專利名稱：光盤用物鏡、光傳感裝置、光盤記錄重放裝置以及光盤重放裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有實現(xiàn)大容量光盤的高數(shù)值孔徑(NA)的光盤用物鏡，光傳感裝置、光盤記錄重放裝置和光盤重放裝置。
但是，為了提高光盤容量，正在開發(fā)一種使用波長更短的光源，數(shù)值孔徑更高的物鏡的下一代光盤傳感系統(tǒng)。
并且，波長更短的激光可以采用波長約400nm的所謂蘭色激光器。
上述具有高數(shù)值孔徑的物鏡，例如有以下文獻報告的系統(tǒng)。
(A)Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.978-979 M.Itonaga et al.“Optical Disk System Using High-Numerical Aperture Single ObjectiveLens and Blue LD”.
(B)Jpn.J.Appl.Phys.Vol.39(2000)pp.937-942 I.Ichimura et al.“Optical Disk Recording Using a GaN Blue-Violet Laser Diode”.
其中，文獻(A)報告一種采用數(shù)值孔徑0.7的單透鏡的系統(tǒng)；文獻(B)報告一種采用數(shù)值孔徑0.85的2片組合透鏡的系統(tǒng)。
其另一特征是為了與高NA所造成的系統(tǒng)裕度降低相對照，把盤的再生透射層的厚度從CD的1.2mm或DVD的0.6mm開始減薄。(A)變?yōu)?.12mm，(B)為0.1mm。這也與系統(tǒng)的裕度大小的分配方法有關。大致優(yōu)選比0.3mm薄的透射層。
采用上述(B)的2片組合透鏡的系統(tǒng)，雖然數(shù)值孔徑比(A)大，但其需要裝配工序而且需要2片透鏡，所以，其生產(chǎn)效率低，而且成本高。
因此，下一代系統(tǒng)中優(yōu)選數(shù)值孔徑0.7以上的單透鏡的光盤用物鏡。
在特開平4-163510號公報中敘述了采用數(shù)值孔徑0.6～0.8的單透鏡的物鏡。
再者，為了解決上述問題，涉及本發(fā)明的光傳感裝置具有至少具有上述特性之一的透鏡、激光光源和光探頭。
上述透鏡，其動作距離與被從上述激光光源出射的激光所照射的光盤半徑之間，最好具有以下關系。
動作距離＞0.005×光盤半徑涉及本發(fā)明的光盤記錄重放裝置具有上述的光傳感裝置、以及利用上述光傳感裝置來記錄重放光盤信息的記錄重放裝置。
涉及本發(fā)明的光盤重放裝置具有上述光傳感裝置、以及利用上述光傳感裝置來重放已記錄在光盤上的信息的重放裝置。
然而，僅僅說是能夠設計，但未能制造出具有高數(shù)值孔徑的物鏡。為了能實際制造這種物鏡，必須是能確保制造公差的設計。并且，為了減小在光源波長變動的情況下或者波長有一定寬度范圍的情況下的影響，必須是色差影響小的物鏡。
在此，在雙面非球面透鏡的情況下，最嚴格而且最重要的制造公差是面與面之間的偏心(面間偏心)。所以，作為向物鏡垂直入射情況下的像差的軸上(軸向)像差和作為傾斜入射情況下的像差的軸外(離軸)像差，以兩種像差為代表的物鏡的設計性能以及制造公差必須同時滿足。
但是，透鏡的設計性能和制造公差，尤其若數(shù)值孔徑高于0.75，則很難兩者兼顧。
實際上，這種雙面非球面透鏡，軸外像差，即使在不考慮上述制造公差進行設計的情況下，也是隨數(shù)值孔徑的加大而惡化，若考慮制造公差，則更加惡化。也就是說，為了確保較大的偏心公差，必須犧牲軸上像差和軸外像差特性。
軸上像差即使考慮偏心公差，也只是稍有劣化，但是，軸外像差，對于數(shù)值孔徑超過0.6的高數(shù)值孔徑的透鏡，若要確保能夠制造的微米級的公差，會帶來巨大犧牲。
并且，關于色差，因為首先要把能夠制造透鏡本身作為優(yōu)先條件，所以，必須使透鏡的形狀，既能滿足制造公差，又能盡量改善色差特性。
由于上述原因，過去就在探索性能良好的雙面非球面透鏡的形狀，并發(fā)表了各種文獻報告。特開平5-241069號公報，特開平4-163510號公報為其一例。
在特開平4-163510號公報中敘述了性能良好的透鏡的形狀范圍。但是該文獻并未談到確保偏心公差。數(shù)值孔徑唯一超過0.75的實施例2的透鏡(波長532nm，數(shù)值孔徑為0.8的規(guī)格)，存在的問題是，即使很小的偏心也會造成巨大的像差。并且，沒有敘述色差。
再有，這些已知文獻所表示的范圍相當廣泛，在這些范圍內(nèi)存在的問題是，不一定能實際設計出良好的透鏡。
本發(fā)明正是鑒于上述問題而提出的，其目的在于提供一種光盤用物鏡，其數(shù)值孔徑為0.75以上，軸上像差，軸外像差和面間的偏心像差良好，而且色差特性也良好，采用雙面非球面單透鏡構(gòu)成。
為了解決上述問題，涉及本發(fā)明的光盤用物鏡是兩面為非球面的數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，第1面的頂點的曲率半徑R1滿足下式(1-D)A＜R1＜(1+D)AA＝B/CB＝0.85f(n-1)C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)式中，n是該透鏡的折射率，f是該透鏡的焦距，t是該透鏡的中心厚度(亦可稱為軸上厚度)，d是該光盤的透射層的厚度D是正數(shù)，較好的為0.05，更好的為0.04，最好的為0.03。
再者，為了解決上述問題，涉及本發(fā)明的光盤用物鏡是兩面均為非球面的、數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，透鏡的內(nèi)部的最大高度的光線與光軸形成的角度u1′滿足下式
(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·KK＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f為該透鏡的焦距，t為該透鏡的中心厚度，d為該光盤的透射層厚度。D為正數(shù)，較好的為0.06，更好的為0.05，最好的為0.04。
涉及本發(fā)明的光盤用物鏡具有上述構(gòu)成，透鏡的兩面之間的偏心公差在能夠制造的范圍內(nèi)，但軸外像差特性的惡化程度減小。
再有，為了解決上述問題，涉及本發(fā)明的光盤用物鏡，是兩面均為非球面的、數(shù)值孔徑為0.75以上的單透鏡，最大高度的光線所入射的點上的第1面的法線和光軸形成的角為規(guī)定的角度以下。上述規(guī)定的角度，57度為好，56度為更好，55度為最好。
再者，涉及本發(fā)明的光盤用物鏡，是雙面均為非球面的、數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，最大高度的光線進行入射的點中的第1面的法線和光軸形成的角θ能滿足下式。
θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)式中的α以57度為好，56度為更好，55度為最好。
再者，優(yōu)選透鏡的中心厚度t和焦距f能滿足下式。
t＞(1+E)f式中，E為0以上的數(shù)，較好為0，更好為0.1，最好為0.2。
再有，優(yōu)選涉及本發(fā)明的光盤用物鏡的成像倍率為0。也就是說，最好是，該物鏡至少是無制造誤差，而且，在光源波長與標準波長一致的情況下對平行光進行聚光。
并且，最好是，涉及本發(fā)明的光盤用物鏡設計成適合于波長450nm以下的光源。
本發(fā)明對于透射層比DVD盤、CD盤薄，尤其厚度為0.4mm以下的光盤，具有良好的特性。
在本發(fā)明中，焦距f優(yōu)選為10mm以下，若為3.5mm以下則更好。
也就是說，光束的大小(直徑)Φ由下式?jīng)Q定，取決于數(shù)值孔徑NA和焦距f。
Φ＝2×NA×f當焦距為10mm，NA為0.75時，Φ＝15mm。該直徑可以說是比較大的，因為很多光傳感裝置采用Φ＜5mm的光束。所以，希望焦距為10mm以下。再有，若Φ＝5mm，則NA＝0.75，f＝3.33mm，所以，焦距為3.5mm更好。
并且，焦距優(yōu)選為0以上，0.2mm以上更好。
也就是說，工作距離取決于光盤厚度，薄的光盤距離大。可以考慮的系統(tǒng)是，使用薄光盤，按照非常短的工作距離來使用焦距短的超小型透鏡。例如，若把光盤制成表讀結(jié)構(gòu)，則焦距為0.1mm也能設計透鏡。所以，焦距的下限為f＞0即可.但是，實際上制造太小的透鏡，目前尚沒有成熟的方法?？紤]到這一點，也可以說f＞0.2mm是目前的下限。
最好是，透鏡厚度t的上限，使按照下式所規(guī)定的工作距離dw為正來進行規(guī)定.
dw＝fb-d/n′式中，d是光盤厚度，n′是光盤折射率，fb由下式規(guī)定.R1由上述式子規(guī)定。
fb＝f(1-t(n-1)/n/R1)也就是說，若透鏡增厚，則工作距離縮短，為了能作為透鏡成立，工作距離必須是有限的。所以，透鏡厚度的上限成為工作距離為限值的范圍。該范圍由透鏡焦距、厚度和光盤厚度決定。
透鏡厚度的范圍例如可設定為1.5mm以上3.5mm以下。
本發(fā)明能適用于具有上述光盤用物鏡的光傳感裝置。最好是，光傳感裝置采用上述光盤用物鏡，沿光盤的軌跡使光束聚焦照射，進行信息信號的記錄或重放。最好是，光傳感裝置的成像倍率為0。
圖2是說明物鏡內(nèi)部的光線角度和第2面的成像倍率的圖。
圖3是表示透鏡厚度與求u1的回歸式和求回歸式用的數(shù)據(jù)的關系的圖。
圖4是表示光盤厚度與求u1的回歸式和求回歸式用的數(shù)據(jù)的關系的圖。
圖5是表示求成像倍率β隨數(shù)值孔徑的變化所用的數(shù)據(jù)和回歸式的關系的圖。
圖6是說明R1和β’的關系式的推導的圖。
圖7是表示透鏡的中心厚度和波長誤差(5nm)引起的殘留像差的關系的圖。
圖8表示在焦距2mm、折射率1.75的透鏡中，玻璃的折射率變成1.7486的情況下的fb的變化量。
圖9是第1實施例的物鏡的斷面圖。


