JPH09501789A - 光学的走査装置及びこの装置に用いるためのビーム成形器及び放射源ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 楕円の断面形状を持つ放射ビーム(5,6,7,8) をもっと円形の断面形状を持つビームに変換するための光学ビーム成形器(10)を具えた、光学的走査装置が記載されている。この素子(10)は円筒形状の入射面(12)とトロイダルの射出面(14)を持ち、ダイオードレーザー(1) に近接して配置され得るので、デフォーカスによる波面の偏向の危険性を小さくする。この素子は高い結合効率を持つ。このビーム成形器は、更に、放射ビームからサブビームを形成するためのグレーティングを具える。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的走査装置及びこの装置に用いるためのビーム成形器 及び放射源ユニット 本発明は、情報平面を走査するための光学的走査装置であって、放射源、この 放射源によって供給される放射ビームを情報平面上の走査スポットに合焦するた めの対物系、情報平面からの放射を情報平面に記憶された情報を表す電気信号に 変換するための検出系、及び、入射面とその反対側に位置してその入射面に入射 した放射ビームの断面の形状を変えるための射出面とを有し、その入射面と射出 面とが共通の光学軸を持つ光ビーム成形器を具える光学的走査装置に関する。本 発明は、更に、このような走査装置に用いられるビーム成形器及び放射源ユニッ トに関する。走査装置は、対象物を走査し対象物の高さのプロファイルを求める ため、光学記録媒体の情報平面を走査しこの平面に情報を書込みこの平面の情報 を読出し或いは消去するために、又は、例えばレーザープリンタの表面に情報を 書込むために用いられる。 このような走査装置のためのビーム成形器は、例えばプリズム、円筒型レンズ 或いは欧州特許出願第0286368 号に記載されている入射面及び射出面がトロイダ ル形状を持つ単レンズ素子の形で良く知られている。このビーム成形器は、通常 は、平行面として知られるその活性層に平行な面の開口角が垂直面として知られ るその活性層に直角な面の開口角より小さいビームを射出するダイオードレーザ ーと組み合わせて用いられる。遠視野として知られる視野においては、このよう なダイオードレーザーのビームは楕円形の断面を持つ。例えば、音響又は画像の プログラム又はデータが記憶される光学記録媒体のための読出し及び／又は書込 みデバイス、又は、プリンタのように、このようなダイオードレーザーを放射源 として用いるデバイスにおいては、丸くて小さい、好ましくは回折が抑制された 放射スポットが、走査される媒体上に形成されなければならない。このため、放 射スポットを形成する画像系即ち対物系は、円形断面を持つ放射ビームで満たさ れる必要がある。ダイオードレーザーから出発すれば、このレーザーと対物系と の間にダイオードレーザーから若干の間隔を置いてビーム成形器を配置すること により、このようなビームを得ることができる。 ビーム成形器を用いる既知のシステムにおいては、ビーム成形器及びこの装置 の放射源に対する位置について厳しい要求が課される。既知のビーム成形器は、 ここではビーム断面の拡大又は縮小に相当するビーム成形が、垂直面又は平行面 のいずれか１つの面のみで行われるように設計される。この面における成形が比 較的強くなければならないので、ビーム成形に重要な役割を持つパラメーターに 厳しい要求が課される。 更に、ビーム成形器を用いる既知のシステムにおいては、ビーム成形器は放射 源から比較的大きい間隔を置いて配置される。即ち、放射源によって放射された ビームが発散し必要な断面を持つ箇所である。しかしながら、成形器に対するダ イオードレーザーの射出面の軸位置即ちＺ位置について厳しい要求が課される。 ダイオードレーザー射出面のＺ位置が要求の位置と異なる場合は、レーザービー ムがビーム成形器の入射面の領域で二次デフォーカス項の波面を持つ。二次ディ ストーションは、波面の与えられた部分を放射源の中心から見る角度の関数であ り、種々の方法によってビーム成形器により２つの主断面、ＸＺ面及びＹＺ面で 変換される。実際には、既知のビーム成形器は、比較的大きい角倍率即ちそれら の面の１つでのスケールファクタ、及び、他の面のスケールファクタに等しい倍 率を持つ。ビーム成形比が例えば２より大きいと、放射源のデフォーカスは実質 的に完全にビーム成形器によって、１つの主断面でのみのビームのデフォーカス に変換される。これは、ビーム成形器から現れるビームは非点収差を含む状態に なっていることを意味する。ここで考慮されている光学系では、放射源自体のデ フォーカスは対物系のアクティブフォーカス制御によって補正され得るが、非点 収差を含む状態の波面のエラーはもはや除去することはできない。そのため、非 点収差に厳密な公差値の要求が課せられる。平均波面偏差、即ちＯＰＤ_rmsで表 され、波面偏差を波長（λ）の０．０２倍の表面で分割した値の二乗値を波面の 表面について積分した値の平方根が許容されるとすれば、非点収差を含む状態の 波面エラーＷ_Aは０．１λより小さくなければならない。これは、ビーム成形器 の開口数ＮＡが０．３５であり、λ＝０．８μｍとすれば、 ΔＺ＝２．Ｗ_A／（ＮＡ）² によって定義されるビーム成形器に関する放射源のデフォーカスΔＺが、最大で も１．５μｍのオーダーであることを意味する。 