距離が０．５ｍｍ以上とされている。
次に、本発明に係る他の対物レンズ３５について具体的に説明する。
対物レンズ３５は、図１１に示すように、第１面としての屈折及び回折複合面Ｓ１を有するものであり、屈折型レンズ３５ｒと、複合型レンズ３５ｄとによって構成される。
屈折型レンズ３５ｒは、屈折力の大きいメニスカス形状のガラス製の両面非球面単玉レンズからなる。また、複合型レンズ３５ｄは、屈折型レンズ３５ｒの光源側の面である第２面Ｓ２上に適宜な樹脂材料を積層して形成した樹脂層４０より構成されている。
第１面としての屈折及び回折複合面（以下、単に「複合面」という。）Ｓ１は、樹脂層４０の表面である屈折面Ｓ１ｒが屈折型レンズ３５ｒの面Ｓ２、即ち第２面と同じ非球面形状の曲率を有するようにされると共に、屈折面Ｓ１ｒをベース面、即ち、回折面が定義される基準面としてブレーズ形状又は該ブレーズ形状の一形状である所謂階段形状の位相型回折面Ｓ１ｄであるホログラムを屈折面Ｓ１ｒに付加することによって形成されている。
従って、対物レンズ３５は、樹脂層４０により構成された複合型レンズ３５ｄとガラス製の屈折型レンズ３５ｒとの接合レンズによって構成されているとみることができる。
本発明に係る対物レンズ３５を構成する複合型レンズ３５ｄは、色収差を補正する役割を果たすものであり、屈折型レンズ３５ｒは、レーザ光のビームスポットを所定の大きさに集光する役割を果たすものである。
以下の説明において、レンズ及び他の構成要素の面番号は、光源としてのレーザ発光素子側から、１、２、３、…と順に数えるものとし、「Ｓｉ」は光源側から数えてｉ番目の面、「ｒｉ」は光源側から数えてｉ番目の面Ｓｉの曲率半径、「ｄｉ」は光源側から数えてｉ番目とｉ＋１番目の面との間の光軸上における面間隔を示すものとする。非球面形状は、「ｘ」を光軸からの高さが「ｈ」の非球面上の点の、非球面頂点の接平面からの距離、「ｃ」を非球面頂点の曲率（＝１／Ｒ）、「ｋ」を円錐定数、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」、「Ｅ」、「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｈ」及び「Ｊ」をそれぞれ第４次乃至第２０次の非球面係数とするとき、以下の式１０によって定義されるものとする。
2002103430.tif 000016
一般的に、回折面に使用される回折光学素子は、振幅型と位相型とに分けられるが、対物レンズ３５の回折面Ｓ２ｄに用いられるものは位相型、特に、効率の点から所謂ブレーズ形状をしたブレーズドホログラムである。このブレーズドホログラムは、一般のホログラムと同様に、製造時に２つの点光源を無限遠にあるとした時の各面上での非球面的位相のずれ係数として、基板上の曲座標を多項式を使用して指定してなるものである。ここで、式１０に示す多項式の係数は、回折基準波長での光路差（ＯＰＤ）をｍｍ単位で与える。即ち、回折面上で光軸からの高さＲの点における回折による光路差は、
2002103430.tif 000017
のように定義される。実際の回折面の形状は、回折を生じさせるために断続的に変化させることになる。つまり、屈折率Ｎの媒質中の光路と空気中の光路との間に生じる光路差はｔ（Ｎ−１）で与えられるので、回折面の各輪帯（エレメント）の段差ｄは、設計波長をλ（ｎｍ）とする時、
2002103430.tif 000018
または、その整数倍となる。回折面のブレーズ形状は、光路差ＯＰＤを波長λで割った余りを光路差として生じる深さを表面形状に与えることになる。
上述したように、屈折型レンズ３５ｒの光源側の面Ｓ２である第２面に積層された樹脂層４０の表面に第１面としての複合面Ｓ１を形成するようにしたのは、屈折型レンズ３５ｒに金型成形を行うことができない材質（硝材）を使用する場合であっても、金型の回折面形状が転写された樹脂層４０を積層することによって屈折及び回折複合面を形成することを可能にするためである。従って、屈折型レンズ３５ｒに使用する材質の選択範囲を大幅に広げることが可能である。
本発明に係る対物レンズは、図１２に示すように構成されたものであってもよい。図１２に示す対物レンズ３５Ａは、屈折型レンズ３５ｒと複合型レンズ３５ｄからなる対物レンズ３５の像側に、更に複合型レンズ３５ｄ１を付加したものである。
屈折型レンズ３５ｒは、屈折力の大きいメニスカス形状のガラス製両面非球面単玉レンズからなる。複合型レンズ３５ｄは、屈折型レンズ３５ｒの光源側の面である第２面Ｓ２に適宜な樹脂材料を積層して形成された樹脂層４０によって構成されている。複合型レンズ３５ｄ１は、屈折型レンズ３５ｒの像側の面である第３面Ｓ３に適宜な樹脂材料からなる樹脂層４１を積層して形成される。
第１面としての複合面Ｓ１は、複合型レンズ３５を構成する樹脂層４０の表面である屈折面Ｓ１ｒが屈折型レンズ３５ｒの面Ｓ２、即ち第２面と同じ曲率の非球面形状を有すると共に、屈折面Ｓ１ｒをベース面、即ち、回折面が定義される基準面としてブレーズ形状又はブレーズ形状の一形状である所謂階段形状の位相型回折面Ｓ１ｄであるホログラムを屈折面Ｓ１ｒに付加することによって形成されている。
第４面としての複合面Ｓ４は、樹脂層４１の表面である屈折面Ｓ４ｒが屈折型レンズ３５ｒの面Ｓ３と同じ曲率の非球面形状を有するようにされると共に、屈折面Ｓ４ｒをベース面、即ち回折面が定義される基準面としてブレーズ形状又はブレーズ形状の一形状である所謂階段形状の位相型回折面Ｓ４ｄであるホログラムを屈折面Ｓ４ｒに付加することによって形成されている。
