JP4240769B2 - 光ピックアップレンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップレンズに関するものであり、更に詳しくは、例えば光ディスク装置等に応用され、近接場光記録技術等を用いてデータの記録,再生,消去を行う光ピックアップレンズに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、光ディスク等の記録メディアにおいて、記録密度を高くする事が望まれてきている。そして、記録密度の向上のために、光束を微小に集光する技術が使用されている。例えば、使用するレーザー光の波長を短くしたり、対物レンズの開口数を大きくしたりする事が行われている。ところが、これらの対策だけでは光の回折限界があるため、大幅な記録密度向上が実現できない。そこで、このような高密度化の要望に対して、いわゆる近接場光記録技術が最も注目されている。
【0003】
例えば、近年提案されているSIL(Solid Immersion Lens)を用いて、屈折率の高い媒質内に集光スポットを絞る事で、空気中より遥かに小さい集光スポットを形成する事ができる。具体的には、例えば特開平11−296889号公報に記載されている如く、少なくとも対物レンズとSILとを備え、そのSILを屈折率分布型光学素子(以下、GRINと呼ぶ。)で形成し、高開口数とした事を特徴としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平11−296889号公報に記載されているような構成では、レンズ構成枚数が複数であるため、光学ヘッドを小型化する上で問題となる。また、GRINについての記述はあるが、その具体的な例が示されていない。
【0005】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、小型で高性能な光ピックアップレンズを提供する事を目的とする。さらには軸上色収差や倍率色収差等が良好に補正された光ピックアップレンズを提供する事を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光源からの光束を少なくとも1回以上の反射を用いて記録面近傍に結像させるSIMレンズより成り、そのSIMレンズは以下の条件式を満足する屈折率分布型レンズで構成されている事を特徴とする。
−3.0<N1/φSIM 2<3.0
但し、
N1 :屈折率分布型レンズの2次の屈折率分布係数
φSIM:SIMレンズのパワー
である。ここで、
N(h)=N0+N1・h2+N2・h4+N3・h6+N4・h8+…
である。但し、
N(h):SIMレンズの位置hにおける屈折率
h :光軸に対して垂直な方向の高さ
N0 :光軸上での屈折率
N1,N2,N3,N4,…:それぞれ2次,4次,6次,8次,…の屈折率分布係数
である。
【0007】
また、前記SIMレンズの少なくとも1面は非球面である事を特徴とする。さらに、前記非球面は以下の条件式を満足する事を特徴とする。
0<h<hmaxにおいて、
−6.0<(φa−φ0a)/φSIM<5.0
但し、
h :レンズ径方向の高さ
hmax :レンズ有効径
φa :非球面の局所的な面のパワー
φ0a :非球面の基準曲率による面のパワー
φSIM :SIMレンズのパワー
であり、φa及びφ0aは以下の式で表される。
非球面が屈折面の場合
φa=Calo{N(h)′−N(h)}
φ0a=C0(N0′−N0)
非球面が反射面の場合
φa=−2CaloNr(h)
φ0a=−2C0Nr
但し、
Calo :非球面の各高さでの局所的な曲率
C0 :非球面の基準曲率
N(h)′:非球面像側媒質の各高さでの屈折率
N(h) :非球面物体側媒質の各高さでの屈折率
N0′ :非球面像側媒質の光軸上での屈折率
N0 :非球面物体側媒質の光軸上での屈折率
Nr(h) :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の各高さでの屈折率
Nr :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の光軸上での屈折率
である。
【0008】
また、前記SIMレンズは、その両面が非球面である事を特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。上述した近接場光記録技術において、データの記録,再生,消去を行う光ピックアップ用として、小型で高性能な光学系が望まれている。SIM(Solid Immersion Mirror)レンズは、このような光学系において、高開口数化や光学ヘッドのコンパクト化を行う上で好適なレンズである。
【0010】
