CN101178913A - 物镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明是通过折射作用分别使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₃的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上的物镜光学系统。在此，对同一波长的互换技术使用物镜光学系统的区域划分，对不同波长的互换技术使用产生抵消因光束的波长λ的不同而产生的色差等的像差的技术。

Description

物镜光学系统

技术领域

本发明涉及对多种具有不同厚度的光记录媒体可记录或再生信息的物镜光学系统以及光拾取器光学系统。

背景技术

迄今为止，开发了聚焦到不同光记录媒体的物镜光学系统。例如，特开2001-195769号公报公布的技术是通过利用因波长的不同产生的色差以及透明基板的厚度产生的波像差来聚焦到两个不同光记录媒体的技术(以下称为互换技术)。然而，使用同一波长的光对厚度不同的光记录媒体聚焦的场合难以应用该互换技术。

此外，作为用同一波长的互换技术，有特开2006-12391号公报所公布的技术。在本技术中，需要有选择地切换光束的偏振方向的偏振面切换元件，存在部件数目的增加、物镜光学系统的大型化、物镜光学系统的重量增加的问题。

此外，作为别的用同一波长的互换技术，有特开10-143905号公报中介绍的通过把物镜光学系统分区而聚焦到不同的光记录媒体上的技术。但是，聚焦到各光记录媒体的物镜光学系统的各区域由于只能分别聚焦到各光记录媒体，做成聚焦到三个以上光记录媒体的话，有光利用效率的低下导致的激光功率的增加和杂乱光的处理等问题。

在特开2000-28917号公报中公布了解决聚焦到各光记录媒体的物镜光学系统的各区域只能分别聚焦到各光记录媒体的问题点的技术。在该技术中，设置了同时聚焦到两个媒体的区域。但是，在该区域的互换技术中使用衍射结构，会有因衍射效率导致的光的利用效率低下，依然有光利用效率的低下导致的激光功率的增加和杂乱光的处理等问题。

在使用了原有技术的物镜光学系统的场合，如上所述，产生了光利用效率的低下导致的激光功率的增加和杂乱光的处理等问题。

发明内容

本发明的目的是提供高性能的物镜光学系统，提高聚焦到至少两个以上光记录媒体的光束的波长相同、聚焦到至少两个以上光记录媒体的光束的波长不同的、聚焦到至少三个以上光记录媒体的物镜光学系统的光利用效率，减少杂乱光。

首先，大致对本发明的前提技术进行说明，然后，对本发明的具体结构进行说明。

本发明，第一，在同一波长的互换技术中使用物镜光学系统的分区(以下称为互换技术A)，在不同波长的互换技术中，使用使位相变化使得对任意的光线高度的信息记录面上的聚焦点的像差在容许范围内的结构(以下称为互换技术B)。

互换技术B通过使位相变化使得以波长λ₁的激光光束在基板厚度t1的光记录媒体2上记录再生时产生的波像差与以波长λ₃的激光光束在基板厚度t3的光记录媒体2上记录再生时产生的波像差相补偿的结构来实现。在该互换技术B中该考虑的像差有因基板厚度之差产生的波像差(像差α)，因基于激光光束的波长差的物镜以及光记录媒体的基板的折射率而产生的色差(像差β)，利用波长之差使物镜的面为高阶非球面而产生的色差(像差γ)。

在该互换技术B中，有通过使像差β和像差γ与像差α相消而可互换的技术(B1)，和通过使像差β被像差γ相消而可互换的技术(B2)。前者的B1的互换技术例如有通过形成使位相变化使得由波长不同而产生的色差(像差β)与由透明基板的厚度的不同而产生的波像差(像差α)相互抵消的高阶非球面结构来实现，例如，特开2003-270528号公报中所公布的。后者的B2有在如HDDVD和DVD那样在基板的厚度相同但波长不同的场合，用以高阶非球面结构产生的色差(像差γ)与因波长的不同而产生的色差(像差β)相互抵消来实现。

这样，通过采用使用互换技术A以及互换技术B双方的结构，可以提供在同一波长的互换成为可能，可提高在不同波长的互换中的光利用效率，减少杂乱光的高性能的物镜光学系统。

第二，在物镜光学系统的至少一部分，使上述位相变化的结构的区域被在使位相变化的结构的区域不聚焦的记录媒体的区域分割，被分割的区域的内侧、外侧的区域的光程差相对于在使位相变化的结构的区域聚焦的各记录媒体在0.5λ以上。换一句话说，当假定在物镜的整个区域设置共用区域的场合，在相对于共用的光记录媒体之一的波像差的绝对值或其变化最大的区域设置专用区域。通过采用这种结构，可以减小在互换技术B使产生的位相变化的结构的大的像差，可提供高性能的物镜光学系统。

