JPH02150816A - 非球面単レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、非球面を有する単レンズに関し、特にＮＡが
０．３５程度の両面非球面単レンズに関するものである
。

（従来の技術） 近年、ビデオディスクやコンパクトディスク等の光ディ
スクが大記憶容量の記録担体として多岐に亘り使用され
ている。

又、光デイスク同様の光学的な記録担体として、記憶容
量の多さ、携帯性の良さ等の利点を有する光カードも注
目を浴びている。

この種の記録担体に情報を高密度に記録したり、記録情
報を正確に再生する為に、情報記録再生装置に用いる光
学系については高性能な結像性能が要求される。例えば
対物レンズとしては１〜２μｍ程度の解像力を必要とす
るため、０．４５以上のＮＡを持ち、回折限界程度まで
の結像能力を持つ採収差補正が行われていなければなら
ない。

また、近年光ディスク、光カード等の記録再生装置用の
光源として用いられる半導体レーザ（以下ＬＤと略記す
る）のビームは発散光であり、このビームをコリメータ
レンズにより平行ビームにし、上記の様な対物レンズに
よりこの平行ビームを１〜２μｍに集光する構成が取ら
れる。この際に、コリメータレンズもＬＤの発光光を効
率よ（利用できる程度の高いＮＡと十分の数μｍＸ数μ
ｍ程度のＬＤ発光部からの光を平行にする換言すれば回
折限界程度の結像能力を持つ様に収差補正が行われてい
なければならない。コリメータレンズの結像能力が劣っ
ていると、例え対物レンズの解像力が充分であっても、
光学系全体としての性能は低く、好ましい情報の記録再
生が行われない。

さらに、これら情報記録再生装置では、上記光学系を含
んだヘッド部を記録担体に対して移動することにより情
報のアクセスを行うため、各構成部は極力小型軽量化さ
れることが望ましい。

これらの点より最近は、対物レンズ用として非球面単レ
ンズの開発が盛んであり、例えば特開昭５９−２３３１
３号公報、特開昭５９−２６７１４号公報。

特開昭６１−２１１７号公報、特開昭６１−１１７１５
号公報等に技術開示されている。

しかしながら、上記公報に示された非球面単レンズは、
光デイスク用の対物仕様に設計されたものであり、光カ
ード等の情報記録面を被う保護層が光ディスクの保護層
に比較して薄い記録担体に対して使用する場合、またコ
リメータレンズとして使用する場合には、はなはだ不適
当である。即ち、上記の実施例中に示されるレンズが適
当可能な透明保護層の厚さｔは０．２６Ｆ〜０．２８Ｆ
程度である。これに対し、通常のＬＤに装着されている
保護用ガラス平板の厚みｔは略々０．２５〜０．３５ｍ
ｍであり、これに適切であるレンズの焦点距離Ｆは０．
８９〜１．３５ｍｍと成る。ところがこの場合には、曲
率半径が小さ（なり過ぎて製作が極めて困難であること
、更に回折限界とみなせる良好な結像特性を有する領域
（像高）が極めてせまいこと等の欠点があり、殆んど実
用的ではない。この欠点を補うものとして、保護層の厚
みを補正用の平行平板を介在させて使用する構成が考え
られるが、本構成は光学系の小型軽量化による性能改善
、部品点数減少に伴なう低コスト化の要望に反するもの
であり好ましくない。

また、コリメータ用の非球面単レンズとして、例えば特
開昭６０−１２１４１２号公報に技術開示されている例
では再生用を主眼としＮＡが０．２以下で、透明保護層
の厚さｔ　＝　０．０１７６Ｆに対し設計された非球面
単レンズが示されているが、特に最近の記録又は記録再
生兼用に使用されるコリメータレンズとしては、ＮＡ＝
０．２ではＬＤ発光光量の有効効率が悪（好ましくない
。さらに、ＮＡが０．４５以上の対物レンズで記録担体
表面と対物レンズとの間隔を接触を防止するため充分に
とり、かつオートトラッキング等の対物レンズの光軸垂
直方向移動に対してケラレが生じることがない充分な断
面をもつ平行光を生じるためのコリメータレンズの焦点
距離はＮＡと反比例するため、高いＮＡのコリメータレ
ンズはコリメータレンズとＬＤ間の距離（Ｗ、Ｄ）を小
さくする上でも好ましい。

