JP2011187119A - 対物レンズ、光ピックアップ及び光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変動による球面収差の低減を実現しつつ、共通の一の対物レンズを用いて３波長の光ビームを信号記録面に集光可能な光ピックアップに用いられる対物レンズを提供する。
【解決手段】対物レンズ３４における光ビームが入射される入射側の面の回折部５０が、最内周部に設けられた第１の領域５１と、第１の領域５１の外側に設けられた第２の領域５２と、第２の領域５３の外側に設けられた第３の領域５３とを有し、λ１の光ビームが第１乃至第３の領域５１〜５３に相当する開口径となり、λ２の光ビームが第１及び第２の領域５１、５２に相当する開口径となり、λ３の光ビームが第１の領域５１に相当する開口径となるように形成され、第１の領域５１には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造５１１と、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造５１２が重畳されている。
【選択図】 図８

Description

本発明は、異なる３種類の光ディスクに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップに用いられる対物レンズ、並びに光ピックアップ及びこの光ピックアップを用いた光ディスク装置に関する。

近年、次世代光ディスクフォーマットとして、青紫色半導体レーザによる波長４０５ｎｍ程度の光ビームを用いて信号の記録再生を行う高密度記録が可能な光ディスク（以下、「高密度記録光ディスク」という。）が提案されている。この高密度記録光ディスクは、信号記録層を保護するカバー層の厚さを薄く、例えば０．１ｍｍとした構造のものが提案されている。

これらの高密度記録光ディスクに対応する光ピックアップを提供するに際して、従来の光ディスクとの互換性を有することが望まれる。すなわち、従来の使用波長が７８５ｎｍ付近であるＣＤ（Compact Disc）、使用波長が６５５ｎｍ付近であるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等のフォーマットの異なる光ディスクとの互換性を有するものが望まれる。このように、ディスク構造及びこれに伴うレーザ仕様が異なるフォーマットの光ディスク間の互換性を有する光ピックアップ及び光ディスク装置が必要とされる。

従来、異なるフォーマットとされた３種類の光ディスクに対して、情報信号の記録又は再生を実現する方法として、２種類の対物レンズを有するものがあった。具体的には、ＤＶＤ・ＣＤ用、及び、高密度記録光ディスク用の２種類の対物レンズと２種類の光学系を設け、それぞれの対物レンズを使用波長毎に切り換える方式の光ピックアップがある。

これに対して、特許文献１には、光学部品の簡素化を可能とするため複数種類の光ディスク及び３種類の使用波長に対して共通の単一の対物レンズを備える光ピックアップが記載されている。特許文献１に記載された光ピックアップでは、光路上に回折部を設け、この回折部により拡散方向又は収束方向に回折作用を加えることで、使用波長とメディアの組み合わせによって生じる球面収差を補正するというものである。

特開２００９−２４５５７５号公報

特許文献１に記載された光ピックアップでは、温度や波長の変動によらず良好な記録再生特性を実現しつつ、共通の一の対物レンズを用いて３波長の光ビームを信号記録面に集光可能であるが、更に温度変動による球面収差の低減が望まれる。

本発明は、この実情に鑑みて提案されたもので、温度変動による球面収差の低減を実現しつつ、共通の一の対物レンズを用いて３波長の光ビームを信号記録面に集光可能な光ピックアップに用いられる対物レンズを提供することを目的とする。また、この対物レンズが組み込まれた光ピックアップ及び光ディスク装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明に係る対物レンズは、少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して対応する光ディスクの信号記録面上に集光する対物レンズであって、光ビームが入射される入射側の面に所定の回折構造を有する回折部を備え、回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、第１乃至第３の領域は、λ１の光ビームが第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、λ２の光ビームが第１及び第２の領域に相当する開口径となり、λ３の光ビームが第１の領域に相当する開口径となるように形成され、第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳されている。深さｄは、当該対物レンズの構成材料のλ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、少なくとも階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。

また、本発明に係る光ピックアップは、少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームが入射される対物レンズと、３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームの光路上に配置される光学素子又は対物レンズの一方の面に設けられ、３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して対物レンズにより対応する光ディスクの信号記録面上に集光させる回折部とを備え、回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、第１乃至第３の領域は、λ１の光ビームが第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、λ２の光ビームが第１及び第２の領域に相当する開口径となり、λ３の光ビームが第１の領域に相当する開口径となるように形成され、第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳されている。深さｄは、当該対物レンズの構成材料のλ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、少なくとも上記階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。

また、本発明に係る光ディスク装置は、回転駆動される複数種類の光ディスクに対し波長を異にする複数の光ビームを選択的に照射することにより情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップを備え、光ピックアップは、少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームが入射される対物レンズと、３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームの光路上に配置される光学素子又は対物レンズの一方の面に設けられ、３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して対物レンズにより対応する光ディスクの信号記録面上に集光させる回折部とを備え、回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、第１乃至第３の領域は、λ１の光ビームが第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、λ２の光ビームが第１及び第２の領域に相当する開口径となり、λ３の光ビームが第１の領域に相当する開口径となるように形成され、第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳されている。深さｄは、当該対物レンズの構成材料のλ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、少なくとも階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。

本発明は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域において、各波長の所定の次数の回折光が光ディスクの信号記録面に集光するように回折する階段状周期構造と、深さｄの段差構造とが重畳されている。この段差構造は、各波長の略整数倍であるため、設計中心において各波長の波面収差状態にほとんど影響を与えないで、温度変化による球面収差量を相殺するように、Ｋ_ｍの比例係数で決定されるｄの段差がレンズ中心を基準として外周方向に形成されている。

このようにして、本発明は、全波長の光ビームが入射する第１の領域で、段差構造により、温度変動による球面収差の低減を実現しつつ、階段状周期構造により、各波長の所定の次数の回折光が光ディスクの信号記録面に集光するように回折することができる。

以上のようにして、本発明は、回折部により３種類の光ディスクに対して、共通の一の対物レンズを用いてそれぞれ対応する光ビームを信号記録面に適切に集光することを可能とする。また、本発明は、回折部による不要回折光が温度や波長の変動により増大してサーボが不安定となることを防止する。これにより、本発明は、記録再生特性の劣化を防止して、良好な記録再生特性を実現することができる。

本発明を適用した光ディスク装置を示すブロック回路図である。 本発明を適用した光ピックアップの光学系を示す光路図である。 図２に示す光ピックアップを構成する回折部の機能を説明するための図である。（Ａ）は、例えば、第１の光ディスクに対して第１の波長の光ビームの＋１次回折光を発生させた場合の光ビームを示すための図である。（Ｂ）は、例えば、第２の光ディスクに対して第２の波長の光ビームの−２次回折光を発生させた場合の光ビームを示すための図である。（Ｃ）は、例えば、第３の光ディスクに対して第３の波長の光ビームの−３次回折光を発生させた場合の光ビームを示すための図である。 本発明が適用された対物レンズの構成について説明するための図である。（Ａ）は、対物レンズの平面図であり、（Ｂ）は、対物レンズの断面図である。 回折部に係る回折構造について説明するための図である。（Ａ）は、階段状周期構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、ブレーズ形状を示す断面図である。 回折構造における高さと位相差との対応関係について説明するための図である。 温度変動に応じた球面収差の変化について説明するための図である。（Ａ）は、温度変動時の球面収差量ＳＡ＿６５を示すグラフであり、（Ｂ）は、コリメータレンズの移動によって生じる球面収差量ＳＡ＿Ｃを示すグラフであり、（Ｃ）は、コリメータレンズの動作に応じて相殺された球面収差量ＳＡ＿ＣＡＮを示すグラフである。 第１の領域に重畳される段差構造について説明するための図である。（Ａ）は、階段状周期構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、階段状周期構造と段差構造とが重畳された回折部を示す断面図である。 ピストン段に応じた球面収差量の変化について説明するための図である。（Ａ）は、ピストン段導入時の基準温度の波面状態を示すグラフであり、（Ｂ）は、ピストン段導入時で、基準温度から＋３０℃温度変動したときの波面状態を示すグラフである。 各ピストン段毎に非球面係数を調整したときの球面収差量の変化について説明するための図である。（Ａ）は、非球面係数調整前の離散的な波面状態を示すグラフであり、（Ｂ）は、非球面係数調整後の波面状態を示すグラフである。 第２の領域に重畳される段差構造について説明するための図である。（Ａ）は、階段状周期構造を示す断面図であり、（Ｂ）は、階段状周期構造と段差構造とが重畳された回折部を示す断面図である。 導入されるピストン段の数に応じたコリメータレンズ４２でＳＡ３を補正した際の全球面収差量の変化について説明するための図である。

