JPH056263B2 - - Google Patents
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- JPH056263B2 JPH056263B2 JP59149442A JP14944284A JPH056263B2 JP H056263 B2 JPH056263 B2 JP H056263B2 JP 59149442 A JP59149442 A JP 59149442A JP 14944284 A JP14944284 A JP 14944284A JP H056263 B2 JPH056263 B2 JP H056263B2
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- G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は光学装置、特に半導体レーザのビーム
整形用光学装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical device, particularly to an optical device for beam shaping of a semiconductor laser.
近年、ガスレーザに代わつて、半導体レーザ素
子を光源に用いた光情報処理装置の開発が盛んに
なつてきた。光デイスクはその一例である。光デ
イスクとは半導体レーザ素子を用いて円盤(デイ
スク)に記録されている情報信号を再生したり、
又はデイスクに情報を高密度に記録するものであ
る。すなわち、半導体レーザを用いてデイスク上
に情報信号を記録したり再生するためには、半導
体レーザ素子から出た光ビームを光学系を構成す
る結合レンズ及び対物レンズを用いてデイスク上
に直径1μm程度の微少な光スポツトとして形成
しなければならない。
In recent years, development of optical information processing devices that use semiconductor laser elements as light sources in place of gas lasers has become active. Optical disks are one example. An optical disk uses a semiconductor laser element to reproduce information signals recorded on a disk.
Alternatively, information is recorded on a disk at high density. In other words, in order to record or reproduce information signals on a disk using a semiconductor laser, a light beam emitted from a semiconductor laser element is directed onto a disk with a diameter of about 1 μm using a coupling lens and an objective lens that constitute an optical system. It must be formed as a minute light spot.
一般に、半導体レーザ素子は、その発光領域の
縦・横比が異なるため、ビームの拡がり角が非等
方的である。この半導体レーザビームの拡がり角
は、半導体レーザ素子の構造によつて異なつてい
る。即ち、第1図に示す如く半導体レーザ素子か
らのビームの遠視野像における出射光分布の水平
方向及び垂直方向のe-2での角度をそれぞれθ,
θ⊥とすると、例えば
csp型半導体レーザでは
θ=8゜、θ⊥=24゜及びθ⊥/θ=3
…(1)
となる。またBH型半導体レーザでは、
θ=16゜、θ⊥=32゜及びθ⊥/θ=2
…(2)
であり、BH型レーザではビーム拡がり角の比は
2、csp型では3になつている。なお、第1図の
横軸は広がり角、その縦軸は光強度である。第2
図は上述した半導体レーザ素子のビーム拡がり角
が等方的でない場合に、デイスク上に直径1μm
φ程度の等方的スポツトを形成するための従来の
光情報処理装置の一例を示している。また、半導
体レーザには、半導体の接合面に垂直方向と、水
平方向で発散ビームのの発散原点が異なるという
特徴(非点隔差)があり、このため、半導体レー
ザを光源に用いて像を形成すると、像がぼけると
いう問題がある。この非点隔差量(ビーム垂直方
向と水平方向の発散原点の光軸方向の距離)は、
同種類の半導体レーザであつても個体ごとに異な
る。 In general, a semiconductor laser device has an anisotropic beam spread angle because its light emitting region has a different aspect ratio. The divergence angle of this semiconductor laser beam differs depending on the structure of the semiconductor laser element. That is, as shown in FIG. 1, the angles at e -2 in the horizontal and vertical directions of the output light distribution in the far-field image of the beam from the semiconductor laser device are θ, respectively.
For example, in a CSP type semiconductor laser, θ⊥=8°, θ⊥=24°, and θ⊥/θ=3 (1). In addition, in the BH type semiconductor laser, θ = 16°, θ⊥ = 32°, and θ⊥/θ = 2 (2), and the beam divergence angle ratio is 2 in the BH type laser and 3 in the CSP type. There is. Note that the horizontal axis in FIG. 1 is the spread angle, and the vertical axis is the light intensity. Second
The figure shows that when the beam divergence angle of the semiconductor laser device mentioned above is not isotropic, a diameter of 1 μm is placed on the disk.
An example of a conventional optical information processing device for forming an isotropic spot of approximately φ is shown. In addition, semiconductor lasers have a characteristic that the divergence origin of the diverging beam is different in the direction perpendicular to the junction surface of the semiconductor and in the horizontal direction (astigmatism difference).For this reason, the semiconductor laser is used as a light source to form an image. Then, there is a problem that the image becomes blurred. This amount of astigmatism (distance in the optical axis direction of the divergence origin in the vertical and horizontal directions of the beam) is
Even if the semiconductor laser is of the same type, it differs from one individual to another.
第2図において、半導体レーザ素子1の一方の
端面から出た等方でない拡がり角をもつたビーム
は結合レンズ2、対物レンズ3によつてデイスク
4上に光スポツト5が形成される。光検出器6は
半導体レーザ素子1の出力の検出器である。な
お、Aは光軸である。第2図において、結合レン
ズ2の開口数NAは、半導体レーザ1とレンズ2
とのなす半画角をθとすると、
NA=sinθ …(3)
の関係がある。また半導体レーザ素子1のビーム
拡がり角について、上述したように水平方向及び
垂直方向のe-2での大きさをθ及びθ⊥とする
とこのような半導体レーザ素子を用いてデイスク
4上に等方的なスポツト5を形成するためには、
θθ<θ⊥ …(4)
となるように結合レンズ2の開口数NAを選ばな
ければならない。すなわち、結合レンズ2の開口
数を小さくし、軸外の光線を遮断して、光軸A
(θ=0)付近のみのビームを用いて、結合レン
ズ2から出た光の強度分布を等方的にさせる必要
がある。第1図に示すビームの広がり角と第(1)、
(3)及び(4)式より、csp型レーザでは
NA=0.1
θ=5.7゜(<θ<θ⊥)} …(5)
とすると、結合レンズ2を通つた後のビームはほ
ぼ等方的になり、したがつて、デイスク4上に等
方的なスポツト5が形成される。 In FIG. 2, a beam having a non-isotropic divergence angle emitted from one end face of the semiconductor laser element 1 is formed into a light spot 5 on a disk 4 by a coupling lens 2 and an objective lens 3. The photodetector 6 is a detector for the output of the semiconductor laser element 1. Note that A is the optical axis. In FIG. 2, the numerical aperture NA of the coupling lens 2 is the same as that between the semiconductor laser 1 and the lens 2.
