JPH079501B2

JPH079501B2 - グレ−テイングレンズ系

Info

Publication number: JPH079501B2
Application number: JP61300028A
Authority: JP
Inventors: 雅之加藤; 智司前田; 文雄山岸; 弘之池田; 雄史稲垣
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS63153736A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕本発明は、コヒーレントな平面波光を２つのインライン
型グレーティングレンズを用いて１点に集束させるグレ
ーティングレンズ系であって、上記２つのインライン型
グレーティングレンズに所定の周波数分布を持たせて、
両レンズ間の空間で光軸に関して対称な２光線を交差さ
せ、その後に１点に集束させるようにしたことにより、
入射光の波長変動に対しても、収差のない良好なビーム
スポットと、ずれのない安定した焦点位置とを得ること
ができるようにし、従ってグレーティングレンズの幅広
い実用化を可能にしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、グレーティングレンズを組み合わせて集束機
能を持たせたグレーティングレンズ系に関する。

昨今、コヒーレント光源からの平面波光を１点に集束さ
せる機能を必要とする光学系、例えば光ディスク装置の
光ピックアップ等においては、（ｉ）装置の小型化、（ii）アクセス時間の短縮化、
（iii）低価格化等を実現するために、従来の光学素子
と比較して薄型、軽量、小型であって、しかも量産性に
富んでいるグレーティングレンズの使用が検討されてい
る。

〔従来技術〕

従来のインライン型グレーティングレンズを第８図に示
す。このレンズは、同図（ａ）に示すように、例えばあ
る特定の波長λ_０の平行光束のみを１点に集束させる機
能を有している。そのため、上記λ_０よりも長い波長λ
（＞λ_０）の光に対しては、同図（ｂ）に示すように収
差が発生し、良好な集束性能が得られなくなるとともに
焦点距離が変化する（λ＞λ_０の場合は短くなる）。ま
た、λ_０よりも短かい波長に対しても、様子は同図
（ｂ）と異なるが、収差が発生し焦点距離も変化する。

このような現象は、光を回折により曲げるレンズにおい
て共通で、例えば第９図に示す体積型ホログラムレンズ
（同図（ａ））、表面レリーフ型グレーティングレンズ
（同図（ｂ））、ブレーズ化グレーティングレンズ（同
図（ｃ））のいずれにおいてもあてはまる。また、第10
図に示すようなオフアクシス型グレーティングレンズの
場合は、同図（ａ）に示すように波長がλ_０のときに無
収差であっても、波長が変化すると同図（ｂ）に示すよ
うに、収差が発生するばかりでなく、焦点位置が光軸か
らもずれてしまう。

このようにグレーティングレンズは、薄型、軽量、小型
である等の利点を有する反面、使用波長が所定の値（λ
_０）からずれると収差が発生して集束性能が劣化すると
ともに、焦点位置もずれてしまうという性質を持ってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕光ディスク装置の光ピックアップにおいては、コヒーレ
ント光源として半導体レーザを用いている。半導体レー
ザには、一般に単一モードレーザと多モードレーザとが
あり、その発振波長の様子をそれぞれ第11図（ａ），
（ｂ）に示した。従来の一般的な光ピックアップでは、
通常の光学レンズを用いているため、レーザ光の波長変
化によっては光ディスクに対する読取り、書込み等に影
響するようなビームスポット変化は生じない。よって、
上記単一モードレーザと多モードレーザのいずれも使用
可能である。これに対して、光ピックアップにグレーテ
ィングレンズを用いようとした場合は、上述したように
波長変動による影響が大きいので、単一モードの半導体
レーザしか使用できない。

ところが、単一モードの半導体レーザであっても、その
発振波長が温度に応じて変化するという特性を持ってい
る。第12図に、単一モード半導体レーザにおける発振波
長と周囲温度との関係（ただし、レーザ出力は一定条件
下）を示す。同図に明らかなように、（ａ）波長が温度
変化とともに徐々に連続して変化する、（ｂ）ある温度
T₁で不連続的に波長が変化する（いわゆるモードホッ
プ）、（ｃ）ある温度T₂においては２つ以上の波長が存
在する、といった現象が存在する。

