JPH10104506A - 収束レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 収束光中に平行平面板を配置する従来の構成
では、平行平面板に入射するマージナル光の角度が大き
くなり、透過率の低下により周辺光量の低下が著しくな
る。また、平行平面板が傾いた場合にはコマ収差が発生
する。 【解決手段】 平行光束の入射側から順に、パワーの弱
い単レンズの前群Ｇ1と、収束作用を持つ後群Ｇ2とから
構成されており、前群Ｇ1は球面収差調整のために交換
可能である。前群Ｇ1のパワーは、収束レンズ全体の焦
点距離をｆ、前群の焦点距離をｆ1として、以下の条件
(１)を満たす範囲に定められる。 ｜ｆ／ｆ1｜＜０．１００ …(１)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば高密度光
ディスクの原盤作製装置の対物レンズのような、回折限
界の微小スポットを形成するための収束レンズに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】スポットを回折限界にまで絞るために
は、球面収差の発生を極力抑えなければならない。ただ
し、設計上球面収差を十分に補正したとしても、製造誤
差や組み付け時の誤差により球面収差が発生する場合が
ある。製造誤差等により発生した球面収差を補正するた
めには、収束レンズを構成するレンズの間隔を調整する
方法が一般的であるが、この種のＮＡの大きなレンズは
偏心によるコマ収差の発生感度が高いため、球面収差補
正のためにレンズ間隔を変化させると偏心によりコマ収
差が発生しやすい。

【０００３】特開平４−２７４２０７号公報には、平行
光束の入射側から順に配列した収束レンズ群と平行平面
板とから構成される収束レンズが開示されている。ここ
には、収束光中に配置される平行平面板の厚さを発生し
た球面収差に応じて変化させることにより、球面収差を
補正することができることが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た公報に記載された従来の構成では、例えばＮＡが０．
９０のレンズでは平行平面板に入射するマージナル光の
角度が６４度に達するため、平行平面板の表面での反射
率が近軸光と比較して周辺部で高くなり、周辺光量の低
下が著しくなるという問題がある。また、平行平面板は
収束光中に設けられているため、交換時に平行平面板が
傾いた場合にはコマ収差が発生する。

【０００５】この発明は、上述した従来技術の課題に鑑
みてなされたものであり、周辺部の光量低下が少なく、
組立、調整時の偏心によるコマ収差発生の可能性が低い
収束レンズを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる収束レ
ンズは、上記の目的を達成させるため、平行光束の入射
側から順に、以下の条件を満たすパワーの弱い単レンズ
の前群と、収束作用を持つ後群とから構成され、前群が
球面収差調整のために交換可能であることを特徴とす
る。 ｜ｆ／ｆ1｜＜０．１００ ただし、ｆは収束レンズ全体の焦点距離、ｆ1は前群の
焦点距離である。また、前群は、少なくとも平行光束の
射出側が平面であり、入射側の面が平面である平行平面
板、凸面である凸平レンズ、凹面である凹平レンズを利
用することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる収束レン
ズの実施形態を説明する。実施形態に係る収束レンズ
は、例えば図１に示されるように、図中左側となる平行
光束の入射側から順に、パワーの弱い単レンズの前群Ｇ
1と、収束作用を持つ後群Ｇ2とから構成されており、前
群Ｇ1は球面収差調整のために交換可能である。前群Ｇ1
のパワーは、収束レンズ全体の焦点距離をｆ、前群の焦
点距離をｆ1として、以下の条件(１)を満たす範囲に定
められる。 ｜ｆ／ｆ1｜＜０．１００ …(１)

