JP2001249273A - 光ヘッド用対物レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化や光源の個体差により波長が設計波
長からずれた場合にも、最適なビームスポットを形成す
ることができる屈折・回折ハイブリッド対物レンズを提
供することを課題とする。 【解決手段】 対物レンズ１０は、両面が非球面である
樹脂製単レンズであり、一方のレンズ面１１に光軸を中
心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成
されている。回折レンズ構造は、共用領域RCでは光ディ
スクの保護層の厚さの違いによる球面収差の変化を波長
の切換により補正するような球面収差の波長依存性を有
し、高NA専用領域では屈折レンズの温度変化に伴う屈折
率変化による球面収差の変化を、半導体レーザーの温度
変化に伴う波長変化により補正するような球面収差の波
長依存性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、保護層の厚さが
異なる複数種類の光ディスクに対する記録／再生が可能
な光ヘッドに使用される高ＮＡ(開口数)の対物レンズに
関し、特に屈折レンズのレンズ面に回折レンズ構造を形
成した屈折・回折ハイブリッドレンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクは、情報が記録される記録面
と、この記録面を覆う透明な保護層とを有し、この保護
層を介して光ヘッドからのレーザー光が記録面に集光さ
れる。そして、光ディスクは、光ディスク装置のターン
テーブルに搭載されて回転駆動され、光ディスクのラジ
アル方向に移動可能な光ヘッドにより情報が記録／再生
される。ここで光ディスクの保護層の厚さが異なると、
ターンテーブル面を基準とした記録面の位置が異なるこ
ととなり、これは、光ヘッドと記録面との距離が保護層
の厚さによって変化することを意味する。

【０００３】したがって、保護層の厚さが異なる複数の
光ディスクに対応するためには、光ヘッドは保護層の厚
さが大きくなるほどスポットを遠くに形成する必要があ
る。例えば、ＣＤ(コンパクトディスク)やＣＤ−Ｒの保
護層の厚さは1.2mmであるのに対し、ＤＶＤ(デジタルバ
ーサタイルディスク)の保護層の厚さは半分の0.60mmで
あるため、これら両方の光ディスクに対する記録／再生
を可能とするためには、レーザー光の集光位置を保護層
中で０．６ｍｍ(空気換算で約０．４ｍｍ)移動させる必
要がある。

【０００４】対物レンズを光軸方向に移動させれば、近
軸的な集光位置を移動させることはできるが、保護層の
厚さが変化すると球面収差が変化するため、単に対物レ
ンズを移動させるのみではレーザー光の波面が乱れ、ス
ポットを必要な径に収束させることができず、情報の記
録／再生が不可能となる。

【０００５】一方、記録密度の高いＤＶＤの記録再生に
は、ビームスポットを小さく絞るため、６３５ｎｍ〜６
６０ｎｍ程度の短波長のレーザー光が利用されるのに対
し、ＣＤ−Ｒの再生には、その分光反射率の特性から７
８０ｎｍ程度のレーザー光を利用する必要がある。した
がって、これら複数種類の光ディスクの使用を可能にす
るためには、光ヘッドは少なくとも２つの発光波長が異
なるレーザー光源を備える必要がある。

【０００６】そこで、使用されるレーザー光の波長の違
いを利用して保護層の厚さの違いによる球面収差の変化
を補正するために、対物レンズの表面に回折レンズ構造
を形成する技術が知られている。形成される回折レンズ
構造は、球面収差の波長依存性を有し、保護層の厚さの
変化による球面収差の変化を、レーザー光の波長の切換
により生じる回折レンズ構造の球面収差の変化により相
殺する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回折レ
ンズ構造は波長依存性を有するため、温度変化や半導体
レーザーの個体差により使用波長が設計波長からずれる
と、波面収差を劣化させる。このことは、記録密度の低
いＣＤ，ＣＤ−Ｒの使用時にはさほど問題とならない
が、記録密度の高いＤＶＤの使用時には、波面収差の許
容量が小さいため、情報の記録再生に支障を来す可能性
がある。

【０００８】この発明は、上述した従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、光ディスク切換時の保護層
の厚さ変化による球面収差を補正するための回折レンズ
構造を一面に備えつつ、温度変化や光源の個体差により
波長が設計波長からずれた場合にも、最適なビームスポ
ットを形成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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる光ヘッ
ド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、正の
パワーを有する屈折レンズと、屈折レンズの少なくとも
一方のレンズ面に形成された微細な段差を有する複数の
同心の輪帯から成る回折レンズ構造とを有し、回折レン
ズ構造は、記録密度の低い光ディスクに必要充分な低NA
の光束が透過する共用領域と、記録密度の高い光ディス
クに対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領
域とに区分され、共用領域の回折レンズ構造は、光ディ
スクの保護層の厚さの相違に基づく球面収差の変化を入
射光の波長の変化により補正するような球面収差の波長
依存性を有し、高NA専用領域の回折レンズ構造は、共用
領域の回折レンズ構造より球面収差の波長依存性が小さ
く、かつ、高NAに対応する波長において球面収差が十分
補正されるよう設定されていることを特徴とする。

【００１０】このような構成によれば、共用領域を透過
した光束は、その波長を切り替えることにより、保護層
の厚さの異なる複数の光ディスクに対し、良好に球面収
差の補正された波面を形成する。一方、高NA専用領域を
透過した高NAに対応する波長の光束は、球面収差が良好
に補正されるため、共用領域を透過した光束と共にスポ
ットを形成する。

