JP2000182265A - 光ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２つの異なる波長の光源を有し基材厚の異な
る光学的情報記録媒体を記録再生する光ヘッドにおい
て、開口制限手段なしで実用可能な信号記録再生性能を
持つ光ヘッドを安価に提供することを目的とする。 【解決手段】 レンズ表面または光路中の光学部品表面
に、対物レンズ１４入射瞳の外周寄りの領域に光の位相
分布を変更する手段１４ａから４ｃを設ける。その境界
は、有限光学系の場合対物レンズ有効径の７５％、無限
光学系の場合は同じく６０％とする。この領域は、リン
グ状の複数の区画に分割し、位相段差を与える区画と与
えない区画を交互に配置することにより構成される。そ
のときの位相段差量は、より短波長の光に対して波長の
整数倍、長波長の光に対して略１８０°になるよう設定
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板厚みおよび／
または対応波長の異なる光ディスク等の光学的情報記録
媒体に記録および／または再生するための光ヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高密度化や記録可能媒体の普及な
どによって光ディスクの規格が増え、ディスクの基板厚
みの違いや反射率の波長依存性に対応するために、記録
および／または再生用光学系（以下、光学系と略す）の
対物レンズの開口数（以下ＮＡ）や使用波長を変えるこ
とが必要になっている。たとえばＣＤとＤＶＤは基板の
厚みそれぞれ１．２ｍｍおよび０．６ｍｍであるが、そ
れぞれに対応する光学系のＮＡは、ＣＤが０．４５であ
るのに対してＤＶＤでは０．６である。またＣＤ−Ｒの
記録再生には、使用されるディスク記録材料の反射率の
特性から光源波長７８０〜８３０ｎｍのレーザ光が用い
られるのに対して、ＤＶＤでは高密度の情報の記録再生
のために光源波長６３５〜６５０ｎｍのレーザ光が用い
られる。

【０００３】このように対応する光学系が異なる光ディ
スクを、同一の光ディスク装置で記録再生できることが
望ましく、かつ光ディスク装置を小型化・低コスト化す
ることが求められるため、異なる規格の光ディスクに対
応する光学系を共用化する方式が提案されている。

【０００４】その代表的な方式として、異なる波長の光
源から出射される光束に対して同一の対物レンズを用
い、基板厚みが対物レンズの設計値と異なる光ディスク
を記録再生する場合に基板で発生する球面収差を、光学
系の配置によって発生する球面収差で補正する方式があ
る。この方式では、ＤＶＤのような高密度光ディスクに
対応する光学系を無限系とし、対物レンズは無限系で高
密度光ディスクの基板厚みに対して最適設計されたもの
を用い、ＣＤまたはＣＤ−Ｒのように基板厚みが異なり
相対的に低密度な光ディスクに対応する光学系は有限系
として基板厚みの違いによる球面収差を相殺することに
より、良好な信号記録再生特性を得るものである。

【０００５】図１１は、このような光ヘッドの、低密度
光ディスクに対応する光学系の対物レンズおよびディス
ク付近の模式図である。図１１において、１は対物レン
ズ、２は開口制限手段、３は低密度光ディスクの基板、
４は情報記録面である。５は開口制限手段２により絞り
込まれて対物レンズ１により集光される光束である。高
密度光ディスクにＤＶＤ、低密度光ディスクにＣＤを想
定し、対物レンズ１の設計ＮＡを０．６とすると、光束
５のＮＡは０．４５である。絞られた光束５は、情報記
録面４上に集光スポット６を形成し、情報の記録再生を
可能にする。

【０００６】ここで、開口制限手段２がない場合を想定
する。図１１において、７は対物レンズ１の有効径で決
まる光束である。光束７のうち、ＮＡ０．４５より外側
の光７ａ（斜線部で示す）は集光スポット６よりも対物
レンズ１から遠い像面８に収束する。開口制限手段２な
しで記録再生を行う場合、集光スポット６と同じ像面で
は外周の光７ａが集光スポット６の周辺に分布して信号
の品質を劣化させる。また像面８ではＮＡ０．４５の光
束５が拡散しているので、やはり信号の品質は劣化す
る。この場合、両者の間の像面９において信号品質が最
も良くなる。