圖10是第1實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖11是第1實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖12是第1實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖13表示一邊保持與第1實施例的透鏡相同的折射率和厚度，一邊對R1稍加改變而設計出的透鏡中的像差增加的情況。
圖14是第2實施例的物鏡的斷面圖。
圖15是第2實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖16是第2實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖17是第2實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖18是第3實施例的物鏡的斷面圖。
圖19是第3實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖20是第3實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖21是第3實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖22是第4實施例的物鏡的斷面圖。
圖23是第4實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖24是第4實施例的物鏡的正弦條件不滿足量圖。
圖25是第4實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖26表示透鏡的幾何學的關系的圖。
圖27是表示最大高度的光線向第1面的入射角度和像差特性的關系的圖。
圖28是表示對實際的設計值和按照回歸式確定的值進行比較的圖。
圖29是第5實施例的物鏡的斷面圖。
圖30是第5實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖31是第5實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖32是第5實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖33是第6實施例的物鏡的斷面圖。
圖34是第6實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖35是第6實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖36是第6實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖37是第7實施例的物鏡的斷面圖。
圖38是第7實施例的物鏡的縱向像差圖。
圖39是第7實施例的物鏡的正弦條件不滿足量的圖。
圖40是第7實施例的物鏡的像散現(xiàn)象圖。
圖41是表示光傳感裝置的實施例的圖。
圖42是表示光盤記錄重放裝置的實施例的圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，詳細說明本發(fā)明的光盤用物鏡的實施例。
首先，在說明本實施例的光盤用物鏡所滿足的各條件式之前，先說明與本實施例的透鏡的設計有關的基本的軸上像差特性、軸外像差特性、偏心公差的平衡。其中，所謂偏心公差，是按有偏心的情況下的波陣面像差的增加而進行定義。
在本實施例中，為了確保軸上像差、軸外像差和制造公差，要求對以下3個條件進行平衡。
(1)為確保軸上像差，應校正透鏡的球面像差。
(2)為確保軸外像差，透鏡應滿足正弦條件。
(3)為確保偏心公差，第2面應單獨滿足正弦條件。另外，為防止色差特性下降，要求滿足以下條件。
(4)采用具有波長誤差的情況下的各波長的最佳象面的像差增加應當比較少。將其稱為由波長誤差造成的球面像差。
(5)對光源，為了限制在有波長擴展的情況下的像差增加，要求減小波長變化所造成的焦點位置的變化。波長擴展是在為改善半導體激光的噪音特性而在激光上疊加高頻重疊形成多模式的情況下而產(chǎn)生的。在此，所謂波長變化所造成的焦距變化較小，是表示要求減小軸上像差。
以下，首先詳細說明確保軸上像差和軸外像差的透鏡基本形態(tài)，然后說明色差特性良好的透鏡系對。
雙面非球面透鏡能同時滿足用于確保軸上像差和軸外像差的2個條件(1)和(2)。把能同時滿足條件(1)和(2)的透鏡稱為消球差透鏡。
但是，一般若能滿足條件(1)和(2)，則不能滿足用于確保偏心公差的條件(3)。
但是，若滿足條件(2)，基本滿足條件(3)，則整個透鏡滿足正弦條件，而且第2面也基本上滿足正弦條件，所以，第1面也在光線高度與折射角的關系方面基本滿足正弦條件。
再有，在本實施例中，對用于確保軸上像差和軸外像差的條件(1)和(2)、以及用于確保偏心公差的條件(3)進行平衡，對基本滿足的條件(3)的滿足度按比例分配，因此，既能確保軸上像差和軸外像差，又能確保能制造出透鏡的偏心公差。
若按照上述“關于孔徑比特大的非球面消球差透鏡的研究”(吉田正太郎，東北大學科學計測研究所報告，1958年3月)，則關于雙面非球面透鏡，在使焦距一定，對透鏡半徑進行配曲調(diào)整加以改變的情況下，在相當寬的頂點半徑組合的范疇內(nèi)，很明顯是可以獲得同時滿足條件(1)和(2)的透鏡。
再有，若按照田中康宏“消球差單透鏡設計及在光盤光學系統(tǒng)中的應用”光學27，12(1998)p720，則表示對面間的偏心適應性強的透鏡能滿足條件(3)。
在此，在滿足條件(1)和(2)的非球面透鏡的設計中，如果滿足條件(3)，那么可以說是對偏心公差適應性強的透鏡。但是，如上所述，不能同時完全滿足各種條件。這是因為對3個條件，透鏡的設計自由度只有非球面2面，是2個設計自由度。
再有，根據(jù)本申請的發(fā)明人的分析，可以看出，數(shù)值孔徑越大，對條件(1)～(3)背離完整性越多。
實際上，如果是以往的DVD光盤用的數(shù)值孔徑為0.6的透鏡或者CD光盤用的數(shù)值孔徑為0.45的透鏡，那么由于數(shù)值孔徑小，所以，即使在很寬的范圍內(nèi)改變頂點半徑的設定，仍然是像差的增加較少，容易使軸上像差和軸外像差之間達到平衡。也就是說，無論以哪個半徑為出發(fā)點，也都是稍微犧牲一點軸上像差和軸外像差，即可增大偏心公差。
與此相反，若數(shù)值孔徑增大，波長縮短，則像差與波長成反比，而使像差增大，所以使設計上沒有裕度。因此，對這種透鏡，必須嚴格規(guī)定形狀(近軸形狀)。
在此，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在規(guī)定了透鏡焦距，透鏡厚度和光盤厚度的情況下，在偏心公差大的透鏡中以相同的高度入射到透鏡內(nèi)的光線幾乎與透鏡折射率無關，在透鏡內(nèi)部相對于光軸的角度基本相同。并且發(fā)現(xiàn)，上述角度取決于光盤厚度和透鏡厚度。
在本實施例中，利用這種性質(zhì)，既使條件(1)～(3)之間達到平衡，又相應地確保各個條件。
圖1是說明透鏡形態(tài)的圖。
