JPWO2005020220A1 - 光源装置及び光ピックアップ装置 - Google Patents
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Abstract
光源１１からの光束を放射角が略等しい光束に変換して射出するためのビーム整形素子を有し、温度変化で発生する批点収差の発生量を前記ビーム整形素子の線膨張により抑制する。
Description
本発明は、ビーム整形素子を備えた光源装置及び光ピックアップ装置に関する。
一般的に光ピックアップ装置には光源としてＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）等の半導体レーザが用いられる。半導体レーザから出射される発散光束は断面形状が楕円形（つまり発光強度分布が楕円状）であるため半導体レーザからの楕円光束を円形光束に変換し、光利用効率を高める必要がある。
光束の断面形状を楕円形から円形に整形するビーム整形素子（ビームシェイパー）として、その光学面がアナモフィック面やシリンドリカル面からなるものが知られている。（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開２００３−１７８４８０号公報
特開２００３−１８８４５２号公報
特開２００２−３２３６７３号公報
近年、光ピックアップ装置においては短波長の光束や大パワーの光束を用いることが多い。そのため、環境温度の変化が光学系を構成する光学素子の性能（屈折率や形状）の変化や半導体レーザからの出射光束の波長変化を招き、非点収差が発生するという問題がある。従って、このような環境温度の変化に伴うレンズ特性の変化を抑制するには、一般にガラス製の光学素子を使用する場合が多く、上記特許文献１及び２に開示されたビーム整形素子もガラス製のものを採用している。一方、特許文献３には、収差変化の小さいプラスチック製のビーム整形素子を用いる事が記載されている。
プラスチックを用いた場合、ガラスと比べて温度変化による性能変化が大きい。特許文献３でもプラスチックの整形素子を用いる事による温度変化により非点収差が発生する問題が記載されており、光源とビーム整形素子の間に設けられたプラスチック製の鏡胴の線膨張により当該非点収差を抑える事が記載されている。
ところが文献３の方法では、非点収差抑制に光源とビーム整形素子の間に設けられる鏡胴の線膨張を利用するため、適切に非点収差を抑制するための鏡胴を構成する材料の選定に配慮を配る必要や鏡胴自体の厚みや長さ等についても設計に制限が多く、全体として製造の自由度が狭くなるという問題がある。従って、せっかくプラスチック製の素子を用いても、低コスト・小型・軽量等のメリットを十分に発揮できない結果となる。
しかも当該文献３のビーム整形素子の場合、入射面、出射面共にトーリック面で構成されているため、面形状が複雑となり、結果として低コストな素子、装置を実現できない。
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、環境温度の変化に伴う非点収差の発生を初めとした種々の収差を効果的に抑えつつ、低コスト・小型・軽量等に優れた断面形状が略円形の発散光束を射出することができるビーム整形素子、光源装置及び光ピックアップ装置を提供することにある。
光束の断面形状を楕円形から円形に整形するビーム整形素子（ビームシェイパー）として、その光学面がアナモフィック面やシリンドリカル面からなるものが知られている。（例えば、特許文献１及び２参照。）。
プラスチックを用いた場合、ガラスと比べて温度変化による性能変化が大きい。特許文献３でもプラスチックの整形素子を用いる事による温度変化により非点収差が発生する問題が記載されており、光源とビーム整形素子の間に設けられたプラスチック製の鏡胴の線膨張により当該非点収差を抑える事が記載されている。
ところが文献３の方法では、非点収差抑制に光源とビーム整形素子の間に設けられる鏡胴の線膨張を利用するため、適切に非点収差を抑制するための鏡胴を構成する材料の選定に配慮を配る必要や鏡胴自体の厚みや長さ等についても設計に制限が多く、全体として製造の自由度が狭くなるという問題がある。従って、せっかくプラスチック製の素子を用いても、低コスト・小型・軽量等のメリットを十分に発揮できない結果となる。
しかも当該文献３のビーム整形素子の場合、入射面、出射面共にトーリック面で構成されているため、面形状が複雑となり、結果として低コストな素子、装置を実現できない。
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、環境温度の変化に伴う非点収差の発生を初めとした種々の収差を効果的に抑えつつ、低コスト・小型・軽量等に優れた断面形状が略円形の発散光束を射出することができるビーム整形素子、光源装置及び光ピックアップ装置を提供することにある。
本発明の目的は、上述の課題を解決するものである。
以上の課題を解決するために本発明は、第１の構成として水平方向と垂直方向とで放射角が異なる光束を出射する光源と、前記光束を放射角が略等しい光束に変換して射出するための、線膨張係数αｎが以下の条件式（１）
５．０×１０−５＜αｎ＜８．０×１０−５ （１）
を満たすプラスチックからなる単玉のビーム整形素子とを有し、
前記ビーム整形素子の一部は前記光源に対して、温度変化により生ずる前記ビーム整形素子の屈折率変化に伴って発生する非点収差を前記ビーム整形素子の線膨張により生ずる前記光源と前記ビーム整形素子の入射面との間隔変化で抑制する様、固定された光源装置である事を特徴とする。
また第２の構成として、ビーム整形素子は出射面を光源に対して光軸方向に実質変化しない様に固定する事を特徴とする。
また第３の構成として、ビーム整形素子は温度変化により発生する非点収差を、前記ビーム整形素子の温度変化による形状変化に伴って発生する非点収差を利用して抑制する様、構成される事を特徴とする。
