JP2648140B2

JP2648140B2 - 光学式ヘツド装置

Info

Publication number: JP2648140B2
Application number: JP61131237A
Authority: JP
Inventors: 信介鹿間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1997-08-27
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: KR900008379B1; KR880000925A; JPS62287434A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は光学式情報記憶媒体への情報の記録／再生
に用いられる光学式ヘッド装置であって、トラッキング
センサとして光ディスク上に複数個のスポットを集光す
る、いわゆる３ビーム方式の光学式ヘッド装置に関する
ものである。

［従来の技術］第７図には従来の光学式ヘッド装置の構成が示されて
いる。図において、（１）はレーザ光源である半導体レ
ーザ（以下LDという）、（３）はLDの出射レーザ光束
（２）を回折し３つのビームに分離する回折格子、
（４）は光束を反射して集光レンズ（５）に入射させる
平板状ビームスプリッタであり、従来では回折格子
（３）とビームスプリッタ（４）にて回折分離手段を構
成する。（６）は集光レンズ（５）を透過した光束の集
光点付近に置かれた光学式情報記憶媒体（以下光ディス
クという）、（７）は光ディスク（６）に記録された情
報であるピット、（８）はピットの列よりなるトラック
であり、例えばこのトラック（８）は光ディスク（６）
に幅約0.5μm,ピッチ1.6μｍでスパイラル状に刻み込ま
れており、このトラック（８）に直径約1.6μｍの光ス
ポット（９）を追従させることにより、光ディスク
（６）に記憶されている情報を読取ることができる。

また、（10）は光ディスク（６）によって反射され、
集光レンズ（５）及びビームスプリッタ（４）を透過し
た光束を受光して、光電変換する光検知器、（12），
（13）は減算器、（16）は加算器である。

従来の光学式ヘッド装置は以上の構成から成り、以下
にその動作について説明する。

前記LD（１）を出射した光束（２）は回折格子（３）
によって回折され、ビームスプリッタ（４）の表面で反
射された後に、集光レンズ（５）によって光ディスク
（６）の情報面上に斜線で示した３つの光スポット（9
a），（9e），（9f）が集光される。

この３つの光スポット（9a），（9e），（9f）のそれ
ぞれの中心を結ぶ線は、トラック（８）の軌跡方向に対
して、僅かに傾くように前記光学系装置が配置されてい
る。そして、光ディスク（６）に集光した光は情報面に
より反射され、集光レンズ（５）を再透過した後に、あ
る角度をもって配置されたビームスプリッタ（４）を透
過する。従って、ビームスプリッタ（４）から出射され
る光束は、公知のように非点収差、つまり子午光線、球
欠光線に対して別々の焦線を形成する収差が与えられ、
この光束は光検知器（10）に入射される。

また、光検知器（10）はディスク上の集光スポットが
合焦状態にあるときに中心ビームすなわち０次回折光
（スポット（9a）に対応する）の反射光束が最少錯乱円
となる光軸方向位置に置かれている。そして、光検知器
（10）は、第７図（ｂ）に示されるように、３ビームを
６箇所で検知するようにしており、３ビームのうち中央
のビーム（０次光）は４分割された検知部（10a），（1
0b），（10c），（10d）により、また両側のビーム（±
１次光）はそれぞれ独立した検知部（10e），（10f）に
より受光される。

周知のように、両側の検知部（10e），（10f）の出力
を減算器（13）によって差動演算することにより、中央
のスポット（9a）とトラック（８）の位置ずれが検知で
き、この検知信号はトラッキングエラー信号として端子
（14）から出力される。従って、このトラッキングエラ
ー信号により、ここでは図示しないトラッキングアクチ
ュエータが駆動制御され、スポット（9a）がトラック
（８）の中心に正しく位置するように補正される。

更に、中央の４分割検知部の出力は、対向する検知部
（10a）及び（10c）と（10b）及び（10d）を減算器（1
2）に供給することにより差動演算が行われ、この信号
はフォーカスエラー信号として出力端子（15）から取出
されており、光ディスク上光スポットの焦点ずれを検知
し不図示のフォーカスアクチュエータにより焦点ずれが
補正される。

