JP2794816B2

JP2794816B2 - 記録再生光学系

Info

Publication number: JP2794816B2
Application number: JP1229551A
Authority: JP
Inventors: 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JPH0393048A

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等に光情報を記録あるいはこれに
記録された光情報を再生するための記録再生光学系に関
するものであり、特に光磁気ディスク等に好適なもので
ある。

〔従来の技術〕

大量の情報を低コストで効率良く記録、保存、再生で
きるものとして、種々の光ディスクが実用に供されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般的に、光ディスクの記録再生光学系において、対
物レンズ、コリメーターレンズを非球面単玉レンズ化す
ることは装置の小型化、軽量化、及びコストダウンの為
の有力な手段である。

ところが、再生・記録の切り替え時におけるパワー変
化に伴うレーザの波長変動による色収差が問題となって
くる。すなわち、この色収差により記録・再生における
光情報の劣化を招くという問題がある。特に、光ディス
クで画像情報を記録・再生する際には、画質の劣化が極
めて顕著となる。そこで、コリメーターレンズを単玉の
低分散の非球面レンズ、例えばｄ線に対するアッベ数が
80以上の低分散硝材を用いても色収差を補正しきれな
い。

このため、コリメーターレンズを２枚のレンズ構成に
して色補正を過剰にすると、光源としてのレーザー自身
が有する非点収差の影響を無視することができなくな
る。

そこで、本発明は、記録・再生時のレーザーの波長変
動及びレーザー自身が有する非点収差等が存在するにも
かかわらず、常に安定した信頼性の高い光情報を記録及
び再生可能な高性能な記録再生光学系を提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の記録再生光学
系は、第１図に示す如く、光源と、該光源からの光束を
コリメートするコリメーターレンズと、該コリメーター
レンズを介したコリメート光束を整形するためのビーム
整形光学系と、該ビーム整形光学系を介した整形された
光束を被照射面に集光するための対物レンズとを有する
ものである。

そして、この基本構成に基づいて、前記ビーム整形光
学系と前記対物レンズとの間にハイパークロマチックレ
ンズを配置したものである。

このとき、前記光源自身が有する非点隔差をδとし、
前記ビーム整形光学系の整形比をｍ、前記光源の光束射
出側面と前記コリメーターレンズの焦点位置との光軸に
沿ったズレ量をZ_c、前記対物レンズの焦点距離をf_o、前
記対物レンズの開口数をNA、基準波長をλ、前記ハイパ
ークロマチックレンズの焦点距離をf_hとするとき、を満足することが望ましい。

このとき、前記ハイパークロマチックレンズは正レン
ズと負レンズとを有し、該正レンズのアッベ数をν_P,該
負レンズのアッベ数をν_Ｎとするとき、 ν_Ｐ−ν_Ｎ＞20 を満足することがより望ましい。

より好ましくは、前記対物レンズ及び前記コリメータ
ーレンズは非球面を有する単一の正レンズで構成するこ
とが良い。

〔作用〕

そこで、本発明は、従来の構成にハイパークロマチッ
クレンズを追加することにより、記録・再生時でのレー
ザーの波長変動及びレーザー自身が有する非点収差に伴
う記録・再生性能の劣化を抑えるようにしたものであ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明による実施例についての概略構成図で
あり、以下、この図を参照しながら本実施例について詳
述する。尚、本実施例においては、光磁気ディスクにつ
いての記録再生光学系を示している。

第１図に示す如く、光源としてのレーザーダイオード
１（以下、LDと称する。）から射出された光束はコリメ
ーターレンズ２で平行光束化された後、ビーム整形光学
系３に入射する。このビーム整形光学系３は、図示の如
く、１対の三角柱状のプリズム等を偏心させて配置され
ており、これにより、紙面に対し垂直方向の光束は拡大
されず、紙面方向の光束のみが拡大される。このように
ビーム整形された光束は、平凸レンズと凹平レンズとの
接合よりなり、この接合面が光源側に凸面を向けたハイ
パークロマチックレンズ４を通過して、偏光ビームスプ
リッター７に達する。

この偏光ビームスプリッター７は、例えば紙面と同方
向の偏光するＰ偏光の80％を透過させ、紙面に対して垂
直方向に偏光するＳ偏光の100％を反射させる機能を有
する。

この偏光ビームスプリッターを通過したＰ偏光する光
束は、対物レンズ５により収斂作用を受けて集光し、被
照射面としてのディスクの記録面6a上にスポット光が形
成される。

このディスクの記録面6aには例えばTbFeCo（テルビウ
ム鉄コバルト）等の垂直磁化膜が形成されており、この
ディスク６を挟んで反対側には不図示の電磁コイルが配
置されている。

