JP2009217879A - 対物レンズ及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＣＤ、ＤＶＤともに良好に再生できる対物レンズを提供する。
【解決手段】
異種記録媒体である２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ₁（６５５±１５ｎｍ）、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ₂（７８５±１５ｎｍ）が用いられる光学系に用いる、両面に非球面を有する対物レンズにおいて、整数Ｍ、Ｎが、−１６０＜Ｍλ₁−Ｎλ₂＜−１００を満足するとき、対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられ、この位相シフタは第１の波長λ₁の光に対して、位相差の絶対値が、０．８｜Ｍ｜λ₁から１．２｜Ｍ｜λ₁の範囲の段差で構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）及びＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）等の光ディスクの記録又は再生に適し、回折限界性能を有する対物レンズ及び光学装置に関する。なお、ＣＤとは記録可能なＣＤ−Ｒ（コンパクトディスク レコーダブル）も含むものとする。

従来、０．６ｍｍの厚さの透明基板を有するＤＶＤと１．２ｍｍの厚さの透明基板を有するＣＤとの両方を再生する対物レンズが提案されている（特許文献１〜３参照）。

これらの従来例において、非球面を有する対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪帯状に位相シフタが設けられている。対物レンズの基本的形状はＤＶＤを良好に再生できるように最適化されており、ＣＤを再生するときには、位相シフタで位相を補正することにより収差が小さくなるよう補正している。

また、上記の従来例では、ＣＤの再生時の軸外コマ収差については補正ができず、軸外のコマ収差が大きくなるが、この問題を解決した対物レンズも提案されている（特許文献４参照）。

これは、対物レンズの基本的形状として、軸上の球面収差は無視し、ＤＶＤの軸外コマ収差とＣＤの軸外コマ収差を補正したものとし、それに、ＣＤの波長に比例する段差を有する位相シフタでＤＶＤの軸上球面収差を低減し、またＤＶＤの波長に比例する段差を有する位相シフタでＣＤの軸上球面収差を低減し、その結果、ＤＶＤの軸上、軸外の収差、ならびにＣＤの軸上、軸外の収差を低減した対物レンズとしている。
特開平１０−２５５３０５号公報 特開平１１−０１６１９０号公報 特開平１１−００２７５９号公報 特開２００２−０４８９７１号公報

しかし、上記従来例では、軸上の球面収差を補正する手段として、ＣＤ、あるいはＤＶＤの波長の整数倍の段差を有する位相シフタを用いているため、軸上球面収差が、ＣＤでも、ＤＶＤでも波面収差で、０．０４５λ程度にまでしか低減されていない。実際のレンズ設計では、ＣＤ及びＤＶＤ用として集光特性がほど良い仮想非球面の基本形状からスタートして、ＣＤとＤＶＤ共に収差が減少するように位相シフタを設定して数値計算し、これを繰り返して収差が最小になるような位相シフタを算出するが、その結果は初期形状の設定に大きく依存するので、真に最適な結果を得ようとすれば、基本形状のパラメータを変化させて膨大な量の繰り返し計算をしなければならない。このように従来のレンズ設計には試行錯誤的な要素が多いので、現実的には有限の時間内で許容できる集光特性のレンズを設計するには、豊富な経験と熟練が必要であった。

その上、通常、対物レンズは、材料を樹脂とし、射出成形により製造されるが、製造時には、形状転写の誤差等が生ずるため、設計値通りの収差を確保した製造は困難である。また、記録用においては、ＤＶＤの収差に関しても、ＣＤの収差に関しても、実際に作られたレンズの収差が軸上で０．０４λ程度の収差を要求されることから、設計の段階で、更に軸上の収差を良好に補正する必要が生じていた。

本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、例えば、ＤＶＤ、ＣＤ等の複数種の記録媒体からなる光ディスクを記録又は再生するときに、軸上の収差、軸外の収差の両者とも、良好に補正でき、製造時の誤差を考慮しても充分量産可能な対物レンズ及び光学装置の提供を目的とする。

