JP4539651B2 - 対物レンズ、光ヘッド、及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光情報記録媒体の記録及び／又は再生用の対物レンズ、これを用いた光ヘッド及び光ピックアップ装置に関する。

これまで、ＣＤ（コンパクト・ディスク）等の光情報記録媒体に対して情報の再生・記録を行うための各種光ピックアップ装置が開発・製造され、一般に普及している。かかる光ピックアップ装置に組み込まれる対物レンズとして、例えば３群構成とすることによって低収差で高ＮＡとしたものが存在する（特許文献１参照）。

なお、光情報の記録や再生用のものに限らないならば、例えば撮影用、内視鏡用等の分野において、テレセントリックでレトロフォーカス型の各種対物レンズが用いられている（特許文献２、３参照）。
特開２００３−８４１９６号公報 特開平１１−２２３７６２号公報 特開平５−３０７１３９号公報

しかしながら、光ピックアップ装置用の対物レンズについては、高ＮＡかつ軽量であることが求められるので、通常、テレセントリックな光学系となっていない。対物レンズをテレセントリックにした場合、球面収差、像面湾曲、歪曲収差、コマ収差、及び非点収差の各収差を補正するには、ＮＡを小さくするか、或いは構成レンズ枚数を多くせざるを得ないからである。また、対物レンズをレトロフォーカス型とする場合にも、少ないレンズ枚数で収差の少ない対物レンズを製造することは容易でない。

一方、光ピックアップ装置用の対物レンズを像側にテレセントリックにした場合、情報読取時等において鮮鋭な結像が可能になり、ピックアップの性能を高めることができる。また、光ピックアップ装置用の対物レンズをレトロフォーカスタイプとした場合、入射光束径を大きくすることなく高ＮＡ化を図ることができ、結果的にワーキング・ディスタンスに対応するバックフォーカスを大きくとることができる。

そこで、本発明は、比較的少ないレンズ枚数で諸収差の発生を効率的に抑え、かつ、鮮鋭な結像を確保しつつ比較的高いＮＡを達成することができる光記録及び／又は再生用の対物レンズを提供することを目的とする。

また、本発明は、上記のような対物レンズを組み込んだ光ヘッドや光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための、本発明の一つの態様は、光情報記録媒体のための記録及び／又は再生用の対物レンズであって、光源側から順に、（ａ）光源側に凹面を向けたメニスカス状であり負屈折力を有する第１レンズ群と、（ｂ）正屈折力を有する第２レンズ群と、（ｃ）像側に凹面を向けたメニスカス状であり正屈折力を有する第３レンズ群とを備える。

本発明の一実施形態に係る光ピックアップ装置の構造を説明する図である。 第１実施例の対物レンズの光路図である。 第１実施例の対物レンズの波面収差を示す図である。 第１実施例の対物レンズの歪曲収差を示す図である。 第１実施例の対物レンズの像面湾曲を示す図である。 第１実施例の対物レンズのテレセン性を示す図である。 第２実施例の対物レンズの光路図である。 第２実施例の対物レンズの波面収差を示す図である。 第２実施例の対物レンズの歪曲収差を示す図である。 第２実施例の対物レンズの像面湾曲を示す図である。 第２実施例の対物レンズのテレセン性を示す図である。

本発明の上記の目的は、以下の構成によって達成される。

（１）光情報記録媒体のための記録及び／又は再生用の対物レンズであって、光源側から順に、（ａ）光源側に凹面を向けたメニスカス状であり負屈折力を有する第１レンズ群と、（ｂ）正屈折力を有する第２レンズ群と、（ｃ）像側に凹面を向けたメニスカス状であり正屈折力を有する第３レンズ群とを備える。

なお、第１から第３レンズ群は、対物レンズの構造を簡単かつ軽量とするため、原則として単一のレンズからなるものとするが、いずれかのレンズ群を複数のレンズを貼り合わせたレンズとしてもよい。

