JP2664369B2 - Focusing device using grating lens optical system - Google Patents

Focusing device using grating lens optical system

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JP2664369B2
JP2664369B2 JP62064167A JP6416787A JP2664369B2 JP 2664369 B2 JP2664369 B2 JP 2664369B2 JP 62064167 A JP62064167 A JP 62064167A JP 6416787 A JP6416787 A JP 6416787A JP 2664369 B2 JP2664369 B2 JP 2664369B2
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grating lens
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optical axis
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雅之 加藤
文雄 山岸
弘之 池田
雄史 稲垣
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 入射レーザビームを軸対称に交叉させる所定の空間周
波数分布を有する第1のグレーティングレンズとこの交
叉ビームを光ディスク上に収束させる所定の空間周波数
分布を有する第2のグレーティングレンズとの2枚のグ
レーティングレンズを組合せることにより入射レーザビ
ームの波長変動の影響を受けることなく収差のない良好
なビームスポットとずれのない安定した合焦性能を実現
し得るようにした新規に開発されたグレーティングレン
ズ系において、上記の両インライン型グレーティングレ
ンズに光源の発振波長の変化に応じて第2グレーティン
グレンズによる結像焦点距離が変化する空間周波数分布
を付与し、それにより発振波長を変化させることに第2
グレーティングレンズによる結像位置、即ち焦点位置を
移動制御することができる。 〔産業上の利用分野〕 本発明は、グレーティングレンズを組み合わせて集束
機能を持たせたグレーティングレンズ光学系を用いたフ
ォーカシング装置に関する。 昨今、コヒーレント光源からの発散球面波光を1点に
集束させる機能を必要とする光学系、例えば光ディスク
装置の光ヘッド等においては、(i)装置の小型化、
(ii)アクセス時間の短縮化、(iii)低価格化等を実
現するために、従来の光学素子と比較して薄型、計量、
小型かつ量産性に富むグレーティングレンズの使用が検
討されている。 〔従来の技術〕 従来のインライン型グレーティングレンズを第11図に
示す。このレンズは、同図(a)に示すように、例えば
ある特定の波長λの平行光束のみを1点(焦点距離
f0)に集束させる機能を有している。そのため、上記λ
よりも長い波長λ(>λ)の光に対しては、同図
(b)に示すように収差が発生し、良好な集束性能が得
られなくなり、焦点距離もf1に変化する。また、波長が
λよりも短かい波長λ(<λ)に対しては同図
(c)に示すように(b)と同様に収差が発生し、焦点
距離がf2に変化する。 このような現象は、光を回折により曲げるレンズにお
いて共通で、体積型ホログラムレンズ、表面レリーフ型
グレーティングレンズ、ブレーズ化グレーティングレン
ズのいずれかにおいてもあてはまる。 このようにグレーティングレンズは、使用波長が所定
の値(λ)からずれると、収差が発生して集束性能が
劣化するとともに、レンズの種類によっては焦点位置も
ずれてしまうという性質を持っている。ここで、発振波
長変化に伴う焦点距離の変化のみに着目すると、意図的
に波長を変化させることにより、焦点距離を制御できる
可能性があるということが判る。従って、例えば光ディ
スク装置において、コヒーレント光源である半導体レー
ザ(以下LDと記す)の発振波長を制御することによりフ
ォーカスサーボを行うことが可能である。 実際、焦点距離の制御を波長変化によって行うフォー
カスサーボ装置が提案されている(例えば、特開昭60−
66337)。この装置では第12図に示す如く集束ビームの
フォーカスエラーに対し、LD10の発振波長λを波長制
御系12によりλ1に変化させて焦点距離をQ0から
Q1,Q2移動制御している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、前記グレーティングレンズでは波長変化に伴
って収差が発生し良好な集束性能が得られず、光ディス
クの信号読み出しは困難である。そこで発振波長の変化
に伴って無収差で焦点距離が変化するようなグレーティ
ングレンズの開発が求められている。 ところで、本願出願人は先に、特願昭61−220870号明
細書において、上述の如き入射光の波長変動があっても
その影響を受けずに常に収差のない良好なビームスポッ
トを得ることができ且つ正確な安定した合焦性能を有す
る一対のグレーティングレンズから成るグレーティング
レンズ光学系を提案した。 本発明はこのグレーティングレンズ光学系を利用し
て、軽量、小型、低廉という要求は充足しつつ、尚且つ
波長変動による収差の発生を伴うことのない高精度にし
て信頼性の高いフォーカシング装置を提供することを目
的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために、本発明によればコヒー
レント光源から発せられた発散球面波光が入射する第1
のインライン型グレーティングレンズ(11)と、該第1
のインライン型グレーティングレンズを透過した回折光
を所定の1点に集束させる第2のインライン型グレーテ
ィングレンズとが同一の一直線の光軸上に配設され、 前記第1のインライン型グレーティングレンズは、前
