WO2005088624A1 - 対物光学素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

対物光学素子及び光ピックアップ装置 Download PDF

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WO2005088624A1
WO2005088624A1 PCT/JP2005/003715 JP2005003715W WO2005088624A1 WO 2005088624 A1 WO2005088624 A1 WO 2005088624A1 JP 2005003715 W JP2005003715 W JP 2005003715W WO 2005088624 A1 WO2005088624 A1 WO 2005088624A1
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optical element
wavelength
optical
path difference
objective optical
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PCT/JP2005/003715
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Mitsuru Mimori
Kiyono Ikenaka
Junji Hashimura
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Konica Minolta Opto, Inc.
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    • G11B2007/0006—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier adapted for scanning different types of carrier, e.g. CD & DVD

Definitions

  • the present invention relates to an optical pickup device, and more particularly, to information recording and Z recording on three or more different optical information recording media using light beams emitted from three light sources having different light source wavelengths. Or, it relates to an optical pickup device capable of reproducing.
  • an optical disk having a diameter of 12 cm can be used to transfer 15 to 20 GB of information. Recording becomes possible, and when the NA of the objective lens is increased to 0.85, it becomes possible to record 23 to 25 GB of information on an optical disc with a diameter of 12 cm.
  • NA numerical aperture
  • an optical disk and a magneto-optical disk using a blue-violet laser light source are collectively referred to as a “high-density optical disk” t.
  • the optical pickup device mounted on the optical disk player Z recorder for the high-density optical disk is applicable to any of the three types of optical disks, the high-density optical disk, the DVD and the CD. It is also desirable to have the capability to properly record and reproduce information while maintaining compatibility.
  • One aspect of aberration correction is to change the degree of divergence of a light beam incident on the objective optical element.
  • off-axis characteristics are deteriorated in accordance with the degree of divergence of the light beam incident on the objective optical element (the greater the degree of divergence, the greater the coma when the lens is shifted during tracking).
  • Another aspect of aberration correction is to provide a diffraction structure that gives a diffractive effect on the optical surface of the objective optical element (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-298422
  • the present invention has been made in view of the problems of the related art, and provides an objective optical element that can perform satisfactory spherical aberration correction even when light beams having three different wavelengths are incident. With the goal.
  • the objective optical element and the optical pickup device use the first optical path difference providing structure to give an optical path difference in advance so that the phase changes only with respect to the light beam of the third wavelength to obtain a wavelength ⁇ 3
  • Correction of the spherical aberration or wavefront aberration of the light beams of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 by using the second optical path difference providing structure to mainly provide an optical path difference to the light beams of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical pickup device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of an objective optical element OBJ.
  • FIG. 3 (a) is a schematic cross-sectional view showing a modification of the objective optical element OBJ.
  • FIG. 3 (b) is a schematic sectional view showing another modification of the objective optical element OBJ.
  • FIG. 4 (a) is a longitudinal spherical aberration diagram of a light beam (HD) having a wavelength of ⁇ 1 in Example 1.
  • FIG. 4 (b) is a longitudinal spherical aberration diagram of a light beam (DVD) of wavelength 2 in Example 1.
  • FIG. 4 (c) is a longitudinal spherical aberration diagram of a light beam (CD) having a wavelength of 3 in Example 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a wavefront aberration characteristic at the time of wavelength fluctuation in Example 1.
  • FIG. 6 (a) is a longitudinal spherical aberration diagram of a light beam (HD) having a wavelength ⁇ 1 in a comparative example.
  • FIG. 6 (b) is a longitudinal spherical aberration diagram of a light beam (DVD) having a wavelength ⁇ 2 in a comparative example.
  • FIG. 6 (c) is a longitudinal spherical aberration diagram of the light beam (CD) having the wavelength ⁇ 3 in the comparative example.
  • FIG. 7 is a diagram showing a wavefront aberration characteristic when a wavelength fluctuates in a comparative example.
  • the objective optical element described in item 1 comprises a first light source having a wavelength of ⁇ 1, a second light source having a wavelength of 2 ( ⁇ 1 ⁇ 2), and a wavelength of 3 ( ⁇ 2 ⁇ 3) a third light source, and an objective optical element of an optical pickup device having a condensing optical system including an objective optical element, wherein the light beam from the first light source is passed through the objective optical element,
  • a condensing optical system including an objective optical element including an objective optical element
  • the light flux of the second light source power is condensed on the information recording surface of the second optical information recording medium via the protective layer having a thickness t2 (tl ⁇ t2), thereby recording and Z or reproducing information.
  • the light flux from the third light source is passed through the objective optical element via a protective layer having a thickness t3 (t2 ⁇ t3). Then, by condensing the information on the information recording surface of the third optical information recording medium, it is possible to perform information recording and Z or reproduction,
  • the objective optical element gives a substantial phase change to the light beam of the wavelength ⁇ 3, and provides a first optical path difference that gives no substantial change in phase to the light beam of the wavelength ⁇ 1 and the wavelength 2.
  • An optical path difference providing structure, the light beam of the wavelength ⁇ 1, the light beam of the wavelength ⁇ 2, and the light beam of the wavelength ⁇ 3 And a second optical path difference providing structure for giving an optical path difference to the light flux.
  • spherical aberration or wavefront aberration is corrected by using the first optical path difference providing structure and giving an optical path difference in advance such that the phase changes only for the light beam of the wavelength ⁇ 3.
  • the second optical path difference providing structure spherical aberration or wavefront aberration is corrected by mainly giving an optical path difference to the luminous fluxes of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2, thereby reducing the burden and reducing the total load.
  • the objective optical element according to item 2 in the configuration according to item 1, information is reproduced from the first optical information recording medium, the second optical information recording medium, and the third optical information recording medium. And / or When recording is performed, the objective optical element is configured to have substantially the same imaging magnification.
  • the “substantially the same imaging magnification” means that a difference between the imaging magnification of the light beam of the other wavelength and the imaging magnification of the light beam of the second wavelength is within ⁇ 0.008.
  • the imaging magnification is 0.
  • a parallel light beam is incident on the objective optical element at all wavelengths, off-axis characteristics of the objective optical element are improved. For example, even when the objective optical element is shifted in the track direction, coma and astigmatism are increased. Can be suppressed.
  • a light source in which a plurality of light sources are packaged in one package can be used, and the number of components of the optical pickup device can be reduced, and the size and the cost can be reduced.
  • the first optical path difference providing structure may be a diffractive structure such as a force NPS (Non-Periodic Surface). good.
  • the first optical path difference providing structure includes a predetermined number of discontinuous portions having a groove force centered on an optical axis.
  • the grooves are formed by forming them concentrically and periodically, and the depth of the grooves does not substantially change the phase of the light beams of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 passing through the discontinuous portion. And is substantially set for the light beam of the wavelength ⁇ 3 passing through the discontinuous portion. Since it is set so that there is a significant phase change, it is possible to correct the difference by giving a strong phase change. By setting the size and the number of steps of the staircase shape to predetermined steps, it is possible to have a diffractive action for a specific wavelength.
  • substantially no change in phase does not mean only a case where there is no phase change at all, but any change in phase within ⁇ 0.2 ⁇ (preferably within 0.1 ⁇ ). Shall be included. Further, “substantial phase change” includes a phase change exceeding ⁇ 0.2 ⁇ .
  • the refractive index with respect to the wavelength ⁇ 1 of the objective optical element in which the first optical path difference providing structure is formed is nl
  • the number of discontinuous portions is ml (integer)
  • d ⁇ 1 / (nl-1)
  • the second optical path difference providing structure has a saw-tooth structure
  • the second optical path difference providing structure has a structure with respect to the first optical information recording medium.
  • a condensed spot is formed by a light beam of M (M is an integer) order diffracted light generated by the 2 optical path difference providing structure, and the Nth order diffraction generated by the second optical path difference providing structure with respect to the third optical information recording medium. It is configured such that a converged spot is formed by a light beam.
  • both the light beams of the wavelengths 1 and ⁇ 3 passing through the second optical path difference providing structure have high diffraction efficiencies
  • a wavelength difference that is not an integral multiple is given only to the light flux of wavelength 3 (an integer multiple of wavelength difference is given to the other two light fluxes).
  • the L-order diffracted light having the wavelength ⁇ 1 and the wavelength ⁇ that pass through the second optical path difference providing structure Assuming that the diffraction efficiencies of the second-order diffracted light of 2 and the second-order diffracted light of the wavelength ⁇ 3 are ⁇ 1, 7-2 and 7-3, respectively, 7-1> 80%, 7-2> 70% And 7? 3> 80%.
  • r? L and 7? 2 are luminous fluxes having as high a diffraction efficiency as possible so that SZN can be further improved.
  • the incident light transmitted through the objective optical element is reflected on the information recording surface, and the diffraction efficiency when transmitted again through the objective optical element is 50% or more.
  • the first optical path difference providing structure is expected to reduce the efficiency of the ⁇ 3rd order diffracted light of ⁇ 3 when a diffraction action is generated, the light flux should have the highest possible diffraction efficiency. No.
  • the objective optical element according to item 14 is the configuration according to any one of items 1 to 13, wherein the objective optical element is a first optical element arranged on a light source side and an optical information recording medium side. It is composed of two elements, the second optical element to be arranged.
  • the objective optical element is By configuring the optical element power, the degree of freedom of the correction function is increased, which is advantageous in design and performance.
  • the objective element may be formed of a single element.
  • the first optical element has the first optical path difference providing structure
  • the second optical element has the second optical path difference providing structure. Be prepared.
  • the objective optical element according to item 16 wherein in the configuration according to item 14, the first optical path difference providing structure is provided on one surface of the first optical element, and the second optical path difference providing structure is provided on the other surface.
  • the first optical path difference providing structure is provided on one surface of the first optical element
  • the second optical path difference providing structure is provided on the other surface.
  • the first optical path difference providing structure is provided on an optical surface on a light source side of the first optical element.
  • the groove-shaped optical path difference providing structure has a larger step amount in the optical axis direction than the sawtooth optical path difference providing structure, and vignetting of light rays occurs due to oblique incidence. This causes a reduction in diffraction efficiency.
  • the focal length of the first optical element with respect to the wavelength ⁇ 1 is fl1
  • the focal length of the first optical element is in front of the second optical element.
  • At least one surface of the first optical element has a substantially infinite paraxial radius of curvature.
  • radius of curvature on the optical axis is 200 mm or more. It refers to that.
  • a more preferable radius of curvature is 500 mm or more, and more preferably a flat surface.
  • the objective optical element according to item 20 wherein in the configuration according to any one of items 1 to 19, the objective optical element includes a third optical path difference providing structure, and the third optical path difference providing structure includes:
  • the cross-sectional shape in the optical axis direction is a saw-tooth shape and is composed of a plurality of annular zones centered on the optical axis.
  • P times and Q times do not indicate only the value, but include those within a range of ⁇ 0.12 from the value.
  • the third optical path difference providing structure is provided in order to reduce the occurrence of aberration due to a wavelength change of several nm which can be caused by the first and second optical path difference providing structures.
  • the refraction of the light of wavelength 1 and ⁇ 2 passing through the diffractive structure is represented by the difference of the following equations (6) and (7).
  • nl, n2 wavelength respectively
  • the first optical path difference providing structure is formed by using a first optical path difference function ⁇ (h).
  • the objective optical element described in Item 24 is characterized in that, in the configuration according to any one of Items 1 to 23, the reproduction of information and the recording or Z or recording on the third optical information recording medium are performed as described above. Note that the focal position of the Nth-order diffracted light beam and the focal position of the (N ⁇ l) th-order light beam are separated by at least 0.1 Olmm in the optical axis direction.
  • At least one of the optical surfaces of the objective optical element has an aperture limiting function according to a wavelength.
  • the aperture limiting function is a function of a dichroic filter that transmits only a specific wavelength.
  • the objective lens according to item 25 wherein Noh is a function of flaring a light beam of a predetermined wavelength by a diffraction structure.
