JP4501304B2 - 対物レンズ及び光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）及びＤＶＤ（デジタルビデオディスク）等の光ディスクの記録又は再生に適し、回折限界性能を有する対物レンズ及び光学装置に関する。なお、ＣＤとは記録可能なＣＤ−Ｒ（コンパクトディスク レコーダブル）も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、０．６ｍｍの厚さの透明基板を有するＤＶＤと１．２ｍｍの厚さの透明基板を有するＣＤを再生する対物レンズが提案されている（特開平１０−２５５３０５、特開平１１−１６１９０、特開平１１−２７５９）。
【０００３】
これらの従来例において、非球面を有する対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪帯状に凹部又は凸部からなる位相シフタが設けられている。対物レンズの基本的形状はＤＶＤを良好に再生できるように最適化されており、ＣＤを再生するときには、位相シフタで位相を補正することにより収差をできるだけ小さく補正している。その結果、ＤＶＤ、ＣＤともに、軸上の収差、特に軸上球面収差については、良好に補正できている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例では、ＣＤの再生時の軸外コマ収差については、良好に補正できず、軸外のコマ収差が大きいので、光源、対物レンズ等が光軸から傾いたとき又は軸ずれが生じたときの光学性能の劣化が大きく、光学装置を組み立てる際、対物レンズ等の位置決めに高精度を要求され、生産性が悪い問題があった。
【０００５】
さらに、対物レンズの位置決めに高精度を要求されるのでレンズや光源を移動させるための機構（移動機構）の摩耗等によって、対物レンズの光軸からの傾き又は軸ずれが生じ、光学性能が経年変化的に劣化する問題があった。
【０００６】
また、軸外コマ収差が大きいので、実際に光学装置を作動させる際、対物レンズのオートフォーカス駆動による対物レンズの位置決め、特に軸ずれに対し許容範囲が狭くなり、そのため、光学性能が劣化する問題があった。
【０００７】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、例えば、ＤＶＤ、ＣＤ等の複数種の光ディスクを記録又は再生するときに、軸上の収差、軸外の収差の両者とも、良好に補正できる対物レンズ及び光学装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、異なる波長の光源からの光を、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる、第１面と前記第１面と対向する第２面の両面に非球面を有する対物レンズにおいて、前記第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ１ の光が用いられ、前記第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ ２ の光が用いられ、前記第１面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第１の位相シフタが設けられ、前記第１の位相シフタは、前記第１の波長λ １ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ ２ 〜１．１λ ２ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第１の波長λ １ の光に対して前記第１の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有し、前記第２面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第２の位相シフタが設けられ、前記第２の位相シフタは、前記第２の波長λ ２ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ １ 〜１．１λ １ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第２の波長λ２の光に対して前記第２の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有する対物レンズを提供する。
【０００９】
また、第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、光源からの第１の波長λ １ 、第２の波長λ ２ の光を、それぞれ、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に、上記に記載の対物レンズを用いる光学装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図であり、光軸４に平行に、かつ、光軸４を通る断面を示し、光軸４に垂直な方向から見ている。方向は図面上での方向（Ａ４を縦方向で見る場合、左側を上方とし、下方が光源側とする）をいうものとする。図２は光源側から見る場合の、図１の対物レンズの正面図であり、図３は、図２に対する背面図である。
【００１１】
図１において、１１、１２、１３、１４、１５は光軸を中心とする輪状の段差部、２１、２２、２３、２４、２５、２６は光軸４を中心とする輪状の段差部、φ11、φ12、φ13、φ14、φ15はそれぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５の内側の径（直径）、φ16は第１面の有効径（直径）、φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26はそれぞれ段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６の内側の径（直径）、φ27は第２面の有効径（直径）である。なお、段差部はその角度が直角であるものに限定されず、なだらかな傾斜のものでもよい。以下の説明において、特に記載のない場合、距離、間隔、長さ、厚さ等寸法の単位はｍｍとする。本発明の対物レンズは、２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる。集光精度を向上させるため、本発明の対物レンズは両面に非球面を有する。
【００１２】
第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長が用いられ、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長が用いられる。対物レンズの片面には、例えば光軸を中心とする輪状の段差部１１、１２、１３、１４、１５を備える第１の位相シフタが設けられる。第１の位相シフタは第１の波長の光に対して位相差を生じさせる（第１の波長の光の位相シフト）機能を有する。第１の波長の光の位相シフトにより第１の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００１３】
対物レンズの残る片面には、例えば光軸を中心とする輪状の段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６を備える第２の位相シフタが設けられる。第２の位相シフタは第２の波長の光に対して位相差を生じさせる（第２の波長の光の位相シフト）機能を有する。第２の波長の光の位相シフトにより第２の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。なお、段差部の数は図１に限定されず、任意に変更できる。
【００１４】
なお、第１の位相シフタを対物レンズの第１面（光源側の面）に設け、第２の位相シフタを対物レンズの第２面（光ディスク側の面）に設けてもよいし、第１の位相シフタを対物レンズの第２面に設け、第２の位相シフタを対物レンズの第１面に設けてもよい。第１の位相シフタ又は第２の位相シフタを構成する段差部は、対物レンズの面に設けられる凸部又は凹部によるものであってもよい。
【００１５】
第１の波長の光を位相シフトさせるために、第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に０．９λ2〜１．１λ2のｉ倍になるように、第１の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましい。ただし、λ2 は第２の波長、ｉは自然数である。第１の波長の光について生ずる位相差をこの範囲にすることにより、第１の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００１６】
第１の波長の光を位相シフトさせるために、第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｉ−０．１）λ2〜（ｉ＋０．１）λ2になるように第１の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることがより好ましい。
【００１７】
第１の波長の光について生ずる位相差が０．９λ2〜１．１λ2のｉ倍になるようにするには、第１の位相シフタの各輪状の段差部が有する落差γ1と、λ2と、第２の波長における対物レンズ３の素材の屈折率ｎ2とが以下の式１を満たすことを要する。
【００１８】
【数１】
【００１９】
第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｉ−０．１）λ2〜（ｉ＋０．１）λ2になるようにするには、以下の式２を満たすことを要する。
【００２０】
【数２】
【００２１】
ここで、段差部の輪と別の段差部の輪との間、又は有効径付近に輪帯状の非球面が設けられている場合に、これらの非球面を輪帯状非球面と称すると、落差とは、輪帯状非球面を後述する式５に従って光軸４に向かって延長し、その延長線と光軸４との交点と、輪帯状非球面が設けられている対物レンズの面の頂点との間隔をいい、例えば、図１におけるγ11（段差部１１の落差）が該当する。この間隔は光軸４に沿っている。落差の考え方については、以下の式３、４についても同様である。
【００２２】
また、第２の波長の光を位相シフトさせるために、第２の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に０．９λ1〜１．１λ1のｊ倍になるように、第２の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましい。ただし、λ1 は第１の波長、ｊは自然数である。第２の波長の光について生ずる位相差をこの範囲にすることにより、第２の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００２３】
第２の波長の光を位相シフトさせるために、第２の波長λ2の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｊ−０．１）λ1〜（ｊ＋０．１）λ1になるように、第２の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることがより好ましい。
【００２４】
第２の波長の光について生ずる位相差が０．９λ1〜１．１λ1のｊ倍になるようにするには、第２の位相シフタの各輪帯状の段差部が有する落差γ2と、λ1と、対物レンズ３の素材の屈折率ｎ1とが下記式３を満たすことを要する。
【００２５】
【数３】
【００２６】
第２の波長λ2の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｊ−０．１）λ1〜（ｊ＋０．１）λ1になるようにするには第２の位相シフタの各輪帯状の段差部が有する落差γ2と、λ1と、対物レンズ３の素材の屈折率ｎ1とが下記式４を満たすことを要する。
【００２７】
【数４】
【００２８】
第１の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数ＮＡ1と、第２の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数ＮＡ2との間に、ＮＡ1＞ＮＡ2 が成り立つとき、第１の位相シフタの段差部のうちの径が最小のものの内径φ1、第１の位相シフタが設けられている対物レンズの面の有効径φA（図１におけるφ16に相当する）、第２の位相シフタの段差部のうちの径が最小ものの内径φ2及び第１の位相シフタが設けられている対物レンズの面の有効径φB（図１におけるφ27に相当する）とが、φ1／φA＞φ2／φBを満たすことが好ましい。
【００２９】
