JP4903300B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CD(コンパクトディスク)及びDVD(デジタルビデオディスク)等の光ディスクの記録又は再生に適し、回折限界性能を有する対物レンズ及び光学装置に関する。なお、CDとは記録可能なCD−R(コンパクトディスク レコーダブル)も含むものとする。
【0002】
【従来の技術】
従来より、0.6mmの厚さの透明基板を有するDVDと1.2mmの厚さの透明基板を有するCDとの両方を再生する対物レンズが提案されている(特開平10−255305、特開平11−16190、特開平11−2759)。
【0003】
これらの従来例において、非球面を有する対物レンズの片面には、光軸を中心とする輪帯状に凹部又は凸部からなる位相シフタが設けられている。対物レンズの基本的形状はDVDを良好に再生できるように最適化されており、CDを再生するときには、位相シフタで位相を補正することにより収差をできるだけ小さく補正している。その結果、DVD、CDともに、軸上の収差、特に軸上球面収差については、良好に補正できている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例では、CDの再生時の軸外コマ収差については、良好に補正できず、軸外のコマ収差が大きいので、光源、対物レンズ等が光軸から傾いたとき又は軸ずれが生じたときの光学性能の劣化が大きく、光学装置を組み立てる際、対物レンズ等の位置決めに高精度を要求され、生産性が悪い問題があった。
【0005】
また、対物レンズの位置決めに高精度を要求されるのでレンズや光源を移動させるための機構(移動機構)の摩耗等によって、対物レンズの光軸からの傾き又は軸ずれが生じ、光学性能が経年変化的に劣化する問題があった。
また、軸外コマ収差が大きいので、実際に光学装置を作動させる際、対物レンズのオートフォーカス駆動による対物レンズの位置決め、特に軸ずれに対し許容範囲が狭くなり、そのため、光学性能が劣化する問題があった。
【0006】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、例えば、DVD、CD等の複数種の光ディスクを記録又は再生するときに、軸上の収差、軸外の収差の両者とも、良好に補正できる光学装置の提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1の波長λ 1 の光と第2の波長λ 2 の光を発光する光源と、補助レンズと、前記第1の波長λ 1 の光と前記第2の波長λ 2 の光の光路中に配置された対物レンズと、を備え、第1の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 の光を前記第1の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第1の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第2の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 と異なる第2の波長λ 2 の光を前記第2の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第2の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学装置において、前記対物レンズは、両面に非球面を有し、かつ、前記対物レンズの片面又は両面は、光軸を中心とする輪状の段差部を有する輪帯状非球面であり、前記段差部は、段差部W、段差部Xおよび段差部Yを備える位相シフタが設けられ、前記輪帯状非球面を、式4にしたがって光軸に向かって延長した線と、前記光軸との交点と、前記輪帯状非球面の頂点との間隔を、落差とするとき、前記段差部Wは、前記第1の波長λ 1 の光および前記第2の波長λ 2 の光に対して位相差を発生させる落差を有し、前記段差部Xは、前記第1の波長λ 1 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第2の波長λ 2 の光に位相差を発生させない落差を有し、前記段差部Yは、前記第2の波長λ 2 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第1の波長λ 1 の光に位相差を発生させない落差を有し、前記補助レンズと、前記対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、前記対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、前記第1の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 1 〜0.25λ 1 となるように設定されており、かつ、前記第2の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 2 〜0.25λ 2 となるように設定されている光学装置を提供する。ただし、式4において、iは2,4,6,8,10、jは1,2、hは光軸の高さ、Z j は、第j面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さの点までの距離、r j ,k j ,a i,j は、第j面の各係数である。
【0008】
【数3】
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の光学装置に用いる対物レンズの一実施例の光軸4を通る断面図である。段差部が設けられていない面が第1面(光源側の面)である。図2は光ディスク側から見る場合の、図1の対物レンズの正面図である。
【0010】
