JP2006127714A - 対物光学系及び光ピックアップ装置 - Google Patents

対物光学系及び光ピックアップ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数種類の光ディスクのＷＤを略一致させることで、光ディスクの種類に応じて対物レンズの初期位置を調整する必要がなくなり、消費電力を抑えて、アクチュエータを小型化することができる対物光学系及びそれを備えた光ピックアップ装置とする。
【解決手段】第１〜第３光源から射出される第１〜第３光束を用いて第１〜第３光ディスクに対して情報の記録／再生を行う光ピックアップ装置の対物光学系である。第２光束のみを回折する第１回折構造と、第３光束のみを回折する第２回折構造と、第１〜第３光束をそれぞれ第１〜第３光ディスクの各情報記録面上に集光させるための対物レンズとを有し、第１〜第３光ディスクの各保護層表面と対物レンズとの光軸上の距離が一定となるように構成され、第１光束は回折作用を受けずに、第２光束は第１回折構造から回折作用を受けて、第３光束は第２回折構造から回折作用を受けて、各情報記録面上に集光する。
【選択図】図２

Description

本発明は、対物光学系及び光ピックアップ装置に関する。
近年、光ピックアップ装置において、光ディスクに記録された情報の再生や、光ディスクへの情報の記録のための光源として使用されるレーザ光源の短波長化が進み、例えば、青紫色半導体レーザや、第２高調波発生を利用して赤外半導体レーザの波長変換を行う青紫色ＳＨＧレーザ等の波長４０５ｎｍのレーザ光源が実用化されつつある。
これら青紫色レーザ光源を使用すると、デジタルバーサタイルディスク（以下、ＤＶＤと略記する）と同じ開口数（ＮＡ）の対物レンズを使用する場合で、直径１２ｃｍの光ディスク（かかる規格の光ディスクはＨＤ ＤＶＤ（以下、ＨＤと略記する）として提案されている）に対して、１５〜２０ＧＢの情報の記録が可能となり、対物レンズのＮＡを０．８５にまで高めた場合には、直径１２ｃｍの光ディスク（かかる規格の光ディスクはブルーレイディスク（以下、ＢＤと略記する）として提案されている）に対して、２３〜２７ＧＢの情報の記録が可能となる。以下、本明細書では、青紫色レーザ光源を使用する光ディスク及び光磁気ディスクを総称して「高密度光ディスク」という。
また、高密度光ディスクの記録／再生に使用される青紫色レーザ光束を「青」、ＤＶＤの記録／再生に使用される赤色レーザ光束を「赤」、ＣＤの記録／再生に使用される赤外レーザ光束を「赤外」と呼ぶ。
かかるタイプの高密度光ディスクに対して適切に情報の記録／再生ができると言うだけでは、光ディスクプレーヤ／レコーダの製品としての価値は十分なものとはいえない。現在において、多種多様な情報を記録したＤＶＤやＣＤ（コンパクトディスク）が販売されている現実をふまえると、高密度光ディスクに対して情報の記録／再生ができるだけでは足らず、例えばユーザが所有しているＤＶＤやＣＤに対しても同様に適切に情報の記録／再生ができるようにすることが、高密度光ディスク用の光ディスクプレーヤ／レコーダとしての商品価値を高めることに通じるのである。 このような背景から、高密度光ディスク用の光ディスクプレーヤ／レコーダに搭載される光ピックアップ装置は、高密度光ディスクとＤＶＤ、更にはＣＤとの何れに対しても互換性を維持しながら適切に情報を記録／再生できる性能を有することが望まれる。何れの高密度光ディスクに対しても既存のＤＶＤやＣＤも記録／再生を行うことができる互換用光ピックアップ装置は重要であり、中でも対物光学系で互換を行う１レンズ方式は最も理想的な形態である。
しかしながら、例えばＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤなど波長の異なる光ディスクに対し、同一の対物光学系を用いて情報の記録又は再生を行う場合、一つの問題がある。ＢＤの情報記録面を保護している保護層（透明基板ともいう）厚みは０．１ｍｍであり、ＤＶＤの情報記録面を保護している保護層（透明基板ともいう）厚みは０．６ｍｍ、ＣＤの情報記録面を保護している保護層厚みは１．２ｍｍである。従って、それぞれの光ディスクに対して情報の記録／再生を行う際の作動距離（以下、ＷＤと略記する）は、一般的に、ＢＤ使用時が最も長く、次いでＤＶＤ使用時であり、最も短くなるのがＣＤ使用時である。
なお、本明細書においては、対物光学系により集光されたレーザ光束が光ディスクの情報記録面上に合焦した状態における、対物光学系の最も光ディスク側に位置する光学面と光ディスクの表面との光軸上の間隔を、その光ディスクを使用している際の作動距離と呼ぶ。
従って、例えばＢＤに対して情報の記録又は再生を行った後、ＣＤに対して情報の記録又は再生を行う場合、対物光学系の初期位置を、ＢＤ使用時のＷＤに調整された位置から、ＣＤ使用時のＷＤに合致する位置まで可変調整させる動作を行う必要がある。このように光ピックアップ装置に複数種類のＷＤが存在し、それらの差が大きい場合、異なる種類の光ディスクを記録又は再生するときに、フォーカス用アクチュエータに大きな可動範囲が要求必要となるため、消費電力の増大を招くと共に、アクチュエータが大型化する原因となる。これに対し、光ディスク側を対物光学系に対して光軸方向に移動させるという構成も考えられるが、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ用の高速回転駆動機構を移動させなくてはならないため、理論的には可能であるが、実際的には成立し得ないといえる。
ここで、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤのそれぞれのＷＤを１のＷＤに一致させることができれば、アクチュエータを駆動させてＷＤの調整を行う必要がなくなり、消費電力を抑えることができると共にアクチュエータを小型化することができる。
このようなＷＤを一致させる手法としては、対物光学系に入射する光束（平行光束を含む）の発散角もしくは収束角を、ＢＤ使用時、ＤＶＤ使用時、ＣＤ使用時で異ならせることで、それぞれのＷＤを略一致させる方法が考えられる。
また、従来、複数の光ディスクに使用される光束の波長や保護層厚みが異なることに起因して発生するＷＤの補正方法として、光ピックアップ装置を構成する対物光学系に回折構造を設け、ＤＶＤとＣＤで回折の次数が異なることを利用してＷＤを略一致させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６６３２４号公報
ここで、特許文献１に記載の発明は、ＤＶＤとＣＤで互換を達成する際にＷＤを略一致させる方法として、対物光学系にＤＶＤとＣＤの両方の光束を回折させる回折構造を設け、ＤＶＤとＣＤで回折の次数が異なることを利用してＷＤを略一致させるものである。
しかし、この技術を高密度光ディスクとＤＶＤ、ＣＤとの互換達成に適用すると、高密度光ディスクは、使用光束の波長が短く、ＮＡが大きく、保護層厚の差が大きいことから、３種類の波長の光束全てに対して適切な回折作用を与える性能を有する回折構造を設計することができず、結果として、十分なＷＤの補正を行うことができないという問題があった。
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、高密度光ディスクを含む少なくとも２種類の光ディスクに対する情報の再生及び／又は記録に用いられ、それぞれのＷＤを略一致させることで、光ディスクの種類に応じてアクチュエータを駆動させて対物光学系の初期位置を調整する必要がなくなり、結果として、消費電力を抑えて、アクチュエータを小型化することができる対物光学系及びそれを備えた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
第１光源から射出される第１波長λ１の第１光束を用いて厚さｔ１の保護層を有する第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第２光源から射出される第２波長λ２（λ２＞λ１）の第２光束を用いて厚さｔ２（ｔ２≧ｔ１）の保護層を有する第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いられる対物光学系であって、
前記第１光束を回折させず、前記第２光束を回折させる第１回折構造を有し、
前記第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第１作動距離をＷＤ１とし、前記第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第２作動距離をＷＤ２としたとき、以下の（１）式を満たすことを特徴とする。
０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
請求項１に記載の発明によれば、第２光束のみを選択的に回折させる第１回折構造を備えることで、第１光束（例えば、青）、第２光束（例えば、赤）のそれぞれの発散角もしくは収束角を独立に制御することが可能となるので、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）、第２光ディスク（例えば、ＤＶＤ）のそれぞれに対する集光特性を損なうことなく、それぞれの光ディスクの使用時のＷＤを略一致（すなわち、（１）式を満たす）させることができる。
なお、本明細書においては、上述したＢＤやＨＤ以外にも、光磁気ディスクや、情報記録面上に数〜数十ｎｍ程度の厚さの保護膜を有する光ディスクや、保護層或いは保護膜の厚さがゼロの光ディスクも高密度光ディスクに含むものとする。
