JP4165013B2 - カタディオプトリックレンズ、光学ヘッド及び光記録再生装置 - Google Patents

Description

技 術 分 野
本発明は、エバネッセント光を利用する際に好適なカタディオプトリックレンズに関する。また、本発明は、そのようなカタディオプトリックレンズを用いた光学ヘッド及び光記録再生装置に関する。
背 景 技 術
光記録媒体の高記録密度化を達成する手法として、エバネッセント光を利用することで、回折限界以下の微小な記録ピットでの記録再生を可能とする手法が考案されている。エバネッセント光を利用して光ディスクの記録再生を行う際は、レンズに対する入射光束がレンズ端面にて結像し、その大部分が当該レンズ端面で全反射されるようにする。このとき、レンズ端面と光記録媒体との間隔を十分に狭めておけば、エバネッセント光の一部が光記録媒体と結合してレンズ外に取り出され、当該エバネッセント光を利用した記録再生が可能となる。
なお、空気中でエバネッセント光が結合可能な距離は、例えばレンズの開口数ＮＡが１．５の場合、１００ｎｍのオーダーである。したがって、エバネッセント光を利用して光記録媒体の記録再生を行う際は、レンズ端面と光記録媒体との間隔を、１００ｎｍのオーダー以下に保つ必要がある。これは、例えば、磁気ディスクにおいて使用されているフライングヘッドの技術を用いることで実現可能である。
すなわち、例えば、磁気ディスクにおいて使用されるているフライングヘッドの技術を用いて、レンズ端面と光記録媒体との間隔を１００ｎｍのオーダー以下に保てば、エバネッセント光の一部が光記録媒体と結合することとなり、回折限界以下の微小な記録ピットでの記録再生が可能となる。
そして、このようなエバネッセント光を利用した記録再生に、カタディオプトリックレンズを用いる手法が、１９９８年５月、米国オプティカル・データ・ストレージ・ミーティングにて、サムソン・エレクトロニクス社のＣ．Ｗ．リー氏により提案されている。
ところが、Ｃ．Ｗ．リー氏が提案しているカタディオプトリックレンズのレンズデータを解析すると、コマ収差の補正が不完全であり、このカタディオプトリックレンズを使用するには、以下のような問題点があった。
エバネッセント光を利用する際は、入射光束をレンズ端面に小さいスポット径で結像させる必要がある。しかし、上記カタディオプトリックレンズではコマ収差の補正が不完全であるために、当該カタディオプトリックレンズを実装するときの取り付け角度誤差により光束の入射角が±１°を越えるような状態となると、コマ収差が顕著に発生してしまい、入射光束をレンズ端面に小さいスポット径で結像させることができなくなってしまう。
しかも、エバネッセント光を利用する近視野光学系では、遠視野光学系で小さいスポット径で結像させる場合よりも、コマ収差の影響が顕著に現れることが予想される。したがって、上記カタディオプトリックレンズを近視野光学系で用いることを考えると、当該カタディオプトリックレンズを実装するときに、その取り付け角度誤差を±１°よりも遙かに小さくしなければならないことが予想される。
このように、上記カタディオプトリックレンズでは、コマ収差の補正が不完全であるために、その実装時に非常に精度良く取り付けることが要求される。特に、近視野光学系での使用に耐え得る精度での実装を実現することは非常に難しく、たとえ実現したとしても、製造コストが大幅に上昇することは必至である。
発 明 の 開 示
本発明は、上述したような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、エバネッセント光を利用する際に好適なカタディオプトリックレンズとして、コマ収差をほぼ完全に補正したレンズを提供することにある。また、本発明は、そのようなカタディオプトリックレンズを用いた光学ヘッド及び光記録再生装置を提供することも目的とする。
本発明に係るカタディオプトリックレンズは、第１面が凹面屈折面、第２面が平面ミラー、第３面が第１面の凹面屈折面と同軸に配置された凹面非球面ミラーからなり、平行入射光が第２面の平面ミラーに設けた開口を通して第４面の全反射平面上に結像するようになされたカタディオプトリックレンズである。
ここで、ｒ_１を第１面の曲率半径、ｒ_３を第３面の中心曲率半径、ｄを第１面から第３面頂点までの光学長、ｆ_ａ（Ｎ），ｆ_ｂ（Ｎ）をレンズ媒質の屈折率Ｎの関数として表される係数として、正弦条件を満たす条件式を下記式（１）で表す。
ｄ／ｒ_ａ＝ｆ_ａ（Ｎ）ｒ_１／ｒ_３＋ｆ_ｂ（Ｎ） …（１）
そして、上記式（１）を満たすときの第１面の曲率半径ｒ_１の値をＲ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの値をＤとする。
そして、本発明に係るカタディオプトリックレンズは、第１面の曲率半径ｒ_１が、Ｒ±１％の範囲内にあり、第１面から第３面頂点までの光学長ｄが、Ｄ±０．５％の範囲内にあることを特徴とする。
