JP2004157170A - ビーム整形光学素子、設計方法および設計プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】収差を最小とする、非球面を使用するビーム整形光学素子を提供する。
【解決手段】本発明によるビーム整形光学素子は、入射側面と反対側の出射側面と光軸とを有し、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。１実施形態によるビーム整形光学素子は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。
【選択図】図１
【解決手段】本発明によるビーム整形光学素子は、入射側面と反対側の出射側面と光軸とを有し、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。１実施形態によるビーム整形光学素子は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタルディスク（ＤＶＤ）などの、光記憶用途のための光ピックアップシステム、光通信システムおよびその他の分野に使用されるビーム整形光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に光ピックアップシステムの概略の構成を示す。半導体レーザ１から放射される光束は、コリメータレンズ２によって平行ビームに変換される。つぎに光は、立ち上げミラー３によって反射され対物レンズ４に導かれる。対物レンズ４は、光を光情報記録媒体５上に集光させ、情報の記録・再生が行われる。
【０００３】
ここで、半導体レーザ１から放射される光のエネルギー分布は、図７に示すように、層方向（接合面）に垂直な方向を長軸とする楕円形状となる。すなわち、光束は断面方向に楕円のエネルギー分布を持つ。記録用途のための、通常の半導体レーザでは、ＦＷＨＭ（半値全角）は、層方向に約８．５度、層方向に垂直な方向に約１７度となる。層方向（接合面）に垂直な方向では、半導体レーザ１からの光束の一部がコリメータレンズ２に結合されず、平行ビームに変換されないため、光学系への光量ロスが生じる。さらに、平行光束化された光束の断面形状も楕円形状のエネルギー分布を有する。ここで、光束をそのまま対物レンズ４により光情報記録媒体５の記録面上にスポットとして集光させると光スポットの形状も楕円形状となる。
【０００４】
そこで、半導体レーザから放射される楕円のエネルギー分布の光を、円形に近いエネルギー分布の光に整形するための様々な技術がこれまでに開発されている。
【０００５】
図６は、プリズムを組み合わせることにより、断面形状が楕円の光束を、断面形状が円形に近い光束にビーム整形する光学系である。この光学系の問題点としては、プリズムを使用するため、寸法が大きくなり、高価額となり、さらに組立て作業が繁雑となる点がある。さらに、新たな収差を発生させる原因ともなる。平行ビームが必要であり、コリメータのための大きな開口数が要求される。
【０００６】
また、立ち上げミラーを使用してビーム整形を行う技術も開発されている（たとえば、特開平９−１６７３７５号公報）。この場合、ビーム整形を行うミラーは、コリメータレンズの後方に配置され、半導体レーザとの間隔が大きくなる。したがって、コリメータのための大きな開口数が要求される。
【０００７】
さらに、光軸に垂直な２方向の焦点距離が異なる非球面レンズを用いてビーム整形を行う技術が開発されている。このような非球面レンズとしてトロイダルレンズを使用する技術を開示したものとして特開平６−２７４９３１号公報および特開平６−２９４９４０号公報などがある。また、後に説明するアナモルフィック曲面のレンズを使用する技術を開示したものとして特開２００１−６２０２号公報および特開２００１−１６０２３４号公報などがある。上記のいずれの従来技術も、コリメータレンズの片面または両面を非球面としてビーム整形機能を持たせている。
【０００８】
一般的な非球面トロイダルは、ＸＺ平面において以下に示す数式（１）の第１項で輪郭を定義し、Ｚ軸上で原点からＲｙ離れた一点を通るＸ軸に平行な軸の周りに輪郭を回転させることによって得られる。この形状は、ＹＺ切平面では球面となるがＸＺ平面では非球面となる。
【０００９】
ここで、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、Ｒｙは、ＹＺ切断面の曲線（円）の半径である。第２項以下は曲面からのずれを表す補正項である。Ａｉは、補正係数（定数）である。
【００１０】
アナモルフィック曲面は以下の数式（２）で表すこともできる。
【００１１】
（２）
ここで、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｘ＝１／Ｒｘ、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙ＝１／Ｒｙである。第２項以下は曲面からのずれを表す補正項である。ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）である。
【００１２】
ところで、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタルディスク（ＤＶＤ）などの光ピックアップシステムにおいては、正確かつ高速の記録・再生を行うために収差をできるだけ小さくすることが要求される。したがって、上記のビーム整形機能を備えたレンズも収差をできるだけ小さくすることが要求される。
【００１３】
さらに、半導体レーザを使用する光通信システムにおいては、特開平１１−２１８６４９号に記載されているように、半導体レーザによって発光されたビームを光ファイバに効率的に結合するために、同様のビーム整形光学素子が必要とされる。
【００１４】
しかしながら、上記の非球面を使用する従来技術のビーム整形光学素子は、収差をできるだけ小さくするという観点からは十分な結果をもたらすものではなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
非球面を使用するビーム整形光学素子の収差を最小とするために、異なる面の記述を使用することに対する大きなニーズがある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるビーム整形光学素子は、入射側面と反対側の出射側面と光軸とを有し、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。
【００１７】
また、本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。
【００１８】
したがって、非球面プロファイルからの補正を行う際に、Ｘ軸方向とＹ軸方向に独立に補正を行うことができ設計の自由度が高まる。
【００１９】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項である。したがって、非球面式からの補正を行う際に、Ｘに関する補正係数とＹに関する補正係数とを独立に操作することができるので、容易に補正を行うことができる。
【００２０】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側および出射側の少なくとも一方の曲面が、数式
で表せる。したがって、第１項の非球面プロファイルを表す項の係数を調整することにより、主にビーム形状の変更などの機能を達成することができる。さらに、ＸおよびＹ補正項の係数を独立に操作することにより波面収差を最小とするなどの機能を達成することができる。
