CN1295536C - 光学拾波器用物镜、光学拾波器及光盘装置 - Google Patents

光学拾波器用物镜、光学拾波器及光盘装置 Download PDF

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Abstract

本发明，为具有0.8以上的数值孔径并适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正的光学拾波器用物镜(15)，该物镜，从光源侧起，按顺序由具有折射面S2r与折射面S2r的复合面S2的第1透镜组GR1和具有正折射力的第2透镜组GR2构成，并通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成第1透镜组的复合面，使构成第2透镜组的透镜为至少包含一个非球面的单透镜。该物镜，是小型的物镜，可以有效地执行色差校正并能将激光聚焦到衍射极限。

Description

光学拾波器用物镜、光学拾波器及光盘装置
技术领域
本发明涉及在用于使激光等光束照射光记录媒体以进行信息记录并对记录在光记录媒体上的信息进行再生的光学拾波器装置中采用的物镜及采用了该物镜的光学拾波器装置，并涉及光盘装置，更详细地说是一种能将光束在光记录媒体的记录面上聚焦到衍射极限的物镜、采用了该物镜的光学拾波器装置、及光盘装置。
背景技术
作为信息记录媒体，当前采用着高记录密度的非接触式光记录媒体。光记录媒体，通过使光束、例如激光照射记录面而进行信息的记录，并可以对所记录的信息进行再生。这种光记录媒体，从易于检索所记录的信息等观点考虑，广泛地使用着加工成盘片状的光记录媒体、即形成为光盘的光记录媒体。
光盘，具有按螺旋状或同心圆状形成的记录光道，相邻接的记录光道的中心线之间的间隔、即光道间距，例如，在CD(Compact Disc::压缩光盘或激光唱盘)的情况下约为1.6μm，而在DVD(Digital VideoDisc/Digital Versatile Disc：数字视盘/数字通用光盘)的情况下，细微到0.74μm，因而使信息的记录密度大幅度提高。
为使光束照射DVD等通过减小记录光道的光道间距而提高了信息记录密度的光盘以便进行信息的记录或再生，与对光道间距大的光盘进行照射的情况相比，必须在其记录面上形成更小的射束点。
由物镜聚焦后的激光束的射束点直径，与激光的设计波长成比例，而与物镜的数值孔径(NA)成反比。因此，为减小射束点的直径，必须增大物镜的数值孔径和减小激光的波长。
另一方面，为以相变方式或其他方式在光盘上记录信息，需要高能激光，此外，还必须减小反射后的激光所产生的激光噪声，所以，应以在半导体激光器的驱动电压或电流上叠加高频等方法改变驱动功率从而在较短的周期内改变激光的波长。因此，在对光盘照射相干(Coherent)激光的光学拾波器中，将因几nm左右的波长变化而产生色差，因而存在着使光盘上的射束点增大的问题。
可是，如图1所示，光学拾波器，备有用于将激光200会聚在光盘的记录面上的物镜。在现有技术中使用着的物镜201，由用玻璃模压成型的单片的透镜构成，并具有聚光性强的非球面201a。
该物镜201，从图2A所示的球面象差特性图、图2B所示的象散象差特性图、图2C所示的畸变象差特性图可以看出，尽管采用了非球面201a，在±2nm的波长变化下也将产生约±0.6μm/nm的色差。此外，在图2A、图2B及图2C所示的各象差图中，实线、虚线及单点锁线分别表示405nm、403nm及407nm的值，在表示象散象差的图2B中，粗线和细线分别表示径向象面和切向象面的值。
如上所述，为了在通过减小记录光道的光道间距而提高了记录密度的光盘上记录信息，最好是由物镜将激光聚焦到衍射极限以形成较小的射束点。在现有技术中使用着的具有非球面201a的用玻璃模压成型的单片结构的物镜201，由于产生如上所述的色差而很难将激光聚焦到衍射极限。
发明内容
本发明，是鉴于如上所述的实际情况而提出的，其目的是提供一种可以在用于对通过减小记录光道的光道间距而提高了记录密度的光记录媒体记录信息并对记录在光记录媒体上的信息进行再生的光学拾波器中有效使用的新型的物镜，更具体地说，其目的是提供一种能有效地进行色差校正并可以将光束聚焦到衍射极限的小型物镜。
本发明的另一目的是提供一种采用了能有效地进行色差校正并可以将光束聚焦到衍射极限的物镜的光学拾波器、及采用了该光学拾波器的光盘。
为达到上述目的，本发明提出的光学拾波器用物镜，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，该光学拾波器用物镜的特征在于：第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下(Sag)量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的次数一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
该物镜，通过对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围进行有效的色差校正，可以将激光的光点直径聚焦到衍射极限。采用了该物镜的光学拾波器及采用了该光学拾波器的光盘，如应用于通过减小记录光道的光道间距而可以进行高密度信息记录的光记录媒体，则能以高的密度在该光记录媒体上记录信息，并可以从以高密度记录了信息的光记录媒体进行信息的再生。
本发明的物镜，使第1透镜组的衍射面的非球面系数与附加衍射面的具有负折射力的非球面的非球面系数在相同阶次上相互抵消，所以，在断面形状上可以将衍射面形成为将衍射面成型过程中的不能加工部分等降低衍射效率的因素及划痕(引き目)等降低透射率的因素消除的阶梯形状。
物镜，由于使第1透镜组的衍射面的断面形状为具有可提供设计波长整数倍的相位差的台阶高差的阶梯形状，所以在衍射面成型过程中可以将不能加工部分等降低衍射效率的因素及划痕等降低透射率的因素消除。
将构成第1透镜组及第2透镜组的各透镜配置在共用的透镜筒内的物镜，当用于光学拾波器时，可以提高光学拾波器的组装作业性。
本发明的物镜，使第1透镜组的最靠近光源侧的面为平面并将与设计波长对应的折射力设定为零，所以，可以将第1透镜组只用于校正色差，而将第2透晶体管组只用于对激光进行聚焦，因而使各透镜组的设计更易于进行。
通过使构成第1透镜组的透镜为树脂制透镜，可以减轻整个物镜的重量，并能以低的成本进行制造。
通过在第2透镜组与象面之间配置具有0.3mm以下厚度的保护层并对由保护层引起的球面象差进行校正，可以消除由保护层产生的球面象差的影响。
进一步，由于将构成第1透镜组的透镜与透镜筒用树脂形成为一体，所以可以减少部件数、减轻该物镜本身的重量并能抑制组装透镜时的制造误差，因而可以实现性能的稳定并能降低成本。
更进一步，由于设在第1透镜组和第2透镜组之间的光阑由设在构成第2透镜组的折射型透镜的靠光源侧的面上的金属等薄膜构成，所以可以抑制组装透镜时的制造误差并能使性能稳定。
更进一步，物镜，在第1透镜组的复合面的表面上，形成具有周期为基准波长的1/2左右、振幅为基准波长的1/4左右的周期结构且比衍射面的凹凸形状更微细的同心圆状的凹凸形状，所以，可以提高对该物镜入射的一定波长的光的透射率。
本发明的其他目的、由本发明得到的具体优点，从下文中参照附图说明的实施形态可以看得更为清楚。
附图的简单说明
图1是表示现有的光学拾波器中使用的物镜的侧视图。
图2A是表示物镜的球面象差的特性图，图2B是表示象散象差的特性图、图2C是表示畸变象差的特性图。
图3是简略地表示应用了本发明的光盘装置的外观的斜视图。
图4是表示光盘装置的内部结构的分解斜视图。
图5是表示应用了本发明的光学拾波器的侧视图。
图6是在表示出本发明的光学拾波器用物镜的衍射面的同时示出衍射面及折射面的各自的透镜半径方向与凹下量的关系的图。
图7是表示将衍射面和折射面组合后的复合面的透镜半径方向与凹下量的关系的图。
图8是说明通过使用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工而形成闪耀型衍射面的简略斜视图。
图9是用于说明通过使用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工而形成阶梯型衍射面的简略斜视图。
