DE3220216C2

DE3220216C2 - Optisches System für einen Halbleiter-Laser

Info

Publication number: DE3220216C2
Application number: DE3220216A
Authority: DE
Inventors: Akira Musashimurayama Arimoto; Kimio Kokubunji Tatsuno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE3220216A1; GB2100880A; JPS57196212A; GB2100880B; US4564268A; JPH0514245B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Fokussierung eines von einem Halbleiter-Laser ausgesendeten Lichtstrahls mit einer Linse, die eine numerische Apertur NA, die der Beziehung NA ≦ .118 q20 ↑ λ / ↓ Δ ↓Z genügt, aufweist. (Dabei ist λ die Laser-Wellenlänge und ΔZ eine Astigmatismus-Fokus-Differenz eines Halbleiter-Lasers). Die Wellenfront-Verzerrung eines von der Linse ausgehenden Lichtstrahls wird damit kleiner oder gleich ↑ λ / ↓4 , womit der Astigmatismus des Halbleiter-Lasers ausgeglichen ist.

Description

NA

V-

AZ

genügt, wobei /JZd'ie astigmatische Fokus-Differenz des Halbiejer-Lasers und A die Lascr-Wcllenlängc des Halbiertcr-Lascrs angeben.

2. Optisches System nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Laser vom Verstärkungs-Führungstyp ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Laser ein Dünnschicht-Halbleiter-Laser ist.

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einem Halbleiter-Laser und einem Linsensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
β Falls ein Halbleiter-Laser als Lichtquelle für einen

Η Laserstrahldrucker (LBP) dient, wird der vom Halblei-

S ter-Laser ausgesendete Lichtstrahl auf eine lichtcmp-

% findliche Trommel mit Hilfe eines optischen Systems

':; fokussiert. Wenn der Halbleiter-Laser einen Asligma-

i| tismus besitzt, wird der auf der Trommel gebildete

|| Lichtfleck größer als er von einem Halbleiter-Laser oh-

'Xl ne Astigmatismus erzeugt würde, wobei er durch Hie

Η Abbildungsgrenze bestimmt ist. Dementsprechend ist

If der Ausnutzungsgrad der eingestrahlten Lichtenergic

^l gering und die Auflösung wird weiterhin verringert.

?'; Beim LBP ist die Erzeugung eines kleinen Lichtflccks

ί:·ί entsprechend dem Auflösungsgrad des menschlichen

|| Auges auf der lichtempfindlichen Trommel nötig, d. h.

:. daß man den Laser-Strahl auf einen Lichtfleck mit ei-

hj; nem Durchmesser kleiner als 100 μπι bündeln muß.

$. Aufgrund des Astigmatismus des Halbleiter-Lasers

'■ή kann man jedoch solche kleinen Lichtpunkte nicht cr-

Λ reichen; die Lichtenergie kann nicht in einen solch klei-

i-'t¹ nen Punkt konzentriert werden, was bedeutet, daß der

Ausnutzungsgrad der Lichtenergie verringert wird. Wenn als Lichtquelle für einen LBP ein Halbleilcr-Lpser mit Astigmatismus Verwendung findet, entstehen deshalb übermäßige Anforderungen an die Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Trommel und an die Lichtausbeutc des Halbleiter-Lasers.

Bei Verwendung eines astigmatischen Halbleiter-Lasers als Lichtquelle eines optischen Kopfs zur Informationsaufzeichnung auf einer Bildplatte oder zur Wiedergabe der Information einer Bildplatte ergeben sich verschiedene Probleme. Das heißt, daß bei der Aufzeichnung ein Bit (oder kleine Leerstelle), das die kleinste Aufzeichnungseinheit bildet, in der Abmessung größer ills durch die Abbildungsgrcnzc bestimmt wird, womit die Aufzeichnungsdichte, das ist die Anzahl der pro l'lut-Ie aufgezeichneten Bits, verringert wird. Da der Ausnutzungsgrad des Lichtes verringert ist, entstehen weiterhin übermäßige Anforderungen an die Empfindlichkeit des Aufzeichnungsmediums auf der Bildplatte und an die Lichtausbeute des Halbleiter-Lasers. Man benötigt deshalb ein Aufzeichnungsmedium mit höherer Empfindlichkeit. Der Halbleiter-Laser muß eines intensiveren Lichtstrahl aussenden, was seine Lebensdauer verringert.