物鏡11使從光源(未圖示)發(fā)出后入射的光束L1進行折射，在光盤21的信號記錄面上聚焦。物鏡11的第1面1的頂點上的曲率半徑為R1；第2面2的頂點上的曲率半徑為R2。并且，物鏡11的中心厚度為t，光盤21的透射層的厚度為d。再有，物鏡11的工作距離為DW。
圖2是說明透鏡內(nèi)部的光線的角度和第2面的成像倍率的圖。
與光軸相平行地射入到物鏡11內(nèi)的光束L1，最大高度的光線在物鏡11的第1面1進行折射，與光軸形成u1的角度，另外，在物鏡11的第2面2進行折射，與光軸形成u2的角度。
這里，表示數(shù)值孔徑為0.85時的式子，u1是在第1面1折射的最大高度的光線與光軸形成的角。但在利用滿足條件(1)和(2)的消球差進行非球面化的情況下，也是數(shù)值孔徑為0.85的光線形成的角度。如前所述，該角度在特性良好的透鏡中取決于與透鏡的焦距f相對的透鏡的中心厚度t和光盤厚度d，與透鏡的折射率無關。對該式表示如下。
Sin(u1)＝0.60866-0.11t/f-0.1272d/f……(6)圖3是表示與透鏡厚度有關的求解u1的回歸式和求解回歸式所用的數(shù)據(jù)的關系的圖。圖中的符號◆(黑方塊)表示實設計值；圖中的直線表示由回歸式確定的值。
實設計值是在焦距f為2mm，透鏡的玻璃材料的折射率n為1.75，光盤的透射層的厚度d為0.1mm的情況下，改變透鏡的厚度t所設計的值。實設計值和由回歸式確定的值很一致，表示出回歸式的正確性。
圖4是表示與盤厚度有關的求解u1的回歸式和求解回歸式所用的數(shù)據(jù)的關系的圖。圖中的符號◆(黑方塊)表示實設計值，圖中的直線表示由回歸式確定的值。
實設計值是在焦距f為2mm，透鏡的玻璃材料的折射率n為1.75，透鏡的透射層的厚度t為3mm時，改變盤的厚度d所設計的值。實設計值和由回歸式確定的值很一致，表示出回歸式的正確性。
那么，利用上式(6)來確定透鏡的各常數(shù)時，使用近軸的公式是很簡單的。
但是，該透鏡，第1面和第2面單獨地基本上能滿足正弦條件。式中，u1和u2的關系由第2面的成像作用來決定。不過，所謂面單獨地能滿足正弦條件，是指面中的實光線的成像倍率與光線的高度無關，是取與近軸倍率相同的一定值。
也就是說，若設第2面的近軸成像倍率為β，則下式的關系成立。式中，up1、up2是近軸光線的傾斜，u1、u2是實光線的傾斜。
β＝n·up1/up2＝n·sin(u1)/sin(u2)式中，最大高度的光線數(shù)值孔徑，即sin(u2)為0.85，所以可得下式β＝n·sin(u1)/0.85那么，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了u1(up1和β)隨數(shù)值孔徑而變化。
這是因為若滿足條件(1)和(2)，則雖然條件(3)尚剩余一點誤差，但若利用光線折射角最大的透鏡的最外周來滿足條件(3)，則對偏心有最強的適應力。因此，β隨數(shù)值孔徑而變化。
考慮了數(shù)值孔徑的β經(jīng)過一般(廣義)化后的β’可由下式表示。第2面的成像倍率β’加進了數(shù)值孔徑(NA)。
β’＝β(0.83+0.2·NA)圖5是表示為了求出與數(shù)值孔徑有關的成像倍率β’的變化所使用的數(shù)據(jù)和回歸式的關系的圖。圖中的符號◆表示實設計值，圖中的直線表示由回歸式確定的值。
實設計值是在焦距f為2mm，玻璃材料的折射率n為1.75，透鏡厚度t為2mm的情況下，改變數(shù)值孔徑而設計的值。實設計值和由回歸式確定的值相當一致，表示回歸式的正確性。式中，R1和倍率β’之間有以下關系R1＝f(n-1)/β’圖6是說明該式的推導的圖。
圖6A所示的透鏡111，具有折射率n、曲率R101具有第1面101和曲率R102具有無限大的第2面102，與光軸相平行的光線L101射入透鏡。第2面，因曲率R102為無限大，所以是平面。在此情況下，焦距f′、第一面101的曲率R101、折射率n之間具有以下關系f′＝R/(n-1)圖6的B表示像面(像空間)112為折射率n的情況。與射入到曲率R101的第1面101內(nèi)的與光軸相平行的光線L101從第1面101的頂點起在距離L的位置上與光軸相交。在此情況下，以下關系式成立f′＝L/n所以，第1面101的曲率R101可由下式表示R101＝(n-1)f′＝(n-1)/n·L圖6的c是說明向雙凸透鏡擴展的圖。與最大高度h的光軸相平行的光線射入到雙面凸透鏡113內(nèi)。圖中的L相當于圖6B所示的L。根據(jù)倍率的定義可以得下式β＝n·u1/u2＝n·f/L即變成下式L＝n·f/β若用該式，則可用折射率n、焦距f、成像倍率β來表示第1面101的曲率半徑R101R101＝(n-1)·f/β這樣可以獲得上述的R1和β’的關系式。若根據(jù)上式來求R1，則可得下式R1＝B/CB＝0.85f(n-1)C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)在數(shù)值孔徑為0.75以上的透鏡的情況下，為了設計充分滿足偏心公差的透鏡，根據(jù)上述曲率半徑R1，以0.05為好，0.04更好，0.03以下最好。
式中，sin(u1)與R1成反比。作為sin函數(shù)的特性、若與u1相比，則sin(u1)的變化小，所以，u1的變化大。也就是說，與R1所允許的范圍相比，u1所允許的范圍寬。
若對這種關系加以整理，則可表示為與第1面的曲率半徑R1相對的下列條件(1-D)A＜R1＜(1+D)A ……(7)A＝B/CB＝0.85f(n-1)C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)式中，D為正數(shù)，以0.05為宜，0.04更好，0.03最好。
而且，盤的透射層的影響比較小，在折射率為1.45～1.65的范圍內(nèi)，沒有大的變化。
上述0.03～0.05的幅度，由于該盤的折射率不同，嚴格地說這是包括因透鏡的折射率不同而產(chǎn)生的微小差異在內(nèi)的值。
而且，透鏡折射率低，數(shù)值孔徑為小于0.75的值時裕度增大，因此，在偏離該值5％以內(nèi)，能獲得大體良好的設計。
總而言之，若滿足與透鏡第1面的曲率半徑R1有關的條件(7)，則能同時滿足軸上像差特性、軸外像差特性和偏心公差(使像差增加)。
進一步補充說明，本發(fā)明實施例的非球面透鏡既可以是相對于光軸來說旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡(共軸光學系統(tǒng))，也可以是根據(jù)方向不同使非球面形狀稍有變化的復曲面透鏡(toric lens)那樣的形狀。在像復曲面透鏡那樣的形狀的情況下，不言而喻，也必須使各個方向的第1面的曲率半徑R1符合上述范圍。
若把第1面的曲率半徑R1設定在條件(7)所示的范圍內(nèi)，則第2面曲率半徑R2利用下式根據(jù)已設定的焦距f自動地決定。而且，該式很容易從給出雙面的半徑和厚度的情況下的、計算單透鏡的近軸焦距的基本式中推導出來。
R2＝G/HG＝f(n-1)(t(n-1)/n-R1)H＝(R1-f(n-1))這樣，來決定第1面頂點的曲率半徑R1和第2面頂點的曲率半徑R2。若根據(jù)該曲率半徑，在同時滿足條件(1)和(2)的情況下，使雙面非球面化，則從一種意義上決定非球面的形狀。這時，能提高條件(3)的正弦條件的滿足度，可獲得偏心公差大的透鏡。