第２の位相シフタが開口数の小さいＮＡ2の範囲で収差補正をしなければならないからであり、φ1／φA＞φ2／φBを満たさない場合には第２の光ディスクの記録又は再生が良好にできないおそれがある。同様の理由により、ＮＡ1＞１．２ＮＡ2 が成り立つときには、φ1／φA＞１．２（φ2／φB）を満たすことが好ましい。
【００３０】
１．５ｔ1＜ｔ2が成り立つとき、第１の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、３〜１０本であり、かつ、第２の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、３〜１０本であることが好ましい。それぞれ３本未満であると軸上球面収差を良好に補正することができないおそれがある。さらに、対物レンズの第１面及び第２面の有効径が、通常、５．０ｍｍ以下であることを鑑みると、それぞれ１０本超であると製造することが困難となるおそれがある。好ましくは、第１の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、４〜８本であり、かつ、第２の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、５〜８本である。
【００３１】
図４は本発明の光学装置の一実施例を示す構成図である。図４において、１は光源、２は反射機能を有する光学媒体、３は対物レンズ、５は補助レンズ、６は第１の光ディスク、６ａは第１の光ディスク６の透明基板（以下、第１の透明基板という）、６ｂは第１の光ディスク６の情報記録面（以下、第１の情報記録面という）、７は第２の光ディスク、７ａは第２の光ディスク７の透明基板（以下、第２の透明基板という）、７ｂは第２の光ディスク７の情報記録面（以下、第２の情報記録面という）、９は絞り、１０は受光素子、Ｓ1は光源１から補助レンズ５の光源側の面（第１面）までの光軸上の距離、Ｓ2は補助レンズ５の光ディスク側の面（第２面）から対物レンズ３の第１面までの光軸上の距離である。
【００３２】
図４に示す光学装置では、第１の波長を用いて第１の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ1と、第２の波長を用いて第２の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ2とが、ＮＡ1＞ ＮＡ2を満たす。また、図５は、図４とは別の実施例を示す構成図である。図５に示す光学装置では、光源１から光を対物レンズ３のみにより光ディスクの情報記録面に集光している。
【００３３】
図４において、光源１からの第１の波長の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第１の情報記録面６ｂに導かれ収束する。図５では補助レンズ５が設けられていないので、第１の波長の光は、順に光学媒体２、対物レンズ３を介して第１の情報記録面６ｂに導かれ収束する。
【００３４】
図４において、光源１からの第２の波長の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第２の情報記録面７ｂに導かれ収束する。図５では補助レンズ５が設けられていないので、第１の波長の光は、順に光学媒体２、対物レンズ３を介して第２の情報記録面７ｂに導かれ収束する。
【００３５】
第１の情報記録面６ｂによって反射される第１の波長の光と、第２の情報記録面７ｂによって反射される第２の波長の光とは、ともに来た光路を戻り光学媒体２により反射されて受光素子１０に受光される。
【００３６】
図４、５の光学装置の光学系は全体で有限系の光学系を構成している。図４の対物レンズ３は補助レンズがコリメータレンズである場合には無限系のレンズであり、図５の対物レンズ３は有限系のレンズである。光ディスクからみて有限の距離範囲に位置する光源の光を光ディスクの情報記録面に収束させるためである。対物レンズ３は有限系レンズが使用できる場合であっても、有限系対物レンズは無限系として設計され有限系としても使用できる対物レンズを含むものとする。
【００３７】
また、第１の情報記録面６ｂと第２の情報記録面７ｂにはデジタル信号を表すマークが記録されている。このマークにより表される１ピットの寸法が数μｍ以下の場合には精確な記録又は再生を行うために、本発明の光学装置の光学系は回折限界性能を有する。
【００３８】
光源１は、例えばレーザ光源等が挙げられ、第１の光ディスク６がＤＶＤ、第２の光ディスク７がＣＤと仮定すれば、レーザ光源としては例えばＣＤ用に波長７８０ｎｍのレーザ光源、ＤＶＤ用に波長６５０ｎｍのレーザ光源等が挙げられる。なお、光源の波長については、上述した６５０ｎｍ、７８０ｎｍに限定されない。
【００３９】
図４に示す光学装置では、第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して、第１の波長の光が第１の情報記録面６ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されており、かつ、第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して、第２の波長の光が第２の情報記録面７ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されている。
【００４０】
換言すると、図４における補助レンズ５と対物レンズ３との組合せは、第１の波長、物像間距離及び第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して適正に収差が補正されており、第１の波長の光を使用して第１の光ディスク６の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。さらに、図４における補助レンズ５と対物レンズ３との組合せは、第２の波長、物像間距離及び第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して適正に収差が補正されており、第２の波長の光を使用して第２の光ディスク７の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。補助レンズ５は、対物レンズ３と組合せて用いたときに収差が最適になるよう設定されている。
【００４１】
図５に示す光学装置では、第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して、第１の波長の光が第１の情報記録面６ｂに良好に収束するように対物レンズ３が最適化されており、かつ、第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して、第２の波長の光が第２の情報記録面７ｂに良好に収束するように対物レンズ３が最適化されている。
【００４２】
換言すると、図５における対物レンズ３は、第１の波長、物像間距離及び第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して適正に収差が補正されており、第１の波長の光を使用して第１の光ディスク６の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。さらに、図５における対物レンズ３は、第２の波長、物像間距離及び第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して適正に収差が補正されており、第２の波長の光を使用して第２の光ディスク７の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。このようにして、透明基板厚の異なる第１の光ディスク６と第２の光ディスク７との記録又は再生を良好にする。なお、上記収差特性には透明基板の厚さのみならず、透明基板の屈折率もわずかながら影響する。
【００４３】
図４に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）の組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【００４４】
図４に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の、各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1 以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と、対物レンズ３の残る片面の各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることがより好ましい。
【００４５】
図５に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1 以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【００４６】
図５に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の、各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と、対物レンズ３の残る片面の各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ）との組合せが、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることがより好ましい。
【００４７】
像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差が０．０３λ以下の場合には０．０３λ超の場合と比較して、光源、補助レンズ、対物レンズ又は光ディスクの、光軸からの傾き又は軸ずれに対する許容範囲が０．１％以上拡大する。像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差のより好ましい範囲は０．０１λ以下であり、この場合には０．０１λ超の場合と比較してこの許容範囲が０．５％以上拡大する。
【００４８】
図４に示す光学装置における第１の波長の光と第１の透明基板６ａとの組合せに対応する、補助レンズ５と対物レンズ３との組合せの横倍率をβ1 、図５に示す光学装置における第１の波長の光と第１の透明基板６ａとの組合せに対応する、対物レンズ３との組合せの横倍率もβ1と称し、図４に示す光学装置における第２の波長の光と第２の透明基板７ａとの組合せに対応する、補助レンズ５と対物レンズ３との組合せの横倍率をβ2 、図５に示す光学装置における第２の波長の光と第２の透明基板７ａとの組合せに対応する、対物レンズ３との組合せの横倍率もβ2と称すると、下記（Ａ）と下記（Ｂ）との両方の条件を満足することが好ましい。
（Ａ）０．０５≦｜β1 ｜≦０．３、
（Ｂ）０．０５≦｜β2 ｜≦０．３。
【００４９】
０．０５≦｜β1｜、かつ、０．０５≦｜β2｜を満足しない場合には、物像間距離が長くなりすぎ、光学装置の小型化が困難となり好ましくない。また、｜β1 ｜≦０．３、かつ、｜β2 ｜≦０．３を満足しない場合には、収差補正が困難となり好ましくない。
【００５０】
また、図４に示す光学装置において、光源１から補助レンズ５の光源１側の面までの光軸上の距離であるＳ1について、８ｍｍ≦Ｓ1≦２５ｍｍであることが好ましい。Ｓ1が８ｍｍ未満であると収差補正が困難となるおそれがあり、Ｓ1が２５ｍｍ超であると光学装置の小型化が困難となるおそれがある。
【００５１】
また、光学媒体２の例として、例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラー、プリズム等が挙げられる。光学媒体２は必要に応じて設けられ、図４、５に示す光学装置において、光学媒体２を設けずに、光源１からの光が直接対物レンズ３に照射されるようにしてもよい。また、光ディスクの情報記録面のデータを受光素子に読み込む手段は図４、５に示す手段に限定されない。
【００５２】
絞り９は開口数（ＮＡ）を変化させる機能を有する。絞り９を設ける理由は、記録又は再生の際、第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが異なる場合、絞り９により開口数を調整するためである。第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが同じである場合には絞り９は通常不要である。絞り９には、機械的絞り、光学的絞りがあり、特に限定されない。
【００５３】
第１の光ディスクに用いる対物レンズの開口数ＮＡ1と、第２の光ディスクに用いる対物レンズの開口数ＮＡ2との間に、ＮＡ1＞ＮＡ2 が成り立つとき、対物レンズの片面又は両面の光軸を中心とする輪帯状領域には、第２の波長の光の透過を妨げて開口数ＮＡ2に絞り込むための段差部を設け、絞り９の代わりとしてもよい。
