JP2009283134A - 光学素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】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る光学素子であって、回折構造が波長選択性を持ち、加工性及び回折効率を向上させることが可能な光学素子及び光ピックアップ装置を提供する。
【解決手段】本発明の光学素子は、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射する回折構造を有し、各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄが以下の（１）式で与えられ、０．９６×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）…（１）、１つの回折周期内に存在する輪帯の数が、回折周期に応じて異なると共に、通過光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ピックアップ装置用の光学素子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は、複数種類の光ディスク（例えばＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）とＣＤ（コンパクトディスク））間での互換性が要求されている。
また、光ピックアップ装置用の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、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）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の光ディスクに対して、２３〜２５ＧＢ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。
そして、記録密度が互いに異なる高密度光ディスク、ＤＶＤ及びＣＤの３種類、あるいは任意の２種類の光ディスク間で互換性を達成するために用いる光学素子として、特許文献１には、レンズ表面に複数段の階段形状を有する鋸歯形状の凹凸を同心円状に形成してなるホログラム光学素子を用い、ホログラム光学素子を通過する波長が異なる２つの光ビームのうち、一方の光ビームには位相差を付与することにより回折させ、他方の光ビームには実質的に位相差を与えず通過させるといういわゆる波長選択性を利用して、２種類の光ディスク間での互換性を達成する技術が開示されている。
また、特許文献２及び３には、波長選択性を得るための上記ホログラム構造とは目的が異なり、従来よりレンズの加工性の観点から用いられている、回折構造としての鋸歯形状を階段形状で近似させる技術、いわゆるキノフォームの階段近似に関する技術に関して、階段形状の幅等を工夫することで回折効率を高める技術が開示されている。
また、特許文献４には、回折面部の幅を小さくした幅狭部と幅を大きくした幅広部とからなり、幅狭部の階段格子の段数を幅広部の階段格子の段数より少なくした回折光学格子を設けた、波長選択性を有するフレネルレンズに関する技術が開示されている。
特開平９−３０６０１８号公報 特開平５−１５０１０７号公報 特開平７−１１３９０６号公報 特開２００４−７７７２２号公報
上述のように、記録密度が互いに異なる複数種類の光ディスク間で互換性を達成するためには、特許文献１のような波長選択性を得られるような回折構造を光学素子に設けることが好ましいことから、このような回折構造の加工性を高め、また、光束の回折効率を高めるための技術が求められているが、上記特許文献２及び３で想定されている回折構造は波長選択性も持つものではないため、特許文献２及び３に開示された技術をそのままは長選択性を持つ回折構造の設計手法として用いることは困難である。
また、上記特許文献１には、波長選択性を持つ回折構造の加工性や回折効率を高めるための技術は開示されていない。
また、特許文献４に開示された技術は、光軸から離れた加工が困難な領域に形成される幅狭部の形状に関するものであるため、当該領域における回折効率の低下は防止できるものの、光軸に近い領域における回折効率の向上については考慮されておらず、レンズ全体での光量確保は難しいという問題がある。
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、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る光学素子であって、回折構造が波長選択性を持ち、加工性及び回折効率を向上させることが可能な光学素子及び光ピックアップ装置を提供することである。
本明細書においては、情報の記録／再生用の光源として、青紫色半導体レーザや青紫色ＳＨＧレーザを使用する光ディスクを総称して「高密度光ディスク」といい、ＮＡ０．８５の対物光学系により情報の記録／再生を行い、保護層の厚さが０．１ｍｍ程度である規格の光ディスク（例えば、ブルーレイディスク）の他に、ＮＡ０．６５乃至０．６７の対物光学系により情報の記録／再生を行い、保護層の厚さが０．６ｍｍ程度である規格の光ディスク（例えば、ＨＤ ＤＶＤ）も含むものとする。また、このような保護層をその情報記録面上に有する光ディスクの他に、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０の光ディスクも含むものとする。また、本明細書においては、高密度光ディスクには、情報の記録／再生用の光源として、青紫色半導体レーザや青紫色ＳＨＧレーザを使用する光磁気ディスクも含まれるものとする。
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。
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射する回折構造を有し、前記第２光束は前記回折構造で回折作用を受け、前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄが以下の（１）式で与えられ、
０．９６×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）…（１）
ｍ１：正の整数、ｎ１：波長λ１の第１光束に対する光学素子の屈折率
前記回折構造の１つの回折周期内に存在する前記輪帯の数が、回折周期に応じて異なるとと共に、前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする。
但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
請求項１に記載の発明によれば、回折構造が、第１光束に対して回折作用を与えず、第２光束に対して回折作用を与える波長選択性を持つ構成としたことで、光ピックアップ装置の光学系を構成する他の素子（例えば対物レンズ等）に回折構造を設けない構成であっても、十分な光量の確保と収差補正性能を有した互換用光ピックアップ装置を得られる。
また、回折構造の１つの回折周期内に存在する輪帯の数を、回折周期に応じて異なるものとするので、全ての回折周期において輪帯数を同一とする場合と比較して、輪帯幅を選択することができ、加工上の制約から製作不可であった機能を有する光学素子も加工可能となる。
請求項２記載の発明は、光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも波長λ１の第１光束が入射する回折構造を有し、前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄが以下の（２）式で与えられ、
０．９６×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）…（２）
ｍ１：正の整数、ｎ１：波長λ１の第１光束に対する光学素子の屈折率