图10是表示通过使用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工而形成闪耀型衍射面时的切削残留部分的宽度与衍射效率的关系的图。
图11是表示金刚石刀具的前端部分的宽度不能忽略时的闪耀型衍射面的形状的简略纵断面图。
图12是表示通过使用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工而形成闪耀型衍射面时的划痕高度与透射率的关系的图。
图13是表示通过使用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工而形成闪耀型衍射面时的划痕形状的简略纵断面图。
图14是表示具有划痕结构的面的入射光及反射光的形态的图。
图15是表示在红色和蓝色激光下使用的衍射面上的凹凸结构的振幅与透射率的关系的图(周期＝0.5μm)。
图16是表示在红色和蓝色激光下使用的衍射面上的凹凸结构的振幅与透射率的关系的图(周期＝0.2μm)。
图17是表示应用了本发明的光学拾波器的另一例的侧视图。
图18是表示本发明的光学拾波器用物镜的另一例的纵断面图。
图19是表示本发明的光学拾波器用物镜的另一例的纵断面图。
图20是表示本发明的光学拾波器用物镜的实施例1的透镜结构的图。
图21A是表示实施例1的物镜的球面象差的特性图，图21B是表示象散象差的特性图、图21C是表示畸变象差的特性图。
图22是表示本发明的光学拾波器用物镜的实施例2的透镜结构的图。
图23A是表示实施例2的物镜的球面象差的特性图，图23B是表示象散象差的特性图、图23C是表示畸变象差的特性图。
图24是表示本发明的光学拾波器用物镜的实施例3的透镜结构的图。
图25A是表示实施例3的物镜的球面象差的特性图，图25B是表示象散象差的特性图、图25C是表示畸变象差的特性图。
图26是表示本发明的光学拾波器用物镜的实施例4的透镜结构的图。
图27A是表示实施例4的物镜的球面象差的特性图，图27B是表示象散象差的特性图、图27C是表示畸变象差的特性图。
图28是表示本发明的光学拾波器用物镜的实施例5的透镜结构的图。
图29A是表示实施例5的物镜的球面象差的特性图，图29B是表示象散象差的特性图、图29C是表示畸变象差的特性图。
发明的具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的光学拾波器装置中采用的物镜、采用了该物镜的光学拾波器装置及光盘装置。
以下说明的的本发明的实施形态，将本发明应用于对具有比作为盘片状光记录媒体的CD(Compact Disc)的记录光道的光道间距窄的0.6μm左右的光道间距的盘片状光记录媒体、例如DVD(Digital VideoDisc/Digital Versatile Disc)之类的通过减小记录光道的光道间距而提高了信息记录密度的规格的盘片状光记录媒体进行信息的记录并对记录在该记录媒体上的信息进行再生的光盘装置。
首先，说明采用使用了本发明的物镜的光学拾波器的光盘装置。
应用了本发明的光盘装置1，是一种通过提高转数而使所记录的记录信号的读入及信息信号的写入高速化了的光盘装置，并采用通过使光道间距非常微细而提高了记录容量的例如DVD(Digital VideoDisc/Versatile Disc)等作为光记录媒体，该光盘装置，用作个人计算机等信息处理装置的外部存储装置。
光盘装置1，如图3和图4所示，具有配置了各种机构的机架2，机架2的上方、左右及前后，由通过螺钉固定等适当的方式安装的壳体3及前面板4封盖。
壳体3，将顶板部3a、从该顶板部3a的两侧边缘分别垂下设置的侧面部3b、3b及图中未示出的后板部形成为一体。在前面板4上，形成横向延伸的开口4a，而用于开闭开口4a的门体5，以其上端部为支点转动自如地支承在前面板4上。在前面板4上，配置着进行各种操作的多个操作按钮6。
机架2，具有配置各种机构的机构配置面部7a及从机构配置面部7a的两侧边缘竖立设置的侧部7b、7b，在机构配置面部7a的前端部，配置着具有凸轮板和各种齿轮的装入机构8。
在机架2上，如图4所示，以可在图4中箭头A1方向及箭头A2方向的前后方向移动的方式支承着光盘托架9。在光盘托架9上，形成在前后方向延伸的插孔9a及放置盘片状光记录媒体(以下，简称「光盘」)100的光盘放置凹部9b。当要在光盘放置凹部9b上放置光盘100时，由装入机构8对光盘托架9进行移动操作，使其从前面板4的开4a伸出到装置本体的外部，而当对光盘100进行信息的记录或再生时，在光盘放置凹部9b内放好光盘100的状态下将其拉入到装置本体的内部。
如图4所示，将移动机架10在以其后端部为转动支点而转动自如的状态支承在机架2的机构配置面部7a上，
在移动机架10上，配置着用于使光盘100转动的电机单元1。电机单元11，包含着盘台11a及驱动电机11b。光学拾波器12，以可由图中未示出的导轴及导螺杆使其沿着安装在盘台11a上的光盘100的半径方向移动的状态支承在移动机架10上。
在移动机架10上，安装着使导螺杆转动的进给电机13。因此，当由上述进给电机13使导螺杆转动时，光学拾波器12由导轴导向而在与该转动方向对应的方向上移动。
本发明的光盘驱动装置1，当在将光盘100放置在光盘托架9的光盘放置凹部9b内的状态下将其拉入到装置内部而以适当的方式将其保持在盘台11a上并在电机单元11的驱动电机11b的驱动下与盘台11a一起转动时，一边使光学拾波器12沿光盘100的半径方向移动，一边对光盘100进行信息的记录或再生。
以下，说明对光盘100进行信息记录或再生的光学拾波器12的结构。
光学拾波器12，如图4所示，在由图中未示出的导轴及导螺杆支承在移动机架10上的移动基座14上，配置着包括发射激光的发光元件及光接收元件等在内的所需的光学元件及支承物镜15的图中未示出的双轴驱动器等。光学拾波器12，简略地如图5所示，具有由图中未示出的双轴驱动器支承的物镜15、射出420nm以下波长的激光的激光发射元件16及将从激光发射元件16射出的激光变为平行光束的准直透镜17。从由半导体激光器构成的激光发射元件16射出的激光，由准直透镜17变为平行光束后，由物镜15会聚在光盘100的记录层上。
光学拾波器12，用于在信息记录密度高的光盘100上进行信息的记录，并对记录在光盘100上的信息进行再生。在该光学拾波器12中使用的激光发射元件16，产生比现有的产生780nm波长激光的CD规格的激光发射元件短的420nm以下、具体地说为400nm～410nm左右的激光，为减低激光噪声，可在驱动电流上叠加高频电流，从而在较短的周期内改变激光的波长。
当在光盘100上进行信息的记录时，从激光发射元件16射出高能激光，由准直透镜17变为平行光束并使该变成平行光束的激光入射到物镜15后会聚在光盘100的记录层上而形成激光光点。由该激光的能量使记录层例如发生相变并形成记录了信息的坑点。
另一方面，当对记录在光盘100上的信息进行再生时，从激光发射元件16射出能量比进行信息记录时低的激光，由准直透镜17变为平行光束并使该变成平行光束的激光入射到物镜15后会聚在光盘100的记录层上而形成激光光点。由光盘100的记录层反射的激光，经由与入射到光盘100的激光相反的光路而由光学拾波器12内的包含光接收元件等的图中未示出的光接收系统检出。
物镜15的工作距离，即从构成物镜15的透镜的最靠近光盘100的面到象点、即光盘100的会聚激光的记录层的距离为0.5mm以上。
以下，具体地说明本发明的物镜15。
如图5所示、进一步如给出后文所述的具体实施例的图20、图22、图24、图26及图28所示，本发明的物镜15，包括由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1是具有以折射面S2r为基面并通过在其上附加衍射面S2d而形成的折射及衍射复合面(以下，简称「复合面」)S2的混合型透镜，第2透镜L2是具有正折射力的双面非球面的弯月形单透镜。
第1透镜组GR1，起着校正色差的作用，第2透镜组GR2，起着将激光的射束点聚焦成规定的大小的作用。
