JP4148509B2 - 光ディスク用対物レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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データの記録・再生を行う光ディスク装置に用いられる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、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。例えば、ＣＤ（コンパクトディスク）よりもＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）の記録密度は高く、保護層が薄い。そこで、規格が異なる光ディスクの切り替え時には、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、情報の記録再生に使用する光の開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応した有効光束径が得られるようにする必要がある。
【０００３】
例えば、記録密度が高い光ディスクの記録／再生には、記録密度が低い光ディスク専用の光学系より高ＮＡにしてビームスポットを絞る必要がある。スポット径は波長が短いほど小さくなるため、ＤＶＤを利用する光学系では、ＣＤ専用の光学系で用いられていた７８０〜８３０ｎｍより短い６３５〜６６５ｎｍの発振波長のレーザー光源を用いる。そのため近年、光情報記録再生装置には、波長の異なるレーザー光を発振可能な光源部を有する光ディスク用光学系が使用されている。
【０００４】
保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対して、それぞれ良好な状態で各光ディスクの記録面位置にレーザー光を収束させる手段の一つとして、対物レンズの一面に輪帯状の微細な段差を有する回折構造を設けた対物レンズを光ディスク用光学系に搭載する技術が実用化されている。上記のような対物レンズは、該回折構造によって発生する球面収差が入射光束の波長に依存して変化する特徴を利用して、規格の異なる光ディスクを使用した場合であっても、常に記録面上にレーザー光が良好なＮＡの状態で収束するようにしている。
【０００５】
該対物レンズの回折構造が設けられた面は、詳しくは光軸近傍に位置する内側領域と、該内側領域の外側にある外側領域とに分けられる。例えば、内側領域は、ＣＤに対する情報記録再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に結像し、かつＤＶＤに対する情報の記録再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に結像するような回折構造を備えている。外側領域は、ＣＤに対する情報記録再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に結像しスポットが過度に絞られるのを防ぎつつ、ＤＶＤに対する情報の記録再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に結像するような回折構造を備えている。
【０００６】
上記のような構造により、ＣＤに対する情報記録再生用の光のうち、外側領域を透過した光束は、大きな球面収差が発生するため記録面上では拡散してしまい、内側領域を透過した光束のみが記録面上で結像し、比較的大径のスポットを形成する。また、ＤＶＤに対する情報記録再生用の光は、外側領域を透過する光束も収束するためＮＡが大きくなり、記録密度の高いＤＶＤに対する情報の記録・再生に適した小径のスポットを形成する。
【０００７】
このようなＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズおよび該対物レンズを搭載した光情報記録再生装置は、例えば以下の特許文献１、２に開示される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２１６６７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４９２７３号公報
【０００９】
ここで、ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷのように書き込み可能な光ディスクは、情報記録時において、情報再生時よりも小径のスポットを記録面に形成するほうが好ましいとされる。スポットサイズを小さく絞るには、例えば短波長の光を使用したり、ＮＡを高く設定したりすることが考えられる。しかし、ＣＤ−Ｒは記録面の反射特性から７８０ｎｍ以上の長波長域の光を使用せざるをえない。従って、ＣＤ−Ｒ（ＲＷ）に対する情報の記録に最適なスポットサイズを得るためには、ＮＡが高く設定される。高いＮＡを得るためには、ＣＤと同一規格の光ディスク使用時の対物レンズの有効径を大きくする、つまり対物レンズの内側領域を広げるように設計することが考えられる。
【００１０】
しかし、上記従来のＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズにおいて、ＣＤ−Ｒ（ＲＷ）に対する情報の記録再生に好適な構成にすべく、内側領域を大きく設計してしまうと、ＤＶＤに対する情報記録再生用の光が入射したときの波長特性または温度特性のいずれか一方が悪化してしまうおそれがある。ここで対物レンズの波長特性とは、入射する光の波長が変化したときの、球面収差の変化の度合いをいう。波長特性が悪化すると光源の個体差等により僅かに入射光の波長が変化した場合でも、球面収差が大きく発生してしまう。また対物レンズの温度特性とは、温度が変わった場合における、球面収差の変化の度合いをいう。温度特性が悪化すると、環境変化等によって温度が微小に変化した場合でも球面収差が大きく発生してしまう。
【００１１】
一般に記録密度の高い光ディスクになればなるほど、情報記録再生時に発生する球面収差の許容は小さい。そのため、内側領域を大きく設計した従来の情報記録用ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズでは許容範囲に対する余裕が小さく、波長特性あるいは温度特性のさらなる改善が望まれていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、保護層厚の異なる複数種類の光ディスクに対する情報の記録再生を実現する光ディスク用対物レンズであって、特に保護層の比較的厚い光ディスクに対しても情報記録可能でありながら、保護層厚の比較的薄い高記録密度光ディスクに対する情報の記録再生にも好適な光ディスク用対物レンズを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光ディスク用対物レンズは、少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、該輪帯状の回折構造を有する面は、第一の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第一の波長の光束、および第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、第二の波長の光束が入射した場合には、内側領域を透過した第二の波長の光束と略連続する波面を形成し、略無収差の状態で第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、を有している。そして、外側領域は、当該外側領域を透過した第一の波長の光束の位相が内側領域を透過した第一光束の位相と実質的に同相となる所定範囲内にあるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、第一の波長の光束のうち、内側領域の最周辺に入射した光線の対物レンズ透過後の収束角度をθ（ｒａｄ．）、第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（１）、
０．９＜ｓｉｎθ／ＮＡｒｅｆ＜１．０・・・（１）
を満たし、かつ第一光束の実効的な開口数が開口数ＮＡｒｅｆに略等しいことを特徴とする。
【００１４】
ここで、第一の光ディスクとは例えばＣＤやＣＤ−Ｒが該当する。また、第二の光ディスクとは例えばＤＶＤが該当する。このように構成することにより、複数種類の光ディスクに対する互換性を持たせるために必要な内側領域の面積を小さくしつつ、記録密度が相対的に疎でかつ保護層が厚い第一の光ディスクに対して情報の記録を行う際に必要な小径のスポットまで光束を絞ることが可能になる。つまり、第二の光ディスクに対する波長特性や温度特性を保証しつつ、第一の光ディスクに対する情報の記録時に好適な比較的高いＮＡを確保することができる。また、条件（６）を満たす光ディスク用対物レンズを使用することにより、スポット中心の周囲に発生するいわゆるサイドローブの強度を効果的に低減することができる。
