JP4569365B2 - ビーム整形素子の製造方法、該方法により得られるビーム整形素子 - Google Patents

Description

青色レーザダイオード（ＬＤ）などの楕円形状の出力光を、円形に変換するビーム整形素子の製造方法および該方法により得られるビーム整形素子に関する。

一般に、ピックアップ光学系で用いられる光源はＬＤであり、その射出ビームは楕円形の発散ビームである。この発散ビームをそのまま対物レンズで収束させると、ビームを円形の記録領域の−部のみに照射したり記録領域の外部にも照射したりするとことなり、記録や再生の正確度が低下する。従って、記録媒体上での断面が円形となるようにビーム整形を行う必要がある。

特に近年では光源に青色半導体レーザーが用いられているが、波長が短くなったことにより記録再生の信号に要求される精度は厳しくなっている。ところが現在青色レーザーの出力は弱く、精度良く記録再生するのに十分なレーザーパワーを確保できていない。これを解決する為にはＬＤから出てくる楕円のビーム断面を円形のビーム断面に整形することでレーザーの利用効率を高める必要があり、その為のビーム整形技術が非常に重要になってきている。

ビーム整形は通常ビーム整形素子によって行われる。これにより発散ビームを直接整形し、しかもほとんど収差を発生させることなく断面を略円形状のビームを作成することができる。このような素子として両面シリンドリカル面のビーム整形素子が提案されている（特許文献１）。

このようなビーム整形素子では、各シリンドリカル面の母線間の偏心精度は高いものが要求される（平行偏心で約１〜１０μｍ、傾き偏心で約１〜１０分程度）。

また、上記のようなビーム整形素子は、ピックアップ組み込み時に高精度なアライメント作業が必要であり、調整方法が非常に困難となっている（平行偏心で約１〜１０μｍ、傾き偏心で１〜５分レベル）。
特開２００２−２０８１５９号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、高精度の偏心精度を有するビーム整形素子を作製する方法、および該方法により製造された偏心精度の高いビーム整形素子を提供することを目的とする。

本発明は、非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面との交点が母線方向に繋がる上金型母線を有するように加工されたシリンドリカル面を有する上金型、および非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面との交点が母線方向に繋がる下金型母線を有するように加工されたシリンドリカル面を有する下金型であって、上金型の少なくとも一つの側面の平面を上金型基準面とし、該下金型の少なくとも一つの側面の平面を下金型基準面とした場合に、上金型は、上金型母線と上金型基準面との間の距離が既定値になるように加工されてなり、下金型は、下金型母線と下金型基準面との間の距離が既定値になるように加工されてなる上下金型を使用し、上下金型の基準面に側面形成部材を押圧し、且つ上下金型基準面を同一平面にあるように維持した状態で、かつ上下金型間の距離が小さくなる方向に上下いずれかの金型を移動させ、少なくとも上下金型基準面に押圧した側面形成部材の表面平面が転写されるように上下金型間に配置したガラス素材を成形することを特徴とする、両面シリンドリカル面を有するビーム整形素子の成形方法および該方法により製造された両面シリンドリカル面のビーム整形素子に関する。

図１に両面シリンドリカル面のビーム整形素子を作製する際に使用する一組の上下金型の模式的断面図の一例を示す。

（上金型）
上金型は、金型母材３上にシリンドリカル面（ＨＩＪＫＧ）４が形成されてなり、その金型断面は、長方形ＡＢＣＤと辺ＣＤの長さ以下の長さの辺ＥＦを有する長方形ＥＦＧＨ、辺ＨＧ上に形成されたシリンドリカル断面ＩＪＫよりなる。該シリンドリカル断面は、図１においては凸型形状であり、円弧面あるいは非円弧面を含んでいる。また、該シリンドリカル断面は、シリンドリカル面の中央に位置することが好ましいが、下記「既定値」が満たされるようにシリンドリカル面が形成されている限り、その態様に限定されるものではない。

本発明においては、図１の金型断面が記載されている紙面に垂直な方向を「母線方向」と定義し、母線に垂直な方向、例えば辺ＡＢに平行な方向を「子線方向」と定義する。本発明においては、「平行」あるいは「垂直」は、それぞれ「略平行」あるいは「略垂直」で表される概念で使用されており、本明細書においては「略」は、６０分（１度）以下を意味している。

