JPH0728099B2 - 半導体レ−ザ光コリメ−ト装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を利用した光情報処理装置において
使用される半導体レーザ光コリメート装置に関する。

〔従来の技術〕

光ディスク装置，レーザビームプリンタ，レーザ読み取
り装置等の光情報処理装置においては、平行光とされた
レーザ光が利用されるが、半導体レーザから出る光は、
10〜30度（半値全幅）程度の放射状の拡がり角を有して
いる。そこで、半導体レーザから出射される発散光を平
行光に変換しなければならず、そのために半導体レーザ
光コリメート装置を必要とする。

以下、従来の半導体レーザ光コリメート装置を、レーザ
光を光ディスク等の光学的情報担体に収束させる光ヘッ
ドを例に挙げて説明する。

従来の光ヘッドにおいては、第５図に示すように、半導
体レーザ１を出た光をコリメートレンズ２で平行光に変
換するが、このとき、半導体レーザ１とコリメートレン
ズの間隔を調整することにより、半導体レーザ１からの
発散光が平行光となるようにする。そして、このコリメ
ートレンズ２を出た光を、必要に応じて整形プリズム３
で整形し、偏光ビームスプリング４及び1/4波長板５を
通過させた後に、対物レンズ６により光ディスク７上に
微小なスポットとして収束させている。この光ディスク
７で反射した光は、1/4波長板５及び偏光ビームスプリ
ッタ４により分離させ、例えば、光検出器（図示せず）
上に収束され、情報信号又はサーボエラー信号として使
用される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この光学系においては、前述したように、半導体レーザ
１から出た光をコリメートレンズ２で平行光にするコリ
メート調整を必要とする。しかし、このコリメート調整
は、光ヘッド組立て時に非常に時間のかかる作業であ
る。特に、記録或いは消去用の光の場合にあっては、大
出力が要求されるため、開口数NAの大きなコリメートレ
ンズが必要となる。しかし、開口数NAが大きくなるにつ
れて焦点深度ｄが浅くなる。なお、焦点深度ｄは、波長
をλとしたとき、±ｄ＝±λ／｛2(NA)²｝である。その
ため、たとえば開口数NAが0.5のときには、±ｄ＝±1.6
μｍ（λ＝780nm）以下の精度でコリメート調整を行う
ことが要求される。このような高精度の調整は、熟練し
た技術を必要とし、しかも極めて困難な作業である。

このような従来技術の問題点を解決する方法として、本
出願人はコリメートレンズに色収差を持たせると共に、
光ディスクからの反射光を一定の割合で半導体レーザに
戻すことを特願昭61-22427号で提案した。

この方法によれば、半導体レーザとコリメートレンズと
の間の距離の変動に対してはある程度対応できるが、光
ディスクの位置が結像位置からずれたり、光ディスクの
反射率が大きく変化すると、半導体レーザへの戻り光量
が大幅に変化するのでコリメート性能に変化を生じる場
合がある。

本発明は、上述の問題点を解決するために案出されたも
のであって、半導体レーザへの所定の戻り光量を確保す
ることにより、半導体レーザ光のコリメート調整を大幅
に簡素化すると共に安定したコリメート性能を得ること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の半導体レーザ光コリメート装置は、前記目的を
達成するため、単一縦モードの半導体レーザから出射し
た光を平行光に変換するコリメートレンズに色収差を持
たせると共に、前記コリメートレンズを出射した光の一
部を前記半導体レーザへ戻すための反射平面を設けたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、半導体レーザの光路に反射平面を設
けてコリメートレンズを出た光の一部を半導体レーザへ
戻している。半導体レーザとコリメートレンズとの間隔
が変動した場合は、半導体レーザへの戻り光が最大とな
るように半導体レーザから出射される光の波長が変化す
る。すなわち、コリメートレンズには色収差を持たせて
いるので波長の変化は焦点距離の変化となり、その結
果、自動的にコリメート調整が行われる。このとき、半
導体レーザへの戻り光量は、前記反射平面により一定量
確保されているので、半導体レーザからの光が照射され
る対象、例えば、光ディスク等の反射状態の変化の影響
を受けない。したがって、安定した状態でコリメート調
整の自動化を実現できる。

