JP2007317295A - 光情報記録再生装置用光学素子、光情報記録再生装置および光情報記録再生装置用光学素子の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】規格の異なる複数の光ディスクに対して互換性を持つ対物レンズであって、かつ製造が容易でありながら高い性能を有する光情報記録再生装置用の光学素子を提供すること。
【解決手段】記録密度が高い順に三種類の光ディスクに対して、短波長側から順に三種類の略平行光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録等を行う光情報記録再生装置用光学素子であって、同心状の複数の屈折面と、互いに隣り合う屈折面間に形成される段差とを有する段差構造を有し、該構造は、所定の光ディスクを記録再生するために必要な開口数を得るために、所定の光束の収束に寄与する領域を有し、該領域は、互いに異なる光路長変化量を付与する二つの段差を有し、隣接する各段差間の輪帯幅が第一の波長の１０倍より小さいとき、少なくとも一方の段差をコントロールすることで、輪帯幅を略０にした特殊段差を少なくとも一つ有する構成にした。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、記録密度や保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置、該装置に搭載される光学素子および該光学素子の設計方法に関する。

光ディスクには、従来、ＣＤやＤＶＤといった記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。また近年、情報記録のさらなる高容量化を実現すべく、ＤＶＤよりも更に記録密度の高い新規格の光ディスクが実用化されつつある。該新規格の光ディスクとしては、例えばＨＤ ＤＶＤやＢＤ(Blu-ray Disc)等がある。このような新規格の光ディスクは、ＤＶＤの保護層厚と同等もしくはそれ以下の保護層厚を有する。このように規格の異なる複数の光ディスクが存在するためユーザの利便性に鑑み、近年、光情報記録再生装置、より厳密には装置内に設けられる対物光学系は、上記のうち少なくとも二種類、より好ましくは三種類の光ディスクに対して互換性を持つことが要求される。なお、本文において、光情報記録再生装置と記した場合には、情報の記録専用装置、情報の再生専用装置、情報の記録および再生兼用装置、の全てを含むものとする。また、互換性を持つとは、使用する光ディスクを切り替えたとしても部品を交換したりすることなく情報の記録または再生が保証されることをいう。

装置が規格の異なる複数の光ディスクに対して互換性を持つためには、まず、規格が異なる光ディスクの切り替え時に、保護層の厚みによって変化してしまう球面収差を補正しつつ、情報の記録または再生に使用する対物レンズの開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるような構成にする。一般にスポット径は波長が短いほど小さい。そこで従来、記録密度に応じて、光情報記録再生装置では、複数の波長のレーザー光が使用される。例えば、ＤＶＤ使用時には、ＣＤ使用時に用いられる約７９０ｎｍより短い約６６０ｎｍの波長のレーザー光が用いられる。また、該新規格の光ディスク使用時には、その記録密度の高さからＤＶＤに対する情報の記録または再生時に用いられる波長よりもさらに短波長な光（例えば４０８ｎｍあたりのいわゆる青色レーザー光）が用いられる。

また、各々の光ディスクに対して、使用光束を良好な状態で各光ディスクの記録面位置に収束させる一つの手段として、対物光学系を構成する１または複数の光学素子（例えば対物レンズ）における任意の面に輪帯状の微細な段差を有する輪帯構造を設けることが知られている。該輪帯構造の作用によって、異なる波長の光を各々対応する光ディスクの記録面において良好に収束させることができる。

上記のように、互いに記録密度が異なる二種類の光ディスクに対して互換性を持つ光ピックアップ装置としては、例えば以下の特許文献１、および非特許文献１に提案される。

特開２００５−２０３０４３号公報 Yoshiaki komma、他２名、「compatible Objective Lens for Blu-ray Disc and DVD using Diffractive Optical Element and Phase-step Element which Corrects both Chromatic and Spherical Aberration （ＩＳＯＭ ２００３予稿（Ｗｅ−Ｆ−２０））」、Matsushita Electric Co., Ltd

また、上記のように、互いに記録密度が異なる三種類の光ディスクに対して互換性を持つ光ピックアップ装置としては、例えば以下の特許文献２に提案される。

特開２００１−１９５７６９

上記特許文献１に記載の光ピックアップ装置は、一面に同心円状に配設された輪帯状の微細な段差を有する輪帯構造を有する光学素子を配設することにより、二種類の光ディスクの保護層厚の差によって生じる相対的な球面収差を補正している。

上記非特許文献１では、対物レンズ光学系において二つのレンズ面にそれぞれ作用の異なる回折構造を設けている。これにより、ＤＶＤとＢＤのいずれを使用した場合にも対応するレーザー光を良好に各光ディスクの記録面に収束させると同時に、波長ずれに起因する球面収差の変化も補正することができる。

また、上記特許文献２では、対物レンズの両面に回折構造を設けている。これにより、ＨＤ ＤＶＤ、ＤＶＤとＣＤのいずれを使用した場合にも対応するレーザー光を良好に各光ディスクの記録面に収束させることができる。

