JP2007516556A - 光ピックアップユニット - Google Patents

Abstract

ピックアップユニット、このようなピックアップユニットを備える光ドライブ、及びエラー信号を生成する方法を説明する。情報担体から反射した光が、１つ又は複数のＶＣＳＥＬに入射される。ＶＣＳＥＬからの発光の空間強度分布が、光ピックアップユニットにおけるエラー信号の生成に用いられる。代替的に、ＶＣＳＥＬのアレイの個々のレーザをスイッチングするための相対的タイミングが、エラー信号の検出に用いられる。

Description

本発明は、光ピックアップユニットに係る。より詳細には、本発明は、光情報担体から情報を読み取るピックアップユニットに係り、当該ユニットは、読み出し信号を向上させる非線形素子を含む。本発明はまた、このような光ピックアップユニットを含む光ドライブ、及びエラー信号を生成する方法に係る。

光情報担体に光を照射することによって、当該担体から情報を読み取ると、次に、担体の表面から反射した光を検出する。すると、検出のための非線形素子を用いることによって、高められた読み出し信号を得ることができる。検出に用いることのできる１つのこのような非線形素子が、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）（vertical-cavity surface-emitting laser）である。

しかしながら、光ピックアップユニットの検出経路において非線形素子を用いるとき、どのようにエラー信号が生成されるかが不明瞭である。スライサレベル周りのデジタル化が、非線形光学素子とともに光学的に実行されるとき、検出された信号から、緩やかなＳ曲線を得ることができない。

国際公開第０１／２６１０２号パンフレット（特許文献１）は、ＶＣＳＥＬベースの光ピックアップ及びサーボ制御装置を開示している。そこでは、レーザビームを発する複数のＶＣＳＥＬが用いられ、複数の検出器が、エラー信号の検出及び生成に用いられる。特許文献１は、エラー信号を生成する複数の方法を記載しているが、１つ又は複数のＶＣＳＥＬが、読み出し信号を増大するために光ドライブの検出分岐に用いられると、これらの方法を用いることができない。

したがって、読み出し信号を増大するＶＣＳＥＬ等の非線形素子が光ピックアップの検出分岐に用いられるときの、エラー信号の生成に関連した従来技術には、全体的に問題がある。
国際公開第０１／２６１０２号パンフレット

本発明は、検出のための非線形素子としてＶＣＳＥＬを採用し、エラー信号を生成することのできる光ピックアップユニットを提供することを目的とする。

本発明によれば、焦点誤差信号を生成する方法、及び、光ピックアップユニットの検出分岐にＶＣＳＥＬが使われるときに、プッシュプルトラッキングエラー信号を生成する方法、の両方を提案する。

本発明は、エラー信号を生成するために、２つの異なるアプローチのいずれかを用いることができるという認識に基づく。第１に、デジタル化に用いられた特性とは異なる特性を採用することができる。たとえば、偏光スイッチングを、情報担体上のマークの検出に用いる場合、ＶＣＳＥＬによって発せられた光の空間分布を採用して、エラー信号を生成することができる。第２に、デジタル化のもとでロバストな特性を採用することができる。たとえば、検出器ピューピル（detector pupil）の４つの異なる象限間の読み出し信号の位相差を、採用できる。

本発明の第１の態様によれば、エラー信号を生成するため、ＶＣＳＥＬによって発せられた光の空間分布を用いることが提案される。

本発明の第２の態様によれば、エラー信号を生成するために、光信号の異なる部分間の位相差を用いることが提案され、そのことは、情報担体から反射した光を、ＶＣＳＥＬのアレイ上に方向づけし、且つレーザのアレイについてスイッチングの相対的タイミングを決定することにより成される。エラー信号はその後、上記決定された相対的タイミングに基づいて生成される。

それ故、本発明の基礎を成す考えは、エラー信号を生成するため、入射の結果としてＶＣＳＥＬにより発せられた光の空間特性を用いることである。単一のＶＣＳＥＬから発せられた光の空間特性は、上記ＶＣＳＥＬに隣り合って配置された、区分された検出器によって分析することができる。代替的に、情報担体から反射した光を、アレイ状に配置された複数のＶＣＳＥＬに入射することでき、アレイ状のレーザについてスイッチングを行う相対的タイミングを、エラー信号を生成するための基礎とすることができる。

