(57)【要約】  本発明によるビーム整形集光レンズは、Ｚ軸を光軸として、Ｘ、Ｙ方向の物体開口数が異なる入射ビームに対して、集光されたビームの、進行方向に垂直な断面における強度が、ピーク強度に対して所定の比率以上である領域が真円となるようにビームを整形する。レンズの入射側面と出射側面とのプロファイルが、式【数１６】2005088376.tif 000044によって表され、各補正項の係数は互いに独立して定めることができる。入射ビームの光源とレンズの光源側面との距離をＦＦ(mm)、レンズのバックフォーカスをＢＦ(mm)、前記断面のＸ方向の径とＹ方向の径との比である真円度のエラーをCE = ｜100-真円度｜ (%)物体開口比をNAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、  ｜CX − CY ｜2×SR2×log10(BF) ×CE×NAR4×FF ＜ 0.04となるように、係数を定めている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸を光軸として、Ｘ、Ｙ方向の物体開口数が異なる入射ビームに対して、集光されたビームの、進行方向に垂直な断面における強度が、ピーク強度に対して所定の比率以上である領域が真円となるようにビームを整形するビーム整形集光レンズであって、入射側面と出射側面とのプロファイルが、非球面を表す項と、ｆｅ（ｘ，ｙ）＝ｆｅ（−ｘ，−ｙ）を満たすｆｅ（ｘ，ｙ）で表せる複数の補正項とを含む式
【数１２】
2005088376.tif 000040
によって表され、各補正項の係数は互いに独立して定めることができ、入射ビームの光源とレンズの光源側面との距離をＦＦ(mm)、レンズのバックフォーカスをＢＦ(mm)、前記断面のＸ方向の径とＹ方向の径との比である真円度のエラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
Ｘ方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×log10(BF) ×CE×NAR4×FF ＜ 0.04
となるように、非球面を表す項の係数および補正項の係数を定めたビーム整形集光レンズ。
【請求項２】
補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、１または複数のＸの偶数乗の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、１または複数のＹの偶数乗の項からなる請求項１に記載のビーム整形集光レンズ。
【請求項３】
補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、Ｘの三角関数を含む１または複数の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、Ｙの三角関数を含む１または複数の項からなる請求項１に記載のビーム整形集光レンズ。
【請求項４】
入射側面と出射側面とのプロファイルが、式
【数１３】
2005088376.tif 000041
によって表される請求項１に記載のビーム整形集光レンズ。
【請求項５】
ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸を光軸として、Ｘ、Ｙ方向の物体開口数が異なる入射ビームに対して、透過コリメート・ビームを収差のない理想レンズによって集光した場合に、集光されたビームの、進行方向に垂直な断面における強度が、ピーク強度に対して所定の比率以上である領域が真円となるようにビームを整形するビーム整形コリメート・レンズであって、入射側面と出射側面とのプロファイルが、非球面を表す項と、ｆｅ（ｘ，ｙ）＝ｆｅ（−ｘ，−ｙ）を満たすｆｅ（ｘ，ｙ）で表せる複数の補正項とを含む式
【数１４】
2005088376.tif 000042
によって表され、各補正項の係数は互いに独立して定めることができ、前記断面のＸ方向の径とＹ方向の径との比である真円度のエラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
Ｘ方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×CE×NAR4 ＜ 0.02
となるように、非球面を表す項の係数および補正項の係数を定めたビーム整形コリメート・レンズ。
【請求項６】
