JP4494686B2 - 光ヘッド用対物レンズおよびこれを用いた光ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ディスク等の光記録媒体に対して情報を記録し、再生する光ヘッドに用いられる対物レンズに関し、特に、情報記録密度の大きな光記録媒体に適用されるＮＡ(開口数)が０．７以上の対物レンズに関する。また、この発明は、このような対物レンズを用いた光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の対物レンズのＮＡは、対象となる光記憶媒体の記録密度に応じて設定される。光ディスクとしてＣＤ(コンパクトディスク)を用いる光ヘッドの対物レンズのＮＡは０．４５程度、これより記録密度の大きいＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)を用いる光ヘッドの対物レンズのＮＡは０．６０程度である。
【０００３】
ＣＤやＤＶＤ用の対物レンズには、一般に両面非球面単レンズが用いられる。対物レンズは、入射光束を回折限界のスポットとして収束させるため、球面収差を十分に補正する必要がある。また、組立誤差のマージンを確保するため、軸外コマ収差も補正されている必要がある。このため、従来の両面非球面単レンズである対物レンズは、所定の設計基準状態(一般的には対物レンズに平行光が入射する状態)で球面収差が補正され、かつ、正弦条件を満足するように設計されている。
【０００４】
一方、光ヘッド用の対物レンズは一般に金型を用いて成形されているが、製造上、型の移動時のクリアランスを確保するため、形成される対物レンズの第１面(光源側)と第２面(光ディスク側)との間に0.001mm〜0.004mmの偏心(光軸に垂直な方向への面の相対的なずれ)が発生する。従来のＣＤ用、ＤＶＤ用の対物レンズでは、ＮＡが低く高次収差の発生が少ないことと、焦点距離、作動距離(レンズ最終面とディスク保護層の表面との間隔)等の自由度が大きいため、上記の偏心によるコマ収差を面形状のバランスにより補正することが可能である。
【０００５】
これに対して近時、記録密度をＤＶＤより高めた光ディスクが提案されており、このような光ディスクに対応するためには対物レンズのＮＡは０．７０以上必要となる。しかしながら、レンズ径を大きくせずにＮＡを高めるために焦点距離を短くし、かつ、所定の作動距離を確保しようとすると、面形状に対する設計の自由度が少なくなり、偏心コマ収差を補正することができなくなる。ＮＡ０．７０以上の対物レンズでは、0.004mmの面の偏心により発生する収差は許容範囲を大きく上回り、対物レンズとして使用することができなくなる。
【０００６】
そこで、特開平１１−１９０８１８号公報には、２枚構成とすることにより、偏心コマ収差、球面収差を低く抑えつつ高ＮＡを確保した対物レンズが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、対物レンズを２枚構成とすると、重量、容積が単レンズの場合より大きくなるため、従来の単レンズ用に設計されたファインアクチュエータ（対物レンズを光軸方向へ駆動してフォーカシングするための機構）を流用することができない。また、２枚のレンズを軸合わせして枠に固定しなければならないので、組立工程数、部品点数が多くなる。さらに、上記の公報に記載された対物レンズの作動距離(レンズ最終面とディスク保護層の表面との間隔)は３．５〜５０μｍとなり、同じ焦点距離を有する単体の対物レンズと比較して極めて小さくなるといった問題がある。
【０００８】
この発明は、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、ＮＡ０．７０以上の用途に用いられる対物レンズであり、単レンズでありながら、偏心コマ収差を良好に補正することが可能な光ヘッド用対物レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ヘッド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、入射光束を収束させることにより光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する構成において、ＮＡ０．７０以上の単レンズであって、光軸に対して垂直な方向へのレンズ面の偏心により発生する収差が、光軸および入射光束の中心軸に対する保護層の相対的な傾きにより発生する収差とほぼ相似形であることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、対物レンズのレンズ面が偏心している場合にも、対物レンズの光軸と入射光の中心軸に対して保護層を傾けることにより、偏心により発生したコマ収差を相殺することができる。
【００１１】
このような対物レンズの設計思想について説明する。
従来の設計方法で正弦条件を満たす両面非球面単レンズでレンズ面が偏心した際に発生するコマ収差には、３次の成分と、より高次の成分とが含まれる。これに対して、光記録媒体の保護層が光軸および入射光の中心軸に対して傾いた場合には、ほぼ３次のコマ収差が発生する。したがって、従来の設計では、レンズ面の偏心により発生したコマ収差を、保護層の傾きにより補正しようとしても高次の成分が残留し、良好に補正することはできない。
【００１２】
ここで、両面非球面単レンズの設計の自由度について考える。自由度は、第１面の近軸曲率半径ｒ1、第２面の近軸曲率半径ｒ2、厚さｄ、屈折率ｎ、第１面の非球面形状ASP１、第２面の非球面形状ASP2の６つである。
【００１３】
このうち、仕様により求められる焦点距離ｆを実現するために１つの自由度が使われる。例えば、ここでは第２面の近軸曲率半径ｒ2が焦点距離を決めるためにある値に設定されるものとする。また、屈折率ｎは材料の種類により決まるため、自由に変更できず、厚さｄはレンズの周辺部の厚さと作動距離とを確保できる条件の中で変更可能な幅が小さい。したがって、変更が容易な自由度は、両面の非球面形状APS1,APS2と、第１面の近軸曲率半径ｒ1の３つとなる。
【００１４】
これらの３つの自由度では、球面収差、コマ収差、偏心コマ収差を全て０にすることはできない。すなわち、非球面形状のいずれか一方で高次まで含む球面収差を補正でき、もう一方の非球面形状で高次を含むコマ収差の補正ができる。しかし、残る第１面の近軸曲率半径ｒ1の設定では、第１面と第２面のパワー配分の自由度で偏心コマ収差の発生量を変化させることはできるが、３次の偏心コマ収差と高次の偏心コマ収差とを同時に小さくすることができない。
【００１５】
光ヘッド用対物レンズでは、球面収差の補正は必須であるので、軸外コマ収差の補正と、偏心コマ収差の補正とのバランスがトレードオフの関係になる。上記のように光記録媒体を相対的に傾けてコマ収差を補正する場合、３次の偏心コマ収差は補正可能であるため、３次の偏心コマ収差の発生を許容し、高次の偏心コマ収差を出さないような設計が望ましいことになる。
【００１６】
以下、このような設計について具体的に説明する。
平行平面である保護層が集光光束中で１rad傾いたときに発生する波面収差の発生量を波面収差の感度Ｓｗdとすると、Ｓｗdは、傾きのない基準状態での保護層への光線の入射角度をθ、保護層の厚さをｔ、屈折率をｎd、入射光の波長をλとして、以下の式(ａ)で表される。
Ｓｗd＝ｔ(−sinθ／ｎd＋sinθcosθ/(√(ｎd 2−sin2θ))) …(ａ)
対物レンズから射出した光線が光軸に対してなす角度の正弦(sin)をＮＡとすると、sinθ＝ＮＡとなるので、上の式は、以下の式(Ｂ)の通りとなる。
Ｓｗd＝ｔＮＡ(−１／ｎd＋√(１−ＮＡ2)/√(ｎ2−ＮＡ2)) …(Ｂ)
【００１７】
これに対し、対物レンズのレンズ面が光軸に対して垂直にΔｈだけ偏心した際に発生する収差は、その表面の形状に依存する。ここでは、簡単のため光軸を通り、レンズ面の偏心の方向と一致する平面内の収差を議論する。
【００１８】
回転対称な非球面を光軸からの距離ｈの点の光軸方向のサグ量で定義する関数をｇ(ｈ)とすると、ｇ(ｈ)をｈで微分したｇ'(ｈ)が面の傾きになる。面の偏心前後の位置の光軸方向のズレ量は偏心量Δｈに対してｇ'(ｈ)Δｈとなり、高さｈの点に入射する光線の光路長はこのズレ量ｇ'(ｈ)Δｈの分だけ変化する。
【００１９】
一般に、屈折率ｎ、厚さｔ(面に垂直な方向に向かった厚さ)の平行平面板に入射角度θで入射する光線が受ける光路長付加は
ｔ(−cosθ＋√(ｎ2−sin2θ))
で与えられる。光ヘッド用対物レンズの場合は、一般に第１面に入射する光線はほぼ光軸に対して平行であるため、第１面に対する入射角度をθとすると、tanθ＝ｇ'(ｈ)の関係がある。
【００２０】
これらをまとめると、対物レンズの第１面に光軸からの距離ｈで入射する光線に対するレンズ面の偏心による波面収差の付加は、以下の式(Ｃ)で表される。
Δｈｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2) …(Ｃ)
