JP4130938B2

JP4130938B2 - 光ピックアップ用対物光学系

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Publication number: JP4130938B2
Application number: JP2001303336A
Authority: JP
Inventors: 渉久保
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2008-08-13
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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光記憶媒体から光情報を読み込む際に、若しくは、光記憶媒体に光情報を書き込む際に用いられる光ピックアップ用対物光学系に、関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤのような光記憶媒体に記録されている光情報を読み出すための光情報再生装置や光記憶媒体に光情報を記録するための光情報記録装置に用いられる光ピックアップは、一般に、レーザダイオードから射出されたレーザビームを、光記憶媒体の記録面にレーザスポットとして照射する構成となっている。具体的には、これら光情報再生装置及び光情報記録装置内において、レーザダイオードからレーザビームが射出される。このレーザビームは、その断面が楕円状の発散光として射出されるので、レーザダイオードの前方に配置されたコリメートレンズにより平行光に変換され、さらに、ビーム成形プリズムによってその断面が円形に変換された後に、光記憶媒体径と平行な方向へ反射される。そして、このようにして断面が円形な平行光に変換されたレーザビームは、トラッキング方向へ移動可能に設けられたキャリッジ内の立ち上げミラーによって、光記憶媒体の記録面に対して垂直に入射する方向へ反射され、対物光学系によって光記憶媒体の記録面に収束される。
【０００３】
光ピックアップ用の対物光学系の初期のものは、プラスチックモールドによって成形された単レンズから構成されていたので、その開口数（ＮＡ）は、比較的低かった。但し、従来の光記憶媒体はＣＤのように比較的小容量なものであったので、開口数（ＮＡ）が低くても足りていた。
【０００４】
ところが、近年では、光記憶媒体の大容量化，即ち高密度化に伴って、光記憶媒体の記録面でのビームスポット径を微細なものとするために、対物光学系の開口数を０．８以上に高くする必要が生じている。そこで、本出願人は、先に出願した特願２０００−２９８７９において、従来のプラスチックモールド単レンズからなる対物光学系用に設計されたファインアクチュエータ（キャリッジ内で対物光学系を光軸方向へ駆動してフォーカシングするための機構）を流用可能な超高ＮＡのガラス製単レンズからなる対物光学系を、提案した。
【０００５】
このようなガラス製レンズを従来のプラスチックレンズと同様にモールド成形しようとする場合、両レンズ面に相対する金型同士の中心軸を合わせるのが困難であるという問題に、直面する。即ち、モールド成形後にできあがったレンズを取り出すには、当然、金型同士を相対的に離さなければならないが、モールド装置内で金型が動く為には、金型と金型との間や金型と装置との間にそれなりのクリアランス（隙間公差）が不可欠となる。このような理由で避け得ないクリアランスの範囲内では、金型同士の位置や傾きが規制されないので、両レンズ面に相対する金型同士の中心軸を合わせるのが困難となるのである。その結果として、完成したレンズのレンズ面同士の間に偏心が生じると、レンズの波面収差性能が劣化してしまい、所望の性能を得ることができない。従って、両レンズ面間の偏心量の許容値を意味する偏心公差を大きく確保することが、レンズを製造し易くして歩留まり向上させるのに、繋がるのである。そのため、上記出願においては、対物光学系を構成する単レンズを、平凸レンズとして設計することにより、その両レンズ面間の偏心公差を、殆どフリーにできるまで大きくしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平凸レンズの開口数（ＮＡ）を０．８以上の超高ＮＡにしようとすると、たとえガラス製であったとしても、片側が平面であるために、光軸外の射入射光に対してコマ収差（正弦条件（ＳＣ））が十分に補正され得ないので、像側の点像性能が維持される範囲が、相対的に狭くなってしまう。その結果、ピックアップ装置やファインアクチュエータ等に搭載する場合に、その対物光学系に入射する入射光の中心軸と対物光学系の光軸とを精密に合わせなければならないので、作業効率が悪くなっていた。また、対物光学系の固定後に何らかの原因により対物光学系に入射する光束の中心軸と当該対物光学系の光軸との間の相対的な傾きに変化が生じた場合に、波面収差性能の劣化が激しかった。すなわち、光ピックアップ（ファインアクチュエータ）等に対する組付けのマージンが狭くなっており、やや使い難かった。
【０００７】