【００１１】共用領域の回折レンズ構造による光路長の
付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関
数係数Ｐ_nC、回折次数ｍ、波長λを用いて、 φ_C(ｈ)＝(Ｐ_2Cｈ²＋Ｐ_4Cｈ⁴＋Ｐ_6Cｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_C(ｈ)により表され、高N
A専用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量は、
ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐ_nEを用いて、 φ_E(ｈ)＝(Ｐ_2Eｈ²＋Ｐ_4Eｈ⁴＋Ｐ_6Eｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_E(ｈ)により表される。
この表現形式では２次の項の係数Ｐ_2C、Ｐ_2Eが負の時に
近軸的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ_4C、Ｐ_4E
が負の時に周辺に向かって正のパワーが増加し、アンダ
ーの球面収差を発生する作用を持つこととなる。

【００１２】この発明の光ヘッド用対物レンズは、２次
及び４次の光路差関数係数が、以下の関係を持つことが
望ましい。 Ｐ_2C＞Ｐ_2E Ｐ_4C＜Ｐ_4E ただし Ｐ_4C＜０

【００１３】また、高NA専用領域の回折レンズ構造の最
も内側の輪帯の幅を、共用領域の回折レンズ構造の最も
外側の輪帯の幅より大きく設定することができる。すな
わち、回折レンズ構造を規定する(Ｐ_2Eｈ²＋Ｐ_4Eｈ⁴＋
Ｐ_6Eｈ⁶＋…)をｈで微分したものの絶対値を格子密度と
定義すると、共用領域と高NA専用領域との境界部分にお
いて、共用領域の格子密度の方が大きいこととなる。さ
らに、屈折レンズが樹脂製である場合には、４次の光路
差関数係数が、Ｐ_4C＜Ｐ_4E＜０の関係を満たすことが望
ましい。より詳細には、高NA専用領域の回折レンズ構造
は、屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面
収差の変化を、半導体レーザーの温度変化に伴う波長変
化により補正するような球面収差の波長依存性を有する
ことが望ましい。

【００１４】なお、回折レンズ構造は、共用領域及び高
NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周が、隣接す
る内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向の段
差を有する。そして、共用領域の光路差関数との連続性
を保ちつつ、４次の係数の絶対値を小さくし、かつ、２
次の係数の絶対値を大きくして高NA専用領域の光路差関
数を決定すると、高NA専用領域の最も内側の輪帯の内周
が、共用領域の最も外側の輪帯の外周に対してレンズが
薄くなる方向の段差を有することとなる。

【００１５】ただし、上記のように領域の境界部のみ段
差の方向が逆になると、回折レンズ構造の形成が困難で
ある。そこで、高NA専用領域の最も内側の輪帯を当該輪
帯の内周と外周との光路差関数の値が波長より長くなる
幅広の輪帯とすることができ、この場合には、回折レン
ズ構造の段差は全域において同一方向となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる光ヘッド
用対物レンズの実施形態を説明する。図１は、実施形態
にかかる対物レンズ１０を示す説明図であり、(Ａ)は正
面図、(Ｂ)は縦断面図、(Ｃ)は縦断面の一部拡大図であ
る。この対物レンズ１０は、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ互
換装置の光情報記録再生装置の光ヘッドに適用され、光
源である半導体レーザーから発したレーザー光をディス
ク等の媒体上に収束させる機能を有している。

【００１７】対物レンズ１０は、非球面である２つのレ
ンズ面１１，１２を有する両凸の樹脂製単レンズであ
り、第１面１１に図１(Ａ)に示したように光軸を中心と
する同心輪帯状の回折レンズ構造が形成されている。回
折レンズ構造は、図１(Ｃ)に示す通り、フレネルレンズ
のように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つ。第２面
１２は、回折レンズ構造を持たない連続面である。

【００１８】対物レンズ１０の表面は、記録密度の低い
ＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の光ディスクに必要充分な低NAの光束
が透過する共用領域RCと、この共用領域RCの周囲に位置
し、ＤＶＤ等の記録密度の高い光ディスクに対してのみ
必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域REとに区分す
ることができる。回折レンズ構造は、共用領域RCと高NA
専用領域REとを含む全域に形成されている。なお、共用
領域RCは、NA0.45〜0.50の光束が透過する位置より内側
の領域であり、高NA専用領域REは、それより外側の領域
である。

【００１９】図２はこの発明にかかる光ヘッド用対物レ
ンズを使用した光ヘッドの光学系の説明図である。この
光学系は、ＤＶＤ用モジュール２１、ＣＤ用モジュール
２２、ビームコンバイナ２３、コリメートレンズ２４、
対物レンズ１０で構成されている。各モジュール２１，
２２は、半導体レーザーとセンサーとを一体化した素子
である。対物レンズ１０は、図示しない公知のフォーカ
シング機構によりその光軸方向に移動可能であり、か
つ、トラッキング機構により光ディスクの半径方向にも
移動可能である。

【００２０】0.6mmの保護層を有する光ディスク（以
下、「薄保護層型光ディスク」という）であるＤＶＤを
使用するためには、小さいビームスポットを作るために
波長635〜665nmの赤色光が必要とされ、1.2mmの保護層
を有する光ディスク（以下、「厚保護層型光ディスク」
という）のうち、少なくともＣＤ−Ｒを使用するために
は、その分光反射率の関係で近赤外光が必要となる。そ
こで、ＤＶＤ用モジュール２１は、発振波長656nmまた
は659nmの半導体レーザーを備え、ＣＤ用モジュール２
２は、発振波長790nmの半導体レーザーを備える。

