JP3675777B2 - 光強度変換素子及び光記憶装置 - 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記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光記憶装置で用いる光学系は、レーザ光源と、コリメートレンズと、対物レンズとを備えている。そのような光学系では、光ディスク装置の高密度化のため、ビームのスポット径をより一層小さくすることが要求され、また転送速度の改善のために光量をより一層増大することが要求されている。
【０００３】
スポット径を小さくするために、これまでの光学系では、対物レンズの高ＮＡ化、又はレーザ波長の短波長化の努力がされてきた。ところが、対物レンズの高ＮＡ化は収差の発生が大きくなる傾向がある。また、レーザ波長の短波長化は、レーザ光源の問題であって、光ディスク装置の改善で行えることではない。光量の増大については、これもまた高出力レーザの開発を待つ必要がある。
【０００４】
ところで光学理論において光線束を集光するとき、ガウス型光強度分布をしている光線束よりも均一な光強度分布をしている光線束の方が、スポット径を小さくでき、回折限界に近いスポット径を得ることができる知られている。この効果は、同じＮＡの対物レンズを用いた場合、使用しているレーザの波長より数十ｎｍ短いレーザを使用してスポット径を得ることと同等である。
【０００５】
しかし一般に光線束の波面上の光強度分布はガウス型をしているため、対物レンズに入射する光線束の開口が制限され、光線束のうちの略均一とみなせる光軸近傍の領域の光だけを対物レンジに入射させることで、可能な限りスポット径を小さくする努力がされている。これは当然ながら開口径外の光量は利用しないため、光源からの光の利用効率は低くなる。また光の利用効率を高めるために均一とみなせない領域まで開口径を広げると、ビームのスポット径は均一な光強度分布の場合より太くなる。このように、一般に光学系の光強度均一性と光量損は二律背反的な関係にあった。
【０００６】
そこで、本願の先願である特願平１０−５７００３号は、ガウス型の光強度分布をもった平行光を均一な光強度分布をもった平行光に変換する光強度変換素子を提案した。この光強度変換素子は、レーザ光源と、コリメートレンズと、対物レンズとからなる光ディスク装置において、コリメートレンズと対物レンズとの間に配置されることができる。それによって、対物レンズは、均一な光強度分布をもった平行光を受け、小さなスポット径を実現することができる。しかし、この光強度変換素子は、光ディスク装置の追加部品となっていた。
【０００７】
特開昭６３−１８８１１５号公報は２枚のレンズを用いてガウス型の光強度分布を有する光束を均一な光強度分布を有する光束に変換できるビーム成形光学装置を開示している。この従来技術では、２枚のレンズともに正弦条件を満たさないように構成していたが、そうすると製造の加工公差が大きい。そこで、一方のレンズが正弦条件を満たさず、他方のレンズが正弦条件を満たすようにして、製造の加工公差を低減するようにしている。しかし、この従来技術では、球面収差を利用して光強度分布を変換しているので、最終的に波面収差の発生は避けられず、光ディスク装置などに用いる微小光学系の部品としては適していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、所定の光強度分布を所望の光強度分布に変換することができ、よって波面収差を小さくでき、ビームのスポット径を小さく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記憶装置を提供することである。
【０００９】
【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、入射光及び出射光の少なくとも一方が発散光または収束光であるもののために使用される光強度変換素子であって、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、該第１及び該第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は中心軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明では、この光強度変換素子の特徴を利用して、コリメートレンズ及び光学装置が提供される。この光強度変換素子を例えばコリメートレンズとして使用すると、対物レンズは均一な光強度分布をもった光を受けて、より小さいスポット径を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の第１実施例による光強度変換素子１０を示し、図２は図１の光強度変換素子１０に類似する光強度変換素子１０及びそれを通る複数の微小な光路を示す図である。
【００１２】
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との間に延びる外周面２０とを有する。
【００１３】
図１及び図２においては、Ａ点は発光点を示し、Ｂ点は第１の曲面表面１６への入射点を示し、Ｃ点は第２の曲面表面１８からの出射点を代表的に示す。発光点Ａを通るＺ軸を光軸とし、紙面に平行な方向をＹ軸、紙面に垂直な方向をＸ軸としている。Ｔは光軸上の光強度変換素子１０の厚さ、Ｌは光強度変換素子１０中の特定の光路の長さである。発光点Ａは例えばレーザであって、Ｚ軸に回転対称なガウス型光強度分布２２を有する発散光を放射する。光強度変換素子１０はＺ軸に回転対称な形状をした屈折率ｎの光学素子である。図２においては、発光点Ａと光強度変換素子１０との間にＺ軸に垂直に屈折率ｎ′の平行平板２６を配置している。この平行平板２６はレーザのカバーグラスとして使用可能である。
【００１４】
第１の曲面表面１６は概略浅くて丸い凹面であり、第２の曲面表面１８は概略丸い凸面である。第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾きはそれぞれボディ１４の中心部から半径方向外方にいくに従ってゼロから次第に大きくなり、ある値に達するとそれから次第に小さくなっていく。すなわち、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点を有する（後で説明する図５参照）。
【００１５】
この光強度変換素子１０は、第１の曲面表面１６及び第２の曲面表面１８における屈折により、出射光の光強度分布が入射光の光強度分布とは異なるようになっている。実施例においては、ガウス型光強度分布２２を有する発散光が第１の曲面表面１６からボディ１４に入射し、ボディ１４を通過した光は均一な光強度分布２４を有する平行光として第２の曲面表面１８から出射するようになっている。
【００１６】
第２の曲面表面１８の傾きはＣ点から出射する光線がＺ軸と平行に進行するように決められている。また発光点Ａから、Ｃ点の先にあってＺ軸に垂直な面２８までの光線光路長が微小な光路ごとに等しくなるようにしている。従って、この光強度変換素子１０は発光点Ａの光の光強度分布を変更するだけでなく、コリメートレンズの働きもする。
【００１７】
