CN1281995C - 光拾波装置和光学元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种用在使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置中的光学元件和光拾波装置。该光学部件备有：具有光程差赋予功能的光程差赋予部分，其被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，以及具有使呈工作基准波长λ0的光束在上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能的折射部分。该光学部件使呈工作基准波长λ0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，且满足|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000，ΔfB为由波长为λ和λ0的入射光束形成的两个汇聚光点在光轴方向上的距离，|λ-λ0|＜1[nm]。

Description

光拾波装置和光学元件
技术领域
本发明涉及将光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置、以及光拾波装置中使用的光学元件(透镜)。
背景技术
已开发了对MO、CD、DVD等光盘(光信息记录媒体)记录数据或使其再生用的光拾波装置，被用于各种用途中。
在这些光拾波装置中，使用波阵面均匀一致的光束(激光光束)。
在以MO为首的光磁记录方式的光盘、DVD-R等有机色素记录方式的光盘、DVD-RW等相变记录方式的光盘中，写入数据时，使流入激光振荡器中的电流量增加，激光光束的能量密度(功率)上升，读出时，使流入激光振荡器中的电流量减少，激光光束的能量密度下降。
例如，将数据写入MO时，将激光光束照射在MO的磁性层上，使温度上升到150℃～300℃的居里点，呈现能改写数据的状态。如果用偏磁将磁力供给该部分，则能进行数据的写入。
在使盘旋转3周的过程中，对MO写入时的工作包括进行擦除、写入、检验(对照)三种工作。
首先在第一周中，使偏磁接近高速旋转的MO盘的内侧，与此同时，对写入数据的扇区照射强激光光束，使温度上升，使磁化方向一定。这是擦除工作，全部能写入0数据。
其次在第二周中，使偏磁方向相反，将强激光光束断续地照射在写入一个数据的地方，使温度上升，改变磁性体的磁化方向。
然后在第三周中，将弱激光光束照射在磁性层上，通过调节其反射光的偏向角，读出所写入的数据，确认写入是否正确。
将数据写入DVD-RW时，如果将强激光光束照射在其记录层上，使温度上升到400℃，则记录层中的分子呈沿着同一方向排列的晶体状态。另外，如果再照射强激光光束使温度上升到600℃以上，记录层溶解，分子呈分散状态，然后如果使盘旋转而不照射激光光束，温度下降，则固定在非晶体状态。在呈晶体状态的部分和呈非晶体状态的部分，光的反射率不同，所以通过将弱激光光束照射在盘上，调节反射光的强弱，进行写入数据的读出。
如上所述，在MO或DVD-RW等能写入数据的光盘上，能交替地反复进行数据的读出和写入。而且，从读出状态切换到写入状态时，伴随从激光振荡器出射的激光光束的功率的上升，激光光束的波长瞬间变长(“模式跳跃”)。
如果激光光束的波长变长，则由于构成透镜的材料的分散特性，在光轴上形成的汇聚光点的位置向远离物镜的方向移动(“轴向色像差”)。即，汇聚光点的位置偏离光盘的记录面，将信息写入光盘上时有可能发生错误。
适用于MO的激光光束的波长为600～700nm，由模式跳跃引起的波长的变化为零点几nm左右。这种程度的波长变化，有必要进行轴向色像差的修正。
另外，现在正在进行其记录密度比现在市场上提供的DVD的记录密度大的高密度DVD(HD-DVD)及及光拾波装置的开发。适用于HD-DVD的激光光束的波长为400～500nm，由模式跳跃引起的波长的变化为数nm左右。另外，由于适用于HD-DVD的激光光束的波长比适用于MO的激光光束的波长短，所以轴向色像差变大。因此，与MO相比，进行轴向色像差的修正的必要性大。
发明内容
本发明提供一种光信息记录媒体从读出状态转移到写入状态时，即使激光光束的波长瞬间变化的模式跳跃的发生频度高，也能抑制该模式跳跃引起的焦点偏移，能防止对光信息记录媒体进行数据写入时的错误的光拾波装置、以及适用于光拾波装置的光学元件。
(1)发明的第一方面是，使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置，其特征在于备有：
第一光学元件，该第一光学元件配置在该光拾波装置的光学系统的光轴上，被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带形成得沿着光轴方向具有互不相同的厚度，同时使通过某一环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、而且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，具有赋予能长出大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差的功能，以及
第二光学元件，该第二光学元件配置在该光学系统的光轴上，具有呈工作基准波长λ0的光束入射时，能使上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，且
呈工作基准波长λ0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，
与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的光束入射时，轴向色像差被修正。
这里，第一光学元件和第二光学元件是由塑料或玻璃等具有规定的折射率的材料形成的透镜等。
另外，这里所说的“最佳”，意味着几乎没有光线像差(纵向球面像差的变化幅度小于0.01mm左右)。
另外，假设光程差赋予量为ΔL，k为任意整数，则所谓工作基准波长λ0的大致整数倍表示以下的范围：
(k-0.2)λ0≤ΔL≤(k+0.2)λ0。
另外，所谓在信息记录面上汇聚得几乎无像差(波像差)表示在0.030λrms以下。
如果采用第一方面所述的结构，则呈工作基准波长λ0的入射光束在几乎无像差地汇聚在信息记录面上，与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的光束入射时，由于能修正轴向色像差，所以即使在从光信息记录媒体的数据读出状态切换到数据写入状态的瞬间由于所产生的模式跳跃等，致使入射光束的波长从工作基准波长λ0变为与其不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])，将数据写入光信息记录媒体的信息记录面上时也能防止发生错误。
(2)本发明的第二方面是使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置，其特征在于备有：
第一光学元件，该第一光学元件配置在该光拾波装置的光学系统的光轴上，被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带形成得沿着光轴方向具有互不相同的厚度，同时使通过某一环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、而且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，具有赋予能长出大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差的功能，以及
第二光学元件，该第二光学元件配置在该光学系统的光轴上，具有呈工作基准波长λ0的光束入射时，能使上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，且
呈工作基准波长0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，
假设由与工作基准波长不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的入射光束和呈工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离为ΔfB，则满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000。
