JPH02222918A - 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稿集４
ａ−ＺＤ−６，７；　日本ｍ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ｒ＝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
部のが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、
第１の円錐レンズの回転対称軸に沿って入射された平行
光ビームをこの第１の円錐レンズにより円錐筒状に拡げ
るようになし、この第１の円錐レンズから射出された光
ビームをこの第１の円錐レンズと屈折力の絶対値が互い
に等しい第２の円錐レンズにより円筒状に射出されるよ
うになし、この第２の円錐レンズ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、共通の回転対称軸
を有する第１および第２の円錐面を倫えた光ビーム分離
部材により、この第１の円錐面に、この回転対称軸に沿
って入射された１本の平行光ビームを円筒状のビーム形
状を有する平行光ビームとして上記第２の円錐面から射
出するようになし、この光ビーム分離部材から射出され
た平行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、第１の同心円等ピッチグレーティングレンズの
回転対称軸に沿って入射された平行光ビームをこの第１
の同心円等ピッチグレーティングレンズにより円錐筒状
に拡げるようになし、この第１の同心円等ピッチグレー
ティングレンズから射出された光ビームをこの第１の同
心円等ピッチグレーティングレンズと互いに等しい同心
円ピッチを有する第２の同心円等ピッチグレーティング
レンズにより同筒状に射出されるようになし、この第２
の同心円等ピッチグレーティングレンズから射出された
平行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、上記「円錐筒状」とは内部が空洞化された円錐様
の形状を意味するものとする。

（作　　用） 上記構成によれば、入射された１本の平行光ビーム（コ
リメート光ビーム）は、まず円錐筒状に拡げられ、次に
円筒状となるように形成され、最後に集束レンズにより
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の円錐レンズ、第°１の円錐面およ
び第１の同心円等ピッチグレーティングレンズの各々に
よって円錐筒状に拡げられ、この後上記第２の円錐レン
ズ、第２の円錐面および第２の同心円等ピッチグレーテ
ィングレンズの各々によって円筒状に形成される。これ
を、上記入射された平行光ビームの中心軸を含む平面で
断面をとって観察した場合、この断面内では、光ビーム
は互いに完全に離れるような２本の光ビームに分離され
、この後この２本の光ビームは互いに平行とされ、平行
とされたこれら２本の光ビームが焦点レンズの焦点位置
に集束されるようになっており、また、この集束される
２本の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
にはこの断面内で干渉縞が形成されることとなる。この
ような干渉縞は、上記入射された平行光ビームの中心軸
を含むどのような平面で断面をとっても、同様な形状に
現われるので、結局立体的にみればこれら全ての断面上
に表われた干渉縞を重ね合わせたような強度分布、すな
わち同心円状に明暗相隔たる強度分布を有するビームス
ポット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
示すものであり、説明の便宜のため光学系の光軸を含む
平面で切断したときの断面を示すものである。この装置
１は屈折力の等しい１対の円錐レンズ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の円錐レンズ２によって円錐筒状のビーム形状に
拡げられ（第１図では互いに分離された２本の光ビーム
が一旦交叉した後継れていくように描かれている）、こ
の後第２の円錐レンズ３によって円筒状のビーム形状と
され（第１図では２本の光ビームが平行となるように描
かれている）、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
円錐レンズ２の円錐面に入射したレーザビーム７は、そ
の円錐面の入射位置に対し、第１の円錐レンズ２の回転
対称軸を挾んで反対方向へ屈折される（第１図では、光
軸の上方において第１の円錐レンズ２に入射した部分は
光軸の下方に、一方光軸の下方に入射した部分は光軸の
上方に各々屈折される）。また、第２の円錐レンズ３の
配設位置において、このレーザビーム７は断面が完全に
円環をなすように形成され、この後第２の円錐レンズ３
の屈折力が第１の円錐レンズ２の屈折力に等しく設定さ
れているため第２の円錐レンズ３から射出される断面円
環状のレーザビーム７はその円環の径を変えることなく
集束レンズ４に入射する。