光強度変換素子１０の入射開口径がＷａで示され、出射開口径がＷｂで示されている。発光点Ａの入射開口径Ｗａに対する放射角がθで示されている。光強度変換素子１０の設計においては、ガウス型光強度分布２２を有する発散光について、入射開口径Ｗａ（放射角θ内）内の全光量Ｑを求める。全入射光量と全出射光量とは等しいので、出射光が均一な光強度分布をもつために、出射光の強度をＩ0 とすると、Ｑ＝Ｉ0 ×π（Ｗｂ／２）2 になる。すなわち、入射開口径Ｗａ内の全光量を必要とする出射開口の面積で割って出射光の強度をＩ0 を得る。出射光が均一な光強度分布になると、光利用効率を最も高くできる。
【００１８】
ここで第１及び第２の表面１６，１８の設計について説明すると、入射光について、放射角θを例えばθ／ｋずつｋ個に分割した同心円状の領域ΔＩ1 、ΔＩ2 、〜ΔＩk を形成し、それぞれの同心円状の領域について光量Ｑ1 、Ｑ2 、〜Ｑk を求める。それから、出射光について、光量Ｑ1 、Ｑ2 、〜Ｑk と同じ光量を有する同心円状の領域ΔＯ1 、ΔＯ2 、〜ΔＯk を求める。例えば入射側の領域ΔＩk に対する出射側の領域ΔＯk の半径ｒk は、Ｑk ＝Ｉ0 ×π（ｒk 2 −ｒk-1 2）により求められる。
【００１９】
図３は図１及び図２の部分拡大図である。ここでは、図２の平行平板２６は省略してあるが、平行平板２６があってもその分を考慮に入れて同様に計算できることは明らかであろう。まず、発光点Ａから光強度変換素子１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚さＴを、データの蓄積及び試験に基づいて定める。
発光点Ａから中心軸線１２に対して角度θ／ｋをなす直線３０を引き、直線３０と距離Ｆにおいて中心軸線１２に垂直な直線３２との交点をＢ1 とする。距離Ｆ＋Ｔにおいて中心軸線１２に垂直な直線３４と半径ｒ1 に相当する直線３６の交点をＣ1 とする。点Ｂ1 と点Ｃ1 を結ぶ直線３８を引く。
【００２０】
点Ｂ1 を通り、直線３０が入射光の光路となり、直線３８が屈折光の光路となるように、第１の曲面表面１６の微小部分の傾き１６1 を求める。それから、点Ｃ1 を通り、直線３８が入射光の光路となり、直線３６が屈折光の光路となり且つ中心軸線１２と平行になるように、第２の曲面表面１８の微小部分の傾き１８1 を求める。
【００２１】
次に、前の計算と同様に、発光点Ａから中心軸線１２に対して角度２θ／ｋをなす直線４０を引き、点Ｂ2 を求め、そして、半径ｒ1 ＋ｒ2 に相当する直線４２を引き、点Ｃ2 を求め、点Ｂ2 と点Ｃ2 を結ぶ線４４を引く。そして、点Ｂ2 を通る第１の曲面表面１６の微小部分の傾き１６2 、及び点Ｃ2 を通る第２の曲面表面１８の微小部分の傾き１８2 を求める。ここで注意すべきは、点Ｂ2 は必ずしも直線３２上にあるのではなく、傾き１６1 と傾き１６2 とが滑らかに連続するように決められる。同様に、点Ｃ2 は傾き１８1 と傾き１８2 とが滑らかに連続するように決められる。従って、このような計算を繰り返すことにより、第１の曲面表面１６及び第２の曲面表面１８の形状を計算することができる。
【００２２】
前に定めた、発光点Ａから光強度変換素子１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚さＴとは、異なる放射角の光線に対して（Ｚ軸に垂直な面２８までの）光線光路長を等しくする条件と、出射光を平行光にするＣ点の傾きの条件と、Ｂ点側とＣ点側とが連続する曲面となる条件とから計算できる。また、得られた結果から、距離Ｆと厚さＴとを変えて、再計算し、所望の条件により適合するようにすることができる。
【００２３】
このようにして得られた結果の一例が微小な放射角ごとの光路とともに図２に示されている。出射側の第２の曲面表面１８側では、光軸付近の中心部の光線間隔は広がり、周辺部での光線間隔は密になる。光強度変換素子１０の形状は、発光点Ａと素子１０の距離Ｆ、素子１０の厚さＴ、及び出射開口径Ｗｂによってかなり変わる。これについては図９から図１２を参照して後で説明する。
【００２４】
図４は図２に示された光強度変換素子１０の第１及び第２の曲面表面１６、１８の形状を示す図である。半径はＸ軸方向又はＹ軸方向の位置に相当する。
図５は図４の第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾きをプロットした図である。第１の曲面表面１６は傾きの変曲点Ｐをもち、第２の曲面表面１８は傾きの変曲点Ｑをもつことが分かる。図４にも、これらの変曲点Ｐ、Ｑに相当する点がＰ、Ｑで示されている。光強度分布を変換しながら、発散性の入射光を平行光として出射する光強度変換素子１０では、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点Ｐ、Ｑをもつ。後で説明する例においても、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点をもつ。なお、本発明では、傾きに変曲点をもつ表面形状にかえて、ボディ１４が屈折率分布をもつように形成してもよい。
【００２５】
図６はレンズにおける正弦法則を示す図である。図６の（Ａ）において、Ｚ軸は光軸方向であり、Ｚ軸上にある物点Ａ点から角度θ0 で放射した光線は、Ｂ点で素子４６に入射し、屈折、偏向され、距離Ｌだけ素子４６内を通過後、Ｃ点で屈折、偏向されて出射し、角度θ1 でＺ軸上にあるＤ点で結像する。このときのＡ点は物焦点であり、Ｄ点は像焦点である。
【００２６】
Ａ点で放射した光線の光強度分布がＺ軸に対称としたとき、種々の角度θ0 で放射した光線の横倍率値を連続的に変更することで、出射光の光強度分布を入射光の光強度分布と異なるように変換することができる。ここで、入射側の媒体の屈折率はｎであり、出射側の媒体の屈折率はｎ′であるとすると、横倍率値βは、β＝（ｎsin θ0 ）／（ｎ′sin θ1 ）である。従来、コリメータレンズは正弦条件を満たすように作られていたが、本発明では、コリメータレンズとして使用可能な光強度変換素子１０はわざと正弦条件を満たさないように作られていいるのである。
【００２７】
また、図６（Ｂ）に示すように、物点が無限遠の場合、Ｚ軸に平行に入射する光線の光線高さをｈとし、焦点距離をｆとすると、ｆ＝ｈ／（ｎ′sin θ1 ）である。像点におけるｈ／ｓｉｎθ1 値を変更することで入射点の光強度分布と異なる光強度分布に変換する。いずれの場合においても、異なる角度で物点から放射した光線の像点までの光学距離の差は、レイリー極限値以下にするように距離ＬとＡ点とＢ点の屈折角を選び、素子表面を連続的にしている。
【００２８】
本発明による光強度変換素子１０によれば、所定の光強度分布を任意の連続的な光強度分布に変換でき、軸ずれや厚さなどの加工誤差による波面収差量を小さくできる。また、レンズ作用をもたせることにより、コリメータレンズ等の代用ができることから、光学装置の部品点数を削減できる。光強度変換素子１０のボディ１４を等方性屈折率をもつようにすることにより光軸に対して対称にでき、屈折で強度分布を変更することから吸収や反射損失を最小限にでき、各光線間の光線光路長を同等にする設計としていることから、スポット径を回折限界まで絞ることができる。
【００２９】
図７は図１及び図２の光強度変換素子１０を含む光ディスク５０を示している。光ディスク５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ５６とを備えている。コリメートレンズ５４は図１から図３を参照した説明した光強度変換素子１０により構成されている。この場合の利点は上記した通りである。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、光強度変換素子１０からなるコリメートレンズ５４によって均一な光強度分布を有する平行光に変換され、対物レンズ５６によって絞られてディスク５８に入射する。従って、対物レンズ５６はより小さなスポット径と、より多くの光量の光でディスク５８をスキャンすることができる。