Beim Einsatz eines Halbleiter-Lasers als Lichtquelle

ίο zur Wiedergabe der Information auf einer Bildplatte benötigt man zur Wiedergabe einen Lichtpunkt, dessen Halbwcrtsbrcite etwa ι μΐη beträgt. Wenn jedoch der Halblcilcr-L-ascr astigmatisch ist, wird sogar bei der Bündelung des Halbleiter-Laserstrahls durch cine Ob-

n jcktivlinse mit derselben numerischen Apertur, wie sie beim Halblciier-Lascr ohne Astigmatismus verwendet würde, die Abmessung des Lichtflecks größer als die benötigte Punktgröße. Deshalb besitzt ein von einer Bildplatte wiedergegebenes Signa! ein kleines Signalrauschverhältnis und deshalb werden wiedergegebene Bilder und Töne verrauscht.

Als Korrekturverfahren des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers ist bereits ein Verfahren mit Hilfe einer Zylinderlinse bekannt (siehe z. B. Bell System Technical Journal, VoL 5üi Nr. 9,1979, Seite 1909). Bei diesem Verfahren erhöht sich jedoch die Anzahl der im optischen System enthaltenen Teile um die Anzahl der Teile für die Zylinderlinse, und darüber hinaus erhöhen sich die einzustellenden Teile. Deshalb erweist sich dieses Verfahren für die Herstellung eines kompakten und billigen Lascrstrahldruckers und eines Bildplattenlesekopfs als nachteilig. Es zeigt sich weiterhin, daß bei diesem Verfahren die Toleranz der Positionseinstellung der Zylinderlinse für die Lichtquelle des Halbleiter-La-

J5 sers sehr gering ist.

Ferner kann die Zylinderlinse, einen größeren Astigmatismus bcsil/cn, als der z'i korrij'srende Halbleiterlaser. Da die Zylinderlinscn bezüglich der optischen Achse nicht rotationssymmetrisch sind, muß man sie zusätzlich, falls sie in Richtung des auftretenden Astigmatismus des Halbleiter-Lasers versetzt sind, sehr genau einstellen. Da zusätzlich die Herstellung von Zylinderlinsen mit hoher Genauigkeit schwierig ist und damit teuer, wird das Verhältnis der Kosten der Zylinderlinsen zu den Gesamtkosten des optischen Kopfs groß, weshalb die Verwendung von Zylinderlinsen unvorteilhaft ist.

Aus der Druckschrift »Gallium Arsenide Lasers« von C. H. Gooch, 1969, S. 292, ist bekannt, zur Korrektur einer Anisotropie der Intensitätsverteilung eines von einem Halbleiter-Laser erzeugten Lichtstrahls sphärische Linsen einzusetzen. Eine Korrektur der astigmatischen Fokusdifferenz eines Halbleiter-Lasers durch eine geeignete sphärische Linse ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt.

Eine allgemeine Abhandlung der Wellenlehre, soweit sie die Lichtausbreitung betrifft und die Beziehung zwischen der Tiefenschärfe T einer Linse und der numerischen Apertur NA der Linse ist aus der Druckschrift

bo »Photolithographie« von Fcdotov, Pohl, VEB-Vcrlag Technik, Berlin 1974. Seiten 47-48 und Seite 163 bekannt.

Die Tiefenschärfe T' der Linse entspricht dem Bereich auf der optischen Achse, in dem der Abbildungs-

h5 fehler aufgrund des lustierfehlers der Entfernung zwischen der Lichtquelle und der Linse vernachlässigt werden kann. Dazu wird der Absland /zwischen der Lichtquelle und der Linse so eingestellt, daß die Rc/ichung

erfüllt ist, falls das Licht der Lichtquelle ohne astigmatische Fokusdifferenz durch die Linse mit der Brennweite / fokussiert wird Die Tiefenschärfe ist eine Größe, die für eine Punktlichtquelle ohne jede astigmatische Anisotropie verwendet wird.