従って、本発明に係る対物レンズ３５Ａは、樹脂層４０により構成された複合型レンズ３５ｄとガラス製の屈折型レンズ３５ｒと、樹脂層４１により構成された複合型レンズ３５ｄ１との３枚接合レンズによって構成されていると見ることができる。
本発明に係る対物レンズ３５Ａにおいては、複合型レンズ３５ｄは、色収差を補正する役割を果たすものであり、屈折型レンズ３５ｒは、レーザ光のビームスポットを所定の大きさに集光する役割を果たすものであり、複合型レンズ３５ｄ１は対物レンズの像高特性を向上させる役割を果たすものである。
ところで、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、複合型レンズ３５ｄ、３５ｄ１の表面、即ち、第１面としての複合面Ｓ１又は第４面としての復号面Ｓ４には、後述するように、金型の転写面に形成されたタイヤモンドバイトの移動軌跡である引き目構造が転写される。対物レンズ３５及び３５Ａにおいては、金型作成時にダイヤモンドバイトの移動をコントロールすることによって、引き目構造をブレーズ形状の等位相線と一致するように、基準波長の１／２程度の周期を有する同心円形状に形成するようにしたものである。この凹凸形状の振幅の高低差は、基準波長の１／２程度の位相差を与える厚みを有するように構成されている。
従って、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａの複合型レンズ３５ｄ又は３５ｄ、３５ｄ１の複合面Ｓ１又はＳ４の表面にはブレーズ形状の等位相線と一致するように、基準波長の１／２程度の周期を有する凹凸形状が同心円状に形成されている。
なお、図１２に示す本発明に係る対物レンズ３５Ａでは、樹脂層４１のガラス製の屈折型レンズ３５ｒの面と接触する屈折面としての第３面Ｓ３にブレーズ形状又はブレーズ形状の一形状である所謂階段形状の位相型回折面であるホログラムを付加するようにしてもよい。
この場合にも、樹脂層４０の屈折型レンズ３５ｒの第２面Ｓ２と接触する屈折面を構成する第２面Ｓ２に更にブレーズ形状又はブレーズ形状の一形状である所謂階段形状の位相型回折面であるホログラムを付加するようにしてもよい。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａのように、複合型レンズ３５ｄ又は３５ｄ、３５ｄ１を使用すると、レンズの径を大きくすることなく開口数（ＮＡ）を高めることが可能となる。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、図１０に示すように、合成樹脂等の適宜な材質によって両端が開口した略円筒形状に形成されたレンズホルダ４５に芯出し等の光学的調整を行って保持されている。このように、対物レンズ３５及び３５Ａを、予め、レンズホルダ４５内に配置しておけば、対物レンズ３５を光学ピックアップ３２に組み込む際の作業性を向上させることが可能になる。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、４２０ｎｍ以下を基準とする数ｎｍ以内の波長範囲の光に対して光軸上の像点における色収差の補正を行うようにされ、屈折型レンズ３５ｒに４２０ｎｍ以下の波長の光に対する屈折率が１．６５以上の硝材が使用され、１．９ｍｍ以下の有効焦点距離を有するようにされると共に、屈折型レンズ３５ｒに積層される樹脂層４０及び４１の厚みは０．１ｍｍ以下とされる。
また、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、屈折力の大きい最も光源側の複合面Ｓ１上にアパーチャ４６が設けられ、また、像面との間に０．３ｍｍ以下（実際には０．１ｍｍ程度）の厚みを有する保護カバー４２が配置されると共に、保護カバー４２に起因する球面収差を補正するようにされる。なお、アパーチャ４６は、対物レンズ３５及び３５Ａの最も光源側に位置する第１面Ｓ１（複合面）、即ち物体側の外周部分の全周に亘って適宜な金属を蒸着することによって帯状に形成された金属薄膜により構成されている。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいては、複合面Ｓ１を構成する屈折面Ｓ１ｒの非球面形状と屈折型レンズ３５ｒの樹脂層４０が積層される第２面Ｓ２の非球面係数とを同一にした。更に、対物レンズ３５Ａにおいては、複合面Ｓ４を構成する屈折面Ｓ４ｒの非球面形状と屈折型レンズ３５ｒの樹脂層４１が積層される第３面Ｓ３の非球面形状とを同一にした。
即ち、樹脂層４０及び４１の厚みは、後述するように例えば０．１ｍｍ及び０．０１ｍｍ程度の極めて薄いものであるので、屈折面Ｓ１ｒの非球面形状と第２面Ｓ２の非球面形状とを同一にすること及び屈折面Ｓ４ｒの非球面形状と第３面Ｓ３の非球面形状とを同一にすることによって、樹脂層４０及び４１は、厚みが略均一であると見なすことができる。これは、樹脂層４０及び４１の厚みを略均一にすると、例えば、紫外線硬化樹脂を用いてエッチングによって複合面Ｓ１、Ｓ４を形成する場合、樹脂層上における露光時の紫外線照射条件の位置的なバラツキを最小限に抑えることが可能になるからである。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａの最も光源側の面Ｓ１にアパーチャ４６を設ける構成にしたのは、アパーチャ４６に対する対物レンズ３５及び３５Ａの組み立て誤差を０にすると共に、レンズの周縁部を使用しないで、光学特性の良好な部分のみを使用するように制限することによって性能を安定化させることを目的としたものである。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいて、複合型レンズ３５ｄ及び３５ｄ１は、設計次数が２次以上の高次回折光を使用するように構成することが望ましい。詳しくは後述するが、回折面Ｓ１ｄは断面形状で階段状をなす形状にすることが望ましい。