本発明の課題は、上述した相反する問題点を同時に解決し、開口数が大きい単レンズからなるにも拘わらず、イメージサークル径が大きい為に光ピックアップ（ファインアクチュエータ）等に対する組付けマージンが大きく、しかも、モールド成形する際にある程度の公差内で偏心しても性能劣化が殆ど無いが故に歩留まり良く製造できる光ピックアップ用対物光学系を、提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００９】
即ち、本発明による光ピックアップ用対物光学系は、入射した略平行光束を光情報記録媒体の記録面上に収束させる光ピックアップ用対物光学系であって、前記略平行光束の入射側の面が非球面形状の正の屈折力を持つ面であるとともに、射出側の面が非球面形状の正又は負の屈折力を持つ面であることによって、両面同士が２μｍ偏心した場合でも軸上波面収差が０．０７λｒｍｓ以下であってほぼ回折限界まで集光可能である０．８以上の開口数を有する両面非球面単レンズから構成されていることを、特徴とする。
更に、本発明による対物光学系は、下記の式（２）〜（５）を満足するように設計される。なお、以下に示す式（１）は、光軸からの高さがｈとなる点の光軸上での接平面からの距離Ｆ _i （ｈ）として面形状を表した回転対称非球面形状の一般式である。
F _i (h)=(h ² /r)/(1+(1-(1+ κ )h ² /r ² ) ^1/2 )+A ₄ h ⁴ +A ₆ h ⁶ +A ₈ h ⁸ +A ₁₀ h ¹⁰ +A ₁₂ h ¹² …（１）
式（１）において、ｉは面番号（ｉ＝１は略平行光が入射する面を示し、ｉ＝２は射出側の面を示す）である。従って、Ｆ ₁ （ｈ）は入射側の面の形状を表し、Ｆ ₂ （ｈ）は射出側の面の形状を表す。また、ｒはレンズ面の光軸上での曲率半径であり、κは円錐係数であり、Ａ ₄ ，Ａ ₆ ，Ａ ₈ ，Ａ ₁₀ ，Ａ ₁₂ は４次以上１２次以下の各偶数次の非球面係数である。
なお、当然の事ながら、ｒ，κ，Ａ ₄ ，Ａ ₆ ，Ａ ₈ ，Ａ ₁₀ ，Ａ ₁₂ は、夫々、第１面（ｉ＝１）と第２面（ｉ＝２）とで別個の値を採る。
式（２）は、入射側面（ｉ＝１）に関する式（１）のｈによる一次微分関数： dF ₁ (h)/dh の範囲を規定するものである。
-2 ≦ dF ₁ (h)/dh ≦ +2 …（２）
具体的な条件式である式（３）は、射出側面（ｉ＝２）に関する式（１）のｈによる一次微分関数： dF ₂ (h)/dh の範囲を規定するものである。
-0.1 ≦ dF ₂ (h)/dh ≦ +0.1 …（３）
具体的な条件式である式（４）は、入射側面（ｉ＝１）に関する式（１）のｈによる二次微分関数： d ² F ₁ (h)/dh ² の範囲を規定するものである。
+0.5 ≦ d ² F ₁ (h)/dh ² ≦ +3.5 …（４）
具体的な条件式である式（５）は、射出側面（ｉ＝２）に関する式（１）のｈによる二次微分関数： d ² F ₂ (h)/dh ² の範囲を規定するものである。
-0.3 ≦ d ² F ₂ (h)/dh ² ≦ +0.2 …（５）
【００１０】
このような構成によると、開口数が０．８以上である単レンズから光ピックアップ用対物光学系が構成されるために、光情報記録媒体に対する高密度な情報記録又は情報読出が可能になるとともに、従来プラスチック単レンズを保持するために用いられていたファインアクチュエータ等を流用することができる。また、一方の面が他方の面に対し２μｍ偏心した場合でも軸上波面収差が０．０７λｒｍｓ以下であってほぼ回折限界まで集光可能である両面非球面対物レンズとして成形されているので、イメージサークル径を大きくすることができ、これにより、対物光学系の光軸に対して光ピックアップ装置やファインアクチュエータから射出される略平行光束の光軸が傾いても、波面収差性能が急激に劣化することが避けられる。
【００１１】
本発明は、以下に説明する技術的思想に基づいてなされた。即ち、発明者は、上述した課題を解決するに際して、上記出願にて提案した平凸単レンズにおけるディスク側の第２面を非球面化することにより、現実的な製造誤差範囲内（片側２μｍ程度）での偏心公差において波面収差性能が劣化し難いように、偏心コマ収差の発生を抑えながら、より広いイメージサークル径を確保して、軸外像高でのコマ収差（正弦条件）を補正することにした。これにより、レンズをモールド成形する時に使用される金型同士の偏心を、実際上の有限な偏心公差内において許容できるようになるので、製造時における歩留まり（製造コスト）を確保することができる。さらに、非球面形状による補正力によって、軸外特性のコマ収差をも補正することが可能になり、超高ＮＡ単レンズであっても、良好な波面収差特性と十分な偏心公差マージンとが得られるようになったのである。
【００１２】