如上所述，不可能既完全滿足條件(1)和條件(2)，又滿足條件(3)。這是因為對于3個條件，透鏡的設計自由度只有2個非球面，設計自由度是2。所以，也可對用上述方法獲得的非球面形狀稍加更改，增加偏心公差。在此情況下，雖然不能避免軸上像差或軸外像差的變壞，但為了獲得實用的透鏡，能確保重要的制造公差。
換句話說，在設計時適當犧牲軸上像差和軸外像差的性能來確保偏心公差，在兩者之間取得平衡。另外，也還可以把這種設計作業(yè)看作是對上述3個條件(1)～(3)的滿足程度進行比例分配。
并且，當這樣對非球面形狀進行探索時，作為出發(fā)點的球面的半徑如果不滿足條件(6)或(7)，那么，就會造成偏心公差、軸外像差或或軸上像差的增大，不能做出使像差之間達到平衡的設計。
但是，上述透鏡，因為確保了偏心公差，未考慮條件(4)和(5)，所以不能滿足確保色差特性的充分條件。以下詳細說明色差特性。
這里，透鏡的中心厚度t和焦距f滿足以下式子。
t＞(1+E)f式中，E為0以上的數(shù)，以0為宜，0.1更好，0.2最好。
在具有上述關系的情況下，提高了條件(4)和條件(5)的滿足度。
首先，關于具有條件(4)的波長誤差的情況下的各波長的最佳像面的像差增加較小，是因為透鏡的中心厚度大的能使透鏡第1面(入射面)的半徑較大。更詳細地說因為若第一面的曲率半徑增大，則通過透鏡外側(cè)端部的光線向透鏡的入射角θ(透鏡面的法線與光線形成的角)減小，這樣，非線形現(xiàn)象的折射效果減小，其結(jié)果，在波長變化的情況下的球面像差的增加變小。
圖7是透鏡的中心厚度與波長誤差(5nm)所造成的殘留像差的關系。殘留像差是球面像差。該圖是設計多個NA為0.85，焦距為2.5mm的透鏡而描繪的。.玻璃材料是Ohara制的LAM70。并且，在透鏡設計中采用了較大的偏心公差。
從圖7中可以看出若透鏡的厚度小于焦距，則出現(xiàn)0.04λ的較大的像差。并且，也可以看出，在厚度為焦距的1.2倍的3mm以下時像差增加變大。
其次，關于有條件(5)的波長擴展的情況下的像差增加，在有波長擴展的情況下，在其擴展中把中心波長的最佳像面作為觀測面的情況下，在其他波長，除上述球面像差外，還產(chǎn)生焦點誤差。實際上，與球面像差相比，焦點誤差的影響大，尤其在波長為450nm(0.45μm)以下的情況下，玻璃的折射率的分散增大，所以，焦點誤差的影響非常大。
該焦點誤差起因于在波長變化情況下的透鏡的反焦距的變化。透鏡的反焦距fb可以利用按照近軸近似的光線追蹤式來求出。這是R1、t、n和下式的關系fb＝f(1-t(n-1)/n/R1)根據(jù)玻璃的分散，使n變化的情況下的fb的值的差變成焦點誤差。
圖8表示在焦距為2mm，折射率為1.75的透鏡中，玻璃的折射率變化為1.7486的情況下的fb的變化量。Fb的變化量是軸上色差。并且，該折射率的變化，相當于把色散系數(shù)為45左右的玻璃使用在400nm左右的波長中的情況下的約5nm的波長變化時的折射率變化。透鏡形狀是平凸透鏡，R1是1.5mm?，F(xiàn)實的透鏡不是平凸透鏡，而是雙面為球面。更正確地說是非球面。f、fb等的近軸諸量由頂點的半徑?jīng)Q定，所以，作為球面透鏡沒有問題，但是，fb的變化，其結(jié)果是與保持焦距使R1和R2變化的，對透鏡的彎曲沒有多大影響的平凸透鏡的情況非常接近。根據(jù)圖8進行判斷，沒有問題。根據(jù)附圖，軸上色差與透鏡厚度成比例地減小，所以，希望透鏡厚度盡量厚。
但是在本說明書的格式范圍內(nèi)，在完全消球差透鏡中有偏心造成的像差增加為最小的第1面半徑。其中，在對上述像差進行平衡的情況下，不一定要采用偏心像差最小的半徑，在不超過條件式的范圍內(nèi)，可以把接近的稍有不同的半徑用作非球面形狀的頂點的半徑，對軸上像差和軸外像差取平衡。
所謂對像差取平衡，可以說是指設計自由度，只有把不完整性引入完全消球差透鏡，透鏡的半徑本身也能增加自由度，而取得平衡。
當然，在超過條件式進行變化的情況下，很難在像差之間取得平衡，所以必須遵守條件式。
以上說明了特性隨數(shù)值孔徑的變化，其著眼點是成像倍率β的變化，在此進一步的說明將著眼于透鏡內(nèi)部的最高高度的光線與光軸形成的角度u1隨數(shù)值孔徑的變化。
首先，若數(shù)值孔徑變化，則u1大體上與數(shù)值孔徑成正比地變化。另外，和按β變化進行敘述時，相同的原因使其稍稍偏離正比的變化。準確地說，β的變化是u1的變化引起的。
考慮到這一點，設NA為0.85以外時的內(nèi)部角度為u1’。u1’可由下式表示。
K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f是焦距，t是盤的中心厚度，d是光盤的透射層的厚度，NA是透鏡的數(shù)值孔徑。
并且，在數(shù)值孔徑為0.75以上的透鏡的情況下，為了設計能充分確保偏心公差的透鏡，從內(nèi)部角度u1’考慮，希望在0.06的范圍內(nèi)，達到0.05更好，0.04最好。
若對這種關系加以整理，則可獲得對內(nèi)部角度u1’的以下條件。
(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·K ……(8)K＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，D是正數(shù)，較好為0.06，更好為0.05，最好為0.04。
而且，盤的透射層的影響比較小，折射率為1.45～1.65的范圍內(nèi)，沒有大的變化。
上述0.04～0.06的幅度是該盤的折射率不同，嚴格地說，是該數(shù)值包含由于透鏡折射率不同而產(chǎn)生的很小差異。
再者，透鏡的折射率低，數(shù)值孔徑小于0.75時，裕度增大，所以從該值按6％以內(nèi)的角度即可獲得大致良好的值。
在此，透鏡的中心厚度t和焦距f滿足以下關系式。
t＞(1+E)f式中，E為0以上的數(shù)，較好為0，更好為0.1，最好為0.2。
以上情況，歸納起來看，對透鏡內(nèi)部的最大高度的光線與光軸形成的角u1’，若滿足條件4，則能同時滿足軸上像差特性、軸外像差特性和偏心公差(所造成的像差增大)。
進一步補充說明如下。該非球面透鏡既可以是對光軸旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡(共軸光學系統(tǒng))，也可以是根據(jù)方向使非球面形狀稍稍變化的托奧伊庫透鏡那樣的形狀。不言而喻，后者的情況下也必須使各個方向的第1面的曲率半徑和厚度符合上述范圍。
以下表示涉及本發(fā)明的光盤用物鏡的實施例。
在實施例中用以下多項式來表示非球面。
Z＝CY2/(1+(1-(1+K)C2Y2)0.5)+AR4+BR4+CR8+DR10+ER12+FR14式中，Z是離面頂點的距離，Y是離光軸的高度，K是圓錐常數(shù)，A～F是從4次到14次的非球面系數(shù)。例如，A相當于Y的4次方的系數(shù)。<第1實施例>
圖9是第1實施例的物鏡的斷面圖。把第1實施例的物鏡稱為物鏡1101。
射入到物鏡1101內(nèi)的光束L在第1面1和第2面2進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層，被聚光在信號記錄面上。
透鏡規(guī)格如表1所示。
表1

