JP3614294B2 - 光強度変換素子及び光学装置及び情報記憶装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は入射光の光強度分布を変換して出射することのできる光強度変換素子及びそのような光強度変換素子を用いた光学装置及び光ディスク装置に関する。本発明は、光軸に垂直な方向に光強度分布をもつレーザ光を、所定開口内で波面強度が均一なレーザ光に変換し、且つ透過波面収差（ＲＭＳ）を０．０７λ以下にすることで、各種分野におけるレーザ光処理系、顕微鏡型光学系、情報記録媒体光学系においてビーム径とビーム形状の改善をすることが出来る光学素子を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ビーム強度分布を変更する方法として、回折効率を場所毎に変えた回折格子や、強度分布と反比例の関係にある透過分布をもつ濃度フィルタや、ビーム強度分布が小さい領域を取り出すためにスリットなどが用いられてきた。また、ハーフミラーなどでレーザ光を重ね合わせたり、回折格子などで２次光源を発生させる方法、プリズムなどの屈折で内側と外側で強度分布を入れ換える方法、ズームレンズで焦点ボケを利用する方法など多くの方法が提案されている。
【０００３】
例えば特開平３−７５６１２号公報及び特開平３−９２８１５号公報は、それぞれが２枚のレンズにより構成された第１群及び第２群のレンズを用いて、ガウス型強度分布をもつ入射光をほぼ均一な強度分布として出射させることを開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回折格子や、濃度フィルタや、スリットなどの方法では、原理上光利用効率を１００パーセントにすることができず、必ず光量損がある。またレーザの重ね合わせ方法や、２次光源を発生させる方法では、波面収差が発生し、回折限界まで絞ることができない。
【０００５】
また、屈折を用いる方法でも、内側と外側で光線光路を交差させているため、光線光路長が異なり、波面収差が発生してしまう。またズームレンズを利用する方法では波面収差を大きくすることで強度を均一にしている。また、特開平３−７５６１２号公報及び特開平３−９２８１５号公報に記載された従来技術では、最低４個のレンズを用い、しかもズーミングを行っている。
【０００６】
従って、これまではビームスポット径を絞ることより、ビームスポットの強度分布を一定にすることに重点があった。そのためレーザ加工機などのような数μｍ程度のスポット径でよく光量損失も問題にならないものでは上記方法が利用できた。しかし、出力が弱い光源を用いた情報記録媒体の読取り光学系などでは、波面収差と光利用効率から利用できなかった。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構成で、薄型で、光強度分布を変換して出射することのできる光強度変換素子及びそのような光強度変換素子を用いた光学装置及び光ディスク装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、周辺部から中央部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであることを特徴とするものである。
【０００９】
この光強度変換素子はかなり薄い単体のボディで形成されることができ、しかも入射光の光強度分布を均一な光強度分布に確実に変換することができるものである。
好ましくは、該第１の曲面表面から入射した入射光が、該ボディ内の該中心軸線のまわりの中心領域においては発散し、該ボディ内の周辺領域においては収束するようにした。
【００１０】
好ましくは、該ボディの厚さが入射光に対する出射光の波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下にする厚さである。
【００１１】
さらに、本発明は、光軸から任意の距離（ｒ1 ）にある入射点（Ａ）を通る光線が出射する出射点（Ｂ）の光軸からの距離（ｒ2 ）を、光軸から前記任意の距離（ｒ1 ）までの範囲にある入射側の光量Ｐ1 を入射光の全光量を出射光の所定の面積で割って得た強度Ｉで割ることで求め、距離（ｒ 1 ）に対する距離（ｒ 2 ）の関係を求め、そして、入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）の直線距離（Ｌ）を仮に与えることで、入射点（Ａ）を通る光線の偏向方向を決め、屈折の法則から入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）点を通る面の傾きを決め、こうして決めた入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）点を通る面の傾きを該中心軸線からの半径方向の距離で積分することで入射側の曲面と第１の出射側の曲面を求め、次に前記積分により求めた入射側の曲面と各任意の距離（ｒ1 ）での偏向方向と仮に決めた距離（Ｌ）より第２の出射側の曲面を求め、入射側の曲面上の入射点と第１の出射側の曲面上の出射点との間の距離（Ｌ´）を求め、積分により求めた第１の出射側の曲面と入射面から求めた第２の出射側の曲面が一致するように各任意の距離（ｒ1 ）毎の距離（Ｌ）を距離（Ｌ´）に定義し直し、再度入出射面の傾きを求め直すことを繰り返し、△＝Ｌ−Ｌ´≒０に収束させる、該ボディの第１及び第２の曲面表面の形状が以上のようにして計算され、かつ、波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下になるように決定されたものであることを特徴とする光強度変換素子の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明はさらに上記光強度変換素子を用いて構成された光学装置及び情報記憶装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の第１実施例の光強度変換素子１０を示す断面図である。図１は光強度変換素子１０を示す断面図であり、図２は光強度変換素子１０を示す正面図である。さらに、図１は光強度変換素子１０を通る多数の光線の光路を示している。光線の光路から分かるように、光強度変換素子１０は、ガウス型光強度分布を有する平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換する。
【００１４】
図３は図１及び図２の光強度変換素子１０を含む光学装置５０を示している。この光学装置５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、光強度変換素子１０と、対物レンズ５６とを備えている。レーザ光源５２は典型的にガウス型光強度分布を有する発散光を出射する。レーザ光源５２から放射されたレーザ光は、コリメートレンズ５４によってガウス型光強度分布を有する平行光になる。ガウス型光強度分布を有する平行光は光強度変換素子１０によって均一な強度分布を有する平行光に変換され、対物レンズ５６によって絞られて対象物５８に入射する。
【００１５】