また第４の構成として、ビーム整形素子出射面を固定する固定部材は、線膨張係数が１．０×１０−５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料からなる事を特徴とする。
また第５の構成として、ビーム整形素子の入射面と出射面のうち、少なくとも一方の光学面の水平方向又は垂直方向の断面形状が非円弧である事を特徴とする。
また第６の構成として、ビーム整形素子入射面の面形状は、以下の数１式又は数２式
以上の課題を解決するために本発明は、第１の構成として水平方向と垂直方向とで放射角が異なる光束を出射する光源と、前記光束を放射角が略等しい光束に変換して射出するための、線膨張係数αｎが以下の条件式（１）
５．０×１０−５＜αｎ＜８．０×１０−５ （１）
を満たすプラスチックからなる単玉のビーム整形素子とを有し、
前記ビーム整形素子の一部は前記光源に対して、温度変化により生ずる前記ビーム整形素子の屈折率変化に伴って発生する非点収差を前記ビーム整形素子の線膨張により生ずる前記光源と前記ビーム整形素子の入射面との間隔変化で抑制する様、固定された光源装置である事を特徴とする。
また第２の構成として、ビーム整形素子は出射面を光源に対して光軸方向に実質変化しない様に固定する事を特徴とする。
また第３の構成として、ビーム整形素子は温度変化により発生する非点収差を、前記ビーム整形素子の温度変化による形状変化に伴って発生する非点収差を利用して抑制する様、構成される事を特徴とする。
また第４の構成として、ビーム整形素子出射面を固定する固定部材は、線膨張係数が１．０×１０−５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料からなる事を特徴とする。
また第５の構成として、ビーム整形素子の入射面と出射面のうち、少なくとも一方の光学面の水平方向又は垂直方向の断面形状が非円弧である事を特徴とする。
また第６の構成として、ビーム整形素子入射面の面形状は、以下の数１式又は数２式
なおここで、Ｚは光軸方向（Ｚ軸方向）の距離（光の進行方向を正とする）、Ｘ、ＹはＸ軸方向（水平方向）、Ｙ軸方向（垂直方向）の距離（光軸からの高さ）、ＲｘはＸＺ面での近軸曲率半径、ＲｙはＹＺ面での近軸曲率半径、ｋｘ、ｋｙ、Ａｘｉ及びＡｙｉは非円弧係数である。
また第７の構成として、ビーム整形素子出射面の面形状は、以下の数３式又は数４式
また第８の構成として、ビーム整形素子出射面の面形状は、以下の数１式又は数２式
なおここで、Ｚは光軸方向（Ｚ軸方向）の距離（光の進行方向を正とする）、Ｘ、ＹはＸ軸方向（水平方向）、Ｙ軸方向（垂直方向）の距離（光軸からの高さ）、ＲｘはＸＺ面での近軸曲率半径、ＲｙはＹＺ面での近軸曲率半径、ｋｘ、ｋｙ、Ａｘｉ及びＡｙｉは非円弧係数である。
また第９の構成として、ビーム整形素子入射面の面形状は、以下の数３式又は数４式
また第１０の構成としては、前述した光源装置と、光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる集光素子とを備え、前記光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行う光ピックアップ装置を提供する事を特徴とする。
また第１１の構成として前述した光ピックアップ装置は、前記ビーム整形素子出射面から出射された光束を変換する光束変換素子を有し、次の関係式
０．５＜（Ｌ／Ｓ）×ｆｃ＜１．０
を満たす様構成される事を特徴とする。
なおここで、Ｌはビーム整形素子の軸上厚（ｍｍ）、Ｓは光源とビーム整形素子入射面との光軸上の距離（ｍｍ）、ｆｃは光束変換素子の焦点距離（ｍｍ）である。
表１（ａ）及び表８（ａ）によれば、上記式の下限は温度変化によって屈折率が変化することによって発生する非点収差を、温度変化によって軸上厚及び光源とビーム整形素子間の間隔が変化することによって非点収差は変化するが変化する非点収差量が小さく、非点収差が残ってしまう。また、上記式の上限は温度変化によって屈折率が変化することによって発生する非点収差を、温度変化によって軸上厚及び光源とビーム整形素子間の間隔が変化することによって非点収差は変化するが変化する非点収差量が過剰であるため、やはり非点収差が残ってしまう。そのため、上記式の範囲にすることで、温度変化時に発生する非点収差を適切に抑えることができる。
また第１２の構成として発散角変換素子は、前記ビーム整形素子から出射された光束を光軸と平行な平行光に変換するカップリングレンズである事を特徴とする。
ここで、線膨張係数αｎは常温域（約−３０℃〜７０℃）における平均線膨張係数を指す。
また、「非点収差を抑制する」とは、非点収差をゼロにするものだけでなく、実質、情報の記録または再生に影響を及ぼさない程度に非点収差が抑制されているものも含むものとする。
また「光軸方向の位置が光源に対して相対的に実質変化しない」とは、環境温度の変動の範囲内では光源との光軸方向の距離がほぼ一定である事を言う。
本発明の構成によれば環境温度の変化に伴う非点収差の発生を、プラスチック製のビーム整形素子自身が線膨張して光源と素子入射面との間隔変化により生ずる非点収差によって抑制するため、ビーム整形素子が取り付けられる部材の材料や寸法等の自由度が広がる。また、ビーム整形素子を固定する固定部材を線膨張係数が１．０×１０−５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料で構成した場合には、光源装置、光ピックアップ装置全体として低コスト・小型・軽量なものを提供できる。
さらに、ビーム整形素子の光学面である入射面又は出射面を数１式又は数２式に規定される面で構成することで、ビーム整形素子の光学面をシリンドリカル面で構成する場合と比較して、温度変化時の非点収差のみならず、残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））の抑制も可能となり、より良好な光学特性を得られる。