上金型１は、上記金型断面を母線方向に積み重ねた厚みを有していることになる。また、シリンドリカル断面ＩＪＫを有する辺ＨＧを含む母線方向の面が、上金型のシリンドリカル面（表面）である。

また、本発明においては、辺ＥＨまたは辺ＦＧを含む母線方向の金型側面（平面）、特に辺ＥＨを含む金型側面を「上金型基準面１」と定義する。以下には、該基準面１を中心に説明するが、もちろん辺ＦＧを含む金型側面を「上金型基準面２」として下記記載を適用してもよいし、「上金型基準面１」と「上金型基準面２」の両者に下記記載を適用してもよい。

本発明で使用する上金型は、非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面ＩＪＫとの交点が母線方向に繋がる線（「上金型母線」という）を有するように加工されたシリンドリカル面を有する。なお、「非円弧軸」とは、非球面式および非球面係数で定義される非円弧形状の線対称形状の中心線で定義され、また「円弧中心軸」とは、金型の円弧加工領域の両端（例えば、図１のＩとＫ）の垂直２等分線で定義される。

さらに、本発明で使用する上金型は、上金型母線と上金型基準面１との間の距離が既定値になるように加工されてなる。

本発明において「既定値」とは、上金型基準面１と下金型基準面１を同一平面においた状態において、上金型母線と上金型基準面１の間の距離と、下金型母線と下金型基準面１の間の距離との差が、目的とするビーム整形素子の各シリンドリカル面に要求される平行偏心公差（１〜１０μｍ）の約半分以下となる値である。

（下金型）
下金型２は、金型母材上に成形面（ｈｉｊｋｇ）が形成されており、その断面は、長方形ａｂｃｄと辺ｃｄの長さ以下の長さの辺ｅｆを有する長方形ｅｆｇｈ、辺ｈｇ上に形成されたシリンドリカル断面ｉｊｋよりなる。該シリンドリカル断面は、図１においては凹型形状であり、円弧面あるいは非円弧面を含んでいる。

下金型は、上記金型断面を母線方向に積み重ねた厚みを有していることになる。また、シリンドリカル断面ｉｊｋを有する辺ｈｇを含む母線方向の面が、下金型のシリンドリカル面（表面）である。

また、本発明においては、辺ｅｈまたは辺ｆｇを含む母線方向の金型側面（平面）、特に辺ｅｈを含む側面を「下金型基準面１」と定義する。以下には該基準面１を中心に説明するが、もちろんｆｇを含む金型側面を「下金型基準面２」として、下記記載を適用してもよいし、「下金型基準面１」と「下金型基準面２」の両者に下記記載を適用してもよい。

本発明で使用する下金型は、非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面ｉｊｋとの交点が母線方向に繋がる線（「下金型母線」という）を有するように加工されたシリンドリカル面を有する。

本発明で使用する下金型は、下金型母線と下金型基準面１との間の距離が既定値になるように加工されてなる。

本発明においては、上下金型とも、金型母材は、超硬、サーメット、ＳｉＣなど、通常ガラスレンズ成形金型に使用される一般的材料、特に超硬で構成される。またシリンドリカル面は、成形面に従来から知られている所望の鏡面加工、例えば研削加工が施されてなる面である。

また、少なくとも金型基準面は、最大高さＲｙが０．８μｍ以下となるように、一般的なワイヤー加工などで加工された面である。

また、図１の上金型においては、辺ＨＩおよび辺ＫＧを含み母線方向に平面を有した態様を記載しているが、必ずしもそのような平面は必要なく、辺ＨＩおよび辺ＫＧは必ずしも子線方向に平行である必要なく、正負の傾きがあってもよいし、非対称であってもよい。また図１の下金型においては、辺ｈｉおよび辺ｋｇを含み母線方向に平面を有した態様を記載しているが、必ずしもそのような平面は必要なく、辺ｈｉおよび辺ｋｇは必ずしも子線方向に平行である必要なく、正負の傾きがあってもよいし、非対称であってもよい。