光学装置５０の一例はレーザ光によって対象物５８の切削加工を行うことのできるレーザ加工装置である。本発明では、光強度変換素子１０はガウス型光強度分布を有する平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換することができ、均一な強度分布を有する平行光は対物レンズ５６によってより小さな光のスポットに絞られることができる。従って、光学装置５０をレーザ加工装置よりもより絞られたレーザ光を必要とする光学装置、好ましくは、光ディスク装置や顕微鏡装置等に使用可能である。
【００１６】
図１及び図２において、光強度変換素子１０は、中心軸線１２を有する透明なボディ１４からなる。ボディ１４は等方性屈折率を有する透明な材料（例えばガラス）で作られている。ボディ１４は、中心軸線１２に対して横方向に延びる第１の曲面表面１６と、第１の曲面表面１６の反対側にあって同様に中心軸線１２に対して横方向に延びる第２の曲面表面１８と、第１の曲面表面１６と第２の曲面表面１８との間に延びる円筒外周面２０とを有する。この光強度変換素子１０は、ガウス型光強度分布を有する平行光が、第１の曲面表面１６からボディ１４に入射するように形成されている。ボディ１４を通過した光は第２の曲面表面１８から出射する。
【００１７】
光強度変換素子１０は、第１の曲面表面１６に入射した入射光が、屈折により、ボディ１４内の一部の領域においては発散し、ボディ１４内の他の領域においては収束し、それによって入射光の光強度分布とは異なった光強度分布として第２の曲面表面１８から出射するように構成されている。光線の光路は互いに交わらないようになっている。
【００１８】
より詳細は、領域Ｚにおいては、光強度変換素子１０を通る光線の光路は互いに平行に延びている。領域Ｚの内側の中心領域Ｘにおいては光線が発散し、そして、領域Ｚの外側の周辺領域Ｙにおいては光線が収束するようになっている。従って、図１の左端部に示されるガウス型光強度分布のうち、中心部にある強度の高い光線は光強度変換素子１０を通ることにより発散して光強度変換素子１０を出射するときに強度が低くなり、ガウス型光強度分布のうち、周辺部にある強度の低い光線は光強度変換素子１０を通ることにより収束して強度が高くなる。こうして、ガウス型光強度分布を有する入射光は光強度変換素子１０によって全体として均一な光強度分布をもつ出射光に変換される。
【００１９】
ボディ１４は、中心軸線１２を中心とする回転対称形状に形成される。例えば、ボディ１４の第１の曲面表面１６はリング状に隆起した部分Ｐを有する。このリング状に隆起した部分Ｐは中心軸線１２を中心とする円上にある。第１の曲面表面１６のリング状に隆起した部分Ｐの内側及び外側には、同心円状に窪んだ部分がある。第２の曲面表面１８は、ラフには第１の曲面表面１６と類似した形状を有し、第１の曲面表面１６が隆起している部位では第２の曲面表面１８は窪んでいる。第２の曲面表面１８は第１の曲面表面１６とは正確には対応しない。
【００２０】
この実施例では、光強度変換素子１０は、入射口径ｗ１ で入射するガウス型光強度分布の入射光を、出射口径ｗ２ で均一な光強度分布で出射する出射光に変換するようになっている。入射口径ｗ１ ＞出射口径ｗ２ の関係がある。図１の実施例では、ｗ１ は４．０ｍｍ、ｗ２ は３．４ｍｍ、後で説明するＬ０ は１．５ｍｍであった。
【００２１】
次に、光強度変換素子１０の製造方法について図１及び図４を参照して説明する。ここで、ガウス型光強度分布を有する入射光の全光量をＰ、均一な光強度分布を有する出射光の光強度をＩ２ とする。入射する光量と出射する光量とが不変であるので、出射光の光強度Ｉ２ は下記式（１）で求まる。
Ｉ２ ＝Ｐ／ｗ２ （１）
中心軸線１２から任意の入射点Ａまでの距離（半径）をｒ１ 、入射点Ａを通る光線が出射する出射点をＢとし、中心軸線１２から出射点Ｂまでの距離（半径）をｒ２ とする。光強度変換素子１０を通る光路の長さ、すなわち入射点Ａから出射点Ｂまでの距離（以下光路長という）をＬとする。中心軸線１２上を通る光路長がＬ０ である。
【００２２】
入射光のうち、中心から入射点Ａを含む部分（半径ｒ１ の円の範囲）の全光量をＰ１ とすると、ｒ２ は下記式（２）で求まる。Ｉ２ は上記式（１）で求められる。
ｒ２ ＝Ｐ１ ／Ｉ２ （２）
ここで、使用する半導体レーザの拡がり角θ（半値全角）を焦点距離ｆのコリメートレンズで平行光にしたとき、半径ｒ１ の範囲の入射光の強度Ｉ１ は下記式（３）で求まる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
式（３）を用いて、全光量Ｐ及び半径ｒ１ の範囲内の光量Ｐ１ は下記式（４）、式（５）の関係で求まる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
【数３】
【００２７】
式（１）の光強度Ｉ２ は下記式（６）のように表現される。
【００２８】
【数４】
【００２９】
従って、式（２）は下記式（７）のように表現される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
図４に示されるように、入射光及び出射光はともに平行光であるので、第１の曲面表面１６に入射する入射光の角度αは、第２の曲面表面１８から出射する出射光の角度αと等しい。入射光の偏向角をβ、光強度変換素子１０のボディ１４の屈折率をｎとする。スネルの法則から以下の式（８）、式（９）が導ける。
【００３２】
【数６】
【００３３】
【数７】
【００３４】
式（８）のｔａｎ αは、第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾き量である。式（８）のｔａｎ αを計算するため、式（９）で計算したβを式（８）に代入する。式（９）の計算は、式（７）の半径ｒ２ と半径ｒ１ の関係、及び光路長Ｌに仮定値を代入することにより行う。第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾き量が計算できたら、傾きを連続させて曲面形状を得る。このためには、半径ｒ２ が０の位置から半径ｒ２ を増加させ、よって連続した曲面形状を得ることができる。ただし、下記する近似法を使用するとより有利である。
【００３５】
一般に、光強度変換素子１０の第１及び第２の曲面表面１６、１８の表面形状は下記式（１０）で示す非球面多項式で表現される。
【００３６】
【数８】
【００３７】
ここで、Ｘは半径方向の距離、Ｚは入射面の位置、Ｒは中心での曲率半径、Ｋは放物線定数である。この式（１０）を半径で微分すると、半径に対する傾きの式になる。
そこで、入射側の第１の曲面表面１６の形状は、光強度変換素子１０の開口半径（ｗ１ ／２）までの各光線の半径値ｒ１ に対するｔａｎ βの数値データを式（８）、式（９）から計算し、式（１０）の微分式で近似する。この多項式を、半径ｒ１ について積分することで表面形状を表す式を得ることができる。
【００３８】
出射側の第２の曲面表面１８の形状を求める方法は２つある。第１の方法は、入射側の第１の曲面表面１６の形状の計算と同様に曲面の形状をｒ２ で積分する方法である。この場合、上記したのと同様に計算することができるので、詳細な説明は省略する。
第２の方法は、入射側の曲面位置と、偏向方向βと、光路長Ｌとから、出射側の第２の曲面表面１８の形状を計算する方法である。この方法は、入射側で半径ｒ１ のときの中心軸線１２方向の位置をｚ１ とし、出射側で半径ｒ２ のときの中心軸線１２方向の位置をｚ２ としたとき、下記式（１１）により出射曲面位置を計算できる。
【００３９】
【数９】
【００４０】
