JP3704833B2

JP3704833B2 - 対物レンズ及び記録再生装置

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Publication number: JP3704833B2
Application number: JP25504796A
Authority: JP
Inventors: 洋菅沼
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: US5880893A; JPH10104507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対物レンズ及びこの対物レンズを有して構成され光ディスクの如き光学記録媒体に対して情報信号の記録再生を行う記録再生装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ディスクの如き光学記録媒体は、動画情報、音声情報、コンピュータ用データなどのデータ保存のために、その量産性と低コストの故に広く用いられている。そして、その高密度化、大容量化への要求は、情報化社会の急激な進歩により、近年ますます強くなっている。
【０００３】
この光学記録媒体における記録密度を上げるには、情報信号を読み出すための光束の短波長化と、この光束を該光学記録媒体上に集光させるための対物レンズの高ＮＡ化（高いい開口数（ＮＡ）の対物レンズを使う）との２つが有効である。
【０００４】
いわゆる「コンパクトディスク（ＣＤ）」（オーディオ信号用、または、コンピュータデータ用のデジタル光ディスク）用の対物レンズのＮＡが０．４５であるのに対し、この「コンパクトディスク」よりも記録密度が向上されたいわゆる「デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）」（ビデオ信号用のデジタル光ディスク）用の対物レンズのＮＡは、０．６となっている。
【０００５】
これら光ディスク用の対物レンズは、合成樹脂材料やガラス材料により、非球面単レンズ（単玉非球面レンズ）として構成されている。
【０００６】
なお、「デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）」は、ディスクの傾きによるコマ収差の影響を低減させるために、「コンパクトディスク」や光磁気ディスクのディスク基板の厚さの半分の厚さ、すなわち、０．６ｍｍ厚のディスク基板を有して構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような光学記録媒体よりの情報信号の読み出しに用いられる対物レンズにおいては、現在使用されているもの以上の高い開口数（ＮＡ）の非球面単レンズを作ることは困難であるといわれている。
【０００８】
その理由の一つは、金型の加工にある。すなわち、レンズ面の傾きが光軸に対して垂直な状態を基準として４５度を越えると、ダイヤモンドバイトの先端の大きさから、非球面金型の加工が困難となる。また、曲率がきつくなると、レンズの頂点から最外周までの光軸方向に沿った深さ（「ザグ」と呼ばれる）が大きくなり、金型の切削加工が困難になる。
【０００９】
よしんば、このような加工が可能となっても、単レンズとして開口数（ＮＡ）を０．７以上とした領域では、７次以上の高次の収差補正が不可欠である。それにはさらに多くの設計の自由度が必要である。この補正のために、これまでよりも高次の非球面係数を活用することも考えられるが、加工上及び設計上の困難があり、有効な手段とはいえない。
【００１０】
このような事情から、設計としては開口数（ＮＡ）０．８以上の非球面レンズも報告されているが、開口数０．７以上のレンズを単レンズとして作製したという報告はない。
【００１１】
他方、従来の顕微鏡などにおいて用いられる開口数０．７以上の高開口数のレンズは、複数種類の硝材を用いた複数枚の球面レンズからなる組レンズである。顕微鏡と光ディスク用光学ピックアップ装置との光学的な類似性から、顕微鏡用のレンズと同様なレンズを該光学ピックアップ装置の対物レンズに応用することは容易に考えられる。また、光ディスクの実用化の黎明期においては、上記対物レンズとして、２群３枚の球面レンズからなる組レンズが使われていた。
【００１２】
しかし、これらの組レンズは、精密な組立が必要であり、性能の不安定さやコスト高を避けられない。
【００１３】
この問題を解決したのが非球面モールド単レンズであった。非球面モールドレンズにおいては、高精度の非球面形状が得られるのみならず、単玉故に組立てが不要であり、偏芯や倒れに対しても充分な公差が得られる。しかし、非球面モールド単レンズにおいては、上述したように、現在使用されているもの以上の高い開口数（ＮＡ）の非球面単レンズを作ることは困難である。
【００１４】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、開口数０．７以上の対物レンズを非球面２枚組レンズとして実現し、記録再生装置においてこの対物レンズを用いて高い情報記録密度の光学記録媒体の実用化を図るという課題を解決しようとするものである。
【００１５】
ここで、上記記録再生装置は、大量生産を前提とした装置であるため、特に、生産及び組立が容易であること、簡便な構造であることが必要である。また、光学ピックアップ装置は上記対物レンズの位置をサーボ制御することでフォーカシング動作及びトラッキング動作を行うため、対物レンズの小型軽量化は、製品の小型化のみならず、性能の向上のためにも重要な課題の一つである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
レンズ系における面の非球面形状について、以下の如く定義したとき、
ｈ：光軸からの高さ
ｘ：光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離
ｃ：非球面頂点の曲率（曲率半径Ｒの逆数（１／Ｒ））
ｋ：円錐定数
Ａ：第４次の非球面係数
Ｂ：第６次の非球面係数
Ｃ：第８次の非球面係数
Ｄ：第１０次の非球面係数
非球面形状は、
【００１７】
【数１１】