If the half angle of view formed by Regarding the beam divergence angle of the semiconductor laser element 1, as mentioned above, if the magnitudes at e -2 in the horizontal and vertical directions are θ and θ⊥, then using such a semiconductor laser element, it is possible to spread the beam on the disk 4 isotropically. In order to form a typical spot 5, the numerical aperture NA of the coupling lens 2 must be selected so that θθ<θ⊥ (4). That is, by reducing the numerical aperture of the coupling lens 2 and blocking off-axis rays, the optical axis A is
It is necessary to make the intensity distribution of the light emitted from the coupling lens 2 isotropic by using only the beam around (θ=0). The divergence angle of the beam shown in Fig. 1 and (1),
From equations (3) and (4), for a CSP laser, NA = 0.1 θ = 5.7° (<θ<θ⊥)} ...(5), then the beam after passing through the coupling lens 2 is almost isotropic. Therefore, an isotropic spot 5 is formed on the disk 4.
しかし、このような軸外の光線を遮断すると、
半導体レーザから放射された光線の一部しかデイ
スク上に照射されないのでは、レーザ素子の光の
利用効率がが悪いという点がある。特に記録を行
うような場合には、デイスクに設けられた金属薄
膜を溶解し穴を形成しなければならないので、再
生する場合より、数倍の光量を必要とする。ま
た、半導体レーザ素子は、ある一定以上の光量を
だすと寿命が短かくなる。従つて、半導体レーザ
素子を光源として用いる場合レーザ素子の光利用
効率を上げ、できるだけ光出力を少なくおさえる
ことが寿命及び信頼性の面からぜひ必要である。 However, if we block such off-axis rays,
If only a portion of the light beam emitted from the semiconductor laser is irradiated onto the disk, the light utilization efficiency of the laser element is poor. In particular, when recording, the metal thin film provided on the disk must be melted to form holes, which requires several times the amount of light compared to when reproducing. Furthermore, when a semiconductor laser element emits a certain amount of light or more, its lifetime becomes short. Therefore, when using a semiconductor laser device as a light source, it is absolutely necessary to increase the light utilization efficiency of the laser device and to suppress the optical output as much as possible from the viewpoint of lifespan and reliability.
さて、第2図に示す構成において、半導体レー
ザ素子1にデイスク4からの反射光が帰還する
と、デイスクからの反射光の強弱に応じて半導体
レーザ1の出力が増減するので、デイスク4の情
報を光検出器6の出力によつて再生できる。この
技術は特開昭49−69008号公報に記載されている。
通常、デイスクは約1mm程度の上下ぶれをしなが
ら回転し、対物レンズの焦点深度は2μm程度で
あるため、デイスクから信号を再生するために
は、光スポツトをデイスク上で常に直径1μm程
度に保持するための焦点合せが必要である。 Now, in the configuration shown in FIG. 2, when the reflected light from the disk 4 returns to the semiconductor laser element 1, the output of the semiconductor laser 1 increases or decreases depending on the strength of the reflected light from the disk. It can be reproduced by the output of the photodetector 6. This technique is described in Japanese Patent Application Laid-open No. 49-69008.
Normally, the disk rotates with a vertical vibration of about 1 mm, and the depth of focus of the objective lens is about 2 μm, so in order to reproduce signals from the disk, the optical spot must always be kept at a diameter of about 1 μm on the disk. Focusing is necessary to achieve this.
光ビームのデイスク上からの焦点のずれを検出
するため、光源あるいはレンズを光軸方向に微小
振動させ、レーザ出力を同期検波することで、焦
点ずれを検出する技術が特開昭53−17706号公報
で提案されている。この技術による自動焦点制御
引き込み範囲は狭く、約10μmであると従来から
報告されている(電子材料1979年2号月、67頁)。
第3図は結合レンズ2の開口数NA=0.1のとき、
デイスク4を光軸方向に沿つて微少に移動したと
きの半導体レーザ素子1からの出力変化を示した
ものである。第3図から明らかなように結合レン
ズ2の開口数NAが0.1と非常に小さいときは、自
動焦点引き込み範囲は10μmしかないことがわか
る。半導体レーザ素子にデイスクからの反射光を
帰還させる光情報処理装置では上述したように引
き込み範囲が小さいという欠点をもつている。こ
のため、自動焦点制御が困難であり、上下ぶれの
大きなデイスクから情報再生はできないという問
題があつた。 In order to detect the deviation of the focus of the light beam from the disk, JP-A No. 53-17706 discloses a technology that detects the deviation of the focus by micro-vibrating the light source or lens in the optical axis direction and synchronously detecting the laser output. It is proposed in the official gazette. It has been previously reported that the automatic focus control pull-in range by this technique is narrow, about 10 μm (Electronic Materials, February 1979, p. 67).