ビーム成形器がダイオードレーザーから比較的大きな距離に配置されている普 通に使用される光学系においては、上記のような厳格な公差値を満足することは 難しい。温度変化及び機械的な衝撃により、ダイオードレーザーとビーム成形器 との間に数ミクロンに及ぶ軸のズレが起こり得る。 本発明の目的は、実用上の欠点を著しく若しくは実質的に完全に除去した、光 学的走査装置及びこの装置に用いるためのビーム成形器及び放射源を提供するこ とにある。 本発明の第１の観点は、新規な概念からなるビーム成形器を用いる走査装置に 関する。このビーム成形器は、入射面が円筒軸を持つ実質的に円筒部分を持ち、 ｎ₁及びｎ₂をそれぞれ素子物質及び媒体の屈折率としたとき、前記部分が垂直面 でｎ₁／ｎ₂のオーダーの角倍率を、そして平行面でｎ₂／ｎ₁のオーダーの角倍率 を持ち、垂直面と平行面とは相互に直角に光学軸に沿って相互に交差し、前記円 筒軸は垂直面中に位置し、前記射出面はトロイダル面であり、前記両面の少なく とも１つの面がグレーティングを具えることを特徴とする。 ビーム成形能力は２つの成分、即ち平行面の角倍率ｎ₂／ｎ₁及び垂直面の角倍 率ｎ₁／ｎ₂からなり、これらの成分の各々は、ビーム成形器がこれらの面のただ １つでビーム成形を行う際に適用される公差値より緩い公差値で実現することが できる。 以下に説明されるように、本発明によるビーム成形器では、収差がなく、セン トレーション及び屈折面の傾きに関して高い公差値を持つ、３つの基本的な像作 成ステップの組合せが用いられる。 既に述べたように、欧州特許出願第0286368 号には、トロイダル射出面を有す るビーム成形器が開示されている。しかしながら、この素子の入射面は円筒面で はなくトロイダル面である。この面は垂直面においてのみ収差を補正するように なっているが、トロイダル射出面は平行面における収差のみを補正するようにな っている。本発明によるビーム成形器においては、トロイダル射出面は１つの像 中にそれぞれ平行面及び垂直面に形成される２つの中間像を生成する目的を持っ ており、この２つの中間像は光学軸の方向に移動し、入射面で実際のビーム成形 が行われる。 本発明によるビーム成形器の射出面においては殆ど屈折がなく、即ちこの面の 角倍率はほぼ１である。このため、ビーム成形器を介して観察される放射源の位 置は、全ての周囲のパラメーターの変動に対して安定である。これは、放射源が 検出器に関して安定な位置を持つ必要がある光学的走査装置にとって特に重要で ある。 本発明による走査装置においては、ビーム成形器は放射源から比較的短い距離 に置かれ、これにより、２つの構成部品の相互の位置に課される厳しい公差値を 合理的に簡単に満たすことができる。これは、ビーム成形器が放射ビームからサ ブビームを発生するための１又は複数のグレーティングの基板として極めて適す ることを示す。このサブビームは通常、検出系で正確に配列される必要があり、 従って、放射源、グレーティング及び検出器相互の位置についての公差を狭くす る。 ビーム成形器上に配置される第１グレーティングは、第１放射源からの第１サ ブビームを発生するため実質的に直線の平行な格子線を有することが好ましい。 光学的走査装置においては、これらのサブビームは、第１放射ビームによって走 査される記録媒体上に形成される走査スポットの位置を制御するため、トラッキ ングエラー信号を発生するために用いられる。 ビーム成形器の射出面上に配置される第２グレーティングは、射出面上に入射 する第２放射ビームから第２サブビームを発生するたのグレーティングであるこ とが好ましい。光学的走査装置においては、このグレーティングは、走査される 記録媒体によって反射されるビームの一部分をレーザーによって射出される第１ 放射ビームから分離し、それを検出系に案内するために用いられる。第２グレー ティングは曲がった格子線を持っていてもよい。 本発明の第２の観点は、放射源とビーム成形器から現れるビームの波面上の素 子との、相互の位置の変動の影響に関する。本発明によれば、本発明の装置が、 ダイオードレーザーの放射射出面とビーム成形器の入射面との間隔が最大ほぼ３ ｍｍであり、好ましくは数百μｍであり、ビーム成形器の両面の少なくとも１つ の面がグレーティングを具えることを特徴とし、走査装置におけるこの影響を著 しく減らすことができる。 このような小さい距離においては、ダイオードレーザー及びビーム成形器は、 従来のシステムで通常用いられる１ｃｍ又はそれ以上のオーダーの距離より、相 互に関して著しくよりよい安定性を持つことができる。ダイオードレーザー及び ビーム成形器の望ましい相互の安定性は、ダイオードレーザーと放射源ユニット の素子とを共通のホルダー上に固定することにより、好ましくは共通のサポート 上に固定することにより実現することができる。 ダイオードレーザーとビーム成形器との距離を減らす原理を、例えば円筒レン ズ又はプリズムのような従来のビーム成形器を持つ放射源ユニットに用いること ができる。この放射源ユニットは、その波面が周囲のパラメーターの変動による ダイオードレーザーの位置の変動に影響されない、円形の対称の断面を有するビ ームを供給する。 しかしながら、この原理の最適の利用は、ビーム成形器として前記で説明され た本発明による素子を含む走査装置において行われる。 この素子におけるビーム成形は入射面のみによって行われるので、主としてダ イオードレーザーの射出面に関するこの面の位置が重要である。従ってこの素子 の射出面の位置の重要性はより小さく、そのため、例えば光学軸に沿って計った ビーム成形器の厚さに対して厳密な要求を課す必要はない。 