【００５４】
図４では、補助レンズ５を１個のレンズによって構成しているが、これに限定されず、補助レンズ５をそれぞれ複数個のレンズ群によって構成してもよい。
以上２種類の光ディスクの記録又は再生について述べたが、これに限定されず、３種類以上の異なる透明基板の厚さの光ディスクを記録又は再生の対象としてもよい。また、本発明における光ディスクは、ＤＶＤ、ＣＤに限定されず、他の種類の光ディスクであってもよい。
【００５５】
図４、５に示す光学装置では、１つの光源１から、第１の波長の光及び第２の波長の光を発光させている。しかし、これに限定されず、第１の波長の光と第２の波長の光の光源を別々に分けてもよい。
【００５６】
補助レンズ５及び対物レンズ３には材料として合成樹脂を通常使用する。しかし、合成樹脂に限定されず、ガラスを用いてもよい。また、本発明の光学装置は、対物レンズのオートフォーカス駆動を備えてもよい。
【００５７】
【実施例】
第１の光ディスク６としてＤＶＤ（ｔ1＝０．６０ｍｍ）を用い、第２の光ディスク７としてＣＤ（ｔ2＝１．２０ｍｍ）を用いることとし、ＣＤ、ＤＶＤの記録又は再生を前提とした図４に示す光学装置を製作した。
【００５８】
ＤＶＤの再生又は記録には波長６５０ｎｍのレーザー光源、ＣＤの再生又は記録には波長７８０ｎｍのレーザー光源を使用した。光学媒体２は厚さ３．００ｍｍ、材料がＢＫであるビームスプリッタを用いた。ＤＶＤの透明基板は波長６５０ｎｍで屈折率１．５８０を有するものとして、ＣＤの透明基板は波長７８０ｎｍで屈折率１．５７３を有するものとして、設計した。
【００５９】
対物レンズ３の有する非球面の形状は、各輪帯状非球面を含め、下記式５によって決定した。式５において、ｉは２，４，６，８，１０であり、ｊは１，２であり、ｈは光軸からの高さであり、ｚj は第ｊ面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さｈの点までの距離であり、ｒj 、ｋj 、ａi,j は第ｊ面の各係数である。
【００６０】
【数５】
【００６１】
「例１（比較例）」
対物レンズ３の形状は図６に示すような形状とした。ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸上の球面収差を補正するようには設計せず、軸外コマ収差が良好に補正されるように設計を行った。
【００６２】
例１の光学装置及び対物レンズの仕様、諸数値を表１上段に示す。表１上段において、ｆ1は波長６５０ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｆ2は波長７８０ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｄ1は対物レンズ３の中心厚、ｎ1は波長６５０ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率、ｎ2は波長７８０ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率である。
【００６３】
例１における対物レンズの第１面の非球面の諸係数を表１中段に示し、例１における対物レンズの第２面の非球面の諸係数を表１下段に示す。以下の表において、Ｅ−ｍは１０-mを意味する。ただし、ｍは自然数である。
【００６４】
【表１】
【００６５】
補助レンズはコリメータレンズとし、補助レンズの有する非球面の形状は式５によって決定した。補助レンズの非球面の諸係数を表２上段に示す。表２上段において、ｆC1は波長６５０ｎｍにおける焦点距離、ｆC2は波長７８０ｎｍにおける焦点距離、ｄCは中心厚、ｎC1は波長６５０ｎｍにおける屈折率、ｎC2は波長７８０ｎｍにおける屈折率である。なお、例２〜５においても表２上段に示す補助レンズを用いた。
【００６６】
表２上段の補助レンズと、表１の対物レンズとからなる光学系の仕様は表２下段のとおりである。表２下段において、Ｐ1は波長６５０ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第１の光ディスク６の対物レンズ側の面との距離（作動距離）、Ｐ2は波長７８０ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第２の光ディスク７の対物レンズ側の面との距離（作動距離）である。
【００６７】
【表２】
【００６８】
図９にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。図１０において実線はすべての種類の収差を含む波面収差を示す。また、破線は軸外波面収差のうちの軸外コマ収差のみを示す。また図１０にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。実線、破線の意味は図９と同様である。なお、以下の収差特性図においても実線、破線の意味は図９と同様とする。各例についての収差特性図及び後述する表の収差の値はすべて計算値である。プラスチックを射出成形して例１の対物レンズと補助レンズとを作製し図４の光学装置を製作して、当光学装置でＤＶＤとＣＤとを記録又は再生したところ、両方とも忠実に記録再生できなかった。
【００６９】
「例２（比較例）」
対物レンズの形状は図７に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。ＤＶＤ用の軸上の球面収差を補正するために、対物レンズの第１面に第１の位相シフタを設けた。対物レンズの第１面の形状は図１に示す対物レンズの第１面のような形状であり、対物レンズの第２面は例１の対物レンズの第２面と同様とした。以下、対物レンズの第１面の非球面について図１の符号を用いて説明する。
【００７０】
対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面１１ａは例１の対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面と同様とした。対物レンズ３の第２面は例１の対物レンズの第２面と同様とした。輪帯状非球面１２ａの非球面の諸係数を表３上段に示し、輪帯状非球面１３ａ、１５ａの非球面の諸係数を表３中段に示し、輪帯状非球面１４ａ、１６ａの非球面の諸係数を表３下段に示す。さらに、各落差γ1については表４上段に示す。また、φ11、φ12、φ13、φ14、φ15、φ16については表４下段に示す。
【００７１】
【表３】
【００７２】
【表４】
【００７３】
図１１にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１２にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例２の形状の対物レンズ３と補助レンズ５とを作製し、図４の光学装置を製作した。ＤＶＤ、ＣＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ＤＶＤについては忠実に記録再生できたが、ＣＤについては忠実に記録再生できなかった。
【００７４】
「例３（比較例）」
対物レンズの形状は図８に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。ＣＤ用の軸上の球面収差を補正するために、対物レンズの第２面に第２の位相シフタを設けた。対物レンズの第２面の形状は図１に示す対物レンズの第２面ような形状であり、対物レンズの第１面は例１の対物レンズの第１面と同様とした。以下、対物レンズの第２面の非球面について図１の符号を用いて説明する。
【００７５】
対物レンズの第２面の頂点を含む面の非球面２１ａは例１の対物レンズの第２面の頂点を含む面の非球面と同様とした。対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面１１ａは例１の対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面と同様とした。
【００７６】
輪帯状非球面２２ａの非球面の諸係数を表５左上段に示し、輪帯状非球面２３ａ、２７ａの非球面の諸係数を表５右上段に示し、輪帯状非球面２４ａ、２６ａの非球面の諸係数を表５左下段に示し、輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表５右下段に示す。
さらに、各落差γ2については表６上段に示す。また、φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26については表６下段に示す。
【００７７】
【表５】
【００７８】
【表６】
【００７９】
図１３にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１４にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例３の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、図４の光学装置を製作した。ＤＶＤ、ＣＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ＣＤについては忠実に記録再生できたが、ＤＶＤについては忠実に記録再生できなかった。
【００８０】
「例４（実施例）」
対物レンズの形状は図１に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。対物レンズの第１面は例２における対物レンズの第１面と同様とし、対物レンズの第２面は例３における対物レンズの第２面と同様とした。
【００８１】
図１５にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１６にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例４の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、例４の光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【００８２】
「例５（実施例）」
基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とし、図１に示す形状の対物レンズを設計した。
【００８３】
非球面１１ａの非球面の諸係数を表７左上段に、輪帯状非球面１２ａの非球面の諸係数を表７右上段に、輪帯状非球面１３ａの非球面の諸係数を表７左中段に、輪帯状非球面１４ａの非球面の諸係数を表７右中段に、輪帯状非球面１５ａの非球面の諸係数を表７左下段に、輪帯状非球面１６ａの非球面の諸係数を表７右下段にそれぞれ示す。
【００８４】
【表７】
【００８５】
非球面２１ａの非球面の諸係数を表８左上段に、輪帯状非球面２２ａの非球面の諸係数を表８右上段に、輪帯状非球面２３ａの非球面の諸係数を表８左中上段に、輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表８右中上段に、輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表８左中下段に、輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表８右中下段に、輪帯状非球面２ａの非球面の諸係数を表８左下段にそれぞれ示す。
【００８６】
【表８】
【００８７】
表７、８に記載されていない仕様については、例４と同様とした。図１７にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１８にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例５の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、図４の光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【００８８】
「例６（実施例）」
図５に示す光学装置（有限系）に使用する対物レンズであって、光源側の面に７つの輪帯状非球面を有し、光ディスク側の面に６つの輪帯状非球面を有する対物レンズを設計した。
対物レンズは、ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸外コマ収差が良好となるように設計した。第１面にＣＤ用としての軸上の特性を補正するように位相補正の７つの輪帯状非球面を設け、第２面にＤＶＤ用としての軸上の球面収差を補正するように６つの輪帯状非球面を設けた。対物レンズの基本仕様を表９に示す。波長等表９に記載されていない仕様は、例４と同様である。
【００８９】
【表９】
【００９０】
