KR20040002636A - 대물 렌즈, 광픽업 장치 및 기록 재생 장치 - Google Patents

대물 렌즈, 광픽업 장치 및 기록 재생 장치 Download PDF

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KR20040002636A
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Abstract

광픽업 장치에 이용되는 대물 렌즈는 광원측에 배치되는 제1 렌즈와 정보 기록 매체측에 배치되는 제2 렌즈인 2개의 정렌즈를 포함하고, 상기 대물 렌즈는 제1 렌즈의 광원측 광학면인 제1면과 제2 렌즈의 광원측 광학면인 제3면을 포함하고, 상기 제1면 및 제3면을 포함하는 적어도 2개의 광학면은 각각 비구면으로 제작되며, 다음과 같은 식을 충족한다.
NA ≥ 0.8
1.2 ㎜ > f > 0.3 ㎜
-0.06 > ΔSAG > -0.24
ΔSAG = (X1' - X3')/(NA4ㆍfㆍ(1 + ｜m｜))
X1' = X1ㆍ(N1 - 1)3/f1
X3' = X3ㆍ(N2 - 1)3/f2

Description

대물 렌즈, 광픽업 장치 및 기록 재생 장치{OBJECTIVE LENS, OPTIACL PICKUP APPARATUS AND RECORDING REPRODUCING APPARATUS}
본 발명은, 광정보 기록 매체에 대해 정보의 기록 및 재생 중 적어도 한 쪽을 행하기 위한 대물 렌즈, 광픽업 장치 및 기록 재생 장치에 관한 것이다.
최근, 파장 400 ㎚ 정도의 청자색 반도체 레이저 광원과, 개구수(NA)가 0.85 정도까지 높아진 대물 렌즈를 이용한 새로운 고밀도 광디스크 시스템의 연구 및 개발이 진행되고 있다. 일예로서, 개구수 0.85, 광원 파장 405 ㎚의 광디스크(이하, 본 명세서에서는「고밀도 DVD」라 함)에서는, DVD(개구수 0.6, 광원 파장 650 ㎚, 기억 용량 4.7 GB)와 동일한 크기인 직경 12 ㎝의 광디스크에 대해, 1면당 20 내지30 GB의 정보 기록이 가능하다.
여기서, 400 ㎚ 정도의 단파장의 빛을 발생하는 청자색 반도체 레이저를 광원으로서 이용하는 경우에는, 대물 렌즈에서 발생하는 색 수차가 문제가 된다. 광픽업 장치에 있어서, 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저광은 일반적으로 단일 파장(싱글 모드)이므로, 대물 렌즈의 색 수차는 문제가 되지 않는다고 생각되지만, 실제로는 온도 변화나 출력 변화 등에 의해 중심 파장이 순간적으로 수 ㎚ 변화하는 모드 호핑을 일으킨다. 모드 호핑은 대물 렌즈의 포커싱 기구를 추종할 수 없는 순간적으로 일어나는 파장 변화이므로, 대물 렌즈의 색 수차가 보정되어 있지 않으면, 결상 위치의 이동량에 대응한 디포커스 성분이 부가되어, 대물 렌즈의 집광 성능이 열화한다.
대물 렌즈에 이용되는 일반적인 렌즈 재료의 분산은, 적외 반도체 레이저나 적색 반도체 레이저의 파장 영역인 600 ㎚ 내지 800 ㎚에 있어서는, 그 만큼 크지 않으므로, CD나 DVD에서는 모드 호핑에 의한 대물 렌즈의 집광 성능의 열화는 문제가 되지 않았다.
그런데, 청자색 반도체 레이저의 파장 영역인 400 ㎚ 근방에서는, 렌즈 재료의 분산은 매우 커지므로, 약간 수 ㎚의 파장 변화라도 대물 렌즈의 결상 위치는 크게 어긋난다. 그로 인해, 고밀도 DVD에서는 반도체 레이저 광원이 모드 호핑을 일으킨 경우, 대물 렌즈의 집광 성능이 크게 열화되고, 안정된 기록이나 재생을 행할 수 없는 우려가 있다.
그런데, 광픽업 장치에 있어서, 대물 렌즈는 대량 생산에 유리하므로 플라스틱 렌즈가 많이 이용된다. 그런데, 그 굴절율의 온도 변화가 플라스틱 렌즈는 유리 렌즈에 비해 2 자릿수 정도 큰 것이 알려져 있다.
플라스틱 재료로 형성된 대물 렌즈의 환경 온도가 상승하여 그 대물 렌즈의 굴절율이 변화하면, 대물 렌즈의 구면 수차가 열화한다. 이 굴절율 변화에 의한 구면 수차의 열화량은 대물 렌즈의 개구수 4 제곱에 비례하므로, 고밀도 DVD에 이용되는 개구수 0.85의 대물 렌즈를 플라스틱 렌즈로 한 경우에는, 사용 가능한 온도 범위가 매우 좁아져 버리므로, 실사용상 문제가 된다.
여기서, 대물 렌즈의 색 수차나, 굴절율 변화에 의한 구면 수차의 열화는 대물 렌즈의 촛점 거리에 비례하여 발생한다. 따라서, 상술한 문제에 대해, 대물 렌즈의 촛점 거리를 작게 하면, 단파장의 청자색 반도체 레이저나 고개구수의 플라스틱 대물 렌즈를 사용하는 경우라도, 대물 렌즈의 색 수차나, 굴절율 변화에 의한 구면 수차의 열화를 작게 억제할 수 있다.