一般に、光ディスク装置において、複数種のディスク、例えばCD(Compact Disc)やDVD(Digital Versatile Disc)等に対応させる場合や、記録媒体として例えばフォトクロミック材料を用いる場合には、記録,再生,消去それぞれを異なる波長で行うので、その光学系は多波長の光源に対応している事が望ましい。これに応じてSIMレンズには、色収差の無い高性能なレンズである事が要求される。
【0011】
本発明では、諸収差、特に色収差の無い高性能なSIMレンズとするために、GRINを用いた構成としている。GRINの製造については、径の大きいRadialGRINの製造は非常に困難であるが、光ピックアップレンズとしてのSIMレンズは小型化が要求されるので、その径も比較的小さくて済む。従って、製造面においてもSIMレンズについてGRINの応用が適している事が分かる。
【0012】
本発明の光ピックアップレンズは、光源からの光束を少なくとも1回以上の反射を用いて、光ディスク等の記録面近傍に結像させるSIMレンズより成る。そのSIMレンズは、屈折率分布型レンズ(GRINレンズ)で構成されており、以下の条件式を満足する事が望ましい。
【0013】
−3.0<N1/φSIM 2<3.0 (1)
但し、
N1 :屈折率分布型レンズの2次の屈折率分布係数
φSIM:SIMレンズのパワー
である。
【0014】
ここで、
N(h)=N0+N1・h2+N2・h4+N3・h6+N4・h8+…
である。但し、
N(h):SIMレンズの位置hにおける屈折率
h :光軸に対して垂直な方向の高さ
N0 :光軸上での屈折率
N1 :2次の屈折率分布係数
N2 :4次の屈折率分布係数
N3 :6次の屈折率分布係数
N4 :8次の屈折率分布係数
(以下同様)
である。
【0015】
条件式(1)は、SIMレンズを構成する屈折率分布型レンズの屈折率分布に関する条件式であり、諸収差を補正するための条件式である。この条件式の範囲から外れると、ペッツバール和の補正が困難になるとともに、コマ収差も増大するので望ましくない。
【0016】
また、前記SIMレンズの少なくとも1面は非球面とする事により、収差補正の自由度が増加するので、設計上望ましい。このとき、非球面は以下の条件式を満足する事が望ましい。
【0017】
0<h<hmaxにおいて、
−6.0<(φa−φ0a)/φSIM<5.0 (2)
但し、
h :レンズ径方向の高さ
hmax :レンズ有効径
φa :非球面の局所的な面のパワー
φ0a :非球面の基準曲率による面のパワー
φSIM :SIMレンズのパワー
である。
【0018】
ここで、φa及びφ0aは以下の式で表される。
非球面が屈折面の場合
φa=Calo{N(h)′−N(h)}
φ0a=C0(N0′−N0)
非球面が反射面の場合
φa=−2CaloNr(h)
φ0a=−2C0Nr
【0019】
但し、
Calo :非球面の各高さでの局所的な曲率
C0 :非球面の基準曲率
N(h)′:非球面像側媒質の各高さでの屈折率
N(h) :非球面物体側媒質の各高さでの屈折率
N0′ :非球面像側媒質の光軸上での屈折率
N0 :非球面物体側媒質の光軸上での屈折率
Nr(h) :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の各高さでの屈折率
Nr :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の光軸上での屈折率
である。
【0020】
条件式(2)は、SIMレンズに用いる非球面の条件式であり、収差補正を行うための条件式である。非球面がこの条件式の範囲から外れてしまうと、コマ収差等が発生しやすくなり、それを補正しようとすると、高次の収差が大きくなってしまう事が多くなるので、望ましくない。
【0021】
さらに、前記SIMレンズは、その両面が非球面であっても良い。これにより設計の自由度が、片面非球面のものより更に増えるので望ましい。
【0022】
その他、本発明の光ピックアップレンズにおいては、以下の条件式を満足する事が望ましい。
−5.0<N2/φSIM 4<5.0 (3)
但し、
N2 :屈折率分布型レンズの4次の屈折率分布係数
φSIM:SIMレンズのパワー
である。
【0023】
条件式(3)は、SIMレンズを構成する屈折率分布型レンズの屈折率分布に関する条件式であり、諸収差を補正するための条件式である。この条件式の範囲から外れると、3次収差が増大して各収差の補正が困難になるとともに、特にコマ収差が増大するので望ましくない。
【0024】
また、以下の条件式を満足する事が望ましい。
0<H<Hmaxにおいて、
−0.2<{νd(H)−νd(0)}/νd(0)≦0.2 (4)
ここで、
νd(H)={Nd(H)−1}/{NF(H)−NC(H)}
但し、
νd(H):屈折率分布型レンズ内で光軸から垂直な方向に高さHだけ離れ た点での分散値