情報を記録する際には、LD1からのスポット光を記録
面6aの磁化膜に照射し、この磁化膜の照射領域の温度を
局所的に上昇させる。そして、照射領域がキューリ温度
近くまで昇温すると、磁化膜の保磁力が減少し、この照
射領域では電磁コイルの磁界の向きに対応した磁気情報
が記録される。

以上においては、記録再生光学系の送光系について説
明したが、次に検出系について説明する。

いま、ディスクの記録面6a上には、ある情報に対応し
た磁気が記録されているとする。そして、この記録情報
を再生する際には、先ず、先に述べた送光系により送光
されたＰ偏光の光束はディスク上に集光された後、カー
効果をうけて反射する。

このとき、ディスクの記録面で記録保持されている磁
気に対応して、照射されるＰ偏光の光束は偏光方向が僅
かに回転する。具体的には、第１図の紙面に対して僅か
に傾いた方向に偏光する光束となる。

このようにして、ディスク上を反射して、記録面の情
報を含んだ光束は、再び対物レンズ５を介することによ
り収斂作用を受けてほぼ平行光束となった後、偏光ビー
ムスプリッター７により反射され、1/2波長板８に達す
る。そして、この1/2波長板８を介した光束は、偏光方
向が45゜回転し、偏光ビームスプリッター９を介するこ
とにより、記録面の情報を含んだＰ偏光とＳ偏光との光
束に分離される。先ず、この分離面9aを反射するＳ偏光
の光束は第１集光レンズ10aにより集光されて、第１光
電検出器11aにて光電検出される。

一方、偏光ビームスプリッター９の分離面9aを通過す
るＰ偏光の光束は反射面9bで反射した後、第２集光レン
ズ10bにより集光されて、第２光電検出器11bにて光電検
出される。この２つの光電検出器から得られる信号は、
差動回路12により、光学及び機械的変動がキャンセルさ
れたS/N比の高い安定した正弦波状の出力信号となり、
この出力信号に基づいて高いディスク５に記録された情
報を再生することができる。

さて、先に述べた送光系において、LD1から射出され
る光束は非点収差を持っているが、コリメーターレンズ
の焦点位置を最適に選ぶことによりビーム整形光学系通
過後は非点収差を無い状態にすることができる。

そこで、LD1からの光束自身が有する非点収差を補正
するためのコリメーターレンズの配置に関して第２図を
参照しながら説明する。

第２図（ａ）は第１図の紙面に対して垂直方向に対応
するビーム整形のない方向の記録再生光学系の原理図で
あり、第２図（ｂ）は第１図の紙面方向に対応するビー
ム整形のある方向の記録再生光学系の原理図である。

先ず、第２図（ａ）に示す如く、実線に示すLD1の端
面（光束射出面）1aが発光点となり、このLD1の端面1a
を破線の如くZ_c（LD1の端面1aとコリメーターレンズの
前側焦点位置との光軸に沿ったズレ量）だけ右側へ移動
させると、記録再生光学系による結像位置（被照射面）
が破線で示す如くZ_oだけ右側へ移動する。

このとき、コリメーターレンズ２の焦点距離をf_c、対
物レンズ５の焦点距離をf_oとするとき、実際の結像位置
のズレ量Z_oは第２図（ａ）より次式が求められる。

但し、f_o/f_cは縦倍率。

一方、第２図（ｂ）においては、第２図（ａ）でLD1
の端面1aをZ_cだけ右側へ移動させたため、LD1は破線で
示す如き位置となる。このとき、もう１つの発光点がLD
1の端面1aより非点隔差δの分だけ内部に位置してい
る。

ここで、記録再生光学系の見かけ上において、被照射
面上で非点収差が無い状態とするには、第２図（ａ）と
同様に、記録再生光学系による結像位置（被照射面）が
破線で示す如くZ_oだけ右側へ移動しなければならない。

そして、ビーム整形光学系の紙面方向の角倍率を1/m
（以下においてこのｍの値を整形比と呼ぶ。通常におい
ては、この整形比は２＜ｍ＜2.5程度である。）とする
とき、結像位置のズレ量Z_oは第２図（ｂ）の関係より次
式が求められる。

ここで、f_o/mf_cは縦倍率である。

したがって、上式（１）と（２）式が等しくなる時が
被照射面上におけるLD1の非点隔差、すなわち非点収差
を無い状態にできる条件となる。

これにより次式が導出される。

一例として、LDの非点隔差δを５μｍとし、ビーム整
形光学系の整形比ｍを2.5とすれば、（３）式より一義
的にZ_cは0.95μｍとなり、このLDの端面を0.95μｍだけ
コリメーターレンズ２の焦点位置からずらせば、ディス
ク面上での非点収差を良好に補正することができる。