【００１８】
で示される曲線の光軸回りの回転体として示される。
【００１９】
この非球面形状は、上記円錐定数ｋによって、以下のように分類される。
【００２０】
ｋ＜−１：双曲面
ｋ＝−１：放物面
ｋ＞−１：楕円面（＜０：ｘ軸長軸、＞０：ｘ軸短軸）
ｋ＝０：球面
そして、レンズ系をなす各面の面間隔等の距離は、すべて各面の像側にあるときを正、各面の物体側にあるときを負とする。面の曲率半径は、その曲率中心が各面の像側にある時を正、各面の物体側にあるときを負とする。また、面の屈折力は、その面の曲率中心が各面の像側にある時を正、各面の物体側にあるときを負とする。
【００２１】
本発明に係る対物レンズは、上述の課題を解決するため、物体側に配設され物体側の第１面及び像側の第２面を有する第１のレンズと、像側に配設され物体側の第３面及び像側の第４面を有する第２のレンズとからなり、該第１面は、正の屈折力を有し円錐定数ｋについて、
−１≦ｋ＜０
を満足する回転楕円面であり、該第１のレンズをなす硝材の屈折率をｎ、該第１面の曲率半径をＲ₁、上記各レンズ全体の主平面間隔をｄ、有効焦点距離をＦとしたとき、
【００２２】
【数１２】

【００２３】
【数１３】

【００２４】
【数１４】

【００２５】
が満足され、上記対物レンズにおいて、上記第２面は、負の屈折力を有し円錐定数ｋが０より大なる回転楕円面であり、上記第３面は、正の屈折力を有し円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面であり、開口数が０．７以上となされていることとしたものである。
【００２７】
さらに、本発明は、上記対物レンズにおいて、上記第１面と上記第２面との面間隔をｄ₁とし、該第２面と上記第３面との面間隔をｄ₂としたとき、
【００２８】
【数１５】