【００２１】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃｘおよびｃｙの値が異なる。したがって、非球面プロファイルは、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる。
【００２２】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、少なくとも１つのｉの値に対して、Ａｉがゼロではなく、少なくとも１つのｊの値に対して、Ｂｊがゼロではない。Ｘ軸方向とＹ軸方向で独立に補正を行うことができる。
【００２３】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子の入射側面および出射側面は、ビーム整形光学素子を通過した後の、光源からの光ビームの波面収差ができるだけ小さくなるような形状を有する。Ｘ軸方向とＹ軸方向に独立に補正を行うことにより、波面収差を従来技術よるものよりさらに小さくすることができる。
【００２４】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、光源から供給されるビームの楕円形状の断面が円形断面に近づくように変換する。
【００２５】
したがって、光ピックアップシステムに使用された場合に、半導体レーザのエネルギー効率が向上し、光情報記録媒体における記録・再生の高速化が達成される。
【００２６】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、半導体レーザと、半導体レーザからのビームを平行光、発散光あるいは収束光に変換する光学素子との間に配置される。したがって、ビーム整形光学素子を半導体レーザの近くに配置することができ、エネルギー利用効率の向上、収差補正の点から有利である。
【００２７】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子においては、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離がビーム整形光学素子によって形成される発光点の像から入射側面までの距離よりも小さく、像が物空間に位置する。
【００２８】
また、本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子においては、ＮＡｏｕｔを出射側面の開口数、ＮＡｉｎｘおよびＮＡｉｎｙをそれぞれＸ−Ｚ平面およびＹ−Ｚ平面内の入射側面の開口数とした場合に、数式
（ＮＡｏｕｔ／２）（１／ＮＡｉｎｘ＋１／ＮＡｉｎｙ）＜１
が満たされる。
【００２９】
上記の条件を満たすことにより、ビーム整形光学素子に、コーティングされたビームスプリッタなどのミラー上での入射角度差を小さくする、プリコリメータ機能を持たせることができる。このようにビーム整形光学素子にプリコリメータ機能を組み込むことにより部品点数を削減できる。
【００３０】
本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を対象とする。本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、収差が最小となるように設計する。本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、少なくとも波面収差を含む評価関数を求めるステップとを含む。さらに、本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとを含む。
【００３１】
したがって、Ｘのみの関数からなる補正項とＹのみの関数からなる補正項とを独立に調整することによって、従来の技術に比較して収差をより小さくすることができる。
【００３２】
本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を対象とする。本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、収差が最小となるように設計する。本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、少なくとも波面収差を含む評価関数を求めるステップとをコンピュータに実行させる。さらに、本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとをコンピュータに実行させる。
【００３３】
したがって、Ｘのみの関数からなる補正項とＹのみの関数からなる補正項とを独立に調整することによって、従来の技術に比較して収差をより小さくすることができる。
【００３４】
本発明の１態様による設計方法および設計プログラムは、Ｘのみの関数からなる補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、Ｙのみの関数からなる補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であるビーム整形光学素子を対象とする。したがって、非球面式からの補正を行う際に、Ｘに関する補正係数とＹに関する補正係数とを独立に操作することができるので、容易に補正を行うことができる。
【００３５】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子の設計方法および設計プログラムは、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側および出射側の少なくとも一方の曲面が、数式
で表せるビーム整形光学素子を対象とする。したがって、第１項の非球面プロファイルを表す項の係数を調整することにより、主にビーム形状の変更などの機能を達成することができる。さらに、ＸおよびＹ補正項の係数を独立に操作することにより波面収差を最小とするなどの機能を達成することができる。
【００３６】
本発明によるビーム整形光学素子を製造する方法は、本発明によるビーム整形光学素子を設計する方法を利用する。したがって、従来の技術に比較して収差をより小さくしたビーム整形光学素子を製造することができる。
【００３７】
本発明によるコンピュータプログラム製品は、本発明によるビーム整形光学素子を設計する方法を実施するようにコンピュータとともに使用される。したがって、本発明によるコンピュータプログラム製品を使用して、従来の技術に比較して収差をより小さくしたビーム整形光学素子を設計することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明によるビーム整形光学素子を使用する光ピックアップシステムの１実施形態について図２を参照しながら説明する。半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０からの光束を平行光あるいは収束光に変換する素子（たとえば、コリメータレンズ）１１との間に本発明によるビーム整形光学素子９を配置する。半導体レーザ１０からの断面が楕円形状のビームは、ビーム整形光学素子９を通過することで断面が円形に近いビームに整形される。また、ビーム整形光学素子９は、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の開口数にあった開き角で光線を出射する。立ち上げミラー１２で反射した光線は、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１を通過し、対物レンズ１３を通過することで光情報記録媒体１４に集光することとなる。ビーム整形光学素子は、単一のエレメントからなるのが好ましい。