ただし、上の式(Ｃ)には、波面収差の近軸の１次成分が含まれるが、これは波面の偏心収差ではないので差し引く必要がある。差し引き分は、ｇ(ｈ)の近軸曲率をｃとしてｈ(ｎ−１)ｃとなる。このため、レンズ面の偏心により発生する実際の波面収差は、以下の式(Ｄ)の通りとなる。
Δｈｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2)−ｈ(ｎ−１)ｃ) …(Ｄ)
【００２１】
波面収差の単位をλとする場合は波長で割ればよい。レンズ面の偏心１ｍｍにより発生する波面収差の波面収差の感度Ｓｗoとすると、Ｓｗoは、以下の式(Ｅ)の通りとなる。
Ｓｗo＝ｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2)−ｈ(ｎ−１)ｃ) …(Ｅ)
微分値ｇ'(ｈ)を簡単のためＸとすると、上の式(Ｅ)は以下の式(Ｆ)の通りとなる。
Ｓｗo＝X/(1＋X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2−1)X2))−h(no−1)ｃ…(Ｆ)
【００２２】
上記の式(Ｂ)により求められるＳｗdと、式(Ｆ)により求められるＳｗoとが比例関係にあれば、対物レンズのレンズ面の偏心により発生したコマ収差を、保護層の傾きにより補正することが可能となる。すなわち、
(X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)
≒−α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) …(G)
を満たすように対物レンズの第１面の形状(近軸曲率半径ｒ1(１／ｃ)と非球面形状APS1)を決定すれば、レンズ面の偏心により発生する収差のほとんどを保護層の傾きによって補正できる。
【００２３】
そこで、この発明の光ヘッド用対物レンズは、以下の条件(１)を満たすことが望ましい。
-0.01 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.01 …(１)
【００２４】
条件(１)の中間項の値は、保護層の傾きによって偏心コマ収差を補正した場合に、第１面と第２面の相対偏心量1mmあたり何mmの波面収差が残留するかを示す。偏心0.004mmの場合に条件(１)の中間項の値を-0.01から0.01にすることは、波面収差を0.00004mm以内に収めることであり、波長を0.0004mmと考えると-0.1λから0.1λの範囲に波面収差を収めるための条件である。さらに以下の条件(4)の範囲を満足するレンズであれば偏心収差については問題なくなる。
-0.005 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.005 …(４)
【００２５】
また、以下の条件(２)を満たすことが望ましい。
0.08 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ) ＜ 0.30 …(２)
条件(２)は、対物レンズの面偏心の際には決まった範囲の量の偏心コマ収差が発生することが好ましいことを示している。条件(２)の下限を下回る場合には、レンズ面の偏心によるコマ収差が十分に小さく、偏心コマ収差の補正上は好ましいが、前述のように、偏心収差は軸外のコマ収差の補正とトレードオフの関係にあり、下限を下回るとコマ収差の高次成分が大きくなる。一方上限を超える場合には、補正後の収差の残留が大きくなる。特に、高ＮＡレンズの場合には上限を超えないことが重要である。
【００２６】
条件(１)の中間項に含まれる比例定数αは、以下の条件(３)を満たすことが望ましい。
５＜α＜１２ …(３)
比例定数αは、レンズ面の偏心による収差変化と、保護層の傾きによる収差変化の感度の比であり、偏心1mmに対して何rad.の保護層の傾きが必要かを与える。αの値が０に近いほど全系の調整の際に傾き量が少なくなるが、条件(３)の下限を下回ると、軸外コマ収差の高次成分を補正できなくなる。条件(３)を満たすことにより、収差バランスを整えることができる。
【００２７】
一方、この発明にかかる光ヘッドは、レーザー光を発する光源部と、光源部からのレーザー光を光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する上記の対物レンズと、この対物レンズの光軸および入射光の中心軸に対する保護層の傾きを調整する調整手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ヘッド用対物レンズ、およびこれを備える光ヘッドの実施形態を説明する。最初に、図１に基づいて実施形態の光ヘッドを含む光ディスク装置の構成について説明する。実施形態の光ヘッドは、ＤＶＤ等よりも高密度の光ディスクに対して用いられるものであり、対物レンズのＮＡは０．７０以上、使用するレーザー光は波長４０５ｎｍの青色光である。
【００２９】
図１に示される光ディスク装置は、本体ケース１と、この本体ケース内に固定されて光ディスク１０を回転可能に支持するスピンドルモータ２と、光ディスク１０に対する情報の記録再生をするための光ヘッド２０とを備えている。光ディスク１０は、情報が記録される記録層１１と、この記録層の光入射側の面を保護するために記録層１１を覆って設けられた透明な保護層１２とから構成されている。
【００３０】
光ヘッド２０は、本体ケース１に固定された光源部２０Ａと、本体ケース１に固定されたガイドレール３に沿って光ディスクの半径方向Ｒにスライド可能な可動部２０Ｂとから構成される。光源部２０Ａには、レーザー光を発する半導体レーザー２１と、この半導体レーザー２１から発する発散光をほぼ平行光にするコリメートレンズ２２とが配置されている。一方、可動部２０Ｂには、レーザー光を光ディスク１０側に向けて反射させるミラー２３と、反射されたレーザー光を保護層１２を介して記録面１１上に収束させる対物レンズ２４とが設けられている。対物レンズ２４は、トラッキング、フォーカシングのために対物レンズアクチュエータ２５に搭載されている。なお、光源部２０Ａには、光ディスクからの反射光を受光して各種の信号を出力する検出光学系が設けられているが、ここでは図示を省略する。
【００３１】
可動部２０Ｂは、構造的には、ミラー２３、対物レンズアクチュエータ２５が配置された光学ベース２６と、スライドレール３に取り付けられて図中上部に光学ベース２６を搭載したスライドベース２７とから構成される。スライドベース２７は、光学ベース２６の傾きを調整する傾き調整手段としての機能を備えており、コリメートレンズ２２の光軸および対物レンズ２４の光軸を含む平面に対して垂直な軸(図１の紙面に垂直な軸)の回りに矢印Ｔ方向に光学ベースの傾きを調整することができる。
【００３２】
ミラー２３と対物レンズ２４とは、対物レンズ２４の光軸が光ディスク１０に対して垂直になる基準状態では図中実線で示した位置にあり、光学ベース２６が傾けられると、例えば破線で示した位置に変位する。なお、図１では、図面が複雑になるのを防ぐため、傾き後についてはミラー２３と対物レンズ２４のみを示しているが、実際には対物レンズアクチュエータ２５や光学ベース２６も一体になって傾く。
【００３３】
なお、光軸と光ディスクとを相対的に傾ける傾き調整機構を設けるとしても、全方向への傾きを可能とすることは機構に対する負担が大きく、機構の大型化やコストアップを招く。したがって、傾き調整機構には、１方向のみの傾きを調整できるようにしておき、レンズに生じた面の偏心の方向を、傾き調整機構の調整方向に一致させることが望ましい。
【００３４】
そこで、対物レンズの製造時に、面の偏心がいずれの方向に生じているのかを調べ、レンズの周縁等にマーキングを付しておくとよい。プラスチックの射出成形により形成されるレンズの場合には、製造ロットにより面の偏心の方向が一定するため、製造ロット毎にいくつかのレンズをサンプルとして測定し、偏心の方向を求めて全てのレンズに求められた方向を示すマーキングを付しておく。ガラスレンズの場合には、偏心の方向が一定しないため、全数を測定してマーキングしておく必要がある。
【００３５】
対物レンズ２４は、ＮＡ０．７０以上で、第１面、第２面の両面が非球面の単レンズであり、第１面と第２面との偏心により発生するコマ収差が、光ディスクの傾きにより発生するコマ収差とほぼ相似形となるよう面形状が設定されている。具体的には、偏心により発生するコマ収差をほぼ３次の成分となるよう、すなわちより高次の成分が発生しないよう設定されている。
【００３６】
また、対物レンズ２４の焦点距離をｆ、レンズ第１面の光軸からの距離ｈでの光軸方向のサグ量を関数ｇ(h)と表し、関数ｇ(h)を距離ｈで微分した関数ｇ'(ｈ)をＸと表記して、さらにＸをｈで微分した関数の光軸上での値をｃとして、対物レンズの屈折率をｎo、ディスク保護層の屈折率をｎd、ディスク保護層の光軸上厚さをｔ、ｈ／ｆで定義される光軸からの距離に比例する関数ＮＡ(ｈ)＝ｈ／ｆ 、第１面の最大有効光束半径ｈmaxとして０＜ｈ≦hmaxの領域で下記の条件(１)、より望ましくは条件(４)を満足する比例係数αが存在する。
