JPH0827401B2 - ビ−ム成形プリズム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光デイスク装置等で特に２ビーム方式のも
のに用いられる半導体レーザのビーム成形プリズムに関
するものである。

〔従来の技術〕

一般に二つの光源を用いた２ビーム方式の光デイスク
装置の光学系は第６図に示すような構成である。尚第６
図（Ｂ）は第６図（Ａ）を矢印Ｂ方向よりみた図であ
る。この図において11は書き込み読み出しビーム用の半
導体レーザ、12は消去ビーム用の半導体レーザ、13,14
は夫々コリメートレンズ、15は４分割デイテイクタ、16
はビーム成形プリズム、17は偏光ビームスプリツタ、18
は1/4波長板、19は対物レンズ、20はダイクロイツクミ
ラー、21は集光レンズ、22はシリンドリカルレンズであ
る。

このような光デイスク装置において一方の光源11より
の書き込み読み出し用ビームは、コリメートレンズ13を
通りビーム成形プリズム16にて断面が円形のビームに変
えられ偏光ビームスプリツタ17にて反射されてＳ偏光成
分の直線偏光になり、1/4波長板18を通り円偏光にな
る。その後、対物レンズ19にてデイスク23上に集光され
る。デイスク23により反射されたビームは、対物レンズ
19により平行光線となつて戻され、1/4波長板18により
直線偏光になり偏光ビームスプリツタ17へはＰ偏光成分
の直線偏光として入射する。偏光ビームスプリツタ17を
通過したビームは、ダイクロイツクミラー20にて反射さ
れ集光レンズ21とシリンドリカルレンズ22により４分割
デイテイクタ14上に集光される。デイテイクタ15の出力
にもとづいて既知の非点収差法やプツシユプル法によつ
て対物レンズ19のフオーカスやトラツクの調整が行なわ
れる。

一方消去ビーム用の半導体レーザ12よりの光ビーム
は、コリメートレンズ14によりコリメートされダイクロ
イツクミラー20を通過して偏光ビームスプリツタ17にＰ
偏光で入射し半導体レーザ11よりの光ビームと同様にデ
イスク23上に集光される。

この光デイスク装置において半導体レーザよりの光ビ
ームの射出パターンは、２〜3:1の楕円形である。その
ため書き込み読み出し用の半導体レーザ11は、光エネル
ギーを有効に利用するために射出パターンを軸対称（円
形）にする必要がある。そのためにビーム成形プリズム
16が用いられる。

しかし半導体レーザは、温度や射出出力によつて波長
が変化する。又プリズムの材料であるガラスの屈折率は
波長によつて異なり、温度によつて変化する。したがつ
て温度が変化すると半導体レーザよりのビームの波長の
変化と、ガラスの屈折率の変化によつてビーム成形プリ
ズム16の屈折角が変化する。例えば半導体レーザの温度
による変化は約0.25nm/deg、ガラスの屈折率の波長依存
性は約−２×10^-5/nm（但しλ＝700〜900nm）である。
したがつて半導体レーザの温度変化による波長変化のた
めに生ずる屈折率の変化は、−５×10^-6/degとなる。又
温度上昇によるガラス自身の屈折率変化は、ガラスがBK
7の場合約＋2.7×10^-6/degである。したがつて温度変化
のために生ずる屈折率の変化は、約−2.3×10^-6/degで
ある。

従来例の光デイスク装置におけるビーム成形プリズム
16による楕円形パターンを円形パターンにする時の補正
率を2.5、ビーム成形プリズム16の屈折率を1.51とする
と上記の温度変化による屈折角の変化は、7.1×10^-5deg
となり、プリズムから射出する時はｎ倍（ｎはプリズム
の屈折率）され、約1.1×10^-4degである。これは対物レ
ンズの焦点距離を4mmとすると、デイスク上のスポツト
は１℃の変化で約0.0077μｍ移動することになる。

又消去用光ビームの射出パターンは、デイスク半径方
向の長い楕円のまま対物レンズ19に入射するので対物レ
ンズの実質NAはデイスク半径方向には大きく円周方向に
は小さくなり、デイスク上のスポツトは、デイスク円周
方向に長い長円形になる。

デイスク上のスポツトは、第７図に示すように同じグ
ループ上に消去ビームＥが書き込み読み出しビームWRに
先行するように調整されている。この時の消去ビームの
位置は半径方向に厳しく、この方向に0.1μｍずれても
消去が完全でなくなる。

