JP3099906B2 - 光ピックアップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＤ（コンパクトディ
スク）などの光記録情報読取り用の光ピックアップに係
り、特に光導波路を用いた光集積ピックアップとして好
適な光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の光ピ
ックアップによる光ディスクの読取り原理（中心開口
法）を示す図である。同図（Ａ）に示すように、半導体
レ−ザ１１からの出射光はハーフミラー１２を透過し、
（対物）レンズ１３によって光ディスク１４上にスポッ
トを結ぶ。スポットがピットに当たった場合はピットに
よる回折がおこり、光ディスク１４によって反射された
０次光はそのままレンズ１３の開口に戻るが、±１次の
回折光はピット深さｄに比例した位相シフトを受け、レ
ンズ１３の開口からずれた領域１６，１７に戻る。よっ
て、レンズ開口では、０次光と１次回折光の重なり部分
でこれらが干渉し、位相差によって強度が低下する。以
上がスポットがピット上にあった場合であるが、ピット
のない、すなわち鏡面上にスポットがあたっている場合
は、１次の回折光は殆んど生じず、レンズ開口全面で強
度の低下がなくなる。両場合とも、レンズ開口に入った
反射光はハーフミラー１２によって反射され、フォトダ
イオード１５上に集光される。上記のようにピットの有
無によってレンズ開口内の反射光強度が変化するため、
その強度変化に応じた電気信号がフォトダイオード出力
として得られる。

【０００３】また、図１０（Ｂ）は光集積ピックアップ
による例を示す図である。これは上述した図１０（Ａ）
に対し、対物レンズ１３を集光グレーティングカップラ
１３Ａに、ハーフミラー１２をグレーティングビームス
プリッタ１２Ａに置き換えて、半導体基板１９上に光導
波路２０を形成したもので、読取り原理は図１０（Ａ）
と同様である。

【０００４】これらのような光ピックアップによる信号
検出では、±１次回折光の内、レンズ開口に入らない部
分は全く利用されず、反射光の利用効率が低い。また、
ピット検出信号を複数のフォトダイオード出力の和信号
として検出していたので、光学的・電気的な同相雑音を
除去できず、ＳＮ比の低下を招いていた。

【０００５】このため、０次光と回折光とを個別のセン
サによって別々に検出し、両者の差を取ることにによっ
てピットを検出する例が、特公昭55-26529号公報（USP
3,913,076）などで提案されている。これは、図１１に
示すように、矩形の窓２１を有する光学フィルタ２２と
対物レンズ２３により、記録媒体２４の回折要素（ピッ
ト）２５に光を当て、主検出器２６と側方検出器２７，
２８とで０次光と高次の回折光とを読み取り、信号を出
力するようにしたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示された方法
では、０次光と回折光とは、同一点を中心とする発散光
であるので、０次光と回折光とを個別のセンサによって
別々に検出するには、遠視野（far field ）内の光束が
十分に大きい位置に、面積の大きい検出器（センサ）を
配置する必要があり、検出器の容量が増加して、周波数
特性が悪化したり、雑音レベルが増加してしまう。この
ように、センサの形状とその配置についての制約が多
く、実際に光ピックアップを製作する上での設計の自由
度が少ないという問題が残る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、深さを有する複数のピットからなるピット
列が記録された光情報記録媒体からピット情報を読取る
光ピックアップであって、前記ピット列のトラックピッ
チ及び半導体レーザの波長に従い、集光領域から前記光
情報記録媒体までの光軸上の光路長と、前記トラックに
直交する方向の前記集光領域の開口長とを所定の関係に
定めたことにより、前記ピットによる±１次回折光が再
入射しない領域に限定され、且つ、前記半導体レーザか
らの出射光を前記光情報記録媒体に集光して照射する共
に前記ピットからの０次反射光のみを第１の光検出手段
に導く第１の集光領域と、前記第１の集光領域の外側に
隣接し、前記ピットによる±１次回折光のみが入射する
領域に限定され、且つ、前記ピットからの±１次回折光
のみを第２の光検出手段に導く第２の集光領域とを形成
した集光手段と、前記集光手段に形成した前記第１の集
光領域からの０次反射光を検出する第１の光検出手段
と、前記集光手段に形成した前記第２の集光領域からの
±１次回折光を検出する第２の光検出手段とを備え、前
記第１及び第２の光検出手段の各出力の差分からピット
情報を読取るようにしたことを特徴とする光ピックアッ
プを提供するものである。