対物レンズ３の光源側面の頂点を含む面の非球面を光源側頂点非球面と称し、光源側頂点非球面に最も近い輪帯状非球面を第１の光源側輪帯状非球面と称し、対物レンズ３の外周に向かって、第２の光源側輪帯状非球面、第３の光源側輪帯状非球面、のように順に称するとき、光源側頂点非球面の非球面の諸係数を表１０左上段に、第１の光源側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１０右上段に、第２の光源側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１０左中上段に、第３の光源側輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表１０右中上段に、第４の光源側輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表１０左中下段に、第５の光源側輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表１０右中下段に、第６の光源側輪帯状非球面２ａの非球面の諸係数を表１０左下段にそれぞれ示す。
【００９１】
【表１０】
【００９２】
対物レンズ３の光ディスク側面の頂点を含む面の非球面を光ディスク側頂点非球面と称し、光ディスク側頂点非球面に最も近い輪帯状非球面を第１の光ディスク側輪帯状非球面と称し、対物レンズ３の外周に向かって、第２の光ディスク側輪帯状非球面、第３の光ディスク側輪帯状非球面、のように順に称するとき、光ディスク側頂点非球面の非球面の諸係数を表１１左上段に、第１の光ディスク側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１１右上段に、第２の光ディスク側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１１左中段に、第３の光ディスク側輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表１１右中段に、第４の光ディスク側輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表１１左下段に、第５の光ディスク側輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表１１右下段にそれぞれ示す。
【００９３】
【表１１】
【００９４】
対物レンズ３の光源側の面の各落差を表１２に示す。表１２において、各光源側輪帯状非球面は光源側頂点より光ディスク側に設けられているものとする。
【００９５】
【表１２】
【００９６】
対物レンズ３のディスク側の面の各落差を表１３に示す。表１３において、各ディスク側輪帯状非球面はディスク側頂点より光源側に設けられているものとする。
【００９７】
【表１３】
【００９８】
対物レンズ３の各非球面の外周の直径を表１４に示す。
【００９９】
【表１４】
【０１００】
図１９にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図２０にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例６の対物レンズを作製し、図５に示すとおりの光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【０１０１】
「例７（実施例）」
図５に示す光学装置に使用する対物レンズであって、光源側の面に７つの輪帯状非球面を有し、光ディスク側の面に６つの輪帯状非球面を有する対物レンズを設計した。
【０１０２】
対物レンズは、ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸外コマ収差が良好となるように設計した。第１面にＣＤ用としての軸上の特性を補正するように位相補正の７つの輪帯状非球面を設け、第２面にＤＶＤ用としての軸上の球面収差を補正するように６つの輪帯状非球面を設けた。対物レンズの基本仕様を表１５に示す。波長等表１５に記載されていない仕様は、例４と同様である。
【０１０３】
【表１５】
【０１０４】
対物レンズの光源側面の各非球面の諸係数を表１６に示す。表１６の配列は表１０と同様である。
【０１０５】
【表１６】
【０１０６】
対物レンズの光ディスク側面の各非球面の諸係数を表１７に示す。表１７の配列は表１１と同様である。
【０１０７】
【表１７】
【０１０８】
対物レンズ３の光源側の面の各落差は例６の対物レンズと同様（表１２）であった。対物レンズ３のディスク側の面の各落差も例６の対物レンズと同様（表１３）であった。対物レンズ３の各非球面の外周の直径も例６の対物レンズと同様（表１４）であった。
【０１０９】
図２１にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図２２にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例７の対物レンズを作製し、図５に示すとおりの光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明の対物レンズは、その片面に第１の波長の光に対して位相差を生じさせる機能を有する第１の位相シフタが設けられ、その残る片面に第２の波長の光に対して位相差を生じさせる機能を有する第２の位相シフタが設けられているため、第１の光ディスク、第２の光ディスクの記録又は再生に際し、軸上の収差、軸外の収差ともに良好に補正できる。
【０１１１】
したがって、本発明の対物レンズは、経年変化によって光源や対物レンズが光軸から傾き又は軸ずれが生じた場合であっても、軸上の収差、軸外の収差ともに良好であり、高精度化が容易であって、光学性能が経年変化的に劣化する可能性が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図。
【図２】光源側から見る場合の、図１の対物レンズの正面図。
【図３】図２に対する背面図。
【図４】本発明の光学装置の一実施例を示す構成図。
【図５】図４とは別の光学装置の実施例の構成図。
【図６】例１の対物レンズを示す断面図。
【図７】例２の対物レンズを示す断面図。
【図８】例３の対物レンズを示す断面図。
【図９】例１のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１０】例１のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１１】例２のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１２】例２のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１３】例３のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１４】例３のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１５】例４のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１６】例４のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１７】例５のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１８】例５のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１９】例６のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２０】例６のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２１】例７のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２２】例７のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【符号の説明】
１：第１の光源
２：光学媒体
３：対物レンズ
５：補助レンズ
６：第１の光ディスク
６ａ：第１の光ディスク６の透明基板
６ｂ：第１の光ディスク６の情報記録面
７：第２の光ディスク
７ａ：第２の光ディスク７の透明基板
７ｂ：第２の光ディスク７の情報記録面
９：絞り
１０：受光素子
Ｓ1：光源１から補助レンズ５の第１面までの光軸上の距離
Ｓ2：補助レンズ５の第２面から対物レンズ３までの光軸上の距離
１１、１２、１３、１４、１５：光軸を中心とする輪状の段差部
１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ：輪帯状非球面
２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ：輪帯状非球面
２１、２２、２３、２４、２５、２６：光軸４を中心とする輪状の段差部
φ11、φ12、φ13、φ14、φ15：それぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５の内側の径
φ16：第１面の有効径
φ27：第２面の有効径
φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26：それぞれ段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６の径
φ27：第２面の有効径
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）及びＤＶＤ（デジタルビデオディスク）等の光ディスクの記録又は再生に適し、回折限界性能を有する対物レンズ及び光学装置に関する。なお、ＣＤとは記録可能なＣＤ−Ｒ（コンパクトディスク レコーダブル）も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、０．６ｍｍの厚さの透明基板を有するＤＶＤと１．２ｍｍの厚さの透明基板を有するＣＤを再生する対物レンズが提案されている（特開平１０−２５５３０５、特開平１１−１６１９０、特開平１１−２７５９）。
【０００３】
これらの従来例において、非球面を有する対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪帯状に凹部又は凸部からなる位相シフタが設けられている。対物レンズの基本的形状はＤＶＤを良好に再生できるように最適化されており、ＣＤを再生するときには、位相シフタで位相を補正することにより収差をできるだけ小さく補正している。その結果、ＤＶＤ、ＣＤともに、軸上の収差、特に軸上球面収差については、良好に補正できている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例では、ＣＤの再生時の軸外コマ収差については、良好に補正できず、軸外のコマ収差が大きいので、光源、対物レンズ等が光軸から傾いたとき又は軸ずれが生じたときの光学性能の劣化が大きく、光学装置を組み立てる際、対物レンズ等の位置決めに高精度を要求され、生産性が悪い問題があった。
【０００５】
さらに、対物レンズの位置決めに高精度を要求されるのでレンズや光源を移動させるための機構（移動機構）の摩耗等によって、対物レンズの光軸からの傾き又は軸ずれが生じ、光学性能が経年変化的に劣化する問題があった。
【０００６】
また、軸外コマ収差が大きいので、実際に光学装置を作動させる際、対物レンズのオートフォーカス駆動による対物レンズの位置決め、特に軸ずれに対し許容範囲が狭くなり、そのため、光学性能が劣化する問題があった。
