JP2009176381A

JP2009176381A - 光ピックアップ用対物レンズ

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Publication number: JP2009176381A
Application number: JP2008016052A
Authority: JP
Inventors: Naoki Yamagata; 直樹山形; Shuichi Takeuchi; 修一竹内
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: JP5049149B2

Abstract

【課題】ブルーレイディスク等の記録密度が高い光ディスク用の高ＮＡの対物レンズであって、プラスチックレンズでありながら、加工、測定、コーティング等が容易で、透過率の低下が少ない対物レンズを提供することを目的とする。
【解決手段】対物レンズ１０は、プラスチック製で光源側となる第１面１１及び光ディスク２０側となる第２面１２が共に凸形状の単レンズである。NAは0.75以上であり、第1面には、有効光束径内でサグの二次微分が０となる変曲点を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、従来のＤＶＤ等より記録密度が高いブルーレイディスク等の光ディスクに対する情報の記録再生に用いられる波長４００ｎｍ程度のレーザー光を集光する光ピックアップ用の対物レンズに関する。

この種の対物レンズとしては、例えば特許文献１及び２に記載されたものが知られている。これらの文献に記載された対物レンズは、いずれも単体のガラスレンズである。また、このような対物レンズにより良好なスポットを得るためにはリム強度（対物レンズの光軸付近を通過する光の強度に対する周辺部を通過する光の強度）を大きくする必要がある。特許文献３及び４には、この種の対物レンズのレンズ面に特定の反射防止膜を施すことにより、リム強度を増加させる技術が開示されている。

特開２００３−１１４３８３号公報特開２００５−１５６７１９号公報特開２００４−３９１６１号公報特開２００５−１１４９４号公報

しかしながら、上述した特許文献１〜３に記載された対物レンズは、いずれもガラスレンズであるため、重量が重く、コストも高いという問題がある。

これらの問題を解決するには、プラスチックレンズを用いればよいが、プラスチックはガラスに対して屈折率が低いため、同様の屈折力を得るためにはレンズ面、特に光源側となる第１面の曲率半径が小さくなる。その結果、第１面の面傾斜が周辺部で急勾配となり、製造が困難となる。すなわち、プラスチックレンズは金型を利用した射出成型により製造されるが、金型は旋盤を用いて型を回転させながらバイトで切削して形成される。このとき、面傾斜が急勾配となると、正確な加工が困難になる。また、加工された金型や成型されたレンズを測定する際にも、接触式のプローブで測定すると、中心からの距離に対するサグ量の変化が大きくなるため、半径方向のプローブの僅かな誤差によりサグ量が大きく変化し、正確な測定が難しい。さらには、コーティングを施す場合にも、傾斜が急であると、蒸着源から飛散する蒸着物質の付着性が悪くなり、膜厚が均一にならず、あるいは、屈折率が一定にならない等の不具合が生じる。さらにまた、面傾斜が急であると、透過率が低下し、ジッター等に悪影響を与えるという問題がある。

また、特許文献３に記載された反射防止膜はレンズ材料としてガラスを想定しているため単層であるが、レンズ材料としてプラスチックを用いた場合には、レンズ材料と膜との屈折率の差が小さくなるため、単層では十分な反射防止効果が得られず、リム強度を大きくすることができなくなる。さらに、特許文献４の対物レンズは、角度０度で入射する光の反射率を極小にする波長が最大で６８０ｎｍであるが、このような設定では周辺部の膜厚が不足し、透過率を大きくすることができないため、リム強度を大きくすることができない。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ブルーレイディスク等の記録密度が高い光ディスク用の高ＮＡの対物レンズであって、プラスチックレンズでありながら、加工、測定、コーティング等が容易で、透過率の低下が少ない対物レンズを提供することを第１の目的とする。また、このような対物レンズのリム強度を大きくすることを第２の目的とする。

本発明にかかる光ピックアップ用対物レンズは、上記の第１の目的を達成させるため、プラスチック製で光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面が共に凸形状の単レンズであって、NA0.75以上であり、第1面には、有効光束径内でサグの二次微分が０となる変曲点を含むことを特徴とする。

変曲点の光軸からの瞳高さh(x)は、以下の条件(１)、
0.94 < h(x) ≦ 0.99 …(１)
を満たすことが望ましい。

また、焦点距離fは、以下の条件(２)、
1.15 < f < 1.45 …(２)
を満たすことが望ましい。

また、第1面の変曲点におけるサグの一次微分(SAG1)’を上記対物レンズの屈折率nで割った値(SAG1)’/nは、以下の条件(３)、
1.20 < (SAG1)’/n < 1.65 …(３)
を満たすことが望ましい。

