JPS6377003A - グレ−テイングレンズ光学系 - 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】 〔概　　　要〕 本発明は、発散球面波光を２つのインライン型グレーテ
ィングレンズを用いて１点に集束させるグレーティング
レンズ光学系であって、上記２つのインライン型グレー
ティングレンズに所定の周波数分布を持たせて、両レン
ズ間の空間で光軸に関して対称な２光線を交差させ、こ
れを１点に集東させるようにしたことにより、入射光の
波長変動に対しても、収差のない良好なビームスポット
と、ずれのない安定した焦点位置とを得ることができる
ようにし、従ってグレーティングレンズの幅広い実用化
を可能にしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、グレーティングレンズを組み合わせて集束機
能を持たせたグレーティングレンズ光学系に関する。

昨今、コヒーレント光源からの発散球面波光を１点に集
束させる機能を必要とする光学系、例えば光デイスク装
置の光ヘッド等においては、（ｉ）装置の小型化、＜ｉ
ｉ）アクセス時間の短縮化、（ｉｉｉ　）低価格化等を
実現するために、従来の光学素子と比較して薄型、計量
、小型かつ量産性に富むグレーティングレンズの使用が
検討されている。

〔従　来　技　術〕

従来のインライン型グレーティングレンズを第８図に示
す。このレンズは、同図（ａｌに示すように、例えばあ
る特定の波長λ０の平行光束のみを１点に集束させる機
能を有している。そのため、上記λ０よりも長い波長λ
　（〉λ０）の光に対しては、同図（ｂｌに示すように
収差が発生し、良好な集束性能が得られなくなる。また
、λ０よりも短かい波長に対しても、同様に収差が発生
する。

このような現象は、光を回折により曲げるレンズにおい
て共通で、例えば第９図に示す体債型ホログラムレンズ
（同図（ａ））　、表面レリーフ型グレーティングレン
ズ（同図（ｂ））、ブレーズ化グレーティングレンズ（
同図（Ｃ））のいずれにおいてもあてはまる。また、第
１０図に示すようなオフアクシス型グレーティングレン
ズの場合は、同図（ａ）に示すように波長がλ０のとき
に無収差であっても、波長が変化すると同図［ｂ）に示
すように、収差が発生するばかりでな（、焦点が光軸か
らずれてしまう。

このようにグレーティングレンズは、使用波長が所定の
値（λ０）からずれると、収差が発生して集束性能が劣
化するとともに、レンズの種類によっては焦点位置もず
れてしまうという性質を持っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

光ディスク装置の光ヘッドにおいては、コヒーレント光
源として半導体レーザを用いている。半導体レーザには
、一般に単一モードレーザと多モードレーザとがあり、
その発振波長の様子をそれぞれ第１１図ｆａｎ、　ｆｂ
）に示した。従来の一般的な光へノドでは、通常の光学
レンズを用いているため、レーザ光の波長変化によって
は光ディスクに対する読取り、書込み等にＺコするよう
なビームスポット変化は生じない。よって、上記単一モ
ードレーザと多モードレーザのいずれも使用可能である
。

これに対して、光ヘッドに従来のグレーティングレンズ
を用いようとした場合は、上述したように波長変化によ
る影響が大きいので、単一モードの半導体レーザしか使
用できない。

ところが、単一モードの半導体レーザであっても、その
発振波長が温度に応じて変化するという特性を持ってい
る。第１２図に、単一モード半導体レーザにおける発振
波長とケース温度との関係（ただし、レーザ出力は一定
条件下）を示す。同図に明らかなように、（ａｌ波長が
温度変化とともに徐々に連続して変化する、（ｂ）ある
温度ｔ１で不連続的に波長が変化する（以下、モードホ
ップと称する）　、（Ｃ１ある温度ｔ２においては２つ
以上の波長が存在する、といった現象が存在する。

従って、グレーティングレンズを用いた光ヘッドにおい
ては、たとえ単一モードの半導体レーザを光源として使
用した場合であっても、その温度が変化した時には、上
記の現象により波長も変化するため、グレーティングレ
ンズによる集光スポット品質が劣化し、しかも焦点位置
も変化してしまう場合もある。これらのことは、光デイ
スク媒体上におけるスポフトのビーム径拡大、トラック
ずれの発生、フォーカスずれの発生等につながる。

