CN1410794A - 光盘用物镜、光传感装置、光盘记录重放装置以及光盘重放装置 - Google Patents

光盘用物镜、光传感装置、光盘记录重放装置以及光盘重放装置 Download PDF

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Abstract

提供一种数值孔径为0.75以上，轴上像差、轴外像差与面间的偏心像差良好、采用双面非球面单透镜的光盘用物镜。物镜11的第1面1的顶点的曲率半径R1满足下式：(1－D)A＜R1＜(1+D)A,A＝B/C,B＝0.85f(n－1),C＝n(0.60866－0.11·t/f－0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·式中，NA是该透镜的数值孔径，n是该透镜的折射率，f是该透镜的焦距，t是该透镜的中心厚度，d是该光盘的透射层的厚度，D是0.05。

Description

光盘用物镜、光传感装置、光盘记录重放装置以及光盘重放装置
技术领域
本发明涉及具有实现大容量光盘的高数值孔径(NA)的光盘用物镜，光传感装置、光盘记录重放装置和光盘重放装置。
背景技术
以往，CD光盘采用数值孔径(NA)为0.45～0.5的物镜，利用波长约780nm的激光来读出或写入。并且，DVD光盘采用数值孔径约为0.6的物镜，利用波长约为650nm的激光来读出或写入。
但是，为了提高光盘容量，正在开发一种使用波长更短的光源，数值孔径更高的物镜的下一代光盘传感系统。
并且，波长更短的激光可以采用波长约400nm的所谓兰色激光器。
上述具有高数值孔径的物镜，例如有以下文献报告的系统。
(A)Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.978-979 M.Itonaga et al.“Optical Disk System Using High-Numerical Aperture Single ObjectiveLens and Blue LD”.
(B)Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.937-942 I.Ichimura et al.“Optical Disk Recording Using a GaN Blue-Violet Laser Diode”.
其中，文献(A)报告一种采用数值孔径0.7的单透镜的系统；文献(B)报告一种采用数值孔径0.85的2片组合透镜的系统。
其另一特征是：为了与高NA所造成的系统裕度降低相对照，把盘的再生透射层的厚度从CD的1.2mm或DVD的0.6mm开始减薄。(A)变为0.12mm，(B)为0.1mm。这也与系统的裕度大小的分配方法有关。大致优选比0.3mm薄的透射层。
采用上述(B)的2片组合透镜的系统，虽然数值孔径比(A)大，但其需要装配工序而且需要2片透镜，所以，其生产效率低，而且成本高。
因此，下一代系统中优选数值孔径0.7以上的单透镜的光盘用物镜。
在特开平4-163510号公报中叙述了采用数值孔径0.6～0.8的单透镜的物镜。
再者，为了解决上述问题，涉及本发明的光传感装置具有：至少具有上述特性之一的透镜、激光光源和光探头。
上述透镜，其动作距离与被从上述激光光源出射的激光所照射的光盘半径之间，最好具有以下关系。
动作距离＞0.005×光盘半径
涉及本发明的光盘记录重放装置具有：上述的光传感装置、以及利用上述光传感装置来记录重放光盘信息的记录重放装置。
涉及本发明的光盘重放装置具有：上述光传感装置、以及利用上述光传感装置来重放已记录在光盘上的信息的重放装置。
发明内容
过去已知能够设计高数值孔径的物镜。例如，在“关于孔径比特大的非球面消球差透镜的研究”(吉田正太郎、东北大学科学计测研究所报告、1958年3月)中详细叙述了具有高数值孔径的两面非球面透镜的设计方法。
然而，仅仅说是能够设计，但未能制造出具有高数值孔径的物镜。为了能实际制造这种物镜，必须是能确保制造公差的设计。并且，为了减小在光源波长变动的情况下或者波长有一定宽度范围的情况下的影响，必须是色差影响小的物镜。
在此，在双面非球面透镜的情况下，最严格而且最重要的制造公差是面与面之间的偏心(面间偏心)。所以，作为向物镜垂直入射情况下的像差的轴上(轴向)像差和作为倾斜入射情况下的像差的轴外(离轴)像差，以两种像差为代表的物镜的设计性能以及制造公差必须同时满足。
但是，透镜的设计性能和制造公差，尤其若数值孔径高于0.75，则很难两者兼顾。
实际上，这种双面非球面透镜，轴外像差，即使在不考虑上述制造公差进行设计的情况下，也是随数值孔径的加大而恶化，若考虑制造公差，则更加恶化。也就是说，为了确保较大的偏心公差，必须牺牲轴上像差和轴外像差特性。
轴上像差即使考虑偏心公差，也只是稍有劣化，但是，轴外像差，对于数值孔径超过0.6的高数值孔径的透镜，若要确保能够制造的微米级的公差，会带来巨大牺牲。
并且，关于色差，因为首先要把能够制造透镜本身作为优先条件，所以，必须使透镜的形状，既能满足制造公差，又能尽量改善色差特性。
由于上述原因，过去就在探索性能良好的双面非球面透镜的形状，并发表了各种文献报告。特开平5-241069号公报，特开平4-163510号公报为其一例。
在特开平4-163510号公报中叙述了性能良好的透镜的形状范围。但是该文献并未谈到确保偏心公差。数值孔径唯一超过0.75的实施例2的透镜(波长532nm，数值孔径为0.8的规格)，存在的问题是，即使很小的偏心也会造成巨大的像差。并且，没有叙述色差。
再有，这些已知文献所表示的范围相当广泛，在这些范围内存在的问题是，不一定能实际设计出良好的透镜。
本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种光盘用物镜，其数值孔径为0.75以上，轴上像差，轴外像差和面间的偏心像差良好，而且色差特性也良好，采用双面非球面单透镜构成。
为了解决上述问题，涉及本发明的光盘用物镜是两面为非球面的数值孔径NA为0.75以上的单透镜，第1面的顶点的曲率半径R1满足下式：
(1-D)A＜R1＜(1+D)A
A＝B/C
B＝0.85f(n-1)
C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)式中，n是该透镜的折射率，f是该透镜的焦距，t是该透镜的中心厚度(亦可称为轴上厚度)，d是该光盘的透射层的厚度D是正数，较好的为0.05，更好的为0.04，最好的为0.03。
再者，为了解决上述问题，涉及本发明的光盘用物镜是两面均为非球面的、数值孔径NA为0.75以上的单透镜，透镜的内部的最大高度的光线与光轴形成的角度u1′满足下式：
(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·K
K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f为该透镜的焦距，t为该透镜的中心厚度，d为该光盘的透射层厚度。D为正数，较好的为0.06，更好的为0.05，最好的为0.04。
涉及本发明的光盘用物镜具有上述构成，透镜的两面之间的偏心公差在能够制造的范围内，但轴外像差特性的恶化程度减小。
再有，为了解决上述问题，涉及本发明的光盘用物镜，是两面均为非球面的、数值孔径为0.75以上的单透镜，最大高度的光线所入射的点上的第1面的法线和光轴形成的角为规定的角度以下。上述规定的角度，57度为好，56度为更好，55度为最好。
再者，涉及本发明的光盘用物镜，是双面均为非球面的、数值孔径NA为0.75以上的单透镜，最大高度的光线进行入射的点中的第1面的法线和光轴形成的角θ能满足下式。
θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)式中的α以57度为好，56度为更好，55度为最好。
再者，优选透镜的中心厚度t和焦距f能满足下式。
t＞(1+E)f式中，E为0以上的数，较好为0，更好为0.1，最好为0.2。
再有，优选涉及本发明的光盘用物镜的成像倍率为0。也就是说，最好是，该物镜至少是无制造误差，而且，在光源波长与标准波长一致的情况下对平行光进行聚光。
并且，最好是，涉及本发明的光盘用物镜设计成适合于波长450nm以下的光源。
本发明对于透射层比DVD盘、CD盘薄，尤其厚度为0.4mm以下的光盘，具有良好的特性。
在本发明中，焦距f优选为10mm以下，若为3.5mm以下则更好。
也就是说，光束的大小(直径)Φ由下式决定，取决于数值孔径NA和焦距f。
Φ＝2×NA×f当焦距为10mm，NA为0.75时，Φ＝15mm。该直径可以说是比较大的，因为很多光传感装置采用Φ＜5mm的光束。所以，希望焦距为10mm以下。再有，若Φ＝5mm，则NA＝0.75，f＝3.33mm，所以，焦距为3.5mm更好。
并且，焦距优选为0以上，0.2mm以上更好。
也就是说，工作距离取决于光盘厚度，薄的光盘距离大。可以考虑的系统是，使用薄光盘，按照非常短的工作距离来使用焦距短的超小型透镜。例如，若把光盘制成表读结构，则焦距为0.1mm也能设计透镜。所以，焦距的下限为f＞0即可.但是，实际上制造太小的透镜，目前尚没有成熟的方法。考虑到这一点，也可以说f＞0.2mm是目前的下限。
最好是，透镜厚度t的上限，使按照下式所规定的工作距离dw为正来进行规定.