Figure 3 shows when the numerical aperture of the coupling lens 2 is NA=0.1.
This figure shows the change in output from the semiconductor laser element 1 when the disk 4 is slightly moved along the optical axis direction. As is clear from FIG. 3, when the numerical aperture NA of the coupling lens 2 is as small as 0.1, the automatic focusing range is only 10 μm. An optical information processing device that returns light reflected from a disk to a semiconductor laser element has the drawback of a small pull-in range, as described above. For this reason, automatic focus control was difficult, and information could not be reproduced from a disk with large vertical shake.
また、特開昭53−−100844号公報には、複数個
のプリズムにより非等方な半導体レーザ光の短径
方向を拡大きて等方な光ビームに整形する光学系
が記載されている。 Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-100844 describes an optical system that uses a plurality of prisms to expand anisotropic semiconductor laser light in the short axis direction and shape it into an isotropic light beam.
特開昭53−100844号公報の第9図では非等方な
光ビームからプリズムにより等方な光ビームを得
ている。この例では光源からの光をシリンドリカ
ルレンズ25,26と回転対称レンズ(結合レン
ズ)27によつて平行化している。この回転対称
レンズは、光束径よりも大きなものを使用してい
る。すなわち、レーザ光を取り扱うレンズの大き
さについては、特開昭53−100844号公報の第(8)式
に簡明に述べられており、集光系を出射した平行
光束の条件として、その光強度が1/e2以上の光
束径を結像レンズのアパーチヤー径の89.2%とす
れば(すなわちレンズを光束径より一定割合大き
くすれば)結像中心強度を最大にできるというこ
とである。 In FIG. 9 of Japanese Unexamined Patent Publication No. 100844/1984, an isotropic light beam is obtained from an anisotropic light beam using a prism. In this example, the light from the light source is collimated by cylindrical lenses 25 and 26 and a rotationally symmetrical lens (coupling lens) 27. This rotationally symmetric lens is larger than the diameter of the light beam. In other words, the size of the lens that handles the laser beam is clearly stated in equation (8) of JP-A-53-100844. This means that if the beam diameter of 1/e 2 or more is 89.2% of the aperture diameter of the imaging lens (that is, if the lens is made larger by a certain percentage than the beam diameter), the intensity at the center of the image can be maximized.
上記公知例では、結像レンズ(像点側のレンズ
で対物レンズともいう)の大きさは上記思想に従
い光束の径より大きい(例えば上記公知例第14
図)。また光学系を設計するときの当業者の常識
として、光学系全体に渡つてレンズの径と光束の
径の関係は同様の条条件に統一されると考えるべ
きである。なぜならば、光学系の後段で大きなレ
ンズを使用しても前段で小さなレンズを使用すれ
ば、後段のレンズに入射する光束計は前段のレン
ズで制限されてしまうし、その逆に光学系の前段
で大きなレンズを使用して、後段で小さなレンズ
を使用することは合理的な理由がない。 In the above-mentioned known example, the size of the imaging lens (the lens on the image point side, also called the objective lens) is larger than the diameter of the light beam (for example, the above-mentioned known example No. 14), in accordance with the above idea.
figure). Furthermore, when designing an optical system, it should be considered as common sense for those skilled in the art that the relationship between the diameter of the lens and the diameter of the light beam is unified under similar conditions throughout the entire optical system. This is because even if a large lens is used in the rear stage of the optical system, if a small lens is used in the front stage, the photometer that enters the rear stage lens will be limited by the front stage lens, and vice versa. There is no rational reason to use a large lens in the first stage and a small lens in the second stage.
よつて特開昭53−100844号公報はその(8)式の条
件の結合レンズ(光源側のレンズ)を使用せざる
を得ない。 Therefore, JP-A-53-100844 has no choice but to use a coupling lens (lens on the light source side) that satisfies the condition of equation (8).
ここでレーザの波長λを0.8μmと仮定して計算
すると、上記公知例ではその(8)式に基づいて、結
合レンズの条件は
r/R=0.892
∴tanθ⊥/tanθ=0.892
であり、ビームの垂直方向の広がり角θ⊥を24゜
と仮定すると、θは26.5゜となる。後に説明する
非点換差の許容量を示す式
NA2δz≦0.69λ
に値に代入して非点隔差の許容量を求めると、
非点隔差の許容量:δz≦2.77
となる。従つてレーザの非点隔差が約2.8μm以上
の時、影響を受け、特開昭53−100841号公報に記
載の有るようにシリンドリカルレンズなどの光学
系を用いて、非点隔差を補正せざるを得ない。し
かしながらシリンドリカルレンズはいわば、光源
の非点隔差と全く逆の非点隔差を意図的に作つて
これをキヤンセルするものであり、その作成には
非常な精度が要求され製造困難な物である。さら
に半導体レーザ個々の特性のバルツキのためにシ
リンドリカルレンズを一つづつ適合させて製造す
るのはほとんど不可能である。 Here, when calculating assuming that the wavelength λ of the laser is 0.8 μm, in the above-mentioned known example, based on equation (8), the conditions for the coupling lens are r/R = 0.892 ∴tanθ⊥/tanθ = 0.892, and the beam Assuming that the vertical spread angle θ⊥ is 24°, θ becomes 26.5°. When the astigmatism difference tolerance is calculated by substituting the value into the formula NA 2 δz≦0.69λ, which will be explained later, the astigmatism difference tolerance becomes: δz≦2.77. Therefore, when the astigmatism difference of the laser is about 2.8 μm or more, it is affected and the astigmatism difference must be corrected using an optical system such as a cylindrical lens, as described in Japanese Patent Application Laid-open No. 53-100841. I don't get it. However, a cylindrical lens is a lens that intentionally creates and cancels an astigmatic difference that is completely opposite to the astigmatic difference of a light source, and requires extremely high precision and is difficult to manufacture. Furthermore, due to variations in the characteristics of individual semiconductor lasers, it is almost impossible to adapt and manufacture cylindrical lenses one by one.