なお、本発明に係るカタディオプトリックレンズは、上記第１面の前段にレンズが配置されていても良い。第１面の前段にレンズを配置することで、例えば、拡散光を平行光として第１面に入射させることができる。なお、カタディオプトリックレンズの第１面の前段に配置するレンズとしては、メニスカス凸レンズが好適である。
また、本発明に係るカタディオプトリックレンズは、第１乃至第３面を構成する第１のレンズ媒質と、第４面を構成する第２のレンズ媒質とを備え、第１のレンズ媒質によって構成される第２面を含む平面に、第２のレンズ媒質が接合されて構成されていても良い。このとき、第２のレンズ媒質には、磁界発生用コイルが埋設されていても良い。
また、本発明に係るカタディオプトリックレンズにおいて、第３面は、面頂点からの深さをＸ、光軸からの高さをＹ、中心曲率半径をＲ、円錐係数をＫ、Ｙ^４項の非球面係数をＡ、Ｙ^６項の非球面係数をＢ、Ｙ^８項の非球面係数をＣ、Ｙ^１０項の非球面係数をＤとしたとき、例えば、下記式（２）で表される一般非球面とされる。
Ｘ＝（Ｙ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）^２｝^１／２］＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０…（２）
また、本発明に係るカタディオプトリックレンズにおいて、レンズ媒質の屈折率は、使用波長領域において１．４以上であることが好ましい。レンズ媒質として、屈折率が大きい媒質を用いることで、第４面に結像する光スポットの径を、より小さなものとすることができる。
以上のような本発明に係るカタディオプトリックレンズでは、非対称収差であるコマ収差がほぼ完全に補正され、軸外収差は対称収差である非点収差のみとなる。したがって、本発明に係るカタディオプトリックレンズでは、非点収差の影響が許容される範囲（およそ光束入射角が±３°までの範囲）において、レンズ端面に理想的なスポットを形成することができる。
なお、本発明に係る光学ヘッドは、以上のような本発明に係るカタディオプトリックレンズを対物レンズとして備えた光学ヘッドである。この光学ヘッドでは、対物レンズとして、コマ収差がほぼ完全に補正された本発明に係るカタディオプトリックレンズを用いているので、カタディオプトリックレンズの取り付け精度を従来に比べて大幅に緩和できる。
また、本発明に係る光記録再生装置は、以上のような本発明に係るカタディオプトリックレンズを対物レンズとして備えた光学ヘッドを用いて光記録媒体の記録及び／又は再生を行う。この光記録再生装置では、光学ヘッドの対物レンズとして、コマ収差がほぼ完全に補正された本発明に係るカタディオプトリックレンズを用いているので、カタディオプトリックレンズの取り付け精度を従来に比べて大幅に緩和できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明を適用したカタディオプトリックレンズの一例を図１に示す。このカタディオプトリックレンズ１は、凹面屈折面からなる第１面Ｓ１と、平面ミラーからなる第２面Ｓ２と、凹面非球面ミラーからなる第３面Ｓ３と、全反射平面となる第４面Ｓ４とを有する。
このカタディオプトリックレンズ１に入射した入射光束は、先ず、凹面屈折面からなる第１面Ｓ１で拡大されて、平面ミラーからなる第２面Ｓ２に入射する。次に、第２面Ｓ２で反射され、凹面非球面ミラーからなる第３面Ｓ３に入射する。次に、第３面Ｓ３で反射され、第２面Ｓ２の中央に設けられた開口を通して第４面Ｓ４の全反射平面上に結像する。
以上のような本発明を適用したカタディオプトリックレンズ１のレンズデータを表１に示す。

上記カタディオプトリックレンズ１について、その横収差性能を図２に示す。なお、図２Ａは、半画角１°の軸外での横収差を示しており、図２Ｂは、軸上での横収差を示している。ここで、光源波長λは６５０ｎｍとしている。
図２に示すように、このカタディオプトリックレンズ１の横収差は、入射瞳を通過する全光束に亘って、フルスケールの１μｍに比べてはるかに小さく、横収差の発生量は非常に小さくなっている。そして、横収差の発生量を、波面収差のＲＭＳ値（波面収差の射出瞳面上での標準偏差（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ ｏｆ Ｗａｖｅ Ｆｒｏｎｔ Ｅｒｒｏｒ））で表すと、軸上では０．００２λ、半画角１°の軸外では０．００６λであった。更に、図示していないが、半画角３°の軸外では、波面収差のＲＭＳ値は、０．０４λであった。
一般に、回折限界での収差性能を表すときには、マレシャルのクライテリオンが常用される。そして、マレシャルのクライテリオンは、波面収差のＲＭＳ値で０．０７λである。これに対して、上記カタディオプトリックレンズ１では、上述したように、波面収差のＲＭＳ値が、軸上で０．００２λ、半画角１°の軸外で０．００６λ、半画角３°の軸外で０．０４λであった。したがって、このカタディオプトリックレンズ１では、少なくとも軸上から半画角３°の軸外に至るまで、十分な回折限界性能を有しているといえる。