【０００８】また、上記発明の光ピックアップにおい
て、前記第１の集光領域から前記光情報記録媒体までの
光軸上の光路長をｆ、前記ピット列のトラックピッチを
Λ、前記半導体レーザの波長をλ、前記ピット列に直交
する方向の前記第１の集光領域の開口長をＬｘとしたと
き、 ２ｔａｎ−１（Ｌｘ／２ｆ）≦ｓｉｎ−１（λ／Λ） になる関係を満たすように定めたことを特徴とするもの
である。

【０００９】

【実施例】本発明になる光ピックアップの一実施例を以
下図面と共に詳細に説明する。最初に、グレーティング
レンズ（grating lens）を用いて光集積回路で光ピック
アップを構成した例を説明する。図１は光集積回路で光
ピックアップを構成した例である。半導体レーザ１から
の出射光は、半導体基板７上に形成された光導波路６内
を伝搬し、グレーティングレンズ３の集光グレーティン
グカップラ（第１の集光領域）３ａによって光情報記録
媒体（光ディスク）４上にスポットを結ぶように構成さ
れている。

【００１０】光ディスク４によって反射された０次光は
前記集光グレーティングカップラ（第１の集光領域）３
ａによって再び導波光となり、グレーティングビームス
プリッタ２によって０次光用フォトダイオード（第１の
光検出手段）５ａに集光されて出力信号となる。一方、
光ディスク４上のピット（列）９の回折によって生じた
±１次回折光は、それぞれ±１次光用集光グレーティン
グカップラ（第２の集光領域）３ｂ，３ｃの開口領域に
戻り、再び導波光となって±１次光用フォトダイオード
（第２の光検出手段）５ｂ，５ｃに集光されて出力信号
となるように構成されている。

【００１１】つまり、光ピックアップは、集光グレーテ
ィングカップラ（第１の集光領域）３ａ，±１次光用集
光グレーティングカップラ（第２の集光領域）３ｂ，３
ｃにより、光ディスク４のピット列（９）による０次光
と±１次回折光とを分離して取り出して、それぞれ０次
光用フォトダイオード（第１の光検出手段）５ａと±１
次光用フォトダイオード（第２の光検出手段）５ｂ，５
ｃとに集光されるように構成されている。集光手段の形
状及び配置については後に詳述する。

【００１２】以上のように構成された光ピックアップで
は、図２に示すように、スポットがピット９上にある場
合、回折により±１次光用フォトダイオード５ｂ，５ｃ
の出力は強く、０次光用フォトダイオード５ａの出力は
相対的に弱くなる。反面、スポットがピット９のないミ
ラー面上にある場合は、回折が殆んど生じないため±１
次光用フォトダイオード５ｂ，５ｃの出力は殆んどなく
なり、逆に０次光用フォトダイオード５ａの出力が強く
なる。このように、ピット情報は０次光用フォトダイオ
ード５ａ，±１次光用フォトダイオード５ｂ，５ｃの出
力に逆相で現われる。よって、両出力信号を演算器８に
よって差分（減算）処理を行なうことで、ピット情報
（ピットの有無）に応じた出力信号が得られる。

【００１３】なお、フォーカシング誤差，トラッキング
誤差検出に関しては、例えば、特開昭61-296540 号記載
の「光学式ヘッド装置」や特開昭61-85637号記載の「光
学式ヘッド装置」のように、検出位置の異なる４個の０
次光用フォトダイオード（図１に示す５ａ）の出力を組
合せて、加算・減算により各誤差信号を検出すればよ
い。

