(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸から周辺に向かって曲率半径が大きくなる非球面を両面に有する正の単レンズであって、光束が入射する遠い共役点側の面は、屈折レンズとしての非球面に回折レンズ面として作用する輪帯を形成した不連続面であり、光軸から離れるに従ってレンズ厚が厚くなる方向へ離散的にシフトする同心円状の輪帯として階段状に形成され、近い共役点側の面が連続的な非球面として構成されている色収差補正単レンズを、遠い共役点側の面から光束を入射させて近い共役点の側に位置する光記録媒体上に収束させるように光情報記録再生装置の光学系中に設けることを特徴とする対物レンズ。
【請求項２】
前記色収差補正単レンズが、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光記録再生装置。
０．８  ≦  ｔ（ｎ−１）／  λ≦  １０
ただし、λ  ：使用波長、ｔ  ：光軸方向への１輪帯ごとのシフト量（段差）、ｎ  ：レンズを構成する媒質の屈折率である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、単独で色収差が補正された対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスク用の対物レンズには、軽量化のために両面非球面の単レンズが使われるようになっている。しかし、従来の単レンズは色収差を補正できなかった。
【０００３】
光ディスク装置の光源として用いられている半導体レーザーは、出力パワーの変化、あるいは温度の変化により発光波長がシフトする。このため、対物レンズの色収差が補正されていない場合には、光束の集光位置が波長のシフトにより変化し、情報の読取、書込みに誤りを生じる可能性がある。
【０００４】
この問題を解決するため、本発明者らは、ガラスレンズを２枚、あるいは３枚貼り合わせた色収差補正素子を発明した（特開平３−１５５５１４号公報、特開平３−１５５５１５公報参照）。この色収差補正素子を非球面単レンズと組み合せて使用することにより、従来の色収差が補正されたレンズより少ない枚数で波長変動による影響を受けないレンズを提供できた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に開示される手段によっても、色収差を補正するために対物レンズが本来持つべき収束作用には直接関与しない素子を設けなければならない。したがって、色収差を補正した光学系は、これを補正していない光学系よりも重量、部品点数が共に増加するという問題がある。
【０００６】
【発明の目的】
この発明は、上記の課題に鑑み、構成枚数を増やさずに対物レンズが本来持つべき収束作用には直接関与せずに色収差を補正することができる光記録再生装置に用いられる対物レンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明に係る光記録再生装置に用いられる対物レンズは、光軸から周辺に向かって曲率半径が大きくなる非球面を両面に有する正の単レンズであって、光束が入射する遠い共役点側の面は、屈折レンズとしての非球面に回折レンズ面として作用する輪帯を形成した不連続面であり、光軸から離れるに従ってレンズ厚が厚くなる方向へ離散的にシフトする同心円状の輪帯として階段状に形成され、近い共役点側の面が連続的な非球面として構成されている色収差補正単レンズを、遠い共役点側の面から光束を入射させて近い共役点の側に位置する光記録媒体上に収束させるように光情報記録再生装置の光学系中に設けることを特徴とする。
このように構成すれば、非球面の単レンズ１枚で球面収差、コマ収差等を抑えつつ、対物レンズが本来持つべき収束作用を保持して色収差を補正することができるので、従来の非球面対物レンズとほぼ同じ大きさ重さを保ちつつ、色収差を補正して光源の波長変動によるピント位置のズレ等を抑えることができ、また、階段状の回折レンズ面は光記録媒体が配置される側とは反対側に形成されているので、光記録媒体（光ディスク）の回転に伴って発生する気流による回折レンズ面へのゴミの付着を避けることができる。
【０００８】
【実施例】
以下、この発明に用いる色収差補正単レンズの原理を説明する。
【０００９】
屈折率ｎ、屈折率の波長変化に対する変化Δｎの材料を用いて作った焦点距離ｆの薄肉レンズの波長変化に対するパワーの変化ΔＲは、以下の式（１）で表される。
【００１０】
【数１】
ΔＲ＝Δｎ  ／  （ｆ  （ｎ−１））  …（１）
【００１１】
レンズを構成するのに十分な屈折率ｎを有し、かつ、屈折率変化Δｎが小さい物質は存在しないため、パワーを持った通常の単レンズでは、波長の変化によるパワーの変動ΔＲを抑えることはできない。