しかし前述のように書き込み読み出しビームがデイス
ク半径方向にずれると、この書き込み読み出しビームが
グループ上にサーボがかけられるので結局、消去ビーム
が相対的にずれることになる。そしてその量は、装置全
体が15゜上昇するとビームは約0.1μｍずれるので満足
な消去が出来なくなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が解決しようとする問題点は、光デイスク装置
に用いられるビーム成形プリズムで、レーザ光源の温度
変化等による波長の変化やプリズムの屈折率の変化が生
じても前記プリズムよりのビームの射出角が変動しない
ようにし、光デイスク装置における書き込み読み出しビ
ームと消去ビームとの相対的なずれが生ずることがない
ようにしたビーム成形プリズムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のビーム成形プリズムは、前記の問題点を解決
するために、夫々屈折率がn₁,n₂の異種の材質よりなる
第１のプリズムと第２のプリズムとを接合したものであ
つて、空気等の屈折率がn₀の媒質から第１のプリズムへ
入射角θにて入射し屈折角φにて屈折し、第１のプリズ
ムから第２のプリズムへ入射角αにて入射し屈折角βに
て屈折し、第２のプリズムから他の媒質へ入射角０゜に
て射出する時に次の条件をほぼ満足するように構成した
ものである。

上記の式において、Ｔは温度であり はいずれも光源（半導体レーザ）の温度変化による波長
の変動をも含めての媒質の屈折率変化を示している。つ
まり温度変化による半導体レーザの波長の変化ｄλ/dT
が一定であるとした時の温度変化のために生ずる波長の
変動にもとづく媒質の屈折率変化と温度変化による媒質
自体の屈折率変化との全体の変化を示している。したが
つて、 はいずれも次の式にて表わされる。

ただし である。

本発明のビーム成形プリズムは前記のように構成する
ことによつて半導体レーザビーム等のビーム断面形状を
補正してほぼ円形にするプリズムであつて、その温度変
化によるプリズムの屈折率の変化による射出角の変動が
ないようにしたものである。

次に上記の構成の本発明のビーム成形プリズムが、発
明の目的，作用効果を奏するものであることを明らかに
するために、本発明の原理を説明する。

第１図は本発明の原理を示す図である。この図に示す
ように、夫々面S₁,S₂,S₃を境界としている屈折率が夫々
n₀,n₁,n₂,n₃の四つの媒質中をビームが通過する場合を
考える。即ち、ビームは各境界面で屈折してl₁,l₂,l₃,l
₄のように進み、その時の各境界面での入射角および屈
折角を夫々図示するようにθ，φ；α，β；γ，εとす
る。

まずビームl₁が境界面S₁で屈折してl₂のように進む
時、スネルの法則から次の関係が成立つ。

n₀ sinθ＝n₁ sinφ この関係から とすると次の式（１）が求められる。

cosθｄθ＝sinφ・dn₁′＋n₁′cosφｄφ………（１） 同様にして境界面S₂,S₃での屈折に関して、夫々n₁ si
nα＝n₂ sinβおよびn₂ sinγ＝n₃ sinεの関係から次
の式（２），（３）が求められる。

sinα・dn₁′＋n₁′cosα・ｄα＝sinβdn₂′ ＋n₂′cosβ・ｄβ ………（２） sinγdn₂′＋n₂′cosγ・ｄγ＝sinεdn₃′ ＋n₃′cosεｄε ………（３） ただし である。

ここで入射角θが一定であり、更に屈折角εが一定で
あるとするとｄθ＝ｄε＝０であり、又ｄφ＝−ｄαで
あるから式（１）は次の式（４）のようになる。

又式（３）はｄγ＝−ｄβから次の式（５）のように
なる。

式（４），（５）を式（２）に代入すれば次の条件式
（６）が導かれる。

この条件式（６）が屈折率が変化した時、θが一定で
εが一定であるための条件式である。

ここで第４の媒質を第１の媒質と同じにするとn₃＝n₀
であるからdn₃′＝０である。したがつてこの場合は式
（６）は次のようになる。

（sinα＋cosαtanφ）dn₁′＝（sinβ ＋cosβ・tanγ）dn₂′ ………（７） 一方断面楕円形のビームを断面円形のビームに補正す
る時の補正率ｍは次のように表わされる。

