JP2006024268A - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を少なくしながら記録および再生時における光量ロスを最小限にすることができる光ピックアップ装置を提供する。
【解決手段】 光ピックアップ装置の回折格子３の格子定数を全体に亙って一定とし、Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義される、ランドＬとグルーブＧとの、Ｌ／Ｇデューティと称するデューティ比率を、回折格子の格子溝に直交する方向に沿って連続的に変化させ、前記回折格子の中央部においてＬ／Ｇデューティを５０％に近くし、回折格子３の外縁部において１００％に近くする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ディスク等の情報記録媒体に対して半導体レーザの光を照射し、これにより該情報記録媒体の記録面に情報を記録し、または該情報記録媒体の記録面に書き込まれた情報を再生する光ピックアップ装置に関する。

近年、情報記録の分野においては、光学情報記録方式に関する研究が各所で進められている。この光学情報記録方式は、非接触で記録再生が行なえること、再生専用型や追記型、書き換え可能型のそれぞれのメモリ形態に対応できること等の、数々の利点を有している。これにより、安価な大容量メディアを実現し得るものとして、産業用から民生用まで幅広い用途が考えられている。

これら光ディスク装置の最近の流れとしては、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの、既に業界標準となった１２ｃｍ径のディスクにおいて、次の３つの方向で盛んに研究開発が行なわれている。第１は、単位面積あたりの情報記録容量を増やす方向（高密度化）、第２は、これらの業界標準となったディスクにおいて、倍速記録などのように情報書き込み速度を高める方向（高転送レート化）、第３は、モバイル用途を指向し、情報記録量を減らさずにディスク、およびディスク再生装置の大きさを小さくする方向である。

これらの内、単位面積当たりの情報記憶容量を増やすための方策として、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク（以下、ＢＤと称す）に代表される、青紫色半導体レーザ等の短波長光源を用い、開口数が０．８以上の対物レンズを用いて集光スポット径を小さくした光ピックアップの研究開発が盛んに行われている。これらによると、従来のＣＤやＤＶＤに比べ波長が短く、開口数が大きいためにスポットサイズを小さくできる。しかし、ビーム整形、光路変換、集光などに用いられる光学素子の数が多くなるため、光ピックアップのサイズが、従来のＣＤやＤＶＤなどの記録再生に用いられる光ピックアップに比して大きくなる。

そのため、特に今後のモバイル用途への展開を考える場合には、小型化への技術開発が必須である。ピックアップ小型化を行なう為の方向性としては一つ当たりの光学部品のサイズを極限まで削減する方向の他に、２つ以上の光学部品の性能を一つの部品に集約する方向が考えられる。特に後者についての要素開発は、サイズ削減効果の他に、コスト削減も得られる場合があるため、次に挙げるような幾つかの提案がなされている。

まず、図１５に示す、特許文献１（特開昭６２−１８５０２号公報）に記載されている光ピックアップ装置においては、中心部での光強度が大きく、周辺部での光強度が小さくなる光強度分布を有する半導体レーザ１を用いる。この半導体レーザ１に対して所定距離を置いて、少なくとも一面に同心円状のブレーズ型回折格子が形成されたグレーティングレンズ２２（以下、ＧＬと称す）を配置している。そして、ＧＬ２２の溝深さを中央部で浅く、周辺部で深くしている。

このものにおいては、半導体レーザ１から出射した光がＧＬ２２の＋１次回折光として平行化され、対物レンズ７によって光ディスク上に集光する。ＧＬ２２で発生する＋１次回折光の中央部の回折効率を、周辺部よりも低くすることにより、光源から出射されるガウス型ビームの、ビーム強度の平坦化を図ることができる。これにより、対物レンズ７での集光特性に優れた強度分布とする事ができる。

また、図１６に示す、特許文献２（特開平７−２６２５９４号公報）に記載されている光ピックアップ装置においては、半導体レーザ１から出射した光のうち、所望強度以上の光を除去することを目的としたホログラム光学素子１５を、半導体レーザ１から対物レンズ７に至る光路中に配置している。この構成によると、往路においては半導体レーザ１から出射されるガウス型ビームが、ホログラム光学素子１５を通ることでビーム強度が平坦化され、対物レンズ７での集光特性を向上させることができる。更に、復路においては光ディスク８からの復路光を同じホログラム光学素子１５で回折し、モニタ用の受光素子に照射することで、ＲＦ信号、およびサーボ信号を検出することができる。
特開昭６２−１８５０２号公報 特開平７−２６２５９４号公報

特許文献１に開示された構成では、ガウス型強度分布を有する半導体レーザ１からの出射光をＧＬ２２に通すことで光強度分布の平坦化を図り、対物レンズ７での集光特性を改善する事が可能である。しかしながら、この手法ではＧＬ２２で発生する＋１次回折光以外の光（０次、−１次光など）は対物レンズでの集光に利用されず、結果として光強度分布の平坦化を行った分だけ光結合効率が低下することになる。

