JP4159478B2 - フォールドミラーを備えた複合対物レンズ - Google Patents

Description

本発明は、結合された対物レンズ及びフォールドミラーを含む光学系に関し、限定するものではないがより詳細には、内蔵型の放射源を利用して光記録担体を走査する光走査装置における使用のためのかようなレンズに関する。

例えば携帯型の装置における利用のためには、光走査装置のサイズを減少させることが望ましい。光学系の構造高（build height）を減少させることにより、装置のサイズを減少させることが可能である。光走査装置における典型的な光学系は対物レンズを含む。対物レンズは、単一のレンズであっても良く、又は複合レンズ即ち複数素子のレンズ及びフォールドミラーであっても良い。構造高は、対物レンズの全高とによって及びフォールドミラーの高さによって決定される。典型的な光走査装置においては、フォールドミラーの高さは入射瞳の直径よりも大きい。

米国特許第５，４３２，７６３号は、構造高が減少させられた、結合された単一の対物レンズ及びフォールドミラーを記載している。更なるかようなレンズはドイツ国特許出願公開Ａ−１９６５４３８８に記載されている。

比較的高い開口数（ＮＡ）、即ちＮＡ＞０．６５の系については、製造公差を許容可能なレベルに緩和するために２素子の対物レンズが望ましい。

米国特許第６，０５８，０９５号は、結合されたフォールドミラーを持たない２素子の高ＮＡ対物レンズ設計を記載している。前記設計の特性の１つは、放射源に面した第１の素子の焦点距離Ｆ_１と、システム全体の総焦点距離Ｆとが、
１．７＜Ｆ_１／Ｆ＜２．５ (1)
の関係を満たす点である。

特開平８−２０１６９８は、結合されたレンズ素子及びフォールドミラーを記載している。前記フォールドミラーは曲面の形をとり、前記素子は像面湾曲を補正するためのものである。前記素子は、ＮＡ＝０．５５の対物レンズと組み合わせて利用される。

本発明によれば、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とを有する複合対物レンズが提供される。前記第１の素子は前記第１の素子を通る放射ビームの方向を内部で転換させるためのミラー面を有し、前記対物レンズは０．６５より大きな開口数を持つ。前記第１の素子の焦点距離Ｆ_１は前記対物レンズの焦点距離Ｆに以下の関係によって関係付けられる：
Ｆ_１／Ｆ＞２．５ (2)

本発明は、１つの素子内にフォールドミラーを組み込むことを可能とし、かような対物レンズを組み込んだ光走査装置の構造高を減少し、一方で前記第２の素子の偏心化に対して耐性を持ちかなりの像面性能を持つ、複数素子の対物レンズを提供する。

本発明の更なる目的、利点及び特徴は、添付する図において示されるような本発明の好適な実施例のより詳細な以下の説明より明らかとなるであろう。

図１は、本発明の実施例における光走査装置の構成要素を示す。本実施例においては、光記録担体２を走査するための光ヘッドにおいて２素子の複合レンズが利用される。

記録担体２は、透過層を有する光ディスクの形をとり、一方の側には少なくとも１つの情報層が配置される。前記透過層と反対側に面する前記情報層の側面は、保護層により環境の影響から保護される。前記装置に面する前記透過層の側は入射面と呼ばれる。前記透過層は、前記情報層のための力学的な支持を提供することにより、前記記録担体のための基板としての役割を果たす。代替として、前記透過層は前記情報層を保護するだけの機能を持っても良く、このとき前記力学的な支持は、例えば保護層のような前記情報層の反対側の層によって提供される。情報は、略平行の、同心円の又は螺旋のトラックに配置された、光学的に検出可能なマークの形で前記記録担体の前記情報層に保存されても良い。前記マークは、例えばピットの形でのように、光学的に読み取り可能な形態であっても良く、周囲と異なる反射係数若しくは磁化の方向を持つエリアであっても良く、又はこれらの形態の組み合わせであっても良い。