【００３９】
なお、本実施形態の構成は、ビーム整形光学素子９と光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１（たとえば、コリメータレンズ）とを個別に備えている。個別に備える構成は、以下の点で有利である。第１に、コリメータレンズを使用することにより光軸と垂直方向の対物レンズの移動による収差変化を押さえることが可能となる。対物レンズの移動による収差変化を押さえるためには、コリメータレンズのサイズを対物レンズに比べて十分に大きくする必要がある。このため、コリメータレンズは、半導体レーザからある程度離す必要がある。第２に、ビーム整形光学素子は、エネルギー利用効率の向上、よりよい収差補正の点から半導体レーザの近くに配置することができる。コリメータレンズは、上述の点から半導体レーザからある程度離す必要がある。この点からビーム整形光学素子とコリメータレンズを分離する方が有利である。
【００４０】
このように、本実施形態の構成は、ビーム整形光学素子９と光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１とを個別に備えている。しかし、ビーム整形機能と光束を平行光あるいは収束光に変換する機能とをともに備えた一体型の素子に対しても本発明は同様に適用できる。
【００４１】
また、本発明のビーム整形光学素子にプリコリメータの機能、すなわち、コーティングされたビームスプリッタなどのミラー上での光線角度を小さくする機能を持たせることができる。
【００４２】
光ピックアップシステムにプリコリメータの機能が必要な理由について、図３および図４を参照して説明する。図３において、コリメータの手前に立ち上げミラーとしてコーティングされたビームスプリッタを配置する。コーティングされたビームスプリッタは、光の偏光方向にしたがって光を反射または透過させる。コーティングされたビームスプリッタで反射した光は、コリメータ、１／４波長板、対物レンズを通過して光記録媒体上に集光する。光記録媒体で反射した光線は、対物レンズを通過後、１／４波長板を通過することによって偏光方向が９０度回転し、ビームスプリッタを透過して光検出器（ＰＤ）へ向かう。 往路においてコーティングされたビームスプリッタで反射させ、復路においてコーティングされたビームスプリッタを透過させた場合、コーティングされたビームスプリッタの特性はコーティングされたビームスプリッタ上での入射角度に依存する。コーティングされたビームスプリッタ上での入射角度差が大きくなると位相の変化や反射率の変化が発生する。たとえば、図４に示したように、コーティングされたビームスプリッタに反射として光線を入射させた場合、発散角度が大きいと半導体レーザからのＵｐｐｅｒ光線とＬｏｗｅｒ光線の間の、コーティングされたビームスプリッタ上での入射角度差が大きくなる。このように入射角度差が大きいと光記録媒体上でのビームスポットの上下あるいは左右で位相やエネルギーが均一でなくなるという問題点が生じる。この問題を回避するため、コーティングされたビームスプリッタ上での光線角度を小さくするプリコリメータを、半導体レーザとビームスプリッタとの間に追加する必要がある。
【００４３】
本発明のビーム整形光学素子にプリコリメータの機能を持たせるためには、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離がビーム整形光学素子の虚像点から入射側面までの距離よりも小さくなるようにする。このためには、以下の設計条件を追加する。具体的には、後で図１５を参照して説明する設計方法において、以下の条件を制約条件に加える。
【００４４】
（ＮＡｏｕｔ／２）（１／ＮＡｉｎｘ＋１／ＮＡｉｎｙ）＜１
ここで、ＮＡｏｕｔは、出射側の開口数である。ＮＡｉｎｘおよびＮＡｉｎｙは、光軸をＺ軸として、Ｚ軸に垂直でありかつ相互に垂直な、Ｘ軸およびＹ軸方向の入射側の開口数である。図８に示すように、上記の条件を満たすことによって、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離Ｓ１は、ビーム整形光学素子の虚像点から入射側面までの距離Ｓ２よりも小さくなる。
【００４５】
光情報記録媒体に集光するスポットは、対物レンズ１３の開口数により目標のスポットサイズとなり、光情報記録媒体１４への記録・再生が行われる。ビームは断面のエネルギー分布が円形に近づくように整形されているのでスポット形状もほぼ円形となる。また、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の前でビームの断面のエネルギー分布が円形に近づくように整形されているので、スポットに至るまでのエネルギー損失が少ない。さらに、収差が極めて少ない光束が実現される。したがって、ビームのエネルギー効率が高まり、光情報記録媒体１４の記録・再生の高密度化および高速化に対応することが可能となる。
【００４６】
つぎに、本発明によるビーム整形光学素子９について説明する。本発明によるビーム整形光学素子９は、以下の数式（３）によって表される曲面を少なくとも片側に有するものである。数式（３）の第１項は、数式（２）の第１項と同じであるが、第２項以下の補正項が異なっている。数式（３）の補正項は、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができるようになっているのが特徴である。
【００４７】
【００４８】
ここで、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数である。
【００４９】
以下に、数式（３）の補正項の役割について図９ないし図１４を参照しながら説明する。図９は数式（３）の第１項のみによる、バイコニック面形状の１例を示す。図１０は、数式（３）による面形状の１例を示す。図９において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の曲率が異なっていることがわかる。図１０においては、さらにＸ軸方向に複雑な形状をなしている。図１１は、図９の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す。また、図１２は、図１１の切断面形状の微分曲線を示す。図１３は、図１０の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す。また、図１４は、図１３の切断面形状の微分曲線を示す。
【００５０】
これらの図から理解されるように、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができる補正項によって曲面の自由度が高まり、ビームの断面形状を円形に近づくようにしながら、収差をより小さくする素子の設計が可能となる。これに対して、数式（２）の第２項以下の補正項では、Ｘ、Ｙについて独立に補正を行うことができないため設計の自由度が小さくなる。
【００５１】