本発明の光学装置に用いる対物レンズは、2つの光ディスクのそれぞれの記録又は再生時に、それぞれの光ディスクに対して異なる波長の光源からの光をそれぞれの光ディスクの情報記録面に集光させ、それぞれの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学系に用いる。集光精度を向上させるため、本発明の光学装置に用いる対物レンズは両面に非球面を有する。第1の光ディスクの記録又は再生時には第1の波長が用いられ、第2の光ディスクの記録又は再生時には第2の波長が用いられる。
【0011】
上記したとおり、本発明の光学装置に用いる対物レンズは両面に非球面を有するが、これだけでは、収差を充分に補正できないため、対物レンズの片面又は両面には、光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられる。
【0012】
図1に示す対物レンズでは、光軸を中心とする輪状の段差部21、22、23、24、25、26、27、28、29、210が対物レンズの第2面(光ディスク側の面)に設けられている。第2面に設けられている段差部のうち段差部22、23、24、25、26、27、28、29、210が第1の波長及び第2の波長に対して位相シフトする機能を有しており、段差部Wである。すなわち、第1の波長に対して位相シフトする機能を有し、かつ、第2の波長に対して位相シフトする機能を有する段差部を段差部Wと称する。
【0013】
なお、必要に応じて、第1の波長に対してのみ位相シフトする機能を有する段差部Xを対物レンズの片面又は両面に設けてもよいし、第2の波長に対してのみ位相シフトする機能を有する段差部Yを対物レンズの片面又は両面に設けてもよい。
【0014】
すなわち、対物レンズの片面又は両面に設けられる複数の段差部のすべてが段差部Wである必要はなく、対物レンズの片面又は両面に設けられる複数の段差部の一部の段差部が段差部Wであれば使用できる。すなわち、複数の段差部のうち少なくとも1つが段差部Xであってもよく、複数の段差部のうち少なくとも1つが段差部Yであってもよい。なお、段差部の数は図1に限定されず、任意に変更できる。
【0015】
第1の波長の光の位相シフトにより第1の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が向上する。第2の波長の光の位相シフトにより第2の光ディスクの記録又は再生時の収差、特に軸上の球面収差が向上する。
【0016】
図1に示す対物レンズでは、その片面に光軸を中心とする輪状の段差部を備える位相シフタが設けられており、対物レンズの加工のしやすさの点からすれば、対物レンズの片面に段差部を備える位相シフタを設けることが好ましい。しかし、これに限定されず、対物レンズの両面に段差部を備える位相シフタが設けられていてもよい。
【0017】
図1において、φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26、φ27、φ28、φ29、φ210は、それぞれ段差部21、22、23、24、25、26、27、28、29、210の内側の径(直径)、φ211は第2面の有効径(直径)、φ11は第1面の有効径(直径)である。
【0018】
段差部W、段差部X又は段差部Yは、対物レンズの面に設けられる凸部又は凹部によるものであってもよい。段差部は光軸を通る断面図における角度が直角であるものに限定されず、なだらかな傾斜のものでもよい。以下の説明において、特に記載のない場合、距離、間隔、長さ、厚さ等寸法の単位はmmとする。
【0019】
段差部が第1の波長λ1及び第2の波長λ2に対して位相シフトする機能を有するようにするには、第1の波長の光を位相シフトさせるために、第1の波長λ1の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に(p−0.1)λ2〜(p+0.1)λ2になるように、位相シフタの段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましく、かつ、第2の波長の光を位相シフトさせるために、第2の波長λ2の光について生ずる位相差が距離に換算した場合に(q−0.1)λ1〜(q+0.1)λ1になるように、位相シフタの段差部の寸法及び形状が決定されていることが好ましい。ただし、pは自然数、qは自然数である。また、360度の自然数倍の位相差は位相差でないものとみなす。なお、位相差を波長の倍数で表す場合には、位相を距離に換算してあるものとする。
【0020】
このようにするには、位相シフタの各輪状の段差部が有する落差γと、λ1、λ2と、第1の波長における対物レンズ3の素材の屈折率n1、第2の波長における対物レンズ3の素材の屈折率n2とが以下の式1を満たすことが好ましく、以下の式2を満たすことがより好ましい。
【0021】
【数4】
【0022】
ここで、段差部の輪と別の段差部の輪との間、又は有効径付近に輪帯状の非球面が設けられている場合に、これらの非球面を輪帯状非球面と称すると、落差とは、輪帯状非球面を後述する式4に従って光軸4に向かって延長し、その延長線と光軸4との交点と、輪帯状非球面が設けられている対物レンズの面の頂点との間隔をいい、例えば、図3におけるγ21(段差部21の落差)、γ22(段差部22の落差)が該当する。この間隔は光軸4に沿っている。
【0023】
第1の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数NA1と、第2の光ディスクを記録又は再生する場合の対物レンズの開口数NA2との間にNA1>NA2 が成り立つとき、段差部のうちの内側の径(直径)が最小のもの(図1における21)の落差(例えば、図3におけるγ21)は、以下の式3を満たすことが好ましい。
【0024】
【数5】
【0025】
この段差部は、第2の波長の光に対して位相差を生じさせる(第2の波長の光の位相シフト)機能を有する段差部であって、段差部Yである。第2の波長に対して、範囲の小さいNA2の範囲内で収差補正をしなければならず、この段差部の落差が式3を満たさない場合には、第2の光ディスクの記録又は再生が良好にできないおそれがある。
