JP3711680B2 - ビーム整形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ディスク用光ヘッド等に使われる、半導体レーザー等の放射光源から出射する楕円分布のレーザー光を整形する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術について、例えば特公昭６３−１６５２号公報に記載の光情報処理装置を引用して説明する。図７は、この従来例におけるビーム整形装置、およびこれを用いた光ディスク装置の構成図を示しており、半導体レーザー１を出射するレーザー光２は、コリメートレンズ３により平行光４に変換され、屈折率ｎの硝材で形成されるプリズム５の表面５Ａに入射角ψ(表面５Ａの法線５Ａ’に対する入射光４のなす角)で入射する。表面Ａを屈折角θ(法線５Ａ’に対する屈折光６のなす角)で屈折する光６は、プリズム５の裏面５Ｂに垂直入射してこれを透過し、対物レンズ７を経て、光ディスク基板８の裏面８Ｓに集光するスポット光９となる。スネルの法則よりψ、θの間には
sinψ＝ｎsinθ ・・・・・・（式１)
の関係が成り立つ。この時、入射光４は屈折により、屈折面内で(cosθ／cosψ)倍に拡大される。
【０００３】
半導体レーザーの場合、平行光４は一般に楕円度２．５前後の楕円状の断面強度分布をなすが、上記のプリズムを用いることで光分布はその短軸方向が拡大され、円形状の断面強度分布をなす平行光６に変換されている。
【０００４】
図８は対物レンズを透過した直後の円形状の断面強度分布を、等高線図化して示した例であり、ピーク強度（＝中心強度）を１として標準化している。
【０００５】
図９はｘ軸(レンズ開口の中心を通り図７に示した紙面上の軸（ｙ軸）に直交する軸)上でのリム強度比(中心強度に対する開口の縁での強度比)と、光強度分布の楕円度（ｘ方向にたいするｙ方向の値）とに対する光の透過効率(開口前に対する開口後の光量比)の関係を等高線図化して示したものである。
【０００６】
図１０は、ｘ軸上リム強度比と楕円度に対する集光スポット光９の強度半値全幅の関係を等高線図化して示したもので(波長0.658μｍ、対物レンズの開口数0.60で計算)、（ａ）はｘ方向、（ｂ）はｙ方向に対応する。
【０００７】
例えば図７では、リム強度比＝０．５、楕円度＝１の場合（図９，図１０（ａ），（ｂ）の点Ａの位置）であり、この時の光の透過効率は５０％、スポット光９の強度半値全幅はｘ、ｙ方向とも0.58μｍである。プリズム５の透過効率(表面５Ａに入射する前に対する裏面５Ｂ出射後の光量比)は一般に９０％程度なので、プリズム５、対物レンズ７を含んだ透過効率は４５％程度である。
【０００８】
仮にビーム整形せずに光を対物レンズに導入した場合、ｘ方向リム強度比＝０．５、楕円度＝０．４の点Ｂの位置、すなわち透過効率は７２％、スポット光の強度半値全幅はｘ、ｙ方向でそれぞれ0.55，0.73μｍとなり、透過効率向上の反面、ｙ方向スポット径が著しく劣化する。
【０００９】
また、コリメートレンズ３の焦点距離を大きくすることでｘ方向リム強度比＝0.92、楕円度＝０．４の光を対物レンズ７に導入しても、点Ｃの位置、すなわち透過効率は１８％、スポット光の強度半値全幅はｘ、ｙ方向でそれぞれ0.56，0.58μｍとなり、スポット径が改善される反面、透過効率が著しく劣化する。
【００１０】
このように、一般に対物レンズ７は円形の開口をなすので、楕円状の断面強度分布の光をそのまま対物レンズ７に導くよりも、円形状の断面強度分布に変換して導いた方が、光の利用効率の向上(開口前に対する開口後の光量比が大きいこと)と、集光性能の向上(スポット光９の径が小さいこと)との両立が図れることがわかる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のビーム整形装置において以下の問題点があった。すなわち、プリズム５の硝材は必ず分散(屈折率の波長依存性)を持ち、波長が長くなるほど屈折率は小さくなる。半導体レーザーは一般に出力の大小により、数ｎｍの波長変動が瞬間的に発生するので、(式１)に基づき屈折角θが瞬間的に変化し、光ディスク上でのスポットも、サブミクロンのオーダーで変位する。サブミクロンの信号再生を目的とする光ヘッドの場合、この変位量は大きく、致命的な欠点となる。
