KR20030023751A - 광픽업용 대물렌즈 및 이 대물렌즈를 이용한 광픽업 - Google Patents

광픽업용 대물렌즈 및 이 대물렌즈를 이용한 광픽업 Download PDF

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KR20030023751A
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

본 발명은 광픽업용의 대물렌즈이고, 광원측에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가진 비구면에 의해 구성된 제 1면(S1)과, 부(負)의 굴절력을 가진 비구면에 의해 구성된 제 2면(S2)으로부터 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈로 구성되고, 0.8이상의 개구수(NA)를 가진다.
제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상(Zi)은, 광축으로부터의 높이를 h로하여 이하의 식에 의해 표현된다.
(단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
또한, 이하의 조건을 만족하는 광픽업용 대물렌즈이다.
(r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)

Description

광픽업용 대물렌즈 및 이 대물렌즈를 이용한 광픽업{Objective for optical pickup and optical pickup using the objective}
정보의 기록매체로서, 기록매체에 대하여 기록재생용의 헤드를 접촉시키지 않고 정보의 기록재생을 가능하게 하고, 게다가 기록밀도의 향상을 도모한 기록매채로서 광디스크가 이용되고 있다. 이러한 종류의 광디스크에 기록된 정보는, 광디스크에 기록재생용 헤드로서의 광픽업에서 출사되는 레이저광을 광디스크의 신호기록층에 조사하고, 이 신호기록층에서 반사된 레이저광을 광픽업에 설치한 광검출기에 의해 검출함으로써 독출이 행해져서 재생된다.
정보의 기록재생을 가능하게 한 광디스크로서, 예를 들면 레이저광의 조사에 의해 결정화의 상태와 비결정의 상태를 반복하는 상변화형의 기록층을 이용한 것이 있다. 이러한 종류의 광디스크로의 정보의 기록은, 기록해야 할 정보신호에 따라서 변조된 레이저광을 신호기록층에 조사함으로써 행해진다.
정보의 기록재생을 가능하게 한 상변화형의 기록층을 이용한 광디스크로서,DVD(Digital Video Disk 또는 Digital Versatile Disk)가 있다. DVD는, 널리 이용되고 있는 광디스크인 CD(Compact Disk)에 대해, 기록밀도가 극히 향상되어 있다. CD는, 기록트랙의 트랙피치를 1.6㎛로 하는데 대해, DVD는 기록트랙의 트랙피치를 0.74㎛로하여, 고기록 밀도화를 실현하고 있다.
고기록밀도 정보의 기입을 가능하게 한 광디스크에 대해 레이저광을 조사하여 정보를 기록하기 위해서는, 광디스크의 신호기록층 상에 더욱 작은 빔스폿을 형성할 필요가 있다. 레이저광의 스폿경은, 레이저광의 설계파장에 비례하고, 레이저광을 집광하는 대물렌즈의 개구수(NA)에 반비례하기 때문에, 광디스크의 고기록 밀도화를 도모하기 위해서는, 대물렌즈의 고개구수화와 레이저광의 단파장화가 필요하게 된다.
광디스크의 기록밀도의 더욱 향상을 도모하기 위해, 정보의 기록재생에 이용하는 레이저광의 파장을 405nm로 하고, 대물렌즈의 개구수(NA)를 초해상을 사용하지 않는 경우에는 0.85로 하고, 초해상을 이용한 경우에는, 소위 Solid Immersion Lens(이하, 「SIL」로 약기)에서는 1.5정도로 하는 광픽업이 제안되어 있다.
광디스크의 고기록 밀도화를 실현하기 위해, 대물렌즈의 고개구수화를 도모하는 수법으로서, 종래, SIL로 대표되는 2장세트 구조의 대물렌즈가 제안되어 있다. SIL은, 1이상의 개구수(NA)를 가지는 대물렌즈로 빛의 스며 나옴을 이용한 것이고, 대물렌즈의 선단에서 레이저광의 집광점인 광디스크의 신호기록층에 이르기까지의 거리인 작동거리, 즉, 워킹디스턴스(이하,「WD」로 약기)가 수십nm이다.
SIL을 채용하지 않고 개구수(NA)를 크게 하도록 한 대물렌즈로서, 특개평10-104507호 공보에 기재되는 것이나 도 1에 나타내는 바와 같이 구성된 것이 제안되고 있다. 상기 공보 및 도 1에 나타내는 대물렌즈는, SIL과 동일한 2장세트 구조의 렌즈구성이 채용되고 있다. 그 이유로서는, 2장의 렌즈에 파워를 분산시킴으로써, 각면으로부터의 굴절력의 부담을 저감시키는 것을 목적으로 한 것이고, 각면의 곡률을 각각 완화할 수 있고, 비구면계수도 작게 할 수 있기 때문에, 렌즈가공상 유리하기 때문이다.
