JP2005293667A - 光ピックアップ装置及び光学系ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】
組付及び調整の手間を軽減でき、しかも小型化を実現できる光ピックアップ装置及び光学系ユニットを提供する。
【解決手段】
エキスパンダー光学系ＥＸＰとユニット化された単一の圧電アクチュエータＰＺを用いることで、レンズホルダＨＤ２に保持したレンズＬ２を大きな移動量で移動させることもでき、或いは小さな移動量で移動させることもできる。従って、従来技術に開示されているような２つの特性の異なるアクチュエータは不要となり、装置のコンパクト化を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ピックアップ装置及び光学系ユニットに関し、特に光情報記録媒体に対して適切に情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置及び光学系ユニットに関する。

近年、短波長赤色半導体レーザの実用化に伴い、従来の光ディスク（「光情報記録媒体」ともいう）である、ＣＤ（コンパクトディスク）と同程度の大きさで大容量化させた高密度の光ディスクであるＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）が開発・製品化されているが、近い将来には、より高密度な次世代の光ディスクが登場することが予想されている。このような次世代の光ディスクを媒体とした光ピックアップ装置の光学系では、記録信号の高密度化、或いは高密度記録信号の再生のために、光源であるレーザの短波長化とともに対物レンズの高開口数(Nurmerical Aperture:NA)化が図られている。

しかしながら、対物レンズの高ＮＡ化が図られてくると、ＣＤやＤＶＤのごとき比較的低密度な光ディスクを記録または再生する場合においてほとんど無視できた問題でもより顕在化されることが予想される。

その問題の１つが、光ディスクの保護層（「透明基板」ともいう）の厚み誤差により生じる球面収差である。この球面収差は対物レンズの開口数の４乗に比例して発生する。開口数が比較的小さい従来のＣＤやＤＶＤの場合には保護層の厚さの誤差による球面収差の発生量は十分小さいので、特別に球面収差を補正する必要はなかった。これに対し、対物レンズの開口数が大きくなった場合、例えば開口数を０．８５とした場合には、保護層の厚み誤差の許容値は１０μｍ以下となってしまう。ところが、現状の光ディスクの製造方法では安定して１０μｍ以下の厚み誤差とすることは難しく、量産として成立しない恐れがある。したがって、光学系において光ディスクの保護層の厚み誤差による球面収差を補正する必要がある。しかし、その場合には光ディスクに対する情報の記録または再生を行いながら、リアルタイムで光ディスクの保護層の厚み誤差による球面収差を補正する必要があるので、球面収差を補正する手段には高速な応答が要求される。

また、高密度な次世代の光ディスクの規格の１つとして、０．１ｍｍ程度の保護層を用いることが提案されている。これは、対物レンズが高開口数化されることにより光ディスクのそりや傾きによって大きく生じるコマ収差を抑えるためである。ところが、これによりＣＤやＤＶＤと大きく保護層の厚さが異なってしまうので、少なくとも共通の対物レンズを用いることにより、コストを大幅に増大させることなく、これらの様々な規格の光ディスクの間の互換性をとることが要求される。

更に、同一光束入射面側から保護層と情報記録層とを交互に２層積層した構造とすることで、記憶容量を２倍に高めた、いわゆる２層記録ＤＶＤが知られているが、次世代の光ディスクシステムでは、ＤＶＤよりも高開口数の対物レンズを使用するので、このような２層記録型の光ディスクを記録／再生しようとすると、情報記録層間のフォーカスジャンプの際に光束入射面からそれぞれの情報記録層までの厚さの違いによって球面収差が大きく発生してしまう。従って、次世代の光ディスクシステムでは、情報記録層間のフォーカスジャンプの際は、対物レンズのフォーカシングを行うと同時に球面収差の補正も行わなければならない。

加えて、温度により屈折率変化が生じる対物レンズを用いて対物レンズを形成した場合、温度変化に応じて球面収差の劣化が生じるので、その補正を行う必要もある。

これらの問題を解決するために、正レンズと負レンズとからなり、そのうち少なくとも一方を光軸に沿って移動可能としたビームエキスパンダを有する集光光学系が提案されている（特許文献１）。
特開２０００−３３４４７６号公報

ここで、上記特許文献１の集光光学系では、温度変化に起因して生じる球面収差の変動や、保護層の厚さの異なる光情報記録媒体の情報記録面に対して情報の記録または再生を行う際に保護層の厚さの違いに起因して発生する球面収差の変動を、第１のアクチュエータにより光学素子を比較的大きな移動量で移動させて補正し、また、記録または再生中に集光光学系で発生する球面収差の変動を第２のアクチュエータにより光学素子を比較的高速にかつ精緻に移動させてリアルタイムに補正している。従って、２つのアクチュエータを搭載しているために、光ピックアップ装置が大型化するという問題がある。

