JP4993326B2 - レンズ - Google Patents

Description

本発明は、ＮＡ０．７以上の高精度な形状を有するレンズに関する。

近年、波長４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザを用いて、情報の記録及び／又は再生（以下、「記録及び／又は再生」を「記録／再生」と記載する）を行える高密度光ディスクシステムの研究・開発が急速に進んでいる。一例として、ＮＡ０．８５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（以下、ＢＤという）では、ＤＶＤ（ＮＡ０．６、光源波長６５０ｎｍ、記憶容量４．７ＧＢ）と同じ大きさである直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１層あたり２３〜２７ＧＢの情報の記録が可能である。この光ディスクを本明細書では高密度光ディスクと呼ぶ。

ところで、光ピックアップ装置に用いる対物レンズとして、樹脂の成形によって得られるものが、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−１５０３１号公報

ここで、特許文献１に開示されたレンズの場合、レンズの成形不良を回避するために、開口数ＮＡの最外光線が交わる位置から外側のレンズ面に繋ぎ領域を設けている。ところで、本発明者の検討結果によれば、このような繋ぎ領域を設けた場合でも、偏肉比（後述）が大きいと、フローマーク等の成形不良が発生することが判明した。一方で、偏肉比が小さすぎると、フランジ厚が厚くなってしまい、有効径を大きくすることができない。従って、有効径が大きい高ＮＡレンズでは、偏肉比を小さくすると光学的にレンズ設計自体が成り立たなくなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高ＮＡのレンズにおいて成形時の不具合を抑制でき、取り扱いが容易なレンズを提供することを目的とする。

請求項１に記載のレンズは、樹脂を素材として成形され外周にフランジ部を備えたＮＡ０．７以上のレンズにおいて、
光軸を含む第１の面と、
前記第１の面よりも曲率が小さく、前記第１の面に対して対向する側に形成された第２の面と、
光軸直交方向において前記第１の面と前記フランジ部との間に形成される中間端面と、
前記中間端面と前記第１の面とを接続する遷移面とを有し、
前記遷移面との境界における前記第１の面の法線と光軸とのなす角度θ１（但し鋭角とする）は、前記第１の面との境界における前記遷移面の法線と光軸とのなす角度θ２より大きくなっており、
光軸上における前記第１の面と前記第２の面との距離をｄ（ｍｍ）とし、前記中間端面における光軸方向最小薄さをｔ（ｍｍ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。

４．１＞ｄ／ｔ＞２．８ （１）
本発明者の研究結果によれば、前記遷移面を設けることで成形不良を抑制できるが、ｄ／ｔ（これを偏肉比という）が４．１以上であるような場合には、前記遷移面を形成してもフローマーク等の成形不良が生じる恐れがあることがわかった。一方、ｄ／ｔが２．８以下であるような場合には、フランジ厚が薄くなりすぎて、例えば光ピックアップ装置用の対物レンズ等の場合、装置に精度良く取り付けることができなくなる。従って、（１）式を満たすことで、成形不良を抑制でき組付性に優れたレンズが提供されることとなる。

請求項２に記載のレンズは、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とするので、より効果的に成形不良を抑制しつつＮＡ０．７以上のレンズを成形できることとなる。

３．８＞ｄ／ｔ＞３．３ （１’）
請求項３に記載のレンズは、請求項１又は２に記載の発明において、前記フランジ部の光軸方向厚さをΔ（ｍｍ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。

ｔ＜Δ （２）
例えば一般的な光ピックアップ装置用の対物レンズでは、繋ぎ領域につながるフランジ部が一様な厚さを有している。このような形状であれば、繋ぎ領域を設けることで比較的容易に成形不良を抑制できる。これに対し、近年では、軸上厚を薄くしながらもフランジ部を厚くしたレンズも望まれている。このようなレンズにおいては、第１の面側のフランジ部の面よりも、中間端面を第２の面に近づける必要があるが、すると成形時にキャビティに向かう樹脂の流れ方向が急激に変化して、フローマークなどの成形不良を発生しやすくなる。これに対し、偏肉比ｄ／ｔが（１）式を満たすようにすることで、成形不良を効果的に抑制できるのである。即ち、（２）式を満たすレンズにおいて、偏肉比ｄ／ｔが（１）式を満たすことが特に望ましいといえる。