この場合の焦点ずれ検出方法は非点収差法により行わ
る。すなわち、第７図（ｂ）に示されるように、光ディ
スク上のスポットが合焦状態（11a）のときは最小錯乱
円となって、略円形状態となるが、ヘッド装置と光ディ
スク（６）の距離の変化により生ずる焦点ずれが起こる
と、光検知器（10）上のスポットが破線で示されるよう
に縦長及び横長の楕円形に変形する。従って、変形した
楕円形を電気的に検出することにより焦点の位置ずれを
検出することができる。

そして、４分割検知部（10a）〜（10b）の出力を加算
器（16）により加算した出力は、ヘッド装置の本来の機
能である再生のための信号に用いられ、光ディスク
（６）からの再生信号は端子（17）から出力された不図
示の処理回路にて情報の読取りが行われる。

［発明が解決しようとする問題点］前述したように、従来の３ビーム方式の光学ヘッド装
置では、光ディスク（６）上に集光する３つの回折光の
うち両側に位置する±１次光を受光する光検知器（10）
の差動出力によりトラッキングエラー信号を得ていた
が、この場合、この±１次光は０次光と同様にほぼ回折
限界の集光特性を有しており、第７図（ｃ）に示される
ように、０次光のスポット（9a）に比べて±１次光のス
ポット（9e），（9f）がトラック（８）の上下に微小量
ずれてはいても、光ディスク（６）に記録された情報を
も再生するという問題があった。

すなわち、光検知器（10）の検知部（10e）又は（10
f）の出力は、光ディスク（６）上の±１次光のスポッ
ト（9e），（9f）の間隔に対応する時間差があるが、そ
れぞれが０次光のスポット（9a）の前後のディスク再生
情報を含んでいる。

しかも、一般に±１次光のそれぞれの再生出力には相
関関係がないため、減算器（13）の出力にも±１次光の
ディスク情報再生出力の成分が含まれる。従って、減算
器（13）の端子（14）の出力に含まれる上記再生出力成
分はトラッキングエラー信号に対するノイズ成分とな
り、特にDC〜10KHz程度のトラッキングサーボ帯域に混
入する再生出力成分はトラッキングサーボを正確に動作
をさせる上での大きな障害要因となっていた。

そこで、従来では、トラッキングエラー信号への再生
出力の混入を軽減するため、３ビームのディスク情報ト
ラックに対する設定角度を変えてトラッキングエラー信
号が最大となる値からスポットをずらす方法が行われて
いる。

この方法について第７図に基づいて説明する。

トラッキングエラー信号の出力は、スポット（9e），
（9f）のトラック（８）と直交する方向へのずれ量がト
ラック間隔の約1/2となる場合に最大となるが、通常で
は端子（14）の出力を入力するサーボ回路の負担を軽減
する意味で３ビームの回転位置をトラッキングエラー信
号の上記最大となる点に設定する。

ところが、このような３ビームの位置関係では、前述
しように、端子（14）の出力中に再生信号が大きく混入
するので、これを避けるために、±次光のスポット（9
e），（9f）のトラック（８）と直交する方向へのずれ
量が大きくなるように、つまりスポット（9e），（9f）
とトラック（８）の成す角度がより大きくなる方向に３
ビームの回転位置をずらして設定している。

従って、±１次光のスポット（9e），（9f）はトラッ
キングエラー信号の最大点設定の場合と比較して、より
トラック間の部分に重なる面積が多くなり、これにより
トラッキングエラー信号への再生信号の混入が減少す
る。

しかしながら、このような方法では、トラッキングエ
ラー信号検出感度が減少するという問題があり、また３
ビーム設定角変動に対するトラッキングエラー信号の検
出感度が大きく変化するため、設定角度誤差の許容値が
狭くなるという問題があった。

