JPH0814663B2

JPH0814663B2 - 半導体レ−ザ−用コリメ−トレンズ

Info

Publication number: JPH0814663B2
Application number: JP15112086A
Authority: JP
Inventors: 博志後藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1996-02-14
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: JPS638625A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、半導体レーザー用コリメートレンズに関す
る。

（従来技術）光ディスクシステムの光ピックアップや、レーザープ
リンター等の光源として、半導体レーザーが一般的に用
いられるようになってきた。

良く知られるように、半導体レーザーから発せられる
レーザー光は発散光束であり、この発散光束をカップリ
ングするために、コリメートレンズが用いられる。

コリメートレンズと半導体レーザーとは、半導体レー
ザーの発光点が、コリメートレンズの焦点位置を占める
ように位置関係を定められ、保持体により相互に一体化
される。

ところで、半導体レーザーとコリメートレンズとを保
持体により一体化してなる光源装置は、所定の基準温
度、例えば20℃にあわせて設計，製作されるのである
が、実際における光源装置の使用状況では、光源装置に
対する環境温度は、ときと所によって、かなり大きく、
変動し、例えば、０〜60℃の温度領域で変動することも
めずらしくはない。

このように、光源装置に対する環境温度が基準温度か
らずれると、コリメートレンズから射出する光束は、平
行光束にならなくなってしまい、光ピックアップのフォ
ーカシングや、光プリンターの書込に支障が生じてしま
う。これには、２つの原因が作用している。

第１の原因は、半導体レーザーとコリメートレンズと
を一体的に保持する保持体が、温度変化に応じて熱変形
を生じ、半導体レーザーの位置が、コリメートレンズの
焦点からずれる位置ずれである。

第２の原因は、温度変化に伴う半導体レーザーの発振
波長の変化である。すなわち、半導体レーザーから放射
されるレーザー光の波長は、温度とともに変化し、この
ように光波長が変化するとコリメートレンズの分散性の
ために、コリメートレンズの屈折率が変化し、これが見
かけ上、コリメートレンズの焦点距離変化としてあらわ
れるのである。

従来、かかる問題を解決する方法としては、一方にお
いて、半導体レーザーを温度制御してレーザー波長を安
定させるとともに、他方において、保持体を、線膨張係
数の異なる２種以上の材料で複合的に作製し、コリメー
トレンズと半導体レーザーとの位置関係を、温度変化に
拘らず略一定にするという方法が知られている（特開昭
59−15206号公報）。

しかし、この従来方法は、保持体のコストが高くつく
ほか、半導体レーザーの温度制御もコスト高の原因とな
る。

（目的）本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とするところは、半導体レーザーの温度制
御を不要となし、保持体も低コストで製造しうる、半導
体レーザー用の新規なコリメートレンズの提供にある。

（構成）以下、本発明を説明する。

本発明のコリメートレンズは、半導体レーザーからの
発散性の光束をカップリングするためのものである。こ
のため、このコリメートレンズは、半導体レーザーと所
定の位置関係を保って、保持体により、半導体レーザー
に一体化される。

さて、本発明のコリメートレンズは、第１図に符号10
をもって示すように、１群２枚構成であり、凸レンズ12
と凹レンズ14とによって構成され、これらレンズ12、14
は、互いに接合されている。

第１図左方は、像側すなわち、光が射出する側であっ
て、こちら側には凸レンズ12が配される。第１図右方は
光源側すなわち、半導体レーザーの側であって、この側
には凹レンズ14が配される。半導体レーザーの発光点は
光軸AX上のｐ点におかれる。なお、符号16は半導体レー
ザーのカバーガラスを示す。

凸レンズ12に関し、屈折率をn₁,アッベ数をυ₁,焦点
距離をf₁,凹レンズ14に関し、屈折率をn₂,アッベ数をυ
₂,焦点距離をf₂とする。ただし、アッベ数υ₁,υ_２はｄ
線に対するものである。

また全系の焦点距離をｆとする。さらに、第１図の如
く、射出側から光源側へ向って、ｉ番目のレンズ面の曲
率半径をr_i（ｉ＝１〜３），レンズ面間距離をd_i（ｉ＝
１〜２）とする。

