JPH10104510A - 紫外線用収束レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の対物レンズは近紫外域用に設計されて
いるため、よりスポットサイズを小さくするために波長
３００ｎｍ以下の紫外線を用いる場合には使用すること
ができない。 【解決手段】 光源側から順に、光源側に凹面を向けた
メニスカスレンズを含み、光束径を拡大する第１レンズ
群と、光源側に凸面を向けた第１レンズと、両凹の第２
レンズと、両凸の第３、第４レンズと、光源側に凸面を
向けた正メニスカスの第５、第６レンズとから成り、光
束を収束させる第２レンズ群とが配列して構成され、全
てのレンズ素子が石英により形成される。また、以下の
条件を満たしている。 −０．１１ ＜ ｆ／ｆ1 ＜ ０．０５ ０．３０ ＜｜ｒm1｜／(ｄm) ＜ １．００， ｒm1 ＜
０ ただし、ｆ、ｆ1は全系、第１レンズ群の焦点距離、ｒm
1、ｄmはメニスカスレンズの光源側の面の曲率半径と厚
さである。

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、光源として波長
３００ｎｍ以下の紫外線を用いるのに適した紫外線用収
束レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクの記録密度は、例えば初期の
コンパクトディスクの規格と近時のディジタルビデオデ
ィスクの規格とを比較すると解るように、次第に大きく
なる傾向がある。光ディスクの記録密度はレーザー光の
スポット径の２乗に反比例するめため、記録密度を大き
くすめためには、スポット径をより小さくする必要があ
る。従来から、光ディスクの原盤作成用装置の光ヘッド
には、レーザー光を回折限界にまで収束させる対物レン
ズが搭載されている。回折限界のスポットサイズは波長
が短くなるほど小さくなるため、より小さなスポットを
形成するために光源の波長も可視域から近紫外域へと徐
々に短くなってきている。

【０００３】使用波長が変化すれば対物レンズの設計に
も変更が要求される。例えば、特開平４−２７４２０６
号公報には、３５０ｎｍ程度の近紫外域の波長に適した
対物レンズが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の対物レンズは近紫外域用に設計されているた
め、よりスポットサイズを小さくするために波長３００
ｎｍ以下の紫外線を用いる場合には使用することができ
ない。すなわち、波長３００ｎｍ以下の紫外域では、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、上記公報のようにこれら以外の光学ガラスを
利用したレンズを紫外域で使用すると透過率が低下して
十分な光量が得られない。

【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、波長３００ｎｍ以下の紫外域
の光源を利用して回折限界のスポットを形成することが
できる紫外線用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】この発明にかかる紫外線
用収束レンズは、光源から発した紫外域の平行光束を収
束させるレンズであり、光源側から順に、光束径を拡大
する作用を持つ第１レンズ群と、光束を収束させる作用
を持つ第２レンズ群とが配列して構成される。第１、第
２レンズ群の全てのレンズ素子は、石英により形成され
ている。第１レンズ群は、光源側に凹面を向けたメニス
カスレンズを含む。第２レンズ群は、光源側から順に、
光源側に凸面を向けた第１レンズと、両凹の第２レンズ
と、両凸の第３レンズと、両凸の第４レンズと、光源側
に凸面を向けた正メニスカスの第５レンズと、光源側に
凸面を向けた正メニスカスの第６レンズとが配列して構
成される。また、上記の構成を前提として、以下の条件
(１)，(２)を満たしている。 −０．１１ ＜ ｆ／ｆ1 ＜ ０．０５ …(１) ０．３０ ＜｜ｒm1｜／(ｄm) ＜ １．００， ｒm1 ＜ ０ …(２) ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ1は第１レンズ群の焦
点距離、ｒm1は第１レンズ群のメニスカスレンズの光源
側の面の曲率半径、ｄmは第１レンズ群のメニスカスレ
ンズの厚さである。

【０００７】第１レンズ群は、光源側に凹面を向けた１
枚のメニスカスレンズから構成され、あるいは、光源側
から順に、弱いパワーを持つ第１レンズと、光源側に凹
面を向けたメニスカスの第２レンズとから構成される。
第１レンズ群が２枚のレンズにより構成される場合に
は、第１レンズの焦点距離ｆI1が以下の条件(３)を満た
すことが望ましい。 ｆ／｜ｆI1 ｜ ＜ ０．０８ …(３)