前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記第１光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯としたとき、隣合う２つの回折周期内に存在する各第１輪帯同士の間に存在する前記輪帯の数が、回折周期に応じて異なると共に、前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、隣合う２つの回折周期内に存在する各第１輪帯同士の間に存在する前記輪帯の数が、回折周期に応じて異なるものとするので、全ての回折周期において輪帯数を同一とする場合と比較して、輪帯幅を選択することができ、加工上の制約から製作不可であった機能を有する光学素子も加工可能となる。
請求項３記載の発明は、光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも１種類の光束が入射する回折構造を有し、前記光束は前記回折構造で回折作用を受け、前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、前記回折構造の１つの回折周期内に存在する前記輪帯の数がＡ１の場合とＡ２（Ａ２≠Ａ１）の場合の少なくとも２種類あり、これらが周期的に混在していることを特徴とする。
但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
請求項３に記載の発明によれば、１つの回折周期内に存在する輪帯の数がＡ１（例えば５つ）の場合とＡ２（Ａ２≠Ａ１、例えば４つ）の場合の少なくとも２種類を、周期的に混在させた形状、例えば、輪帯数が５の回折周期の次に輪帯数が４の回折周期が続くような組み合わせを周期的に繰り返す構成とすることで、回折構造に入射する光束のうち最大の回折効率を持つ回折光の回折次数を適宜調整することが可能となり、レンズ設計の自由度が増大する。
請求項４記載の発明は、請求項３に記載の光学素子において、
前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも１種類の光束が入射する回折構造を有し、前記光束は前記回折構造で回折作用を受け、前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、前記回折構造の複数の回折周期のうち、光軸に垂直な方向の周期幅が最も小さい回折周期の周期幅をＬ、当該回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯、前記第１輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ、当該回折周期内に存在する前記輪帯の数をＫとしたとき、以下の（３）式を満たすことを特徴とする光学素子。
１／Ｋ＜ΔL／Ｌ≦１／（Ｋ−１）…（３）
但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
請求項５に記載の発明によれば、第１輪帯の光軸に垂直な方向の幅ΔＬを他の輪帯の幅と比較して大きくすることにより、平型の切削工具により金型を加工する場合、第１輪帯に対応する箇所において切削工具を光軸方向に移動させ、所定量彫り込んだ時点で第１輪帯の光学面に対応する箇所を成形するためにスライド移動させるためのスペースを確保することができ、第１輪帯が加工可能となる。また、上記ΔＬを広げるために、１つの回折周期内に形成する輪帯の数を減らす場合と比較して、光量の低下を抑制することができる。
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の光学素子において、
前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１、２、４及び６のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅を、光軸に近い側より順にＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｉと規定した場合に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞・・・＞Ｔｉであることを特徴とする。
但し、ｉは自然数。
請求項８記載の発明は、請求項７に記載の光学素子において、
前記回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｔｉが各輪帯の光軸からの高さをｈとして、
Ｔｉ∝[ｄ（ΣＣ2iｈ2i）／ｄｈ]-1であることを特徴とする。
但し、Ｃ2iは光路差関数の係数。
請求項９記載の発明は、請求項１、２、４、６、７及び８のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折周期Ａは、前記回折構造の複数の回折周期のうち最も光軸に近いものであることを特徴とする。
回折構造は、この構造により透過波面に付加される光路差で表されるものであり、この光路差は、ｈ（ｍｍ）を光軸に垂直な方向の高さ、Ｃ2iを光路差関数係数とするとき、光路差関数φ＝ΣＣ2iｈ2iで表される（ｉは自然数）。また、位相関数ｐ＝２π／λ×φの関係が成立する。
そして、回折構造を構成する複数の回折周期のうち光軸に近い回折周期については、上記位相関数ｐはｐ≒Ｃ2ｈ2、つまりｈの２次関数で近似することができる。
図４中の線Ｌ１は、ｐ≒Ｃ2ｈ2とした場合の位相関数を表すグラフであり、線Ｌ２は光軸に近い回折周期（輪帯数５つ）によって光束に付与される位相差を表すものである。グラフの縦軸は位相差、横軸はｈを表しており、符号Ｔは輪帯の光軸垂直方向の幅、符号Ｐはピッチを表している。
図４に示すように、各輪帯で付与される実際の位相差が位相関数と一致している場合には、この回折構造を通過する光束の回折効率を高くすることができる。
請求項７のように、回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅を、光軸に近い側より順にＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｉと規定した場合に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞・・・＞Ｔｉとしたり、あるいは、請求項８のように、回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｔｉが各輪帯の光軸からの高さをｈとして、Ｔｉ∝[ｄ（ΣＣ2iｈ2i）
／ｄｈ]-1とすることにより、近軸に近い回折周期において、各輪帯の幅がｈに反比例し
て小さくなり、各輪帯の幅を全て等しく設定する場合と比較して回折効率を高めることができる。
また、通常、最も近軸に近い回折周期の幅が、他の回折周期と比較して大きく、この回折周期を通過する光が全体の光に対して寄与度が大きい。そこで、請求項９のように、回折周期Ａを複数の回折周期のうち最も光軸に近い回折周期とすることで、各輪帯の幅の分布を最もＴ∝１／ｈに近づけることが可能となり、実際に付与される位相差と位相関数とのずれを小さくすることができる。
請求項１０記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、
１つの前記回折周期内において、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ１、他の輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔL´
と規定した場合に、ΔＬ´＜ΔＬ１＜２ΔＬ´を満たすような回折周期が前記回折構造内に少なくとも２つは存在することを特徴とする。
回折構造を構成する複数の回折周期のうち光軸から離れた回折周期については、図５に示すように、上記位相関数ｐはｈの１次関数で近似することができる。
図５（ａ）中の線Ｌ３は、ｐ≒αｈとした場合（αは定数）の光路差関数を表すグラフであり、線Ｌ４は光軸から遠い回折周期（輪帯数５つ）によって光束に付与される位相差を表すものである。
図５（ａ）に示すように、各輪帯で付与される実際の位相差が光路差関数と一致している場合には、この回折構造を通過する光束の回折効率を高くすることができる。
隣り合う輪帯の光軸に平行な方向の高さが透過する光に対して常に位相を付与しない値であれば（つまり透過する光の効率は保った状態では）、回折する光に対しては、図５（ｂ）に示すように、上記図５（ａ）と同一ピッチで４輪帯構成として４輪帯全てを等幅にする方が、図５（ｃ）に示すように、３輪帯を等輪帯幅、最上輪帯を２輪帯分の幅にするよりも、効率は高くなる。