这里，第一光学元件和第二光学元件是由塑料或玻璃等具有规定的折射率的材料形成的透镜等。
如果采用发明的第二方面所述的结构，则在呈工作基准波长λ0的光束入射时，没有由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差，第二光学元件的入射面和出射面能设计成没有光线像差的非球面。因此，通过第一光学元件和第二光学元件的光束几乎无像差地汇聚。
如果与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的光束入射，则由于受第二光学元件的分散的影响，由折射功能在工作基准波长λ0成为最佳的汇聚光点的位置产生波像差。
假设n(λ0)为折射率，k为整数，则由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差赋予量Ψ(λ0)和环形带的厚度差d之间的关系能用下式表示。
[数学式1]
Ψ ( λ 0 ) = - 2 π ( n ( λ 0 ) - 1 ) d λ 0 = 2 πk
如图1所示，这里所说的环形带的厚度差d意味着某一环形带的延长部分和包含光轴的第一环形带沿光轴方向的厚度差。用非球面式表示第一环形带，按照该式延长。
假设与波长的变化相伴随的第二光学元件的折射率的变化为δ，则入射光束的波长从工作基准波长λ0变化成工作波长λ所引起的相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)能用下式表示。
[数学式2]
ΔΨ ( λ ) = Ψ ( λ 0 ) ( - 1 λ 0 + δ ( n ( λ 0 ) - 1 ) ) × ( λ - λ 0 )
= k ( - 1 λ 0 + δ ( n ( λ 0 ) - 1 ) ) Δλ
( Δλ = λ - λ 0 , δ = dn dλ )
它是由于入射波长的变化，而由环形带的厚度差d和由第一光学元件的折射率的色散引起的相位差变化量两者产生的。
如果沿着与该相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)和由于第二光学元件的分散的影响而由折射功能产生的波像差消除相一致的方向形成环形带的厚度，则光线的光程差随着远离光轴而变长。另外，由作为对象的光学系统的工作基准波长λ0、构成光学元件的原料、数值孔径决定环形带的厚度差d、各环形带沿着垂直于光轴方向的内径及外径。
另外，波长从工作基准波长λ0变为工作波长λ时，为了在光轴的同一位置几乎无波像差，未必一定要修正，如果在光轴上形成的汇聚光点的位置的变化量ΔfB在以下范围内，
|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000    …(3)
则在MO中模式跳跃时也能防止写入错误。
将几何光学中的汇聚光点的直径为(λ0/2NA)以下的汇聚光点的位置在光轴方向上的幅度称为焦深(λ0/2NA2)。如果汇聚光点的直径在(λ0/2NA)以下，则能获得读取光盘所必要的汇聚光点的强度。
在MO的光拾波装置中，由于工作基准波长λ0为600～700nm左右，数值孔径NA为0.5～0.6左右，所以该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为1.4～2.0λ0左右。另外，在MO的光拾波装置中发生的模式跳跃时的波长的变化量|λ-λ0|为零点几nm左右。因此，满足(3)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
(3)本发明的第三方面是在第二方面所述的光拾波装置中，其特征在于：
上述工作基准波长λ0为600nm＜λ0＜700nm。
如果采用发明的第三方面所述的结构，则由于工作基准波长λ0为600nm＜λ0＜700nm，所以关于对MO读写数据用的波长为600～700nm的激光光束，能获得与第一方面所述的结构同样的效果。
(4)本发明的第四方面是在第三方面所述的光拾波装置中，其特征在于：
上述第一光学元件中形成的环形带的数量为3～30中的任意数量。
在发明的第四方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对MO读写数据，环形带的数量最好为3～30。如果采用第四方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第三方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
(5)本发明的第五方面是第三或第四方面所述的光拾波装置，其特征在于：
上述光学系统的数值孔径NA在0.65以下。
如果采用发明的第五方面所述的结构，则由于光学系统的数值孔径NA在0.65以下，所以关于对MO读写数据所必要的数值孔径0.5～0.6，能获得与第二或第三方面所述的结构同样的效果。
由于该光学系统的焦深(λ0/2NA2)变成1.2λ0以上，所以由光学系统的入射光束的模式跳跃引起的波长的变化率|(λ-λ0)/λ0|为
|(λ-λ0)/λ0|＜5.9×10-4    …(4)
时，满足(3)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
在MO的情况下，工作基准波长λ0为600～700nm左右，由模式跳跃产生的波长的变化量|λ-λ0|为零点几nm左右，所以基本上满足(4)式，能防止由模式跳跃引起的MO的写入时的错误。
(6)本发明的第六方面是使从光源出射的光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置，其特征在于备有：
第一光学元件，该第一光学元件配置在该光学系统的光轴上，具有呈工作基准波长λ0的光束入射时，能使上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，以及
第二光学元件，该第二光学元件配置在该光学系统的光轴上，被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带形成得沿着光轴方向具有互不相同的厚度，同时使通过某一环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、而且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，具有赋予能长出大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差的功能，且
呈工作基准波长0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，
假设由与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜2[nm])的入射光束和工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离为ΔfB，则满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜150。
如果采用发明的第六方面所述的结构，则在呈工作基准波长λ0的光束入射时，没有由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差，第二光学元件的入射面和出射面能设计成没有光线像差的非球面。因此，通过第一光学元件和第二光学元件的光束几乎无像差地汇聚。
如果与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜2[nm])的光束入射，则由于受第二光学元件的分散的影响，由折射功能在工作基准波长λ0成为最佳的汇聚光点的位置产生波像差。
假设n(λ0)为折射率，k为整数，则由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差赋予量Ψ(λ0)和环形带的厚度差d之间的关系能用前面的(数学式1)表示。
假设与波长的变化相伴随的第二光学元件的折射率的变化为δ，则入射光束的波长从工作基准波长λ0变化成工作波长λ所引起的相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)能用前面的(数学式2)表示。它是由于入射波长的变化，而由环形带的厚度差d和由第一光学元件的折射率的色散引起的相位差变化量两者产生的。