【００１２】
また、プリズムにわずかな傾き誤差があると、プリズムを出射する光の方向がずれ、光軸の傾斜した光が光ディスク基板８を集光しながら透過する。これは等価的に光ディスク基板８の傾きが発生したことになるので、集光位置で大きな収差が発生する。従って、プリズムの位置調整精度は非常に厳しく、調整コストの上昇につながる。
【００１３】
さらに、一般にプリズム５は５Ａ、５Ｂの２面を磨くうえ、反射防止膜等の処理を加えるので、加工コストは高い。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑み、半導体レーザーの波長変動の影響を受けず、位置調整も容易で、量産性に適した加工コストの低いビーム整形装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決するため、以下の手段を用いる。すなわち放射光源と、コリメートレンズと、平板上に構成された第１と第２の回折面からなり、第１と第２の回折面は第１の回折面を直交して出射する光が第２の回折面に直交して入射する位置関係にあり、第１と第２の回折面にはそれぞれの入射光線から見て同一直線に沿った凹凸状の等周期回折格子が形成されており、放射光源を出射する光ビームはコリメートレンズにより略平行光に変換されて第１の回折面に垂直に入射し、この入射光は第１の回折面により入射光軸を含み格子方向に直交する面内で回折して＋１次回折光と−１次回折光となって第２の回折面に入射し、これらの各回折光が前記第２の回折面により再び回折して元の光軸(第１と第２の回折面をともに回折せずに進む光の光軸)に沿った光に変換されることを特徴とするビーム整形装置であって、
第２の回折面上の回折格子は格子方向に沿った境界線で短冊状に３つの領域に分けられ、真ん中の短冊領域には第１の回折面上の回折格子と同じ断面形状の回折格子が形成され、外側にある２つの短冊領域にはほぼブレーズ状 ( 鋸の刃状 ) の断面をなす回折格子が形成され、ブレーズ状の方向はなだらかな斜面側の法線が入射光軸 ( 第１の回折面を回折せずに第 2 の回折面に入射する光の光軸 ) からみて外側を向いている。さらに、第２の回折面上の真ん中の短冊領域は前記第１の回折面で回折する＋１次回折光と−１次回折光がオーバーラップして入射する位置に配置されており、外側の短冊領域におけるブレーズ状の断面は複数の階段構造で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
特に、第１の回折面上の回折格子を透過することで発生する＋１次回折光と−１次回折光の光量和が全回折光の光量和の１／２より大きく、例えば第１の回折面上の回折格子はレーザーの波長をλ、回折格子を形成する媒質の屈折率をｎとして、深さλ／２（ｎ−１）、デューティー比５０％の略矩形状の断面をなしている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施の形態を図１から図４に基づいて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（ａ）は第１の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図、（ｂ）はビーム整形装置の断面原理図を示しており、半導体レーザー１を出射する波長λのレーザー光２はコリメートレンズ３により平行光４に変換され、屈折率ｎの透明体で形成される平行平板１０の表面１０Ａにほぼ垂直に入射する。
【００２１】
