JP2002267810A

JP2002267810A - 光強度変換素子及び光学装置

Info

Publication number: JP2002267810A
Application number: JP2002012067A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Tawa; 文博田和; Shinya Hasegawa; 信也長谷川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】光強度変換素子及び光学装置に関し、所定の
光強度分布を所望の光強度分布に変換することができ、
よって波面収差を小さくでき、ビームのスポット径を小
さくできるようにすることを目的とする。【解決手段】中心軸線に対して横方向に延びる第１の
曲面表面１６と、該中心軸線に対して横方向に延びる第
２の曲面表面１８と、該第１の曲面表面と該第２の曲面
表面との間に延びる外周面２０とを有するボディ１４で
構成され、該第１及び第２の曲面表面の一方は中央付近
に少くともへこみ面形状を有し、他方は中央付近に少く
とも突面形状を有し、入射光及び出射光の少なくとも一
方は発散光及び／又は収束光であり、ガウス型光強度分
布をもつ入射光が中央部の光強度が低くかつ周辺部の光
強度が高い光強度分布をもつ出射光に変換される構成と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は入射光の光強度分布
を変換して出射することのできる光強度変換素子及びそ
のような光強度変換素子を用いた光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光記憶装置で用いる光学系は、レーザ光
源と、コリメートレンズと、対物レンズとを備えてい
る。そのような光学系では、光ディスク装置の高密度化
のため、ビームのスポット径をより一層小さくすること
が要求され、また転送速度の改善のために光量をより一
層増大することが要求されている。

【０００３】スポット径を小さくするために、これまで
の光学系では、対物レンズの高ＮＡ化、又はレーザ波長
の短波長化の努力がされてきた。ところが、対物レンズ
の高ＮＡ化は収差の発生が大きくなる傾向がある。ま
た、レーザ波長の短波長化は、レーザ光源の問題であっ
て、光ディスク装置の改善で行えることではない。光量
の増大については、これもまた高出力レーザの開発を待
つ必要がある。

【０００４】ところで光学理論において光線束を集光す
るとき、ガウス型光強度分布をしている光線束よりも均
一な光強度分布をしている光線束の方が、スポット径を
小さくでき、回折限界に近いスポット径を得ることがで
きる知られている。この効果は、同じＮＡの対物レンズ
を用いた場合、使用しているレーザの波長より数十ｎｍ
短いレーザを使用してスポット径を得ることと同等であ
る。

【０００５】しかし一般に光線束の波面上の光強度分布
はガウス型をしているため、対物レンズに入射する光線
束の開口が制限され、光線束のうちの略均一とみなせる
光軸近傍の領域の光だけを対物レンジに入射させること
で、可能な限りスポット径を小さくする努力がされてい
る。これは当然ながら開口径外の光量は利用しないた
め、光源からの光の利用効率は低くなる。また光の利用
効率を高めるために均一とみなせない領域まで開口径を
広げると、ビームのスポット径は均一な光強度分布の場
合より太くなる。このように、一般に光学系の光強度均
一性と光量損は二律背反的な関係にあった。

【０００６】そこで、本願の先願である特願平１０−５
７００３号は、ガウス型の光強度分布をもった平行光を
均一な光強度分布をもった平行光に変換する光強度変換
素子を提案した。この光強度変換素子は、レーザ光源
と、コリメートレンズと、対物レンズとからなる光ディ
スク装置において、コリメートレンズと対物レンズとの
間に配置されることができる。それによって、対物レン
ズは、均一な光強度分布をもった平行光を受け、小さな
スポット径を実現することができる。しかし、この光強
度変換素子は、光ディスク装置の追加部品となってい
た。