更に、対物レンズ３５及び３５Ａは、０．５ｍｍ以上のレンズ最終面（最も像側の面）から像点までの距離、即ち、作動距離を有するようにされている。従来、開口数の大きな２群構成のレンズ、例えば、Ｓｏｌｉｄ  Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｌｅｎｓ（ＳＩＬ）においては、作動距離が０．１ｍｍ程度の場合があった。このように作動距離が短いと、対物レンズと光ディスクとの衝突を避け得ない等の問題があった。従って、本発明では、上述のように、レンズ最終面から像点までの作動距離を０．５ｍｍ以上に規定した。
次に、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいて、レーザ光を回折限界まで集光するために必要な色消し（色収差の補正）の条件について説明する。
一般に、波長λ（ｎｍ）に対して±δ（ｎｍ）の範囲で波長が変化する光源に対して、屈折型レンズと回折型レンズとを組み合わせたレンズの色消し条件は次のように導かれる。
即ち、波長λ、λ＋δ及びλ−δの時の硝材の屈折率をそれぞれ、Ｎ、Ｎ＋δ、Ｎ−δとすると、波長λ±δの範囲における部分的なアッベ数（以下、「部分アッベ数」という。）νｒは次の式１１のように表わすことができる。
2002103430.tif 000019
また、回折型レンズの部分アッベ数νｄは、次の式１２のようになる。
2002103430.tif 000020
屈折型レンズ及び回折型レンズの焦点距離をそれぞれ、ｆｒ、ｆｄとすると、これらの合成による合成レンズの焦点距離ｆは、次の式１３の関係を有し、光軸上における像点の色消し条件は、数式１４で表される。
2002103430.tif 000021
従って、上記式１３及び式１４から、次の式１５に示す、屈折型レンズの焦点距離ｆｒと回折型レンズの焦点距離ｆｄがそれぞれ得られる。
2002103430.tif 000022
なお、屈折型レンズの部分アッベ数νｒはレンズ材質の屈折率によって決定され、回折型レンズの部分アッベ数νｄはレーザ光の使用波長によって決定される。ここで、レンズ材質の屈折率が波長によって変化することを考慮すると、屈折型レンズの部分アッベ数νｒは、レンズ材質とレーザ光の使用波長によって決定されるということができ、回折型レンズの部分アッベ数νｄはレーザ光の使用波長のみによって決定されるということができる。
本発明に係る対物レンズ３５のような屈折型レンズと回折型レンズとの複合レンズにおける軸上色消し条件は、レーザ光の使用波長λ、レーザ光の揺らぎ量、即ち波長の変動量δ、レンズの材質、入射レーザ光のビーム径及び開口数（ＮＡ）を決定することによって、一意に決定される。
従って、光学ピックアップ用の対物レンズの場合、レーザ光の設計波長、レーザ光のビーム径、対物レンズの開口数は固定されたパラメータとなるため、レンズの材質が決定されると、屈折及び回折複合レンズにおける軸上色消し条件が決定されることになる。例えば、ＮＡ＝０．８、レーザ光のビーム径３ｍｍ、λ＝４１０ｎｍ、δ＝±１０ｎｍとし、屈折型レンズ３５ｒの材質としてＬＡＨ５３（株式会社オハラの商品名）を使用した場合、屈折型レンズ３５ｒの焦点距離ｆｒは２．１８ｍｍ、回折型レンズ３５ｄの焦点距離ｆｄは１３．３１ｍｍとなる。
次に、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａの両面非球面単レンズである屈折型レンズ３５ｒの形状について説明する。
単レンズの形状を定量的に表現する量として、一般的に、シェイプファクタｑとポジションファクタｐとがあり、これらの定義は、次の式１６に示すとおりである。
2002103430.tif 000023
上記式１６において、ｒ２、ｒ３は単レンズ３５ｒの第１面及び第２面の曲率半径をそれぞれ示し、ｓ、ｓ’は物点間距離及び像点間距離をそれぞれ示すものである。
ところで、本発明に係る対物レンズ３５を構成する単レンズ３５ｒは、シェイプファクタｑの値が、±１の時は平凹レンズとなり、−１乃至１の時は両凸レンズ、そしてこれら以外の時はメニスカス形状となり、ポジションファクタｐは、無限系のレンズの時はｓ＝∞で、ｓ’は焦点距離ｆと等しいためｓ’＝−１となる。このため、３次の球面収差及びコマ収差はそれぞれ、シェイプファクタｑの２次関数及び１次関数として表記することができる。３次の球面収差を極小にするシェイプファクタｑをｑ＿ＳＡ、３次のコマ収差を０にするシェイプファクタｑをｑ＿ＣＭとすると、これらは次の式１７に示すように表わすことができる。なお、ｎは硝材の屈折率である。
2002103430.tif 000024
上記式１７のｑ＿ＳＡを表す式をｎに関する２次方程式として考えると、屈折率ｎが１．６８６以上の硝材を選択すると、常にｑ＿ＳＡ＞１となり、３次の球面収差を極小とするレンズ形状がメニスカス形状であることが導かれる。また、式１７のｑ＿ＣＭを表わす式をｎに関する２次方程式として考えると、屈折率ｎが１．６１８以上の硝材を選択すると、常にｑ＿ＣＭ＞１となり、３次のコマ収差を０にするレンズ形状がメニスカス形状であることが導かれる。
