CN1233761A - 物镜光学系统 - Google Patents

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橘高重雄
柿本浩二
越浩志
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Abstract

提供一种能增大NA并能谋求将部件数目限制在最小限度和实现物镜光学系统的小型及轻量化的物镜光学系统。作为折射率分布透镜,使用由在径向上具有折叠率分布的圆柱状的透明体构成的棒状透镜1。在将从棒状透镜1的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径设为r0、将凸球面1a的曲率半径设为R、将棒状透镜1的焦距设为f时,满足下述的式(14)、式(15)的条件:1.0≤R/r0≤1.6…(14),F/f≤1.2…(15)。

Description

物镜光学系统
本发明涉及使用了单一的折射率分布透镜的物镜光学系统。更详细地说，涉及使用了一个面是凸球面、另一个面是平面的折射率分布透镜的物镜光学系统。该光学系统例如在读取记录在光盘等中的信息、将信息写入到光盘中使用的光头(optical head)的物镜光学系统等方面是有用的。
在小型光盘装置及DVD装置等各种光盘系统中，为了进行来自记录媒体的信息的读取、或对于记录媒体的信息的写入，使用了利用物镜对激光进行聚焦以照射到记录面上的光头。在此，为了提高记录媒体的记录密度，必须减小因物镜引起的聚焦光点的直径，为此希望物镜的像侧的NA(数值孔径)要大。此外，从缩短重放(再生)及存取时间的观点来看，物镜是小型及轻量的这一点也是重要的。
因此，以往，作为小型光盘用的物镜，使用了NA0.45的塑料非球面透镜等，作为DVD用的物镜，使用NA0.60的玻璃模塑非球面透镜等。在哪一种情况下，以往使用的物镜的外径的大小都是几个mm(在典型的情况下，外径约为4mm)。
为了谋求使用光盘等的记录装置的进一步小型化，必须使物镜本身进一步实现小型化。但是，由于非球面透镜是使用模具并由冲压加工来制造的，故制造外径为1mm以下的微小的非球面透镜是极为困难的(参照“微小光学手册”，p.6，日本光学会编，1995)。
但是，作为外径为1mm以下的成象光学系统，有在径向上具有折射率分布的棒状透镜(rod lens)。这种棒状透镜的折射率分布，例如由下述的式(1)来表示。
n(r)2=n0 2·{1-(g·r)2+h4(g·r)4
      +h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}     …(1)其中，在上述的式(1)中，r是从棒状透镜的光轴开始测量的径向距离，n(r)是从棒状透镜的光轴开始测量的径向距离r处的折射率，n0是棒状透镜的光轴上的折射率(中心折射率)，g、h4、h6、h8、…是折射率分布系数。
这样的折射率分布透镜，例如由棒状透镜的离子交换法来制造，如果使用这样的方法，则能以低成本来制造外径为1mm以下的微小透镜。此外，由于材料本身具有正的折射能力，故即使是两个透镜面都以平面来构成的单纯的棒状透镜形状，也可作为物镜来使用。
具有由上述的式(1)中来表示的折射率分布的棒状透镜的折射能力，由n0·g·r0来表示，可得到该值越大NA就越大的物镜。但是，在利用离子交换法制造在径向上具有折射率分布的棒状透镜的情况下，在能达到的折射率差方面存在限度，能实现的n0·g·r0的范围约为n0·g·r0≤0.71。
但是，为了进一步提高记录媒体的记录密度，希望开发NA更大的物镜光学系统。此外，为了谋求同时实现装置的小型化和提高存取速度，必须谋求将部件数目限制在最小限度和实现物镜光学系统的小型及轻量化。
本发明是为了解决现有技术中的上述课题而进行的，其目的在于提供这样一种物镜光学系统，它能在增大NA的同时将部件数目限制在最小限度，并能谋求系统的小型及轻量化。
为了达到上述目的，与本发明有关的物镜光学系统的结构的特征在于：它是具备由在径向上具有折射率分布的透明体构成的折射率分布透镜的物镜光学系统，上述折射率分布透镜的一个面是凸球面，另一个面是平面，将上述折射率分布透镜配置成上述凸球面与物体面相对，上述平面与像平面相对，在将从上述折射率分布透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径设为r0、将上述凸球面的曲率半径设为R、将上述折射率分布透镜的焦距设为f时，满足下述的式(2)、式(3)的条件。
1.0≤R/r0≤1.6       …(2)
R/f≤1.2              …(3)