そこで、本発明者は、±１次回折光を光ディスク
（６）上に焦線スポットとして照射し、ディスク情報の
混入を極めて小さくすると同時に３ビームのトラックに
対する設定角をトラッキングエラー信号出力の最大点に
設定する装置（第１図）を提案しており、これは本願出
願と同時に出願されている。すなわち、上記提案発明は
回折分離手段が均一周期の直線縞模様からなる回折格子
を第１の面に形成した光束分離素子を含み、この光束分
離素子を所定角度傾け情報記憶媒体上における分離光束
の集光スポットが前記第１の面の子午面内近傍に存在す
るように光束分離素子を配置・構成するようにしてい
る。

従って、光束分離素子からは０次、±１次の回折光が
形成され、±１次光は焦線スポットとして光ディスク上
に照射される。この場合、光ディスク上の０次光が回折
限界スポットとしての合焦状態にあるときに、±１次光
はトラック方向に沿って延在する焦線（サジッタル焦線
という）スポットとして集光する。この結果、±１次光
に対するディスク情報再生出力の混入の減少が図られ、
焦線長さをディスク記憶情報の最大くり返し長よりも長
くした場合には、原理的にトラッキングエラー信号への
再生信号混入が完全になくなる。このようにして、この
焦線スポットは、トラッキングエラー信号の検出感度の
最大点に設定することができる。

しかしながら、上記提案発明において解決されること
が望ましい問題点がある。

すなわち、光ディスク（６）から反射された３つの反
射光は光束分離素子（40）に形成された回折格子（30
a）を通過する際に更に回折を受け、光検知器（10）上
に９個の光スポットを形成させることになる。

この結果、情報再生に用いられる光ディスク上の０次
光に対応する反射光を受光する光検知器上（第７図
（ｂ）の４分割検知部）で光束の重なりが生じ、再生信
号の品質が劣化するという問題があった。これを第２図
に基づいて詳細に説明する。

LD（１）により出射したレーザ光（２）は回折格子面
（30）によって光ディスク上の０次光m,＋１次光f,−１
次光ｅに回折分離され、これら３つの光束は更に光ディ
スク（６）から反射（反射光という）された後に、光束
分離素子（40）の回折格子面（30），及び面（31）を透
過する際に再び回折され透過０次光及び透過±１次光に
分離される。従って、図に示されるように、０次反射光
ｍによって発生する透過回折光をM1,M,M−１とし、＋１
次反射光ｆにより発生する透過回折光をF1,F,F−１と
し、また−１次反射光ｅにより発生する透過回折光をE
1,E,E−１とすると、第７図の検知器（10a），（10
b），（10c）には本来の再生信号であるＭの他にE1,F−
１が重なって入射することになる。

従って、上記光ディスク反射光の回折光である−１次
反射光の透過＋１次光E1,＋１次反射光の透過−１次光
Ｆ−１は本来の光束（０次反射光ｍ）によって再生され
るべき情報に対するノイズ成分となり、加算器（16）の
出力として取出される再生信号の品質を極めて劣化さ
せ、再生性能を確保する上での障害となっていた。

［発明の目的］この発明は、上記問題点を解決するために為されたも
ので、光検知器に入射されるべき本来の光ディスク反射
光に対して混入する光ディスク反射光の透過回折光の強
度を低減し、再生信号の検知を良好に行うことのできる
光学式ヘッド装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］この発明にかかる光学式ヘッド装置は、回折分離手段
が均一周期の直線縞軌跡から成る位相型回折格子を第１
の面に形成した光束分離素子を含み、この光束分離素子
を分離された光スポットが前記情報記憶媒体上の所定位
置に照射されるように配置し、情報記憶媒体からの反射
光が光束分離素子を透過回折された場合に、＋１次反射
光の透過−１次光と０次反射光の透過０次光との強度比
I_F-1/I_M及び−１次反射光の透過＋１光と０次反射光の
透過０次光との強度比I_E1/I_Mが0.01以下であることを特
徴とする。