補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、１または複数のＸの偶数乗の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、１または複数のＹの偶数乗の項からなる請求項５に記載のビーム整形コリメート・レンズ。
【請求項７】
補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、Ｘの三角関数を含む１または複数の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、Ｙの三角関数を含む１または複数の項からなる請求項５に記載のビーム整形コリメート・レンズ。
【請求項８】
入射側面と出射側面とのプロファイルが、式
【数１５】
2005088376.tif 000043
によって表される請求項５に記載のビーム整形コリメート・レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップ装置や光結合器などに使用される、ビーム整形機能を備えたレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
端面発光型の半導体レーザから射出される光線は、半導体レーザの層に対して垂直および水平方向の拡がり角が異なる。すなわち、半導体レーザの層に対して垂直方向の拡がり角が、半導体レーザの層に対して水平方向の拡がり角よりも大きくなる。【０００３】
たとえば、光ピックアップにおいて、半導体レーザ光源からの光束を光ディスク上に光スポットとして集光させた場合、光スポットの形状は楕円形状となる。光スポットの形状は真円形状であるのが望ましく、楕円の程度が高くなると記録・再生機能が低下する。【０００４】
光スポットの形状を真円形状に近づけるために、たとえば、半導体レーザの層に対して垂直方向の一部を遮光することが考えられる。しかし、この方法では、エネルギーロスが大きくなる。【０００５】
このため、半導体レーザからの光束の断面形状を真円形状に近づけるためのビーム整形が行われる。ビーム整形を単一レンズで行う方法として、光軸に関して回転非対称なアナモルフィック・レンズを使用する方法が知られている（たとえば、後述の特許文献１乃至３）。【０００６】
しかしながら、従来のビーム整形を行う単一レンズは、光束の断面形状を真円形状に近づけることによって必然的に生じる、いわゆるサイドローブに対する十分な対策を備えていなかった。このため、たとえば、ブルーレイ、ＤＶＤおよびＣＤなどの光ピックアップにおいては、データ読み出しの際に、サイドローブに起因してクロストークが生じる可能性があった。【０００７】
なお、光ピックアップを例として説明したが、その他の分野においても、半導体レーザからの光束の断面形状を真円形状に近づけるためのビーム整形のニーズが存在する。たとえば、半導体レーザの光を光ファイバーに結合する光結合器においても、結合効率を高めるために、半導体レーザからの光束の断面形状を真円形状に近づけるためのビーム整形のニーズがある。さらに、加工用レーザにおいても、同様のニーズがある。また、光源は、半導体レーザではなく発光ダイオードなどであってもよい。
【特許文献１】特開２００３−６６３２５号公報（第３９および５６段落、図４他）
【特許文献２】特開２００２−２０８１７１号公報（第６０段落、図２および３他）
【特許文献３】特開２０００−２９２７８３号公報（第１０段落、図１他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光束の断面形状を所定の真円形状に近づけながらサイドローブをできるだけ小さくするビーム整形レンズに対するニーズがある。【０００９】
本発明のビーム整形レンズは、ブルーレイ、ＤＶＤおよびＣＤなどの光ピックアップにおいては、データ読み出しの際のクロストークを減少させる。【００１０】
本発明のビーム整形レンズは、Fθレンズのコリメータ部に使用される場合に、サイドローブの影響による感光体ドラム上での電荷発生に伴う黒筋を改善する。【００１１】
本発明のビーム整形レンズは、半導体レーザの光を光ファイバーに結合する光結合器の結合効率を向上させる。【００１２】