그런데, 도 1에 나타내는 대물렌즈(200)는, 제 1렌즈(201)와 제 2렌즈(202)를 광축(P)방향으로 배열하고, 각 렌즈(201, 202)에 굴절력을 분산시키는 것에서, 주점이 대물렌즈(200)의 내측에 들어가고, 광디스크(105)의 신호기록면(210a)에 이르기까지의 WD가 짧게되게 된다. 또한 도 1에 나타내는 대물렌즈(200)의 WD는, 0.15mm이다.
도 1에 나타내는 바와 같이 구성된 대물렌즈(200)는, 개구수(NA)를 크게 할 수 있으나, WD가 작기 때문에 광픽업에 짜 넣고, 광디스크의 기록재생을 행할 때, 대물렌즈와 광디스크가 충돌하게 된다. 즉, 회전 조작되는 광디스크의 면 흔들림이나, 광디스크에 집광되는 레이저광의 포커스제어를 행할 때의 대물렌즈의 광축방향의 변위 등에 의해, 대물렌즈와 광디스크와의 충돌을 피할 수 없다.
도 1에 나타내는 대물렌즈는, 대물렌즈에서 출사직후의 레이저광의 빔경이 매우 작아지기 때문에, 대물렌즈의 레이저광의 출사면이나 광디스크의 레이저광의 입사면에 작은 진애 등이 부착하여도, 충분한 광량을 가지고 정확히 신호기록층에 레이저광을 집광시킬 수 없게 된다.
2장의 렌즈를 조합시킨 대물렌즈는, 선옥과 후옥간의 거리를 고정밀도로 유지하고, 편심이나 경사 등을 발생시키지 않고 조립하는 것이 요구되고, 제조대(製造大) 조립이 매우 곤란하다. 도 1에 나타내는 대물렌즈(200)에 있어서는, 제 1렌즈(201)와 제 2렌즈(202)와의 사이의 거리오차를 5㎛이하의 범위로 억제하고, 서로의 렌즈(201, 202)간의 경사를 1mrad 이하로 억제하는 것이 요구된다.
이와 같은 2장조합형의 대물렌즈가 가지는 문제점을 해결하기 위해, 광픽업용의 대물렌즈로서, WD를 크게할 수 있고, 복수의 렌즈의 조합을 행하는 것을 필요로 하지 않는 단옥구성의 대물렌즈가 요구되고 있다.
종래 제안되고, 혹은 이용되고 있는 단옥구성의 대물렌즈는, 개구수(NA)를 크게하면, 레이저광의 입사측의 면인 제 1면의 깊이(sag량)가 기본곡률에 대하여 크게되기 때문에, 성형용 금형을 이용한 가공이 곤란하게 되게 된다.
본 발명은, 디스크형 광기록매체, 즉 광디스크의 신호기록면에 광빔인 레이저광을 집광하여 조사하기 위해 이용되는 광픽업용 대물렌즈 및 이 대물렌즈를 이용한 광픽업에 관하여, 더욱이는 광디스크장치에 관한 것이다.
도 1은, 종래의 대물렌즈의 렌즈구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 본 발명이 적용되는 광디스크장치의 외관을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은, 광디스크장치의 내부구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 4는, 본 발명에 관계되는 광학픽업을 나타내는 측면도이다.
도 5는, 본 발명에 관계되는 대물렌즈를 나타내는 종단면도이다.
도 6은, 구면수차와 유리재의 굴절률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 대물렌즈의 제 1면 및 제 2면의 곡률반경과 유리재의 굴절률과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 대물렌즈의 제 1면과 제 2면의 곡률반경의 비율과 유리재의 굴절률과의 관계를 니타내는 그래프이다.
도 9는, 대물렌즈의 광학유효지름외의 면의 형상의 일 예를 개략적으로 나타내는 확대단면도이다.