【０００８】第２レンズ群の最も像側に位置する第６レ
ンズは、光源側の面の曲率半径をｒII6、厚さをｄII6と
して、以下の条件を満たすことが望ましい。 ０．７０ ＜ ｒII6／ｄII6 ＜ ０．９５ …(４)

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる紫外線用
収束レンズの実施形態を説明する。実施形態の紫外線用
収束レンズは、光源から発した紫外域の平行光束を収束
させるレンズであり、例えば図１に示されるように、図
中左側となる図示せぬ光源側から順に、光束径を拡大す
る作用を持つ第１レンズ群ＧIと、光束を収束させる作
用を持つ第２レンズ群ＧIIとが配列して構成される。広
いワーキングディスタンスを確保するため、第１レンズ
群ＧIで一旦光束径を拡大し、第２レンズ群ＧIIで収束
させる形にして長いバックフォーカスを確保している。

【００１０】第１レンズ群ＧIは、光源側に凹面を向け
たメニスカスレンズＩｍを含む。第２レンズ群ＧIIは、
光源側から順に、光源側に凸面を向けた第１レンズII1
と、両凹の第２レンズII2と、両凸の第３レンズII3と、
両凸の第４レンズII4と、光源側に凸面を向けた正メニ
スカスの第５レンズII5と、光源側に凸面を向けた正メ
ニスカスの第６レンズII6とが配列して構成される。

【００１１】収束レンズは全体として強い正のパワーを
持つため、個々の正レンズで発生する収差を小さく抑え
ると共に、負レンズ、あるいは発散面により残存収差を
相殺させることにより、開口数を大きくし、回折限界に
までスポットを絞ることが可能になる。このために、第
１レンズ群で光束径を拡大することによりマージナル光
線の第２レンズ群への入射高さを高くし、第２レンズ群
に５枚の正レンズを設けて正のパワーを複数のレンズに
分散し、緩い収束面で段階的に集光させるようにしてい
る。

【００１２】なお、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、第１、第２レンズ群の全て
のレンズ素子が石英ガラスで形成される。

【００１３】第１レンズ群ＧIに含まれるメニスカスレ
ンズＩｍは、光源側の凹面で光束を発散させ、射出側の
凸面でそれを収束させるため、射出光は弱い発散光、あ
るいは弱い収束光となる。

【００１４】第２レンズ群ＧIIの第１レンズII1の光源
側の凸面は、第１レンズ群を射出した光を収束させる機
能を持つ。この位置に発散面が配置されると、光束の発
散度が過大となり、後のレンズへのマージナル光線の入
射高さが大きくなり過ぎて球面収差の発生量が過大とな
る。

【００１５】負の第２レンズII2は、全体として正のパ
ワーを持つ収束レンズの球面収差を補正する機能を持
つ。第２レンズ群ＧIIを全て正レンズとすればワーキン
グディスタンスを長くとることができるが、この場合に
は第１レンズ群の発散面のみでは第２レンズ群で発生す
るアンダーの球面収差を補正することができない。一
方、第１レンズ群ＧIへの入射時にはマージナル光線の
高さは低いため、光源側の面に強い発散パワーを持たせ
たとしても球面収差の補正効果は弱い。そこで、この球
面収差を補正するため、第２レンズ群ＧIIには負の第２
レンズII2が設けられている。

【００１６】第３レンズII3から第６レンズII6は、いず
れも正レンズであり、光束を収束させる機能を持つ。石
英は屈折率が低いため、過剰な球面収差を発生させずに
十分な収束パワーを得るためには、４枚の正レンズが必
要となる。正レンズが５枚以上になると、収束レンズの
全長が長くなる。

【００１７】また、実施形態の収束レンズは、上記の構
成を前提として、以下の条件(１)，(２)を満たしてい
る。 −０．１１ ＜ ｆ／ｆ1 ＜ ０．０５ …(１) ０．３０ ＜｜ｒm1｜／(ｄm) ＜ １．００， ｒm1 ＜ ０ …(２) ただし、ｆは全系の焦点距離、ｆ1は第１レンズ群の焦
点距離、ｒm1は第１レンズ群のメニスカスレンズの光源
側の面の曲率半径、ｄmは第１レンズ群のメニスカスレ
ンズの厚さである。

