JP2001307349A - 光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高ＮＡの２群２枚の対物レンズの面間隔の誤
差や、基板厚さの誤差によって生じる球面収差を精度よ
く、安定に検出する方法を提供する。 【解決手段】 光検出器に集光する前に、回折格子によ
り光束の内側と外側を別々の光検出器に集光させるよう
にし、それぞれ独立に焦点ずれ信号を演算したのちにこ
れらの差を得ることによって球面収差信号を得る。これ
により球面収差信号をより安定に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ディスク装置に係
り、特に基板厚さずれや、高ＮＡ用２枚対物レンズにお
ける球面収差の補正技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクは高密度化の一途をた
どり、民生用再生専用光ディスクである０．６５ＧＢの
ＣＤ−ＲＯＭに対して４．７ＧＢのＤＶＤ−ＲＯＭが発
売されている。記録可能な大容量光ディスクとしては
２．６ＧＢのＤＶＤ−ＲＡＭがすでに実用化され、平成
１２年上半期中にはその大容量版である４．７ＧＢ容量
のものが発売される見通しである。このような記録可能
なＤＶＤは、コンピュータ用のストレージメディアとし
ての用途のみならず、巻き戻しや早送りが不要のビデオ
画像記録用としての応用の要求が高まっており、平成１
１年末にはすでに光ディスクを用いたビデオレコーダが
発売され始めている。ＤＶＤ−ＲＡＭを用いたビデオレ
コーダも４．７ＧＢ容量版から、サポートされる見込み
であり、ＣＤやＤＶＤ−ＲＯＭとの互換性の点で、市場
からの期待は大きい。しかし容量は４．７ＧＢに留まら
ず、さらに今後の衛星放送のディジタル化に伴い、高精
細動画像を２時間録画可能な２０ＧＢの大容量化が望ま
れている。

【０００３】光ディスクの記録密度は記録再生する光ス
ポットの大きさλ／ＮＡ（λ：光波長、ＮＡ：対物レン
ズ開口数）によりほぼ制限される。したがって大容量化
のためには波長を短くするか、開口数を大きくすること
が必要である。波長については近年、波長４１０ｎｍの
青紫色半導体レーザの開発が進んでいる。現状の４．７
ＧＢのＤＶＤでは波長６５０ｎｍであるため、青紫色半
導体レーザを用いるだけで、原理的にはこれらの波長比
の2乗で約２．５倍、約１２ＧＢの容量は実現できるこ
とになる。しかしこれをさらに２０ＧＢまで高めるに
は、ＮＡを１．３倍、すなわち現状ＤＶＤの０．６に対
して０．７８まで高める必要がある。

【０００４】このようにＮＡを増大させる従来の技術と
してはたとえば特開平11-195299がある。ここでは２群
２枚の対物レンズを用いて、ＮＡを最大０．８５まで高
めている。このとき、ＮＡが大きくなるとそれにともな
って光学系のずれや、ディスク基板の厚さと傾きの誤差
などで発生する収差が増大する問題がある。これに対し
て上記従来例においては、ディスク傾きにより発生する
コマ収差を低減するためには基板の厚さを０．１ｍｍま
で薄くし、基板厚さ誤差により発生する球面収差につい
てはディスクの表面と記録面の焦点ずれ信号の差から基
板の厚さを検出し、それに基づいて２枚のレンズの間隔
を変えて球面収差を補償している。

【０００５】さらに他の従来例としては特開平2000-057
616がある。ここでは上記のように球面収差を補償する
ための制御信号を、光検出器上で光スポットの内側と外
側を分離して検出した非点収差方式による焦点ずれ信号
の差信号によって検出している。またこのときそれらの
和の信号を焦点ずれ信号としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来例にお
いては、表面と記録膜面からの焦点ずれ信号から基板厚
さを検出することで球面収差を検出しているが、この場
合には直接球面収差を検出しているわけではないため、
基板の屈折率のずれや、光検出器のずれ等の影響で誤差
が生じやすく、制御が難しいという問題点がある。

【０００７】また第２の従来例においては、後で詳細に
説明するように、球面収差そのものによる焦点ずれ信号
波形の劣化が大きく、球面収差の検出可能な焦点ずれ範
囲が狭いという問題点がある。さらに球面収差による焦
点ずれ信号のオフセットも大きい。