Dagegen befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Halbleiter-Laser, der selbst eine astigmatische Anisotropie aufweist, das heißt keine Punktlichtquelle ist

Es ist deshalb Aufgabe eier Erfindung, ein optisches System zu ermöglichen, das die obigen Nachteile der herkömmlichen Technik vermeidet und das durch Korrektur des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers einen auf die Abbildungsgrenze fokussierten Lichtpunkt erzeugt

Die Lösung der obigen Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Ansprüche 2 und 3 sind vorteilhafte Ausbildungen davon.

Die Erfindung wird im folgenden in ihren Einzelheift ten anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine sche'rhätische Darstellung zur Erklärung des Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers;

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erklärung des Prinzips der vorliegenden Erfindung und

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Zuerst wird ein in der vorliegenden Erfindung verwendetem Hälbleiter-Laserelement erklärt.

Ein Halbleiter-Laser besitzt verschiedene Vorteile. Er ist beispielsweise klein und besitzt einen großen Gesamtwirkungsgrad und kann darüber hinaus mit hoher Geschwindigkeit direkt moduliert betrieben werden. Aufgrund der Struktur des optischen Resonators eines Halbleiter-Lasers sind die Stellen der Strahlbündelung in der zur Übergangsebene senkrechten und in der zur Übergangsebene parallelen Richtung gewöhnlich ein Stück in Richtung der optischen Achse voneinander entfernt. Die Stelle der Strahleinschnürung in der zur Übergangsebene senkrechten Richtung befindet sich nämlich an der Vorderseite des Resonators und die Strahleinschnürungsstelle parallel zur Übergangsebene innerhalb des Resonators ein Stück von der Vorderseite entfernt. So entsteht der Astigmatismus des Halbleiter-Lasers. F i g. 1 zeigt ein Beispiel eines solchermaßen astigmatischen Halbleiter-Lasers. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Halbleiter-Laser, der einen Lichtstrahl längs der Ο,-Achse eines 3-dimensionalen Koordinatensystems O_Xy, aussendet, mit X die Strahleinschnilrungsstelle längs der Ο,-Achse parallel zur Übergangsebene la, mit Vdie Einschnürungsstelle längs der OyAchse, senkrecht zur Übergangsebene la, bezeichnet. Die Strecke XY kennzeichnet die Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ. Die gestrichelte Linie / kennzeichnet einen Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente in O_x- Richtung, die ausgezogene Linie m einen Lichtstrahl mit einer Gcschwindigkeilskomponente O_t-Richtung und der Winkel θ den öffnungswinkel des Lichtstrahls m.

Die Wellenfront (ii»mlich die gleichphasige Fläche) 2 des vom Halbleiter-Laser 1, der die astigmatische Fokus-Differenz AZ besitz!, kommenden Lichts besitzt eine bestimmte Krümmung. Wenn diese Wellenfront mit Linsen /u einem kleinen L ichtpunkt gebündelt wird, besitzt dieser ebenfalls einen Astigmatismus. Daraus ergeben sich die oben angeführten Nachteile. Die Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ entsteht im HaJbleiter-Laser 1 aufgrund der Tatsache, daß die optische Führung parallel zur Übergangsebene la die sogenannte Ver-Stärkungsführung ist und daß die effektive Brechzahl an einer Stelle im Resonator kleiner ist als an einer Stelle, die von der Mittellinie in Richtung der Schichtbreite etwas entfernt ist, wodurch sich eine Phasenverschiebung zwischen benachbarten Lichtstrahlen und damit

ίο eine zylindrische Wellenfront im Resonator ergibt.

Zur Korrektur des Astigmatismus des Halbleiter-Lasers muß die sich aus der Linsenfehlertheorie ergebende Korrektürmethode selbst verändert werden, um den Astigmatismus der Lichtquelle selbst auszugleichen.