〔実施例〕

実施例の説明に先立って、光ディスク用光ヘッドで発見
され、本発明の基礎となったセルフフォーカシング現象
について説明する。

第６図はそのセルフフォーカシング現象を説明する図で
ある。なお、図において斜線を引いたレンズは所定の色
収差を有するレンズである。

半導体レーザ１から出た光は、コリメートレンズ２によ
り平行光に調整された後、対物レンズ6aにより光ディス
ク７上に収束される。このとき、対物レンズ6aに所定量
の色収差があり、光ディスク７で反射した光の所定量が
半導体レーザ１に戻ると、同図（ａ）から（ｂ）のよう
に光ディスク７の位置がある範囲でずれてきても、対物
レンズ6aの色収差により半導体レーザ１の発振波長が自
動的にλ_１からλ_２に変化し、対物レンズ6aの焦点距離
がfo₁からfo₂となり、光ディスク７上に自動的に焦点が
合うという現象がある。

これがセルフフォーカシング現象と呼ばれるものであっ
て、この現象自体は第46回応用物理学会学術講演会（19
85年秋）で中村等により報告されている（同講演予稿集
3P-X-9参照）。

ここで、波長が自動的に変化する理由は、次のように考
えられる。光ディスク７からの反射光が単一縦モードの
半導体レーザ１に戻ると、発振がマルチモード化する
が、光ディスク７に焦点が合ったときに、戻り光量が最
大となり安定にマルチモード化する。

一方、対物レンズ6aに色収差をつけてあるので波長によ
って結像位置が異なる。結果として、安定なマルチモー
ド発振を行うように、光ディスク７上に焦点の合う波長
の光が自動的に選択されるものと考えられる。

本発明は、このセルフフォーカシング現象をコリメート
調整に応用し、コリメート調整を自動化するものであ
る。

以下、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明の特
徴を具体的に説明する。

第１図及び第２図は、本発明に係る半導体レーザ光コリ
メート装置の第１の実施例を示し、それぞれ、半導体レ
ーザとコリメートレンズとの距離が異なっている状態を
示している。

同図において、１は単一縦モードの半導体レーザ,2aは
所定の色収差を有するコリメートレンズ、８は所定の反
射率を有する反射平面である。なお図において、斜線が
付されたコリメートレンズは色収差を有することを示
し、斜線が付された反射平面は所定の反射率を有するこ
とを示す。

本実施例では、前述の第６図に示すセルフフォーカシン
グ現象における対物レンズ6aの代わりにコリメートレン
ズ2aに一定量の色収差を持たせており、同現象における
光ディスク７の代わりに反射平面８を用いて半導体レー
ザ１に光を戻す構成としている。

このような構成とすることにより、セルフフォーカシン
グ現象に類似のセルフコリメーティング現象を以下のよ
うに実現する。

半導体レーザ１を出た光は、コリメートレンズ2aを通過
後、所定の反射率を有する反射平面８を通過して出射す
る。このとき、コリメートレンズ2aに所定の色収差があ
り、反射平面８で反射した光の一定量が半導体レーザ１
に戻るため、第１図から第２図のように半導体レーザ１
の位置がある範囲ずれていても、半導体レーザ１の発振
波長が自動的にλ_１からλ_２に変化し、コリメートレン
ズ2aの焦点距離がfc₁からfc₂に変化するため、コリメー
トレンズ2aを出た光は自動的に平行光となって出射す
る。

