JP2009104786A - 光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】高密度の光情報記録媒体の記録再生用光学系を光源、カップリング光学系、対物レンズから構成し、プラスチックレンズを用いた場合でも、トラッキングによる波面収差の劣化につき、湿度変化の影響を許容できる程度に抑えることの出来る光学系を得ようとする。
【解決手段】カップリング光学系は正の焦点距離を有すると共に少なくとも１枚のプラスチックレンズを含み、ポリオレフィン系樹脂もしくはノルボルネン系樹脂のような飽和吸水率が０．５％以下の材料を用い、プラスチックレンズの吸水による波面収差の最大変化量を、最大トラッキング時に対応する開口数において、０．０２λｒｍｓ以下に抑える。カップリング光学系は、プラスチック製のカップリング単レンズであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光ビームを光情報記録面に集光し、情報を記録再生する光学系、特に温度変化ならびに湿度変化の影響を抑えた光学系に関する。
光情報記録媒体としてもっとも普及しているコンパクトディスク（ＣＤ）を記録再生するために、光源から射出される発散光を収束光に変換し、光情報記録媒体上に結像させるための集光光学系としては、種々のものが提案されているが、発振波長が７８０ｎｍ程度の半導体レーザを用いて、光情報記録媒体側の開口数が０．４５程度で両面が非球面化されている対物単レンズ１枚を用いた有限共役型の光学系が一般的になっている（たとえば特開昭６１−５６３１４号公報参照）。また、上記対物単レンズの多くは樹脂製であるが、その温度変化は、焦点距離、開口数とも比較的小さいため問題にならず、湿度変化に対しても飽和吸水率が１〜２％程度の樹脂を使用しても問題にならなかった。
しかし、近年、光ディスク等の光情報記録媒体への情報記録の高密度化が進んできており、これに伴い、光源の短波長化、光学系や対物レンズの高ＮＡ化が進められている。特にＤＶＤは、格段の高密度化が進展しており、集光光学系としては光源の波長が６３５〜６５０ｎｍ、開口数は０．６が必要とされている。このような高密度の光情報記録媒体を記録再生するためには、ＣＤを記録再生するために用いられているような、対物単レンズ１枚からなる有限共役型の光学系では、対物レンズの開口数が大きいため、これをフォーカシングの為に光軸方向に動かすと、球面収差が大きく変動し、またトラッキングのために光軸と垂直方向に動かすと、非点収差の発生が著しく、使用出来ない。光源と対物レンズを一体にして動かし、フォーカシング、トラッキングをする方式では収差の変動はないが、トラッキングやフォーカシングのために必要なスピードを簡単な機構で得ることが出来ない。
このような理由から、対物レンズ単体をフォーカシング、トラッキングのために動かし、かつそれに起因する収差変動を小さく抑えるためには、光源、カップリングレンズ系、対物レンズからなる光学系を採用することが必要となり、対物レンズの結像倍率の絶対値も、ある値以下に制限される。通常は、カップリングレンズ系としては、光源から射出される発散光を平行光に変換するための、コリメート光学系が用いられるのが一般的であり、この場合、光源とは反対側から見たカップリングレンズ系の結像倍率ｍｃはゼロである。コリメート光学系としては、球面ガラスを貼合わせた１群２枚構成のコリメータレンズが一般的で、ガラス製の非球面単レンズなども近年用いられるようになってきた。また一部、樹脂製の非球面単レンズも用いられている。また、半導体レーザの波長変動による影響を軽減するために、低分散材料製の正レンズと高分散材料製の負レンズを組み合わせた３枚以上の単レンズからなるコリメート光学系も種々知られている。
なお、光源とは反対側から見た結像倍率ｍｃが正であるカップリングレンズ系を用いることで、光源から射出される発散光の発散度を減らし、対物レンズ単体の結像倍率を、負でかつゼロに近く設定した例としては、特開平６−２５８５７３号公報、特開平８−５９０９号公報がある。後者は、対物レンズとして樹脂製の両面非球面レンズを想定しており、カップリングレンズ系としては樹脂製の少なくとも片面が非球面化された単レンズを想定している。何れの例も、対物レンズを樹脂化した場合において、光学系や対物レンズの高ＮＡ化に伴い、問題となる環境温度の変化により発生する球面収差とフォーカシングにより変動する球面収差についての解決策についての解決策について記載されている。