なお、ファインアクチュエータに取り付ける為の適度な厚みのコバを確保する為には、レンズ材料の屈折率は、１．６以上であることが必要である。従来用いられていたプラスチックの屈折率は１．５程度であり、その他の特性（例えば、複屈折異方性の有無、等）をも考慮すると、高屈折率の材料が多くあり、設計のための選択肢を比較的多く取ることが可能なガラス材料を用いることが望ましい。レンズ材料としてガラス材料を用いた場合、ガラス材料はプラスチック材料に比べて熱（線）膨張係数も一桁以上小さいので、環境条件の変化に対しても（非球面）形状安定性が高く、信頼性を高める事が可能である。特に、本発明において対物光学系として用いられる両面非球面レンズの場合、略平行光を集光する為の有効な正のパワーは、略平行光が入射する面において殆ど発生しているので、その入射側の面の形状を安定的に維持する事が、重要である。また、高屈折材料であるガラスを用いれば、凸面の曲率をあまり大きくすることなく必要な屈折力を確保することができるので、マージナル光線付近でも面に対する入射角が緩和される。その結果、反射防止用コートの設計及び実施において有利である。更には、ガラス材料は、プラスチック材料に比べて、コート後のレンズ取り扱いやコートの安定性においても、有利となる。
【００１３】
これに対して、プラスチック材料のような比較的低屈折率な材料によって製造されたレンズでは、必要な屈折力を確保するために曲率を大きくせざるを得ないので、マージナル光線付近での面に対する入射角が非常に大きくなってしまう。そのため、温度変化に因って面形状（入射角）が変化し易いことと相まって、波面収差性能が劣化し易いのである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明による光ピックアップ用対物光学系の実施の形態を、説明する。図１は、本発明による光ピックアップ用対物光学系が組み込まれた光ディスク記録再生装置（詳しくはＭＯディスクドライブ装置）の概要を示す一部透視斜視図である。本実施形態において、光情報媒体は光ディスク（更に詳しくは光磁気ディスク）２として実現されている。
【００２２】
図１及びその一部拡大図である図２に示されるように、本実施形態における光ディスク記録再生装置１は、光ディスク２をローディング及びアンローディング可能な箱形の筐体を有している。さらに、この筐体の底面のほぼ中央には、ローディングされた光ディスク２の中心をその回転軸４５ａの先端に固着してこの光ディスク２を回転駆動するスピンドルモータ４５が配置され、このスピンドルモータ４５の回転軸４５ａの先端に固着された光ディスク２の径方向と平行に、互いに平行な一対のガイドレール４２ａ，４２ｂが配置され、各ガイドレール４２ａ，４２ｂにおけるスピンドル４５とは反対側の位置には、各ガイドレール４２ａ，４２ｂと平行に両ガイドレール４２ａ，４２ｂの間に光情報記録用又は光情報再生用のレーザビーム（平行光束）ｌを射出する光源モジュール７が、配置されている。
【００２３】
両ガイドレール４２ａ，４２ｂには、光源モジュール７から射出されたレーザービームｌを、光ディスク２の記録面における任意のトラックに向けて反射させるためのキャリッジ４０が、摺動可能に取り付けられている。このキャリッジ４０は、コイル４１ａ，４１ｂと図示せぬ永久磁石とによって夫々構成される一対のリニアモーターによって、両ガイドレール４２ａ，４２ｂにガイドされて、光ディスク２の半径方向（トラッキング方向）にスライド駆動される。このキャリッジ４０の中心には、両ガイドレール４２ａ，４２ｂと平行に、光源モジュール７から射出されたレーザービームｌが射し込む開口４０ａが形成されている。この開口４０ａは、キャリッジ４０の先端（スピンドルモータ４５に近接する側）近傍まで達しており、その最奥部に、図３に示すようにレーザービームｌを光ディスク２の記録面に対して垂直に反射させる反射鏡３１が、設置されている。そして、キャリッジ４０におけるＭＯディスク２に対向する面には、この反射鏡３１によって反射されたレーザービームｌを通過させるための開口が、穿たれている。
【００２４】
この開口には、両面非球面単レンズである対物光学系６が、ファインアクチュエータ５によって、レーザービームｌと同軸に保持されている。ファインアクチュエータ５は、対物光学系６を保持するレンズ枠１２と、キャリッジ４０におけるＭＯディスク２に対向する面上に固定された支持部４３と、夫々の基端が支持部４３に固定されているとともに夫々の先端にてレンズ枠１２を軸方向（対物光学系６の光軸方向）に移動可能に保持する４本一組の支持ワイヤ４４と、キャリッジ４０の開口に対して固定された円弧形状の永久磁石１５と、レンズ枠１２の外周に設けられたフォーカスコイル１３と、対物レンズ１１のディスク側面において光軸と同軸に設けられた磁気コイル１４とから、構成されている。レンズ枠１２に保持された対物光学系６は、フォーカスコイル１３に電流が流されてこの磁気コイル１４が永久磁石１５に対して相対的に吸引又は反発されることによって、その光軸方向に適宜直進駆動される。このようにして、光軸方向における位置が調整された対物光学系６に対して、反射鏡３１によって反射されたレーザービームｌが、その光軸と同軸に入射する。対物光学系６は、このレーザービームｌを、ＭＯディスク２の記録面に収束させる。また、磁気コイル１４は、ＭＯディスク２への光情報の記録時において、その記録面におけるレーザービームｌが収束されている箇所に磁界を印加する。
【００２５】