表面１０Ａは、同図（ｂ）に示すように紙面に垂直な方向に沿って、ほぼ矩形断面状の周期的凹凸構造が形成されており、そのピッチはΛ、深さはｈである。
【００２２】
この周期的凹凸構造は、凹部と凸部の幅が等しく(いわゆるデューティー比５０％)、深さは
ｈ＝λ／２（ｎ−１） ・・・・・・（式２）
を満たす。上式を満たすことで、入射光４はそれぞれ４０％前後の回折効率で、＋１次回折光１１ａと−１次回折光１１ｂに分離する。入射光軸、すなわち表面１０Ａの法線１０Ｌに対して各回折光がなす角度θは
ｎsinθ＝λ／Λ ・・・・・・（式３）
で与えられる。
【００２３】
回折効率は一般にピッチΛの関数であるが、Λ＝４λ〜１０λの範囲では４０％前後の効率を維持する。回折光１１ａ、１１ｂは互いに２θの角をなして分離していき、中心側（光軸側）の一部がオーバーラップした状態で、平板裏面１０Ｂにその法線１０Ｌとθの角をなして入射する。裏面１０Ｂは同図（ｂ）に示すように紙面に垂直な方向に沿って、ほぼ矩形断面状の周期的凹凸構造１０ｃと、それを挟む形で鋸刃断面状の周期的凹凸構造１０ａ、１０ｂが形成されいる。
【００２４】
周期的凹凸構造１０ｃと１０ａ、および１０ｃと１０ｂの境目は、紙面に垂直な方向に沿っており、これらの周期的凹凸構造は、紙面に垂直で入射光軸（表面１０Ａを回折しないで裏面１０Ｂに入射する光の光軸）を通る面に関して対称な位置関係にある。周期的凹凸構造１０ｃは、表面１０Ａでの凹凸構造と同じ形状(ピッチ、深さとも同じ)である。
【００２５】
周期的凹凸構造１０ａと１０ｂの鋸刃断面のなだらかな斜面は、光の進行方向に沿って狭まった八の字をなしており、ピッチは表面１０Ａでの凹凸構造と同じだが、深さは倍のほぼ２ｈである。周期的凹凸構造１０ｃは回折光１１ａ、１１ｂがオーバーラップする位置に相当し、２つの回折光の入力によりそれぞれの１次回折光、−１次回折光である光１２ｃに変換される。この変換は入射位置での回折光１１ａ、１１ｂの強さが等しければ８０％前後の効率でなされる。
【００２６】
この関係は逆進波を考えれば理解でき、光１２ｃが周期的凹凸構造１０ｃに入射すると、４０％前後の回折効率で−１次回折光１１ａと１次回折光１１ｂに分離するので、逆に回折光１１ａと回折光１１ｂが合成すると、８０％前後の効率で光１２ｃに変換されることになる。一方、周期的凹凸構造１０ａに入射する回折光１１ａは、入射位置の凹凸構造が鋸刃断面をなしているので、８０％以上（鋸刃断面でなく４段以上の階段形状であれば６０〜７０％以上）の効率で−１次回折光１２ａに変換される。同じく、周期的凹凸構造１０ｂに入射する回折光１１ｂも、入射位置の凹凸構造が鋸刃断面をなしているので、８０％以上（鋸刃断面でなく４段以上の階段形状であれば６０〜７０％以上）の効率で＋１次回折光１２ｂに変換される。従って、本実施の形態のビーム整形装置による光透過効率(入射前に対する出射後の光量比)は、全体として６０％以上得られる。
【００２７】
平板裏面側の凹凸構造はいずれもピッチが表面１０Ａでの凹凸構造と同じなので、(式３）に基づき、回折光１２ａ、１２ｂ、１２ｃはいずれも入射光４の光軸(すなわち法線１０Ｌ)と全く同じ方向にある。この関係は波長が変化しても、平行平板が若干傾いても変わらない。
【００２８】
すなわち、波長が変化すると、(式３）に基づき平板表面１０Ａでの回折角θが変化するが、この変化が平板裏面１０Ｂでの回折で完全に打ち消される。平行平板が若干傾いても、平板表面１０Ａ、裏面１０Ｂでの２回の回折で傾斜の影響が完全に打ち消される。しかも、平板裏面１０Ｂを出射する光の分布は、回折方向に互いにシフトした光１２ａ、１２ｂの合成で（以下、１２ｃを１２ａ、１２ｂに繰り込ませて考える）、図１（ａ）のｙ軸方向に拡大されている。
【００２９】
２つの光ビーム１２ａ、１２ｂの偏差（中心間距離ｄ）は、平行平板１０の厚さをＬとして
ｄ＝２Ｌtanθ ・・・・・・（式４)