本発明は、前述の課題解決のために、異種記録媒体である２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ₁が用いられ、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ₂が用いられる光学系に用いる、両面に非球面を有する対物レンズにおいて、
λ₁は６５５±１５ｎｍの範囲、λ₂は７８５±１５ｎｍの範囲の波長であり、整数Ｍ、Ｎが、
−１６０＜Ｍλ₁−Ｎλ₂＜−１００
を満足するとき、前記対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられ、この位相シフタは第１の波長λ₁の光に対して、位相差の絶対値が、０．８｜Ｍ｜λ₁から１．２｜Ｍ｜λ₁の範囲の段差で構成されていることを特徴とする対物レンズを構成した。

ここで、前記Ｍが−５であることが好ましく、更に前記位相シフタの位相差の絶対値が、４．９０λ₁から５．７０λ₁の範囲の段差で構成されていることがより好ましい。

また、前記Ｍが７であることも好ましく、更に前記位相シフタの位相差の絶対値が、７．００λ₁から８．３０λ₁の範囲の段差で構成されていることがより好ましい。

また、前記位相シフタを設ける面は、光源側の面であるとより好ましい。

更に具体的には、前記対物レンズが、第１の波長λ₁の光と第２の波長λ₂の光とがともに、補助レンズ、対物レンズを介して光ディスクの情報記録面に集光される光学系に用いられ、補助レンズと、対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定されており、かつ、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定され、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設定されていることがより好ましい。この場合、前記補助レンズが、コリメーターレンズである。

また、前記対物レンズが、第１の波長λ₁の光と第２の波長λ₂の光とがともに、対物レンズを介して光ディスクの情報記録面に集光される光学系に用いられ、対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定されており、かつ、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定され、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設定されていることが更に好ましい。

そして、異種記録媒体である２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光が対物レンズによりそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光され、それぞれの情報記録面からの反射光が対物レンズを透過して受光素子に受光される光学装置において、上記対物レンズに前述の対物レンズを用いることを特徴とする光学装置を提供する。

本発明の対物レンズは、位相シフタによる収差補正前の基本形状を、ＤＶＤの軸上、軸外収差及びＣＤの軸外収差が充分に小さくなる非球面形状とし、その片面に、第１の波長の光に対しては、収差の発生を出来るだけ抑え、第２の波長の光に対しては、収差を低減できるように選ばれた段差を有する位相シフタを設けることにより、ＣＤの軸上収差も改善するように補正することができ、ＤＶＤ、ＣＤの記録又は再生に際し、良好に使用される。

また、位相シフタによる収差補正前の基本形状に対して、第１の波長の光に対しては、収差の発生を出来るだけ抑えるといった拘束条件を付与するので、基本形状の設定に対する自由度が少なくなって、その形状設定が容易になり、その結果、短時間で要求精度以上に最適化することができ、また到達精度も従来の方法よりも高くなる。

第１の波長の光に対しても、また、第２の波長の光に対しても、軸上の収差が小さく抑えられるため、本発明の対物レンズは、製造時の誤差を考慮しても収差性能の安定した量産が可能となる。

図１は、本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図であり、光軸４に平行に、かつ、光軸４を通る断面を示し、光軸４に垂直な方向から見ている。図２は光源側から見た場合の、図１の対物レンズの正面図である。

図１において、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０は第１面に設けられた光軸を中心とする輪状の段差部、φ１１、φ１２、φ１３、φ１４、φ１５、φ１６、φ１６、φ１７、φ１８、φ１９、φ１１０はそれぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０の内側の径（直径）、φ１１１は第１面の有効径（直径）、である。φ２１は第２面の有効径（直径）である。

また、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａ，１９ａ，１１０ａ、１１１ａは、輪帯状の非球面である。尚、１１ａは、円形状の非球面であるが、今後便宜的に輪帯状非球面と称することにする。

本発明の対物レンズは、２種類の光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる。集光精度を向上させるため、本発明の対物レンズは両面に非球面を有する。

