JP3794940B2 - 対物レンズ光学系、光ヘッド及び光情報再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、次世代高密度光ディスク再生のための光情報再生装置、並びにそれに組み込まれる光ヘッド及び対物レンズ光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは高密度化の一途をたどり、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）ではＲＯＭ（再生専用ディスク）もＲＡＭ（書き換え可能ディスク）も４．７ＧＢにも及んでいる。これに留まらず、衛星放送のディジタル化を目前に控えた近年、高精細動画像を２時間以上録画可能な２０ＧＢ以上への大容量化が期待されている。
【０００３】
光ディスクの記録密度を直接制限している光スポットの大きさは、光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとしたとき、λ／ＮＡで与えられる。したがって大容量化のためには波長を短くするか、開口数を大きくすることが必要である。波長については近年、４０５ｎｍの青紫色半導体レーザの開発が進み、現状ＤＶＤの６５０ｎｍに対して、約２．６倍、１２ＧＢの容量は実現の見通しがある。さらにこれを２０ＧＢ以上に高めるには、ＮＡを現状の１．３倍、０．７７以上に高める必要がある。
【０００４】
このようにＮＡを増大させる従来の技術としては、例えば特開平１１−１９５２２９号公報がある。ここでは２群２枚の対物レンズを用いて、ＮＡを最大０．８５まで高めている。このときＮＡが大きくなるにともない、ディスクの基板厚誤差や傾きなどで発生する球面収差やコマ収差が増大する問題がある。これに対して、ディスク傾きによるコマ収差については基板厚を０．１ｍｍまで薄くすることで軽減し、基板厚誤差による球面収差はディスク表面と記録面の焦点ずれ信号の差から基板厚を検出し、それに応じて２枚のレンズの間隔を変えて補償している。ここで記録膜に焦点を合わせた場合のレンズの最終面とディスク基板表面との間隔、すなわちワーキングディスタンスは０．１３ｍｍ、２枚組対物レンズの有効光束径は３ｍｍφである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例においては、ワーキングディスタンスが非常に狭く、万一、記録再生動作中に焦点サーボがはずれた場合に、レンズがディスクに衝突し、ディスクを傷つける恐れがある。また２つのレンズの間隔や偏心ずれの許容値が非常に厳しく、調整が困難になるという問題点がある。
【０００６】
上記従来例の高ＮＡレンズのワーキングディスタンスを広げる最も簡単で本質的な手段は、２枚のレンズを１枚にすることである。図１を用いてこれを説明する。図中上段（ａ）は従来の２枚レンズ１０１，１０２による集光の様子を示し、（ｂ）はこれを１枚の高ＮＡレンズ１０３で実施する場合のワーキングディスタンスの違いを示す模式図である。ともに同じＮＡで、光束はディスクの保護層１０４を通して記録膜１０５に集光されている。（ａ）では２枚のレンズ１０１，１０２にそれぞれ屈折力を配分するため、２枚目のレンズ１０２は１枚目のレンズ１０１の集光光束中に挿入することになる。このため１枚のレンズで集光する（ｂ）の場合と比べると、レンズの有効光束径Ｄ２は、（ｂ）の有効光束径Ｄより小さくなり、ワーキングディスタンスＷＤ１は、（ｂ）のＷＤ２に比べて短くならざるを得ない。逆に言えば、従来の２枚レンズに比較して、１枚のレンズで集光することで、ワーキングディスタンスを広くできるのである。ただし従来、２枚のレンズが必要であった理由も当然存在する。これはレンズの製造上の問題である。ＮＡの大きいレンズでは一般に、レンズの両面間の偏心ずれや、面間隔ずれなどの必要精度が非常に厳しくなり、わずかの誤差により大きな収差が発生する。これを避けるために従来は必要な屈折力を２枚のレンズに分散させることにより、それぞれのレンズの製造を容易にしている。したがって１枚のレンズで高ＮＡを得るためには、レンズ両面間の位置精度を向上させる製造技術か、製造誤差によって発生する収差を補償する手段が必要となる。
【０００７】
収差を補償する手段として、面間隔のずれによって発生する球面収差に対しては、例えば特開平２０００−１８２２５４号公報に記載された手段がある。ここでは集光スポットの球面収差を光学的に検出して、対物レンズに入射する光束をやや発散気味または収束気味とすることで球面収差を発生させる球面収差補償光学系を駆動し、光学系の球面収差を補償する。このような技術を組み合わせることで高ＮＡの１レンズの第1面と第2面の面間隔のずれを補償することができる。このときレンズに入射させる光自体には収差はなく、発散収束状態を変えた光が入射することにより対物レンズにおいて球面収差が発生するため、トラッキング動作により光軸からディスクの半径方向にレンズが動いたとしても、発生させられる球面収差の軸は実質的にずれない。
【０００８】
偏心ずれによって発生するコマ収差に対しては、例えば特開平２０００−２１４０４８号公報にコマ収差の検出方法が示されている。ここでは光束の内側と外側のプッシュプル信号の差から半径方向のコマ収差を検出し、ディスクの半径方向と接線方向で分割される４分割領域の対角方向のプッシュプル信号の差から接線方向のコマ収差を検出している。また補償手段としては、例えば特開平２００１−４９７２号公報に４次関数で与えられるＷ字状の位相分布をずらして逆符号で与えることによりコマ収差が与えられることが示されている。これらを組み合わせることで、コマ収差の検出と補償が可能となる。ただしこの場合、上記の球面収差補償の場合と異なり、コマ収差は対物レンズで発生するのではなく、コマ収差の補償素子において発生するため、トラッキング動作により対物レンズが光軸からずれると、それに応じてコマ収差の軸がずれることになる。この場合、補償されるべき対物レンズのコマ収差と、補償されるコマ収差の軸がずれるため、実質的にその差によって非点収差が発生する。これは簡単に以下の式で理解できる。コマ収差は光束の断面内の座標を光軸を原点として極座標（ρ，θ）で表したとき、
【数１】
で与えられる。ただしＷ31はコマ収差の大きさをあらわすザイデルの収差係数であり、コマ収差の発生方向は０°方向と仮定している。これを補償されるべき対物レンズでのコマ収差とする。次にレンズが０°の方向にΔずれたとしたとき、コマ収差補償素子で実質的に補償されるコマ収差は、
【数２】
で与えられる。ここで（ｘ，ｙ）は直交座標であり、極座標とは
【数３】
【０００９】
で関係づけられている。したがって補償されたあとの収差は
【数４】
のようにずれΔに比例した非点収差の形の関数形となることがわかる。
上記問題点に鑑み、本発明の目的は、ワーキングディスタンスの広い、調整の容易な高ＮＡの１枚の対物レンズを実現するための収差補償光学系のコマ収差の補償において、トラッキング動作に伴い、補償するコマ収差の軸が補償されるコマ収差の軸からずれることによって発生する非点収差を低減することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、コマ収差補償素子と、これを通して入射する光束を透明基板越しに集光する、単一媒質で形成された開口数が０．８以上の１枚の対物レンズとを、筐体を介して一体として相互の相対位置を固定されている対物レンズ光学系を用いる。
【００１１】
また光ヘッドでは、その中の半導体レーザからの発散光を透明保護層のある光情報記録媒体に集光する集光光学系において、光情報記録媒体への集光スポットの位置を可変とするアクチュエータに前記の対物レンズ光学系を搭載し、光情報記録媒体からの反射光を光分岐素子により、前記半導体レーザから光情報記録媒体までの光路から分岐させ、その反射光を検出光学系により光検出器に導き、反射光強度を電気信号として検出する。ここで光ヘッドは、光ディスクを除き、光が出射及び入射する部品、及びその部品を直接保持するホルダや筐体などの部品によって構成され、光検出器から出力される信号の演算回路や、光源の駆動回路などは一般には含まないものとする。
