JP2006134957A - Manufacturing method of optical instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ素子を備えた光学機器の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、半導体レーザに給電して発光させ、その発光パターンに基づいて当該半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出する技術に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical apparatus provided with a semiconductor laser element. More specifically, the present invention relates to a technique for supplying power to a semiconductor laser to emit light and detecting an angular position around the optical axis of the semiconductor laser element based on the light emission pattern.
半導体レーザ素子は、図2(a)に示すように、導波路からなる光共振器の断面形状が長方形であり、長辺21(半導体レーザチップ水平面と平行な方向)の寸法と、短辺22(半導体レーザチップ水平面と直交する方向)の寸法が1桁以上、異なっているのが一般的である。ここで、短辺22の寸法は、活性層厚で、これはエピタキシャル結晶成長で作成される多重量子井戸構造などのヘテロ接合化合物半導体層の層厚で決定され、100nm程度のいわゆるサブμmオーダーの寸法である。これに対して、長辺21の寸法は、電流狭窄のためにエッチングなどの半導体プロセスで形成されるリジットストライプなどの幅で決定され、数μmオーダーの寸法である。
As shown in FIG. 2A, the semiconductor laser device has a rectangular cross-sectional shape of the optical resonator formed of a waveguide, the dimension of the long side 21 (direction parallel to the horizontal plane of the semiconductor laser chip), and the
このような半導体レーザ素子20においては、へき開面からなる出射端面での上記導波路断面が、半導体レーザ素子20の出射スポットの形状を決定する開口25となる。ここで、開口25を通過する光は、回折による広がり(放射角)をもって伝搬するが、その放射角度(回折角度)は開口25の寸法が小さいほど大きく、開口25の寸法が大きいほど小さくなる。従って、横長の長方形形状の開口25から前方に出射されるレーザ光Lは、縦方向の放射角度の方が横方向の放射角度より大きくなり、そのファーフィールド・パターンは縦長の楕円形状となる。なお、後方に出射されるレーザ光も同様である。
In such a semiconductor laser element 20, the above-mentioned waveguide cross section at the emission end face formed of a cleavage plane becomes an
このような半導体レーザ素子20を備えた光学機器の代表的なものとしては、CDやDVDの再生などを行う光ヘッド装置があり、この光ヘッド装置において、対物レンズにより光記録ディスクに結像されるスポット形状は、半導体レーザ素子20の出射端面の開口25の実像である。ここで、スポット形状は、理想的には横長の長方形形状であるが、現実的には、半導体レーザ素子20内部での導波路からの光の漏れ出しや、光学系によるフーリエ変換の理想状態からのずれなどに起因して、横長の楕円形状となる。それ故、光記録ディスク上に集光されて記録信号を読み取る光スポットの形状は楕円であり、真円ではない。このため、信号トラックに対するスポットの傾き(楕円の方向)によって、光ヘッド装置の再生/記録特性が異なってくるので、光ヘッド装置の製造工程では、楕円スポットの方向が設計通りとなるように、半導体レーザ素子20を光軸周りに回転させてその角度位置を調整しながら組み立てが行われる。また、楕円スポットの方向によって検査選別が行われている。 As a typical optical apparatus provided with such a semiconductor laser element 20, there is an optical head device for reproducing CDs and DVDs. In this optical head device, an image is formed on an optical recording disk by an objective lens. The spot shape is a real image of the opening 25 on the emission end face of the semiconductor laser element 20. Here, the spot shape is ideally a horizontally long rectangular shape, but in reality, from the ideal state of leakage of light from the waveguide inside the semiconductor laser element 20 or Fourier transform by the optical system. Due to such a shift, a horizontally long elliptical shape is formed. Therefore, the shape of the light spot that is collected on the optical recording disk and reads the recording signal is an ellipse, not a perfect circle. For this reason, the reproducing / recording characteristics of the optical head device differ depending on the inclination of the spot with respect to the signal track (the direction of the ellipse). Therefore, in the manufacturing process of the optical head device, the direction of the elliptical spot is as designed. Assembling is performed while adjusting the angular position by rotating the semiconductor laser element 20 around the optical axis. In addition, inspection sorting is performed according to the direction of the elliptical spot.
