JP5340396B2 - 対物レンズ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光情報記録媒体に対して情報の記録・再生・消去の少なくとも１つを行う光ヘッド装置に用いられる対物レンズ素子に関する。
大量の情報を高密度に記録する媒体として、光ディスク等の光情報記録媒体がある。光ディスクは、ピット状パターンとして情報を記録し、ディジタルオーディオファイル、ビデオファイル、文書ファイル、データファイルを記録する用途で広く用いられている。微小なスポットに集光した光ビームを用いて、光ディスクに対して情報の記録・再生・消去を高い信頼性で行うために必要な機能としては、回折限界の微小スポットを形成する集光機能、光学系の焦点制御（フォーカスサーボ）、トラッキング制御、ピット信号（情報信号）検出が挙げられる。
近年、光学系設計技術の進歩と光源である半導体レーザーの短波長化とにより、従来以上の高密度の記憶容量を持つ光ディスクの開発が進んでいる。高密度化のアプローチの１つは、光ビームを収束させて光ディスク上に微小なスポットを形成する集光光学系の光ディスク側開口数（ＮＡ）を大きくすることである。ただし、集光光学系のＮＡを大きくすると、光軸の一定量の傾き（いわゆるチルト）に対して収差の発生量が増大するという問題がある。この問題を防ぐためには、光ディスクの記録面上に設けられる層の厚み（以下、「基材厚」という）を薄くすることが必要である。本明細書において、「基材厚」とは、光ディスクの光ビームの入射面から情報記録面までの厚みを指す。
光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（ＣＤ）では、赤外光（波長λ3：７８０〜８２０ｎｍ）とＮＡ０．４５の対物レンズが使用される。ＣＤの基材厚は１．２ｍｍである。第２世代のＤＶＤでは、赤色光（波長λ2：６３０〜６８０ｎｍ）とＮＡ０．６の対物レンズが使用される。ＤＶＤの基材厚は０．６ｍｍである。第３世代の光ディスクでは、青色光（波長λ1：３９０〜４１５ｎｍ）とＮＡ０．８５の対物レンズが使用される。第３世代の光ディスクの基材厚は０．１ｍｍである。このように、記録密度が高くなるにつれて、光ディスクの基材厚みは薄くされている。
経済性、装置の占有スペースの観点から、上記基材厚や記録密度の異なる光ディスクを記録再生できる光情報記録再生装置が望まれる。そのためには異なる基材厚を有する光ディスクのそれぞれの記録面上に回折限界まで光ビームを集光することのできる集光光学系及びこれを備えた光ヘッド装置が必要である。また、基材厚の大きな光ディスクを記録再生する場合には、光ディスクのビーム入射面より深い位置にある記録面上に光ビームを集光する必要があるので、焦点距離をより長くしなければならない。
先行技術文献には、基材厚０．６ｍｍ、対応波長λ2（赤色光）の光ディスクと、基材厚０．１ｍｍ、対応波長λ1（青色光）の光ディスクとの互換再生や、互換記録を目的とする構成が開示されている。
第１の従来例としては、波長選択位相板を対物レンズと組み合わせた構成を挙げることができる。これは、特開平１０−３３４５０４号公報（特許文献１）やＩＳＯＭ２００１（セッションＷｅ−Ｃ−０５）の予稿集３０頁（非特許文献１）に開示されている。非特許文献１に開示されている構成を、図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、光ヘッド装置の概略構成を示している。波長λ1（４０５ｎｍ）の青色光源を有する青色光学系５１より出射された平行光は、ビームスプリッター１６１及び波長選択位相板２０５を透過して、対物レンズ５０によって、基材厚０．１ｍｍの光ディスク１０（第３世代光ディスク）の情報記録面に集光される。光ディスク１０によって反射された光は、逆の経路をたどって青色光学系５１の検出器で検出される。波長λ2（６５０ｎｍ）の赤色光源を有する赤色光学系５２より出射された発散光は、ビームスプリッター１６１で反射され、波長選択位相板２０５を透過して、対物レンズ５０によって、基材厚０．６ｍｍの光ディスク１０（第２世代光ディスク：ＤＶＤ）の情報記録面に集光される。光ディスク１０によって反射された光は、逆の経路をたどって赤色光学系５２の検出器で検出される。
対物レンズ５０は、波長λ1の平行光入射時に基材厚０．１ｍｍの保護層を透過した位置に集光スポットを形成するように設計されており、ＤＶＤ記録・再生の際は基材厚の違いによって球面収差が発生する。この球面収差を補正するため、赤色光学系５２より出射する光ビームを発散光にすると共に、波長選択位相板２０５を用いている。対物レンズに入射する光を発散光とすると新たな球面収差が発生するので、基材厚の違いによって発生する球面収差をこの新たな球面収差で打ち消すことができる。更に、波長選択位相板２０５によっても波面を補正している。
図２２に波長選択位相板２０５の平面図（ａ）と断面図（ｂ）を示す。位相板２０５は、高さｈ、３ｈの位相段差２０５ａで構成される。ここで、波長λ1の光に対する屈折率をｎ1、ｈ＝λ1／（ｎ1−１）とする。波長λ1の光の使用時に、高さｈの位相段差により生じる光路差は使用波長λ1であり、この光路差は位相差２πに相当するため、位相差０と同じである。このため、位相段差２０５ａは、波長λ1の光の位相分布に影響を与えず、光ディスク１０の記録再生には影響を与えない。一方、波長λ2の光の使用時に、段差が波長λ2の光に与える光路差（ｈ×（ｎ2―１））が波長の整数倍以外の値（例えば、０．６倍）となるように設計を行う。この光路差による位相差を利用して、先に述べた収差補正を行っている。
第２の従来例としては、屈折型の対物レンズと回折素子を組み合わせた構成が開示されている。特開２００４−０７１１３４号公報（特許文献２）は、ＮＡの大きな対物レンズを用いて高密度光ディスクの記録あるいは再生を行う光ヘッド装置において、ＤＶＤなどの従来型光ディスクの記録あるいは再生も行えるようにするため、鋸歯状回折素子を用いる。鋸歯高さは、青色光の使用時に光路長が２λとなるようにし、２次回折光を使用する。鋸歯状回折素子は、赤色光の入射時には１次回折光を発する。ブレーズ方向は凸レンズ型とし、屈折レンズの色収差補正を行う。赤色光の使用時の回折次数は青色光の使用時の回折次数より低いため、鋸歯状回折素子は、赤色光に対しては凹レンズ様に作用し、ワーキングディスタンスを大きくできるという効果を得ている。
また、特許文献２には、図２３（ａ）に示す回折素子も開示されている。図２３（ａ）に示す回折素子は、階段状の断面形状を有し、連続する整数個の単位段差よりなる。各単位段差は、波長λ1の光ビームに対して約１．２５波長の光路差を与える。より具体的に、波長λ1は３９０〜４１５ｎｍであって、回折素子の外周側から光軸側に向かって単位段差の０倍、１倍、２倍、３倍の段差によって１周期分の階段形状が構成されている。青色光に対しては、図２３（ｂ）に示すように、階段形状と同じ方向に位相が変化して凸レンズ作用を発揮し、赤色光に対しては、図２３（ｃ）に示すように階段形状と逆の方向に位相が変化して凹レンズ作用を発揮する。このため、青色光の使用時には、屈折レンズの色収差補正効果が得られる。加えて、赤色光の使用時には、凹レンズ作用により、ワーキングディスタンス（対物レンズ表面と光ディスクの表面の間隔）を大きくできるという効果が得られる。
第３の従来例としては、赤外光源と対物レンズの間にリレーレンズを入れることによって、基材厚が１．２ｍｍの第１世代光ディスクの互換も実現する構成が、特許文献３に開示されている。
特開平１０−３３４５０４号公報 特開２００４−０７１１３４号公報 特開２００４−２８１０３４号公報