dw＝fb-d/n′式中，d是光盘厚度，n′是光盘折射率，fb由下式规定.R1由上述式子规定。
fb＝f(1-t(n-1)/n/R1)
也就是说，若透镜增厚，则工作距离缩短，为了能作为透镜成立，工作距离必须是有限的。所以，透镜厚度的上限成为工作距离为限值的范围。该范围由透镜焦距、厚度和光盘厚度决定。
透镜厚度的范围例如可设定为1.5mm以上3.5mm以下。
本发明能适用于具有上述光盘用物镜的光传感装置。最好是，光传感装置采用上述光盘用物镜，沿光盘的轨迹使光束聚焦照射，进行信息信号的记录或重放。最好是，光传感装置的成像倍率为0。
附图说明
图1是说明物镜的形态的图。
图2是说明物镜内部的光线角度和第2面的成像倍率的图。
图3是表示透镜厚度与求u1的回归式和求回归式用的数据的关系的图。
图4是表示光盘厚度与求u1的回归式和求回归式用的数据的关系的图。
图5是表示求成像倍率β随数值孔径的变化所用的数据和回归式的关系的图。
图6是说明R1和β’的关系式的推导的图。
图7是表示透镜的中心厚度和波长误差(5nm)引起的残留像差的关系的图。
图8表示在焦距2mm、折射率1.75的透镜中，玻璃的折射率变成1.7486的情况下的fb的变化量。
图9是第1实施例的物镜的断面图。
图10是第1实施例的物镜的纵向像差图。
图11是第1实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图12是第1实施例的物镜的像散现象图。
图13表示一边保持与第1实施例的透镜相同的折射率和厚度，一边对R1稍加改变而设计出的透镜中的像差增加的情况。
图14是第2实施例的物镜的断面图。
图15是第2实施例的物镜的纵向像差图。
图16是第2实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图17是第2实施例的物镜的像散现象图。
图18是第3实施例的物镜的断面图。
图19是第3实施例的物镜的纵向像差图。
图20是第3实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图21是第3实施例的物镜的像散现象图。
图22是第4实施例的物镜的断面图。
图23是第4实施例的物镜的纵向像差图。
图24是第4实施例的物镜的正弦条件不满足量图。
图25是第4实施例的物镜的像散现象图。
图26表示透镜的几何学的关系的图。
图27是表示最大高度的光线向第1面的入射角度和像差特性的关系的图。
图28是表示对实际的设计值和按照回归式确定的值进行比较的图。
图29是第5实施例的物镜的断面图。
图30是第5实施例的物镜的纵向像差图。
图31是第5实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图32是第5实施例的物镜的像散现象图。
图33是第6实施例的物镜的断面图。
图34是第6实施例的物镜的纵向像差图。
图35是第6实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图36是第6实施例的物镜的像散现象图。
图37是第7实施例的物镜的断面图。
图38是第7实施例的物镜的纵向像差图。
图39是第7实施例的物镜的正弦条件不满足量的图。
图40是第7实施例的物镜的像散现象图。
图41是表示光传感装置的实施例的图。
图42是表示光盘记录重放装置的实施例的图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的光盘用物镜的实施例。
首先，在说明本实施例的光盘用物镜所满足的各条件式之前，先说明与本实施例的透镜的设计有关的基本的轴上像差特性、轴外像差特性、偏心公差的平衡。其中，所谓偏心公差，是按有偏心的情况下的波阵面像差的增加而进行定义。
在本实施例中，为了确保轴上像差、轴外像差和制造公差，要求对以下3个条件进行平衡。
(1)为确保轴上像差，应校正透镜的球面像差。
(2)为确保轴外像差，透镜应满足正弦条件。
(3)为确保偏心公差，第2面应单独满足正弦条件。另外，为防止色差特性下降，要求满足以下条件。
(4)采用具有波长误差的情况下的各波长的最佳象面的像差增加应当比较少。将其称为由波长误差造成的球面像差。
(5)对光源，为了限制在有波长扩展的情况下的像差增加，要求减小波长变化所造成的焦点位置的变化。波长扩展是在为改善半导体激光的噪音特性而在激光上叠加高频重叠形成多模式的情况下而产生的。在此，所谓波长变化所造成的焦距变化较小，是表示要求减小轴上像差。
以下，首先详细说明确保轴上像差和轴外像差的透镜基本形态，然后说明色差特性良好的透镜系对。
双面非球面透镜能同时满足用于确保轴上像差和轴外像差的2个条件(1)和(2)。把能同时满足条件(1)和(2)的透镜称为消球差透镜。
但是，一般若能满足条件(1)和(2)，则不能满足用于确保偏心公差的条件(3)。
但是，若满足条件(2)，基本满足条件(3)，则整个透镜满足正弦条件，而且第2面也基本上满足正弦条件，所以，第1面也在光线高度与折射角的关系方面基本满足正弦条件。
再有，在本实施例中，对用于确保轴上像差和轴外像差的条件(1)和(2)、以及用于确保偏心公差的条件(3)进行平衡，对基本满足的条件(3)的满足度按比例分配，因此，既能确保轴上像差和轴外像差，又能确保能制造出透镜的偏心公差。
若按照上述“关于孔径比特大的非球面消球差透镜的研究”(吉田正太郎，东北大学科学计测研究所报告，1958年3月)，则关于双面非球面透镜，在使焦距一定，对透镜半径进行配曲调整加以改变的情况下，在相当宽的顶点半径组合的范畴内，很明显是可以获得同时满足条件(1)和(2)的透镜。
再有，若按照田中康宏“消球差单透镜设计及在光盘光学系统中的应用”光学27，12(1998)p720，则表示对面间的偏心适应性强的透镜能满足条件(3)。
在此，在满足条件(1)和(2)的非球面透镜的设计中，如果满足条件(3)，那么可以说是对偏心公差适应性强的透镜。但是，如上所述，不能同时完全满足各种条件。这是因为对3个条件，透镜的设计自由度只有非球面2面，是2个设计自由度。
再有，根据本申请的发明人的分析，可以看出，数值孔径越大，对条件(1)～(3)背离完整性越多。
实际上，如果是以往的DVD光盘用的数值孔径为0.6的透镜或者CD光盘用的数值孔径为0.45的透镜，那么由于数值孔径小，所以，即使在很宽的范围内改变顶点半径的设定，仍然是像差的增加较少，容易使轴上像差和轴外像差之间达到平衡。也就是说，无论以哪个半径为出发点，也都是稍微牺牲一点轴上像差和轴外像差，即可增大偏心公差。
与此相反，若数值孔径增大，波长缩短，则像差与波长成反比，而使像差增大，所以使设计上没有裕度。因此，对这种透镜，必须严格规定形状(近轴形状)。
在此，本申请的发明人发现：在规定了透镜焦距，透镜厚度和光盘厚度的情况下，在偏心公差大的透镜中以相同的高度入射到透镜内的光线几乎与透镜折射率无关，在透镜内部相对于光轴的角度基本相同。并且发现，上述角度取决于光盘厚度和透镜厚度。
在本实施例中，利用这种性质，既使条件(1)～(3)之间达到平衡，又相应地确保各个条件。
图1是说明透镜形态的图。
物镜11使从光源(未图示)发出后入射的光束L1进行折射，在光盘21的信号记录面上聚焦。物镜11的第1面1的顶点上的曲率半径为R1；第2面2的顶点上的曲率半径为R2。并且，物镜11的中心厚度为t，光盘21的透射层的厚度为d。再有，物镜11的工作距离为DW。
图2是说明透镜内部的光线的角度和第2面的成像倍率的图。
与光轴相平行地射入到物镜11内的光束L1，最大高度的光线在物镜11的第1面1进行折射，与光轴形成u1的角度，另外，在物镜11的第2面2进行折射，与光轴形成u2的角度。
这里，表示数值孔径为0.85时的式子，u1是在第1面1折射的最大高度的光线与光轴形成的角。但在利用满足条件(1)和(2)的消球差进行非球面化的情况下，也是数值孔径为0.85的光线形成的角度。如前所述，该角度在特性良好的透镜中取决于与透镜的焦距f相对的透镜的中心厚度t和光盘厚度d，与透镜的折射率无关。对该式表示如下。