以下、発明を実施するための最良の形態を以下の順で説明する。
１．光ディスク装置の全体構成
２．光ピックアップの全体構成
３．対物レンズについて

〔１．光ディスク装置の全体構成〕
以下、本発明が適用された光ピックアップを用いた光ディスク装置について、図面を参照して説明する。

本発明が適用された光ディスク装置１は、図１に示すように、光ディスク２から情報記録再生を行う光ピックアップ３と、光ディスク２を回転操作する駆動手段としてのスピンドルモータ４とを備える。また、光ディスク装置１は、光ピックアップ３を光ディスク２の径方向に移動させる送りモータ５を備えている。

この光ディスク装置１は、フォーマットの異なる３種類の光ディスク及び記録層が積層化された光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行うことができる３規格間互換性を実現した光ディスク装置である。

ここで用いられる光ディスクは、例えば、発光波長が７８５ｎｍ程度の半導体レーザを用いたＣＤ(Compact Disc）、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（ReWritable）等の光ディスクである。また、ここで用いられる光ディスクは、発光波長を６５５ｎｍ程度の半導体レーザを用いたＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ−Ｒ（Recordable）、ＤＶＤ−ＲＷ（ReWritable）、ＤＶＤ＋ＲＷ（ReWritable）等の光ディスクである。さらに、ここで用いられる光ディスクは、さらに発光波長が短い４０５ｎｍ程度（青紫色）の半導体レーザを用いた高密度記録が可能なＢＤ（Blu-ray Disc（登録商標））等の高密度記録光ディスクである。

特に、以下で光ディスク装置１により情報の再生又は記録を行う３種類の光ディスク２として、以下の第１乃至第３の光ディスク１１，１２，１３を用いるものとして説明する。第１の光ディスク１１は、０．１ｍｍ程度の第１の厚さで形成された保護層を有し波長４０５ｎｍ程度の光ビームを記録再生光として使用する高密度記録が可能な上述したＢＤ等の光ディスクである。尚、この第１の光ディスク１１には、記録層が単層である光ディスク（カバー層厚さ：１００μｍ）や、記録層が２層である所謂２層光ディスクがあるが、更に、多くの記録層を有していても良い。２層光ディスクの場合は、記録層Ｌ０のカバー層厚さが１００μｍ程度とされ、記録層Ｌ１のカバー層厚さが７５μｍ程度とされている。第２の光ディスク１２は、０．６ｍｍ程度の第２の厚さで形成された保護層を有し波長６５５ｎｍ程度の光ビームを記録再生光として使用するＤＶＤ等の光ディスクである。なお、この光ディスクにおいても、複数の記録層を設けても良い。第３の光ディスク１３は、１．１ｍｍ程度の第３の厚さで形成された保護層を有し波長７８５ｎｍ程度の光ビームを記録再生光として使用するＣＤ等の光ディスク１３である。

光ディスク装置１において、スピンドルモータ４及び送りモータ５は、ディスク種類判別手段ともなるシステムコントローラ７からの指令に基づいて制御されるサーボ制御部９によりディスク種類に応じて駆動制御されている。スピンドルモータ４及び送りモータ５は、例えば、第１の光ディスク１１、第２の光ディスク１２、第３の光ディスク１３に応じて所定の回転数で駆動される。

光ピックアップ３は、３波長互換光学系を有する光ピックアップであり、規格の異なる光ディスクの記録層に対して異なる波長の光ビームを保護層側から照射するとともに、この光ビームの記録層における反射光を検出する。光ピックアップ３は、検出した反射光から各光ビームに対応する信号を出力する。

光ディスク装置１は、光ピックアップ３から出力された信号に基づいてフォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号、ＲＦ信号等を生成するプリアンプ１４を備える。また、光ディスク装置１は、プリアンプ１４からの信号を復調し又は外部コンピュータ１７等からの信号を変調するための信号変復調器及びエラー訂正符号ブロック（以下、信号変復調器＆ＥＣＣブロックと記す。）１５を備える。また、光ディスク装置１は、インターフェース１６と、Ｄ／Ａ，Ａ／Ｄ変換器１８と、オーディオ・ビジュアル処理部１９と、オーディオ・ビジュアル信号入出力部２０とを備える。

このプリアンプ１４は、光検出器からの出力に基づいて、非点収差法等によってフォーカスエラー信号を生成し、また、３ビーム法、ＤＰＤ法、ＤＰＰ法等によってトラッキングエラー信号を生成する。また、プリアンプ１４は、更にＲＦ信号を生成し、ＲＦ信号を、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５に出力する。また、プリアンプ１４は、フォーカスエラー信号とトラッキングエラー信号とをサーボ制御部９に出力する。

信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、第１の光ディスクに対して、データの記録を行うとき、インターフェース１６又はＤ／Ａ，Ａ／Ｄ変換器１８から入力されたディジタル信号に対して、以下の処理を行う。すなわち、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、第１の光ディスク１１に対してデータを記録するとき、入力されたディジタル信号に対して、ＬＤＣ−ＥＣＣ及びＢＩＳ等のエラー訂正方式によってエラー訂正処理を行う。信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、次いで、１−７ＰＰ方式等の変調処理を行う。また、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、第２の光ディスク１２に対してデータを記録するとき、ＰＣ（Product Code）等のエラー訂正方式に従ってエラー訂正処理を行い、次いで、８−１６変調等の変調処理を行う。更に、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、第３の光ディスク１３に対してデータを記録するとき、ＣＩＲＣ等のエラー訂正方式によってエラー訂正処理を行い、次いで、８−１４変調処理等の変調処理を行う。そして、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、変調されたデータをレーザ制御部２１に出力する。更に、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、各光ディスクの再生を行うとき、プリアンプ１４から入力されたＲＦ信号に基づいて、変調方式に応じた復調処理を行う。更に、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、エラー訂正処理を行って、インターフェース１６又はデータをＤ／Ａ，Ａ／Ｄ変換器１８に出力する。

なお、データ圧縮してデータ記録するときには、圧縮伸長部を信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５とインターフェース１６又はＤ／Ａ，Ａ／Ｄ変換器１８との間に設けても良い。この場合、データは、ＭＰＥＧ２やＭＰＥＧ４といった方式でデータが圧縮される。

サーボ制御部９は、プリアンプ１４からフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号が入力される。サーボ制御部９は、フォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号が０となるようなフォーカスサーボ信号やトラッキングサーボ信号を生成し、これらのサーボ信号に基づいて、対物レンズを駆動する２軸アクチュエータ等の対物レンズ駆動部を駆動制御する。また、プリアンプ１４からの出力より、同期信号等を検出して、ＣＬＶ（Constant Linear Velocity）やＣＡＶ（Constant Angular Velocity）、更にはこれらの組み合わせの方式等で、スピンドルモータをサーボ制御する。

