KR101061324B1

KR101061324B1 - 광원 장치 및 광픽업 장치

Info

Publication number: KR101061324B1
Application number: KR1020057007237A
Authority: KR
Inventors: 가쯔야 사까모또; 준지 하시무라
Original assignee: 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2011-08-31
Also published as: EP1657715B1; EP1657715A4; US7558180B2; WO2005020220A1; JP4635872B2; EP1657715A1; DE602004026739D1; KR20060037231A; JPWO2005020220A1; US20060120251A1

Abstract

광원(11)으로부터의 광속을 방사각이 대략 동일한 광속으로 변환하여 사출하기 위한 빔 정형 소자를 갖고, 온도 변화에 따라 발생하는 비점 수차의 발생량을 상기 빔 정형 소자의 선 팽창에 의해 억제한다.

빔 정형 소자, 정보 기록면, 광픽업 장치, 커플링 렌즈, 빔 분할기, 광원

Description

광원 장치 및 광픽업 장치 {LIGHT SOURCE DEVICE AND OPTICAL PICKUP DEVICE}

본 발명은, 빔 정형 소자를 구비한 광원 장치 및 광픽업 장치에 관한 것이다.

일반적으로 광픽업 장치에는 광원으로서 LD(laser diode) 등의 반도체 레이저가 이용된다. 반도체 레이저로부터 출사되는 발산 광속은 단면 형상이 타원형(즉 발광 강도 분포가 타원형)이기 때문에 반도체 레이저로부터의 타원 광속을 원형 광속으로 변환시켜 광이용 효율을 높일 필요가 있다.

광속의 단면 형상을 타원형으로부터 원형으로 정형하는 빔 정형 소자(빔 쉐이퍼)로서, 그 광학면이 아나모픽면이나 원통형면으로 이루어지는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2003-178480호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2003-188452호 공보

[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 제2002-323673호 공보

최근, 광픽업 장치에 있어서는 단파장의 광속이나 대 파워의 광속을 이용하는 것이 많다. 그로 인해, 환경 온도의 변화가 광학계를 구성하는 광학 소자의 성 능(굴절률이나 형상)의 변화나 반도체 레이저로부터의 출사 광속의 파장 변화를 초래하여 비점 수차가 발생한다는 문제가 있다. 따라서, 이러한 환경 온도의 변화에 수반하는 렌즈 특성의 변화를 억제하기 위해서는, 일반적으로 유리로 된 광학 소자를 사용하는 경우가 많고, 상기 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시된 빔 정형 소자도 유리로 된 것을 채용하고 있다. 한편, 특허 문헌 3에는 수차 변화가 작은 플라스틱으로 된 빔 정형 소자를 이용하는 것이 기재되어 있다.

플라스틱을 이용한 경우, 유리와 비교하여 온도 변화에 의한 성능 변화가 크다. 특허 문헌 3에서도 플라스틱의 정형 소자를 이용한 것에 따른 온도 변화에 따라 비점 수차가 발생하는 문제가 기재되어 있고, 광원과 빔 정형 소자 사이에 설치된 플라스틱으로 된 경동의 선 팽창에 의해 상기 비점 수차를 억제하는 것이 기재되어 있다.

그런데 문헌 3의 방법에서는, 비점 수차 억제에 광원과 빔 정형 소자 사이에 설치되는 경동의 선 팽창을 이용하기 때문에, 적절하게 비점 수차를 억제하기 위한 경동을 구성하는 재료의 선정에 배려한 필요나 경동 자체의 두께나 길이 등에 대해서도 설계에 제한이 많고, 전체적으로 제조의 자유도가 좁아진다는 문제가 있다. 따라서, 모처럼 플라스틱으로 된 소자를 이용해도, 저비용ㆍ소형ㆍ경량 등의 장점을 충분히 발휘할 수 없는 결과가 된다.

게다가 상기 문헌 3의 빔 정형 소자인 경우, 입사면 및 출사면과 함께 트릭면으로 구성되어 있으므로 면 형상이 복잡해지고, 결과적으로 저비용인 소자 및 장치를 실현할 수 없다.

본 발명의 과제는, 상술한 문제를 고려한 것이며, 환경 온도의 변화에 수반하는 비점 수차의 발생을 비롯한 여러 가지의 수차를 효과적으로 억제하면서, 저비용ㆍ소형ㆍ경량 등이 우수한 단면 형상이 대략 원형의 발산 광속을 사출할 수 있는 빔 정형 소자, 광원 장치 및 광픽업 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은, 상술의 과제를 해결하는 것이다.

이상의 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 제1 구성으로서 수평 방향과 수직 방향으로 방사각이 다른 광속을 출사하는 광원과, 상기 광속을 방사각이 대략 동일한 광속으로 변환하여 사출하기 위한, 선 팽창 계수(αn)가 이하의

[조건식 1]

5.0 × 10^-5< αn < 8.0 × 10^-5

을 충족시키는 플라스틱으로 이루어지는 단일 렌즈의 빔 정형 소자를 갖고,

상기 빔 정형 소자의 일부는 상기 광원에 대해, 온도 변화에 따라 생기는 상기 빔 정형 소자의 굴절률 변화에 수반하여 발생하는 비점 수차를 상기 빔 정형 소자의 선 팽창에 의해 생기는 상기 광원과 상기 빔 정형 소자의 입사면 간격 변화에 따라 억제하도록 고정된 광원 장치인 것을 특징으로 한다.