本発明のビーム整形レンズは、半導体レーザ加工において、加工面の仕上がりを向上させる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によるビーム整形集光レンズは、ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸を光軸として、Ｘ、Ｙ方向の物体開口数が異なる入射ビームに対して、集光されたビームの、進行方向に垂直な断面における強度が、ピーク強度に対して所定の比率以上である領域が真円となるようにビームを整形する。レンズの入射側面と出射側面とのプロファイルが、非球面を表す項と、ｆｅ（ｘ，ｙ）＝ｆｅ（−ｘ，−ｙ）を満たすｆｅ（ｘ，ｙ）で表せる複数の補正項とを含む式
【数１】
2005088376.tif 000002
によって表され、各補正項の係数は互いに独立して定めることができる。入射ビームの光源とレンズの光源側面との距離をＦＦ(mm)、レンズのバックフォーカスをＢＦ(mm)、前記断面のＸ方向の径とＹ方向の径との比である真円度のエラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
Ｘ方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×log10(BF) ×CE×NAR4×FF ＜ 0.04
となるように、非球面を表す項の係数および補正項の係数を定めている。【００１４】
したがって、各補正項の係数を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率との差をできるだけ小さくなるように定めることによって、真円度エラーを一定範囲としながら、設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率ＳＲ(%)を小さくすることができる。【００１５】
本発明の一実施形態によるビーム整形集光レンズは、補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、１または複数のＸの偶数乗の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、１または複数のＹの偶数乗の項からなる。【００１６】
したがって、補正項の式が簡単になり、取り扱いやすい。【００１７】
本発明の一実施形態によるビーム整形集光レンズは、補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、Ｘの三角関数を含む１または複数の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、Ｙの三角関数を含む１または複数の項からなる。【００１８】
したがって、補正項の式が簡単になり、取り扱いやすい。【００１９】
本発明の一実施形態によるビーム整形集光レンズは、入射側面と出射側面とのプロファイルが、式
【数２】
2005088376.tif 000003
によって表される。【００２０】
補正項は、Ｘの累乗とＹの累乗とを乗じたものなので、たとえば、Ｘの大きさに応じてＹの補正の大きさを変えることができる。したがって、開口数が大きなビーム整形集光レンズを設計する場合に有利である。【００２１】
本発明によるビーム整形コリメート・レンズは、ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸を光軸として、Ｘ、Ｙ方向の物体開口数が異なる入射ビームに対して、透過コリメート・ビームを収差のない理想レンズによって集光した場合に、集光されたビームの、進行方向に垂直な断面における強度が、ピーク強度に対して所定の比率以上である領域が真円となるようにビームを整形する。入射側面と出射側面とのプロファイルが、非球面を表す項と、ｆｅ（ｘ，ｙ）＝ｆｅ（−ｘ，−ｙ）を満たすｆｅ（ｘ，ｙ）で表せる複数の補正項とを含む式
【数３】
2005088376.tif 000004
によって表され、各補正項の係数は互いに独立して定めることができる。前記断面のＸ方向の径とＹ方向の径との比である真円度のエラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
Ｘ方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×CE×NAR4 ＜ 0.02
となるように、非球面を表す項の係数および補正項の係数を定めている。【００２２】
したがって、各補正項の係数を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率との差をできるだけ小さくなるように定めることによって、真円度エラーを一定範囲としながら、設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率ＳＲ(%)を小さくすることができる。【００２３】