【００２１】薄保護層型光ディスクＤ₁(図中実線で示
す)の使用時には、ＤＶＤモジュール２１を作動させ
る。対物レンズ１０は図２中に実線で示した位置に配置
され、ＤＶＤモジュール２１の半導体レーザーから発し
た波長656nmまたは659nmのレーザー光Ｌ1は、図中実線
で示したように薄保護層型光ディスクＤ₁の情報記録面
に集光する。他方、厚保護層型光ディスクＤ₂(図中破線
で示す)の使用時には、ＣＤモジュール２２を作動させ
る。対物レンズ１０は図中破線で示したように、相対的
に光ディスクに近づいた位置に配置され、ＣＤモジュー
ル２１の半導体レーザーから発した波長790nmのレーザ
ー光Ｌ2は、図中破線で示したように厚保護層型光ディ
スクＤ₂の情報記録面に集光する。各光ディスクからの
反射光は、各モジュールに設けられた受光素子により受
光され、フォーカシングエラー信号、トラッキングエラ
ー信号、そして再生時には記録された情報の再生信号が
検出される。

【００２２】次に、対物レンズ１０の第１面１１に形成
された回折レンズ構造の構成について説明する。対物レ
ンズ１０の共用領域RCに形成された回折レンズ構造は、
所定の次数の回折光、実施形態では１次回折光が、短波
長(656nmまたは659nm)においては薄保護層型光ディスク
Ｄ₁に対して良好な波面を形成し、長波長(790nm)におい
ては厚保護層光ディスクＤ₂に対して良好な波面を形成
するよう波長依存性を有するよう設計されている。具体
的には、共用領域RCの回折レンズ構造は、光ディスクの
保護層の厚さの相違に基づく球面収差の変化を入射光の
波長の変化により補正するような球面収差の波長依存
性、すなわち、波長が長波長側に変化した際に補正不足
となるような球面収差の波長依存性を有している。

【００２３】光ディスク光学系の球面収差は、ディスク
厚が厚くなるとより補正過剰となる方向に変化する。一
方、薄保護層型ディスクＤ₁については短波長、厚保護
層型光ディスクＤ₂については長波長のレーザー光が用
いられる。そこで、上記のように共用領域RCの回折レン
ズ構造に波長が長波長側に変化した場合に球面収差が補
正不足となる方向に変化する特性を持たせることによ
り、ディスク厚が厚くなることにより補正過剰となる球
面収差を、波長が長くなることにより補正不足となる回
折レンズ構造の球面収差の波長依存性を利用して打ち消
すことができる。

【００２４】高NA専用領域REの回折レンズ構造は、共用
領域RCの回折レンズ構造より球面収差の波長依存性が小
さく、高NAに対応する波長(656nmまたは659nm)において
薄保護層型ディスクＤ₁に対して球面収差が十分補正さ
れるよう設定されている。

【００２５】このような構成によれば、薄保護層型ディ
スクＤ₁の記録再生時には、共用領域RC、高NA専用領域R
Eを透過した波長656nmまたは659nmのレーザー光が、い
ずれも良好に球面収差が補正された状態で薄保護層型デ
ィスクＤ₁の記録面に集光し、高NA、短波長で薄保護層
型ディスクＤ₁の記録密度に適合した径の小さいスポッ
トが形成される。これに対して厚保護層型光ディスクＤ
₂の記録再生時には、共用領域RCを透過した波長790nmの
レーザー光は、良好に球面収差が補正された状態で厚保
護層型光ディスクＤ₂の記録面に集光するが、高NA専用
領域REを透過した波長790nmのレーザー光は、球面収差
が充分に補正されないため、共用領域RCを介して形成さ
れるスポットから離れた位置にドーナツ状に広がる。こ
の結果、低NA、長波長で厚保護層型光ディスクＤ₂の記
録密度に適合した径の大きなスポットが形成される。

【００２６】このように、対物レンズの有効径内を共用
領域と高NA専用領域とに区分する場合、回折レンズ構造
の設計手法には次の３通りの考え方がある。 (1) 共用領域RCと高NA専用領域REとの回折レンズ構造を
共通の光路差関数で定義し、各領域のブレーズ化波長を
異ならせる。 (2) 高NA専用領域REを段差のない連続面とし、ＤＶＤに
対して良好な波面を形成するよう非球面形状を設定す
る。 (3) 高NA専用領域REにおける球面収差の波長依存性を、
共用領域RCより小さく設定する(本発明)。

【００２７】(1)の方法では、共用領域のブレーズ化波
長λBを２つの光源の波長の間の波長に設定し、高NA専
用領域のブレーズ化波長を短い側の波長に設定する。例
えば、ＤＶＤ用の光源の発光波長を660nm、ＣＤ，ＣＤ
−Ｒ用の光源の発光波長を780nmとすると、共用領域の
ブレーズ化波長を720nm、高NA専用領域のブレーズ化波
長を660nmとする。この方法では、厚保護層型光ディス
クＤ₂の使用時に、高NA専用領域を透過した光束が共用
領域を透過した光束と共に集光する。したがって、収差
が良好に補正されていれば、スポットが小さくなりすぎ
て信号の再生に支障をきたし、収差が残存している場合
にはスポットが広がって隣接するトラックの信号が混入
(ジッターが発生)する可能性がある。このため、(1)の
方法を用いる場合には、前述したように、厚保護層型光
ディスクＤ₂の使用時に高NAの部分を遮る絞り機構が必
要となる。