さらに、上述した数式で規定される入射面に加えて出射面を数３式又は数４式に規定される面で構成することで、更に良好な光学特性を得られる。
また逆に、数１式又は数２式に規定される面で出射面を構成した場合、更に入射面を数３式又は数４式に規定される面で構成した場合でも、同様に更に良好な光学特性が得られる。
また、ビーム整形素子の入射面と出射面を共に数１式又は数２式に規定される面で構成することで、ビーム整形素子の光学面をシリンドリカル面で構成する場合と比較して、温度変化時の非点収差のみならず、残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））の抑制も可能となり、より良好な光学特性が得られる。
第１図は光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
第２図はビームシェイパーの形状を示す斜視図である。
第３図は設計軸上厚に対する残留収差と温度変化時の非点収差との関係を示すグラフである。
第４図は光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
第５（ａ）図、第５（ｂ）図はビーム整形素子の光ピックアップ装置内での固定例を示す平面図である。
第２図はビームシェイパーの形状を示す斜視図である。
第３図は設計軸上厚に対する残留収差と温度変化時の非点収差との関係を示すグラフである。
第４図は光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
第５（ａ）図、第５（ｂ）図はビーム整形素子の光ピックアップ装置内での固定例を示す平面図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
本実施の形態においては、第１図に示すように、本発明に係るビーム整形素子２０（以下、ビームシェイパーともいう。）を、特定波長のレーザ光（光束）を用いて光情報記録媒体の情報記録面３１に対して情報の記録及び／又は読取を行う光ピックアップ装置１０に適用している。
光ピックアップ装置１０は、レーザ発振器１１（光源）、ビームシェイパー２０、カップリングレンズ１２、ビームスプリッタ１３、ビームエキスパンダー１４（第１ビームエキスパンダー１４ａ及び第２ビームエキスパンダー１４ｂ）、絞り１５、対物レンズ１６（第１対物レンズ１６ａ及び第２対物レンズ１６ｂ）、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１８、光センサ１９等により概略構成されている。
光源１１から出射される光束は、光軸Ｌに対して直交する方向であって、かつ互いに直交するＸＹ方向（水平方向及び垂直方向）へ異なる広がり角を有している。そして、この光束のＸＹ断面はＸ方向を短径、Ｙ方向を長径とする略楕円形状となっている。
以上のように構成された光ピックアップ装置１０の動作について説明する。
光源１１から出射された光束は、ビームシェーパー２０の入射面に入射し、出射面から断面形状が整形されて出射される。この際のビームシェイパー２０による光束に対する作用については後述する。
次に、このビームシェーパー２０から出射された光束はカップリングレンズ１２を通過して発散角が平行光に変換され、ビームスプリッタ１３を経て、ビームエキスパンダー１４により拡径された状態、即ち、ビームエキスパンダー１４への入射時点よりも光束径を大きくされた状態で出射される。そして第１対物レンズ１６ａを通過して絞り１５によって絞られ、第２対物レンズ１６ｂにより光情報記録媒体の保護基板３０を介して情報記録面３１上に集光スポットを形成する。
そして、情報記録面３１で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び第１対物レンズ１６ａ、絞り１５、第２対物レンズ１６ｂ、ビームエキスパンダー１４を通過して、ビームスプリッタ１３で分岐される。そして、シリンドリカルレンズ１７により非点収差が与えられ、凹レンズ１８を経て、光センサ１９上へ入射し、光センサ１９から出力される信号を用いて、光情報記録媒体に記録された情報の読取信号が得られるようになっている。
第１図に示すように、本実施の形態におけるビームシェイパー２０はプラスチック製で単玉の回転非対称レンズである。
ビームシェイパー２０の線膨張係数αｎは５．０×１０−５＜αｎ＜８．０×１０−５の範囲内となっている。
ビームシェイパー２０の入射面２１は、光軸Ｌに対して回転非対称面に形成されている。
第２図は非円弧トロイダル面の形状を表す断面図であり、図中の点線はビームシェイパー２０内を通過する光束の光路を示す。なお、非円弧トロイダル面を表す式（形状関数）については後述する。
ビームシェイパー２０の入射面は、ＹＺ面内における非円形の線分Ｌ１（非円弧）を、この非円弧と直交する平面内にある半径Ｒ＝Ｒ１の円弧Ｌ２の中心点をＹ方向に通過する軸（回転軸Ａ１）で回転させた面で構成されている。
ビームシェイパー２０の出射面２２は、ＸＺ面での曲率半径とＹＺ面での曲率半径とが異なるトロイダル面となっている。
また、第５図はビームシェイパー２０の光ピックアップへの固定方法を表す図であり、第５（ａ）図のようにビームシェイパー２０の出射面２２側は取付部材により光ピックアップ装置１０本体に固定されており、出射面２２の光軸方向の位置が光源１１に対して相対的に実質変化しない構成となっている。また、第５（ｂ）図のようにビームシェイパー２０の出射面２２側を直接的に光ピックアップ装置１０本体に固定されており、出射面２２の光軸方向の位置が光源１１に対して相対的に実質変化しない構成となっている。なお、第５（ａ）図及び第５（ｂ）図ではビームシェイパー２０の出射面２２側を光ピックアップ装置１０本体に固定しているが、ビームシェイパーの入射面２１側を光ピックアップ装置１０本体に固定してもよい。
そして、ビームシェイパー２０はＸＺ断面とＹＺ断面との屈折力の差によって断面が楕円形の入射光束を略円形の光束に変換して出射するようになっている。