なお、光源とは反対側から見た結像倍率ｍｃが負であるカップリングを用いることで、光源から射出される発散光を収束光とし、対物レンズ単体の結像倍率を正で、かつゼロに近く設定した例としては、特願平７−３５２２０８号がある。ここにはＤＶＤのような極めて高密度な光情報記録媒体の記録再生を行うための光学系に要求される光源の短波長化、光学系や対物レンズの高ＮＡ化に対して、対物レンズを樹脂製とした場合においても、環境温度の変化により発生する球面収差を問題とならない程度まで低減させるための条件などが記載されている。さらに、カップリングレンズ系として、樹脂製の単レンズを用いることで、さらに環境温度の変化により発生する球面収差を低減することができることも開示されている。しかし、上記例では、レンズの樹脂化に伴う環境の湿度変化に対しての開示はなく、ＤＶＤのような高密度の光情報記録媒体の記録再生において、湿度変化を許容できる光学系であるかが不明である。
なお、耐熱、耐湿性能の優れたレンズを提供するという目的で、光ディスク用の光学系などに用いられ、半導体レーザなどからの発散光を平行光に変換するコリメータレンズとして、ガラスレンズとほぼ屈折力がゼロのプラスチックレンズとで構成した光学系が知られている（特開平７−２０３７７号および同平７−２０３７８号）。その記載によれば、
１．無限仕様光学系におけるコリメータレンズをプラスチック製にすると、温度変化に起因する屈折率の変化によって、焦点距離、バックフォーカス距離が大きく変動し、光源の位置がレンズの焦点位置から逸脱することになって、レンズからの出射光が平行でなくなり、光学性能が劣化するという問題がある。
２．発明の効果として、プラスチックレンズの屈折率変化に対する焦点距離およびバックフォーカス距離の変化の少ないレンズが得られた。従って温度変化に対する焦点距離の変動が少なく、耐熱性能を要求される用途などでの使用が可能となった。また湿度変化に対しても吸湿により屈折率に変化があるが、この屈折率に対する焦点距離変化も少なく、耐湿特性も有する。
上記１．に関しては、プラスチックコリメータ単レンズだけで考えると、温度変化に起因する屈折率の変化によって、焦点距離、バックフォーカス距離が変化することは事実である。しかし、光源、プラスチックコリメータ単レンズ、無限共役型対物レンズから構成される光情報記録媒体の記録再生用光学系全体においては、温度変化に起因する屈折率の変化によって、コリメータレンズからの出射光が平行でなくなったとしても、球面収差変動は小さい。なお、上記光学系において、樹脂製の対物レンズは、環境温度が上昇すると、樹脂材料の屈折率が小さくなるために正の球面収差を発生する。一方において、樹脂製のコリメータ単レンズに関しては、温度上昇により樹脂材料の屈折率が小さくなったときには、コリメータ単レンズ単体での球面収差の発生は小さく、温度上昇の影響は、バックフォーカス距離が伸びるためにコリメータ単レンズからの出射光が発散光となる。ところで対物レンズは、発散光の入射に対しては、負の球面収差が発生する。従って、コリメータレンズを樹脂製の単レンズとすることで、樹脂製対物レンズの環境温度変化による球面収差の変化を補正することとなる。
また、２．に関しては、確かにレンズ全体が一様に脱湿状態もしくは吸湿状態にあるときには、プラスチックレンズの屈折率をほぼゼロとすることで、焦点距離、バックフォーカス距離の変化が小さいことは事実である。しかしながら、一様な脱湿状態から吸湿して行く過程、あるいは一様な吸湿状態から脱湿して行く過程においては、レンズの内部で屈折率分布が発生し、光軸の廻りに回転対称のレンズにおいては球面収差が大きく変化する。この事実は、樹脂製の対物単レンズに関しては広く知られている事実である（たとえば「光ディスク用プラスチック対物レンズの吸湿シミュレーション」 ＫＯＮＩＫＡ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ３ Ｐ．７４ 参照）。樹脂製のコリメータ単レンズやカップリングレンズ系を構成する樹脂レンズに関しても、その屈折力、結像倍率、開口数がどうあろうとも、樹脂製の対物単レンズと同様に、レンズ内部での屈折率分布の影響が予想される。
実際に、ＤＶＤと比較して記録密度の低いレーザディスクの場合、波長が約７８０ｎｍの光源を用い、焦点距離４．５ｍｍ、開口数０．５０（有効径４．５ｍｍ）の無限共役型の対物レンズを用い、コリメータレンズとしては、焦点距離１７．０ｍｍ、光源側開口数０．１４のものが用いられていた。対物レンズ、コリメータレンズは、それぞれ２群３枚構成、１群２枚構成のガラスからなる組合せ球面レンズで回折限界性能を得ていた。対物レンズは、開口数が大きく、ガラスからなる組合せ球面レンズは高価なため、プラスチック製の非球面レンズがいち早く採用された。それに遅れてコリメータレンズも一部ではあるが、下記の仕様のプラスチック製の非球面レンズが採用されている。