【００２９】
【数１６】

【００３０】
が満足されていることとしたものである。
【００３１】
そして、本発明に係る記録再生装置は、光源と、この光源より発せられた光束を光学記録媒体の信号記録面上に集光させる対物レンズとを備え、
上記対物レンズは、上述した本発明に係る対物レンズであることとしたものである。
【００３２】
また、本発明は、上記記録再生装置において、上記光学記録媒体の信号記録面の上記対物レンズの光軸に対する傾きを検出するスキュー検出手段を設けたものである。
【００３３】
さらに、本発明は、上記信号記録装置において、上記信号記録面を支持しこの信号記録面と上記対物レンズとの間に位置する透明基板の厚さが０．６ｍｍ以下である光学記録媒体に対して使用されることとしたものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら、次の順序で説明する。
【００３５】
〔１〕対物レンズの構成の概略
〔２〕収差論によるレンズのパワー配置の解析、最適条件の導出
〔２−１〕厚肉単レンズ近似による収差論
（１）厚肉単レンズ近似における近軸関係
（２）厚肉単レンズ近似の球面収差
（３）厚肉レンズ近傍のコマ収差
（４）厚肉単レンズ近似による第１面の最適曲率と全系の最適主平面間隔
〔２−２〕偏芯を考慮した近軸配置
〔２−３〕ダブレットとしての作動距離を考慮した近軸配置
〔２−４〕厚肉単レンズ近似から導かれる近軸配置の必要条件
〔３〕第１エレメントの肉厚最適化による偏芯不感条件
〔４〕変形例
【００３６】
〔１〕対物レンズの構成の概略
本発明に係る対物レンズは、図１に示すように、非球面ダブレットレンズであって、開口数０．７以上の高開口数対物レンズである。すなわち、この対物レンズは、物体側に配置される第１のレンズである第１エレメント１と、像側に配置される第２のレンズである第２エレメント２とから構成されている。この対物レンズにおいては、物体側に臨む第１面は正の屈折力を有し円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面、第２面は負の屈折力を有し円錐定数ｋが０よりも大きい回転楕円面、第３面は正の屈折力を有し円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面である。
【００３７】
この対物レンズの第１面を絞りであるとすれば、主光線は、該第１面の中心を通過するので像高が０だから、該第１面では、非球面項によるコマ収差は生じない。したがって、第１面の非球面は主に球面収差の補正に寄与することがわかる。
【００３８】
特に、本発明に係る対物レンズにおいては、第１面が大きなパワーを持つので、ここで球面項による大きな球面収差が生ずる。これを過不足なく補正するには、第１面の非球面円錐定数が−１以上０未満の回転楕円面であればよい。これ以外の範囲であれば、他の面の非球面係数をもって補正するほかなく、その場合には、非球面係数が大きくなり、加工が困難な形状となってしまう。
【００３９】
第２面、第３面では、入射光束の入射角は小さく、ほとんど屈折しないので、大きな収差は発生しない。しかし、これら第２面、第３面を非球面化すれば、高次までの球面収差とコマ収差とに対する補正を行うことができる。特に、第２面は第４面と、第３面は第１面と、略々反転した球面収差とコマ収差とを持つような対称な配置とすることが有効である。
【００４０】
第４面は、第１面乃至第３面の面形状、各エレメント１，２をなす硝材、光学記録媒体（光ディスク）のディスク基板（透明基板）１０１の厚さが決定されれば、必然的に決定される。この第４面の形状を加工可能な形状とし、かつ、全系の偏芯公差を充分に確保するには、第２面を負の屈折力を有し円錐定数ｋが０より大きい回転楕円面とし、第３面を正の屈折力を有し円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面とすればよい。
【００４１】
〔２〕収差論によるレンズのパワー配置の解析、最適条件の導出
〔２−１〕厚肉単レンズ近似による収差論
上述の〔１〕（対物レンズの構成の概略）における議論は、定量的に論じることができる。高開口数のレンズを偏芯などの製造公差を確保して設計するには、まずそのパワー配置を最適化することが必要である。高次の収差はいずれも低次の収差の関数だから、低次から収差を抑える必要がある。低次の収差をより高次の収差を発生させて打ち消してゆくと、面形状は作成困難になり、製造公差も狭まるからである。
【００４２】
そこで、本発明は、非球面ダブレットレンズに関するものだが、まずは、図２に示すように、第２面以降の面を１面に合成した厚肉単レンズを仮想的に考えて、第１面の形状と主平面間隔とを最適化することを考える。
【００４３】
この厚肉単レンズの主平面間隔ｄは、もとの非球面ダブレットレンズ全体の主平面間隔ｄに相当するものと考えればよい。
【００４４】
（１）厚肉単レンズ近似における近軸関係
例えば、「光学」（久保田広著、岩波書店刊）などには、非球面まで含めた薄肉単レンズのを収差論が詳しく述べられている。しかし、これらは、あくまで薄肉近似なので、現実のレンズを充分に解析するには、これを厚肉レンズの場合について拡張する必要がある。そこで、まず、厚肉単レンズ（屈折率ｎ、厚みｄ、有効焦点距離ｆ）の収差係数を求める。
【００４５】
この単レンズの第１面、第２面の曲率半径をそれぞれｒ₁、ｒ₂、第１面、第２面への入射光線高をそれぞれｈ₁、ｈ₂とする。第１面入射光線の延長線と光軸との交点と、第１面との距離をｓ₁、第２面入射光線の延長線と光軸との交点と、第２面との距離をｓ₂とする。第１面屈折後の光線の延長線と光軸との交点と、第１面との距離をｓ₁′、第２面屈折後の光線の延長線と光軸との交点と、第２面との距離をｓ₂′とする。これらの量はいずれも、各面の入射側を負、出射側を正にとる。このとき、レンズ全体のパワーは、
【００４６】
【数１７】

【００４７】
【数１８】

【００４８】
【数１９】

【００４９】
【数２０】

【００５０】
【数２１】

【００５１】
【数２２】

【００５２】
【数２３】

【００５３】
【数２４】

【００５４】
【数２５】

【００５５】
【数２６】

【００５６】
【数２７】

【００５７】
（２）厚肉単レンズ近似の球面収差
これらを用いて、厚肉単レンズの球面収差係数Ａは、以下のように与えられる。
【００５８】
【数２８】

【００５９】
【数２９】

【００６０】
【数３０】

【００６１】
【数３１】

【００６２】
である。〔数２９〕乃至〔数３１〕の和が厚肉レンズの球面収差である。
【００６３】
ここで、各面の収差係数は、それぞれが略々０になっていることが望ましい。理想的な状態では、最終的に各面の収差係数を足し合わせた全体が０になっていれば収差は補正されるが、現実には、偏芯や面精度などの製造誤差が生じる。このとき、各面の収差係数が小さければ、こうした誤差要因に対する変動がある程度抑えられる。また、設計としても、どこかの面にしわ寄せが生じないので、優れた性能が得易い。
【００６４】
それには、第１面の非球面係数ε₁は、〔数２９〕より、−１／ｎ²近傍であればよい。光学ガラスの多くの屈折率ｎは可視光域においておおよそ１．４乃至１．８の範囲に分布しているから、ε₁は、−０．３乃至−０．５程度であればよい。
【００６５】
また、第２面の場合は、〔数３０〕で、
【００６６】
【数３２】