また、本明細書においては、ＤＶＤとは、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−Ａｕｄｉｏ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ等のＤＶＤ系列の光ディスクの総称であり、ＣＤとは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ａｕｄｉｏ、ＣＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等のＣＤ系列の光ディスクの総称である。
また、本明細書において、「対物光学系」とは、光ピックアップ装置において光ディスクに対向する位置に配置され、光源から射出された光束を光ディスクの情報記録面上に集光する機能を有する光学系であって、アクチュエータにより少なくとも光軸方向に変移可能とされた光学系を指す。本明細書における、「対物光学系」とは、１つのレンズ群から構成されていても良いし、２つ以上の複数のレンズ群から構成されていても良い。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の対物光学系において、
前記第１回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ａ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする。
請求項２にあるような構成とすることで、請求項１にあるような回折特性を第１回折構造に持たせることが可能となる。
また、第１光源として設計波長からずれた光源を使用する場合には、各パターンを構成する各々の段差により付加される光路差は、波長の整数倍から僅かにずれるため、１つのパターン内では局所的な球面収差が発生することになるが、レベル面数に対応した段数分の高さだけ段がシフトされた部分で、局所的な球面収差を持つ波面が途切れることになるので、巨視的（平均的）な波面は平坦となる。このように、第１回折構造をレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造とすることで第１光源の発振波長の個体差に対する公差を緩和できる。
なお、本明細書においては、これ以降、波長が異なる複数の光束のうち、１つの光束を選択的に回折させる特性を有する回折構造を、「波長選択回折構造」とよぶ。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の対物光学系において、
前記第１回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ａは、４、５、６の何れかであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、階段の１つの段差を光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さに設定することで、隣接しあうレベル面を通過した第１光束（例えば、青）の波面は２波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第１回折構造をｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成した場合、この段差により、第２光束（例えば、赤）に付加される光路差は第２波長λ２の１．２倍となる。等位相である１波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、第２波長λ２の０．２倍であるので、レベル面の個数Ａを４、５、６の何れかに設定すれば、１つのパターン内での第２光束の光路差は第２波長λ２の略１倍となる。このように、第２波長λ２の略１倍の光路差を発生させるパターンを周期的に配列させることで、第２光束を高い回折効率で１次方向へ回折させることができ、第２光束のみを選択的に回折させる波長選択回折構造を得ることができる。このとき、レベル面の個数Ａを５に設定すると、１つのパターン内での第２光束の光路差を第２波長λ２の１倍に最も近づけることができるので、第２光束に透過率を最も高く確保可能である。
なお、請求項３に記載の発明の波長選択回折構造において、第２光束の回折光の回折効率は、材料のアッベ数にのみに依存し、屈折率には依存しない。従って、屈折率に関しては比較的自由度があるが、屈折率の値が小さくなるほど段差が深くなり、階段形状を精度良く製造することが困難になるため、同じアッベ数を有する材料が複数ある場合には、屈折率が最も大きい材料を選択するのが好ましい。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記第２光束は前記第１回折構造により発散作用を受けることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、第２光束（例えば、赤）のバックフォーカスを伸ばすことができるので、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）使用時のＷＤと、第２光ディスク（例えば、ＤＶＤ）使用時のＷＤを略一致させることが可能となる。
なお、第２光束が第１回折構造により発散作用を受けることは、第１回折構造が負の回折パワーを有することと同義である。回折構造の回折パワーφＤは、回折構造のより入射光束に付加される光路差を、後述する光路差関数により定義した場合に、φＤ＝−２×ｄｏｒ×λ／λＢ×Ｂ２により算出ことができる。但し、ｄｏｒは回折次数、λは入射光束の波長、λＢはブレーズ化波長、Ｂ２は２次の光路差関数係数である。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記対物光学系は、前記第１回折構造を有する回折光学素子と、該回折光学素子を透過した前記第１及び前記第２光束を、それぞれ、前記第１及び前記第２光ディスクの情報記録面上に集光させる集光レンズとから構成され、前記回折光学素子と前記対物レンズは、互いの相対的な位置関係が普遍となるように保持されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、対物光学系がフォーカシングやトラッキングした場合でも回折光学素子と集光レンズの光軸がずれることがないので、収差発生がなく良好なフォーカシング特性やトラッキング特性を得ることができる。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の対物光学系において、
前記回折光学素子の光学面のうち、前記第１回折構造が形成された光学面は入射光束に対して屈折パワーを持たない平面であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、光軸を含む断面形状が階段状である第１回折構造の製造が容易となり、高精度で第１回折構造を形成することが可能となるとともに、各パターン内の段差による光束のケラレの影響を少なくすることができる。その結果、高い透過率を有する対物光学系を得ることができる。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の対物光学系において、
前記第１光束を、前記集光レンズにより前記厚みｔ１の保護層を介して集光させた際の集光スポットの波面収差が０．０７λ１ｒｍｓ以下となるように前記対物レンズの光学面形状が決定されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、集光レンズを第１光束（例えば、青）で設計しておくことと同義であり、これにより、波長に反比例して製造が困難になる集光レンズの性能出しが容易になる。
請求項８に記載の発明は、光ピックアップ装置であって、
請求項１〜７の何れか一項に記載の対物光学系を搭載したことを特徴とする。
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７の何れか一項と同様の効果を有する光ピックアップ装置を得ることができる。
請求項９に記載の発明は、
第１光源から射出される第１波長λ１の第１光束を用いて厚さｔ１の保護層を有する第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第２光源から射出される第２波長λ２（λ２＞λ１）の第２光束を用いて厚さｔ２（ｔ２≧ｔ１）の保護層を有する第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第３光源から射出される第３波長λ３（λ３＞λ２）の第３光束を用いて厚さｔ３（ｔ３＞ｔ２）の保護層を有する第３光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いられる対物光学系であって、
前記第１光束及び前記第３光束を回折させず、前記第２光束を回折させる第１回折構造と、
前記第１光束及び前記第２光束を回折させず、前記第３光束を回折させる第２回折構造と、
を有し、
前記第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第１作動距離をＷＤ１とし、
前記第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第２作動距離をＷＤ２とし、
前記第３光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第３作動距離をＷＤ３としたとき、
以下の（１）式及び（２）式のうち、少なくとも一方を満たすことを特徴とする。