こうして計算したｚ２ を使用して、式（１０）で近似する。ところが、傾きを積分して求めた出射側の第２の曲面表面１８の形状と、式（１１）の計算により求めた出射側の第２の曲面表面１８の形状とは、一般に一致しない。これは、傾きを積分して求められた式から計算される光路長Ｌ′と、仮定した光路長Ｌとが異なるためである。これらの光路長Ｌ′と、Ｌとは本来一致しなければならない。そこで、傾きを積分して求めた入射側と出射側の式から、光強度変換素子１０内の光路長Ｌ′を計算する。
【００４１】
【数１０】
【００４２】
この半径ｒ１ ごとに計算したＬ′を新たな各半径ｒ１ ごとの光路長Ｌと定義しなおし、各半径ｒ１ ごとの差分（Δ＝Ｌ−Ｌ′）≒０に収束するまで、式（８）以降の計算を繰り返す。
このようにして光強度変換素子１０の所望の形状を得ることができる。しかし、このようにして計算した光強度変換素子１０をあらゆる微小光学系に一慨に用いることはできない。それは平凸レンズと同様に、通過する光線によっては、光軸中心と端部との収差が発生するからである。そこで、光強度変換素子１０のＲＭＳ（波面収差量）を計算し、ＲＭＳ値が０．０７λ以下であれば、レイリー極限値を満たした理想的な光学素子であると言える。ＲＭＳ値は入射光線全体についての光線光路差の面積的な平均値である。
【００４３】
ＲＭＳ値を小さくするためには、光強度変換素子１０の各半径を通過する光線の光路長が等しくなればよい。この実施例では、平行光を平行光に変換していることから、屈折による光線の偏向が小さいほど光路長の差は小さくなる。偏向方向を小さくするのは、即ち入射光線の入射角を小さくすることである。そこで、光強度変換素子１０の強度変換有効領域内の傾きの絶対値が最小となる入射開口径と出射開口径の条件を選択したり、あるいは光強度変換素子１０の肉厚を厚くするなどによってＲＭＳ値を小さくすることができる。また、同じ肉厚であれば、傾きの絶対値が小さい方が、ＲＭＳ値は小さくなる。
【００４４】
ただし、近似式によっては、周辺部の近似が悪い場合がある。この場合、ＲＭＳ値は面積的平均値であるため、周辺部は面積的に比重が大きくなるので、わずかな光線光路長の差でもＲＭＳ値が悪くなる。そこで、周辺部を遮光すると、ＲＭＳ値を小さくできる。図１の光強度変換素子１０の場合、曲面形状を１０次の多項式で近似したところ、最大の波面収差は０．０４４λであり、ＲＭＳ値は０．０１２λであった。
【００４５】
図１の実施例は、光強度変換素子１０の中心の厚さ（Ｌ０ ）を１．５ｍｍとし、入射口径ｗ１ を４ｍｍ、出射口径ｗ２ を３．４ｍｍにしているが、同様の手法で、図５や図６のように、入射口径ｗ１ と出射口径ｗ２ との関係を変えることもできる。
図５は、入射口径ｗ１ と出射口径ｗ２ が互いに等しく、４ｍｍの例を示す。Ｌ０ は１．５ｍｍである。図６は、入射口径ｗ１ が４ｍｍで、出射口径ｗ２ が５ｍｍの例を示す。Ｌ０ は４ｍｍである。図５及び図６においても、光強度変換素子１０はガウス型光強度分布を有する平行光を均一な光強度分布を有する平行光に変換している。
【００４６】
図１と図５の光強度変換素子１０の厚さは１．５ｍｍであるが、図６の光強度変換素子１０の厚さは４ｍｍとしている。これは図６において１．５ｍｍの厚さにすると、素子内の光線の一部が臨界角を越えてしまうため、素子の厚さを厚くして臨界角を越えないようにしたためである。
図７は、半径ｒ２ に対する曲面の傾きの関係を示すグラフを示す。実線曲線Ｈは入射口径＞出射口径の場合であり、破線曲線Ｉは入射口径＜出射口径の場合である。入射口径はともに４ｍｍであり、実線曲線Ｈの出射口径は３．４ｍｍ、破線曲線Ｉの出射口径は５ｍｍであった。このグラフより、傾きの絶対値を小さくできるのは、入射開口より出射開口を小さくした実線曲線Ｈの場合である。他の開口径の場合も同様で、傾きの絶対値を小さくできるのは、入射口径より出射口径を小さくしたときで、最も小さくなるのは、図７の実線曲線Ｈの底の位置（傾きが減少から増加に転じる位置▲１▼）傾きと、最周辺部の位置（位置▲２▼）の傾きの絶対値が等しいときである。
【００４７】
図８は他の実施例の光強度変換素子３０を示す。光強度変換素子３０は、中心軸線３１に対して垂直方向の２軸方向で異なる屈折率（ｎ０ 、ｎ１ ）を有する複屈折材料の板３２と、複屈折材料の板３２の一方の屈折率と同じ屈折率ｎ０ を有し、複屈折材料の板３２を挟み込む板３４、３６とからなり、入出射面を垂直にした構造を有する。複屈折材料の板３２は前の実施例の光強度変換素子１０と同様の形状に形成され、一方の軸と一致した偏光が入射したとき（Ａ）に光強度変換素子１０と同様の光強度変換作用を行い、他方の軸と一致した偏光が入射したとき（Ｂ）に実質的に光強度変換作用を行わないようにしたものである。板３４、３６の表面は平坦であり、光強度変換素子３０の取扱いを容易にする。
【００４８】
図８のような光強度変換素子３０は、情報記録装置のような光学系（例えば光ディスク装置）では特に有効である。すなわち、偏光が一方向に入射された場合には光変換作用が大きくて媒体に向かう光線をよく絞ることができ、媒体で反射した光は光変換作用を受けずに媒体上の情報をそのまま得ることができる。
以上のことは、特に次元について言及していないが、１次元の光強度分布以外にも当然、図９のように２次元の強度分布をもつ入射光についても有効であることは述べるまでもない。また、平行光入射、平行光出射について述べたが、発散光入射、発散光出射についても同様に成立する。
【００４９】
図１０は他の実施例の光強度変換素子４０を示す。半導体レーザの強度分布は、楕円形状をしている。この楕円形状の光強度分布をもつ光線を任意の形状の光強度分布にするため、従来は真円補正用プリズムを使用し、光線をプリズムに斜めに入射させていた。そこでプリズムに代わり、図１０のような光強度変換素子４０を用いると、楕円状の光強度分布を真円状の光強度分布に変換でき、プリズムに斜めに入射するための不要な体積が減り、光学系の軽薄短小化が可能となる。
【００５０】
図１１は、設計した光強度分布と異なる入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布を示す。ここで、広い光強度分布あるいは狭い光強度分布は、図１２の曲線Ｑ、Ｒで定義される。実線の曲線Ｑは点線の曲線Ｒよりもピークが高く、裾野が低い。この場合、点線の曲線Ｒは実線の曲線Ｑよりも広い光強度分布をもつものとする。
【００５１】
図１１の直線Ｊは設計した通りの光強度分布の入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。曲線Ｋは設計した光強度分布より広い光強度分布をもつ入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。この場合、中心よりも周辺部の強度が強くなるお碗型強度分布となる。曲線Ｌは設計した光強度分布より狭い光強度分布をもつ入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。この場合、中心が高く、周辺部が低くなるドーム型強度分布となる。
【００５２】
図１１のような光強度分布の入射光を絞った場合、お碗型、均一型、ガウス型強度分布の順にビームが絞れることが分かっている。そこで、半導体レーザのような広角でバラツキがあるような光源に強度均一にする光強度変換素子１０を用いる場合、最も広角の狭い半導体レーザを用いたときの光強度分布で光強度変換素子１０の設定を行い、光強度変換素子１０からの出射光の光強度分布が最低でも均一で、通常はお碗型強度分布となるようにすると、ビーム集光性が改善できる。またこの光学系は真円補正プリズムが不要であり、光学装置の改善が行える。