또한 제2 구성으로서, 빔 정형 소자는 출사면을 광원에 대해 광축 방향으로 실질 변화하지 않도록 고정하는 것을 특징으로 한다.

또한 제3 구성으로서, 빔 정형 소자는 온도 변화에 따라 발생하는 비점 수차를, 상기 빔 정형 소자의 온도 변화에 의한 형상 변화에 수반하여 발생하는 비점 수차를 이용하여 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 제4 구성으로서, 빔 정형 소자 출사면을 고정하는 고정 부재는 선 팽창 계수가 1.0 × 10^-5< αn < 3.0 × 10^-5를 충족시키는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 제5 구성으로서, 빔 정형 소자의 입사면과 출사면 중 적어도 한 쪽 광학면의 수평 방향 또는 수직 방향의 단면 형상이 비원호인 것을 특징으로 한다.

또한 제6 구성으로서, 빔 정형 소자 입사면의 면 형상은, 이하의

[수학식 1]

[수학식 2]

를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또 여기서, Z는 광축 방향(Z축 방향)의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X축 방향(수평 방향), Y축 방향(수직 방향)의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x, k_y, A_xi 및 A_yi는 비원호 계수이다.

또한 제7 구성으로서, 빔 정형 소자 출사면의 면 형상은, 이하의

[수학식 3]

[수학식 4]

를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한 제8 구성으로서, 빔 정형 소자 출사면의 면 형상은, 이하의

[수학식 1]

[수학식 2]

를 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한 제9 구성으로서, 빔 정형 소자 입사면의 면 형상은, 이하의

[수학식 3]

[수학식 4]

를 만족하는 형상인 것을 특징으로 한다.

또한 제10 구성으로서는, 전술한 광원 장치와, 광속을 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 집광시키는 집광 소자를 구비하고, 상기 광정보 기록 매체에 대해 정보의 재생 및/또는 기록을 행하는 광픽업 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한 제11 구성으로서 전술한 광픽업 장치는, 상기 빔 정형 소자 출사면으로부터 출사된 광속을 변환하는 광속 변환 소자를 갖고, 다음 관계식

0.5 < (L/S) × fc < 1.0

을 충족시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또 여기서, L은 빔 정형 소자의 축상 두께(㎜), S는 광원과 빔 정형 소자 입사면과의 광축 상의 거리(㎜), fc는 광속 변환 소자의 초점 거리(㎜)이다.

표 1의 (a) 및 표 8의 (a)에 따르면, 상기 수학식의 하한은 온도 변화에 따라 굴절률이 변화됨으로써 발생하는 비점 수차를, 온도 변화에 따라 축상 두께 및 광원과 빔 정형 소자 사이의 간격이 변화됨으로써 비점 수차는 변화하지만 변화되는 비점 수차량이 작아 비점 수차가 남아 버린다. 또한, 상기 수학식의 상한은 온도 변화에 따라 굴절률이 변화됨으로써 발생하는 비점 수차를, 온도 변화에 따라 축상 두께 및 광원과 빔 정형 소자 사이의 간격이 변화됨으로써 비점 수차는 변화하지만 변화되는 비점 수차량이 지나치기 때문에, 역시 비점 수차가 남아 버린다. 그로 인해, 상기 수학식의 범위로 함으로써 온도 변화시에 발생하는 비점 수차를 적절하게 억제할 수 있다.

또한 제12 구성으로서 발산각 변환 소자는, 상기 빔 정형 소자로부터 출사된 광속을 광축과 평행한 평행광으로 변환하는 커플링 렌즈인 것을 특징으로 한다.

여기서, 선 팽창 계수(αn)는 상온역(약 -30 ℃ 내지 70 ℃)에 있어서의 평균 선 팽창 계수를 가리킨다.

또한,「비점 수차를 억제함」이라 함은, 비점 수차를 제로로 하는 것뿐만 아니라, 실질적으로 정보의 기록 또는 재생에 영향을 미치게 하지 않는 정도로 비점 수차가 억제되어 있는 것도 포함하는 것으로 한다.

또한「광축 방향의 위치가 광원에 대해 상대적으로 실질 변화하지 않음」이라 함은, 환경 온도 변동의 범위 내에서는 광원과의 광축 방향의 거리가 거의 일정한 것을 말한다.

본 발명의 구성에 따르면 환경 온도의 변화에 수반하는 비점 수차의 발생을, 플라스틱으로 된 빔 정형 소자 자신이 선 팽창하여 광원과 소자 입사면과의 간격 변화에 따라 생기는 비점 수차에 의해 억제하기 때문에, 빔 정형 소자가 부착되는 부재의 재료나 치수 등의 자유도가 넓어진다. 또한, 빔 정형 소자를 고정하는 고정 부재를 선 팽창 계수가 1.0 × 10^-5< αn < 3.0 × 10^-5를 만족하는 재료로 구성한 경우에는, 광원 장치 및 광픽업 장치 전체적으로 저비용ㆍ소형ㆍ경량인 것을 제공할 수 있다.