ＩＳＯＭ２００１（セッションＷｅ−Ｃ−０５）の予稿集３０頁
特許文献１および２は、上記の第２世代光ディスクと上記の第３世代光ディスクとの互換方法のみを開示しているに過ぎない。また、特許文献３は、更に上記の第１世代光ディスクの互換方法も開示しているが、リレーレンズを必要とする。
また、互換を実現する素子は、対物レンズ表面に一体形成することが、部品点数削減によるコスト低減の観点から望ましい。しかしながら、上記従来技術では位相板や回折素子を屈折型対物レンズとは別個に設けた構成例しか示されておらず、互換を実現する素子を対物レンズ表面に一体形成することについては何ら触れられていない。
さらに、対物レンズを安価に大量に生産するためには、対物レンズの材料が硝子よりも樹脂であることが望ましい。一般に、樹脂は、材料費が安いだけでなく、硝子よりも低い温度で成形可能であるため、金型を長持ちさせることができ、成形時間を短くできる。したがって、対物レンズを樹脂成形することにより、製造原価を低くすることができる。ただし、高ＮＡの樹脂製対物レンズには、温度変化によって屈折率が変化するという問題がある。屈折率変化は、レンズ表面の屈折力を設計値からずらしてしまい、球面収差を発生させる。収差は次数の低いものほど情報再生信号品質を大きく劣化させるため、３次球面収差が課題となる。
本発明の目的の１つは、基材厚の異なる光ディスク間の互換性に優れた対物レンズ素子を提供することである。また、本発明の目的の他の１つは、環境温度が変化した場合でも球面収差量の変化が少ない対物レンズ素子を提供することである。
本発明は、入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ1の第１の入射光束を、基板厚ｔ1を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、波長λ1より長い波長λ2の第２の入射光束を、基板厚ｔ1より大きい基板厚ｔ2を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子に関する。
上記の対物レンズ素子において、光学機能面のうち少なくとも一方は、第１及び第２の入射光束を全面にわたって屈折力により偏向する屈折面であり、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、内周部において複数の不連続な段差を有する。複数の段差は、光軸から外周部に向けて同一の方向に高さが変化する。段差のいずれもが、第１の入射光束に対して、波長λ1より長い一定の光路差を発生するとともに、第２の入射光束に対して、波長λ2より短い一定の光路差を発生する。
あるいは、上記対物レンズ素子において、光学機能面のうち少なくとも一方は、第１及び第２の入射光束を全面にわたって屈折力により偏向する屈折面であり、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、複数の不連続な段差を有する。複数の段差のいずれもが、第１の入射光束に対して、所定の環境温度において波長λ1の整数倍の光路差を発生する。環境温度が変化したときに、屈折面形状の変化に起因する球面収差変化の傾向と、屈折率変化に基づく段差の光路差の変化に起因する球面収差変化の傾向とが、逆傾向である。
本発明によれば、光学機能面に設けられた段差によって、波長λ1の収束光を更に収束させ、波長λ2の収束光を発散させるので、基材厚ｔ1及びｔ2のそれぞれに対応して対物レンズ素子の焦点位置を変化させることができる。また、波長λ1の光の使用時に、環境温度が変化した場合でも球面収差量の変化が少ない対物レンズ素子を実現できる。
図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。 図２は、実施の形態１に係る対物レンズ素子を示す図である。 図３は、図２に示した対物レンズ素子を作製するために用いる金型及びその製作方法を示す図である。 図４は、外周部に形成する段差構造の例を示す図である。 図５は、外周部に形成する回折格子の例を示す図である。 図６は、実施の形態２に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。 図７は、実施の形態３に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。 図８は、実施の形態３に係る対物レンズ素子を示す図である。 図９は、実施の形態４に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。 図１０は、実施の形態４に係る対物レンズ素子を示す図である。 図１１は、実施の形態５に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。 図１２は、実施の形態５に係る対物レンズ素子を示す図である。 図１３は、図１２に示した対物レンズを下方から見た図である。 図１４は、実施の形態６に係る光ヘッド装置を示す図である。 図１５は、実施の形態７に係る光情報装置を示す図である。 図１６は、実施の形態８に係るコンピューターを示す図である。 図１７は、実施の形態９に係る光ディスクプレーヤーを示す図である。 図１８は、実施の形態１０に係る光ディスクレコーダーを示す図である。 図１９は、実施の形態１１に係る情報サーバーを示す図である。 図２０は、実施の形態１２に係る車両を示す図である。 図２１は、従来の光ヘッド装置の概略構成を示す図である。 図２２は、図２１に示した光学素子の平面図及び断面図である。 図２３は、対物レンズ素子表面に設けられる段差構造を示す図である。
（実施の形態１） ＢＤとＤＶＤの互換
図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。図１（ａ）は、段差の物理的形状を説明する図である。ただし、実際には、対物レンズ素子表面の屈折面（非球面形状）であるベース面に、この段差を重畳する。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した段差が波長λ1の光に与える位相変調量を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示した段差が波長λ2（λ2＞λ1）の光に与える位相変調量を示している。一例として、波長λ1の光は、ＢＤ用の青色光（３９０〜４１５ｎｍ）であり、波長λ2の光は、ＤＶＤ用の赤色光（６３０〜６８０ｎｍ）である。
図１（ａ）において、縦方向はレンズ材料の光軸方向の厚さ、あるいは高さを示している。対物レンズ素子の材料として、例えば、ポリオレフィン系の樹脂を用いる場合、第１の入射光に対する素子材料の屈折率ｎbが１．５２２程度の材料を利用できる。１つの段差ｄ1（以下、「単位段差」ともいう）は、波長λ1の光に対して約１．２５波長の光路差、すなわち約（２π＋π／２）の位相差を発生する寸法に設定されている。単位段差ｄ１は、次式で表すことができる。
ｄ1＝λ1／（ｎb−１）×１．２５
なお、「光路差」とは、段差がある場合（段差部分の媒質がレンズ材料）の光路長と、段差がない場合（段差部分の媒質が空気）の光路長との差をいう。
単位段差をｄ1とすると、ベース面からの高さ（レベル）はｄ１の整数倍になる。したがって、この段差形状が波長λ1の光に与える位相変調量は、（２π＋π／２）の整数倍となる。これは実質的に、図１（ｂ）に示すように、ベース面からの高さが段差一段分（ｄ1）増加する毎に、位相変調量がπ／２ずつ変化することを意味する。