なお、本発明に係る「対物レンズ」とは、フォーカスやトラッキングのためのアクチュエータによって一体的に移動するものである。

上記対物レンズによれば、負屈折力を有する第１レンズ群が光源側に凹面を向けたメニスカス状であるので、ペッツバール和を小さくして像面湾曲を小さくすることができる。また、正屈折力を有する第３レンズ群が像側に凹面を向けたメニスカス状であるので、ワーキング・ディスタンスを長くとることができる。つまり、比較的少ないレンズ群によって、諸収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができるので、高精度で高密度の光記録及び／又は再生が可能になる。

上記対物レンズにおいて、第１レンズ群の焦点距離をｆ1とし、第２及び第３レンズ群の合成焦点距離をｆ23とした場合に、以下の条件
０．０１＜｜ｆ23／ｆ1｜＜０．１０ … （１）を満たす。

このように、対物レンズが第１レンズ群と第２及び第３レンズ群とからなるものとみた場合、この対物レンズは、入射光束径にかかわらずＮＡを大きくできワーキング・ディスタンスに相当するバックフォーカスを稼ぐことができるレトロフォーカス型のレンズ構成となっている。ここで、上記条件（１）を満足することにより、ワーキング・ディスタンスを確保した状態で、像高が大きくなったときに発生するコマ収差を小さくできるとともに、テレセン性も十分に確保することができ、所望の集光スポットを形成することができる。特に、前半の条件０．０１＜｜ｆ23／ｆ1｜が満たされる場合、ワーキング・ディスタンスを確保した状態で、像高が大きくなったときに発生するコマ収差を小さくすることができる。一方、後半の条件｜ｆ23／ｆ1｜＜０．１０が満たされる場合、ワーキング・ディスタンスを確保した状態で、テレセン性も十分に確保することができる。

更に、より好ましい条件は、 ０．０６＜｜ｆ23／ｆ1｜＜０．０８ を満たすことである。

以上の説明において用いた用語「テレセン性」や「テレセントリック性」とは、例えば半画角２．５゜で主光線角度が０．０１゜以下であるような場合を意味する。

上記対物レンズは、像側の開口数ＮＡの値が以下の条件
０．７０＜ＮＡ＜０．９０ （２）を満たす。

この場合、上記の条件を要求するような光ピックアップ装置の光記録及び／又は再生に際して、低収差で高ＮＡの結像が可能になる対物レンズとして好適に用いることができる

（２）上記対物レンズは、像側に所定のテレセントリック性を有する。この場合、光情報の記録及び／又は再生用において鮮鋭な結像が可能になり、光ピックアップの性能を高めることができる。

（３）上記対物レンズは、第２レンズ群と第３レンズ群とが、非球面レンズである。この場合、対物レンズの諸収差をさらに抑えることができる。

（４）上記対物レンズは、第１乃至第３レンズ群が、ガラス製のレンズで形成される。この場合、対物レンズの加工精度や安定性を高めることができ、結像性能を高めることができる。

（５）入射光束をスポットとして収束させる上述の対物レンズを有し、当該対物レンズによって光情報記録媒体の記録面上に光スポットを形成する光ヘッド。

上記光ヘッドでは、比較的少ないレンズ群によって諸収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができる対物レンズを用いているので、高精度かつ高密度の光情報の記録及び／又は再生が可能になる。

（６）上述の光ヘッドを備え、当該光ヘッドを介して、光情報記録媒体の記録面上の情報を読み取り、若しくは当該記録面に情報を書き込むことができる第１の光ピックアップ装置。

上記光ピックアップ装置では、上述のような光ヘッドを用いているので、記録密度の高い規格を含む各種規格の光情報記録媒体に対して高精度で安定した記録及び／又は再生が可能になる。

（７）（ａ）所定波長の光源光を発生する光源と、（ｂ）光源からの光源光を収束させて、光情報記録媒体の記録面上に光スポットを形成する上述の対物レンズと、（ｃ）光情報記録媒体の記録面からの反射光を、対物レンズを介して検出するセンサ（光検出器とも云う）と、を備え、光情報記録媒体に対する情報の記録及び／又は再生を行う第２の光ピックアップ装置。