従って、例えばグレーティングレンズを用いた光ピック
アップにおいては、たとえ単一モードの半導体レーザを
光源として使用した場合であっても、その温度が変化し
た時には、上記の現象により波長も変化するため、グレ
ーティングレンズによる集光スポット品質が劣化し、し
かも焦点位置が変化してしまう場合が生じる。これらの
ことは、光ディスク媒体上におけるスポットのビーム径
拡大、トラックずれの発生、フォーカスずれの発生等に
つながる。特に、第12図に示したモードホップによって
波長が変化した場合は、その変化が不連続的であるた
め、現状のサーボ機構では全く追従できないという問題
がある。

そのため、外部に温度調整機能を設けて半導体レーザの
温度を適切値に維持しようとする試みもあるが、光ディ
スクに対する書込み時と読取り時とでは半導体レーザの
駆動電流が異なるので、ジャンクション部の温度が急激
に変化してしまい、よって外部の温度調整機構では精度
よく制御することはできない。

本発明は、上記問題点に鑑み、入射光の波長変動に対し
ても、収差の生じない良好なビームスポットと、所定点
からずれることのない安定した焦点位置とを得ることが
出来、従って光ディスク装置の光ピックアップを初めと
する各種分野への応用を可能にするグレーティングレン
ズ系を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のグレーティングレンズ系は、コヒーレントな平
面波光が入射するインライン型の第１のグレーティング
レンズと、これを透過した回折光を光軸上の所定の１点
に集束させるインライン型の第２のグレーティングレン
ズとを同一光軸上に配置したものであって、第1,第２の
グレーティングレンズはいずれも光軸に関して回転対称
な所定の空間周波数分布を有し、第１のグレーティング
レンズが光軸に関して対称な任意の２点からの回折光を
光軸上で交差させると共に、光軸から離れた位置への入
射光ほど第２のグレーティングレンズの光軸に近い位置
へ入射させるべく回折させ、その回折光を第２のグレー
ティングレンズが上述した所定の１点に集束させるよう
にしたものである。なお、ここで“光軸”とは、“レン
ズの中心を通り、レンズの入射面に対して垂直な軸”の
ことである。

〔作用〕

上記構成において、第１のグレーティングレンズの任意
の１点に同一方向から入射した、互いに異なる波長λ₀,
λ（λ_０＜λ）の２つの光の進路を考えてみる。まず、
第１のグレーティングレンズによって、波長λの光は波
長λ_０の光よりも大きな角度で回折されるとともに、こ
れらの回折光はいずれも光軸と交わった後に、第２のグ
レーティングレンズ上に到達する。これらの光の到達点
の光軸からの距離は波長λの光の方が波長λ_０の光より
も遠い。次に、これらの光は上記第２のグレーティング
レンズによって回折されるが、この時、波長λの光が波
長λ_０の光よりも大きな角度で回折されるので、２つの
光の間隔は次第に狭まっていき、最終的には１点で交わ
る。よって、上記２つのグレーティングレンズに所定の
空間周波数分布を持たせておくことにより、上記２つの
光の交わる点を上記光軸上の所定の１点に置くことがで
きる。

以上のことは第１のグレーティングレンズのどの点に入
射した光についても言うことが出来、しかも上記空間周
波数分布は光軸に関して回転対称としてあるので、入射
したコヒーレントな平面波光はその波長が変化したとし
ても、光軸上の上記所定の１点に集束され、従って収差
や焦点位置ずれが生じることはなくなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図である。本実
施例は、インライン型の第1,第２のグレーティングレン
ズ11,12を同一光軸（一点鎖線）上に配置した構成であ
り、光軸に平行でコヒーレントな平面波光（例えば半導
体レーザからのコリメート光）を第１のグレーティング
レンズ11で光軸側に回折させ、光軸と一旦交差させた後
に、第２のグレーティングレンズ12によって光軸上の所
定の点Ｐに集束させるようにしたものである。

