JP2005017529A - 光ディスク用対物レンズ、光ピックアップ装置、光ディスク記録再生装置及び光ディスク再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開口数が０．７５以上で、軸上収差、軸外収差と面間の偏芯収差にすぐれた、両面非球面の単レンズによる光ディスクの対物レンズを提供する。
【解決手段】両面が非球面とされた開口数が０．７５以上の単レンズであって、最大高さの光線Ｌ０が入射する点における第１面１の法線Ｎと光軸の成す角が５５度、５６度又は５７度の何れか一つの角度以下である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大容量光ディスクを実現する高い開口数（ＮＡ）を有する光ディスク用対物レンズ並びにそのレンズを用いた光ピックアップ装置、光ディスク記録再生装置及び光ディスク再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＤディスクは、開口数が０．４５〜０．５の対物レンズを用い、７８０ｎｍ程度の波長を有するレーザー光で読み取り又は書き込みされている。また、ＤＶＤディスクは、開口数が０．６程度の対物レンズを用い、６５０ｎｍ程度の波長を有するレーザー光で読み取り又は書き込みが行われている。
【０００３】
ところで、光ディスクの容量を上げるために、より短い波長の光源とより高い開口数を有するレンズを使用する次世代光ディスク・ピックアップシステムの開発が進められている。
【０００４】
そして、より短い波長を有するレーザーとしては、波長が約４００ｎｍのいわゆる青色レーザーが考えられている。
【０００５】
前記高い開口数を有する対物レンズとしては、例えば以下のシステムが報告されている。
【０００６】
（Ａ） Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ． ３９（２０００） ｐｐ． ９７８−９７９ Ｍ． Ｉｔｏｎａｇａ ｅｔ ａｌ． “Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｋ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ−Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｌｅｎｓ ａｎｄ Ｂｌｕｅ ＬＤ”．
【０００７】
（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”．
【０００８】
ここで、（Ａ）は、開口数が０．７の単レンズを用いたシステムを報告し、（Ｂ）は、開口数が０．８５の２群レンズを用いたシステムを報告する。
【０００９】
これらは、高ＮＡ化によるシステム余裕の低下に対照するために、ディスクの透過層の厚さを、ＣＤの１．２ｍｍ又はＤＶＤの０．６ｍｍから薄くしていることが別の特徴である。透過層の厚さは、（Ａ）によれば０．１２ｍｍで、（Ｂ）によれば０．１ｍｍである。システムの余裕度の分配の仕方にもよるが、概ね０．３ｍｍより薄い透過層であることが望まれている。
【００１０】
前記（Ｂ）の２群レンズを用いたシステムは、開口数は（Ａ）に比べて大きいものの、組立工程が必要な上にレンズが２枚必要なことから、量産性に劣り且つコストも高くなる。さらに、作動距離が文献（Ｂ）に示されているように、０．１３ｍｍ程度と従来のＤＶＤ等のように単レンズを用いた場合の約１ｍｍに比べて狭く、ディスクへの衝突の危険性が増し、システムの信頼性が低下するという欠点もある。
【００１１】
そこで、次世代システムには、開国数が０．７以上の単レンズによる光ディスク用対物レンズが望まれている。
【００１２】
特開平４−１６３５１０には、開口数が０．６〜０．８程度の単レンズを用いた対物レンズが記載されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
高い開口数を有するレンズの設計が可能であることは、従来から知られている。たとえば、「特に口径比の大きい非球面アプラナート・レンズに関する研究」（吉田正太郎、東北大学科学計測研究所報告、１９５８年３月）には、高い開口数を有する両面非球面レンズの設計法が詳しく記されている。
【００１４】
また、特開平４−１６３５１０には、開口数が０．６〜０．８程度の単レンズを用いた対物レンズが記載されている。
【００１５】
しかしながら、単に設計が可能と言うだけでは、高い開口数を有するレンズを製作することが出来ない。このようなレンズを実際に製作するためには、製造公差が確保された設計である必要がある。
【００１６】
ここで両面非球面レンズの場合、最も厳しく、かつ重要な製造公差は、面と面の間の偏芯（面間偏芯）である。したがって、対物レンズへの垂直入射の場合の収差である軸上収差と、斜め入射の場合の収差である軸外収差に代表される対物レンズの設計性能と、製造公差を同時に満足する必要がある。
【００１７】
しかし、レンズの設計性能と製造公差は、とりわけ、開口数が０．７５より高いと、両立することが難しくなる。
【００１８】
実際、このような両面非球面のレンズでは、軸外収差は、前述の製造公差を考慮せずに設計した場合でも開口数が上がるにつれ劣化し、製造公差を考慮するとさらに悪くなる。すなわち、偏芯公差を大きく確保するためには、軸上収差と軸外収差を犠牲にする必要がある。
【００１９】
軸上収差は、偏芯公差を考慮してもわずかに劣化するだけであるが、軸外収差は、開口数が０．６を超えるような高い開口数を有するレンズにおいては、製造が可能になるミクロンオーダーの製造公差を確保するとかなり犠牲になる。
【００２０】
前述のような理由で、性能が良い両面非球面レンズの形状の探索が従来からなされ、種種の文献が報告されている。特開平５−２４１０６９、特開平４−１６３５１０は、その一例である。
【００２１】
特開平４−１６３５１０には、性能が良好なレンズの形状範囲が記載されている。しかしながら、この文献では、偏芯公差の確保について言及されていない。
開口数が唯一０．７５を超える実施例２のレンズ（波長が５３２ｎｍで、開口数が０．８の仕様）では、僅かな偏芯でも大きな収差が発生するという問題点があった。
【００２２】
さらに、これらの先行文献の示す範囲はかなり広く、これらの範囲において、良いレンズを実際に設計することが必ずしも出来ないという問題点があった。
【００２３】