さて、LDの波長変動1nmに対するコリメーターレンズ
と対物レンズの焦点シフトをそれぞれΔf_c,Δf₀とし、
コリメータレンズと対物レンズの焦点距離をそれぞれ
f_c,f₀とするとき、記録再生光学系における総合焦点シ
フトは次式にて与えられる。

例えば、コリメーターレンズ及び対物レンズをともに
非球面を有する単一の正レンズで構成し、これらのレン
ズに使用される硝材のｄ線に対する分散νを約80とし、
またコリメーターレンズの焦点距離f_cを80mm、対物レン
ズの焦点距離f₀を40mとすると、各レンズの1nmの波長変
動に対する焦点距離シフトはそれぞれΔf_c＝0.21μｍ、
Δf₀＝0.11μｍとなり、上式（４）より総合焦点距離シ
フトΔｆは0.16μｍとなる。

一般に、LD1の波長は再生、記録に切り換える時に5nm
程度変動するため、優れた光学性能を維持するには、1n
mの波長変動に対する総合焦点シフトΔｆが少なくとも
0.1μｍ以下にすることが必要である。

今、第１図に示す如き構成中のハイパークロマチック
レンズ４の構成を除去した状態で、コリメータレンズ２
を正レンズと負レンズとの２枚構成にして、主にコリメ
ーターレンズ２で光学系全体の色収差を補正すると、こ
のコリメーターレンズ自身では、補正過剰となって、コ
リメーターレンズの焦点距離シフトΔf_cが大きくなる。
この結果、（３）式に示した条件が大きく崩れて、ディ
スク上では非点収差が甚大に発生する。

そこで、本実施例においては、先ず、先に述べた如
く、（３）式の条件を満足するようにコリメーターレン
ズ２を配置して、色収差補正用のハイパークロマチック
レンズ４をビーム整形光学系３と対物レンズ５との間に
配置している。

これにより、（３）式の条件を崩すことなくLD1自身
が有する非点収差が良好に補正された状態のもとで、光
学系全体の色収差をバランス良く補正できるため、波長
変動による総合焦点距離シフトΔｆを最小限に抑えるこ
とができる。

このように、ハイパークロマチックレンズを有する構
成により、1nmの波長変動に対する総合焦点シフトΔｆ
を、実質的に0.05μｍ以下に抑えることが可能となる。

このとき、光学系のコンパクト化を図るには、コリメ
ーターレンズは非球面を有する低分散の単玉の正レンズ
で構成されることが望ましい。すると、（３）式の条件
を崩さずに非点収差が良好に補正された状態で、波長変
動に伴うコリメーターレンズの焦点シフトΔf_cを極めて
小さく抑えることができるため、非常に効果的である。

また、色収差補正専用のハイパークロマチックレンズ
４の配置により、対物レンズにおける色収差補正に対す
る負荷が軽減されている。このため、この対物レンズを
単一の正レンズで構成しても良好な結像性能を得ること
ができ、光学系の全体のコンパクト化が容易に図れる。
このとき、対物レンズを構成する単一の正レンズに非球
面を設ければ、より良好な光学性能を引き出すことがで
きる。

さて、本実施例におけるハイパークロマチックレンズ
は、平行光束中に配置されているため、基準波長に対し
屈折力がない状態、すなわちノーパワー（ハイパークロ
マチックレンズの焦点距離:f_h＝∞）が理想であるが、
実際には基準波長に対する２枚の硝材の僅かな屈折率差
から屈折力（パワー）が生じてしまう。すなわち、これ
は対物レンズ５に入射する光束が平行光でなくなること
を意味し、特に、本実施例の如く、対物レンズ５が無限
に対して収差補正されている場合には問題となる。

そこで、先ず対物レンズ５がΔだけデフォーカスした
時の波面収差W₀（ρ）は、対物レンズの開口数をNA、対
物レンズの規格化された瞳径をρ（０≦ρ≦１）とする
とき次式にて与えられる。

また、ハイパークロマチックレンズの焦点距離f_hと等
半径の球面波と平面波とのズレの波面収差をW_h（ρ）と
し、対物レンズの焦点距離をf_oとするとき、このハイパ
ークロマチックレンズの焦点距離f_hが大きい場合には、
この波面収差をW_h（ρ）は次式にて与えられる。

