JP4072857B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザから出射される光を光記録媒体に対して照射し、光記録媒体の情報記録面に情報を記録および／または書込まれた情報を再生する光ピックアップ装置に関する。

近年、情報記録の分野においては、光学情報記録方式に関する技術の進展に著しいものがある。この光学情報記録方式は、非接触で記録／再生が行えること、また再生専用型、追記型、書換え可能型などそれぞれのメモリ形態に対応できること等、数々の利点を有するので、安価な大容量メディアを実現し得るものとして、産業用から民生用まで幅広い用途が考えられている。

光学情報記録方式における最近の技術開発動向としては、コンパクトディスク（略称ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（略称ＤＶＤ）などの既に業界標準となった１２ｃｍ径の光記録媒体において、単位面積あたりの情報記録容量を増加させる方向（高密度化）、倍速記録などの情報書込み速度を高める方向（高転送レート）、モバイル用途における携帯利便性追求の観点から情報記録容量を減らすことなく光記録媒体および情報記録再生装置の大きさを小さくする方向の３つが指向され、研究および開発が行われている。

これらの方向性のうち、高密度化とモバイル用途とを指向する製品を対象として考える場合、研究・開発課題として、振動などとともに発熱の問題が挙げられる。たとえばＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｋ（略称ＢＤ）に代表される青色半導体レーザ等の短波長光源は、従来汎用されている赤外および赤色半導体レーザに比べて消費電力が大きい。また、赤外および赤色半導体レーザ等の従来光源を用いる光ピックアップ装置であっても、転送レートを高くした場合、光源の発振出力が高くなるので、消費電力が大きくなる。このように、光源である半導体レーザの消費電力が大きくなると、半導体レーザ本体および駆動用回路からの発熱量が増加するので、同じ出力を得るために必要とされるレーザの駆動電流値が上昇し、このことによって半導体レーザ本体の寿命が短くなるという問題がある。

また、光学的には、周囲の環境温度が上昇することに起因して、半導体レーザの発振波長が段階的に長波長側にシフトするモードホップと呼ばれる現象が起こる。このモードホップが起こると、光ピックアップ装置を構成するレンズなどの光学部品における色収差のために焦点位置が段階的に変わるので、記録動作中に焦点位置が変動し、光ビームスポットが充分に集光されていない状態で記録が行われるという問題がある。したがって、半導体レーザの長寿命化および記録／再生特性安定化のためには、半導体レーザを駆動させることによる熱的な悪影響を防止することが求められる。

従来技術では、半導体レーザを駆動させることによる熱的な悪影響を防止するために、光ピックアップ装置に冷却装置を設けることを提案する。

たとえば、光ビームの波長を一定に保つように、トラックオフセットに応じて半導体レーザを冷却するように作動する冷却装置を設けるもの（特許文献１参照）、レーザ素子部に放熱フィンを有するペルチェ素子を密着させ、放熱フィンの冷却用に冷却ファンを設けるもの（特許文献２）などが、提案されている。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される技術には、以下のような問題がある。モバイル用途を目的とした装置では、電力の供給源として二次電池が用いられるので、動作時間を長くするためには、装置部品の各部における消費電力をできる限り抑える必要がある。すなわち、モバイル装置では、商用電源にて動作する据置型の家電製品のように、本来の動作に必要な電力以外に、冷却のために別途電力消費を行うことを抑制しなければならないという制約がある。しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示される装置をモバイル装置として用いる場合、冷却装置に対する電力供給源も二次電池に依存するように構成されるので、その動作時間が短くなり、利便性が著しく劣るという問題がある。

このような問題を解決する従来技術に、半導体レーザから出射されるレーザビームの一部を太陽電池ユニットで受光して発電し、発電した電力を偏光面回転ユニットに供給して動作させるものがある（特許文献３参照）。

図１３は、従来技術の光ピックアップ装置１の構成を示す図である。従来技術の光ピックアップ装置１では、半導体レーザ２から出射されたレーザビームが、偏光面回転ユニット３、回折格子４を通り、ハーフミラー５で半分が反射されてコリメートレンズ６へ導かれ、コリメートレンズ６で平行光にされ、偏光選択ユニット７を通り対物レンズ８で光記録媒体９に集光され、さらに光記録媒体９で反射された戻り光が、逆の経路でハーフミラー５に達し、ハーフミラー５で半分が透過されて光検出器１０によって信号検出される。