つぎに、上記カタディオプトリックレンズ１について、その軸外性能を図３に示す。なお、図３において、横軸は入射光の画角（半画角の値）を示しており、縦軸は波面収差のＲＭＳ値を示している。また、図３では、参考のために、上述したＣ．Ｗ．リー氏によって提案されたカタディオプトリックレンズ（以下、従来のカタディオプトリックレンズと称する。）の軸外性能も示しており、○で示したのが本発明を適用したカタディオプトリックレンズ１の場合、□で示したのが従来のカタディオプトリックレンズの場合である。
図３に示すように、従来のカタディオプトリックレンズでは、半画角が１°以下の領域において、波面収差のＲＭＳ値が、画角に対してほぼ直線的に増加している。波面収差のＲＭＳ値が画角に対して直線的に増加しているということは、軸外収差のうちでコマ収差が支配的であることを意味する。
一方、本発明を適用したカタディオプトリックレンズ１では、図３に示す範囲において、波面収差のＲＭＳ値が、画角に対して２次関数的に増加している波面収差のＲＭＳ値が画角に対して２次関数的に増加しているということは、軸外収差のうちで非点収差が支配的であることを意味する。
一般に、光記録媒体の記録再生に用いられる光学ヘッド用のレンズには、球面収差とコマ収差が良好に補正されていることが望まれる。そして、本発明を適用したカタディオプトリックレンズ１では、球面収差はやや多いものの極めてわずかであり、且つ、コマ収差が良好に補正されている。したがって、このカタディオプトリックレンズ１は、光学ヘッド用のレンズとして、非常に好適である。しかも、図３に示したように、本発明を適用したカタディオプトリックレンズ１では、波面収差のＲＭＳ値も、球面収差の支配する軸上付近を除いて、少なくとも半画角３°までの範囲において、従来のカタディオプトリックレンズに比べて常に小さくなっている。
なお、マレシャルのクライテリオンは、遠視野光学系で小さいスポット径で結像する際の条件であり、エバネッセント光を利用する近視野光学系では、マレシャルのクライテリオンから予想される以上にコマ収差の影響が顕著に現れることが予想される。したがって、コマ収差の発生を抑えた本発明に係るカタディオプトリックレンズ１は、エバネッセント光を利用する近視野光学系に適用する際に、特に有用であると言える。
つぎに、本発明において、どのようにコマ収差の補正を行ったかについて説明する。
コマ収差を評価するにはいくつかの方法があるが、比較的容易に実行できるのは、３次のザイデルコマ収差係数を計算する方法であり、この方法については、松井吉哉著「レンズ設計法」（共立出版、昭和４５年）に記載されている。しかしながら、本発明を適用したカタディオプトリックレンズのように高開口数レンズの場合、高次のコマ収差も同時に発生するので、評価量として３次のコマ収差係数を用いる手法は必ずしも適切とはいえない。
そこで、本発明においては、正弦条件を評価してコマ収差の補正を行った。すなわち、正弦条件を用いれば高次のコマ収差をも評価できるので、ここでは、正弦条件を評価してコマ収差の補正を行う手法を採用した。なお、非球面も含むレンズ系の正弦条件の計算法は、例えば、Ｒ．キングスレイク著「レンズ・デザイン・ファンダメンタルズ」（アカデミック・プレス社、１９７８年）に記載されている。
図４に示すように、正弦条件を評価してコマ収差の補正を行う際は、先ず、第１面の曲率半径ｒ_１と、第１面から第３面頂点までの光学長ｄとを設定する。なお、このとき、開口数ＮＡが所定の値になるように、光束径も調整しておく。そして、正弦条件を近軸光線追跡値と三角光線追跡値を用いて計算し、正弦条件を判定する。そして、正弦条件不満足量がほぼ０となるまで、適宜、第１面の曲率半径ｒ_１と、第１面から第３面頂点までの光学長ｄとを設定し直して、正弦条件の反復計算を行う。
上記反復計算により正弦条件不満足量がほぼ０となったら、次に、汎用レンズ設計プログラム等を使用して、残留球面収差が最小になるように、円錐係数Ｋ及び非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの最適化を図る。そして、正弦条件を再計算して正弦条件判定を行い、正弦条件不満足量が大きい場合には、第１面の曲率半径ｒ_１と、第１面から第３面頂点までの光学長ｄとを設定し直して計算を繰り返す。
以上のような計算を行うことにより、高次のコマ収差をも含めて、コマ収差を補正することができる。
ここで、実際に以上のような計算を行ったときの計算結果の一部を表２に示す。なお、ここでは、第１面から第３面頂点までの光学長ｄを一定の保ちつつ、第１面の曲率半径ｒ_１を変化させながら、縦の球面収差ＬＡと正弦条件不満足量ＯＳＣを計算した。このとき、開口数ＮＡは、入射光束系を調整して一定値を取るようにした。また、計算に際し、入射瞳は第３面の非球面反射面においた。

