JPS6043569B2 - 半導体レ−ザを光源とした光学的記録再生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 一般に、半導体レーザは、光変調器を使用せずにその
出力光を電気信号によつて直接変調が可能であること、
他のレーザと比較して小形であること、などの特徴を有
し各種の機器の光源として使用されつつある。

例えば光通信用の光源として、上記の特徴を生かした使
い方が研究されている。また公知の光学式ビデオディス
クの再生用光源としても実用化が検討されている。 本
発明は、半導体レーザの光を、上記ビデオディスクにお
いて行なわれるように、微少な径（約φ１μｍ）の光に
絞つて、光記録材料を塗布した円盤に照射し、映像や音
声等の情報を光学的に、高密度に記録再生する装置、あ
るいはすでに記録された情報を再生する装置に適用でき
る半導体レーザを用いた光学装置を提供するものである
。

一般に半導体レーザを、上記の光学的記録再生装置の
光源として用する場合、前記光記録材料の１感度に対応
して、ある程度高い出力パワーの光を発生することが必
要とされる。例えば、光記録材料として、光照射後に現
像、定着処理が必要な銀塩フィルムを用いる場合はそれ
ほどの出力パワーは不要であるが、現像、定着処理の不
必要なリアルタイム記録材料、例えば、金属薄膜や、顔
料薄等を用いる楊合には、記録材料上で１００〜１００
０ｒＴ１Ｊ／Ｃｌｔの記録エネルギーが必要となり、光
源の出力パワーも数１０ｎ１Ｗ以上必要となる。また、
記録材料上で、上記の記録エネルギーを満足させるため
には、半導体レーザの出力光を、微少径に絞る光学系に
おいて、その光の伝達効率をできるだけ高くする必要が
ある。半導体レーザの出力光は本質的に拡がりを有した
光となるのでこの点において特に配慮が必要となる。ま
た、光記録材料に照射する光のビーム径は、前記の記録
エネルギーの条件を満足させるため、および少しでも高
密度に信号を記録再生するためにできるだけ小さなビー
ム径に絞ることが必要である。

一般に高出力の半導体レーザの発光面における光ビーム
の断面の形状は、その接合面に関連して、接合面の厚み
方向で１〜２μｍ１接合面と平行な方向で１０ｐｍ程度
と偏平な形となつている。

また、そこから放射される光ビームは、かなり大きな拡
がり角度を有し、例えば接合面に垂直な方向で±１５〜
２５有、また接合面に平行な方向で±５０〜１０５の拡
がりを有しており、一般のＨｅ−Ｎｅガスレーザに比し
て著しく異なつた扱いを必要とする。上記のような性質
の半導体レーザを光学的ビデオディスクの再生用光源と
して用いる光学系の従来例の一っが″Ｊ．Ｐ．ＪＨｅｅ
ｍｓＫｅｒｋＡＰＰＬＩＥＤ，ＯＰＴＩＣＳ．ＶＯｌ．
ｌ７ＪＵＩｙ，ｌ９７８，ｐ２ＯＯｒ′の２００１．頁
、Ｆｉｇ５に示されている、この例の主要部を第１図に
示す。

第１図で、１は半導体レーザを示す、角度ψは半導体レ
ーザの、例えば、エネルギーが半値の部分の拡がり角度
を示す。

２は顕微鏡の対物レンズ。

等が用いられる焦点距離の短い集光レンズである。この
従来例では、集光レンズ２として開口数（Ｎ，Ａ２）の
小さい対物レンズを用いて、半導体レーザの光の中心部
の光のみを集めるようにする。すなわち、集光レンズ２
のＮＡ，を小さくすることに・よつて、集光レンズ２に
スリットの役目もさせている。図中０は集光レンズ２が
集めうる光の拡がり角度を示し、Ｓｉｎθ／２＝ＮＡ２
の関係を有する。上記の例では、ＮＡ２＝０．０７の集
光レンズを用いているので、θ／２＝Ｓｉ『１（０．０
７）＝４をとなり、約±４、の拡がり以内の光を集光す
ることになる。半導体レーザ１は集光レンズ２の焦点の
少し外側におかれ、光軸（Ｚ）上のＱ点に、光源の一部
の像を作る。３は絞りレンズで上記集光レンズ２と同じ
く、顕微鏡の対物レンズ等で構成する。