그런데, 개구수 0.85의 대물 렌즈를 실현하기 위해서는, 광선에 대한 광학면의 굴절력을 4개의 면으로 분할함으로써, 개개의 렌즈의 제조 오차 감도가 작아 제조가 용이화된 2군 구성의 대물 렌즈가 적합하다. 고개구수에서 2군 구성의 렌즈에 대해서는, 일본 특허 공개 평10-123410, 일본 특허 공개 평11-190818, 일본 특허 공개 2000-20640에 개시가 있다. 이 중에는 촛점 거리를 짧게 하는 예도 기재되어 있다. 그러나, 이하와 같은 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 대물 렌즈의 촛점 거리를 작게 할 수록 색 수차나, 굴절율 변화에 의한 구면 수차의 열화를 작게 억제할 수 있지만, 2군 구성의 대물 렌즈에 있어서, 촛점 거리가 작아지면,
(1) 상기 제2 렌즈의 상기 광정보 기록 매체측인 제4면과 상기 광정보 기록 매체 표면과의 광축 상의 거리(작동 거리)가 지나치게 작아지므로, 광디스크와 대물 렌즈의 충돌 가능성이 커진다.
(2) 2군 구성의 대물 렌즈를 구성하는 개개의 렌즈, 특히 광디스크에 가까운 측에 배치되는 렌즈의 외경이 지나치게 작아지므로, 개개의 렌즈를 조립하는 공정에 있어서, 개개의 렌즈 취급이 곤란해져 이 공정의 공정수가 증대된다는 문제가 염려된다.
즉, 2군 구성의 대물 렌즈의 촛점 거리를 지나치게 작게 하는 것은, 작동 거리의 확보나 개개의 렌즈 조립의 관점에서는 바람직하지 못하다고 할 수 있다.
또한, 광픽업 장치에 있어서, 대물 렌즈의 촛점 거리를 작게 하면, 상고(像高) 특성으로서는 불리해진다. 이것은, 상대적으로 촛점 거리가 큰 대물 렌즈와 동일한 상고를 얻고자 하면, 상대적으로 촛점 거리가 작은 대물 렌즈에의 입사 각도가 커지기 때문이다. 입사 각도가 커질수록 비점 수차나 코마 수차가 열화한다. 따라서, 대물 렌즈의 촛점 거리를 지나치게 작게 하는 것은 상고 특성의 관점으로부터도 바람직하지 못하다고 할 수 있다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 사정에 비추어 이루어진 것으로, 파장 400 ㎚ 정도의 단파장 광원을 사용하는 광픽업 장치에 적용 가능한 개구수가 0.8 이상이 된 2군 구성의 대물 렌즈이며, 색 수차를 작게 억제하기 위해 촛점 거리를 작게 한경우라도 작동 거리가 충분히 확보되는 동시에, 제조 오차 감도가 작아 제조가 용이화되고, 또한 양호한 상고 특성을 갖는 대물 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이 대물 렌즈를 탑재한 광픽업 장치 및 이 광픽업 장치를 탑재한 기록 재생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명에 있어서 설계 검토를 행한 2군 구성의 대물 렌즈에 관한 것으로, 입사하는 빛의 파장이 설계 기준 파장으로부터 변화한 경우, 디포커스 성분을 포함한 파면 수차의 변화를 촛점 거리의 함수로서 플롯한 도면.
도2는 도1의 2군 구성의 대물 렌즈에 관한 것으로, 비구면 형상의 차(ΔSAG)를 대물 렌즈의 촛점 거리의 함수로서 플롯한 도면.
도3은 본 실시 형태에 관한 광픽업 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도4는 제1 실시예 내지 제3 실시예의 대물 렌즈에 대한 온도 변화에 대한 파면 수차 변화를 나타낸 도면.
도5는 제1 실시예 내지 제4 실시예의 대물 렌즈의 상고 특성을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광픽업 장치
2 : 반도체 레이저
3 : 대물 렌즈
3a : 제1 렌즈
3b : 제2 렌즈
3c : 경프레임
3d : 플랜지부
4 : 광디스크
5 : 편광 빔스플리터
6 : 콜리메이트 렌즈
7 : 1/4 파장판
8 : 조리개
9 : 액튜에이터
10 : 원통형 렌즈
11 : 광검출기
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 대물 렌즈는 광원으로부터의 빛을 광정보 기록 매체의 정보 기록면에 집광함으로써, 광정보 기록 매체에 대해 정보를 기록 및/또는 광정보 기록 매체에 기록된 정보를 재생하기 위한 광픽업 장치에 이용되는 대물 렌즈에 있어서, 광원측에 배치되는 제1 렌즈와 광정보 기록 매체측에 배치되는 제2 렌즈와의 2매의 정렌즈로 구성되고, 상기 제1 렌즈의 광원측 광학면인 제1면과, 상기 제2 렌즈 광원측 광학면인 제3면을 포함하는 적어도 2개의 광학면이 비구면이 되어, 다음식 (1) 내지 (6)을 충족시키는 것을 특징으로 한다.
NA ≥ 0.8(1)
1.2 ㎜ > f > 0.3 ㎜(2)
-0.06 > ΔSAG > -0.24(3)
ΔSAG = (X1' - X3')/(NA4ㆍfㆍ(1 + ｜m｜))(4)
X1' = X1ㆍ(N1 - 1)3/f1(5)
X3' = X3ㆍ(N2 - 1)3/f2(6)
단,
NA : 상기 광정보 기록 매체에 기록 및/또는 재생을 행하는 데 필요한 소정의 상기 대물 렌즈의 상측 개구수
f : 상기 대물 렌즈의 촛점 거리(㎜)
X1 : 광축에 수직이고, 상기 제1면의 정점에 접하는 평면과, 유효 직경 최주변(상기 NA의 마지널 광선이 입사하는 상기 제1면 상의 위치)에 있어서의 상기 제1면과의 광축 방향의 차(㎜)로, 상기 접평면을 기준으로 하여 상기 제2 렌즈의 방향으로 측정하는 경우를 정, 그 반대 방향으로 측정하는 경우를 부로 한다.