請求項４に記載のレンズは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、光軸から前記遷移面の内周縁までの径をＤ１とし、光軸から前記中間端面の内周縁までの径をＤ２としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。

０．８８＜Ｄ１／Ｄ２＜０．９８ （３）
値Ｄ１／Ｄ２が（３）式の上限以上であると、Ｄ１≒Ｄ２となるため、前記レンズを成形する金型の形成が困難となる。一方、値Ｄ１／Ｄ２が（３）式の下限以下であると、前記遷移面が大きくなりすぎて、偏肉比ｄ／ｔの低下を招き望ましくない。よって、（３）式の範囲を満たすのが望ましい。

請求項５に記載のレンズは、請求項４に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。

０．９４＜Ｄ１／Ｄ２＜０．９７５ （３’）
請求項６に記載のレンズは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記中間端面の光軸直交方向の幅は、５０μｍ以上であることを特徴とするので、前記レンズを成形する金型を形成し易いという利点がある。

請求項７に記載のレンズは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記第１の面の少なくとも一部には、回折構造が形成されていることを特徴とする。このような前記第１の面の少なくとも一部に回折構造を有するレンズの場合、特に成形が困難であることから、更に全ての面に回折構造を有するＢＤ用三互換レンズの場合、より成形が困難であることから本発明の効果が期待される。

尚、樹脂としては、例えば光学材料として一般的に用いられる透明の熱可塑性樹脂材料等であれば特に制限はないが、光学素子としての加工性を考慮すると、アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、またはポリイミド樹脂であることが好ましい。適用可能な熱可塑性樹脂としては、例えば、特開２００３−７３５５９に記載の化合物を挙げることができる。

本発明によれば、高ＮＡのレンズにおいて成形時の不具合を抑制でき、組付性に優れたるレンズを提供することができる。

本実施の形態にかかるレンズを、成形金型を用いて成形する工程を示す図である。 成形金型の拡大図である。 成形金型により成形された本実施の形態のレンズＯＥである。 （ａ）は、図３のレンズＯＥの矢印で示すII部を拡大した図であり、（ｂ）は、比較例のレンズＯＥ’を示す同様な図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、ＢＤ用光ピックアップ装置に用いるＮＡ０．７以上のレンズを、成形金型を用いて成形する工程を示す図である。図２は、成形金型の拡大図である。成形金型は、第１の型１０と、第２の型２０と、入れ子３０とを含み、これらが型締めされた状態でキャビティを形成するようになっている。尚、図１におけるキャビティ形状は概略的である。

図２に示すように、第２の型２０に対して対向配置された第１の型１０は、円筒状の開口１１ａを有し、開口１１ａ内に円筒状の入れ子３０を嵌合させている。第２の型２０側に向かって突出した入れ子３０の端面には、レンズの第１の光学面を転写形成するための第１の光学面転写面３１ａと、第１の光学面転写面３１ａに続き遷移面を形成するための遷移面転写面３１ｂと、遷移面転写面３１ｂに続き中間端面を形成するための中間端面転写面３１ｃと、中間端面転写面３１ｃに続くテーパ面３１ｄとが形成されている。中間端面転写面３１ｃは、最も第２の型２０側に近接した位置にあり、軸線Ｘに対して直交するように形成されている。第１の光学面転写面３１ａには、レンズに形成する回折構造に対応した輪帯等の微小構造を形成していても良い。

第１の型１０には、組み付けた入れ子３０のテーパ面３１ｄにつながる、レンズのフランジ部の第１端面を転写形成するための第１のフランジ端転写面１１ｂと、それに直交するフランジ部の周面を転写形成するための第１のフランジ周転写面１１ｃとが形成されている。第１のフランジ端転写面１１ｂは、第１の光学面転写面３１ａの軸線Ｘ（レンズの光軸）に対して直交している。又、第１のフランジ端転写面１１ｂと第１のフランジ周転写面１１ｃとの交差部に、面取り部を設けると好ましい。