第三，使与光束λ₁对应的透明基板的厚度t1、与光束λ₁对应的透明基板的厚度t2、与光束λ₃对应的透明基板的厚度t3的关系为|t3-t1|＞|t3-t2|时，在与t3对应的NA区域，采用不聚焦到与t1对应的光记录媒体(互换技术A)而聚焦到与t2、t3对应的光记录媒体(互换技术B)的结构。通过采用这种结构，在难以聚焦到与t3对应的光记录媒体的NA附近，可进行与因厚度之差导致的波像差之差比与t1对应的光记录媒体的场合更小的与t2对应的光记录媒体的互换，能够提供高性能的物镜光学系统。

第四，做成在与t3对应的NA区域的内侧设置聚焦到与t1、t3对应的光记录媒体的区域的结构。通过采用该结构，由于t1的使用区域增加，从而可以提供可提高光利用效率、减少杂乱光的、高性能的物镜光学系统。

第五，做成对使上述位相变化的构造使用透镜面上的阶梯差形状的结构。通过采用这种结构，由于能够提供不追加新的使位相变化的元件的互换技术，从而物镜光学系统的小型化、轻量化成为可能。

第六，把上述物镜光学系统做成1枚透镜的结构。通过采用这种结构，由于能够提供不追加进行互换的元件的互换技术，从而物镜光学系统的小型化、轻量化成为可能。

具体地说，本发明的物镜光学系统，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并且使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域，该共用区域设定有非球面形状，该非球面形状产生抵消因该光束的波长λ的不同而产生的色差的像差。

此外，最好是所述共用区域设定有成非球面形状，因该光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

再有，最好是所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃的任一个波长λ都为0.5λ以上。

再有，最好是在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体或所述第三光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

在此，最好是所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|。此外，希望所述共用区域配置在所述第三光记录媒体的NA区域内的外侧部分。在此，把NA区域从对应的半径中央在内侧的区域称为内侧区域，外侧称为外侧区域。在外侧区域，由于相对于透镜面的入射角大，难以取得像差，但在这种外侧区域配置共用区域却能实现高性能化。

此外，希望所述共用区域从光轴沿径向被划分成多个区间。还设有聚焦到所述第一光记录媒体以及所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域亦可。

此外，所述物镜光学系统用于所述光拾取器光学系统亦可。

此外，根据本发明的其它观点的物镜光学系统，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并且使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域，入射到该共用区域的所述波长λ₃的光束和所述波长λ₁的光束以互不相同的入射角入射。

在此，最好是所述共用区域设定有非球面形状，因该光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

此外，希望所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|。

此外，最好是所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃的任一个波长λ都为0.5λ以上。

再有，最好是在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体或所述第三光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

此外，所述的物镜光学系统用于所述光拾取器光学系统亦可。

此外，根据本发明的其它观点的物镜光学系统，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₄(λ₄≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t4的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上，使所述波长λ₄的光束聚焦到所述第四光记录媒体的信息记录面上的共用区域，入射到该共用区域的所述波长λ₃的光束和所述波长λ₁的光束以互不相同的入射角入射，设定使因光束的波长λ₄和λ₁的不同而产生的色差相抵消的非球面形状。

在此，最好是所述共用区域设定有非球面形状，因该第二光记录媒体与第四光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ₄与λ₁的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

此外，希望所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|或者/并且|t4-t1|＞|t4-t2|。

此外，最好是所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃、波长λ₄的任一个波长λ都为0.5λ以上。

再有，最好是在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体、所述第三光记录媒体或所述第四光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

再有，希望所述物镜光学系统由一枚透镜构成。

此外，所述物镜光学系统用于所述光拾取器光学系统亦可。

还有，在本说明书中，与厚度t1的第一光记录媒体对应的激光波长和与厚度t2的第二光记录媒体对应的激光波长表示为λ₁，但不局限于使用同一个激光器，也可以使用各不相同的激光器。因此，本说明书中的λ₁具有某种成度的宽度。

采用本发明的话，能够提供聚焦到至少两个以上的光记录媒体的光束的波长相同，聚焦到至少两个以上的光记录媒体的光束的波长不同的、聚焦到至少三个以上的光记录媒体的物镜光学系统的光利用效率提高，减少杂乱光的高性能的物镜光学系统。