ポリオレフィン系樹脂のレンズ材料には、波長λ2の光に対する屈折率ｎrが１．５０５程度のものがある。段差ｄ1が波長λ2の光に対して発生する光路差は、ｄ1×（ｎr−１）と表すことができる。λ1が４０５ｎｍ、λ2が６５０ｎｍ、ｎbが１．５２２、ｎrが１．５０５である場合、この光路差は約０．７５波長に相当し、ベース面からの高さが段差一段分（ｄ1）増加する毎に、位相が−π／２ずつ変化することを意味する。
図１（ａ）のように、ベース面からの各段差構造の高さをｄ1の整数倍にし、階段状の断面形状にすると、図１（ｂ）に示すように、波長λ1の光に与える位相変調量が一段あたりπ／２ずつ変化する。すなわち、光路差は、対物レンズ素子の光軸に向かって、＋１／４波長ずつ変化する。
一方、図１（ｃ）に示すように、波長λ2の光に与える位相変調量は、一段あたり−π／２ずつ変化する。すなわち、光路差は、対物レンズの光軸に向かって、−１／４波長ずつ変化する。波長λ1の光の使用時における位相変化量が正であるのに対して、波長λ2の光の使用時における位相変化量が負であるので、波長λ1の光と波長λ2の光とが、それぞれ段差から逆の作用を受けていることを意味する。
ここで、図１（ａ）に示すように、対物レンズ素子の内周側ほどベース面からの高さが増す段差を形成すると、波長λ1の光の光路は、内周側ほど長くなる。逆に、波長λ2の光の光路は、内周側ほど短くなる。すなわち、位相段差の形成間隔を適宜設計して、第１の入射光に対して凸レンズ作用を及ぼすように対物レンズ素子を構成すると、第２の入射光に対しては、凹レンズ作用が及ぶ。すると、第１の入射光の焦点位置が対物レンズ素子に近づく一方、第２の入射光の焦点位置が対物レンズ素子から離れる。これによって、第２の入射光をより厚い基材を通して情報記録面へ収束させることができるという効果が得られる。
本実施の形態では、図１（ａ）に示した段差を単調に高さが増加または減少する階段状に形成する。したがって、本実施の形態の段差構造は、一定周期毎に高さが増減する周期構造（図２３（ａ）参照）を持つ回折素子ではなく、階段状に位相を変化させる素子として機能する。
図２は、実施の形態１に係る対物レンズ素子を示す図である。
対物レンズ素子１４１の入射側の光学機能面には、回転対称軸を含む内周部１３１Ｂと、内周部１３１Ｂを取り囲む輪帯状の外周部１３１Ｆとが設けられている。波長λ1の光の使用時には、対物レンズ素子１４１は、内周部１３１Ｂ及び外周部１３１Ｆの両方に入射した第１の入射光６１を集光し、厚みｔ1の基材を介して、光ディスク９の情報記録面９１にスポットを形成する。また、波長λ2の光の使用時には、対物レンズ素子１４１は、内周部１３１Ｂに入射する第２の入射光６２を集光し、厚みｔ2の基材を介して、光ディスク１０の情報記録面１０１にスポットを形成する。外周部１３１Ｆは、波長λ2の光の使用時には、実質的にスポット形成に寄与しない領域である。第１の入射光６１を光ディスク９の情報記録面９１に集光する際の開口数をＮＡ1とし、第２の入射光６２を光ディスク１０の情報記録面１０１に集光する際の開口数をＮＡ2とすると、ＮＡ1は０．８５以上であり、ＮＡ2は０．６以上である。
言い換えると、内周部１３１Ｂは、波長λ1の光と波長λ2の光との共用領域であり、外周部１３１Ｆは、波長λ1の光の専用領域である。内周部１３１Ｂには、図１（ａ）に示した階段状段差構造が形成される。外周部１３１Ｆは、以下の（１）〜（４）のいずれかのように構成することができる。
（１）外周部１３１Ｆにも、内周部１３１Ｂに形成されるものと同じ段差構造を形成する。この場合、波長λ1の光の使用時には、外周部１３１Ｆに入射した光が、基材厚ｔ1を介して情報記録面１０１上に集光され、かつ、波長λ2の光の使用時には、外周部１３１Ｆに入射した光が基材厚ｔ2を透過した位置で大きな収差を生じ、情報記録面９１上に実質的に集光されないように外周部１３１Ｆを設計すればよい。
（２）または、外周部１３１Ｆには段差を形成せずに、波長λ1の光の使用時には、外周部１３１Ｆに入射した光が、基材厚ｔ1を介して情報記録面１０１上に集光され、かつ、波長λ2の光の使用時には、外周部１３１Ｆに入射した光が基材厚ｔ2を透過した位置で大きな収差を生じて、情報記録面９１上に実質的に集光されないように外周部１３１Ｆを設計してもよい。
（３）または、外周部１３１Ｆには、波長λ1の第１の入射光に対して１波長分の光路差を生じる段差を形成してもよい。この場合、外周部１３１Ｆを透過した波長λ1の光に実質的に位相差が生じないので、外周部１３１Ｆに入射した波長λ1の光は、基材厚ｔ1を介して情報記録面１０１上に集光される。一方、この段差は、波長λ2の光に対しては、波長λ2の０．６倍程度の位相差を与えるため、大きな収差を生じ、外周部１３１Ｆに入射した波長λ2の光は、情報記録面９１上に実質的に集光されない。
（４）または、外周部１３１Ｆには鋸歯状の回折格子を形成し、外周部１３１Ｆに入射した波長λ1の光は、基材厚ｔ1を介して情報記録面１０１上に集光され、外周部１３１Ｆに入射した光波長λ2の光は、情報記録面９１上に実質的に集光されないような設計を行ってもよい。この場合、鋸歯の高さを、図５（ａ）に示すように、波長λ1の光に対して１波長分の光路差を生じる高さにすることが好ましい。鋸歯の高さを、図５（ｂ）のようλ1の光の１波長分とすると、１次回折光の回折効率が大きくなる。したがって、外周部１３１Ｆに入射した波長λ1の光を、基材厚ｔ1を介して集光できる。一方、波長λ2の光に対しては、図５（ｃ）に示すように、鋸歯の高さが波長の０．６倍程度しかない。したがって、外周部１３１Ｆに入射した光波長λ2の光は、１次回折光と０次回折光に分散して一点に集光されず、外周部１３１Ｆが開口制限機能を発揮する。
本実施の形態のように、単調増加型または単調減少型の階段状段差構造は、対物レンズ素子１４１の表面に直接一体成形するのに適している。この理由を図３を用いて説明する。
図３は、図２に示した対物レンズ素子１４１を作製するために用いる金型及びその製作方法を示す図である。
図３に示した金型１４０１の凹面は、図２に示す対物レンズ素子１４１の入射側面を整形するための面である。対物レンズ素子１４１表面に上述した段差を一体成形するため、金型１４０１の凹面には、段差形状と対応する輪帯状の凹凸が形成されている。図１（ａ）に示すように、段差の高さを内周側に向かうにつれて高くする場合、金型１４０１の凹面に形成する輪帯状凹部は、内周側でより深くなるように形成すればよい。この金型形状であれば、切削工具１４０２を用いた切削により加工が可能である。切削加工は、金型１４０１の中心軸１４０１Ｃを回転軸として、金型１４０１を回転させながら行い、金型１４０１の凹面に同心円状の輪帯を形成する。
切削工具１４０２は、面１４０２Ａと、面１４０２Ａに対して所定の角度をなす傾斜面１４０２Ｂとを有し、その厚みは先端に向かって減少する。切削時には、面１４０２Ａが金型１４０１との接触箇所からほぼ垂直に立ち上がるように配置し、外周側にある切り立った段差形状を切削する。傾斜面１４０２Ｂは、内周側に傾けて配置される。切削工具１４０２が欠けたり、折れたりすることを防止するためには、切削工具１４０２の強度が必要であり、そのために、傾斜面１４０２Ｂを設けて、先端から離れるにつれて厚みが増すようにすることが望ましい。図３の例では、傾斜面１４０２Ｂが内周側に傾いているが、金型１４０１の凹面に形成する輪帯状凹部は、内周側に向かって単調に深くなるので、切削加工上での問題は生じない。一方、図２３（ａ）に示した段差構造を形成する場合には、金型の凹面に深さが周期的に増減する輪帯状凹部を形成する必要があるので、図３のような工具による切削加工が困難となる。これに対して、本実施の形態の階段状構造では単調に厚さが変化しているため、設計通りの加工を実現できる。
（実施の形態２） 樹脂対物レンズの温度補正