또한, 빔 정형 소자의 광학면인 입사면 또는 출사면을 수학식 1 또는 수학식 2에 규정되는 면으로 구성함으로써, 빔 정형 소자의 광학면을 원통형면으로 구성하는 경우와 비교하여, 온도 변화시의 비점 수차뿐만 아니라, 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)]의 억제도 가능해지고, 보다 양호한 광학 특성을 얻을 수 있다.

또한, 상술한 수학식에 규정되는 입사면에다가 출사면을 수학식 3 또는 수학식 4에 규정되는 면으로 구성함으로써, 더 양호한 광학 특성을 얻을 수 있다.

또 반대로, 수학식 1 또는 수학식 2에 규정되는 면으로 출사면을 구성한 경우, 또한 입사면을 수학식 3 또는 수학식 4에 규정되는 면으로 구성한 경우라도, 마찬가지로 더 양호한 광학 특성을 얻을 수 있다.

또한, 빔 정형 소자의 입사면과 출사면을 함께 수학식 1 또는 수학식 2에 규정되는 면으로 구성함으로써, 빔 정형 소자의 광학면을 원통형면으로 구성하는 경우와 비교하여, 온도 변화시의 비점 수차뿐만 아니라, 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)]의 억제도 가능해지고, 보다 양호한 광학 특성을 얻을 수 있다.

도1은 광픽업 장치의 구성을 도시하는 평면도이다.

도2는 빔 쉐이퍼의 형상을 도시하는 사시도이다.

도3은 설계 축상 두께에 대한 잔류 수차와 온도 변화시의 비점 수차와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도4는 광픽업 장치의 구성을 도시하는 평면도이다.

도5a, 도5b는 빔 정형 소자의 광픽업 장치 내에서의 고정예를 도시하는 평면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해 상세하 게 설명한다.

본 실시 형태에 있어서는, 도1에 도시한 바와 같이 본 발명에 관한 빔 정형 소자(20)(이하, 빔 쉐이퍼라 함)를, 특정 파장의 레이저광(광속)을 이용하여 광정보 기록 매체의 정보 기록면(31)에 대해 정보의 기록 및/또는 판독을 행하는 광픽업 장치(10)에 적용하고 있다.

광픽업 장치(10)는 레이저 발진기(11)(광원), 빔 쉐이퍼(20), 커플링 렌즈(12), 빔 분할기(13), 빔 확장기(14)[제1 빔 확장기(14a) 및 제2 빔 확장기(14b)], 조리개(15), 대물 렌즈(16)[제1 대물 렌즈(16a) 및 제2 대물 렌즈(16b)], 원통형 렌즈(17), 오목 렌즈(18), 광센서(19) 등에 의해 개략 구성되어 있다.

광원(11)으로부터 출사되는 광속은, 광축(L)에 대해 직교하는 방향이며, 또한 서로 직교하는 XY 방향(수평 방향 및 수직 방향)으로 다른 확장각을 갖고 있다. 그리고, 이 광속의 XY 단면은 X 방향을 짧은 직경, Y 방향을 긴 직경으로 하는 대략 타원 형상으로 되어 있다.

이상과 같이 구성된 광픽업 장치(10)의 동작에 대해 설명한다.

광원(11)으로부터 출사된 광속은 빔 쉐이퍼(20)의 입사면에 입사하고, 출사면으로부터 단면 형상이 정형되어 출사된다. 이 때 빔 쉐이퍼(20)에 의한 광속에 대한 작용에 대해서는 후술한다.

다음에, 이 빔 쉐이퍼(20)로부터 출사된 광속은 커플링 렌즈(12)를 통과하여 발산각이 평행광으로 변환되고, 빔 분할기(13)를 지나서 빔 확장기(14)에 의해 직경 확장된 상태, 즉 빔 확장기(14)로의 입사 시점보다도 광속 직경을 크게 한 상태 에서 출사된다. 그리고 제1 대물 렌즈(16a)를 통과하여 조리개(15)에 의해 교축되고, 제2 대물 렌즈(16b)에 의해 광정보 기록 매체의 보호 기판(30)을 통해 정보 기록면(31) 상에 집광 스폿을 형성한다.

그리고, 정보 기록면(31)에서 정보 피트에 의해 변조되어 반사한 광속은, 다시 제1 대물 렌즈(16a), 조리개(15), 제2 대물 렌즈(16b), 빔 확장기(14)를 통과하여 빔 분할기(13)로 분기된다. 그리고, 원통형 렌즈(17)에 의해 비점 수차가 부여되고, 오목 렌즈(18)를 지나서 광센서(19) 상으로 입사하고, 광센서(19)로부터 출력되는 신호를 이용하여 광정보 기록 매체에 기록된 정보의 판독 신호가 얻어지게 되어 있다.

도1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 빔 쉐이퍼(20)는 플라스틱으로 된 단일 렌즈의 회전 비대칭 렌즈이다.

빔 쉐이퍼(20)의 선 팽창 계수(αn)는 5.0 × 10^-5< αn < 8.0 × 10^-5의 범위 내로 되어 있다.