また、特許文献２に開示された構成では、半導体レーザ１からの出射光の内、所望強度以上の光を回折除去することで、特許文献１に開示されたものと同様に対物レンズ７での集光特性を改善することができる。また、復路光を同じホログラム光学素子１５で回折して、回折光をモニタすることでＲＦ信号、およびサーボ信号を検出する事ができる。しかし、ホログラム光学素子１５が往路および復路の両方に作用するため、サーボ信号として用いられる光量は結果的に低下することになる。

青紫色半導体レーザの発光特性は、現状においてＤＶＤやＣＤ等に用いられる赤色や赤外半導体レーザなどに比べて、発光効率の点で未だ充分であるとは言ない。今後の光ディスクの多層化や倍速記録などを見据えた場合には、記録および再生時における光量ロスは極力抑える必要がある。

したがって、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、部品点数を少なくしながら記録および再生時における光量ロスを最小限にすることができる光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

この発明に基づいた光ピックアップ装置のある局面に従えば、半導体レーザからの光を回折格子および光分岐素子を介して対物レンズに導き、上記対物レンズにより光ディスク上に集光させ、上記光ディスクからの反射光を上記対物レンズ、上記光分岐素子を介して受光素子に結合することで上記光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置であって、上記回折格子の格子定数は全体に亙って一定であり、ランド（Ｌ）とグルーブ（Ｇ）との、デューティ比率（Ｌ／Ｇデューティ）が、上記回折格子の格子溝に直交する方向の中央部から、上記回折格子の格子溝に直交する方向に沿い上記回折格子の外縁部に向かって、連続的に変化している。

上記光ピックアップ装置において好ましくは、上記Ｌ／Ｇデューティは、Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義され、上記Ｌ／Ｇデューティは、上記回折格子の中央部において５０％に近く、上記回折格子の格子溝に直交する方向の外縁部に向かってランド比率が増加する場合には外縁部において１００％に近づき、上記回折格子の格子溝に直交する方向の外縁部に向かってグルーブ比率が増加する場合には外縁部において０％に近づくようにされている。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記半導体レーザは、出射する光の偏光面が上記回折格子の格子溝方向に垂直となるように配置されている。

この発明に基づいた光ピックアップ装置の他の局面に従えば、半導体レーザからの光を回折格子および光分岐素子を介して対物レンズに導き、上記対物レンズにより光ディスク上に集光させ、上記光ディスクからの反射光を上記対物レンズ、上記光分岐素子を介して受光素子に結合することで上記光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置であって、上記回折格子の格子定数は全体に亙って一定であり、ランド（Ｌ）とグルーブ（Ｇ）との、デューティ比率（Ｌ／Ｇデューティ）が、上記回折格子の格子溝に平行な方向の中央部から、上記回折格子の格子溝に平行な方向に沿い上記回折格子の外縁部に向かって連続的に変化している。

上記光ピックアップ装置において好ましくは、上記Ｌ／Ｇデューティは、Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義され、上記Ｌ／Ｇデューティは、上記回折格子の中央部において５０％に近く、上記回折格子の格子溝に平行な方向の外縁部に向かってランド比率が増加する場合には外縁部において１００％に近づき、上記回折格子の格子溝に平行な方向の外縁部に向かって、グルーブ比率が増加する場合には外縁部において０％に近づくようにされている。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記半導体レーザは、出射する光の偏光面が上記回折格子の格子溝方向に平行となるように配置されている。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記回折格子はランドおよびグルーブの幅が、中央部から外縁部に向かって線形に変化する。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記回折格子は、回折素子の入射面または出射面に設けられたものであり、上記回折格子によりトラッキングサーボに用いる回折光の生成を行なう。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記回折格子は、上記半導体レーザから上記光分岐素子に至る光路内に配置されている。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記回折格子は、Ｌ／Ｇデューティを変化させる方向における回折領域幅Ｄと、回折格子位置における上記半導体レーザからの光の有効径φgrとが、０．６≦Ｄ／φgr≦１の関係式を満たす。

上記光ピックアップ装置においてさらに好ましくは、上記回折格子は、中心部分の±１次光の回折効率δcと、有効光束全体の±１次光の回折効率δとが、１．８≦δc／δ≦２の関係式を満たす。

本発明に係る光ピックアップ装置によると、部品点数を少なくしながら記録および再生時における光量ロスを最小限にすることができる。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１における光ピックアップ装置について、図１から図７を参照して説明する。なお、図１は、本実施の形態における光ピックアップ装置の光学系を示し、コリメートレンズと光分岐素子との間に回折格子が配置された光学系の例を示す説明図である。図２（ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。図３は、回折格子のＬ／Ｇデューティに対する回折効率のシミュレーション計算を示すグラフである。図４は、回折格子のＹ方向（光ディスクのトラック方向）変位に対する回折効率の値を示すグラフである。図５は、回折格子の回折振幅に対する出射光の強度プロファイルの変化を示すグラフである。図６は光ピックアップ装置において半導体レーザからの出射光束を強度補正回折格子に通した前後における０次回折光のＹ方向変位に対する強度分布を示すグラフである。図７は、回折格子の格子領域のＹ方向（トラック方向）の幅によるＲｉｍ強度の変化を示すグラフである。