従来は、楕円スポットの方向の調整や検査を行う際、半導体レーザ素子20をレーザ発振させてレーザ光Lを出射させて、ファーフィールド・パターン、あるいはディスク面上での光スポット像(ニアフィールド・パターン)をモニター観察しているが、このようなパターンは、楕円で、かつ、様々なパワー分布をもっているので、半導体レーザ素子20の光軸周りの角度位置を正確に検出するのは困難である。 Conventionally, when adjusting or inspecting the direction of an elliptical spot, the semiconductor laser element 20 is oscillated to emit laser light L, and a far field pattern or a light spot image on the disk surface (near field However, since such a pattern is elliptical and has various power distributions, it is difficult to accurately detect the angular position around the optical axis of the semiconductor laser element 20. .
すなわち、半導体レーザ素子20を発振しきい値以上の電流で駆動してレーザ発振させると、活性領域に誘導放出光エネルギーが集中するので、それをCCDなどの撮像装置で観察すると、図2(b)に示すように、楕円形状の発光スポット(ニアフィールド・パターン)が認められるはずであるが、その輝度が極めて高いため、図4に示すようにモニターされてしまう。それ故、目視で楕円の向きを確認しようにも、その向きを正確に決定するのは困難である。また、このようなパターンは、様々なパワー分布をもっているので、画像処理より、楕円パターンの向き(半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置)を検出するには、煩雑なアルゴリズムを必要とし、かつ、計測精度の向上が難しい。なお、半導体レーザ素子20を発振しきい値以上の電流で駆動してレーザ発振させると、実際には、このレーザ光(誘導放出光)とともに、図2(c)に示すように、活性領域(レーザ発振領域)を中心として両側の活性層まで浸み出して線状に発光する自然放出光成分も存在するので、それに基づいて、発光パターンの向きを検出してもよいが、かかる自然放出光成分は、レーザ光成分に比較して桁違いに強度が低いので、撮像素子のダイナミックレンズの点からいって、自然放出光成分を観察するのは不可能である。 That is, when the semiconductor laser element 20 is driven with a current equal to or higher than the oscillation threshold value to cause laser oscillation, the stimulated emission light energy is concentrated in the active region. When this is observed with an imaging device such as a CCD, FIG. As shown in FIG. 4, an elliptical light emission spot (near field pattern) should be recognized, but since the luminance is extremely high, it is monitored as shown in FIG. 4. Therefore, it is difficult to accurately determine the orientation of the ellipse even when visually confirming the orientation of the ellipse. Also, since such patterns have various power distributions, a complicated algorithm is required to detect the orientation of the elliptic pattern (angle position around the optical axis of the semiconductor laser element) by image processing, and It is difficult to improve measurement accuracy. When the semiconductor laser element 20 is driven with a current equal to or higher than the oscillation threshold value to cause laser oscillation, the active region (actuated emission light) and the active region (actuated emission light) as shown in FIG. There is also a spontaneously emitted light component that shines in a linear shape by leaching up to the active layer on both sides centering on the laser oscillation region), and based on this, the direction of the emission pattern may be detected. Since the component has an order of magnitude lower intensity than the laser light component, it is impossible to observe the spontaneous emission light component from the viewpoint of the dynamic lens of the image sensor.
上記問題点に鑑みて、本発明の課題は、光学機器の製造工程で半導体レーザの角度位置の調整などを行う際、煩雑なアルゴリズムを用いなくても、半導体レーザ素子の発光パターンの傾きを精度よく検出可能な光学機器の製造方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to accurately adjust the inclination of the light emission pattern of a semiconductor laser element without using a complicated algorithm when adjusting the angular position of the semiconductor laser in the manufacturing process of an optical device. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optical device that can be detected well.