対物レンズ素子を構成する材料としては、ガラスと樹脂（プラスチック）がよく利用される。ガラスは温度変化に対する特性変化が少ないので、安定に性能を得ることができる。一方樹脂は、ガラスに比べて低い温度でも形状を変えることができ、製造にかかる費用を低く抑えることができる。また、樹脂は軽量という長所もある。しかしながら、樹脂には、ガラスに比べると、温度変化に伴う屈折率変化が１０倍程度大きい点という短所ある。特に高い開口数の対物レンズを樹脂によって構成すると、温度変化時に屈折率が変化し、球面収差が変化することが課題となる。
青色光を用いるＢｌｕｅ−Ｒａｙ Ｄｉｓｃ（ＢＤ）とよばれる光ディスクシステムでは、開口数（ＮＡ）を０．８５以上にして、高い記録密度の情報再生を実現している。ＢＤ用の開口数０．８５以上の対物レンズを樹脂レンズによって構成する場合、温度変化時の球面収差変化を低く抑えることが望ましい。特に、球面収差を次数ごとに分解して、次数の低い３次の球面収差を低く抑えることが望ましい。最も次数の低い球面収差はパワー成分、すなわち、レンズ作用によるものであるが、これは、光ピックアップの焦点制御機構によって、１ｍｓ程度の短時間の間に低減される。ＢＤ用光ピックアップは３次球面収差の補正手段は具備するが、３次球面収差を直接検出する手段は具備しない場合が多い。これは、３次球面収差の変化量を１ｍｓ以内に検出する球面収差検出信号を得ようとすると、光検出器を含む光ピックアップの検出光学系が複雑になり、大型化、高額化につながるためである。一般に、３次の球面収差は、光ピックアップに温度センサを備えておき、温度センサの出力に応じて球面収差補正手段を駆動して補正する場合が多い。すなわち、直接球面収差を検出するのではなく温度センサ出力に応じたオープンループ制御を行うため、１ｍｓ以内のリアルタイムの補正ではなく、１ｍｓより長い時間をかけた精度の低い補正を行う。したがって、温度変化に伴って３次球面収差が変化する量は少なく抑えることが望ましい。具体的には、温度変化３０℃あたりの３次球面収差の変化量は、７０ｍλ以下であることが望ましい。７０ｍλ、あるいはλ／１４はいわゆるマレシャル規準（Ｍａｒｅｃｈａｌ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）に相当する。温度変化３０℃あたりの３次球面収差変化量は、６０ｍλ以下であることがより好ましい。また、温度変化３０℃あたりの５次球面収差変化量は、３０ｍλ以下であることが好ましい。
図６は、実施の形態２に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。
一例として、焦点距離１．３ｍｍ、開口数０．８６の対物レンズを、ポリオレフィン樹脂によって作製した。このとき、温度が３０℃度変化すると１３０ｍλ程度の３次球面収差変化が生じた。そこで、図６のように、特定の環境温度下で波長λ1の整数倍の光路差を生じる段差を対物レンズ素子の表面に設ける。図６では、段差が生じる光路差が波長λ1の５倍の場合を例示したが、特に５倍に限定するものではない。整数倍であることが条件であり、設計条件によって５倍以外の数値、例えば６倍、４倍なども可能である。
段差の物理的高さをｄ5とすると、この段差が生じる光路差は、ｄ5×（ｎ5−１）によって与えられる。ここで、ｎ5はレンズ材料の屈折率である。温度変化によってレンズ材料の屈折率が変化すると、段差が生じる光路差も変化する。この変化を利用して、屈折面における屈折角度変化に起因する球面収差、特に３次の球面収差を低減する。より具体的には、環境温度が変化したときに、屈折面形状の変化に起因する球面収差の変化傾向と、屈折率変化によって段差の光路差が変化することに起因する球面収差の変化傾向とが逆になるように段差を設計する。この結果、環境温度の変化時に、屈折面形状の変化に起因する球面収差と、屈折率変化に基づいて段差の光路差が変化することに起因する球面収差とが互いに打ち消し合い、収差が低減する。
波長λ1の光の使用時に、温度変化に起因する球面収差の抑圧を実現するため、図６に示した段差の厚みは、同じ方向に単調増加、または、単調減少することが望ましい。このように構成する場合、実施の形態１で説明した通り、対物レンズ素子成形用の金型を容易に作製できる。
（実施の形態３） 樹脂対物レンズの温度補正とＢＤとＤＶＤの互換
本実施の形態は、実施の形態１に示したＢＤ及びＤＶＤの互換と、実施の形態２に示した樹脂対物レンズの温度変化時における球面収差の抑制を同時に実現するものである。ここで、互換とは、単一の対物レンズ素子が、波長λ1の光の使用時には、厚みｔ1の基材を通して記録面上にスポットを形成でき、かつ、波長λ2の光の使用時には、厚みｔ2の基材を通じて記録面上にスポットを形成できることをいう。
図７は、実施の形態３に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。図７（ａ）は、実施の形態１で説明した互換を実現する段差の物理的形状を示す図である。図７（ｂ）は、実施の形態２で説明した球面収差の抑制を実現するための段差の物理的形状を示す図である。図７（ｂ）に示した段差は、実施の形態２において説明したように、特定の温度で波長λ1の整数倍の光路差を生じる。図７（ｃ）は、図７（ａ）の段差形状と、図７（ｂ）の段差形状とを重畳したものである。実施の形態３では、図７（ｃ）の段差形状を、対物レンズ素子表面の屈折面（非球面形状）であるベース面に重畳する。
ただし、図７（ｃ）の段差を構成する要素である図７（ｂ）の段差には、実施の形態２に係るもの（図６）とは異なる点がある。図６の段差は、波長λ1の光に対して生じる光路差が波長λ1の整数倍であったが、図７（ｂ）の段差は、波長λ1の光に対して波長λ1の５Ｎ倍（Ｎは０以外の整数）である。このとき、図７（ｂ）の段差は、波長λ2の光に対して波長λ2の３Ｎ倍の光路差を生じることになり、大きな収差を発生しない。波長λ1と波長λ2との互換は、図７（ａ）の段差形状によって実現し、図７（ｂ）の段差は、波長λ1の光の使用時に温度変化に起因する球面収差の抑制を行うことを目的とする。したがって、図７（ｂ）の段差は、波長λ2の光に対しては大きな収差を生じさせないことが望ましい。この理由により、図７（ｂ）の段差が波長λ1の光に対して生じる光路差は、波長λ1の５Ｎ倍（Ｎは０以外の整数）であることが望ましい。
図７（ａ）の段差構造と、図７（ｂ）の段差構造とは、いずれも同じ方向に厚みが単調増加または単調減少する階段形状であることが望ましい。このように構成すると、図７（ｃ）の段差構造も単調増加または単調減少する階段形状となるので、対物レンズ素子成形用の金型を容易に作製できる。
図８は、実施の形態３に係る対物レンズ素子を示す図である。
少なくとも内周部１３２Ｂには、図７（ｃ）に示した階段形状が形成される。図８の内周部１３２Ｂに付された符号１３２ｐ及び１３２ｑは、図７（ｂ）に示した段差に相当する。波長λ1の光の使用時には、対物レンズ素子１４２は、内周部１３２Ｂ及び外周部１３２Ｆの両方に入射した第１の入射光６１を集光し、厚みｔ1の基材を介して、光ディスク９の情報記録面９１にスポットを形成する。また、波長λ2の光の使用時には、対物レンズ素子１４２は、内周部１３２Ｂに入射する第２の入射光６２を集光し、厚みｔ2の基材を介して、光ディスク１０の情報記録面１０１にスポットを形成する。第１の入射光６１を光ディスク９の情報記録面９１に集光する際の開口数をＮＡ1とし、第２の入射光６２を光ディスク１０の情報記録面１０１に集光する際の開口数をＮＡ2とすると、ＮＡ１は０．８５以上であり、ＮＡ２は０．６以上である。