偏光面回転ユニット３は、液晶と透明電極付ガラス基板とによって構成され、液晶の分子配向を変化させることによって、半導体レーザ２から出射される光の偏光方向を変えるものである。従来技術の光ピックアップ装置１においては、偏光面回転ユニット３が、次のようにして駆動される。半導体レーザ２から出射される光の半分をハーフミラー５で透過させ、透過させた光を太陽電池ユニット１１で受光し発電する。太陽電池ユニット１１で発電された電力が、液晶駆動回路１２へ供給され、液晶駆動回路１２によって、偏光面回転ユニット３を駆動させる。このように、光ピックアップ装置１では、偏光面回転ユニット３を駆動させるための電源を別途設ける必要がない。

しかしながら、特許文献３に開示される構成の光ピックアップ装置１では、半導体レーザ２から出射される光のうち、情報の記録／再生に用いる有効光束径内の光を用いるので、偏光面回転ユニット３を駆動させることに起因して光利用効率が低するという問題がある。したがって、半導体レーザから出射される光のうち、有効光束径内の光の半分を用いて太陽電池ユニットで発電される電力を、半導体レーザを冷却する冷却装置の駆動に用いると、高速または高密度で情報の記録／再生を行うことができないという問題がある。また、高速または高密度記録／再生と、冷却装置の駆動とを両立させるには、半導体レーザから出射される光量の増大、すなわち半導体レーザを高出力にしなければならないので、半導体レーザを冷却するために半導体レーザの発熱量が増大するという問題を生じる。

特開平５−１８２２２９号公報 特開２００２−１８４１６６号公報 特開平１０−１１７８８号公報

本発明の目的は、別途電源を必要とすることなく、また光利用効率を低下させることなく半導体レーザの冷却が可能な光ピックアップ装置を提供することである。

本発明は、光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射された光を平行光束化するコリメートレンズと、光を分岐する光分岐素子と、光記録媒体の情報記録面に光を集束する対物レンズと、光記録媒体で反射された光を受光する受光素子とを備え、半導体レーザから出射された光を、コリメートレンズ、光分岐素子および対物レンズを介して光記録媒体に照射し、光記録媒体による反射光を受光素子で受光して情報を記録および／または再生する光ピックアップ装置において、
半導体レーザとコリメートレンズとの間の光路上に、予め定められる形状の開口部を有し、光が照射されることによって起電力を発生する光起電力素子が設けられ、
半導体レーザに備わる活性層が光を出射する端面で延びる方向に対して同一平面内で平行な方向を横（Ｈ）方向とし、横方向と前記平面とに垂直な方向を縦（Ｖ）方向とし、
半導体レーザから出射される光束の中心強度を１とし、光束の光軸に対して垂直な仮想平面内で横方向および縦方向のそれぞれにおいて光強度が１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）になる点と半導体レーザとを結んで形成される横方向の放射角度をθ_Ｈおよび縦方向の放射角度をθ_Ｖとし、
半導体レーザと光起電力素子の受光面との距離をｄとするとき、
光起電力素子は、
光起電力素子の横寸法Ｓ_Ｈと縦寸法Ｓ_Ｖとが、下記式を満足するように形成され、
半導体レーザを冷却する冷却手段をさらに含み、
冷却手段は、
光起電力素子が発生する起電力によって駆動されることを特徴とする光ピックアップ装置である。
Ｓ_Ｈ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｈ
Ｓ_Ｖ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｖ

また本発明は、半導体レーザから出射される光束の形状を整形するビーム整形素子をさらに含み、
半導体レーザと光起電力素子の受光面との距離をｄとし、
半導体レーザとコリメートレンズの主面との光路長をＬとし、
コリメートレンズの主面における有効光束径をΦｅｆｆとし、
ビーム整形素子による光束形状の整形比（＝横（Ｈ）方向／縦（Ｖ）方向）をｍとするとき、
光起電力素子が有する開口部の横方向の寸法ａと縦方向の寸法ｂとが、下記式を満足することを特徴とする。
ｄ・ｔａｎθ_Ｈ＞ａ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ／ｍ
ｄ・ｔａｎθ_Ｖ＞ｂ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ

また本発明は、冷却手段が、ファンと、ファンを駆動するファンモータとを含むことを特徴する。

また本発明は、冷却手段が、ペルチェ素子を含むことを特徴する。
また本発明は、光起電力素子の受光面が、テクスチャ構造を有するように形成されることを特徴とする。

本発明によれば、光ピックアップ装置には、半導体レーザ光源とコリメートレンズとの間の光路上に、予め定められる形状の開口部を有する光起電力素子が設けられ、光起電力素子が発生する起電力によって、半導体レーザを冷却する冷却手段が駆動される。このように、半導体レーザから出射される光を受光して光起電力素子が発電する電力を、冷却手段の駆動に利用することができるので、別途電源を必要とすることなく半導体レーザを冷却することが可能になる。また予め定められる開口部の形状を、半導体レーザから出射される光の有効光束が通過することのできる形状としておくことによって、情報の記録／再生に用いる光の利用効率低下を防止することができる。

また光起電力素子の外形寸法を、好適な大きさに設定することによって、半導体レーザから出射される光の有効光束を除く残余の光のうち、充分な光量を光起電力素子による発電に利用することが可能になる。

また本発明によれば、光起電力素子が有する開口部の寸法が好適範囲に設定されるので、半導体レーザから出射される光のうち、記録／再生に用いられる有効光束にロスを生じるすることなく、有効光束を除く残余の不要光のみを用いて光起電力素子で起電力を発生させ、該電力を利用して半導体レーザの冷却を行うことができる。

また本発明によれば、冷却手段は、ファンおよびファンモータを含んで構成、またはペルチェ素子を含んで構成されるので、簡単な構成で半導体レーザの冷却を実現することができる。特に、冷却手段としてペルチェ素子を用いることによって、装置を小型化することができる。

また本発明によれば、光起電力素子の受光面がテクスチャ構造を有するように形成されるので、光起電力素子に対する光の取込効率が向上し、光起電力素子からのフレネル反射光を抑えることが可能になる。

図１は、本発明の実施の一形態である光ピックアップ装置２０の構成を簡略化して示す図である。光ピックアップ装置２０は、光を出射する半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１から出射された光を平行光束化するコリメートレンズ２２と、半導体レーザ２１とコリメートレンズ２２との間の光路上に設けられ、予め定められる形状の開口部３６を有し、光が照射されることによって起電力を発生する光起電力素子２３と、光を分岐する光分岐素子２４と、立上ミラー２５と、２枚組の対物レンズ２６ａ，２６ｂ（総称する場合は対物レンズ２６と呼ぶ）と、スポットレンズ２７と、円柱レンズ２８と、光検出器２９と、半導体レーザ２１を冷却する冷却手段３０とを含む構成である。

光ピックアップ装置２０は、光記録媒体３１に対して情報を記録および／または光記録媒体３１から情報を再生することに用いられる。なお、本発明の光ピックアップ装置は、２枚組の対物レンズ２６に代えて単レンズを用いる構成、また、光分岐素子２４と対物レンズ２６との間に、光記録媒体３１を異なる種類に変更した際に生じる球面収差を補正することを目的とした球面収差補償素子を配置する構成などの変形が許される。

図２は、半導体レーザ２１の概略構成を示す斜視図である。半導体レーザ２１は、少なくともｐ型半導体４１と、ｎ型半導体４２と、ｐ型半導体４１とｎ型半導体４２との接合層である活性層４３とを含んで構成される。

半導体レーザ２１は、活性層４３においてレーザ光を発振し、出射端面４４から出射する。半導体レーザ２１から出射される光束４５は、その光強度分布に方向性を有し、活性層４３が出射端面４４で延びる方向に対して同一平面内で平行な方向を横（Ｈ）方向とし、横方向と前記平面とに垂直な方向を縦（Ｖ）方向とするとき、縦方向の光強度分布が横方向の光強度分布よりも広いという特徴を有する。

