WO2011033785A1 - 光学素子及びそれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

光学素子及びそれを用いた光ピックアップ装置 Download PDF

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WO2011033785A1
WO2011033785A1 PCT/JP2010/005688 JP2010005688W WO2011033785A1 WO 2011033785 A1 WO2011033785 A1 WO 2011033785A1 JP 2010005688 W JP2010005688 W JP 2010005688W WO 2011033785 A1 WO2011033785 A1 WO 2011033785A1
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optical
wall region
objective lens
lens element
light
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克彦 林
康弘 田中
道弘 山形
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パナソニック株式会社
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/139—Numerical aperture control means
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
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    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
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    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
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    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1374—Objective lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical element used for recording / reproducing / erasing information on / from an information recording surface of an optical information recording medium, and an optical pickup device using the optical element.
  • the focal depth is shallow. Further, when the light source power is changed when switching the operation from reproduction to recording in the optical pickup device, the wavelength of the laser light source changes instantaneously by mode hopping. At this time, if there is chromatic aberration in the optical system, the spot position may shift and off-track may occur.
  • a high recording density optical disc for example, Blu-ray Disc (registered trademark)
  • the wavelength of the laser light source changes instantaneously by mode hopping. At this time, if there is chromatic aberration in the optical system, the spot position may shift and off-track may occur.
  • Patent Document 1 discloses a technique for providing a diffractive structure for correcting chromatic aberration to a high NA objective lens.
  • the shape of the sawtooth diffraction structure (hereinafter also referred to as “relief shape”) in order to obtain high diffraction efficiency.
  • the highest diffraction efficiency is obtained when the depth of the relief shape is ⁇ / (nd-1) ⁇ m (where ⁇ is the design wavelength, nd is the material refractive index, and m is a natural number).
  • ⁇ is the design wavelength
  • nd is the material refractive index
  • m is a natural number
  • An object of the present invention is to provide a high-efficiency optical element having an optical step for imparting a phase difference to transmitted light and having little light loss.
  • the present invention relates to an optical element provided with an optical step for imparting a phase difference to a transmitted light beam.
  • the optical element of the present invention includes a symmetry axis, a plurality of optical function surfaces that are ring-shaped regions around the symmetry axis, and a plurality of wall regions that connect the optical function surfaces to each other.
  • a step is formed.
  • the wall region has a taper shape, and the taper angle of the outer surface of the wall region is an angle between a light beam incident on the optical function surface on the outer peripheral side of the wall region and passing through the vicinity of the wall region and the axis of symmetry. Almost equal.
  • the present invention it is possible to realize a small amount of light loss due to being blocked by the wall region while being provided with an optical step that gives a phase difference to transmitted light.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of the objective lens element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an optical step provided on the second surface of the objective lens element and an optical path of a light beam incident on the optical step.
  • FIG. 3 is a diagram showing a conventional objective lens element having an optical step.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the optical pickup device according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an objective lens element according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 8 is a graph showing a sine condition when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 9 is a sectional view of the second surface side diffractive surface of the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 10 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 11 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 12 is a graph showing a sine condition when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 13 is a sectional view of the second surface side diffractive surface of the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 14 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 3.
  • FIG. 15 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 3.
  • FIG. 16 is a graph showing a sine condition when parallel light is
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of the objective lens element according to the first embodiment.
  • the objective lens element 1 according to the present embodiment is for focusing laser light on the information recording surface of the information recording medium 2.
  • the type of the information recording medium 2 is not particularly limited.
  • the information recording medium 2 may be, for example, a CD (Compact Disc Rerecordable), a CD-RW (Compact Disk Read Only), a CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), a DVD (Digit Discrete Memory), or a DVD (Digit Digital Memory).
  • DVD-R Digital Versatile Disc Recordable
  • DVD-RW Digital Versatile Disc Rewriteable
  • DVD-ROM Digital Versatile Disc Read Only Memory
  • DVD-ROM Digital Versatile Disc Read Only Memory
  • ed Versatile Disc ed Versatile Disc
  • EVD-R Enhanced Versatile Disc Recordable
  • EVD-RW Enhanced Versatile Disc ReWritable
  • EVD-ROM Enhanced Versatile Disc Read Only Memory
  • EVD-RAM Enhanced Versatile Disk Random Access Memory
  • BD Blu -Ray Disc
  • BD-R Blu-ray Disc Recordable
  • BD-RW Blu-ray Disc Rewritable
  • BD-ROM Blu-ray Disc Read Only Memory
  • BD-RAM It may be an optical disc such as lu-ray Disc Random Access Memory (all of which are registered trademarks).
  • a light beam 3 (for example, wavelength 405 nm) emitted from a light source (not shown) is made substantially parallel light by a collimating lens (not shown) and enters the objective lens element 1.
  • the objective lens element 1 is a single lens element having an optical step that gives a phase difference to a transmitted light beam.
  • the objective lens system having an optical step is not limited to a single lens element.
  • the light beam 3 enters the aspheric surface 1a and exits from the aspheric surface 1b.
  • the emitted light beam 3 is condensed on the information recording surface of the optical information recording medium 2 to form a good spot.
  • the light beam 3 reflected on the optical information recording surface is incident on the aspherical surface 1b of the objective lens element 1, is emitted from the other aspherical surface 1a, and is incident on the collimator lens or the like as substantially parallel light again, and is detected by a detector (FIG. (Not shown) is converted into an electrical signal and detected.
  • a detector FIG. (Not shown) is converted into an electrical signal and detected.
  • the diffractive lens element 1 has an aspheric surface 1a that is a first surface and an aspheric surface 1b that is a second surface.
  • the aspherical surface 1b is provided with a diffractive structure that gives a phase difference to incident light. This diffractive structure is provided for the purpose of reducing aberrations that occur when the temperature of the objective lens element 1 changes.
  • FIG. 2 is a diagram showing an optical step provided on the second surface of the objective lens element and an optical path of a light beam incident thereon.
  • the second surface of the objective lens element 1 has a plurality of optical function surfaces (n ⁇ 1), (n), (n + 1), (n + 2),... , Optical steps including wall regions (n ⁇ 1), (n), (n + 1),... Connecting optical functional surfaces are provided.