記光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布を有
し、前記光軸に関して対称な任意の2点からの回折光を
前記光軸上で交差させて前記第2のインライン型グレー
ティングレンズに入射させ、前記第2のインライン型グ
レーティングレンズは、前記光軸に関して回転対称の所
定の空間周波数分布を有し、前記交差した回折光を前記
所定の1点に集束せしめ、前記第1、第2のインライン
型グレーティングレンズは光源の発振波長の変化に応じ
て第2グレーティングレンズによる結像焦点距離が変化
する空間周波数分布を有し、発振波長を変化させること
により焦点位置の制御を行うことを構成上の特徴とする
フォーカシング装置が提供される。 〔作 用〕 グレーティングレンズ光学系に入射するレーザ光源か
らのレーザビーム(波長λ)はグレーティングレンズ
系内の第1グレーティングレンズにより回折されるがそ
の時回折光は光軸対称に交叉せしめられる。次にこれら
の回折光は第2グレーティングレンズにより回折され、
一点(合焦点)Q0に集束する。 ここで発振波長がλからλに変化すると、第1、第
2グレーティングレンズは光源の発振波長の変化に応じ
て第2グレーティングレンズによる結像焦点距離が変化
する空間周波数分布を有するので、波長λのときとは
異なる点Qに無収差で集束する。斯くして、発振波長を
変化させると焦点距離が変化し、フォーカシングが達成
される。 〔実施例〕 以下、本発明の好ましい実施例につき添付図面を参照
して詳細に説明する。 まず初めに、本発明において重要な役割を果たすグレ
ーティングレンズ系の構成について第9,10図を参照して
簡単に説明する。尚、このグレーティングレンズ系の詳
細構造は上記の特願昭61−220870号に開示されている。 第9図において、グレーティングレンズ系は第1,第2
のインライン型のグレーティングレンズ11,12を同一光
軸▲▼上に配置した構成であり、光軸上の点P(コ
ヒーレント光源)から発散する球面波を第1のグレーテ
ィングレンズ11で光軸側に回折させ、光軸と一旦交差さ
せた後に、第2のグレーティングレンズ12によって光軸
上の所定の点Qに集束させるようにしたものである。 上記第1のグレーティングレンズ11は、光軸に関して
回転対称の所定の空間周波数分布を有しており、光軸に
関して対称な任意の2点からの回折光が光軸上で交差す
るようにしてある。また、上記第2のグレーティングレ
ンズ12は、光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分
布を有しており、上記交差した回折光が光軸上の1点Q
に集束するようにしてある。 上記構成において、第1のインライン型グレーティン
グレンズの任意の1点に同一方向から入射した、互いに
異なる波長λ0(λ<λ)の2つの光の進路を
考えてみる。まず、第1のインライン型グレーティング
レンズ11によって、波長λの光は波長λの光よりも
大きな角度で回折されるとともに、これらの回折光はい
ずれも光軸と交わった後に、第2のインライン型グレー
ティングレンズ12上に到達する。これらの光の到達点
は、光軸を中心とした同一半径上にあって、しかもその
光軸からの距離は波長λの光の方が波長λの光より
も遠い。次に、これらの光は上記第2のインライン型グ
レーティングレンズ12によって回折されるが、この時、
波長λの光が波長λの光よりも大きな角度で回折さ
れるので、2つの光の間隔は次第に狭まっていき、最終
的には1点Qで交わる。よって、2つのインライン型グ
レーティングレンズに所定の空間周波数分布を持たせて
おくことにより、上記2つの光の交わる点を上記光軸上
の指定の1点Qに置くことができる。 以上のことは第1のインライン型グレーティングレン
ズ11のどの点に入射した光についても言うことが出来、
しかも上記空間周波数分布は光軸に関して回転対称とし
てあるので、入射した発散球面波長はその波長が変化し
たとしても、光軸上の上記所定の1点Qに集束され、従
って収差や焦点位置ずれが生じることはなくなる。 次に、上記グレーティングレンズ11,12の空間周波数
分布の具体的な決定方法について、第10図を用いて以下
(i)〜(iv)で述べる。尚、点Pと第1グレーティン
グレンズ11との距離をl1、2つのグレーティングレンズ
11,12間の距離をd、グレーティングレンズ12と点Qと
の距離をl2とする。 (i)まず、点Pを発してグレーティングレンズ11の最
外周の点R1に達する、波長λの光線を考える。この光
線は、点R1で回折され、グレーティングレンズ12の中心
の点r1(=0)に達し、ここで更に回折されて点Qに達
するものとする(第7図中の実線a)。すると、上述し
た光路(P→R1→r1→Q)を仮定することにより点R1,r
1における空間周波数F1,f1が決定される。 (ii)次に、波長がλからλ(>λ)に変った場
合について考える。点Pから点R1へと進んだ波長λ
光線は、点R1において、波長がλのときよりも大きな
角度で回折され、グレーティングレンズ12上の点r2に達
する(破線b)。ここで、波長がλであるときでも点
Qに集束するという条件から、点r2における空間周波数
f2が決定される。 (iii)波長がλの場合に戻り、点r2で回折された点
Qに達する光線がグレーティングレンズ11上のどの点か
ら来るのかを逆に求めることが出来る(実線c)。その
グレーティングレンズ11上の点をR2にすると、点R2での
回折光が点Pに達するという条件から、点R2における空
間周波数F2が決定される。 (iv)再び波長がλになった場合を考え、上記(ii)
と同様にしてグレーティングレンズ12上の点r3(図示せ
ず)とその空間周波数f3を求める。そして波長をλ
戻し、上記(iii)と同様にしてグレーティングレンズ1
1上の点R3(図示せず)とその空間周波数F3を求める。
このようにして点Rn(n=1,2,3,…)がグレーティング
レンズ11の中心に達するまで上記(ii)及び(iii)の