以下の本発明の詳細な説明において、添付の図面を参照する。

導入のために、本発明を実施することのできる光ピックアップユニットを、図面の図１を参照して説明する。

光ピックアップユニットの構成要素を、破線内に概略的に示し、ユニットを、概して参照数字１により示す。ユニット１は、情報担体２を照射する光源１０、典型的にはダイオードレーザを含む。光源１０は、記号１１によって示されるように、直線偏光を放射する。光源からの直線偏光のビームは、コリメーティングレンズ１２によってコリメートされた後、偏光ビームスプリッタ１３を通過する。ビームスプリッタ１３を通過後、ビームは、４分の１波長板（λ／４波長板）１４を通過し、続いて対物レンズ１５により、情報担体２上に集束する。次に光束は、情報担体２から反射し、その結果、情報担体２から読み出し情報を含む変調を得る。反射光は、再び対物レンズ１５を通過してコリメートされ、次にビームスプリッタ１３へと進み、再度、４分の１波長板１４を通過する。４分の１波長板１４を適切に調節することによって、ビームの直線偏光は、波長板を通る２つの経路によって９０°回転する。ここで、記号１６により示されるように、元の偏光に直交する偏光を有する。ビームは、次にビームスプリッタ１３によって、ピックアップユニットの検出分岐へと反射される。検出分岐は、読み出し信号を増大するための非線形素子１７、及び検出器又は検出器アレイ１９上に光信号を集束させるレンズ１８を含む。

検出分岐における非線形素子１７は、複数の異なる実施形態であることができる。本発明によれば、素子１７は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。当該ＶＣＳＥＬの特性を制御するために、情報担体２から反射され且つビームスプリッタ１３によって偏向された光が、ＶＣＳＥＬに入射される。

読み出し信号を増大するためのＶＣＳＥＬを採用する第１の方法を、偏光スイッチングとここで呼ぶ。偏光スイッチングは、入射光を用いて偏光モードの利得を増加させることに基づき、その偏光モードは、ＶＣＳＥＬの自走（free-running）（すなわち、入射のない）偏光モードに直交する。それにより、入射光のパワーが十分に高いとき、ＶＣＳＥＬについて偏光モードのスイッチングが得られるようにする。放射を、ＶＣＳＥＬから偏光子まで通過させることによって、このような偏光スイッチングが起こったか否かをすぐに検出できる。それ故、この場合、非線形素子１７はまた、偏光子（図示せず）も含む。偏光子は、自走状態にあるＶＣＳＥＬからの発光を遮断するが、直交する偏光方向の光は通過させる。したがって、検出器１９によって検出された如何なる光をも、ＶＣＳＥＬにおける偏光スイッチによるものである。このようにして、情報担体上の高反射のマーク（ＶＣＳＥＬに入射されている、比較的高いパワーの反射ビームに現れる）を、検出器に到達できる偏光にスイッチングされたＶＣＳＥＬからの出力によって、検出できる。

読み出し信号を増大するためのＶＣＳＥＬを採用する第２の方法を、しきい値スイッチングとここで呼ぶ。この場合、ＶＣＳＥＬに光が入射されない際はレーザ発光がないよう、ＶＣＳＥＬは、自身の発振しきい値をほんの少し下回って駆動される。十分な光量がＶＣＳＥＬに入射されるとき、利得が発振しきい値を超えて増加し、ＶＣＳＥＬは光を発し始める。それ故、ＶＣＳＥＬから如何なるレーザ発光をも検出することによって、高反射又は低反射のマークが、情報担体２から読み取られているか判断することができる。

ＶＣＳＥＬを用いて光読み出し信号を向上させる上記方法の両方に共通なのは、ＶＣＳＥＬ操作のスイッチングを達成するために、一定レベルの入射光を必要とすることである。入射光の量が少ない場合（すなわち、低反射率のマークが、情報担体から読み取られている場合）、ＶＣＳＥＬの操作は、スイッチングされない。偏光スイッチングが採用された場合、ＶＣＳＥＬは、依然として自走偏光モードで発光する。しきい値スイッチングが採用された場合、ＶＣＳＥＬの利得は、依然として発振しきい値を下回る。それ故、高反射のマークが、目下情報担体から読み取られていない限り、ＶＣＳＥＬからの光は、実質的に検出器に到達しない。

入射光の量が十分に多くなるとすぐに、ＶＣＳＥＬが、上述したようにスイッチングされる。次にこのスイッチングが検出され、入射光に含まれた（情報担体によって変調された）情報が、抽出できる。この検出スキームの非常に有益な特性の１つは、ＶＣＳＥＬによって発せられたパワーが、典型的には、入射光のパワーよりもずっと高いことである。それ故、読み出しが向上し、読み出しのＳ／Ｎ比が高まる。更に、上述してきたことによれば、ＶＣＳＥＬを検出に用いることで、検出が、ＶＣＳＥＬがスイッチングされた状態か否か、という簡単なチェックへと軽減される。このことは勿論、優れたＳ／Ｎ比を与える。

