JP2629781B2

JP2629781B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP2629781B2
Application number: JP63045186A
Authority: JP
Inventors: 誠加藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1997-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JPH01220133A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光ディスクあるいは光カードなど、光もし
くは光磁気媒体上に記憶される光学情報を記録・再生あ
るいは消去可能な光ピックアップヘッド装置に関する。

従来の技術高密度・大容量の記録媒体として、ピット状パターン
を用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディス
ク，ビデオディスク，文書ファイルディスク，さらには
データファイルと用途を拡張しつつ、実用化されてきて
いる。ミクロンオーダに絞られた光ビームを介して情報
の記録再生が高い信頼性のもとに首尾よく遂行されるメ
カニズムは、ひとえにその光情報をピックアップする構
成、とりわけその光学系に因っている。光ピックアップ
ヘッド装置（以下OPUと略す）の基本的な機能は、
（ｉ）回折限界の微小スポットを形成する集光性、（i
i）前記光学系の焦点制御とピット信号検出、および（i
ii）同トラッキング制御の３種類に大別される。これら
は目的，用途に応じて、各種の光学系ならびに光電変換
検出方式の組合せによって実現されている。第10図は、
従来のOPUの一例を示す模式図である、通常TE₀₀モード
で発振する半導体レーザ光源１からの発散波面（電場：
水平偏波）をコリメートレンズ２で平行ビームとし、偏
光ビームスプリッタ106で左方の四分の一波長板（1/4λ
板）11に選択反射する。1/4λ板を通過した円偏光波面
は、集光レンズ系３で大略１μｍ程度のスポットに絞ら
れ、光記憶媒体面４上に到達し、ピット状パターン40を
照射する。媒体面で反射・回折された光束は、再び集光
レンズ系３を逆に進んで四分の一波長板11を通過すると
垂直偏波の平行ビームとなり、偏光ビームスプリッタ10
6を透過してプリズムハーフミラー12で２方向に分割さ
れる。一方の反射光は集光レンズ20、ならびに非点収差
を付与する円柱状レンズ13を通って四分割フォトディテ
クタ14に入射し、フォーカシング（焦点）制御信号に変
換される。他方の透過光は、ファーフィールドパターン
のまま、トラッキング制御信号検出用の二分割フォトデ
ィテクタ７に入る。

ここで1/4λ板11は、偏光ビームスプリッタ106と組合
わせることによって、光量の利用効率を高めることと同
時に、半導体レーザへの戻り方を抑圧して、信号光成分
に不要なノイズが増加しないための工夫である。しか
し、再生専用ディスクのOPUでは、光量設計に余裕があ
り、1/4λ板と偏光ビームスプリッタを省くことが可能
であり、とくに小型化，低価格化のためには、部品の省
略，複合化が計られている。

発明が解決しようとする課題しかしながら、再生専用OPUにおいても、ビーム分割
手段、非点収差あるいはナイフエッジ法などによる焦点
制御手段、またトラッキング制御手段を独立、もしくは
結合して構成する必要がある。そのために従来用いられ
てきた光学部品は、ビームスプリッタ，レンズ，プリズ
ム等いずれも大量に製作・組立・調整することは容易で
なく、小型化，低価格化，量産性，高信頼性の面で問題
があった。

これらの問題が生じる共通の理由として、第１に高精
度の平面あるいは非球面を要する光学部品は、多くの行
程を経て初めて所望の加工が実現されるのでプレス手段
等を用いるが如き生産が一般に困難であること、第２に
多数の部品を組み合わせて所定の総合性能を発揮させる
ためには、組立・調整にも多くの時間と複雑な検査・測
定装置を要すること、第３図に部品の小型化に限界があ
るところから、全光学系の小型化にも大きな制約があっ
た。

上記課題の解決方法として１枚のホログラム素子にフ
ォーカシングおよびトラッキング制御用の所定波面を記
録しておき、光ヘッドの読取りビームで再生される各波
面を光検出器に導びく技術が最近開示されている。