また、高ＮＡ化を図るために、２群レンズを採用した場合は、狭い作動距離のために、ディスクにレンズが衝突する危険性が著しく増大する問題点がある。光ディスクに用いられている、プラスチック製のディスクの場合、ディスクのそりは不可避である。このそりの量は、ＤＶＤの場合では、０．３ｍｍ程度ある。この値は、ＣＤの場合の０．６ｍｍに比べて半分に改善されているが、素材の特性に起因する量なので、これ以上の改善は厳しい。ここに対して、２群レンズの作動距離は前述のように、０．１３ｍｍである。この距離はレンズの設計により変わるが、レンズの焦点距離をピックアップの大型化を招かない範疇に設定した場合は、約０．２ｍｍ以上にすることは厳しい。すなわち、レンズがディスクへ焦点を合わせる位置、すなわち記録再生動作が行われる位置にある場合、フォーカスサーボが動作していない限り、ディスクに衝突する。すなわち、フォーカスサーボが、例えばディスクのディフェクトあるいは外乱振動等に起因するアクシデントではずれた場合は、ディスクに衝突する可能性がある。
【００２４】
また、別の論文（Ｃ）Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ． ４１（２００２） ｐｐ． １８０４−１８０７ Ｇ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ． “Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｔｗｏ−Ａｘｉｓ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄａｔａ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ−Ｒａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｔｒｏｒａｇｅ Ｓｙｔｅｍ”． によれば、２群構成のＮＡ＝０．８５のレンズであって、焦点距離が０．８８ｍｍと小型なレンズが報告されている。このレンズを用いれば、アクチュエーター並びにピックアップの小型化と高速化を達成することが出来る。しかしながら、記載されたレンズの作動距離は０．１ｍｍとさらに狭くなっていて、上記した危険性がさらに上がるという問題点がある。
【００２５】
本発明は、前述の課題に鑑みて提案されるものであって、開口数が０．７５以上で、軸上収差、軸外収差と面間の偏芯収差にすぐれた、両面非球面の単レンズによる光ディスクの対物レンズ並びにそのレンズを用いた光ピックアップ装置、光ディスク記録再生装置及び光ディスク再生装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【発明を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る光ディスク用対物レンズは、両面が非球面とされた開口数（ＮＡ）が０．７５以上の単レンズであって、最大高さの光線が入射する点における第１面の法線と光軸の成す角が所定の角度以下である。前記所定の角度は、５７度が好ましく、５６度がより好ましく、５５度がさらにより好ましい。
【００２７】
また、本発明に係る光ディスク用対物レンズは、両面が非球面とされた開口数（ＮＡ）が０．７５以上の単レンズであって、最大高さの光線が入射する点における第１面の法線と光軸の成す角θが次式を満足する。
【００２８】
θ＜α−（０．８５−ＮＡ）／０．１５×７．１（度）
【００２９】
ここで、前記ＮＡは、最大高さの光線による開口数である。前記αは、５７度が好ましく、５６度がより好ましく、５５度がさらにより好ましい。
【００３０】
好ましくは、本発明に係る光ディスク用対物レンズは、結像倍率が０である。
すなわち、この対物レンズは、少なくとも誤差なく製造されていて、かつ光源の波長が基準波長と一致している場合、平行光を集光することが好ましい。
【００３１】
また、好ましくは、本発明に係る光ディスク用対物レンズは、波長４５０ｎｍ以下の光源に適合して設計される。
【００３２】
本発明は、ＤＶＤディスク、ＣＤディスクより薄い透過層、とりわけ、０．４ｍｍ以下の厚さを有する光ディスクに対して、良好な特性を有する。
【００３３】
また、上述の課題を解決するために、本発明に係る光ピックアップ装置は、前記特性の少なくとも一つを有するレンズと、レーザー光源と、フォトディテクタとを有することが好ましい。
【００３４】
前記レンズは、前記レーザー光源から出射するレーザー光が照射されるべき光ディスクの径に応じて作動距離が次の関係を有することが好ましい。
作動距離＞０．００５×光ディスク半径
【００３５】
本発明に係る光ディスク記録再生装置は、前記光ピックアップ装置と、前記光ピックアップ装置を用いて光ディスクに情報を記録再生する記録再生手段とを有することが好ましい。
【００３６】
本発明に係る光ディスク再生装置は、前記光ピックアップ装置と、前記光ピックアップ装置を用いて光ディスクに記録されている情報を再生する再生手段とを有することが好ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ディスク用対物レンズ、光ピックアップ装置、光ディスク記録再生装置及び光ディスク再生装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
まず、本実施の形態の光ディスク用対物レンズが満たす各条件式の説明に先立ち、本実施の形態のレンズの設計に関して基本的な軸上収差特性、軸外収差特性、偏芯公差のバランスについて説明する。ここで、偏芯公差とは、偏芯がある場合の波面収差の増加で定義される。
【００３９】
本実施の形態では、軸上収差、軸外収差及び偏芯公差を確保するために、次の３つの条件のバランスを取ることが要請される。
【００４０】
（１）軸上収差を確保するため、レンズの球面収差が補正されていること。
【００４１】
（２）軸外収差を確保するため、レンズが正弦条件を満たしていること。
【００４２】
（３）偏芯公差を確保するため、第２面が単独で正弦条件を満たしていること。
【００４３】
両面非球面レンズは、軸上収差及び軸外収差を確保するための条件（１）と（２）の２つを同時に満たすことが出来る。条件（１）と（２）を同時に満たすレンズをアプラナートと呼ぶ。
【００４４】
しかし、一般に、条件（１）及び（２）を満たしていると、偏芯公差を確保するための条件（３）を満たすことは出来ない。
【００４５】
一方、条件（２）と（３）が満たされると、レンズ全体が正弦条件を満たし、かつ第２面も正弦条件を満足することから、第１面においても光線高さと屈折角の関係において正弦条件が満足される。
【００４６】
本実施の形態においては、軸上収差及び軸外収差を確保するための条件（１）と（２）、偏芯公差を確保するための条件（３）のバランスを取り、ほぼ満足されている条件（３）の満足を案分することで、軸上収差及び軸外収差を確保しつつ、レンズの製作が可能になる偏芯公差を確保することが可能である。
【００４７】