  • At least one optical surface of the objective optical element has a concentric central region including an optical axis and centered on the optical axis; At least two peripheral regions are located around the central region and have a diffraction structure that flares the light beam of the predetermined wavelength, and the luminous flux of the wavelength ⁇ 3 that has passed through the peripheral region is flared.
  • a concentric outer peripheral region centered on the optical axis and located around the peripheral region is provided, and passes through the outer peripheral region. Either the light beam of the wavelength ⁇ 1 or the light beam of the wavelength ⁇ 2 flares
  • the term "flare component (flare light)” refers to a predetermined aperture which has an effect of not contributing to spot formation necessary for recording or reproduction on a predetermined information recording surface. It is a luminous flux of a number or more.
  • the numerical aperture necessary for recording or reproducing the CD corresponds to a numerical aperture higher than 0-0.43 or 0.45. This refers to a light beam that has an aberration of 0.07 rms or more (in this case, ⁇ is the CD operating wavelength) for the incident light beam.
  • ⁇ is the CD operating wavelength
  • the term “flare” refers to a property of irradiating an incident light beam onto the information recording surface as a light beam causing such aberration.
  • the central region has the first optical path difference providing structure.
  • the optical pickup device described in the item 31 is an optical pickup device using the objective optical element according to any one of the items 110 to 130.
  • the objective optical element is arranged in a narrow sense in a state where the optical information recording medium is loaded in the optical pickup device, at the position closest to the optical information recording medium, and opposed to the optical information recording medium.
  • it refers to an optical element that can be actuated by an actuator at least in the optical axis direction.
  • the first optical information recording medium refers to, for example, information recording / reproducing with an objective optical element of NAO. 65 to 0.67, and a protective layer having a thickness of about 0.6 mm.
  • NAO.85 objective optical elements record and play back Z information and have a protective layer with a thickness of about 0.1 mm (eg, Blu-ray disc).
  • Disc, BD Blu-ray disc
  • the second optical information recording medium includes not only DVD-ROM and DVD-Video used exclusively for playback, but also various DVD-type optical discs such as DVD-RAM, DVD-R and DVD-RW which also play / record. It is a thing.
  • the third optical information recording medium refers to a CD-type optical disk such as a CD-R or a CD-RW. Note that, in this specification, the thickness of the protective layer includes the thickness Omm.
  • FIG. 1 shows a first optical pickup device PU that can appropriately record and reproduce information and reproduce Z from high-density optical disks HD (first optical disk), DVD (second optical disk), and CD (third optical disk).
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of FIG.
  • the optical pickup device PU is a blue-violet semiconductor laser L D1 (first light source) that emits a 408-nm laser light beam (first light beam) when performing information recording and Z reproduction on a high-density optical disk HD.
  • a red semiconductor laser (second light source) that emits a 658 nm laser beam (second light beam) that is emitted when performing information recording and Z reproduction on DVDs, and performs information recording and Z reproduction on CDs
  • the laser unit 2L1P which contains an infrared semiconductor laser (third light source) that emits light and emits a 785 nm laser light beam (third light beam) in a single knockout, reflection from the information recording surface RL1 of the high-density optical disk HD
  • the first photodetector PD1 that receives the light beam
  • the second photodetector PD2 that receives the reflected light beam from the information recording surface RL2 of DVD and the information recording surface RL3 of CD
  • the blue-violet semiconductor laser LD1 when performing Z recording of information on the high-density optical disk HD, the blue-violet semiconductor laser LD1 is used as shown by the solid line in FIG. Flash.
  • the divergent light beam emitted from the blue-violet semiconductor laser LD1 is converted into a parallel light beam by the first collimating lens COL1, then passes through the first polarizing beam splitter BS1, and passes through the second polarizing beam splitter BS2.
  • the beam diameter is regulated by the stop STO, and the spot is formed on the information recording surface RL1 by the objective optical element OBJ via the first protective layer PL1.
  • the effect of the objective optical element OBJ on the light beam of wavelength ⁇ 1 will be described later.
  • the objective optical element OBJ performs focusing / tracking by a two-axis actuator AC 1 arranged around the objective optical element OBJ.
  • the reflected light beam modulated by the information pits on the information recording surface RL1 passes through the objective optical element OBJ and the second polarizing beam splitter BS2 again, is reflected by the first polarizing beam splitter BS1, and is reflected by the sensor lens.
  • the astigmatism is given by SEN1, converted into a convergent light beam by the third collimating lens COL3, and converged on the light receiving surface of the first photodetector PD1.
  • the information recorded on the high-density optical disk HD can be read using the output signal of the first photodetector PD1.
  • the second light source of the laser unit 2L1P is caused to emit light.
  • the divergent light beam emitted from the laser unit 2L1P passes through the third polarizing beam splitter and the fourth polarizing beam splitter as indicated by the dotted line in FIG. 1 and is collimated by the second collimating lens COL2.
  • the light is reflected by the second polarizing beam splitter BS2, and becomes a spot formed on the information recording surface RL2 by the objective optical element OBJ via the second protective layer PL2.
  • the effect of the objective optical element OBJ on the light beam of wavelength 2 will be described later.
  • the objective optical element OBJ performs focusing / tracking by a two-axis actuator AC1 disposed around the objective optical element OBJ.
  • the reflected light flux modulated by the information pits on the information recording surface RL2 passes through the objective optical element OBJ again, is reflected by the second polarizing beam splitter BS2, is converted by the second collimating lens COL2 into a convergent light flux, and The light is reflected by the polarizing beam splitter BS4, is given astigmatism by the second sensor lens SEN2, and converges on the light receiving surface of the second photodetector PD2. And Thus, information recorded on the DVD can be read using the output signal of the second photodetector PD2.
  • the third light source of the laser unit 2L1P is caused to emit light.
  • the divergent light beam emitted from the laser unit 2L1P passes through the third polarizing beam splitter and the fourth polarizing beam splitter, and is converted into a parallel light beam by the second collimator lens COL2.
  • the light is reflected by the polarizing beam splitter BS2 and becomes a spot formed on the information recording surface RL3 by the objective optical element OBJ via the third protective layer PL3.
  • the effect of the objective optical element OBJ on the light beam of wavelength 3 will be described later.
  • the objective optical element OBJ performs focusing / tracking by a two-axis actuator AC1 arranged around the objective optical element OBJ.
  • the reflected light beam modulated by the information pits on the information recording surface RL3 passes through the objective optical element OBJ again, is reflected by the second polarizing beam splitter BS2, is converted by the second collimating lens COL2 into a convergent light beam, and The light is reflected by the polarization beam splitter BS4, is given astigmatism by the second sensor lens SEN2, and converges on the light receiving surface of the second photodetector PD2. Then, the information recorded on the CD can be read using the output signal of the second photodetector PD2.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the objective optical element OBJ, and the optical surface shape is exaggerated.
  • the objective optical element OBJ is composed of an error correction element L1 and a light condensing element L2.
  • a flange unit integrally formed with the optical function unit is provided around each optical function unit (the area of the aberration correction element L1 and the light condensing element L2 through which the first light beam passes).
  • the flanges are integrated by joining a part of the flanges.
  • the optical surface S 1 (incident surface) of the aberration correction element L 1 on the side of the semiconductor laser light source is concentric with the optical axis L corresponding to the region inside NA 3 as the center. It is divided into a first region (center region) A1 containing L and a concentric second region (peripheral region) A2 formed in a region outside the first region A1. Further, a first diffraction structure 10 as a first optical path difference providing structure is formed in the first region A1.
  • the first diffraction structure 10 has a plurality of concentric grooves (discontinuous grooves) centered on the optical axis having the same depth dl. 11), and the second diffraction structure 20 periodically forms a concentric annular zone 23 centered on the optical axis L having a stepped structure having a predetermined number of step portions 21 and discontinuous portions 22 therein.
  • the formed structural force is a plurality of concentric grooves (discontinuous grooves) centered on the optical axis having the same depth dl. 11), and the second diffraction structure 20 periodically forms a concentric annular zone 23 centered on the optical axis L having a stepped structure having a predetermined number of step portions 21 and discontinuous portions 22 therein.
  • the first diffraction structure 10 may have a stepped configuration as schematically shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), for example, in addition to the configuration shown in FIG. .
  • the first diffraction structure 10 substantially gives a phase difference only to the light beam of wavelength 3 out of the light beams of wavelength 1, wavelength 2, and wavelength 3 passing through the groove 11, and
  • the luminous flux of ⁇ 1 and ⁇ 2 is set so as not to give a substantial phase difference. Since the luminous flux of wavelength 3 is substantially subjected to a diffracting action by being given a phase difference, the diffracted light having the highest diffraction efficiency among the diffracted light of wavelength 3 generated by this is used for recording information on CD and ⁇ ⁇ . Or it can be used for playback.
  • the refractive index of the aberration correction element L 1 on which the first diffraction structure 10 is formed with respect to the light beam of wavelength ⁇ 1 is nl
  • the step amount of the groove 11 in the first diffraction structure 10 in the optical axis direction Is dl
  • the number of discontinuous parts is ml (integer)
  • d ⁇ 1 / (nl-1)
  • the step dl of the first diffraction structure 10 is set to a depth that is almost an integral multiple of the wavelength ⁇ 1.
  • a light beam of wavelength ⁇ 1 is incident on the groove structure in which the depth of the step dl is set as described above, an optical path difference of almost an integral multiple of ⁇ 1 is generated between adjacent steps. Since substantially no phase difference is given to the light beam having the wavelength ⁇ 1, the incident light beam having the wavelength ⁇ 1 is transmitted through the first diffraction structure 10 without being diffracted. Further, when a light beam having a wavelength of 2 is incident on this diffraction structure, substantially no phase difference is given, and the light beam is transmitted as it is.
  • a phase difference corresponding to the depth of the groove and the number of discontinuous portions is generated for the incident light beam having the wavelength ⁇ 3.
  • this diffraction light it is possible to record and reproduce information on CDs, as well as to correct chromatic aberration of CDs and spherical aberration due to temperature changes.
  • recording / reproducing information on / from the CD only the light beam having passed through the first area A1 of the light beam having the wavelength ⁇ 3 is used, so that the light beam having the wavelength ⁇ 3 which has passed through the second area ⁇ 2 is used. It becomes unnecessary light.
  • the diffractive structure formed in the second area A2 so that the light flux of the wavelength 3 passing through the second area ⁇ 2 is not condensed on the information recording surface RL3 of the CD, and is generated by this. It is also possible to flare the diffracted light with relatively high diffraction efficiency (for example, 30% or more) of the different order diffracted light.
  • the objective optical element OBJ can be provided with an aperture limiting function for NA3, and a powerful diffraction structure discontinuously reduces the longitudinal spherical aberration of the light beam of wavelength ⁇ 3 from the first area A1 to the second area A2.
  • the detection accuracy of the reflected light of the light beam of wavelength 3 in the second photodetector PD2 can be improved.
  • a plurality of diffracted lights of wavelength 3 may have almost the same diffraction efficiency (for example, about 40%). In such a case, Higher diffraction efficiency All of the multiple diffracted light or the diffracted light that may be condensed on the information recording surface RL3 of the CD will be flared.
  • a third optical path difference providing structure 40 is formed on the optical surface S2 (output surface) of the aberration correction element L1 on the optical disk side.
  • the third optical path difference providing structure 40 is composed of a plurality of orbicular zones 17 in which the direction of the step 16 is the same within the effective diameter, and the cross-sectional shape including the optical axis L is a step shape.
  • the phase difference is not substantially given to the incident light beams of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the third optical path difference providing structure 40 provides an optical path difference of ⁇ times the wavelength ⁇ 1 when the incident light beam of the wavelength ⁇ 1 passes through each of the orbicular zones 17, and 2 is set to give an optical path difference of Q times the wavelength ⁇ 2 when passing through each of the annular zones, and using an optical path difference function ⁇ (h),
  • Wavelength, hmax is the height from the optical axis L that is the numerical aperture NA1 of the high-density optical disc HD [0075]
  • the first diffraction structure 10 is obtained by using the first optical path difference function ⁇ (h)
  • the wavelength ⁇ 1 and ⁇ 2 are perpendicularly incident on the optical surface on which the second optical path difference providing structure 40 is formed (the emission surface S 2 in the present embodiment), the wavelength ⁇ 1
  • the difference in the incident angle of light due to the diffracting structure of the light beam of and 2 is expressed by the following formulas (6) and (7).