如果沿着与该相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)和由于第二光学元件的分散的影响而由折射功能产生的波像差消除相一致的方向形成环形带的厚度，则光线的光程差随着远离光轴而变长。另外，由作为对象的光学系统的工作基准波长λ0、构成光学元件的原料、数值孔径决定环形带的厚度差d、各环形带沿着垂直于光轴方向的内径及外径。
另外，波长从工作基准波长λ0变为工作波长λ时，为了在光轴的同一位置几乎无波像差，未必一定要修正，如果在光轴上形成的汇聚光点的位置的变化量ΔfB在以下范围内，
|ΔfB/(λ-λ0)|＜150    …(5)
则在HD-DVD中模式跳跃时也能防止写入错误。
将几何光学中的汇聚光点的直径为(λ0/2NA)以下的汇聚光点的位置在光轴方向上的幅度称为焦深(λ0/2NA2)。如果汇聚光点的直径在(λ0/2NA)以下，则能获得读取光盘所必要的汇聚光点的强度。
在HD-DVD的光拾波装置中，由于工作基准波长λ0为400～500nm左右，数值孔径NA为0.65～0.85左右，所以该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为0.69λ0～1.2λ0左右。另外，在HD-DVD的光拾波装置中发生的模式跳跃时的波长的变化量|λ-λ0|为数nm左右。因此，满足(5)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
(7)本发明的第七方面是在第六方面所述的光拾波装置中，其特征在于：
上述工作基准波长λ0为400nm＜λ0＜500nm。
如果采用发明的第七方面所述的结构，则由于工作基准波长λ0为400nm＜λ0＜500nm，所以关于对HD-DVD读写数据用的波长为400～500nm的激光光束，能获得与第六方面所述的结构同样的效果。
(8)本发明的第八方面是在第七方面所述的光拾波装置中，其特征在于：
上述第一光学元件中形成的环形带的数量为20～60中的任意数量。
在发明的第八方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的最低范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对HD-DVD读写数据，环形带的数量最好为20～60。如果采用第八方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第七方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
(9)本发明的第九方面是在第七或第八方面所述的光拾波装置中，其特征在于：
上述光学系统的数值孔径NA在0.9以下。
如果采用发明的第九方面所述的结构，则由于光学系统的数值孔径NA在0.9以下，所以关于对HD-DVD读写数据所必要的数值孔径0.65～0.85，能获得与第七或第八方面所述的结构同样的效果。
由于该光学系统的焦深(λ0/2NA2)变成0.62λ0以上，所以由光学系统的入射光束的模式跳跃引起的波长的变化率|(λ-λ0)/λ0|为
|(λ-λ0)/λ0|＜4.1×10-3    …(6)
时，满足(5)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
在HD-DVD的情况下，工作基准波长λ0为400～500nm左右，由模式跳跃产生的波长的变化量|λ-λ0|为数nm左右，所以基本上满足(6)式，能防止由模式跳跃引起的HD-DVD的数据写入时的错误。
(10)本发明的第十方面是使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置中使用的光学元件，其特征在于备有：
配置在该光拾波装置的光学系统的光轴上，被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带形成得沿着光轴方向具有互不相同的厚度，同时使通过某一环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、而且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，能长出大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差赋予功能，以及
配置在该光学系统的光轴上，呈工作基准波长λ0的光束入射时，能使上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，且
呈工作基准波长0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，
假设由与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的入射光束和工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离为ΔfB，则满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000。
在发明的第十方面所述的结构中，呈工作基准波长λ0的光束入射时，该光学元件的折射功能产生的球面像差被设计得过大。可是，该光学元件由于有折射功能和光程差赋予功能两者，所以对入射光线产生与实际上光学元件增厚时同样的效果。如图1所示，与通过只备有折射功能的光学元件的光线相比，通过光学元件备有折射功能和光程差赋予功能的光学元件的光线在光学元件内的光路长度变长，其结果，由于光学元件的折射功能的作用，过大的球面像差受到降低的作用，变得几乎无像差。
这里所说的“降低”，是过大的反面，意味着随着入射光线偏离光轴，入射光线与光轴相交的位置靠近光学元件。但是，在局部或在数值孔径大的一部分区域中，在远离光学元件一侧包含与光轴相交的情况。
第十方面所述的光学元件，由于其表面形状基本上使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，所以成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
可是，如果数值孔径变大，光学元件的表面曲率半径变小，严格地说有必要考虑光路长度，所以使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，有时不能实现上述的功能。在这样的情况下，也会使具有折射功能的折射面的形状变化，成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
这样，如果采用第十方面所述的结构，则能获得与第二方面所述的结构同样的效果。
(11)本发明的第十一方面是在第十方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述工作基准波长λ0为600nm＜λ0＜700nm。
如果采用发明的第十一方面所述的结构，则能获得与第三方面所述的结构同样的效果。
(12)本发明的第十二方面是在第十一方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述光学元件中形成的环形带的数量为3～30中的任意数量。
在发明的第十二方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。可是，在光学元件兼备光程差赋予功能和折射功能的情况下，尤其是随着数值孔径的增大，从该值偏离得也大。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对MO读写数据，环形带的数量最好为3～30。如果采用第十二方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第十一方面所述的发明同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
(13)本发明的第十三方面是在第十一或第十二方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述光学元件的数值孔径0.65以下。
如果采用第十三方面所述的结构，能获得与第五方面所述的结构同样的效果。
(14)本发明的第十四方面是第十一至第十三中的任意一方面所述的光学元件，其特征在于：