特に、第１２図に示したモードホップによって波長が変
化した場合は、その変化が不連続的であるため、現状の
サーボ機構では全く追従できないという問題がある。

そのため、外部に温度調整機構を設けて半導体レーザの
温度を適切値に維持しようとする試みもあるが、光ディ
スクに対する書込み時と読取り時とでは半導体レーザの
駆動電流が異なるので、ジャンクション部の温度が急激
に変化してしまい、よって外部の温度調整機構では精度
よく制御することはできない。

そこで、半導体レーザの波長変化に対する対応策として
、波長が変化しても光デイスク上のスポットが変化しな
いようなグレーティングレンズ光学系が提案された（特
開昭５９−１６０１６６　）。その構、　　　　　　成
を第１３図に示す。この光学系は、２枚のオフアクシス
型グレーティングレンズ１．２をその先軸を互いにずら
して配置した構成であり、光を上記グレーティングレン
ズ１．２でジグザグに回折させて、光の波長変化による
それぞれの回折角変動を互いに相殺しようとしたもので
ある。しかし、このような構成においても、グレーティ
ングレンズに特有の収差と焦点位置ずれ（第１０図参照
）による応響が現れ、光ヘッドに要求される補償量　、
（トランクずれ±０．０２μｍ１フォーカスずれ±０．
２μｍ）を実現することが出来ない。なお、２枚のグレ
ーティングレンズ１．２間の距離りをほぼゼロとするこ
とにより、トラックずれを？ｉｌｉ償することは出来る
ようになるが、フォーカスずれを±０．２μｍに押える
ことが出来ない（例えば作動距！ｉ！ｔｔ１．８１ｍの
場合、波長がｌｎｍ変化すると、６μｍのフォーカスず
れが生じる）。これらのことから、上記グレーティング
レンズ光学系を光ヘッドの光学系として実用化すること
は不可能である。

本発明は、上記問題点に鑑み、入射光の波長変動に対し
ても、収差の生じない良好なビームスポットと、所定点
からずれることのない安定した焦点位πとを得ることが
出来、従って光デイスク装置の光ヘッドを初めとする各
種分野への応用を可能にするグレーティングレンズ光学
系を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のグレーティングレンズ光学系は、コヒーレント
光源から発せられた発散球面波光が入射する第１のイン
ライン型グレーティングレンズと、これを透過した回折
光を所定の１点に集束させる第２のインライン型グレー
ティングレンズとを同一光軸上に配置したものであって
、第１．第２のインライン型グレーティングレンズはい
ずれも光軸に関して回転対称な所定の空間周波数分布を
有し、第１のインライン型グレーティングレンズが光軸
に関して対称な任意の２点からの回折光を光軸上で交差
させ、第２のインライン型グレーティングレンズがこの
交差した回折光を上述した所定の１点に集束させるよう
にしたものである。

〔作　　　用〕

上記構成において、第１のインライン型グレーティング
レンズの任意の１点に同一方向から入射した、互いに異
なる波長λ０．λ　（λ０〈λ）の２つの光の進路を考
えてみる。まず、第１のインライン型グレーティングレ
ンズによって、波長λの光は波長λ０の光よりも大きな
角度で回折されるとともに、これらの回折光はいずれも
光軸と交わった後に、第２のインライン型グレーティン
グレンズ上に到達する。これらの光の到達点は、光軸を
中心とした同−半径上にあって、しがもその光軸からの
距離は波長λの光の方が波長λ０の光よりも遠い。次に
、これらの光は上記第２のインライン型グレーティング
レンズによって回折されるが、この時、波長λの光が波
長λ０の光よりも大きな角度で回折されるので、２つの
光の間隔は次第に狭まっていき、最終的には１点で交わ
る。

よって、２つのインライン型グレーティングレンズに所
定の空間周波数分布を持たせておくことにより、上記２
つの光の交わる点を上記光軸上の所定の１点に置くこと
ができる。