【0026】
段差部Wの輪の本数NWと、段差部Xの輪の本数NXと、段差部Yの輪の本数NYとの間に、NW+NX+NYが8〜13本となる関係があることが好ましい。ただし、NWは自然数、NXは0(ゼロ)又は自然数、NYは0(ゼロ)又は自然数である。
【0027】
8本未満であると軸上球面収差を良好に補正することができないおそれがある。さらに、対物レンズの第1面及び第2面の有効径が、通常、5.0mm以下であることを鑑みると、それぞれ13本超であると製造することが困難となるおそれがある。より好ましくは、NW+NX+NYが9〜13本である。
【0028】
図4は本発明の光学装置の一実施例を示す構成図である。図4において、1は第1の光源、2は反射機能を有する光学媒体、3は対物レンズ、5は補助レンズ、6は第1の光ディスク、6aは第1の光ディスク6の透明基板(以下、第1の透明基板という)、6bは第1の光ディスク6の情報記録面(以下、第1の情報記録面という)、7は第2の光ディスク、7aは第2の光ディスク7の透明基板(以下、第2の透明基板という)、7bは第2の光ディスク7の情報記録面(以下、第2の情報記録面という)、9は絞り、10は受光素子、S1は光源1から補助レンズ5の光源側の面(第1面)までの光軸上の距離、S2は補助レンズ5の光ディスク側の面(第2面)から対物レンズ3の第1面までの光軸上の距離である。
【0029】
図4に示す光学装置では、第1の波長を用いて第1の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ3の開口数NA1と、第2の波長を用いて第2の光ディスクの記録又は再生する場合の対物レンズ3の開口数NA2とが、NA1> NA2を満たす。また、図5は、図4とは別の実施例を示す構成図である。図5に示す光学装置では、光源1から光を対物レンズ3のみにより光ディスクの情報記録面に集光している。
【0030】
図4において、光源1からの第1の波長の光は、順に光学媒体2、補助レンズ5、対物レンズ3を介して第1の情報記録面6bに導かれ収束する。図5では補助レンズ5が設けられていないので、第1の波長の光は、順に光学媒体2、対物レンズ3を介して第1の情報記録面6bに導かれ収束する。
【0031】
図4において、光源1からの第2の波長の光は、順に光学媒体2、補助レンズ5、対物レンズ3を介して第2の情報記録面7bに導かれ収束する。図5では補助レンズ5が設けられていないので、第1の波長の光は、順に光学媒体2、対物レンズ3を介して第2の情報記録面7bに導かれ収束する。
【0032】
第1の情報記録面6bによって反射される第1の波長の光と、第2の情報記録面7bによって反射される第2の波長の光とは、ともに来た光路を戻り光学媒体2により反射されて受光素子10に受光される。
【0033】
図4、5の光学装置の光学系は全体で有限系の光学系を構成している。図4の対物レンズ3は補助レンズがコリメータレンズである場合には無限系のレンズであり、図5の対物レンズ3は有限系のレンズである。光ディスクからみて有限の距離範囲に位置する光源の光を光ディスクの情報記録面に収束させるためである。対物レンズ3は有限系レンズが使用できる場合であっても、有限系対物レンズは無限系として設計され有限系としても使用できる対物レンズを含むものとする。
【0034】
また、第1の情報記録面6bと第2の情報記録面7bにはデジタル信号を表すマークが記録されている。このマークにより表される1ピットの寸法が数μm以下の場合には精確な記録又は再生を行うために、本発明の光学装置の光学系は回折限界性能を有する。
【0035】
光源1は、例えばレーザ光源等が挙げられ、第1の光ディスク6がDVD、第2の光ディスク7がCDと仮定すれば、レーザ光源としては例えばCD用に波長785nmのレーザ光源、DVD用に波長655nmのレーザ光源等が挙げられる。なお、光源の波長については、上述した655nm、785nmに限定されない。
【0036】
図4に示す光学装置では、第1の透明基板6aの厚さt1に対して、第1の波長の光が第1の情報記録面6bに良好に収束するように補助レンズ5と対物レンズ3との組合せが最適化されており、かつ、第2の透明基板7aの厚さt2に対して、第2の波長の光が第2の情報記録面7bに良好に収束するように補助レンズ5と対物レンズ3との組合せが最適化されている。
【0037】
換言すると、図4における補助レンズ5と対物レンズ3との組合せは、第1の波長、物像間距離及び第1の透明基板6aの厚さt1に対して適正に収差が補正されており、第1の波長の光を使用して第1の光ディスク6の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。
【0038】
さらに、図4における補助レンズ5と対物レンズ3との組合せは、第2の波長、物像間距離及び第2の透明基板7aの厚さt2に対して適正に収差が補正されており、第2の波長の光を使用して第2の光ディスク7の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。補助レンズ5は、対物レンズ3と組合せて用いたときに収差が最適になるよう設定されている。
【0039】
図5に示す光学装置では、第1の透明基板6aの厚さt1に対して、第1の波長の光が第1の情報記録面6bに良好に収束するように対物レンズ3が最適化されており、かつ、第2の透明基板7aの厚さt2に対して、第2の波長の光が第2の情報記録面7bに良好に収束するように対物レンズ3が最適化されている。
【0040】
換言すると、図5における対物レンズ3は、第1の波長、物像間距離及び第1の透明基板6aの厚さt1に対して適正に収差が補正されており、第1の波長の光を使用して第1の光ディスク6の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。