-0.01 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.01 …(１)
-0.005 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.005 …(４)
【００３７】
さらに、第１面の最大有効光束半径ｈmaxとしてｈ＝hmaxのとき、以下の条件(２)、
0.08 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ) ＜ 0.30 …(２)
を満たす。条件(１)に含まれる比例定数αは、
以下の条件(３)、
５＜α＜１２ …(３)
を満たしている。
【００３８】
次に、上述した実施形態に基づく具体的な実施例を７例提示する。いずれも保護層の厚さが０．１ｍｍの光ディスク１０に適用される光ヘッド用の対物レンズである。
【００３９】
【実施例１】
図２は、実施例１にかかる対物レンズ２４と光ディスク１０の保護層１２とを示すレンズ図である。実施例１の対物レンズの具体的な数値構成は表１に示される。表中、ｆは焦点距離、ＮＡは開口数、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は使用波長４０５ｎｍ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２０の第１面２１、第２面２２、面番号３，４が光ディスク１０の保護層１２の両面を示している。
【００４０】
第１面２１、第２面２２は、共に光軸回りの回転対称な非球面である。非球面の形状は、光軸からの距離が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ｇ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。これらの係数は表２に示される。
ｇ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+K)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
図３は、実施例１の対物レンズ２４の基準状態(対物レンズの第１面と第２面との間に偏心がなく、対物レンズの光軸が光ディスク１０に対して垂直な状態)での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量(以下、図中では単に正弦条件と示す)ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。グラフ(Ａ)の横軸は収差の発生量を示し(単位：ｍｍ)、縦軸は開口数ＮＡを示す。グラフ(Ｂ)の縦軸は収差の発生量(単位：波長)、横軸は光軸からの距離を示す。
【００４４】
実施例１の構成で、対物レンズ２４の第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズ２４の光軸が光ディスク１０に対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して図４(Ａ)に示すように波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.189λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００４５】
ここで、光学ベース２６を傾けることにより、対物レンズ２４の光軸を光ディスクの法線に対して1.773°傾けると、波面の乱れは図４(Ｂ)に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。このように、光軸に対して垂直な方向へのレンズ面の偏心により発生する収差が、光軸および入射光束の中心軸に対する保護層の相対的な傾きにより発生する収差とほぼ相似形となるような対物レンズを利用すると、その光軸を入射光と共に光ディスクに対して傾けることにより、対物レンズの面の偏心により発生した偏心コマ収差を良好に補正することができる。
【００４６】
【実施例２】
次に実施例２の対物レンズについて説明する。実施例２以下では、対物レンズの形状は実施例１の対物レンズ２４とほぼ同様であり、図面上は区別がつかないため、レンズ図は省略する。実施例２の対物レンズの基本的な数値構成を表３に、非球面に関する係数を表４に示す。
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
図５は、実施例２の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例２の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.193λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００５０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.810°傾けると、波面の乱れは図６に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.012λとなって十分な性能が得られる。
【００５１】
【実施例３】
実施例３の対物レンズの基本的な数値構成を表５に、非球面に関する係数を表６に示す。
【００５２】
【表５】
【００５３】
【表６】
【００５４】
図７は、実施例３の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例３の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.179λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００５５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.706°傾けると、波面の乱れは図８に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.014λとなって十分な性能が得られる。
【００５６】
【実施例４】
実施例４の対物レンズの基本的な数値構成を表７に、非球面に関する係数を表８に示す。
【００５７】
【表７】
【００５８】
【表８】
【００５９】
図９は、実施例４の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例４の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.208λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００６０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.924°傾けると、波面の乱れは図１０に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。
【００６１】
【実施例５】
実施例５の対物レンズの基本的な数値構成を表９に、非球面に関する係数を表１０に示す。
【００６２】
【表９】
【００６３】
【表１０】
【００６４】
図１１は、実施例５の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例５の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.230λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００６５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して2.076°傾けると、波面の乱れは図１２に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.014λとなって十分な性能が得られる。
【００６６】
【実施例６】
実施例６の対物レンズの基本的な数値構成を表１１に、非球面に関する係数を表１２に示す。
【００６７】
【表１１】
【００６８】
【表１２】
【００６９】
図１３は、実施例６の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例６の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.247λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００７０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して2.199°傾けると、波面の乱れは図１４に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。
【００７１】
【実施例７】
実施例７の対物レンズの基本的な数値構成を表１３に、非球面に関する係数を表１４に示す。