前記走査装置は、放射ビーム６を発する半導体レーザ４の形をとる直線偏光の放射源を有する。前記放射ビームは、光記録担体２の前記情報層を走査するために利用される。偏光ビームスプリッタミラー８が、光路上の発散する放射ビーム６をコリメータレンズ１０に向けて通過させる。コリメータレンズ１０は、発散する放射ビーム６を平行ビーム１２に変換する。ビーム１２は１／４波長板１４を通って伝送される。１／４波長板１４は、前記放射を円偏光ビームを形成するように変換する。開口絞り１６が、対物レンズ系１８及び２２の入射瞳Ｄ_１（図２を参照）を規定する。前記対物レンズ系は、２以上のレンズ及び／又は格子を有しても良い。図１における対物レンズ系は、本例においては２つの素子、即ち第１のレンズ１８、及び前記第１のレンズ１８と記録担体２の位置との間に配置された第２のレンズ２２から成る。前記第１のレンズ素子は、ミラーを付けられた外側の面を持つ内部フォールドミラー２８を利用して前記ビームを９０°反射させ、平行ビーム１２を第２のレンズ素子２２に入射する集束ビーム２０に変換する。第２のレンズ素子２２は、前記ビームを、記録担体２の前記入射面に入射する、より強く集束するビームに変換する。前記強く集束するビームは、現在走査されている前記情報層上にスポット２４を形成する。

前記情報層によって反射された放射は、発散する円偏光のビームを形成し、対物レンズ系１８及び２２によって略平行なビームに変換される。１／４波長板１４が、前記ビームを、元々発せられたビームとは直交する偏光を持つ、直線偏光のビームを形成するように変換する。前記ビームは、前記コリメータレンズにより屈折させられ、集束するビームを形成する。ビームスプリッタ１８は、前記集束するビームの大部分を検出システム２６の方向に伝送することにより、前方のビームと反射ビームとに分離する。前記検出システムは前記放射を捕捉し、該放射を電気的な出力信号２６に変換する。前記出力信号２６は、信号処理回路によって処理される。前記信号の１つは情報信号を形成するためのものであり、該信号の値は、情報層から読み取られた情報、フォーカスエラー信号、及びラジアルエラー信号を表す。

図２は、２素子対物レンズ１８及び２２を、詳細な断面図で示す。複合レンズ１８及び２２は、比較的高い、即ち０．６５より大きな開口数を持つ。より好ましくは、複合レンズ１８及び２２は、０．８より大きな開口数を持つ。

第１のレンズ１８は一体成型されたプラスチック物質から形成されても良い。素子１８は、光軸３１にセンタリングされた第１のレンズ面３０と、第２の光軸３３にセンタリングされた第２のレンズ面３２とを含む。前記第1及び第２の光軸は互いに垂直に配置される。平面ミラー面２８は前記第１及び第２の光軸のそれぞれに対して４５°に配置され、これら２つの光軸が交差する点に重なる。第１のレンズ素子１８は屈折率ｎ_１を持ち、前記第１の素子内のビームは開口数ＮＡ_１を持つ。

前記入射瞳は図２において距離Ｄ_１として示されている。第２のレンズ面３２における第１の素子１８からの出射部におけるビームの半径は、図２において距離Ｄ_２として示されている。第１のレンズ面３０の頂点と前記２つの光軸の交差点との間の軸距離は、図２において距離ｄ_１として示されている。第２のレンズ面３２の頂点と前記２つの光軸が交差する位置との距離は、図２において距離ｄ_２として示されている。第１の光軸３１と平行に測定される、第１のレンズ面３０とディスク２の位置の入射面との間の最短距離は、図２において距離ｄ_３として示されている。第２の軸３３と平行に測定される、第２のレンズ面３２と前記ディスクの入射面との間の最も遠い距離は、図２において距離ｄ_４として示される。第１のレンズ面３０は、前記第１の光軸について回転対称であり、曲率半径Ｒ_１を持つ。第１のレンズ面３０は好ましくは、開口絞り１６としての役割を果たす、断面図における不連続性及び／又は不透明な環状の被覆のような、レンズ１８の入射瞳Ｄ_１を規定する物理的な特徴を含む。

前記入射瞳における前記第１のレンズ面のサグｓａｇ_１即ち、前記レンズの頂点から、前記放射源から前記レンズに入射する光線の方向に測定される、第１のレンズ面３０の頂点と前記レンズの入射瞳との間の軸距離は、一般に正の値であるが、ゼロであっても良く又は負の値を持っても良い。