【００１８】条件(１)は、第１レンズ群ＧIへのパワー
配分を規定する。この条件を満たすことにより、径が拡
大された第１レンズ群からの射出光の発散度が適切とな
り、第２レンズ群ＧIIでの球面収差の発生を抑えると共
に、全長を長くせずに所定のワーキングディスタンスを
確保することが可能となる。条件(１)の下限を下回る場
合には、第１レンズ群の負のパワーが強くなり過ぎ、第
２レンズ群ＧII内で高次の球面収差が発生するため、開
口数を大きくすることができない。条件(１)の上限を越
える場合には、第１レンズ群の正のパワーが過大とな
り、ワーキングディスタンスを確保するためにマージナ
ル光線の射出高さを所定の値にするためにはメニスカス
レンズの発散面と収束面との間隔を広くとる必要があ
り、メニスカスレンズの全長が長くなり収束レンズが全
体として大型化する。

【００１９】条件(２)は、第１レンズ群による光束の拡
大作用を規定する。この条件を満たすことにより、メニ
スカスレンズの厚さを適度に保ちつつ、マージナル光線
の射出高さを所定のレベルに保つことが可能となる。条
件(２)の下限を下回る場合には、発散面の発散パワーが
過大となって高次の球面収差を発生させるか、レンズ厚
が過大となって収束レンズ全体の大型化を招く。条件
(２)の上限を越える場合には、発散面の発散パワーが過
小となるか、レンズ厚が過小となるため、何れの場合に
もマージナル光線の射出高さは低くなり、第２レンズ群
へのマージナル光線の入射高さを確保するためには第１
レンズ群に負のパワーを持たせて第２レンズ群との間隔
を広く確保する必要があり、収束レンズが全体として大
型化する。

【００２０】第１レンズ群は、図１に示されるように光
源側に凹面を向けた１枚のメニスカスレンズから構成さ
れる場合と、例えば図７に示されるように、光源側から
順に、弱いパワーを持つ第１レンズI1と、光源側に凹面
を向けたメニスカスの第２レンズImとから構成される。
第１レンズ群ＧIが２枚のレンズにより構成される場合
には、第１レンズの焦点距離ｆI1が以下の条件(３)を満
たすことが望ましい。 ｜ｆI1 ｜／ｆ ＜ ０．０８ …(３)

【００２１】条件(３)は、第１レンズ群ＧIの第１レン
ズＩ1を球面収差調整のために交換可能とするための条
件である。第１レンズ群が２枚で構成される場合、最も
光源側に極めて弱いパワーを持つレンズを配置すると、
収束レンズの他のレンズ素子の組み付け誤差等により球
面収差が発生した場合に、この第１レンズを異なるパワ
ーを持つレンズと交換することにより、球面収差を補正
することができる。ただし、第１レンズI1のパワーが条
件(３)の上限を越えて大きくなると、交換時に生じた偏
心や傾きにより非点隔差、コマ収差が発生しやすくな
る。条件(３)を満たすことにより、第１レンズI1が偏心
したり傾いたりした場合に発生する収差を実用上問題と
ならないレベルに抑えることができる。

【００２２】第２レンズ群の最も像側に位置する第６レ
ンズは、光源側の面の曲率半径をｒII6、厚さをｄII6と
して、以下の条件を満たすことが望ましい。 ０．７０ ＜ ｒII6／ｄII6 ＜ ０．９５ …(４)

【００２３】条件(４)は、最も光束が収束されるスポッ
ト側のレンズの形状を規定する。条件(４)の下限を下回
ると、第６レンズの収束作用が過大となるために球面収
差が増大し、ワーキングディスタンスが短くなる。ま
た、所定のワーキングディスタンスを確保するために
は、第６レンズのレンズ厚が過大となって収束レンズ全
体が大型化する。一方、条件(４)の上限を越えると、高
い開口数を確保することができずにスポット径が拡大
し、あるいは、レンズ厚が薄くなるためにこのレンズの
加工が困難となる。

【００２４】

【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６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。

【００２５】

【実施例１】図１は、実施例１にかかる紫外線用収束レ
ンズのレンズ構成を示す。また、そのレンズの数値構成
は表１に示される。実施例１は、使用波長２６６ｎｍの
紫外線用のレンズである。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)、ｎ266は各レンズの波長266nmでの屈折率であ
る。