さらに、従来より用いられているビームシェイパー２０では、主にＸＺ断面とＹＺ断面とで屈折力が異なることに起因して環境温度の変化時に非点収差が発生する。しかし本発明のビームシェイパー２０を備えた光ピックアップ装置では、ビームシェーパー２０の出射面の光軸方向の位置が光源に対して実質移動しないように固定されており、温度変化によるビームシェーパー２０自身の線膨張により生ずる光源１１から入射面２１までの距離変化が、上記非点収差が発生しても逆にキャンセルする方向に働くため、結果として上記非点収差が抑制される形となっている。勿論、温度変化によりビームシェーパー２０自身の線膨張により形状も変化するため、更に効果的に上記非点収差を抑制できる。
具体的に説明すると、環境温度変化により、ビームシェイパー２０の屈折率が変化し、これによるＸＺ面及びＹＺ面における光束の出射角（出射光束の進行方向と光軸Ｌとが成す角）の変化と、線膨張により入射面２１と出射面２２の形状が変化することで入射面２１及び出射面２２の屈折率が変化することによる出射角の変化と、さらに、上述のようにビームシェイパー２０を出射面位置が変化しないように固定することにより、線膨張により入射面２１の位置が光源１１に対して相対的に変化することによる出射角の変化とを組み合わせることにより、ＸＺ面及びＹＺ面における焦線の向き（方向）を調節し、環境温度変化後においても非点収差の発生を抑えるようになっている。
また、今回の実施形態ではビームシェーパー２０の出射面が光源に対して光軸方向に実質的に変化しない様な固定の形態を示している。しかしながらビームシェーパーの厚みや光ピックアップ装置の仕様によっては入射面側を固定する形態でも良く、様は温度変化によって生ずる非点収差をビームシェーパー２０の線膨張がキャンセルする方向に生ずるよう固定する構成で有ればよい。
なお、ビームシェーパー２０を装置に対して固定する部材は、環境温度の変化によっても実質的に線膨張が生じないような材料、即ち線膨張係数が１．０×１０− ５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料を用いる事ができ、例えばアルミニウムでも良い。
アルミニウムの場合、樹脂と比べて加工性と強度が高く固定させる本体側の部材として適切である。
なお、環境温度の変化により出射光束の波長変動が生じる場合には、この波長変動に起因した出射角変化も考慮してビームシェイパー２０の設計を行うものとする。
以上のように、本発明によれば、環境温度の変化に伴う非点収差の発生を抑えながら断面形状が略円形の発散ビームを射出することができるプラスチック製のビームシェイパー２０及び光ピックアップ装置１０を得られる。
なお、ビームシェイパー２０及び光ピックアップ装置１０の構成は上記実施の形態に示したものに限定されない。例えば、上記実施の形態においては、ビームエキスパンダー１４と対物レンズ１６がそれぞれ２つの光学素子（第１ビームエキスパンダー１４ａ及び第２ビームエキスパンダー１４ｂ、第１対物レンズ１６ａ及び第２対物レンズ１６ｂ）を組み合わせて構成されるものとしたが、これに限らず、それぞれ単玉のレンズ構成としてもよい。また、波長が異なる複数の光束を用いて複数種類の光情報記録媒体に対する情報の記録及び／又は再生が可能な、いわゆる互換性を有する光ピックアップ装置の構成としてもよい。
また、光ピックアップ装置１０を構成する光学素子の光学面に回折構造を設けてもよい。これにより、回折光を用いた環境温度変化時や光束の波長変動（モードホップ）時における波面収差及び／又は非点収差の劣化を補償することができる。また、特定波長の入射光束に対してのみ光路差を付与する波長選択性を持たせることが可能となり、例えば、光源１１から波長が異なる複数種類の光束が出射される場合でも、各光束毎に断面形状を整形することができる。
第３図は、ビームシェイパー２０の入射面と出射面の両面をシリンドリカル面で構成した場合における、設計軸上厚（横軸）の変化に対する、残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））及び温度変化時の非点収差（縦軸）の変化の一例を示すグラフである。
プラスチック製のビームシェイパーの両面をシリンドリカル面で構成することにより、温度変化に対する非点収差を実用上支障が無い程度に抑えることができるが、グラフに示すように、温度変化時の非点収差と残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））とを両立させることができるビームシェイパーを、両面シリンドリカル面で構成することは容易ではない。
そこで、このような温度変化時の非点収差と残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））とを両立させるには、ビームシェイパーの入射面と出射面のうち少なくとも一方をトロイダル面で構成することが好ましい。
なお、本実施の形態においては、ビームシェイパー２０が光源１１からの断面楕円形状の入射光束を円形状に整形するものとしたが、これに限らず、入射の際とは長径及び／又は短径が異なる楕円形状に整形するものとしてもよい。
また、本実施の形態においては、ビームシェイパー２０が光源１１付近に配置されるものとしたが、これに限らず、出射光束の光路中に配置すればよい。
また、上記実施の形態では、光源１１とビームシェイパー２０とを別体の構成としたが、図６のようにビームシェイパー２０を光源１１に近接して配置し、同一の筺体内に格納する構成としてもよく、これにより、環境温度変化時においても非点収差の発生を抑える機能を有した光源装置を得られる。
また、ビームシェイパー２０を光ピックアップ装置１０に適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、レーザービームプリンタや複写機等、光束の断面形状を円形に整形して使用する全ての装置に適用可能である。