表２において、ｒ_１は第１面の曲率半径、ｄは第１面から第３面頂点までの光学長、ＮＡは開口数、ＬＡは縦の球面収差、ＯＳＣは正弦条件不満足量である。また、符号の規約はキングスレイクの定義に従って、慣用とは反対符号とした。また、表２において、ｒ_１＝０．７０が従来のカタディオプトリックレンズの場合である。
表２に示すように、ｒ_１＝０．７０の従来のカタディオプトリックレンズでは、正弦条件不満足量ＯＳＣがおよそ０．０１１３である。コンラディによれば、望遠鏡や顕微鏡等において正弦条件不満足量ＯＳＣは、±０．００２５以内であるべきとされているが、従来のカタディオプトリックレンズの正弦条件不満足量ＯＣＳは、コンラディのクライテリオンを逸脱している。一方、第１面の曲率半径ｒ_１をおよそ５％減じて、ｒ_１＝０．６７にすると、正弦条件不満足量がほぼ０になる。なお、このとき、球面収差の絶対値はやや増加する。
ここで、表２に示した計算結果をプロットしたグラフを図５に示す。図５において、横軸は第１面の曲率半径ｒ_１、縦軸は正弦条件不満足量ＯＳＣである。また、図５において、点線は、コンラディのタライテリオンの範囲（±０．００２５）を示している。
図５に示すように、コンラディのクライテリオンを満たす第１面の曲率半径ｒ_１の範囲は、およそ０．６６３３５から０．６７５９１の範囲であり、０．６７はほぼその中央に位置している。したがって、コンラディのクライテリオンを満たす第１面の曲率半径ｒ_１の範囲は、およそ０．６７±１％である。
ところで、第１面の曲率半径ｒ_１を一定に保ちつつ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄを変化させても、正弦条件不満足量ＯＳＣは変化する。そこで、第１面の曲率半径ｒ_１を一定に保ちつつ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄを変化させて、正弦条件不満足量ＯＳＣを計算した。その計算結果を図５と同様にプロットしたグラフを図６に示す。図６において、横軸は第１面から第３面頂点までの光学長ｄ、縦軸は正弦条件不満足量ＯＳＣである。また、図６において、点線は、コンラディのクライテリオンの範囲（±０．００２５）を示している。
図６に示すように、コンラディのクライテリオンを満たす、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの範囲は、およそ−２．７１２２から−２．６８３１２の範囲であり、−２．７はほぼその中央に位置している。したがって、コンラディのクライテリオンを満たす、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの範囲は、絶対値で表すとおよそ２．７±０．５％である。
図５及び図６の結果から、正弦条件不満足量＝０という条件を満足する（ｒ_１，ｄ）の集合の存在が予想されるが、事実、この条件を満たす点（ｒ_１，ｄ）の軌跡はほぼ直線となる。ここで、直線の係数は、レンズ媒質の屈折率Ｎの関数となる。
したがって、正弦条件不満足量＝０を満足するとき、第３面の中心曲率半径ｒ_３で規格化した第１面の曲率半径ｒ_１と、第３面の中心曲率半径ｒ_３で規格化した第１面から第３面頂点までの光学長ｄとの関係は、下記式（１−１）に示す一次関数式で表される。なお、下記式（１−１）において、係数ｆ_ａ（Ｎ），ｆ_ｂ（Ｎ）は、レンズ媒質の屈折率Ｎの関数である。
ｄ／ｒ_３＝ｆ_ａ（Ｎ）ｒ_１／ｒ_３＋ｆ_ｂ（Ｎ） …（１−１）
具体例として、レンズ媒質の屈折率Ｎを１．８１３としたとき、正弦条件不満足量＝０を満足するｄ／ｒ_３とｒ_１／ｒ_３との関係を計算した結果を図７に示す。図７に示すように、レンズ媒質の屈折率Ｎが１．８１３のとき、正弦条件不満足量＝０という条件を満たす点の軌跡は、ほぼ直線で表される。そして、この直線Ｌ１は下記式（１−２）に示す一次関数式で表される。
ｄ／ｒ_３＝２．３２３４ｒ_１／ｒ_３−１．６９３１ …（１−２）
すなわち、レンズ媒質の屈折率Ｎが１．８１３のときには、上記式（１−２）に示す一次関数式を満足するように、第１面の曲率半径ｒ_１と、第１面から第３面頂点までの光学長ｄとを設定すれば、正弦条件不満足量がほぼ０となり、高次のものも含めてコマ収差の発生が抑えられることとなる。
なお、図７では、参考として、従来のカタディオプトリックレンズがどこに位置するかもプロットしており、従来のカタディオプトリックレンズでは、上記式（１−２）に示した一次関数式から外れることが見て取れる。また、図７から、正弦条件不満足量＝０という条件を満たすとき、第３面の中心曲率半径ｒ３で規格化した第１面から第３面頂点までの光学長ｄは１に近い値となることが分かる。
