JP3666410B2

JP3666410B2 - ビーム整形素子および光ヘッド装置

Info

Publication number: JP3666410B2
Application number: JP2001125553A
Authority: JP
Inventors: 弘昌佐藤; 好晴大井; 真弘村川; 龍一郎後藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: JP2002319170A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム整形素子および光ヘッド装置に関し、特に光ディスクなどの光記録媒体の情報の記録または再生に用いられるビーム整形素子およびこの素子を用いた光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤやＤＶＤなどの光ディスク、および光磁気ディスクなどの光記録媒体（以下、「光ディスク」という）の情報記録面上に情報の記録を行ったり、情報記録面上の情報を再生する光ヘッド装置において、半導体レーザが光源として用いられている。半導体レーザからの出射光が対物レンズにより光ディスク上に集光される。そして、集光され光ディスクにより反射された出射光（以下、反射光という）を、光検出器により検出しながら、情報の記録または再生を行うことができる。
【０００３】
半導体レーザにおいては、その構造上発光層の形成する平面（発光層は平板状でありその最も広い方の表面）に対して、垂直な方向と平行な方向とで出射光（レーザ光）の放射角が異なる。すなわち、発光層の形成する平面を横切る垂直な方向（以下、垂直方向という）と、発光層の形成する平面に平行でかつ発光端面に平行な方向（以下、平行方向という）とでは、出射光の広がり角である放射角が異なる。放射角は、一般に垂直方向が平行方向に対して大きく、平行方向に対する垂直方向の角度の比率（以下、放射角度比という）は、２〜４程度の値を有している。
【０００４】
図６に、従来の光ヘッド装置６０の構成例を示す。半導体レーザ６０１からの出射光はビームスプリッタ６０２で反射した後に、コリーメートレンズ６０３により平行光に変換され、対物レンズ６０４で光ディスク６０５上に集光される。光ディスク６０５からの反射光は、対物レンズ６０４、コリーメートレンズ６０３を透過後、ビームスプリッタ６０２を透過して光検出器である受光素子６０６上に集光し、光ディスク６０５上の記録情報が検出される。
【０００５】
この従来例では、コリーメートレンズ６０３の焦点距離、有効径から決定される取り込み角（開口数の２倍）の範囲の半導体レーザ光が使用される。半導体レーザ６０１の出射光の垂直方向と水平方向の放射角の違いに基く規格化強度の例を図７に示す。図７では、平行方向（実線）が約９°、垂直方向（破線）が約２１°の半値全角（規格化強度が半分である０．５のときの全角度幅）のガウス分布を示し、そのうちの平行方向および垂直方向の全角度幅約１１°の領域を使用した場合、半導体レーザの実効利用効率は全出力の４０％以下となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザからの出射光を光ディスク上の情報記録面に集光するとき、コリーメートレンズの有効径内において、外周部分での強度低下が大きいほど、集光スポット径は大きくなる。このため、従来の光ヘッド装置では、記録または再生に必要な集光スポット径になるように、半導体レーザの放射角の小さな平行方向を規準にコリーメートレンズの取り込み角を設定している。このため、放射角の大きい垂直方向の光は、周辺部で強度低下の少ないガウス分布の中心領域しか使用できないことになり、レーザ光の利用効率が上がらなかった。その結果、より大きな強度の集光スポットが必要となる記録時、低反射率光ディスクの再生時、および高速回転時に十分な光量が得られない問題を有していた。
【０００７】
一方、レーザ光の利用効率を上げるために取り込み角度を大きく設定すると、放射角の小さい平行方向では外周部分の強度低下が著しいため集光スポットが拡がるとともに集光スポットが楕円化するため安定した記録または再生ができない問題が生じていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザが有する発光層の形成する平面に対して、垂直な方向と平行な方向とで放射角の異なる半導体レーザと組み合わせて用いる透過型のビーム整形素子であって、半導体レーザから出射する発散光である出射光に対して放射角を変化させるための１枚以上の基板が配置されており、これらの基板のうち少なくとも１枚の基板の、２つの表面にブレーズド回折格子またはブレーズド回折格子を階段形状で近似した疑似ブレーズド回折格子が形成され、回折格子により発生される回折光のうち１次回折光が用いられて、垂直の方向および平行の方向のいずれにも作用し、小さい径は大きくまた大きい径は小さくして、放射角がほぼ一致するように変化されることを特徴とするビーム整形素子を提供する。
【０００９】
また、前記回折格子が、透明基板または透明基板上に堆積された薄膜が加工され形成された疑似ブレーズド回折格子である上記のビーム整形素子を提供する。
【００１０】
また、前記１枚以上の基板のうち少なくとも１枚の基板の表面にはレンズ機能を有する曲面が形成されている上記のビーム整形素子を提供する。
【００１１】
また、光源と光源からの出射光を光記録媒体上へ集光させるための対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された出射光を検出するための光検出とを備えた光ヘッド装置において、光源として前記半導体レーザが用いられ、前記半導体レーザと上記のビーム整形素子とが一体化されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の光ヘッド装置３０の構成の１例を示す側面図である。光源である半導体レーザ３０１からの出射光の放射角は、平行方向が狭く、垂直方向が広い異なった半値全角を有する。半導体レーザ３０１の出射光は、ビーム整形素子を構成する第１の基板３０２および第２の基板３０３を透過した後、ビームスプリッタ３０４で反射し、コリーメートレンズ３０５により平行光となる。この平行光は対物レンズ３０６により光ディスク３０７上に集光され、情報記録面で反射されて、情報をもった反射光となって、ビームスプリッタ３０４を透過した後に光検出器である受光素子３０８上に集光し、信号が検出されて情報の再生が行われる。
【００１３】
ビーム整形素子として１枚の基板の２つの表面に、半導体レーザからの出射光の放射角を変化させるようなパターンの鋸歯状または疑似鋸歯状の回折格子を形成すればよい。放射角の変化は、１次の回折光が用いられ行われる。ここで、鋸歯状の回折格子とはブレーズド回折格子のことであり、また疑似鋸歯状の回折格子とは擬似ブレーズド回折格子のことである。以下、同じである。
【００１４】
また、ビーム整形素子は２枚の基板から構成されていてもよい。このとき、少なくとも１枚の基板には鋸歯状または疑似鋸歯状の回折格子を形成する。ビーム整形素子の第１の基板３０２の表面は、例えばエッチングを繰り返して作製した８レベル（７段）の階段を有する疑似鋸歯状の回折格子であり、図４に模式的に例示する格子パターン（第１のパターン）を有する。また、回折格子の代わりに、基板３０２の一方の表面のみが曲率を持つシリンドリカルレンズなどとしてもよい。