使用波長 ７８０ｎｍ
焦点距離 １７．０ｍｍ
有効径 ４．７６ｍｍ（５．７ｍｍ）
光源側開口数 ０．１４（０．１７）
レンズ外径 ７．７５
レンズ素材 アクリル系樹脂（飽和吸水率α＝１．０％）
球面収差の規格 ０．０３１λｒｍｓ（ＮＡ０．１４で）
（上記有効径と光源側開口数の括弧内の数値は上記の対物レンズと組合せ、トラッキング量を０．６ｍｍとしたときに対応する。）
このコリメータレンズの断面図を第２図に示す。
このコリメータレンズ単体の高湿試験の結果を図３に示す。試験条件としては、温度＋６０℃、相対湿度９０％の恒温恒湿槽に１２０時間保管後、常温常湿の環境条件に戻して、３８４時間まで波面収差の変化を干渉計で測定したものである。干渉計の光源はＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）である。図３からわかるとおり、脱湿時には球面収差成分が約０．０２５λｒｍｓ変化する。これを実際の光源波長である７８０ｎｍに換算すると、その変化量は０．０２λｒｍｓとなり、コリメータレンズの残存球面収差が規格ぎりぎりの場合、球面収差の最大量は０．０５１λｒｍｓにも達するが、レーザディスクでは使用可能であった。しかし、ＤＶＤのような高密度の光情報記録媒体の記録再生用光学系において、このような球面収差およびその吸湿による変動が懸念されており、カップリングレンズ系としては高価なガラスの組合せ球面レンズもしくはガラス製の非球面単レンズが使用されようとしている。
本発明は、ＤＶＤのような極めて高密度の光情報記録媒体の記録再生用光学系を光源、カップリングレンズ系、対物レンズから構成し、トラッキングを対物レンズを光軸と垂直方向に動かして行うものにおいて、カップリングレンズ系の一部または全部をプラスチックレンズとした場合においても、湿度変化の影響を許容できる程度に抑えることの出来る光学系を得ようとするものである。
本発明の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系は、光源と対物レンズの間に配置されて、光源からの光を対物レンズに導く正の焦点距離を有するカップリングレンズ系を備え、前記対物レンズをカップリングレンズ系の光軸に対して垂直方向に移動することでトラッキングを行う光学系において、前記カップリングレンズ系は少なくとも１枚のプラスチックレンズを含み、かつ該カップリングレンズ系中のプラスチックレンズの吸水による波面収差の最大変化量が、最大トラッキング時に対応する開口数において、０．０２λｒｍｓ以下であることを特徴とする。このため、上記カップリングレンズ系中のプラスチックレンズは飽和吸水率が０．５％以下の材料、具体的にはポリオレフィン系樹脂もしくはノルボルネン系樹脂により構成されていることを特徴とする。この光学系において、最大トラッキング量は、０．１ｍｍないし０．７ｍｍであり、上記対物レンズの媒体側の開口数ＮＡｏが
ＮＡｏ ＞ ０．５２
また、上記光源の波長λは７００ｎｍ以下である。
上記カップリングレンズ系は、プラスチック製のカップリング単レンズであることが好ましく、該カップリング単レンズの吸水による波面収差の最大変化量が、対物レンズの最大トラッキング時に必要とされる開口数において０．０２λｒｍｓ以下であることを特徴とし、飽和吸水率が０．５％以下の材料、具体的にはポリオレフィン系樹脂もしくはノルボルネン系樹脂により構成されており、その焦点距離ｆｃが、
１２ｍｍ ＜ ｆｃ ＜ ３６ｍｍ
であることを特徴とする。
本発明は、各実施例および各特性図から明らかなように、カップリング光学系中のプラスチックレンズを吸水による波面収差の劣化の小さい材料で構成することにより、カップリングレンズ、対物レンズをそれぞれ単レンズとした場合でも、トラッキングによる波面収差の劣化を抑えることが出来、ＤＶＤのような高密度情報記録媒体に好適な再生用光学系を得ることが出来た。
本発明の光情報記録媒体の記録再生用光学系の実施例１の光学配置図である。 従来のコリメータレンズの１例を示す断面図である。 図２のコリメータレンズ単体の高湿試験の結果を示すグラフである。 カップリング光学系に球面収差がある場合のトラッキングの影響を示す説明図である。 本発明の光情報記録媒体の記録再生用光学系の１例の全体の模式図である。 波面収差を測定するトワイマン・グリーン干渉計の構成を示す光路図である。 本発明の実施例１の光学系における、トラッキングによる波面収差の変化を示すグラフである。 本発明の実施例１の光学系において、光学系の温度が３０℃上昇したときのトラッキング量に対する波面収差の変化を示すグラフである。 本発明の実施例１の光学系のコリメータレンズについて、環境変化による波面収差の変化を示すグラフである。 本発明の光情報記録媒体の記録再生用光学系の実施例２の光学配置図である。 本発明の実施例２の光学系における、トラッキングによる波面収差の変化を示すグラフである。 本発明の実施例２の光学系において、光学系の温度が３０℃上昇したときのトラッキング量に対する波面収差の変化を示すグラフである。 本発明の実施例２の光学系のカップリングレンズについて、環境変化による波面収差の変化を示すグラフである。