透鏡1101的設計值如表2所示。而且，半徑和厚度的單位是mm。以下相同表2

第1面的非球面系數(shù)如表3所示。
表3

第2面的非球面系數(shù)如表4所示。
表4

根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的R1的推薦值，即式(7)中的A值為1.731695。該推薦值和實際設計值的背離為1.25％。
該透鏡的特性基本滿足條件(1)和(2)，是對條件(3)保留一點誤差的消球差透鏡。
在該透鏡1101中，軸上的波陣面像差較小，為0.002λ，實用上可以說是無像差的值。相對于軸外的0.5度的入射光線的波陣面像差特性良好，為0.023。另外，關于在制造工序中重要的面之間的偏心，當偏心為3μm時，波陣面像差之值為0.036λ，非常良好。
該透鏡1101的最高光線的透鏡內(nèi)部的角度的正弦是sin(u1’)＝0.46。另一方面根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的sin(u1’)的推薦值，即式(8)中的K是0.4511。該推薦值偏離實際設計值1.97％圖10是縱向像差圖，圖11是表示正弦條件不滿足量的圖。圖12是像散現(xiàn)象圖。
圖13是表示透鏡偏心為3μm的情況下的像差增加情況的圖。該透鏡是在一邊保持與第1實施例的透鏡1101相同的折射率和厚度，一邊使第1面的曲率半徑R1僅變化一點進行設計的。
像差的增加用白方塊□表示數(shù)值孔徑為0.75的情況；用黑方塊◆表示數(shù)值孔徑為0.85的情況。
各個數(shù)值孔徑中的式(7)的A值，數(shù)值孔徑0.75時為1.767mm；數(shù)值孔徑0.85時為1.732mm。
根據(jù)圖13，可以看出，若把偏心時的像差的極限設定為0.04λ，則把第1面的曲率半徑R1設定為作為推薦值的A值的至少5％以內(nèi)比較好，若設定為4％以內(nèi)，則能準確地設定為0.04λ以下。
再者，考慮到若提高數(shù)值孔徑，則R1變化的情況下的像差增加變大，所以，設定為3％以內(nèi)最好。
但是，在數(shù)值孔徑為0.85的情況下，像差最佳點與A偏離理論值約1％。這是回歸式誤差造成的，上述范圍是將其考慮在內(nèi)的值。
而且，在該透鏡規(guī)格的情況下，按3μm的偏心，出現(xiàn)0.04λ的像差。有時由于規(guī)格的關系也只能實現(xiàn)相當大的值。在這種情況下不言而喻，也是為了減小像差，必須控制在上述范圍內(nèi)。
透鏡1101的厚度為焦距的1.375倍。該透鏡1101的玻璃材料是按固定折射率進行設計的。折射率的變化相當于波長變化了5nm的情況，在折射率變?yōu)?.8486的情況下的最佳像面中的像差被控制在較小值0.01λ。并且，軸上像差的量為2.17μm，被控制在較低水平上。<第2實施例>
圖14是第2實施例的物鏡的斷面圖。把第2實施例的物鏡稱為物鏡1102。
射入到物鏡1102內(nèi)的光束L在第1面1和第2面2上進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層而在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表5所示。
表5

透鏡1102的設計值如表6所示。
表6

第1面的非球面系數(shù)如表7所示。
表7

第2面的非球面系數(shù)如表8所示。
表8

根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的R1推薦值，即式(7)的A值為1.4495mm。該推薦值偏離實設計值0.3％。該透鏡特性是基本滿足條件(1)和(2)的條件(3)稍有剩余誤差的消球差透鏡。
軸上的波陣面像差很小，為0.001λ，可以說是實用上無像差的值。相對于軸外0.5度的入射光線的波陣面像差，特性良好，為0.013λ。另外，關于對制造公差很重要的面間偏心，在偏心3μm時波陣面像差之值0.023，性能很好。
該透鏡1102的最高光線的透鏡內(nèi)部的角度u1’的正弦是sin(u1’)＝0.421。另一方面，根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的sin(u1’)的推薦值，即式(8)中的K為0.44。該推薦值偏離實設計值1.7％。
圖15是縱向像差圖，圖16是表示正弦條件不滿足量的圖，圖17是像散現(xiàn)象圖。
透鏡1102的厚度為焦距的1.429倍。該透鏡1102的玻璃材料是按固定折射率進行設計的。折射率的變化相當于波長變化5nm的情況，變化在折射率變成1.7486的情況下，最佳像面中的像差被控制為較小值0.01λ。并且，軸上像差的量為2.10μm，較低。<第3實施例>
圖18是第3實施例的物鏡的斷面圖，把第3實施例的物鏡稱為物鏡1103。
射入到物鏡1103內(nèi)的光束L在第1面1和第2面2進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層，在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表9所示。
表9

透鏡1103的設計值如表10所示。
表10

第1面的非球面系數(shù)如表11所示。
表11

第2面的非球面系數(shù)如表12所示。
表12

各玻璃材料的折射率如表13所示。
表13

根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的R1推薦值，即式(7)的A值是1.81581mm。該推薦值偏離實設計值0.2％。該透鏡特性基本滿足條件(1)，條件2尚有些不滿足，因此，與第1實施例的透鏡相比是減小了偏心時的像差增加的透鏡，并且，是非常接近對條件(3)保留一點誤差的消球差透鏡。
軸上的波陣面像差為0.006λ，非常小，可以說是實用上無像差的值。相對于軸外0.5度對入射光線的波陣面像差為0.069λ，特性良好。另外，關于制造公差很重要的面間偏心，在偏心5μm時波陣面像差之值0.034是很好的值。
該透鏡1103的最高光線的透鏡內(nèi)部的角度u1’的正弦是sin(u1’)＝0.466。另一方面，根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的sin(u1’)推薦值，即式(8)中的K是0.464。該推薦值偏離實設計值0.43％。
圖19是縱向像差圖，圖20是表示正弦條件不滿足量的圖，圖21是像散現(xiàn)象。
透鏡1103的厚度是焦距的1.411倍。波長變化5nm達到410nm的情況下的最佳像面的像差被減小到0.029λ。并且，軸上像差的量為2.21μm，較低。
<第4實施例>
圖22是第4實施例的物鏡的斷面圖。把第4實施例的物鏡稱為物鏡1104。
射入到物鏡1104內(nèi)的光束L被第1面1和第2面2折射，透過光盤21的第3面3和透射層，在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表14所示。
表14

