473614 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（I ) 〔發明之詳細說明〕 〔發明之技術領域〕 本發明係關於使用單一之折射率分布透鏡的對物透鏡 光學系統。詳言之，係關於使用一邊之面爲凸球面’另一 邊之面爲平面之折射率分布透鏡的對物透鏡光學系統。此 光學系統，例如，對使用於讀取被記錄在光碟等之資料， 寫入資料於光碟等的光頭的對物透鏡光學系統等有用。 〔習知技術〕 在光碟裝置或DVD裝置等之各種光碟系統’爲進行從 記錄媒體讀取資料，或寫入資料於記錄媒體，係使用藉對 物透鏡集光雷射光而照射於記錄面的光頭。在此，爲提高 記錄媒體之記錄密度，需要縮小對物透鏡之集光點徑，爲 此，對物透鏡之像側NA(開口數)以大爲宜。又，就縮短再 生或存取時之觀點來看，小型、輕量之對物透鏡亦重要。 因此，一直以來，CD用之對物透鏡係用NA40.4之塑 膠非球面透鏡等，而DVD用之對物透鏡則係使用NA与 〇·60之玻璃鑄模非球面透鏡等。不論何者，習知所使用之 對物透鏡其外徑大小均係數nun(典型者，爲外徑4腿左右) 之物。 〔發明欲解決之課題〕 爲圖謀使用光碟等之記錄裝置的更進一步小型化，需 要將對物透鏡本身更爲小型化。但，非球面透鏡因係使用 模具冲壓加工製作，要製作外徑1 _以下之微小非球面透 鏡極爲困難。（參照日本光學會編1995微小光學手冊Ρ6)。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、tT _.. --—------- 4 本紙張尺度適财關家縣（CNS) Α4·_ (21GX297_ - 473614 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明説明（ι) 然而’作爲外徑1 mm以下之成像光學系統，有具有折 射率分布於半徑方向的桿狀透鏡。此種桿狀透鏡之折射率 分布，例如，可藉下述(數4)表示。 (數4) n(r)2=n。2 · {l-(g · r)2+h4(g · r)4+h6(g · r)6+h8(g · r)V··} 但，上述(數4)中，r係從桿狀透鏡之光軸所測之徑方向的 距離，η⑴係於從桿狀透鏡之光軸所測之徑方向之距離r的 位置之折射率，no係桿狀透鏡之光軸上的折射率(中心折射 率p g、h4、he、hs...係折射率分布係數。 此種折射率分布透鏡，例如，係以桿狀玻璃之離子交 換法等製作，使用此方法，則能以低成本製作外徑1麵以 下之微小透鏡。又，因材料本身具有正的折射力，即使透 鏡兩面均爲平面所構成之單純之桿狀透鏡形狀，亦能作爲 對物透鏡使用。 具有以上述(數4)所表示之折射率分布的桿狀透鏡之折 射力，以η。· g · r。表示，其値愈大愈能得NA大之對物透 鏡。但，以離子交換法等製作具有折射率分布於半徑方向 的桿狀透鏡時，所能達成之折射率差有其限度，可能實現 之η。· g · r。之範圍爲n〇 · g · r〇S0.71左右。 但，爲更進一步提高記錄媒體之記錄密度’期待ΝΑ 更大的對物透鏡光學系統之開發。又’同時爲求提昇裝置 之小型化及存取速度，亦需要將零件數減爲最少’以謀求 對物透鏡光學系統之小型•輕量化。 本發明係針對爲解決習知技術之前述課題而行之，以 ------ 5 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇'〆297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 473614 A7 B7 五、發明説明（勺） 提供NA大，同時能將零件數減爲最少，以圖謀小型•輕 量化之對物透鏡光學系統爲目的。 〔課題之解決手段〕 爲達成前述目的，本發明之對物透鏡光學系統的構成 係具備有折射率分布於半徑方向之透明體所成的折射率分 布透鏡之對物透鏡光學系統，其特徵在於：前述折射率分 布透鏡之一邊之面爲凸球面，另一面爲平面，前述折射率 透鏡以前述凸球面面向物體面，前述平面面向像面之方式 配置，設從前述折射率分布透鏡之光軸所測之具透鏡作用 之部分的半徑爲r。，前述凸球面之曲率半徑爲R，前述折 射率分布透鏡之焦點距離爲f時，能滿足下述(數5)、（數 6)之條件。 (數5) 1.0^R/r〇^1.6 (數6) R/f^l.2 依此對物透鏡光學系統之構成，能將透鏡全體之折射 力增大而使像側NA變大。其結果，作爲光頭之對物透鏡 光學系統使用時，能提高記錄媒體之記錄密度。又，因係 由特定構造之單一之折射率分布透鏡所構成的對物透鏡光 學系統，能將零件數減爲最少，而求小型·輕量化，能使 之應付高速化的存取。 又，在前述本發明之對物透鏡光學系統之構成中，從 折射率分布透鏡之光軸所測之具透鏡作用之部分的半徑r〇 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐〉 ----------Φ------r、w"------0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 473614 A7 B7 蛵濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（少） ，以在〇·〇5 mmSroSO.20 mm之範圍爲佳。