０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
０．９＜ＷＤ１／ＷＤ３＜１．１ （２）
請求項９に記載の発明によれば、第２光束のみを選択的に回折させる第１回折構造と、第３光束のみを選択的に回折させる第２回折構造と、を備えることで、第１光束（例えば、青）、第２光束（例えば、赤）、第３光束（例えば、赤外）のそれぞれの発散角もしくは収束角を独立に制御することが可能となるので、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）、第２光ディスク（例えば、ＤＶＤ）、第３光ディスク（例えば、ＣＤ）のそれぞれに対する集光特性を損なうことなく、少なくとも２種類の光ディスクの使用時のＷＤを略一致（すなわち、（１）式及び（２）式のうち、少なくとも一方を満たす）させることができる。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の対物光学系において、
以下の（１）式及び（２）式の何れも満たすことを特徴とする。
０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
０．９＜ＷＤ１／ＷＤ３＜１．１ （２）
請求項９に記載の発明において、最良の形態は、請求項１０の発明にあるように、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）、第２光ディスク（例えば、ＤＶＤ）、第３光ディスク（例えば、ＣＤ）の光ディスクの使用時のＷＤを略一致（すなわち、（１）式及び（２）式の何れも満たす）させることである。
請求項１１に記載の発明は、請求項９又は１０に記載の対物光学系において、
前記第１回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ａ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする。
請求項１１にあるような構成とすることで、請求項９にあるような回折特性を第１回折構造に持たせることが可能となる。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の対物光学系において、
前記第１回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ａは、４、５、６の何れかであることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明によれば、第２光束（例えば、赤）のみを選択的に回折させる波長選択回折構造を得ることができる。階段の１つの段差を光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さに設定することで、請求項３に記載の発明と同様に、回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第１回折構造をｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成した場合、この段差により、第３光束（例えば、赤外）に付加される光路差は第３波長λ３の１倍となるので、隣接しあうレベル面を通過した第３光束の波面は１波長分ずれて重なり合うことになり、第３光束も回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第１回折構造による第２光束の回折光発生の原理は請求項３に記載の発明と同様であるので詳細な説明は割愛する。
なお、請求項３に記載の発明の波長選択回折構造と同様の理由により、同じアッベ数を有する材料が複数ある場合には、屈折率が最も大きい材料で請求項１２に記載の発明の波長選択回折構造を形成するのが好ましい。
請求項１３に記載の発明は、請求項９〜１２の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記第２光束は前記第１回折構造により発散作用を受けることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明によれば、第２光束（例えば、赤）のバックフォーカスを伸ばすことができるので、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）使用時のＷＤと、第２光ディスク（例えば、ＤＶＤ）使用時のＷＤを略一致させることが可能となる。
請求項１４に記載の発明は、請求項９〜１３の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記第２回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ｂ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする。
請求項１４にあるような構成とすることで、請求項９にあるような回折特性を第２回折構造に持たせることが可能となる。
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の対物光学系において、
前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の５倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは２であることを特徴とする。
請求項１５に記載の発明によれば、階段の１つの段差を光路差換算で前記第１波長λ１の５倍の深さに設定することで、隣接しあうレベル面を通過した第１光束（例えば、青）の波面は５波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第２回折構造をｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成した場合、この段差により、第２光束（例えば、赤）に付加される光路差は第２波長λ２の３倍となるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は３波長分ずれて重なり合うことになり、第２光束も回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。一方、この段差により、第３光束（例えば、赤外）に付加される光路差は第３波長λ３の２．５倍となる。等位相である２波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、第３波長λ３の０．５倍であるので、レベル面の個数Ａを２に設定した場合、第２回折構造に入射する第３光束の光量の殆どは１次回折光と−１次回折光の２つの回折光に分配される。このとき、何れか一方の回折次数の回折光を、第３光ディスク（例えば、ＣＤ）の情報記録面上に集光するように各パターンの幅を設計することで、第３光束のみを選択的に回折させる波長選択回折構造を得ることができる。
なお、屈折率の値が小さくなるほど段差が深くなり、階段形状を精度良く製造することが困難になるため、同じアッベ数を有する材料が複数ある場合には、屈折率が最も大きい材料で請求項１５に記載の発明の波長選択回折構造を形成するのが好ましい。
請求項１６に記載の発明は、請求項１４に記載の対物光学系において、
前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが２０乃至４０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の７倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは、３、４の何れかであることを特徴とする。
請求項１６に記載の発明によれば、階段の１つの段差を光路差換算で前記第１波長λ１の７倍の深さに設定することで、隣接しあうレベル面を通過した第１光束（例えば、青）の波面は７波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第２回折構造をｄ線におけるアッベ数νｄが２０乃至４０の範囲内の材料から形成した場合、この段差により、第２光束（例えば、赤）に付加される光路差は第２波長λ２の４倍となるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は４波長分ずれて重なり合うことになり、第２光束も回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。一方、この段差により、第３光束（例えば、赤外）に付加される光路差は第３波長λ３の１．２５〜１．３倍となる。等位相である１波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、第３波長λ３の０．２５〜０．３倍であるので、レベル面の個数Ａを３、４の何れかに設定すれば、１つのパターン内での第３光束の光路差は第３波長λ３の略１倍となる。このように、第３波長λ３の略１倍の光路差を発生させるパターンを周期的に配列させることで、第３光束を高い回折効率で１次方向へ回折させることができ、第３光束のみを選択的に回折させる波長選択回折構造を得ることができる。
なお、請求項３に記載の発明の波長選択回折構造と同様の理由により、同じアッベ数を有する材料が複数ある場合には、屈折率が最も大きい材料で請求項１６に記載の発明の波長選択回折構造を形成するのが好ましい。
請求項１７に記載の発明は、請求項１４に記載の対物光学系において、