すると、上記n₁,n₂,υ₁,υ₂,f₁,f₂,f,およびr₂は、以
下の条件を満足する。

（ｉ）n₁＜n₂ （ii）r₂＜０本発明の原理的な考え方は、以下の通りである。

第２図は、本発明のコリメートレンズ10を用いた光源
装置を示している。

コリメートレンズ10は、セル22に嵌装されて中空シリ
ンダー状の保持体20にねじ止めされている。

一方、半導体レーザー30は、ホルダー21にねじ止めさ
れ、ホルダー21が保持体20にねじ止めされることにより
保持体20と一体化されている。

さて、基準温度に対する環境温度のずれを△Ｔとし、
保持体20における線膨張係数をαとする。

コリメートレンズ10の光源側主点と半導体レーザーの
発光点との間の光学的距離は基準温度下においてｆであ
るから、この光源側主点と発光点との間の距離は、上記
温度変化△Ｔについて、保持体20の熱変形により △ｌ＝ｆ・α・△Ｔ（１）だけ変化する。ｆ＝１と規格化すれば △ｌ＝α・△Ｔ（２）である。

一方、周知の如く、半導体レーザーの発光波長の変化
δλは、△Ｔに比例する。すなわち、 δλ＝β・△Ｔ（３）従って、が得られる。これを、（２）式に入れると、なる関係が得られる。

そこで、波長λがδλだけずれたとき、色収差により
コリメートレンズの焦点距離が、ｆ＝１として△ｌ′だ
け変化するものとすると、△ｌ△ｌ′となるようにす
れば、温度変化△Ｔによる、コリメートレンズ，半導体
レーザー間の位置ずれは、波長変化による焦点距離変化
により相殺されるので、環境温度の変化に拘らず、光源
装置からは常に、平行光束が射出することになる。

さて、一般に、半導体レーザーにおいて、温度変化△
Ｔに対して波長変化δλを与える、波長変化の割合β
は、0.2〜0.3nm/degである。また、保持体20には一般に
アルミニウムもしくはアルミダイキャストが材料として
用いられるが、これらの材料における線膨張係数αは、
アルミニウムについてα＝23×10^-6 ₁/deg、アルミダイ
キャストについてα＝20×10^-6 ₁/degである。

上述の（４）式を用い、α＝20×10^-6〜23×10^-6,β
＝0.2〜0.3を用いると、△ｌの変動領域は、波長変化δ
λに対して 67×10^-6δλ△ｌ115×10^-6δλ （５）となる。従って、軸上色収差△Ｃとしては、δλ＝10nm
として 0.67×10^-3△Ｃ1.15×10^-3 （６）となる。

従って、（６）式を満足するように、コリメートレン
ズの軸上色収差を大きくすればよい。

ここで、前述の条件式（ｉ），（ii），（iii）につ
いて説明すると、条件（ｉ）n₁＜n₂は、残存球面収差を小さくするため
の条件である。この条件はまた、r₂の絶対値を大きくと
ることを許容するので、条件（ｉ）によりレンズ加工上
も有利となる。

条件（ii）r₂＜０は、第１面，第３面で発生する負の
球面収差を条件（ｉ）のもとで補正するための条件であ
り、r₂０となると負の球面収差の発生により補正がで
きなくなる。

条件（iii）は、軸上色収差を大きくするための条件であり、下限を
こえると、軸上色収差が小さくなり、保持体の熱変形を
相殺できなくなる。上記条件の充足により、標準温度20
℃の場合、０゜〜60℃の環境温度下で、実質的に常に平
行光束を得るようにできる。

以下、具体的な実施例を４例示す。

（実施例１）ｆ＝1.0 NA＝0.14 r₁＝0.6795 d₁＝0.2375,n₁＝1.63553 υ_１＝33.84 r₂＝−0.4913 d₂＝0.1159,n₂＝1.81961 υ_２＝37.54 r₃＝−1.7410 Ｉ＝0.030,△Ｃ＝0.68×10^-3 この実施例の収差図を第３図に示す。

