JP2006515074A

JP2006515074A - ビーム整形光学素子、設計方法および設計プログラム

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Publication number: JP2006515074A
Application number: JP2004547925A
Authority: JP
Inventors: 幡手　公英; ジュッテ、ピーター・ティ; フェン・デン・アレンビーム、ジェイコブ・エム・エー
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2006-05-18
Also published as: US20060103907A1; AU2003278423A8; WO2004040338A1; US7292397B2; AU2003278423A1; JP2004157170A; TW200426391A; KR20050070105A; CN1708699A; EP1561132A1; TWI298395B

Abstract

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。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、光軸は、３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である。

Description

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。本発明は、ビームの光ファイバへの結合、レーザビームプリンタ、スキャナー、レーザ加工用装置、ダイオード励起固体レーザ用の高効率ＬＤ光学システムおよび光学システムを使用する他の装置を含む、広い範囲のビーム整形用途を有する。

図５は、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。

半導体レーザ１から放射される光のフィールドパターンは、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となる。すなわち、光ビームはビームの断面方向に楕円状に分布したエネルギーを持つ。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からの光の外側部分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、平行ビームに変換された光の断面形状も楕円形状のエネルギー分布を有する。光を光情報記録媒体５の面上に光スポットとして集光させると、当該光スポットの形状も楕円形状となる。

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、ほぼ円形の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。

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を、断面形状がほぼ円形の光にビーム整形する光学系である。プリズムを使用する光学系の問題点は、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、当該光学系は、新たな収差を発生させる原因ともなる。プリズムの動作には、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。

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号公報を参照されたい。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、ビーム整形を行うミラーと半導体レーザとの間の距離が大きくなる。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。

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。特許文献１の特開平6-274931号公報および特許文献２の特開平6-294940号公報は、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ている。また、特許文献３の特開2001-6202号公報および特許文献４の特開2001-160234号公報は、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ている。上記のいずれの技術も、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。

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）によってプロファイルを定義し、Ｚ軸上で原点からＲｙ離れた点を通る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平面では球面となるがＸＺ平面では非球面となる。

ｃ_ｘは、ＸＺ切断面の曲線の中心曲率であり、Ｒｙは、ＹＺ面の曲線（円）の半径である。第２項以下は第１項で表される面からのずれを表す補正項である。

アナモルフィック曲面は以下の数式（２）で表すことができる。

ｃ_ｘは、ＸＺ切断面の曲線の曲率であり、ｃ_ｘ＝１／Ｒｘ、ｃ_ｙは、ＹＺ面の曲線の曲率であり、ｃ_ｙ＝１／Ｒｙである。第２項以下は第１項で表される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。

コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタルディスク（ＤＶＤ）などにおける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必要がある。したがって、上記の、ビーム整形機能を備えたレンズに対する収差もできるだけ小さくする必要がある。

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放射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。

しかしながら、非球面として、上記の数式（１）および（２）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ために、十分な結果をもたらすものではなかった。
特開平6-274931号公報特開平6-294940号公報特開2001-6202号公報特開2001-160234号公報

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、異なるレンズ面の記述を使用することに対する大きなニーズがある。

本発明によるビーム整形光学素子は、入射側面と出射側面の両方が、光軸を含むいかなる面内においても非円形断面を有する。

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、光軸は、３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である。当該数式は、変数Ｘと変数Ｙの両方の関数である補正項を含まず、当該数式は、変数Ｘのみの関数を含む、少なくとも１つの補正項と変数Ｙのみの関数を含む、少なくとも１つの補正項と含む。ビーム整形光学素子は、当該数式にしたがって設計された、一方の面または両方の面を備えてよい。

したがって、非球面プロファイルにおいて、Ｘ軸方向の補正とＹ軸方向の補正とを独立に行うことができ、当該光学素子を設計する際の自由度が高まる。

ビーム整形光学素子の特定の実施形態において、入射側面と出射側面の少なくとも一方が、光軸を含むいかなる面においても非円形断面を有する。

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、非球面プロファイルにおいて、Ｘ軸方向の補正とＹ軸方向の補正とを独立に行うことができ、より容易に補正を行うことができる。