屈折率ｎを１．６８６以上の硝材を用いる場合、レンズ形状をメニスカス形状にすると３次の収差を最小にすることが可能になる。例として、高屈折率硝材である前出のＬＡＨ５３（ｎ＝１．８３）を使用すると、ｑ＿ＳＡは１．２３７、ｑ＿ＣＭは１．３７８となる。
従って、シェイプファクタｑの値が１以上になって、レンズ形状は、上記のように３次の球面収差を極小にすることが可能で、コマ収差を０にすることも可能なメニスカス形状となる。
算出したそれぞれのシェイプファクタｑ＿ＳＡ及びｑ＿ＣＭとレンズメーカの公式を用いて、レンズの第１面及び第２面の曲率半径ｒ２及びｒ３は、シェイプファクタｑ、焦点距離ｆ及び硝材の屈折率ｎを用いて次の式１８のように表わすことができる。
2002103430.tif 000025
従って、対物レンズ３５に用いる屈折型レンズ３５ｒは、上記式１８を用いて各面の曲率半径を求め、ベンディングにより各値を決定することになる。
次に、金型５２の転写面にダイヤモンドバイトを用いた旋盤での切削加工によって屈折面に回折面が付加されてなる複合面の転写形状を作成し、この転写形状を樹脂層４０に転写することによって形成される対物レンズ３５の複合面Ｓ１及び３５Ａの複合面Ｓ１、Ｓ４の形状について説明する。なお、以下の説明は、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａの複合面Ｓ１の形成過程についての説明であるが、対物レンズ３５Ａの複合面Ｓ４の形成過程も複合面Ｓ１の転写形状の形成過程と基本的には同一であるので、対物レンズ３５Ａの複合面Ｓ４の転写形状の形成過程についての説明は省略する。
図１３に複合面Ｓ１の転写形状の作成の様子を示すように、金型材料であるブランク２３を旋盤の回転軸２４を中心として矢印Ｓの方向に回転させ、ダイヤモンドバイト（以下、単に「バイト」という。）５６を上下させながら矢印Ｔ方向に移動させると、転写面５２ａに屈折面に回折面形状（回折格子形状）が付加された複合面が形成された金型５２が作成される。
図１４Ａ乃至図１４Ｅは、バイト５６の先端部５６ａの形状と、バイト５６によってそれぞれ曲率半径の異なる正の屈折力を有する非球面のベース面上に回折面を作成した複合面を有する金型の転写形状を拡大して示すものである。
即ち、図１４Ａは、金型５２Ａの転写面５２Ａａ上に、正の屈折力を有する屈折面５９ｒをベース面として正の屈折力を有する回折面５９ｄを付加してなる複合面（転写形状）５９をバイト５６によって切削加工する際の断面形状を示すものである。この複合面５９においては、屈折面５９ｒの傾きの方向と回折面５９ｄの傾きの方向とが同一であり、複合面５９のブレーズ角度θが鋭角となるため、厳密には尖った形状にすることが不可能なバイト５６の先端部５６ａによって切削不能部分６０ができてしまう。
図１４Ｂは、金型５２Ｂの転写面５２Ｂａ上に、屈折力が０の平面である屈折面６１ｒをベース面として正の屈折力を有する回折面６１ｄを付加してなる複合面（転写形状）６１をバイト５６によって切削加工する際の断面形状を示すものである。この複合面６１においても、ブレーズ角度θが鋭角となるため、バイト５６の先端部５６ａによって切削不能部分６０ができてしまう。
また、図１４Ｃは、金型５２Ｃの転写面５２Ｃａ上に、負の屈折力を有する屈折面６２ｒをベース面として正の屈折力を有する回折面６２ｄを付加してなる複合面（転写形状）６２をバイト５６によって切削加工する際の断面形状を示すものである。この複合面６２においては、屈折面６２ｒの傾きの方向と回折面６２ｄの傾きの方向とは逆向きとなるが、回折面６２ｄの傾きの方がより大きいため、複合面６２のブレーズ角度θが鋭角となって、バイト５６の先端部５６ａによって切削不能部分６０ができてしまう。
図１４Ｄは、金型５２Ｄの転写面５２Ｄａ上に、負の屈折力を有する屈折面６３ｒをベース面として正の屈折力を有する回折面６３ｄを付加してなる複合面（転写形状）６３をバイト５６によって切削加工する際の断面形状を示すものである。この複合面６３においては、屈折面６３ｒの傾きの方向と回折面６３ｄの傾きの方向とが逆向きであり、複合面６３のブレーズ角度θが直角となるため、ブレーズ形状を全て切削することが可能になって、バイト５６の先端部５６ａによる切削不能部分ができることがない。
更に、図１４Ｅは、金型５２Ｅの転写面５２Ｅａ上に、負の屈折力を有する屈折面６４ｒをベース面として正の屈折力を有する回折面６４ｄを付加してなる複合面（転写形状）６４をバイト５６によって切削加工する際の断面形状を示すものである。この複合面６４においても、屈折面６４ｒの傾きの方向と回折面６４ｄの傾きの方向とが逆向きとなり、回折面６４ｄの傾きの方が屈折面６４ｒの傾きよりも小さく、複合面６４のブレーズ角度θが鈍角となるため、ブレーズ形状を全て切削することが可能になって、バイト５６の先端部５６ａによる切削不能部分ができることがない。
図１５は、回折面の回折角が一定の時の設計次数と、図１６に示す一定の周期Ｌを有するブレーズ形状６５のバイト５６による切削不能部分６０の削り残しの量（幅）ｂと、回折効率（ｂ＝０の時を１００とした時の比率で表す）との関係を示す図である。なお、図１６は、レーザ光の波長は４０５μｍ、ブレーズの最小幅を２μｍとした時の１次回折光の回折角である１１．７°を目安として回折効率を計算した結果である。
即ち、図１５において、削り残し幅が０μｍの場合では次数に関係なく回折効率は１００％であるが、例えば、削り残し幅が１μｍの場合は１次光の回折効率Ａが４０％以下となる。従って、このような状況下で回折効率を９０％以上とするためには、設計次数を１０次以上にする必要があることが分かる。