【０００８】以上の課題に鑑み、本発明の目的は、基板
厚や光学系のずれにともなう球面収差を、精度よく、安
定に検出し、これを補正するとともに、オフセットの少
ない焦点ずれ信号を検出し、安定に光ディスクの記録再
生を行う光ディスク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】上記課題を解決するため
の本発明の光ディスク装置は基本的に、半導体レーザ
と、その光を光ディスク上に集光する光学系と、集光さ
れる光の焦点位置を可変にする可変焦点機構と、集光さ
れる光に可変の球面収差を付加する球面収差付加機構
と、光ディスクからの反射光を半導体レーザから光ディ
スクまでの光路から分岐する光分岐素子と、分岐された
反射光を集光するレンズと、このレンズにより集光され
た光を受光して電気信号に変換する受光素子と、その受
光素子の電気信号から、再生信号と焦点ずれ信号を得る
演算回路から少なくとも構成される。

【００１０】このとき光分岐素子によって分岐された反
射光を、さらに光軸付近の第1の光束と周辺部の第2光束
に分離して前記受光素子に集光されるように分岐させる
第2の光分岐素子を付加する。この光分岐素子は実質的
にホログラムとなる。そして前記第1の光束と前記第2の
光束の各々についてそれぞれ第1、第2の焦点ずれ信号を
独立に検出して、実質的にそれらの差信号により球面収
差にほぼ比例する信号を得る。これを用いて球面収差付
加機構を制御し、集光スポットの球面収差を低減する。
球面収差付加機構としては、前記従来例にも述べられて
いるように、２群２枚の対物レンズの間隔を可変とする
静電アクチュエータ、または電気的に透過光の位相を制
御する液晶フィルタを用いる。またこれらの２つの焦点
ずれ信号の和信号を焦点ずれ信号とする。これを用いて
前記可変焦点機構を制御する。可変焦点機構には実質的
に対物レンズを搭載して可動する静電アクチュエータを
用いる。

【００１１】このとき第1、第2の光分岐素子を一体とし
て光学系を簡素化することができる。

【００１２】また一体となった光分岐素子を偏光性ホロ
グラムとすることで、光量損失を抑えることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の実施の
形態を説明する。

【００１４】図１は本発明による光ディスク装置の基本
的な実施形態である。

【００１５】半導体レーザ１０１からの光はコリメート
レンズ１０２により平行光となり、ビームスプリッタ１
０３を透過し、２群２枚の対物レンズ１０６、１０７に
より光ディスク１０８の記録膜面に、基板越しに集光さ
れている。ビームスプリッタは請求項に記載の第1の光
分岐素子に相当している。２群２枚の対物レンズは第１
レンズ１０６が、２次元アクチュエータ１０４に搭載さ
れ光軸方向と光ディスクの半径方向に駆動される。第２
レンズ１０７は第１レンズと一体となって駆動される球
面収差補正用アクチュエータ１０５に搭載され、２枚の
レンズの間隔を可変され、その間隔に応じた球面収差を
発生させる。光ディスク１０８から反射された光はビー
ムスプリッタ１０３を反射し、光分離ホログラム１０９
に入射し、図示しない光軸付近の光と周辺部分の光が、
異なる方向に分離され、ともに集光レンズ１１０によ
り、シリンドリカルレンズ１１１を通して光検出器１１
２に入射している。光検出器１１２には複数の受光領域
があり、これらの光を複数の受光領域で分割して検出
し、光電流に変換する。それらを焦点ずれ信号検出回路
１１３、トラッキング誤差信号検出回路１１４、球面収
差信号検出回路１１５、再生信号検出回路１１６によ
り、電圧信号としてそれぞれの信号を出力する。焦点ず
れ信号は、２次元アクチュエータ１０６の焦点方向の駆
動信号としてフィードバックされ、光ディスク上に常に
最良な像点が結像されるように制御される。トラッキン
グ誤差信号は２次元アクチュエータ１０４のディスク半
径方向への駆動信号としてフィードバックされる。球面
収差信号は球面収差補正用アクチュエータ１０５にフィ
ードバックされ、光ディスク１０８の基板厚さのばらつ
きや、レンズ間隔ずれによる球面収差を補償するように
制御される。再生信号検出回路１１６においては、電流
電圧変換や、波形等化処理、２値化処理等を含み、光デ
ィスクに記録されている信号を再生する。図１におい
て、コリメートレンズ１０２は、集光レンズ１０９と共
用化して、ビームスプリッタ１０３と第１レンズ１０６
の間に配置することも可能である。また光利用効率を向
上させるためには、ビームスプリッタ１０３と第１レン
ズ１０６の間に１／４波長板をおいて、ビームスプリッ
タ１０３を偏光ビームスプリッタとすればよい。また本
実施例においては焦点ずれ検出方式としては、非点収差
方式を用いる場合を示すためにシリンドリカルレンズ１
１１を配置しているが、例えばナイフエッジ方式や、ビ
ームサイズ方式を用いる場合には不要となる。非点収差
方式の場合にも、非点収差を発生させる素子であればよ
く、例えば傾いた平行平面板で代用することもできる。
また本実施形態においては球面収差補償機構としては２
群２枚の対物レンズの間隔にフィードバックしている
が、これはたとえばコリメートレンズ１０２をアクチュ
エータに搭載して動かしてもよい。また電圧駆動の液晶
可変位相変調素子を用いて、波面を直接変調してもよ
い。