【００２６】

【表１】

【００２７】実施例１では、第１レンズ群ＧIは、第１
面、第２面で表される光源側に凹面を向けた負メニスカ
スＩm単独で構成され、第２レンズ群ＧIIは、第３面、
第４面で表される光源側に凸面を向けた正の第１レンズ
II1、第５面、第６面で表される両凹の第２レンズII2、
第７面、第８面で表される両凸の第３レンズII3、第９
面、第１０面で表される両凸の第４レンズII4、第１１
面、第１２面で表される光源側に凸面を向けた正メニス
カスの第５レンズII5、第１３面、第１４面で表される
入射側に凸面を向けた正メニスカスの第６レンズII6か
ら構成されている。

【００２８】図２(ａ)は、実施例１のレンズの球面収差
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。

【００２９】

【実施例２】図３は、実施例２にかかる紫外線用収束レ
ンズのレンズ構成を示す。また、その数値構成は表２に
示される。実施例２は、使用波長２６６ｎｍの紫外線用
のレンズである。実施例２では、第１レンズ群ＧIは、
実施例１と同様の負メニスカスレンズＩm単独で構成さ
れ、第２レンズ群ＧIIは、実施例１と同様の６枚のレン
ズから構成される。図４(ａ)は、実施例２のレンズの球
面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＯＳＣを示し、(ｂ)は
同じく非点収差を示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】

【実施例３】図５は、実施例３にかかる紫外線用収束レ
ンズのレンズ構成を示す。また、その数値構成は表３に
示される。実施例３は、使用波長２４８ｎｍの紫外線用
のレンズである。表中の記号ｎ248は、波長２４８ｎｍ
における各レンズの屈折率である。実施例３では、第１
レンズ群ＧIは、実施例１と同様の負メニスカスレンズ
Ｉm単独で構成され、第２レンズ群ＧIIは、実施例１と
同様の６枚のレンズから構成される。図６(ａ)は、実施
例３のレンズの球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＯＳ
Ｃを示し、(ｂ)は同じく非点収差を示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【実施例４】図７は、実施例４にかかる紫外線用収束レ
ンズのレンズ構成を示す。また、その数値構成は表４に
示される。実施例４は、使用波長２４８ｎｍの紫外線用
のレンズである。実施例４では、第１レンズ群ＧIが、
最も光源側の弱い負のパワーを持つ凹平の第１レンズI1
と、光源側に凹面を向けたメニスカスの第２レンズImと
から構成される。第２レンズ群ＧIIは、実施例１と同様
の６枚のレンズから構成される。図８(ａ)は、実施例４
のレンズの球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＯＳＣを
示し、(ｂ)は同じく非点収差を示す。

【００３４】

【表４】

【００３５】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、上記のように最も光源側にパワーの弱い第１レンズ
I1を配置した場合、製造誤差や組み付け誤差に起因して
全系で正の球面収差が発生したときには、第１レンズI1
を設計上の基準状態より光束をより発散させる作用を持
つレンズに交換し、反対に負の球面収差が発生した場合
には、第１レンズI1を設計上の基準状態より光束をより
収束させる作用を持つレンズに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。

【００３６】

【実施例５】図９は、実施例５にかかる紫外線用収束レ
ンズのレンズ構成を示す。また、その数値構成は表５に
示される。実施例５は、使用波長２６６ｎｍの紫外線用
のレンズである。実施例５では、第１レンズ群ＧIは、
実施例４と同様に弱い負のパワーを持つ凹平の第１レン
ズI1と負メニスカスレンズImとから構成され、第２レン
ズ群ＧIIは、実施例１と同様の６枚のレンズから構成さ
れる。図１０(ａ)は、実施例５のレンズの球面収差ＳＡ
および正弦条件違反量ＯＳＣを示し、(ｂ)は同じく非点
収差を示す。

【００３７】

【表５】

【００３８】

【実施例６】図１１は、実施例６にかかる紫外線用収束
レンズのレンズ構成を示す。また、その数値構成は表６
に示される。実施例６は、使用波長２４８ｎｍの紫外線
用のレンズである。実施例６では、第１レンズ群ＧI
は、実施例１と同様の負メニスカスレンズＩm単独で構
成され、第２レンズ群ＧIIは、実施例１と同様の６枚の
レンズから構成される。図１２(ａ)は、実施例６のレン
ズの球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＯＳＣを示し、
(ｂ)は同じく非点収差を示す。