  • nl, n2 Refractive index of aberration correction element LI at wavelength 1 and ⁇ 2
  • the influence on the refractive power of an optical element is greater attributable to a change in the wavelength than that attributable to a change in the refractive index of the optical element itself.
  • the bending (emission angle) by the third optical path difference providing structure 40 depends on the wavelength change of the wavelength 1 and the wavelength ⁇ 2.
  • the third optical path difference providing structure so that ⁇ (hmax)> 0, when the light flux of wavelength ⁇ 1 and 2 has a wavelength variation of about several nm,
  • the aberration generated by the second diffraction structure 50 and the first diffraction structure 10, which are the second optical path difference providing structures, is reduced by the second optical path difference. It can be reduced by the application structure 40.
  • a second diffraction structure 50 is formed on the optical surface S 1 (incident surface) of the light-collecting element L2 on the semiconductor laser light source side.
  • the second diffraction structure 50 includes a plurality of orbicular zones 15, and has a sawtooth cross section including the optical axis L.
  • the light beams of wavelengths ⁇ 1, e 2 and e 3 that have passed through the aberration correction element L 1 are diffracted by the second diffraction structure 50, and the L-order diffracted light (L is (Even number) forms a condensed spot on the information recording surface RL1 of the high-density optical disc HD after undergoing refraction at the exit surface S2 of the condensing element L2, and generates a second-order diffracted light ( ⁇ Is an integer) forms a converging spot on the information recording surface RL2 of the DVD after undergoing refraction at the exit surface of the condensing element L2, and the ⁇ th order diffracted light ( ⁇ is an integer) of the light beam of wavelength ⁇ 3 is After being subjected to a refraction effect on the exit surface of the light-collecting element L2, a light-converged spot is formed on the information recording surface RL3 of the CD.
  • L is (Even number) forms a condensed spot on the information recording surface
  • the second diffraction structure 50 performs aberration correction so that the L-order diffracted light of the light beam of the wavelength ⁇ 1 forms a good condensed spot on the information recording surface RL 1 of the high-density optical disc HD!
  • the aberration correction is performed to form a good condensed spot on the information recording surface RL2 of the DVD by the phase difference given when the second-order diffracted light of the light beam of wavelength ⁇ 2 passes through the first diffraction structure 10.
  • the third order diffracted light of the light beam of wavelength ⁇ 3 is designed to perform aberration correction so as to form a good condensing spot on the information recording surface RL3 of the CD.
  • the objective optical element OBJ has a two-group configuration including the aberration correction element L1 and the condenser L2.
  • the diffraction power and the refraction power can be shared between the two optical elements, and there is an advantage that the degree of freedom in design is improved.
  • the present invention is not limited to this, and the objective optical element OBJ can be replaced by a single lens.
  • the optical path difference providing structure and the diffractive structure may be provided on the entrance surface and the exit surface of the lens.
  • the condenser element L2 can be a glass lens. Occurrence can be suppressed.
  • the first diffraction structure 10 at the incidence S1 of the aberration correction element L1. If the first diffractive structure 10 is formed from a stepped portion orthogonal to the optical axis, the step amount in the optical axis L direction becomes larger than that of the saw-toothed structure, and vignetting occurs due to oblique incidence of the light beam, thereby lowering the diffraction efficiency. This is because the first diffraction structure 10 is desirably provided on a surface on which each light beam that is to be prevented as a parallel light is incident as parallel light.
  • the focal length of the aberration correction element L1 is fl1
  • the focal length of the light-collecting element L2 is fl2
  • the focal position of the Nth-order diffracted light and the focal position of the (N ⁇ l) th-order diffracted light are shifted by 0.1 Olmm in the optical axis L direction. It is preferable to separate them.
  • the objective optical element may have an aperture limiting function.
  • the aperture limiting function may be a function of flaring a light beam having a predetermined wavelength by a diffraction structure. For example, on at least one optical surface of the objective optical element OBJ, a concentric central region including the optical axis and centered on the optical axis, and a central region around the central region.
  • the optical pickup device PU described in the above embodiment, a rotation drive device for rotatably holding the optical disk, and a control device for controlling the driving of these various devices are mounted, so that the optical disk for the optical disk is mounted.
  • An optical information recording / reproducing apparatus capable of performing at least one of recording information and reproducing information recorded on an optical disk can be obtained.
  • the objective optical element OBJ is composed of two groups, an aberration correction element L1 and a condensing element L2, and the entrance surface S1 (third surface) of the aberration correction element L1 is
  • the emission surface S2 (fourth surface) is an aspheric surface
  • the entrance surface S1 (fourth surface) and the emission surface S2 (fifth surface) of the light-collecting element L2 are aspheric surfaces.
  • the first diffraction structure 10 (first phase difference structure) is formed on the entrance surface S1 of the aberration correction element L1, and the third optical path difference providing structure is provided on the exit surface S2 of the aberration correction element L1.
  • a second diffraction structure 50 (second phase difference structure) having a sawtooth cross section including the optical axis is formed on the incident surface S1 of the light-collecting element L2.
  • Table 1 shows the lens data.
  • Ri is the radius of curvature
  • di is the i-th surface force