빔 쉐이퍼(20)의 입사면(21)은 광축(L)에 대해 회전 비대칭면으로 형성되어 있다.

도2는 비원호 토로이달면의 형상을 나타내는 단면도이며, 도면 중 점선은 빔 쉐이퍼(20) 내를 통과하는 광속의 광로를 도시한다. 또, 비원호 토로이달면을 나타내는 수학식(형상 함수)에 대해서는 후술한다.

빔 쉐이퍼(20)의 입사면은, YZ면 내에 있어서의 비원형의 선분(L1)(비원호) 을, 이 비원호와 직교하는 평면 내에 있는 반경(R = R1)의 원호(L2)의 중심점을 Y 방향으로 통과하는 축(회전축 A1)으로 회전시킨 면으로 구성되어 있다.

빔 쉐이퍼(20)의 출사면(22)은, XZ면에 있어서의 곡률 반경과 YZ면에서의 곡률 반경이 다른 토로이달면으로 되어 있다.

또한, 도5는 빔 쉐이퍼(20)의 광픽업으로의 고정 방법을 도시하는 도면이며, 도5a와 같이 빔 쉐이퍼(20)의 출사면(22)측은 부착 부재에 의해 광픽업 장치(10) 본체에 고정되어 있고, 출사면(22)의 광축 방향의 위치가 광원(11)에 대해 상대적으로 실질 변화하지 않는 구성으로 되어 있다. 또한, 도5b와 같이 빔 쉐이퍼(20)의 출사면(22)측을 직접적으로 광픽업 장치(10) 본체에 고정되어 있고, 출사면(22)의 광축 방향의 위치가 광원(11)에 대해 상대적으로 실질 변화하지 않는 구성으로 되어 있다. 또, 도5a 및 도5b 빔 쉐이퍼(20)의 출사면(22)측을 광픽업 장치(10) 본체에 고정하고 있지만, 빔 쉐이퍼의 입사면(21)측을 광픽업 장치(10) 본체에 고정해도 좋다.

그리고, 빔 쉐이퍼(20)는 XZ 단면과 YZ 단면과의 굴절력의 차에 의해 단면이 타원형의 입사 광속을 대략 원형의 광속으로 변환하여 출사하도록 되어 있다.

또한, 종래부터 이용되고 있는 빔 쉐이퍼(20)에서는, 주로 XZ 단면과 YZ 단면으로 굴절력이 다른 데 기인하여 환경 온도의 변화시에 비점 수차가 발생한다. 그러나 본 발명의 빔 쉐이퍼(20)를 구비한 광픽업 장치에서는, 빔 쉐이퍼(20)의 출사면의 광축 방향의 위치가 광원에 대해 실질 이동하지 않도록 고정되어 있고, 온도 변화에 의한 빔 쉐이퍼(20) 자신의 선 팽창에 의해 생기는 광원(11)으로부터 입 사면(21)까지의 거리 변화가, 상기 비점 수차가 발생해도 반대로 캔슬하는 방향으로 작동하기 때문에, 결과적으로 상기 비점 수차가 억제되는 모양으로 되어 있다. 물론, 온도 변화에 따라 빔 쉐이퍼(20) 자신의 선 팽창에 의해 형상도 변화하기 때문에, 더 효과적으로 상기 비점 수차를 억제할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 환경 온도 변화에 따라, 빔 쉐이퍼(20)의 굴절률이 변화하고, 이에 의한 XZ면 및 YZ면에 있어서의 광속의 출사각[출사 광속의 진행 방향과 광축(L)이 이루는 각]의 변화와, 선 팽창에 의해 입사면(21)과 출사면(22)의 형상이 변화됨으로써 입사면(21) 및 출사면(22)의 굴절률이 변화됨에 따른 출사각의 변화와, 또한 상술한 바와 같이 빔 쉐이퍼(20)를 출사면 위치가 변화되지 않도록 고정함으로써, 선 팽창에 의해 입사면(21)의 위치가 광원(11)에 대해 상대적으로 변화됨에 따른 출사각의 변화를 조합함으로써, XZ면 및 YZ면에 있어서의 초점 선의 방향을 조절하고, 환경 온도 변화 후에 있어서도 비점 수차의 발생을 억제하게 되어 있다.

또한, 금회의 실시 형태에서는 빔 쉐이퍼(20)의 출사면이 광원에 대해 광축 방향으로 실질적으로 변화되지 않는 고정 형태를 나타내고 있다. 그러나 빔 쉐이퍼의 두께나 광픽업 장치의 사양에 따라서는 입사면측을 고정하는 형태라도 좋고, 모양은 온도 변화에 따라 생기는 비점 수차를 빔 쉐이퍼(20)의 선 팽창이 캔슬하는 방향에 생기도록 고정하는 구성이 있으면 좋다.

또, 빔 쉐이퍼(20)를 장치에 대해 고정하는 부재는, 환경 온도의 변화에 따 라서도 실질적으로 선 팽창이 발생하지 않는 재료, 즉 선 팽창 계수가 1.0 × 10^-5 < αn < 3.0 × 10^-5를 충족시키는 재료를 이용할 수 있고, 예를 들어 알루미늄이라도 좋다.