【００３９】

【表６】

【００４０】以下の表７は、前述の各条件式と実施例と
の関係を示す。条件(１)、(２)、(４)は全ての実施例で
満たされている。条件(３)については、第１レンズ群が
２枚のレンズを含む実施例４，５において満たされてい
る。

【００４１】

【表７】 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 実施例５ 実施例６ 条件(１) 0.0221 -0.0004 0.0153 0.0084 -0.0185 -0.0958 条件(２) 0.940 0.881 0.980 0.769 0.483 0.742 条件(３) - - - 0.0095 0.0200 - 条件(４) 0.813 0.799 0.805 0.852 0.913 0.847

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、紫外線を用いて回折限界のスポットを形成するのに
適した収束レンズを提供することができる。また、所定
のレンズ構成を満たすことにより、比較的少ない構成枚
数で実用上十分な性能を満たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の紫外線用収束レンズのレンズ図で
ある。

【図２】 実施例１の紫外線用収束レンズの球面収差、
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２の紫外線用収束レンズのレンズ図で
ある。

【図４】 実施例２の紫外線用収束レンズの球面収差、
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３の紫外線用収束レンズのレンズ図で
ある。

【図６】 実施例３の紫外線用収束レンズの球面収差、
正弦条件違反量、非点収差を示すグラフである。

【図７】 実施例４の紫外線用収束レンズのレンズ図で
ある。

【図８】 実施例４の紫外線用収束レンズの球面収差、
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５の紫外線用収束レンズのレンズ図で
ある。

【図１０】 実施例５の紫外線用収束レンズの球面収
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６の紫外線用収束レンズのレンズ図
である。

【図１２】 実施例６の紫外線用収束レンズの球面収
差、正弦条件違反量、非点収差を示すグラフである。

【符号の説明】

ＧI 第１レンズ群 Im メニスカスレンズ ＧII 第２レンズ群 II1〜II6 第１〜第６レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発した紫外域の平行光束を収束
   させるレンズであって、前記光源側から順に、光束径を
   拡大する作用を持つ第１レンズ群と、光束を収束させる
   作用を持つ第２レンズ群とが配列して構成され、前記第
   １レンズ群は、前記光源側に凹面を向けたメニスカスレ
   ンズを含み、前記第２レンズ群は、前記光源側から順
   に、光源側に凸面を向けた第１レンズと、両凹の第２レ
   ンズと、両凸の第３レンズと、両凸の第４レンズと、前
   記光源側に凸面を向けた正メニスカスの第５レンズと、
   前記光源側に凸面を向けた正メニスカスの第６レンズと
   が配列して構成され、前記第１、第２レンズ群の全ての
   レンズ素子が石英により形成され、以下の条件を満たす
   ことを特徴とする紫外線用収束レンズ。 −０．１１ ＜ ｆ／ｆ1 ＜ ０．０５ ０．３０ ＜｜ｒm1｜／(ｄm) ＜ １．００， ｒm1 ＜
   ０ ただし、ｆは全系の焦点距離、 ｆ1は第１レンズ群の焦点距離、 ｒm1は第１レンズ群のメニスカスレンズの光源側の面の
   曲率半径、 ｄmは第１レンズ群のメニスカスレンズの厚さである。
2. 【請求項２】 前記第１レンズ群は、前記光源側に凹面
   を向けた１枚のメニスカスレンズから構成されることを
   特徴とする請求項１に記載の紫外線用収束レンズ。
3. 【請求項３】 前記第１レンズ群は、前記光源側から順
   に、弱いパワーを持つ第１レンズと、前記光源側に凹面
   を向けたメニスカスの第２レンズとから構成され、以下
   の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の紫外
   線用収束レンズ。 ｆ／｜ｆI1 ｜ ＜ ０．０８ ただし、ｆI1は第１レンズ群の第１レンズの焦点距離で
   ある。
4. 【請求項４】 前記第２レンズ群の第６レンズの光源側
   の面の曲率半径をｒII6、厚さをｄII6として、以下の条
   件を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の紫外線用収束レンズ。 ０．７０ ＜ ｒII6／ｄII6 ＜ ０．９５