レーザ制御部２１は、光ピックアップ３のレーザ光源を制御する。特に、この具体例では、レーザ制御部２１は、記録モード時と再生モード時とでレーザ光源の出力パワーを異ならせる制御を行っている。また、光ディスク２の種類に応じてもレーザ光源の出力パワーを異ならせる制御を行っている。レーザ制御部２１は、ディスク種類判別部２２によって検出された光ディスク２の種類に応じて光ピックアップ３のレーザ光源を切り換えている。

ディスク種類判別部２２は、第１〜第３の光ディスク１１，１２，１３の間の表面反射率、形状的及び外形的な違い等から反射光量の変化を検出し光ディスク２の異なるフォーマットを検出することができる。

光ディスク装置１を構成する各ブロックは、ディスク種類判別部２２における検出結果に応じて、装着される光ディスク２の仕様に基づく信号処理ができるように構成されている。

システムコントローラ７は、ディスク種類判別部２２で判別された光ディスク２の種類に応じて装置全体を制御する。また、システムコントローラ７は、ユーザからの操作入力に応じて、光ディスク最内周にあるプリマスタードピットやグルーブ等に記録されたアドレス情報や目録情報（Table Of Contents；ＴＯＣ）に基づいて、各部を制御する。すなわち、システムコントローラ７は、上述の情報に基づいて、記録再生を行う光ディスクの記録位置や再生位置を特定し、特定した位置に基づいて、各部を制御する。

以上のように構成された光ディスク装置１は、スピンドルモータ４によって、光ディスク２を回転操作する。そして、光ディスク装置１は、サーボ制御部９からの制御信号に応じて送りモータ５を駆動制御し、光ピックアップ３を光ディスク２の所望の記録トラックに対応する位置に移動することで、光ディスク２に対して情報の記録再生を行う。

具体的には、光ディスク装置１により記録再生するときには、サーボ制御部９は、ＣＡＶやＣＬＶやこれらの組み合わせで光ディスク２を回転する。光ピックアップ３は、光源から光ビームを照射して光検出器により光ディスク２からの戻りの光ビームを検出し、フォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号を生成する。また、光ピックアップ３は、これらフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号に基づいて対物レンズ駆動機構により対物レンズを駆動してフォーカスサーボ及びトラッキングサーボを行う。

また、光ディスク装置１により記録する際には、外部コンピュータ１７からの信号がインターフェース１６を介して信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５に入力される。信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５は、インターフェース１６又はＡ／Ｄ変換器１８から入力されたディジタルデータに対して上述したような所定のエラー訂正符号を付加し、更に所定の変調処理を行った後に記録信号を生成する。レーザ制御部２１は、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５で生成された記録信号に基づいて、光ピックアップ３のレーザ光源を制御して、所定の光ディスクに記録する。

また、光ディスク２に記録された情報を光ディスク装置１により再生する際には、光検出器で検出された信号に対して、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５が復調処理を行う。信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５により復調された記録信号がコンピュータのデータストレージ用であれば、インターフェース１６を介して外部コンピュータ１７に出力される。これにより、外部コンピュータ１７は、光ディスク２に記録された信号に基づいて動作することができる。また、信号変復調器＆ＥＣＣブロック１５により復調された記録信号がオーディオビジュアル用であれば、Ｄ／Ａ変換器１８でデジタルアナログ変換され、オーディオ・ビジュアル処理部１９に供給される。そしてオーディオ・ビジュアル処理部１９でオーディオビジュアル処理が行われ、オーディオ・ビジュアル信号入出力部２０を介して、図示しない外部のスピーカやモニターに出力される。

ここで、上述した光ディスク装置１に用いられる記録再生用光ピックアップ３等について詳しく説明する。

〔２．光ピックアップの全体構成〕
次に、上述した光ディスク装置１に用いられる本発明を適用した光ピックアップ３について説明する。この光ピックアップ３は、上述したように、保護層の厚さ等のフォーマットが異なる３種類の第１乃至第３の光ディスク１１，１２，１３から任意に選択された光ディスクに対し波長を異にする複数の光ビームを選択的に照射する。そして、この光ピックアップ３は、３種類の光ディスクのそれぞれに対して情報信号の記録及び／又は再生を行う３波長互換を実現する光ピックアップである。それとともに、この光ピックアップ３は、光利用効率を高めること、不要光入射を低減させること、作動距離と焦点距離を適切にすること、製造の観点から有利な構成とすること等を実現するものである。

本発明を適用した光ピックアップ３は、図２に示すように、第１の波長の光ビームを出射する第１の出射部を有する第１の光源部３１を備える。また、光ピックアップ３は、第１の波長より長い第２の波長の光ビームを出射する第２の出射部を有する第２の光源部３２を備える。また、光ピックアップ３は、第２の波長より長い第３の波長の光ビームを出射する第３の出射部を有する第３の光源部３３を備える。また、光ピックアップ３は、この第１乃至第３の出射部から出射された光ビームを光ディスク２の信号記録面上に集光する集光光学デバイスとして機能する対物レンズ３４を備える。

また、光ピックアップ３は、第２及び第３の出射部と対物レンズ３４との間に設けられる第１のビームスプリッタ３６を有する。この第１のビームスプリッタ３６は、第２の出射部から出射された第２の波長の光ビームの光路と第３の出射部から出射された第３の波長の光ビームの光路とを合成する光路合成手段として機能する。また、光ピックアップ３は、第１のビームスプリッタ３６と対物レンズ３４との間に設けられる第２のビームスプリッタ３７を有する。この第２のビームスプリッタ３７は、第１のビームスプリッタ３６で光路を合成された第２及び第３の波長の光ビームの光路と、第１の出射部から出射された第１の波長の光ビームの光路とを合成する光路合成手段として機能する。また、光ピックアップ３は、第２のビームスプリッタ３７と対物レンズ３４との間に設けられる第３のビームスプリッタ３８を有する。この第３のビームスプリッタ３８は、第２のビームスプリッタ３７で光路を合成された第１乃至第３の波長の光ビームの往路の光路と、光ディスクで反射された第１乃至第３の波長の光ビームの戻り（以下、「復路」ともいう。）の光路とを分離する光路分離手段として機能する。

さらに、光ピックアップ３は、第１の光源部３１の第１の出射部と第２のビームスプリッタ３７との間に設けられる第１のグレーティング３９を有する。この第１のグレーティング３９は、第１の出射部から出射された第１の波長の光ビームをトラッキングエラー信号等の検出のために３ビームに回折する。また、光ピックアップ３は、第２の光源部３２の第２の出射部と第１のビームスプリッタ３６との間に設けられる第２のグレーティング４０を有する。この第２のグレーティング４０は、第２の出射部から出射された第２の波長の光ビームをトラッキングエラー信号等の検出のために３ビームに回折する。また、光ピックアップ３は、第３の光源部３３の第３の出射部と第１のビームスプリッタ３６との間に設けられる第３のグレーティング４１を有する。この第３のグレーティング４１は、第３の出射部から出射された第３の波長の光ビームをトラッキングエラー信号等の検出のために３ビームに回折する。

また、光ピックアップ３は、第３のビームスプリッタ３８と対物レンズ３４との間に設けられるコリメータレンズ４２を有する。このコリメータレンズ４２は、第３のビームスプリッタ３８で光路を合成された第１乃至第３の波長の光ビームの発散角を変換して略平行光の状態又は略平行光に対して拡散若しくは収束した状態となるように調整して出射させる発散角変換手段として機能する。また、光ピックアップ３は、コリメータレンズ４２と対物レンズ３４との間に設けられ、コリメータレンズ４２に発散角を調整された第１乃至第３の波長の光ビームに１／４波長の位相差を与える１／４波長板４３を有する。また、光ピックアップ３は、対物レンズ３４と１／４波長板４３との間に設けられる立ち上げミラー４４を有する。立ち上げミラー４４は、対物レンズ３４の光軸に略直交する平面内で上述した光学部品を経由された光ビームを反射して立ち上げることにより対物レンズ３４の光軸方向に光ビームを出射させる。