依此佳例’折射 率分布透鏡之製作(特別是折射率分布透鏡爲桿狀透鏡時之 製作)及凸球面之加工則變的容易，且能圖謀對物透鏡光學 系統全體之小型化。再者，從折射率分布透鏡之光軸所測 之具透鏡作用之部分的半徑r。’以在0.1 mmSro^O.15讓之 範圍爲佳’特別是在0.125 mm左右者爲佳。 又，在前述本發明之對物透鏡光學系統之構成中，折 射率分布透鏡之凸球面面向光源，前述折射率分布透鏡之 平面面向記錄媒體，而組裝於光頭內者爲佳。依此佳例， 能增大記錄媒體側之NA，而可提高記錄媒體之記錄密度。 又，在前述本發明之對物透鏡光學系統之構成中，折 射率分布透鏡爲桿狀透鏡，而設從前述桿狀透鏡之光軸所 測之徑方向的距離爲r，前述桿狀透鏡之光軸上的折射率 爲η。，折射率分布係數爲g、h4、h6、h8…時，能以下述(數 7)表示前述桿狀透鏡之折射率分布者爲佳。 (數7) n(r)2=n。2 · {l-(g . r)2+h4(g _ r)4+h6(g · r)6+h8(g · r)8+...} 又，此時，桿狀透鏡在光軸上之折射率n。以在1.4Sn〇$ 1.80之範圍爲佳。此折射率n〇之範圍，係實際由以離子交 換法等能製作之範圍而規定。又，此情形中，桿狀透鏡在 光軸上之折射率η。及折射率分布係數g及從前述桿狀透鏡 之光軸所測之行透鏡作用之部分之半徑r。的乘積η〇· g.r。 ，以在〇·45$η〇 · g · r〇S0.71之範圍爲佳。η。· g · r。未滿 0.45之時，無法使NA變大（無法使透鏡變亮），又，係 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，vs
T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X2.97公釐） 473614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7_ 五、發明説明（$ ) 因以離子交換法等製作n〇 · g ·!·〇超過0.71之桿狀透鏡甚爲 困難之故。又，此時，折射率分布係數h4，以在-1.5Sh4$ 2.5之範圍爲佳。以此佳例，能良好的修正對物透鏡光學系 統全體之球面像差。又，在此情形，設折射率分布透鏡之 平面與像面之間隔爲時，L2/r〇以在L2/r(»S0.37之範圍爲 佳。依此佳例，對物透鏡光學系統全體之球面像差之修正 變得容易。又，在此情形，設物體面(光碟系統之光源)與 折射率分布透鏡之凸球面的間隔爲L·時，Li/ro以在5^1^!·。 S20之範圍爲佳。在光碟系統中，作爲光源，因通常係使 用NA 0.05〜0.2左右之光纖，藉將對物透鏡光學系統在如上 述之有限系統中使用，可使來自光源之光的擴張與桿狀透 鏡之徑相匹配，而抑制減小光量之損失。又，在此情形下 ，物體面與折射率分布透鏡之凸球面的間隔爲無限大者 較佳。如此種無限系統，對使用平行光爲光源的情形有用 〇 〔發明之實施形態〕 以下，以實施形態更具體說明本發明。 在本實施形態中，如圖1、圖2所示，作爲折射率分 布透鏡，使用具有折射率分布於半徑方向之圓柱狀之透明 體所成的桿狀透鏡1’在此桿狀透鏡1之兩側配置物體面2 與像面3，而構成對物透鏡光學系統。桿狀透鏡1 一邊之 面爲凸球面la，另一邊之面爲平面lb ’桿狀透鏡1以凸球 面la面向物體面2，平面lb面向像面之方式配置。又’於 圖i中、4爲開口光圈，此開口光圈4設置於桿狀透鏡1 ______8_____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
473614 A7 B7 經濟'那智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ς ) 之凸球面la之頂點。 如圖3所示，桿狀透鏡1之折射率n，係分布於半徑 方向，其折射率分布以下述(數8)表示， (數8)n(r)2=n〇2 · {l-(g · r)2+h4(g · r)4+h6(g . r)6+hs(g · r)V..} 但’在上述(數8)中，r係從桿狀透鏡1之光軸lc所測之徑 方向的距離’ n(r)係從桿狀透鏡〗之光軸lc所測之徑方向 之距離r之位置的折射率，nt)係桿狀透鏡1之光軸lc上之 折射率(中心折射率），g、h4、h6、h8...係折射率分布係數。 本實施形態之對物透鏡光學系統中，設從桿狀透鏡1 之光軸lc所測之行透鏡作用之部分的半徑，即，桿狀透鏡 1之有效透鏡部分的半徑爲ro，凸球面la之曲率半徑爲R ，桿狀透鏡1之焦點距離爲f時，滿足下述(數9)、（數10) 的條件。 (數9) 1.0^R/r〇^1.6 (數 10) R/f^l.2 此處，桿狀透鏡1之有效透鏡部分之半徑，例如可 定義爲「光軸lc上之RMS波面像差量爲0.07 λ以下之範 圍」。此桿狀透鏡1之有效透鏡部分之半徑r。影響桿狀透 鏡1之折射力，成爲設計桿狀透鏡時之基準。然而’實際 製作之桿狀透鏡1，透鏡外周部之折射率分布大幅相離於 設計値，無法作用爲透鏡之情形甚多。例如’即使實際之 ___^___9___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