【００３０】
図８は同様に光強度変換素子１０を含む光ディスク５０を示している。光ディスク５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ５６とを備えている。対物レンズ５６は後で説明する光強度変換素子１０により構成されている。対物レンズ５６はより小さなスポット径と、より多くの光量の光でディスク５８をスキャンすることができる。
【００３１】
図９から図１２は、図１から図３の光強度変換素子１０の変形例を示す図である。これらの例は、発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ、及び光強度変換素子１０の厚さＴを変えたときの光強度変換素子１０の形状を示している。
図９（Ａ）から（Ｃ）は、厚さＴが一定で、距離Ｆを変えたとの光強度変換素子１０の形状を示している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであった。光強度変換素子１０の形状は、発行点Ａと素子１０の距離Ｆによって異なる。距離Ｆが小さいほど第１及び第２の曲面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。
【００３２】
図１０（Ａ）から（Ｃ）は、距離Ｆが一定で、厚さＴを変えたとの光強度変換素子１０の形状を示している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであった。光強度変換素子１０の形状は、光強度変換素子１０の厚さＴによって異なる。厚さＴが小さいほど第１及び第２の曲面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。
図１１（Ａ）から（Ｂ）は、発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ及び光強度変換素子１０の厚さＴが一定で、出射開口径Ｗｂが異なる例を示す図である。この例では、Ｆは８．０ｍｍ、Ｔは３．５ｍｍであった。図１１（Ａ）における出射開口径Ｗｂ１は３ｍｍ、図１１（Ｂ）における出射開口径Ｗｂ２は４ｍｍであった。なお、発光点Ａの入射開口Ｗａに対する半値全角αはともに１８度であった。なお、図９及び図１０の例においても、半値全角αは１８度であった。このように光強度変換素子１０の形状にある程度自由度をもたせることができるので、製造精度や、使用する光学系に最適な光強度変換素子１０の形状を得ることができる。
【００３３】
図１２（Ａ）から（Ｃ）は光強度変換素子１０のさらなる変形例を示す図である。図１２（Ｃ）は発光点Ａの発光特性を示す図である。この実施例では、発光点Ａは、Ｘ軸を長軸とし、Ｙ軸を短軸とした楕円型光強度分布をもつ。この場合、光強度変換素子１０のＸ軸方向の出射開口径Ｗｂ１、及びＹ軸方向の出射開口径Ｗｂ２が互いに等しいとすれば、光強度変換素子１０の形状は、図１２（Ａ）に示されるＸ軸方向の断面の形状と、図１２（Ｂ）に示されるＹ軸方向の断面の形状とは異なる。こうすることによって、楕円型光強度分布をもつ入射光に対して、真円状の均一な光強度分布をもつ平行光を出射することができる。
【００３４】
図１３（Ａ）、（Ｂ）は、発光点Ａが楕円型光強度分布をもつ場合、光強度変換素子１０の形状をＺ軸について回転対称とすることにより、出射光のＸ軸方向の光強度分布とＹ軸方向の光強度分布とを互いにことなるようにすることができる。例えば、図１３（Ａ）では、Ｘ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｙ軸方向の光強度分布はドーム状にすることができる。図１３（Ｂ）では、Ｙ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｘ軸方向の光強度分布はボール状になる。
【００３５】
図１４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、変換された光強度分布の種々の例を示す図である。図１４（Ａ）は円筒状の形体であらわされる均一な光強度分布である。図１４（Ｂ）は円筒状の形体に円錐状の形体を組み合わせた中央部で特に強度が高い光強度分布である。図１４（Ｂ）は円錐状の形体の光強度分布である。本発明では、このように種々の光強度分布をもつ出射光を得ることのできる光強度変換素子１０を得ることができる。
【００３６】
上記実施例は、光強度変換素子１０は、波面上でガウス型光強度分布をした発散光を均一な光強度分布をもつ平行光に変換するするコリメート型素子であったが、図１５に示される光強度変換素子１０は、波面上でガウス型光強度分布をした平行光を波面上で均一な光強度分布をもつ収束光に変換する対物レンズ型素子である。このような光強度変換素子１０も、図１から図３を参照して説明したような手順で製作することができる。また、このような光強度変換素子１０は図８の対物レンズ５６として使用することができる。
【００３７】
上記実施例では、光強度変換素子１０は、単体として構成されていたが、図１６に示されるように、２個（又はそれ以上）の構成要素１０ａ、１０ｂで光強度変換素子１０を構成すると、波面収差を小さくするために光強度変換素子１０全体としての厚さＴは比較的に大きいが、各構成要素１０ａ、１０ｂの厚さが薄くなり、製作上有利である。また各構成要素１０ａ、１０ｂの片面を平面にすることで製造誤差を小さくでき、また平面による収差を利用することで組み立て誤差も小さくすることができる。また、２個の構成要素１０ａ、１０ｂ間の間隔を変えることよって、光強度分布を変えることができる。
【００３８】
図１７は、光源５２と、光強度変換素子１０で構成されたコリメートレンズ５４と、対物レンズ５６を用いた光ディスク装置５０の実施例を示す図である。対物レンズ５６はホルダ５６ａに支持されている。この実施例によれば、対物レンズ５６はコリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）からの均一な光強度分布の平行な光の中に配置されているので、仮に対物レンズ５６の位置が５６′で示されているようにずれても、対物レンズ５６の有効開口径（Ｗｏ）の位置ずれが光強度変換素子１０の出射開口径（Ｗｂ）内で起きるのであれば、均一な光強度と所定の光量の光が対物レンズ５６に常に入射する。従って、対物レンズ５６は所定の光量で好ましい小さなスポット径を得ることができる。光学系の組み立て精度及び対物レンズ５６のシーク駆動精度を大幅に緩和できる。
【００３９】
図１８（Ａ）、（Ｂ）は、光源５２と、光強度変換素子１０と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ（図示せず）とを備えた光ディスク装置５０の実施例を示す。この実施例では、光強度変換素子１０は光源５２とコリメートレンズ５４との間に配置されている。光強度変換素子１０は、入射する光束のＮＡ又は広角を変換し、且つ光強度分布を変更している。
【００４０】
図１８（Ａ）においては、光強度変換素子１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射し、発散光がより大きな発散角で光強度変換素子１０から出射するように構成されている。図１８（Ｂ）においては、光強度変換素子１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射し、発散光がより小さな発散角で光強度変換素子１０から出射するように構成されている。