【０００８】一般に、球面収差、コマ収差が補正された
レンズでは、レンズに入射する光束の収束の度合(波面
の曲率半径)により球面収差が変化する。平行光束を球
面収差なしに収束させるレンズに発散光を入射させれば
負(アンダー)の球面収差が発生し、収束光を入射させた
場合には正(オーバー)の球面収差が発生する。したがっ
て、上記のようにパワーの弱い前群と収束作用を持つ後
群とで設計上球面収差が補正された収束レンズを構成し
た場合、製造誤差や組み付け誤差に起因して正の球面収
差が発生したときには、設計上(以下、基準状態という)
の前群より光束をより発散させる作用を持つレンズに前
群を交換し、反対に負の球面収差が発生した場合には、
設計上の基準状態の前群より光束をより収束させる作用
を持つレンズに前群を交換することにより、発生した球
面収差を相殺することができる。

【０００９】上記の構成によれば、収束作用を持つ後群
を移動することなしに、前群を交換するのみで球面収差
を補正できるため、調整による新たな収差の発生を防ぐ
ことができる。また、交換される前群が平行光束中に配
置されるため、前群への入射角度が中心部から周辺部に
かけてほぼ均一となり、周辺部の光量低下を防ぐことが
できる。しかも、前群は平行光束中に配置されており、
そのパワーが極めて弱いため、球面収差を補正するため
に前群を交換する際に前群が偏心した場合にも、偏心に
よるコマ収差の発生量を小さく抑えることができる。

【００１０】

【実施例】次に、上述した実施形態の条件を満たす具体
的な実施例を２例提示する。実施例は、何れも紫外域の
光線を用いて回折限界のスポットを形成するための収束
レンズであり、コンパクトディスクより記録密度の大き
いディジタルビデオディスクの原盤作成装置の対物レン
ズとして利用される。紫外域では、十分な透過率を確保
できるレンズ材料は石英ガラスと蛍石に限られるが、蛍
石は硬度が低く加工が困難であるため、実用的には石英
ガラスに限られる。このため、実施例では全てのレンズ
が石英ガラスで構成されている。

【００１１】

【実施例１】図１は、実施例１にかかる収束レンズの基
準状態におけるレンズ構成を示す。実施例１の基準状態
での数値構成は表１に示される。表中、ＮＡは開口数、
ｆは全系の焦点距離(単位：ｍｍ)、ωは半画角、ｆＢは
バックフォーカス(単位：ｍｍ)、ｒはレンズ各面の曲率
半径(単位：ｍｍ)、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔(単
位：ｍｍ)、ｎは各レンズの波長266nmでの屈折率であ
る。

【００１２】

【表１】

【００１３】実施例１では、前群Ｇ1は、基準状態では
上述のように第１面、第２面で表されるパワーを全く持
たない単レンズである平行平面板で構成され、後群Ｇ2
は、第３面、第４面で表される入射側に凹面を向けたメ
ニスカス負レンズ、第５面、第６面で表される両凸レン
ズ、第７面、第８面で表される両凹レンズ、第９面、第
１０面で表される両凸レンズ、第１１面、第１２面で表
される両凸レンズ、第１３面、第１４面で表される入射
側に凸面を向けたメニスカス正レンズ、第１５面、第１
６面で表される入射側に凸面を向けたメニスカス正レン
ズが入射側から順に配置して構成されている。

【００１４】製造誤差等により負の球面収差が発生した
場合には、パワーの弱い正レンズを前群として平行平面
板に代えて挿入し、正の球面収差が発生した場合には、
パワーの弱い負レンズを前群として平行平面板に代えて
挿入する。挿入されるレンズのパワーは、発生した球面
収差、すなわち補正すべき球面収差の大きさに応じて定
められる。製造誤差等による球面収差が発生しない場合
には、前群として基準状態のまま平行平面板を利用す
る。

【００１５】図２(ａ)は、実施例１のレンズの基準状態
での球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＯＳＣを示し、
(ｂ)は同じく非点収差(S:サジタル、M:メリディオナル)
を示す。収差量を示す横軸の単位はｍｍである。図３
(ａ)，(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)は、それぞれ像高0.00mm、0.03
mm、0.05mm、0.07mmにおける実施例１のレンズの基準状
態でのメリディオナル断面の波面収差を示す。波面収差
図の縦軸の単位は波長λである。何れの収差も良好に補
正されていることが理解できる。