上述的目的和优点及本发明的特征由伴随附图所说明的记载便可清楚。

附图说明

图1A至D是发明的实施方式1的物镜光学系统的概略结构图。

图2A至D是发明的实施方式1的物镜光学系统的波像差图。

图3A至D是发明的实施方式2的物镜光学系统的波像差图。

图4A至D是发明的实施方式3的物镜光学系统的波像差图。

图5A至D是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的OPD的图。

图6A至D是发明的实施方式4的物镜光学系统的波像差图。

图7A至D是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的OPD的图。

图8A及B是用于说明抵消发明的实施方式4的物镜光学系统的OPD像差的示意的波像差图。

图9A至D是发明的实施方式5的物镜光学系统的波像差图。

图10A至D是其它的实施方式的物镜光学系统的概略结构图。

图11是表示在发明的实施方式的物镜光学系统中可使用的光记录媒体的各量的表。

图12是表示发明的实施方式1、2的物镜光学系统的有效直径及折射率的表。

图13是表示发明的实施方式1的物镜光学系统的各区域的特性的表。

图14是表示发明的实施方式1的物镜光学系统的透镜数据的表。

图15是表示发明的实施方式1的物镜光学系统的面形状数据(物镜面1)的表。

图16是表示发明的实施方式1的物镜光学系统的面形状数据(物镜面2)的表。

图17是表示发明的实施方式1的物镜光学系统的RMS波像差值的表。

图18是表示发明的实施方式2的物镜光学系统的各区域的特性的表。

图19是表示发明的实施方式2的物镜光学系统的透镜数据的表。

图20是表示发明的实施方式2的物镜光学系统的面形状数据(物镜面1)的表。

图21是表示发明的实施方式2的物镜光学系统的面形状数据(物镜面2)的表。

图22是表示发明的实施方式2的物镜光学系统的RMS波像差值的表。

图23是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的有效直径及折射率的表。

图24是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的各区域的特性的表。

图25是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的透镜数据的表。

图26是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的面形状数据(物镜面1)的表。

图27是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的面形状数据(物镜面2)的表。

图28是表示发明的实施方式3的物镜光学系统的RMS波像差值的表。

图29是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的有效直径及折射率的表。

图30是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的各区域的特性的表

图31是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的透镜数据的表。

图32是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的面形状数据(物镜面1)的表。

图33是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的面形状数据(物镜面2)的表。

图34是表示发明的实施方式4的物镜光学系统的RMS波像差值的表。

图35是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的有效直径及折射率的表。

图36是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的各区域的特性的表

图37是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的透镜数据的表。

图38是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的面形状数据(物镜面1)的表。

图39是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的面形状数据(物镜面2)的表。

图40是表示发明的实施方式5的物镜光学系统的RMS波像差值的表。

具体实施方式

将在后面详细地叙述的本发明的实施方式的物镜光学系统，基本上实现了BD(Blue-ray Disc)、HDDVD(High Definition Digital Versatile Disc)、CD(Compact Disc：包含CD-R等CD)、DVD(Digital Versatile Disc)四种方式的互换，但是为了实现四种方式的互换需要三个自由度。检索了成为候补的自由度，结果发现通过以下三种对策可确保自由度，由此实现了四种方式互换。

(对策1)根据区域(光束)的分割的对策(相当于上述的互换技术A)；

(对策2)根据高次非球面的对策(相当于上述的互换技术B)；

(对策3)根据入射角的对策。

此外，为了实现三种方式互换，只要上述三个自由度中的两个就可实现。例如，HDDVD·BD·DVD三种方式互换的场合，可考虑各种各样的组合，但最现实的是A和B的组合。HDDVD·BD·CD三种方式互换的场合，也可考虑各种各样的组合，但最现实的是对策1和对策2的组合。

再有，对于将上述三种对策应用于哪种互换最佳这一点进行了研究。

首先，对于应用对策1的组合进行了研究。根据该区域分割的对策1，通过选择不能应用对策1或对策2的组合可决定。在此，对策2对于同一波长的互换不能应用；对策3对于使用了同一激光源的互换不能应用。于是，对于BD和HDDVD，由于是同一蓝光波长(408nm或405nm)，所以对策2不能应用，另外，对同一波长使用两个激光，导致光拾取光学系统的成本、部件数目的增加，所以最好使用同一激光，该场合，由于对策3也不能应用，所以采用对策1。此时，区域的分割可在分割成2至4个区域的范围选择，但是分割数越多光利用效率越低，所以采用2分割。还有，通过确保CD的工作距离，为了减小光学系统，进而设置CD专用区域从而采用3分割也可以。

其次，对于应该应用对策2和对策3的组合，从像差性能和光利用效率这两个观点进行了研究。对策2，如在上述的互换技术B中所说明的那样，是通过利用像差β和像差γ消除像差α而可互换的对策。

首先研究了在蓝光波长使用媒体(BD或HDDVD)和CD之间通过对策2取得互换的情况。作为对蓝光波长的激光的光程差OPD_Blue＝2λ_Blue(这里，λ_Blue是对蓝光波长的激光的波长)，若以对蓝光波长的激光不敏感的方式决定光程差，则对CD的激光的光程差OPD_CD由于是d(n_Blue-1)×2×405nm，所以成为如下公式的0.9913λ_CD(这里，λ_CD是CD的激光的波长)。

OPD_CD＝d(n_CD-1)＝(n_CD-1)/(n_Blue-1)×2×405nm/790nm＝0.9913λ_CD

这里，使阶梯差为d、对蓝光波长的激光的折射率为n_Blue、对CD的激光的折射率为n_CD，使用了图23所示的值。

这是因为考虑像差的话，一个阶梯差仅发生9mλ_CD(DVD的场合的1/13)像差，不增加阶梯差数的话，就不能发生所期望的像差。这里，若增加阶梯差，则在阶梯差部分发生散射而使光利用效力降低以及产生无用光，进而发生难以高精度加工等问题。因此，在蓝光使用媒体(BD或HDDVD)和CD间通过对策2进行互换不合适。