ところで、上述したように、コンラディのクライテリオンを満たすようにするには、第１面の曲率半径ｒ_１を最適値の±１％の範囲内に抑え、第１面から第３面頂点までの光学長ｄを最適値の±０．５％の範囲内に抑えれば良い。そこで、本発明では、上記式（１−１）を満たすときの第１面の曲率半径ｒ_１の値をＲ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの値をＤとしたとき、第１面の曲率半径ｒ_１をＲ±１％の範囲内と規定し、第１面から第３面頂点までの光学長ｄをＤ±０．５％の範囲内と規定している。
すなわち、第１面の曲率半径ｒ_１をＲ±１％の範囲内とし、第１面から第３面頂点までの光学長ｄをＤ±０．５％の範囲内とすることにより、高次のものも含めてコマ収差の発生を抑えて、コンラディのクライテリオンを満たすことが可能となる。
なお、本発明は、上述した例に限定されるものではない。すなわち、例えば、レンズ媒質の屈折率や、第３面の中心曲率半径等は、上述の例と異なっていても良い。これらが異なっている場合も、上述したように正弦条件を評価量としてコマ収差を補正することにより、高次のものも含めてコマ収差の発生を抑制したカタディオプトリックレンズを得ることができる。
つぎに、図１に示したようなカタディオプトリックレンズの第１面の前段に、凸レンズを配置した例を図８に示す。
図８に示した光学系は、単一モード光ファイバー等の光源から出射された拡散光を結像するための光学系であり、プリズム５と、凸レンズ６と、カタディオプトリックレンズ７とがこの順に配置されてなる。この光学系のレンズデータを表３に示す。なお、面番号は図８に示す通りである。

つぎに、この光学系の横収差性能を図９に示す。図９Ａは、半画角１°の軸外での横収差を示しており、図９Ｂは、軸上での横収差を示している。なお、ここでは、入射瞳位置をプリズム５の前面におき、像高５μｍにおいては瞳半径の１５％の口径食（ヴィグネッティング）を仮定している。また、評価は、６４７．５ｎｍ，６５０ｎｍ，６５２．５ｎｍの３波長において行った。
図９に示すように、この光学系における横収差は、入射瞳を通過する全光束に亘って、フルスケールの１μｍに比べてはるかに小さく、横収差の発生量は非常に小さなものとなっている。
なお、この光学系では、表３に示すように、カタディオプトリックレンズ７の第１面の前段に配置するレンズ６の硝材として高分散のＳＦ１１を用い、カタディオプトリックレンズ７の硝材として低分散のＳＬＡＨ５３を用いている。このように、高分散の硝材からなるレンズと、低分散の硝材からなるレンズとを組み合わせることで、色収差の補正も行うことができる。
つぎに、本発明を適用した光学ヘッドの一例を図１０に示す。この光学ヘッド１０は、光磁気ディスク１５に対して記録再生を行うための光学ヘッドであり、エバネッセント光を利用することで、回折限界以下の微小な記録ピットでの記録再生が可能となっている。
ここで、記録再生の対象となる光磁気ディスク１５は、ディスク基板上に光磁気記録層が形成されてなり、当該光磁気記録層の側が光学ヘッド１０に対向するようになされる。すなわち、上記光学ヘッド１０は、光磁気ディスク１５のディスク基板の側ではなく、光磁気記録層の側に配置される。これは、上記光学ヘッド１０はエバネッセント光を利用して記録再生を行うため、光学ヘッド１０と光磁気ディスク１５の光磁気記録層との間隔を十分に狭める必要があるからである。
この光学ヘッド１０は、ガラス基盤２０と、ガラス基盤２０の上に配されたスライダー２５と、スライダー２５を支持する弾性部材３０と、レーザー光源からのレーザー光を伝搬する単一モードの光ファイバー３５と、光ファイバー３５から出射されたレーザ光を反射する可動ミラー４０と、可動ミラー４０によって反射されたレーザ光の光軸上に配された１／４波長板４５と、１／４波長板４５を透過してきたレーザ光の光軸上に配置されたプリズム５０と、プリズム５０から出射されたレーザ光を平行光とするためのコリメーターレンズ５５と、コリメーターレンズ５５によって平行光とされたレーザ光が入射されるカタディオプトリックレンズ６０と、カタディオプトリックレンズ６０の結像点の周囲に配置された磁界発生用コイル６５とを備えている。
なお、この光学ヘッド１０の光学系は、プリズム５０で光路を折り返す形になっているが、図８に示した光学系と等価である。なお、図１０中の点線は、光路を折り返さなかった場合の光学系（すなわち図８に示した光学系）を示している。
この光学ヘッド１０において、カタディオプトリックレンズ６０は、第１面６０ａ，第２面６０ｂ及び第３面６０ｃを構成する第１のレンズ媒質６１と、第４面６０ｄを構成する第２のレンズ媒質６２とを備えており、第１のレンズ媒質６１によって構成される第２面６０ｄを含む平面に、第２のレンズ媒質６２が接合されてなる。そして、この第２のレンズ媒質６２は、ガラス基盤２０の一部によって構成されている。すなわち、ガラス基盤２０は、カタディオプトリックレンズ６０の一部を兼ねており、カタディオプトリックレンズ６０は、第１のレンズ媒質６１を、ガラス基盤２０に接合することにより構成されている。