ここで問題は、上記によるＶＣＳＥＬを用いる際、どのように読み出しからエラー信号を生成するかである。情報担体から反射した光に含まれる如何なるエラー情報をも、この光がＶＣＳＥＬに入射されると、従来は、失われてきた。

図２は、１５μｍ方形型ＶＣＳＥＬからの、典型的なニアフィールド発光パターンを示す。図２ａは、ＴＥＭ_００モードの発光を示す。図２ｂは、ＴＥＭ_０１＊モードの発光を示し、図２ｃは、ＴＥＭ_１０モードの発光を示し、そして図２ｄは、ＴＥＭ_００及びＴＥＭ_１１モードの同時発光を示す。ＶＣＳＥＬによって発せられる光の空間強度分布は、典型的には、装置を通って流れる電流の関数である。図２に示すケースでは、強度分布が、ＶＣＳＥＬの表面で測定される。しかしながら、図２に示される特定の強度分布は、放射光が空間を通って伝播する際に保存される。したがって、ＶＣＳＥＬの正面に設置された検出器が、同様の強度分布を検出することになる。図２ａ〜図２ｃに示すケースでは、ＶＣＳＥＬは、単一の横モード上にレーザ光線を放っている。図２ｄでは、ＶＣＳＥＬは、同時に２つの横モード（ＴＥＭ_００及びＴＥＭ_１１モード）上にレーザ光線を放っている。横モードをとり得る数は、ＶＣＳＥＬの表面領域に依存する。

ＶＣＳＥＬによって発せられる横モードはまた、ＶＣＳＥＬに入射される光の強度分布によっても影響され得る。このことは、本発明の第１の態様による、エラー信号の生成の基礎である。この文脈において、入射が、ＶＣＳＥＬにおいて増大した利得に等しいことに留意されたい。

焦点誤差を検出するための本発明の一実施形態を、ここで図３を参照して説明する。図３は、一次横モードにあるＶＣＳＥＬを用いた、非点収差の焦点トラッキングを示す。図３の上部は、入射光についての空間分布を示す。左側の図は、合焦時の入射分布を示し、中央及び右側の図は、焦点の上及び下であるときの入射分布を示す。図３の下方の行は、対応する入射分布による、ＶＣＳＥＬの出力分布を示す。例示の目的で、図面に示されるＶＣＳＥＬからの発光が、標準的な４象眼の検出器上に重ね合わされる。

図３中の左側の図に示されるように、装置が合焦であるとき、入射光の強度分布は、ＶＣＳＥＬのＴＥＭ_００モードに合致する。それ故、ＶＣＳＥＬへの合焦状態での入射は、結果として、対照的な発光を生じる。しかしながら、装置が非合焦であるとき、入射光は、非点収差の形状を有する。このような非点収差の入射に合致するＶＣＳＥＬモードは、ＴＥＭ_１０モードになる。ＴＥＭ_１０モードは、非点収差の入射方向と同様の方向を有する。したがって、非合焦状態において、検出器の４つの象限は、異なる光量を受光することになる。このようにして、正規化された焦点誤差信号（ＮＦＥＳ）（a normalized focus-error signal）を、次式で規定することができる。
ＮＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ−Ｄ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
ここで、概略的に図に示されるように、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、検出器の４つの夫々の象限からの信号である。

情報担体からの情報の読み出しは、ＶＣＳＥＬ出力の強度／偏光によりなされ、一方、エラー信号は、ＶＣＳＥＬ出力の空間分布により生成されることに留意されたい。

図３を参照して説明したエラー信号の生成は、入射光が、非合焦の際に非点収差分布を有することに依存する。このことは、典型的には、非点収差のレンズによって得られる。

別の実施形態において、図４に示すように、焦点誤差信号を、環状レンズによって生成する。たとえば、情報担体の照射に用いられるレーザが、ＶＣＳＥＬ自体である場合がそうである。

図４に示される実施形態において、検出器は、（４つの象限が用いられた）上記の例とは異なる検出領域に分割される。この場合、検出器は、左の矩形及び右の矩形に分割され、併せて正方形を形成し、且つ正方形の中央で左の半円および右の半円を有する。図４に示すように、再び、検出器の４つの部分からの検出器信号は、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤと表示される。