つぎに、図１５を参照しながら本発明によるビーム整形光学素子の設計方法の概要を説明する。なお、設計には、ビーム整形光学素子の光学的挙動をシミュレートすることができる市販のプログラム（たとえば、Ｆｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， Ｉｎｃ．のＺｅｍａｘ）を使用してもよい。ステップＳ１０において、ビーム整形光学素子の初期形状を決める。ビーム整形光学素子の初期形状は、半導体レーザ１０からのビームの断面形状や半導体レーザ１０からの光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の開口数などに基づいて決定される。ステップＳ２０において、制約条件と評価関数とを決定する。制約条件は、ビーム整形光学素子の入射側および出射側のビームの状態などである。評価関数は、たとえばビームの収差などである。ステップＳ３０において、制約条件の下で評価関数を求める。ステップ４０において、評価関数が目標の値に達したか否か判断する。目標の値に達していれば終了する。目標の値に達していなければ、ステップＳ５０において、数式（３）の各パラメータを調整する。ここで、本発明の補正項においては、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができるので、パラメータ調整の自由度があり有利である。さらに、ステップＳ６０において、必要に応じて制約条件を調整する。その後、ステップＳ３０に戻り、評価関数が目標の値に達するまで処理を繰り返す。
【００５２】
なお、上記の設計方法を実現するような設計プログラムを作成することもできる。設計プログラムは、ビーム整形光学素子の光学的挙動をシミュレートすることができるプログラムを組み込んでもよい。設計プログラムは、図１５に示した各ステップをコンピュータに実行させるように構成される。また、設計プログラムに対話型機能を持たせて、ステップＳ２０における制約条件、評価関数の決定、ステップＳ５０におけるパラメータ調整、ステップＳ６０における制約条件の調整などを設計者との対話により実行するようにしてもよい。この場合に、制約条件や評価関数をコンピュータの記憶装置に記憶させ、設計者に表示して選択させるようにしてもよい。また、ステップＳ５０におけるパラメータ調整の仕方や、ステップＳ６０における制約条件の調整の仕方を種々の方法でコンピュータの記憶装置に記憶させ、設計者に表示して選択させるようにしてもよい。
【００５３】
上記の方法によって求めたビーム整形光学素子の形状の１例を表１に示す。本例では、入射側および出射側のいずれの面も数式（３）によって表される。したがって、表１は、数式（３）の各係数を示している。
【００５４】
【表１】
【００５５】
また、表１によって表される曲面を持つビーム整形光学素子の光軸を含むＹＺ断面およびＸＺ断面の形状を図１に示す。入射側面のＹＺ断面７ａとＸＺ断面７ｂにおいて、曲率が逆符号となっており、楕円から円への断面形状の整形が行われることに対応している。
【００５６】
なお、本例においてビーム整形光学素子は、素材として環状オレフィンコポリマーを使用しているが、他のプラスチック素材およびガラスなどの他の光学材料によっても製造することができる。
【００５７】
本例のビーム整形光学素子の設計上の収差を、数式（１）および数式（２）の曲面を両面とするビーム整形光学素子の収差と比較して表２に示す。数式（１）および数式（２）の曲面を両面とするビーム整形光学素子についても、図１５と同様の方法によって設計したものである。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２において、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差を表す。また、Ｑｕａｄｒａｔｉｃ ＡＳは、２次非点収差を表す。さらに、Ｔｏｔａｌは波面収差を表す。いずれの収差も２乗平均（ＲＭＳ）に対して波長λを単位として表している。本発明のビーム整形光学素子の収差は、数式（１）または数式（２）で表せる曲面を有するビーム整形光学素子の収差と比較してかなり改善している。
【００６０】
数式（３）の補正項により曲面の自由度が高まり、収差を最小とするビーム整形光学素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１態様によるビーム整形光学素子を示す図である。
【図２】本発明の１態様によるビーム整形光学素子を含む光ピックアップシステムを示す図である。
【図３】コーティングされたビームスプリッタを含む光ピックアップシステムを示す図である。
【図４】コーティングされたビームスプリッタを示す図である。
【図５】一般的な光ピックアップシステムを示す図である。
【図６】プリズムの組み合わせにより断面が楕円形状のビームを断面が円形に近づくように変換するシステムを示す図である。
【図７】半導体レーザのビームの断面形状を示す図である。
【図８】ビーム整形光学素子の入射側および出射側の開口数の関係を示す図である。
【図９】数式（３）の第１項のみによる面形状の１例を示す図である。
【図１０】数式（３）による面形状の１例を示す図である。
【図１１】図９の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す図である。
【図１２】図１１の切断面形状の微分曲線を示す図である。
【図１３】図１０の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す図である。
【図１４】図１３の切断面形状の微分曲線を示す図である。
【図１５】本発明によるビーム整形光学素子の設計方法を示す図である。
【符号の説明】
１，１０ 半導体レーザ
２ コリメートレンズ
３，１２ 立ち上げミラー
４ 対物レンズ
５，１４ 光情報記録媒体
６ レーザ発光点
９ ビーム整形光学素子
１１ 半導体レーザからの光束を平行光あるいは収束光に変換する光学素子
１３ 対物レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタルディスク（ＤＶＤ）などの、光記憶用途のための光ピックアップシステム、光通信システムおよびその他の分野に使用されるビーム整形光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に光ピックアップシステムの概略の構成を示す。半導体レーザ１から放射される光束は、コリメータレンズ２によって平行ビームに変換される。つぎに光は、立ち上げミラー３によって反射され対物レンズ４に導かれる。対物レンズ４は、光を光情報記録媒体５上に集光させ、情報の記録・再生が行われる。
【０００３】
ここで、半導体レーザ１から放射される光のエネルギー分布は、図７に示すように、層方向（接合面）に垂直な方向を長軸とする楕円形状となる。すなわち、光束は断面方向に楕円のエネルギー分布を持つ。記録用途のための、通常の半導体レーザでは、ＦＷＨＭ（半値全角）は、層方向に約８．５度、層方向に垂直な方向に約１７度となる。層方向（接合面）に垂直な方向では、半導体レーザ１からの光束の一部がコリメータレンズ２に結合されず、平行ビームに変換されないため、光学系への光量ロスが生じる。さらに、平行光束化された光束の断面形状も楕円形状のエネルギー分布を有する。ここで、光束をそのまま対物レンズ４により光情報記録媒体５の記録面上にスポットとして集光させると光スポットの形状も楕円形状となる。
【０００４】
そこで、半導体レーザから放射される楕円のエネルギー分布の光を、円形に近いエネルギー分布の光に整形するための様々な技術がこれまでに開発されている。
【０００５】