【００２８】さらに、(1)の方法で設計された対物レン
ズは、レンズ面の全域において波長に対する球面収差変
化の感度が高いため、波長が僅かに変化するだけで波面
収差が急激に劣化する。このことは、記録密度の低い厚
保護層型ディスクＤ₂の使用時にはさほど問題とならな
いが、記録密度の高い薄保護層型ディスクＤ₁の使用時
には、波面収差の許容量が小さいため、半導体レーザー
の発光波長に対する許容幅を狭めるという問題を生じ
る。

【００２９】次に、(2)の方法では、高NA専用領域REが
軸上色収差を発生させ、かつ、球面収差の波長依存性も
持たないため、厚保護層型ディスクＤ₂の使用時には高N
A専用領域REを透過した光束は軸上色収差と球面収差と
を大きく発生させ、共用領域RCを透過した光束により形
成されるスポットから十分に離れたところにドーナツ状
にぼけて広がる。また、薄保護層型ディスクＤ₁の使用
時にも、レーザー光の波長が設計波長に一致していれ
ば、収差が良好に補正された径の小さいスポットを形成
することができる。

【００３０】しかし、(2)の方法では、共用領域RCは波
長の変化により球面収差を大きく変化させる回折面であ
るのに対し、高NA専用領域REは非回折面であるため、共
用領域を透過した光束と高NA専用領域を透過した光束と
の波面の連続性がなく、薄保護層型ディスクＤ₁の使用
時にレーザー光の波長が設計波長からずれると、波面収
差が急激に劣化する。したがって、この場合にも半導体
レーザーの発光波長に対する許容幅を狭めるという問題
を生じる。

【００３１】そこで、本発明では(3)の方法を採用して
いる。すなわち、全面に回折レンズ構造を形成すること
により、波長が変化した際の波面の連続性を保ちつつ、
高NA専用領域における球面収差の波長依存性を小さくす
ることにより、薄保護層型ディスクＤ₁の使用時の波長
変動による波面収差の劣化を防ぐことを可能としてい
る。

【００３２】また、高NA専用領域REの回折レンズ構造
は、樹脂製の屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化に
よる球面収差の変化を、光源として利用される半導体レ
ーザーの温度変化に伴う波長変化により補正するような
球面収差の波長依存性を有する。樹脂レンズはガラスレ
ンズと比較して温度変化による屈折率変化や形状変化が
大きいため、それによる性能変化が問題となり易い。例
えば、温度が上昇すると、樹脂レンズの屈折率は低下す
るため、これに伴って球面収差が補正過剰となる方向に
変化し、波面収差が劣化する。樹脂レンズの温度変化に
対する屈折率の変化率は、ほぼ−１０×１０^-5／℃であ
る。一方、光ヘッドの光源として用いられる半導体レー
ザーは、温度上昇により発振波長が長波長側にシフトす
る特性を有する。変化の度合いは、４０℃の上昇で＋８
nm程度である。

【００３３】そこで、高NA専用領域REの回折レンズ構造
に波長の長波長側へのシフトにより球面収差が補正不足
となる方向に変化するような特性を残すことにより、温
度上昇により補正過剰となる屈折レンズの球面収差の変
化を、温度上昇による半導体レーザーの長波長側への波
長シフトにより補正不足となる回折レンズ構造の球面収
差の変化により打ち消すことができる。

【００３４】共用領域RCの回折レンズ構造による光路長
の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差
関数係数Ｐ_nC、回折次数ｍ、波長λを用いて、 φ_C(ｈ)＝(Ｐ_2Cｈ²＋Ｐ_4Cｈ⁴＋Ｐ_6Cｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_C(ｈ)により表し、高NA
専用領域REの回折レンズ構造による光路長の付加量は、
ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐ_nEを用いて、 φ_E(ｈ)＝(Ｐ_2Eｈ²＋Ｐ_4Eｈ⁴＋Ｐ_6Eｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_E(ｈ)により表す。この
表現形式では２次の項の係数Ｐ_2C、Ｐ_2Eが負の時に近軸
的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ_4C、Ｐ _4Eが負
の時に周辺に向かって正のパワーが増加し、アンダーの
球面収差を発生する作用を持つこととなる。

【００３５】実際の回折レンズ構造の微細形状は、上記
の光路差関数で表わされる光路長から波長の整数倍の成
分を消去することにより、フレネルレンズ状の光路長付
加量を持つように決定する。すなわち、輪帯幅は、実施
形態のように１次回折光を用いる場合には、輪帯の内周
と外周とで光路差関数が一波長分の差を持つように決定
される。また、輪帯間の段差は、入射光に１波長の光路
差を与えるように決定される。

【００３６】実施形態の光ヘッド用対物レンズは、２次
及び４次の光路差関数係数が、以下の(a),(b)の関係を
持つ。 (a) Ｐ_2C＞Ｐ_2E (b) Ｐ_4C＜Ｐ_4E＜０

【００３７】回折レンズは、分散に関して回折レンズは
負のアッベ数を持つ屈折レンズと等価であるため、正の
回折レンズと正の屈折レンズとを組み合わせることによ
り軸上色収差を補正することができ、このためには２次
の光路差関数係数が負の値をとることとなる。一方、球
面収差に波長が長くなるにしたがってアンダーとなる波
長依存性を持たせるためには、４次の光路差関数係数は
負の値をとる必要がある。

【００３８】共用領域RCにおいては、回折レンズ構造は
主として球面収差の波長依存性を実現すればよいため、
４次の係数の絶対値は比較的大きくする必要があるが、
２次の係数の絶対値は小さく設定される。反対に、高NA
専用領域においては、回折レンズ構造は球面収差の波長
依存性を小さくし、温度補償分に相当する依存性を持て
ば足りるため、４次の係数は負である必要はあるが、そ
の絶対値は比較的小さいものとなる。また、高NA専用領
域では、球面収差の波長依存性が減少させつつ、波長変
動時における共用領域RCとの波面の連続性を保つために
２次の係数の絶対値は比較的大きく設定される。したが
って、２次、４次の光路差関数係数は、上記の条件(a),
(b)の関係を満たすこととなる。