【００１２】
そこで、この発明の色収差補正単レンズは、単レンズの何れかの表面を回折レンズ面とし、その回折効果を利用して単レンズの屈折作用で発生する色収差をキャンセルするよう構成している。
【００１３】
回折レンズには、回折のタイプにより振幅型回折レンズ及び位相型の回折レンズが考えられるが、光の利用効率の点から位相型の回折レンズとすることが望ましい。位相型の回折レンズは、光軸に対して垂直な平面を光軸に対して同心円状の輪帯として階段状に形成して構成される。
【００１４】
レンズの屈折によるパワーをφＲ、レンズの１面に形成された回折レンズ面によるパワーをφＤとすると、これらを合成したパワーφＴは以下の（２）式により表される。
【００１５】
【数２】
φＴ＝（ＨＲ／Ｈ１）φＲ＋（ＨＤ／Ｈ１）φＤ  …（２）
ただし
Ｈ１：レンズ系への近軸光線の入射高さ、
ＨＲ：Ｈ１で入射した近軸光線の屈折レンズの前側主点への入射高さ、
ＨＤ：Ｈ１で入射した近軸光線の回折レンズの前側主点への入射高さである。
【００１６】
説明を簡単にするためにレンズを薄レンズであるとみなすと、（２）式は下の（３）式のように変形できる。
【００１７】
【数３】
φＴ＝φＲ＋φＤ    …（３）
【００１８】
通常の屈折系のレンズにおいて、波長変動に伴う屈折率の変化Δｎにより発生するレンズパワーの変化量ΔＲは、屈折によるパワーをφＲとして（４）式で表される。
【００１９】
【数４】
ΔＲ  ＝  φＲ（Δｎ／（ｎ−１））  …（４）
【００２０】
一方、回折レンズ面の持つパワーφＤは、回折によって発生する光路長差を光軸からの距離により２階微分して得られる。また、光路長差は波長に比例するため、設計基準波長λ０に対し波長がΔλシフトした際の回折によるパワーの変化量ΔＤは、以下の（５）式で表される。
【００２１】
【数５】
ΔＤ  ＝  （Δλ／λ０）φＤ    …（５）
【００２２】
例えば、基準波長λ０＝７８０ｎｍ、シフトΔλ＝±１０ｎｍの半導体レーザーを光源として用いる焦点距離１０ｍｍのレンズを株式会社オハラのＬＡＬ１３（商品名：ｎ７８０＝１．６８４６８，Δｎ＝−０．００００３２）を用いて製作する場合、上記の（４），（５）式から、以下の値が得られる。
【００２３】
【数６】
ΔＲ＝φＲ  （Δｎ／（ｎ−１））＝    −４．６７×１０−４・φＲ
ΔＤ＝φＤ（Δλ／λ０）＝  １．２８×１０−２・φＤ
【００２４】
波長の違いによる合成パワーの変化量を抑えるためには、ΔＲ＋ΔＤ＝０となるよう設定すればよい。すなわち、以下の（７）式を満たすことにより、基準波長７８０ｎｍの近傍において色収差を持たないレンズを得ることができる。
【００２５】
【数７】
φＲ  ：  φＤ    ＝    １：０．０３６４  …（７）
【００２６】
また、焦点距離を１０ｍｍとするためには、次の（８）式を満たす必要があり、かつ、上記の（７）式と以下の（８）式とから、屈折、回折による各パワーは、（９）（１０）式に示すとおりとなる。
【００２７】
φＲ＋φＤ＝  ０．１００  …（８）
φＲ＝    ０．０９６４９      …（９）
φＤ＝    ０．００３５１      …（１０）
【００２８】
（１０）式を光軸からの距離で２階積分することにより、回折レンズ面上で光軸からの高さｈの点における光路長差ＯＰＤ（ｈ）が次の（１１）式のように定まる。
【００２９】
0003563747.tif 000002
【００３０】
ただし、回折を生じさせるためには、光路長差を連続的でなく、断続的、離散的に変化させて階段状に形成する必要がある。すなわち、光路に沿った厚さｔの媒質を通った光と空気中を通る光との間に発生する光路長差は（ｎ−１）ｔで与えられるため、回折レンズの階段の段差は、以下の（１２）式で得られるｔ、もしくはその整数倍とする必要がある。
【００３１】
0003563747.tif 000003
【００３２】
したがって、回折レンズは、巨視的には凹レンズのように光軸からの距離の２乗に比例するようにレンズ厚が厚くなるような形状を持ち、微視的には前述したように光軸に対して同心円状に、階段状に配列して構成することにより、所望のパワーを得ることができる。
【００３３】
なお、以上の説明は色収差補正単レンズを薄肉レンズと仮定しているため、光線の入射高さはレンズの２つの面で変化しないものとして扱っているが、実際にはレンズ面へ入射する高さが前面後面で異なるため、ｈの変化をも考慮しなければならない。
【００３４】
また、光路長差ｔ（ｎ−１）と波長との比率は、以下の条件（Ａ）を満たすことが望ましい。
【００３５】
【数８】
０．８  ≦  ｔ（ｎ−１）／λ  ≦    １０  …（Ａ）
【００３６】