また、第2面のサグの一次微分(SAG2)’を上記対物レンズの屈折率nで割った値(SAG2)’/nの最小値((SAG2)’/n)_MINは、以下の条件(４)、
−0.60 < ((SAG2)’/n)_MIN ≦ −0.10 …(４)
を満たすことが望ましい。

さらに、レンズ厚をd、焦点距離をｆ、屈折率をｎとして、以下の条件(５)、
0.77 < d/(f・n) < 1.10 …(５)
を満たすことが望ましい。

さらにまた、第1面の曲率半径をr1、第2面の曲率半径をr2として、以下の条件(６)、
−1.50 < r1/r2 < −0.60 …(６)
を満たすことが望ましい。

上記の第２の目的を達成するためには、少なくとも第１面に反射防止膜を施し、第１面の中心から有効径の１０％より内側の円形の中心領域における透過率Tcと、第１面の有効径の９０％より外側のリング状の周辺領域における透過率Tpとが以下の条件(７)、
1.00 < Tp/Tc < 1.40 …(７)
を満たし、第１面に施された反射防止膜は、垂直入射光に対する反射率が最小となる波長λ0と、使用するレーザー光のうち最も短い波長λminとが、以下の条件(８)、
1.75 < λ0/λmin <2.00 …(８)
を満たすようにすることが望ましい。

また、使用するレーザー光のうち最も短い波長λminに対する屈折率が１．５８より小さいことが望ましく、さらに、第１面に２層構造の反射防止膜を施し、第２面に２〜４層構造の反射防止膜を施すことが望ましい。

なお、本発明の光ピックアップ光学系は、上記のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズを使用したことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、レンズの第１面の周辺部の面傾斜を緩くすることができ、ブルーレイディスク等の記録密度が高い光ディスク用の高ＮＡの対物レンズであって、プラスチックレンズでありながら、加工、測定、コーティング等が容易で、透過率の低下が少ない対物レンズを提供することができる。また、第１面に条件(７)及び(８)を満たすような反射防止膜を施すことにより、このような対物レンズのリム強度を大きくすることができる。

以下、本発明にかかる光ピックアップ用対物レンズの実施形態を説明する。図１は、実施形態の対物レンズ１０を利用した光ピックアップの光学系を示す。対物レンズ１０は、半導体レーザー１から発してコリメートレンズ２により平行光とされたレーザー光をブルーレイディスク等の光ディスク２０の記録面に収束させてスポットを形成する機能を有する。半導体レーザー１とコリメートレンズ２との間には、ハーフミラー３が配置され、光ディスク２０により反射され、対物レンズ１０及びコリメートレンズ２とを透過した反射光の一部を光検知器４側に向けて反射させる。光検知器４は、公知の受光領域のパターンを備え、光ディスクに記録された信号を再生し、トラッキングエラー信号、フォーカシングエラー信号を検出する。

実施形態の対物レンズ１０は、ＮＡが０．７５以上であり、例えば図２(実施例１)に示すように、プラスチック製で光源側となる第１面１１及び光ディスク２０側となる第２面１２が共に凸形状の単レンズである。また、図２等に示すように、対物レンズ１０の第１面１１は、有効光束径内でサグの二次微分が０となる変曲点を含む。

第１面１１に変曲点を有することにより、第１面の面傾斜が周辺部で急勾配になるのを防ぐことができる。このため、製造、測定、コーティング等が容易となり、透過率の低下を抑えて光量低下によるジッターへの悪影響を低減することができる。

また、対物レンズ１０は、以下の条件(１)〜(６)を満たすよう設計されている。
0.94 < h(x) ≦ 0.99 …(１)
1.15 < f < 1.45 …(２)
1.20 < (SAG1)’/n < 1.65 …(３)
−0.60 < ((SAG2)’/n)_MIN ≦ −0.10 …(４)
0.77 < d/(f・n) < 1.10 …(５)
−1.50 < r1/r2 < −0.60 …(６)
ただし、
h(x)は、変曲点の光軸からの瞳高さ、
fは、焦点距離、
(SAG1)’/nは、第1面の変曲点におけるサグの一次微分(SAG1)’を屈折率nで割った値、
((SAG2)’/n)_MINは、第2面の変曲点におけるサグの一次微分(SAG2)’を屈折率nで割った値(SAG2)’/nの最小値、
dは、レンズ厚、
ｎは、屈折率、
r1は、第1面の曲率半径、
r2は、第2面の曲率半径である。