上述光束中，在距离光轴最远的位置通过上述光学元件的光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.02mm以下。
这里所说的“在距离光轴最远的位置通过上述光学元件的光线”表示相当于光学元件的数值孔径的光线。
如果采用第十四方面所述的结构，则能获得与第十一至第十三中的任意一方面所述的结构同样的效果，同时入射光束中，由于在距离光轴最远的位置通过该光学元件的光线由于折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.02mm以下，所以由于折射功能和光程差赋予功能，呈工作基准波长λ0的光束几乎无像差。
(15)本发明的第十五方面是使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置中使用的光学元件，其特征在于备有：
配置在该光拾波装置的光学系统的光轴上，被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带形成得沿着光轴方向具有互不相同的厚度，同时使通过某一环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、而且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，能长出大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差赋予功能，以及
配置在该光学系统的光轴上，呈工作基准波长λ0的光束入射时，能使上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，且
呈工作基准波长0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，
假设由与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜2[nm])的入射光束和工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离为ΔfB，则满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜150。
在发明的第十五方面所述的结构中，呈工作基准波长λ0的光束入射时，该光学元件的折射功能产生的球面像差被设计得过大。可是，该光学元件由于有折射功能和光程差赋予功能两者，所以对入射光线产生与实际上光学元件增厚时同样的效果。如图1所示，与通过只备有折射功能的光学元件的光线相比，通过光学元件备有折射功能和光程差赋予功能的光学元件的光线在透镜物质内的光路长度变长，其结果，由于光学元件的折射功能的作用，过大的球面像差受到降低的作用，变得几乎无像差。
这里所说的“降低”，是过大的反面，意味着随着入射光线偏离光轴，入射光线与光轴相交的位置靠近光学元件。但是，在局部或在数值孔径大的一部分区域中，在远离光学元件一侧包含与光轴相交的情况。
第十五方面所述的光学元件，由于其表面形状基本上使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，所以成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
可是，如果数值孔径变大，光学元件的表面曲率半径变小，严格地说有必要考虑光路长度，所以使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，有时不能实现上述的功能。在这样的情况下，也会使具有折射功能的折射面的形状变化，成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
这样，如果采用第十五方面所述的结构，则能获得与第六方面所述的结构同样的效果。
(16)本发明的第十六方面是第十五方面所述的光学元件，其特征在于：
上述工作基准波长λ0为400nm＜λ0＜500nm。
如果采用发明的第十六方面所述的结构，则能获得与第七方面所述的结构同样的效果。
(17)本发明的第十七方面是在第十六方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述光学元件中形成的环形带的数量为20～60中的任意数量。
在第十七方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。可是，在光学元件兼备光程差赋予功能和折射功能的情况下，尤其是随着数值孔径的增大，从该值偏离得也大。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对HD-DVD读写数据，环形带的数量最好为20～60。如果采用第十七方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第十六方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
(18)本发明的第十八方面是在第十六或第十七方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述光学元件的数值孔径0.9以下。
如果采用第十八方面所述的结构，能获得与第九方面所述的结构同样的效果。
(19)本发明的第十九方面是在第十六至第十八中的任意一方面所述的光学元件中，其特征在于：
上述光束中，在距离光轴最远的位置通过该光学元件的光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.03mm以下。
如果采用第十九方面所述的结构，则能获得与第十六至第十八中的任意一方面所述的结构同样的效果，同时入射光束中，由于在距离光轴最远的位置通过该光学元件的光线由于折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.03mm以下，所以由于折射功能和光程差赋予功能，呈工作基准波长λ0的光束几乎无像差。
附图说明
图1是本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的由折射功能导致的光线的光路(虚线)、以及由折射功能和光程差赋予功能导致的光路(实线)的略图。
图2是本发明的光拾波装置的一例的总体结构的略图。
图3是表示本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的一例的多环形带相位差透镜的概略的侧视图。
图4是表示本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的一例的多环形带相位差透镜的概略的正视图。
图5是呈工作基准波长λ0的光束入射到本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的一例的多环形带相位差透镜中时的纵球面像差图。
图6是表示入射到本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的另一例的多环形带相位差透镜中的光束的波长在工作基准波长λ0前后变化时在光轴上形成的汇聚光点的位置沿光轴方向变动的情况的图。其中，带三角实线表示母非球面透镜，带圈虚线表示多环形带相位差透镜。
图7是与工作基准波长λ0不同的波长λ的光束入射到本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的一例的多环形带相位差透镜中时的波面误差的略图。其中，虚线表示对于工作基准波长为λ0的入射光束几乎无像差的透镜，实线表示多环形带相位差透镜。ΔΨk(λ)是第k环形带相对于第1环形带的相位差赋予量的变化量。
图8是表示入射到本发明的光拾波装置中的第一光学元件和第二光学元件或本发明的光学元件的另一例的多环形带相位差透镜中的光束的波长在工作基准波长λ0前后变化时在光轴上形成的汇聚光点的位置沿光轴方向变动的情况的图。其中，带三角实线表示母非球面透镜，带圈虚线表示多环形带相位差透镜。
图9是表示由两个光学元件构成的实施例的图。
图10是DVD/CD互换用的有限光/无限光用的物镜的剖面图。
图11是安装了图10中的物镜、使用无限光的光拾波装置的略图。
图12是安装了图10中的物镜、使用无限光的光拾波装置的略图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的光拾波装置及光学元件的实施形态。
图2是后面所述的第一及第二实施形态的光拾波装置1、2的总体结构的略图。