【００１６】次に、実施例１のレンズが基準状態とは異
なる状態となった場合の性能について説明する。前群Ｇ
1として平行平面板に代えて第１面の曲率半径が-24000.
000mm、第２面が平面である極めて弱い負のパワーを有
する凹平レンズを挿入すると、後群Ｇ2への入射光が平
行光から僅かに発散する光束となり、負の球面収差が発
生する。図４(ａ)，(ｂ)は、このように前群を凹平レン
ズとした場合の球面収差、正弦条件違反量、非点収差を
それぞれ示す。他の収差を変化させずに球面収差のみが
アンダー側に変化していることが理解できる。

【００１７】すなわち、製造誤差等によって基準状態で
図４(ａ)に示されるのと同量の球面収差が図示されるア
ンダー側とは逆方向のオーバー側に発生した場合、上記
の凹平レンズを基準状態の前群である平行平面板に代え
て挿入することにより、他の収差を変化させずに球面収
差をアンダー側に変化させることができ、図２(ａ)に示
されるのとほぼ同様の状態にまで球面収差を小さくでき
る。

【００１８】なお、図５は、前群Ｇ1を第１面の曲率半
径が-24000.000mmの凹平レンズとした場合の各像高での
波面収差を示している。図３と比較すると、周辺部で約
０．２λ波面が変化することがわかる。また、図６は、
この凹平レンズが１度傾いた場合の波面収差を示してい
る。図５と比較すると、波面が殆ど変化していないこと
がわかる。すなわち、凹平レンズが傾いた場合にも、従
来のように大きなコマ収差は発生しない。

【００１９】

【実施例２】図７は、実施例２にかかる収束レンズの基
準状態におけるレンズ構成を示す。実施例２の基準状態
での数値構成は表２に示される。この例でも、全てのレ
ンズが石英で構成されており、屈折率の値は全て共通で
ある。

【００２０】

【表２】

【００２１】実施例２では、前群Ｇ1は、基準状態では
上述のように凹平レンズで構成され、後群Ｇ2は、実施
例１と同様の７枚のレンズから構成される。すなわち、
基準状態において後群Ｇ2には発散光が入射することと
なり、後群の正のパワーが実施例１より大きくなるよう
設計されている。製造誤差等により負の球面収差が発生
した場合には、基準状態より負のパワーが弱い負レンズ
を前群として挿入し、正の球面収差が発生した場合に
は、基準状態より強い負のパワーを持つ負レンズを前群
として挿入する。

【００２２】図８(ａ)は、実施例２のレンズの基準状態
での球面収差および正弦条件違反量ＯＳＣを示し、(ｂ)
は同じく非点収差を示す。図９(ａ)，(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)
は、それぞれ像高0.00mm、0.03mm、0.05mm、0.07mmにお
ける実施例２のレンズの基準状態でのメリディオナル断
面の波面収差を示す。何れの収差も良好に補正されてい
ることが理解できる。

【００２３】次に、実施例２のレンズが基準状態とは異
なる状態となった場合の性能について説明する。前群Ｇ
1として第１面の曲率半径-200.000mmの凹平レンズに代
えて第１面の曲率半径が-198.320mmの凹平レンズを挿入
すると、後群Ｇ2への入射光の発散度が僅かに大きくな
り、負の球面収差が発生する。図１０(ａ)，(ｂ)は、こ
のように前群を第１面の曲率半径が-198.320mmの凹平レ
ンズとした場合の球面収差、正弦条件違反量、非点収差
をそれぞれ示す。他の収差を変化させずに球面収差のみ
がアンダー側に変化していることが理解できる。