図４（ａ）は、カップリングレンズ系に球面収差がある場合の収差を模式的に示したもので、横軸Ｗは波面収差、縦軸ρは光軸からの距離を対物レンズの有効径で正規化したものである。対物レンズが光軸上にある場合は、カップリングレンズ系から出射した波面のうち、光軸に対して対称な範囲Ｂの部分の波面を使うことになる。しかし、対物レンズがトラッキングのため、△だけ光軸に垂直に動いた場合、カップリングレンズ系から出射した波面のうち、図４（ｂ）のＣのように△だけずれた範囲の部分の波面を使うことになる。Ｃの部分の波面は、対物レンズの光軸から見ると非対称であり、現実にはコマ収差が発生する。図４（ａ）の波面Ｗは、Ａを係数として
Ｗ ＝ Ａρ４ （１）
となる。また、対物レンズがトラッキングのため△だけ光軸に垂直に動いた場合は以下の式で表される。
Ｗ ＝ Ａ（ρ−△）４ ＝ Ａρ４−４Ａ△ρ３＋・・・ （２）
この第１項は球面収差を、第２項はコマ収差を表す。すなわち、トラッキングにより、記録再生性能に重要な影響を与えるコマ収差が発生することを示している。波面収差のｒｍｓ値の球面収差成分Ｗｓａ、コマ収差成分Ｗｃｍは以下のようになる。
Figure 2009104786
Figure 2009104786
下記仕様のＤＶＤ用対物レンズを、図２の従来例のコリメータと組み合わせて使用することを想定する。
使用波長 ６３５ｎｍ
焦点距離 ３．３６ｍｍ
有効径 ４．０３ｍｍ
ディスク側開口数 ０．６
レンズ外径 ５．８ｍｍ
焦点距離が１７．０ｍｍのコリメータレンズとして必要な光源側のＮＡは、対物レンズのトラッキング量が零の場合は０．１１８、最大トラッキング量が０．５ｍｍの場合は０．１４８となる。ＮＡ＝０．１１８のときρ＝１とし、最大トラッキング量に対応する△を△ｍａｘとすると、
△ｍａｘ＝（０．１４８−０．１１８）／０．１１８＝０．２５
となる。ＤＶＤの最大トラッキング量は０．１ｍｍ〜０．７ｍｍを想定している。現状はディスクの偏心を厳しくしており、０．２ｍｍ程度を想定しておけば十分であるが、将来的には規格外のディスクに関しての記録再生の要求が強まると推測され、その場合は大きければ大きいほどよい。しかし、０．７ｍｍより大きくすると、カップリングレンズ系が大きくなり、またトラッキング機構の機械的特性を得ることが難しくなる。
ＮＡが０．１４のとき、コリメータレンズの脱湿時における波面収差の球面収差成分の変化量は、０．０２５λｒｍｓであるので、球面収差成分がＮＡの４乗に比例することからＮＡ＝０．１１８のとき、０．０１２７λｒｍｓとなる。従って、（３）式からＡを求めると
Figure 2009104786
（４）式から、トラッキングで発生するコマ収差成分は
Figure 2009104786
一方、コリメータレンズに残留する球面収差の規格は、６３５ｎｍ、ＮＡ０．１１８の条件では０．０１２７λｒｍｓ以下となる。よって、０．５ｍｍのトラッキングをすることで、やはりさらに０．０２λｒｍｓのコマ収差が発生する。このことから、コリメータレンズ、対物レンズにコマ収差がなくても、残留球面収差とコリメータレンズの吸脱湿による球面収差の変動により、０．０４λｒｍｓのコマ収差が発生してしまう。このコマ収差は光ディスクにおいては隣接トラック方向に発生するが、ＤＶＤではトラックピッチが高密度であり、レーザディスクと比較して狭くなっているため、図２に示すこの例のコリメートレンズは使用出来ない。一般に対物レンズは、開口数が大きいため、それが非球面単レンズであるにせよ、組レンズであるにせよ、偏心によりコマ収差が発生し、その規格は０．０３λｒｍｓ以下というのが通常である。またさらに、対物レンズで発生するコマ収差を対物レンズを傾けて補正することもある。しかし、対物レンズをトラッキングすることで発生するコマ収差は、トラッキング量に応じて発生するものであるため、補正出来ない。
最大トラッキング量に対応して発生するコマ収差を０．０３λｒｍｓ以下に抑えるには、カップリング光学系に残留する球面収差の規格が同じとすると、吸脱湿にともない球面収差がＷｓａ，ａ変動し、かつトラッキングをすることで発生するコマ収差成分Ｗｃｍ，ａを０．０１λｒｍｓ以下にしなければならない。（３）（４）式から