更に第２の型２０は、軸線Ｘを中心として、レンズの第２の光学面を転写形成するための第２の光学面転写面２１ａと、第２の光学面転写面２１ａに続くテーパ面２１ｂと、テーパ面２１ｂに続くフランジ部の第２端面を転写形成するための第２のフランジ端転写面２１ｃと、それに直交するフランジ部の周面を転写形成するための第２のフランジ周転写面２１ｄとを有する。第２のフランジ端転写面２１ｃは、第２の光学面転写面２１ａの中心軸Ｘ（レンズの光軸）に対して直交している。尚、第２のフランジ端転写面２１ｃと第２のフランジ周転写面２１ｄとの交差部にも、面取り部を設けると好ましい。

図１に示すように、第１の型１０には、ゲート（入口流路）ＧＴが形成されている。

次に、レンズの成形方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように、第１の型１０の開口１１ａに入れ子３０を挿入し、更に第２の型２０に対向するようにして第１の型１０をセットする。その後、図１（ｂ）に示すように、第２の型２０に対して第１の型１０及び入れ子３０を相対的に接近させ密着させて、所定の保圧にて型締めを行う。このとき、第１のフランジ周転写面１１ｃと、それに対向する第２のフランジ周転写面２１ｄの突き合わせ端部同士が、それぞれ一致するようになる。

更に第１の型１０と第２の型２０とを不図示のヒータにより加熱することにより、型締め時点での光学面転写面３１ａ、２１ａを所定温度まで加熱した後、不図示のノズルからランナー２２及びゲートＧＴを介して任意の圧力に加圧された状態で樹脂を供給する（図１（ｃ）参照）。

次に、溶融した樹脂が転写面３１ａ〜３１ｄ、１１ｂ〜１１ｃ，２１ａ〜２１ｄの形状を転写した状態で固化した後、型温度を低下させて樹脂を冷却して固化させる。

その後、第１の型１０及び入れ子３０と、第２の型２０とを相対的に移動させて型開きを行うと、レンズＯＥを含む成形品が第１の型１０に貼り付いた状態で露出する。かかる成形品からレンズＯＥを分離することで、単体のレンズＯＥが形成される。

本実施の形態によれば、第１の光学面転写面３１ａと中間端面転写面３１ｃとの間に、遷移面を形成するための遷移面転写面３１ｂを形成したので、成形時にキャビティに向かう樹脂の流れ方向が急激に変化することを防止することでき、例え偏肉比が大きなレンズＯＥを成形する場合でも、フローマーク等の発生を抑制して高精度な成形を行うことができる。

図３は、図１，２に示す型から成形された本実施の形態にかかるレンズＯＥの断面図である。図４（ａ）は、図３のレンズＯＥの矢印で示すII部を拡大した図であり、図４（ｂ）は、比較例のレンズＯＥ’を示す同様な図である。以下、比較例と比較して、本実施の形態のレンズについて説明する。

図３において、本実施の形態のレンズＯＥは、光軸Ｘを中心として、光軸Ｘを含む球状の第１の光学面（第１の面）ＯＥ１１ａと、それに続く輪帯状の遷移面ＯＥ１１ｂと、それに続く輪帯状の中間端面ＯＥ１１ｃと、それに続くテーパ面ＯＥ１１ｄと、それに続く環状のフランジ部ＯＥＦの第１端面ＯＥ１１ｅと、それに直交するフランジ部ＯＥＦの周面ＯＥ１１ｆとを有する。第１の光学面ＯＥ１１ａに回折構造を設けても良い。又、レンズＯＥは、第１の光学面ＯＥ１１ａに同軸に対向する球状の第２の光学面（第２の面）ＯＥ２１ａと、それに続く輪帯状のテーパ面ＯＥ２１ｂと、それに続くフランジ部の第２端面ＯＥ２１ｃとを有する。尚、不図示の光ピックアップ装置に組み付けたとき、第１の光学面ＯＥ１１ａが光源側になり、第２の光学面ＯＥ２１ａが光ディスク側になる。ここで、光軸Ｘ上における第１の光学面ＯＥ１１ａと第２の光学面ＯＥ２１ａとの距離をｄ（軸上厚）とする。又、遷移面ＯＥ１１ｂの内周縁までの径をＤ１とし、中間端面ＯＥ１１ｃの内周縁までの径をＤ２とする。