【００４１】
コリメートレンズ５４の焦点距離はｆで示されている。光源５２とコリメートレンズ５４との距離は軸精度を維持するために短くできないことが多いが、図１８（Ａ）、（Ｂ）の構成によって、あたかも光源５２とコリメートレンズ５４との距離を短くしたかのごとく、コリメートレンズ５４で取り込むことのできる光量を増大することができる。従って、光利用率とビーム径を改善することができる。
【００４２】
図１９は、光源５２（発光点Ａ）と、透明な平行平板２７と、コリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）と、対物レンズ（図示せず）とを備えた光ディスク装置５０の実施例を示す。この実施例では、平行平板２７は光源５２とコリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）との間に配置され、平行平板２７は光軸に対して傾けることができるように配置されている。平行平板２７を傾けることで対物レンズ後の結像点での波面収差を補正するようになっている。
【００４３】
発光点Ａの正しい位置がＡ0 にあり、平行平板２７の正しい位置が２７′にあるとした場合、発光点Ａの位置がずれていると対物レンズ後の結像点での波面収差が大きくなる。そこで、発光点Ａの位置のずれに応じて、光路長のずれ量を補正するように、平行平板２７を傾けることで、対物レンズ後の結像点での波面収差を補正することができる。
【００４４】
図２０は光源６２と光強度変換素子１０とを用いた照明装置６０の実施例である。光源６２は発光ダイオード等の発光素子を２次元状に配置してなり、ハニカム状の光強度変換素子１０が発光素子の配置に対応して配置される。各光強度変換素子１０は発光素子の発散光を受けて均一な光強度分布の光を出射する。多くの光強度変換素子１０が一平面内に配置されており、同平面内で均一な分布の光を出射することができる。従って、この照明装置は例えばディスプレイのバックライトとして使用され、光量損失なく所定方向に照度を上げることができる。また均一な光強度分布であることから、レンズ等で結像させても光源の点状分布にならないので、顕微鏡等の照明にＬＥＤアレイ等を使用する場合に利用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光強度変換素子は、任意の光強度分布の光を所望の光強度分布の光に変換できることから、波面収差を小さくでき、ビーム集光性やスポット形状を任意に設計することが可能になる。また、高出力光に強く、光量損失を減らすことができる。またこの光強度変換素子は、発散光を平行光にするコリメートレンズや、平行光を収束光に変換する対物レンズの代わりに使用できるので、光学装置の部品点数を増加することなく、波面収差を小さくしたり、ビームのスポット形状を小さくなることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による光強度変換素子を示す断面図である。
【図２】図１の光強度変換素子に類似する光強度変換素子及びそれを通る複数の微小な光路を示す図である。
【図３】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の決定を説明する図である。
【図４】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の形状を示す図である。
【図５】図４の第１及び第２の曲面表面の傾きを示す図である。
【図６】レンズにおける正弦法則を示す図である。
【図７】図１及び図２の光強度変換素子を含む光ディスク装置の例を示す図である。
【図８】光強度変換素子を含む光ディスク装置の他の例を示す図である。
【図９】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１０】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１１】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１２】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１３】Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なった光強度分布の例を示す図である。
【図１４】光強度分布の他の例を示す図である。
【図１５】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１６】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１７】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図１８】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図１９】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図２０】光強度変換素子を含む照明装置の例を示す図である。
【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
２２…ガウス型光強度分布
２４…均一な光強度分布
２６…平行平板
【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記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光記憶装置で用いる光学系は、レーザ光源と、コリメートレンズと、対物レンズとを備えている。そのような光学系では、光ディスク装置の高密度化のため、ビームのスポット径をより一層小さくすることが要求され、また転送速度の改善のために光量をより一層増大することが要求されている。
【０００３】
スポット径を小さくするために、これまでの光学系では、対物レンズの高ＮＡ化、又はレーザ波長の短波長化の努力がされてきた。ところが、対物レンズの高ＮＡ化は収差の発生が大きくなる傾向がある。また、レーザ波長の短波長化は、レーザ光源の問題であって、光ディスク装置の改善で行えることではない。光量の増大については、これもまた高出力レーザの開発を待つ必要がある。
【０００４】
ところで光学理論において光線束を集光するとき、ガウス型光強度分布をしている光線束よりも均一な光強度分布をしている光線束の方が、スポット径を小さくでき、回折限界に近いスポット径を得ることができる知られている。この効果は、同じＮＡの対物レンズを用いた場合、使用しているレーザの波長より数十ｎｍ短いレーザを使用してスポット径を得ることと同等である。
【０００５】
しかし一般に光線束の波面上の光強度分布はガウス型をしているため、対物レンズに入射する光線束の開口が制限され、光線束のうちの略均一とみなせる光軸近傍の領域の光だけを対物レンジに入射させることで、可能な限りスポット径を小さくする努力がされている。これは当然ながら開口径外の光量は利用しないため、光源からの光の利用効率は低くなる。また光の利用効率を高めるために均一とみなせない領域まで開口径を広げると、ビームのスポット径は均一な光強度分布の場合より太くなる。このように、一般に光学系の光強度均一性と光量損は二律背反的な関係にあった。