【００３９】次に、回折レンズ構造の具体的な形状につ
いて説明する。図３は、対物レンズ１０の第１面１１に
おける共用領域RCと高NA専用領域REとの境界部分を拡大
して示す断面図である。回折レンズ構造は、共用領域及
び高NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周が、隣
接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くなる方向
の段差を有する。

【００４０】そして、共用領域RCの光路差関数との連続
性を保ちつつ、４次の係数の絶対値を小さくし、かつ、
２次の係数の絶対値を大きくして高NA専用領域REの光路
差関数を決定すると、図３(A)に示すように、高NA専用
領域REの回折レンズ構造の最も内側の輪帯の幅は、共用
領域RCの回折レンズ構造の最も外側の輪帯の幅より大き
くなり、かつ、高NA専用領域REの最も内側の輪帯の内周
が、共用領域RCの最も外側の輪帯の外周に対してレンズ
が薄くなる方向(図中右方向)の段差を有することとな
る。

【００４１】実施形態のように屈折レンズの非球面上に
フレネルレンズ状の回折レンズ構造を形成する場合には
リソグラフィの手法を用いることは困難であるため、精
密旋盤を用いてバイトで回折レンズ構造のパターンを含
む型を作成し、モールドによりパターンを転写する手法
が採られる。しかし、上記のように領域の境界部のみ段
差の方向が逆になると、この部分の型は両側の輪帯に対
して窪んだ形状となり、例えば精密旋盤で輪帯構造の型
を加工する際にエッジを加工できない可能性がある。

【００４２】そこで、図３(B)に示すように、高NA専用
領域REの内側の２つの輪帯を埋めて３つ目の輪帯を領域
の境界部分まで延長してもよい。このようにすれば、回
折レンズ構造の段差は、全域において方向が同一となる
ため、エッジの加工が容易となる。このように３つ目の
輪帯を延長した形状とすると、結果的に高NA専用領域RE
の最も内側の輪帯は、内周と外周との光路差関数値が波
長より長くなる幅広の輪帯となる。この形状では、２
次、あるいは３次等の高次回折光を利用するのと等価と
るため、使用波長がブレーズ化波長に一致している場合
には問題ないが、波長がブレーズ化波長から外れると、
回折効率が低下することとなる。ただし、この領域は薄
保護層型ディスクＤ₁使用時にのみスポット形成に寄与
する領域であり、ブレーズ化波長と使用波長とのズレが
小さいこと、及び全体の中に占める面積的な割合は僅か
であることから、回折効率の低下は実用上は何ら問題と
ならない。

【００４３】

【実施例】次に、上述した実施形態に基づく具体的な実
施例を２例提示する。いずれも保護層の厚さが0.6mmの
薄保護層型ディスクＤ₁と、保護層の厚さが1.2mmの厚保
護層型ディスクＤ₂とに兼用される光ヘッド用の対物レ
ンズである。なお、いずれの実施例においても、回折レ
ンズ構造は対物レンズ１０の第１面１１に形成されてお
り、１次回折光を光ディスクの記録面上に収束させる。

【００４４】

【実施例１】以下の表１は、実施例１にかかる対物レン
ズ１０のデータを示す。実施例１の対物レンズ１０の第
１面１１には、0≦h＜1.69となる共用領域と1.69≦hと
なる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義さ
れる回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベー
スカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形
状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定
義される独立した非球面である。また、第２面は回折レ
ンズ構造を有さない非球面である。

【００４５】非球面の形状は、光軸からの高さがｈとな
る非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの
距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)を
Ｃ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次
の非球面係数をA₄,A₆,A₈,A₁₀,A₁₂として、以下の式で表
される。 Ｘ(h)=Ch²/(1+√(1-(1+K)C²h²))+A₄h⁴+A₆h⁶+A₈h⁸+A₁₀h
¹⁰+A₁₂h¹²

【００４６】表１では、第１面の共用領域のベースカー
ブと回折レンズ構造とを定義する各係数、第１面の高NA
専用領域のベースカーブと回折レンズ構造とを定義する
各係数、面間隔、使用波長での屈折率、そして、第２面
の非球面形状を定義する各係数が示されている。表中、
NA₁、f₁、λ₁は、それぞれ薄保護層型光ディスクＤ₁使
用時の開口数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦
点距離(単位:mm)、波長(単位:nm)であり、NA₂、f₂、λ₂
は、それぞれ厚保護層型光ディスクＤ₂使用時の開口
数、回折レンズ構造を含めた対物レンズの焦点距離(単
位:mm)、波長(単位:nm)である。