第２のレンズ面３２は、前記第２の光軸について回転対称であり、曲率半径Ｒ_２を持つ。出射ビームの半径の位置における前記第２の面のサグｓａｇ_２、即ち前記レンズの頂点から、前記放射源から前記レンズを通過する光線の方向と反対の方向に測定される、前記レンズの出射瞳に一致する最も外側の光線がレンズ素子１８を出射する位置までの軸距離は、一般に正の値であるが、ゼロであっても良く又は負の値を持っても良い。

第２のレンズ素子２２は、平−凸レンズ素子であり、成型されたプラスチック物質から形成されても良い。しかしながら、前記第２のレンズ素子は、凸−凸又は凸−凹のデザインを持っても良いことに留意されたい。第２のレンズ素子２２は屈折率ｎ_２を持ち、前記第２のレンズ素子内のビームは、前記第２のレンズ素子内においてＮＡ_２の開口数を持つ。

前記２素子対物レンズ１８及び２２は、前記第１の素子においてフォールドミラーを組み込むことを可能とし、前記第２の素子の偏心化に対して耐性を持ちかなりの像面性能を持つ。前記２素子対物レンズ１８及び２２は、前記放射源に面する前記第１の素子の焦点距離Ｆ_１と、系全体の焦点距離Ｆとが、以下の関係を満たすことを特徴とする：
Ｆ_１／Ｆ＞２．５ (3)

好ましくは、前記第１の素子による改善された製造公差の利点を提供するため、以下の関係が当てはまる：
Ｆ_１／Ｆ＞４ (4)

改善された性能のため、第１の素子１８の厚さｄ_１及びｄ_２は以下の関係に従う：

更に、改善された構造高のため、第１の素子１８に関連する距離ｄ_３及びｄ_４は、以下の関係に従う：
ｄ_３＜ｄ_４ (7)

前記第１のレンズ素子の焦点距離Ｆ_１は、以下の関係式により、第１及び第２のレンズ面３０及び３２の曲率半径Ｒ_１及びＲ_２と関連付けられる：

符号規約は、（図２に示される実施例のように）前記２つの面が凸である場合に、第１の面３０の半径Ｒ_１が正であり、一方第２の面３２の半径Ｒ_２が負であるように選択される。

系全体の焦点距離Ｆは、以下の関係式により与えられる：
Ｆ＝Ｄ_１／ＮＡ (9)
ここで、ＮＡは対物レンズ１８及び２２全体の開口数である。

以下の表１は、本発明による第１のレンズ素子の９つの異なる実施例の特性を説明するものである。これらの例の開口数は０．８５であり、前記放射ビームは４０５ｎｍの波長を持つ。前記ディスクの被覆層は０．１ｍｍの厚さを持ち、ポリカーボネート（屈折率１．６２２）で作られている。一方、以下の表２は、これらの例に関連する更に詳細な特性を説明するものである。

デザイン１乃至８においては、第１の素子１８はＰＭＭＡ（屈折率１．５０６）から作られており、第２の素子２２はポリカーボネート（屈折率１．６２２）から作られている。デザイン９においては、両方の素子ともＣＯＣ（屈折率１．５５０）から作られている。全ての例において、第２の素子２２の入射面は非球面であり、出射面は平面である。当該平面の前面と前記ディスクとの間の距離は、全ての例において０．０７５ｍｍである。全ての例について、第１の素子１８は非球面の第１のレンズ面３０を持つ。例１乃至３については、前記第１の素子の第２のレンズ面３２は平面であり、他の例については非球面である。

上記の表を参照すると、本発明の好適な実施例の上述の例に関して、以下の更なる関係式が当てはまる：
１ｍｍ＜Ｆ_１＜２．５ｍｍ (10)
Ｆ＜１ｍｍ (11)

上述の実施例のうち例４が、本発明の実施例に適用され得る更なる特徴の説明の目的のために、更に詳細に述べられる。第１の素子１８における２つの非球面３０及び３２並びに第２の素子２２の入射面における非球面の回転対称形状は、以下の式により記述されることができる：

ここで、ｚは前記光軸の方向における前記面の位置をミリメートルで、ｒは前記光軸までの距離をミリメートルで、Ｒは前記面の半径を、ｒ_０は正規化半径（normalization radius）を、Ｂ_ｋはｒのｋ乗の係数をそれぞれ示す。