【００１６】図２に図1の実施形態における光分離ホロ
グラム１０９のパターンの概略図を示す。入射光束２０
１の径に対して、光量でほぼ等分になるような半径で境
界２０２を設定し、その内側領域２０３と外側領域２０
４で回折格子の方向を異ならせる。これにより光束の内
側と外側が分離されて検出器１１２上に集光されること
になる。ここでは非点収差方式による例を示したが、例
えばナイフエッジ方式ではさらに光束を２分割する少な
くとも１本の直径をさらに境界として分割される領域に
ついても回折格子の方向を異ならせればよい。ビームサ
イズ検出方式であれば、図２の内側と外側で格子の方向
を異ならせたまま、回折光に対してレンズ作用をさせる
ように格子を曲線格子とすればよい。

【００１７】図３に図1の実施形態における光検出器１
１２の受光面パターンと、その出力信号から焦点ずれ信
号、球面収差信号、トラッキング誤差信号、再生信号を
得る回路演算方法を示す模式図を示す。光分離ホログラ
ム１０９により光束の内側と外側に分離された光は４つ
の受光領域３０１、３０２、３０３、３０４により受光
される。このうち４分割受光領域３０１、３０２で外側
光束１次回折光３０５、内側光束１次回折光３０６を受
光し、非分割受光領域３０３、３０４で外側光束―１次
回折光３０７、内側光束―１次回折光３０８を受光す
る。これらの受光領域の出力をバッファアンプ３０９で
電圧に変換し、抵抗３１０で決定される適当なゲインで
差動アンプ３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、
３１６を加減演算する。このとき内側光束と外側光束
で、それぞれ２組の対角領域をそれぞれ加算したのち差
を演算して独立の焦点ずれ信号を得たのち、内側と外側
の焦点ずれ信号を加算することで焦点ずれ信号を求め、
減算することで球面収差信号を求める。このとき光束の
内外の分割の光量比が均等でない場合には、抵抗３１０
を可変抵抗として、調整すればよい。トラッキング誤差
信号はここではプッシュプル方式を用い、光束に対して
ディスクの半径方向の直径で分割される２つの領域の検
出光量の差を得るように演算する。通常のプッシュプル
方式では接線方向の直径で分割される２つの領域の受光
光量の差の演算を行うが、図1の実施形態では非点収差
焦点ずれ検出方式を用いているため、非点収差による最
小錯乱円において、光束の方向が９０°回転し、ディス
クの案内溝による回折パターンが接線方向に現れる。そ
のため分割は半径方向の直径で行う。

【００１８】次に図４を用いて球面収差の検出原理を説
明する。球面収差があると図に示すようにレンズ４０１
で集光される光線のうち、光軸に近い光線と、光軸から
遠い光線で焦点の位置が異なる。したがって光束の内側
と外側に分離すると、それぞれの焦点ずれ信号は、この
焦点位置のずれに伴ってずれることになる。したがって
光束の内側と外側の焦点ずれ信号の差が球面収差をあら
わすことになる。前記した第２の従来例においても、非
点収差焦点ずれ検出において検出器上で光束を内側と外
側に分離しているため、本発明とほぼ同様の原理で球面
収差の検出が可能となる。しかしながら検出器上で分離
すると、収差が大きい場合に光束の内側と外側の光線が
重なって完全に分離できない上に、それらの重なりあっ
た光による干渉で信号が劣化する。そこで本発明では検
出器に入射する前に内側の光束と外側の光束を分離する
のである。また光束を分離して検出することで、実質的
に収差を低減することもできる。収差は通常波面収差の
ＲＭＳ値を直接の評価指標とするが、光束を分割して制
限すると、それぞれの光束ではＲＭＳ波面収差が小さく
なる。そのため焦点ずれ信号の劣化が少なくなり、オフ
セット等も軽減されることが期待できる。また以下の説
明における球面収差の符号を図に示したように定義し
た。

