JP4254549B2 - 光ピックアップ装置及び回折光学素子 - Google Patents

光ピックアップ装置及び回折光学素子 Download PDF

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Description

本発明は、基板厚さが薄い第１光記録媒体に対応して波長が短い第１レーザー光と、第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体に対応して第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光とを用いて、第１光記録媒体と第２光記録媒体とを選択的に記録又は再生する際に、第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、第１レーザー光と第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、開口数（ＮＡ）が０．７５以上である一つの対物レンズとを少なくとも備えた光ピックアップ装置及び回折光学素子に関するものである。
一般的に、円盤状の光ディスクやカード状の光カードなどの光記録媒体は、映像情報とか音声情報やコンピュータデータなどの情報信号を透明基板上で螺旋状又は同心円状に形成したトラックに高密度に記録し、且つ、記録済みのトラックを再生する際に所望のトラックを高速にアクセスできることから多用されている。
この種の光記録媒体となる光ディスクとして例えばＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などは既に市販されているが、最近になって光ディスクに対してより一層高密度化を図るために、ＤＶＤよりも情報信号を超高密度に記録又は再生できるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃの開発が盛んに行われている。
上記したＤＶＤは、波長が６５０ｎｍ前後のレーザー光を開口数（ＮＡ）が０．６程度の対物レンズで絞って得たレーザービームを照射して、レーザービーム入射面から略０．６ｍｍ隔てた位置にある信号面上に情報信号を記録又は再生している。この際、ＤＶＤの記録容量はディスク基板の直径が１２ｃｍの時に片面で４．７ＧＢ（ギガバイト）程度である。
一方、上記したＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃは、波長が４５０ｎｍ以下のレーザー光を開口数（ＮＡ）が０．７５以上の対物レンズで絞って得たレーザービームを照射して、レーザービーム入射面から略０．１ｍｍ隔てた位置にある信号面上に情報信号を記録又は再生できるように開発が進められている。この際、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃの記録容量はディスク基板の直径が１２ｃｍの時に片面で２５ＧＢ（ギガバイト）前後である。
ところで、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃの開発が進むにつれて、一つの対物レンズを用いて記録密度が超高密度であるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃと、このＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃよりも記録密度が低いＤＶＤとを下位互換性を確保して記録又は再生できる光ピックアップ装置が開発されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１）。
また、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃに対して色収差を補正できる光ピックアップ装置も開発されている（例えば、特許文献２及び特許文献３）。
更に、一般的な光ディスクに対して色収差を補正できる光ピックアップ装置も開発されている（例えば、特許文献４）。
特開２００２−２３６２５３号公報（第５７−５８頁、第３１図） 特開２００３−２７２２１３号公報（第５−６頁、第２図） 特開２００３−２７０５２５号公報（第６頁、第３図） 特開平６−２５００８１号公報（第４頁、第３図） 特開平６−８２７２５号公報（第２頁、第１図） Phase Shift Element for Blu-ray Disc / DVD Compatibility, Katsuhiro Koike et. al., Technical digest for ODS 2003, WA6 。
図２４は従来例１の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図、
図２５は従来例２の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図、
図２６は従来例３の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図、
図２７は従来例４の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図、
図２８は従来例５の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図、
図２９は従来例６の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。
まず、図２４に示した従来例１の光ピックアップ装置１１０は、上記した特許文献１に開示されているものであり、特許文献１を参照して簡略に説明すると、従来例１の光ピックアップ装置１１０では、透明基板の厚さが０．１ｍｍである第１光ディスク（例えば青色レーザー使用の次世代高密度光ディスク）１０１と、透明基板の厚さが０．６ｍｍである第２光ディスク（例えばＤＶＤ）１０２とが選択的に適用可能に構成されている。
上記した従来例１の光ピックアップ装置１１０内には、第１光ディスク（例えば次世代高密度光ディスク）１０１に対応して波長が４００ｎｍ程度の第１レーザー光（青色レーザー光）を出射する第１半導体レーザー１１１と、第２光ディスク（例えばＤＶＤ）１０２に対応して波長が６５０ｎｍ程度の第２レーザー光（赤色レーザー光）を出射する第２半導体レーザー１１２と、第１，第２ビームスプリッタ１１３，１１４と、１次元アクチュエータ１１５によって光軸方向に移動可能なコリメータ１１６と、１／４波長板１１７と、絞り１１８と、２次元アクチュエータ１１９によって第１，第２レーザー光を第１，第２光ディスク上に結像するために開口数ＮＡが０．７以上で少なくとも１面上に回折輪帯レンズが形成された対物レンズ１２０と、第１，第２光ディスク１０１，１０２からの戻り光を検出するためのシリンドリカルレンズ１２１及び光検出器１２２とを備えている。
そして、第１，第２半導体レーザー１１１，１１２から出射した各発散光束は、２個の第１，第２ビームスプリッタ１１３，１１４，コリメータ１１６，１／４波長板１１７，絞り１１８を介して、第１，第２光ディスク１０１，１０２の情報記録面１０１ａ，１０２ａ上にそれぞれ選択的に集光され、各スポットを形成する。この際、第１，第２光ディスク１０１，１０２の基板厚さに誤差がある場合とか、第１，第２半導体レーザー１１１，１１２の製造誤差により各発振波長に誤差がある場合とか、集光光学系を構成するレンズに厚さの誤差がある場合に発生する球面収差をコリメータ１１６の移動により補正している。
更に、対物レンズ１２０は、第１半導体レーザー１１１からの光束に対して像側開口数ＮＡ１内で回折限界内となるように集光させるので、高密度な第１光ディスク１０１を再生でき、一方、第２半導体レーザー１１２からの光束に対して像側開口数ＮＡ２内で回折限界内となるように集光させるので、第２光ディスク１０２を再生できる。また、第２半導体レーザー１１２からの光束を第２光ディスク１０２の情報記録面１０２ａ上に集光させる際、対物レンズ１２０の少なくとも１面上に形成された回折輪帯レンズの作用により、像側開口数ＮＡ１からＮＡ２の領域を通過する光束をフレア成分とするので、第２半導体レーザー１１２からの光束を、ＮＡ１で決定される絞り１１８をすべて通過させても、像側開口数ＮＡ１からＮＡ２の領域を通過する光束は第２光ディスク１０２の情報記録面１０２ａ上にスポットを結ばないため、ＮＡ１とＮＡ２との開口切り替え手段を設ける必要がないように構成されている。
次に、図２５に示した従来例２の光ピックアップ装置１３０は、上記した非特許文献１に開示されているものであり、非特許文献１を参照して簡略に説明すると、従来例２の光ピックアップ装置１３０では、レンズホルダ１３１内に、位相光学素子（ＰＳＥ：Phase Shift Element)１３２と、開口数（ＮＡ）が０．８５である対物レンズ１３３とが取り付けられており、４０５ｎｍの波長に対応したＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃと、６５０ｎｍの波長に対応したＤＶＤとを選択的に適用可能に構成されており、位相光学素子１３２でＢｌｕ−ｒａｙ ＤｉｓｃとＤＶＤとの基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正できるようになっている。
ここで、上記した位相光学素子（ＰＳＥ：Phase Shift Element)１３２は、内周に階段状回折パターン部１３２ａが形成され、この階段状回折パターン部１３２ａの外周に平坦部１３２ｂが形成されている。
そして、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃに対して波長が４０５ｎｍの第１レーザー光を位相光学素子１３２の階段状回折パターン部１３２ａと平坦部１３２ｂとをそのまま透過させて対物レンズ１３３によりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ上に集光させる一方、ＤＶＤに対して波長が６５０ｎｍの第２レーザー光を位相光学素子１３２の階段状回折パターン部１３２ａのみを透過させてこの階段状回折パターン部１３２ａで球面収差を補正しながら対物レンズ１３３によりＤＶＤ上に集光させている。
次に、図２６に示した従来例３の光ピックアップ装置１４０は、上記した特許文献２に開示されているものであり、特許文献２を参照して簡略に説明すると、従来例３の光ピックアップ装置１４０では、凹レンズ１４１Ａと凸レンズ１４１Ｂとからなるビームエキスパンダー１４１と、凹レンズ１４２Ａと凸レンズ１４２Ｂと凹レンズ１４２Ｃとを貼り合わせて形成されて色収差補正手段となるトリプレット１４２と、開口数が０．７以上である対物レンズ１４３とで構成されており、波長が４０３ｎｍ前後のレーザー光Ｌに対応したＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１に対して球面収差と色収差とを補正できるようになっている。
ここで、上記したビームエキスパンダー１４１は、２枚のレンズ１４１Ａ，１４１Ｂの間隔を調整することで光の平行度を変化させて、対物レンズ１４３の球面収差を補正している。また、上記したトリプレット１４２は、対物レンズ１４３の色収差により生じる焦点方向の誤差成分を補正している。
次に、図２７に示した従来例４の光ピックアップ装置１５０は、上記した特許文献３に開示されているものであり、特許文献３を参照して簡略に説明すると、従来例４の光ピックアップ装置１５０では、凹レンズ１５１Ａとフレネルレンズ１５１Ｂとからなるビームエキスパンダー１５１と、開口数が０．７以上である対物レンズ１５２とで構成されており、波長が４０５ｎｍ前後のレーザー光Ｌに対応したＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１に対して球面収差と色収差とを補正できるようになっている。
ここで、上記したビームエキスパンダー１５１は、２枚のレンズ１５１Ａ，１５１Ｂの間隔を調整することで光の平行度を変化させて、対物レンズ１５２の球面収差を補正している。また、ビームエキスパンダー１５１中のフレネルレンズ１５１Ｂは、アナログ的なブレーズ１５１Ｂａ（又は階段状のブレーズ）が形成されており、凹レンズ１５１Ａに対して凸レンズとしての機能を有するものであって、その焦点距離は対物レンズ１５２の色収差により生じる焦点方向の誤差成分を補正できるようになっている。
次に、図２８に示した従来例５の光ピックアップ装置１６０は、上記した特許文献４に開示されているものであり、特許文献４を参照して簡略に説明すると、従来例５の光ピックアップ装置１６０では、正レンズ１６１Ａと負レンズ１６１Ｂとからなる色収差補正素子１６１と、対物レンズ１６２とで構成されており、色収差補正素子１６１中の正レンズ１６１Ａと負レンズ１６１Ｂとの貼り合わせ面を非球面に形成することで、光ディスク１０３に対して色収差補正素子１６１で波長変化による球面収差を補正することができるようになっている。
次に、図２９に示した従来例６の光ピックアップ装置１７０は、上記した特許文献５に開示されているものであり、特許文献５を参照して簡略に説明すると、従来例６の光ピックアップ装置１７０では、光入射端面１７１ａ，光出射端面１７１ｂの少なくとも一方に、光軸に対して垂直な平面を同心円状の輪帯として階段状に形成した色収差補正素子１７１と、対物レンズ１７２とで構成されており、光ディスク１０３に対して単一の色収差補正素子１７１で色収差を補正できるようになっている。
ところで、上記した従来例１の光ピックアップ装置１１０では、開口数ＮＡが０．７以上で少なくとも１面上に回折輪帯レンズが形成された対物レンズ１２０によって、透明基板の厚さが０．１ｍｍである第１光ディスク１０１と、透明基板の厚さが０．６ｍｍである第２光ディスク１０２とを選択的に適用可能に構成されているものの、対物レンズ１２０の少なくとも１面上に形成した回折輪帯レンズはピッチが狭くなり、対物レンズ１２０の加工が困難であり、レンズ性能に悪影響を及ぼす危険性がある。
