JPS637530A - 半導体レ−ザ−光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野〕 本発明は半導体レーザー光源装置に関し、より詳細には
レーザーディスク装置等の光ピツクアップやレーザープ
リンターの光源装置に適用しうろ半導体レーザー光源装
置に関するものである。

（従来技術〕 光読取装置や光プリンター、さらには光ピツクアップや
光通信装置のレーザー光源として、半導体レーザーが用
いられるようになってきている。

半導体レーザーから放射されるレーザー光は、周知の如
く発散性であるので、−般的に、半導体レーザーと他の
光学系とを光学的ンζ結合させるためにカップリングレ
ンズが用いられろ。そのため、半導体レーザーを用いる
光源装置は、通常、半導体レーザーと、カップリングレ
ンズと、これら両者を位置決めして保持する連結部材と
を有する。

このように、半導体レーザーとカップリングレンズとは
、連結部材により、位置決めして保持されるため、正常
な状態では、半導体レーザーを発光させるとき、カップ
リングレンズから射出するレーザー光束の波面形状は一
定している。

しかしながら、この波面形状の一定性を損う要因が２つ
ある。

その矛１は、半導体レーザーの発振波長が、温度に応じ
て変化することである。カップリングレンズを構成する
硝材？こは、屈折率が波長に伴って変化するとい５分散
性があるので、環境温度が標準の温度から変化するに伴
ないレーザー光束の波長が変化するとカップリングレン
ズの焦点距離が変化し、これが、波面形状を変化させる
原因となる。

矛２は、温度変化によって、保持部材が膨張したり収縮
したりする熱変形を生じ、これによって、半導体レーザ
ーとカップリングレンズの間の距離が変化し、これが波
面形状の変化の原因となる。

このような波面形状の変化は、上記３−１の原因（（よ
るカップリングレンズの焦点距離の変化量と、上紀牙２
の原因による半導体レーザーとカップリングレンズの間
の距離の変化量とが互いに相殺される傾向に同一量であ
るならば生じないのであるが、実際には上記各変化量は
異なるために半導体レーザーの共役点が変化し、波面形
状の変化となっ℃あられれるのである。

例えば牙４図において、カップリングレンズＣＬの半導
体レーザー側の主点を符号Ｈ１標準湛度Ｔ。

での半導体レーザーの発光点を符号Ｓｏ　　、　　カッ
プリングレンズＣＬ　　の焦点を符号Ｆｏ　　で示す。

標準温度Ｔｏ　　では焦点ＦＯと発光点Ｓ○　とは−致
しているので、カップリングレンズＣＬ射出後のレーザ
ー光束は矢印で示す如く平行光となりカップリングレン
ズＣＬ　　Ｄ共役点は無限遠になっている。

これに対し、環境温度が標準温度Ｔｏ　から温度Ｔ１　
　に変化したとすると、矛５図に示す如く、カップリン
グレンズＣＬ　の焦点Ｆ１　　は標準（ｉｌｌＴ。

での焦点Ｆｏ　ＶＣ対しずれる。又、半導体レーザーの
発光点Ｓ、も標準温度ＴＯでの発光点ＳＯからずれてし
まう。

このように、−般に環境温度が変化した場合、変化後の
発光点Ｓ　と焦点Ｆ４、とは−致しなくなす るため、カップリングレンズＣＬ　　からの射出光も標
準温度ＴＯでの状態から変化し℃しまい、半導体レーザ
ーの共役点Ｓ′も変化するのである。

このようにカップリングレンズＣＬ　からの射出光の状
態が環境温度により変化すると、光ピツクアップでは焦
点検出に誤差を生ずるし、レーザーフｌ）　７　ター　
においては感光体ドラム上のスポット径が変化して書込
画像の品質を低下させてしまうこととなる。

次に、環境温度変化が光ビノクアソグに及ぼす影ｗにつ
いて調べてみる。

光ピツクアップの光学系を説明した３−６図において、
半導体レーザーＬＤ　からの発散光は、カップリングレ
ンズＣＬ　　で平行光にされ、さらに偏光ビームスプリ
ッタＢＳ、１７４波長板２を通り、対物レンズ６によっ
て光デイスク８上に集光されて反射さｎ、再び対物レン
ズ６．１／４波長板２を通り、偏光ビームスプリッタＢ
Ｓ　　で反射されて検出光学系へ進む。