  • ni is the refractive index of each surface.
  • an exponent of 10 for example, 2. 5 X 10- 3
  • E e.g., 2. 5 XE-3
  • di represents the displacement from the i-th surface to the (i + 1) -th surface.
  • 1 is an optical path difference for 5 wavelengths
  • 2 is an optical path difference for 3 wavelengths, and does not diffract because there is almost no phase difference.3rd surface Aspherical surface coefficient
  • the incident surface (fourth surface) and the outgoing surface (fifth surface) of the light-collecting element are respectively defined around the optical axis, which are defined by equations obtained by substituting the coefficients shown in Table 1 into Equation 1 below. It is formed on an axisymmetric aspheric surface.
  • X (h) is an axis in the optical axis direction (the traveling direction of light is assumed to be positive)
  • ⁇ is a conic coefficient
  • A is
  • h is the height of optical axis force.
  • optical path length given to the light flux of each wavelength by the first diffraction structure is defined by a mathematical expression obtained by substituting the coefficients shown in Table 1 into the optical path difference function of Expression 2.
  • B is a coefficient of the optical path difference function.
  • FIG. 4 (a)-Fig. 4 (c) show the vertical direction of the luminous flux (HD) of wavelength ⁇ 1, the luminous flux of wavelength 2 (DVD) and the luminous flux (CD) of wavelength ⁇ 3 in Example 1.
  • FIG. 3 is a spherical aberration diagram, in which the vertical axis represents NA when the DVD aperture diameter is set to 1, and the horizontal axis represents SA (mm), and the dotted line represents a required aperture diameter for each optical disc.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a wavefront aberration characteristic at the time of wavelength fluctuation in the first embodiment.
  • This comparative example is an example in which a single diffraction structure is provided for one objective lens to perform spherical aberration.
  • Table 2 shows the lens data.
  • Ri indicates the radius of curvature
  • di indicates the position in the optical axis direction up to the (i + 1) th surface force
  • ni indicates the refractive index of each surface.
  • 6 (a) to 6 (c) show longitudinal spherical aberration diagrams of the comparative example
  • FIG. 7 shows a wavefront aberration characteristic of the comparative example when the wavelength changes.
  • NA1 0.65
  • NA2 0.65
  • NA3 0.51
  • the vertical length is within the required numerical aperture.
  • the spherical aberration of the CD of the comparative example is continuous, and the spherical aberration of the CD of the embodiment is not. It is continuous, indicating that aperture restriction is required.
  • An optical surface or the like for correcting spherical aberration generated by a wavelength change of several nm to several tens of nm caused by the diffraction structure can be provided as necessary.
  • an objective optical element that can perform favorable spherical aberration correction even when light beams having three different wavelengths are incident.

Abstract

　本発明は、例えば高密度ＤＶＤと従来のＤＶＤ、ＣＤの全てに対して適切に情報の記録及び／再生を行える光ピックアップ装置に係る。　対物光学素子ＯＢＪにおいて、単一の回折構造を用い、３つの異なる波長の光束全てに対して、適切な情報の記録及び／又は再生を行えるように収差補正を行うことが困難であることに鑑み、第１回折構造１０を用いて、予め波長λ３の光束に対してのみ位相が変化するよう光路差を与えることで球面収差或いは波面収差の補正を行い、更に第２回折構造５０を用いて、波長λ１，λ２の光束に対して主として光路差を与えることで球面収差或いは波面収差の補正を行い、その負担を軽減し、トータルで３つの異なる波長の光束全てに対して収差補正を行うことで、適切な情報の記録及び／又は再生を行う。

Description

明 細 書
対物光学素子及び光ピックアップ装置
技術分野
[0001] 本発明は、光ピックアップ装置に関し、特に、光源波長の異なる 3つの光源から出 射される光束を用いて、 3つ以上の異なる光情報記録媒体に対して、それぞれ情報 の記録及び Z又は再生が可能な光ピックアップ装置に関する。
背景技術
[0002] 近年、光ピックアップ装置にお!、て、光ディスクに記録された情報の再生や、光ディ スクへの情報の記録のための光源として使用されるレーザ光源の短波長化が進み、 例えば、青紫色半導体レーザや、第 2高調波発生を利用して赤外半導体レーザの波 長変換を行う青紫色 SHGレーザ等の波長 405應のレーザ光源が実用化されつつあ る。
[0003] これら青紫色レーザ光源を使用すると、 DVD (デジタルバーサタイルディスク）と同 じ開口数 (NA)の対物レンズを使用する場合で、直径 12cmの光ディスクに対して、 1 5— 20GBの情報の記録が可能となり、対物レンズの NAを 0. 85にまで高めた場合 には、直径 12cmの光ディスクに対して、 23— 25GBの情報の記録が可能となる。以 下、本明細書では、青紫色レーザ光源を使用する光ディスク及び光磁気ディスクを 総称して「高密度光ディスク」 t 、う。
[0004] ところで、このような高密度光ディスクに対して適切に情報の記録 Z再生ができると 言うだけでは、光ディスクプレーヤ Zレコーダの製品としての価値は十分なものとは いえない。現在において、多種多様な情報を記録した DVDや CD (コンパクトディスク )が販売されている現実をふまえると、高密度光ディスクに対して情報の記録 Z再生 ができるだけでは足らず、例えばユーザが所有している DVDや CDに対しても同様 に適切に情報の記録 Z再生ができるようにすることが、高密度光ディスク用の光ディ スクプレーヤ Zレコーダとしての商品価値を高めることに通じるのである。このような背 景から、高密度光ディスク用の光ディスクプレーヤ Zレコーダに搭載される光ピックァ ップ装置は、高密度光ディスク、 DVD及び CDの 3種類の光ディスクの何れに対して も互換性を維持しながら適切に情報を記録 z再生できる性能を有することが望まれ る。
[0005] 高密度光ディスクと DVD、更には CDとの何れに対しても互換性を維持しながら適 切に情報を記録 Z再生できるようにする手法として、高密度光ディスク用の光学系と DVDや CD用の光学系とを情報を記録 Z再生する光ディスクの記録密度に応じて選 択的に切り替えるものが考えられる力 複数の光学系が必要となるので、小型化に不 利であり、またコストが増大する。
[0006] そこで、光ピックアップ装置の構成を簡素化し、低コスト化を図るためには、互換性 を有する光ピックアップ装置においても、高密度光ディスク用の光学系と DVDや CD 用の光学系とを共通化して、光ピックアップ装置を構成する光学部品点数を極力減 らすのが好ましいといえる。又、光ディスクに対向して配置される対物光学系を共通 化することが光ピックアップ装置の構成の簡素化、低コスト化に最も有利となる。
[0007] しかるに、光ピックアップ装置において共通の対物光学素子を用いて互換を実現し ようとする場合、それぞれの光ディスクに用いられる光源波長や保護基板厚が異なる ため、光ディスクの情報記録面上に良好に収差補正のなされた集光スポットを形成 するためには何らかの工夫が必要となる。
[0008] 一つの収差補正の態様としては、対物光学素子に入射される光束の発散度合いを 変えることが考えられる。力かる収差補正の態様によれば、対物光学素子に入射する 光束の発散度合いに応じて、軸外特性が悪化 (発散度合いが大きくなるほどトラツキ ング時にレンズシフトした際のコマ収差が大きく発生）し好ましくないという問題がある
[0009] 別の収差補正の態様としては、対物光学素子の光学面に、回折作用を与える回折 構造を設けることである (例えば、特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開 2002— 298422号公報
発明の開示
[0010] ところが、力かる従来技術の技術によれば、対物光学素子に入射する光束が異な る 2つの波長である場合には、いずれの光束に対しても良好に球面収差補正を行え る力 異なる 3つの波長である光束について、いずれの光束に対しても良好に球面 収差補正を行うことは困難である。
[0011] より具体的に説明すると、例えば高密度光ディスク ZDVDZCDに使用される光束 の波長は、それぞれ l =400nm程度、 2 = 655nm程度、 3 = 785程度となつ ており、ここで λ 1 : λ 3 1 : 2であるため、特許文献 1に記載されたようなブレーズ形 状の回折構造では、回折効率が最大となる回折次数の比が λ 1： λ 3 = 2: 1となる。 例えば λ 1が 6次のときえ 3が 3次となる。また、回折の効果は波長 X回折次数の差と 回折輪帯のピッチで決まる。波長 λ ΐとえ 3の回折次数が 2: 1のときは、 λ 1 Χ 2—ぇ3 X 1の値が小さくなるため、例えば、ブレーズィ匕波長を波長 λ 1の偶数倍に近い値と して回折構造を設計した場合、波長 λ 1の光束と波長 λ 3の光束における相互の回 折作用が小さくなり、同じ対物光学素子を用いて高密度光ディスクと CDに対して、そ れぞれ情報の記録及び Z又は再生を行うことが困難となる。
[0012] 一方、波長 X回折次数の差が小さい場合であっても、小さい回折作用を利用する ことで互換を達成することが理論上は可能であるが、この場合、回折輪帯のピッチを 小さくする必要があり、それにより光量の低下、レンズの製造が難しくなる、レーザ光 源の出力変化等による数 nm程度の微小範囲内での波長変動によって収差が大きく 発生する等の問題が生じてしまう。
[0013] 本発明は、従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、異なる 3つの波長であ る光束を入射させた場合でも、良好な球面収差補正を行える対物光学素子を提供 することを目的とする。
[0014] 本発明に係る対物光学素子および光ピックアップ装置は、第 1光路差付与構造を 用いて、予め波長え 3の光束に対してのみ位相が変化するよう光路差を与えることで 波長 λ 3の光束の球面収差或いは波面収差の補正を行い、更に第 2光路差付与構 造を用いて、波長 λ 1, λ 2の光束に対して主として光路差を与えることで波長 λ 1, λ 2の球面収差或いは波面収差の補正を行う。それにより、従来技術の問題点によ る設計時の負担を軽減し、トータルで 3つの異なる波長の光束全てに対して収差補 正を行うことで、適切な情報の記録及び Ζ又は再生を行う。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は、本実施の形態に力かる光ピックアップ装置の概略断面図である。 [図 2]図 2は、対物光学素子 OBJの概略断面図である。