【００１５】
なお別の観点から、請求項２に記載の光ディスク用対物レンズは、少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、該輪帯状の回折構造を有する面は、第一の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第一の波長の光束、および第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、第二の波長の光束が入射した場合には、内側領域を透過した第二の波長の光束と略連続する波面を形成し、略無収差の状態で第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、を有する。
そして、第一の波長の光束は該光ディスク用対物レンズに平行光束として入射するように構成されており、外側領域は、当該外側領域を透過した第一の波長の光束の位相が内側領域を透過した第一の波長の光束の位相と実質的に同相となる所定範囲内にあるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、第一の波長に対する該光ディスク用対物レンズの焦点距離をｆ１、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨ、第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（２）、
０．９＜Ｈ／（ｆ１・ＮＡｒｅｆ）＜１．０・・・（２）
を満たすことを特徴とする。
【００１６】
なお、条件（１）および（２）において、下限以下になると、ディスクの記録面上で形成されるスポットの光量が落ちて高速度の記録や高精度での光ピックアップができなくなるおそれがあるため好ましくない。また、上限以上になると、内側領域が大きくなりすぎてしまい、第二の光ディスクに対する波長特性等が悪化してしまい好ましくない。
【００１７】
上記の実質的に同相とは、所定の輪帯を透過した第一光束の位相と、内側領域を透過した第一の位相との位相差をφ（ｄｅｇ．）とすると、該位相差φが以下の条件（３）、
−９０°＜φ＜＋９０°・・・（３）
を満たすことをいう。厳密には、位相差φが０°のときに二つの位相が同相（同位相）であるという。しかし、条件（３）を満たしていれば、光ディスク用対物レンズの外側領域を透過した光束の作用によりスポットの中心強度が上がり、記録面に形成されるスポットも絞られる効果が得られるため、実質的に同相ということができる。なお位相差φが、条件（３）の範囲外の値を採る状態は、スポットの中心強度が下がり、該スポットが肥大化する傾向にあるため好ましくない。該状態を位相が実質的に逆相（逆位相）である（反転している）という。
【００１８】
さらに上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズによれば、以下の条件（４）、
−６０°≦φ≦＋６０°・・・（４）
を満たすときに、実質的に同相であると規定することが望ましい。
【００１９】
より具体的には、上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズによれば、開口数がＮＡｒｅｆの値を採る対物レンズを想定し、該対物レンズを使用した場合に得られるスポット径をＷｒｅｆ、光ディスク用対物レンズを透過した第一の波長の光束が第一の光ディスクの記録面上に形成するスポット径をＷ１、とすると、以下の条件（５）、
０．９９＜Ｗ１／Ｗｒｅｆ＜１．０１・・・（５）
を満たすことが望ましい。条件（５）を満たすと、第一の波長の光束の実効的な開口数が開口数ＮＡｒｅｆに略等しいと言える。
【００２０】
また、上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズは、上記開口数ＮＡ ｒｅｆ が０．５０以上であるような、書き込み可能な第一の光ディスクに好適なレンズである。
【００２１】
このように本発明に係る光ディスク用対物レンズは、第二の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数が０．６２以上といった高ＮＡであって、かつ第一の光ディスクも比較的高いＮＡを必要とする光情報記録再生装置に好適なレンズである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光ディスク用対物レンズの実施形態を説明する。図１は、実施形態に係る光ディスク用対物レンズ１０と第一の光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）を表す図である。光ディスク用対物レンズ１０は、保護層の厚みや記録密度が異なる複数種類の光ディスクに対して互換性を有する光情報記録再生装置に搭載される。
【００２３】
光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）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。なお本明細書では、保護層が厚く記録密度が低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第一の光ディスク２０Ａと記す。また、保護層が薄く記録密度が高い光ディスク（例えばＤＶＤ）を第二の光ディスク２０Ｂと記す。
【００２４】
第一の光ディスク２０Ａに対して情報の記録・再生を行う際には、比較的大きな径のビームスポットを形成するために波長の長いレーザー光（以下、第一のレーザー光という）が光源（不図示）から照射される。また、記録密度の高い第二の光ディスク２０Ｂに対して記録・再生を行う際には、記録面上において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も波長の短いレーザー光（以下、第二のレーザー光という）が光源から照射される。
【００２５】
上記光源から照射され、コリメートレンズ（不図示）を介して平行光に変換されたレーザー光は、対物レンズ１０により光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）の記録面近傍に収束される。対物レンズ１０は、光源側から順に第一面１０ａと第二面１０ｂを有する。対物レンズ１０は、図１に示すように両面１０ａ、１０ｂ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。
【００２６】
上述した通り、第一の光ディスク２０Ａと第二の光ディスク２０Ｂでは、保護層の厚さが異なる。このため、使用されるディスクによって球面収差が変化する。そこで、本実施形態においては、対物レンズ１０の少なくとも一方の面（面１０ａ）に光軸を中心とした複数の微細な段差を有する輪帯状の回折構造を設ける。
【００２７】
図２は、対物レンズ１０の光軸ＡＸを含む面での断面形状の第一面１０ａ近傍の拡大図である。対物レンズ１０における第一面１０ａは、以下のように形成される。第一面１０ａは、光軸の周囲に位置する内側領域１１と、内側領域１１の周囲に位置する外側領域１２とを有する。上記のとおり、内側領域１１および外側領域１２は、複数の微細な輪帯状の段差を有している。そして、各輪帯状の段差は、面１０ａの内側から外側に向かって、換言すれば光軸ＡＸから離れるにつれて、レンズの厚みが増すように形成される。
【００２８】
図２に模式的に示すように、面１０ａの内側領域１１に形成された回折構造は、第一のレーザー光が第一の光ディスク２０Ａの記録面において略無収差で良好に結像し、かつ第二のレーザー光が第二の光ディスク２０Ｂの記録面において略無収差で良好に結像するような回折構造を備えている。
【００２９】
ここで、内側領域１１の大きさは、以下の条件（１）を満たすように構成される。
0.9＜sinθ／NAref＜1.0・・・（１）
但し、θ（ｄｅｇ．）は、第一のレーザー光の光線のうち、内側領域１１の最周辺１３に入射した光線が対物レンズ１０透過後に光軸となす角度（本明細書では、便宜上、収束角度という）を、
ＮＡｒｅｆは、第一の光ディスク２０Ａに対する情報の記録再生に必要な開口数（本明細書では、便宜上、設計開口数という）を、それぞれ表す。
【００３０】
上記の特許文献１や２に例示される従来の光ディスク用対物レンズは、内側領域のみで第一の光ディスク２０Ａの設計開口数が得られるように構成されていた。これに対し、条件（１）を満たすように構成される本実施形態の対物レンズ１０の内側領域１１は、設計開口数を得るために必要な面積よりも小さく構成される。つまり、該内側領域１１を透過した光束のみでは第一の光ディスク２０Ａの設計開口数に若干足りない状態にある。
