(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるビ−ム整形機能を有し、該射出面に下記条件式（１）を満足する回折格子が形成された単一のプリズムからなることを特徴とする色消しビーム整形プリズム。
ｄ［ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ１）−α｝
−ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ２）−α｝］＝λ１−λ２
……（１）
ここで
ｄ  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ１  ：入射光束の入射角度
α  ：プリズムの頂角
【請求項２】
入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるビ−ム整形機能を有し、該入射面に下記条件式（２）を満足する回折格子が形成された単一のプリズムからなることを特徴とする色消しビーム整形プリズム。
ｄ´［ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ２）＋α｝
−ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ１）＋α｝］＝λ１−λ２
……（２）
ここで
ｄ´  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ４  ：射出光束の射出角度
α  ：プリズムの頂角
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光束の径をその光束断面内の特定の方向において圧縮または伸長させるビーム整形プリズムに関し、特に、半導体レーザ等による光源の波長変動があった場合にも、射出光束の射出角度を略一定に維持し得る色消しビーム整形プリズムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
記録型光ディスクシステムにおいては、高密度化に伴い、ディスク上に集光される光スポットの形状最適化を図るため、半導体レーザ光源から射出されたレーザ光束の強度分布を均等化すること（以下これを、ビーム整形と称する）が求められる。ビーム整形プリズムは例えばこのような場合に用いられ、プリズムによる光束の屈折作用を利用し、入射光束の径をその光束断面内の特定の方向において圧縮または伸長させるものである。
【０００３】
このようなビーム整形プリズムとしては、例えば、特開平10−268112号公報や特開平10−62611号公報に開示されたものがある。これらのビーム整形プリズムはいずれも、ビーム整形を行うのみならず、半導体レーザの波長変動による記録性能劣化を補償し得る構成とされている。
【０００４】
半導体レーザの波長変動は、レーザの起動時や発光パワーを上昇させる時に発生することが多く、レーザをオン／オフしてディスク媒体に信号を記録する光ディスクシステムにおいては避けられない現象といえる。しかし、レーザ光の波長が基準波長から変動した場合、ビーム整形プリズムで使用されている材質の屈折率も変化するため、このビーム整形プリズムからの射出光束は基準波長の射出角度からわずかに傾いて射出されることになる。記録型光ディスクシステムとしては、その場合、ディスク上に集光される光スポットは所定の記録トラックの真上から位置ずれして集光され、光学ヘッドの信号記録性能を大きく疎外する虞があり問題となる。
【０００５】
上記従来例は、互いに異なる屈折率および分散を有する材質で形成された２つのプリズムを用いてこの問題を解決し、入射光束の波長変動があっても射出光束の射出角度を略一定に維持し、ディスク上での光スポットの位置変動を防止し得る色消しビーム整形プリズムとされている。
【０００６】
また、これら以外に、シリンドリカルレンズを２枚組み合わせたビーム整形光学系も知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、色消しビーム整形プリズムにおいても低コスト化および小型化の要望は強い。上記従来例はいずれの場合も複数の光学部品を使用しているので、コストが高くなりやすく、光学系の小型化も困難である。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、入射される光束の波長が変動しても射出される光束の射出角度が殆ど変動しない色消しビーム整形プリズムを、より小型化かつ低コスト化可能な構成により提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る色消しビーム整形プリズムは、入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるビ−ム整形機能を有し、該射出面に下記条件式（１）を満足する回折格子が形成された単一のプリズムからなることを特徴とするものである。