図４（ｂ）に示す比較例のレンズＯＥ’は、遷移面が存在せず、第１の光学面ＯＥ１１ａが直接、中間端面ＯＥ１１ｃにつながっている。これに対し、図４（ａ）に示す本実施の形態のレンズＯＥは、第１の光学面ＯＥ１１ａと中間端面ＯＥ１１ｃとが、遷移面ＯＥ１１ｂを介してつながっている。ここで、遷移面ＯＥ１１ｂとの境界Ｂにおける第１の光学面１１ａの法線αと光軸Ｘとのなす角度θ１（但し鋭角とする）は、第１の光学面ＯＥ１１ａとの境界Ｂにおける遷移面ＯＥ１１ｂの法線βと光軸Ｘとのなす角度θ２より大きくなっている。即ち、第１の光学面ＯＥ１１ａ内では、光軸Ｘから半径方向に向かうに連れて、その法線と光軸Ｘとのなす角が漸次９０度に近づくが、境界Ｂを越えて遷移面ＯＥ１１ｂに移ると、法線の角度が浅くなるのである。よって、境界Ｂは変曲点になる。尚、遷移面ＯＥ１１ｂは有効径Ｅの外側に設けられるため、レンズＯＥの光学特性に影響を与えることはない。

中間端面ＯＥ１１ｃの光軸直交方向の幅Ｗは、入れ子３０の製造上、一般的には５０μｍ以上必要であるとされており、光ピックアップ用の対物レンズでは一般的には５０〜１５０μｍ程度である。従って、最大外径が同じであるとして、本実施の形態にかかるレンズＯＥは、遷移面ＯＥ１１ｂを形成することで、その中間端面ＯＥ１１ｃにおける光軸方向最小薄さｔが、比較例のレンズＯＥ’の中間端面ＯＥ１１ｃにおける光軸方向最小薄さｔ’よりも大きくなる。但し、中間端面ＯＥ１１ｃにおける光軸方向最小薄さｔは、フランジ部ＯＥＦの光軸方向厚さΔよりも小さい。フランジ部ＯＥＦの光軸方向厚さΔを大きく確保することで、平面上にレンズＯＥを載置した場合において、第２の光学面ＯＥ２１ａと平面との間に空間が生じて傷付きにくくなる等のメリットがある。尚、コンパクトなレンズＯＥを実現するためには、境界Ｂは、フランジ部ＯＥＦの第１端面ＯＥ１１ｄよりも第２の光学面ＯＥ２１ａ寄りであって、中間端面ＯＥ１１ｃよりも第１の光学面ＯＥ２１ａ寄りに設けることが好ましい。
（レンズの射出成形）
次に、本発明者が行った実験結果について述べる。本発明者は、開口数０．８５のＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ専用光ピックアップ装置用対物レンズについて、偏肉比や遷移面の大きさを変えたものを設計し、それに対応する金型（図２参照）を用意して、樹脂材料を熱風除湿乾燥器により７０〜１２０℃で５時間乾燥して水分を除去した後、金型を選んで取り付けた射出成形機「ｓ−２０００ｉ ５０Ａ」（商品名、ファナック社製）により、シリンダー温度２００〜２７０℃、保圧７０〜１００ＭＰａにて射出成形した。このとき、金型温度は油媒等によりコントロールした。具体的には、樹脂射出充填時の金型キャビティ温度を１２０〜１５０℃とし、充填完了とともに金型を冷却し、金型を開いて自動取り出し機によりレンズを取り出して、外観不良の度合いを評価した。