さらに、光ピックアップ３は、第３のビームスプリッタ３８で往路の第１乃至第３の波長の光ビームの光路から分離された復路の第１乃至第３の波長の光ビームを受光して検出する光検出器４５を有する。また、光ピックアップ３は、第３のビームスプリッタ３８と光検出器４５との間に設けられるマルチレンズ４６を有する。このマルチレンズ４６は、第３のビームスプリッタ３８で分離された復路の第１乃至第３の波長の光ビームを光検出器４５のフォトディテクタ等の受光面に集光させるとともにフォーカスエラー信号等の検出のための非点収差を付与する。

第１の光源部３１は、第１の光ディスク１１に対して４０５ｎｍ程度の第１の波長の光ビームを出射する第１の出射部を有する。第２の光源部３２は、第２の光ディスク１２に対して６５５ｎｍ程度の第２の波長の光ビームを出射する第２の出射部を有する。第３の光源部３３は、７８５ｎｍ程度の第３の光ディスクに対して第３の波長の光ビームを出射する第３の出射部を有する。尚、ここでは、第１乃至第３の出射部をそれぞれ別々の光源部３１，３２，３３に配置するように構成したが、これに限られるものではない。例えば、第１乃至第３の出射部の内２つの出射部を有する光源部と、残りの１つの出射部を有する光源部とを異なる位置に配置するように構成してもよい。さらに例えば、第１乃至第３の出射部を略同一位置に有する光源部となるように構成してもよい。

対物レンズ３４は、入射した第１乃至第３の波長の光ビームを光ディスク２の信号記録面上に集光させる。この対物レンズ３４は、図示しない２軸アクチュエータ等の対物レンズ駆動機構によって移動自在に保持されている。そして、この対物レンズ３４は、光検出器４５で検出された光ディスク２からの戻り光のＲＦ信号により生成されたトラッキングエラー信号及びフォーカスエラー信号に基づいて、２軸アクチュエータ等により移動操作される。これにより対物レンズ３４は、光ディスク２に近接離間する方向及び光ディスク２の径方向の２軸方向へ移動される。よって、対物レンズ３４は、第１乃至第３の出射部から出射される光ビームが光ディスク２の信号記録面上で常に焦点が合うように、この光ビームを集束するとともに、この集束された光ビームを光ディスク２の信号記録面上に形成された記録トラックに追従させる。尚、後述のように回折部５０を対物レンズとは別体の光学素子（回折光学素子３５Ｂ）に設ける場合がある。この場合には、対物レンズ３４Ｂが保持される対物レンズ駆動機構のレンズホルダに、この対物レンズ３４Ｂと一体となるように後述の回折光学素子３５Ｂを保持するように構成されることになる。そして、かかる構成により、対物レンズ３４Ｂのトラッキング方向への移動等の視野振りの際にも回折光学素子３５Ｂに設けた回折部５０の後述の作用効果を適切に発揮することができる。

また、対物レンズ３４は、その一方の面として例えば、入射側の面に複数の回折領域からなる回折部５０が設けられている。対物レンズ３４は、この回折部５０により、複数の回折領域毎に通過する第１乃至第３の波長の光ビームのそれぞれを所定の次数となるように回折する。対物レンズ３４の回折部５０は、所定の発散角を有する拡散状態又は収束状態の光ビームとして対物レンズ３４に入射させるのと同様の状態とできる。すなわち、回折部５０は、この単一の対物レンズ３４を用いて第１乃至第３の波長の光ビームをそれぞれに対応する３種類の光ディスクの信号記録面に球面収差を発生しないように適切に集光することを可能とする。回折部５０を有する対物レンズ３４は、基準となる屈折力を発生させるレンズ面形状を基準として回折力を発生させる回折構造が形成されている。回折部５０を有する対物レンズ３４は、かかる構成により、３つの異なる波長の光ビームをそれぞれに対応する光ディスクの信号記録面に球面収差を発生しないように適切に集光する集光光学デバイスとして機能する。また、このように対物レンズ３４は、屈折素子の機能と回折素子の機能を兼ね備えており、すなわち、レンズ曲面による屈折機能と、一方の面に設けられた回折部５０による回折機能とを兼ね備えるものである。

ここで、回折部５０の回折機能について概念的に説明するために、回折部５０が屈折力を有する対物レンズ３４Ｂと別体の回折光学素子３５Ｂに設けられているものとして説明する。屈折機能のみを有する対物レンズ３４Ｂとともに用いられる回折光学素子３５Ｂは、例えば、図３（Ａ）に示すように、回折部５０を通過した第１の波長の光ビームＢＢ０を＋１次回折光ＢＢ１となるように回折して対物レンズ３４Ｂに入射させる。すなわち、回折部５０を有する回折光学素子３５Ｂは、所定の発散角を有する拡散状態の光ビームとして対物レンズ３４Ｂに入射させることで、第１の光ディスク１１の信号記録面に適切に集光させる。また、この回折光学素子３５Ｂは、図３（Ｂ）に示すように、回折部５０を通過した第２の波長の光ビームＢＤ０を−２次回折光ＢＤ１となるように回折して対物レンズ３４Ｂに入射させる。すなわち、回折部５０を有する回折光学素子３５Ｂは、所定の発散角を有する収束状態の光ビームとして対物レンズ３４Ｂに入射させることで、第２の光ディスク１２の信号記録面に適切に集光させる。また、この回折光学素子３５Ｂは、図３（Ｃ）に示すように、回折部５０を通過した第３の波長の光ビームＢＣ０を−３次回折光ＢＣ１となるように回折して対物レンズ３４Ｂに入射させる。すなわち、回折部５０を有する回折光学素子３５Ｂは、所定の発散角を有する収束状態の光ビームとして対物レンズ３４Ｂに入射させることで、第３の光ディスク１３の信号記録面に適切に集光させる。このように、回折光学素子３５Ｂの回折部５０は、単一の対物レンズ３４Ｂを用いて３種類の光ディスクの信号記録面に球面収差を発生しないように適切に集光することを可能とする。

なお、ここでは、回折部５０の複数の回折領域において、同じ波長の光ビームを同じ回折次数の回折光とする例について図３を用いて説明したが、これに限られるものでない。本発明を適用した光ピックアップ３を構成する回折部５０は、後述のように、各領域毎に各波長に対する回折次数を設定し、適切な開口制限を行うとともに球面収差を低減するように構成することを可能とする。

以上では、説明のため回折部５０を対物レンズと別体の光学素子に設けた場合を例に挙げて説明したが、ここで説明する対物レンズ３４の一方の面に一体に設けた回折部５０もその回折構造に応じた回折力を付与することで同様の機能を有する。そして、回折部５０の回折力と、対物レンズ３４の基準となるレンズ曲面による屈折力により、各波長の光ビームを対応する光ディスクの信号記録面に球面収差を発生しないように適切に集光することを可能とする。

上述及び以下の回折次数の記載において、入射した光ビームに対して、進行方向に進むにつれて光軸側に近接する方向に回折する次数を正の次数とし、進行方向に進むにつれて光軸から離間する方向に回折する次数を負の次数とする。換言すると、入射した光ビームに対して光軸方向に向かって回折する次数を正の次数とする。