一方、光源モジュール７内には、レーザービームｌを発散光束として射出する半導体レーザ素子１８，この半導体レーザ素子１８から射出されたレーザービームｌを平行光束にするコリメートレンズ２０，このコリメートレンズ２０を透過したレーザービームを透過させる複合プリズムアッセイ２１，及び、この複合プリズムアッセイ２１を透過したレーザービームｌをキャリッジ４０の開口４０ａへ向けて反射する偏向ミラー２６の他、レーザーパワーセンサ２２，ウォラストンプリズム３１，ホログラム板３２，集光レンズ３３，及び、サーボ＆データセンサ２４が、内蔵されている。
【００２６】
上述の複合プリズムアッセイ２１は、全体として互いに平行な上面及び底面を有し、側面２１１ｂに対して所定の鋭角をなす入射面２１１ａと側面２１１ｂに対して４５度をなす部分反射面２１１ｃとを有する第１プリズム２１１，この第１プリズム２１１ｃの部分反射面２１１ｃに貼り付けられた部分反射面２１２ａとこの部分反射面２１２ａに対して夫々４５度をなす射出面２１２ｂ及び側面２１２ｃとからなる直角プリズムである第２プリズム２１２，並びに、この第２プリズム２１２の部分反射面２１２ａに対してその斜面２１３ａが平行となる様にこの第２プリズム２１２の側面２１２ｃに貼り付けられた直角プリズムである第３プリズム２１３から、構成されている。そして、この複合プリズムアッセイ２１は、その側面２１１ｂが両ガイドレール４２ａ，４２ｂの軸方向（即ち、キャリッジ４０の移動方向）に対して垂直となるように、光源モジュール７内に固定されている。
【００２７】
また、偏向ミラー２６は、光ディスク２の記録面に平行な軸を回転中心とする図示せぬガルバノモーターに取り付けられており、レーザビームｌを光ディスク２の記録面に垂直な方向に微小角度振ることができるようになっている。
【００２８】
以上のように構成されるＭＯドライブ装置１の動作の概略を、以下に説明する。先ず、情報記録時においては、図示せぬ変調回路によってＯＮ／ＯＦＦ変調された駆動電流が供給された半導体レーザ１８は、この駆動電流に従って、断続的にレーザービームｌを発振する。
【００２９】
上述したコリメートレンズ２０は、レーザービームｌが複合プリズムアッセイ２１の入射面２１１ａにて屈折されて側面２１１ｂと平行になるように、その光軸が複合プリズムアッセイ２１の側面２１１ｂに対して傾いた状態で、固定されている。従って、このコリメータレンズ２０を透過することによって平行光束とされたレーザービームのビーム断面は、この複合プリズムアッセイ２１の入射面２１１にて屈折されることによって、光強度分布が楕円形から略円形に整形される。この入射面２１１にて屈折されたレーザービームｌは、側面２１１ｂと平行に第１プリズム２１１内を進み、部分反射面２１１ｃにおいて、その一部のみレーザーパワーセンサ２２に向けて反射される。
【００３０】
レーザーパワーセンサ２２は、受光したレーザービームｌに基づいて、レーザービームの光量を示す信号を出力する。この信号が図示せぬレーザーパワーコントロール回路に帰還されることによって、半導体レーザー１８の出力が、所望の値となるように自動調整される。
【００３１】
一方、部分反射面２１１ｃを透過したレーザービームｌは、射出面２１２ｂを通ってこの複合プリズムアッセイ２１から射出され、偏向ミラー２６によって、キャリッジ４０の開口４０ａ内に射し込む方向へ反射される。偏向ミラー２６は、後述するサーボ＆データセンサ２４の出力に基づいて、レーザービームｌを、両ガイドレール４２ａ，４２ｂと平行な方向へ、正確に反射させる。従って、キャリッジ４０がガイドレール４２ａ，４２ｂに沿ってどの位置に移動されていても、レーザビームｌは、開口４０ａ内に射し込み、反射鏡３１によって、対物光学系６に向けて反射される。
【００３２】
後述するサーボ＆データセンサ２４の出力に基づいて生成された駆動電流がフォーカスコイル１３に流されることにより、ファインアクチュエータ５は、対物光学系６の後側焦点（光ディスク側焦点）を、光ディスク２の記録面２ｂと一致させる。従って、反射鏡３１を介して対物光学系６へ入射したレーザービームｌは、この対物光学系６によって収束され、光ディスク２の保護層２ａを通って、その記録面２ｂにてレーザースポットを形成する。この記録面２ｂにおけるレーザースポットが形成された領域の磁化方向は、磁気コイル１４によって印加されている磁気の方向へ向けられ、これにより、光情報の記録がなされる。
【００３３】
光ディスク２の記録面２ｂに入射したレーザー光ｌの一部は、この記録面２ｂにて反射されて、元の光路に沿って光源ユニット７まで戻る。この光源ユニット７に戻った反射光は、偏向ミラー２６によって反射され、射出面２１２ｂから複合プリズムアッセイ２１内に入射する。このようにして複合プリズムアッセイ２１内に入射した反射光は、部分反射面２１１ｃにて反射されて、第３プリズム２１３の斜面２１３ａを経て、ウォラストンプリズム３１内に入射する。このフォラストンプリズム３１は、入射した光のうち、特定方向を向いた直線偏光成分のみを透過する。このウォラストンプリズム３１を透過した反射光は、ホログラム板３２及び集光レンズ３３を介してサーボ＆データセンサ２４によって受光される。このサーボ＆データセンサ２４は、受光した反射光から対物光学系６のサーボ制御状態（フォーカス誤差情報やトラッキング誤差情報）を示す信号を出力する。これらの出力信号は、図示せぬ制御回路によって、ガルバノモーター及びフォーカスコイル１３の駆動電流に変換され、サーボが掛けられる。