本発明の一実施形態によるビーム整形コリメート・レンズは、補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、１または複数のＸの偶数乗の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、１または複数のＹの偶数乗の項からなる。【００２４】
したがって、補正項の式が簡単になり、取り扱いやすい。【００２５】
本発明の一実施形態によるビーム整形コリメート・レンズは、補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）がＸの偶関数ｆｅ１（ｘ） からなる補正項とＹの偶関数ｆｅ２（ｙ）からなる補正項とからなり、Ｘの偶関数からなる補正項ｆｅ１（ｘ）が、Ｘの三角関数を含む１または複数の項からなり、Ｙの偶関数からなる補正項ｆｅ２（ｙ）が、Ｙの三角関数を含む１または複数の項からなる。【００２６】
したがって、補正項の式が簡単になり、取り扱いやすい。【００２７】
本発明の一実施形態によるビーム整形コリメート・レンズは、入射側面と出射側面とのプロファイルが、式
【数４】
2005088376.tif 000005
によって表される。【００２８】
補正項は、Ｘの累乗とＹの累乗とを乗じたものなので、たとえば、Ｘの大きさに応じてＹの補正の大きさを変えることができる。したがって、開口数が大きなビーム整形集光レンズを設計する場合に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の１実施形態によるビーム整形集光一体型レンズのＸＺ平面の断面図を示す。
【図２】本発明の１実施形態によるビーム整形集光一体型レンズのＹＺ平面の断面図を示す。
【図３】本発明の１実施形態によるビーム整形コリメート・レンズのＸＺ平面の断面図を示す。
【図４】本発明の１実施形態によるビーム整形コリメート・レンズのＹＺ平面の断面図を示す。
【図５】本発明の一実施形態によるビーム整形集光一体型レンズの、点像強度分布図を示す。
【図６】本発明の一実施形態によるビーム整形集光一体型レンズの、ピークを含むスポット断面図を示す。
【図７】従来技術によるビーム整形集光一体型レンズの、点像強度分布図を示す。
【図８】従来技術によるビーム整形集光一体型レンズの、ピークを含むスポット断面図を示す。
【図９】本発明の別の実施形態によるビーム整形集光一体型レンズの、点像強度分布図を示す。
【図１０】本発明の別の実施形態によるビーム整形集光一体型レンズの、ピークを含むスポット断面図を示す。
【図１１】従来技術によるビーム整形集光一体型レンズの、点像強度分布図を示す。
【図１２】従来技術によるビーム整形集光一体型レンズの、ピークを含むスポット断面図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の１実施形態によるビーム整形集光一体型レンズのＸＺ平面の断面図を示し、図２は、ＹＺ平面の断面図を示す。ＹＺ平面の拡がり角が、ＸＺ平面の拡がり角に比較して大きい。したがって、物体側面（Ｓ１面）において、Ｙ方向については＋パワー（収束させる方向）とし、Ｘ方向については−パワー（発散させる方向）とすることで真円度を調整する。【００３１】
図３は、本発明の１実施形態によるビーム整形コリメート・レンズのＸＺ平面の断面図を示し、図４は、ＹＺ平面の断面図を示す。ＹＺ平面の拡がり角が、ＸＺ平面の拡がり角に比較して大きい。したがって、レンズの物体側面（Ｓ１面）において、Ｙ方向については＋パワー（収束させる方向）とし、Ｘ方向については−パワー（発散させる方向）とすることで真円度を調整する。なお、レンズの像側面をＳ２面と呼称する。【００３２】
表１は、ビーム整形集光一体型レンズの設計の初期条件を示す。ＬＤ−Ｓ１面は、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離を示す。ＢＦは、レンズのバックフォーカスを示す。開口比は、以下の式から定める。【００３３】
開口比  ＝  Ｘ方向物体側開口数／Ｙ方向物体側開口数
表１によれば、Ｙ方向物体側開口数は０．４、開口比は０．３６、使用波長は４０８ｎｍ、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離は１．０ｍｍ、レンズ中心厚は３．４ｍｍ、バックフォーカスは１００ｍｍである。【００３４】
