JPS5962815A - 屈折率分布型レンズ - Google Patents

屈折率分布型レンズ

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JPS5962815A
JPS5962815A JP17327982A JP17327982A JPS5962815A JP S5962815 A JPS5962815 A JP S5962815A JP 17327982 A JP17327982 A JP 17327982A JP 17327982 A JP17327982 A JP 17327982A JP S5962815 A JPS5962815 A JP S5962815A
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JP
Japan
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refractive index
lens
aberration
index distribution
diagram
Prior art date
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JP17327982A
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English (en)
Inventor
Yasuhiro Aono
青野 康廣
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Nippon Kogaku KK
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/0087Simple or compound lenses with index gradient
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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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】 本発明は集束性屈折率分布型レンズの改良に関する。
近年、光学式ビデオディスク、ディジタルオーディオデ
ィスクのように記録媒体上に高苗度で記録されている情
報をレーザー光を微小スポットに集光して読み取る装置
が開発されている。レーザー光を微小スポットに集光す
る光学系i1′現在では通常の球面レンズを数枚組み合
せた顕微鏡対物レンズと類似のレンズ系が用いられてい
る。しかし、最近レンズの組みΔして調整の容易性、小
型軽量化を目的として集束性Ml折率分布「1ツドレン
ズいわゆるセルフォックレンズを用いたピックアンプレ
ンズが報告されている(特開昭54−109456号公
報、特開lIfイ55−6354号公報)。しかしなが
らこれらの報告は球面収差だけを補正する手段を提供す
るのみで、軸外収差、即ちコマ収差、像Fn7湾曲等に
ついては全くふれられていない。光デイスク用ピックア
ップレンズは少なくとも像面上で直径0.15朋以上の
範囲で十分収差補正がされていなくてはならず、球面収
差の補正をしただけでは実用にならない。
後述するように平面端面をもつ屈折率分布型レンズは屈
折率分布の高次項の係数を適当に選択することによシ極
めて高精度に球面収差を補正することが可能であるが、
同時にアツベの正弦条件を満足することができないため
大きなコマ収差が発生し、像面内で光軸かられずかにず
れた点に微小スポットを集光させることが不可能である
本発明の目的は球面収差のみならずコマ収差も同時に良
好に補正された屈折率分布型レンズを提供することにあ
る。
本発明け、屈折率分布型レンズの入射面及び射出面を共
に、このレンズの遠い方の共役点に向って凸の球面とし
、1m折率の分布状態による収差補正に加えて、入射面
及び射出面としての屈折面による収差補正を行なったも
のであり、このために屈折率分布の特性として最適な高
次項の係数を見い出しノζものである。
ここで、レンズの遠い方の共役点とは、レンズに関して
必然的に存在する2つの共役点のうち遠い方の共役点を