【００３４】
なお、以上のような光情報の記録がなされている間に、スピンドルモータ４５が光ディスク２を回転させるとともに、リニアモーターがキャリッジ４０を移動させてトラッキングを行う。これにより、光ディスク２の記録面２ｂ上に、連続して光情報の記録がなされるのである。
【００３５】
一方、光ディスク２の記録面２ｂからの光情報の読取時には、半導体レーザー素子１８は、低出力なレーザービームｌを連続的に射出し、磁気コイル１４には駆動電流は流されない。この状態で、スピンドルモータ４５が光ディスク２を回転させるとともにリニアモータがキャリッジ４０を移動させてトラッキングを行うと、光ディスク２の記録面２ｂが対物光学系６によって収束されたレーザースポットによって走査され、その反射光がサーボ＆データセンサ２４によって受光される。この際、レーザービームｌの反射光の偏光方向は、光ディスク２の記録面２ｂにおける磁化方向に従って、所定の向きに回転される。従って、上述したフォラストンプリズム３１が透過する偏光の向きが適宜調整されていれば、サーボ＆データセンサ２４に入射する反射光の光量は、記録面２ｂの磁化方向に従って回転するレーザービームの偏光方向の変化に、応じたものとなる。よって、サーボ＆データセンサ２４の出力から、光ディスク２の記録面２ｂに記録された光情報が再生され得るのである。
【００３６】
上述した対物光学系６は、上記［課題を解決するための手段］において説明したように、光源側の面が正の屈折力を持つ非球面であるとともに、光ディスク２側の面が正又は負の屈折力を持つ非球面である両面非球面単レンズである。この対物光学系６は、０．８以上の開口数を有する高性能レンズであり、一方の面が他方の面に対して２μｍ偏心した場合でも軸上波面収差が０．０７λｒｍｓ以下であってほぼ回折限界まで集光可能であるという条件に従って、設計されている。具体的には、各面の形状を、光軸からの高さがｈとなる点の光軸上での接平面からの距離Ｆ_i（ｈ）として下記式（１）により表した場合に、下記式（２）乃至式（５）を満足するように、設計されている。
【００３７】
F_i(h)=(h²/r)/(1+(1-(1+κ)h²/r²)^1/2)+A₄h⁴+A₆h⁶+A₈h⁸+A₁₀h¹⁰+A₁₂h¹²…（１）
（但し、ｉは面番号であり、Ｆ₁（ｈ）は入射側の面形状であり、Ｆ₂（ｈ）は射出側の面形状であり、ｒはレンズ面の光軸上での曲率半径であり、κは円錐係数であり、Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は４次以上１２次以下の各偶数次の非球面係数である。）
-2 ≦ dF₁(h)/dh ≦ +2 …（２）
-0.1 ≦ dF₂(h)/dh ≦ +0.1 …（３）
+0.5 ≦ d²F₁(h)/dh² ≦ +3.5 …（４）
-0.2 ≦ d²F₂(h)/dh² ≦ +0.2 …（５）
また、この単レンズは、実際の製造時には、１．６以上の屈折率を有するガラス材料を、各面の形状に対応した成形面を有する一対の金型を用いてコンプレッションモールドすることによって、成形されている。
【００３８】
次に、上述した実施形態に基づく対物光学系６の具体的な実施例を２例、性能比較のための比較例とともに、提示する。
【００３９】
【実施例１】
実施例１は、実際のメディア保護膜厚が０．１ｍｍ程度である光ディスクを想定し、レーザービームｌの波長をλ＝４０５ｎｍとするとともに、必要な開口数をＮＡ＝０．８５として、設計した例である。
【００４０】
図４は、実施例１による対物光学系６と、光ディスク２のメディア保護層表面２ａ及び記録面２ｂとを、示す（但し、対物光学系６のフランジ６ａの図示は省略されている）。実施例１による対物光学系６の具体的な数値構成は、表１に示されている。但し、表中における寸法と示す数値は、対物光学系６の焦点距離ｆを１としたときの比率として、規格化されている。
【００４１】
表１において、面番号Ｒ１が対物光学系６の光源側レンズ面，面番号Ｒ２が対物光学系６の光ディスク側レンズ面、面番号Ｒ３，Ｒ４が光ディスク２の保護層２ａ及び記録面２ｂを、夫々示している。また、Ｆ_NO，ｆ，ωは、夫々、対物光学系６のＦナンバー，焦点距離，半画角（単位：degree）である。また、ｒは各面の近軸曲率半径，ｄは各面から次の面までのレンズ厚又はレンズ間隔，ｎは各面から次の面までの媒質の波長４０５ｎｍに対する屈折率，ν_dは各面から次の面までの媒質のアッベ数，ｎ_dは各面から次の面までの媒質のｄ線に対する屈折率である。なお、面番号Ｒ１，Ｒ２によって夫々示される対物光学系６の光源側レンズ面及びディスク側レンズ面は共に非球面であり、それらの形状（F₁(h)，F₂(h)）は、上記式（１）によって表される。
【００４２】
なお、対物光学系６の光源側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表２に示される。さらに、対物光学系６の光ディスク側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表３に示される。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
【表３】