ここでA_iはｉ面での入射角、B_iはｉ面での屈折角であ
る。

第３の媒質（n₂）から第４の媒質（n₃＝n₀）へ透過す
る場合、つまりビームl₃が境界面l₃で屈折してビームl₄
のように進む場合、一般にn₂＞n₃＝n₀になることが多い
ので、その時はε＞γとなり補正率を小さくすることに
なるので一般にγ＝ε＝０゜にすることが多い。したが
つて条件式（７）は次のようになる。

（sinα＋cosα・tanφ）dn₁′＝sinβdn₂′ これから次の条件式（８）が導かれる。

したがつて屈折率変化dn₁′,dn₂′に対して条件式
（８）が成立つようにθ（したがつてφ）、αを選べば
温度や波長変動等により屈折率が変化してもプリズムか
ら出るビームは変動しない。

半導体レーザの発振波長は、温度変化に伴つて変化す
るのでこれを考慮しなければならない。つまり媒質の屈
折率の変化は、光源の温度変化による波長の変化∂λ／
∂Ｔによるものも含めて考えなければならない。

一般には半導体レーザは、温度の上昇により一定割合
で長波長側へシフトする。したがつて∂λ／∂Ｔが一定
（＝Ｃ）であるとすると波長の変化を含めた温度による
屈折率変化 は次の式（９）にて与えられる。

したがつて条件式（８）における屈折率の変化dn₁′,
dn₂′として夫々上記の内容を考慮して式（９）で表わ
される を用いればよい。これらを夫々 とすれば次の式（10）が成立つ。

即ち上記の式をほぼ満足するようにθ（したがつて
φ）、αを選べば、温度変化による光源の波長変動をも
含めて補正プリズムより射出するビームの変動をさける
ことが出来る。

今、第２図に示すような第１のプリズム１と第２のプ
リズム２とからなるビーム変形プリズムについて考え
る。ここで第１のプリズム１のガラス材質としてBK4、
第２のプリズム２のガラス材質としてBK7を用いるとす
ると、波長λ＝830nmの光に対する温度20℃におけるBK
4,BK7の特性は次の通りである。

ｎ′ dn′/dT dn′/dλ BK4 1.494 3.74×10^-6 −1.88×10^-5 BK7 1.510 2.52×10^-6 −1.95×10^-5 一方、半導体レーザの発振波長は、温度の上昇により
長波長側にシフトし、その割合は0.25nm/degである。し
たがつて半導体レーザとガラス材料が均等に温度変化す
ると、前記プリズム２（BK4）とプリズム３（BK7）にお
ける温度変化による屈折率変化は、波長の変化によるも
のも含ねて考えねばならず見掛け上次のようになる。

上記の値を式（８）に代入し、θ＝72゜とするとφ＝
39.538゜となり、α＝30.045゜，β＝29.694゜となる。
そしてこの時のビーム成形補正率ｍは下記の通りであ
る。

第２図にもとづく以上の説明は一例であつて、一般に
は２種類のガラス媒質を選びその半導体レーザの温度上
昇による波長変化と、材料自体の屈折率変化による見掛
け上の∂ｎ′／∂Ｔ、∂ｎ′／∂λにより必要なビーム
成形補正率となるθ，φ，α，βを決めれば良い。

〔実施例〕

次に本発明のビーム成形プリズムの実施例について述
べる。

第３図は第２図と同じ構成のビーム成形プリズムを第
６図に示す２ビーム方式の光デイスク装置に適用した場
合の光デイスク装置の構成を示す図である。この図にお
いて符号10にて示したのが本発明のビーム成形プリズム
で異なつた材質の第１のプリズム１と第２のプリズム２
とを接合したものである。

この実施例において半導体レーザ11よりの書き込み読
み出し用ビームは、このビーム成形プリズムにてパター
ンが円形にされると共に前述の原理により、温度変化が
生じても射出角のずれが補正され常に同じ方向に射出さ
れる。したがつて半導体レーザ12よりの消去用ビームと
のデイスク上の相対的位置ずれが生ずるおそれがない。

第４図は本発明のビーム成形プリズムの他の第２の実
施例で第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）を矢印Ｂ方向よりみ
た図である。この第２の実施例は、第２のプリズム２を
偏光ビームスプリツタ17に接合して一体にしたもので、
第１のプリズム１と第２のプリズム２を接合したビーム
成形プリズム10の構成は第２図と実質上同じである。