【００１４】次に、集光グレーティングカップラ（第１
の集光領域）３ａ，±１次光用集光グレーティングカッ
プラ（第２の集光領域）３ｂ，３ｃにより、光ディスク
４のピット列（９）による０次光と±１次回折光とを分
離して取り出す構成（集光手段の形状及び配置）につい
て、図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。

【００１５】図３（Ａ）はピット列に直交する断面での
集光・回折の様子を示したものである。光ディスク４の
トラックピッチ（ピット列間隔）Λの光ディスクの面上
に集光した光束は、０次光として同じ経路で反射される
ほか、±１次回折光として各光束の中心どうしが角度α
をなすように回折される。

【００１６】このとき、角度αは、半導体レーザ（光
源）１の波長をλとすると、 α＝ｓｉｎ ^-1（λ／Λ） で表わされる。また、各光束の集光・発散角θは図３
（Ｂ）において、ピット列に直交する方向（ラジアル方
向）の集光グレーティングカップラ（第１の集光領域）
３ａの開口長をＬｘ、集光グレーティングカップラ（第
１の集光領域）３ａから光ディスク４までの光軸上の光
路長をｆとしたとき、 θ＝ｔａｎ ^-1（Ｌｘ／２ｆ） で表わされる。したがって、±１次光が０次光領域と重
複しない条件は、 ２θ≦α であり、 ∴２ｔａｎ ^-1（Ｌｘ／２ｆ）≦ｓｉｎ ^-1（λ／Λ）とな
る。特に等号が成り立つとき各領域は間隔なしで隣接す
ることとなる。

【００１７】例えば、ＣＤ（コンパクトディスク）のよ
うな光ディスクでは、Λ＝1.6 μmであるので、λ＝780
nm ，ｆ＝２mmとすると、開口長Ｌｘは、 Ｌｘ＝２ｆ・ｔａｎ｛１／２・ｓｉｎ ^-1（λ／Λ）｝よ
り Ｌｘ＝1.04mmとすればよい。 すなわち、集光グレーティングカップラ（第１の集光手
段）３ａの開口長（ラジアル方向）Ｌｘを略1.04mmとし
て、その両側に±１次光用集光グレーティングカップラ
（第２の集光手段）３ｂ，３ｃをそれぞれ形成し、さら
に、集光グレーティングカップラ３ａ及び±１次光用集
光グレーティングカップラ３ｂ，３ｃとディスク４との
距離が光路長ｆと等しくなるように配設すれば良い。こ
のように構成すれば、０次光と、±１次回折光とが容易
に分離されて、０次光領域と±１次回折光領域とが間隔
なしで隣接することとなる。

【００１８】なお、グレーティングレンズ（grating le
ns）の詳細については、例えば、「D.heitmann,et al.,
“Calculation and experimental verification of two
-dimentional focusing grating couplers,"IEE J.Quan
tum Erectron.,QE-17,p.1257,1981 」「T.Suhara,et a
l.,“光ピックアップの光集積回路化",O plus E, no.7
6,Mar.'86 」を参照されたい。

【００１９】以上の様に構成された光ピックアップの動
作（機能）について説明する。光ピックアップは、±１
次回折光の略全体が±１次光用集光グレーティングカッ
プラ（第２の集光手段）３ｂ，３ｃにより検出され、さ
らに、干渉を用いることなく、０次光と±１次回折光の
強度比だけを用いていて差動検出しているので、信号強
度が増加し、検出波形の対称性が向上する。また、差動
検出により読み出しているので、同相雑音を抑圧でき、
Ｓ／Ｎ比が向上する。したがって、光ディスクよりピッ
ト情報を確実に再生することができる。

