KR20020038476A - 광 디스크용 대물 렌즈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어나고 또한 축외 수차 특성에 뛰어나며, 완만한 편심 공차를 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈는 개구수가 O.7 이상인 양면 비구면 단일 렌즈로, 렌즈의 중심 두께가 초점 거리보다 긴 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 대용량의 광 디스크를 실현하는 높은 개구수(NA)를 갖는 대물 렌즈에 관한 것이다.
종래, CD 디스크는 개구수가 0.45 내지 0.5인 대물 렌즈를 사용하여, 780nm 정도 파장을 갖는 레이저 광으로, 판독 또는 기록되어 있다. 또한 DVD 디스크는 개구수가 0.6정도의 대물 렌즈를 사용하여, 650nm 정도의 파장을 갖는 레이저 광으로, 판독 또는 기록되어 있다.
한편, 광 디스크 용량을 올리기 위해, 보다 짧은 파장의 레이저 광보다 높은 개구수를 갖는 렌즈를 사용하는 차세대 광 디스크·픽업 시스템 개발이 진행되고 있다.
그리고, 보다 짧은 파장을 갖는 레이저로서는 파장이 400nm인 소위 청색 레이저가 생각되고 있다.
또한, 보다 높은 개구수를 갖는 대물 렌즈로서는 개구수가 0.7인 단일 렌즈를 사용한 시스템 혹은 개구수가 0.85인 2군 렌즈를 사용한 시스템이 보고되고 있다.
전자는 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39(2000) pp.978-979 M. Itonaga et al. "0ptical Disk System Using a High-Numerical Aperture Single 0bjective Lens and a Blue LD"에 보고되어 있다.
후자는 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39(2000) pp.937-942 I. Ichimura et al."0ptical Disk Recording Using a GaN Blue-Violet Laser Diode"에 보고되어 있다.
상기 후자와 같은 상기 2군 렌즈를 사용한 시스템은 상기 전자와 같은 시스템에 비해 개구수는 크지만, 조립 공정이 필요한 가운데 렌즈가 2장 필요하기 때문에 양산성에 떨어지고 또한 비용도 높아진다.
그래서, 차세대 시스템으로서는 보다 간단한 구성인 단일 렌즈에 의한 광 픽업이 기대되고 있다. 여기서, 단일 렌즈를 사용하는 광 픽업에 있어서는 0.7보다 큰 개구수를 갖는 광 디스크용 대물 렌즈가 기대되고 있다.
일반적으로, 높은 개구수 혹은 큰 개구수를 갖는 단일 렌즈를 실용화하기 위한 문제점은 (1) 제조 공차가 엄격해지는 점 및 (2) 설계 성능이 나빠지는 점이다.
여기서, (1) 제조 공차는 양면 비대칭 렌즈에 있어서의 입사·출사면 사이의 간격 공차 혹은 상기 입사·출사면 사이의 기하학적 중심간 간격 공차(편심 공차) 혹은 상기 입사·출사면 사이의 기울기 공차 등을 의미한다. 예를 들면, 편심 공차는 편심이 있는 경우의 파면 수차 증가량에 근거하여 정해진다. 그러나 이들 제조 공차는 제조 기술 개선과 향상으로 대응하는 것은 가능하다. 즉 수μm 내지 수십μm 정도 범위의 공차를 확보한 제조를 하는 것은 가능하다.
한편 (2) 설계 성능 악화란 렌즈 설계 상의 성능 악화인 것으로, 보다 상세하게는 축외 광선에 대한 수차 발생(이하, 축외 수차라 약칭한다) 및 복수의 파장을 갖는 축상 광선에 대한 각 파장에서의 최량 상면에서의 구면 수차(이하, 최량 상면 색 수차라 대략 칭한다)를 의미한다. 여기서, 축상 광선이란 렌즈의 광 축에 평행하게 입사하는 광선을 의미하며, 축외 광선이란 렌즈의 광 축에 대해 경사져입사하는 광선을 의미한다. 즉, 설계 기준 파장을 갖는 축상 광선에 대해서는 구면 수차가 발생하지 않도록 설계하는 것이 가능하지만, 상기 축외 수차 및 최량 상면 색 수차에 대해서는 종래의 CD용 혹은 DVD용 대물 렌즈에 비해 좋은 값을 얻는 것이 곤란하다.
상기 축외 수차의 문제는 보다 상세하게는 이하와 같다.
상기 축외 수차는 상기 제조 공차를 고려하지 않고 설계할 경우에 있어서도 일반적으로 종래보다 떨어진다. 이것은 개구수가 커지면 광 축에 대해 큰 경사각을 갖는 광선이 입사하기 때문이다.
그리고, 상기 축외 수차는 제조 공차를 고려하면 더욱 나빠진다. 보다 상세하게는 이하와 같다. 상기 제조 공차 중에서 가장 중요한 공차는 상기 편심 공차이다. 즉, 렌즈면 사이의 편심은 몰드 렌즈의 경우, 상하 금형의 설치 정밀도, 설치 거터(성형 시에 금형이 움직이지만 그 때의 접동 여유, 성형 시의 온도 변화에 의한 수축 여유) 등으로 정해진다. 이 편심으로 면 사이의 기울기가 생기는 경우도 있다. 그러나, 기울기와 편심에서는 수차에 주는 영향은 상당히 가까운 것과, 취급하는 량이 μm 정도로 매우 작기 때문에, 통상은 편심으로서 일괄하여 취급된다. 이 공차는 제조 상 필수 값이다. 종래의 NA가 낮은 예를 들면 DVD용 렌즈에서는 설계적으로 약 10마이크론 정도의 편심이 있어도, 수차 증가를 0.02λ 이하로 억제하는 설계가 가능했다. 또한, 10마이크론으로 편심을 억제하는 공법이 확립되어 있다. 더욱이, 최근의 공법 개량에 의해, 예를 들면 5μm 정도 이하의 정밀도를 얻는 것도 가능하게 되어 있다. 그러나, 상기한 접동 여유 등을 생각하면, 이것을 1 내지 2μm 이하로 하는 것은 매우 곤란하다.
따라서, 렌즈 설계에 있어서 어느 정도 크기의 편심 공차를 확보할 필요가 있다. 그리고, 이를 위해서는 상기 축상 수차와 상기 축외 수차를 희생으로 할 필요가 있다. 즉 어느 정도의 축상 수차 및 축외 수차를 갖도록 설계함으로써, 편심이 생겨도 결과적으로 렌즈 성능을 거의 유지할 수 있는 렌즈를 실현하는 것이 필요하다. 이 경우 축상 수차는 약간 열화할 뿐이지만, 개구수가 0.6을 넘는 큰 개구수 렌즈에 있어서는 축외 수차를 상당히 희생으로 하지 않으면, 제조가 가능해지는 마이크론 정도의 편심 공차를 확보할 수 없다.
이것을 DVD용 렌즈의 경우와 비교하면 이하와 같다. 예를 들면, 초점 거리 3.3mm이고 두께가 2m인 DVD용 렌즈에 있어서, 예를 들면 편심 공차 5마이크론을 갖는 렌즈를 설계하면, 0.5도의 입사 광에 대해 축외 수차 0.03λ 이하의 성능을 갖는 렌즈는 용이하게 제작할 수 있다.
그러나, 단파장 레이저 광을 사용하는 렌즈에서는 이러한 렌즈 제작이 곤란해진다.
한편, 상기 최량 상면 색 수차는 상술한 바와 같이, 레이저 광의 파장이 렌즈의 설계 파장에 대해, 어긋남이 있을 경우에 있어서, 해당 레이저 파장에 대한 최량 상면에서 평가한 경우에 발생하는 구면 수차이다. 보다 상세하게는 이하와 같다.
도 8은 405nm의 광에 대해 수차가 보상되어 있을 경우에 있어서, 400nm 및 410nm의 광에 대해 발생하는 세로 수차도를 도시한다. 해당 세로 수차를 나타내는선이 굽어 있으면 구면 수차가 존재하게 된다.