在以下的说明中，透镜及其他构成要素的面编号，从光源(激光发射元件)侧数起按顺序为1、2、3、...，「Si」表示从光源侧数起的第i个面，「ri」表示从光源侧数起的第i个面Si的曲率半径，「di」表示从光源侧数起的第i个面与第i+1个面之间的光轴上的面间隔。非球面形状，当设「x」为从光轴起高度为「h」的非球面上的点的与非球面顶点的切平面的距离、「c」为非球面顶点的曲率(＝1/R)、「k」为圆锥系数、「A」、「B」、「C」、「D」、「E」、「F」、「G」、「H」及「J」分别为第4次至第20次的非球面系数时，由以下的式1定义。
x = ch 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 h 2 + . . . ( 1 )
Ah 2 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 + Eh 12 + Fh 14 + Gh 16 + Hh 18 + Jh 20
一般来说，用作衍射面的衍射光学元件，分为振幅型和相位型，用作物镜15的衍射面S2d的是相位型，特别是，从效率的观点考虑，是形成所谓闪耀形状的闪耀型全息图。该闪耀型全息图，与一般的全息图一样，作为在制造期间使2个点光源在无限远处时的各面上的非球面的相移系数，使用多项式指定基板上的极坐标。这里，上述多项式的系数，以mm为单位给出折射基准波长下的光路差(OPD)。即，衍射面上从光轴起高度为R的点上的由衍射引起的光路差，由下式定义。
OPD＝C1R2+C2R4+C3R6+C4R8+C5R10+C6R12+C7R14+C8R16+C9R18+C10R20实际的衍射面形状，应断续地改变以产生衍射。就是说，折射率为N的介质中的光路与空气中的光路之间产生的光路差，由t(N-1)给出，所以，衍射面的各环形带(组成部分)的台阶高差d，当设λ(nm)为设计波长时，由下式给出，或为其整数倍。
                    d＝λ/(N-1)衍射面的闪耀形状，是在表面形状上形成将光路差OPD除以波长λ后的余数作为光路差而产生的深度。
第1透镜L1，由玻璃或树脂形成，其复合面S2，以折射面S2r为基面、即定义衍射面的基准面，并用通过使用了金刚石刀具的机械切削加工而制成的金属模具在折射面S2r上直接形成衍射面S2d，或简略地如后文的图24中的虚线所示，具有在以适当的方法层叠在折射面S2r上的树脂层18的表面上附加形成了相位透射型全息图的衍射面S2d的复合面S2。因此，当使用具有衍射面S2d的复合面S2时，可以提高数值孔径(NA)而不增大透镜的直径。衍射面S2d，如后文所述，在断面形状上形成为微细的阶梯状。此外，作为基面的物镜15的折射面S2r，为抛物面(圆锥系数k＝-1)。
另外，物镜15，由非球面构成第2透镜L2的第3面S3和第4面S4。
2组结构物镜15，如图5所示，配置在由树脂等适当的材质形成的透镜筒19内。透镜筒19，其详细结构的图示省略，大致为两端开口的圆筒形状，将第1透镜L1及第2透镜L2分别从两端的开口插入到内部，并在进行对中和位置调整后固定。这样，如预先对各构成透镜进行对中等光学调整而将2组结构物镜15配置在透镜筒19内，则可以提高将物镜15组装在光学拾波器12内时的作业性。
第1透镜组GR1，除作为平面的第1面S1外，还备有由具有负折射力的折射面S2r和具有正折射力的衍射面S2d构成的复合面S2，所以使折射力的总值为0(零)。如第1透镜组GR1的折射力为0，则整个第1透镜组GR1相对于设计波长的光为平行平板，例如，即使波长移动时，其作用也只是一个折射力非常弱的透镜，所以，在将其插入到准直透镜17和具有使激光聚焦的作用的第2透镜组GR2之间时，可以将这时的偏心、倾斜及面间隔等的容许范围设计得很宽。由于仅将第1透镜组GR1用于校正色差并由第2透镜组GR2承担形成射束点的作用，所以各透镜组的作用分担清晰，因而使各透镜组的设计易于进行。
物镜15的工作距离，即从最后的透镜面(第4面S4)到象点的距离为0.5mm以上。在数值孔径大的2组结构物镜、例如SolidImmersion Lens(SIL：固体浸没透镜)中，工作距离有时为0.1mm左右。当工作距离如此之短时，存在着物镜与光盘必然发生碰撞等问题。因此，在本发明中，如上所述，将从最后的透镜面到象点的工作距离规定为0.5mm以上。此外，物镜15，形成为具有1.875mm以下的有效焦距。
以下，说明由物镜15将激光聚焦到衍射极限用的消色差条件、即色差的校正条件。
一般来说，对于波长在相对于波长λ的±δ的范围内变化的光源，将折射型透镜和衍射型透镜组合的透镜的消色差条件，按如下方式导出。
即，如设波长λ、λ+δ及λ-δ时的玻璃材料的折射率分别为N、N+δ、N-δ，则波长λ±δ范围内的部分的阿贝数(以下，称为「部分阿贝数」)vr，可以由以下给出的式2表示。
v r = N - 1 N + δ - N - δ . . . ( 2 )
另外，衍射型透镜的部分阿贝数vd，如以下的式3所示。
v d = λ ( λ + δ ) - ( λ - δ ) . . . ( 3 )
如设折射型透镜和衍射型透镜的焦距分别为fr、fd，则由这两种透镜合成后的合成透镜的焦距f具有以下的式4的关系，而光轴上的象点的消色差条件由式5表示。
1 f = 1 f r + 1 f d . . . ( 4 )
fr·vr+fd·vd＝0          …(5)
从上述的式4和式5可以得出由以下的式6表示的折射型透镜的焦距fr和衍射型透镜的焦距fd。
f r = f · 1 - v d v r
f d = f · 1 - v r v d . . . ( 6 )
另外，折射型透镜的部分阿贝数vr，由透镜材质的折射率决定，衍射型透镜的部分阿贝数vd，由激光的使用波长决定。这里，如考虑到透镜材质的折射率随波长而变化，则折射型透镜的部分阿贝数vr可以由透镜材质及激光的使用波长决定，衍射型透镜的部分阿贝数vd可以只由激光的使用波长决定。
可是，象本发明的物镜15这样的折射及衍射复合透镜的轴上消色差条件，在决定了激光的使用波长λ、激光的波动量即波长的变动量δ、透镜材质、入射激光的光束直径及数值孔径(NA)后，可以唯一地决定。
本发明的光学拾波器用物镜，由于激光的设计波长、激光束直径、物镜的数值孔径(NA)是固定的参数，所以只要决定了透镜的材质即可决定轴上消色差条件。例如，当NA＝0.8、激光束直径为3mm、λ＝410nm、δ＝±10nm、而作为透镜的材质使用了LAH53(オハラ(Ohara)(小原)公司的商品名)时，折射型透镜的焦距fr为2.18mm，衍射型透镜的焦距fd为13.31mm。
在本发明的物镜15中，第1透镜组GR1，起着校正色差的作用，第2透镜组GR2，起着将激光的射束点聚焦成规定的大小的作用，所以，第1透镜组GR1的折射率为0，因而使第2透镜组GR2的折射率的总和为物镜15的折射力。如以公式表示这种情况，则如以下的式7和式8所示。
1 f 1 + 1 f d = 0 . . . ( 7 )
f2＝f                ...(8)
本发明的物镜15，第1透镜组GR1的折射型透镜(第1面S1和第2面折射面S2)与第2透镜组GR2的第2透镜L2的合成焦距，为折射型透镜的总焦距fr，所以使以下给出式9成立。
1 f r = 1 f 1 + 1 f 2 - d f 1 · f 2 . . . ( 9 )
在光学拾波器用物镜的设计中，当决定了焦距和透镜材质时，即自动地决定了f、fr、fd，所以，满足上述式9的条件的第1透镜组的折射型透镜的焦距f1、第1透镜组与第2透镜组之间的间隔d，也唯一地决定。
可是，折射型透镜的主点位置，由透镜材质的折射率、各透镜面的曲率半径、面间隔等决定，不一定固定在一定的位置。因此，衍射型透镜和合成折射型透镜的主点间隔，随设计条件而变化。为此，在设计时应进行配曲调整以满足上述的式6，从而导出近轴解。
以下，说明形成了相位衍射型光学元件的复合面S2的衍射面S2d的阶梯形状设计。
复合面S2的衍射面S2d的凹下量ASP(r)，根据光学设计用软件“CODEF”而由以下给出的式10定义。
ASP ( r ) = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Ar 4 + Br 6 + Cr 8 + Dr 10 . . . ( 10 )
在上述式10中，如设k＝-1，则2次项的系数为c/2，因而可以得到以下的式11所示的仅为偶次的多项式。
ASP ( r ) = c 2 r 2 + Ar 4 + Br 6 + Cr 8 + Dr 10 . . . ( 11 )