すなわち、第１図上では光軸の上下に分離されたレーザ
ビーム７が平行な状態で集束レンズ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。この第１図中の各部分
におけるレーザビーム７の１次元的な光強度分布が第２
図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）に示されている。すなわ
ち、第１の円錐レンズ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２図（ａ）に、第２の円
錐レンズ３から射出された後のレーザビーム７の光強度
分布が第２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２図（Ｃ）に示
されており、これらの図から一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対の円錐レンズ２，３
は入射されたレーザビーム７を円錐筒状に拡げ、さらに
円筒状に形成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対の円錐レンズ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対の円錐レ
ンズ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
の円錐レンズ２，３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３図（光軸を含む平面で切断
された断面図）に示すように第１の円錐レンズ２ａは内
側に凹面を向けるように、また第２の円錐レンズ３ａ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。

また、第３図に示す光学系は、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
る上でスペースの節約になる。ただし、１対の円錐レン
ズ２ａ　、　３ａを第３図に示すような構成とした場合
には、第１の円錐レンズ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のでレー
ザビーム７ａのケラレが無いように第２の円錐レンズ３
ａの位置および大きさを決定する際に注意を要する。

また、第４図（ａ）　、　（ｂ）はレーザビーム７ｂ、
ｃに対し第１図に示す１対の円錐レンズ２．３と同等の
作用をなす光ビーム分離部材８．９を示す断面図である
。すなわち、第４図（ａ）に示す光ビーム分離部材８は
、頂角の値が互いに等しく共通の回転対称軸を有する、
２つの４凸円錐面８ａ、ｂを備えた光学部材であって第
１の円錐面８ａにこの回転対称軸に沿って入射された平
行レーザビーム７ｂを円筒状のビーム形状として第２の
円錐面８ｂから射出せしめる（第４図（ａ）では２本の
光ビームが平行となる状態で射出されるように描かれて
いる）ものである。一方、第４図（ｂ）に示す光ビーム
分離部材９は、頂角の絶対値が互いに等しく、共通の回
転対称軸を有する２つの円錐面９ａ、ｂを備えた光学部
材という点で上記光ビーム分離部材８と同様で。

あるが、光ビーム分離部材８が２つの円錐面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は第１の円錐面９ａは内側に凸で、第２の円錐面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の第１の円錐面に
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。このように一体型の光ビーム
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
が容易である。

さらに、第５図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）はレーザビ
ーム７ｄ、ｅ、ｆ’に対し第１図に示す１対の円錐レン
ズ２．３と同等の作用をなす１対の同心円等ピッチグレ
ーティングレンズを示す断面図である。すなわち、これ
らのグレーティングレンズｌｏａ、ｂ、ｌｌａ、ｂ、Ｌ
２ａ。

ｂは同軸かつ等ピッチ（対応する輪帯の幅が等しい）に
構成された１対の同心円グレーティング素子（同心円状
に設けられた輪帯のうち一つおきに溝が形成されている
）で、第５図（ａ）のもの１０ａ。

ｂがブレーズを設けていない通常の同心円グレーティン
グレンズであるのに対し、第５図（ｂ）、（ｅ）のもの
１１ａ、ｂ、１２ａ、ｂは強制的に所望の角度に光ビー
ムを射出せしめる同心円ブレーズグレーティングレンズ
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５図（ａ）に示す通常の同心円グレ
ーティングレンズｌＯａ、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５図（ｂ）　、　（ｃ
）に示すブレーズを設けたグレーティングレンズｌＩａ
、ｂ、１２ａ、ｂを用いた場合にはレーザビーム７ｃ、
　ｆ’全全体上記焦点位置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
５図（ｂ）に示すように入射されたレーザビーム７ｅを
第１のグレーティングレンズｌｌａから射出後そのまま
拡げるようにして第２のグレーティングレンズｌｌｂに
入射せしめるようにすることもできるし、第５図（Ｃ）
に示すように入射されたレーザビーム７ｆを第１のグレ
ーティングレンズ１２ａから射出後、−旦交叉せしめた
後拡げるようにして第２のグレーティングレンズ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５図（ａ）　、（ｂ）　、　（ｃ）に示す１対のグレ
ーティングレンズｌＯａ、ｂ、　ｌｌａ、ｂ、　１２ａ
。