一方、複数の光学素子を用いてビームエキスパンダを構成すると、光ピックアップ装置の基準光軸に対して、個々の光学素子の光軸を合わせる必要があり、組付及び調整に手間がかかる。これに対し、アクチュエータとビームエキスパンダを予めユニット化しておけば組付及び調整の手間が軽減されるが、かさばる２つのアクチュエータとビームエキスパンダを組み込んだ上で１つのユニットとすると、かかるユニットをいずれに配置するかなど光ピックアップ装置の設計の自由度が制限されるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、組付及び調整の手間を軽減でき、しかも小型化を実現できる光ピックアップ装置及び光学系ユニットを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光ピックアップ装置は、光源と、前記光源からの光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させるための対物レンズ、及び前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配置され、収差補正のために光軸方向に移動可能となっている少なくとも一つの光学素子を含む集光光学系と、前記少なくとも一つの光学素子を駆動させる駆動手段と、を有する光ピックアップ装置であって、前記少なくとも一つの光学素子と前記駆動手段とは一体化されており、前記駆動手段は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一端に固定された駆動部材と、前記可動要素に連結され、且つ前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、前記電気機械変換素子に電圧を印加する駆動回路とから構成され、前記駆動回路から印加された電圧に応じて前記電気機械変換素子を伸縮させることで、前記駆動部材と前記可動部材を相対移動させるようになっていることを特徴とする。

前記駆動手段において、前記駆動回路より前記電気機械変換素子に対して鋸歯状の波形をしたパルスなどの駆動電圧をごく短時間印加することで、前記電気機械変換素子を微少に伸長または収縮するように変形させることができるが、そのパルスの形状により伸長又は収縮の速度を変えることができる。ここで、前記電気機械変換素子を伸長または収縮方向へ速い速度で変形したとき、前記可動部材は、その質量の慣性により、前記駆動部材の動作に追随せず、そのままの位置に留まる。一方、電気機械変換素子がそれよりも遅い速度で反対方向へと変形したとき、前記可動部材は、その間に作用する摩擦力で駆動部材の動作に追随して移動する。したがって、前記電気機械変換素子が伸縮を繰り返すことにより、前記可動部材は一方向へ連続して移動することができる。即ち、本発明の駆動手段を用いることで、前記可動部材に連結した光学素子を大きな移動量で移動させることもでき、或いは小さな移動量で移動させることもできる。従って、特許文献１に開示されているような２つの特性の異なるアクチュエータは不要となり、装置のコンパクト化を図ることができる。尚、「光軸方向に移動可能な少なくとも１つの光学素子」とは、例えばエキスパンダー光学系を構成する光学素子であっても良く、カップリングレンズであっても良い。

請求項２に記載の光ピックアップ装置は、請求項１に記載の発明において、前記集光光学系は、前記少なくとも１つの光学素子と、それとは異なる光学素子とが射出成形により形成されていることを特徴とする。例えば光学素子がプラスチックを射出成形してなるような場合、かかる光学素子にはゲートの位置に起因して、わずかに回転非対称な光学特性が残存する恐れがある。複数の光学素子に、そのような回転非対称な光学特性が残存した場合、それらの位相を合わせたときに、相乗効果によって狙い通りの光学特性を得られない恐れがある。そこで、光学素子の組付に当たっては、回転非対称な光学特性の位相をずらすことが求められるが、一般的には光学素子を製造するメーカーとは異なるの光ピックアップ装置のメーカーにおいて、組付時に、いちいち光学素子の方向をチェックしながら組み付けるのでは手間がかかる。一方、光学素子を製造するメーカーは、光学素子に対するゲート位置を把握しているという実状がある。そこで、本発明のように、前記駆動手段に一体化してなる前記少なくとも１つの光学素子と、それとは異なる光学素子の位相を予め合わせた状態で、光ピックアップ装置のメーカーに納入するようにすれば、光学素子のゲート位置の位相をずらすことが容易にでき、高い光学特性を確保しながらも組付性の向上に貢献することとなる。

請求項３に記載の光ピックアップ装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記対物レンズはプラスチックから形成されており、温度変化に起因して発生する球面収差の変動を、前記少なくとも１つの光学素子を光軸方向に移動させることで補正するようになっていることを特徴とする。