次に、対物光学系６の光源側レンズ面についての上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₁(h)と、この面形状F₁(h)を一次微分して得られた関数dF₁(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₁(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表４に示す。同様に、対物光学系６のディスク側レンズ面についての上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₂(h)と、この面形状F₂(h)を一次微分して得られた関数dF₂(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₂(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表５に示す。なお、下記表４における「相対的ｈ」とは、開口数ＮＡ＝０．８５における有効半径（０．８５mm）を１として正規化した値である。また、下記表５におけるｈの値は、光ディスク側の面の有効半径（０．５４mm）を「相対的ｈ」＝１として、各「相対的ｈ」毎に逆算した高さである。
【００４６】
【表４】

【００４７】
【表５】

表４中のdF₁(h)/dhは、-1.54313〜1.54313の範囲内に分布しているので、第１実施例は、上記式（２）に規定する条件を満足している。同様に、d²F₁(h)/dh²は、1.31216〜2.51497の範囲内に分布しているので、第１実施例は、上記式（４）に規定する条件を満足している。また、表５中のdF₂(h)/dhは、-0.01551〜0.01551の範囲内に分布しているので、第１実施例は、上記式（３）に規定する条件を満足している。同様に、d²F₂(h)/dh²は、-0.18506〜0.08344の範囲内に分布しているので、第１実施例は、上記式（５）に規定する条件を満足している。なお、図５は、上記表４及び表５に示した各算出値をプロットしたグラフである。
【００４８】
図６は、波長４０５ｎｍに対する対物光学系６の球面収差ＳＡ（実線）及び正弦条件ＳＣ（破線）を示すグラフである。図６から明らかなように、実施例１の対物光学系６は、波長４０５ｎｍに対して球面収差及びコマ収差が良好に補正されていることが判る。
【００４９】
また、図７は、波長４０５ｎｍに対する対物光学系６のメリジオナル面内における波面収差を示し、同図（Ａ）は、光軸上に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標（横軸：瞳径）と波面収差量（縦軸：単位［λPV］）との関係を示すグラフであり、同図（Ｂ）は、像面における像高Ｙ＝0.003（単位：［mm］）の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｃ）は、像面における像高Ｙ＝0.006の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｄ）は、像面における像高Ｙ＝0.009の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフである。この図７から明らかなように、実施例１の対物光学系６は、波長４０５ｎｍに対して波面収差が良好に補正され、イメージサークル径が十分に大きい（像高Ｙ＝0.006までは、マレシャルの評価基準値（0.07λrms）におよそ相当する±0.2λPVの範囲にほぼ収まる）ことが判る。
【００５０】
また、図８は、対物光学系６の光源側の面と光ディスク側の面との偏心量（DEC）をパラメータとした像高（横軸：単位［mm］）と波面収差量（縦軸：単位［λrms］）との関係を示すグラフであり、カーブDEC00は偏心なしの場合を示し、カーブDEC10は偏心量1.0μｍの場合を示し、カーブDEC20は偏心量2.0μｍの場合を示し、カーブPLANEは比較用に平凸レンズの場合を示す。この図８から明らかなように、実施例１の対物光学系６は、偏心量が２μｍあっても、軸上波面収差がマレシャルの評価基準値（0.07λrms）以下であり、更に、実用上の限界付近である0.05λrms以下であることが判る。
【００５１】
以上の各図に対する分析より、実施例１による対物光学系６は、光情報記録用及び読出用として使用するに足りる程度に高性能であることが判る。
【００５２】
【実施例２】
実施例２は、実際のメディア保護膜厚が０．０１ｍｍ程度である表面記録に近い光ディスクを想定し、レーザービームｌの波長をλ＝６５５ｎｍとするとともに、必要な開口数をＮＡ＝０．８０として、設計した例である。
【００５３】
図９は、実施例２による対物光学系６と、光ディスク２のメディア保護層表面２ａ及び記録面２ｂとを、示す（但し、対物光学系６のフランジ６ａの図示は省略されている）。実施例２による対物光学系６の具体的な数値構成は、表６に示されている。但し、表中における寸法と示す数値は、対物光学系６の焦点距離ｆを１としたときの比率として、規格化されている。
【００５４】
表６中の各記号の意味は、上記実施例１の場合と同じである。面番号Ｒ１，Ｒ２によって夫々示される対物光学系６の光源側レンズ面及びディスク側レンズ面は共に非球面であり、それらの形状（F₁(h)，F₂(h)）は、上記式（１）によって表される。
【００５５】
なお、対物光学系６の光源側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表７に示される。さらに、対物光学系６の光ディスク６側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表８に示される。
【００５６】
【表６】

【００５７】
【表７】

【００５８】
【表８】

次に、対物光学系６の光源側レンズ面について上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₁(h)と、この面形状F₁(h)を一次微分して得られた関数dF₁(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₁(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表９に示す。同様に、対物光学系６のディスク側レンズ面について上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₂(h)と、この面形状F₂(h)を一次微分して得られた関数dF₂(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₂(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表１０に示す。なお、下記表９における「相対的ｈ」とは、開口数ＮＡ＝０．８０における有効径（０．８０mm）を１として正規化した値である。また、下記表１０におけるｈの値は、光ディスク側の面の有効径（０．５３mm）を「相対的ｈ」＝１として、各「相対的ｈ」毎に逆算した高さである。
【００５９】
【表９】