条件(１)は、変曲点の光軸からの瞳高さを規定する。この条件を満たすことにより、変曲点を周辺部の適切な位置に設定でき、所定のパワーを得ながら、面傾斜が急峻になるのを防ぐことができる。条件(１)の上限を超えると、変曲点が有効径の外側となり、下限を下回ると、変曲点がレンズ中心に近くなり、所定のパワーを保つことが難しくなる。

条件(２)は、対物レンズ１０の焦点距離を規定する。この条件を満たすことにより、光ピックアップに必要な作動距離を確保しつつ、温度変化による収差の劣化を防ぐことができる。すなわち、プラスチックレンズはガラスレンズと比較して温度による屈折率変化が大きく、かつ、発生する球面収差の量は焦点距離に比例するため、上限以下に抑えることにより、温度変化による収差の発生量を抑えることができる。条件(２)の上限を超えると、温度変化による球面収差の発生量が大きくなる。一方、下限を下回ると、作動距離を確保することができなくなる。

条件(３)は、第１面の変曲点でのサグの一次微分に関する値、すなわち、変曲点での面の傾きを規定する。プラスチックレンズはガラスレンズと比較して屈折率が低いため、所定のパワーを得るために面傾斜が急になりやすい。条件(３)を満たすことにより、傾きが過度に急峻になるのを防ぎ、また、レンズのコバ厚が確保できるためレンズ厚が大きくなるのを防ぐことができる。条件(３)の上限を超えると、変曲点での傾きが大きくなり過ぎ、レンズ厚が大きくなる。一方、下限を下回ると、変曲点での傾きが小さくなり過ぎ、所定のパワーを確保することができなくなる。

条件(４)は、第２面のサグの一次微分に関する最小値、すなわち、傾きの最小値を規定する。第２面では凸面のサグの符号がマイナスとなるため、傾きの最小値は、傾きが最も急になる位置での値を示す。この条件(４)を満たすことにより、第２面の傾きが過度に急峻になるのを防ぐことができる。条件(４)の上限を超えると、所定のパワーが得られなくなり、下限を下回ると、第２面の面傾斜が急峻になり、コバ厚が確保できなくなる。

条件(５)は、レンズ厚を規定する。レンズ厚は焦点距離によりスケーリングされるため、かつ、屈折率が低くなるほど必要とするレンズ厚は大きくなるため、分母に焦点距離と屈折率とを含む。この条件を満たすことにより、光ピックアップに必要な作動距離を確保しつつ、レンズ周辺部の厚さ(コバ厚)を確保することができる。条件(５)の上限を超えると、レンズ厚が大きくなりすぎ、作動距離の確保が困難となる。一方、下限を下回ると、レンズ厚が小さくなり過ぎ、コバ厚が確保できなくなる。

条件(６)は、第１面１１と第２面１２とのパワー配分を規定する。この条件を満たすことにより、対物レンズの軸外特性と偏心コマ収差とのバランスをとることができる。軸外特性は、入射する光がレンズ光軸に対して傾いた場合に発生するコマ収差である。焦点距離が条件(２)で決まるため、第１面の曲率半径が決まれば、第２面の曲率半径も一意に決まる。したがって、曲率半径の自由度は１つのみとなり、軸外特性と偏心コマ収差とを同時に補正することはできない。そこで、これらのバランスをとるように曲率半径を決定する。条件(６)の範囲を外れると、軸外特性と偏心コマ収差の補正の両立が困難となる。

また、対物レンズ１０の第１面１１及び第２面１２には、反射防止膜が施されており、第１面１１の中心から有効径の１０％より内側の円形の中心領域における透過率Tcと、第１面の有効径の９０％より外側のリング状の周辺領域における透過率Tpとが以下の条件(７)、
1.00 < Tp/Tc < 1.40 …(７)
を満たす。さらに、第１面１１に形成された反射防止膜は、垂直入射光に対する反射率が最小となる波長λ0と、使用するレーザー光のうち最も短い波長λminとが、以下の条件(８)、
1.75 < λ0/λmin <2.00 …(８)
を満たすようにすることが望ましい。