で与えられる。これらの合成された光は、焦点距離ｆの対物レンズ７を経て、光ディスク基板８の裏面８Ｓに集光するスポット光９となる。
【００３０】
半導体レーザーの場合、平行光４は一般に楕円度２．５前後の楕円状の断面強度分布をなすが、本実施の形態のビーム整形装置を用いることで、光分布の短軸方向がｙ軸に沿って拡大される。
【００３１】
図２は、対物レンズを透過した直後の断面強度分布を、等高線図化して示した例であり、ピーク強度を１として標準化している。
【００３２】
図３は、光強度分布の楕円度（ビーム整形装置による整形が行われない場合の光分布を想定してｘ方向にたいするｙ方向の楕円度）を０．４として、ｘ軸(レンズ開口の中心を通り図１のｙ軸に直交する軸)上でのリム強度比(ビーム整形装置による整形が行われない場合の光分布を想定してその中心強度に対する開口の縁での強度比)と、ｙ方向ビームシフト量(＝ｄ／２ｆ）と対する光の透過効率(開口前に対する開口後の光量比)の関係を、等高線図化して示したものである。
【００３３】
図４は、上述のｘ軸上リム強度比とｙ方向ビームシフト量に対する集光スポット光９の強度半値全幅の関係を、等高線図化して示したもので(波長0.658μｍ、開口数0.60で計算)、（ａ）はｘ方向、（ｂ）はｙ方向に対応する。
【００３４】
例えば、図２では、楕円度＝０．４、リム強度比＝０．３５、ｙ方向ビームシフト量＝０．３の場合（図３，図４（ａ），（ｂ）の点Ａの位置）であり、この時の光の透過効率は７５％、スポット光９の強度半値全幅はｘ方向で059μｍ、ｙ方向で0.58μｍである。従来例と同じスポット径を維持したまま、透過効率を１．５倍に伸ばしており、ビーム整形装置１０、対物レンズ７を含んだ透過効率も、従来例と同等の４５％程度になる。
【００３５】
このように本発明の第１の実施の形態により、従来例と同じ光学性能(スポット径と透過効率)を維持しながら、光源の波長変動の影響が全くなく、平行平板の表面にグレーティングを形成するという安価な工程（例えば露光、エッチング等の量産化が容易な工程）で作製できるので加工コストの低いビーム整形装置を提供できる。
【００３６】
また、平行平板に多少の傾きがあっても光の進行方向が変わらず、ｘ方向はもちろんｙ方向に位置ずれがあっても、凹凸構造１０ｃの幅の数分の１程度は許容でき、この許容値を越えても光振幅の乱れにはなるが、従来例のように収差（光位相の乱れ）に結びつかない。
【００３７】
このように本実施の形態のビーム整形装置は、調整誤差の余裕度を大幅に拡大し調整を容易にする効果もあわせ持つ。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態を図５に基づいて説明する。
（実施の形態２）
図５は、第２の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図を示しており、ビーム整形装置の構成を除いて他の構成は同一なので対物レンズと光ディスクは省略し、第１の実施の形態と同じものには同じ番号を付与する。
【００３９】
第１の実施の形態との違いは、第１の実施の形態では周期的凹凸構造が平行平板の表面と裏面に形成されていたのが、第２の実施の形態では平行に置かれた２枚の平行平板２０と２１の表面２０Ａと２１Ａに形成した点であり、表面２０Ａには第１の実施の形態の表面１０Ａの凹凸構造と同じもの、面２１Ａには第１の実施の形態の表面１０Ｂの凹凸構造（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と同じものが形成されている。
【００４０】
第２の実施の形態は、凹凸構造が別々の基板に構成されていること以外は第１の実施の形態と全く同一なので、同様の効果が得られる上、次のような効果も付加される。
【００４１】
すなわち、表面２０Ａの周期構造によって分離する＋１次回折光１１ａと−１次回折光１１ｂの回折角θは
sinθ＝λ／Λ ・・・・・・（式５）