도 8에 있어서, 예를 들면, 레이저 파장이 설계 기준 파장인 405nm에서 어긋나 410nm로 변동한 경우, 해당 레이저 파장에 대한 최량 상면은 x=0의 위치에서 x=+a 위치로 변동한다. 이 위치 변동한 410nm의 세로 수차도에 있어서, 광선 높이가 높은(즉 y값이 큰) 광선은 주광선과는 다른 위치에서 광 축과 교차하여 도시하는 바와 같은 구면 수차를 발생한다.
도 9는 상기 수차를 파면 수차 량으로서 평가한 경우의 최량 상면 색 수차와 파장과의 관계를 도시한다(이하, 이 관계를 최량 상면 색 수차 특성이라 칭한다).
도 9에 도시하는 바와 같이, 최량 상면 색 수차 특성은 렌즈의 설계 기준 파장(λ0)에 있어서 최저치를 가지고, 그 설계 기준 파장으로부터 어긋남에 따라서 큰 값을 갖는다. 따라서, 도 9의 최량 상면 색 수차 특성으로부터 그 렌즈가 사용할 수 있는 파장 범위(λ±)[최대 파장(λ+), 최소 파장(λ-)]가 정해진다.
상기 최량 상면 색 수차에 대해서 DVD용 렌즈에서는 이하와 같다.
예를 들면, 초점 거리가 3.3mm이고, 두께가 2mm인 DVD용 렌즈에 있어서, 편심 공차 5마이크론의 렌즈를 설계하면, 파장 변화가 생길 경우의 최량 상면 색 수차를 0.02λ 이하로 억제되는 파장 범위는 615nm 내지 700nm에 걸쳐 대단히 넓다.
그러나, 청색 레이저의 파장 영역에서는 최량 상면 색 수차 특성이 엄격해져, 넓은 파장 범위를 얻는 것은 곤란하다.
이렇게 단파장 광에 대해 최량 상면 색 수차 특성이 엄격해지는 것은 예를 들면 유리 굴절율의 파장 변동이 크기 때문이다. 또한 수차가 파장에 반비례하여커지기 때문이다. 따라서 파장이 450nm이 되면 DVD에서 사용되고 있는 650nm에 비해 파장이 70%가 되며, 결과적으로 정밀도 공차가 7O%가 된다. 개구수가 증가할 경우에는, 이것에 의한 수차가 곱해지게 된다.
더욱이, 픽업을 소형화하기 위해, 가능한 한 초점 거리가 짧은 대물 렌즈가 바람직하다. 이 요구는 특히 비디오 카메라와 같이, 모빌 용도에서의 데이터 기록용 드라이브로 사용할 경우에 강하다. 이 면으로부터 대물 렌즈의 초점 거리는 예를 들면 2.2mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 작동 거리에 관해서는 디스크로의 충돌 회피 점에서 0.2mm 이상의 렌즈가 기대되고 있다. 또한 초점 거리를 짧게 하면, 일반적으로 작동 거리가 좁아지지만, 사용하는 디스크 직경이 80mm 내지 50mm 이하이면 면 동요는 적다. 따라서, 0.2mm 이상이면 상품화하는데는 문제 없다.
본 발명의 제 1 목적은 상기 문제점을 극복하는 것으로, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어나고, 또한 축외 수차 특성에 뛰어나며, 완만한 편심 공차를 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 상기 문제점을 극복하는 것으로, 개구수가 0.7에서 0.8의 단일 렌즈로 이루어지고, 또한, 0.3mm 이하의 얇은 재생 투과층을 갖는 광 디스크에 대응할 수 있으며, 400nm 정도의 파장 광에 대해 이하의 특성 ① 내지 ④를 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 제공하는 것이다.
① 렌즈의 양면간 편심 공차가 제조 가능한 범위에 있다.
② 양호한 축상 수차 특성을 갖는다.
③ 축외 수차 특성 열화가 적다.
④ 작동 거리가 넓다(바람직하게는 O.2mm 이상이다).
본 발명의 제 3 목적은 상기 문제점을 극복하는 것으로, 개구수가 O.78 이상인 단일 렌즈로 이루어지고, 또한, 0.3mm 이하의 얇은 재생 투과층을 갖는 광 디스크에 대응할 수 있으며, 400nm 정도 파장의 광에 대해 이하의 특성 ⑤ 내지 ⑧을 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 제공하는 것이다.
⑤ 렌즈의 양면간 편심 공차가 제조 가능한 범위에 있다.
⑥ 양호한 축상 수차 특성을 갖는다.
⑦ 축외 수차 특성 열화가 적다.
⑧ 작동 거리가 넓다(바람직하게는 0.3mm 이상이다).
[1] 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈는 개구수가 0.7이상인 양면 비구면 단일 렌즈로, 렌즈의 중심 두께가 초점 거리보다 긴 것을 특징으로 한다.
이 대물 렌즈에 의하면, 렌즈 제 1 면에서의 굴절 시의 편각을 작게 할 수 있다. 이것은 해당 제 1 면의 곡율 반경을 작게 할 수 있어, 해당 제 1 면의 법선과 광 축이 이루는 각을 작게 할 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 파장이 변화한 경우의 굴절각 변화를 최소로 하여 구면 수차 발생을 억제할 수 있다. 즉, 최량 상면에 있어서의 색 수차를 개선할 수 있다. 축외 광선에 대한 수차에 대해서도, 입사 광의 방향 변화가 상기 제 1 면 출사 후의 굴절각 변화에 주는 영향이 작아져, 해당 축외 수차를 최소로 할 수 있다.
[2] 상기 광 디스크용 대물 렌즈는 설계 기준 파장에 있어서의 결상 배율이 0배인 것이 바람직하다. 여기서, 설계 기준 파장이란 해당 렌즈를 설계할 때에 기준으로서 채용되는 파장으로, 해당 렌즈는 설계 기준 파장의 광을 축외 광선 및 축상 광선을 포함하여 동일 상면 내에 가장 예리하게 수속시키게 된다.
상기와 같이 결상 배율을 0으로 함으로써, 간섭계를 사용하여 용이하게 성능을 렌즈 단품으로 측정하는 것이 가능해져, 고도의 품질 관리가 가능해진다.
[3] 상기 광 디스크용 대물 렌즈는 또, 상기 설계 기준 파장이 0.45μm보다도 짧은 것이 바람직하다.
[4] 상기 광 디스크용 대물 렌즈는 또, 초점 거리가 4.0mm보다도 짧고, 다음 식에서 도시되는 t=d/n+0.9(mm)보다 긴 것이 바람직하다. 여기서, d는 광 디스크 두께이며, n은 광 디스크의 굴절율이다.
초점 거리를 t보다 길게 함으로써 작동 거리(렌즈 선단과 디스크 표면의 거리)를 0.3mm 이상 확보할 수 있다. 보다 상세하게는 작동 거리를 0.25mm 이상 확보함으로써, 렌즈와 디스크의 충돌 가능성을 저감할 수 있다. 즉 플라스틱으로 만들어져 있는 디스크는 휘어 있다. 이 휜 량은 디스크 직경에도 의존하지만, 예를 들면 120mm 크기의 차세대 시스템용 디스크의 면 동요는 ±0.2mm 정도라 생각할 수 있다. 따라서 0.25mm 이상의 작동 거리가 있으면, 제어 회로 측에서의 연구(예를 들면 디펙트가 있을 경우의 렌즈 회피 제어 등)와 아울러, 디스크와 렌즈의 충돌 위험성을 필요 충분할 정도로 내릴 수 있다. 물론 서보 기술 등의 다른 기술을 적용함으로써 디스크와 렌즈가 충돌하지 않는 것이 보증되든지 혹은 충돌이 허용되는 디스크 시스템을 사용할 경우 혹은 보다 작은 직경의 디스크를 사용할 경우(예를 들면 무비)에는 보다 짧은 초점 거리의 렌즈를 사용할 수도 있다.