【００１９】図５は本発明における球面収差の検出原理
を計算機シミュレーションにより確認した結果である。
シミュレーションはスカラー回折理論に基づき、検出器
上の光強度分布をフーリエ積分により求めた。焦点ずれ
検出方式は非点収差法である。計算条件は波長６５５ｎ
ｍ、リム強度０．５７、対物レンズＮＡ０．６、検出系
集光レンズＮＡ０．０８８、検出系非点格差０．９２ｍ
ｍ、４分割光検出器サイズ１００μｍ□、検出器分割線
幅１０μｍ、光束分割境界直径有効口径比７０．７％で
ある。グラフ横軸は光ディスク上のスポットの焦点ずれ
量、縦軸は振幅で規格化した焦点ずれ信号である。
（ａ）は球面収差をザイデルの波面収差係数でー０．６
λ、（ｂ）は無収差、（ｃ）は＋０．６λの場合で、そ
れぞれ光束の内側のみの信号と、外側のみの信号と、全
体を同時に検出したときの信号である。球面収差によ
り、光束の内外の焦点ずれ信号がシフトしていることが
わかる。

【００２０】図６はこの結果を用いて本発明における球
面収差信号を計算した結果である。（ａ）は横軸に光デ
ィスク上のデフォーカス量をとり、球面収差を変えて縦
軸に球面収差信号を示している。合焦位置を中心として
±３μｍ程度の範囲で球面収差に比例した信号が得られ
ていることがわかる。（ｂ）は横軸に球面収差をとり、
デフォーカスを変えて球面収差信号を示している。デー
フォーカスがあるとやや球面収差信号にオフセットが加
わるものの、ほぼ良好に球面収差に比例した信号が検出
できていることがわかる。

【００２１】図７は比較のために前記の第２の従来例に
従い、光束中でなく、検出器上で光束の内外を分割して
それぞれの焦点ずれ信号を計算したものである。図５と
比較するとかなり信号の波形が劣化していることがわか
る。特に球面収差があると内外でＤＣ的なオフセットが
生じている。

【００２２】図８は図６と同様の計算を従来例に基づ
き、検出器上の光束分割で計算したものである。図６と
比較して球面収差信号がデフォーカスに対して急激に変
化することがわかる。このため（ｂ）に示すように、球
面収差に対する信号の感度がデフォーカスにより急激に
低下したり、ＤＣオフセットが増大することがわかる。

【００２３】図９は球面収差に対する焦点ずれ信号のオ
フセットの計算結果である。全光束では球面収差により
焦点ずれ信号のオフセットが大きくなるが、本発明にも
とづいて、内外の光束を分離して検出するとオフセット
が非常に小さくなることがわかる。

【００２４】図１０は検出した球面収差をレンズ間隔に
より補償する２枚レンズの補償効果を確認するための計
算モデルである。これは前記の第1の従来例で示されて
いるレンズ形状であり、波長４１０ｎｍ、ＮＡ０．８５
の２群２枚の対物レンズである。ディスク基板１０８は
厚さが０．１ｍｍである。

【００２５】図１１にこのレンズの面形状を示す。面番
号は図１０の左から順に番号づけされている。

【００２６】図１２にレンズ間隔を変えたときに発生す
る球面収差の計算結果を示す。縦軸はザイデルの球面収
差係数であり、波長単位で示している。面間隔により球
面収差が変化することがわかる。

【００２７】図１３は第１、第２の光分岐素子が一体と
なった場合の本発明の光ディスク装置の実施例である。
ここでは半導体レーザ１３０３、光検出器１３０２、１
３０４は１つのパッケージ１３０１に一体化されてお
り、２つの光分岐素子は１／４波長板と偏光性回折格子
が一体となった複合光分岐素子１３０５となっている。
複合光分岐素子１３０５は入射する半導体レーザからの
偏光には入射側の偏光回折格子が作用せず、出射側の１
／４波長板で円偏光とされディスク１０８を反射した光
が再び１／４波長板に入射して、半導体レーザ出射時と
偏光方向が９０°回転した直線偏光となって偏光性回折
格子に入射する。このときに回折格子の位相シフトが作
用して回折し、コリメートレンズ１０２により光検出器
１３０２、１３０４に集光される。偏光性回折格子のパ
ターンは先に示したように焦点ずれ検出方式として非点
収差方式を用いる場合には、検出器方向に回折すると同
時に非点収差を生じる曲線回折格子とすればよい。光検
出器の受光面パターンとしては図３の中心にレーザの発
光点が配置されるように、半導体レーザ１３０３を配置
すればよい。たとえば光検出器基板にシリコンを用いれ
ば異方性エッチングにより容易に４５°に傾斜したミラ
ーを形成できるので、このミラーを用いて半導体レーザ
の出射光を立ち上げるようにすれば、光検出器をその周
囲に配置するだけで、コンパクトに半導体レーザと光検
出器を一体化できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、精度よく、容易かつ安価
に光ディスク装置における球面収差を検出でき、これを
球面収差補償機構にフィードバックすることで、集光ス
ポットの品質を高く維持でき、安定に高密度の光ディス
クの記録再生を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ディスク装置の基本的な実施形
態。