第一及第二实施形态的光拾波装置1、2使分别从激光振荡器L1出射的工作基准波长λ0为685nm或405nm的激光光束(光束)通过准直透镜12、22、后面所述的多环形带相位差透镜11、21，沿光轴6汇聚在MO8或HD-DVD9(光信息记录媒体)的信息记录面8a、9a上，形成汇聚光点，用偏振光分光镜13取入来自MO的信息记录面8a或HD-DVD的反射面9b的反射光，再在检测器L2的受光面上形成光点。
图3、图4是表示第一及第二实施形态的多环形带相位差透镜11、21的概略的侧视图、正视图。
第一及第二实施形态的多环形带相位差透镜是呈一体地形成本发明的第二光学元件(物镜)和第一光学元件(光学元件)的实施形态。
[第一实施形态]
本实施形态的光拾波装置1是为了进行MO的读写而设计的，被设计成工作基准波长λ0＝685nm，光学系统的数值孔径NA＝0.55，焦距为2.7mm。
该光拾波装置1中使用的多环形带相位差透镜11的折射面(第一面11A、第二面11B)的形状、折射率如下设定。
将多环形带相位差透镜11的透镜数据示于表1。
[表1]
  面编号   曲率半径R[mm]   光轴上的距离d[mm]  折射率n
 λ＝675nm  λ＝685nm  λ＝695nm
  0   ∞
  1   1.862   2.15  1.5368   1.5364   1.5362
  2   -3.875   0.85
  3   ∞   0.6  1.58   1.58   1.58
  4   ∞
在表1中，面编号1、2分别是多环形带相位差透镜11的第一面11A、第二面11B。面编号3、4分别是MO的盘表面、记录层。
以下给出多环形带相位差透镜11的第一面11A和第二面11B的形状。
这样形成第一面11A：将图3中用虚线表示的母非球面(图3中用虚线表示)11a沿光轴方向分割成以光轴6为中心的呈同心圆的环形带101～119，厚度随着远离光轴6而增加。相邻的两个环形带之间的台阶使通过一个环形带的光线和通过其相邻的环形带的光线之间产生大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差，而且呈不产生波阵面的偏移的长度。
多环形带相位差透镜11的第一面11A的母非球面和第二面11B分别形成为用将表2中所示的系数代入下式后的数学式规定的在光轴6的周围呈轴对称的非球面。
[数学式3]
X = ( h 2 / R ) 1 + 1 - ( 1 + K ) ( h / R ) 2 + Σ I = 1 16 Aih i
[表2]
  第1面   R＝1.8617K＝-1.0192A4＝7.9758×10-3A6＝7.1338×10-3A8＝-1.1140×10-2A10＝8.2309×10-3A12＝-3.3306×10-3A14＝6.9847×10-4A16＝-5.8651×10-5
  第2面   R＝-3.8746K＝-3.3168×10A4＝-1.2867×10-2A6＝-3.6058×10-3A8＝1.1224×10-2A10＝-6.5301×10-3A12＝1.3368×10-3
在多环形带相位差透镜11的第一面11A上形成的各环形带101～119的母非球面11a所对应的沿光轴方向的位移量示于表3。在表3中，光轴6方向的位移量将从多环形带相位差透镜11的第一面11A朝向第二面11B的方向作为正方向。
[表3]
环形带编号 内周半径[mm] 外周半径[mm]   相对于第一环形带沿光轴方向的位移量[μm]
  12345678910111213141516171819   0.0000.3800.5350.6520.7510.8360.9130.9811.0441.1011.1531.2011.2461.2881.3271.3641.4001.4341.467   0.3800.5350.6520.7510.8360.9130.9811.0441.1011.1531.2011.2461.2881.3271.3641.4001.4341.4671.500   0.00-1.29-2.58-3.89-5.20-6.53-7.86-9.21-10.56-11.92-13.29-14.67-16.06-17.46-18.86-20.28-21.70-23.13-24.56
这样，多环形带相位差透镜11是通过将一个用非球面式表示的光学面形状(母非球面)按照以光轴为中心的同心圆分割成多个环形带，为了使通过相邻的环形带的光线产生大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差，而使各环形带的面沿光轴方向位移而获得的一种形状的透镜。
如表6所示，将对呈工作基准波长λ0的入射光束成为几乎无像差的透镜按照前面第5页关于式(3)所述的方法，决定各环形带的内径及外径，使各环形带的面沿光轴方向平行移动。通过形成环形带使光束的光路长度变化，但为了对呈工作基准波长λ0、工作波长λ的光束来说，使波像差达到最小，而调整各环形带的位移量、表面形状(再设计透镜)。通过反复进行这样的工作，对呈工作基准波长λ0、工作波长λ的光束确定最合适的各环形带的位移量、内径、外径、以及母非球面的形状。
图5中示出了呈工作基准波长λ0(685nm)的激光光束入射到该多环形带相位差透镜11上时的纵球面像差图。
另外，设想MO的数据写入时的模式跳跃，将激光光束的波长在工作基准波长λ0(685nm)的前后1nm的范围内变化时在光轴6上形成的汇聚光点沿光轴方向的变化与在多环形带相位差透镜11上不设置环形带的“母非球面透镜”的情况比较，示于图6。
该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为1132nm左右，在几何光学中，如果波像差为最小的汇聚光点沿光轴方向的变化量ΔfB在该焦深的二分之一的范围内，则汇聚光点的直径成为适合于对MO读写数据的直径(λ0/2NA以下)。如图6所示，入射的激光光束的波长的变化幅度在工作基准波长λ0前后0.5nm的范围时的汇聚光点沿光轴方向的变化量ΔfB，对于“母非球面透镜”来说，最大为50nm左右，而对于多环形带相位差透镜11来说，为数nm左右。
[第二实施形态]
本实施形态的光拾波装置2是为了进行HD-DVD的读写而设计的，被设计成工作基准波长λ0＝405nm，光学系统的数值孔径NA＝0.85，焦距为1.76mm。
该光拾波装置2中使用的多环形带相位差透镜21的折射面(第一面21A、第二面21B)的形状、折射率如下设定。
将多环形带相位差透镜21的透镜数据示于表4。
[表4]
  面编号   曲率半径R[mm]  光轴上的距离d[mm]  折射率n
 λ＝395nm  λ＝405nm  λ＝415nm
  物点  ∞
  1(非球面)   1.170  2.65  1.5265  1.5249  1.5235
  2(非球面)   -0.975  0.3 4
  3(玻璃盖)   ∞  0.1  1.62  1.62  1.62
  4   ∞
在表4中，面编号1、2分别是多环形带相位差透镜21的第一面21A、第二面21B。面编号3、4分别是HD-DVD的盘表面、记录层。
以下给出多环形带相位差透镜21的第一面21A和第二面21B的形状。
这样形成第一面21A：将图3中用虚线表示的母非球面(图3中用虚线表示)21a沿光轴方向分割成以光轴6为中心的呈同心圆的环形带201～230，厚度随着远离光轴6而增加。相邻的两个环形带之间的台阶使通过一个环形带的光线和通过其相邻的环形带的光线之间产生大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差，而且呈不产生波阵面的偏移的长度。
多环形带相位差透镜21的第一面21A的母非球面和第二面21B分别形成为用将表5中所示的系数代入前面的(数学式3)后规定的在光轴6的周围呈轴对称的非球面。
[表5]
  第1面   R＝1.1699K＝-4.7888A4＝3.1250×10-1A6＝-2.6474×10-1A8＝2.2284×10-1A10＝-1.2258×10-1A12＝4.0399×10-2A14＝-6.4174×10-3A16＝2.3865×10-4
  第2面   R＝-9.7515×10-1K＝-2.1704×10A4＝3.0802×10-1A6＝-6.3950×10-1A8＝5.8536×10-1A10＝-2.1562×10-1A12＝2.5227×10-4
