JP2004213006A

JP2004213006A - ハイブリッドアクロマティック光学レンズ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004213006A
Application number: JP2003433745A
Authority: JP
Inventors: Eun-Hyoung Cho; 恩亨趙; Myung-Bok Lee; 明馥李; Jin-Seung Sohn; 鎭昇孫
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4073396B2; KR20040061658A; US20040125452A1; CN1514266A; US7221513B2; US7298554B2; US20070195415A1

Abstract

【課題】ハイブリッドアクロマティック光学レンズ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】低屈折率の第１光学部材と、低屈折率の第１光学部材との内部に形成された凹部に埋設され、第１光学部材と接する屈折面に複数のピッチを有する回折面が形成された高屈折率の第２光学部材を含む光学レンズである。屈折面のプロファイルを有するモルディングダイ上に複数のピッチを有する回折面のプロファイルを形成する第１段階と、モルディングダイにより低屈折率の第１光学部材に回折面を有する凹部を形成する第２段階と、凹部に高屈折率の物質を塗布した後、高屈折率の表面を研削して第２光学部材を形成する第３段階と、を含む光学レンズの製造方法である。これにより、色収差が除去された高開口数の光学レンズを提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は光学レンズに係り、さらに詳細には光情報装置に利用される色収差が補正されたハイブリッドアクロマティック光学レンズに関する。

光情報媒体は、直径が１２ｃｍであり、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であり、基板の厚さが０.６ｍｍであるＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）に発展し、再びＤＶＤよりさらに薄いブルーレイディスクに発展している。このような光情報媒体にまたは光方法媒体から情報を記録または再生する光情報蓄積装置も光情報媒体の開発につれ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いる。例えば、ＣＤ用光情報蓄積装置は、７８０ｎｍの波長を有する光源と０.４５の開口数（ＮＡ：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）を有するレンズとを採用しており、ＤＶＤ用光情報蓄積装置は、６８０ｎｍの波長を有する光源と０.６の開口数を有するレンズとを採用する。

光情報蓄積装置は、サーボメカニズムを利用して光情報媒体の揺れに合わせて光情報媒体とレンズ間の距離を自動補償して距離を一定に維持することによって安定的に情報を記録及び再生する。しかし、この自動サーボメカニズムは、温度変化によってナノミリメータ単位に発生するレーザの波長のモードホッピング現象を補償できない。ここで、ホッピング現象とは、温度変化によって一つのスペクトルモードから次のモードに突然に飛躍する現象である。このようなモードホッピング現象が発生すれば、複数モードが競合をし、これにより瞬間的に純方向または逆方向にモード変換が発生し、これにより出力波長の急な変動が招来されてノイズが発生する。

この問題を解決するために周波数が安定したレーザを採用する方法とレーザ周波数帯域の縦方向に発生する色収差を補正してノイズを除去した安定した出力を得る方法とを使用できる。ここで、色収差とは、屈折レンズを通過する光が温度変化によって波長が変化して光軸方向に相異なる位置にフォーカシングされる現象である。

一般的に、周波数が安定したレーザは高価であるので、主にレンズを利用して色収差を補正する方法を利用する。色収差補正方法は、第一に、従来の凸レンズと凹レンズとを組合せる方法と、第二に、材料内部の軸方向及び／または半径方向に屈折率を変化させるグラジエントインデックス（ＧＲＩＮ：ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘ）レンズを使用する方法と、第三に、回折要素と屈折要素とを組合せるレンズを使用する方法と、がある。第一の方法は、レンズの重さとサイズとを増加させて光コンポーネントの小型化に逆行し、第二の方法は工程が複雑であることが欠点である。

色収差を補正するために特許文献１では図１に示されたハイブリッドレンズ１０のように回折要素を導入したレンズを提案する。

図１は、ポリカーボネートのような透明なプラスチックよりなる光ディスク用基板１４を有する光情報蓄積システムに使われる回折／屈折ハイブリッドレンズ１０を示している。レンズ１０は、凸面１と凸面１の反対側とに位置し、フレネルゾーンパターンを有する平面３よりなる平凸単一レンズである。凸面１と平面３とは、全てレンズの光軸に垂直であり、屈折レンズは少なくとも１.６５以上の高屈折率の物質よりなる。