前記した「特に口径比の大きい非球面アプラナート・レンズに関する研究」（吉田正太郎、東北大学科学計測研究所報告、１９５８年３月）によると、両面非球面レンズに関して、焦点距離を一定にして、レンズ半径をベンディングして変化させた場合、かなり広い頂点半径の組み合わせの範疇で、条件（１）と（２）を同時に満足するレンズが得られることが明らかにされている。
【００４８】
さらに、田中康宏「アプラナティック単レンズ設計とディスク光学系への応用」、光学 ２７，１２（１９９８）ｐ７２０によれば、面間の偏芯に強いレンズは、条件（３）を満足することが示されている。
【００４９】
ここで、条件（１）と（２）を満足する非球面レンズの設計の内で、条件（３）を満足するものがあれば、偏芯公差に強いレンズと言える。しかしながら、前記したようにこれらを同時に完全に満足することはできない。これは、３個の条件に対して、レンズの設計自由度が非球面２面しかないためで、２個の設計自由度であるためである。
【００５０】
さらに、本願の発明者の解析によれば、開口数が大きくなればなるほど、条件（１）〜（３）について完全性からの乖離が大きくなることが判明している。
【００５１】
実際、従来のＤＶＤディスク用の開口数が０．６のレンズ又はＣＤディスク用の開口数が０．４５のレンズの程度であれば、開口数が低いため、頂点半径の設定をかなり広い範囲で変化させても収差の増加は少なく、軸上収差と軸外収差の間のバランスを容易に取ることが出来る。すなわち、どの半径を出発点としても、軸外収差または軸上収差を僅かに犠牲にすれば偏芯公差を大きく出来る。
【００５２】
これに対して、開口数が上がり、波長が短くなると、収差は波長に反比例して大きくなるので、設計上の余裕がなくなる。そこで、このようなレンズに対してはより厳密に形状（近軸形状）を定める必要性があった。
【００５３】
非球面形状を僅かに変更して偏芯公差を増加させることも可能で、この場合は、軸上収差または軸外収差の劣化が避けられないが、製造公差が充分大きい実用的なレンズを得るためには重要な点である。
【００５４】
これは、別の言い方をすると、軸上収差と軸外収差を適切に劣化させることで、偏芯公差を確保するためのバランスを取って設計を行うと言える。さらに別の言い方をすると、前記の３つの条件（１）〜（３）の満足度合いを、案分する作業とも言える。
【００５５】
そして、このように非球面形状を探索する際には、第１面の最大光線高さでの面の法線と光軸と成す角（以下、単に入射角と言う。）が、所定の条件式を満足していなければ、偏芯公差、軸外収差または、軸上収差の増大を招き、収差間のバランスをとった設計が出来ない。このことについて、以下に詳細に説明する。
【００５６】
本願の発明者は、条件（１）と（２）を略完全に満足するアプラナートであって、条件（３）の満足度が出来るだけ高くなるようなレンズを多数設計し、レンズの焦点距離、レンズの厚さ、レンズの硝材の屈折率を様々に変化させて検討した。この結果、最大高さの光線のレンズの第１面への入射角度が、軸上収差、軸外収差および偏芯時の収差の関係を支配していることを見出した。なお、レンズの設計波長は、４５０ｎｍ以下が好ましく、具体的には４０５ｎｍである。
【００５７】
図１は、レンズにおける幾何的な関係を示す図である。
【００５８】
光軸に平行に対物レンズ１１の第１面１に入射した最大高さの光線Ｌ０と、この光線が入射する点における第１面の法線Ｎは、入射角θをなしている。
【００５９】
図２は、最大高さの光線の第１面への入射角と収差特性の関係を示す図である。図２のＡは、０．５度の斜め入射光線に対する軸外収差であり、第１面の入射角が増加すると増大する。図中において、符号◆は１．５５、符号◇は１．６５、符号△は１．７５、符号○は１．８、符号□は１．８５の硝材の屈折率を表している。
【００６０】
図中のＢは、面間の偏芯が３μｍの場合の収差である。図中において、符号■は１．５５、符号×は１．６５、符号△は１．７５、符号□は１．８、符号◆は１．８５の硝材の屈折率を表している。
【００６１】
図によると、収差の増加は、レンズの焦点距離、レンズの厚さ、レンズの硝材の屈折率などのレンズの設計仕様と、非球面係数の近似方法など設計の個体差によって多少の幅があるが、第１面の入射角に対して略リニアであると言える。なお、軸上収差は、どの場合も良好に補正されていて、収差は０．００６λ以下である。
【００６２】
この関係は、一般的な関係である。すなわち、ガラスの屈折率やレンズの厚さが異なっていても、あるいはそのために第１面の頂点における半径が異なっていても、前記した角度が等しければ同等の収差特性になる。
【００６３】
ここで、偏芯公差と軸外収差が良好なレンズを得るために、３μｍ偏芯時の収差が０．０４λ以下であり、０．５度の斜め入射に対する軸外収差が０．０３λ以下のレンズ形状を基に、前記した条件（１）〜（３）を案分して設計する必要がある。
【００６４】
ここでいう案分とは、前述のように、例えば偏芯公差を確保する代わりに、軸外収差又は軸上収差を多少犠牲にするように、条件（１）〜（３）のバランスをとることである。
【００６５】
前述したように、本実施の形態のレンズは条件（１）と（２）を略完全に満足したアプラナートであり、軸上収差と軸外収差はほぼ理想的に補正されているが、偏芯時の収差補正がやや不十分なためにこのような案分を行う。
【００６６】
このような基準によると、開口数が０．８５のレンズにおいて、最大高さの光誠意の第１面への入射角が、５７度以下、好ましくは５７度、より好ましくは５６度、さらにより好ましくは５５度より小さいことが必要である。なお、前記した条件（１）〜（３）の案分による形状の変化は僅かである。
【００６７】
開口数が０．８５より低い場合は、誤差に対する収差の増加が小さくなるため、同様に、５７度以下、好ましくは５７度、より好ましくは５６度、さらにより好ましくは５５度以下であれば、十分良好なレンズ、すなわち前記条件（１）〜（３）について良好なレンズを提供することできる。
【００６８】
ところで、本実施の形態のレンズを金型により成型して製作する場合、入射角は、金型の加工の難易度に直結している。したがって、入射角は、できるだけ小さいことが望ましい。
【００６９】
さらに、このような成型レンズでは、金型と成型品の間で高温化での成型プロセスに起因する成型収縮があり、成型品の形状は金型と微妙に異なる。したがって、開口数が０．８５より低い場合は、開口数に応じて入射角を小さくした方が、製造する上で好都合である。
【００７０】
そこで、多数のレンズの設計を比較したところ、開口数が下がると、第１面の入射角θは、開口数が０．８５の時の角度αに対して、ほぼ次の関係が有ることを見出した。なお、αは、実際に設計して得られた値である。
【００７１】
θ＝α−（０．８５−ＮＡ）／０．１５×７．１（度） ・・・（４）
【００７２】
表１には、一例として、後述する実施例１の仕様を有するレンズに対する開口数と入射角の関係を示す。前記式（４）は、表１を用いて計算した回帰式である。
【００７３】
【表１】