X3 : 광축에 수직이고, 상기 제3면의 정점에 접하는 평면과, 유효 직경 최주변(상기 NA 마지널 광선이 입사하는 상기 제3면 상의 위치)에 있어서의 상기 제3면과의 광축 방향의 차(㎜)로, 상기 접평면을 기준으로 하여 상기 제1 렌즈의 방향으로 측정하는 경우를 부, 그 반대 방향으로 측정하는 경우를 정으로 한다.
m : 상기 대물 렌즈의 결상 배율
N1 : 상기 제1 렌즈의 사용 파장에 있어서의 굴절율
N2 : 상기 제2 렌즈의 사용 파장에 있어서의 굴절율
f1: 상기 제1 렌즈의 촛점 거리(㎜)
f2: 상기 제2 렌즈의 촛점 거리(㎜)
상기한 과제를 해결하는 데 있어서, 개구수가 0.85인 2군 구성의 대물 렌즈에 관하여, (A) 개개의 렌즈에 있어서의 광학면끼리의 편심에 대한 공차, (B) 개개의 렌즈끼리의 편심에 대한 공차, (C) 입사 광속의 입사 각도에 대한 공차, (D) 작동 거리를 각각, (A) ±0.005 ㎜, ±0.1도, (B) ±0.030 ㎜, ±0.1도, (C) ±1도, (D) 0.05 ㎜ 이상 확보하도록 고려하면서, 촛점 거리를 변수로서 설계 검토를 행하였다.
또, 상술한 (A)에 대한 공차는, 개개의 렌즈를 금형을 이용한 몰드 성형으로 제조하는 경우의 정밀도를 기준으로 하고 있고, 이 공차에 대한 값(±0.005 ㎜, ±0.1도)은 현재의 금형 가공 기술이나 몰드 성형 기술에 있어서 충분히 대응 가능한 값이다.
설계 검토를 행한 2군 구성의 대물 렌즈에 관하여, 대물 렌즈에 입사하는 빛의 파장이 설계 기준 파장으로부터 변화한 경우의 대물 렌즈의 디포커스 성분을 포함한 파면 수차의 변화를 촛점 거리의 함수로서 플롯한 것이 도1이다. 청자색 반도체 레이저는 모드 호프에 의해, 파장이 1 ㎚ 정도 변화한다고 생각할 수 있지만, 파장이 1 ㎚ 변화한 경우의 디포커스 성분을 포함한 파면 수차가 마레샬 한계인 0.07 λrms 이하가 되는 것은, 도1로부터 촛점 거리를 1.2 ㎜보다 작게 한 경우인 것을 판독할 수 있다.
한편, 파장이 변화한 경우의 디포커스 성분을 포함한 파면 수차를 작게 억제하는 면에서는 촛점 거리를 작게 할수록 유리해진다. 그러나, 촛점 거리를 지나치게 작게 하면, 상술한 바와 같이 충분한 작동 거리를 확보하면서, (A) 내지 (C)의 오차에 대한 충분한 공차를 확보하는 것이 곤란해진다. 또한, 촛점 거리를 지나치게 작게 하면, 개개의 렌즈 외경이 작아지므로, 개개의 렌즈를 조립하는 공정에 있어서, 개개의 렌즈 취급이 곤란해진다.
그래서, 0.03 ㎜라는 충분한 작동 거리를 확보하면서, (A) 내지 (C)의 오차에 대한 충분한 공차를 확보할 수 있는 촛점 거리의 하한의 값을 0.3 ㎜로 하고, 개구수가 (1)식을 충족시키는 2군 구성의 대물 렌즈의 촛점 거리의 바람직한 범위로서,
1.2 ㎜ > f > 0.3 ㎜(2)
가 되는 조건을 정하였다.
그런데, 2군 구성의 고개구수의 대물 렌즈에 있어서는, 제1면과 제3면을 포함하는 적어도 2개의 광학면을 비구면으로 하는 것이, 수차를 양호하게 보정하는 면에서 유효하다. 그리고, 렌즈 설계에서는 상술한 (A) 내지 (C)의 오차에 대한 감도를 저감하여 제조가 용이한 대물 렌즈로 하고, 또한 이 대물 렌즈를 탑재한 광픽업 장치의 제조를 용이하게 하기 위해서는, 각 입사 높이의 광선에 대한 제1면과 제3면과의 광로차가 적절한 값이 되도록, 비구면의 형상을 결정해야만 한다. 구체적으로는, 개개의 렌즈 굴절율과 촛점 거리로 규격화한 제1면의 비구면 형상(X1')과 제3면의 비구면 형상(X3')과의 차인 ΔSAG의 값이 적절한 범위에 들어가도록 각 비구면 계수를 제어한다.
그래서, 설계 검토를 행한 2군 구성의 대물 렌즈에 관하여, ΔSAG를 대물 렌즈의 촛점 거리의 함수로서 플롯한 것이 도2이다.
