JPH02222919A - ビーム形状変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、微小な光ビームスポットを得るためのビーム
形状変換装置に関し、詳しくは超解像現象を利用して光
ビームの強度分布を変換するビーム形状変換装置に関す
るものである。

（従来の技術） 近年、高密度記録媒体として光ディスクが注目されてお
り、その記録容量をさらに高めるため種々の研究がなさ
れている。記録容量を高める方策としてまず考えられる
のは、記録用の光ビームスポット径を小さくしディスク
上のビットのサイズを小さくして、形成し得るビット数
を増加せしめることであり、このような光ビームのスポ
ット径を小さくする方法としては超解像現象を利用した
技術が知られている（第４９回応物学術講演会予縞集４
ａ−ＺＤ−６，７；日本電気）。

すなわちこの技術は記録用レーザビームの中央部分を帯
状に遮光して２本の平行光ビームを形成し、この２本の
平行光ビームを対物レンズを用いてディスク上に集光す
るようにしてこのディスク上に明暗相隔たる干渉パター
ンを形成するようにしたものである。この干渉パターン
は中央の明線（メインローブ）の光強度が最も大きく、
中央からはずれた明線（サイドローブ）の光強度程小さ
くなり、またこのメインローブの径はにλ／ＮＡ（ＮＡ
は開口数、λは波長、には定数）よりも小さくなる（超
解像）。そこでこのメインローブ部分を光記録用に使用
すれば、前述した光デイスク上での記録ビームのスポッ
ト径を小さくすることが可能となる。なお、この技術に
おいては、サイドローブの光強度を媒体の記録光量のし
きい値以下に抑えているのでサイドローブによってディ
スク上に情報記録がなされるおそれはない。また、上記
メインローブを用いてディスクからの信号再生を行なう
場合には、サイドローブが拾ってくる誤った信号を排除
する必要があるので、ディスクからの反射光を集光後、
この反射光をスリットに通してサイドローブ成分を切り
落して信号検出するようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが上記刊行物掲載の従来技術においては、上述し
たように光ビーム中央部を遮光帯で遮光して光量の一部
をカットするような構成としているために記録に寄与す
るビーム光量が低下する。例えば上記メインローブの径
を当初のコリメートビーム径の８０％とするためには、
遮光帯の幅を当初のビーム径の２０％程度にしなければ
ならないとされており、したがってこの場合ビーム中央
部のかなりの部分がカットされるため、記録に寄与する
ビーム光量を確保するためにはより大出力のレーザ光源
が必要となる。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものでレーザ光
源からの光ビームを遮光することなく、超解像現象によ
りビームスポットの縮小化を達成し得るビーム形状変換
装置を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本願発明のうち請求項１に係るビーム形状変換装置は、
断面２等辺３角形の第１のプリズムの対称面に沿って入
射された平行光ビームをこの第１のプリズムにより互い
に離れるように進む２本の光ビームに分離し、この第１
のプリズムから射出された２本の光ビームをこの第１の
プリズムと屈折力の絶対値が互いに等しい断面２等辺３
角形の第２のプリズムにより互いに平行にして射出せし
め、この第２のプリズムから射出された光ビームを集束
レンズを用いて所定位置に集束せしめるようにしたこと
を特徴とするものである。

また、本願発明のうち請求項２に係るビーム形状変換装
置は、頂角の絶対値が互いに等しい、共通の対称面を有
する断面くの字状の入射面および反射面を備えた光ビー
ム分離部材により、この入射面に、この対称面に沿って
入射された１本の平行光ビームを互いに平行状態に分離
された２本の光ビームとして上記反射面から射出するよ
うになし、この光ビーム分離部祠から射出された光ビー
ムを集束レンズを用いて所定位置に集束せしめるように
したことを特徴とするものである。

さらに、本願発明のうち請求項３に係るビーム形状変換
装置は、格子表面に直角で格子線に平行な面に沿って入
射された平行光ビームを第１の等ピッチグレーティング
素子により互いに離れるように進む２本の光ビームに分
離し、この第１の等ピッチグレーティング素子から射出
された光ビームをこの第１の等ピッチグレーティング素
子と互いにピッチが等しい第２の等ピッチグレーティン
グ素子により互いに平行な２本の光ビームとして射出し
、この第２の等ピッチグレーティング素子から射出され
た光ビームを集束レンズを用いて所定位置に集束せしめ
るようにしたことを特徴とするものである。