  • the height of the wall region in the direction parallel to the optical axis that is, the blaze height, is set so as to generate a phase difference that is one time the design wavelength. Therefore, the diffraction efficiency is maximized when the wavelength used is equal to the design wavelength.
  • the taper angle of the outer surface of the wall region with respect to the optical axis increases.
  • the contour line of the wall region (n ⁇ 1) connecting the optical function surface (n ⁇ 1) and the optical function surface (n) is The light enters the optical function surface (n) on the outer peripheral side of the wall region (n-1) and is substantially parallel to the light beam (n-1) passing through the vicinity of the wall region (n-1). That is, the wall region (n ⁇ 1) is formed in a taper shape with a taper angle ⁇ (n ⁇ 1), and the taper angle ⁇ (n ⁇ 1) is an optical function on the outer peripheral side of the wall region (n ⁇ 1).
  • the angle ⁇ (n ⁇ 1) formed by the ray (n ⁇ 1) passing through the vicinity of the wall region (n ⁇ 1) after entering the surface n and the symmetry axis is substantially equal.
  • the contour lines of the wall regions n and (n + 1) shown in FIG. 2 are substantially parallel to the light rays passing near the wall regions (n) and (n + 1), respectively.
  • the taper angles ⁇ (n) and ⁇ (n + 1) are approximately equal to the angles ⁇ (n) and ⁇ (n + 1) of the rays (n) and (n + 1) with respect to the optical axis.
  • all wall regions not shown in FIG. 2 are similarly configured.
  • FIG. 3 is a view showing a conventional objective lens element having an optical step.
  • the objective lens element of FIG. 3 includes a step structure on the second surface side, as in the example of FIG.
  • the contour lines of the wall regions (n ⁇ 1), (n), (n + 1)... are all designed to be parallel to the optical axis.
  • a light beam having an angle with respect to the optical axis passes in the vicinity of the wall region, a part of the light beam is blocked by the wall region.
  • the light beam that is not effectively used herein refers to a light beam that does not contribute to the spot performance formed by the objective lens element. Therefore, a lens with many invalid areas can be said to be a lens with low light utilization efficiency.
  • the emission angle of the light beam transmitted through the second surface increases from the optical axis to the periphery. If a step is provided in accordance with the inclination of the light beam, the amount of light blocked by the step can be reduced. As a result, it is possible to realize a lens with high light utilization efficiency.
  • the maximum value of the angle formed is smaller than 25 degrees, when an objective lens element having the same thickness in the optical axis direction is considered, the area of the invalid region becomes too large to be put to practical use.
  • the area of the ineffective region increases, the amount of light passing through the outermost wall region and the vicinity thereof decreases, making it difficult to ensure an effective numerical aperture.
  • the maximum value of the angle formed is smaller than 25 degrees, the objective lens element must be increased in thickness in order to reduce the area of the ineffective region and secure an effective numerical aperture. It becomes a lens having a thickness, and a compact objective lens element cannot be achieved.
  • the taper angle ( ⁇ ) of the outer surface of the wall region is substantially equal to the angle ( ⁇ ) formed between the light beam passing outside and in the vicinity of the wall region and the symmetry axis, the maximum value of the taper angle of the outer surface of the wall region. That is, it can be said that the taper angle of the outermost wall region is 25 ° or more.
  • the phase change amount due to the step is assumed to correspond to one wavelength of the design wavelength, but may be an integer multiple of the wavelength. Further, when a plurality of wavelengths are used for one lens, the number may not be an integral multiple.
  • the objective lens system may be configured with a plurality of lens elements instead of a single lens element as long as it has at least an optical step.
  • the optical step is arranged on the second surface side, but may be arranged on the first surface side.
  • the first surface of the objective lens element 1 is an aspherical surface, but is not limited thereto.
  • the first surface may be a diffractive surface or a phase step surface, and may be divided into concentric annular zone regions.
  • the BD objective optical system has been described in detail, but a DVD / CD objective lens element may be disposed adjacently on the same actuator.
  • the objective lens element dedicated to BD is exemplified, but may have a function compatible with other optical information recording media.
  • the optical step for aberration correction may be configured by providing the above-described optical steps (that is, a plurality of optical surfaces and a plurality of wall regions connecting them) on an element having no power such as a flat plate.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the optical pickup device according to the second embodiment.
  • the optical pickup according to the present embodiment realizes stable recording and reproduction using the objective lens element according to the present invention.
  • the optical pickup device includes a light source 41, a beam shaping lens 44 that shapes a light beam emitted from the light source 41, a beam splitter 45, a collimator lens 42, a rising mirror 47, and an objective lens element. 43, a detection lens 50, and a detector 54.
  • the light source 41 emits laser light (divergent light) having a wavelength corresponding to the type of the information recording medium 46.
  • the information recording medium 46 is BD (registered trademark)
  • a light source 41 that emits laser light having a wavelength of 378 to 438 nm may be less than 420 nm
  • the information recording medium 46 is a DVD (registered trademark)
  • a light source 41 that emits laser light having a wavelength of 630 to 690 nm is used.
  • a light source 41 that emits laser light having a wavelength of 750 to 810 nm is used.
  • an optical pickup device compatible with three types of optical discs of CD, DVD, and BD is configured, a light source 41 that can selectively emit light having a wavelength corresponding to the type of the optical disc is used. it can.
  • a beam shaping lens 44 is disposed in front of the light source 41.
  • the beam shaping lens 44 shapes the laser light emitted from the light source 41 into a desired shape.
  • the laser beam shaped by the beam shaping lens 44 is reflected by the reflecting surface of the beam splitter 45 toward the information recording medium 46 side.
  • the beam shaping lens 44 may be omitted.
  • a collimating lens which may be constituted by a single lens element or may be constituted by a plurality of lens elements
  • An objective lens element 43 for focusing the laser beam on each information recording surface is arranged.
  • the objective lens element 43 is the same as that described in the first embodiment.
  • the first surface on the incident side is aspherical, and the second surface on the output side has an optical step.
  • the repeated description of the shape of the second surface is omitted.
  • the objective optical system is composed of one objective lens element 43.