【００６０】
【表１０】

表９中のdF₁(h)/dhは、-1.46109〜1.46109の範囲内に分布しているので、第２実施例は、上記式（２）に規定する条件を満足している。同様に、d²F₁(h)/dh²は、1.36011〜2.41976の範囲内に分布しているので、第２実施例は、上記式（４）に規定する条件を満足している。また、表１０中のdF₂(h)/dhは、-0.01769〜0.01769の範囲内に分布しているので、第２実施例は、上記式（３）に規定する条件を満足している。同様に、d²F₂(h)/dh²は、-0.16890〜0.07419の範囲内に分布しているので、第２実施例は、上記式（５）に規定する条件を満足している。なお、図１０は、上記表９及び表１０に示した各算出値をプロットしたグラフである。
【００６１】
図１１は、波長６５５ｎｍに対する対物光学系６の球面収差ＳＡ（実線）及び正弦条件ＳＣ（破線）を示すグラフである。図１１から明らかなように、実施例２の対物光学系６は、波長６５５ｎｍに対して球面収差及びコマ収差が良好に補正されていることが判る。
【００６２】
また、図１２は、波長６５５ｎｍに対する対物光学系６のメリジオナル面内における波面収差を示し、同図（Ａ）は、光軸上に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標（横軸：瞳径）と波面収差量（縦軸：単位［λPV］）との関係を示すグラフであり、同図（Ｂ）は、像面における像高Ｙ＝0.003（単位：［mm］）の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｃ）は、像面における像高Ｙ＝0.006の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｄ）は、像面における像高Ｙ＝0.009の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフである。この図１２から明らかなように、実施例２の対物光学系６は、波長６５５ｎｍに対して波面収差が良好に補正され、イメージサークル径が十分に大きい（像高Ｙ＝0.006までは、マレシャルの評価基準値（0.07λrms）におよそ相当する±0.2λPVの範囲にほぼ収まる）ことが判る。
【００６３】
また、図１３は、対物光学系６の光源側の面と光ディスク側の面との偏心量（DEC）をパラメータとした像高（横軸：単位［mm］）と波面収差量（縦軸：単位［λrms］）との関係を示すグラフであり、カーブDEC00は偏心なしの場合を示し、カーブDEC10は偏心量1.0μｍの場合を示し、カーブDEC20は偏心量2.0μｍの場合を示し、カーブDEC30は偏心量3.0μｍの場合を示し、PLANEは比較用に平凸レンズの場合を示す。この図１３から明らかなように、実施例２の対物光学系６は、偏心量が２μｍあっても、軸上波面収差がマレシャルの評価基準値（0.07λrms）以下であり、更に、実用上の限界付近である0.05λrms以下であることが判る。
【００６４】
以上の各図に対する分析より、実施例２による対物光学系６は、光情報記録用及び読出用として使用するに足りる程度に高性能であることが判る。
【００６５】
【比較例】
上記各実施例との性能の比較のために設計された比較例は、第１実施例と同じく、実際のメディア保護膜厚が０．１ｍｍである光ディスクを対象とし、レーザービームｌの波長をλ＝４０５ｎｍとし、開口数をＮＡ＝０．８５としている。
【００６６】
図１４は、本比較例による対物光学系６’と、光ディスク２のメディア保護層表面２ａ及び記録面２ｂとを、示す。本比較例による対物光学系６’の具体的な数値構成は、表１１に示されている。但し、表中における寸法と示す数値は、対物光学系６’の焦点距離ｆを１としたときの比率として、規格化されている。
【００６７】
表１１中の各記号の意味は、上記実施例１の場合と同じである。面番号Ｒ１，Ｒ２によって夫々示される対物光学系６’の光源側レンズ面及びディスク側レンズ面は共に非球面であり、それらの形状（F₁(h)，F₂(h)）は、上記式（１）によって表される。
【００６８】
なお、対物光学系６’の光源側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表１２に示される。さらに、対物光学系６’の光ディスク６側の面形状を規定するために上記式（１）に適用される円錐係数κ及び各非球面係数Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀，Ａ₁₂は、表１３に示される。
【００６９】
【表１１】

【００７０】
【表１２】

【００７１】
【表１３】

次に、本比較例による対物光学系６’の光源側の面について上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₁(h)と、この面形状F₁(h)を一次微分して得られた関数dF₁(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₁(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表１４に示す。同様に、対物光学系６’の光ディスク側の面について上記各係数を式（１）に当てはめることによって得られた面形状F₂(h)と、この面形状F₂(h)を一次微分して得られた関数dF₂(h)/dhと、二次微分して得られた関数d²F₂(h)/dh²とに、夫々、ｈの各値を代入して算出した結果を、表１５に示す。なお、下記表１４における「相対的ｈ」とは、開口数ＮＡ＝０．８５における有効径（０．８５mm）を１として正規化した値である。また、下記表１５におけるｈの値は、光ディスク側の面の有効径（０．５７mm）を「相対的ｈ」＝１として、各「相対的ｈ」毎に逆算した高さである。
【００７２】
【表１４】