F i g. 2 zeigt einen von einem Halblf.iter-Laser 1 ausgesendeten Lichtstrahl, der die Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ und die Laser-Wellenlänge λ aufweist und der auf eine Objektivlinse 3 mit einer» öffnungswinkel 6*der Iniensitätsverteüung trifft. Es ergibt sich eine We!- lenfront-Verzerrung (oder eine maximale Wellenfront-Verzerrung ΑΦ_Ο am Ort der Pupillenebene der Objektivlinse 3 durch folgende Gleichung:

ΔΦ_Ο =-^

Die Wellenfront-Verzerrung ΔΦ_Ο isi die Abweichung der tatsächlichen Wellenfront 2 von einer Referenzfläche 4, die ihren Mittelpunkt an einer Stelle D auf einem Kreis der geringsten Verwaschung im Halbleiter-Laser 1 mit der Astigmatismus-Fokus-Differenz ΔΖ hat (die Stelle D ist von der Vorderseite 1 b um die Entfernung

—γ- zum Inneren hin verschoben). Der Radius der Bezugsfläche 4 ist gleich dem Abstand R zwischen dem Ort D und dem Zentrum 3a der Pupille der Linser. 3.

Wenn das Licht mit der Wellenfront-Verzerrung ΔΦ₀ durch die Objektivlinsen 3 mit der numerischen Apertur NA ^eht, ergibt sich eine Wellenfront-Verzerrung ΔΦ einer Wellenfront 5 des Lichtstrahls, der durch die Linsen 3 gegangen ist, durch folgende Gleichung:

-^ΔΖ· NA²

Andererseits kann aufgrund des Rayleigh-Kriteriums eine Wellenfront mit einer Wellenfront-Verzerrung ΔΦ in einen kleinen Punkt entsprechend der Abbildungsgrenze gebündelt werden, falls die Wellenfront-Verzerrung ^i? folgender Bedingung genügt:

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergeben sich somit die folgenden Beziehungen:

-^-ΔΖ- NA² < 4-

4 4

Daraus ergibt sich:

NA

ι λ JZ

Falls das von einem Halblcitcr-Lascr 1 ausgesendete Licht, das die Astigmatismus-Fokus-Differenz ΔΖ und die Wellenlänge A hat, durch die Objektivlinsen 3 gcbün-

delt wird und falls die numerische Apertur NA der Linsen 3 der Formel (4) genügt, kann somit ein aus den Linsen 3 austretender Lichtstrahl mit einer Wcllcnfront-

Verzerrung kleiner oder gleich — zu einem kleinen

Lichtpunkt entsprechend der Abbildungsgrenze gebündelt werden. Die numerische Apertur NA der Objektivlinsen 3 wird so groß wie möglich in den durch die Formel (4) gegebenen Grenzen gewählt, da die nutzbare Intensität des Lichts gesteigert wird.

Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung in einem Bild-Kopf für eine Bildplatte näher erläutert.