按照该物镜光学系统的结构，能增大透镜整体的折射能力，并能增大像侧的NA。其结果，在作为光头的物镜光学系统使用的情况下，可提高记录媒体的记录密度。此外，因为是由特定结构的单一的折射率分布透镜构成的物镜光学系统，故能谋求将部件数目限制在最小限度和实现物镜光学系统的小型及轻量化，能适应高速存取。
此外，在上述本发明的物镜光学系统的结构中，从折射率分布透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0最好在0.05mm≤r0≤0.20mm的范围内。按照该优选实施例，折射率分布透镜的制造(特别是折射率分布透镜是棒状透镜的情况下的制造)和凸球面的加工变得容易，同时可谋求物镜光学系统整体的小型化。再有，从折射率分布透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0最好在0.10mm≤r0≤0.15mm的范围内，特别是，最好是约为0.125mm。
此外，在上述本发明的物镜光学系统的结构中，最好在光头中这样来组装：使得折射率分布透镜的凸球面与光源相对，上述折射率分布透镜的平面与记录媒体相对。按照该优选实施例，可增大记录媒体一侧的NA，提高记录媒体的记录密度。
此外，在上述本发明的物镜光学系统的结构中，折射率分布透镜是棒状透镜，在将从上述棒状透镜的光轴开始测量的径向距离设为r、将上述棒状透镜的光轴上的折射率设为n0，将折射率分布系数设为g、h4、h6、h8、…时，上述棒状透镜的折射率分布最好由下述的(4)式来表示。
n(r)2=n0 2·{1-(g·r)2+h4(g·r)4
      +h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}         …(4)此外，在这种情况下，棒状透镜的光轴上的折射率n0最好在1.40≤n0≤1.80的范围内。该折射率n0的范围实际上是由利用离子交换法等能制造的范围来确定的。此外，在这种情况下，棒状透镜的光轴上的折射率n0与折射率分布系数g及从上述棒状透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0的积n0·g·r0最好在0.45≤n0·g·r0≤0.71的范围内。这是因为，在n0·g·r0不到0.45的情况下，不能增大NA(不能使透镜变得明亮)，此外，用离子交换法等制造n0·g·r0超过0.71的棒状透镜是困难的。此外，在这种情况下，折射率分布系数h4最好在-1.5≤h4≤2.5的范围内。按照该优选实施例，可将物镜光学系统整体的球面象差校正为良好。此外，在这种情况下，在将折射率分布透镜的平面与像平面的间隔定为L2时，L2/r0最好在L2/r0≤0.37的范围内。按照该优选实施例，物镜光学系统整体的球面象差校正变得容易。此外，在这种情况下，在将物体面(光盘系统中的光源)与折射率分布透镜的凸球面的间隔定为L1时，L1/r0最好在5≤L1/r0≤20的范围内。由于在光盘系统中，通常使用NA约为0.05～0.2的光纤作为光源，故通过在上述那样的有限系统中使用物镜光学系统，使来自光源的光的扩展与棒状透镜的直径匹配，可将光量的损耗抑制得较小。此外，在这种情况下，物体面与折射率分布透镜的凸球面的间隔L1最好是无限大。这样的无限系统在使用平行光作为光源的情况下是有用的。
图1是示出本发明的实施形态中的物镜光学系统的结构的剖面图。
图2是示出本发明的实施形态中的物镜光学系统中使用的棒状透镜的斜视图。
图3是本发明的实施形态中的物镜光学系统中使用的棒状透镜的折射率分布曲线。
图4(A)是示出本发明的实施形态中的实施例1的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图5(A)是示出本发明的实施形态中的实施例2的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图6(A)是示出本发明的实施形态中的实施例3的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图7(A)是示出本发明的实施形态中的实施例4的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图8(A)是示出本发明的实施形态中的实施例5的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图9(A)是示出本发明的实施形态中的实施例6的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图10(A)是示出本发明的实施形态中的实施例7的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图11(A)是示出本发明的实施形态中的实施例8的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