在多环形带相位差透镜21的第一面21A上形成的各环形带201～230的母非球面21a所对应的沿光轴方向的位移量示于表6。在表6中，光轴6方向的位移量将从多环形带相位差透镜21的第一面21A朝向第二面21B的方向作为正方向。
[表6]
环形带编号 内周半径[mm] 外周半径[mm]   相对于第一环形带沿光轴方向的位移量[μm]
  123456789101112131415161718192021222324252627282930   0.0000.3410.4790.5810.6660.7390.8040.8620.9150.9641.0091.0511.0901.1261.1601.1931.2231.2521.2791.3041.3291.3521.3731.3941.4141.4321.4501.4671.4831.499   0.3410.4790.5810.6660.7390.8040.8620.9150.9641.0091.0511.0901.1261.1601.1931.2231.2521.2791.3041.3291.3521.3731.3941.4141.4321.4501.4671.4831.4991.514   0.00-3.92-7.89-11.93-16.03-20.19-24.43-28.73-33.10-37.55-42.07-46.67-51.36-56.12-60.97-65.90-70.92-76.03-81.23-86.51-91.88-97.33-102.86-108.47-114.15-119.89-125.68-131.51-137.37-143.25
这样，与第一实施形态中所述的多环形带相位差透镜11相同，多环形带相位差透镜21也是通过将一个用非球面式表示的光学面形状(母非球面)按照以光轴为中心的同心圆分割成多个环形带，为了使通过相邻的环形带的光线产生大致为工作基准波长λ0的整数倍的光程差，而使各环形带的面沿光轴方向位移而获得的一种形状的透镜。
如表7所示，将对呈工作基准波长λ0的入射光束成为几乎无像差的透镜按照前面第5页关于数学式(3)所述的方法，决定各环形带的内径及外径，使各环形带的面沿光轴方向平行移动。通过形成环形带使光束的光路长度变化，但为了对呈工作基准波长λ0、工作波长λ的光束来说，使波像差达到最小，而调整各环形带的位移量、表面形状(再设计透镜)。通过反复进行这样的工作，对呈工作基准波长λ0、工作波长λ的光束确定最合适的各环形带的位移量、内径、外径、以及母非球面的形状。
另外，设想HD-DVD的数据写入时的模式跳跃，将激光光束的波长在工作基准波长λ0(405nm)的前后2nm的范围内变化时在光轴6上形成的汇聚光点沿光轴方向的变化与在多环形带相位差透镜21上不设置环形带的“母非球面透镜”的情况比较，示于图8。
该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为280nm左右，在几何光学中，如果波像差为最小的汇聚光点沿光轴方向的变化量ΔfB在该焦深的二分之一的范围内，则汇聚光点的直径成为适合于对HD-DVD读写数据的直径(λ0/2NA以下)。如图8所示，入射的激光光束的波长的变化幅度在工作基准波长λ0前后2nm的范围时的汇聚光点沿光轴方向的变化量ΔfB，对于“母非球面透镜”来说，最大为750nm左右，而对于多环形带相位差透镜21来说，为数十nm左右。
另外，如图9所示，也可以单个地构成有光程差赋予功能的第一光学元件31、以及有折射功能的第二光学元件41。如果这样构成，则由于能进行分别独立地考虑光学赋予功能和折射功能的光学元件设计，所以设计的自由度大。
另外，用图10所示的本发明的物镜构成图11所示的光拾波装置。在本结构中，通过将出射波长为780nm的激光的光源用作一个光源，将出射波长为650nm的激光的光源用作另一个光源，能进行对CD和DVD的记录或再生。
另外，能用图10所示的本发明的物镜还能构成图12所示的光拾波装置。各光源使用与图11所示的各光源同样的结构，能进行对CD和DVD的记录或再生。与图11中的光拾波装置不同的地方在于有限光入射到物镜中。利用本结构，图12中的光拾波装置不需要使用准直透镜，所以能使光拾波装置总体小型化。
发明的效果
如果采用本发明的第一方面所述的结构，则由于呈工作基准波长λ0的入射光束几乎无像差地汇聚在信息记录面上，即使与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的光束入射时，轴向色像差也能被修正，所以即使由于从光信息记录媒体的数据读出状态切换到数据写入状态的瞬间产生的模式跳跃等，致使入射光束的波长从工作基准波长λ0变化到与其不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])，将数据写入光信息记录媒体的信息记录面上时也能防止发生错误。
如果采用本发明的第二方面所述的结构，则在呈工作基准波长λ0的光束入射时，没有由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差，第二光学元件的入射面和出射面能设计成没有光线像差的非球面。因此，通过第一光学元件和第二光学元件的光束几乎无像差地汇聚。
如果与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜1[nm])的光束入射，则由于受第二光学元件的分散的影响，由折射功能在工作基准波长λ0成为最佳的汇聚光点的位置产生波像差。
假设n(λ0)为折射率，k为整数，则由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差赋予量Ψ(λ0)和环形带的厚度差d之间的关系能用(数学式1)表示。
如图1所示，这里所说的环形带的厚度差d意味着某一环形带和包含光轴的第一环形带的延长部分沿光轴方向的厚度差。用非球面式表示第一环形带，按照该式延长。
假设与波长的变化相伴随的第二光学元件的折射率的变化为δ，则入射光束的波长从工作基准波长λ0变化成工作波长λ所引起的相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)能用(数学式2)表示。它是由于入射波长的变化，而由环形带的厚度差d和由第一光学元件的折射率的色散引起的相位差变化量两者产生的。
如果沿着与该相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)和由于第二光学元件的分散的影响而由折射功能产生的波像差消除相一致的方向形成环形带的厚度，则光线的光程差随着远离光轴而变长。另外，由作为对象的光学系统的工作基准波长λ0、构成光学元件的原料、数值孔径决定环形带的厚度差d、各环形带沿着垂直于光轴方向的内径及外径。
另外，波长从工作基准波长λ0变为工作波长λ时，为了在光轴的同一位置几乎无波像差，未必一定要修正，如果在光轴上形成的汇聚光点的位置的变化量ΔfB在以下范围内，
|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000    …(3)
则在MO中模式跳跃时也能防止写入错误。
将几何光学中的汇聚光点的直径为(λ0/2NA)以下的汇聚光点的位置在光轴方向上的幅度称为焦深(λ0/2NA2)。如果汇聚光点的直径在(λ0/2NA)以下，则能获得读取光盘所必要的汇聚光点的强度。
在MO的光拾波装置中，由于工作基准波长λ0为600～700nm左右，数值孔径NA为0.5～0.6左右，所以该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为1.4～2.0λ0左右。另外，在MO的光拾波装置中发生的模式跳跃时的波长的变化量|λ-λ0|为零点几nm左右。因此，满足(3)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
如果采用本发明的第三方面所述的结构，则由于工作基准波长λ0为600nm＜λ0＜700nm，所以关于对MO读写数据用的波长为600～700nm的激光光束，能获得与第一方面所述的结构同样的效果。
在本发明的第四方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对MO读写数据，环形带的数量最好为3～30。如果采用第四方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第三方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