また、上記した従来例２の光ピックアップ装置１３０では、位相光学素子１３２と、開口数ＮＡが０．８５である対物レンズ１３３とで４０５ｎｍの波長に対応したＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃと、６５０ｎｍの波長に対応したＤＶＤとを選択的に適用可能に構成されているものの、位相光学素子１３２の内周に形成した階段状回折パターン部１３２ａで第２レーザー光に対して球面収差が補正されるものの、内周に形成した階段状回折パターン部１３２ａと外周に形成した平坦部１３２ｂとをそのまま透過する第１レーザー光では、波長誤差が生じた時に外周が平坦であるためにＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃへの球面収差補正が甘くなってしまう。
また、上記した従来例３の光ピックアップ装置１４０では、ビームエキスパンダー１４１と、トリプレット１４２と、開口数が０．７以上である対物レンズ１４３とで、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１に対して球面収差及び色収差の補正が可能なものの、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１とＤＶＤ（図示せず）とを下位互換性を確保して記録又は再生することに対して考慮されていない。また、色収差補正手段となるトリプレット１４２は、光学全体で軸上色収差を過剰に補正出来るように設計する必要があるため、貼り合わせ面の曲率半径が小さくなり、加工が難しい。更に、ビームエキスパンダー１４１により球面収差を補正する場合に、ビームエキスパンダー１４１の間隔を変化させれば良いものの、球面収差の補正に要する時間がかなりかかってしまう。
また、上記した従来例４の光ピックアップ装置１５０では、ブレーズを有するビームエキスパンダー１５１だけで球面収差及び色収差の補正が可能であるので、従来例３よりも部品点数を削減してもＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１に対して同等の性能が得られるものの、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１０１とＤＶＤ（図示せず）とを下位互換性を確保して記録又は再生することに対して考慮されていない。また、ビームエキスパンダー１５１中のフレネルレンズ１５１Ｂにアナログ的なブレーズ１５１Ｂａ（又は階段状のブレーズ）を形成する時にピッチが狭くなり加工が難しい。
また、上記した従来例５の光ピックアップ装置１６０では、色収差補正素子１６１に波長変化による球面収差を補正する機能を持たせているものの、この色収差補正素子１６１は正レンズ１６１Ａと負レンズ１６１Ｂの貼り合わせ面が非球面であるために、色収差補正素子１６１を製造することが困難である。
また、上記した従来例６の光ピックアップ装置１７０では、階段状に形成した色収差補正素子１７１により光ディスク１０３に対して色収差を補正できるので、超高密度なＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃにも適用可能であるものの、Ｂｌｕ−ｒａｙ ＤｉｓｃとＤＶＤとを下位互換性を確保して記録又は再生することに対して考慮されていない。
そこで、一つの対物レンズを用いて記録密度が超高密度である第１光記録媒体（例えば、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）と、この第１光記録媒体よりも記録密度が低い第２光記録媒体（例えば、ＤＶＤ）とを下位互換性を確保して記録又は再生でき、波長変化が生じた場合の球面収差の変動が少なく、且つ、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃに対して同時に用いられる色収差補正素子の設計を製造しやすい方向へ導き、更に、素子数の増加を伴わない光ピックアップ装置及び回折光学素子が望まれている。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第１の発明は、第１光記録媒体と、前記第１光記録媒体よりも記録密度が低く且つ前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体と、前記第１，第２光記録媒体の各信号面を組み合わせて一体的に積層した組み合わせ型光記録媒体とを選択的に記録又は再生する光ピックアップ装置において、
前記第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光を出射させる第１レーザー光源と、
前記第２光記録媒体に対応して前記第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光を出射させる第２レーザー光源と、
前記第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、
前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、
第１光記録媒体用として開口数（ＮＡ）が０．７５以上に設定され、且つ、互いに対向する各面のうち少なくとも一方の面が非球面に形成されて、前記第１，第２レーザー光を前記第１，第２光記録媒体の各信号面に集光させる対物レンズとを少なくとも備え、
前記回折光学素子は、前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に凹部に対して凸部の高さを前記設計波長λの略１λ倍に設定した凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側凹凸状回折パターン部と、前記内周側凹凸状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする光ピックアップ装置である。
また、第２の発明は、第１光記録媒体と、前記第１光記録媒体よりも記録密度が低く且つ前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体と、前記第１，第２光記録媒体の各信号面を組み合わせて一体的に積層した組み合わせ型光記録媒体とを選択的に記録又は再生する光ピックアップ装置において、
前記第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光を出射させる第１レーザー光源と、
前記第２光記録媒体に対応して前記第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光を出射させる第２レーザー光源と、
前記第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、
前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、
第１光記録媒体用として開口数（ＮＡ）が０．７５以上に設定され、且つ、互いに対向する各面のうち少なくとも一方の面が非球面に形成されて、前記第１，第２レーザー光を前記第１，第２光記録媒体の各信号面に集光させる対物レンズとを少なくとも備え、
前記回折光学素子は、前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略２λ倍に設定した複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側階段状回折パターン部と、前記内周側階段状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする光ピックアップ装置である。
また、第３の発明は、基板厚さが薄い第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光と、前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体に対応して第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光とを用いて、前記第１光記録媒体と前記第２光記録媒体とを選択的に記録又は再生する際に、前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子であって、
前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に凹部に対して凸部の高さを前記設計波長λの略１λ倍に設定した凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側凹凸状回折パターン部と、前記内周側凹凸状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする回折光学素子である。
更に、第４の発明は、基板厚さが薄い第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光と、前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体に対応して第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光とを用いて、前記第１光記録媒体と前記第２光記録媒体とを選択的に記録又は再生する際に、前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子であって、
前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略２λ倍に設定した複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側階段状回折パターン部と、前記内周側階段状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする回折光学素子である。
請求項１記載の光ピックアップ装置及び請求項３記載の回折光学素子によると、とくに、回折光学素子は、第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に凹部に対して凸部の高さを設計波長λの略１λ倍に設定した凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側凹凸状回折パターン部と、内周側凹凸状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有しているため、内周側凹凸状回折パターン部で第２レーザー光Ｌ２に対する球面収差を補正でき、且つ、外周側階段状回折パターン部で第１レーザー光Ｌ１に対して色収差に関する補正ができるので、第１光記録媒体と、第２光記録媒体と、第１，第２光記録媒体を組み合わせた組み合わせ型光記録媒体とを良好に記録又は再生できると共に、色収差補正素子の設計を製造しやすい方向へ導くことができる。
また、請求項２記載の光ピックアップ装置及び請求項４記載の回折光学素子によると、とくに、回折光学素子は、第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に各段の段差高さを設計波長λの略２λ倍に設定した複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側階段状回折パターン部と、内周側階段状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有しているため、内周側階段状回折パターン部で第２レーザー光Ｌ２に対する球面収差を補正でき、且つ、外周側階段状回折パターン部で第１レーザー光Ｌ１に対して色収差に関する補正ができるので、第１光記録媒体と、第２光記録媒体と、第１，第２光記録媒体を組み合わせた組み合わせ型光記録媒体とを良好に記録又は再生できると共に、色収差補正素子の設計を製造しやすい方向へ導くことができる。
以下に本発明に係る光ピックアップ装置及び回折光学素子の一実施例を図１乃至図２３を参照して、実施例１，実施例２の順に詳細に説明する。
本発明に係る光ピックアップ装置は、一つの対物レンズを用いて記録密度が超高密度である第１光記録媒体（例えば、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）と、この第１光記録媒体よりも記録密度が低い第２光記録媒体（例えば、ＤＶＤ）とを下位互換性を確保して記録又は再生する際に、第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、第１レーザー光と第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、次世代光ディスク規格の第１光記録媒体に対応して設計し且つ開口数（ＮＡ）が０．７５以上である対物レンズとを少なくとも備え、とくに、回折光学素子は内周領域内に後述する第１の位相関数によって求めた第１の位相関数曲線に基づいて凹凸状の内周側凹凸状回折パターン部又は階段状の内周側階段状回折パターン部を輪帯状に形成し、且つ、外周領域内に後述する第２の位相関数によって求めた第２の位相関数曲線に基づいて階段状の外周側階段状回折パターン部を輪帯状に形成することで、内周側凹凸状回折パターン部又は内周側階段状回折パターン部で第２レーザー光Ｌ２に対する球面収差を補正でき、且つ、外周側階段状回折パターン部で第１レーザー光Ｌ１に対して色収差に関する補正ができると共に、色収差補正素子の設計を製造しやすい方向へ導くことができることを特徴とするものである。
図１は本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置の全体構成を示した図である。