上記上下金型を使用して両面シリンドリカル面のビーム整形素子を作製するには、図２に示すように上下金型間にガラス素材２６を配置し、上下金型の基準面に、側面形成部材を押圧し（この押圧する側面形成部材を「側面形成部材２３」という）、さらに基準面に子線方向で対向する上下金型側面も側面形成部材で押圧した状態（この側面形成部材を「側面形成部材２４」という）とし、上下金型間の距離が小さくなる方向に、上下いずれかの金型を移動させて、ガラス素材２６を成形することにより行われる。

側面形成部材２３は、平面部材であり、上下金型基準面１を同一平面に置いた状態でガラス素材を成形することができるようにするものであり、該平面部材の表面平面２５をガラス素材６に転写するための部材である。該部材とガラス素材６の融着等が生じず、しかもガラス素材成形の間に表面平面２５に歪みが生じず、上記目的が達成される限り、平面部材の材質、大きさ、強度等特に制限されるものではないが、例えば、厚さ１〜５ｍｍ程度の超硬製部材で、表面平面２５は、最大高さＲｙが０．０３μｍ以下となるように、研磨加工されているのが好適である。

側面形成部材２４は、側面形成部材２３と同一のものを使用できるが、必ずしも表面平面２７がガラス素材に転写される必要がないので、そのような場合は、表面平面２７は、表面平面２５に施されるような加工は必ずしも必要ではない。

側面形成部材の押圧する方法は、ガラス素材を成形する間、上下金型基準面１を同一平面に置いた状態を維持でき、表面平面２５に歪みを生じないかぎり、特に押圧手段、押圧条件等限定されない。押圧手段としては、例えばエアシリンダーを使用することができる。また、図４（Ａ)、(Ｂ）に示すように、側面形成部材４１と側面押圧部材４２、さらにそれらを内包する囲い部材４３を用いた構成で、側面押圧部材の材質を側面形成部材および囲い部材の材質よりも線膨張係数が大きいものとしておくと、成形プレス時にガラスの軟化する温度まで加熱した際に、側面押圧部材が他部材よりも熱膨張により大きくなることで、容易に側面形成部材により上下金型基準面を押圧する状態を得ることができる。側面形成部材の材質は超硬、側面押圧部材の材質はステンレス、囲い部材の材質は超硬が好適である。

上記ガラス素材の成形法は、再加熱法だけでなく、いわゆる滴下法（液滴法）によってガラスレンズを成形する際にも有用であり、ガラス素材としては種々のガラス材料、例えば、クラウン系ランタンシリカガラス、フリント系鉛シリカガラス、チタンシリカガラスなどが使用可能である。

上下金型基準面１を基準にすることに加え、さらに上下金型基準面２を基準にして、上下金型基準面１を基準にしたと同様に適用し、左右略対称の上下金型（図１）を使用し、上記方法によって得られた両面シリンドリカル面のビーム整形素子の概略斜視図を図３に示す。

平面Ｈ’ｈ’ｈ”Ｈ”（３１）が、側面形成部材２３の表面平面２５が転写されている平面（「平面Ｂ」という）（「子線方向側面３１」ということもある）である。平面Ｇ’ｇ’ｇ”Ｇ”（３２）（「子線方向側面３２」ということもある）が、側面形成部材２４の表面平面２７が転写されている面（「平面Ｃ」という）である。シリンドリカル面ｈ’ｉ’ｊ’ｋ’ｇ’ｇ”ｋ”ｊ”ｉ”ｈ”（３３）は、下金型のシリンドリカル面が転写された面であり、シリンドリカル面Ｈ’Ｉ’Ｊ’Ｋ’Ｇ’Ｇ”Ｋ”Ｊ”Ｉ”Ｈ”（３４）は、上金型１のシリンドリカル面が転写された面である。平面Ｈ’Ｉ’Ｊ’Ｋ’Ｇ’ｇ’ｋ’Ｊ’ｉ’ｈ’（３５）および平面Ｈ”Ｉ”Ｊ”Ｋ”Ｇ”ｇ”ｋ”ｊ”ｉ”ｈ”（３６）は、平面Ｂに垂直な平面に切断加工された面である。ただし、面３５、面３６の形成は必ずしも平面Ｂに垂直とする必要はない。