本実施の形態においては、第１図に示すように、本発明に係るビーム整形素子２０（以下、ビームシェイパーともいう。）を、特定波長のレーザ光（光束）を用いて光情報記録媒体の情報記録面３１に対して情報の記録及び／又は読取を行う光ピックアップ装置１０に適用している。
光ピックアップ装置１０は、レーザ発振器１１（光源）、ビームシェイパー２０、カップリングレンズ１２、ビームスプリッタ１３、ビームエキスパンダー１４（第１ビームエキスパンダー１４ａ及び第２ビームエキスパンダー１４ｂ）、絞り１５、対物レンズ１６（第１対物レンズ１６ａ及び第２対物レンズ１６ｂ）、シリンドリカルレンズ１７、凹レンズ１８、光センサ１９等により概略構成されている。
光源１１から出射される光束は、光軸Ｌに対して直交する方向であって、かつ互いに直交するＸＹ方向（水平方向及び垂直方向）へ異なる広がり角を有している。そして、この光束のＸＹ断面はＸ方向を短径、Ｙ方向を長径とする略楕円形状となっている。
以上のように構成された光ピックアップ装置１０の動作について説明する。
光源１１から出射された光束は、ビームシェーパー２０の入射面に入射し、出射面から断面形状が整形されて出射される。この際のビームシェイパー２０による光束に対する作用については後述する。
次に、このビームシェーパー２０から出射された光束はカップリングレンズ１２を通過して発散角が平行光に変換され、ビームスプリッタ１３を経て、ビームエキスパンダー１４により拡径された状態、即ち、ビームエキスパンダー１４への入射時点よりも光束径を大きくされた状態で出射される。そして第１対物レンズ１６ａを通過して絞り１５によって絞られ、第２対物レンズ１６ｂにより光情報記録媒体の保護基板３０を介して情報記録面３１上に集光スポットを形成する。
そして、情報記録面３１で情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び第１対物レンズ１６ａ、絞り１５、第２対物レンズ１６ｂ、ビームエキスパンダー１４を通過して、ビームスプリッタ１３で分岐される。そして、シリンドリカルレンズ１７により非点収差が与えられ、凹レンズ１８を経て、光センサ１９上へ入射し、光センサ１９から出力される信号を用いて、光情報記録媒体に記録された情報の読取信号が得られるようになっている。
第１図に示すように、本実施の形態におけるビームシェイパー２０はプラスチック製で単玉の回転非対称レンズである。
ビームシェイパー２０の線膨張係数αｎは５．０×１０−５＜αｎ＜８．０×１０−５の範囲内となっている。
ビームシェイパー２０の入射面２１は、光軸Ｌに対して回転非対称面に形成されている。
第２図は非円弧トロイダル面の形状を表す断面図であり、図中の点線はビームシェイパー２０内を通過する光束の光路を示す。なお、非円弧トロイダル面を表す式（形状関数）については後述する。
ビームシェイパー２０の入射面は、ＹＺ面内における非円形の線分Ｌ１（非円弧）を、この非円弧と直交する平面内にある半径Ｒ＝Ｒ１の円弧Ｌ２の中心点をＹ方向に通過する軸（回転軸Ａ１）で回転させた面で構成されている。
ビームシェイパー２０の出射面２２は、ＸＺ面での曲率半径とＹＺ面での曲率半径とが異なるトロイダル面となっている。
また、第５図はビームシェイパー２０の光ピックアップへの固定方法を表す図であり、第５（ａ）図のようにビームシェイパー２０の出射面２２側は取付部材により光ピックアップ装置１０本体に固定されており、出射面２２の光軸方向の位置が光源１１に対して相対的に実質変化しない構成となっている。また、第５（ｂ）図のようにビームシェイパー２０の出射面２２側を直接的に光ピックアップ装置１０本体に固定されており、出射面２２の光軸方向の位置が光源１１に対して相対的に実質変化しない構成となっている。なお、第５（ａ）図及び第５（ｂ）図ではビームシェイパー２０の出射面２２側を光ピックアップ装置１０本体に固定しているが、ビームシェイパーの入射面２１側を光ピックアップ装置１０本体に固定してもよい。
そして、ビームシェイパー２０はＸＺ断面とＹＺ断面との屈折力の差によって断面が楕円形の入射光束を略円形の光束に変換して出射するようになっている。
さらに、従来より用いられているビームシェイパー２０では、主にＸＺ断面とＹＺ断面とで屈折力が異なることに起因して環境温度の変化時に非点収差が発生する。しかし本発明のビームシェイパー２０を備えた光ピックアップ装置では、ビームシェーパー２０の出射面の光軸方向の位置が光源に対して実質移動しないように固定されており、温度変化によるビームシェーパー２０自身の線膨張により生ずる光源１１から入射面２１までの距離変化が、上記非点収差が発生しても逆にキャンセルする方向に働くため、結果として上記非点収差が抑制される形となっている。勿論、温度変化によりビームシェーパー２０自身の線膨張により形状も変化するため、更に効果的に上記非点収差を抑制できる。
具体的に説明すると、環境温度変化により、ビームシェイパー２０の屈折率が変化し、これによるＸＺ面及びＹＺ面における光束の出射角（出射光束の進行方向と光軸Ｌとが成す角）の変化と、線膨張により入射面２１と出射面２２の形状が変化することで入射面２１及び出射面２２の屈折率が変化することによる出射角の変化と、さらに、上述のようにビームシェイパー２０を出射面位置が変化しないように固定することにより、線膨張により入射面２１の位置が光源１１に対して相対的に変化することによる出射角の変化とを組み合わせることにより、ＸＺ面及びＹＺ面における焦線の向き（方向）を調節し、環境温度変化後においても非点収差の発生を抑えるようになっている。
また、今回の実施形態ではビームシェーパー２０の出射面が光源に対して光軸方向に実質的に変化しない様な固定の形態を示している。しかしながらビームシェーパーの厚みや光ピックアップ装置の仕様によっては入射面側を固定する形態でも良く、様は温度変化によって生ずる非点収差をビームシェーパー２０の線膨張がキャンセルする方向に生ずるよう固定する構成で有ればよい。