なお、上記特許文献４に開示された技術は、図５（ｄ）に示すように、図５（ｃ）に示した４輪帯構成で最上輪帯の輪帯の高さを変えることで、透過する光の効率を多少犠牲にしつつ、光軸から離れた領域での回折光の効率を上げたものである。
しかし、図５（ｂ）〜（ｄ）に示したような４輪帯構成の回折周期は図５（ａ）に示したような５輪帯の理想的な構造よりは回折効率は下がる。
そこで、図５（ｅ）に示すように、１つの回折周期内において、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ１、他の輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔL´と規定した場合に、ΔＬ´＜ΔＬ１＜２ΔＬ´を満たすよ
うな回折周期を回折構造内に少なくとも２つ存在させることで、光軸に近い領域においても回折効率を向上させることができる。
請求項１１記載の発明は、請求項５に記載の光学素子において、
１つの前記回折周期内において、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ１、他の輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔL´と規
定した場合に、ΔＬ１＜ΔＬ´を満たすような輪帯と、ΔＬ１＝ΔＬ´を満たすような輪帯とが混在することを特徴とする。
上述のように、光路差関数に沿って光路差を与えるように各輪帯の幅を設定することにより最も高い回折効率を得られるが、回折構造の加工上、各輪帯幅が加工バイトの幅より小さい場合、特に最上輪帯（通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯）の輪帯幅が加工バイトより小さい場合には製作不可能となる。従って最上輪帯の輪帯幅を常に所定の幅より大きくする必要がある。しかし通常光軸に近い領域ではピッチは大きく理想的な回折形状では最上輪帯の幅は所定の幅より十分に大きい。
１回折周期内において最も大きい光路長を与える輪帯が他の輪帯より光軸から遠い場合には、光軸に回折周期では位相関数に従う理想形状のΔＬ１＜ΔＬ´となり、光軸から離れた回折周期で位相関数がｈに比例し且つ加工上問題がなければ、全ての輪帯幅が等幅のΔＬ１＝ΔＬ´となる。
逆に、１回折周期内において最も大きい光路長を与える輪帯が他の輪帯より光軸に近い場合には、光軸から離れた回折周期で位相関数がｈに比例し且つ加工上問題がなければ全ての輪帯幅が等幅のΔＬ１＝ΔＬ´となるが、より光軸から遠い回折周期であって全ての輪帯を等幅に設定すると加工不可であるような回折周期ではΔＬ１＜ΔＬ´となるのがよい。
請求項１２記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、
前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項１２に記載の光学素子において、
前記回折構造は、前記第１光束の０次回折光に対してその構造が最適化されていることを特徴とする。
請求項１４記載の発明は、請求項１，２，１２のいずれか一項に記載の光学素子において、
６２０ｎｍ≦λ１≦６９０ｎｍ
７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
ｍ１＝１
を満たし、
前記回折構造が、６つの輪帯の数で構成される回折周期を少なくとも１つ有することを特徴とする。
請求項１５記載の発明は、請求項１４に記載の光学素子において、
前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、これら回折効率が７５％〜１００％の範囲内であることを特徴とする。
請求項１６記載の発明は、請求項１４又は１５に記載の光学素子において、
０．００１２ｍｍ≦ｄ≦０．００１４ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
請求項１７記載の発明は、請求項１，２，１２のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造には更に波長λ３の第３光束が入射し、
３７０ｎｍ≦λ１≦４４０ｎｍ
７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
６２０ｎｍ≦λ３≦６９０ｎｍ
ｍ１＝５
を満たし、
前記回折構造が、２つの輪帯の数で構成される回折周期を少なくとも１つ有することを特徴とする。
請求項１８記載の発明は、請求項１７に記載の光学素子において、
前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ３の第３光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、波長λ１の光束と波長λ３の光束に関する回折効率が７５％〜１００％の範囲内であり、波長λ２光束に関する回折効率が３０％〜１００％の範囲内であることを特徴とする。
請求項１９記載の発明は、請求項１７又は１８に記載の光学素子において、
０．００７６ｍｍ≦ｄ≦０．００８６ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
請求項２０記載の発明は、請求項５に記載の光学素子において、
０．００５ｍｍ≦ΔＬ≦０．０１５ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
請求項２１記載の発明は、請求項３，５，２０のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造には、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射し、
前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする。
請求項２２記載の発明は、請求項２１に記載の光学素子において、
前記回折構造は、前記第２光束の０次回折光に対してその構造が最適化されていることを特徴とする。
請求項２３記載の発明は、請求項３，５，２０〜２２のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造に入射して回折作用を受ける前記光束の波長が、７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
請求項２４記載の発明は、請求項３，５，２０〜２２のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造に入射して回折作用を受ける前記光束の波長が、６２０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
請求項２５記載の発明は、請求項３，５，２０〜２４のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造には、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射し、前記第２光束が前記回折構造により回折作用を受け、
前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする。
請求項２６記載の発明は、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記光学素子が、ｄ線でのアッベ数が４０〜６０の範囲内の材料から形成されていることを特徴とする。
請求項２７記載の発明は、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造において、波長λ１の光束の入射方向に対する、隣合う輪帯の光学面を継ぐ面角度αは、
０°≦α≦１０°
を満たすことを特徴とする。
回折効率は回折構造に入射する光束の入射角に依存する。隣合う輪帯の光学面を継ぐ面は光線の入射方向に平行であることが望ましい。しかしながら、回折構造に収束光や発散光が入射した場合、光軸からの高さに従って入射方向が異なり、全ての輪帯において平行であるためには輪帯毎に輪帯の光学面を継ぐ面の角度を変える必要がある。そこで、加工性の観点からは全輪帯において輪帯の光学面を継ぐ面の角度が一定であっても回折効率が低下しない形状として、請求項２７記載の発明のように、波長λ１の光束の入射方向に対する、隣合う輪帯の光学面を継ぐ面角度α（図３（ｂ）を参照）を上記範囲内とすることが望ましい。