Figure 2009104786
であるから、
Ｗｓａ，ａ＝０．００６３λｒｍｓ
この量は、最大トラッキング量０．５ｍｍに対応する開口数０．１４８での球面収差成分の変化は０．０１６λｒｍｓとなることを意味する。すなわち、ＤＶＤのような高密度光情報記録媒体の記録再生用光学系のカップリング光学系の最大トラッキング量（たとえば０．５ｍｍ）に対応する開口数において、吸脱湿に伴う過渡的な波面収差の変化量は、球面収差以外の収差も考慮すると、概ね０．０２λｒｍｓ以下であればよい。
以下に最大トラッキング時に対応する開口数におけるプラスチックレンズまたはプラスチックレンズを含むレンズ系の波面収差の最大変化量の測定方法を示す。６０℃および相対湿度９０％の恒温恒湿槽に測定対象物を１６８時間保管後、２５℃および相対湿度５０％の常温常湿において、３８４時間に渡って対象物の波面収差を干渉計で測定し、その間の最大波面収差と最小波面収差の差分を波面収差の最大変化量とする。ここで、最大トラッキング時に対応する開口数とは、プラスチックレンズまたはプラスチックレンズを含むレンズ系の光源側の開口数であって、対物レンズのトラッキングによって移動しうる最大の光束に対応した開口数を云う。図５に光学系全体の模式図を示すが、ここでカップリングレンズ１３の最大トラッキング時に対応する開口数とは、図中の”α”を指す。なお図中の”β”は、トラッキングによる移動量をゼロとした場合の開口数であり、この開口数に相当する光束の最縁周光線ＥＰは、対物レンズ１６の情報記録媒体７側の開口数ＮＡ０に相当するように絞り５により規制されている。ここで図中の”α”のときの光束の最縁周光線は、図中の”β”のときの光束の最縁周光線が、トラッキングにより△ｍａｘだけ図中において上下にずれた場合に相当するものである。
波面収差の測定は、たとえば図６のようなトワイマン・グリーン干渉計により行なわれる。波面収差の測定には、実際の光情報記録媒体の情報記録・再生光学系に使用される光源と同一の波長が使用される。しかしながら、干渉計の光源波長が、実際の光情報記録媒体の情報記録・再生光学系に使用される光源波長と一致しない場合には、干渉計の参照凹面ミラーＣＭと測定対象物１３との間に補正板ＣＰを入れたり、測定対象物の結像倍率をずらしたりして光源波長を修正したと同様の効果を持たせて測定することも可能である。また、光学設計のシミュレーションによって測定結果を換算することも可能である。
このような光情報記録媒体の記録再生光学系を樹脂材料の特性改良で実現するには、飽和吸水率αを０．５％以下とすればよい。なお、カップリングレンズの残留球面収差成分の規格をゆるめるためには、α＝０％が望ましい。［飽和吸水率の試験法としては、ＡＳＴＭ Ｄ５７０（試験条件：２３℃の水中に一週間）によった。］
αが０．５％以下の光学用途の樹脂材料としては、種々のものがあるが、複屈折の比較的小さい樹脂としては、（株）日本ゼオン製のゼオネックス（商標）や三井石油化学（株）製のＡＰＥＬ（商標）などのポリオレフイン系の樹脂や、（株）日本合成ゴム製のＡＲＴＯＮ（商標）に代表されるようなノルボルネン系の樹脂が好ましい。
ＤＶＤ用途の対物レンズは、０．６ｍｍのディスク厚で１．０ｍｍ以上に作動距離を確保しつつ、出来るだけ小型である必要がある。また、ＣＤも同じ対物レンズを光軸方向に移動させて再生しようとすると、１．２ｍｍのディスク厚に対して最低１．６ｍｍの作動距離が必要である。このような場合を考えると、無限共役型の非球面対物単レンズを対物レンズとして使用する場合は、その焦点距離が１．８ｍｍないし５ｍｍの範囲でなければならないが、２．４ｍｍないし４．５ｍｍに設定するのが好ましい。焦点距離１．８ｍｍは、ＤＶＤ専用で必要最小限の作動距離を確保した場合であり、５ｍｍはＤＶＤとＣＤとの互換を可能とし、かつサイドゲート方式の成型法で作られたプラスチックレンズの場合である。焦点距離を長くすると、光学系全体が大きくなってしまう。また焦点距離が短いと、高屈折率の特殊なガラス材料を使っての成型が必要となる。光学系全体の結像倍率ｍｔは、−１／１０ないし−１／４程度で、より好ましくは−１／８ないし−１／５の間に設定するのがよい。
以上の要求から、対物レンズが無限共役の場合、カップリング光学系の焦点距離ｆｃは
７．２ｍｍ ＜ ｆｃ ＜ ５０ｍｍ
より好ましくは
１２ｍｍ ＜ ｆｃ ＜ ３６ｍｍ
に設定するのがよい。なお、通常、対物レンズを光軸方向に動かしてフォーカシングするのが一般的であるが、その場合、対物レンズの結像倍率｜ｍｏ｜が大きいと対物レンズのフォーカシングによる球面収差の変動が問題となるため、