【００３１】
なお、上述したように、対物レンズ１０に入射する各レーザー光は、平行光束になっている。そこで、平行光束である第一のレーザー光が対物レンズ１０に入射したときの焦点距離をｆ１、光軸ＡＸから内側領域１１の最周辺１３までの高さをＨとすると、上記条件（１）は、下記の条件（２）のように書き換えられる。
0.9＜H／（f1・NAref）＜1.0・・・（２）
【００３２】
また図２に示すように、外側領域１２に形成された回折構造は、複数の輪帯状の段差部（輪帯段差）によって形成される複数の輪帯（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…）を有する。外側領域１２は、個別の非球面係数によって規定される複数の面Ｃ１〜Ｃｎの集合である。該回折構造は、第二のレーザー光が第二の光ディスク２０Ｂの記録面において最も良好に結像するような回折構造を備えている。具体的には、外側領域１２は、該領域１２を透過した第二のレーザー光の波面が、内側領域１１を透過した第二のレーザー光の波面と略連続するように構成される。換言すれば、外側領域１２は、該領域１２を透過した第二のレーザー光の位相が内側領域１１を透過した第二のレーザー光の位相を略同相となるように構成される。これにより、内側領域１１および外側領域１２を透過する第二のレーザー光は、高ＮＡとなって、第二の光ディスク２０Ｂの記録面上において小径のスポットを形成する。
【００３３】
また、外側領域１２に形成された回折構造は、各輪帯Ｃ１〜Ｃｎのうち少なくとも一つの輪帯を透過した第一のレーザー光の位相が内側領域１１を透過した第一のレーザー光の位相と実質的に同相であるように構成される。なお、以下の本文では、このような輪帯を特殊輪帯という。
【００３４】
実質的に同相であるとは、上記の二つの位相の差φ（ｄｅｇ．）が以下の条件（３）、より好ましくは条件（４）を満たすことをいう。換言すれば、外側領域１２に形成される複数の輪帯のうち、該位相差φが以下の条件（３）好ましくは条件（４）を満たすような輪帯は、特殊輪帯である。
-90°＜φ＜+90°・・・（３）
-60°≦φ≦+60°・・・（４）
【００３５】
ある輪帯の、結像点に対する位相分布から求められる該輪帯全体の位相ベクトルの強さをＡ（但し、Ａ≧０）、該位相ベクトルの角度、つまり位相差をφとすると、該輪帯の結像に対する寄与はＡ・ｃｏｓφで表すことができる。従って、位相差φが少なくとも条件（３）を満たすことにより、Ａ・ｃｏｓφは正の値を採る。この場合、該輪帯を透過した光束の寄与によりスポットの中心強度が上がり、スポット径が小さく絞られるような作用が発生する。該作用は、位相差φがさらに条件（４）も満たすことにより、より一層顕著に表れる。
【００３６】
上記構成の回折構造を有する対物レンズ１０を使用すれば、第一の光ディスク２０Ａに対する情報再生時のみならず該ディスク２０Ａに対する情報記録時における実効的なＮＡが設計開口数ＮＡｒｅｆに略一致する。
【００３７】
上記の実効的なＮＡは第一の光ディスク２０Ａの記録面上に形成されるスポットの径によって評価することが可能である。従って、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録再生時における実効的ＮＡが設計開口数ＮＡｒｅｆに略一致するということは、以下の条件（５）を満たすことを意味する。
0.99＜W1／Wref＜1.01・・・（５）
但し、Ｗｒｅｆは、開口数がＮＡｒｅｆの値を採る対物レンズを想定し、該対物レンズを使用した場合に得られるスポット径を、
Ｗ１は、対物レンズ１０を透過した第一のレーザー光が第一の光ディスク２０Ａの記録面上に形成するスポット径を、それぞれ表す。
【００３８】
なお、上記特殊輪帯のうち少なくとも一つは、該特殊輪帯が光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎから高さｈｍａｘの範囲にあるとすると、以下の条件（６）を満たすように構成される。
1.1＜（hmin＋hmax）／2H＜1.25・・・（６）
少なくとも一つの特殊輪帯が条件（６）を満たすように対物レンズ１０を構成することにより、上記の種々の効果に加え、さらにサイドローブの強度を下げる効果も得られる。
【００３９】
次に上述した実施形態に基づく具体的な実施例を２例提示する。いずれの実施例も保護層の厚みが１．２ｍｍの書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａと、保護層の厚みが０．６ｍｍの第二の光ディスク２０Ｂとの互換性を有する光ディスク用対物レンズ１０に関するものである。
【００４０】
【実施例１】
図１は、実施例１の対物レンズ１０を表す概略図である。なお、実施例２の対物レンズも図１に示す対物レンズ１０と略同一である。実施例１の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表１に示されている。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１中、設計波長とは、第一の光ディスク２０Ａおよび第二の光ディスク２０Ｂを記録・再生する際に最も適した波長のことである。なお、表１に示す具体的数値構成は、他の実施例２においても同様である。また、内側領域１１の範囲および外側領域１２に形成される各輪帯の範囲を光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎ〜ｈｍａｘで表したのが表２である。
【００４３】
【表２】
【００４４】
表２に示すように、実施例１の対物レンズ１０の外側領域１２は、１１個の輪帯Ｃ１〜Ｃ１１を備える。なお表２において、内側領域１１のｈｍａｘに該当する値が光軸ＡＸから最周辺１３までの高さＨである。
【００４５】
また、対物レンズ１０の第一面１０ａおよび第二面１０ｂは非球面である。そ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、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
【数１】
【００４６】
第一面１０ａの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は、表３に示される。また、第二面１０ｂの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は、表４に示される。
【００４７】
【表３】
【表４】
【００４８】
表３に示すように、実施例１の対物レンズ１０の外側領域１２は、輪帯段差によって輪帯Ｃ１から輪帯Ｃ１１までの１１つの非球面を有する。表３中、d_shiftは、面頂点のシフト量である。面頂点のシフト量とは、図２中、破線で示すように各面を延長して光軸ＡＸと交わる点をそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…とし、これら各点と実際の第一面１０ａが光軸ＡＸと交わる点Ｐ０との距離を意味する。なお、表３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。以下に示す各表においても同様である。
【００４９】
さらに、対物レンズ１０の第一面１０ａ（面番号１）の内側領域１１に形成された回折構造は、以下の光路差関数φ（ｈ）により表される。
【数２】
【００５０】
光路差関数φ（ｈ）は、回折面（第一面１０ａ）上での光軸からの高さｈの点において、回折構造により回折されなかった場合の仮想の光線と、回折構造により回折された光線との光路長差を示す。Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、…はそれぞれ２次、４次、６次、…の係数である。該回折構造を規定する光路差関数係数Ｐ２、…は、表５に示される。ｍは利用する回折光の次数を表し、本実施例ではｍ＝1としている。
【００５１】
【表５】
【００５２】
外側領域１２に形成された各輪帯Ｃ１〜Ｃ１１における、位相ベクトルの向きと強さ、および条件（６）に関する数値（hmin＋hmax）／2Hを表６に示す。
【００５３】
【表６】
【００５４】
表６に示すように、実施例１の対物レンズ１０では、輪帯Ｃ１〜Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７〜Ｃ１０が条件（４）を満たす特殊輪帯である。さらに条件（３）まで範囲を広げれば全ての輪帯Ｃ１〜Ｃ１１が特殊輪帯であるといえる。従って、実施例１の対物レンズ１０は、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録時に必要とされる比較的高いＮＡの光束を生成することができる。
【００５５】