알루미늄인 경우, 수지와 비교하여 가공성과 강도가 높게 고정시키는 본체측의 부재로서 적절하다.

또, 환경 온도의 변화에 따라 출사 광속의 파장 변동이 생기는 경우에는, 이 파장 변동에 기인한 출사각 변화도 고려하여 빔 쉐이퍼(20)의 설계를 행하는 것으로 한다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 환경 온도의 변화에 수반하는 비점 수차의 발생을 억제하면서 단면 형상이 대략 원형의 발산 빔을 사출할 수 있는 플라스틱으로 된 빔 쉐이퍼(20) 및 광픽업 장치(10)를 얻을 수 있다.

또, 빔 쉐이퍼(20) 및 광픽업 장치(10)의 구성은 상기 실시 형태에 도시한 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는 빔 확장기(14)와 대물 렌즈(16)가 각각 2개의 광학 소자[제1 빔 확장기(14a) 및 제2 빔 확장기(114b), 제1 대물 렌즈(16a) 및 제2 대물 렌즈(16b)]를 조합시켜 구성되는 것으로 하였지만, 이에 한정되지 않으며, 각각 단일 렌즈의 렌즈 구성으로 해도 좋다. 또한, 파장이 다른 복수의 광속을 이용하여 복수 종류의 광정보 기록 매체에 대한 정보의 기록 및/또는 재생이 가능한, 소위 호환성을 갖는 광픽업 장치의 구성으로 해도 좋다.

또한, 광픽업 장치(10)를 구성하는 광학 소자의 광학면에 회절 구조를 설치해도 좋다. 이에 의해, 회절광을 이용한 환경 온도 변화시나 광속의 파장 변동(모드 호프)시에 있어서의 파면 수차 및/또는 비점 수차의 열화를 보상할 수 있다. 또, 특정 파장의 입사 광속에 대해서만 광로차를 부여하는 파장 선택성을 갖게 하는 것이 가능해지고, 예를 들어 광원(11)으로부터 파장이 다른 복수 종류의 광속이 출사되는 경우라도, 각 광속마다 단면 형상을 정형할 수 있다.

도3은, 빔 쉐이퍼(20)의 입사면과 출사면의 양면을 원통형면으로 구성한 경우에 있어서의, 설계 축상 두께(횡축)의 변화에 대한 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)] 및 온도 변화시의 비점 수차(종축)의 변화의 일예를 나타내는 그래프이다.

이렇게 플라스틱으로 된 빔 쉐이퍼의 양면을 원통형면으로 구성함으로써, 온도 변화에 대한 비점 수차를 실용상 지장이 없는 정도로 억제할 수 있지만, 그래프에 나타낸 바와 같이 온도 변화시의 비점 수차와 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)]를 양립시킬 수 있는 빔 쉐이퍼를 양면 원통형면으로 구성하는 것은 용이하지 않다.

그래서, 이러한 온도 변화시의 비점 수차와 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)]를 양립시키기 위해서는, 빔 쉐이퍼의 입사면과 출사면 중 적어도 한 쪽을 토로이달면으로 구성하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시 형태에 있어서는 빔 쉐이퍼(20)가 광원(11)으로부터의 단면 타원 형상의 입사 광속을 원 형상으로 정형하는 것으로 하였지만, 이에 한정되지 않으며, 입사할 때와는 긴 직경 및/또는 짧은 직경이 다른 타원 형상으로 정형하는 것으로 해도 좋다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 빔 쉐이퍼(20)가 광원(11) 부근에 배치되는 것으로 하였지만, 이에 한정되지 않으며, 출사 광속의 광로 중에 배치하면 좋다.

또한, 상기 실시 형태에서는 광원(11)과 빔 쉐이퍼(20)를 별도의 부재의 구성으로 하였지만, 도6과 같이 빔 쉐이퍼(20)를 광원(11)에 근접하여 배치하고, 동일한 하우징 내에 저장하는 구성으로 해도 좋고, 이에 의해 환경 온도 변화시에 있어서도 비점 수차의 발생을 억제하는 기능을 구비한 광원 장치를 얻을 수 있다.

또한, 빔 쉐이퍼(20)를 광픽업 장치(10)에 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 레이저 빔 프린터나 복사기 등, 광속의 단면 형상을 원형으로 정형하여 사용하는 모든 장치에 적용 가능하다.

[실시예]

다음에, 제1 내지 제6 실시예에 대해 설명한다.

각 실시예에 있어서의 광픽업 장치는 도1에 도시한 것과 마찬가지의 구성으로 되어 있다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예는 빔 쉐이퍼의 정형 배율(m)을 일정하게 하여, S(광원으로부터 빔 쉐이퍼의 입사면까지의 광축 상의 거리)와 L(빔 쉐이퍼의 축상 두께)을 변화시킨 것이며, 제4 내지 제6 실시예는 S를 일정하게 하여 m과 L을 변화시킨 것이다.

[표 1]

<실시예의 특성>

제1 내지 제6 실시예에 있어서의 각 광픽업 장치를 구성하는 광학 소자의 렌즈 데이터를 표 2 내지 표 7에 나타낸다.