請求項４に記載の光ピックアップ装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記光ピックアップ装置は、保護層の厚さの異なる光情報記録媒体の情報記録面に対してそれぞれ情報の記録および／または再生が可能となっており、光情報記録媒体の保護層の厚さの違いに起因して発生する球面収差の変動を、前記少なくとも１つの光学素子を光軸方向に移動させることで補正するようになっていることを特徴とする。

請求項５に記載の光ピックアップ装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記光源は、少なくとも３８０〜４５０ｎｍの波長の光束を出射することを特徴とする。

請求項６に記載の光学系ユニットは、請求項１〜５のいずれかに記載の光ピックアップ装置に用いられ、前記少なくとも１つの光学素子と前記駆動手段とを一体化してなることを特徴とする。

本発明によれば、組付及び調整の手間を軽減でき、しかも小型化を実現できる光ピックアップ装置及び光学系ユニットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、２層構造の光情報記録媒体（光ディスクともいう）ＯＤのいずれの情報記録面に対しても適切に情報の記録／再生を行える光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。尚、光源波長λは４０５ｎｍであるが、６５５ｎｍでもよい。

図１の光ピックアップ装置は、光ディスクＯＤに対して情報の記録／再生を行う場合に発光され、４０５ｎｍのレーザ光束を射出する光源（半導体レーザ）ＬＤと、光ディスクＯＤの情報記録面からの反射光束を受光する光検出器ＰＤと、コリメートレンズＣＯＬ、プリズムペアＰＰ、偏光ビームスプリッタＰＢＳ、エキスパンダー光学系ＥＸＰ、１／４波長板ＱＷＰ、絞りＡＰ、対物レンズＯＢＪを含む集光光学系とを有している。

図１の光ピックアップ装置において、半導体レーザＬＤから出射された光束は、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされた後、プリズムペアＰＳを通過する際にビーム整形を施され、更に偏光ビームスプリッタＰＢＳを通過して、エキスパンダー光学系ＥＸＰに至る。エキスパンダー光学系ＥＸＰは、凹レンズＬ１と凸レンズＬ２とを有し、レンズＬ１、Ｌ２の光軸方向の間隔を変更することによって、情報を記録及び／又は再生すべき情報記録面Ｒ１，Ｒ２の保護層の厚さに起因する収差補正を可能にする。又、同時に温度変化に起因した球面収差劣化の補正を行ってもよい。

エキスパンダー光学系ＥＸＰを通過した光束は、１／４波長板ＱＷＰ、絞りＡＰを通過し、対物レンズＯＢＪに入射して、ここから光ディスクＯＤの情報記録面Ｒ１，Ｒ２のいずれかに集光される。

いずれかの情報記録面Ｒ１、Ｒ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物レンズＯＢＪ、絞りＡＰ、１／４波長板ＱＷＰ、エキスパンダー光学系ＥＸＰを通過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射されて、シリンドリカルレンズＣＹを通過し、センサレンズＳＬにより、光検出器ＰＤの受光面に集光されるようになっている。光検出器ＰＤの出力信号を用いて、光ディスクＯＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器ＰＤ上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出に基づいて対物レンズアクチュエータ機構ＡＣＴのフォーカシングアクチュエータ及びトラッキングアクチュエータが、半導体レーザＬＤからの光束を光ディスクＯＤの情報記録面上に適切に結像するように、対物レンズＯＢＪを一体で移動させるようになっている。

図２は、エキスパンダー光学系ＥＸＰと、その駆動手段とを一体的に収納した光学系ユニットＸＵの斜視図である。図２において、ベースＢの両端から上方に壁Ｗ１，Ｗ２が延在している。壁Ｗ１，Ｗ２（切り欠いて図示）の上端近傍を連結するようにしてガイド軸ＧＳが延在している。壁Ｗ１，Ｗ２にはそれぞれ光束が通過する開孔ＨＬが形成されている。

プラスチックから射出成形により形成されたレンズＬ１は、レンズホルダＨＤ１により外周を保持され、壁Ｗ１の開孔ＨＬを覆うようにしてビス止めされる。このとき、レンズＬ１の射出成形時のゲート位置は、例えば光軸から垂直上方の位置にあるようにセットされる（黒三角図示）。尚、レンズＬ１の組み付けに当たっては、オートコリメータなどを用いて、基準軸に対しシフトやチルトを極力抑えることが望ましい。