【００２０】すなわち、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すシ
ミュレーションのように、従来の光集積ピックアップと
比較すると、本光ピックアップは読み出し応答波形が極
めて良好である。同図（Ａ）は本光ピックアップの読み
出し波形であり、ピット長もしくはピット間隔が最短の
場合の読み出し波形の振幅Ｌ_１，同最長の場合の読み出
し波形の振幅Ｌ_２ともその振幅値が大きく、かつ、振幅
変化が略対称であり、スライスレベルをその中央Ｌ_０に
設定して、極めて正確にピット情報を復調できる。な
お、同図（Ｂ）は従来の光集積ピックアップの読み出し
波形であり、ピット長もしくはピット間隔が最短の場合
の読みだし波形の振幅Ｒ_１，同最長の場合の読み出し波
形の振幅Ｒ_２ともその振幅値が小さく、かつ、両者の振
幅変化の中心値が一致していないので、スライスレベル
を両振幅値の中央に設定することができず（Ｒ_１の中央
Ｒ_０に設置することとなる）、ピット情報の復調が容易
ではない。

【００２１】また、本光ピックアップは、最適設計のと
き、すなわち、前述したようにＣＤ（コンパクトディス
ク）における最適開口長（Ｌｘを略1.04mmに設定）のと
き、図５から明らかなように、隣接トラックからのクロ
ストークがほぼ最小になる。図５は、光集積ディスクピ
ックアップにおける読みだし応答の解析結果（「光学」
第１８巻第２号の82〜90頁参照）を示す図である。これ
は、Λ＝1.6 μm ，ｆ＝２mmとした場合において、開口
長（ラジアル方向）Ｌｘを０〜２mmまで変化させたとき
のクロストーク変化を示すものである。クロストークは
ラジアル方向の集光特性に依存するため、本光ピックア
ップの（０次）集光グレーティングカップラ（３ａ）の
開口長Ｌｘは、同図の横軸と考えられる。ＣＤ（コンパ
クトディスク）における最適開口長（Ｌｘを略1.04mmに
設定）のとき、同図から明らかなように、隣接トラック
からのクロストークがほぼ最小になる。

【００２２】さらに、本光ピックアップは、出射集光手
段の開口長（ラジアル方向）Ｌｘが小さいため、許容作
製誤差が緩和され、出射光のピット列に直交する方向
（ラジアル方向）における強度分布を最適にするレーザ
光源位置が近くなるので、素子を小型化することでき
る。

【００２３】上述の例は、ラジアル方向についての回折
光のみを分離検出するものであるが、これを２次元に拡
張することもできる。ピットの前後方向においても同様
な回折光は発生するので、ピットの前後方向の回折光に
対しても、両側の回折光に対すると同様な集光手段（集
光領域）を設けた例を図６に示す。集光グレーティング
カップラ３ｄが新たに設けた前後方向の回折光に対する
第４の集光手段である。集光グレーティングカップラ３
ｄで集められた回折光はフォトダイオード５ｄにより検
出され、左右方向の回折光信号の出力と加算され、０次
光との差が取られてピット検出信号が得られる。

【００２４】次に集光手段として、バルク状のレンズを
用いた例を説明する。図７において半導体レーザ１から
の出射光は、光路変更素子（例えばハーフミラー）２を
透過し、レンズ３の中央部３ａによってディスク４上に
収束する。ディスク４で反射された０次光は再びレンズ
３の中央部（第１の集光領域）３ａを通り、光路変更素
子２で曲げられフォトダイオード５ａに集光され０次光
出力信号となる。もし、ディスク４上にピット９があれ
ば、その回折により±１次光の回折光が発生し、それぞ
れレンズ３の両側部（第２の集光領域）３ｂ，３ｃによ
り、それぞれの検出用のフォトダイオード５ｂ，５ｃに
集光され、±１次光出力信号となる。差動増幅器８で、
検出された±１次光信号の和と０次光信号の差がとら
れ、ピット検出信号、つまりディスク４に記録された情
報信号（ピット９の有無）が再生される。