도2로부터, 촛점 거리가 (2)식을 충족시키는 2군 구성의 대물 렌즈에 있어서, 충분한 제조 공차를 확보하기 위한 조건으로서,
-0.06 > ΔSAG > -0.24(3)
가 되는 조건을 정하였다. ΔSAG의 값이, (3)식의 하한보다 크면, 작동 거리가 지나치게 작아지지 않으므로, 대물 렌즈와 광정보 기록 매체와의 충돌 가능성을 저감할 수 있다. 또한, 제1 렌즈와 제2 렌즈와의 광축 어긋남에 의해 발생하는 비점 수차가 지나치게 커지지 않으므로, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 조립하는 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 렌즈의 메니스커스 정도가 지나치게 커지지 않으므로, 제2 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차를 저감할 수 있고, 제2 렌즈의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1면의 곡율이 지나치게 작아지지 않으므로, 제1 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차를 저감할 수 있고, 제1 렌즈의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, ΔSAG의 값이 (3)식의 상한보다 작으면, 제1 렌즈의 광축 상의 렌즈 두께가 지나치게 커지지 않으므로, 콤팩트한 대물 렌즈로 할 수 있어 광픽업 장치의 소형화라는 관점으로부터 유리하다. 또한, 제3면의 곡률이 지나치게 작아지지 않으므로, 주변에 있어서의 비구면 법선과 광축이 이루는 각도인 예상 각도가 지나치게 커지지 않아, 금형 가공을 정확하게 행할 수 있다.
상술한 작용을 보다 한층 달성하기 위해서는, ΔSAG의 값은
-0.07 > ΔSAG > -0.20(3')
가 되는 조건을 충족시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 또한
WD ≥ 0.03 ㎜(7)
0.17 > WD/f > 0.03(8)
[단, WD : 상기 대물 렌즈와 상기 광정보 기록 매체와의 거리(작동 거리)]
를 충족시키는 것이 바람직하다.
촛점 거리가 작아진 대물 렌즈라도, (7)식을 충족시키므로, 대물 렌즈와 광정보 기록 매체와의 충돌을 막을 수 있고, 또한 작동 거리에 대한 촛점 거리의 비를 (8)식을 충족시키도록 함으로써, 제1 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차와, 제2 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차를 저감할 수 있으므로, 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 또한 설계 기준 파장이 450 ㎚보다 짧은 파장인 것이 바람직하다. 450 ㎚보다 짧은 파장 영역에서는 파장 변화에 대한 렌즈 재료의 분산은 커지지만, 본 발명에 의한 대물 렌즈는 촛점 거리가 (2)식을 충족시키므로, 렌즈 재료의 분산에 의한 축상 색수차의 발생을 작게 억제할 수 있다. 그 결과, 청자색 반도체 레이저를 광원으로 하는 광픽업 장치에 본 발명에 의한 대물 렌즈를 탑재함으로써, 레이저 광원이 모드 호핑을 일으킨 경우라도 양호한 집광 성능을 유지할 수 있다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 또한
0.4 > βL2> 0.2(9)
(단, βL2: 상기 제2 렌즈의 결상 배율)
을 충족시키는 것이 바람직하다. (9)식은 촛점 거리가 (2)식을 충족시키는 2군 구성의 대물 렌즈에 있어서, 상술한 (A) 내지 (C)의 오차에 대한 충분한 공차를 확보한 경우에, 제2 렌즈의 결상 배율의 바람직한 범위에 관한 것이다. 여기서, 제2 렌즈의 결상 배율(βL2)은 상방 마지널 광선의 제2 렌즈의 광원측 광학면으로의 입사각을 θS3, 상방 마지널 광선의 제2 렌즈의 광정보 기록 매체측의 광학면으로부터의 출사각을 θS4라 한 경우에, 다음 (11)식으로 정의된다.
βL2= θS3/θS4(11)
단, θS3및 θS4는, 광축을 기준으로 하여 측정하고, 그 부호는 시계 회전 방향을 정, 반시계 회전 방향을 부로 한다.
βL2의 값이 (9)식의 하한보다 크면, 제1 렌즈의 광축 상의 렌즈 두께가 지나치게 커지지 않으므로, 콤팩트한 대물 렌즈로 할 수 있어 광픽업 장치의 소형화라는 관점으로부터 유리하다. 또한, 제3 광학면의 곡율이 지나치게 작아지지 않으므로, 주변에 있어서의 비구면의 법선과 광축이 이루는 각도인 예상 각도가 지나치게 커지지 않아, 금형 가공을 정확히 행할 수 있다.