さらに、近年、ＬＤアレイ等の並列の複数光源を備え、
一つの光学系によるこれら複数光源の記録担体表面上で
の共役像を複数スポットとして使用するマルチビーム光
学ヘッドが提案されている。例えば、持分５７−６０６
９７号公報、時開５８−２２０２４７号公報等に技術開
示されている。これらの公報に示された複数スポットの
使用用途は様々であるが、いずれもｌ〜数μｍ径に結像
される必要がある。この構成では複数の光軸外ビーム、
または光軸外ビームと光軸上ビームを同時に使用するの
で、使用するレンズの同一焦点平面での画角結像特性が
従来使用されているレンズより厳しいものとなる。

従来のレンズに於いては軸外使用は基本的に取り付は時
の軸ずれ等の為により、画角の違いによる焦点移動＝像
面湾曲＋非点収差による結像の劣化はオートフォーカシ
ング機構や取り付は時の調整に吸収されるため考案され
ることが少なかった。

（発明の概要） 本発明は、双方のレンズ面を所定形状の非球面とするこ
とにより、レンズ形状の簡素化を図りつつ、高い結像性
能を有する小型、軽量の非球面単レンズの提供を特徴と
する 特に、ＮＡが０．３５程度であり、厚みｔが略々０．０
２Ｆ〜Ｏ，１３Ｆの平行平板が介在した上で１．２゜程
度の画角範囲で良好に収差補正を行った非球面単レンズ
を提供することを目的とする。

さらに言えば、上記画角範囲で画角差による焦点移動の
少ない非球面単レンズを提供することを目的とする。

（実施例） 本発明による非球面単レンズは、第１面、第２面が共に
非球面で構成される非球面単レンズであり、該非球面が
該非球面上の任意の点から非球面頂点の接平面までの距
離をＸ１前記任意の点から光軸までの距離をＨ１第ν面
の基準曲率半径をＲ３、第２面の円錐定数をに２、第２
面の非球面係数をＡν５（ｉ＝３．４，…）とした時に
下記の式にて表わされる非球面であると共に次の条件（
１）、　　（２）、　　（３）を満足する非球面単レン
ズ。

・・・十Ａ１，４Ｈ４＋・・・ （ν＝１．２） ただし、Ｆは非球面単レンズの焦点距離、Ｄは非球面単
レンズの光軸上肉厚、Ｎは非球面単レンズの使用波長に
対する屈折率である。

次に条件（１）から（３）について説明する。

本発明の条件（１）、（２）は３次の領域で球面収差及
びコマ収差を良好に補正するためのものである。

松居吉哉著「レンズ設計法」（共立出版）によれば、第
１面、第２面の３次の球面収差係数１．、　　Ｉ２及び
第１面、第２面のコマ収差係数ＩＩ、、ＩＩ２は、入射
瞳を第１面に一致させ物体距離が無限遠の場合、次の様
に表わされる。

Ｎ″′ｌ＜に こで、φ３．ψ２はそれぞれ第１面、第２面の３次の非
球面項であり、Ｒ，は第１面の近軸曲率半径、Ｒ２は第
２面の近軸曲率半径である。

そして、レンズ全体の３次の球面収差係数Ｉ及びコマ収
差係数ＩＩは各面のそれぞれの収差係数の和、１＝１．
＋１２ ＩＩ　＝　ＩＩ　、　＋　ＩＩ　２ で求まり、ｌ、ＩＩが適切な値となるようにレンズ形状
及び各非球面ｌを定める。

上述した式より明らかな様に、レンズの形状（焦点距離
２作動距離など）が決まるとＲ１＋　Ｒ２＋　　ＤｒＮ
の値はほぼ定まってしまい、収差係数１．　　ＩＩを適
切な値にするために残される自由度はψ３．ψ２しかな
い。従って、レンズ形状もある程度収差補正を考慮した
上で決められることが必要で、そのための数値範囲が条
件（１）、　　（２）である。

条件（１）の数値範囲を外れると、特に第１面の球面収
差が大きくなり、第１面の非球面項ψ重では収差が補正
しきれなくなる。

条件（２）は第２面でコマ収差をバランス良く補正する
ための条件であり、この数値範囲を外れると、第２面の
非球面項φ２では収差が補正しきれなくなり、軸外の結
像性能が著しく劣化する。