【００２４】すなわち、製造誤差等によって基準状態で
図１０(ａ)に示されるのと同量の球面収差が図示される
アンダー側でなく逆方向のオーバー側に発生した場合、
前群Ｇ1の凹平レンズを第１面の曲率半径が-200.000mm
である基準状態の素子から第１面の曲率半径が-198.320
mmである素子に変更することにより、他の収差を変化さ
せずに球面収差をアンダー側に変化させることができ、
図８(ａ)に示されるのとほぼ同様の状態にまで球面収差
を小さくできる。

【００２５】なお、図１１は、前群Ｇ1を第１面の曲率
半径が-198.320mmの凹平レンズとした場合の各像高での
波面収差を示している。図９と比較すると、周辺部で約
０．２λ波面が変化することがわかる。また、図１２
は、基準状態の凹平レンズが１度傾いた場合の波面収差
を示している。図９と比較すると、像高0.07mmにおいて
波面が僅かに変化している。この変化は非点隔差の発生
による。

【００２６】図１３は、基準状態の前群Ｇ1である第１
面の曲率半径が-200.000mmの凹平レンズが光軸と直交す
る方向に0.20mm偏心した場合の波面収差図であり、図１
４は基準状態の前群Ｇ1が光軸に沿って後群から離れる
方向に1.0mm移動した場合の波面収差図である。それぞ
れ図９と比較することにより、波面が偏心によっては殆
ど影響されず、光軸方向の移動によって僅かに影響を受
けることが理解できる。ただし、前群Ｇ1の偏心や光軸
方向の移動に対する収差への影響の感度は極めて小さい
ため、通常の取付精度内の誤差であれば、レンズ全体の
性能を劣化させることはない。

【００２７】実施例１は、基準状態の前群Ｇ1を平行平
面板とすることにより、製造誤差等により球面収差が発
生した場合に平行平面板に代えて用いられる前群Ｇ1の
パワーも極めて弱いものとなり、前群に傾きが生じた場
合にも非点隔差、コマ収差は殆ど発生しない。ただし、
基準状態で用いる場合、平面である前群の第１面、第２
面で反射が生じると、反射によるゴースト光と媒体から
反射して収束レンズを射出した光とが共に平行光となっ
て信号の検出位置に集光して信号にノイズが発生するた
め、これを防ぐためには第１面に反射防止膜を施す必要
がある。

【００２８】これに対して実施例２では、基準状態の前
群Ｇ1の第１面が凹面であるため、第１面、第２面での
反射光は平行光とはならず、媒体から反射して収束レン
ズを射出した平行光の集光位置、すなわち信号の検出位
置には集光しない。したがって、ゴースト光によるノイ
ズの発生を防ぐことができる。この観点からは、基準状
態での前群のパワーは、予測される範囲の球面収差を補
正するために必要とされる前群のパワーの範囲が「０」
を含まないように、すなわち、補正すべき球面収差が範
囲内のいずれの値をとった場合にも前群が平行平面板と
ならないように定めることが望ましい。

【００２９】例えば、前群として凹平レンズを用いる場
合、製造誤差等によって負の球面収差が発生した場合、
これをオーバー側に変化させて補正するためには前群の
発散パワーを弱くするために凹面である第１面の曲率半
径を大きくする必要がある。このとき、予測される最大
限の負の球面収差が発生した場合にも、これを補正する
ための第１面の形状が凹面を保ち、平面、凸面とならな
いように許容幅を持たせて基準状態の凹面の曲率半径を
定める必要がある。ただし、第１面の曲率半径の絶対値
が小さくなるほど前群が傾いた場合の非点隔差が大きく
なるため、非点隔差の発生を実用上問題とならないレベ
ルに抑えるために、前群のパワーは前述の条件(１)を満
たす範囲に限定される。条件(１)を満たす場合には、前
群の傾きを０．１度程度以内に抑えることを前提する
と、非点隔差の発生を実用上問題とならないレベルに抑
えることができる。なお、実施例２では、基準状態の前
群Ｇ1として凹平レンズを用いているが、後群の正のパ
ワーを弱くすれば、凸平レンズを前群として用いること
もできる。