以上のことは第１のイン子・イン型グレーティングレン
ズのどの点に入射した光についても言うことが出来、し
かも上記空間周波数分布は光軸に関して回転対称としで
あるので、入射した発散球面波光はその波長が変化した
としても、光軸上の上記所定の１点に集束され、従って
収差や焦点位置ずれが生じることはなくなる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図である。本実
施例は、第１．第２のインライン型のグレーティングレ
ンズ１１．１２を同一光軸（一点鎖線）上に配置した構
成であり、光軸上の点Ｐ（コヒーレント光源）から発散
する球面波を第１のグレーティングレンズ１１で光軸側
に回折させ、光軸と一旦交差させた後に、第２のグレー
ティングレンズ１２によって光軸上の所定の点Ｑに集束
させるようにしたものである。

上記第１のグレーティングレンズ１１は、光軸に関して
回転対称の所定の空間周波数分布を有しており、光軸に
関して対称な任意の２点からの回折光が光軸上で交差す
るようにしである。また、上記第２のグレーティングレ
ンズ１２は、光軸に関して回転対称の所定の空間周波数
分布を有しており、上記交差した回折光が光軸上の１点
（点Ｑ）に集束するようにしである。

次に、上記グレーティングレンズ１１．１２の空間周波
数分布の具体的な決定方法について、第２図を用いて以
下（ｉ）〜（ｉｖ　）で述べる。なお、点Ｐとグレーテ
ィングレンズ１１との距離をＩ！＋、２つのグレーティ
ングレンズ１１．１２間の距離をｄ、グレーティングレ
ンズ１２と点Ｑとの距離を１２とする。

（ｉ）まず、点Ｐを発してグレーティングレンズ１゛１
の最外周の点Ｒ１に達する、波長λ０の光線を考える。

この光線は、点Ｒ１で回折され、グレーティングレンズ
１２の中心の点ｒＩ　（−０）に達し、ここで更に回折
されて点Ｑに達するものとする（第２図中の実線ａ）。

すると、上述した光路（Ｐ　＝Ｒ＋　−ｒ　＋　＝Ｑ）
を仮定することにより、点Ｒ＋、ｒ＋における空間周波
数ＦＩ、ｆ１が決定される。

（ｉｉ）次に、波長がλ０からλ　（〉λ０）に変った
場合について考える。点Ｐから点Ｒ１へと進んだ波長λ
の光線は、点Ｒ１において、波長がλ０のときよりも大
きな角度で回折され、グレーティングレンズ１２上の点
ｒ２に達する（破線ｂ）。

ここで、波長がλであるときでも点Ｑに集束するという
条ｆｌ−から、点ｒ２における空間周波数ｆ２が決定さ
れる。

（ｉｉｉ　）波長がλ０の場合に戻り、点ｒ２で回折さ
れて点Ｑに達する光線がグレーティングレンズ１１上の
どこの点から来るのかを逆に求めることが出来る（実線
Ｃ）。そのグレーティングレンズ１１上の点をＲ２とす
ると、点Ｒ２での回折光が点Ｐに達するという条件から
、点Ｒ２における空間周波数Ｆ２が決定される。

（ｉｖ）再び波長がλになった場合を考え、上記（ｉｉ
）と同様にしてグレーティングレンズ１２上の点ｒ３　
（不図示）とその空間周波数ｆ３を求める。そして波長
をλ０に戻し、上記（ｉｉｉ　）と同様にしてグレーテ
ィングレンズ１１上の点Ｒ３（不図示）とその空間周波
数Ｆ３を求める。このようにして点Ｒｎ　（ｎ＝１．２
，３．　　・・ｉがグレーティングレンズ１１の中心に
達するまで上記（ｉｉ　）及び（ｉｉｉ　）の過程を繰
り返すことにより、グレーティングレンズ１１．１２に
おける半径方向の空間周波数分布が決定される。なお、
第２のグレーティングレンズ１２の径は、点ｒ。の位置
で決定される。

以上のようにしてグレーティングレンズ１１゜１２の空
間周波数分布を決定することにより、点Ｐから発した光
が、基準となる波長λ０とは異なる波長λであっても、
これを無収差で点Ｑに集束させることが出来る。

第３図に、以上のようにして決定されたグレーティング
レンズ１１．．１２の具体的な空間周波数分布を示す。

これは、Ｒ＋　＝　８ｍｍ、　　ｄ　＝１０ｍ（１２＝
　３．４　　＊ｍ、　　　λ　ａ　　＝　８３０ｎｍ　
　、　　　λ　−８３０，３ｎｍ　　と　した場合にお
ける、グレーティングレンズ１１，１２０半径方向に沿
ったそれぞれの空間周波数Ｆ。