ここで、位相型回折格子とは入射光に対して周期的に
位相変化を与える回折格子をいうものとする。

［作用］この発明における光学式ヘッド装置では、上記光束分
離素子の位相型回折格子により光ディスクからの反射光
が光束分離素子を通過する際に所定の位相量が与えられ
るが、この位相量を±１次反射光の透過１次光と０次
反射光の透過０次光との強度比I_F-1/I_M,I_E1/I_Mを極めて
小さい値、例えば1/100程度以下に設定することができ
るので、本発明の光束分離素子を用いた場合において再
生信号への余分な透過回折光への混入を極めて低減させ
ることができ、光検知器における再生信号の受光を良好
な特性で得ることができる。

［実施例］以下、この発明の１実施例を図に基づいて説明する。
本発明にかかる光学式ヘッド装置は第１図に示された構
成からなるが、その回折分離素子（40）の位相型回折格
子（30a）の一部拡大図が第３図に示されている。

図に示されるように、位相型回折格子（30a）は屈折
率n_sの光束分離素子（40）の基板の表面（30）上に屈折
率n_gの矩形格子（32）が形成され、実施例では周期ｐを
一定とし、矩形格子（32）のデューティー比を0.5、そ
の厚みをｄとする。上記パラメータn_g,d及び光源の波長
λ所望の値に設定することにより、所定の位相差を回折
光に与えることができ、これについては後述するが、本
発明は、平板光学素子に矩形格子（32）を形成すること
だけで所望の効果を得ることができる位相型回折格子
（32a）を用いることを特徴する。

上記光束分離素子（40）は、光ディスク（６）からの
反射光に対して45゜の角度をもって配置されており、次
に位相型回折格子（32a）に斜め入射角θで反射光が入
射する場合の、位相量と回折光強度比の関係について説
明する。

第４図（ａ）には、反射の場合の位相量を求める図の
説明図、第４図（ｂ）には透過の場合の位相量を求める
説明図が示されている。

ここで、回折格子（30a）が空気中に置かれるものと
考えると、反射の場合には、光路長差（［AB］−［A
C］）を位相差に換算した位相量φｒが次式にて求めら
れる。ただし光源の空気中の波長をλとする。

φｒ＝４πｄ・cos（θ）／λ …（１）また、透過の場合には、便宜上光束分離素子基板の屈
折率n_sも格子材料と同じ屈折率n_gと考えることにより、
上記反射の場合と同じく光路長差（［AB］−［AC］）よ
り、位相量φτが次式にて求められる。

一方、位相型回折格子の矩形格子（32）のデューティ
ー比が0.5の場合には、溝幅に比べて溝厚みが充分小さ
く、従って矩形格子（32）のエッジの影響が無視できる
と考えると、位相量φに対して、１次光の強度I₁と０次
光の強度I₀の比は次式で表される。

但し上記（３）式は矩形形状が理想的であるとすると
±１次光双方とも同じ値となる。

次に、第２図に示された光検知器（10）に入射される
透過回折光M,E1,F−１の強度をそれぞれI_M,I_E1,I_F-1と
して示すと、光検知器（10）上の妨害光と信号光の強度
比は上記（３）式に上記（１），（２）式を繰り返し代
入することにより、次式で与えられることが理解され
る。

I_E1/I_M＝I_F-1/I_M＝２（−）⁴tan²（φ_r/2）・tan²（φ_τ/2）π …（４）従って、妨害光の強度を小さくするには上記（１），
（２）式におけるパラメータd,θ，λ,n_gの値を、上記
（４）式が一定値、例えば0.01以下になるように設定す
ればよい。

