이하, 도 1 내지 도 7, 도 10 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(21) 및 이 대물 렌즈(21)와 함께 사용되는 광 디스크(23)를 도시한다.
이 제 1 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(21)는 일반적으로는 설계 기준 파장이 450㎚보다도 짧고, 개구수가 0.7 이상이며, 렌즈의 중심 두께(D)가 초점 거리보다도 긴 양면 비구면 단일 렌즈이다.
보다 상세하게는, 이 대물 렌즈(21)의 설계 기준 파장은 405㎚로 설정되어 있다.
또한, 이 대물 렌즈(21)의 개구수(NA)는 0.75로 설계되어 있다.
더욱이 또한, 이 대물 렌즈(21)의 초점 거리는 2.5㎜이며, 상기 설계 기준 파장 405㎚에서의 결상 배율은 0배이다.
또한, 제 1 면(S1)과 제 2 면(S2) 사이의 편심(δ)[면(S1)의 기하학적 중심 축(a1)과 면(S2)의 기하학적 중심 축(a2) 사이의 거리]이 5 마이크론(㎛)일 때의 수차(편심 특성)는 0.03λ 이하가 되도록 설계되어 있다.
또한, 렌즈의 유리 종류는 다음과 같다.
NbF1[굴절율(nd)=1.7433, 아베수(νd)=49.22]
또한, 광 디스크(23)는 다음과 같이 설계되어 있다.
커버 유리 두께: 0.11㎜(폴리카보네이트 0.1㎜ + 아크릴 0.01㎜)
또한, 이 대물 렌즈(21)는 축에 평행한 광선에 대한 수차, 즉 축상 수차가 0.003λ(rms) 정도의 크기를 갖도록 설계되어 있다.
여기서, rms는 이승 평균(root mean square)을 의미한다. 또한, λ는 설계 기준 파장이고, 이 실시예에서는 4O5㎚이다.
도 2는 상기 제 1 실시예의 대물 렌즈(21)에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D)의 변화에 따라서 축외 수차가 어떻게 변동하는지를 도시한다.
여기서, 축외 수차란 이미 서술한 바와 같이, 렌즈의 광 축에 대해 경사진 각도로 광선이 입사할 경우에, 초점면에서 발생하는 수차를 의미한다. 또한, 도 2에서는 광 축에 대해 0.5도 각도로 광선이 입사한다고 가정된다.
도 2는 상기 대물 렌즈(21)에 대해 광선 추적법에 의해 계산된 값이다.
도 2로부터 이해되는 바와 같이, 렌즈 두께(D)가 초점 거리(2.5㎜)보다도 커지면, 상기 수차는 0.04λ(rms)보다도 작아져 양호한 수속상이 얻어진다.
도 3은 제 1 실시예의 대물 렌즈(21)에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D)의 변화에 따라서 최량 상면 색 수차가 어떻게 변화하는지를 도시한다.
보다 상세하게는, 설계 기준 파장 405㎚로부터 어긋난 파장 410㎚를 갖는 광선의 구면 수차(rms)가 렌즈 두께(D)의 변화에 따라서 어떻게 변화하는지를 도시한다.
도 3으로부터 이해되는 바와 같이, 상기 410㎚에서의 구면 수차(rms)도, 렌즈의 중심 두께(D)가 초점 거리 2.5㎜보다도 커지면 충분히 작은 값(도 3에서는 0.02λ보다도 작음)이 되는 것을 이해할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 실시예에 의하면, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리보다도 길게 함으로써 양호한 최량 상면 색 수차 특성 및 축외 수차 특성을 얻을 수 있다. 따라서 또한, 제 1 실시예의 렌즈에 의하면, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리 2.5㎜보다도 크게 함으로써, 사용 가능한 레이저 파장 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3의 축외 수차 및 최량 상면 색 수차의 값은 상기 렌즈의 개구수 혹은 렌즈를 만드는 유리의 종류 혹은 그 밖의 설계 차이에 의해 다르다. 또한, 렌즈의 사양에 따라서도 다르다. 예를 들면, 초점 거리가 짧아지면 당연한 결과로서 수차에 관한 특성은 향상한다. 그러나, 광 파장이 450㎚보다도 짧고, 또한, 개구수가 0.7 이상인 양면 비대칭 단일 렌즈에 있어서, 렌즈의 중심 두께를 초점 거리보다도 길게 하면 양호한 색 수차 특성과 축외 수차 특성을 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 만들 수 있는 점은 일반화화여 생각할 수 있다.
따라서, 설계 기준 파장이 0.45㎛보다도 짧고, 또한, 개구수가 0.7 이상인 경우에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리보다도 길게 함으로써 양호한 최량 상면 색 수차 특성 및 축외 수차 특성을 얻을 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시예에 있어서는, 설계 기준 파장에서의 결상 배율을 0배로 함으로써, 간섭계를 사용하여 용이하게 성능을 렌즈 단품으로 측정하는 것이 가능해져, 고도의 품질 관리가 가능해진다.