【０００７】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、例えば、ＤＶＤ、ＣＤ等の複数種の光ディスクを記録又は再生するときに、軸上の収差、軸外の収差の両者とも、良好に補正できる対物レンズ及び光学装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、異なる波長の光源からの光を、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる、第１面と前記第１面と対向する第２面の両面に非球面を有する対物レンズにおいて、前記第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ１ の光が用いられ、前記第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ ２ の光が用いられ、前記第１面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第１の位相シフタが設けられ、前記第１の位相シフタは、前記第１の波長λ １ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ ２ 〜１．１λ ２ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第１の波長λ １ の光に対して前記第１の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有し、前記第２面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第２の位相シフタが設けられ、前記第２の位相シフタは、前記第２の波長λ ２ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ １ 〜１．１λ １ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第２の波長λ２の光に対して前記第２の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有する対物レンズを提供する。
【０００９】
また、第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、光源からの第１の波長λ １ 、第２の波長λ ２ の光を、それぞれ、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に、上記に記載の対物レンズを用いる光学装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図であり、光軸４に平行に、かつ、光軸４を通る断面を示し、光軸４に垂直な方向から見ている。方向は図面上での方向（Ａ４を縦方向で見る場合、左側を上方とし、下方が光源側とする）をいうものとする。図２は光源側から見る場合の、図１の対物レンズの正面図であり、図３は、図２に対する背面図である。
【００１１】
図１において、１１、１２、１３、１４、１５は光軸を中心とする輪状の段差部、２１、２２、２３、２４、２５、２６は光軸４を中心とする輪状の段差部、φ11、φ12、φ13、φ14、φ15はそれぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５の内側の径（直径）、φ16は第１面の有効径（直径）、φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26はそれぞれ段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６の内側の径（直径）、φ27は第２面の有効径（直径）である。なお、段差部はその角度が直角であるものに限定されず、なだらかな傾斜のものでもよい。以下の説明において、特に記載のない場合、距離、間隔、長さ、厚さ等寸法の単位はｍｍとする。本発明の対物レンズは、２つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる。集光精度を向上させるため、本発明の対物レンズは両面に非球面を有する。
【００１２】
第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長が用いられ、第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長が用いられる。対物レンズの片面には、例えば光軸を中心とする輪状の段差部１１、１２、１３、１４、１５を備える第１の位相シフタが設けられる。第１の位相シフタは第１の波長の光に対して位相差を生じさせる（第１の波長の光の位相シフト）機能を有する。第１の波長の光の位相シフトにより第１の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００１３】
対物レンズの残る片面には、例えば光軸を中心とする輪状の段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６を備える第２の位相シフタが設けられる。第２の位相シフタは第２の波長の光に対して位相差を生じさせる（第２の波長の光の位相シフト）機能を有する。第２の波長の光の位相シフトにより第２の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。なお、段差部の数は図１に限定されず、任意に変更できる。
【００１４】
なお、第１の位相シフタを対物レンズの第１面（光源側の面）に設け、第２の位相シフタを対物レンズの第２面（光ディスク側の面）に設けてもよいし、第１の位相シフタを対物レンズの第２面に設け、第２の位相シフタを対物レンズの第１面に設けてもよい。第１の位相シフタ又は第２の位相シフタを構成する段差部は、対物レンズの面に設けられる凸部又は凹部によるものであってもよい。
【００１５】
第１の波長の光を位相シフトさせるために、第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に０．９λ2〜１．１λ2のｉ倍になるように、第１の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましい。ただし、λ2 は第２の波長、ｉは自然数である。第１の波長の光について生ずる位相差をこの範囲にすることにより、第１の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００１６】
第１の波長の光を位相シフトさせるために、第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｉ−０．１）λ2〜（ｉ＋０．１）λ2になるように第１の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることがより好ましい。
【００１７】
第１の波長の光について生ずる位相差が０．９λ2〜１．１λ2のｉ倍になるようにするには、第１の位相シフタの各輪状の段差部が有する落差γ1と、λ2と、第２の波長における対物レンズ３の素材の屈折率ｎ2とが以下の式１を満たすことを要する。
【００１８】
【数１】
第１の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｉ−０．１）λ2〜（ｉ＋０．１）λ2になるようにするには、以下の式２を満たすことを要する。
【００２０】
【数２】
ここで、段差部の輪と別の段差部の輪との間、又は有効径付近に輪帯状の非球面が設けられている場合に、これらの非球面を輪帯状非球面と称すると、落差とは、輪帯状非球面を後述する式５に従って光軸４に向かって延長し、その延長線と光軸４との交点と、輪帯状非球面が設けられている対物レンズの面の頂点との間隔をいい、例えば、図１におけるγ11（段差部１１の落差）が該当する。この間隔は光軸４に沿っている。落差の考え方については、以下の式３、４についても同様である。
【００２２】
また、第２の波長の光を位相シフトさせるために、第２の波長の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に０．９λ1〜１．１λ1のｊ倍になるように、第２の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましい。ただし、λ1 は第１の波長、ｊは自然数である。第２の波長の光について生ずる位相差をこの範囲にすることにより、第２の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が低減する。
【００２３】
第２の波長の光を位相シフトさせるために、第２の波長λ2の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｊ−０．１）λ1〜（ｊ＋０．１）λ1になるように、第２の位相シフタが備える段差部の寸法及び形状が決定されていることがより好ましい。
【００２４】
第２の波長の光について生ずる位相差が０．９λ1〜１．１λ1のｊ倍になるようにするには、第２の位相シフタの各輪帯状の段差部が有する落差γ2と、λ1と、対物レンズ３の素材の屈折率ｎ1とが下記式３を満たすことを要する。
【００２５】
【数３】
第２の波長λ2の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に（ｊ−０．１）λ1〜（ｊ＋０．１）λ1になるようにするには第２の位相シフタの各輪帯状の段差部が有する落差γ2と、λ1と、対物レンズ３の素材の屈折率ｎ1とが下記式４を満たすことを要する。
【００２７】
【数４】
第１の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数ＮＡ1と、第２の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数ＮＡ2との間に、ＮＡ1＞ＮＡ2 が成り立つとき、第１の位相シフタの段差部のうちの径が最小のものの内径φ1、第１の位相シフタが設けられている対物レンズの面の有効径φA（図１におけるφ16に相当する）、第２の位相シフタの段差部のうちの径が最小ものの内径φ2及び第１の位相シフタが設けられている対物レンズの面の有効径φB（図１におけるφ27に相当する）とが、φ1／φA＞φ2／φBを満たすことが好ましい。
【００２９】
第２の位相シフタが開口数の小さいＮＡ2の範囲で収差補正をしなければならないからであり、φ1／φA＞φ2／φBを満たさない場合には第２の光ディスクの記録又は再生が良好にできないおそれがある。同様の理由により、ＮＡ1＞１．２ＮＡ2 が成り立つときには、φ1／φA＞１．２（φ2／φB）を満たすことが好ましい。
【００３０】
１．５ｔ1＜ｔ2が成り立つとき、第１の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、３〜１０本であり、かつ、第２の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、３〜１０本であることが好ましい。それぞれ３本未満であると軸上球面収差を良好に補正することができないおそれがある。さらに、対物レンズの第１面及び第２面の有効径が、通常、５．０ｍｍ以下であることを鑑みると、それぞれ１０本超であると製造することが困難となるおそれがある。好ましくは、第１の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、４〜８本であり、かつ、第２の位相シフタが備える段差部の輪の本数の総計が、５〜８本である。
【００３１】
図４は本発明の光学装置の一実施例を示す構成図である。図４において、１は光源、２は反射機能を有する光学媒体、３は対物レンズ、５は補助レンズ、６は第１の光ディスク、６ａは第１の光ディスク６の透明基板（以下、第１の透明基板という）、６ｂは第１の光ディスク６の情報記録面（以下、第１の情報記録面という）、７は第２の光ディスク、７ａは第２の光ディスク７の透明基板（以下、第２の透明基板という）、７ｂは第２の光ディスク７の情報記録面（以下、第２の情報記録面という）、９は絞り、１０は受光素子、Ｓ1は光源１から補助レンズ５の光源側の面（第１面）までの光軸上の距離、Ｓ2は補助レンズ５の光ディスク側の面（第２面）から対物レンズ３の第１面までの光軸上の距離である。
【００３２】
図４に示す光学装置では、第１の波長を用いて第１の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ1と、第２の波長を用いて第２の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ３の開口数ＮＡ2とが、ＮＡ1＞ ＮＡ2を満たす。また、図５は、図４とは別の実施例を示す構成図である。図５に示す光学装置では、光源１から光を対物レンズ３のみにより光ディスクの情報記録面に集光している。
【００３３】
図４において、光源１からの第１の波長の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第１の情報記録面６ｂに導かれ収束する。図５では補助レンズ５が設けられていないので、第１の波長の光は、順に光学媒体２、対物レンズ３を介して第１の情報記録面６ｂに導かれ収束する。
【００３４】
図４において、光源１からの第２の波長の光は、順に光学媒体２、補助レンズ５、対物レンズ３を介して第２の情報記録面７ｂに導かれ収束する。図５では補助レンズ５が設けられていないので、第１の波長の光は、順に光学媒体２、対物レンズ３を介して第２の情報記録面７ｂに導かれ収束する。
【００３５】
第１の情報記録面６ｂによって反射される第１の波長の光と、第２の情報記録面７ｂによって反射される第２の波長の光とは、ともに来た光路を戻り光学媒体２により反射されて受光素子１０に受光される。
【００３６】