第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ₁が用いられ、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ₂が用いられる。そして、λ₁は６５５±１５ｎｍの範囲、λ₂は７８５±１５ｎｍの範囲の波長であり、整数Ｍ、Ｎが、
−１６０＜Ｍλ₁−Ｎλ₂＜−１００・・・・（式１）
を満足するとき、前記対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられ、この位相シフタは第１の波長λ₁の光に対して、位相差の絶対値が、０．８｜Ｍ｜λ₁から１．２｜Ｍ｜λ₁の範囲の段差で構成されている。

式１において、「１００」と「１６０」の数値は、λ₁＝６５５ｎｍ、λ₂＝７８５ｎｍとしたときに、その波長差は１３０ｎｍであるので、波長差の略０．８倍と１．２倍に相当するように選んだものである。−１００＜Ｍλ₁−Ｎλ₂＜０の場合でも設計が可能であるが、一つの段差での補正量が小さくなるため、段数を増やす必要があり、段差の加工が困難になるので、現実的でない。一方、Ｍλ₁−Ｎλ₂＜−１６０の場合には、一つの段差での補正量が大き過ぎ、最終の収差量を小さくすることができない。また、Ｍ，Ｎの絶対値が大きいと、一段の段差寸法が大きくなり、加工困難、精度確保困難とういう不都合が生じる。

ここで、式１において、Ｍが−５、Ｎが−４の場合、Ｍλ₁−Ｎλ₂＝−１３５となるので、位相差の絶対値を４λ₁から６λ₁の範囲に設定すればよい。実際には、前記位相シフタの位相差の絶対値が、４．９０λ₁から５．７０λ₁の範囲の段差となるように構成する。

また、式１において、Ｍが７、Ｎが６の場合、Ｍλ₁−Ｎλ₂＝−１２５となるので、位相差の絶対値を５．６λ₁から８．４λ₁の範囲に設定すればよい。実際には、前記位相シフタの位相差の絶対値が、７．００λ₁から８．３０λ₁の範囲の段差となるように構成する。

対物レンズの第１面（使用時に光源側に向けられる面）には、光軸を中心とする輪状の段差部１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０を備える位相シフタが設けられる。

第１の波長λ₁の光では、軸上、軸外の収差が良好な、また第２の波長λ₂の光では、軸外のみ良好に設計された、両面非球面のレンズに対して、段差部１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０は、第１の波長λ₁の光には、収差の劣化を抑えるために僅かに位相差を生じさせ、第２の波長λ₂の光には、収差を低減させるための位相差を生じさせる機能を有する。

具体的には、次のように段差部の形状を決定することで、上記機能を満たす。

第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となり、かつ、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となり、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設計した両面非球面レンズを設計し、この形状（以下この形状を基本形状を称することとする。）に対して、第１面に対して、隣接する輪帯非球面（例えば１１ａと、１２ａなど）の段差部の光軸に平行に測った段差寸法ｄが、第１の波長をλ₁、レンズ材料の波長λ₁での屈折率をｎとして、
４．９０＜｜ｄ・（ｎ−１）／λ₁｜＜５．７０・・・・（式２）
又は
７．００＜｜ｄ・（ｎ−１）／λ₁｜＜８．３０・・・・（式３）
を満足するように設定する。ここで｜〜｜は、〜の絶対値を意味するものとする。

具体的には、基本形状の第１面からの平行移動、及び各輪帯非球面の非球面形状（後述の式２で示す非球面係数）の変更により上記位相差を満足する設計が可能である。
このように設定することで、第１の波長の光に対しては、収差の発生を抑制し、第２の波長の光に対しては、収差の低減を行うことが可能となる。

｜ｄ・（ｎ−１）／λ₁｜が４．９０より小さいと、第２の波長λ₂に対する収差低減の効果が不足となり、また、５．７０より大きくなると、第１の波長λ₁に対する収差の発生の抑制の効果が不足する。

また、各輪帯非球面は次の式４で表すことができる。このとき、段差を設けたことによる光軸方向の段差量は式２における段差部前後のサグ値の差より示される。

また、式４において、ｉは０、２、４、６、８、１０であり、ｊは１、２であり、ｈは光軸からの高さであり、ｚ_jは第ｊ面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さｈの点までの距離であり、ｒ_j、ｋ_j、ａ_i,jは第ｊ面の各係数である。