【０００７】特開昭６３−１８８１１５号公報は２枚の
レンズを用いてガウス型の光強度分布を有する光束を均
一な光強度分布を有する光束に変換できるビーム成形光
学装置を開示している。この従来技術では、２枚のレン
ズともに正弦条件を満たさないように構成していたが、
そうすると製造の加工公差が大きい。そこで、一方のレ
ンズが正弦条件を満たさず、他方のレンズが正弦条件を
満たすようにして、製造の加工公差を低減するようにし
ている。しかし、この従来技術では、球面収差を利用し
て光強度分布を変換しているので、最終的に波面収差の
発生は避けられず、光ディスク装置などに用いる微小光
学系の部品としては適していない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、所定
の光強度分布を所望の光強度分布に変換することがで
き、よって波面収差を小さくでき、ビームのスポット径
を小さくできる光強度変換素子及びそのような光強度変
換素子を用いた光学装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による光強度変換
素子は、入射光及び出射光の少なくとも一方が発散光又
は収束光であるもののために使用される光強度変換素子
であって、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面
表面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面
表面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に
延びる外周面とを有するボディで構成され、該第１及び
第２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形
状を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近
に少くとも突面形状を有し、該ボディは、光が該第１の
曲面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈
折により、ガウス型光強度分布をもつ入射光が中央部の
光強度が低くかつ周辺部の光強度が高い光強度分布をも
つ出射光に変換されるように構成されることを特徴とす
るものである。

【００１０】本発明による光学装置は、光源と、入射光
及び出射光の少なくとも一方が発散光又は収束光である
もののために使用される光変換素子とを備え、該光変換
素子は、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表
面と、該中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表
面と、該第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延
びる外周面とを有するボディで構成され、該第１及び第
２の曲面表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状
を有し、該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に
少くとも突面形状を有し、該ボディは、光が該第１の曲
面表面から該第２の曲面表面を通過した際に受ける屈折
により、ガウス型光強度分布をもつ入射光が中央部の光
強度が低くかつ周辺部の光強度が高い光強度分布をもつ
出射光に変換されるように構成されることを特徴とする
ものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について説明
する。図１は本発明の第１実施例による光強度変換素子
１０を示し、図２は図１の光強度変換素子１０に類似す
る光強度変換素子１０及びそれを通る複数の微小な光路
を示す図である。

【００１２】図１及び図２において、光強度変換素子１
０は、中心軸線１２を有する透明なボディ１４からな
る。ボディ１４は等方性屈折率を有する透明な材料（例
えばガラス）で作られている。ボディ１４は、中心軸線
１２に対して横方向に延びる第１の曲面表面１６と、第
１の曲面表面１６の反対側にあって同様に中心軸線１２
に対して横方向に延びる第２の曲面表面１８と、第１の
曲面表面１６と第２の曲面表面１８との間に延びる外周
面２０とを有する。

【００１３】図１及び図２においては、Ａ点は発光点を
示し、Ｂ点は第１の曲面表面１６への入射点を示し、Ｃ
点は第２の曲面表面１８からの出射点を代表的に示す。
発光点Ａを通るＺ軸を光軸とし、紙面に平行な方向をＹ
軸、紙面に垂直な方向をＸ軸としている。Ｔは光軸上の
光強度変換素子１０の厚さ、Ｌは光強度変換素子１０中
の特定の光路の長さである。発光点Ａは例えばレーザで
あって、Ｚ軸に回転対称なガウス型光強度分布２２を有
する発散光を放射する。光強度変換素子１０はＺ軸に回
転対称な形状をした屈折率ｎの光学素子である。図２に
おいては、発光点Ａと光強度変換素子１０との間にＺ軸
に垂直に屈折率ｎ′の平行平板２６を配置している。こ
の平行平板２６はレーザのカバーグラスとして使用可能
である。

【００１４】第１の曲面表面１６は概略浅くて丸い凹面
であり、第２の曲面表面１８は概略丸い凸面である。第
１及び第２の曲面表面１６、１８の傾きはそれぞれボデ
ィ１４の中心部から半径方向外方にいくに従ってゼロか
ら次第に大きくなり、ある値に達するとそれから次第に
小さくなっていく。すなわち、第１及び第２の曲面表面
１６、１８は傾きに変曲点を有する（後で説明する図５
参照）。