上記第１のグレーティングレンズ11は、光軸に関して回
転対称の所定の空間周波数分布を有しており、光軸に関
して対称な任意の２点からの回折光が光軸上で交差する
ようにしてある。また、上記第２のグレーティングレン
ズ12は、光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布
を有しており、上記交差した回折光が光軸上の１点（点
Ｐ）に集束するようにしてある。

次に、上記グレーティングレンズ11,12の空間周波数分
布の具体的な決定方法について、第２図を用いて以下
（ｉ）〜（iv）で述べる。なお、２つのグレーティング
レンズ11,12間の距離をｄ、グレーティングレンズ12と
点Ｐとの距離をｌとする。

（ｉ）まず、光軸上の無限遠点から発せられる（すなわ
ち光軸に平行な）、グレーティングレンズ11の最外周の
点R₁に達する、波長λ_０の光線を考える。この光線は、
点R₁で回折され、グレーティングレンズ12の中心の点r₁
（＝０）に達し、ここで更に回折されて点Ｐに達するも
のとする（第２図中の実線ａ）。すると、上述した光路
（無限遠点→R₁→r₁→Ｐ）を仮定することにより、点
R₁,r₁における空間周波数F₁,f₁が決定される。

（ii）次に、上記光線の波長がλ_０からλ（＞λ_０）に
変った場合について考える。無限遠点から点R₁へと進ん
だ波長λの光線は、点R₁において、波長がλ_０のときよ
りも大きな角度で回折され、グレーティングレンズ12上
の点r₂に達する（破線ｂ）。ここで、波長がλであると
きでも点Ｐに集束するという条件から、点r₂における空
間周波数f₂が決定される。

（iii）波長がλ_０の場合に戻り、点r₂で回折されて点
Ｐに達する波長λ_０の光線がグレーティングレンズ11上
のどこの点から来るのかを逆に求めることが出来る（実
線ｃ）。そのグレーティングレンズ11上の点をR₂とする
と、点R₂での回折光が光軸上の無限遠点に達する（すな
わち光軸と平行になる）という条件から、点R₂における
空間周波数F₂が決定される。

（iv）再び波長がλになった場合を考え、上記（ii）と
同様にしてグレーティングレンズ12上の点r₃（不図示）
とその空間周波数f₃を求める。そして波長をλ_０に戻
し、上記（iii）と同様にしてグレーティングレンズ11
上の点R₃（不図示）とその空間周波数F₃を求める。この
ようにして点Rn（ｎ＝1,2,3,・・・）がグレーティング
レンズ11の中心に達するまで上記（ii）及び（iii）の
過程を繰り返すことにより、グレーティングレンズ11,1
2における半径方向の空間周波数分布が決定される。な
お、第２のグレーティングレンズ12の径は、点rnの位置
で決定され、通常は第１のグレーティングレンズ11の径
よりも小さい。

以上のようにしてグレーティングレンズ11,12の空間周
波数分布を決定することにより、それらの光軸と平行に
入射した平面波光が、基準となる波長λ_０とは異なる波
長λであっても、これを実用上無収差で点Ｐに集束させ
ることが出来る。

次に、上述したようにして決定された空間周波数分布の
特徴を明確にするため、第３図に示すように、グレーテ
ィングレンズ11,12の回折機能を、それらの間側と外側
とに分割して考える。すると第２のグレーティングレン
ズ12は、光軸方向に進む平面波によって、等価的に２つ
のグレーティングレンズ12a,12bに分割することが出来
る。それとともに、グレーティングレンズ12の空間周波
数をｆとすれば、ｆがfa,fbに分割され、ｆ＝fa＋fbな
る関係が成りたつ。ここで、グレーティングレンズ12a
は、平面波を１点に集束させるインライン型のグレーテ
ィングレンズであって、第８図に示した従来のものと同
等である。これに対しもう一方の側のグレーティングレ
ンズ12bおよび第１のグレーティングレンズ11は、以下
に示すような特殊な空間周波数分布を有している。