このように設計することで、段差を設ける前の、第１の波長λ₁に対する軸外収差及び第２の波長λ₂に対する軸外収差の特性が、段差を設けた後も大きくは劣化しない。

上記では、位相シフタを光源側の面に設けることとしたが、反対側の面に設けてもよい。また、両側の面に分けて設けてもよい。

ただし、光源側に設けた場合と、その反対側に設けた場合、また両側に分けて設けた場合で、収差は同程度のレンズが出来るが、光源側に設けるほうが、光線透過率が２〜３％高いことが比較実験で判明した。よって光源側に設けることが望ましい。

図３は本発明の光学装置の一実施例を示す構成図である。図３において、１は光源、２は反射機能を有する光学媒体、３は対物レンズ、５は補助レンズ、６は第１の光ディスク、６ａは第１の光ディスク６の透明基板（以下、第１の透明基板という）、６ｂは第１の光ディスク６の情報記録面（以下、第１の情報記録面という）、７は第２の光ディスク、７ａは第２の光ディスク７の透明基板（以下、第２の透明基板という）、７ｂは第２の光ディスク７の情報記録面（以下、第２の情報記録面という）、９は絞り、１０は受光素子、Ｓ₁は光源１から補助レンズ５の光源側の面（第１面）までの光軸上の距離、Ｓ₂は補助レンズ５の光ディスク側の面（第２面）から対物レンズ３の第１面までの光軸上の距離である。

図３に示す光学装置では、第１の波長λ₁を用いて第１の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ₁と、第２の波長λ₂を用いて第２の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ₂とが、ＮＡ₁＞ＮＡ₂を満たす。

図３において、光源１からの第１の波長λ₁の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第１の情報記録面６ｂに導かれ収束する。図２において、光源１からの第２の波長λ₂の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第２の情報記録面７ｂに導かれ収束する。

第１の情報記録面６ｂによって反射される第１の波長λ₁の光と、第２の情報記録面７ｂによって反射される第２の波長λ₂の光とは、ともに来た光路を戻り光学媒体２により反射されて受光素子１０に受光される。

また、第１の情報記録面６ｂと第２の情報記録面７ｂにはデジタル信号を表すマークが記録されている。このマークにより表される１ピットの寸法が数μｍ以下の場合には精確な記録又は再生を行うために、本発明の光学装置の光学系は回折限界性能を有する。

光源１は、例えばレーザー光源等が挙げられ、第１の光ディスク６がＤＶＤ、第２の光ディスク７がＣＤと仮定すれば、レーザー光源としては例えばＣＤ用に波長７８５ｎｍのレーザー光源、ＤＶＤ用に波長６５５ｎｍのレーザー光源等が挙げられる。なお、光源の波長については、上述した６５５ｎｍ、７８５ｎｍに限定されない。

図３に示す光学装置では、第１の透明基板６ａの厚さｔ₁に対して、第１の波長λ₁の光が第１の情報記録面６ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されており、かつ、第２の透明基板７ａの厚さｔ₂に対して、第２の波長λ₂の光が第２の情報記録面７ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されている。例えば、補助レンズとして、コリメーターレンズを用いる場合、既知の設計手法によりコリメーターレンズをほぼ収差がないように設計し、対物レンズは、無限からの光束に対して収差を最適化することで、上記補助レンズと対物レンズの組合せを満足させられる。

図３に示す光学装置に図１に示されるような対物レンズを用いる場合には、補助レンズ５としてコリメーターレンズを用い、対物レンズ３は、その片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第１の光ディスク６の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定されていることが望ましい。

第１の光ディスク６の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸上球面収差がＲＭＳ値で０．０１λ₁以上であると、位相シフタを設けたときの収差の劣化が大きくなってしまう。

また、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定され、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設定されていることが望ましい。

このように設定すると、位相シフタを設けても、軸外のコマ収差が小さく抑えられる。

また、図３に示す光学装置において、光源１から補助レンズ５の光源１側の面までの光軸上の距離であるＳ₁について、８ｍｍ≦Ｓ₁≦２５ｍｍであることが好ましい。Ｓ₁が８ｍｍ未満であると収差補正が困難となるおそれがあり、Ｓ₁が２５ｍｍ超であると光学装置の小型化が困難となるおそれがある。