【００１５】この光強度変換素子１０は、第１の曲面表
面１６及び第２の曲面表面１８における屈折により、出
射光の光強度分布が入射光の光強度分布とは異なるよう
になっている。実施例においては、ガウス型光強度分布
２２を有する発散光が第１の曲面表面１６からボディ１
４に入射し、ボディ１４を通過した光は均一な光強度分
布２４を有する平行光として第２の曲面表面１８から出
射するようになっている。

【００１６】第２の曲面表面１８の傾きはＣ点から出射
する光線がＺ軸と平行に進行するように決められてい
る。また発光点Ａから、Ｃ点の先にあってＺ軸に垂直な
面２８までの光線光路長が微小な光路ごとに等しくなる
ようにしている。従って、このこの光強度変換素子１０
は発光点Ａの光の光強度分布を変更するだけでなく、コ
リメートレンズの働きもする。

【００１７】光強度変換素子１０の入射開口径がＷａで
示され、出射開口径がＷｂで示されている。発光点Ａの
入射開口径Ｗａに対する放射角がθで示されている。光
強度変換素子１０の設計においては、ガウス型光強度分
布２２を有する発散光について、入射開口径Ｗａ（放射
角θ内）内の全光量Ｑを求める。全入射光量と全出射光
量とは等しいので、出射光が均一な光強度分布をもつた
めに、出射光の強度をＩ₀ とすると、Ｑ＝Ｉ₀ ×π（Ｗ
ｂ／２）² になる。すなわち、入射開口径Ｗａ内の全光
量を必要とする出射開口の面積で割って出射光の強度を
Ｉ₀ を得る。出射光が均一な光強度分布になると、光利
用効率を最も高くできる。

【００１８】ここで第１及び第２の表面１６，１８の設
計について説明すると、入射光について、放射角θを例
えばθ／ｋずつｋ個に分割した同心円状の領域ΔＩ₁ 、
ΔＩ ₂ 、〜ΔＩ_k を形成し、それぞれの同心円状の領域
について光量Ｑ₁ 、Ｑ₂ 、〜Ｑ_k を求める。それから、
出射光について、光量Ｑ₁ 、Ｑ₂ 、〜Ｑ_k と同じ光量を
有する同心円状の領域ΔＯ₁ 、ΔＯ₂ 、〜ΔＯ_k を求め
る。例えば入射側の領域ΔＩ_k に対する出射側の領域Δ
Ｏ_k の半径ｒ_k は、Ｑ_k ＝Ｉ₀ ×π（ｒ_k ² −ｒ_k-1 ²）
により求められる。

【００１９】図３は図１及び図２の部分拡大図である。
ここでは、図２の平行平板２６は省略してあるが、平行
平板２６があってもその分を考慮に入れて同様に計算で
きることは明らかであろう。まず、発光点Ａから光強度
変換素子１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚
さＴを、データの蓄積及び試験に基づいて定める。発光
点Ａから中心軸線１２に対して角度θ／ｋをなす直線３
０を引き、直線３０と距離Ｆにおいて中心軸線１２に垂
直な直線３２との交点をＢ₁ とする。距離Ｆ＋Ｔにおい
て中心軸線１２に垂直な直線３４と半径ｒ₁ に相当する
直線３６の交点をＣ₁ とする。点Ｂ₁ と点Ｃ₁ を結ぶ直
線３８を引く。

【００２０】点Ｂ₁ を通り、直線３０が入射光の光路と
なり、直線３８が屈折光の光路となるように、第１の曲
面表面１６の微小部分の傾き１６₁ を求める。それか
ら、点Ｃ₁ を通り、直線３８が入射光の光路となり、直
線３６が屈折光の光路となり且つ中心軸線１２と平行に
なるように、第２の曲面表面１８の微小部分の傾き１８
₁ を求める。

