JP2004163944A

JP2004163944A - 高開口数を有するハイブリッドレンズ

Info

Publication number: JP2004163944A
Application number: JP2003380851A
Authority: JP
Inventors: Eun-Hyoung Cho; 恩亨趙; Jin-Seung Sohn; 鎭昇孫; Myung-Bok Lee; 明馥李; Young-Pil Park; 寧弼朴
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2004-06-10
Also published as: CN1499235A; US20040090678A1; US6937396B2; KR20040041735A; KR100468855B1

Abstract

【課題】色収差が除去された、小型軽量、かつ、高開口数のハイブリッドレンズハイブリッドレンズを提供する。
【解決手段】入射面は入射光を屈折させる屈折面であり、出射面は、ｆ_Dをレンズの中心ピークから焦点までの距離、ｒをレンズの中心軸から各ピークまでの高さ、ｎをレンズの屈折率、λを波長及びｍを整数として、次の式を満足するｓａｇで設計される回折面を備えるハイブリッドレンズである。
【数１４】

【選択図】図２

Description

本発明は回折レンズ及び屈折レンズが複合されたハイブリッドレンズに係り、より詳細には光情報記録／再生装置に利用される高開口数を有するハイブリッドレンズに関する。

光情報媒体は、直径が１２ｃｍ、基板の厚さが１.１ｍｍであるＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋ）から、現在脚光を浴びている直径１２ｃｍ、基板の厚さが０.６ｍｍであるＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）に発展し、また、ＤＶＤより薄い厚さを有するブルーレイディスクに向けて発展している。このような光情報媒体に情報を記録及び情報を再生する光情報保存装置も、光情報媒体の開発に合せて高い光エネルギーを小さなスポットに集束させて高記録密度を達成できるように研究開発されてきた。例えば、ＣＤ用光記録／再生装置は、波長７８０ｎｍの光源と０.４５の開口数（ＮＡ：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）を有するレンズとを採用しており、ＤＶＤ用の光記録／再生装置は、波長６８０ｎｍの光源と０.６のＮＡを有するレンズとを採用している。最近活発に研究されているブルーレイディスクの場合、現在４０５ｎｍ程度の波長を有する光源と０.８５程度のＮＡを有するレンズを採用するように設計されているが、現在の技術ではこのような高ＮＡのレンズを製作することが容易でない。

図１は、一般的なレンズ１１のＮＡとスポットサイズ（ｗ₀）及び焦点深度（Δｚ）の間の関係を示す概念図である。

図１において、Ｄはレンズ１１の開口であり、ｆは焦点距離であり、θはレンズで屈折される光の光軸に対する屈折角である。下記の式（１）は、ｎがレンズの屈折率であり、θが屈折角である場合のＮＡの定義を示し、下記の式（２）は入射ビームが平行な場合のＮＡ及び波長（λ）と、スポットサイズ（ｗ₀）との関係を示す式であり、式（３）はＮＡ及び波長（λ）と、焦点深度（Δｚ）との関係を示す式である。

光情報媒体の情報記録密度を高めるためには、照射される光のスポットサイズ（ｗ₀）を減少させなければならず、式（２）からスポットサイズ（ｗ₀）を減少させるためには波長（λ）を減少させ、ＮＡを増加させなければならないことが分かる。したがって、ブルーレイディスクに情報を記録／再生するためには、短波長のブルーレーザと高ＮＡのレンズが必要である。

しかし、光情報媒体の安定した記録再生のためには、焦点深度（Δｚ）を増加させなければならず、このためには式（３）から分かるように波長（λ）を増加させ、ＮＡを減少させなければならない。

ブルーレイディスクの場合、情報記録密度を増加させるために、前記式（２）による条件を満足させるために、短波長のブルーレーザと高ＮＡのレンズとを採用する。同時に、式（２）及び式（３）による条件を満足するために、ディスクのカバー層の厚さを０.１ｍｍ程度に製造することによってＮＡの増加によって焦点深度が短くなることを防止することが好ましい。これによって、ＮＡが増加するとともに、波長が減少し、情報記録密度が向上する。しかし、ＮＡを増加させると記録面と光軸の傾斜許容範囲（すなわち、チルトマージン）が減少する問題があるが、カバー層を０.１ｍｍ程度に薄く形成すればその傾斜許容範囲を現行のＤＶＤレベルに拡張できる。すなわち、ブルーレイディスクのディスクの撓み、傾斜及び装置の組立て誤差を現行のＤＶＤにおけると同様のレベルに維持できる。

光情報媒体に使われる屈折レンズは、温度変化によって入射するレーザの波長を変化させる。異なる波長を有する光は、屈折レンズを通過して光軸方向の相異なる焦点距離にフォーカシングされる。このような現象を色収差という。