另一方面，复合面S2的衍射面S2d的相位分布Φ(r)，由以下的式12所示的仅为偶次的多项式定义。
Φ(r)＝C1r2+C2r4+C3r6+C4r8+C5r10          …(12)
因此，在整个光学设计中，如式12所示，将相位作为连续变化的函数处理。
在衍射面的表面形状设计中，利用相位的周期性，并将从相位周期扣除整数倍的周期后的余差相位作为新的相位分布，所以，使衍射面的形状为离散的闪耀形状。由于将该闪耀型的离散相位换算为实际材质的厚度，所以衍射面的表面为离散的闪耀形状，其高度为提供波长整数倍的相位差的厚度值。
图6是用于说明非球面的断面形状及衍射面的断面形状的图。非球面的断面形状ASP_Sag，基于上述的式11，衍射面的断面形状DOE_Sag，基于上述的式12。为使衍射面的相位与折射面的凹下量具有相同的量纲，将相位除以折射率差。
图7是用于说明折射及衍射复合面的形状的图。如设折射及衍射复合面的凹下量为Sag(r)，则可以表示为以下的式13。
Sag ( r ) = ASP ( r ) + Φ ( r ) N - 1 . . . ( 13 )
在上述式13中，如Sag(r)＝0，则因相位为全平面，所以可使入射光射出而不会对光有任何影响。这种情况下的衍射面的形状，是将可提供波长整数倍的相位的厚度值作为1个梯级的垂直阶梯形状。即，Sag(r)＝0的解，如以下的式14所示，只需进行选择以使各阶次的系数相互抵消而变为0即可。
k＝-1
C 1 = - ( N - 1 ) C 2
C2＝-(N-1)A           ...(14)
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
另外，2次项的系数，意味着在近轴区域内使折射面和衍射面的各自的折射力相互抵消而变为0。
在下文中，参照附图说明上述的衍射面的阶梯形状的效果。
图8和图9是用于说明在物镜15的制造阶段中用于对在第1透镜L1的折射面S2r上直接转印形成、或在所层叠的树脂层18的表面上转印形成衍射面S2d所用的金属模具进行切削加工的刀具20的前端部分20a的尺寸相对于在模具的转印面21上形成的闪耀形状(转印形状)22的各环形带22a、22a、...的宽度不能忽略时在加工上存在的问题及解决该问题的对策的图。
即，如图8所示，当衍射面的形状为闪耀形状时，使要进行切削加工的金属模具的转印面21沿箭头X1方向进给，同时使刀具20沿箭头Y1方向进给，从而对转印面21进行切削并形成闪耀形状(转印形状)22。这里，刀具20的前端部分20a的形状，看上去虽然锐利，但与微细的闪耀形状22的环形带22a、22a、...的尺寸相比就不那么锐利了，而且，与闪耀形状22的环形带22a、22a、...的尺寸相比也不可能制作得更锐利，所以，在模具的转印面21的闪耀形状22的环形带22a、22a、...之间将留有刀具20的前端部分20a不能加工的部分即切削残留部分25。
另外，如图9所示，当衍射面的形状为阶梯形状时，与闪耀形状时一样，也使要进行切削加工的金属模具的转印面21沿箭头X1方向进给，同时使刀具20沿箭头Y1方向进给，从而对转印面21进行切削并形成阶梯形状26。但是，在衍射面的形状为阶梯形状的情况下，在构成阶梯形状26的环形带26a、26a、...的面上不含位置相对于构成刀具20的前端部分20a的面倾斜的面，所以不可能留有如上所述的不能加工的部分。
图10示出图11所示的具有一定的周期L(闪耀形状的宽度4μm)的闪耀型衍射光栅27的因转印面21的不能加工部分25、25、...的转印产生的未加工部分27a、27a、...的宽度b与衍射效率之间的关系，图12示出图13所示的在转印面(切削面)21上产生的作为刀具20的移动轨迹的具有一定周期d的周期性微细凹凸形状的表面划痕结构28的划痕29的深度h与透射率之间的关系。
可是，衍射型透镜的衍射效率为100％的衍射面形状，其断面形状为闪耀形状。闪耀形状的高度(凹下量)，为可提供波长整数倍的相位差的厚度。如在平面上形成衍射型透镜，则断面形状为闪耀形状。
另一方面，如上所述，在进行衍射型透镜的设计时如通过选择式13的多项式的系数而使凹下量相互抵消，则衍射面的断面形状变为由图9所示的金属模具的转印面21转印的阶梯形状。该阶梯的高度(凹下量)，与上述的平面的情况一样，为可提供等于波长整数倍的相位差的厚度。此外，由于可以将阶梯形状看作是闪耀形状的一种特殊情况，所以两者的理论衍射效率相同。
但是，如图8所示，当通过使用刀具20的切削加工在金属模具的转印面21上形成闪耀形状时，如衍射面为在断面上包含斜面的闪耀形状，则将因刀具20的前端部分20a的形状而产生切削残留的不能加工部分25、25、...。如该不能加工部分25、25、...的大小与闪耀形状22相比不能忽略，则如图10所示，将使衍射效率随其大小而减低。如图11所示，刀具20的前端部分20a的形状越小(锐利)，该不能加工部分25、25、...越小。
另外，当用刀具20对金属模具的转印面21进行切削加工时，如图13所示，在闪耀形状22的斜面上产生作为刀具20的移动轨迹的周期性微细凹凸形状的划痕29。如该划痕29连续反复的形状即表面划痕结构28的周期d、作为振幅的划痕深度h具有等于或大于透镜设计波长的值，则如图12所示，当转印到透镜上时，透射率将随其值的大小而减低。在图12所示的例中，周期d为0.8μm。一般地说，刀具20的前端部分20a的形状越小(锐利)，该划痕29越小。
这样，当通过使用刀具20的切削加工在金属模具的转印面21上形成闪耀形状22时，将因刀具20的前端部分20a的形状而在所转印的透镜的衍射面的衍射效率和透射率之间产生一定的规律关系。
与此不同，当通过使用刀具20的切削加工在金属模具的转印面21上形成图9所示的阶梯形状26时，由于在通过加工而形成的面上不含斜面，所以不会残留形成闪耀形状22时所产生的不能加工部分25、25、...，因而是接近理想断面形状的形状。因此，当衍射面通过阶梯形状26的转印形成时，可以将衍射效率的降低因素消除。此外，由于对刀具20的前端部分20a的形状没有任何限制，所以可以与前端的形状无关地选择其形状易于抑制图13所示的表面划痕结构28的产生的刀具，因此也可以减少使透射率减低的因素。
这里，进一步说明因转印了在用于使物镜15成型的金属模具的转印面上形成的微细凹凸形状的划痕29连续反复的形状即表面划痕结构28而在物镜15的复合面的表面上形成的微细凹凸形状39的影响。
因转印表面划痕结构28而形成了凹凸形状39的物镜15的复合面S2上的激光的透射及反射，如图14所示。即，入射到物镜15上的激光40，因一部分变成由凹凸形状39的表面进行漫反射后的反射光40a而使透射率减低。此外，入射到物镜15并从其透过的激光即透射光41，也随着凹凸形状39的形状向预想不到的方向折射而产生杂散光41a等，从而使形成了凹凸形状39的面的透射率进一步减低。
可是，对物镜15的复合面S2来说，在加工用于使该物镜15成型的金属模具的转印面21时，通过以最佳的方式控制切削用刀具相对于构成金属模具的材料的移动，可以控制金属模具的划痕结构28的周期，并能控制在物镜15的复合面S2上形成的凹凸形状39的周期和振幅。
以下，对形成了凹凸形状39的物镜15的透射率可以控制这一点进行更具体地说明。
为控制规定波长的激光的透射率，将在用于使物镜15成型的金属模具的转印面21上形成的划痕结构28形成为具有周期d为入射激光的基准波长(λ)的1/2左右、振幅h为入射激光的基准波长(λ)的1/4左右的周期结构的同心圆状。通过转印这种形状的划痕结构28而在物镜15的复合面S2上形成的凹凸形状39，也具有相同的周期d及振幅h。
另外，最好使凹凸形状39的取向与闪耀转印形状的取向一致，即，使各闪耀形状和凹凸形状的斜面方向相互对准而成为相似形。
这里，参照图15和图16说明按如上所述的周期d及振幅h形成凹凸形状39的过程。
图15是表示当使作为划痕结构的转印形状的凹凸形状39的周期d为0.5μm时迄今为止使用着的波长为650nm的红色激光Re及本发明中使用的波长为405nm的蓝色激光Bu下的振幅h与透射率之间的关系的图。
另外，图16是表示当使作为划痕结构的转印形状的凹凸形状39的周期d为0.2μm时波长为650nm的红色激光Re及波长为405nm的蓝色激光Bu下的振幅h与透射率之间的关系的图。