走査装置においては、ダイオードレーザーの形における放射源は、非点収差、 即ち、平行面のビームの起源が垂直面と異なる軸位置にあることを示すことがあ り得る。トロイダル面の形状により、又はダイオードレーザーとビーム成形器と の間の距離により、この放射源収差を補正することができる。 例えばある種のプリンタのような或る種の光学システムにおいては、最終的に 形成された放射スポットを更に長くするような要求が行われることがあり得る。 トロイダル面は、この面から現れるビームがこのような放射スポットを形成する のに適しているので、この場合に用いられる。円筒入射面は特別な要求に適合す ることができるものであり、厳密に円筒型である必要はない。 本発明は、更に、ダイオードレーザーと組合せてダイオードレーザーからの放 射ビームの断面形状を変えるために極めてよく適している、前記のような光ビー ム成形器に関する。ダイオードレーザーとビーム成形器との組合せは、光通信シ ステム又は光検査システムのように、放射の最大量が小さい表面に集光されなけ ればならないシステムで有利に用いられる。 本発明は更に、放射射出面を有するダイオードレーザー及び入射面とその反対 側に位置してダイオードレーザーによって供給されるビームの断面の形状を変え るための射出面とを有するビーム成形器からなる放射源ユニットであって、放射 射出面とビーム成形器との間隔が最大３ｍｍであり、ビーム成形器の両面の少な くとも１つの面がグレーティングを具えることを特徴とする放射源ユニットに関 する。このようなユニットは、容易に作成され、或いは容易に取り替えられ、良 質の放射ビームを供給する放射源を構成する。 本発明のこれら及び他の観点は、以下に述べられる実施例から明らかになり、 以下に述べられる実施例を参照することによって解明される。 図面においては、 図１はビーム成形器を含む放射源ユニットを示す図、 図２はダイオードレーザーとビーム成形器とを相互に固定する方法を示す図、 図３はビーム成形器をダイオードレーザーの容器中に収容する方法を説明する 図、 図４はビーム成形器の実施例を示す図、 図５ａ及び５ｂはこのビーム成形器の収差曲線を示す図、 図６ａ及び６ｂは既知のビーム成形器の収差曲線を示す図、 図７は既知のビーム成形器を示す図、 図８は前記の放射源ユニットを具える光学的走査装置を示す説明図、 図９は本発明によるビーム成形器に配置されるグレーティングを示す図、 図１０は放射源ユニットを具える第２の光学的走査装置を示す説明図、 図１１ａ，ｂ，ｃは本発明によるビーム成形器に配置される幾つかのグレーテ ィングを示す図である。 図１は、ダイオードレーザー１及びビーム成形器10、及び座標ＸＹＺのＺ方向 がビーム成形器の光学軸と一致している３軸系を説明する図である。明瞭化のた めに、ダイオードレーザーとビーム成形器10との（Ｚ方向の）軸距離は拡大され ている。実際にはこれらの構成部品は互いに近接しており、ビーム成形器におけ る領域11はダイオードレーザーのレーザーファセット４である。 このレーザーは、例えばＡｌＧａＡｓレーザーであり、複数の異なるドープ層 からなるが、明瞭化のために、レーザー放射が発生するストリップ形状の活性層 ２のみが図示されている。活性ストリップ２は部分的に透明のレーザーファセッ ト４と後部ファセット３とによって挟まれ、電流源９からの電流がレーザーに流 れる時に発生するレーザー放射が活性ストリップ２から出て来る。レーザーファ セット４から出る放射は、例えば光学的走査装置又は光学プリンタのための放射 ビームを形成するために用いられるが、後部ファセット３から出る放射はレーザ ーの動作状態をモニターするために用いられる。 断面形状が長方形であるため、活性ストリップ２及びレーザーファセット４の ＸＹ面においては、ダイオードレーザーによって射出されるビームは対称ではな く、活性ストリップ２に平行なＸＺ面即ち平行面における開口角θ₁がＹＺ面即 ち垂直面における開口角θ₂より小さい。平行面におけるビームの境界光線は参 照番号５及び６で示され、垂直面におけるそれらは参照番号７及び８で示されて いる。境界光線によって表されるビームは、ダイオードレーザーの遠視野即ちこ のレーザーから或る程度の距離では楕円形の断面形状を持つ。例えば光学的走査 装置又は光学プリンタにおいてこのビームの充分なパワーを利用するためには、 このビームが円形断面のビームに変換されなければならない。これは、本発明に よるビーム成形器10によってなされる。この素子は、円筒軸がＹ軸に平行である 円筒部分13を持つ入射面12を有する。垂直面即ちＹＺ面の光線については、入射 面は例えば屈折率１を持つ空気とより大きい屈折率ｎを持つ媒体との間の平面の 界面であり、これらの光線は、ｎによって定まる大きさだけＺ軸の方向に偏向さ れる。換言すれば、これらの光線について１／ｎの角度の減少が生ずる。ビーム 成形器中の垂直面の光線は、今やもはやレーザーファセットから射出するように は見えず、ビーム成形器から遠く離れて位置する光軸上の点Ｓ₂から射出するよ うに見える。これが、前記の第１の基本的な像作成ステップである。 第２のステップは、平行面即ちＸＺ面における入射面の効果に関する。この面 においては、入射面が曲率半径Ｒを持ち、放射源の中心のＺ軸上の位置Ｓ₀即ち 物点、及び、入射面によりこれに共役の像点のＺ軸上の点Ｓ₁が不遊条件を満足 する。これは、Ｓ₀とＳ₁がこの像投射面の不遊点に一致することを意味する。