１）特願昭52−108908号（特公昭62−33659号）（大井
上，永井）２）特願昭62−16850号（特開昭62−188032号）（大井
上，永井）３）特願昭61−79677号（特開昭62−236145号）（松
下，辰巳）４）Y.Kimura et al“ハイパーフォーマンスオプテ
ィカルヘッドユージングオプティマイズドホロ
グラフィックオプティカルエレメント（High Perfo
rmance Optical Head using Optimized Holographic Op
tical Element）",プロシーディングオブザイン
ターナショナルシンポジウムオンオプティカルメ
モリ（Proc.of the International Symposium on OpTic
al Memory）Tokyo,Sept.16−18,1987（P.131）。

５）K.Tatsumi et al,“アマルティファンクショナル
リフレクションタイプグレーティングレンズフ
ォーザ CD オプティカルヘッド（A Multi−functio
nal Reflection Type Grating Lens for the CD Optic
al Head）",プロシーディングオブザインターナ
ショナルシンポジウムオンオプティカルメモリ
（Proc.of the International Symposium on Optical M
emory）Tokyo,Sep.16−18,1987（p.127）。

上記のうち、４）はフォーカシング誤差信号（FEと略
称する）をダブルナイフエッジ法で、トラッキング誤差
信号（TEと略称）をファーフィールド（ホログラム素子
面）上に設けたスリット格子からの回折光強度によって
検出する方法であり、他はすべて第９図に示すように非
点収差波面を四分割フォトディテクタ14で受光した信号
から演算してFF（TE）信号を検出するものである。第９
図は従来の検出状態を示すもので、（ｂ）は円状の光ビ
ーム141がディテクタ14に入射する場合、（ａ），
（ｃ）はだ円状光ビーム140,142が入射する場合を示
し、（ｂ）に示される増幅器30,31、信号処理回路33は
（ａ），（ｃ）には省略されている。ところが各方式と
も重大な課題として、光源の波長が設計基準波長λから
Δλだけずれを生じたとき各ビームの移動（140→1401,
141→1411,142→1421）が生じ、その影響を抑圧する技
術が一般的な使用条件下では解決されていなかった。す
なわち通常の半導体レーザでは使用環境温度が例えば60
℃変化するとピーク波長は12nm程度、また駆動電流が40
nw変化すると8nm程の波長シフトが各々生じる他、ロッ
ト変動幅も30nm程度考慮する必要がある。このように追
記型、ないし消去可能型光ディスクを含めたOPUでは大
幅な波長シフトに対して生じるホログラム素子からの回
折角度の変化に対応できる誤差信号検出という課題が残
されていた。

課題を解決するための手段本発明は上述の問題点を解決するために、半導体レー
ザの如きコヒーレント光源と、コヒーレントビームを微
小スポットに収束する光学系と、非点収差を含む波面を
記録したホログラム素子と、光検出器の領域分割方向
（境界線）が回折素子からの０次回折光収束点を中心と
する放射状方向にほゞ沿う如く形成された帯状フォトデ
ィテクタを組合わせる構成を備えたものである。

作用本発明では、特に波長変動の影響を受け易いFE信号検
出を安定化するために、ｉ）非点収差を含む波面が帯状
フォトディテクタに所定位置関係で入射する如く光学系
を配置し、ii）さらに、より望ましくは複数の帯状フォ
トディテクタからの出力を差動検出することによって信
号特性を従来の四分割ディテクタ方式と同等以上に保持
し、しかもiii）光源波長変動に伴う再生波面のフォト
ディテクタ上のビーム移動方向を前記ディテクタの帯状
伸長方向に一致させることによって光源の波長変動、も
しくはマルチスペクトル成分に対する信号劣化を容易に
回避できる。