上記課題を解決するために、本発明の光学機器の製造方法では、半導体レーザ素子を発振しきい値未満の電流で駆動して前記半導体レーザ素子の端面を自然放出モードで線状に発光させ、当該線状の発光パターンの観察結果に基づいて、前記半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出する角度位置検出工程を有していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the method for manufacturing an optical apparatus of the present invention, the semiconductor laser element is driven with a current less than an oscillation threshold value, and the end surface of the semiconductor laser element is emitted linearly in a spontaneous emission mode, An angular position detecting step of detecting an angular position around the optical axis of the semiconductor laser element based on the observation result of the linear light emission pattern is provided.
本発明において、半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出する角度位置検出工程では、半導体レーザ素子を発振しきい値未満の電流で駆動するので、半導体レーザ素子の端面は、自然放出モードで線状に発光する。このため、半導体レーザ素子の角度位置を検出する際、半導体レーザ素子の端面での発光パターンが、図3に示すような線状であるため、煩雑なアルゴリズムを用いなくても、発光パターンの傾き、すなわち、半導体レーザ素子の傾きを容易に、かつ、精度よく検出することができる。 In the present invention, in the angular position detection step of detecting the angular position around the optical axis of the semiconductor laser element, the semiconductor laser element is driven with a current less than the oscillation threshold value, so that the end face of the semiconductor laser element is in a spontaneous emission mode. Light is emitted linearly. For this reason, when detecting the angular position of the semiconductor laser element, the light emission pattern on the end face of the semiconductor laser element is linear as shown in FIG. 3, so that the inclination of the light emission pattern can be obtained without using a complicated algorithm. That is, the tilt of the semiconductor laser element can be detected easily and accurately.
本発明において、発光パターンの傾きに基づいて半導体レーザ素子の傾きを検出する際、発光パターンの観察を目視で行ってもよいが、画像処理を利用してもよい。すなわち、前記角度位置検出工程において、図3に示すような線状の発光パターンを観察する際、当該線状の発光パターンを画像処理して当該発光パターンの直線近似パターンを求め、当該直線近似パターンに基づいて、前記半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出することが好ましい。 In the present invention, when detecting the inclination of the semiconductor laser element based on the inclination of the light emission pattern, the light emission pattern may be observed visually, or image processing may be used. That is, when observing a linear light emission pattern as shown in FIG. 3 in the angular position detection step, the linear light emission pattern is image-processed to obtain a linear approximation pattern of the light emission pattern, and the linear approximation pattern It is preferable to detect the angular position around the optical axis of the semiconductor laser element based on the above.
本発明において、前記半導体レーザ素子の角度位置の検出結果に基づいて、前記半導体レーザ素子とその他の光学素子との相対的な角度位置を調整することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to adjust a relative angular position between the semiconductor laser element and another optical element based on a detection result of the angular position of the semiconductor laser element.
本発明において、半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出する角度位置検出工程では、半導体レーザ素子を発振しきい値未満の電流で駆動するので、半導体レーザ素子の端面は、自然放出モードで線状に発光する。このため、半導体レーザ素子の角度位置を検出する際、半導体レーザ素子の端面での発光パターンが線状であるため、発光パターンの傾き、すなわち半導体レーザ素子の傾きを、煩雑なアルゴリズムを用いなくても、容易に、かつ、精度よく検出することができる。 In the present invention, in the angular position detection step of detecting the angular position around the optical axis of the semiconductor laser element, the semiconductor laser element is driven with a current less than the oscillation threshold value, so that the end face of the semiconductor laser element is in a spontaneous emission mode. Light is emitted linearly. For this reason, when detecting the angular position of the semiconductor laser element, since the light emission pattern at the end face of the semiconductor laser element is linear, the inclination of the light emission pattern, that is, the inclination of the semiconductor laser element has to be used without using a complicated algorithm. Can be easily and accurately detected.