過程を繰り返すことにより、グレーティングレンズ11,1
2における半径方向の空間周波数分布が決定される。な
お、第2のグレーティングレンズ12の径は、点rnの位置
で決定される。 以上のようにしてグレーティングレンズ11,12の空間
周波数分布を決定することにより、点Pから発した光
が、基準となる波長λとは異なる波長λであって
も、これを無収差で点Qに集束させることが出来る。 本発明の上述の如きグレーティングレンズ光学系を利
用してフォーカシング装置を実現したものであり、第1
図以下を参照して本発明の実施例を説明する。 第1図において、グレーティングレンズの基本構成は
第6図に示すものと同一であり、第1グレーティングレ
ンズ11と第2グレーティングレンズ12とが光軸位置に配
置される。 コヒーレンス光源10(点P)からの波長λの発散球
面波は第1のグレーティングレンズ(以下GL1と記す)1
1に入射し各光線はその空間周波数に従って光軸側に回
折され、光軸と交差した後、第2のグレーティングレン
ズ(以下GL2)12に入射し、そこで各光線はGL2の空間周
波数に従って回折され、点Q0に集束する。以上の構成に
おいて波長がλに変化した場合はGL111,GL212の空間
周波数を以下の如く適当に選定することにより点Pから
の波長λの発散球面波がGL111,GL212によって回折さ
れ波長λの時のQ0とは異なる点Qに無収差で集束する
ことができる。 光源10は例えば公知の波長可変型の半導体レーザを用
いることができる。 第2図に本発明に係るGL111,GL212の空間周波数の決
定方法を示す。基本的には第7図の場合と全く同様であ
り、従って同様の部分の説明は煩雑さを避けるため簡略
に行う。 第2図において、点PとGL111との距離をl1、GL111と
GL212との距離をd、GL212と点Q0の距離をl2とする。点
PからGL1の最外周の点R1に達する波長λの光線aを
考える。この光線aはR1で回折されGL2の中心r1に達
し、さらに回折され点Q0に達するものとする。以上の光
線aの光路P→R1→r1→Q0を仮定することによって点
R1,r1の空間周波数F1,f1が決定される。次に波長がλ
からλ(>λ)に変わった場合を考える。P→R1
進んだ光線はR1において波長λとは異なる回折角で異
なる方向に回折され、GL212の点r2に達する(破線
b)。ここで波長λの時は点Q0と△l2だけ異なる点Q
に集束するという条件からr2における空間周波数f2が決
定される。ここで再び波長がλの場合に戻り、点r2
回折し、点Q0に達する光線がGL1上のどこの点から来る
光線かを求める(光線C)。そのGL1上の点をR2とする
と、R2での回折光は点Pからの光線という条件から点R2
における空間周波数F2が決定される。再び波長がλ
なった場合を考えGL2上の第3の点及びその空間周波数r
3,f3を求め、その後波長をλに戻しGL1上の第3の点
及びその空間周波数R3,F3を求める。 以上の過程を繰り返し、Rn(n=1,2,…)がGL1の中
心に達するまで計算するとGL1,GL2の半径方向の空間周
波数分布が決定される。またGL2のレンズ半径は第7図
の場合と同様にrnの値で決定される。 尚、第2図は光軸を含む一断面における様子を示した
ものであるがレンズとしては光軸対称となっている。 以上のようにしてグレーティングレンズ11,12の空間
周波数分布を決定することにより、点Pから発した光
が、波長λの変化に応じて無収差で点Q0と異なる点Qに
集束させることが出来る。 尚、λをλ12…と変化させそれに応じた点
Q1,Q2,Q3…を上記と同様の方法により定めることにより
波長変化に応じて焦点距離を移動させることができる。 第3図に、以上のようにして決定されたグレーティン
グレンズ11,12の具体的な半径方向の空間周波数分布を
示す。これは、GL1の開口数(NA)=0.3,GL2のNA=0.5,
l1=3.1mm,d=2.5mm,l2=1.7mm,λ=830nm,λ=83
0,3nmとし、△l2(=Q0−Q)=0.3μmの場合におけ
る、グレーティングレンズ11,12の半径方向に沿ったそ
れぞれの空間周波数F,fの計算結果である。なお、波長
差λ−λ=0.3nmは、半導体レーザの1モード分に
相当する。 次に上述したような空間周波数分布を持つグレーティ
ングレンズ11,12の特徴を、第4図〜第6図を用いてよ
り明確にする。 まず第4図に示すように、グレーティングレンズ11,1
2の回折機能を、それらの間側と球面波側とに分割して
考える。するとグレーティングレンズ11,12は、光軸方
向に進む平面波によって、それぞれ等価的に2つのグレ
ーティングレンズ11a,11b;12a,12bに分割することが出
来る。それとともに、空間周波数においてもF,fがそれ
ぞれFa,Fb;fa,fbに分割され、F=Fa+Fb,f=fa+fb
る関係が成りたつ。ここで、グレーティングレンズ11a,
12aは、平面波を1点に集束させるインライン型のグレ
ーティングレンズであって、第11図に示した従来のもの
と同等である。これに対しもう一方の側のグレーティン
グレンズ11b,12bでは、その空間周波数Fb,fbが、第5図
に示すようにレンズ中心とレンズ外周との間の領域に極
大値(MAX)を持つ特殊な分布を有している。 これらのことから、グレーティングレンズ11,12の特
徴は第6図に示すように説明できる。すなわち、平面波
を集束させるインライン型のグレーティングレンズ11a,
12aの空間周波数分布に、レンズ中心とレンズ外周との
間で極大値を持つ軸対称の空間周波数分布(グレーティ
ングレンズ11b,12bの空間周波数分布)を補償要素とし
て加え合せたものが、それぞれグレーティングレンズ1
1,12の空間周波数分布であると言える。 第7図は本発明における波長変化量(△λ)焦点移動
量(△l2)との関係についての実験結果を示す図であ
る。 横軸が波長変化量△λ(nm)、縦軸が焦点移動量△l2