請求項２８記載の発明は、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記回折構造が形成されていない状態における前記光学素子の前記各輪帯の光学面の曲率をＲ、前記対物レンズに入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ１としたとき、
−１．５ｍｍ≦ｆ１／Ｒ≦１．５ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
光軸から同じ高さにおける、回折構造が設けられていない状態の面の法線角と輪帯の光学面の法線角との差が大きくなると波面収差が劣化するという問題がある。しかし、金型加工の観点からは、輪帯の光学面の法線角が全輪帯で一定となるような形状であるのが望ましい。請求項２８記載の発明のように、回折構造が設けられていない状態の面の曲率を緩くすることで、回折効率の低下が少なく、また、刃面の角の角度がほぼ９０°の平型切削工具を光軸に対して垂直に動かすのみで輪帯を加工することができる。
請求項２９記載の発明は、請求項２８に記載の光学素子において、
前記輪帯の光学面が平面であることを特徴とする。
回折効率は回折構造に入射する光束の入射角に依存する。隣合う輪帯の光学面を継ぐ面は光線の入射方向に平行であることが望ましい。しかしながら、回折構造に収束光や発散光が入射した場合、光軸からの高さに従って入射方向が異なり、最適化のためには輪帯に応じて輪帯の光学面を継ぐ面の角度を変える必要がある。そこで、加工性の観点からは全輪帯において輪帯の光学面を継ぐ面の角度が一定であっても回折効率が低下しない形状として、請求項２９記載の発明のように、輪帯の光学面を平面とすることが望ましい。
請求項３０記載の発明は、請求項２８又は２９に記載の光学素子において、
前記各輪帯の光学面の法線に対して入射する波長λ１の光束の入射角度が０°〜１０°の範囲内であることを特徴とする。
請求項３０のように、輪帯の光学面の曲率が緩く（光軸に対してほぼ垂直）、且つ光束の入射角度が各輪帯の光学面の法線角に対して０°〜１０°であれば、隣合う輪帯の光学面を継ぐ面は輪帯面に垂直であるのが望ましく、刃面の角の角度がほぼ９０°の平型切削工具を光軸に対して垂直に動かすのみで輪帯を加工することができる。
請求項３１記載の発明は、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記光学素子が、前記光ピックアップ装置の光学系を構成する対物レンズであることを特徴とする。
請求項３２記載の発明は、請求項３１に記載の光学素子において、
前記対物レンズに入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ２としたとき、
０．８ｍｍ≦ｆ２≦４．０ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
請求項３３記載の発明は、請求項３１又は３２に記載の光学素子において、
前記光学素子が２つのレンズから構成されており、前記各レンズの光学面を光源側から順にＳ１面、Ｓ２面、Ｓ３面、Ｓ４面と規定したとき、Ｓ１面、Ｓ２面及びＳ４面の少なくとも１面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする。
請求項３４記載の発明は、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記光学素子が、前記光ピックアップ装置の光学系を構成するコリメートレンズであることを特徴とする。
コリメートレンズは、光ピックアップ装置に使用される光学素子の中で比較的その光学面に入射する光の角度が小さく且つ光学面の曲率が緩いため、請求項３４に記載のように、コリメートレンズは本発明に係る回折構造を備える光学素子として適している。
請求項３５記載の発明は、請求項３４に記載の光学素子において、
前記光学素子に入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ３としたとき、
１５．０ｍｍ≦ｆ３≦２５．０ｍｍ
を満たすことを特徴とする。
請求項３６記載の発明は、請求項３４又は３５に記載の光学素子において、
前記回折構造が、前記光学素子の光源側の光学面に形成されることを特徴とする。
請求項３７記載の発明は、請求項１〜３６のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造に入射すると共に当該回折構造から回折作用を受けない光束の波長をλ４と規定し、
前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄを以下の（４）式で規定したとき、
０．９６×ｍ４×λ４／（ｎ４−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ４×λ４／（ｎ４−１）…（４）
ｍ４：正の整数、ｎ４：波長λ４の光束に対する光学素子の屈折率
前記回折構造の回折周期に応じてｍ４が異なる輪帯が存在することを特徴とする。
請求項３８記載の発明は、請求項１〜３７のいずれか一項に記載の光学素子において、前記光学素子が、ｄ線におけるアッベ数が互いに異なる材料Ａと材料Ｂとを光軸方向に積層して構成され、前記材料Ａと前記材料Ｂとの境界面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする。
請求項３９記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造には更に波長λ３の第３光束が入射し、
３７０ｎｍ≦λ１≦４４０ｎｍ
７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
６２０ｎｍ≦λ３≦６９０ｎｍ
を満たし、
前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ３の第３光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、波長λ１、λ２及びλ３の光束に関する回折効率が６０％〜１００％の範囲内であることを特徴とする。
請求項４０記載の発明は、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の光学素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、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る光学素子であって、回折構造が波長選択性を持ち、加工性及び回折効率を向上させることが可能な光学素子及び光ピックアップ装置を得られる。
光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。 回折構造を示す平面図である。 回折構造を示す拡大図である。 位相関数と位相差との関係を示すグラフである。 位相関数と位相差との関係を示すグラフである。
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図１は、ＡＯＤ（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。ＡＯＤの光学的仕様は、波長λ１＝４０７ｎｍ、保護層（保護基板）ＰＬ１の厚さｔ１＝０．６ｍｍ、開口数ＮＡ１＝０．６５であり、ＤＶＤの光学的仕様は、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、波長λ３＝７８５ｎｍ、保護層ＰＬ３の厚さｔ３＝１．２ｍｍ、開口数ＮＡ３＝０．５１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。また、第１光ディスクとして、保護層ＰＬ１の厚さｔ１が０．１ｍｍ程度の高密度光ディスクを用いても良い。