条件（３）は主に正弦条件を満足させるための条件であ
る。本発明においては軸上収差と共に一定範囲内の軸外
収差、特に、コマ収差を良好に補正しているが、条件（
３）の範囲を外れるとアイソプラナティックな条件が著
しく失なわれ好ましくないものである。条件の上限を越
える場合には、第１面の曲率半径が小さ（なりすぎ、負
の球面収差が大きく発生して収差補正が難しくなる事、
又、作動距離Ｗ、Ｄが短（なって実用上の難点を生じて
しまうという欠点がある。

以下に本発明の非球面単レンズの実施例を示す。

ただし第１図に示す様に、Ｆはレンズの焦点距離、ＮＡ
は開口数、βは近軸横倍率、Ｒ，は第１面の非球面の近
軸曲率半径、Ｒ２は第２面の非球面の近軸曲率半径、Ｄ
はレンズの中心肉厚、Ｗ、Ｄは作動距離、ｔは平行平板
の厚み、Ｎは使用波長λ＝８３０ｎｍでのレンズの屈折
率、Ｎｔは使用波長λ”８３０ｎｍでの平行平板の屈折
率、Δｗ　（ｊ）　（ν＝１．２）は第ν面においてＮ
Ａ（開口数）で決まるレンズ有効径内の１割における非
球面と近軸曲率半径Ｒ１を有する球面との光軸方向の差
（但し、Δ、（ｊ）は非球面の曲率か弱くなる方向を正
とする。）である。

尚、非球面の形状は、該非球面上の任意の点から非球面
頂点の接平面までの距離をＸ、前記任意の点から光軸ま
での距離をＨ１第ν面の基準曲率半径をＲ２、第ν面の
円錐定数をに１、第ν面の非球面係数をＡ　ｖ＋　（ｉ
＝３．　４，…）とした時に下記の式にて表わされる非
球面である。

実施例１ ・・・十ＡｙａＨ’＋・・・ （ν＝１．２） また、第２図から第９図は夫々本発明の実施例１から８
のレンズの収差図である。ここでは、球面収差、非点収
差及び歪曲収差を示してあり、ＳＡは球面収差、ＳＣは
正弦条件不満足量、Ｍはメリジオナル面の像面彎曲、Ｓ
はサジタル面の像面前面を表わす。

実施例２ 実施例３ 実施例４ 実施例５ 実施例６ 実施例７ 実施例８ 以上示した実施例１から８においては、焦点距離Ｆを７
ｍｍとし、ＮＡを０．３５、透明保護層である平行平板
の厚さｔを０　、３　ｍ　ｍとして設計したものであり
、略々１．２°の画角範囲に於いて回折限界に近い結像
性能を有する。更に、平行平板の厚さｔは、上記ＮＡ、
画角の条件下では・±０．１ｍ’ｍ程度の変動までは良
好な結像性能を有する。即ち、０．０２Ｆ　＜　ｔ＜０
．１３Ｆの範囲であれば良好な結像性能が得られる。

を 上述した実施例１から８に見られるように、述した（１
）から（３）の条件に加えて、以下の条件（４）、　　
（５）を満足することが好ましい。

条件式 ％式％ 特に非球面収差を補正 するための条件であり、この範囲を越えると軸上収差及
び軸外のコマ収差を補正しつつ、軸外の非点収差の補正
を充分に行うことができなくなる。

また、条件式（５）はレンズの形状バランスを整える条
件式であり、条件式の条件を超えることはレンズの小型
軽量化が計れないのみならず口径と軸上厚みのバランス
が悪く、レンズ作成上及びレンズ取り付は調整上好まし
くない。また、条件式の下限を越えると収差全般に渡り
補正が困難となる。

本発明に係る非球面単レンズに於いては、上記条件（１
）〜（５）を満足することに加えて、前記条件（６）〜
（９）を満足することにより、特に球面収差の更なる良
好な補正を可能ならしめたものである。

（６）　　０．００４＜Δ１（ｔｏ）／　Ｆ　＜　０．
００６（７）ｏ、ｏｏｏ８＜Δｒ　（７）　／Ｆ＜０．
００１３（８）０．０００８＜Δ２　（１０）　／　Ｆ
　＜　０．００１３（９）０．０００２＜Δ２　（７）
　／　Ｆ　＜　０．０００４条件（６）〜（９）は、レ
ンズ第１面及び第２面の有効径の１０割、７割での非球
面量を決定する条件である。