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-3]

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 3-3]

[표 4-1]

[표 4-2]

[표 4-3]

[표 5-1]

[표 5-2]

[표 5-3]

[표 6-1]

[표 6-2]

[표 6-3]

[표 7-1]

[표 7-2]

[표 7-3]

빔 쉐이퍼의 입사면은, 수학식 1에 표 2 내지 표 7에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정되는 비원호 토로이달면으로 구성되어 있다.

[수학식 1]

여기서, Z는 광축(L) 방향의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X, Y 방향의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_y 및 A_yi는 비원호 계수이다.

또, 표 2 내지 표 7에 있어서 예를 들어「-1.3672 × E-1」은,「-1.3672 × 10^-1」을 의미한다.

빔 쉐이퍼의 출사면은, 수학식 3에 표 2 내지 표 7에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정되는 토로이달면으로 구성되어 있다.

[수학식 3]

또한, 커플링 렌즈(커플링 광학 소자)의 입사면 및 제2 대물 렌즈의 출사면은, 각각 광축을 중심으로 한 곡률 반경(R)의 구면으로 형성되어 있다.

또한, 커플링 렌즈의 출사면, 제1 빔 확장기의 입사면 및 출사면, 제1 대물 렌즈의 입사면 및 출사면, 제2 대물 렌즈의 입사면은, 각각 수학식 5에 표 2 내지 표 7에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정되는 광축(L)의 주위에 축 대칭인 비구면으로 형성되어 있다.

[수학식 5]

여기서, κ는 원뿔 계수, A_2i는 비구면 계수, h는 광축으로부터의 거리이다.

또한, 제2 빔 확장기의 입사면 및 출사면에는 광축을 중심으로 한 회절 링이 형성되어 있고, 회절 링의 피치는 수학식 6의 광로차 함수에, 표 2 내지 표 7에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

[수학식 6]

여기서, C_2i는 광로차 함수의 계수이다.

또, 표 2 내지 표 7 중,「기준 파장」인 것은, 이른바 블레이즈 파장을 가리키고, 그 파장의 광속이 입사한 경우에 회절 구조에 의해 생기는 어느 차수의 회절광의 회절 효율이 최대(예를 들어 100 %)가 되는 파장인 것이다.

표 1의 (a) 및 표 1의 (b)의 AS3(total)은, 온도를 30 ℃ 상승시킨 경우에 있어서의, 4개의 비점 수차[AS3(△n), AS3(△λ), AS3(△L), AS3(△S)]의 합계를 나타내는 것이다.

표 1로부터, 본 실시예에 있어서의 빔 쉐이퍼 및 광픽업 장치에 따르면, 환 경 온도가 변화된 경우라도 비점 수차의 발생을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

[표 8]

표 8의 (a)는, 제1 내지 제3 실시예의 구성에 있어서, S = 1, 1.5, 2.0으로 변화시킨 경우의 환경 온도 변화시의 비점 수차 AS3의 변화량과 L과의 관계를 나타내는 그래프이다.

표 8의 (b)는, 제4 내지 제6 실시예의 구성에 있어서, L/S와 빔 쉐이퍼의 정 형 배율(m)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

표 8의 (a)로부터, 광픽업 장치 및 빔 쉐이퍼를 S와 L 사이에 비례 관계가 성립되는 데 착안하여 설계함으로써, 온도 변화시 비점 수차의 변화량을 거의 제로로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

표 8의 (b)로부터, 광픽업 장치 및 빔 쉐이퍼를 L/S와 m과의 관계에 착안함으로써, 온도 변화시 비점 수차의 발생량을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 빔 정형 배율을 크게 하면, X 방향과 Y 방향과의 굴절력이 크게 다르고 온도 변화시에 비점 수차의 변화량이 커져 L/S를 크게 함으로써 온도 변화시 비점 수차의 변화량을 억제할 수 있다.

다음에, 제7 내지 제11 실시예에 대해 설명한다.

각 실시예에 있어서의 광픽업 장치는 도4에 도시한 것과 마찬가지의 구성으로 되어 있고, 상세한 설명은 생략하지만, 도1에 도시한 광픽업 장치(10)의 구성으로부터 빔 확장기(14)를 제거하는 동시에 대물 렌즈(16)를 단일 렌즈의 구성으로 하고 있다.

제7 실시예의 빔 쉐이퍼는, 입사면(제3면)과 출사면(제4면)이 함께 원통형면으로 구성되어 있고, 입사면의 면 형상은 수학식 3에 표 9에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정되어 있고, 출사면의 면 형상은 수학식 1에 표 9에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정되어 있다.

또, 제7 실시예와 같이, 원통형면이 수학식 1, 수학식 3을 이용하여 규정되 는 경우에는 수학식 1, 수학식 3에 있어서 R_x = ∞를 대입하고, 원통형면이 수학식 2, 수학식 4를 이용하여 규정되는 경우에는 수학식 2, 수학식 4에 있어서 R_y= ∞를 대입하게 된다.