【００７４】
図３には、開口数と入射角の関係を図示して示す。αは５３．２５１６度である。図中の符号◆は実際の設計値を示し、実線は回帰式による値を示す。
【００７５】
また、図には、レンズの厚さが１．５ｍｍで、硝材の屈折率が１．７５のレンズに関する他の例のデータを示す。図中の符号▲は、他の例に対する実際の設計値を示し、破線は回帰式による値を示す。
【００７６】
いずれの場合も、回帰式は、実際の設計値を良く反映していることが見て取れる。なお、他の多数のレンズ設計データでも同様な結果が得られており、前記回帰式（４）は、一般的な式として十分な精度を有している。
【００７７】
ここで、開口数が０．８５より低い場合に対する角度の条件を求める。まず、開口数が下がると、当然レンズ最外周での面の傾き（第１面への入射角）は緩くなる。さらに、このために前記条件（１）〜（３）に対する制限も緩くなるので、例えば製造公差も厳しくなくなる。
【００７８】
しかしながら、開口数が０．８５より低い場合も、開口数が０．８５の場合と同様に、第１面への入射角が増加するとともに収差特性が劣化するという一般的な特性を有する。
【００７９】
したがって、開口数が０．８５より小さいレンズを開口数が０．８５と同様に、好ましくは５７度、より好ましくは５６度、さらにより好ましくは５５度以下の条件で設計すれば良好なレンズが出来る。さらに、開口数が低いことによる上記した有利さを加味して、回帰式が示す角度だけ設計の目標値を小さくすれば公差と性能を向上させることが出来る。
【００８０】
このことにより、開口数が０．８５より低い場合は、次の条件式で決まる範囲に、第１面への入射角θを設定することで、さらによい結果が得られる。
【００８１】
θ＜α−（０．８５−ＮＡ）／０．１５×７．１（度） ・・・（５）
【００８２】
ここで、角度αは、５７度以下、好ましくは５７度、より好ましくは５６度、さらにより好ましくは５５度である。
【００８３】
上記をまとめると、レンズの第１面での最大光線の入射角がこれらの条件を満たすと、前記条件（１）〜（３）、すなわち、軸上収差特性、軸外収差特性、偏芯公差による収差増加を同時に満足することが出来る。
【００８４】
さらに補足すると、この非球面レンズは、光軸に対して回転対称なレンズ（共軸光学系）であっても、方向により僅かに非球面形状を変化させたトーリックレンズ（ｔｏｒｉｃ ｌｅｎｓ）のような形状であっても良い。後者の場合も、最大高さの光線が通る各点で、前記した範囲に入っている必要があるのは言うまでもない。
【００８５】
次に、上記したレンズを用いた光ピックアップ、記録装置、再生装置に関する事項の詳細な説明を記載する。
【００８６】
まず、レンズに求められる作動距離に関して、少なくともその作動距離がディスクの面ぶれの最大値より大きいことが望まれる。
【００８７】
理由は、フォーカスサーボが、例えばディスクのディフェクトあるいは外乱振動等に起因するアクシデントではずれた場合であっても、ディスクに衝突する可能性を低く押さえることが出来るためである。なおフォーカスサーボが動作していない状態においては、例えばレンズをディスクから遠ざける方向に待避しておく等の衝突回避策を取ることが出来るので、フォーカスサーボ動作時の上記アクシデントが最も危険が高い状態と言える。
【００８８】
このとき、ディスクのそりの角度をαとして、ディスクが単純なお椀型にそっていると考えると、ディスクの面ぶれ量Ｌは、半径Ｒにおいて、Ｌ＝Ｒ・ｔａｎ（α）となる。
【００８９】
ディスクのそり角は、ディスクの規格で定義されているが、ＣＤにおいて０．６度、ＤＶＤにおいて、０．３度とされている。ディスクの面ぶれは、前述のそり形状の場合最外周で最大になるから、直径１２０ｍｍのディスクにおいて、各々、０．３ｍｍあるいは、０．６ｍｍの面ぶれが生じうる。
【００９０】
ところで、より高密度化を図ったシステムにおいても、ディスク素材はプラスチックであり、ＤＶＤの場合のディスクのそり角をこれ以上改善することは難しい。また、ディスクの最大の面ぶれは、半径に比例する。これより、光ピックアップ、あるいは記録再生装置で用いるディスクの最大の半径をＲとした場合、ディスクの面ぶれＬはＬ＝０．００５・Ｒとなる。
【００９１】
ここで、レンズの作動距離ｄｗは、次の式で求めることが出来る。
【００９２】
ｄｗ＝ｆｂ−ｄ／ｎｄ
【００９３】
ここで、ｄは光ディスクの厚さであり、ｎｄは光ディスクの屈折率である。ｆｂは、次の式で規定される。Ｒ１は、前述の式によって規定されている。
【００９４】
ｆｂ＝ｆ（１−ｔ（ｎ−１）／ｎ／Ｒ１）
【００９５】
すなわち、レンズが厚くなると、作動距離が短くなるが、レンズとして成立するためには、作動距離が有限である必要がある。したがって、レンズ厚さの上限は、作動距離が有限な値である範囲になる。この範囲は、レンズの焦点距離と、厚さと、ディスクの厚さで決まる。
【００９６】
レンズの厚さの範囲は、例えば２ｍｍ以上、３．５ｍｍ以下に設定することができる。
【００９７】
ここにおいて、好ましくは、作動距離ｄＷは、前述したディスクの最大の面ぶれ量Ｌより大きく定める。
【００９８】