【００６７】
のとき、球面収差は０になるが、以下のような四つの理由から、左辺は右辺より小さいほうがよい。第一に、光ディスクにおいては、ディスク基板１０１の厚さにより生じる球面収差（＞０）を補正する必要がある。第二に、全系のパワーを１として正規化された厚肉レンズについて、第１面の曲率ρ₁（＝１／Ｒ₁）と主平面間隔ｄの関数として厚肉レンズ全体の球面収差係数を数値計算すると、図４及び図５に示すように、〔数３２〕の条件の近傍では傾きが大変に大きい。すなわち、第１面の曲率ρ₁や主平面間隔ｄに製造誤差が生じたときに、大きな球面収差が生じるということである。したがって、非球面係数を活用して、この領域以外で球面収差を補正したほうが、製造上も作り易い安定な解となる。第三に、後述するように、コマ収差の補正の観点からも、〔数３２〕の条件の近傍の第１面の曲率ρ₁と主平面間隔ｄは望ましくない。第四に、ｄρ₁＞ｎ／（ｎ−１）では、第１面の曲率半径Ｒ₁が小さくなり、光ディスク用の大きさのレンズとしては、作成が現実的には困難なうえ、作動距離が確保できない。したがって、
【００６８】
【数３３】

【００６９】
でなければならない。この場合、非球面係数ε₂を用いて、第２面の球面収差を補正すればよいが、球面項の球面収差をできるだけ小さくすれば、非球面項が小さな値で補正できるので製造上有利である。それには、〔数３０〕において、
【００７０】
【数３４】

【００７１】
【数３５】

【００７２】
を得る。ｎ＝１．４乃至１．８、ρ₁＝０．５乃至１．９程度の本発明で主に考えている領域では、〔数３５〕の右辺は〔数３３〕の右辺より小さい。前記と同様の理由から、この近傍であれば、
【００７３】
【数３６】

【００７４】
（３）厚肉レンズ近傍のコマ収差
次に、コマ収差係数Ｂを求める。Ｂは、
【００７５】
【数３７】

【００７６】
【数３８】

【００７７】
ここで、非球面項については、非球面係数の寄与を無視した。また、ディスク基板１０１は平行平板なので、コマ収差については寄与しないと考えてよい。
【００７８】
まず、この〔数３７〕から特殊な場合について、上記ρ₁及びｄ₁を求めることができる。すなわち、
ｉ）ρ₁→０のとき、レンズ全体のパワーを１と正規化すれば、〔数１７〕より、ｒ₂＝１−ｎになる。このとき、ｄ₁＝ｎ−１である。
【００７９】
ii）また、ｄ＝０（薄肉近似）の場合にコマ収差が０になる（Ｂ＝０となる）ようなρ₁は、Ｄ＝１として〔数１７〕を〔数３８〕のρ₂へ代入して、
【００８０】
【数３９】

【００８１】
これらの特殊な場合を留意して、コマ収差がρ₁とｄに対してどのような値をとるか、その挙動を調べる。コマ収差が０になるｄの一般解は、〔数３７〕で、Ｂ＝０とおいて、
【００８２】
【数４０】

【００８３】
を満たす。したがって、上記〔数４０〕の３次曲線と右辺の定数の交点がコマ収差を０にするｄの解である。これを数値計算すれば、図６及び図７に示すように、ρ₁の変化に応じて３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃの境界上においてＢ＝０となるｄの解が存在する。
【００８４】
コマ収差係数Ｂは、図６中の斜線部で示す領域Ａ，Ｂ，Ｃ内で正の値をとる。領域Ａは、ｄ＝ｎ−１に漸近する曲線をｄの下限とする領域である。領域Ｂは、ρ₁＝ｎ²／（ｎ²−１）に漸近する曲線をρ₁の上限とする領域である。領域Ｃは、ｄ＝ｎ−１をｄの上限としρ₁＝ｎ²／（ｎ²−１）をρ₁の下限とする曲線で囲まれた領域である。これら領域の境界で、コマ収差は０になる。領域Ａと領域Ｃの間は鞍状の領域となり、コマ収差が小さい。
【００８５】
この３つの領域を比較検討してみると、最も望ましいのは領域Ａであることがわかる。領域Ｂでは、焦点距離に比べて主平面間隔ｄが長いため、レンズが大型化してしまう。領域Ｃでは、第１面の曲率半径Ｒ₁が小さくなりすぎて、作成が困難である。したがって、領域Ａの境界近辺がコマ収差補正のためには望ましい。また、屈折率が１．４から１．８程度の可視光用硝材では、さきに述べたように、球面収差の観点からも望ましいのは領域Ａであることがわかる。具体的には、
【００８６】
【数４１】