検出光学系は、検出し／ズ１０．ナイフエ、ジ１２゜焦
点検出２分割受光素子１４及びトラック検出受光素子（
図示省略）かも成る。焦点検出法はここではナイフェツ
ジ法を適用している。上記光学系において環境温度が標
準温度のときには、オフ図に実線で示す如く、半導体レ
ーザーの発光点２０から出射されたレーザー光束は対物
レンズ６の焦点に焦光し、その位置に光ディスク８があ
る。この場合、偏光ビームスプリンタＢＳ　　で反射さ
れて検出光学系へ向かうレーザー光束は実線で示す如く
平行光である。

しかし、上記標準状態から環境温度が変化するとこの変
化後の発光点２２は変化前の発光点２０からずれるため
カップリングレンズＣＬ　　からの射出光は平行光とな
らず、図示の鎖線の如く収束光ＶＣ７”、ｃる。このた
め、光デイスク８上で最小スポットを得るためには当該
光ディスクを対物レンズ乙の焦点からずらさねばならな
くなる。又、同時に、検出光学系へ進む光束てついても
標準温度時の状態に比べて発散光となるため焦点検出に
誤差を生じてしまうのである。

以上述べた如く、カップリングレンズから射出するレー
ザー光の波面が変化すると、光読取装置や光ビックアン
プ、光プリンターでは、走査面や光ティスフ上でのレー
ザービームのスポット径が変化するところとなり、清報
の読取りや、書き込みに不全を生ずる。また、光通信で
は、波面形状の変化そのものが、伝送されるべき信号の
劣化となる。

従来、このような波面形状の変化を防止する方法として
は、半導体レーザー自体の温度を一定に温度制御すると
ともに、保持部材を、線膨張係数の異なる２以上の材料
で複合的に構成し、温度変化による各材料の変形を相互
に相殺して、半導体レーザー、カップリングレンズ間の
距離が、温度変化に拘らず、実質的に変化しないように
する方法が知られている（％開昭５９−１５２０６号公
報）。

この方法は、半導体レーザーの温度を正確に制御するた
めに複雑な制御手段を必要とする点に問題がある。

（目　　的） 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって
、その目的とするところは、環境温度変化？ζ伴なうレ
ーザー光の波長変化と、この波長変化に伴なうカップリ
ングレンズの屈折率の変化と、半導体レーザーとカップ
リングレンズを結合する連結材の熱変位を利用し、簡易
な手段により半導体レーザーの共役点が標準温度時にお
ける位置からずれないようにした半導体レーザー光源装
置を提供することにある。

（構　成９ 本発明は上記の目的を達成するため、標準状態からの温
度変化に伴う上記連結部材の熱変形による、半導体レー
ザー、カップリングレンズ間の距離の変化が、上記温度
変化に伴う半導体レーザーの発掘波長の変化によるカッ
プリングレンズの焦点距離変化を実質的に相殺するよう
に、カップリングレンズＶＣ軸上色収差を与えたことを
特徴としたものである。

以下、本発明の一実施例に基づいて具体的に説明する。

以下に述べる例では、半導体レーザーＫ　ａ度制御を行
なわず、さらに、半導体レーザーとカップリングレンズ
との連結部材を複合的な構成にして環境温度変化により
熱変位を生じさせないとい５ようなコストアップになる
手法を用いずに、半導体レーザーとカップリングレンズ
との連結部材を実質的に一つの部材として構成し、むし
ろ環境温度の変化に伴なう熱膨張による変位を利用して
これを補償するようにカップリングレンズの細土色収差
を発生させることにより、カップリングレンズより射出
さｎた後のレーザー光束の状態を略−定にするようＣて
している。

ここでカップリングレンズの細土色収差を発生させると
は、環境温度変化に伴なう半導体レーザーの発振波長の
変化により、カップリングレンズの焦点距離を変化させ
ることをいう。

矛３図ｖｃｙいて、符号ＣＬＩは本発明に係るカップリ
ングレンズを示し℃おり、後述する条件により細土色収
差が与えられているものとする。このカップリングレン
ズＣＬ１を用いた場合には、環境温度か標準温度（例え
ば使用名度範囲を口℃〜６０℃としたときの標準温度は
２０℃　である）から変化した場合に半導体レーザーと
連結部材の熱変形により半導体レーザーの発光点も変位
し、Ｓｏ　　からＳｌ　　になる。しかし、カップリン
グレンズＣＬ１の縦の色収差が適当に大きく設定されて
いれば、半導体レーザーの発振波長の変化に伴ない当該
カップリングレンズの焦点距離もＦＯからＦｌ　　に変
位して変位後の発光点Ｓ１　　と略−致するから、環境
温度の変化に拘らず、カップリングレンズより射出後の
レーザー光束の状態は略−定に保たれて本発明の目的は
達成される。