対物レンズ３４と第３のビームスプリッタ３８との間に設けられたコリメータレンズ４２は、第２のビームスプリッタ３７で光路を合成され、第３のビームスプリッタ３８を透過された、第１乃至第３の波長の光ビームの発散角をそれぞれ変換する。かかるコリメータレンズ４２は、各波長の光ビームの発散角を変換して、例えば略平行光の状態として、１／４波長板４３及び対物レンズ３４側に出射させる。例えば、コリメータレンズ４２は、第１の波長の光ビームの発散角を、略平行光の状態として上述した対物レンズ３４に入射させる。それとともに、コリメータレンズ４２は、第２及び第３の波長の光ビームの発散角を、平行光に対してわずかに拡散した発散角の状態（以下、この拡散した状態及び収束した状態のことを「有限系の状態」ともいう。）で対物レンズ３４に入射させる。このように構成することにより、コリメータレンズ４２は、第２又は第３の波長の光ビームの対物レンズ３４を介して第２、第３の光ディスクの信号記録面に集光する際の球面収差を低減してより収差が発生しない３波長互換を実現する。ここでは、第２の光源部３２とコリメータレンズ４２との配置関係、及び／又は、第３の光源部３３とコリメータレンズ４２との配置関係により、この所定の発散角の状態で対物レンズ３４に入射させることを実現できる。その他の構成としては、例えば、複数の出射部を共通の光源部に配置した場合には、第２及び／又は第３の波長の光ビームの発散角のみを変換する素子を設けることで実現してもよい。さらに、コリメータレンズ４２を駆動する手段を設けること等により所定の発散角の状態で対物レンズ３４に入射させることを実現してもよい。また、状況に応じて、第２及び第３の波長の光ビームのうちいずれかを有限系の状態で対物レンズ３４に入射させるように構成して、さらに収差を低減するようにしてもよい。また、第２及び第３の波長の光ビームを有限系で且つ拡散状態で入射させることにより、戻り倍率を調整することを実現することもできる。そして、かかる場合は、戻り倍率の調整によりフォーカス引き込み範囲等をフォーマットに適合させた所望の状態として、さらに良好な光学系の互換性を達成するという効果も有している。

マルチレンズ４６は、例えば、波長選択性のマルチレンズである。マルチレンズ４６には、各光ディスクの信号記録面で反射され、対物レンズ３４、コリメータレンズ４２等を経由して、第３のビームスプリッタ３８で反射されて往路の光ビームより分離された戻りの第１乃至第３の波長の光ビームが入射される。マルチレンズ４６は、かかる光ビームを光検出器４５のフォトディテクタ等の受光面に適切に集光する。このとき、マルチレンズ４６は、フォーカスエラー信号等の検出のための非点収差を戻りの光ビームに付与する。

光検出器４５は、マルチレンズ４６で集光された戻りの光ビームを受光して、情報信号とともに、フォーカスエラー信号及びトラッキングエラー信号等の各種検出信号を検出する。

以上のように構成された光ピックアップ３において、光検出器４５によって得られたフォーカスエラー信号及びトラッキングエラー信号に基づいて、対物レンズ３４が駆動変位される。光ピックアップ３は、対物レンズ３４を駆動変位することで、光ディスク２の信号記録面に対して対物レンズ３４が合焦位置に移動されて、光ビームが光ディスク２の信号記録面に合焦されて、光ディスク２に対して情報の記録又は再生が行われる。

〔３．対物レンズについて〕
次に、本発明が適用された対物レンズ３４の具体的な説明に先立ち、３波長互換対物の入射面の回折域を２つ以上の領域に分け、３波長の互換を実現するための回折部５０に係る構成について、図４を参照して説明する。

まず、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、対物レンズ３４の入射側の面に設けられた回折部５０の基本形状は、下記の（１）式によって決定される。

ここで、ｚは、光軸に平行するサグ量であり、ｈは光軸からの高さを表す。Ｃは曲率であり、曲率半径の逆数である。κはコーニック係数を表し、ａ４、ａ６、ａ８…は、それぞれ非球面係数を表す。またΔｚは、後述する第１の領域５１を基準に取った場合の第１の領域５１からの軸上面間距離を表す。

このような非球面形状の回折部５０は、最内周部に設けられ略円形状の回折領域である第１の領域（以下、「内輪帯」ともいう。）５１を有する。また、回折部５０は、第１の領域５１の外側に設けられ輪帯状の回折領域である第２の領域（以下、「中輪帯」ともいう。）５２を有する。また、回折部５０は、第２の領域５２の外側に設けられ輪帯状の回折領域である第３の領域（以下、「外輪帯」）５３を有する。

ここで、第１の領域５１、第２の領域５２、第３の領域５３は、次のようにして形成されている。すなわち、第１の波長の光ビームの開口径が、第１の領域５１、第２の領域５２、第３の領域５３に相当し、第２の波長の光ビームの開口径が、第１の領域５１、第２の領域５２に相当し、第３の波長の光ビームの開口径が、第１の領域５１に相当するように形成されている。

第１の領域５１、及び、第２の領域５２は、複数の異なる波長の光ビームを、それぞれ所定の次数光に回折するため、図５（Ａ）に示すような、輪帯状で、基準面に対して、複数のステップ数（Ｓ＋１）の段部に傾斜部を組み合わせて凹凸形状とされた単位周期構造５０ａが輪帯の半径方向に連続的に形成された周期構造を有している。

なお、図５（Ａ）では、Ｓ＝３でステップ数を４とし、各段の深さが略同一深さ（Ｈ／４）とされた第１乃至第４の段部ｓ１〜ｓ４からなる階段部が半径方向に周期的に形成された単位周期構造５０ａを示している。

第３の領域５３は、第１の波長の光ビームを所定の次数光に回折するために、例えば図５（Ｂ）に示すようなブレーズ形状ｂ１、ｂ２・・・、ｂｎからなるブレーズ形状周期構造５０ｂによって構成される。

以上ような、非球面に対して与えられる第１の領域５１及び第２の領域５２が有する周期構造による位相差Φは、下記の（２）によって表される。

ここで、ｈは光軸からの高さを示し、ｋは回折次数を示す。λ０は設計波長である。この得られた位相差関数Φに対して形成される回折面形状は、一般的には、図６に示すような高さと位相差との対応関係に基づいて変換することにより、所定の位相差を実現するような回折面の形状へと変換される。

すなわち、図６において、横軸にＭＯＤ（Φ、λ０）をとり、（ここでＭＯＤは剰余を取る関数）そのときの値から高さを一意に決定する。この方法で得られた高さを位相差関数Φと正負を同様として基本形状に足し合わせることにより、所定の位相差を実現するような回折レンズが形成される。ここで、Φが負の値のときは、レンズに対して掘り込み方向の値を示す。

具体例として、第１の領域５１、第２の領域５２、第３の領域５３の回折形状は、下記の表１のように設計したものを用いることができる。

ここで、面番号「２−１」は、第１の領域５１に相当する。面番号「２−２」は、第２の領域５１に相当する。面番号「２−３」は、第１の領域５３に相当する。

このような回折形状を設計したものに対して、回折部５０は、例えば、下記の表２で示したような条件で、非球面形状を設計することで、ＢＤ・ＤＶＤ・ＣＤの各光ディスクへの回折次数の光の光量を確保しつつ、各波長毎に異なる所定の回折次数光が当該対物レンズ３４により信号記録面上に集光することができる。具体的に、このような非球面形状は、最小自乗法などの数値解析手法を用いることで、下記の非球面形状に係る各係数を求めることが可能である。

ここで、面番号「０」は、各波長の光ビームの光源部に相当する。面番号「１」は、各光源部から回折部５０までの光学系に相当する。面番号「２」は、回折部５０に相当する。面番号「３」は、対物レンズ３４の出射面に相当する。面番号「４」は、対物レンズ３４の出射面から各光ディスクの間の媒質である空気に相当する。面番号「５」は、各光ディスクに相当する。