図６は、プリズムを組み合わせることにより、断面形状が楕円の光束を、断面形状が円形に近い光束にビーム整形する光学系である。この光学系の問題点としては、プリズムを使用するため、寸法が大きくなり、高価額となり、さらに組立て作業が繁雑となる点がある。さらに、新たな収差を発生させる原因ともなる。平行ビームが必要であり、コリメータのための大きな開口数が要求される。
【０００６】
また、立ち上げミラーを使用してビーム整形を行う技術も開発されている（たとえば、特開平９−１６７３７５号公報）。この場合、ビーム整形を行うミラーは、コリメータレンズの後方に配置され、半導体レーザとの間隔が大きくなる。したがって、コリメータのための大きな開口数が要求される。
【０００７】
さらに、光軸に垂直な２方向の焦点距離が異なる非球面レンズを用いてビーム整形を行う技術が開発されている。このような非球面レンズとしてトロイダルレンズを使用する技術を開示したものとして特開平６−２７４９３１号公報および特開平６−２９４９４０号公報などがある。また、後に説明するアナモルフィック曲面のレンズを使用する技術を開示したものとして特開２００１−６２０２号公報および特開２００１−１６０２３４号公報などがある。上記のいずれの従来技術も、コリメータレンズの片面または両面を非球面としてビーム整形機能を持たせている。
【０００８】
一般的な非球面トロイダルは、ＸＺ平面において以下に示す数式（１）の第１項で輪郭を定義し、Ｚ軸上で原点からＲｙ離れた一点を通るＸ軸に平行な軸の周りに輪郭を回転させることによって得られる。この形状は、ＹＺ切平面では球面となるがＸＺ平面では非球面となる。
【０００９】
【００１０】
アナモルフィック曲面は以下の数式（２）で表すこともできる。
【００１１】
ここで、ｃｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｘ＝１／Ｒｘ、ｃｙは、ＹＺ切断面の曲線の中心曲率であり、ｃｙ＝１／Ｒｙである。第２項以下は曲面からのずれを表す補正項である。ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ，ＡＰ，ＢＰ，ＣＰおよびＤＰは、補正係数（定数）である。
【００１２】
ところで、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタルディスク（ＤＶＤ）などの光ピックアップシステムにおいては、正確かつ高速の記録・再生を行うために収差をできるだけ小さくすることが要求される。したがって、上記のビーム整形機能を備えたレンズも収差をできるだけ小さくすることが要求される。
【００１３】
さらに、半導体レーザを使用する光通信システムにおいては、特開平１１−２１８６４９号に記載されているように、半導体レーザによって発光されたビームを光ファイバに効率的に結合するために、同様のビーム整形光学素子が必要とされる。
【００１４】
しかしながら、上記の非球面を使用する従来技術のビーム整形光学素子は、収差をできるだけ小さくするという観点からは十分な結果をもたらすものではなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
非球面を使用するビーム整形光学素子の収差を最小とするために、異なる面の記述を使用することに対する大きなニーズがある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるビーム整形光学素子は、入射側面と反対側の出射側面と光軸とを有し、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形である。
【００１７】
また、本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される。
【００１８】
したがって、非球面プロファイルからの補正を行う際に、Ｘ軸方向とＹ軸方向に独立に補正を行うことができ設計の自由度が高まる。
【００１９】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項である。したがって、非球面式からの補正を行う際に、Ｘに関する補正係数とＹに関する補正係数とを独立に操作することができるので、容易に補正を行うことができる。
【００２０】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側および出射側の少なくとも一方の曲面が、数式
【００２１】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃｘおよびｃｙの値が異なる。したがって、非球面プロファイルは、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる。
【００２２】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、少なくとも１つのｉの値に対して、Ａｉがゼロではなく、少なくとも１つのｊの値に対して、Ｂｊがゼロではない。Ｘ軸方向とＹ軸方向で独立に補正を行うことができる。
【００２３】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子の入射側面および出射側面は、ビーム整形光学素子を通過した後の、光源からの光ビームの波面収差ができるだけ小さくなるような形状を有する。Ｘ軸方向とＹ軸方向に独立に補正を行うことにより、波面収差を従来技術よるものよりさらに小さくすることができる。
【００２４】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、光源から供給されるビームの楕円形状の断面が円形断面に近づくように変換する。
【００２５】
したがって、光ピックアップシステムに使用された場合に、半導体レーザのエネルギー効率が向上し、光情報記録媒体における記録・再生の高速化が達成される。
【００２６】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子は、半導体レーザと、半導体レーザからのビームを平行光、発散光あるいは収束光に変換する光学素子との間に配置される。したがって、ビーム整形光学素子を半導体レーザの近くに配置することができ、エネルギー利用効率の向上、収差補正の点から有利である。
【００２７】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子においては、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離がビーム整形光学素子によって形成される発光点の像から入射側面までの距離よりも小さく、像が物空間に位置する。
【００２８】
また、本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子においては、ＮＡｏｕｔを出射側面の開口数、ＮＡｉｎｘおよびＮＡｉｎｙをそれぞれＸ−Ｚ平面およびＹ−Ｚ平面内の入射側面の開口数とした場合に、数式
（ＮＡｏｕｔ／２）（１／ＮＡｉｎｘ＋１／ＮＡｉｎｙ）＜１
が満たされる。
【００２９】
上記の条件を満たすことにより、ビーム整形光学素子に、コーティングされたビームスプリッタなどのミラー上での入射角度差を小さくする、プリコリメータ機能を持たせることができる。このようにビーム整形光学素子にプリコリメータ機能を組み込むことにより部品点数を削減できる。
【００３０】