【００４７】

【表１】NA₁=0.60 ｆ₁=3.360 λ₁=656nm NA₂=0.50 ｆ₂=3.384 λ₂=790nm 第１面 共用領域(０＜ｈ＜1.69) ベースカーブ 近軸曲率半径 ｒ 2.101 非球面係数 κ -0.500 Ａ４ -1.81100×10^-3 Ａ６ -2.44900×10^-4 Ａ８ -1.75000×10^-5 Ａ10 -3.51400×10^-6 Ａ12 -2.56000×10^-6 回折レンズ構造 ブレーズ化波長 720nm 輪帯間段差 1.3372μm 光路差関数係数 Ｐ_2C 0.0 Ｐ_4C -1.65300 Ｐ_6C -0.15050 Ｐ_8C 0.0 Ｐ_10C 0.0 Ｐ_12C 0.0 高NA専用領域(1.69＜ｈ＜2.02) ベースカーブ 近軸曲率半径 ｒ 2.129 非球面係数 κ -0.500 Ａ４ -6.72000×10^-4 Ａ６ -1.46200×10^-5 Ａ８ -8.69200×10^-5 Ａ10 2.19000×10^-5 Ａ12 -5.36100×10^-6 回折レンズ構造 ブレーズ化波長 657nm 輪帯間段差 1.2154μm 光路差関数係数 Ｐ_2E -2.56044 Ｐ_4E -0.80000 Ｐ_6E -0.09000 Ｐ_8E 0.0 Ｐ_10E 0.0 Ｐ_12E 0.0 第１面第２面間隔 ｄ 2.210 第２面 近軸曲率半径 ｒ -8.450 非球面係数 κ 0.0 Ａ４ 1.60200×10^-2 Ａ６ -3.26800×10^-3 Ａ８ 1.29900×10^-4 Ａ10 3.20300×10^-5 Ａ12 -3.74500×10^-6

【００４８】実施例１の回折レンズ構造の輪帯番号Ｎと
各輪帯の中心側の境界点の光軸からの高さhin、外側の
境界点の光軸からの高さhout、輪帯幅Ｗの関係を以下の
表２に示す。光軸を含む円形の領域の輪帯番号を０と
し、その外側のリング状の領域に内側から順に１，２，
３，…と輪帯番号を付する。最も外側の輪帯の番号は３
０である。０〜１６輪帯が共用領域RC、１７〜３０輪帯
が高NA専用領域REである。

【００４９】

【表２】

【００５０】図４は、実施例１にかかる回折レンズ構造
の光路差関数の値を示すグラフであり、実線が共用領域
RC、破線が高NA専用領域REの値を示す。横軸が光路差、
縦軸が光軸からの距離を示す。また、図５は、表２に示
した輪帯幅Ｗの変化を示すグラフである。各領域で、輪
帯幅は輪帯番号が大きくなるに伴い、したがって、中心
からの高さが高くなるに伴って漸減するが、両領域の境
界である１６，１７輪帯において一旦増加する。なお、
１６輪帯は、ＮＡによって決まる切替点の高さを光路差
関数の値の区切りが良い値となるように幅広の輪帯とさ
れており、１７輪帯は図３Ｂのように段差の方向を揃え
るために幅広の輪帯とされている。

【００５１】続いて、実施例１の対物レンズ１０の性能
を、対物レンズと光ディスクの保護層とを含めた光学系
の収差図を用いて説明する。図６〜図８は、所定の基準
温度(例えば２５℃)における薄保護層型光ディスクＤ₁
使用時の収差を示し、図６(A)は使用波長656nmでの球面
収差SAと正弦条件SCを示すグラフ、図６(B)は651nm、65
6nm、661nmでの球面収差を示すグラフ、図７は651nm、6
56nm、661nmでの波面収差を示すグラフ、図８は651nm、
656nm、661nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との
関係を示すグラフである。図７によれば、共用領域を透
過した光束と高NA専用領域を透過した光束との波面がほ
ぼ連続していることが理解できる。また、図８によれ
ば、±５nmの波長変動があっても、波面収差の最小値は
0.016〜0.017λ程度に抑えられ、ベストフォーカス位置
では充分に小さなスポットを形成することが理解でき
る。

【００５２】図９〜図１１は、温度が基準温度から４０
度上昇した際の薄保護層型光ディスクＤ₁使用時におけ
る図６〜図８と同様の収差を示すグラフである。４０度
の温度変化が生じても、設計使用波長656nmでの波面収
差は0.010λ程度、±５nmの波長変動がある場合にも波
面収差の最小値は0.020λ以下に抑えられる。

【００５３】図１２〜図１４は、基準温度における厚保
護層型光ディスクＤ₂使用時の収差を示し、図１２(A)は
使用波長790nmでの球面収差SAと正弦条件SCを示すグラ
フ、図１２(B)は785nm、790nm、795nmでの球面収差を示
すグラフ、図１３は785nm、790nm、795nm での波面収差
を示すグラフ、図１４は785nm、790nm、795nmでのデフ
ォーカスと波面収差のrms値との関係を示すグラフであ
る。図６と図１２とを比較すると、保護層の厚さの違い
にかかわらず、両波長で良好に球面収差が補正されてい
ることがわかる。

【００５４】次に、実施例１との比較のため、本発明と
は異なる方法により定義された実施例１と同一仕様の対
物レンズを用いた場合の薄保護層型光ディスクＤ₁使用
時における光学系の性能を、収差図を用いて説明する。
図１５は、前述の(1)の方法(共用領域RCと高NA専用領域
REとの回折レンズ構造を共通の光路差関数で定義)によ
る比較例１の対物レンズを用いた場合の651nm、656nm、
661nmでのデフォーカスと波面収差のrms値との関係を示
すグラフである。±５nmの波長差により波面収差の最小
値が0.02λを越えるため、半導体レーザーの個体差によ
る波長差により、スポットを充分に小さくできない可能
性がある。

【００５５】図１６〜図１９は、前述の(2)の方法(高NA
専用領域REを段差のない連続面とする)による比較例２
の対物レンズを用いた場合の収差を示す。図１６及び図
１７は、基準温度における収差を示し、図１６は651n
m、656nm、661nmでの波面収差を示すグラフ、図１７は6
51nm、656nm、661nmでのデフォーカスと波面収差のrms
値との関係を示すグラフである。図１６によれば、共用
領域を透過した光束と高NA専用領域を透過した光束との
波面が不連続であることが理解できる。また、図１７に
よれば、±５nmの波長変動によりベストフォーカス位置
が光軸方向に大きく移動し、かつ、特に長波長側へのシ
フトにより、波面収差の最小値が0.020λを越えること
がわかる。