473614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 外徑尺寸爲0.5醒之透鏡，其實際有效透鏡徑爲0.4 mm，此 情形中Π)爲〇.2醒。 桿狀透鏡1之有效透鏡部分之半徑r° ’以在〇·〇5 roSO.20腿之範圍爲佳。桿狀透鏡之有效透鏡部分之半徑r〇 若在此範圍內’則桿狀透鏡1之製作及凸球面la之加工容 易進行，同時亦可求對物透鏡光學系統全體之小型化。 再者，桿狀透鏡1之有效透鏡部分之半徑r。，以在 0.10 mmSroSO.15 _之範圍爲佳’特別是在0.125 mm左右爲 佳。 如上述，設桿狀透鏡1之物體面2側之面爲凸球面la ，藉使滿足上述(數9)、（數10)之條件’可增加透鏡全體之 折射力而使像側NA變大。其結果’將此桿狀透鏡以凸球 面la面向光源，平面lb面向記錄媒體之方式裝配於光頭 時，可提高記錄媒體之記錄密度。又，此對物透鏡光學系 統因由特定構造之單一之折射率分布透鏡(桿狀透鏡1)所構 成，能將零件數減爲最少而求小型·輕量化，亦能使之應 付高速化的存取。 在桿狀透鏡1之光軸上lc上可實現折射率(中心折射 率)n〇的値，係由桿狀透鏡之材料(玻璃或合成樹脂)決定， 在 1.40Sn〇S1.80 之範圍。 桿狀透鏡1之明亮度，由無次元數g · r〇，或顯示透鏡 能吸收光線之範圍的開口角所規定。此處，開口角0(° )， 以下述(數11)表示。 (數 11) ______1〇_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 473614 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明U ) θ=(η。· g · r〇)/(;r/180) 在此情形，桿狀透鏡1之光軸lc上之折射率n〇及折射率分 布係數g及從桿狀透鏡1之光軸lc所測之具透鏡作用之部 分之半徑r。的乘積no.g.r。，以在0.45Sn。· g · r〇S0.71之 範圍爲佳。n〇 · g · r。不滿0.45時，無法使ΝΑ變大(無法使 透鏡變亮），又，係因以離子交換法等製作η。· g · r〇超過 0.71之桿狀透鏡困難之故。 若使用具有依上述(數8)所表示之折射率分布的桿狀透 鏡，對物透鏡光學系統全體之球面像差以折射率分布係數 h4、h6、h8...修正。爲簡單化，h6以上之高次之項設爲〇 ’ 將桿狀透鏡1之折射率分布以下述(數12)近似時’折射率 分布係數h4以在-1.5Sh4$2.5之範圍爲佳。 (數 12) n(r)2=n〇2 · {h(g · r)2+h4(g · r)4} 因製作超過此範圍之具折射率分布的桿狀透鏡至爲困難之 故。又，即使使用h6以上之高次之項時，若匕在此範圍內 ，則能良好的修正球面像差。 當設桿狀透鏡1之平面lb與像面3之間隔爲時’ 若使L2/r〇滿足下述(數13)之條件，可容易的修正對物透鏡 光學系統全體之球面像差。 (數 13) L2/r〇^0.37 此處，間隔L2被稱爲「動作距離」。 具備上述構成之對物透鏡光學系統’例如’桿狀透鏡 _；_11 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------0-------ir:------· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本貢) 473614 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（γ) 1以凸球面la面向光源，平面lb面向記錄媒體之方式裝入 光頭。此情形中，因桿狀透鏡1之徑非常小，且因桿狀透 鏡1之平面lb與像面3之間隔非常小，對物透鏡光學 系統能以極接近記錄媒體之狀態被裝入光頭。 此處，光源以雷射等之單色光爲前提。光源之波長λ 以在0.3/zm〜2.0 ym之範圍爲佳。此係因若光源之波長;I 未滿0.3/zm，桿狀透鏡1之透過率變得非常差，若光源之 波長超過20#m，焦點之點徑變大，而降低記錄媒體之記 錄密度之故。 又，若考慮使用NA爲0.05〜0.2左右之光纖爲光源時 ，此對物透鏡光學系統係使用在物體面2與桿狀透鏡1之 凸球面la之間隔L·滿足5$1^斤。$20之條件的有限系統爲 佳。特別是，使用單一功能之光纖爲光源之情形下’因NA 爲0.1左右，以滿足8$：ϋ/Γ(»$12之條件爲佳。藉使用在滿 足上述條件的有限系統下，能使來自光源之光的擴張與桿 狀透鏡1之徑相匹配，可抑制減小光量之損失。但，使用 平行光作爲光源之情形下，亦能設計物體面2與桿狀透鏡 1之凸球面la之間隔L·爲無限大之無限系統。 顯示具體實施例於下述(表1) (表1) 圖4〜圖11分別對應上述(表1)中之實施例1〜實施例8 ，而圖12對應上述(表1)中之比較例。