如果采用本发明的第五方面所述的结构，则由于光学系统的数值孔径NA在0.65以下，所以关于对MO读写数据所必要的数值孔径0.5～0.6，能获得与第二或第三方面所述的结构同样的效果。
由于该光学系统的焦深(λ0/2NA2)变成1.2λ0以上，所以由光学系统的入射光束的模式跳跃引起的波长的变化率|(λ-λ0)/λ0|为
|(λ-λ0)/λ0|＜5.9×10-4    …(4)时，满足(3)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
在MO的情况下，工作基准波长λ0为600～700nm左右，由模式跳跃产生的波长的变化量|λ-λ0|为零点几nm左右，所以基本上满足(4)式，能防止由模式跳跃引起的MO的写入时的错误。
如果采用本发明的第六方面所述的结构，则在呈工作基准波长λ0的光束入射时，没有由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差，第二光学元件的入射面和出射面能设计成没有光线像差的非球面。因此，通过第一光学元件和第二光学元件的光束几乎无像差地汇聚。
如果与工作基准波长λ0不同的工作波长λ(|λ-λ0|＜2[nm])的光束入射，则由于受第二光学元件的分散的影响，由折射功能在工作基准波长λ0成为最佳的汇聚光点的位置产生波像差。
假设n(λ0)为折射率，k为整数，则由第一光学元件的光程差赋予功能赋予的相位差赋予量Ψ(λ0)和环形带的厚度差d之间的关系能用前面的(数学式1)表示。
假设与波长的变化相伴随的第二光学元件的折射率的变化为δ，则入射光束的波长从工作基准波长λ0变化成工作波长λ所引起的相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)能用前面的(数学式2)表示。它是由于入射波长的变化，而由环形带的厚度差d和由第一光学元件的折射率的色散引起的相位差变化量两者产生的。
如果沿着与该相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)和由于第二光学元件的分散的影响而由折射功能产生的波像差消除相一致的方向形成环形带的厚度，则光线的光程差随着远离光轴而变长。另外，由作为对象的光学系统的工作基准波长λ0、构成光学元件的原料、数值孔径决定环形带的厚度差d、各环形带沿着垂直于光轴方向的内径及外径。
另外，波长从工作基准波长λ0变为工作波长λ时，为了在光轴的同一位置几乎无波像差，未必一定要修正，如果在光轴上形成的汇聚光点的位置的变化量ΔfB在以下范围内，
|ΔfB/(λ-λ0)|＜150    …(5)
则在HD-DVD中模式跳跃时也能防止写入错误。
将几何光学中的汇聚光点的直径为(λ0/2NA)以下的汇聚光点的位置在光轴方向上的幅度称为焦深(λ0/2NA2)。如果汇聚光点的直径在(λ0/2NA)以下，则能获得读取光盘所必要的汇聚光点的强度。
在HD-DVD的光拾波装置中，由于工作基准波长λ0为400～500nm左右，数值孔径NA为0.65～0.85左右，所以该光学系统的焦深(λ0/2NA2)为0.69λ0～1.2λ0左右。另外，在HD-DVD的光拾波装置中发生的模式跳跃时的波长的变化量|λ-λ0|为数nm左右。因此，满足(5)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
如果采用本发明的第七方面所述的结构，则由于工作基准波长λ0为400nm＜λ0＜500nm，所以关于对HD-DVD读写数据用的波长为400～500nm的激光光束，能获得与第六方面所述的结构同样的效果。
在本发明的第八方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的最低范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对HD-DVD读写数据，环形带的数量最好为20～60。如果采用第八方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第七方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
如果采用本发明的第九方面所述的结构，则由于光学系统的数值孔径NA在0.9以下，所以关于对HD-DVD读写数据所必要的数值孔径0.65～0.85，能获得与第七或第八方面所述的结构同样的效果。
由于该光学系统的焦深(λ0/2NA2)变成0.62λ0以上，所以由光学系统的入射光束的模式跳跃引起的波长的变化率|(λ-λ0)/λ0|为
|(λ-λ0)/λ0|＜4.1×10-3    …(6)时，满足(5)式，汇聚光点的位置的变化量ΔfB在焦深的二分之一范围内。
在HD-DVD的情况下，工作基准波长λ0为400～500nm左右，由模式跳跃产生的波长的变化量|λ-λ0|为数nm左右，所以基本上满足(6)式，能防止由模式跳跃引起的HD-DVD的数据写入时的错误。
在本发明的第十方面所述的结构中，呈工作基准波长λ0的光束入射时，该光学元件的折射功能产生的球面像差被设计得过大。可是，该光学元件由于有折射功能和光程差赋予功能两者，所以对入射光线产生与实际上光学元件增厚时同样的效果。如图1所示，与通过只备有折射功能的光学元件的光线相比，通过光学元件备有折射功能和光程差赋予功能的光学元件的光线在光学元件内的光路长度变长，其结果，由于光学元件的折射功能的作用，过大的球面像差受到降低的作用，变得几乎无像差。
这里所说的“降低”，是过大的反面，意味着随着入射光线偏离光轴，入射光线与光轴相交的位置靠近光学元件。但是，在局部或在数值孔径大的一部分区域中，在远离光学元件一侧包含与光轴相交的情况。
第十方面所述的光学元件，由于其表面形状基本上使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，所以成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
可是，如果数值孔径变大，光学元件的表面曲率半径变小，严格地说有必要考虑光路长度，所以使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，有时不能实现上述的功能。在这样的情况下，也会使具有折射功能的折射面的形状变化，成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
这样，如果采用第十方面所述的结构，则能获得与第二方面所述的结构同样的效果。
如果采用本发明的第十一方面所述的结构，则能获得与第三方面所述的结构同样的效果。
在本发明的第十二方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。可是，在光学元件兼备光程差赋予功能和折射功能的情况下，尤其是随着数值孔径的增大，从该值偏离得也大。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对MO读写数据，环形带的数量最好为3～30。如果采用第十二方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第十一方面所述的发明同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
如果采用第十三方面所述的结构，能获得与第五方面所述的结构同样的效果。
如果采用第十四方面所述的结构，则能获得与第十一至第十三中的任意一方面所述的结构同样的效果，同时入射光束中，由于在距离光轴最远的位置通过该光学元件的光线由于折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.02mm以下，所以由于折射功能和光程差赋予功能，呈工作基准波长λ0的光束几乎无像差。
在本发明的第十五方面所述的结构中，呈工作基准波长λ0的光束入射时，该光学元件的折射功能产生的球面像差被设计得过大。可是，该光学元件由于有折射功能和光程差赋予功能两者，所以对入射光线产生与实际上光学元件增厚时同样的效果。如图1所示，与通过只备有折射功能的光学元件的光线相比，通过光学元件备有折射功能和光程差赋予功能的光学元件的光线在透镜物质内的光路长度变长，其结果，由于光学元件的折射功能的作用，过大的球面像差受到降低的作用，变得几乎无像差。
这里所说的“降低”，是过大的反面，意味着随着入射光线偏离光轴，入射光线与光轴相交的位置靠近光学元件。但是，在局部或在数值孔径大的一部分区域中，在远离光学元件一侧包含与光轴相交的情况。