【００８７】
を、それぞれｄの下限とρ₁の上限とする領域Ａの境界近傍であれば、充分にコマ収差が補正できる。
【００８８】
（４）厚肉単レンズ近似による第１面の最適曲率と全系の最適主平面間隔
〔数３６〕と〔数４１〕の領域を図示すると、図８に示すように、この図８中の斜線部の境界近傍が、収差論から見た最適値であることとなる。以上から分かるように、ｄ＝ｄ₁＝ｎ−１の近傍では、広いρ₁の範囲に亘って、コマ収差を小さな値に抑えることができるので、設計の自由度がある。また、これは、ρ₁、すなわち、第１面の曲率の誤差に対しても、公差が広くなるということである。実用的にも、これは双曲線近傍よりｄが小さい解なので、小型軽量化が求められる用途においては、望ましい解である。
【００８９】
実際に重要なのは、このコマ収差が小さな領域である。後述する〔実施例〕においても示すように、球面収差については、非球面項で充分な補正が容易にできる。しかし、コマ収差については、非球面の効果は球面収差に対するほどの大きな効果はない。したがって、球面項によるコマ収差自体も充分に補正されていることが望ましい。また、偏芯が生じた場合を考慮すれば、偏芯コマ収差は低次のコマ収差の関数として表されるので、コマ収差については低次から充分に高次まで補正を行うことが必要である。
【００９０】
〔２−２〕偏芯を考慮した近軸配置
より詳しくは、第ν面の偏芯Ｅνにより生じる偏芯コマ収差は、
【００９１】
【数４２】

【００９２】
で与えられる（「偏芯の存在する光学系の３次の収差論」松居吉哉著、日本オプトメカトロニクス協会刊）。ここで、
ΔＹ′：像面の横倍率
Ｙ′ ：像高
β ：横倍率
Ｙ：物体高
α′ ：物体近軸光線の像面への入射角
Ｒ：物体平面上に換算した入射瞳半径
φ ：入射瞳でのアジマス角
Ｎ：物界の屈折率
ω ：物点と物体側主点を結ぶ直線が基準軸となす角度
IIμ ：第μ面のコマ収差係数
Ｅν ：第ν面の偏芯量
IIＥν：第ν面の偏芯コマ係数
である。第ν面の偏芯コマ係数IIＥνは、一般には次の〔数４３〕で与えられる。
【００９３】
【数４３】

【００９４】
である。この〔数４３〕からもわかるように、偏芯公差の観点からは、各面の収差係数が充分小さくなければならない。しかも、偏芯が生じ易い面の前後の収差係数が偏芯に対しても互いに打ち消し合うような対称的な収差を持っていることが理想である。
【００９５】
加えて、球面収差及びコマ収差ともに、曲率や面間隔の変動に対して、充分な公差が確保されねばならない。以上の要件を満たすには、ｄ＝ｄ₁近傍の領域が最適である。この領域では、Ｒ、ｄのどちらの微小変位に対しても球面収差の変化は少ない。また、コマ収差も小さく、面間のバランスで充分に補正ができる。
【００９６】
〔２−３〕ダブレットとしての作動距離を考慮した近軸配置
一般に、厚肉レンズの像側主点位置Δ′は、図２に示すように、第２面からの距離として、
【００９７】
【数４４】

【００９８】
【数４５】

【００９９】
【数４６】

【０１００】
したがって、屈折率ｎと作動距離ＷＤ（図１中のｄ₄）とが決まれば、ｄρ₁は一定で双曲線上の点となる。作動距離ＷＤが０のとき、ｄρ₁＝１／（ｎ−１）となる。一般に、高開口数のレンズにおいては、収差補正のために、必然的に焦点距離は短くなる。それにつれて、作動距離ＷＤも短くなるので、ｄρ₁は増加する。
【０１０１】
本発明で考えているのは、高い開口数（ＮＡ）、すなわち、ＮＡが０．７以上のダブレットレンズである。しかし、最大のパワーは、第１面に集中しているので、ここまで同様厚肉単レンズと近似して考えることで、特性を把握できる。このような高開口数では、ｄρ₁は、
【０１０２】
【数４７】

【０１０３】
でなければならない。これ以下では、軸外でのコマ収差の補正が困難になり視野が著しく狭くならざるを得ない。これを非球面化により補正しようとすると、第２面以降の形状が作成困難になる。この上記〔数４７〕の範囲では、ｎを１．５程度とすれば、この厚肉単レンズ近似の作動距離ＷＤは焦点距離の０．５５倍から０．７倍程度になるが、光ディスクの場合、ディスク基板１０１の厚さ以上の作動距離ＷＤが必要なので、光ディスクと対物レンズとの間の実質的な作動距離ＷＤは、この条件を満たしていても、焦点距離が３ｍｍ弱とした場合に１ｍｍ以下にしかならない。
【０１０４】
また、第１面のパワーが小さくなると、第２面以降のパワーが増加して曲率半径が小さくなり、加工が困難になること、主平面間隔ｄが増加してレンズの全長が長くなることから、実用上は、
【０１０５】
【数４８】

【０１０６】
〔２−４〕厚肉単レンズ近似から導かれる近軸配置の必要条件
以上をまとめると、〔数３６〕、〔数４１〕、〔数４７〕、〔数４８〕より、
【０１０７】
【数４９】

【０１０８】
【数５０】

【０１０９】
【数５１】

【０１１０】
〔３〕第１エレメントの肉厚最適化による偏芯不感条件
実用上は、さらに以下の条件を満たすことが望ましい。第１面と第２面との面間隔をｄ₁、第２面と第３面との面間隔をｄ₂とすれば、
【０１１１】
【数５２】