意味する。一般に光デイスク用ピックアップレンズのり
合には情報記録媒体としてのディスク4’46 vc近
い方の共役点があり、照明光源側に峨い方の共役点が存
在する。
以下、本発明の詳細な説明する。
集束性屈折率分布型レンズの屈折率分布は光1抽に関し
て口伝対称で以下の式により表現される。
n2=no2(1(gr)”4−h4(gr)’+h+
+(gr)’ )  (1)但し、れ。はレンズ中心の
屈折率、rは光軸からの径方向の距離、gは屈折率勾配
の程度を示すパラメータ、h4、h6はそれぞれ屈折率
分布の高次項としての4次項及び6次項の係数である。
一般に媒質の屈折率分布が座標久の関数としてn(双)
で表わされるとき、媒質中の光線のふるまいは という微分方程式によって記述される。ここで8は光線
の径路に沿って測った長さである。
(2)式は適当な変数変換を施すことによシRungs
 −Kutta法のようなよく知られた微分方程式の数
値解法によって解くことができる(参考文献Appli
ed 0ptics Vol、 21 、 A 6 、
 p 984 )。
(1)式によって屈折率分布が表現される屈折率分布型
レンズに入射する任意の光線は(2)式を数値解法で屏
〈ことによシ、光線追跡が可能であシ、追跡後の収差計
算は通常の均質媒質系の光学系の場合と全く同様に行う
ことができる。
また近軸領域に限定するならば(2)弐1ま解析的に解
くことができて、以下の近軸追跡式を得る。
ここで、ho′、hは第1図に示すように、一般的屈折
率分布型レンズ1の入射Wil a及び射出面1bにお
ける近軸光線の高さを表わし、α0′は入射面1aへ入
射する近軸光線の屈折直後における換算傾角、αは射出
面1bへ達する近情光線の屈折直前における換算傾角を
表わす。陶、第1図中に示した入射面1aへの入射光線
の傾角α0及び射出面1bから射出する光、線の傾角α
′はぞれぞれα0′及びαとの間で通常の屈折法則Vこ
よる対応関係にあることはいう壜でもない。
以下に、本発明を光デイスク用ピックアップレンズに用
いた例に基づいて説明する。
光デイスク用ピックアップレンズの最も重要なファクタ
ーは開口数(以下NAと記す)と作動距離(以下WDと
記す)である。
まず最初にピッ、クアツプレンズの4f[Nh。
WDと屈折率分布特性nosgsレンズ長z1有長生1
有効半径両端面の曲率半径R1、R2の関係を考察する
。両端面が曲率をもつ場合の近軸追跡式は となる。ここでR,、R2はそれぞれこのレンズの入射
面及び射出面の曲率半径である。
入射するレーザー光は平行光であるからαo = 0 
 である。レンズ系の焦点距離をfとすれば O f = −(6) α まだ WD =−(7) α となる。そして、コマ収差が補正され、正弦条件が満足
されるものとすれば O NA = −(8) が成り立つ。
(4)〜(8)式より1t11.R2について整理する
とつまり、ピックアップレンズの仕様NA、 WDと屈
折率分布特性nosg)有効半径r6及びレンズ長2を
定めると、屈折率分布型レンズの両端面の曲率半径は(
9)式のごとく一義的に定まる。−例としてNA = 
0.45 、WD=2.55、R6=1.66666 
、r6 = 2.0朋 g=0.2のときレンズ長2の
値に応じてRIXR1+が変化する様子をそれぞれ第2
図中に実線で示した。
次に収差補正について考える。屈折率分布の高次項は収
差補正上、非球面と類似の働きをするものであり、収差
補正の自由度1−tlである。つまりある特定の収差に
関しては両端面が平面であっても適当な高次の屈折率分
布を付与することによシ補正が可能である。そこで、後
述する本発明の実施例との比較のために一例として力□
=1.66666、g−0,1974、光路図を第3図
に示し、この光路図中には軸上物点からの光線を示した
。屈折率分布の高次項をh4=0.762、hs=−0
,489とすることによシ第4図の光線収差図に示すよ
うに球面収差をほとんど零にすることができる。しかし
ながら、正弦条件が満たされておらず、ゆえに大きなコ
マ収差が発生している。これは第5図の波面収差図をみ
ても明らかである。
尚、上述の球面収差を補正するような高次の屈折率分布
係数h4、h6の値は、解析的に求めることは困難であ
るが通常のレンズ設計の手法、たとえば減衰最小自乗法