【００２１】次に、前の計算と同様に、発光点Ａから中
心軸線１２に対して角度２θ／ｋをなす直線４０を引
き、点Ｂ₂ を求め、そして、半径ｒ₁ ＋ｒ₂ に相当する
直線４２を引き、点Ｃ₂ を求め、点Ｂ₂ と点Ｃ₂ を結ぶ
線４４を引く。そして、点Ｂ₂を通る第１の曲面表面１
６の微小部分の傾き１６₂ 、及び点Ｃ₂ を通る第２の曲
面表面１８の微小部分の傾き１８₂ を求める。ここで注
意すべきは、点Ｂ₂ は必ずしも直線３２上にあるのでは
なく、傾き１６₁ と傾き１６₂ とが滑らかに連続するよ
うに決められる。同様に、点Ｃ₂ は傾き１８₁ と傾き１
８₂ とが滑らかに連続するように決められる。従って、
このような計算を繰り返すことにより、第１の曲面表面
１６及び第２の曲面表面１８の形状を計算することがで
きる。

【００２２】前に定めた、発光点Ａから光強度変換素子
１０までの距離Ｆと、光強度変換素子１０の厚さＴと
は、異なる放射角の光線に対して（Ｚ軸に垂直な面２８
までの）光線光路長を等しくする条件と、出射光を平行
光にするＣ点の傾きの条件と、Ｂ点側とＣ点側とが連続
する曲面となる条件とから計算できる。また、得られた
結果から、距離Ｆと厚さＴとを変えて、再計算し、所望
の条件により適合するようにすることができる。

【００２３】このようにして得られた結果の一例が微小
な放射角ごとの光路とともに図２に示されている。出射
側の第２の曲面表面１８側では、光軸付近の中心部の光
線間隔は広がり、周辺部での光線間隔は密になる。光強
度変換素子１０の形状は、発光点Ａと素子１０の距離
Ｆ、素子１０の厚さＴ、及び出射開口径Ｗｂによってか
なり変わる。これについては図９から図１２を参照して
後で説明する。

【００２４】図４は図２に示された光強度変換素子１０
の第１及び第２の曲面表面１６、１８の形状を示す図で
ある。半径はＸ軸方向又はＹ軸方向の位置に相当する。
図５は図４の第１及び第２の曲面表面１６、１８の傾き
をプロットした図である。第１の曲面表面１６は傾きの
変曲点Ｐをもち、第２の曲面表面１８は傾きの変曲点Ｑ
をもつことが分かる。図４にも、これらの変曲点Ｐ、Ｑ
に相当する点がＰ、Ｑで示されている。光強度分布を変
換しながら、発散性の入射光を平行光として出射する光
強度変換素子１０では、第１及び第２の曲面表面１６、
１８は傾きに変曲点Ｐ、Ｑをもつ。後で説明する例にお
いても、第１及び第２の曲面表面１６、１８は傾きに変
曲点をもつ。なお、本発明では、傾きに変曲点をもつ表
面形状にかえて、ボディ１４が屈折率分布をもつように
形成してもよい。

【００２５】図６はレンズにおける正弦法則を示す図で
ある。図６の（Ａ）において、Ｚ軸は光軸方向であり、
Ｚ軸上にある物点Ａ点から角度θ₀ で放射した光線は、
Ｂ点で素子４６に入射し、屈折、偏向され、距離Ｌだけ
素子４６内を通過後、Ｃ点で屈折、偏向されて出射し、
角度θ₁ でＺ軸上にあるＤ点で結像する。このときのＡ
点は物焦点であり、Ｄ点は像焦点である。

【００２６】Ａ点で放射した光線の光強度分布がＺ軸に
対称としたとき、種々の角度θ₀ で放射した光線の横倍
率値を連続的に変更することで、出射光の光強度分布を
入射光の光強度分布と異なるように変換することができ
る。ここで、入射側の媒体の屈折率はｎであり、出射側
の媒体の屈折率はｎ′であるとすると、横倍率値βは、
β＝（ｎsin θ₀ ）／（ｎ′sin θ₁ ）である。従来、
コリメータレンズは正弦条件を満たすように作られてい
たが、本発明では、コリメータレンズとして使用可能な
光強度変換素子１０はわざと正弦条件を満たさないよう
に作られていいるのである。