｜ｍｏ｜ ＜ １／１０
であることが好ましい。従って、ｍｏが０でない場合、カップリング光学系の対物レンズ側から見た結像倍率ｍｃは、
ｍｃ ＝ ｍｏ／ｍｔ
から求まる。
以下、本発明の実施例を示す。使用波長は６３５ｎｍであり、表中の記号は、
ｒｉ： 光源から第ｉ番目のレンズ面の頂点曲率半径
ｄｉ： 光源から第ｉ番目のレンズ面間隔
ｎｉ： 光源から第ｉ番目のレンズ材料の屈折率
ｆｃ： コリメータレンズの焦点距離
ｆｏ： 対物レンズの焦点距離
Ｕ ： 光学系の物像間距離
Ｔ ： 光学系の第１面から見たときの光源までの距離
を示し、非球面形状は面の頂点を原点とし、頂点曲率をＣ、円錐係数をκ、非球面係数をＡｉ 、および非球面のべき数をＰｉ（≧４）としたとき、次式で表される。
Figure 2009104786
（実施例１）
実施例１の断面図を図１に示す。この実施例においてはカップリング光学系としては、光源１からの光束を平行光にするコリメータレンズ３を採用し、無限共役型の対物レンズ６と組み合わされている。すなわち、図において、光源１から出射した光束は、カバーガラス２を通過してコリメータレンズ３を通ってほぼ平行光束となり、絞り５で所定の光束に制限されて対物レンズ６に入射する。対物レンズ６に入射した光束は、基板７を通して情報記録面８上に集光される。
ｆｃ＝２５．２ｍｍ、ｆｏ＝３．３７ｍｍ、よって、
ｍｔ＝−１／７．５、Ｔ＝−２２．５５７ｍｍ、Ｕ＝３５．９７３ｍｍ
Figure 2009104786
この光学系において、トラッキング量０．５ｍｍを考慮に入れたコリメータレンズ３の有効径５．０４ｍｍに対し、コリメータレンズが設計値（無収差）であった場合と、コリメータレンズ自身が三次の球面収差を０．０２λｒｍｓ有する場合のトラッキング量に対する波面収差の変化をシミュレーションした結果を図７に示す。コリメータレンズ３が無収差の場合は、トラッキングによっても波面収差は変化しない。一方、コリメータレンズ３が三次の球面収差を持つ場合は、トラッキングにより波面収差が劣化する。図８は、光学系の温度が３０℃上昇（△Ｔ＝３０℃）したときのトラッキング量に対する波面収差の変化をシミュレーションした結果である。このとき、コリメータレンズ３、対物レンズ６は樹脂製であることから、それぞれ屈折率が−０．００３６変化するものとした。光学系全体での球面収差は変化するが、トラッキングによっての波面収差の変化は少ない。コリメータレンズ３は飽和吸水率α＝０．１％以下の材料である。図９は、コリメータレンズを温度＋６０℃、相対湿度９０％の恒温恒湿槽に１６８時間保管後、常温常湿の環境条件に戻し、波面収差の変化を干渉計で測定した結果である。光源は波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用しているので、光学系の設計波長に近く、換算の必要はない。測定の都合上、絞り５は軸上の最周縁光束に合わせたものを使用している。この条件において、波面収差全体、波面収差の球面収差成分の変動は０．００５λｒｍｓ以下であり、仮に、すべてが球面収差の変動だとしても０．０１５λｒｍｓ以下である。以上、図７、図８、図９からわかるように、ＤＶＤのような高密度媒体においても、湿度変化によるトラッキング特性の劣化が少なく、また温度特性も良好な光学系を低コストで実現できることが明らかである。
（実施例２）
実施例２の断面図を図１０に示す。この実施例においては、カップリング光学系としては、光源１からの光束を収束光にするカップリングレンズ１３を採用し、収束光に対して共役な対物レンズ１６と組み合わされている。すなわち、図において、光源１から出射した光束は、カバーガラス２を通過してカップリングレンズ１３を通って収束光となり、絞り５で所定の光束に制限されて対物レンズ１６に入射する。対物レンズ１６に入射した光束は基板７を通して情報記録面８上に集光される。
ｆｃ＝１８．１ｍｍ、ｆｏ＝３．８０ｍｍ
カップリングレンズの対物レンズ側から見た結像倍率ｍｃ、対物レンズの倍率ｍｏはそれぞれ、ｍｃ＝−０．６３、ｍｏ＝１／１２、よって、ｍｔ＝−１／７．５、
Ｔ＝−２６．８４ｍｍ、Ｕ＝４０．１８ｍｍ
Figure 2009104786