側面形成部材の押圧、金型移動、ガラス素材の成形が、上記したように規定通り行われると、上下金型は側面形成部材２３のなす平面２５に沿ってしか動けないので、上記素子においては、各シリンドリカル面の非円弧軸（または円弧中心軸）は既定値の位置にもうけることができ、すなわち面別平行偏心は公差内（１０μｍ以下、好ましくは０に近い値）とすることができるし、また面別傾き偏心も公差内（１０分以下、好ましくは０に近い値）とすることができる。

「面別平行偏心」とは、シリンドリカル面３３の非円弧軸（または円弧中心軸）とシリンドリカル面の交わる線（「シリンドリカル面３３の母線」という）を含み平面Ｂに平行な面と、シリンドリカル面３４の非円弧軸（または円弧中心軸）とシリンドリカル面の交わる線（「シリンドリカル面３４の母線」という）を含み平面Ｂに平行な面の間の子線方向のずれ量を言う。

「面別傾き偏心」とは、シリンドリカル面３３の非円弧軸（または円弧中心軸）と平面Ｂのなす角度と、シリンドリカル面３４の非円弧軸（または円弧中心軸）と平面Ｂのなす角度との差をいう。

シリンドリカル面３３の母線とシリンドリカル面３４の母線を結んだ平面を「平面Ａ」とすると、上記のように得られたビーム整形素子においては、平面Ｂと平面Ｃと平面Ａは、略平行となる。

本発明のビーム整形素子を、ＬＤなどとアセンブリを行う際、平面Ｂまたは平面Ｃを基準として用いることで、ビーム整形素子やＬＤを取り付けるための治具の平行偏心方向の精度がでていれば、平行偏心調整が不要となる。なお、傾き偏心調整については必要な場合がある。ビーム整形素子の面別傾き偏心公差より、ビーム整形素子−ＬＤ間のブロック傾き偏心公差の方が、一般的に厳しいためである。なお、「ビーム整形素子−ＬＤ間のブロック傾き偏心公差」とは、ビーム整形素子とＬＤとをアセンブリする際に許容される傾き偏心量であり、詳しくは、平面Ａに垂直でシリンドリカル面３３あるいは３４の母線を含む平面と、ＬＤの出射光の光軸の間の傾き偏心の許容量で定義される。ブロック傾き偏心公差は一般的には約５分以下、許容幅が大きいときには約２０分以下である。また、平行偏心調整には、平面Ｂまたは平面Ｃいずれか一方使用できればよいので、平行偏心調整の観点から、例えば、平面Ｂが平行偏心調整に利用できるのであれば、平面Ｃは必ずしも平面である必要ななく、例えば円弧状の曲面形状であってもよい。

本発明の方法によれば、平面Ａ−平面Ｂ間の距離と平面Ａ−平面Ｃ間の距離との差を、ＬＤ―ビーム整形素子間のブロック平行偏心公差以下である素子、例えば図３に示した素子を製造することができる。このようなビーム整形素子であると、例えば光学記録装置内において、面３５→面３６の順番となるような方向に素子の載置が必要な場合に、素子を１８０°回転させて面３６→面３５となるような方向にも素子の載置が可能である。従って、該素子をアッセンブルする際の素子載置方向となる目印を付けておく必要がなく、素子をどちらの向きにもアセンブリすることが可能である。

「ブロック平行偏心公差」とは、ビーム整形素子とＬＤとをアセンブリする際に許容される平行偏心量であり、詳しくは、平面Ａと、ＬＤの出射光の光軸の間の子線方向の平行偏心の許容量で定義される。ブロック平行偏心公差は一般的には約１０μｍ以下、許容幅が大きいときには約５０μｍ以下である。