【０００６】
そこで、本願の先願である特願平１０−５７００３号は、ガウス型の光強度分布をもった平行光を均一な光強度分布をもった平行光に変換する光強度変換素子を提案した。この光強度変換素子は、レーザ光源と、コリメートレンズと、対物レンズとからなる光ディスク装置において、コリメートレンズと対物レンズとの間に配置されることができる。それによって、対物レンズは、均一な光強度分布をもった平行光を受け、小さなスポット径を実現することができる。しかし、この光強度変換素子は、光ディスク装置の追加部品となっていた。
【０００７】
特開昭６３−１８８１１５号公報は２枚のレンズを用いてガウス型の光強度分布を有する光束を均一な光強度分布を有する光束に変換できるビーム成形光学装置を開示している。この従来技術では、２枚のレンズともに正弦条件を満たさないように構成していたが、そうすると製造の加工公差が大きい。そこで、一方のレンズが正弦条件を満たさず、他方のレンズが正弦条件を満たすようにして、製造の加工公差を低減するようにしている。しかし、この従来技術では、球面収差を利用して光強度分布を変換しているので、最終的に波面収差の発生は避けられず、光ディスク装置などに用いる微小光学系の部品としては適していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、所定の光強度分布を所望の光強度分布に変換することができ、よって波面収差を小さくでき、ビームのスポット径を小さく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記憶装置を提供することである。
【０００９】
【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、入射光及び出射光の少なくとも一方が発散光または収束光であるもののために使用される光強度変換素子であって、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、該第１及び該第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は中心軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明では、この光強度変換素子の特徴を利用して、コリメートレンズ及び光学装置が提供される。この光強度変換素子を例えばコリメートレンズとして使用すると、対物レンズは均一な光強度分布をもった光を受けて、より小さいスポット径を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の第１実施例による光強度変換素子１０を示し、図２は図１の光強度変換素子１０に類似する光強度変換素子１０及びそれを通る複数の微小な光路を示す図である。
【００１２】
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との間に延びる外周面２０とを有する。
【００１３】
図１及び図２においては、Ａ点は発光点を示し、Ｂ点は第１の曲面表面１６への入射点を示し、Ｃ点は第２の曲面表面１８からの出射点を代表的に示す。発光点Ａを通るＺ軸を光軸とし、紙面に平行な方向をＹ軸、紙面に垂直な方向をＸ軸としている。Ｔは光軸上の光強度変換素子１０の厚さ、Ｌは光強度変換素子１０中の特定の光路の長さである。発光点Ａは例えばレーザであって、Ｚ軸に回転対称なガウス型光強度分布２２を有する発散光を放射する。光強度変換素子１０はＺ軸に回転対称な形状をした屈折率ｎの光学素子である。図２においては、発光点Ａと光強度変換素子１０との間にＺ軸に垂直に屈折率ｎ′の平行平板２６を配置している。この平行平板２６はレーザのカバーグラスとして使用可能である。
【００１４】
第１の曲面表面１６は概略浅くて丸い凹面であり、第２の曲面表面１８は概略丸い凸面である。第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾きはそれぞれボディ１４の中心部から半径方向外方にいくに従ってゼロから次第に大きくなり、ある値に達するとそれから次第に小さくなっていく。すなわち、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点を有する（後で説明する図５参照）。
【００１５】
この光強度変換素子１０は、第１の曲面表面１６及び第２の曲面表面１８における屈折により、出射光の光強度分布が入射光の光強度分布とは異なるようになっている。実施例においては、ガウス型光強度分布２２を有する発散光が第１の曲面表面１６からボディ１４に入射し、ボディ１４を通過した光は均一な光強度分布２４を有する平行光として第２の曲面表面１８から出射するようになっている。
【００１６】
第２の曲面表面１８の傾きはＣ点から出射する光線がＺ軸と平行に進行するように決められている。また発光点Ａから、Ｃ点の先にあってＺ軸に垂直な面２８までの光線光路長が微小な光路ごとに等しくなるようにしている。従って、この光強度変換素子１０は発光点Ａの光の光強度分布を変更するだけでなく、コリメートレンズの働きもする。
【００１７】
光強度変換素子１０の入射開口径がＷａで示され、出射開口径がＷｂで示されている。発光点Ａの入射開口径Ｗａに対する放射角がθで示されている。光強度変換素子１０の設計においては、ガウス型光強度分布２２を有する発散光について、入射開口径Ｗａ（放射角θ内）内の全光量Ｑを求める。全入射光量と全出射光量とは等しいので、出射光が均一な光強度分布をもつために、出射光の強度をＩ0 とすると、Ｑ＝Ｉ0 ×π（Ｗｂ／２）2 になる。すなわち、入射開口径Ｗａ内の全光量を必要とする出射開口の面積で割って出射光の強度をＩ0 を得る。出射光が均一な光強度分布になると、光利用効率を最も高くできる。
【００１８】
ここで第１及び第２の表面１６，１８の設計について説明すると、入射光について、放射角θを例えばθ／ｋずつｋ個に分割した同心円状の領域ΔＩ1 、ΔＩ2 、〜ΔＩk を形成し、それぞれの同心円状の領域について光量Ｑ1 、Ｑ2 、〜Ｑk を求める。それから、出射光について、光量Ｑ1 、Ｑ2 、〜Ｑk と同じ光量を有する同心円状の領域ΔＯ1 、ΔＯ2 、〜ΔＯk を求める。例えば入射側の領域ΔＩk に対する出射側の領域ΔＯk の半径ｒk は、Ｑk ＝Ｉ0 ×π（ｒk 2 −ｒk-1 2）により求められる。
【００１９】
図３は図１及び図２の部分拡大図である。ここでは、図２の平行平板２６は省略してあるが、平行平板２６があってもその分を考慮に入れて同様に計算できることは明らかであろう。まず、発光点Ａから光強度変換素子１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚さＴを、データの蓄積及び試験に基づいて定める。
発光点Ａから中心軸線１２に対して角度θ／ｋをなす直線３０を引き、直線３０と距離Ｆにおいて中心軸線１２に垂直な直線３２との交点をＢ1 とする。距離Ｆ＋Ｔにおいて中心軸線１２に垂直な直線３４と半径ｒ1 に相当する直線３６の交点をＣ1 とする。点Ｂ1 と点Ｃ1 を結ぶ直線３８を引く。
【００２０】
点Ｂ1 を通り、直線３０が入射光の光路となり、直線３８が屈折光の光路となるように、第１の曲面表面１６の微小部分の傾き１６1 を求める。それから、点Ｃ1 を通り、直線３８が入射光の光路となり、直線３６が屈折光の光路となり且つ中心軸線１２と平行になるように、第２の曲面表面１８の微小部分の傾き１８1 を求める。