第４図に、第1,第２のグレーティングレンズ11,12の具
体的な空間周波数分布の一例を示す。なおこの例は、第
１のグレーティングレンズ11の半径Ｒ＝1.5mm,第２のグ
レーティングレンズ12の半径ｒ＝0.95mm,焦点距離ｌ＝
1.8mm,両レンズ間の距離ｄ＝2.5mmとした場合で、設計
波長λ_０＝830nmである。

同図において、第１、第２のグレーティングレンズ11,1
2の空間周波数（F,f）分布は、レンズ中心から外周に向
ってなめらかに増加する分布となっている。また、第２
のグレーティングレンズ12は上述したように分割して考
えられるが、その一方のグレーティングレンズ12aの空
間周波数（fa）分布は、レンズ中心でゼロであり、外周
に向ってほぼ直線的に増加する分布である。もう一方の
グレーティングレンズ12bの空間周波数（fb）分布は、
第１のグレーティングレンズ11の空間周波数帯域と等し
い帯域（430〜620mm^-1）を有し、レンズ中心から外周に
向ってなめらかに減少する分布である。なお、第２のグ
レーティングレンズ12（12a,12b）においては、前述し
たようにｆ＝fa＋fbなる関係が成立している。

そこで、本実施例のグレーティングレンズ系における波
長変動に対する補償効果を確認するために、入射光の波
長を中心波長830nmからΔλだけずらしたときに発生す
る波面収差のRMS値および最大値を計算し、その結果を
第５図に示した。なお、グレーティングレンズ11,12
は、波長830nmと830.3nmの光に対して無収差となるよう
に、第２図に示した方法で空間周波数分布を決定した。
第５図において、実用上無収差とみなせる条件（RMS値
＜0.07λ、MAX値＜0.25λ）より、830±14nmの波長に対
して実用上無収差を維持できることがわかる。この波長
範囲（830±14nm）は、現在市販されているほとんどす
べての半導体レーザの発振波長（温度による波長変動を
含む）をカバーできる範囲である。なお、本実施例のグ
レーティングレンズ系では、焦点位置ずれも無い。

これらの結果から、本実施例によれば、半導体レーザの
温度変化に伴う波長変化、モードホップ、更には多モー
ドレーザに対しても、良好なビームスポット及び安定な
焦点位置を得ることが出来、よってグレーティングレン
ズの光ピックアップ等への実用化を現実のものとするこ
とが出来る。

本実施例のグレーティングレンズ系は、各グレーティン
グレンズ11,12が薄型、小型、軽量であって、しかも軸
対称な構成であることを利用して、容易に一体化するこ
とができる。その一体化例を第６図に示す。これは、円
筒状の外枠部20の両底面に、その中心軸が光軸と一致す
るように２つのグレーティングレンズ11,12をそれぞれ
嵌め込んで固定したものである。

第７図は、上記一体化されたグレーティングレンズ系Ａ
を対物レンズとしてアクチュエータＢに搭載し、光ピッ
クアップを構成した場合の一例を示したものである。上
記アクチュエータＢは、従来と同様に回転板Ｃに固定さ
れ、矢印方向にフォーカシングおよびトラッキングが可
能である。上記構成においては、例えば半導体レーザか
らのコリメート光ＬがミラーＭで上方に反射され、グレ
ーティングレンズ系Ａによって光ディスク媒体（不図
示）上の一点に集束される。この際、半導体レーザ光に
波長変動が生じても、上述した２つのグレーティングレ
ンズ11,12の補償効果により、光ディスク媒体上のビー
ムスポットには全く影響が生じない。また、従来の光学
レンズ群からなる対物レンズと比べて、軽量、小型、か
つ低価格であるという利点もある。