半導体レーザー光源装置の具体例は矛１図に示す通りで
ある。すなわち、半導体レーザーＬＤ　　はホルダー６
０にねじ３２Ｖｃより固定されている。半導体レーザー
ＬＤ　　とホルダー６０との間（（は適宜絶縁部材（例
えばマイラーフィルム）を介在させてもよい。ホルダー
３０は、半導体レーザーＬＤ　　とカップリングレンズ
ＣＬＩの光軸直交方向の位置合せを行なった後、連結部
材３４Ｖｃ対し、ねじ３６によっ℃固定されている。カ
ップリングレンズＣＬ１は凸レンズと凹レンズの組合せ
で構成さねており、セル６８　　で支持された上で、こ
のセル３８を連結部材６４にねじ４０で固定されている
。連結部材６４は半導体レーザーＬＤ　　とカップリン
グレンズＣＬ１との距離の大半を占め、熱変化ＶＣよる
影響は実質的にはこの連ｔｉ部材により生ずるので、ホ
ルダー３０は熱ｉ化Ｖｃ関しては無視することができ、
実質的には連結部材を一つの部材と−ＬＡることかでき
る。

ここで環境温度の変化による半導体レーザーの発光点と
カップリングレンズ間の距離の変化量と、半導体レーザ
ーの発去波長の変化に伴なう、カップリングレンズの軸
上色収差の量とを比較してみろ。但しカップリングレン
ズは本発明にいう軸上色収差が与えられていない従来の
ものを想定する。

まず、環境温圧変化とじ１八Ｔ　＝　３０　ｄｅｇ　　
を想定し、連結部材６４をコストの低いＡｄ　　（線膨
張率α＝２３ｘＩＱ　　朋／　ｄｅｇ　）、カップリン
グレンズの焦点距離ｆ’ｋ１５ｒ＋ｍ　とする。又、半
導体レーザー　ＬＤ　　の発振波長は、０．２〜０．３
　ｎｍ　／　ｄｅｇ　　の温度依存性を有するので、こ
こでは、０．２５　ｎｍ　／ｄｅｇとする。

以上の条件の下では連結部材６４の熱変形量Δｅは、 Δｇ＝α　・　ｆ　・△Ｔ ＝　　２３　　ｘ　　１口　　　ｘ１５ｘ３０＝　　１
０．３５　μｍ となる。

さらにカップリングレンズとして凸レンズと凹レンズか
らなる一群２枚のレンズからなる矢の表ＩＶＣ掲げる設
計データによるものを想定する。

表　　　　　　１ さて、半導体レーザの発振波長はΔＴ　＝　３０　ｄｅ
ｇで７．５ｎｍ　　変化するから標準温度での波長をλ
。

＝　７８０　ｎｍ　　とすれば、環境温度が３Ｄｄｅｇ
ｉ化したことによりλ、”　７８７−５　ｎｍとなるか
ら各温度でのカップリングレンズの焦点距離は、ｆ７ｓ
ｏ”１４．９９９６朋、ｆｙａｙ、５　＝　１５．００
１１朋　となり、従って、焦点距離の変化Δｆは、Δｆ
　＝　１５．０Ｑ１１−１４．９９９６　＝　１．５μ
ｍ　となり、連結部材６４の熱変形Δｇの変形量が太き
し・ことがわかる。

すなわち、連結部材の熱変形に起因するカップレンズの
焦点距離変化を補償するためには、もつと軸上色収差を
大きくすればよい。以下に、その手段を検討する。

２枚レンズの軸上色収差ΔＳは一般に次式（１）で表わ
されろ。

但し、ｆ（１）は凸レンズのｄ線での焦点距離、ｆ（２
）は凹レンズのｄ＠での焦点距離、υ（１）は凸レンズ
のｄ線でのアツベ数、υ（２）は凹レンズのｄ・観での
アツベ数とし、Ｓはレンズから焦点までの距離とする。

すると、ここで１．ｆ（１）＞　Ｏ、ｆ（２＋＜　０な
ので、軸上色収差を大きくするには、υ（１）ヲ小さく
、υ（２）を大きくするとよい。すなわち次式（２）を
満足するようにする。