【０１１２】
【数５３】

【０１１３】
ｄ₂が大きくなると、全長が長くなるうえ、第１面にパワーが集中して作動距離ＷＤが短くなる。また、第２面以降の面間隔の公差が厳しくなり、作成及び組立時に球面収差が発生し易い。また、第２エレメント２ではビーム径が狭まるので、各エレメンツ１，２間の偏芯も敏感になるので、偏芯コマ収差が発生し易い。したがって、第２面と第３面との面間隔ｄ₂はできるだけ短いほうがよい。
【０１１４】
このとき、〔数５３〕をさらに満たすと、第２面と第３面の全系に対するパワーの寄与が小さくなる。したがって、この第２面の偏芯の全系に対する影響は小さくなるので、偏芯公差が広がる。これは、以下のような理由による。第２面及び第３面を合成して１枚の薄肉レンズとみれば、この対物レンズは、薄肉レンズのトリプレットとみなせる。３枚の薄肉レンズ（それらのパワーをψ₁、ψ₂、ψ₃、第１面と第２面との面間隔をｄ₁、第２面と第３面との面間隔をｄ₂とする）の全系のパワーψは、次の〔数５４〕で表される。
【０１１５】
【数５４】

【０１１６】
この〔数５４〕で、ψ₂を含む項はいずれも（１−ｄ₁ψ₁）を含む。したがって、１−ｄ₁ψ₁＝０なら、ψ₂は、如何なる値であっても、全系のパワーには影響しない。したがって、この薄肉レンズに偏芯や倒れが生じても、全体のパワー配置は変わらないので、収差も発生せず、公差が広がる。実用的には、１−ｄ₁ψ₁が０近傍であれば、充分にこの効果を得ることができる。実際の設計例について調べると、近軸和は１．０前後であり、０．８以下、もしくは１．３以上では第２面、第３面の偏芯に対するトレランスが失われる。
【０１１７】
〔４〕変形例
ここまでは、第１エレメント１と第２エレメント２とが同じ硝材からできていると考えて、そのまま厚肉単レンズとして近似し第１面の曲率ρ₁と主平面間隔ｄを論じた。その場合、このダブレットレンズのパワーは第１面に大きく依存するので、第１エレメント１の硝材の屈折率で厚肉単レンズの議論に用いたｎを代用してかまわない。
【０１１８】
また、ここまで物体（すなわち光源）は無限遠とした無限共役の場合を扱ってきた。これも、上述した各数式が有効な範囲において、有限系の場合に拡張できる。しかし、実用上は、有限系の場合は、高い開口数（ＮＡ）の場合においては、取扱いが困難であると思われる。
【０１１９】
そして、上述した対物レンズを用いて、光学記録媒体に対する情報信号の記録再生を行う記録再生装置の要部となる光学ピックアップ装置を構成することができる。すなわち、この光学ピックアップ装置は、図３に示すように、光源となる半導体レーザ３を有し、この半導体レーザ３から射出された光束を、上述の対物レンズ６を介して、光学記録媒体である光ディスク１０２上に集光させる。上記半導体レーザ３から出射された光束は、まず、コリメータレンズ４により略々平行光束となされる。そして、この平行光束は、ビームスプリッタ５を透過し、上記対物レンズ６に入射されて、上記光ディスク１０２の信号記録面上に集光される。
【０１２０】
上記信号記録面で反射された光束は、もとの光路を逆に辿り、上記対物レンズ６を透過し、上記ビームスプリッタ５で反射されて、上記半導体レーザ３に戻る光路より分岐される。上記ビームスプリッタ５で反射された光束は、集光レンズ９によって集光され、光検出部を構成する光検出器１０に入射する。この光検出部は、上記光検出器１０及びこの光検出器１０の出力信号が送られてこの出力信号に基づく演算処理を行う演算装置１１を有して構成されている。この光検出部においては、上記演算装置１１によって、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号などの制御誤差信号が得られる。上記フォーカスエラー信号は、上記対物レンズ６による上記光束の集光点と上記信号記録面との該対物レンズ６の光軸方向の距離を示す信号である。上記トラッキングエラー信号は、上記対物レンズ６による上記光束の集光点と上記信号記録面上において情報信号が記録される記録トラックとの該記録トラックの方向に直交する方向の距離を示す信号である。これら制御誤差信号は、アクチュエータ８に送られる。このアクチュエータ８は、上記対物レンズ６を移動操作可能に支持しており、上記各制御誤差信号に基づいて該対物レンズ６を移動操作することにより、この対物レンズによる上記光束の集光点を上記記録トラック上に位置させる。
【０１２１】
ここで、ディスクスキューサーボ機構を用いるならば、このスキューサーボ機構を構成するコマ収差補正板は、上記半導体レーザ３と上記ビームスプリッタ５との間、もしくは、該ビームスプリッタ５と上記対物レンズ６との間に置けばよい。このスキューサーボ機構は、別途設けられたディスクスキューセンサと、上記コマ収差補正板とを有して構成される。
【０１２２】
上記ディスクスキューセンサは、上記光ディスク１０２の信号記録面の上記対物レンズ６の光軸に対する傾き角度を検出するセンサである。上記コマ収差板は、上記光束の光路上に配置され、この光束の光軸に直交する方向に移動操作されてコマ収差を発生させることにより、上記光ディスク１０２の傾きによって生ずるコマ収差を相殺するものである。このコマ収差補正板は、上記ディスクスキューセンサからの出力信号に応じて、移動制御される。
【０１２３】
そして、この光学ピックアップ装置は、上記ディスク基板１０１の厚みが０．６ｍｍ以下である光ディスク１０２に対して情報信号の書き込み読み出しを行う装置として構成することができる。このように、上記ディスク基板１０１の厚みを薄くすると、上記光ディスク１０２の傾きによるコマ収差の影響を低減させることができる。このように、上記光ディスク１０２のディスク基板１０１の厚みが従来の光ディスクのディスク基板の厚みとは異なる場合には、上記対物レンズ６の第１面を回折型レンズ一体型の面として回折次数に対して異なる球面収差を与えることや、本発明に係る対物レンズ６と従来の対物レンズとを併設して機械的に切換えるなどの構成を採用し、該光ディスク１０２と従来の光ディスクとの双方に対して情報信号の書き込み読み出しが行えるようにしてもよい。
【０１２４】
【実施例】
以下、本発明に係る対物レンズの具体的な実施例を挙げる。以下の各実施例においては、ディスク基板１０１は、ポリカーボネイト（Polycarbonate）（屈折率１．５８１６３７）であることとした。
【０１２５】
〔実施例１〕ＢａＣＤ５（ＨＯＹＡ社製）を使った設計例
ＢａＣＤ５（ＨＯＹＡ社製）（屈折率１．５８６４２２）を用いた設計例を以下に示す。この設計例において、
【０１２６】
【数５５】