또한, 렌즈의 제조 오차 혹은 디스크의 두께 오차 혹은 온도 변화 등에 의한 구면 수차의 증가가 있을 경우에는 대물 렌즈에 입사하는 광의 평행도를 변화시키고 역방향의 구면 수차를 발생시켜 이 역방향 구면 수차에 의해 상기 발생하는 구면 수차를 보상할 수도 있다. 또한, 상기 렌즈 제조 오차에 의한 구면 수차가 발생할 경우는, 결상 배율이 0배로부터 어긋나는 것이 분명하다.
<제 2 실시예>
도 4는 본 발명의 제 2 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(31) 및 이 대물 렌즈(31)와 함께 사용되는 광 디스크(33)를 도시한다.
이 제 2 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(31)의 렌즈 사양은 표 1에 도시하는 대로이다.
렌즈 사양 |
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.75 |
초점 거리 |
2.5 ㎜ |
입사 동공 직경 |
3.75 ㎜ |
또한, 이 대물 렌즈(31)의 렌즈 설계치는 표 2에 도시하는 대로이다.
렌즈 설계치 |
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리 |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
2.075403 |
3.500002 |
NBF1 |
-0.2798963 |
2 |
비구면 |
-6.962995 |
0.598987 |
|
-529.1943 |
3 |
|
무한대 |
0.1 |
POLYCARB |
|
4 |
|
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC |
|
상 면 |
|
|
|
|
|
여기서, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(33)의 설계치를 도시한다.
또한, 표 2 중 유리의 굴절율은 표 3에 도시하는 대로이다.
굴절율 |
NBF1 |
1.76898499 |
POLYCARB |
1.62230752 |
ACRYLIC |
1.50650420 |
또한, 대물 렌즈(31)의 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 4, 표 5에 도시하는 대로이다.
또한, 광 축의 높이가 Y가 되는 비구면 상의 좌표점의 비구면 정점의 접평면으로부터의 거리(X)는 비구면 정점의 곡률(1/r)을 C, 원추 계수(코닉 정수)를 K, 4차 내지 12차 비구면 계수를 A4 내지 A12로 하여, 다음에 도시하는 식으로 나타난다.
비구면 계수 제 1 면 |
r의 4승의 계수 A4 |
-0.00174879 |
r의 6승의 계수 A6 |
-0.00015845294 |
r의 8승의 계수 A8 |
-0.00033158263 |
r의 10승의 계수 A10 |
8.7997012e-005 |
r의 12승의 계수 A12 |
-1.7681848e-005 |
비구면 계수 제 2 면 |
r의 4승의 계수 A4 |
0.031198858 |
r의 6승의 계수 A6 |
-0.056548233 |
r의 8승의 계수 A8 |
0.033199766 |
r의 10승의 계수 A10 |
-0.00049162717 |
r의 12승의 계수 A12 |
-0.0038802889 |
도 5는 상기 제 2 실시예의 대물 렌즈(31)에서의 400㎚, 405㎚, 410㎚의 3파장에서의 세로 수차도이다.
이 대물 렌즈(31)의 최량 상면 수차(rms)는 표 6에 도시하는 대로이다.
최량 상면 색 수차 특성 |
400 ㎚ |
0.013 λ(rms) |
405 ㎚ |
0.006 λ(rms) |
410 ㎚ |
0.014 λ(rms) |
따라서, 이 제 2 실시예에 의하면, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어난 광 디스크용 대물 렌즈(31)를 실현할 수 있다.
또한, 이 대물 렌즈(31)에 있어서는, 면간 편심이 5㎛일 때의 수차는 0.025λ(rms)이다. 또한, 이 대물 렌즈(31)에 있어서, 작동 거리는 0.60㎜이다.
<제 3 실시예>
도 6은 본 발명의 제 3 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(41) 및 이 대물 렌즈(41)와 함께 사용되는 광 디스크(43)를 도시한다.
이 제 3 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(41)의 렌즈 사양은 표 7에 도시하는 대로이다.
렌즈 사양 |
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.75 |
초점 거리 |
1.5 ㎜ |
입사 동공 직경 |
2.25 ㎜ |
또한, 이 대물 렌즈(41)의 렌즈 설계치는 표 8에 도시하는 대로이다.
렌즈 설계치 |
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리 |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
1.186043 |
1.7 |
NBF1 |
-0.2942041 |
2 |
비구면 |
-15.83456 |
0.497105 |
|
-4974.452 |
3 |
|
무한대 |
0.1 |
POLYCARB |
|
4 |
|
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC |
|
상 면 |
|
|
|
|
|
여기서, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(43)의 설계치를 도시한다.