一方、プラスチックから射出成形により形成されたレンズＬ２は、レンズホルダＨＤ２により外周を保持されている。可動部材となるレンズホルダＨＤ２は、ガイド軸ＧＳに係合する係合部ＨＤａと、駆動力を受ける駆動部ＨＤｂとを有している。かかる状態で、レンズＬ２の射出成形時のゲート位置は、例えば光軸から垂直下方の位置にあるようにセットされる（黒三角図示）。尚、ガイド軸ＧＳは、必ずしも設ける必要はない。

駆動部ＨＤｂは板状であって、上面に板ばねＳＧを取り付けている。駆動部ＨＤｂと板ばねＳＧとの間には、駆動部材である駆動軸ＤＳが配置され、板ばねＳＧの付勢力で適度に押圧されている。駆動軸ＤＳの壁Ｗ１側は自由端となっており、壁Ｗ２側の端部は、圧電アクチュエータＰＺに連結されている。ベースＢ上には、駆動部ＨＤｂの移動量を検出する不図示のエンコーダから信号を受けて、圧電アクチュエータＰＺを駆動制御するために電圧を印加する駆動回路ＤＣが配置されている。圧電アクチュエータＰＺと、駆動軸ＤＳと、駆動部ＨＤｂと、板ばねＳＧと、駆動回路ＤＣとで駆動手段を構成する。尚、駆動回路ＤＣは、ベースＢとは別に配置して、配線により連結しても良い。

電気機械変換素子である圧電アクチュエータＰＺは、ＰＺＴ(ジルコン・チタン酸鉛)などで形成された圧電セラミックスを積層してなる。圧電セラミックスは、その結晶格子内の正電荷の重心と負電荷の重心とが一致しておらず、それ自体分極していて、その分極方向に電圧を印加すると伸びる性質を有している。しかし、圧電セラミックスのこの方向への歪みは微小であり、この歪み量により駆動部材を駆動することは困難であるため、図３に示すように、複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータＰＺが実用可能なものとして提供されている。本実施の形態では、この積層型圧電アクチュエータＰＺを駆動源として用いている。

次に、この光学系ユニットＸＵによるレンズＬ２の駆動方法について説明する。一般に、積層型圧電アクチュエータＰＺは、電圧印加時の変位量は小さいが、発生力は大でその応答性も鋭い。したがって、図４（ａ）に示すように立ち上がりが鋭く立ち下がりがゆっくりとした略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電アクチュエータＰＺは、パルスの立ち上がり時に急激に伸び、立ち下がり時にそれよりもゆっくりと縮む。したがって、圧電アクチュエータＰＺの伸長時には、その衝撃力で駆動軸ＤＳが図２の奥側（壁Ｗ１側）へ押し出されるが、レンズＬ２を保持したレンズホルダＨＤ２の駆動部ＨＤｂと板ばねＳＧは、その慣性により、駆動軸ＤＳと一緒には移動せず、駆動軸ＤＳとの間で滑りを生じてその位置に留まる（わずかに移動する場合もある）。一方、パルスの立ち下がり時には立ち上がり時に比較して駆動軸ＤＳがゆっくりと戻るので、駆動部ＨＤｂと板ばねＳＧが駆動軸ＤＳに対して滑らずに、駆動軸ＤＳと一体的に図２の手前側（壁Ｗ２側）へ移動する。即ち、周波数が数百から数万ヘルツに設定されたパルスを印加することにより、レンズホルダＨＤ２を所望の速度で連続的に移動させることができる。尚、以上より明らかであるが、図４（ｂ）に示すように電圧の立ち上がりがゆっくりで、立ち下がりが鋭いパルスを印加すれば、レンズホルダＨＤ２を逆の方向へ移動させることができる。特に、ガイド軸ＧＳがまっすぐであれば、レンズホルダＨＤ２は光軸方向に精度良く移動することとなり、駆動により光軸ずれが生じる場合に比べ、収差劣化を効果的に抑制できる。

このように鋸歯状の波形をしたパルスの生成は、駆動回路ＤＣのマイクロコンピュータから出力する信号をＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換し、これをアンプで増幅することによって実現できる。波形形状を表す信号は、光検出器ＰＤからの信号に応じて、不図示のメモリに予め記憶されていると好ましいが、例えば駆動軸ＤＳを駆動しながら最適な集光スポットを得るというようなフィードバック制御も可能である。記憶されるデータとしては、例えば図４に示す最大電圧Ｖｍａｘ、電圧のホールド時間ｔ１，ｔ２、立ち上がりと立ち下がりの段数、そのときの１ステップのホールド時間Δｔなどがある。なお、図４では、電圧が比較的ゆっくりと変化する部分を直線で示しているが、厳密には、マイクロコンピュータから階段状の信号を出力することで、この波形のパルスを得ている。