또한, 초점 거리를 4.0mm 이하로 설계함으로써, 개구수가 0.7이상인 경우라도 광속 직경을 5.6mm 이하로 할 수 있어, 픽업 소형화를 유지할 수 있다. 또한 렌즈 자체도 소형화 혹은 경량화를 유지할 수 있으며, 포커스 서보 혹은 트래킹 서보에 사용되는 엑추에이터의 광역 특성을 유지하는 것이 가능해져, 넓은 대역이 요구되는 서보 특성을 얻을 수 있다.
더욱이, [5] 본 발명의 대물 렌즈는 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한 개구수가 0.7에서 0.8이며, 작동 거리가 0.2mm 이상인 단일 렌즈로, 이하의 조건을 만족하는 광 디스크용 대물 렌즈이다.
(1) 0.85 < d1/f < 1.5,
(2) 0 > 1/R2 > -0.7,
(3) n > 1.6.
여기서, f는 해당 렌즈의 초점 거리이고, d1은 해당 렌즈의 중심 두께, R2는 해당 렌즈의 광 디스크 측 정점에 있어서의 곡율 반경이다.
[6] 상기 렌즈에 있어서는 초점 거리가 2.2mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, [7] 렌즈와 함께 사용되는 디스크의 투과층 두께는 0.3mm 이상인 것이 바람직하다.
[8] 본 발명의 대물 렌즈는 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한 개구수가 0.78이상에서의 단일 렌즈로, 이하의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 광 디스크용 대물 렌즈다.
(1) d1/f > 1.2,
(2) O.65 < R1/f < 0.95,
(3) ｜R1/R2｜ < 0.7,
(4) n > 1.65.
여기서, f는 해당 렌즈의 초점 거리이고, d1은 해당 렌즈의 중심 두께, R1은 해당 렌즈의 광원 측 정점에 있어서의 곡율 반경, R2는 해당 렌즈의 광 디스크 측 정점에 있어서의 곡율 반경이다.
[9] 상기 대물 렌즈는 그 작동 거리가 0.3mm 이상인 것이 바람직하다.
또한, [10] 이 대물 렌즈와 함께 사용되는 광 디스크의 투과층 두께는 0.3mm 이하인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈의 제 1 실시예의 설명도.
도 2는 상기 제 1 실시예의 대물 렌즈의 광 축에 대해 O.5도의 경사 각도를 갖는 광선이 입사할 경우의 렌즈의 중심 두께(D)와 수차와의 관계를 도시하는 도면.
도 3은 상기 제 1 실시예의 대물 렌즈로 410nm의 파장을 갖는 레이저 광이 입사할 경우의 렌즈의 중심 두께(D)와 최량 상면 수차(rms)와의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 상기 제 2 실시예의 대물 렌즈의 400nm, 405nm, 410nm의 레이저 광에 대한 세로 방향 수차를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 상기 제 3 실시예의 대물 렌즈의 400nm, 405nm, 41Onm의 레이저 광이 입사한 경우의 각각의 입사 광의 세로 방향 수차를 도시하는 도면.
도 8은 최량 상면 색 수차를 설명하기 위한 설명도.
도 9는 설계 기준 파장으로부터 어긋난 파장을 갖는 레이저 광이 렌즈로 입사할 경우의 최량 상면 색 수차 변동을 도시함과 동시에, 최량 상면 색 수차와의 관계에서의 렌즈의 사용 가능 범위를 설명하기 위한 설명도.
도 1O은 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈의 제 4 실시예의 설명도.
도 11은 상기 제 4 실시예의 실시예 4-1의 세로 수차도.
도 12는 상기 제 4 실시예의 실시예 4-1의 비점 수차도.
도 13은 상기 제 4 실시예의 실시예 4-2의 세로 수차도.
도 14는 상기 제 4 실시예의 실시예 4-2의 비점 수차도.
도 15는 본 발명의 광 디스크용 대물 렌즈의 제 5 실시예 설명도.
도 16은 상기 제 5 실시예의 실시예 5-1의 세로 수차도.
도 17은 상기 제 5 실시예의 실시예 5-1의 비점 수차도.
도 18은 상기 제 5 실시예의 실시예 5-2의 세로 수차도.
도 19는 상기 제 5 실시예의 실시예 5-2의 비점 수차도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
21: 대물 렌즈(제 1 실시예)31: 대물 렌즈(제 2 실시예)
41: 대물 렌즈(제 3 실시예)121: 대물 렌즈(제 4 실시예)
223: 대물 렌즈(제 5 실시예)23: 광 디스크(제 1 실시예)
33: 광 디스크(제 2 실시예)43: 광 디스크(제 3 실시예)
123: 광 디스크(제 4 실시예)223: 광 디스크(제 5 실시예)
이하, 도 1 내지 도 7, 도 10 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(21) 및 이 대물 렌즈(21)와 함께 사용되는 광 디스크(23)를 도시한다.
이 제 1 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(21)는 일반적으로는 설계 기준 파장이 450nm보다도 짧고, 개구수가 0.7이상을 가지며, 렌즈의 중심 두께(D)가 초점 거리보다도 긴 비구면 단일 렌즈이다.
보다 상세하게는 이 대물 렌즈(21)의 기준 파장은 405nm으로 설정되어 있다.
또한, 이 대물 렌즈(21)의 개구수(NA)는 0.75로 설계되어 있다.
더욱이 또, 이 대물 렌즈(21)의 초점 거리는 2.5mm이며, 상기 설계 기준 파장 405nm에 있어서의 결상 배율은 0배이다.
또한, 제 1 면(S1)과 제 2 면(S2) 사이의 편심(δ)[면(S1)의 기하학적 중심 축(a1)과 면(S2)의 기하학적 중심 축(a2) 사이의 거리]이 5마이크론(μm)일 때의 수차(편심 특성)는 0.03λ 이하가 되도록 설계되어 있다.
또한, 렌즈의 유리 종류는 다음과 같다.
NbF1[굴절율(nd)=1.7433, 아베수(νd)=49.22]
또한, 광 디스크(23)는 다음과 같이 설계되어 있다.
커버 유리 두께: 0.11mm(폴리카보네이트 0.1mm + 아크릴 0.01mm)
또한, 이 대물 렌즈(21)는 축에 평행한 광선에 대한 수차 즉 축상 수차가 0.003λ(rms) 정도 크기를 갖도록 설계되어 있다.
여기서, rms는 이승 평균(root mean square)을 의미한다. 또한, λ은 설계 기준 파장으로, 이 실시예에서는 4O5nm이다.
도 2는 상기 제 1 실시예의 대물 렌즈(21)에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D) 변화에 따라서 축외 수차가 어떻게 변동하는지를 도시한다.
여기서, 축외 수차란 이미 서술한 바와 같이, 렌즈의 광 축에 대해 경사진각도로 광선이 입사할 경우에, 초점면에서 발생하는 수차를 의미한다. 또한, 도 2에서는 광 축에 대해 0.5도 각도로 광선이 입사한다고 가정된다.
도 2는 상기 대물 렌즈(21)에 대해 광선 추적법에 의해 계산된 값이다.
도 2로부터 이해되는 바와 같이, 렌즈 두께(D)가 초점 거리(2.5mm)보다도 커지면, 상기 수차는 0.04λ(rms)보다도 작아져 양호한 수속상이 얻어진다.
도 3은 제 1 실시예의 대물 렌즈(21)에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D) 변화에 따라서 최량 상면 색 수차가 어떻게 변화하는지를 도시한다.
보다 상세하게는 설계 기준 파장 405nm으로부터 어긋난 파장 410nm을 갖는 광선의 구면 수차(rms)가 렌즈 두께(D) 변화에 따라서 어떻게 변화하는지를 도시한다.