【００３０】実施例の収束レンズを実際に鏡筒に組み付
ける場合、基準状態の前群が実施例１のような平行平面
板である場合には、基準状態の球面収差は後群のみによ
り発生するため、前群をつけずに後群のみを組み付けて
干渉計により球面収差を測定する。球面収差が発生して
いない場合には基準状態通りに平行平面板を前群として
取り付け、球面収差が発生している場合にはその発生量
に応じた曲率半径を持つレンズを前群として取り付け
る。基準状態の前群が実施例２のようにパワーを持つ場
合には、後群を組み付けた後に基準状態の前群を仮止め
し、干渉計により球面収差を測定する。球面収差が発生
していない場合には基準状態の前群を固定し、球面収差
が発生している場合にはその発生量に応じた曲率半径を
持つレンズを前群として取り付ける。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、収束レンズをパワーの弱い前群と正のパワーを持つ
後群とに分けたため、前群を交換することにより球面収
差を容易に高精度に補正することが可能となる。前群は
平行光中に位置するため、周辺部の光量低下が少ない。
また、前群の偏心や傾きに対する偏心コマ収差等のレン
ズ全体の性能変化の感度は極めて小さいため、前群の組
み付けについては高い精度が要求されず、交換、組付け
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の収束レンズの基準状態でのレンズ
図である。

【図２】 実施例１の収束レンズの基準状態での球面収
差、正弦条件違反量、非点収差を示すグラフである。

【図３】 実施例１の収束レンズの基準状態でのメリデ
ィオナル断面の波面収差を示すグラフである。

【図４】 実施例１の収束レンズの前群を入れ換えた場
合の球面収差、正弦条件違反量、非点収差を示すグラフ
である。

【図５】 実施例１の収束レンズの前群を入れ換えた場
合のメリディオナル断面の波面収差を示すグラフであ
る。

【図６】 実施例１の収束レンズの入れ換えられた前群
が１度傾いた場合のメリディオナル断面の波面収差を示
すグラフである。

【図７】 実施例２の収束レンズの基準状態でのレンズ
図である。

【図８】 実施例２の収束レンズの基準状態での球面収
差、正弦条件違反量、非点収差を示すグラフである。

【図９】 実施例２の収束レンズの基準状態でのメリデ
ィオナル断面の波面収差を示すグラフである。

【図１０】 実施例２の収束レンズの前群を入れ換えた
場合の球面収差、正弦条件違反量、非点収差を示すグラ
フである。

【図１１】 実施例２の収束レンズの前群を入れ換えた
場合のメリディオナル断面の波面収差を示すグラフであ
る。

【図１２】 実施例２の収束レンズの基準状態から前群
が１度傾いた場合のメリディオナル断面の波面収差を示
すグラフである。

【図１３】 実施例２の収束レンズの基準状態から前群
が0.2mm偏心した場合のメリディオナル断面の波面収差
を示すグラフである。

【図１４】 実施例２の収束レンズの基準状態から前群
が後群から離れる方向に1.0mm移動した場合のメリディ
オナル断面の波面収差を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｇ1 前群 Ｇ2 後群

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行光束を収束させるレンズであって、
   前記平行光束の入射側から順に、以下の条件を満たすパ
   ワーの弱い単レンズの前群と、収束作用を持つ後群とか
   ら構成され、前記前群は球面収差調整のために交換可能
   であることを特徴とする収束レンズ。 ｜ｆ／ｆ1｜＜０．１００ ただし、ｆは収束レンズ全体の焦点距離、ｆ1は前群の
   焦点距離である。
2. 【請求項２】 前記前群は、前記平行光束の入射側が曲
   面、射出側が平面であることを特徴とする請求項１に記
   載の収束レンズ。
3. 【請求項３】 前記前群、後群の全てのレンズ素子が石
   英ガラスにより形成されており、紫外域の平行光束を収
   束させることを特徴とする請求項１または２に記載の収
   束レンズ。