【００２７】また、図６（Ｂ）に示すように、物点が無
限遠の場合、Ｚ軸に平行に入射する光線の光線高さをｈ
とし、焦点距離をｆとすると、ｆ＝ｈ／（ｎ′sin θ
₁ ）である。像点におけるｈ／ｓｉｎθ₁ 値を変更する
ことで入射点の光強度分布と異なる光強度分布に変換す
る。いずれの場合においても、異なる角度で物点から放
射した光線の像点までの光学距離の差は、レイリー極限
値以下にするように距離ＬとＡ点とＢ点の屈折角を選
び、素子表面を連続的にしている。

【００２８】本発明による光強度変換素子１０によれ
ば、所定の光強度分布を任意の連続的な光強度分布に変
換でき、軸ずれや厚さなどの加工誤差による波面収差量
を小さくできる。また、レンズ作用をもたせることによ
り、コリメータレンズ等の代用ができることから、光学
装置の部品点数を削減できる。光強度変換素子１０のボ
ディ１４を等方性屈折率をもつようにすることにより光
軸に対して対称にでき、屈折で強度分布を変更すること
から吸収や反射損失を最小限にでき、各光線間の光線光
路長を同等にする設計としていることから、スポット径
を回折限界まで絞ることができる。

【００２９】図７は図１及び図２の光強度変換素子１０
を含む光ディスク５０を示している。光ディスク５０
は、レーザ光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物
レンズ５６とを備えている。コリメートレンズ５４は図
１から図３を参照した説明した光強度変換素子１０によ
り構成されている。この場合の利点は上記した通りであ
る。レーザ光源５２は典型的にガウス型光強度分布を有
する発散光を出射する。レーザ光源５２から放射された
レーザ光は、光強度変換素子１０からなるコリメートレ
ンズ５４によって均一な光強度分布を有する平行光に変
換され、対物レンズ５６によって絞られてディスク５８
に入射する。従って、対物レンズ５６はより小さなスポ
ット径と、より多くの光量の光でディスク５８をスキャ
ンすることができる。

【００３０】図８は同様に光強度変換素子１０を含む光
ディスク５０を示している。光ディスク５０は、レーザ
光源５２と、コリメートレンズ５４と、対物レンズ５６
とを備えている。対物レンズ５６は後で説明する光強度
変換素子１０により構成されている。対物レンズ５６は
より小さなスポット径と、より多くの光量の光でディス
ク５８をスキャンすることができる。

【００３１】図９から図１２は、図１から図３の光強度
変換素子１０の変形例を示す図である。これらの例は、
発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ、及び光強度変
換素子１０の厚さＴを変えたときの光強度変換素子１０
の形状を示している。図９（Ａ）から（Ｃ）は、厚さＴ
が一定で、距離Ｆを変えたとの光強度変換素子１０の形
状を示している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであっ
た。光強度変換素子１０の形状は、発行点Ａと素子１０
の距離Ｆによって異なる。距離Ｆが小さいほど第１及び
第２の曲面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。

【００３２】図１０（Ａ）から（Ｃ）は、距離Ｆが一定
で、厚さＴを変えたとの光強度変換素子１０の形状を示
している。平行平板２６の厚さは１ｍｍであった。光強
度変換素子１０の形状は、光強度変換素子１０の厚さＴ
によって異なる。厚さＴが小さいほど第１及び第２の曲
面表面１６、１８の湾曲は大きくなる。図１１（Ａ）か
ら（Ｂ）は、発光点Ａと光強度変換素子１０の距離Ｆ及
び光強度変換素子１０の厚さＴが一定で、出射開口径Ｗ
ｂが異なる例を示す図である。この例では、Ｆは８．０
ｍｍ、Ｔは３．５ｍｍであった。図１１（Ａ）における
出射開口径Ｗｂ１は３ｍｍ、図１１（Ｂ）における出射
開口径Ｗｂ２は４ｍｍであった。なお、発光点Ａの入射
開口Ｗａに対する半値全角αはともに１８度であった。
なお、図９及び図１０の例においても、半値全角αは１
８度であった。このように光強度変換素子１０の形状に
ある程度自由度をもたせることができるので、製造精度
や、使用する光学系に最適な光強度変換素子１０の形状
を得ることができる。