図４、５の光学装置の光学系は全体で有限系の光学系を構成している。図４の対物レンズ３は補助レンズがコリメータレンズである場合には無限系のレンズであり、図５の対物レンズ３は有限系のレンズである。光ディスクからみて有限の距離範囲に位置する光源の光を光ディスクの情報記録面に収束させるためである。対物レンズ３は有限系レンズが使用できる場合であっても、有限系対物レンズは無限系として設計され有限系としても使用できる対物レンズを含むものとする。
【００３７】
また、第１の情報記録面６ｂと第２の情報記録面７ｂにはデジタル信号を表すマークが記録されている。このマークにより表される１ピットの寸法が数μｍ以下の場合には精確な記録又は再生を行うために、本発明の光学装置の光学系は回折限界性能を有する。
【００３８】
光源１は、例えばレーザ光源等が挙げられ、第１の光ディスク６がＤＶＤ、第２の光ディスク７がＣＤと仮定すれば、レーザ光源としては例えばＣＤ用に波長７８０ｎｍのレーザ光源、ＤＶＤ用に波長６５０ｎｍのレーザ光源等が挙げられる。なお、光源の波長については、上述した６５０ｎｍ、７８０ｎｍに限定されない。
【００３９】
図４に示す光学装置では、第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して、第１の波長の光が第１の情報記録面６ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されており、かつ、第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して、第２の波長の光が第２の情報記録面７ｂに良好に収束するように補助レンズ５と対物レンズ３との組合せが最適化されている。
【００４０】
換言すると、図４における補助レンズ５と対物レンズ３との組合せは、第１の波長、物像間距離及び第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して適正に収差が補正されており、第１の波長の光を使用して第１の光ディスク６の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。さらに、図４における補助レンズ５と対物レンズ３との組合せは、第２の波長、物像間距離及び第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して適正に収差が補正されており、第２の波長の光を使用して第２の光ディスク７の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。補助レンズ５は、対物レンズ３と組合せて用いたときに収差が最適になるよう設定されている。
【００４１】
図５に示す光学装置では、第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して、第１の波長の光が第１の情報記録面６ｂに良好に収束するように対物レンズ３が最適化されており、かつ、第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して、第２の波長の光が第２の情報記録面７ｂに良好に収束するように対物レンズ３が最適化されている。
【００４２】
換言すると、図５における対物レンズ３は、第１の波長、物像間距離及び第１の透明基板６ａの厚さｔ1に対して適正に収差が補正されており、第１の波長の光を使用して第１の光ディスク６の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。さらに、図５における対物レンズ３は、第２の波長、物像間距離及び第２の透明基板７ａの厚さｔ2に対して適正に収差が補正されており、第２の波長の光を使用して第２の光ディスク７の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。このようにして、透明基板厚の異なる第１の光ディスク６と第２の光ディスク７との記録又は再生を良好にする。なお、上記収差特性には透明基板の厚さのみならず、透明基板の屈折率もわずかながら影響する。
【００４３】
図４に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）の組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【００４４】
図４に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の、各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1 以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と、対物レンズ３の残る片面の各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ）との組合せと、補助レンズ５とで構成する光学系が、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることがより好ましい。
【００４５】
図５に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1 以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【００４６】
図５に示す光学装置では、第１の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の、各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ）と対物レンズ３の残る片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面２１ａ）との組合せが、第１の光ディスク６の情報記録面６ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ1以下となるように設定されており、かつ、第２の波長の光に対して、対物レンズ３の片面の頂点を含む面の非球面（例えば非球面１１ａ）と、対物レンズ３の残る片面の各輪帯状非球面（例えば輪帯状非球面２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ）との組合せが、第２の光ディスク７の情報記録面７ｂのデータを記録又は再生する場合に、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ2 以下となるように設定されていることがより好ましい。
【００４７】
像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差が０．０３λ以下の場合には０．０３λ超の場合と比較して、光源、補助レンズ、対物レンズ又は光ディスクの、光軸からの傾き又は軸ずれに対する許容範囲が０．１％以上拡大する。像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差のより好ましい範囲は０．０１λ以下であり、この場合には０．０１λ超の場合と比較してこの許容範囲が０．５％以上拡大する。
【００４８】
図４に示す光学装置における第１の波長の光と第１の透明基板６ａとの組合せに対応する、補助レンズ５と対物レンズ３との組合せの横倍率をβ1 、図５に示す光学装置における第１の波長の光と第１の透明基板６ａとの組合せに対応する、対物レンズ３との組合せの横倍率もβ1と称し、図４に示す光学装置における第２の波長の光と第２の透明基板７ａとの組合せに対応する、補助レンズ５と対物レンズ３との組合せの横倍率をβ2 、図５に示す光学装置における第２の波長の光と第２の透明基板７ａとの組合せに対応する、対物レンズ３との組合せの横倍率もβ2と称すると、下記（Ａ）と下記（Ｂ）との両方の条件を満足することが好ましい。
（Ａ）０．０５≦｜β1 ｜≦０．３、
（Ｂ）０．０５≦｜β2 ｜≦０．３。
【００４９】
０．０５≦｜β1｜、かつ、０．０５≦｜β2｜を満足しない場合には、物像間距離が長くなりすぎ、光学装置の小型化が困難となり好ましくない。また、｜β1 ｜≦０．３、かつ、｜β2 ｜≦０．３を満足しない場合には、収差補正が困難となり好ましくない。
【００５０】
また、図４に示す光学装置において、光源１から補助レンズ５の光源１側の面までの光軸上の距離であるＳ1について、８ｍｍ≦Ｓ1≦２５ｍｍであることが好ましい。Ｓ1が８ｍｍ未満であると収差補正が困難となるおそれがあり、Ｓ1が２５ｍｍ超であると光学装置の小型化が困難となるおそれがある。
【００５１】
また、光学媒体２の例として、例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラー、プリズム等が挙げられる。光学媒体２は必要に応じて設けられ、図４、５に示す光学装置において、光学媒体２を設けずに、光源１からの光が直接対物レンズ３に照射されるようにしてもよい。また、光ディスクの情報記録面のデータを受光素子に読み込む手段は図４、５に示す手段に限定されない。
【００５２】
絞り９は開口数（ＮＡ）を変化させる機能を有する。絞り９を設ける理由は、記録又は再生の際、第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが異なる場合、絞り９により開口数を調整するためである。第１の光ディスク６に使用される開口数と第２の光ディスク７に使用される開口数とが同じである場合には絞り９は通常不要である。絞り９には、機械的絞り、光学的絞りがあり、特に限定されない。
【００５３】
第１の光ディスクに用いる対物レンズの開口数ＮＡ1と、第２の光ディスクに用いる対物レンズの開口数ＮＡ2との間に、ＮＡ1＞ＮＡ2 が成り立つとき、対物レンズの片面又は両面の光軸を中心とする輪帯状領域には、第２の波長の光の透過を妨げて開口数ＮＡ2に絞り込むための段差部を設け、絞り９の代わりとしてもよい。
【００５４】
図４では、補助レンズ５を１個のレンズによって構成しているが、これに限定されず、補助レンズ５をそれぞれ複数個のレンズ群によって構成してもよい。
以上２種類の光ディスクの記録又は再生について述べたが、これに限定されず、３種類以上の異なる透明基板の厚さの光ディスクを記録又は再生の対象としてもよい。また、本発明における光ディスクは、ＤＶＤ、ＣＤに限定されず、他の種類の光ディスクであってもよい。
【００５５】
図４、５に示す光学装置では、１つの光源１から、第１の波長の光及び第２の波長の光を発光させている。しかし、これに限定されず、第１の波長の光と第２の波長の光の光源を別々に分けてもよい。
【００５６】
補助レンズ５及び対物レンズ３には材料として合成樹脂を通常使用する。しかし、合成樹脂に限定されず、ガラスを用いてもよい。また、本発明の光学装置は、対物レンズのオートフォーカス駆動を備えてもよい。
【００５７】
【実施例】
第１の光ディスク６としてＤＶＤ（ｔ1＝０．６０ｍｍ）を用い、第２の光ディスク７としてＣＤ（ｔ2＝１．２０ｍｍ）を用いることとし、ＣＤ、ＤＶＤの記録又は再生を前提とした図４に示す光学装置を製作した。
【００５８】
ＤＶＤの再生又は記録には波長６５０ｎｍのレーザー光源、ＣＤの再生又は記録には波長７８０ｎｍのレーザー光源を使用した。光学媒体２は厚さ３．００ｍｍ、材料がＢＫであるビームスプリッタを用いた。ＤＶＤの透明基板は波長６５０ｎｍで屈折率１．５８０を有するものとして、ＣＤの透明基板は波長７８０ｎｍで屈折率１．５７３を有するものとして、設計した。
【００５９】
対物レンズ３の有する非球面の形状は、各輪帯状非球面を含め、下記式５によって決定した。式５において、ｉは２，４，６，８，１０であり、ｊは１，２であり、ｈは光軸からの高さであり、ｚj は第ｊ面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さｈの点までの距離であり、ｒj 、ｋj 、ａi,j は第ｊ面の各係数である。
【００６０】
【数５】
「例１（比較例）」
対物レンズ３の形状は図６に示すような形状とした。ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸上の球面収差を補正するようには設計せず、軸外コマ収差が良好に補正されるように設計を行った。
【００６２】
例１の光学装置及び対物レンズの仕様、諸数値を表１上段に示す。表１上段において、ｆ1は波長６５０ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｆ2は波長７８０ｎｍにおける対物レンズ３の焦点距離、ｄ1は対物レンズ３の中心厚、ｎ1は波長６５０ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率、ｎ2は波長７８０ｎｍにおける対物レンズ３の屈折率である。
【００６３】