光ピックアップ装置ＰＵは、ＡＯＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され４０７ｎｍのレーザ光束（第１光束）を射出する青紫色半導体レーザＬＤ１（第１光源）、第１光束用の光検出器ＰＤ１、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され６５５ｎｍのレーザ光束（第２光束）を射出する赤色半導体レーザＬＤ２（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のレーザ光束（第３光束）を射出する赤外半導体レーザＬＤ３（第３光源）とが一体化された光源ユニットＬＵ２３、第２光束及び第３光束共通の光検出器ＰＤ２３、第１光束のみが通過する第１コリメータＬ１、第２光束及び第３光束が通過する第２コリメータＬ２（本発明の光学素子）、各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対物光学素子ＯＢＪ、第１ビームスプリッターＢＳ１、第２ビームスプリッターＢＳ２、第３ビームスプリッターＢＳ３、絞りＳＴＯ、センサーレンズＳＥＮ１及びＳＥＮ２等から構成されている。
なお、詳しい説明は後述するが、第２コリメータＬ２の光学面上には、第２光束と第３光束のうち、第２光束には実質的に位相差を付与せず、第３光束には実質的に位相差を付与することで回折作用を与える回折構造が形成されている。また、対物光学素子ＯＢＪの光学面には回折構造が形成されておらず、光学面が屈折面で構成されている。
光ピックアップ装置ＰＵにおいて、ＡＯＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図１において実線でその光線経路を描いたように、まず、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、第１ビームスプリッターＢＳ１を通過し、第１コリメータＬ１に至る。
そして、第１コリメータＬ１を透過する際に第１光束は平行光束に変換され、第２ビームスプリッターＢＳ２を通過して、対物光学素子ＯＢＪに至る。
そして、対物光学素子ＯＢＪの屈折面で屈折作用を与え、第１光束をＡＯＤの保護層ＰＬ１を介して情報記録面ＲＬ１上に集光させることでスポットを形成する。
そして、対物光学素子ＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ（図示せず）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、再び対物光学素子ＯＢＪ、第２ビームスプリッターＢＳ２、第１コリメータＬ１を通過し、第１ビームスプリッターＢＳ１で分岐され、センサーレンズＳＥＮ１により非点収差が与えられて、光検出器ＰＤ１の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ１の出力信号を用いてＡＯＤに記録された情報を読み取ることができる。
また、ＤＶＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図１において一点鎖線でその光線経路を描いたように、まず、赤色半導体レーザＬＤ２を発光させる。赤色半導体レーザＬＤ２から射出された発散光束は、第３ビームスプリッターＢＳ３を通過し、第２コリメータＬ２に至る。
そして、第２コリメータＬ２を透過する際に平行光束に変換され、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射して、対物光学素子ＯＢＪに至る。
そして、対物光学素子ＯＢＪの屈折面で屈折作用を与え、第２光束をＤＶＤの保護層ＰＬ２を介して情報記録面ＲＬ２上に集光させることでスポットを形成する。
そして、対物光学素子ＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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、再び対物光学素子ＯＢＪ、第２ビームスプリッターＢＳ２、第２コリメータＬ２を通過し、第３ビームスプリッターＢＳ３で分岐され、光検出器ＰＤ２３の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ２３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、ＣＤに対して情報の記録／再生を行う場合には、図１において点線でその光線経路を描いたように、まず、赤外半導体レーザＬＤ３を発光させる。赤外半導体レーザＬＤ３から射出された発散光束は、第３ビームスプリッターＢＳ３を通過して、第２コリメータＬ２に至る。
そして、第２コリメータＬ２を透過する際に回折構造から回折作用を受けることにより生じる第３光束の所定次数の回折光は、入射時点の発散角度よりも小さい発散角度に変換され、第２コリメータＬ２から出射される。
第２コリメータＬ２から発散光として出射された第３光束は、第２ビームスプリッターＢＳ２で反射して、対物光学素子ＯＢＪに至る。
そして、対物光学素子ＯＢＪの屈折面で屈折作用を与え、第３光束をＣＤの保護層ＰＬ３を介して情報記録面ＲＬ３上に集光させることでスポットを形成する。この第３集光スポットは、色収差が情報の再生及び又は記録に必要な範囲内に抑えられている。
そして、対物光学素子ＯＢＪは、その周辺に配置された２軸アクチュエータＡＣ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ＲＬ３で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、第２ビームスプリッターＢＳ２、第２コリメータＬ２を通過し、第３ビームスプリッターＢＳ３で分岐され、光検出器ＰＤ２３の受光面上に収束する。そして、光検出器ＰＤ２３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。
次に、第２コリメータＬ２の入射面Ｓ１に形成する回折構造（以下、「回折構造ＨＯＥ」という）について説明する。
回折構造ＨＯＥは、図２に示すように、光軸を中心とする同心円状の輪帯Ｒを各回折周期（Ｇ１〜Ｇ６）中に複数配置した構成となっており、光軸を含む平面における断面が階段形状となっている。
各回折周期Ｇ１〜Ｇ６内において、隣合う２つの輪帯Ｒの光学面Ｆ同士の光軸方向の深さｄ（回折周期Ｇ１を表す図３（ａ）の拡大図を参照）は以下の（１）式で与えられる。
０．９６×ｍ２×λ２／（ｎ２−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ２×λ２／（ｎ２−１）…（１）
ｍ２：正の整数、ｎ２：波長λ２の第２光束に対する光学素子の屈折率
但し、λ２は赤色半導体レーザＬＤ２から射出されるレーザ光束の波長をミクロン単位で表したものである（ここでは、λ２＝０．６５５μｍ）。
また、１つの回折周期内に存在する輪帯Ｒの数は回折周期に応じて異なるようになっている。換言すれば、１つの回折周期内に存在する複数の輪帯Ｒのうち、通過する第２光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯Ｒ１（図３（ａ）を参照）としたとき、隣合う２つの回折周期（例えば、Ｇ１とＧ２）内に存在する各第１輪帯同士の間に存在する輪帯Ｒの数が、回折周期に応じて異なっている（例えば、図２において回折周期Ｇ１とＧ２では各第１輪帯同士の間に存在する輪帯の数は４であり、回折周期Ｇ２とＧ３では各第１輪帯同士の間に存在する輪帯の数は５である。）。
また、回折周期Ｇ１（回折周期Ａ）の第１輪帯Ｒ１以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅は２種類以上の異なる幅で構成されている。
この回折構造ＨＯＥに対して、波長λ２のレーザ光束が入射した場合、隣接する輪帯Ｒ間ではほぼｍ×λ２（μｍ）の光路差が発生し、波長λ２のレーザ光束は実質的に位相差が与えられないので回折されずにそのまま透過する。尚、本明細書では、回折構造ＨＯＥにより実質的に位相差が与えられずにそのまま透過する光束を０次回折光という。
例えばｍ＝５の場合、この回折構造ＨＯＥに対して、赤外半導体レーザＬＤ３から射出される波長λ３（ここでは、λ３＝０．７８５μｍ）のレーザ光束が入射した場合、隣接する輪帯間ではｄ×（ｎ３−１）−２λ３＝０．３８μｍの光路差が生じることになり、１つの回折周期内の輪帯２つ分では、０．３８×２＝０．７６μｍと波長λ３の１波長分の光路差が生じるので、１つの回折周期内を透過した波面がそれぞれ１波長ずれて重なり合うことになる。即ち、この回折構造ＨＯＥにより波長λ３の光束は１次方向に回折される回折光となる。尚、ｎ３は第２コリメータＬ２の波長λ３に対する屈折率である（ここでは、ｎ３＝１．５０３）。このときの波長λ３のレーザ光束の１次回折光の回折効率は、４０．３％となるが、ＤＶＤに対する情報の記録／再生には十分な光量である。