또한, 표 8 중 유리 굴절율은 표 3에 도시하는 대로이다.
또한, 대물 렌즈(41)의 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 9, 표 10에 도시하는 대로이다.
비구면 계수 제 1 면 |
r의 4승의 계수 A4 |
-0.0081068112 |
r의 6승의 계수 A6 |
-0.0068562912 |
r의 8승의 계수 A8 |
-0.0045819339 |
r의 10승의 계수 A10 |
0.0022623792 |
r의 12승의 계수 A12 |
-0.0043029508 |
비구면 계수 제 2 면 |
r의 4승의 계수 A4 |
0.13708296 |
r의 6승의 계수 A6 |
-0.36149219 |
r의 8승의 계수 A8 |
0.1145607 |
r의 10승의 계수 A10 |
0.70178705 |
r의 12승의 계수 A12 |
-0.72328397 |
도 7은 상기 제 3 실시예의 대물 렌즈에서의 400㎚, 405㎚, 41O㎚의 3파장에서의 세로 수차도이다.
이 대물 렌즈(41)의 최량 상면 수차(rms)는 표 11에 도시하는 대로이다.
최량 상면 색 수차 특성 |
400 ㎚ |
0.009 λ(rms) |
405 ㎚ |
0.001 λ(rms) |
410 ㎚ |
0.009 λ(rms) |
따라서, 이 제 3 실시예에 의하면, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어난 광 디스크용 대물 렌즈(41)를 실현할 수 있다.
또한, 이 대물 렌즈(41)에 있어서는, 면간 편심이 5㎛일 때의 수차는 0.027λ(rms)이다. 또한, 이 대물 렌즈(41)에 있어서, 작동 거리는 0.50㎜이다.
<제 4 실시예>
본 발명의 제 4 실시예는 이하와 같은 고찰에 의해 발명되었다.
즉, 상기 축상 수차를 개선하기 위해서는, 예를 들면 구면 수차를 보정하도록 렌즈를 설계하면 된다. 또한, 축외 수차를 개선하는 데는 예를 들면, 아베의 정현 조건을 만족하도록 렌즈를 설계하면 된다. 그리고, 양면 비구면 렌즈는 이들 2개 조건을 동시에 만족할 수 있다. 즉, 입사면 및 출사면을 비구면 렌즈로 함으로써 상기 2조건을 동시에 만족하는 렌즈를 설계할 수 있다.
그러나, 이러한 렌즈는 개구수가 0.6이상인 경우, 편심 공차를 확보하는 것이 어렵다. 즉, 편심 공차를 고려할 경우, 상기 축상 수차 혹은 축외 수차는 상기 편심 공차를 고려하지 않은 경우의 축외 수차 혹은 축상 수차로부터 열화한다.
따라서, 큰 편심 공차를 확보하기 위해서는 입사면 및 출사면이 편심을 갖는 경우라도, 상기 각 수차가 크게 증대하지 않는 비구면 렌즈 형상이 필요해진다. 바꾸어 말하면, 상기 축상 수차와 축외 수차를 적절히 열화시켜 편심 공차를 확보할 수 있는 균형 잡힌 대물 렌즈를 설계할 필요가 있다.
상기 고찰에 의한 이 대물 렌즈는 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한 개구수가 0.7 내지 0.8이며, 작동 거리가 0.2㎜ 이상인 단일 렌즈로서, 이하의 조건을 만족하는 광 디스크용 대물 렌즈이다.
(1) 0.85 < d1/f < 1.5,
(2) 0 > d1/R2 > -0.7,
(3) n > 1.6.
여기서, f는 해당 대물 렌즈의 초점 거리이고, d1은 해당 대물 렌즈(121)의 중심 두께이다(도 10 참조). 또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, R2는 해당 대물 렌즈(121)의 광 디스크(123)측의 정점(121b)에서의 곡률 반경이다. 또한, R1을 해당 대물 렌즈(121)의 광원측의 정점(121a)에서의 곡률 반경으로 한다.
이 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차(에 의한 수차 증가 억제)를 동시에 만족할 수 있다.
보다 상세하게는 상기 축상 수차(파면 수차)는 0.01λ 이하로 할 수 있으며, 축외 수차(파면 수차)는, 예를 들면 0.5도의 입사 광에 대해 O.05λ 이하로 할 수 있다. 또한, 편심 공차(δ)(도 10)는, 예를 들면 5㎛의 편심에 대해 파면 수차를 0.03λ 이하로 할 수 있다. 또한, 이들 수차는 초점 거리에 따라서 더욱 작게 할 수 있다.