一般に、回折レンズ面は、階段の段差が一波長分となるよう形成すれば、１次の回折光を用いることとなり、波長の変化による波面収差の劣化を抑えることができるため、波長変化による回折効率および結像性能の低下を防ぐことができる。
【００３７】
そして、使用波長幅が狭い場合、あるいは輪帯幅が狭く製造が困難な場合等には、階段の段差を波長の２倍、あるいは３倍以上の整数倍としても色収差補正は可能である。ただし、条件（Ａ）の上限を越えて段差を１０波長分以上とすると、従来のフレネルレンズと同等の構成となり、段差量の製作上の誤差による位相整合のズレが大きくなり易く、かつ、設計波長から離れた波長の入射光に対して回折レンズの効率が低下する。
【００３８】
条件（Ａ）の下限を下回る場合には、回折レンズの位相整合をとることができず実質的に回折レンズとしての機能を果たさない。
【００３９】
回折レンズと屈折レンズとを色収差補正のために一体化する場合、（７）式に示すようにパワーのほとんどは屈折レンズが分担するため、屈折レンズはほぼ単独で収差が補正されている必要がある。また、回折レンズは屈折レンズの色収差を補正する機能のみを有するため、ほぼパワーを持たない。したがって、一体化された色収差補正単レンズは、巨視的な形状としては従来の非球面単レンズと際だった差はない。
【００４０】
【実施例１】
図１は、この発明の実施例１にかかる色収差補正単レンズを用いた光学系を示す。この例では、色収差補正単レンズを光ディスク装置の対物レンズとして用いている。図中左側から入射した平行光束は、巨視的な形状が両凸である対物レンズ１により、光ディスクのカバーガラスＤの内側（図中右側）に位置する記録面に収束される。
【００４１】
図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ対物レンズ１を輪帯の形状が解るよう誇張して示した断面図、平面図である。対物レンズ１の図２（ａ）の左側となる平行光束入射側の面は、屈折レンズとしての非球面に回折レンズ面として作用する輪帯を形成した不連続面であり、光軸から離れるに従ってレンズ厚が厚くなる方向へ離散的にシフトする同心円状の輪帯として階段状に形成されている。また、カバーガラスＤ側の面は通常の連続した非球面である。
【００４２】
光ディスク装置の対物レンズのような高ＮＡのレンズを単レンズで構成する場合、球面収差とコマ収差とを同時に補正するためには、平行光束が入射する側、すなわち、遠い共役点側の面を、光軸から周辺に向かって曲率半径が大きくなるような凸の非球面とする必要がある。
【００４３】
また、明るいレンズはコマ収差の補正のため正弦条件をほぼ満足する必要があるため、このようなレンズに回折レンズを一体化する場合には、回折レンズが持つべき光路長は光線の入射高さｈの２乗には比例せず、入射角、射出角の正弦の２乗に比例する。したがって、平行光束が入射、射出する側の面を回折レンズ面とする場合を除き、回折レンズ面の形状は光軸からの距離ｈの２乗比例より周辺で緩やかになるように変化させる必要がある。また、回折レンズへの光線の入射角度が斜めになる場合には、実効的厚さが増加するため、高ＮＡのレンズの射出側面に回折レンズを配置する場合には、シフト量もｈの関数として考慮しなければならない。
【００４４】
実施例１のように遠い共役点側に回折レンズを一体化した場合は、光線はこの回折レンズ面で光軸方向に変角作用を受けるため、回折レンズ面の輪帯の段差は光軸から周辺に向かうに従って増加する。ただし、面を光線に沿ってシフトさせる構造は製造上困難であるため、実際の製造時には光軸方向にシフトした形をとればよい。
【００４５】
実施例１の具体的な数値構成は、表１−３に示される。また、図３は、この構成によるコマ収差、７７０ｎｍ，７８０ｎｍ，７９０ｎｍの球面収差により示される色収差、非点収差（Ｓ：サジタル、Ｍ：メリディオナル）を示す。
【００４６】
【表１】
0003563747.tif 000004
【００４７】
色収差補正単レンズ１の第１面の形状は、光軸からの距離ｈの点の非球面のサグ量Ｘ（ｈ）を以下の（１３）式で定義したとき、表２に示した各係数により与えられる。（１３）式は、普通の非球面表現形式にΔＮの項が追加されたものである。ＩＮＴ（ｘ）は、ｘの整数部分を取り出す関数である。
【００４８】
【数９】
0003563747.tif 000005
ただし、
ｒは非球面頂点の曲率半径、
Ｎは高さｈの点の属す輪帯番号、
Ｋは円錐係数、
Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
【００４９】
【表２】
Ｎ      ＝    ＩＮＴ（４．７１＊ｈ２  ＋  ０．５  ）
ｒＮ    ＝    ２．１２６        ＋  ５．０９×１０−４  ＊  Ｎ
ＫＮ    ＝  −０．３６８９