도 3으로부터 이해되는 바와 같이, 상기 410nm에서의 구면 수차(rms)도 렌즈의 중심 두께(D)가 초점 거리 2.5mm보다도 커지면 충분히 작은 값이(도 3에서는 0.02λ보다도 작게) 되는 것을 이해할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 실시예에 의하면, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리보다도 길게 함으로써 양호한 최량 상면 색 수차 특성 및 축외 수차 특성을 얻을 수 있다. 따라서 또, 제 1 실시예의 렌즈에 의하면, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리 2.5mm보다도 크게 함으로써, 사용 가능한 레이저 파장 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3의 축외 수차 및 최량 상면 색 수차 값은 상기 렌즈의 개구수 혹은 렌즈를 만드는 유리 종류 혹은 그 밖의 설계 차이에 의해 다르다. 또한, 렌즈 사양에 따라서도 다르다. 예를 들면, 초점 거리가 짧아지면 당연한 결과로서 수차에 관한 특성은 향상한다. 그러나, 광 파장이 450nm보다도 짧고, 또한, 개구수가 0.7이상인 양면 비대칭 단일 렌즈에 있어서, 렌즈의 중심 두께를 초점 거리보다도 길게 하면 양호한 색 수차 특성과 축외 수차 특성을 갖는 광 디스크용 대물 렌즈를 만들 수 있는 점은 일반화화여 생각할 수 있다.
따라서, 설계 기준 파장이 0.45μm보다도 짧고, 또한, 개구수가 0.7이상인 경우에 있어서, 렌즈의 중심 두께(D)를 초점 거리보다도 길게 함으로써 양호한 최량 상면 색 수차 특성 및 축외 수차 특성을 얻을 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시예에 있어서는 설계 기준 파장에 있어서의 결상 배율을 0배로 함으로써, 간섭계를 사용하여 용이하게 성능을 렌즈 단품으로 측정하는 것이 가능해져, 고도의 품질 관리가 가능해진다.
또한, 렌즈의 제조 오차 혹은 디스크의 두께 오차 혹은 온도 변화 등에 의한 구면 수차 증가가 있을 경우에는 대물 렌즈에 입사하는 광의 평행도를 변화시키고 역방향 구면 수차를 발생시켜 이 역방향 구면 수차에 의해 상기 발생하는 구면 수차를 보상할 수도 있다. 또한, 상기 렌즈 제조 오차에 의한 구면 수차가 발생할 경우는 결상 배율이 0배로부터 어긋나는 것이 분명하다.
<제 2 실시예>
도 4는 본 발명의 제 2 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(31) 및 이 대물 렌즈(31)와 함께 사용되는 광 디스크(33)를 도시한다.
이 제 2 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(31)의 렌즈 사양은 표 1에 도시하는대로이다.
| 렌즈 사양 | |
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.75 |
| 초점 거리 | 2.5 mm |
| 입사 동공 직경 | 3.75 mm |
또한, 이 대물 렌즈(31)의 렌즈 설계치는 표 2에 도시하는대로이다.
| 렌즈 설계치 | |||||
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리 | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 2.075403 | 3.500002 | NBF1 | -0.2798963 |
| 2 | 비구면 | -6.962995 | 0.598987 | -529.1943 | |
| 3 | 무한대 | 0.1 | POLYCARB | ||
| 4 | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC | ||
| 상 면 |
여기서, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(33)의 설계치를 도시한다.
또한, 표 2 중 유리의 굴절율은 표 3에 도시하는 대로이다.
| 굴절율 | |
| NBF1 | 1.76898499 |
| POLYCARB | 1.62230752 |
| ACRYLIC | 1.50650420 |
또한, 대물 렌즈(31)의 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 4, 표 5에 도시하는 대로이다.
또한, 광 축의 높이가 Y가 되는 비구면 상의 좌표점의 비구면 정점의 접평면으로부터의 거리(X)는 비구면 정점의 곡율(1/r)을 C, 원추 계수(코닉 정수)를 K, 4차에서 12차 비구면 계수를 A4에서 A12로 하여, 다음에 도시하는 식으로 나타난다.
| 비구면 계수제 1 면 | |
| r의 4승의 계수 A4 | -0.00174879 |
| r의 6승의 계수 A6 | -0.00015845294 |
| r의 8승의 계수 A8 | -0.00033158263 |
| r의 10승의 계수 A10 | 8.7997012e-005 |
| r의 12승의 계수 A12 | -1.7681848e-005 |
| 비구면 계수제 2 면 | |
| r의 4승의 계수 A4 | 0.031198858 |
| r의 6승의 계수 A6 | -0.056548233 |
| r의 8승의 계수 A8 | 0.033199766 |
| r의 10승의 계수 A10 | -0.00049162717 |
| r의 12승의 계수 A12 | -0.0038802889 |
도 5는 상기 제 2 실시예의 대물 렌즈(31)에 있어서의 400nm, 405nm, 410nm의 3파장에서의 세로 수차도이다.
이 대물 렌즈(31)의 최량 상면 수차(rms)는 표 6에 도시하는 대로이다.
| 최량 상면 색 수차 특성 | |
| 400 nm | 0.013 λ(rms) |
| 405 nm | 0.006 λ(rms) |
| 410 nm | 0.014 λ(rms) |
따라서, 이 제 2 실시예에 의하면, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어난 광 디스크용 대물 렌즈(31)를 실현할 수 있다.
또한, 이 대물 렌즈(31)에 있어서는 면간 편심이 5μm 시의 수차는 0.025λ(rms)이다. 또한, 이 대물 렌즈(31)에 있어서, 작동 거리는 0.60mm이다.
<제 3 실시예>
도 6은 본 발명의 제 3 실시예인 광 디스크용 대물 렌즈(41) 및 이 대물 렌즈(41)와 함께 사용되는 광 디스크(43)를 도시한다.
이 제 3 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(41)의 렌즈 사양은 표 7에 도시하는 대로이다.
| 렌즈 사양 | |
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.75 |
| 초점 거리 | 1.5 mm |
| 입사 동공 직경 | 2.25 mm |
또한, 이 대물 렌즈(41)의 렌즈 설계치는 표 8에 도시하는 대로이다.
| 렌즈 설계치 | |||||
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리 | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 1.186043 | 1.7 | NBF1 | -0.2942041 |
| 2 | 비구면 | -15.83456 | 0.497105 | -4974.452 | |
| 3 | 무한대 | 0.1 | POLYCARB | ||
| 4 | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC | ||
| 상 면 |
여기서, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(43)의 설계치를 도시한다.
또한, 표 8 중 유리 굴절율은 표 3에 도시하는 대로이다.
또한, 대물 렌즈(41)의 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 9, 표 10에 도시하는 대로이다.
| 비구면 계수제 1 면 | |
| r의 4승의 계수 A4 | -0.0081068112 |
| r의 6승의 계수 A6 | -0.0068562912 |
| r의 8승의 계수 A8 | -0.0045819339 |
| r의 10승의 계수 A10 | 0.0022623792 |
| r의 12승의 계수 A12 | -0.0043029508 |
| 비구면 계수제 2 면 | |
| r의 4승의 계수 A4 | 0.13708296 |
| r의 6승의 계수 A6 | -0.36149219 |
| r의 8승의 계수 A8 | 0.1145607 |
| r의 10승의 계수 A10 | 0.70178705 |
| r의 12승의 계수 A12 | -0.72328397 |
도 7은 상기 제 3 실시예의 대물 렌즈에 있어서의 400nm, 405nm, 41Onm의 3파장에서의 세로 수차도이다.
이 대물 렌즈(41)의 최량 상면 수차(rms)는 표 11에 도시하는 대로이다.
| 최량 상면 색 수차 특성 | |
| 400 nm | 0.009 λ(rms) |
| 405 nm | 0.001 λ(rms) |
| 410 nm | 0.009 λ(rms) |
따라서, 이 제 3 실시예에 의하면, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어난 광 디스크용 대물 렌즈(41)를 실현할 수 있다.