【0041】
さらに、図5における対物レンズ3は、第2の波長、物像間距離及び第2の透明基板7aの厚さt2に対して適正に収差が補正されており、第2の波長の光を使用して第2の光ディスク7の記録又は再生を行う光学系の収差特性は軸外、軸上ともに最適化されている。
【0042】
このようにして、透明基板厚の異なる第1の光ディスク6と第2の光ディスク7との記録又は再生を良好にする。なお、上記収差特性には透明基板の厚さのみならず、透明基板の屈折率もわずかながら影響する。
【0043】
図4に示す光学装置に図1に示されるような対物レンズを用いる場合には、補助レンズ5と、対物レンズ3の一方の片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズ3の他方の片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第1の光ディスク6の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ1〜0.25λ1となるように設定されており、かつ、第2の光ディスク7の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ2〜0.25λ2となるように設定されていることが好ましい。
【0044】
軸上球面収差がRMS値で0.08λ1以上、かつ、0.08λ2以上であると、軸外コマ収差が補正できないおそれがなく、0.25λ1以下、かつ、0.25λ2以下であると、段差部の数が少なくとも収差補正ができ段差部の数が増加しすぎることがなく、対物レンズ3の製作が容易となる。
【0045】
図4に示す光学装置に図1に示されるような対物レンズを用いる場合には、対物レンズ3の片面に設けられている各輪帯状非球面(例えば図1における輪帯状非球面21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a、29a、210a、211a)から選ばれる少なくとも1つと、対物レンズ3の各輪帯状非球面が設けられている反対側の頂点を含む面の非球面と、補助レンズ5との組合せで構成する光学系が、第1の波長の光によって第1の光ディスク6の情報記録面6bのデータを記録又は再生する場合に、像高0.05mmにおける軸外コマ収差がRMS値で0.03λ1以下となるように設定されており、かつ、第2の波長の光によって第2の光ディスク7の情報記録面7bのデータを記録又は再生する場合に、像高0.05mmにおける軸外コマ収差がRMS値で0.03λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【0046】
像高0.05mmにおける軸外コマ収差が0.03λ以下の場合には0.03λ超の場合と比較して、光源、補助レンズ、対物レンズ又は光ディスクの、光軸からの傾き又は軸ずれに対する許容範囲が0.1%以上拡大する。像高0.05mmにおける軸外コマ収差のより好ましい範囲は0.01λ以下であり、この場合には0.01λ超の場合と比較してこの許容範囲が0.5%以上拡大する。
【0047】
図5に示す光学装置に図1に示されるような対物レンズを用いる場合には、対物レンズ3の一方の片面の頂点を含む面の非球面と、対物レンズ3の他方の片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、第1の光ディスク6の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ1〜0.25λ1となるように設定されており、かつ、第2の光ディスク7の情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ2〜0.25λ2となるように設定されていることが好ましい。
【0048】
軸上球面収差がRMS値で0.08λ1以上、かつ、0.08λ2以上であると、軸外コマ収差が補正できないおそれがなく、0.25λ1以下、かつ、0.25λ2以下であると、段差部の数が少なくとも収差補正ができ段差部の数が増加しすぎることがなく、対物レンズ3の製作が容易となる。
【0049】
図5に示す光学装置に図1に示されるような対物レンズを用いる場合には、対物レンズ3の片面に設けられている各輪帯状非球面(例えば図1における輪帯状非球面21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a、29a、210a、211a)から選ばれる少なくとも1つと、対物レンズ3の各輪帯状非球面が設けられている反対側の頂点を含む面の非球面との組合せで構成する光学系が、第1の波長の光によって第1の光ディスク6の情報記録面6bのデータを記録又は再生する場合に、像高0.05mmにおける軸外コマ収差がRMS値で0.03λ1以下となるように設定されており、かつ、第2の波長の光によって第2の光ディスク7の情報記録面7bのデータを記録又は再生する場合に、像高0.05mmにおける軸外コマ収差がRMS値で0.03λ2 以下となるように設定されていることが好ましい。
【0050】
像高0.05mmにおける軸外コマ収差が0.03λ以下の場合には0.03λ超の場合と比較して、光源、対物レンズ又は光ディスクの、光軸からの傾き又は軸ずれに対する許容範囲が0.1%以上拡大する。像高0.05mmにおける軸外コマ収差のより好ましい範囲は0.01λ以下であり、この場合には0.01λ超の場合と比較してこの許容範囲が0.5%以上拡大する。
【0051】
図4に示す光学装置における第1の波長の光と第1の透明基板6aとの組合せに対応する、補助レンズ5と対物レンズ3との組合せの横倍率をβ1 、図5に示す光学装置における第1の波長の光と第1の透明基板6aとの組合せに対応する、対物レンズ3との組合せの横倍率もβ1と称し、図4に示す光学装置における第2の波長の光と第2の透明基板7aとの組合せに対応する、補助レンズ5と対物レンズ3との組合せの横倍率をβ2 、図5に示す光学装置における第2の波長の光と第2の透明基板7aとの組合せに対応する、対物レンズ3との組合せの横倍率もβ2と称すると、下記(A)と下記(B)との両方の条件を満足することが好ましい。