しかし、上記提案のように回折構造を二つのレンズ面に形成すると、ディセンター等の製造誤差による性能の劣化が起こりやすくなる。また、特許文献２に記載の光ピックアップ装置のように、構成部材の点数削減およびコストダウンを目的として対物レンズ光学系を単レンズで構成した場合、一方の回折構造がディスクトレイを介して外部に露出することになる。そのため、レンズクリーナー使用時などに該回折構造が破壊されうる機会が高くなる。

本発明は上記の事情に鑑み、規格の異なる複数の光ディスクに対して互換性を持ち、かつ製造が容易でありながら高い性能を有する光情報記録再生装置用の光学素子および該光学素子を搭載した光情報記録再生装置、さらには該光学素子の設計方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光情報記録再生装置用光学素子は、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して第一から第三の波長を持つ三種類の略平行光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる光学素子であって、
第一から第三の波長を、それぞれλ１、λ２、λ３、とすると、
λ１＜λ２＜λ３
であり、
少なくとも一方の面に、同心状の複数の屈折面と、互いに隣り合う屈折面間に形成される段差と、を有する段差構造を有しており、該段差は、互いに異なる光路長変化量を付与する第一の段差、第二の段差、および第一の段差と第二の段差で付与される各光路長変化量の和または差で求められる光路長変化量を付与する特殊段差であり、特殊段差と該特殊段差に隣接する段差との間の輪帯幅が、第一の波長の１０倍以上であることを特徴とする。

請求項１に記載の光情報記録再生装置用光学素子によれば、幅狭輪帯を効果的に除去することができ、高い性能を維持しつつも製造が容易な光学素子が提供される。なお本文において、幅狭輪帯とは、所定の光束の波長の１０倍より小さいという狭い輪帯幅の輪帯を示す。輪帯幅とは、段差構造が施された面における光軸に直交する面での断面形状において、互いに隣接する二つの段差間の距離をいう。

より詳しくは、第一の段差は、第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ１を付与し、第二の段差は、第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ２（ただし、｜Ｌ１｜＜｜Ｌ２｜）を付与する。このとき、特殊段差は、光路長変化量の符号に応じて、第一の波長の光束に対して絶対値が以下の二式のいずれかにより求まる光路長変化量を付与する。
｜Ｌ２｜−｜Ｌ１｜（請求項２）
｜Ｌ２｜＋｜Ｌ１｜（請求項３）

上記のような光学素子は、光情報記録再生装置における対物レンズに好適に使用される（請求項４）。

また、本発明にかかる光情報記録再生装置は、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して第一から第三の波長を持つ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置において、
第一の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、第二の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、第三の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、ｔ１≦ｔ２＜ｔ３であり、
第一の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ３、とすると、ＮＡ１＞ＮＡ３、かつＮＡ２＞ＮＡ３であり、
上述した特徴を持つ請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする。（請求項５）

請求項６に記載の光情報記録再生装置によれば、上記段差構造は、第三の波長の光束を第三の光ディスクの記録面上に収束させる、光軸を含む第一の領域と、該第一の領域の外側に、第一の波長の光束、および第二の波長の光束を、それぞれ第一の光ディスクおよび第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ第三の波長の光束の収束には寄与しない第二の領域を有する。

さらに、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ２、とすると、
ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２
の関係を満たす場合、段差構造は、第二の領域の外側に、第一の波長の光束のみを第一の光ディスクの記録面上に収束させる第三の領域を有する（請求項７）。

さらに、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ２、とすると、
ｆ１×ＮＡ１＜ｆ２×ＮＡ２
の関係を満たす場合、段差構造は、第二の領域の外側に、第二の波長の光束のみを第二の光ディスクの記録面上に収束させる第三の領域を有する（請求項８）。

請求項９に記載の光情報記録再生装置によれば、上記の段差構造を有する光学素子に入射する第一から第三の波長の各光束はいずれも略平行光束であることが望ましい。これにより、トラッキングシフト時において軸外の収差の発生を効果的に抑えることができる。

また別の観点から、本発明にかかる光情報記録再生装置用光学素子の設計手法は、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して第一から第三の波長を持つ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる光学素子の設計方法であって、第一から第三の波長を、それぞれλ１、λ２、λ３、とすると、λ１＜λ２＜λ３であり、
少なくとも一方の面に、同心状の複数の屈折面と、互いに隣り合う屈折面間に形成される段差と、を有する段差構造を有し、該段差構造の設計工程は、段差構造を少なくとも二種類の光路差関数で定義する工程と、各光路差関数に基づき算出された複数の段差のうち、互いに隣接する二つの段差の組であって、各段差の位置差が第一の波長の１０倍より小さい組の少なくとも一つについて、該組の少なくとも一方の段差の位置をコントロールすることにより、上記位置差を略０にして特殊段差を設定する工程と、を含むことを特徴とする。

より具体的には、請求項１１に記載の光情報記録再生用光学素子の設計方法によれば、上記の段差の設計工程は、各段差で付与される光路長変化量の符号が異なる組について適用されることが望ましい。