[図 3(a)]図 3 (a)は、対物光学素子 OBJの変形例を示す概略断面図である。
[図 3(b)]図 3 (b)は、対物光学素子 OBJの別の変形例を示す概略断面図である。
[図 4(a)]図 4 (a)は、実施例 1における波長 λ 1の光束 (HD)の縦球面収差図である。
[図 4(b)]図 4 (b)は、実施例 1における波長え 2の光束 (DVD)の縦球面収差図である
[図 4(c)]図 4 (c)は、実施例 1における波長え 3の光束 (CD)の縦球面収差図である。
[図 5]図 5は、実施例 1における波長変動時の波面収差特性を示す図である。
[図 6(a)]図 6 (a)は、比較例における波長 λ 1の光束 (HD)の縦球面収差図である。
[図 6(b)]図 6 (b)は、比較例における波長 λ 2の光束 (DVD)の縦球面収差図である。
[図 6(c)]図 6 (c)は、比較例における波長 λ 3の光束 (CD)の縦球面収差図である。
[図 7]図 7は、比較例における波長変動時の波面収差特性を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以上の課題を解決するために、項 1に記載の対物光学素子は、波長 λ 1の第 1光 源と、波長え 2 ( λ 1 < λ 2)の第 2光源と、波長え 3 ( λ 2< λ 3)の第 3光源と、対物 光学素子を含む集光光学系とを有する光ピックアップ装置の対物光学素子であって 前記対物光学素子を介して、前記第 1光源からの光束を、厚さ tlの保護層を介して 第 1光情報記録媒体の情報記録面に集光させることによって、情報の記録及び Z又 は再生を行うことが可能となっており、前記の対物光学素子を介して、前記第 2光源 力 の光束を、厚さ t2 (tl≤t2)の保護層を介して第 2光情報記録媒体の情報記録 面に集光させることによって、情報の記録及び Z又は再生を行うことが可能となって おり、前記対物光学素子を介して、前記第 3光源からの光束を、厚さ t3 (t2<t3)の 保護層を介して第 3光情報記録媒体の情報記録面に集光させることによって、情報 の記録及び Z又は再生を行うことが可能となっており、
前記対物光学素子は、前記波長 λ 3の光束に対して実質的な位相の変化を与え、 波長 λ 1、え 2の光束に対して実質的な位相の変化を与えない光路差を与える第 1 光路差付与構造と、前記波長 λ 1の光束、前記波長 λ 2の光束、及び前記波長 λ 3 の光束に対して光路差を与える第 2光路差付与構造とを備えている。
[0017] 例えば単一の回折構造を用いて、 3つの異なる波長の光束全てに対して、適切な 情報の記録及び Z又は再生を行えるように収差補正を行うことが困難であることに鑑 み、本構成では、前記第 1光路差付与構造を用いて、予め前記波長 λ 3の光束に対 してのみ位相が変化するよう光路差を与えることで球面収差或いは波面収差の補正 を行い、更に前記第 2光路差付与構造を用いて、前記波長 λ 1, λ 2の光束に対して 主として光路差を与えることで球面収差或いは波面収差の補正を行!、、その負担を 軽減し、トータルで 3つの異なる波長の光束全てに対して収差補正を行うことで、適 切な情報の記録及び Ζ又は再生を行えるようにして 、る。
[0018] 項 2に記載の対物光学素子は、項 1に記載の構成において、前記第 1光情報記録 媒体、前記第 2光情報記録媒体及び前記第 3光情報記録媒体に対して情報の再生 及び Ζ又は記録を行う場合、前記対物光学素子の結像倍率がほぼ同じであるように 構成されていることを特徴とする。「ほぼ同じ結像倍率」とは、波長え 2の光束に対し て、他の波長の光束の結像倍率の差が ±0. 008以内であることをいうものとする。
[0019] 項 3に記載の対物光学素子は、項 2に記載の構成において、前記結像倍率が 0で ある。全ての波長において平行光束が前記対物光学素子に入射するようにすると、 前記対物光学素子の軸外特性が向上し、例えばトラック方向に前記対物光学素子 がシフトした場合でも、コマ収差や非点収差の発生を抑えることができる。また、複数 の光源が 1パッケージィ匕された光源の使用が可能となり、光ピックアップ装置の部品 点数の削減、小型化及び低コストィ匕を実現できる。
[0020] 項 4に記載の対物光学素子は、項 1一 3のいずれかに記載の構成において、前記 第 1光路差付与構造は、回折構造である力 NPS (Non— Periodic Surface)等で も良い。
[0021] 項 5に記載の対物光学素子は、項 1一 3のいずれかに記載の構成において、前記 第 1光路差付与構造は、所定数の溝力 なる不連続部位を光軸を中心として同心円 状に周期的に形成することで構成され、前記溝の深さが、前記不連続部位を通過す る前記波長 λ 1及び前記波長 λ 2の光束に対して実質的な位相の変化が無いように 設定され、且つ前記不連続部位を通過する前記波長 λ 3の光束に対しては実質的 な位相の変化があるよう設定されているので、力かる位相の変化を与えることで、収 差補正を行うことができる。階段形状の段差の大きさ、段数を所定の段差とすることで 、特定の波長に対して回折作用を有することが可能となる。尚、「実質的な位相の変 化がない」とは、全く位相の変化がない場合のみを指すわけではなぐ ±0. 2 π以内 の位相の変化（望ましくは 0. 1 π以内）であれば含むものとする。また、「実質的な位 相の変化がある」とは、 ±0. 2 πを超える位相の変化を含むものとする。
[0022] 項 6に記載の対物光学素子は、項 5に記載の構成において、前記第 1光路差付与 構造が形成されている前記対物光学素子の前記波長 λ 1に対する屈折率を nl、前 記第 1光路差付与構造における前記溝の光軸方向の段差量を dl、不連続部位の数 を ml (整数）とし、 d= λ 1/ (nl-1)としたとき、
4. 7 X d≤dl≤5. 3 X d (1)
2≤ml≤5 (2)
を満たす。例えば ml = 2と、分割数が少なくなれば、前記対物光学素子を製造しや すいという利点がある。
[0023] 項 7に記載の対物光学素子は、項 1一 4のいずれかに記載の構成において、前記 第 2光路差付与構造は鋸歯状の構造であり、前記第 1光情報記録媒体に対して前記 第 2光路差付与構造によって生じる L (L = 2Nであって、 Nは整数)次の回折光の光 束による集光スポットが形成され、前記第 2光情報記録媒体に対して前記第 2光路差 付与構造によって生じる M (Mは整数)次の回折光の光束による集光スポットが形成 され、前記第 3光情報記録媒体に対して前記第 2光路差付与構造によって生じる N 次の回折光の光束による集光スポットが形成されるように構成される。すなわち、波長 λ 1の回折効率が最大となる回折次数を偶数となるようにすれば、前記第 2光路差付 与構造を通過する波長え 1、 λ 3の光束はともに回折効率が高くなり、一方、第 1光 路差付与構造では、波長え 3の光束にのみ整数倍でない波長差を付与 (他の 2波長 の光束には整数倍の波長差を付与)することで、前記第 1光路差付与構造を通過す ることにより、補正不足となった波長の光束の収差補正を行うことができる。
[0024] 項 8に記載の対物光学素子は、項 7に記載の構成において、 L= 2、 M= l、 N= l である。 [0025] 項 9に記載の対物光学素子は、項 7に記載の構成において、 L=6、 M=4、 N = 3 である。
[0026] 項 10に記載の対物光学素子は、項 7に記載の構成において、 L = 8、 M = 5、 N = 4である。
[0027] 項 11に記載の対物光学素子は、項 7に記載の構成において、 L= 10、 M = 6、 N
= 5である。
[0028] 項 12に記載の対物光学素子は、項 7— 11のいずれかに記載の構成において、前 記第 2光路差付与構造を通過する前記波長 λ 1の前記 L次回折光、前記波長 λ 2の 前記 Μ次回折光、及び前記波長 λ 3の前記 Ν次回折光の回折効率を、それぞれ η 1、 7? 2及び 7? 3としたとき、 7? 1 >80%、 7? 2 > 70%及び 7? 3 > 80%である。
[0029] 光ディスクの光ディスクの再生 Ζ記録に不要な光束、即ち光ディスクの再生 Ζ記録 に使用しない回折効率の低い光束が増えると、信号にノイズが多くなり SZNが悪く なる。そのため、 SZNがより良くなるよう、 r? l、 7? 2はできるだけ高い回折効率の光 束であることが好ましい。例えば、対物光学素子を透過した入射光が情報記録面で 反射され、再び対物光学素子を透過する際の回折効率が 50%以上あることが好まし い。
[0030] η 3については、第 1光路差付与構造により、 λ 3の Ν次回折光に対して回折作用 が生じる際の効率低下が見込まれる為、できるだけ高い回折効率の光束であること 力 のましい。
[0031] 項 13に記載の対物光学素子は、項 1一 11のいずれかに記載の構成において、前 記波長 λ 1、前記波長 λ 2、前記波長 λ 3が、
370nm< λ K450nm (3)
620nm< λ 2< 690nm (4)
750nm< λ 3< 830nm (5)
を満たす。
[0032] 項 14に記載の対物光学素子は、項 1一 13のいずれかに記載の構成において、前 記対物光学素子は光源側に配置される第 1光学素子と、光情報記録媒体側に配置 される第 2光学素子の 2つの素子で構成される。前記対物光学素子を 2つ以上の光 学素子力も構成することで、補正機能の自由度が大きくなり、設計、性能上で有利に なるが、前記対物素子は単一の素子から形成されて!ヽても良 ヽ。
[0033] 項 15に記載の対物光学素子は、項 14に記載の構成において、前記第 1光学素子 に前記第 1光路差付与構造を、前記第 2光学素子に前記第 2光路差付与構造を備 える。 1つの光学素子に 1つの光路差付与構造を設けることで、 1つ光学素子に 2つ の回折構造を設ける場合に比べ、光学素子単体の成形誤差の許容範囲を大きくす ることが可能となる。
[0034] 項 16に記載の対物光学素子は、項 14に記載の構成において、前記第 1光学素子 の 1面に前記第 1光路差付与構造を、他面に前記第 2光路差付与構造を備える。ガ ラスレンズ等の回折形状を作ることが困難である対物レンズを第 2光学素子とした場 合に、有効な構成である。
[0035] 項 17に記載の対物光学素子は、項 14一 16のいずれかに記載の構成において、 前記第 1光学素子の光源側の光学面に前記第 1光路差付与構造が設けられている 。例えば溝状の光路差付与構造は、鋸歯状の光路差付与構造に比べ光軸方向の 段差量が大きくなり、斜入射による光線のケラレが生じる。これにより回折効率の低下 が生じる。それを低減するためには波長え 1、 λ 2、 λ 3の光束力 ほぼ同じ発散度で 入射される位置に溝状の構造を設けることが望ましいのである。
[0036] 項 18に記載の対物光学素子は、項 14一 17のいずれかに記載の構成において、 前記第 1光学素子の前記波長 λ 1に対する焦点距離を fl l、前記第 2光学素子の前 記波長 λ 1に対する焦点距離を fとしたとき、
I fl2/fl l I < 0. 1 且つ I 1/fl l I < 0. 02 (8)
を満たす。前記第 1光学素子のパワーを弱くすることで、 2つの光学素子間の取付け 誤差を抑えることができ、それにより組み立てが比較的簡単になる。
[0037] 項 19に記載の対物光学素子は、項 14一 18のいずれかに記載の構成において、 前記第 1光学素子の少なくとも 1面は近軸の曲率半径がほぼ無限大である。前記第 1 光学素子のパワーを弱くすることで、 2つの光学素子間の取付け誤差を抑えることが でき、それにより組み立てが比較的簡単になる。
[0038] 本明細書において「ほぼ無限大」とは、光軸上での曲率半径が 200mm以上である ことを指すものである。より好ましい曲率半径は 500mm以上であり、更に平面である ことがより好ましい。
[0039] 項 20に記載の対物光学素子は、項 1一 19のいずれかに記載の構成において、前 記対物光学素子は第 3光路差付与構造を備え、前記第 3光路差付与構造は、光軸 方向の断面形状が鋸歯状で光軸を中心とする複数の輪帯から構成され、前記波長 λ 1の入射光束が前記各輪帯を通過する際に波長 λ 1の Ρ倍の光路差を付与し、前 記波長 λ 2の入射光束が前記各輪帯を通過する際に波長 λ 2の Q倍の光路差を付 与するように設定され (P、 Qは自然数）、 P = 5、 Q = 3又は P = 8、 Q = 5或いは P= l
0、 Q = 6である。
[0040] 本明細書にぉ 、て、「P倍」、「Q倍」とは、単にその値だけを示すのではなぐ例え ば、その値から ±0.12の範囲にあるものも含むものとする。
[0041] 前記第 3光路差付与構造は、前記第 1、第 2光路差付与構造により生じうる数 nmの 波長変動による収差発生を低減させるために設ける。ここで、光が光学面に垂直に 入射した場合、回折構造を通過する波長え 1、 λ 2の光の屈折は下記の式 (6) (7)の 差で表される。
[0042] — nl X sin Q 1 = λ 1/ρ (6)
-η2 X sin θ 2 = (Q/P) X λ 2/ρ (7)
nl、n2 :それぞれ波長
λ 1、 λ 2での光学素子の屈折率
0 1、 0 2 :それぞれ波長え 1、 λ 2の出射角
P、 Q ：それぞれ波長 λ 1、え 2の回折次数
Ρ ：回折輪帯のピッチ
波長変化 > >屈折率変化であるから、回折構造による屈曲（出射角）は波長の変 化に依存しており、回折構造を備えた対物レンズでは、波長差を利用して収差補正 を可能としている。例えば λ l =405nm、 λ 2 = 655nmとしたとき、 P= l、 Q= lであ ればえ 1、 (Q/P) X λ 2の差は 250nmである力 P = 5、 Q = 3では— 12nm、 P = 8 、 Q = 5では 4nm、 P= 10、 <3 = 6では—1211111となり、波長え 1、 λ 2間での回折作用 が等しくなり、相互の回折作用がほとんどないものとして扱える。これを利用し、各波 長での数 nm程度の波長変動の補正を可能とする。これ以外の回折次数だと、狙い 通りの補正が難しい場合もある。
[0043] 項 21に記載の対物光学素子は、項 20に記載の構成において、前記第 1光路差付 与構造を、第 1の光路差関数 Φ (h)を用いて、
φ (h) = (A X h2+A X h4+ - - - +A X h2i) X λ X M