Sin(u1)＝0.60866-0.11t/f-0.1272d/f                ……(6)
图3是表示与透镜厚度有关的求解u1的回归式和求解回归式所用的数据的关系的图。图中的符号：◆(黑方块)表示实设计值；图中的直线表示由回归式确定的值。
实设计值是在焦距f为2mm，透镜的玻璃材料的折射率n为1.75，光盘的透射层的厚度d为0.1mm的情况下，改变透镜的厚度t所设计的值。实设计值和由回归式确定的值很一致，表示出回归式的正确性。
图4是表示与盘厚度有关的求解u1的回归式和求解回归式所用的数据的关系的图。图中的符号◆(黑方块)表示实设计值，图中的直线表示由回归式确定的值。
实设计值是在焦距f为2mm，透镜的玻璃材料的折射率n为1.75，透镜的透射层的厚度t为3mm时，改变盘的厚度d所设计的值。实设计值和由回归式确定的值很一致，表示出回归式的正确性。
那么，利用上式(6)来确定透镜的各常数时，使用近轴的公式是很简单的。
但是，该透镜，第1面和第2面单独地基本上能满足正弦条件。式中，u1和u2的关系由第2面的成像作用来决定。不过，所谓面单独地能满足正弦条件，是指面中的实光线的成像倍率与光线的高度无关，是取与近轴倍率相同的一定值。
也就是说，若设第2面的近轴成像倍率为β，则下式的关系成立。式中，up1、up2是近轴光线的倾斜，u1、u2是实光线的倾斜。
β＝n·up1/up2＝n·sin(u1)/sin(u2)式中，最大高度的光线数值孔径，即sin(u2)为0.85，所以可得下式
β＝n·sin(u1)/0.85那么，本申请的发明人发现了u1(up1和β)随数值孔径而变化。
这是因为若满足条件(1)和(2)，则虽然条件(3)尚剩余一点误差，但若利用光线折射角最大的透镜的最外周来满足条件(3)，则对偏心有最强的适应力。因此，β随数值孔径而变化。
考虑了数值孔径的β经过一般(广义)化后的β’可由下式表示。第2面的成像倍率β’加进了数值孔径(NA)。
β’＝β(0.83+0.2·NA)
图5是表示为了求出与数值孔径有关的成像倍率β’的变化所使用的数据和回归式的关系的图。图中的符号◆表示实设计值，图中的直线表示由回归式确定的值。
实设计值是在焦距f为2mm，玻璃材料的折射率n为1.75，透镜厚度t为2mm的情况下，改变数值孔径而设计的值。实设计值和由回归式确定的值相当一致，表示回归式的正确性。式中，R1和倍率β’之间有以下关系：
R1＝f(n-1)/β’
图6是说明该式的推导的图。
图6A所示的透镜111，具有折射率n、曲率R101具有第1面101和曲率R102具有无限大的第2面102，与光轴相平行的光线L101射入透镜。第2面，因曲率R102为无限大，所以是平面。在此情况下，焦距f′、第一面101的曲率R101、折射率n之间具有以下关系：
f′＝R/(n-1)
图6的B表示像面(像空间)112为折射率n的情况。与射入到曲率R101的第1面101内的与光轴相平行的光线L101从第1面101的顶点起在距离L的位置上与光轴相交。在此情况下，以下关系式成立：
f′＝L/n所以，第1面101的曲率R101可由下式表示：
R101＝(n-1)f′＝(n-1)/n·L
图6的c是说明向双凸透镜扩展的图。与最大高度h的光轴相平行的光线射入到双面凸透镜113内。图中的L相当于图6B所示的L。根据倍率的定义可以得下式：
β＝n·u1/u2＝n·f/L即变成下式：
L＝n·f/β
若用该式，则可用折射率n、焦距f、成像倍率β来表示第1面101的曲率半径R101：
R101＝(n-1)·f/β
这样可以获得上述的R1和β’的关系式。若根据上式来求R1，则可得下式：
R1＝B/C
B＝0.85f(n-1)
C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)
在数值孔径为0.75以上的透镜的情况下，为了设计充分满足偏心公差的透镜，根据上述曲率半径R1，以0.05为好，0.04更好，0.03以下最好。
式中，sin(u1)与R1成反比。作为sin函数的特性、若与u1相比，则sin(u1)的变化小，所以，u1的变化大。也就是说，与R1所允许的范围相比，u1所允许的范围宽。
若对这种关系加以整理，则可表示为与第1面的曲率半径R1相对的下列条件：
(1-D)A＜R1＜(1+D)A                              ……(7)
A＝B/C
B＝0.85f(n-1)
C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)
式中，D为正数，以0.05为宜，0.04更好，0.03最好。
而且，盘的透射层的影响比较小，在折射率为1.45～1.65的范围内，没有大的变化。
上述0.03～0.05的幅度，由于该盘的折射率不同，严格地说这是包括因透镜的折射率不同而产生的微小差异在内的值。
而且，透镜折射率低，数值孔径为小于0.75的值时裕度增大，因此，在偏离该值5％以内，能获得大体良好的设计。
总而言之，若满足与透镜第1面的曲率半径R1有关的条件(7)，则能同时满足轴上像差特性、轴外像差特性和偏心公差(使像差增加)。
进一步补充说明，本发明实施例的非球面透镜既可以是相对于光轴来说旋转对称的透镜(共轴光学系统)，也可以是根据方向不同使非球面形状稍有变化的复曲面透镜(toric lens)那样的形状。在像复曲面透镜那样的形状的情况下，不言而喻，也必须使各个方向的第1面的曲率半径R1符合上述范围。
若把第1面的曲率半径R1设定在条件(7)所示的范围内，则第2面曲率半径R2利用下式根据已设定的焦距f自动地决定。而且，该式很容易从给出双面的半径和厚度的情况下的、计算单透镜的近轴焦距的基本式中推导出来。
R2＝G/H
G＝f(n-1)(t(n-1)/n-R1)
H＝(R1-f(n-1))
这样，来决定第1面顶点的曲率半径R1和第2面顶点的曲率半径R2。若根据该曲率半径，在同时满足条件(1)和(2)的情况下，使双面非球面化，则从一种意义上决定非球面的形状。这时，能提高条件(3)的正弦条件的满足度，可获得偏心公差大的透镜。
如上所述，不可能既完全满足条件(1)和条件(2)，又满足条件(3)。这是因为对于3个条件，透镜的设计自由度只有2个非球面，设计自由度是2。所以，也可对用上述方法获得的非球面形状稍加更改，增加偏心公差。在此情况下，虽然不能避免轴上像差或轴外像差的变坏，但为了获得实用的透镜，能确保重要的制造公差。
换句话说，在设计时适当牺牲轴上像差和轴外像差的性能来确保偏心公差，在两者之间取得平衡。另外，也还可以把这种设计作业看作是对上述3个条件(1)～(3)的满足程度进行比例分配。
并且，当这样对非球面形状进行探索时，作为出发点的球面的半径如果不满足条件(6)或(7)，那么，就会造成偏心公差、轴外像差或或轴上像差的增大，不能做出使像差之间达到平衡的设计。
但是，上述透镜，因为确保了偏心公差，未考虑条件(4)和(5)，所以不能满足确保色差特性的充分条件。以下详细说明色差特性。
这里，透镜的中心厚度t和焦距f满足以下式子。
t＞(1+E)f式中，E为0以上的数，以0为宜，0.1更好，0.2最好。
在具有上述关系的情况下，提高了条件(4)和条件(5)的满足度。
首先，关于具有条件(4)的波长误差的情况下的各波长的最佳像面的像差增加较小，是因为透镜的中心厚度大的能使透镜第1面(入射面)的半径较大。更详细地说：因为若第一面的曲率半径增大，则通过透镜外侧端部的光线向透镜的入射角θ(透镜面的法线与光线形成的角)减小，这样，非线形现象的折射效果减小，其结果，在波长变化的情况下的球面像差的增加变小。
图7是透镜的中心厚度与波长误差(5nm)所造成的残留像差的关系。残留像差是球面像差。该图是设计多个NA为0.85，焦距为2.5mm的透镜而描绘的。.玻璃材料是Ohara制的LAM70。并且，在透镜设计中采用了较大的偏心公差。
从图7中可以看出：若透镜的厚度小于焦距，则出现0.04λ的较大的像差。并且，也可以看出，在厚度为焦距的1.2倍的3mm以下时像差增加变大。