제8 실시예의 빔 쉐이퍼는 입사면이 이하의 수학식 4에 나타낸 토로이달면 및 출사면이 이하의 수학식 2에 나타낸 비원호 토로이달면으로 구성되어 있고, 입사면 및 출사면의 면 형상은, 각 수학식에 표 10에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

제9 실시예의 빔 쉐이퍼는, 입사면이 수학식 4에 나타낸 토로이달면 및 출사면이 수학식 1에 나타낸 비원호 토로이달면으로 구성되어 있고, 입사면 및 출사면의 면 형상은, 각 수학식에 표 11에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

제10 실시예의 빔 쉐이퍼는, 입사면이 상기 수학식 3에 나타낸 토로이달면 및 출사면이 수학식 2에 나타낸 비원호 토로이달면으로 구성되어 있고, 입사면 및 출사면의 면 형상은, 각 수학식에 표 12에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

제11 실시예의 빔 쉐이퍼는, 입사면이 수학식 3에 나타낸 토로이달면 및 출사면이 수학식 1에 나타낸 비원호 토로이달면으로 구성되어 있고, 입사면 및 출사면의 면 형상은, 각 수학식에 표 13에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

[표 9-1]

[표 9-2]

[표 10-1]

[표 10-2]

[표 11-1]

[표 11-2]

[표 12-1]

[표 12-2]

[표 13-1]

[표 13-2]

[수학식 2]

[수학식 4]

여기서, Z는 광축(L) 방향의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 한다), X, Y는 X, Y 방향의 거리(광축에서의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x 및 A_xi는 비원호 계수이다.

또한, 각 실시예에 있어서, 커플링 렌즈의 출사면(제8면), 대물 렌즈의 입사면(제10면) 및 출사면(제11면)은, 상기 수학식 5에 표 9 내지 표 13의 계수를 대입한 수학식에 규정되는 광축(L)의 주위에 축 대칭인 비구면으로 형성되어 있다.

또한, 대물 렌즈의 입사면(제10면)에는, 광축을 중심으로 한 회절 링이 형성되어 있고, 회절 링의 피치는 수학식 6의 광로차 함수에 표 9 내지 표 13에 나타낸 계수를 대입한 수학식에 규정된다.

표 9 내지 표 13에 나타낸 바와 같이, 제7 실시예 내지 제13 실시예의 구성에서는 온도 특성(30도 상승시에 발생하는 비점 수차량)은, -0.002 λrms로부터 0.000 λrms의 범위 내이며, 온도 변화시 비점 수차는 충분히 억제되어 있는 것을 알 수 있지만, 제7 실시예와 같이 빔 쉐이퍼의 입사면과 출사면을 함께 원통형면으로 구성한 경우의 4엽 수차(4thAS)의 값은 0.009 λrms인 데 반해, 제8 실시예 내지 제11 실시예와 같이 입사면과 출사면을 함께 토로이달면으로 구성한 경우의 4엽 수차(4thAS)의 값은 0.007 λrms 이하가 된다.

이상으로, 제7 실시예와 같이 플라스틱으로 된 빔 쉐이퍼의 양면을 원통형면으로 구성함으로써, 온도 변화시 비점 수차를 실용상 지장이 없는 정도로 억제할 수 있지만, 제8 내지 제11 실시예와 같이 빔 쉐이퍼의 광학면을 토로이달면으로 구성함으로써, 온도 변화시 비점 수차뿐만 아니라, 잔류 수차[4thAS(4엽 수차)]의 억제도 가능해져, 보다 양호한 광학 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 환경 온도의 변화에 수반하는 비점 수차의 발생을 억제하면서 단면 형상이 대략 원형의 발산 빔을 사출할 수 있는 플라스틱으로 된 빔 정형 렌즈, 광원 장치 및 광픽업 장치를 얻을 수 있다.

Claims

수평 방향과 수직 방향으로 방사각이 다른 광속을 출사하는 광원과,

상기 광속을 방사각이 동일한 광속으로 변환하여 사출하기 위한 선 팽창 계수(αn)가 이하의 조건식 1

[조건식 1]

5.0 × 10^-5< αn < 8.0 × 10^-5

을 충족시키는 플라스틱으로 이루어지는 단일 렌즈의 빔 정형 소자를 갖고,

상기 빔 정형 소자의 일부를 상기 광원에 대해, 온도 변화에 따라 생기는 상기 빔 정형 소자의 굴절률 변화에 수반하여 발생하는 비점 수차를 상기 빔 정형 소자의 선 팽창에 의해 생기는 상기 광원과 상기 빔 정형 소자의 입사면과의 간격 변화에 의해 억제하도록 고정 배치한 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 빔 정형 소자는 출사면을 광원에 대해 광축 방향으로 실질 변화하지 않도록 고정한 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제2항에 있어서, 상기 빔 정형 소자는, 온도 변화에 따라 발생하는 비점 수차를, 상기 빔 정형 소자의 온도 변화에 의한 형상 변화에 수반하여 발생하는 비점 수차를 이용하여 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제3항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면을 고정하는 고정 부재는 선 팽창 계수가 1.0 × 10^-5 < αn < 3.0 × 10^-5를 충족시키는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제4항에 있어서, 상기 빔 정형 소자는 입사면과 출사면 중 적어도 한 쪽 광학면의 수평 방향 또는 수직 방향의 단면 형상이 비원호인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제5항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 입사면의 면 형상은, 이하의 수학식 1 또는 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 1]