こ れら不遊点の位置は、 Ｓ₀＝｛（１＋ｎ）／ｎ｝Ｒ Ｓ₁＝｛（１＋ｎ）／１｝Ｒ で与えられる。ビーム成形器中の平行面の光線は、もはや位置Ｓ₀のレーザーフ ァセットから射出するようには見えず、ビーム成形器にもっと近い位置である点 Ｓ₁から射出するように見える。入射面12によって導入された平行面における角 倍率はｎに等しい。不遊条件が満足されるので、点Ｓ₀は球面収差、コマ収差又 は点Ｓ₁における非点収差なしに像を写す。この像の質は、円筒部分13に対する 大きい像視野を獲得するので、従ってレーザーファセットに関するビーム成形器 のための位置公差が大きい。 一方で垂直面においてビーム成形器10によって実現される角倍率と他方で平行 面においてビーム成形器10によって実現される角倍率との間の差異はほぼｎ₂で ある。この差異は即ちこの素子のビーム成形倍率であり、実質的に全く、垂直面 及び平行面両者のビームの輻輳を変える入射面において実現される。ビーム成形 器が屈折率ｎ₁を持つ媒体中に配置されており、この素子の材質が屈折率ｎ₂を持 つとすると、垂直面の角倍率はｎ₁／ｎ₂、即ち角度減少であり、平行面の角倍率 はｎ₂／ｎ₁であり、ビーム成形比はほぼ（ｎ₂／ｎ₁）²である。入射面の不遊点 の位置については、 Ｓ₀＝｛（ｎ₁＋ｎ₂）／ｎ₂｝Ｒ Ｓ₁＝｛（ｎ₁＋ｎ₂）／ｎ₁｝Ｒ が保たれる。 第３の基本的な像作成ステップは、垂直面及び平行面に関し、素子10の射出面 14によって行われる。入射面によって形成される２つの虚像はＺ軸に沿って異な る位置Ｓ₁及びＳ₂にあるので、これらの像が１つの像になるためには射出面が僅 かにトロイダル形状を持つ必要がある。トロイダルは、平行面における表面の 曲率半径Ｒ₁が垂直面での曲率半径Ｒ₂と異なることを意味するものと理解される 。射出面は、Ｓ₀に位置するレーザーファセットとその面との距離が平均曲率半 径とほぼ等しいＺ位置に配置される。Ｒ₁は平均曲率半径より僅かに小さいため に、ビーム成形器中で点Ｓ₁から来るように見える平行面での放射は、点Ｓ₀から 来るように見える方向に屈折する。Ｒ₂は平均曲率半径より僅かに大きいために 、ビーム成形器中で点Ｓ₂から来るように見える垂直面での放射は、これも点Ｓ₀ から来るように見える方向に屈折する。平均曲率半径の別の選択により、放射が 出て来るように見える点がＺ軸上のＳ₀とは異なる点になるように設定すること ができる。射出面での屈折による放射の角度の変化は比較的小さいため、この面 はほぼ１の角倍率を持つ。 トロイダル形状は、射出面14の非共面周縁曲線によって図１に示されている。 この形状は、その表面の同一の円に位置する２つの点の間のＺ方向で計測された 最大距離によって表される。この頂点から頂点への距離は、光学的に利用される 表面の端部について、例えば数ミクロンから数十ミクロンのオーダーである。本 発明によれば、射出面がグレーティング（図示されていない）を具えていてもよ い。 ビーム成形器10から射出されるビームの開口角を減らし、光学素子の直径を小 さくし、更にビームを用いるシステムを小さくすることが望ましい場合がある。 このためには素子10の後にコリメーターレンズを配置するとよい。しかしながら 本発明はビーム成形器にコリメーションの機能を含ませ、コリメーターレンズを 省く可能性を提供する。このため、必要な開口角の減少のために、必要な倍率を 持つ球面がトロイダル射出面で重ね合わされる。この球面は平行面と垂直面とで 同一の曲率半径を持つ。 従来の光学記録媒体のための走査装置においては、ビーム成形器の入射開口数 は平行面でほぼ０．１３で、垂直面でほぼ０．４０である。本発明によるビーム 成形器においては、射出面の球面倍率なしに、両面において射出開口数０．２０ が得られる。射出面14に球面倍率を与えることによって、射出開口数を減らすこ とができる。この開口数を平均入射開口数と等しくすることができれば、平行面 について入射面12によって実現される像に関連して既に説明されたような方法と 同様にして、射出面によって形成される像が不遊条件を確実に満足するようにす ることができる。不遊条件が満足されると、公差要求が軽減され、これらの要求 が容易に満たされることになる。 平行面及び垂直面のＦＷＨＭ開口角がそれぞれ１０°及び３０°であるダイオ ードレーザービームは、ビーム成形器のために、この素子を通過した後で、上記 のＮＡ値０．１３及び０．４０において対称的な振幅歪みを持つ。ＦＷＨＭ開口 角は、波面の中心の強度の半分の強度である直径上に位置する２つの点の方向に 向かう光線間の相互の角度である。 このビームがガウス型強度分布を持つならば、この素子から射出するビームの 縁部での強度は、このビームの中心の強度の４０％に等しい。従ってこの周縁強 度は、この素子の限定された開口部による強度損失に等しい。従って、ダイオー ドレーザーによって射出された放射の６０％がこのようにして集中され、このダ イオードレーザーが適用される光学装置に利用される。 図１に示すように、ビーム成形器は、円形断面を持ち、円の直径と同じオーダ ーの長さＬを持つ円筒形状を持つことができる。Ｄ及びＬは、例えば１．２ｍｍ であり、この値は操作の容易さによって定まる。円筒部分13は、１５−３０μｍ のオーダーの曲率半径を持つ。波面偏差ＯＰＤ_rmsは必要な値７ｍλを持つ。こ れはマレシャルの基準７０ｍλより著しく小さい。７ｍλの値は非点収差残留エ ラーによって定められ、部分的にはＳ₀乃至Ｓ₂の像のエラーに起因する。必要な らば、この残留エラーは、ＸＺ平面及び可能ならばＹＺ面に、小さい４次補正項 を加えた僅かに非球面のトロイダル面を設けることによって補正することができ る。