図１に示すように、半導体レーザ１から出射した光はコリメートレンズ２により有効光束径φeff（本実施の形態では２ｍｍとする）の光に平行光束化される。その後、回折格子３、および光分岐素子４を介した後に、２枚のレンズで構成される球面収差補償素子５により有効光束径をｍ倍に拡大される。本実施の形態では、ｍ＝１．５としているため、球面収差補償素子５を通った光の有効光束径はφeff・ｍ＝３ｍｍとなる。さらに、反射ミラー６で光路を変えられた後、２枚組の対物レンズ７に導かれ、光ディスク８上に集光する。

光ディスク８からの反射光は、対物レンズ７を介した後に入射光と逆の光路を辿って光分岐素子４で反射された後、集光レンズ９、および円筒レンズ１０を介して非点収差を与えられる。そして、受光素子１１により光ディスク上の記録信号、非点収差法を利用したフォーカスサーボ信号、および往路において回折格子３で生成した±１次回折光を利用したトラッキングサーボ信号が検出される。

なお、回折格子３は回折素子の光源側の面に設けられるものとして描かれているが、これに限定されるものではなく、光分岐素子４の側に設けられるものであっても良い。また、対物レンズ７として、図１では２枚組レンズを用いているが、係る目的を達成する手段として、２枚組の対物レンズに替えて単レンズを用いてもよい。さらに、球面収差補償素子５はカバーガラス厚み誤差に起因する球面収差を補正することを目的としており、係る目的を達成する手段として、液晶駆動素子を用いてもよい。

本実施の形態では、コリメートレンズ２から光分岐素子４に至る光路中に所定パターンを有する回折格子３を設けている。この回折格子３においては、図２に示すように、グレーティング溝がＸ方向（トラッキング方向）に対して平行である。また、関係式Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義されるランド（Ｌ）とグルーブ（Ｇ）のデューティ比率である、Ｌ／Ｇデューティは、Ｙ方向（トラック方向）に沿って線形に変化している。回折格子３の中央部では５０％に近く外縁部に向かってランドの比率が増加するにしたがって１００％に近くなる。このとき、Ｌ／Ｇデューティは、回折格子３の中央部を中心軸として線対称となるように、外縁部に向かってランドの比率が増加する。本実施の形態では、外縁部に向かってランドの比率が増加するようにしているが、外縁部に向かってグルーブの比率が増加するようにしてもよい。この場合には、Ｌ／Ｇデューティは外縁部で０％に近くなる。

また、半導体レーザ１は、光の偏光面が回折格子３の溝方向に対して直交する向きとなるように配置する。なお、本実施の形態の回折格子３においては、回折格子３上のピッチ間隔を２４μｍとして、光ディスク８におけるメイン−サブスポット間隔を２０μｍとしている。

このようにＬ／Ｇデューティが変化したときの０次回折光、および±１次回折光の回折効率の変動を光学シミュレーションによって求めた結果を図３に示す。０次回折効率はＬ／Ｇデューティが５０％で最小となり、逆に、±１次回折効率は最大となる。なお、回折光の計算において実際には±２次回折光などの高次の回折光も発生するが、ここでは便宜上、高次の回折光は無視し、０次光と±１次光のトータルで光量を規格化して考えている。なお、シミュレーションにおいては、波動光学に基づく光学シミュレーションソフトを用い、計算に用いた各光学パラメータは次の通りである。光源波長：４０５ｎｍ、回折素子の硝材：石英ガラス、格子深さ：２００ｎｍ。

Ｌ／Ｇデューティが図２のように中央部と外縁部で異なる場合、０次回折効率は回折格子のＬ／Ｇデューティが５０％に近い中央部では小さく、１００％に近い外縁部では大きくなる。一方、±１次回折効率は回折格子のＬ／Ｇデューティが５０％に近い中央部では大きく、１００％に近い外縁部では小さくなる。Ｌ／Ｇデューティが外縁部で０％に近づく場合でも、０次回折効率は回折格子のＬ／Ｇデューティが５０％に近い中央部では小さく、０％に近い外縁部では大きくなる。同様に、±１次回折効率は回折格子のＬ／Ｇデューティが５０％に近い中央部では大きく、０％に近い外縁部では小さくなる。したがって、Ｌ／Ｇデューティが外縁部に向かって、図２に示す１００％に近づく場合でも、０％に近づく場合でも、図４に示すようにＹ方向変位に対して０次回折光が下に凸、±１次回折光が上に凸のプロファイルとなる。