또한, 이 대물 렌즈(41)에 있어서는 면간 편심이 5μm 시의 수차는 0.027λ(rms)이다. 또한, 이 대물 렌즈(41)에 있어서, 작동 거리는 0.50mm이다.
<제 4 실시예>
본 발명의 제 4 실시예는 이하와 같은 고찰에 의해 발명되었다.
즉, 상기 축상 수차를 개선하기 위해서는, 예를 들면 구면 수차를 보정하도록 렌즈를 설계하면 된다. 또한, 축외 수차를 개선하는 데는 예를 들면, 아베의 정현 조건을 만족하도록 렌즈를 설계하면 된다. 그리고, 양면 비구면 렌즈는 이들 2개 조건을 동시에 만족할 수 있다. 즉, 입사면 및 출사면을 비구면 렌즈로 함으로써 상기 2조건을 동시에 만족하는 렌즈를 설계할 수 있다.
그러나, 이러한 렌즈는 개구수가 0.6이상인 경우, 편심 공차를 확보하는 것이 어렵다. 즉, 편심 공차를 고려할 경우, 상기 축상 수차 혹은 축외 수차는 상기 편심 공차를 고려하지 않은 경우의 축외 수차 혹은 축상 수차로부터 열화한다.
따라서, 큰 편심 공차를 확보하기 위해서는 입사면 및 출사면이 편심을 갖는 경우라도, 상기 각 수차가 크게 증대하지 않는 비구면 렌즈 형상이 필요해진다. 바꾸어 말하면, 상기 축상 수차와 축외 수차를 적절히 열화시켜 편심 공차를 확보할 수 있는 균형 잡힌 대물 렌즈를 설계할 필요가 있다.
상기 고찰에 의한 이 대물 렌즈는 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한 개구수가 0.7에서 0.8이며, 작동 거리가 0.2mm 이상인 단일 렌즈로, 이하의 조건을 만족하는 광 디스크용 대물 렌즈이다.
(1) 0.85 < d1/f < 1.5,
(2) 0 > d1/R2 > -0.7,
(3) n > 1.6.
여기서, f는 해당 대물 렌즈의 초점 거리이고, d1은 해당 대물 렌즈(121)의 중심 두께이다(도 10 참조). 또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, R2는 해당 대물 렌즈(121)의 광 디스크(123) 측 정점(121b)에 있어서의 곡율 반경이다. 또한, R1을 해당 대물 렌즈(121)의 광원 측 정점(121a)에 있어서의 곡율 반경으로 한다.
이 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차(에 의한 수차 증가 억제)를 동시에 만족할 수 있다.
보다 상세하게는 상기 축상 수차(파면 수차)는 0.01λ 이하로 할 수 있으며, 축외 수차(파면 수차)는 0.5도의 입사 광에 대해 O.05λ 이하로 할 수 있다. 또한, 편심 공차(δ)(도 10)는 예를 들면 5μm의 편심에 대해 파면 수차를 0.03λ 이하로 할 수 있다. 또한, 이들 수차는 초점 거리에 따라서 더욱 작게 할 수 있다.
또한 후술하는 바와 같이, 예를 들면, t=0.1mm의 디스크 판독층 두께에 대해, 적어도 0.2mm 이상, 바람직하게는 0.4mm 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
상기 조건 (1) 중, 0.85 < d1/f를 충족함으로써, 특히, 축상 수차 및 축외 수차를 억제하면서 편심 공차를 확보할 수 있다. 이 이유는 렌즈 편심이 두꺼운 쪽이 렌즈 제 1 면(입사면)의 반경을 비교적 크게 할 수 있기 때문이다. 보다 상세하게는 제 1 면의 곡율 반경이 커지면, 렌즈의 외측 끝 부분을 지나는 광선(L)(도 10)의 대물 렌즈(121)로의 입사각(θ)[렌즈면의 법선(n)과 광선이 이루는 각도]이 작아지며, 이로써 비선형 현상으로서의 굴절 효과가 작아지기 때문이다.
또한, 상기 조건 (1) 중, d1/f < 1.5를 충족함으로써, 축외 수차 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 보다 상세하게는 d1이 비교적 작을 경우, R2가 비교적 커도 작동 거리를 확보할 수 있다. 따라서, 비교적 용이하게 정현 조건을 만족할 수 있어, 축외 수차를 억제할 수 있다.
또한, 상기 조건 (1)에 의해, 렌즈를 소형화 및 경량화하고, 포커스 서보 및 트래킹 서보 동작에 있어서 엑추에이터에 의한 고속 동작을 보증할 수 있다. 또한, 픽업 소형화를 보증할 수 있다.
또한, 상기 조건 (2) 0 > d1/R2 > -0.7을 충족함으로써, 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차 특성 열화를 막고, 또한, 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
d1/R2가 음인 것은 R2가 음인 것을 의미하며, 이것은 대물 렌즈(121)가 양볼록 렌즈인 것을 의미한다. 이로써, 편심 공차를 확대할 수 있다[이하의 조건 (4)의 설명 참조].
또한, 이것에 의해 볼록 렌즈로서의 파워를 R1과 R2로 분담할 수 있어, 결과적으로 R1을 비교적 크게 설정할 수 있으며, 작동 거리(a)(도 10)를 길게 할 수 있다. 작동 거리(a)는 단일 렌즈의 경우, a = f-f/R1·d(n-1)/n으로 나타나기 때문이다. 또한, 이 식은 공기 중에서의 작동 거리이지만, 디스크에 대해 집광되는 경우도, 본질은 변하지 않는다.
또한, d/R2를 -0.7보다도 크게 설정함으로써, 완전 아플라낫(aplanat) 형태로부터의 괴리를 작게 하고, 따라서 축외 수차를 작게 억제하여, 상기 수차의 밸런스를 취하는 것이 가능해진다.
상기 조건 (3) n > 1.6을 충족함으로써, 가공이 용이한 비교적 얕은 구면[렌즈의 최외주에 있어서의 렌즈 표면의 법선 방향과 광 축이 이루는 각도(θ)(도 10)가 작은 구면]으로 큰 개구수를 용이하게 달성할 수 있다.
또한, 굴절율(n)은 1.7 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 더욱 얕은 구면을 갖는 대물 렌즈로 필요한 개구수를 실현할 수 있다.
이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 더욱이 조건
(4) 0.65 < R1/f < 0.9
를 충족하는 것이 바람직하다.
이로써, 정현 조건 보정이 용이해져, 축외 수차 열화를 억제할 수 있다.
보다 상세하게는 R1/f를 0.9보다 작게 설정함으로써, 정현 조건의 위반량을억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다.
더욱 상세하게는 이하와 같다.
상술한 바와 같이, 편심 공차를 확보하면서 축상 수차 및 축외 수차를 억제할 필요가 있지만, 이 경우, 제 1 면의 곡율 반경(R1) 값을 크게 설정하여, 양 볼록 렌즈로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 초점 거리를 일정하게 할 경우, R1을 상기 범위에 설정함으로써, R2 값도 비교적 작게 유지할 수 있으며, 결과적으로 용이하게 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 초점 거리가 2mm 렌즈인 경우, 상기 조건을 만족함으로써, 0.5도의 입사각을 갖는 입사 광에 대해 축외 수차(파면 수차)를 0.07λ 이하로 억제할 수 있다. 또한, R1/f를 0.65보다 크게 설정함으로써, 광 디스크(123)에 대한 대물 렌즈(121)의 작동 거리(a)(도 10)를 크게 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 일반적으로 단일 렌즈를 사용할 경우 광 픽업의 작동 거리(a)는 두께(t), 굴절율(N)의 광 디스크(123)가 있을 경우, 아래와 같이 나타난다.
a = f-(f/R1)d(n-1)/n-t/N
여기서, n은 대물 렌즈(121)의 굴절율이다. 따라서, 상술한 바와 같이 R1/f를 크게 설정함으로써 작동 거리를 크게 확보할 수 있다. 예를 들면, t=0.1의 디스크(123) 판독층에 대해 0.2mm 이상, 바람직하게는 0.4mm 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다. 보다 상세하게는 예를 들면, n=1.75, f=2mm, d=2.6mm, t=0.1mm, N=1.6인 경우, (R1/f가 0.65보다도 큰 경우) 0.22mm 이상의 작동 거리를 확보할 수있다.