【００５６】また、図１８及び図１９は、温度が基準温
度に対して４０度上昇した際の図１６及び図１７と同様
の収差を示すグラフである。高NA専用領域が球面収差補
正効果を持たないため、４０度の温度変化による屈折率
の変化により球面収差が大きくオーバーとなり、波面収
差が極端に劣化する。rms値の最小値は、設計使用波長6
56nmにおいても0.05λを越え、スポットをＤＶＤの再生
に必要な径にまで絞ることができなくなる。

【００５７】

【実施例２】以下の表３は、実施例２にかかる対物レン
ズ１０のデータを示す。実施例２の対物レンズ１０の第
１面１１には、0≦h＜1.62となる共用領域と1.62≦hと
なる高NA専用領域とに互いに異なる光路差関数で定義さ
れる回折レンズ構造が形成され、かつ、共用領域のベー
スカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形
状)と高NA専用領域のベースカーブとは別個の係数で定
義される独立した非球面である。また、第２面は回折レ
ンズ構造を有さない非球面である。

【００５８】

【表３】NA₁=0.60 ｆ₁=3.214 λ₁=659nm NA₂=0.50 ｆ₂=3.236 λ₂=790nm 第１面 共用領域(０＜ｈ＜1.62) ベースカーブ 近軸曲率半径 ｒ 2.004 非球面係数 κ -0.480 Ａ４ -2.09747×10^-3 Ａ６ -3.84200×10^-4 Ａ８ -1.85400×10^-4 Ａ10 3.52100×10^-5 Ａ12 -9.00000×10^-6 回折レンズ構造 ブレーズ化波長 720nm 輪帯間段差 1.3400μm 光路差関数係数 Ｐ_2C -0.09161 Ｐ_4C -1.96470 Ｐ_6C -0.21942 Ｐ_8C 0.0 Ｐ_10C 0.0 Ｐ_12C 0.0 高NA専用領域(1.62＜ｈ＜1.93) ベースカーブ 近軸曲率半径 ｒ 2.033 非球面係数 κ -0.48000 Ａ４ -9.02700×10^-4 Ａ６ -6.75000×10^-5 Ａ８ -5.56000×10^-5 Ａ10 -2.73200×10^-5 Ａ12 -9.40000×10^-8 回折レンズ構造 ブレーズ化波長 660nm 輪帯間段差 1.2237μm 光路差関数係数 Ｐ_2E -3.00000 Ｐ_4E -1.17700 Ｐ_6E 0.10970 Ｐ_8E -0.03958 Ｐ_10E 0.0 Ｐ_12E 0.0 第１面第２面間隔 ｄ 2.080 第２面 近軸曲率半径 ｒ -8.307 非球面係数 κ 0.0 Ａ４ 2.00430×10^-2 Ａ６ -7.51300×10^-3 Ａ８ 1.63800×10^-3 Ａ10 -1.98100×10^-4 Ａ12 1.02900×10^-5

【００５９】実施例２の回折レンズ構造の輪帯番号Ｎと
各輪帯の中心側の境界点の光軸からの高さhin、外側の
境界点の光軸からの高さhout、輪帯幅Ｗの関係を以下の
表４に示す。０〜１７輪帯が共用領域RC、１８〜２９輪
帯が高NA専用領域REである。

【００６０】

【表４】

【００６１】図２０は、光路差関数の値を示すグラフで
あり、実線が共用領域RC、破線が高NA専用領域REの値を
示す。横軸が光路差、縦軸が光軸からの距離を示す。ま
た、図２１は、表４に示した輪帯幅Ｗの変化を示すグラ
フである。各領域で、輪帯幅は輪帯番号が大きくなるに
伴い、したがって、中心からの高さが高くなるに伴って
漸減するが、両領域の境界である１８輪帯において一旦
増加する。

【００６２】続いて、実施例２の対物レンズ１０の性能
を、対物レンズと光ディスクの保護層とを含めた光学系
の収差図を用いて説明する。図２２及び図２３は、基準
温度における薄保護層型光ディスクＤ₁使用時の収差を
示し、図２２(A)は使用波長659nmでの球面収差SAと正弦
条件SCを示すグラフ、図２２(B)は654nm、659nm、664nm
での球面収差を示すグラフ、図２３は654nm、659nm、66
4nmでの波面収差を示すグラフである。実施例２の対物
レンズも、実施例１と同様に球面収差が補正され、か
つ、薄保護層型光ディスクＤ₁使用時の波長変動による
収差の劣化が小さく、温度変化による収差変動も小さく
抑えられている。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、保護層の厚さの違いに起因する球面収差の変化を、
回折レンズ構造の球面収差の変化により打ち消すことが
でき、かつ、保護層が厚く記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−
Ｒを利用する際には、高NA専用領域を透過した光束が広
がるため、絞り機構等を設けなくともスポット径が必要
以上に小さくなるのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態にかかる対物レンズの外形を示す説
明図であり、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は縦断面図、(Ｃ)は縦
断面の一部拡大図である。