しかし、図１に示されたハイブリッドレンズは、低屈折低分散物質を使用しておりレンズの重さやサイズは大きく、ディスクに対向するレンズ面に回折面が位置しておりレンズとディスク間の接触による摩耗の危険や汚染源による性能低下のような問題が生じ得る。
米国特許第５,３４９,４７１号公報

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として、色収差を除去できる屈折面と回折面とを有するハイブリッドアクロマティック光学レンズを提供することである。

前記課題を達成するために、本発明は、低屈折率の第１光学部材と、前記低屈折率の第１光学部材内に形成された凹部に埋設され、前記第１光学部材と接する屈折面に複数のピッチを有する回折面が形成された高屈折率の第２光学部材と、を含むハイブリッドアクロマティック光学レンズを提供する。

前記課題を達成するために、本発明はまた、屈折面のプロファイルを有するモルディングダイ上に複数のピッチを有する回折面のプロファイルを形成する第１段階と、前記モルディングダイに低屈折率の第１光学部材に前記回折面を有する凹部を形成する第２段階と、前記凹部に高屈折率の物質を塗布した後、前記高屈折率の表面を研削して第２光学部材を形成する第３段階と、を含むことを特徴とするハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法を提供する。

前記屈折面は、球面または非球面のプロファイルを有する。

前記非球面は、ｃを屈折面の曲率、ｋを屈折面の形状を決定する円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々４次、６次、８次及び、１０次非球面係数及び、ｒを前記第２光学部材の中心からの距離とすれば、数式５を満足するプロファイルＺ（ｒ）を有することが望ましい。

前記回折面は、ｍを整数、λ₀を入射光の波長、ｆ₀を焦点距離とすれば、前記第２光学部材の中心からｍ番目ピッチまでの距離ｒ_mが遠くなるほどピッチが小さくなるように数式６と数式７を満足するプロファイルＳ（ｒ_m）を有することが望ましい。

前記第１光学部材は、１.５以下の低屈折率を有する物質よりなり、例えば、ガラス平板よりなりうる。

前記第２光学部材は、屈折率が２.０以上であり、光透過率が高い物質、例えば、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴまたはＰＬＺＴのような物質のうち何れか一つよりなりうる。

前記第２段階で、前記第２光学部材は、ゾルゲル法で形成することが望ましい。

本発明は、低屈折率の屈折光学部材の内部に形成された凹部に埋設される高屈折率の回折光学部材よりなるハイブリッドレンズを設計して屈折光学部材と回折光学部材とが接する面が所定のプロファイルを有するように形成して色収差を除去し、高開口数の小型軽量の高性能アクロマティックレンズを具現できる。本発明のアクロマティックハイブリッドレンズを備える携帯用光情報蓄積装置は良好な光学的特性により高性能を表せる。

本発明により形成される対物レンズは、射出成形によって製作される一般対物レンズとは違ってレンズの本体がガラス平板に埋設されて全体的に平板型レンズを形成するので、取扱い及び組立て工程が容易でレンズの薄型化が可能である。また、ウェーハレベルに製作されれば他の光学素子が搭載されるウェーハと整列し易い。

以下、本発明の実施例による光学レンズを図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の実施例による光学レンズを簡略に示す断面図である。

図２を参照すれば、本発明の実施例による光学レンズ３０は、低屈折率の平板型第１光学部材３１と、第１光学部材３１の内部に形成された凹部に埋設された第２光学部材３３とよりなる。第１光学部材３１と第２光学部材３３とが接する面は、図示されたように凹部の形状を有する屈折面３２上に凹凸が形成された回折面３４である。ここで、３６は、第１光学部材３１の入射面を示し、Ｄは光ディスクを示す。

第１光学部材３１は、蛍石のような低分散ガラスを使用して１.５以下の低屈折率を有するように製造する。第２光学部材３３は、屈折率が２.０以上に高く、４０５ｎｍ程度の波長帯域を有する青色波長の光に対する透過率が高い物質、例えば、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴまたはＰＬＺＴのような物質を使用して製造する。

図３は、本発明の実施例による光学レンズの屈折面３２のプロファイルＺ（ｒ）と回折面３４のプロファイルＳ（ｒ）とを示すグラフである。

屈折面３２は、球面または非球面に形成されうるが、望ましくは数式５のようなプロファイルＺ（ｒ）を満足する非球面に形成される。ここで、ｃは屈折面３２の曲率、ｋは円錐定数として屈折面３２の形状を示す。例えば、ｋが−１と０間の値であれば、屈折面３２は楕円形となる。ｒは、第２光学部材３３の中心軸から第２光学部材３３の各面までの距離を示し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各々４次、６次、８次、１０次非球面係数となる。