【００５３】
また、中心軸線に垂直方向に移動がある光学部と不動な光学部がある光学系において、光強度変換素子は不動な光学部側にあって、移動部側の開口径と移動量の合成より広い出射口径を有するように構成することができる。こうすれば、移動部が移動しても、光強度変換素子は光強度変換された平行光を移動部を透過して供給することができる。
【００５４】
図１３は光強度変換素子１０を含む光ディスク装置６０の例を示している。光ディスク装置６０は図３の光学装置５０と同様に、レーザ光源６２と、コリメートレンズ６４と、光強度変換素子１０と、対物レンズ６６とを備えている。光ディスク装置６０はさらにビームスプリッタ６８と、１／４波長板７０と、トラッキングミラー７２と、集光レンズ７４と、受光素子７６とを含む。
【００５５】
光強度変換素子１０はコリメートレンズ６４とビームスプリッタ６８の間に配置されている。コリメートレンズ６４と光強度変換素子１０とは共通のフレームに搭載され、一体化されている。これによって、他のレンズ（例えば対物レンズ６６）が移動する場合でも、移動レンズの光軸ずれによる収束性を補償するようになっている。
【００５６】
本発明はさらに次の特徴を含むものとすることができる。
第１及び第２の曲面表面は回転対称形状を有する。第１及び第２の曲面表面が楕円状の光強度分布を円状の光強度分布に変換できる曲面からなる。ボディが中心軸線に対して２軸の光学軸を有する複屈折材料からなる。ボディが複屈折材料の光学軸の一方と同じ屈折率をもつ材料で挟み込まれ、光軸に対して垂直に加工した面をもつ。
【００５７】
光強度変換素子の縁部を遮光して波面収差を低下させる。所定の光強度分布をもつ入射光より広い光強度分布をもつ入射光を入射させることで、光強度分布の最縁部の強度が中心部より強い出射光を出射させる。中心軸線に垂直方向に移動がある光学部と不動な光学部がある光学系において、光強度変換素子は不動な光学部側にあって、移動部側の開口径と移動量の合成より広い出射口径を有する。光強度変換素子が、該中心軸線に対して２軸の光学軸を有する複屈折材料と、複屈折材料の光学軸の一方と同じ屈折率をもち、該複屈折材料を挟み込む材料とからなり、該光強度変換素子をコリメートレンズの前に配置し、偏光方向を切り換えることで強度分布を変更し、ビーム径と強度分布を変更する。光源と、コリメートレンズと、光強度変換素子とを備え、コリメートレンズと光強度変換素子とを一体化していることを特徴とする光学装置。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な光強度変換素子を用いた光学装置は、光量損失がなく、高出力光に強く、収差も小さい、光強度分布も任意に制御が可能であるので、簡単に性能改善が可能となる。また、光強度変換素子は屈折を用いているので、損失が小さい。また、出射光の光強度分布と出射開口部の形状を自由に設定できるので、光学装置の部品点数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図２】図１の光強度変換素子を示す光入射側から見た正面図である。
【図３】光強度変換素子を含む光学装置を示す図である。
【図４】図１及び図２の光強度変換素子を製造する方法を説明する図である。
【図５】本発明の第２実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図７】光強度変換素子の半径と表面の傾き量との関係を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図１１】所定の光強度分布と異なった光強度分布の入射光を光強度変換素子に入射させた場合の出射光の光強度分布を示す図である。
【図１２】図１１において使用される広い光強度分布を定義するための図である。
【図１３】光強度変換素子を含む光ディスク装置を示す図である。
【符号の説明】
１０…光強度変換素子
１２…中心軸線
１４…ボディ
１６…第１の曲面表面
１８…第２の曲面表面
２０…外周面
３０…光強度変換素子
３２…複屈折材料の板
３４、３６…板
４０…光強度変換素子
５０…光学装置
５２…レーザ光源
５４…コリメートレンズ
５６…対物レンズ
５８…対象物
６０…光ディスク装置
【発明の属する技術分野】
本発明は入射光の光強度分布を変換して出射することのできる光強度変換素子及びそのような光強度変換素子を用いた光学装置及び光ディスク装置に関する。本発明は、光軸に垂直な方向に光強度分布をもつレーザ光を、所定開口内で波面強度が均一なレーザ光に変換し、且つ透過波面収差（ＲＭＳ）を０．０７λ以下にすることで、各種分野におけるレーザ光処理系、顕微鏡型光学系、情報記録媒体光学系においてビーム径とビーム形状の改善をすることが出来る光学素子を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来ビーム強度分布を変更する方法として、回折効率を場所毎に変えた回折格子や、強度分布と反比例の関係にある透過分布をもつ濃度フィルタや、ビーム強度分布が小さい領域を取り出すためにスリットなどが用いられてきた。また、ハーフミラーなどでレーザ光を重ね合わせたり、回折格子などで２次光源を発生させる方法、プリズムなどの屈折で内側と外側で強度分布を入れ換える方法、ズームレンズで焦点ボケを利用する方法など多くの方法が提案されている。
【０００３】
例えば特開平３−７５６１２号公報及び特開平３−９２８１５号公報は、それぞれが２枚のレンズにより構成された第１群及び第２群のレンズを用いて、ガウス型強度分布をもつ入射光をほぼ均一な強度分布として出射させることを開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回折格子や、濃度フィルタや、スリットなどの方法では、原理上光利用効率を１００パーセントにすることができず、必ず光量損がある。またレーザの重ね合わせ方法や、２次光源を発生させる方法では、波面収差が発生し、回折限界まで絞ることができない。
【０００５】
また、屈折を用いる方法でも、内側と外側で光線光路を交差させているため、光線光路長が異なり、波面収差が発生してしまう。またズームレンズを利用する方法では波面収差を大きくすることで強度を均一にしている。また、特開平３−７５６１２号公報及び特開平３−９２８１５号公報に記載された従来技術では、最低４個のレンズを用い、しかもズーミングを行っている。
【０００６】
従って、これまではビームスポット径を絞ることより、ビームスポットの強度分布を一定にすることに重点があった。そのためレーザ加工機などのような数μｍ程度のスポット径でよく光量損失も問題にならないものでは上記方法が利用できた。しかし、出力が弱い光源を用いた情報記録媒体の読取り光学系などでは、波面収差と光利用効率から利用できなかった。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構成で、薄型で、光強度分布を変換して出射することのできる光強度変換素子及びそのような光強度変換素子を用いた光学装置及び光ディスク装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、周辺部から中央部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであることを特徴とするものである。