도 10a는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 대물렌즈의 구면수차를 나타내고, 도 10b는 비점수차를 나타내고, 도 10c는 왜곡수차를 나타내는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 대물렌즈의 구면수차를 나타내고, 도 11b는 비점수차를 나타내고, 도 11c는 왜곡수차를 나타내는 도면이다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 종래의 실정을 감안하여 제안되는 것이고, 기록트랙의 트랙피치를 좁게 함으로써 고기록 밀도화된 광기록매체에 대하여 정보를 기록하고, 광기록매체에 기록된 정보의 재생에 이용되는 광학픽업에 이용하여 유용한 신규의 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이고, 더욱 기본적으로는, 회절한계까지 레이저광을 집광하는 것이 가능한 광픽업용 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 회절한계까지 레이저광을 집광할 수 있는 대물렌즈를 이용한 광학픽업, 이 광학픽업을 이용한 광디스크장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 성형용 금형을 이용한 가공을 가능하게 하고, 용이하게 제조할 수 있는 광픽업용 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술과 같은 목적을 달성하기 위하여 제안되는 본 발명은, 광원측부터 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2의 면으로부터 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지는 광픽업용 대물렌즈이고, 제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상(Zi)이, 광축으로부터의 높이를 h로하여 이하의 식에 의해 나타내고,
(단 i는 비구면의 광원측으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
또한, 이하의 조건을 만족한 것이다.
(r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)
또한, 본 발명에 관계되는 광픽업용 대물렌즈는, 또한 이하의 조건을 만족한다.
r1＜ f·NA
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
또, 본 발명은 광원측으로부터 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지는 광픽업용 대물렌즈이고, 제 1 및 제 2비구면의 비구면형상(Zi)이, 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
(단, i는 비구면의 광원측으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
또한, 이하의 조건을 만족하는 것이다.
r1＜ f·NA
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
본 발명에 관계되는 광픽업용 대물렌즈는, 굴절률이 0.7이상인 유리재에 의해 형성된다.
본 발명은, 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형 광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추는 광픽업이고, 이 광픽업의 대물렌즈로서 광원축에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지고, 제 1 및 제 2비구면의 비구면형상 Zi가 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
(단, i는 비구면의 광원측으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
또한, 이하의 조건을 만족하게 이루어지는 것을 이용한다.
(r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)
여기서, 대물렌즈는, 또한 이하의 조건을 만족한다.
r1＜ f·NA
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
또, 본 발명은 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형 광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추는 광픽업이고, 이 광픽업의 대물렌즈로서, 광원측에서 차례로 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면에서 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지며, 제 1 및 제 2비구면의 비구면형상(Zi)이 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
(단, i는 비구면의 광원측으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
또한, 이하의 조건을 만족하는 것을 이용한다.
r1＜ f·NA
(단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
본 발명은, 디스크형 광기록매체를 회전구동하는 회전구동기구와, 상기 회전구동기구에 의해 회전조작되는 디스크형 광기록매체의 반경방향으로 이동조작되고, 광원에서 출사되는 레이저광에 의해 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록영역을 주사하여 정보의 기록 또는 재생을 행하는 광픽업을 갖춘 광디스크장치이고, 이 장치의 광픽업으로서 상술한 광픽업의 어느 것을 이용한다.
본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해 얻어지는 구체적인 이점은, 이하에 있어서 도면을 참조하여 설명되는 실시형태의 설명으로 한층 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 관계되는 광픽업용 대물렌즈, 그 대물렌즈를 이용한 광픽업 및 광디스크장치를 도면을 참조하여 설명한다.
이하에 나타내는 본 발명의 실시형태는, 본 발명을 디스크형의 광기록매체인 CD(Compact Disk)에 설치되는 기록트랙의 트랙피치보다도 좁은 0.6㎛정도의 트랙피치를 가지는 디스크형의 광기록매체, 예를 들면 DVD(Digital Video Disc／Digital Versatile Disc) 등, 기록트랙의 트랙피치를 좁게 함으로써 정보의 기록밀도를 높인 규격의 디스크형의 광기록매체에 대하여 정보의 기록을 행하고, 이 기록매체에 기록된 정보의 재생을 행하는 광디스크장치에 적용한 것이다.
우선, 본 발명에 관계되는 대물렌즈를 이용한 광학픽업을 이용하는 광디스크장치를 설명한다.
본 발명이 적용되는 광디스크장치(1)는, 회전수를 높게 하여 기록된 기록신호의 독해 및 정보신호의 기입이 고속화된 것이고, 트랙피치가 매우 촘촘하게 되어서 기록용량이 높아진, 예를 들면 DVD(Digital Video Disc／Digital Versatile Disc) 등의 광기록매체로서 이용하는 것으로, 퍼스널컴퓨터 등의 정보처리장치의외부기억장치로서 이용된다.
디스크 드라이브장치(1)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 각종 기구가 배치된 메카플레임(2)을 가지며, 메카플레임(2)의 상편, 좌우 및 전후가, 나사멈춤 등의 적절한 수단에 의해 부착된 커버체(3) 및 전면패널(4)에 의해 덮여져 있다.