【００７２】
【表１３】
【００７３】
【表１４】
【００７４】
図１５は、実施例７の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例７の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.153λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００７５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.893°傾けると、波面の乱れは図１６に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.021λとなって十分な性能が得られる。
【００７６】
次に、前述の条件(１)〜(３)と各実施例との関係について説明する。条件(４)は、条件(１)の範囲を狭めたものであるため、条件(１)と共に説明する。条件(１)の不等号に挟まれた中間項の値は、比例定数αの値を定めなければ求められない。比例定数αは、条件(１)の中間項の前半部分である対物レンズの面の偏心による収差成分の値と、後半部分である光軸と光ディスクとの傾きによる収差成分の値との和が、あらゆる光軸からの距離ｈに対して０に近づくように、すなわち、各距離における中間項の値の総和が最も０に近づく値として決定される。
【００７７】
以下の表１５は、条件(２)の中間項の値と、条件(３)に示される比例定数αの値とを各実施例毎に示す。また、表１６は、表１５に示した比例定数を用いて計算した条件(１)の中間項の値を瞳座標に応じて示している。瞳座標は、対物レンズ瞳の最外周の光軸からの距離をｈMAX、光線が通る実際の光軸からの距離をｈとしたときに、ｈ／ｈMAXにより求められる比率であり、表１６は、各瞳座標を通る光線の収差量を示している。
【００７８】
【表１５】
条件 (2) (3)
実施例１ 0.1531 7.735
実施例２ 0.1570 7.896
実施例３ 0.1456 7.400
実施例４ 0.1673 8.396
実施例５ 0.1855 9.060
実施例６ 0.1949 9.595
実施例７ 0.1228 8.260
【００７９】
【表１６】
瞳座標 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 実施例５ 実施例６ 実施例７
1.00 -0.0016 -0.0008 -0.0024 -0.0015 0.0034 0.0021 -0.0036
0.90 -0.0005 -0.0011 0.0009 -0.0001 -0.0039 -0.0018 0.0025
0.80 0.0028 0.0020 0.0039 0.0017 -0.0021 -0.0014 0.0030
0.70 0.0023 0.0020 0.0041 0.0020 -0.0006 -0.0009 0.0019
0.60 0.0010 0.0011 0.0032 0.0015 0.0000 -0.0006 0.0009
0.50 0.0003 0.0005 0.0020 0.0010 0.0001 -0.0004 0.0003
0.40 0.0000 0.0002 0.0011 0.0005 0.0001 -0.0002 0.0001
0.30 0.0000 0.0000 0.0005 0.0002 0.0001 -0.0001 0.0000
0.20 0.0000 0.0000 0.0001 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000
0.10 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
0.00 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
【００８０】
表１６に示すように、各実施例とも、全ての距離について条件(１)、およびより厳しい条件(４)を満たしており、対物レンズの偏心により生じたコマ収差を対物レンズの光軸を光ディスクに対して傾けることにより良好に補正することができる。また、表１５に示されるように、各実施例とも、条件(２)、(３)を満たしており、対物レンズの面の偏心により発生する偏心コマ収差と、軸外コマ収差とのバランスをとることができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、偏心コマ収差と、軸外コマ収差とのバランスを適切に設定することにより、対物レンズの面の偏心に起因して発生する偏心コマ収差を、対物レンズの光軸および入射光の中心軸に対して光記録媒体の保護層を傾けることにより補正することができる。また、傾き調整手段を設けることにより、面形状等の誤差に対する許容幅が広がるため、加工の難しい高ＮＡの対物レンズを単レンズで構成することができ、従来の２枚構成の対物レンズと比較するとレンズの重量、容積を削減し、ファインアクチュエータの負担を軽減すると共に、十分な作動距離を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかる光ヘッドを含む光ディスク装置の構成を概念的に示す説明図である。
【図２】 実施例１にかかる対物レンズと光ディスクの保護層とを示すレンズ図である。
【図３】 実施例１にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図４】 実施例１の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の波面収差を示すグラフであり、(Ａ)は補正前、(Ｂ)は補正後の収差を示す。
【図５】 実施例２にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図６】 実施例２の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図７】 実施例３にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図８】 実施例３の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図９】 実施例４にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１０】 実施例４の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１１】 実施例５にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１２】 実施例５の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１３】 実施例６にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１４】 実施例６の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１５】 実施例７にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１６】 実施例７の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 本体ケース
２ スピンドルモータ
１０ 光ディスク
１２ 保護層
２０ 光ヘッド
２１ 半導体レーザー
２２ コリメートレンズ
２４ 対物レンズ
２６ 光学ベース
２７ スライドベース
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ディスク等の光記録媒体に対して情報を記録し、再生する光ヘッドに用いられる対物レンズに関し、特に、情報記録密度の大きな光記録媒体に適用されるＮＡ(開口数)が０．７以上の対物レンズに関する。また、この発明は、このような対物レンズを用いた光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の対物レンズのＮＡは、対象となる光記憶媒体の記録密度に応じて設定される。光ディスクとしてＣＤ(コンパクトディスク)を用いる光ヘッドの対物レンズのＮＡは０．４５程度、これより記録密度の大きいＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)を用いる光ヘッドの対物レンズのＮＡは０．６０程度である。
【０００３】
ＣＤやＤＶＤ用の対物レンズには、一般に両面非球面単レンズが用いられる。対物レンズは、入射光束を回折限界のスポットとして収束させるため、球面収差を十分に補正する必要がある。また、組立誤差のマージンを確保するため、軸外コマ収差も補正されている必要がある。このため、従来の両面非球面単レンズである対物レンズは、所定の設計基準状態(一般的には対物レンズに平行光が入射する状態)で球面収差が補正され、かつ、正弦条件を満足するように設計されている。