また表６に示すように、該特殊輪帯のうち、輪帯Ｃ２〜Ｃ４は条件（６）も満たしている。図３は、実施例１の対物レンズ１０を使用して第一のレーザー光を第一の光ディスク２０Ａの記録面に集光させることにより得られるスポットの強度を表すグラフである。図３において、横軸がスポット中心からの距離（ｍｍ）を、縦軸が該スポットの中心の強度を１００としたときの相対強度（％）を表す。図３に示すように、スポット中心に最も近いサイドローブ（スポット中心から約±０．００１〜±０．００２ｍｍ）の相対強度は、スポット中心の強度に比べ限りなく０に近い値になっていることがわかる。つまり、実施例１の対物レンズ１０を使用すれば、書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａに好適なＮＡを確保できるとともに、情報記録再生時にＳ／Ｎ比低下の原因となるサイドローブの強度を有効に低減することができる。
【００５６】
【実施例２】
実施例２の対物レンズ１０の具体的数値構成、第二面１０ｂの非球面形状を規定する各関数、および第一面１０ａの内側領域１１に形成される回折構造を規定する光路差関数係数は、実施例１と同一であるため、ここでの説明は省略する。内側領域１１の範囲および外側領域１２に形成される各輪帯の範囲を光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎ〜ｈｍａｘで表したのが表７である。
【００５７】
【表７】
【００５８】
表７に示すように、実施例２の対物レンズ１０の外側領域１２は、７個の輪帯Ｃ１〜Ｃ７を備える。なお表７において、内側領域１１のｈｍａｘに該当する値が光軸ＡＸから最周辺１３までの高さＨである。実施例２の対物レンズ１０の第一面１０ａの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は表８に示される。
【００５９】
【表８】
【００６０】
実施例２の対物レンズ１０の各輪帯Ｃ１〜Ｃ７における、位相ベクトルの向きと強さ、および条件（６）に関する数値（hmin＋hmax）／2Ｈを表９に示す。
【００６１】
【表９】
【００６２】
表９に示すように、実施例２の対物レンズ１０では、輪帯Ｃ４〜Ｃ６が条件（４）を満たす特殊輪帯である。さらに条件（３）まで範囲を広げれば輪帯Ｃ７も特殊輪帯であるといえる。従って、実施例２の対物レンズ１０も、実施例１と同様に、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録時に必要とされる比較的高いＮＡの光束を生成することができる。
【００６３】
また、各特殊輪帯のうち、輪帯Ｃ４は条件（６）も満たしている。図４は、実施例２の対物レンズ１０を使用して第一のレーザー光を第一の光ディスク２０Ａの記録面に集光させることにより得られるスポットの強度を表すグラフである。図４に示すように、実施例２の対物レンズ１０も上記の実施例１と同様、サイドローブの強度を低減するという効果が得られることがわかる。
【００６４】
上記各実施例の対物レンズと従来の対物レンズとの比較した結果を表１０に示す。従来例１は、ＣＤ使用時の設計開口数が０．５１の通常の対物レンズである。従来例２は、ＤＶＤ使用時の設計開口数が０．６５、Ｈが１．２３に設計されたＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズである。
【００６５】
【表１０】
【００６６】
表１０に示すように、実施例１および実施例２の対物レンズ１０は、条件（１）と条件（２）をともに満たす。さらに、各実施例の対物レンズ１０は、条件（５）も満たす。つまり各実施例の対物レンズ１０は、内側領域１１の最周辺１３をＣＤの設計開口数に対応する位置よりも光軸ＡＸ側に設ける。換言すれば第一の光ディスク２０Ａと第二の光ディスク２０Ｂに対して互換性を持たせるための内側領域１１の面積が小さく構成されている。該構成により不足するＮＡを外側領域１２にある特殊輪帯の作用によって補うことにより、実効的なＮＡを設計開口数と略同一にする。よって、従来例１の対物レンズと略同等の径のスポットを第一の光ディスクの記録面上に形成することができる。しかも、上記のように構成することにより、従来例２の互換対物レンズよりも、第二の光ディスク２０Ｂ使用時における波長特性および温度特性が良好であることもわかる。
【００６７】
なお表１０に示すように、該スポットの強度が従来の対物レンズに比べ若干低下している。しかし、この程度の強度低下は情報の記録再生処理にはほとんど影響を与えないため、本発明に係る対物レンズを実施するにあたり何ら支障はない。
【００６８】
以上が本発明の実施例である。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。例えば回折構造を設ける面は、第一面１０ａではなく、第二面１０ｂであってもよい。また、第一面と第二面の両方に回折構造を設けても良い。
【００６９】
さらには、表１の設計開口数も例示である。つまり本発明に係る対物レンズは、書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａに必要な比較的高いＮＡ（０．５０以上）を該ディスク２０Ａに対する設計開口数とすることができる。同様に、本発明に係る対物レンズは、第二の光ディスク２０Ｂに必要な高いＮＡ（０．６２以上）を該ディスク２０Ｂに対する設計開口数とすることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、保護層の薄く記録密度が高い光ディスク使用時の波長特性や温度特性を良好に保ちつつ、保護層の比較的厚い情報記録可能な光ディスクに対する情報の記録再生に好適なＮＡの光束を生成可能な光ディスク用対物レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズを表す図である。
【図２】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズの光軸を含む面での断面形状の第一面近傍の拡大図である。
【図３】実施例１の対物レンズを透過した第一のレーザー光が第一の光ディスクの記録面近傍で形成するスポット中心からの距離と光強度との関係を表すグラフである。
【図４】実施例２の対物レンズを透過した第一のレーザー光が第一の光ディスクの記録面近傍で形成するスポット中心からの距離と光強度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０ 対物レンズ
１１ 内側領域
１２ 外側領域
２０Ａ 第一の光ディスク
２０Ｂ 第二の光ディスク
【発明の属する技術分野】
この発明は、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データの記録・再生を行う光ディスク装置に用いられる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、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。例えば、ＣＤ（コンパクトディスク）よりもＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）の記録密度は高く、保護層が薄い。そこで、規格が異なる光ディスクの切り替え時には、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、情報の記録再生に使用する光の開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応した有効光束径が得られるようにする必要がある。
【０００３】
例えば、記録密度が高い光ディスクの記録／再生には、記録密度が低い光ディスク専用の光学系より高ＮＡにしてビームスポットを絞る必要がある。スポット径は波長が短いほど小さくなるため、ＤＶＤを利用する光学系では、ＣＤ専用の光学系で用いられていた７８０〜８３０ｎｍより短い６３５〜６６５ｎｍの発振波長のレーザー光源を用いる。そのため近年、光情報記録再生装置には、波長の異なるレーザー光を発振可能な光源部を有する光ディスク用光学系が使用されている。
【０００４】
保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対して、それぞれ良好な状態で各光ディスクの記録面位置にレーザー光を収束させる手段の一つとして、対物レンズの一面に輪帯状の微細な段差を有する回折構造を設けた対物レンズを光ディスク用光学系に搭載する技術が実用化されている。上記のような対物レンズは、該回折構造によって発生する球面収差が入射光束の波長に依存して変化する特徴を利用して、規格の異なる光ディスクを使用した場合であっても、常に記録面上にレーザー光が良好なＮＡの状態で収束するようにしている。
【０００５】