【０００９】
この光強度変換素子はかなり薄い単体のボディで形成されることができ、しかも入射光の光強度分布を均一な光強度分布に確実に変換することができるものである。
好ましくは、該第１の曲面表面から入射した入射光が、該ボディ内の該中心軸線のまわりの中心領域においては発散し、該ボディ内の周辺領域においては収束するようにした。
【００１０】
好ましくは、該ボディの厚さが入射光に対する出射光の波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下にする厚さである。
【００１１】
さらに、本発明は、光軸から任意の距離（ｒ1 ）にある入射点（Ａ）を通る光線が出射する出射点（Ｂ）の光軸からの距離（ｒ2 ）を、光軸から前記任意の距離（ｒ1 ）までの範囲にある入射側の光量Ｐ1 を入射光の全光量を出射光の所定の面積で割って得た強度Ｉで割ることで求め、距離（ｒ 1 ）に対する距離（ｒ 2 ）の関係を求め、そして、入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）の直線距離（Ｌ）を仮に与えることで、入射点（Ａ）を通る光線の偏向方向を決め、屈折の法則から入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）点を通る面の傾きを決め、こうして決めた入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）点を通る面の傾きを該中心軸線からの半径方向の距離で積分することで入射側の曲面と第１の出射側の曲面を求め、次に前記積分により求めた入射側の曲面と各任意の距離（ｒ1 ）での偏向方向と仮に決めた距離（Ｌ）より第２の出射側の曲面を求め、入射側の曲面上の入射点と第１の出射側の曲面上の出射点との間の距離（Ｌ´）を求め、積分により求めた第１の出射側の曲面と入射面から求めた第２の出射側の曲面が一致するように各任意の距離（ｒ1 ）毎の距離（Ｌ）を距離（Ｌ´）に定義し直し、再度入出射面の傾きを求め直すことを繰り返し、△＝Ｌ−Ｌ´≒０に収束させる、該ボディの第１及び第２の曲面表面の形状が以上のようにして計算され、かつ、波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下になるように決定されたものであることを特徴とする光強度変換素子の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明はさらに上記光強度変換素子を用いて構成された光学装置及び情報記憶装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の第１実施例の光強度変換素子１０を示す断面図である。図１は光強度変換素子１０を示す断面図であり、図２は光強度変換素子１０を示す正面図である。さらに、図１は光強度変換素子１０を通る多数の光線の光路を示している。光線の光路から分かるように、光強度変換素子１０は、ガウス型光強度分布を有する平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換する。
【００１４】
図３は図１及び図２の光強度変換素子１０を含む光学装置５０を示している。この光学装置５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、光強度変換素子１０と、対物レンズ５６とを備えている。レーザ光源５２は典型的にガウス型光強度分布を有する発散光を出射する。レーザ光源５２から放射されたレーザ光は、コリメートレンズ５４によってガウス型光強度分布を有する平行光になる。ガウス型光強度分布を有する平行光は光強度変換素子１０によって均一な強度分布を有する平行光に変換され、対物レンズ５６によって絞られて対象物５８に入射する。
【００１５】
光学装置５０の一例はレーザ光によって対象物５８の切削加工を行うことのできるレーザ加工装置である。本発明では、光強度変換素子１０はガウス型光強度分布を有する平行光を均一な強度分布を有する平行光に変換することができ、均一な強度分布を有する平行光は対物レンズ５６によってより小さな光のスポットに絞られることができる。従って、光学装置５０をレーザ加工装置よりもより絞られたレーザ光を必要とする光学装置、好ましくは、光ディスク装置や顕微鏡装置等に使用可能である。
【００１６】
図１及び図２において、光強度変換素子１０は、中心軸線１２を有する透明なボディ１４からなる。ボディ１４は等方性屈折率を有する透明な材料（例えばガラス）で作られている。ボディ１４は、中心軸線１２に対して横方向に延びる第１の曲面表面１６と、第１の曲面表面１６の反対側にあって同様に中心軸線１２に対して横方向に延びる第２の曲面表面１８と、第１の曲面表面１６と第２の曲面表面１８との間に延びる円筒外周面２０とを有する。この光強度変換素子１０は、ガウス型光強度分布を有する平行光が、第１の曲面表面１６からボディ１４に入射するように形成されている。ボディ１４を通過した光は第２の曲面表面１８から出射する。
【００１７】
光強度変換素子１０は、第１の曲面表面１６に入射した入射光が、屈折により、ボディ１４内の一部の領域においては発散し、ボディ１４内の他の領域においては収束し、それによって入射光の光強度分布とは異なった光強度分布として第２の曲面表面１８から出射するように構成されている。光線の光路は互いに交わらないようになっている。
【００１８】
より詳細は、領域Ｚにおいては、光強度変換素子１０を通る光線の光路は互いに平行に延びている。領域Ｚの内側の中心領域Ｘにおいては光線が発散し、そして、領域Ｚの外側の周辺領域Ｙにおいては光線が収束するようになっている。従って、図１の左端部に示されるガウス型光強度分布のうち、中心部にある強度の高い光線は光強度変換素子１０を通ることにより発散して光強度変換素子１０を出射するときに強度が低くなり、ガウス型光強度分布のうち、周辺部にある強度の低い光線は光強度変換素子１０を通ることにより収束して強度が高くなる。こうして、ガウス型光強度分布を有する入射光は光強度変換素子１０によって全体として均一な光強度分布をもつ出射光に変換される。
【００１９】
ボディ１４は、中心軸線１２を中心とする回転対称形状に形成される。例えば、ボディ１４の第１の曲面表面１６はリング状に隆起した部分Ｐを有する。このリング状に隆起した部分Ｐは中心軸線１２を中心とする円上にある。第１の曲面表面１６のリング状に隆起した部分Ｐの内側及び外側には、同心円状に窪んだ部分がある。第２の曲面表面１８は、ラフには第１の曲面表面１６と類似した形状を有し、第１の曲面表面１６が隆起している部位では第２の曲面表面１８は窪んでいる。第２の曲面表面１８は第１の曲面表面１６とは正確には対応しない。
【００２０】
この実施例では、光強度変換素子１０は、入射口径ｗ１ で入射するガウス型光強度分布の入射光を、出射口径ｗ２ で均一な光強度分布で出射する出射光に変換するようになっている。入射口径ｗ１ ＞出射口径ｗ２ の関係がある。図１の実施例では、ｗ１ は４．０ｍｍ、ｗ２ は３．４ｍｍ、後で説明するＬ０ は１．５ｍｍであった。
【００２１】
次に、光強度変換素子１０の製造方法について図１及び図４を参照して説明する。ここで、ガウス型光強度分布を有する入射光の全光量をＰ、均一な光強度分布を有する出射光の光強度をＩ２ とする。入射する光量と出射する光量とが不変であるので、出射光の光強度Ｉ２ は下記式（１）で求まる。