其次，关于有条件(5)的波长扩展的情况下的像差增加，在有波长扩展的情况下，在其扩展中把中心波长的最佳像面作为观测面的情况下，在其他波长，除上述球面像差外，还产生焦点误差。实际上，与球面像差相比，焦点误差的影响大，尤其在波长为450nm(0.45μm)以下的情况下，玻璃的折射率的分散增大，所以，焦点误差的影响非常大。
该焦点误差起因于在波长变化情况下的透镜的反焦距的变化。透镜的反焦距fb可以利用按照近轴近似的光线追踪式来求出。这是R1、t、n和下式的关系：
fb＝f(1-t(n-1)/n/R1)
根据玻璃的分散，使n变化的情况下的fb的值的差变成焦点误差。
图8表示在焦距为2mm，折射率为1.75的透镜中，玻璃的折射率变化为1.7486的情况下的fb的变化量。Fb的变化量是轴上色差。并且，该折射率的变化，相当于把色散系数为45左右的玻璃使用在400nm左右的波长中的情况下的约5nm的波长变化时的折射率变化。透镜形状是平凸透镜，R1是1.5mm。现实的透镜不是平凸透镜，而是双面为球面。更正确地说是非球面。f、fb等的近轴诸量由顶点的半径决定，所以，作为球面透镜没有问题，但是，fb的变化，其结果是与保持焦距使R1和R2变化的，对透镜的弯曲没有多大影响的平凸透镜的情况非常接近。根据图8进行判断，没有问题。根据附图，轴上色差与透镜厚度成比例地减小，所以，希望透镜厚度尽量厚。
但是在本说明书的格式范围内，在完全消球差透镜中有偏心造成的像差增加为最小的第1面半径。其中，在对上述像差进行平衡的情况下，不一定要采用偏心像差最小的半径，在不超过条件式的范围内，可以把接近的稍有不同的半径用作非球面形状的顶点的半径，对轴上像差和轴外像差取平衡。
所谓对像差取平衡，可以说是指设计自由度，只有把不完整性引入完全消球差透镜，透镜的半径本身也能增加自由度，而取得平衡。
当然，在超过条件式进行变化的情况下，很难在像差之间取得平衡，所以必须遵守条件式。
以上说明了特性随数值孔径的变化，其着眼点是成像倍率β的变化，在此进一步的说明将着眼于透镜内部的最高高度的光线与光轴形成的角度u1随数值孔径的变化。
首先，若数值孔径变化，则u1大体上与数值孔径成正比地变化。另外，和按β变化进行叙述时，相同的原因使其稍稍偏离正比的变化。准确地说，β的变化是u1的变化引起的。
考虑到这一点，设NA为0.85以外时的内部角度为u1’。u1’可由下式表示。
K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f是焦距，t是盘的中心厚度，d是光盘的透射层的厚度，NA是透镜的数值孔径。
并且，在数值孔径为0.75以上的透镜的情况下，为了设计能充分确保偏心公差的透镜，从内部角度u1’考虑，希望在0.06的范围内，达到0.05更好，0.04最好。
若对这种关系加以整理，则可获得对内部角度u1’的以下条件。
(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·K                  ……(8)
K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，D是正数，较好为0.06，更好为0.05，最好为0.04。
而且，盘的透射层的影响比较小，折射率为1.45～1.65的范围内，没有大的变化。
上述0.04～0.06的幅度是该盘的折射率不同，严格地说，是该数值包含由于透镜折射率不同而产生的很小差异。
再者，透镜的折射率低，数值孔径小于0.75时，裕度增大，所以从该值按6％以内的角度即可获得大致良好的值。
在此，透镜的中心厚度t和焦距f满足以下关系式。
t＞(1+E)f式中，E为0以上的数，较好为0，更好为0.1，最好为0.2。
以上情况，归纳起来看，对透镜内部的最大高度的光线与光轴形成的角u1’，若满足条件4，则能同时满足轴上像差特性、轴外像差特性和偏心公差(所造成的像差增大)。
进一步补充说明如下。该非球面透镜既可以是对光轴旋转对称的透镜(共轴光学系统)，也可以是根据方向使非球面形状稍稍变化的托奥伊库透镜那样的形状。不言而喻，后者的情况下也必须使各个方向的第1面的曲率半径和厚度符合上述范围。
以下表示涉及本发明的光盘用物镜的实施例。
在实施例中用以下多项式来表示非球面。
Z＝CY2/(1+(1-(1+K)C2Y2)0.5)+AR4+BR4+CR8+DR10+ER12+FR14式中，Z是离面顶点的距离，Y是离光轴的高度，K是圆锥常数，A～F是从4次到14次的非球面系数。例如，A相当于Y的4次方的系数。<第1实施例>
图9是第1实施例的物镜的断面图。把第1实施例的物镜称为物镜1101。
射入到物镜1101内的光束L在第1面1和第2面2进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层，被聚光在信号记录面上。
透镜规格如表1所示。
表1
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.85
    焦距     2mm
    入射光瞳直径     3.4mm
    盘厚度     0.1mm
    成像倍率     0
透镜1101的设计值如表2所示。而且，半径和厚度的单位是mm。以下相同
表2
 面序号 面形状   半径   厚度     折射率    圆锥常数
    1 非球面   1.71   2.75   1.85   -0.9168291
    2 非球面   -75.9027   0.4605   -   2518.06
    3 -   无限大   0.1   1.62230752   -
    像面 -   -   -   -   -
第1面的非球面系数如表3所示。
表3
    r的4次方的系数     0.013687371
    r的6次方的系数     0.00087533585
    r的8次方的系数     0.00087533585
    r的10次方的系数     -0.00077467164
    r的12次方的系数     0.00030433925
    r的14次方的系数     -5.3502493×10-5
第2面的非球面系数如表4所示。
表4
    r的4次方的系数     0.22363727
    r的6次方的系数     -0.58889528
    r的8次方的系数     0.72567392
    r的10次方的系数     -0.47382503
    r的12次方的系数     0.12985027
根据该透镜规格而计算出的R1的推荐值，即式(7)中的A值为1.731695。该推荐值和实际设计值的背离为1.25％。
该透镜的特性基本满足条件(1)和(2)，是对条件(3)保留一点误差的消球差透镜。
在该透镜1101中，轴上的波阵面像差较小，为0.002λ，实用上可以说是无像差的值。相对于轴外的0.5度的入射光线的波阵面像差特性良好，为0.023。另外，关于在制造工序中重要的面之间的偏心，当偏心为3μm时，波阵面像差之值为0.036λ，非常良好。
该透镜1101的最高光线的透镜内部的角度的正弦是sin(u1’)＝0.46。另一方面根据该透镜规格而计算出的sin(u1’)的推荐值，即式(8)中的K是0.4511。该推荐值偏离实际设计值1.97％
图10是纵向像差图，图11是表示正弦条件不满足量的图。图12是像散现象图。
图13是表示透镜偏心为3μm的情况下的像差增加情况的图。该透镜是在一边保持与第1实施例的透镜1101相同的折射率和厚度，一边使第1面的曲率半径R1仅变化一点进行设计的。
像差的增加用白方块□表示数值孔径为0.75的情况；用黑方块◆表示数值孔径为0.85的情况。
各个数值孔径中的式(7)的A值，数值孔径0.75时为1.767mm；数值孔径0.85时为1.732mm。
根据图13，可以看出，若把偏心时的像差的极限设定为0.04λ，则把第1面的曲率半径R1设定为作为推荐值的A值的至少5％以内比较好，若设定为4％以内，则能准确地设定为0.04λ以下。
再者，考虑到若提高数值孔径，则R1变化的情况下的像差增加变大，所以，设定为3％以内最好。
但是，在数值孔径为0.85的情况下，像差最佳点与A偏离理论值约1％。这是回归式误差造成的，上述范围是将其考虑在内的值。