(μm)である。 設計上、波長が1nm変化したときに焦点距離の移動量
が1μmであることをl20=0.3μmで表わし、l20=0.3
μm,0.6μm,0.9μmの3回について実験をした。これに
よれば、l20=0.3μmにおいて、波長変化に対し焦点が
略1:1の割合で確実に移動することを示している。ま
た、l20=0.6μm,l20=0.9μmとした場合についても同
様に波長変化に対し焦点が一定の関係で確実に移動する
ことが判明した。 このとき移動した焦点が無収差であれば本発明の有用
性が確認されることになる。そこで、本実施例のグレー
ティングレンズ光学系の波長変動補償効果を確認するた
めに、第7図におけるl20=0.3μm,0.6μm,0.9μmの3
つの場合につき、半導体レーザ光の波長を830nmからず
らしたときに発生する収差を波面収差にRMS値で表わし
てみた。その結果を第8図に示す。なお、グレーティン
グレンズ11,12は、波長830nmと830.3nmの波長に対して
無収差となるように、それら空間周波数分布を決定し
た。 第8図において横軸は△λ(nm)、縦軸はRMS波面収
差を表わす。 第8図において、実用上無収差とみて差し支えない基
準としてMarechal′s Criterion(RMS波長収差0.07
λ)を考えると、許容波長変動範囲が得られる。(l20
=0.3μmでは△λ=±18nm、l20=0.6(μm)では最
低でも△λ=±20nm,l20=0.9(μm)では△λ=±20n
mまでが無収差と見なせるrms波面収差の基準内であるこ
とが判明した。またl20が大きくなるにつれ波長変化が
発生してもrms波面収差が少なくなることがわかる。 以上により本発明のグレーティングレンズ系は、無収
差で焦点を移動させることができることが確認された。 本発明に係るグレーティングレンズの作成方法として
は、電子ビーム描画方によるものが最も確実であり、空
間周波数の計算値をデータとして入力すれば、所望のグ
レーティングレンズが作成できる。この場合、グレーテ
ィングレンズのブレーズ化を行うことにより、グレーテ
ィングレンズの効率を一層高めることが出来る。また、
所望の波面を光学素子で作り出すことにより、ホログラ
フィックに作成することも可能である。この場合は、2
つのレンズ間の距離dを小さくとって空間周波数帯域を
高くすることにより、レンズの効率を高めることが出来
る。 〔発明の効果〕 本発明のフォーカシング装置によればグレーティング
レンズ光学系の利点は保有したまま、機械的駆動部分を
全く必要とせず、単に発振波長を変化させるだけで収差
を生じることなく焦点距離の制御が行える。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] A first grating lens having a predetermined spatial frequency distribution for causing an incident laser beam to intersect axially symmetrically and a first grating lens having a predetermined spatial frequency distribution for converging the crossed beam on an optical disk By combining two grating lenses with two grating lenses, a good beam spot without aberration and a stable focusing performance without deviation can be realized without being affected by the wavelength fluctuation of the incident laser beam. In the newly developed grating lens system, the two in-line grating lenses are provided with a spatial frequency distribution in which the focal length of the image formed by the second grating lens changes in accordance with the change in the oscillation wavelength of the light source. Changing the wavelength is the second
It is possible to control the movement of the image formation position by the grating lens, that is, the focus position. [Industrial Application Field] The present invention relates to a focusing device using a grating lens optical system having a focusing function by combining a grating lens. Recently, in an optical system that requires a function of converging divergent spherical wave light from a coherent light source to one point, for example, an optical head of an optical disk device, (i) miniaturization of the device;
(Ii) Shorter access time, (iii) lower cost, etc.
