JPS60203909A - 屈折率分布ロツド・均質凸複合レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光デイスクピックアップシステムに用いる屈
折率分布型レンズに関する。

光デイスクピックアップ対物レンズには、作動間ｌｉｔ
　（ｗ　：１〜２１１１１１を置いてディスクの厚さく
　ｄ；１４ｍ）を通して裏側の記録面に高開口数（ＮＡ
ｚＯ，４５）で集光しなければならず、レンズ径りはそ
れに応じた大きさが必要になる（全作動距離１ｇを／　
ｔ　＝　ｗ　＋　ｄ　／ｒＬＬ　、ｒＬ便はディスクの
屈折率、とするとＤ　’、　２　・ｔ２Ｘ　ＮＡ／Ｃ害
Ｗ）。

現在市販されている対物レンズは３〜４枚組の均質な球
面レンズであり、その径を必要なだけ大きくとれるのが
長所である。しかし、一方、球面数が多くなシ、従って
製作や組立の精度が厳しくなる等の欠点があった。

近年、屈折率分布型レンズを応用し、レンズ面数を減ら
し光学系を簡単にすることが提案されている。（例えば
、汎用レンズとして、（１）　Ｄ、　Ｔ、　Ｍｏｏｒｅ
　ａｎｄ　Ｐ、　Ｊ、　５ａｎｄｓ、　Ｕ−Ｓ、　Ｐａ
ｔｅｎｔ３．７２９，２５３　ピックアップ用として、
（２）　Ｋ−Ｋｉｋｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ−ＡＰｐｌ、
　ｏｐｔ、１９．　１０７６（１９８０２（８）　Ｎ、
　Ｙａｍａｍｏｔｏ　ｅｔ　ａｌ、　ＡＰＰＩ−ｏｐｔ
、　２１．１０２１（１９８２）（４）　Ｋ、　Ｆｕｊ
ｉｉ　ｅｔ　ａｌ、　４ｔｈ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｅｅ
ｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｇｒａ−ｄｉｅｎｔ−３ｎｄｅｘ　０
ｐｔｉｃａｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ。

（５）前針　第４４回応用物理学会学術講演会予稿集　
２７ｐＪ−７，、第１０回微小光学研究会講演論文　Ｖ
ｏｌ、　１　１１＃１３　０ｃｔｏｂｅｒ、　１９８３
　（応用物理学会光学懇話会））。

しかし、ガラスロッドに屈折率分布を形成させる現実的
手段であるイオン交換を考えると、ガラスロッド径゛の
二乗に比例した時間を要し、また、長時間のイオン交換
でガラスが脆くなシ、亀裂が入シ易くなるなどガラスロ
ッド径を大きくするのは技術的困難を伴う。従って、ガ
ラスロッド径をできるだけ小さくして、ピックアップの
仕様を満足させるレンズ構成が望まれる。

さて、上述の代表的な引例（１）、（６）によると、単
レンズで球面収差とコマ収差を補正した、所謂アプラナ
ートレンズは、光源が遠方にあるとき、光源にその凸を
向けたメニスカスの構成になる。

第１図にメニスカスレンズと光線経路の概略を示してい
る。レンズパワーが第１面に集中しているため、第２面
を出射するビーム径は細くなシ、ロッド径の割には作動
距離！２×開口数ＮＡが小さくなってしまう。すなわち
、ロッド径の大きさを有効に使っていないことになる。

本発明杜、以上の点に鑑み、従来の屈折率分布型レンズ
の欠点を解消する目的でなされたもので、軸対称屈折率
分布ロッド（以下屈折率分布ロッド、または単にロッド
という）と球面レンズを分離して、アプラナートを保持
しながらパワーの集中位置の移動をはかったものである
。

以下、本発明について説明する。

第２図は本発明の屈折率分布ロッド・均質凸複合レンズ
の構成概略図である。屈折率分布ロッド１と均質凸レン
ズ２を後者がディスク３側に位置するよう複合させ、光
源４は倍率１β１〈１になるよう遠くにおいている。ロ
ッドの屈折率分布ｎ（ｒ）は次式に与える。

ＴＬ”（ｒ）−ｎ”（０）（１−（ｙｒ）”＋Ａ４（ｙ
ｒ）番十ｈｋ・（ｙｒ）”　）　−−−−−＝−−−（
１ここで、ａ（０）は中心軸の屈折率、！は集束パラメ
ータ、Ａ４、Ａよ、は４次、６次係数である。光線経路
はロッド１でゆつくシ曲がシ、均質凸レンズ２で急激に
曲がる。８１図に示したメニスカスレンズに比べて、レ
ンズ出射位置でのビーム径が大きく、作動距離と開口数
の積を大きくできることがわかる。