而且，在该透镜规格的情况下，按3μm的偏心，出现0.04λ的像差。有时由于规格的关系也只能实现相当大的值。在这种情况下不言而喻，也是为了减小像差，必须控制在上述范围内。
透镜1101的厚度为焦距的1.375倍。该透镜1101的玻璃材料是按固定折射率进行设计的。折射率的变化相当于波长变化了5nm的情况，在折射率变为1.8486的情况下的最佳像面中的像差被控制在较小值0.01λ。并且，轴上像差的量为2.17μm，被控制在较低水平上。<第2实施例>
图14是第2实施例的物镜的断面图。把第2实施例的物镜称为物镜1102。
射入到物镜1102内的光束L在第1面1和第2面2上进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层而在信号记录面上聚光。
透镜规格如表5所示。
表5
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.8
    焦距     1.750mm
    入射光瞳直径     2.8mm
    成像倍率     0
透镜1102的设计值如表6所示。
表6
面序号 面形状     半径   厚度   折射率   圆锥常数
    1 非球面    1.45   2.5   1.75   -0.9753354
    2 非球面    -3.613636   0.395   -   -
    3 -    无限大   0.1   1.62230752   -188.2991
    像面 -    -   -   -   -
第1面的非球面系数如表7所示。
表7
    r的4次方的系数     0.023305393
    r的6次方的系数     0.017039056
    r的8次方的系数     0.0023431785
    r的10次方的系数     -0.0023798936
    r的12次方的系数     0.0013373117
    r的14次方的系数     -0.00035090993
第2面的非球面系数如表8所示。
表8
    r的4次方的系数     0.17601287
    r的6次方的系数     -0.54949768
    r的8次方的系数     0.50420582
    r的10次方的系数     0.12942116
    r的12次方的系数     -0.37309714
根据该透镜规格而计算出的R1推荐值，即式(7)的A值为1.4495mm。该推荐值偏离实设计值0.3％。该透镜特性是基本满足条件(1)和(2)的条件(3)稍有剩余误差的消球差透镜。
轴上的波阵面像差很小，为0.001λ，可以说是实用上无像差的值。相对于轴外0.5度的入射光线的波阵面像差，特性良好，为0.013λ。另外，关于对制造公差很重要的面间偏心，在偏心3μm时波阵面像差之值0.023，性能很好。
该透镜1102的最高光线的透镜内部的角度u1’的正弦是sin(u1’)＝0.421。另一方面，根据该透镜规格而计算出的sin(u1’)的推荐值，即式(8)中的K为0.44。该推荐值偏离实设计值1.7％。
图15是纵向像差图，图16是表示正弦条件不满足量的图，图17是像散现象图。
透镜1102的厚度为焦距的1.429倍。该透镜1102的玻璃材料是按固定折射率进行设计的。折射率的变化相当于波长变化5nm的情况，变化在折射率变成1.7486的情况下，最佳像面中的像差被控制为较小值0.01λ。并且，轴上像差的量为2.10μm，较低。<第3实施例>
图18是第3实施例的物镜的断面图，把第3实施例的物镜称为物镜1103。
射入到物镜1103内的光束L在第1面1和第2面2进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层，在信号记录面上聚光。
透镜规格如表9所示。
表9
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.85
    焦距     2.2mm
    入射光瞳直径     3.74mm
    盘厚度     0.1mm
    成像倍率     0
透镜1103的设计值如表10所示。
表10
面序号   面形状     半径     厚度  玻璃材料   圆锥常数
    1   非球面   1.812171   3.104   NBF1 0.3371789
    2   非球面   -6.507584   0.500289   -  -845.6516
    3   -   无限大   0.1   聚碳酸酯  -
    4   像面   -   -   -  -
第1面的非球面系数如表11所示。
表11
    r的4次方的系数     -0.00092006967
    r的6次方的系数     -0.00025706693
    r的8次方的系数     -0.00057872391
    r的10次方的系数     0.0002222827
    r的12次方的系数     -5.6787923×10-5
第2面的非球面系数如表12所示。
表12
    r的4次方的系数     0.061448774
    r的6次方的系数     -0.13995629
    r的8次方的系数     0.12867014
    r的10次方的系数     -0.043733069
各玻璃材料的折射率如表13所示。
表13
    NBF1     1.76775590
    聚碳酸酯     1.62031432
根据该透镜规格而计算出的R1推荐值，即式(7)的A值是1.81581mm。该推荐值偏离实设计值0.2％。该透镜特性基本满足条件(1)，条件2尚有些不满足，因此，与第1实施例的透镜相比是减小了偏心时的像差增加的透镜，并且，是非常接近对条件(3)保留一点误差的消球差透镜。
轴上的波阵面像差为0.006λ，非常小，可以说是实用上无像差的值。相对于轴外0.5度对入射光线的波阵面像差为0.069λ，特性良好。另外，关于制造公差很重要的面间偏心，在偏心5μm时波阵面像差之值0.034是很好的值。
该透镜1103的最高光线的透镜内部的角度u1’的正弦是sin(u1’)＝0.466。另一方面，根据该透镜规格而计算出的sin(u1’)推荐值，即式(8)中的K是0.464。该推荐值偏离实设计值0.43％。
图19是纵向像差图，图20是表示正弦条件不满足量的图，图21是像散现象。
透镜1103的厚度是焦距的1.411倍。波长变化5nm达到410nm的情况下的最佳像面的像差被减小到0.029λ。并且，轴上像差的量为2.21μm，较低。
<第4实施例>
图22是第4实施例的物镜的断面图。把第4实施例的物镜称为物镜1104。
射入到物镜1104内的光束L被第1面1和第2面2折射，透过光盘21的第3面3和透射层，在信号记录面上聚光。
透镜规格如表14所示。
表14
    使用波长     405nm
    数值孔径     0.85
    焦点距离     0.88mm
    入射光瞳直径     1.496mm
    盘厚     0.1mm
    成像倍率     0
透镜的设计值如表15所示。
表15
    面序号     面形状     半径     厚度     折射率     圆锥常数
    1     非球面     0.73     1.26     1.750     -0.9974081
    2     非球面     -1.791429     0.173565     1     -189.377
    3     -     无限大     0.1     1.62230752     -
    像面
第1面的非球面系数如表16所示。
表16
    r的4次方的系数     0.19868545
    r的6次方的系数     -0.0061548457
    r的8次方的系数     0.80023321