【００１５】
第２の基板３０３は、第１の基板３０２と同様に作製した８レベル（７段）の疑似鋸歯状の回折格子であり、図５に模式的に例示する格子パターン（第２のパターン）を有する。また同様に回折格子の代わりに第２の基板３０３の表面をシリンドリカルレンズなどとしてもよい。すなわち、第１の基板と第２の基板をともに疑似鋸歯状の回折格子としてもよいし、一方の基板を疑似鋸歯状の回折格子とし他方をシリンドリカルレンズなどとしてもよい。シリンドリカルレンズを使用すると、回折などが起こらないため、入射光の損失を伴わずに放射角を大きく変化させることができる。
【００１６】
第１の基板３０２に入射した断面が楕円形の出射光は、その格子パターン形状から主に放射角の大きい垂直方向に作用し、１次回折光は第２の基板３０３上で、ほぼ円形の断面形状の出射光となる。しかし、この出射光は、垂直方向と平行方向とでその放射角が異なるため、さらに進行した位置では再び楕円化する。第２の基板３０３は、出射光の位相を揃えることで、垂直方向と平行方向との出射光の進行方向を調整し、出射光の一定の形状を維持してコリーメートレンズ３０５に入射するようにする。
【００１７】
出射光の整形時に発生する位相のずれを抑制するように図４、図５のパターンを設計することで集光特性の劣化を抑えた出射光の整形ができる。
参考として出射光の整形は、前述の垂直方向に作用して平行方向とほぼ放射角が一致するように調整する縮小型（小さい方の放射角に合わせる）と、逆に平行方向に作用して垂直方向にほぼ放射角が一致するように調整する拡大型（大きい方の放射角に合わせる）とすることもできる。
【００１８】
本発明では、垂直方向、平行方向のいずれにも作用し、垂直方向、平行方向のいずれとも異なった放射角で、ほぼ放射角が一致するように調整する（小さい径は大きく、大きい径は小さく）。
本発明のビーム整形素子を出射光が透過するとき透過損失は生じるが、出射光の整形を行うことで、コリーメートレンズ３０５、対物レンズ３０６の有効径を透過する光量を増加させることができ、結果的に合計での半導体レーザの光利用効率を向上させることができる。また、光ディスク上の集光スポットの形状も真円に近づけることができる。
【００１９】
本発明のビーム整形素子は、１枚の基板の両面にビーム整形用の構造を形成することで小型一体化することもできるし、光ヘッド装置に組み込まれる回折格子、波長板などその他の光学部品と組み合わせることもできる。また、ビーム整形素子を半導体レーザと一体化することで放射角度比が１に近い半導体レーザとすることもできる。
【００２０】
本発明で用いる鋸歯状の回折格子の作製法としては、上述のようにエッチングを繰り返してマルチレベル（複数階段）の疑似鋸歯状を作製する方法でもよいし、金型を用いた射出成形や光硬化などの成型法でもよい。レベル数を増やすことで効率は向上するが、効率の向上と工程数の増加のかね合いから８レベル（７段）程度が生産性または低コスト化のためには好ましい。また、鋸歯状の回折格子、シリンドリカルレンズの他に、ビーム整形素子用の少なくとも１つの基板で発生する収差や残留する収差をうち消すように、逆の収差分布を持つ基板の追加もできる。
【００２１】
本発明は、出射光の高い集光特性が要求される高密度のＤＶＤ光ディスクに対しても適用できるが、その他にも高速記録などの用途でスポット強度の向上の要求がある記録系のＣＤ光ディスクに対しても有効である。
【００２２】
【実施例】
（参考例）
図１は、本発明のビーム整形素子と、半導体レーザおよびコリメートレンズとを組み合わせた構成を示す側面図である。破線は垂直方向の放射角、実線は水平方向の放射角を示す。本実施例では、厚さ０．５ｍｍの石英の基板の１面に、フォトレジストを用いて図４に示す第１のパターンを形成した。すなわち、加工深さが各々０．７２μｍ、０．３６μｍ、０．１８μｍの３回のエッチング加工を石英の基板に対し実施し、１段の段差が０．１８μｍで合計深さ１．２６μｍの８レベル（７段）の疑似鋸歯状の回折格子を形成した、ビーム整形素子の第１の基板１０２とした。
【００２３】
同様に、厚さ０．５ｍｍの石英の基板に図５に示す第２のパターンで３回のエッチング加工を実施し、８レベル（７段）の疑似鋸歯状の回折格子が形成された、ビーム整形素子の第２の基板１０３とした。この加工形状は波長６６０ｎｍに対して最大の１次回折効率が得られるものとした。
【００２４】
光源として、平行方向９°、垂直方向２１°の半値全角の放射角を有し、波長が６６０ｎｍの半導体レーザ１０１を用いた。半導体レーザ１０１の発光点から０．５ｍｍ離れた位置に第１の基板１０２を配置し、さらに５ｍｍ離れた位置に第２の基板１０３を配置した。
【００２５】
２つ基板からなる、ビーム整形素子を透過した後に得られた、光源である半導体レーザの放射角強度分布を図２に示す（実線は平行方向、破線は垂直方向）。図７に示す半導体レーザ単体の強度分布に比べ本発明のビーム整形素子を用いることで出射光の分布形状が改善されていることがわかる。また、有効径５ｍｍのコリーメートレンズ１０４を、半導体レーザ１０１の発光点から２０ｍｍの位置に配置した後に、コリーメートレンズ１０４を透過した平行光を測定した結果、同一のコリーメートレンズ１０４で取り込まれる光量は、本発明のビーム整形素子を実装することで約２５％増加した。コリーメートレンズ１０４を透過した平行光の波面収差の測定を行った結果、０．０１０λ_rms以下であり、記録または再生に必要な集光スポット径を得るのに充分な値であった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のビーム整形素子およびそれを用いた光ヘッド装置によれば、ビーム整形素子を使用しない従来の光ヘッドに比べて良好な集光スポット形状で、かつ高い半導体レーザの光利用効率を実現でき、光記録媒体の情報記録面上への情報の記録または再生が効率よく安定してできるとともに、小型で軽量の光ヘッド装置が実現できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のビーム整形素子と、半導体レーザおよびコリメートレンズとを組み合わせた構成を示す側面図。
【図２】本発明のビーム整形素子を透過した後に得られた光源の放射角強度分布を示すグラフ。
【図３】本発明の光ヘッド装置の構成の１例を示す概略的側面図。
【図４】本発明のビーム整形素子を構成する基板の格子パターンの１例を示す概略的平面図。
【図５】本発明のビーム整形素子を構成する基板の格子パターンの他の例を示す概略的平面図。
【図６】従来の光ヘッド装置の構成の１例を示す概略的側面図。
【図７】従来の光ヘッド装置における光源の放射角度強度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１０：ビーム整形素子
３０、６０：光ヘッド装置
１０１、３０１、６０１：半導体レーザ
１０２、３０２：ビーム整形素子を構成する第１の基板
１０３、３０３：ビーム整形素子を構成する第２の基板
３０４、６０２：ビームスプリッタ
１０４、３０５、６０３：コリーメートレンズ
３０６、６０４：対物レンズ
３０７、６０５：光ディスク
３０８、６０６：光検出器