한편, βL2의 값이 (9)식의 상한보다 작으면, 작동 거리가 지나치게 작아지지 않아 바람직하고, 대물 렌즈와 광정보 기록 매체와의 충돌 가능성을 보다 저감할 수 있다. 또한, 제1 렌즈와 제2 렌즈와의 광축 어긋남에 의해 발생하는 비점 수차가 지나치게 커지지 않으므로, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 조립하는 효율을 향상시킬수 있다. 또한, 제2 렌즈의 메니스커스 정도가 지나치게 커지지 않으므로, 제2 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차량을 저감할 수 있어, 제2 렌즈의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1면의 곡율이 지나치게 작아지지 않으므로, 제1 렌즈의 광학면의 광축 어긋남에 의해 발생하는 코마 수차량을 저감할 수 있어, 제1 렌즈의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 또한
4.0 > f1/f2> 2.0(10)
을 충족시키는 것이 바람직하다. (10)식은 제1 렌즈와 제2 렌즈의 파워 배분을 적절하게 하고, 상술한 (A) 내지 (C)의 오차에 대한 충분한 공차를 확보하기 위한 조건이다. (10)식의 상한을 넘지 않도록, 제1 렌즈와 제2 렌즈의 파워 배분을 결정함으로써, 제3 광학면의 곡율이 지나치게 작아지지 않으므로, 주변에 있어서의 비구면의 법선과 광축이 이루는 각도인 예상 각도가 지나치게 커지지 않아 금형 가공을 정확히 행할 수 있고, 또한 제1 렌즈와 제2 렌즈와의 광축 어긋남에 의해 발생하는 수차가 지나치게 커지지 않으므로, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 조립하는 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, (10)식의 하한을 넘지 않도록, 제1 렌즈와 제2 렌즈의 파워 배분을 결정함으로써, 대물 렌즈에 대해 경사 광속이 입사한 경우에 발생하는 비점 수차나 코마 수차를 작게 억제할 수 있으므로, 광원의 부착 정밀도 및 프리즘이나 편광 빔스플리터 등의 광학 소자의 부착 정밀도에 대한 공차를 완화하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 또한 제1 렌즈 및 제2 렌즈가 모두 플라스틱 렌즈인 것이 바람직하다. 플라스틱 렌즈는 사출 성형이 용이하므로 안정된 품질에서의 대물 렌즈의 대량 생산이 가능하다. 또한, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 서로 보유 지지하기 위한 보유 지지 부재를 각각의 렌즈와 일체로 성형할 수 있으므로, 대물 렌즈의 부품 개수의 삭감이 가능하다.
또한, 플라스틱 렌즈는 환경 온도 변화의 영향에 의해, 굴절율이 크게 변화되지만, 본 발명에 의한 대물 렌즈는 촛점 거리가 (2)식을 충족시키므로, 고개구수의 플라스틱 렌즈라도, 굴절율 변화에 의한 구면 수차의 열화를 작게 억제할 수 있다. 그 결과, 광픽업 장치에, 본 발명에 의한 대물 렌즈를 탑재함으로써, 환경 온도가 변화한 경우라도, 양호한 집광 성능을 유지할 수 있다.
그런데, 본 발명에 의한 대물 렌즈는 촛점 거리가 (2)식을 충족시키는 소경의 렌즈이므로, 광학면의 단위 면적에 입사하는 레이저광의 에너지는 상대적으로 촛점 거리가 큰 대물 렌즈에 비해 커진다. 따라서, 본 발명에 의한 대물 렌즈를 단파장의 빛에 대해 높은 내광성을 갖는 유리 렌즈로 함으로써, 청자색 반도체 레이저와 같이 단파장 광원을 사용하는 광픽업 장치용의 대물 렌즈로서, 신뢰성이 높은 대물 렌즈를 제공할 수 있다. 또한, 유리 렌즈는 플라스틱 렌즈에 비해 비중이 크지만, 본 발명에 의한 대물 렌즈는 유리 렌즈로 한 경우라도 촛점 거리가 작으므로 체적이 작고, 포커싱용 액튜에이터에 부담이 가해지는 일은 없다.
본 발명에 의한 광픽업 장치는, 450 ㎚보다 짧은 파장의 빛을 발생하는 광원으로부터의 빛을 대물 렌즈에 의해 광정보 기록 매체의 정보 기록면에 집광함으로써, 광정보 기록 매체에 대해 정보를 기록 및/또는 광정보 기록 매체에 기록된 정보를 재생하기 위한 광픽업 장치에 있어서, 상기 대물 렌즈로서 상술한 본 발명에 의한 대물 렌즈를 탑재한 것이다.
이 광픽업 장치에 따르면, 대물 렌즈의 촛점 거리가 상술한 (2)식을 충족시키므로, 광원으로서 청자색 반도체 레이저를 이용한 경우라도, 축상 색수차의 발생을 작게 억제할 수 있고, 또한 대물 렌즈를 플라스틱 렌즈로 한 경우라도, 온도 변화의 영향에 의한 구면 수차의 열화를 작게 억제할 수 있다. 따라서, 광픽업 장치에 있어서 항상 양호한 집광 성능을 유지하는 것이 가능하다.
또한, 광픽업 장치에 있어서 대물 렌즈가 상술한 (7)식을 충족시키므로, 촛점 거리가 작더라도 광정보 기록 매체와의 충돌을 막을 수 있다.
또한, 대물 렌즈가 양호한 상고 특성을 가지므로, 이러한 대물 렌즈를 포함하도록 광픽업 장치를 구성하면, 광원의 부착 정밀도 및 프리즘이나 편광 빔스플리터 등의 광학 소자의 부착 정밀도에 대한 공차가 완화되는 결과, 광픽업 장치의 제조 비용을 작게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 기록 재생 장치는 상술한 광픽업 장치를 탑재하고, 음성 및/또는 화상을 기록하고, 및/또는 음성 및/또는 화상을 재생 가능하도록 구성할 수 있다.
또, 본 명세서에 있어서 대물 렌즈라 함은, 좁은 의미로는 광픽업 장치에 광기록 매체를 장전한 상태에 있어서, 가장 광정보 기록 매체측의 위치에서, 이와 대향하기 위해 배치되는 집광 작용을 갖는 렌즈를 가리키고, 넓은 의미로는 그 렌즈와 함께 액튜에이터에 의해 적어도 그 광축 방향으로 작동 가능한 렌즈를 가리키는 것으로 한다. 따라서, 본 명세서에 있어서 대물 렌즈의 광정보 기록 매체측(상측)의 개구수라 함은, 대물 렌즈의 가장 광정보 기록 매체측에 위치하는 렌즈면의 개구수를 가리키는 것이다. 또한, 본 명세서에서는 필요(한 소정의) 개구수는 각각의 광정보 기록 매체의 규격으로 규정되어 있는 개구수, 혹은 각각의 광정보 기록 매체에 대해, 사용하는 광원의 파장에 따라, 정보의 기록 또는 재생을 하기 위해 필요한 스폿 직경을 얻을 수 있는 회절 한계 성능을 갖는 대물 렌즈의 개구수를 가리키는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 대물 렌즈의 설계 기준 파장이라 함은, 대물 렌즈에 대해, 동일한 조건(결상 배율, 온도, 입사 광속 직경 등)으로 다양한 파장의 빛을 입사시킨 경우에, 대물 렌즈의 잔존 수차가 최소가 되는 파장의 것을 말한다.