【図２】 実施形態にかかる対物レンズを使用した光ピ
ックアップ装置の光学系の説明図である。

【図３】 実施形態にかかる対物レンズの回折レンズ構
造の共用領域と高NA専用領域との境界部分を示す断面図
である。

【図４】 実施例１にかかる回折レンズ構造の光路差関
数の値を示すグラフである。

【図５】 実施例１にかかる回折レンズ構造の輪帯幅の
変化を示すグラフである。

【図６】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の基
準温度における薄保護層型光ディスク使用時の球面収差
を示すグラフである。

【図７】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の基
準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差
を示すグラフである。

【図８】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の基
準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収差
(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフである。

【図９】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の基
準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光デ
ィスク使用時の球面収差を示すグラフである。

【図１０】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光
ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。

【図１１】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光
ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの
関係を示すグラフである。

【図１２】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の球面収
差を示すグラフである。

【図１３】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の波面収
差を示すグラフである。

【図１４】 実施例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における厚保護層型光ディスク使用時の波面収
差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフであ
る。

【図１５】 比較例１の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収
差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフであ
る。

【図１６】 比較例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収
差を示すグラフである。

【図１７】 比較例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収
差(rms値)とデフォーカスとの関係を示すグラフであ
る。

【図１８】 比較例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光
ディスク使用時の波面収差を示すグラフである。

【図１９】 比較例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度から４０度上昇した場合における薄保護層型光
ディスク使用時の波面収差(rms値)とデフォーカスとの
関係を示すグラフである。

【図２０】 実施例２にかかる回折レンズ構造の光路差
関数の値を示すグラフである。

【図２１】 実施例２にかかる回折レンズ構造の輪帯幅
の変化を示すグラフである。

【図２２】 実施例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の球面収
差を示すグラフである。

【図２３】 実施例２の対物レンズを利用した光学系の
基準温度における薄保護層型光ディスク使用時の波面収
差を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 対物レンズ １１ 第１面 １２ 第２面 RC 共用領域 RE 高NA専用領域 Ｄ₁ 薄保護層型光ディスク Ｄ₂ 厚保護層型光ディスク ２１ ＤＶＤ用モジュール ２２ ＣＤ用モジュール ２３ ビームコンバイナ ２４ コリメートレンズ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正のパワーを有する屈折レンズと、該屈
   折レンズの少なくとも一方のレンズ面に形成された微細
   な段差を有する複数の同心の輪帯から成る回折レンズ構
   造とを有し、前記回折レンズ構造は、記録密度の低い光
   ディスクに必要充分な低NAの光束が透過する共用領域
   と、記録密度の高い光ディスクに対してのみ必要な高NA
   の光束が透過する高NA専用領域とに区分され、前記共用
   領域の回折レンズ構造は、光ディスクの保護層の厚さの
   相違に基づく球面収差の変化を入射光の波長の変化によ
   り補正するような球面収差の波長依存性を有し、前記高
   NA専用領域の回折レンズ構造は、前記共用領域の回折レ
   ンズ構造より球面収差の波長依存性が小さく、かつ、高
   NAに対応する波長において球面収差が十分補正されるよ
   う設定されていることを特徴とする光ヘッド用対物レン
   ズ。
2. 【請求項２】 前記共用領域の回折レンズ構造による光
   路長の付加量を、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光
   路差関数係数Ｐ_nC、回折次数ｍ、波長λを用いて、 φ_C(ｈ)＝(Ｐ_2Cｈ²＋Ｐ_4Cｈ⁴＋Ｐ_6Cｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_C(ｈ)により表し、前記
   高NA専用領域の回折レンズ構造による光路長の付加量
   を、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐ_nEを用いて、 φ_E(ｈ)＝(Ｐ_2Eｈ²＋Ｐ_4Eｈ⁴＋Ｐ_6Eｈ⁶＋…）×ｍ×λ により定義される光路差関数φ_E(ｈ)により表したと
   き、 Ｐ_2C＞Ｐ_2E Ｐ_4C＜Ｐ_4E ただし Ｐ_4C＜０ の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘ
   ッド用対物レンズ。
3. 【請求項３】 前記高NA専用領域の回折レンズ構造の最
   も内側の輪帯の幅が、前記共用領域の回折レンズ構造の
   最も外側の輪帯の幅より大きいことを特徴とする請求項
   ２に記載の光ヘッド用対物レンズ。
4. 【請求項４】 前記屈折レンズは樹脂製であり、前記４
   次の光路差関数係数が、Ｐ_4C＜Ｐ_4E＜０の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ヘ
   ッド用対物レンズ。
5. 【請求項５】 前記高NA専用領域の回折レンズ構造は、
   前記屈折レンズの温度変化に伴う屈折率変化による球面
   収差の変化を、半導体レーザーの温度変化に伴う波長変
   化により補正するような球面収差の波長依存性を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光ヘッド用対物レン
   ズ。
6. 【請求項６】 前記回折レンズ構造は、前記共用領域及
   び前記高NA専用領域内においては、外側の輪帯の内周
   が、隣接する内側の輪帯の外周に対してレンズが厚くな
   る方向の段差を有し、前記共用領域と前記高NA専用領域
   との境界部分においては、前記高NA専用領域の最も内側
   の輪帯の内周が、前記共用領域の最も外側の輪帯の外周
   に対してレンズが薄くなる方向の段差を有することを特
   徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ヘッド用対
   物レンズ。
7. 【請求項７】 前記回折レンズ構造は、全域において、
   外側の輪帯の内周が、隣接する内側の輪帯の外周に対し
   てレンズが厚くなる方向の段差を有し、前記高NA専用領
   域の最も内側の輪帯は、当該輪帯の内周と外周との光路
   差関数値の差が波長より長くなる幅広の輪帯であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ヘッド
   用対物レンズ。