Claims

半導体レーザが有する発光層の形成する平面に対して、垂直な方向と平行な方向とで放射角の異なる半導体レーザと組み合わせて用いる透過型のビーム整形素子であって、半導体レーザから出射する発散光である出射光に対して放射角を変化させるための１枚以上の基板が配置されており、これらの基板のうち少なくとも１枚の基板の、２つの表面にブレーズド回折格子またはブレーズド回折格子を階段形状で近似した疑似ブレーズド回折格子が形成され、回折格子により発生される回折光のうち１次回折光が用いられて、垂直の方向および平行の方向のいずれにも作用し、小さい径は大きくまた大きい径は小さくして放射角がほぼ一致するように変化されることを特徴とするビーム整形素子。
前記回折格子が、透明基板または透明基板上に堆積された薄膜が加工され形成された疑似ブレーズド回折格子である請求項１記載のビーム整形素子。
前記１枚以上の基板のうち少なくとも１枚の基板の表面にはレンズ機能を有する曲面が形成されている請求項１記載のビーム整形素子。
光源と光源からの出射光を光記録媒体上へ集光させるための対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された出射光を検出するための光検出とを備えた光ヘッド装置において、光源として前記半導体レーザが用いられ、前記半導体レーザと請求項１、２または３記載のビーム整形素子とが一体化されていることを特徴とする光ヘッド装置。