JP5062159B2 - 遮光フィルタおよび光ヘッド装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過したレーザ光が輪帯光となるように遮光域と透光域とを備えた遮光フィルタ、および、その遮光フィルタを備えた光ヘッド装置に関する。

従来から、加工対象物に集光したレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置や、光ディスクに集光したレーザ光を照射して光ディスクにデータを記録したり光ディスクに記録されたデータを再生したりする光ディスク装置はよく知られている。このようなレーザ光を使用した装置においては、微細な加工を実現するため、あるいは、データの集積度を上げるために、集光したレーザ光により形成される光スポット径がより微小にされる傾向にある。

光スポット径を微小にする方法としては、レーザ光の波長を短くすることや、レーザ光を集光するレンズの開口数（ＮＡ）を大きくすることが一般的であるが、これ以外にもレーザ光を輪帯光（断面がリング状のビーム）にする方法が知られている。例えば、特許文献１に提案されたレーザ加工装置においては、レーザ光を輪帯光にする超解像光学素子を設けて光スポット径を微小化している。この特許文献１には、レーザ光を輪帯光にする方法として、２つのアキシコンレンズを対向させる方法と、ドーナツ状の遮光フィルタを用いる方法が提案されている。
特開２００７−２１６２６３号公報

２つのアキシコンレンズを対向させる方法は、アキシコンレンズの設置位置精度が悪いと形状の良い輪帯光が得られない。このため、設置位置調整に時間がかかってしまうという問題がある。一方、ドーナツ状の遮光フィルタを用いる方法は、設置位置調整が容易である。しかし、遮光フィルタの遮光域で反射したレーザ光の影響が現れる。遮光フィルタは、透明平板の中央部に遮光材を蒸着させて遮光域を形成し、遮光部の周囲を輪帯状の透光域としたものである。こうした遮光フィルタは、レーザ光の光路途中に設けられて使用されるが、遮光域で反射したレーザ光がレーザ光源に入射してレーザ光の光量制御の精度が落ちたり、レーザ光源の劣化を早めたりするといった問題が生じる。また、遮光域で反射したレーザ光がフォトディテクタに入射する場合もあり、フォーカス制御やトラッキング制御といったレーザ光の反射光に基づく制御に悪影響を与えてしまうおそれもある。

本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、レーザ光を輪帯光にする遮光フィルタにおいて、遮光域で反射したレーザ光の影響を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の遮光フィルタの特徴は、レーザ光が入射する領域の中央部に遮光域を、その遮光域の周囲に輪帯状の透光域を備えて、入射したレーザ光を輪帯光にして透過する遮光フィルタにおいて、透明平板と、遮光材料をコーティングした半球形状、円錐形状、角錐形状の何れかの形状に形成された遮光体とを備え、前記遮光体を前記透明平板の中央部に接着して構成することで、前記遮光域が、半球形状、円錐形状、角錐形状の何れかの形状に形成されて、レーザ光の入射面が前記レーザ光の光軸に対して直交する平面を有さないようにしたことにある。

本発明によれば、遮光域におけるレーザ光の入射面がレーザ光の光軸に対して直交する平面を有していないため、遮光域に入射したレーザ光は、その入射方向とは異なる方向に反射する。このため、遮光域で反射したレーザ光がレーザ光源に入射しないようにすることができる。尚、透光域については、レーザ光の光軸に対して直交する平板状に形成されることが好ましいが、レーザ光が進行方向を変えずに透過できるものであれば任意の形状にて実施できる。

また、本発明によれば、遮光域に入射したレーザ光を様々な方向に反射させることができるので、特定方向に片寄ってレーザ光が反射することがない。このため、レーザ光の光路上に設けた他の光学素子に対して反射光の影響を抑制することができる。尚、半球形状とは、球を平面で切断した形状であって、必ずしも二分の一に切断した形状に限るものではない。