또한, 이 실시예의 렌즈는 더욱이, 조건,
(5) ｜R1/R2｜ < O.6
을 충족하는 것이 바람직하다.
이로써, 구면 수차(파면 수차)를 상술한 바와 같이 작게 억제할 수 있다.
보다 상세하게는 양면 구면 렌즈에 있어서 구면 수차를 최소로 하는 반경의 조합이 알려져 있으며, 이러한 대물 렌즈(121)는 베스트 폼·렌즈라 불린다. R1 및 R2를 상기 조건을 만족하도록 설정함으로써, 상기 베스트 폼·렌즈로부터의 괴리를 작게 하여, 구면 수차를 작게 할 수 있다.
이 제 4 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(121)는 더욱이, ｜R1/R2｜ < 0.3인 것이 바람직하다.
이로써, 더욱 용이하게 구면 수차를 보정하여 상기 축상 수차 및 축외 수차 및 편심 공차 사이의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다.
이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 더욱이, 초점 거리를 2.2mm 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이로써, 광 픽업을 소형화할 수 있다. 상기한 바와 같이 이 소형 픽업은 예를 들면, 모빌 용도에서의 데이터 기록용 드라이브에 사용될 수 있다.
또한, 이 제 4 실시예의 대물 렌즈(121)는 투과층이 0.3mm 이하인 광 디스크(121)와 함께 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
이로써, 시스템 여유 저하에 용이하게 대처할 수 있다.
이하, 이 제 4 실시예의 실시예를 도시한다.
<실시예 4-1>
이 대물 렌즈(121)의 사양은 표 21에 도시하는 대로이다.
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.75 |
| 초점 거리 | 2.0 mm |
| 입사 동공 직경 | 3 mm |
또한, 이 대물 렌즈(121)의 설계치는 표 22에 도시하는 대로이다.
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리(굴절율) | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 1.5711 | 2.2 | NBF1(1.76898499) | -0.55559 |
| 2 | 비구면 | -28.5721 | 0.72 | - | 126.4458 |
| 3 | - | 무한대 | 0.09 | POLYCARB(1.62230752) | - |
| 4 | - | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC(1.50650420) | - |
| 상 면 | - | - | - | - | - |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(123) 투과층의 각 표면을 의미한다(도 10 참조). 또한, 반경, 두께의 단위는 mm이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 23, 표 24에 도시하는 대로이다.
| 제 1 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.0042467 |
| r의 6승의 계수 | -0.00083941 |
| r의 8승의 계수 | 0.0013892 |
| r의 10승의 계수 | -0.00092572 |
| r의 12승의 계수 | 0.00013133 |
| 제 2 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.073942 |
| r의 6승의 계수 | -0.14198 |
| r의 8승의 계수 | 0.12620 |
| r의 10승의 계수 | -0.042768 |
도 11은 실시예 4-1의 세로 수차도이고, 도 12는 비점 수차도이다.
이 실시예 4-1의 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상에서의 파면 수차는 0.006λ로 작으며 실용상, 무수차라 할 수 있다. 또한, 광 축에 대해 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 파면 수차는 O.041λ이며 마찬가지로 양호한 특성을 나타낸다. 더욱이, 면간 편심에 대해서는 편심량이 5μm 시의 파면 수차는 0.016λ이며, 다소의 수차 증가는 보이지만 실용상 문제는 없다. 즉, 이 대물 렌즈(121)는 충분히 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 작동 거리는 0.72mm으로, 충분히 큰 값을 갖는다.
<실시예 4-2>
이 대물 렌즈(121)의 사양은 표 25에 도시하는 대로이다.
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.78 |
| 초점 거리 | 1.5 mm |
| 입사 동공 직경 | 2.34 mm |
또한, 이 대물 렌즈(121)의 설계치는 표 26에 도시하는 대로이다.
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리(굴절율) | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 1.1879 | 1.70 | NBF1(1.76898499) | -0.61429 |
| 2 | 비구면 | -15.0620 | 0.5 | - | -14462.3 |
| 3 | - | 무한대 | 0.09 | POLYCARB(1.62230752) | - |
| 4 | - | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC(1.50650420) | - |
| 상 면 | - | - | - | - | - |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(123) 투과층의 각 표면을 의미한다(도 10). 또한, 반경, 두께의 단위는 mm이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 각각 표 27, 표 28에 도시하는 대로이다.
| 제 1 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.019672 |
| r의 6승의 계수 | -0.011380 |
| r의 8승의 계수 | 0.016411 |
| r의 10승의 계수 | -0.012055 |
| r의 12승의 계수 | 0.0024613 |
| 제 2 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.048253 |
| r의 6승의 계수 | -0.20958 |
| r의 8승의 계수 | 0.34101 |
| r의 10승의 계수 | -0.19998 |
도 13은 실시예 4-1의 세로 수차도이고, 도 14는 비점 수차도이다.
실시예 4-2의 대물 렌즈(121)에 의하면, 축상 파면 수차는 0.003λ으로, 거의 무수차라 할 수 있다. 또한, 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 축외 파면 수차는 0.045λ로, 실용상 양호한 특성을 갖는다.
또한, 면간 편심량(편심 공차)에 대해서는 편심량이 5μm 시 파면 수차는 0.012λ이다. 따라서, 이 대물 렌즈도 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 이 대물 렌즈(121)의 작동 거리는 0.5mm로, 실용상 충분히 넓은 값을 갖는다.
<제 5 실시예>
본 발명의 제 5 실시예는 이하와 같은 고찰에 의해 발명되었다.
즉, 상기 축상 수차를 개선하기 위해서는 예를 들면, 구면 수차를 보정하도록 렌즈를 설계하면 된다. 또한, 축외 수차를 개선하는 데는 예를 들면, 아베의 정현 조건을 만족하도록 렌즈를 설계하면 된다. 그리고, 렌즈는 이들 2개의 조건을 동시에 만족시킬 수 있다. 즉, 입사면 및 출사면을 비구면 렌즈로 함으로써 상기 2조건을 동시에 만족시키는 렌즈를 설계할 수 있다.
그러나, 이러한 렌즈는 개구수가 O.6이상인 경우, 편심 공차를 확보하는 것이 어렵다. 즉, 편심 공차를 고려할 경우, 상기 축상 수차 혹은 축외 수차는 상기 편심 공차를 고려하지 않을 경우의 축외 수차 혹은 축상 수차로부터 열화한다.
따라서, 큰 편심 공차를 확보하기 위해서는 입사면 및 출사면이 편심을 갖는 경우라도, 상기 각 수차가 크게 증대하지 않은 비구면의 렌즈 형상이 필요해진다. 바꾸어 말하면, 상기 축상 수차와 축외 수차를 적절히 열화시켜 편심 공차를 확보할 수 있는 밸런스 양호한 대물 렌즈를 설계할 필요가 있다.
상기 고찰에 의한 이 대물 렌즈는 광원 측 및 광 디스크 측 중 적어도 1개 면을 비구면 형상으로 한 개구수가 0.78 이상인 단일 렌즈로, 이하의 조건을 만족시킨다.
(1) d1/f > 1.2,
(2) 0.65 < R1/f < 0.95,
(3) ｜R1/R2｜ < 0.7,
(4) n > 1.65.