从图15所示的特性图可以看出，在具有0.5μm的周期d的凹凸形状39的情况下，当在红色激光Re下凹凸形状39的振幅h为可提供红色激光Re的波长的1/4左右的相位差的振幅即0.33μm时，可以确保90％的透射率。当在蓝色激光Bu下凹凸形状39的振幅h为可提供蓝色激光Bu的波长的1/4左右的相位差的振幅即0.2μm时，只能确保70％左右的透射率。
与此不同，从图16所示的特性图可以看出，在具有0.2μm的周期d的凹凸形状39的情况下，无论是在红色激光Re下凹凸形状39的振幅h为可提供红色激光Re的波长的1/4左右的相位差的振幅即0.33μm时，还是在蓝色激光Bu下凹凸形状39的振幅h为可提供蓝色激光Bu的波长的1/4左右的相位差的振幅即0.2μm时，都可以确保90％左右的透射率。
如上所述，本发明的物镜15，使物镜15的复合面S2在断面形状上为阶梯形状，并按如上所述的方式设定在该阶梯形状的面上形成的凹凸形状39的周期d及振幅h，因而可以同时改善衍射效率降低及透射率减低的问题。
以下，参照附图说明本发明的物镜15的另一例。
如图17和图18所示，本例的物镜55，与上述的物镜15一样，也采用包括由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的具有正折射力的第2透镜组GR2的2组结构，该第1透镜L1是由作为折射面的第1面S1及将折射面S2r与衍射面S2d组合的折射衍射面S2构成的混合型透镜，第2透镜L2是使第3面S3及第4面S4这两个面为非球面的单透镜。
另外，对与上述物镜15共同的部分标以同样的符号而将其详细说明省略。
本例的2组结构物镜55，如图18所示，配置在由合成树脂等适当的材质形成的透镜筒58内。透镜筒58，如图18所示，形成为两端开口的大致圆筒形状，将第1透镜L1及第2透镜L2分别从两端的开口插入到内部，并在进行对中和位置调整后固定。这样，如预先对各构成透镜进行对中等光学调整而将2组结构物镜55配置在透镜筒58内，则如图17所示可以提高将物镜55组装在光学拾波器12内时的作业性。
进一步，物镜55，在第1透镜组GR1和第2透镜组GR2之间设置着一个光阑59。即，光阑59，如图18所示，设在第2透镜组GR2的光源侧的第3面S3附近，用于限制入射到第2透镜组GR2的激光的光量，该光阑可用相同的材质与透镜筒58构成一体，或由独立的构件大致形成的环状并以粘结等适当的方式安装在透镜筒58的内周壁58a上。这样，通过将光阑59配置在折射力大的第2透镜组GR2(第2透镜L2)的光源侧的第3面S3附近，可以有限制地只使用光学特性良好的部分而不使用透镜的周边部，因而可以使性能稳定并使各种象差的校正易于进行。
在该物镜55中，第1透镜组GR1，除作为平面的第1面S1外，也备有由具有负折射力的折射面S2r和具有正折射力的衍射面S2d构成的作为复合面的第2面S2，所以使折射力的总值为0(零)。
参照附图说明本发明的物镜65的另一例。
如图19所示，该物镜65，其透镜的基本结构与图18所示的物镜55相同，也包括由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的具有正折射力的第2透镜组GR2，该第1透镜L1是使第2面S2为将折射面S2r与衍射面S2d组合的复合面的混合型透镜，第2透镜L2是使第3面S3及第4面S4这两个面为非球面的单透镜。
构成物镜65的第1透镜L1，由透明的树脂材料形成。复合面(第2面)S2，以树脂制作的第1透镜L1的折射面S2r为基面(定义衍射面的基准面)，在该折射面S2r上，附加了由具有闪耀形状的相位透射型全息图构成的衍射面S2d，该透射型全息图，通过转印以用金刚石刀具对转印金属模具进行机械切削加工等适当的方法生成的闪耀形的转印形状而形成。
物镜65，如图19所示，将第1透镜L1与透镜筒60以相同的材料形成为一体。因此，透镜筒60的一个端部，由第1透镜L1封闭，仅另一端为开口形状。该物镜65，将第1透镜L1与透镜筒60形成为一体后通过整体成型进行加工，所以无需进行第1透镜L1的对中和定位等光学调整。
第2透镜L2，从与第1透镜L1形成为一体的透镜筒60的开口插入到内部，并在进行对中和位置调整等后固定。这样，透镜筒60内的光学调整，只要求对第2透镜L2进行。因此，只需对第2透镜L2进行对中等光学调整即可，因而可以大幅度地提高将物镜65组装在光学拾波器12内时的作业性。
如上所述，物镜65，由于将第1透镜L1与透镜筒60用树脂形成为一体，所以能减轻整体的重量。
另外，物镜65，还通过在第2透镜L2的面向光源侧的第3面S3的外周部分上沿整个外周蒸镀适当的金属而设置着一个形成为带状的由薄膜构成的光阑61。之所以将光阑61与第2透镜L2的第3面S3形成为一体，其原因是，由于第1透镜L1与透镜筒60已形成为一体，所以从成型时的脱模操作考虑不可能再将光阑61与透镜筒60的内部形成为一体。这样，通过在第2透镜L2的面向光源侧的第3面S3上设置光阑61，可以使光阑61与第2透镜L2的组装误差为0，同时可以有限制地只使用光学特性良好的部分而不使用透镜的周边部，因而可以使性能得到稳定。
该物镜65，也对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，
以下，给出将本发明的物镜15具体化的实施例。
图20示出本发明的物镜15的实施例1的透镜结构，物镜15，具有由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1，由具有以折射面S2r为基面并形成了衍射面S2d而构成的复合面S2的玻璃制平凹透镜构成，第2透镜L2，为放大率大的单片非球面玻璃模制透镜。
第1透镜L1及第2透镜L2的玻璃材料，采用了上述的LAH53。此外，在第2透镜L2与象面(光盘100的记录层)之间，配置着聚碳酸酯制保护层30。如图20所示，「S5」及「r5」表示保护层30的表面(第5面)及曲率半径，「d4」表示第2透镜L2的第4面S4与第5面之间的光轴上的面间隔，「d5」表示保护层30的厚度。这些符号，在后文所述的其他实施例中也是相同的。
保护层30的厚度，最好在0.3mm以下。本实施例1和后文所述的实施例2，将保护层30的厚度设定为0.1mm。这是因为，如保护层30的厚度在0.3mm以上，则将产生其程度很难校正的球面象差，但当保护层30的厚度在0.3mm以下时，可以抑制球面象差的产生。
在下述的表1中列出实施例1的各构成透镜的数值。
              表1
  ri   di   材质
  r1＝∞   d1＝1.00   LAH53
  r2＝12.95   d2＝0.20
  r3＝1.337   d3＝1.60   LAH53
  r4＝6.486   d4＝0.74
  r5＝∞   d5＝0.1   聚碳酸酯
  像面＝∞
在表2中列出作为第2面的复合面S2(衍射面S2d及折射面S2r)、第3面S3及第4面S4的圆锥系数k及4次～10次的非球面系数A～D。此外，表2中的「E」，表示以10为底的指数形式。在后文所述的同类的表中也是一样。
表2
  面   k(C1)   A(C2)   B(C3)   C(C4)   D(C5)
  S2d   -3.231E-02   -6.559E-03   +5.139E-03   -4.335E-03   +9.493E-04
  S2r   -1.000   +7.840E-03   -6.142E-03   +5.181E-03   -1.135E-03
  S3   -0.386   -0.356E-02   +0.262E-02   -0.113E-01   +0.197E-01
  S4   -16.53   -0.467E-01   +0.355   -1.184   +1.680
图21A示出实施例1的物镜15的球面象差，图21B示出象散象差，图21C示出畸变象差。在图21A、图21B、图21C所示的各象差图中，实线、虚线及单点锁线分别表示405nm、403nm及407nm的值，在图21B所示的象散象差图中，粗线和细线分别表示径向象面和切向象面的值。在后文所述的同类的图中也是一样。此外，衍射基准波长为405nm、设计阶次为N＝1、设计波长为405nm、入射激光的光束直径为3.0mm、数值孔径为0.85。