以上のように、本発明によれば、少なくとも一面に配設される段差構造において、二種類の段差を適切にコントロールすることによって特殊段差を形成することにより、いわゆる幅狭輪帯が存在しない光学素子が提供される。このような本発明に係る光学素子によれば、幅狭輪帯が存在しないため、透過光量の低下を抑えつつ、高い光学性能を維持することができる。

また、本発明に係る光情報記録再生装置によれば、上記の光学素子を採用することにより、記録密度が異なる三種類の光ディスクのいずれに対しても高精度な情報の記録または再生を実現することができる。

以下、本発明の実施形態の光学素子としての対物レンズについて説明する。本実施形態の対物レンズは、光情報記録再生装置に搭載され、保護層厚、記録密度等といった規格がそれぞれ異なる三種類の光ディスクについて互換性を有している。

以下では説明の便宜上、上記三種類の光ディスクのうち、記録密度が最も高い光ディスク（例えばＨＤ ＤＶＤやＢＤ等の新規格の光ディスク）を第一の光ディスクＤ１、第一の光ディスクＤ１に比べて相対的に記録密度が低い（例えばＤＶＤやＤＶＤ−Ｒ等）を第二の光ディスクＤ２、記録密度が最も低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第三の光ディスクＤ３、と記す。

各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層厚をそれぞれｔ１〜ｔ３とすると、各保護層厚には、以下のような関係がある。
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３

また、各光ディスクＤ１〜Ｄ３のそれぞれに対して情報の記録または再生を行う場合、記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるように、必要とされるＮＡの値を変化させる必要がある。ここで、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に必要とされる最適な設計開口数を、それぞれＮＡ１、ＮＡ２、ＮＡ３とすると、各ＮＡには以下のような関係がある。
ＮＡ１＞ＮＡ３かつＮＡ２＞ＮＡ３

つまり、記録密度の高い第一の光ディスクＤ１および第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時には、より小径なスポットの形成が要求されるため、必要なＮＡが高くなる。これに対し、最も記録密度の低い第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時には、必要とされるＮＡは比較的小さい。なお、どの光ディスクも、情報の記録または再生時には、図示しないターンテーブル上に載置され回転駆動される。

上記のように記録密度が異なる各光ディスクＤ１〜Ｄ３を使用する場合、各記録密度に対応したビームスポットが得られるように、光情報記録再生装置内において、それぞれ異なる波長のレーザー光が用いられる。具体的には、第一の光ディスクＤ１に対して情報の記録または再生を行う際には、最も小径のビームスポットを第一の光ディスクＤ１の記録面上において形成するために、最も短波長（第一の波長）であるレーザー光（以下、第一のレーザー光という）を光源から照射する。また、第三の光ディスクＤ３に対して情報の記録または再生を行う際には、最も大きな径のビームスポットを第三の光ディスクＤ３の記録面上において形成するために、最も長波長（第三の波長）であるレーザー光（以下、第三のレーザー光という）を光源から照射する。そして第二の光ディスクＤ２に対して情報の記録または再生を行う際には、第二の光ディスクＤ２の記録面上において比較的小径のスポットを形成するために、第一のレーザー光よりは長波長であってかつ第三のレーザー光よりは短波長（第二の波長）であるレーザー光（以下、第二のレーザー光という）を光源から照射する。なお、第一の波長をλ１、第三の波長をλ３とすると、両者には、
１．９＜λ３／λ１＜２．１
という関係がある。

図１は、本実施形態の対物レンズ１０を有する光情報記録再生装置１００の概略構成を表す模式図である。光情報記録再生装置１００は、第一のレーザー光を照射する光源１Ａ、第二のレーザー光を照射する光源１Ｂ、第三のレーザー光を照射する光源１Ｃ、回折格子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、カップリングレンズ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、ビームスプリッタ４１、４２、ハーフミラー５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、受光部６Ａ、６Ｂ、６Ｃを有する。なお、光情報記録再生装置１００では、上記の各光ディスク使用時に必要とされるＮＡが各々異なることに対応する必要がある。そのため、光情報記録再生装置１００では、図示しないが、光源１Ｃ〜対物レンズ１０間に第三のレーザー光の光束径を規定する開口制限素子が配設されていてもよい。

図１に示すように、各光源１Ａ〜１Ｃから照射された第一〜第三の各レーザー光束は、各回折格子２Ａ〜２Ｃを介した後、各ハーフミラー５Ａ〜５Ｃによって偏向され各カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃに入射する。各カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃは、入射する光束を平行光束に変換する。つまり本実施形態では、各カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃは、コリメートレンズとして機能する。各カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃを透過した各レーザー光束は、ビームスプリッタ４１、４２によって共通の光路に導かれ、対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０を透過した各光束は、情報の記録または再生の対象となる各光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面近傍に収束する。記録面で反射した各レーザー光は、ハーフミラー５Ａ〜５Ｃを透過し、受光部６Ａ〜６Ｃにより検出される。