커버체(3)는, 천판부(3a)와 이 천판부(3a)의 양측 테두리에서 각각 수직설치된 측면부(3b, 3b)와 도시하지 않은 후면부가 일체로 형성되어 있다. 전면패널부(4)에는, 가로길이의 개구(4a)가 형성되고, 이 개구(4a)를 개폐하는 비체(扉體)(5)가, 그 상단부를 지지점으로서 전면패널(4)에 회동자재로 지지되어 있다. 전면패널(4)에는 각종 조작을 행하는 복수의 조작버튼(6)이 설치되어 있다.
메카플레임(2)은 각종기구가 배치되는 기구배치면부(7a)와, 기구배치면부(7a)의 양측연에서 입설된 측부(7b, 7b)를 가지며, 기구배치면부(7a)의 전단부에 캠판이나 각종 기어를 가지는 로딩기구(8)가 배치되어 있다.
메카플레임(2)에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 디스크트레이(9)가 도 3중 화살표 (A1)방향 및 화살표 (A2)방향의 전후방향으로 이동가능하게 지지되어 있다. 디스크트레이(9)에는, 전후방향으로 긴 삽입구멍(9a)과 디스크형의 광기록매체(이하, 단순히 「광디스크」라고 한다)(100)가 재치되는 디스크재치 오목부(9b)가 형성되어 있다. 디스크재치 오목부(9b)에 광디스크(100)를 재치할 때, 디스크트레이(9)는 로딩기구(8)에 의해 이동조작되고, 전면패널(4)의 개구(4a)에서 장치본체의 외부에 돌출되고, 광디스크(100)에 정보의 기록 또는 재생을 행할 때에는, 디스크재치 오목부(9b)에 광디스크(100)를 재치한 상태로 장치본체의 내부에 끌어들여진다.
메카플레임(2)의 기구배치면부(7a)에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 이동플레임(10)이 그 후면부를 회동지지점으로써 회동자재한 상태로 지지되어 있다.
이동플레임(10)에는, 광디스크(100)를 회전시키기 위한 모터유닛(11)이 배치되어 있다. 모터유닛(11)은 디스크테이블(11a)과 구동모터(11b)를 포함하고 있다. 이동플레임(10)에는, 광학픽업(12)이 도시하지 않은 가이드축 및 리드스크류에 의해 디스크테이블(11a)에 장착된 광디스크(100)의 반경방향으로 이동가능한 상태로 지지되어 있다.
이동플레임(10)에는, 리드스크류를 회전시키는 전송모터(13)가 부착되어 있다. 따라서, 리드스크류가 전송모터(13)에 의해 회전되면, 그 회전방향에 따른 방향으로 광학픽업(12)이 가이드축에 안내되어서 이동된다.
본 발명에 관계되는 디스크 드라이브장치(1)는, 광디스크(100)가 디스크트레이(9)의 디스크재치 오목부(9b)에 재치된 상태로 장치내부로 끌어들여지고, 디스크테이블(11a) 상에 적당한 수단에 의해 유지되고, 모터유닛(11)의 구동모터(11b)에 의한 구동에 의해 디스크테이블(11a)과 함께 회전되면, 광학픽업(12)이 광디스크(100)의 반경방향으로 이동하면서, 광디스크(100)에 대한 정보의 기록 또는 재생이 행해진다.
다음으로, 광디스크(100)에 대한 정보의 기록 또는 재생을 행하는 광학픽업(12)의 구성에 대하여 설명한다.
광학픽업(12)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광디스크(100)의 반경방향으로 이동자재로 지지되고, 예를 들면, 하우징(16) 상에 지지된 도시하지 않은 2축액츄에이터를 가진다. 하우징(16)내에는 레이저광을 발생시키는 레이저발광소자(17)와 이 레이저발광소자(17)에서 출사된 레이저광(18)을 평행광속으로 하는 콜리메이터렌즈(19) 등이 설치되고, 또한 광디스크(100)의 기록층에 레이저광(18)을 집광하는, 본 발명이 적용된 대물렌즈(20)가 도시하지 않은 2축액츄에이터에 유지되어 있다.
광디스크(100)는, 0.3㎛정도의 좁은 트랙피치를 가지며, 기판이 얇은 고밀도기록 대응규격의 것이고, 광학픽업(12)은 이와 같은 광디스크(100)에 대하여 정보의 기록 및 재생을 하는데 적합한 것이다. 따라서, 레이저발광소자(17)는 종래의 CD규격의 파장을 780nm로 하는 레이저광보다도 파장이 짧은 400nm 내지 410nm 정도의 파장의 레이저광(18)을 발생시키는 것이고, 레이저노이즈를 저감하기 위해 고주파전류를 구동전류에 겹치는 것으로 레이저광(18)의 파장이 짧은 주기로 변동한다.