また、光学媒体２の例として、例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラー、プリズム等が挙げられる。光学媒体２は必要に応じて設けられ、光学媒体２を設けずに、光源１からの光が直接対物レンズ３に照射されるようにしてもよい。また、光ディスクの情報記録面のデータを受光素子に読み込む手段は図３に示す手段に限定されない。

絞り９は開口数（ＮＡ）を変化させる機能を有する。絞り９を設ける理由は、記録又は再生の際、第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが異なる場合、絞り９により開口数を調整するためである。第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが同じである場合には絞り９は通常不要である。絞り９には、機械的絞り、光学的絞りがあり、特に限定されない。

図３では、補助レンズ５を１個のレンズによって構成しているが、これに限定されず、補助レンズ５をそれぞれ複数個のレンズ群によって構成してもよい。

以上、２種類の光ディスクの記録又は再生について述べたが、これに限定されず、３種類以上の異なる透明基板の厚さの光ディスクを記録又は再生の対象としてもよい。また、本発明における光ディスクは、ＤＶＤ、ＣＤに限定されず、他の種類の光ディスクであってもよい。

図３に示す光学装置では、１つの光源１から、第１の波長λ₁の光及び第２の波長λ₂の光を発光させている。しかし、これに限定されず、第１の波長の光と第２の波長の光の光源を別々に分けてもよい。

補助レンズ５及び対物レンズ３には材料として合成樹脂を通常使用する。しかし、合成樹脂に限定されず、ガラスを用いてもよい。

第１の光ディスク６としてＤＶＤ（ｔ１＝０．６０ｍｍ）を用い、第２の光ディスク７としてＣＤ（ｔ２＝１．２０ｍｍ）を用いることとし、ＣＤ、ＤＶＤの記録又は再生を前提とした図１及び図２に示す対物レンズを製作した。

ＤＶＤの再生又は記録には波長６５５ｎｍのレーザー光源、ＣＤの再生又は記録には波長７８５ｎｍのレーザー光源の使用を前提として、第１の波長を６５５ｎｍ、第２の波長を７８５ｎｍとして、また、ＤＶＤの透明基板は波長６５５ｎｍで屈折率１．５８０を有するものとして、ＣＤの透明基板は波長７８５ｎｍで屈折率１．５７３を有するものとして、設計した。

また、補助レンズにはコリメーターレンズが使用されることを前提に、対物レンズは、無限からの光束に対して収差を補正することとして、設計した。

対物レンズ３の有する非球面の形状は、各輪帯状非球面を含め、前述の式４によって決定した。また、段差は式２を満足するように設定した。

まず、ＤＶＤの軸上球面収差、軸外コマ収差、及びＣＤ用の軸外コマ収差が良好に補正されるように設計を行った。ＣＤ用の軸上の球面収差を補正するようには設計していない。このレンズを基本形状の対物レンズとし、後に示す本発明の対物レンズ実施例と比較するために、その諸特性を以下に示す。

基本形状の対物レンズの仕様、諸数値を表１上段に示す。表１上段において、ｆ₁は波長６５５ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｆ₂は波長７８５ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｄ₁は対物レンズ３の中心厚、ｎ₁は波長６５５ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率、ｎ₂は波長７８５ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率である。

基本形状の対物レンズの第１面の非球面の各係数を表１中段に、また第２面の非球面の各係数を表１下段に示す。以下の表において、Ｅ−０１は１０^-1を意味する。

表２下段において、ｐ₁は波長６５５ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第１の光ディスク６の対物レンズ側の面との距離（作動距離）、ｐ₂は波長７８５ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第２の光ディスク７の対物レンズ側の面との距離（作動距離）である。

図４にＣＤ用光学系の基本形状の対物レンズの軸外波面収差特性を示す。図４において実線はすべての種類の収差を含む波面収差を示す。また、破線は軸外波面収差のうちの軸外コマ収差のみを示す。また図５にＤＶＤ用光学系の基本形状の対物レンズの軸外波面収差特性を示す。実線、破線の意味は図４と同様である。なお、以下の収差特性図においても実線、破線の意味は図４と同様とする。各例についての収差特性図及び後述する表の収差の値はすべて計算値である。