Use of a compact and mass-produced grating lens is being studied. [Prior Art] FIG. 11 shows a conventional inline grating lens. As shown in FIG. 1 (a), this lens transmits only a parallel light beam having a specific wavelength λ 0 at one point (focal length, for example).
f 0 ). Therefore, the above λ
For light having a wavelength λ 1 (> λ 0 ) longer than 0 , aberration occurs as shown in FIG. 3B, and good focusing performance cannot be obtained, and the focal length also changes to f 1 . . In addition, for a wavelength λ 2 (<λ 0 ) having a wavelength shorter than λ 0 , as shown in FIG. 3C, an aberration occurs as in (b), and the focal length changes to f 2 . . Such a phenomenon is common to lenses that bend light by diffraction, and applies to any of a volume hologram lens, a surface relief grating lens, and a blazed grating lens. As described above, the grating lens has a property that, when the wavelength used deviates from a predetermined value (λ 0 ), aberration occurs, the focusing performance is deteriorated, and the focal position is also deviated depending on the type of lens. . Here, focusing only on the change in the focal length due to the change in the oscillation wavelength, it is understood that there is a possibility that the focal length can be controlled by intentionally changing the wavelength. Therefore, for example, in an optical disk device, it is possible to perform focus servo by controlling the oscillation wavelength of a semiconductor laser (hereinafter, referred to as LD), which is a coherent light source. In fact, a focus servo device that controls the focal length by changing the wavelength has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-1985).
66337). In this apparatus, as shown in FIG. 12, in response to the focus error of the focused beam, the oscillation wavelength λ 0 of the LD 10 is changed to λ 1 , λ 2 by the wavelength control system 12 to change the focal length from Q 0.
Q 1 and Q 2 movement control. [Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned grating lens, aberration occurs with a change in wavelength, and good focusing performance cannot be obtained, and it is difficult to read out signals from an optical disk. Therefore, there is a demand for the development of a grating lens in which the focal length changes without aberration with a change in the oscillation wavelength. By the way, the applicant of the present application has previously described in Japanese Patent Application No. 61-220870 that it is possible to always obtain a good beam spot free from aberration without being affected by the wavelength fluctuation of the incident light as described above. We have proposed a grating lens optical system consisting of a pair of grating lenses that has a stable and accurate focusing performance. The present invention uses this grating lens optical system to provide a highly accurate and highly reliable focusing device that satisfies the requirements of light weight, small size, and low cost, and that does not involve the occurrence of aberration due to wavelength fluctuation. The purpose is to do. [Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, according to the present invention, the first divergent spherical wave light emitted from the coherent light source is incident.
In-line type grating lens (11) and the first
A second in-line grating lens that focuses diffracted light transmitted through the in-line grating lens at a predetermined point on the same straight optical axis; Having a predetermined spatial frequency distribution that is rotationally symmetric with respect to the optical axis, diffracted light from any two points that are symmetric with respect to the optical axis crosses on the optical axis and is incident on the second in-line grating lens, The second in-line type grating lens has a predetermined spatial frequency distribution that is rotationally symmetric with respect to the optical axis, focuses the crossed diffracted light at the predetermined point, and forms the first and second in-line type grating lenses. The grating lens has a spatial frequency distribution in which the focal length of the image formed by the second grating lens changes according to the change in the oscillation wavelength of the light source. In addition, there is provided a focusing apparatus characterized in that the focal position is controlled by changing the oscillation wavelength. [Operation] The laser beam (wavelength λ 0 ) from the laser light source incident on the grating lens optical system is diffracted by the first grating lens in the grating lens system. At that time, the diffracted light crosses the optical axis symmetrically. Next, these diffracted lights are diffracted by the second grating lens,
Focus on one point (focus) Q 0 . Here, when the oscillation wavelength changes from λ 0 to λ, the first and second grating lenses have a spatial frequency distribution in which the focal length of image formation by the second grating lens changes according to the change in the oscillation wavelength of the light source. It converges on a point Q different from the case of λ 0 without aberration. Thus, when the oscillation wavelength is changed, the focal length changes, and focusing is achieved. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the configuration of a grating lens system that plays an important role in the present invention will be briefly described with reference to FIGS. The detailed structure of the grating lens system is disclosed in Japanese Patent Application No. 61-220870. In FIG. 9, the grating lens systems are the first and second
The in-line type grating lenses 11 and 12 are arranged on the same optical axis ▲ ▼, and the spherical wave diverging from the point P (coherent light source) on the optical axis is shifted to the optical axis side by the first grating lens 11. After being diffracted and once crossing the optical axis, it is focused by the second grating lens 12 to a predetermined point Q on the optical axis. The first grating lens 11 has a predetermined spatial frequency distribution that is rotationally symmetric with respect to the optical axis, and diffracted light from any two points symmetric with respect to the optical axis intersects on the optical axis. . Further, the second grating lens 12 has a predetermined spatial frequency distribution rotationally symmetric with respect to the optical axis, and the crossed diffracted light is reflected at one point Q on the optical axis.