本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を対象とする。本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、収差が最小となるように設計する。本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、少なくとも波面収差を含む評価関数を求めるステップとを含む。さらに、本発明によるビーム整形光学素子の設計方法は、上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとを含む。
【００３１】
したがって、Ｘのみの関数からなる補正項とＹのみの関数からなる補正項とを独立に調整することによって、従来の技術に比較して収差をより小さくすることができる。
【００３２】
本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を対象とする。本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、収差が最小となるように設計する。本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、少なくとも波面収差を含む評価関数を求めるステップとをコンピュータに実行させる。さらに、本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとをコンピュータに実行させる。
【００３３】
したがって、Ｘのみの関数からなる補正項とＹのみの関数からなる補正項とを独立に調整することによって、従来の技術に比較して収差をより小さくすることができる。
【００３４】
本発明の１態様による設計方法および設計プログラムは、Ｘのみの関数からなる補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、Ｙのみの関数からなる補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であるビーム整形光学素子を対象とする。したがって、非球面式からの補正を行う際に、Ｘに関する補正係数とＹに関する補正係数とを独立に操作することができるので、容易に補正を行うことができる。
【００３５】
本発明の１実施形態によるビーム整形光学素子の設計方法および設計プログラムは、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側および出射側の少なくとも一方の曲面が、数式
【００３６】
本発明によるビーム整形光学素子を製造する方法は、本発明によるビーム整形光学素子を設計する方法を利用する。したがって、従来の技術に比較して収差をより小さくしたビーム整形光学素子を製造することができる。
【００３７】
本発明によるコンピュータプログラム製品は、本発明によるビーム整形光学素子を設計する方法を実施するようにコンピュータとともに使用される。したがって、本発明によるコンピュータプログラム製品を使用して、従来の技術に比較して収差をより小さくしたビーム整形光学素子を設計することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明によるビーム整形光学素子を使用する光ピックアップシステムの１実施形態について図２を参照しながら説明する。半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０からの光束を平行光あるいは収束光に変換する素子（たとえば、コリメータレンズ）１１との間に本発明によるビーム整形光学素子９を配置する。半導体レーザ１０からの断面が楕円形状のビームは、ビーム整形光学素子９を通過することで断面が円形に近いビームに整形される。また、ビーム整形光学素子９は、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の開口数にあった開き角で光線を出射する。立ち上げミラー１２で反射した光線は、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１を通過し、対物レンズ１３を通過することで光情報記録媒体１４に集光することとなる。ビーム整形光学素子は、単一のエレメントからなるのが好ましい。
【００３９】
なお、本実施形態の構成は、ビーム整形光学素子９と光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１（たとえば、コリメータレンズ）とを個別に備えている。個別に備える構成は、以下の点で有利である。第１に、コリメータレンズを使用することにより光軸と垂直方向の対物レンズの移動による収差変化を押さえることが可能となる。対物レンズの移動による収差変化を押さえるためには、コリメータレンズのサイズを対物レンズに比べて十分に大きくする必要がある。このため、コリメータレンズは、半導体レーザからある程度離す必要がある。第２に、ビーム整形光学素子は、エネルギー利用効率の向上、よりよい収差補正の点から半導体レーザの近くに配置することができる。コリメータレンズは、上述の点から半導体レーザからある程度離す必要がある。この点からビーム整形光学素子とコリメータレンズを分離する方が有利である。
【００４０】
このように、本実施形態の構成は、ビーム整形光学素子９と光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１とを個別に備えている。しかし、ビーム整形機能と光束を平行光あるいは収束光に変換する機能とをともに備えた一体型の素子に対しても本発明は同様に適用できる。
【００４１】
また、本発明のビーム整形光学素子にプリコリメータの機能、すなわち、コーティングされたビームスプリッタなどのミラー上での光線角度を小さくする機能を持たせることができる。
【００４２】
光ピックアップシステムにプリコリメータの機能が必要な理由について、図３および図４を参照して説明する。図３において、コリメータの手前に立ち上げミラーとしてコーティングされたビームスプリッタを配置する。コーティングされたビームスプリッタは、光の偏光方向にしたがって光を反射または透過させる。コーティングされたビームスプリッタで反射した光は、コリメータ、１／４波長板、対物レンズを通過して光記録媒体上に集光する。光記録媒体で反射した光線は、対物レンズを通過後、１／４波長板を通過することによって偏光方向が９０度回転し、ビームスプリッタを透過して光検出器（ＰＤ）へ向かう。 往路においてコーティングされたビームスプリッタで反射させ、復路においてコーティングされたビームスプリッタを透過させた場合、コーティングされたビームスプリッタの特性はコーティングされたビームスプリッタ上での入射角度に依存する。コーティングされたビームスプリッタ上での入射角度差が大きくなると位相の変化や反射率の変化が発生する。たとえば、図４に示したように、コーティングされたビームスプリッタに反射として光線を入射させた場合、発散角度が大きいと半導体レーザからのＵｐｐｅｒ光線とＬｏｗｅｒ光線の間の、コーティングされたビームスプリッタ上での入射角度差が大きくなる。このように入射角度差が大きいと光記録媒体上でのビームスポットの上下あるいは左右で位相やエネルギーが均一でなくなるという問題点が生じる。この問題を回避するため、コーティングされたビームスプリッタ上での光線角度を小さくするプリコリメータを、半導体レーザとビームスプリッタとの間に追加する必要がある。
【００４３】
本発明のビーム整形光学素子にプリコリメータの機能を持たせるためには、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離がビーム整形光学素子の虚像点から入射側面までの距離よりも小さくなるようにする。このためには、以下の設計条件を追加する。具体的には、後で図１５を参照して説明する設計方法において、以下の条件を制約条件に加える。