第５図には２酸化ケイ素（SiO2）を矩形格子（32）の
材料として光束分離素子（40）を形成した場合の１例が
示され、この場合のパラメータとし、ｎg＝1.45（SiO
2）、θ＝π/4を用いて、（d/λ）に対して上記（４）
式をプロットしている。この格子材料としてのSiO2はス
パッタ法にて格子作製を行う場合に一般的に用いられて
いるものであり、図から、最適な強度比として設定され
る値、つまり、I_E1/I_M＜0.01の領域として、０＜d/λ＜
0.16,1.36＜d/λ＜1.52が存在することを読取ることが
できる。そして、LD（１）の代表的波長を0.78μｍとす
ると、上記範囲に相当する格子厚みｄは、０＜ｄ＜1.1
2、1.06＜ｄ＜1.19（μｍ）となることが理解される。

第６図には、ポリメチルメタクリル酸メチル（PMMA）
を材料として光束分離素子（40）を形成した場合の１例
が示され、パラメータとして、ｎg＝1.48（PMMA）、θ
＝π/4を用い、（d/λ）に対して上記（４）式をプロッ
トしている。この格子材料としてのPMMAは格子作製する
場合には射出成形法等にて行われ、図から、強度比とし
て最適な値、つまりI_E1/I_M＜0.01の領域として、０＜d/
λ＜0.16、1.34＜d/λ＜1.72が存在することが読み取れ
る。そして、LDの代表的波長を0.78μｍとすると、に相
当する格子厚みは、０＜ｄ＜0.12,1.05＜ｄ＜1.34（μ
ｍ）となることが理解される。

このように、位相型回折格子（32a）が形成された光
束分離素子（40）の材料と光束分離素子自体の傾き角度
を設定することにより、矩形格子（32）の厚みｄが決定
され、これらの値にて光束分離素子（40）を形成すれ
ば、ディスクからの反射光の透過±１次回折光の強度を
極めて低減させることができ、光検知器（10）にて必要
とされる検出信号の強度に与える影響をなくすことがで
きる。

なお、トラッキングエラーを検出する反射±１次光に
も、第２図に示されるように、透過±１次光M1及びＭ−
１の影響があるが、第１図検出部10e,10fで検出した信
号を電気的にキャンセルすることにより有効に除去でき
るので問題とはならない。

以上のように、代表的な格子材料を用いた２例につい
て45゜入射の場合の最適パラメータの設定例を説明した
が、いずれの格子材料を用いた場合であっても、前記
（１），（２），（４）式によって設定される妨害光対
信号光の強度比が0.01以下となるように設定すれば、良
好な再生特性の光学式ヘッド装置を得ることができる。

しかし、この強度比の許容最大値をどの程度に設定す
るかは±１次光の集光状態にも依存するところが大き
い。例えば実施例における装置では±１次光に故意に非
点収差を付与して情報再生ができにくいようにしてお
り、このような場合には前記許容値はもっと大きく設定
しても問題はない。

また、再生信号の品質がより厳しく問われる場合に
は、前記許容値より小さくして前記（４）式を評価すれ
ばよい。すなわち、これら許容値のそれぞれに対して本
発明を適用することが可能である。

また、実施例の説明では断面形状が矩形とされた位相
型回折格子（30a）について説明したが、この他にも位
相型回折格子材料としては、サーモプラスチックの表面
形状変形によるものやカルコゲナイド系元素を含んだア
モルファス半導体に光を照射することによって屈折率変
化を起させたもの等を用いることも可能である。

上記前者のサーモプラスチックを用いたものは、光導
電性の材料の上にサーモプラスチックを被覆し、このサ
ーモプラスチック上にコロナ放電，帯電そして加熱処理
等を施すことにより、サーモプラスチック表面に位相型
の凹凸変形を加えたものである。

また、後者のアモルファス半導体を用いたものは、ガ
ラス基板上に真空蒸着又は高周波スパッタにてアモルフ
ァス半導体薄膜を形成し、この薄膜に特定波長の光を照
射することにより微視的な構造変化を与え、屈折率変化
を有する薄膜に形成したものである。