透鏡的設計值如表15所示。
表15

第1面的非球面系數(shù)如表16所示。
表16

第2面的非球面系數(shù)如表17所示。
表17

根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的R1推薦值、即式(7)中的A值是0.734mm。該推薦值和實設計值的偏離量為0.5％。
該透鏡的特性基本上能滿足條件(1)和(2)，僅對條件(3)尚有誤差，是一種消球差透鏡。
在該透鏡中，軸上的波陣面像差很小，為0.002λ，對實際使用可以說無像差。對軸外0.5度的入射光線的波陣面像差為0.008λ.特性良好。再有，關于對制造工序很重要的面間偏心，當偏心為3μm時波陣面像差為0.037λ，非常良好。
該透鏡的最高光線的透鏡內(nèi)部中的角度的正弦是sin(u1’)＝0.45。另一方面，根據(jù)該透鏡規(guī)格而計算出的sin(u1’)的推薦值、即式(6)中的K是0.4367。該推薦值與實設計值之間的偏離量為3.0％。
圖23是縱向像差圖，圖24是像散現(xiàn)象圖，圖25表示正弦條件不滿足量。
再者，動作距離為0.1735mm，這是采用半徑25mm盤時的最佳動作距離。與0.125mm相比，已相當寬。
但是，也可以使非球面系數(shù)稍稍改變，使偏心公差增加。在此情況下，不能避免軸上像差或軸外像差的劣化。但制造公差對獲得充分大的實用的透鏡來說很重要。
換句話說，通過使軸上像差和軸外像差適當劣化，以便確保偏心公差，找出平衡點進行設計。也還可以把這種作業(yè)稱之謂是按比例分配上述3個條件(1)～(3)的滿足程度。
并且，在這樣探索非球面形狀時，第1面的最大光線高度處的面的法線和光軸形成的角(以下簡稱為入射角)，如果不能滿足規(guī)定的條件式，那么，將造成偏心公差、軸外像差或軸上軸外像差增大，不能實現(xiàn)像差之間達到平衡的設計。以下詳細說明這一情況。
本申請的發(fā)明人設計多種透鏡，這些透鏡是大體上完全滿足條件(1)和(2)的消球差透鏡，并盡量提高對條件(3)的滿足程度，對透鏡的焦距、透鏡厚度、透鏡玻璃材料的折射率進行了各種變化和研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大高度的光線對透鏡第1面的入射角度，支配了軸上像差、軸外像差和偏心時像差的關系。而且，透鏡的設計波長優(yōu)選為450nm以下，具體為405nm。
圖26是表示透鏡中的幾何關系的圖。
與光軸相平行射入到物鏡110的第1面10的最大高度光線L0、以及該光線入射點上的第1面10的法線N形成入射角θ。20是第2面。
圖27是表示最大高度的光線對第1面10的入射角和像差特性的關系的圖。圖27的A是對0.5傾斜入射光線的軸外像差，若第1面10的入射角增大，則像差增大。圖中，玻璃材料的折射率分別為黑菱形◆是1.55，白菱形◇是1.65，符號△是1.75，圓圈○是1.8，白方塊□是1.85。
圖27中的β是面間偏心為3μm的情況下的像差。圖中，玻璃材料的折射率分別為黑方塊■是1.55，叉×是1.65，△標記是1.75，白方塊□是1.8，黑菱形◆是1.85。
根據(jù)圖27，像差的增加可以說與第1面入射角的增加大體上呈直線關系。但由于透鏡焦距、透鏡厚度、透鏡玻璃材料折射率等透鏡設計規(guī)格、以及非球面系數(shù)近似方法等設計的個體差別，上述直線稍有差異。相對于第1面入射角大體上為直線。而且，軸上像差無論在什么情況下也都能很好的校正，像差為0.006λ以下。
該關系是一般的關系。也就是說，即使玻璃的折射率和透鏡的厚度不同，或者因此第1面的頂點上的半徑不同，只要上述角度相等，就會形成同等的像差特性。
在此，為了獲得偏心公差和軸外像差良好的透鏡，必須以3μm偏心時的像差為0.04λ以下，相對于0.5度的傾斜入射的軸外像差為0.03λ以下的透鏡形狀為基礎，按比例分配上述條件(1)～(3)進行設計。
這里所謂按比例分配，如上所述是指例如，為了確保偏心公差，多少犧牲一點軸外像差或軸上像差，對條件(1)～(3)進行平衡。
如上所述，本實施例的透鏡是大體上完全滿足條件(1)和(2)的消球差透鏡，軸上像差和軸外像差基本獲得了理想的校正，但偏心時的像差校正不太充分，因此進行這種按比例分配。
若按照這種標準，則在數(shù)值孔徑為0.85的透鏡中，最大高度的光線向第1面的入射角必須減小，57度較好，56度更好，55度最好。而且，上述條件(1)～(3)采用按比例分配的形狀變化是很小的。
在數(shù)值孔徑低于0.85的情況下，相對于誤差的像差增加變小，所以同樣，如果57度較好，56度更好，55度以下最好的話，那么，可以提供十分良好的透鏡，即對上述條件(1)～(3)良好的透鏡。
但是，在利用模具來成形制作本實施例的透鏡的情況下，入射角與模具加工難易度有直接關系。所以，希望入射角盡量小。
再有，在這種成形透鏡中有由在模具和成形品之間加高溫進行成形的工藝過程，所引起的成形收縮，使成形品的形狀與模具產(chǎn)生微小的差異。所以，在數(shù)值孔徑低于0.85的情況下，根據(jù)數(shù)值孔徑來減小入射角對制造有良好效果。
因此，在對比多種透鏡設計時，發(fā)現(xiàn)若降低數(shù)值孔徑，則第1面10的入射角θ相對于數(shù)值孔徑為0.85時的角度α基本上具有以下關系.而且，α是實際設計所得的值。
θ＝α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)……(9)在表1中舉例表示對具有下述第1實施例規(guī)格的透鏡的數(shù)值孔徑與入射角的關系。上述式(9)是利用表18計算的回歸式。
表18