【００９９】
したがって、例えば記録再生機で扱うディスクの最大半径が６０ｍｍの時は、作動距離が０．３ｍｍ以上、２５ｍｍの時は、作動距離が０．１２５ｍｍ以上、４０ｍｍの時は、作動距離が０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【０１００】
ところで、作動距離を広くするためには、焦点距離を長くすればよいことが、上記の式より明らかである。しかしながら、焦点距離を長くすることは、レンズの大型化を引き起こし、結果としてピックアップないしは、記録再生装置の大型化を招く。さらには、大きなレンズは、レンズアクチュエーターの周波数特性の向上に不利なため、高転送レートを実現することが困難となる。
【０１０１】
したがって、レンズの焦点距離には好ましい範囲がある。本発明において、焦点距離ｆは、好ましくは１０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは３．５ｍｍ以下である。
【０１０２】
すなわち、光束の大きさ（直径）φは、次の式によって与えられ、開口数（ＮＡ）と焦点距離ｆに依存する。
【０１０３】
φ＝２×ＮＡ×ｆ
【０１０４】
焦点距離が１０ｍｍでＮＡが０．７５のとき、φ＝１５ｍｍとなる。この直径は、多くの光ピックアップ装置がφ＜５ｍｍ程度の光束を用いていることから比べると、大きいといえる。従って、焦点距離は１０ｍｍ以下であることが望まれる。さらに、φ＝５ｍｍとすると、ＮＡ＝０．７５でｆ＝３．３３ｍｍであることから、焦点距離が３．５ｍｍ以下であることがさらに望ましい。
【０１０５】
本発明に係る光ピックアップ装置は、前述の光ディスク用対物レンズを備えるものである。好ましくは、光ピックアップ装置は、前記光ディスク用対物レンズを用いて、光ディスクのトラックに沿って光束を集光して照射し、情報信号の記録又は再生を行う。好ましくは、光ピックアップ装置の結像倍率は０である。
【０１０６】
本発明に係る光ディスクの記録再生装置ないし再生装置は、前述の光ディスク用対物レンズを備えるものである。好ましくは、光ピックアップ装置は、前記光ディスク用対物レンズを用いて、光ディスクのトラックに沿って光束を集光して照射し、情報信号の記録又は再生を行う。好ましくは、光ピックアップ装置の結像倍率は０である。
【０１０７】
以下、本発明に係る光ディスク用対物レンズの実施例を示す。
【０１０８】
実施例では、次のような多項式を用いて非球面を表す。
【０１０９】
Ｚ＝Ｃｈ^２／（１＋（１−（１＋Ｋ）Ｃ^２ｈ^２）^０．５）＋Ａ_４ｈ^４＋Ａ_６ｈ^６＋Ａ_８ｈ^８＋Ａ_１０ｈ^１０＋Ａ_１２ｈ^１２＋Ａ_１４ｈ^１４
【０１１０】
ここで、Ｚは面の頂点からの距離、ｈは光軸からの高さ、Ｋはコーニック定数、Ｃは曲率（＝１／Ｒ）、Ａ_４〜Ａ_１４は４次から１４次の非球面係数である。たとえば、Ａ_４は、ｈの４乗の係数に相当する。
【０１１１】
＜実施例１＞
図４は、実施例１の対物レンズの断面図である。
【０１１２】
対物レンズ１１に入射した光束Ｌは、第１面１と第２面２で屈折し、光ディスク２１の第３面３と透過層を透過して信号記録面に集光される。
【０１１３】
レンズ仕様は、表２の通りである。
【０１１４】
【表２】