광디스크(100)의 기록층에 기록을 행할 때에는, 레이저발광소자(17)에서 고에너지의 레이저광(18)이 출사된다. 레이저광(18)은, 콜리메이터렌즈(19)에 의해 평행광속으로 되고, 대물렌즈(20)에 의해 광디스크(100)의 기록층에 집광되고, 상변화 등에 의해 정보를 기록한 피트가 형성된다.
한편, 기록된 정보를 독해할 경우에는, 정보에 기록을 행할 때보다도 낮은 에너지의 레이저광(18)이 광디스크(100)의 기록층에 조사되고, 광디스크(100)에서 반사된 레이저광(18)이 광학픽업(12) 내의 도시하지 않은 빔스플리터 등을 포함하는 수광계에 의해 검출됨으로써 행해진다.
다음으로, 본 발명이 적용된 대물렌즈(20)의 상세에 대하여 설명한다.
본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 도 5에 나타내는 바와 같이 광원측에서 차례로 정(正)의 굴절력을 가지며 비구면에 의해 구성된 제 1면(S1)과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 2면(S2)으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈로 구성한 것이다.
DVD등의 트랙피치를 좁게하여 정보의 기록밀도를 향상시킨 광디스크에 대하여 레이저광을 조사하여 정보신호의 기록이나 재생을 행하기 위해서는 트랙피치가 큰 광디스크에 대한 경우보다도 더욱 작은 빔스폿을 그 기록면 상에 형성할 필요가 있다.
그런데, 대물렌즈에 의해 집광되는 레이저광의 빔스폿의 지름은, 레이저광의 설계파장에 비례하고, 대물렌즈의 개구수(NA)에 반비례한다. 따라서, 광디스크에 조사되는 빔스폿의 지름을 작게하기 위해서는, 대물렌즈의 고개구수화와 레이저광의 단파장화가 필요하게 된다.
대물렌즈의 고개구수화를 도모하는 수법으로서, 상술한 바와 같이 SIL로 대표되는 2장세트구조의 대물렌즈가 제안되어 있으나, 이들 대물렌즈는 2장의 렌즈를조합한 구조를 가지는 것이고, 고정밀도로 조립정밀도를 고정밀도로 유지하여 제조하는 것이 매우 곤란하고, 또 충분한 워킹디스턴스(WD)를 확보할 수 없다. 그래서, 본 발명에 관계되는 대물렌즈는 복수의 렌즈의 조립공정을 불필요로 하고, 큰 WD를 얻도록 하기 위해, 단일렌즈에 의해 구성한 것이고, 또한 성형용 금형을 이용한 가공을 가능하게 하는 것이다.
상술한 바와 같은 요구를 만족시키기 위해 제안되는 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 광원측에서 차례로 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면(S1)과, 부(負)의 굴절력을 가지며 비구면에 의해 구성된 제 2면(S2)으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성되어 있다.
또한, 이하의 설명에 있어서,「ri」는 레이저발광소자(17) 측에서 세어서 i번째의 면(S1)의 곡률반경을 나타낸다.
비구면의 정의는, 대물렌즈(20)의 각면(S1)의 sag량(Z)이 광축(P1)으로부터의 높이(h)를 파라메터로 하여 이하의 수학식 1로 표현된다. 또한, i는 면번호, 즉 광원측에서 세어서 i번째의 면, ri은 제 i면(Si)의 곡률반경, k는 원추정수, Ai내지 Ji는 제 i면(Si)의 4차 내지 20차의 비구면계수이다.
또 대물렌즈(20)는, r1을 제 1면의 곡률반경, f를 초점거리, NA를 개구수로 하면, 이하의 수학식 2에 나타내는 조건을 만족하도록 구성된다.
또한, 대물렌즈(20)는, r1을 제 1면의 곡률반경, r2를 제 2면의 곡률반경, N을 유리재의 굴절률로 하면, 이하의 수학식 3에 나타내는 조건을 만족하도록 형성되어 있다.
상술의 수학식 2 내지 수학식 3에서 규정된 조건은, 비구면계수의 값을 가능한 한 억제하면서, 구면수차를 최소로 하는 것이 가능하게 하기 위한 조건이다.
즉, 수학식 2의 조건은, 개구수(NA)를 NA＞0.8 로 할 때에, 축상 파면수차를 회절한계로 하기 위해 필요한 조건이고, 수학식 3의 조건은 수학식 1의 비구면의 정의식에서 비구면계수를 광선높이의 20승항까지 사용하여 각 계수에 중합을 분산시켜, 비구면계수 전체의 크기를 최소로 하기 위한 조건이다.