(A)0.05≦|β1 |≦0.3、
(B)0.05≦|β2 |≦0.3。
【0052】
0.05≦|β1|、かつ、0.05≦|β2 |を満足しない場合には、物像間距離が長くなりすぎ、光学装置の小型化が困難となり好ましくない。また、|β1 |≦0.3、かつ、|β2 |≦0.3を満足しない場合には、収差補正が困難となり好ましくない。
【0053】
また、図4に示す光学装置において、光源1から補助レンズ5の光源1側の面までの光軸上の距離であるS1について、8mm≦S1≦25mmであることが好ましい。S1が8mm未満であると収差補正が困難となるおそれがあり、S1が25mm超であると光学装置の小型化が困難となるおそれがある。
【0054】
また、光学媒体2の例として、例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラー、プリズム等が挙げられる。光学媒体2は必要に応じて設けられ、図4、5に示す光学装置において、光学媒体2を設けずに、光源1からの光が直接対物レンズ3に照射されるようにしてもよい。また、光ディスクの情報記録面のデータを受光素子に読み込む手段は図4、5に示す手段に限定されない。
【0055】
絞り9は開口数(NA)を変化させる機能を有する。絞り9を設ける理由は、記録又は再生の際、第1の光ディスク6に使用される開口数と第2の光ディスク7に使用される開口数とが異なる場合、絞り9により開口数を調整するためである。第1の光ディスク6に使用される開口数と第2の光ディスク7に使用される開口数とが同じである場合には絞り9は通常不要である。絞り9には、機械的絞り、光学的絞りがあり、特に限定されない。
【0056】
第1の光ディスクに用いる対物レンズの開口数NA1と、第2の光ディスクに用いる対物レンズの開口数NA2との間に、NA1>NA2 が成り立つとき、対物レンズの片面又は両面の光軸を中心とする輪帯状領域には、第2の波長の光の透過を妨げて開口数NA2に絞り込むための段差部を設け、絞り9の代わりとしてもよい。
【0057】
図4では、補助レンズ5を1個のレンズによって構成しているが、これに限定されず、補助レンズ5をそれぞれ複数個のレンズ群によって構成してもよい。以上2種類の光ディスクの記録又は再生について述べたが、これに限定されず、3種類以上の異なる透明基板の厚さの光ディスクを記録又は再生の対象としてもよい。また、本発明における光ディスクは、DVD、CDに限定されず、他の種類の光ディスクであってもよい。
【0058】
図4、5に示す光学装置では、1つの光源1から、第1の波長の光及び第2の波長の光を発光させている。しかし、これに限定されず、第1の波長の光と第2の波長の光の光源を別々に分けてもよい。
【0059】
補助レンズ5及び対物レンズ3には材料として合成樹脂を通常使用する。しかし、合成樹脂に限定されず、ガラスを用いてもよい。また、本発明の光学装置は、対物レンズのオートフォーカス駆動を備えてもよい。
【0060】
【実施例】
第1の光ディスク6としてDVD(t1=0.60mm)を用い、第2の光ディスク7としてCD(t2=1.20mm)を用いることとし、CD、DVDの記録又は再生を前提とした図4に示す光学装置を製作した。
【0061】
DVDの再生又は記録には波長655nmのレーザ光源、CDの再生又は記録には波長785nmのレーザ光源を使用した。光学媒体2は厚さ3.00mm、材料がBK7であるビームスプリッタを用いた。DVDの透明基板は波長655nmで屈折率1.580を有するものとして、CDの透明基板は波長785nmで屈折率1.573を有するものとして、設計した。
【0062】
対物レンズ3の有する非球面の形状は、各輪帯状非球面を含め、下記式4によって決定した。式4において、iは2,4,6,8,10であり、jは1,2であり、hは光軸からの高さであり、zj は第j面非球面の頂点の接平面からその非球面上の高さhの点までの距離であり、rj 、kj 、ai,j は第j面の各係数である。
【0063】
【数6】
【0064】
「例1(比較例)」
対物レンズ3の形状は図6に示すような形状とした。CD用、DVD用ともに軸上の球面収差を補正するようには設計せず、軸外コマ収差が良好に補正されるように設計を行った。
【0065】
例1の光学装置及び対物レンズの仕様、諸数値を表1上段に示す。表1上段において、f1は波長655nmにおける対物レンズ3の焦点距離、f2は波長785nmにおける対物レンズ3の焦点距離、d1は対物レンズ3の中心厚、n1は波長655nmにおける対物レンズ3の屈折率、n2は波長785nmにおける対物レンズ3の屈折率である。
【0066】
例1における対物レンズの第1面の非球面の各係数を表1中段に示し、例1における対物レンズの第2面の非球面の各係数を表1下段に示す。以下の表において、E−1は10-1を意味する。
【0067】
【表1】
【0068】
補助レンズはコリメータレンズとし、補助レンズの有する非球面の形状は式4によって決定した。補助レンズの非球面の各係数を表2上段に示す。表2上段において、fC1は波長655nmにおける焦点距離、fC2は波長785nmにおける焦点距離、dCは中心厚、nC1は波長655nmにおける屈折率、nC2は波長785nmにおける屈折率である。なお、例2〜4においても表2上段に示す補助レンズを用いた。
【0069】
表2上段の補助レンズと、表1の対物レンズとからなる光学系の仕様は表2下段のとおりである。表2下段において、P1は波長655nmにおける、対物レンズの第2面と第1の光ディスク6の対物レンズ側の面との距離(作動距離)、P2は波長785nmにおける、対物レンズの第2面と第2の光ディスク7の対物レンズ側の面との距離(作動距離)である。