例１における対物レンズの第１面の非球面の諸係数を表１中段に示し、例１における対物レンズの第２面の非球面の諸係数を表１下段に示す。以下の表において、Ｅ−ｍは１０-mを意味する。ただし、ｍは自然数である。
【００６４】
【表１】
補助レンズはコリメータレンズとし、補助レンズの有する非球面の形状は式５によって決定した。補助レンズの非球面の諸係数を表２上段に示す。表２上段において、ｆC1は波長６５０ｎｍにおける焦点距離、ｆC2は波長７８０ｎｍにおける焦点距離、ｄCは中心厚、ｎC1は波長６５０ｎｍにおける屈折率、ｎC2は波長７８０ｎｍにおける屈折率である。なお、例２〜５においても表２上段に示す補助レンズを用いた。
【００６６】
表２上段の補助レンズと、表１の対物レンズとからなる光学系の仕様は表２下段のとおりである。表２下段において、Ｐ1は波長６５０ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第１の光ディスク６の対物レンズ側の面との距離（作動距離）、Ｐ2は波長７８０ｎｍにおける、対物レンズの第２面と第２の光ディスク７の対物レンズ側の面との距離（作動距離）である。
【００６７】
【表２】
図９にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。図１０において実線はすべての種類の収差を含む波面収差を示す。また、破線は軸外波面収差のうちの軸外コマ収差のみを示す。また図１０にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。実線、破線の意味は図９と同様である。なお、以下の収差特性図においても実線、破線の意味は図９と同様とする。各例についての収差特性図及び後述する表の収差の値はすべて計算値である。プラスチックを射出成形して例１の対物レンズと補助レンズとを作製し図４の光学装置を製作して、当光学装置でＤＶＤとＣＤとを記録又は再生したところ、両方とも忠実に記録再生できなかった。
【００６９】
「例２（比較例）」
対物レンズの形状は図７に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。ＤＶＤ用の軸上の球面収差を補正するために、対物レンズの第１面に第１の位相シフタを設けた。対物レンズの第１面の形状は図１に示す対物レンズの第１面のような形状であり、対物レンズの第２面は例１の対物レンズの第２面と同様とした。以下、対物レンズの第１面の非球面について図１の符号を用いて説明する。
【００７０】
対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面１１ａは例１の対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面と同様とした。対物レンズ３の第２面は例１の対物レンズの第２面と同様とした。輪帯状非球面１２ａの非球面の諸係数を表３上段に示し、輪帯状非球面１３ａ、１５ａの非球面の諸係数を表３中段に示し、輪帯状非球面１４ａ、１６ａの非球面の諸係数を表３下段に示す。さらに、各落差γ1については表４上段に示す。また、φ11、φ12、φ13、φ14、φ15、φ16については表４下段に示す。
【００７１】
【表３】
【表４】
図１１にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１２にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例２の形状の対物レンズ３と補助レンズ５とを作製し、図４の光学装置を製作した。ＤＶＤ、ＣＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ＤＶＤについては忠実に記録再生できたが、ＣＤについては忠実に記録再生できなかった。
【００７４】
「例３（比較例）」
対物レンズの形状は図８に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。ＣＤ用の軸上の球面収差を補正するために、対物レンズの第２面に第２の位相シフタを設けた。対物レンズの第２面の形状は図１に示す対物レンズの第２面ような形状であり、対物レンズの第１面は例１の対物レンズの第１面と同様とした。以下、対物レンズの第２面の非球面について図１の符号を用いて説明する。
【００７５】
対物レンズの第２面の頂点を含む面の非球面２１ａは例１の対物レンズの第２面の頂点を含む面の非球面と同様とした。対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面１１ａは例１の対物レンズの第１面の頂点を含む面の非球面と同様とした。
【００７６】
輪帯状非球面２２ａの非球面の諸係数を表５左上段に示し、輪帯状非球面２３ａ、２７ａの非球面の諸係数を表５右上段に示し、輪帯状非球面２４ａ、２６ａの非球面の諸係数を表５左下段に示し、輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表５右下段に示す。
さらに、各落差γ2については表６上段に示す。また、φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26については表６下段に示す。
【００７７】
【表５】
【表６】
図１３にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１４にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例３の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、図４の光学装置を製作した。ＤＶＤ、ＣＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ＣＤについては忠実に記録再生できたが、ＤＶＤについては忠実に記録再生できなかった。
【００８０】
「例４（実施例）」
対物レンズの形状は図１に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とした。対物レンズの第１面は例２における対物レンズの第１面と同様とし、対物レンズの第２面は例３における対物レンズの第２面と同様とした。
【００８１】
図１５にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１６にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例４の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、例４の光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【００８２】
「例５（実施例）」
基本的な仕様である表１上段の仕様については例１と同様とし、図１に示す形状の対物レンズを設計した。
【００８３】
非球面１１ａの非球面の諸係数を表７左上段に、輪帯状非球面１２ａの非球面の諸係数を表７右上段に、輪帯状非球面１３ａの非球面の諸係数を表７左中段に、輪帯状非球面１４ａの非球面の諸係数を表７右中段に、輪帯状非球面１５ａの非球面の諸係数を表７左下段に、輪帯状非球面１６ａの非球面の諸係数を表７右下段にそれぞれ示す。
【００８４】
【表７】
非球面２１ａの非球面の諸係数を表８左上段に、輪帯状非球面２２ａの非球面の諸係数を表８右上段に、輪帯状非球面２３ａの非球面の諸係数を表８左中上段に、輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表８右中上段に、輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表８左中下段に、輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表８右中下段に、輪帯状非球面２ａの非球面の諸係数を表８左下段にそれぞれ示す。
【００８６】
【表８】
表７、８に記載されていない仕様については、例４と同様とした。図１７にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図１８にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例５の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、図４の光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【００８８】
「例６（実施例）」
図５に示す光学装置（有限系）に使用する対物レンズであって、光源側の面に７つの輪帯状非球面を有し、光ディスク側の面に６つの輪帯状非球面を有する対物レンズを設計した。
対物レンズは、ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸外コマ収差が良好となるように設計した。第１面にＣＤ用としての軸上の特性を補正するように位相補正の７つの輪帯状非球面を設け、第２面にＤＶＤ用としての軸上の球面収差を補正するように６つの輪帯状非球面を設けた。対物レンズの基本仕様を表９に示す。波長等表９に記載されていない仕様は、例４と同様である。
【００８９】
【表９】
対物レンズ３の光源側面の頂点を含む面の非球面を光源側頂点非球面と称し、光源側頂点非球面に最も近い輪帯状非球面を第１の光源側輪帯状非球面と称し、対物レンズ３の外周に向かって、第２の光源側輪帯状非球面、第３の光源側輪帯状非球面、のように順に称するとき、光源側頂点非球面の非球面の諸係数を表１０左上段に、第１の光源側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１０右上段に、第２の光源側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１０左中上段に、第３の光源側輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表１０右中上段に、第４の光源側輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表１０左中下段に、第５の光源側輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表１０右中下段に、第６の光源側輪帯状非球面２ａの非球面の諸係数を表１０左下段にそれぞれ示す。
【００９１】
【表１０】
対物レンズ３の光ディスク側面の頂点を含む面の非球面を光ディスク側頂点非球面と称し、光ディスク側頂点非球面に最も近い輪帯状非球面を第１の光ディスク側輪帯状非球面と称し、対物レンズ３の外周に向かって、第２の光ディスク側輪帯状非球面、第３の光ディスク側輪帯状非球面、のように順に称するとき、光ディスク側頂点非球面の非球面の諸係数を表１１左上段に、第１の光ディスク側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１１右上段に、第２の光ディスク側輪帯状非球面の非球面の諸係数を表１１左中段に、第３の光ディスク側輪帯状非球面２４ａの非球面の諸係数を表１１右中段に、第４の光ディスク側輪帯状非球面２５ａの非球面の諸係数を表１１左下段に、第５の光ディスク側輪帯状非球面２６ａの非球面の諸係数を表１１右下段にそれぞれ示す。
【００９３】
【表１１】
対物レンズ３の光源側の面の各落差を表１２に示す。表１２において、各光源側輪帯状非球面は光源側頂点より光ディスク側に設けられているものとする。
【００９５】
【表１２】
対物レンズ３のディスク側の面の各落差を表１３に示す。表１３において、各ディスク側輪帯状非球面はディスク側頂点より光源側に設けられているものとする。
【００９７】
【表１３】
対物レンズ３の各非球面の外周の直径を表１４に示す。
【００９９】
【表１４】
図１９にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図２０にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例６の対物レンズを作製し、図５に示すとおりの光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【０１０１】
「例７（実施例）」
図５に示す光学装置に使用する対物レンズであって、光源側の面に７つの輪帯状非球面を有し、光ディスク側の面に６つの輪帯状非球面を有する対物レンズを設計した。
【０１０２】
対物レンズは、ＣＤ用、ＤＶＤ用ともに軸外コマ収差が良好となるように設計した。第１面にＣＤ用としての軸上の特性を補正するように位相補正の７つの輪帯状非球面を設け、第２面にＤＶＤ用としての軸上の球面収差を補正するように６つの輪帯状非球面を設けた。対物レンズの基本仕様を表１５に示す。波長等表１５に記載されていない仕様は、例４と同様である。