これに代えて、入射面の円筒部分13に円筒形状から僅かに外れた形状を与え ることにより、且つ、トロイダル面を僅かに非球面にすることにより、入射面と 射出面に跨がる残留エラーの補正を分配することができる。 ビーム成形器はガラスで構成することができ、入射面12及び射出面14は研磨又 はモールドによって得ることができる。この素子はまた、透明合成材料を例えば モールドして構成することができる。温度変化及び湿度に対して相当の耐性を有 し、多数を低コストで生産することができるビーム成形器を得るためには、レプ リカ法として知られる方法を用いることができる。この方法では、ガラスプリフ ォームから出発し、このプリフォームの前面及び後面に、例えば紫外線の効果に よって硬化するポリマーのような合成材料の層を充分な粘性状態で形成する。こ れらの層は、表面がそれぞれ入射面12及び射出面14と凹凸が逆になった鋳型を押 圧することによって、入射面及び射出面それぞれに必要な形状とすることができ る。続いてこのアセンブリに紫外線を照射し、この層を硬化させる。鋳型を取り 除けば、その他の操作は何も必要とせず、この素子を使用することができる。入 射面又は射出面に本発明によるグレーティングを形成するため、一方又は両方の 鋳型がグレーティングパターンを具えていてもよい。 ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）材料が好ましい合成材料として利用さ れる。この材料の屈折率ｎの値は１．４８３であり、従ってビーム成形比ｎ²は ２．２になる。大きな複屈折を示さず且つ光学部品の製造に充分な実績がある点 で、ＰＭＭＡは利点を有する。 ビーム成形器は、好ましくは機械的にこの素子を直接ダイオードレーザー上に 固着することにより、ダイオードレーザーに対して固定される。この固定方法の 一例を図２に示す。最大の面が例えば３００×３００μｍ²のダイオードレーザ ー１が例えば１×１×１ｍｍ³のブロック15の側面16に固着される。ビーム成形 器10は、この素子の円筒部分13がダイオードレーザーのレーザーファセット４の 上に位置するように、ブロック15の上面17上に配置される。素子10は、側面16及 び可能ならば反対側の側面18に固着されたサポート（図示されていない）によっ て支持されてもよい。ダイオードレーザーのレーザーファセット４は、いま、円 筒部分13の極めて近く、例えば数十ミクロンの距離に配置される。その結果、フ ァセットとビーム成形器との間の距離に対する１μｍのオーダーの望ましい公差 が実際に達成され、これにより、ビーム成形器から射出するビームに不所望の非 点収差を生じない。更に、レーザーファセット４及びビーム成形器が相互に関し て固定されているので、周囲のパラメーターが変わる場合にもこの不所望の非点 収差は生じない。 実際には、ダイオードレーザーは容器に収容されており、この容器のダイオー ドレーザー前面ファセットに対向している側面には放射伝播窓がある。既知の装 置においては、ビーム成形器が容器の外側に、窓から若干の距離、例えば１．５ ｍｍの距離を置き、この窓がダイオードレーザーから例えば２．５ｍｍの距離を 置いて配置され、そのため、ダイオードレーザーとビーム成形器との間の距離は 例えば４ｍｍになっている。本発明によれば、ビーム成形器は、図３に示すよう にレーザーファセットから極めて小さい距離で容器に収容される。この図におい ては参照番号40は基板であり、その上にブロック15が配置され、更にモニターダ イオード41及び必要な他のフォトダイオードが配置される。この容器の側面が参 照番号42で示され、容器の上面の放射伝播窓が参照番号43で示されている。要素 44乃至49はダイオードレーザー及びフォトダイオードのためのいくつかの接続端 子である。 以下のパラメーター値を、全体が合成材料ＰＭＭＡから構成されるビーム成形 器の第１の特別な実施例に適用する。 ダイオードレーザーまでの距離Ｚ₁＝８０μｍ 入射面の曲率： −ＸＺ平面においてＣ_1x＝−３１．２５ｍｍ^-1 −ＹＺ平面においてＣ_1y＝０ 厚さＤ＝１．１６ｍｍ 射出面の曲率： −ＸＺ平面においてＣ_2,x＝−０．８６５ｍｍ^-1 −ＹＺ平面においてＣ_2.y＝−０．７３４ｍｍ^-1 この素子に対して以下の公差が適用される。 許容されるデフォーカスΔＺ₁＝２μｍ 許容される厚さの変動ΔＤ＝２５μｍ 許容される屈折率の変動Δｎ＝０．０１ 許容される偏芯： ＸＺ平面において ３μｍ ＹＺ平面において＞２５μｍ 許容されるＸ軸についての傾き 少なくとも５０ｍｒａｄ 許容されるＹ軸についての傾き： ＮＡ_exit＝０．２０において少なくとも５０ｍｒａｄ ＮＡ_exit＝０．１３において少なくとも１５ｍｒａｄ ＮＡ_exit＝０．１０において少なくとも５ｍｒａｄ この実施例のＮＡ_exit＝０．１３及び０．１０の場合においては、射出面は 球面倍率を持つ。 全体が合成材料ポリカーボネート（ＰＣ）から構成されるビーム成形器の第２ の特別な実施例に対して、以下のパラメーター値を適用する。 ダイオードレーザーまでの距離Ｚ₁＝２．０ｍｍ、これはレーザーに対する ０．２５ｍｍの厚さのｎ＝１．５１４のコーティングガラスを含む。 入射面の曲率： −ＸＺ平面においてＣ_1x＝−２．０３２ｍｍ^-1及び僅かに非球面 −ＹＺ平面においてＣ_1y＝０．０２０ｍｍ^-1 厚さＤ＝２．７０ｍｍ 射出面の曲率： −ＸＺ平面においてＣ_2.x＝−０．