また、Ｒはレンズの曲率半径を示す。「回折次数」において、「１／−２／−３」は、それぞれＢＤ・ＤＶＤ・ＣＤに対応する波長の光ビームを、１次、−２次、−３次に回折することを表し、「０／−１」は、それぞれＢＤ、ＤＶＤに対応する波長の光ビームを、０次、−１次に回折することを表す。

なお、内輪帯に対応する第１の領域５１では、図６で示したような、位相差に対して等間隔な形状ではなく、不等間隔形状や傾斜つき不等間隔形状を採用することによって、さらに不要光影響を低減する構成とするようにしてもよい。加えて実際の回折部に係るレンズ形状では、回折面に対して斜め入射する光を考慮した補正も一般的に行われる。また、外輪帯に対応する第３の領域５３では、製造工程の簡略化を重視する観点から、ブレーズがない単純非球面形状にしてもよい。

以上のような設計条件に基づいて設計された対物レンズ３４において、ＢＤに対応する波長の光ビームを入射したときの温度変化に伴う球面収差量の変化を、下記の表３に示す。

ここで、温度波長係数を０．０５ｎｍ／℃、ｄｎ_１／ｄＴ＝−１１．０×１０^−５としている。また、表３では、設計中心を３５℃として、温度変化の一例として６５℃のときの球面収差量を示している。また、表３中において、「ＳＡ３」は、３次球面収差量を示し、「ＳＡ５」は、３次球面収差量を示し、「ＳＡ７」は、３次球面収差量を示している。また、表３中の「６５℃ＳＡ補正後」では、６５℃における球面収差をコリメータレンズ４２を動かして取り除いた際の収差量を示している。

具体的に、「２−１面との軸上面間距離Δ」に応じた球面収差量を用いて説明する図７（Ａ）に示すような、温度変動時の球面収差量ＳＡ＿６５は、図７（Ｂ）に示すようなコリメータレンズ４２の移動によって生じる球面収差量ＳＡ＿Ｃで、図７（Ｃ）に示すような球面収差量ＳＡ＿ＣＡＮに相殺することができる。この際、球面収差量ＳＡ＿ＣＡＮでは、ＳＡ５やＳＡ７などの高次の項に関しても一部がキャンセルされている。特に球面収差量ＳＡ＿６５において、ＳＡ３と、ＳＡ５やＳＡ７などの高次の球面収差量のバランスが、コリメータレンズ４２移動時のＳＡ３と高次収差のバランスと同等の場合には、球面収差量ＳＡ＿ＣＡＮを、完全に０にすることができる。

このようにして、コリメータレンズ４２の移動によって生じる球面収差量で、温度変動時の球面収差量を相殺することが可能であるが、表３に示すように、表２に係る設計条件に基づいて設計された対物レンズ３４においては、温度変動によって生ずる３次球面収差量が次の比較例と比べて相対的に大きくなる。

比較例として、単にＢＤに対応する波長の光ビームを集光するＢＤ専用の対物レンズは、温度変動によって生じる球面収差が、１００〜１２０ｍλｒｍｓ／３０℃程度のものが用いられている。

このような温度変動によって生じる球面収差は、上述の通りコリメータレンズ４２によってキャンセルすることができるが、球面収差が大きいと、コリメータレンズ４２の駆動量が大きくなり、光ピックアップ３が大型化してしまう。特に薄い４層ディスクや３層ディスクを想定した場合には、コリメータレンズ４２の駆動量が更に大きくなる。また対物レンズ３４への入射倍率が大きく変動すると、レンズチルトさせた際のコマ収差発生量も大きく変動するため、レンズ傾きの調整機構が必要となる。

そこで、温度変動によって生じる球面収差差を低減するため、本願発明が適用された対物レンズ３４は、例えばＢＤに対応する波長の光ビームが入射する第１の領域５１に、非球面レンズ形状に、上述した階段状周期構造に加えて、次のような段差構造が重畳されている。

すなわち、第１の領域５１には、非球面レンズ形状に対して、図８（Ａ）に示すような、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造５１１と、下記の関係式により決定され、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造５１２とのみが、図８（Ｂ）に示すようにして重畳される。

ここで、深さｄは、当該対物レンズ３４の構成材料の上記λ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。

ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、階段状周期構造５１１において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。

また、深さｄは、ＢＤに対応する第１の波長にとって約１０λ、ＤＶＤに対応する第２の波長にとって約６λ、ＣＤに対応する第３の波長にとって約５λとなる深さであり、任意の基準温度で設計した設計中心においては、これらのディスクに対応する各波長の光ビームの波面収差状態にほとんど影響を与えない。以後の実施例では、同一の材料について記しているが、例えば他の材料、ｎ１＝１．５２５，１．５０８，１．５０３であったとしても、本関係性は崩れない。これは屈折率違いよりも波長による違いが大きいためである。

第１の領域５１では、階段状周期構造５１１の各周期の任意の階段形状に対し、任意のＫ_ｍを用いて、深さｄの段差構造５１２の段差（以下、ピストン段５１２ａともいう。）を導入する。ここで、Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、温度変化に伴う球面収差を低減するため、Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍを満たす必要がある。また、少なくとも階段状周期構造５１１の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす必要がある。

Ｋ_ｍについてこのような条件が必要なのは、次のとおりである。まず、図９（Ａ）に示すように、ピストン段５１２ａ導入時の基準温度における「２−１面との軸上面間距離Δ」方向の波面状態には変化がない。これに対して、図９（Ｂ）に示すように、例えば＋３０℃の温度変動が生じた場合、上述したＫ_ｍ−１≦Ｋ_ｍの条件を満たすと、ピストン段５１２ａを０、１、２の数で導入した各第１の領域５１の波面状態ＳＡ＿Ｐ０、ＳＡ＿Ｐ１、ＳＡ＿Ｐ２が、温度変動によって生じるＳＡ３＿６５の波面形状と真逆の波面形状とおおよそ似通った離散波面形状となる。また、ＳＡ３＿６５の波面形状の頂点は、図９（Ｂ）に示すように、おおよそ中輪帯に相当する第２の領域５２にある。このため、内輪帯に相当する第１の領域５１においてはＫ_ｍがｍの変化に対して単調増加となるＫ_ｍ−１≦Ｋ_ｍを満たすことが、球面収差量を低減するのに必要となる。

また、ｄ＜０とは、対物レンズ３４上に形成された回折部５０が、本来の非球面形状に対してレンズ内側に掘り込まれていることを示す。

＜第１の実施例＞
具体例として、上述した図８を参照して、階段状周期構造５１１に対して、ピストン段５１２ａが導入されたときの形状について説明する。

図８中では、Ｋ_１＝０、Ｋ_２＝０、Ｋ_３＝１、Ｋ_４＝１とした。図８（Ａ）に示すように、位相差関数に従って形成された階段状周期構造５１１に、ピストン段５１２ａを導入すると、図８（Ｂ）に示すように、第２周期と第３周期との間に形成されていた凹部５１３が消え、回折階段がさらに下方に形成されることになる。

また、本実施例中にあげている材料でｄを計算すると、おおよそ７３００ｎｍとなるから、第２周期と第３周期との間の段差は、７３００ｎｍ−５０００ｎｍ＝２３００ｎｍとなる。

実際にこの手法に従って、第１の領域５１に対して、下記の表４に示すように、４箇所の深さｄの段差構造を導入するものとする。

ここで、面番号「２−１」に対応する第１の領域５１には、合計で１１個の階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造となっているものとする。そして、２−１−１面乃至２−１−１１面は、それぞれ、第１の領域５１における第１回目乃至第１１回目の階段形状における面パラメータに相当する。

上記のように表４に示す設計条件では、階段状周期構造において、第３周期と第４周期との間、第６周期と第７周期との間、第９周期と第１０周期との間に、それぞれピストン段５１２ａを導入する。