【００１２】
またこのような光ヘッドを用いる光情報再生装置において、光検出器からの出力信号から集光スポット位置制御信号検出回路と、合わせて光情報再生装置を構成し、制御信号によってアクチュエータを駆動する。
また、本発明による光情報再生装置の他の手段としては、光情報記録媒体上の光スポットを可動させるアクチュエータとして、ファインアクチュエータと、コースアクチュエータの２つのアクチュエータを用い、ファインアクチュエータでは、コマ収差補償素子とは独立に、ＮＡ０．８以上の対物レンズを駆動してトラッキング信号の高域成分を補償し、コースアクチュエータでは集光光学系とファインアクチュエータを含む部分、またはそれらを含む光ヘッド全体を駆動してトラッキング誤差信号の低域成分を補償する。光ヘッド全体をコースアクチュエータに搭載する場合には、光ヘッドとしては、半導体レーザからの発散光を、透明保護層を有する光情報記録媒体に集光する集光光学系において、光情報記録媒体からの反射光を半導体レーザから光情報記録媒体までの光路から分岐させる光分岐素子と、光分岐素子により分岐された反射光を光検出器に導く検出光学系と、反射光強度を電気信号として検出する光検出器を一体として筐体に収容させる。集光光学系とファインアクチュエータの部分をコースアクチュエータに搭載する場合には、光ヘッドは半導体レーザや光検出器などを含む固定光学系と、コースアクチュエータに搭載される可動光学系に分離される。
【００１３】
以上の光ヘッド及び光情報再生装置において、集光光学系に球面収差補償素子を搭載することで、レンズ固有の球面収差やディスク基板の厚み誤差に起因する球面収差が可能となる。
以上の光ヘッド及び光情報再生装置においては、コマ収差補償素子は、中心曲率がほぼ０の回転対称４次曲面で両面を形成すればよい。あるいはコマ収差補償素子は、液晶位相補償素子でもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各図において、対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図２に本発明の第１の実施形態として、本発明の効果を確認した実験系を示す。半導体レーザ２０１からの光がコリメートレンズ２０２により平行光とされ、ビーム成形プリズム２０３により等方ビームとされ、偏光ビームスプリッタ２０４を透過し、λ／４板２０６、色収差補正レンズ２０７、球面収差補償用エキスパンダーレンズ２０８、立上げミラー２１０、コマ収差補正素子２１１、対物レンズ２１２を経て、光ディスク２５０の記録膜上に集光される。ここで偏光ビームスプリッタで一部反射された光を前方モニタディテクタ２０５で受光、検出し、半導体レーザ２０１のオートパワコントロールなどに用いる。
【００１５】
エキスパンダーレンズ２０８は、一対の凹レンズと凸レンズによって構成され、ここでは凸レンズが光軸方向に移動可能なアクチュエータ２０９に搭載されている。これにより２枚のレンズの間隔を可変にでき、その間隔に応じた任意の球面収差を発生させることができる。対物レンズ２１２の両面間隔の製造誤差や、ディスク基板厚誤差がある場合、２層ディスクなど実効的に複数の基板厚の光ディスクに記録再生する場合などに生じる球面収差を、この効果を用いて補償する。ここでアクチュエータに搭載するのは凹レンズでも問題ない。またここでエキスパンダーレンズ２０８と立上げミラー２１０の間の光軸を示す線を２重線で遮断しているように示しているのは、実際の実験系では、エキスパンダーレンズ２０８以降、ディスク側の実際の光学系は立上げミラー２１０により、紙面垂直方向に光線が立ち上がることを示している。
【００１６】
コマ収差補正素子２１１は、対物レンズ２１２の両面の偏心によって生じるコマ収差を補償するように調整され、対物レンズ２１２とともに鏡筒２３０に固定されている。コマ収差補正素子２１１は、後で示すように両面に屈折力のない４次曲面を球面収差をキャンセルするように配置した素子であり、実効的に両面の４次曲面間の偏心を発生させてコマ収差を発生させる。ここでは対物レンズに対してコマ収差補正素子２１１の傾きを、対物レンズ両面間の偏心によって発生するコマ収差を補償するように調整し、鏡筒２３０に固定した。この鏡筒２３０が２次元アクチュエータ２５５に搭載されている。したがって対物レンズ２１２とコマ収差補正素子２１１は、焦点制御やトラッキング制御において一体となって動くため、相互の相対的な位置ずれは発生しない。
【００１７】
光ディスク２５０から反射された光は、同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２０４で反射され、λ／２板２１３を通り、第２の偏光ビームスプリッタ２１４に入射し、一部は透過し、一部は反射される。透過した光は光分離ホログラム２１５を通して、集光レンズ２１６により光検出器２１７に集光される。こちらの光検出器２１７ではトラッキング誤差信号をプッシュプル法を用いて検出するとともに、再生ＲＦ信号を検出する。そのため光分離ホログラム２１５では、入射する光束をディスクのトラック方向に対応する方向の直径で分割される両側の光が異なる方向に回折されるような格子パターンとする。この光検出器２１７では、この回折光を受光することでトラッキング信号を検出する。光分離ホログラム２１５の回折効率の設計により、０次光を必要なＳ／Ｎ比が得られるようにし、この０次光を検出することで、ＲＦ信号を得る。
【００１８】
偏光ビームスプリッタ２１４で反射された光は反射プリズム２１８で反射され、第２の光分離ホログラム２１９を通して集光レンズ２２０により、光検出器２２１に集光される。光検出器２２１では、焦点ずれ信号と球面収差信号を得るため、光分離ホログラム２１９は図３のようになっており、光検出器２２１の受光パターンは図４のようになっている。図３のホログラムを用いることで、入射する光束３０１の内側領域と外側領域、ディスクのトラックの方向に対して垂直な方向の直径で分割される両側の領域の、合計４領域の光が異なる方向に回折される。
【００１９】
図４に示した光検出器２２１においては、そのように異なる方向に回折された光から、２つの４分割受光領域４０１、４０２を用いて、内側光束の焦点信号と外側領域の焦点信号の差をとることで球面収差信号を得る。また２つの２分割受光領域４０３、４０４から通常の焦点ずれ信号を得る。差の演算を行なう場合には内側光束と外側光束の光量のアンバランスを補償できるようにゲインＧを調整できるようにした。和の演算はここでは、０次光の両側に生じる回折光のうち片側は内側光束と外側光束が同じ受光部に入射するようにして、光学的に演算を行なうようにした。
【００２０】
図２において、この光検出器２２１、及び光検出器２１７からの出力信号をフレキシブルケーブル２３２を経由して取り出し、以上の演算をＡＦ、ＴＲ、ＳＡ、ＲＦ回路２２３，２２４，２２５，２２６を用いて行なう。ここでＡＦ回路２２３は焦点ずれ信号の演算、及び２次元アクチュエータ２５５の焦点制御用コイルの駆動、ＴＲ回路２２４はトラッキング信号の演算、及び２次元アクチュエータ２５５のトラッキング制御用コイルの駆動、ＳＡ回路２２５は球面収差信号の演算、及びエキスパンダーレンズアクチュエータ２０８の駆動、ＲＦ回路２２６は再生ＲＦ信号検出を行なう。
【００２１】
２次元アクチュエータ２５５のトラッキング制御の制御範囲は、通常およそ±４００μｍ程度であるため、対物レンズ２１２による集光スポットが、光ディスク２５０の全信号記録領域をカバーするためには、筐体２３１に組み込まれた光ヘッド全体を、コースアクチュエータ２２２によりディスクの半径方向に移動させる。コースアクチュエータはモータ駆動回路２２７によって駆動される。また光ディスク２５０を回転させるスピンドルモータ２３３は、モータ駆動回路２３４によって駆動される。また半導体レーザ２０１はレーザドライバ回路２２９によって駆動される。以上の各回路は制御部２２８により統合的に制御される。
以上の実験系においては、コマ収差補償素子２１１が対物レンズ２１２と一体化されているため、これらが別々の場合には必要となる、トラッキング信号の低域成分によるコースアクチュエータ２２２の駆動は特に必要でない。
