JP5300308B2

JP5300308B2 - 光ピックアップ用対物レンズ

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Publication number: JP5300308B2
Application number: JP2008112532A
Authority: JP
Inventors: 直樹山形; 修一竹内
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: MY149826A; JP2008293633A; CN101295068A; KR101249317B1; US8089705B2; KR20080095214A; US20080259775A1; CN101295068B

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に記載されたものが知られている。この文献に記載された対物レンズは、光源側となる第１面が凸面、光ディスク側となる第２面が凹面となるメニスカス形状の単レンズであり、ディスク厚みの変化により発生する球面収差を入射光の発散収束度の変化により抑えるため、正弦条件違反量が有効半径の６割から９割の範囲で正の極大値を持つように設計されている。

特開２００３−８５８０６号公報

しかしながら、上述した文献に記載された対物レンズは、設計上の性能は良好であるが、実際の製造時に生じるレンズ面間の偏心や肉厚の誤差に対する性能劣化の感度が高く、僅かな誤差も許容されないため、製造が困難であるという問題がある。また、上記の対物レンズは、第１面の周辺部の面傾斜が急勾配となり、これが更に製造の困難さに拍車をかけている。

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、製造誤差による性能劣化が少なく、製造が容易な対物レンズを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる光ピックアップ用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面を備える単レンズであって、NA0.75以上であり、第１面が凸面であり、その有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度をθmax、使用波長におけるレンズの屈折率をｎとして、以下の条件(１)
、
0.95 ＜ (n−1)・tanθmax ＜ 1.50 …(１)
を満たすことを特徴とする。また、以下の条件式（１）ａ、
１.23 ＜ (n−1)・tanθmax ＜ 1.50 …(１)ａ
を満たすことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様にかかる光ピックアップ用対物レンズは、上記の目的を達成させるため、光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面を備える単レンズであって、NA0.75以上であり、第１面が凸面であり、正弦条件違反量が有効半径の６割から９割の入射高さで負の極小値を持つことを特徴とする。

第２の態様では、正弦条件違反量の負の極小値をSC_max、焦点距離をfとして、以下の条件(２)、
−0.030 ＜ SC_max／f ＜ −0.003 …(２)
を満たすことが望ましい。また、いずれの態様でも、使用波長におけるレンズの屈折率が１．７以上であることが望ましい。また、いずれの態様でも、レンズの光軸上の厚さをｄとして、以下の条件(３)、
1.65 ＜ (ｄ・n)／ｆ＜ 2.50 …(３)
を満たすことが望ましい。

上記の本発明の第１、第２の態様によれば、設計上の軸外コマ収差は大きくなるが、レンズの第１面と第２面との偏心による偏心コマ収差や、レンズ厚の誤差による球面収差の発生感度を低くすることができ、したがって、製造誤差に対する許容幅を大きくし、製造を容易にすることができる。特に、条件(1)を満たす場合には、第１面の周辺部の面傾斜
を緩くすることができ、その点でも製造を容易にすることができる。

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。実施形態の対物レンズは、いずれも半導体レーザーから発して平行光として入射するレーザー光をブルーレイディスク等の媒体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。実施形態の対物レンズ１０は、例えば図１(実施例１)に示すように、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を備える単レンズである。NAは0.75以上であり、凸形状の第１面１１の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度をθ_max、使用波長におけるレンズの屈折率をｎとして、以下の条件(１)を満たすよう設計され
ている。
0.95 ＜ (n−1)・tanθ_max ＜ 1.50 …(１)

条件(１)は、使用波長におけるレンズの屈折率ｎと第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとを規定することにより、製造誤差による偏心や
肉厚誤差に対する収差の劣化を小さく抑えるための条件である。この条件を満たすことにより、製造誤差による収差劣化の感度を小さくすることができる。条件(1)の下限を下回
ると、レンズの光軸上の厚さに誤差が生じた場合に発生する球面収差の発生感度が高くなる。一方、上限を超えると、レンズの第１面と第２面とが偏心した場合に発生する偏心コマ収差の発生感度が高くなる。

この条件(1)の設定の根拠を、図１９及び図２０に基づいて説明する。図１９は、屈折
率が異なる３種類の対物レンズ(焦点距離1.765mm、レンズ厚2.277mm)について、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で示すグラフ、図２０は、これら３種類の対
物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚が１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で示すグラフ
である。各グラフにおいて、○は波長408nmにおける屈折率n=1.52、□は同じくn=1.71、
△は同じくn=1.78の対物レンズを示している。

図１９からは、使用波長における屈折率が高いほど、偏心時の波面収差(偏心コマ収差
を主因とする)の最小値を小さくでき、かつ、この最小値が得られる第１面の有効径内に
おいて光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxも小さくなることが理解できる。
具体的には、使用波長における屈折率１．７以上であれば、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxが５４〜５８度程度の場合に偏心コマ収差
を小さく抑えることができる。