表２は、ビーム整形コリメート・レンズの設計の初期条件を示す。ＬＤ−Ｓ１面と開口比は、表１と同様に定義する。コリメート光を、収差のない理想レンズによって集光する。表２によれば、Ｙ方向物体側開口数は０．４、開口比は０．３６、使用波長は４０８ｎｍ、半導体レーザ光源とレンズの光源側のＳ１面との間の距離は１．０ｍｍ、レンズ中心厚は３．４ｍｍ、理想レンズの焦点距離は４ｍｍである。
【表１】
2005088376.tif 000006
【表２】
2005088376.tif 000007
【００３５】
半導体レーザ光源からのビームの強度分布はガウス分布とする。また、半導体レーザ光源を再現した光強度分布と波面収差から計算された点像強度分布において、ピーク値の１３．５％（1/e2）以上の強度を有する領域について、Ｘ方向およびＹ方向のスポット径を求め、以下の式から真円度を定める。【００３６】
真円度（％）＝Ｘ方向のスポット径／Ｙ方向のスポット径×１００
また、サイドローブの値は、点像強度分布におけるサイドローブの最も高い値のピーク値に対する比率をパーセントで表したものである。【００３７】
設計に当たっては、光取得効率を９４％以上とし、真円度を９５％以上とするように行う。また、波面収差は、３mλRMS以下とするようにする。また、Ｘ方向とＹ方向の虚像角を揃えるようにする。Ｘ方向虚像角は、結像点を含むＸＺ面において、光線束の最も外側の光線が光軸となす角度である。Ｙ方向虚像角は、結像点を含むＹＺ面において、光線束の最も外側の光線が光軸となす角度である。単位は、ともに度である。なお、レンズの屈折率は、波長によって定める。たとえば、４０８ｎｍにおいては、１．５０５６、７８０ｎｍにおいては、１．４８５５とする。設計ソフトとしては、米国Optical Research Associate 社の CODE V  を使用した。しかし、他の設計ソフトを使用した場合にも、本発明を適用することができる。【００３８】
ビーム整形集光一体型レンズの設計条件を、表１の初期条件から様々に変化させて、レンズの両面の形状を本発明の一実施形態である以下の式にしたがって設計した結果を表３及至５に示す。
【数５】
2005088376.tif 000008
【００３９】
ここでＺは、Ｚ軸（光軸方向）に平行な、面のサグ量、Ｃｘ、Ｃｙは、ＸＺ面内およびＹＺ面内の曲率、Ｋｘ、ＫｙはＸＺ面内およびＹＺ面内の形状の円錐係数、Ａ２i、Ｂ２ｊは補正係数を表す。具体的に表３乃至５は、バックフォーカス以外を変化させなかった場合、Ｙ方向の物体側開口数を０．４５に変化させた場合、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離を１．５ｍｍに変化させた場合、レンズ中心厚を３ｍｍに変化させた場合、使用波長を７８０ｎｍに変化させた場合、開口比を０．５３に変化させた場合および開口比を０．５９に変化させた場合について、バックフォーカスをそれぞれ１００ｍｍ（初期条件）、５０ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の設計結果を示す。表６乃至９は、上記の様々な設計条件で設計を行った場合の、非球面を表す項の係数と補正項の係数とを示す。ただし、Ｓ１面の曲率については、表３至５に示しているので省略している。
【表３】
2005088376.tif 000009
【表４】
2005088376.tif 000010
【表５】
2005088376.tif 000011
【表６】
2005088376.tif 000012
【表７】
2005088376.tif 000013
【表８】
2005088376.tif 000014
【表９】
2005088376.tif 000015
【００４０】
ビーム整形集光一体型レンズの設計条件を、表１の初期条件から様々に変化させて、レンズ両面の形状を従来技術による以下の式（アナモルフィック式）にしたがって設計した結果を表１０乃至１２に示す。
【数６】
2005088376.tif 000016
【００４１】