另一方面，BD和CD之间，由于相对于基板厚度之差1.1mm，HDDVD和CD之间仅为0.6mm，所以，优选实现HDDVD和CD间的互换。这样，能够降低入射角之差，从而能够防止因入射角的增大引起的透镜移动特性的降低。例如，对HDDVD采用无限系、对CD采用有限系时，即使减小入射角之差也可补偿像差α和像差β。在此，基本上来说，在HDDVD和CD之间通过对策3取得互换最合适。

至此，决定了在BD和HDDVD间通过对策1取得互换，并且CD和HDDVD通过对策3取得互换最合适。

最后，DVD和HDDVD之间通过对策2可取得互换。虽然可以考虑在DVD和BD之间也取得互换，但是，由于DVD和HDDVD间基板厚度之差比DVD和BD间小，所以，在DVD和HDDVD间通过对策3实现互换最合适。

这样，发现了将BD作为专用区域，将其它的HDDVD、CD、DVD作为共用区域是最佳的四种方式的互换形态。

这里，也从光利用效率的观点进行了研究。由于光束分割的对策可自由地设定各个区域的焦距，从而可自由地进行有效直径的设定。对于蓝光波长使用波长媒体(BD和HDDVD)，由于根据上述的理由是一个激光，所以需要分割光束，但是，DVD或CD大多是各自专用的激光，最终不需要分割光束。例如，考虑对BD专用区域和HDDVD、DVD以及CD的三波长共用区域进行分区的情况。将对使用蓝色激光的BD和HDDVD的光束的面积比分割为50％、50％的两个区域。此时各自的有效直径Φ_BD、Φ_HD由于Φ_BD ²×π-Φ_HD ²×π∶Φ_HD ²×π＝1∶1，所以成2×Φ_HD ²＝Φ_BD ²的关系。将HDDVD的区域配置在内侧区域，并将BD专用区域配置在其外侧。这里，要想使必要的NA分别为0.85、0.65，则在近轴理论上表示为有效直径Φ＝2×f×NA，所以各自的焦距通过以f_BD∶f_HD＝Φ_BD/1.7∶Φ_HD/1.30.924∶1构成可实现。此时，由于DVD、CD在与HD的共用区域形成，所以使用Φ_HD内的区域。因此，DVD用激光、CD激光可对各个有效直径入射光束，并可对光束使用100％的面积。即可实现BD、HD、DVD、CD的使用面积50％、50％、100％、100％。

而且可知，作为对于HD专用区域和BD、DVD、CD的共用区域进行分区的构造，也可实现上述同样的光束分割BD、HD、DVD、CD的使用面积50％、50％、100％、100％。但是，根据上述互换的研究，前者的结构最佳。而根据使用面积的观点则希望分成两个区域，但是考虑到光束干涉、工作距离后而在共用区域中分配BD专用区域。

本实施方式的物镜光学系统具有可对由图11特定的四种光记录媒体聚焦的结构。具体地说，光记录媒体1是BD、光记录媒体2是HDDVD、光记录媒体3是CD、光记录媒体4是DVD。如图所示，光记录媒体1和光记录媒体2聚焦的光束的波长相同。

此外，相对于光记录媒体1、2，光记录媒体3及光记录媒体4聚焦的光束的波长不同，光记录媒体3和光记录媒体4聚焦的光束的波长也不同。再有，光记录媒体2和光记录媒体4的透明基板的厚度相同，但光记录媒体1及光记录媒体4不同。光记录媒体1和光记录媒体4的透明基板的厚度不同。

发明的实施方式1

本实施方式1中的透镜光学系统由1枚透镜构成。对于该物镜，图1 2表示向各光记录媒体的入射光束的有效直径以及所使用的透镜材料的折射率。

此外，图13表示聚焦到各光记录媒体的光线高度的区域。在此，以下把该区域No.称为‘媒体区域序号’。例如，媒体区域序号1是由0～0.232mm的光线高度规定的区域，媒体区域序号2是由0.232～0.725mm的光线高度规定的区域。此外，光线高度是可变光阑面上垂直于光轴的方向上离光轴的距离。

在本实施方式1中，如图13所示，在被媒体区域序号所定的区域，可以对图13所示的各光记录媒体聚焦。具体地说，在被媒体区域序号1所定的区域是可以对全部的光记录媒体1、2、3、4聚焦的共用区域。此外，在媒体区域序号3以及5所定的区域仅可以聚焦到光记录媒体2，是光记录媒体2的专用区域。在媒体区域序号2以及4所定的各区域可以聚焦到光记录媒体1、3、4。媒体区域序号6所定的区域是可以对光记录媒体1、4聚焦的共用区域。媒体区域序号7所定的区域是可以对光记录媒体1聚焦的专用区域。