図４に示される回折効率のプロファイルによれば、±１次光の発生量（δ）が２０．４％である。ここで、δは有効径内の光強度全体に対する、発生した±１次光全体の割合で定義される。また、±１次光の回折格子３の中心部での最大値（δc）は３９％である。したがって、両者の比率はδc／δ＝１．９１となる。

図５に示すように、入射光の強度プロファイルがガウス型である場合、逆ガウス型のプロファイルを持つ回折効率の振幅により出射後のビーム強度プロファイルは大きく変動する。また、図６に示すように、δｃが３０％から５０％へと変化するとＲｉｍ強度は増加する。ここでＲｉｍ強度とは、対物レンズ７の開口に相当する入射瞳における、強度最大点を１００％としたときの瞳エッジにおける強度である。Ｒｉｍ強度が０％の時はガウス型のビームが外周の低強度部分まで全て開口を通過し、反対に１００％の時は強度一定の平面波ビームである。したがって、Ｒｉｍ強度が大きいほど対物レンズ７による集光スポット径は小さくなると考えられる。

一方、対物レンズへのメインビール（０次光）の結合効率は８４．３％（δｃ＝０．３）、７６．４％（δｃ＝０．４５）、７３．８％（δｃ＝０．５）と、δｃが増加するにしたがって減少する。Ｒｉｍ強度の規格等との関係上、必要最低ラインが５５％以上、また、対物レンズへの結合効率の必要最低ラインが７５％以上と想定される。この値は光学系によって多少異なるが、従来の当社ピックアップにおいてサブビームとなる±１次光の効率は２０％程度必要となり、また、対物レンズズレなどの各種マージンを加味すると±１次光の効率は２５％以下と想定されるからである。そのため、Ｒｉｍ強度、および対物レンズへの結合効率の必要最低量を確保するためには０．３≦δｃ≦０．４５となる。±１次光の発生量（δ）による規格化を行なうと、１．８≦δc／δ≦２となる。したがって、Ｒｉｍ強度、および対物レンズへの結合効率の必要最低量を確保するために上記関係式を満たす必要があると考えられる。

図６に示すように、このような回折プロファイルを有する回折素子に有効光束径φ２の光を通すことで、Ｙ方向の変位に対して単一ピークを有する元の強度分布を、複数のピークを有する強度分布へと変化させることが可能となる（なお、便宜上、図５の強度分布は最大強度により規格化している）。このように強度分布を変化させることで、従来のように整形プリズムなどを介することなく中央部付近の０次光強度を相対的に減少させることができ、４０％であった元の強度分布のＲｉｍ強度を、６０％以上にまで増加させることができる。

ＢＤでは集光スポットサイズを充分小さくするために、Ｒｉｍ強度を光ディスク８のトラッキング方向（Ｘ方向）で６０％以上、トラック方向（Ｙ方向）で５５％以上とする必要がある。この充分小さい集光スポットを得るための手段として、Ｌ／Ｇデューティを中央部から外縁部にかけて変化させる手法は有効である。

一方、回折格子を通すことにより元の光は０次回折光と±１次回折光に分岐される。たとえば図２の形状を有する回折格子に対して有効光束径φ２の光を通すと、０次結合効率は７９．６％となる。０次結合効率は回折格子における分岐比がサブ：メイン：サブ＝１：ｒ：１のとき（ｒ＞１）、下記の関係式で表される。

０次結合効率（％）＝ｒ／（ｒ＋２）×１００
仮に、３ビーム法によるトラッキングを行なうためにサブビームとして用いる±１次光の比率が全体の１５％以上必要であるならば、それ以上のサブビーム光は不要と考えられる。従って、上記の場合、サブビーム強度は２０．４％（＝１００−７９．６）であり、５．４％の光が過剰に照射されていることになるため、過剰分をメインビームとして利用することができればＲＦ信号レベルを向上させることが出来る。

メインビーム強度を増加させるための方法として、回折格子のＹ方向の領域を制限し、回折格子外の光を通過させることが考えられる。この方法を用いれば、透過領域が増える分だけ０次光のロスを抑えることができる。たとえば、Ｙ方向の回折領域幅を１．３ｍｍ（有効径の６５％）として光学シミュレーションを行ったときには、０次結合効率は８０．１％、１．２ｍｍ（有効径の６０％）としたときには、８０．５％まで０次結合効率を向上させることができる。なお、シミュレーションは前述の光学シミュレーションソフトを用い、光学パラメータとしては前述の値に加えて半導体レーザから出射する光の遠視野像（以降、ＦＦＰと称す）半値全幅の水平成分（θ//）を９°、垂直成分（θ⊥）を１８°、コリメートレンズの焦点距離をｆ＝８．１ｍｍとして計算した。