Ｉ２ ＝Ｐ／ｗ２ （１）
中心軸線１２から任意の入射点Ａまでの距離（半径）をｒ１ 、入射点Ａを通る光線が出射する出射点をＢとし、中心軸線１２から出射点Ｂまでの距離（半径）をｒ２ とする。光強度変換素子１０を通る光路の長さ、すなわち入射点Ａから出射点Ｂまでの距離（以下光路長という）をＬとする。中心軸線１２上を通る光路長がＬ０ である。
【００２２】
入射光のうち、中心から入射点Ａを含む部分（半径ｒ１ の円の範囲）の全光量をＰ１ とすると、ｒ２ は下記式（２）で求まる。Ｉ２ は上記式（１）で求められる。
ｒ２ ＝Ｐ１ ／Ｉ２ （２）
ここで、使用する半導体レーザの拡がり角θ（半値全角）を焦点距離ｆのコリメートレンズで平行光にしたとき、半径ｒ１ の範囲の入射光の強度Ｉ１ は下記式（３）で求まる。
【００２３】
【数１】
式（３）を用いて、全光量Ｐ及び半径ｒ１ の範囲内の光量Ｐ１ は下記式（４）、式（５）の関係で求まる。
【００２５】
【数２】
【数３】
式（１）の光強度Ｉ２ は下記式（６）のように表現される。
【００２８】
【数４】
従って、式（２）は下記式（７）のように表現される。
【００３０】
【数５】
図４に示されるように、入射光及び出射光はともに平行光であるので、第１の曲面表面１６に入射する入射光の角度αは、第２の曲面表面１８から出射する出射光の角度αと等しい。入射光の偏向角をβ、光強度変換素子１０のボディ１４の屈折率をｎとする。スネルの法則から以下の式（８）、式（９）が導ける。
【００３２】
【数６】
【数７】
式（８）のｔａｎ αは、第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾き量である。式（８）のｔａｎ αを計算するため、式（９）で計算したβを式（８）に代入する。式（９）の計算は、式（７）の半径ｒ２ と半径ｒ１ の関係、及び光路長Ｌに仮定値を代入することにより行う。第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾き量が計算できたら、傾きを連続させて曲面形状を得る。このためには、半径ｒ２ が０の位置から半径ｒ２ を増加させ、よって連続した曲面形状を得ることができる。ただし、下記する近似法を使用するとより有利である。
【００３５】
一般に、光強度変換素子１０の第１及び第２の曲面表面１６、１８の表面形状は下記式（１０）で示す非球面多項式で表現される。
【００３６】
【数８】
ここで、Ｘは半径方向の距離、Ｚは入射面の位置、Ｒは中心での曲率半径、Ｋは放物線定数である。この式（１０）を半径で微分すると、半径に対する傾きの式になる。
そこで、入射側の第１の曲面表面１６の形状は、光強度変換素子１０の開口半径（ｗ１ ／２）までの各光線の半径値ｒ１ に対するｔａｎ βの数値データを式（８）、式（９）から計算し、式（１０）の微分式で近似する。この多項式を、半径ｒ１ について積分することで表面形状を表す式を得ることができる。
【００３８】
出射側の第２の曲面表面１８の形状を求める方法は２つある。第１の方法は、入射側の第１の曲面表面１６の形状の計算と同様に曲面の形状をｒ２ で積分する方法である。この場合、上記したのと同様に計算することができるので、詳細な説明は省略する。
第２の方法は、入射側の曲面位置と、偏向方向βと、光路長Ｌとから、出射側の第２の曲面表面１８の形状を計算する方法である。この方法は、入射側で半径ｒ１ のときの中心軸線１２方向の位置をｚ１ とし、出射側で半径ｒ２ のときの中心軸線１２方向の位置をｚ２ としたとき、下記式（１１）により出射曲面位置を計算できる。
【００３９】
【数９】
こうして計算したｚ２ を使用して、式（１０）で近似する。ところが、傾きを積分して求めた出射側の第２の曲面表面１８の形状と、式（１１）の計算により求めた出射側の第２の曲面表面１８の形状とは、一般に一致しない。これは、傾きを積分して求められた式から計算される光路長Ｌ′と、仮定した光路長Ｌとが異なるためである。これらの光路長Ｌ′と、Ｌとは本来一致しなければならない。そこで、傾きを積分して求めた入射側と出射側の式から、光強度変換素子１０内の光路長Ｌ′を計算する。
【００４１】
【数１０】
この半径ｒ１ ごとに計算したＬ′を新たな各半径ｒ１ ごとの光路長Ｌと定義しなおし、各半径ｒ１ ごとの差分（Δ＝Ｌ−Ｌ′）≒０に収束するまで、式（８）以降の計算を繰り返す。
このようにして光強度変換素子１０の所望の形状を得ることができる。しかし、このようにして計算した光強度変換素子１０をあらゆる微小光学系に一慨に用いることはできない。それは平凸レンズと同様に、通過する光線によっては、光軸中心と端部との収差が発生するからである。そこで、光強度変換素子１０のＲＭＳ（波面収差量）を計算し、ＲＭＳ値が０．０７λ以下であれば、レイリー極限値を満たした理想的な光学素子であると言える。ＲＭＳ値は入射光線全体についての光線光路差の面積的な平均値である。
【００４３】
ＲＭＳ値を小さくするためには、光強度変換素子１０の各半径を通過する光線の光路長が等しくなればよい。この実施例では、平行光を平行光に変換していることから、屈折による光線の偏向が小さいほど光路長の差は小さくなる。偏向方向を小さくするのは、即ち入射光線の入射角を小さくすることである。そこで、光強度変換素子１０の強度変換有効領域内の傾きの絶対値が最小となる入射開口径と出射開口径の条件を選択したり、あるいは光強度変換素子１０の肉厚を厚くするなどによってＲＭＳ値を小さくすることができる。また、同じ肉厚であれば、傾きの絶対値が小さい方が、ＲＭＳ値は小さくなる。
【００４４】
ただし、近似式によっては、周辺部の近似が悪い場合がある。この場合、ＲＭＳ値は面積的平均値であるため、周辺部は面積的に比重が大きくなるので、わずかな光線光路長の差でもＲＭＳ値が悪くなる。そこで、周辺部を遮光すると、ＲＭＳ値を小さくできる。図１の光強度変換素子１０の場合、曲面形状を１０次の多項式で近似したところ、最大の波面収差は０．０４４λであり、ＲＭＳ値は０．０１２λであった。
【００４５】
図１の実施例は、光強度変換素子１０の中心の厚さ（Ｌ０ ）を１．５ｍｍとし、入射口径ｗ１ を４ｍｍ、出射口径ｗ２ を３．４ｍｍにしているが、同様の手法で、図５や図６のように、入射口径ｗ１ と出射口径ｗ２ との関係を変えることもできる。
図５は、入射口径ｗ１ と出射口径ｗ２ が互いに等しく、４ｍｍの例を示す。Ｌ０ は１．５ｍｍである。図６は、入射口径ｗ１ が４ｍｍで、出射口径ｗ２ が５ｍｍの例を示す。Ｌ０ は４ｍｍである。図５及び図６においても、光強度変換素子１０はガウス型光強度分布を有する平行光を均一な光強度分布を有する平行光に変換している。
【００４６】
図１と図５の光強度変換素子１０の厚さは１．５ｍｍであるが、図６の光強度変換素子１０の厚さは４ｍｍとしている。これは図６において１．５ｍｍの厚さにすると、素子内の光線の一部が臨界角を越えてしまうため、素子の厚さを厚くして臨界角を越えないようにしたためである。
図７は、半径ｒ２ に対する曲面の傾きの関係を示すグラフを示す。実線曲線Ｈは入射口径＞出射口径の場合であり、破線曲線Ｉは入射口径＜出射口径の場合である。入射口径はともに４ｍｍであり、実線曲線Ｈの出射口径は３．４ｍｍ、破線曲線Ｉの出射口径は５ｍｍであった。このグラフより、傾きの絶対値を小さくできるのは、入射開口より出射開口を小さくした実線曲線Ｈの場合である。他の開口径の場合も同様で、傾きの絶対値を小さくできるのは、入射口径より出射口径を小さくしたときで、最も小さくなるのは、図７の実線曲線Ｈの底の位置（傾きが減少から増加に転じる位置▲１▼）傾きと、最周辺部の位置（位置▲２▼）の傾きの絶対値が等しいときである。