Nd(H):高さHでのd線屈折率
NF(H):高さHでのF線屈折率
NC(H):高さHでのC線屈折率
である。
【0025】
また、以下の条件式を満足する事が望ましい。
−0.1<(N1λ−N1d)/φSIM 2<0.1 (5)
但し、
N1d :屈折率分布型レンズのd線に対する2次の屈折率分布係数
N1λ :屈折率分布型レンズのC線及びF線に対する2次の屈折率分布係数
φSIM :SIMレンズのパワー
である。
【0026】
SIMレンズを屈折率分布型レンズで構成する場合、屈折率分布型レンズは色収差を補正する働きもする。条件式(4),(5)は、SIMレンズに屈折率分布型レンズを用いた場合に、その屈折率分布型レンズが満たすべき分散と屈折率分布係数の条件であり、これらの条件式の範囲から外れると、レンズ内で発生する色収差のために、色補正が非常に困難となる。
【0027】
また、以下の条件式を満足する事が望ましい。
−0.2<φM/φS<0.5 (6)
但し、
φS:屈折率分布型レンズの面のパワー
φM:屈折率分布型レンズの媒質のパワー
である。
【0028】
ここで、φS及びφMは、SIMレンズを構成する屈折率分布型レンズのパワーをφSIMとすると、
φSIM=φS+φM
で表される。φSはレンズを均質レンズとした場合のパワーである。ちなみに、屈折率はレンズの光軸上の屈折率である。
【0029】
また、φMはレンズが屈折率分布を持つ事による媒質の持つパワーであり、
φM=−2N1d・T
で表される。但し、
T :SIMレンズの心厚
N1d:屈折率分布型レンズのd線に対する2次の屈折率分布係数
である。
【0030】
条件式(6)は、SIMレンズを屈折率分布型レンズで構成した場合に、その屈折率分布型レンズが満たすべき条件であり、条件式の上限値以上になると、屈折率分布が大きくなりすぎて、製造が困難になるとともに、高次の収差が発生するので望ましくない。また、条件式の下限値以下になると、屈折率分布の持つ負のパワーが大きくなりすぎて、面の持つ正のパワーが大きくなり、ペッツバール和の補正が困難になるとともに、各収差の補正、特に高次の収差の補正が困難となるので望ましくない。
【0031】
ところで、SIMレンズを屈折率分布型レンズ1枚で構成する場合、物体側が平面の平凸正レンズ形状となる事が望ましい。それにより、レンズ面で発生する色収差を殆どなくす事ができるので、屈折率分布を持つ上での自由度が増大し、特に軸外のコマ収差を小さくする事ができる。
【0032】
また、このとき、屈折率分布型レンズを用いないでSIMレンズを構成しようとすると、凸側面だけの片面非球面の構成では、収差補正の自由度が不足して、軸外のコマ収差が増大するので望ましくない。また、それを防止するために両面非球面の構成としたり、物体側面を球面にして構成した場合には、色収差の問題が発生するので望ましくない。結局、屈折率分布型レンズが必要となる。
【0033】
図1〜図4は、本発明の光ピックアップレンズの第1〜第4の実施形態にそれぞれ対応するレンズ構成図である。各図の左側が物体側(光源側)、右側が像側(記録面側)である。レンズ構成図中の面si(i=1,2,3,...)は、光源側から数えてi番目の面、*印が付された面siは非球面である。また、各図は光源側からの光線Lの軌跡を示した光路図ともなっている。なお、Xは光軸である。
【0034】
《実施例》
以下、本発明の光ピックアップレンズの構成を、コンストラクションデータ、収差図等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例1〜4は、前述した第1〜第4の実施形態にそれぞれ対応しており、各実施形態を表す光学構成図(図1〜図4)は、対応する実施例の光学構成をそれぞれ示している。各実施例のコンストラクションデータにおいて、si(i=1,2,3,...)は光源側から数えてi番目の面であり、ri(i=1,2,3,...)は面siの曲率半径(mm)である。
【0035】
また、di(i=0,1,2,3,...)は光源側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示している。また、各基準波長の光に対する屈折率及び屈折率分布係数を別途示す。ここで、各実施例共に第2面と第3面が反射面であり、第1面は第3面と、また第2面は第4面と共通である。また、各実施例中、*印が付された面siは、非球面で構成された面である事を示し、非球面の面形状を表す以下の式で定義されるものとする。各非球面データを他のデータと併せて示す。
【0036】
X(H)=(C・H2)/{1+(1−ε・C2・H2)1/2}+ΣAi・Hi
但し、
H:光軸と垂直な方向の高さ
X(H):高さHの位置での光軸方向の変位量(面頂点基準)
C:近軸曲率