【０００７】この像面９においても外周の光７ａはスポ
ット周辺に分布するものの、その波面収差の値は、対物
レンズ１へ入射する光束の発散度合いを最適化すれば、
良好な記録再生のための波面収差の目安であるマレシャ
ルの基準０．０７λ（λ：光源波長）以内にすることが
できるので、開口制限手段２がなくても、情報の記録再
生は一応可能である。しかしこの場合、光束７のＮＡ
は、高密度光ディスクに対応する光学系のＮＡ０．６に
近い値になる。ディスクがチルトした場合に発生するコ
マ収差はＮＡの３乗に比例することが知られており、こ
のコマ収差によって記録再生信号の品質の劣化が通常の
ＮＡの場合と比べて顕著になる。したがってこの光学系
を実用可能にするためには、ＮＡを下げて外周部の光７
ａの影響を除去する開口制限手段２が必要になる。

【０００８】この開口制限手段２の実現方法として、２
波長の光の共通光路以外の場所である長波長光源近傍に
開口制限板を設置する方法や、短波長光に対しては全透
過であり長波長光に対しては開口制限に必要な領域のみ
全反射になるような光学膜を用いる方法や、長波長光に
よる記録再生時のみ光路中に挿入され、短波長光による
記録再生時は光路外に退避させる可動開口制限板による
方法など、種々の方法が考えられている。

【０００９】長波長光源近傍に開口制限板を置く方法
は、レーザ光が光源から出射した直後であるためビーム
径がごく小さく、光と開口の中心ずれに許容される誤差
が非常に小さいので、精度を確保することが困難になる
という問題がある。また光学膜による方法は、短波長光
および長波長光の両者に対して透過率および収差の仕様
を満足するのが難しい。具体的には、開口制限作用を行
う部分とそうでない部分の膜の組成が異なるため、その
継ぎ目に位相段差が発生して収差を劣化させたり、成膜
後の光学素子の歪みによる収差劣化などが発生し、素子
の歩留りが上がらず、コストアップになるという問題が
ある。また可動開口制限板を移動させる方法は、そのた
めの機構が必要なので、装置寸法を小型化できないこと
に加え、コストアップになるという問題がある。

【００１０】また、特開平１０−１４３９０５号公報に
は、光ピックアップ装置の対物レンズにより集光する光
束を複数の光束に分け、第２光束の波面の位相を、第１
光束および第３光束の波面の位相とずらし、透明基板の
厚さがｔ１の第１光ディスク再生の際には第１光束およ
び第３光束を利用し、透明基板の厚さがｔ２（ｔ２≠ｔ
１）の第２光ディスクの再生の際には第１光束および第
２光束を利用するようにした光ピックアップ装置が開示
されている。この光ピックアップ装置においては利用光
束を切換えるため対物レンズを光軸方向に移動させるア
クチュエータが必要であり、上記従来例と同様、機構が
複雑で装置寸法を小型化できずコストアップになるう
え、いずれの再生においても一つの光束を利用しないた
め高速再生において光量が不足するおそれがある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
解消し、何らの駆動機構を用いることなしに低密度光デ
ィスク用光学系での記録再生信号品質を改善することが
できる光ヘッドを安価に提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による光ヘッド
は、第１の光源からの光束を第１の光ディスクに集光す
る第１の光学系と、第２の光源からの光束を第１の光デ
ィスクとは基板の厚みが異なる第２の光ディスクに集光
する第２の光学系を有し、第１の波長は第２の波長より
も短く、前記第１の光学系および第２の光学系は第１の
光ディスクに対して最適設計された対物レンズを共有す
る光ヘッドであって、対物レンズの入射瞳の外周部に入
射する光の位相分布を変更する手段を第２光学系の光路
上に設けたものである。この場合、第２光学系は、有限
光学系として構成されてもよく、無限光学系として構成
されてもよい。