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(光ヘッド装置の光学系の説明)
図1(a)、(b)は、本発明が適用される光ヘッド装置(光学機器)の光学系を抜き出して示す説明図、およびこの光学系をフロントモニター用受光素子の側からみたときの説明図である。なお、光学素子の多くはベースの下方からよくみえるので、図1(a)には光学系を底面からみたものとして表わしてある。このため、図1(b)において、対物レンズが図面に向かって下方に表わされているが、光ヘッド装置は、通常、光記録媒体の下方に配置されるので、光学系の上下方向の位置は、実際には、図1(b)に示す位置とは上下逆である。
(Description of optical system of optical head device)
FIGS. 1A and 1B are explanatory views showing an optical system of an optical head device (optical apparatus) to which the present invention is applied, and when this optical system is viewed from the front monitor light receiving element side. It is explanatory drawing. Since many of the optical elements can be seen well from below the base, FIG. 1A shows the optical system as viewed from the bottom. For this reason, in FIG. 1B, the objective lens is shown below the drawing, but since the optical head device is usually arranged below the optical recording medium, the optical system in the vertical direction of the optical system is shown. The position is actually upside down from the position shown in FIG.
図1(a)、(b)に示す光ヘッド装置1は、CD、CD−R、およびDVDの記録再生を行う光ヘッド装置であり、以下に説明する光学素子は各々、ベース(図示せず)に搭載されている。ここに示す光ヘッド装置1は、光源部として、波長650nmあるいは635nm(短波長)の第1のレーザ光を出射するDVD用の第1のレーザダイオード4(半導体レーザ素子)と、波長760〜800nm(長波長)の第2のレーザ光を出射するCD用の第2のレーザダイオード5(半導体レーザ素子)とを備えている。 An optical head device 1 shown in FIGS. 1A and 1B is an optical head device that records and reproduces CDs, CD-Rs, and DVDs, and optical elements described below each have a base (not shown). ). The optical head device 1 shown here has a first laser diode 4 (semiconductor laser element) for DVD that emits a first laser beam having a wavelength of 650 nm or 635 nm (short wavelength) as a light source unit, and a wavelength of 760 to 800 nm. And a second laser diode 5 (semiconductor laser element) for CD that emits a second laser beam having a long wavelength.
また、光ヘッド装置1は、その他の光学系によって、第1のレーザダイオード4から出射された第1のレーザ光、および第2のレーザダイオード5から出射された第2のレーザ光を、光路合成用光学素子であるプリズム6によって、光記録媒体に向かう共通光路10に導くようになっており、この共通光路10上には、立ち上げミラー11、コリメートレンズ12、対物レンズ13がこの順に配置されている。また、本形態の光ヘッド装置1では、第1のレーザダイオード4から出射された第1のレーザ光、および第2のレーザダイオード5から出射された第2のレーザ光をプリズム6に導くにあたって、第1のレーザダイオード4から光記録媒体に向かう光路上には、第1のレーザ光をプリズム6に向けて部分反射するともに、光記録媒体からの戻り光を部分透過して受光素子9に向かわせる戻り光分離用光学素子としてのハーフミラー7が配置されている。第2のレーザダイオード5からプリズム6に至る光路上には、グレーティングレンズ14およびリレーレンズ15が配置されている。また、ハーフミラー7と受光素子9との間には、非点収差発生素子としてのセンサーレンズ17が配置されている。このセンサーレンズ17は、レーザ光の戻り光に対して非点収差を発生させるためのレンズである。さらに、プリズム6に対してハーフミラー7と反対側には、フロントモニター用受光素子16が配置されている。
Further, the optical head device 1 combines the first laser beam emitted from the first laser diode 4 and the second laser beam emitted from the
(光ヘッド装置の製造方法)
図2(a)、(b)、(c)は各々、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の説明図、および半導体レーザ素子を自然放出モードで発光させたときの説明図である。図3は、半導体レーザ素子を自然放出モードで発光させたときの半導体レーザ素子の端面を1300倍に拡大して観察したときの説明図である。
(Manufacturing method of optical head device)
2A, 2B, and 2C are respectively an explanatory diagram of laser light emitted from the semiconductor laser device and an explanatory diagram when the semiconductor laser device emits light in a spontaneous emission mode. FIG. 3 is an explanatory diagram when the end face of the semiconductor laser device is observed at a magnification of 1300 times when the semiconductor laser device emits light in the spontaneous emission mode.