第１のレンズ面３０については、Ｒの値は１．０７７ｍｍであり、正規化半径ｒ_０は１．０ｍｍである。該面についてのＢ_４乃至Ｂ_１６の値はそれぞれ、−１．２２７２０４９、２５．４０４７５５、−３２２．０３９１６、２３４４．２０４９、−９９２０．３２７、２２５８０．５、及び−２１３９３．５６５である。

第２のレンズ面３２については、Ｒの値は−２．４５２ｍｍであり、正規化半径ｒ_０は０．８ｍｍである。該面についてのＢ_４乃至Ｂ_１６の値はそれぞれ、０．３０６６８８７４、−５．３９７７１８６、４６．８０７１６、−１０２．５８８９９、−６４５．４３６４３、３７９２．２２３、及び−５４７１．５５２６である。軸における第１の素子１８と第２の素子２２との間の距離は０．０５ｍｍである。軸における第２の素子２２の厚さは０．３４２ｍｍである。

第２の素子２２の入射面については、Ｒの値は０．３３８ｍｍであり、正規化半径ｒ_０は０．３５ｍｍである。該面についてのＢ_４乃至Ｂ_１６の値はそれぞれ、−０．０９９０２５７５、０．９０１５２６３５、−４．０４４５０１３、１０．３７３４９１、−１４．９３８９８、１１．３４８１４９及び−３．４６５５２９である。

上述のパラメータは、例４の実施例についての詳細なレンズデザインの結果であるが、同様の議論が残りの例にも当てはまり得ることは留意されるべきである。

本発明は、以上に説明された本発明の実施例に限定されるものではなく、添付する請求項において説明されるような本発明の範囲内である本発明の更なる実施例が構想されることもまた留意されるべきである。

本発明の実施例により構成された光走査装置の構成要素の模式的な図である。 本発明の実施例による対物レンズ系の断面図である。

Claims (7)

1. 第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とを有する複合対物レンズであって、前記第１の素子は前記第１の素子を通過する放射ビームの方向を内部で転換させるためのミラー面を有し、前記対物レンズは０．６５より大きな開口数を持ち、前記第１の素子の焦点距離Ｆ_１は、関係式：
   Ｆ_１／Ｆ＞２．５
   によって前記対物レンズの焦点距離Ｆと関連付けられ、前記第１の素子は、第１の光軸に沿って配置された第１のレンズ面と、前記第１の光軸に略直交する第２の光軸に沿って配置された第２のレンズ面とを有し、前記第１及び第２の光軸は前記ミラー面における点において交わり、
   ｄ _１ ＞ｓａｇ _１ ＋Ｄ _１
   を満たし、ここでｄ _１ は前記第１のレンズ面の頂点と前記２つの光軸が交わる点との間の距離であり、ｓａｇ _１ は入射瞳Ｄ _１ における前記第１のレンズ面のサグである複合対物レンズ。
2. 

   を満たし、ここでｄ_２は前記第２のレンズ面の頂点と前記２つの光軸が交わる点との間の距離であり、ｓａｇ_１は入射瞳Ｄ_１における前記第１のレンズ面のサグであり、ＮＡ_１は前記第１の素子における前記ビームの開口数であり、ｎ_１は前記第１の素子の屈折率であり、Ｄ_２は入射瞳Ｄ_１において前記第１の面に入射する平行光線の前記第２の面における出射点に対応する前記第２の面における半径であり、ｓａｇ_２は半径Ｄ_２における前記第２の面の対応するサグである、請求項１に記載の複合対物レンズ。
3. 前記ミラー面は平面ミラー面である、請求項１又は２に記載の複合対物レンズ。
4. 前記対物レンズの焦点距離Ｆは１ｍｍよりも小さい、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合対物レンズ。
5. Ｆ_１／Ｆ＜４
   である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複合対物レンズ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の対物レンズを有する光走査装置であって、光記録担体を走査するために前記対物レンズを通過させられる放射ビームを生成する放射源を有する光走査装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複合対物レンズを含み、
   ｄ_３＜ｄ_４
   を満たし、ここでｄ_３は、前記第１の光軸に平行に測定される、前記第１のレンズ面の最も近い点と前記記録担体の位置との間の最短距離であり、ｄ_４は、前記第２の光軸に平行に測定される、前記第２のレンズ面と前記記録担体の位置との最も遠い距離である、請求項６に記載の光走査装置。

Images