なお、図１５中Ｂは、２次光の回折効率であり、図１５中Ｃは、５次光の回折効率であり、図１５中Ｄは、１０次光の回折効率である。
このため、図１４Ａ乃至１４Ｃに示した複合面５９、６１及び６２のように切削不能部分６０が発生する複合面の場合では、必要となる回折角と、金型５２の転写面２２ａの加工に使用するバイト５６の先端部５６ａの形状に伴う切削不能部分６０の削り残し幅に応じた次数の高次の回折光を使用する設計が必要となる。
一方、図１４Ｄ及び１４Ｅに示した複合面６３及び６４のように切削不能部分が発生しない形状の回折面を有する場合では、必要となる回折角に対し、バイト５６の先端部５６ａの形状や回折光の次数に対する制約が無くなる。特に、図１４Ｄに示すように、複合面６４がブレーズ角度θが直角の階段形状の回折面６４ｄを有する場合には、複合面６４の中心付近から最外周部分に至るまで各ブレーズの同じ部分の面同士が平行となるため、加工及び形状の評価が容易になるという利点を有する。
次に、本発明に係る対物レンズ３５、３５Ａの、複合型レンズ３５ｄ、３５ｄ１の表面である複合面Ｓ１、Ｓ４に形成された、周期が基準波長（４０５ｎｍ）の１／２程度で振幅が基準波長の１／２程度の周期構造を有する同心円状の微細な凹凸形状について説明する。
前述した図１３に示すように、金型５２は、ブランク５３を旋盤の回転軸５４を中心として矢印Ｓ方向に回転させ、ブランク５３に対してバイト５６を上下させながら矢印Ｔ方向に移動させて転写面５２ａを切削することによって作成される。
そして、図１７に金型５２の転写面５２ａに作成される対物レンズ３５及び３５Ａの複合面Ｓ１又はＳ４のブレーズ転写形状を拡大して示すように、破線で示す理想的ブレーズ形状（転写形状）６５Ａに沿ってバイト５６を連続的に移動させて転写面５２ａの切削を行うと、理想的ブレーズ形状６５Ａとの加工誤差として切削不能部分６６及び引き目構造６７が形成されたブレーズ転写形状が作成される。
図１８Ａは、バイト５６がブレーズの最下点を削っている様子を示すものである。即ち、回転するブランク５３に対しバイト５６は理想的ブレーズ形状６５Ａに沿って移動し、そして、バイト５６による加工途中の断面形状６８では、バイト５６の下部に切削不能部分６６が残ることになる。
図１８Ｂは、図１８Ａに示す状態からブランク５３が一回転した後に、バイト５６がブレーズ最下点付近を削っている様子を示すものである。バイト５６は理想的ブレーズ形状６５Ａに沿って移動し、ブランク５３は一定速度で回転しているため、１回転毎のバイト５６の切削跡は微視的に見ると連続とはならず、引き目構造６７が形成される。従って、金型成形によって引き目構造６７が対物レンズに転写されることによって、図１７に二点鎖線で金型の転写形状による対物レンズのブレーズ形状を拡大して示すように、対物レンズの複合面の表面には微細な凹凸形状６９が形成される。
ところで、図１９は、引き目構造３７が転写されて凹凸形状６９が形成された対物レンズの複合面の透過及び反射の様子を拡大して示すものである。レーザ光７０は一部が表面で乱反射されて反射光７０ａ，７０ａ，・・・なって透過率を減少させると共に、透過光７１も凹凸形状６９の面形状によって予想外の方向に屈折されて迷光７１ａ，７１ａ，・・・等を生じてしまい、凹凸形状６９が形成された面の透過率を更に悪化させることになる。対物レンズ３５及び３５Ａの複合面Ｓ１、Ｓ４は、金型５２の引き目構造６７が転写されて凹凸形状６９が形成されてしまうにも関わらず、ブレーズ形状（回折光学素子）が形成されているため研磨することが不可能である。
従って、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいては、金型５２の転写面５２ａの加工時において、金型５２の材料であるブランク５３に対するバイト５６の移動を最適にコントロールすることによって、引き目構造６７を、周期が基準波長の１／２程度で振幅が基準波長の１／２程度の周期構造を有する同心円状に形成し、引き目構造６７が複合面Ｓ１又はＳ４の表面に転写されることによって形成される凹凸形状６９が上記周期及び振幅を有するようにしたものである。なお、凹凸形状６９の向きは、ブレーズ転写形状の向きと一致、即ち、各ブレーズの形状と凹凸形状の斜面の向きを略一致させて相似形にすることが望ましい。
図２０及び図２１は、凹凸形状６９を上述したような周期と振幅とを有するようにした経緯を説明するためのものである。
図２０は、引き目構造の転写形状である凹凸形状の周期を使用波長と同程度の構造である０．５μｍにした時において、凹凸形状の振幅（高さ）と透過率との関係を示す図である。比較のため、本発明に使用する青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）入射する場合と、従来から用いられている赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を入射する場合の計算結果を併記してある。
図２１は、引き目構造の転写形状である凹凸形状の周期を使用波長の１／２程度の構造である０．２μｍにしたときにおいて、凹凸形状の振幅（高さ）と透過率との関係を示す図である。比較のため、本発明に使用する青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）を入射する場合と、従来から用いられている赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を入射する場合の計算結果を併記してある。