（作　　用） 上記構成によれば、まず入射された１本の平行光ビーム
（コリメート光ビーム）が互いに離れるように進む２本
の光ビームに分離され、次にこの２本の光ビームが互い
に平行となるように形成され、最後にこの平行にされた
２本の光ビームは集束レンズによりそのレンズの焦点位
置に集束される。すなわち、平行光ビームは、上記第１
のプリズム、上記入射面および上記第１の等ピッチグレ
ーティング素子の各々によって互いに離れるように進む
２本の光ビームに分離され、この後この２本の光ビーム
は上記第２のプリズム、上記射出面および上記第２の等
ピッチグレーティング素子の各々によって互いに平行に
形成される。また、この集束される２本の互いに平行な
光ビームは干渉をおこす条件（同一の光源から略同時に
射出されたこと）を満たしているためこの集束点には干
渉縞が形成されることとなる。

上記構成においては、前述した従来技術のようにビーム
中央部を遮光して光ビームを分離するのではなく、前述
したような光ビームを分離する手段を用いて光ビームを
確実に分離しているので、光源から射出された光ビーム
の光量が全て集束レンズの焦点位置に集められ、これに
より光量損失等の問題を生じることなく、超解像現象に
よるビームスポットの縮小化を図ることが可能となる。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るビーム形状変換装置を
示すものである。

この装置１は屈折力の等しい１対のプリズム２゜３およ
び集束レンズ４からなっており、半導体レーザ５から射
出されコリメートレンズ６によりコリメートされたレー
ザビーム７が装置１に入射されると、このレーザビーム
７はまず第１のプリズム２によって互いに離れるように
進む２本のビームに分離され（この２本の光ビームは一
旦交叉した後継れていくように形成される）、この後こ
の２本のビームは第２のプリズム３によって互いに平行
状態とされ、最後に集束レンズ４によって、この集束レ
ンズ４の焦点位置Ｐに集束される。このように第１のプ
リズム２の断面くの字状の屈曲面に入射したレーザビー
ム７のうち、光軸の上方部分においてこのプリズム２に
入射した光束は光軸の下方に、一方光軸の下方部分に入
射した光束は光軸の上方に各々屈折される。また、第２
のプリズム３の配設位置において、この−レーザビーム
７は２本の光ビームに完全に分離され、また、第２のプ
リズム３の屈折力が第１のプリズム２の屈折力に等しく
設定されているため第２のプリズム３から射出される２
本の光ビーム７は平行な状態となって集束レンズ４に入
射する。これによりこのレーザビーム７はこの集束レン
ズ４の焦点上に確実に集束されることとなる。また、上
記２つのプリズム２，３は同一材料よりなり、しかも等
大もしくは互いに相似形状をなす断面２等辺３角形の三
角柱形状に形成されており、したがって両プリズム２．
３の屈折力は等しく第２図（ａ）に示すように平行光が
入射した場合第１のプリズム２での入射光の偏角はδで
あり、第２のプリズム３での入射光の偏角もδであるの
でプリズムベア２゜３からの出射光は平行となる。なお
、実際には第１図に描かれた２つのプリズム２．３は断
面５角形状をなすように形成されているが、第２図（ｂ
）に示すようにこの５角形は３角形部分とその余の長方
形部分に分けられ、この長方形部分はあってもなくても
、プリズム２．３としてのレーザビーム７に対する作用
は変わらず、実質的には頂角α′、底角β′の２等辺３
角形の断面を有するものに等価と考えてさしつかえない
。なお、第２図（ｅ）は上記第１および第２のプリズム
２，３の立体形状を示す斜視図である。この第１図中の
各部分におけるレーザビーム７の光強度分布が第３図（
ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に示されている。すなわ
ち、第１のプリズム２に入射する直前位置におけるレー
ザビーム７の光強度分布が第３図（ａ）に、第２のプリ
ズム３から射出された直後のレーザビーム７の光強度分
布が第３図（ｂ）に、レーザビーム７の集光位置Ｐにお
けるレーザビーム７の光強度分布が第３図（Ｃ）に示さ
れており、これらの図から、−本の光ビームが分離され
、この後集束されてこの集光点において干渉現象が生じ
る様子が理解できる。