特定の実施形態において、ＸおよびＹの同じ累乗の補正項の補正係数は同じである。

本発明の他の実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉ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面が、数式

で表せる。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、ビーム整形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出射側面から出る光の波面収差を最小とすることができる。

本発明の他の実施形態によるビーム整形光学素子は、ｃ_ｘおよびｃ_ｙの値が異なる。したがって、ビーム整形光学素子は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる非球面プロファイルを有する。

本発明の他の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、Ａ_ｉがゼロではなく、少なくとも１つのｊの値に対して、Ｂ_ｊがゼロではない。Ｘ軸方向の補正とＹ軸方向の補正は、独立に行うことができる。

本発明の他の実施形態によるビーム整形光学素子において、入射側面および出射側面の少なくとも一方は、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を最小とするような形状を有する。非球面プロファイルにおいて、Ｘ軸方向の補正とＹ軸方向の補正とを独立に行うことができ、その結果、従来の素子によって生じる波面収差と比較して、波面収差をさらに小さくすることができる。

本発明の他の実施形態によるビーム整形光学素子においては、半導体レーザからのビームの楕円形状の断面がほぼ円形断面に変換される。

したがって、当該ビーム整形光学素子が光ピックアップシステムに使用された場合に、半導体レーザから光情報記録媒体へエネルギーがより効率的に伝えられ、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。

本発明の他の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、より高いエネルギー効率、よりよい収差補正の点から有利である。

本発明の他の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半導体レーザの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。

本発明の他の実施形態によるビーム整形光学素子においては、ＮＡ_outを出射側面の開口数、ＮＡ_inxおよびＮＡ_iny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
（ＮＡ_out／２）（１／ＮＡ_inx＋１／ＮＡ_iny）＜１
が満たされる。

上記の条件を満たす場合に、ビーム整形光学素子は、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備える。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、光経路におけるコンポーネント数を削減できる。２つの素子、すなわち、プリコリメータとポストコリメータにわたって、コリメート機能を分離する利点は、プリコリメータをビームシェイパーと一体化して、良好な熱安定性を有する結合素子とすることができる点である。全コリメート機能がビームシェイパーに組み込まれれば、当該素子の光学的強度がより大きくなり、その熱安定性は減少する。コリメート機能を分離することは、ポストコリメータが比較的大きな焦点距離を有するので、プリコリメータ機能を有するビームシェイパーとポストコリメータとの間の距離を増加させることができるという付加的な利点を有する。増加した距離は、ビームシェイパーとポストコリメータとの間に、より遠い光源からの放射を結合して中へ入れ、記録媒体から検出システムに戻る光を結合して外部へ出す結合素子を配置するのに使用される。

そのような光ピックアップシステムは、光記録媒体を走査する光走査装置に有利に使用することができる。当該光ピックアップシステムは、光記録媒体からの光を記録担体に格納された情報を表わす電気信号に変換するための光検出器を含む。当該光走査装置は、当該電気信号に接続されたエラー修正回路を含む。当該エラー修正回路は、光検出器からの電気信号のエラーを修正するために配置される。

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の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である、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に対する評価関数を求めるステップとを含む。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、少なくとも１つの補正項を調整するステップとを含む。

したがって、変数Ｘのみの関数からなる補正項と変数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、従来の素子によって生じる収差に比較して収差をより小さくすることができる。

本発明によるビーム整形光学素子の設計プログラムは、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の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である、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によって、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。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、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。

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、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ビーム整形光学素子を対象とする。したがって、非球面プロファイルにおいて、Ｘ軸方向の補正とＹ軸方向の補正とを独立に行うことができ、より容易に補正を行うことができる。

本発明の他の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、ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉ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

で表されるビーム整形光学素子を対象とする。したがって、非球面プロファイルを表す第１項の係数を調整することにより、ビーム成形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。

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、従来のビーム整形光学素子の収差より小さい収差のビーム整形光学素子を製造することができる。

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、従来のビーム整形光学素子の収差より小さい収差のビーム整形光学素子を設計することができる。