ε:2次曲面パラメータ
Ai:i次の非球面係数
である。
【0037】
【0038】
〔屈折率及び屈折率分布係数(d線)〕
N0=1.80518
N2=-8.51778×10-3
N4= 5.34182×10-2
N6=-5.91190×10-3
【0039】
〔屈折率及び屈折率分布係数(C線)〕
N0=1.79610
N2=-8.48217×10-3
N4= 5.32367×10-2
N6=-5.82036×10-3
【0040】
〔屈折率及び屈折率分布係数(F線)〕
N0=1.82776
N2=-8.60387×10-3
N4= 5.38535×10-2
N6=-6.12383×10-3
【0041】
〔第1面(s1)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.12666×10-2
A6= -2.54647×10-2
A8= -5.25437×10-3
A10=-3.27467×10-3
【0042】
〔第2面(s2)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.96267×10-2
A6= -2.74829×10-3
A8= -4.96284×10-4
A10=-4.35596×10-5
【0043】
〔第3面(s3)の非球面データ〕
ε=1
A4= 1.12666×10-2
A6= 2.54647×10-2
A8= 5.25437×10-3
A10= 3.27467×10-3
【0044】
〔第4面(s4)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.96267×10-2
A6= -2.74829×10-3
A8= -4.96284×10-4
A10=-4.35596×10-5
【0045】
【0046】
〔屈折率及び屈折率分布係数(d線)〕
N0=1.80518
N2=-2.15427×10-2
N4= 1.93470×10-2
【0047】
〔屈折率及び屈折率分布係数(C線)〕
N0=1.79610
N2=-2.14399×10-2
N4= 1.92542×10-2
【0048】
〔屈折率及び屈折率分布係数(F線)〕
N0=1.82776
N2=-2.18173×10-2
N4= 1.95936×10-2
【0049】
〔第2面(s2)の非球面データ〕
ε=1
A4= -4.56298×10-3
A6= 1.22155×10-5
A8= 2.30733×10-4
A10=-7.40261×10-5
【0050】
〔第4面(s4)の非球面データ〕
ε=1
A4= -4.56298×10-3
A6= 1.22155×10-5
A8= 2.30733×10-4
A10=-7.40261×10-5
【0051】
【0052】
〔屈折率及び屈折率分布係数(d線)〕
N0=1.80518
N2=-1.88189×10-2
N4= 3.78850×10-2
【0053】
〔屈折率及び屈折率分布係数(C線)〕
N0=1.79610
N2=-1.87283×10-2
N4= 3.76971×10-2
【0054】
〔屈折率及び屈折率分布係数(F線)〕
N0=1.82776
N2=-1.90597×10-2
N4= 3.83653×10-2
【0055】
〔第2面(s2)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.11176×10-2
A6= 3.42294×10-4
A8= 3.15786×10-4
A10=-9.32458×10-5
【0056】
〔第4面(s4)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.11176×10-2
A6= 3.42294×10-4
A8= 3.15786×10-4
A10=-9.32458×10-5
【0057】
【0058】
〔屈折率及び屈折率分布係数(d線)〕
N0=1.80518
N2=-1.60621×10-2
N4= 1.88522×10-2
N6=-2.52711×10-13
N8=-1.30901×10-18
【0059】
〔屈折率及び屈折率分布係数(C線)〕
N0=1.79610
N2=-1.63944×10-2
N4= 1.87068×10-2
N6=-4.48542×10-13
N8=-2.60300×10-18
【0060】
〔屈折率及び屈折率分布係数(F線)〕
N0=1.82776
N2=-1.52353×10-2
N4= 1.92167×10-2
N6=-3.25885×10-12
N8= 4.19719×10-18
【0061】
〔第1面(s1)の非球面データ〕
ε=1
A4= 1.19299×10-2
A6= -1.74204×10-3
A8= -9.99859×10-4