言い換えると、内周部１３２Ｂは、波長λ1の光と波長λ2の光との共用領域であり、外周部１３２Ｆは、波長λ1の光の専用領域である。内周部１３２Ｂには、図１（ａ）に示した階段状段差構造が形成される。外周部１３２Ｆは、以下の（５）〜（８）のように構成することができる。
（５）外周部１３２Ｆに、内周部１３２Ｂに設けられるものと同じ段差構造を形成する。この場合、波長λ1の光は基材厚ｔ1を介して情報記録面９１上にスポットを形成するが、波長λ2の光は大きな収差を発生して基材厚ｔ2を介した位置に集光しないように、外周部１３２Ｆを設計すればよい。
（６）または、外周部１３２Ｆには、図７（ａ）の段差を形成しなくてもよい。この場合、波長λ1の光は基材厚ｔ1を介して集光されるが、波長λ2の光は大きな収差を発生して基材厚ｔ2を介して集光されないように、外周部１３２Ｆを設計すればよい。
（７）または、外周部１３２Ｆには、図４に示した、波長λ1の光に対して１波長分の光路差を生じる段差を形成してもよい。この場合、波長λ1の１波長分の光路差では、位相差が実質的に生じない。したがって、段差を形成しない場合と同じように、波長λ1の光は基材厚ｔ1を介して集光されるが、波長λ2の光には０．６波長程度の位相差が発生するため、波長λ2の光は基材厚ｔ2を介して集光されない。
（８）または、外周部１３２Ｆには、鋸歯状の回折格子を形成してもよい。この場合、波長λ1の光は基材厚ｔ1を介して集光されるが、波長λ2の光は基材厚ｔ2を介して集光されないように、外周部１３２Ｆを設計すればよい。更に、鋸歯の高さを、図５（ａ）で説明したように、波長λ1の光に対して１波長分の光路差を生じる高さにすることが好ましい。図５（ｂ）に示したように、鋸歯の高さが波長λ1の１波長分と等しい場合、１次回折光の回折効率が大きくなる。一方、波長λ2の光に対しては、図５（ｃ）に示したように、鋸歯の高さが波長の０．６倍程度となるので、光が１次回折光と０次回折光とに分散し、一点に集光されない。したがって、鋸歯状の回折格子によって、外周部１３２Ｆに入射する波長λ2の光に対して、開口制限効果を得ることができる。
（９）外周部１３２Ｆには、波長λ1の光の使用時に温度変化時に起因する球面収差を抑制するために、図６に示した段差を設けてもよい。また、外周部１３２Ｆに設ける上記のいずれかの形状に、図６に示した段差を重畳してもよい。この場合、対物レンズ素子１４２の金型の作製を容易とするため、段差の厚みを単調増加または単調減少させることが望ましい。
（実施の形態４） ＢＤとＤＶＤとＣＤの互換
本実施形態に係る対物レンズ素子は、実施の形態１で説明した波長λ1及びλ2の互換に加えて、波長λ3の光を厚みｔ3の基材を通して集光させる。
ここで、
ｔ1＜ｔ2＜ｔ3
ＮＡ1＞ＮＡ2＞ＮＡ3
である。ただし、ＮＡ3は、波長λ3の光を集光する際の開口数である。波長λ3の光は、例えば、７８０〜８２０ｎｍの赤外光である。
開口数ＮＡ3が最も小さいため、対物レンズ素子の最内周部分が、波長λ3の光を情報記録面上に集光するために用いられる。したがって、対物レンズ素子の最内周部分は、３種類の波長の光をそれぞれに対応する基材厚を通して集光できるように形成する必要がある。そこで、本実施の形態では、対物レンズ素子の最内周部分に、図９（ａ）に示すような階段形状を形成する。
図９は、実施の形態４に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。図９（ａ）は、実施の形態４に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差の物理的形状を説明する図である。図９（ａ）の形状は、対物レンズ素子表面の屈折面（非球面形状）であるベース面に重畳される。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した段差が波長λ1の光に与える位相変調量を示している。図９（ｃ）は、図９（ａ）に示した段差が波長λ2の光に与える位相変調量を示している。図９（ｄ）は、図９（ａ）に示した段差が波長λ3の光に与える位相変調量を示している。
図９（ａ）において、縦方向はレンズ材料の光軸方向の厚さ、あるいは高さを示している。１つの段差は、波長λ1の光に対して約１．２５波長分の光路差を与える高さに設計される。約１．２５波長分の光路差は、位相差で約（２π＋π／２）に相当する。この段差により、図９（ｂ）に示すように、１段あたりπ／２ずつ位相変調量が変化する。
また、実施の形態１で説明した理由により、波長λ2の光に対しては、１段あたり約−π／２ずつ位相変調量が変化する（図９（ｃ）参照）。
更に、波長λ3の光に対しては、１つの段差が約−０．３７５波長分の光路差を与える。この段差により、図９（ｄ）に示すように、１段あたり約−０．７５πずつ位相変調量が変化する。
波長λ1の光に与える位相変調量が正であるのに対して、波長λ2及びλ3の光に与える位相変調量が負である。これは、図９（ａ）に示した段差が、波長λ2及びλ3の光に対して、波長λ1の光とは逆の効果を及ぼしていることを示す。
図９（ａ）に示すように、対物レンズ素子の内周側ほど段差の厚みを増加させると、波長λ1の光の光路差は内周側ほど長くなる。一方、波長λ2及びλ3の光の光路差は内周側になるほど短くなる。位相段差を形成する間隔を適宜設計して、位相段差が波長λ1の光に凸レンズ作用を及ぼすように構成した場合、赤色光や赤外光には凹レンズ作用が及ぶ。すると、波長λ1の光の焦点位置が対物レンズ素子に近づく一方、波長λ2及びλ3の光の焦点位置が対物レンズ素子から離れる。したがって、波長λ2及びλ3の光を厚みｔ1より厚い基材を通して情報記録面へ収束させることができる。
本実施の形態では、図９（ａ）に示した段差を単調に高さが増加または減少する階段状に形成する。したがって、本実施の形態の段差構造は、一定周期毎に高さが増減する周期構造（図２３（ａ）参照）を持つ回折素子ではなく、階段状に位相を変化させる素子として機能する。この場合、対物レンズ素子成形用の金型を容易に作製できる。
図１０は、実施の形態４に係る対物レンズ素子を示す図である。
少なくとも内周部１３３Ｃには、図９（ａ）に示した階段形状を形成する。波長λ1の光の使用時には、対物レンズ素子１４３は、内周部１３３Ｃ、中間部１３３Ｂ及び外周部１３３Ｆに入射した第１の入射光６１を集光し、厚みｔ1の基材を介して、光ディスク９の情報記録面９１にスポットを形成する。波長λ2の光の使用時には、対物レンズ素子１４３は、内周部１３３Ｃ及び中間部１３３Ｂに入射する第２の入射光６２を集光し、厚みｔ2の基材を介して、光ディスク１０の情報記録面１０１にスポットを形成する。波長λ3の光の使用時には、対物レンズ素子１４３は、内周部１３３Ｃに入射する第３の入射光６３を集光し、厚みｔ3の基材を介して、光ディスク１１の情報記録面１１１にスポットを形成する。ここで、ＮＡ1は０．８５以上であり、ＮＡ2は０．６以上であり、ＮＡ3は０．４５以上である。
言い換えると、内周部１３３Ｃは、波長λ1、λ2及びλ3の光の共用領域であり、中間部１３３Ｂは、波長λ1及びλ2の光の共用領域であり、外周部１３３Ｆは、波長λ1の光の専用領域である。内周部１３３Ｃ及び中間部１３３Ｂを合わせた領域は、図１に示した内周部１３１Ｂに相当する。外周部１３３Ｆは、図１に示した外周部１３１Ｆに相当する。外周部１３３Ｆには、上述した外周部の構成例のいずれかを適用できる。
（実施の形態５） 樹脂対物レンズ素子の温度補正、ＢＤとＤＶＤとＣＤの互換
本実施の形態は、実施の形態４で説明した３波長の互換と、実施の形態２で説明した温度変化に起因する球面収差の抑制とを同時に実現するものである。