本発明は上述した点を解決し、等方的な拡がり
角をもたず、非点隔差を有する半導体レーザ素子
からの光ビームの光の利用効率よく整形し、しか
も非点隔差をシリンドリカルレンズ等で補正する
ことなくシヤープな結像をすることが可能な半導
体ビーム整形光学装置を大量生産に適した構成で
提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems, efficiently shapes the light beam from a semiconductor laser device that does not have an isotropic divergence angle, and has an astigmatism difference, and also uses a cylindrical lens to reduce the astigmatism difference. It is an object of the present invention to provide a semiconductor beam shaping optical device capable of forming a sharp image without having to be corrected by the process, with a configuration suitable for mass production.
本発明は、上記目的を達成するために、出力光
ビームの光軸回りの強度分布が該光軸に関し非等
方である半導体レーザ光源と、光源から出力され
る光ビームが入射される入射端面と該光ビームが
出射される出射端面とを有する複数個のプリズム
とを備え、上記光源からの上記出力光ビームの上
記強度分布の整形を行う光学装置であつて、上記
光源からの光ビームを平行化して上記プリズムに
導く回転対称な結合レンズが、
条件:θ<θ≦θ⊥
NA=sinθ
(ただし、上記光源からの光ビームの遠視野像
における出射光分布の水平方向及び垂直方向の
e-2での角度をそれぞれθ,θ⊥とし、上記結
合レンズの開口数をNAとする。)
を満たすことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor laser light source in which the intensity distribution of the output light beam around the optical axis is anisotropic with respect to the optical axis, and an entrance end surface on which the light beam output from the light source is incident. and a plurality of prisms having an output end face from which the light beam is emitted, the optical device shapes the intensity distribution of the output light beam from the light source, A rotationally symmetrical coupling lens that collimates and guides the light beam to the prism has the following conditions: θ<θ≦θ⊥ NA=sinθ (However, the horizontal and vertical directions of the output light distribution in the far-field image of the light beam from the light source
Let the angles at e -2 be θ and θ⊥, respectively, and the numerical aperture of the above coupling lens be NA. ) is characterized by satisfying the following.
本願発明は上記構成を有することにより、光源
として等方的な広がり角を持たない半導体レーザ
素子を用いても、媒体上に等方的なスポツトを簡
単な光学系で光利用効率良く形成できる。 By having the above configuration, the present invention can form an isotropic spot on a medium with a simple optical system with high light utilization efficiency even if a semiconductor laser element having no isotropic divergence angle is used as a light source.
また、さらにプリズムの入射端面を光源の出力
光ビームに対しブリユスター角となる如く配設す
るとともに、プリズムの出射端面がプリズムで屈
折された光ビームに対し垂直となる如く配設する
ことにより、プリズム界面における光の損失を最
小にすることができる。 Further, the prism can be formed by arranging the entrance end face of the prism so as to form a Brillister angle with respect to the output light beam of the light source, and arranging the exit end face of the prism so as to be perpendicular to the light beam refracted by the prism. Light loss at the interface can be minimized.
以下に本願発明の結合レンズの規定による作用
効果を述べる。 The effects of the prescription of the coupling lens of the present invention will be described below.
半導体レーザには射出される光ビームが、楕円
形の断面を持つていること、及び、半導体の接合
面に垂直な方向と水平な方向とで発散光の焦点が
異なるという非点隔差の問題が有る。すなわち半
導体レーザの接合面に垂直方向の光はレーザ素子
の端面に焦点があり、水平方向の光は奥に引つ込
んだところに焦点が存在する。 Semiconductor lasers have the problem that the emitted light beam has an elliptical cross section, and that the focal point of the diverging light differs in the direction perpendicular to and horizontal to the junction surface of the semiconductor, which is the problem of astigmatism. Yes. That is, light in a direction perpendicular to the junction surface of the semiconductor laser has a focal point on the end face of the laser element, and light in a horizontal direction has a focal point at a point recessed into the back.
本願発明は、すでに述べたごとく規定される結
合レンズとプリズムを用いることにより、上記半
導体レーザの特性に起因する不都合をことごとく
解消できるという優れた効果を示すものである。 The present invention exhibits an excellent effect in that all the disadvantages caused by the characteristics of the semiconductor laser described above can be eliminated by using the coupling lens and prism defined as described above.
すなわち、まずθ<θ⊥と結合レンズを大き
くすることによつて、半導体レーザからの光を有
効利用すると共に楕円形のビームをプリズムの作
用によつて円形とする。さらにθ≦θ⊥と結合レ
ンズの上限を規定することによつて非点隔差の影
響を小さくすることが出来る。非点隔差とは光の
発光点が縦と横とで異なるものであるから、通常
の光学系で結像すれば像がぼける原因となるが、
結合レンズの開口数を適当に選ぶと通常の光学系
によつても支障無く結像することができる。以下
に詳述する。 That is, first, by increasing the size of the coupling lens so that θ<θ⊥, the light from the semiconductor laser is effectively used and the elliptical beam is made circular by the action of the prism. Further, by defining the upper limit of the coupling lens as θ≦θ⊥, the influence of the astigmatism difference can be reduced. Astigmatism is the difference in the light emitting point vertically and horizontally, which causes the image to become blurred when imaged with a normal optical system.