上記のように、対物レンズ１０に入射する各レーザー光を平行光束にすることにより、対物レンズ１０をトラッキング時におけるコマ収差等の収差の発生を抑えることができる。

なお、厳密には、各光源１Ａ〜１Ｃの個体差や設置位置、さらには光情報記録再生装置１００のおかれた環境の変化等の理由によって、各カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃから射出される光束は必ずしも平行光束にはならない場合もある。しかし、上記の理由による光束の発散角は、非常に小さいため、トラッキングシフト時に生じる収差も小さい。よって、実使用上問題ないと言える。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、対物レンズ１０および各光ディスクＤ１〜Ｄ３を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて示した図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）において、光情報記録再生装置１００の基準軸ＡＸは、図中一点鎖線で表示されている。図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す状態では、対物レンズの光軸は光学系の基準軸ＡＸと一致しているが、トラッキング動作などにより対物レンズの光軸が光学系の基準軸ＡＸから外れる状態もある。

対物レンズ１０は、光源側から順に第一面１１と第二面１２を有する。対物レンズ１０は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように各面１１、１２とも非球面である両凸のプラスチック製単レンズである。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該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、四次、六次、八次、十次、十二次…の非球面係数をＡ_２ｉ（但し、ｉは２以上の整数）として、以下の式で表される。

また各光ディスクＤ１〜Ｄ３は、それぞれ保護層２１、記録面２２を有する。なお、実際の光ディスクＤ１〜Ｄ３において、記録面２２は、保護層２１と図示しないレーベル層によって挟持されている。

光情報記録再生装置１００のように、各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時には異なる波長のレーザー光を用いる場合、各光ディスク使用時によって、対物レンズの屈折率の変化や、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層２１の厚さの違いに起因して、球面収差が変化する。

従って、三種類の光ディスクＤ１〜Ｄ３をそれぞれ使用する時に発生する球面収差を補正して各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する互換性を持たせるために、本実施形態の対物レンズ１０には、三種類の光束に影響を与える回折作用を持つ段差構造が第一面１１に設けられている。第一面１１に設けられた段差構造は、光軸ＡＸを中心とした同心円状の複数の屈折面と各屈折面間に形成される複数の微小な段差からなる。なお、段差構造が形成される面を光ディスクと対向しない第一面１１にすることにより、レンズクリーナーによって段差が破壊されるおそれがなくなり、性能劣化を有効に回避することができる。

図３は、本発明適用前の段差構造、つまり幅狭輪帯に対する補償を行わない段差構造を仮に施した第一面１１の拡大図である。図３において、ｊは、段差構造における光軸ＡＸからｊ番目の屈折面を示す。また、図３中二点鎖線Ｈは第ｊ屈折面と第（ｊ−１）屈折面間に形成された段差ｓの位置、換言すれば第ｊ屈折面と第（ｊ−１）屈折面の境界位置を示す。ここで、光路長変化量とは、図３に示すように、第（ｊ−１）屈折面の形状を光軸から離れる方向に延長させた仮想上の延長面（Ａ−Ａ’面）の境界位置Ｈで屈折した場合に得られる像面までで評価した時の光路長と、第ｊ屈折面の形状を光軸に向かう方向に延長させた仮想上の延長面（Ｂ−Ｂ’面）の境界位置Ｈで屈折した場合に得られる像面までで評価した時の光路長の差を意味する。また図３において、輪帯幅は、隣接する段差ｓ間の距離Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…として表れる。

なお、図３に示すように、実際の段差構造は、形成時に各屈折面の境界位置近傍（エッジ）がだれて丸みを帯びることがある。しかし、このようなエッジの形状の変化は、実使用上何ら問題はない。

本実施形態の段差構造は、第一から第三の各レーザー光で使用波長の違いによる球面収差をそれぞれ略０になるようにコントロールする回折作用を持つ。該回折作用は、対物レンズ１０を透過した各レーザー光が、対応する光ディスクの記録面２２上において、球面収差が良好に抑えられ、情報の記録または再生に好適なスポットを形成できるような回折作用、つまり三波長互換作用といえる。

以上のような段差構造を持つ対物レンズ１０は、以下のように設計される。すなわち、まず第一から第三の各レーザー光束における回折効率が最大となる回折次数の比率が互いに異なる二種類の光路差関数（第一の光路差関数と第二の光路差関数）を算出する。

ここで、上述した比率が異なる、とは、使用する光束のうち少なくとも一つの光束における回折効率が最大となる回折次数が異なっていれば足りる。従って、例えば、使用する光束が三種類ある場合に、第一の光路差関数における比率が３：２：２、第二の光路差関数における比率が３：２：１であれば比率が異なるといえる。また、各光路差関数における次数の組み合わせは異なるものの回折次数の比率が同一であるケース、例えば第一の光路差関数における比率が２：１：１、第二の光路差関数における比率が４：２：２である場合、各光路差関数により付与される回折作用は同一である。従って、本発明においては、次数の組み合わせが異なることではなく、回折次数の比率が異なることを各光路差関数を定める要件としている。