半導体レーザ２１から出射される光束４５の中心強度を１とし、光束４５の光軸４６に対して垂直な仮想平面内で横方向において光強度が１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）になる点４７ａ，４７ｂと、半導体レーザ２１、より厳密には半導体レーザ２１の発光点とを結んで形成される横方向の放射角度をθ_Ｈとする。同様に、光束４５の光軸４６に対して垂直な仮想平面内で縦方向において光強度が１／ｅ^２になる点４８ａ，４８ｂと、半導体レーザ２１の発光点とを結んで形成される縦方向の放射角度をθ_Ｖとする。

図１に戻って、この半導体レーザ２１は、ステム３２に装着され、キャップ３３で覆われる。キャップ３３には、半導体レーザ２１から出射される光の通過部分に光通過孔が形成され、該光通過孔は、透明ガラスからなるカバーガラス３４で封止される。

コリメートレンズ２２は、コリメートレンズホルダ３５によって保持される。コリメートレンズホルダ３５は、略円筒形状の部材であり、その中空部分が、半導体レーザ２１から出射される光のうち、有効光束の光路として利用される。コリメートレンズ２２は、コリメートレンズホルダ３５の中空部分に装着保持される。

図３は、光起電力素子における起電力発生の概要を例示する斜視図である。光を受光して起電力を発生する光起電力素子２３には、公知のものを利用することができるけれども、たとえば図３に示すシリコン（Ｓｉ）等の半導体を基材としたｐ−ｎ型半導体からなる素子４７（以後、ｐ−ｎ型半導体素子４７と呼ぶ）を例示する。

図３を用いて、光起電力素子であるｐ−ｎ型半導体素子４７における起電力発生の概要を説明する。ｐ−ｎ型半導体素子４７は、ｐ型半導体４８と、ｎ型半導体４９と、ｐ型半導体４８とｎ型半導体４９との接合層であるｐ−ｎ接合部５０と、ｐ型半導体４８に接して設けられるｐ側電極５１と、ｎ型半導体４９に接して設けられるｎ側電極５２とを含んで構成される。

ｐ−ｎ型半導体素子４７に光５３が入射すると、ｐ−ｎ接合部５０付近を中心に、正孔５４および電子５５が発生し、発生した正孔５４がｐ側電極５１方向へ、電子５５がｎ側電極５２方向へ向かうことによって起電力が発生する。したがって、ｐ側電極５１とｎ側電極５２とを、たとえば導体５６で接続すれば、起電流が矢符５７方向へ流れる。

なお、光起電力素子２３の基材は、Ｓｉ系の半導体に限定されるものではなく、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）などに代表される他の半導体であっても良い。また、半導体レーザの発振波長での光電変換効率を高めることを目的とし、ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）系に代表される化合物半導体または二酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの薄膜材料を用いたものであっても良い。

図４は、光起電力素子２３であるｐ−ｎ型半導体素子４７の受光面の形状を例示する斜視図である。光起電力素子２３がｐ−ｎ型半導体素子４７で構成される場合、ｐ−ｎ型半導体素子４７の受光面が、テクスチャ構造５８を有するように形成されることが望ましい。光起電力素子２３の受光面に対して特に加工が施されない場合、起電力素子２３の表面に照射された光が、フレネル反射光として半導体レーザ２１の方向へ戻るという現象が生じる。この半導体レーザ２１方向への戻り光は、半導体レーザ２１からの出射光と干渉するので、半導体レーザ２１によるレーザ光出射を不安定化する要因となる。しかしながら、光起電力素子２３の表面を微細な凹凸から成るテクスチャ構造５８とすることによって、フレネル反射を防止し、半導体レーザ２１方向への戻り光を著しく減少させ、半導体レーザからの出射光との干渉を抑えることができる。戻り光と出射光との可干渉性を効果的に防ぐには、テクスチャ構造が周期性を持たず、また凹凸のピッチが数μｍ以下で形成されることが望ましい。また、テクスチャ構造とすることによって、光の取込効率を向上することができる。