従来技術では、高ＮＡを実現し、色収差と分散を減少させるために、曲率半径が大きく、低屈折率及び高アッベ数を有する厚いレンズが提案されている。しかし、そのようなレンズは、製作が困難で、サイズが大きくて重いため、小型軽量の情報保存装置での利用には適さない。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、小型軽量で、色収差がない高ＮＡのハイブリッドレンズを提供することである。

前記技術的課題を達成するために、本発明は、入射光を屈折させる屈折面と、出射光を回折させる回折面とを備え、前記回折面は、ｆ_Dをレンズの中心ピークから焦点までの距離、ｒをレンズの中心軸から各ピークまでの高さ、ｎをレンズの屈折率、λを波長、及びｍを整数として、次の式（４）を満足するｓａｇで設計されていることを特徴とするハイブリッドレンズを提供する。

前記屈折面は、ｃを屈折面の曲率、ｋを屈折面の形状を表すコーニック定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々４次、６次、８次、及び１０次非球面係数として、下記式（５）を満足する低次数の非球面プロファイル（ｚ）を有する。

前記回折面は、最小回折ピッチが３μｍ以上であることが望ましい。
前記屈折面は、ＮＡが０.８５以上であることが望ましい。
前記回折面は、式（６）を満足する深さ（Ｌ_m）を有することが望ましい。

本発明は、低次数の屈折面と、式（４）に簡単に定義されるプロファイルで構成された回折面を有することによって、色収差が除去され、かつ、高ＮＡを有する小型軽量のハイブリッドレンズを提供する。

本発明によるハイブリッドレンズは、０.８５以上の高ＮＡを有し、色収差がなく、許容公差が小さな小型軽量のレンズであり、製作が容易である。

以下、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズについて図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズの構造を簡略に示す断面図である。
図２において、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズ３１は、式（５）で定義される低次数の非球面プロファイル（ｚ）よりなる屈折面３１ａと式（４）で定義されるｓａｇを有する回折面３１ｂとを有する。式（４）を導出する過程は、図４を参照して詳細に説明する。式（５）は、式（７）のような屈折面に関する一般式から１０次以下の低次数の項のみを選択することによって導出される式である。ここで、ｋはコーニック定数であり、ｋが−１と０の間の値である時、屈折面は楕円となる。

ハイブリッドレンズ３１を形成する材料として、中間程度の屈折率、例えば、ＳＣＨＯＴＴ社で製造したＬＡＳＦＮ３０という材料を使用する場合、レンズは、４０８ｎｍの波長で１.８３程度の屈折率を有し、中間程度の分散を生じる。ここで、レンズ材料の屈折率や分散は、波長に依存するので、光源の波長によって適切な材料を選択する。

本発明の実施形態によるハイブリッドレンズ３１において、色収差が補正される原理を図３Ａ乃至図３Ｃを参照して説明する。

図３Ａ乃至３Ｃは、それぞれ屈折素子、回折素子及び、回折素子と屈折素子とを組み合わせたハイブリッド素子における色収差を示す。

図３Ａを参照すれば、短波長であるほど屈折角が大きいため、屈折素子２２で屈折されたブルー（Ｂ）、グリーン（Ｇ）及び、レッド（Ｒ）光は、この順で屈折素子２２に近い距離にフォーカシングされる。この波長が長いほど光軸方向に焦点距離が長くなる現象は、色収差と呼ばれる。

一方、図３Ｂを参照して説明すれば、長波長であるほど回折角が大きいので、回折素子２４で回折されたＲ、Ｇ及び、Ｂ光は、この順で回折素子２４に近い距離にフォーカシングされる。すなわち、回折素子２４の色収差は、屈折素子２２の色収差と反対に、波長が短いほど光軸方向に焦点距離が長くなる色収差が発生する。ここで、回折素子２４は、ガラス面の一面に位相型回折格子を形成した断層型回折素子であって、屈折素子とは逆に、入射光の波長が長いほど回折角が大きくなる性質は、最も重要な性質である。

したがって、このような屈折素子２２と回折素子２４との相異なる色収差の発生を除去するために、二つの光学素子を組み合わせたハイブリッド素子２６が図３Ｃに示されたように構成される。

従来の光学系では、色収差を補正するためには凸レンズと凹レンズとを共に配列し、凹レンズにおける光の拡散を補完するため、凸レンズの屈折率を増加させるように適切な形状や材料が選択されている。しかし、このような方法でも屈折率が大きい光学系では、球面収差、色収差等の収差が増加する短所がある。そこで、断層型回折素子を使用すれば、光学素子の屈折率を減少させ、他の収差の増加なしに色収差を減少させることができる。

これまで、従来技術で利用された屈折素子は、アッベ数が大きいので、色収差を補正するために光学素子のパワーを大きく増加させる必要があった。しかし、アッベ数が小さな光学素子は、光学素子のパワー（焦点距離の逆数）が小さく変化しても色収差が大きく変化するので、光学素子のパワーを増加させずにアッベ数が小さな光学素子を採用することによって球面収差やコマ収差のような収差を抑制できる。