A10= 3.79001×10-4
【0062】
〔第3面(s3)の非球面データ〕
ε=1
A4= -1.19299×10-2
A6= 1.74204×10-3
A8= 9.99859×10-4
A10=-3.79001×10-4
【0063】
図5〜図8は、実施例1〜実施例4にそれぞれ対応する収差図であり、各々左から順に、球面収差,非点収差,歪曲収差を示している。球面収差図において、縦軸は記録面への入射高さをその最大高さで規格化した値であり、横軸は焦点位置(近軸結像位置からの光軸方向のズレ量)(mm)である。そして、実線によるラインCはC線(波長656.3nm)に対する球面収差量、点線によるラインdはd線(波長587.6nm)に対する球面収差量、一点鎖線によるラインFはF線(波長486.1nm)に対する球面収差量をそれぞれ表している。
【0064】
非点収差図において、縦軸は半画角(deg)であり、横軸は焦点位置(近軸結像位置からの光軸方向のズレ量)(mm)である。そして、点線Sはサジタル面での非点収差量を表している。また、二点鎖線Tはタンジェンシャル面での非点収差量を表している。歪曲収差図において、縦軸は半画角(deg)であり、横軸は歪曲率(%)である。ここでの歪曲収差は殆ど見られない。
【0065】
以下に、各実施例における条件式の値を示す。なお、表中のG1は、GRINレンズの第1面である事を意味している。
【0066】
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で高性能な光ピックアップレンズを提供する事ができる。さらには軸上色収差や倍率色収差等が良好に補正された光ピックアップレンズを提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ピックアップレンズの第1の実施形態に対応するレンズ構成図。
【図2】本発明の光ピックアップレンズの第2の実施形態に対応するレンズ構成図。
【図3】本発明の光ピックアップレンズの第3の実施形態に対応するレンズ構成図。
【図4】本発明の光ピックアップレンズの第4の実施形態に対応するレンズ構成図。
【図5】実施例1に対応する収差図。
【図6】実施例2に対応する収差図。
【図7】実施例3に対応する収差図。
【図8】実施例4に対応する収差図。
【符号の説明】
L 光線
X 光軸
Claims (4)
- 光源からの光束を少なくとも1回以上の反射を用いて記録面近傍に結像させるSIMレンズより成り、該SIMレンズは以下の条件式を満足する屈折率分布型レンズで構成されている事を特徴とする光ピックアップレンズ;
−3.0<N1/φSIM 2<3.0
但し、
N1 :屈折率分布型レンズの2次の屈折率分布係数
φSIM:SIMレンズのパワー
である。ここで、
N(h)=N0+N1・h2+N2・h4+N3・h6+N4・h8+…
である。但し、
N(h):SIMレンズの位置hにおける屈折率
h :光軸に対して垂直な方向の高さ
N0 :光軸上での屈折率
N1,N2,N3,N4,…:それぞれ2次,4次,6次,8次,…の屈折率分布係数
である。 - 前記SIMレンズの少なくとも1面は非球面である事を特徴とする請求項1に記載の光ピックアップレンズ。
- 前記非球面は以下の条件式を満足する事を特徴とする請求項2に記載の光ピックアップレンズ;
0<h<hmaxにおいて、
−6.0<(φa−φ0a)/φSIM<5.0
但し、
h :レンズ径方向の高さ
hmax :レンズ有効径
φa :非球面の局所的な面のパワー
φ0a :非球面の基準曲率による面のパワー
φSIM :SIMレンズのパワー
であり、φa及びφ0aは以下の式で表される。
非球面が屈折面の場合
φa=Calo{N(h)′−N(h)}
φ0a=C0(N0′−N0)
非球面が反射面の場合
φa=−2CaloNr(h)
φ0a=−2C0Nr
但し、
Calo :非球面の各高さでの局所的な曲率
C0 :非球面の基準曲率
N(h)′:非球面像側媒質の各高さでの屈折率
N(h) :非球面物体側媒質の各高さでの屈折率
N0′ :非球面像側媒質の光軸上での屈折率
N0 :非球面物体側媒質の光軸上での屈折率
Nr(h) :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の各高さでの屈折率
Nr :反射非球面のとき、光線が存在している媒質の光軸上での屈折率
である。 - 前記SIMレンズは、その両面が非球面である事を特徴とする請求項1に記載の光ピックアップレンズ。
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Publications (2)
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