ｆの計算結果である。なお、波長差λ−λ０＝０、３ｎ
ｍは、半導体レーザの１モ一ド分に相当する。

ここで、λｏ−８３０ｒ＋ｍを固定し、λを種々の値に
変えて空間周波数分布を計算すると、λ＝λ０土＼　　
　　　　５　ｎｍの場合においても結果は第３図とほぼ
完全に一致することがわかった。このことがら、λ０＝
８３０　ｎｍ及びλ＝　８３０．３ｎｍに対して空間周
波数分布を決定すれば、λ＝８３０±５ｎＩ１１の光に
対しても無収差となり、しかも焦点位置ずれがなくなる
。また、ｄの値をもっと短（すれば、更に大きな波長の
光に対しても同様な効果が得られる。例えばｄ＝５１鳳
とすると、λ＝８３０±７ｎｍの光に対して無収差とな
る。

次に、上述したような空間周波数分布を持つグレーティ
ングレンズ１１．１２の特徴を、第４図〜第６図を用い
てより明確にする。

まず第４図に示すように、グレーティングレンズ１１．
１２の回折機能を、それらの開側と球面波側とに分割し
て考える。するとグレーティングレンズ１１．１２は、
光軸方向に進む平面波によって、それぞれ等測的に２つ
のグレーティングレンズｌｌａ、ｌｌｂ；１２ａ、１２
ｂに分割することが出来る。それとともに、空間周波数
においてもＦ、　　ｆがそれぞれＦａ　、Ｆｂ；　ｆ□
　、　　ｆｂに分割され、Ｆ　＝　Ｆｏ　＋　Ｆｌ）　
、　　ｆ　−ｆ６　　＋　ｆｂなる関係が成りたつ。こ
こで、グレーティングレンズ１１ａ、１２ａは、平面波
を１点に集束させるインライン型のグレーティングレン
ズであって、第８図に示した従来のものと同等である。

これに対しもう一方の側のグレーティングレンズ１１ｂ
。

１２ｂでは、その空間周波数Ｆｌ、、、ｆｂが、第５図
に示すようにレンズ中心とレンズ外周との間の領域に極
大値（ＭＡＸ）を持つ特殊な分布を有している。

これらのことから、グレーティングレンズ１１゜１２の
特徴は第６図に示すように説明できる。すなわち、平面
波を集束させるインライン型のグレーティングレンズｌ
ｌａ、１２ａの空間周波数分布に、レンズ中心とレンズ
外周との間で極大値を持つ軸対称の空間周波数分布（グ
レーティングレンズｌｌｂ、１２ｂの空間周波数分布）
を補償要素として加え合せたものが、それぞれグレーテ
ィングレンズ１１．１２の空間周波数分布であると言え
る。

そこで、本実施例のグレーティングレンズ光学系の波長
変動補償効果を確認するために、第２図においてｊ２＋
＝８ｍ鳳、ｊ２２＝３．４ｉｉ鳳、ｄ＝５．１０゜２０
ｍとし、半導体レーザ光の波長を８３０ｎｍからずらし
たときに発生する収差を波面収差のＲＭ　Ｓ値で表わし
てみた。その結果を第７図に示す。なお、グレーティン
グレンズ１１．１２は、波長８３０ｎｍと８３０．３ｎ
ｍの波長に対して無収差となるように、それら空間周波
数分布を決定した。

第７図において、実用上無収差とみて差し支えない基準
としてＭａｒｅｃｈａｌ’ｓ　　Ｃｒ１ｔｅｒｉｏｎ　
　（ＲＭＳ波長収差＜０．０７λ）を考えると、許容波
長変動範囲が得られる。ｄ＝５＋＋ｎとした場合は少な
くとも８３０±７　ｎｍ、　ｄ　＝　１０ｍでは８３０
±６　ｎｍ、　ｄ　＝２０　ｖ＊では８３０±４ｎｍの
波長変動に対してビームスポ。