図１に示した如く、本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置１０は、基準波長λ１が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光Ｌ１により情報信号を基板厚さが薄い信号面１ｂに超高密度に記録又は再生する第１光記録媒体１と、基準波長λ２が第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１より長く６５０ｎｍ前後の第２レーザー光Ｌ２により情報信号を前記した第１光記録媒体１の信号面１ｂよりも基板厚さが厚い信号面２ｂに高密度に記録又は再生する第２光記録媒体２と、第１，第２レーザー光Ｌ１，Ｌ２のいずれかが入射するレーザービーム入射面を共通化し且つ第１，第２光記録媒体１，２の各信号面１ｂ，２ｂを組み合わせて一体的に積層した組み合わせ型光記録媒体とを選択的に適用可能に開発したものである。
尚、ここでの図示を省略するものの、第１，第２光記録媒体１，２の各信号面１ｂ，２ｂを組み合わせた組み合わせ型光記録媒体は合計のディスク基板厚さが略１．２ｍｍに形成されるものであるが、以下の説明では第１，第２光記録媒体１，２の個々について詳述し、組み合わせ型光記録媒体の場合はその応用であるので説明を省略する。
また、以下の説明では、第１，第２光記録媒体１，２として、円盤状の光ディスクに適用した場合について説明するが、これに限ることなく、カード状の光記録媒体であっても良い。
そして、上記した第１，第２光記録媒体１，２は、光ディスク駆動装置５内に回転自在に設けたスピンドルモータ６の軸に固着したターンテーブル７上に選択的に装着されるようになっている。
ここで、上記した第１光記録媒体となるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１は、次世代光ディスク規格に基づいてレーザービーム入射面１ａと信号面１ｂとの間のディスク基板厚さｄ１が略０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍに薄く設定されて、この上に補強板（図示せず）を貼り合せて合計厚さが厚く形成されており、この合計厚さは例えば略１．２ｍｍである。尚、以下の説明では、第１光記録媒体をＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１と記す。
また、上記した第２光記録媒体となるＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）２は、ＤＶＤ規格に基づいてレーザービーム入射面２ａと信号面２ｂとの間のディスク基板厚さｄ２がＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１よりも厚く０．６ｍｍに設定されて、この上に補強板（図示せず）を貼り合せて合計厚さが略１．２ｍｍに形成されている。尚、以下の説明では、第２光記録媒体をＤＶＤ２と記す。
尚、この実施例１では、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１，ＤＶＤ２の各ディスク基板厚さｄ１，ｄ２が、例えば０．１ｍｍ，０．６ｍｍにそれぞれ設定されているものとする。
また、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザービーム入射面１ａ又はＤＶＤ２のレーザービーム入射面２ａの下方には、本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置１０がＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１又はＤＶＤ２の径方向に移動自在に設けられている。
上記した本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置１０内には、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対応して基準波長λ１が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光Ｌ１を出射するための第１レーザー光源（以下、青色半導体レーザーと記す）１１と、ＤＶＤ２に対応して基準波長λ２が６５０ｎｍ前後の第２レーザー光Ｌ２を出射するためにＤＶＤ用集積デバイス３０内の第２レーザー光源（以下、赤色半導体レーザーと記す）３１とが設けられている。
尚、この実施例１では、青色半導体レーザー１１から出射される第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１は例えば４０８ｎｍに設定され、また、赤色半導体レーザー３１から出射される第２レーザー光Ｌ２の基準波長λ２は例えば６５５ｎｍに設定されているものとする。
まず、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対応する青色半導体レーザー１１側について説明すると、青色半導体レーザー１１から出射した第１レーザー光Ｌ１は直線偏光の発散光であり、この発散光が回折格子（グレーティング）１２に入射され、この回折格子１２内に形成された凹凸状格子（図示せず）のピッチと傾斜の角度に応じて０次回折光と±１次回折光とからなる３本のビーム（以下、３ビームと記す）に分離された後に、３ビームが偏光ビームスプリッタ１３に入射される。
尚、この実施例１では、回折格子１２により３ビームを生成しているが、回折格子１２を設けない構成もあり、この場合には青色半導体レーザー１１から出射した第１レーザー光Ｌ１を１ビームのままで偏光ビームスプリッタ１３に直接入射させれば良い。
上記した偏光ビームスプリッタ１３は、回折格子１２からの３ビームを透過させ、且つ、後述するＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１からの反射光を反射させて略９０°方向を転じさせるために偏光性を有する半透過反射誘電体多層膜１３ａが膜付けされている。
この後、偏光ビームスプリッタ１３内の半透過反射誘電体多層膜１３ａを透過した第１レーザー光Ｌ１による３ビームは、コリメーターレンズ１４で平行光に変換されて、球面収差補正手段１５に入射される。
上記した球面収差補正手段１５は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のディスク基板厚さｄ１のバラツキとか、青色半導体レーザー１１から出射した第１レーザー光Ｌ１の波長誤差などに伴って青色半導体レーザー１１とＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１の信号面１ｂとの間に配置された光学系によって発生する球面収差を補正するものであり、青色半導体レーザー１１側に設けた凹レンズ（負レンズ）１５Ａと、後述の対物レンズ２１側に設けた凸レンズ（正レンズ）１５Ｂと、凸レンズ１５Ｂを光軸方向に沿って変位させるアクチュエータ１５Ｃとから構成されている。そして、凸レンズ１５Ｂをアクチュエータ１５Ｃによって凹レンズ１５Ａに対して光軸方向に変位させ、凹レンズ１５Ａと凸レンズ１５Ｂとの間隔を制御して、対物レンズ２１に入射する３ビームの平行度を調整して、対物レンズ２１の倍率誤差による球面収差を発生させて他の球面収差と相殺することで球面収差が零になるように補正するものである。尚、凹レンズ（負レンズ）１５Ａを凸レンズ１５Ｂに対して光軸方向に変位させる方法でも良い。
尚、球面収差補正手段として、この実施例１では凹レンズ１５Ａと凸レンズ１５Ｂとアクチュエータ１５Ｃとの組み合わせを用いたが、これに代えて液晶素子などを用いた波面変調素子を適用することも可能である。
この後、球面収差補正手段１５を通った第１レーザー光Ｌ１による３ビームは、波長板１６を透過する際に、第１レーザー光Ｌ１による３ビームに対して、波長板の進相軸と遅相軸に対応する偏光成分に、略１／４波長（９０°）の位相差を与えて円偏光に変換した後に、色収差補正素子１７に入射する。あるいは、この１／４波長板は、より対物レンズ２１に近い位置に置くことも可能である。その場合は、第１，第２レーザー光Ｌ１，Ｌ２の両者に対して１／４波長の位相差を与える波長板とすることが可能である。また、第２レーザー光Ｌ２に対しては、位相板として機能しないような構成の波長板とすることも可能である。
上記した色収差補正素子１７は、一方の面が平坦面で他方の面が凹球面に形成された凹レンズ１７Ａと、両面共に凸球面に形成された凸レンズ１７Ｂと、一方の面が凹球面で他方の面が平坦面に形成された凹レンズ１７Ｃとを貼り合わせて形成されており、第１レーザー光Ｌ１に対して色収差を補正する機能を有している。
尚、この実施例１では、上記したような色収差補正素子１７を用いているが、これに代えて先に図２９を用いて従来例６で述べたような光入射端面，光出射端面の少なくとも一方に、光軸に対して垂直な平面を同心円状の輪帯として階段状に形成した回折型の色収差補正素子を適用しても良い。また、この同心円上の輪帯は屈折面（曲面）の上に形成しても良い。
尚更に、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１が４０８ｎｍであれば色収差が発生しないために、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対して色収差を測定する場合には、第１レーザー光Ｌ１の波長が例えば４１１ｎｍである青色半導体レーザー１１を用いて測定すれば良い。 そして、色収差補正素子１７を通過した第１レーザー光Ｌ１による３ビームは、第１，第２レーザー光分離手段となるダイクロイックプリズム１８を通過する。このダイクロイックプリズム１８は、青色半導体レーザー１１から出射した第１レーザー光Ｌ１を透過させる一方、赤色半導体レーザー３１から出射した第２レーザー光Ｌ２に対して反射させて略９０°方向を転じさせるために波長選択性を有する半透過反射ダイクロイック膜１８ａが膜付けされている。
この後、ダイクロイックプリズム１８内の半透過反射ダイクロイック膜１８ａを透過した第１レーザー光Ｌ１による３ビームは、レンズホルダ１９内の下方部位に取り付けた本発明に係る実施例１の回折光学素子２０を平行光のままで直進してレンズホルダ１９内の上方部位に取り付けた対物レンズ２１に入射し、この対物レンズ２１で絞り込んだ第１レーザービーム（３ビーム）がＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザー入射面１ａから入射して信号面１ｂに集光される。
この際、上記した本発明に係る実施例１の回折光学素子２０は、対物レンズ２１と対向する上面（一方の面）側の内周領域内に後述する第１の位相関数により求めた第１の位相関数曲線に基づいて凹凸状の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１を輪帯状に形成し、且つ、内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１より外側の外周領域内に後述する第２の位相関数により求めた第２の位相関数曲線に基づいて階段状の外周側階段状回折パターン部２０ａ２を輪帯状に形成した状態でレンズホルダ１９内の下方部位に対物レンズ２１と光軸を一致させて取り付けられている。そして、青色半導体レーザー１１から出射した第１レーザー光Ｌ１に対して回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１と、外周側階段状回折パターン部２０ａ２とを平行光のまま透過させた後に、第１レーザー光Ｌ１を対物レンズ２１に入射させている。
尚、上記した回折光学素子２０は、実施例１の要部を構成するものであり、この回折光学素子２０の形状と、回折光学素子２０による第１レーザー光Ｌ１に対する動作については後で詳述する。
また、上記した対物レンズ２１は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用として開口数が０．７５以上に設定され、且つ、互いに対向する面２１ａ，２１ｂのうち少なくとも一方の面が非球面に形成されているものであるが、この実施例１では開口数（ＮＡ）が０．８５でアプラナートな特性、又は、アプラナートに近い特性を持った単玉レンズを用いている。尚、ここで言うアプラナートとは、軸上の球面収差を完全に補正しつつ正弦条件（軸外でコマ収差を発生しない条件）を満足したものである。
また、レンズホルダ１９の外周にはフォーカスコイル２２とトラッキングコイル２３とが一体的に取り付けられ、且つ、レンズホルダ１９の外周に固着させた不図示の複数本のサスペンションワイヤを介してレンズホルダ１９と一体に回折光学素子２０と対物レンズ２１とがＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のフォーカス方向とトラッキング方向とに制御されている。
尚、後述するＤＶＤ２の場合にも、回折光学素子２０と対物レンズ２１とがレンズホルダ１９と一体となってＤＶＤ２のフォーカス方向とトラッキング方向とに制御されるものである。
この後、対物レンズ２１で絞り込んだ第１レーザービーム（３ビーム）をＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザービーム入射面１ａから入射させて信号面１ｂ上に集光し、第１レーザービームによって信号面１ｂへの再生、記録、または消去が行われる。