    r的10次方的系数     -2.8911336
    r的12次方的系数     5.5467879
    r的14次方的系数     -4.4427687
第2面的非球面系数如表17所示。
表17
    r的4次方的系数     1.5351846
    r的6次方的系数     -14.829258
    r的8次方的系数     33.428793
    r的10次方的系数     126.25085
    r的12次方的系数     -558.31863
根据该透镜规格而计算出的R1推荐值、即式(7)中的A值是0.734mm。该推荐值和实设计值的偏离量为0.5％。
该透镜的特性基本上能满足条件(1)和(2)，仅对条件(3)尚有误差，是一种消球差透镜。
在该透镜中，轴上的波阵面像差很小，为0.002λ，对实际使用可以说无像差。对轴外0.5度的入射光线的波阵面像差为0.008λ.特性良好。再有，关于对制造工序很重要的面间偏心，当偏心为3μm时波阵面像差为0.037λ，非常良好。
该透镜的最高光线的透镜内部中的角度的正弦是sin(u1’)＝0.45。另一方面，根据该透镜规格而计算出的sin(u1’)的推荐值、即式(6)中的K是0.4367。该推荐值与实设计值之间的偏离量为3.0％。
图23是纵向像差图，图24是像散现象图，图25表示正弦条件不满足量。
再者，动作距离为0.1735mm，这是采用半径25mm盘时的最佳动作距离。与0.125mm相比，已相当宽。
但是，也可以使非球面系数稍稍改变，使偏心公差增加。在此情况下，不能避免轴上像差或轴外像差的劣化。但制造公差对获得充分大的实用的透镜来说很重要。
换句话说，通过使轴上像差和轴外像差适当劣化，以便确保偏心公差，找出平衡点进行设计。也还可以把这种作业称之谓是按比例分配上述3个条件(1)～(3)的满足程度。
并且，在这样探索非球面形状时，第1面的最大光线高度处的面的法线和光轴形成的角(以下简称为入射角)，如果不能满足规定的条件式，那么，将造成偏心公差、轴外像差或轴上轴外像差增大，不能实现像差之间达到平衡的设计。以下详细说明这一情况。
本申请的发明人设计多种透镜，这些透镜是大体上完全满足条件(1)和(2)的消球差透镜，并尽量提高对条件(3)的满足程度，对透镜的焦距、透镜厚度、透镜玻璃材料的折射率进行了各种变化和研究。其结果发现：最大高度的光线对透镜第1面的入射角度，支配了轴上像差、轴外像差和偏心时像差的关系。而且，透镜的设计波长优选为450nm以下，具体为405nm。
图26是表示透镜中的几何关系的图。
与光轴相平行射入到物镜110的第1面10的最大高度光线L0、以及该光线入射点上的第1面10的法线N形成入射角θ。20是第2面。
图27是表示最大高度的光线对第1面10的入射角和像差特性的关系的图。图27的A是对0.5倾斜入射光线的轴外像差，若第1面10的入射角增大，则像差增大。图中，玻璃材料的折射率分别为：黑菱形◆是1.55，白菱形◇是1.65，符号△是1.75，圆圈○是1.8，白方块□是1.85。
图27中的β是面间偏心为3μm的情况下的像差。图中，玻璃材料的折射率分别为：黑方块■是1.55，叉×是1.65，△标记是1.75，白方块□是1.8，黑菱形◆是1.85。
根据图27，像差的增加可以说与第1面入射角的增加大体上呈直线关系。但由于透镜焦距、透镜厚度、透镜玻璃材料折射率等透镜设计规格、以及非球面系数近似方法等设计的个体差别，上述直线稍有差异。相对于第1面入射角大体上为直线。而且，轴上像差无论在什么情况下也都能很好的校正，像差为0.006λ以下。
该关系是一般的关系。也就是说，即使玻璃的折射率和透镜的厚度不同，或者因此第1面的顶点上的半径不同，只要上述角度相等，就会形成同等的像差特性。
在此，为了获得偏心公差和轴外像差良好的透镜，必须以3μm偏心时的像差为0.04λ以下，相对于0.5度的倾斜入射的轴外像差为0.03λ以下的透镜形状为基础，按比例分配上述条件(1)～(3)进行设计。
这里所谓按比例分配，如上所述是指例如，为了确保偏心公差，多少牺牲一点轴外像差或轴上像差，对条件(1)～(3)进行平衡。
如上所述，本实施例的透镜是大体上完全满足条件(1)和(2)的消球差透镜，轴上像差和轴外像差基本获得了理想的校正，但偏心时的像差校正不太充分，因此进行这种按比例分配。
若按照这种标准，则在数值孔径为0.85的透镜中，最大高度的光线向第1面的入射角必须减小，57度较好，56度更好，55度最好。而且，上述条件(1)～(3)采用按比例分配的形状变化是很小的。
在数值孔径低于0.85的情况下，相对于误差的像差增加变小，所以同样，如果57度较好，56度更好，55度以下最好的话，那么，可以提供十分良好的透镜，即对上述条件(1)～(3)良好的透镜。
但是，在利用模具来成形制作本实施例的透镜的情况下，入射角与模具加工难易度有直接关系。所以，希望入射角尽量小。
再有，在这种成形透镜中有由在模具和成形品之间加高温进行成形的工艺过程，所引起的成形收缩，使成形品的形状与模具产生微小的差异。所以，在数值孔径低于0.85的情况下，根据数值孔径来减小入射角对制造有良好效果。
因此，在对比多种透镜设计时，发现若降低数值孔径，则第1面10的入射角θ相对于数值孔径为0.85时的角度α基本上具有以下关系.而且，α是实际设计所得的值。
θ＝α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)                ……(9)
在表1中举例表示对具有下述第1实施例规格的透镜的数值孔径与入射角的关系。上述式(9)是利用表18计算的回归式。
表18
    数值孔径     角度(度)
    0.60     39.8765
    0.65     43.0969
    0.70     46.2232
    0.75     49.1485
    0.80     51.6474
    0.85     53.2516
图28表示数值孔径和入射角的关系。α是53.2516度。图中，菱形◆标记表示实际的设计值；实线表示按照回归式的值。
并且，在图28中表示出了与透镜厚度为1.55mm，玻璃材料折射率为1.75的透镜有关的其他例的数据。图中，黑三角▲标记表示对其他例的实际设计值，虚线表示按照回归线的值。
无论那种情况，均可以看出，回归式很好地反映了实际的设计值。而且，即使其他多种透镜设计数据也获得了同样的结果，上述回归式(9)作为一般式具有很高的精度。
式中，求出对数值孔径低于0.85的情况的角度条件。首先，若降低数值孔径，则当然地透镜最外周的面的倾斜度(向第1面的入射角)变缓。并且因此对上述条件(1)～(3)的限制也放宽，所以，例如制造公差也放宽。
然而，在数值孔径低于0.85的情况下，也和数值孔径为0.85时一样，在向第1面10的入射角增大的同时，像差特性变坏，具有一般特性。
所以，如果对于数值孔径小于0.85的透镜和数值孔径0.85的透镜一样按照57度较好，56度更好，55度以下最好的条件进行设计，那么，能够制成良好的透镜。再加上数值孔径低所带来的上述有利条件，如果按照回归式所表示的角度来减小设计的目标值，那么，可以提高公差和性能。
这样一来，在数值孔径低于0.85的情况下，在由以下条件式所决定的范围内，设定向第1面10的入射角θ，由此可以获得更好的结果。
θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)               ……(10)
式中，角度α以57度较好，56度更好，55度最好。
但是，上述透镜是确保偏心公差的，未考虑条件(4)和(5)，所以未满足能确保色差特性的充分条件。以下详细说明色差特性。
式中，透镜的中心厚度t和焦距f满足下式。
t＞(1+E)f式中，E为0以上的数，0为较好，0.1为更好，0.2为最好。
在具有上述关系的情况下，条件(4)和条件(5)的满足度提高。