一方、図２０からは、使用波長における屈折率が高いほど、レンズ厚の誤差が発生した際の波面収差(球面収差を主因とする)の最小値を小さくでき、かつ、この最小値が得られる第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxも小さくな
ることが理解できる。具体的には、使用波長における屈折率が１．７以上であれば、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxが６２〜６５度程
度の場合に、レンズ厚ｄの誤差による球面収差の発生を小さく抑えることができる。

条件(1)は、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxを、使用波長における屈折率が１．７の場合には約５４〜６５度の範囲、使用波長における屈折率が１．５の場合には約６２〜７２度の範囲に規定する。使用波長における屈折率ｎと最大角度θ_maxとの関係が条件(1)を満たすことにより、偏心や厚さ誤差による性能劣化の感度を小さく抑えることができる。

また、実施形態の対物レンズ１０は、正弦条件違反量が有効半径の６割から９割の入射高さで負の極小値を持つ。このように正弦条件違反量が負の極小値を持つことの意味を図２１，図２２に基づいて説明する。図２１は、正弦条件違反量のパターンが異なる３種類の対物レンズ(焦点距離1.765mm、レンズ厚2.277mm、波長408nmにおける屈折率1.52)につ
いて、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で示すグラフ、図２２は、こ
れら３種類の対物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚が１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関
係で示すグラフである。各グラフにおいて、○は正弦条件が全ての入射高さについて満たされている場合、□はフルコレクションで負の極小値を持つ場合(本願発明に相当)、△はフルコレクションで正の極大値を持つ場合(従来例に相当)を示している。

図２１からは、偏心時の波面収差(偏心コマ収差を主因とする)と第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係は、正弦条件違反量のパタ
ーンに拘わらず、同様の相関を持つが、波面収差の値自体は、フルコレクションで負の極小値を持つ場合に最も小さくなることがわかる。

一方、図２２からは、レンズ厚の誤差が発生した際の波面収差(球面収差を主因とする)と第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係は
、正弦条件違反量のパターンに拘わらず、同様の相関を持つが、波面収差の値自体は、フルコレクションで負の極小値を持つ場合に最も小さくなることがわかる。

すなわち、正弦条件違反量はフルコレクションで負の極小値を持つ場合に、製造誤差による偏心やレンズ厚の誤差が生じた際の収差を小さく抑えることができる。また、使用波長における屈折率が１．５の場合には、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxが約６２〜６８度の範囲で、偏心、厚さ誤差に対する収差の劣
化感度のバランスをとることができる。

なお、実施形態の対物レンズ１０は、正弦条件違反量の負の極小値をSC_max、焦点距離
をfとして、以下の条件(２)を満たすよう設計されている。
−0.030 ＜ SC_max／f ＜ −0.003 …(２)

条件(２)は、正弦条件違反量を設定する際の望ましい数値範囲を示し、下限を下回ると、設計上の軸外コマ収差が大きくなり過ぎ、上限を上回ると、製造誤差が発生した際の収差劣化の感度が高くなる。

なお、実施形態の対物レンズ１０は、レンズの光軸上の厚さをdとして、以下の条件(３)を満たすように設計されている。
1.65 ＜ (d・n)／f ＜ 2.50 …(３)

条件(３)は、レンズの光軸上の厚さｄと使用波長におけるレンズの屈折率ｎとを規定することにより、製造誤差による偏心や肉厚誤差に対する収差の劣化を小さく抑えるための条件である。この条件を満たすことにより、製造誤差による収差劣化の感度を小さくすることができる。条件(３)の下限を下回ると、第１面の周辺の傾斜が急勾配となる、あるい
は、製造誤差が発生した際の収差劣化の感度が高くなる。上限を上回ると、光ピックアップに必要な作動距離を確保できない。

この条件(３)を図２３、図２４を基に説明する。図２３は、レンズの光軸上の厚さｄが異なる３種類の対物レンズ(焦点距離1.765mm、波長408nmにおける屈折率1.52)について、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で示すグラフ、図２４は、これら３
種類の対物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚ｄが１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で
示すグラフである。各グラフにおいて、○は厚さd=2.15mmの場合、□はd=2.277mm、△はd=2.40mmの対物レンズを示している。

図２３からは、偏心時の波面収差(偏心コマ収差を主因とする)と第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係は、レンズの光軸上の厚さ
ｄに拘わらず、同様の相関を持つが、波面収差の値自体は、レンズが厚いほど小さくなることがわかる。

一方、図２４からは、レンズ厚ｄの誤差が発生した際の波面収差(球面収差を主因とす
る)と第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係は、レンズの光軸上の厚さｄに拘わらず、同様の相関を持つが、波面収差の値自体は、レンズが厚くなるほど小さくなることがわかる。