  • the objective optical lens element and other ones such as a phase correction element and a beam expander lens may be used. You may comprise with the above optical element.
  • an optical element in which the above-described optical step is provided in the form of an element having no power such as a flat plate may be configured, and the objective optical system may be configured by combining this optical element with an objective lens element.
  • the NA of the objective lens element 43 is not particularly limited, but is preferably 0.8 or more particularly when the optical pickup device focuses laser light on BD (registered trademark). .
  • the laser beam focused on the information recording surface of the information recording medium 46 by the objective lens element 43 is reflected by the information recording surface. Then, the reflected light from the information recording surface passes through the objective lens 43, the rising mirror 47, the collimating lens 42, and the beam splitter 45, and then enters the detector 54 by the detection lens 50.
  • the collimator lens 42 has a function as an aberration correction element, and is positioned at a reference position between the beam splitter 45 and the objective lens 43, and can be displaced on the optical axis AX from the reference position. It is configured. Furthermore, in the present embodiment, substantially collimated light is incident on the objective lens element 43 when the collimating lens 42 that functions as an aberration correction element is located at the reference position.
  • the aberration correction element may be configured as a single beam expander disposed between the collimator lens and the objective lens, You may comprise by a collimating lens.
  • a liquid crystal lens, a liquid lens, or the like may be used as the aberration correction element.
  • the lens elements other than the objective lens element 43 and other optical elements may be configured by only a refractive surface having substantially only a refractive action, for example, a diffractive surface. And other optical functional surfaces such as a phase step surface.
  • the material of each optical element is not particularly limited, and may be made of, for example, glass or resin.
  • the optical pickup device may further include an element between the light source 41 and the information recording medium 46 that does not substantially affect the transmitted wavefront aberration.
  • an element between the light source 41 and the information recording medium 46 that does not substantially affect the transmitted wavefront aberration.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an objective lens element according to the third embodiment.
  • the objective lens element 61 according to the present embodiment is for focusing laser light on the information recording surface of the information recording medium 62.
  • the objective lens element 61 is a BD objective lens element is illustrated in the present embodiment, it may be another optical disk objective lens element as in the first embodiment.
  • Blue light 63 emitted from the light source passes through a beam shaping lens and a collimating lens (both not shown) and enters the objective lens element 61 as substantially parallel light.
  • the objective lens element 61 is a single lens element made of resin.
  • the first surface 61a is divided into an inner peripheral region 64a including the optical axis and an outer peripheral region 65a surrounding the inner peripheral region.
  • the inner peripheral area 64a is made of an aspheric surface
  • the outer peripheral area 65a is made of a diffractive surface.
  • the diffractive structure provided in the outer peripheral region 65a is arranged to correct an aberration caused by a change in the refractive index of the lens material due to a temperature change (and a wavelength change) when the lens is used.
  • the second surface 61b is divided into an inner peripheral region 64b including the optical axis and an outer peripheral region 65a surrounding the inner peripheral region.
  • the inner peripheral region 64b is made of a diffractive surface
  • the outer peripheral region 65b is made of an aspherical surface.
  • the diffractive structure provided in the inner peripheral region 64b is arranged to correct an aberration caused by a change in the refractive index of the lens material due to a temperature change (and a wavelength change) when the lens is used.
  • the sign (sign) is reversed in the relationship between the amount of phase imparted by diffraction in the outer peripheral region 65a of the first surface 61a and the amount of phase imparted by diffraction in the inner peripheral region 64a of the second surface 61b. . Since there is a purpose to correct third-order spherical aberration among aberrations generated by the change in refractive index, the increase / decrease direction of the phase differs between the inner peripheral region 64b and the outer peripheral region 65a. The two diffraction regions do not overlap each other. That is, the same light beam does not pass through the diffraction region twice.
  • a diffraction structure is arranged in the inner peripheral region 64b on the second surface 61b side in a region where the NA is smaller than the boundary value, and the NA is larger than the boundary value.
  • the diffraction structure is arranged in the outer peripheral region 64b on the first surface 61a side in the region where the height is large. Therefore, these diffractive structures do not overlap each other.
  • the diffractive structure disposed in the outer peripheral region 65a of the first surface 61a has a shape that increases the lens thickness as it goes from the optical axis to the outer periphery.
  • the diffractive structure disposed in the inner peripheral region 64b of the second surface 61b has a diffractive shape that decreases the lens thickness from the optical axis toward the outer periphery.
  • the combination of the above diffraction shape and the arrangement location is not limited.
  • the exit angle is large, when a diffractive structure having a convex power is arranged, the invalid area (area where the emitted light is shielded) by the wall area portion of the relief becomes large, Light utilization efficiency decreases. Therefore, the diffractive structure having convex power is preferably provided on the first surface 61a.
  • the surface to which an aspheric coefficient is given is an aspherical refractive optical surface or a surface having a refractive action equivalent to an aspherical surface (for example, a diffractive surface).
  • the aspherical surface shape is defined by the following equation (1).
  • X distance from the tangent plane of the aspherical vertex of the aspherical point whose height from the optical axis is h
  • h height from the optical axis
  • k j the conic constant of the lens j-th surface
  • a j, n nth-order aspherical constant of lens j-th surface
  • phase difference caused by the diffractive structure added to the optical surface is given by the following equation (2).
  • Table 1 shows construction data of the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • the design wavelength is 405 nm
  • the focal length is 1.20 mm
  • the numerical aperture (NA) is 0.85
  • the protective layer thickness of the information recording medium is 0.085 mm.
  • the thickness of the design protective layer is set to 0.085 mm in order to cope with a BD multilayer disc, and corresponds to the thickness between the thickest protective layer and the thinnest protective layer.
  • FIG. 6 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 8 is a graph showing a sine condition when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 1.
  • FIG. 9 shows a cross section of the second surface side diffractive surface of the objective lens element.
  • the number of aspherical regions (annular optical function surfaces) provided on the second surface side is 72, and the number of steps (wall regions) is 71.
  • the height of the step along the optical axis direction decreases from a maximum of 0.63 ⁇ m to a minimum of 0.44 ⁇ m from the optical axis toward the periphery.
  • the taper angle (angle formed with the optical axis) of the wall region increases from the optical axis toward the periphery, and increases from a minimum of 0 degrees to a maximum of 58 degrees.