【０１０３】
【表１５】
対物レンズの光源側面の各非球面の諸係数を表１６に示す。表１６の配列は表１０と同様である。
【０１０５】
【表１６】
対物レンズの光ディスク側面の各非球面の諸係数を表１７に示す。表１７の配列は表１１と同様である。
【０１０７】
【表１７】
対物レンズ３の光源側の面の各落差は例６の対物レンズと同様（表１２）であった。対物レンズ３のディスク側の面の各落差も例６の対物レンズと同様（表１３）であった。対物レンズ３の各非球面の外周の直径も例６の対物レンズと同様（表１４）であった。
【０１０９】
図２１にＣＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図２２にＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例７の対物レンズを作製し、図５に示すとおりの光学装置を製作した。ＣＤ、ＤＶＤについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明の対物レンズは、その片面に第１の波長の光に対して位相差を生じさせる機能を有する第１の位相シフタが設けられ、その残る片面に第２の波長の光に対して位相差を生じさせる機能を有する第２の位相シフタが設けられているため、第１の光ディスク、第２の光ディスクの記録又は再生に際し、軸上の収差、軸外の収差ともに良好に補正できる。
【０１１１】
したがって、本発明の対物レンズは、経年変化によって光源や対物レンズが光軸から傾き又は軸ずれが生じた場合であっても、軸上の収差、軸外の収差ともに良好であり、高精度化が容易であって、光学性能が経年変化的に劣化する可能性が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図。
【図２】光源側から見る場合の、図１の対物レンズの正面図。
【図３】図２に対する背面図。
【図４】本発明の光学装置の一実施例を示す構成図。
【図５】図４とは別の光学装置の実施例の構成図。
【図６】例１の対物レンズを示す断面図。
【図７】例２の対物レンズを示す断面図。
【図８】例３の対物レンズを示す断面図。
【図９】例１のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１０】例１のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１１】例２のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１２】例２のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１３】例３のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１４】例３のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１５】例４のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１６】例４のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１７】例５のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１８】例５のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図１９】例６のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２０】例６のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２１】例７のＣＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【図２２】例７のＤＶＤ用光学系の軸外波面収差特性図。
【符号の説明】
１：第１の光源
２：光学媒体
３：対物レンズ
５：補助レンズ
６：第１の光ディスク
６ａ：第１の光ディスク６の透明基板
６ｂ：第１の光ディスク６の情報記録面
７：第２の光ディスク
７ａ：第２の光ディスク７の透明基板
７ｂ：第２の光ディスク７の情報記録面
９：絞り
１０：受光素子
Ｓ1：光源１から補助レンズ５の第１面までの光軸上の距離
Ｓ2：補助レンズ５の第２面から対物レンズ３までの光軸上の距離
１１、１２、１３、１４、１５：光軸を中心とする輪状の段差部
１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ：輪帯状非球面
２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ：輪帯状非球面
２１、２２、２３、２４、２５、２６：光軸４を中心とする輪状の段差部
φ11、φ12、φ13、φ14、φ15：それぞれ段差部１１、１２、１３、１４、１５の内側の径
φ16：第１面の有効径
φ27：第２面の有効径
φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26：それぞれ段差部２１、２２、２３、２４、２５、２６の径
φ27：第２面の有効径
Claims (11)
- 第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、異なる波長の光源からの光を、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる、第１面と前記第１面と対向する第２面の両面に非球面を有する対物レンズにおいて、
前記第１の光ディスクの記録又は再生時には第１の波長λ１ の光が用いられ、前記第２の光ディスクの記録又は再生時には第２の波長λ ２ の光が用いられ、
前記第１面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第１の位相シフタが設けられ、前記第１の位相シフタは、前記第１の波長λ １ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ ２ 〜１．１λ ２ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第１の波長λ １ の光に対して前記第１の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有し、
前記第２面には、光軸を中心とする輪状の複数の段差部を備える第２の位相シフタが設けられ、前記第２の位相シフタは、前記第２の波長λ ２ の光について生ずる位相差が、距離に換算して０．９λ １ 〜１．１λ １ の自然数倍になるように、段差部の寸法及び形状が決定されて、前記第２の波長λ２の光に対して前記第２の光ディスクの記録又は再生時の収差を低減させる位相差を生じさせる機能を有する対物レンズ。 - 前記第１の光ディスクを記録又は再生する場合の開口数をＮＡ １ 、前記第２の光ディスクを記録又は再生する場合の開口数ＮＡ ２ とするとき、ＮＡ １ ＞ＮＡ ２ を満たし、
前記第１の位相シフタにおける複数の段差部のうち、最小の径をφ １ 、前記第１面の有効径をφ Ａ とし、前記第２の位相シフタにおける複数の段差部のうち、最小の径をφ ２ 、前記第２面の有効径をφ Ｂ とするとき、φ １ ／φ Ａ ＞φ ２ ／φ Ｂ を満たす請求項１に記載の対物レンズ。 - 前記第１の光ディスクの透明基板の厚さをｔ １ 、前記第２の光ディスクの透明基板の厚さをｔ ２ とするとき、１．５ｔ １ ＜ｔ ２ を満たし、
前記第１の位相シフタ及び前記第２の位相シフタは、それぞれ、輪状の段差部を３〜１０本有する請求項１又は請求項２に記載の対物レンズ。 - 前記第１の波長λ １ の光と前記第２の波長λ ２ の光とがともに、補助レンズ、対物レンズを介して、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光される光学系に用いられる対物レンズであって、
前記第１の波長λ １ の光に対して、前記補助レンズと、前記第１面と前記第２面のうち、一方の面の輪帯状非球面と、他方の面の頂点を含む面の非球面と、の組合せが、前記第１の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ １ 以下となるように設定されているとともに、
前記第２の波長λ ２ の光に対して、前記補助レンズと、前記一方の面の頂点を含む面の非球面と、前記他方の面の輪帯状非球面と、の組合せが、前記第２の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ ２ 以下となるように設定されている請求項１〜３いずれか１項に記載の対物レンズ。 - 前記第１の波長λ １ の光と前記第２の波長λ ２ の光とがともに、コリメータレンズ、対物レンズを介して、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光される光学系に用いられる対物レンズであって、
前記第１の波長λ １ の光に対して、前記コリメータレンズと、前記第１面と前記第２面のうち、一方の面の輪帯状非球面と、他方の面の頂点を含む面の非球面と、の組合せが、前記第１の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ １ 以下となるように設定されているとともに、
前記第２の波長λ ２ の光に対して、前記コリメータレンズと、前記一方の面の頂点を含む面の非球面と、前記他方の面の輪帯状非球面と、の組合せが、前記第２の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ ２ 以下となるように設定されている請求項１〜３いずれか１項に記載の対物レンズ。 - 前記第１の波長λ １ の光に対して、前記第１面と前記第２面のうち、一方の面の輪帯状非球面と、他方の面の頂点を含む面の非球面と、の組合せが、前記第１の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ１以下となるように設定されているとともに、
前記第２の波長λ ２ の光に対して、前記一方の面の頂点を含む面の非球面と、前記他方の面の輪帯状非球面と、の組合せが、前記第２の光ディスクの情報記録面を記録又は再生する場合において、像高０．０５ｍｍにおける軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．０３λ２以下となるように設定されている請求項１〜３いずれか１項に記載の対物レンズ。 - 前記第１の光ディスクを記録又は再生する場合の開口数をＮＡ １ 、前記第２の光ディスクを記録又は再生する場合の開口数ＮＡ ２ とするとき、ＮＡ １ ＞ＮＡ ２ を満たし、
前記第１面及び／又は前記第２面の、光軸を中心とする輪帯状領域には、前記第２の波長λ ２ の光の透過を妨げて前記開口数ＮＡ ２ に絞り込むための段差部が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の対物レンズ。 - 前記第１の位相シフタは、前記第１の波長λ １ の光について生ずる位相差が、距離に換算して、（ｉ−０．１）λ ２ 〜（ｉ＋０．１）λ ２ になるように（ｉは自然数）、段差部の寸法及び形状が決定されているとともに、
前記第２の位相シフタは、前記第２の波長λ ２ の光について生ずる位相差が、距離に換算して、ｊを自然数とするとき、（ｊ−０．１）λ １ 〜（ｊ＋０．１）λ １ になるように（ｊは自然数）、段差部の寸法及び形状が決定されている請求項１〜７いずれか１項に記載の対物レンズ。 - 前記第１の光ディスクはＤＶＤであり、前記第２の光ディスクはＣＤであり、
前記第１の波長λ １ は６５０ｎｍ、前記第２の波長λ ２ は７８０ｎｍである請求項１〜８いずれか１項に記載の対物レンズ。 - 第１の光ディスク及び第２の光ディスクそれぞれの記録又は再生時に、前記第１の光ディスク及び前記第２の光ディスクそれぞれに対して、光源からの第１の波長λ １ 、第２の波長λ ２ の光を、それぞれ、前記第１の光ディスク、前記第２の光ディスクそれぞれの情報記録面に集光させ、それぞれの前記情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に、請求項１〜９いずれか１項に記載に対物レンズを用いる光学装置。
- 前記第１の光ディスクはＤＶＤであり、前記第２の光ディスクはＣＤであり、
前記第１の波長λ １ は６５０ｎｍ、前記第２の波長λ ２ は７８０ｎｍである請求項１０に記載の光学装置。
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