ここで、波長が自動的に変化する理由は、次のように考
えられる。

反射平面８で反射した光が半導体レーザ１に戻ると、発
振はマルチモード化するが、コリメートレンズ2aを出た
光が平行光束となるときに半導体レーザ１への戻り光量
が最大となり、最も安定にマルチモード化する。一方、
コリメートレンズ2aに色収差をつけてあるため、平行光
束となるときの光源の位置が波長によって異なってい
る。結果として、安定なマルチモード発振を行うよう
に、平行光束となる波長の光が自動的に選択されるもの
と考えられる。

次に、このようなコリメート装置を用いたときに、コリ
メート調整の精度がどの程度緩和されるかを測定した結
果を一例として示す。

開口数NAが0.5で、物点の色収差量が１μm/nmのコリメ
ートレンズ2aを用い、半導体レーザ１から出た光の８％
を反射平面８から半導体レーザ１に戻した。その結果、
半導体レーザ１とコリメートレンズ2aとの距離を最適位
置から±10μｍずらしても、コリメート装置を出た光は
平行光とみなすことができた。これに対して従来構成の
コリメート装置では、前述のように±1.6μｍの範囲し
か平行光と見なすことはできなかった。

この対比から明らかなように、本実施例によるとき、コ
リメート調整に必要とされる位置決め精度が大幅に緩和
された。

なお、先に述べたように、セルフコリメーティング現象
を実現するために、コリメートレンズ2aに色収差のある
ことが必要である。しかし、色収差量が大きすぎると、
逆に色収差のために、コリメートレンズ2aを出た光が色
分解してしまい、全体として平行光が得られない。ここ
で、焦点深度2d以内のずれに相当する光は、平行光と見
做すことができるから、色収差は2d/Δλ以下であれば
よい。但し、Δλは戻り光によってマルチモード化した
レーザ光の発振スペクトルの包絡線の半値幅である。

また、本実施例において、反射平面８からの戻り光量を
変えながらコリメート調整に必要とされる精度の測定を
行った。その結果、充分な効果を得るためには、半導体
レーザ１の出射光量を基準として0.1％以上を反射平面
８から半導体レーザ１へ戻す必要があることが判った。
但し、反射光量を過大にすると本来のレーザ光の利用効
率が低下するため、上限を30％程度とすることが実用的
である。

第３図は本発明の半導体レーザ光コリメート装置を光ヘ
ッドに適用した第２の実施例を示す。なお、同図におい
て、第５図で示した部品等に対応するものは同一の符番
で指示した。

第３図において、半導体レーザ１を出た光は、所定の色
収差を有するコリメートレンズ2a及び整形プリズム３を
通過して所定の反射率を有する反射平板8aに入射する。
反射平板8aによって光の一部は半導体レーザ１に戻り、
残りは偏光ビームスプリッタ4,1/4波長板５及び対物レ
ンズ６を通過後、光ディスク７上に収束する。なお、反
射平板8aは、たとえば、ガラスの表面に反射膜をコーテ
ィングして形成することができる。

上述の構成とすることにより、第１図及び第２図に示す
実施例と同様に、半導体レーザ1,色収差を有するコリメ
ートレンズ2a及び反射平板8aによって前述のセルフコリ
メーティング現象を実現することができる。

また、偏光ビームスプリッタ４と1/4波長板５とから構
成される光束分離手段によって、光ディスク７からの反
射光がセルフコリメーティング現象に外乱として影響す
ることを防止している。すなわち、光ディスク７からの
反射光は、半導体レーザ１には戻らないので、光ディス
ク７の位置がフォーカス位置からずれたり、光ディスク
７の反射率が大きく変化した場合でもその影響はない。

したがって、第３図（ａ），（ｂ）のように半導体レー
ザ１とコリメートレンズ2aとの距離がある範囲で異なっ
ていても、コリメートレンズ2aの焦点距離がfc₁からfc₂
に変化するため、コリメートレンズ2aから出た光は自動
的に平行光となる。また、この作用は光ディスク７の影
響を受けない。