또한 후술하는 바와 같이, 예를 들면, t = 0.1㎜의 디스크 판독층 두께에 대해, 적어도 0.2㎜ 이상, 바람직하게는 0.4㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
상기 조건 (1) 중, 0.85 < d1/f를 충족함으로써, 특히, 축상 수차 및 축외 수차를 억제하면서 편심 공차를 확보할 수 있다. 이 이유는 렌즈의 편심 두께가 두꺼운 쪽이 렌즈 제 1 면(입사면)의 반경을 비교적 크게 할 수 있기 때문이다. 보다 상세하게는 제 1 면의 곡률 반경이 커지면, 렌즈의 외측 단부를 지나는 광선(L)(도 10)의 대물 렌즈(121)로의 입사각(θ)[렌즈면의 법선(n)과 광선이 이루는 각도]이 작아지며, 이로써 비선형 현상으로서의 굴절 효과가 작아지기 때문이다.
또한, 상기 조건 (1) 중, d1/f < 1.5를 충족함으로써, 축외 수차 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 보다 상세하게는 d1이 비교적 작을 경우, R2가 비교적 커도 작동 거리를 확보할 수 있다. 따라서, 비교적 용이하게 정현 조건을 만족할 수 있어, 축외 수차를 억제할 수 있다.
또한, 상기 조건 (1)에 의해, 렌즈를 소형화 및 경량화하고, 포커스 서보 및 트래킹 서보 동작에 있어서 액추에이터에 의한 고속 동작을 보증할 수 있다. 또한, 픽업 소형화를 보증할 수 있다.
또한, 상기 조건 (2) 0 > d1/R2 > -0.7을 충족함으로써, 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차 특성 열화를 막고, 또한, 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
d1/R2가 음인 것은 R2가 음인 것을 의미하며, 이것은 대물 렌즈(121)가 양 볼록 렌즈인 것을 의미한다. 이로써, 편심 공차를 확대할 수 있다[이하의 조건 (4)의 설명 참조].
또한, 이것에 의해 볼록 렌즈로서의 파워를 R1과 R2로 분담할 수 있어, 결과적으로 R1을 비교적 크게 설정할 수 있으며, 작동 거리(a)(도 10)를 길게 할 수 있다. 작동 거리(a)는 단일 렌즈의 경우, a = f-f/R1·d(n-1)/n으로 나타나기 때문이다. 또한, 이 식은 공기 중에서의 작동 거리이지만, 디스크에 대해 집광되는 경우도, 본질은 변하지 않는다.
또한, d/R2를 -0.7보다도 크게 설정함으로써, 완전 아플라낫(aplanat) 형태로부터의 괴리를 작게 하고, 따라서 축외 수차를 작게 억제하여, 상기 수차의 밸런스를 취하는 것이 가능해진다.
상기 조건 (3) n > 1.6을 충족함으로써, 가공이 용이한 비교적 얕은 구면[렌즈의 최외주에서의 렌즈 표면의 법선 방향과 광 축이 이루는 각도(θ)(도 10)가 작은 구면]으로 큰 개구수를 용이하게 달성할 수 있다.
또한, 굴절율(n)은 1.7 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 더욱 얕은 구면을 갖는 대물 렌즈로 필요한 개구수를 실현할 수 있다.
이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 더욱이, 조건,
(4) 0.65 < R1/f < 0.9
를 충족하는 것이 바람직하다.
이로써, 정현 조건 보정이 용이해져, 축외 수차 열화를 억제할 수 있다.
보다 상세하게는 R1/f를 0.9보다 작게 설정함으로써, 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다.
더욱 상세하게는 이하와 같다.
상술한 바와 같이, 편심 공차를 확보하면서 축상 수차 및 축외 수차를 억제할 필요가 있지만, 이 경우, 제 1 면의 곡률 반경(R1) 값을 크게 설정하여, 양 볼록 렌즈로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 초점 거리를 일정하게 할 경우, R1을 상기 범위에 설정함으로써, R2 값도 비교적 작게 유지할 수 있으며, 결과적으로 용이하게 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 초점 거리가 2㎜ 렌즈인 경우, 상기 조건을 만족함으로써, 0.5도의 입사각을 갖는 입사 광에 대해 축외 수차(파면 수차)를 0.07λ 이하로 억제할 수 있다.또한, R1/f를 0.65보다 크게 설정함으로써, 광 디스크(123)에 대한 대물 렌즈(121)의 작동 거리(a)(도 10)를 크게 확보할 수 있다.
보다 상세하게는, 일반적으로 단일 렌즈를 사용할 경우, 광 픽업의 작동 거리(a)는, 두께 t 및 굴절율 N의 광 디스크(123)가 있을 경우, 아래와 같이 나타난다.
a = f-(f/R1)d(n-1)/n-t/N
여기서, n은 대물 렌즈(121)의 굴절율이다. 따라서, 상술한 바와 같이 R1/f를 크게 설정함으로써 작동 거리를 크게 확보할 수 있다. 예를 들면, t = 0.1인 디스크(123)의 판독층에 대해 0.2㎜ 이상, 바람직하게는 0.4㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다. 보다 상세하게는 예를 들면, n = 1.75, f = 2㎜, d = 2.6㎜, t = 0.1㎜, N = 1.6인 경우, (R1/f가 0.65보다도 큰 경우) 0.22㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
또한, 이 실시예의 렌즈는 더욱이, 조건,
(5) |R1/R2| < O.6
을 충족하는 것이 바람직하다.