【０１１５】
レンズの設計値は、表３の通りである。
【０１１６】
【表３】

【０１１７】
第１面の非球面係数は、表４の通りである。
【０１１８】
【表４】

【０１１９】
第２面の非球面係数は、表５の通りである。
【０１２０】
【表５】

【０１２１】
このレンズの第１面での最大高さの光線の入射角は５３．２５度である。このレンズは、条件（１）と（２）を略満足するアプラナートであり、条件（３）に僅かに誤差が残る。
【０１２２】
このレンズにおいては、軸上での波面収差は、０．００２λと小さく、実用上は無収差と言える値である。軸外０．５度の入射光線に対する波面収差は、０．０２３λと良好な特性を示している。さらに、製造工程で重要な面間の偏芯に関しては、偏芯が３μｍの時、波面収差０．０３６λと非常に良好な値を有している。
【０１２３】
また、作動距離は、０．４６０５ｍｍであり、半径６０ｍｍのディスクを用いた場合の好ましい作動距離である、０．３ｍｍより充分広くなっている。
【０１２４】
図５は縦収差図であり、図６は正弦条件不満足量を示す図であり、図７は非点収差図である。
【０１２５】
＜実施例２＞
図８は、実施例２の対物レンズの断面図である。
【０１２６】
レンズ仕様は、表６の通りである。
【０１２７】
【表６】