또한, 본 명세서에 있어서 정보의 기록이라 함은, 상기와 같은 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 정보를 기록하는 것을 말한다.
또한, 본 명세서에 있어서 정보의 재생이라 함은, 상기와 같은 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 기록된 정보를 재생하는 것을 말한다.
본 발명에 의한 대물 렌즈는, 기록만 혹은 재생만을 행하기 위해 이용되는 것이라도 좋고, 기록 및 재생의 양쪽을 행하기 위해 이용되는 것이라도 좋다. 또한, 어떤 광정보 기록 매체에 대해서는 기록을 행하고, 다른 광정보 기록 매체에 대해서는 재생을 행하기 위해 이용되는 것이라도 좋고, 어떤 광정보 기록 매체에 대해서는 기록 또는 재생을 행하고, 다른 광정보 기록 매체에 대해서는 기록 및 재생을 행하기 위해 이용되는 것이라도 좋다. 또, 여기서 말하는 재생이라 함은, 단순히 정보를 판독하는 것을 포함하는 것이다.
이하, 본 발명에 의한 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 도3은 본 실시 형태에 관한 광픽업 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도3의 광픽업 장치(1)는 광원으로서의 반도체 레이저(2)와, 대물 렌즈(3)를 갖고, 반도체 레이저(2)로부터의 레이저광에 의해 고밀도 DVD인 광디스크(4)에 대해 정보의 기록 및 재생을 행할 수 있도록 구성되어 있다.
반도체 레이저(2)는 파장 400 ㎚ 정도의 파장의 빛을 발생하는 GaN 청자색 레이저이다. 또한, 파장 400 ㎚ 정도의 파장의 빛을 발생하는 광원으로서는 상기 GaN 청자색 반도체 레이저 이외에, SHG 청자색 레이저라도 좋다.
대물 렌즈(3)는 반도체 레이저(2)로부터의 광속을 광디스크(4)의 정보 기록면(4a) 상에 회절 한계 내에서 집광하는 렌즈이며, 제1 렌즈(3a)와 제2 렌즈(3b)의 2매의 정렌즈로 구성되어 있고, 제1 렌즈(3a)의 반도체 레이저측의 광학면과 제2 렌즈(3b)의 반도체 레이저측의 광학면을 포함하는 적어도 2개의 광학면이 비구면으로 되어 있다.
대물 렌즈의 하나인 제1 렌즈(3a)의 광원(2)측이 제1면
상기 렌즈의 광정보 기록 매체(4)측이 제2면
대물 렌즈의 하나인 제2 렌즈(3b)의 광원(2)측이 제3면
상기 렌즈의 광정보 기록 매체(4)측이 제4면이 된다.
또한, 대물 렌즈(3)는 제1 렌즈(3a)와 제2 렌즈(3b)가 경프레임(3c)에 의해일체화된 구조로 되어 있다. 또한, 대물 렌즈(3)는 광축에 대해 수직으로 연장된 면을 갖는 플랜지부(3d)를 갖고, 이 플랜지부(3d)에 의해 대물 렌즈(3)를 광픽업 장치(1)에 정밀도 좋게 부착할 수 있다. 대물 렌즈(3)의 광디스크(4)측의 개구수는 0.80 이상으로 되어 있다.
반도체 레이저(2)로부터 사출된 발산 광속은 편광 빔스플리터(5)를 투과하고, 콜리메이트 렌즈(6) 및 1/4 파장판(7)을 지나서 원편광의 평행 광속이 되어, 조리개(8)에 의해 조여진 후, 대물 렌즈(3)에 의해 고밀도 DVD인 광디스크(4)의 보호층(4b)을 거쳐서 정보 기록면(4a) 상에 형성되는 스폿이 된다. 대물 렌즈(3)는 그 주변에 배치된 액튜에이터(9)에 의해 포커스 제어 및 트랙킹 제어된다.
정보 기록면(4a)에서 정보 피트에 의해 변조된 반사 광속은, 다시 대물 렌즈(3), 조리개(8), 1/4 파장판(7) 및 콜리메이트 렌즈(6)를 투과한 후, 수렴 광속이 되어 편광 빔스플리터(5)에 의해 반사되고, 원통형 렌즈(10)를 경유함으로써 비점 수차가 부여되어 광검출기(11)에 수렴한다. 그리고, 광검출기(11)의 출력 신호를 이용하여 광디스크(4)에 기록된 정보를 판독할 수 있다.