【００２２】
図５を用いてコマ収差補正素子２１１の原理を説明する。コマ収差補正素子は両面が屈折力のない４次曲面で形成されている。図ではこれらの面の効果を独立に図示したのち、組み合わせた場合のコマ収差発生効果を説明する。
（ａ）は２つの４次曲面のうち第１面のみの効果を示す。第１面のみを入射側に有し、第２面は平面になった位相変調素子５０１により、平面の入射波面に面形状を反映した球面収差が出射波面に生じている。（ｂ）は第２面のみの効果を示す。第１面が平面で、第２面のみ屈折力のない４次曲面を有する第２の位相変調素子５０２により、平面の入射波面が、（ａ）とは反転した球面収差が出射波面に生じている。（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の位相変調素子を重ね合わせて、コマ収差補正素子２１１を構成している。このとき出射波面は（ａ）と（ｂ）の出射波面の和になるため、結局それぞれの球面収差が打ち消されて、出射波面は平面波となる。（ｄ）は位相変調素子５０１と５０２に偏心が生じている場合である。（ｄ）図中で破線で示した（ａ）の出射波面と（ｂ）の出射波面がずれて加算されるため、実線で示した合成された波面にはコマ収差が生じる。（ｅ）は（ｄ）と同様の効果がコマ収差補償素子２１１を単に傾けるだけで得られることを示している。コマ収差補正素子には屈折力がないため、傾けたことによって偏心と同様の効果を生じ、出射波面には（ｄ）と同様にしてコマ収差を生じる。
【００２３】
以下、コマ収差発生効果を、数式を用いて説明する。コマ収差補正素子第１面によって発生する収差を
【数５】
とし、第２面で発生する球面収差をΔだけｘ方向にずらしたときの収差を
【数６】
とすると、これらの和には
【数７】
のようにコマ収差の成分が発生することがわかる。
【００２４】
図６は、本発明の第２の実施形態を示す。図２に示した第１の実施形態と比較した大きな違いは、コマ収差補償素子２１１が対物レンズと一体となっていないことである。そのためトラッキング制御時に、光ディスク２５０の偏心に対して対物レンズ２１２が動くと、コマ収差補正素子２１１との相対的な偏心ずれが生じ、非点収差が発生する恐れがある。
【００２５】
これに対して、本実施形態ではＴＲ回路２２４から出力されるトラッキング誤差信号により、対物レンズの２次元アクチュエータ２５５を駆動し、トラッキング誤差信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０１に通した低域成分により、コースアクチュエータを駆動する。これにより偏心の大きい低域成分はコースアクチュエータ２２２によりヘッド全体を動かすことで補償され、２次元アクチュエータ２５５には、コースアクチュエータ２２２では追随できない高周波成分が補償される。このとき２次元アクチュエータ２５５の移動量がコマ収差補償素子と対物レンズの偏心許容量よりも小さく、かつトラッキング誤差が十分抑圧されるように、ローパスフィルタ６０１や、トラッキング回路２２４の周波数特性を調整する。通常、このようなダブルサーボ制御を行う場合には２次元アクチュエータで駆動される高周波成分の振幅は±１０μｍ程度であるため、コマ収差補償素子と対物レンズとの偏心がほとんど問題とならない。
図１８は、本発明でダブルサーボを行なう場合の、開ループゲイン特性の例を示す図である。横軸はトラッキング信号の周波数を対数軸で表示しており、縦軸は開ループゲインをｄＢ値で表示している。
【００２６】
コースアクチュエータは低域でゲインが高く高域で急激にゲインが低下し、ファインアクチュエータは低域でゲインが小さいものの高域まで特性が伸びている。これら２本のカーブの交点において、周波数が（ディスクの回転周波数）／（コースアクチュエータによる回転偏心成分抑圧比）程度となり、コースアクチュエータの特性の傾きが周波数１０倍で６０ｄＢ低下する傾き（６０ｄＢ／ｄｅｃ）となるように、コースアクチュエータの応答特性、ローパスフィルタやトラッキング回路の特性を調整する。ここで交点の周波数は、コースアクチュエータの回転偏心成分抑圧比が、実際にディスクを回転させたときに想定される偏心量を対物レンズに許容される偏心量までに抑圧する必要性から、実質的に図１８に示すように決定される。この周波数より低い周波数（低域）では、図に示すようにコースアクチュエータが支配的であり、この周波数より高い周波数（高域）ではファインアクチュエータが支配的となる。またこの交点でのゲインはコースアクチュエータで抑圧された残りの偏差である、対物レンズ許容偏心量を、トラッキング制御時に許容されるトラッキング誤差の許容値まで抑圧する必要性から、図に示すようなゲインが必要となる。
【００２７】
以上のような設計方針に基づき、実験においてはディスクの回転数を３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）、対物レンズの許容偏心量を±３０μｍ、ディスクの回転偏心量を±３００μｍ、許容トラッキング誤差を±０．０３μｍと仮定し、交点での周波数５００Ｈｚ、ゲインを６０ｄＢとなるよう、アクチュエータ、トラッキング回路、ローパスフィルタを設計した。
【００２８】
図７は、本発明の第３の実施形態を示す。図６に示した第２の実施形態と比較して、第３の実施形態においてはコースアクチュエータ２２２で動かす可動部分を少なくしている。光学系全体は固定部７０１と、可動部７０２に分離しており、可動部７０２のみコースアクチュエータ２２２で、光ディスク２５０の半径方向に駆動される。可動部７０２には色収差補正素子２０７、エキスパンダーレンズ２０８、コマ収差補正素子２１１、立ち上げミラー２１０、対物レンズ２１２、２次元アクチュエータ２５５が搭載されている。色収差補正レンズ２０７やエキスパンダーレンズ２０８で収差が補償されている状態ではコマ収差補償素子に入射する光束が発散光または収束光となるため、可動部７０２が光ディスク２５０の内周から外周の範囲で動くと対物レンズに入射するビームの大きさや、発散収束状態が変化する。これを考慮してこれらの光学部品を可動部７０２に搭載している。
【００２９】
図８に、本発明に基づくレンズ形状の設計例を示す。（ａ）は曲率半径、面間隔、屈折率などの基本的な面係数であり、（ｂ）は非球面形状を規定する係数である。このとき面形状は図中、最下段に示した関数により与えられる。ｚは光軸方向の面の高さ、ｒは光軸からの距離である。ここで、コマ収差補償素子は図５（ｅ）で説明したように素子を傾けることでコマ収差を発生させる。対物レンズの第２面とカバー層との間隔は０．９ｍｍあるが、レンズがメニスカス状（第２面が第１面より曲率の小さい凹面となっている）となっているため、実質的なワーキングディスタンスとしては０．７ｍｍ程度となっている。
【００３０】
図９に、対物レンズの両面に偏心がある場合の波面収差を示す。（ａ）は偏心が６μｍの場合の、コマ収差補正のない場合の波面収差である、ＲＭＳ波面収差で、０．３６９λものコマ収差が発生していることがわかる。（ｂ）は（ａ）に対してコマ収差補正素子を４°傾けた場合の波面収差である。コマ収差が補正され、残留しているＲＭＳ波面収差は０．００９λに低減している。
【００３１】
図１０は、対物レンズ焦点面上の光軸からの像の高さに対するＲＭＳ波面収差を示す。対物レンズ単体、及び色収差補正素子、ビームエキスパンダを組み合わせた場合、ともにＲＭＳ波面収差０．０５λの範囲は半径２０μｍ以上、確保できている。コマ収差補償素子がある場合には、像高特性が劣化している。コマ収差補償素子は斜めに入射する光に対してコマ収差を発生させる素子であるため、これは必然的にやむを得ないことと考えられる。
【００３２】
図１１は、対物レンズ単体での面形状と光線収差図である。（ａ）は面形状、（ｂ）が収差図である。（ｂ）から、球面収差はほとんど縦軸と一致し、十分補正できていることがわかる。また正弦条件もほぼ補償されている。色収差は±５ｎｍの波長ずれで約±４μｍ発生していることがわかる。非点収差はほとんど発生していない。