圖28表示數(shù)值孔徑和入射角的關系。α是53.2516度。圖中，菱形◆標記表示實際的設計值；實線表示按照回歸式的值。
并且，在圖28中表示出了與透鏡厚度為1.55mm，玻璃材料折射率為1.75的透鏡有關的其他例的數(shù)據(jù)。圖中，黑三角▲標記表示對其他例的實際設計值，虛線表示按照回歸線的值。
無論那種情況，均可以看出，回歸式很好地反映了實際的設計值。而且，即使其他多種透鏡設計數(shù)據(jù)也獲得了同樣的結(jié)果，上述回歸式(9)作為一般式具有很高的精度。
式中，求出對數(shù)值孔徑低于0.85的情況的角度條件。首先，若降低數(shù)值孔徑，則當然地透鏡最外周的面的傾斜度(向第1面的入射角)變緩。并且因此對上述條件(1)～(3)的限制也放寬，所以，例如制造公差也放寬。
然而，在數(shù)值孔徑低于0.85的情況下，也和數(shù)值孔徑為0.85時一樣，在向第1面10的入射角增大的同時，像差特性變壞，具有一般特性。
所以，如果對于數(shù)值孔徑小于0.85的透鏡和數(shù)值孔徑0.85的透鏡一樣按照57度較好，56度更好，55度以下最好的條件進行設計，那么，能夠制成良好的透鏡。再加上數(shù)值孔徑低所帶來的上述有利條件，如果按照回歸式所表示的角度來減小設計的目標值，那么，可以提高公差和性能。
這樣一來，在數(shù)值孔徑低于0.85的情況下，在由以下條件式所決定的范圍內(nèi)，設定向第1面10的入射角θ，由此可以獲得更好的結(jié)果。
θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度) ……(10)
式中，角度α以57度較好，56度更好，55度最好。
但是，上述透鏡是確保偏心公差的，未考慮條件(4)和(5)，所以未滿足能確保色差特性的充分條件。以下詳細說明色差特性。
式中，透鏡的中心厚度t和焦距f滿足下式。
t＞(1+E)f式中，E為0以上的數(shù)，0為較好，0.1為更好，0.2為最好。
在具有上述關系的情況下，條件(4)和條件(5)的滿足度提高。
首先，關于具有條件(4)的波長誤差的情況下的各波長的最佳像面的像差增加較小，這是因為透鏡中心厚度較厚時能使透鏡第1面(入射面)的半徑較大。更詳細說，若第1面的曲率半徑增大，則通過透鏡外側(cè)端部的光線向透鏡的入射角θ(透鏡面的法線與光線形成的角度)減小，因此，作為非線性現(xiàn)象的折射效應減小，其結(jié)果，波長變化的情況下的球面像差的增加變小。
從上述圖7中可以看出，如上所述，若透鏡厚度薄于焦距，則產(chǎn)生大的像差，達0.04以上。并且，也可以看出，厚度為焦距的1.2倍的3mm以下，像差的增加變大。并且，圖8中，希望盡量增加透鏡厚度。
綜上所述，若透鏡的第1面的最大光線的入射角和透鏡的厚度滿足這些條件，則能同時滿足上述條件(1)～(3)，即軸上像差特性、軸外像差特性、偏心公差所造成的像差增加、以及上述條件(4)、(5)，即波長誤差所造成的面像差和色差小的透鏡條件。
進一步補充說明如下。該非球面透鏡既可以是對光軸旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡(共軸光學系統(tǒng))，也可以是根據(jù)方向不同使非球面形狀稍加變化的復曲面透鏡形狀。在后者的情況下，不言而喻，也必須在最大高度光線所通過的各個點上符合上述范圍。
以下進一步表示涉及本發(fā)明的光盤用物鏡的實施例。
在實施例中，用以下多項式來表示非球面。
Z＝CY2/(1+(1-(1+K)C2Y2)0.5)+AR4+BR4+CR8+DR10+ER12+FR14式中，Z是離面的頂點的距離，Y是離光軸的高度，K是圓錐常數(shù)，A～F是從4次到14次的非球面系數(shù)。例如A相當于Y的4次方的系數(shù)。<第5實施例>
圖29是第5實施例的物鏡的斷面圖。把第5實施例的物鏡稱為物鏡1105。
射入到物鏡1105的光束L在第1面1和第2面2進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層，在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表19所示。
表19

透鏡1105的設計值如表20所示。而且半徑和厚度的單位是mm。以下也是一樣。
表20

第1面的非球面系數(shù)如表21所示。
表21

第2面的非球面系數(shù)如表22所示。
表22

該透鏡1105的第1面的最大高度的光線入射角為53.25度。該透鏡是大體上滿足條件(1)和(2)的消球差透鏡，對條件(3)保留一點誤差。
關于波陣面像差，軸上的波陣面像差小，為0.002，可以說是在實際使用上無像差的值。對軸外0.5度的入射光線的波陣面像差為0.023λ，特性良好。另外，關于對制造公差很重要的面間偏心，當偏心為3μm時，波陣面像差之值為0.036μm，相當好。
圖30是縱向像差圖，圖31是表示正弦條件不滿足量的圖，圖32是像散現(xiàn)象圖。
透鏡1105的厚度為焦距的1.375倍。該透鏡1105的玻璃材料按折射率為固定值進行設計。折射率變化相當于波長變化5nm時的情況，在折射率為1.8486的情況下的最佳像面中的像差被控制到0.01λ的較小值。并且，軸上像差的量為2.17μm，被壓低。<第6實施例>
圖33是第6實施例的物鏡的斷面圖。把第6實施例的物鏡稱為物鏡1106。
射入到物鏡1106內(nèi)的光束L在第1面1和第2面2進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層，在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表23所示。
表23

透鏡1106的設計值如表24所示。
表24

第1面的非球面系數(shù)如表25所示。
表25

第2面的非球面系數(shù)如表26所示。
表26

該透鏡1106的第1面的最大高度的光線入射角為51.41度。相對于數(shù)值孔徑0.8的條件(9)所形成的角度為52.63度，所以滿足該條件。
該透鏡是大體上滿足條件(1)和(2)的消球差透鏡，對條件(3)保留一點誤差，軸上的波陣面像差非常小，為0.001λ，可以說在實際使用上無像差。
入射角0.5度的軸外像差具有波陣面像差為0.013λ的良好特性。并且，關于在制造公差中很重要的面間偏心，在偏心為3μm時具有波陣面像差為0.023λ的非常良好的特性。
圖34是縱向像差圖，圖35是表示正弦條件不滿足量的圖，圖36是像散現(xiàn)象圖。
透鏡1106的厚度為焦距的1.429倍。該透鏡1106的玻璃材料對折射率加以固定，進行設計。折射率的變化相當于在波長變化5nm的情況，在折射率為1.7486的情況下的最佳像面中的像差被控制在0.01λ的小值上。并且，軸上像差的量為2.10μm，被壓低。<第7實施例>
圖37是第7實施例的物鏡的斷面圖，把第7實施例的物鏡稱為物鏡1107。
射入到物鏡1107內(nèi)的光束L在第1面1和第2面2進行折射，透過光盤21的第3面3和透射層，在信號記錄面上聚光。
透鏡規(guī)格如表27所示。
表27