1 2 4 2i
(h:光軸からの高さ、 A ：光路差関数の係数、 i:自然数、 λ :ブレーズ化波長）
2i
と表し、
前記第 3光路差付与構造を、第 2の光路差関数 φ (h)を用いて、
(h) = (B X h2 + B X h4+ - - - +B X h2i) X λ X P
2 4 2i
(h:光軸からの高さ、 B ：光路差関数の係数、 i:自然数、 λ :ブレーズ化波長）
2i
と表し、
前記第 1光情報記録媒体側の開口数となる光軸からの高さを hmaxとしたときに、 係数 A =0を代入した場合に得られる φ (hmax)と、係数 B =0を代入した場合に
2 1 2
得られる φ (hmax)とは符号が異なる。
[0044] 項 22に記載の対物光学素子は、項 21に記載の構成において、前記第 1の光路差 関数の係数 A≠0である。
2
[0045] 項 23に記載の対物光学素子は、項 21又は 22に記載の構成において、前記第 2の 光路差関数の係数 B≠0である。
2
[0046] 項 24に記載の対物光学素子は、項 1一 23のいずれかに記載の構成において、前 記第 3光情報記録媒体に対して情報の再生及び Z又は記録を行う場合における、前 記 N次の回折光の光束の焦点位置と、（N± l)次の光束の焦点位置とは、光軸方向 に 0. Olmm以上離れて集光する。
[0047] 項 25に記載の対物光学素子は、項 1一 24のいずれかに記載の構成において、前 記対物光学素子の光学面の少なくとも 1つは、波長に応じた開口制限機能を有する
[0048] 項 26に記載の対物光学素子は、項 25に記載の構成において、前記開口制限機 能は、特定波長のみを透過するダイクロイツクフィルタの機能である。
[0049] 項 27に記載の対物光学素子は、項 25に記載の構成において、前記開口制限機 能は、回折構造により所定の波長の光束をフレア化する機能である。
[0050] 項 28に記載の対物光学素子は、項 27に記載の構成において、前記対物光学素 子の少なくともひとつの光学面は光軸を含み光軸を中心とする同心円状の中央領域 と、前記中央領域の周辺に位置し、前記所定の波長の光束をフレア化する回折構造 を有する周辺領域の少なくとも 2つの領域を備え、前記周辺領域を通過した前記波 長 λ 3の光束はフレア化される。
[0051] 項 29に記載の対物光学素子は、項 28に記載の構成において、前記周辺領域の 周辺に位置し光軸を中心とする同心円状の外周領域が設けられ、前記外周領域を 通過した前記波長 λ 1もしくは前記波長 λ 2の光束のいずれか一方は、フレア化する
[0052] 本明細書にぉ 、て、「フレア成分 (フレア光）」とは、所定の情報記録面上での記録 又は再生に必要なスポット形成に寄与しないような作用が及ぼされた所定開口数以 上の光束のことであり、例えば CDの記録又は再生の場合にあっては当該 CDの記録 又は再生に必要な開口数が 0— 0. 43もしくは 0. 45よりも高開口数に対応する入射 光束に対して、波面収差が 0. 07 rms (この場合、 λは CD使用波長）以上の収差 を生じさせている光束を指す。「フレア化」とは入射光束をこのような収差を生じさせる 光束として情報記録面に対して照射させる様な特性とする事をいう。
[0053] 項 30に記載の対物光学素子は、項 28又は 29に記載の構成において、前記中央 領域には前記第 1光路差付与構造を有する。
[0054] 項 31に記載の光ピックアップ装置は、項 1一 30のいずれかに記載の対物光学素子 を用いた光ピックアップ装置である。
[0055] 本明細書中において、対物光学素子とは、狭義には光ピックアップ装置に光情報 記録媒体を装填した状態において、最も光情報記録媒体側の位置で、これと対向す ベく配置される集光作用を有する光学素子を指し、広義にはその光学素子と共に、 ァクチユエータによって少なくともその光軸方向に作動可能な光学素子を指すものと する。
[0056] 本明細書中において、第 1光情報記録媒体とは、例えば、 NAO. 65乃至 0. 67の 対物光学素子により情報の記録 Z再生を行い、保護層の厚さが 0. 6mm程度である 規格の光ディスク（例えば、 HD DVD)の他に、 NAO. 85の対物光学素子により情 報の記録 Z再生を行い、保護層の厚さが 0. 1mm程度である規格の光ディスク (例え ば、ブルーレイディスク、 BDともいう）も含むものとする。第 2光情報記録媒体とは、再 生専用に用いる DVD— ROM, DVD— Videoの他、再生/記録を兼ねる DVD— RA M, DVD-R, DVD— RW等の各種 DVD系の光ディスクを含むものである。又、第 3 光情報記録媒体とは、 CD— R, CD— RW等の CD系の光ディスクをいう。尚、本明細 書中、保護層の厚さというときは、厚さ Ommも含めるものとする。
[0057] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図 1は、高密 度光ディスク HD (第 1光ディスク）と DVD (第 2光ディスク）と CD (第 3光ディスク）との 何れに対しても適切に情報の記録 Z再生を行える第 1の光ピックアップ装置 PUの構 成を概略的に示す図である。高密度光ディスク HDの光学的仕様は、第 1波長え 1 = 407nm、第 1保護層 PL1の厚さ tl = 0. 6mm、開口数 NA1 =0. 65であり、 DVDの 光学的仕様は、第 2波長え 2 = 655nm、第 2保護層 PL2の厚さ t2 = 0. 6mm、開口 数 NA2 = 0. 65であり、 CDの光学的仕様は、第 3波長え 3 = 785nm、第 3保護層 P L3の厚さ t3 = l. 2mm、開口数 NA3 = 0.51である。
[0058] 光ピックアップ装置 PUは、高密度光ディスク HDに対して情報の記録 Z再生を行う 場合に発光され 408nmのレーザ光束 (第 1光束)を射出する青紫色半導体レーザ L D1 (第 1光源）、 DVDに対して情報の記録 Z再生を行う場合に発光され 658nmの レーザ光束 (第 2光束)を射出する赤色半導体レーザ (第 2光源)と、 CDに対して情 報の記録 Z再生を行う場合に発光され 785nmのレーザ光束 (第 3光束)を射出する 赤外半導体レーザ (第 3光源）とを 1つのノ ッケージに収容したレーザユニット 2L1P、 高密度光ディスク HDの情報記録面 RL1からの反射光束を受光する第 1光検出器 P D1、DVDの情報記録面 RL2及び CDの情報記録面 RL3からの反射光束を受光す る第 2光検出器 PD2、収差補正素子 L1 (第 1光学素子)とこの収差補正素子 L1を透 過したレーザ光束を情報記録面 RL1、 RL2、 RL3上に集光させる機能を有する両面 非球面の集光素子 L2 (第 2光学素子)とから構成された対物光学素子 OBJ、 2軸ァク チユエータ AC1、高密度光ディスク HDの開口数 NA1に対応した絞り STO、第 1一 第 4偏光ビームスプリッタ BS1— BS4、第 1一第 3コリメートレンズ COL1— COL3、第 1センサーレンズ SEN1、第 2センサーレンズ SEN2等から概略構成されている。
[0059] 光ピックアップ装置 PUにおいて、高密度光ディスク HDに対して情報の記録 Z再 生を行う場合には、図 1において実線でその光線経路を描いたように、青紫色半導 体レーザ LD1を発光させる。青紫色半導体レーザ LD1から射出された発散光束は、 第 1コリメートレンズ COL1により平行光束に変換された後、第 1の偏光ビームスプリツ タ BS1を透過し、第 2の偏光ビームスプリッタ BS2を透過した後、絞り STOにより光束 径が規制され、対物光学素子 OBJによって第 1保護層 PL1を介して情報記録面 RL1 上に形成されるスポットとなる。なお、対物光学素子 OBJが波長 λ 1の光束に対して 与える作用については後述する。対物光学素子 OBJは、その周辺に配置された 2軸 ァクチユエータ AC 1によってフォーカシングゃトラッキングを行う。
[0060] 情報記録面 RL1で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子 O BJ、第 2の偏光ビームスプリッタ BS2を通過した後、第 1の偏光ビームスプリッタ BS1 により反射され、センサーレンズ SEN1により非点収差を与えられ、第 3コリメートレン ズ COL3により収斂光束に変換され、第 1光検出器 PD1の受光面上に収束する。そ して、第 1光検出器 PD1の出力信号を用いて高密度光ディスク HDに記録された情 報を読み取ることができる。
[0061] また、 DVDに対して情報の記録 Z再生を行う場合には、まずレーザユニット 2L1P の第 2光源を発光させる。レーザユニット 2L1Pから射出された発散光束は、図 1にお いて点線でその光線経路を描いたように、第 3偏光ビームスプリッタ、第 4偏光ビーム スプリッタを通過し、第 2コリメートレンズ COL2により平行光束とされた後、第 2偏光ビ 一ムスプリッタ BS2で反射し、対物光学素子 OBJによって第 2保護層 PL2を介して情 報記録面 RL2上に形成されるスポットとなる。なお、対物光学素子 OBJが波長え 2の 光束に対して与える作用については後述する。対物光学素子 OBJは、その周辺に配 置された 2軸ァクチユエータ AC1によってフォーカシングゃトラッキングを行う。情報 記録面 RL2で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子 OBJを通 過し、第 2偏光ビームスプリッタ BS2で反射され、第 2コリメートレンズ COL2により収 斂光束に変換され、第 4偏光ビームスプリッタ BS4で反射され、第 2センサーレンズ S EN2によって非点収差を与えられ、第 2光検出器 PD2の受光面上に収束する。そし て、第 2光検出器 PD2の出力信号を用いて DVDに記録された情報を読み取ること ができる。
[0062] また、 CDに対して情報の記録 Z再生を行う場合には、レーザユニット 2L1Pの第 3 光源を発光させる。レーザユニット 2L1Pから射出された発散光束は、図示していな いが、第 3偏光ビームスプリッタ、第 4偏光ビームスプリッタを通過し、第 2コリメ一トレ ンズ COL2により平行光束とされた後、第 2偏光ビームスプリッタ BS2で反射し、対物 光学素子 OBJによって第 3保護層 PL3を介して情報記録面 RL3上に形成されるスポ ットとなる。なお、対物光学素子 OBJが波長え 3の光束に対して与える作用について は後述する。対物光学素子 OBJは、その周辺に配置された 2軸ァクチユエータ AC1 によってフォーカシングゃトラッキングを行う。情報記録面 RL3で情報ピットにより変 調された反射光束は、再び対物光学素子 OBJを通過し、第 2偏光ビームスプリッタ B S2で反射され、第 2コリメートレンズ COL2により収斂光束に変換され、第 4偏光ビー ムスプリッタ BS4で反射され、第 2センサーレンズ SEN2によって非点収差を与えられ 、第 2光検出器 PD2の受光面上に収束する。そして、第 2光検出器 PD2の出力信号 を用いて CDに記録された情報を読み取ることができる。
[0063] 次に、対物光学素子 OBJの構成について説明する。図 2は、対物光学素子 OBJの 概略断面図であり、光学面形状は誇張して描かれている。対物光学素子 OBJは、収 差補正素子 L1と集光素子 L2とからなる。なお、図示は省略するが、それぞれの光学 機能部 (第 1光束が通過する収差補正素子 L1と集光素子 L2の領域)の周囲には、 光学機能部と一体に成形されたフランジ部を有し、力かるフランジ部の一部同士を接 合することで一体化されている。収差補正素子 L1と集光素子 L2とを一体化する場合 には、別部材の鏡枠を介して両者を一体化してもよ 、。
[0064] 収差補正素子 L1の半導体レーザ光源側の光学面 S1 (入射面）は、図 2に示すよう に、 NA3内の領域に対応した光軸 Lを中心とする同心円状であって光軸 Lを含む第 1領域（中央領域) A1と、第 1領域 A1よりも外側の領域に形成される同心円状の第 2 領域 (周辺領域) A2とに区分されている。そして、第 1領域 A1には第 1光路差付与 構造としての第 1回折構造 10が形成されている。
[0065] 第 1回折構造 10は、同じ深さ dlの光軸を中心とした同心円状の複数の溝 (不連続 部位） 11からなり、第 2回折構造 20は、所定数の段部 21と不連続部位 22とからなる 階段構造を内部に有する光軸 Lを中心とした同心円状の輪帯 23を周期的に形成し た構造力 なる。
[0066] 第 1回折構造 10としては、図 2に示したもの以外にも、例えば図 3 (a)と図 3 (b)に模 式的に示すような階段状の構成であっても良い。
[0067] 第 1回折構造 10は、溝 11を通過する波長え 1、波長え 2及び波長え 3の光束のう ち、波長え 3の光束に対してのみ実質的に位相差を与え、波長 λ 1とえ 2の光束に対 しては実質的に位相差を与えないように設定されている。波長え 3の光束は実質的 に位相差を与えられることにより回折作用を受けるので、これにより発生する波長え 3 の回折光のうち、最も高い回折効率を有する回折光を CDの情報記録及び Ζ又は再 生に利用できる。
[0068] 具体的には、第 1回折構造 10が形成されている収差補正素子 L1の波長 λ 1の光 束に対する屈折率を nl、第 1回折構造 10における溝 11の光軸方向の段差量を dl、 不連続部位の数を ml (整数）とし、 d= λ 1/ (nl-1)としたとき、
4. 7 X d≤dl≤5. 3 X d (1)
2≤ml≤5 (2)
を満たすように設計されて！ヽる。
[0069] これにより、第 1回折構造 10の段差 dlは波長 λ 1のほぼ整数倍の深さに設定され ることになる。段差 dlの深さがこのように設定された溝構造に対して、波長 λ 1の光束 が入射した場合、隣接する段差間では λ 1のほぼ整数倍の光路差が発生すること〖こ なり、波長 λ 1の光束には実質的に位相差が与えられないことになるので、波長 λ 1 の入射光束は第 1回折構造 10において回折されずにそのまま透過する。また、この 回折構造に対して、波長え 2の光束が入射した場合、実質的に位相差が与えられず 、同様にそのまま透過する。