If the numerical aperture of the coupling lens is appropriately selected, images can be formed without any problem even with a normal optical system. The details are explained below.
結像された像の中心強度I(0,0)はI(0,
0)=1−(2π/λ)2(Δψ)2で表わされる。 The center intensity I(0,0) of the formed image is I(0,
It is expressed as 0)=1-(2π/λ) 2 (Δψ) 2 .
ここでλレーザの波長、Δψは波面の標準偏差
を示す。Δψの原因は上記した非点隔差による。 Here, the wavelength of the λ laser and Δψ indicate the standard deviation of the wavefront. The cause of Δψ is the astigmatism difference mentioned above.
光学の理論においてはI(0,0)が0.8以上な
らば、光学系は特に補正せずに支障無く結像が行
なえると言える。すなわち、
1−(2π/λ)2(Δψ)2≧0.8
∴Δψ≦0.07λ
の条件を満たせば良い。 In optical theory, it can be said that if I(0,0) is 0.8 or more, the optical system can form an image without any trouble without any particular correction. That is, it is sufficient to satisfy the following conditions: 1−(2π/λ) 2 (Δψ) 2 ≧0.8 ∴Δψ≦0.07λ.
ところで半導体レーザがδzの非点隔差を持つて
いるとすると、Δψは次式で与えられる。 By the way, assuming that the semiconductor laser has an astigmatic difference of δz, Δψ is given by the following equation.
Δψ=6-2・W22 W22=NA2δz/4 NA=sinθ NAはレンズの開口数、θは半画角である。 Δψ=6 −2 ·W 22 W 22 =NA 2 δz/4 NA=sinθ NA is the numerical aperture of the lens, and θ is the half angle of view.
以上の式を総合すると、 NA2δz≦0.69λ が支障無く結像が行なえる条件となる。 Combining the above equations, NA 2 δz≦0.69λ is the condition under which imaging can be performed without any trouble.
ここでλは約0.8μmと仮定する。またNA2は式
(1)のcspレーザを想定してθとθ⊥の間を取つ
て、θ=16゜として約0.075となる。すると本願発
明による非点隔差の許容量は、
δz≦7.36μm
となり7.36μmの非点隔差まで許容できることに
なる。一般に半導体レーザは個体ごとの特性バラ
ツキがあり、非点隔差も一定ではないが、ほとん
どの半導体レーザに対して支障無く結像可能であ
る。 Here, it is assumed that λ is approximately 0.8 μm. And NA 2 is the formula
Assuming the CSP laser in (1), taking the distance between θ and θ⊥, assuming θ=16°, it is approximately 0.075. Then, the permissible amount of astigmatism difference according to the present invention is δz≦7.36 μm, which means that an astigmatism difference of up to 7.36 μm can be tolerated. In general, semiconductor lasers have individual characteristics that vary, and the astigmatism difference is not constant, but it is possible to image most semiconductor lasers without any problems.
前述したように非等方的な拡がり角をもつ半導
体レーザ素子1を用いて、デイスク4上に等方な
スポツト5を形成するためには結合レンズ2の開
口数を第(4)、(5)式に示すように小さくする必要が
ある。しかしながら、これでは半導体レーザ素子
から放射された光の一部しかデイスク上に照射さ
れないため、レーザ素子の光の利用効率が悪くな
つてしまう。しかも、デイスクの変位によつて、
レーザ素子端面付近の反射戻り光スポツトの焦点
位置が大きく変化してしまう。すなわち、焦点ず
れによるレーザ素子端面上の反射戻り光スポツト
のぼけが著しく、このために自動焦点引き込み範
囲が10μmという小さな数になつてしまう。
As mentioned above, in order to form an isotropic spot 5 on the disk 4 using the semiconductor laser element 1 having an anisotropic divergence angle, the numerical aperture of the coupling lens 2 is set to (4) and (5). ) must be made small as shown in the formula. However, in this case, only a portion of the light emitted from the semiconductor laser element is irradiated onto the disk, resulting in poor utilization efficiency of the light from the laser element. Moreover, due to the displacement of the disk,
The focal position of the reflected return light spot near the end face of the laser element changes significantly. That is, the reflected return light spot on the end face of the laser element is significantly blurred due to the focal shift, and as a result, the automatic focusing range becomes as small as 10 μm.
本発明者等はデイスク4上の光スポツト5が等
方になるという結合レンズの条件である第(4)式を
無視して、結合レンズ2の開口数NAを大きくし
たときの焦点引き込み範囲を実験的に求めてみ
た。第4図は、開口数NA(sinθ)の異なる数種
の結合レンズについて、デイスク4を光軸方向に
沿つて微少に移動したときの半導体レーザ素子か
らの出力変化を示したものである。第4図から明
らかなように、結合レンズは開口数が大きければ
大きいほど自動焦点引き込み範囲が大きくなり、
デイスクの上下ぶに対して完全な自動焦点が実現
できることとなる。しかも、結合レンズの開口数
が大きくなると、半導体レーザ素子からのビーム
がそれだけ多く結合レンズに入射され、光の利用
効率が高くなる。しかし、結合レンズの開口数
NAがほぼ第1図に示す遠視野像のe-2での垂直
方向の拡がり角度θ⊥を満足すれば実質的に半導
体レーザ素子からのビームを殆んど結合レンズに
入射されることとなる。したがつて、実質的に
は、
θ<θ≦θ⊥ …(6)
を満足すればよいのである。 The present inventors disregarded equation (4), which is a condition for the coupling lens that the light spot 5 on the disk 4 is isotropic, and calculated the focusing range when the numerical aperture NA of the coupling lens 2 was increased. I tried to find it experimentally. FIG. 4 shows changes in the output from the semiconductor laser element when the disk 4 is slightly moved along the optical axis direction for several types of coupling lenses with different numerical apertures NA (sin θ). As is clear from Fig. 4, the larger the numerical aperture of the coupled lens, the larger the automatic focusing range.