また、本発明によれば、遮光材料をコーティングした遮光体を透明平板の中央部に接着することで、透明平板の中央部に遮光域が形成され、その周囲に輪帯状の透光域が形成される。従って、遮光フィルタを簡単に製造することができる。

また、本発明の遮光フィルタの他の特徴は、前記レーザ光の光軸を中心軸にした筒体内に取り付けられたことにある。本発明によれば、遮光域で反射したレーザ光は、筒体で遮られるため他の光学素子に入射しにくく、遮光フィルタからの反射光が外乱光となって、例えば、レーザ光の光量制御やフォーカス制御といった制御系に悪影響を及ぼすという不具合を防止することができる。

また、本発明の光ヘッド装置の特徴は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記出射されたレーザ光を平行光にするコリメーティングレンズと、前記平行光にされたレーザ光を集光する対物レンズとを少なくとも備える光ヘッド装置において、前記レーザ光源から前記対物レンズまでの光路上に遮光フィルタを設置したことにある。

本発明によれば、遮光域で反射したレーザ光がレーザ光源に入射しないようにすることができる。従って、レーザ光のスポット径を微小にして照射する光ヘッド装置として使用すると非常に有益である。

本発明の光ヘッド装置の他の特徴は、前記筒体は、その側面を覆う熱伝達用部材を介して光ヘッドケーシングに熱伝達可能に取り付けされていることにある。遮光域で反射したレーザ光を筒体で遮ると筒体が発熱する。そこで、本発明においては、筒体を、その側面を覆う熱伝達用部材を介して光ヘッドケーシング（光ヘッド装置のケーシング）に熱伝達可能に取り付けているため、筒体で発生した熱を光ヘッドケーシングにスムーズに移動させることができる。この結果、筒体が熱膨張して遮光フィルタの位置ずれが発生するといった不具合を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係る遮光フィルタ１０を表し、（ａ）は遮光フィルタ１０の斜視図、（ｂ）は遮光フィルタ１０の横断面図、（ｃ）は遮光フィルタの正面図である。遮光フィルタ１０は、円盤状の透明ガラス平板からなる透明基板１１と、透明基板１１の中央部に接着される半円球状の遮光部材１２とから構成される。遮光部材１２は、半球形状物体の表面（底面は除いてよい）に遮光材料１３をコーティングして形成される。そして、遮光部材１２の底面（球体の切断面）を透明基板１１の中心に接着することで遮光フィルタ１０が完成する。この場合、透明基板１１の中心と遮光部材１２の底面の中心とを一致させて、透明基板１１と遮光部材１２とを同心状に接着する。

例えば、半球形状のガラス体の表面をクロムコートして遮光部材１２を作成し、この遮光部材１２を透明基板１１の中心に接着剤で接着することで、簡単に遮光フィルタ１０を製造することができる。この場合には、コーティング処理時のマスクが不要となり製造コストを低く抑えることができる。

このように形成された遮光フィルタ１０は、レーザ光の光路中に設けられるが、レーザ光の光軸が遮光フィルタ１０の中心（透明基板１１の中心でもあり遮光部材１２の中心でもある）を通るように、かつ、レーザ光の光軸に対して透明基板１１の表面が垂直となるように配置されるものである。また、遮光部材１２を設けた側の面がレーザ光の入射する面となるようにする。従って、遮光部材１２がレーザ光を遮光する遮光域１５となり、透明基板１１における遮光部材１２との接着部の周囲がレーザ光を透過する透光域１６となる。遮光域１５は、レーザ光の入射側から見て円形に形成され、透光域１６は、レーザ光の入射側から見て輪帯状（リング状）に形成される。

遮光フィルタ１０に入射したレーザ光は、遮光域１５にて中央部が遮られ透光域１６のみを透過するため、輪帯光となって遮光フィルタ１０から出射する。遮光域１５に入射したレーザ光は、所定の割合で反射するが、遮光域１５におけるレーザ光の入射面がレーザ光の光軸と直交する平面を有さないため、入射してきた方向には殆ど反射しない。