該対物レンズの回折構造が設けられた面は、詳しくは光軸近傍に位置する内側領域と、該内側領域の外側にある外側領域とに分けられる。例えば、内側領域は、ＣＤに対する情報記録再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に結像し、かつＤＶＤに対する情報の記録再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に結像するような回折構造を備えている。外側領域は、ＣＤに対する情報記録再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に結像しスポットが過度に絞られるのを防ぎつつ、ＤＶＤに対する情報の記録再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に結像するような回折構造を備えている。
【０００６】
上記のような構造により、ＣＤに対する情報記録再生用の光のうち、外側領域を透過した光束は、大きな球面収差が発生するため記録面上では拡散してしまい、内側領域を透過した光束のみが記録面上で結像し、比較的大径のスポットを形成する。また、ＤＶＤに対する情報記録再生用の光は、外側領域を透過する光束も収束するためＮＡが大きくなり、記録密度の高いＤＶＤに対する情報の記録・再生に適した小径のスポットを形成する。
【０００７】
このようなＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズおよび該対物レンズを搭載した光情報記録再生装置は、例えば以下の特許文献１、２に開示される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２１６６７４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４９２７３号公報
【０００９】
ここで、ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷのように書き込み可能な光ディスクは、情報記録時において、情報再生時よりも小径のスポットを記録面に形成するほうが好ましいとされる。スポットサイズを小さく絞るには、例えば短波長の光を使用したり、ＮＡを高く設定したりすることが考えられる。しかし、ＣＤ−Ｒは記録面の反射特性から７８０ｎｍ以上の長波長域の光を使用せざるをえない。従って、ＣＤ−Ｒ（ＲＷ）に対する情報の記録に最適なスポットサイズを得るためには、ＮＡが高く設定される。高いＮＡを得るためには、ＣＤと同一規格の光ディスク使用時の対物レンズの有効径を大きくする、つまり対物レンズの内側領域を広げるように設計することが考えられる。
【００１０】
しかし、上記従来のＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズにおいて、ＣＤ−Ｒ（ＲＷ）に対する情報の記録再生に好適な構成にすべく、内側領域を大きく設計してしまうと、ＤＶＤに対する情報記録再生用の光が入射したときの波長特性または温度特性のいずれか一方が悪化してしまうおそれがある。ここで対物レンズの波長特性とは、入射する光の波長が変化したときの、球面収差の変化の度合いをいう。波長特性が悪化すると光源の個体差等により僅かに入射光の波長が変化した場合でも、球面収差が大きく発生してしまう。また対物レンズの温度特性とは、温度が変わった場合における、球面収差の変化の度合いをいう。温度特性が悪化すると、環境変化等によって温度が微小に変化した場合でも球面収差が大きく発生してしまう。
【００１１】
一般に記録密度の高い光ディスクになればなるほど、情報記録再生時に発生する球面収差の許容は小さい。そのため、内側領域を大きく設計した従来の情報記録用ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズでは許容範囲に対する余裕が小さく、波長特性あるいは温度特性のさらなる改善が望まれていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、保護層厚の異なる複数種類の光ディスクに対する情報の記録再生を実現する光ディスク用対物レンズであって、特に保護層の比較的厚い光ディスクに対しても情報記録可能でありながら、保護層厚の比較的薄い高記録密度光ディスクに対する情報の記録再生にも好適な光ディスク用対物レンズを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光ディスク用対物レンズは、少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、該輪帯状の回折構造を有する面は、第一の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第一の波長の光束、および第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、第二の波長の光束が入射した場合には、内側領域を透過した第二の波長の光束と略連続する波面を形成し、略無収差の状態で第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、を有している。そして、外側領域は、当該外側領域を透過した第一の波長の光束の位相が内側領域を透過した第一光束の位相と実質的に同相となる所定範囲内にあるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、第一の波長の光束のうち、内側領域の最周辺に入射した光線の対物レンズ透過後の収束角度をθ（ｒａｄ．）、第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（１）、
０．９＜ｓｉｎθ／ＮＡｒｅｆ＜１．０・・・（１）
を満たし、かつ第一光束の実効的な開口数が開口数ＮＡｒｅｆに略等しいことを特徴とする。
【００１４】
ここで、第一の光ディスクとは例えばＣＤやＣＤ−Ｒが該当する。また、第二の光ディスクとは例えばＤＶＤが該当する。このように構成することにより、複数種類の光ディスクに対する互換性を持たせるために必要な内側領域の面積を小さくしつつ、記録密度が相対的に疎でかつ保護層が厚い第一の光ディスクに対して情報の記録を行う際に必要な小径のスポットまで光束を絞ることが可能になる。つまり、第二の光ディスクに対する波長特性や温度特性を保証しつつ、第一の光ディスクに対する情報の記録時に好適な比較的高いＮＡを確保することができる。また、条件（６）を満たす光ディスク用対物レンズを使用することにより、スポット中心の周囲に発生するいわゆるサイドローブの強度を効果的に低減することができる。
【００１５】
なお別の観点から、請求項２に記載の光ディスク用対物レンズは、少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、該輪帯状の回折構造を有する面は、第一の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第一の波長の光束、および第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、第二の波長の光束が入射した場合には、内側領域を透過した第二の波長の光束と略連続する波面を形成し、略無収差の状態で第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、を有する。
そして、第一の波長の光束は該光ディスク用対物レンズに平行光束として入射するように構成されており、外側領域は、当該外側領域を透過した第一の波長の光束の位相が内側領域を透過した第一の波長の光束の位相と実質的に同相となる所定範囲内にあるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、第一の波長に対する該光ディスク用対物レンズの焦点距離をｆ１、光軸から内側領域の最周辺までの高さをＨ、第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（２）、
０．９＜Ｈ／（ｆ１・ＮＡｒｅｆ）＜１．０・・・（２）
を満たすことを特徴とする。
【００１６】
なお、条件（１）および（２）において、下限以下になると、ディスクの記録面上で形成されるスポットの光量が落ちて高速度の記録や高精度での光ピックアップができなくなるおそれがあるため好ましくない。また、上限以上になると、内側領域が大きくなりすぎてしまい、第二の光ディスクに対する波長特性等が悪化してしまい好ましくない。
【００１７】
上記の実質的に同相とは、所定の輪帯を透過した第一光束の位相と、内側領域を透過した第一の位相との位相差をφ（ｄｅｇ．）とすると、該位相差φが以下の条件（３）、
−９０°＜φ＜＋９０°・・・（３）