更にこの後、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１の信号面１ｂで反射された第１レーザービームによる戻りの第１反射光は、上記とは逆に対物レンズ２１に再入射して、回折光学素子２０，ダイクロイックプリズム１８，色収差補正素子１７，波長板１６，球面収差補正手段１５，コリメーターレンズ１４を順に通過して、偏光ビームスプリッタ１３内の偏光性を有する半透過反射誘電体多層膜１３ａで反射されて略９０°方向を転じた後にシリンドリカルレンズ２４を介して第１光検出器２５に集光する。そして、第１光検出器２５でＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１の信号面１ｂを再生した時のトラッキングエラー信号，フォーカスエラー信号，メインデータ信号を検出している。
次に、ＤＶＤ２に対応する赤色半導体レーザー３１側について説明すると、ＤＶＤ２を記録又は再生する場合には、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する際に用いた球面収差補正手段１５及び色収差補正素子１７を用いない光学系になっている。
尚、球面収差補正手段１５と色収差補正素子１７は、上記ではＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する光学系のみに配置されているが、これに限らず、ＤＶＤ２を記録又は再生する場合でも、その両者１５，１７を含んだ光学系として構成することも可能である。この場合には第２レーザー光Ｌ２に対して収差が小さくなるように球面収差補正手段１５を成業するか、又は、球面収差補正手段１５及び色収差補正素子１７に入射する第２レーザー光Ｌ２の平行度を適切に設定して収差を小さくすれば良い。
ここで、ＤＶＤ用集積デバイス３０は、赤色半導体レーザー３１と、赤色半導体レーザー３１の右方に設置した第２光検出器３２とが不図示の半導体基板上に一体化されており、且つ、赤色半導体レーザー３１の上方にホログラム素子３３が設置されている。
尚、この実施例１ではＤＶＤ用集積デバイス３０を用いているが、これに限ることなく、図示を省略するが赤色半導体レーザーからの第２レーザー光をビームスプリッタで分離させる構成でも良い。
ここで、赤色半導体レーザー３１から出射した第２レーザー光Ｌ２は直線偏光の発散光であり、この発散光がホログラム素子３３を通過する。この後、ホログラム素子３３を通過した第２レーザー光Ｌ２は、コリメータレンズ３４で平行光となり、この平行光が第２レーザー光用の位相板３５を透過して円偏光となる。この際、第２レーザー光用の位相板３５は第２レーザー光Ｌ２が透過する時に、その進相軸と遅相軸の間に略（λ２）／４の位相差を与えて円偏光に変換するものである。
更に、位相板３５を通った第２レーザー光Ｌ２の平行光は、ダイクロイックプリズム１８内の波長選択性を有する半透過反射ダイクロイック膜１８ａで反射されて略９０°光線方向を転じた後、第２レーザー光Ｌ２に対して回折光学素子２０により対物レンズ２１への開口数（ＮＡ）が０．６相当になるように開口を制限させると共に、第２レーザー光Ｌ２の平行光を回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１で回折させて球面収差を補正しながら第２レーザー光Ｌ２の回折光を対物レンズ２１に入射させている。
尚、回折光学素子２０による第２レーザー光Ｌ２に対する動作については後で詳述する。
この後、対物レンズ２１で絞り込んだ第２レーザービームをＤＶＤ２のレーザービーム入射面２ａから入射させて信号面２ｂ上に集光し、第２レーザービームによってＤＶＤ２の信号面２ｂへの再生、記録、または消去が行われる。
更にこの後、ＤＶＤ２の信号面２ｂで反射された第２レーザービームによる戻りの第２反射光は、上記とは逆に対物レンズ２１に再入射し、回折光学素子２０を経てダイクロイックプリズム１８内の半透過反射ダイクロイック膜１８ａで反射されて略９０°光線方向を転じた後、第２レーザー光用の位相板３５，コリメータレンズ３４を順に通過して、ホログラム素子３３によって回折されて、第２光検出器３２に集光する。そして、第２光検出器３２でＤＶＤ２の信号面２ｂを再生した時のトラッキングエラー信号，フォーカスエラー信号，メインデータ信号を検出している。
ここで、実施例１における主要な光学系の仕様を順に説明する。
まず、対物レンズ２１の仕様を下記の表１に示す。
Figure 0004254549
次に、色収差補正素子１７と、回折光学素子２０と、対物レンズ２１と、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１及びＤＶＤ２とを含む各光学面形成部材の一覧について下記の表２に示す。
Figure 0004254549
また、表２中に示した色収差補正素子，回折光学素子，対物レンズ，Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ及びＤＶＤに用いた各材料の各波長に対する屈折率を下記の表３に示す。
Figure 0004254549
次に、表２の第６面（回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１）を作製する際に用いる第１の位相関数Φ（ｈ）を下記の数１に示す。
Figure 0004254549
また、上記した第１の位相関数Φ（ｈ）中の位相関数係数Ａ２〜Ａ８の一例を下記の表４に示す。
Figure 0004254549
次に、表２の第６面（回折光学素子２０の外周側階段状回折パターン部２０ａ２）を作製する際に用いる第２の位相関数Φ’（ｈ）を下記の数２に示す。
Figure 0004254549
また、上記した第２の位相関数Φ’（ｈ）中の位相関数係数Ａ’２〜Ａ’８の一例を下記の表５に示す。
Figure 0004254549
次に、対物レンズ２１において、レーザー光源側である表２の第７面（対物レンズ２１中で回折光学素子２０と対向する面２１ａ）と、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１又はＤＶＤ２と対向する面である表２の第８面（２１ｂ）とを非球面に形成する際、下記する数３の非球面多項式を用いて非球面を表すものとする。
Figure 0004254549
上記した数３の非球面多項式を用いた時に、対物レンズ２１の面２１ａ（第７面）を非球面に形成するための非球面係数Ｂ４〜Ｂ１６の一例を下記の表６に示す。
Figure 0004254549
また、上記した数３の非球面多項式を用いた時に、対物レンズ２１の面２１ｂ（第８面）を非球面に形成するための非球面係数Ｂ４〜Ｂ１０の一例を下記の表７に示す。
Figure 0004254549
以下、先に表２で示した各光学面形成部材について順を追って、先に説明した図１と、新たな図２〜図１１とを用いて説明する。
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の回折光学素子を説明するための全体図，Ｘ部拡大図、
図３は本発明に係る実施例１の回折光学素子を一部変形させた変形例１を示した図、
図４は本発明に係る実施例１の回折光学素子を一部変形させた変形例２を示した図、
図５は実施例１において、回折光学素子の内周側凹凸状回折パターン部を作製する際に用いられる第１の位相関数Φ（ｈ）により求めた内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）を説明するための図、
図６は実施例１において、回折光学素子の外周側凹凸状回折パターン部を作製する際に用いられる第２の位相関数Φ’（ｈ）により求めた外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を説明するための図、
図７は図６で得られた外周側位相関数曲線に基づいて回折光学素子の外周側階段状回折パターン部を略１λで階段状に区分けする場合を示した図、
図８は図６で得られた外周側位相関数曲線に基づいて回折光学素子の外周側階段状回折パターン部を略２λで階段状に区分けする場合を示した図、
図９は実施例１において、対物レンズ単体の縦収差図、
図１０は実施例１において、光学系全体の縦収差図、
図１１は実施例１において、縦収差の最適設定方法を説明するための図である。
まず、色収差補正素子１７は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する光学系中にのみに配置され、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対して色収差を補正する機能を備えており、凹レンズ１７Ａと凸レンズ１７Ｂと凹レンズ１７Ｃとを貼り合わせて形成する際に、先の表２に示したように凹レンズ１７Ａと凸レンズ１７Ｂの貼り合わせ面が球面で半径３．２５ｍｍに設定され、且つ、凸レンズ１７Ｂと凹レンズ１７Ｃの貼り合わせ面が球面で半径−３．２５ｍｍに設定されている。この際、凹レンズ１７Ａ及び凹レンズ１７ＣはＳ−ＴＩＨ１１（ＯＨＡＲＡ製光学ガラス）を用い、凸レンズ１７ＢはＳ−ＬＡＨ５３（ＯＨＡＲＡ製光学ガラス）を用いている。
次に、図２（ａ），（ｂ）に示した如く、実施例１の要部となる回折光学素子２０は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１と、ＤＶＤ２との基板厚さの異なりにより発生する球面収差を補正する機能を備えている。
上記した回折光学素子２０は、光透過性を有する透明なＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス…ＨＯＹＡ製光学ガラス）とか、石英基板とか、透明樹脂などを用いて一体的に形成されており、この実施例１では先の表２に示したようにＢＫ７を用いている。
また、回折光学素子２０は、対物レンズ２１（図１）と対向する上面（一方の面）側で光軸が通る中心点“０”を中心にしてＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１とＤＶＤ２との基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定の内周領域径φＤ１内に内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１が輪帯状（リング状）に形成され、且つ、この内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１より外側で少なくとも所定の外周領域径φＤ２内に外周側階段状回折パターン部２０ａ２が輪帯状（リング状）に形成されており、内周側凹凸状回折パターン２０ａ１でＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２に対して球面収差が補正でき、且つ、外周側階段状回折パターン部２０ａ２でＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対して色収差に関する補正ができるようになっている。この際、内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１が形成される所定の内周領域径φＤ１はφ２．５ｍｍに設定され、且つ、外周側階段状回折パターン部２０ａ２が形成される所定の外周領域径φＤ２はφ３．４ｍｍに設定され、先に表１で示したように対物レンズ２１（図１）の瞳径がφ３．４ｍｍであるので、この瞳径の全面をカバーできるようになっている。
より具体的に説明すると、まず、回折光学素子２０の内周領域に形成した内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１は、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１と同じ値（４０８ｎｍ）の波長を設計波長λとして、先に数１で示した第１の位相関数Φ（ｈ）に先の表４で示した２次から８次の位相関数係数Ａ２〜Ａ８を代入して、図５に示した内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）を求めて、この内周側位相関数曲線中で半径が１．２５ｍｍの範囲以内の曲線に基づいて形成されており、内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１中で凹部に対して凸部の高さが設計波長λの略１λ倍に設定され、且つ、内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）に従って凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪体状（リング状）に形成されている。
ここで、内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１を形成する際に用いる第１の位相関数Φ（ｈ）はラジアン単位であり、この第１の位相関数Φ（ｈ）により求めた内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）に対して、図５に示したように、横軸を回折光学素子２０の光軸からの高さｈと等価な半径（ｍｍ）で示し、且つ、縦軸を２πラジアンを１波長（１λ）とした位相（λ）で示した際に、凹部に対して凸部の高さが略１λに設定された内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１を求めるには、後述の図７を用いた説明のように行うが、１λ，２λ，３λ……の各線と内周側位相関数曲線とが交差する点の間の距離が凹凸部の半径方向のピッチとなる。
上記から、回折光学素子２０の内周領域に形成した内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１は、凹部に対して凸部の高さを略１λに設定したことによりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対しては何等の作用もしない０次光回折光が通過する一方、ＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２を回折させた１次回折光により球面収差を補正するようになっている。