【００３３】図１２（Ａ）から（Ｃ）は光強度変換素子
１０のさらなる変形例を示す図である。図１２（Ｃ）は
発光点Ａの発光特性を示す図である。この実施例では、
発光点Ａは、Ｘ軸を長軸とし、Ｙ軸を短軸とした楕円型
光強度分布をもつ。この場合、光強度変換素子１０のＸ
軸方向の出射開口径Ｗｂ１、及びＹ軸方向の出射開口径
Ｗｂ２が互いに等しいとすれば、光強度変換素子１０の
形状は、図１２（Ａ）に示されるＸ軸方向の断面の形状
と、図１２（Ｂ）に示されるＹ軸方向の断面の形状とは
異なる。こうすることによって、楕円型光強度分布をも
つ入射光に対して、真円状の均一な光強度分布をもつ平
行光を出射することができる。

【００３４】図１３（Ａ）、（Ｂ）は、発光点Ａが楕円
型光強度分布をもつ場合、光強度変換素子１０の形状を
Ｚ軸について回転対称とすることにより、出射光のＸ軸
方向の光強度分布とＹ軸方向の光強度分布とを互いにこ
となるようにすることができる。例えば、図１３（Ａ）
では、Ｘ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｙ軸方向
の光強度分布はドーム状にすることができる。図１３
（Ｂ）では、Ｙ軸方向の光強度分布は均一であるが、Ｘ
軸方向の光強度分布はボール状になる。

【００３５】図１４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、変換
された光強度分布の種々の例を示す図である。図１４
（Ａ）は円筒状の形体であらわされる均一な光強度分布
である。図１４（Ｂ）は円筒状の形体に円錐状の形体を
組み合わせた中央部で特に強度が高い光強度分布であ
る。図１４（Ｂ）は円錐状の形体の光強度分布である。
本発明では、このように種々の光強度分布をもつ出射光
を得ることのできる光強度変換素子１０を得ることがで
きる。

【００３６】上記実施例は、光強度変換素子１０は、波
面上でガウス型光強度分布をした発散光を均一な光強度
分布をもつ平行光に変換するするコリメート型素子であ
ったが、図１５に示される光強度変換素子１０は、波面
上でガウス型光強度分布をした平行光を波面上で均一な
光強度分布をもつ収束光に変換する対物レンズ型素子で
ある。このような光強度変換素子１０も、図１から図３
を参照して説明したような手順で製作することができ
る。また、このような光強度変換素子１０は図８の対物
レンズ５６として使用することができる。

【００３７】上記実施例では、波面収差がレイリー極限
値以下となるように素子形状を決めたが、回折限界まで
絞らないような光学系においても、光強度分布を変換す
る素子の作製に有効であることは述べるまでもない。ま
た、上記実施例では、光強度変換素子１０は、単体とし
て構成されていたが、図１６に示されるように、２個
（又はそれ以上）の構成要素１０ａ、１０ｂで光強度変
換素子１０を構成すると、波面収差を小さくするために
光強度変換素子１０全体としての厚さＴは比較的に大き
いが、各構成要素１０ａ、１０ｂの厚さが薄くなり、再
策上有利である。また各構成要素１０ａ、１０ｂの片面
を平面にすることで製造誤差を小さくでき、また平面に
よる収差を利用することで組み立て誤差も小さくするこ
とができる。また、２個の構成要素１０ａ、１０ｂ間の
間隔を変えることよって、光強度分布を変えることがで
きる。