４３４ｍｍ^-1 −ＹＺ平面においてＣ_2.y＝−０．１６６ｍｍ^-1及び僅かに非球面 この素子に対して以下の公差が適用される。 許容されるデフォーカスΔＺ₁＝５μｍ 許容される厚さの変動ΔＤ＝２０μｍ 許容される屈折率の変動Δｎ＝０．０１０ 許容される偏芯： ＸＺ平面において ３５μｍ ＹＺ平面において ５０μｍ 許容されるＸ軸についての傾き 少なくとも７ｍｒａｄ 許容されるＹ軸についての傾き：少なくとも２０ｍｒａｄ ビーム成形器が、２つの相互に直角な方向のＮＡが０．１０及び０．２０の ビームを成形し、円形対称の断面及び０．１５のＮＡを持つ射出ビームを得 る。 ＹＺ平面におけるその断面を図４に示すように、ガラスＳＦＨ６４のプリフォ ーム50及び合成材料ジアクリルの層51から構成されるビーム成形器の第３の特別 な実施例に対して、以下のパラメーター値を適用する。 ダイオードレーザーまでの距離Ｚ₁＝９０μｍ 入射面の曲率： −ＸＺ平面においてＣ_1x＝−３７．１ｍｍ^-1 −ＹＺ平面においてＣ_1y＝０ 厚さＤ₁＝０．０１７ｍｍ Ｄ₂＝２．５０ｍｍ Ｄ₃＝０．００２ｍｍ ＸＺ平面における射出面の曲率半径：Ｒ_1x＝−１．８５９ｍｍ ＹＺ平面では射出面が非球面であり、最大曲率半径Ｒ_2y＝−２．０２３ｍｍ 及び非球面係数ａ₂＝−０．２４７１５；ａ₄＝−０．０１３２ この素子に対して以下の公差が適用される。 許容されるデフォーカスΔＺ₁＝１．５μｍ 許容される厚さの変動ΔＤ₂＝２０μｍ 許容される屈折率の変動： ガラスＳＦＨ６４に対してΔｎ_g＝０．０１０ ジアクリルに対してΔｎ_d＝０．０１０ 許容される偏芯： ＸＺ平面において ３μｍ ＹＺ平面において＞２５μｍ 許容されるＸ軸についての傾き ２５ｍｒａｄ 許容されるＹ軸についての傾き：２５ｍｒａｄ この素子はほぼ４０ｍｇの重さを持つ。この素子から射出するビームは円形対 称の断面を持ち、ＮＡは０．２０である。この素子はダイオードレーザーの放射 のほぼ９４％を受光する。ＮＡ＝０．２０における周縁強度はほぼ６％である。 この素子が光学記録媒体のための走査装置に用いられると、この装置の光学系は 全強度の８０％を含む開口数０．１５の円形ビームを選択する。その結果、ＮＡ ＝０．１５における周縁強度は２０％である。 図５ａ及び５ｂは、ＮＡ_YZ＝０．１６０及びＮＡ_XZ＝０．１５０のＳＦＨ６４ の本体及び合成材料層から構成されるビーム成形器の実施例について、経線面及 び矢状面に対する収差曲線を示す。これらの図においては、縦軸に（λの）波面 偏差Ａが（標準化された開口数ＮＡ_nの）射出瞳孔の位置の関数としてプロット されている。Ｘ方向の位置のエラーは２μｍであり、Ｙ方向は０μｍである。０ ＰＤ_rmsは５ｍλである。 比較のために、図６ａ及び６ｂに従来のビーム成形器の対応する収差曲線を示 す。この素子のＹＺ平面における断面が図７に示されている。入射ビームθ₁に ついてはＮＡ＝０．３２であり、射出ビームの開口θ_oは０．１２５である。こ の素子についてＹ方向の位置のエラーは２μｍであり、Ｘ方向は０μｍである。 ＯＰＤ_rmsは５０ｍλである。 図８は、光学記録媒体20の情報層を光学的に走査するための装置を示す図であ る。走査とは、ここでは情報の書込み及び読出し両者のための走査を意味するも のと理解される。情報層は、既に記録された層又は全体或いは一部分に情報を書 込むことができる層である。記録媒体20は、図８にはその半径方向の断面の一部 分が示されているが、透明基板21、反射情報層22及びコーティング23からなる。 情報層は多数のトラック25に分けられ、この中に情報が記録され又はそれらの周 囲と区別される情報領域（図示されていない）の形で書込まれる。 走査装置は、円形断面を持ちコリメーターレンズ33及び対物系34を最良に満た す開口角を持つビーム31を供給する放射源ユニット30を具える。このシステムは 情報平面上に回折を制限した走査スポット32を形成する。この平面は対物系を通 るビーム35中で放射を反射する。ビーム35を部分的にビーム31から分離するため に、ビーム35の一部を放射源ユニット30中の検出系37の方向に回折する分離グレ ーティング36を持つコリメーターレンズが具えられる。情報トラックは、記録媒 体を回転させることによって走査される。走査スポット32に対して半径方向に記 録媒体を移動させることによって、全ての情報トラックが走査される。 読出しの間は、例えば強度或いは偏光方向のような反射ビームのパラメーター が、一連の情報領域に記憶された情報によって変調される。検出系37はこの変調 を電気信号に変換する。検出系は一般に複数の検出器素子からなり、これにより 信号処理回路38で処理された複数の出力信号を、情報信号Ｓ₁、トラッキングエ ラー信号Ｓ_r及び焦点エラー信号Ｓ_fとして、トラッキングサーボ系及び焦点サー ボ系に供給する。 読出し装置の更に詳細な事項は、文献「ヘットシステム（コンパクトディスク ディジタルオーディオ）」（"Het systeem "Compact Disc Digital Audio"",M.G .Carasso，J.B.H.Peek，J.P.Sinjou，Philips Technisch Tijdschrift 40，pp.2 67-272,1981/82，no.9）が参考になる。 本発明によれば、放射源ユニット30は、前記のようにダイオードレーザー１及 びビーム成形器10を具える。この放射源ユニットは、安定な波面及びダイオード レーザーによって生成される強度の大部分を表す強度を持つビームを供給する。 