首先，关于具有条件(4)的波长误差的情况下的各波长的最佳像面的像差增加较小，这是因为透镜中心厚度较厚时能使透镜第1面(入射面)的半径较大。更详细说，若第1面的曲率半径增大，则通过透镜外侧端部的光线向透镜的入射角θ(透镜面的法线与光线形成的角度)减小，因此，作为非线性现象的折射效应减小，其结果，波长变化的情况下的球面像差的增加变小。
从上述图7中可以看出，如上所述，若透镜厚度薄于焦距，则产生大的像差，达0.04以上。并且，也可以看出，厚度为焦距的1.2倍的3mm以下，像差的增加变大。并且，图8中，希望尽量增加透镜厚度。
综上所述，若透镜的第1面的最大光线的入射角和透镜的厚度满足这些条件，则能同时满足上述条件(1)～(3)，即轴上像差特性、轴外像差特性、偏心公差所造成的像差增加、以及上述条件(4)、(5)，即波长误差所造成的面像差和色差小的透镜条件。
进一步补充说明如下。该非球面透镜既可以是对光轴旋转对称的透镜(共轴光学系统)，也可以是根据方向不同使非球面形状稍加变化的复曲面透镜形状。在后者的情况下，不言而喻，也必须在最大高度光线所通过的各个点上符合上述范围。
以下进一步表示涉及本发明的光盘用物镜的实施例。
在实施例中，用以下多项式来表示非球面。
Z＝CY2/(1+(1-(1+K)C2Y2)0.5)+AR4+BR4+CR8+DR10+ER12+FR14式中，Z是离面的顶点的距离，Y是离光轴的高度，K是圆锥常数，A～F是从4次到14次的非球面系数。例如A相当于Y的4次方的系数。<第5实施例>
图29是第5实施例的物镜的断面图。把第5实施例的物镜称为物镜1105。
射入到物镜1105的光束L在第1面1和第2面2进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层，在信号记录面上聚光。
透镜规格如表19所示。
表19
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.85
    焦距     2mm
    入射光瞳直径     3.4mm
    盘厚度     0.1mm
    成像倍率     0
透镜1105的设计值如表20所示。而且半径和厚度的单位是mm。以下也是一样。
表20
 面序号 面形状   半径   厚度   折射率   圆锥常数
   1 非球面   1.71   2.75   1.85   -0.9168291
   2 非球面   -75.9027   0.4605   -   2518.06
   3 -   无限大   0.1   1.62230752   -
   像面 -   -   -   -   -
第1面的非球面系数如表21所示。
表21
    r的4次方的系数     0.013687371
    r的6次方的系数     0.00087533585
    r的8次方的系数     0.00087533585
    r的10次方的系数     -0.00077467164
    r的12次方的系数     0.00030433925
    r的14次方的系数     -5.3502493×10-5
第2面的非球面系数如表22所示。
表22
    r的4次方的系数     0.22363727
    r的6次方的系数     -0.58889528
    r的8次方的系数     0.72567392
    r的10次方的系数     -0.47382503
    r的12次方的系数     0.12985027
该透镜1105的第1面的最大高度的光线入射角为53.25度。该透镜是大体上满足条件(1)和(2)的消球差透镜，对条件(3)保留一点误差。
关于波阵面像差，轴上的波阵面像差小，为0.002，可以说是在实际使用上无像差的值。对轴外0.5度的入射光线的波阵面像差为0.023λ，特性良好。另外，关于对制造公差很重要的面间偏心，当偏心为3μm时，波阵面像差之值为0.036μm，相当好。
图30是纵向像差图，图31是表示正弦条件不满足量的图，图32是像散现象图。
透镜1105的厚度为焦距的1.375倍。该透镜1105的玻璃材料按折射率为固定值进行设计。折射率变化相当于波长变化5nm时的情况，在折射率为1.8486的情况下的最佳像面中的像差被控制到0.01λ的较小值。并且，轴上像差的量为2.17μm，被压低。<第6实施例>
图33是第6实施例的物镜的断面图。把第6实施例的物镜称为物镜1106。
射入到物镜1106内的光束L在第1面1和第2面2进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层，在信号记录面上聚光。
透镜规格如表23所示。
表23
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.8
    焦距     1.750mm
    入射光瞳直径     2.8mm
    成像倍率     0
透镜1106的设计值如表24所示。
表24
 面序号 面形状     半径     厚度     折射率    圆锥常数
   1 非球面   1.45     2.5   1.75   -0.9753354
   2 非球面   -3.613636     0.395   -   -
   3 -   无限大     0.1   1.62230752   -188.2991
   像面 -   -     -   -   -
第1面的非球面系数如表25所示。
表25
    r的4次方的系数     0.023305393
    r的6次方的系数     0.017039056
    r的8次方的系数     0.0023431785
    r的10次方的系数     -0.0023798936
    r的12次方的系数     0.0013373117
    r的14次方的系数     -0.00035090993
第2面的非球面系数如表26所示。
表26
    r的4次方的系数     0.17601287
    r的6次方的系数     -0.54949768
    r的8次方的系数     0.50420582
    r的10次方的系数     0.12942116
    r的12次方的系数     -0.37309714
该透镜1106的第1面的最大高度的光线入射角为51.41度。相对于数值孔径0.8的条件(9)所形成的角度为52.63度，所以满足该条件。
该透镜是大体上满足条件(1)和(2)的消球差透镜，对条件(3)保留一点误差，轴上的波阵面像差非常小，为0.001λ，可以说在实际使用上无像差。
入射角0.5度的轴外像差具有波阵面像差为0.013λ的良好特性。并且，关于在制造公差中很重要的面间偏心，在偏心为3μm时具有波阵面像差为0.023λ的非常良好的特性。
图34是纵向像差图，图35是表示正弦条件不满足量的图，图36是像散现象图。
透镜1106的厚度为焦距的1.429倍。该透镜1106的玻璃材料对折射率加以固定，进行设计。折射率的变化相当于在波长变化5nm的情况，在折射率为1.7486的情况下的最佳像面中的像差被控制在0.01λ的小值上。并且，轴上像差的量为2.10μm，被压低。<第7实施例>
图37是第7实施例的物镜的断面图，把第7实施例的物镜称为物镜1107。
射入到物镜1107内的光束L在第1面1和第2面2进行折射，透过光盘21的第3面3和透射层，在信号记录面上聚光。
透镜规格如表27所示。
表27
    设计波长     405nm
    数值孔径     0.85
    焦距     2.2mm
    入射光瞳直径     3.74mm
    盘厚度     0.1mm
    成像倍率     0
透镜1107的设计值如表28所示。
表28
 面序号 面形状   半径     厚度  玻璃材料     圆锥常数
  1 非球面  1.812171   3.104   NBF1     -0.3371789
  2 非球面  -6.507584   0.500289   -     -845.6516
  3 -  无限大   0.1   聚碳酸酯     -
  4 像面  -   -   -     -