Focusing on In the above configuration, consider the paths of two light beams having different wavelengths λ 0 and λ 101 ) incident on the arbitrary point of the first in-line grating lens from the same direction. First, the light of wavelength λ 1 is diffracted by the first in-line type grating lens 11 at a larger angle than the light of wavelength λ 0 , and after all of these diffracted lights intersect with the optical axis, the second The light reaches the in-line grating lens 12. Goal of these lights, in the optical axis the same radius on around the, yet its distance from the optical axis is farther than the light of the wavelength lambda 0 is more of a wavelength lambda 1 of light. Next, these lights are diffracted by the second in-line grating lens 12, at this time,
Since the light having the wavelength λ 1 is diffracted at a larger angle than the light having the wavelength λ 0 , the interval between the two lights gradually narrows and finally intersects at one point Q. Therefore, by giving the two in-line grating lenses a predetermined spatial frequency distribution, the point where the two lights intersect can be located at the designated point Q on the optical axis. The above can be said for light incident on any point of the first in-line grating lens 11,
In addition, since the spatial frequency distribution is rotationally symmetric with respect to the optical axis, the incident divergent spherical wavelength is focused on the predetermined point Q on the optical axis even if the wavelength changes, so that aberrations and focal position shifts occur. It will not happen. Next, a specific method for determining the spatial frequency distribution of the grating lenses 11 and 12 will be described below with reference to FIG. Note that the distance between the point P and the first grating lens 11 is 11 and the two grating lenses
The distance between 11 and 12 is d, and the distance between grating lens 12 and point Q is l2. (I) First, consider a light ray having a wavelength λ 0 that emits a point P and reaches the outermost point R 1 of the grating lens 11. This light beam is diffracted at the point R1 and reaches the center point r1 (= 0) of the grating lens 12, where it is further diffracted and reaches the point Q (solid line a in FIG. 7). Then, assuming the above-described optical path (P → R1 → r1 → Q), the points R1, r
The spatial frequencies F1 and f1 at 1 are determined. (Ii) Next, consider a case where the wavelength has changed from λ 0 to λ 1 (> λ 0 ). Ray of wavelength lambda 1 advanced to the point R1 from the point P is at point R1, the wavelength is diffracted at an angle greater than when the lambda 0, reaches the point r2 on grating lens 12 (dashed line b). Here, the condition that the wavelength is focused at a point Q even when a lambda 1, the spatial frequency at the point r2
f2 is determined. (Iii) Returning to the case where the wavelength is λ 0 , it is possible to reversely determine from which point on the grating lens 11 the light beam that reaches the point Q diffracted at the point r2 comes (solid line c). If the point on the grating lens 11 is R2, the spatial frequency F2 at the point R2 is determined from the condition that the diffracted light at the point R2 reaches the point P. (Iv) re-consider the case where the wavelength becomes lambda 1, (ii) above
The point r3 (not shown) on the grating lens 12 and its spatial frequency f3 are obtained in the same manner as described above. Then, the wavelength is returned to λ 0 , and the grating lens 1 is set in the same manner as in (iii) above.
A point R3 (not shown) on 1 and its spatial frequency F3 are obtained.
By repeating the processes (ii) and (iii) until the point Rn (n = 1, 2, 3,...) Reaches the center of the grating lens 11, the grating lenses 11, 1
The radial spatial frequency distribution at 2 is determined. Note that the diameter of the second grating lens 12 is determined at the position of the point rn. By determining the spatial frequency distribution of the grating lenses 11 and 12 as described above, even if the light emitted from the point P has a wavelength λ 1 different from the reference wavelength λ 0 , It can be focused on point Q. A focusing device is realized by using the above-described grating lens optical system of the present invention.
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, the basic structure of the grating lens is the same as that shown in FIG. 6, and a first grating lens 11 and a second grating lens 12 are arranged at the optical axis position. The divergent spherical wave of wavelength λ 0 from the coherence light source 10 (point P) is applied to a first grating lens (hereinafter referred to as GL 1 ) 1
1 and each ray is diffracted toward the optical axis side according to its spatial frequency, intersects with the optical axis, and then enters a second grating lens (hereinafter referred to as GL 2 ) 12 where each ray follows the GL 2 spatial frequency Diffracted and focused at point Q 0 . GL 1 11 if the wavelength is changed to lambda 1 in the above configuration, GL 2 12 of GL 1 divergent spherical wave having a wavelength lambda 1 is from the point P by appropriate choice as follows spatial frequency 11, GL The light is diffracted by 2 12 and can be focused to a point Q different from Q 0 at the wavelength λ 0 without aberration. As the light source 10, for example, a known wavelength-variable semiconductor laser can be used. Shows the GL 1 11, GL 2 12 method for determining the spatial frequency of the present invention in Figure 2. Basically, it is completely the same as the case of FIG. 7, and therefore, the description of the same parts will be simplified in order to avoid complexity. In FIG. 2, the distance between the point P and GL 1 11 is l 1 , GL 1 11