なお、戻り光と出射光との可干渉性を防ぐことを目的とし、戻り光を減少させるためには、光起電力素子２３を光軸に対して傾けることも有効である。したがって、光起電力素子２３の受光面をテクスチャ構造にするとともに、光起電力素子２３を光軸に対して傾斜させることによって、フレネル反射光をさらに抑えることが可能である。

図５は光起電力素子２３の形状および配置を横（Ｈ）方向が紙面の前後方向になるようにして見た図であり、図６は光起電力素子２３の形状および配置を縦（Ｖ）方向が紙面の前後になるようにして見た図である。

光起電力素子２３は、前述のように半導体レーザ２１とコリメートレンズ２２との間の光路上に、半導体レーザ２１から出射される光束４５の光軸４６に対して垂直になるように設けられる。より具体的に本実施の形態では、コリメートレンズホルダ３５の半導体レーザ２１を臨む側の面に光起電力素子２３が装着される。光起電力素子２３は、受光面２３ａにテクスチャ構造を有し、光軸４６に対して垂直な平面形状が矩形の板状に形成される。光起電力素子２３には、さらに光軸４６に対して垂直な平面の中央付近に矩形の開口部３６が形成される。

光起電力素子２３の平面形状における外形の横（Ｈ）方向における大きさである横寸法Ｓ_Ｈおよび縦（Ｖ）方向における大きさである縦寸法Ｓ_Ｖならびに開口部３６の横方向の寸法ａおよび縦方向の寸法ｂは、半導体レーザ２１から出射される光の利用効率を勘案して定められる。

本発明の光ピックアップ装置２０では、半導体レーザ２１から出射される光の一部を、光起電力素子２３で光電変換することによって起電力を得る。この光電変換に用いられる光としては、コリメートレンズ２２に入射する光のうち、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける有効光束径Φｅｆｆよりも外側に照射される光を用いる。

一般的に、光ピックアップ装置では、半導体レーザから出射される光束のうち、比較的強度分布の変化が平坦な中心部付近の光を、対物レンズに結合して光記録媒体に対する記録／再生に利用しており、この記録／再生に利用する光束を有効光束と呼び、コリメートレンズ２２の主面２２ａでの有効光束の直径を有効光束径Φｅｆｆと呼ぶ。

したがって、光起電力素子２３およびそれに形成される開口部３６の寸法は、コリメートレンズ２２の主面における有効光束径Φｅｆｆよりも外側の光を無駄なく用いることができるとともに、情報の記録／再生に用いる光、すなわち有効光束を遮ってロスすることのないように設定されなければならない。

半導体レーザ２１と光起電力素子２３の受光面２３ａとの距離をｄとすると、光起電力素子２３の受光面２３ａにおける光強度が１／ｅ^２以上を有する光束の寸法は、横方向がｄ・ｔａｎθ_Ｈであり、縦方向がｄ・ｔａｎθ_Ｖである。なお、光束の放射角度が小さいので、ｔａｎα≒２ｔａｎ（α／２）が成立つものとする。

光起電力素子２３が、効率的に発電し冷却手段３０を駆動させるに充分な起電力を得るためには、光強度が１／ｅ^２以上を有する光束を捕捉する必要があるので、その横寸法Ｓ_Ｈおよび縦寸法Ｓ_Ｖは、次の式（１）および式（２）を満足する大きさに形成されることが望ましい。
Ｓ_Ｈ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｈ …（１）
Ｓ_Ｖ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｖ …（２）

次に、半導体レーザ２１とコリメートレンズ２２の主面２２ａとの光路長をＬとすると、光起電力素子２３の受光面２３ａ位置における有効光束径は、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける有効光束径Φｅｆｆの（ｄ／Ｌ）倍であり、（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆで与えられる。

光起電力素子２３が、有効光束を遮ることがないように、光起電力素子２３に形成される開口部３６の横寸法ａおよび縦寸法ｂは、いずれも光起電力素子２３の受光面２３ａ位置における有効光束径（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ以上の大きさでなければならない。さらに、光起電力素子２３が起電力を得るためには、光強度１／ｅ^２以上の光束のうち、有効光束を除く幾分かの光束が光起電力素子２３の受光面２３ａに照射される必要があるので、開口部３６の横寸法ａおよび縦寸法ｂは、それぞれｄ・ｔａｎθ_Ｈ未満、ｄ・ｔａｎθ_Ｖ未満でなければならない。したがって、開口部３６の横寸法ａおよび縦寸法ｂは、次の式（３）および式（４）を満足する大きさに形成されることが望ましい。
ｄ・ｔａｎθ_Ｈ＞ａ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ …（３）
ｄ・ｔａｎθ_Ｖ＞ｂ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ …（４）