This means that complete automatic focusing can be achieved for the top and bottom of the disk. Moreover, as the numerical aperture of the coupling lens increases, more beams from the semiconductor laser element are incident on the coupling lens, increasing the light utilization efficiency. However, the numerical aperture of the coupling lens
If the NA approximately satisfies the vertical spread angle θ⊥ at e -2 of the far-field image shown in Figure 1, most of the beam from the semiconductor laser element will actually be incident on the coupling lens. . Therefore, in reality, it is sufficient to satisfy θ<θ≦θ⊥ (6).
しかし、第(6)式を満足する結合レンズ2を通過
した光ビームは等方的でないので光スポツト5も
等方的でなくなつてしまう。本発明においては、
これを解決するために第5図に示すように、第(6)
式を満足する結合レンズ2の後段にプリズム7及
び8を配置する。第5図は本発明の光学装置を用
いた光情報処理装置の一例を示す図である。第5
図においてはプリズム7,8はその頂角をθα、
屈折率をNとする直角プリズムとし、入射角を
θ1、入射ビーム径Iと、屈折ビーム径Oの比(ビ
ーム倍率)をm=O/Iとすると、これらは、それ
ぞれ次式で与えられる。 However, since the light beam passing through the coupling lens 2 that satisfies equation (6) is not isotropic, the light spot 5 is also not isotropic. In the present invention,
In order to solve this problem, as shown in Figure 5,
Prisms 7 and 8 are placed after the coupling lens 2 that satisfies the formula. FIG. 5 is a diagram showing an example of an optical information processing device using the optical device of the present invention. Fifth
In the figure, the prisms 7 and 8 have their apex angles θα,
Assuming a right-angle prism with a refractive index of N, an incident angle of θ 1 , and a ratio of the incident beam diameter I to the refracted beam diameter O (beam magnification) as m=O/I, these are given by the following equations. .
また、P偏光(紙面に平行に振動している偏
光)のプリズムの入射面における反射率は次式で
与えられる。 Further, the reflectance of P-polarized light (polarized light vibrating parallel to the plane of the paper) at the incident surface of the prism is given by the following equation.
RP=tan2(θi−θα)/tan2(θi−θα) …(8)
ここでθi+θα=90゜とすると、RP=0となりプ
リズムの入射面の光の損失はゼロとなる。 R P = tan 2 (θ i - θα) / tan 2 (θ i - θα) ...(8) Here, if θ i + θα = 90°, R P = 0, and the loss of light on the prism's incident surface is zero. becomes.
θi=θαの場合は、垂直入射の時なので、プリズ
ムの効果がない。)ここで、RP=0となるのは、
いわゆるブリユースター角といわれるtanθi=N
のときである。このとき、第(7)式はそれぞれ次式
の関係になる。 In the case of θ i =θα, there is no effect of the prism because the incidence is perpendicular. ) Here, R P = 0 because
tanθ i = N, which is called the Brieucster angle
It's time. At this time, equation (7) has the following relationship.
但し、ビームの倍率mは使用する半導体レーザ
素子の構造によつて設定される。即ち、プリズム
は半導体レーザ素子からのビームの拡がりの水平
方向を伸長せしめて、その垂直方向と一致させ
て、プリズムから出た光の強度分布を等方的にす
る。したがつて、半導体レーザ素子からのビーム
を殆んど結合レンズに入射させた場合、等方的な
ビームを得るためには、ビーム倍率mをビームの
拡がり角の比θ⊥/θと一致させる必要があ
る。例えば、csp型半導体レーザ素子を用いる場
合は、第(1)式よりビーム倍率mを3とする。この
とき、プリズム7,8の形状は第(9)式より
m=3
N=1.732
θi=60゜
θα=30゜
RP=0 …(10)
となる。 However, the beam magnification m is set depending on the structure of the semiconductor laser device used. That is, the prism extends the horizontal direction of the spread of the beam from the semiconductor laser element so that it coincides with the vertical direction, thereby making the intensity distribution of the light emitted from the prism isotropic. Therefore, when most of the beam from the semiconductor laser device is incident on the coupling lens, in order to obtain an isotropic beam, the beam magnification m must be made to match the beam divergence angle ratio θ⊥/θ. There is a need. For example, when using a CSP type semiconductor laser element, the beam magnification m is set to 3 from equation (1). At this time, the shapes of the prisms 7 and 8 are as follows from equation (9): m=3 N=1.732 θ i =60° θα=30° R P =0 (10).
したがつて、第(1)式で表わされるビーム拡がり
角をもつcsp型半導体レーザについては第(10)式で
表わされるプリズム7,8を第5図において結合
レンズ2の直後に挿入することによつて、プリズ
ム7,8によつて等方なビームに変換することが
可能である。この等方になつた光ビームは対物レ
ンズ3によつてデイスク4上に等方なスポツト5
を得ることが可能となり、レーザ素子からのビー
ムは殆んどすべてデイスク上に照射される。しか
も結合レンズ2の開口数を大きくしているため
に、自割焦点の引込み範囲は拡大されている。ま
た、プリズム入射による光の損失がないために光
の利用効率が優れている。 Therefore, for a CSP type semiconductor laser having a beam divergence angle expressed by equation (1), the prisms 7 and 8 expressed by equation (10) are inserted immediately after the coupling lens 2 in FIG. Therefore, it is possible to convert the beam into an isotropic beam using the prisms 7 and 8. This isotropic light beam is directed to an isotropic spot 5 on the disk 4 by the objective lens 3.