図１１は、実施の形態５に係る対物レンズ素子の表面に形成する段差を説明する図である。より具体的には、図１１（ａ）は、波長λ1、λ2及びλ3の互換を実現する段差の物理的形状を示す図である。図１１（ｂ）は、樹脂対物レンズの温度変化に起因する球面収差を抑制するための段差の物理的形状を示す図である。図１１（ｂ）に示した段差は、特定の環境温度下で波長λ1の整数倍の光路差を生じる。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の段差と図１１（ｂ）の段差とを重畳したものである。図１１（ｃ）の断面形状は、対物レンズ素子表面の屈折面（非球面形状）であるベース面に重畳される。
図１１（ｂ）は、図６（実施の形態２）及び図７（ｂ）（実施の形態３）に示した段差とは異なる点がある。段差が生じる光路差が、図６の例では波長λ1の整数倍であり、図７の例では波長λ1の５Ｎ倍（Ｎは０以外の整数）であった。図１１（ｂ）では、段差が生じる光路差は、波長λ1の１０Ｍ倍（Ｍを０以外の整数）であることを条件とする。この条件は、実施の形態３において、Ｎを偶数に限定すること、つまり、Ｎ＝２Ｍとすることと等しい。になる。このとき、図１１（ｂ）の段差は、波長λ2の光に対して波長の６Ｍ倍の光路差を生じるため、大きな収差を生まない。更に、図１１（ｂ）の段差は、波長λ3の光に対して５Ｍ倍の光路差を生じるため、大きな収差を生まない。３波長の互換は図１１（ａ）に示した段差形状によって実現し、図１１（ｂ）に示した段差は、波長λ1の光の使用時における環境温度変化に起因する球面収差を抑制するためのものである。したがって、図１１（ｂ）に示した段差は、波長λ2及びλ3の光に対して大きな収差を生じないことが望ましい。それ故に、図１１（ｂ）の段差が生じさせる光路差は、波長λ1の１０Ｍ倍（Ｍは０以外の整数）であることが望ましい。
図１１（ｃ）に示した段差は、単調に高さが増加または減少する階段状であることが好ましい。この場合、対物レンズ素子成形用の金型を容易に作製できる。
図１２は、実施の形態５に係る対物レンズ素子を示す図である。図１２に示される段差１３４ｐ及び１３４ｑは、図１１（ｂ）の段差を示す。図１３は、図１２を下方から見た模式的平面図である。有効範囲（あるいは有効径）１３４Ｄの領域を、同心円状の３つの領域、すなわち、外周部１３４Ｆ、中間部１３４Ｂ、内周部１３４Ｃへと区画している。ただし、図１３に破線で示した境界１３４Ａ、１３４Ｄ及び１３４Ｅは仮想的なものであって、実際に境界線を設ける必要はない。
少なくとも内周部１３３Ｃには、図１１（ｃ）に示した階段形状を形成する。波長λ1の光の使用時には、対物レンズ素子１４４は、内周部１３４Ｃ、中間部１３４Ｂ及び外周部１３４Ｆに入射した第１の入射光６１を集光し、厚みｔ1の基材を介して、光ディスク９の情報記録面９１にスポットを形成する。波長λ2の光の使用時には、対物レンズ素子１４４は、内周部１３４Ｃ及び中間部１３４Ｂに入射する第２の入射光６２を集光し、厚みｔ2の基材を介して、光ディスク１０の情報記録面１０１にスポットを形成する。波長λ3の光の使用時には、対物レンズ素子１４４は、内周部１３３Ｃに入射する第３の入射光６３を集光し、厚みｔ3の基材を介して、光ディスク１１の情報記録面１１１にスポットを形成する。ここで、ＮＡ1は０．８５以上であり、ＮＡ2は０．６以上であり、ＮＡ3は０．４５以上である。
言い換えると、内周部１３４Ｃは、波長λ1、λ2及びλ3の光の共用領域であり、中間部１３４Ｂは、波長λ1及びλ2の光の共用領域であり、外周部１３４Ｆは、波長λ1の光の専用領域である。内周部１３４Ｃ及び中間部１３４Ｂを合わせた領域は、図８に示した内周部１３２Ｂに相当する。外周部１３４Ｆは、図８に示した外周部１３２Ｆに相当する。外周部１３４Ｆには、上述した外周部の構成例のいずれかを適用できる。
上記の実施の形態１及び３〜５に係る対物レンズ素子において、外周部は波長λ1の光の専用領域であるが、外周部は段差のない非球面形状としてもよい。あるいは、外周部には鋸歯形状の回折格子を形成し、鋸歯高さを、波長λ1の光に対して約１波長の光路差を与える高さにしてもよい。あるいは、外周部には波長λ1の光に対して波長の略整数倍の光路差を与える高さの段差を形成してもよい。あるいは、外周部に形成する段差の高さは、波長λ1の光に対して波長の略Ｎ倍（Ｎは整数）の光路差を与える高さとしてもよい。この場合、Ｎは５の倍数以外の整数としてもよい。Ｎが５の倍数以外の整数である場合、波長λ2の光の波面を乱し、開口制限効果を得ることができる。Ｎが奇数である場合、波長λ3の光の波面を乱し、開口制限効果を得ることができる。このような構成によって、外周部に入射した波長λ2及びλ3の光が、情報記録面上へのスポット形成に実質的に寄与しないように開口制限を行うことができ、開口数を所望の値に設定にできる。
（実施の形態６）
図１４は、実施の形態６に係る光ヘッド装置を示す図である。光ヘッド装置は、波長λ1（３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ：標準的には４０８ｎｍ）の青色光を出射するレーザー光源１、波長λ2（６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ：標準的には６６０ｎｍ）の赤色光と波長λ3（７７０ｎｍ〜８１０ｎｍ：標準的には７８０ｎｍ）の赤外光とを切り替えて出射するレーザー光源２０、コリメートレンズ（第１の凸レンズ）８、光軸を折り曲げる立ち上げミラー１２、対物レンズ素子１４３を備える。光ディスク９は厚みｔ1（約０．１ｍｍ）の基材を有し、波長λ1の光ビームによって記録・再生・消去の少なくとも１つがなされる第３世代の光ディスク（例えば、ＢＤ）である。光ディスク１０は、厚みｔ2（約０．６ｍｍ）の基材を有し、波長λ2の光ビームによって記録・再生・消去の少なくとも１つがなされる第２世代の光ディスク（例えば、ＤＶＤ）である。光ディスク１１は、厚みｔ3（約１．２ｍｍ）の基材を有し、波長λ2の光ビームによって記録・再生・消去の少なくとも１つがなされる第１世代の光ディスク（例えば、ＣＤ）である。図１４においては、光ディスク９及び１０の基材（光の入射面から記録面までの部分）のみを図示している。実際には、機械的強度を補強し、厚みをＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、保護材と張り合わされている。光ディスク１０は、厚み０．６ｍｍの保護材と張り合わされ、光ディスク９は、厚み１．１ｍｍの保護材と張り合わされる。光ディスク１１も薄い保護材を備えているが、簡略化のため、保護材の図示は省略する。
本実施の形態では、波長λ2及びλ3の２波長を出射する２波長レーザー光源２０を用いる構成を示したが、波長毎にそれぞれ別個の光源を用い、ダイクロイックミラーを用いて光路を合わせるなどの構成も可能である。
レーザー光源１及び２０は、半導体レーザー光源であることが好ましい。半導体レーザー光源を用いた場合、光ヘッド装置及びこれを用いた光ディスク記録・再生装置を小型、軽量、低消費電力にすることができる。
最も記録密度の高い光ディスク９の記録・再生・消去のいずれかを行う際には、レーザー光源１から出射した波長λ1の光ビーム６１がビームスプリッター４によって反射され、コリメートレンズ８によって略平行光にされ、１／４波長板５によって円偏光に変換される。１／４波長板５は、波長λ1及びλ２の両方の光に対して、１／４波長板として作用するように設計されている。１／４波長板５から出射された光は、立ち上げミラー１２によって折り曲げられ、対物レンズ素子１４３によって光ディスク９の基材を通して情報記録面９１に集光される。ここで、図示の都合上、立ち上げミラー１２が光ビームを図面の上方に曲げるように記載したが、実際には紙面と垂直な方向に光ビーム光軸を折り曲げるように立ち上げミラー１２が配置される。