なお、ビームシェーパー２０を装置に対して固定する部材は、環境温度の変化によっても実質的に線膨張が生じないような材料、即ち線膨張係数が１．０×１０− ５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料を用いる事ができ、例えばアルミニウムでも良い。
アルミニウムの場合、樹脂と比べて加工性と強度が高く固定させる本体側の部材として適切である。
なお、環境温度の変化により出射光束の波長変動が生じる場合には、この波長変動に起因した出射角変化も考慮してビームシェイパー２０の設計を行うものとする。
以上のように、本発明によれば、環境温度の変化に伴う非点収差の発生を抑えながら断面形状が略円形の発散ビームを射出することができるプラスチック製のビームシェイパー２０及び光ピックアップ装置１０を得られる。
なお、ビームシェイパー２０及び光ピックアップ装置１０の構成は上記実施の形態に示したものに限定されない。例えば、上記実施の形態においては、ビームエキスパンダー１４と対物レンズ１６がそれぞれ２つの光学素子（第１ビームエキスパンダー１４ａ及び第２ビームエキスパンダー１４ｂ、第１対物レンズ１６ａ及び第２対物レンズ１６ｂ）を組み合わせて構成されるものとしたが、これに限らず、それぞれ単玉のレンズ構成としてもよい。また、波長が異なる複数の光束を用いて複数種類の光情報記録媒体に対する情報の記録及び／又は再生が可能な、いわゆる互換性を有する光ピックアップ装置の構成としてもよい。
また、光ピックアップ装置１０を構成する光学素子の光学面に回折構造を設けてもよい。これにより、回折光を用いた環境温度変化時や光束の波長変動（モードホップ）時における波面収差及び／又は非点収差の劣化を補償することができる。また、特定波長の入射光束に対してのみ光路差を付与する波長選択性を持たせることが可能となり、例えば、光源１１から波長が異なる複数種類の光束が出射される場合でも、各光束毎に断面形状を整形することができる。
第３図は、ビームシェイパー２０の入射面と出射面の両面をシリンドリカル面で構成した場合における、設計軸上厚（横軸）の変化に対する、残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））及び温度変化時の非点収差（縦軸）の変化の一例を示すグラフである。
プラスチック製のビームシェイパーの両面をシリンドリカル面で構成することにより、温度変化に対する非点収差を実用上支障が無い程度に抑えることができるが、グラフに示すように、温度変化時の非点収差と残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））とを両立させることができるビームシェイパーを、両面シリンドリカル面で構成することは容易ではない。
そこで、このような温度変化時の非点収差と残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））とを両立させるには、ビームシェイパーの入射面と出射面のうち少なくとも一方をトロイダル面で構成することが好ましい。
なお、本実施の形態においては、ビームシェイパー２０が光源１１からの断面楕円形状の入射光束を円形状に整形するものとしたが、これに限らず、入射の際とは長径及び／又は短径が異なる楕円形状に整形するものとしてもよい。
また、本実施の形態においては、ビームシェイパー２０が光源１１付近に配置されるものとしたが、これに限らず、出射光束の光路中に配置すればよい。
また、上記実施の形態では、光源１１とビームシェイパー２０とを別体の構成としたが、図６のようにビームシェイパー２０を光源１１に近接して配置し、同一の筺体内に格納する構成としてもよく、これにより、環境温度変化時においても非点収差の発生を抑える機能を有した光源装置を得られる。
また、ビームシェイパー２０を光ピックアップ装置１０に適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば、レーザービームプリンタや複写機等、光束の断面形状を円形に整形して使用する全ての装置に適用可能である。
次に、実施例１〜６について説明する。
各実施例における光ピックアップ装置は第１図に示したものと同様の構成となっている。
表１に示すように、実施例１〜３はビームシェイパーの整形倍率ｍを一定にして、Ｓ（光源からビームシェイパーの入射面までの光軸上の距離）とＬ（ビームシェイパーの軸上厚）を変化させたものであり、実施例４〜６はＳを一定にしてｍとＬを変化させたものである。
実施例１〜６における各光ピックアップ装置を構成する光学素子のレンズデータを表２〜７に示す。
ビームシェイパーの入射面は、数１式に表２〜７に示す係数を代入した数式で規定される、非円弧トロイダル面で構成されている。
各実施例における光ピックアップ装置は第１図に示したものと同様の構成となっている。
表１に示すように、実施例１〜３はビームシェイパーの整形倍率ｍを一定にして、Ｓ（光源からビームシェイパーの入射面までの光軸上の距離）とＬ（ビームシェイパーの軸上厚）を変化させたものであり、実施例４〜６はＳを一定にしてｍとＬを変化させたものである。
なお、表２〜７において例えば「−１．３６７２×Ｅ−１」は、「−１．３６７２×１０−１」を意味する。
ビームシェイパーの出射面は、数３式に表２〜７に示す係数を代入した数式で規定されるトロイダル面で構成されている。
また、カップリングレンズの出射面、第１ビームエキスパンダーの入射面及び出射面、第１対物レンズの入射面及び出射面、第２対物レンズの入射面は、それぞれ数５式に表２〜７に示す係数を代入した数式で規定される光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
また、第２ビームエキスパンダーの入射面及び出射面には光軸を中心とした回折輪帯が形成されており、回折輪帯のピッチは数６の光路差関数に、表２〜７に示す係数を代入した数式で規定される。