  • the design wavelength is 405 nm
  • the focal length is 1.10 mm
  • the numerical aperture (NA) is 0.85
  • the protective layer thickness of the information recording medium is 0.085 mm.
  • the thickness of the design protective layer is set to 0.085 mm in order to cope with a BD multilayer disc, and corresponds to the thickness between the thickest protective layer and the thinnest protective layer.
  • FIG. 10 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 11 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 12 is a graph showing a sine condition when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 2.
  • FIG. 13 shows a second-surface-side diffractive surface shape cross section of the objective lens element.
  • the number of aspherical regions (annular optical function surfaces) provided on the second surface side is 39, and the number of steps (wall regions) is 38.
  • the height of the step along the optical axis direction decreases from a maximum of 0.63 ⁇ m to a minimum of 0.42 ⁇ m from the optical axis toward the periphery.
  • the taper angle (angle formed with the optical axis) of the wall region increases from the optical axis toward the periphery, and increases from a minimum of 0 degrees to a maximum of 58 degrees.
  • the design wavelength is 408 nm
  • the focal length is 1.30 mm
  • the numerical aperture (NA) is 0.86
  • the protective layer thickness of the information recording medium is 0.0875 mm.
  • the thickness of the design protective layer is set to 0.0875 mm in order to cope with a BD multilayer disc, and corresponds to the thickness between the thickest protective layer and the thinnest protective layer.
  • FIG. 14 is an optical path diagram of the objective lens element according to Numerical Example 3.
  • FIG. 15 is a graph showing spherical aberration when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 3.
  • FIG. 16 is a graph showing a sine condition when parallel light is incident on the objective lens element according to Numerical Example 3.
  • the inner peripheral region (first region) of the first surface is an aspherical surface
  • the outer peripheral region (second region) is a diffractive surface.
  • the number of annular zones constituting the diffractive surface is 22.
  • the width of the annular zone in the radial direction becomes fine from the inner periphery to the outer periphery, and is about 5 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the blaze depth of the step is a dimension corresponding to a phase difference of one wavelength with respect to the BD wavelength.
  • the inner peripheral region (first region) of the second surface is made of a diffractive surface
  • the outer peripheral region (second region) is made of an aspherical surface.
  • the number of annular zones constituting the diffractive surface is 17.
  • the width of the annular zone in the radial direction is about 200 ⁇ m to 11 ⁇ m, becoming finer from the inner periphery to the outer periphery.
  • the blaze depth of the step is a dimension corresponding to the phase difference for one wavelength with respect to the design wavelength.
  • the height of the step along the optical axis direction decreases from a maximum of 0.69 ⁇ m to a minimum of 0.56 ⁇ m from the optical axis toward the periphery.
  • the taper angle (angle formed with the optical axis) of the wall region increases from the optical axis toward the periphery, and increases from a minimum of 0 degrees to a maximum of 25 degrees.