[0070] 一方、波長 λ 3の入射光束に対しては溝の深さと不連続部位の数に応じた位相差 が生じるので、回折作用を利用して、例えば、高い回折効率を有する波長え 3の回 折光を利用して CDに対する情報の記録 Ζ再生を行なうことができると共に、 CDの色 収差の補正や温度変化に伴う球面収差の補正を行なうことができる。 [0071] また、 CDに対する情報の記録 ·再生には、波長 λ 3の光束のうち第 1領域 A1を通 過した光束のみを利用するので、第 2領域 Α2を通過した波長 λ 3の光束は不要光と なる。そこで、第 2領域 Α2を通過した波長え 3の光束が CDの情報記録面 RL3上に 集光しないように、第 2領域 A2に形成した回折構造により回折作用を与え、これによ り発生する異次の回折光のうち比較的高い回折効率 (例えば 30%以上)を持つ回折 光をフレア化させることもできる。これにより、対物光学素子 OBJに NA3に関する開 口制限機能を持たせることができると共に、力かる回折構造により、第 1領域 A1から 第 2領域 A2にかけて波長 λ 3の光束の縦球面収差を不連続なものとすることができ 、第 2光検出器 PD2における波長え 3の光束の反射光の検出精度を向上させること ができる。
[0072] なお、波長え 3の複数の回折光 (例えば + 1次と 1次の回折光）がほぼ同じ回折効 率 (例えば 40%程度）を有する場合がある力 このような場合には、回折効率が高い 複数の回折光の全てあるいは CDの情報記録面 RL3上に集光するおそれがある回 折光をフレア化することになる。
[0073] 一方、収差補正素子 L1の光ディスク側の光学面 S2 (出射面）には、第 3光路差付 与構造 40が形成されている。第 3光路差付与構造 40は、図 2に示したような、段差 1 6の方向が有効径内で同一である複数の輪帯 17から構成され、光軸 Lを含む断面形 状が階段形状となっており、波長 λ 1及び波長 λ 2の入射光束に対して実質的に位 相差を与えな 、ようになって 、る。
[0074] 具体的には、第 3光路差付与構造 40は、波長 λ 1の入射光束が前記各輪帯 17を 通過する際に波長 λ 1の Ρ倍の光路差を付与し、前記波長 λ 2の入射光束が前記各 輪帯を通過する際に波長 λ 2の Q倍の光路差を付与するように設定されており、光路 差関数 φ (h)を用いると、
(h) = (B X h2 + B X h4+ - - - +B X h2i) X λ X P
2 4 2i
で規定され、係数 B2 = 0を代入した場合に、 φ (hmax) >0となるように設計されて いる。但し、 hは光軸からの高さ、 B は光路差関数の係数、 iは自然数、 λはブレーズ
2i
化波長、 hmaxは高密度光ディスク HDの開口数 NA1となる光軸 Lからの高さとする [0075] Pと Qの組合せとしては、 (P, Q) = (5, 3)、 (8, 5)、 (10, 6)のいずれ力となる。
[0076] 尚、第 1回折構造 10を、第 1の光路差関数 φ (h)を用いて、
φ (h) = (A X h2+A X h4+ - - - +A X h2i) X λ X M
1 2 4 2i
(h :光軸からの高さ、 A ：光路差関数の係数、 i :自然数、 λ :ブレーズ化波長）
2i
と表したとき、高密度ディスク HD側の開口数となる光軸からの高さを hmaxとしたとき に、係数 A =0を代入した場合に得られる φ (hmax)と、係数 B =0を代入した場
2 1 2 合に得られる Φ (hmax)とは符号が異なっている。
[0077] 波長 λ 1及び波長 λ 2の光束が第 2光路差付与構造 40が形成された光学面 (本実 施の形態においては出射面 S2)に対して垂直に入射した場合、波長 λ 1及びえ 2の 光束の回折構造による光の入射角の違いは下記の式 (6) (7)の差で表される。
[0078] -nl X sin Q 1 = Ρ Χ λ 1/ρ (6)
-n2 X sin 0 2 = Q X λ 2/ρ (7)
nl、 n2 :波長え 1、 λ 2での収差補正素子 LIの屈折率
Θ 1、 Θ 2 :波長え 1、ぇ2の出射角
P ：回折輪帯のピッチ
一般的に、光学素子の屈折力に対して与える影響は、波長変化に起因するものの 方が、光学素子自体の屈折率の変化に起因するものよりも大きいことが知られており 、本実施の形態においては、第 3光路差付与構造 40による屈曲（出射角）は波長え 1及び波長 λ 2の波長変化に依存している。
[0079] 例えば、波長 λ l =405nm、波長え 2 = 655nmとしたとき、（P, Q) = (1, 1)であ れば λ 1と (QZP) Xぇ2との差は 250nmとなり、回折作用による各光束の出射角の 差が大きくなるが、 (P, Q) = (5, 3)では— 12nm、 (P, Q) = (8, 5)では 4nm、 (P, Q) = (10, 6)では 12nmと小さくなる。従って、 (P, Q) = (5, 3)、 (8, 5)、 (10, 6) のいずれかの組み合わせとすることにより、回折作用による各光束の出射角はほぼ 等しくなり、相互の回折作用は実質的にほとんど無いものとして扱うことが可能となる 。そこで、上述のように、 φ (hmax) >0となるように第 3光路差付与構造を設計するこ とで、波長 λ 1とえ 2の光束に数 nm程度の波長変動が生じた場合に第 2光路差付与 構造である第 2回折構造 50及び第 1回折構造 10により発生する収差を第 2光路差 付与構造 40で低減させることができる。
[0080] 集光素子 L2の半導体レーザ光源側の光学面 S 1 (入射面）には、図 2に示すように 、第 2回折構造 50が形成されている。第 2回折構造 50は、複数の輪帯 15から構成さ れ、光軸 Lを含む断面形状が鋸歯形状となっている。
[0081] 収差補正素子 L1を通過した波長 λ 1、え 2及びえ 3の各光束は、第 2回折構造 50 により回折作用を受け、これにより生じる波長 λ 1の光束の L次回折光 (Lは偶数）は、 集光素子 L2の出射面 S2において屈折作用を受けた後、高密度光ディスク HDの情 報記録面 RL1上に集光スポットを形成し、波長 λ 2の光束の Μ次回折光（Μは整数） は、集光素子 L2の出射面において屈折作用を受けた後、 DVDの情報記録面 RL2 上に集光スポットを形成し、波長 λ 3の光束の Ν次回折光 (Νは整数）は、集光素子 L 2の出射面において屈折作用を受けた後、 CDの情報記録面 RL3上に集光スポット を形成するようになって 、る。
[0082] 換言すると、第 2回折構造 50は、波長 λ 1の光束の L次回折光が高密度光ディスク HDの情報記録面 RL1上に良好な集光スポットを形成するように収差補正を行な!/、、 波長 λ 2の光束の Μ次回折光が、第 1回折構造 10を通過する際に与えられる位相 差により DVDの情報記録面 RL2上に良好な集光スポットを形成するよう収差補正を 行い、波長 λ 3の光束の Ν次回折光が CDの情報記録面 RL3上に良好な集光スポッ トを形成するように収差補正を行なうように設計されて 、る。
[0083] 即ち、波長 λ 1の回折効率が最大となる回折次数を偶数となるようにすれば、第 2 回折構造 50を通過する波長え 1、 λ 3の光束はともに回折効率が高くなり、一方、第 1回折構造 10では、波長え 3にのみ整数倍でない波長差を付与 (他の 2波長には整 数倍の波長差を付与)することで、前記第 1回折構造を通過することで、補正不足と なった波長の光束の収差補正を行うことができる。このような L、 M及び Nの組み合わ せとしては、 (L, M, N) = (2, 1 , 1)、 (6, 4, 3)、 (8, 5, 4)、 ( 10, 6, 5)が挙げられ る。
[0084] また、上記 L次、 M次及び N次の回折光の回折効率をそれぞれ η 1、 η 2及び η 3 としたとき、高密度光ディスク HDと DVDと CDと間で互換を達成するためには、 7? 1 > 80%、 r? 2 > 70%及び 7? 3 > 80%を満たす回折効率を有すると好ま 、。 [0085] なお、本実施の形態では、対物光学素子 OBJを収差補正素子 L1と集光素子 L2と 力もなる 2群構成とした。これにより、回折パワーや屈折パワーを 2つの光学素子に分 担させることができ、設計の自由度が向上するという利点があるが、これに限らず、対 物光学素子 OBJを単玉のレンズで構成し、このレンズの入射面と出射面に上記光路 差付与構造や回折構造を設けても良い。
[0086] また、収差補正素子 L1に第 2回折構造 50と第 1回折構造 10を設けてもよぐこの場 合、集光素子 L2をガラスレンズとすることができるので、温度変化による収差の発生 を抑制できる。
[0087] また、本実施の形態のように、収差補正素子 L1の入射 S1に第 1回折構造 10を設 けることが好ましい。第 1回折構造 10を、光軸に直交する段部から形成すれば、鋸歯 状の構造に比べて、光軸 L方向の段差量が大きくなり、光束の斜入射によるケラレが 生じて回折効率の低下がおきるので、これを防止すベぐ各光束が平行光として入射 する面に第 1回折構造 10を設けることが望ましいためである。
[0088] また、収差補正素子 L1の焦点距離を fl l、集光素子 L2の焦点距離を fl2としたと き、 I fl2/fl l I < 0. 1 且つ I 1/fl l I < 0. 02を満たすよう【こ、ある!/ヽ ίま、収 差補正素子 L1の少なくとも 1面の近軸における曲率半径がほぼ無限大となるようにレ ンズ設計を行なうことが好ましい。このように収差補正素子 L1の屈折力を弱くすること で、収差補正素子 L1と集光素子 L2との組み付け誤差を抑えることができる。また、 光学面の形状が略平面となるので、第 1回折構造 10や第 2回折構造 50などを光学 面上に形成しやすくなる。
[0089] また、 CDに対して情報の再生及び Ζ又は記録を行う場合における、 N次回折光の 焦点位置と、（N± l)次回折光の焦点位置とを、光軸 L方向に 0. Olmm以上離すこ とが好ましい。
[0090] また、対物光学素子 OBJを構成する光学素子にダイクロイツクフィルタや液晶位相 制御素子を取り付けることで、対物光学素子に開口制限機能を持たせることにしても 良い。また、前記開口制限機能は、回折構造により所定の波長の光束をフレア化す る機能であってもよい。例えば、対物光学素子 OBJの少なくともひとつの光学面に、 光軸を含み光軸を中心とする同心円状の中央領域と、前記中央領域の周辺に位置 し、前記所定の波長の光束をフレア化する回折構造を有する周辺領域、周辺領域の 周辺に位置し光軸を中心とする同心円状の外周領域を設け、周辺領域は通過した 波長 λ 3の光束をフレア化するようにし、外周領域は、通過した前記波長 λ 1もしくは 前記波長え 2の光束のいずれか一方を、フレア化するようにしてもよい。なお、図示 は省略するが、上記実施の形態に示した光ピックアップ装置 PU、光ディスクを回転 自在に保持する回転駆動装置、これら各種装置の駆動を制御する制御装置を搭載 することで、光ディスクに対する光情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再 生のうち少なくとも一方の実行が可能な光情報記録再生装置を得ることが出来る。 (実施例 1)
次に、実施例について説明する。本実施例は、図 2に示すように、対物光学素子 O BJが収差補正素子 L1と集光素子 L2の 2群で構成されており、収差補正素子 L1の 入射面 S1 (第 3面）は平面で、出射面 S2 (第 4面）は非球面で構成されており、集光 素子 L2の入射面 S1 (第 4面)と出射面 S2 (第 5面）は非球面で構成されている。
[0091] 収差補正素子 L1の入射面 S1には、第 1回折構造 10 (第 1位相差構造)が形成され ており、収差補正素子 L1の出射面 S2には、第 3光路差付与構造が形成されており、 集光素子 L2の入射面 S1には、光軸を含む断面形状が鋸歯形状の第 2回折構造 50 (第 2位相差構造）が形成されている。表 1にレンズデータを示す。表 1中の Riは曲率 半径、 diは第 i面力 第 i+ 1面までの光軸方向の位置、 niは各面の屈折率を表して いる。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、 10のべき乗数（例えば、 2. 5 X 10— 3)を、 E (例えば、 2. 5 X E—3)を用いて表すものとする。
[0092] [表 1]
実施例 1
焦点 £巨離
Figure imgf000023_0001
mm, f3=3.12 誦 fll= oo, fl2 = 3.00 mm
開口数 NA1 = 0.65, NA2 = 0.65, NA3 = 0.51
結像倍率 m = 0.0, m = 0.0, m = 0.0
Figure imgf000023_0002
di は、 第 i面から第 i + 1面までの変位を表す。
非球面 ·回折面データ
第 2面 < h 回折面 光路差関数の係数 ※階段形状
591 屈折面 B2 0.0000E+00 ml = 2
B4 - - 9055E-01 dl = 5
B6 -4.6675E-02 え 3にのみ位相差が与えられ、 回折 する
え 1は 5波長分の光路差、 え 2は 3 波長分の光路差が生じ、 位相差がほ とんど生じないため回折しない 第 3面 非球面係数 光路差関数の係数 ※鋸歯形状
κ 0.0000E + 00 B2 0.0000E+00 回折次数
A4 -7.6977E-04 B 1.0657E+00 P = 10
A6 -3.5905E-04 B6 . 116E-01 Q = ら
R =
第 4面 非球面係数 光路差関数の係数 ※鋸歯形状
κ -5.5809E-01 B2 -2.0853E+01 回折次数
A4 -3.4712E-04 B4 -2.5680E+00 L = 8
A6 -1.7140E-04 B6 -3.0226E+00 M = 5
A8 6.5850E-04 B8 8.7789E-01 N = 4
A10 -7.5544E-05 B10 -1.0763E-01
A12 -5.0776E-06
A14 -7.7798E-07
第 5面 非球面係数
- 1 .4950E+02
A4 1, 4232E-03
A6 7 , 6710E-03
A8 - 4.9896E-03
A10 1.3886E-03
A12 -1.9492E-04
A14 1.11097E-05
■ 95の時の光路差関数 01 (hmax)=42.4, Φ (hmax) =-105.3
[0093] 尚、集光素子の入射面 (第 4面)及び出射面 (第 5面）は、それぞれ数 1式に表 1に 示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されて いる。