凹凸形状の周期０．５μｍは、赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を基準に換算すると、波長以下の構造を取るが、青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）を基準に換算すると、波長程度又はそれ以上の構造を取ることになる。
一方、凹凸形状の周期０．２μｍは、赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を基準に換算しても、青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）を基準に換算しても波長の１／２以下または同程度の構造を取ることになる。
即ち、図２０に示す凹凸形状の周期０．５μｍの表面に対し、青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）を入射した場合、振幅（高さ）が大きくなるとこれに伴い透過率が低下する。使用波長と同程度である０．５μｍの振幅（高さ）になると透過率が３０％以下になる。
同様の面に対し、赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を入射した場合、振幅（高さ）が０から波長程度の範囲であれば、高さに関係なく透過率は８５％程度以上となる。
また、図２１に示す凹凸形状の周期０．２μｍの表面に対し、青色レーザＢｕ（波長４０５ｎｍ）を入射した場合と、同様の面に対し、赤色レーザＲｅ（波長６５０ｎｍ）を入射した場合、振幅（高さ）が０から各波長程度の範囲にあれば、高さに関係なく透過率は９５％程度以上となる。
更に、振幅（高さ）を波長の１／２から波長と同程度の範囲に制御すれば、反射防止効果を持った表面となる。
なお、金型５２の転写面５２ａへ屈折面に回折面を組み合わせてなる複合面の転写形状を形成する方法は、上述した旋盤とバイト５６を用いて切削によって形成する方法の他に、所謂エッチングによる方法、薄膜堆積法等の半導体の製造時に用いられるプロセスを用いることが可能である。
ところで、前述のように、対物レンズ３５及び３５Ａの屈折型レンズである非球面単玉レンズ３５ｒの形状は、高い屈折率を有する硝材を使用するため、メニスカス形状となる。このため、レーザ光の入射側の面に回折・屈折複合面を設ける場合、該複合面の形状は、ベース面が、曲率が大きく、正の屈折力を有するので、図１４Ａに示す複合面５９の形状が転写された形状となる。また、対物レンズ３５Ａのように、レーザ光の出射側の面に回折・屈折複合面を設ける場合では、ベース面の曲率が比較的緩い負の屈折力を有する面であるため、図１４Ｃ乃至１４Ｅのうちのいずれかの複合面６２，６３，６４の形状が転写された面となる。
以下に図１４Ｄ及び図１４Ｅに示す階段形状位相型回折格子の設計について説明する。
回折面のサグ量ＡＳＰ（ｒ）は、光学設計用ソフトウェア“ＣＯＤＥＶ”によって式１９のように定義される。
2002103430.tif 000026
上記式１９において、ｋ＝−１とすると、２次の係数がｃ／２となり式２０に示す偶数次のみの多項式となる。
2002103430.tif 000027
一方、複合面Ｓ２の回折面Ｓ２ｄの位相分布Φ（ｒ）は式２１に示すような偶数次のみの多項式で定義される。
2002103430.tif 000028
従って、光学設計までは式２１のように、位相を連続的に変化する関数として取り扱う。
そして、回折面の表面形状設計では、位相の周期性を利用して、位相周期から整数倍の周期を差し引いた残りの位相を新たな位相分布とするため、回折面の形状が離散的なブレーズ形状となる。このブレーズ型の離散的な位相を、実際の材質の厚みとして換算するため、回折面の表面は離散的なブレーズ形状で、その高さは波長の整数倍の位相差を与える厚み量となる。
図２２は、非球面の断面形状と、回折面の断面形状を説明するための図である。非球面の断面形状ＡＳＰ＿Ｓａｇは、上記式２０によるものであり、回折面の断面形状ＤＯＥ＿Ｓａｇは式２１によるものである。回折面の位相を、屈折面のサグ量と同じ次元にするには、屈折率差で位相を割り算する。
図２３は、屈折・回折複合面の形状を説明するための図である。屈折及び回折複合面のサグ量をＳａｇ（ｒ）とすると、次の式２２のように表記することができる。
2002103430.tif 000029
上記式２２において、Ｓａｇ（ｒ）＝０となれば、位相は完全な平面となるため、入射した光に対し何の影響も及ぼすことなく、光を出射させることになる。この場合の回折面の形状は、波長の整数倍の位相を与える厚み量を１段とする垂直な階段形状になる。即ち、Ｓａｇ（ｒ）＝０の解は、次の式２３に示すように、各次数の係数を相殺して０にするように選べばよいことになる。
2002103430.tif 000030
なお、２次の係数は、近軸領域で屈折面と回折面のそれぞれの屈折力が相殺されて０となっていることを意味する。
以上に説明したように、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、以上に記載した各条件をレンズの初期設定としてベンディング及び非球面係数の最適化によって設計することが可能である。
最後に、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａを具体化した数値例を示す。