そして、カタディオプトリックレンズ６０の一部を兼ねているガラス基盤２０には、磁界発生用コイル６５が埋設されている。換言すれば、カタディオプトリックレンズ６０を構成する第２のレンズ媒質６２には、磁界発生用コイル６５が埋設されている。この磁界発生用コイル６５は、光磁気ディスク１５に対する記録時に、光磁気ディスク１５に対して記録磁界を印加するためのものであり、カタディオプトリックレンズ６０の結像点の周囲を取り巻くように形成されている。すなわち、カタディオプトリックレンズ６０に入射したレーザ光は、磁界発生用コイル６５の中央において、ガラス基盤２０の端面に結像する。なお、このような磁界発生用コイル６５は、例えば、薄膜プロセスにより薄膜コイルパターンをガラス基盤２０に埋設することにより形成する。
この光学ヘッド１０を用いて光磁気ディスク１５に対して記録再生を行うときは、光磁気ディスク１５を回転駆動させて、当該光磁気ディスク１５上において、光学ヘッド１０を浮上させる。このとき、弾性部材３０によって、弾性を持たせた状態でスライダー２５を支持することにより、ガラス基盤２０と光磁気ディスク１５との間隔が、１００ｎｍのオーダー以下に保たれるようにしておく。
そして、光学ヘッド１０を光磁気ディスク１５上において浮上させた状態で、レーザー光源からレーザー光を出射し、当該レーザ光を光ファイバー３５によって伝搬する。光ファイバー３５によって伝搬され、当該光ファイバー３５から出射されたレーザ光は、可動ミラー４０によって反射される。
そして、可動ミラー４０によって反射されたレーザ光は、１／４波長板４５を介してプリズム５０に入射する。ここで、１／４波長板４５は、使用波長で片道９０°のリターダンスを与えるという理由で、光ファイバー３５で発生するリターダンスを往復で補償するために挿入している。
なお、本例では、プリズム５０に反射膜がコートされていることを前提としており、１／４波長板４５でリターダンスを与えるようにしている。しかし、プリズム斜面への入射角はほぼ４５°であるから、プリズム５０での全反射を利用してリターダンスを発生させることもできる。このリターダンスは、プリズム５０の屈折率で決まり、ＢＡＣＤ１１のようなガラスを用いると、リターダンスは、全反射１回でほぼ４６°となる。したがって、プリズム５０で全反射を２回させると、ほぼ９０°のリターダンスを与えることができ、１／４波長板４５の機能をプリズム５０に兼ねさせることができる。
１／４波長板４５を介してプリズム５０に入射したレーザ光は、プリズム５０の内部で反射して折り返されて、コリメータレンズ５５へ導かれる。コリメータレンズ５５に入射したレーザ光は、当該コリメータレンズ５５によって平行光とされた上で、カタディオプトリックレンズ６０に入射する。
カタディオプトリックレンズ６０に入射したレーザ光は、先ず、凹面屈折面からなる第１面６０ａで拡大されて、平面ミラーからなる第２面６０ｂに入射する。次に、第２面６０ｂで反射され、凹面非球面ミラーからなる第３面６０ｃに入射する。次に、第３面６０ｃで反射され、第２面６０ｂの中央に設けられた開口を通して第４面６０ｄの全反射平面上に結像する。
このとき、レーザ光の大部分は第４面６０ｄにおいて全反射するが、このとき、第４面６０ｄと光磁気ディスク１５との間隔を１００ｎｍのオーダー以下に保つようにしているので、エバネッセント光の一部が光磁気ディスク１５と結合してレンズ外に取り出される。そして、この光学ヘッド１０では、このエバネッセント光を利用して光磁気ディスク１５に対する記録再生を行う。
なお、記録時には、上述のようにエバネッセント光を光磁気ディスク１５に結合させるとともに、磁界発生用コイル６５に電流を流して磁界を発生させて、エバネッセント光が光磁気ディスクと結合している部分に当該磁界を印加する。これにより、光磁気ディスク１５に対して光磁気記録を行う。ここで、光磁気記録の方式は、記録する情報信号に対応させて光磁気ディスク１５に印加する磁界の強度を変調する磁界強度変調方式であっても、記録する情報信号に対応させて光磁気ディスク１５に照射する光の強度を変調する光強度変調方式であっても良い。
ところで、この光学ヘッド１０において、可動ミラー４０には、図示しないアクチュエータを取り付けておき、当該アクチュエータを駆動することにより、可動ミラー４０によるレーザ光の反射角を変化させることができるようにしておく。可動ミラー４０によるレーザ光の反射角を変化させると、カタディオプトリックレンズ６０に入射する入射光束の傾き角が変化する。その結果、カタディオプトリックレンズ６０の第４面６０ｄにおける結像点が、可動ミラー６０の動作方向に移動する。
すなわち、この光学ヘッド１０では、可動ミラー４０によるレーザ光の反射角を変化させることで、カタディオプトリックレンズ６０の第４面６０ｄにおける結像点を、可動ミラー４０の動作方向に走査することが可能となっている。これを利用することで、この光学ヘッド１０では、例えば、いわゆる視野内アクセスや視野内トラッキングを行うようなことが可能となっている。