従って、放射源ユニットは、例えば表面の変形によって又は磁気光学処理によっ て、消去可能なように情報を書込むことができる書込み装置のために極めて適し ている。書込みの間は、例えば音響光学変調器又はダイオードレーザーを通る電 気回路によってビーム31が変調される。本発明によれば、ビーム成形器の射出面 14が２つのサブビーム40及び41を生成するためのグレーティング39（図示されて いない）を具える。図には、明瞭化のためにこれらサブビームの僅かな部分のみ が示されている。これらの２つのサブビームは、走査スポット32の両側に２つの サイドスポットを生じさせる。ここから反射した放射は検出系37で検出され、特 に米国特許第3,876,842号から知られる３ビーム法によって、トラッキング信号 Ｓ_rが生成される。グレーティング39は、図９に示すように３ビームグレーティ ングとして知られ、実質的に直線で平行の格子線を有する。グレーティング39は グレーティング36に可能な限り近接して配置されることが望ましい。 図１０は、光学的走査装置の第２の小型の実施例を示す図である。３ビームグ レーティング52が円筒部分13の上に配置され、このグレーティングは、トラッキ ング信号を生成するため、放射源１によって射出されたビーム31から２つのサブ ビーム（図示されていない）を生成する。対物系によるサブビームの口径食を防 ぐため、放射源１のレーザーファセットと３ビームグレーティングとの間の距離 は過度に小さくてはいけない。１乃至２ｍｍの距離が、放射源に対するグレーテ ィングの位置の安定性を必要な公差以内に収め且つ口径食を小さくする。 ２つのサブビームを含むビーム31は、フォールディングミラーを経て対物系34 に導かれ、情報平面22上に焦点が合わされる。フォールディングミラーは走査装 置の構造高を減らす。ビーム成形器の射出面14上に配置された分離グレーティン グ53は、情報平面によって反射されたビーム35からサブビーム48を生成させる。 一方、サブビームと元のビーム31との間の角度は、これを大きくするためには分 離グレーティングの格子線の間隔を極めて小さくしなければならず、グレーティ ングの実現が極めて困難になるため、過度に大きくすることはできない。他方、 この角度は、放射源１と検出系37との間を、個別部品１及び37が互いの光路に入 らないような合理的な距離にするため可能な限り大きくする必要がある。本発明 によれば、この問題は、サブビーム48を内部ミラー55を経て検出系37に導くこと によって解決される。このミラーは、サブビームの強度を低下させることなしに サブビーム48とビーム31との間の角度を拡大する。このミラーはビーム成形器10 の一部を構成することが好ましい。ミラーへの入射角度及びビーム成形器の材料 の屈折率を適当に選択すると、このミラーは全部を内部に反射し、ミラー表面に 反射コーティングを施す必要がない。放射源１、２つのグレーティング52及び53 並びに検出系37を小型化する構造により、大きな位置安定性が得られる。 サブビーム48におけると同様の方法で、分離グレーティング53によって形成さ れる第２のサブビームを、第２のミラーを経て第２の検出系に導くことが可能で ある。この第２のサブビームはビーム31に対して同じ角度で図の下方に伸びる。 この第２の検出系の出力信号からは、検出系37の情報信号Ｓ₁の信号品質を改善 するために用いることができる情報信号が導出される。第２のサブビームによっ て第２の検出系上に形成される走査スポットは、検出系37上のサブビーム48のス ポットより悪い品質を持つので、エラー信号は検出系37の出力信号から導出され る。 分離グレーティング53は、検出系の検出器の構成及び検出器の出力信号から導 出される種々の信号に従って種々の形状を持つ。分離グレーティングは、図１１ ａに示すように、分割線56の両側に２つのサブグレーティング54、55を具えるこ とができるが、この場合、それぞれのサブグレーティングの格子線は同一の間隔 を持ち、同じ大きさで且つ分割線に対して逆の角度で伸びる。このグレーティン グは、単一又は二重フーコー法による焦点エラー信号、及び、２ビーム法又は２ 或いは３ビームプッシュプル法によるトラッキングエラー信号を形成するのに適 している。グレーティング及びこれに対応する検出器の構成は、特に米国特許第 4,924,079 号によって知られている。分離グレーティングの他の実施例53’が図 １１ｂに示されている。このグレーティングも分割線56’の両側に２つのサブグ レーティング54'，55’を具えるが、例えば欧州特許出願第0583036号から知られ るように、サブグレーティングの格子線が異なる間隔を持っている。分離グレー ティングの第３の実施例53”が図１１に示されており、格子線が０°と９０°と の間の角度で互に伸び、オーバーラップ又はインターリーヴした、等しいか又は 異なる光学的能力を持つ２つのサブグレーティングを具える。このようなグレー ティングは、日本特許出願第1-35737(A)号から知られるビームサイズ法により焦 点エラーを求めるのに適している。サブグレーティング全体に亘ってサブグレー ティングの格子線の間隔を変えることにより、サブグレーティングは、形成され たサブビームの輻輳が、それが形成される元になったビームと異なるような光学 的能力を獲得する。間隔及び可能ならば格子線の曲率の特別な変化により、サブ ビームに非点収差を導入することができ、これにより焦点エラー信号が特に米国 特許第4,358,200 号から知られる非点法によって形成される。 