本発明の好ましい態様の製法においては、非円弧軸または円弧中心軸とを母線方向に繋いでできる平面とに対して垂直になる平面が、上下金型シリンドルカル面の少なくとも一部に形成されている金型を使用する。図１の上金型においては、辺ＨＩまたは辺ＫＧ，下金型においてはｈｉまたは辺ｋｇを含み母線方向にのびた平面を、少なくとも一つ形成し、且つその平面が非円弧軸または円弧中心軸と垂直になるように形成する。垂直度の公差は、約２分以下である。この公差は、ビーム整形素子−ＬＤ間のブロック傾き偏心公差より十分な小さい値である。このような金型を用いて本発明の素子成形方法で得られる素子は、ブロック傾き偏心の調整に利用可能な平面部が付与されたものとなる。

上記好ましい態様の製法で作製した得られる素子は、平面Ａと略垂直な底面および／または上面を素子シリンドリカル面に有するビーム整形素子とすることができる。

ビーム整形素子やＬＤを取り付けるための治具の傾き偏心方向の精度がでていれば、傾き偏心調整は不要である。

本発明においては、平面Ａと略垂直な底面および／または上面の少なくとも一部を光学面として形成することが好ましい。その他の面は粗面でもよい。「光学面」とは、レーザアライメントが可能な（レーザー反射光が広がってぼやけすぎない）面粗さを有する面である。面粗さは１５ｎｍＲＭＳ以下とすることが好ましい。「粗面」とは、レーザー反射光が広がり、または散乱されて、ぼやけてしまう面をいう。そのような面の面粗さの目安は１５ｎｍＲＭＳより大きい。

このような光学面は、そのような光学面が転写される金型表面を、上記光学面の粗面粗さ程度より精度よく加工形成しておけばよい。

光学面を設ける理由は、ＬＤ−ビーム整形素子間のブロック傾き偏心公差は、一般的に約１〜５分と厳しいため、レーザー光用いて傾き偏心調整を行うのがよく、そのような傾き偏心調整の利用に供するためである。

またレーザー光を用いた傾き偏心調整のためには基準反射面は１面あれば十分であるので、基準反射面となる光学面以外の面は、粗面あってもよいし、また傾き偏心面であってよい。

楕円率２．２のＬＤからの出射光を円形に変換するビーム整形素子を設計した。素子の形状については、図３と同等の形状であり、一方の面は近似半径が約３．３ｍｍの非円弧の凸形状、もう一方の面は近似半径が約１．３ｍｍの非円弧の凹形状とした。ＬＤはビーム整形素子の凸面側に配置し、詳しくは、凸面の母線とＬＤの出射口間の距離は約１．５ｍｍとする設計とした。素子の外形は図３のＨ’・Ｈ”が４ｍｍ、Ｈ’・Ｇ’が４ｍｍ、各母線間の距離は３．８ｍｍとした。

各偏心の公差については、面別平行偏心（子線方向）が８μｍ、面別傾き偏心（母線方向まわり）が１０分、ブロック平行偏心（子線方向）が１０μｍ、ブロック傾き偏心（母線方向）が５分となった。

金型の材質は超硬で、研削加工により加工した。上型は凸形状金型とし、下型は凹形状金型とした（図２と同様）。上金型母線と上金型基準面間の距離はＨ’・Ｇ’の４ｍｍの半分の２ｍｍで、実際には２．００２ｍｍとなった。下金型母線と下金型基準面間の距離はＨ’・Ｇ’の４ｍｍの半分の２ｍｍで、実際には２．００１ｍｍとなった。また、上型側の平面部は１０ｎｍＲＭＳの光学面とし、下型側の平面部は約２００ｎｍＲＭＳの粗面とした。

上下金型および側面形成部材を含む成形治具の構成は、図４（Ａ）と同様とした。側面形成部材は厚み２ｍｍで材質は超硬、側面押圧部材は厚み５ｍｍで材質はステンレス、囲い部材の材質は超硬とした。

成形プレスは、下型にＵ−ＬａＦ７１からなるガラスプリフォームを載置した状態で、上下金型および側面形成部材を含む成形部材を７００℃まで加熱し、上型を保持した状態で側面形成部材を含む下型部を上昇させることで、上型と下型間の相対距離を小さくし、ガラスプリフォームに上下型それぞれの形状を転写させた。このとき、側面押圧部材のビーム整形素子の子線方向の幅が周辺部材に対して約４０μｍ大きくなり、側面形成部材を上下金型基準面に押しつけることができた。