这样，在本实施方式1中，波长相同、基板厚度不同的光记录媒体1和2除去由媒体记录区域1所定的区域外，划分成基本的区域，由上述互换技术A，使光记录媒体1以及光记录媒体2间的互换成为可能。并且，对于光记录媒体1、3以及4，由上述互换技术B，使它们之间的互换成为可能。

此外，如图13所示，媒体区域序号1～4的区域相当于光记录媒体3的NA，媒体区域序号1～5的区域相当于光记录媒体2的NA，媒体区域序号1～6的区域相当于光记录媒体4的NA，媒体区域序号1～7的区域相当于光记录媒体1的NA。

图14以及图15表示本实施方式1中物镜光学系统的透镜数据及其面形状数据。在此，图15中所示的面形状数据以下式(1)表示。物镜面1用直到6次的非球面系数进行媒体区域划分和面区域划分，各面区域形成阶梯差形状。物镜面2用直到16次的非球面系数。

[数学式1]

$z=\mathrm{Zshift}+\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+\·\·\·\·$

                        ……  式(1)

z是非球面凹陷量，表示离光轴的高度为r的非球面上的坐标点中在非球面的光轴上的离切平面的距离。k表示是konig常数(系数)。c表示在非球面的光轴上的曲率(1/曲率半径)。r是离光轴的光线高度。α_1，2，··表示非球面系数。Zshift表示直到光轴形成了各面区域的场合的光轴交点的偏移量。

接下来，用图1对本实施方式1的物镜光学系统的大致结构进行说明。

图中，100表示物镜，200表示光记录媒体(透明基板)，201表示信息记录面，300表示光束。物镜100对各光记录媒体1～4是通用的。图1A～D中，光束300仅表示聚焦到各光记录媒体200的信息记录面201上的光束。

从图1A以及B可知，在物镜100的入射面，设计成聚焦到光记录媒体1的区域和聚焦到光记录媒体2的区域除去一部分区域(本例中为中间区域)之外不相重合。这是因为光记录媒体1和光记录媒体2在使用的光束的波长相同但透明基板的厚度不同，从而不能使用利用了波长之差的互换技术B，从而使用划分区域的互换技术A。

此外，从图1A、C、D可知，在物镜100的入射面，聚焦到光记录媒体1的区域、聚焦到光记录媒体3的区域以及聚焦到光记录媒体4的区域基本一致。但是，光记录媒体1、光记录媒体3、光记录媒体4如图11以及图12所示各自的NA不同，透镜的有效直径不同，它们的区域在外周附近不重复。

图2表示本实施方式1的物镜光学系统的波像差图。图2A、B、C、D分别表示各光记录媒体1、2、3、4的波像差。在图2的波像差图中，表示波像差的实线仅对可对在图13中各光记录媒体聚焦的区域给出。

图17表示可对图13中各光记录媒体聚焦的区域中的RMS(Root meansquare：均方差)波像差值。如图的轴上特性所示，本实施方式1的物镜光学系统的RMS波像差对于所有的光记录媒体在0.05λ以下，能够达到马歇尔(マレシヤル)极限。此外，透镜偏移特性对有限系统的CD也能够在0.6380和0.07λ以下。

如图2以及图14所示，对于使用同一波长的光记录媒体1、2，通过设置分别独立的媒体区域，就能够提供可以聚焦到两个光记录媒体上的物镜光学系统。

此外，如图2、图15以及图16所示，在实现使用不同波长的光记录媒体的互换的媒体区域序号2、4、6的区域，使用使位相变化的结构使得对任意光线高度的信息记录面上的聚焦点的像差在容许范围内，使用利用衍射作用来聚焦的互换技术B，并且，对于光记录媒体3，由于除互换技术B外，还利用使用物面的距离进行的球面像差的补偿的折射作用来聚焦，所以不会像利用衍射结构的互换技术那样导致因衍射效率的光利用效率的下降，能够提供可以聚焦到不同信息记录面上的物镜光学系统。

此外，如图14、图15以及图16所示，由于利用透镜表面的阶梯差形状实现了使位相变化的结构，所以不再需要使位相变化的新的结构，从而能够提供小型轻量的物镜光学系统。

如上所述，由于对使用同一波长的光记录媒体的互换技术使用区域划分，对使用不同波长的光记录媒体的互换技术使用在同一区域使用使位相变化的结构的折射作用的互换技术，从而能够提供高性能的物镜。

发明的实施方式2

本实施方式2的物镜光学系统具有与实施方式1相同的基本结构，具有图11记载的聚焦到四种光记录媒体的结构，使用具有向图12所示的各光记录媒体的入射光束的有效直径以及折射率的透镜材料。以下对于与实施方式1相同的内容省略其说明。

图18表示实施方式2的物镜光学系统中的聚焦到各光记录媒体的光线高度的区域。此外，图19以及图20表示本实施方式2中物镜光学系统的透镜数据及其面形状数据。图3表示本实施方式2的物镜光学系统的波像差图。图22表示本实施方式2的物镜光学系统的RMS波像差值。如图的轴上特性所示，本实施方式2的物镜光学系统的RMS波像差对于所有的光记录媒体在0.05λ以下，能够达到马歇尔(マレシヤル)极限。此外，透镜偏移特性也能够在0.05λ以下。