なお、以上は、回折構造ＨＯＥの１つの回折周期内に存在する輪帯Ｒの数が２の場合における回折構造ＨＯＥの波長選択性について説明したが、輪帯Ｒの数が５以外であっても、隣合う２つの輪帯Ｒの光学面Ｆ同士の光軸方向の深さｄが上記（１）式の範囲内であれば、当該回折周期内においても、波長λ２の光束には回折作用を与えず、波長λ３の光束には回折作用を与えることができる。そして、このような回折構造ＨＯＥの波長選択性を利用することで、通過光束の回折効率を高くすることができる。
また、回折構造ＨＯＥの１つの回折周期内に存在する輪帯Ｒの数を、回折周期に応じて異なるものとするので、全ての回折周期において輪帯数を同一（例えば５つ）とする場合と比較して、輪帯数を減らすことができ、光量の低下を抑制できると共に回折構造ＨＯＥを有する第２コリメータＬ２の加工性を向上できる。
また、回折構造ＨＯＥを第２コリメータＬ２に形成することにより、波長λ２と波長λ３の光束に対する対物光学素子ＯＢＪの光学系倍率を異ならしめることで、ＤＶＤとＣＤの保護層ＰＬ２とＰＬ３の厚さの違いに起因する球面収差を補正することができる。
なお、本実施の形態においては、第１コリメータＬ１には第１光束のみが通過するので、上述したような回折構造ＨＯＥの波長選択性を利用する必要は無いが、例えば、第１コリメータＬ１を、第２ビームスプリッターＢＳ２と対物光学素子ＯＢＪの間に配置する場合には、第１コリメータＬ１には第１〜第３光束が通過することになる。この場合には、第１コリメータＬ１に回折構造ＨＯＥを形成し、回折構造ＨＯＥの波長選択性を利用して、第１コリメータでは第２光束に対してのみ回折作用を与え、第１光束及び第３光束には回折作用を与えない構成にすることができる。
以上のように、本実施の形態に示した光ピックアップ装置ＰＵでは、回折構造ＨＯＥが、第２光束に対して回折作用を与えず、第３光束に対して回折作用を与える波長選択性を持つ構成としたことで、対物光学素子ＯＢＪに回折構造を設けない構成であっても、十分な光量の確保と収差補正性能を有した高密度光ディスク／ＤＶＤ／ＣＤの互換用光ピックアップ装置を得られる。
また、第２光源ＬＤ２と第３光源ＬＤ３とがパッケージ化された光源ユニットＬＵ２３を用いることで、光ピックアップ装置ＰＵの光学系を構成する光学素子を第２光束と第３光束とで共通化でき、光ピックアップ装置ＰＵの小型化や部品点数の削減を実現できる。
なお、本実施の形態においては第２コリメータＬ２が波長λ２の光束を平行光として出射し、波長λ３の光束を発散光として出射するものとしたが、これに限らず、第２コリメータＬ２が波長λ２とλ３の光束を共に発散光として出射する構成や、波長λ２の光束を収束光として出射し、波長λ３の光束を発散光として出射する構成であってもよい。
また、第１コリメータＬ１が波長λ１の光束を収束光として出射する構成であってもよい。
また、本実施の形態のように、回折構造ＨＯＥが、１つの回折周期内に存在する輪帯Ｒの数がＡ１（例えば５つ）の場合とＡ２（Ａ２≠Ａ１、例えば４つ）の場合の少なくとも２種類を、周期的に混在させた形状、例えば、輪帯数が５の回折周期の次に輪帯数が４の回折周期が続くような組み合わせを、第２コリメータＬ２の光軸から離れる方向に繰り返す構成とすることで、第２光束と第３光束それぞれの最大の回折効率となる回折次数を適宜調整することが可能となり、レンズ設計の自由度が増大する。
また、図３（ａ）に示すように、回折構造のＨＯＥ複数の回折周期のうち、光軸に垂直な方向の周期幅が最も小さい回折周期の周期幅をＬ、当該回折周期内に存在する複数の輪帯Ｒのうち、通過する光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯、第１輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ、当該回折周期内に存在する前記輪帯の数をＫとしたとき、以下の（３）式を満たすように回折構造を設計することが好ましい。
１／Ｋ＜ΔL／Ｌ≦１／（Ｋ−１）…（３）
これによれば、上記第１輪帯Ｒ１の光軸に垂直な方向の幅ΔＬが、他の輪帯（Ｒ２〜Ｒ５）の光軸に垂直な方向の幅と比較して大きくなる。
通常、回折構造ＨＯＥを有する第２コリメータの成形用金型を製作する際には、金型を彫るための平型切削工具の幅を各輪帯の幅以上に設計し、まず金型の第５輪帯Ｒ５に対応する箇所において平型切削工具を光軸方向に移動させ、所定量彫り込んだ時点で第４輪帯側にスライド移動させることで第５輪帯Ｒ５の光学面に対応する箇所を成形する。次に、第４輪帯Ｒ４に対応する箇所まで平型切削工具を移動させた後、光軸方向に移動させ、所定量彫り込んだ時点で第３輪帯側にスライド移動させることで第４輪帯の光学面に対応する箇所を成形する。このような工程を第３、２輪帯で繰り返し、最後に第１輪帯に対応する箇所を彫り込む。しかし、光学素子によっては、要求される性能を満足させるために、回折周期内の全ての輪帯幅を平型切削工具の幅より大きくすることができない場合がある。ここで、上述のように、第１輪帯Ｒ１の光軸に垂直な方向の幅ΔＬを他の輪帯の幅と比較して大きくすることにより、平型切削工具を第１輪帯に対応する箇所において光軸方向に移動させ、所定量彫り込んだ時点で第１輪帯の光学面に対応する箇所を成形するためにスライド移動させるためのスペースを確保することができ、金型製造作業の作業性を向上することができる。また、金型製造作業の作業性を向上させるために、１つの回折周期内に形成する輪帯の数を減らす場合と比較して、光量の低下を抑制することができる。
なお、第１輪帯の光軸に垂直な方向の幅ΔＬは、０．００５ｍｍ≦ΔＬ≦０．０１５ｍｍの範囲内とすることが好ましい。
また、本実施の形態においては、回折構造ＨＯＥを第２コリメータに設けたが、これに限らず、例えば対物レンズに設けても良い。
また、光ピックアップ装置ＰＵが第１〜第３光束を利用して、ＡＯＤ／ＤＶＤ／ＣＤ間で互換性を有する構成としたが、これに限らず、２種類の光ディスク間で互換性を持つ構成としても良く、この場合、上記光ピックアップ装置ＰＵの構成から、青紫色半導体レーザＬＤ１、第１光束用の光検出器ＰＤ１、第１コリメータＬ１、第１ビームスプリッターＢＳ１、センサーレンズＳＥＮ１及びＳＥＮ２を取り除けばよい。
次に、上記実施の形態で示した光学素子の実施例について説明する。
本実施例では、回折構造ＨＯＥを図１に示したようなコリメータに設け、このコリメータにＤＶＤ用の波長λ１とＣＤ用の波長λ２の２種類の光束が入射する構成となっている。
表１〜表４に各光学素子のレンズデータを示す。
Figure 2009283134
Figure 2009283134
Figure 2009283134
Figure 2009283134
表１に示すように、本実施例のコリメータは、波長λ１＝６５５ｎｍのときの焦点距離ｆ１＝２２．４ｍｍ、倍率ｍ１＝０に設定されており、波長λ２＝７８５ｎｍのときの焦点距離ｆ２＝２９．２ｍｍ、倍率ｍ２＝−１／１．５３に設定されている。
コリメータの入射面は光軸に対して垂直な平面形状で、光軸を中心とした高さｈが０ｍｍ≦ｈ≦１．８５６６９ｍｍの第５面と、１．８５６６９ｍｍ＜ｈの第５´面に区分されており、第５面に回折構造ＨＯＥが形成されている。
コリメータの出射面（第４面）は、次式（数１）に表１に示す係数を代入した数式で規定される、光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
Figure 2009283134
ここで、Ｘ（ｈ）は光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａ2iは非球面係数である。
また、回折構造ＨＯＥは、この構造により透過波面に付加される光路差で表される。かかる光路差は、ｈ（ｍｍ）を光軸に垂直な方向の高さ、Ｂ2iを光路差関数係数、ｎを入射光束の回折光のうち最大の回折効率を有する回折光の回折次数、λ（ｎｍ）を回折構造に入射する光束の波長、λＢ（ｎｍ）を回折構造の製造波長とするとき、次の数２式に表１に示す係数を代入して定義される光路差関数φ（ｈ）（mm）で表される。
Figure 2009283134
 なお、Ｂ2i×ｎ×λ／λＢ＝Ｃ2iの関係が成立する。
表２〜表４は、回折構造ＨＯＥを構成する各輪帯の形状及び位置を表している。
回折構造ＨＯＥを図２及び図３（ａ）を参照して説明すると、表２中の、「周期Ｎｏ.