前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが２０乃至４０の範囲内、且つ、ｄ線における屈折率ｎｄが１．５５乃至１．７０の範囲内の材料と、ｄ線におけるアッベ数νｄが４５乃至６５の範囲内、且つ、ｄ線における屈折率ｎｄが１．４５乃至１．５５の範囲内の材料と、の接合面に形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは、４、５、６の何れかであることを特徴とする。
請求項１７に記載の発明によれば、階段の１つの段差を光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さに設定することで、隣接しあうレベル面を通過した第１光束（例えば、青）の波面は２波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。また、第２回折構造を、請求項１７に記載のような２つの材料の接合面に形成した場合、この段差により、第２光束（例えば、赤）に付加される光路差は第２波長λ２の１倍となるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は１波長分ずれて重なり合うことになり、第２光束も回折作用を受けずにそのまま透過させることができる。一方、この段差により、第３光束（例えば、赤外）に付加される光路差は第３波長λ３の０．７５〜０．８倍となる。等位相である１波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、第３波長λ３の０．２〜０．２５倍であるので、レベル面の個数Ａを４、５、６の何れかに設定すれば、１つのパターン内での第３光束の光路差は第３波長λ３の略１倍となる。このように、第３波長λ３の略１倍の光路差を発生させるパターンを周期的に配列させることで、第３光束を高い回折効率で１次方向へ回折させることができ、第３光束のみを選択的に回折させる波長選択回折構造を得ることができる。
請求項１８に記載の発明は、請求項９〜１７の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記第３光束は前記第２回折構造により発散作用を受けることを特徴とする。
請求項１８に記載の発明によれば、第３光束（例えば、赤外）のバックフォーカスを伸ばすことができるので、第１光ディスク（例えば、高密度光ディスク）使用時のＷＤと、第３光ディスク（例えば、ＣＤ）使用時のＷＤを略一致させることが可能となる。
請求項１９に記載の発明は、請求項９〜１８の何れか一項に記載の対物光学系において、
前記対物光学系は、前記第１回折構造と前記第２回折構造のうち、少なくとも一方を有する回折光学素子と、該回折光学素子を透過した前記第１乃至前記第３光束を、それぞれ、前記第１乃至前記第３光ディスクの情報記録面上に集光させる集光レンズとから構成され、前記回折光学素子と前記対物レンズは、互いの相対的な位置関係が普遍となるように保持されていることを特徴とする。
請求項１９に記載の発明の作用効果は、請求項５に記載の発明と同様である。
請求項２０に記載の発明は、請求項１９に記載の対物光学系において、
前記回折光学素子の光学面のうち、前記第１回折構造及び／又は前記第２回折構造が形成された光学面は入射光束に対して屈折パワーを持たない平面であることを特徴とする。
請求項２０に記載の発明の作用効果は、請求項６に記載の発明と同様である。
請求項２１に記載の発明は、請求項１９又は２０に記載の対物光学系において、
前記第１光束を、前記集光レンズにより前記厚みｔ１の保護層を介して集光させた際の集光スポットの波面収差が０．０７λ１ｒｍｓ以下となるように前記対物レンズの光学面形状が決定されていることを特徴とする。
請求項２１に記載の発明の作用効果は、請求項７に記載の発明と同様である。
請求項２２に記載の発明は、光ピックアップ装置であって、
請求項９〜２１の何れか一項に記載の対物光学系を搭載したことを特徴とする。
請求項２２に記載の発明によれば、請求項９〜２１の何れか一項と同様の効果を有する光ピックアップ装置を得ることができる。
本発明によれば、波長選択回折構造である第１回折構造と前記第２回折構造の作用により、高密度光ディスク使用時とＤＶＤ使用時とＣＤ使用時のＷＤを略一致にすることができる。これにより、光ディスクの種類に応じてアクチュエータを駆動させて対物光学系の初期位置を調整する必要がなくなり、結果として、消費電力を抑えて、アクチュエータを小型化することができる対物光学系及びそれを備えた光ピックアップ装置とすることができる。
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を用いて説明する。まず、図１を用いて本発明の対物光学系及びこの対物光学系を用いた光ピックアップ装置について説明する。
図１は、高密度光ディスクＢＤ（第１光ディスク）とＤＶＤ（第２光ディスク）とＣＤ（第３光ディスク）との何れに対しても適切に情報の記録／再生を行える光ピックアップ装置ＰＵの構成を概略的に示す図である。ＢＤの光学的仕様は、第１波長λ１＝４０５ｎｍ、保護層ＰＬ１の厚さｔ１＝０．１ｍｍ、開口数ＮＡ１＝０．８５であり、ＤＶＤの光学的仕様は、第２波長λ２＝６５５ｎｍ、保護層ＰＬ２の厚さｔ２＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ２＝０．６５であり、ＣＤの光学的仕様は、第３波長λ３＝７８５ｎｍ、保護層ＰＬ３の厚さｔ３＝１．２ｍｍ、開口数ＮＡ３＝０．４５である。但し、波長、保護層の厚さ、及び開口数の組合せはこれに限られない。
光ピックアップ装置ＰＵは、ＢＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され４０５ｎｍの青紫色レーザ光束（第１光束）を射出する青紫色半導体レーザＬＤ１（第１光源）、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され６５５ｎｍの赤色レーザ光束（第２光束）を射出する第１の発光点ＥＰ１（第２光源）と、ＣＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され７８５ｎｍの赤外レーザ光束（第３光束）を射出する第２の発光点ＥＰ２（第３光源）と、を一つのチップ上に形成したＤＶＤ／ＣＤ用レーザ光源ユニットＬＵ、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ共用の光検出器ＰＤ、回折光学素子ＷＦＥと、この回折光学素子ＷＦＥを透過したレーザ光束を情報記録面ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３上に集光させる機能を有する両面が非球面とされた集光レンズＯＢＪとから構成された対物光学系ＯＢＵ、２軸アクチュエータＡＣ１、１軸アクチュエータＡＣ２、近軸における屈折力が負である第１レンズＥＸＰ１と近軸における屈折力が正である第２レンズＥＸＰ２とから構成されたエキスパンダーレンズＥＸＰ、第１偏光ビームスプリッタＢＳ１、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２、第１コリメートレンズＣＯＬ１、第２コリメートレンズＣＯＬ２、第３コリメートレンズＣＯＬ３、情報記録面ＲＬ１、ＲＬ２及びＲＬ３からの反射光束に対して非点収差を付加するためのセンサーレンズＳＥＮとから構成されている。尚、ＢＤ用の光源として、上述の青紫色半導体レーザＬＤ１の他に青紫色ＳＨＧレーザを使用することもできる。
光ピックアップ装置ＰＵにおいて、ＢＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、エキスパンダーレンズＥＸＰから青紫色レーザ光束が平行光束の状態で射出されるように、１軸アクチュエータＡＣ２により第１レンズＥＸＰ１を光軸に沿って可変調整した後、青紫色半導体レーザＬＤ１を発光させる。青紫色半導体レーザＬＤ１から射出された発散光束は、図１において実線でその光線経路を描いたように、第１コリメートレンズＣＯＬ１により平行光束に変換された後、第１偏光ビームスプリッタＢＳ１により反射され、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２を通過し、第１レンズＥＸＰ１、第２レンズＥＸＰ２を透過することにより拡径された後、図示しない絞りＳＴＯにより光束径が規制され、対物光学系ＯＢＵによってＢＤの保護層ＰＬ１を介して情報記録面ＲＬ１上に形成されるスポットとなる。対物光学系ＯＢＵは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。
なお、対物光学系ＯＢＵについての詳しい説明は後述する。
情報記録面ＲＬ１で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学系ＯＢＵ、第２レンズＥＸＰ２、第１レンズＥＸＰ１、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２、第１偏光ビームスプリッタＢＳ１を透過した後、第３コリメートレンズＣＯＬ３を通過する際に収斂光束となり、センサーレンズＳＥＮにより非点収差が付加され、光検出器ＰＤの受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤの出力信号を用いてＢＤに記録された情報を読み取ることができる。