在上述实施方式1中，如图13所示，在被相当于光记录媒体3的NA部分的媒体区域序号4所定的区域进行光记录媒体3和光记录媒体1的互换。相对于此，在本实施方式2中，如图18所示，在光记录媒体3的NA部分的媒体区域序号4以及6的区域，进行光记录媒体3和光记录媒体2的互换。通过采用这样的结构，如图19所示，能够延长相对于有限远光学系统的光记录媒体3的物体距离，如图22所示，能够改善对光记录媒体3的RMS波像差值(尤其是透镜偏移特性)。这是由于因光记录媒体2的透明基板厚度(0.6mm)和光记录媒体3的透明基板厚度(1.2mm)之差产生的波像差比因光记录媒体1的透明基板厚度(0.1mm)和光记录媒体3的透明基板厚度(1.2mm)之差产生的波像差小，通过在难以改善像差的NA附近，通过利用由基板厚度之差产生的波像差小的组合来得到互换，实现性能的提高。在本实施方式中，进行了透镜偏移的性能提高，使用本互换技术来实现其它的性能的提高也可。

此外，在本实施方式中，显然也同时得到了与实施方式1同样的效果。

对于在实施方式1以及2中具体化的互换技术B，使用实施方式3、4来详细说明其原理。

发明的实施方式3

对本实施方式3进行说明。本实施方式的物镜光学系统具有与实施方式1同样的基本结构，使用图23～图27所示的物镜光学系统，具有聚焦到四种光记录媒体上的结构。图4表示本实施方式3中的物镜光学系统的特性，图28表示RMS波像差值。以下对与实施方式1相同的内容省略其说明。

在本实施方式3的物镜光学系统中，如下设定区域间的光程差。即，关于面区域序号2、4、6、12、14的区域，对光记录媒体2使光程差大致为[-0.06±0.06λ]即-0.12λ₂～0λ₂，对光记录媒体4使光程差大致为[+0.06±0.06λ]即0λ₄～0.12λ₄。此外，关于面区域序号7、9、11的区域，对光记录媒体2使光程差大致为[-2.06±0.06λ]即-2.12λ₂～-2λ₂，对光记录媒体4使光程差大致为[-0.94±0.06λ]即-1λ₄～-0.88λ₄。通过这样设定光程差，利用上述互换技术B，实现了光记录媒体2和光记录媒体4的互换。

在本实施方式3的物镜光学系统中，与实施方式2同样，在光记录媒体3的NA部分的媒体区域，进行了光记录媒体2和光记录媒体3的互换。再有，在实施方式1以及2中，在光记录媒体4的NA部分的媒体区域，进行了光记录媒体1和光记录媒体4的互换，但在在光记录媒体4的NA部分的媒体区域，进行了光记录媒体2和光记录媒体4的互换。通过采用这种结构，如图28所示，与本实施方式1相比，能够改善透镜偏移特性，能够把轴上特性以及透镜偏移特性都抑制到0.06λ以下，能够提供高性能的物镜光学系统。

此外，由于与光记录媒体1、2波长不同的光记录媒体3、4哪个都与基板厚度差小的光记录媒体2取得互换，可减少面区域数，从而可减少在面区域间形成的阶梯差，制造容易，并可实现抑制阶梯差引起的光的散射而带来的高性能化。

然而，为了进一步提高与波像差相关的特性，发明者等的研究的成果判断清楚了如以下的发明的实施方式说明那样，应在专用区域和共用区域的设定上下功夫。

发明的实施方式4

本实施方式4的物镜光学系统具有与实施方式3同样的结构，使用图29～图33所示的物镜光学系统，做成聚焦到四种光记录媒体的结构。图6、7表示物镜光学系统的特性，图34表示RMS波像差值。

在本实施方式4的物镜光学系统中，聚焦到光记录媒体1的区域的透镜形状和聚焦到光记录媒体2、3、4的区域的透镜形状与实施方式3相同，仅改变分割位置。如图30所示，媒体区域序号1、3、5、7是光记录媒体1的专用区域，媒体区域序号2、4、6是光记录媒体2、3、4的共用区域，

在本实施方式4中，与实施方式3同样地，为了达到光记录媒体2和光记录媒体4的互换而使用互换技术B。在此，在互换技术B的阶梯部，产生以式(2)所示的光程差OPD。

OPD＝d(N-N₀)/λ              式(2)