第1面的非球面系数如表29所示。
表29
    r的4次方的系数     -0.00092006967
    r的6次方的系数     -0.00025706693
    r的8次方的系数     -0.00057872391
    r的10次方的系数     0.0002222827
    r的12次方的系数     -5.6787923×10-5
第2面的非球面系数如表30所示。
表30
    r的4次方的系数     0.061448774
    r的6次方的系数     -0.13995629
    r的8次方的系数     0.12867014
    r的10次方的系数     -0.043733069
各玻璃材料的折射率如表31所示。
表31
    NBF1     1.76775590
    聚碳酸酯     1.62031432
该透镜1107的第1面的最大高度的光线的入射角为55.0度。
该透镜1107的特性基本上能满足条件(1)，对条件(2)尚多少有些不满足，因此与第5实施例的透镜1105相比，成为抑制了偏心时的像差增加的透镜。并且，从条件(3)来看为非常接近保留一点误差的消球差透镜。
轴上的波阵面像差为0.006λ，非常小，可以说在实际使用时无像差。相对于轴外0.5度的入射光线的波阵面像差为0.069λ，特性良好。再者，关于在制造公差中很重要的面间偏心，在偏心为5μm时具有0.034λ的波阵面像差，非常良好。
图38是纵向像差图，图39是表示正弦条件不满足量的图，图40是像散现象图。
透镜1107的厚度为焦距的1.411倍.在波长变化5nm达到410nm的情况下的最佳像面中的像差被抑制到很小，0.029λ。并且，轴上像差的量为2.21λm，被压低。
而且，在本实施例中对光盘用物镜利用具体的数值进行了说明。但本发明并非仅限于这些数值。本发明在不脱离其要旨的范围内，能适用于各种光盘用的物镜。
若特意举出数值的具体例子，则在本实施例中，光盘，例如可采用厚度范围为0.01～0.3mm的透射层的盘。并且，物镜，例如可采用像NBF1那样的光学玻璃，例如具有1.5～2.0范围的折射率。
而且，本发明的物镜可用任意制造方法进行制造。制造方法有：对玻璃进行切削或研磨加工的直接形成法，玻璃成形法，采用溶胶·凝胶(sol-gel)法的玻璃成形法，以及在玻璃或塑料的球面透镜形状的母材上用树脂形成非球面层的方法等。
以下用图41来说明光传感装置的实施例。光传感装置30具有：作为激光源的兰色激光二极管(LD)31、分束镜32、物镜33、光探头(PD)和电流电压变换器(I-V)34。作为分束镜32的一例可采用偏光分束镜。物镜33相当于上述实施例1～7的任一项的物镜1101～1107。
兰色LD31例如发出约405nm的兰色光(激光)。分束镜32分离出从兰色LD32向光盘35的光、以及从光盘35向PD和I-V34的光。物镜33采用上述实施例中所示的物镜。PD和I-V34把入射光变换成电流，再把该电流变换成电压，并进行输出。
光传感装置30可在光盘35上记录信号(信息)。也就是说，兰色LD31发出一种用被所输入的记录信号进行调制后的兰色光。该兰色光通过分束镜32和物镜33聚集在光盘35上。在光盘35中，根据从光传感装置30照射的激光强度在信号记录面上记录信息信号。例如，在光盘35的接触面或凹槽上利用信息坑或相的变化来记录信号。
再者，光传感装置30能从光盘35上重放信号。也就是说，从兰色LD31发出的规定强度的光通过分束镜32和物镜33聚集到光盘35的信号记录面上。来自光盘35的反射光通过物镜33和分束镜32而输入到PD和I-V34内，变换成电压。这样，作为光盘35的信号记录面的接触面或凹槽上以信息坑形式而记录的信号作为电压进行输出。
在此，物镜33，其动作距离与被从激光源射出的激光进行照射的光盘35的半径之间最好具有以下关系：
动作距离＞0.005×光盘半径。
以下参照图42来说明光盘记录重放装置或光盘重放装置的实施例。
光盘记录重放装置具有：PRML(部分响应最大相似)单元50、控制器单元60、记录补偿单元70。并且光盘记录重放装置具有上述光传感装置。并且，该例的信号调制方式采用1-7RLL(行程长度受限码)。
PRML单元50具有：A/D变换器51、数字均衡器52、抽头系数控制器53、移相器54、PLL55、维托毕检测器56。控制器单元60有1～7RLL(游程长度受限码)处理部61。
PRML单元50从光传感器30经过前置放大器而输入信号，进行PRML信号处理。控制单元60从PRML单元50的维托毕解码器56输入信号，由1-7RLL处理部61来进行处理。记录补偿单元70从控制单元60输入信号，根据该信号通过LD驱动装置对光传感装置30的兰色LD31进行驱动控制。
这样，光盘记录重放装置，对从光盘35用光传感装置30读出的信号进行规定的解码，解调，输出，以此进行重放。，对被输入的信号进行规定的编码，调制，通过光传感器30写入到光盘35内进行记录。而且也可以构成不设置光盘记录重放装置所具有的记录部分的光盘重放装置。
发明的效果
如前所述，若采用本发明，则可提供数值孔径为0.75以上，轴上像差、轴外像差和面间的偏心像差良好的、采用双面非球面单透镜的光盘的物镜。

Claims (11)

1.一种光盘用物镜，其两面为非球面的、数值孔径NA为0.75以上的单透镜，其特征在于：第1面的顶点的曲率半径R1满足下式
(1-D)A＜R1＜(1+D)A
A＝B/C
B＝0.85f(n-1)
C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)式中，n是该透镜的折射率，f是该透镜的焦距，t是该透镜的中心厚度，d是该光盘的透射层的厚度，D是0.05。
2.一种光盘用物镜，其两面为非球面的、数值孔径NA为0.75以上的单透镜，其特征在于：透镜的内部的最大高度的光线与光轴形成的角度u1′满足下式
(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·K
K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f为该透镜的焦距，t为该透镜的中心厚度，d为该光盘的透射层厚度，D为0.06。
3.一种光盘用物镜，其两面为非球面的、数值孔径为0.75以上的单透镜，最大高度的光线所入射的点上的第1面的法线和光轴形成的角为57度以下。
4.一种光盘用物镜，其双面为非球面的、数值孔径NA为0.75以上的单透镜，其特征在于：最大高度的光线所入射的点的第1面的法线和光轴形成的角θ满足下式
θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)式中，α为57度。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的光盘用物镜，其特征在于：中心厚度t和焦距f满足下式
t＞(1+E)f其中E为大于0的数。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的光盘用物镜，其特征在于成像倍率为0。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的光盘用物镜，其特征在于：来自射入到上述光盘用物镜内的光源的光的波长为450nm以下。
8.一种光传感装置，其特征在于具有：权利要求1至7任意一项所述的光盘用物镜、激光光源和光探头。
9.如权利要求8所述的光传感装置，其特征在于：上述光盘用物镜，其动作距离与被从上述激光光源出射的激光所照射的光盘的半径之间具有以下关系：
动作距离＞0.005×光盘半径。
10.一种光盘记录重放装置，其特征在于具有：权利要求8或9所述的光传感装置、以及利用上述光传感装置来在光盘上记录重放信息的记录重放装置。
11.一种光盘重放装置，其特征在于具有：权利要求8或9所述的光传感装置、以及利用上述光传感装置来重放已记录在光盘上的信息的重放装置。
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