この絞りレンズ３の開口数（ＮＡ３）は、絞り性能を上
げるために、値の大きなものが用いられる。上記例では
ＮＡ＝０．６５の絞りレンズを用いてｊいる。これによ
つて、Ｑ点の前記像が微少径の像としてＲ点に形成され
る。このＲ点にビデオディスクの情報記録面がおかれる
。この第１図に示す光学系は前記偏平な発光面を有する
半導体レーザ１の発光の中心部の光のみを集光レンズで
集めて絞ろうとするもので、その光の伝達効率（Ｐ点の
光パワーがＲ点に伝達する割り合い）は著しく低く数％
になる。

また伝達効率を上げるために、集光レンズ２に開口数（
ＮＡ２）の大きな対物レンズを用いるとＲ点における光
の“絞り径が小さくできないという相反する要因をもつ
。また、第１図の光学系はそれぞれの対物レンズ２，３
のレンズ性能を充分発揮させるためには、充分長い光路
長が必要となり、光の絞り径は小さくなるが、光路長が
大きく、光学系全体が大きくなる。又、一定の大きさの
微小な絞りビームを常に前記ビデオディスクの情報記録
面に照射するためには、対物レンズ３とディスク面との
距離を一定にする必要がある。

対物レンズ３を光軸方向に可動に設け、ディスク面振れ
に応じ対物レンズ３を動かす、いわゆる焦点制御は公知
の技術としてよく知られている。

一般的に、焦点制御信号はディスク面からの反射光を光
電変換素子にて受光し、その出力信号を用いてなされる
。第１図にその代表的な焦点制御信号を得るための光学
系を示す。

ディスク面からの反射光は対物レンズ３を透過後、ハー
フミラー４にて入射光と分離され、シリンドリカルレン
ズ５を経て例えば４分割の光電変換素子６に導かれる。
対物レンズ３とディスク面との距離が変わると、光電変
換素子６上における反射ビーム形状は変化する。

この変化に対応する情報は４分割の光電変換素子６の各
素子の出力信号に含まれており、この出力信号は公知の
方法にて信号処理後、前述の対物レンズ３の光軸方向に
動かす焦点制御信号として供せられる。又、光電変換素
子６の出力信号は、情報信号、あるいはトラッキング制
御信号として供せられ得ることもよく知られている。尚
、第１図に示す絞り光学系の光路長は前述の如く大きい
ので、半導体レーザから出射した絞りレンズへの入射光
と、ディスクからの反射光とを分離するためのハーフミ
ラー４を光路中に挿入しても、絞り光学系の光路長を更
に大きくする必要はない。

本発明は、第１図で示した絞り光学系より光伝達効率が
よく小形な絞り光学系で構成した光学的記録再生装置に
関する。

更に詳しく云うと、前述の入射光と反射光を分離するハ
ーフミラーの如きビームスプリッタを光路中に設けるも
、前記小形の絞り光学系の光路長を何ら大きくすること
なく構成した光学的記録再生装置を提供するものである
。

以下、図面に従つて本発明の詳細な説明する。

第２図に本発明の光学的記録再生装置の一実施例を示す
。第２図の光学系は、半導体レーザの接合面に平行方向
に出る光に対する断面を示すもので一部斜視図的に示し
てある。