次に、このようなコリメート装置を用いたときに、コリ
メート調整の精度がどの程度緩和されるかを測定した結
果を一例として示す。

開口数NAが0.5で物点の色収差量が１μm/nmのコリメー
トレンズ2aを用い、半導体レーザ１から出た光の７％を
反射平板8aから半導体レーザ１に戻した。なお、反射平
板8aの反射率は10％である。その結果、半導体レーザ１
とコリメートレンズ2aとの距離を最適位置から±10μｍ
ずらしても、コリメート装置を出た光を平行光とみなす
ことができた。

本実施例においても、色収差量を大きくする程調整精度
が緩やかになること、また、充分な効果を得るために
は、色収差量として0.5μm/nm以上必要であることが判
った。また、充分な効果を得るためには、半導体レーザ
１の出射光量を基準として0.1％以上を反射平板8aから
半導体レーザ１へ戻す必要があることが判った。

第４図は、本発明の第３の実施例を示す。

本実施例が第２の実施例と異なる点は、独立の反射平板
8aを設けるのではなく、偏光ビームスプリッタ4aの入射
端面を反射平面８としたことである。なお、これは偏光
ビームスプリッタ4aの入射端面に対して、ハーフミラー
と同様なコーティングを行うことにより容易に実現でき
る。

本実施例によれば、第６図に示す従来の光ヘッドに対し
て部品点数を増やすことなくセルフコリメーティングの
効果を得ることができる。

なお、反射平面の形成手段は上述の実施例に限られるも
のではなく、例えば、ビーム整形プリズム３の出射端面
を利用して反射平面を形成してもよい。

また、光束分離手段として、ビームスプリッタ，ハーフ
ミラー等を使用してもよい。

〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、コリメートレンズ
からの光の一部を反射平面で反射させ、色収差を有する
コリメートレンズを通過して半導体レーザに戻している
ので、戻り光量は反射平面により安定に確保される。し
たがって、レーザ光が照射される光情報担体、例えば、
光ディスクからの反射光の影響を受けることなく、半導
体レーザからのレーザ光が常に平行光となるように半導
体レーザの波長が制御される。これにより、半導体レー
ザとコリメートレンズとの間のコリメート調整に必要と
される精度が大幅に緩和され、機械精度によるコリメー
ト調整が可能となった。また、自動的にコリメート調整
される範囲が広くなり、使用中に熱膨張や振動によって
部品位置が微妙に変化しても信頼性の高いコリメート光
が得られる。更に、自動的にコリメート調整が行われる
ため、従来の人手に頼ったコリメート調整と比べて、信
頼性の高いコリメート光が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例である半導体レーザ光コ
リメート装置の構成図、第２図は半導体レーザとコリメ
ートレンズの間隔が変わった場合を示し、第３図は本発
明を光ヘッドに適用した第２の実施例の構成図、第４図
は本発明を光ヘッドに適用した第３の実施例の構成図、
第５図は従来の光ヘッドを示す構成図、第６図は本発明
の基礎となったセルフフォーカシング現象の原理を説明
する図である。 1:半導体レーザ、2,2a:コリメートレンズ 3:整形プリズム、4,4a:偏光ビームスプリッタ 5:1/4波長板,6,6a:対物レンズ 7:光ディスク、8:反射平面 8a:反射平板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一縦モードの半導体レーザから出射した
   光を平行光に変換するコリメートレンズに色収差を持た
   せると共に、前記コリメートレンズを出射した光の一部
   を前記半導体レーザへ戻すための反射平面を設けたこと
   を特徴とする半導体レーザ光コリメート装置。
2. 【請求項２】前記コリメートレンズは、物点の色収差量
   が2d/Δλ以下であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体レーザ光コリメート装置。 但し、d:焦点深度 Δλ：戻り光によってマルチモード化したレーザ光の発
   振スペクトルの包絡線の半値幅
3. 【請求項３】前記反射平面から前記半導体レーザへ戻る
   光の量が、前記半導体レーザの出射光量に対して0.1％
   以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体レーザ光コリメート装置。