なお本発明に係るグレーティングレンズの作成方法とし
ては、電子ビーム描画法によるものが最も確実であり、
空間周波数の計算値をデータとして入力すれば、所望の
グレーティングレンズが作成できる。この場合、グレー
ティングのブレーズ化を行うことにより、グレーティン
グレンズの効率を一層高めることが出来る。また、所望
の波面を光学素子で作り出すことにより、ホログラフィ
ックに作成することも可能である。この場合は、２つの
レンズ間の距離ｄを小さくとって空間周波数帯域を高く
することにより、レンズの効率を一層高めることが出来
る。

また、本発明のグレーティングレンズ系は、光ディスク
装置の光ピックアップにのみ適用されるものではなく、
コヒーレントな平面波光を１点に集束させる機能を必要
とする各種の光学系に適用され得るものである。

〔発明の効果〕

本発明のグレーティングレンズ系によれば、収差の生じ
ない良好なビームスポットと、所定の１点からずれるこ
とのない安定した焦点位置とを得ることができ、従っ
て、光ディスク装置の光ピックアップを初めとする各種
分野への実用化が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は同実施例に係る第1,第２のグレーティングレン
ズ11,12の空間周波数の決定方法を示す図、第３図は上記実施例における空間周波数分布特性の説明
図、第４図は第1,第２のグレーティングレンズ11,12の空間
周波数分布の一例を示す図、第５図は上記実施例における波面収差と波長ずれ量との
関係を示す図、第６図は上記実施例のグレーティングレンズ系の一体化
例を示す断面図、第７図は上記一体化されたグレーティングレンズ系を用
いて構成した光ピックアップの一例を示す斜視図、第８図（ａ）及び（ｂ）は従来のインライン型グレーテ
ィングレンズの機能及びその欠点を示す図、第９図（ａ）〜（ｃ）は従来の各種のグレーティングレ
ンズを示す概略構成図、第10図（ａ）及び（ｂ）は従来のオフアクシス型グレー
ティングレンズの機能及びその欠点を示す図、第11図（ａ），（ｂ）はそれぞれ単一モード半導体レー
ザと多モード半導体レーザの発振波長の様子を示す図、第12図は単一モード半導体レーザにおける発振波長の温
度依存性を示す図である。 11……第１のグレーティングレンズ、 12……第２のグレーティングレンズ．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田弘之神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者稲垣雄史神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭59−192207（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−160166（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントな平面波光が入射するインラ
イン型の第１のグレーティングレンズ（11）と、該第１のグレーティングレンズを透過した回折光を光軸
上の所定の１点に集束させるインライン型の第２のグレ
ーティングレンズ（12）とを同一光軸上に備えたグレー
ティングレンズ系であって、前記第１のグレーティングレンズは、前記光軸に関して
回転対称の所定の空間周波数分布を有し、前記光軸に関
して対称な任意の２点からの回折光を前記光軸上で交差
させると共に、前記光軸から離れた位置への入射光ほど
前記第２のグレーティングレンズの前記光軸に近い位置
へ入射させるべく回折させることと、前記第２のグレーティングレンズは、前記光軸に関して
回転対称の所定の空間周波数分布を有し、前記第１のグ
レーティングレンズによる回折光を前記所定の１点に集
束させることを特徴とするグレーティングレンズ系。
【請求項２】前記第１及び第２のグレーティングレンズ
の空間周波数分布は、レンズ中心から外周に向かってな
めらかに増加する分布であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のグレーティングレンズ系。
【請求項３】前記第２のグレーティングレンズの空間周
波数分布は、平面波を集束させるインライン型グレーテ
ィングレンズの空間周波数分布に、レンズ中心から外周
に向かってなめらかに減少する空間周波数分布を加え合
わせた分布であることを特徴とする特許請求の範囲第２
項記載のグレーティングレンズ系。
【請求項４】前記なめらかに減少する空間周波数分布の
帯域が前記第１のグレーティングレンズの空間周波数分
布の帯域に等しいことを特徴とする特許請求の範囲第３
項記載のグレーティングレンズ系。