ここでＺは、Ｚ軸（光軸方向）に平行な、面のサグ量、Ｃｘ、Ｃｙは、ＸＺ面内およびＹＺ面内の曲率、Ｋｘ、ＫｙはＸＺ面内およびＹＺ面内の形状の円錐係数、ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲ、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰは補正係数を表す。具体的に表１０乃至１２は、バックフォーカス以外を変化させなかった場合、Ｘ方向の物体側開口数を０．４５に変化させた場合、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離を１．５ｍｍに変化させた場合、レンズ中心厚を３ｍｍに変化させた場合、使用波長を７８０ｎｍに変化させた場合、開口比を０．５３に変化させた場合および開口比を０．５９に変化させた場合について、バックフォーカスをそれぞれ１００ｍｍ（初期条件）、５０ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の設計結果を示す。表１３乃至１６は、上記の様々な設計条件で設計を行った場合の、非球面を表す項の係数と補正項の係数とを示す。ただし、Ｓ１面の曲率については、表１０乃至１２に示しているので省略している。
【表１０】
2005088376.tif 000017
【表１１】
2005088376.tif 000018
【表１２】
2005088376.tif 000019
【表１３】
2005088376.tif 000020
【表１４】
2005088376.tif 000021
【表１５】
2005088376.tif 000022
【表１６】
2005088376.tif 000023
【００４２】
入射ビームの光源とレンズの光源側面との距離をＦＦ(mm)、レンズのバックフォーカスをＢＦ(mm)、真円度エラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
X方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×log10(BF) ×CE×NAR4×FF
を評価関数EF1とする。【００４３】
本発明の一実施形態による設計結果を表す表３乃至５において、上記全ての設計条件において、評価関数EF1は以下の条件を満たす。
EF1 ＜ 0.04【００４４】
他方、アナモルフィック非球面式による設計結果を表す表１０乃至１２において、上記全ての設計条件において、評価関数EF1は以下の条件を満たす。
EF1 ＞ 0.04【００４５】
また、本発明の一実施形態による、表３乃至５の各条件におけるサイドローブの値は、従来のアナモルフィック式による、表１０乃至１２の対応する条件におけるサイドローブの値よりも小さい。【００４６】
上記の結果は、以下の理由によるものと考えられる。相対的に大きなサイドローブは、ＸＺ断面の周辺部において発生する。ＸＺ断面について考えると、ビーム整形させるために発散させるべき面のパワーが大きくなる中心付近において、非球面を表す項の２乗項の支配力が強いので、相対的に強い発散が生じる。このため、中心付近が粗となり、逆に周辺部分が密となり、サイドローブが増加すると考えられる。したがって、サイドローブを小さくするには、非球面を表す項において、Ｘ方向の曲率ＣｘとＹ方向の曲率Ｃｙとの差をできるだけ小さくするのが好ましいと考えられる。【００４７】
他方、本発明の一実施形態による式（式１）と従来のアナモルフィック式（式２）とは、補正項が異なっている。式１においては、各補正項の係数Ａ２ｉ、Ｂ２ｉを互いに独立して定めることができる。したがって、本実施形態においては、各補正項の係数Ａ２ｉ、Ｂ２ｉを互いに独立して定めることによって、式１の非球面を表す項のＸ方向の曲率ＣｘとＹ方向の曲率Ｃｙとの差をできるだけ小さくすることができる。しかし、式２においては、ＡＰ、ＢＰ、ＣＰ、ＤＰなどの係数が複数の補正項に共通しているため、互いに独立して定めることができず、非球面を表す項のＸ方向の曲率ＣｘとＹ方向の曲率Ｃｙとの差を、本発明のように小さくすることができない。【００４８】
従来のアナモルフィック式（式２）の形は、以下の非球面の式の形に対応している。
【数７】
2005088376.tif 000024
【００４９】
ここで、ｒおよびρは、光軸からの距離である。実際、式２において、ｃｘ＝ｃｙ、ｋｘ＝ｋｙ、ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝０とすると、上記の非球面の式と同じになる。ＡＰ、ＢＰ、ＣＰおよびＤＰ項は、Ｘ軸のサグ量とＹ軸のサグ量との差を示し、非点収差との対応がとりやすい。このような理由から、従来のアナモルフィック式（式２）が一般的に使用されてきた。【００５０】