回折面３４は、屈折面３２をベースとして屈折面３２に沿って形成される。回折面３４を構成するピッチは、数式７によってレンズの中心から外郭に進行するほどそのサイズが小さくなる。数式６で、ｍは整数、λ₀は波長、ｆ₀は焦点距離及び、ｒ_mは第２光学部材３３の中心からｍ番目ピッチまでの距離を示す。回折面３４は、数式６のプロファイルと定義される。数式７で、ｃ_nは回折面３４を定義する係数であって単色光の収差を補正するように決定される。

従来の光学系は、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、凹レンズから光が広がることを補完するために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を選択した。しかし、このような方法を取っても屈折率が高い光学系は球面収差、色収差のような収差が増加する短所がある。しかし、単層型回折素子を使用すれば光学レンズの屈折率を緩慢にでき、他の収差の増加なしに色収差を減少させうる。単層型回折素子とは、光学素子の一面に位相型回折格子を形成した素子であって、入射する波長が長いほど回折角が大きくなる特徴を有する。これは入射光の波長が短いほど屈折角が大きくなる屈折光学素子と反対の性質として、このような光学的性質を利用して単層型回折素子と屈折光学素子とを組合わせば、色収差を補正できる。

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）の小さな変化にも色収差を大きく変化させうるので、アッベ数が小さな光学素子を採用して光学素子のパワーを抑制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示す指標であるアッベ数の絶対値が３.４５と一般光学ガラスより一桁が小さい。アッベ数が小さな回折素子は、光学系の設計時、色収差の補正を他の種類の収差の補正と分離して実行できるので、多様な種類の収差を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すれば、非球面レンズのように球面収差を減少させる機能を有しうる。

また、図２を参照すれば、本発明の実施例による光学レンズ３０は、光源からレーザビームが入射すれば、入射面３６で光が一次屈折して所定の屈折角に第１光学部材３１を進行し、回折面３４で光が再び屈折して回折限界に近い小さな光スポットにディスクにフォーカシングされる。ここで、回折面３４は、集光機能だけでなく光学レンズ３０の色収差を除去する機能をする。

図４Ａないし図４Ｄは、図２の本発明の実施例による光学レンズを製造する方法を示す工程図である。

まず、図４Ａに示されたように、超硬合金を設けた後、高速に回転させつつダイアモンドチップ５３で精密にモルディングダイ５１を作る。モルディングダイ５１の表面は、図２で示された第１光学部材３１と第２光学部材３３とが接する回折面３４のプロファイルと同一に形成する。このように形成されたモルディングダイ５１を図４Ｂに示されたように、ｘ、ｙ方向に移動して平板型第１光学部材３１に凹部３８を形成する。凹部３８は、モルディングダイ５１の表面と同じ形態の凹面を有する。

次いで、図４Ｃに示されたように、凹部３８に前述した屈折率２.０以上の高屈折率物質３３ａをゾルゲル法を利用して塗布する。ゾルゲル法は、スパッタリング方法に比べて短時間に比較的均質の厚膜を形成できる長所を有する。凹部３８に形成された高屈折率物質３３ａの表面は平らではないので、表面を機械的な方法で硬面研削して図４Ｄに示されたように、第２光学部材３３を形成する。図４Ａないし図４Ｄに示された工程を行えば、低屈折率の第１光学部材３１と高屈折率の第２光学部材３３とよりなる光学レンズ３０が完成される。

図５は、本発明の実施例による光学レンズをシミュレーションした図面である。
シミュレーションのために全体光学レンズ長を２.７３ｍｍに、最小ピッチ間隔を１.９６６μｍに設定し、レンズエッチングの深さを１６０μｍに加工した。レーザダイオードは、ＮＤＨＶ３１０ＡＣＡを使用し、レーザ光の発散角は１４.７ｄｅｇとなるように設定した。この条件でシミュレーションした結果、波面エラーは０.０２５ λｒｍｓより小さな０.００５３ λｒｍｓに表れ、回折効率は９０.８４％、レンズ表面のディセンター許容公差は５μｍの標準許容公差より大きい６μｍ、色収差は１ｎｍの波長変化に対して標準値８０ｎｍより小さな３４ｎｍに表れて全ての側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、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈しなければならない。

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。したがって、本発明の範囲は説明された実施例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。

本発明は、低屈折率の平板型レンズに高屈折率のレンズを埋設させたハイブリッドレンズであって、色収差を除去して超小型光情報蓄積装置のような対物レンズとして利用できる。特に、超小型光ピックアップに利用される青色波長、ＮＡ０.８５対応の直径１ｍｍ以下の超小型対物レンズの設計において、既存のハイブリッドタイプレンズの問題点を解決する手段を提供する。

特許文献１に開示されたハイブリッドレンズの断面図である。本発明の実施例による光学レンズを簡略に示す断面図である。本発明の実施例による光学レンズの屈折面のプロファイルＺ（ｒ）及び回折面のプロファイルＳ（ｒ）を示すグラフである。図２の本発明の実施例による光学レンズの製造方法を簡略に示す工程図である。図２の本発明の実施例による光学レンズの製造方法を簡略に示す工程図である。図２の本発明の実施例による光学レンズの製造方法を簡略に示す工程図である。図２の本発明の実施例による光学レンズの製造方法を簡略に示す工程図である。本発明の実施例による光学レンズをシミュレーションした結果を示す図面である。

符号の説明

３０光学レンズ
３１第１光学部材
３２屈折面
３３第２光学部材
３４回折面
３６入射面

Claims

低屈折率の第１光学部材と、
前記低屈折率の第１光学部材内に形成された凹部に埋設され、前記第１光学部材と接する屈折面に複数のピッチを有する回折面が形成された高屈折率の第２光学部材と、を含むハイブリッドアクロマティック光学レンズ。
前記第１光学部材は、１.５以下の低屈折率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アクロマティック光学レンズ。
前記第１光学部材は、ガラス平板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アクロマティック光学レンズ。
前記屈折面は、球面または非球面のプロファイル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アクロマティック光学レンズ。
前記非球面は、ｃを屈折面の曲率、ｋを屈折面の形状を示す円錐定数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々４次、６次、８次及び、１０次非球面係数及び、ｒを前記第２光学部材の中心からの距離とすれば、次の式を満足するプロファイルを有することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズ。
前記回折面は、λ₀を入射光の波長、ｆ₀を焦点距離とすれば、前記第２光学部材の中心からｍ番目ピッチまでの距離ｒ_mが遠くなるほどピッチが小さくなるように次の式を満足するプロファイルを有することを特徴とする請求項５に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズ。
前記第２光学部材は、屈折率が２.０以上であり、光透過率が高い物質よりなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズ。
前記第２光学部材は、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴまたはＰＬＺＴのような物質のうち何れか一つであることを特徴とする請求項７に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズ。
屈折面のプロファイルを有するモルディングダイ上に複数のピッチを有する回折面のプロファイルを形成する第１段階と、
前記モルディングダイにより低屈折率の第１光学部材に前記回折面を有する凹部を形成する第２段階と、
前記凹部に高屈折率の物質を塗布した後、前記高屈折率の表面を研削して第２光学部材を形成する第３段階と、を含むことを特徴とするハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記屈折面は、球面または非球面のプロファイルを有することを特徴とする請求項９に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記非球面は、ｃを屈折面の曲率、ｋを屈折面の形状を示す円錐定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを各々４次、６次、８次、１０次非球面係数及び、ｒを前記第２光学部材の中心からの距離とすれば、次の式を満足するプロファイルを有することを特徴とする請求項１０に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記回折面はλ₀を入射光の波長、ｆ₀を焦点距離とすれば、前記第２光学部材の中心からｍ番目ピッチまでの距離ｒ_mが遠くなるほどピッチが小さくなるように次の式を満足するプロファイルを有することを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記第１光学部材は、１.５以下の低屈折率を有する物質よりなることを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記第１光学部材は、ガラス平板であることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記第２光学部材は、屈折率が２.０以上であり、光透過率が高い物質よりなることを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記第２光学部材は、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰＺＴまたはＰＬＺＴのような物質のうち何れか一つよりなることを特徴とする請求項１５に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。
前記第２段階で、前記第２光学部材は、ゾルゲル法で形成することを特徴とする請求項１５に記載のハイブリッドアクロマティック光学レンズの製造方法。