【0070】
【表2】
図7にCD用光学系の軸外波面収差特性を示す。図7において実線はすべての種類の収差を含む波面収差を示す。また、破線は軸外波面収差のうちの軸外コマ収差のみを示す。また図8にDVD用光学系の軸外波面収差特性を示す。実線、破線の意味は図7と同様である。なお、以下の収差特性図においても実線、破線の意味は図7と同様とする。各例についての収差特性図及び後述する表の収差の値はすべて計算値である。
【0071】
プラスチックを射出成形して例1の対物レンズと補助レンズとを作製し例1の光学装置を製作して、当光学装置でDVDとCDとを記録又は再生したところ、両方とも忠実に記録再生できなかった。
【0072】
「例2(比較例)」
対物レンズの形状は図9に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表1上段の仕様については例1と同様とした。DVD用の軸上の球面収差を補正するために、対物レンズの第2面に位相シフタを設けた。対物レンズの第1面の形状は例1の対物レンズの第1面と同様とした。以下、対物レンズの第2面の非球面について図9の符号を用いて説明する。
【0073】
対物レンズの第2面の頂点を含む面の非球面31aは例1の対物レンズの第2面の頂点を含む面の非球面と同様とした。図9の対物レンズの第1面と非球面31aとで、DVD及びCDの記録又は再生の際の軸外コマ収差を良好に補正している。
【0074】
図9の対物レンズの第1面と輪帯状非球面32a、33a、34a、35aとで、DVD及びCDの記録又は再生の際の軸外コマ収差を良好に補正している。輪帯状非球面32aと輪帯状非球面34aとは落差が同一で、非球面の各係数も同一である。
【0075】
輪帯状非球面32a、34aの非球面の各係数表3左上段に示し、輪帯状非球面33a、35aの非球面の各係数表3右上段に示す。各落差については表3中段に示す。また、φ31、φ32、φ33、φ34、φ35については表3下段に示す。表4上段に示された落差γ31、落差γ32、落差γ33、落差γ34は、式1において、それぞれ、jを0(ゼロ)として計算しているため、CD用の波長785nmのレーザ光については位相シフトされず、DVD用の波長655nmのレーザ光についてのみ位相シフトされる。したがって、DVDについては忠実に記録再生できるが、CDについては忠実に記録再生できない。
【0076】
【表3】
図10にCD用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図11にDVD用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例2の形状の対物レンズ3と補助レンズ5とを作製し、例2の光学装置を製作した。DVD、CDについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、DVDについては忠実に記録再生できたが、CDについては忠実に記録再生できなかった。
【0077】
「例3(比較例)」
対物レンズの形状は図12に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表1上段の仕様については例1と同様とした。CD用の軸上の球面収差を補正するために、図12に示すとおり対物レンズの第2面に位相シフタを設けた。対物レンズの第1面は例1の対物レンズの第1面と同様とした。以下、対物レンズの第2面の非球面について図12の符号を用いて説明する。
【0078】
対物レンズの第2面の頂点を含む面の非球面41aは例1の対物レンズの第2面の頂点を含む面の非球面と同様とした。本例の対物レンズの第1面の非球面と非球面41aとの組合せは、例1の対物レンズと同様、CD用、DVD用ともに軸上の球面収差を補正するようには設計せず、CD用、DVD用ともに軸外コマ収差が良好に補正されるように設定した。
【0079】
輪帯非球面42a、43a、44a、45a、46aの非球面形状は、それぞれ落差を考慮して第1面の非球面との組合せが、CD用、DVD用ともに軸外コマ収差が良好に補正されるように設定した。輪帯非球面47aの非球面形状は、第1面の非球面との組合せが、CD用、DVD用ともに軸外コマ収差が良好に補正されるように設定した。
【0080】
段差41と段差45とは落差が同じであり、段差42と段差44とは落差が同じである。非球面41aと輪帯非球面47aとは非球面の各係数が同じである(例1参照)。輪帯非球面42aと輪帯非球面46aとは非球面の各係数を同じにした。輪帯非球面43aと輪帯非球面45aとは非球面の各係数が同じである。
【0081】
輪帯非球面42aと輪帯非球面46aの非球面の各係数を表4左上段に示し、輪帯非球面43aと輪帯非球面45aの非球面の各係数を表4右上段に示し、輪帯非球面44aの非球面の各係数を表4左下段に示す。さらに、各輪状の段差部の落差γについては表5上段に示す。また、φ41、φ42、φ43、φ44、φ45、φ46、φ47については表5下段に示す。
【0082】
表5上段に示された落差γ41、落差γ42、落差γ43、落差γ44、落差γ45、落差γ46は、式1において、それぞれiを0(ゼロ)として計算しているため、DVD用の波長655nmのレーザ光については位相シフトされず、CD用の波長785nmのレーザ光についてのみ位相シフトされる。したがって、CDについては忠実に記録再生できるが、DVDについては忠実に記録再生できない。
【0083】
【表4】
【0084】
【表5】
【0085】
図13にCD用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図14にDVD用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例3の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、例3の光学装置を製作した。DVD、CDについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、CDについては忠実に記録再生できたが、DVDについては忠実に記録再生できなかった。