【００４４】
（ＮＡｏｕｔ／２）（１／ＮＡｉｎｘ＋１／ＮＡｉｎｙ）＜１
ここで、ＮＡｏｕｔは、出射側の開口数である。ＮＡｉｎｘおよびＮＡｉｎｙは、光軸をＺ軸として、Ｚ軸に垂直でありかつ相互に垂直な、Ｘ軸およびＹ軸方向の入射側の開口数である。図８に示すように、上記の条件を満たすことによって、半導体レーザの発光点から入射側面までの距離Ｓ１は、ビーム整形光学素子の虚像点から入射側面までの距離Ｓ２よりも小さくなる。
【００４５】
光情報記録媒体に集光するスポットは、対物レンズ１３の開口数により目標のスポットサイズとなり、光情報記録媒体１４への記録・再生が行われる。ビームは断面のエネルギー分布が円形に近づくように整形されているのでスポット形状もほぼ円形となる。また、光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の前でビームの断面のエネルギー分布が円形に近づくように整形されているので、スポットに至るまでのエネルギー損失が少ない。さらに、収差が極めて少ない光束が実現される。したがって、ビームのエネルギー効率が高まり、光情報記録媒体１４の記録・再生の高密度化および高速化に対応することが可能となる。
【００４６】
つぎに、本発明によるビーム整形光学素子９について説明する。本発明によるビーム整形光学素子９は、以下の数式（３）によって表される曲面を少なくとも片側に有するものである。数式（３）の第１項は、数式（２）の第１項と同じであるが、第２項以下の補正項が異なっている。数式（３）の補正項は、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができるようになっているのが特徴である。
【００４７】
ここで、ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数である。
【００４９】
以下に、数式（３）の補正項の役割について図９ないし図１４を参照しながら説明する。図９は数式（３）の第１項のみによる、バイコニック面形状の１例を示す。図１０は、数式（３）による面形状の１例を示す。図９において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の曲率が異なっていることがわかる。図１０においては、さらにＸ軸方向に複雑な形状をなしている。図１１は、図９の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す。また、図１２は、図１１の切断面形状の微分曲線を示す。図１３は、図１０の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す。また、図１４は、図１３の切断面形状の微分曲線を示す。
【００５０】
これらの図から理解されるように、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができる補正項によって曲面の自由度が高まり、ビームの断面形状を円形に近づくようにしながら、収差をより小さくする素子の設計が可能となる。これに対して、数式（２）の第２項以下の補正項では、Ｘ、Ｙについて独立に補正を行うことができないため設計の自由度が小さくなる。
【００５１】
つぎに、図１５を参照しながら本発明によるビーム整形光学素子の設計方法の概要を説明する。なお、設計には、ビーム整形光学素子の光学的挙動をシミュレートすることができる市販のプログラム（たとえば、Ｆｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， Ｉｎｃ．のＺｅｍａｘ）を使用してもよい。ステップＳ１０において、ビーム整形光学素子の初期形状を決める。ビーム整形光学素子の初期形状は、半導体レーザ１０からのビームの断面形状や半導体レーザ１０からの光束を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の開口数などに基づいて決定される。ステップＳ２０において、制約条件と評価関数とを決定する。制約条件は、ビーム整形光学素子の入射側および出射側のビームの状態などである。評価関数は、たとえばビームの収差などである。ステップＳ３０において、制約条件の下で評価関数を求める。ステップ４０において、評価関数が目標の値に達したか否か判断する。目標の値に達していれば終了する。目標の値に達していなければ、ステップＳ５０において、数式（３）の各パラメータを調整する。ここで、本発明の補正項においては、Ｘ、Ｙについて独立の係数によって補正を行うことができるので、パラメータ調整の自由度があり有利である。さらに、ステップＳ６０において、必要に応じて制約条件を調整する。その後、ステップＳ３０に戻り、評価関数が目標の値に達するまで処理を繰り返す。
【００５２】
なお、上記の設計方法を実現するような設計プログラムを作成することもできる。設計プログラムは、ビーム整形光学素子の光学的挙動をシミュレートすることができるプログラムを組み込んでもよい。設計プログラムは、図１５に示した各ステップをコンピュータに実行させるように構成される。また、設計プログラムに対話型機能を持たせて、ステップＳ２０における制約条件、評価関数の決定、ステップＳ５０におけるパラメータ調整、ステップＳ６０における制約条件の調整などを設計者との対話により実行するようにしてもよい。この場合に、制約条件や評価関数をコンピュータの記憶装置に記憶させ、設計者に表示して選択させるようにしてもよい。また、ステップＳ５０におけるパラメータ調整の仕方や、ステップＳ６０における制約条件の調整の仕方を種々の方法でコンピュータの記憶装置に記憶させ、設計者に表示して選択させるようにしてもよい。
【００５３】
上記の方法によって求めたビーム整形光学素子の形状の１例を表１に示す。本例では、入射側および出射側のいずれの面も数式（３）によって表される。したがって、表１は、数式（３）の各係数を示している。
【００５４】
【表１】
また、表１によって表される曲面を持つビーム整形光学素子の光軸を含むＹＺ断面およびＸＺ断面の形状を図１に示す。入射側面のＹＺ断面７ａとＸＺ断面７ｂにおいて、曲率が逆符号となっており、楕円から円への断面形状の整形が行われることに対応している。
【００５６】
なお、本例においてビーム整形光学素子は、素材として環状オレフィンコポリマーを使用しているが、他のプラスチック素材およびガラスなどの他の光学材料によっても製造することができる。
【００５７】
本例のビーム整形光学素子の設計上の収差を、数式（１）および数式（２）の曲面を両面とするビーム整形光学素子の収差と比較して表２に示す。数式（１）および数式（２）の曲面を両面とするビーム整形光学素子についても、図１５と同様の方法によって設計したものである。
【００５８】
【表２】
表２において、ＳＡは球面収差、ＡＳは非点収差を表す。また、Ｑｕａｄｒａｔｉｃ ＡＳは、２次非点収差を表す。さらに、Ｔｏｔａｌは波面収差を表す。いずれの収差も２乗平均（ＲＭＳ）に対して波長λを単位として表している。本発明のビーム整形光学素子の収差は、数式（１）または数式（２）で表せる曲面を有するビーム整形光学素子の収差と比較してかなり改善している。
【００６０】
数式（３）の補正項により曲面の自由度が高まり、収差を最小とするビーム整形光学素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１態様によるビーム整形光学素子を示す図である。