【００３３】
図１２は、対物レンズとコマ収差補償素子を組み合わせた場合の面形状と収差図である。（ａ）が面形状、（ｂ）が収差図である。コマ収差補償素子の導入により、やや正弦条件が劣化している。これが図１０で示した、コマ収差補償素子を組み合わせた場合における像高特性の劣化の原因となっている。これについても斜めに入射させることでコマ収差を発生させる必要がある以上、やむをえないことと考えられる。
【００３４】
図１３は、対物レンズとエキスパンダーレンズ、及び色収差補正レンズを組み合わせた場合の面形状と収差図である。色収差補正レンズにより図１１、１２に比べて色収差が低減していることがわかる。
【００３５】
図１４は、対物レンズの両面の偏心に対するコマ収差補償素子による補償の有無による波面収差と補償素子の傾き角を示す。補償がないと両面の偏心に対して収差は急激に増大し、補償を入れることで偏心量が１５μｍ程度までは許容できることがわかる。このときの補償素子の傾斜角度は△印のカーブを右側の縦軸で見ると１０°程度の傾き角度で補償できることがわかる。したがって、角度はかなり大きく、調整も容易と考えられる。
【００３６】
図１５は、コマ収差補償素子によるコマ収差補償時の、対物レンズの偏心による非点収差の発生を示す図である。対物レンズ両面の偏心１０μｍを補償している場合、ＲＭＳ波面収差の許容値を０．０５λとすると、対物レンズのシフト量の許容値は約±４０μｍ程度であることがわかる。これはレンズを搭載する２次元アクチュエータのみで、ディスクの偏心を補償するには小さいが、トラッキング信号の低域成分でコースアクチュエータを駆動する構成では、十分実現可能な値である。
【００３７】
図１６は、本発明の第4の実施形態として、図２に示した構成において、エキスパンダーレンズの代わりに液晶位相補償素子１６０１により、球面収差補償を行なう場合の実施形態を示す。液晶位相補償素子はビーム成形プリズム２０３と偏光ビームスプリッタ２０４の間に挿入されている。これは以下の理由による。光利用効率を高めるために、偏光ビームスプリッタ２０４と、λ／４板２０６により、往路と復路で偏光ビームスプリッタ２０４に入射する光の偏光を９０°回転させている。したがって液晶素子は特定の方向の直線偏光成分にのみ位相シフトが加わるため、偏光ビームスプリッタ２０４よりディスク側に挿入しても往路、または復路のどちらかしか作用しない。他方、液晶素子を透過する光には若干の光量損失があるため、これを防ぐために、図のように偏光ビームスプリッタよりもレーザ側に液晶素子１６０１を挿入する。液晶素子１６０１は球面収差検出回路２２５からの出力に応じて、液晶駆動回路１６０２により駆動される。
【００３８】
以上のようなエキスパンダーレンズの代わりに液晶素子１６０１を用いる構成は、図６、図７にも同様にして適用できる。特に図７に適用する場合にも、液晶素子１６０１はエキスパンダーレンズと異なり、光の発散収束状態を変化させることなく、球面収差のみを与えることができるため、固定光学系に設置してもさしつかえない。
【００３９】
図１７は図１６をさらに簡素化し、最終的な光ディスク装置製品の形態に近づけた場合の実施形態である。検出光学系はトラッキング信号検出と焦点信号検出を一体化している。これは光分離ホログラムの分割を細かくし、検出器パターンをトラッキング信号と焦点ずれ信号、球面収差信号を同時にとれる形態とすればよい。また半導体レーザに青色レーザを用い、対物レンズのＮＡが大きければ、集光スポットのパワー密度は非常に大きく、記録にあたっても十分高い効率が確保できると考えられるため、ビーム成形を行なわない設計も十分可能である。このためビーム成形プリズムも除去している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明により、ＮＡが大きく、ワーキングディスタンスの広い対物レンズを実現でき、レンズがディスクに衝突しにくい、信頼性の高い光ディスク装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高ＮＡ２枚レンズと１枚レンズの比較図。
【図２】本発明の効果を確認した実験系を説明する図。
【図３】球面収差、焦点ずれ検出用光分離ホログラムの説明図。
【図４】球面収差、焦点ずれ検出用光検出器の説明図。
【図５】コマ収差補正素子の原理を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す図。
【図８】レンズ面形状係数設計例を示す図。
【図９】対物レンズの両面に偏心がある場合の波面収差とその低減効果を示す図。
【図１０】波面収差の像高特性を示す図。
【図１１】対物レンズ単体の光線収差図。
【図１２】対物レンズとコマ収差補償素子の光線収差図。
【図１３】対物レンズとエキスパンダーレンズと色収差補正レンズの光線収差図。
【図１４】対物レンズの両面の偏心に対するコマ収差補償素子の補償効果を示す図。
【図１５】コマ収差補償素子によるコマ収差補償時の対物レンズシフトの影響を示す図。
【図１６】本発明の第4の実施形態を示す図。
【図１７】本発明の第５の実施形態を示す図。
【図１８】ダブルサーボの開ループ特性を示す図。
【符号の説明】
１０１，１０２…高ＮＡ２枚組対物レンズ、１０３…高ＮＡ単レンズ、１０４…保護層、１０５…記録膜、２０１…半導体レーザ、２０２…コリメートレンズ、２０３…ビーム成形プリズム、２０４…偏光ビームスプリッタ、２０５…前方モニタディテクタ、２０６…λ／４板、２０７…色収差補正レンズ、２０８…球面収差補償用エキスパンダーレンズ、２０９…アクチュエータ、２１０…立上げミラー、２１１…コマ収差補正素子、２１２…対物レンズ、２１５…光分離ホログラム、２１６…集光レンズ、２１７…光検出器、２１８…反射プリズム、２１９…光分離ホログラム、２２０…集光レンズ、２２１…光検出器、２２２…コースアクチュエータ、２２３…ＡＦ回路、２２４…ＴＲ回路、２２５…ＳＡ回路、２２６…ＲＦ回路、２２７…モータ駆動回路、２２８…制御部、２２９…レーザドライバ回路、２３０…鏡筒、２３１…筐体、２３２…フレキシブルケーブル、２３３…スピンドルモータ、２５０…光ディスク、２５５…２次元アクチュエータ、３０１…入射光束、４０１，４０２…４分割受光領域、４０３，４０４…２分割受光領域、５０１，５０２…位相変調素子、６０１…ローパスフィルタ、７０１…固定部、７０２…可動部、１６０１…液晶位相補償素子、１６０２…液晶駆動回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、次世代高密度光ディスク再生のための光情報再生装置、並びにそれに組み込まれる光ヘッド及び対物レンズ光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは高密度化の一途をたどり、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）ではＲＯＭ（再生専用ディスク）もＲＡＭ（書き換え可能ディスク）も４．７ＧＢにも及んでいる。これに留まらず、衛星放送のディジタル化を目前に控えた近年、高精細動画像を２時間以上録画可能な２０ＧＢ以上への大容量化が期待されている。
【０００３】
光ディスクの記録密度を直接制限している光スポットの大きさは、光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとしたとき、λ／ＮＡで与えられる。したがって大容量化のためには波長を短くするか、開口数を大きくすることが必要である。波長については近年、４０５ｎｍの青紫色半導体レーザの開発が進み、現状ＤＶＤの６５０ｎｍに対して、約２．６倍、１２ＧＢの容量は実現の見通しがある。さらにこれを２０ＧＢ以上に高めるには、ＮＡを現状の１．３倍、０．７７以上に高める必要がある。
【０００４】