上記光ピックアップ装置では、上述のような対物レンズを用いているので、記録密度の高い規格を含む各種規格の光情報記録媒体に対して高精度で安定した記録及び／又は再生が可能になる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態に係る光ピックアップ装置の構造を説明する図である。この光ピックアップ装置は、３群３枚構成の対物レンズ２と、光源である半導体レーザ３と、半導体レーザ３から射出される発散光の発散角を変換する１群１枚構成のカップリングレンズ４と、光情報記録媒体である光ディスク６からの反射光をセンサとして受光する光検出器（センサとも云う）５とを備える。

図１の光ピックアップ装置は、更に、光ディスク６からの反射光を光検出器５に向けて分離する偏光ビームスプリッタ７１と、対物レンズ２とカップリングレンズ４との間に配置される１ ／４ 波長板７３と、対物レンズ２の手前に配置される絞り７５と、シリンドリカルレンズ及び凹レンズからなる非点収差光学系７７と、フオーカス及びトラッキング用の２軸アクチュエータ８１とを備える。なお、図示を省略しているが、光ピックアップ装置は、半導体レーザ３を適宜動作させる光源駆動回路や、光検出器５を適宜動作させるセンサ駆動回路、２軸アクチュエータ８１を動作させる変位駆動回路等を有している。

図１の光ピックアップ装置において、半導体レーザ３は、例えば５００ｎｍ以下の波長のレーザ光を発生させるものであり、光情報記録媒体である光ディスク６に高密度で記録された情報の再生、及び／又は光ディスク６に対して高密度で情報の記録が可能である。

また、対物レンズ２は、第１レンズ群を単独で構成する第１レンズ２１と、第２レンズ群を単独で構成する第２レンズ２２と、第３レンズ群を単独で構成する第３レンズ２３とで構成されている。これら第１〜第３レンズ２１〜２３は、ホルダ２５により精密な配置で一体化されて固定されており、ホルダ２５のフランジ部２５ａを利用することによって、全体としての対物レンズ２を光ヘッド１０に精度よく取り付けることができる。

この対物レンズ２は、光ディスク６側におけるＮＡが０．７０〜０．９０の範囲となっており、記録密度の比較的高い規格に対応するものとなっている。また、この対物レンズ２は、光ディスク６側に関してテレセン性を有しており、光情報の記録や再生において鮮鋭な結像が可能になり、光ピックアップの性能を高めることができる。さらに、対物レンズ２は、負屈折力を有する第１レンズ２１と、全体として正屈折力を有する第２及び第３レンズ２２，２３とからなるレトロフォーカス型のレンズ系と考えることができ、光ディスク６側におけるＮＡを大きくできるとともに、光ディスク６までの距離に相当するワーキング・ディスタンスを比較的十分に稼ぐことができる。

より詳細に説明すると、対物レンズ２において、第１レンズ２１は、負屈折力を有し、光源である半導体レーザ３側に凹面を向けたメニスカスレンズである。これにより、ペッツバール和を小さくして像面湾曲を小さくすることができる。また、第２レンズ２２は、両凸レンズであり、第１レンズ２１によって発散した光束を適宜平行化若しくは収束させる。さらに、第３レンズ２３は、正屈折力を有し、第２レンズ２２を経た光束を光ディスク６の情報記録面６２に微細スポットととして収束させることができる。ここで、第３レンズ２３は、光ディスク６側に凹面を向けたメニスカスレンズである。これにより、ワーキング・ディスタンスを長く取ることができる。以上のような構成の対物レンズ２では、比較的少ないレンズによって、諸収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができるので、高精度で高密度の光記録及び／又は再生が可能になる。