【図２】本発明の１態様によるビーム整形光学素子を含む光ピックアップシステムを示す図である。
【図３】コーティングされたビームスプリッタを含む光ピックアップシステムを示す図である。
【図４】コーティングされたビームスプリッタを示す図である。
【図５】一般的な光ピックアップシステムを示す図である。
【図６】プリズムの組み合わせにより断面が楕円形状のビームを断面が円形に近づくように変換するシステムを示す図である。
【図７】半導体レーザのビームの断面形状を示す図である。
【図８】ビーム整形光学素子の入射側および出射側の開口数の関係を示す図である。
【図９】数式（３）の第１項のみによる面形状の１例を示す図である。
【図１０】数式（３）による面形状の１例を示す図である。
【図１１】図９の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す図である。
【図１２】図１１の切断面形状の微分曲線を示す図である。
【図１３】図１０の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の切断面形状を示す図である。
【図１４】図１３の切断面形状の微分曲線を示す図である。
【図１５】本発明によるビーム整形光学素子の設計方法を示す図である。
【符号の説明】
１，１０ 半導体レーザ
２ コリメートレンズ
３，１２ 立ち上げミラー
４ 対物レンズ
５，１４ 光情報記録媒体
６ レーザ発光点
９ ビーム整形光学素子
１１ 半導体レーザからの光束を平行光あるいは収束光に変換する光学素子
１３ 対物レンズ
Claims (18)
- 入射側面と反対側の出射側面と光軸とを有するビーム整形光学素子であって、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内の断面においても非円形であるビーム整形光学素子。
- 光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される請求項１に記載のビーム整形光学素子。
- 変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項である請求項２に記載のビーム整形光学素子。
- ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側および出射側の少なくとも一方の曲面が、数式
で表せる請求項２に記載のビーム整形光学素子。 - ｃｘおよびｃｙの値が異なる請求項４に記載のビーム整形光学素子。
- 少なくとも１つのｉの値に対して、Ａｉがゼロではなく、少なくとも１つのｊの値に対して、Ｂｊがゼロではない請求項４に記載のビーム整形光学素子。
- 入射側面および出射側面が、ビーム整形光学素子を通過した後の、光源からの光ビームの波面収差ができるだけ小さくなるような形状を有する請求項１から６のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
- 光源から供給されるビームの楕円形状断面が円形断面に近づくように変換する請求項１から７のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
- 半導体レーザと、半導体レーザからのビームを平行光、発散光あるいは収束光に変換する光学素子との間に配置される請求項１から８のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
- 半導体レーザの発光点から入射側面までの距離がビーム整形光学素子によって形成される発光点の像から入射側面までの距離よりも小さく、像が物空間に位置する請求項１から９のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
- ＮＡｏｕｔを出射側面の開口数、ＮＡｉｎｘおよびＮＡｉｎｙをそれぞれＸ−Ｚ平面およびＹ−Ｚ平面内の入射側面の開口数とした場合に、数式
（ＮＡｏｕｔ／２）（１／ＮＡｉｎｘ＋１／ＮＡｉｎｙ）＜１
が満たされる請求項２から１０のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。 - 光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を、収差が最小となるように設計するための設計方法であって、
入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、
少なくとも波面収差に対する評価関数を求めるステップと、
上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、
評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、
評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとを含む設計方法。 - ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側面および出射側面の少なくとも一方が、数式
で表せる請求項１２に記載のビーム整形光学素子の設計方法。 - ビーム整形光学素子を製造する方法であって、請求項１２に記載の設計方法に従ってビーム整形光学素子を設計するステップと、当該設計にしたがってビーム整形素子を製造するステップとを含むビーム整形光学素子を製造する方法。
- 光軸が３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面とが、非回転対称の非球面プロファイルを表す項と、変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項と、変数Ｙのみの別の関数からなる少なくとも１つの補正項とを含む数式によって表される、ビーム整形光学素子を、収差が最小となるように設計するためのコンピュータプログラムであって、
入射側面におけるビームの収束・発散状態および出射側面におけるビームの収束・発散状態を含む制約条件を決めるステップと、
少なくとも波面収差に対する評価関数を求めるステップと、
上記の制約条件の下で評価関数の値を求めるステップと、
評価関数の値が目標の値に達したか否か判断するステップと、
評価関数が目標値に近づくように、当該ビーム整形光学素子の形状を記述する数式の少なくとも１つの補正項を調整するステップとをコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。 - 変数Ｘのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｘの累乗からなる項に補正係数を乗じた項であり、変数Ｙのみの関数からなる少なくとも１つの補正項が、Ｙの累乗からなる項に補正係数を乗じた項である請求項１５に記載のコンピュータプログラム。
- ｃｘおよびｃｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋｘおよびｋｙおよび補正係数ＡｉおよびＢｉが定数であるとして、入射側面および出射側面の少なくとも一方が、数式
で表せる請求項１５に記載の設計プログラム。 - 請求項１２に記載の方法を実施する際にコンピュータと協働する有形媒体に収められたコンピュータプログラム製品。
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