This makes it possible to obtain almost all of the beam from the laser element onto the disk. Moreover, since the numerical aperture of the coupling lens 2 is increased, the retracting range of the self-splitting focus is expanded. Furthermore, since there is no loss of light due to incidence on the prism, the light utilization efficiency is excellent.
なお、第5図に於いて半導体レーザ素子1から
のビームは、図の矢印で示すようにP偏光(偏光
面が紙面に平行に振動している)に設定されてい
る。 In FIG. 5, the beam from the semiconductor laser element 1 is set to be P-polarized light (the plane of polarization vibrates parallel to the plane of the paper) as indicated by the arrow in the figure.
第6図は、本発明の他の実施例の構成を示す図
であり、第5図と同一符号は同一又は均等部分を
示す。第6図の実施例では、第5図の実施例と異
なり、ビームの拡がりの垂直方向な縮少し、その
水平方向と一致するようにした場合であり、プリ
ズム7,8の入射面が、第5図の実施例とは逆に
配置されている。即ち、半導体レーザ素子1から
のビームは、図の黒丸で示す如くS偏光(偏光面
が紙面に垂直に振動している)に設定され、これ
が1/2波長板9によつてP偏光に変換されて、プ
リズム7,8に入射されるのである。かくするこ
とにより、対物レンズ3の小型化が可能となる。 FIG. 6 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention, in which the same reference numerals as in FIG. 5 indicate the same or equivalent parts. In the embodiment shown in FIG. 6, unlike the embodiment shown in FIG. The arrangement is opposite to that of the embodiment shown in FIG. That is, the beam from the semiconductor laser element 1 is set to S-polarized light (the plane of polarization vibrates perpendicular to the plane of the paper) as shown by the black circle in the figure, and this is converted to P-polarized light by the half-wave plate 9. The light is then incident on the prisms 7 and 8. By doing so, the objective lens 3 can be made smaller.
第7図は本発明の他の実施例の構成を示す図で
あり、第5図に示す実施例の構成において、プリ
ズム8と対物レンズ3との間にプリズム11を配
置している。かかる実施例により、デイスク4か
らの反射光の変化を上記プリズム11から検出す
ることが可能となる。なお、10は1/4波長板、
12は光検出器である。 FIG. 7 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. In the configuration of the embodiment shown in FIG. 5, a prism 11 is disposed between the prism 8 and the objective lens 3. This embodiment makes it possible to detect changes in the reflected light from the disk 4 from the prism 11. In addition, 10 is a 1/4 wavelength plate,
12 is a photodetector.
また、以上の説明においては、デイスクからの
反射光の光量の変化を半導体レーザの他方向から
のレーザ光の変化として検出する場合について述
べたが、反射光の変化を半導体レーザ1の駆動電
流の変化として検出する場合に於いても、本考案
が適用できるのは勿論のことである。 Furthermore, in the above explanation, a case has been described in which a change in the amount of light reflected from the disk is detected as a change in laser light from the other direction of the semiconductor laser. Of course, the present invention is also applicable to detecting changes.
また、RP=0となるN=√の点付近ならば
ほとんどRP0である。実際問題としては、プ
リズム7,8の屈折率として正確に√にするこ
とはできない場合でも、RP=0となる屈折率N
(=√)の付近ならば、RPはほとんど零なので
その近傍の屈折率ならば充分に使用可能である。
第8図にビームの倍率mとプリズムの入射面での
反射率RPの関係を示す。仮に1個のプリズムで
構成する場合には、光の反射率を少なく、ビーム
倍率m=2〜3を設定すると、プリズムの屈折率
Nのかなり大きいものが必要となる。図中にBK
−7(N=1.51)、SF−11(N=1.764)からなるプ
リズムを一個用いた場合の関係をそれぞれ一点鎖
線、破線で示す。半導体レーザのビームのθ⊥と
θの比は通常2倍〜4倍程度はあるため、1個
で構成することは、かなり困難がともなう。本発
明のように、2個で構成すると、1個で構成する
場合の上記の欠点をとり除くことが可能になる。
図中にBK−7からなるプリズムを2個用いた場
合の関係を実線で示す。一般に広く知られている
BK−7の場合、波長8000Åの付近な屈折率N=
1.51である。この場合は、m=2.28倍の時がRP=
0となる。しかも、m≒2.1〜2.5の領域で透過率
は99.9%以上である。99%まで許容するならばm
≒1.8〜3まで使用できる。 Further, if near the point N=√ where R P =0, R P is almost 0. As a practical matter, even if the refractive index of prisms 7 and 8 cannot be exactly √, the refractive index N that makes R P = 0
If it is around (=√), R P is almost zero, so a refractive index in that vicinity can be used satisfactorily.
FIG. 8 shows the relationship between the beam magnification m and the reflectance R P at the entrance surface of the prism. If the prism is composed of one prism, and the light reflectance is set to be low and the beam magnification m is set to m=2 to 3, a prism with a considerably large refractive index N is required. BK in the diagram
-7 (N=1.51) and SF-11 (N=1.764), respectively, are shown by dashed lines and dashed lines. Since the ratio of θ⊥ to θ of a semiconductor laser beam is usually about 2 to 4 times, it is quite difficult to configure it with one laser. When configured with two pieces as in the present invention, it becomes possible to eliminate the above-mentioned drawbacks when configured with one piece.