また、以上の対物レンズ２では、第１レンズ２１の焦点距離をｆ1とし、第２及び第３レンズ２２，２３の合成焦点距離をｆ23とした場合に、以下の条件式
０．０１＜｜ｆ23／ｆ1｜＜０．１０ … （１）を満たす。ここで、前段の条件０．０１＜｜ｆ23／ｆ1｜が満たされる場合、ワーキング・ディスタンスを確保した状態で、像高が大きくなったときに発生するコマ収差を小さくすることができる。一方、後段の条件｜ｆ23／ｆ1｜＜０．１０が満たされる場合、ワーキング・ディスタンスを確保した状態で、テレセン性も十分に確保することができる。

以下、図１に示す光ピックアップ装置の動作について説明する。まず、光ディスク６から情報を再生する場合、半導体レーザ３からレーザ光を出射する。半導体レーザ３から出射された光束は、偏光ビームスプリッタ７１、カップリングレンズ４、及び１／４波長板７３を透過して円偏光の平行光束となる。この光束は絞り７５によって絞られ、対物レンズ２により光ディスク６の透明基板６１を介して情報記録面６２に集光される。

情報記録面６２で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ２、絞り７５、１／４波長板７３、及びカップリングレンズ４を透過して、偏光ビームスプリッタ７１に入射する。偏光ビームスプリッタ７１に入射した光束は、ここで反射されて非点収差光学系７７を通過する際に非点収差が与えられ、光検出器５上ヘ入射する。この光検出器５の出力信号を用いることにより、光ディスク６に記録された情報の読み取り信号が得られる。

この際、光検出器５上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦（フォーカス）検出やトラック検出を行う。この検出に基づいて光ヘッド１０に組み込んだ２軸アクチュエータ８１が半導体レーザ３からの光束を光ディスク６の情報記録面６２上に結像するように対物レンズ２を光軸方向に移動させるとともに、この半導体レーザ３からの光束を所定のトラックに結像するように対物レンズ２を光軸に垂直な方向に移動させる。

以上は、光ディスク６から情報を再生する場合についての説明であったが、光ディスク６に情報を記録する場合も、図１に示す光学系については同様の動作が行われる。ただし、半導体レーザ３から射出させるレーザ光の強度は、記録用に所定のしきい値以上に設定する。また、書き込みに際してのトラッキング、フォーカシング、書込情報の確認等のシーケンスは、光ピックアップ装置の用途や仕様に合わせて適宜変更することができる。

以下、図１のピックアップ装置に組み込まれる対物レンズ２の具体的実施例について説明する。なお、以下の表２及び表４において、例えば「−１．１７２３×Ｅ−４」とは、「−１．１７２３×１０^−４」を意味する。

〔第１実施例〕
第１実施例は、第１レンズ２１の焦点距離ｆ1が−７１．５４ｍｍ、第２及び第３レンズ２２，２３の合成焦点距離ｆ23が４．５０ｍｍ、全体としての焦点距離Ｆが３．２０ｍｍ、像側の開口数ＮＡが０．７１の対物レンズである。

第１実施例に係る対物レンズの諸元を以下の表１に掲げる。なお、表１において、「第ｉ面」は光源側からのレンズ面の面番号を、「ｒi」は対応するレンズ面の曲率半径を、「ｄi」は対応するレンズ面から次のレンズ面までの光軸上の間隔を、「ｎi」は対応するレンズ面から次のレンズ面までの屈折率を、「備考」は絞径やガラス製レンズのレンズの硝材をそれぞれ示している。

以上の表１において、第４面から第７面は非球面となっている。各面の円錐定数κ、非球面係数Ａ_2iは、以下の表２で与えられる。

以上の表２において、非球面の形状は、ｘ ：光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離ｈ ：光軸からの高さｃ ：非球面頂点の曲率（＝１／ｒ）κ ：円錐定数Ａ_2i：第２ｉ次（ｉは２以上の自然数）の非球面係数として、以下の式

で与えられる。

図２は、第１実施例における対物レンズ２の光路図を示す。また、図３から図６は、第１実施例の対物レンズ２の収差特性を示す。すなわち、図３は、第１実施例における像高に応じた波面収差量を示す。ここで、半画角を適宜変更した場合の波面収差を、ＳＡ（球面収差），ＣＭ（コマ収差），ＡＳ（非点収差）、及びＲＭＳ（これらの収差の二乗平均）として表した。また、図４は、第１実施例における像高に応じた歪曲収差量を示し、図５は、第１実施例における像高に応じた像面湾曲量を示し、図６は、第１実施例における像高に応じたテレセン性を示す。