更にＹ方向の領域を狭めることで０次結合効率の増加が期待できるが、図７に見られるように、Ｒｉｍ強度はＹ方向の領域を狭めることで減少し、Ｙ方向の領域幅を１．１ｍｍ（有効径の５５％）まで狭めると、対物レンズ有効径におけるＲｉｍ強度は５５％以下となってしまう。これは、境界領域において強度が最大となるため、規格化後の外縁部の変動量が大きくなってしまうことによる。以上から、回折格子の領域限定をすることで０次結合効率が改善されるだけでなく、回折領域幅を所定の大きさにすることで、Ｒｉｍ強度においても満足する値を得ることが可能である。対物レンズの集光特性を向上させるために必須のＲｉｍ強度を満足するため、Ｙ方向の回折領域幅は、有効径の６０％以上に設定する必要がある。

また、回折領域幅を必要以上に大きくすると光量ロスになるため、回折領域幅は格子位置の有効径と同一または小さくする必要がある。したがって、Ｙ方向の回折領域幅（Ｄ）と回折格子位置における有効径（φgr）との間には下記の関係式が成立する。

０．６≦Ｄ／φgr≦１
なお、本実施の形態の回折格子３は平行光路中に配置されるものであるが、回折格子上のピッチ間隔を２４μｍとしたとき、光ディスク上のメイン−サブスポット間隔は２０μｍとなる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について、図８から図１１を参照して説明する。なお、図８は、本実施の形態における光ピックアップ装置の光学系を示し、半導体レーザ１から光分岐素子４の間に回折格子３が配置された光学系の例を示す説明図である。図９（ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。図１０（ａ）は、回折格子周囲の光学系拡大図であり、（ｂ）は回折格子上のレーザ光照射領域および有効光束径を示す図である。図１１は、回折格子を通過した後のＸ方向（トラッキング方向）、Ｙ方向（トラック方向）における強度分布を示すグラフである。

図８に示すように、半導体レーザ１からの光は回折格子３、および光分岐素子４を介し、コリメートレンズ２により有効光束径φeff（本実施の形態では２ｍｍとする）に平行光束化される。その後、２枚のレンズで構成される球面収差補償素子５により有効光束径がｍ倍に拡大される。本実施の形態ではｍ＝１．５としているため、球面収差補償素子を経た光の有効光束径はφeff・ｍ＝３ｍｍとなる。さらに、反射ミラー６で光路を変えられた後、２枚組の対物レンズ７に導かれ、光ディスク８上に集光させる。

光ディスク８からの反射光は、対物レンズ７を介した後に入射光と逆の光路を辿ってコリメートレンズ２で集光された後、光分岐素子４、およびミラー２４で反射される。その後、ホログラム１５で光分岐され、受光素子１１により光ディスク上の記録信号、フォーカスサーボ信号、および往路に於いて回折格子３で生成した±１次回折光を利用したトラッキングサーボ信号が検出される。

なお、図８では回折格子は回折素子の光源側の面に設けられるものとして描かれているが、これに限定されるものではなく、光分岐素子側に設けられるものであってもよい。また、対物レンズ７として図８では２枚組レンズを用いているが、実施の形態１と同様に単レンズを用いた光学系であってもよい。また、球面収差に用いる球面収差補償素子５は実施の形態１と同様、液晶駆動素子を用いた構成であってもよい。

本実施の形態では、半導体レーザ１から光分岐素子４に至る光路中に所定パターンを有する回折格子３を設けている。この回折格子においては、図９に示すように、回折格子の溝方向がＸ方向（トラッキング方向）に対して平行である。また、Ｌ／ＧデューティはＹ方向（トラック方向）に沿って線形に変化し、中央部で５０％に近く、外縁部でランド比率が増加するに従って１００％に近くなる。また、半導体レーザ１は出射光の偏光面が回折格子の溝方向に対して直交する向きとなるように配置する。なお、本実施の形態の回折格子３においては、実施例１の光ディスク上のメイン−サブスポット間隔と等しくするために回折格子上のピッチ間隔を１２μｍとした。

回折格子周囲の光学系拡大図、並びに、回折格子上のレーザ光照射領域、および有効光束径を図１０に示す。本実施の形態では回折格子３を半導体レーザ１からコリメートレンズ２までの収束光路中に配置する。そのため、半導体レーザ１からコリメートレンズ２の主面までの光路長をＬ、半導体レーザ１から回折格子３の表面までの光路長をｘとすると、回折格子３の表面における有効径（φgr）は次の関係式により求まる。

φgr＝（ｘ／Ｌ）・φeff
したがって、たとえばＬ＝８．１ｍｍ、ｘ＝４．５ｍｍとすると上式より回折格子位置における有効径はφgr＝１．１ｍｍとなる。図１０（ｂ）は、回折格子３上の有効光束径１８、およびレーザ光照射領域１９を示す。半導体レーザ１から出射する光のＦＦＰ半値全幅の水平成分をθ//、垂直成分をθ⊥とすると、Ｘ方向（トラッキング方向）でｘ・tanθ⊥、Ｙ方向（トラック方向）でｘ・tanθ//となる楕円状のレーザ照射領域が形成される。たとえば、θ//＝９°、θ⊥＝１８°とすると、照射領域は短軸０．７ｍｍ、長軸１．４３ｍｍのＸ方向に長い楕円形状になる。回折格子３位置における有効光束径（φgr）は、このレーザ照射領域の中心部を利用する形となる。