よって、総合波面収差Ｗ（ρ）は、Ｗ（ρ）＝W₀（ρ）＋W_h（ρ） ……（６）となる。

ここで、Zernike（ツエルニケ）の多項式を用いて、
この総合波面収差Ｗ（ρ）の平均自乗平方根（Root Mea
n Square）、すなわちRMSが最小となる時の対物レンズ
のデフォーカス量Δを求める。そして、この時の総合波
面収差Ｗ（ρ）のRMSを３次収差近似で表現すると、次
式の如くなる。

上式（７）はハイパークロマチックレンズに入射する
光が平行ビームである場合、このハイパークロマチック
レンズがノーパワーでないことに起因する対物レンズの
最小収差量を意味している。

ここで、実用的にはΔＷ（RMS）の値が0.02以下であ
ることが望ましく、この条件を満足するには、ハイパー
クロマチックレンズの焦点距離は、以下の条件を満足す
ることが良い。

このように、ハイパークロマチックレンズの焦点距離
f_hを上式条件（８）を満足するように構成することによ
り、このハイパークロマチックレンズが実質的に屈折力
を有する構成となっても、収差による影響を軽減でき
る。

このとき、ハイパークロマチックレンズに入射する光
束は、ディスク面上での非点収差を除去するための条件
（３）を満足するために、実際には平行光束からズレて
収差が発生することになるが、上式（７）で示した対物
レンズの最小収差量ΔＷ（RMS）の値が0.02よりも極め
て小さくなるため、実用上は何ら問題はない。

さて、ハイパークロマチックレンズを構成する硝材で
あるが、大きな色収差補正の効果を得るには、分散の差
の大きなものが好ましいことは言うまでもない。このと
き、分散の差が小さい場合には、波長変動による総合焦
点距離シフトΔｆを低減するために接合面の曲率が極め
て強くなり、加工性が悪くなるばかりかレンズ厚が厚く
なる。

そこで、ハイパークロマチックレンズを構成する正レ
ンズと負レンズのアッベ数をそれぞれν_P,ν_Ｎとすると
き、 ν_Ｐ−ν_Ｎ＞20 ……（９）を満足することが望ましい。

この範囲を満足するようにハイパークロマチックレン
ズを構成すれば、波長変動による総合焦点距離シフトΔ
ｆを低減しつつ、接合面を無理のない曲率で実現でき、
さらにはレンズ厚を薄くすることができる。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、記録再生光学系中のビ
ーム整形光学系と対物レンズとの間にハイパークロマチ
ックレンズを配置した簡素な構成により、波長変動によ
る色収差、及び光源自身が有する非点収差が良好に補正
された高性能な記録再生光学系が実現できる。

さらに、対物レンズ、コリメータレンズを非球面の単
玉レンズで構成しても同様な効果が期待できる。

これにより、アクチュエータへの負担が軽くなり、か
つ組立調整が楽になる上、コストの低減が容易に図れ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例の概略構成図、第２図
（ａ）は第１図の紙面に対して垂直方向に対応するビー
ム整形のない方向の記録再生光学系の原理図、第２図
（ｂ）は第１図の紙面方向に対応するビーム整形のある
方向の記録再生光学系の原理図である。〔主要部分の符号の説明〕１……光源（レーザーダイオード）２……コリメーターレンズ３……ビーム整形光学系４……対物レンズ６……ディスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G11B 7/135

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光束をコリメートす
るコリメーターレンズと、該コリメーターレンズを介し
たコリメート光束を整形するためのビーム整形光学系
と、該ビーム整形光学系を介した整形された光束を被照
射面に集光するための対物レンズとを有し、前記ビーム
整形光学系と前記対物レンズとの間に２枚の硝材から構
成されるハイパークロマチックレンズを配置し、前記光源が有する非点隔差をδとし、前記ビーム整形光
学系の整形比をｍ、前記光源の光束射出側面と前記コリ
メータレンズの焦点位置との光軸に沿ったズレ量をZ_c、
前記対物レンズの焦点距離をf_o、前記対物レンズの開口
数をNA、基準波長をλ、前記ハイパークロマチックレン
ズの焦点距離をf_h、とするとき、を満足することを特徴とする記録再生光学系。
【請求項２】前記ハイパークロマチックレンズは正レン
ズと負レンズとを有し、該正レンズのアッベ数をν_Ｐ、
該負レンズのアッベ数をν_Ｎ、とするとき、 ν_Ｐ−ν_Ｎ＞20 を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の記録再生光学系。
【請求項３】前記対物レンズ及び前記コリメーターレン
ズは非球面を有する正レンズで構成されることを特徴と
する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の記録再生光
学系。