【００３８】図１７は、光源５２と、光強度変換素子１
０で構成されたコリメートレンズ５４と、対物レンズ５
６を用いた光ディスク装置５０の実施例を示す図であ
る。対物レンズ５６はホルダ５６ａに支持されている。
この実施例によれば、対物レンズ５６はコリメートレン
ズ５４（光強度変換素子１０）からの均一な光強度分布
の平行な光の中に配置されているので、仮に対物レンズ
５６の位置が５６′で示されているようにずれても、対
物レンズ５６の有効開口径（Ｗｏ）の位置ずれが光強度
変換素子１０の出射開口径（Ｗｂ）内で起きるのであれ
ば、均一な光強度と所定の光量の光が対物レンズ５６に
常に入射する。従って、対物レンズ５６は所定の光量で
好ましい小さなスポット径を得ることができる。光学系
の組み立て精度及び対物レンズ５６のシーク駆動精度を
大幅に緩和できる。

【００３９】図１８（Ａ）、（Ｂ）は、光源５２と、光
強度変換素子１０と、コリメートレンズ５４と、対物レ
ンズ（図示せず）とを備えた光ディスク装置５０の実施
例を示す。この実施例では、光強度変換素子１０は光源
５２とコリメートレンズ５４との間に配置されている。
光強度変換素子１０は、入射する光束のＮＡ又は広角を
変換し、且つ光強度分布を変更している。

【００４０】図１８（Ａ）においては、光強度変換素子
１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射し、発散光
がより大きな発散角で光強度変換素子１０から出射する
ように構成されている。図１８（Ｂ）においては、光強
度変換素子１０は、発散光が光強度変換素子１０に入射
し、発散光がより小さな発散角で光強度変換素子１０か
ら出射するように構成されている。

【００４１】コリメートレンズ５４の焦点距離はｆで示
されている。光源５２とコリメートレンズ５４との距離
は軸精度を維持するために短くできないことが多いが、
図１８（Ａ）、（Ｂ）の構成によって、あたかも光源５
２とコリメートレンズ５４との距離を短くしたかのごと
く、コリメートレンズ５４で取り込むことのできる光量
を増大することができる。従って、光利用率とビーム径
を改善することができる。

【００４２】図１９は、光源５２（発光点Ａ）と、透明
な平行平板２７と、コリメートレンズ５４（光強度変換
素子１０）と、対物レンズ（図示せず）とを備えた光デ
ィスク装置５０の実施例を示す。この実施例では、平行
平板２７は光源５２とコリメートレンズ５４（光強度変
換素子１０）との間に配置され、平行平板２７は光軸に
対して傾けることができるように配置されている。平行
平板２７を傾けることで対物レンズ後の結像点での波面
収差を補正するようになっている。

【００４３】発光点Ａの正しい位置がＡ₀ にあり、平行
平板２７の正しい位置が２７′にあるとした場合、発光
点Ａの位置がずれていると対物レンズ後の結像点での波
面収差が大きくなる。そこで、発光点Ａの位置のずれに
応じて、光路長のずれ量を補正するように、平行平板２
７を傾けることで、対物レンズ後の結像点での波面収差
を補正することができる。

【００４４】図２０は光源６２と光強度変換素子１０と
を用いた照明装置６０の実施例である。光源６２は発光
ダイオード等の発光素子を２次元状に配置してなり、ハ
ニカム状の光強度変換素子１０が発光素子の配置に対応
して配置される。各光強度変換素子１０は発光素子の発
散光を受けて均一な光強度分布の光を出射する。多くの
光強度変換素子１０が一平面内に配置されており、同平
面内で均一な分布の光を出射することができる。従っ
て、この照明装置は例えばディスプレイのバックライト
として使用され、光量損失なく所定方向に照度を上げる
ことができる。また均一な光強度分布であることから、
レンズ等で結像させても光源の点状分布にならないの
で、顕微鏡等の照明にＬＥＤアレイ等を使用する場合に
利用することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光強度変換素子は、任意の光強度分布の光を所望の光強
度分布の光に変換できることから、波面収差を小さくで
き、ビーム集光性やスポット形状を任意に設計すること
が可能になる。また、高出力光に強く、光量損失を減ら
すことができる。またこの光強度変換素子は、発散光を
平行光にするコリメートレンズや、平行光を収束光に変
換する対物レンズの代わりに使用できるので、光学装置
の部品点数を増加することなく、波面収差を小さくした
り、ビームのスポット形状を小さくなることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による光強度変換素子を示
す断面図である。