回折格子３を介した後、コリメートレンズ出射光の強度分布をグラフ化したものを図１１に示す。中心部付近において等強度分布線がダンベル型に分布し、Ｙ方向に配向している。また、強度０．６以上のラインがＹ方向に配向した楕円形状となっているが、これは図９におけるＦＦＰ照射パターンが楕円型にあることによる。なお、Ｙ＝±０．７ｍｍにおいて境界線が見られるが、これは回折格子の境界線によるものである。

上記のような回折格子を介すことにより、従来のように整形プリズムなどを介すること無しにＹ方向（トラック方向）のＲｉｍ強度を４０％から６０％に増加させることができる。更に、実施例１と同様にＹ方向の回折領域幅（Ｄ）をφgr×０．６≦Ｄ≦φgrとすることで、対物レンズへ照射するメインビームの強度を確保できるだけでなく、Ｒｉｍ強度も満足するため、対物レンズによる集光特性に優れた光学系を設計することが可能である。

上述した、実施の形態１および２に係る発明によると、光源から出射する光の偏光面が、回折格子の格子溝方向に垂直となるべく調整した半導体レーザからの光を、回折格子、および光分岐素子を介した後、対物レンズにより光ディスク上に集光させ、光ディスクからの反射光を対物レンズ、光分岐素子を介した後、集光レンズを通して受光素子に結合することで光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置において、回折格子の格子定数を全体に渡って一定とし、Ｌ／Ｇデューティが回折格子の格子溝に直交する方向に沿って連続的に変化し、回折格子の中央部においてＬ／Ｇデューティが５０％に近く、外縁部に向かってランド比率が増加するにしたがって１００％（グルーブ比率が増加する時は０％）に近くなるように設定したので、従来のように別途整形プリズムといった光学部品を使うことなく半導体レーザから出射するガウス型ビームの強度平坦化を図ることができる。また、光ディスク上での集光スポットを充分小さくすることで、記録信号および再生信号の品質向上を図ることができる。

また、上記ガウス型ビームの強度平坦化のために削減された中央部付近の０次光は回折格子によりトラッキングサーボとして用いられる±１次回折光に変換されるため、従来の光ピックアップと比較して、光の有効活用を図ることができる。

また、回折格子を半導体レーザから光分岐素子に至る光路内に配置することにより、往路のみに回折格子を配置することができる。これにより、従来の光ピックアップと比較して光のロスが少なく、光の有効活用を図ることができる。

また、回折格子の領域を限定することにより、対物レンズへ照射するメインビームの強度を確保できるだけでなく、Ｒｉｍ強度も満足するため、対物レンズによる集光特性に優れた光学系を設計することが可能である。

（実施の形態３）
実施の形態３における光ピックアップ装置について、図１２から図１４を参照して説明する。図１２（ａ）は、本実施の形態における回折格子周囲の光学系拡大図、（ｂ）は回折格子上のレーザ光照射領域および有効光束径を示す図である。図１３（ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。図１４は、回折格子を通過した後のＸ方向（トラッキング方向）およびＹ方向（トラック方向）における強度分布を示すグラフである。

本実施の形態においては、実施の形態２と同様に、回折格子３を収束光路中に配置するので、たとえばＬ＝８．１ｍｍ、ｘ＝４．５ｍｍとすると、実施の形態２と同様に、φgr＝１．１ｍｍとなる。半導体レーザ１から出射する光のＦＦＰ半値全幅の水平成分をθ//＝９°、垂直成分をθ⊥＝１８°とすると、照射領域は短軸０．７ｍｍ、長軸１．４３ｍｍのＹ方向に長い楕円形状になる。また、回折格子位置における有効径（φgr）はこのレーザ照射領域の中心部を利用する形となる。なお、本実施の形態は実施の形態１および２の半導体レーザ１を、光軸まわりに９０°回転させた構成となっている。このようにすることで、偏光軸も９０°回転する。そのため、実施の形態１および２でＸ方向（トラッキング方向）に配向していたＦＦＰの長軸が、本実施の形態ではＹ方向（トラック方向）に向いている。

本実施の形態では回折格子３の格子パターンは図１３に示すように、回折格子の溝方向がＹ方向（トラッキング方向）に対して平行であり、グルーブ領域で見ると非常に長細い菱形構造となっている。また、Ｌ／Ｇデューティは、Ｘ方向（トラッキング方向）に沿って線形に変化する。中央部で５０％に近く、外縁部でランド比率が増加するに従って１００％に近くなる。逆に、ランド領域を非常に細長い菱形構造とし、外縁部でグルーブ領域が増加するようにしてもよい。その場合、Ｌ／Ｇデューティは、外縁部で０％に近くなる。半導体レーザ１は出射光の偏光面が、回折格子３の溝方向に対して平行な向きとなるように光軸まわりに調整した上で配置する。