次に、前述の基本形状の対物レンズを位相シフタにより収差を補正した対物レンズの収差特性について説明する。この対物レンズの基本的な仕様は、表１上段に示す基本形状の対物レンズと同様とした。形状は図１及び図２に示すレンズのような形状とし、第１面（光源側に向けられる面）に輪帯状の位相シフタを導入した。

図１に示す、第１輪帯１１ａは、基本形状の対物レンズにおける第１面と同じ非球面係数を持つ面とし、第２輪帯１２ａは、表３に示す非球面係数で表される形状とし、第1輪帯１１ａとの境界は、光軸から０．２１５ｍｍの位置とし、そこに段差１１を設けた。この段差１１の光軸方向の距離は、−６．００μｍで、位相に換算して−４．９５λ₁とした。ここで、段差の距離、及び位相の符号（−）は、当該輪帯が、隣接する内側の輪帯より光源側に移動した面であることを示す。

第３輪帯１３ａは、表４に示す非球面係数で表される形状とし、第２輪帯１２ａとの境界は、光軸から０．４４５ｍｍの位置とし、そこに段差１２を設けた。この段差１２の光軸方向の距離は、−６．００μｍで、位相に換算して−４．９５λ₁とした。

第４輪帯１４ａは、表５に示す非球面係数で表される形状とし、第３輪帯１３ａとの境界は、光軸から０．５８５ｍｍの位置とし、そこに段差１３を設けた。この段差１３の光軸方向の距離は、−６．０４μｍで、位相に換算して−４．９８λ₁とした。

第５輪帯１５ａは、表６に示す非球面係数で表される形状とし、第４輪帯１４ａとの境界は、光軸から０．７３５ｍｍの位置とし、そこに段差１４を設けた。この段差１４の光軸方向の距離は、−６．０８μｍで、位相に換算して−５．０２λ₁とした。

第６輪帯１６ａは、表７に示す非球面係数で表される形状とし、第５輪帯１５ａとの境界は、光軸から０．９００ｍｍの位置とし、そこに段差１５を設けた。この段差１５の光軸方向の距離は、−６．１９μｍで、位相に換算して−５．１１λ₁とした。

第７輪帯１７ａは、表８に示す非球面係数で表される形状とし、第６輪帯１６ａとの境界は、光軸から１．２９０ｍｍの位置とし、そこに段差１６を設けた。この段差１６の光軸方向の距離は、６．４９μｍで、位相に換算して５．３６λ₁とした。

第８輪帯１８ａは、表９に示す非球面係数で表される形状とし、第７輪帯１７ａとの境界は、光軸から１．３９０ｍｍの位置とし、そこに段差１７を設けた。この段差１７の光軸方向の距離は、６．６４μｍで、位相に換算して５．４８λ₁とした。

第９輪帯１９ａは、表１０に示す非球面係数で表される形状とし、第８輪帯１８ａとの境界は、光軸から１．４４０ｍｍの位置とし、そこに段差１８を設けた。この段差１８の光軸方向の距離は、６．７０μｍで、位相に換算して５．５３λ₁とした。

第１０輪帯１１０ａは、表１１に示す非球面係数で表される形状とし、第９輪帯１９ａとの境界は、光軸から１．４９０ｍｍの位置とし、そこに段差１９を設けた。この段差１９の光軸方向の距離は、６．７９μｍで、位相に換算して５．６０λ₁とした。

第１１輪帯１１１ａは、表１２に示す非球面係数で表される形状とし、第１０輪帯１１０ａとの境界は、光軸から１．５３０ｍｍの位置とし、そこに段差１１０を設けた。この段差１１０の光軸方向の距離は、６．８８μｍで、位相に換算して５．６８λ₁とした。

図６に本実施例の対物レンズを用いたＣＤ用光学系の軸外波面収差特性の計算結果を示す。また図７に本実施例の対物レンズを用いたＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性の計算結果を示す。