在此，d表示阶梯差量，N表示构成阶梯差的材料的折射率，N0表示空气的折射率。

作为互换技术B的实现方法之一，有在各光记录媒体(各波长)，通过使用mod(OPD)＞0.5的场合mod(OPD)-1、mod(OPD)＜0.5的场合mod(OPD)(以下把该值称为W)来产生像差γ，而使各光记录媒体(各波长)中的像差α、像差β、像差γ相抵消的技术。在此，所谓mod，是指把不超过OPD的值的最大的整数从OPD中减去的意思，例如，OPD＝-1.9时，mod(OPD)＝0.1，W为0.1，例如，OPD＝1.6的话，mod(OPD)＝0.6，W为-0.4。

该场合，通过波长或构成阶梯差的材料的组合，由阶梯差产生的W变大，导致在阶梯差产生的波像差的跳跃而导致的光学性能的恶化，存在阶梯差的增大而导致的制造的困难，在台阶部的杂乱光的增大而导致的光学性能的恶化的问题。反过来，W小的话，利用互换技术B，在一个阶梯差产生的像差γ变小，不使用多个阶梯差的话就不能实现抵消，会存在阶梯差数多而导致的制造的困难，在台阶部的杂乱光的增大而导致的光学性能的恶化的问题。

根据这种观点，在实施方式3以及实施方式4、5的哪一个中，对于光记录媒体1或2以及光记录媒体4给与的位相差由式(2)补充到下式。

|W2-W4|0.24λ

在此，W2为光记录媒体1或2的W，W4为光记录媒体4的W。

此时，使得对光记录媒体1或2以及光记录媒体4的哪一个都为高性能来分别分配0.24λ，使得在一个阶梯差产生W20.12λ，W＝-0.12λ的像差γ。

这样做的结果，在实施方式3，能够实现大致OPD2＝-2nλ+0.12λ，OPD4＝-nλ-0.12λ，实现像差α、像差β、像差γ的抵消，或像差β与像差γ的抵消。

在此，如图8的模式图所示，由于像差α与像差β之和通常为曲线，从而为了与其相抵消，必须为由像差γi所示那样的曲线。然而，如上所述，由于通过设置阶梯差来产生像差γ，从而实际的像差γ为阶梯差形状的像差。因此，如何减小一个阶梯差产生的像差量W成为减小波像差量，高性能化上的重要因素。

对此，在本实施方式4中，做成在该阶梯差部配置与使用互换技术A的光记录媒体1对应的面区域。这样，能够使波像差的最大值和最小值之差在W以下，可减少波像差。

在此，在实施方式3中，如图4的B所示，在面区域序号6和面区域序号7之间以及面区域序号11和面区域序号12之间，波像差量发生了急剧的改变。

在本实施方式4中，如图7所示，该波像差的变化最大，在波像差的绝对值较大的阶梯差区域，配置对不使用互换技术B的光记录媒体聚焦的媒体区域。具体地说，如图7所示，聚焦到光记录媒体2、3、4的面区域序号2、面区域序号4被不聚焦到光记录媒体2、3、4而仅聚焦到光记录媒体1的面区域序号3分断。

此外，如图8所示，光记录媒体2的光程差OPD在面区域序号2中大致为-0.0729～-0.0173λ，在面区域序号4中为-2.0155～-2.0296。此外，光记录媒体4的光程差OPD在面区域序号2中大致为0.0206～0.0362λ，在面区域序号4中为-0.9794～-0.9338。这样，由于配置面区域序号3使得被面区域序号3分断的前后的面区域序号2和面区域序号4的光程差在0.5λ以上，抑制0.12λ的波像差的变化，从而如图7所示可知，能够对光记录媒体2和光记录媒体3把面区域序号2、4的波像差的变化幅度分别减小到比0.12λ更小的0.057λ、0.065λ。该结果，如图34所示，能够达到轴上特性0.03λ以下，透镜偏移特性0.06λ以下，能够提供高性能的物镜光学系统。

发明的实施方式5

本实施方式5的物镜光学系统具有与实施方式3同样的基本结构，使用图35～图39所示的物镜光学系统，做成聚焦到四种光记录媒体的结构。图9表示本实施方式5的物镜光学系统的特性，图40表示RMS波像差值。

本实施方式5的物镜光学系统除与光记录媒体2和4的互换技术相关的结构之外，其他与实施方式3相同。在本实施方式3的物镜光学系统中，如下设定区域间的光程差。即关于面区域序号2、4的区域，对光记录媒体2使光程差大致为[0±0.06λ]即-0.06λ₂～+0.06λ₂，对光记录媒体4使光程差大致为[0±0.06λ]即-0.06λ₄～+0.06λ₄。此外，关于面区域序号5、7、9、11的区域，对光记录媒体2使光程差大致为[-2.0±0.06λ]即-2.06λ₂～-1.94λ₂，对光记录媒体4使光程差大致为[-1.0±0.06λ]即-1.06λ₄～-0.94λ₄。此外，关于面区域序号13的区域，对光记录媒体2使光程差大致为[-0±0.06λ]即-0.06λ₂～+0.06λ₂，对光记录媒体4使光程差大致为[+0±0.06λ]即-0.06λ₄～+0.06λ₄。通过这样设定光程差，利用上述互换技术B，实现了光记录媒体2与光记录媒体4的互换。