次に、本構成レンズの球面収差と正弦条件（コマ収差）
の補正について説明する。

第３図（α）に示すように、均質凸レンズ２の球面収差
は、近軸光よル周辺光が手前に結ぶ、所謂負の収差であ
る。これと組み合わせて収差が補正されるためには屈折
率分布ロッド１は少なくとも正の収差になるものである
。

第３図（ｂ）に屈折率分布ロッド内の光線経路の概略を
分布高次係数Ａ４．４６の大きさに対応させて示してい
る。ロッド１内の経路で云えば、Ａ４　＞　Ａ４゜、　
Ａ６＞　ｈ６ｏ（ＡＩＡｏ−２／ｌ、Ａ６゜−−１７／
１５）のとき近軸光よシ周辺光が遠くに結ぶ。すなわち
、正の収差になる。この理由を定性的に述べると、ロッ
ド１の中心軸から周辺への屈折率勾配の主要項（（１）
式をｒで微分してｏｃ　ｙ”ｒ）　が４次、６次係数Ａ
４Ｐ、ＡＩ、の増加でその一部が打消され、しかも、中
心軸から遠い程その効果が大きいため、周辺光線の曲が
シが少くなるからである。

このような高次係数をもつロッドを選ぶことになるが、
実際の設計や製作においては大まかな制御のあと測定に
よって得られた屈折本分に応じて均質レンズの球面曲率
を決めることになる。

詳しくは後の数値計算による実施例で説明する。

以上は球面収差の補正について述べたが、軸外に光源が
ある場合に生ずるコマ収差の補正も重要である。それは
ピックアップではトラック（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）に屈
折率分布ロッド１と均質球面レンズ２について、そのパ
ラメータの遣いによるコマ収差の出方を定性的に示しだ
。縦向の矢印はコマ収差の原因となる上下周辺光線の屈
折による方向変化の大きさのアンバランス分を示してい
る。規準は仮想的に考えた゛コマ収差の出ない方向変化
である。

第４図Ｃｂ）は分布高次項が規準値よシ大きい場合で、
先の球面収差で説明したように、ロッド１のよシ周辺を
通る光線の方が方向変化が少なくなシ、主光線の外側に
二周辺光の交点ができる。すなわち、外向性コマ収差で
ある０第４図（α）は分布高次項が規準よシ小さい場合
で逆に内向性コ゛マ収差になっている。

第４図（Ｃ）、（ｄ）は均質球面レンズ２とディスク３
を合わせた系で球面レンズの形状が、各々メ；□さて、
ロッドと球面レンズ、ディスクを合わせた系でコマ収差
を補正するには、第４図（α）、（Ｃ）に示した内向性
同志、同図（ｈ）、（ｄ）に示した外向性同志を継ぎ合
わせればよいことがわかる。

第４図（α）、（ｂ）に示した像点を逆に点光源にする
よう周辺光の交点を主光線まで移すと対応する同図（Ｃ
）、（ｄ）に示す交点も主光線に近づくからである。

以上要するに、ロッドの高次項が小さい値から大きい値
になるにつれて、複合させるべき均質レンズはメニスカ
スから両凸レンズに移る。

次に、数値解析による実施例について説明する。第２図
に示す光学系で固定しておくパラメータを第１表のよう
におく。

第　１　表 ロッド長！、レンズ面から光源までの距離１１←）は第
１表で与えたパラメータと球面の曲率Ｃ１、′Ｃ２（各
々曲率半径ｒ、、ｒ、の逆数）から近軸光線の関係式を
用いてめられる。な゛お、（−）は計算上置の量として
扱うことを意味する。任意光の径路は与えられたロッド
の屈折率分布に対して、ロンド内では光線方程式の積分
、境界面ではスネルの屈折法則を適゛用してめられる。

第５図は与えられた分布高次項に対してアプラナートに
する曲率の組を示した図で、仮に与えた屈折率分布の４
次、６次係数〜−０．８、Ａ６−０．４に対して、像面
での横球面収差を±１μｍ内にする曲率Ｃ１、への範囲
を示している。また、壬の範囲の中の三点ｐｌ、　Ｐｚ
、Ｐ３について、横球面収差曲線と（２）式で定義され
る正弦条件不満足量ＳＣＲＸ　１００％　を図示した。