Ａ４Ｎ  ＝  −１．４７０×１０−３  ＋  １．４５×１０−６  ＊  Ｎ
Ａ６Ｎ  ＝  −２．１８０×１０−４  ＋  ８．７２×１０−８  ＊  Ｎ
Ａ８Ｎ  ＝  −１．０００×１０−５  ＋  ４．３６×１０−８  ＊  Ｎ
Ａ１０Ｎ    ＝  −１．４００×１０−５  ＋  ３．４９×１０−８  ＊  Ｎ
ΔＮ  ＝  −０．００１４５３  ＊  Ｎ
【００５０】
また、色収差補正単レンズ１の第２面の形状は、非球面を（１４）式で定義したとき、表３に示した各係数により与えられる。
【００５１】
【数１０】
Ｘ（ｈ）＝ｈ２／（ｒ＊（１＋√（１−（１＋Ｋ）＊ｈ２／ｒ２）））＋Ａ４＊ｈ４＋Ａ６＊ｈ６＋Ａ８＊ｈ８＋Ａ１０＊ｈ１０  …（１４）
【００５２】
【表３】
ｒ    ＝  −６．７６３
Ｋ    ＝    ０．０００
Ａ４  ＝    １．７７７×１０−２
Ａ６  ＝  −３．９５０×１０−３
Ａ８  ＝    ５．７７０×１０−４
Ａ１０  ＝  −２．９６０×１０−５
【００６３】
【実施例２】
図４は、この発明の実施例２にかかる色収差補正単レンズを有限系の光ディスク用対物レンズとして用いた光学系を示す。図示せぬレーザー光源からのレーザー光が図中左側から基板４を介して発散光として対物レンズ５に入射し、この対物レンズ５により光ディスクのカバーガラスＤの裏面に収束される。基板３は、光分岐用のホログラム等が形成されるものである。
【００６４】
対物レンズ５の図中左側面は、非球面上に回折レンズ面が形成されて階段状に形成されており、右側面は、連続する非球面とされている。
【００６５】
この実施例に示した有限系の明るい対物レンズのように、レンズのパワーが強い場合や波長が近接していない場合には、屈折系のレンズ単独で波長ごとに焦点位置のみではなく球面収差量も変化するが、回折レンズによりその球面収差の変化を相殺するような球面収差を発生させることも可能である。
【００６６】
一般に可視光近傍の波長範囲では、基準波長において補正されている正レンズの球面収差は、屈折率が高くなる短波長光に対してはアンダーとなり、屈折率が低くなる長波長光に対してはオーバーとなる。
【００６７】
したがって、この波長変動による球面収差の変化を打ち消すためには、レンズの周辺に向けて回折レンズのパワーが漸次増加するよう設定すればよい。低次の球面収差の変化は、波面収差として４次関数になるため、回折レンズの形状をｈの２乗比例部とｈの４乗比例部との関数で定義することにより、球面収差の波長変化による変動をも抑えることができる。
【００６８】
実施例２の具体的な数値構成は、表４〜６に示される。対物レンズ４の図中左側の第１面の形状は、実施例１で示した（１３）式により表５の数値によって与えられ、第２面の形状は同じく（１４）式により表６の数値によって与えられる。また、図５は、この構成によるコマ収差、球面収差により示される色収差、非点収差を示す。
【００６９】
【表４】
0003563747.tif 000006
【００７０】
【表５】
0003563747.tif 000007
【００７１】
【表６】
0003563747.tif 000008
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、非球面の単レンズ１枚で球面収差、コマ収差等を抑えつつ、色収差を補正することができる。したがって、このレンズを対物レンズとして用いる場合には、従来の非球面対物レンズとほぼ同じ大きさ重さを保ちつつ、色収差を補正して光源の波長変動によるピント位置のズレ等を抑えることができる。
【００７３】
また、長い共役点側、すなわち光束が入射する側に回折レンズ面を形成しているので、光ディスクの回転に伴って発生する気流による回折レンズ面へのゴミの付着を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１にかかる色収差補正単レンズを光ディスク装置の無限系の対物レンズとして用いた例を示す光学系の構成図である。
【図２】図１に示した対物レンズの形状を誇張して示した（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図３】図１に示した光学系の諸収差図である。
【図４】この発明の実施例２にかかる色収差補正単レンズを光ディスク装置の有限系の対物レンズとして用いた例を示す光学系の構成図である。
【図５】 図４に示した光学系の諸収差図である。
【図１】
0003563747.tif 000009
【図２】
0003563747.tif 000010
【図３】
0003563747.tif 000011
【図４】
0003563747.tif 000012
【図５】
0003563747.tif 000013