実施例第１図は、本発明の一実施例によるOPU装置の概略構
成を示す。同図ａにおいて、１はコヒーレントビームを
発する半導体レーザ（たとえば波長λ_２800nm、２は
コリメートレンズ（焦点距離f_C20mm）、３は集光用の
対物レンズ、４は光記憶媒体（光ディスク）であって、
光源１から発したビームはコリメートレンズ２で平行ビ
ームとされ、レンズ３でディスク４上に集光される。こ
のとき６は非点収差を含む波面を記録したホログラム素
子であってレンズ2,3の間に介在して、往路ではその０
次透過光がディスク４に集光されることになる。42は基
板、41は保護膜である。ディスク４上で反射されたビー
ムは復路で再びレンズ３を通過してほゞ平行光とされた
後ホログラム素子６に入射して、０次透過光の他に軸外
に非点収差再生像とその共役像の２波面61,62を生成す
る。ここでホログラム素子６は、後述するフーリェ変換
型ホログラムであって、コリメートレンズ２を介してこ
れら一対の共役波面61,62は収束され、ディスク４上に
焦点が正しく結ばれているときには０次透過光の収束点
（光源１の発光点10）を含んでレンズ２の光軸に垂直な
面111とは前後する位置の２面に各々直交する方向に非
点像を結ぶ。５は光を受ける帯状形状のディテクタで検
出器50,51,52よりなる。各焦点面と面111との間隔はδ
_１＝δ_２＝δと設計する。

同図ｂは面111に配置された第1,第２および第３の光
検出器50,51,52と発光点10の関係を示している。第１図
ではディスク上のデフォーカス状態に対応して面111に
は非点収差像が示されている。図中、光検出器５の光電
変換面での入射ビームの一方は波面62のごとくなり、共
役像61と共に発光点を通る直線Ｘ−Ｘ′上に並ぶ。トラ
ッキング制御誤差信号検出についてはここでは省略して
おり、後述する。

第２図は本発明の別の実施例を示す概略図である。第
１実施例では透過型ホログラム素子を用いているのに対
し、本実施例では反射型ホログラム素子66を使って、光
軸をα90゜として折曲げている。またコリメートレン
ズを使用せず対物レンズ系30だけで結像光学系を構成し
て、小型化を計り、部品点数をより少なくしている。

第３図は本発明の更に別の実施例を説明したもので、
先の２例と異なる点は、光源１からの往路とは分離され
た復路で制御ビーム6100を得られるように偏光ビームス
プリッタ106と波長板９を設けていること、および第４
のフォトディテクタ530によって０次透過光6000を用い
たRF信号検出を別途行なう構成としたことである。ここ
で波長板９は、偏光ビームスプリッタ106との性能バラ
ンスを容易にする目的でλ/5程度の設計とし、戻り光量
の最適化を計って信号検出のS/N比を極大にしている。
ミラー８は光路折り曲げ用である。この場合は必要に応
じてホログラム666をブレーズ化して極大の回折効率を
もたせることができ、共役像6200は微弱なビームとな
る。また比点収差波面に所定のドーナツ状振幅分布を与
えてFE信号の特性改善を計っている。ホログラムについ
ては後述する。

さて、以上の実施例における光検出器の構成および信
号検出方法を詳しく説明しよう。第４図は第１図ｂで示
した光検出器50,51および52の各分割領域で検出される
波面ビーム62だけでなく、その共役像をも利用可能とし
た１対の再生波面610,620および０次光6000の関係を模
式的かつ一般的に表わしている。第４図ｂはディスク上
に合焦点のスポットが形成された場合で両ビーム610,62
0は等しい径（円形又はドーナツ形），等しい光パワー
密度で光電変換される。

第４図ａおよびｃは各々逆位相でのデフォーカス状態
を示す。フォーカス制御の特性（いわゆるＳ字特性）は
第７図ＡもしくはＡ′の如き信号出力が片側のフォトデ
ィテクタ510もしくは520より得られ、もしＡ−Ａ′の差
動出力を利用すれば図のように作動域は倍加されること
がわかる。また別の検出方法として、一方の共役像の中
央部、例えば510の出力Ａに、その両隣のフォトディレ
テタ511,512の各出力を逆符号で加算すればＢの如き出
力特性が得られる。同様に他方の共役像からもＢ′の如
くＢと対称的な出力が得られるので再び作動をとればＢ
−Ｂ″より、更に拡大された作動域を得ることも可能で
ある。