도3의 광픽업 장치에서는, 대물 렌즈(3)는 결상 배율이 0인 무한 공역형으로 하였지만, 물점 위치가 대물 렌즈로부터 유한한 위치에 있는, 이른바 유한 공역형으로 하는 것도 가능하다. 유한 공역형의 대물 렌즈로서는, 후술하는 제3 실시예와 같은 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 이 경우는, 반도체 레이저(2)로부터 사출된 발산 광속은 콜리메이트 렌즈(6)를 거치지 않고, 대물 렌즈에 의해 광디스크(4)의 정보 기록면(4a) 상에 집광되므로, 콜리메이트 렌즈(6)는 불필요해져 광픽업장치(1)의 광학 부품 개수의 삭감이나 광픽업 장치(1)의 콤팩트화에 유리하다. 유한 공역형에 대해서는 작동 거리를 짧게 할 수 있는 점에서 더욱 바람직하다.
본 실시 형태에 있어서, 대물 렌즈(3)의 촛점 거리는 상술한 (2)식을 충족시키므로, 렌즈 재료의 분산에 의한 축상 색수차의 발생을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 반도체 레이저(2)가 모드 호핑을 일으킨 경우라도, 양호한 집광 성능을 유지할 수 있다.
또한, 대물 렌즈(3)는 상술한 (7)식을 충족시키므로, 촛점 거리가 작더라도 광디스크(4)와의 충돌을 막을 수 있다.
또한, 대물 렌즈(3)는 양호한 상고 특성을 가지므로, 반도체 레이저(2)의 부착 정밀도 및 콜리메이트 렌즈(6)나 편광 빔스플리터(5)의 부착 정밀도에 대한 공차가 완화되는 결과, 광픽업 장치(1)의 제조 비용을 작게 억제할 수 있다.
<실시예>
이하, 본 발명을 제1 실시예 내지 제4 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 실시예의 각 렌즈에 있어서의 비구면은 광축 방향을 X축, 광축에 수직인 방향의 높이를 h, 굴절면의 곡률 반경을 r이라 할 때 다음의 수학식 1에서 나타낸다. 단, κ를 원뿔 계수, A2i를 비구면 계수로 한다.
표 1에 이하에 서술하는 제1 실시예 내지 제4 실시예에 관한 데이터의 일람표를 나타낸다. 제1 실시예 내지 제3 실시예는 플라스틱 렌즈이며, 제4 실시예는 유리 렌즈이다. 모든 실시예에 있어서, 일반적인 렌즈 재료를 이용하고 있지만, 촛점 거리가 상술한 (2)식을 충족시키므로, 대물 렌즈에 입사하는 파장이 설계 기준 파장으로부터 1 ㎚ 변화한 경우의 디포커스 성분을 포함한 파면 수차는, 0.040 λrms 이하로 억제되어 있다.
또, 도1 및 표 1에 있어서의 디포커스 성분을 포함한 파면 수차(λrms/㎚)는, 대물 렌즈의 포커스 위치를 그 설계 기준 파장인 405 ㎚에 있어서의 최량 상점 위치에 고정하고, 파장을 406 ㎚로 변화시켜 파면 수차를 계산한 결과이다.
<제1 실시예>
본 실시예의 대물 렌즈는, 2매의 플라스틱 렌즈로 구성되어 있다. 표 2에 본 실시예의 대물 렌즈에 관한 데이터를 나타낸다.
표 2의 렌즈 데이터에 있어서, r(㎜)은 곡률 반경, d(㎜)는 면 간격, N은 파장 405 ㎚에 있어서의 굴절율, νd는 d선에 있어서의 아베수를 나타내지만, 이 이후의 렌즈 데이터에 있어서도 마찬가지이다. 또한, 표 1의 렌즈 데이터에 있어서 10의 거듭제곱(예를 들어 2.5 × 10-3)을, E(예를 들어 2.5E - 03)를 이용하여 나타내고 있지만, 이 이후의 렌즈 데이터에 있어서도 마찬가지이다.
<제2 실시예>
본 실시예의 대물 렌즈는 2매의 플라스틱 렌즈로 구성되어 있다. 표 3에 본 실시예의 대물 렌즈에 관한 데이터를 나타낸다.
<제3 실시예>
본 실시예의 대물 렌즈는 2매의 플라스틱 렌즈로 구성되어 있고, 유한 공역형의 대물 렌즈이다. 표 4에 본 실시예의 대물 렌즈에 관한 데이터를 나타낸다.
<제4 실시예>
본 실시예의 대물 렌즈는 2매의 유리 렌즈(BACD5 : HOYA사제)로 구성되어 있다. 표 5에 본 실시예의 대물 렌즈에 관한 데이터를 나타낸다.
상술한 제1 실시예 내지 제4 실시예에서는, 상술한 각 식을 만족하도록 설계함으로써, 개개의 렌즈에 있어서의 광학면끼리의 편심에 대한 공차를 ±0.005 ㎜, ±0.1도, 또한 개개의 렌즈끼리의 편심에 관한 공차를 ±0.030 ㎜ 확보하고 있고, 촛점 거리가 작은 고개구수의 대물 렌즈이면서, 제조 공차가 완만하고, 제조하기 쉬운 대물 렌즈로 되어 있다.
또한, 상술한 제1 실시예 및 제2 실시예 및 제4 실시예에서는, 보호층의 두께가 0.1 ㎜에 대응한 구면 수차 보정이 이루어져 있고, 제3 실시예에서는 보호층의 두께가 0에 대응한 구면 수차 보정이 이루어져 있지만, 이들과는 다른 두께의 보호층을 갖는 광디스크의 경우에는, 상술한 각 식을 만족시키면서 보호층의 두께에 따라서, 대물 렌즈의 구면 수차 보정을 행하면 좋다.