５ＣＲ−１（コム−β）−菰・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（２）β　ｚｔｎθ
ｏ　ｑ ここで、ＳＡは縦球面収差、ｑは射出瞳から゛像面への
距離とする。なお、子午面内光線のコマ収差はＳＣＲと
像高の積で与えられる。従つ１て、例えば、ＳＣＲＸ　
１００　（％）−〇。５偶）のときは、像高０．２鴎で
１μｍのコマ収差が生じることになる（光源は軸外０．
２／ｌβ１ｓｌＩ）。２２点に対応する曲率Ｃ１、ＣＩ
を選ぶことにより球面収差のみならずコマ収差を小さく
できることがわかる。所謂アプラナートレンズが可能で
ある。４次、６次係数Ａ、　、　Ａ６を他の値にとって
同様に曲率Ｃｔ、　Ｃ之を探がすことを行いアプラナー
トレンズが可能な４次、６次係数〜、ｈ６の範囲をめた
のが第６図である。同図（α）は横球面収差が土１μｍ
内に、しかも、実線はＳＣＲＸ　１００％の残留値のピ
ークの等高線をなす。同図（ｂ）は４次、６次係数Ａ９
、ｈ６　に対して選ぶべき曲率Ｃ＋、Ｃｚを示している
。第４図を使って予想したように４次、６次係数に９、
ｈ６が大きくなるに従ってメニス、カス（ＣＩ＞０．　
Ｃｔ＞Ｏ）から両凸（ＣＩ＞　０　、　ＣＩ　＜０　）
になっている。

第７図は必要なロッド半径を第６図で説明した領域の中
心線上の点に対して示したものである。４次係数りやが
大きくなるにつれてロッド径は小さくなっている。

なお、比較のためロッドのみで同じ仕様を満たそうとし
たときに必要なロッド半径を点線で示した。

また、一点鎖線は射出端でのビーム半径を示す。

以上、詳細に説明したように、本発明の屈折率分布ロッ
ド・均質凸複合しンズ杜広範囲の分布係数のロッドに対
して球面収差とコマ収差を補正したレンズにできる。す
なわち、ロッドの屈折率分布の制御がよシ容易となシ、
かつ、小さいロッド径で作動距離と開口数の積をよシ大
きくすることができるという優れた効果を有するもので
ある。

さらに、球面数の減少によシ構造が単純化し、価格の低
減のみならず装置の信頼性を向上することができる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来提案されているメニスカスレンズの図、第
２図は本発明の屈折率分布ロッド・均質凸複合レンズの
概略構成図、第３図線球面収差の補正原理図、第４図社
コマ収差の補正原理図、第５図は与えられた分布高次項
に対してアプラナートにする曲率の組を説明するための
図、第６図（−）はアプラナートにできる分布高次項の
範囲と残留正弦条件不満足量を説明するための図、第６
図（ｈ）は高次項に対して選ぶべき曲率の組を説明する
ための図、第７図は必要なロッド径を説明するための図
である。 図中、１は屈折率分布ロッド、２は均質球面レンズ、３
はディスク、４社光源である〇第３図 ｈ４＞　ｈ４ｏ　＋　ｈ６＞　ｈｓ。 第４図 ＃１７　図 手続補正書（自発） 昭和５９年　９月　７３日 １事件の表示 昭和５９年特許願ｍｔｏｉｓｓ号 ２発明の名称 屈折率分布ジッド・均質凸複合レンズ ３補正をする者 事件との関係　特許Ｈ５願人 東京都千代田区霞が関１丁目３番１号 １１４工業技術院長川田裕部 ４指定代理人 （１）　明細書中、第≦頁第３行の「屈折重分」を「屈
折率分布」と訂正する。 （匂　同、第９頁下から２行の「ＱＳ（イ）」を「ａコ
（イ）」と訂正する。 （３）同、第９頁最後の行のｒ　／　ＰｍＪを「ａｕ　
ｐｍ　Ｊと訂正する。 （４）明細書中の計算精度を向上させた結果、第６図（
ａ）、（ｂ）に誤差を含んでいることが判明したため、
第６図（→、　（ｂ）を別紙の通り訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 屈折率が中心軸から周辺に向ってはソニ乗分布で減少す
   る軸対称屈折率分布ロッドを用いた集光システムにおい
   て、前記軸対称屈折率分布ロッドに均質凸レンズを高開
   口数側に位置するよう複合させ、前記高開口数側の作動
   距離をその限界値である前記軸対称屈折率分布ロソヒ半
   径と前記高開口数の比に近づけ、な″らびに球面収差と
   コマ収差を補正したことを特徴とする屈折率分布ロッド
   ・均質凸複合レンズ。