【００２５】ここで、使用されるレンズ（集光手段）３
について説明する。図８（Ａ）及び（Ｂ）はレンズの断
面を示す。同図（Ａ）に示す従来のレンズにおいて、Ｙ
−Ｙ´はレンズ中心光軸であり、Ｗを反射面（ディスク
４の面）とする。さらに、点Ｐ，Ｑをレンズの共役点と
する。中心光軸上の点Ｑからの反射光は、同じ軸上の点
Ｐに収束するが、同じ反射面の中心光軸外の点Ｑ´から
の反射光はレンズの中心光軸上の点ＯとＱ´を通る線状
で、点Ｐとレンズ間の同じ距離の点Ｐ´に収束されるこ
とになる。したがって、レンズとして同図（Ｂ）に示す
ような、同じ曲率で、中心光軸の異なる３領域のレンズ
部３ａ（第１の集光領域），３ｂ（第２の集光領域），
３ｃ（第２の集光領域）を組合せたレンズ３を使用す
る。そして、図３ですでに説明したように、レンズ部３
ａ（第１の集光領域）の開口長（ラジアル方向）Ｌｘと
してその両側に、レンズ部３ｂ，３ｃ（第２の集光領
域）をそれぞれ形成し、さらに、レンズ３とディスク４
との距離が光路長ｆと等しくなるように配設すれば、０
次光と±１次回折光とが容易に分離されて、０次光領域
と±１次回折光領域とが間隔なしで隣接することとな
り、０次光と±１次光の回折光を分離して検出できる。

【００２６】なお、レンズとして、従来の曲面の屈折を
利用するレンズ３を用いた場合は、図８（Ｂ）に示す如
く、中心部３ａと両側部３ｂ，３ｃの間の段差は避けら
れず、この部分での光の散乱の発生や製作上の困難さな
どがある。よって、レンズとしては、上述の光学特性を
同一平面で実現出来る図７に示したグレーティングレン
ズ（grating lens）によって構成するのが望ましい。

【００２７】また、上述の例は、ラジアル方向について
の回折光のみを分離検出するものであるが、これを２次
元に拡張することもできる。ピットの前後方向において
も同様な回折光は発生するので、ピットの前後方向の回
折光に対しても、両側の回折光に対すると同様な集光手
段を設けた例を図９に示す。レンズ３は、ピットの前後
方向（ラジアル方向と直交する方向）に光軸をずらして
形成されたレンズ部３ａ（第１の集光領域），レンズ部
３ｂ（第２の集光領域）であり、前後方向の回折光にも
対応した集光手段である。レンズ３のレンズ部３ｂ（第
２の集光領域）で集められた回折光は±１次回折光用フ
ォトダイオード５ｂにより検出され、０次光との差が取
られてピット検出信号が得られる。

【００２８】以上詳述したように、図１，図６，図７，
図９のように構成された光ピックアップでは、光情報記
録媒体４（ピット９）からの反射光（または透過光）と
回折光とが第１の集光領域３ａと第２の集光領域３
ｂ（，３ｃ，３ｄ）とを有する集光手段（グレーティン
グレンズ，バルク状のレンズ）３を介して略分離され
て、第１及び第２の光検出手段でそれぞれ検出され、そ
の差分からピット情報が読取られる。したがって、光検
出手段（センサ）の形状とその配置に付いての制約が少
なく、実際に光ピックアップを製作するときの設計の自
由度が大きいこととなる。

【００２９】なお、本発明になる光ピックアップは、情
報記録面を透過する、いわゆる透過型の光ディスクや光
カードにおいても同様な効果を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明になる光ピ
ックアップによれば、とくに、集光手段に形成した第１
の集光領域は半導体レーザからの出射光を光情報記録媒
体に集光して照射する共に光情報記録媒体上のピットか
らの０次反射光のみを第１の光検出手段に導くことがで
き、一方、集光手段に形成した第２の集光領域は第１の
集光領域の外側に隣接して光情報記録媒体上のピットの
回折効果によって生じた±１次回折光のみを第２の光検
出手段に導くことができ、この後、第１及び第２の集光
領域からの０次反射光及び±１次回折光が第１及び第２
の光検出手段でそれぞれ検出され、その差分からピット
情報が読取られることとなり、効率よくＳＮ比の高い再
生信号を得ることができ、かつ、光検出手段の形状やそ
の配置についての制約が少なく、実際に光ピックアップ
を製作するときの設計の自由度が大きく、更に、集光手
段と光情報記録媒体との間に集光レンズが必要なくなる
ので光ピックアップの構成を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる光ピックアップの一実施例を示す
図である。