を満たすことをいう。厳密には、位相差φが０°のときに二つの位相が同相（同位相）であるという。しかし、条件（３）を満たしていれば、光ディスク用対物レンズの外側領域を透過した光束の作用によりスポットの中心強度が上がり、記録面に形成されるスポットも絞られる効果が得られるため、実質的に同相ということができる。なお位相差φが、条件（３）の範囲外の値を採る状態は、スポットの中心強度が下がり、該スポットが肥大化する傾向にあるため好ましくない。該状態を位相が実質的に逆相（逆位相）である（反転している）という。
【００１８】
さらに上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズによれば、以下の条件（４）、
−６０°≦φ≦＋６０°・・・（４）
を満たすときに、実質的に同相であると規定することが望ましい。
【００１９】
より具体的には、上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズによれば、開口数がＮＡｒｅｆの値を採る対物レンズを想定し、該対物レンズを使用した場合に得られるスポット径をＷｒｅｆ、光ディスク用対物レンズを透過した第一の波長の光束が第一の光ディスクの記録面上に形成するスポット径をＷ１、とすると、以下の条件（５）、
０．９９＜Ｗ１／Ｗｒｅｆ＜１．０１・・・（５）
を満たすことが望ましい。条件（５）を満たすと、第一の波長の光束の実効的な開口数が開口数ＮＡｒｅｆに略等しいと言える。
【００２０】
また、上記特徴を有する本発明に係る光ディスク用対物レンズは、上記開口数ＮＡ ｒｅｆ が０．５０以上であるような、書き込み可能な第一の光ディスクに好適なレンズである。
【００２１】
このように本発明に係る光ディスク用対物レンズは、第二の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数が０．６２以上といった高ＮＡであって、かつ第一の光ディスクも比較的高いＮＡを必要とする光情報記録再生装置に好適なレンズである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光ディスク用対物レンズの実施形態を説明する。図１は、実施形態に係る光ディスク用対物レンズ１０と第一の光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）を表す図である。光ディスク用対物レンズ１０は、保護層の厚みや記録密度が異なる複数種類の光ディスクに対して互換性を有する光情報記録再生装置に搭載される。
【００２３】
光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）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。なお本明細書では、保護層が厚く記録密度が低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第一の光ディスク２０Ａと記す。また、保護層が薄く記録密度が高い光ディスク（例えばＤＶＤ）を第二の光ディスク２０Ｂと記す。
【００２４】
第一の光ディスク２０Ａに対して情報の記録・再生を行う際には、比較的大きな径のビームスポットを形成するために波長の長いレーザー光（以下、第一のレーザー光という）が光源（不図示）から照射される。また、記録密度の高い第二の光ディスク２０Ｂに対して記録・再生を行う際には、記録面上において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も波長の短いレーザー光（以下、第二のレーザー光という）が光源から照射される。
【００２５】
上記光源から照射され、コリメートレンズ（不図示）を介して平行光に変換されたレーザー光は、対物レンズ１０により光ディスク２０Ａ（２０Ｂ）の記録面近傍に収束される。対物レンズ１０は、光源側から順に第一面１０ａと第二面１０ｂを有する。対物レンズ１０は、図１に示すように両面１０ａ、１０ｂ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。
【００２６】
上述した通り、第一の光ディスク２０Ａと第二の光ディスク２０Ｂでは、保護層の厚さが異なる。このため、使用されるディスクによって球面収差が変化する。そこで、本実施形態においては、対物レンズ１０の少なくとも一方の面（面１０ａ）に光軸を中心とした複数の微細な段差を有する輪帯状の回折構造を設ける。
【００２７】
図２は、対物レンズ１０の光軸ＡＸを含む面での断面形状の第一面１０ａ近傍の拡大図である。対物レンズ１０における第一面１０ａは、以下のように形成される。第一面１０ａは、光軸の周囲に位置する内側領域１１と、内側領域１１の周囲に位置する外側領域１２とを有する。上記のとおり、内側領域１１および外側領域１２は、複数の微細な輪帯状の段差を有している。そして、各輪帯状の段差は、面１０ａの内側から外側に向かって、換言すれば光軸ＡＸから離れるにつれて、レンズの厚みが増すように形成される。
【００２８】
図２に模式的に示すように、面１０ａの内側領域１１に形成された回折構造は、第一のレーザー光が第一の光ディスク２０Ａの記録面において略無収差で良好に結像し、かつ第二のレーザー光が第二の光ディスク２０Ｂの記録面において略無収差で良好に結像するような回折構造を備えている。
【００２９】
ここで、内側領域１１の大きさは、以下の条件（１）を満たすように構成される。
0.9＜sinθ／NAref＜1.0・・・（１）
但し、θ（ｄｅｇ．）は、第一のレーザー光の光線のうち、内側領域１１の最周辺１３に入射した光線が対物レンズ１０透過後に光軸となす角度（本明細書では、便宜上、収束角度という）を、
ＮＡｒｅｆは、第一の光ディスク２０Ａに対する情報の記録再生に必要な開口数（本明細書では、便宜上、設計開口数という）を、それぞれ表す。
【００３０】
上記の特許文献１や２に例示される従来の光ディスク用対物レンズは、内側領域のみで第一の光ディスク２０Ａの設計開口数が得られるように構成されていた。これに対し、条件（１）を満たすように構成される本実施形態の対物レンズ１０の内側領域１１は、設計開口数を得るために必要な面積よりも小さく構成される。つまり、該内側領域１１を透過した光束のみでは第一の光ディスク２０Ａの設計開口数に若干足りない状態にある。
【００３１】
なお、上述したように、対物レンズ１０に入射する各レーザー光は、平行光束になっている。そこで、平行光束である第一のレーザー光が対物レンズ１０に入射したときの焦点距離をｆ１、光軸ＡＸから内側領域１１の最周辺１３までの高さをＨとすると、上記条件（１）は、下記の条件（２）のように書き換えられる。
0.9＜H／（f1・NAref）＜1.0・・・（２）
【００３２】
また図２に示すように、外側領域１２に形成された回折構造は、複数の輪帯状の段差部（輪帯段差）によって形成される複数の輪帯（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…）を有する。外側領域１２は、個別の非球面係数によって規定される複数の面Ｃ１〜Ｃｎの集合である。該回折構造は、第二のレーザー光が第二の光ディスク２０Ｂの記録面において最も良好に結像するような回折構造を備えている。具体的には、外側領域１２は、該領域１２を透過した第二のレーザー光の波面が、内側領域１１を透過した第二のレーザー光の波面と略連続するように構成される。換言すれば、外側領域１２は、該領域１２を透過した第二のレーザー光の位相が内側領域１１を透過した第二のレーザー光の位相を略同相となるように構成される。これにより、内側領域１１および外側領域１２を透過する第二のレーザー光は、高ＮＡとなって、第二の光ディスク２０Ｂの記録面上において小径のスポットを形成する。
【００３３】
また、外側領域１２に形成された回折構造は、各輪帯Ｃ１〜Ｃｎのうち少なくとも一つの輪帯を透過した第一のレーザー光の位相が内側領域１１を透過した第一のレーザー光の位相と実質的に同相であるように構成される。なお、以下の本文では、このような輪帯を特殊輪帯という。
【００３４】
実質的に同相であるとは、上記の二つの位相の差φ（ｄｅｇ．）が以下の条件（３）、より好ましくは条件（４）を満たすことをいう。換言すれば、外側領域１２に形成される複数の輪帯のうち、該位相差φが以下の条件（３）好ましくは条件（４）を満たすような輪帯は、特殊輪帯である。
-90°＜φ＜+90°・・・（３）
-60°≦φ≦+60°・・・（４）
【００３５】
ある輪帯の、結像点に対する位相分布から求められる該輪帯全体の位相ベクトルの強さをＡ（但し、Ａ≧０）、該位相ベクトルの角度、つまり位相差をφとすると、該輪帯の結像に対する寄与はＡ・ｃｏｓφで表すことができる。従って、位相差φが少なくとも条件（３）を満たすことにより、Ａ・ｃｏｓφは正の値を採る。この場合、該輪帯を透過した光束の寄与によりスポットの中心強度が上がり、スポット径が小さく絞られるような作用が発生する。該作用は、位相差φがさらに条件（４）も満たすことにより、より一層顕著に表れる。