図２４は、対物レンズ３５の数値例のレンズ構成を示すものである。
本数値例においては、屈折型レンズ３５ｒの硝材には、ＬＡＨ５３が用いられている。なお、対物レンズ３５と像面（光ディスク１００の記録層）との間には、ポリカーボネート製の保護カバー４２が配設されている。
ところで、保護カバー４２の厚みは、０．３ｍｍ以下であることが望ましい。この対物レンズ３５の数値例と後述する対物レンズ３５Ａの数値例は、保護カバー４２の厚みを０．１ｍｍとして設計したものである。これは、保護カバー４２の厚みが０．３ｍｍ以上であると、補正が困難になるほどの球面収差が発生してしまうが、保護カバー４２が０．３ｍｍ以下の場合には球面収差の発生を抑えることができるからである。
以下の表３に対物レンズ３５の数値例の各数値を示す。なお、前述のように、「ｒｉ」は光源側から数えてｉ番目の面Ｓｉの曲率半径、「ｄｉ」は光源側から数えてｉ番目とｉ＋１番目の面との間の光軸上における面間隔を示すものである（以下の表５においても同様）。
2002103430.tif 000031
表４に対物レンズ３５の数値例の複合面である第１面Ｓ１（回折面Ｓ１ｄ及び屈折面Ｓ１ｒ）、第２面Ｓ２及び第３面Ｓ３の円錐定数ｋ及び４次乃至２０次の非球面係数Ａ乃至Ｊを示す。なお、表２中の「Ｅ」は、１０を底とする指数表現を表わすものとする（後述する同種の表においても同様）。
2002103430.tif 000032
図２５Ａに記数値例における球面収差を示し、図２５Ｂに非点収差を示し、図２５Ｃに歪曲収差を示す。なお、各収差図において、実線は４０５ｎｍ、破線は４０３ｎｍ、一点鎖線は４０７ｎｍにおける値をそれぞれ示すものであり、非点収差図において、太線はサジタル像面、細線はタンジェンシャル像面における値を示すものである（後述する同種の図おいても同様）。また、上記数値例における回折基準波長は４０５ｎｍ、設計次数Ｎは１０次であり、設計波長は４０５ｎｍ（４０３ｎｍ乃至４０７ｎｍ）、開口数は０．８５である。図２５Ａ乃至図２５Ｃの各収差図に示すように、上記数値例においては、対物レンズ３５の色収差が効果的に補正されていることが判る。
図２６は、本発明に係る他の例の対物レンズ３５Ａの数値例のレンズ構成を示すものである。
本数値例においては、屈折型レンズ３５ｒの硝材には、上述した対物レンズ３５の場合と同様に、前出のＬＡＨ５３が用いられている。また、第２レンズＬ２と像面（光ディスク１００の記録層）との間には、ポリカーボネート製の保護カバー４２が配設されている。
以下の表５に対物レンズ３５Ａの数値例の各数値を示す。
2002103430.tif 000033
表６に対物レンズ３５Ａの数値例の複合面である第１面Ｓ１（回折面Ｓ１ｄ及び屈折面Ｓ１ｒ）、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３及び複合面である第４面Ｓ４（回折面Ｓ４ｄ及び屈折面Ｓ４ｒ）の円錐定数ｋ及び４次乃至１０次の非球面係数Ａ乃至Ｄを示す。
2002103430.tif 000034
図２７Ａに上記数値例における対物レンズ３５Ａの球面収差を示し、図２７Ｂに非点収差を示し、図２７Ｃに歪曲収差を示す。回折基準波長は４０５ｎｍ、第１面回折面Ｓ１ｄの設計次数Ｎは１０次、第４面回折面Ｓ４ｄの設計次数Ｎは１次であり、設計波長は４０５ｎｍ（４０３ｎｍ乃至４０７ｎｍ）、開口数（ＮＡ）は０．８５である。図２７Ａ乃至図２７Ｃの各収差図に示すように、上記数値例における対物レンズ３５Ａにおいても、色収差が効果的に補正されていることが判る。
本発明に係る対物レンズ３５は、前述のような構成とすることによって、レーザ発光素子３７からのレーザ光の波長が変化しても軸上色収差を略ゼロにすることが可能となり、必要な開口数を維持したまま、作動距離を大きく取ることも可能となると共に、ベース面の曲率を小さく抑えることができるため、ブレーズ形状の加工が容易になる。
また、本発明に係る他の例の対物レンズ３５Ａも前述のような構成とすることによって、上述の対物レンズ３５における効果に加えて、像高特性を更に向上させることが可能になる。他の例の対物レンズ３５Ａにおいては、複合面Ｓ４の回折面Ｓ４ｄは、断面形状で階段形状となるようにされているので、複合面Ｓ４の外周部分においても回折効率が低下しないという利点を有する。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａは、±２ｎｍ波長の変動に対し色収差を０．０１μｍ／ｎｍ程度に収めることができるため、光学ピックアップ及びディスクドライブ装置において、情報の記録及び再生を安定して行うことが可能になると共に、回折限界までレーザ光のスポット径を絞り込むことができるので、トラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格の光ディスクに対応した十分な性能を持つことが可能となる。
本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいては、屈折型レンズ３５ｒにガラス製の単玉レンズを使用したので、部品点数の削減及び小型及び軽量化が可能になり、光学ピックアップへの組付時においては組み立てを容易することが可能になる。
本発明に係る対物レンズ３５、３５Ａは、最も光源側に位置する面に金属等の薄膜からなるアパーチャを設けることによって、レンズ周縁部を使用しないで光学特性の良好な部分のみを使用するように制限して、レンズ組み立て時における製造誤差を抑制し、性能を安定させることが可能になる。