[수학식 2]

또, Z는 광축 방향(Z축 방향)의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X축 방향(수평 방향), Y축 방향(수직 방향)의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x, k_y, A_xi 및 A_yi는 비원호 계수이다.
제6항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면의 면 형상은, 이하의 수학식 3 또는 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 3]

[수학식 4]
제1항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면의 면 형상이, 이하의 수학식 1 또는 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 1]

[수학식 2]

또, Z는 광축 방향(Z축 방향)의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X축 방향(수평 방향), Y축 방향(수직 방향)의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x, k_y, A_xi및 A_yi는 비원호 계수이다.
제8항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 입사면의 면 형상이, 이하의 수학식 3 또는 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 3]

[수학식 4]
제7항에 기재된 광원 장치와, 상기 광속을 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 집광시키는 집광 소자를 구비하고, 상기 광정보 기록 매체에 대해 정보의 재생 및/또는 기록을 행하는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
제10항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면으로부터 출사된 광속의 발산각을 변환하는 발산각 변환 소자를 갖고, 다음 관계식을 충족시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.

0.5 < (L/S) × fc < 1.0

또, L : 빔 정형 소자의 축상 두께(㎜)

S : 광원과 빔 정형 소자 입사면과의 광축 상의 거리(㎜)

fc : 발산각 변환 소자의 초점 거리(㎜)
제11항에 있어서, 상기 발산각 변환 소자는, 상기 빔 정형 소자로부터 출사된 광속을 광축과 평행한 평행광으로 변환하는 커플링 렌즈인 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
제9항에 기재된 광원 장치와, 상기 광속을 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 집광시키는 집광 소자를 구비하고, 상기 광정보 기록 매체에 대해 정보의 재생 및/또는 기록을 행하는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
제13항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면으로부터 출사된 광속의 발산각을 변환하는 발산각 변환 소자를 갖고, 다음 관계식을 충족시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.

1.5 < (L/S) × fc < 1.0

또, L : 빔 정형 소자의 축상 두께(㎜)

S : 광원과 빔 정형 소자 입사면과의 광축 상의 거리(㎜)

fc : 발산각 변환 소자의 초점 거리(㎜)
제14항에 있어서, 상기 발산각 변환 소자는, 상기 빔 정형 소자로부터 출사된 광속을 광축과 평행한 평행광으로 변환하는 커플링 렌즈인 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
제1항에 있어서, 상기 정형 소자는 온도 변화에 따라 발생하는 비점 수차를, 상기 빔 정형 소자의 온도 변화에 의한 형상 변화에 수반하여 발생하는 비점 수차를 이용하여 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면을 고정하는 고정 부재는 선 팽창 계수가 1.0 × 10^-5< αn < 3.0 × 10^-5를 충족시키는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 빔 정형 소자는 입사면과 출사면 중 적어도 한 쪽 광학면의 수평 방향 또는 수직 방향의 단면 형상이 비원호인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제18항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 입사면의 면 형상은, 이하의 수학식 1 또는 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 1]

[수학식 2]

또, Z는 광축 방향(Z축 방향)의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X축 방향(수평 방향), Y축 방향(수직 방향)의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x, k_y, A_xi 및 A_yi는 비원호 계수이다.
제19항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면의 면 형상은, 이하의 수학식 3 또는 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 3]

[수학식 4]
제18항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면의 면 형상이, 이하의 수학식 1 또는 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 1]

[수학식 2]

또, Z는 광축 방향(Z축 방향)의 거리(빛의 진행 방향을 플러스로 함), X, Y는 X축 방향(수평 방향), Y축 방향(수직 방향)의 거리(광축으로부터의 높이), R_x는 XZ면에서의 근축 곡률 반경, R_y는 YZ면에서의 근축 곡률 반경, k_x, k_y, A_xi 및 A_yi는 비원호 계수이다.
제21항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 입사면의 면 형상이, 이하의 수학식 3 또는 수학식 4를 만족하는 형상인 것을 특징으로 하는 광원 장치.

[수학식 3]

[수학식 4]
제1항에 기재된 광원 장치와, 상기 광속을 광정보 기록 매체의 정보 기록면 상에 집광시키는 집광 소자를 구비하고, 상기 광정보 기록 매체에 대해 정보의 재생 및/또는 기록을 행하는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.
제23항에 있어서, 상기 빔 정형 소자 출사면으로부터 출사된 광속의 발산각을 변환하는 발산각 변환 소자를 갖고, 다음 관계식을 충족시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.

3.5 < (L/S) × fc < 1.0

또, L : 빔 정형 소자의 축상 두께(㎜)

S : 광원과 빔 정형 소자 입사면과의 광축 상의 거리(㎜)

fc : 발산각 변환 소자의 초점 거리(㎜)
제24항에 있어서, 상기 발산각 변환 소자는, 상기 빔 정형 소자로부터 출사된 광속을 광축과 평행한 평행광으로 변환하는 커플링 렌즈인 것을 특징으로 하는 광픽업 장치.