次に、遮光フィルタ１０を備えた光ヘッド装置について説明する。図２は、実施形態としての光ヘッド装置１の概略構成図である。光ヘッド装置１は、例えば、光ディスクにデータを記録したり光ディスクのデータを再生したりする光ディスク装置や、加工対象物をレーザ加工するレーザ加工装置に用いられる。

光ヘッド装置１は、レーザ光源５０，コリメーティングレンズ５２，立ち上げミラー５４，偏光ビームスプリッタ５６，集光レンズ５８，フォトディテクタ６０，１／４波長板６２，光強度変換素子６４，遮光フィルタ１０，対物レンズ６８，対物レンズホルダ７０，集光レンズ７２，シリンドリカルレンズ７４，フォトディテクタ７６等を光ヘッドケーシング７８内に収納して構成される。レーザ光は、レーザ光源５０から出射し、コリメーティングレンズ５２を透過して平行光となり立ち上げミラー５４に入射する。立ち上げミラー５４に入射したレーザ光は、進行方向を変え偏光ビームスプリッタ５６に入射し、偏光ビームスプリッタ５６で大部分（例えば全体の９５％）が透過し、少量（例えば全体の５％）が反射する。偏光ビームスプリッタ５６で反射したレーザ光は、集光レンズ５８を介してフォトディテクタ６０に入射する。フォトディテクタ６０は、受光光量に相当する強度の信号を出力する。この信号は、レーザ光源５０の出射光量を一定に保つ光量制御に使われる。

偏光ビームスプリッタ５６を透過したレーザ光は、１／４波長板６２を透過して直線偏光から円偏光に変化して光強度変換素子６４に入射する。光強度変換素子６４は、例えば、特開２００２−２６７８１０にて知られているように、ガウス型光強度分布をもつ入射光を、中央部の光強度が低く、かつ、周辺部の光強度が高い光強度分布をもつ出射光に変換する素子である。光強度変換素子６４に入射するレーザ光は、レーザ光の光軸に垂直な断面で見てガウス分布の光強度分布になっているが、光強度変換素子６４を透過することで、周辺が中心部より強度が高い光強度分布となる。

光強度変換素子６４を透過したレーザ光は、上述した遮光フィルタ１０を透過することで輪帯光となる。この場合、光強度変換素子６４によりレーザ光の強度分布が中心部より周辺部の強度が高くなるように変換されているため、遮光フィルタ１０の中心部（遮光域１５）で損失する光量を減らすことができる。遮光フィルタ１０に入射したレーザ光は、遮光域１５である程度の量が反射するが、遮光部材１２が半球形状に形成されているため、その反射光は様々な方向に進む。従って、レーザ光源５０に入射する反射光が極微少量となり、レーザ光源５０の劣化を早めることがなくなる。また、光ディスクへのデータ記録やレーザ加工の時などのようにレーザ光の強度が大きくても、レーザ光の光量制御の精度が低下しない。

遮光フィルタ１０を透過して輪帯光となったレーザ光は、対物レンズ６８により照射対象物ＯＢに集光し、照射対象物ＯＢ上に微小な光スポットを形成する。対物レンズ６８と遮光フィルタ１０は、対物レンズホルダ７０内に固定される。対物レンズホルダ７０は、光を透過しない円筒体であり、その中心軸（円筒中心軸）がレーザ光の光軸と一致するように配置される。また、対物レンズ６８と遮光フィルタ１０は、それらの中心軸が対物レンズホルダ７０の円筒軸と一致するように固定される。