이로써, 구면 수차(파면 수차)를 상술한 바와 같이 작게 억제할 수 있다.
보다 상세하게는, 양면 구면 렌즈에 있어서 구면 수차를 최소로 하는 반경의 조합이 알려져 있으며, 이러한 대물 렌즈(121)는 베스트 폼·렌즈라 불린다. R1 및 R2를 상기 조건을 만족하도록 설정함으로써, 상기 베스트 폼·렌즈로부터의 괴리를 작게 하여, 구면 수차를 작게 할 수 있다.
이 제 4 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(121)는 더욱이, |R1/R2| < 0.3인 것이 바람직하다.
이로써, 더욱 용이하게 구면 수차를 보정하여 상기 축상 수차 및 축외 수차 및 편심 공차 사이의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다.
이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 더욱이, 초점 거리를 2.2㎜ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이로써, 광 픽업을 소형화할 수 있다. 상기한 바와 같이 이 소형 픽업은 예를 들면, 모바일 용도에서의 데이터 기록용 드라이브에 사용될 수 있다.
또한, 이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 투과층이 0.3㎜ 이하인 광 디스크(121)와 함께 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
이로써, 시스템 여유 저하에 용이하게 대처할 수 있다.
이하, 이 제 4 실시예의 실시예를 도시한다.
<실시예 4-1>
이 대물 렌즈(121)의 사양은 표 21에 도시하는 대로이다.
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.75 |
초점 거리 |
2.0 ㎜ |
입사 동공 직경 |
3 ㎜ |
또한, 이 대물 렌즈(121)의 설계치는 표 22에 도시하는 대로이다.
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리(굴절율) |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
1.5711 |
2.2 |
NBF1 (1.76898499) |
-0.55559 |
2 |
비구면 |
-28.5721 |
0.72 |
- |
126.4458 |
3 |
- |
무한대 |
0.09 |
POLYCARB (1.62230752) |
- |
4 |
- |
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC (1.50650420) |
- |
상 면 |
- |
- |
- |
- |
- |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(123) 투과층의 각 표면을 의미한다(도 10 참조). 또한, 반경, 두께의 단위는 ㎜이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 23, 표 24에 도시하는 대로이다.
제 1 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.0042467 |
r의 6승의 계수 |
-0.00083941 |
r의 8승의 계수 |
0.0013892 |
r의 10승의 계수 |
-0.00092572 |
r의 12승의 계수 |
0.00013133 |
제 2 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.073942 |
r의 6승의 계수 |
-0.14198 |
r의 8승의 계수 |
0.12620 |
r의 10승의 계수 |
-0.042768 |
도 11은 실시예 4-1의 세로 수차도이고, 도 12는 비점 수차도이다.
이 실시예 4-1의 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상에서의 파면 수차는 0.006λ로 작으며 실용상, 무수차라 할 수 있다. 또한, 광 축에 대해 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 파면 수차는 O.041λ이며 마찬가지로 양호한 특성을 나타낸다. 더욱이, 면간 편심에 대해서는 편심량이 5㎛일 때의 파면 수차는 0.016λ이며, 다소의 수차 증가는 보이지만 실용상 문제는 없다. 즉, 이 대물 렌즈(121)는 충분히 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 작동 거리는 0.72㎜으로, 충분히 큰 값을 갖는다.
<실시예 4-2>
이 대물 렌즈(121)의 사양은 표 25에 도시하는 대로이다.
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.78 |
초점 거리 |
1.5 ㎜ |
입사 동공 직경 |
2.34 ㎜ |
또한, 이 대물 렌즈(121)의 설계치는 표 26에 도시하는 대로이다.
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리(굴절율) |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
1.1879 |
1.70 |
NBF1 (1.76898499) |
-0.61429 |
2 |
비구면 |
-15.0620 |
0.5 |
- |
-14462.3 |
3 |
- |
무한대 |
0.09 |
POLYCARB (1.62230752) |
- |
4 |
- |
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC (1.50650420) |
- |
상 면 |
- |
- |
- |
- |
- |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(123)의 투과층의 각 표면을 의미한다(도 10). 또한, 반경 및 두께의 단위는 ㎜이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 각각 표 27, 표 28에 도시하는 대로이다.
제 1 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.019672 |
r의 6승의 계수 |
-0.011380 |
r의 8승의 계수 |
0.016411 |
r의 10승의 계수 |
-0.012055 |
r의 12승의 계수 |
0.0024613 |
제 2 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.048253 |
r의 6승의 계수 |
-0.20958 |
r의 8승의 계수 |
0.34101 |
r의 10승의 계수 |
-0.19998 |
도 13은 실시예 4-2의 세로 수차도이고, 도 14는 비점 수차도이다.
실시예 4-2의 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상 파면 수차는 0.003λ로서, 거의 무수차라 할 수 있다. 또한, 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 축외 파면 수차는 0.045λ로서, 실용상 양호한 특성을 갖는다.
또한, 면간 편심량(편심 공차)에 대해서는 편심량이 5㎛일 때의 파면 수차는 0.012λ이다. 따라서, 이 대물 렌즈도 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 이 대물 렌즈(121)의 작동 거리는 0.5㎜로서, 실용상 충분히 넓은 값을 갖는다.
<제 5 실시예>
본 발명의 제 5 실시예는 이하와 같은 고찰에 의해 발명되었다.
즉, 상기 축상 수차를 개선하기 위해서는 예를 들면, 구면 수차를 보정하도록 렌즈를 설계하면 된다. 또한, 축외 수차를 개선하는 데는 예를 들면, 아베의 정현 조건을 만족하도록 렌즈를 설계하면 된다. 그리고, 양면 비구면 렌즈는 이들 2개의 조건을 동시에 만족시킬 수 있다. 즉, 입사면 및 출사면을 비구면 렌즈로 함으로써 상기 2조건을 동시에 만족시키는 렌즈를 설계할 수 있다.
그러나, 이러한 렌즈는 개구수가 O.6이상인 경우, 편심 공차를 확보하는 것이 어렵다. 즉, 편심 공차를 고려할 경우, 상기 축상 수차 혹은 축외 수차는 상기 편심 공차를 고려하지 않을 경우의 축외 수차 혹은 축상 수차로부터 열화한다.
따라서, 큰 편심 공차를 확보하기 위해서는 입사면 및 출사면이 편심을 갖는 경우라도, 상기 각 수차가 크게 증대하지 않은 비구면의 렌즈 형상이 필요해진다. 바꾸어 말하면, 상기 축상 수차와 축외 수차를 적절히 열화시켜 편심 공차를 확보할 수 있는 밸런스 양호한 대물 렌즈를 설계할 필요가 있다.
상기 고찰에 의한 이 대물 렌즈는 광원측 및 광 디스크측 중 적어도 1개의 면을 비구면 형상으로 한, 개구수가 0.78 이상인 단일 렌즈로서, 이하의 조건을 만족한다.
(1) d1/f > 1.2,
(2) 0.65 < R1/f < 0.95,
(3) |R1/R2| < 0.7,
(4) n > 1.65.
여기서, f는 해당 대물 렌즈의 초점 거리이고, d1는 해당 대물 렌즈(221)의 중심 두께이다(도 15). 또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, R1은 대물 렌즈(221)의 광원측의 정점(221a)에서의 곡률 반경이고, R2는 해당 대물 렌즈(221)의 광 디스크(223) 측의 정점(221b)에서의 곡률 반경이다.
이 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차(에 의한 수차 증가 억제)를 동시에 만족할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 축상 수차(파면 수차)는 대략 0.015λ 이하로 할 수 있으며, 축외 수차(파면 수차)는 0.5도의 입사광에 대해 0.1λ 이하로 할 수 있다. 또한, 편심 공차는, 예를 들면 5㎛의 편심(δ)(도 15)에 대해 파면 수차를 0.04λ 이하로 할 수 있다.
또한 후술하는 바와 같이, 예를 들면 t = 0.1㎜의 디스크 판독층 두께에 대해, 적어도 0.2㎜ 이상, 바람직하게는 0.4㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
상기 조건 (1)(d1/f > 1.2)을 충족하는 렌즈에 의하면, 특히, 축상 수차 및 축외 수차를 억제하면서 편심 공차를 확보할 수 있다. 이 이유는 렌즈의 편심 두께가 두꺼운 쪽이 렌즈 제 1 면(입사면)의 반경을 비교적 크게 할 수 있기 때문이다. 보다 상세하게는, 제 1 면의 곡률 반경이 커지면, 렌즈의 외측 단부를 지나는 광선(L)(도 15)의 대물 렌즈(221)로의 입사각(θ)[렌즈면의 법선(n)과 광선이 이루는 각도]이 작아지며, 이로써 비선형 현상으로서의 굴절 효과가 작아지기 때문이다.
또한, 상기 d/f는 1.5 이하인 것이 바람직하다.
이로써, 축외 수차 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 보다 상세하게는, d1이 비교적 작을 경우, R2가 비교적 커도 작동 거리를 확보할 수 있다. 따라서, 비교적 용이하게 정현 조건을 만족할 수 있어, 축외 수차를 억제할 수 있다.
또한, 상기 조건 (2)(0.65 < R1/f < 0.95)를 충족하는 렌즈에 의하면, 특히 정현 조건의 보정이 용이해져, 축외 수차 열화를 억제할 수 있다.
보다 상세하게는, R1/f를 0.95이하로 설정함으로써, 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다.
더욱 상세하게는 이하와 같다.
상술한 바와 같이, 편심 공차를 확보하면서 축상 수차 및 축외 수차를 억제할 필요가 있지만, 이 경우, 제 1 면의 곡률 반경(R1)의 값을 크게 설정하여, 양 볼록 렌즈로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 초점 거리를 일정하게 할 경우, R1을 상기 범위로 설정함으로써, R2의 값도 비교적 작게 유지할 수 있으며, 결과적으로 용이하게 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 초점 거리가 2㎜인 렌즈인 경우, 상기 조건을 만족함으로써, 0.5도의 입사각을 갖는 입사광에 대해 축외 수차(파면 수차)를 0.07λ 이하로 억제할 수 있다.
또한, R1/f를 0.65보다 크게 설정함으로써, 광 디스크(223)에 대한 대물 렌즈(221)의 작동 거리(a)(도 15)를 크게 확보할 수 있다.
보다 상세하게는, 일반적으로 단일 렌즈를 사용할 경우, 광 픽업의 작동 거리(a)는 두께 t 및 굴절율 N의 광 디스크(223)가 있는 경우, 이하와 같이 나타난다.
a = f-(f/R1)d1(n-1)/n-t/N
여기서, n은 대물 렌즈(221)의 굴절율이다. 따라서, 상술한 바와 같이 R1/f를 크게 설정함으로써 작동 거리를 크게 확보할 수 있다. 예를 들면, t = 0.1인 광 디스크(223)의 판독층에 대해 0.2㎜ 이상, 바람직하게는 0.4㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다. 보다 상세하게는, 예를 들면, n = 1.75, f = 2㎜, d1 = 2.6㎜, t = 0.1㎜, N = 1.6인 경우, (R1/f가 0.65보다도 큰 경우) 0.22㎜ 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
또한, 상기 조건 (3)(|R1/R2| < 0.7)을 만족하는 대물 렌즈(221)에 의하면, 구면 수차(파면 수차)를 상술한 바와 같이 작게 억제할 수 있다.
보다 상세하게는, 양면 구면 렌즈에 있어서 구면 수차를 최소로 하는 반경의 조합이 알려져 있으며, 이러한 렌즈는 베스트 폼·렌즈라 불린다. R1 및 R2를 상기 조건을 만족하도록 설정함으로써, 상기 베스트 폼·렌즈로부터의 괴리를 작게 하여 구면 수차를 작게 할 수 있다.
이 제 5 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(221)는 더욱이, |R1/R2| < 0.3인 것이 바람직하다.
이로써, 더욱 용이하게 구면 수차를 보정하여 상기 축상 수차 및 축외 수차 및 편심 공차 사이의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 조건 (4) n > 1.65를 만족함으로써, 가공이 용이한 비교적 얕은 구면[렌즈의 최외주에서의 렌즈 표면의 법선 방향과 광 축이 이루는 각도(θ)(도 15)가 작은 구면]으로, 큰 개구수(예를 들면 0.78 이상)를 용이하게 실현할 수 있다.
보다 상세하게는, 조건 (4)를 충족함으로써, ① 축외 광선의 수차 특성과 ② 면간의 편심이 있을 경우의 수차 증대의 억제를 동시에 만족할 수 있다. 화학 분석적으로는, 굴절율이 조건 (4)의 범위 내에 있을 때, 렌즈의 제 1 면 주변에서의 입사각은 작으며, 편심한 경우에도 제 2 면에서의 영향이 작다. 따라서, ① 축외 광선의 수차 특성과 ② 면간 편심이 있을 경우의 수차 증대의 억제를 동시에 만족할 수 있다.
또한, 굴절율(n)은 1.7이상인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 더욱 얕은 구면을 갖는 대물 렌즈에서 필요한 개구수를 실현할 수 있다.
이 제 5 실시예의 대물 렌즈(221)는 더욱이, 이하의 조건 (5)를 만족하는 것이 바람직하다.
(5) -0.6 < d/R2 < 0
이로써, 축상 수차 및 축외 수차를 상술한 바와 같이 작게 억제하고, 또한, 편심 공차를 상술한 바와 같이 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
d/R2가 음인 것은 R2가 음인 것을 의미하며, 이것은 대물 렌즈가 양 볼록 렌즈인 것을 의미한다. 이로써, 상기 조건 (2)의 설명에 있어서 설명한 바와 같이, 편심 공차를 확대할 수 있다. 또한, d/R2를 -0.6보다도 크게 설정함으로써, 완전 아플라낫 형태로부터의 괴리를 작게 하고, 축외 수차를 작게 억제하여, 상기 수차의 밸런스를 취하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 d/R2는 -0.5 이상인 것이 더욱 바람직하다.
이 경우, 더욱 양호한 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차 특성을 실현할 수 있다.
이하, 이 제 5 실시예의 실시예를 도시한다.
<실시예 5-1>
이 대물 렌즈(221)의 사양은 표 31에 도시하는 대로이다.
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.8 |
초점 거리 |
2.5 ㎜ |
입사 동공 직경 |
4 ㎜ |
또한 이 대물 렌즈(221)의 설계치는 표 32에 도시하는 대로이다.
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리(굴절율) |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
2.0094 |
3.20 |
NBF1 (1.76898499) |
-0.33260 |
2 |
비구면 |
-13.6662 |
0.71 |
- |
28.24710 |
3 |
- |
무한대 |
0.09 |
POLYCARB (1.62230752) |
- |
4 |
- |
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC (1.50650420) |
- |
상 면 |
- |
- |
- |
- |
- |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(23)의 투과층의 각 표면을 의미한다(도 1 참조). 또한, 반경, 두께의 단위는 ㎜이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 각각 표 33, 표 34에 도시하는 대로이다.
제 1 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
-0.0012822 |
r의 6승의 계수 |
-0.00045473 |
r의 8승의 계수 |
4.0381e-6 |
r의 10승의 계수 |
-1.1631e-5 |
r의 12승의 계수 |
-7.8205e-6 |
여기서, 예를 들면 e-6은 10-6을 의미한다.
제 2 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.085102 |
r의 6승의 계수 |
-0.11178 |
r의 8승의 계수 |
0.071686 |
r의 10승의 계수 |
-0.017766 |
도 16은 실시예 5-1의 세로 수차도이고, 도 17은 비점 수차도이다.
이 실시예 5-1의 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상에서의 파면 수차는 0.01λ로 작으며, 실용상 무수차라 할 수 있다. 또한, 광 축에 대해 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 파면 수차는 0.056λ이며 마찬가지로 양호한 특성을 도시한다. 더욱이, 면간 편심에 대해서는 편심량이 5㎛일 때의 파면 수차는 0.O30λ이며, 다소의 수차 증가는 보이지만 실용상 문제는 없다. 즉, 이 대물 렌즈(221)는 충분히 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 작동 거리는 0.71㎜로, 충분히 큰 값을 갖는다.
<실시예 5-2>
이 대물 렌즈의 사양은 표 35에 도시하는 대로이다.
설계 파장 |
405 ㎚ |
NA |
0.85 |
초점 거리 |
2.20 ㎜ |
입사 동공 직경 |
3.74 ㎜ |
또한, 이 대물 렌즈(221)의 설계치는 표 36에 도시하는 대로이다.
면 번호 |
면 형상 |
반경 |
두께 |
유리(굴절율) |
코닉 정수 |
1 |
비구면 |
1.8121 |
3.10 |
NBF1 (1.76898499) |
-0.33718 |
2 |
비구면 |
-6.5076 |
0.41 |
- |
-845.6516 |
3 |
- |
무한대 |
0.09 |
POLYCARB (1.62230752) |
- |
4 |
- |
무한대 |
0.01 |
ACRYLIC (1.50650420) |
- |
상 면 |
- |
- |
- |
- |
- |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(223)의 투과층의 각 표면을 의미한다(도 15). 또한, 반경, 두께의 단위는 ㎜이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 37, 표 38에 도시하는 대로이다.
제 1 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
-0.00092007 |
r의 6승의 계수 |
-0.00025707 |
r의 8승의 계수 |
-0.00057872 |
r의 10승의 계수 |
0.00022228 |
r의 12승의 계수 |
-5.6788e-5 |
제 2 면의 비구면 계수 |
r의 4승의 계수 |
0.061449 |
r의 6승의 계수 |
-0.13996 |
r의 8승의 계수 |
0.12867 |
r의 10승의 계수 |
-0.043733 |
도 18은 실시예 5-2의 세로 수차도이고, 도 19는 비점 수차도이다.
실시예 5-2의 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상 파면 수차는 0.006λ로서, 거의 무수차라 할 수 있다. 또한, 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 축외 파면 수차는 0.007λ로서, 실용상 양호한 특성을 갖는다. 또한, 축외 파면 수차가 실시예 5-1의 축외 파면 수차보다도 약간 큰 것은, 실시예 5-2의 개구수(0.85)가 실시예 5-1의 개구수(0.8)보다도 크기 때문이다.
또한, 면간 편심량(편심 공차)에 대해서는, 편심량이 5㎛일 때의 파면 수차는 0.036λ이다. 따라서, 이 대물 렌즈도 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 이 대물 렌즈(221)의 작동 거리는 0.41㎜로, 실용상 충분히 넓은 값을 갖는다.