【００２１】
次に、前の計算と同様に、発光点Ａから中心軸線１２に対して角度２θ／ｋをなす直線４０を引き、点Ｂ2 を求め、そして、半径ｒ1 ＋ｒ2 に相当する直線４２を引き、点Ｃ2 を求め、点Ｂ2 と点Ｃ2 を結ぶ線４４を引く。そして、点Ｂ2 を通る第１の曲面表面１６の微小部分の傾き１６2 、及び点Ｃ2 を通る第２の曲面表面１８の微小部分の傾き１８2 を求める。ここで注意すべきは、点Ｂ2 は必ずしも直線３２上にあるのではなく、傾き１６1 と傾き１６2 とが滑らかに連続するように決められる。同様に、点Ｃ2 は傾き１８1 と傾き１８2 とが滑らかに連続するように決められる。従って、このような計算を繰り返すことにより、第１の曲面表面１６及び第２の曲面表面１８の形状を計算することができる。
【００２２】
前に定めた、発光点Ａから光強度変換素子１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚さＴとは、異なる放射角の光線に対して（Ｚ軸に垂直な面２８までの）光線光路長を等しくする条件と、出射光を平行光にするＣ点の傾きの条件と、Ｂ点側とＣ点側とが連続する曲面となる条件とから計算できる。また、得られた結果から、距離Ｆと厚さＴとを変えて、再計算し、所望の条件により適合するようにすることができる。
【００２３】
このようにして得られた結果の一例が微小な放射角ごとの光路とともに図２に示されている。出射側の第２の曲面表面１８側では、光軸付近の中心部の光線間隔は広がり、周辺部での光線間隔は密になる。光強度変換素子１０の形状は、発光点Ａと素子１０の距離Ｆ、素子１０の厚さＴ、及び出射開口径Ｗｂによってかなり変わる。これについては図９から図１２を参照して後で説明する。
【００２４】
図４は図２に示された光強度変換素子１０の第１及び第２の曲面表面１６、１８の形状を示す図である。半径はＸ軸方向又はＹ軸方向の位置に相当する。
図５は図４の第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾きをプロットした図である。第１の曲面表面１６は傾きの変曲点Ｐをもち、第２の曲面表面１８は傾きの変曲点Ｑをもつことが分かる。図４にも、これらの変曲点Ｐ、Ｑに相当する点がＰ、Ｑで示されている。光強度分布を変換しながら、発散性の入射光を平行光として出射する光強度変換素子１０では、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点Ｐ、Ｑをもつ。後で説明する例においても、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変曲点をもつ。なお、本発明では、傾きに変曲点をもつ表面形状にかえて、ボディ１４が屈折率分布をもつように形成してもよい。
【００２５】
図６はレンズにおける正弦法則を示す図である。図６の（Ａ）において、Ｚ軸は光軸方向であり、Ｚ軸上にある物点Ａ点から角度θ0 で放射した光線は、Ｂ点で素子４６に入射し、屈折、偏向され、距離Ｌだけ素子４６内を通過後、Ｃ点で屈折、偏向されて出射し、角度θ1 でＺ軸上にあるＤ点で結像する。このときのＡ点は物焦点であり、Ｄ点は像焦点である。
【００２６】
Ａ点で放射した光線の光強度分布がＺ軸に対称としたとき、種々の角度θ0 で放射した光線の横倍率値を連続的に変更することで、出射光の光強度分布を入射光の光強度分布と異なるように変換することができる。ここで、入射側の媒体の屈折率はｎであり、出射側の媒体の屈折率はｎ′であるとすると、横倍率値βは、β＝（ｎsin θ0 ）／（ｎ′sin θ1 ）である。従来、コリメータレンズは正弦条件を満たすように作られていたが、本発明では、コリメータレンズとして使用可能な光強度変換素子１０はわざと正弦条件を満たさないように作られていいるのである。
【００２７】
また、図６（Ｂ）に示すように、物点が無限遠の場合、Ｚ軸に平行に入射する光線の光線高さをｈとし、焦点距離をｆとすると、ｆ＝ｈ／（ｎ′sin θ1 ）である。像点におけるｈ／ｓｉｎθ1 値を変更することで入射点の光強度分布と異なる光強度分布に変換する。いずれの場合においても、異なる角度で物点から放射した光線の像点までの光学距離の差は、レイリー極限値以下にするように距離ＬとＡ点とＢ点の屈折角を選び、素子表面を連続的にしている。
【００２８】
本発明による光強度変換素子１０によれば、所定の光強度分布を任意の連続的な光強度分布に変換でき、軸ずれや厚さなどの加工誤差による波面収差量を小さくできる。また、レンズ作用をもたせることにより、コリメータレンズ等の代用ができることから、光学装置の部品点数を削減できる。光強度変換素子１０のボディ１４を等方性屈折率をもつようにすることにより光軸に対して対称にでき、屈折で強度分布を変更することから吸収や反射損失を最小限にでき、各光線間の光線光路長を同等にする設計としていることから、スポット径を回折限界まで絞ることができる。
【００２９】
図７は図１及び図２の光強度変換素子１０を含む光ディスク５０を示している。光ディスク５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ５６とを備えている。コリメートレンズ５４は図１から図３を参照した説明した光強度変換素子１０により構成されている。この場合の利点は上記した通りである。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、光強度変換素子１０からなるコリメートレンズ５４によって均一な光強度分布を有する平行光に変換され、対物レンズ５６によって絞られてディスク５８に入射する。従って、対物レンズ５６はより小さなスポット径と、より多くの光量の光でディスク５８をスキャンすることができる。
【００３０】
図８は同様に光強度変換素子１０を含む光ディスク５０を示している。光ディスク５０は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ５６とを備えている。対物レンズ５６は後で説明する光強度変換素子１０により構成されている。対物レンズ５６はより小さなスポット径と、より多くの光量の光でディスク５８をスキャンすることができる。
【００３１】
図９から図１２は、図１から図３の光強度変換素子１０の変形例を示す図である。これらの例は、発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ、及び光強度変換素子１０の厚さＴを変えたときの光強度変換素子１０の形状を示している。
図９（Ａ）から（Ｃ）は、厚さＴが一定で、距離Ｆを変えたとの光強度変換素子１０の形状を示している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであった。光強度変換素子１０の形状は、発行点Ａと素子１０の距離Ｆによって異なる。距離Ｆが小さいほど第１及び第２の曲面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。
【００３２】
図１０（Ａ）から（Ｃ）は、距離Ｆが一定で、厚さＴを変えたとの光強度変換素子１０の形状を示している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであった。光強度変換素子１０の形状は、光強度変換素子１０の厚さＴによって異なる。厚さＴが小さいほど第１及び第２の曲面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。