【０１２７】
である。
【０１２８】
光路図を、図１０に示す。縦収差図を、図１１に示す。また、横収差図を、図１２に示す。設計条件は、以下の通りである。
【０１２９】
設計波長：６５０ｎｍ
有効焦点距離Ｆ：２．５７１６ｍｍ
開口数：０．８５
【０１３０】
【表１】

【０１３１】
【表２】

【０１３２】
【表３】

【０１３３】
〔実施例２〕ＬａＣ１３（ＨＯＹＡ社製）を使った設計例
ＬａＣ１３（ＨＯＹＡ社製）（屈折率１．６８９８６７）を用いた設計例を以下に示す。この設計例において、
【０１３４】
【数５６】

【０１３５】
である。
【０１３６】
光路図を、図１３に示す。縦収差図を、図１４に示す。また、横収差図を、図１５に示す。設計条件は、以下の通りである。
【０１３７】
設計波長：６５０ｎｍ
有効焦点距離Ｆ：２．３６４５ｍｍ
開口数：０．８５
【０１３８】
【表４】

【０１３９】
【表５】

【０１４０】
【表６】

【０１４１】
〔実施例３〕ＬａＦ２０（ＳＣＨＯＴＴ）を使った設計例
ＬａＦ２０（ＨＯＹＡ社製）（屈折率１．７３９４３１）を用いた設計例を以下に示す。この設計例において、
【０１４２】
【数５７】

【０１４３】
である。
【０１４４】
光路図を、図１６に示す。縦収差図を、図１７に示す。また、横収差図を、図１８に示す。設計条件は、以下の通りである。
【０１４５】
設計波長：６５０ｎｍ
有効焦点距離Ｆ：２．４１３７ｍｍ
開口数：０．８５
【０１４６】
【表７】