次に、回折光学素子２０の外周領域に形成した外周側階段状回折パターン部２０ａ２は、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１と同じ値（４０８ｎｍ）の波長を設計波長λとして、先に数２で示した第２の位相関数Φ’（ｈ）に先の表５で示した２次から８次の位相関数係数Ａ’２〜Ａ’８を代入して、図６に示した外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を求めて、この外周側位相関数曲線中で半径が１．２５ｍｍ以上の曲線に基づいて形成されており、中心点“０”側に向かって形成された複数段の階段が段差高さを設計波長λの略ｍ（但し、ｍは０を含まない自然数）λ倍に設定されていると共に、外周側階段状回折パターン部２０ａ２は内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１よりも上方に向かうように階段が上昇して外周領域径φＤ２の外側まで形成されている。
この際、内周側階段状回折パターン部２０ａ１と外周側階段状回折パターン部２０ａ２との接続は、例えば３λだけ高さを違えて接続しているがこれについては後述する。
また、回折光学素子２０の外周側階段状回折パターン部２０ａ２の実際の形状は、第２の位相関数Φ’（ｈ）において、ｍを０を含まない自然数として、略２ｍπ（設計波長λの略整数倍）となる位相幅で、離散的な階段形状とした形態となり、これにより階段の段差高さは光路長の差が設計波長λ（４０８ｎｍ）の、略ｍ倍となる高さとする。こうすると設計波長λの略ｍλ倍の波長では、実質的に回折光学素子２０の外周側階段状回折パターン部２０ａ２を透過した基準波長λ１が４０８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１に対して波面は変化が生じず、第１レーザー光Ｌ１の波長が変化した場合は、位相構造に応じた波面変化が生じる。
ここで、外周側凹凸状回折パターン部２０ａ２を形成する際に用いる第２の位相関数Φ’（ｈ）もラジアン単位であり、この第２の位相関数Φ’（ｈ）により求めた外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）に対して、図６に示したように、横軸を回折光学素子２０の光軸からの高さｈと等価な半径（ｍｍ）で示し、且つ、縦軸を２πラジアンを１波長（１λ）とした位相（λ）で示した際に、連続的なスムーズな外周側位相関数曲線の値を、離散的な値に近似させる場合に、両者の誤差（量子化誤差と言える）は、波面の誤差となり、主として回折損失になる。具体的には光透過率が多少下がるのであるが、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対応した第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１の近傍では、波長の変化範囲が小さいことから、この低下は小さく実用上問題はない。また、波面誤差によって対物レンズ２１の作るスポットへの影響は、輪帯構造がかなり細かいため、高次成分の収差と見なすことができるため、ほとんど生じず、無視することができる。
この際、上記したｍの値を例えば１に設定すると、図２（ａ），（ｂ）に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ａ２の階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍となり、この場合には、図７に拡大して示したように、外周側位相関数曲線に対して階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍になるように階段状に区分けしているので、外周側階段状回折パターン部２０ａ２は１次構造となる。
また、上記したｍの値を例えば２（又は２以上の自然数ｍ）に設定すると、図３に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ａ３の階段の段差高さが設計波長λの略２λ（又は略ｍλ）倍になり、この場合には、図８に拡大して示したように、外周側位相関数曲線に対して階段の段差高さが設計波長λの略２λ（略ｍλ…図示せず）倍になるように階段状に区分けすることで、外周側階段状回折パターン部２０ａ３は２次（又は高次…図示せず）構造となる。
また、上記したｍの値を階段構造の各段ごとに変化させて設定すると、図４に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ａ４の階段の段差高さが各段ごとに変化した非周期的構造となる。
尚、図２〜図４に示した回折光学素子２０は、図５及び図６に示した内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）及び外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を基にして作製されたものであるが、概念を表したものであり、内周側の凹凸部、外周側の階段の段差数、内周側と外周側との段差の関係、輪帯のピッチ等は厳密に描かれた物ではなく、概念的に描かれたものである。
この際、回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１の凸部の高さ及び外周側階段状回折パターン部２０ａ２の段差高さが共に設計波長λの略１波長（略１λ）に設定されている場合には、図２（ａ），（ｂ）に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ａ２と対向する下面２０ｂの外周領域内に第２レーザー光Ｌ２に対して対物レンズ２１への開口数（ＮＡ）が０．６相当になるように制限するための第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１がダイクロイック膜を用いてリング状に成膜されており、この第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１は、波長選択性を有するダイクロイック膜により青色半導体レーザー１１（図１）から出射した基準波長λ１＝４０８ｎｍ±８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１を透過し、且つ、赤色半導体レーザー３１（図１）から出射した基準波長λ２＝６５５ｎｍ±１０ｎｍの第２レーザー光Ｌ２を遮光する特性を有している。従って、回折光学素子２０の外周側階段状回折パターン部２０ａ２は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ専用領域になっている。
一方、図３に示した２次構造の外周側階段状回折パターン部２０ａ３、又は、図４に示した非周期的構造の外周側階段状回折パターン部２０ａ４の場合には、ＤＶＤ２に対しては不要光である外周側の第２レーザー光Ｌ２に対して波長選択性を有する第２レーザー光用開口制限部などを設けずに内周側のＤＶＤ再生に必要な光束のみを分離できるメリットがある。この理由は、内周側と外周側とで回折パターン構造の次数が異なると言うことは、回折作用の次数が異なっていることを示していて、このことにより内外周の境界で波面の連続性が分断されて、外周側の光束と内周側の光束とが分離されて内周側の光束が作るＤＶＤ２へのスポットに影響を与えなくなるためである。
尚、勿論、外周側が高次（２次以上）構造の場合、または、非周期的構造の場合であっても、回折光学素子２０の下面２０ｂの外周側にＤＶＤ２に対応した第２レーザー光Ｌ２を遮光する第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１を設けることで、外周の光の影響度を低減して、ＤＶＤ２への記録特性又は再生特性が向上させることができる。
また、外周側が高次（２次以上）構造の場合、または、非周期的構造の場合に外周側階段状回折パターン部２０ａ３，２０ａ４中の階段のピッチ（間隔）を大きく設定することが可能になり、回折光学素子２０の製造が容易になるというメリットがある。
上記から、回折光学素子２０の外周領域に形成した外周側凹凸状回折パターン部２０ａ２、又は、２０ａ３、もしくは、２０ａ４は、段差間の光路長の差がＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１の略整数倍となるような段差の回折構造により、第１レーザー光Ｌ１のみが通過することで第１レーザー光Ｌ１に対して波長誤差による収差を変化させる機能が付加されるので、色収差に関する補正ができるようになっている一方、ＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２は上記したように通過しないので何等の作用も働かないようになっている。
ここで、再び図１に戻り、実施例１の要部となる対物レンズ２１は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用として設計されたものであり、硝材として例えば先の表２に示したようにＮＢＦＤ１３（ＨＯＹＡ製光学ガラス）を用いて、回折光学素子２０と対向する面２１ａを先に数３で示した非球面多項式に先の表６で示した非球面係数Ｂ４〜Ｂ１６を代入して非球面に形成すると共に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１又はＤＶＤ２と対向する面２１ｂも先に数３で示した非球面多項式に先の表７で示した非球面係数Ｂ４〜Ｂ１０を代入して非球面に形成している。
この際、対物レンズ２１の面２１ｂとＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザービーム入射面１ａとの間の作動距離は先の表２に示したように略０．７７ｍｍ程度であり、また、対物レンズ２１の面２１ｂとＤＶＤ２のレーザービーム入射面２ａとの間の作動距離は先の表２に示したように０．６７ｍｍ程度である。
また、基準波長λ１が４０８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１によりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生するように無限共役で最適に設計した対物レンズ２１は、先の表１に示したように、青色半導体レーザー２２（図１）から出射した第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１を例えば４０８ｎｍに設定し、且つ、開口数（ＮＡ）が０．８５であり、焦点距離が２．０ｍｍであり、入射瞳直径（瞳径）が３．４ｍｍのものを使用している。
ここで、対物レンズ２１は、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のディスク基板厚さｄ１（図１）が０．１ｍｍである時に、略完全に収差が補正されており、この対物レンズ単体の縦収差をＮＡ＝０．８５に相当する光線高さである１．７ｍｍの光線高さまでに亘って図９に示す。この図９において、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１が４０８ｎｍである場合に加えて、基準波長λ１から僅かにズレて４１１ｎｍである場合の縦収差も描いている。軸上光線の結像位置の差が軸上色収差であり、４１１ｎｍでの縦収差の曲がりが波長誤差による球面収差を表している。
ところで、先に示した表２においては、物点は有限の距離（−３２５０ｍｍ）に為されているが、これは、色収差補正素子１７が４０８ｎｍで僅かにレンズ作用を有しているため、これと相殺して対物レンズ２１に平行光を入射させるためである。
一方、図１０では、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対して、色収差補正素子１７と対物レンズ２１とを合わせた光学系全体の縦収差を示しており、この縦収差図は第１レーザー光Ｌ１に対して何等の作用もしない回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１を含めても良いが、第１レーザー光Ｌ１に対して色収差を補正する機能を付加した外周側凹凸状回折パターン部２０ａ２、又は、２０ａ３、もしくは、２０ａ４を含めない状態を示しているものである。
ここで、図１０に示した光学系全体の縦収差に対して先に図９で示した対物レンズ単体の縦収差と比較すると、色収差が過剰に補正されていて４１１ｎｍでの焦点位置が４０８ｎｍより物点側に来ていることが示されている。
さて、ＤＶＤ２の記録又は再生に必要な対物レンズ２１の開口数（ＮＡ）は０．６であるから、これに対応した、光線高さ１．２ｍｍ（＝１．７ｍｍ×０．６／０．８５）より外側は、実施例１の回折光学素子２０により結像の状態を変えることが可能である。尚、記録型のＤＶＤ装置等では、ＮＡが０．６より大きく例えば、０．６５の物が使われる場合もあるが、その場合はそのＮＡに対応した光線高さを設計の切り替えの半径とすればよい。ここでは、ＤＶＤ２に対して開口数（ＮＡ）に余裕を持たせるために、１．２５ｍｍの半径を境界としている。従って、図１０で光線高さが０．７３５（１．７ｍｍを１．０と規格化して描いている）から１．０までがＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対する外周領域となる。この際、４１１ｎｍでの波面収差は、半径１．２５ｍｍより内側において、０．０１０λとなる。
ここで、実施例１の回折光学素子２０において、外周領域の設計原理を、概念的に図１１を用いて説明する。その目的は、先に表１で示した対物レンズ２１の場合、収差補正の程度は非常に高く、波面収差的にほとんど無収差に近い収差補正が実現されているが、縦収差図において僅かにうねりがあるため、定性的な説明をするためには、うねりがない理想的なレンズで説明する方が理解し易いためである。