図１１（Ａ）から（Ｂ）は、発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ及び光強度変換素子１０の厚さＴが一定で、出射開口径Ｗｂが異なる例を示す図である。この例では、Ｆは８．０ｍｍ、Ｔは３．５ｍｍであった。図１１（Ａ）における出射開口径Ｗｂ１は３ｍｍ、図１１（Ｂ）における出射開口径Ｗｂ２は４ｍｍであった。なお、発光点Ａの入射開口Ｗａに対する半値全角αはともに１８度であった。なお、図９及び図１０の例においても、半値全角αは１８度であった。このように光強度変換素子１０の形状にある程度自由度をもたせることができるので、製造精度や、使用する光学系に最適な光強度変換素子１０の形状を得ることができる。
【００３３】
図１２（Ａ）から（Ｃ）は光強度変換素子１０のさらなる変形例を示す図である。図１２（Ｃ）は発光点Ａの発光特性を示す図である。この実施例では、発光点Ａは、Ｘ軸を長軸とし、Ｙ軸を短軸とした楕円型光強度分布をもつ。この場合、光強度変換素子１０のＸ軸方向の出射開口径Ｗｂ１、及びＹ軸方向の出射開口径Ｗｂ２が互いに等しいとすれば、光強度変換素子１０の形状は、図１２（Ａ）に示されるＸ軸方向の断面の形状と、図１２（Ｂ）に示されるＹ軸方向の断面の形状とは異なる。こうすることによって、楕円型光強度分布をもつ入射光に対して、真円状の均一な光強度分布をもつ平行光を出射することができる。
【００３４】
図１３（Ａ）、（Ｂ）は、発光点Ａが楕円型光強度分布をもつ場合、光強度変換素子１０の形状をＺ軸について回転対称とすることにより、出射光のＸ軸方向の光強度分布とＹ軸方向の光強度分布とを互いにことなるようにすることができる。例えば、図１３（Ａ）では、Ｘ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｙ軸方向の光強度分布はドーム状にすることができる。図１３（Ｂ）では、Ｙ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｘ軸方向の光強度分布はボール状になる。
【００３５】
図１４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、変換された光強度分布の種々の例を示す図である。図１４（Ａ）は円筒状の形体であらわされる均一な光強度分布である。図１４（Ｂ）は円筒状の形体に円錐状の形体を組み合わせた中央部で特に強度が高い光強度分布である。図１４（Ｂ）は円錐状の形体の光強度分布である。本発明では、このように種々の光強度分布をもつ出射光を得ることのできる光強度変換素子１０を得ることができる。
【００３６】
上記実施例は、光強度変換素子１０は、波面上でガウス型光強度分布をした発散光を均一な光強度分布をもつ平行光に変換するするコリメート型素子であったが、図１５に示される光強度変換素子１０は、波面上でガウス型光強度分布をした平行光を波面上で均一な光強度分布をもつ収束光に変換する対物レンズ型素子である。このような光強度変換素子１０も、図１から図３を参照して説明したような手順で製作することができる。また、このような光強度変換素子１０は図８の対物レンズ５６として使用することができる。
【００３７】
上記実施例では、光強度変換素子１０は、単体として構成されていたが、図１６に示されるように、２個（又はそれ以上）の構成要素１０ａ、１０ｂで光強度変換素子１０を構成すると、波面収差を小さくするために光強度変換素子１０全体としての厚さＴは比較的に大きいが、各構成要素１０ａ、１０ｂの厚さが薄くなり、製作上有利である。また各構成要素１０ａ、１０ｂの片面を平面にすることで製造誤差を小さくでき、また平面による収差を利用することで組み立て誤差も小さくすることができる。また、２個の構成要素１０ａ、１０ｂ間の間隔を変えることよって、光強度分布を変えることができる。
【００３８】
図１７は、光源５２と、光強度変換素子１０で構成されたコリメートレンズ５４と、対物レンズ５６を用いた光ディスク装置５０の実施例を示す図である。対物レンズ５６はホルダ５６ａに支持されている。この実施例によれば、対物レンズ５６はコリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）からの均一な光強度分布の平行な光の中に配置されているので、仮に対物レンズ５６の位置が５６′で示されているようにずれても、対物レンズ５６の有効開口径（Ｗｏ）の位置ずれが光強度変換素子１０の出射開口径（Ｗｂ）内で起きるのであれば、均一な光強度と所定の光量の光が対物レンズ５６に常に入射する。従って、対物レンズ５６は所定の光量で好ましい小さなスポット径を得ることができる。光学系の組み立て精度及び対物レンズ５６のシーク駆動精度を大幅に緩和できる。
【００３９】
図１８（Ａ）、（Ｂ）は、光源５２と、光強度変換素子１０と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ（図示せず）とを備えた光ディスク装置５０の実施例を示す。この実施例では、光強度変換素子１０は光源５２とコリメートレンズ５４との間に配置されている。光強度変換素子１０は、入射する光束のＮＡ又は広角を変換し、且つ光強度分布を変更している。
【００４０】
図１８（Ａ）においては、光強度変換素子１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射し、発散光がより大きな発散角で光強度変換素子１０から出射するように構成されている。図１８（Ｂ）においては、光強度変換素子１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射し、発散光がより小さな発散角で光強度変換素子１０から出射するように構成されている。
【００４１】
コリメートレンズ５４の焦点距離はｆで示されている。光源５２とコリメートレンズ５４との距離は軸精度を維持するために短くできないことが多いが、図１８（Ａ）、（Ｂ）の構成によって、あたかも光源５２とコリメートレンズ５４との距離を短くしたかのごとく、コリメートレンズ５４で取り込むことのできる光量を増大することができる。従って、光利用率とビーム径を改善することができる。
【００４２】
図１９は、光源５２（発光点Ａ）と、透明な平行平板２７と、コリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）と、対物レンズ（図示せず）とを備えた光ディスク装置５０の実施例を示す。この実施例では、平行平板２７は光源５２とコリメートレンズ５４（光強度変換素子１０）との間に配置され、平行平板２７は光軸に対して傾けることができるように配置されている。平行平板２７を傾けることで対物レンズ後の結像点での波面収差を補正するようになっている。
【００４３】
発光点Ａの正しい位置がＡ0 にあり、平行平板２７の正しい位置が２７′にあるとした場合、発光点Ａの位置がずれていると対物レンズ後の結像点での波面収差が大きくなる。そこで、発光点Ａの位置のずれに応じて、光路長のずれ量を補正するように、平行平板２７を傾けることで、対物レンズ後の結像点での波面収差を補正することができる。
【００４４】