条件（６）、　　（７）の上限を越えると、球面収差が
オーバーとなり、逆に下限を越えると球面収差がアンダ
ーとなって軸上性能が劣化する。

条件（８）、　　（９）は主に軸外収差の補正に関する
ものであり、上限値及び下限値の範囲を外れるとコマ収
差、非点収差の発生が大きくなって軸外性能が劣化する
。

球面収差の更なる補正については、 （１０）　　０．００２５＜Δ＋　（９）／　Ｆ　＜　
０．００３５（１１）０．０００１５＜Δ＋　（５）／
Ｆ＜０．０００３５なる条件を、軸外収差の更なる補正
については、（１２）０．０００５５＜Δ２（９）　／
　Ｆ　＜　０　、０００８５（１３）０．００００６＜
Δ２　（５）／Ｆ＜０．０００１２なる条件を上記（１
）〜（９）の条件に加えて満足することが好適である。

（発明の効果） 以上、図面を用いて本発明の詳細について説明した。本
発明によれば、軸上、軸外共に良好に収差の補正された
非球面単レンズを実現することができる。

特に、本発明によれば、厚みｔが略々０．０２Ｆ〜０．
１３Ｆの透明平行平板が介在したＮＡ＝０．３５程度で
軸上から画角１．２°程度までの軸外で良好な結像性能
を有する非球面単レンズを提供できる。

光カード記録再生装置等の光メモリー装置の光ヘッドに
おいて、対物レンズとして、或いはコリメータレンズと
して本発明に係る非球面単レンズを採用することによっ
て、光ヘッドの軽量、小型化が達成可能である。

さらに云えば、本発明によれば、上記画角範囲で画角差
による焦点移動の少ない非球面単レンズを提供できる。

したがって、コリメータレンズとして好適な小型、軽量
、良好な軸上軸外結像性能を持ち、特にＬＤアレイを用
いた複数ビーム光学系用として好ましいコリメータレン
ズが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る非球面単レンズのレンズ断面を示
す図、第２図から第９図は本発明に係る非球面単レンズ
の各実施例に於ける球面収差、非点収差、歪曲収差を示
す図である。 １　・・・・・・・・・・・・・・非球面単レンズ２・
・・・・・・・・・・・・・・・・平行平板Ｄ・・・・
・・・・・・・・・・・・　レンズ肉厚Ｗ、Ｄ・・・・
・・・・・・・・・・・作動距離ｔ・・・・・・・・・
・・・・・平行平板の肉厚Ｒ，，Ｒ２・・・・第１面、
第２面の曲率半径Ｎ、Ｎｔ・・・・・・・・・・・・・
・・屈折率球面収差 イー戸淑ム 歪ぢ収晃 球面収差 卵戸、収ム 歪四収毛 球面収差 卵か、収墓 歪曲収虫 大面収差 卵愚収墓 歪口収免 球面祝募 ４酵、収基 ゑ田植 球σ収監 ４坪愚収龜 歪臼咲毛 球■収差 １Ｆ！戸、収墓 歪田収色

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１面、第２面が共に非球面で構成される非球面単レン
   ズであり、該非球面が該非球面上の任意の点から非球面
   頂点の接平面までの距離をＸ、前記任意の点から光軸ま
   での距離をＨ、第ν面の基準曲率半径をＲ＿ν、第ν面
   の円錐定数をＫ＿ν、第ν面の非球面係数をＡ＿ν＿ｉ
   （ｉ＝３，４，…）とした時に下記の式にて表わされる
   非球面であると共に次の条件（１）、（２）、（３）を
   満足する非球面単レンズ。 Ｘ＝｛（Ｈ＾２／Ｒ＿ν）／（１＋√［１−（１＋Ｋ＿
   ν）（Ｈ／Ｒ＿ν）＾２］）｝＋Ａ＿ν＿３Ｈ＾３…＋
   Ａ＿ν＿４Ｈ＾４＋… （ν＝１，２） （１）０．７３＜［（Ｎ−１）Ｆ＾３］／Ｎ＾１Ｒ＿１
   ＾３＜０．８５（２）０．３１＜（Ｎ−１）Ｄ／ＮＲ＿
   １＜０．４７（３）−０．３６＜Ｒ＿１／Ｒ＿２＜−０
   ．１８ただし、Ｆは非球面単レンズの焦点距離、Ｄは非
   球面単レンズの光軸上肉厚、Ｎは非球面単レンズの使用
   波長に対する屈折率である。