【００１３】光位相分布変更手段は、第１光学系と第２
光学系の共用光路上の光学部材、例えば対物レンズの表
面に設けることができ、位相変更量は短波長光に対して
は波長の整数倍、長波長光に対して１８０°に設定する
のが好ましい。

【００１４】高密度光ディスク用に最適設計された対物
レンズを用いて、それとは基板厚みが異なると共に対応
するＮＡが相対的に小さい低密度光ディスクを開口制限
手段なしで記録再生する場合、本来必要なＮＡよりも大
きなＮＡの領域の光は集光スポットの周辺に分布する。
これらの光は、記録再生に有効に寄与しないだけでな
く、大きなサイドローブを形成する。サイドローブはク
ロストークや符号間干渉などの信号品質劣化要因を引き
起こし、記録再生品質を劣化させる。このサイドローブ
を低減できれば、開口制限なしでも、記録再生品質を実
用可能なレベルに改善することが可能である。これは、
入射瞳においてＮＡの大きな領域の光の位相分布を変更
し、互いに干渉して強度を打ち消すことにより実現でき
る。位相分布を変更する領域は、高密度光ディスクと低
密度光ディスクとしてたとえばＤＶＤおよびＣＤを想定
すれば、ＣＤ光学系が有限系である場合にはＮＡが０．
４５より大きな領域であればよく、この境界は対物レン
ズの有効径の７５％である。またＣＤ光学系が無限系で
ある場合には、記録再生信号の品質が最良になるような
像面は、後述するようにＮＡ０．３７の開口制限を設け
た場合の像面と同じ位置であるので、ＮＡ０．３７より
外側の位相分布を変更して、その光の強度を打ち消せば
よい。この場合の境界は、対物レンズの有効径の約６０
％である。

【００１５】このような位相分布の変更を二つの波長の
光束が共用する光路中で行う場合、高密度光ディスクに
対応する光束にも影響が及ぶ。このため位相変更量を、
低密度光ディスクに対応する波長に対しては半波長の奇
数倍すなわち略１８０°であり、高密度光ディスクに対
応する波長に対しては波長の整数倍になるような値に設
定することで、高密度光ディスクの記録再生性能へ悪影
響を及ぼさないようにすることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態について、図面を参照しながら説明する。な
お簡単のため、光ディスクから反射された光を検出する
検出光学系については記述を省略する。図１は本実施の
形態において高密度光ディスクにＤＶＤ（基板厚み０．
６ｍｍ）、低密度光ディスクにＣＤ（基板厚み１．２ｍ
ｍ）を想定した光ヘッドの構成を示す。

【００１７】図１において、波長６５０ｎｍの第１光源
１１から出射された光束は、ビームスプリッタ１２を経
て集光レンズ１３により略平行な光束になり、対物レン
ズ１４に入射し、基板厚み０．６ｍｍの高密度光ディス
ク１５の情報記録面１６上に光スポット１７として結像
する。このときのＮＡは０．６であり、対物レンズ１４
はこの光学系に関して最良の性能が得られるよう設計さ
れている。ビームスプリッタ１２は波長６５０ｎｍの光
は透過し波長７８０ｎｍの光は反射するような特性を持
つよう設計されており、波長７８０ｎｍの第２光源２１
から出射した光束は、ビームスプリッタ１２を介して集
光レンズ１３を経て対物レンズ１４に入射し、低密度光
ディスク２５の情報記録面２６上に光スポット２７とし
て結像する。この光スポット２７の像面は、ストレール
強度が最大になる位置とほぼ等しい。このときのＮＡは
０．５７である。対物レンズ１４の入射側表面には、有
効径の７５％より外側の領域に、位相分布変更領域２８
が設けられている。