今後の光ディスクの主流となる書き込み可能な光ディスクに対応したレーザパワーの大きな、即ち、レーザパワーを変動させてレーザノイズを低減する手段を備えた光学ピックアップに本発明対物レンズ３５及び３５Ａを採用することにより、高密度記録情報の再生及び記録性能を向上させることも可能になる。
更に、本発明に係る対物レンズ３５及び３５Ａにおいては、金型５２の転写面２２ａの加工時において、金型５２の材料であるブランク２３に対するバイト５６の移動を最適にコントロールすることによって、上記引き目構造３７を、周期が基準波長の１／２程度で振幅が基準波長の１／２程度の周期構造を有する同心円状に形成し、引き目構造６７が複合面Ｓ１又はＳ４の形状と共に転写されることによって、複合面Ｓ１又はＳ４の表面にブレーズ形状よりも更に微細な凹凸形状に形成したので、金型５２の引き目構造６７が転写されてしまうにも関わらず、研磨することが不可能な複合面Ｓ１又はＳ４における透過率を９０％以上にすることが可能になる。
本発明に係る対物レンズを採用した光学ピックアップを用いることによって、高密度記録情報の再生及び記録性能が向上したディスクドライブ装置を提供することが可能になる。
なお、上述した各実施の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、いずれも本発明を実施するに際して行う具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明が限定的に解釈されるものではない。
産業上の利用可能性
上述したように、本発明に係る対物レンズ、この対物レンズを用いた光学ピックアップ及びディスクドライブ装置は、４２０ｎｍ以下を基準とする数ｎｍ以内の波長範囲に対して色収差を効果的に補正することによって、回折限界までレーザ光のスポット径を絞り込むことが可能になるので、トラックピッチを狭くすることによって情報の記録密度を高めた規格の光記録媒体に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の光学ピックアップに用いられる対物レンズを示す側面図である。
図２Ａは、図１に示す対物レンズの球面収差を示す特性図であり、図２Ｂは、非点収差を示す特性図、図２Ｃは、歪曲収差を示す特性図である。
図３は、本発明が適用される光ディスク装置の外観を概略的に示す斜視図であり、図４は、光ディスク装置の内部構成を示す分解斜視図である。
図５は、本発明に係る光学ピックアップを示す側面図である。
図６は、本発明に係る対物レンズを示す縦断面図である。
図７は、回折型レンズにおけるブレーズの最小線幅ｗと焦点距離ｆｄとの関係を示す特性図である。
図８は、屈折型レンズを構成する硝材の部分アッベ数と焦点距離及び回折型レンズの焦点距離との関係を表すグラフである。
図９Ａは本発明に係る対物レンズの球面収差を示し、図９Ｂは非点収差を示し、図９Ｃは歪曲収差を示す特性図である。
図１０は、本発明に係る光学ピックアップの他の例を示す側面図である。
図１１は、本発明に係る対物レンズの他の例を示す縦断面図である。
図１２は、本発明に係る対物レンズの更に他の例を示す縦断面図である。
図１３は、ダイヤモンドバイトを使用した機械切削加工によるブレーズ型回折面の作成を説明する概略斜視図である。
図１４Ａ乃至図１４Ｅは、ダイヤモンドバイトを使用した機械切削加工によるブレーズ型回折面の作成を説明するための概略縦断面図である。
図１５は、ダイヤモンドバイトを使用した機械切削加工によるブレーズ型回折面の作成時における削り残し部分の幅と回折効率との関係を示す図である。
図１６は、図１５に示す数値を計算する際に使用したブレーズ型回折面を示す概略縦断面図である。
図１７は、ダイヤモンドバイトを使用した機械切削加工によるブレーズ型回折面の作成時における引き目構造を示す概略縦断面図である。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、ダイヤモンドバイトを使用した機械切削加工によるブレーズ型回折面の作成途中の様子を示す概略縦断面図である。
図１９は、引き目構造を有する面における入射光及び出射光の様子を説明するための概略図である。
図２０は、波長程度の一定周期を持つ凹凸形状の表面に対する、構造の振幅（高さ）と透過率の関係を示す図である。
図２１は、波長の１／２程度の一定周期を持つ凹凸形状の表面に対する、構造の振幅（高さ）と透過率の関係を示す図である。
図２２は、回折面及び屈折面におけるそれぞれのレンズの半径方向とサグ量との関係を示す図である。
図２３は、回折面と屈折面とを組み合わせた複合面におけるレンズの半径方向とサグ量との関係を示す図である。
図２４は、本発明光学ピックアップ用対物レンズの数値例のレンズ構成を示す図である。
図２５Ａは本発明に係る他の例の対物レンズの球面収差を示し、図２５Ｂは非点収差を示し、図２５Ｃは歪曲収差を示す特性図である。
図２６は、本発明に係る光学ピックアップ用対物レンズの更に他の例の数値例のレンズ構成を示す図である。
図２７Ａは本発明に係る更に他の例の対物レンズの球面収差を示し、図２７Ｂは非点収差を示し、図２７Ｃは歪曲収差を示す特性図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【国際調査報告】
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