なお、従来のカタディオプトリックレンズでは、入射光束の傾き角が変化するとコマ収差が発生するので、入射光束の傾き角を変化させて用いるようなことは不可能であった。一方、上記光学ヘッド１０に搭載されているカタディオプトリックレンズ６０は、コマ収差の補正がほぼ完全になされている。したがって、上記光学ヘッド１０では、カタディオプトリックレンズ６０に入射する入射光束の傾き角を変化させて、視野内アクセスや視野内トラッキングを行うようなことが可能となっている。
なお、本発明を適用した光学ヘッド１０のポイントは、カタディオプトリックレンズ６０にあるので、以上の説明では、光磁気ディスク１５に照射するレーザ光を集光するカタディオプトリックレンズ６０を含む光学系の部分を中心に説明し、その他の光学系の詳細については説明を省略した。しかし、実際には、光学ヘッド１０には、光磁気ディスク１５によって反射されて戻ってきた戻り光を検出する光学系も設けられることは言うまでもない。
また、本発明は、光磁気ディスクに対して記録再生を行うための光学ヘッド以外にも適用可能であり、対象となる光記録媒体は、例えば、相変化型光ディスクや、エンボスピットによって情報信号が予め書き込まれた再生専用光ディスク等であってもよい。ただし、対象となる光記録媒体が、相変化型光ディスクや、エンボスピットによって情報信号が予め書き込まれた再生専用光ディスク等のように、記録再生に磁界を用いない記録媒体の場合には、磁界発生用コイルは不要となる。
産業上の利用可能性
本発明に係るカタディオプトリックレンズは、軸外収差のうちコマ収差がほぼ完全に補正されており、入射光束の入射角の範囲として、少なくとも±３°程度までは十分に許容可能となる。
このように、本発明に係るカタディオプトリックレンズは、コマ収差がほぼ完全に補正されており、入射光束の入射角の許容範囲を広くとれるので、レンズ取り付け精度を従来に比べて大幅に緩和できる。したがって、カタディオプトリックレンズを光学ヘッド等に実装するようなときに、組み立てプロセスが容易になり、短時間で正確な組み立てを完了することが可能となる。
更に、本発明に係るカタディオプトリックレンズでは、コマ収差がほぼ完全に補正されているので、可動ミラー等を用いて入射光束の傾き角を高速で変化させて、可動ミラーの動作方向に結像点を走査するようなことも可能となる。これを利用することで、例えば、光学ヘッドにおける、いわゆる視野内アクセスや視野内トラッキングが可能になる。
また、本発明に係る光学ヘッド及び光記録再生装置は、軸外収差のうちコマ収差がほぼ完全に補正されたカタディオプトリックレンズを用いるようにしているので、当該カタディオプトリックレンズの取り付け精度を従来に比べて大幅に緩和できる。したがって、カタディオプトリックレンズを実装するときの組み立てプロセスが容易になり、短時間で正確な組み立てを完了することが可能となる。
更に、本発明に係る光学ヘッド及び光記録再生装置では、軸外収差のうちコマ収差がほぼ完全に補正されたカタディオプトリックレンズを用いるようにしているので、カタディオプトリックレンズに入射する入射光束の傾き角を可動ミラー等を用いて高速で変化させて、可動ミラーの動作方向に結像点を走査するようなことも可能となる。これを利用することで、例えば、いわゆる視野内アクセスや視野内トラッキングを行うようなことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明を適用したカタディオプトリックレンズの一例を示す図である。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示したカタディオプトリックレンズの横収差図であり、図２Ａは半画角１°の軸外での横収差を示す図、図２Ｂは軸上での横収差を示す図である。
図３は、図１に示したカタディオプトリックレンズと、従来のカタディオプトリックレンズとについて、入射光の画角と、波面収差のＲＭＳ値との関係を示す図である。
図４は、正弦条件を評価してコマ収差の補正を行い、カタディオプトリックレンズの最適化を行う際の処理の流れを示す図である。
図５は、カタディオプトリックレンズの第１面から第３面頂点までの光学長ｄを一定に保ったときの、第１面の曲率半径ｒ_１と、正弦条件不満足量ＯＳＣとの関係を示す図である。
図６は、カタディオプトリックレンズの第１面の曲率半径ｒ_１を一定に保ったときの、第１面から第３面頂点までの光学長ｄと、正弦条件不満足量ＯＳＣとの関係を示す図である。
図７は、レンズ媒質の屈折率Ｎが１．８１３のとき、正弦条件不満足量＝０という条件を満たす、第３面の曲率半径で規格化された第１面の曲率半径の値ｒ_１／ｒ_３と、第３面の曲率半径で規格化された第１面から第３面頂点までの光学長の値ｄ／ｒ_３との関係を示す図である。
図８は、本発明を適用したカタディオプトリックレンズの他の例を示す図である。
図９Ａ及び図９Ｂは、図８に示した光学系の横収差図であり、図９Ａは半画角１°の軸外での横収差を示す図、図９Ｂは軸上での横収差を示す図である。