照射対象物ＯＢで反射したレーザ光は、対物レンズ６８で平行光に戻り、遮光フィルタ１０を透過した後、光強度変換素子６４および１／４波長板６２を透過する。１／４波長板６２を透過したレーザ光は、偏光方向が出射時とは９０度異なる直線偏光となり偏光ビームスプリッタ５６に入射する。偏光ビームスプリッタ５６に入射したレーザ光は、大部分（例えば全体の９５％程度）が反射し、集光レンズ７２，シリンドリカルレンズ７４を介してフォトディテクタ７６に入射する。フォトディテクタ７６は、受光領域が複数に分割され、各分割領域ごとに受光光量に相当する強度の信号を出力する。この信号は、レーザ光の集光位置を照射対象物ＯＢの表面またはデータ記録面に一致させるためのフォーカスサーボや、レーザ光の集光位置を照射対象物ＯＢに形成されたトラックに一致させるためのトラッキングサーボに使用される。また、照射対象物ＯＢがデータの記録された光ディスクであれば、記録されたデータの再生に使用される。尚、図中においては、フォーカスサーボやトラッキングサーボを行うためのアクチュエータを省略している。

フォトディテクタ６０，７６は、本来のレーザ光や反射光のみが入射することが望まれるが、遮光フィルタ１０の遮光域１５で反射したレーザ光が外乱光となって入射する可能性がある。特に、レーザ光源５０から出射するレーザ光の強度が大きいときは、フォトディテクタ６０，７６に入射する外乱光の強度が大きくなり、フォーカスサーボやトラッキングサーボの精度が悪化する可能性がある。そこで、本実施形態においては、対物レンズホルダ７０内に遮光フィルタ１０を設けることにより、遮光フィルタ１０の遮光域１５で反射したレーザ光を対物レンズホルダ７０の内筒面にて遮蔽するようにしている。つまり、遮光域１５で反射したレーザ光を対物レンズホルダ７０の外に出ないようにしている。この場合、遮光フィルタ１０の取付位置よりもレーザ光の入射側に対物レンズホルダ７０の円筒壁面を長くすることで、遮光域１５で反射したレーザ光の遮蔽度合いを高めることができる。この結果、遮光域１５で反射したレーザ光の殆どは、フォトディテクタ６０，７６に外乱光として入射しないようになる。従って、レーザ光の光量や照射対象物ＯＢからの反射光の光量に基づいて行う各種の制御を精度良く行うことができる。

次に、遮光フィルタの変形例について説明する。図３は、第１変形例に係る遮光フィルタ２０を表し、（ａ）は遮光フィルタ２０の斜視図、（ｂ）は遮光フィルタ２０の平面図、（ｃ）は遮光フィルタ２０の正面図である。第１変形例の遮光フィルタ２０は、上述した実施形態の遮光部材１２に代えて、円錐形状の遮光部材２２を設けたものである。この遮光部材２２は、円錐形状物体の表面（底面は除いてよい）に遮光材料１３をコーティングして形成され、実施形態の遮光部材１２と同様に、透明基板１１の中心に接着される。従って、遮光部材２２がレーザ光を遮光する遮光域２５となり、透明基板１１における遮光部材２２との接着部の周囲がレーザ光を透過する透光域２６となる。例えば、円錐形状のガラス体の表面をクロムコートして遮光部材２２を作成し、この遮光部材２２を透明基板１１の中心に接着剤で接着することで、簡単に遮光フィルタ２０を製造することができる。

この第１変形例の遮光フィルタ２０においても、実施形態と同様に、遮光域２５に入射したレーザ光は、遮光域２５におけるレーザ光の入射面がレーザ光の光軸と直交する平面を有さないため、入射してきた方向には殆ど反射しない。従って、実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、遮光フィルタの第２変形例について説明する。図４は、第２変形例に係る遮光フィルタ３０を表し、（ａ）は遮光フィルタ３０の斜視図、（ｂ）は遮光フィルタ３０の平面図、（ｃ）は遮光フィルタ３０の正面図である。第２変形例の遮光フィルタ３０は、実施形態の遮光部材１２に代えて、角錐形状（この例では八角錐）の遮光部材３２を設けたものである。この遮光部材３２は、角錐形状物体の表面（底面は除いてよい）に遮光材料１３をコーティングして形成され、実施形態の遮光部材１２と同様に、透明基板１１の中心に接着される。従って、遮光部材３２がレーザ光を遮光する遮光域３５となり、透明基板１１における遮光部材３２との接着部の周囲がレーザ光を透過する透光域３６となる。例えば、角錐形状のガラス体の表面をクロムコートして遮光部材３２を作成し、この遮光部材２２を透明基板１１の中心に接着剤で接着することで、簡単に遮光フィルタ３０を製造することができる。