【0086】
「例4(実施例)」
対物レンズの形状は図1に示すレンズのような形状とし、基本的な仕様である表1上段の仕様については例1と同様とした。対物レンズの第1面は例1における対物レンズの第1面と同様とした。さらに、各輪状の段差部の落差γ及び輪帯非球面210aの落差については表6上段に示し、各輪状の段差部の径(直径)については表6左下段に示す。
【0087】
例4の段差と、例2、3との段差の位置の関係を表6右下段に示す。すなわち、例4の段差の径と、例2、3との段差の径とが同じものを示しており、表6下段により例4の段差が、例2の段差と例3との段差とを合成したものであることを示している。
【0088】
【表6】
【0089】
輪帯状非球面21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a、29a、210a、211aの非球面の形状について、表7に示す。
【0090】
【表7】
【0091】
図15にCD用光学系の軸外波面収差特性を示す。また図16にDVD用光学系の軸外波面収差特性を示す。プラスチックを射出成形して、例4の形状の対物レンズと補助レンズとを作製し、例4の光学装置を製作した。CD、DVDについてこの光学装置により記録又は再生を行ったところ、ともに忠実に記録再生できた。
【0092】
【発明の効果】
本発明の光学装置に用いる対物レンズは、その片面又は両面に第1の波長の光及び第2の波長の光に対して位相差を生じさせる機能を有する位相シフタが設けられているため、第1の光ディスク、第2の光ディスクの記録又は再生に際し、軸上の収差、軸外の収差ともに良好に補正できる。
【0093】
したがって、本発明の光学装置に用いる対物レンズは、経年変化によって光源や対物レンズが光軸から傾き又は軸ずれが生じた場合であっても、軸上の収差、軸外の収差ともに良好であり、高精度化が容易であって、光学性能が経年変化的に劣化する可能性が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学装置に用いる対物レンズの一実施例を示す断面図。
【図2】光ディスク側から見る場合の、図1の対物レンズの正面図。
【図3】図1の対物レンズの第2面の光軸付近の拡大断面図。
【図4】本発明の光学装置の一実施例を示す構成図。
【図5】図4とは別の光学装置の実施例の構成図。
【図6】例1の対物レンズを示す断面図。
【図7】例1のCD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図8】例1のDVD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図9】例2の対物レンズを示す断面図。
【図10】例2のCD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図11】例2のDVD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図12】例3の対物レンズを示す断面図。
【図13】例3のCD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図14】例3のDVD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図15】例4のCD用光学系の軸外波面収差特性図。
【図16】例4のDVD用光学系の軸外波面収差特性図。
【符号の説明】
1:第1の光源
2:光学媒体
3:対物レンズ
5:補助レンズ
6:第1の光ディスク
6a:第1の光ディスク6の透明基板
6b:第1の光ディスク6の情報記録面
7:第2の光ディスク
7a:第2の光ディスク7の透明基板
7b:第2の光ディスク7の情報記録面
9:絞り
10:受光素子
S1:光源1から補助レンズ5の第1面までの光軸上の距離
S2:補助レンズ5の第2面から対物レンズ3までの光軸上の距離
21、22、23、24、25、26、27、28、29、210:光軸を中心とする輪状の段差部
21a、22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a、29a、210a、211a:輪帯状非球面
φ21、φ22、φ23、φ24、φ25、φ26、φ27、φ28、φ29、φ210:それぞれ段差部21、22、23、24、25、26、27、28、29、210の内側の径(直径)
φ210:第2面の有効径(直径)
φ11:第1面の有効径(直径)
Claims (9)
- 第1の波長λ 1 の光と第2の波長λ 2 の光を発光する光源と、補助レンズと、前記第1の波長λ 1 の光と前記第2の波長λ 2 の光の光路中に配置された対物レンズと、を備え、第1の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 の光を前記第1の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第1の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第2の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 と異なる第2の波長λ 2 の光を前記第2の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第2の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学装置において、
前記対物レンズは、両面に非球面を有し、かつ、前記対物レンズの片面又は両面は、光軸を中心とする輪状の段差部を有する輪帯状非球面であり、