Bislang war es üblich, als Lichtquelle für eine Bildplatte einen sogenannten Dünnsehicht-Halbleiter-Laser zu verwenden, der ein Beispiel eines Halbleiter-Lasers, bei dem die optische Führung entlang der Schichtbreitc lediglich als Verstärkungsführung ausgebildet ist. darstellt. Der Dünnschicht-Malbleiter-l.ascr hat einen einfachen Kristallaufbau verglichen mit einem Halbleiter-Laser mit Brechzahl, wie gefurchte Substral-Planar-Halbleiter-Laser. bei denen eine Furche im Halbleitersubstrat die optische Führung in Richtung der Streifenbreite bewirkt, und verglichen mit einem Halbleiter-Laser mit eingegrabener Vielfachstruktur, bei dem eine Kristallschicht mit einer von den umgebenen Schichten unterschiedlichen Brechzahl als aktive Schicht verdeckt die optische Führung läng:s der Streifenweite bildet. Der Dünnschicht-Halbleiter-Laser läßt sich dementsprechend sehr kostengünstig herstellen. Desweiteren ist der Rauschpegel dieses Halbleiter-Lasers, der entsteht, wenn der Laserstrahl zum Resonator zurückkehrt, sehr gering verglichen mit den oben angeführten Halbleiter-Lasern mit Brechzahl-Lichtführung. Aus diesen Gründen kann der Dünnschicht-Halbleiter-Laser vorteilhaft als Lichtquelle im optischen Kopf einer Bildplatte eingesetzt werden. Da jedoch der Dünnschicht-Halbleiter-Laser längs der Schichtbreitc eine Brechzahl-Lichtführung einschließt, entsteht im Halbleiter-Laser eine große Astigmatismus-Fokus-DifferenzAZ.Gewöhnlich beträgt der Wert von AZ etwa 20 um und kann in bestimmten Fällen größer als 40 μππ werden. Die vorliegende Erfindung wirkt sich insbesondere dort aus. wo ein Dünnschicht-Halbleiter-Laser mit einer solch großen Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ als Lichtquelle verwendet wird. Wenn beispielsweise ein Halbleiter-Laser mit einer Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ von 20 .um und einer Laserwellenlänge von 780 μηι als Lichtquelle verwendet wird, wird die numerische Apertur NA einer Objek'ivlinse für den Halbleiter-Laser durch die folgende Gleichung berechnet:

SA =

0,78
40

= 0,1975.

Es ist dann erforderlich, eine Objektivlinse, deren numerische Apertur kleiner oder gleich 0,1975 beträgt, zu verwenden.

Bei einer Astigmatismus-Fokus-Differenz AZ gleich 40 um und derselben Wellenlänge berechnet sich die numerische Apertur NA der Objektivlinse wie folgt:

SA = -

0,78

40

= 0,1396.

In F i g. 3 ist eine Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt bei der ein Halbleiter-Laser mit einer großen Astigmatismus-Fckus-Differenz als Lichtquelle in einem optischen Kopf verwendet wird.

Nach F i g. J wird die Wellenfront-Verzerrung eines von einer Objektivlinse 3 ausgehenden Laser-Strahls, falls ein Halbleiter-Laser 1 mit einer astigmatischen Differenz von 20 Jim verwendet wird, kleiner oder gleich ~,

wenn man die numerische Apertur der Linsen 3 kleiner oder gleich 0,1975 wählt. Wenn ein solcher Laser-Strahl auf eine Bildplatte 7 mit Sammellinsen 6 gebündelt wird, entsteht ein nur durch die Abbildungsgrenze bestimm-

lü ter Lichtfleck entsprechend der numerischen Apertur der Sammellinse 6. Zum Beispiel hat der Lichtfleck einen Durchmesser von etwa 1 (im, falls die Sammellinse eine numerische Apertur von etwa 0,5 aufweist. Auf diese Weise wird bei der Aufnahme sowohl die l.icht-

r> ausbeute als auch die Auflösung optimal und man erreicht bei der Bildplatte eine hohe Aufzeichnungsdichte. Bei der Wiedergabe besitzt das Signal ein großes Signal-Rauschverhältnis, und es entsteht ein Bild oder ein Ton hoher Qualität.

Nach dem oben Gesagten kann aufgrund der vorliegenden Erfindung der Astigmatismus eines Halbleiter-Lasers durch ein einfaches optisches System, das aus einer Objektivlinse mit ausgewählter numerischer Apertur besteht, korrigiert werden. Damit dient die Erfindung zum Bau einer Bildplatte mit großer Aufzeichnungsdichte, zur Signalwiedergabe mit hohem Signal-Rauschverhältnis und zum Bau eines Laser-Strahldrukkers, dessen Druckziffern eine große Güte besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches System mit

einem Halbleiterlaser, der eine astigmatische Anisotropie aufweist und

einem Linsensystem zum Fokussieren eines vom Halbleiterlaser ausgesendeten Lichtstrahls auf ein vorgegebenes Aufzeichnungsmedium,
dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (3, 6) eine sphärische Linse aufweist, deren numerische Apertur der Beziehung