前述したように、第１図に示す１対のプリズム２．３は
、入射されたレーザビーム７を、互いに離れるように進
む２本のビームに分離し、さらにこの２本の光ビームを
互いに平行とするために配されたものであるからレーザ
ビーム７に対し同様の作用をなす光学系であればその光
学系をこの１対のプリズム２．３に代えて使用すること
が可能である。すなわち、第１図に示す１対のプリズム
２．３は両方とも凸面を有するものであって外側にこの
凸面を向けるように形成されているが、これら１対のプ
リズムとしては屈折力の絶対値が互いに等しければ一方
が凸面を有するものであって、他方が凹面を有するもの
であってもよく、第４図に示すように第１のプリズム２
ａは内側に凹面を向けるように、また第２のプリズム３
ａは内側に凸面を向けるように形成することも可能であ
る。２つのプリズム２ａ、３ａを第４図に示すような組
合わせとすれば、一方が凹面であり、他方がこれと組み
合わされる凸面であるので光学系を配設する上で光軸方
向のスペースの節約になる。ただし、１対のプリズム２
ａ、３ａを第４図に示すような構成とした場合には、第
１のプリズム２ａから射出されたレーザビーム７ａは途
中で交叉することなく拡がっていく。

なお、上記ビーム形状変換装置７、に入射される際のビ
ーム径Ａ、と射出される際のビーム径Ａ。

の比Ａｚ／Ａ１は両プリズム２．３の屈折力および両プ
リズム２．３間の距＃ｉ！２．によって定まり、さらに
このビーム径Ａ２は集光レンズ４の有効径によって制限
される。したがって、レーザビーム７のケラレが無いよ
うに２つのプリズム２．３の距離、屈折力および集光レ
ンズ４の有効径を決定することが必要である。

また、第５図（ａ）　、　（ｃ）はレーザビーム７ｂ、
ｃに対し第１図に示す１対のプリズム２．３と同等の作
用をなす光ビーム分離部材８．９を示す断面図であり、
第５図（ｂ）　、　（ｄ）は各々これら分離部材８９の
全体を示す斜視図である。すなわち、第５図（ａ）　、
　（ｂ）に示す光ビーム分離部材８は、頂角の値ψが互
いに等しく共通の対称面を有する、４凸の断面くの字面
からなる入射面と射出面８ａ、ｂを備えた光学部材であ
って、この入射面８ａにこの対称面に沿って入射された
平行レーザビーム７ｂを互いに平行となる２本のビーム
に分離して射出面８ｂから射出せしめるものである。一
方、第５図（ｃ）　、　（ｄ）に示す光ビーム分離部材
９は、頂角の絶対値ゾ′が互いに等しく、共通の対称面
を有する入射面と射出面９ａ、ｂを備えた光学部材とい
う点で上記先ビーム分離部材８と同様であるが、光ビー
ム分離部材８の入射面および射出面８ａ、ｂが両方共外
側に凸であるのに対し、この光ビーム分離部材９の入射
面９ａは内側に凸で、射出面９ｂのみ外側に凸となるよ
うに形成されている。このような構成の相違により光ビ
ーム分離部材８の入射面に入射されたレーザビーム７ｂ
はこの部材８中で一旦交叉してから拡がっていくのに対
し、光ビーム分離部材９ではレーザビーム７ｃがこの部
材９内で交叉することなく拡がっていくことになる。こ
のような一体型の光ビーム分離部材８，９を用いた場合
には、複数の光学部材の組合わせからなるものを用いた
場合に比べ光学部材のアラインメントにおける経時変化
を考慮する必要がなく、設計、保守等が容品である。