実施例２の対物レンズを図８及び図９に基づいて説明する。本実施例においても、対物レンズ３の有する非球面の形状は、各輪帯状非球面を含め、前述の式４によって決定した。また、段差は式３を満足するように設定した。

図８及び図９に示す、第１輪帯２１ａは、基本形状の対物レンズにおける第１面と同じ非球面係数を持つ面とし、第２輪帯２２ａは、表１３に示す非球面係数で表される形状とし、第1輪帯２１ａとの境界は、光軸から０．３００ｍｍの位置とし、そこに段差２１を設けた。この段差２１の光軸方向の距離は、＋８．６４μｍで、位相に換算して＋７．１３λ₁とした。ここで、段差の距離、及び位相の符号（＋）は、当該輪帯が、隣接する内側の輪帯より像側に移動した面であることを示す。

第３輪帯２３ａは、表１４に示す非球面係数で表される形状とし、第２輪帯２２ａとの境界は、光軸から０．５５５ｍｍの位置とし、そこに段差２２を設けた。この段差２２の光軸方向の距離は、＋８．７７μｍで、位相に換算して＋７．２４λ₁とした。

第４輪帯２４ａは、表１５に示す非球面係数で表される形状とし、第３輪帯２３ａとの境界は、光軸から０．７４０ｍｍの位置とし、そこに段差２３を設けた。この段差２３の光軸方向の距離は、＋８．８８μｍで、位相に換算して＋７．３３λ₁とした。

第５輪帯２５ａは、表１６に示す非球面係数で表される形状とし、第４輪帯２４ａとの境界は、光軸から０．９５０ｍｍの位置とし、そこに段差２４を設けた。この段差２４の光軸方向の距離は、＋９．０５μｍで、位相に換算して＋７．４７λ₁とした。

第６輪帯２６ａは、表１７に示す非球面係数で表される形状とし、第５輪帯２５ａとの境界は、光軸から１．２６０ｍｍの位置とし、そこに段差２５を設けた。この段差２５の光軸方向の距離は、−９．４２μｍで、位相に換算して−７．７７λ₁とした。ここで、段差の距離、及び位相の符号（−）は、当該輪帯が、隣接する内側の輪帯より光源側に移動した面であることを示す。

第７輪帯２７ａは、表１８に示す非球面係数で表される形状とし、第６輪帯２６ａとの境界は、光軸から１．３８５ｍｍの位置とし、そこに段差２６を設けた。この段差２６の光軸方向の距離は、−９．６７μｍで、位相に換算して−７．９８λ₁とした。

第８輪帯２８ａは、表１９に示す非球面係数で表される形状とし、第７輪帯２７ａとの境界は、光軸から１．４６０ｍｍの位置とし、そこに段差２７を設けた。この段差２７の光軸方向の距離は、−９．８２μｍで、位相に換算して−８．１０λ₁とした。

第９輪帯２９ａは、表２０に示す非球面係数で表される形状とし、第８輪帯２８ａとの境界は、光軸から１．５２０ｍｍの位置とし、そこに段差２８を設けた。この段差２８の光軸方向の距離は、−９．８７μｍで、位相に換算して−８．１４λ₁とした。

図１０に本実施例の対物レンズを用いたＣＤ用光学系の軸外波面収差特性の計算結果を示す。また図１１に本実施例の対物レンズを用いたＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性の計算結果を示す。

本発明の対物レンズの特徴は、レンズの中心部、即ち最も内側の段差１１、２１の内側の面（第１輪帯１１ａ、２１ａ）は、基本形状の対物レンズにおける第１面と同じ非球面係数を持つ面であり、しかもＤＶＤ用光学系に対しては収差が略ゼロになることである。この第１輪帯１１ａ、２１ａの精確な形状は、レンズ干渉計による干渉縞を利用した波面収差測定、あるいは接触式又は非接触式による非球面形状測定により測定することが可能であり、その形状から収差を推定することも可能である。