表１，２に評価結果を示す。表１，２において偏肉比とは、ｄ／ｔであり、表２において分割比率とは、Ｄ１／Ｄ２×１００である。表中、外観不良の評価では、フローマーク等の成形不良が２％以下しか生じない場合を◎、２％〜５％生じる場合を○、５％〜１０％生じる場合を△、１０％以上生じる場合を×とした。又、形状構成については、：偏肉比が３．３以上を◎、３．３〜２．８を○、２．８〜２．５を△、２．５未満を×として評価した。

表１の評価結果によれば、偏肉比ｄ／ｔが４．１以下、２．８以上であれば、実使用上問題がなく成形を行うことができるが、一般的にはトレードオフの関係となる外観不良と形状構成とを両立させるには、偏肉比ｄ／ｔは３．８以下、３．３以上とすることが好ましいことがわかる。

又、表２の評価結果によれば、分割比率（Ｄ１／Ｄ２×１００）は、８８％以上、９８％以下であれば、問題がなく成形を行うことができるが、形状構成を良好なものとするには、９４％以上、９７．５％以下とすることが望ましいことがわかる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明は、光ピックアップ装置用の対物レンズに限られず、種々のレンズに適用できる。

１０ 第１の型
１１ａ 光学面
１１ａ 開口
１１ｂ フランジ端転写面
１１ｃ フランジ周転写面
２０ 第２の型
２１ａ 光学転写面
２１ｂ テーパ面
２１ｃ フランジ端転写面
２１ｄ フランジ周転写面
２２ ランナー
３０ 入れ子
３１ａ 光学面転写面
３１ｂ 遷移面転写面
３１ｃ 中間端面転写面
３１ｄ テーパ面
α 法線
β 法線
θ１ 角度
θ２ 角度
Ｂ 境界
ＧＴ ゲート
ＯＥ レンズ
ＯＥ１１ 中間端面
ＯＥ１１ａ 第１の光学面
ＯＥ１１ｂ 遷移面
ＯＥ１１ｃ 中間端面
ＯＥ１１ｄ テーパ面
ＯＥ１１ｅ フランジ部の第１端面
ＯＥ１１ｆ フランジ部の周面
ＯＥ２１ａ 第２の光学面
ＯＥ２１ｂ テーパ面
ＯＥ２１ｃ フランジ部の第２端面
ＯＥＦ フランジ部
Ｘ 光軸又は軸線

Claims (7)

1. 樹脂を素材として成形され外周にフランジ部を備えたＮＡ０．７以上のレンズにおいて、
   光軸を含む第１の面と、
   前記第１の面よりも曲率が小さく、前記第１の面に対して対向する側に形成された第２の面と、
   光軸直交方向において前記第１の面と前記フランジ部との間に形成される中間端面と、
   前記中間端面と前記第１の面とを接続する遷移面とを有し、
   前記遷移面との境界における前記第１の面の法線と光軸とのなす角度θ１（但し鋭角とする）は、前記第１の面との境界における前記遷移面の法線と光軸とのなす角度θ２より大きくなっており、
   光軸上における前記第１の面と前記第２の面との距離をｄ（ｍｍ）とし、前記中間端面における光軸方向最小薄さをｔ（ｍｍ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とするレンズ。
   ４．１＞ｄ／ｔ＞２．８ （１）
2. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
   ３．８＞ｄ／ｔ＞３．３ （１’）
3. 前記フランジ部の光軸方向厚さをΔ（ｍｍ）としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
   ｔ＜Δ （２）
4. 光軸から前記遷移面の内周縁までの径をＤ１とし、光軸から前記中間端面の内周縁までの径をＤ２としたときに、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレンズ。
   ０．８８＜Ｄ１／Ｄ２＜０．９８ （３）
5. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項４に記載のレンズ。
   ０．９４＜Ｄ１／Ｄ２＜０．９７５ （３’）
6. 前記中間端面の光軸直交方向の幅は、５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ。
7. 前記第１の面の少なくとも一部には、回折構造が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレンズ。