KR100527069B1 - 대물렌즈및광학픽업장치 - Google Patents

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겐지 야마모토
도시오 와타나베
이사오 이치무라
후미사다 마에다
기요시 오사토
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

2군 2매 구성으로 개구수(開口數)가 0.7 이상의 대물렌즈를 제공한다. 또, 이 대물렌즈를 사용함으로써, 높은 정보기록밀도를 가지는 광학기록매체에 대해 사용할 수 있는 광학픽업장치를 제공한다. 최소한 하나의 면을 비구면(非球面)으로 하고, 렌즈를 이루는 초재(硝材)로서, 아베수(Abbe 's number)가 40 이상의 저분산(低分散) 유리를 사용한다.

Description

대물렌즈 및 광학픽업장치
본 발명은, 대물렌즈 및 이 대물렌즈를 가지고 구성되어 광디스크, 광자기디스크, 광카드와 같은 광학기록매체에 대하여 정보신호의 기입독출을 행하는 광학픽업장치에 관한 기술분야에 속한다.
종래, 광디스크, 광자기디스크, 광카드와 같은 광학기록매체는, 동화(動畵)정보, 음성정보, 컴퓨터용 데이터 등의 데이터보존을 위해, 그 양산성(量産性)과 저코스트로 인하여 널리 사용되고 있다. 그리고, 그 기록정보신호의 고밀도화, 대용량화에의 요구는, 정보화 사회의 급격한 진보에 의해, 근년 점차 강해지고 있다.
이와 같은 광학기록매체에 있어서의 정보신호의 기록밀도를 높이기 위해서는, 이 정보신호를 독출하기 위한 레이저광속(光束)의 단파장화와, 이 레이저광속을 이 광학기록매체상에 집광시키기 위한 대물렌즈의 고NA화(높은 NA(개구수(開口數))의 대물렌즈를 사용)와의 2가지가 유효하다. 왜냐하면, 레이저광속을 집광하여 형성하는 빔스폿의 최소사이즈는, 광의 회절(回折)에 의해, λ／NA(λ：광속의 파장) 이하로는 할 수 없기 때문이다.
상기 레이저광속의 단파장화에 대해서는, 근년, 청색레이저다이오드나 청색 또는 녹색 SHG레이저가 개발되고 있다. 한편, 상기 대물렌즈의 고NA화에 대해서는, 이른바 「콤팩트디스크(CD)」(오디오신호용, 또는 컴퓨터데이터용의 디지탈광디스크)용의 대물렌즈의 NA가 0.45인 것에 대하여, 이 「콤팩트디스크」보다 기록밀도가 향상된 이른바 「디지탈비디오디스크(DVD)」(비디오신호용의 디지탈광디스크)용의 대물렌즈에서는, NA는 0.6으로 되어 있다. 이들 광디스크용의 대물렌즈는, 합성수지재료나 유리재료에 의해, 비구면(非球面) 싱글렌즈(단옥(單玉)비구면렌즈(a monocyte aspheric lens))로서 구성되어 있다.
그리고, 「디지탈비디오디스크(DVD)」는, 디스크의 경사에 의한 코마수차(收差)의 영향을 저감시키기 위해, 「콤팩트디스크」나 광자기디스크의 디스크기판의 두께의 반정도의 두께, 즉 0.6mm두께의 디스크기판을 가지고 구성되어 있다.
그리고, 상기「디지탈비디오디스크(DVD)」보다 한층 나은 기록정보신호의 고밀도화를 실현하기 위해서는, NA가 0.6을 넘는 고NA의 대물렌즈가 필요하게 된다.
그런데, NA가 0.7 이상의 고NA의 대물렌즈를 작성하는데 있어서는, 여러 가지의 과제를 해결하지 않으면 안된다.
고NA의 대물렌즈에서는, 반도체레이저의 파장변동(환경온도의 변화에 의한 수직모드홉)에 의해 발생하는 색수차(色收差)가 문제로 된다. 종래의 단옥대물렌즈는, NA가 0.6 이하이고, 색수차의 발생이 적으므로, 아베수(Abbe 's number) 50 이하의 비교적 고분산(高分散), 고굴절률의 초재에 의해 형성할 수 있었다. 또, 고분산, 고굴절률의 초재는, 염가이므로, 대량생산에 적합하여, 널리 사용되고 있었다.
그런데, NA가 0.7 이상의 고NA의 대물렌즈에 있어서는, 고분산 초재로 형성한 것에서는 색수차가 크고, 광디스크의 신호기록면에 있어서 허용할 수 없는 디포커스가 생겨 버린다. 따라서, 저분산(低分散) 초재를 사용하여 색수차를 억제하지 않으면 안된다.
그러나, 저분산 초재의 대부분은, 굴절률이 낮은 경향이 있으므로, 단초점거리, 고NA의 대물렌즈를 작성하면, 면의 곡률이 심해져 버린다. 이 경우, 렌즈의 성형에 사용하는 금형의 가공이 곤란해 진다. 현재의 비구면 가공기술에서는, 비구면의 접면과 광축에 수직인 평면과 이루는 각도 θ가 50도를 넘으면, 다이아몬드바이트에 의한 금형가공을 정확하게 할 수 없다(실제로는, 이 각도 θ가 55도 정도까지 양호한 렌즈가 얻어졌다고 하는 보고가 있다).
그러나, 단초점거리, 고NA의 대물렌즈에서는, 상기 각도 θ가 55도를 넘는 것으로 되는 설계로 되는 경우가 많고, 금형제작이나 렌즈성형시의 렌즈면 사이의 편심(偏芯)허용도 등이 작아지게 되어, 생산효율이 급속히 악화된다.
여기서, 2군 2매의 렌즈구성을 취하고, 곡률을 4면으로 분배하는 설계를 생각할 수 있다. 그런데, 2군 2매의 렌즈라도, 특히 소구경(小口徑)렌즈에 있어서, 보다 충분한 작동거리(워킹디스턴스)를 확보하려고 하면, 면의 곡률이 심해진다. 또한, 렌즈제작시의 렌즈면 사이의 편심허용도, 화각허용도 등이 작아지게 되어, 생산효율이 급속히 악화된다. 대물렌즈의 소구경화, 즉 대물렌즈의 경을 가능한 한 작게 하는 것은, 광학픽업장치의 소형화에 관계되어, 코스트적으로도 유리하므로, 중요한 과제이다. 또, 충분히 긴 작동거리를 확보하는 것은, 대물렌즈와, 고속이며 회전조작되는 광디스크와의 접촉을 방지하는 의미에서 중요하다.
여기서, 2군 2매 구성의 대물렌즈에 있어서, 소구경화, 또는 충분한 작동거리의 확보를 위해서는, 생산효율을 악화시키지 않고 면의 곡률을 완만하게 한 렌즈가 필요하다.
한편, 대물렌즈의 구경을 크게 하면, 렌즈의 곡률은 완만해져 대물렌즈의 생산효율은 향상되지만, 대물렌즈를 포함하여 대물렌즈 주위의 무게가 무겁게 되어, 광학픽업장치의 대형화가 초래되어 버린다. 또한, 이 경우에는, 상기 대물렌즈를 상기 광디스크에 추종시켜 이동조작하기 위한 액튜에이터(대물렌즈 구동기구)의 고성능화가 요구되어, 대형화, 코스트의 상승이 초래된다.
또, 고NA의 대물렌즈를 사용한 경우의 다른 문제점으로는, 광디스크의 스큐에 의해 발생하는 코마수차가 NA의 3승에 비례하여 증가하므로, 소량의 디스크스큐로 RF신호가 열화되어 이 광디스크로부터의 신호재생이 곤란하게 된다고 하는 것이 있다.
그래서, 본 발명은, 전술한 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 충분히 높은 개구수(NA)를 가지면서, 색수차가 충분히 보정되고, 또 경량이며, 또한 제조가 용이화된 대물렌즈를 제공한다고 하는 과제를 해결하려고 하는 것이다.
또, 본 발명은, 전술한 본 발명에 관한 대물렌즈를 구비하고, 광학기록매체에 대한 정보신호의 양호한 기입 및 독출을 행할 수 있도록 이루어진 광학픽업장치를 제공한다고 하는 과제를 해결하려고 하는 것이다.
본 발명에 있어서는, 전술한 과제를 해결하기 위해, 고NA(개구수)의 2군 2매의 렌즈에 있어서의 색수차 대책으로서, 2매의 렌즈를 이루는 초재에 아베수가 40 이상의 저분산 초재를 사용하였다. 또, 소구경화, 또는 충분히 긴 작동거리를 얻기 위해, 제1의 수단으로서, 곡률이 심한 쪽의 렌즈를 이루는 초재를 곡률이 완만한 쪽의 렌즈를 이루는 초재보다 고굴절률의 것으로 하여, 곡률을 완화하여, 생산효율의 악화에 대응하였다. 이 경우, 곡률이 심한 렌즈의 초재는 파장분산이 큰 것으로 되므로, 색수차의 보정의 점에서 다소 불리하게 된다. 또, 제2의 수단으로서, 먼저 소구경화, 광학픽업장치의 소형화를 위해, 구경을 4.5mm 이하로 한정하였다. 또한, 4.5mm 이하의 구경에 있어서, NA(개구수), 구경 및 작동거리의 적합한 범위를 규정하여 곡률이 심해지는 것을 방지하여, 생산효율의 악화에 대응하였다. 이들 렌즈는, 면의 곡률, 틸트(경사) 및 편심허용도가 생산가능한 범위에서 설계되고, 그 결과 얻어진 렌즈는, 2군 2매의 렌즈의 설계에 있어서 2매의 렌즈의 굴절력의 배분을 최적화한 렌즈라고 할 수 있다. 굴절력의 배분은, 물체측(광원측)의 렌즈의 초점거리 F1와 전계(全系)의 초점거리 F의 비 F1／F가,
1.7＜(F1／F)＜2.5
로 하는 범위일 때 렌즈의 제조공차를 특히 크게 할 수 있어, 굴절력의 배분은 최적으로 된다.
또, 고NA의 대물렌즈를 적용한 광학픽업장치(고NA렌즈시스템)에 있어서는, 광학기록매체의 경사(디스크스큐)의 대책으로서, 투명기판(디스크기판)의 두께를 얇게 하여, 코마수차의 발생을 억제하는 것으로 하였다.
즉, 본 발명에 관한 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수가 40 이상의 초재에 의해 형성된 2매의 렌즈에 의한 2군 2매의 구성을 가지고, 최소한 하나의 면이 비구면으로 이루어지고, 개구수가 0.7 이상으로 이루어져 있는 것이다.
또, 본 발명은, 상기 대물렌즈에 있어서, 상기 2매의 렌즈를 형성하는 초재의 d선에 있어서의 아베수를 60 이상으로 하고, 개구수를 0.8 이상으로 한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기 대물렌즈에 있어서, 상기 2매의 렌즈중, 렌즈의 주위에지부에 있어서의 면에 대한 접평면(接平面)과 광축에 수직인 평면과 이루는 각도가 다른 쪽의 렌즈에 있어서의 이 각도보다 큰 한쪽의 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n1, 이 다른 쪽의 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n2로 했을 때,
n1＞n2
가 만족되어 있는 것으로 한 것이다.
그리고, 본 발명은, 상기 대물렌즈에 있어서, 입사(入射)되는 광속의 지름을 BW로 하고, 작동거리를 WD로 했을 때,
1.0mm≤BW＜4.5mm
및
0.05mm≤WD
가 성립하고, 또한 개구수를 NA로 했을 때,
0.7≤NA＜0.8
일 때,
WD≤0.25676BW＋0.039189
가 만족되고,
0.8≤NA＜0.9
일 때,
WD≤0.14054BW－0.064865
가 만족되고,
0.9≤NA
일 때,
WD≤0.096429BW－0.244640
이 만족되어 있는 것으로 한 것이다.
또, 본 발명은, 상기 대물렌즈에 있어서, 광속이 입사되는 측의 렌즈의 초점거리 F1와 상기 2매의 렌즈전계의 초점거리 F와의 비 F1／F가,
1.7＜(F1／F)＜2.5
를 만족하고 있는 것으로 한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기 대물렌즈에 있어서, 광학기록매체에 있어서 신호기록면상에 위치하여 이 신호기록면을 지지하고 있는 투명기판의 두께 T에 대응한 수차보정이 행해지고,
0.7≤NA≤0.8
일 때,
T≤0.32mm
가 만족되고,
0.8≤NA＜0.9
일 때,
T≤0.20mm
가 만족되고,
0.9≤NA
일 때,
T≤0.11mm
가 만족되어 있는 것으로 한 것이다.
그리고, 본 발명에 관한 광학픽업장치는, 광원과, 이 광원으로부터 발해진 광속을 광학기록매체의 신호기록면상에 집광시키는 대물렌즈와를 구비하고, 상기 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수가 40 이상의 초재에 의해 형성된 2매의 렌즈에 의한 2군 2매의 구성을 가지고, 최소한 하나의 면이 비구면으로 이루어지고, 개구수가 0.7 이상으로 이루어져 있는 것으로 한 것이다.
또, 본 발명은, 상기 광학픽업장치에 있어서, 상기 대물렌즈를 구성하는 상기 2매의 렌즈를 형성하는 초재의 d선에 있어서의 아베수를 60 이상으로 하고, 이 대물렌즈의 개구수를 0.8 이상으로 한 것이다.
다음에, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하면서, 다음의 순서로 설명한다.
〔1〕대물렌즈의 구성의 개략
〔2〕2매의 렌즈의 초재로서 d선에 있어서의 아베수 νd가 40 이상(νd≥40)의 저분산 초재를 사용한 렌즈
〔3〕곡률이 심한 쪽의 렌즈의 굴절률을 n1, 곡률이 완만한 쪽의 렌즈의 굴절률을 n2로 했을 때, n1＞n2가 성립되어 있는 렌즈
〔4〕빔경 BW, 작동거리 WD를 다음과 같이 한정한 렌즈
(1.0mm≤BW＜4.5mm, 또한 0.05mm≤WD이고,
0.7≤NA(개구수)＜0.8일 때,
WD≤0.25676BW＋0.039189
0.8≤NA＜0.9일 때,
WD≤0.14054BW－0.064865
0.9≤NA일 때,
WD≤0.096429BW－0.244640)
〔4­1〕빔경의 상한
〔4­2〕작동거리의 하한
〔4­3〕작동거리의 상한
〔5〕물체측(광원측)렌즈의 초점거리 F1와 전계의 초점거리 F와의 비(F1／F)에 대하여, 1.7＜(F1／F)＜2.5가 성립되는 렌즈
〔6〕광학기록매체의 투명기판의 두께 T에 대하여 다음과 같이 보정한 렌즈(0.7≤NA(개구수)＜0.8일 때,
T≤0.32mm
0.8≤NA＜0.9일 때,
T≤0.20mm
0.9≤NA일 때,
T≤0.11mm)
〔7〕광학픽업장치의 구성
〔8〕변형예
〔1〕대물렌즈의 구성의 개략
본 발명에 관한 대물렌즈는, 도 1 및 다음의〔표 1〕에 나타낸 바와 같이, 최소한 하나의 면이 비구면으로 이루어진 더블릿렌즈(2군 2매 구성렌즈)로서, 개구수 0.7 이상의 고NA(개구수)의 대물렌즈이다. 즉, 이 대물렌즈는, 물체측(광원측)에 배치되는 제1의 렌즈(3)와, 상측(像側)(광학기록매체측)에 배치되는 제2의 렌즈(4)와로 구성되어 있다. 그리고, 이 대물렌즈의 상측에는, 광학기록매체의 투명기판에 상당하는 평행평면판(5)이 배치된다.
이 대물렌즈는, 물점(OBJ)(광원)(1)이 무한원방(無限遠方)에 위치하게 되는 이른바 무한계의 렌즈로 되어 있다. 상기 물점(1)으로부터 발해진 광선은, 평행광선으로 되어, 조리개(STO)(2)를 거쳐, 제1의 면 S1(제1의 렌즈(3)의 입사면)에 입사된다. 이 광선은, 제2의 면 S2(제1 렌즈(3)의 출사면)로부터 출사(出射)되고, 제3의 면 S3(제2의 렌즈(4)의 입사면)에 입사된다. 이 광선은, 제4의 면 S4(제2 렌즈(4)의 출사면)으로부터 출사되고, 제5의 면 S5(평행평면판(5)의 입사면)에 입사된다. 그리고, 이 광선은, 제6의 면 S6(평행평면판(5)의 출사면)상의 상점(IMG)에 결상(結像)된다.
[표 1]
Figure pat00001
이 대물렌즈의 왜곡수차도를 도 2에, 비점수차도를 도 3에, 구면수차도를 도 4에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 5에, 횡수차도(축상)를 도 6에, 각각 나타낸다.
〔2〕2매의 렌즈의 초재로서 d선에 있어서의 아베수 νd가 40 이상(νd≥40)의 저분산 초재를 사용한 렌즈
본 발명에 관한 대물렌즈에 있어서는, NA가 높으므로, 광원으로 되는 반도체레이저에 있어서의 파장변동에 대응하기 위해, 색수차의 보정을 고려하지 않으면 안된다. 색수차는, 광의 파장에 의해 초재의 굴절률이 상이하므로 생기는 수차이고, 상의 위치, 크기가 파장에 의해 상이하게 된다.
종래의 CD(「콤팩트디스크」)와 같은 광디스크나 레이저빔프린터 등에 대하여 사용되는 NA가 낮은 대물렌즈에서는, 색수차의 발생량이 적으므로, 초재(아베수가 40 미만)가 빈번히 사용되고 있다. 이들 초재는, 생산성이 좋고, 대량생산에 적합하기 때문이다.
그런데, 일반적으로, 고NA 만큼 굴절력이 높은 렌즈계로 이루어지고, 파장변동에 따르는 굴절률의 변화에 의한 색수차가 커진다. 또, 장초점거리계(長焦點距離系) 만큼, 색수차는 커진다.
한편, 상기 반도체레이저는, 레이저다이오드의 온도변화에 따라, 도 21에 나타낸 바와 같이, 모드홉을 일으켜, 출력파장이 돌연 변화한다. 그러므로, 대물렌즈에 있어서 색수차가 발생하고 있는 경우에 있어서는, 상기 모드홉에 의한 디포커스는, 이 대물렌즈를 이동조작하는 2축 액튜에이터에 의해 추종할 수 없어, 제거할 수 없다.
그래서, 색수차를 억제하는 방법으로서 렌즈의 초재에 저분산 초재를 사용하지 않으면 안된다. 이와 같이 하여 설계한 대물렌즈는, 도 1 및 상기〔표 1〕에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2의 렌즈(3,4) 모두, d선에 있어서의 아베수 νd가 40.5, 굴절률 1.73의 유리를 사용하고 있다. 상기 조리개(2)에 의해 개구제한을 함으로써 NA를 0.8로 했을 때, ＋5nm의 반도체레이저에 있어서의 파장변동에 대한 디포커스는 0.478μm이다.
이 때의 광축방향의 공간주파수 80／mm에서의 MTF(Modulation Transfer Function)을 도 7에, PSF(점상강도관수(点像强度關數))를 도 8에, 각각 나타낸다.
광학기록매체로서 광디스크를 사용하는 광디스크용의 고NA 대물렌즈로서는, 반도체레이저에 있어서의 P­P10nm(±5nm)의 파장변동에 대하여, 초점심도 0.992μm의 반값, 즉 0.496μm 이상의 디포커스가 생기기 위해서는, 광디스크의 신호기록면에서 빔스폿을 좁힐 수 없다. 도 1에 나타낸 아베수 νd가 40.5의 초재의 렌즈에서는, P­P10nm(±5nm)의 파장변동에 대하여 디포커스허용량의 거의 한계치인 0.475μm이다. 그래서, 본 발명에서는, 렌즈의 초재로서 적정한 아베수 νd의 하한을 40으로 하여, 색수차를 억제하도록 하였다. 또, 아베수 νd의 상한은, 색수차 저감의 점에서는, 클수록 좋다. 따라서, 본 발명에 있어서는, NA 0.7 이상의 렌즈에 있어서의 색수차의 저감에 유효한 초재의 아베수 νd의 범위를 40 이상으로 하였다.
그리고, 후술하는〔실시예 1〕에 있어서는, 보다 큰 아베수(νd＝61.3)의 초재를 사용한 대물렌즈의 설계예를 나타내고 있다. 이 경우에는, 초점거리를 길게 하거나, 또는 NA를 크게 해도, 색수차가 억제된다.
〔3〕곡률이 심한 쪽의 렌즈의 굴절률을 n1, 곡률이 완만한 쪽의 굴절률을 n2로 했을 때, n1＞n2가 성립되어 있는 렌즈
전술한 바와 같이 저분산 초재를 사용함으로써 색수차를 억제하였다고 해도, 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 고NA의 대물렌즈의 설계에서는, 필요로 되는 초재의 굴절률이 크므로, 저굴절률인 저분산 초재를 사용한 경우에는, 렌즈의 곡률이, 생산이 불가능한 만큼 심해져 버린다. 이 경우에는, 초재를 변경하여, 굴절률을 상승시켜, 곡률을 완만하게 할 필요가 있다.
단, 이 경우에는, 현존하는 초재(광학유리)에서는, 분산도 악화되어 버린다. 따라서, 2매의 렌즈 모두, 아베수가 40 이상의 초재가 필요하지만, 곡률이 완만한 렌즈에 아베수가 큰 초재를 사용하고, 곡률이 심한 렌즈에 아베수가 작은 초재(예를 들면 40 이상)를 사용하면, 색수차의 악화는 최소한으로 억제된다.
그러므로, 곡률이 심해 생산불가능한 상태라고 하는 것은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 곡률이 심한 면(도 9중에 있어서는 S3)에 관해, 입사고(入射高)가 가장 높은 광선의 입사위치에 있어서의 렌즈면의 접선(접평면)과 광축의 수선(垂線)(광축에 수직인 평면)과의 이루는 각 θ이 55도를 넘어 버리고(도 9에 있어서는 65도), 이 렌즈를 작성하기 위한 금형을 정확하게 제작하는 것이, 거의 불가능하다고 생각되는 상태의 것이다. 그리고, 도 9에 나타낸 대물렌즈의 설계치는, 다음의 〔표 2〕에 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure pat00002
이 대물렌즈의 왜곡수차도를 도 10에, 비점수차도를 도 11에, 구면수차도를 도 12에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 13에, 횡수차도(축상)를 도 14에, 각각 나타낸다.
다음과 같이 하여, 가능한 한 색수차를 억제하면서, 렌즈의 곡률을 생산가능한 범위로 완만하게 하는 것이, 렌즈생산효율의 향상에 유효한 수단이다.
이와 같이 하여 설계한 대물렌즈를, 후술하는〔실시예 2〕에 있어서 나타낸다.
〔4〕빔경 BW, 작동거리 WD를 다음과 같이 한정한 렌즈
(1.0mm≤BW＜4.5mm, 또한 0.05mm≤WD이고,
0.7≤NA(개구수)＜0.8일 때,
WD≤0.25676BW＋0.039189
0.8≤NA＜0.9일 때,
WD≤0.14054BW－0.064865
0.9≤NA일 때,
WD≤0.096429BW－0.244640)
다음에, 광디스크와 같은 광학기록매체용의 2군 2매 구성의 대물렌즈에 요구되는 것은, 광학픽업장치의 소형화, 저코스트화를 실현하기 위한 렌즈의 소구경화(단초점거리화)이다. 본 발명에 관한 대물렌즈는, 2매의 렌즈로 구성되므로, 대구경렌즈에서는, 단옥(single­element lens)렌즈에 비해 무겁게 되므로, 소구경화는 중요한 과제이다.
그러나, 대구경렌즈의 단순한 선택에 의해 소구경화를 실현하는 경우, 작동거리(워킹디스턴스：WD)도 짧게 되어 버린다. 실제로는, 대물렌즈와 광학기록매체의 표면상의 더스트(먼지)와의 접촉을 피하기 위해, 최소한 50μm 이상의 작동거리를 확보하지 않으면 안되어, 축척대로 할 수 없는 경우가 있다. 한편, 작동거리를 크게 확보하려고 하면, 구면수차의 보정량이 크게 되어, 비구면계수가 큰 면의 곡률이 급속하게 심해져, 생산효율이 악화된다.
또, 소구경화의 한계는, 작동거리뿐만 아니라, NA에 따라서도 상이하다. 왜냐하면, 렌즈의 NA에 따라서 구면수차의 보정량은 상이하기 때문이다.
다른 면에서, 렌즈설계, 제작의 점에서는, 구경은 큰 편이 곡률이 완만한 고성능의 렌즈를 제작하기 용이하다.
그래서, 이하, 2군 2매 구성의 렌즈의 제조에 적합한 빔경, 작동거리(WD) 및 NA의 범위를, 도 22 내지 도 24를 사용하여 설명한다.
[4-1] 빔경의 상한
먼저, 도 22 내지 도24 중 A로 나타낸 바와 같이, 빔경의 상한을 규정한다. 전술한 바와 같이, 빔경이 크면 광학픽업장치가 대형화하며, 대물렌즈 및 렌즈경통(鏡筒)(렌즈홀더)이 무거워지고, 포커스서보를 행하는 액튜에이터의 고성능화가 요구되어 코스트적으로도 불리하다.
예를 들면, 도 15에 나타낸 대물렌즈의 유효빔은 4.5mm이지만, 2매의 렌즈의 총중량은 약 250mg으로 무겁다. CD(「콤팩트디스크」나 DVD(「디지탈비디오디스크」) 등에 있어서 사용되는 대물렌즈에서는, 경통을 포함하여, 약 200mg정도이다. 2축액튜에이터의 성능을 고려하면,
f = k/2m (m:질량, k:스프링상수, f:공진주파수)
가 성립하므로, 대물렌즈가 가벼운만큼 f가 커지고, 포커스서보의 대역(帶域)외로 되어, 서보제어에 있어서는 바람직하다. 경통을 포함한 대물렌즈의 총중량의 적합한 값을 500mg이하로 하면, 도 15에 나타낸 유효경 4.5mm의 대물렌즈보다 무거운 렌즈에서는, 렌즈자체로 이미 250mg의 중량이 있으므로, 경통을 포함하여 500mg이하의 렌즈를 설계하는 것은 곤란하다. 이 경우, 2축 액튜에이터의 고성능화가 필요하게 되고, 제작비용이 높아져 버리므로, 현실적이지 않다. 따라서, 2군 2매 구성의 렌즈의 유효경은, 4.5mm이하인 것이 요구된다.
여기서, 도 15에 나타낸 대물렌즈의 설계데이터를, 다음의 [표 3]에 나타낸다. 또, 이 대물렌즈의 왜곡수차도를 도 16에, 비점수차도를 도 17에, 구면수차도를 도 18에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 19에, 횡수차도(축상)를 도 20에, 각각 나타낸다.
[표 3]
Figure pat00003
[4-2] 작동거리의 하한
다음에, 도 22 내지 도24중에 B로 나타낸 바와 같이, 작동거리 WD의 하한을 규정한다. 작동거리는, 작을 수록, 구면수차의 보정량은 저감하므로, 렌즈제작이 용이하게 된다. 그러나, 실용적으로는, 포커스서치시의 대물렌즈와 광학기록매체, 예를 들면, 고속으로 회전하고 있는 광디스크와의 충돌, 또는 포커스서보 기동시의 광학기록매체의 표면상의 더스트와 대물렌즈와의 접촉을 피하기 위해서는, 어느 정도의 작동거리를 확보하지 않으면 안된다.
실내환경에 방치된 광학기록매체의 표면상의 더스트의 크기(직경)는, 도 25에 나타낸 바와 같이, 대부분 50㎛이하이다. 그래서, 상기 작동거리는, 최소한 50㎛이상이 필요하게 된다.
[4-3] 작동거리의 상한
전술한 범위에서, 어떤 NA 및 빔경에 대하여 2군 2매 구성의 렌즈로 보정할 수 있는 구면수차의 양은, 작동거리에 의존하고 있다. 본 발명에 있어서는, 렌즈의 면의 곡률(상기 각도θ가 55도 이하), 편심허용도(±10㎛이상), 화각허용도(1도 이상)를 고려하여, 여러 가지의 렌즈설계를 행했다. 이들의 허용도를 부여하는 설계에서의 작동거리의 상한의 설계예는, 도 22내지 도 24 중, 점 1 내지 점 9로서 나타낸 것이다. 이들 작동거리의 상한을 넘으면, 구면수차가 커지고, 렌즈의 곡률이 커진다. 따라서, 도 22 내지 24 중에 있어서 사선으로 나타낸 영역의 밖에서는, 렌즈의 제조가 곤란, 또는, 광학기록매체용으로는 사용할 수 없는 정도의 문제를 가지는 설계로 된다. 이들의 적합한 범위는, 설계예를 기본으로 한 직선근사(直線近似)로, 다음의 식으로 표현된다. 즉,
1.0mm≤BW＜4.5mm
및
0.05mm≤WD
가 성립하고, 또한, 개구수를 NA로 했을 때,
0.7≤NA＜0.8
일 때,
WD≤0.25676BW+0.039189
가 만족되고(도 22),
0.8≤NA＜0.9
일 때,
WD≤0.14054BW-0.064865
가 만족되고(도 23),
0.9≤NA
일 때,
WD≤0.096429BW-0.244640
이 만족되는(도 24) 것이다.
그리고, 상기 편심허용도(±10㎛이상)는, 금형을 사용한 사출성형(몰드성형)으로 렌즈를 제작할 때의 정밀도를 기준으로 하고 있다. 또, 상기 화각허용도(1도 이상)는, 광축에 대한 2군의 렌즈의 경사에 관한 장착정밀도를 기준으로 하고 있다.
도 22 내지 도 24에 나타낸 상기 조건을 만족하는 대물렌즈로서, 도 22중의 점 2에 상당하는 렌즈를 후술하는 [실시예 8]에, 도 22 중의 점 3에 상당하는 대물렌즈를 후술하는 [실시예 9]에, 도 24 중의 점 9에 상당하는 대물렌즈를 후술하는 [실시예 10]에, 각각 나타낸다.
[5] 물체측(광원측) 렌즈의 초점거리 F1와 전계의 초점거리 F와의 비(F1/F)에 대하여, 1.7＜(F1/F)＜2.5가 성립하는 렌즈
이 렌즈는, 2군의 렌즈의 설계에 있어서, 렌즈의 생산효율, 즉 면의 곡률, 편심허용도 및 화각허용도를 생산가능한 범위에서 확보하도록, 2매의 렌즈의 굴절력의 배분을 최적화한 렌즈이다. 이 굴절력의 배분상태를, 상기 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)의 초점거리 F1와 전계의 초점거리 F와의 비(F1/F)로 표현하면,
1.7＜(F1/F)＜2.5
라는 범위일 때에, 렌즈의 제조공차를 특히 크게 얻을 수 있고, 굴절력의 배분은 최적으로 된다.
이것은, 상기 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)의 파워가 전계의 파워의 약 1/2일 때에, 최적의 파워배분인 것을 나타내고 있다.
한 편,
(F1/F)≤1.7
에서는, 상기 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)의 초점거리 F1가 작은, 즉 파워가 크기 때문에, 이 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)의 면의 곡률, 편심 및 틸트허용도가 엄격해진다. 역으로,
2.5≤(F1/F)
에서는, 상기 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)의 초점거리 F1가 길어 파워가 작은 대신에, 상기 제2의 렌즈(상측 렌즈)(4)의 초점거리 F1가 작아 파워가 커지고, 이 제2의 렌즈(상측 렌즈)(4)의 면의 곡률, 편심 및 틸트허용도가 엄격해진다.
렌즈의 제조공차만을 고려하면, 상기 식의 범위는, NA, 유효빔경, 작동거리에 따라서 확대되는 경우가 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 여러 가지의 렌즈를 설계하여, 제조공차를 검토한 결과, 특히 제조공차를 크게 취할 수 있는 렌즈에 관하여, 도 26에 나타낸 바와 같이, 히스토그램을 얻었다. 즉,
1.7＜(F1/F)＜2.5
가 파워의 배분이 최적으로 2매의 렌즈의 생산공차를 특히 크게 취할 수 있는 범위이다. 이 조건을 만족하여 설계한 대물렌즈를, 후술하는 [실시예 3]에 있어서 나타낸다.
[6] 광학기록매체의 투명기판의 두께 T에 대하여 다음과 같이 보정한 렌즈
(0.7≤NA(개구수)＜0.8일 때,
T≤0.32mm
0.8≤NA＜0.9일 때,
T≤0.20mm
0.9≤NA일 때,
T≤0.11mm)
본 발명에 관한 대물렌즈가 적용되는 광학픽업장치에 대하여 사용되는 광학기록매체, 예를 들면, 광디스크에 있어서는, 투명기판(디스크기판)의 두께가 0.1mm이고, 종래의 CD(「콤팩트디스크」)의 1.2mm나, DVD(「디지탈비디오디스크」)의 0.6mm에 비교하여 대단히 얇게 되어 있다. 이것은, 광학기록매체의 스큐에 의해 발생하는 코마수차를 저감하고, 종래와 동등 이상의 스큐마진을 확보하기 때문이다. 디스크스큐에 의해 발생하는 코마수차의 양은, 다음의 식에 나타낸 바와 같이, NA의 3승에 비례하여 증가하므로, 고NA의 대물렌즈를 사용한 신호독출에 있어서는, 소량의 디스크스큐에서 RF신호가 급격하게 열화한다.
W31=(T(n2-1)n2sinθScosθS)/(2(n2-sin2θS)(5/2))
≒(T(n2-1)NA3θS)/(2n3)
(n:투명기판의 굴절률, T:투명기판의 두께, θS:스큐의 각도)
그러나. 상기 식에서 명백한 바와 같이, 코마수차는, 투명기판의 두께 T에 비례하여 증가하므로, 이 투명기판의 두께 T를 얇게 하는 것이, 스큐에 대한 유효한 대책이다. DVD(「디지탈비디오디스크」)(디스크기판의 두께 0.6mm)용의 대물렌즈(NA=0.6)에서는, θS=0.4도의 스큐(래디얼스큐)에 대하여, 결상면에서의 파면수차는, 도 27에 나타낸 바와 같이, 대략 0.043rms이다. NA를 0.6보다 크게 했을 때, θS=0.4도의 스큐(래디얼스큐)에 대하여, 결상면에서의 파면수차가 0.043rms로 되는 것과 같은 투명기판의 두께는, 도 28에 나타낸 바와 같이, NA가 0.7에서는 0.32mm정도, NA가 0.8내지 0.9에서는 0.20mm정도, NA가 0.9에서는 0.11mm정도로 된다. 이들의 두께보다 상기 투명기판을 보다 얇게 하면, 상기 파면수차는 보다 작아진다.
[7] 광학픽업장치의 구성
그리고, 본 발명에 관한 광학픽업장치는, 도 29에 나타낸 바와 같이, 광디스크(12)용의 재생장치로서 구성할 수 있다. 이 광학픽업장치는, 전술한 본 발명에 관한 대물렌즈를 가지고 구성되어 있다.
광원으로 되는 도시하지 않은 반도체레이저에 의해 발해져 콜리메이터렌즈에 의해 평행광속으로 된 파장 635nm의 직선편광광속은, 편광빔스플리터(PBS)(7) 및 λ/4(4분의 1 파장)판(8)을 투과하여, 원(圓)편광상태로 된다. 이 원편광광속은, 상기 대물렌즈 및 디스크기판(5)을 투과하여, 상기 광디스크(12)의 신호기록면상에 집광된다. 상기 디스크기판(5)은, 두께가 0.1mm의 박형 기판이다. 상기 대물렌즈는, 2매의 비구면렌즈(3),(4)를 조합하여 구성한 NA가 0.7 내지 0.95의 렌즈이다.
상기 광디스크(12)는, 단층, 또는 다층 디스크이고, 두께 0.1mm의 디스크기판(5)의 강도를 보충하기 위해 1.2mm두께의 유리판과 접합되어 있다.
신호기록면에서 반사된 광은, 원래의 광로를 돌아, λ/4판(8)을 통하여, 진행하는 직선편광방향에 대하여 90도 회전된 직선편광으로 된다. 이 광속은, 편광빔스플리터(7)에서 반사되고, 포커싱렌즈(집광렌즈)(13) 및 멀티렌즈(14)를 거쳐, 포토디텍터(PD)(15)에 의해 전기신호로서 검출된다.
상기 멀티렌즈(14)는, 입사면이 원통면(실린더리칼면)으로 이루어지고, 출사면이 요면(凹面)으로 이루어진 렌즈이다. 이 멀티렌즈(14)는, 입사광속에 대하여, 이른바 비점수차법에 의한 포커스에러신호의 검출을 가능하게 하기 위한 비점수차를 부여하는 것이다. 상기 포토디텍터(15)는, 6소자의 포토다이오드이고, 포커스조정을 비점수차법으로, 트래킹조정을 이른바 3빔법으로 행하기 위한 전기신호를 출력한다.
[8] 변형예
본 발명에 관한 대물렌즈는, 전술한 바와 같이, 물점(광원)을 무한원방으로 하는 이른바 무한계의 렌즈에 한정되지 않고, 이 물점(광원)을 유한의 거리를 둔 위치에 있는 것으로 하는 이른바 유한계의 렌즈로서도 설계할 수 있다.
[실시예]
다음에, 본 발명에 관한 대물렌즈의 구체적인 실시예를 든다. 다음의 각 실시예에 있어서는, 투명기판(5)을 이루는 재료는, CG(파장 635nm에서의 굴절률 1.533, 파장 680nm에서의 굴절률 1.5769)인 것으로 하였다.
[실시예 1]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 61.3, 굴절률 1.589라고 하는 저분산 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 30에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 31에, 비점수차도를 도 32에, 구면수차도를 도 33에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 34에, 횡수차도(축상)를 도 35에, 각각 나타낸다.
상기 조리개(2)에 의해 개구제한을 함으로써 NA를 0.8로 했을 때에, +5nm의 반도체레이저에 있어서의 파장변동에 대한 디포커스는 0.331㎛이다. 이 때의, 결상점근방의 광축방향의 공간주파수 80/mm에서의 MTF(Modulation Transfer Function)를 도 36에 나타내고, PSF(점상강도관수)를 도 37에 나타낸다. 도 36으로부터, 변조도의 피크가 포커스위치 0.0으로부터 시프트되어 있는 것을 알 수 있다.
설계조건은, 다음의 [표 4]에 나타낸 바와 같다. 이 렌즈에 있어서는, 초점거리를 길게 하거나, 또는 NA를 크게 해도, 충분히 수차도를 억제할 수 있다.
[표 4]
Figure pat00004
[실시예 2]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 38에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 39에, 비점수차도를 도 40에, 구면수차도를 도 41에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 42에, 횡수차도(축상)를 도 43에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 표 5에 나타낸 바와 같다. 이 대물렌즈에서는, 상기 제2의 렌즈(상측 렌즈)(4)에 상기 제1의 렌즈(물체측 렌즈)(3)보다 굴절률이 높은 초재를 사용함으로써, 가능한 한 색수차를 억제하면서, 이 제2의 렌즈(상측 렌즈)(4)의 곡률을 완만하게 하여 렌즈가공을 용이하게 하고 있다.
[표 5]
Figure pat00005
[실시예 3]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 44에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 45에, 비점수차도를 도 46에, 구면수차도를 도 47에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 48에, 횡수차도(축상)를 도 49에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 6]에 나타낸 바와 같다. 이 대물렌즈는, 전술한,
1.7＜(F1/F)＜2.5
라고 하는 조건을 만족하는 것으로서, 파워의 배분이 최적이고 상기 2매의 렌즈(3),(4)의 생산공차를 특히 크게 취할 수 있는 설계이다.
[표 6]
Figure pat00006
[실시예 4]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 50에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 51에, 비점수차도를 도 52에, 구면수차도를 도 53에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 54에, 횡수차도(축상)를 도 55에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 7]에 나타낸 바와 같다.
[표 7]
Figure pat00007
[실시예 5]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 53.2의 초재(694.532)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 56에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 57에, 비점수차도를 도 58에, 구면수차도를 도 59에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 60에, 횡수차도(축상)를 도 61에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 8]에 나타낸 바와 같다.
[표 8]
Figure pat00008
[실시예 6]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 62에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 63에, 비점수차도를 도 64에, 구면수차도를 도 65에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 66에, 횡수차도(축상)를 도 67에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 9]에 나타낸 바와 같다.
[표 9]
Figure pat00009
[실시예 7]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 68에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 69에, 비점수차도를 도 70에, 구면수차도를 도 71에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 72에, 횡수차도(축상)를 도 73에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 10]에 나타낸 바와 같다.
[표 10]
Figure pat00010
[실시예 8]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 74에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 75에, 비점수차도를 도 76에, 구면수차도를 도 77에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 78에, 횡수차도(축상)를 도 79에, 각각 나타낸다. 설계조건은 다음의 [표 11]에 나타낸 바와 같다. 이 대물렌즈는, 상기 도 22 내지 도 24에 의해 나타낸, 빔경, 작동거리(WD)를 NA의 범위에 관한 조건을 만족하는 대물렌즈로서, 도 22중의 점 2에 상당하는 대물렌즈이다.
[표 11]
Figure pat00011
[실시예 9]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 80에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 81에, 비점수차도를 도 82에, 구면수차도를 도 83에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도를(화각 0.5도)를 도 84에, 횡수차도(축상)를 도 85에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 12]에 나타낸 바와 같다. 이 대물렌즈는, 상기 도 22 내지 도 24에 의해 나타낸, 빔경, 작동거리(WD) 및 NA의 범위에 관한 조건을 만족하는 대물렌즈로서, 도 22중의 점 3에 상당하는 대물렌즈이다.
[표 12]
Figure pat00012
[실시예 10]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.3의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 86에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 87에, 비점수차도를 도 88에, 구면수차도를 도 89에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 90에, 횡수차도(축상)를 도 91에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 13]에 나타낸 바와 같다. 상기 도 22 내지 도 24에 의해 나타낸, 빔경, 작동거리(WD) 및 NA의 범위에 관한 조건을 만족하는 대물렌즈로서, 도 24중의 점 9에 상당하는 대물렌즈이다.
[표 13]
Figure pat00013
[실시예 11]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 64.1의 초재(BK7)에 의해 상기 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 92에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 93에, 비점수차도를 도 94에, 구면수차도를 도 95에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 96에, 횡수차도(축상)를 도 97에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 14]에 나타낸 바와 같다.
[표 14]
Figure pat00014
[실시예 12]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.6의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 64.1의 초재(BK7)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 98에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 99에, 비점수차도를 도 100에, 구면수차도를 도 101에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도(화각 0.5도)를 도 102에, 횡수차도(축상)를 도 103에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 15]에 나타낸 바와 같다.
[표 15]
Figure pat00015
[실시예 13]
이 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수 νd가 81.3 의 초재(FCD1) 및 이 아베수 νd가 61.3의 초재(BACD5)에 의해 상기 각 렌즈(3),(4)를 형성한 예이다.
광로도를 도 104에 나타낸다. 왜곡수차도를 도 105에, 비점수차도를 도 106에, 구면수차도를 도 107에, 각각 나타낸다. 또, 횡수차도를(화각 0.5도)를 도 108에, 횡수차도(축상)를 도 109에, 각각 나타낸다. 설계조건은, 다음의 [표 16]에 나타낸 바와 같다.
[표 16]
Figure pat00016
전술한 바와 같이,본 발명은, 개구수(NA) 0.7이상의 대물렌즈를 비구면을 포함하는 2군 2매 구성의 렌즈로서 실현하고, 광학픽업장치에 있어서, 이 대물렌즈를 사용함으로써 높은 정보기록밀도의 광학기록매체의 실용화를 도모하는 것을 가능하게 하는 것이다.
즉, 본 발명에 관한 대물렌즈에 있어서는,아베수 40이상의 초재의 사용에 의해, 고NA화를 도모해도, 색수차를 저감할 수 있다. 이로써, 광원으로서 반도체레이저를 사용하는 경우에 있어서는, 반도체레이저의 제조공차를 완화하여 제조상의 수율의 개선을 실현할 수 있다.
그리고, 본 발명에 관한 대물렌즈에 있어서는, 곡률이 심한 쪽의 렌즈의 굴절률을 올림으로써, 곡률을 완만하게 하여, 렌즈제조를 용이화할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 대물렌즈에 있어서는, 빔경, NA 및 작동거리의 한정에 의해, 광학픽업장치의 소형화 및 단초점화, 고NA렌즈의 작성의 용이화가 도모된다. 또, 이 대물렌즈는 소형이므로, 이 대물렌즈를 이동조작하는 2축 액튜에이터의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 대물렌즈에 있어서는, 초점거리에 대한 조건이 적절하게 설정되어 있으므로, 2매의 렌즈간의 파워배분이 최적으로 되고, 각 렌즈의 제조, 성능의 유지가 용이하게 되어, 제조상의 수율이 양호하다.
즉, 본 발명은 충분히 높은 개구수(NA)를 가지면서, 색수차가 충분히 보정되고, 또한 경량이고, 또한 제조가 용이화된 대물렌즈를 제공할 수 있는 것이다.
또, 본 발명에 관한 광학픽업장치에 있어서는, 전술한 대물렌즈를 구비하고, 또 광학기록매체의 투명기판의 두께를 규정함으로써, 코마수차를 억제할 수 있어, 광학기록매체의 제조도 용이화할 수 있다.
본 발명은 어느 정도의 특성을 가지는 바람직한 형태를 기술하고 있지만, 본 발명의 바람직한 형태의 개시(開示)는 후술하는 특허청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고, 구성의 세부를 변경할 수 있고, 또는 구성요소의 조합 및 배열에 의해 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 광학픽업장치로서 아베수(Abbe 's number)가 50이하의 초재(硝材)를 사용하여 구성한 것의 구성을 나타낸 종단면도.
도 2는 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차(歪曲收差)를 나타낸 그래프.
도 3은 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 비점(非点)수차를 나타낸 그래프,
도 4는 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 구면(球面)수차를 나타낸 그래프.
도 5는 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(橫收差)(화각(畵角) 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 6은 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상(軸上))를 나타낸 그래프.
도 7은 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 MTF(Modulation Transfer Function)를 나타낸 그래프.
도 8은 상기 도 1에 나타낸 대물렌즈의 PSF를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 관한 대물렌즈로서 렌즈의 곡률이 심한 것의 구성을 나타낸 종단면도.
도 10은 상기 도 9에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 11은 상기 도 9에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 12는 상기 도 9에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 13은 상기 도 9에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 14는 상기 도 9에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명에 관한 대물렌즈로서 빔경의 상한을 나타낸 것의 구성을 나타낸 종단면도.
도 16은 상기 도 15에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 17은 상기 도 15에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 18은 상기 도 15에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그내프.
도 19는 상기 도 15에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 20은 상기 도 16에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 21은 싱글모드레이저다이오드에 있어서의 모드홉(mode hop)을 나타낸 그래프.
도 22는 빔경, 작동거리 및 NA의 바람직한 범위(NA=0.7의 경우)를 나타낸 그래프.
도 23은 빔경, 작동거리 및 바람직한 범위(NA=0.8의 경우)를 나타낸 그내프.
도 24는 빔경, 작동거리 및 NA의 바람직한 범위(NA=0.9의 경우)를 나타낸 그래프.
도 25는 광디스크상에 있어서의 더스트의 크기의 분포를 나타낸 그래프.
도 26은 설계공차(公差)가 특히 큰 설계예에 있어서의 초점거리의 비 F1/F의 히스토그램(histogram).
도 27은 DVD(「디지탈비디오디스크」)에 있어서의 디스크스큐 0.4도일 때의 빔스폿의 파면(波面)을 나타낸 그래프.
도 28은 상기 도 27과 동일 파면수차를 발생하는 광디스크의 디스크기판의 두께를 나타낸 그래프.
도 29는 본 발명에 관한 광학픽업장치의 요부(要部)의 구성을 나타낸 측면도.
도 30은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 1의 구성의 요부를 나타낸 종단면도.
도 31은 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 32는 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 33은 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 34는 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 35는 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 36은 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 MTF(Modulation Transfer Function)를 나타낸 그래프.
도 37은 상기 도 30에 나타낸 대물렌즈의 PSF를 나타낸 그래프.
도 38은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 2의 구성을 나타낸 종단면도..
도 39는 상기 도 38에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 40은 상기 도 38에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 41은 상기 도 38에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 42는 상기 도 38에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 43은 상기 도 38에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 44는 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 3의 구성을 나타낸 종단면도.
도 45는 상기 도 44에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 46은 상기 도 44에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 47은 상기 도 44에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 48은 상기 도 44에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 49는 상기 도 44에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 50은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 4의 구성을 나타낸 종단면도.
도 51은 상기 도 50에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 52는 상기 도 50에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 53은 상기 도 50에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 54는 상기 도 50에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 55는 상기 도 50에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 56은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 5의 구성을 나타낸 종단면도.
도 57은 상기 도 56에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 58은 상기 도 56에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 59는 상기 도 56에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 60은 상기 도 56에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 61은 상기 도 56에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 62는 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 6의 구성을 나타낸 종단면도.
도 63은 상기 도 62에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 64는 상기 도 62에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 65는 상기 도 62에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 66은 상기 도 62에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 67은 상기 도 62에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 68은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 7의 구성을 나타낸 종단면도.
도 69는 상기 도 68에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 70은 상기 도 68에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 71은 상기 도 68에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를나타낸 그래프.
도 72는 상기 도 68에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 73은 상기 도 68에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 74는 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 8의 구성을 나타낸 종단면도.
도 75는 상기 도 74에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 76은 상기 도 74에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 77은 상기 도 74에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 78은 상기 도 74에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 79는 상기 도 74에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 80은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 9의 구성을 나타낸 종단면도.
도 81은 상기 도 80에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 82는 상기 도 80에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 83은 상기 도 80에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 84는 상기 도 80에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 85는 상기 도 80에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 86은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 10의 구성을 나타낸 종단면도.
도 87은 상기 도 86에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 88은 상기 도 86에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 89는 상기 도 86에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 90은 상기 도 86에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 91은 상기 도 86에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 92는 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 11의 구성을 나타낸 종단면도.
도 93은 상기 도 92에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 94는 상기 도 92에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 95는 상기 도 92에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 96은 상기 도 92에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 97은 상기 도 92에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 98은 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 12의 구성을 나타낸 종단면도.
도 99는 상기 도 98에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 100은 상기 도 98에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 101은 상기 도 98에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 102는 상기 도 98에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 103은 상기 도 98에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
도 104는 본 발명에 관한 대물렌즈의 실시예 13의 구성을 나타낸 종단면도.
도 105는 상기 도 104에 나타낸 대물렌즈의 왜곡수차를 나타낸 그래프.
도 106은 상기 도 104에 나타낸 대물렌즈의 비점수차를 나타낸 그래프.
도 107은 상기 도 104에 나타낸 대물렌즈의 구면수차를 나타낸 그래프.
도 108은 상기 도 104에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(화각 0.5도)를 나타낸 그래프.
도 109는 상기 도 104에 나타낸 대물렌즈의 횡수차(축상)를 나타낸 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 :물점(物点), 2 :조리개, 3 :제1의 렌즈, 4:제2의 렌즈, 5:투명기판, 6:상점(像点), 12:광디스크.

Claims (7)

  1. d선에 있어서의 아베수가 40 이상의 초재(硝材)에 의해 형성된 2매의 렌즈에 의한 2군 2매의 구성을 가지고, 최소한 하나의 면이 비구면(非球面)으로 이루어지며,
    상기 2매의 렌즈 각각에 대해, 렌즈의 주위 에지부의 면에 접하는 접평면(接平面)과 광축에 수직인 평면이 이루는 각도를 상호 비교하여, 상기 2매의 렌즈 중 그 각도가 상대적으로 큰 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n1, 그 각도가 상대적으로 작은 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n2로 했을 때,
    n1＞n2
    를 만족하도록 구성되고,
    개구수가 0.7 이상으로 이루어진 대물렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서, 2매의 렌즈를 형성하는 초재의 d선에 있어서의 아베수가 60 이상으로 이루어지고, 개구수가 0.8 이상으로 이루어진 대물렌즈.
  3. 청구항 1에 있어서, 입사(入射)되는 광속(光束)의 경을 BW로 하고, 작동거리를 WD로 했을 때,
    1.0mm≤BW＜4.5mm
    및
    0.05mm≤WD
    가 성립하고, 또한 개구수를 NA로 했을 때,
    0.7≤NA＜0.8일 때,
    WD≤0.25676BW＋0.039189
    가 만족되고,
    0.8≤NA＜0.9일 때,
    WD≤0.14054BW－0.064865
    가 만족되고,
    0.9≤NA일 때,
    WD≤0.096429BW－0.244640
    이 만족되는 것으로 이루어진 대물렌즈.
  4. 청구항 1에 있어서, 광속이 입사되는 측의 렌즈의 초점거리 F1와 2매의 렌즈전계(全系)의 초점거리 F와의 비 F1／F는,
    1.7＜(F1／F)＜2.5
    를 만족하는 것으로 이루어진 대물렌즈.
  5. 청구항 1에 있어서, 광학기록매체에 있어서 신호기록면상에 위치하여 이 신호기록면을 지지하고 있는 투명기판의 두께 T에 대응한 수차(收差)보정이 행해져,
    0.7≤NA≤0.8일 때,
    T≤0.32mm
    가 만족되고,
    0.8≤NA＜0.9일 때,
    T≤0.20mm
    가 만족되고,
    0.9≤NA일 때,
    T≤0.11mm
    가 만족되어 있는 것으로 이루어진 대물렌즈.
  6. 광원과,
    상기 광원으로부터 발해진 광속을 광학기록매체의 신호기록면상에 집광시키는 대물렌즈를 구비하고,
    상기 대물렌즈는, d선에 있어서의 아베수가 40 이상의 초재에 의해 형성된 2매의 렌즈에 의한 2군 2매의 구성을 가지고, 최소한 하나의 면이 비구면으로 이루어지며,
    상기 2매의 렌즈 각각에 대해, 렌즈의 주위 에지부의 면에 접하는 접평면(接平面)과 광축에 수직인 평면이 이루는 각도를 상호 비교하여, 상기 2매의 렌즈 중 그 각도가 상대적으로 큰 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n1, 그 각도가 상대적으로 작은 렌즈를 형성하고 있는 초재의 굴절률을 n2로 했을 때,
    n1＞n2
    를 만족하도록 구성되고,
    개구수가 0.7 이상으로 되어 있는 것으로 이루어진 광학픽업장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 대물렌즈를 구성하는 2매의 렌즈를 형성하는 초재의 d선에 있어서의 아베수가 60 이상으로 이루어지고, 이 대물렌즈의 개구수가 0.8 이상으로 이루어진 광학픽업장치.
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