なお、各光路差関数は、対物レンズ１０の回折レンズとしての機能を光軸からの高さｈにおける光路長付加量の形で表現される。光路差関数をφ（ｈ）とすると、該φ（ｈ）は、以下の式によって表される。

光路差関数φ（ｈ）において、Ｐ_２ｉ（但し、ｉは１以上の整数）はそれぞれ二次、四次、六次、…の係数である。ｍは使用するレーザー光の回折効率が最大となる回折次数を、λは使用するレーザー光の設計波長を、それぞれ表す。

第一、第二の光路差関数が算出されると、各光路差関数を足し合わせることにより規定される段差構造を対物レンズ１０Ａの第一面１１に形成する。第一、第二の光路差関数を足し合わせた光路差関数、換言すれば第一面１１に形成される回折構造を直接規定する光路差関数（以下、参考光路差関数という）を図示すると、図４（ａ）のようになる。図４（ａ）に示すグラフは、縦軸が使用される波長のうち最も短い波長（本実施形態では第一のレーザー光）を基準とした光路長変化量、横軸が光軸からの高さ（入射高さ）を表す。以下に示す各光路差関数に関するグラフも同様である。図４（ａ）に示す参考光路差関数は、第一の光路差関数と第二の光路差関数が重ね合わさった軌跡を描く。

上記のように、互いに異なる二つの光路差関数に基づき求められた段差構造に形成される段差は、第一のレーザー光に対して光路長変化量の絶対値が異なる二種類の光路長変化をもたらす。なお、光路長変化量の絶対値が異なる、と記載したのは、互いに隣り合う２つの輪帯において、内側の輪帯を透過した光よりも外側の輪帯を透過した光の方が光路長が短くなる場合を正、長くなる場合を負と定義した場合、正負の符号の不一致を光路長変化量が異なるとは言わないことを明確にしたものである。

ちなみに、段差構造に三波長互換作用を付与するためには、二種類の光路長変化量のいずれか一方の光路長変化量を奇数値に設定する。これにより、第一のレーザー光の光利用効率を高く維持しつつも、第三のレーザー光使用時に発生する球面収差を良好に補正することができる。そして、他方の光路長変化量を偶数値にすることにより、特に第一のレーザー光と第三のレーザー光の光利用効率を共に高めることが可能になる。これにより、対物レンズ１０は、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対応する設計波長の平行光束が入射すると、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面２２上において球面収差を抑えて情報の記録または再生に好適なビームスポットを形成することができる。

上記の三波長互換作用は、第一の光路差関数と第二の光路差関数が相互に作用し合って得られるものであり、例えば、一方の光路差関数が各レーザー光に関する互換作用を与えるというものではない。

ここで、二つの光路差関数を重ね合わせることにより規定される段差構造では、各光路差関数により規定される段差が隣接することにより図３に示すような幅狭輪帯１１ｘが生じる可能性がある。幅狭輪帯が存在すると、成型時に生じる面ダレなどの理由から、透過光量の低下等、性能劣化の原因となるおそれがあるため適切に除去するとともに、該幅狭輪帯で与えられる光路長付加量を補償する必要がある。なお本実施形態では、幅狭輪帯を輪帯幅が第一のレーザー光の波長（最も短波長である第一の波長）の１０倍より小さい輪帯と定義する。第一の波長の１０倍より小さいと定義したのは、これより輪帯幅が狭くなると回折効率が急激に低下するからである。参考光路差関数において幅狭輪帯に対応する箇所は、図４（ａ）中、Ｐ１〜Ｐ５に表れる。

本実施形態では、参考光路差関数において幅狭輪帯に対応する箇所Ｐ１〜Ｐ５を消滅させることにより、対物レンズ１０Ａの第一面１１に実際に施される段差構造が幅狭輪帯１１ｘを有しないようにしている。具体的には、参考光路差関数における幅狭輪帯に対応する位置Ｐ１〜Ｐ５において、段差を形成する位置を調整して、幅狭輪帯と該幅狭輪帯に隣接する輪帯とにより形成される２つの段差の入射高さ位置が略同じになるような補正演算を行う。これにより、２つの段差が付与する光路長変化量の和もしくは差を付与する１つの段差を形成することができる。補正演算後の参考光路差関数を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）における位置Ｐ１〜Ｐ５に対応する位置Ｑ１〜Ｑ５には、第一と第二の光路差関数により得られる各光路長変化量の和もしくは差で計算される光路長変化量を付与する段差が形成されていることが分かる。

上記補正演算により、幅狭輪帯１１ｘと隣り合う輪帯のいずれか一方もしくは両方の段差の位置が、幅狭輪帯１１ｘの輪帯幅が略０となるようにコントロールされる。コントロールした結果、幅狭輪帯があった場所には、参考光路差関数のみでは規定されない特殊段差が発生する。該特殊段差は、絶対値が上述した各光路長変化量の和もしくは差である光路長変化量を付与する。