このようにＮＡを増大させる従来の技術としては、例えば特開平１１−１９５２２９号公報がある。ここでは２群２枚の対物レンズを用いて、ＮＡを最大０．８５まで高めている。このときＮＡが大きくなるにともない、ディスクの基板厚誤差や傾きなどで発生する球面収差やコマ収差が増大する問題がある。これに対して、ディスク傾きによるコマ収差については基板厚を０．１ｍｍまで薄くすることで軽減し、基板厚誤差による球面収差はディスク表面と記録面の焦点ずれ信号の差から基板厚を検出し、それに応じて２枚のレンズの間隔を変えて補償している。ここで記録膜に焦点を合わせた場合のレンズの最終面とディスク基板表面との間隔、すなわちワーキングディスタンスは０．１３ｍｍ、２枚組対物レンズの有効光束径は３ｍｍφである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例においては、ワーキングディスタンスが非常に狭く、万一、記録再生動作中に焦点サーボがはずれた場合に、レンズがディスクに衝突し、ディスクを傷つける恐れがある。また２つのレンズの間隔や偏心ずれの許容値が非常に厳しく、調整が困難になるという問題点がある。
【０００６】
上記従来例の高ＮＡレンズのワーキングディスタンスを広げる最も簡単で本質的な手段は、２枚のレンズを１枚にすることである。図１を用いてこれを説明する。図中上段（ａ）は従来の２枚レンズ１０１，１０２による集光の様子を示し、（ｂ）はこれを１枚の高ＮＡレンズ１０３で実施する場合のワーキングディスタンスの違いを示す模式図である。ともに同じＮＡで、光束はディスクの保護層１０４を通して記録膜１０５に集光されている。（ａ）では２枚のレンズ１０１，１０２にそれぞれ屈折力を配分するため、２枚目のレンズ１０２は１枚目のレンズ１０１の集光光束中に挿入することになる。このため１枚のレンズで集光する（ｂ）の場合と比べると、レンズの有効光束径Ｄ２は、（ｂ）の有効光束径Ｄより小さくなり、ワーキングディスタンスＷＤ１は、（ｂ）のＷＤ２に比べて短くならざるを得ない。逆に言えば、従来の２枚レンズに比較して、１枚のレンズで集光することで、ワーキングディスタンスを広くできるのである。ただし従来、２枚のレンズが必要であった理由も当然存在する。これはレンズの製造上の問題である。ＮＡの大きいレンズでは一般に、レンズの両面間の偏心ずれや、面間隔ずれなどの必要精度が非常に厳しくなり、わずかの誤差により大きな収差が発生する。これを避けるために従来は必要な屈折力を２枚のレンズに分散させることにより、それぞれのレンズの製造を容易にしている。したがって１枚のレンズで高ＮＡを得るためには、レンズ両面間の位置精度を向上させる製造技術か、製造誤差によって発生する収差を補償する手段が必要となる。
【０００７】
収差を補償する手段として、面間隔のずれによって発生する球面収差に対しては、例えば特開平２０００−１８２２５４号公報に記載された手段がある。ここでは集光スポットの球面収差を光学的に検出して、対物レンズに入射する光束をやや発散気味または収束気味とすることで球面収差を発生させる球面収差補償光学系を駆動し、光学系の球面収差を補償する。このような技術を組み合わせることで高ＮＡの１レンズの第1面と第2面の面間隔のずれを補償することができる。このときレンズに入射させる光自体には収差はなく、発散収束状態を変えた光が入射することにより対物レンズにおいて球面収差が発生するため、トラッキング動作により光軸からディスクの半径方向にレンズが動いたとしても、発生させられる球面収差の軸は実質的にずれない。
【０００８】
偏心ずれによって発生するコマ収差に対しては、例えば特開平２０００−２１４０４８号公報にコマ収差の検出方法が示されている。ここでは光束の内側と外側のプッシュプル信号の差から半径方向のコマ収差を検出し、ディスクの半径方向と接線方向で分割される４分割領域の対角方向のプッシュプル信号の差から接線方向のコマ収差を検出している。また補償手段としては、例えば特開平２００１−４９７２号公報に４次関数で与えられるＷ字状の位相分布をずらして逆符号で与えることによりコマ収差が与えられることが示されている。これらを組み合わせることで、コマ収差の検出と補償が可能となる。ただしこの場合、上記の球面収差補償の場合と異なり、コマ収差は対物レンズで発生するのではなく、コマ収差の補償素子において発生するため、トラッキング動作により対物レンズが光軸からずれると、それに応じてコマ収差の軸がずれることになる。この場合、補償されるべき対物レンズのコマ収差と、補償されるコマ収差の軸がずれるため、実質的にその差によって非点収差が発生する。これは簡単に以下の式で理解できる。コマ収差は光束の断面内の座標を光軸を原点として極座標（ρ，θ）で表したとき、
【数１】
【数２】
【数３】
で関係づけられている。したがって補償されたあとの収差は
【数４】
上記問題点に鑑み、本発明の目的は、ワーキングディスタンスの広い、調整の容易な高ＮＡの１枚の対物レンズを実現するための収差補償光学系のコマ収差の補償において、トラッキング動作に伴い、補償するコマ収差の軸が補償されるコマ収差の軸からずれることによって発生する非点収差を低減することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、コマ収差補償素子と、これを通して入射する光束を透明基板越しに集光する、単一媒質で形成された開口数が０．８以上の１枚の対物レンズとを、筐体を介して一体として相互の相対位置を固定されている対物レンズ光学系を用いる。
【００１１】
また光ヘッドでは、その中の半導体レーザからの発散光を透明保護層のある光情報記録媒体に集光する集光光学系において、光情報記録媒体への集光スポットの位置を可変とするアクチュエータに前記の対物レンズ光学系を搭載し、光情報記録媒体からの反射光を光分岐素子により、前記半導体レーザから光情報記録媒体までの光路から分岐させ、その反射光を検出光学系により光検出器に導き、反射光強度を電気信号として検出する。ここで光ヘッドは、光ディスクを除き、光が出射及び入射する部品、及びその部品を直接保持するホルダや筐体などの部品によって構成され、光検出器から出力される信号の演算回路や、光源の駆動回路などは一般には含まないものとする。
【００１２】
またこのような光ヘッドを用いる光情報再生装置において、光検出器からの出力信号から集光スポット位置制御信号検出回路と、合わせて光情報再生装置を構成し、制御信号によってアクチュエータを駆動する。
また、本発明による光情報再生装置の他の手段としては、光情報記録媒体上の光スポットを可動させるアクチュエータとして、ファインアクチュエータと、コースアクチュエータの２つのアクチュエータを用い、ファインアクチュエータでは、コマ収差補償素子とは独立に、ＮＡ０．８以上の対物レンズを駆動してトラッキング信号の高域成分を補償し、コースアクチュエータでは集光光学系とファインアクチュエータを含む部分、またはそれらを含む光ヘッド全体を駆動してトラッキング誤差信号の低域成分を補償する。光ヘッド全体をコースアクチュエータに搭載する場合には、光ヘッドとしては、半導体レーザからの発散光を、透明保護層を有する光情報記録媒体に集光する集光光学系において、光情報記録媒体からの反射光を半導体レーザから光情報記録媒体までの光路から分岐させる光分岐素子と、光分岐素子により分岐された反射光を光検出器に導く検出光学系と、反射光強度を電気信号として検出する光検出器を一体として筐体に収容させる。集光光学系とファインアクチュエータの部分をコースアクチュエータに搭載する場合には、光ヘッドは半導体レーザや光検出器などを含む固定光学系と、コースアクチュエータに搭載される可動光学系に分離される。
【００１３】
以上の光ヘッド及び光情報再生装置において、集光光学系に球面収差補償素子を搭載することで、レンズ固有の球面収差やディスク基板の厚み誤差に起因する球面収差が可能となる。