  • the optical element according to the present invention realizes a lens having high light utilization efficiency by devising the shape of the step structure, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), BD (Blu-ray Disc). ), EVD (Enhanced Versatile Disc), HD-DVD (High Definition Digital Versatile Disc), etc., an optical pickup device that records and reproduces various information recording media, information devices (computers, etc.) using this, and video It can be used for equipment and audio equipment.
  • CD Compact Disc
  • DVD Digital Versatile Disc
  • BD Blu-ray Disc
  • EVD Enhanced Versatile Disc
  • HD-DVD High Definition Digital Versatile Disc

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Optical Head (AREA)

Abstract

　透過光に位相差を付与する光学段差を備え、光量損失の少ない高効率の光学素子を提供する。本発明の光学素子は、対称軸と、対称軸周りの輪帯状領域である複数の光学機能面と、光学機能面同士を接続する複数の壁領域とを備え、光学機能面及び壁領域によって光学段差が構成される。対称軸を含む平面を切断面とする断面上において、壁領域の輪郭線は、外周側の光学機能面に入射して壁領域近傍を通る光線とほぼ平行である。対称軸と壁領域近傍を通る光線とのなす角の最大値が２５度以上である

Description

光学素子及びそれを用いた光ピックアップ装置
　本発明は、光情報記録媒体の情報記録面に対して情報の記録・再生・消去の少なくとも１つを行うために用いられる光学素子及びそれを用いた光ピックアップ装置に関する。
　高記録密度の光ディスク（例えばＢｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ（登録商標））用光ピックアップ装置に用いられる対物レンズのＮＡは、ＣＤやＤＶＤに用いられるものと比較して大きいため、焦点深度が浅い。また、光ピックアップ装置において再生から記録への動作切替の際、光源パワーを変化させると、モードホッピングによりレーザ光源の波長が瞬時に変化する。この時、光学系に色収差があると、スポット位置がずれ、オフトラックが起こる可能性がある。
　そのため、ＢＤ光学系では軸上色収差を補正しておく必要がある。その補正には回折を利用することが一般的であり、回折構造を設けた様々な光学素子が開発されている。例えば、コリメートレンズ、アフォーカルレンズ、対物レンズに回折構造を付与した光学素子が種々提案されている。例えば、特許文献１には、高ＮＡの対物レンズに色収差補正用の回折構造を付与する技術が開示されている。
特開平９－３１１２７１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の構成を採用する場合、高い回折効率を得るためには、鋸歯状の回折構造の形状（以下、「レリーフ形状」ともいう）に注意する必要がある。一般に、レリーフ形状の深さは、λ／（ｎｄ－１）×ｍ（ただし、λ：設計波長、ｎｄ：材料屈折率、ｍ：自然数）とした時に、最も高い回折効率が得られる。また、回折効率とは厳密には異なるが、レリーフを透過した光線が、その後、隣り合うレリーフに遮断される場合がある。高い回折効率を得られるブレーズ深さを設定しても、遮断される部分が大きければ、結果として効率の悪いレンズとなってしまう。
　本発明の目的は、透過光に位相差を付与する光学段差を備え、光量損失の少ない高効率の光学素子を提供することである。
　本発明は、透過する光束に位相差を付与する光学段差を備えた光学素子に関する。本発明の光学素子は、対称軸と、対称軸周りの輪帯状領域である複数の光学機能面と、光学機能面同士を接続する複数の壁領域とを備え、光学機能面及び壁領域によって光学段差が構成される。壁領域は、テーパー形状を有しており、壁領域外面のテーパー角は、当該壁領域の外周側の前記光学機能面に入射して前記壁領域近傍を通る光線が前記対称軸となす角とほぼ等しい。
　本発明によれば、透過光に位相差を付与する光学段差を備えつつ、壁領域で遮断されることによる光量損失の少ないを実現できる。
図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子の概略構成を表す図である。 図２は、対物レンズ素子の第２面に設けられる光学段差及びこれに入射する光線の光路を示す図である。 図３は、光学段差を有する従来の対物レンズ素子を示す図である。 図４は、実施の形態２に係る光ピックアップ装置の概略構成図である。 図５は、実施の形態３に係る対物レンズ素子の概略構成図である。 図６は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図である。 図７は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。 図８は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。 図９は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の第２面側回折面形状断面図である。 図１０は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図である。 図１１は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。 図１２は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。 図１３は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の第２面側回折面形状断面図である。 図１４は、数値実施例３に係る対物レンズ素子の光路図である。 図１５は、数値実施例３に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。 図１６は、数値実施例３に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子の概略構成を表す図である。本実施の形態に係る対物レンズ素子１は、情報記録媒体２の情報記録面にレーザ光を合焦させるためのものである。ここで、情報記録媒体２の種類は特に限定されるものではない。情報記録媒体２は、例えば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ）、ＣＤ－Ｒ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ　Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＣＤ－ＲＷ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ　ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｋ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ－Ｒ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＤＶＤ－ＲＷ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＡＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＶＤ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ
　Ｄｉｓｃ）、ＥＶＤ－Ｒ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＥＶＤ－ＲＷ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＥＶＤ－ＲＯＭ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＶＤ－ＲＡＭ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＢＤ（Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ）、ＢＤ－Ｒ（Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＢＤ－ＲＷ（Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ　ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＢＤ－ＲＯＭ（Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＢＤ－ＲＡＭ（Ｂ
ｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の光ディスク（以上、すべて登録商標）であっても良い。
　光源（図示せず）から出射された光束３（例えば、波長４０５ｎｍ）は、コリメートレンズ（図示せず）により略平行光とされ、対物レンズ素子１に入射する。対物レンズ素子１は、透過する光束に位相差を付与する光学段差を有する単レンズ素子である。ここで、光学段差を有する対物レンズ系であれば単レンズ素子に限らない。光束３は、非球面１ａに入射し、非球面１ｂから出射される。出射された光束３は、光情報記録媒体２の情報記録面上に集光され良好なスポットを形成する。光情報記録面上で反射された光束３は、対物レンズ素子１の非球面１ｂから入射し、他方の非球面１ａから出射され、再び略平行光としてコリメートレンズ等に入射し、検出器（図示せず）にて電気信号に変換され検出される。
　ここで、回折レンズ素子１の形状の詳細を述べる。回折レンズ素子１は、第１面である非球面１ａと、第２面である非球面１ｂとを有する。非球面１ｂには、入射光に位相差を与える回折構造が設けられている。この回折構造は、対物レンズ素子１の温度が変化した場合に発生する収差を低減する目的で付与されている。
　図２は、対物レンズ素子の第２面に設けられる光学段差及びこれに入射する光線の光路を示す図である。
　対物レンズ素子１の第２面には、光軸を対称軸とする輪帯状領域である複数の光学機能面（ｎ－１）、（ｎ）、（ｎ＋１）、（ｎ＋２）、・・・と、光学機能面同士を接続する壁領域（ｎ－１）、（ｎ）、（ｎ＋１）、・・・からなる光学段差が設けられている。光軸と平行な方向における壁領域の高さ、すなわち、ブレーズ高さは、設計波長の１倍の位相差を発生させるように設定されている。したがって、回折効率は、使用波長が設計波長と等しいときに最大となる。光軸から壁領域までの径方向の距離が長くなるにつれて、光軸に対する壁領域外面のテーパー角が大きくなる。また、光軸を含む平面を切断面とする断面上において（図２）、光学機能面（ｎ－１）及び光学機能面（ｎ）を接続する壁領域（ｎ－１）の輪郭線は、当該壁領域（ｎ－１）の外周側の光学機能面（ｎ）に入射して、壁領域（ｎ－１）の近傍を通過する光線（ｎ－１）とほぼ平行である。すなわち、壁領域（ｎ－１）はテーパー角α（ｎ－１）のテーパー状に形成されており、テーパー角α（ｎ－１）が、壁領域（ｎ－１）の外周側の光学機能面ｎに入射した後に壁領域（ｎ－１）の近傍を通る光線（ｎ－１）と対称軸とのなす角β（ｎ－１）とほぼ等しいとも言える。図２に示される壁領域ｎ及び（ｎ＋１）の輪郭線は、それぞれ、壁領域（ｎ）及び（ｎ＋１）近傍を通過する光線とほぼ平行である。テーパー角α（ｎ）及びα（ｎ＋１）は、光軸に対する光線（ｎ）及び（ｎ＋１）の角度β（ｎ）及びβ（ｎ＋１）とほぼ等しい。また、図２に図示されていない全ての壁領域が同様に構成されている。
　図３は、光学段差を有する従来の対物レンズ素子を示す図である。図３の対物レンズ素子は、図２の例と同様に、第２面側に段差構造を備える。
　出射される光線が光軸に対して傾きを持つ場合、壁領域によって遮られる光線量が多くなる。したがって、ブレーズ高さを調整して回折効率を高めたとしても、この壁領域による遮光量が大きければ結局光効率の悪いレンズとなる。図３の対物レンズ素子では、壁領域（ｎ－１）、（ｎ）、（ｎ＋１）・・・の輪郭線は、全て光軸に対して平行に設計されている。この壁領域近傍を光軸に対して角度を持った光線が通過する場合、光線の一部が壁領域で遮断されてしまう。図３においてハッチングを付した無効領域（ｎ－１）、（ｎ）、（ｎ＋１）、・・・は、この理由のため有効に利用されない光線が通過する領域を表す。ここでいう有効に利用されない光線とは、対物レンズ素子が形成するスポット性能に寄与しない光線をいう。したがって、この無効領域が多いレンズは、光利用効率の低いレンズといえる。
　再度図２を参照して、第２面を透過した光線の出射角は、光軸から周辺にかけて大きくなる。この光線の傾きに合わせて段差を設ければ、その段差で遮断される光線の量を減らす事が可能である。結果として、高い光利用効率をレンズの実現が可能となる。また、本発明では、光学機能面の対称軸となる光軸と、壁領域近傍を通る光線とのなす角（図２のβ）の最大値、すなわち、最も外周にある壁領域の外方かつ近傍を通過する光線と光軸とのなす角が２５度以上となるように設計されている。このなす角の最大値が２５度より小さい場合、光軸方向の厚みが同程度の対物レンズ素子を考えたとき、無効領域の面積が大きくなりすぎ、実用に供さない。無効領域の面積が大きくなると、最も外周にある壁領域の外方かつ近傍を通過する光線の光量が低下し、実効的な開口数を確保することが困難になる。また、このなす角の最大値が２５度より小さい場合、無効領域の面積を小さくし実効的な開口数を確保しようとすると、対物レンズ素子の厚みを大きくせざるを得ず、光軸方向に厚みを持つレンズとなりコンパクトな対物レンズ素子を達成することができない。尚、壁領域外面のテーパー角（α）と、壁領域の外方かつ近傍を通過する光線と対称軸とのなす角（β）とがほぼ等しいことから、壁領域外面のテーパー角の最大値、すなわち、最外周の壁領域のテーパー角が２５°以上であるとも言える。
　なお、本実施の形態では、段差による位相変化量を設計波長の１波長に相当するものとしているが、波長の整数倍であれば良い。また、１つのレンズに対して複数の波長が使用される場合であれば整数倍でなくても良い。また、少なくとも光学段差を有していれば、単レンズ素子でなく、複数のレンズ素子で対物レンズ系を構成しても良い。また、本実施の形態では、第２面側に光学段差を配置しているが、第１面側に配置しても良い。しかしながら、光学段差を第１面側に設けた場合、光軸と壁領域の輪郭線とのなす角度が小さいため、得られる効果は小さい。それ故、光学段差は、第２面側に配置するのが好ましい。本実施の形態例では、対物レンズ素子１の第１面は非球面であるが、これに限らない。第１面は、回折面でも位相段差面でも良いし、同心円状の輪帯領域に分割されても良い。
　また、本実施の形態においては、ＢＤ用の対物光学系について詳細を述べたが、同じアクチュエータ上で隣接してＤＶＤ／ＣＤ用対物レンズ素子が配置されていても良い。また、本実施の形態では、ＢＤ専用対物レンズ素子を例示したが、他の光情報記録媒体との互換機能を有していても良い。
　さらに、上述した光学段差（すなわち、複数の光学面及びこれらを接続する複数の壁領域）を平板等のパワーのない素子上に設けて、収差補正用の光学素子を構成しても良い。
　（実施の形態２）
　図４は、実施の形態２に係る光ピックアップ装置の概略構成図である。本実施の形態に係る光ピックアップは、本発明に係る対物レンズ素子を用いて、安定した記録再生を実現したものである。