のような最適化法によって数値的に容易に求めることが
できる。
上記の比較例よシ分るように球面収差とコマ収差の両方
を補正するためには高次の屈折率分布以外にもう一つの
自由度が必要とされる。この自由度は両端面に曲率をつ
けることによシ得られる。但し、基本的な仕様NA。
WDを満足するために両端面の曲率半径R1、R2は独
立に選ぶことはできず屈折率分布特性nosroXg 
 及びレンズ長2に応じて上記の(9)式で決まる値に
設定(7なければならない。
−例として第2図に示した種々のam、Rzの値に対し
てできるだけ球面収差を小さくするように高次屈折率分
布を決めたときの正弦条件違反量O8Cを点線で第2図
中に爪ねで示した。但しOSCは osc=uエリ−f        (10)in t
l で与えられる。ここでfii′焦点距離、hmaxd光
軸に平行に入射する光線のうち最も光軸から離れた光線
の入射高、θけ同光線がレンズを出射後、光軸となす角
度である。補正後の球面収差はストレールの強度(ST
)で評価しである。ストレールの強度とは無収差レンズ
系の点像強度分布の中心値と収差があるレンズ系の点像
強度分布の中心値との比であり、したがって無収差に近
い程1に近づく。
ストレールの強度で示した理由は球面収差の形状が異っ
ても単一の評価尺度として残留球面収差の大きさの目安
とすることができるからである。第2図に示した種々の
R1、R2の値に対してできるだけ球面収差を小さくす
るように高次屈折率分布を決めたときのストレールの強
度を第2図中に一点鎖線で重ねて示した。
第2図に示されるように球面収差が良好に補正されるだ
めの、すなわちストレールの強度にして0.95以上ま
でに補正されるためのレンズ長2の範囲は比較的広いが
、正弦条件違反J10 S Cがほぼ′$になる領域は
極めて限られた領域である。光デイスク用ピックアップ
レンズに用いるためKはoscVi少なくとも±0.0
3以下にすることが望ましい。
屈折率分布特性”(1% gs r6  が異なればそ
れに応じて第2図と同様な図を得ることができる。いず
れの値に対しても球面収差、コマ収差の両方が良好に補
正される形状は両端部がいずれも物体側に向って凸の曲
面をもつ場合に限られる。このとき高次の屈折率分布係
数h4、h61″j以下の条件を満たすことが肝要であ
る。
2.0 < h4(0,5 5,0(h6(0,3 上記条件のいずれを越えてもどのよりなR1、R2に対
しても球面収差とコマ収差の両方を良好に補正すること
が不可能になる。
次に本発明の実施例を示す。いずれの場合も厚さ1.1
朋のプラスチック製のディスクによって発生する収差を
考慮して設計された例である。各実施例の構成諸元は以
下の通りである。
上記実施例のうち実施例1〜7までは光デイスク用ピッ
クアップレンズに必要とされるNA=0.45、WD=
2.55の仕様で設計されたものでおる。実施例8Vi
現在「セルフォックマイクロレンズ」なる商品名で市販
されている屈折率分布型レンズLを使用した例である。
屈折率分布特性上N A = 0.3が達成可能な最も
大きな値である。各実施例ともgI!而湾面は完全には
補正されていないが、一般的光デイスク装置では集光ス
ポットの位置が中心からずれた場合でも常にオートフォ
ーカス機構が働いて最良像面を自動的に設定するので問
題ない。
第6図〜第13図に上記実施例1〜8の光路図、収差図
等を順に示した。各図においてAVi光路図であシ、図
中には元軸上の物点からの光線を示した。Bは屈折率分
布図であり、cVi光線収差図、Dは波面収差図である
。光線収差図には球面収差(sph ) 、非点収差(
Ast)及びコマ収差(Coma)を示し、球面収差図
中には、点線で正弦条件違反量を併記した。
上記の各収差図から本発明によるいずれの実施例も光デ
イスク用ピックアップレンズとして優れた性能を有して
おシ、特に各波面収差図に示されるとおシ、波面収差は
最大像高においても実用上の基準とされるλ/4よりも
かなシ小さく、コマ収差とりわけその対称性が良好に補
正されているため波面の対称性にも優れていることが明
らかである。
以上のごとく、本発明によれば球面収差のみならずコマ
収差も良好に補正されたM折率分布型レンズが達成され
、光デイスク用ピックアップレンズとして優れた性能を
有するレンズが提供される。