また、光ピックアップ装置ＰＵにおいて、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、エキスパンダーレンズＥＸＰから赤色レーザ光束が平行光束の状態で射出されるように、１軸アクチュエータＡＣ２により第１レンズＥＸＰ１を光軸に沿って可変調整した後、発光点ＥＰ１を発光させる。発光点ＥＰ１から射出された発散光束は、図１において破線でその光線経路を描いたように、第２コリメートレンズＣＯＬ２により平行光束に変換された後、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２により反射され、第１レンズＥＸＰ１、第２レンズＥＸＰ２を透過することにより拡径され、対物光学系ＯＢＵによってＤＶＤの保護層ＰＬ２を介して情報記録面ＲＬ２上に形成されるスポットとなる。対物光学系ＯＢＵは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。
情報記録面ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学系ＯＢＵ、第２レンズＥＸＰ２、第１レンズＥＸＰ１、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２、第１偏光ビームスプリッタＢＳ１を透過した後、第３コリメートレンズＣＯＬ３を通過する際に収斂光束となり、センサーレンズＳＥＮにより非点収差が付加され、光検出器ＰＤの受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤの出力信号を用いてＤＶＤに記録された情報を読み取ることができる。
また、光ピックアップ装置ＰＵにおいて、ＣＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、エキスパンダーレンズＥＸＰから赤色レーザ光束が平行光束の状態で射出されるように、１軸アクチュエータＡＣ２により第１レンズＥＸＰ１を光軸に沿って可変調整した後、発光点ＥＰ２を発光させる。発光点ＥＰ２から射出された発散光束は、図１において一点鎖線でその光線経路を描いたように、第２コリメートレンズＣＯＬ２により緩い発散光束に変換された後、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２により反射され、第１レンズＥＸＰ１、第２レンズＥＸＰ２を透過することにより拡径されるとともに発散光束に変換され、対物光学系ＯＢＵによってＣＤの保護層ＰＬ３を介して情報記録面ＲＬ３上に形成されるスポットとなる。対物光学系ＯＢＵは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ１によってフォーカシングやトラッキングを行う。
情報記録面ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学系ＯＢＵ、第２レンズＥＸＰ２、第１レンズＥＸＰ１、第２偏光ビームスプリッタＢＳ２、第１偏光ビームスプリッタＢＳ１を透過した後、第３コリメートレンズＣＯＬ３を通過する際に収斂光束となり、センサーレンズＳＥＮにより非点収差が付加され、光検出器ＰＤの受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤの出力信号を用いてＣＤに記録された情報を読み取ることができる。
光ピックアップ装置ＰＵでは、第１レンズＥＸＰ１を１軸アクチュエータＡＣ２により光軸方向に駆動させることで、ＢＤの情報記録面ＲＬ１上に形成されたスポットの球面収差を補正できる。第１レンズＥＸＰ１の可変調整により補正する球面収差の発生原因は、例えば、青紫色半導体レーザＬＤ１の製造誤差による波長ばらつき、温度変化に伴う対物光学系の屈折率変化や屈折率分布、２層ディスク、４層ディスク等の多層ディスクの情報記録層間のフォーカスジャンプ、ＢＤの保護層の製造誤差による厚みばらつきや厚み分布、等である。
また、ＢＤの情報記録面ＲＬ１上に形成されたスポットの球面収差を補正する方法として、上述のようにレンズを光軸方向に駆動させる方法以外に、液晶を利用した位相制御素子を用いても良い。かかる位相制御素子により球面収差を補正する方法は公知であるので、ここでは詳細な説明は割愛する。
また、光ピックアップ装置ＰＵでは、第１の発光点ＥＰ１と第２の発光点ＥＰ２とを一つのチップ上に形成したＤＶＤ／ＣＤ用レーザ光源ユニットＬＵを用いることとしたが、これに限らず、更にＢＤ用の第１光束を射出する発光点も同一のチップ上に形成したＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ用レーザ光源ユニットを用いても良い。あるいは、青紫色半導体レーザと赤色半導体レーザと赤外半導体レーザの３つのレーザ光源を１つの筐体内に納めたＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ用レーザ光源ユニットを用いても良い。
また、本実施の形態においては、光源と光検出器ＰＤとを別体に配置する構成としたが、これに限らず、光源と光検出器とを集積化したレーザ光源モジュールを用いても良い。
次に、対物光学系ＯＢＵの構成について説明する。
対物光学系ＯＢＵは、図２に示すように、回折光学素子ＷＦＥとこの回折光学素子ＷＦＥを透過したレーザ光束を光ディスクの情報記録面上に集光させる機能を有する両面が非球面とされた集光素子ＯＢＪとから構成されている。また、回折光学素子ＷＦＥは樹脂製、集光レンズＯＢＪはガラス製であり、双方が鏡枠（保持部材）ＢＡＬを介して光軸Ｘを中心とした同軸で一体化する構成となっている。さらに、回折光学素子ＷＦＥは、光源側と光ディスク側とで異なる材料から構成されており、光源側はｄ線におけるアッベ数が５５、ｄ線における屈折率が１．５０である低分散材料ＬＤＭで構成されており、光ディスク側はｄ線におけるアッベ数が２３、ｄ線における屈折率が１．６３である高分散材料ＨＤＭで構成されている。なお、集光レンズＯＢＪを樹脂製としてもよい。
低分散材料ＬＤＭで構成される回折光学素子ＷＦＥの光源側の光学面には、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ａ毎（図２では、Ａ＝５）に、そのレベル面数に対応した段数分の高さ（図２では、４段分）だけ段をシフトさせた構造である波長選択回折構造（第１回折構造）ＤＯＥ１が形成されている。
波長選択回折構造ＤＯＥ１において、各パターン内に形成された１つの段差の深さｄ１は、ｄ１＝２×λ１／（ｎ１１−１）＝１．５４１（μｍ）で算出される値に設定されている。但し、λ１は第１波長をミクロン単位で表したものであり（ここでは、λ１＝０．４０５）、ｎ１１は低分散材料ＬＤＭの第１波長λ１に対する屈折率である（ここでは、ｎ１１＝１．５１５４６８）。
この波長選択回折構造ＤＯＥ１に対して、第１光束が入射した場合、この段差により、２×λ１（ｎｍ）の光路差が発生するので、隣接しあうレベル面を通過した第１光束の波面は２波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。なお、以下の説明では、回折構造により回折作用を受けずにそのまま透過する光束を０次回折光という。
また、この波長選択回折構造ＤＯＥ１に対して、第３光束が入射した場合、この段差により、ｄ１×（ｎ１３−１）／λ３＝０．９９（×λ３）≒１（×λ３）の光路差が生じるので、隣接しあうレベル面を通過した第３光束の波面は１波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。但し、λ３は第３波長をミクロン単位で表したものであり（ここでは、λ３＝０．７８５）、ｎ１３は低分散材料ＬＤＭの第３波長λ３に対する屈折率である（ここでは、ｎ１３＝１．４９３７７７）。
一方、この波長選択回折構造ＤＯＥ１に対して、第２光束が入射した場合、この段差により、ｄ１×（ｎ１２−１）／λ２＝１．１９（×λ２）の光路差が生じる。等位相である１波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、０．１９（×λ２）≒０．２（×λ２）となるため、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は０．２波長分ずれることになる。５つのレベル面から構成されているパターン全体での光路差は、０．２×５（×λ２）＝１（×λ２）であるため、隣接しあうパターンを通過した第２光束の波面は１波長分ずれて重なり合い、第２光束は１次方向に回折する回折光となる。但し、λ２は第２波長をミクロン単位で表したものであり（ここでは、λ２＝０．６５５）、ｎ１２は低分散材料ＬＤＭの第２波長λ２に対する屈折率である（ここでは、ｎ１２＝１．４９７２９４）。
このように、対物光学系ＯＢＵでは、波長選択回折構造ＤＯＥ１により選択的に第２光束を回折させることで、ＢＤとＤＶＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正している。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ１の各パターン内では、光軸に近いレベル面よりも光軸から遠いレベル面の方が、光路長が長くなるように段差が形成されており、これは、波長選択回折構造ＤＯＥ１が負の回折パワーを有することを表す。対物光学系ＯＢＵでは、波長選択回折構造ＤＯＥ１により、平行光束で入射した第２光束を発散光束に変換させることで、第２光束のバックフォーカスを伸ばし、ＢＤ使用時のＷＤ１とＤＶＤ使用時のＷＤ２を一致させている。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ１のそれぞれの光束に対する回折効率は、第１光束が１００％、第２光束が８７％、第３光束が９９％であり、何れの光束に対しても高い回折効率を得ている。