上記のように、本発明の一実施形態による、ビーム整形集光レンズは、半導体レーザ光源からの、Ｘ方向とＹ方向の拡がり角が異なるビームを、集光されるビームの強度分布が所定の真円度を達成するようにビームを整形する場合に、従来のアナモルフィック・レンズと比較してサイドローブを小さくすることができる。【００５１】
一般的に、レンズの対称性を考慮すると、補正項ｆｅ（ｘ，ｙ）は、
ｆｅ（ｘ，ｙ）＝ｆｅ（−ｘ，−ｙ）
を満たす必要がある。【００５２】
補正項は、三角関数の項を含んでもよい。三角関数は、曲率の変化が大きいので適切に組み合わせることにより、より自由度の高い設計ができる。三角関数を含む補正項の設計例については後で説明する。【００５３】
補正項は、Ｘの累乗とＹの累乗とを乗じた項を含んでもよい。この補正項を使用すれば、たとえば、Ｘの大きさに応じてＹの補正の大きさを変えることができる。したがって、開口数が大きなビーム整形集光レンズを設計する場合に有利である。Ｘの累乗とＹの累乗とを乗じた項を含む補正項の設計例については後で説明する。【００５４】
ビーム整形コリメート・レンズの設計条件を、表２の初期条件から様々に変化させて、本発明の一実施形態である以下の式にしたがって設計した結果を表１７に示す。
【数８】
2005088376.tif 000025
【００５５】
具体的に表１７は、初期条件を変化させなかった場合、Ｘ方向の物体側開口数を０．４５に変化させた場合、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離を１．５ｍｍに変化させた場合、レンズ中心厚を３ｍｍに変化させた場合、使用波長を７８０ｎｍに変化させた場合、開口比を０．５３に変化させた場合および開口比を０．５９に変化させた場合の設計結果を示す。表１７乃至２０において、表中の丸で囲った数字は、それぞれ、上記の７個のケースを示す。表１８は、上記の様々な設計条件で設計を行った場合の、非球面を表す項の曲率以外の係数と補正項の係数とを示す。
【表１７】
2005088376.tif 000026
【表１８】
2005088376.tif 000027
【００５６】
ビーム整形コリメート・レンズの設計条件を、表２の初期条件から様々に変化させて、従来技術による以下の式（アナモルフィック式）にしたがって設計した結果を表１９に示す。
【数９】
2005088376.tif 000028
【００５７】
具体的に表１９は、初期条件を変化させなかった場合、Ｘ方向の物体側開口数を０．４５に変化させた場合、半導体レーザ光源とレンズのＳ１面との間の距離を１．５ｍｍに変化させた場合、レンズ中心厚を３ｍｍに変化させた場合、使用波長を７８０ｎｍに変化させた場合、開口比を０．５３に変化させた場合および開口比を０．５９に変化させた場合の設計結果を示す。表２０は、上記の様々な設計条件で設計を行った場合の、非球面を表す項の曲率以外の係数と補正項の係数とを示す。
【表１９】
2005088376.tif 000029
【表２０】
2005088376.tif 000030
【００５８】
真円度エラーを
CE = ｜100-真円度｜ (%)
X方向の物体開口数をＮＡＸ、Ｙ方向の物体開口数をＮＡＹ、物体開口比を
NAR =ＮＡＸ/ＮＡＹ
設計上のピーク強度に対する最大サイドローブ強度の比率をＳＲ(%)として、
｜CX − CY ｜2×SR2×CE×NAR4
を評価関数EF2とする。【００５９】
本発明の一実施形態による設計結果を表す表１７において、上記全ての設計条件において、評価関数EF2は以下の条件を満たす。
EF2 ＜ 0.02【００６０】
他方、アナモルフィック非球面式による設計結果を表す表１９において、上記全ての設計条件において、評価関数EF2は以下の条件を満たす。
EF2 ＞ 0.02【００６１】
また、本発明の一実施形態による、表１７の各条件におけるサイドローブの値は、従来のアナモルフィック式による、表１９の対応する条件におけるサイドローブの値よりも小さい。【００６２】
表１７乃至２０についての上記の結果の理由は、表３乃至１６の結果についての理由と同様と考えられる。【００６３】
このように、本発明の一実施形態による、ビーム整形コリメート・レンズは、半導体レーザ光源からの、Ｘ方向とＹ方向の拡がり角が異なるビームを、集光されるビームの強度分布が所定の真円度を達成するようにビームを整形する場合に、従来のアナモルフィック・レンズと比較してサイドローブを小さくすることができる。【００６４】