ｂの間の空間を、これらグレーティングレンズ１０ａ、
ｂ、ｌｌａ、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レンズ１
０ａ、ｂ、ｌｌａ、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レンズ１０ａ
、ｂ、ＩＬａ、ｂ、１２ａ、ｂに形成されるグレーティ
ングは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５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５図（ｂ）　、　（ｃ）に示す同心円ブレーズ
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同心円ブラ
ッググレーティングレンズを用いてもレーザビーム７を
同様のビーム形状に形成することが可能である。

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。この干渉パターンを１次元的にみたときの
強度分布は第２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を２次元的に小さくする
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６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、ＤｌおよびＤｌはこ
の光ビーム７ｇの外径および内径である。また、実際の
強度プロファイルは第６図に示す強度分布を中心軸を中
心として回転せしめたときの形状、すなわち円筒形状を
なす。

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対の円錐レンズ、または１対の円錐面を有す
る光ビーム分離部材、または１対の同心円等ピッチグレ
ーティングレンズを用いて平行光ビームを３次元的に分
離し、この分離した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
断面図、第２図は第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３図は第１図に示す１対の
円錐レンズの変更例であって、別の組合わせに係る１対
の円錐レンズを示す断面図、第４図（ａ）　、　（ｂ）
は各々、第１図に示す１対の円錐レンズの変更例とＬ２
ての、１対の円錐面を有する光ビーム分離部材を示す断
面図、第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は各々、
第１図に示す１対の円錐レンズの変更例としての、１対
の同心円等ピッチグレーティングレンズを示す断面図、
第６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の円錐レンズ ３．３ａ・・・第２の円錐レンズ 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−１’・・・レーザビーム ７ｇ・・・光ビーム ８．９・・・光ビーム分離部材 ８ａ、９ａ・・・第１の円錐面　８Ｌ＋、９ｂ・・・第
２の円錐面１０ａ、１１ａ、１２ａ　＝・第１の同心円
等ピッチグレーティングレンズ １０ｂ、１１ｂ、１２ｂ・・・第２の同心円等ピッチグ
レーティングレンズ 平成０２年０５ 月 日 平ｆＲＯ１年　特　ＦＦｌｌ１ ２、　Ｒ明の名称 １０４３．８６０ 号 ビーム形状変換ｓｉ訝 補正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人 任　所　神奈川県南足柄市中沼２１０番地名　称　　（
５２０）冨士写真フィルム株式会社４、代理人 住　所　東京都港区六本木５−２−１ はうらいやピル７Ｗ４ ６、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ７、補正の内容 ｌ）明細書第１８頁第１５行〜第２０行の表を次の様に
訂正する。 ５、　４正命令の日付 自発補正

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転対称軸に沿って入射された平行光ビームを円
   錐筒状に拡げて射出せしめる第１の円錐レンズと、 この第１の円錐レンズから射出された光ビームを円筒状
   に射出せしめる、前記第１の円錐レンズと屈折力の絶対
   値が互いに等しい第２の円錐レンズと、 この第２の円錐レンズ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、共通の回転対称軸
   を有する第１および第２の円錐面を備え、該第１の円錐
   面に前記回転対称軸に沿って入射された１本の平行光ビ
   ームを円筒状の光ビームとして前記第２の円錐面から射
   出す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）回転対称軸に沿って入射された平行光ビームを円
   錐筒状に拡げて射出せしめる第１の同心円等ピッチグレ
   ーティングレンズと、 この第１の同心円等ピッチグレーティングレンズから射
   出された光ビームを円筒状に射出せしめる、前記第１の
   同心円等ピッチグレーティングレンズと互いに等しい同
   心円ピッチを有する第２の同心円等ピッチグレーティン
   グレンズと、 この第２の同心円等ピッチグレーティングレンズから射
   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。