図８及び９は２つの実施例を用いて光学的走査装置の原理を示すだけである。 この走査装置については多数の実施例があり、本発明による放射源ユニットがこ れらの実施例のそれぞれに利用される。本発明は、光学記録媒体を走査する光学 装置に用いられるばかりでなく、一般的に、放射源として１又は複数のダイオー ドレーザーを含む光学装置及び高い強度の放射ビームと偏差の小さい波面とが必 要な光学装置に用いられる。光学プリンタがこのような装置の例である。 必ずしも、楕円形の断面を持つ放射ビームを完全に円形を持つビームに変換す る必要はなく、断面が著しく楕円形状を持つビームを断面が軽度の楕円形状を持 つビームに変換すれば充分であり、或いはこれが望ましいことがある。本発明は 後者が実現される光学システムに用いることができる。更に、本発明の２つの観 点はそれら自体の本質的な利点を既に持っているので、これら２つの観点を組合 せて用いる必要はない。放射源の放射射出面から短い距離にあるビーム成形器の 入射面の構成に関するアイデアは、従来のビーム成形器を用いるシステムにおい ても利用することができる。開口角が１つの面で拡大され第２の面で減らされる 本発明によるビーム成形器が、放射源からより大きい距離に配置されると、この 素子に課される公差の要求が緩くなるという利点が得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．情報平面を走査するための光学的走査装置であって、放射源、該放射源によ って供給される放射ビームを情報平面上の走査スポットに合焦するための対物系 、情報平面からの放射を情報平面に記憶された情報を表す電気信号に変換するた めの検出系、及び、入射面とその反対側に位置して該入射面に入射した放射ビー ムの断面の形状を変えるための射出面とを有し、該入射面と射出面とが共通の光 学軸を持つ光ビーム成形器を具える光学的走査装置において、ビーム成形器の入 射面が実質的に円筒軸を持つ円筒部分を具え、ｎ₁及びｎ₂をそれぞれ素子物質及 び媒体の屈折率としたとき、前記部分が垂直面でｎ₁／ｎ₂のオーダーの角倍率を 、そして平行面でｎ₂／ｎ₁のオーダーの角倍率を持ち、垂直面と平行面とは相互 に直角に光学軸に沿って相互に交差し、前記円筒軸は垂直面中に位置し、前記射 出面はトロイダル面であり、前記両面の少なくとも１つの面がグレーティングを 具えることを特徴とする光学的走査装置。 ２．グレーティングが、第１の放射ビームから第１のサブビームを発生するため の実質的に直線の平行な格子線を持つことを特徴とする請求項１に記載の光学的 走査装置。 ３．射出面が、射出面に入射する第２の放射ビームから第２のサブビームを発生 するためのグレーティングを具えることを特徴とする請求項１に記載の光学的走 査装置。 ４．入射面が請求項２に記載のグレーティングを具え、射出面が請求項３に記載 のグレーティングを具えることを特徴とする請求項１に記載の光学的走査装置。 ５．第２のサブビームを反射するためのミラーを具えることを特徴とする請求項 ２乃至４のいずれか１項に記載の光学的走査装置。 ６．ミラーが全て内部に反射することを特徴とする請求項５に記載の光学的走査 装置。 ７．放射射出面を有するダイオードレーザー、該放射源によって供給される放射 ビームを情報平面上の走査スポットに合焦するための対物系、情報平面からの放 射を情報平面に記憶された情報を表す電気信号に変換するための検出系、及 び、入射面とその反対側に位置してダイオードレーザーによって供給された放射 ビームの断面の形状を変えるための射出面とを有するビーム成形器を具える光学 的走査装置において、放射射出面とビーム成形器との間隔が最大３ｍｍであり、 ビーム成形器の両面の少なくとも１つの面がグレーティングを具えることを特徴 とする光学的走査装置。 ８．ビーム成形器が請求項１乃至６のいずれか１項に記載のビーム成形器である ことを特徴とする請求項７に記載の光学的走査装置。 ９．検出系がグレーティングによって形成されるサブビームの光路に配置される ことを特徴とする請求項８に記載の光学的走査装置。 10．情報平面上で走査スポットを案内するための、検出系に電気的に接続された 少なくとも１つのサーボ系、及び、情報平面に記憶された情報を表す電気信号を 発生するための、検出系に電気的に接続された処理回路を具えることを特徴とす る請求項１又は７に記載の光学的走査装置。 11．入射面とその反対側に位置して該入射面に入射した第１放射ビームの断面の 形状を変えるための射出面とを有し、該入射面と射出面とが共通の光学軸を持つ 光ビーム成形器において、入射面が実質的に円筒軸を持つ円筒部分を具え、ｎ₁ 及びｎ₂をそれぞれ素子物質及び媒体の屈折率としたとき、前記部分が垂直面で ｎ₁／ｎ₂のオーダーの角倍率を、そして平行面でｎ₂／ｎ₁のオーダーの角倍率を 持ち、垂直面と平行面とは相互に直角に光学軸に沿って相互に交差し、前記円筒 軸は垂直面中に位置し、前記射出面はトロイダル面であり、前記両面の少なくと も１つの面がグレーティングを具えることを特徴とする光ビーム成形器。 12．放射射出面を有するダイオードレーザー及び入射面とその反対側に位置して ダイオードレーザーによって供給されたビームの断面の形状を変えるための射出 面とを有するビーム成形器からなる放射源ユニットにおいて、放射射出面とビー ム成形器との間隔が最大３ｍｍであり、ビーム成形器の両面の少なくとも１つの 面がグレーティングを具えることを特徴とする放射源ユニット。