図１０は、本発明を適用した光学ヘッドの一例を示す図である。

Claims (8)

1. 第１面が凹面屈折面、第２面が平面ミラー、第３面が第１面の凹面屈折面と同軸に配置された凹面非球面ミラーからなり、平行入射光が第２面の平面ミラーに設けた開口を通して第４面の全反射平面上に結像するようになされたカタディオプトリックレンズにおいて、
   ｒ_１を第１面の曲率半径、ｒ_３を第３面の中心曲率半径、ｄを第１面から第３面頂点までの光学長、ｆ_ａ（Ｎ），ｆ_ｂ（Ｎ）をレンズ媒質の屈折率Ｎの関数として表される係数とし、正弦条件を満たす条件式を下記式（１）で表し、
   ｄ／ｒ_３＝ｆ_ａ（Ｎ）ｒ_１／ｒ_３＋ｆ_ｂ（Ｎ） …（１）
   上記式（１）を満たすときの第１面の曲率半径ｒ_１の値をＲ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの値をＤとしたとき、
   第１面の曲率半径ｒ_１は、Ｒ±１％の範囲内にあり、
   第１面から第３面頂点までの光学長ｄは、Ｄ±０．５％の範囲内にあること
   を特徴とするカタディオプトリックレンズ。
2. 上記第１面の前段にレンズが配置されていること
   を特徴とする請求の範囲第１項記載のカタディオプトリックレンズ。
3. 第１乃至第３面を構成する第１のレンズ媒質と、第４面を構成する第２のレンズ媒質とを備え、
   上記第１のレンズ媒質によって構成される第２面を含む平面に、上記第２のレンズ媒質が接合されてなること
   を特徴とする請求の範囲第１項記載のカタディオプトリックレンズ。
4. 上記第２のレンズ媒質には、磁界発生用コイルが埋設されていること
   を特徴とする請求の範囲第３項記載のカタディオプトリックレンズ。
5. 上記第３面は、面頂点からの深さをＸ、光軸からの高さをＹ、中心曲率半径をＲ、円錐係数をＫ、Ｙ^４項の非球面係数をＡ、Ｙ^６項の非球面係数をＢ、Ｙ^８項の非球面係数をＣ、Ｙ^１０項の非球面係数をＤとしたとき、下記式（２）で表される一般非球面であること
   Ｘ＝（Ｙ^２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）^２｝^１／２］＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０…（２）
   を特徴とする請求の範囲第１項記載のカタディオプトリックレンズ。
6. レンズ媒質の屈折率が、使用波長領域において１．４以上であること
   を特徴とする請求の範囲第１項記載のカタディオプトリックレンズ。
7. 第１面が凹面屈折面、第２面が平面ミラー、第３面が第１面の凹面屈折面と同軸に配置された凹面非球面ミラーからなり、平行入射光が第２面の平面ミラーに設けた開口を通して第４面の全反射平面上に結像するようになされたカタディオプトリックレンズを対物レンズとして備え、
   上記カタディオプトリックレンズは、
   ｒ_１を第１面の曲率半径、ｒ_３を第３面の中心曲率半径、ｄを第１面から第３面頂点までの光学長、ｆ_ａ（Ｎ），ｆ_ｂ（Ｎ）をレンズ媒質の屈折率Ｎの関数として表される係数とし、正弦条件を満たす条件式を下記式（３）で表し、
   ｄ／ｒ_３＝ｆ_ａ（Ｎ）ｒ_１／ｒ_３＋ｆ_ｂ（Ｎ） …（３）
   上記式（３）を満たすときの第１面の曲率半径ｒ_１の値をＲ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの値をＤとしたとき、
   第１面の曲率半径ｒ_１が、Ｒ±１％の範囲内にあり、
   第１面から第３面頂点までの光学長ｄが、Ｄ±０．５％の範囲内にあること
   を特徴とする光学ヘッド。
8. 光学ヘッドを用いて光記録媒体の記録及び／又は再生を行う光記録再生装置であって、
   上記光学ヘッドは、
   第１面が凹面屈折面、第２面が平面ミラー、第３面が第１面の凹面屈折面と同軸に配置された凹面非球面ミラーからなり、平行入射光が第２面の平面ミラーに設けた開口を通して第４面の全反射平面上に結像するようになされたカタディオプトリックレンズを対物レンズとして備え、
   上記カタディオプトリックレンズは、
   ｒ_１を第１面の曲率半径、ｒ_３を第３面の中心曲率半径、ｄを第１面から第３面頂点までの光学長、ｆ_ａ（Ｎ），ｆ_ｂ（Ｎ）をレンズ媒質の屈折率Ｎの関数として表される係数とし、正弦条件を満たす条件式を下記式（４）で表し、
   ｄ／ｒ_３＝ｆ_ａ（Ｎ）ｒ_１／ｒ_３＋ｆ_ｂ（Ｎ） …（４）
   上記式（４）を満たすときの第１面の曲率半径ｒ_１の値をＲ、第１面から第３面頂点までの光学長ｄの値をＤとしたとき、
   第１面の曲率半径ｒ_１が、Ｒ±１％の範囲内にあり、
   第１面から第３面頂点までの光学長ｄが、Ｄ±０．５％の範囲内にあること
   を特徴とする光記録再生装置。

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