第５図は本発明のビーム成形プリズムの第３の実施例
である。この実施例はビーム成形のプリズムと偏光ビー
ムスプリツタとを一体としたものである。即ちこの第３
の実施例における第２のプリズム２′は、途中にビーム
に対して45゜傾斜させた半透過面２′ａを設けたもの
で、これによつて第２のプリズムとビームスプリツタを
兼用したものである。したがつてビーム成形プリズムへ
入射したビームは、第１のプリズム１および第２のプリ
ズム２透過（半透過面２′ａを透過）した後ダイクロイ
ツクミラー20にて反射し、更に半透過面２′ａにて反射
して射出面２′ｂより射出する。そしてこのプリズム
２′と第１のプリズム１とで第１図，第２図にて説明し
た原理にもとづくように構成すれば温度変化による影響
を除去できる。

尚第５図に示す本発明の第３の実施例のビーム成形プ
リズムを用いた光デイスク装置は、書き込み消去用の半
導体レーザ11よりのビームはコリメートレンズ13にて平
行光線とした後前述のようにビーム成形プリズム10を通
り対物レンズ19に集光される。その反射光はビームスプ
リツタ（第２のプリズム）２′を通過しダイクロイツク
ミラー24を通り、集光レンズ21とシリンドリカルレンズ
22により４分割デイテイクタ15にて検出される。一方読
み出し用の半導体レーザ12よりのビームはNAの小さいコ
リメートレンズ14により平行に、かつ円形パターンにさ
れ、ビームスプリツタ２′の半透過面２′ａにて反射さ
れ対物レンズ19によりデイスク23上に集光される。ここ
で反射された光はビームスプリツタ２′の面２′ａを透
過しダイクロイツクミラー24にて反射され集光レンズ2
1′にてデイテイクタ15′に集光され検出される。

以上の実施例のように異なる種類の材質からなる第１
のプリズムと第２のプリズムを接合し前述の要件を満足
するビーム成形プリズムは、いずれもビームを真円に補
正するとともに温度変化が生じてもプリズムよりの射出
角の変化がなく、したがつてデイスク上の書き込み消去
ビームと読み出しビームの相対位置ずれを生ずることが
ない。

〔発明の効果〕

本発明の光デイスク装置における半導体レーザのビー
ム成形プリズムは、前述のような構成にすることによつ
て、温度変化による半導体レーザの波長のずれやプリズ
ムの屈折率の変化による射出角の変化を除去することに
より、射出するビームの射出角が温度変化により変化す
ることがない。したがつてこれを例えば２ビーム方式の
光デイスク装置に用いた場合、書き込み読み出しビーム
と消去ビームの位置ずれや、書き込み消去ビームと読み
出しビームの位置ずれがなく、完全な消去や読み出しが
可能である等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明のビーム成形プリズムの原理を
示す図、第３図は、本発明の第１の実施例のビーム成形
プリズムを用いた光デイスク装置の構成を示す図、第４
図は本発明の第２の実施例の構成を示す図、第５図は本
発明の第３の実施例のビーム成形プリズムを用いた光デ
イスク装置の構成を示す図、第６図は従来のビーム成形
プリズムを用いた光デイスク装置の構成を示す図、第７
図は光デイスク装置におけるデイスク上の書き込み読み
出しビームと消去ビームの相対的位置関係を示す図であ
る。 １……第１のプリズム、２……第２のプリズム、10……
ビーム成形プリズム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザから出射される光ビーム（波
   長＝λ（Ｔ）;T:温度）の断面形状を補正するプリズム
   で、夫々屈折率がn₁（T,λ（Ｔ））、n₂（（Ｔ），λ
   （Ｔ））の異種の材質よりなる第１および第２のプリズ
   ムを接合してなるもので、半導体レーザから出射される
   光ビームを空気等の屈折率n₀（T,λ（Ｔ））の媒質中か
   ら第１のプリズムへ入射角θで入射して屈折角φで屈折
   し、更に、第２のプリズムへ入射角αで入射して屈折角
   βで屈折し、第２のプリズムから別の媒質に入射角０゜
   にて射出する時、次式の関係をほぼ満足するようにした
   ことを特徴とするビーム成形プリズム。 ただしＴは温度、また 半導体レーザの温度変化に対する波長変化 とした時に、