　実施の形態２に係る光ピックアップ装置は、光源４１と、光源４１から出射された光束を整形するビーム整形レンズ４４と、ビームスプリッタ４５と、コリメートレンズ４２と、立ち上げミラー４７と、対物レンズ素子４３と、検出レンズ５０と、検出器５４とを備えている。光源４１は、情報記録媒体４６の種類に応じた波長のレーザ光（発散光）を出射する。例えば、情報記録媒体４６がＢＤ（登録商標）である場合は、波長が３７８～４３８ｎｍ（４２０ｎｍ未満であっても良い）のレーザ光を出射する光源４１を使用する。一方、情報記録媒体４６がＤＶＤ（登録商標）である場合は、波長が６３０～６９０ｎｍのレーザ光を出射する光源４１を使用する。また、情報記録媒体４６がＣＤ（登録商標）である場合は、波長が７５０～８１０ｎｍのレーザ光を出射する光源４１を使用する。更に、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの３種の光ディスクに対して互換性のある光ピックアップ装置を構成する場合は、光ディスクの種類に応じた波長の光を選択的に出射できる光源４１を使用することができる。
　光源４１の前方にはビーム整形レンズ４４が配置されている。このビーム整形レンズ４４によって光源４１から出射されたレーザ光が所望の形状に整形される。ビーム成形レンズ４４により整形されたレーザ光は、ビームスプリッタ４５の反射面により情報記録媒体４６側へと反射される。ここで、ビーム整形レンズ４４はなくても良い。ビームスプリッタ４５と情報記録媒体４６との間には、コリメートレンズ（単一のレンズ素子により構成されていてもよく、複数のレンズ素子により構成されていても良い）４２と、情報記録媒体４６の各情報記録面にレーザ光を合焦するための対物レンズ素子４３とが配置されている。
　対物レンズ素子４３は、実施の形態１で説明したものと同一である。入射側の第１面は非球面であり、出射側の第２面は光学段差を有する。第２面の形状について繰り返しの説明は省略する。尚、本実施の形態では、対物光学系は、１枚の対物レンズ素子４３によって構成されているが、必要に応じて、対物光レンズ素子と、位相補正素子やビームエキスパンダーレンズ等の他の１以上の光学素子とにより構成しても良い。この場合、上述した光学段差を平板等のパワーのない素子状に設けた光学素子を構成し、この光学素子を対物レンズ素子と組み合わせて対物光学系を構成しても良い。
　対物レンズ素子４３のＮＡは特に限定されるものではないが、特に光ピックアップ装置がＢＤ（登録商標）に対してレーザ光を合焦させるものである場合は、０．８以上であることが好ましい。
　対物レンズ素子４３により情報記録媒体４６の情報記録面に合焦されたレーザ光は、情報記録面により反射される。そして、その情報記録面による反射光は再度、対物レンズ４３、立ち上げミラー４７、コリメートレンズ４２、ビームスプリッタ４５を経て、検出レンズ５０により検出器５４に入射する。
　本実施の形態では、コリメートレンズ４２は収差補正素子としての機能を有するものであり、ビームスプリッタ４５と対物レンズ４３との間の基準位置に位置し、その基準位置から光軸ＡＸ上を変位可能に構成されている。さらに本実施の形態では、収差補正素子として機能するコリメートレンズ４２が基準位置に位置する場合に、対物レンズ素子４３に略平行光が入射する。
　ここでは、収差補正素子としてコリメートレンズ４２を使用する例を説明したが、収差補正素子は、コリメートレンズと対物レンズとの間に配置されたビームエキスパンダー単体で構成しても良いし、ビームエキスパンダーとコリメートレンズとにより構成しても良い。また、液晶レンズや液体レンズ等を収差補正素子として用いても良い。
　また、本実施の形態において、対物レンズ素子４３以外のレンズ素子、その他の光学素子は、実質的に屈折作用のみを有する屈折面のみにより構成されたものであっても良いし、例えば、回折面や位相段差面等の他の光学機能面を有するものであっても良い。さらに、各光学素子の材質は特に限定されるものではなく、例えばガラス製であってもよく、樹脂製であっても良い。
　また、光ピックアップ装置は、光源４１と情報記録媒体４６との間に、透過波面収差に実質的に影響を及ぼさないような素子をさらに備えるものであっても良い。本発明の実施の形態は、ＢＤ用の光学系を挙げて説明したが、他の光ディスクＤＶＤ、ＣＤ等をも同一ピックアップで記録再生できるよう、対物レンズ素子４３が搭載されるアクチュエータ上に他のレンズ（もしくは互換レンズ）がある、いわゆる２レンズ構成の光ピックアップにも本発明に係る光学素子を適用できる。
　（実施の形態３）
　図５は、実施の形態３に係る対物レンズ素子の概略構成図である。本実施の形態に係る対物レンズ素子６１は、情報記録媒体６２の情報記録面に対してレーザ光を合焦させるためのものである。本実施の形態においては、対物レンズ素子６１がＢＤ用対物レンズ素子である場合を例示するが、実施の形態１と同様に他の光ディスク用対物レンズ素子であっても良い。
　光源から出射された青色光６３は、ビーム整形レンズ及びコリメートレンズ（いずれも図示せず）を透過し、略平行光として対物レンズ素子６１に入射する。対物レンズ素子６１は、樹脂からなる単レンズ素子である。第１面６１ａは、光軸を含む内周領域６４ａと、内周領域を取り囲む外周領域６５ａとに分割されている。内周領域６４ａは、非球面からなり、外周領域６５ａは、回折面からなる。外周領域６５ａに設けられる回折構造は、レンズ使用時の温度変化（及び波長変化）に起因するレンズ材料の屈折率変化によってもたらされる収差を補正するために配置される。
　第２面６１ｂは、光軸を含む内周領域６４ｂと、内周領域を取り囲む外周領域６５ａとに分割されている。内周領域６４ｂは、回折面からなり、外周領域６５ｂは、非球面からなる。内周領域６４ｂに設けられる回折構造は、レンズ使用時の温度変化（及び波長変化）に起因するレンズ材料の屈折率変化によってもたらされる収差を補正するために配置される。
　ここで、第１面６１ａの外周領域６５ａでの回折による位相付与量と、第２面６１ｂの内周領域６４ａでの回折による位相付与量との関係において、正負（符号）が逆転している。屈折率変化で発生する収差のうち３次球面収差を補正する目的があるため、内周領域６４ｂと外周領域６５ａとでは、位相の増減方向が異なる。また、この２つの回折領域は互いに重ならない。つまり、同一の光線が回折領域を２回通る事はない。言い換えれば、対物レンズ素子のある所定のＮＡを境界値として、この境界値よりもＮＡが小さい領域には、第２面６１ｂ側の内周領域６４ｂに回折構造が配置され、境界値よりもＮＡが大きい領域には、第１面６１ａ側の外周領域６４ｂに回折構造が配置される。したがって、これらの回折構造が互いにオーバーラップする事はない。
　また、第１面６１ａの外周領域６５ａに配置される回折構造は、光軸から外周へと向かうにつれてレンズ厚を増加させるような形状を有する。逆に、第２面６１ｂの内周領域６４ｂに配置される回折構造は、光軸から外周へと向かうにつれてレンズ厚を減少させるような回折形状を有する。
　上記の回折形状と配置箇所との組み合わせは、制限されない。しかしながら、第２面６１ｂ側においては、射出角が大きいため、凸のパワーを有する回折構造を配置した場合は、レリーフの壁領域部分による無効領域（出射光が遮光される領域）が大きくなり、光の利用効率が低下する。したがって、凸のパワーを有する回折構造は第１面６１ａに設けることが好ましい。
　以下、本発明の実施例を、コンストラクションデータ、収差図等を挙げてさらに具体的に説明する。尚、各数値実施例において、非球面係数が与えられた面は、非球面形状の屈折光学面または非球面と等価な屈折作用を有する面（例えば回折面等）である。非球面の面形状は以下の数１で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　但し、
　Ｘ：光軸からの高さがｈである非球面状の点の非球面頂点の接平面からの距離、
　ｈ：光軸からの高さ、
　Ｃｊ：レンズ第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）、
　ｋｊ：レンズ第ｊ面の円錐定数、
　Ａｊ，ｎ：レンズ第ｊ面のｎ次の非球面定数、
である。
　また、光学面に付加された回折構造によって生じる位相差は以下の数２で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　但し、
　φ（ｈ）：位相関数
　ｈ：光軸からの高さ
　Ｐｊ,ｍ：レンズ第ｊ面の２ｍ次の位相関数係数
（数値実施例１）