すなわち、レンズが厚くなるほど、製造誤差による偏心やレンズ厚ｄの誤差が生じた際の収差を小さく抑えることができる。

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６例提示する。

図１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は使用波長における屈折率、UHは有効半径、λは使用波長である。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, A₆, A₈, …として、以下の式(４)で表される。
Ｘ(h)=Ch²/(1+√(1-(1+κ)C²h²))+A₄h⁴+A₆h⁶+A₈h⁸+… …(４)
実施例１の対物レンズ１０の円錐係数κ、非球面係数A₄〜A₁₂は、表２に示される。

続いて、実施例１の対物レンズの性能を図２及び図３に示す。図２は、軸上の波面収差、図３は、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を示す。

図４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３、円錐係数、非球面係数は表４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５、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図６に示す。

図７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５、円錐係数、非球面係数は表６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８、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図９に示す。

図１０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７、円錐係数、非球面係数は表８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１１、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１２に示す。

図１３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９、円錐係数、非球面係数は表１０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１４、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１５に示す。

図１６は、実施例６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６の対物レンズ１０の具体的な数値構成は表１１、円錐係数、非球面係数は表１２に示されている。また、実施例６の対物レンズ１０の軸上の波面収差を図１７、球面収差(SA)及び正弦条件違反量(SC)を図１８に示す。

次に、上記の６つの実施例の対物レンズと前述の条件(1)、正弦条件違反量が負の極小
値をとる入射高さ、条件(2)、条件(３)との関係を以下の表１３に示す。いずれの実施例
も各条件を満たしている。

また、上記の各条件を満たす実施例１の対物レンズ１０と、特許文献１の実施例１の対物レンズとの性能を比較すると、以下の表１４の通りとなる。表１４は、レンズの第１面と第２面とが１μｍ偏心した場合、レンズ厚が２．５μｍ増加した場合のそれぞれの収差成分に基づく波面収差の発生量である。

上記の表１４に示されるように、本願実施例１の設計によれば、製造誤差による偏心やレンズ厚の誤差が発生した際の収差の発生量を従来例として示した特許文献１の実施例１と比較して、低いレベルに抑えることができる。したがって、製造誤差による収差劣化の感度を低くして、製造を容易にすることができる。なお、ここでは本願の実施例１について数値を挙げたが、他の実施例においても、特許文献１の実施例１より誤差発生時の収差の発生量は小さく抑えられる。

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。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。本発明の実施例６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６の対物レンズの波面収差図である。実施例６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。屈折率が異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度θ_maxとの関係で示すグラフである。屈折率が異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚が１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度との関係で示すグラフである。正弦条件違反量のパターンが異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度との関係で示すグラフである。正弦条件違反量のパターンが異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚が１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度との関係で示すグラフである。厚さが異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差により１μｍの偏心が生じた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度との関係で示すグラフである。厚さが異なる３種類の対物レンズについて、製造誤差によりレンズ厚が１μｍ増えた場合の波面収差を、第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度との関係で示すグラフである。

符号の説明

１０対物レンズ
１１第１面
１２第２面
２０光ディスク

Claims

光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面を備える単レンズであって、NA0.75以上であり、前記第１面が凸面であり、該第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度をθmax、使用波長におけるレンズの屈折率をｎ、正弦条件違反量
の負の極小値をSCmax、焦点距離をfとして、以下の条件(１)ａ、（２）、
1.23 ＜ (n−1)・tanθmax ＜ 1.50 …(１)ａ
−0.030 ＜ SCmax／f ＜ −0.003 …(２)
を満たすことを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。
正弦条件違反量がフルコレクションで、有効半径の６割から９割の入射高さで負の極小値を持つ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。
前記レンズの光軸上の厚さをｄとして、以下の条件(３)、
1.65 ＜ (ｄ・n)／f ＜ 2.50 …(３)
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。
光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面を備える単レンズであって、NA0.75以上であり、前記第１面が凸面であり、該第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度をθmax、使用波長におけるレンズの屈折率をｎ、として、以下の
条件(１)ａ、を満たし、
1.23 ＜ (n−1)・tanθmax ＜ 1.50 …(１)ａ
正弦条件違反量がフルコレクションで、有効半径の６割から９割の入射高さで負の極小値を持つことを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。
光源側となる第１面及び光ディスク側となる第２面を備える単レンズであって、NA0.75以上であり、前記第１面が凸面であり、該第１面の有効径内において光軸に対して面法線がなす傾斜の最大角度をθmax、使用波長におけるレンズの屈折率をｎ、焦点距離をf、レンズの光軸上の厚さをｄとして、以下の条件(１)ａ、（３）、を満たし、
1.23 ＜ (n−1)・tanθmax ＜ 1.50 …(１)ａ
1.65 ＜ (ｄ・n)／f ＜ 2.50 …(３)
正弦条件違反量がフルコレクションで、有効半径の６割から９割の入射高さで負の極小値
を持つことを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。
前記使用波長におけるレンズの屈折率が、１．７以上である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。