このような位相型回折格子によっても本発明の目的を
達成させることができ、位相型回折格子の位相量の設定
により、妨害光の強度を低減させ、必要な信号光の所定
強度を維持することができる。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば、回折分離手段を位
相型の回折格子からなる光束分離素子としたので、光デ
ィスクから反射される±１次光が光束分離素子にて透過
回折される場合に、光検知器に入射する０次反射光の透
過０次光に対する±１次反射光の透過１次光の混入割
合いを所定値以下に設定でき、当該信号の再生信号への
混入を極めて低減させ、良好な再生特性をもった光学式
ヘッド装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる好適な実施例を示す説明図であ
り、第１図（ａ）は基本構成図、第１図（ｂ）は第１図
（ａ）の光ディスク（６）の平面図、第２図は透過回折
によって妨害光が発生する様子を示す説明図、第３図は
本発明の実施例で使用される位相型回折格子の断面形状
を示す説明図、第４図は位相型回折格子に光束が斜め入
射した場合の位相量演算を示す説明図、第５図はSiO2を
用いた45゜入射の回折格子による妨害光発生の場合にお
いて強度比と矩形格子の厚さとの関係を示すグラフ図、
第６図はPMMAを用いた45゜入射の回折格子による妨害光
発生において、強度比と矩形格子の厚さとの関係を示す
グラフ図、第７図は従来の光学式ヘッド装置の構成図で
あり、第７図（ａ）は基本構成図、第７図（ｂ）は光検
知器の構成図、第７図（ｃ）は光ディスク面における３
つのスポットの設定状態を示す説明図である。図において、（１）はLD、（５）は集光レンズ、（６）
は光ディスク、（８）はトラック、（10）は光検知器、
（30）は第１の面、（30a）は位相型回折格子、（31）
は第２の面、（40）は光束分離素子である。図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出射する光源と、該光源から出
射する光束を０次回折光及び±１次回折光の複数本の光
束に回折分離しこの回折光束を任意の方向に分波する回
折分離手段と、該回折分離手段によって分離された光束
を光学式情報記憶媒体上に複数個の光スポットとして集
光する集光レンズ手段と、前記光学式情報記憶媒体の情
報面によって反射され前記集光レンズを再透過し、さら
に前記回折分離手段を透過した光束を受光して光電変換
する光検知器と、を有し、前記光検知器上の０次回折光
の変形によって０次回折光スポットの焦点ずれを検知す
るとともに０次回折光により光学式情報記憶媒体に蓄え
られた情報を再生し、±１次回折光により前記光学式情
報記憶媒体上の情報トラックと０次回折光スポットとの
面内ずれを検出する光学式ヘッド装置において、前記回
折分離手段は、均一周期の直線縞軌跡から成る位相型の
回折格子が第１の面に形成された光束分離素子を含み、
この光束分離素子で分離された光スポットが前記情報記
憶媒体上の所定位置に照射されるように配置し、情報記
憶媒体からの反射光が光束分離素子を透過回折した場合
に、＋１次反射光の透過−１次光と０次反射光の透過０
次光との強度比I_F-1/I_M及び−１次反射光の透過＋１次
光と０次反射光の透過０次光との強度比I_E1/I_Mが0.01以
下であることを特徴とする光学式ヘッド装置。
【請求項２】前記回折分離手段は光束分離素子を分離さ
れた光束の前記情報記憶媒体上光スポットが前記第１の
面の子午面内近傍に存在するように配置し、前記情報記
憶媒体上の０次反射鏡が合焦状態にあるときに±１次光
が情報記憶媒体面上の略トラック方向に沿って延在する
焦線スポットとして集光されるように構成したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式ヘッド装
置。
【請求項３】前記光束分離素子の回折格子は格子の断面
形状がデューティー比0.5の矩形とされ、この矩形溝部
より生じる位相差によって入射光を回折させることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式ヘッド装
置。
【請求項４】前記光束分離素子の回折格子が２酸化ケイ
素材料により形成されたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項，第２項又は第３項記載の光学式ヘッド装置。
【請求項５】前記光束分離素子の回折格子はポリメチル
メタクリル酸メチル材料により形成されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項，第２項又は第３項記載
の光学式ヘッド装置。