图12(A)是示出比较例的物镜光学系统的结构的剖面图，(B)是该物镜光学系统的纵球面象差图。
以下使用实施形态更具体地说明本发明。
在本实施形态中，如图1、图2中所示，作为折射率分布透镜，使用由在径向上具有折射率分布的圆柱状的透明体构成的棒状透镜1，在该棒状透镜1的两侧配置物体面2和像平面3，构成了物镜光学系统。棒状透镜1的一个面是凸球面1a，另一个面是平面1b，将棒状透镜1配置成凸球面1a与物体面2相对，平面1b与像平面相对。此外，在图1中，4是孔径光阑，将该孔径光阑4设置在棒状透镜1的凸球面1a的顶点。
如图3中所示，棒状透镜1的折射率n在径向上分布，该折射率分布由下述的(5)式来表示。
n(r)2=n0 2·{1-(g·r)2+h4(g·r)4
      +h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}         …(5)其中，在上述的式(5)中，r是从棒状透镜1的光轴1c开始测量的径向距离，n(r)是从棒状透镜1的光轴1c开始测量的径向距离r处的折射率，n0是棒状透镜1的光轴1c上的折射率(中心折射率)，g、h4、h6、h8、…是折射率分布系数。
在本实施形态的物镜光学系统中，在将从棒状透镜1的光轴1c开始测量的、起到透镜作用的部分的半径、即棒状透镜1的有效的透镜部分的半径设为r0、将凸球面1a的曲率半径设为R、将棒状透镜1的焦距设为f时，满足下述的式(6)、式(7)的条件。
1.0≤R/r0≤1.6                   …(6)
R/f≤1.2                          …(7)
在此，可将棒状透镜1的有效的透镜部分的半径r0例如作为「光轴1c上的RMS波阵面象差量为0.07λ以下的范围」来定义。该棒状透镜1的有效的透镜部分的半径r0对棒状透镜1的折射能力有影响，成为设计棒状透镜1时的基准。但是，在实际上制造的棒状透镜1中，透镜外周部的折射率分布偏离设计值较多，故起不到透镜的作用的情况较多。例如，即使是实际的外径尺寸为0.5mm的透镜，实际上有效的透镜直径为0.4mm，此时的r0是0.2mm。
希望棒状透镜1的有效的透镜部分的半径r0在0.05mm≤r0≤0.20mm的范围内。如果棒状透镜1的有效的透镜部分的半径r0在这个范围内，则棒状透镜1的制造及凸球面1a的加工变得容易，同时也可谋求物镜光学系统整体的小型化。
再有，希望棒状透镜1的有效的透镜部分的半径r0在0.10mm≤r0≤0.15mm的范围内，特别是希望在0.125mm左右。
如上所述，将棒状透镜1的物体面2一侧的面定为凸球面1a，通过满足上述式(6)、式(7)的条件，能增大透镜整体的折射能力，并能增大像侧的NA。其结果，在光头中将该棒状透镜1组装成使得凸球面1a与光源相对、平面1b与记录媒体相对的情况下，可提高记录媒体的记录密度。此外，由于该物镜光学系统由特定结构的单一的折射率分布透镜(棒状透镜1)构成，能谋求将部件数目限制在最小限度和实现物镜光学系统的小型及轻量化，故也能适应高速存取。
棒状透镜1的的光轴1c上的折射率(中心折射率)n0的可实现的值由棒状透镜的材料(玻璃或合成树脂)来决定，在1.40≤n0≤1.80的范围内。
棒状透镜1的亮度由无量纲数g·r0或表示透镜能取入光的范围的开口角来确定。在此，开口角θ(°)由下述的(8)式来表示。
θ= (n0·g·r0)/(π/180)…(8)
此时，希望棒状透镜1的光轴1c上的折射率n0与折射率分布系数g及从棒状透镜1的光轴1c开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0的积n0·g·r0在0.45≤n0·g·r0≤0.71的范围内。这是因为，在n0·g·r0不到0.45的情况下，不能增大NA(不能使透镜变得明亮)，此外，用离子交换法等制造n0·g·r0超过0.71的棒状透镜是困难的。
在使用具有由上述的(5)式来表示的折射率分布的棒状透镜1的情况下，物镜光学系统整体的球面象差由折射率分布系数h4、h6、h8、…来校正。为了简化起见，将h6以上的高次项置0，在用下述的(9)式来近似棒状透镜1的折射率分布的情况下，希望折射率分布系数h4在-1.5≤h4≤2.5的范围内。
n(r)2=n0 2·{1-(g·r)2+h4(g·r)4}    …(9)这是因为，制造具有偏离该范围的折射率分布的棒状透镜1是非常困难的。再有，即使在使用h6以上的高次项的情况下，如果h4进入该范围，也能将球面象差校正为良好。