前記段差部は、段差部W、段差部Xおよび段差部Yを備える位相シフタが設けられ、
前記輪帯状非球面を、式4にしたがって光軸に向かって延長した線と、前記光軸との交点と、前記輪帯状非球面の頂点との間隔を、落差とするとき、
前記段差部Wは、前記第1の波長λ 1 の光および前記第2の波長λ 2 の光に対して位相差を発生させる落差を有し、
前記段差部Xは、前記第1の波長λ 1 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第2の波長λ 2 の光に位相差を発生させない落差を有し、
前記段差部Yは、前記第2の波長λ 2 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第1の波長λ 1 の光に位相差を発生させない落差を有し、
前記補助レンズと、前記対物レンズの片面の頂点を含む面の非球面と、前記対物レンズの残る片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、前記第1の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 1 〜0.25λ 1 となるように設定されており、かつ、前記第2の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 2 〜0.25λ 2 となるように設定されている光学装置。
- 前記段差部Wの輪の本数N W と、前記段差部Xの輪の本数N X と、前記段差部Yの輪の本数N Y と、の間に、8≦N W +N X +N Y ≦13の関係がある請求項1に記載に光学装置。ただし、N W 、N X 、N Y は、自然数である。
- 前記補助レンズと前記対物レンズとの組合せにおいて、前記第1の波長λ 1 の光と前記第1の光ディスクに対応する横倍率をβ 1 、前記第2の波長λ 2 の光と前記第2の光ディスクに対応する横倍率をβ 2 とするとき、
0.05≦|β 1 |≦0.3、
0.05≦|β 2 |≦0.3、
を満足する請求項1または請求項2に記載の光学装置。 - 前記補助レンズが、コリメータレンズである請求項1〜3いずれか1項に記載の光学装置。
- 第1の波長λ 1 の光と第2の波長λ 2 の光を発光する光源と、前記第1の波長λ 1 の光と前記第2の波長λ 2 の光の光路中に配置された対物レンズと、を備え、第1の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 の光を前記第1の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第1の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させ、第2の光ディスクの記録又は再生時に、前記第1の波長λ 1 と異なる第2の波長λ 2 の光を前記第2の光ディスクの情報記録面に集光させて前記第2の光ディスクの情報記録面からの反射光を受光素子に受光させる光学装置において、
前記対物レンズは、両面に非球面を有し、かつ、前記対物レンズの片面又は両面は、光軸を中心とする輪状の段差部を有する輪帯状非球面であり、
前記段差部は、段差部W、段差部Xおよび段差部Yを備える位相シフタが設けられ、
前記輪帯状非球面を、式4にしたがって光軸に向かって延長した線と、前記光軸との交点と、前記輪帯状非球面の頂点との間隔を、落差とするとき、
前記段差部Wは、前記第1の波長λ 1 の光および前記第2の波長λ 2 の光に対して位相差を発生させる落差を有し、
前記段差部Xは、前記第1の波長λ 1 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第2の波長λ 2 の光に位相差を発生させない落差を有し、
前記段差部Yは、前記第2の波長λ 2 の光に対してのみに位相差を発生させるとともに、前記第1の波長λ 1 の光に位相差を発生させない落差を有し、
前記対物レンズの一方の片面の頂点を含む面の非球面と、前記対物レンズの他方の片面の頂点を含む面の非球面との組合せが、前記第1の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 1 〜0.25λ 1 となるように設定されており、かつ、前記第2の光ディスクの情報記録面のデータを記録又は再生する場合に軸上球面収差がRMS値で0.08λ 2 〜0.25λ 2 となるように設定されている光学装置。
- 前記段差部Wの輪の本数NWと、前記段差部Xの輪の本数NXと、前記段差部Yの輪の本数NYと、の間に、8≦NW+NX+NY≦13の関係がある請求項5に記載の光学装置。ただし、NW 、N X 、N Y は、自然数である。
- 前記対物レンズにおいて、前記第1の波長λ 1 の光と前記第1の光ディスクに対応する横倍率をβ 1 、前記第2の波長λ 2 の光と前記第2の光ディスクに対応する横倍率をβ 2 とするとき、
0.05≦|β 1 |≦0.3、
0.05≦|β 2 |≦0.3、
を満足する請求項5または請求項6に記載の光学装置。 - 前記段差部Wは、前記落差をγとするとき、
(p−0.1)λ 2 /(n 2 −1)+(q−0.1)λ 1 /(n 1 −1)≦γ≦(p+0.1)λ 2 /(n 2 −1)+(q+0.1)λ 1 /(n 1 −1)、
を満足する請求項1〜7いずれか1項に記載の光学装置。
ただし、p,qは、自然数、n 1 は、λ 1 における対物レンズの素材の屈折率、n 2 は、λ 2 における対物レンズの素材の屈折率である。 - 前記第1の波長λ 1 は655nm、前記第1の光ディスクはDVDであり、前記第2の波長λ 2 は785nm、前記第2の光ディスクはCDである請求項1〜8いずれか1項に記載の光学装置。
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