情報記録面で反射された光ビ−ムは、光路を逆にたどって、１／４波長板５によって初期とは偏光面の異なる直線偏光に変換され、ビームスプリッター４をほぼ全透過し、ビームスプリッター１６で全反射される。ビームスプリッター１６によって反射された光ビームは、検出回折素子３１によって回折された後、検出レンズ３２によって集光され、光検出器３３に入射する。光検出器３３の出力に演算処理を施すことによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号と、情報信号とを得る。ビームスプリッター４は、ある１方向の波長λ1の直線偏光を全反射し、当該一方向と直交する方向の波長λ1の直線偏光を全透過する偏光分離膜を具備する。この偏光分離膜は、波長λ2及びλ3の光ビームを全透過させる。このようにビームスプリッター４は偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子である。ビームスプリッター４に偏光依存性がない場合には、１／４波長板５を省略することも可能である
次に、光ディスク１０の記録・再生・消去のいずれかを行う際には、レーザー光源２０から出射された、略直線偏光で波長λ2の光ビーム６２がビームスプリッター１６とビームスプリッター４とを透過し、コリメートレンズ８によって略平行光に変換される。こりメートレンズ８から出射された光ビームは、立ち上げミラー１２によって折り曲げられ、対物レンズ素子１４３によって光ディスク１０の情報記録面１０１に集光される。
情報記録面で反射された光ビ−ムは、光路を逆にたどって、ビームスプリッター４をほぼ全透過し、ビームスプリッター１６で全反射される。ビームスプリッター１６によって反射された光ビームは、検出回折素子３１によって回折された後、検出レンズ３２によって集光され、光検出器３３に入射する。光検出器３３の出力に演算処理を施すことによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号と、情報信号とを得る。波長λ1及びλ2で共通の光検出器３３を用いて、光ディスク９用のサーボ信号と光ディスク１０用のサーボ信号とを得るためには、レーザー光源１の発光点と、レーザー光源２０の発光点（波長λ2の光）とを、対物レンズ素子１４３側の共通の位置に対して結像関係にあるように配置する。このように構成することにより、検出器の数も配線数も減らすことができる。
ビームスプリッター１６は、ある１方向の波長λ2の直線偏光を全透過させ、当該１方向と直行する方向の直線偏光を全反射する偏光分離膜を備える。この偏光分離膜は、波長λ1の光ビームを全透過させる。このようにビームスプリッター１６も偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子である。ビームスプリッター１６に偏光依存性がない場合、１／４波長板５を省略することも可能である。
光ディスク１１の記録・再生・消去のいずれかを行う際の各部の動作及び光路は、レーザー光源２０から出射される光の波長が異なる他は、光ディスク１０の場合と同じであるので、繰り返しの説明を省略する。
図１４の例では、対物光学系には、実施の形態４で説明した対物レンズ素子１４３が用いられているが、実施の形態５に係る対物レンズ素子１４４を用いてもよい。
対物光学系に、実施の形態１に係る対物レンズ素子１４１または実施の形態３に係る対物レンズ素子１４２を用いてもよい。この場合、レーザー光源２０に変えて、波長λ2の光のみを出射する光源を用い、光ディスク９と光ディスク１０との互換を可能とする光ヘッド装置を構成できる。
また、対物光学系に、実施の形態２に係る対物レンズ素子を用いてもよい。この場合、レーザー光源２０を設けずに、光ディスク９専用の光ヘッド装置を構成できる。実施の形態２に係る対物レンズ素子と、波長λ2及びλ3の光の互換が可能な対物レンズ素子とを組み合わせて光ヘッド装置を構成してもよい。
光ヘッド装置の付加的な構成要素を以下に挙げる。
３ビーム格子（回折素子）３を、レーザー光源１とビームスプリッター４との間に配置してもよい。この構成により、光ディスク９のトラッキングエラー信号を、よく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって検出することが可能である。
リレーレンズ２を、レーザー光源１とビームスプリッター４との間に配置してもよい。この構成により、波長λ1の光ビーム６１のコリメートレンズ８側開口数を適正な値に設定できる。
３ビーム格子（回折素子）２２を、レーザー光源２０とビームスプリッター１６との間に配置してもよい。この構成により、光ディスク１０のトラッキングエラー信号を、よく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって検出することが可能である。
コリメートレンズ８を光軸方向（図１４の左右方向）へ動かすことにより光ビームの平行度を変化させることも有効である。基材の厚さには誤差がある。また、光ディスク９が多層ディスクの場合には、記録層間にある所定の厚みの基材が設けられる。基材厚の誤差や記録層間の基材に起因して球面収差が発生するが、コリメートレンズ８を光軸方向に動かすことによってその球面収差を補正することができる。
コリメートレンズ８を動かすことによる球面収差の補正は、ＮＡが０．８５の場合に数１００ｍλ程度可能であり、±３０μｍの基材厚さの増減に相当する球面収差を補正することもできる。また、波長λ3の光ビームを用いて光ディスク１１の記録・再生・消去を行う場合に、コリメートレンズ８を図１４の左側、すなわち、レーザー光源２０へ近い側に移動させてもよい。この場合、コリメートレンズ８は、対物レンズ素子１４３へ向かう光ビームを発散光にし、光ディスク１１上の集光スポットをより対物レンズ素子１４３から離すと共に、基材厚さに起因する収差の一部を補正することができる。コリメートレンズ８で当該収差の一部を補正すれば、対物レンズ素子１４３に求められる収差補正量を低減でき、形成する段差数を減らして、対物レンズ素子１４３の作成を容易にすることもできる。
ビームスプリッター４が、波長λ1のレーザー光源１から出射された直線偏光の一部（例えば１０％程度）を透過させてもよい。透過させた一部の光ビームは集光レンズ６によって光検出器７へ導く。光検出器７から得られる信号を用いてレーザー光源１の発光光量変化をモニターし、その光量変化をフィードバックしてレーザー１光源の発光光量を一定に保つ制御を行うことができる。
ビームスプリッター４が、レーザー光源２０から出射された直線偏光の一部（例えば１０％程度）を反射してもよい。反射した光ビームは集光レンズ６によって光検出器７へ導く。光検出器７から得られる信号を用いてレーザー光源２０の発光光量変化をモニターし、その光量変化をフィードバックして光源２０の発光光量を一定に保つ制御を行うことができる。
（実施の形態７）
図１５は、実施の形態７に係る光情報装置を示す図である。
光ディスク９（光ディスク１０、１１も同様）は、クランパー１６３によってターンテーブル１８２上に保持され、モータ１６４によって回転する。光ヘッド装置１５５は、実施の形態６で説明したものであり、実施の形態１〜５で説明したいずれかの対物レンズ素子を備える。光ヘッド装置１５５は、光ディスク９（１０、１１）上の所望のトラックに対向する位置まで駆動装置１５１によって駆動される。
光ヘッド装置１５５は、光ディスク９との位置関係を検出し、フォーカスエラー（焦点誤差）信号やトラッキングエラー信号を電気回路１５３へ出力する。電気回路１５３は、この信号に応答して、対物レンズ素子の位置を微調整するための信号を送る。電気回路１５３からの出力信号に基づいて、光ヘッド装置１５５は、フォーカス制御やトラッキング制御を行い、情報の記録・再生・消去を行う。