【０００４】
一方、光ヘッド用の対物レンズは一般に金型を用いて成形されているが、製造上、型の移動時のクリアランスを確保するため、形成される対物レンズの第１面(光源側)と第２面(光ディスク側)との間に0.001mm〜0.004mmの偏心(光軸に垂直な方向への面の相対的なずれ)が発生する。従来のＣＤ用、ＤＶＤ用の対物レンズでは、ＮＡが低く高次収差の発生が少ないことと、焦点距離、作動距離(レンズ最終面とディスク保護層の表面との間隔)等の自由度が大きいため、上記の偏心によるコマ収差を面形状のバランスにより補正することが可能である。
【０００５】
これに対して近時、記録密度をＤＶＤより高めた光ディスクが提案されており、このような光ディスクに対応するためには対物レンズのＮＡは０．７０以上必要となる。しかしながら、レンズ径を大きくせずにＮＡを高めるために焦点距離を短くし、かつ、所定の作動距離を確保しようとすると、面形状に対する設計の自由度が少なくなり、偏心コマ収差を補正することができなくなる。ＮＡ０．７０以上の対物レンズでは、0.004mmの面の偏心により発生する収差は許容範囲を大きく上回り、対物レンズとして使用することができなくなる。
【０００６】
そこで、特開平１１−１９０８１８号公報には、２枚構成とすることにより、偏心コマ収差、球面収差を低く抑えつつ高ＮＡを確保した対物レンズが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、対物レンズを２枚構成とすると、重量、容積が単レンズの場合より大きくなるため、従来の単レンズ用に設計されたファインアクチュエータ（対物レンズを光軸方向へ駆動してフォーカシングするための機構）を流用することができない。また、２枚のレンズを軸合わせして枠に固定しなければならないので、組立工程数、部品点数が多くなる。さらに、上記の公報に記載された対物レンズの作動距離(レンズ最終面とディスク保護層の表面との間隔)は３．５〜５０μｍとなり、同じ焦点距離を有する単体の対物レンズと比較して極めて小さくなるといった問題がある。
【０００８】
この発明は、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、ＮＡ０．７０以上の用途に用いられる対物レンズであり、単レンズでありながら、偏心コマ収差を良好に補正することが可能な光ヘッド用対物レンズを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ヘッド用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、入射光束を収束させることにより光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する構成において、ＮＡ０．７０以上の単レンズであって、光軸に対して垂直な方向へのレンズ面の偏心により発生する収差が、光軸および入射光束の中心軸に対する保護層の相対的な傾きにより発生する収差とほぼ相似形であることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、対物レンズのレンズ面が偏心している場合にも、対物レンズの光軸と入射光の中心軸に対して保護層を傾けることにより、偏心により発生したコマ収差を相殺することができる。
【００１１】
このような対物レンズの設計思想について説明する。
従来の設計方法で正弦条件を満たす両面非球面単レンズでレンズ面が偏心した際に発生するコマ収差には、３次の成分と、より高次の成分とが含まれる。これに対して、光記録媒体の保護層が光軸および入射光の中心軸に対して傾いた場合には、ほぼ３次のコマ収差が発生する。したがって、従来の設計では、レンズ面の偏心により発生したコマ収差を、保護層の傾きにより補正しようとしても高次の成分が残留し、良好に補正することはできない。
【００１２】
ここで、両面非球面単レンズの設計の自由度について考える。自由度は、第１面の近軸曲率半径ｒ1、第２面の近軸曲率半径ｒ2、厚さｄ、屈折率ｎ、第１面の非球面形状ASP１、第２面の非球面形状ASP2の６つである。
【００１３】
このうち、仕様により求められる焦点距離ｆを実現するために１つの自由度が使われる。例えば、ここでは第２面の近軸曲率半径ｒ2が焦点距離を決めるためにある値に設定されるものとする。また、屈折率ｎは材料の種類により決まるため、自由に変更できず、厚さｄはレンズの周辺部の厚さと作動距離とを確保できる条件の中で変更可能な幅が小さい。したがって、変更が容易な自由度は、両面の非球面形状APS1,APS2と、第１面の近軸曲率半径ｒ1の３つとなる。
【００１４】
これらの３つの自由度では、球面収差、コマ収差、偏心コマ収差を全て０にすることはできない。すなわち、非球面形状のいずれか一方で高次まで含む球面収差を補正でき、もう一方の非球面形状で高次を含むコマ収差の補正ができる。しかし、残る第１面の近軸曲率半径ｒ1の設定では、第１面と第２面のパワー配分の自由度で偏心コマ収差の発生量を変化させることはできるが、３次の偏心コマ収差と高次の偏心コマ収差とを同時に小さくすることができない。
【００１５】
光ヘッド用対物レンズでは、球面収差の補正は必須であるので、軸外コマ収差の補正と、偏心コマ収差の補正とのバランスがトレードオフの関係になる。上記のように光記録媒体を相対的に傾けてコマ収差を補正する場合、３次の偏心コマ収差は補正可能であるため、３次の偏心コマ収差の発生を許容し、高次の偏心コマ収差を出さないような設計が望ましいことになる。
【００１６】
以下、このような設計について具体的に説明する。
平行平面である保護層が集光光束中で１rad傾いたときに発生する波面収差の発生量を波面収差の感度Ｓｗdとすると、Ｓｗdは、傾きのない基準状態での保護層への光線の入射角度をθ、保護層の厚さをｔ、屈折率をｎd、入射光の波長をλとして、以下の式(ａ)で表される。
Ｓｗd＝ｔ(−sinθ／ｎd＋sinθcosθ/(√(ｎd 2−sin2θ))) …(ａ)
対物レンズから射出した光線が光軸に対してなす角度の正弦(sin)をＮＡとすると、sinθ＝ＮＡとなるので、上の式は、以下の式(Ｂ)の通りとなる。
Ｓｗd＝ｔＮＡ(−１／ｎd＋√(１−ＮＡ2)/√(ｎ2−ＮＡ2)) …(Ｂ)
【００１７】
これに対し、対物レンズのレンズ面が光軸に対して垂直にΔｈだけ偏心した際に発生する収差は、その表面の形状に依存する。ここでは、簡単のため光軸を通り、レンズ面の偏心の方向と一致する平面内の収差を議論する。
【００１８】
回転対称な非球面を光軸からの距離ｈの点の光軸方向のサグ量で定義する関数をｇ(ｈ)とすると、ｇ(ｈ)をｈで微分したｇ'(ｈ)が面の傾きになる。面の偏心前後の位置の光軸方向のズレ量は偏心量Δｈに対してｇ'(ｈ)Δｈとなり、高さｈの点に入射する光線の光路長はこのズレ量ｇ'(ｈ)Δｈの分だけ変化する。
【００１９】
一般に、屈折率ｎ、厚さｔ(面に垂直な方向に向かった厚さ)の平行平面板に入射角度θで入射する光線が受ける光路長付加は
ｔ(−cosθ＋√(ｎ2−sin2θ))
で与えられる。光ヘッド用対物レンズの場合は、一般に第１面に入射する光線はほぼ光軸に対して平行であるため、第１面に対する入射角度をθとすると、tanθ＝ｇ'(ｈ)の関係がある。
【００２０】
これらをまとめると、対物レンズの第１面に光軸からの距離ｈで入射する光線に対するレンズ面の偏心による波面収差の付加は、以下の式(Ｃ)で表される。
Δｈｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2) …(Ｃ)
ただし、上の式(Ｃ)には、波面収差の近軸の１次成分が含まれるが、これは波面の偏心収差ではないので差し引く必要がある。差し引き分は、ｇ(ｈ)の近軸曲率をｃとしてｈ(ｎ−１)ｃとなる。このため、レンズ面の偏心により発生する実際の波面収差は、以下の式(Ｄ)の通りとなる。
Δｈｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2)−ｈ(ｎ−１)ｃ) …(Ｄ)
【００２１】
波面収差の単位をλとする場合は波長で割ればよい。レンズ面の偏心１ｍｍにより発生する波面収差の波面収差の感度Ｓｗoとすると、Ｓｗoは、以下の式(Ｅ)の通りとなる。
Ｓｗo＝ｇ'(ｈ)(−１＋√(ｎ2＋(ｎ2−１)((ｇ'(ｈ))2)))／(１＋(ｇ'(ｈ))2)−ｈ(ｎ−１)ｃ) …(Ｅ)
微分値ｇ'(ｈ)を簡単のためＸとすると、上の式(Ｅ)は以下の式(Ｆ)の通りとなる。
Ｓｗo＝X/(1＋X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2−1)X2))−h(no−1)ｃ…(Ｆ)
【００２２】
上記の式(Ｂ)により求められるＳｗdと、式(Ｆ)により求められるＳｗoとが比例関係にあれば、対物レンズのレンズ面の偏心により発生したコマ収差を、保護層の傾きにより補正することが可能となる。すなわち、
(X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)