在将棒状透镜1的平面1b与像平面3的间隔定为L2时，如果L2/r0满足下述的(10)式的条件，则能容易地校正物镜光学系统整体的球面象差。
L2/r0≤0.37     …(10)在此，将间隔L2称为「工作距离」。
将具备以上那样的结构的物镜光学系统组装到光头中，使得例如棒状透镜1的凸球面1a与光源相对、平面1b与记录媒体相对。此时，因为棒状透镜1的直径非常小，而且棒状透镜1的平面1b与像平面3的间隔L2非常小，故结果在非常接近记录媒体的状态下将物镜光学系统组装到光头上。
在此，作为光源，以激光等的单色光作为前提。希望光源的波长λ在0.3μm～2.0μm的范围内。这是因为，如果光源的波长λ不到0.3μm，则棒状透镜1的透射率非常差，如果光源的波长λ超过2.0μm，则焦点的光点直径变大，记录媒体的记录密度下降。
此外，如果考虑使用NA约为0.05～0.2的光纤作为光源，则希望在物体面2与棒状透镜1的凸球面1a的间隔L1满足5≤L1/r0≤20的条件的有限系统中使用该物镜光学系统。特别是在使用单模光纤作为光源的情况下，因为NA约为0.1，故希望满足8≤L1/r0≤12的条件。通过在满足上述那样条件的有限系统中使用物镜光学系统，使来自光源的光的扩展与棒状透镜1的直径匹配，可将光量的损耗抑制得较小。但是，在使用平行光作为光源的情况下，也可作为物体面2与棒状透镜1的凸球面1a的间隔L1是无限大的无限系统来设计。
在下述的(表1)中示出具体的实施例。
(表1)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8  比较例
物体与透镜的间隔L1(mm) 1.100  2.000  0.800  ∞  2.000  1.000  1.500  0.800  1.100
孔径光阑半径(mm) 0.115  0.120  0.110  0.195  0.095  0.048  0.140  0.113  0.115
透镜半径r0(mm) 0.125  0.125  0.125  0.200  0.100  0.050  0.150  0.125  0.125
物体侧曲率半径R(mm) 0.160  0.180  0.150  0.260  0.160  0.075  0.200  0.140  ∞
光轴上的折射率n0 1.682  1.682  1.700  1.400  1.800  1.650  1.550  1.600  1.700
折射率分布系数g(mm-1) 3.05  3.05  3.30  2.07  2.51  6.67  2.80  3.50  3.00
折射率分布系数h4 +1.56 +0.44 +2.26 -1.42 +2.00 +0.43 +0.01  0 +0.65
折射率分布系数h6 0  0  0  0  0  0  0  +9.3  0
透镜厚度Z0(mm) 0.270  0.262  0.235  0.484  0.296  0.120  0.325  0.244  0.515
透镜与像平面的间隔L2(mm) 0.0331  0.0398  0.0453  0.0280  0.00984  0.0148  0.0499  0.0400  0.0402
焦距f(mm) 0.1501  0.1583  0.1377  0.3058  0.1484  0.0718  0.1955  0.1421  0.1961
像侧NA 0.717  0.711  0.719  0.673  0.618  0.642  0.671  0.768  0.556
 n0·g·r0 0.641  0.641  0.701  0.580  0.452  0.550  0.651  0.700  0.638
 R/r0 1.28  1.44  1.20  1.30  1.60  1.50  1.33  1.12  -
 L1/r0 8.8  16.0  6.4  ∞  20.0  20.0  10.0  6.4  8.8
 L2/r0 0.2648  0.3184  0.3624  0.14  0.0984  0.296  0.3327  0.32  0.3216
 R/f 1.066  1.1371  1.089  0.8502  1.0782  1.0446  1.023  0.9852  -
图4～图11分别与上述的(表1)中的实施例1～实施例8相对应，图12与上述的(表1)中的比较例相对应。在各图中，(A)示出物镜光学系统的结构，(B)示出纵球面象差。此外，在(A)的各物镜光学系统的结构图中，1示出棒状透镜，2示出物体面，3示出像平面，4示出孔径光阑。此外，(B)的各纵球面象差图中的纵轴的终端示出孔径光阑4的半径。