この光学系において、トラッキング量０．５ｍｍを考慮に入れたカップリングレンズ１３の有効径に対し、カップリングレンズが設計値（無収差）であった場合と、カップリングレンズ自身が三次の球面収差を０．０２λｒｍｓ有する場合のトラッキング量に対する波面収差の変化をシミュレーションした結果を図１１に示す。カップリングレンズ１３が無収差の場合も、トラッキングによって波面収差は変化するが、これは見かけ上、光源１が対物レンズ１６の光軸からはずれるため発生する軸外収差が主で、対物レンズ１６の正弦条件が公知の手法で補正されている場合は、非点収差が主成分である。一方、カップリングレンズ１３が三次の球面収差を持つ場合は、それに加えてトラッキングにより、コマ収差も劣化する。図１２は、光学系の温度が３０℃上昇（△Ｔ＝３０℃）したときのトラッキング量に対する波面収差の変化をシミュレーションした結果である。このとき、カップリングレンズ１３、対物レンズ１６は樹脂製であることから、それぞれ屈折率が−０．００３６変化するものとした。光学系全体での球面収差は変化するが、トラッキングによっての波面収差の変化は少ない。カップリングレンズ１３は飽和吸水率α＝０．１％以下の材料である。図１３は、カップリングレンズ１３を温度＋６０℃、相対湿度９０％の恒温恒湿槽に１６８時間保管後、常温常湿の環境条件に戻し、波面収差の変化を干渉計で測定した結果である。光源は波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用しているので、光学系の設計波長に近く、換算の必要はない。測定の都合上、絞り５は軸上の最周縁光束に合わせたものを使用している。この条件において、波面収差全体、波面収差の球面収差成分の変動は０．００５λｒｍｓ以下であり、仮に、すべてが球面収差の変動だとしても０．０１５λｒｍｓ以下である。以上、図１１、図１２、図１３からわかるように、ＤＶＤのような高密度媒体においても、湿度変化によるトラッキング特性の劣化が少なく、また温度特性も良好な光学系を低コストで実現できることが明らかである。
上記実施例では、対物レンズの結像倍率ｍｏが、ｍｏ＝０およびｍｏ＞０の場合を示したがｍｏ＜０の場合も同様である。すなわち光源からの光束を発散光にするカップリングレンズを採用し、発散光に対して共役な対物レンズと組み合わせることもできる。また、カップリング光学系が単レンズである場合について説明したが、カップリング光学系が色収差の補正などの目的で、複数枚の単レンズで構成され、その一部を樹脂製のレンズとしたときは、その樹脂製のレンズが上記の条件を満たせばよい。また、カップリング光学系のプラスチックレンズの吸水による波面収差の最大変化量が最大トラッキング時に対応する開口数において０．０２λｒｍｓ以下を達成するためには、飽和吸水率の低い樹脂材料を用いるほか、レンズの外形、厚さなどを工夫する、吸水を緩和する物質を外形やレンズ面にコートするなどにより、吸脱湿過程における屈折率分布の影響を少なくするなどの方法によっても可能である。カップリング光学系を光軸方向に移動させて、ＣＤとＤＶＤを兼用させるタイプの記録および再生光学系においては、カップリング光学系の光源側の開口数が大きい場合について、上記の波面収差の最大変化量を考慮すればよい。
１ 光源
２ カバーガラス
３、３０ コリメータレンズ
５ 絞り
６、１６ 対物レンズ
７ 基板
８ 記録面
１３ カップリングレンズ

Claims (16)

  1. 光源波長がλの光源、対物レンズ、前記対物レンズを光軸に対して垂直方向に移動することによってトラッキングを行なうトラッキング手段、および前記光源と対物レンズとの間に配置され、前記光源からの光を前記対物レンズに導く正の焦点距離を有し、かつ、少なくとも１枚のプラスチックレンズを含むカップリングレンズ系を備えた光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系において、
    前記カップリングレンズ系の最大トラッキング時に対応する開口数における波面収差の最大変化量は０．０２λｒｍｓ以下であることを特徴とする光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  2. 前記最大トラッキング時に対応する開口数における波面収差の最大変化量は、前記カップリングレンズ系を６０℃および相対湿度９０％の恒温恒湿槽に１６８時間保管後、２５℃および相対湿度５０％の常温常湿において３８４時間に渡って対象物の波面収差を干渉計で測定して得られる最大波面収差と最小波面収差の差分であることを特徴とする請求項１の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  3. 光源波長がλの光源、対物レンズ、前記対物レンズを光軸に対して垂直方向に移動することによってトラッキングを行なうトラッキング手段、および前記光源と対物レンズとの間に配置され、前記光源からの光を前記対物レンズに導く正の焦点距離を有し、かつ、少なくとも１枚のプラスチックレンズを含むカップリングレンズ系を備えた光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系において、