１１は半導体レーザで前述のような偏平な形状の発光面
を有する。

１２は半導体レーザの動回路で、半導体レーザの出射光
を変調したり、記録光と再生光の光出力を制御する。

１３は集光レンズで拡がりを有する半導体レ．ーザ１１
の出射光を平行な光束に集光する。

１４は凹のシリンドリカルレンズ、１５は凸のシリンド
リカルレンズを示し、前記接合面に平行な方向に最大曲
率を有するように配置される。

１６はシリンドリカルレンズ１４，１５の間の光路中に
設．けたビームスプリッタである。

１７は光路を変更するトラッキングミラーで公知の技術
にてトラッキング制御を行なえるよう構成している。

１８は絞りレンズを示す。

１９はディスクで、前記光記録材料を塗布した・ディス
ク構造にしてある。

ディスク１９はモータ２０に連結された回動軸２１のま
わりに回転し、図示しないがその径方向に移動するよう
構成している。２２は公知のボイスコイル構造体で、前
記絞りレンズ１８をディスク１９の面と垂直方向に、デ
ィスク面ブレに対応して駆動し、ディスク１９と絞りレ
ンズ１８との距離を一定に保つものである。

２３は凸シリンドリカルレンズで、その最大曲率を有す
る方向は、前記凸シリンドリカルレンズ１５のその方向
と、光軸まわりに９０カ異ならしめ設けている。

２４は４分割の光電変換素子である。

ここで、第２図に示す光学系を更に詳しく説明”するた
め、絞り光学系のみをとりたした第３図をもとに説明す
る。

第２図と同一のものには同一の番号を付す。第３図ａは
半導体レーザ１１の接合面に垂直な方向（Ｌ方向）の光
軸にそつた断面を示し、第３図ｂは、接合面に平行な方
向（／方向）の光軸にそつた断面を示す。

ます、第３図ａの接合面に垂直方向の動作を説明する。

半導体レーザの接合面に垂直方向の発光面の大きさ２μ
ｍ１その方向の拡がり角度をエネルギー半値になる点に
おいてψ１＝１５度とする。集光レンズ１３の焦点距離
をＦｌ３として、半導体レーザ１１の発光面を集光レン
ズ１３の焦点におくと、集光レンズ１３の出力光として
、第３図ａに示す光束幅φ１の平行光束を得ることがで
きる。今仮に、集光レンズ１３の開口数（ＮＡｌ３）を
０．５とすると、このレンズ１３は２φ１＝３００の拡
がりを有する光もすべて集光して平行光束を発生するの
で、集光レンズは、接合面に垂直な方向の光のほとんど
すべての光をけられによる損失なしに伝達することが可
能となる。そして平行光束の光束幅φ１は約２×Ｆｌ３
×Ｔａｎψ１で与えられる。この平行光束は光軸（Ｚ）
上のｔ点に置かれた絞りレンズ１８によつて絞られて、
光軸上のｕ点で微小径の像が形成される。したがつて、
絞りレンズ１８の入射口径を前記φ１より大きくしてお
けば、上記ｕ点にはほとんどすべての光が、光学素子に
よるけられ損失なく伝達される。絞りレンズ１８の焦点
距離をＦｌ８とすれば、ｕ点にできる半導体レーザの接
合面に垂直な方向の像の大きさ、Ｉ工は幾何光学的には
Ｉ土士×２μｍ・・（１）で与えられる。次に第３図ｂ
の接合面に平行方向の光学系について説明する。

この方向の発光面の大きさを８μｍ光の拡がり角度を、
エネルギー半値の点でψ２＝５のとする。半導体レーザ
１１の発光面を集光レンズ１３の焦点におくと、光束幅
φ２の平行光が得られる。そして、φ２′−２×Ｆｌ３
×Ｔａｎ５なり、前記のように、開口数（ＮＡｌ３）＝
０．５の集光レンズを用いると、この方向の光も、集光
レンズでのけられ損失なくほとんどの光を集光すること
ができる。