≒−α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) …(G)
を満たすように対物レンズの第１面の形状(近軸曲率半径ｒ1(１／ｃ)と非球面形状APS1)を決定すれば、レンズ面の偏心により発生する収差のほとんどを保護層の傾きによって補正できる。
【００２３】
そこで、この発明の光ヘッド用対物レンズは、以下の条件(１)を満たすことが望ましい。
-0.01 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.01 …(１)
【００２４】
条件(１)の中間項の値は、保護層の傾きによって偏心コマ収差を補正した場合に、第１面と第２面の相対偏心量1mmあたり何mmの波面収差が残留するかを示す。偏心0.004mmの場合に条件(１)の中間項の値を-0.01から0.01にすることは、波面収差を0.00004mm以内に収めることであり、波長を0.0004mmと考えると-0.1λから0.1λの範囲に波面収差を収めるための条件である。さらに以下の条件(4)の範囲を満足するレンズであれば偏心収差については問題なくなる。
-0.005 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.005 …(４)
【００２５】
また、以下の条件(２)を満たすことが望ましい。
0.08 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ) ＜ 0.30 …(２)
条件(２)は、対物レンズの面偏心の際には決まった範囲の量の偏心コマ収差が発生することが好ましいことを示している。条件(２)の下限を下回る場合には、レンズ面の偏心によるコマ収差が十分に小さく、偏心コマ収差の補正上は好ましいが、前述のように、偏心収差は軸外のコマ収差の補正とトレードオフの関係にあり、下限を下回るとコマ収差の高次成分が大きくなる。一方上限を超える場合には、補正後の収差の残留が大きくなる。特に、高ＮＡレンズの場合には上限を超えないことが重要である。
【００２６】
条件(１)の中間項に含まれる比例定数αは、以下の条件(３)を満たすことが望ましい。
５＜α＜１２ …(３)
比例定数αは、レンズ面の偏心による収差変化と、保護層の傾きによる収差変化の感度の比であり、偏心1mmに対して何rad.の保護層の傾きが必要かを与える。αの値が０に近いほど全系の調整の際に傾き量が少なくなるが、条件(３)の下限を下回ると、軸外コマ収差の高次成分を補正できなくなる。条件(３)を満たすことにより、収差バランスを整えることができる。
【００２７】
一方、この発明にかかる光ヘッドは、レーザー光を発する光源部と、光源部からのレーザー光を光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する上記の対物レンズと、この対物レンズの光軸および入射光の中心軸に対する保護層の傾きを調整する調整手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ヘッド用対物レンズ、およびこれを備える光ヘッドの実施形態を説明する。最初に、図１に基づいて実施形態の光ヘッドを含む光ディスク装置の構成について説明する。実施形態の光ヘッドは、ＤＶＤ等よりも高密度の光ディスクに対して用いられるものであり、対物レンズのＮＡは０．７０以上、使用するレーザー光は波長４０５ｎｍの青色光である。
【００２９】
図１に示される光ディスク装置は、本体ケース１と、この本体ケース内に固定されて光ディスク１０を回転可能に支持するスピンドルモータ２と、光ディスク１０に対する情報の記録再生をするための光ヘッド２０とを備えている。光ディスク１０は、情報が記録される記録層１１と、この記録層の光入射側の面を保護するために記録層１１を覆って設けられた透明な保護層１２とから構成されている。
【００３０】
光ヘッド２０は、本体ケース１に固定された光源部２０Ａと、本体ケース１に固定されたガイドレール３に沿って光ディスクの半径方向Ｒにスライド可能な可動部２０Ｂとから構成される。光源部２０Ａには、レーザー光を発する半導体レーザー２１と、この半導体レーザー２１から発する発散光をほぼ平行光にするコリメートレンズ２２とが配置されている。一方、可動部２０Ｂには、レーザー光を光ディスク１０側に向けて反射させるミラー２３と、反射されたレーザー光を保護層１２を介して記録面１１上に収束させる対物レンズ２４とが設けられている。対物レンズ２４は、トラッキング、フォーカシングのために対物レンズアクチュエータ２５に搭載されている。なお、光源部２０Ａには、光ディスクからの反射光を受光して各種の信号を出力する検出光学系が設けられているが、ここでは図示を省略する。
【００３１】
可動部２０Ｂは、構造的には、ミラー２３、対物レンズアクチュエータ２５が配置された光学ベース２６と、スライドレール３に取り付けられて図中上部に光学ベース２６を搭載したスライドベース２７とから構成される。スライドベース２７は、光学ベース２６の傾きを調整する傾き調整手段としての機能を備えており、コリメートレンズ２２の光軸および対物レンズ２４の光軸を含む平面に対して垂直な軸(図１の紙面に垂直な軸)の回りに矢印Ｔ方向に光学ベースの傾きを調整することができる。
【００３２】
ミラー２３と対物レンズ２４とは、対物レンズ２４の光軸が光ディスク１０に対して垂直になる基準状態では図中実線で示した位置にあり、光学ベース２６が傾けられると、例えば破線で示した位置に変位する。なお、図１では、図面が複雑になるのを防ぐため、傾き後についてはミラー２３と対物レンズ２４のみを示しているが、実際には対物レンズアクチュエータ２５や光学ベース２６も一体になって傾く。
【００３３】
なお、光軸と光ディスクとを相対的に傾ける傾き調整機構を設けるとしても、全方向への傾きを可能とすることは機構に対する負担が大きく、機構の大型化やコストアップを招く。したがって、傾き調整機構には、１方向のみの傾きを調整できるようにしておき、レンズに生じた面の偏心の方向を、傾き調整機構の調整方向に一致させることが望ましい。
【００３４】
そこで、対物レンズの製造時に、面の偏心がいずれの方向に生じているのかを調べ、レンズの周縁等にマーキングを付しておくとよい。プラスチックの射出成形により形成されるレンズの場合には、製造ロットにより面の偏心の方向が一定するため、製造ロット毎にいくつかのレンズをサンプルとして測定し、偏心の方向を求めて全てのレンズに求められた方向を示すマーキングを付しておく。ガラスレンズの場合には、偏心の方向が一定しないため、全数を測定してマーキングしておく必要がある。
【００３５】
対物レンズ２４は、ＮＡ０．７０以上で、第１面、第２面の両面が非球面の単レンズであり、第１面と第２面との偏心により発生するコマ収差が、光ディスクの傾きにより発生するコマ収差とほぼ相似形となるよう面形状が設定されている。具体的には、偏心により発生するコマ収差をほぼ３次の成分となるよう、すなわちより高次の成分が発生しないよう設定されている。
【００３６】
また、対物レンズ２４の焦点距離をｆ、レンズ第１面の光軸からの距離ｈでの光軸方向のサグ量を関数ｇ(h)と表し、関数ｇ(h)を距離ｈで微分した関数ｇ'(ｈ)をＸと表記して、さらにＸをｈで微分した関数の光軸上での値をｃとして、対物レンズの屈折率をｎo、ディスク保護層の屈折率をｎd、ディスク保護層の光軸上厚さをｔ、ｈ／ｆで定義される光軸からの距離に比例する関数ＮＡ(ｈ)＝ｈ／ｆ 、第１面の最大有効光束半径ｈmaxとして０＜ｈ≦hmaxの領域で下記の条件(１)、より望ましくは条件(４)を満足する比例係数αが存在する。
-0.01 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.01 …(１)
-0.005 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.005 …(４)
【００３７】
さらに、第１面の最大有効光束半径ｈmaxとしてｈ＝hmaxのとき、以下の条件(２)、
0.08 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ) ＜ 0.30 …(２)
を満たす。条件(１)に含まれる比例定数αは、
以下の条件(３)、
５＜α＜１２ …(３)
を満たしている。
【００３８】
次に、上述した実施形態に基づく具体的な実施例を７例提示する。いずれも保護層の厚さが０．１ｍｍの光ディスク１０に適用される光ヘッド用の対物レンズである。
【００３９】
【実施例１】
図２は、実施例１にかかる対物レンズ２４と光ディスク１０の保護層１２とを示すレンズ図である。実施例１の対物レンズの具体的な数値構成は表１に示される。表中、ｆは焦点距離、ＮＡは開口数、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は使用波長４０５ｎｍ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２０の第１面２１、第２面２２、面番号３，４が光ディスク１０の保護層１２の両面を示している。