透鏡1107的設計值如表28所示。
表28

第1面的非球面系數(shù)如表29所示。
表29

第2面的非球面系數(shù)如表30所示。
表30

各玻璃材料的折射率如表31所示。
表31

該透鏡1107的第1面的最大高度的光線的入射角為55.0度。
該透鏡1107的特性基本上能滿足條件(1)，對條件(2)尚多少有些不滿足，因此與第5實施例的透鏡1105相比，成為抑制了偏心時的像差增加的透鏡。并且，從條件(3)來看為非常接近保留一點誤差的消球差透鏡。
軸上的波陣面像差為0.006λ，非常小，可以說在實際使用時無像差。相對于軸外0.5度的入射光線的波陣面像差為0.069λ，特性良好。再者，關于在制造公差中很重要的面間偏心，在偏心為5μm時具有0.034λ的波陣面像差，非常良好。
圖38是縱向像差圖，圖39是表示正弦條件不滿足量的圖，圖40是像散現(xiàn)象圖。
透鏡1107的厚度為焦距的1.411倍.在波長變化5nm達到410nm的情況下的最佳像面中的像差被抑制到很小，0.029λ。并且，軸上像差的量為2.21λm，被壓低。
而且，在本實施例中對光盤用物鏡利用具體的數(shù)值進行了說明。但本發(fā)明并非僅限于這些數(shù)值。本發(fā)明在不脫離其要旨的范圍內(nèi)，能適用于各種光盤用的物鏡。
若特意舉出數(shù)值的具體例子，則在本實施例中，光盤，例如可采用厚度范圍為0.01～0.3mm的透射層的盤。并且，物鏡，例如可采用像NBF1那樣的光學玻璃，例如具有1.5～2.0范圍的折射率。
而且，本發(fā)明的物鏡可用任意制造方法進行制造。制造方法有對玻璃進行切削或研磨加工的直接形成法，玻璃成形法，采用溶膠·凝膠(sol-gel)法的玻璃成形法，以及在玻璃或塑料的球面透鏡形狀的母材上用樹脂形成非球面層的方法等。
以下用圖41來說明光傳感裝置的實施例。光傳感裝置30具有作為激光源的蘭色激光二極管(LD)31、分束鏡32、物鏡33、光探頭(PD)和電流電壓變換器(I-V)34。作為分束鏡32的一例可采用偏光分束鏡。物鏡33相當于上述實施例1～7的任一項的物鏡1101～1107。
蘭色LD31例如發(fā)出約405nm的蘭色光(激光)。分束鏡32分離出從蘭色LD32向光盤35的光、以及從光盤35向PD和I-V34的光。物鏡33采用上述實施例中所示的物鏡。PD和I-V34把入射光變換成電流，再把該電流變換成電壓，并進行輸出。
光傳感裝置30可在光盤35上記錄信號(信息)。也就是說，蘭色LD31發(fā)出一種用被所輸入的記錄信號進行調(diào)制后的蘭色光。該蘭色光通過分束鏡32和物鏡33聚集在光盤35上。在光盤35中，根據(jù)從光傳感裝置30照射的激光強度在信號記錄面上記錄信息信號。例如，在光盤35的接觸面或凹槽上利用信息坑或相的變化來記錄信號。
再者，光傳感裝置30能從光盤35上重放信號。也就是說，從蘭色LD31發(fā)出的規(guī)定強度的光通過分束鏡32和物鏡33聚集到光盤35的信號記錄面上。來自光盤35的反射光通過物鏡33和分束鏡32而輸入到PD和I-V34內(nèi)，變換成電壓。這樣，作為光盤35的信號記錄面的接觸面或凹槽上以信息坑形式而記錄的信號作為電壓進行輸出。
在此，物鏡33，其動作距離與被從激光源射出的激光進行照射的光盤35的半徑之間最好具有以下關系動作距離＞0.005×光盤半徑。
以下參照圖42來說明光盤記錄重放裝置或光盤重放裝置的實施例。
光盤記錄重放裝置具有PRML(部分響應最大相似)單元50、控制器單元60、記錄補償單元70。并且光盤記錄重放裝置具有上述光傳感裝置。并且，該例的信號調(diào)制方式采用1-7RLL(行程長度受限碼)。
PRML單元50具有A/D變換器51、數(shù)字均衡器52、抽頭系數(shù)控制器53、移相器54、PLL55、維托畢檢測器56?？刂破鲉卧?0有1～7RLL(游程長度受限碼)處理部61。
PRML單元50從光傳感器30經(jīng)過前置放大器而輸入信號，進行PRML信號處理?？刂茊卧?0從PRML單元50的維托畢解碼器56輸入信號，由1-7RLL處理部61來進行處理。記錄補償單元70從控制單元60輸入信號，根據(jù)該信號通過LD驅(qū)動裝置對光傳感裝置30的蘭色LD31進行驅(qū)動控制。
這樣，光盤記錄重放裝置，對從光盤35用光傳感裝置30讀出的信號進行規(guī)定的解碼，解調(diào)，輸出，以此進行重放。，對被輸入的信號進行規(guī)定的編碼，調(diào)制，通過光傳感器30寫入到光盤35內(nèi)進行記錄。而且也可以構(gòu)成不設置光盤記錄重放裝置所具有的記錄部分的光盤重放裝置。
發(fā)明的效果如前所述，若采用本發(fā)明，則可提供數(shù)值孔徑為0.75以上，軸上像差、軸外像差和面間的偏心像差良好的、采用雙面非球面單透鏡的光盤的物鏡。
權(quán)利要求
1.一種光盤用物鏡，其兩面為非球面的、數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，其特征在于第1面的頂點的曲率半徑R1滿足下式(1-D)A＜R1＜(1+D)AA＝B/CB＝0.85f(n-1)C＝n(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)式中，n是該透鏡的折射率，f是該透鏡的焦距，t是該透鏡的中心厚度，d是該光盤的透射層的厚度，D是0.05。
2.一種光盤用物鏡，其兩面為非球面的、數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，其特征在于透鏡的內(nèi)部的最大高度的光線與光軸形成的角度u1′滿足下式(1-D)·K＜sin(u1′)＜(1+D)·KK＝(0.60866-0.11·t/f-0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·NA/0.85式中，f為該透鏡的焦距，t為該透鏡的中心厚度，d為該光盤的透射層厚度，D為0.06。
3.一種光盤用物鏡，其兩面為非球面的、數(shù)值孔徑為0.75以上的單透鏡，最大高度的光線所入射的點上的第1面的法線和光軸形成的角為57度以下。
4.一種光盤用物鏡，其雙面為非球面的、數(shù)值孔徑NA為0.75以上的單透鏡，其特征在于最大高度的光線所入射的點的第1面的法線和光軸形成的角θ滿足下式θ＜α-(0.85-NA)/0.15×7.1(度)式中，α為57度。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的光盤用物鏡，其特征在于中心厚度t和焦距f滿足下式t＞(1+E)f其中E為大于0的數(shù)。
6.如權(quán)利要求1至5中的任一項所述的光盤用物鏡，其特征在于成像倍率為0。
7.如權(quán)利要求1至6中的任一項所述的光盤用物鏡，其特征在于來自射入到上述光盤用物鏡內(nèi)的光源的光的波長為450nm以下。
8.一種光傳感裝置，其特征在于具有權(quán)利要求1至7任意一項所述的光盤用物鏡、激光光源和光探頭。
9.如權(quán)利要求8所述的光傳感裝置，其特征在于上述光盤用物鏡，其動作距離與被從上述激光光源出射的激光所照射的光盤的半徑之間具有以下關系動作距離＞0.005×光盤半徑。
10.一種光盤記錄重放裝置，其特征在于具有權(quán)利要求8或9所述的光傳感裝置、以及利用上述光傳感裝置來在光盤上記錄重放信息的記錄重放裝置。
11.一種光盤重放裝置，其特征在于具有權(quán)利要求8或9所述的光傳感裝置、以及利用上述光傳感裝置來重放已記錄在光盤上的信息的重放裝置。
全文摘要
提供一種數(shù)值孔徑為0.75以上，軸上像差、軸外像差與面間的偏心像差良好、采用雙面非球面單透鏡的光盤用物鏡。物鏡11的第1面1的頂點的曲率半徑R1滿足下式(1－D)A＜R1＜(1+D)A,A＝B/C,B＝0.85f(n－1),C＝n(0.60866－0.11·t/f－0.1272·d/f)(0.83+0.2·NA)·式中，NA是該透鏡的數(shù)值孔徑，n是該透鏡的折射率，f是該透鏡的焦距，t是該透鏡的中心厚度，d是該光盤的透射層的厚度，D是0.05。
文檔編號G11B7/135GK1410794SQ0214270
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月21日
發(fā)明者糸長誠 申請人:日本勝利株式會社