【００１８】図２は、対物レンズ１４の拡大図である。
入射側の有効径の７５％以上の領域を１４ａ、１４ｂ、
１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの５つの区画に分け、区画１４
ｂおよび１４ｄに段差を設けている。各区画の境界は、
図２中に示すようにそれぞれ有効径の８０％、８５％、
９０％、９５％である。この段差は、第２光源２１の光
に対して位相１８０°、第１光源１１の光に対して位相
０°になるよう設定されている。

【００１９】このような段差の大きさは、次のように設
定できる。第１光源１１の波長をλ１、第２光源２１の
波長をλ２、対物レンズ１４の屈折率をｎ、段差量をΔ
としたとき、 ｍ１λ１＝（ｍ２＋１／２）λ２＝（ｎ−１）Δ ・・・（式１） を満足するような整数ｍ１およびｍ２とΔの組を求めれ
ばよい。ここでｍ１および（ｍ２＋１／２）は、それぞ
れ波長λ１および波長λ２の光の位相差の、波数換算値
である。本実施の形態ではλ１＝６５０ｎｍ、λ２＝７
８０ｎｍであり、ｎ＝１．６とすると、たとえばｍ１＝
３、ｍ２＝２、Δ＝３．２５μｍという組が、この条件
を満足する。このとき区画１４ｂおよび１４ｄを透過し
た光と他の部分を透過した光との間の位相差の波数換算
値は、第１光源１１からの光の場合３なので位相差０°
と等価であり、第２光源２１からの光の場合２．５なの
で位相差１８０°と等価である。

【００２０】したがって、第２光源２１の光のうち図１
１の７ａに相当する部分の光は位相分布が変更され、光
スポット２７の周辺で互いに干渉して強度を弱めるた
め、サイドローブが減少する。一方第１光源１１の光は
何ら位相を乱されることなく、段差がない場合と同じ光
スポット１７を結像する。

【００２１】図３は、情報記録面２６におけるラジアル
チルトが１°の場合のラジアル方向スポットプロファイ
ルの計算結果であり、それぞれ（ａ）が従来例における
像面９、（ｂ）が本実施の形態の光スポット２７のプロ
ファイルを示す。図４は同様にタンジェンシャルチルト
が１°の場合のタンジェンシャル方向プロファイルの計
算結果である。いずれの場合も本実施の形態によるスポ
ットのサイドローブは従来例のほぼ半分に減少してい
る。これはＮＡ０．４５の開口制限手段を設けた場合と
ほぼ同じであり、ディスクチルト時のジッタ低減に効果
があることが明らかである。

【００２２】（実施の形態２）本発明の別の実施の形態
として、低密度光ディスク用光学系を無限光学系とした
場合の光ヘッドの構成を、図５に示す。図５において、
図１と同一の構成要素については同一符号を付した。な
お図１の場合と同様に、光ディスクから反射された光を
検出する検出光学系については記述を省略する。

【００２３】図５において、波長７８０ｎｍの第２光源
２１から出射した光束は、ビームスプリッタ１２を介し
て集光レンズ１３により略平行な光となり、対物レンズ
３４に入射し、光ディスク２５の情報記録面２６上に集
光スポット３７として結像する。対物レンズ３４の入射
側表面には、直径が有効径の６０％より外側の領域に、
位相分布変更領域３８が設けられている。

【００２４】図６は、対物レンズ３４の拡大図である。
入射側の有効径の６０％以上の領域を３４ａ、３４ｂ、
３４ｃ、３４ｄ、３４ｅの５つの区画に分け、区画３４
ｂおよび３４ｄに段差を設けている。各区画の境界は、
図２中に示すようにそれぞれ有効径の６５％、７５％、
８５％、９５％である。この段差は、第２光源２１の光
に対して位相１８０°、第１光源１１の光に対して位相
０°になるよう設定されている。段差量の設定のしかた
は第１の実施の形態の場合と同じであり、位相分布の変
更によるジッタ低減の効果も第１の実施の形態の場合と
同じ作用による。