図５は、幅狭輪帯に対する補償を行った段差構造が施された対物レンズ１０の第一面１１の一部を拡大して示す図である。図５に示すように、本実施形態の対物レンズ１０の第一面１１は、図３に示す幅狭輪帯１１ｘが消滅しており、該幅狭輪帯１１ｘが存在していた位置に他の段差ｓとは異なる特殊段差ｓ’が形成されている。

なお、第一の光路差関数により規定される段差（第一の段差）によって付与される光路長変化量をＬ１、第二の光路差関数により規定される段差（第二の段差）によって付与される光路長変化量をＬ２とする（ただし、｜Ｌ１｜＜｜Ｌ２｜とする）と、特殊段差ｓ’により付与される光路長変化量の絶対値は、Ｌ１とＬ２の符号関係により、以下の２パターンのいずれかを採る。
｜Ｌ２｜−｜Ｌ１｜
｜Ｌ２｜＋｜Ｌ１｜

なお本実施形態の対物レンズ１０は、情報の記録または再生に必要なＮＡを確保するための有効光束径の違いから、第一面１１を、異なる段差構造が付与された複数の領域に分けることができる。詳しくは、光軸を含む最も内側の領域であってかつ第三のレーザー光の収束に寄与する領域つまりいずれのレーザー光の収束にも寄与する領域（以下、第一領域という）、第一領域の外側に位置する第二領域、場合によっては第二領域の外側にさらに第三領域を設けることができる。

第二領域の段差構造は、一般に第三のレーザー光よりも有効光束径が大きいとされる第一および第二のレーザー光を、対応する光ディスクＤ１、Ｄ２の記録面２２に良好に収束させるための二波長互換作用を持つ。また、第二領域の段差構造は、必要に応じて第一のレーザー光と第二のレーザー光に対する波長ずれ補償作用も持つ。第二領域の段差構造に該波長ずれ補償作用も付与する場合には、上記第一領域と同様に二種類の光路差関数を算出して各々を重ね合わせることにより、段差構造を形成する。

第二領域の段差構造は、第三のレーザー光の収束に寄与しないような段差を有する。つまり、第二領域の段差における光路長変化量のうち少なくとも一種類は、第一領域における少なくとも一種類の光路長変化量とは異なる。

なお、以上説明した段差構造は、必ずしも第一面１１の全域に設ける必要はなく、第一領域のみ、あるいは第二領域のみに設けられていてもよい。

第二領域のさらに外側に位置する第三領域は、対物レンズ１０の第一面１１における第一のレーザー光の入射光束径と、第二のレーザー光の有効光束径が異なる場合に設けられる。

まず、第一の光ディスクＤ１使用時の焦点距離をｆ１、第二の光ディスクＤ２使用時の焦点距離をｆ２としたとき、以下の条件（１）、
ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２ ・・・（１）
が成立する場合、つまり、第一のレーザー光が入射する場合の対物レンズ１０の入射面での有効光束径が、第二のレーザー光が入射する場合の対物レンズ１０の入射面での有効光束径より大きい場合、第一のレーザー光が第一の光ディスクＤ１の記録面上において略無収差で良好に収束するような段差構造を有する第三領域が第一面１１に形成される。上記条件（１）が成立する場合に形成される第三領域は、第二領域とは異なり、第二のレーザー光の収束には寄与しない。つまり、条件（１）が成立するときに形成される第三領域は、第二のレーザー光に対する開口制限機能を有する。そのため、該段差構造は、第一のレーザー光について互いに隣り合う屈折面の境界において付与される光路長変化量が、第二領域における第一のレーザー光についての光路長変化量とは異なるように設計される。該設計時には、第三領域は、第一のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。

また以下の条件（２）、
ｆ１×ＮＡ１＜ｆ２×ＮＡ２ ・・・（２）
が成立する場合、つまり、第二のレーザー光が入射する場合の対物レンズ１０の入射面での有効光束径が、第一のレーザー光が入射する場合の対物レンズ１０の入射面での有効光束径より大きい場合、第二のレーザー光が第二の光ディスクＤ２の記録面上において略無収差で良好に収束するような段差構造を有する第三領域が第一面１１に形成される。条件（２）が成立する場合に形成される第三領域は、第二領域とは異なり、第一のレーザー光の収束には寄与しない。つまり、条件（２）が成立するときに形成される第三領域は、第一のレーザー光に対する開口制限機能を有する。そのため、該構造は、第一のレーザー光について互いに隣り合う屈折面の境界において付与される光路長変化量が、第二領域における第二のレーザー光についての光路長変化量とは異なるように設計される。該設計時には、第三領域は、第二のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。

以上説明した第一実施形態の対物レンズ１０を用いた光情報記録再生装置１００の具体的な実施例を１例示す。実施例１の対物レンズ１０を搭載する光情報記録再生装置１００は、図１、および図２（Ａ）〜（Ｃ）に示される。

また実施例において使用される光ディスクは、保護層厚０．６ｍｍの最も記録密度の高い第一の光ディスクＤ１、保護層厚０．６ｍｍであり第一の光ディスクＤ１よりは記録密度の低い第二の光ディスクＤ２、保護層厚１．２ｍｍの最も記録密度の低い第三の光ディスクＤ３を想定する。