【図２】図1の実施形態における光分離ホログラム１０
９のパターンの概略図。

【図３】図1の実施形態における光検出器１１２の受光
面パターンと回路演算方法。

【図４】球面収差の検出原理を説明する図。

【図５】球面収差による本発明の分離光束焦点ずれ信号
シミュレーション。

【図６】本発明による球面収差信号シミュレーション。

【図７】球面収差による従来例の分離光束焦点ずれ信号
シミュレーション。

【図８】従来例による球面収差信号シミュレーション。

【図９】本発明による球面収差信号シミュレーション。

【図１０】従来例を用いた２枚レンズ計算例のモデル。

【図１１】従来例の２枚レンズ形状。

【図１２】２枚レンズ間隔による球面収差の変化。

【図１３】２つの光分岐素子が一体となった場合の実施
形態。

【符号の説明】

１０１‥‥半導体レーザ、１０２‥‥コリメートレン
ズ、１０３‥‥ビームスプリッタ、１０４‥‥２次元ア
クチュエータ、１０５‥‥球面収差補正用アクチュエー
タ、１０６‥‥第１レンズ、１０７‥‥第２レンズ、１
０８‥‥ 光ディスク、１０９‥‥光分離ホログラム、
１１０‥‥集光レンズ、１１１‥‥シリンドリカルレン
ズ、１１２‥‥光検出器、１１３‥‥焦点ずれ信号検出
回路、１１４‥‥トラッキング誤差信号検出回路、１１
５‥‥球面収差信号検出回路、１１６‥‥再生信号検出
回路、２０１‥‥入射光束、２０２‥‥境界、２０３‥
‥内側領域、２０４‥‥外側領域、３０１、３０２‥‥
４分割受光領域、３０２‥‥ビーム成形ミラー、３０
３、３０４‥‥非分割受光領域、３０５‥‥外側光束１
次回折光、３０６‥‥内側光束１次回折光、３０７‥‥
外側光束―１次回折光、３０８‥‥内側光束―１次回折
光、３０９‥‥バッファアンプ、３１０‥‥抵抗、３１
１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６‥‥差動
アンプ、４０１‥‥レンズ、１３０１‥‥ＬＤ／ＰＤ一
体モジュール、１３０２、１３０４‥‥光検出器、１３
０３‥‥半導体レーザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA02 AA12 AA25 AA34 AA57 AA64 AA65 BB03 BB62 CA05 CA08 CA09 CA15 5D118 AA13 AA14 AA18 BA01 BB02 CA11 CC12 CD02 CD03 CD08 CD11 CF02 CF06 DA03 DA20 DB12 DC03 5D119 AA04 AA22 AA29 BA01 CA09 DA01 DA05 EA02 EA03 EC01 JA11 JA12 JA14 JA23 JA24 JA32 JA44 KA02 KA16 KA19 KA24 LB07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザと、その光を光ディスク上に
   集光する光学系と、前記光学系において集光される光の
   焦点位置を可変にする可変焦点機構と、前記光学系にお
   いて集光される光に可変の球面収差を付加する球面収差
   付加機構と、前記光ディスクからの反射光を前記光学系
   から分岐する光分岐素子と、分岐された反射光を集光す
   るレンズと、前記レンズにより集光された光を受光して
   電気信号に変換する受光素子と、前記受光素子からの電
   気信号から、再生信号と焦点ずれ信号を得る演算回路か
   ら少なくとも構成される光ディスク装置において、分岐
   された反射光をさらに光軸付近の第1の光束と周辺部の
   第2光束に分離して前記受光素子に集光されるように分
   岐させる第2の光分岐素子を付加し、前記第1の光束と前
   記第2の光束の各々についてそれぞれ第1、第2の焦点ず
   れ信号を検出して、実質的にそれらの差信号により前記
   球面収差付加機構を制御し、和信号により前記可変焦点
   機構を制御することを特徴とする光ディスク装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光ディスク装置におい
   て、前記第1、第2の光分岐素子が一体となっていること
   を特徴とする光ディスク装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の光ディスク装置におい
   て、前記一体となった光分岐素子が偏光性ホログラムで
   あることを特徴とする光ディスク装置。