以上の光ヘッド及び光情報再生装置においては、コマ収差補償素子は、中心曲率がほぼ０の回転対称４次曲面で両面を形成すればよい。あるいはコマ収差補償素子は、液晶位相補償素子でもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各図において、対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図２に本発明の第１の実施形態として、本発明の効果を確認した実験系を示す。半導体レーザ２０１からの光がコリメートレンズ２０２により平行光とされ、ビーム成形プリズム２０３により等方ビームとされ、偏光ビームスプリッタ２０４を透過し、λ／４板２０６、色収差補正レンズ２０７、球面収差補償用エキスパンダーレンズ２０８、立上げミラー２１０、コマ収差補正素子２１１、対物レンズ２１２を経て、光ディスク２５０の記録膜上に集光される。ここで偏光ビームスプリッタで一部反射された光を前方モニタディテクタ２０５で受光、検出し、半導体レーザ２０１のオートパワコントロールなどに用いる。
【００１５】
エキスパンダーレンズ２０８は、一対の凹レンズと凸レンズによって構成され、ここでは凸レンズが光軸方向に移動可能なアクチュエータ２０９に搭載されている。これにより２枚のレンズの間隔を可変にでき、その間隔に応じた任意の球面収差を発生させることができる。対物レンズ２１２の両面間隔の製造誤差や、ディスク基板厚誤差がある場合、２層ディスクなど実効的に複数の基板厚の光ディスクに記録再生する場合などに生じる球面収差を、この効果を用いて補償する。ここでアクチュエータに搭載するのは凹レンズでも問題ない。またここでエキスパンダーレンズ２０８と立上げミラー２１０の間の光軸を示す線を２重線で遮断しているように示しているのは、実際の実験系では、エキスパンダーレンズ２０８以降、ディスク側の実際の光学系は立上げミラー２１０により、紙面垂直方向に光線が立ち上がることを示している。
【００１６】
コマ収差補正素子２１１は、対物レンズ２１２の両面の偏心によって生じるコマ収差を補償するように調整され、対物レンズ２１２とともに鏡筒２３０に固定されている。コマ収差補正素子２１１は、後で示すように両面に屈折力のない４次曲面を球面収差をキャンセルするように配置した素子であり、実効的に両面の４次曲面間の偏心を発生させてコマ収差を発生させる。ここでは対物レンズに対してコマ収差補正素子２１１の傾きを、対物レンズ両面間の偏心によって発生するコマ収差を補償するように調整し、鏡筒２３０に固定した。この鏡筒２３０が２次元アクチュエータ２５５に搭載されている。したがって対物レンズ２１２とコマ収差補正素子２１１は、焦点制御やトラッキング制御において一体となって動くため、相互の相対的な位置ずれは発生しない。
【００１７】
光ディスク２５０から反射された光は、同じ光路を戻って偏光ビームスプリッタ２０４で反射され、λ／２板２１３を通り、第２の偏光ビームスプリッタ２１４に入射し、一部は透過し、一部は反射される。透過した光は光分離ホログラム２１５を通して、集光レンズ２１６により光検出器２１７に集光される。こちらの光検出器２１７ではトラッキング誤差信号をプッシュプル法を用いて検出するとともに、再生ＲＦ信号を検出する。そのため光分離ホログラム２１５では、入射する光束をディスクのトラック方向に対応する方向の直径で分割される両側の光が異なる方向に回折されるような格子パターンとする。この光検出器２１７では、この回折光を受光することでトラッキング信号を検出する。光分離ホログラム２１５の回折効率の設計により、０次光を必要なＳ／Ｎ比が得られるようにし、この０次光を検出することで、ＲＦ信号を得る。
【００１８】
偏光ビームスプリッタ２１４で反射された光は反射プリズム２１８で反射され、第２の光分離ホログラム２１９を通して集光レンズ２２０により、光検出器２２１に集光される。光検出器２２１では、焦点ずれ信号と球面収差信号を得るため、光分離ホログラム２１９は図３のようになっており、光検出器２２１の受光パターンは図４のようになっている。図３のホログラムを用いることで、入射する光束３０１の内側領域と外側領域、ディスクのトラックの方向に対して垂直な方向の直径で分割される両側の領域の、合計４領域の光が異なる方向に回折される。
【００１９】
図４に示した光検出器２２１においては、そのように異なる方向に回折された光から、２つの４分割受光領域４０１、４０２を用いて、内側光束の焦点信号と外側領域の焦点信号の差をとることで球面収差信号を得る。また２つの２分割受光領域４０３、４０４から通常の焦点ずれ信号を得る。差の演算を行なう場合には内側光束と外側光束の光量のアンバランスを補償できるようにゲインＧを調整できるようにした。和の演算はここでは、０次光の両側に生じる回折光のうち片側は内側光束と外側光束が同じ受光部に入射するようにして、光学的に演算を行なうようにした。
【００２０】
図２において、この光検出器２２１、及び光検出器２１７からの出力信号をフレキシブルケーブル２３２を経由して取り出し、以上の演算をＡＦ、ＴＲ、ＳＡ、ＲＦ回路２２３，２２４，２２５，２２６を用いて行なう。ここでＡＦ回路２２３は焦点ずれ信号の演算、及び２次元アクチュエータ２５５の焦点制御用コイルの駆動、ＴＲ回路２２４はトラッキング信号の演算、及び２次元アクチュエータ２５５のトラッキング制御用コイルの駆動、ＳＡ回路２２５は球面収差信号の演算、及びエキスパンダーレンズアクチュエータ２０８の駆動、ＲＦ回路２２６は再生ＲＦ信号検出を行なう。
【００２１】
２次元アクチュエータ２５５のトラッキング制御の制御範囲は、通常およそ±４００μｍ程度であるため、対物レンズ２１２による集光スポットが、光ディスク２５０の全信号記録領域をカバーするためには、筐体２３１に組み込まれた光ヘッド全体を、コースアクチュエータ２２２によりディスクの半径方向に移動させる。コースアクチュエータはモータ駆動回路２２７によって駆動される。また光ディスク２５０を回転させるスピンドルモータ２３３は、モータ駆動回路２３４によって駆動される。また半導体レーザ２０１はレーザドライバ回路２２９によって駆動される。以上の各回路は制御部２２８により統合的に制御される。
以上の実験系においては、コマ収差補償素子２１１が対物レンズ２１２と一体化されているため、これらが別々の場合には必要となる、トラッキング信号の低域成分によるコースアクチュエータ２２２の駆動は特に必要でない。
【００２２】
図５を用いてコマ収差補正素子２１１の原理を説明する。コマ収差補正素子は両面が屈折力のない４次曲面で形成されている。図ではこれらの面の効果を独立に図示したのち、組み合わせた場合のコマ収差発生効果を説明する。
（ａ）は２つの４次曲面のうち第１面のみの効果を示す。第１面のみを入射側に有し、第２面は平面になった位相変調素子５０１により、平面の入射波面に面形状を反映した球面収差が出射波面に生じている。（ｂ）は第２面のみの効果を示す。第１面が平面で、第２面のみ屈折力のない４次曲面を有する第２の位相変調素子５０２により、平面の入射波面が、（ａ）とは反転した球面収差が出射波面に生じている。（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の位相変調素子を重ね合わせて、コマ収差補正素子２１１を構成している。このとき出射波面は（ａ）と（ｂ）の出射波面の和になるため、結局それぞれの球面収差が打ち消されて、出射波面は平面波となる。（ｄ）は位相変調素子５０１と５０２に偏心が生じている場合である。（ｄ）図中で破線で示した（ａ）の出射波面と（ｂ）の出射波面がずれて加算されるため、実線で示した合成された波面にはコマ収差が生じる。（ｅ）は（ｄ）と同様の効果がコマ収差補償素子２１１を単に傾けるだけで得られることを示している。コマ収差補正素子には屈折力がないため、傾けたことによって偏心と同様の効果を生じ、出射波面には（ｄ）と同様にしてコマ収差を生じる。
【００２３】
以下、コマ収差発生効果を、数式を用いて説明する。コマ収差補正素子第１面によって発生する収差を
【数５】
【数６】
【数７】
【００２４】
図６は、本発明の第２の実施形態を示す。図２に示した第１の実施形態と比較した大きな違いは、コマ収差補償素子２１１が対物レンズと一体となっていないことである。そのためトラッキング制御時に、光ディスク２５０の偏心に対して対物レンズ２１２が動くと、コマ収差補正素子２１１との相対的な偏心ずれが生じ、非点収差が発生する恐れがある。
【００２５】