なお、表２〜７中、「基準波長」とあるのは、いわゆるブレーズ波長を指し、その波長の光束が入射した場合に回折構造により生じるある次数の回折光の回折効率が最大（例えば１００％）となる波長のことである。
表１（ａ）及び（ｂ）のＡＳ３（ｔｏｔａｌ））は、温度を３０℃上昇させた場合における、４つの非点収差（ＡＳ３（Δｎ）、ＡＳ３（Δλ）、ＡＳ３（ΔＬ）、ＡＳ３（ΔＳ））の合計を示すものである。
表１から、本実施例におけるビームシェイパー及び光ピックアップ装置によれば、環境温度が変化した場合でも非点収差の発生を抑えることができることが分かる。
表８（ｂ）は、実施例４〜６の構成において、Ｌ／Ｓとビームシェイパーの整形倍率ｍとの関係を表すグラフである。
表８（ａ）より、光ピックアップ装置及びビームシェイパーを、ＳとＬとの間に比例関係が成立することに着目して設計することにより、温度変化時の非点収差の変化量をほぼゼロに抑えることができることが分かる。
表８（ｂ）より、光ピックアップ装置及びビームシェイパーを、Ｌ／Ｓとｍとの関係に着目することで、温度変化時の非点収差の発生量を抑えることができる。具体的には、ビーム整形倍率を大きくすると、Ｘ方向とＹ方向との屈折力が大きく異なり温度変化時に非点収差の変化量が大きくなる、そこでＬ／Ｓを大きくすることで温度変化時の非点収差の変化量を抑えることができる。
次に、実施例７〜１１について説明する。
各実施例における光ピックアップ装置は第４図に示したものと同様の構成となっており、詳しい説明は省略するが、第１図に示した光ピックアップ装置１０の構成から、ビームエキスパンダー１４を取り除くと共に対物レンズ１６を単玉の構成としている。
実施例７のビームシェイパーは、入射面（第３面）と出射面（第４面）が共にシリンドリカル面で構成されており、入射面の面形状は数３式に表９に示す係数を代入した数式で規定されており、出射面の面形状は数１式に表９に示す係数を代入した数式で規定されている。
なお、実施例７のように、シリンドリカル面が数１式、数３式を用いて規定される場合には、数１式、数３式においてＲｘ＝∞を代入し、シリンドリカル面が数２式、数４式を用いて規定される場合には、数２式、数４式においてＲｙ＝∞を代入することになる。
実施例８のビームシェイパーは入射面が以下の数４式に示すトロイダル面、出射面が以下の数２式に示す非円弧トロイダル面で構成されており、入射面及び出射面の面形状は、各式に表１０に示す係数を代入した数式で規定される。
実施例９のビームシェイパーは、入射面が数４式に示すトロイダル面、出射面が数１式に示す非円弧トロイダル面で構成されており、入射面及び出射面の面形状は、各式に表１１に示す係数を代入した数式で規定される。
実施例１０のビームシェイパーは、入射面が上記数３式に示すトロイダル面、出射面が数２式に示す非円弧トロイダル面で構成されており、入射面及び出射面の面形状は、各式に表１２に示す係数を代入した数式で規定される。
実施例１１のビームシェイパーは、入射面が数３式に示すトロイダル面、出射面が数１式に示す非円弧トロイダル面で構成されており、入射面及び出射面の面形状は、各式に表１３に示す係数を代入した数式で規定される。
また、各実施例において、カップリングレンズの出射面（第８面）、対物レンズの入射面（第１０面）及び出射面（第１１面）は、上記数５式に表９〜１３の係数を代入した数式で規定される光軸Ｌの周りに軸対称な非球面に形成されている。
また、対物レンズの入射面（第１０面）には、更に、光軸を中心とした回折輪帯が形成されており、回折輪帯のピッチは数６の光路差関数に、表９〜１３に示す係数を代入した数式で規定される。
表９〜１３に示すように、実施例７〜１３の構成では、温度特性（３０度上昇時に発生する非点収差量）は、−０．００２λｒｍｓから０．０００λｒｍｓの範囲内であり、温度変化時の非点収差は十分抑えられていることが分かるが、実施例７のように、ビームシェイパーの入射面と出射面を共にシリンドリカル面で構成した場合の四葉収差（４ｔｈＡＳ）の値は０．００９λｒｍｓであるのに対し、実施例８〜１１のように、入射面と出射面を共にトロイダル面で構成した場合の四葉収差（４ｔｈＡＳ）の値は０．００７λｒｍｓ以下となる。
以上より、実施例７のように、プラスチック製のビームシェイパーの両面をシリンドリカル面で構成することにより、温度変化時の非点収差を実用上支障が無い程度に抑えることができるが、実施例８〜１１のように、ビームシェイパーの光学面をトロイダル面で構成することにより、温度変化時の非点収差のみならず、残留収差（４ｔｈＡＳ（四葉収差））の抑制も可能となり、より良好な光学特性を得られることが分かる。
本発明によれば、環境温度の変化に伴う非点収差の発生を抑えながら断面形状が略円形の発散ビームを射出することができるプラスチック製のビーム整形レンズ、光源装置及び光ピックアップ装置を得られる。
Claims (25)
- 水平方向と垂直方向とで放射角が異なる光束を出射する光源と、
前記光束を放射角が略等しい光束に変換して射出するための、線膨張係数αｎが以下の条件式（１）
５．０×１０−５＜αｎ＜８．０×１０−５ （１）
を満たす、プラスチックからなる単玉のビーム整形素子と、を有し、