ここで第６図は本発明において非点収差波面を正確に
記録・再生できるホログラム素子を実現する光学系の概
念図である。波長λ_１のコヒーレントな平行ビーム13を
集光レンズ51で絞る光路中に円柱状レンズ70を配置し、
互いに垂直な方向に向いた非点収差像、すなわち線状の
集束ビーム101,103およびその中間位置にほゞ円形状の
ビーム102を得る。いま、ビーム102はX₁−Y₁座標面上に
あるとしておく。この光学系は、従来、光ピックアップ
光学系で非点収差を発生するために用いられるのと同様
のものであるが、ここで重要なことは、次にフーリェ変
換レンズ50（焦点距離f₁）を介して、前記円形状ビーム
102のフーリェ変換波面をレンズ80の後側フーリェ変換
面（ξ_１−η_１座標で表示）にとり出して、収差を含ま
ない別の平面波と重ね合わせることによって、いわゆる
レンズフーリェ変換型のホログラム素子12を作成する。
上記の参照波は、フーリェ変換レンズ80の前側焦点面の
所定位置16から発散する無収差の球面波を用いて容易に
得られることは衆知の技術である。ここで参照波は、平
行ビーム13と互いに可干渉な平行ビーム14をレンズ15で
収束して容易に得られる。

第２図の実施例で用いる反射型ホログラムの記録にあ
たっては、ホログラム記録面12をＺ軸およびη軸と45゜
傾ければよい。

さて、このようにして記録されたホログラム素子12
を、第６図ｂに示すような光学系に配置して波長λ_２の
平行ビームで照射すると、フーリェ変換レンズ５（焦点
距離f₂）の後側焦点面（X₂−Y₂座標で表示）には、第６
図ｂで示した非点収差を含む波面の再生像1021と、λ_１
≠λ_２の条件下でもその共役像1022がX₂−Y₂座標原点に
関して互いに対称の位置関係で歪なく再生され、各スポ
ット像の前，後方向には水平もしくは垂直方向の線状パ
ターン1011,1031および1012,1032が得られている。共役
波面同志であるので一方は垂直方向の線状像1031がレン
ズ５に近い位置にあり、他方は水平方向の像1012が並ん
で現われる。もし、このホログラム12をやゝ発散する球
面波で照明すると、X₂−Y₂面には共役像1012,1031の近
傍にあった非点収差像が結像されて、第４図a,cに示し
たような状態が得られる。逆に収束球面でホログラムを
照明した場合には、第６図の波面1032,1011の近傍の非
点収差像が各々検出されることになる。

第６図ａでフィルタ1010は円形開口であって、非点収
差波面の最小錯乱円の位置に挿入してビーム整形効果を
与えることができ、第４図で図示したようなきれいなビ
ームを再生可能である。また、第３図ｂで説明したＳ字
型特性改善のためのドーナツ状振幅分布を有する非点収
差波面も、第６図の空間フィルタをドーナツ状振幅パタ
ーンに置替えて容易に記録することができる。用いる空
間パターンとフォトディテクタの形状（第４図の角度
θ，最小錯乱円610の直径等）は設計の問題であるが、
従来の単純な非点収差像をそのまま四分割ディテクタで
受けるのと異なり、Ｓ字特性の最適設計を行なう自由度
が本発明によって考えられることが本質的に重要な効果
である。