可是，在图21A～图21C所示的各象差图中，用实线表示的波长为405nm时的值、用虚线表示的波长为403nm时的值及用单点锁线表示的波长为407nm时的值，几乎重叠在一起而很难进行判别。这表明实施例1的物镜15极少产生色差。由此可知，在实施例1中，可以有效地校正物镜15的色差。
图22示出本发明的物镜15的实施例2的透镜结构，第1透镜L1由适当的树脂材料形成，第2透镜L2由上述的LAH53形成。
实施例2的物镜15，具有由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1，由具有以折射面S2r为基面并形成了衍射面S2d而构成的复合面S2的合成树脂制平凹透镜构成，第2透镜L2，为放大率大的单片非球面玻璃模制透镜。在第2透镜L2与象面(光盘100的记录层)之间，配置着聚碳酸酯制保护层30。
在下述的表3中列出实施例2的各构成透镜的数值。
                  表3
  ri   di   硝材
  r1＝∞   d1＝1.00   树脂
  r2＝7.650   d2＝0.20
  r3＝1.337   d3＝1.60   LAH53
  r4＝6.486   d4＝0.74
  r5＝∞   d5＝0.1   聚碳酸酯
  像面＝∞
实施例2，由于第1透镜L1用合成树脂形成，所以能减轻物镜15的重量，此外，合成树脂在材料费上比玻璃便宜而且加工性能良好，所以，使物镜15能以低的成本大量生产。
在表4中列出作为第2面的复合面S2(衍射面S2d及折射面S2r)、第3面S3及第4面S4的圆锥系数k及4次～10次的非球面系数A～D。
                               表4
  k(C1)   A(C2)   B(C3)   C(C4)   D(C5)
  S2d   -3.429E-02   -6.323E-03   +4.451E-03   -4.022E-03   +8.960E-04
  S2r   -1.000   +1.205E-02   -8.482E-03   +7.666E-03   -1.708E-03
  S3   -0.386   -0.356E-02   +0.262E-02   -0.113E-01   +0.197E-01
  S4   -16.53   -0.467E-01   +0.355   -1.184   +1.680
图23A示出实施例2的物镜15的球面象差，图23B示出象散象差，图23C示出畸变象差。衍射基准波长为405nm、设计阶次为N＝1、设计波长为405nm(403nm～407nm)、数值孔径为0.85。
在图21A～图21C所示的各象差图中，用实线表示的波长为405nm时的值、用虚线表示的波长为403nm时的值及用单点锁线表示的波长为407nm时的值，几乎重叠在一起而很难进行判别。这表明实施例2的物镜15极少产生色差。由此可知，实施例2的物镜15，可以有效地校正色差。
图24示出本发明的物镜15的实施例3的透镜结构，第1透镜L1由SBSL7(Ohara公司的商品名)形成，第2透镜L2由上述的LAH53形成。
实施例3的物镜15，具有由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1，由具有以折射面S2r为基面而层叠了合成树脂层18并在合成树脂层18的表面上形成了衍射面S2d的复合面S2的玻璃制平凹透镜构成，第2透镜L2，为放大率大的单片非球面玻璃模制透镜。在第2透镜L2与象面(光盘100的记录层)之间，配置着聚碳酸酯制保护层30。
在下述的表5中列出实施例3的各构成透镜的数值。
                  表5
  ri   di   硝材
  r1＝∞   d1＝1.00   SBSL7
  r2r＝7.750   d2＝0.01
  r2d＝7.750   d3＝0.20   树脂
  r3＝1.337   d4＝1.60   LAH53
  r4＝6.486   d5＝0.74
  r5＝∞   d6＝0.1   聚碳酸酯
  像面＝∞
在表6中列出作为第2面的复合面S2(衍射面S2d及折射面S2r)、第3面S3及第4面S4的圆锥系数k及4次～10次的非球面系数A～D。
                                  表6
  k(C1)   A(C2)   B(C3)   C(C4)   D(C5)
  S2d   -3.418E-02   -7.456E-03   +5.703E-03   -4.609E-03   +9.931E-04
  S2r   -1.000   +1.408E-02   -1.077E-02   +8.702E-03   -1.875E-03
  S3   -0.386   -0.356E-02   +0.262E-02   -0.113E-01   +0.197E-01
  S4   -16.53   -0.467E-01   +0.355   -1.184   +1.680
实施例3，是在层叠于折射面S2r的树脂层18的表面上形成衍射面S2d，这是因为第1透镜L1的材质(SBSL7)是不能通过金属模具成型而形成复合面的材质。因此，即使将不能进行金属模具成型的材质、例如玻璃用于第1透镜L1时，也可以通过层叠转印了金属模具的衍射面形状的合成树脂层18而形成折射及衍射复合面，因而可以大幅度地扩展用于第1透镜L1的材质的选择范围。
图25A示出实施例3的物镜15的球面象差，图25B示出象散象差，图25C示出畸变象差。衍射基准波长为405nm、设计阶次为N＝1、设计波长为405nm、数值孔径为0.85。
在图25A～图25C所示的各象差图中，用实线表示的波长为405nm时的值、用虚线表示的波长为403nm时的值及用单点锁线表示的波长为407nm时的值，几乎重叠在一起而很难进行判别。这表明实施例3的物镜15极少产生色差。由此可知，实施例3的物镜15，可以有效地校正色差。
图26示出本发明的物镜15的实施例4的透镜结构，第1透镜L1由适当的合成树脂材料形成，第2透镜L2由上述的LAH53形成，并使用了高次衍射光。
即，实施例4的物镜15，具有由第1透镜L1构成的第1透镜组Gr1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1，由具有以折射面S2r为基面并形成了衍射面S2d而构成的复合面S2的合成树脂制平凹透镜构成，第2透镜L2，为放大率大的单片非球面玻璃模制透镜。在第2透镜L2与象面(光盘100的记录层)之间，配置着聚碳酸酯制保护层30。在下述的表7中列出实施例4的各构成透镜的数值。
              表7
  ri   di   硝材
  r1＝∞   d1＝1.00   树脂
  r2＝7.650   d2＝0.20
  r3＝1.337   d3＝1.60   LAH53
  r4＝6.486   d4＝0.74
  r5＝∞   d5＝0.1   聚碳酸酯
  像面＝∞
在实施例4中，由于第1透镜L1也用合成树脂形成，所以能减轻物镜15的重量，此外，合成树脂在材料费上比玻璃便宜而且加工性能良好，所以，使物镜15能以低的成本大量生产。
在表8中列出作为第2面的复合面S2(衍射面S2d及折射面S2r)、第3面S3及第4面S4的圆锥系数k及4次～10次的非球面系数A～D。
                            表8
  k(C1)   A(C2)   B(C3)   C(C4)   D(C5)
  S2d   -3.429E-02   -6.352E-04   +4.464E-04   -4.013E-04   +8.916E-05
  S2r   -1.000   +1.211E-02   -8.507E-03   +7.647E-03   -1.699E-03
  S3   -0.386   -0.356E-02   +0.262E-02   -0.113E-01   +0.197E-01
  S4   -16.53   -0.467E-01   +0.355   -1.184   +1.680
图27A示出实施例4的物镜15的球面象差，图27B示出象散象差，图27C示出畸变象差。衍射基准波长为405nm、设计阶次为N＝10、设计波长为405nm、数值孔径为0.85。