【００７３】
【表１５】

表１４中のdF₁(h)/dhは、-2.62573〜2.62573の範囲内に分布しているので、本比較例は、上記式（２）に規定する条件を満足していない。同様に、d²F₁(h)/dh²は、1.34890〜15.9253の範囲内に分布しているので、本比較例は、上記式（４）に規定する条件を満足していない。また、表１５中のdF₂(h)/dhは、-0.24628〜0.24628の範囲内に分布しているので、本比較例は、上記式（３）に規定する条件を満足していない。同様に、d²F₂(h)/dh²は、0.09047〜0.70689の範囲内に分布しているので、本比較例は、上記式（５）に規定する条件を満足していない。なお、図１５は、上記表１４及び表１５に示した各算出値をプロットしたグラフである。
【００７４】
図１６は、波長４０５ｎｍに対する対物光学系６’の球面収差ＳＡ（実線）及び正弦条件ＳＣ（破線）を示すグラフである。
【００７５】
また、図１７は、波長４０５ｎｍに対する対物光学系６’のメリジオナル面内における波面収差を示し、同図（Ａ）は、光軸上に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標（横軸：瞳径）と波面収差量（縦軸：単位［λPV］）との関係を示すグラフであり、同図（Ｂ）は、像面における像高Ｙ＝0.003（単位：［mm］）の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｃ）は、像面における像高Ｙ＝0.006の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフであり、同図（Ｄ）は、像面における像高Ｙ＝0.009の点に収束する同族光線の射出瞳におけるメリジオナル面内での瞳座標と波面収差量との関係を示すグラフである。
【００７６】
また、図１８は、対物光学系６’の光源側の面と光ディスク側の面との偏心量（DEC）をパラメータとした像高（横軸：単位［mm］）と波面収差量（縦軸：単位［λrms］）との関係を示すグラフであり、カーブDEC00は偏心なしの場合を示し、カーブDEC05は偏心量0.5μｍの場合を示し、カーブDEC10は偏心量1.0μｍの場合を示し、カーブDEC15は偏心量1.5μｍの場合を示し、カーブDEC20は偏心量2.0μｍの場合を示す。この図１８から明らかなように、上記式（２）乃至式（５）を満足していない本比較例による対物光学系６’は、少なくとも偏心量が1.5μｍ以上であると、軸上波面収差がマレシャルの評価基準値（0.07λrms）を越えてしまい、偏心量が1.0以上でも、実用上の限界付近である0.05λrmsを越えてしまう。従って、本比較例によると、実質的に偏心公差は0.5μｍ程度しかないので、従来のものと同様に、製造時における歩留まりが悪い。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明の光ピックアップ用対物光学系によれば、開口数が大きい単レンズからなるにも拘わらず、イメージサークル径が大きい為に、ピックアップ装置（ファインアクチュエータ）等に入射する略平行光束の軸に対してそれ自体の光軸が多少傾いたとしても、波面収差性能が急激に劣化することがないので、ピックアップ装置（ファインアクチュエータ）等に対するする組付けマージンが大きい。しかも、モールド成形する際にある程度の公差内で偏心しても、性能劣化が殆ど無いので、歩留まり良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ピックアップ用対物光学系の実施形態である光ディスク記録再生装置の概略斜視図
【図２】図１の一部拡大図
【図３】ファインアクチュエータ及び対物光学系の断面図
【図４】実施例１の対物光学系を示すレンズ図
【図５】実施例１の対物光学系の各面の形状に基づいて算出した式（２）〜（５）の関数の値をプロットしたグラフ
【図６】実施例１の対物光学系の球面収差及び正弦条件を示すグラフ
【図７】メリジオナル面における波面収差を示すグラフ
【図８】偏心量をパラメータとして実施例１の対物光学系による像高と波面収差量との関係を示すグラフ
【図９】実施例２の対物光学系を示すレンズ図
【図１０】実施例２の対物光学系の各面の形状に基づいて算出した式（２）〜（５）の関数の値をプロットしたグラフ
【図１１】実施例２の対物光学系の球面収差及び正弦条件を示すグラフ
【図１２】メリジオナル面における波面収差を示すグラフ
【図１３】偏心量をパラメータとして実施例２の対物光学系による像高と波面収差量との関係を示すグラフ
【図１４】比較例の対物光学系を示すレンズ図
【図１５】比較例の対物光学系の各面の形状に基づいて算出した式（２）〜（５）の関数の値をプロットしたグラフ
【図１６】比較例の対物光学系の球面収差及び正弦条件を示すグラフ
【図１７】メリジオナル面における波面収差を示すグラフ
【図１８】偏心量をパラメータとして比較例の対物光学系による像高と波面収差量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１光ディスク記録再生装置
２光ディスク
５ファインアクチュエータ
６対物光学系
１８半導体レーザー素子
２０コリメータレンズ
３１反射鏡

Claims

入射した略平行光束を光情報記録媒体の記録面上に収束させる光ピックアップ用対物光学系であって、
前記略平行光束の入射側の面が非球面形状の正の屈折力を持つ面であるとともに、射出側の面が非球面形状の正又は負の屈折力を持つ面であることによって、両面同士が２μｍ偏心した場合でも軸上波面収差が０．０７λｒｍｓ以下であってほぼ回折限界まで集光可能である０．８以上の開口数を有する両面非球面単レンズから構成され、
前記両面非球面単レンズの各面の形状を、光軸からの高さがｈとなる点の光軸上での接平面からの距離Ｆ _i （ｈ）として下記式（１）により表した場合に、下記式（２）乃至式（５）を満足する
ことを特徴とする光ピックアップ用対物光学系。
F _i (h)=(h ² /r)/(1+(1-(1+ κ )h ² /r ² ) ^1/2 )+A ₄ h ⁴ +A ₆ h ⁶ +A ₈ h ⁸ +A ₁₀ h ¹⁰ +A ₁₂ h ¹² …（１）
（但し、ｉは面番号であり、Ｆ ₁ （ｈ）は入射側の面の形状であり、Ｆ ₂ （ｈ）は射出側の面の形状であり、ｒはレンズ面の光軸上での曲率半径であり、κは円錐係数であり、Ａ ₄ ，Ａ ₆ ，Ａ ₈ ，Ａ ₁₀ ，Ａ ₁₂ は４次以上１２次以下の各偶数次の非球面係数）
-2 ≦ dF ₁ (h)/dh ≦ +2 …（２）
-0.1 ≦ dF ₂ (h)/dh ≦ +0.1 …（３）
+0.5 ≦ d ² F ₁ (h)/dh ² ≦ +3.5 …（４）
-0.2 ≦ d ² F ₂ (h)/dh ² ≦ +0.2 …（５）
前記両面非球面単レンズは、屈折率が１．６以上であるガラス材料をモールドすることによって成形されている
ことを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ用対物光学系。