본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지도록 됨과 동시에, 1.7이상의 굴절률을 가지는 유리재에 의해 형성된다. 굴절률을 높게함으로써 대물렌즈(20)의 곡률반경을 크게하여, 구면수차를 억제하는 것이 가능하게된다.
도 6은, 구면만으로 구성된 렌즈에 있어서, 이론적으로 발생하는 구면수차(SA)의 최소값과 유리재의 굴절률과의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 7 및 도 8은 구면수차가 최소로 하기 위한 제 1면(S1)의 곡률반경(r1)과 제 2면(S2)과의 곡률반경(r2)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
즉, 도 6으로부터 굴절률(N)이 클수록 구면수차를 작게 하는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 또, 도 7에서 굴절률(N)이 클수록 제 1면(S1)의 곡률반경(r1)이 작아지는 것을 알 수 있다. 이들 도 6 및 도 7에서, 굴절률(N)이 N＞1.7이라면 구면수차의 최소값은 대략 수속하고, 제 1면(S1)의 기본곡률반경(r1)도 대략 일정하게 되는 것을 알 수 있다. 이 조건에 의하면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 대물렌즈(20)는 제 2면(S2)의 곡률반경(r2)도 바르게 되어, 소위 메니스커스구조의 렌즈가 된다.
그런데, 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 개구수(NA)가 높기 때문에 비구면 계수가 광축으로부터의 높이의 고차의 함수인 것과, 상기 각 조건에 의해 제1면(S1)의 sag량이 크고, 유효지름 부근에서 0.8mm 내지 1.0mm가 된다. 또 제 2면(S2)에서는 유효지름이 렌즈외경의 1／3정도이다. 그 때문에, 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)도, 유효지름 내와 유효지름 외에서 면을 구성하는 식을 다르게하지 않으면, 이 대물렌즈(20)를 성형하기 위한 성형금형을 제작할 수 없다.
본 발명이 적용되는 대물렌즈(20)에 있어서는, 비구면에 의해 형성되는 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)을 상술의 조건으로 형성하면서, 성형금형을 이용한 성형을 가능하게 하기 위해, 도 9에 나타내는 바와 같이, 광학유효지름 외의 면을 본원출원인이 먼저 출원하고 있는 특개 2000-249812호공보에 기재되어 있는 광학소자에 준하는 형상으로 하고 있다. 광학유효지름 외의 면을, 이 공보에 기재된 조건으로 형성함으로써, 상기 공보에 기재된 성형용 형의 가공방법을 채용하고, 성형금형을 이용한 성형이 가능하게 된다. 또한, 이 성형용 형을 이용한 가공방법에 대해서는, 특개 2000-249812호공보의 기재를 인용하고, 그 상세에 대해서는 설명을 생략한다.
즉, 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)의 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)은, 도 9에 개략적으로 나타내는 바와 같이, 화살표(A)로 나타내는 광학적으로 유효한 영역의 내측, 즉, 광학유효지름내가 소정의 비구면(r1)으로 이루어지는 내주부(20a)와, 내주부(20a)와 연속한 화살표(B)로 나타내는 광학유효지름 외의 면이 광학유효지름 내의 비구면의 곡률보다도 매끄러운 비구면(r1b)으로 이루어지는 외주부(20b)를 가지도록 형성되어 있다.
즉, 제 1면(S1)은 전체 곡면을 일정한 비구면식에 의해 형성한 것은 아니고, 내주부(20a)를 비구면(r1)에 의해 구성하고, 외주부(20b)를 비구면(r1)보다도 곡률이 매끄러운 비구면(r1b)으로 형성하고, 내주부(20a)와 외주부(20b)를 매끄럽게 연속하도록 한 것이다. 이때, 내주부(20a)와 외주부(20b)의 경계부는, 한층 매끄럽게 연속하도록 하는 것이 바람직하다.
또, 제 2면(S2)도 제 1면(S1)과 동일하게, 전체 곡면을 일정한 비구면식에 의해 형성한 것은 아니고, 내주부(20a)를 비구면(r2)에 의해 형성하고, 외주부(20b)를 비구면(r2) 보다도 곡률이 매끄러운 비구면(r2b)으로 형성하고, 내주부(20a)와 외주부(20b)를 매끄럽게 연속하도록 한것이다. 이때, 내주부(20a)와 외주부(20b)의 경계부는, 한층 매끄럽게 연속하도록 하는 것이 바람직하다.