【００２５】ここで、位相分布変更領域とそうでない領
域の境界を６０％とした理由を以下に述べる。対物レン
ズの有効径以外の開口制限を行わない場合、光束の外周
側の部分の光は信号の記録再生に有効に寄与しないばか
りか大きなサイドローブを形成して信号の品質を劣化さ
せることは、光学系を有限系にした場合と同様である。
しかし光学系を無限系にした場合、発生する球面収差は
有限系の場合の１０倍にもなるため、ディスクチルトが
ない状態でも大きなサイドローブを形成し、全光束の波
面収差が最小になる像面位置とジッタが最良になる像面
位置の間隔が、有限光学系の場合よりもはるかに大きく
なる。図７は、無限光学系において、像面位置とジッタ
およびその像面位置に対応するＮＡとの関係を示すグラ
フである。像面位置に対応するＮＡとは、開口制限を設
けた場合に波面収差が最小になる像面を想定し、そのと
きの開口制限によるＮＡのことを言う。なお像面位置
は、全光束の波面収差が最小になる位置からの距離で示
しており、対物レンズからディスクに向かう方向を正と
している。図７において、ジッタが最小になる像面位置
は、無限光学系にＮＡ０．３７の開口制限を設けた場合
の像面位置とほぼ等しい。これは、光学系が無限系の場
合には、ＮＡ０．３７より外側の光は信号の記録再生に
有効に寄与していないことを意味する。したがって、こ
の領域の光の位相分布を変更すれば、サイドローブを低
減して信号品質を改善することができる。ＮＡ０．３７
は光束の直径に換算すると全光束の約６０％なので、そ
れよりも外側の領域を位相分布変更領域とすればよいこ
とがわかる。

【００２６】図８は、情報記録面２６におけるディスク
チルトがない場合のタンジェンシャル方向のスポットプ
ロファイルの計算結果であり、（ａ）が従来例における
像面９、（ｂ）が本実施の形態の光スポット３７のプロ
ファイルを示す。本実施の形態では従来例よりもサイド
ローブが減少していることに加え、スポット径も減少し
ていることが示されている。これらのスポットでＣＤの
信号を再生した場合のジッタをスカラー回折理論に基づ
くシミュレーションにより計算すると、従来例では９．
９％であるのに対し、本実施の形態では５．７％まで改
善される。

【００２７】なお、以上の実施の形態では、位相分布変
更のための段差を対物レンズの入射面に凹形状で設ける
例を示したが、図９に示すように、同様な段差４０をも
つ凸状の合成樹脂製の膜４１を形成して対物レンズ４２
に貼着するようにしても同じ効果が得られる。またこれ
らの位相段差手段を、入射面でなくディスクに相対する
面に設けてもよい。さらに、図１０に示すように、対物
レンズは従来例と同じ対物レンズ１として、位相段差４
３を設けた平板の光学素子４４を用いても同じ効果が得
られる。この場合も、段差を素子４４のどちらの面に設
けても、また凹形状・凸形状のいずれであってもよい。
また以上の実施の形態では、位相分布変更領域を５つの
区画に分け、そのうち２つの区画に段差を与える例を示
したが、区画の数はこれに限らずいくつであってもよ
い。

【００２８】また、上記説明では光ディスクを用いて説
明したが、これに限定されず、カード状、テープ状、ド
ラム状など類似の機能を実現する光学的情報記録再生装
置に適用可能なことは、自明であり本発明の範囲であ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明により、対応基板
厚みまたは対応波長が異なる光ディスクを記録再生する
光ヘッドにおいて、開口制限手段なしでも実用可能な信
号品質を得ることができる。また本発明は、有限系・無
限系いずれの光学系に対しても有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態における光ヘッド
の構成図。

【図２】 本発明の第１の実施の形態における対物レン
ズの拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図。