[0094] [数 1]
非球面形状式
， (が/ ， [0095] ここで、 X (h)は光軸方向の軸 (光の進行方向を正とする）、 κは円錐係数、 A は非
2i 球面係数、 hは光軸力 の高さである。
[0096] また、第 1回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路長は数 2式の光路 差関数に、表 1に示す係数を代入した数式で規定される。
[0097] [数 2]
光路差関数
[0098] B は光路差関数の係数である。
2i
[0099] 実施例 1の第 1回折構造の光路差関数を波長 410nmとし、 8次回折でブレーズィ匕 した場合、 7? 1 = 92% (8次回折光）、 7? 2 = 86% (5次回折光）、 r? 3 = 94% (4次回 折光)となる光ピックアップ装置を設計することができる。
[0100] 図 4 (a)—図 4 (c)は、実施例 1における波長 λ 1の光束光束 (HD)、波長え 2の光 束 (DVD)及び波長 λ 3の光束 (CD)の縦球面収差図であり、縦軸に DVD開口径を 1とした場合の NA、横軸に SA (mm)をとつて示しており、点線は各光ディスクにおけ る必要開口径である。図 5は、実施例 1における波長変動時の波面収差特性を示す 図である。
(比較例）
次に、比較例について説明する。本比較例は、 1枚の対物レンズに単一の回折構 造を設けて球面収差を行う例である。表 2にレンズデータを示す。表 2中の Riは曲率 半径、 diは第 i面力 第 i+ 1面までの光軸方向の位置、 niは各面の屈折率を表して いる。尚、非球面形状及び光路差付与形状は、数 1 , 2に従う。図 6 (a)—図 6 (c)に、 比較例の縦球面収差図を示し、図 7に、比較例の波長変動時の波面収差特性を示 す図を示す。
[0101] [表 2] 比較例
焦点距離 =3.00 rmi f2=3.10 mm, f3=3.12 mm, f 11= ∞, f 12=3.00
開口数 NA1 = 0.65 NA2 = 0.65, NA3 = 0.51
結像倍率 m =0.0, m 0.0, m = -1/14.6
Figure imgf000025_0001
※ は、 第 i面から第 i + 1面までの変位を表す。
非球面'回折面データ
第 2面 非球面係数 光路差関数の係数 ※鋸歯形状
K -5.5809E-01 -2.0853E+01 回折次数
A4 -3.4712E-04 -2.5680E+00 L = 8
A6 -1.7140E-03 -3.0226E+00 M = 5
A8 6.5850E-04 8.7789E-01 N = 4
A10 -7.5544E-05 -1.0763E-01
A12 -5.0776E-06
A14 -7.7798E-07
第 3面 非球面係数
K -1.4950E+02
A4 1.4232E-03
A6 7.6710E-03
A8 -4.9896E-03
A10 1.3886E-03
A12 -1.9492E-04
A14 1.11097E-05
¾<hmax=l .95の時の光路差関数 1 (hmax) =42.4 , (hmax) =-105.3
[0102] 図 4(a)—図 4(c),図 6 (a)—図 6 (c)を比較して、実施例も比較例も全ての光束に おいて、必要開口数内で縦球面収差 SAが ±0.005mm以内に収まるように収差補 正されている力 比較例の CDの球面収差は連続しており、何らかの開口制限が必 要である力 実施例の CDの球面収差は不連続であり、開口制限が必要であることを 示している。
[0103] 尚、回折構造によって起こる数 nm—数十 nmの波長変化で発生する球面収差の 補正を行う光学面などを、必要に応じて設けることができる。
産業上の利用可能性
[0104] 本発明によれば、異なる 3つの波長である光束を入射させた場合でも、良好な球面 収差補正を行える対物光学素子を提供することができる

Claims

請求の範囲
[1] 波長 λ ΐの第 1光源と、波長え 2 ( λ 1 <ぇ2)の第 2光源と、波長え 3 ( λ 2<ぇ3)の 第 3光源と、対物光学素子を含む集光光学系とを有する光ピックアップ装置の対物 光学素子であって、
前記対物光学素子を介して、前記第 1光源からの光束を、厚さ tlの保護層を介して 第 1光情報記録媒体の情報記録面に集光させることによって、情報の記録及び Z又 は再生を行うことが可能となっており、前記対物光学素子を介して、前記第 2光源か らの光束を、厚さ t2 (tl≤t2)の保護層を介して第 2光情報記録媒体の情報記録面 に集光させることによって、情報の記録及び Z又は再生を行うことが可能となっており 、前記対物光学素子を介して、前記第 3光源からの光束を、厚さ t3 (t2<t3)の保護 層を介して第 3光情報記録媒体の情報記録面に集光させることによって、情報の記 録及び Z又は再生を行うことが可能となっており、
前記対物光学素子は、前記波長 λ 3の光束に対して実質的な位相の変化を与え、 波長 λ 1、え 2の光束に対して実質的な位相の変化を与えない光路差を与える第 1 光路差付与構造と、前記波長 λ 1の光束、前記波長 λ 2の光束、及び前記波長 λ 3 の光束に対して光路差を与える第 2光路差付与構造とを備えていることを特徴とする 対物光学素子。
[2] 前記第 1光情報記録媒体、前記第 2光情報記録媒体及び前記第 3光情報記録媒 体に対して情報の再生及び Ζ又は記録を行う場合、前記対物光学素子の結像倍率 がほぼ同じであるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の 対物光学素子。
[3] 前記結像倍率が 0であることを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の対物光学素 子。
[4] 前記第 1光路差付与構造は、回折構造であることを特徴とする請求の範囲第 1項に 記載の対物光学素子。
[5] 前記第 1光路差付与構造は、所定数の溝力 なる不連続部位を光軸を中心として 同心円状に周期的に形成することで構成され、前記溝の深さが、前記不連続部位を 通過する前記波長 λ 1及び前記波長 λ 2の光束に対して実質的な位相の変化が無 いように設定され、且つ前記不連続部位を通過する前記波長 λ 3の光束に対しては 実質的な位相の変化があるよう設定されていることを特徴とする請求の範囲第 1項に 記載の対物光学素子。
[6] 前記第 1光路差付与構造が形成されている前記対物光学素子の前記波長 λ 1に 対する屈折率を nl、前記第 1光路差付与構造における前記溝の光軸方向の段差量 を dl、不連続部位の数を ml (整数）とし、 d= λ l/ (nl-l)としたとき、
4. 7 X d≤dl≤5. 3 X d (1)
2≤ml≤5 (2)
を満たすことを特徴とする請求の範囲第 5項に記載の対物光学素子。
[7] 前記第 2光路差付与構造は断面が鋸歯状の構造であり、前記第 1光情報記録媒体 に対して前記第 2光路差付与構造によって生じる L (L = 2Nであって、 Nは整数)次 の回折光の光束による集光スポットが形成され、前記第 2光情報記録媒体に対して 前記第 2光路差付与構造によって生じる M (Mは整数)次の回折光の光束による集 光スポットが形成され、前記第 3光情報記録媒体に対して前記第 2光路差付与構造 によって生じる N次の回折光の光束による集光スポットが形成されるように構成される ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の対物光学素子。
[8] L= 2、 M= l、 N= lであることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の対物光学 素子。
[9] L= 6、 M=4、 N = 3であることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の対物光学 素子。
[10] L= 8、 M = 5、 N=4であることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の対物光学 素子。
[11] L= 10、 M = 6、 N = 5であることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の対物光学 素子。
[12] 前記第 2光路差付与構造を通過する前記波長 λ 1の前記 L次回折光、前記波長 λ 2の前記 Μ次回折光、及び前記波長 λ 3の前記 Ν次回折光の回折効率を、それぞれ η 1、 η 2及び 3としたとき、 7? 1 > 80%、 7? 2 > 70%及び 7? 3 > 80%であることを 特徴とする請求の範囲第 7項に記載の対物光学素子。
[13] 前記波長 λ ΐ、前記波長 λ 2、前記波長 λ 3が、
370nm< λ K450nm (3)
620nm< λ 2< 690nm (4)
750nm< λ 3< 830nm (5)
を満たすことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の対物光学素子。
[14] 前記対物光学素子は光源側に配置される第 1光学素子と、光情報記録媒体側に 配置される第 2光学素子の 2つの素子で構成されることを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載の対物光学素子。
[15] 前記第 1光学素子に前記第 1光路差付与構造を、前記第 2光学素子に前記第 2光 路差付与構造を備えることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載の対物光学素子
[16] 前記第 1光学素子の 1面に前記第 1光路差付与構造を、他面に前記第 2光路差付 与構造を備えることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載の対物光学素子。
[17] 前記第 1光学素子の光源側の光学面に前記第 1光路差付与構造が設けられてい ることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載の対物光学素子。
[18] 前記第 1光学素子の前記波長 λ 1に対する焦点距離を f 11、前記第 2光学素子の 前記波長 λ 1に対する焦点距離を f 12としたとき、
I fl2/fl l I < 0. 1 且つ I 1/fl l I < 0. 02 (8)
を満たすことを特徴とする請求の範囲第 14項に記載の対物光学素子。
[19] 前記第 1光学素子の少なくとも 1面は近軸の曲率半径がほぼ無限大であることを特 徴とする請求の範囲第 14項に記載の対物光学素子。
[20] 前記対物光学素子は第 3光路差付与構造を備え、前記第 3光路差付与構造は、光 軸方向の断面形状が鋸歯状で光軸を中心とする複数の輪帯から構成され、前記波 長 λ 1の入射光束が前記各輪帯を通過する際に波長 λ 1の Ρ倍の光路差を付与し、 前記波長 λ 2の入射光束が前記各輪帯を通過する際に波長 λ 2の Q倍の光路差を 付与するように設定され (P、 Qは自然数）、 P = 5、 Q = 3又は P = 8、 Q = 5或いは Ρ = 10、 Q = 6であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の対物光学素子。
[21] 前記第 1光路差付与構造を、第 1の光路差関数 φ (h)を用いて、 φ (h) = (A X h2+A X h4+ - - - +A X h2i) X λ X M
1 2 4 2i
(h:光軸からの高さ、 A ：光路差関数の係数、 i:自然数、 λ :ブレーズィ匕波長）と表し
2i 前記第 3光路差付与構造を、第 2の光路差関数 φ (h)を用いて、
(h) = (B X h2 + B X h4+ - - - +B X h2i) X λ X P
2 4 2i
(h:光軸からの高さ、 B ：光路差関数の係数、 i:自然数、 λ :ブレーズィ匕波長）と表し
2i 前記第 1光情報記録媒体側の開口数となる光軸からの高さを hmaxとしたときに、 係数 A =0を代入した場合に得られる φ (hmax)と、係数 B =0を代入した場合に
2 1 2
得られる φ (hmax)とは符号が異なることを特徴とする請求の範囲第 20項に記載の 対物光学素子。
[22] 前記第 1の光路差関数の係数 A≠0であることを特徴とする請求の範囲第 21項に
2
記載の対物光学素子。
[23] 前記第 2の光路差関数の係数 B≠0であることを特徴とする請求の範囲第 21項に
2
記載の対物光学素子。
[24] 前記第 3光情報記録媒体に対して情報の再生及び Z又は記録を行う場合における 、前記 N次の回折光の光束の焦点位置と、（N± l)次の光束の焦点位置とは、光軸 方向に 0. Olmm以上離れていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の対物 光学素子。
[25] 前記対物光学素子の光学面の少なくとも 1つは、波長に応じた開口制限機能を有 することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の対物光学素子。
[26] 前記開口制限機能は、特定波長のみを透過するダイクロイツクフィルタの機能であ ることを特徴とする請求の範囲第 25項に記載の対物光学素子。
[27] 前記開口制限機能は、回折構造により所定の波長の光束をフレア化する機能であ ることを特徴とする請求の範囲第 25項に記載の対物光学素子。
[28] 前記対物光学素子の少なくともひとつの光学面は光軸を含み光軸を中心とする同 心円状の中央領域と、前記中央領域の周辺に位置し、前記所定の波長の光束をフ レア化する回折構造を有する周辺領域の少なくとも 2つの領域を備え、前記周辺領 域を通過した前記波長 λ 3の光束はフレア化されることを特徴とする請求の範囲第 2
7項に記載の対物光学素子。
[29] 前記周辺領域の周辺に位置し光軸を中心とする同心円状の外周領域が設けられ、 前記外周領域を通過した前記波長 λ 1もしくは前記波長 λ 2の光束のいずれか一方 は、フレア化することを特徴とする請求の範囲第 28項に記載の対物光学素子。
[30] 前記中央領域には前記第 1光路差付与構造を有することを特徴とする請求の範囲 第 28項に記載の対物光学素子。
[31] 請求の範囲第 1項に記載の対物光学素子を用いたことを特徴とする光ピックアップ 装置。
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