１〜２３」は回折周期の数を示しており、本実施例では回折周期がＧ１〜Ｇ２３まで計２３周期存在する。また、表２中の、「輪帯Ｎｏ.１〜６」は各回折周期内に存在する輪帯
（最大でＲ１〜Ｒ６の６輪帯）の光学面の開始高さ（光軸に近い側の端部から光軸までの距離）を表す。同様に、表３中の、「輪帯Ｎｏ.１〜６」は各回折周期内に存在する輪帯
（最大でＲ１〜Ｒ６の６輪帯）の光学面の終了高さ（光軸から遠い側の端部から光軸までの距離）を表す。また、表４は、第５面に対する各輪帯の光学面の光軸と平行な方向の深さ（光軸方向の位置）を、第５面から突出する方向を正として表している。
回折周期Ｇ１〜Ｇ１０は、上記光路差関数に沿って位相差が付与されるようにその輪帯幅が設定されており、回折周期Ｇ１１〜Ｇ１５は、各輪帯幅が等しくなるように設定されており、回折周期Ｇ１６〜Ｇ２３は、最上段の輪帯（通過する光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯）のみが輪帯幅８μｍに設定されており、他の輪帯は輪帯幅が等しくなるように設定されている。
Ｒ 輪帯
ＨＯＥ 回折構造
Ｌ２ 第２コリメータ
ＯＢＪ 対物光学素子
ＰＵ 光ピックアップ装置

Claims (40)

  1. 光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射する回折構造を有し、前記第２光束は前記回折構造で回折作用を受け、
    前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、
    前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄが以下の（１）式で与えられ、
    ０．９６×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）…（１）
    ｍ１：正の整数、ｎ１：波長λ１の第１光束に対する光学素子の屈折率
    前記回折構造の１つの回折周期内に存在する前記輪帯の数が、回折周期に応じて異なるとと共に、
    前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする光学素子。
    但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
  2. 光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも波長λ１の第１光束が入射する回折構造を有し、
    前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、
    前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄが以下の（２）式で与えられ、
    ０．９６×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ１×λ１／（ｎ１−１）…（２）
    ｍ１：正の整数、ｎ１：波長λ１の第１光束に対する光学素子の屈折率
    前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記第１光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯としたとき、
    隣合う２つの回折周期内に存在する各第１輪帯同士の間に存在する前記輪帯の数が、回折周期に応じて異なると共に、
    前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする光学素子。
  3. 光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも１種類の光束が入射する回折構造を有し、前記光束は前記回折構造で回折作用を受け、
    前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、
    前記回折構造の１つの回折周期内に存在する前記輪帯の数がＡ１の場合とＡ２（Ａ２≠Ａ１）の場合の少なくとも２種類あり、これらが周期的に混在していることを特徴とする光学素子。
    但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
  4. 前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
  5. 光ピックアップ装置に使用される光学素子であって、前記光ピックアップ装置使用時に、少なくとも１種類の光束が入射する回折構造を有し、前記光束は前記回折構造で回折作用を受け、
    前記回折構造は、光軸を中心とする複数の輪帯より形成されると共に光軸を含む平面における断面形状が階段形状である回折周期が、光軸を中心とした輪帯状に周期的に形成され、
    前記回折構造の複数の回折周期のうち、光軸に垂直な方向の周期幅が最も小さい回折周期の周期幅をＬ、当該回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯を第１輪帯、前記第１輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ、当該回折周期内に存在する前記輪帯の数をＫとしたとき、以下の（３）式を満たすことを特徴とする光学素子。
    １／Ｋ＜ΔL／Ｌ≦１／（Ｋ−１）…（３）
    但し、「回折作用を受ける」とは、前記回折構造において光束が実質的に位相差を付与されずに透過する場合を含まない。
  6. 前記回折構造の１つの回折周期内に存在する複数の前記輪帯のうち、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯以外の各輪帯の光軸に垂直な方向の幅が、２種類以上の異なる幅で構成されている回折周期Ａが存在することを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
  7. 前記回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅を、光軸に近い側より順にＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｉと規定した場合に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞・・・＞Ｔｉであることを特徴とする請求項１、２、４及び６のいずれか一項に記載の光学素子。
    但し、ｉは自然数。
  8. 前記回折周期Ａ内に存在する各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｔｉが各輪帯の光軸からの高さをｈとして、
    Ｔｉ∝[ｄ（ΣＣ2iｈ2i）／ｄｈ]-1であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
    但し、Ｃ2iは光路差関数の係数。
  9. 前記回折周期Ａは、前記回折構造の複数の回折周期のうち最も光軸に近いものであることを特徴とする請求項１、２、４、６、７及び８のいずれか一項に記載の光学素子。
  10. １つの前記回折周期内において、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ１、他の輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔL´
    と規定した場合に、ΔＬ´＜ΔＬ１＜２ΔＬ´を満たすような回折周期が前記回折構造内に少なくとも２つは存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  11. １つの前記回折周期内において、通過する前記光束に対して最も大きい光路長を付与する輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔＬ１、他の輪帯の光軸に垂直な方向の幅をΔL´と規
    定した場合に、ΔＬ１＜ΔＬ´を満たすような輪帯と、ΔＬ１＝ΔＬ´を満たすような輪帯とが混在することを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
  12. 前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  13. 前記回折構造は、前記第１光束の０次回折光に対してその構造が最適化されていることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
  14. ６２０ｎｍ≦λ１≦６９０ｎｍ