【００３６】
上記構成の回折構造を有する対物レンズ１０を使用すれば、第一の光ディスク２０Ａに対する情報再生時のみならず該ディスク２０Ａに対する情報記録時における実効的なＮＡが設計開口数ＮＡｒｅｆに略一致する。
【００３７】
上記の実効的なＮＡは第一の光ディスク２０Ａの記録面上に形成されるスポットの径によって評価することが可能である。従って、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録再生時における実効的ＮＡが設計開口数ＮＡｒｅｆに略一致するということは、以下の条件（５）を満たすことを意味する。
0.99＜W1／Wref＜1.01・・・（５）
但し、Ｗｒｅｆは、開口数がＮＡｒｅｆの値を採る対物レンズを想定し、該対物レンズを使用した場合に得られるスポット径を、
Ｗ１は、対物レンズ１０を透過した第一のレーザー光が第一の光ディスク２０Ａの記録面上に形成するスポット径を、それぞれ表す。
【００３８】
なお、上記特殊輪帯のうち少なくとも一つは、該特殊輪帯が光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎから高さｈｍａｘの範囲にあるとすると、以下の条件（６）を満たすように構成される。
1.1＜（hmin＋hmax）／2H＜1.25・・・（６）
少なくとも一つの特殊輪帯が条件（６）を満たすように対物レンズ１０を構成することにより、上記の種々の効果に加え、さらにサイドローブの強度を下げる効果も得られる。
【００３９】
次に上述した実施形態に基づく具体的な実施例を２例提示する。いずれの実施例も保護層の厚みが１．２ｍｍの書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａと、保護層の厚みが０．６ｍｍの第二の光ディスク２０Ｂとの互換性を有する光ディスク用対物レンズ１０に関するものである。
【００４０】
【実施例１】
図１は、実施例１の対物レンズ１０を表す概略図である。なお、実施例２の対物レンズも図１に示す対物レンズ１０と略同一である。実施例１の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表１に示されている。
【００４１】
【表１】
表１中、設計波長とは、第一の光ディスク２０Ａおよび第二の光ディスク２０Ｂを記録・再生する際に最も適した波長のことである。なお、表１に示す具体的数値構成は、他の実施例２においても同様である。また、内側領域１１の範囲および外側領域１２に形成される各輪帯の範囲を光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎ〜ｈｍａｘで表したのが表２である。
【００４３】
【表２】
表２に示すように、実施例１の対物レンズ１０の外側領域１２は、１１個の輪帯Ｃ１〜Ｃ１１を備える。なお表２において、内側領域１１のｈｍａｘに該当する値が光軸ＡＸから最周辺１３までの高さＨである。
【００４５】
また、対物レンズ１０の第一面１０ａおよび第二面１０ｂは非球面である。そ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、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
【数１】
第一面１０ａの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は、表３に示される。また、第二面１０ｂの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は、表４に示される。
【００４７】
【表３】
表３に示すように、実施例１の対物レンズ１０の外側領域１２は、輪帯段差によって輪帯Ｃ１から輪帯Ｃ１１までの１１つの非球面を有する。表３中、d_shiftは、面頂点のシフト量である。面頂点のシフト量とは、図２中、破線で示すように各面を延長して光軸ＡＸと交わる点をそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…とし、これら各点と実際の第一面１０ａが光軸ＡＸと交わる点Ｐ０との距離を意味する。なお、表３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。以下に示す各表においても同様である。
【００４９】
さらに、対物レンズ１０の第一面１０ａ（面番号１）の内側領域１１に形成された回折構造は、以下の光路差関数φ（ｈ）により表される。
【数２】
光路差関数φ（ｈ）は、回折面（第一面１０ａ）上での光軸からの高さｈの点において、回折構造により回折されなかった場合の仮想の光線と、回折構造により回折された光線との光路長差を示す。Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、…はそれぞれ２次、４次、６次、…の係数である。該回折構造を規定する光路差関数係数Ｐ２、…は、表５に示される。ｍは利用する回折光の次数を表し、本実施例ではｍ＝1としている。
【００５１】
【表５】
外側領域１２に形成された各輪帯Ｃ１〜Ｃ１１における、位相ベクトルの向きと強さ、および条件（６）に関する数値（hmin＋hmax）／2Hを表６に示す。
【００５３】
【表６】
表６に示すように、実施例１の対物レンズ１０では、輪帯Ｃ１〜Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７〜Ｃ１０が条件（４）を満たす特殊輪帯である。さらに条件（３）まで範囲を広げれば全ての輪帯Ｃ１〜Ｃ１１が特殊輪帯であるといえる。従って、実施例１の対物レンズ１０は、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録時に必要とされる比較的高いＮＡの光束を生成することができる。
【００５５】
また表６に示すように、該特殊輪帯のうち、輪帯Ｃ２〜Ｃ４は条件（６）も満たしている。図３は、実施例１の対物レンズ１０を使用して第一のレーザー光を第一の光ディスク２０Ａの記録面に集光させることにより得られるスポットの強度を表すグラフである。図３において、横軸がスポット中心からの距離（ｍｍ）を、縦軸が該スポットの中心の強度を１００としたときの相対強度（％）を表す。図３に示すように、スポット中心に最も近いサイドローブ（スポット中心から約±０．００１〜±０．００２ｍｍ）の相対強度は、スポット中心の強度に比べ限りなく０に近い値になっていることがわかる。つまり、実施例１の対物レンズ１０を使用すれば、書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａに好適なＮＡを確保できるとともに、情報記録再生時にＳ／Ｎ比低下の原因となるサイドローブの強度を有効に低減することができる。
【００５６】
【実施例２】
実施例２の対物レンズ１０の具体的数値構成、第二面１０ｂの非球面形状を規定する各関数、および第一面１０ａの内側領域１１に形成される回折構造を規定する光路差関数係数は、実施例１と同一であるため、ここでの説明は省略する。内側領域１１の範囲および外側領域１２に形成される各輪帯の範囲を光軸ＡＸからの高さｈｍｉｎ〜ｈｍａｘで表したのが表７である。
【００５７】
【表７】
表７に示すように、実施例２の対物レンズ１０の外側領域１２は、７個の輪帯Ｃ１〜Ｃ７を備える。なお表７において、内側領域１１のｈｍａｘに該当する値が光軸ＡＸから最周辺１３までの高さＨである。実施例２の対物レンズ１０の第一面１０ａの非球面形状を規定する円錐係数と非球面係数は表８に示される。
【００５９】
【表８】
実施例２の対物レンズ１０の各輪帯Ｃ１〜Ｃ７における、位相ベクトルの向きと強さ、および条件（６）に関する数値（hmin＋hmax）／2Ｈを表９に示す。
【００６１】
【表９】
表９に示すように、実施例２の対物レンズ１０では、輪帯Ｃ４〜Ｃ６が条件（４）を満たす特殊輪帯である。さらに条件（３）まで範囲を広げれば輪帯Ｃ７も特殊輪帯であるといえる。従って、実施例２の対物レンズ１０も、実施例１と同様に、第一の光ディスク２０Ａに対する情報記録時に必要とされる比較的高いＮＡの光束を生成することができる。
【００６３】
また、各特殊輪帯のうち、輪帯Ｃ４は条件（６）も満たしている。図４は、実施例２の対物レンズ１０を使用して第一のレーザー光を第一の光ディスク２０Ａの記録面に集光させることにより得られるスポットの強度を表すグラフである。図４に示すように、実施例２の対物レンズ１０も上記の実施例１と同様、サイドローブの強度を低減するという効果が得られることがわかる。
【００６４】
上記各実施例の対物レンズと従来の対物レンズとの比較した結果を表１０に示す。従来例１は、ＣＤ使用時の設計開口数が０．５１の通常の対物レンズである。従来例２は、ＤＶＤ使用時の設計開口数が０．６５、Ｈが１．２３に設計されたＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズである。