これに対して、本実施形態ではＴＲ回路２２４から出力されるトラッキング誤差信号により、対物レンズの２次元アクチュエータ２５５を駆動し、トラッキング誤差信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０１に通した低域成分により、コースアクチュエータを駆動する。これにより偏心の大きい低域成分はコースアクチュエータ２２２によりヘッド全体を動かすことで補償され、２次元アクチュエータ２５５には、コースアクチュエータ２２２では追随できない高周波成分が補償される。このとき２次元アクチュエータ２５５の移動量がコマ収差補償素子と対物レンズの偏心許容量よりも小さく、かつトラッキング誤差が十分抑圧されるように、ローパスフィルタ６０１や、トラッキング回路２２４の周波数特性を調整する。通常、このようなダブルサーボ制御を行う場合には２次元アクチュエータで駆動される高周波成分の振幅は±１０μｍ程度であるため、コマ収差補償素子と対物レンズとの偏心がほとんど問題とならない。
図１８は、本発明でダブルサーボを行なう場合の、開ループゲイン特性の例を示す図である。横軸はトラッキング信号の周波数を対数軸で表示しており、縦軸は開ループゲインをｄＢ値で表示している。
【００２６】
コースアクチュエータは低域でゲインが高く高域で急激にゲインが低下し、ファインアクチュエータは低域でゲインが小さいものの高域まで特性が伸びている。これら２本のカーブの交点において、周波数が（ディスクの回転周波数）／（コースアクチュエータによる回転偏心成分抑圧比）程度となり、コースアクチュエータの特性の傾きが周波数１０倍で６０ｄＢ低下する傾き（６０ｄＢ／ｄｅｃ）となるように、コースアクチュエータの応答特性、ローパスフィルタやトラッキング回路の特性を調整する。ここで交点の周波数は、コースアクチュエータの回転偏心成分抑圧比が、実際にディスクを回転させたときに想定される偏心量を対物レンズに許容される偏心量までに抑圧する必要性から、実質的に図１８に示すように決定される。この周波数より低い周波数（低域）では、図に示すようにコースアクチュエータが支配的であり、この周波数より高い周波数（高域）ではファインアクチュエータが支配的となる。またこの交点でのゲインはコースアクチュエータで抑圧された残りの偏差である、対物レンズ許容偏心量を、トラッキング制御時に許容されるトラッキング誤差の許容値まで抑圧する必要性から、図に示すようなゲインが必要となる。
【００２７】
以上のような設計方針に基づき、実験においてはディスクの回転数を３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）、対物レンズの許容偏心量を±３０μｍ、ディスクの回転偏心量を±３００μｍ、許容トラッキング誤差を±０．０３μｍと仮定し、交点での周波数５００Ｈｚ、ゲインを６０ｄＢとなるよう、アクチュエータ、トラッキング回路、ローパスフィルタを設計した。
【００２８】
図７は、本発明の第３の実施形態を示す。図６に示した第２の実施形態と比較して、第３の実施形態においてはコースアクチュエータ２２２で動かす可動部分を少なくしている。光学系全体は固定部７０１と、可動部７０２に分離しており、可動部７０２のみコースアクチュエータ２２２で、光ディスク２５０の半径方向に駆動される。可動部７０２には色収差補正素子２０７、エキスパンダーレンズ２０８、コマ収差補正素子２１１、立ち上げミラー２１０、対物レンズ２１２、２次元アクチュエータ２５５が搭載されている。色収差補正レンズ２０７やエキスパンダーレンズ２０８で収差が補償されている状態ではコマ収差補償素子に入射する光束が発散光または収束光となるため、可動部７０２が光ディスク２５０の内周から外周の範囲で動くと対物レンズに入射するビームの大きさや、発散収束状態が変化する。これを考慮してこれらの光学部品を可動部７０２に搭載している。
【００２９】
図８に、本発明に基づくレンズ形状の設計例を示す。（ａ）は曲率半径、面間隔、屈折率などの基本的な面係数であり、（ｂ）は非球面形状を規定する係数である。このとき面形状は図中、最下段に示した関数により与えられる。ｚは光軸方向の面の高さ、ｒは光軸からの距離である。ここで、コマ収差補償素子は図５（ｅ）で説明したように素子を傾けることでコマ収差を発生させる。対物レンズの第２面とカバー層との間隔は０．９ｍｍあるが、レンズがメニスカス状（第２面が第１面より曲率の小さい凹面となっている）となっているため、実質的なワーキングディスタンスとしては０．７ｍｍ程度となっている。
【００３０】
図９に、対物レンズの両面に偏心がある場合の波面収差を示す。（ａ）は偏心が６μｍの場合の、コマ収差補正のない場合の波面収差である、ＲＭＳ波面収差で、０．３６９λものコマ収差が発生していることがわかる。（ｂ）は（ａ）に対してコマ収差補正素子を４°傾けた場合の波面収差である。コマ収差が補正され、残留しているＲＭＳ波面収差は０．００９λに低減している。
【００３１】
図１０は、対物レンズ焦点面上の光軸からの像の高さに対するＲＭＳ波面収差を示す。対物レンズ単体、及び色収差補正素子、ビームエキスパンダを組み合わせた場合、ともにＲＭＳ波面収差０．０５λの範囲は半径２０μｍ以上、確保できている。コマ収差補償素子がある場合には、像高特性が劣化している。コマ収差補償素子は斜めに入射する光に対してコマ収差を発生させる素子であるため、これは必然的にやむを得ないことと考えられる。
【００３２】
図１１は、対物レンズ単体での面形状と光線収差図である。（ａ）は面形状、（ｂ）が収差図である。（ｂ）から、球面収差はほとんど縦軸と一致し、十分補正できていることがわかる。また正弦条件もほぼ補償されている。色収差は±５ｎｍの波長ずれで約±４μｍ発生していることがわかる。非点収差はほとんど発生していない。
【００３３】
図１２は、対物レンズとコマ収差補償素子を組み合わせた場合の面形状と収差図である。（ａ）が面形状、（ｂ）が収差図である。コマ収差補償素子の導入により、やや正弦条件が劣化している。これが図１０で示した、コマ収差補償素子を組み合わせた場合における像高特性の劣化の原因となっている。これについても斜めに入射させることでコマ収差を発生させる必要がある以上、やむをえないことと考えられる。
【００３４】
図１３は、対物レンズとエキスパンダーレンズ、及び色収差補正レンズを組み合わせた場合の面形状と収差図である。色収差補正レンズにより図１１、１２に比べて色収差が低減していることがわかる。
【００３５】
図１４は、対物レンズの両面の偏心に対するコマ収差補償素子による補償の有無による波面収差と補償素子の傾き角を示す。補償がないと両面の偏心に対して収差は急激に増大し、補償を入れることで偏心量が１５μｍ程度までは許容できることがわかる。このときの補償素子の傾斜角度は△印のカーブを右側の縦軸で見ると１０°程度の傾き角度で補償できることがわかる。したがって、角度はかなり大きく、調整も容易と考えられる。
【００３６】
図１５は、コマ収差補償素子によるコマ収差補償時の、対物レンズの偏心による非点収差の発生を示す図である。対物レンズ両面の偏心１０μｍを補償している場合、ＲＭＳ波面収差の許容値を０．０５λとすると、対物レンズのシフト量の許容値は約±４０μｍ程度であることがわかる。これはレンズを搭載する２次元アクチュエータのみで、ディスクの偏心を補償するには小さいが、トラッキング信号の低域成分でコースアクチュエータを駆動する構成では、十分実現可能な値である。
【００３７】
図１６は、本発明の第4の実施形態として、図２に示した構成において、エキスパンダーレンズの代わりに液晶位相補償素子１６０１により、球面収差補償を行なう場合の実施形態を示す。液晶位相補償素子はビーム成形プリズム２０３と偏光ビームスプリッタ２０４の間に挿入されている。これは以下の理由による。光利用効率を高めるために、偏光ビームスプリッタ２０４と、λ／４板２０６により、往路と復路で偏光ビームスプリッタ２０４に入射する光の偏光を９０°回転させている。したがって液晶素子は特定の方向の直線偏光成分にのみ位相シフトが加わるため、偏光ビームスプリッタ２０４よりディスク側に挿入しても往路、または復路のどちらかしか作用しない。他方、液晶素子を透過する光には若干の光量損失があるため、これを防ぐために、図のように偏光ビームスプリッタよりもレーザ側に液晶素子１６０１を挿入する。液晶素子１６０１は球面収差検出回路２２５からの出力に応じて、液晶駆動回路１６０２により駆動される。