여기서, f는 해당 대물 렌즈의 초점 거리이고, d1는 해당 대물 렌즈(221)의 중심 두께이다(도 15). 또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, R1은 대물 렌즈(221)의 광원 측 정점(221a)에 있어서의 곡율 반경이고, R2는 해당 대물 렌즈(221)의 광 디스크(223) 측 정점(221b)에 있어서의 곡율 반경이다.
이 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차(에 의한 수차 증가 억제)를 동시에 만족할 수 있다.
보다 상세하게는 상기 축상 수차(파면 수차)는 대략 0.015λ 이하로 할 수있으며, 축외 수차(파면 수차)는 0.5도의 입사광에 대해 0.1λ 이하로 할 수 있다. 또한, 편심 공차는 예를 들면 5μm의 편심(δ)(도 15)에 대해 파면 수차를 0.04λ 이하로 할 수 있다.
또한 후술하는 바와 같이, 예를 들면 t=0.1mm의 디스크 판독층 두께에 대해, 적어도 0.2mm 이상, 바람직하게는 0.4mm 이상의 작동 거리를 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
상기 조건 (1)(d1/f > 1.2)을 충족하는 렌즈에 의하면, 특히, 축상 수차 및 축외 수차를 억제하면서 편심 공차를 확보할 수 있다. 이 이유는 렌즈의 편심이 두꺼운 쪽이 렌즈 제 1 면(입사면)의 반경을 비교적 크게 할 수 있기 때문이다. 보다 상세하게는 제 1 면의 곡율 반경이 커지면, 렌즈의 외측 끝 부분을 지나는 광선(L)(도 15)의 대물 렌즈(221)로의 입사각(θ)[렌즈면의 법선(n)과 광선이 이루는 각도]이 작아지며, 이로써 비선형 현상으로서의 굴절 효과가 작아지기 때문이다.
또한, 상기 d/f는 1.5 이하인 것이 바람직하다.
이로써, 축외 수차 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 보다 상세하게는 d1이 비교적 작을 경우, R2가 비교적 커도 작동 거리를 확보할 수 있다. 따라서, 비교적 용이하게 정현 조건을 만족할 수 있어, 축외 수차를 억제할 수 있다.
또한, 상기 조건 (2)(0.65 < R1/f < 0.95)를 충족하는 렌즈에 의하면, 특히 정현 조건 보정이 용이해져, 축외 수차 열화를 억제할 수 있다.
보다 상세하게는 R1/f를 0.95이하로 설정함으로써, 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다.
더욱 상세하게는 이하와 같다.
상술한 바와 같이, 편심 공차를 확보하면서 축상 수차 및 축외 수차를 억제할 필요가 있지만, 이 경우, 제 1 면의 곡율 반경(R1) 값을 크게 설정하여, 양 볼록 렌즈로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 초점 거리를 일정하게 할 경우, R1을 상기 범위에 설정함으로써, R2 값도 비교적 작게 유지할 수 있으며, 결과적으로 용이하게 정현 조건의 위반량을 억제하여, 축외 수차를 양호하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 초점 거리가 2mm 렌즈인 경우, 상기 조건을 만족함으로써, 0.5도의 입사각을 갖는 입사광에 대해 축외 수차(파면 수차)를 0.07λ 이하로 억제할 수 있다.
또한, R1/f를 0.65보다 크게 설정함으로써, 광 디스크(223)에 대한 대물 렌즈(221)의 작동 거리(a)(도 15)를 크게 확보할 수 있다.
보다 상세하게는, 일반적으로 단일 렌즈를 사용할 경우, 광 픽업의 작동 거리(a)는 두께(t), 굴절율(N)의 광 디스크(223)가 있는 경우, 이하와 같이 나타난다.
a = f-(f/R1)d1(n-1)/n-t/N
여기서, n은 대물 렌즈(221)의 굴절율이다. 따라서, 상술한 바와 같이 R1/f를 크게 설정함으로써 작동 거리를 크게 확보할 수 있다. 예를 들면, t=0.1인 광 디스크(223)의 판독층에 대해 0.2mm 이상, 바람직하게는 0.4mm 이하의 작동 거리를 확보할 수 있다. 보다 상세하게는 예를 들면, n=1.75, f=2mm, d1=2.6mm, t=0.1mm, N=1.6인 경우, (R1/f가 0.65보다도 큰 경우) 0.22mm 이상의 작동 거리를 확보할 수있다.
또한, 상기 조건 (3)(｜R1/R2｜ < 0.7)을 만족하는 대물 렌즈(221)에 의하면, 구면 수차(파면 수차)를 상술한 바와 같이 작게 억제할 수 있다.
보다 상세하게는 양면 구면 렌즈에 있어서 구면 수차를 최소로 하는 반경의 조합이 알려져 있으며, 이러한 렌즈는 베스트 폼·렌즈라 불린다. R1 및 R2를 상기 조건을 만족하도록 설정함으로써, 상기 베스트 폼·렌즈로부터의 괴리를 작게 하여 구면 수차를 작게 할 수 있다.
이 제 5 실시예의 광 디스크용 대물 렌즈(221)는 더욱이, ｜R1/R2｜ < 0.3인 것이 바람직하다.
이로써, 더욱 용이하게 구면 수차를 보정하여 상기 축상 수차 및 축외 수차 및 편심 공차 사이의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다.
또한, 상기 조건 (4) n > 1.65를 만족함으로써, 가공이 용이한 비교적 얕은 구면[렌즈의 최외주에 있어서의 렌즈 표면의 법선 방향과 광 축이 이루는 각도(θ)(도 15)가 작은 구면]으로, 큰 개구수(예를 들면 0.78 이상)를 용이하게 실현할 수 있다.
보다 상세하게는 조건 (4)를 충족함으로써, ① 축외 광선의 수차 특성과 ② 면간 편심이 있을 경우의 수차 증대 억제를 동시에 만족할 수 있다. 화학 분석적으로는 굴절율이 조건 (4)의 범위 내에 있을 때, 렌즈의 제 1 면 주변에서의 입사각은 작으며, 편심한 경우에도 제 2 면에서의 영향이 작다． 따라서, ① 축외 광선의 수차 특성과 ② 면간 편심이 있을 경우의 수차 증대 억제를 동시에 만족할 수있다.
또한, 굴절율(n)은 1.7이상인 것이 더욱 바람직하다. 이로써 더욱 얕은 구면을 갖는 대물 렌즈에서 필요한 개구수를 실현할 수 있다.
이 제 5 실시예의 대물 렌즈(221)는 더욱이, 이하의 조건 (5)를 만족하는 것이 바람직하다.
(5) -0.6 < d/R2 < 0
이로써, 축상 수차 및 축외 수차를 상술한 바와 같이 작게 억제하고, 또한, 편심 공차를 상술한 바와 같이 확보할 수 있다.
보다 상세하게는 이하와 같다.
d/R2가 음인 것은 R2가 음인 것을 의미하며, 이것은 대물 렌즈가 양 볼록 렌즈인 것을 의미한다. 이로써, 상기 조건 (2)의 설명에 있어서 설명한 바와 같이, 편심 공차를 확대할 수 있다. 또한, d/R2를 -0.6보다도 크게 설정함으로써, 완전 아플라낫 형태로부터의 괴리를 작게 하고, 축외 수차를 작게 억제하여, 상기 수차의 밸런스를 취하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 d/R2는 -0.5 이상인 것이 더욱 바람직하다.
이 경우, 더욱 양호한 축상 수차 특성 및 축외 수차 특성 및 편심 공차 특성을 실현할 수 있다.
이하, 이 제 5 실시예의 실시예를 도시한다.
<실시예 5-1>
이 대물 렌즈(221)의 사양은 표 31에 도시하는 대로이다.
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.8 |
| 초점 거리 | 2.5 mm |
| 입사 동공 직경 | 4 mm |
또한 이 대물 렌즈(221)의 설계치는 표 32에 도시하는 대로이다.