【００６５】
【表１０】
表１０に示すように、実施例１および実施例２の対物レンズ１０は、条件（１）と条件（２）をともに満たす。さらに、各実施例の対物レンズ１０は、条件（５）も満たす。つまり各実施例の対物レンズ１０は、内側領域１１の最周辺１３をＣＤの設計開口数に対応する位置よりも光軸ＡＸ側に設ける。換言すれば第一の光ディスク２０Ａと第二の光ディスク２０Ｂに対して互換性を持たせるための内側領域１１の面積が小さく構成されている。該構成により不足するＮＡを外側領域１２にある特殊輪帯の作用によって補うことにより、実効的なＮＡを設計開口数と略同一にする。よって、従来例１の対物レンズと略同等の径のスポットを第一の光ディスクの記録面上に形成することができる。しかも、上記のように構成することにより、従来例２の互換対物レンズよりも、第二の光ディスク２０Ｂ使用時における波長特性および温度特性が良好であることもわかる。
【００６７】
なお表１０に示すように、該スポットの強度が従来の対物レンズに比べ若干低下している。しかし、この程度の強度低下は情報の記録再生処理にはほとんど影響を与えないため、本発明に係る対物レンズを実施するにあたり何ら支障はない。
【００６８】
以上が本発明の実施例である。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。例えば回折構造を設ける面は、第一面１０ａではなく、第二面１０ｂであってもよい。また、第一面と第二面の両方に回折構造を設けても良い。
【００６９】
さらには、表１の設計開口数も例示である。つまり本発明に係る対物レンズは、書き込み可能な第一の光ディスク２０Ａに必要な比較的高いＮＡ（０．５０以上）を該ディスク２０Ａに対する設計開口数とすることができる。同様に、本発明に係る対物レンズは、第二の光ディスク２０Ｂに必要な高いＮＡ（０．６２以上）を該ディスク２０Ｂに対する設計開口数とすることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、保護層の薄く記録密度が高い光ディスク使用時の波長特性や温度特性を良好に保ちつつ、保護層の比較的厚い情報記録可能な光ディスクに対する情報の記録再生に好適なＮＡの光束を生成可能な光ディスク用対物レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズを表す図である。
【図２】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズの光軸を含む面での断面形状の第一面近傍の拡大図である。
【図３】実施例１の対物レンズを透過した第一のレーザー光が第一の光ディスクの記録面近傍で形成するスポット中心からの距離と光強度との関係を表すグラフである。
【図４】実施例２の対物レンズを透過した第一のレーザー光が第一の光ディスクの記録面近傍で形成するスポット中心からの距離と光強度との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０ 対物レンズ
１１ 内側領域
１２ 外側領域
２０Ａ 第一の光ディスク
２０Ｂ 第二の光ディスク
Claims (7)
- 少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、
前記輪帯状の回折構造を有する面は、
第一の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第一の波長の光束、および前記第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に使用する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、
前記第二の波長の光束が入射した場合には、前記内側領域を透過した前記第二の波長の光束と略連続の波面を形成し、かつ略無収差の状態で前記第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、
を有し、
前記外側領域は、当該外側領域を透過した前記第一の波長の光束の位相が前記内側領域を透過した前記第一の波長の光束の位相と実質的に同相となるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、
前記所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から前記内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、
前記第一の波長の光束のうち、前記内側領域の最周辺に入射した光線の前記対物レンズ透過後の収束角度をθ（ｄｅｇ．）、前記第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（１）、
０．９＜ｓｉｎθ／ＮＡｒｅｆ＜１．０・・・（１）
を満たし、かつ第一の波長の光束の実効的な開口数が前記開口数ＮＡｒｅｆに略等しいことを特徴とする光ディスク用対物レンズ。 - 少なくとも一面に設けられた輪帯状の回折構造を利用することにより、記録密度が異なる少なくとも二種類の光ディスクに対して互換性を有する光ディスク用対物レンズにおいて、
前記輪帯状の回折構造を有する面は、
第一の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第一の波長の光束、および前記第一の光ディスクよりも記録密度が相対的に高い第二の光ディスクに対する情報記録再生時に適した波長を有する第二の波長の光束のどちらが入射しても、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束させる内側領域と、
前記第二の波長の光束が入射した場合には、前記内側領域を透過した前記第二の波長の光束と略連続の波面を形成し、無収差の状態で前記第二の光ディスクの記録面上に収束させる外側領域と、
を有し、
前記第一の波長の光束は該光ディスク用対物レンズに平行光束として入射するように構成されており、
前記外側領域は、当該外側領域を透過した前記第一の波長の光束の位相が前記内側領域を透過した前記第一の波長の光束の位相と実質的に同相となるような所定の輪帯を少なくとも一つ有し、
前記所定の輪帯における、最内周部の光軸からの高さ、最外周部の光軸からの高さをそれぞれｈｍｉｎ、ｈｍａｘ、光軸から前記内側領域の最周辺までの高さをＨとしたとき、少なくとも一つの該所定の輪帯が以下の条件（６）、
１．１＜（ｈｍｉｎ＋ｈｍａｘ）／２Ｈ＜１．２５・・・（６）
を満たすとともに、
前記第一の波長に対する該光ディスク用対物レンズの焦点距離をｆ１、光軸から前記内側領域の最周辺までの高さをＨ、前記第一の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数をＮＡｒｅｆとしたとき、以下の条件（２）、
０．９＜Ｈ／（ｆ１・ＮＡｒｅｆ）＜１．０・・・（２）
を満たし、かつ第一の波長の光束の実効的な開口数が前記開口数ＮＡｒｅｆに略等しいことを特徴とする光ディスク用対物レンズ。 - 請求項１または請求項２に記載の光ディスク用対物レンズにおいて、
前記実質的に同相とは、前記所定の輪帯を透過した前記第一の波長の光束の位相と、前記内側領域を透過した第一の波長の光束の位相との位相差をφ（ｄｅｇ．）とすると、該位相差φが以下の条件（３）、
−９０°＜φ＜＋９０°・・・（３）
を満たすことを特徴とする光ディスク用対物レンズ。 - 請求項３に記載の光ディスク用対物レンズにおいて、
前記位相差φは、さらに以下の条件（４）、
−６０°≦φ≦＋６０°・・・（４）
を満たすことを特徴とする光ディスク用対物レンズ。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光ディスク用対物レンズにおいて、
開口数がＮＡｒｅｆの値を採る対物レンズを使用した場合に得られるスポット径をＷｒｅｆ、前記光ディスク用対物レンズを透過した第一光束が前記第一の光ディスクの記録面上に形成するスポット径をＷ１とするとき、以下の条件（５）、
０．９９＜Ｗ１／Ｗｒｅｆ＜１．０１・・・（５）
を満たすことを特徴とする光ディスク用対物レンズ。 - 前記開口数ＮＡｒｅｆは０．５０以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光ディスク用対物レンズ。
- 前記第二の光ディスクに対する情報の記録再生に必要な開口数は０．６２以上であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光ディスク用対物レンズ。
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