또한, 도4에 제1 실시예 내지 제3 실시예의 대물 렌즈에 있어서의 온도 변화에 대한 파면 수차 변화의 모습을 나타낸다. 도4로부터 이해되는 바와 같이, 제1 실시예 내지 제3 실시예의 대물 렌즈는 고개구수의 플라스틱 렌즈이면서 촛점 거리를 작게 했으므로, 온도 변화에 의한 파면 수차의 변화가 작게 억제되고, 사용 가능한 온도 범위가 넓은 렌즈로 되어 있다. 또, 도4에 있어서 온도 변화한 경우의 파면 수차를 계산할 때는, 온도 변화에 의한 플라스틱 렌즈의 굴절율 변화(-10 × 10-5/도)와, 레이저 광원의 파장 변화(+0.05 ㎚/도)를 고려하였다.
또한, 도5에 제1 실시예 내지 제4 실시예의 대물 렌즈의 상고 특성을 나타낸다. 도5로부터 이해되는 바와 같이, 제1 실시예 내지 제4 실시예의 대물 렌즈는 촛점 거리가 작은 대물 렌즈이면서 양호한 양호 특성을 가지므로, 반도체 레이저의 부착 정밀도 및 콜리메이트 렌즈나 편광 빔스플리터 등의 광학 소자의 부착 정밀도에 대한 공차가 완화되어, 광픽업 장치의 제조 비용을 작게 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 파장 400 ㎚ 정도의 단파장 광원을 사용하는 광픽업 장치에 적용 가능한 개구수가 0.8 이상이 된 2군 구성의 대물 렌즈이며, 색수차를 작게 억제하기 위해 촛점 거리를 작게 한 경우라도 작동 거리를 충분히 확보할 수 있는 동시에, 제조 오차 감도가 작아 제조가 용이화되고, 또한 양호한 상고 특성을 갖는 대물 렌즈를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 대물 렌즈를 탑재한 광픽업 장치 및 이러한 광픽업 장치를 탑재한 기록 재생 장치를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 광원으로부터의 광 플럭스를 광학 정보 기록 매체의 정보 기록면에 집광함으로써, 광학 정보 기록 매체에 대해 정보를 기록 및/또는 광학 정보 기록 매체에 기록된 정보를 재생을 수행하기 위한 광픽업 장치에 이용되는 대물 렌즈이며,
    광원측에 배치되는 제1 렌즈와 정보 기록 매체측에 배치되는 제2 렌즈인 2개의 정렌즈를 포함하고,
    상기 대물 렌즈는 제1 렌즈의 광원측 광학면인 제1면과 제2 렌즈의 광원측 광학면인 제3면을 포함하고, 상기 제1면 및 제3면을 포함하는 적어도 2개의 광학면은 각각 비구면으로 제작되며, 다음과 같은 식을 충족하는데,
    NA ≥ 0.8
    1.2 ㎜ > f > 0.3 ㎜
    -0.06 > ΔSAG > -0.24
    ΔSAG = (X1' - X3')/(NA4ㆍfㆍ(1 + ｜m｜))
    X1' = X1ㆍ(N1 - 1)3/f1
    X3' = X3ㆍ(N2 - 1)3/f2
    여기서, NA는 광학 정보 기록 매체에 기록 및/또는 재생을 수행하는 데 필요한 대물 렌즈의 화상측 개구수 이고,
    f는 대물 렌즈의 촛점 거리(㎜) 이고,
    X1은 광축에 수직이고 제1면의 정점에 접하는 평면과, 유효 직경 이내에 있는 제1면의 최외주부(NA의 마지널 광선이 입사하는 제1면 상의 위치) 사이의 광축 방향의 위치 차(㎜)로서, 상기 평면으로부터 광학 정보 매체측으로 측정되면 정, 평면으로부터 광원측으로 측정되면 부이고,
    X3은 광축에 수직이고 제3면의 정점에 접하는 평면과, 유효 직경 이내에 있는 제3면의 최외주부(NA의 마지널 광선이 입사하는 제1면 상의 위치) 사이의 광축 방향의 위치 차(㎜)로서, 상기 평면으로부터 광학 정보 매체측으로 측정되면 정, 평면으로부터 광원측으로 측정되면 부이고,
    m은 대물 렌즈의 배율이고,
    N1은 사용 파장에 있어서 제1 렌즈의 굴절율이고,
    N2는 사용 파장에 있어서 제2 렌즈의 굴절율이고,
    f1은 제1 렌즈의 촛점 거리(㎜)이고,
    f2는 제2 렌즈의 촛점 거리(㎜)인 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대물 렌즈는 다음과 같은 식을 충족하는데,
    WD ≥ 0.03 ㎜
    0.17 > WD/f > 0.03
    여기서, WD는 대물 렌즈와 광학 정보 기록 매체 사이의 거리(작동 거리)인것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 사용 파장은 450㎚보다 짧은 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 대물 렌즈는 다음과 같은 식을 충족하는데,
    0.4 > βL2> 0.2
    여기서, βL2는 제2 렌즈의 배율인 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 대물 렌즈는 다음과 같은 식
    4.0 > f1/f2> 2.0
    을 충족하는 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각은 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각은 유리 렌즈인 것을 특징으로 하는 대물 렌즈.
  8. 광원으로부터 450㎚보다 짧은 파장을 갖는 광 플럭스를 광학 정보 기록 매체의 정보 기록면에 집광함으로써, 광학 정보 기록 매체에 대해 정보를 기록 및/또는 광학 정보 기록 매체에 기록된 정보를 재생을 수행하기 위한 광픽업 장치이며,
    제1항에 따른 대물 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
  9. 오디오 및/또는 화상 기록 및/또는 오디오 및/또는 화상 재생 장치이며,
    제8항에 따른 광픽업 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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