この第２変形例の遮光フィルタ３０においても、実施形態と同様に、遮光域３５に入射したレーザ光は、遮光域３５におけるレーザ光の入射面がレーザ光の光軸と直交する平面を有さないため、入射してきた方向には殆ど反射しない。従って、実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、遮光フィルタ１０の配置の変形例について説明する。上述した実施形態においては、遮光フィルタ１０を対物レンズ６８の近傍に配置したが、遮光フィルタ１０は、レーザ光源５０から対物レンズ６８までのレーザ光の光路上であれば様々な位置に配置することができる。例えば、図５に示した光ヘッド装置２のように、コリメーティングレンズ５２と立ち上げミラー５４との間に、光強度変換素子６４と遮光フィルタ１０とを設けるようにしてもよい。この場合、光強度変換素子６４が遮光フィルタ１０に対してレーザ光源５０側となるように配置される。

遮光フィルタ１０は、図６の一部破断斜視図に示すように、フィルタホルダ８０内に固定される。フィルタホルダ８０は、光を透過しない円筒体であり、その円筒軸がレーザ光の光軸と一致するように配置される。フィルタホルダ８０は、立ち上げミラー５４側となる先端に遮光フィルタ１０を円筒軸と同軸状に固定し、遮光フィルタ１０よりレーザ光源５０側に長く延びている。従って、フィルタホルダ８０は、遮光フィルタ１０の遮光域１５で反射したレーザ光の殆どを遮蔽することができる。このため、遮光域１５で反射したレーザ光は、他の素子に外乱光として入射しにくくなる。この例では、フィルタホルダ８０は、遮蔽部の軸方向の寸法（遮光フィルタ１０よりレーザ光源５０側の筒体の軸方向の寸法）を筒体の直径よりも大きくして、縦長の円筒形状に形成されている。

遮光域１５で反射したレーザ光の殆どをフィルタホルダ８０で遮光した場合、フィルタホルダ８０が発熱する。フィルタホルダ８０が発熱すると、遮光フィルタ１０とのあいだに温度差が生じて、遮光フィルタ１０のフィルタホルダ８０に対する取付位置がずれたり、フィルタホルダ８０と光ヘッドケーシング７８とのあいだに温度差が生じて、フィルタホルダ８０の光ヘッドケーシング７８に対する取付位置がずれたりする可能性がある。このような場合には、輪帯光の形状が悪くなる。

そこで、こうした不具合が生じるおそれがある場合には、図７、図８に示すように、フィルタホルダ８０の円筒壁面を全体にわたって密着して覆う取付具９０を用いて、フィルタホルダ８０を光ヘッドケーシング７８に固定する。この取付具９０は、円筒孔９１が中央に形成された本体部９２と、本体部９２の下部から左右に張り出した脚部９３とからなり、熱伝達率の良い金属等の材料により一体形成される。フィルタホルダ８０は、取付具９０の円筒孔９１に堅く挿入される。従って、フィルタホルダ８０の円筒壁面全体が取付具９０の本体部９２に密着して固定される。また、脚部９３は、ネジ９４により光ヘッドケーシング７８の内壁面に締め付け固定される。従って、取付具９０と光ヘッドケーシング７８との接触面積を広く確保することができる。