在图27A～图27C所示的各象差图中，用实线表示的波长为405nm时的值、用虚线表示的波长为403nm时的值及用单点锁线表示的波长为407nm时的值，几乎重叠在一起而很难进行判别。这表明实施例4的物镜15极少产生色差。由此可知，实施例4的物镜15，可以有效地校正色差。
如实施例4的物镜15所示，通过变更为采用高次衍射光的设计，与以1次衍射光进行设计时相比，将使折射面S2r的阶梯形状的高度及宽度增加与阶次相当的倍数。因此，当透镜周边部的阶梯形状的宽度比其他部分窄时，从折射面S2r的阶梯形状的加工性能的观点来看，这种采用高阶次的设计将是有效的。
图28示出本发明的物镜15的实施例5的透镜结构，第1透镜L1由适当的合成树脂材料形成，第2透镜L2由上述的LAH53形成，并使第1透镜组GR1与第2透镜组GR2的间隔相距1mm以上。
实施例5的物镜15，具有由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由第2透镜L2构成的第2透镜组GR2，该第1透镜L1，由具有以第2面折射面S2r为基面并形成了衍射面S2d而构成的复合面S2的合成树脂制平凹透镜构成，第2透镜L2，为放大率大的单片非球面玻璃模制透镜。在第2透镜L2与象面(光盘100的记录层)之间，配置着聚碳酸酯制保护层30。
在下述的表9中列出实施例5的各构成透镜的数值。
               表9
  ri   di   硝材
  r1＝∞   d1＝1.00   树脂
  r2＝7.650   d2＝3.00
  r3＝1.337   d3＝1.60   LAH53
  r4＝6.486   d4＝0.74
  r5＝∞   d5＝0.1   聚碳酸酯
  像面＝∞
实施例5的物镜15，由于第1透镜L1用树脂制成，所以能减轻物镜15的重量，此外，合成树脂在材料费上比玻璃便宜而且加工性能良好，所以，使物镜15能以低的成本大量生产。
在表10中列出作为第2面的复合面S2(衍射面S2d及折射面S2r)、第3面S3及第4面S4的圆锥系数k及4次～10次的非球面系数A～D。
                                      表10
  k(C1)   A(C2)   B(C3)   C(C4)   D(C5)
  S2d   -3.429E-02   -9.168E-03   +1.209E-02   -1.006E-02   +2.339E-03
  S2r   -1.000   +1.747E-02   -2.304E-02   +1.918E-02   -4.457E-03
  S3   -0.386   -0.356E-02   +0.262E-02   -0.113E-01   +0.197E-01
  S4   -16.53   -0.467E-01   +0.355   -1.184   +1.680
图29A示出实施例5的物镜15的球面象差，图29B示出象散象差，图29C示出畸变象差。衍射基准波长为405nm、设计阶次为N＝1、设计波长为405nm、数值孔径为0.85。
在图29A～图29C所示的各象差图中，用实线表示的波长为405nm时的值、用虚线表示的波长为403nm时的值及用单点锁线表示的波长为407nm时的值，几乎重叠在一起而很难进行判别。这表明实施例4的物镜15极少产生色差。由此可知，实施例4的物镜15，可以有效地校正色差。
可是，本发明的物镜15，当组装在光学拾波器12内而实际使用时，由于必需进行聚焦伺服及跟踪伺服，所以要由双轴驱动器进行驱动。当进行聚焦伺服及跟踪伺服时，有时会使物镜15产生谐振。
在实施例5的物镜15中，将第1透镜组GR1与第2透镜组GR2之间的间隔即面间隔d2设定为3.0mm。按照这种结构，可以设计成通过调节面间隔d2而适当地移动作为第1透镜L1和第2透镜L2的合成透镜的物镜15的重心位置，从而可以将进行聚焦伺服及跟踪伺服时的谐振消除。
如上所述，本发明的物镜15，是将由第1透镜L1构成的第1透镜组GR1和由作为非球面面单片透镜的第2透镜L2构成的第2透镜组GR2组合后的折射及衍射混合型2组透镜，通过使第1透镜L1具有在作为非球面的折射面S2r上形成了相位衍射面S2d的复合面S2并将附加了衍射面S2d的折射面(基面)S2r设计为非球面的凹面，即使从激光发射元件16射出的激光的波长发生变化也能使轴上色差近似为0，并可以在保持必要的数值孔径(NA)的状态下采取大的工作距离，从而可以减小基面的曲率，所以使构成复合面S2的相位衍射光栅形状的加工变得易于进行。
在应用于与提高了信息记录密度的光盘对应的光学拾波器的物镜中，要求色差在0.05μm/nm以下，但在上述图1所示的现有的单片结构的物镜201中相对于±2nm的波长变化将产生约为±0.6μm/nm的色差，与此不同，上述本发明的各物镜，相对于与以往相同的±2nm的波长变化，可以将色差减小到0.01μm/nm左右，所以，在光学拾波器及光盘装置中，可以稳定地进行信息的记录和再生，并能将激光的光点直径聚焦到衍射极限，因此，具有足以适应于通过减小光道间距而提高了信息记录密度的规格的光盘的工作性能，
进一步，通过在与可写入信息的光盘对应的激光功率大的、即备有可以通过改变激光功率而减低噪声的装置的光学拾波器中采用本发明的物镜，也可以改进高密度记录信息的再生性能及记录性能。
更进一步，通过使用采用了本发明的物镜的光学拾波器12，可以提供使高密度记录信息的再生性能及记录性能得到改进的光盘装置。
在上述的本发明的实施形态中示出的各部分的具体形状及结构，都只不过是给出了实施本发明时的一些具体例，因此，决不能解释为由此而限定了本发明的技术范围。
产业上的可应用性
本发明的物镜及采用了该物镜的光学拾波器，通过对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光束进行有效的色差校正，可以将光束的光点直径聚焦到衍射极限，所以，可以适应于通过减小记录光道的光道间距而提高了信息记录密度的规格的光记录媒体。
装有采用了本发明的物镜的光学拾波器的光盘装置，如应用于可以进行高密度记录的光记录媒体，则能以高的密度在该光记录媒体上进行信息的记录，并可以从以高密度记录了信息的光记录媒体进行精确的信息再生。

Claims (26)

1.一种光学拾波器用物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，该光学拾波器用物镜的特征在于：上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下(Sag)量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成上述第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间设置着光阑，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
2.根据权利要求1所述的光学拾波器用物镜，其特征在于：设在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间的光阑，由设在构成上述第2透镜组的折射型透镜的靠光源侧的面上的金属薄膜构成。
3.一种光学拾波器用物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，该光学拾波器用物镜的特征在于：上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下(Sag)量，在将非球面系数的圆锥系数(k)设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成上述第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组的复合面的表面上，在上述衍射面的凹凸形状上形成具有周期为基准波长的1/2左右、振幅为基准波长的1/4左右的周期结构、且比衍射面的凹凸形状更微细的同心圆状的凹凸形状，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