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리(굴절율) | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 2.0094 | 3.20 | NBF1(1.76898499) | -0.33260 |
| 2 | 비구면 | -13.6662 | 0.71 | - | 28.24710 |
| 3 | - | 무한대 | 0.09 | POLYCARB(1.62230752) | - |
| 4 | - | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC(1.50650420) | - |
| 상 면 | - | - | - | - | - |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(23) 투과층의 각 표면을 의미한다(도 1 참조). 또한, 반경, 두께의 단위는 mm이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 각각 표 33, 표 34에 도시하는 대로이다.
| 제 1 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | -0.0012822 |
| r의 6승의 계수 | -0.00045473 |
| r의 8승의 계수 | 4.0381e-6 |
| r의 10승의 계수 | -1.1631e-5 |
| r의 12승의 계수 | -7.8205e-6 |
여기서, 예를 들면 e-6은 10-6을 의미한다.
| 제 2 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.085102 |
| r의 6승의 계수 | -0.11178 |
| r의 8승의 계수 | 0.071686 |
| r의 10승의 계수 | -0.017766 |
도 16은 실시예 5-1의 세로 수차도이고, 도 17은 비점 수차도이다.
이 실시예 5-1의 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상에서의 파면 수차는 0.01λ로 작으며 실용상 무수차라 할 수 있다. 또한, 광 축에 대해 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 파면 수차는 0.056λ이며 마찬가지로 양호한 특성을 도시한다. 더욱이, 면간 편심에 대해서는 편심량이 5μm 시의 파면 수차는 0.O30λ이며, 다소의 수차 증가는 보이지만 실용상 문제는 없다. 즉, 이 대물 렌즈(221)는 충분히 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 작동 거리는 0.71mm로, 충분히 큰 값을 갖는다.
<실시예 5-2>
이 대물 렌즈의 사양은 표 35에 도시하는 대로이다.
| 설계 파장 | 405 nm |
| NA | 0.85 |
| 초점 거리 | 2.20 mm |
| 입사 동공 직경 | 3.74 mm |
또한, 이 대물 렌즈(221)의 설계치는 표 36에 도시하는 대로이다.
| 면 번호 | 면 형상 | 반경 | 두께 | 유리(굴절율) | 코닉 정수 |
| 1 | 비구면 | 1.8121 | 3.10 | NBF1(1.76898499) | -0.33718 |
| 2 | 비구면 | -6.5076 | 0.41 | - | -845.6516 |
| 3 | - | 무한대 | 0.09 | POLYCARB(1.62230752) | - |
| 4 | - | 무한대 | 0.01 | ACRYLIC(1.50650420) | - |
| 상 면 | - | - | - | - | - |
또한, 제 3 면, 제 4 면은 광 디스크(223) 투과층의 각 표면을 의미한다(도 15). 또한, 반경, 두께의 단위는 mm이다.
또한, 상기 제 1 면, 제 2 면의 비구면 계수는 표 37, 표 38에 도시하는 대로이다.
| 제 1 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | -0.00092007 |
| r의 6승의 계수 | -0.00025707 |
| r의 8승의 계수 | -0.00057872 |
| r의 10승의 계수 | 0.00022228 |
| r의 12승의 계수 | -5.6788e-5 |
| 제 2 면의 비구면 계수 | |
| r의 4승의 계수 | 0.061449 |
| r의 6승의 계수 | -0.13996 |
| r의 8승의 계수 | 0.12867 |
| r의 10승의 계수 | -0.043733 |
도 18은 실시예 5-2의 세로 수차도이고, 도 19는 비점 수차도이다.
실시예 5-2의 대물 렌즈(221)에 의하면, 축상 파면 수차는 0.006λ로, 거의 무수차라 할 수 있다. 또한, 0.5도의 입사각을 갖는 축외 입사 광선에 대한 축외 파면 수차는 0.007λ로, 실용상 양호한 특성을 갖는다. 또한, 축외 파면 수차가 실시예 5-1의 그것보다도 약간 큰 것은 실시예 5-2의 개구수(0.85)가 실시예 5-1의 그것(0.8)보다도 크기 때문이다.
또한, 면간 편심량(편심 공차)에 대해서는 편심량이 5μm 시 파면 수차는 0.036λ이다. 따라서, 이 대물 렌즈도 양산에 견딜 수 있는 제조 공차를 갖는다. 또한, 이 대물 렌즈(221)의 작동 거리는 0.41mm로, 실용상 충분히 넓은 값을 갖는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 최량 상면 색 수차 특성에 뛰어나고 또한 축외 수차 특성에 뛰어난 광 디스크용 대물 렌즈를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 개구수가 0.7에서 0.8인 단일 렌즈로 이루어지고, 또한, 0.3mm 이하의 얇은 재생 투과층을 갖는 광 디스크에 대응할 수 있으며, 400nm 정도의 파장 광에 대해, 편심 공차가 제조 가능한 범위에 있고, 양호한 축상 수차 특성·축외 수차 특성을 가지고, 작동 거리가 넓은 대물 렌즈를 제공할 수 있다.
더욱이 또한, 개구수가 0.78 이상인 단일 렌즈로 이루어지고, 또한, 0.3mm이하의 얇은 재생 투과층을 갖는 광 디스크에 대응할 수 있으며, 400nm 정도의 파장 광에 대해, 편심 공차가 제조 가능한 범위에 있고, 양호한 축상 수차 특성·축외 수차 특성을 가지고, 작동 거리가 넓은 대물 렌즈를 제공할 수 있다.
Claims (10)
- 개구수가 0.7 이상인 양면 비구면 단일 렌즈로서, 렌즈의 중심 두께가 초점 거리보다 긴 것을 특징으로 하는 광 디스크용 대물 렌즈.
- 제 1 항에 있어서, 설계 기준 파장에 있어서의 결상 배율이 0배인 광 디스크용 대물 렌즈.
- 제 1 항에 있어서, 설계 기준 파장이 0.45μm보다도 짧은 것을 특징으로 하는 광 디스크용 대물 렌즈.
- 제 1 항에 있어서, 초점 거리가 4.0mm보다 짧고 다음 식에서 도시되는 t보다 긴 것을 특징으로 하는 광 디스크 대물 렌즈.t = d/n + O.9(mm)여기서, d는 광 디스크의 두께, n은 광 디스크의 굴절율.
- 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한, 개구수가 O.7 내지 0.8이고, 작동 거리가 0.2mm 이상인 단일 렌즈로서, 이하의 조건을 만족하는 광 디스크용 대물 렌즈.(1) 0.85 < d1/f < 1.5,(2) 0 > d1/R2 > -0.7,(3) n > 1.6.여기서, f는 해당 렌즈의 초점 거리, d1은 해당 렌즈의 중심 두께, R2는 해당 렌즈의 광 디스크 측의 정점에 있어서의 곡율 반경.
- 제 5 항에 있어서, 초점 거리가 2.2mm 이하인 광 디스크용 대물 렌즈.
- 제 5 항에 있어서, 광 디스크의 투과층의 두께가 0.3mm 이하인 광 디스크용 대물 렌즈.
- 적어도 하나의 면을 비구면 형상으로 한, 개구수가 0.78 이상인 단일 렌즈로서, 이하의 조건을 만족하는 광 디스크용 대물 렌즈.(1) d1/f > 1.2,(2) 0.65 < R1/f < 0.95,(3) ｜R1/R2｜ < 0.7,(4) n > 1.65.여기서, f는 해당 렌즈의 초점 거리, d는 해당 렌즈의 중심 두께, R1은 해당 렌즈의 광원 측의 정점에 있어서의 곡율 반경, R2는 해당 렌즈의 광 디스크 측의 정점에 있어서의 곡율 반경, n은 해당 렌즈의 굴절율.
- 제 8 항에 있어서, 작동 거리가 0.3mm 이상인 광 디스크용 대물 렌즈.
- 제 8 항에 있어서, 광 디스크의 투과층 두께가 0.3mm 이하인 광 디스크용 대물 렌즈.
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