【００４７】
図８は他の実施例の光強度変換素子３０を示す。光強度変換素子３０は、中心軸線３１に対して垂直方向の２軸方向で異なる屈折率（ｎ０ 、ｎ１ ）を有する複屈折材料の板３２と、複屈折材料の板３２の一方の屈折率と同じ屈折率ｎ０ を有し、複屈折材料の板３２を挟み込む板３４、３６とからなり、入出射面を垂直にした構造を有する。複屈折材料の板３２は前の実施例の光強度変換素子１０と同様の形状に形成され、一方の軸と一致した偏光が入射したとき（Ａ）に光強度変換素子１０と同様の光強度変換作用を行い、他方の軸と一致した偏光が入射したとき（Ｂ）に実質的に光強度変換作用を行わないようにしたものである。板３４、３６の表面は平坦であり、光強度変換素子３０の取扱いを容易にする。
【００４８】
図８のような光強度変換素子３０は、情報記録装置のような光学系（例えば光ディスク装置）では特に有効である。すなわち、偏光が一方向に入射された場合には光変換作用が大きくて媒体に向かう光線をよく絞ることができ、媒体で反射した光は光変換作用を受けずに媒体上の情報をそのまま得ることができる。
以上のことは、特に次元について言及していないが、１次元の光強度分布以外にも当然、図９のように２次元の強度分布をもつ入射光についても有効であることは述べるまでもない。また、平行光入射、平行光出射について述べたが、発散光入射、発散光出射についても同様に成立する。
【００４９】
図１０は他の実施例の光強度変換素子４０を示す。半導体レーザの強度分布は、楕円形状をしている。この楕円形状の光強度分布をもつ光線を任意の形状の光強度分布にするため、従来は真円補正用プリズムを使用し、光線をプリズムに斜めに入射させていた。そこでプリズムに代わり、図１０のような光強度変換素子４０を用いると、楕円状の光強度分布を真円状の光強度分布に変換でき、プリズムに斜めに入射するための不要な体積が減り、光学系の軽薄短小化が可能となる。
【００５０】
図１１は、設計した光強度分布と異なる入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布を示す。ここで、広い光強度分布あるいは狭い光強度分布は、図１２の曲線Ｑ、Ｒで定義される。実線の曲線Ｑは点線の曲線Ｒよりもピークが高く、裾野が低い。この場合、点線の曲線Ｒは実線の曲線Ｑよりも広い光強度分布をもつものとする。
【００５１】
図１１の直線Ｊは設計した通りの光強度分布の入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。曲線Ｋは設計した光強度分布より広い光強度分布をもつ入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。この場合、中心よりも周辺部の強度が強くなるお碗型強度分布となる。曲線Ｌは設計した光強度分布より狭い光強度分布をもつ入射光が光強度変換素子１０に入射したときの、出射光の強度分布である。この場合、中心が高く、周辺部が低くなるドーム型強度分布となる。
【００５２】
図１１のような光強度分布の入射光を絞った場合、お碗型、均一型、ガウス型強度分布の順にビームが絞れることが分かっている。そこで、半導体レーザのような広角でバラツキがあるような光源に強度均一にする光強度変換素子１０を用いる場合、最も広角の狭い半導体レーザを用いたときの光強度分布で光強度変換素子１０の設定を行い、光強度変換素子１０からの出射光の光強度分布が最低でも均一で、通常はお碗型強度分布となるようにすると、ビーム集光性が改善できる。またこの光学系は真円補正プリズムが不要であり、光学装置の改善が行える。
【００５３】
また、中心軸線に垂直方向に移動がある光学部と不動な光学部がある光学系において、光強度変換素子は不動な光学部側にあって、移動部側の開口径と移動量の合成より広い出射口径を有するように構成することができる。こうすれば、移動部が移動しても、光強度変換素子は光強度変換された平行光を移動部を透過して供給することができる。
【００５４】
図１３は光強度変換素子１０を含む光ディスク装置６０の例を示している。光ディスク装置６０は図３の光学装置５０と同様に、レーザ光源６２と、コリメートレンズ６４と、光強度変換素子１０と、対物レンズ６６とを備えている。光ディスク装置６０はさらにビームスプリッタ６８と、１／４波長板７０と、トラッキングミラー７２と、集光レンズ７４と、受光素子７６とを含む。
【００５５】
光強度変換素子１０はコリメートレンズ６４とビームスプリッタ６８の間に配置されている。コリメートレンズ６４と光強度変換素子１０とは共通のフレームに搭載され、一体化されている。これによって、他のレンズ（例えば対物レンズ６６）が移動する場合でも、移動レンズの光軸ずれによる収束性を補償するようになっている。
【００５６】
本発明はさらに次の特徴を含むものとすることができる。
第１及び第２の曲面表面は回転対称形状を有する。第１及び第２の曲面表面が楕円状の光強度分布を円状の光強度分布に変換できる曲面からなる。ボディが中心軸線に対して２軸の光学軸を有する複屈折材料からなる。ボディが複屈折材料の光学軸の一方と同じ屈折率をもつ材料で挟み込まれ、光軸に対して垂直に加工した面をもつ。
【００５７】
光強度変換素子の縁部を遮光して波面収差を低下させる。所定の光強度分布をもつ入射光より広い光強度分布をもつ入射光を入射させることで、光強度分布の最縁部の強度が中心部より強い出射光を出射させる。中心軸線に垂直方向に移動がある光学部と不動な光学部がある光学系において、光強度変換素子は不動な光学部側にあって、移動部側の開口径と移動量の合成より広い出射口径を有する。光強度変換素子が、該中心軸線に対して２軸の光学軸を有する複屈折材料と、複屈折材料の光学軸の一方と同じ屈折率をもち、該複屈折材料を挟み込む材料とからなり、該光強度変換素子をコリメートレンズの前に配置し、偏光方向を切り換えることで強度分布を変更し、ビーム径と強度分布を変更する。光源と、コリメートレンズと、光強度変換素子とを備え、コリメートレンズと光強度変換素子とを一体化していることを特徴とする光学装置。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な光強度変換素子を用いた光学装置は、光量損失がなく、高出力光に強く、収差も小さい、光強度分布も任意に制御が可能であるので、簡単に性能改善が可能となる。また、光強度変換素子は屈折を用いているので、損失が小さい。また、出射光の光強度分布と出射開口部の形状を自由に設定できるので、光学装置の部品点数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図２】図１の光強度変換素子を示す光入射側から見た正面図である。
【図３】光強度変換素子を含む光学装置を示す図である。
【図４】図１及び図２の光強度変換素子を製造する方法を説明する図である。
【図５】本発明の第２実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図７】光強度変換素子の半径と表面の傾き量との関係を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図９】本発明の第５実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施例の光強度変換素子を示す図である。