前記ビーム整形素子の一部を前記光源に対して、温度変化により生ずる前記ビーム整形素子の屈折率変化に伴って発生する非点収差を前記ビーム整形素子の線膨張により生ずる前記光源と前記ビーム整形素子の入射面との間隔変化で抑制する様、固定配置した事を特徴とする光源装置。 - 前記ビーム整形素子は、出射面を光源に対して光軸方向に実質変化しない様に固定した事を特徴とする請求の範囲第１項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子は、温度変化により発生する非点収差を、前記ビーム整形素子の温度変化による形状変化に伴って発生する非点収差を利用して抑制する様、構成される事を特徴とする請求の範囲第２項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面を固定する固定部材は、線膨張係数が１．０×１０−５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料からなる事を特徴とする請求の範囲第３項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子は、入射面と出射面のうち少なくとも一方の光学面の水平方向又は垂直方向の断面形状が非円弧である事を特徴とする請求の範囲第４項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子入射面の面形状は、以下の数１式又は数２式を満足する事を特徴とする請求の範囲第５項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面の面形状は、以下の数３式又は数４式を満足する事を特徴とする請求の範囲第６項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面の面形状が、以下の数１式又は数２式を満足する事を特徴とする請求の範囲第１項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子入射面の面形状が、以下の数３式又は数４式を満足する事を特徴とする請求の範囲第８項記載の光源装置。
- 請求の範囲第７項記載の光源装置と、前記光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる集光素子とを備え、前記光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行うことを特徴とする光ピックアップ装置。
- 前記ビーム整形素子出射面から出射された光束の発散角を変換する発散角変換素子を有し、次の関係式を満たす様構成される事を特徴とする請求の範囲第１０項記載の光ピックアップ装置。
０．５＜（Ｌ／Ｓ）×ｆｃ＜１．０
なお、Ｌ：ビーム整形素子の軸上厚（ｍｍ）
Ｓ：光源とビーム整形素子入射面との光軸上の距離（ｍｍ）
ｆｃ：発散角変換素子の焦点距離（ｍｍ） - 前記発散角変換素子は、前記ビーム整形素子から出射された光束を光軸と平行な平行光に変換するカップリングレンズである事を特徴とする請求の範囲第１１項記載の光ピックアップ装置。
- 請求の範囲第９項記載の光源装置と、前記光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる集光素子とを備え、前記光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行うことを特徴とする光ピックアップ装置。
- 前記ビーム整形素子出射面から出射された光束の発散角を変換する発散角変換素子を有し、次の関係式を満たす様構成される事を特徴とする請求の範囲第１３項記載の光ピックアップ装置。
１．５＜（Ｌ／Ｓ）×ｆｃ＜１．０
なお、Ｌ：ビーム整形素子の軸上厚（ｍｍ）
Ｓ：光源とビーム整形素子入射面との光軸上の距離（ｍｍ）
ｆｃ：発散角変換素子の焦点距離（ｍｍ） - 前記発散角変換素子は、前記ビーム整形素子から出射された光束を光軸と平行な平行光に変換するカップリングレンズである事を特徴とする請求の範囲第１４項記載の光ピックアップ装置。
- 前記整形素子は、温度変化により発生する非点収差を、前記ビーム整形素子の温度変化による形状変化に伴って発生する非点収差を利用して抑制する様、構成される事を特徴とする請求の範囲第１項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面を固定する固定部材は、線膨張係数が１．０×１０−５＜αｎ＜３．０×１０−５を満たす材料からなる事を特徴とする請求の範囲第１項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子は、入射面と出射面のうち少なくとも一方の光学面の水平方向又は垂直方向の断面形状が非円弧である事を特徴とする請求の範囲第１項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子入射面の面形状は、以下の数１式又は数２式を満足する事を特徴とする請求の範囲第１８項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面の面形状は、以下の数３式又は数４式を満足する事を特徴とする請求の範囲第１９項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子出射面の面形状が、以下の数１式又は数２式を満足する事を特徴とする請求の範囲第１８項記載の光源装置。
- 前記ビーム整形素子入射面の面形状が、以下の数３式又は数４式を満足する形状である事を特徴とする請求の範囲第２１項記載の光源装置。
- 請求の範囲第１項記載の光源装置と、前記光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる集光素子とを備え、前記光情報記録媒体に対して情報の再生及び／又は記録を行うことを特徴とする光ピックアップ装置。
- 前記ビーム整形素子出射面から出射された光束の発散角を変換する発散角変換素子を有し、次の関係式を満たす様構成される事を特徴とする請求の範囲第２３項記載の光ピックアップ装置。
３．５＜（Ｌ／Ｓ）×ｆｃ＜１．０
なお、Ｌ：ビーム整形素子の軸上厚（ｍｍ）
Ｓ：光源とビーム整形素子入射面との光軸上の距離（ｍｍ）
ｆｃ：発散角変換素子の焦点距離（ｍｍ） - 前記発散角変換素子は、前記ビーム整形素子から出射された光束を光軸と平行な平行光に変換するカップリングレンズである事を特徴とする請求の範囲第２４項記載の光ピックアップ装置。
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