本実施の形態に係る光情報装置１６７は、実施の形態６で説明した光ヘッド装置１５５を用いているので、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。したがって、光情報装置１６７を小型、軽量、安価に構成できる。
（実施の形態８）
図１６は、実施の形態８に係るコンピューターを示す図である。
コンピューター３００は、実施の形態７に係る光情報装置１６７と、中央演算装置（ＣＰＵ）などの演算装置３６４とを備える。コンピューター３００には、情報の入力を行うためのキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力装置３６５と、情報を表示する表示装置やプリンターなどの出力装置１８１に接続されている。コンピュータ−３００は、入力装置３６５から入力された情報や、光情報装置１６７を介して光ディスクから読み出した情報などに基づいて演算を行い、演算結果を出力装置１８１に出力する。
（実施の形態９）
図１７は、実施の形態９に係る光ディスクプレーヤーを示す図である。
光ディスクプレーヤー３２１は、実施の形態７に係る光情報装置１６７と、光情報装置１６７から得られる情報信号を画像情報に変換するデコーダー３６６と、液晶モニター３２０とを備える。光ディスクプレーヤー３２１は、カーナビゲーションシステムとしても利用できる。また、液晶モニターのない光ディスクプレーヤーを構成しても良い。
（実施の形態１０）
図１８は、実施の形態１０に係る光ディスクレコーダーを示す図である。
光ディスクレコーダー１１０は、実施の形態７に係る光情報装置１６７と、画像情報を記録用の情報に変換するエンコーダー３６８とを備える。光ディスクレコーダー１１０は、光情報装置１６７から得られる情報信号を画像情報に変換するデコーダー３６６を更に備えることが好ましい。デコーダー３６６及びエンコーダー３６８を設けることにより、録画・再生の両方が可能な光ディスクレコーダー１１０を構成できる。図１８では、光ディスクレコーダー１１０は、表示装置やプリンターなどの出力装置３６１に接続されているが、出力装置３６１と一体化されていてもよい。
（実施の形態１１）
図１９は、実施の形態１１に係る情報サーバーを示す図である。
情報サーバー３３６は、実施の形態７に係る光情報装置１６７と、複数の光ディスクを収容し、光情報装置１６７に光ディスクを出し入れするチェンジャー３３４と、入出力端子３６９とを備える。入出力端子３６９は、光ディスクに記録する情報を取り込んだり、光ディスクから読み出した情報を外部に出力したりするために用いられる有線または無線のインタフェースである。情報サーバー３３６は、入出力端子３６９を介してネットワークや他の機器（例えば、コンピューター、電話、テレビチューナー）に接続され、相互に情報を交換することができる。情報サーバー３３６は、表示装置やプリンターなどの出力装置３６１に接続されていてもよい。また、情報サーバー３３６は、必ずしもチェンジャーを備えていなくてもよい。
（実施の形態１２）
図２０は、実施の形態１２に係る車両を示す図である。
図２０に示した車両は、車体２３３と、実施の形態７に係る光情報装置１６７と、複数の光ディスクを収納する収納部２３９と、光情報装置１６７に光ディスクを出し入れするチェンジャー２３８とを備える。車体２３３には、動力を発生する動力発生部２３４と、動力発生部２３４へ供給する燃料を貯蔵する燃料貯蔵部２３５と、電源２３６とが搭載されている。車両は、電車や自動車の場合は走行のために車輪２３３をさらに備える。また、車両が自動車であれば、ハンドル２３０を備える。
本実施の形態に係る車両は、チェンジャー２３８や光ディスク収納部２３９を備えることにより手軽に多数の光ディスクを利用できる。車体２３３には、光ディスクから得られる情報を加工して画像に変換する演算装置２６４や、情報を一時的に蓄える半導体メモリ２３７、表示装置２４２を搭載することにより光ディスクに記録された映像情報が再生可能となる。また、アンプ２４０とスピーカ２４１とを車体２３３に設けることにより光ディスクに記録された音声や音楽を再生可能となる。そして、ＧＰＳ２３２などの位置センサーを設けることにより、光ディスクから再生した地図情報と組み合わせて、現在位置や進行方向を画像として表示装置２４２に表示したり、音声としてスピーカ２４１から出力したりできる。無線通信部２４０を設けることにより、外部から情報を得て、光ディスクの情報と相補的に利用可能である。
本発明は、ＢＤ／ＤＶＤ互換またはＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換の光ヘッド装置に利用できる。
１、２０ レーザー光源
３、２２ ３ビーム格子
４、１６ ビームスプリッター
５ １／４波長板
６ 集光レンズ
７ 光検出器
８ コリメートレンズ
９、１０、１１ 光ディスク
１４１〜１４４ 対物レンズ素子
３２ 検出レンズ
３３ 光検出器

Claims (6)

  1. 入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ1の第１の入射光束を、基板厚ｔ1を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ1より長い波長λ2の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ1より大きい基板厚ｔ2を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
    前記光学機能面のうち少なくとも一方は、前記第１及び第２の入射光束を全面にわたって屈折力により偏向する屈折面であり、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する前記第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、前記内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、前記内周部において複数の不連続な段差を有し、
    複数の前記段差は、前記光軸から前記外周部に向けて同一の方向に高さが変化しており、前記段差のいずれもが、前記第１の入射光束に対して、前記波長λ1より長い一定の光路差を発生するとともに、前記第２の入射光束に対して、前記波長λ2より短い一定の光路差を発生する、対物レンズ素子。
  2. 前記段差は、前記波長λ1の光に対して約１．２５波長の光路差を与え、前記波長λ2の光に対して約０．７５波長の光路差を与える、請求項１に記載の対物レンズ素子。
  3. 前記外周部は段差のない非球面形状である、請求項１に記載の対物レンズ素子。
  4. 前記外周部には、鋸歯形状の回折格子が形成されており、
    前記鋸歯形状は、前記波長λ1の光に対して約１波長の光路差を与える高さを有する、
    請求項１に記載の対物レンズ素子。
  5. 前記外周部には、前記波長λ1の光に対して波長の略整数倍の光路差を与える高さを有
    する段差が形成されている、請求項１に記載の対物レンズ素子。
  6. 前記外周部の最も外側にある段差の高さは、前記波長λ1の光に対して波長の略Ｎ倍（
    ただし、Ｎは５の倍数以外の整数）の光路差を与える、請求項５に記載の対物レンズ素子。
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