第十五方面所述的光学元件，由于其表面形状基本上使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，所以成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
可是，如果数值孔径变大，光学元件的表面曲率半径变小，严格地说有必要考虑光路长度，所以使具有折射功能的非球面的表面形状只沿光轴方向移动光程差大小，有时不能实现上述的功能。在这样的情况下，也会使具有折射功能的折射面的形状变化，成为兼备折射功能和光程差赋予功能的光学元件。
这样，如果采用第十五方面所述的结构，则能获得与第六方面所述的结构同样的效果。
如果采用发明的第十六方面所述的结构，则能获得与第七方面所述的结构同样的效果。
在本发明的第十七方面所述的结构中，入射了呈工作基准波长λ0的光束时，在波像差最小的汇聚光点的位置，波长变化时由折射功能产生的波阵面误差随着数值孔径的增大而增大。这里所说的“波阵面误差”是近轴光线的波阵面的偏移和相当于特定的数值孔径的光线的波阵面的偏移之差。
如果数值孔径小，则修正波阵面误差所必要的环形带的数量大致等于波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值。可是，在光学元件兼备光程差赋予功能和折射功能的情况下，尤其是随着数值孔径的增大，从该值偏离得也大。
入射了呈工作基准波长λ0的光束时，波像差为最小的汇聚光点的位置的波长变化时的波像差如果在对光信息记录媒体读写数据所必要的范围内，则即使环形带的数量比波阵面误差的最大值除以相位差赋予量的变化量ΔΨ(λ)所得的值小，模式跳跃时也不会产生读取错误。为了对HD-DVD读写数据，环形带的数量最好为20～60。如果采用第十七方面所述的结构，则关于该环形带的数量，能获得与第十六方面所述的结构同样的效果。
另外，一般说来，环形带数量越少，波像差越大，具有容易加工光学元件的优点。
如果采用第十八方面所述的结构，能获得与第九方面所述的结构同样的效果。
如果采用第十九方面所述的结构，则能获得与第十六至第十八中的任意一方面所述的结构同样的效果，同时入射光束中，由于在距离光轴最远的位置通过该光学元件的光线由于折射功能而与光轴相交的位置和近轴光线由于折射功能而与光轴相交的位置的距离为0.03mm以下，所以由于折射功能和光程差赋予功能，呈工作基准波长λ0的光束几乎无像差。

Claims (15)

1.一种光学元件，用在使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置中，备有：
具有光程差赋予功能的光程差赋予部分，该光程差赋予部分被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带沿着光轴方向具有互不相同的厚度，该光程差赋予部分使通过上述多个环形带的一个环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，长出工作基准波长λ0的整数倍，以及
折射部分，其具有使呈工作基准波长λ0的光束在上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，
其特征在于：该光学元件使呈工作基准波长λ0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，且满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜2000，
式中，ΔfB为由与工作基准波长λ0不同的工作波长λ的入射光束和工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离，|λ-λ0|＜1[nm]，
上述工作基准波长λ0满足600nm＜λ0＜700nm，
上述光学元件中形成的环形带的数量为3～30。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件的数值孔径为0.65以下。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
上述光束中，在通过距离光轴最远的位置的光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置、和近轴光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置之间的距离为0.02mm以下。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件构造成使发散光束入射到上述光学元件中。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件具有调和结构，把呈工作基准波长λ0的、已经在可以记录或再生第一光信息记录媒体的条件下通过上述调和结构的光束汇聚，并把呈工作基准波长λ1的、已经在可以记录或再生第二光信息记录媒体的条件下通过上述调和结构的光束汇聚，λ0＜λ1。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于：
上述调和结构是衍射结构。
7.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于：
上述调和结构构造成，光束的行进方向与上述多个环形带中的每一个的折射方向相同，且在汇聚光点的波前像差最小的位置，已经通过上述多个环形带中的每一个的波前的相位Φ满足-0.5π≤Φ≤≤0.5π。
8.一种光学元件，用在使光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上的光拾波装置中，备有：
具有光程差赋予功能的光程差赋予部分，该光程差赋予部分被区分成以光轴为中心的呈同心圆的多个环形带，这些环形带沿着光轴方向具有互不相同的厚度，该光程差赋予部分使通过上述多个环形带中的一个环形带的光线的光路长度与通过同该环形带相邻、且比该环形带靠近光轴的另一环形带的光线的光路长度相比，长出工作基准波长λ0的整数倍，以及
折射部分，其具有使呈工作基准波长λ0的光束在上述信息记录面上形成的汇聚光点的球面像差为最佳的折射功能，
其特征在于：该光学元件使呈工作基准波长λ0的入射光束几乎无像差地汇聚在上述信息记录面上，且满足
|ΔfB/(λ-λ0)|＜150，
式中，ΔfB为由与工作基准波长λ0不同的工作波长λ的入射光束和工作基准波长λ0的入射光束形成的两个汇聚光点之间在光轴方向上的距离，|λ-λ0|＜2[nm]，
上述工作基准波长λ0满足400nm＜λ0＜500nm，
上述光学元件中形成的环形带的数量为20～60。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件的数值孔径为0.9以下。
10.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于：
上述光束中，在通过距离光轴最远的位置的光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置、和近轴光线由于上述折射功能而与光轴相交的位置之间的距离为0.03mm以下。
11.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件构造成使发散光束入射到上述光学元件中。
12.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于：
上述光学元件具有调和结构，把呈工作基准波长λ0的、已经在可以记录或再生第一光信息记录媒体的条件下通过上述调和结构的光束汇聚，并把呈工作基准波长λ1的、已经在可以记录或再生第二光信息记录媒体的条件下通过上述调和结构的光束汇聚，λ0＜λ1。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其特征在于：
上述调和结构是衍射结构。
14．根据权利要求12所述的光学元件，其特征在于：
上述调和结构构造成，光束的行进方向与上述多个环形带中的每一个的折射方向相同，且在汇聚光点的波前像差最小的位置，已经通过上述多个环形带中的每一个的波前的相位Φ满足-0.5π≤Φ≤≤0.5π。
15.一种光拾波装置，用于把光束汇聚在光信息记录媒体的信息记录面上，备有：根据权利要求1-14中任一项所述的光学元件。
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