再有，在本实施方式5中，光记录媒体2与光记录媒体4的NA0.7的附近，使用在发明的实施方式5中说明过的本发明的技术。

在本发明的物镜光学系统中，通过采用这种结构，如图40所示，能够达到轴上特性在0.04λ以下，透镜偏移特性(偏移0.2mm时)在0.06λ以下，能够提供高性能的物镜光学系统。

其它实施方式

在实施方式1～5中，用1枚透镜实现了物镜光学系统，如图10所示，也可以用物镜100和像差补偿元件400两个部件来实现。具体地说，如图10B所示，对像差补偿元件400的入射面或出射面应用互换技术A和互换技术B双方亦可。此外，如图10C所示，在像差补偿元件400上应用互换技术A，对物镜100实用互换技术B亦可。再有，如图10D所示，对像差补偿元件400应用互换技术B，对物镜100应用互换技术A亦可。利用这种结构实现物镜光学系统也可得到与发明的实施方式1～5相同的效果。但是，为了物镜光学系统的小型化、轻量化，较好是如实施方式1～5中的物镜光学系统那样，用1枚透镜来实现。

在上述例子中，对可互换四种光记录媒体的物镜光学系统进行了说明，但本发明也可应用于至少聚焦到两个以上的光记录媒体的光束的波长相同，至少聚焦到两个以上的光记录媒体的光束的波长不同的、至少聚焦到三个以上的光记录媒体的物镜光学系统。

Claims (24)

1.一种物镜光学系统，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，

具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并且使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域，

该共用区域设定有非球面形状，该非球面形状产生抵消因该光束的波长λ的不同而产生的色差的像差。

2.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述共用区域设定有非球面形状，因该光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

3.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃的任一个波长λ都为0.5λ以上。

4.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体或所述第三光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

5.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|。

6.根据权利要求5所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述共用区域配置在所述第三光记录媒体的NA区域内的外侧部分。

7.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述共用区域从光轴沿径向被划分成多个区间。

8.根据权利要求5所述的物镜光学系统，其特征在于，

还设有聚焦到所述第一光记录媒体以及所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域。

9.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其特征在于，

用于所述光拾取器光学系统。

10.一种物镜光学系统，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，

具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并且使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上的共用区域，

入射到该共用区域的所述波长λ₃的光束和所述波长λ₁的光束以互不相同的入射角入射。

11.根据权利要求10所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述共用区域设定有非球面形状，因该光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

12.根据权利要求10所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|。

13.根据权利要求11所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|。

14.根据权利要求10所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃的任一个波长λ都为0.5λ以上。

15.根据权利要求10所述的物镜光学系统，其特征在于，

在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体或所述第三光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

16.根据权利要求10所述的物镜光学系统，其特征在于，

用于所述光拾取器光学系统。

17.一种物镜光学系统，使波长λ₃的光束聚焦到具有厚度t1的透明基板的第一光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₁的光束聚焦到具有厚度t2(t2≠t1)的透明基板的第二光记录媒体的信息记录面上，使波长λ₃(λ₃≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t3的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，以及使波长λ₄(λ₄≠λ₁)的光束聚焦到具有厚度t4的透明基板的第三光记录媒体的信息记录面上，并具有在各信息记录面上形成光斑的正的焦度，其特征在于，

具备：使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上的第一光记录媒体用区域；以及使所述波长λ₁的光束不聚焦到所述第一光记录媒体的信息记录面上而聚焦到所述第二光记录媒体的信息记录面上，并使所述波长λ₃的光束聚焦到所述第三光记录媒体的信息记录面上，使所述波长λ₄的光束聚焦到所述第四光记录媒体的信息记录面上的共用区域，

入射到该共用区域的所述波长λ₃的光束和所述波长λ₁的光束以互不相同的入射角入射，设定使因该光束的波长λ₃与λ₃的不同而产生的色差相抵消的非球面形状。

18.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述共用区域设定有非球面形状，因该第二光记录媒体与第四光记录媒体的透明基板的厚度的不同而产生的波像差和因该光束的波长λ₄与λ₁的不同而产生的色差与由非球面形状产生的像差相抵消。

19.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|或者/并且|t4-t1|＞|t4-t2|。

20.根据权利要求18所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述透明基板的厚度为|t3-t1|＞|t3-t2|或者/并且|t4-t1|＞|t4-t2|。

21.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述第一光记录媒体用区域和与内侧以及外侧相邻的两个共用区域之间的光程差对波长λ₁、波长λ₃、波长λ₄的任一个波长λ都为0.5λ以上。

22.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

在物镜的整个区域设置所述共用区域的场合，在对所述第二光记录媒体、所述第三光记录媒体或所述第四光记录媒体的波像差的变化最大的区域设置所述第一光记录媒体用区域。

23.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

所述物镜光学系统由一枚透镜构成。

24.根据权利要求17所述的物镜光学系统，其特征在于，

用于所述光拾取器光学系统。

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