【００１０】
ｄ［ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ１）−α｝
−ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ２）−α｝］＝λ１−λ２
……（１）
ここで
ｄ  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ１  ：入射光束の入射角度
α  ：プリズムの頂角
【００１１】
また、本発明に係る色消しビーム整形プリズムは、入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるビ−ム整形機能を有し、該入射面に下記条件式（２）を満足する回折格子が形成された単一のプリズムからなることを特徴とするものである。
【００１２】
ｄ´［ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ２）＋α｝
−ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ１）＋α｝］＝λ１−λ２
……（２）
ここで
ｄ´  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ４  ：射出光束の射出角度
α  ：プリズムの頂角
【００１３】
なお、上記入射角度および上記射出角度は、入射光束または射出光束の光軸と入射面または射出面（以下、境界面と称する）との交点を回転中心として、この交点を通る境界面の法線が各光束の光軸に重なるように該法線を回転させた場合に、この法線が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。また、上記プリズムの頂角αは、このプリズムにおいて光束の入射面と射出面とがなす角度を表すものであり、両面が交わる線を回転軸として、入射面が射出面に重なるように入射面を回転させた場合に、この入射面が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、第１の実施形態について図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例１に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す平面図である。この色消しビーム整形プリズム１は、所定の屈折率ｎを有する単一の三角柱状のプリズムよりなり、図１に頂角αの三角形の平面形状として示されるとおり、入射面２に対して射出面３がα度だけ傾いた形状とされている。また、射出面３には下記条件式（１）により規定されるピッチｄの回折格子が形成されている。
【００１５】
ｄ［ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ１）−α｝
−ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎλ２）−α｝］＝λ１−λ２
……（１）
ここで
ｄ  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ１  ：入射光束の入射角度
α  ：プリズム１の入射面２と射出面３とがなす角度
【００１６】
なお、図１において、このプリズム１への入射光束は、半導体レーザ光源から射出された光束を、コリメータレンズ等を用いて略平行光束とされている。
【００１７】
この色消しビーム整形プリズム１は、図１に示すように、入射光束が境界面に対して斜めに入射するように構成されているため、入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるビ−ム整形機能を有する。すなわち、図１の平面内において、入射光束の進行方向に直交する方向の光束径ａは、射出光束の進行方向に直交する方向の光束径Ａに拡大される。このとき光束径の変換倍率をビーム整形倍率βとすれば、Ａ＝βａとなる。他方、紙面に直交する図示されていない面内において、入射光束の進行方向に直交する方向の光束径ａについては、プリズム１を透過しても径は変化されない。なお、本実施形態においては、図１に示すように入射角度が比較的大きな値となる場合のみならず、射出角度が比較的大きな値となる場合にもこのようなビーム整形機能を有する。
【００１８】
また、この色消しビーム整形プリズム１は、射出面３に上述した回折格子を備えており、これにより、入射される光束の波長が変動しても射出される光束の射出角度は殆ど変動しない。この色消し作用は、回折格子のピッチｄを上記条件式（１）により適切な値とすることにより得ることができる。以下、条件式（１）について説明する。
【００１９】