第４図で光源の波長λ_２が長波長側にΔλだけシフト
したとすると再生波面は例えば610から611へ移動するこ
とになるが、像倍率も倍だけ大きくなって、フォトディテクタ出力としてはほ
とんど変動を生じず、数十ナノメータの光源波長変動を
容易に許容できる。レンズフーリェ変換ホログラムの特
質については、文献（（Ｉ）「ホログラフィによる漢字
メモリ」，加藤，藤戸，佐藤；画像電子学会研究会予
稿79−04−１（1979.11.）（II）“Speckle reduction
in holography……",M.Kato et al;アプライドオプテ
ィクス（Appl.Opt.）,14（1975）1093）等に詳しく報
告，解析されているように、一般画像の記録再生光学系
に適用された実績（（III）「光学式漢字編集処理シス
テム」佐藤他；電子通信学会研究会資料,EC78−53（197
8）47）を有するが、本発明では、ビーム制御用手段と
して実用上支障ない限り、再生光学系光軸近傍波面につ
いてフーリェ変換が成立すればよく、ホログラム素子か
らの波面再生に用いるレンズは、コリメートレンズで代
用できるし、あるいは単にホログラム素子を収束球面波
で照射するだけで、その集光面上に所望の再生像を得る
ことが可能である。さて、第６図の記録光学系でビーム
101,103の102とのｚ方向での間隔Δ₁,Δ_２は M²Δ_１＝δ₁, M²Δ_２＝δ₂, δ_１＝δ₂, として設計することができる。ここにδ_１＋δ_２は再生
光学系での非点隔差,Mは倍率、_１は記録用フーリェ変
換レンズ80の焦点距離、_２は再生用フーリェ変換レン
ズ80の焦点距離に相当するもので、第１図ではコリメー
トレンズ２の焦点距離、第２図，第３図ではホログラム
に入射する収束波の曲率半径_２である。第１〜３図で
述べた光ヘッド光学系，光検出系との寸法的な整合をと
るためには、記録用フーリェ変換レンズの焦点距離_１
を50〜100mm程度とし、非点隔差δ_１＋δ_２を数百ミク
ロンと設計可能である。

第５図は本発明の更に別の実施例を説明する概念図で
ある。同図ａはホログラム素子666の機能領域区分を示
し、フォーカシング制御用に非点収差を含む波面を記録
した領域691,692および693と単純な格子パターンを各々
他と異なる方向に記録したスリット状格子の領域68,69
とからなる。同図ｂは、ホログラム素子から再生される
波面をCPUのフォトディテクタ上で説明したもので、こ
の場合は先の実施例と異なり、非点収差波面再生像の±
１次光成分611,621の外側に±２次光成分の612,622が並
んで検出される構成とされている。領域68,69からの回
折光成分も±１次および±２次回折光迄検出され、トラ
ッキング信号がフォトディテクタ912と922とから差動検
出され、さらに共役像側の差動出力を利用することも勿
論可能である。

上記トラッキング信号検出のためのスリット格子は、
本発明の他のすべての実施例に組合わせて実施可能なこ
とは言う迄もない。

第８図に本発明の第１および第２実施例を始めとして
一般に適用できる更に望ましい構成の概念図を示す。同
図ａは第１図と対照して見れば明らかな如く、半導体レ
ーザ１ならびにフォトディテクタ５をハイブリッドもし
くはモノリシックに一体化したデバイス105の断面構造
と光ビームの出射ならびに入射状態を表わしている。同
図ｂはその平面図を概略示している。共役像ビーム61,6
2の中心と面発光レーザ100の発光中心10との距離ｄは正
確に設計製作可能であり、フォトリソグラフィ技術を用
いてフォトディテクタを精度よくモノリシック一体化し
て同一基板上に配置することによってホログラムヘッド
の組立は極めて容易に短時間で可能となる。すなわち第
８図ｂに破線矢印で示す回転移動方向にホログラム素子
を微調することによって、ビームとフォトディテクタの
相対位置は正しく決められる。なおフォトディテクタ50
1,502はレーザ光源とは別途構成して、組立てるハイブ
リッド型としてもよく、一対でなく片側502のみでもよ
くまた面発光レーザ100は従来型のレーザを用い、かつ9
0゜ビーム方向を曲げる反射あるいは回折光学系ととも
に実現したものでも勿論可能である。

発明の効果以上のように本発明になる光ヘッド装置は、光ビーム
制御に回折素子から生成される２波面を用い、かつ光デ
ィスクに集光されたスポットのファーフィールドパター
ンを光検出器で差動検出する構成をとることによって以
下の優れた効果をもたらすものである。