図２０は光源６２と光強度変換素子１０とを用いた照明装置６０の実施例である。光源６２は発光ダイオード等の発光素子を２次元状に配置してなり、ハニカム状の光強度変換素子１０が発光素子の配置に対応して配置される。各光強度変換素子１０は発光素子の発散光を受けて均一な光強度分布の光を出射する。多くの光強度変換素子１０が一平面内に配置されており、同平面内で均一な分布の光を出射することができる。従って、この照明装置は例えばディスプレイのバックライトとして使用され、光量損失なく所定方向に照度を上げることができる。また均一な光強度分布であることから、レンズ等で結像させても光源の点状分布にならないので、顕微鏡等の照明にＬＥＤアレイ等を使用する場合に利用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光強度変換素子は、任意の光強度分布の光を所望の光強度分布の光に変換できることから、波面収差を小さくでき、ビーム集光性やスポット形状を任意に設計することが可能になる。また、高出力光に強く、光量損失を減らすことができる。またこの光強度変換素子は、発散光を平行光にするコリメートレンズや、平行光を収束光に変換する対物レンズの代わりに使用できるので、光学装置の部品点数を増加することなく、波面収差を小さくしたり、ビームのスポット形状を小さくなることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による光強度変換素子を示す断面図である。
【図２】図１の光強度変換素子に類似する光強度変換素子及びそれを通る複数の微小な光路を示す図である。
【図３】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の決定を説明する図である。
【図４】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の形状を示す図である。
【図５】図４の第１及び第２の曲面表面の傾きを示す図である。
【図６】レンズにおける正弦法則を示す図である。
【図７】図１及び図２の光強度変換素子を含む光ディスク装置の例を示す図である。
【図８】光強度変換素子を含む光ディスク装置の他の例を示す図である。
【図９】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１０】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１１】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１２】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１３】Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なった光強度分布の例を示す図である。
【図１４】光強度分布の他の例を示す図である。
【図１５】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１６】光強度変換素子の変形例を示す図である。
【図１７】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図１８】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図１９】光ディスク装置の変形例を示す図である。
【図２０】光強度変換素子を含む照明装置の例を示す図である。
【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
２２…ガウス型光強度分布
２４…均一な光強度分布
２６…平行平板
Claims (4)
- 入射光及び出射光の少なくとも一方が発散光または収束光であるもののために使用される光強度変換素子であって、
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、該第１及び第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、
該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は前記中心軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とする光強度変換素子。 - 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、該第１及び第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、
該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は前記中心軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とするコリメートレンズ。 - 光源と、入射光及び出射光の少なくとも一方が発散光または収束光であるもののために使用される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、該第１及び第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、
該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過する際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は前記中心軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とする光学装置。 - 光源と、コリメートレンズとを備え、該コリメートレンズは、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、該第１及び第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状の湾曲を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状の湾曲を有し、
該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表面を通過する際に受ける屈折により、ガウス型光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して楕円状の光分布をもつ入射光がほぼ均一な光強度分布をもち且つ前記中心軸線に関して真円状の光分布をもつ出射光に変換されるように構成され、さらに、該第１の曲面表面及び該第２の曲面表面は前記中心 軸線に対する前記楕円形状の長軸と短軸の方向とで異なる断面形状を有し、該第１の曲面表面及び／又は該第２の曲面表面は傾きに変曲点を有し、各光線の光学距離の差がレイリー極限値以下になるように構成されたことを特徴とする光学装置。
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| JP2002176317A JP3675777B2 (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 光強度変換素子及び光記憶装置 |
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| JP2002176317A JP3675777B2 (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 光強度変換素子及び光記憶装置 |
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