さらに、第６図（ａ）　＝　（ｂ）　、（ｃ）はレーザ
ビーム７ｄ、ｃ、ｆに対し第１図に示す１対のプリズム
２，３と同等の作用をなす１対の等ピッチグレーティン
グ素子を示す断面図である。すなわち、これらのグレー
ティング素子１０ａ、ｂ、１１ａ、ｂ、１２ａ、ｂは互
いに対称面を共通、かつ等ピッチに構成された１対の回
折格子で、第６図（ａ）のものｌＯａ、ｂがブレーズを
設けていない通常のグレーティング素子であるのに対し
、第６図（ｂ）　、　（ｃ）のもの１１ａ、ｂ、１２ａ
、ｂは強制的に所望の角度に光ビームを射出せしめるブ
レーズグレーティング素子である。なお、ブレーズとは
回折格子の表面に対して溝の表面が一定の傾きを有して
いることをいい、その断面は鋸歯状となる。第６図（ａ
）に示す通常のグレーティング素子１０ａ、ｂを用いた
場合にはレーザビーム７ｄの±１次回折光のみが上記焦
点位置Ｐ上で干渉現象に寄与することとなるが、第６図
（ｂ）　、（ｃ）に示すブレーズを設けたグレーティン
グレンズ１１ａ、ｂ、１２ａ。

ｂを用いた場合にはレーザビーム７ｅ、「全体が上記焦
点位置Ｐ上で干渉現象に寄与することとなる。

なお、ブレーズ化の方向の設定によって、第６図（ｂ）
に示すように、入射されたレーザビーム７ｅを２本のビ
ームとして第１のグレーティング素子１１ａから射出後
そのビーム間隔を拡げるようにして第２のグレーティン
グ素子ｆｌｂに入射せしめるようにすることもできるし
、第６図（ｅ）に示すように、入射されたレーザビーム
７ｆを２本のビームとして第１のグレーティング素子１
２ａから射出後−旦交叉せしめ、この後そのビーム間隔
を拡げるようにして第２のグレーティング素子１２ｂに
入射せしめるようにすることもできる。また、これら第
６図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）に示す１対のグレーテ
ィング素子１０ａ、ｂ、　ｌｌａ、ｂ、　１２ａ、ｂの
間の空間を、これらグレーティング素子１０ａ、ｂ、Ｈ
ａ、ｂ、１２ａ、ｂの構成材料と同一材料で埋めるよう
にして、これら一対のグレーティング素子１０ａ、ｂ、
１１ａ、ｂ、１２ａ、ｂを一体化することも可能である
。また、これらグレーティング素子１０ａ、ｂ、ｌｌａ
、ｂ、１２ａ、ｂの格子溝形成部分は素子表面から突出
していてもよいし埋め込まれていてもよい。さらに格子
溝を設けた面は第６図（ａ）。

（ｂ）　、　（ｃ）に示すように外側を向けるように配
設してもよいし、一方のみ内側、あるいは両方とも内側
を向けるように配設してもよい。

なお、第６図（ｂ）　、　（ｃ）に示すブレーズグレー
ティングレンズの代わりに、ブラッグ回折を利用して強
制的に所定方向に光ビームを射出するブラッググレーテ
ィングレンズを用いても同様にレーザビーム７を２本の
光ビームに分離することが可能である。

なお、半導体レーザ光源５から射出されるレーザビーム
７の拡がり角が大きなθ工方向に上記ビーム形状変換装
置１を適用すると集束レンズ４の集魚位置Ｐにおけるビ
ームスポットの径を最小にすることができるので好まし
い。

このように本実施例装置によれば、レーザビーム７を遮
光することなく、中央に光強度分布の低レベルな領域を
有するレーザビーム７を得ることができこれにより集束
レンズ４の焦点位置Ｐに干渉パターンを形成することが
可能となる。この干渉パターンの強度分布は第３図（Ｃ
）示すような形状で、このパターンの中央部には最も光
強度の大きいメインローブが、その外側にはメインロー
ブに比べて光強度の小さい複数のサイドローブ（外側に
向うにしたがって段々と小さくなる）が形成される。こ
のメインローブはビーム形状変換装置１に入射された際
のレーザビーム７（第３図（ａ）に示す）に比べてビー
ム径がかなり小さいものとなっており、しかもその光強
度の大きさは余り差異がない。したがってこのメインロ
ーブを光記録媒体の記録光として用いれば記録ビームの
スポット径を小さくすることができ、したがって記録ビ
ットを小さくすることが可能となるので光記録媒体の記
録容量を高めることができる。