（ｉ）回折素子によって制御ビームを生成した場合の弱
点とされる光源の波長変動に対して、本発明では光検出
器分割線をホログラムの空間搬送波周波数方向に一致さ
せた帯状フォトディテクタを用いた構成より望ましくは
差動型の演算出力の組合せによって問題を解決してい
る。

（ii）従来一般に光検出器の位置調整は、２軸方向につ
いて各軸とも厳しい精度を要求されたが、本発明ではこ
れを大幅に緩和することができ、ホログラム素子あるい
は光検出器の回転調整程度の簡単な工程によって高信頼
度の光ヘッド装置を製作可能である。

（iii）本発明になるホログラム素子は、フーリェ変換
型のほとんど単純格子に近いパターン構成であってブレ
ーズ化を含めて極めて高精度，高回折効率のものを容易
に大量複製可能である。

（iv）以上の如き効果を発揮する本発明のOPUを用いた
光ディスクドライブ装置は半導体レーザ光源を用いなが
ら温度変化の極端に激しい環境下においても安定な動作
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の一実施例を示す光ヘッド装置の概略
構成図，第１図ｂは光検出器の配置図、第２図は本発明
の別の実施例を説明する光ヘッド原理説明図、第３図ａ
は本発明の他の実施例を説明する光ヘッド装置の概略構
成図，第３図ｂは光検出器の配置図、第４図a,b,cは光
検出器の動作を説明した本発明の一般的原理図、第５図
a,bは本発明のホログラム素子並びに光検出器の更に別
の実施例に関する構成概念図、第６図a,bは本発明のホ
ログラム素子を実現する記録，再生光学系を説明する例
の構成図、第７図は本発明のホログラム素子を用いた光
ヘッド光学系のＳ字特性概念図、第８図a,bはディテク
タ部の他の例の断面図，平面図、第９図a,b,cは従来の
光ヘッド光学系の受光状態を示す概念図、第10図は従来
の光ヘッド装置の分解斜視図である。１……半導体レーザもしくは相当のコヒーレント光源、
２……コリメートレンズ、３……集光光学系、４……光
ディスク、５……光検出器、51……第１フォトディテク
タ、52……第２フォトディテクタ、53……第３フォトデ
ィテクタ、６……ホログラム素子、66……反射型ホログ
ラム素子、530……第４フォトディテクタ、８……反射
ミラー、９……1/5波長板、10……光源発光点、11……1
/4波長板、50……記録用フーリェ変換レンズ、５……再
生用フーリェ変換レンズ、1010……空間フィルタ、14…
…四分割フォトディテクタ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントビームもしくは準単色のビー
ムを発する光源と、前記光源からのビームを微小スポッ
トに収束する集光光学系と、前記光学系を介して前記ビ
ームが所定の光記憶媒体によって反射される光路中に配
置され、非点収差を含む波面を記録したホログラム素子
と、前記素子からの光を受光する帯状形状を有するフォ
トディテクタを少なくとも具備した光ヘッド装置。
【請求項２】ホログラム素子がレンズフーリェ変換ホロ
グラムである特許請求の範囲第１項記載の光ヘッド装
置。
【請求項３】ホログラム素子が反射型ホログラムであっ
て、光源より出射するビーム方向と大約45゜をなしてホ
ログラム面が設けられた特許請求の範囲第１項記載の光
ヘッド装置。
【請求項４】光検出器が複数の帯状形状を有し、領域分
割境界線が、ホログラム素子からの０次回折光の収束点
を中心とする放射状方向に沿ってほゞ平行に伸長した形
状配置である特許請求の範囲第１項記載の光ヘッド装
置。
【請求項５】非点収差波面に所定の振幅型空間フィルタ
を作用させた波面を記録したホログラム素子を用いた特
許請求の範囲第１項記載の光ヘッド装置。
【請求項６】ホログラム素子からの高次回折成分を、１
次回折光成分とともに同一帯状フォトディテクタで検出
する特許請求の範囲第１項記載の光ヘッド装置。
【請求項７】一対の共役像を一対の帯状フォトディテク
タで各々検出し、その差動出力を得ることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の光ヘッド装置。