このように、面番号「２−１」に対応する第１の領域５１の階段状周期構造において、ピストン段５１２ａの導入によって深さｄが異なる領域には、異なった非球面係数を定義する必要がある。すなわち、上記の表４に示す設計条件では、第１周期乃至第３周期の領域、第４周期乃至第６周期の領域、第７周期乃至第９周期の領域、及び、第１０周期乃至第１１周期の領域は、互いに深さｄが異なる領域となっているので、それぞれ、異なった非球面係数を定義する必要がある。これは前述のとおり、ピストン段５１２ａの導入によって入射面での波面収差変動が生じないが、対物レンズ３４から光ディスクへの射出面の到達距離が異なってしまうため、階段状周期構造の各周期上での非球面係数を変化させることで補正を行う必要があるためである。すなわち、ピストン段５１２ａの数に応じた球面収差量に対して、ピストン段５１２ａの導入周期ごとに非球面係数を変えることによって、図１０（Ａ）に示すような、「２−１面との軸上面間距離Δ」方向に並んだ離散的な波面状態ＳＡ＿Ｐ０、ＳＡ＿Ｐ１、ＳＡ＿Ｐ２から、図１０（Ｂ）に示すような、ＳＡ３＿６５の形状に近い波面状態ＳＡ＿Ｐ１０、ＳＡ＿Ｐ１１、ＳＡ＿Ｐ１２へと変更する必要があるためである。

この補正処理を条件式として表すのならば、Ｋ_ｍ−１≠Ｋ_ｍのとき、Ａ_ｍ−１≠Ａ_ｍとなる。ここで、Ａ_ｍは、レンズベースＲ、コーニック係数κ、非球面係数ａ_{４、６、・・・、２Ｎ}により決定される下記式の行列とする。
Ａ_ｍ＝（Ｒ、κ、ａ_{４、６、・・・、２Ｎ}）
このような設計指針に基づいて、回折部５０は、例えば、下記の表５で示すような条件で、非球面形状を設計することで、ＢＤ・ＤＶＤ・ＣＤの各光ディスクへの回折次数の光の光量を確保しつつ、各波長毎に異なる所定の回折次数光が当該対物レンズ３４により信号記録面上に集光することができる。

ここで、表５に示す設計例では、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１の場合にも、Ａ_ｍ−１≠Ａ_ｍとなっているが、必ずしもこの必要はない。これは、そもそもピストン段５１２ａを導入しない領域では、非球面係数によって連続に面が形成された状態で収差を取りきる解が存在するためである。

以上のような設計条件に基づいて設計された対物レンズ３４において、ＢＤに対応する第１の波長の光ビームを入射したときの、温度変化に伴う球面収差量の変化を、下記の表６に示す。

第１の実施例に係る対物レンズ３４では、表５に従って設計することで、上述した表３における設計例に比べて、温度変動によって生じる球面収差差が改善しており、また、上述したＢＤ専用の対物レンズに近い球面収差に係る性能を実現できる。

これは、第１の領域５１に、ピストン段５１２ａが導入されることで、温度変動時には、球面収差の波面に近く、かつ、この球面収差と逆特性の波面が生成されるため、温度変動によって生じる球面収差差を低減することができるからである。

また、Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍを満たす必要があるが、特に、Ｋ_ｍ−１＜Ｋ_ｍとなるように構成すると、回折部５０の第１の領域５１において凹部がすべて消失する。一般に深い凹部における材料流動性は悪いが、この改善によってすべて浅い凸部とすることができれば製造上有利となる。

ただし、このＫ_ｍ−１＜Ｋ_ｍとなるように構成した場合には、温度変動によって生じる球面収差のうち、特に高次収差が著しく生じる。この高次収差の増加が許容できない場合には、第１の領域５１に導入されるピストン段５１２ａの数に限界がある。

表６と表３を比べると、明らかにコリメータを動かした際の高次の球面収差取れ残り量が増大していることが確かめられる。これはピストン段５１２ａの導入数が増えたことによって高次収差の取れ残りが増大することを示している。

また、表４に係る設計例では、内輪帯に相当する第１の領域５１のみにピストン段５１２ａを導入したが、中輪帯に相当する第２の領域５２にも、ピストン段に相当する段差構造を導入することが好ましい。

この場合、中輪帯に相当する第２の領域５２には、非球面レンズ形状に対して、図１１（Ａ）に示すように、階段状周期構造５２１と、下記の関係式により決定され、階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造５２２が、図１０（Ｂ）に示すようにして重畳される。

ここでは、ｄ≒−５Ｋ_ｍｍλ_１／（ｎ_１−１）の段差構造５２２に係るピストン段５２２ａを導入する構造とし、Ｋ_ｍｍ−１≦Ｋ_ｍｍを満たすことが必要である。また、ｍｍは、単調増加する自然数であって、階段状周期構造５２１において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。

上記の深さｄを導出するための比例係数が５となっているのは、ＢＤとＤＶＤの互換のみを実現すればよいためである。すなわち、深さｄが、ＢＤに対応する第１の波長の整数倍、ＤＶＤに対応する第２の波長の整数倍となる深さであり、任意の基準温度で設計した設計中心においては、これらのディスクに対応する各波長の光ビームの波面収差状態にほとんど影響を与えないからである。

一般に、内輪帯に相当する第１の領域５１のみにピストン段５１２ａを導入するだけでなく、中輪帯に相当する第２の領域５２にもピストン段５２２ａを導入することで、レンズチルト時の高次コマ収差を抑えられるため好ましい。

なお、内輪帯部と中輪帯部の基本回折構造が異なる場合には、製造上の有利、不利が異なるため、適切な回折構造となるようにピストン段の導入数を適宜調整する必要がある。

＜第２の実施例＞
第２の実施例に係る対物レンズ３４においては、上述した第１の実施例に係る設計条件と異なり、第１の領域５１に対して、下記の表７に示すように、６箇所にピストン構造を導入するものとする。

すなわち、上記のように表７に示す設計条件では、階段状周期構造において、第２周期と第３周期との間、第４周期と第５周期との間、第６周期と第７周期との間、第８周期と第９周期との間、第１０周期と第１１周期との間に、それぞれピストン段５１２ａを導入する。

このような設計条件の下、回折部５０は、例えば、下記の表８で示すような条件で、非球面形状を設計することで、ＢＤ・ＤＶＤ・ＣＤの各光ディスクへの回折次数の光の光量を確保しつつ、各波長毎に異なる所定の回折次数光が当該対物レンズ３４により信号記録面上に集光することができる。

以上のような設計条件に基づいて設計された対物レンズ３４において、ＢＤに対応する第１の波長の光ビームを入射したときの、温度変化に伴う球面収差量の変化を、下記の表９に示す。

表９から明らかなように、第２の実施例に係る対物レンズ３４は、第１実施例と同様に温度変動によって生じる球面収差を低減できる。この際、第２の実施例に係る対物レンズ３４では、３次球面収差量が、第１実施例と比べて改善しているが、一方でＳＡ５、ＳＡ７などの高次の球面収差量が増大している。これは、第１の領域５１においてピストン段５１２ａを導入すればするほど、波面の凸凹が生じることに起因している。

ここで、表９と表６を比べると、図１２に示すように、コリメータレンズ４２を動かした際の高次の球面収差取れ残り量がさらに増大している。図１１では、横軸に、導入されるピストン段の数に相当するＫ_ｍの最大値を示し、縦軸にはコリメータレンズ４２でＳＡ３を補正した際の全球面収差量を示している。また同時にマレシャルの限界値として、０．０７λｒｍｓも示している。