但しφ２は第３図ａのφ１よりはかなり小さな光束幅に
なる。このφ２を第３図ａと同様にして、直接絞りレン
ズ１８で絞ると、光軸上のｕ点にはＩ±″＝畿×８μｍ
の像が形成されて、結局ｕ点には、２μｍ×８μｍと相
似な短棚状の光ができてしまう。したがつて、凹、凸の
シリンドリカルレンズ１４，１５は接合面に平行方向の
光の倍率を変更して、絞りレンズに入る平行光束の光束
幅φ３を調整して、ｕ点に略円形に近い像を形成するも
のである。第３図ｂで凹シリンドリカル１４の焦点距離
をＦｌ４とすると凹シリンドリカルレンズは光束幅φ２
の平行光束をうけてその虚像を、ｌ点に作る。ｌ点と凹
シリンドリカルレンズ１４の位置ｒとの距離正＝Ｆｌ４
となる。したがつて凹シリンドリカルレンズ１４からは
、１点から拡がるような光が発生し、凸シリンドリカル
レンズ１５（焦点距離Ｆｌ５とする）に入る。この凸シ
リンドリカルレンズ１５の光軸Ｚ上の位置をｓとして１
とｓとの距離■＝Ｆｌ５とする位置に凸シリンドリカル
レンズを配すると、第３図ｂに示す如く光束幅φ３の平
行光が発生する。φ３とφ２の関係は、φ３／φ２＝土
＝？・・・・・・（２）となる。

１ｒｆ１，１この平行光束φ３は対物レンズ１
８で絞られて、光軸上のｕ点に像を発生する。

この方向の幾何光学的像の大きさをＩ／とすれば、 １
１８像！１４ １／＝Ｆ．．．．，４−Ｘ８μｍ・・・・・・（３）と
なるしたがつて（１）式と（３）式からい＝↓・・・・
・・（４）となるように凹、凸の各シリンドリカルレン
ズの焦点距離を選ぶと、φ１″．φ３となり、第３図の
ｕ点にＩ±″．１／となる略円形または略正方向の像を
得ることができる。

第３図ｂにおいて、ｌ点は、凹シリンドリカルレンズ１
４の焦点面であるとともに、凸シリンドリカルレンズ１
５の焦点面でもあるように、各シリンドリカルレンズを
配置することによつて、光束幅φ２の平行光を光束幅φ
３の平行光に変換するものである。

したがつて凹凸シリンドリカルレンズ１４，１５の相互
の距離？のみを一定に保つておけば、これらのレンズは
、集光レンズ１３と絞りレンズ１８の間の任意の位置に
置くことができる特長を有するので光学部品の配置に設
計上のノ自由度が大きくとれる。また、第３図で、集光
レンズ１３と凹シリンドリカルレンズ１４との距離πお
よび凸シリンドリカルレンズ１５と、絞りレンズ１８と
の間隔イは、この間における光束が平行光であるから、
任意の長さにとることができ・る。したがつて前記仏ｉ
を短かくすることによつて、光学系を著しく小さくする
ことができる。今かりに（４）式を満足する値としてＦ
ｌ３＝２０Ｗ！Ｍ，ｆｌ４＝８０Ｔｓ！ｔとすると？＝
６抽となり非常に光路長の短かい光学系とすることがで
きる。上述のように絞り光学系を構成しているので、デ
ィスク１９の光記録材料面が前述のＩ土′−１／の像位
置（ディスクの所望位置）にある時、ディスク１９から
の反射光は絞レンズ１８にて平行光束に変換された後、
トラッキングミラー１７にて光路を変更される。

そしてこの平行反射光は凸シリンドリカルレンズ１５に
て前記接合面に垂直な方向の光のみレンズ作用を受ける
。その後ビームスプリッタ１６にて前記反射光は入射光
と分離され、凸シリンドリカルレンズ２３に至る。凸シ
リンドリカルレンズ２３にて反射光は前記接合面と平行
な方向の光レンズ作用を受け、４分割の光電変換素子２
４にて受光される。凸シリンドリカルレンズ２３は、反
射光が凸シリンドリカルレンズ２３の透過後、第２図の
如く同一面上に集束しないよう凸シリンドリカルレンズ
１５に対して設けてある。

４分割の光電変換素子２４の各素子の出力信号は適切な
信号処理後、前記ボイスコイル構造体２２を駆動するに
供せられるが、これは絞りレンズ、２つのシリンドリカ
ルレンズ、４分割の光電変換素子にて焦点制御信号を得
る方法と同様公知のものである。