【図２】図１の光強度変換素子に類似する光強度変換素
子及びそれを通る複数の微小な光路を示す図である。

【図３】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の決
定を説明する図である。

【図４】光強度変換素子の第１及び第２の曲面表面の形
状を示す図である。

【図５】図４の第１及び第２の曲面表面の傾きを示す図
である。

【図６】レンズにおける正弦法則を示す図である。

【図７】図１及び図２の光強度変換素子を含む光ディス
ク装置の例を示す図である。

【図８】光強度変換素子を含む光ディスク装置の他の例
を示す図である。

【図９】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１０】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１１】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１２】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１３】Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なった光強度分布
の例を示す図である。

【図１４】光強度分布の他の例を示す図である。

【図１５】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１６】光強度変換素子の変形例を示す図である。

【図１７】光ディスク装置の変形例を示す図である。

【図１８】光ディスク装置の変形例を示す図である。

【図１９】光ディスク装置の変形例を示す図である。

【図２０】光強度変換素子を含む照明装置の例を示す図
である。

【符号の説明】

１０…光強度変換素子１２…中心軸線１４…ボディ１６…第１の曲面表面１８…第２の曲面表面２０…外周面２２…ガウス型光強度分布２４…均一な光強度分布２６…平行平板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光及び出射光の少なくとも一方が発
散光又は収束光であるもののために使用される光強度変
換素子であって、中心軸線に対して横方向に延びる第１の曲面表面と、該
中心軸線に対して横方向に延びる第２の曲面表面と、該
第１の曲面表面と該第２の曲面表面との間に延びる外周
面とを有するボディで構成され、該第１及び第２の曲面
表面の一方は中央付近に少くともへこみ面形状を有し、
該第１及び第２の曲面表面の他方は中央付近に少くとも
突面形状を有し、該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表
面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分
布をもつ入射光が中央部の光強度が低くかつ周辺部の光
強度が高い光強度分布をもつ出射光に変換されるように
構成されることを特徴とする光強度変換素子。
【請求項２】第１の広角を有する発散光が該第１の広
角とは異なる第２の広角を有する発散光に変換されるよ
うにしたことを特徴とする請求項１に記載の光強度変換
素子。
【請求項３】光源と、入射光及び出射光の少なくとも
一方が発散光又は収束光であるもののために使用される
光変換素子とを備え、該光変換素子は、中心軸線に対し
て横方向に延びる第１の曲面表面と、該中心軸線に対し
て横方向に延びる第２の曲面表面と、該第１の曲面表面
と該第２の曲面表面との間に延びる外周面とを有するボ
ディで構成され、該第１及び第２の曲面表面の一方は中
央付近に少くともへこみ面形状を有し、該第１及び第２
の曲面表面の他方は中央付近に少くとも突面形状を有
し、該ボディは、光が該第１の曲面表面から該第２の曲面表
面を通過した際に受ける屈折により、ガウス型光強度分
布をもつ入射光が中央部の光強度が低くかつ周辺部の光
強度が高い光強度分布をもつ出射光に変換されるように
構成されることを特徴とする光学装置。
【請求項４】第１の広角を有する発散光が該第１の広
角とは異なる第２の広角を有する発散光に変換されるよ
うにしたことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】請求項３〜４のいずれかに記載の前記光
学装置は、光記憶装置又は照射装置を含む光学装置。