本実施の形態によれば、単一の圧電アクチュエータＰＺを用いることで、レンズホルダＨＤ２に保持したレンズＬ２を大きな移動量で移動させることもでき、或いは小さな移動量で移動させることもできる。従って、保護層の厚さに起因して生じる球面収差の劣化や、温度変化に起因して生じる球面収差の劣化を補正するために、従来技術に開示されているような２つの特性の異なるアクチュエータは不要となり、装置のコンパクト化を図ることができる。

更に、本実施の形態によれば、レンズＬ１，Ｌ２がプラスチックを射出成形してなるため、ゲートの位置に起因して、わずかに回転非対称な光学特性が残存する恐れがある。そこで、レンズＬ１，Ｌ２の組付に当たっては、回転非対称な光学特性の位相を１８０度ずらせており、その状態で光学ユニットとして組み付けを行っているので、かかるユニットの状態で、光ピックアップ装置のメーカーに納入でき、高い光学特性を確保しながらも組付性の向上に貢献することとなる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明の光学ユニットは、光源波長が４０５ｎｍ程度の青紫色半導体レーザを備えた光ピックアップ装置や、異なる種類（ＢＤ、ＨＤ ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤ等）の光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置に用いると特に効果がある。

２層構造の光情報記録媒体（光ディスクともいう）ＯＤのいずれの情報記録面に対しても適切に情報の記録／再生を行える光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。 エキスパンダー光学系ＥＸＰと、その駆動部とを一体的に収納した光学系ユニットＸＵの斜視図である。 複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータＰＺを示す斜視図である。 圧電アクチュエータＰＺに印加される電圧パルスの波形を示す図である。

符号の説明

ＡＣＴ 対物レンズアクチュエータ機構
ＡＰ 絞り
Ｂ ベース
Ｃ 電極
ＣＯＬ コリメートレンズ
ＣＹ シリンドリカルレンズ
ＤＳ 駆動軸
ＥＸＰ エキスパンダー光学系
ＧＳ ガイド軸
ＨＤ１ レンズホルダ
ＨＤ２ レンズホルダ
Ｌ１ 凹レンズ
Ｌ２ 凸レンズ
ＬＤ 半導体レーザ
ＯＢＪ 対物レンズ
ＯＤ 光ディスク
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ
ＰＤ 光検出器
ＰＥ 圧電セラミックス
ＰＰ プリズムペア
ＰＳ プリズムペア
ＰＺ 圧電アクチュエータ
ＰＺ 積層型圧電アクチュエータ
ＱＷＰ 波長板
Ｒ１ 情報記録面
Ｒ１，Ｒ２ 情報記録面
ＳＬ センサレンズ
Ｗ１，Ｗ２ 壁
ＸＵ 光学系ユニット

Claims (6)

1. 光源と、前記光源からの光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させるための対物レンズ、及び前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配置され、収差補正のために光軸方向に移動可能となっている少なくとも一つの光学素子を含む集光光学系と、前記少なくとも一つの光学素子を駆動させる駆動手段と、を有する光ピックアップ装置であって、
   前記少なくとも一つの光学素子と前記駆動手段とは一体化されており、
   前記駆動手段は、
   電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の一端に固定された駆動部材と、
   前記可動要素に連結され、且つ前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、
   前記電気機械変換素子に電圧を印加する駆動回路とから構成され、
   前記駆動回路から印加された電圧に応じて前記電気機械変換素子を伸縮させることで、前記駆動部材と前記可動部材を相対移動させるようになっていることを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 前記集光光学系において、前記少なくとも１つの光学素子と、それとは異なる光学素子とが射出成形により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置。
3. 前記対物レンズはプラスチックから形成されており、温度変化に起因して発生する球面収差の変動を、前記少なくとも１つの光学素子を光軸方向に移動させることで補正するようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ピックアップ装置。
4. 前記光ピックアップ装置は、保護層の厚さの異なる光情報記録媒体の情報記録面に対してそれぞれ情報の記録および／または再生が可能となっており、光情報記録媒体の保護層の厚さの違いに起因して発生する球面収差の変動を、前記少なくとも１つの光学素子を光軸方向に移動させることで補正するようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ピックアップ装置。
5. 前記光源は、少なくとも３８０〜４５０ｎｍの波長の光束を出射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光ピックアップ装置に用いられ、前記少なくとも１つの光学素子と前記駆動手段とを一体化してなることを特徴とする光学系ユニット。
   

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