从上述的(表1)和图4～图12可明白，在两个透镜面都由平面构成的单纯的棒状透镜(比较例)的情况下，像侧的NA是0.556，而在实施例1～实施例8的情况下，可使像侧的NA作成0.6以上的大的值，而且可校正球面象差。特别是，例如，如果作成实施例1～3那样的透镜设计值，则可得到像侧的NA为0.7以上的极为良好的结果。但是，如果象实施例8那样，凸球面1a的曲率半径R非常小，则只通过调整折射率分布系数h4来进行球面象差的校正是困难的，必须将折射率分布系数h6也设定为适当的值。
此外，在本实施形态中，在棒状透镜1的凸球面1a的顶点上设置孔径光阑4，而在本发明中，由于只使用光轴附近的像，故实际的制品中的孔径光阑4也可以是与透镜支座等形成为一体的框状部分。
此外，在本实施形态中，作为折射率分布透镜，举出了棒状透镜1为例进行了说明，但不一定限定于棒状透镜1，只要是由在径向上具有折射率分布的透明体构成的、一个面是凸球面、另一个面是平面的透镜即可。
如以上所说明的那样，按照本发明，能增大透镜整体的折射能力，并能增大像侧的NA。其结果，在作为光头的物镜光学系统使用的情况下，可提高记录媒体的记录密度。此外，由于能谋求将部件数目限制在最小限度和实现物镜光学系统的小型及轻量化，故也能适应高速存取。再有，由于折射率分布透镜的平面与像平面的间隔非常小，故也能对光盘系统整体的小型化有很大的贡献。

Claims (10)

1．一种物镜光学系统，其特征在于：
该物镜光学系统是具备由在径向上具有折射率分布的透明体构成的折射率分布透镜的物镜光学系统，
上述折射率分布透镜的一个面是凸球面，另一个面是平面，
将上述折射率分布透镜配置成上述凸球面与物体面相对，上述平面与像平面相对，
在将从上述折射率分布透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径设为r0、将上述凸球面的曲率半径设为R、将上述折射率分布透镜的焦距设为f时，满足下述的式(11)、式(12)的条件。
1.0≤R/r0≤1.6           …(11)
R/f≤1.2                  …(12)
2．如权利要求1中所述的物镜光学系统，其特征在于：
从折射率分布透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0在0.05mm≤r0≤0.20mm的范围内。
3．如权利要求1中所述的物镜光学系统，其特征在于：
在光头中这样来组装：使得折射率分布透镜的凸球面与光源相对，上述折射率分布透镜的平面与记录媒体相对。
4．如权利要求1中所述的物镜光学系统，其特征在于：
折射率分布透镜是棒状透镜，
在将从上述棒状透镜的光轴开始测量的径向距离设为r、将上述棒状透镜的光轴上的折射率设为n0，将折射率分布系数设为g、h4、h6、h8、…时，上述棒状透镜的折射率分布由下述的(13)式来表示：
n(r)2=n0 2·{1-(g·r)2+h4(g·r)4
       +h6(g·r)6+h8(g·r)8+…}  …(13)
5．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
棒状透镜的光轴上的折射率n0在1.40≤n0≤1.80的范围内。
6．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
棒状透镜的光轴上的折射率n0与折射率分布系数g及从上述棒状透镜的光轴开始测量的、起到透镜作用的部分的半径r0的积n0·g·r0在0.45≤n0·g·r0≤0.71的范围内。
7．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
折射率分布系数h4在-1.5≤h4≤2.5的范围内。
8．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
在将折射率分布透镜的平面与像平面的间隔定为L2时，L2/r0在L2/r0≤0.37的范围内。
9．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
在将物体面与折射率分布透镜的凸球面的间隔定为L1时，L1/r0在5≤L1/r0≤20的范围内。
10．如权利要求4中所述的物镜光学系统，其特征在于：
物体面与折射率分布透镜的凸球面的间隔L1是无限大。
CN99103646A 1998-03-09 1999-03-09 物镜光学系统 Pending CN1233761A (zh)

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JP74841/98 1998-03-09

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