以上のようにして作製したビーム整形素子の各偏心を、３次元形状測定装置を用いて測定したところ、面別平行偏心（子線方向）は３±２μｍ、面別傾き偏心（母線方向まわり）が５±４分となり、公差内となっていることがわかった。
また、平面Ａと平面Ｂ間の距離は３±４μｍとなり、ブロック平行偏心公差に比べて十分小さくすることができた。

また、平面Ａと凹面側の平面部間の傾きは３分±０．５分となった。これはブロック傾き偏心公差より小さく、オートコリメータを用いたブロック傾き偏心調整をおこなうのに十分の形状精度が得られた。

また、オートコリメータでの調整の可能性を実証するために、レーザー光をビーム整形素子の平面部に照射したところ、凹側の平面部だけでなく凸面の平面部からの戻り光も観察され、それぞれ異なる方向に反射されていた。ただし、凹側平面は金型の光学面、凸側平面は金型の粗面を反映しているため、凹側の戻り光のみ明瞭に見ることができ、凹面からの戻り光を容易に判別することができた。これにより、オートコリメータによるブロック傾き偏心調整をおこなえることを確認できた。

（発明の効果）
本発明は、新規なビーム整形素子の成形方法を提供した。
本発明のビーム整形素子の成形方法を使用すると、偏心精度に優れたビーム整形素子を容易に作製することができる。
本発明のビーム整形素子の成形方法により得られるビーム整形素子は、平行偏心調整、傾き偏心調整が極めて容易である。

上下金型の模式的断面図。 ガラス素材の成形方法を説明するための図。 両面シリンドリカル面のビーム整形素子の概略斜視図。 側面部材の押圧方法を説明するための図。 囲い部材の概略斜視図。

符号の説明

１ 上金型
２ 下金型
３ 金型母材
４ シリンドリカル面
２３ 側面形成部材３
２４ 側面形成部材４
２５ 平面表面
２６ ガラス素材
２７ 表面平面
３１ 平面Ｂ
３２ 平面Ｃ
４１ 側面形成部材
４２ 側面押圧部材
４３ 囲い部材

Claims (6)

1. 非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面との交点が母線方向に繋がる上金型母線を有するように加工されたシリンドリカル面を有する上金型、および非円弧軸あるいは円弧中心軸とシリンドリカル断面との交点が母線方向に繋がる下金型母線を有するように加工されたシリンドリカル面を有する下金型であって、上金型の少なくとも一つの側面の平面を上金型基準面とし、該下金型の少なくとも一つの側面の平面を下金型基準面とした場合に、上金型は、上金型母線と上金型基準面との間の距離が既定値になるように加工されてなり、下金型は、下金型母線と下金型基準面との間の距離が既定値になるように加工されてなる上下金型を使用し、上下金型の基準面に側面形成部材を押圧し、且つ上下金型基準面を同一平面にあるように維持した状態で、かつ上下金型間の距離が小さくなる方向に上下いずれかの金型を移動させ、少なくとも上下金型基準面に押圧した側面形成部材の表面平面が転写されるように上下金型間に配置したガラス素材を成形することを特徴とする、両面シリンドリカル面を有するビーム整形素子の成形方法。
2. 請求項１に記載の成形方法により製造されたビーム整形素子であって、素子の一方のシリンドリカル面の母線と他方のシリンドリカル面の母線を結んだ平面（「平面Ａ」という）と略平行な面を有する、ビーム整形素子。
3. 略平行な面が、基準面に押圧された側面形成部材の表面平面が転写された面（「平面Ｂ」という）である、請求項２に記載のビーム整形素子。
4. 非円弧軸または円弧中心軸とを母線方向に繋いでできる平面とに対して垂直になる平面が、上下金型シリンドルカル面の少なくとも一部に形成されている、請求項１に記載の整形素子の成形方法。
5. 請求項４記載の成形方法により製造されたビーム整形素子であって、素子の一方のシリンドリカル面の母線と他方のシリンドリカル面の母線を結んだ平面と略垂直な面を素子シリンドリカル面の一部に有するビーム整形素子。
6. 略垂直な面の少なくとも一部が光学面である、請求項５に記載のビーム整形素子。

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