本形態の光ヘッド装置1の製造工程では、図1(a)、(b)に示す第1のレーザダイオード4あるいは第2のレーザダイオード5(以下、それらを区別せずに半導体レーザ素子20という)を点灯させ、そのファーフィールド・パターン、あるいはディスク面上での光スポット像(ニアフィールド・パターン)を観察して、楕円パターンの向き(半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置)を検出する角度位置検出工程が行われている。また、このような工程で得られた結果に基づいて、半導体レーザ素子20と他の光学部品との光軸周りの相対位置の調整や、光学ヘッド装置1の良否の判定が行われる。
In the manufacturing process of the optical head device 1 of the present embodiment, the first laser diode 4 or the
このような角度位置検出工程を行うにあたって、本形態では、半導体レーザ素子20を発振しきい値未満の電流で駆動して、図2(c)に示すように、半導体レーザ素子20の端面を自然放出モード(LED(Light Emitting Diode)モード)で線状に発光させ、線状の発光パターンの観察結果に基づいて、半導体レーザ素子の光軸周りの角度位置を検出する。 In performing this angular position detection step, in this embodiment, the semiconductor laser element 20 is driven with a current less than the oscillation threshold value, and the end surface of the semiconductor laser element 20 is naturally moved as shown in FIG. Light is emitted linearly in an emission mode (LED (Light Emitting Diode) mode), and the angular position around the optical axis of the semiconductor laser element is detected based on the observation result of the linear light emission pattern.
すなわち、半導体レーザ素子20を発振しきい値未満の電流で駆動すると、図2(a)、(b)に示すような活性領域での誘導放出光エネルギーの集中や、楕円形状の発光パターンが認められず、半導体レーザ素子20の端面は、図2(c)に示すように、自然放出モードで線状に発光するだけである。このような線状の発光パターンは、活性領域(レーザ発振領域)を中心として両側の活性層まで発光したものであり、直線状の活性層そのものの一部がLED光として浮かび上がったものである。それ故、CCDなどの撮像素子の感度を上げれば、図3に示すような線状の発光パターンを観察でき、このような発光パターンであれば、その傾きを目視でも容易に観察できる。それ故、半導体レーザ素子20の傾きを容易に、かつ、精度よく検出することができる。 That is, when the semiconductor laser device 20 is driven with a current less than the oscillation threshold, concentration of stimulated emission light energy in the active region and an elliptical light emission pattern as shown in FIGS. 2A and 2B are recognized. However, as shown in FIG. 2C, the end face of the semiconductor laser device 20 only emits light linearly in the spontaneous emission mode. Such a linear light emission pattern emits light to the active layers on both sides centering on the active region (laser oscillation region), and a part of the linear active layer itself emerges as LED light. . Therefore, if the sensitivity of an image pickup device such as a CCD is increased, a linear light emission pattern as shown in FIG. 3 can be observed. With such a light emission pattern, the inclination can be easily observed visually. Therefore, the tilt of the semiconductor laser element 20 can be detected easily and accurately.
また、このような線状の発光パターンであれば、線状の発光パターンを画像処理して発光パターンの直線近似パターンを求め、この直線近似パターンに基づいて、半導体レーザ素子20の光軸周りの角度位置を検出することができる。その際、発光パターンは、線状なので、画像処理を行う際、煩雑なアルゴリズムを必要とせず、かつ、計測精度が高い。 Also, with such a linear light emission pattern, the linear light emission pattern is subjected to image processing to obtain a linear approximate pattern of the light emission pattern, and based on this linear approximate pattern, the optical axis around the optical axis of the semiconductor laser device 20 is obtained. The angular position can be detected. At this time, since the light emission pattern is linear, a complicated algorithm is not required when performing image processing, and the measurement accuracy is high.
(その他の実施の形態)
なお、上記形態は、半導体レーザ素子を用いた光学機器として光ヘッド装置を例に説明したが、レーザプリンタや、レーザ光を利用した車間距離計測装置などに本発明を適用してもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the optical head device is described as an example of the optical device using the semiconductor laser element. However, the present invention may be applied to a laser printer, an inter-vehicle distance measuring device using laser light, and the like.
1 光ヘッド装置
4、5 レーザダイオード(半導体レーザ素子)
20 半導体レーザ素子
25 半導体レーザ素子の開口
1
20
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