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からのビームの楕円形状の断面は、ビーム整形光学素子９を通過する際にほぼ円形の断面に整形される。ビーム整形光学素子９は、光を平行光あるいは収束光に変換する素子１１の開口数にあった発散角度で光線を出射する。ビーム整形光学素子９は、プリコリメータして機能し、光を平行光あるいは収束光に変換する素子１１は、ポストコリメータとして機能する。立ち上げミラー１２で反射された光は、光を平行光あるいは収束光に変換する素子１１を通過し、対物系によって光情報記録媒体１４上に集光される。対物系は、１つまたは複数の素子を備えることができる。図は、レンズ１３の形の１つの光学素子を備える対物系を示す。ビーム整形光学素子は、単一素子であるのが好ましい。

図２に示す実施形態において、ビーム整形光学素子９と光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）とは個別に設けられている。当該素子を個別に設ける構成は、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に垂直方向の対物レンズの移動による収差変化を減少ことが可能となる。対物レンズの移動による収差変化を減少するためには、コリメータレンズのサイズを対物レンズのサイ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１０から所定の距離に配置する必要がある。第２に、コリメータレンズは、半導体レーザ１０から所定の距離に配置する必要があるとしても、ビーム整形光学素子は、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のが有利である。

このように、本実施形態の構成は、ビーム整形光学素子９と光を平行光あるいは収束光に変換する素子１１とを個別に設けている。しかし、ビーム整形機能と光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。

本発明のビーム整形光学素子に、素子から出て行く光の発散角度を減少させるプリコリメータの機能を持たせることができる。そのようなビームが当該素子の後に配置されたビームスプリッタに入射するときに、当該ビームスプリッタのミラーコーティングまたは反射防止コーティング上の入射角が小さくなり、コーティングの設計が容易となる。

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、半透過立ち上げミラーが、ビームスプリッタとして使用され、コーティングされたビームスプリッタとコリメータとの間に配置される。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情報記録媒体上に集光する。光情報記録媒体で反射した光は、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度回転する。その後、光は、ビームスプリッタを透過して光検出器（ＰＤ）へ向かう。光が、光情報記録媒体に向かうパスにおいてビームスプリッタで反射し、光情報記録媒体からのパスにおいてビームスプリッタを透過する場合、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。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大きくなる。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上で光を反射させた場合、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ビームスポット内で、光の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、発散角度を小さくし、コーティングされたビームスプリッタ上での光の入射角度の差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配置する必要がある。

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ビーム整形光学素子の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、当該素子の設計において、以下の条件を追加する。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。

（ＮＡ_out／２）（１／ＮＡ_inx＋１／ＮＡ_iny）＜１
ここで、ＮＡ_outは、出射側面の開口数である。ＮＡ_inxおよびＮＡ_inyは、相互に垂直でありかつ光軸に垂直な、Ｘ軸およびＹ軸方向の入射側面の開口数である。図８に示すように、半導体レーザの発光点とビーム整形光学素子の入射側面との間の距離Ｓ_１は、ビーム整形光学素子の虚像点と入射側面との間の距離Ｓ_２よりも小さくなる。

光情報記録媒体に集光するスポットは、対物レンズ１３の開口数の値を調整することにより所望のサイズとされ、光情報記録媒体１４への記録・再生が適切に行われる。ビームは断面がほぼ円形となるように整形されているの、でスポットもほぼ円形となる。また、ビームが、光を平行光あるいは収束光に変換する素子１１に入る前に、ビームの断面がほぼ円形とされるので、ビームがスポットを形成するまでに受けるエネルギー損失が最小となる。さらに、最小の収差の光ビームが実現される。このように、結果として、ビームのエネルギー効率が高まり、光情報記録媒体１４の記録の高密度化および記録・再生における高速化が可能となる。

以下に、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）によって表される面を少なくとも１つ有するものである。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。

ここで、ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉが定数である。

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項のみによって表される、バイコニック面の１例を示す。図１０は、数式（３）によって表される、面を示す。図９において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の曲率が互いに異なっている。図１０においては、面の形状は、Ｘ軸方向に複雑である。図１１は、図９の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の断面を示す。また、図１２は、図１１の断面プロファイルの導関数を表す曲線を示す。図１３は、図１０の曲面をｙ＝０の面で切断した場合の断面を示す。また、図１４は、図１３の断面プロファイルの導関数を表す曲線を示す。