また、高分散材料ＨＤＭで構成される回折光学素子ＷＦＥの光ディスク側の光学面には、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ｂ毎（図２では、Ｂ＝４）に、そのレベル面数に対応した段数分の高さ（図２では、３段分）だけ段をシフトさせた構造である波長選択回折構造（第２回折構造）ＤＯＥ２が形成されている。
波長選択回折構造ＤＯＥ２において、各パターン内に形成された１つの段差の深さｄ２は、ｄ２＝７×λ１／（ｎ２１−１）＝４．１５９（μｍ）で算出される値に設定されている。但し、ｎ２１は高分散材料ＨＤＭの第１波長λ１に対する屈折率である（ここでは、ｎ２１＝１．６８１６９２）。
この波長選択回折構造ＤＯＥ２に対して、第１光束が入射した場合、この段差により、７×λ１（ｎｍ）の光路差が発生するので、隣接しあうレベル面を通過した第１光束の波面は７波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。
また、この波長選択回折構造ＤＯＥ２に対して、第２光束が入射した場合、この段差により、ｄ２×（ｎ２２−１）／λ２＝３．９５（×λ２）≒４（×λ２）の光路差が生じるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は４波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。但し、ｎ２２は高分散材料ＨＤＭの第２波長λ２に対する屈折率である（ここでは、ｎ２２＝１．６２２３０９）。
一方、この波長選択回折構造ＤＯＥ２に対して、第３光束が入射した場合、この段差により、ｄ２×（ｎ２３−１）／λ３＝３．２５（×λ３）の光路差が生じる。等位相である３波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、０．２５（×λ３）となるため、隣接しあうレベル面を通過した第３光束の波面は０．２５波長分ずれることになる。４つのレベル面から構成されているパターン全体での光路差は、０．２５×４（×λ３）＝１（×λ３）であるため、隣接しあうパターンを通過した第３光束の波面は１波長分ずれて重なり合い、第３光束は１次方向に回折する回折光となる。但し、ｎ２３は高分散材料ＨＤＭの第３波長λ３に対する屈折率である（ここでは、ｎ２３＝１．６１３０２５）。
このように、対物光学系ＯＢＵでは、波長選択回折構造ＤＯＥ２により選択的に第３光束を回折させることで、ＢＤとＣＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正している。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ２の各パターン内では、光軸に近いレベル面よりも光軸から遠いレベル面の方が、光路長が長くなるように段差が形成されており、これは、波長選択回折構造ＤＯＥ２が負の回折パワーを有することを表す。対物光学系ＯＢＵでは、波長選択回折構造ＤＯＥ２により、平行光束で入射した第３光束を発散光束に変換させることで、第３光束のバックフォーカスを伸ばし、ＢＤ使用時のＷＤ１とＣＤ使用時のＷＤ３を一致させている。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ２のそれぞれの光束に対する回折効率は、第１光束が１００％、第２光束が８９％、第３光束が８１％であり、何れの光束に対しても高い回折効率を得ている。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ１は、ＤＶＤの開口数ＮＡ２内にのみ形成されているので、ＮＡ２より外側の領域を通過する第２光束はＤＶＤの情報記録面ＲＬ２上でフレア成分となり、ＤＶＤに対する開口制限が自動的に行われる構成となっている。
同様に、波長選択回折構造ＤＯＥ２は、ＣＤの開口数ＮＡ３内にのみ形成されているので、ＮＡ３より外側の領域を通過する光束はＣＤの情報記録面ＲＬ３上でフレア成分となり、ＣＤに対する開口制限が自動的に行われる構成となっている。
また、対物光学系ＯＢＵでは、回折光学素子ＷＦＥと集光レンズＯＢＪとを鏡枠ＢＡＬを介して一体化したが、回折光学素子ＷＦＥと集光レンズＯＢＪを一体化する場合には、回折光学素子ＷＦＥと集光レンズＯＢＪとの、互いの相対的な位置関係が不変となるように保持されていればよく、上述のように鏡枠ＢＡＬを介する方法以外に、回折光学素子ＷＦＥと集光レンズＯＢＪのそれぞれのフランジ部同士を嵌合固定する方法であってもよい。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態の対物光学系ＯＢＵ２は、回折光学素子ＷＦＥ２を、光源側と光ディスク側とで異なる材料から構成し、第２光束を選択的に回折させる波長選択回折構造ＤＯＥ３（第１回折構造）を光ディスク側の光学面に形成し、第３光束を選択的に回折させる波長選択回折構造ＤＯＥ４（第２回折構造）を上記異なる材料の接合面に形成した点に特徴を有する。上記異なる材料のうち、光源側の材料は、ｄ線におけるアッベ数が２７、ｄ線における屈折率が１．６５である高分散材料ＨＤＭで構成されており、光ディスク側の材料は、ｄ線におけるアッベ数が５５、ｄ線における屈折率が１．５０である低分散材料ＬＤＭで構成されている。
波長選択回折構造ＤＯＥ３の機能や構成は、第１の実施の形態における波長選択回折構造ＤＯＥ１と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
また、高分散材料ＨＤＭと低分散材料ＬＤＭの接合面に形成された波長選択回折構造ＤＯＥ４は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ｂ毎（図３では、Ｂ＝５）に、そのレベル面数に対応した段数分の高さ（図３では、４段分）だけ段をシフトさせた構造である。
波長選択回折構造ＤＯＥ４において、各パターン内に形成された１つの段差の深さｄ４は、ｄ４＝２×λ１／（ｎ４１−ｎ３１）＝４．５２４（μｍ）で算出される値に設定されている。但し、ｎ４１は高分散材料ＨＤＭの第１波長λ１に対する屈折率であり（ここでは、ｎ４１＝１．６９４５０３）、ｎ３１は低分散材料ＬＤＭの第１波長λ１に対する屈折率である（ここでは、ｎ３１＝１．５１５４６８）。
この波長選択回折構造ＤＯＥ４に対して、第１光束が入射した場合、この段差により、２×λ１（ｎｍ）の光路差が発生するので、隣接しあうレベル面を通過した第１光束の波面は７波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。
また、この波長選択回折構造ＤＯＥ４に対して、第２光束が入射した場合、この段差により、ｄ４×（ｎ４２−ｎ３２）／λ２＝１．０１（×λ２）≒１（×λ２）の光路差が生じるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は１波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。但し、ｎ４２は高分散材料ＨＤＭの第２波長λ２に対する屈折率であり（ここでは、ｎ４２＝１．６４３１６８）、ｎ３２は低分散材料ＬＤＭの第２波長λ２に対する屈折率である（ここでは、ｎ３２＝１．４９７２９４）。
一方、この波長選択回折構造ＤＯＥ４に対して、第３光束が入射した場合、この段差により、ｄ４×（ｎ４３−ｎ３３）／λ３＝０．８１（×λ３）の光路差が生じる。等位相である１波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、０．１９（×λ３）≒０．２（×λ３）となるため、隣接しあうレベル面を通過した第３光束の波面は０．２波長分ずれることになる。５つのレベル面から構成されているパターン全体での光路差は、０．２×５（×λ３）＝１（×λ３）であるため、隣接しあうパターンを通過した第３光束の波面は１波長分ずれて重なり合い、第３光束は１次方向に回折する回折光となる。但し、ｎ４３は高分散材料ＨＤＭの第３波長λ３に対する屈折率であり（ここでは、ｎ４３＝１．６３４８２７）、ｎ３３は低分散材料ＬＤＭの第３波長λ３に対する屈折率である（ここでは、ｎ３３＝１．４９３７７７）。
このように、対物光学系ＯＢＵ２では、波長選択回折構造ＤＯＥ４により選択的に第３光束を回折させることで、ＢＤとＣＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正している。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ４において、低分散材料ＬＤＭ側の各パターン内では、光軸に近いレベル面よりも光軸から遠いレベル面の方が、光路長が長くなるように段差が形成されており、これは、波長選択回折構造ＤＯＥ４が負の回折パワーを有することを表す。対物光学系ＯＢＵ２では、波長選択回折構造ＤＯＥ４により、平行光束で入射した第３光束を発散光束に変換させることで、第３光束のバックフォーカスを伸ばし、ＢＤ使用時のＷＤ１とＣＤ使用時のＷＤ３を一致させている。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ４のそれぞれの光束に対する回折効率は、第１光束が１００％、第２光束が１００％、第３光束が８６％であり、何れの光束に対しても高い回折効率を得ている。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の対物光学系ＯＢＵ３は、回折光学素子ＷＦＥ３を、ｄ線におけるアッベ数が５５である低分散材料ＬＤＭから構成し、第２光束を選択的に回折させる波長選択回折構造ＤＯＥ５（第１回折構造）を光源側の光学面に形成し、第３光束を選択的に回折させる波長選択回折構造ＤＯＥ６（第２回折構造）を光ディスク側の光学面に形成した点に特徴を有する。