The distance between the GL 2 12 d, the distance GL 2 12 and the point Q 0 and l 2. Consider a light beam a having a wavelength λ 0 that reaches from the point P to the outermost point R 1 of GL 1 . The ray a is reached at the center r 1 of GL 2 is diffracted by the R 1, and to further reach the diffracted point Q 0. By assuming the optical path P → R 1 → r 1 → Q 0 of the ray a, the point
The spatial frequencies F 1 and f 1 of R 1 and r 1 are determined. Next, when the wavelength is λ 0
Is changed from λ 1 to λ 1 (> λ 0 ). The light ray that travels from P to R 1 is diffracted at R 1 at a diffraction angle different from the wavelength λ 0 in a different direction, and reaches a point r 2 of GL 2 12 (broken line b). Here, the point Q 0 when the wavelength λ 1 △ l 2 only differs from Q
The spatial frequency f 2 in r 2 is determined from the condition that focused on. Here, returning to the case where the wavelength is λ 0 again, it is determined at which point on GL 1 the light ray diffracted at the point r 2 and reaching the point Q 0 comes from (light ray C). When a point on its GL 1 and R 2, the point from the condition that the light from the diffracted light point P at R 2 R 2
Spatial frequency F 2 is determined in. Considering the case where the wavelength becomes λ 1 again, the third point on GL 2 and its spatial frequency r
3 and f 3 are obtained, and then the wavelength is returned to λ 0 to obtain a third point on GL 1 and its spatial frequencies R 3 and F 3 . Repeating the above process, Rn (n = 1,2, ... ) is the spatial frequency distribution of the radial to the GL 1, GL 2 calculated to reach the center of GL 1 is determined. The lens radius of GL 2 is determined by the value of r n as in the case of FIG. FIG. 2 shows a state in one section including the optical axis, but the lens is symmetric with respect to the optical axis. By determining the spatial frequency distribution of the grating lenses 11 and 12 as described above, the light emitted from the point P can be focused to a point Q different from the point Q 0 without aberration according to the change in the wavelength λ. I can do it. Note that λ is changed to λ 1 , λ 2 , λ 3
By defining Q 1 , Q 2 , Q 3, ... In the same manner as described above, the focal length can be moved according to the wavelength change. FIG. 3 shows a specific radial spatial frequency distribution of the grating lenses 11 and 12 determined as described above. This is the numerical aperture (NA) of GL 1 = 0.3, NA of GL 2 = 0.5,
l 1 = 3.1 mm, d = 2.5 mm, l 2 = 1.7 mm, λ 0 = 830 nm, λ 1 = 83
It is a calculation result of each spatial frequency F, f along the radial direction of the grating lenses 11 and 12 when 0.3 nm and △ l 2 (= Q 0 −Q) = 0.3 μm. The wavelength difference λ 1 −λ 0 = 0.3 nm corresponds to one mode of the semiconductor laser. Next, the characteristics of the grating lenses 11 and 12 having the above-described spatial frequency distribution will be clarified with reference to FIGS. First, as shown in FIG.
The diffraction function of No. 2 is divided into a side between them and a side of a spherical wave. Then, the grating lenses 11 and 12 can be equally divided into two grating lenses 11a and 11b; 12a and 12b, respectively, by a plane wave traveling in the optical axis direction. The same time, F also in the spatial frequency, f, respectively F a, F b; f a , is divided into f b, F = F a + F b, f = f a + f b becomes relationship is established. Here, the grating lens 11a,
Numeral 12a denotes an in-line type grating lens for focusing a plane wave at one point, which is equivalent to the conventional one shown in FIG. The other side of the grating lens 11b contrast, in 12b, the spatial frequency F b, f b is, having in the area between the lens center and the lens outer periphery, as shown in FIG. 5 the maximum value (MAX) It has a special distribution. From these facts, the characteristics of the grating lenses 11 and 12 can be explained as shown in FIG. That is, an in-line type grating lens 11a for focusing a plane wave,
The spatial frequency distribution of 12a is combined with the axially symmetric spatial frequency distribution (spatial frequency distribution of the grating lenses 11b and 12b) having the maximum value between the lens center and the lens outer periphery as a compensation element, and the grating lenses respectively 1
It can be said that there are 1,12 spatial frequency distributions. FIG. 7 is a view showing an experimental result on the relationship between the wavelength change amount (量 λ) and the focal point movement amount (△ l 2 ) in the present invention. The horizontal axis represents the wavelength change △ λ (nm), and the vertical axis represents the focal shift △ l 2
(Μm). By design, the movement amount of the focal length is 1μm when wavelength is 1nm changes expressed by l 20 = 0.3μm, l 20 = 0.3
The experiment was performed for three times of μm, 0.6 μm, and 0.9 μm. This indicates that at l 20 = 0.3 μm, the focal point surely moves at a ratio of approximately 1: 1 with respect to the wavelength change. Further, l 20 = 0.6μm, was found to focus the wavelength change Similarly, the case of the l 20 = 0.9 .mu.m is reliably moved in a fixed relationship. If the moved focal point has no aberration, the usefulness of the present invention is confirmed. Therefore, in order to confirm the wavelength fluctuation compensation effect of the grating lens optical system of the present embodiment, the values of l 20 = 0.3 μm, 0.6 μm, and 0.9 μm in FIG.