回折格子３を介した後、コリメートレンズ２出射光の強度分布をグラフ化したものを図１４に示す。中心部付近において等強度分布線がダンベル型に分布し、Ｘ方向に配向している。また、強度０．６以上のラインがＹ方向に配向した楕円形状となっているが、これは図１２におけるＦＦＰ照射パターンが楕円型にあることによる。なお、Ｘ＝±０．７ｍｍにおいて境界線が見られるが、これは回折格子３の境界線によるものである。このように回折格子３を介すことにより、従来のように整形プリズムなどを介すること無しにＸ方向（トラッキング方向）のＲｉｍ強度を図５のように４０％から６０％に増加させることができる。さらに、実施の形態１と同様にＸ方向の回折領域幅（Ｄ）をφgr×０．６≦Ｄ≦φgrとすることで、対物レンズへ照射するメインビームの強度を確保できるだけでなく、Ｒｉｍ強度も満足するため、対物レンズによる集光特性に優れた光学系を設計することが可能である。

なお、実施の形態２および３において、受光素子１１は半導体レーザ１のパッケージと別パッケージに実装するとして描かれているが、必ずしもこれに限定されるものでなく、同一パッケージに実装される形態であってもよい。

また、実施の形態１から３において、Ｌ／Ｇデューティを内周から外周に向かって線形変化する条件でシミュレーション計算を行っているが、特に実施の形態１および２のようにトラック方向に向かって線幅を変化させる場合には、結合効率、およびＲｉｍ強度を改善するための最適プロファイルとして、Ｌ／Ｇデューティが内周から外周に向けて連続的に変化するものであれば必ずしもこれに限定されるものではない。しかし、実施の形態３のようにトラッキング方向に向かって線幅を変化させる場合においては、回折格子の作成上のバラツキの少ない、生産性の高い回折素子を実現できるといったメリットが発揮できるため、回折格子の線幅の変化を線形にすることが望ましい。

上述した、実施の形態３に係る発明によると、光源から出射する光の偏光面が光ディスクのトラック方向に垂直、回折格子の格子溝方向に平行となるべく調整した半導体レーザからの光を、回折格子、および光分岐素子を介した後、対物レンズにより記録媒体上に集光させ、記録媒体からの反射光を対物レンズ、光分岐素子を介した後、集光レンズを通して受光素子に結合することで光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置において、回折格子の格子定数を全体に渡って一定とし、Ｌ／Ｇデューティが回折格子の格子溝に直交する方向に沿って連続的に変化し、回折格子の中央部においてＬ／Ｇデューティが５０％に近く、外縁部に向かってランド比率が増加するにしたがって１００％（グルーブ比率が増加する時は０％）に近くなるように設定することで、従来のように整形プリズムといった部品を使うことなく半導体レーザから出射するガウス型ビームの強度平坦化を図ることができる。これにより、光ディスク上での集光スポットを充分小さくして、記録信号および再生信号の品質向上を図ることが出来る。

また、上記ガウス型ビームの強度平坦化のために削減された中央部付近の０次光は回折格子によりトラッキングサーボとして用いられる±１次回折光に変換されるため、従来の光ピックアップと比較して、光の有効活用を図ることができる。

また、回折格子を半導体レーザから光分岐素子に至る光路内に配置することにより、往路のみに回折格子を配置することができるので、従来の光ピックアップと比較して光のロスが少なく、光の有効活用を図ることができる。

また、回折格子の領域を限定することにより、対物レンズへ照射するメインビームの強度を確保できるだけでなく、Ｒｉｍ強度も満足するため、対物レンズによる集光特性に優れた光学系を設計することが可能である。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