【０１４７】
【表８】

【０１４８】
【表９】

【０１５８】
【発明の効果】
上述のように、本発明は、開口数（ＮＡ）０．７以上の対物レンズを非球面２枚組レンズとして実現し、記録再生装置においてこの対物レンズを用いることにより高い情報記録密度の光学記録媒体の実用化を図ることを可能とするものである。
【０１５９】
すなわち、本発明においては、高い開口数（ＮＡ）の対物レンズを、２枚組という比較的簡単な構成で実現できる。２枚程度であれば、内面反射や吸収による光量の損失やフレアも抑えられる。
【０１６０】
また、本発明に係る対物レンズは、比較的小型のアクチュエータによる駆動が可能な大きさで、かつ、光ディスク用の対物レンズとして使用できる作動距離を確保できるものである。
【０１６１】
さらに、本発明に係る対物レンズは、製造及び組立の誤差に対して充分な公差を確保できるものである。
【０１６２】
また、本発明に係る対物レンズは、非球面モールドレンズとしても作成できるので、大量生産が可能であり低コスト化が期待できるものである。
【０１６３】
そして、本発明に係る対物レンズにおいては、第４面への入射角が液浸型のレンズ構成に比べて小さいために、フレネル反射損を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る対物レンズの構成を示す側面図である。
【図２】上記対物レンズを厚肉単レンズに近似した状態を示す側面図である。
【図３】上記対物レンズを用いて構成された本発明に係る記録再生装置の構成を示す側面図である。
【図４】上記厚肉単レンズの球面収差の分布を示すグラフである。
【図５】上記厚肉単レンズの球面収差の分布を３次元的に示したグラフである。
【図６】上記厚肉単レンズのコマ収差の分布を示すグラフである。
【図７】上記厚肉単レンズのコマ収差の分布を３次元的に示したグラフである。
【図８】収差論から見た最適領域を示すグラフである。
【図９】高ＮＡのレンズとしての実用性を考慮した最適領域を示すグラフである。
【図１０】〔実施例１〕における光路図を示す側面図である。
【図１１】〔実施例１〕における縦収差を示すグラフである。
【図１２】〔実施例１〕における横収差を示すグラフである。
【図１３】〔実施例２〕における光路図を示す側面図である。
【図１４】〔実施例２〕における縦収差を示すグラフである。
【図１５】〔実施例２〕における横収差を示すグラフである。
【図１６】〔実施例３〕における光路図を示す側面図である。
【図１７】〔実施例３〕における縦収差を示すグラフである。
【図１８】〔実施例３〕における横収差を示すグラフである。
【符号の説明】
１第１エレメント、２第２エレメント、３半導体レーザ、６対物レンズ、１０光検出器、１０１光ディスク基板、１０２光ディスク

Claims

レンズ系における面の非球面形状について、光軸からの高さをｈとし、光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離をｘとし、非球面頂点の曲率をｃとし、円錐定数をｋとし、第４次の非球面係数をＡとし、第６次の非球面係数をＢとし、第８次の非球面係数をＣとし、第１０次の非球面係数をＤとして、この非球面形状を、

で示される曲線の光軸回りの回転体として示し、
距離については、光軸に沿って像側を正、物体側を負とし、面の曲率半径については、曲率中心が像側にあるときを正、物体側にあるときを負とし、面の屈折力については、曲率中心が像側にあるときを正、物体側にあるときを負としたとき、
物体側に配設され物体側の第１面及び像側の第２面を有する第１のレンズと、
像側に配設され物体側の第３面及び像側の第４面を有する第２のレンズとからなり、
上記第１面は、正の屈折力を有し、円錐定数ｋについて、
−１≦ｋ＜０
を満足する回転楕円面であり、
上記第１のレンズをなす硝材の屈折率をｎ、上記第１面の曲率半径をＲ_１、上記各レンズ全体の主平面間隔をｄ、有効焦点距離をＦとしたとき、

を満たし、
上記第２面は、負の屈折力を有し、円錐定数ｋが０より大なる回転楕円面であり、
上記第３面は、正の屈折力を有し、円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面であり、
開口数が０．７以上となされた対物レンズ。
第１面と第２面との面間隔をｄ_１とし、第２面と第３面との面間隔をｄ_２としたとき、

が満足されている請求項１記載の対物レンズ。
光源と、
上記光源より発せられた光束を光学記録媒体の信号記録面上に集光させる対物レンズとを備え、
レンズ系における面の非球面形状について、光軸からの高さをｈとし、光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離をｘとし、非球面頂点の曲率をｃとし、円錐定数をｋとし、第４次の非球面係数をＡとし、第６次の非球面係数をＢとし、第８次の非球面係数をＣとし、第１０次の非球面係数をＤとして、この非球面形状を、

で示される曲線の光軸回りの回転体として示し、
距離については、光軸に沿って像側を正、物体側を負とし、面の曲率半径については、曲率中心が像側にあるときを正、物体側にあるときを負とし、面の屈折力については、曲率中心が像側にあるときを正、物体側にあるときを負としたとき、
上記対物レンズは、物体側に配設され物体側の第１面及び像側の第２面を有する第１のレンズと、像側に配設され物体側の第３面及び像側の第４面を有する第２のレンズとからなり、
上記第１面は、正の屈折力を有し、円錐定数ｋについて、
−１≦ｋ＜０
を満足する回転楕円面であり、
上記第１のレンズをなす硝材の屈折率をｎ、上記第１面の曲率半径をＲ_１、上記各レンズ全体の主平面間隔をｄ、有効焦点距離をＦとしたとき、

を満たし、
上記第２面は、負の屈折力を有し、円錐定数ｋが０より大なる回転楕円面であり、
上記第３面は、正の屈折力を有し、円錐定数ｋが−１以上０未満の回転楕円面であり、
開口数が０．７以上となされた記録再生装置。
光学記録媒体の信号記録面の対物レンズの光軸に対する傾きを検出するスキュー検出手段を備えている請求項３記載の記録再生装置。
信号記録面を支持しこの信号記録面と対物レンズとの間に位置する透明基板の厚さが０．６ｍｍ以下である光学記録媒体に対して使用されることとなされた請求項３記載の記録再生装置。