상술과 같이 대물렌즈(20)의 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)을 형성함으로써, 특히 개구수(NA)가 크게됨으로써 제 1면(S1)의 sag량이 크게 되어도, 몰드성형용 성형금형을 이용한 성형시에 있어서의 성형불능부분의 발생을 방지하고, 성형시에 있어서의 금형으로부터의 이형을 용이하게 행하는 것이 가능하게 된다.
다음으로, 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)의 구체적인 설계예를, 실시예 1 및 실시예 2를 들어서 설명한다.
본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 상당하는 대물렌즈(20)는, 상술한 도 5에나타내는 대로의 구성을 갖춘 것이다.
실시예 1 및 실시예 2의 대물렌즈(20)는, 어느 것이나 유리재에 의해 형성된 것이고, 유리재로서 LAH53(상품명) 상당재질(굴절률 1.8정도)을 이용한 것이다. 실시예 1 및 실시예 2의 대물렌즈(20)의 축상파면수차는, 설계상 0.002λrms이다.
또한, 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 광픽업에 부착되고, 이 광픽업이 광디스크장치에 짜 넣어져서 광디스크(100)에 대한 정보의 기록재생을 행하는 상태가 되었을 때, 대물렌즈(20)와 레이저광의 결상면이 되는 광디스크(100)의 신호기록층과의 사이에는, 광디스크(100)의 레이저광의 입사면측에 설치된 보호층(100a)이 위치한다. 광디스크(100)에 설치되는 보호층(100a)은, 광디스크(100)에 설치된 신호기록층을 덮어서 형성되고, 신호기록층의 보호를 도모하기 위해 설치되어서 이루어지는 것이다. 보호층(100a)은, 광디스크(100)의 신호기록층이 형성된 면상에 자외선 경화수지를 도포하고, 이것에 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 형성되고, 혹은, 신호기록면 상에 아크릴수지제의 시트를 첩착함으로써 형성된다.
본 발명의 실시예 1에 관계되는 대물렌즈(20)의 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)의 곡률 및 4차 내지 20차의 비구면계수(A) 내지 (J)를 표 1에 나타낸다.
본 발명의 실시예 1에 관계되는 대물렌즈(20)의 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)의 곡률 및 4차 내지 20차의 비구면계수(A) 내지 (J)를 표 2에 나타낸다.
표 3에 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)의 실시예 1 및 2의 레이저발광소자(17)의 레이저광(18)의 파장(λ), 초점거리(f), 개구수(NA), 광디스크(100)의 커버층으로서의 보호층(100a)의 두께, 작동거리(WD), 대물렌즈(20)을 구성하는 유리재의 굴절률(N), 상기식 2 및 식 3에 관계되는 각수치를 나타낸다.
본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)의 실시예 1의 구면수차, 왜곡수차 및 비점수차를 도 10a 내지 도 10c에 각각 나타내고, 실시예 2의 구면수차, 왜곡수차 및 비점수차를 도 11a 내지 도 11c에 각각 나타낸다.
도 10a 내지 도 10c, 도 11a내지 도 11c에 각각 나타내는 구면수차, 왜곡수차 및 비점수차의 특성도에서 명백한 바와 같이, 각 수차가 보정되어 있다. 그 결과, 본 발명에 관계되는 대물렌즈는, 입사되는 레이저광을 회절한계까지 집광시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 개구수(NA)가 0.8이상인 대물렌즈를 단옥(單玉)으로 구성하는 것이 가능하게 한 것이다. 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 광디스크(100)에도 받아지는 0.1mm의 디스크커버, 즉 보호층(100a)의 두께에 대하여, 0.5mm이상의 작동거리(WD)를 확보가능하므로, 광픽업에 부착하여 광디스크장치에 짜 넣어진 경우에, 대물렌즈(20)가 디스크(100)와 접촉을 방지하도록 할 수 있다.
또, 본 발명에 관계되는 대물렌즈(20)는, 비구면으로서 형성되는 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)의 비구면계수를 광선높이의 20승항까지 사용하여 각 계수에 중량을 분산시킴으로서, 비구면계수 전체의 크기를 최소로 하는 것이 가능해진다.