まず、回折光学素子２０の外周側階段状回折パターン部２０ａ２（図２）、又は、２０ａ３（図３）、もしくは、２０ａ４（図４）での色収差補正の目的を確認すると、４０８ｎｍの像面で、波長変化がある場合の光束の収差が最小になることである。そのために、図１１中で実線を用いて示した外周側階段状回折パターン部がある場合、内周側の光線の最良像面が４０８ｎｍの最良像面に一致し、かつ外周側は、回折光学素子２０の効果により４０８ｎｍと同じ面に結像するようにすれば良い。このようにすると、外周側の面積の大きな部分で波面収差の発生が無く、結果として波面収差の増大を著しく押さえることができる。
一方、図１１中で破線を用いて示した外周側階段状回折パターン部がない場合は、色収差補正素子１７の補正度合いを上げて、さらに過剰に軸上色収差を補正して、波長誤差がある場合に、縦収差が破線のようになるようにする時、波長誤差がある場合の最良像面が４０８ｎｍの像面と一致して、目的が達せられる。しかし、この場合は光線収差の変化量が大きく、波面収差は外周側階段状回折パターン部を設けた場合に比べて大きくなる。
ここで、実施例１における光学系を用いた時の動作について説明する。
図１２は実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図、
図１３は実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの縦収差図、
図１４は実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側の波面収差図、
図１５は実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側及び外周側の波面収差図、
図１６は実施例１において、ＤＶＤでの光路図、
図１７は実施例１において、ＤＶＤでの縦収差図である。
まず、実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する場合に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図を図１２に示すと共に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの縦収差図を図１３に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側の波面収差図を図１４に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側及び外周側の波面収差図を図１５にそれぞれ示す。
即ち、図１２に示した光学系によりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する場合には、青色半導体レーザー１１（図１）側に凹レンズ１７Ａと凸レンズ１７Ｂと凹レンズ１７Ｃとを貼り合わせて形成した色収差補正素子１７が配置されている。
そして、青色半導体レーザー１１（図１）から出射した第１レーザー光Ｌ１をコリメーターレンズ１４（図１）で平行光にし、この第１レーザー光Ｌ１の平行光を色収差補正素子１７を介して回折光学素子２０の下面２０ｂの内周領域及び外周領域に入射させている。ここで、回折光学素子２０の下面２０ｂには、外周領域にダイクロイック膜を用いて第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１がリング状に成膜されているものの、第１レーザー光Ｌ１を下面２０ｂの内周領域と第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１とをそのまま透過させた後、更に、内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１と外周側階段状回折パターン部２０ａ２とをそのまま透過させ、平行光のままで対物レンズ２１の面２１ａに入射させている。
この際、回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１は、先に図２（ａ），（ｂ）で説明したように凹部に対して凸部の高さが設計波長λの略１λ倍に設定されているものの第１レーザー光Ｌ１に対して何等も作用せずに０次回折光を対物レンズ２１に入射させ、一方、外周側階段状回折パターン部２０ａ２は、先に図２（ａ），（ｂ）で説明したように階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍に設定されているので、基準波長λ１が４０８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１に対して波面は変化が生じないものの、基準波長λ１に対して僅かにズレた波長に対して色収差を補正している。
尚、回折光学素子２０として、先に図３に示したような２次（又は高次…図示せず）構造、または、図４に示したような非周期的構造とした場合も適用可能であり、この場合には、下面２０ｂに第２レーザー光用開口制限部が通常設けられていない点が異なるものである。
そして、対物レンズ２１で絞った第１レーザービームをＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザービーム入射面１ａから入射させてディスク基板厚さが０．１ｍｍの信号面１ｂ上に集光している。
この場合、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１での縦収差図は図１３に示した如くとなり、とくに、回折光学素子２０は外周領域に外周側階段状回折パターン部２０ａ２を設けているので、第１レーザー光Ｌ１の波長が４０８ｎｍである時には何ら影響が無く、一方、４１１ｎｍにおいては図１１で説明した効果が得られていることが判る。言い換えると、回折光学素子２０の直径が２．５ｍｍより外側においては、収差が発生していない。ここで前述のように回折光学素子２０の直径が２．５ｍｍより内側における波面収差は０．０１０λであるから、対物レンズ２１の全周での波面収差は、０．００７４λ（＝０．０１０λ×２．５／３．４）と非常に小さな値となる。
ここで、実施例１におけるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図の効果を説明するにあたって、比較例として先に図１１の点線で示したように回折光学素子の外周領域に外周側階段状回折パターン部を設けない時に色収差補正素子の貼り合わせ面を設定すると、凹レンズと凸レンズと凹レンズとを貼り合わせて形成した際に貼り合わせ面の半径が±２．８７ｍｍとなり、この±２．８７ｍｍの半径はかなり深い形状をしていて、かなり製作しにくい色収差補正素子であると言える。そして、回折光学素子を設けずに貼り合わせ面の半径が±２．８７ｍｍの色収差補正素子を用いた際に、第１レーザー光Ｌ１の波長が４１１ｎｍである時の波面収差のｒｍｓ値は、０．０４６λと大きな値になる。
これに対して、実施例１では、回折光学素子２０を設けているので、色収差補正素子１７の貼り合わせ面の半径は先の表２に示したように±３．２５ｍｍであり、上記した比較例と比較すると、色収差補正素子１７の貼り合わせ面の半径をかなり緩和することができる。従って、ここで示した色収差補正素子１７の貼り合わせ面の半径の緩和は、色収差補正素子１７の製作がし易くなり非常に有効である。更に、回折光学素子２０を設けて貼り合わせ面の半径が３．２５ｍｍの色収差補正素子１７を用いた際に、第１レーザー光Ｌ１の波長が４１１ｎｍである時の波面収差のｒｍｓ値は、前記したように０．００７４λであるので比較例に比べて略１／６以下に押さえることができる。これらの数値はＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対して有効性を示すことになる。
ところで、実施例１の効果を最大に発揮させて、上記したようにするためには、幾何光学的な収差に加えて波面（＝光路差）を考慮することが必要である。これは、回折光学素子２０の内周領域と外周領域とで波長誤差がある場合の波面が最適な状態で接続されていれば、実現される。
図１４に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１の波長が４１１ｎｍである時の内周側の波面収差図：光路差（ＯＰＤ…Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を示す。このＯＰＤは、波面の形を示しているとも言える。さてこのＯＰＤ形状は、球面収差がある場合に、波面収差のｒｍｓ値が最小になる形態をしている。
ここで、外周側の光線の波面（ＯＰＤ）が、内周側の波面の平均値（ＯＰＤの平均値）と略一致するようにすると、全周での波面収差のｒｍｓ値は最小になる。
実施例１において、回折光学素子２０の内周領域径φＤ１（図２）を１として規格化した場合の、３次の球面収差係数Ｗ４０は、Ｗ４０＝−０．１２２ λ である。
図１４は、これと同じ大きさの焦点調節成分Ｗ２０が与えられた場合のＯＰＤとなっている。なお、実際には高次の球面収差も少し残留しているため、図１３の収差量は３次収差から計算される値とは僅かに（無視できるくらい小さく）ずれている。
さて、この様な３次球面収差を持っている場合の、平均波面Ｗｍは、Ｗｍ＝Ｗ４０／６である。この例では、Ｗｍ＝０．０２０１ λ となる。なお、このような場合の波面収差（ＰＶ値）の最大値は、−０．２５×Ｗ４０となり、具体例においては、０．０３０５λが最大値である。従って、この平均波面ＷｍのＯＰＤを回折光学素子２０の外周領域が持っていることが望ましい。これを模式的に書いたものが、図１５である。
しかるに、回折光学素子２０の内周領域側と外周領域側で基板厚さを同一とすると、外周領域側の波面は、内周領域側のレンズ中心の波面と一致するため、波面収差の増大が生じる。これは、幾何光学的には、外周領域側が最良像面にあっても、波面の連結が最適でないために生じる現象である。
そこで、回折光学素子２０の外周領域側の基板厚さを調節することで、出来るだけ最適になるようにする。ここで、回折光学素子２０の外周領域側の基板厚さの変化量は、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１では影響が生じてはいけないとことから、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１の整数倍の光路長の差に相当する厚さの変化量とすることが最適である。
具体的には、図１５が示すように、回折光学素子２０の外周領域側では、第１レーザー光Ｌ１の波長が長くなった場合に、波面が進んでいることが望ましい。従って、回折光学素子２０の外周領域側の基板厚さを内周領域側よりも厚くすれば良い。
具体的な数値を次に示す。今議論している第１レーザー光Ｌ１の波長の変化幅は、小さいので、回折光学素子２０への第１レーザー光Ｌ１の屈折率は変化しないと近似して考えて問題ない。
この時、第１レーザー光Ｌ１の波長がλ１からλ１’に変化したことによる、波面の変化Φは、段差の次数をｍとして、Φ＝ｍ（λ１−λ１’）／λ１’ で与えられる。
例においては、４０８ｎｍから４１１ｎｍの変化で、０．０２０１λの変化量であるから、ｍ＝２．７２となる。前述の制限により、ｍは整数であることが望まれる。従って、これにもっとも近い整数ｍは、ｍ＝３にとなり、先に図２（ａ），（ｂ）で示した１次構造の回折光学素子２０、又は、先に図３で示した２次（高次…図示せず）構造の回折光学素子２０、もしくは、先に図４で示した非周期的構造の回折光学素子２０において、外周側階段状回折パターン部２０ａ２は内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１に対して設計波長λの略３λ倍だけ高さを高くして接続して、外周領域側の基板厚さ厚くすればよい。
次に、実施例１において、ＤＶＤ２を記録又は再生する場合に、ＤＶＤでの光路図を図１６に示すと共に、ＤＶＤでの縦収差図を図１７に示す。
即ち、図１６に示した光学系によりＤＶＤ２を記録又は再生する場合に、赤色半導体レーザー３１（図１）側には色収差補正素子が配置されてなく、赤色半導体レーザー３１（図１）から出射した第２レーザー光Ｌ２をコリメーターレンズ３４（図１）で平行光にし、この第２レーザー光Ｌ２の平行光を回折光学素子２０の下面２０ｂの外周領域に形成した第２レーザー光用開口制限部２０ｂ１により遮光して対物レンズ２１への開口数（ＮＡ）が０．６相当になるように制限させると共に、第２レーザー光Ｌ２の平行光を回折光学素子２０の下面２０ｂの内周領域のみに入射させている。この後、回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１で回折させた１次回折光により球面収差を補正しながら対物レンズ２１の面２１ａに入射させている。
そして、対物レンズ２１で絞った第２レーザービームをＤＶＤ２のレーザービーム入射面２ａから入射させてディスク基板厚さが０．６ｍｍの信号面２ｂ上に集光している。
この場合、対物レンズ２１はＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用として設計されているので、赤色半導体レーザー３１（図１）から出射した波長λ２が６５５ｎｍの第２レーザー光Ｌ２に対して球面収差が大きくなるものの、回折光学素子２０の内周側凹凸状回折パターン部２０ａ１により球面収差を補正しているので、ＤＶＤ２への記録又は再生に支障をきたさない。
更に、図１７で示したＤＶＤでの縦収差図では対物レンズ２１の開口数（ＮＡ）が０．６に相当する光線高さ１．２５ｍｍまで描いており、内周領域径φＤ１（図２）が２．５ｍｍ以内の内周領域ではＤＶＤ２に対して球面収差が補正されている。
図１８は本発明に係る実施例２の光ピックアップ装置の全体構成を示した図、
図１９（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例２の回折光学素子を説明するための全体図，Ｘ部拡大図、