【００４０】
第１面２１、第２面２２は、共に光軸回りの回転対称な非球面である。非球面の形状は、光軸からの距離が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ｇ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。これらの係数は表２に示される。
ｇ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+K)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００４１】
【表１】
【表２】
図３は、実施例１の対物レンズ２４の基準状態(対物レンズの第１面と第２面との間に偏心がなく、対物レンズの光軸が光ディスク１０に対して垂直な状態)での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量(以下、図中では単に正弦条件と示す)ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。グラフ(Ａ)の横軸は収差の発生量を示し(単位：ｍｍ)、縦軸は開口数ＮＡを示す。グラフ(Ｂ)の縦軸は収差の発生量(単位：波長)、横軸は光軸からの距離を示す。
【００４４】
実施例１の構成で、対物レンズ２４の第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズ２４の光軸が光ディスク１０に対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して図４(Ａ)に示すように波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.189λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００４５】
ここで、光学ベース２６を傾けることにより、対物レンズ２４の光軸を光ディスクの法線に対して1.773°傾けると、波面の乱れは図４(Ｂ)に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。このように、光軸に対して垂直な方向へのレンズ面の偏心により発生する収差が、光軸および入射光束の中心軸に対する保護層の相対的な傾きにより発生する収差とほぼ相似形となるような対物レンズを利用すると、その光軸を入射光と共に光ディスクに対して傾けることにより、対物レンズの面の偏心により発生した偏心コマ収差を良好に補正することができる。
【００４６】
【実施例２】
次に実施例２の対物レンズについて説明する。実施例２以下では、対物レンズの形状は実施例１の対物レンズ２４とほぼ同様であり、図面上は区別がつかないため、レンズ図は省略する。実施例２の対物レンズの基本的な数値構成を表３に、非球面に関する係数を表４に示す。
【００４７】
【表３】
【表４】
図５は、実施例２の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例２の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.193λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００５０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.810°傾けると、波面の乱れは図６に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.012λとなって十分な性能が得られる。
【００５１】
【実施例３】
実施例３の対物レンズの基本的な数値構成を表５に、非球面に関する係数を表６に示す。
【００５２】
【表５】
【表６】
図７は、実施例３の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例３の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.179λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００５５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.706°傾けると、波面の乱れは図８に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.014λとなって十分な性能が得られる。
【００５６】
【実施例４】
実施例４の対物レンズの基本的な数値構成を表７に、非球面に関する係数を表８に示す。
【００５７】
【表７】
【表８】
図９は、実施例４の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例４の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.208λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００６０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.924°傾けると、波面の乱れは図１０に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。
【００６１】
【実施例５】
実施例５の対物レンズの基本的な数値構成を表９に、非球面に関する係数を表１０に示す。
【００６２】
【表９】
【表１０】
図１１は、実施例５の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例５の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.230λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００６５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して2.076°傾けると、波面の乱れは図１２に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.014λとなって十分な性能が得られる。
【００６６】
【実施例６】
実施例６の対物レンズの基本的な数値構成を表１１に、非球面に関する係数を表１２に示す。
【００６７】
【表１１】
【表１２】
図１３は、実施例６の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例６の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.247λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００７０】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して2.199°傾けると、波面の乱れは図１４に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.013λとなって十分な性能が得られる。
【００７１】
【実施例７】
実施例７の対物レンズの基本的な数値構成を表１３に、非球面に関する係数を表１４に示す。
【００７２】
【表１３】
【表１４】
図１５は、実施例７の対物レンズの基準状態での収差を示し、(Ａ)が球面収差ＳＡ、および正弦条件違反量ＳＣを示し、(Ｂ)が波面収差を示す。実施例７の構成で、対物レンズの第１面と第２面とが相対的に0.004mm偏心した場合、対物レンズの光軸が光ディスクに対して垂直なままでは、偏心コマ収差が発生して波面が乱れる。この状態での波面収差のrms値は0.153λとなり、光記録用の対物レンズとしては使えないレベルとなる。
【００７５】
ここで、光学ベースを傾けることにより、対物レンズの光軸を光ディスクの法線に対して1.893°傾けると、波面の乱れは図１６に示すように小さくなり、残留波面収差のrms値は0.021λとなって十分な性能が得られる。
【００７６】
次に、前述の条件(１)〜(３)と各実施例との関係について説明する。条件(４)は、条件(１)の範囲を狭めたものであるため、条件(１)と共に説明する。条件(１)の不等号に挟まれた中間項の値は、比例定数αの値を定めなければ求められない。比例定数αは、条件(１)の中間項の前半部分である対物レンズの面の偏心による収差成分の値と、後半部分である光軸と光ディスクとの傾きによる収差成分の値との和が、あらゆる光軸からの距離ｈに対して０に近づくように、すなわち、各距離における中間項の値の総和が最も０に近づく値として決定される。
【００７７】