この発明に基づいた実施の形態１における光ピックアップ装置の光学系を示し、コリメートレンズと光分岐素子との間に回折格子が配置された光学系の例を示す説明図である。 （ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。 回折格子のＬ／Ｇデューティに対する回折効率のシミュレーション計算を示すグラフである。 回折格子のＹ方向（光ディスクのトラック方向）変位に対する回折効率の値を示すグラフである。 回折格子の回折振幅に対する出射光の強度プロファイルの変化を示すグラフである。 光ピックアップ装置において半導体レーザからの出射光束を強度補正回折格子に通した前後における０次回折光のＹ方向変位に対する強度分布を示すグラフである。 回折格子の格子領域のＹ方向（トラック方向）の幅によるＲｉｍ強度の変化を示すグラフである。 この発明に基づいた実施の形態２における光ピックアップ装置の光学系を示し、半導体レーザ１から光分岐素子４の間に回折格子３が配置された光学系の例を示す説明図である。 （ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。 （ａ）は、回折格子周囲の光学系拡大図であり、（ｂ）は回折格子上のレーザ光照射領域および有効光束径を示す図である。 回折格子を通過した後のＸ方向（トラッキング方向）、Ｙ方向（トラック方向）における強度分布を示すグラフである。 （ａ）は、本実施の形態における回折格子周囲の光学系拡大図、（ｂ）は回折格子上のレーザ光照射領域および有効光束径を示す図である。 （ａ）は、回折格子の格子パターンおよび光源からの光の有効光束径を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はその一部を拡大した拡大図である。 回折格子を通過した後のＸ方向（トラッキング方向）およびＹ方向（トラック方向）における強度分布を示すグラフである。 従来の技術における光ピックアップの構造を示す説明図である。 従来の技術における光ピックアップの構造を示す説明図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ、２ コリメートレンズ、３ 回折格子、４ 光分岐素子、５ 球面収差補償素子、６ 反射ミラー、７ 対物レンズ、８ 光ディスク、９ 集光レンズ、１０ 円筒レンズ、１１ 受光素子。

Claims (11)

1. 半導体レーザからの光を回折格子および光分岐素子を介して対物レンズに導き、前記対物レンズにより光ディスク上に集光させ、前記光ディスクからの反射光を前記対物レンズ、前記光分岐素子を介して受光素子に結合することで前記光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置であって、
   前記回折格子の格子定数は全体に亙って一定であり、
   ランド（Ｌ）とグルーブ（Ｇ）との、デューティ比率（Ｌ／Ｇデューティ）が、前記回折格子の格子溝に直交する方向の中央部から、前記回折格子の格子溝に直交する方向に沿い前記回折格子の外縁部に向かって、連続的に変化している、光ピックアップ装置。
2. 前記Ｌ／Ｇデューティは、Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義され、前記Ｌ／Ｇデューティは、前記回折格子の中央部において５０％に近く、前記回折格子の格子溝に直交する方向の外縁部に向かってランド比率が増加する場合には外縁部において１００％に近づき、前記回折格子の格子溝に直交する方向の外縁部に向かってグルーブ比率が増加する場合には外縁部において０％に近づくようにされている、請求項１に記載の光ピックアップ装置。
3. 前記半導体レーザは、出射する光の偏光面が前記回折格子の格子溝方向に垂直となるように配置されている、請求項１または２に記載の光ピックアップ装置。
4. 半導体レーザからの光を回折格子および光分岐素子を介して対物レンズに導き、前記対物レンズにより光ディスク上に集光させ、前記光ディスクからの反射光を前記対物レンズ、前記光分岐素子を介して受光素子に結合することで前記光ディスク上の記録信号、およびサーボ信号光の読み取りを行なう光ピックアップ装置であって、
   前記回折格子の格子定数は全体に亙って一定であり、
   ランド（Ｌ）とグルーブ（Ｇ）との、デューティ比率（Ｌ／Ｇデューティ）が、前記回折格子の格子溝に平行な方向の中央部から、前記回折格子の格子溝に平行な方向に沿い前記回折格子の外縁部に向かって、連続的に変化している、光ピックアップ装置。
5. 前記Ｌ／Ｇデューティは、Ｌ／Ｇデューティ（％）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｇ）×１００により定義され、前記Ｌ／Ｇデューティは、前記回折格子の中央部において５０％に近く、前記回折格子の格子溝に平行な方向の外縁部に向かってランド比率が増加する場合には外縁部において１００％に近づき、前記回折格子の格子溝に平行な方向の外縁部に向かってグルーブ比率が増加する場合には外縁部において０％に近づくようにされている、請求項４に記載の光ピックアップ装置。
6. 前記半導体レーザは、出射する光の偏光面が前記回折格子の格子溝方向に平行となるように配置されている、請求項４または５に記載の光ピックアップ装置。
7. 前記回折格子はランドおよびグルーブの幅が、中央部から外縁部に向かって線形に変化する、請求項４から６のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
8. 前記回折格子は、回折素子の入射面または出射面に設けられたものであり、前記回折格子によりトラッキングサーボに用いる回折光の生成を行なう、請求項１から７に記載の光ピックアップ装置。
9. 前記回折格子は、前記半導体レーザから前記光分岐素子に至る光路内に配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
10. 前記回折格子は、Ｌ／Ｇデューティを変化させる方向における回折領域幅Ｄと、回折格子位置における前記半導体レーザからの光の有効径φgrとが、０．６≦Ｄ／φgr≦１の関係式を満たす、請求項１から９のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
11. 前記回折格子は、中心部分の±１次光の回折効率δcと、有効光束全体の±１次光の回折効率δとが、１．８≦δc／δ≦２の関係式を満たす、請求項１から１０のいずれかに記載の光ピックアップ装置。

Images