以上説明した第１実施例の場合、｜ｆ23／ｆ1｜＝０．０６３であり、上述の条件式（１）を満足しており、収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができ、延いては高精度で高密度の光記録及び／又は再生が可能になる。

〔第２実施例〕
第２実施例は、第１レンズ２１の焦点距離ｆ1が−６４．５８ｍｍ、第２及び第３レンズ２２，２３の合成焦点距離ｆ23が４．５０ｍｍ、全体としての焦点距離Ｆが３．０１ｍｍ、像側の開口数ＮＡが０．７１の対物レンズである。

第２実施例に係る対物レンズの諸元を以下の表３に掲げる。表３中の各符合は表１と同様の定義となっている。

以上の表３において、第４面から第７面は非球面となっている。各面の円錐定数κ、非球面係数Ａ_2iは、以下の表４で与えられる。

図７は、第２実施例における対物レンズ２の光路図を示す。また、図８から図１１は、第２実施例の対物レンズ２の収差特性を示す。すなわち、図８は、第２実施例における像高に応じた波面収差量を示し、図９は、第２実施例における像高に応じた歪曲収差量を示し、図１０は、第２実施例における像高に応じた像面湾曲量を示し、図１１は、第２実施例における像高に応じたテレセン性を示す。

以上説明した第２実施例の場合、｜ｆ23／ｆ1｜＝０．０６９であり、上述の条件式（１）を満足しており、収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができ、延いては高精度で高密度の光記録及び／又は再生が可能になる。

本発明の対物レンズによれば、比較的少ないレンズ群によって、諸収差の発生を効率的に抑えつつ高ＮＡを達成することができるので、高精度で高密度の光記録及び／又は再生が可能になる。

Claims (7)

1. 波長５００ｎｍ以下の光源光を収束させて、光情報記録煤体の記録及び／又は再生のために光情報記録媒体の記録面上に光スポットを形成する対物レンズであって、
   光源側から順に、
   前記光源側に凹面を向けたメニスカス状であり負屈折力を有する第１レンズ群と、
   正屈折力を有する第２レンズ群と、
   像側に凹面を向けたメニスカス状であり正屈折力を有する第３レンズ群とを備え、
   以下の条件を満たすことを特徴とする対物レンズ
   ０．７０＜ＮＡ＜０．９０
   ０．０１＜｜ｆ２３／ｆ１｜＜０．１０
   ここで、ＮＡは像側の開口数、ｆ１は前記第１レンズ群の焦点距離、ｆ２３は前記第２
   及び第３レンズ群の合成焦点距離を表す。
2. 像側に所定のテレセントリック性を有することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
3. 前記第２レンズ群と前記第３レンズ群とは、非球面レンズであること特徴とする請求項１又は請求項２に記載の対物レンズ。
4. 前記第１乃至第３レンズ群は、ガラス製のレンズで形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の対物レンズ。
5. 入射光束をスポットとして収束させる請求項１〜４の何れか１項に記載の対物レンズを有し、当該対物レンズによって光情報記録媒体の記録面上に光スポットを形成する光ヘッド。
6. 請求項５に記載の光ヘッドを備え、当該光ヘッドを介して、光情報記録媒体の記録面上の情報を読み取り、若しくは当該記録面に情報を書き込むことができる光ピックアップ装置。
7. 所定波長の光源光を発生する光源と、
   前記光源からの光源光を収束させて、光情報記録媒体の記録面上に光スポットを形成す
   る請求項１〜４の何れか１項に記載の対物レンズと、
   前記光情報記録媒体の記録面からの反射光を、前記対物レンズを介して検出するセンサ
   と、を備え、
   前記光情報記録媒体に対する情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置。