条件式（１）は、入射光束が基準波長λ１から波長λ２に変動した場合にも、射出角度が等しくなるような回折格子の格子ピッチｄを規定するものである。まず、以下の条件式（１）の説明中で用いる各記号を明示するため、射出面に回折格子が形成された、一般的な形状の三角柱プリズムの図を示す。図２（Ａ）、（Ｂ）は、このプリズム１０１を略平行光束が透過する場合の模式図である。図２（Ａ）に示すとおり、θ１は光束がプリズム１０１の入射面１０２に入射するときの入射角度、θ２は光束が入射面１０２で屈折するときの屈折角度、θ３は光束が射出面１０３に入射するときの入射角度、θ４は光束が射出面１０３から射出するときの射出角度であり、頂角αはプリズム１０１において光束の入射面１０２と射出面１０３とがなす角度を表すものである。
【００２０】
なお、上記入射角度、屈折角度および上記射出角度は、入射光束、屈折光束または射出光束の光軸と入射面１０２または射出面１０３（以下、境界面と称する）との交点を回転中心として、この交点を通る境界面の法線が各光束の光軸に重なるようにこの法線を回転させた場合に、この法線が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。また、上記プリズム１０１の頂角αは、入射面１０２と射出面１０３とが交わる線を回転軸として、入射面１０２が射出面１０３に重なるように入射面１０２を回転させた場合に、この入射面１０２が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。したがって、図２（Ｂ）は、いわば図２（Ａ）の頂角αの対辺を回転軸として180度下向きに回転させた図ではあるが、図２（Ａ）の角度θ１、θ２、αは正の値でθ３、θ４は負の値であり、図２（Ｂ）の各角度は図２（Ａ）のものと絶対値は等しくとも、θ´１、θ´２、α´は負の値となり、θ´３、θ´４は正の値となる。
【００２１】
本実施形態に係る色消しビーム整形プリズム１の回折格子のピッチｄを規定する条件式（１）は、このプリズム１０１への入射光束と同様に規定された各角度θ１〜θ４およびαを用いて、次のようにして求められる。なお、以下の各式において、θｉ（ｉ＝１〜４）の後に記載されたλ１およびλ２の添え字は、各々波長λ１およびλ２の光束に対応する入射角度、屈折角度および射出角度であることを示す。また、ｎλ１、ｎλ２は各々波長λ１、λ２の光束に対するプリズム材質の屈折率を表す。
【００２２】
まず、入射光束が基準波長λ１である場合について、下記式（３）〜（５）が成り立つ。
ｓｉｎθ１＝ｎλ１ｓｉｎθ２λ１    ……（３）
θ３λ１＝θ２λ１−α    ……（４）
ｄ（ｎλ１ｓｉｎθ３λ１−ｓｉｎθ４λ１）＝λ１    ……（５）
【００２３】
上記式（３）はスネルの法則によるものであり、上記式（４）は図２にも明らかであるとおり、一般に三角プリズムに光束を透過させる場合に成り立つ関係式である。また、上記式（５）は、回折格子を透過する平行光束の入射角度と回折角度の関係式に基づくものである。なお、このプリズム１への入射角度θ１は入射光束の波長に拘わらず一定となるよう構成されているので、入射光束の波長λ１、λ２のいずれに対してもθ１となる。
【００２４】
同様にして、入射光束の波長が基準波長λ１から波長λ２に変化した場合について、下記式（６）〜（８）が成り立つ。
ｓｉｎθ１＝ｎλ２ｓｉｎθ２λ２    ……（６）
θ３λ２＝θ２λ２−α    ……（７）
ｄ（ｎλ２ｓｉｎθ３λ２−ｓｉｎθ４λ２）＝λ２    ……（８）
【００２５】
さらに、この色消しビーム整形プリズムが色消しであるための条件は、下記式（９）として表される。
θ４λ１＝θ４λ２    ……（９）
上記式（３）〜（９）を用いて式（５）と式（８）との差を、入射角度θ１について表せば、上記条件式（１）となる。
【００２６】
なお、図２（Ａ）に示した各角度θ１〜θ４を用いて、前述したビーム整形倍率βは、β＝Ａ／ａ＝（ｃｏｓθ２ｃｏｓθ４）／（ｃｏｓθ１ｃｏｓθ３）として表されるものである。
【００２７】
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。この色消しビーム整形プリズムは、第１の実施形態と異なり、光束の入射面に回折格子を備えたことを特徴とする。すなわち、第２の実施形態に係る色消しビーム整形プリズムは、例えば図１に示す色消しビーム整形プリズム１において、光束が射出される側から光束が入射し、光束が入射される側に射出されるものと見ることができ、図１の射出面３に形成された回折格子は、光束の入射面に形成されていることになる。
【００２８】
上記第１の実施形態に準じ、この第２の実施形態もビーム整形機能を有する。すなわち、入射面に入射された光束の径を、その光束断面内の特定方向において所定倍率で変換し射出面より射出させるとともに、この特定方向と直交する方向の光束径については、プリズムを透過しても径は変化されない。
【００２９】
また、この色消しビーム整形プリズムの入射面に形成された回折格子は、下記条件式（２）を満足する。
【００３０】
ｄ´［ｎλ２ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ２）＋α｝