ト品質を維持できることを示している。なお、焦点位置
ずれは無い。

これらの結果から、本実施例によれば、半導体レーザの
温度変化に伴う波長変化、モードホ・ノブ、更には多モ
ードレーザに対しても、良好なビームスポット及び安定
な焦点位置を得ることが出来、よってグレーティングレ
ンズの例えば光ヘッド等への実用化を現実のものとする
ことが出来る。また、半導体レーザの出力光強度がガウ
ス分布を有する場合、従来の光学レンズ系では集束され
た光もガウス分布を持つのに対し、本実施例で集束され
た光は非常に均一性の良い光強度分布を持つため、微小
スポットを得るにあたって有利であると言うことができ
る。

本発明に係るグレーティングレンズの作成方法としては
、電子ビーム描画法によるものが最も誼実であり、空間
周波数の計算値をデータとして入力すれば、所望のグレ
ーティングレンズが作成できる。この場合、グレーティ
ングのブレーズ化を行うことにより、グレーティングレ
ンズの効率を−Ｎ高めることが出来る。また、所望の波
面を光学素子で作り出すことにより、ホログラフィンク
に作成することも可能である。この場合は、２つのレン
ズ間の距離ｄを小さくとって空間周波数帯域を高くする
ことにより、レンズの効率を高めることが出来る。

なお、本発明のグレーティングレンズ光学系は、光デイ
スク装置の光ヘッドにのみ適用されるものではなく、コ
ヒーレント光源からの発散球面波光を１点に集束させる
機能を必要とする各種の光学系に通用され得るものであ
る。

〔発明の効果〕

本発明のグレーティング光学系によれば、収差の生じな
い良好なビームスポットと、所定点からずれることのな
い安定した焦点位置とを得ることができ、従って、光デ
イスク装置の光ヘッドを初めとする各種分野への実用化
が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は同実
施例に係るグレーティングレンズ１１．１２の空間周波
数の決定方法を示す図、第３図は第２図に示した方法で
ｉすられたグレーティングレンズ１１．１２の半径方向
の空間周波数分布の一例を示す図、 第４図は上記実施例における空間周波数分布特性の説明
図、 第５図は第４図に示したグレーティングレンズ１１ｂ、
１２ｂの空間周波数分布の一例を示す図、第６図は第４
図に示したグレーティングレンズ１１．１２の空間周波
数分布の特徴を示す図、第７図は上記実施例におけるＲ
ＭＳ波面収差と半導体レーザ波長との関係を示す図、 第８図（ａｌ及び（ｂ）は従来のインライン型グレーテ
ィングレンズの機能及びその欠点を示す図、第９図（ａ
ｌ〜（Ｃ）は従来の各種のグレーティングレンズを示す
概略構成図、 第１０図（ａ）及び＜ｂ）は従来のオフアクシス型グレ
ーティングレンズの機能及びその欠点を示す図、第１１
図（ａｌ、　（ｂ）はそれぞれ単一モード半導体レーザ
と多モード半導体レーザの発振波長の様子を示す図、 第１２図は単一モード半導体レーザにおける発振波長の
温度依存性を示す図、 第１３図は従来のグレーティングレンズ光学系を示す構
成図である。 １１・・・第１のインライン型のグレーティングレンズ
、 １２・・・第２のインライン型のグレーティングレンズ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）コヒーレント光源から発せられた発散球面波光が入
   射する第１のインライン型グレーティングレンズ（１１
   ）と、 該第１のインライン型グレーティングレンズを透過した
   回折光を所定の１点に集束させる第２のインライン型グ
   レーティングレンズ（１２）とを同一光軸上に備えたグ
   レーティングレンズ光学系であって、 前記第１のインライン型グレーティングレンズは、前記
   光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布を有し、
   前記光軸に関して対称な任意の２点からの回折光を前記
   光軸上で交差させて前記第２のインライン型グレーティ
   ングレンズに入射させることと、 前記第２のインライン型グレーティングレンズは、前記
   光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布を有し、
   前記交差した回折光を前記所定の１点に集束させること
   とを特徴とするグレーティングレンズ光学系。 ２）前記第１、第２のインライン型グレーティングレン
   ズの空間周波数分布はいずれも、平面波を集束させるイ
   ンライン型グレーティングレンズの空間周波数分布に、
   レンズ中心とレンズ外周との間で極大値を持つ軸対称の
   空間周波数分布を加え合わせた分布であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のグレーティングレンズ
   光学系。