これらの条件を満たすことにより、中心領域よりも周辺領域の透過率が大きくなり、リム強度を大きくすることができる。条件（７）、（８）の下限を下回る場合には、周辺利用域の透過率が小さく、リム強度を大きくすることができない。また、上限を超える場合には、全体の透過率が小さくなり、光の利用効率が低下する。

また、対物レンズ１０の屈折率は、使用するレーザー光のうち最も短い波長λminに対して１．５８より小さく設定されている。さらに、第１面１１には２層構造の反射防止膜が施され、第２面１２には２〜４層構造の反射防止膜が施されている。プラスチックレンズの屈折率はガラスレンズより小さいため、膜材料との屈折率差が小さく、単層では十分な反射防止効果が得られないことから、２層以上の膜を用いる。第１面１１は第２面１２より面傾斜がきついため、多層膜を施すのが難しく、多層にすると量産時の安定が保てないため、２層構造とする。第２面１２は面傾斜は第１面１１より緩いため、２〜４層構造とすることにより、反射率をより低く抑えることが可能である。ただし、４層より多層となると、第２面１２の面傾斜でも施すのが難しくなり、量産時の安定が保てなくなる。

次に、上述した実施形態に基づく対物レンズ１０の具体的な実施例を５例提示する。

図２は、実施例１の光ピックアップ用対物レンズ１０と光ディスク２０の保護層とを示すレンズ図である。実施例１の対物レンズ１０の具体的な数値構成は、表１に示されている。表中の記号ｆは焦点距離、ＮＡは開口数、mは倍率、ｒは面の曲率半径(単位：ｍｍ)、ｄは面間の光軸上の距離(単位：ｍｍ)、ｎは設計波長における屈折率である。面番号１、２がそれぞれ対物レンズ１０の第１面１１、第２面１２、面番号３、４が光ディスク２０の保護層の両面を示している。

第１面１１及び第２面１２は、いずれも回転対称非球面である。表１の曲率半径は、軸上の値を示している。回転対称非球面は、光軸からの高さがhとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をX(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次〜２２次の偶数次の非球面係数をA₄〜A₂₂として、以下の式(９)で表される。
H(h)=Ch²/(1+√(1-(1+κ)C²h²))+A₄h^４+A₆h^６+A₈h^８+…+A₂₂h²² …(９)
実施例１の対物レンズ１０の円錐係数κ、非球面係数A₄〜A₂₂は、表２に示される。

また、第１面１１及び第２面１２には、共に２層構造の反射防止膜が施されている。各面に施された反射防止膜の具体的な数値構成を以下の表３に示す。表中、第1層はレンズ面に接する層、第2層は第1層の上に重ねて施される層である。第1層はどちらの面についても屈折率2.07の媒質、第2層はどちらの面についても屈折率1.46の媒質を用いている。ただし、膜厚は各面で異なる。その結果、垂直入射の反射率が最小になる波長λ0は各面で異なる。

続いて、実施例１の対物レンズの性能を図３〜図５に示す。図３は、軸上の波面収差、図４は、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)、図５は表３に示す反射防止膜を施した場合の対物レンズの透過率分布特性を示す。中心から有効径の１０％より内側の円形の中心領域における透過率Tcは約６０％、第１面の有効径の９０％より外側のリング状の周辺領域における透過率Tpは約７２％であり、Tp/Tc＝１．２０となり、上記の条件(７)を満たしている。また、第１面の反射防止膜については、λ0/λmin＝１．８０であり、上記の条件(８)を満たしている。その結果、リム強度の大きな対物レンズを提供することができ、スポットを良好に収束させることができる。

図６は、実施例２の光ピックアップ用対物レンズ１０と光ディスク２０の保護層とを示すレンズ図である。実施例２の対物レンズ１０の具体的な数値構成は表４、円錐係数、非球面係数は表５に示されている。また、実施例２の対物レンズ１０の軸上の波面収差を図７、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図８に示す。なお、実施例２〜５についても、実施例１で示した反射防止膜と同一構成の反射防止膜が施されている。

図９は、実施例３の光ピックアップ用対物レンズ１０と光ディスク２０の保護層とを示すレンズ図である。実施例３の対物レンズ１０の具体的な数値構成は表６、円錐係数、非球面係数は表７に示されている。また、実施例３の対物レンズ１０の軸上の波面収差を図１０、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１１に示す。

図１２は、実施例４の光ピックアップ用対物レンズ１０と光ディスク２０の保護層とを示すレンズ図である。実施例４の対物レンズ１０の具体的な数値構成は表８、円錐係数、非球面係数は表９に示されている。また、実施例４の対物レンズ１０の軸上の波面収差を図１３、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１４に示す。