これにより、フィルタホルダ８０で発生した熱を取付具９０を介して光ヘッドケーシング７８に良好に移動させることができ、遮光フィルタ１０とフィルタホルダ８０とのあいだの温度差、および、フィルタホルダ８０と光ヘッドケーシング７８との間の温度差を少なくすることができる。この結果、遮光フィルタ１０のフィルタホルダ８０に対する取付位置、および、フィルタホルダ８０の光ヘッドケーシング７８に対する取付位置がずれて輪帯光の形状が悪くなるといった不具合を防止することができる。この取付具９０は、本発明の熱伝達用部材に相当する。尚、光ヘッド装置２に設置する遮光フィルタは、遮光フィルタ１０に限らず、遮光フィルタ２０，３０など他の遮光フィルタを使用することもできる。

以上、本発明の実施形態および変形例について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。

例えば、上記実施形態および変形例においては、遮光域で反射する反射光を遮蔽する筒体（対物レンズホルダ７０、あるいは、フィルタホルダ８０）を備えた構成であるが、反射光が外乱として殆ど影響しない光ヘッド装置であれば、筒体の軸方向の長さを短くしてもよいし、筒体を省略してもよい。また、上記実施形態および変形例においては、遮光フィルタを光ヘッド装置のようにレーザ光を集光して照射する装置に適用したが、レーザ光を集光したときのスポット径を小さくする以外の目的でレーザ光を輪帯光にする必要がある装置に適用してもよい。

実施形態に係る遮光フィルタを表す概略図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はその正面図である。 実施形態に係る光ヘッド装置の概略構成図である。 第１変形例に係る遮光フィルタを表す概略図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はその正面図である。 第２変形例に係る遮光フィルタを表す概略図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその横断面図、（ｃ）はその正面図である。 変形例に係る光ヘッド装置の概略構成図である。 変形例に係るフィルタホルダの一部破断斜視図である。 変形例に係るフィルタホルダの取付状態を表す斜視図である。 変形例に係るフィルタホルダの取付状態を表す正面図である。

符号の説明

１，２…光ヘッド装置、１０，２０，３０…遮光フィルタ、１１…透明基板、１２，２２，３２…遮光部材、１５，２５，３５…遮光域、２６，２６，３６…透光域、５０…レーザ光源、６０，７６…フォトディテクタ、６４…光強度変換素子、６８…対物レンズ、７０…対物レンズホルダ、８０…フィルタホルダ、７８…光ヘッドケーシング、９０…取付具。

Claims (4)

1. レーザ光が入射する領域の中央部に遮光域を、その遮光域の周囲に輪帯状の透光域を備えて、入射したレーザ光を輪帯光にして透過する遮光フィルタにおいて、
   透明平板と、遮光材料をコーティングした半球形状、円錐形状、角錐形状の何れかの形状に形成された遮光体とを備え、前記遮光体を前記透明平板の中央部に接着して構成することで、前記遮光域が、半球形状、円錐形状、角錐形状の何れかの形状に形成されて、レーザ光の入射面が前記レーザ光の光軸に対して直交する平面を有さないようにしたことを特徴とする遮光フィルタ。
2. 前記レーザ光の光軸を中心軸にした筒体内に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の遮光フィルタ。
3. レーザ光を出射するレーザ光源と、前記出射されたレーザ光を平行光にするコリメーティングレンズと、前記平行光にされたレーザ光を集光する対物レンズとを少なくとも備える光ヘッド装置において、前記レーザ光源から前記対物レンズまでの光路上に、請求項１または請求項２に記載の遮光フィルタを設置したことを特徴とする光ヘッド装置。
4. 請求項２記載の遮光フィルタを設置した請求項３記載の光ヘッド装置において、
   前記筒体は、その側面を覆う熱伝達用部材を介して光ヘッドケーシングに熱伝達可能に取り付けされていることを特徴とする光ヘッド装置。

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