これらの図から理解されるように、Ｘを含む補正項とＹを含む補正項は、独立の係数によって補正を行うことができるので、より高い自由度で面を設計することができる。したがって、ビームの断面をほぼ円形としながら、収差をより小さくする素子を設計することができる。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、数式（３）におけるよりも小さくなる。

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。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に対するものである。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１または複数のパラメータを調整する。本発明によれば、Ｘを含む補正項およびＹを含む補正項は、独立の係数によって補正を行うことができるので、パラメータをより高い自由度で調整することができ有利である。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。ステップＳ３０に戻り、評価関数が目標の値に達するまで上記のステップを繰り返す。

また、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、種々の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、設計者に表示して設計者が選択でき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、設計者に表示して設計者が選択できるようにしてもよい。

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）の係数の値を示している。

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は、負の曲率を有しており、ＸＺ断面７ｂは、正の曲率を有している。このような曲率により、楕円断面からほぼ円断面への整形が行われる。

なお、本例においてビーム整形光学素子は、素材としてオレフィンコポリマーによって製造しているが、他のプラスチックによって製造することができる。

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）によって表される面を有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）によって表される面を有するビーム整形光学素子は、図１５に示した方法と同様の方法によって設計した。

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、波長λを単位として、２乗平均（ＲＭＳ）値として与えられている。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）で表される面を有するビーム整形光学素子の収差と比較して顕著に改善している。

面を設計する際に、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。

本発明の１態様によるビーム整形光学素子を示す。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。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。コーティングされたビームスプリッタを示す。一般的な光ピックアップシステムを示す。プリズムの組み合わせによりビームの楕円断面を円断面に変換する系を示す。半導体レーザの断面を示す。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。数式（３）の第１項のみによって表される面形状の１例を示す。数式（３）によって表される面形状の１例を示す図である。ｙ＝０の面で切断した、図９の面の断面を示す。図１１の断面プロファイルの微分曲線を示す。ｙ＝０の面で切断した、図１０の面の断面を示す。図１３の断面プロファイルの微分曲線を示す。本発明によるビーム整形光学素子の設計方法を示す。

Claims

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、光軸は、３軸直交ＸＹＺ座標系のＺ軸と一致し、入射側面と出射側面の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である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１に記載のビーム整形光学素子。
ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉ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１に記載のビーム整形光学素子。
ｃ_ｘおよびｃ_ｙの値が異なる請求項３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、Ａ_ｉがゼロではなく、少なくとも１つのｊの値に対して、Ｂ_ｊがゼロではない請求項３に記載のビーム整形光学素子。
入射側面および出射側面の少なくとも一方が、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５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断面をほぼ円形断面に変換する請求項１から６のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
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ビームに変換する光学素子との間に配置される請求項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８のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
ＮＡ_outを出射側面の開口数、ＮＡ_inxおよびＮＡ_iny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
（ＮＡ_out／２）（１／ＮＡ_inx＋１／ＮＡ_iny）＜１
が満たされる請求項１から９のいずれか１項に記載のビーム整形光学素子。
光源および光源からの光ビームを光記録媒体に収束させるための対物レンズを備える、光記録媒体を走査するための光ピックアップシステムであって、請求項１から１０のいずれかに記載のビーム整形光学素子が、光源と対物レンズとの間の光経路に配置された光ピックアップシステム。
請求項１１に記載の光ピックアップシステムを備える、光記録媒体を走査するための光走査装置であって、当該光ピックアップシステムは、光記録媒体からの光を記録担体に格納された情報を表わす電気信号に変換するための光検出器を含み、当該電気信号に接続されたエラー修正回路を含む光走査装置。
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の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である、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、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。
ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉ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１３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１３または１４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の少なくとも一方が、非回転対称非球面プロファイルを表す項と補正項とを含む数式によって表され、各補正項は、変数Ｘの関数または変数Ｙの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｘの関数であり、少なくとも１つの補正項が変数Ｙの関数である、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１６に記載のコンピュータプログラム。
ｃ_ｘおよびｃ_ｙがそれぞれＸ軸およびＹ軸方向の面の曲率であり、ｋ_ｘおよびｋ_ｙおよび補正係数Ａ_ｉおよびＢ_ｉ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１６に記載の設計プログラム。
請求項１３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。