次に、ビーム断面の強度プロファイルが第７図に示すよ
うな形状の光ビーム７ｇを集束レンズで集束せしめたと
きのスポット径（最大強度の１／ｅ２の強度に対応する
分布の幅）が、この光ビームの外径と内径の比率に応じ
てどのように変化するかを光波の回折の式に基づいて求
め、その値を下表に示した。なお、Ｄ！およびＤ２はこ
の光ビーム７ｇの外径および内径である。

上表からも明らかなように光ビーム中央の光強度の低レ
ベル領域の幅の割合を大きくする程メインローブのスポ
ット径を小さくすることが可能となる。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明のビーム形状変換装置に
よれば、１対のプリズム、または断面くの字面の入射面
および反射面を有する光ビーム分離部材、または１対の
等ピッチグレーティング素子を用いて１本の平行光ビー
ムを２本のビームに分離し、この分離した２本の光ビー
ムによって所定位置に干渉パターンを生ぜしめて超解像
現象が起きるようにしているので、従来技術のように光
ビーム遮光に伴なう光量損失等の問題を生じることなく
、ビーム径の小さい光ビームを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のビーム形状変換装置を示す
側面図、第２図（ａ）　、　（ｂ）　、（ｃ）は第１図
に示すプリズムを詳しく説明するための断面図および斜
視図、第３図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）は各々第１図
中の各位置でのレーザビームの光強度分布を示すグラフ
、第４図は第１図に示す１対のプリズムの変更例であっ
て、別の組合わせに係る１対のプリズムを示す側面図、
第５図（ａ）　、（ｃ）および（ｂ）、（ｄ）は各々、
第１図に示す１対のプリズムの変更例としての光ビーム
分離部材を示す側面図、第６図（ａ）（ｂ）、（ｃ）は
各々、第１図に示す１対のプリズムの変更例としての１
対の等ピッチグレーティング素子を示す側面図、第７図
は光ビームのスポット径を算出するためのビーム強度プ
ロファイルモデルを示すグラフである。 １・・・ビーム形状変換装置 ２．２ａ・・・第１のプリズム ３．３ａ・・・第２のプリズム ４・・・集束レンズ　　　　５・・・半導体レーザ光源
６・・・コリメータレンズ ７．７ａ−４・・・レーザビーム ７ｇ・・・光ビーム ８．９・・・光ビーム分離部材 ８ａ　、　９ａ・・・入射面　　　　８ｂ、　９ｂ・・
・射出面１０ａ、　ｌｌａ、　１２ａ・・・第１の等ピ
ッチグレーティング素子 ｆｏｂ、　ｌｌｂ、１２ｂ・・・第２の等ピッチグレー
ティング素子 第５ｒ！ｊＡ （ｄ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対称面に沿って入射された平行光ビームを、互い
   に離れるように進む２本の光ビームに分離して射出せし
   める断面２等辺３角形の第１のプリズムと、 この第１のプリズムから射出された２本の光ビームを互
   いに平行にして射出せしめる、前記第１のプリズムと屈
   折力の絶対値が互いに等しい断面２等辺３角形の第２の
   プリズムと、 この第２のプリズムから射出された光ビームを所定位置
   に集束せしめる集束レンズとを備えてなることを特徴と
   するビーム形状変換装置。
2. （２）頂角の絶対値が互いに等しい、共通の対称面を有
   する断面くの字状の入射面および射出面を備え、該入射
   面に前記対称面に沿って入射された１本の平行光ビーム
   を互いに平行に分離された２本の光ビームとして前記射
   出面から射出せしめる光ビーム分離部材と、 この光ビーム分離部材から射出された光ビームを所定位
   置に集束せしめる集束レンズとからなることを特徴とす
   るビーム形状変換装置。
3. （３）格子表面に直角で格子線に平行な面に沿って入射
   された平行光ビームを、互いに離れるように進む２本の
   光ビームに分離して射出せしめる第１の等ピッチグレー
   ティング素子と、 この第１の等ピッチグレーティング素子から射出された
   ２本の光ビームを互いに平行に射出せしめる、前記第１
   の等ピッチグレーティング素子とピッチが互いに等しい
   第２の等ピッチグレーティング素子と、 この第２の等ピッチグレーティング素子から射出された
   光ビームを所定位置に集束せしめる集束レンズとからな
   ることを特徴とするビーム形状変換装置。