In each case, the aberration that occurs when the wavelength of the semiconductor laser light is shifted from 830 nm was expressed as an RMS value in the wavefront aberration. The result is shown in FIG. The spatial frequency distribution of the grating lenses 11 and 12 was determined so that the grating lenses 11 and 12 had no aberration at the wavelengths of 830 nm and 830.3 nm. In FIG. 8, the horizontal axis represents △ λ (nm), and the vertical axis represents RMS wavefront aberration. In FIG. 8, Marechal's Criterion (RMS wavelength aberration 0.07
Considering λ), an allowable wavelength variation range is obtained. (L 20
= 0.3μm the △ λ = ± 18nm, l 20 = 0.6 (μm) in at least △ λ = ± 20nm, l 20 = 0.9 (μm) in △ λ = ± 20n
It has been found that up to m is within the rms wavefront aberration criterion which can be regarded as stigmatic. Also it can be seen that the wavelength-varying l 20 becomes larger rms wavefront aberration is reduced even if it occurs. From the above, it was confirmed that the grating lens system of the present invention can move the focal point without aberration. The most reliable method for producing the grating lens according to the present invention is a method using electron beam lithography, and a desired grating lens can be produced by inputting a calculated value of the spatial frequency as data. In this case, by blazing the grating lens, the efficiency of the grating lens can be further increased. Also,
It is also possible to create holographically by creating a desired wavefront with an optical element. In this case, 2
By increasing the spatial frequency band by reducing the distance d between the two lenses, the efficiency of the lenses can be increased. [Effects of the Invention] According to the focusing apparatus of the present invention, while maintaining the advantages of the grating lens optical system, there is no need for a mechanical driving part at all, and simply changing the oscillation wavelength does not cause any aberration without changing the focal length. Control can be performed.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の基本構成を示す図、 第2図は第1図に示すグレーティングレンズの空間周波
数の決定方法を示す図、 第3図は第2図に示した方法で得られたグレーティング
レンズ11,12の半径方向の空間周波数分布の一例を示す
図、 第4図は上記実施例における空間周波数分布特性の説明
図、 第5図は第4図に示したグレーティングレンズの空間周
波数分布の一例を示す図、 第6図は第4図に示したグレーティングレンズの空間周
波数分布の特徴を示す図、 第7図は波長変化量と焦点移動量との関係を示す図、 第8図は上記実施例におけるRMS波面収差と半導体レー
ザ波長変化量との関係を示す図、 第9図は本発明において用いられるグレーティングレン
ズ光学系の基本原理を示す図、第10図は第9図に示され
るグレーティングレンズの空間周波数の決定方法を説明
する図、 第11図(a),(b),(c)は従来のインライン型グ
レーティングレンズの機能及びその欠点を示す図、 第12図は従来のフォーカスサーボ系を示す概略構成図。 11……第1のインライン型のグレーティングレンズ、 12……第2のインライン型のグレーティングレンズ。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a method of determining the spatial frequency of the grating lens shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram shown in FIG. Showing an example of the spatial frequency distribution in the radial direction of the grating lenses 11 and 12 obtained by the method described above, FIG. 4 is an explanatory diagram of the spatial frequency distribution characteristics in the above embodiment, and FIG. 5 is shown in FIG. FIG. 6 shows an example of the spatial frequency distribution of the grating lens, FIG. 6 shows the characteristics of the spatial frequency distribution of the grating lens shown in FIG. 4, and FIG. 7 shows the relationship between the amount of change in wavelength and the amount of focus movement. FIG. 8, FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the RMS wavefront aberration and the semiconductor laser wavelength change amount in the above embodiment, FIG. 9 is a diagram showing the basic principle of the grating lens optical system used in the present invention, and FIG. The gray shown in FIG. FIGS. 11 (a), 11 (b), and (c) are diagrams showing the functions and disadvantages of a conventional in-line grating lens, and FIGS. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a focus servo system. 11: First in-line grating lens, 12: Second in-line grating lens.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 文雄 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (72)発明者 池田 弘之 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (72)発明者 稲垣 雄史 川崎市中原区上小田中1015番地 富士通 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−160166(JP,A) 特開 昭60−66337(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Fumio Yamagishi               Fujitsu, 1015 Ueodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi               Inside the corporation (72) Inventor Hiroyuki Ikeda               Fujitsu, 1015 Ueodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi               Inside the corporation (72) Inventor Yushi Inagaki               Fujitsu, 1015 Ueodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi               Inside the corporation                (56) References JP-A-59-160166 (JP, A)                 JP-A-60-66337 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.コヒーレント光源から発せられた発散球面波光が入
射する第1のインライン型グレーティングレンズ(11)
と、該第1のインライン型グレーティングレンズを透過
した回折光を所定の1点に集束させる第2のインライン
型グレーティングレンズ(12)とが同一の一直線の光軸
上に配設され、 前記第1のインライン型グレーティングレンズは、前記
光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布を有し、
前記光軸に関して対称な任意の2点からの回折光を前記
光軸上で交差させて前記第2のインライン型グレーティ
ングレンズに入射させ、 前記第2のインライン型グレーティングレンズは、前記
光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布を有し、
前記交差した回折光を前記所定の1点に集束せしめ、 前記第1、第2のインライン型グレーティングレンズは
光源の発振波長の変化に応じて第2グレーティングレン
ズによる結像焦点距離が変化する空間周波数分布を有
し、以て発振波長を変化させることにより焦点位置の制
御を行うフォーカシング装置。
(57) [Claims] First in-line grating lens on which divergent spherical wave light emitted from a coherent light source is incident (11)
And a second in-line grating lens (12) for converging the diffracted light transmitted through the first in-line grating lens to a predetermined point is disposed on the same straight optical axis; The in-line type grating lens has a predetermined spatial frequency distribution rotationally symmetric with respect to the optical axis,
Diffracted light from any two points symmetric with respect to the optical axis crosses on the optical axis and is incident on the second in-line grating lens, and the second in-line grating lens rotates with respect to the optical axis. Has a symmetric predetermined spatial frequency distribution,
Focusing the crossed diffracted light to the predetermined point, wherein the first and second in-line grating lenses have a spatial frequency at which the focal length of the image formed by the second grating lens changes according to the change in the oscillation wavelength of the light source. A focusing device that has a distribution and controls the focal position by changing the oscillation wavelength.
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