【００３８】
以上のようなエキスパンダーレンズの代わりに液晶素子１６０１を用いる構成は、図６、図７にも同様にして適用できる。特に図７に適用する場合にも、液晶素子１６０１はエキスパンダーレンズと異なり、光の発散収束状態を変化させることなく、球面収差のみを与えることができるため、固定光学系に設置してもさしつかえない。
【００３９】
図１７は図１６をさらに簡素化し、最終的な光ディスク装置製品の形態に近づけた場合の実施形態である。検出光学系はトラッキング信号検出と焦点信号検出を一体化している。これは光分離ホログラムの分割を細かくし、検出器パターンをトラッキング信号と焦点ずれ信号、球面収差信号を同時にとれる形態とすればよい。また半導体レーザに青色レーザを用い、対物レンズのＮＡが大きければ、集光スポットのパワー密度は非常に大きく、記録にあたっても十分高い効率が確保できると考えられるため、ビーム成形を行なわない設計も十分可能である。このためビーム成形プリズムも除去している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明により、ＮＡが大きく、ワーキングディスタンスの広い対物レンズを実現でき、レンズがディスクに衝突しにくい、信頼性の高い光ディスク装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高ＮＡ２枚レンズと１枚レンズの比較図。
【図２】本発明の効果を確認した実験系を説明する図。
【図３】球面収差、焦点ずれ検出用光分離ホログラムの説明図。
【図４】球面収差、焦点ずれ検出用光検出器の説明図。
【図５】コマ収差補正素子の原理を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す図。
【図８】レンズ面形状係数設計例を示す図。
【図９】対物レンズの両面に偏心がある場合の波面収差とその低減効果を示す図。
【図１０】波面収差の像高特性を示す図。
【図１１】対物レンズ単体の光線収差図。
【図１２】対物レンズとコマ収差補償素子の光線収差図。
【図１３】対物レンズとエキスパンダーレンズと色収差補正レンズの光線収差図。
【図１４】対物レンズの両面の偏心に対するコマ収差補償素子の補償効果を示す図。
【図１５】コマ収差補償素子によるコマ収差補償時の対物レンズシフトの影響を示す図。
【図１６】本発明の第4の実施形態を示す図。
【図１７】本発明の第５の実施形態を示す図。
【図１８】ダブルサーボの開ループ特性を示す図。
【符号の説明】
１０１，１０２…高ＮＡ２枚組対物レンズ、１０３…高ＮＡ単レンズ、１０４…保護層、１０５…記録膜、２０１…半導体レーザ、２０２…コリメートレンズ、２０３…ビーム成形プリズム、２０４…偏光ビームスプリッタ、２０５…前方モニタディテクタ、２０６…λ／４板、２０７…色収差補正レンズ、２０８…球面収差補償用エキスパンダーレンズ、２０９…アクチュエータ、２１０…立上げミラー、２１１…コマ収差補正素子、２１２…対物レンズ、２１５…光分離ホログラム、２１６…集光レンズ、２１７…光検出器、２１８…反射プリズム、２１９…光分離ホログラム、２２０…集光レンズ、２２１…光検出器、２２２…コースアクチュエータ、２２３…ＡＦ回路、２２４…ＴＲ回路、２２５…ＳＡ回路、２２６…ＲＦ回路、２２７…モータ駆動回路、２２８…制御部、２２９…レーザドライバ回路、２３０…鏡筒、２３１…筐体、２３２…フレキシブルケーブル、２３３…スピンドルモータ、２５０…光ディスク、２５５…２次元アクチュエータ、３０１…入射光束、４０１，４０２…４分割受光領域、４０３，４０４…２分割受光領域、５０１，５０２…位相変調素子、６０１…ローパスフィルタ、７０１…固定部、７０２…可動部、１６０１…液晶位相補償素子、１６０２…液晶駆動回路
Claims (13)
- 光束を集光するための開口数が０．８以上の１枚のレンズで構成された対物レンズと、
該対物レンズと筐体を介して一体として、相互の相対位置が固定され、前記対物レンズの偏心によって生じるコマ収差を補正するコマ収差補償素子であって、その傾きを前記対物レンズ両面間の偏心によって発生するコマ収差を補償するように調整し、前記筐体に固定したコマ収差補償素子と
を有することを特徴とする対物レンズ光学系。 - 光源と、
請求項１に記載の対物レンズ光学系を有し、前記光源からの光を媒体に集光する集光光学系と、
該集光光学系による前記媒体への集光スポットの位置を可変とするアクチュエータと、
前記媒体からの反射光を前記光源から前記媒体までの光路から分岐させる光分岐素子と、
該光分岐素子により分岐された前記反射光を光検出器に導く検出光学系と、
反射光強度を電気信号として検出する光検出器と
を有することを特徴とする光ヘッド。 - 前記集光光学系は、更に球面収差補償素子を有することを特徴とする請求項２記載の光ヘッド。
- 前記検出光学系に球面収差検出手段を有することを特徴とする請求項２又は３記載の光ヘッド。
- 前記コマ収差補償素子は、中心曲率がほぼ０の回転対称４次曲面で両面が形成されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の光ヘッド。
- 前記コマ収差補償素子は、液晶位相補償素子であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の光ヘッド。
- 光源と、
請求項１に記載の対物レンズ光学系を有し、前記光源からの光を媒体に集光する集光光学系と、
該集光光学系による前記媒体への集光スポットの位置を可変とするアクチュエータと、
前記媒体からの反射光を前記光源から前記媒体までの光路から分岐させる光分岐素子と、
該光分岐素子により分岐された前記反射光を光検出器に導く検出光学系と、
反射光強度を電気信号として検出する光検出器と、
該光検出器からの出力信号から前記集光スポットの位置制御信号を検出する検出回路と、
前記位置制御信号によって前記アクチュエータを駆動する手段と
を有することを特徴とする光情報再生装置。 - 光源と、
請求項１に記載の対物レンズ光学系を有し、前記光源からの光を媒体に集光する集光光学系と、
該集光光学系によって形成される前記媒体上の光スポットを可動させる、前記対物レンズが搭載され、前記コマ収差補償素子とは独立に駆動される第1のアクチュエータと、
前記媒体からの反射光を、前記光源から光情報記録媒体までの光路から分岐させる光分岐素子と、
該光分岐素子により分岐された前記反射光を光検出器に導く検出光学系と、
反射光強度を電気信号として検出する光検出器と、
前記集光光学系と前記第1のアクチュエータを搭載し、前記媒体に対して可動させる第2のアクチュエータと、
前記光検出器からの出力信号からトラッキング誤差信号を検出する回路と
を有することを特徴とする光情報再生装置。 - 前記第1のアクチュエータは、トラッキング信号の高域成分により駆動され、前記第2のアクチュエータは、トラッキング信号の低域成分により駆動されることを特徴とする請求項８記載の光情報処理装置。
- 前記集光光学系に、更に球面収差補償素子を有することを特徴とする請求項８又は９記載の光情報再生装置。
- 前記検出光学系に、更に球面収差検出手段を有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項記載の光情報再生装置。
- 前記コマ収差補償素子は、中心曲率がほぼ０の回転対称４次曲面で両面が形成されたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項記載の光情報再生装置。
- 前記コマ収差補償素子は、液晶位相補償素子であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項記載の光情報再生装置。
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