なお、この実施例および以下の実施例においても、であり、n₁,n₂は波長780nmに対する値、△Ｃは、波長79
0nm,780nmの焦点距離の差を表している。

（実施例２）ｆ＝1.0,NA＝0.17 r₁＝0.662 d₁＝0.2847 n₁＝1.60909 υ_１＝36.3 r₂＝−0.396 d₂＝0.1368 n₂＝1.70399 υ_２＝64.2 r₃＝−1.956 Ｉ＝0.040,△Ｃ＝0.77×10^-3 （実施例３）ｆ＝1.0,NA＝0.17 r₁＝0.7159 d₁＝0.133 n₁＝1.71221 υ_１＝28.31 r₂＝−0.5161 d₂＝0.1467 n₂＝1.81961 υ_２＝37.3 r₃＝−3.575 Ｉ＝0.044 △Ｃ＝0.92×10^-3 （実施例４）ｆ＝1.0,NA＝0.17 r₁＝0.7849 d₁＝0.1069 n₁＝1.76605 υ_１＝25.7 r₂＝−0.4402 d₂＝0.2722 n₂＝1.81961 υ_２＝37.3 r₃＝−4.805 Ｉ＝0.058 △Ｃ＝1.07×10^-3 実施例2,3,4に関する収差図を、第4,第5,第６図に示
す。これら収差図から明らかなように、各実施例とも収
差は良好に補正されている。

比較のために、従来、半導体レーザー用コリメートレ
ンズとして知られているものの１例をあげる。

（比較例） r₁＝0.6377 d₁＝0.1333 n₁＝1.51118 υ_１＝64.2 r₂＝−0.4604 d₂＝0.1333 n₂＝1.76605 υ_２＝25.7 r₃＝−0.9753 このコリメートレンズの場合、波長780nmにおける焦
点距離f₇₈₀＝0.99997、波長790nmにおける焦点距離f₇₉₀
＝1.00007であって△Ｃ＝f₇₉₀−f₇₈₀＝0.1×10^-3と軸上
色収差が小さく、保持体の熱変形による位置ずれを補正
できない。またの値は−0.0002となっている。Ｉの値が、このように小
さいのは、υ_１＞υ₂,n₁＜n₂となっているためである。

本発明では、υ_１＜υ_２なる硝材の組合せにより、Ｉ
の大きさを大ならしめるのである。

（効果）以上、本発明によれば、半導体レーザー用の新規なコ
リメートレンズを提供できる。このコリメートレンズは
上記の如く構成されているので、これを保持する保持体
を単一材料で低コストに製造することが可能となる。ま
た、半導体レーザーの温度制御を行う必要がない。従っ
て構成簡素にして低コストの光源装置が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるコリメートレンズの構成を説明
するための図、第２図は、本発明のコリメートレンズの
使用状態を説明するための図、第３図ないし第６図は収
差図である。 10……コリメートレンズ、12……凸レンズ、14……凹レ
ンズ、30……半導体レーザー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザーからの発散光束をカップリ
ングするためのコリメートレンズであって、半導体レーザーと所定の位置関係を保って、保持体によ
り、半導体レーザーと一体化され、光束の射出する側から半導体レーザーの側へ、凸レン
ズ，凹レンズを、この順序に配してなる１群２枚構成で
あって、凸レンズの屈折率をn₁,凹レンズの屈折率をn₂、凸レン
ズのｄ線に対するアッベ数をν₁,凹レンズのｄ線に対す
るアッベ数をν_２、凸レンズの焦点距離をf₁,凹レンズ
の焦点距離をf₂,全系の焦点距離をｆ、第２面の曲率半
径をr₂とするとき、これらが、（Ｉ） n₁＜n₂ （II） r₂＜０（III）ｆ［｛1/（f₁ν_１）｝＋｛1/（f₂ν_２）｝］≧0.03 なる条件を満足し、温度変化による上記保持体の変形に伴う、半導体レーザ
ーとコリメートレンズとの間の距離の変化が、上記温度
変化に伴う半導体レーザーの発振波長変化によるコリメ
ートレンズの軸上色収差により相殺されるように構成し
たことを特徴とする、半導体レーザー用コリメートレン
ズ。