で与えられる。すなわち、空気内での回折なので、同じピッチΛ、同じ波長λでも回折角は第１の実施の形態のものよりも大きい。したがって、基板間の距離Ｌを短くでき、第１の実施の形態に比べコンパクトなビーム整形装置を提供できる。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施の形態を図６に基づいて説明する。
（実施の形態３）
図６は、第３の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図を示しており、ビーム整形装置の構成を除いて他の構成は同一なので対物レンズと光ディスクは省略し、第１の実施の形態と同じものには同じ番号を付与する。
【００４３】
第１の実施の形態との違いは、第１の実施の形態では周期的凹凸構造が平行平板の表面と裏面に形成されていたのが、第３の実施の形態ではプリズム２２の面２２Ａと面２２Ｂに形成されており、面２２Ａと面２２Ｂはαの角をなして交わり、面２２Ａには第１の実施の形態の表面１０Ａの凹凸構造と同じもの、面２２Ｂには第１の実施の形態の裏面１０Ｂの凹凸構造（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と同じものが形成されている。
【００４４】
また、面２２Ｂには反射面２２Ｃがβの角をなして交わる。これらの面２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃはいずれも紙面に直交し、α、βには
α＋２β＝π ・・・・・・（式６）
の関係が成り立つ。回折がない場合、上式を満たすことで面２２Ａに垂直に入射する光は、反射面２２Ｃを反射した後、面２２Ｂに垂直に入射する。
【００４５】
従って、間に反射面２２Ｃを挟んだこと以外は第１の実施の形態と全く同一なので同様の効果が得られる上、次のような効果も付加される。すなわち、表面２０Ａの周期構造によって分離する＋１次回折光１１ａと−１次回折光１１ｂとが反射面２２Ｃを反射することで折り曲げられるので、プリズム２２の長さＬ’は第１の実施の形態における基板間の距離Ｌより短くでき、第１の実施の形態に比べコンパクトなビーム整形装置を提供できる。
【００４６】
なお、以上の実施の形態で周期的凹凸構造１０ａ、１０ｂの断面形状を鋸刃状としたが、階段状であってもよく、若干の光利用効率の低下を招くが同等の効果が得られる。
【００４７】
【発明の効果】
以上本発明により、第１の回折面に入射しこれを回折する光は＋１次回折光と−１次回折光とに別れ、中心位置がシフトし、全体として回折方向に拡大された状態で第２の回折面に入射して、元の入射光軸 ( 第１と第２の回折面をともに回折せずに進む光の光軸 ) に沿った光に変換され、第１の回折面の分散（波長依存性）によって発生する回折光の角度変化が第２の回折面での分散によって打ち消されるので、第２の回折面から出射する光ビームを対物レンズで絞っても、波長変動によるビームスポットの変位はなくなるので、従来例と同じ光学性能(スポット径と透過効率)を維持しながら、光源の波長変動の影響を抑え、安価に入手できる平行平板の表面にグレーティングを形成する工程で作製できるので、加工コストの低いビーム整形装置を提供できる。
【００４８】
また、平行平板に多少の傾きや位置ずれがあっても光の進行方向が変わらないので、調整誤差の余裕度を大幅に拡大し調整を容易にする効果も持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図
（ｂ）は、発明の第１の実施の形態におけるビーム整形装置の断面原理図
【図２】本発明の第１の実施の形態における対物レンズを透過した直後の光の断面強度分布の等高線図
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるｘ軸上リム強度比とｙ方向ビームシフト量と対する光の透過効率の等高線図