【図面の簡単な説明】
第1図は一般的屈折率分布型レンズの入射面及び射出面
における近軸光線の様子を示す。 第2図はレンズ長の値に応じてレンズの入射面及び射出
面の曲率牛後の変化する様子を示す。第3図は比較例の
光路図、第4図は比較例の光線収差図、第5図は比較例
の波面収差図、第6図Aは実施例10光路図、第6図B
は実施例1の屈折率分布図、第6図cVi実施例1の光
線収差図、第6図りは実施例1の波面収差図、第7図A
は実施例20光路図、第7図Bは実施例2の屈折率分布
図、第7図Cは実施例2の光線収差図、第7図りは実施
例20波面収差図、第8図Aけ実施例3の光路図、第8
図Bは実施例3の屈折率分布図、第8図Cは実施例3の
光線収差図、第8図D#″i実施例3の波面収差図、第
9図Aは実施例4の光路図、第9図Bii実施例4の屈
折率分布図、第9図Cは実施例4の光線収差図、第9図
りは実施例4の波面収差図、第10図人は実施例5の光
路図、第10図Bは実施例5の屈折率分布図、第10図
Cは実施例5の光線収差図、第10図りは実施例50波
面収差図、第11図人は実施例6の光路図、第11図B
は実施例6の屈折率分布図、第11図Cは実施例6の光
線収差図、第11図りは実施例6の波面収差図、第12
図人は実施例7の光路図、第12図Bは実施例7の屈折
率分布図、M12図Cは実施例7の光線収差図、第12
図りは実施例7の波面収差図、第13図人は実施例8の
光路図、第13図Bは実施例8の屈折率分布図、第13
図Cは実施例8の光線収差図、第13図DVi実施例8
の波面jIK差図である。 (主要部分の符号の説明) L 屈折率分布型レンズ D 光ディスク 第3図 1n 74図 才す図 オ6A図 し RI       R2 ブ’6C図 矛6D囚 メyテXメげT)L−月、9)Iy 77A膳 舅−7C図 75− オ7D図 ヌリシオサル     勺シッタル 2′8A図 バフ         1<;’ 才8C図 ゛オ′鈍図 ヌソティオサル        サシッフル士CIA図 RI    R2 一:zqc囚 才qD囚 メリ五オすノ[カシ・χタノL オ10A閃 才1060 Sph    As?:        (、o処才1
0D図 271A図 バ1           バ2 オフ7C図 才11D図 メリテ湖刃−ル      丈シ゛叡ル第12A目 7izc図 才IZI)図 メソ“フ“ン」ブ刀/           jジ、・
yノに2/3A図 才/3C図 spハ     △s−t             
  CO噸オ′/3D図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 中心屈折率を16.光軸からの径方向の距離をrとした
    七き屈折率分布nが n ” = n♂(l−(gr) ”+h 4 (’g
    r)’ + ha (gr)’ )で表わされる屈折率
    分布型レンズにおいて、2、0<ha〈0.5 5、0<ha<0.3 なる条件を満たし、かつ該屈折率分布型レンズの入射面
    及び射出tmをいずれも該レンズの遠い方の共役点に向
    って凸の球面となし、球面収差、コマ収差の両方が良好
    に補正されたことを特徴とする屈折率分布型レンズ:但
    し、gは屈折率勾配の程度を示すパラメータ、ha、h
    sViそれぞれ屈折率分布の高次項としての4次項及び
    6次項の係数である。
JP17327982A 1982-10-04 1982-10-04 屈折率分布型レンズ Pending JPS5962815A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3537883A1 (de) * 1984-10-25 1986-04-30 Olympus Optical Co., Ltd., Tokio/Tokyo Objektiv
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US4964703A (en) * 1985-11-22 1990-10-23 Canon Kabushiki Kaishi Image-forming lens
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