以下の表１５は、条件(２)の中間項の値と、条件(３)に示される比例定数αの値とを各実施例毎に示す。また、表１６は、表１５に示した比例定数を用いて計算した条件(１)の中間項の値を瞳座標に応じて示している。瞳座標は、対物レンズ瞳の最外周の光軸からの距離をｈMAX、光線が通る実際の光軸からの距離をｈとしたときに、ｈ／ｈMAXにより求められる比率であり、表１６は、各瞳座標を通る光線の収差量を示している。
【００７８】
【表１５】
条件 (2) (3)
実施例１ 0.1531 7.735
実施例２ 0.1570 7.896
実施例３ 0.1456 7.400
実施例４ 0.1673 8.396
実施例５ 0.1855 9.060
実施例６ 0.1949 9.595
実施例７ 0.1228 8.260
【００７９】
【表１６】
瞳座標 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 実施例５ 実施例６ 実施例７
1.00 -0.0016 -0.0008 -0.0024 -0.0015 0.0034 0.0021 -0.0036
0.90 -0.0005 -0.0011 0.0009 -0.0001 -0.0039 -0.0018 0.0025
0.80 0.0028 0.0020 0.0039 0.0017 -0.0021 -0.0014 0.0030
0.70 0.0023 0.0020 0.0041 0.0020 -0.0006 -0.0009 0.0019
0.60 0.0010 0.0011 0.0032 0.0015 0.0000 -0.0006 0.0009
0.50 0.0003 0.0005 0.0020 0.0010 0.0001 -0.0004 0.0003
0.40 0.0000 0.0002 0.0011 0.0005 0.0001 -0.0002 0.0001
0.30 0.0000 0.0000 0.0005 0.0002 0.0001 -0.0001 0.0000
0.20 0.0000 0.0000 0.0001 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000
0.10 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
0.00 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
【００８０】
表１６に示すように、各実施例とも、全ての距離について条件(１)、およびより厳しい条件(４)を満たしており、対物レンズの偏心により生じたコマ収差を対物レンズの光軸を光ディスクに対して傾けることにより良好に補正することができる。また、表１５に示されるように、各実施例とも、条件(２)、(３)を満たしており、対物レンズの面の偏心により発生する偏心コマ収差と、軸外コマ収差とのバランスをとることができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、偏心コマ収差と、軸外コマ収差とのバランスを適切に設定することにより、対物レンズの面の偏心に起因して発生する偏心コマ収差を、対物レンズの光軸および入射光の中心軸に対して光記録媒体の保護層を傾けることにより補正することができる。また、傾き調整手段を設けることにより、面形状等の誤差に対する許容幅が広がるため、加工の難しい高ＮＡの対物レンズを単レンズで構成することができ、従来の２枚構成の対物レンズと比較するとレンズの重量、容積を削減し、ファインアクチュエータの負担を軽減すると共に、十分な作動距離を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかる光ヘッドを含む光ディスク装置の構成を概念的に示す説明図である。
【図２】 実施例１にかかる対物レンズと光ディスクの保護層とを示すレンズ図である。
【図３】 実施例１にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図４】 実施例１の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の波面収差を示すグラフであり、(Ａ)は補正前、(Ｂ)は補正後の収差を示す。
【図５】 実施例２にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図６】 実施例２の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図７】 実施例３にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図８】 実施例３の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図９】 実施例４にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１０】 実施例４の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１１】 実施例５にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１２】 実施例５の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１３】 実施例６にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１４】 実施例６の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【図１５】 実施例７にかかる対物レンズの設計基準状態における収差を示し、(Ａ)は球面収差、正弦条件を示すグラフ、(Ｂ)は波面収差を示すグラフである。
【図１６】 実施例７の対物レンズのレンズ面に0.004mmの偏心が生じた場合の補正後の波面収差を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 本体ケース
２ スピンドルモータ
１０ 光ディスク
１２ 保護層
２０ 光ヘッド
２１ 半導体レーザー
２２ コリメートレンズ
２４ 対物レンズ
２６ 光学ベース
２７ スライドベース
Claims (5)
- 入射光束を収束させることにより光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する光ヘッド用対物レンズにおいて、
入射側の第１面と出射側の第２面との間の，光軸に対して垂直な方向への偏心により発生する収差を、前記光軸および入射光束の中心軸に対する前記保護層の相対的な傾きの調整により補正するための、NA0.70以上の単レンズであって、
焦点距離をｆ、第１面の光軸からの距離ｈでの光軸方向のサグ量を関数ｇ(h)と表し、関数ｇ(h)を距離ｈで微分した関数ｇ'(ｈ)をＸと表記して、さらにＸをｈで微分した関数の光軸上での値をｃとして、対物レンズの屈折率をｎ o 、ディスク保護層の屈折率をｎ d 、ディスク保護層の光軸上厚さをｔ、ｈ／ｆで定義される入射高さに比例する関数ＮＡ(ｈ)＝ｈ／ｆ 、第１面の最大有効光束半径ｈ max として０＜ｈ≦h max の全領域で下記の条件(１)、
-0.01 ＜ (X/(1+X 2 )×(-1+√(ｎ o 2 +(ｎ o 2 -1)X 2 ))-h(n o -1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/n d +√(1-ＮＡ 2 )/√(n d 2 -ＮＡ 2 ))) ＜ 0.01 …(１)
を満足する比例係数αが存在するように設計・製造された第１面を備える
ことを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。 - 前記第１面の最大有効光束半径ｈmaxとしてｈ＝hmaxのとき、以下の条件(２)、
0.08 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ) ＜ 0.30 …(２)
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ。 - さらに、以下の条件(３)、
５＜α＜１２ …(３)
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ。 - さらに、以下の条件(４)、
-0.005 ＜ (X/(1+X2)×(-1+√(ｎo 2+(ｎo 2-1)X2))-h(no-1)ｃ)＋
α(ｔＮＡ(-1/nd+√(1-ＮＡ2)/√(nd 2-ＮＡ2))) ＜ 0.005 …(４)
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ。 - レーザー光を発する光源部と、該光源部からのレーザー光を光記録媒体の透明な保護層を介して記録面上にスポットを形成する請求項１〜４のいずれかに記載の光ヘッド用対物レンズと、該光ヘッド用対物レンズの光軸および入射光束の中心軸に対する前記保護層の相対的な傾きを調整する調整手段とを備えることを特徴とする光ヘッド。
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