In the figure, the solid line shows the relationship when two prisms made of BK-7 are used. widely known to the general public
In the case of BK-7, the refractive index N= around the wavelength of 8000 Å
It is 1.51. In this case, when m=2.28 times, R P =
It becomes 0. Moreover, the transmittance is 99.9% or more in the region of m≈2.1 to 2.5. If you allow up to 99%, m
Can be used from ≒1.8 to 3.
このように本発明によれば、屈折率Nの小さい
プリズムで反射損失少なくビームの倍率を大きく
できるとともに、その使用範囲も拡大することが
できる。よつて、通常の光学ガラスで、光の利用
効率の優れた、ビーム成形を行うことができる長
所を持つ。 As described above, according to the present invention, it is possible to increase the beam magnification with a small reflection loss using a prism having a small refractive index N, and the range of use thereof can also be expanded. Therefore, it has the advantage of being able to perform beam shaping with excellent light utilization efficiency using ordinary optical glass.
以上説明した如く本発明によれば複数個のプリ
ズムを使用し、結合レンズの条件を規定すること
により、等方的な拡がり角をもたない半導体レー
ザ素子からの光ビームを光利用効率よく成形する
ことができ、かつ非導体レーザの非点隔差による
像のぼけの問題を解決した設計及び製造が極めて
容易な光学系を提供できるという効果がある。
As explained above, according to the present invention, by using a plurality of prisms and defining the conditions of the coupling lens, a light beam from a semiconductor laser device that does not have an isotropic divergence angle is shaped with light utilization efficiency. The present invention has the advantage that it is possible to provide an optical system that is extremely easy to design and manufacture, and which solves the problem of image blurring due to the astigmatism difference of a nonconductor laser.
第1図は、半導体レーザ光の遠視野像を示す
図、第2図は、従来の光情報処理装置を説明する
ための図、第3図は、従来の自動焦点の引き込み
範囲を説明する図、第4図は、本発明による自動
焦点の引き込み範囲を説明する図、第5図、第6
図、及び第7図は本発明の光学装置を用いた光情
報処理装置の構成を示す図、第8図は、プリズム
の入射面での反射率とビーム倍率の関係を示す図
である。
1…半導体レーザ、2…結合レンズ、3…対物
レンズ、7,8…プリズム。
FIG. 1 is a diagram showing a far-field image of a semiconductor laser beam, FIG. 2 is a diagram for explaining a conventional optical information processing device, and FIG. 3 is a diagram for explaining a conventional autofocus pull-in range. , FIG. 4 is a diagram explaining the automatic focus pull-in range according to the present invention, FIG. 5, and FIG.
7 and 7 are diagrams showing the configuration of an optical information processing device using the optical device of the present invention, and FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the reflectance at the entrance surface of the prism and the beam magnification. 1... Semiconductor laser, 2... Coupling lens, 3... Objective lens, 7, 8... Prism.
Claims (1)
に関し非等方である半導体レーザ光源と、該光源
から出力される光ビームが入射される入射端面と
該光ビームが出射される出射端面とを有する複数
個のプリズムとを備え、上記光源からの上記出力
光ビームの上記強度分布の整形を行う光学装置で
あつて、上記光源からの光ビームを平行化して上
記プリズムに導く回転対称な結合レンズが、 条件:θ<θ≦θ⊥ NA=sinθ (ただし、上記光源からの光ビームの遠視野像
における出射光分布の水平方向及び垂直方向の
e-2での角度をそれぞれθ,θ⊥とし、上記結
合レンズの開口数をNAとする。) を満たすことを特徴とする光学装置。 2 前記プリズムの入射端面が前記光源の出力光
ビームに対しブリユスター角となる如く配設され
るとともに、前記プリズムの前記出射端面が該プ
リズムで屈折された光ビームに対し垂直となる如
く配設されてなることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の光学装置。[Scope of Claims] 1. A semiconductor laser light source in which the intensity distribution around the optical axis of the output light beam is anisotropic with respect to the optical axis, an incident end surface onto which the light beam output from the light source is incident, and the light beam. an optical device that shapes the intensity distribution of the output light beam from the light source; The rotationally symmetrical coupling lens that leads to the prism has the following conditions: θ<θ≦θ⊥ NA=sinθ (However, the horizontal and vertical directions of the output light distribution in the far-field image of the light beam from the above light source
Let the angles at e -2 be θ and θ⊥, respectively, and the numerical aperture of the above coupling lens be NA. ) An optical device characterized by satisfying the following. 2. The input end face of the prism is arranged so as to form a Brillister angle with respect to the output light beam of the light source, and the output end face of the prism is arranged so as to be perpendicular to the light beam refracted by the prism. 2. An optical device according to claim 1, characterized in that:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59149442A JPS60106038A (en) | 1984-07-20 | 1984-07-20 | Optical device |
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---|---|---|---|
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JPS5224542A (en) * | 1975-08-20 | 1977-02-24 | Canon Inc | Optical system for shaping a beam |
JPS53100844A (en) * | 1977-02-15 | 1978-09-02 | Canon Inc | Beam shaping optical system |
JPS5455184A (en) * | 1977-10-11 | 1979-05-02 | Canon Inc | Semiconductor laser light source unit |
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1984
- 1984-07-20 JP JP59149442A patent/JPS60106038A/en active Granted
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JPS5455184A (en) * | 1977-10-11 | 1979-05-02 | Canon Inc | Semiconductor laser light source unit |
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