【０１２８】
レンズの設計値は、表７の通りである。
【０１２９】
【表７】

【０１３０】
第１面の非球面係数は、表８の通りである。
【０１３１】
【表８】

【０１３２】
第２面の非球面係数は、表９の通りである。
【０１３３】
【表９】

【０１３４】
このレンズの第１面での最高高さの光線の入射角は、５１．４１度である。開口数０．８に対する条件（５）による角度は５２．６３度であるので、この条件を満足している。
【０１３５】
このレンズは、条件（１）と（２）を略満足したアプラナートであり、条件（３）に僅かに誤差が残るが、実用上は無収差と言える。
【０１３６】
軸上での波面収差は、０．００１λと非常に小さく、実用は無収差と言える値である。軸外０．５度の入射光線に対する波面収差は、０．０１３λと良好な特性を示している。さらに、製造公差で重要な面間の偏芯に関しては、偏芯が３μｍの時に波面収差０．０２３λと、非常に良好な値を有している。
【０１３７】
また、作動距離は、０．３９５ｍｍであり、半径６０ｍｍのディスクを用いた場合の好ましい作動距離である、０．３ｍｍより充分広くなっている。
【０１３８】
図９は縦収差図であり、図１０は正弦条件不満足量を示す図であり、図１１は非点収差図である。
【０１３９】
＜実施例３＞
図１２は、実施例３の対物レンズの断面図である。
【０１４０】
対物レンズ１１に入射した光束Ｌは、第１面１と第２面２で屈折し、光ディスク２１の第３面３と透過層を透過して信号記録面に集光される。
【０１４１】
レンズ仕様は、表１０の通りである。
【０１４２】
【表１０】

【０１４３】
レンズの設計値は、表１１の通りである。
【０１４４】
【表１１】

【０１４５】
第１面の非球面係数は、表１２の通りである。
【０１４６】
【表１２】

【０１４７】
第２面の非球面係数は、表１３の通りである。
【０１４８】
【表１３】

【０１４９】
このレンズ仕様から、計算されるＲ１の推奨値、すなわち式（５）におけるＡの値は、０．７３４ｍｍである。この推奨値と実設計値との乖離は、０．５％である。
【０１５０】
このレンズの特性は、ほぼ条件（１）と（２）を満足し、僅かに条件（３）に誤差の残るアプラナートである。
【０１５１】
このレンズにおいては、軸上での波面収差は、０．００２λと小さく、実用上は無収差と言える値である。軸外０．５度の入射光線に対する波面収差は、０．００８λと良好な特性を示している。さらに、製造工程で重要な面間の偏芯に関しては、偏芯が３μｍの時、波面収差０．０３７λと非常に良好な値を有している。
【０１５２】
このレンズの最も高い光線のレンズ内部における角度の正弦は、ｓｉｎ（ｕ１´）＝０．４５である。一方、このレンズ仕様から計算されるｓｉｎ（ｕ１´）の推奨値、すなわち式（６）におけるｓｉｎ（Ｋ）は、０．４３６７である。この推奨値の実設計値からの乖離は３．０％である。
【０１５３】
図１３は縦収差図であり、図１４は正弦条件不満足量を示す図であり、図１５は非点収差図である。
【０１５４】
また、作動距離は、０．１７３５ｍｍであり、半径２５ｍｍのディスクを用いた場合の好ましい作動距離である、０．１２５ｍｍより充分広くなっている。
【０１５５】
次に、光ピックアップ装置の実施例を図１６をもって説明する。光ピックアップ装置３０は、レーザー光源である青色レーザーダイオード（ＬＤ）３１と、ビームスプリッタ３２と、対物レンズ３３と、フォトディテクタ（ＰＤ）及び電流電圧変換器（Ｉ−Ｖ）３４とを有している。
【０１５６】
青色ＬＤ３１は、例えば約４０５ｎｍの青色光（レーザー光）を発する。ビームスプリッタ３２は、青色ＬＤ３２から光ディスク３５に向かう光と、光ディスク３５からＰＤ及びＩ−Ｖ３４に向かう光を分離する。対物レンズ３３は、前述の実施例に示したものを用いる。ＰＤ及びＩ−Ｖ３４は、入射した光を電流に変換し、さらにこの電流を電圧に変換して出力する。
【０１５７】
光ピックアップ装置３０は、光ディスク３５に信号（情報）を記録することができる。すなわち、青色ＬＤ３１は、入力される記録信号によって変調された青色光を発する。この青色光は、ビームスプリッタ３２と対物レンズ３３を介して光ディスク３５に集光される。光ディスク３５においては、光ピックアップ装置３０から照射されたレーザー光の強さによって信号記録面に情報信号が記録される。例えば、光ディスク３５のランド又はグループに、ピット又は相変化によって信号を記録する。
【０１５８】
また、光ピックアップ装置３０は、光ディスク３５から信号を再生することができる。すなわち、青色ＬＤ３１から発した所定の強さの光は、ビームスプリッタ３２と対物レンズ３３を介して光ディスク３５の信号記録面に集光される。光ディスク３５からの反射光は、対物レンズ３３とビームスプリッタ３２を介してＰＤ及びＩ−Ｖ３４に入力され、電圧に変換される。このように、例えば光ディスク３５の信号記録面のランド又はグルーブにピットとして記録された信号は、電圧として出力される。
【０１５９】
次に、光ディスク記録再生装置又は光ディスク再生装置の実施例を図１７をもって説明する。
【０１６０】
光ディスク記録再生装置は、ＰＲＭＬ（Ｐａｒｔｉａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｍａｘｉｍ ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）ブロック５０と、コントローラブロック６０と、記録補償ブロック７０とを有している。また、光ディスク記録再生装置は、前述の光ピックアップ装置３０を有している。さらにこの例では、信号変調方式に１−７ＲＬＬ（Ｒｕｎ Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｉｍｉｔ）を用いている。
【０１６１】
ＰＲＭＬブロック５０は、Ａ／Ｄ変換器５１と、ディジタル等化器５２と、タップ係数制御器５３と、フェーズシフタ５４と、ＰＬＬ５５と、ビタビ検出器５６とを有している。コントローラブロック６０は、１−７ＲＬＬ（Ｒｕｎ Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ）処理部６１を有している。
【０１６２】
ＰＲＭＬブロック５０は、光ピックアップ３０から前置増幅器を介して信号が入力され、ＰＲＭＬ信号処理を施す。コントローラブロック６０は、ＰＲＭＬブロック５０のビタビ復号器５６から信号が入力され、１−７ＲＬＬ処理部６１によって処理を行う。記録補償ブロック７０は、コントローラブロック６０から信号が入力され、この信号に応じてＬＤ駆動部を介して光ピックアップ装置３０の青色ＬＤ３１を駆動制御する。
【０１６３】
このように、光ディスク記録再生装置は、光ディスク３５から光ピックアップ装置３０で読み出した信号に対して所定の復号を施して復調して出力することによって再生する。また、入力された信号に所定の符号化を施して変調し、光ピックアップ３０を介して光ディスク３５に書き込むことによって記録する。なお、光ディスク記録再生装置の有する記録ブロックを設けない光ディスク再生装置として構成することもできる。
【０１６４】
なお、本実施の形態では、光ディスク用対物レンズについて具体的数値を用い説明したが、本発明はこれらの数値に限定されない。本発明は、本発明を逸脱しない範囲で種種の光ディスク用対物レンズに対して適用できる。例えば、本発明は、設計波長４０５ｎｍに限定されず、４５０ｎｍ以下の波長に対して適用することが出来る。また、上記したビームスプリッタの一例として、偏光ビームスプリッタを用いることができる。
【０１６５】
【発明の効果】
上述のように、本発明によると、開口数が０．７５以上で、軸上収差、軸外収差と面間の偏芯収差にすぐれた両面非球面の単レンズによる光ディスクの対物レンズ及びこの対物レンズを用いた光ピックアップ装置、この光ピックアップ装置を用いた光ディスク記録再生装置、光ディスク再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レンズの幾何学的な関係を示す図である。
【図２】最大高さの光線の第１面への入射角度と収差特性の関係を示す図である。
【図３】実際の設計値と回帰式による値を比較して示す図である。
【図４】実施例１の対物レンズの断面図である。
【図５】実施例１の対物レンズの縦収差図である。
【図６】実施例１の対物レンズの正弦条件不満足量を示す図である。
【図７】実施例１の対物レンズの非点収差図である。
【図８】実施例２の対物レンズの断面図である。
【図９】実施例２の対物レンズの縦収差図である。
【図１０】実施例２の対物レンズの正弦条件不満足量を示す図である。
【図１１】実施例２の対物レンズの非点収差図である。
【図１２】実施例３の対物レンズの断面図である。
【図１３】実施例２の対物レンズの縦収差図である。
【図１４】実施例３の対物レンズの正弦条件不満足量を示す図である。
【図１５】実施例３の対物レンズの非点収差図である。
【図１６】光ピックアップ装置の実施例を示す図である。
【図１７】光ディスク記録再生装置の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１面、２ 第２面、１１ 対物レンズ、２１ 光ディスク