本発明は以上の如く構成しているので次のような効果が
ある。（１）ビームスプリッタ１６を、集光レンズ１３
からの平行光束を断面形状の異なる平行光束に変換する
に必要な凹凸シリンドリカルレンズ１４と１５の間隔を
利用し、その間に設けているので、ビームスプリッタを
設けるために光路長を長くする必要はなく、絞り光学系
の光路長のみに依存する小形の光学系で、又、第１図に
示したようにレンズによる光のケラレがないので光学部
品の選定にもよるが、４０％〜５０％以上の光伝達効率
のよい光学的記録再生装置を得ることができる。

（２）前述したように、ディスクからの反射光をシリン
ドリカルレンズを用いて焦点制御信号を得る場合、反射
光が凸シリンドリカルレンズ１５を透過後、ビームスプ
リッタで分離するので、凸シリンドリカルレンズ１５を
絞り光学系を構成する一光学部品として、又、焦点制御
信号を得る光学系の一光学部品として共用できる。

尚、第２図、第３図では、シリンドリカルレンズ１４を
凹として説明したが、凸シリンドリカルレンズを用いて
も同様に構成できる。この場合の一例を第４図に示す。
第２図、第３図と同じものには同一の番号を付した。第
４図で凸シリンドリカルレンズ１４″の焦点距離をＦｌ
４とすると、１＝Ｆｌ４，■＝Ｆｌ５とすることによつ
てφ３＝青冫φ２となる平行光束φ３を得ることができ
る。ただし、？＝Ｆｌ４″＋Ｆｌ５となるので第３図の
構成に比して？が長くなり、絞り光学系としては大きく
なるが、第１図に示した絞り光学系に比すと十分小形で
ある。又、シリンドリカルレンズの焦点距離を短かくす
ることによつて光学系の光路長は更に短かくできるが、
この場合レンズ収差をなくすため、複数の組みレンズ例
えばシリンドリカルレンズ１４を構成するのが好ましい
。

又、第２図における実施例ではビームスプリッタ１６を
ハーフミラーの如きもので構成してもよいが、この場合
第５図ａに示すようにビームスプリッタの厚みｔや屈折
率により光軸がδだけずれる。

この点第５図ｂに示すような立方体の如きビームスプリ
ッタを用いると前記厚みｔや屈折率により光軸がずれる
ことはない。

この場合、光軸合わせが容易になるばかりでなく、シリ
ンドリカルレンズ１４，１５を一体鏡筒に取りつけるこ
とも容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザ光の絞り装置の一例を示す
図、第２図は本発明の一実施例を示す構成図、第３図Ａ
，ｂはそれぞれ前記実施例の動作を説明するための図、
第４図は本発明の他の実施例の要部構成を示す図、第５
図Ａ，ｂはそれぞれビームスプリッタを示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体レーザからの出射光を微小なビーム絞り記録
   媒体に照射するとともに、前記記録媒体よりの反射光を
   光電変換素子にて受光させる光学系からなる半導体レー
   ザを光源とした光学的記録再生装置において、前記半導
   体レーザからの出射光を集光して平行光を発生する第１
   の光学的手段と、その平行光の前記半導体レーザの接合
   面に平行な方向の平行光を、少なくとも２ケのシリンド
   リカルレンズを用いて前記平行光をその断面形状の異な
   る平行光に変換する第２の光学手段と、その第２の光学
   手段より発生した平行光を微小な光ビームに絞る第３の
   光学手段と、前記記録媒体からの反射光を分離するビー
   ムスプリッタとを有し、前記ビームスプリッタを前記第
   ２の光学手段の少くとも２ケのシリンドリカルレンズの
   間の光路中に設けたことを特徴とする半導体レーザを光
   源とした光学的記録再生装置。 ２ 半導体レーザからの出射光が、前記ビームスプリッ
   タを透過したのち光の光軸と、透過するまえの光の光軸
   が、直線になるように前記ビームスプリッタを構成した
   特許請求の範囲第１項に記載の半導体レーザを光源とし
   た光学的記録再生装置。