図２０は本発明に係る実施例２の回折光学素子を一部変形させた変形例１を示した図、
図２１は本発明に係る実施例２の回折光学素子を一部変形させた変形例２を示した図である。
図１８に示した如く、実施例２の光ピックアップ装置１０’では、先に図１を用いて説明した実施例１の光ピックアップ装置１０中の回折光学素子２０を、これとは異なる形状の回折光学素子２０’に置き換えて構成したものであり、ここでは実施例１と異なる点のみを中心に説明する。
即ち、図１９（ａ），（ｂ）に示した如く、実施例２の要部となる回折光学素子２０’も、実施例１と同様に、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１と、ＤＶＤ２との基板厚さの異なりにより発生する球面収差を補正する機能を備えている。
上記した回折光学素子２０’は、光透過性を有する透明なＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス…ＨＯＹＡ製光学ガラス）とか、石英基板とか、透明樹脂などを用いて一体的に形成されており、この実施例２でも先の表２に示したようにＢＫ７を用いている。
また、回折光学素子２０’は、対物レンズ２１（図１）と対向する上面（一方の面）側で光軸が通る中心点“０”を中心にしてＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１とＤＶＤ２との基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定の内周領域径φＤ１内に複数組みの階段を各組みごとに外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら内周側階段状回折パターン部２０ｃ１が輪帯状（リング状）に形成され、且つ、この内周側階段状回折パターン部２０ｃ１より外側で少なくとも所定の外周領域径φＤ２内に１組の階段からなる外周側階段状回折パターン部２０ｃ２が輪帯状（リング状）に形成されており、内周側階段状回折パターン２０ｃ１でＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２に対して球面収差が補正でき、且つ、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２でＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対して色収差に関する補正ができるようになっている。この際、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１が形成される所定の内周領域径φＤ１はφ２．５ｍｍに設定され、且つ、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２が形成される所定の外周領域径φＤ２はφ３．４ｍｍに設定され、先に表１で示したように対物レンズ２１（図１）の瞳径がφ３．４ｍｍであるので、この瞳径の全面をカバーできるようになっている。
より具体的に説明すると、まず、回折光学素子２０’の内周領域に形成した内周側階段状回折パターン部２０ｃ１は、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１と同じ値（４０８ｎｍ）の波長を設計波長λとして、先に数１で示した第１の位相関数Φ（ｈ）に先の表４で示した２次から８次の位相関数係数Ａ２〜Ａ８を代入して、図５に示した内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）を求めて、この内周側位相関数曲線中で半径が１．２５ｍｍの範囲以内の曲線に基づいて形成されており、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１中で中心点“０”側に向かって形成された階段の段差高さが設計波長λの略２λ倍に設定され、且つ、内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）に従って複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成されている。
ここで、第１の位相関数Φ（ｈ）により求めた図５の内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）に対して、図８に示したように、階段の段差高さが略２λごとにパターンを設定することで、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１を決めることができる。
上記から、回折光学素子２０’の内周領域に形成した内周側階段状回折パターン部２０ｃ１は、階段の段差高さを略２λに設定したことによりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１に対しては何等の作用もしない０次光回折光が通過する一方、ＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２を回折させた１次回折光により球面収差を補正するようになっている。
次に、回折光学素子２０’の外周領域に形成した外周側階段状回折パターン部２０ｃ２は、第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１と同じ値（４０８ｎｍ）の波長を設計波長λとして、先に数２で示した第２の位相関数Φ’（ｈ）に先の表５で示した２次から８次の位相関数係数Ａ’２〜Ａ’８を代入して、図６に示した外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を求めて、この外周側位相関数曲線中で半径が１．２５ｍｍ以上の曲線に基づいて形成されており、階段状に形成された外周側凹凸状回折パターン部２０ｃ２中で階段の段差高さが設計波長λの略ｍ（但し、ｍは０を含まない自然数）λ倍に設定されていると共に、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２は内周側階段状回折パターン部２０ｃ２よりも上方に向かうように階段が上昇して外周領域径φＤ２の外側まで形成されている。
この際、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１と外周側階段状回折パターン部２０ｃ２との接続は、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１の平均波面に対して外周側階段状回折パターン部２０ｃ２の基板厚さを設計波長λの略３λ倍だけ高く設定すれば性能の良い回折光学素子２０’が得られる。ここで内周側階段状回折パターン部２０ｃ１の平均波面を基準にする場合も、平均値と付加する厚さによる合計の厚さによって、第１レーザー光Ｌ１の基準波長に置いて内外周で光路差が出ないような高さに設定することが望ましいのは、言うまでもない。
また、回折光学素子２０’の外周側階段状回折パターン部２０ｃ２の実際の形状は、第２の位相関数Φ’（ｈ）において、ｍを０を含まない自然数として、略２ｍπ（設計波長λの略整数倍）となる位相幅で、離散的な階段形状とした形態となり、これにより階段の段差高さは光路長の差が設計波長λ（４０８ｎｍ）の、略ｍ倍となる高さとする。こうすると設計波長λの略ｍλ倍の波長では、実質的に回折光学素子２０’の外周側階段状回折パターン部２０ｃ２を透過した基準波長λ１が４０８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１に対して波面は変化が生じず、第１レーザー光Ｌ１の波長が変化した場合は、位相構造に応じた波面変化が生じる。
ここで、第２の位相関数Φ’（ｈ）により求めた外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）に対して、図６に示したように、連続的なスムーズな外周側位相関数曲線の値を、離散的な値に近似させる場合に、両者の誤差（量子化誤差と言える）は、波面の誤差となり、主として回折損失になる。具体的には光透過率が多少下がるのであるが、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対応した第１レーザー光Ｌ１の基準波長λ１の近傍では、波長の変化範囲が小さいことから、この低下は小さく実用上問題はない。また、波面誤差によって対物レンズ２１の作るスポットへの影響は、輪帯構造がかなり細かいため、高次成分の収差と見なすことができるため、ほとんど生じず、無視することができる。
この際、上記したｍの値を例えば１に設定すると、図１９（ａ），（ｂ）に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２の階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍となり、この場合には、図７に拡大して示したように、外周側位相関数曲線に対して階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍になるように階段状に区分けしているので、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２は１次構造となる。
また、上記したｍの値を例えば２（又は２以上の自然数ｍ）に設定すると、図２０に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ｃ３の階段の段差高さが設計波長λの略２λ（又は略ｍλ）倍になり、この場合には、図８に拡大して示したように、外周側位相関数曲線に対して階段の段差高さが設計波長λの略２λ（略ｍλ…図示せず）倍になるように階段状に区分けすることで、外周側階段状回折パターン部２０ｃ３は２次（又は高次…図示せず）構造となる。
また、上記したｍの値を階段構造の各段ごとに変化させて設定すると、図２１に示したように、外周側階段状回折パターン部２０ｃ４の階段の段差高さが各段ごとに変化した非周期的構造となる。
尚、図１９〜図２１に示した回折光学素子２０’は、図５及び図６に示した内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）及び外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を基にして作製されたものであるが、概念を表したものであり、内周側の凹凸、外周側の階段の段差数、内周側と外周側との段差の関係、輪帯のピッチ等は厳密に描かれた物ではなく、概念的に描かれたものである。
この実施例２でも、外周側が高次（２次以上）構造の場合、または、非周期的構造の場合に外周側階段状回折パターン部２０ｃ３，２０ｃ４中の階段のピッチ（間隔）を大きく設定することが可能になり、回折光学素子２０’の製造が容易になるというメリットがある。
上記から、回折光学素子２０’の外周領域に形成した外周側凹凸状回折パターン部２０ｃ２、又は、２０ｃ３、もしくは、２０ｃ４は、段差間の光路長の差がＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用の第１レーザー光Ｌ１の略整数倍となるような段差の回折構造により、第１レーザー光Ｌ１のみが通過することで第１レーザー光Ｌ１に対して波長誤差による収差を変化させる機能が付加されので、色収差に関する補正ができるようになっている一方、ＤＶＤ用の第２レーザー光Ｌ２は上記したように通過しないので何等の作用も働かないようになっている。
次に、実施例２における光学系を用いた時の動作について説明する。
図２２は実施例２において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図、
図２３は実施例２において、ＤＶＤでの光路図である。
まず、実施例２において、図２２に示した光学系によりＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生する場合は、青色半導体レーザー１１（図１）側に凹レンズ１７Ａと凸レンズ１７Ｂと凹レンズ１７Ｃとを貼り合わせて形成した色収差補正素子１７が配置されている。
そして、青色半導体レーザー１１（図１）から出射した第１レーザー光Ｌ１をコリメーターレンズ１４（図１）で平行光にし、この第１レーザー光Ｌ１の平行光を色収差補正素子１７を介して回折光学素子２０’の下面２０ｂの内周領域及び外周領域に入射させた後、更に、内周側階段状回折パターン部２０ｃ１と外周側階段状回折パターン部２０ｃ２とをそのまま透過させ、平行光のままで対物レンズ２１の面２１ａに入射させている。
この際、回折光学素子２０’の内周側階段状回折パターン部２０ｃ１は、先に図１９（ａ），（ｂ）で説明したように各組みの階段の段差高さが設計波長λの略２λ倍に設定されているものの第１レーザー光Ｌ１に対して何等も作用せずに０次回折光を対物レンズ２１に入射させ、一方、外周側階段状回折パターン部２０ｃ２は、先に図１９（ａ），（ｂ）で説明したように階段の段差高さが設計波長λの略１λ倍に設定されているので、基準波長λ１が４０８ｎｍの第１レーザー光Ｌ１に対して波面は変化が生じないものの、基準波長λ１に対して僅かにズレた波長に対して色収差を補正している。
尚、回折光学素子２０’として、先に図２０に示したような２次（又は高次…図示せず）構造、または、図２１に示したような非周期的構造とした場合も適用可能である。
そして、対物レンズ２１で絞った第１レーザービームをＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１のレーザービーム入射面１ａから入射させてディスク基板厚さが０．１ｍｍの信号面１ｂ上に集光している。