4.一种光学拾波器，备有射出激光的激光发射元件，使激光会聚在光记录媒体的记录层上的物镜、接收激光的光接收元件、使从上述激光发射元件射出的激光入射到物镜上同时使由光记录媒体的记录层反射后透过了上述物镜的激光入射到光接收元件上的光学元件，该光学拾波器的特征在于：上述物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，在该物镜中，上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间设置着光阑，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
5.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：在上述第1透镜组的复合面的表面上，在上述衍射面的凹凸形状上形成具有周期为基准波长的1/2左右、振幅为基准波长的1/4左右的周期结构且比衍射面的凹凸形状更微细的同心圆状的凹凸形状。
6.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：上述第1透镜组的衍射面的断面形状，为具有可提供设计波长整数倍的相位差的台阶高差的阶梯形状。
7.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：从最后的透镜面到象点的工作距离为0.5mm以上。
8.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：构成上述第1透镜组及上述第2透镜组的各透镜配置在共用的透镜筒内。
9.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：上述第1透镜组，最靠近光源侧的面为平面，并将与设计波长对应的折射力设定为零。
10.根据权利要求9所述的光学拾波器，其特征在于：设在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间的光阑，由设在构成上述第2透镜组的折射型透镜的靠光源侧的面上的金属薄膜构成。
11.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：构成上述第1透镜组的透镜，由合成树脂形成。
12.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：在上述第2透镜组与象面之间配置具有0.3mm以下厚度的保护层，并对由上述保护层引起的球面象差进行校正。
13.根据权利要求4所述的光学拾波器，其特征在于：用树脂将构成上述第1透镜组的透镜与透镜筒形成为一体。
14.根据权利要求13所述的光学拾波器用物镜，其特征在于：将构成上述第2透镜组的透镜配置在与构成上述第1透镜组的透镜形成为一体的上述透镜筒内。
15.一种光学拾波器，备有射出激光的激光发射元件，使激光会聚在光记录媒体的记录层上的物镜、接收激光的光接收元件、使从上述激光发射元件射出的激光入射到物镜上同时使由光记录媒体的记录层反射后透过了上述物镜的激光入射到光接收元件上的光学元件，该光学拾波器的特征在于：上述物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，在该物镜中，上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组的复合面的表面上，在上述衍射面的凹凸形状上形成具有周期为基准波长的1/2左右、振幅为基准波长的1/4左右的周期结构且比衍射面的凹凸形状更微细的同心圆状的凹凸形状，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
16.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：上述第1透镜组的衍射面的断面形状，为具有可提供设计波长整数倍的相位差的台阶高差的阶梯形状。
17.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：从最后的透镜面到象点的工作距离为0.5mm以上。
18.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：构成上述第1透镜组及上述第2透镜组的各透镜配置在共用的透镜筒内。
19.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：上述第1透镜组，最靠近光源侧的面为平面，并将与设计波长对应的折射力设定为零。
20.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间设置光阑，其由设在构成上述第2透镜组的折射型透镜的靠光源侧的面上的金属薄膜构成。
21.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：构成上述第1透镜组的透镜，由合成树脂形成。
22.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：在上述第2透镜组与象面之间配置具有0.3mm以下厚度的保护层，并对由上述保护层引起的球面象差进行校正。
23.根据权利要求15所述的光学拾波器，其特征在于：用树脂将构成上述第1透镜组的透镜与透镜筒形成为一体。
24.根据权利要求23所述的光学拾波器用物镜，其特征在于：将构成上述第2透镜组的透镜配置在与构成上述第1透镜组的透镜形成为一体的上述透镜筒内。
25.一种光盘驱动装置，由在盘片状记录媒体的半径方向上移动自如的光学拾波器对旋转的该盘片状光记录媒体进行信息的记录和再生，该光盘装置的特征在于：上述光学拾波器，备有射出420nm以下波长的激光的激光发射元件，使激光会聚在盘片状光记录媒体的记录层上的物镜、接收激光的光接收元件、使从上述激光发射元件射出的激光入射到物镜上同时使由盘片状光记录媒体的记录层反射后透过了上述物镜的激光入射到光接收元件上的光学元件，上述物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，在该物镜中，上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组和上述第2透镜组之间设置着光阑，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
26.一种光盘驱动装置，由在盘片状记录媒体的半径方向上移动自如的光学拾波器对旋转的该盘片状光记录媒体进行信息的记录和再生，该光盘装置的特征在于：上述光学拾波器，备有射出420nm以下波长的激光的激光发射元件，使激光会聚在盘片状光记录媒体的记录层上的物镜、接收激光的光接收元件、使从上述激光发射元件射出的激光入射到物镜上同时使由盘片状光记录媒体的记录层反射后透过了上述物镜的激光入射到光接收元件上的光学元件，上述物镜，从物体侧起，按顺序由包含衍射型透镜的第1透镜组和由折射型透镜形成的第2透镜组构成，具有0.8以上的数值孔径，适用于对以420nm以下为基准的几nm以内的波长范围的光进行光轴上的象点的色差校正，在该物镜中，上述第1透镜组的复合面，通过在具有负折射力的非球面折射面上附加具有正折射力的衍射面而构成，上述第1透镜组的具有负折射力的非球面的凹下量，在将非球面系数的圆锥系数k设定为-1的情况下由与半径对应的偶次多项式描述，第1透镜组的衍射面的凹下量，由与半径对应的偶次多项式描述，非球面多项式与衍射面多项式的阶次一致，并构成为在非球面和衍射面的凹下量的多项式之间以满足下述关系式的方式使阶次相同的各系数恒等，构成第2透镜组的透镜，由至少包含一个非球面的单透镜构成，在上述第1透镜组的复合面的表面上，在上述衍射面的凹凸形状上形成具有周期为基准波长的1/2左右、振幅为基准波长的1/4左右的周期结构且比衍射面的凹凸形状更微细的同心圆状的凹凸形状，
k＝-1
C1＝-(N-1)c/2
C2＝-(N-1)A
C3＝-(N-1)B
C4＝-(N-1)C
C5＝-(N-1)D
.......
式中，C1、C2、C3、C4、C5...，为上述非球面多项式中的各阶次的系数，c/2为上述衍射面多项式的中的2次项的系数，A、B、C、D...，为上述衍射面多项式的中的各阶次的系数，N为玻璃材料的折射率，c为非球面顶点的曲率。
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