本発明の一実施形態によるビーム整形集光一体型レンズの、表３乃至６に示した設計例の内、下記の設計例（表２１）について、点像強度分布図およびピークを含むスポット断面図（図５および６、図９および１０）を示す。
【表２１】
2005088376.tif 000031
【００６５】
従来技術によるビーム整形集光一体型レンズの、表１０乃至１２に示した設計例の内、下記の設計例（表２２）について、点像強度分布図およびピークを含むスポット断面図（図７および８、図１１および１２）を示す。
【表２２】
2005088376.tif 000032
【００６６】
本発明の一実施形態の設計結果（Ｙ方向開口数０．４の場合）を示す図５および６と、従来技術の設計結果を示す図７および８とを比較すると、従来技術と比較して本発明の場合のサイドローブが減少している。【００６７】
本発明の一実施形態の設計結果（Ｙ方向開口数０．４５の場合）を示す図９および１０と、従来技術の設計結果を示す図１１および１２とを比較すると、従来技術と比較して本発明の場合のサイドローブが減少している。【００６８】
つぎに、補正項として三角関数を使用する以下の式にしたがって、表１および表２の条件の下で設計した結果を表２３に示す。
【数１０】
2005088376.tif 000033
【００６９】
ここで、上記の式の補正項中におけるaは、調整用の定数である。角度の単位は、ラジアンである。具体的に表２３は、コリメート型の場合、集光一体型でバックフォーカスをそれぞれ１００ｍｍ、５０ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の設計結果を示す。表２４は、上記の設計条件で設計を行った場合の式の係数を示す。
【表２３】
2005088376.tif 000034
【表２４】
2005088376.tif 000035
【００７０】
表２３において、集光一体型の設計条件において、評価関数EF1は以下の条件を満たす。
EF1 ＜ 0.04【００７１】
また、コリメート型の設計条件において、評価関数EF２は以下の条件を満たす。
EF２ ＜ 0.0２【００７２】
また、本発明の一実施形態による、表２３の各条件におけるサイドローブの値は、従来のアナモルフィック式による、表１０および表１９の対応する条件におけるサイドローブの値よりも小さい。【００７３】
つぎに、以下の式にしたがって、表１および表２の条件の下で設計した結果を表２６に示す。
【数１１】
2005088376.tif 000036
【００７４】
ここで、上記の式の補正項の係数Ｃｊの役割を以下の表２５に示す。具体的に表２６は、コリメート型の場合、集光一体型でバックフォーカスをそれぞれ１００ｍｍ、５０ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の設計結果を示す。表２７は、上記の設計条件で設計を行った場合の式の係数を示す。
【表２５】
2005088376.tif 000037
【表２６】
2005088376.tif 000038
【表２７】
2005088376.tif 000039
【００７５】
表２６において、集光一体型の設計条件において、評価関数EF1は以下の条件を満たす。
EF1 ＜ 0.04【００７６】
また、コリメート型の設計条件において、評価関数EF２は以下の条件を満たす。
EF２ ＜ 0.0２【００７７】
また、本発明の一実施形態による、表２６の各条件におけるサイドローブの値は、従来のアナモルフィック式による、表１０および表１９の対応する条件におけるサイドローブの値よりも小さい。
【図１】
2005088376.tif 000045
【図２】
2005088376.tif 000046
【図３】
2005088376.tif 000047
【図４】
2005088376.tif 000048
【図５】
2005088376.tif 000049
【図６】
2005088376.tif 000050
【図７】
2005088376.tif 000051
【図８】
2005088376.tif 000052
【図９】
2005088376.tif 000053
【図１０】
2005088376.tif 000054
【図１１】
2005088376.tif 000055
【図１２】
2005088376.tif 000056
【国際調査報告】
2005088376.tif 000057
2005088376.tif 000058
2005088376.tif 000059
2005088376.tif 000060