    前記カップリングレンズ系に包含されるプラスチックレンズの飽和吸水率は０．５％以下であることを特徴とする光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  4. 光源波長がλの光源、対物レンズ、前記対物レンズを光軸に対して垂直方向に移動することによってトラッキングを行なうトラッキング手段、および前記光源と対物レンズとの間に配置され、前記光源からの光を前記対物レンズに導く正の焦点距離を有し、かつ、少なくとも１枚のプラスチックレンズを含むカップリングレンズ系を備えた光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系において、
    前記カップリングレンズ系に包含されるプラスチックレンズは、ポリオレフィン系樹脂又はノルボルネン系樹脂により構成されていることを特徴とする光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  5. 前記トラッキング手段の最大トラッキング量は、０．１ｍｍないし０．７ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  6. 前記対物レンズの光情報記録媒体側の開口数ＮＡｏが
    ＮＡｏ ＞ ０．５２
    であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  7. 前記光源の波長λが７００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系。
  8. 光軸に対して垂直方向に移動することによってトラッキングを行う対物レンズと、光源波長がλの光源との間に配置され、前記光源からの光を前記対物レンズに導く正の焦点距離を有し、かつ少なくとも１枚のプラスチックレンズを含むカップリングレンズ系において
    該カップリングレンズ系の最大トラッキング時に対応する開口数における波面収差の最大変化量は０．０２λｒｍｓ以下であることを特徴とする光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  9. 前記カップリングレンズ系に包含されるプラスチックレンズの飽和吸水率は０．５％以下であることを特徴とする請求項８の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  10. 前記カップリングレンズ系に包含されるプラスチックレンズは、ポリオレフィン系樹脂もしくはノルボルネン系樹脂により構成されていることを特徴とする請求項８または請求項９の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  11. 前記対物レンズの光情報記録媒体側の開口数ＮＡｏが
    ＮＡｏ ＞ ０．５２
    であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  12. 前記光源の波長λが７００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  13. 前記カップリングレンズ光学系は、プラスチック単レンズであることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  14. 前記プラスチック単レンズの飽和吸水率は、０．５％以下であることを特徴とする請求項１３の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  15. 前記プラスチック単レンズは、ポリオレフィン系樹脂又はノルボルネン系樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１３または請求項１４の光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
  16. 前記プラスチック単レンズの焦点距離ｆｃが、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１３ないし請求項１５のいずれかの光情報記録媒体の記録および／または再生用光学系のカップリングレンズ系。
    １２ｍｍ ＜ ｆｃ ＜ ３６ｍｍ
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