−ｎλ１ｓｉｎ｛ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ４／ｎλ１）＋α｝］＝λ１−λ２
……（２）
ここで
ｄ´  ：回折格子のピッチ
λ１  ：入射光束の基準波長
λ２  ：波長が変化したときの入射光束の波長
ｎλ１  ：波長λ１に対するプリズム材質の屈折率
ｎλ２  ：波長λ２に対するプリズム材質の屈折率
θ４  ：射出光束の射出角度
α  ：プリズムの頂角
【００３１】
なお、上記射出角度θ４は、射出光束の光軸と射出面との交点を回転中心として、この交点を通る射出面の法線が射出光束の光軸に重なるようにこの法線を回転させた場合に、この法線が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。また、上記プリズムの頂角αは、このプリズムにおいて光束の入射面と射出面とがなす角度を表すものであり、両面が交わる線を回転軸として、入射面が射出面に重なるように入射面を回転させた場合に、この入射面が反時計回りに回転されるときの角度を正の値とする。
【００３２】
上記条件式（２）は、前述した条件式（１）と略同様にして導出されるものであり、詳しい説明は省略する。この条件式（２）を満足し、回折格子のピッチｄ´を適切な値とすることにより、この色消しビーム整形プリズムに入射される光束の波長が変動しても射出される光束の射出角は殆ど変動することがなく、色消し作用を得ることができる。
【００３３】
このようにして第１の実施形態および第２の実施形態に係る色消しビーム整形プリズムは、ビーム整形機能および色消し機能を有する。本発明に係る色消しビーム整形プリズムは、単一のプリズムという簡易な構成でありながらこれらの機能を具備するものであり、従来例に比しコストの低廉化および光学系の小型化を図ることができる。
【００３４】
なお、本発明とは直接の関連性はないが、プリズムから射出される光束の射出方向を一定とし得る光学システムとして、米国特許第5,101,458号の特許公報に開示されたものが知られている。この技術は導波路から出力された光を、その導波路に対向配置されたプリズム内に導き、このプリズムの射出端面に形成された回折格子の作用により、プリズムに入射する光束の波長または入射角度の如何にかかわらず、この光束の射出方向を一定とし得るものである。
【００３５】
しかしながら、この公報記載のものは、プリズムへの光入射角度の変化を前提としており、また、その構成も導波路とプリズムを組み合わせたものとされているから、入射角度が一定で、構成要件として導波路を必要としない本発明のものとは基本的思想が異なるものである。
【００３６】
【実施例】
以下、図面を示しながら、本発明の色消しビーム整形プリズムの実施例１〜４について説明する。各実施例１〜４において、入射光束はいずれも、基準波長λ１＝650ｎｍ、波長が変化したときの波長λ２＝660ｎｍとして設定されている。また、一般に光ディスク用半導体レーザ光源の発光強度分布を良好に整形するためには、ビーム整形倍率βは２〜３倍程度必要となることから、各実施例１〜４は、ビ−ム整形倍率βが2.5倍となるように構成されている。
【００３７】
＜実施例１＞
図１は本実施例に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す図である。この色消しビーム整形プリズム１は、下記のように構成されている。
波長λ１に対するプリズム材質の屈折率ｎλ１＝1.514521
波長λ２に対するプリズム材質の屈折率ｎλ２＝1.514207
入射光束の入射角度θ１＝71.86度
プリズム１の入射面２と射出面３とがなす角α＝38.25度
【００３８】
また、この色消しビーム整形プリズム１は、上記条件式（１）を満足するような回折格子が射出面３に形成されている。すなわち、この回折格子の格子ピッチｄは、40.05μｍとされている。
【００３９】
本実施例において、プリズム１からの射出角度は0.0度となる。すなわち本実施例は、上記条件式（１）の説明の中で用いたθ４（＝θ４λ１＝θ４λ２）が0.0度となる例である。
【００４０】
＜実施例２＞
図３は本実施例に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す図である。この色消しビーム整形プリズム１は、下記のように構成されている。
波長λ１に対するプリズム材質の屈折率ｎλ１＝1.776646
波長λ２に対するプリズム材質の屈折率ｎλ２＝1.775578
入射光束の入射角度θ１＝70.17度
プリズム１の入射面２と射出面３ａとがなす角α＝30.63度
【００４１】
また、この色消しビーム整形プリズム１は、上記条件式（１）を満足するような回折格子が射出面３ａに形成されている。すなわち、この回折格子の格子ピッチｄは、15.59μｍとされている。
【００４２】