　数値実施例１に係る対物レンズ素子のコンストラクションデータを表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、設計波長４０５ｎｍ、焦点距離１．２０ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８５、情報記録媒体の保護層厚０．０８５ｍｍである。ここで、設計保護層厚を０．０８５ｍｍとしているのは、ＢＤの多層ディスクに対応するためであり、最も厚い保護層と最も薄い保護層との間の厚みに相当する。
　図６は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図である。図７は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。図８は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。
　図９に対物レンズ素子の第２面側回折面形状断面を示す。第２面側に設けられる非球面領域（輪帯状の光学機能面）の数は７２であり、段差（壁領域）の数は７１である。光軸方向に沿った段差高さ（壁領域の高さ）は、光軸から周辺に向かうにつれて、最大０．６３μｍから最小０．４４μｍまで減少する。また、壁領域のテーパー角（光軸となす角）も光軸から周辺に向かうにつれて大きくなり、最小０度から最大５８度まで増加する。
（数値実施例２）
　数値実施例２に係る対物レンズ素子のコンストラクションデータを表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、設計波長４０５ｎｍ、焦点距離１．１０ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８５、情報記録媒体の保護層厚０．０８５ｍｍである。ここで、設計保護層厚を０．０８５ｍｍとしているのは、ＢＤの多層ディスクに対応するためであり、最も厚い保護層と最も薄い保護層との間の厚みに相当する。
　図１０は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図である。図１１は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。図１２は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。
　図１３に対物レンズ素子の第２面側回折面形状断面を示す。第２面側に設けられる非球面領域（輪帯状の光学機能面）の数は３９であり、段差（壁領域）の数は３８段である。光軸方向に沿った段差高さ（壁領域の高さ）は、光軸から周辺に向かうにつれて、最大０．６３μｍから最小０．４２μｍまで減少する。また、壁領域のテーパー角（光軸となす角）も光軸から周辺に向かうにつれて大きくなり、最小０度から最大５８度まで増加する。
（数値実施例３）
　数値実施例３に係る対物レンズ素子のコンストラクションデータを表３及び表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表３に示すように、設計波長４０８ｎｍ、焦点距離１．３０ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８６、情報記録媒体の保護層厚０．０８７５ｍｍである。ここで、設計保護層厚を０．０８７５ｍｍとしているのは、ＢＤの多層ディスクに対応するためであり、最も厚い保護層と最も薄い保護層との間の厚みに相当する。
　図１４は、数値実施例３に係る対物レンズ素子の光路図である。図１５は、数値実施例３に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を表すグラフである。図１６は、数値実施例３に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を表すグラフである。
　第１面の内周領域（第１領域）は非球面からなり、外周領域（第２領域）は回折面よりなる。回折面を構成する輪帯の数は２２である。径方向における輪帯の幅は、内周から外周にかけて細かくなり、約５μｍ～３μｍである。段差のブレーズ深さは、ＢＤの波長に対して１波長分の位相差に相当する寸法である。
　第２面の内周領域（第１領域）は回折面からなり、外周領域（第２領域）は非球面からなる。回折面を構成する輪帯の数は１７である。径方向における輪帯の幅は、内周から外周にかけて細かくなり約２００μｍ～１１μｍである。段差のブレーズ深さは、設計波長に対して１波長分の位相差に相当する寸法である。
　また、光軸方向に沿った段差高さ（壁領域の高さ）は、光軸から周辺に向かうつれて、最大０．６９μｍから最小０．５６μｍまで減少する。また、壁領域のテーパー角（光軸となす角）も光軸から周辺に向かうにつれて大きくなり、最小０度から最大２５度まで増加する。
　本発明に係る光学素子は、段差構造の形状を工夫することで高い光利用効率を有するレンズを実現しているため、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）、ＢＤ（Ｂｌｕ－ｒａｙ　Ｄｉｓｃ）、ＥＶＤ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）、ＨＤ－ＤＶＤ（Ｈｉｇｈ　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）等の種々の情報記録媒体に対して記録や再生を行う光ピックアップ装置、これを用いた情報機器（コンピュータ等）、映像機器、音響機器等に利用できる。
　１　　　対物レンズ素子
　１ａ　　対物レンズ素子の第１面
　１ｂ　　対物レンズ素子の第２面
　２　　　情報記録媒体
　３　　　光束
４０　　　光束
４１　　　光源
４２　　　コリメートレンズ
４３　　　対物レンズ
４４　　　ビーム成形レンズ
４５　　　ビームスプリッタ
４６　　　情報記録媒体
４７　　　立ち上げミラー
５０　　　検出レンズ
５４　　　検出器

Claims (6)

  1. 　透過する光束に位相差を付与する光学段差を備えた光学素子であって、
    　対称軸と、対称軸周りの輪帯状領域である複数の光学機能面と、光学機能面同士を接続する複数の壁領域とを備え、前記光学機能面及び前記壁領域によって光学段差を構成しており、
    　前記壁領域は、テーパー形状を有しており、
    　前記壁領域外面のテーパー角は、当該壁領域の外周側の前記光学機能面に入射して前記壁領域近傍を通る光線が前記対称軸となす角とほぼ等しい、光学素子。
  2. 　前記光学機能面が透過する光束に付与する位相差が、透過する光束の波長の整数倍である、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記光学機能面は、透過する光束を回折させる、請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記対称軸から前記壁領域までの距離が長くなるにつれて、前記対称軸に対する前記壁領域外面のテーパー角が大きくなる、請求項１に記載の光学素子。
  5. 　前記対称軸から前記壁領域までの距離が長くなるにつれて、前記対称軸と平行な方向における前記壁領域の高さが小さくなる、請求項１に記載の光学素子。
  6. 　光ピックアップ装置であって、
    　光源と、
    　前記光源から出射された光を収束し、光情報記録媒体の情報記録面上にスポットを形成する対物レンズ素子と
    　前記光源と前記対物レンズ素子との間に配置され、前記光源から出射された光の光路と平行な方向に移動することによって、収差を補正する収差補正素子と、
    　前記情報記録面によって反射された反射光を検出する検出器とを備え、
    　前記対物レンズ素子は、対称軸と、対称軸周りの輪帯状領域である複数の光学機能面と、光学機能面同士を接続する複数の壁領域とを備え、前記光学機能面及び前記壁領域によって光学段差を構成しており、
    　前記壁領域は、テーパー形状を有しており、
    　前記壁領域外面のテーパー角は、当該壁領域の外周側の前記光学機能面に入射して前記壁領域近傍を通る光線が前記対称軸となす角とほぼ等しい、光ピックアップ装置。
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