【図２】光ピックアップの出力波形を示す図である。

【図３】光ピックアップの集光手段（原理）を説明する
図である。

【図４】本発明の光ピックアップと従来例の出力波形と
を比較する図である。

【図５】光ピックアップのクロストーク特性を説明する
図である。

【図６】本発明になる光ピックアップの変形例を示す図
である。 図７】本発明になる光ピックアップの変形例を示す図で
ある。

【図８】光ピックアップの集光手段（レンズ）を説明す
る図である。

【図９】本発明になる光ピックアップの変形例を示す図
である。

【図１０】従来の光ピックアップによりピット情報を読
取る原理を示す図である。

【図１１】従来の光ピックアップによりピット情報を読
取る原理を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ、２ グレーティングビームスプリッ
タ、ハーフミラー３ （グレーティング）レンズ（集光
手段）、３ａ ０次光用集光グレーティングカップラ、
０次光用レンズ（第１の集光領域）、３ｂ，３ｃ，３ｄ
±１次光用集光グレーティングカップラ、±１次光用
レンズ（第２の集光領域）、４ 光ディスク（光情報記
録媒体）、５ａ ０次光用フォトダイオード（第１の光
検出手段）、５ｂ，５ｃ，５ｄ ±１次光用フォトダイ
オード（第２の光検出手段）、６ 光導波路、７ （半
導体）基板、８ 演算器、９ ピット。

フロントページの続き 合議体 審判長 田良島 潔 審判官 犬飼 宏 審判官 高瀬 博明 (56)参考文献 特開 昭62−88150（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−26529（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 7/00 - 7/135

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】深さを有する複数のピットからなるピット
   列が記録された光情報記録媒体からピット情報を読取る
   光ピックアップであって、前記ピット列の トラックピッチ及び半導体レーザの波長
   に従い、集光領域から前記光情報記録媒体までの光軸上
   の光路長と、前記トラックに直交する方向の前記集光領
   域の開口長とを所定の関係に定めたことにより、前記ピ
   ットによる±１次回折光が再入射しない領域に限定さ
   れ、且つ、前記半導体レーザからの出射光を前記光情報
   記録媒体に集光して照射する共に前記ピットからの０次
   反射光のみを第１の光検出手段に導く第１の集光領域
   と、前記第１の集光領域の外側に隣接し、前記ピットに
   よる±１次回折光のみが入射する領域に限定され、且
   つ、前記ピットからの±１次回折光のみを第２の光検出
   手段に導く第２の集光領域とを形成した集光手段と、前記集光手段に形成した 前記第１の集光領域からの０次
   反射光を検出する第１の光検出手段と、前記集光手段に形成した 前記第２の集光領域からの±１
   次回折光を検出する第２の光検出手段とを備え、 前記第１及び第２の光検出手段の各出力の差分からピッ
   ト情報を読取るようにしたことを特徴とする光ピックア
   ップ。
2. 【請求項２】前記第１の集光領域から前記光情報記録媒
   体までの光軸上の光路長をｆ、前記ピット列の トラックピッチをΛ、 前記半導体レーザの波長をλ、 前記ピット列に直交する方向の前記第１の集光領域の開
   口長をＬｘとしたとき、 ２ｔａｎ−１（Ｌｘ／２ｆ）≦ｓｉｎ−１（λ／Λ） になる関係を満たすように定めたことを特徴とする請求
   項１記載の光ピックアップ。