Claims (8)

1. 両面が非球面とされた開口数（ＮＡ）が０．７５以上の単レンズであって、最大高さの光線が入射する点における第１面の法線と光軸の成す角が５７度以下であることを特徴とする光ディスク用レンズ。
2. 両面が非球面とされた開口数（ＮＡ）が０．７５以上の単レンズであって、最大高さの光線が入射する点における第１面の法線と光軸の成す角θが次式を満足することを特徴とする光ディスク用対物レンズ。
   θ＜α−（０．８５−ＮＡ）／０．１５×７．１（度）
   ここで、前記αは、５５度、５６度又は５７度の何れか１つである。
3. 結像倍率が０であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ディスク用対物レンズ。
4. 波長４５０ｎｍ以下の光源に適合して設計されたことを特徴とする請求項１又は２記載の光ディスク用対物レンズ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のレンズと、レーザー光源と、フォトディテクタとを有することを特徴とする光ピックアップ装置。
6. 前記レンズは、前記レーザー光源から出射するレーザー光が照射されるべき光ディスクの径に応じて作動距離が次の関係を有する請求項５に記載の光ピックアップ装置。
   作動距離＞０．００５×光ディスク半径
7. 請求項５又は６に記載の光ピックアップ装置と、前記光ピックアップ装置を用いて光ディスクに情報を記録再生する記録再生手段とを有することを特徴とする光ディスク記録再生装置。
8. 請求項５又は６に記載の光ピックアップ装置と、前記光ピックアップ装置を用いて光ディスクに記録されている情報を再生する再生手段とを有することを特徴とする光ディスク再生装置。

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