υ（２≧υ（１）　　　　　　・・・・・・・・・（２
）上式（２）を満足するカップリングレンズの設計デー
タを表２に示す。

表　　　　２ すると、標準温度でのレーザー光束の波長λ０λ１＝　
７Ｆ３７．５　ｎｍ　ＶＣよる焦点距離はｆ’７ｓｖ、
５　＝　１５．０１８Ｑとなるから、２枚レンズの軸長
色収差△Ｓは、ΔＳ　＝Δｆ　＝　１０．４　μｍとな
る。

従って、表１に示した諸元のカップリングレンズでは、
カップリングレンズと半導体レーザーの発光点との間の
距離の温度変化前後での差ΔＰは、３０　ｄｅｇ　　の
温度変化により、ΔＰ　＝　Δ（１−Δｆ　＝：１０．
３５−１．５　＝　８．８５μｍ　であったのが、上ｇ
己表２に示した諸元のカップリングレンズでは、ΔＰ＝
Δｌ　−△ｆ　＝　ｔＯ，３５−１０，４＝　０．０５
　μｍ　　となり、大巾に減少されていることがわかる
。すなわち、表１に示した諸元のカップリングレンズを
部用シた場合には、カップリングレンズ射出後のレーザ
ー光束は環境温度の変化に拘らず略−定に保たれるので
ある。

標準状態からの温度変化に伴なう連結部材の熱変形によ
る、半導体レーザー、カップリングレンズ間の距離の変
化が、上記温度変化に伴う半導体レーザーの発掘波長の
変化によるカップリングレンズの焦点距離変化を実質的
に相殺するようにカップリングレンズに細土色収差を与
えるということは、Δｆ−＝Δｇという条件ではなく、
焦点距離が△ｆだけ変化することに伴なう光学的な状況
と、カップリングレンズと半導体レーザー間の距離が６
ｇだけ変化することに伴なう光学的状況とが互いにほど
よく補正されるようして細土色収差を与えることを意味
する。

そこで、カップリングレンズの軸上色収差ヲトの程度与
えるべきかの目安について検討する。

例えば、光ピツクアップにおいて、環境温度の変化に伴
う半導体レーザーの発光点とカップリングレンズの焦点
間の距離の差へｐ（＝Δｇ−Δｆ）により検出光学系に
て焦点検出の誤差ΔｆＯが生ずるがそれは次式（３）で
与えられる。

但し、上式でｆ。Ｂ、は対物レンズの焦点距離。

ｆＯＬはカップリングレンズの焦点距離とする。

そこで、−般的な光ピツクアンプとして、ｆｃｐ＝　１
５　ｍｍ　、　ｆｏＢｓ　”　”　”　のものが用いら
れ、焦点検出誤差の許容１直Δｆ○　として±０．２μ
ｍが要求されているものとすれば、ΔＰの許容値は次の
ように算出される。

＝４．４μｍ 従って、不例では、連結部材の環境温度変化３０ｄｅｇ
Ｖｃおけるカップリングレンズと半導体レーザー間の距
離変化Δｇ＝和、６５μｍであるから、カップリングレ
ンズの細土色収差へＳ（＝Δｆ）は５．９５μｍ〜１４
７５μｍであればよいことになる。

次に、半導体レーザー光源装置が第１図に示すヌロきレ
ーザープリンター（で使用され℃いる場合であるとして
、△Ｐの許容値を求めてみる。

は、カップリングレンズとしてのコリメーターレンズ１
１２　Ｖｃよって平行レーザー光束となって、スキャナ
ー１１００　　の回転多面鏡１１００Ａに入射し、反射
されてｆθレンズ１１０２　　、平面鏡１１０４．　１
１０６を介して、ベルト状の光導電性感光体上に到り、
ｆθレンズ１１０２０作用で感光体表面にスポット状に
集束する。モーター１１００Ｂで回転多面境１１００Ａ
を回転させると、スポットは、走置ラインＳＬ　　上を
等速で移動して感光体１１０８　　を定食する。画１象
信号で、半導体レーザーを発光、駆動しつつ、均一に帯
電させた感光体１１０８　を回転させれば、感光体１１
０８　　Ｋ、画像信号に応じた静電潜像が形成される。

なお、光走査のドツト密度は１インチあたり４００ドツ
トとする。このとき、スポット径は８０μｍ程度、ビー
ムの深度は２μｍ程度である。

このような光学系で、半導体レーザーと力、プリングレ
ンズとの距離の現反変化＠後における差ΔＰの許容直は
、ｆθレンズ１１０２　　の黒点距離をｆＰ　　とする
と、次式（４）で与えられる。