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるｘ軸上リム強度比とｙ方向ビームシフト量に対する集光スポット光強度半値全幅の等高線図で、
（ａ）はｘ方向スポット径の等高線図
（ｂ）はｙ方向スポット径の等高線図
【図５】本発明の第２の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図
【図６】本発明の第３の実施の形態におけるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図
【図７】従来例に於けるビーム整形装置を含む光ディスク装置の構成図
【図８】従来例に於ける対物レンズを透過した直後の光の断面強度分布の等高線図
【図９】従来例に於けるｘ軸上リム強度比と光強度分布楕円度とに対する光透過効率の等高線図
【図１０】従来例に於けるｘ軸上リム強度比と楕円度に対する集光スポット光強度半値全幅の等高線図で
（ａ）はｘ方向スポット径の等高線図
（ｂ）はｙ方向スポット径の等高線図
【符号の説明】
１ 半導体レーザー
２ 出射レーザー光
３ コリメートレンズ
４ 平行光
１０ 平行平板
１０Ａ 平行平板表面(矩形断面状の周期的凹凸構造)
１０Ｂ 平行平板裏面
１０ａ，１０ｂ 鋸刃断面状の周期的凹凸構造
１０ｃ 矩形断面状の周期的凹凸構造
１１ａ ＋１次回折光
１１ｂ −１次回折光
１０Ｌ 平板表面，裏面の法線
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 平行平板透過後の回折光
７ 対物レンズ
８ 光ディスク基板
８Ｓ 光ディスク信号面
９ 集光スポット

Claims (5)

1. 放射光源と、コリメートレンズと、平板上に構成された第１と第２の回折面からなり、前記第１と第２の回折面は前記第１の回折面を直交して出射する光が第２の回折面に直交して入射する位置関係にあり、前記第１と第２の回折面にはそれぞれの入射光線から見て同一直線に沿った凹凸状の等周期回折格子が形成されており、前記放射光源を出射する光ビームは、前記コリメートレンズにより略平行光に変換されて第１の回折面に垂直に入射し、この入射光は前記第１の回折面により入射光軸を含み格子方向に直交する面内で回折して＋１次回折光と−１次回折光となって第２の回折面に入射し、これらの各回折光が前記第２の回折面により再び回折して前記第１と第２の回折面をともに回折せずに進む光の光軸に沿った光に変換されることを特徴とするビーム整形装置であって、
   前記第２の回折面上の回折格子は、格子方向に沿った境界線で短冊状に３つの領域に分けられ、真ん中の短冊領域には前記第１の回折面上の回折格子と同じ断面形状の回折格子が形成され、外側にある２つの短冊領域にはほぼブレーズ状の断面をなす回折格子が形成され、前記ブレーズ状の方向はなだらかな斜面側の法線が前記第１の回折面を回折しないで前記第２の回折面に入射する光の光軸からみて外側を向いていることを特徴とするビーム整形装置。
2. 第１の回折面上の回折格子を透過することで発生する＋１次回折光と−１次回折光との光量和が、全回折光の光量和の１／２より大きいことを特徴とする請求項１記載のビーム整形装置。
3. 第１の回折面上の回折格子は、放射光源の波長をλ、回折格子を形成する媒質の屈折率をｎとして、深さλ／２（ｎ−１）、デューティー比５０％（凸部と凹部の幅が等しい）の略矩形状の断面をなすことを特徴とする請求項１または２何れかに記載のビーム整形装置。
4. 第２の回折面上の真ん中の短冊領域が、第１の回折面で回折する＋１次回折光と−１次回折光とがオーバーラップして入射する位置に配置されることを特徴とする請求項１〜３何れかに記載のビーム整形装置。
5. ほぼブレーズ状の断面が、複数の階段構造で構成されることを特徴とする請求項１記載のビーム整形装置。

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