또한, 비구면으로서 형성되는 제 1면(S1) 및 제 2면(S2)은, 광학유효지름 내가 소정의 비구면으로 이루어지는 내주부와, 내주부와 연속한 광학유효지름 외의 면이 광학유효지름 내의 비구면의 곡률보다도 매끄러운 비구면으로 이루어지는 외주부에 의해 구성했으므로, sag량이 큰 경우라도 성형금형을 이용한 몰드의 가공을 용이하게 행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 특정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 적의변경 가능한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관계되는 대물렌즈는, 단옥의 렌즈를 이용하여, 고개구수(NA)를 확보하고, 광원에서 출사되어 광기록매체에 집광되는 레이저광을 회절한계까지 집광시키는 것이 가능하다. 이 대물렌즈를 이용한 광픽업 및 광디스크장치는, 기록트랙의 트랙피치를 좁게함으로써 고기록 밀도화된 광기록매체에 대하여 양호한 기록재생특성을 가지고 정보의 기록 또는 재생을 행하는 것을 가능하게 한다.

Claims (11)

  1. 광원측에서 차례로, 정의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지는 광픽업용 대물렌즈에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2비구면의 비구면형상(Zi)은, 광축으로부터의 높이를 h로하여 이하의 식에 의해 표시되고,
    (단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다)
    또한, 이하의 조건을 만족하는 광픽업용 대물렌즈.
    (r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 또한 이하의 조건을 만족하는 광픽업용 대물렌즈.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유리재의 굴절률이 1.7이상인 광픽업용 대물렌즈.
  4. 광원측에서 차례로, 정의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부의 굴절력을 가지는 비구면애 의해 형성된 제 2면으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지는 광픽업용 대물렌즈에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2의 비구면의 비구면형상(Zi)은, 광축으로부터의 높이를 h로하여 이하의 식에 의해 표시되고,
    (단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다)
    또한, 이하의 조건을 만족하는 광픽업용 대물렌즈.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유리재의 굴절률이 1.7이상인 광픽업용 대물렌즈.
  6. 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형 광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추는 광픽업에 있어서,
    이 광픽업의 대물렌즈로서 광원축에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지고, 제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상(Zi)이 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표시되고,
    (단, i는 비구면의 광원측으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다)
    또한, 이하의 조건을 만족하여 이루어지는 광픽업.
    (r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 또한 이하의 조건을 만족하는 광픽업.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다)
  8. 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추는 광픽업에 있어서,
    이 광픽업의 대물렌즈로서 광원축에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로부터 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지고, 제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상 Zi가 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
    (단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
    또한, 이하의 조건을 만족하는 광픽업용 대물렌즈.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
  9. 디스크형 광기록매체를 회전구동하는 회전구동기구와, 상기 회전구동기구에 의해 회전조작되는 디스크형 광기록매체의 반경방향으로 이동조작되고, 광원에서 출사되는 레이저광에 의해 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록영역을 주사하여 정보의 기록 또는 재생을 행하는 광픽업을 갖춘 광디스크장치에 있어서,
    상기 광픽업은 상기 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추고,
    상기 대물렌즈는, 광원축에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로부터 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지고, 상기 제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상 Zi가 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
    (단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
    또한, 이하의 조건을 만족하여 이루어지는 광디스크장치.
    (r1／r2)(2N2-N-4)／{N(2N＋1)}
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, r2는 제 2면의 곡률반경이고, N은 유리재의 굴절률이다.)
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 또한 이하의 조건을 만족하는 광디스크장치.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
  11. 디스크형 광기록매체를 회전구동하는 회전구동기구와, 상기 회전구동기구에 의해 회전조작되는 디스크형 광기록매체의 반경방향으로 이동조작되고, 광원에서 출사되는 레이저광에 의해 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록영역을 주사하여 정보의 기록 또는 재생을 행하는 광픽업을 갖춘 광디스크장치에 있어서,
    상기 광픽업은 상기 레이저광을 출사하는 광원과, 빔스플리터와, 레이저광을 디스크형광기록매체의 신호기록면에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 디스크형 광기록매체의 신호기록면에서 반사된 레이저광을 수광하는 수광소자를 갖추고,
    상기 대물렌즈는, 광원축에서 차례로, 정(正)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 구성된 제 1면과, 부(負)의 굴절력을 가지는 비구면에 의해 형성된 제 2면으로부터 이루어지는 메니스커스구조의 단일렌즈에 의해 구성됨과 동시에, 0.8이상의 개구수(NA)를 가지고, 상기 제 1 및 제 2 비구면의 비구면형상 Zi가 광축으로부터의 높이를 h로 하여 이하의 식에 의해 표현되고,
    (단, i는 비구면의 광원축으로부터의 면번호이고, r은 비구면의 곡률반경을 나타내고, k는 원추계수로서 k＜0 이고, A∼J는 비구면계수이다.)
    또한, 이하의 조건을 만족하여 이루어지는 광디스크장치.
    r1＜ f·NA
    (단, r1은 제 1면의 곡률반경이고, f는 초점거리이고, NA는 개구수이다.)
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