実施例１の対物レンズ１０は、上述したような三波長互換作用を持つ段差構造を第一面１１に有している。実施例１の対物レンズ１０の具体的な仕様は、表１に示されている。

表１において、設計波長とは、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生に最適とされる各レーザー光の波長を意味する。表１中、倍率の値が示すように、実施例１では、いずれの光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時であっても、レーザー光は平行光束として対物レンズ１０に入射する。表１に示す対物レンズ１０を備える光情報記録再生装置１００の各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時における具体的数値構成は、表２〜表４に示される。但し、表２〜表４では、説明の便宜上、各光源と対物レンズ１０の間に配設される部材に関する数値構成を省略している。以下に示す各実施例の具体的数値構成においても同様である。

表２〜表４中、面番号０は光源１Ａ〜３Ａ、面番号１は対物レンズ１０の第一面１１、面番号２は対物レンズ１０の第二面１２、面番号３と４はそれぞれ各光ディスクＤ１〜Ｄ３における保護層２１と記録面２２、をそれぞれ表す。ｒはレンズ各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは情報の記録または再生時におけるレンズ厚またはレンズ間隔（単位：ｍｍ）、ｎ（Ｘｎｍ）は波長Ｘｎｍでの屈折率である。後述する実施例２および実施例３における各表においても同様である。

対物レンズ１０の両面１１、１２（面番号１、２）は、非球面である。各面１１、１２の各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は、表５に示される。なお各表における表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。

また実施例１の対物レンズ１０の第一面１１に形成されることになる段差構造を規定するための第一の光路差関数および第二の光路差関数における係数Ｐ_２ｉは表６に示される。また、各レーザー光の回折効率が最大になる回折次数ｍは表７に示される。表７に示すように、第一のレーザー光の回折効率が最大になる回折次数と、他の各レーザー光の回折効率が最大になる回折次数は異なる。

実施例１の対物レンズ１０の第一面１１に形成される段差構造は具体的には表８に示される。表８は、実施例１の対物レンズ１０の第一面１１に形成される各輪帯（上記の屈折面に相当）の範囲と、各輪帯幅と、第一のレーザー光が各輪帯を透過することにより与えられる光路長変化量および該変化量に対応する段差構成と、を示した表である。各輪帯の範囲は、光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎ〜ｈｍａｘで表している。また、該段差構造を規定する参考光路差関数に関し、幅狭輪帯に関する補正演算前の参考光路差関数を図４（ａ）に、該補正演算後の参考光路差関数を図４（ｂ）に示す。

表８に示すように、第一のレーザー光が各輪帯間の段差により付与される光路長変化量は、主として−３または−２波長分であることがわかる。すなわち実施例１の段差構造は、付与する光路長変化量の絶対値｜Ｌ１｜が２である第一の段差と、同絶対値｜Ｌ２｜が３である第二の段差とが非周期的に配設されている。ただし、段差番号７、９、１６、２０、２２、２６、２８の各段差は、−５波長分の光路長変化量を付与する。つまり、これらの各段差は、光路長変化量の絶対値が｜Ｌ２｜＋｜Ｌ１｜（＝５）で求まる特殊段差である。図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると、該特殊段差を設けることにより、幅狭輪帯が効果的に除去されていることが分かる。なお、肉眼では認識困難であるが図４（ａ）において、図４（ｂ）における段差番号１６、２２に対応する部位にも、極めて微小な幅狭輪帯が存在している。よって、上記の通り、段差番号１６、２２の各段差を特殊段差として構成している。

以上が本発明に係る設計方法により設計された対物レンズの具体的実施例である。なお、上記の各実施例はあくまでも本発明に係る対物レンズの一例である。つまり本発明に係る対物レンズは、各実施例の具体的数値構成に限定されるものではない。例えば、光情報記録再生装置の対物光学系を構成するレンズ等の光学素子の数は複数であっても良い。また、本発明に係る光学素子は、片側一面のみならず両面に段差構造を設けることができる。

また、三波長互換作用で調整される球面収差の値は、０でなくてもよく、設計者が任意に設定することが可能である。同様に波長ずれ補償作用でも波長ずれに起因して変化する球面収差を必ずしも打ち消す作用を与える必要はなく、球面収差の変化の度合いは設計者が任意に設定することができる。

本発明の実施形態の光情報記録再生装置の概略構成を表す模式図である。 本発明の実施形態の光情報記録再生装置を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて示す図である。 従来の対物レンズの一面に設けられた段差構造の拡大図である。 図４（ａ）は、実施例１の対物レンズにおいて、幅狭輪帯に対する補償を行う前の参考光路差関数を示す。図４（ｂ）は、該対物レンズの第一面に実際に施される段差構造を規定する参考光路差関数を示す。 実施形態の、幅狭輪帯に対する補償を行った段差構造が施された対物レンズの第一面の一部を拡大して示す図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 光源
１０ 対物レンズ
Ｄ１〜Ｄ３ 光ディスク
１００ 光情報記録再生装置