図１２から明らかなように、この第１の領域５１において６本を越えるピストン段５１２ａを導入すると、コリメータレンズ４２による補正後の全球面収差量がマレシャル限界を超えてしまい、信号読み取り特性が悪化することが示唆されている。また、コリメータレンズ４２による補正後の全球面収差量は、Ｋ_ｍの最大値の増加に比例する。ｍの値が、１乃至１１で、階段状周期構造５１１が全部で１１周期であり、ピストン段５１２ａの導入が６である点を考慮すると、階段状周期構造５１１の全周期数に対して半分以下となるように、ピストン段５１２ａを導入しないと、マレシャル限界を超えてしまうことになる。

よって、内輪帯周期の少なくとも一箇所において
Ｋｍ−１＝Ｋｍ
とならなくてはならない。

特に、上記の条件を満たし、さらに、
Ｋｍ≦ｍ／２
が成立するのが、次の理由から好ましい。

これは前述の図１０において、ピストン段５１２ａによって形成された波面を球面収差形状に近づける、という目的のためには、一部箇所にピストンが集中するよりも、分散して少しずつ導入されていくほうが好ましいためである。このため、整数値しか取れないＫ_ｍでもっとも綺麗に波面を接続すると、Ｋ_ｍは、階段状周期構造において、一定の複数の周期間隔毎に増加するような設計が好ましいからである。

以上のように、本発明が適用された対物レンズ３４は、全波長の光ビームが入射する第１の領域５１で、段差構造５１２により、温度変動による球面収差の低減を実現しつつ、階段状周期構造５１１により、各波長の所定の次数の回折光が光ディスクの信号記録面に集光するように回折することができる。

以上のようにして、本発明が適用された対物レンズ３４は、回折部５０により３種類の光ディスクに対して、共通の一の対物レンズ３４を用いてそれぞれ対応する光ビームを信号記録面に適切に集光することを可能とする。

また、本発明が適用された対物レンズ３４は、回折部５０による不要回折光が温度や波長の変動により増大してサーボが不安定となることを防止することにより、記録再生特性の劣化を防止して、良好な記録再生特性を実現することができる。

１ 光ディスク装置、２ 光ディスク、３ 光ピックアップ、４ スピンドルモータ、５ 送りモータ、７ システムコントローラ、９ サーボ制御部、１１、１２、１３ 光ディスク、１４ プリアンプ、１５ 信号変復調器＆ＥＣＣブロック、１６ インターフェース、１７ 外部コンピュータ、１８ Ｄ／Ａ，Ａ／Ｄ変換器、１９ オーディオ・ビジュアル処理部、２０ オーディオ・ビジュアル信号入出力部、２１ レーザ制御部、２２ ディスク種類判別部、３１、３２、３３ 光源部、３４ 対物レンズ、３４Ｂ 対物レンズ、３５Ｂ 回折光学素子、３６、３７、３８ ビームスプリッタ、３９、４０、４１ グレーティング、４２ コリメータレンズ、４３ １／４波長板、４４ 立ち上げミラー、４５ 光検出器、４６ マルチレンズ、５０ 回折部、５１ 第１の領域、５２ 第２の領域、５３ 第３の領域、５０ａ 単位周期構造、５０ｂ ブレーズ形状周期構造、５１１、５２１ 階段状周期構造、５１２、５２２ 段差構造、５１２ａ、５２２ａ ピストン段、５１３ 凹部

Claims (7)

1. 少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して対応する光ディスクの信号記録面上に集光する対物レンズにおいて、
   上記光ビームが入射される入射側の面に所定の回折構造を有する回折部を備え、
   上記回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、上記第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、上記第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、
   上記第１乃至第３の領域は、上記λ１の光ビームが上記第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、上記λ２の光ビームが上記第１及び第２の領域に相当する開口径となり、上記λ３の光ビームが上記第１の領域に相当する開口径となるように形成され、
   上記第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、該階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳された対物レンズ。
   上記深さｄは、当該対物レンズの構成材料の上記λ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。
   ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、上記階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。
   Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、
   Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、
   少なくとも上記階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。
2. Ｋ_ｍ≦ｍ／２を満たす請求項１記載の対物レンズ。
3. 上記第３の領域は、回折構造を有する請求項２記載の対物レンズ。
4. 上記第１の領域には、上記非球面レンズ形状に、上記階段状周期構造と上記段差構造とのみが重畳されている請求項３記載の対物レンズ。
5. 上記第１の領域の非球面レンズ形状は、該第１の領域で回折される光ビームのうち、各波長毎に異なる所定の次数光が当該対物レンズにより信号記録面上に集光するように、上記ｍ周期目における非球面係数Ａ_ｍによって以下の式を満たすよう決定されている請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の対物レンズ。
   Ｋ_ｍ−１≠Ｋ_ｍのとき、Ａ_ｍ≠Ａ_ｍ−１
   ここで、Ａ_ｍは、レンズベースＲ、コーニック係数κ、非球面係数ａ_{４、６、・・・、２Ｎ}により決定される下記式の行列とする。
   Ａ_ｍ＝（Ｒ、κ、ａ_{４、６、・・・、２Ｎ}）
6. 少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームが入射される対物レンズと、
   上記３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームの光路上に配置される光学素子又は上記対物レンズの一方の面に設けられ、上記３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して上記対物レンズにより対応する光ディスクの信号記録面上に集光させる回折部とを備え、
   上記回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、上記第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、上記第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、
   上記第１乃至第３の領域は、上記λ１の光ビームが上記第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、上記λ２の光ビームが上記第１及び第２の領域に相当する開口径となり、上記λ３の光ビームが上記第１の領域に相当する開口径となるように形成され、
   上記第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、該階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳された光ピックアップ。
   上記深さｄは、当該対物レンズの構成材料の上記λ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。
   ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、上記階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。
   Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、
   Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、
   少なくとも上記階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。
7. 回転駆動される複数種類の光ディスクに対し波長を異にする複数の光ビームを選択的に照射することにより情報信号の記録及び／又は再生を行う光ピックアップを備え、
   上記光ピックアップは、
   少なくともλ１＜λ２＜λ３の関係を有する３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームが入射される対物レンズと、
   上記３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームの光路上に配置される光学素子又は上記対物レンズの一方の面に設けられ、上記３つの波長λ１，λ２，λ３の光ビームを互換して上記対物レンズにより対応する光ディスクの信号記録面上に集光させる回折部とを備え、
   上記回折部は、最内周部に設けられ光ビームを回折する第１の領域と、上記第１の領域の外側に設けられ光ビームを回折する第２の領域と、上記第２の領域の外側に設けられる第３の領域とを有し、
   上記第１乃至第３の領域は、上記λ１の光ビームが上記第１乃至第３の領域に相当する開口径となり、上記λ２の光ビームが上記第１及び第２の領域に相当する開口径となり、上記λ３の光ビームが上記第１の領域に相当する開口径となるように形成され、
   上記第１の領域には、非球面レンズ形状に、輪帯状で且つ所定の高さを有する階段形状が輪帯の半径方向に周期的に形成された階段状周期構造と、該階段状周期構造の各周期内において同じ深さｄの段差構造が重畳された光ディスク装置。
   上記深さｄは、当該対物レンズの構成材料の上記λ１に対する屈折率がｎ１としたときに、関係式ｄ≒−１０×Ｋ_ｍ×λ１／（ｎ１−１））を満たす。
   ここで、ｍは、単調増加する自然数であって、上記階段状周期構造において、レンズ中心を基準として外周方向に並んだ階段形状の位置を示す番号である。
   Ｋ_ｍは、０以上の整数であり、ｍ周期目で与えられる深さｄの比例係数であって、
   Ｋ_ｍ−１≦Ｋ_ｍと、
   少なくとも上記階段状周期構造の任意の周期の一箇所において、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｍ−１とを満たす。

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