【図３】 ラジアルチルト時のスポット形状図で、
（ａ）は段差を設けていない場合、（ｂ）は図２の対物
レンズを用いた場合を示す。

【図４】 タンジェンシャルチルト時のスポット形状図
で、（ａ）は段差を設けていない場合、（ｂ）は図２の
対物レンズを用いた場合を示す。

【図５】 本発明の第２の実施の形態における光ヘッド
の構成図。

【図６】 本発明の第２の実施の形態における対物レン
ズの拡大図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図。

【図７】 無限光学系における像面位置とジッタの関係
を示すグラフ。

【図８】 スポット形状図で、（ａ）は段差を設けてい
ない場合、（ｂ）は図５の対物レンズを用いた場合を夫
々示す。

【図９】 本発明の他の実施形態を示す対物レンズの拡
大断面図。

【図１０】 本発明の他の位相段差付与方法を示す説明
図。

【図１１】 従来技術による光ヘッドの構成図。

【符号の説明】

１１ 第１の光源 １２ ビームスプリッタ １３ 集光レンズ １４ 対物レンズ １４ａ 位相分布変更領域 １４ｂ 位相分布変更領域 １４ｃ 位相分布変更領域 １４ｄ 位相分布変更領域 １４ｅ 位相分布変更領域 １５ 第１の光ディスク １６ 第１の情報記録面 １７ 第１の集光スポット ２１ 第２の光源 ２５ 第２の光ディスク ２６ 第２の情報記録面 ２７ 第２の集光スポット ２８ 位相分布変更領域 ３４ 対物レンズ ３４ａ 位相分布変更領域 ３４ｂ 位相分布変更領域 ３４ｃ 位相分布変更領域 ３４ｄ 位相分布変更領域 ３４ｅ 位相分布変更領域 ３７ 集光スポット ３８ 位相分布変更領域 ３９ 対物レンズ ４０ 樹脂膜 ４１ 平板光学素子

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光源からの第１の波長の光束を第
   １の光学的情報記録媒体に収束させる第１の光学系と、
   第２の光源からの第２の波長の光束を第１の光学的情報
   記録媒体とは基板の厚みが異なる第２の光学的情報記録
   媒体に収束させる第２の光学系を有し、第１の波長は第
   ２の波長よりも短く、前記第１の光学系および第２の光
   学系は第１の光学的情報記録媒体に対して最適設計され
   た対物レンズを共有する光ヘッドであって、 対物レンズの入射瞳の外周部に入射する光の位相分布を
   変更する手段を上記第２光学系に対して設けたことを特
   徴とする光ヘッド。
2. 【請求項２】 上記第２光学系が有限光学系として構成
   された、請求項１に記載の光ヘッド。
3. 【請求項３】 上記第２光学系が無限光学系として構成
   された、請求項１に記載の光ヘッド。
4. 【請求項４】 上記第１光学系と第２光学系とは、対物
   レンズを含んで共用の光路を有する、請求項１から３の
   いずれか一に記載の光ヘッド。
5. 【請求項５】 上記光位相分布変更手段は、上記共用の
   光路上に設けられている、請求項４に記載の光ヘッド。
6. 【請求項６】 上記光位相分布変更手段は、光の位相を
   変更する部位と光の位相を変更しない部位とが交互に形
   成され、光の位相を変更する部位は光の位相を変更しな
   い部位を通過する光に対して一定の位相差となるよう
   に、光の位相を変更する手段である、請求項５に記載の
   光ヘッド。
7. 【請求項７】 位相の変更量が第１の波長の光に対して
   は波長の整数倍、第２の波長の光に対しては１８０°で
   ある、請求項６に記載の光ヘッド。
8. 【請求項８】 上記光位相分布変更手段は、上記共用の
   光路上の光学部材の表面に形成されたリング状の凹凸で
   ある、請求項７に記載の光ヘッド。
9. 【請求項９】 上記光位相分布変更手段は、上記共用の
   光路上の光学部材の表面に装着されたリング状の凹凸を
   有する透明部材である、請求項７に記載の光ヘッド。