Claims (11)

1. 記録密度の異なる複数の光ディスクに対して第一から第三の波長を持つ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる光学素子であって、
   前記第一から第三の波長を、それぞれλ１、λ２、λ３、とすると、
   λ１＜λ２＜λ３
   であり、
   少なくとも一方の面に、同心状の複数の屈折面と、互いに隣り合う前記屈折面間に形成される段差と、を有する段差構造を有しており、
   前記段差は、互いに異なる光路長変化量を付与する第一の段差、第二の段差および、前記第一の段差と前記第二の段差で付与される各光路長変化量の和または差で求められる光路長変化量を付与する特殊段差であり、
   前記特殊段差と前記特殊段差に隣接する段差との間の輪帯幅が、前記第一の波長の１０倍以上であることを特徴とする光情報記録再生装置用光学素子。
2. 請求項１に記載の光情報記録再生装置用光学素子において、
   前記第一の段差は、前記第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ１を付与し、
   前記第二の段差は、前記第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ２（ただし、｜Ｌ１｜＜｜Ｌ２｜）を付与し、
   前記第一の段差と前記第二の段差が、以下の条件、
   Ｌ１×Ｌ２＜０
   を満たす場合、前記特殊段差は、前記第一の波長の光束に対して、絶対値が｜Ｌ２｜−｜Ｌ１｜で求められる光路長変化量を付与することを特徴とする光情報記録再生装置用光学素子。
3. 請求項１に記載の光情報記録再生装置用光学素子において、
   前記第一の段差は、前記第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ１を付与し、
   前記第二の段差は、前記第一の波長の光束に対して光路長変化量Ｌ２（ただし、｜Ｌ１｜＜｜Ｌ２｜）を付与し、
   前記第一の段差と前記第二の段差が、以下の条件、
   Ｌ１×Ｌ２＞０
   を満たす場合、前記特殊段差は、前記第一の波長の光束に対して、絶対値が｜Ｌ２｜＋｜Ｌ１｜で求められる光路長変化量を付与することを特徴とする光情報記録再生装置用光学素子。
4. 前記光学素子は、前記光情報記録再生装置の対物レンズであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光情報記録再生装置用光学素子。
5. 記録密度の異なる複数の光ディスクに対して、それぞれ第一、第二、第三の波長を持つ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置において、
   前記第一の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、前記第二の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、前記第三の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
   ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
   であり、
   前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ２、前記第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な対物レンズの開口数をＮＡ３、とすると、
   ＮＡ１＞ＮＡ３、かつＮＡ２＞ＮＡ３
   であり、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
6. 請求項５に記載の光情報記録再生装置において、
   前記段差構造は、前記第三の波長の光束を前記第三の光ディスクの記録面上に収束させる、光軸を含む第一の領域と、前記第一の領域の外側に、前記第一の波長の光束、および前記第二の波長の光束を、それぞれ前記第一の光ディスクおよび前記第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ前記第三の波長の光束の収束には寄与しない第二の領域を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
7. 請求項６に記載の光情報記録再生装置において、
   前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ２、とすると、
   ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２
   の関係を満たし、
   かつ、前記段差構造は、前記第二の領域の外側に、前記第一の波長の光束のみを前記第一の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ前記第二の波長の光束の収束には寄与しない第三の領域を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
8. 請求項６に記載の光情報記録再生装置において、
   前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における焦点距離をｆ２、とすると、
   ｆ１×ＮＡ１＜ｆ２×ＮＡ２
   の関係を満し、
   かつ、前記段差構造は、前記第二の領域の外側に、前記第二の波長の光束のみを前記第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ前記第一の波長の光束の収束には寄与しない第三の領域を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
9. 請求項５から請求項８のいずれかに記載の光情報記録再生装置において、
   前記段差構造を有する光学素子に入射する前記第一から第三の波長の光束が、全て略平行光束であることを特徴とする光情報記録再生装置。
10. 記録密度の異なる複数の光ディスクに対して第一から第三の波長を持つ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置に用いられる光学素子の設計方法であって、
    前記第一から第三の波長を、それぞれλ１、λ２、λ３、とすると、
    λ１＜λ２＜λ３
    であり、
    少なくとも一方の面に、同心状の複数の屈折面と、互いに隣り合う屈折面間に形成される段差と、を有する段差構造を有し、
    前記段差構造の設計工程は、前記段差構造を少なくとも二種類の光路差関数で定義する工程と、各光路差関数に基づき算出された複数の段差のうち、互いに隣接する二つの段差の組であって、各段差の位置差が前記第一の波長の１０倍より小さい組の少なくとも一つについて、該組の少なくとも一方の段差の位置をコントロールすることにより、前記位置差を略０にして特殊段差を設定する工程と、を含むことを特徴とする光情報記録再生装置用光学素子の設計手法。
11. 請求項１０に記載の光情報記録再生用光学素子の設計方法において、
    前記段差構造の前記設計工程は、各段差で付与される光路長変化量の符号が異なる前記組について適用されることを特徴とする光情報記録再生装置用光学素子の設計方法。

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