ＶＣＳＥＬに入射された空間強度分布を、図４の上の行に示す。強度分布は、環状レンズの特徴を示す。合焦状態を、左側の図に示す。このような強度分布をＶＣＳＥＬに入射することは、結果としてＶＣＳＥＬからの発光を生み、発光は、ＴＥＭ_００モード及びＴＥＭ_０１＊モードの組み合わせである（図２と比較）。装置が合焦であるとき、図４の左下の図に示されるように、等しい光量が検出器の４つの部分全て（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の上にある結果となる。システムが、焦点の上にあるとき、入射光の強度分布は、中央の図に示すようになる。対応するＶＣＳＥＬのモードは、放射強度の大部分が、中心から離れているモード、すなわちＴＥＭ_０１＊モードである。それ故、検出器部分Ｂ及びＣと比較して、強度が、より検出器部分Ａ及びＤ上にかかる。焦点の下にあるとき、図４の右側の図に示すように、ＶＣＳＥＬのモードは、放射強度の大部分が中心に近いモード、すなわちＴＥＭ_００モードである。この場合、検出器部分Ａ及びＤよりも検出器部分Ｂ及びＣに、より一層の光がかかる。したがって、正規化された焦点誤差信号は、次式によって与えられる：
ＮＦＥＳ＝（Ａ＋Ｄ−Ｂ−Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、上述した状況と同様、夫々の検出器部分からの信号である。

本発明の別の実施形態において、ＶＣＳＥＬからの発光の空間分布を用いて、半径方向のプッシュプルトラッキングエラー信号を生成する。このことを、図５に示す。

ピックアップユニットが、トラッキングから外れた場合、情報担体から反射した光は、非対称になる。このことを、トラッキングエラー信号の生成に用いることができる。入射光のプッシュプルの非対称性は、ＶＣＳＥＬに、非対称な利得を導入し、次に、ＶＣＳＥＬのＴＥＭ_０１及びＴＥＭ_００出力コンポーネントの比を変更する。この効果として、検出器上のスポットの位置ずれが生じる。

この原理を正しく作用させるために、ＶＣＳＥＬの２つの横モードＴＥＭ_０１及びＴＥＭ_００は、位相同期されるべきであり、このことは通常、２つのモードの固有振動数が略同一でなくてはならないことを意味する。プッシュプル信号を生成するためには、図に示すように、検出器部分が２つのみ必要である。ピックアップユニットのトラッキングを制御するため、検出器からのフィードバックループを用いることができる。

本発明の更に別の実施形態において、１つより多いＶＣＳＥＬを用いる。この例を、概略的に図６に示す。図６では、相対タイミングエラー（位相差）信号を生成するための、４つのＶＣＳＥＬを、示す。この場合、検出器の各象限の正面に１つのＶＣＳＥＬが配置され、各ＶＣＳＥＬのスイッチングのタイミングが、エラー信号の生成に用いられる。上述した複数のケースに関しては、十分な光量が、ＶＣＳＥＬに入射されると、各ＶＣＳＥＬがスイッチングされる。焦点誤差信号が、「接線」方向（図を参照）におけるＶＣＳＥＬ間のスイッチング時間差により、確立されることができる。各ＶＣＳＥＬは、他のＶＣＳＥＬに独立してスイッチングされることに留意されたい。

焦点誤差の検出を、図７に示す。ピックアップユニットが、合焦である場合、図７の左側の図に示すように、図６の４つのＶＣＳＥＬは全て、照射点の中心が情報担体上のマークに当たると、同時にスイッチングされる。ピックアップユニットが非合焦である場合、照射点の中心が、情報担体上のマークに当たると、検出器の一方の側が、他の側より先に照射される（実質的に、２つの隣り合うＶＣＳＥＬが、他の２つのＶＣＳＥＬより先にスイッチングされる）。それ故、情報担体の回転方向を考慮に入れることにより、焦点誤差信号を、図６及び図７による接線方向の規定を用いて、（Ａ＋Ｂ）と（Ｃ＋Ｄ）との間の位相差から得ることができる。

この実施形態を用いて、トラッキングエラー信号を生成することも可能である。このような場合、位相差は、代わりに（Ａ＋Ｄ）と（Ｂ＋Ｃ）との間で求められ、それによって、情報担体から反射されたビーム中のプッシュプルの非対称性を検出することができる。

結びに、エラー信号を生成するため、垂直共振器面発光レーザから空間強度分布を用いることを説明した。エラー信号を生成するため、ＶＣＳＥＬのアレイを用いることもまた説明した。