於各圖中，（A)顯示 對物透鏡光學系統之構成，（B)顯示縱球面像差。又，於 (A)之各對物透鏡光學系統構成圖中，分別顯示1爲桿狀透 ---— _12_______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -----------------1T------· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 473614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（) 鏡，2爲物體面，3爲像面’ 4爲開口光圈。又，（B)之各縱 球面像差圖之縱軸之終端表示開口光圏4之半徑。 由上述(表1)及圖4〜圖12可知’在兩面均以平面構成 之單純之桿狀透鏡(比較例)之情形中，像側NA雖爲0.556 ，但在實施例1〜實施例8之情形中’能將像側ΝΑ取爲0.6 以上之大的値，且能修正球面像差。特別是’例如’如爲 實施例1~3之透鏡設計値’可得像側ΝΑ爲〇·7以上之極良 好的結果。但如實施例8般，若凸球面la之曲率半徑R變 的非常小時，則僅靠折射率分布係數h4之調整’球面像差 之修正非常困難’折射率分布係數^ ’亦有需要設定爲適 當之値。 又，於本實施形態中，雖在桿狀透鏡1之凸球面la之 頂點設有開口光圈4,但因在本發明中僅使用光軸近旁之 像，故實際成品之開口光圈4爲一體成形於透鏡支持框等 之框狀部分等亦可。 又，於本實施形態中，雖舉桿狀透鏡爲折射率分布透 鏡之例而加以說明，但並不限定於桿狀透鏡1，凡具有折 射率分布於半徑方向之透明體所構成，一邊之面爲凸球面 ，另一邊之面爲平面之透鏡即可。 〔發明之效果〕 如以上說明’依本發明，可增大透鏡全體之折射力， 而使像側NA加大。其結果，作爲光頭之對物透鏡光學系 統使用時，可提高記錄媒體之記錄密度。又，因能使零件 數減爲最少’故能求小型•輕量化，亦能應付高速化之存 —-— — 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------------訂------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 473614 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（（丨） 取。再者，因折射率分布透鏡之平面與像面之間隔非常小 ，故能在光碟系統全體之小型化中大大的發揮其貢獻。 〔圖式之簡單說明〕 圖1係顯示本發明之實施形態之對物透鏡光學系統之 構成的截面圖。 圖2係顯示本發明之實施形態之對物透鏡光學系統所 使用之桿狀透鏡的立體圖。 圖3係本發明之實施形態之對物透鏡光學系統所使用 之桿狀透鏡的折射率分布曲線。 圖4(A)係顯示本發明之實施形態之實施例1之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖5(A)係顯示本發明之實施形態之實施例2之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖6(A)係顯示本發明之實施形態之實施例3之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖7(A)係顯示本發明之實施形態之實施例4之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖8(A)係顯示本發明之實施形態之實施例5之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 _________14 ________ 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 473614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7 __ 五、發明説明（θ ) 圖9(A)係顯示本發明之實施形態之實施例6之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖10(A)係顯示本發明之實施形態之實施例7之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖11(A)係顯示本發明之實施形態之實施例8之對物透 鏡光學系統之構成的截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之 縱球面像差圖。 圖12(A)係顯示比較例之對物透鏡光學系統之構成的 截面圖，（B)係該對物透鏡光學系統之縱球面像差圖。 〔符號之說明〕 1 桿狀透鏡(折射率分布透鏡） la 凸球面 lb 平面 lc 光軸 2 物體面 3 像面 4 開口光圈 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）