図１５は、実施例５の光ピックアップ用対物レンズ１０と光ディスク２０の保護層とを示すレンズ図である。実施例５の対物レンズ１０の具体的な数値構成は表１０、円錐係数、非球面係数は表１１に示されている。また、実施例５の対物レンズ１０の軸上の波面収差を図１６、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１７に示す。

次に、上記の５つの実施例の対物レンズと前述の条件式(１)〜(６)との関係を以下の表１２に示す。いずれの実施例も全ての条件式(１)〜(６)を満たしている。

本発明の実施形態の対物レンズを利用した光ピックアップの光学系を示す説明図である。本発明の実施例１に係る光ピックアップ用対物レンズの断面図である。実施例１の対物レンズの波面収差図である。実施例１の対物レンズの球面収差、正弦条件違反量を示すグラフである。実施例１の対物レンズの透過率分布特性を示すグラフである。本発明の実施例２に係る光ピックアップ用対物レンズの断面図である。実施例２の対物レンズの波面収差図である。実施例２の対物レンズの球面収差、正弦条件違反量を示すグラフである。本発明の実施例３に係る光ピックアップ用対物レンズの断面図である。実施例３の対物レンズの波面収差図である。実施例３の対物レンズの球面収差、正弦条件違反量を示すグラフである。本発明の実施例４に係る光ピックアップ用対物レンズの断面図である。実施例４の対物レンズの波面収差図である。実施例４の対物レンズの球面収差、正弦条件違反量を示すグラフである。本発明の実施例５に係る光ピックアップ用対物レンズの断面図である。実施例５の対物レンズの波面収差図である。実施例５の対物レンズの球面収差、正弦条件違反量を示すグラフである。

符号の説明

１半導体レーザー
２コリメートレンズ
３ハーフミラー
４光検知器
１０対物レンズ
１１第１面
１２第２面
２０光ディスク

Claims

プラスチック製で光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面が共に凸形状の単レンズであって、NA0.75以上であり、前記第1面には、有効光束径内でサグの二次微分が０となる変曲点を含むことを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。
前記変曲点の光軸からの瞳高さh(x)が、以下の条件(１)、
0.94 < h(x) ≦ 0.99 …(１)
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズ。
焦点距離fが、以下の条件(２)、
1.15 < f < 1.45 …(２)
を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光ピックアップ用対物レンズ。
前記第1面の前記変曲点におけるサグの一次微分(SAG1)’を前記対物レンズの屈折率nで割った値(SAG1)’/nが、以下の条件(３)、
1.20 < (SAG1)’/n < 1.65 …(３)
を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズ。
前記第2面のサグの一次微分(SAG2)’を前記対物レンズの屈折率nで割った値(SAG2)’/nの最小値((SAG2)’/n)_MINが、以下の条件(４)、
−0.60 < ((SAG2)’/n)_MIN ≦ −0.10 …(４)
を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズ。
レンズ厚をd、焦点距離をｆ、屈折率をｎとして、以下の条件(５)、
0.77 < d/(f・n) < 1.10 …(５)
を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズ。
前記第1面の曲率半径をr1、前記第2面の曲率半径をr2として、以下の条件(６)、
−1.50 < r1/r2 < −0.60 …(６)
を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズ。
少なくとも前記第１面に反射防止膜が施され、前記第１面の中心から有効径の１０％より内側の円形の中心領域における透過率Tcと、前記第１面の有効径の９０％より外側のリング状の周辺領域における透過率Tpとが以下の条件(７)、
1.00 < Tp/Tc < 1.40 …(７)
を満たし、前記第１面に施された反射防止膜は、垂直入射光に対する反射率が最小となる波長λ0と、使用するレーザー光のうち最も短い波長λminとが、以下の条件(８)、
1.75 < λ0/λmin <2.00 …(８)
を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズ。
使用するレーザー光のうち最も短い波長λminに対する屈折率が１．５８より小さいことを特徴とする請求項８に記載の光ピックアップ用対物レンズ。
前記第１面及び前記第２面に反射防止膜が施され、前記第１面に施された反射防止膜は２層構造であり、前記第２面に施された反射防止膜は２〜４層構造であることを特徴とする請求項８又は９に記載の光ピックアップ用対物レンズ。
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光ピックアップ用対物レンズを使用した光ピックアップ光学系。