この場合、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１を記録又は再生した時には、球面収差の影響が事実上無いと言って差し支えないレベルに小さいので、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ１に対して充分に良好な特性が得られている。
次に、実施例２において、図２３に示した光学系によりＤＶＤ２を記録又は再生する場合に、赤色半導体レーザー３１（図１）側には色収差補正素子が配置されてなく、赤色半導体レーザー３１（図１）から出射した第２レーザー光Ｌ２をコリメーターレンズ３４（図１）で平行光にし、この第２レーザー光Ｌ２の平行光を回折光学素子２０’の下面２０ｂの内周領域のみに入射させている。この後、回折光学素子２０’の内周側階段状回折パターン部２０ｃ１で回折させた１次回折光により球面収差を補正しながら対物レンズ２１の面２１ａに入射させている。
そして、対物レンズ２１で絞った第２レーザービームをＤＶＤ２のレーザービーム入射面２ａから入射させてディスク基板厚さが０．６ｍｍの信号面２ｂ上に集光している。
この場合、対物レンズ２１はＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ用として設計されているので、赤色半導体レーザー３１（図１）から出射した波長λ２が６５５ｎｍの第２レーザー光Ｌ２に対して球面収差が大きくなるものの、回折光学素子２０’の内周側階段状回折パターン部２０ｃ１により球面収差を補正しているので、ＤＶＤ２への記録又は再生に支障をきたさない。
本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置の全体構成を示した図である。 （ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の回折光学素子を説明するための全体図，Ｘ部拡大図である。 本発明に係る実施例１の回折光学素子を一部変形させた変形例１を示した図である。 本発明に係る実施例１の回折光学素子を一部変形させた変形例２を示した図である。 実施例１において、回折光学素子の内周側凹凸状回折パターン部を作製する際に用いられる第１の位相関数Φ（ｈ）により求めた内周側位相関数曲線（第１の位相関数曲線）を説明するための図である。 実施例１において、回折光学素子の外周側凹凸状回折パターン部を作製する際に用いられる第２の位相関数Φ’（ｈ）により求めた外周側位相関数曲線（第２の位相関数曲線）を説明するための図である。 図６で得られた外周側位相関数曲線に基づいて回折光学素子の外周側階段状回折パターン部を略１λで階段状に区分けする場合を示した図である。 図６で得られた外周側位相関数曲線に基づいて回折光学素子の外周側階段状回折パターン部を略２λで階段状に区分けする場合を示した図である。 実施例１において、対物レンズ単体の縦収差図である。 実施例１において、光学系全体の縦収差図である。 実施例１において、縦収差の最適設定方法を説明するための図である。 実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図である。 実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの縦収差図である。 実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側の波面収差図である。 実施例１において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃで波長が基準波長から変化した場合の内周側及び外周側の波面収差図である。 実施例１において、ＤＶＤでの光路図である。 実施例１において、ＤＶＤでの縦収差図である。 本発明に係る実施例２の光ピックアップ装置の全体構成を示した図である。 （ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例２の回折光学素子を説明するための全体図，Ｘ部拡大図である。 本発明に係る実施例２の回折光学素子を一部変形させた変形例１を示した図である。 本発明に係る実施例２の回折光学素子を一部変形させた変形例２を示した図である。 実施例２において、Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃでの光路図である。 実施例２において、ＤＶＤでの光路図である。 従来例１の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。 従来例２の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。 従来例３の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。 従来例４の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。 従来例５の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。 従来例６の光ピックアップ装置の光学系を模式的に示した図である。
符号の説明
１…第１光記録媒体（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）
１ａ…レーザービーム入射面、１ｂ…信号面、
２…第２光記録媒体（ＤＶＤ）、２ａ…レーザービーム入射面、２ｂ…信号面、
５…光ディスク駆動装置、６…スピンドルモータ、７…ターンテーブル、
１０…本発明に係る実施例１の光ピックアップ装置、
１０’…本発明に係る実施例２の光ピックアップ装置、
１１…第１レーザー光源（青色半導体レーザー）、
１２…回折格子（グレーティング）、１３…偏光ビームスプリッタ、
１４…コリメーターレンズ、
１５…球面収差補正手段、
１５Ａ…凹レンズ、１５Ｂ…凸レンズ、１５Ｃ…アクチュエータ、
１６…波長板、
１７…色収差補正素子、
１７Ａ…凹レンズ、１７Ｂ…凸レンズ、１７Ｃ…凹レンズ、
１８…第１，第２レーザー光分離手段（ダイクロイックプリズム）、
１９…レンズホルダ、
２０…本発明に係る実施例１の回折光学素子、
２０ａ１…凹凸の高さが略１λの内周側凹凸状回折パターン部、
２０ａ２…階段の段差高さが略１λの外周側階段状回折パターン部、
２ａ３…階段の段差高さが略２λの外周側階段状回折パターン部、
２０ａ４…階段の段差高さが非周期構造の外周側階段状回折パターン部、
２０ｂ…下面，２０ｂ１…第２レーザー光用開口制限部、
２０’…本発明に係る実施例２の回折光学素子、
２０ｃ１…階段の段差高さが略２λの内周側階段状回折パターン部、
２０ｃ２…階段の段差高さが略１λの外周側階段状回折パターン部、
２０ｃ３…階段の段差高さが略２λの外周側階段状回折パターン部、
２０ｃ４…階段の段差高さが非周期構造の外周側階段状回折パターン部、
２１…対物レンズ、
２２…フォーカスコイル、２３…トラッキングコイル、
２４…シリンドリカルレンズ、２５…第１光検出器、
３０…ＤＶＤ用集積デバイス、３１…第２レーザー光源（赤色半導体レーザー）、
３２…第２光検出器、３３…ホログラム素子、
Ｌ１，Ｌ２…第１，第２レーザー光、
λ１，λ２…第１，第２レーザー光の各基準波長、
λ…回折光学素子の設計波長、
ｄ１，ｄ２…第１，第２光記録媒体の基板厚さ。

Claims (4)

  1. 第１光記録媒体と、前記第１光記録媒体よりも記録密度が低く且つ前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体と、前記第１，第２光記録媒体の各信号面を組み合わせて一体的に積層した組み合わせ型光記録媒体とを選択的に記録又は再生する光ピックアップ装置において、
    前記第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光を出射させる第１レーザー光源と、
    前記第２光記録媒体に対応して前記第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光を出射させる第２レーザー光源と、
    前記第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、
    前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、
    前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、
    第１光記録媒体用として開口数（ＮＡ）が０．７５以上に設定され、且つ、互いに対向する各面のうち少なくとも一方の面が非球面に形成されて、前記第１，第２レーザー光を前記第１，第２光記録媒体の各信号面に集光させる対物レンズとを少なくとも備え、
    前記回折光学素子は、前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に凹部に対して凸部の高さを前記設計波長λの略１λ倍に設定した凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側凹凸状回折パターン部と、前記内周側凹凸状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする光ピックアップ装置。
  2. 第１光記録媒体と、前記第１光記録媒体よりも記録密度が低く且つ前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体と、前記第１，第２光記録媒体の各信号面を組み合わせて一体的に積層した組み合わせ型光記録媒体とを選択的に記録又は再生する光ピックアップ装置において、
    前記第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光を出射させる第１レーザー光源と、
    前記第２光記録媒体に対応して前記第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光を出射させる第２レーザー光源と、
    前記第１レーザー光に対して色収差を補正するための色収差補正素子と、
    前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを分離する第１，第２レーザー光分離手段と、
    前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子と、
    第１光記録媒体用として開口数（ＮＡ）が０．７５以上に設定され、且つ、互いに対向する各面のうち少なくとも一方の面が非球面に形成されて、前記第１，第２レーザー光を前記第１，第２光記録媒体の各信号面に集光させる対物レンズとを少なくとも備え、
    前記回折光学素子は、前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略２λ倍に設定した複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側階段状回折パターン部と、前記内周側階段状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする光ピックアップ装置。
  3. 基板厚さが薄い第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光と、前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体に対応して第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光とを用いて、前記第１光記録媒体と前記第２光記録媒体とを選択的に記録又は再生する際に、前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子であって、
    前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に凹部に対して凸部の高さを前記設計波長λの略１λ倍に設定した凹凸部が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側凹凸状回折パターン部と、前記内周側凹凸状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする回折光学素子。
  4. 基板厚さが薄い第１光記録媒体に対応して波長が４５０ｎｍ以下の第１レーザー光と、前記第１光記録媒体よりも基板厚さが厚い第２光記録媒体に対応して第１レーザー光よりも波長が長い第２レーザー光とを用いて、前記第１光記録媒体と前記第２光記録媒体とを選択的に記録又は再生する際に、前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差を補正するための回折光学素子であって、
    前記第１レーザー光の基準波長λ１と同じ値の波長を設計波長λに設定した際、光軸が通る中心点を中心にして前記第１，第２光記録媒体の基板厚さの異なりによって生じる球面収差の補正に対応する所定径の内周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略２λ倍に設定した複数段の階段を１組としてこの組が複数繰り返して外周側に向かって半径方向のピッチを徐々に変化させながら輪帯状に形成された内周側階段状回折パターン部と、前記内周側階段状回折パターン部より外側の外周領域内に各段の段差高さを前記設計波長λの略ｍλ（但し、ｍは０を含まない自然数）倍に設定するか又は各段ごとにｍの値を変化させて設定した複数段の階段が輪帯状に形成されることで前記第１レーザー光に対する色収差の改善を目的とした外周側階段状回折パターン部とを有することを特徴とする回折光学素子。
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