回折素子は、一般光学素子に換算した時、光の波長に対する屈折率を表す指標であるアッベ数の絶対値が３.４５であり、この値は、一般光学ガラスより一桁小さい。アッベ数が小さな回折素子は、光学系の設計時、色収差の補正ばかりでなく、各種の他の収差をも補正できる長所を有している。回折素子は、ピッチ間の間隔を調節して非球面レンズのように球面収差を減少させることができる。

したがって、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズは、アッベ数が大きい屈折素子とアッベ数が小さな回折素子とを結合して色収差を除去すると同時に、回折素子のピッチ間の間隔を適切に調節して残りの他の収差も除去できる。

図４は、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズの回折面の構造とプロファイル（ｓａｇ）とを示す図面である。
図４を参照して説明すれば、点０からＦまでの光路と点ＣからＦまでの光路との光路差が波長の整数培となれば、補強干渉が起こって記録面上の点（Ｆ）にフォーカシングされる焦点での強度が最大になる。点Ｃと点Ｆの間の光路は、点Ｃと点Ａの間の光路（＝sag・ｎ）と、点Ａと点Ｄの光路（＝（Ｌ_m−sag）・１）と、点Ｄと点Ｆの間の光路

との和であり、点Ｏと点Ｆの間の光路は、点Ｏと点Ｂの間の光路（＝（Ｌ_m・ｎ））と、点Ｂと点Ｆの間の光路（＝ｆ_D・１）との和である。したがって、補強干渉の条件は、式（８）のような光路差の関係式で与えられる。

式（８）で、ハイブリッドレンズの回折面の深さ（Ｌ_m）は式（６）を満足するので、この値を式（８）に代入し、ｓａｇに対して整理すれば、式（９）のような本発明の実施形態によるハイブリッドレンズの回折面の定義式が導出される。

ここで、ｍ´は任意の整数であるので、ｍ´＋１の代わりに、ｍと称する。

図５は、本発明の実施形態によるハイブリッドレンズのシミュレーション結果を簡略に示す図面である。シミュレーションのために最小ピッチ間隔を２.９４３μｍに設定し、レンズエッチング深さを２２０μｍに加工した。この条件でシミュレーションした結果、波面エラーは０.０７λｒｍｓ（ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅ：二乗平均）より小さな０.００５３μｍに表れ、回折効率は９２.１１％、レンズの偏心（ｄｅｃｅｎｔｅｒ）許容公差は０.０７λｒｍｓより小さな２２μｍ、表面偏心（ｄｅｃｅｎｔｅｒ）許容公差は１２μｍ、表面傾き（ｔｉｌｔ）公差は標準規格０.７５ｄｅｇより小さな０.０５５ｄｅｇ、デフォーカスは標準規格である１ｎｍの波長λの変化に対して８０ｎｍより小さな３６ｎｍとなり、全ての面で性能が優秀なハイブリッドレンズを設計できることが分かった。

前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは特許請求の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。

例えば、当業者ならば、本発明の技術的思想によってピッチ間隔を適切に調節できる。そのため、本発明の範囲は説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。

本発明による高開口数を有するハイブリッドレンズは、光情報保存装置に利用することができる。

一般的なレンズのＮＡとスポットサイズ（ｗ₀）及び焦点深度（Δｚ）の間の関係を示す概念図である。本発明の実施形態によるハイブリッドレンズの構造を示す断面図である。屈折素子の色収差を示す図面である。回折素子の色収差を示す図面である。ハイブリッド素子の色収差を示す図面である。本発明の実施形態によるハイブリッドレンズの回折面の構造とｓａｇとを示す図面である。本発明の実施形態によるハイブリッドレンズのシミュレーション結果を示す図面である。

符号の説明

３１ハイブリッドレンズ
３１ａ屈折面
３１ｂ回折面

Claims

入射光を屈折させる屈折面と、出射光を回折させる回折面とを備え、前記回折面は、ｆ_Dをレンズの中心ピークから焦点までの距離、ｒをレンズの中心軸から各ピークまでの高さ、ｎをレンズの屈折率、λを入射光の波長及び、ｍを整数として、次の式を満足するｓａｇで設計されることを特徴とするハイブリッドレンズ。
前記屈折面は、ｃを屈折面の曲率、ｋを屈折面の形状を表すコーニック定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々４次、６次、８次及び、１０次の非球面係数として、次の式を満足する低次数の非球面プロファイル（ｚ）を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
前記回折面は、最小回折ピッチが３μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
前記屈折面は、開口数が０.８５以上であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
前記回折面は、次の式を満足する深さ（Ｌ_m）を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。