本発明を実施することのできる光ピックアップユニットを、概略的に示す。 典型的な１５μｍ方形型ＶＣＳＥＬのニアフィールド発光パターンを示す。 典型的な１５μｍ方形型ＶＣＳＥＬのニアフィールド発光パターンを示す。 典型的な１５μｍ方形型ＶＣＳＥＬのニアフィールド発光パターンを示す。 典型的な１５μｍ方形型ＶＣＳＥＬのニアフィールド発光パターンを示す。 非点収差の入射ビームを用いることによる焦点トラッキングで、且つＶＣＳＥＬが一次横モードにある図である。 環状レンズを用いることによる焦点トラッキングであって、ＶＣＳＥＬが一次又は二次横モードにある図である。 入射光におけるプッシュプルの非対称により引き起こされたＶＣＳＥＬの出力の「重心」シフトによる、半径方向のエラートラッキング信号生成の図である。 個々のＶＣＳＥＬ間のタイミング差（すなわち位相差）からエラー信号を生成するＶＣＳＥＬの配置を示す。 どのようにデフォーカスが、図６に示す配置上にかかる信号に影響を及ぼすかを示す図である。

Claims (13)

1. 光情報担体から情報を読み取る光ピックアップユニットであって：
   前記の情報担体を照射する光源；
   前記の情報担体から反射された光を少なくとも１つの垂直共振器面発光レーザに入射する光学系；及び
   前記又は各垂直共振器面発光レーザからの出力の空間的特徴を検出する検出手段であり、それにより当該光ピックアップユニットについてエラー信号を生成する、ところの検出手段、
   を有する、ところの光ピックアップユニット。
2. 前記検出手段は、少なくとも２つの分かれた検出領域を有する検出器であり、且つ前記ピックアップは、当該少なくとも２つの分かれた検出領域からの信号を比較することによってプッシュプルトラッキングエラー信号を生成するよう配置される、
   請求項１記載の光ピックアップユニット。
3. 前記検出手段は４象眼検出器を有し、且つ前記ピックアップは、当該検出器の４象限からの信号を比較することによって焦点誤差信号を生成するよう配置される、
   請求項１記載の光ピックアップユニット。
4. 前記検出手段は２つの半円形の中心検出器領域及び２つの矩形の外側検出器領域を有し、且つ
   前記の情報担体を照射する前記光源は円形対称の出力を有する光源であり、且つ前記ピックアップは、前記検出器領域から信号を比較することによって焦点誤差信号を生成するよう配置される、
   請求項１記載の光ピックアップユニット。
5. 垂直共振器面発光レーザのアレイを有し、前記検出手段は対応する検出器のアレイを有し、各検出器は前記レーザの夫々に隣り合うよう配置される、
   請求項１記載の光ピックアップユニット。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項によるピックアップユニットを有する光ドライブ。
7. 光情報担体から情報を読み取るときにエラー信号を生成する方法であって：
   光を前記の情報担体上に方向づける方向づけステップ；
   前記の情報担体から反射された光を少なくとも１つの垂直共振器面発光レーザに入射する入射ステップ；
   前記又は各垂直共振器面発光レーザからの出力の空間的特徴を分析する分析ステップ；及び
   前記又は各垂直共振器面発光レーザからの前記出力の空間的特徴に基づいてエラー信号を生成する生成ステップ、
   を有する方法。
8. 光情報担体から情報を読み取る光ピックアップユニットであって：
   前記の情報担体を照射する光源；
   前記の情報担体から反射された光を垂直共振器面発光レーザのアレイ上に方向づける光学系；及び
   光の入射によって引き起こされたレーザのアレイについてスイッチングの相対的タイミングを決定する決定手段、及び
   前記相対的タイミングに基づいて前記光ピックアップユニットについてエラー信号を生成する生成手段、
   を有する、ところの光ピックアップユニット。
9. 前記アレイは２つずつのレーザのアレイである、
   請求項８記載の光ピックアップユニット。
10. 前記決定手段は、少なくとも２つの隣り合うレーザのアレイの前記相対的タイミングを比較することによって焦点誤差信号を生成するよう配置される、
    請求項８又は９記載の光ピックアップユニット。
11. 前記決定手段は、少なくとも２つの隣り合わないレーザのアレイの前記相対的タイミングを比較することによってプッシュプルトラッキングエラー信号を生成するよう配置される、
    請求項８又は９記載の光ピックアップユニット。
12. 請求項８乃至１１のうちいずれか一項によるピックアップユニットを有する光ドライブ。
13. 光情報担体から情報を読み取るときにエラー信号を生成する方法であって：
    光を前記の情報担体上に方向づける方向づけステップ；
    前記の情報担体から反射された光を垂直共振器面発光レーザのアレイ上に方向づける方向づけステップであり、当該反射された光を当該レーザのアレイに入射する、ところの方向づけステップ；
    前記レーザのアレイについてスイッチングの相対的タイミングを決定する決定ステップ、及び
    前記の決定された相対的タイミングに基づいてエラー信号を生成する生成ステップ、
    を有する方法。

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