【図１１】所定の光強度分布と異なった光強度分布の入射光を光強度変換素子に入射させた場合の出射光の光強度分布を示す図である。
【図１２】図１１において使用される広い光強度分布を定義するための図である。
【図１３】光強度変換素子を含む光ディスク装置を示す図である。
【符号の説明】
１０…光強度変換素子
１２…中心軸線
１４…ボディ
１６…第１の曲面表面
１８…第２の曲面表面
２０…外周面
３０…光強度変換素子
３２…複屈折材料の板
３４、３６…板
４０…光強度変換素子
５０…光学装置
５２…レーザ光源
５４…コリメートレンズ
５６…対物レンズ
５８…対象物
６０…光ディスク装置
Claims (12)
- 中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、中央部から周辺部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであることを特徴とする光強度変換素子。
- 該第１の曲面表面から入射した入射光が、該ボディ内の該中心軸線のまわりの中心領域においては発散し、該ボディ内の周辺領域においては収束するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光強度変換素子。
- 該ボディの厚さが入射光に対する出射光の波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下にする厚さであることを特徴とする請求項１に記載の光強度変換素子。
- 該ボディの微小領域を通過する光に関して、該ボディに入射する角度と出射する角度とが同じであることを特徴とする請求項１に記載の光強度変換素子。
- 中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、中央部から周辺部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、
光軸から任意の距離（ｒ 1 ）にある入射点（Ａ）を通る光線が出射する出射点（Ｂ）の光軸からの距離（ｒ 2 ）を、光軸から前記任意の距離（ｒ 1 ）までの範囲にある入射側の光量Ｐ 1 を入射光の全光量を出射光の所定の面積で割って得た強度Ｉで割ることで求め、距離（ｒ 1 ）に対する距離（ｒ 2 ）の関係を求め、
そして、入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）の直線距離（Ｌ）を仮に与えることで、入射点（Ａ）を通る光線の偏向方向を決め、屈折の法則から入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）を通る面の傾きを決め、こうして決めた入射点（Ａ）と出射点（Ｂ）を通る面の傾きを該中心軸線からの半径方向の距離で積分することで入射側の曲面と第１の出射側の曲面を求め、
次に前記積分により求めた入射側の曲面と各任意の距離（ｒ 1 ）での偏向方向と仮に決めた距離（Ｌ）より第２の出射側の曲面を求め、
入射側の曲面上の入射点と第１の出射側の曲面上の出射点との間の距離（Ｌ´）を求め、
積分により求めた第１の出射側の曲面と入射面から求めた第２の出射側の曲面が一致するように各任意の距離（ｒ 1 ）毎の距離（Ｌ）を距離（Ｌ´）に定義し直し、再度入出射面の傾きを求め直すことを繰り返し、△＝Ｌ−Ｌ´≒０に収束させる、
該ボディの第１及び第２の曲面表面の形状が以上のようにして計算され、かつ、波面収差のＲＭＳ値が０．０７λ以下になるように決定されたものであることを特徴とする光強度変換素子の製造方法。 - 光源と、コリメートレンズと、光強度変換素子と、対物レンズとを備え、該光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸 線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、中央部から周辺部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであり、コリメートレンズと光強度変換素子とを一体化することで、可動対物レンズの光軸ずれによる収束性を補償することを特徴とする光学装置。
- 光源と、コリメートレンズと、光強度変換素子と、ビームスプリッタと、対物レンズとを備え、該光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射した入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、ガウス型光強度分布をもつ入射光の光強度分布とは異なった、中央部から周辺部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであり、ビームスプリッタとコリメートレンズの間に光強度変換素子を配置することを特徴とする光学装置。
- 入射光の入射口径（ｗ 1 ）が出射光の出射口径（ｗ 2 ）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光強度変換素子。
- 光源と、光強度変換素子とを備え、
該光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面から入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により、該ボディ内の一部の領域においては発散し、該ボディ内の他の領域においては収束し、入射光の光強度分布とは異なった、中央部から周辺部へかけてほぼ均一な光強度分布として該第２の曲面表面から出射するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起した部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであることを特徴とする光学装置。 - 入射光の入射口径（ｗ 1 ）が出射光の出射口径（ｗ 2 ）よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の光学装置。
- 光源と、光強度変換素子とを備え、
該光強度変換素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボディで構成され、該ボディは、該第１の曲面表面にから入射したガウス型光強度分布をもつ入射光が、該第１の曲面表面から該ボディに入射した際の屈折により該ボディの中心部において発散し、該ボディの周辺部において収束するように構成され、該第１の曲面表面は周辺部にリング状に隆起した部分と、該リング状に隆起し た部分の内側及び外側に同心円状に窪んだ部分とを有し、該第２の曲面表面は該リング状に隆起した部分に対応して窪んだ部分を有するとともに、該第１及び第２の曲面表面において、傾きが増大から減少又は減少から増大に転じる点の傾き量と最周辺部の傾き量の符号が互いに逆で絶対値がほぼ同じであることを特徴とする光学装置。 - 請求項９から１１のいずれかに記載の光学装置を備えてなる情報記憶装置。
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