波長選択回折構造ＤＯＥ５の機能や構成は、第１の実施の形態における波長選択回折構造ＤＯＥ１と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ６は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ｂ毎（図４では、Ｂ＝２）に、そのレベル面数に対応した段数分の高さ（図４では、１段分）だけ段をシフトさせた構造である。
波長選択回折構造ＤＯＥ６において、各パターン内に形成された１つの段差の深さｄ６は、ｄ６＝５×λ１／（ｎ５１−１）＝３．９２８（μｍ）で算出される値に設定されている。但し、ｎ５１は低分散材料ＬＤＭの第１波長λ１に対する屈折率である（ここでは、ｎ５１＝１．５１５４６８）。
この波長選択回折構造ＤＯＥ６に対して、第１光束が入射した場合、この段差により、５×λ１（ｎｍ）の光路差が発生するので、隣接しあうレベル面を通過した第１光束の波面は５波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。なお、
また、この波長選択回折構造ＤＯＥ６に対して、第２光束が入射した場合、この段差により、ｄ６×（ｎ５２−１）／λ２＝２．９８（×λ２）≒３（×λ２）の光路差が生じるので、隣接しあうレベル面を通過した第２光束の波面は３波長分ずれて重なり合うことになるので、回折作用を受けずにそのまま透過する。但し、ｎ５２は低分散材料ＬＤＭの第２波長λ２に対する屈折率である（ここでは、ｎ５２＝１．４９７２９４）。
一方、この波長選択回折構造ＤＯＥ６に対して、第３光束が入射した場合、この段差により、ｄ６×（ｎ５３−１）／λ３＝２．４７（×λ３）の光路差が生じる。等位相である２波長分の光路差を差し引いた実質的な光路差は、０．４７（×λ３）≒０．５（×λ３）となるため、隣接しあうレベル面を通過した第３光束の波面は０．５波長分ずれることになる。これにより、波長選択回折構造ＤＯＥ６に入射する第３光束の光量の殆どは１次回折光と−１次回折光の２つの回折光に分配される。対物光学系ＯＢＵ３では、１次回折光を、ＣＤの情報記録面ＲＬ３上に集光するように各パターンの幅を設計している。但し、ｎ５３は低分散材料ＬＤＭの第３波長λ３に対する屈折率である（ここでは、ｎ５３＝１．４９３７７７）。
このように、対物光学系ＯＢＵ３では、波長選択回折構造ＤＯＥ６により選択的に第３光束を回折させることで、ＢＤとＣＤとの保護層の厚さの違いに起因する球面収差を補正している。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ６の各パターン内では、光軸に近いレベル面よりも光軸から遠いレベル面の方が、光路長が長くなるように段差が形成されており、これは、波長選択回折構造ＤＯＥ６が負の回折パワーを有することを表す。対物光学系ＯＢＵ３では、波長選択回折構造ＤＯＥ６により、平行光束で入射した第３光束を発散光束に変換させることで、第３光束のバックフォーカスを伸ばし、ＢＤ使用時のＷＤ１とＣＤ使用時のＷＤ３を一致させている。
また、波長選択回折構造ＤＯＥ６のそれぞれの光束に対する回折効率は、第１光束が１００％、第２光束が１００％、第３光束が４０％であり、第１光束及び第２光束に対して高い回折効率を得ている。
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態の対物光学系ＯＢＵ４は、回折光学素子と集光レンズとを一体とした構成した点に特徴を有する。対物光学系ＯＢＵ４は、ｄ線におけるアッベ数が５５である低分散材料ＬＤＭから構成された樹脂製のレンズである。対物光学系ＯＢＵ４の光源側の光学面には、波長選択回折構造ＤＯＥ７（第１回折構造）が形成されており、対物光学系ＯＢＵ４の光ディスク側の光学面には、波長選択回折構造ＤＯＥ８（第２回折構造）が形成されている。
波長選択回折構造ＤＯＥ７の機能や構成は、第１の実施の形態における波長選択回折構造ＤＯＥ１と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
波長選択回折構造ＤＯＥ８の機能や構成は、第３の実施の形態における波長選択回折構造ＤＯＥ６と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
以上の実施の形態においては、高密度光ディスクＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの３種類の光ディスクに対して記録／再生可能な対物光学系及び光ピックアップ装置を例に挙げて説明したが、高密度光ディスクＢＤ及びＤＶＤの２種類の光ディスク、或いは高密度光ディスクＢＤ及びＣＤの２種類の光ディスクに対して記録／再生可能な対物光学系及び光ピックアップ装置に、本発明を適用できることは容易に理解されるところである。
例えば、それら２種類の光ディスクの記録／再生に必要な光学系要素を残しつつ、その他の光学系要素を削除して構成することができ、それにより、更に、小型化、軽量化、低コスト化、構成の簡素化された光ピックアップ光学系、及び光ピックアップ装置を実現することができる。
また、ＢＤに代わってＨＤや他の高密度光ディスクを適用しても良い。
本発明において、第１波長λ１、第２波長λ２、第３波長λ３、保護層の厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の好ましい範囲は以下の通りである。 ３５０ｎｍ≦λ１≦４５０ｎｍ
６００ｎｍ≦λ２≦７００ｎｍ
７５０ｎｍ≦λ３≦８５０ｎｍ
０．０ｍｍ≦ｔ１≦０．７ｍｍ
０．５ｍｍ≦ｔ２≦０．７ｍｍ
０．９ｍｍ≦ｔ３≦１．３ｍｍ
次に、図２に示した対物光学系ＯＢＵの具体的な数値実施例を例示する。
本実施例は、ＢＤ使用時の作動距離ＷＤ１、ＤＶＤ使用時の作動距離ＷＤ２、ＣＤ使用時の作動距離ＷＤ３を互いに一致させた設計であり、その値は０．７１５０ｍｍである。本実施例のレンズデータを表１に示す。
Figure 2006127714
表１において、λ１（ｎｍ）、λ２（ｎｍ）、λ３（ｎｍ）は、それぞれ、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの設計波長、ｆ１（ｍｍ）、ｆ２（ｍｍ）、ｆ３（ｍｍ）は、それぞれ、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの焦点距離、ＮＡ１、ＮＡ２、ＮＡ３は、それぞれ、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの開口数、ｒ（ｍｍ）は曲率半径、ｄ（ｍｍ）はレンズ間隔、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、それぞれ、λ１、λ２、λ３に対するレンズの屈折率、νｄはｄ線のレンズのアッベ数、ｄｏｒ１、ｄｏｒ２、ｄｏｒ３は、それぞれ、ＢＤに対する記録／再生に使用する回折光の回折次数、ＤＶＤに対する記録／再生に使用する回折光の回折次数、ＣＤに対する記録／再生に使用する回折光の回折次数である。また、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０−３）を、Ｅ（例えば ２．５Ｅ―３）を用いて表すものとする。
集光レンズＯＢＪの光源側の光学面（第４面）、光ディスク側の光学面（第５面）はそれぞれ非球面形状であり、この非球面は、次の非球面形状式に表中の係数を代入した数式で表される。
[非球面表現式]
ｚ＝（ｙ２／Ｒ）／［１＋√｛１−（Κ＋１）（ｙ／Ｒ）２｝］＋Ａ４ｙ４＋Ａ６ｙ６＋Ａ８ｙ８＋Ａ１０ｙ１０＋Ａ１２ｙ１２＋Ａ１４ｙ１４＋Ａ１６ｙ１６＋Ａ１８ｙ１８＋Ａ２０ｙ２０
但し、
ｚ：非球面形状（非球面の面頂点に接する平面から光軸に沿った方向の距離）
ｙ：光軸からの距離
Ｒ：曲率半径
Κ：コーニック係数
Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２，Ａ１４，Ａ１６，Ａ１８，Ａ２０：非球面係数
また、波長選択回折構造ＤＯＥ１及び波長選択回折構造ＤＯＥ２は、各回折構造により入射光束に付加される光路差で表される。かかる光路差は、次の光路差関数を表す式に表中の係数を代入した光路差関数φ（ｍｍ）で表される。
[光路差関数]
φ＝ｄｏｒ×λ／λＢ×（Ｂ２ｙ２＋Ｂ４ｙ４＋Ｂ６ｙ６＋Ｂ８ｙ８＋Ｂ１０ｙ１０）
但し、
φ：光路差関数
λ：回折構造に入射する光束の波長
λＢ：ブレーズ化波長
ｄｏｒ：光ディスクに対する記録／再生に使用する回折光の回折次数
ｙ：光軸からの距離
Ｂ２，Ｂ４，Ｂ６，Ｂ８，Ｂ１０：光路差関数係数
光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。 対物光学系の構造を示す図面である。 対物光学系の構造を示す図面である。 対物光学系の構造を示す図面である。 対物光学系の構造を示す図面である。
符号の説明
ＰＵ 光ピックアップ装置
ＯＢＵ，ＯＢＵ２，ＯＢＵ３，ＯＢＵ４ 対物光学系
ＤＯＥ１，ＤＯＥ３，ＤＯＥ５，ＤＯＥ７ 波長選択回折構造（第１回折構造）
ＤＯＥ２，ＤＯＥ４，ＤＯＥ６，ＤＯＥ８ 波長選択回折構造（第２回折構造）
ＯＢＪ，ＯＢＪ２，ＯＢＪ３，ＯＢＪ４ 対物レンズ
ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 保護層
ＷＦＥ 回折光学素子
ＬＤＭ 低分散材料
ＨＤＭ 高分散材料
ＢＡＬ，ＢＡＬ２，ＢＡＬ３ 鏡枠（保持部材）
ＢＤ 高密度光ディスク（第１光ディスク）
ＤＶＤ 第２光ディスク
ＣＤ 第３光ディスク
ＲＬ１，ＲＬ２，ＲＬ３ 情報記録面
ＬＤ１ 青紫色半導体レーザ（第１光源）
ＥＰ１ 第１の発光点（第２光源）
ＥＰ２ 第２の発光点（第３光源）

Claims (22)

  1. 第１光源から射出される第１波長λ１の第１光束を用いて厚さｔ１の保護層を有する第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第２光源から射出される第２波長λ２（λ２＞λ１）の第２光束を用いて厚さｔ２（ｔ２≧ｔ１）の保護層を有する第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いられる対物光学系であって、
    前記第１光束を回折させず、前記第２光束を回折させる第１回折構造を有し、
    前記第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第１作動距離をＷＤ１とし、前記第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第２作動距離をＷＤ２としたとき、以下の（１）式を満たすことを特徴とする対物光学系。
    ０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
  2. 前記第１回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ａ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする請求項１に記載の対物光学系。
  3. 前記第１回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ａは、４、５、６の何れかであることを特徴とする請求項２に記載の対物光学系。
  4. 前記第２光束は前記第１回折構造により発散作用を受けることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の対物光学系。
  5. 前記対物光学系は、前記第１回折構造を有する回折光学素子と、該回折光学素子を透過した前記第１及び前記第２光束を、それぞれ、前記第１及び前記第２光ディスクの情報記録面上に集光させる集光レンズとから構成され、前記回折光学素子と前記対物レンズは、互いの相対的な位置関係が普遍となるように保持されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の対物光学系。
  6. 前記回折光学素子の光学面のうち、前記第１回折構造が形成された光学面は入射光束に対して屈折パワーを持たない平面であることを特徴とする請求項５に記載の対物光学系。
  7. 前記第１光束を、前記集光レンズにより前記厚みｔ１の保護層を介して集光させた際の集光スポットの波面収差が０．０７λ１ｒｍｓ以下となるように前記対物レンズの光学面形状が決定されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の対物光学系。
  8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の対物光学系を搭載したことを特徴とする光ピックアップ装置。
  9. 第１光源から射出される第１波長λ１の第１光束を用いて厚さｔ１の保護層を有する第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第２光源から射出される第２波長λ２（λ２＞λ１）の第２光束を用いて厚さｔ２（ｔ２≧ｔ１）の保護層を有する第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行い、第３光源から射出される第３波長λ３（λ３＞λ２）の第３光束を用いて厚さｔ３（ｔ３＞ｔ２）の保護層を有する第３光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いられる対物光学系であって、
    前記第１光束及び前記第３光束を回折させず、前記第２光束を回折させる第１回折構造と、
    前記第１光束及び前記第２光束を回折させず、前記第３光束を回折させる第２回折構造と、
    を有し、
    前記第１光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第１作動距離をＷＤ１とし、
    前記第２光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第２作動距離をＷＤ２とし、
    前記第３光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行う際の第３作動距離をＷＤ３としたとき、
    以下の（１）式及び（２）式のうち、少なくとも一方を満たすことを特徴とする対物光学系。
    ０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
    ０．９＜ＷＤ１／ＷＤ３＜１．１ （２）
  10. 以下の（１）式及び（２）式の何れも満たすことを特徴とする請求項９に記載の対物光学系。
    ０．９＜ＷＤ１／ＷＤ２＜１．１ （１）
    ０．９＜ＷＤ１／ＷＤ３＜１．１ （２）
  11. 前記第１回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ａ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の対物光学系。
  12. 前記第１回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ａは、４、５、６の何れかであることを特徴とする請求項１１に記載の対物光学系。
  13. 前記第２光束は前記第１回折構造により発散作用を受けることを特徴とする請求項９〜１２の何れか一項に記載の対物光学系。
  14. 前記第２回折構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であって、所定のレベル面の個数Ｂ毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造であることを特徴とする請求項９〜１３の何れか一項に記載の対物光学系。
  15. 前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが４０乃至８０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の５倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは２であることを特徴とする請求項１４に記載の対物光学系。
  16. 前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが２０乃至４０の範囲内の材料から形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の７倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは、３、４の何れかであることを特徴とする請求項１４に記載の対物光学系。
  17. 前記第２回折構造は、ｄ線におけるアッベ数νｄが２０乃至４０の範囲内、且つ、ｄ線における屈折率ｎｄが１．５５乃至１．７０の範囲内の材料と、ｄ線におけるアッベ数νｄが４５乃至６５の範囲内、且つ、ｄ線における屈折率ｎｄが１．４５乃至１．５５の範囲内の材料と、の接合面に形成され、前記階段の１つの段差は光路差換算で前記第１波長λ１の２倍の深さであって、前記所定のレベル面の個数Ｂは、４、５、６の何れかであることを特徴とする請求項１４に記載の対物光学系。
  18. 前記第３光束は前記第２回折構造により発散作用を受けることを特徴とする請求項９〜１７の何れか一項に記載の対物光学系。
  19. 前記対物光学系は、前記第１回折構造と前記第２回折構造のうち、少なくとも一方を有する回折光学素子と、該回折光学素子を透過した前記第１乃至前記第３光束を、それぞれ、前記第１乃至前記第３光ディスクの情報記録面上に集光させる集光レンズとから構成され、前記回折光学素子と前記対物レンズは、互いの相対的な位置関係が普遍となるように保持されていることを特徴とする請求項９〜１８の何れか一項に記載の対物光学系。
  20. 前記回折光学素子の光学面のうち、前記第１回折構造及び／又は前記第２回折構造が形成された光学面は入射光束に対して屈折パワーを持たない平面であることを特徴とする請求項１９に記載の対物光学系。
  21. 前記第１光束を、前記集光レンズにより前記厚みｔ１の保護層を介して集光させた際の集光スポットの波面収差が０．０７λ１ｒｍｓ以下となるように前記対物レンズの光学面形状が決定されていることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の対物光学系。
  22. 請求項９〜２１の何れか一項に記載の対物光学系を搭載したことを特徴とする光ピックアップ装置。
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