本発明の対物レンズは、ＣＤ／ＤＶＤ兼用の光ピックアップ装置に用いられる。

本発明の対物レンズの第１実施例を示す断面図である。 光源側から見た場合の図１の対物レンズの正面図である。 本発明の光学装置の一実施例を示す構成図である。 第１実施例における収差補正前のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。 第１実施例における収差補正前のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。 第１実施例における収差補正後のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。 第１実施例における収差補正後のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。 本発明の対物レンズの第２実施例を示す断面図である。 光源側から見た場合の図８の対物レンズの正面図である。 第２実施例における収差補正後のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。 第２実施例における収差補正後のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図である。

符号の説明

１：光源
２：光学媒体
３：対物レンズ
４：光軸
５：補助レンズ
６：第１の光ディスク
６ａ：第１の光ディスク６の透明基板
６ｂ：第１の光ディスク６の情報記録面
７：第２の光ディスク
７ａ：第２の光ディスク７の透明基板
７ｂ：第２の光ディスク７の情報記録面
９：絞り
１０：受光素子
Ｓ１：光源１から補助レンズ５の第１面までの光軸上の距離
Ｓ２：補助レンズ５の第２面から対物レンズ３までの光軸上の距離
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０：光軸を中心とする輪状の段差部
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、１１０ａ、１１１ａ：輪帯状非球面
φ１１、φ１２、φ１３、φ１４、φ１５、φ１６、φ１７、φ１８、φ１９、φ１１０：それぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、１１０の内側の径（直径）
φ１１１：第１面の有効径（直径）
φ１０：第２面の有効径（直径）
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８：光軸を中心とする輪状の段差部
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、２９ａ：輪帯状非球面
φ２１、φ２２、φ２３、φ２４、φ２５、φ２６、φ２７、φ２８：それぞれ段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８の内側の径（直径）
φ２９：第１面の有効径（直径）
φ２０：第２面の有効径（直径）

Claims (10)

1. 異種記録媒体である２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ₁が用いられ、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ₂が用いられる光学系に用いる、両面に非球面を有する対物レンズにおいて、
   λ₁は６５５±１５ｎｍの範囲、λ₂は７８５±１５ｎｍの範囲の波長であり、整数Ｍ、Ｎが、
   −１６０＜Ｍλ₁−Ｎλ₂＜−１００
   を満足するとき、前記対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられ、この位相シフタは第１の波長λ₁の光に対して、位相差の絶対値が、０．８｜Ｍ｜λ₁から１．２｜Ｍ｜λ₁の範囲の段差で構成されていることを特徴とする対物レンズ。
2. 前記Ｍが−５である請求項１記載の対物レンズ。
3. 前記位相シフタの位相差の絶対値が、４．９０λ₁から５．７０λ₁の範囲の段差で構成されている請求項２記載の対物レンズ。
4. 前記Ｍが７である請求項１記載の対物レンズ。
5. 前記位相シフタの位相差の絶対値が、７．００λ₁から８．３０λ₁の範囲の段差で構成されている請求項４記載の対物レンズ。
6. 前記位相シフタを設ける面は、光源側の面であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の対物レンズ。
7. 前記対物レンズが、第１の波長λ₁の光と第２の波長λ₂の光とがともに、補助レンズ、対物レンズを介して光ディスクの情報記録面に集光される光学系に用いられ、補助レンズと、対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定されており、かつ、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定され、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設定されている請求項１〜６の何れかに記載の対物レンズ。
8. 前記補助レンズが、コリメーターレンズである請求項７に記載の対物レンズ。
9. 前記対物レンズが、第１の波長λ₁の光と第２の波長λ₂の光とがともに、対物レンズを介して光ディスクの情報記録面に集光される光学系に用いられ、対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定されており、かつ、第１の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₁〜０．０１λ₁となるように設定され、更に、第２の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に、軸外コマ収差が像高０．０５ｍｍにおいて、ＲＭＳ値で０．００１λ₂〜０．０１λ₂となるように設定されている請求項１〜６の何れかに記載の対物レンズ。
10. 異種記録媒体である２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光が対物レンズによりそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光され、それぞれの情報記録面からの反射光が対物レンズを透過して受光素子に受光される光学装置において、上記対物レンズに請求項１〜９の何れかに記載の対物レンズを用いることを特徴とする光学装置。
    

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