    ７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
    ｍ１＝１
    を満たし、
    前記回折構造が、６つの輪帯の数で構成される回折周期を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１，２，１２のいずれか一項に記載の光学素子。
  15. 前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、これら回折効率が７５％〜１００％の範囲内であることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子。
  16. ０．００１２ｍｍ≦ｄ≦０．００１４ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光学素子。
  17. 前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造には更に波長λ３の第３光束が入射し、
    ３７０ｎｍ≦λ１≦４４０ｎｍ
    ７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
    ６２０ｎｍ≦λ３≦６９０ｎｍ
    ｍ１＝５
    を満たし、
    前記回折構造が、２つの輪帯の数で構成される回折周期を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１，２，１２のいずれか一項に記載の光学素子。
  18. 前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ３の第３光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、波長λ１の光束と波長λ３の光束に関する回折効率が７５％〜１００％の範囲内であり、波長λ２光束に関する回折効率が３０％〜１００％の範囲内であることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子。
  19. ０．００７６ｍｍ≦ｄ≦０．００８６ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の光学素子。
  20. ０．００５ｍｍ≦ΔＬ≦０．０１５ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
  21. 前記回折構造には、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射し、
    前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする請求項３，５，２０のいずれか一項に記載の光学素子。
  22. 前記回折構造は、前記第２光束の０次回折光に対してその構造が最適化されていることを特徴とする請求項２１に記載の光学素子。
  23. 前記回折構造に入射して回折作用を受ける前記光束の波長が、７５０ｎｍ〜８２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３，５，２０〜２２のいずれか一項に記載の光学素子。
  24. 前記回折構造に入射して回折作用を受ける前記光束の波長が、６２０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３，５，２０〜２２のいずれか一項に記載の光学素子。
  25. 前記回折構造には、少なくとも波長λ１の第１光束と波長λ２の第２光束とが入射し、前記第２光束が前記回折構造により回折作用を受け、
    前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有することを特徴とする請求項３，５，２０〜２４のいずれか一項に記載の光学素子。
  26. 前記光学素子が、ｄ線でのアッベ数が４０〜６０の範囲内の材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか一項に記載の光学素子。
  27. 前記回折構造において、波長λ１の光束の入射方向に対する、隣合う輪帯の光学面を継ぐ面角度αは、
    ０°≦α≦１０°
    を満たすことを特徴とする請求項１〜２６のいずれか一項に記載の光学素子。
  28. 前記回折構造が形成されていない状態における前記光学素子の前記各輪帯の光学面の曲率をＲ、前記対物レンズに入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ１としたとき、
    −１．５ｍｍ≦ｆ１／Ｒ≦１．５ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項１〜２７のいずれか一項に記載の光学素子。
  29. 前記輪帯の光学面が平面であることを特徴とする請求項２８に記載の光学素子。
  30. 前記各輪帯の光学面の法線に対して入射する波長λ１の光束の入射角度が０°〜１０°の範囲内であることを特徴とする請求項２８又は２９に記載の光学素子。
  31. 前記光学素子が、前記光ピックアップ装置の光学系を構成する対物レンズであることを特徴とする請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光学素子。
  32. 前記対物レンズに入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ２としたとき、
    ０．８ｍｍ≦ｆ２≦４．０ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項３１に記載の光学素子。
  33. 前記光学素子が２つのレンズから構成されており、前記各レンズの光学面を光源側から順にＳ１面、Ｓ２面、Ｓ３面、Ｓ４面と規定したとき、Ｓ１面、Ｓ２面及びＳ４面の少なくとも１面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の光学素子。
  34. 前記光学素子が、前記光ピックアップ装置の光学系を構成するコリメートレンズであることを特徴とする請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光学素子。
  35. 前記光学素子に入射する光束のうち最も波長が短い光束に対する焦点距離をｆ３としたとき、
    １５．０ｍｍ≦ｆ３≦２５．０ｍｍ
    を満たすことを特徴とする請求項３４に記載の光学素子。
  36. 前記回折構造が、前記光学素子の光源側の光学面に形成されることを特徴とする請求項３４又は３５に記載の光学素子。
  37. 前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造に入射すると共に当該回折構造から回折作用を受けない光束の波長をλ４と規定し、
    前記回折構造の各回折周期内において、隣合う２つの輪帯の光学面同士の光軸方向の深さｄを以下の（４）式で規定したとき、
    ０．９６×ｍ４×λ４／（ｎ４−１）≦ｄ≦１．０４×ｍ４×λ４／（ｎ４−１）…（４）
    ｍ４：正の整数、ｎ４：波長λ４の光束に対する光学素子の屈折率
    前記回折構造の回折周期に応じてｍ４が異なる輪帯が存在することを特徴とする請求項１〜３６のいずれか一項に記載の光学素子。
  38. 前記光学素子が、ｄ線におけるアッベ数が互いに異なる材料Ａと材料Ｂとを光軸方向に積層して構成され、
    前記材料Ａと前記材料Ｂとの境界面に前記回折構造が形成されていることを特徴とする請求項１〜３７のいずれか一項に記載の光学素子。
  39. 前記光ピックアップ装置使用時に、前記回折構造には更に波長λ３の第３光束が入射し、
    ３７０ｎｍ≦λ１≦４４０ｎｍ
    ７５０ｎｍ≦λ２≦８２０ｎｍ
    ６２０ｎｍ≦λ３≦６９０ｎｍ
    を満たし、
    前記波長λ１の第１光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ２の第２光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次回折光が最大の回折効率を有し、前記波長λ３の第３光束が入射した場合に前記回折構造により生じる回折光のうち、０次以外の回折光が最大の回折効率を有し、波長λ１、λ２及びλ３の光束に関する回折効率が６０％〜１００％の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  40. 請求項１〜３９のいずれか一項に記載の光学素子を備えることを特徴とする光ピックアップ装置。
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