そこで、ｆｃｂ　＝　１５＋ｍ、　　ｆ、　＝　５００
　　、　　ビーム０９度＝：　２　ｙｒｌｌとすると、 となる。従って、カップリングレンズと半導体レーザー
間の距離変化をΔｇ＝　１０．３５μｍ　として、カッ
プリングレンズの軸上色収差ΔＳ（＝△ｆ）は８．５５
μｍ〜１２．１５μｍであればよいことになる。

−般的には環境温度の変化をΔＴ、連結部材の線膨張率
をα、カップリングレンズの焦点距離なｆｃＬ、ｆθ　
レンズの焦点距離をｆＰ、感光体上のビームの深度ヲΔ
Ｂとすると、カノブりングレンズの環境温度ΔＴＶｃお
ける軸上色収差へＳ（＝Δｆ）は、半導体レーザーの波
長シフトの温度依存性ケβ（ｎｍ　／　ｄ、ｅｇ　）　
　として次式（５）を満足すればよい。

・・　・・・・・・（５） なお、ここでΔＳは波長シフトβΔＴ　（ｎｍ　）の軸
上色収差である。

（効　果） 本発明によれば、半導体レーザーの温度制御を正確に行
なうことや、カップリングレンズと半導体レーザーの連
結部材を異なる材料で複合的ＶＣ構成して連結部材の熱
変形を減少する等のコストアンプになる方法を用いずに
、環境温度の変化ンζ拘らず、半導体レーザーの共役点
のずれを生じさせることがなくなり好都合である。

【図面の簡単な説明】

才１図は本発明に係る半導体レーザー光源装置の要部断
面図、矛２図は半導体レーザー九ｍ、装置を適用したレ
ーザープリンターの概略斜視図、矛３図はカップリング
レンズに軸収差を与えたことによる効果を説明した光路
図１，１−４図は環境温度変化後１／ｃおけるカップリ
ングレンズ射出光の光路図、矛５図は環境温度変化後に
おけるカップリングレンズ射出光の光路図、矛６図は光
ピツクアンプの光学系の光路を説明した図、矛７図は環
境温度が変化したときの光ピツクアップ光学系の光路を
説明した図である。 ＣＬＩ・・・カップリングレンズ、３４・・・ｉＲ部材
、ＬＤ・・・半導体レーザー。 第２図 ／／ρ４ と 第す図 手続補正書 昭和６１年８月１３日 昭和６１年特許願第１５１１１９号 、発明の名称 半導体レーザー光源装置 、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　　　　称　（６７４）株式会社リコー、代　理　人 住　所　東京都世田谷区経営４丁目５番４号明細書の「
特許請求の範囲」、「発明の詳細（１）特許請求の範囲
を別紙のとおり訂正する。 （２）明ｍ書第８頁第１０行中の「変化が」を「変化を
」に改める。 （３）同第８頁第１２行中の「変化を」を「変化が」に
改める。 （４）同第１６頁下から第５行中の に改める。 （５）図面の第６図を別添のものに改める。 別　　　　紙 特許請求の範囲 半導体レーザーと、この半導体レーザーからの発散性の
レーザー光束をカップリングするカップリングレンズと
、これら半導体レーザーとカップリングレンズとを位置
決めして保持する連結部材とを有する半導体レーザー光
源装置において、標準状態からの温度変化に伴う上記連
結部材の熱変形による、半導体レーザー、カップリング
レンズ間の距離の変化ｌ、上記温度変化に伴う半導体レ
ーザーの発振波長の変化によるカップリングレンズの焦
点距離変化−が−実質的に相殺するように、カップリン
グレンズに軸上色収差を与えたことを特徴とする半導体
レーザー光源装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザーと、この半導体レーザーからの発散性の
   レーザー光束をカップリングするカップリングレンズと
   、これら半導体レーザーとカップリングレンズとを位置
   決めして保持する連結部材とを有する半導体レーザー光
   源装置において、標準状態からの温度変化に伴う上記連
   結部材の熱変形による、半導体レーザー、カップリング
   レンズ間の距離の変化が、上記温度変化に伴う半導体レ
   ーザーの発振波長の変化によるカップリングレンズの焦
   点距離変化を実質的に相殺するように、カップリングレ
   ンズに軸上色収差を与えたことを特徴とする半導体レー
   ザー光源装置。