本実施例において、プリズム１からの射出角度は0.0度となる。すなわち本実施例は実施例１と同じく、上記条件式（１）の説明の中で用いたθ４（＝θ４λ１＝θ４λ２）が0.0度となる例である。
【００４３】
＜実施例３＞
図４は本実施例に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す図である。この色消しビーム整形プリズム１は、下記のように構成されている。
波長λ１に対するプリズム材質の屈折率ｎλ１＝1.514521
波長λ２に対するプリズム材質の屈折率ｎλ２＝1.514207
入射光束の入射角度θ１＝71.85度
プリズム１の入射面２と射出面３ｂとがなす角α＝38.86度
【００４４】
また、この色消しビーム整形プリズム１は、上記条件式（１）を満足するような回折格子が射出面３ｂに形成されている。すなわち、この回折格子の格子ピッチｄは、39.52μｍとされている。
【００４５】
本実施例において、プリズム１からの射出角度は-0.9度となる。すなわち本実施例は、上記条件式（１）の説明の中で用いたθ４（＝θ４λ１＝θ４λ２）が-0.9度となる例である。
【００４６】
＜実施例４＞
図５は本実施例に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す図である。この色消しビーム整形プリズム１は、下記のように構成されている。
波長λ１に対するプリズム材質の屈折率ｎλ１＝1.776646
波長λ２に対するプリズム材質の屈折率ｎλ２＝1.775578
入射光束の入射角度θ１＝70.16度
プリズム１の入射面２と射出面３ｃとがなす角α＝31.97度
【００４７】
また、この色消しビーム整形プリズム１は、上記条件式（１）を満足するような回折格子が射出面３ｃに形成されている。すなわち、この回折格子の格子ピッチｄは、15.00μｍとされている。
【００４８】
本実施例において、プリズム１からの射出角度は-2.5度となる。すなわち本実施例は、上記条件式（１）の説明の中で用いたθ４（＝θ４λ１＝θ４λ２）が-2.5度となる例である。
【００４９】
なお、本発明の色消しビーム整形プリズムとしては、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能である。例えば光束がプリズムの入射面に入射するときの入射角度θ１およびプリズムの頂角αの角度を適宜変更することが可能であり、これにより任意のビ−ム整形倍率を得ることができる。
【００５０】
また、回折格子部分の断面形状は、矩形状、階段状、鋸歯状など、どのような形状とされていてもよい。ただし光の利用効率を考えた場合、鋸歯状や階段状の断面形状とされることが好ましい。
【００５１】
また、本発明の色消しビーム整形プリズムは、回折格子を入射側および射出側の両面に形成することも可能である。この場合も上記実施形態として説明したものと同等の効果を得ることができる。
【００５２】
また、上記実施例は半導体レーザ光源の発振波長の変化に対応する色消しビ−ム整形プリズムとされているが、本発明に係る色消しビーム整形プリズムを適用し得る光束の波長はこれに限られるものではなく、任意の２つの波長の光束に対しても、同様の色消しビ−ム整形効果を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定の条件式を満足する格子ピッチの回折格子を光束の入射面または射出面に備えることにより、単一のプリズムという、コストの低廉化および光学系の小型化に適した簡易な構成でありながら、半導体レーザ光源の発振波長の変動に対応可能な色消しビーム整形プリズムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す平面図
【図２】条件式（１）を説明するための、射出側に回折格子が形成された、一般的な三角柱プリズムの模式図
【図３】実施例２に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す平面図
【図４】実施例３に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す平面図
【図５】実施例４に係る色消しビーム整形プリズムの構成を示す平面図
【符号の説明】
１    色消しビーム整形プリズム
１０１    プリズム
２、１０２    入射面
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、１０３    射出面
ａ、Ａ    光束径
α、α´    プリズムの頂角
θ１、θ´１    入射面への入射角度
θ２、θ´２    入射面での屈折角度
θ３、θ´３    射出面への入射角度
θ４、θ´４    射出面からの射出角度
【図１】
0003920014.tif 000002
【図２】
0003920014.tif 000003
【図３】
0003920014.tif 000004
【図４】
0003920014.tif 000005
【図５】
0003920014.tif 000006