なお、光起電力素子２３の外形寸法である横寸法Ｓ_Ｈと縦寸法Ｓ_Ｖとは、大きいと半導体レーザ２１から出射される光束４５を捕捉する上で有利なので、特に上限は限定されることはない。しかしながら、光起電力素子２３を大きくすることによって、部品コストが高くなるとともに、装置の小型化を阻害することになるので、これらを勘案した上で寸法の上限が設定されることが好ましい。

なお、本実施の形態の開口部３６は、横方向の寸法ａと縦方向の寸法ｂとが等しい正方形に形成されるけれども、これに限定されることなく、直径がａ（＝ｂ）の円形に形成されるものであっても良い。

再び図１に戻って、冷却手段３０は、ファン３７とファン３７を回転させるファンモータ３８とを含んで構成される。前述の光起電力素子２３が受光して発電した起電力が、光起電力素子２３とファンモータ３８とを接続する回路５９ａ，５９ｂを介してファンモータ３８に供給され、ファンモータ３８がファン３７を回転させ、ファン３７の回転によって惹起される空気の流れを、半導体レーザ２１へ送ることによって、半導体レーザ２１が冷却される。

このように、半導体レーザ２１から出射される光を受光して光起電力素子２３が発電する電力を、冷却手段３０の駆動に利用することができるので、冷却手段３０を動作させる電源を別途必要とすることなく半導体レーザ２１を冷却することができる。また光起電力素子２３の外形寸法および光起電力素子２３に形成される開口部３６の寸法を、半導体レーザ２１から出射される光の有効光束を遮ることなく通過させるとともに、有効光束を除く光強度が１／ｅ^２以上の光をもれなく受光できるように定めることによって、情報の記録／再生に用いる光の利用効率低下を防止し、充分な光量を光起電力素子２３による発電に利用することが可能になる。

本実施の形態の光起電力素子２３から生じる起電力を用いて冷却手段３０であるファンモータ３８とファン３７とを駆動させる具体例を、たとえばＤＶＤピックアップ装置において８倍速程度の倍速記録を行う場合について以下に例示する。

ＤＶＤピックアップ装置で倍速記録を行う際の赤色半導体レーザの発振出力を２００ｍＷとし、コリメートレンズでの結合効率、すなわち有効光束径内の出力割合が約３０％とすると、光起電力素子に照射される光出力は、残余の７０％である約１４０ｍＷとなる。発振波長における光起電力素子の光電変換効率が０．５Ａ／Ｗとすると、約７０ｍＡの起電流を用いてファンモータを駆動することが可能である。このように、たとえば負荷抵抗が１００Ω以上、定格電圧が７Ｖ以下のファンモータを、半導体レーザが記録動作を行っている間中、連続駆動させることが可能である。

さらに、半導体レーザ２１の装着部の近傍に冷却用のヒートシンクを設けるように構成しても良く、ヒートシンクに対して、ファン３７の回転による空気の流れを送ることによって、一層高い冷却効果を得ることができる。

コリメートレンズ２２を通過した有効光束が導かれる光分岐素子２４は、たとえばビームスプリッタなどによって実現される。立上ミラー２５は、反射鏡であり、光分岐素子２４から導かれた光の光路をほぼ９０度折曲げて対物レンズ２６へ導く。２枚組の対物レンズ２６は、集光レンズであり、立上ミラー２５で導かれた光を、光記録媒体３１の情報記録面に集束する。

スポットレンズ２７は、光記録媒体３１で反射され、再び対物レンズ２６を透過し、立上ミラー２５で反射され、さらに光分岐素子２４で反射された光を集束させるレンズである。円柱レンズ２８は、スポットレンズ２７で集束されて入射する光に非点収差を与えるレンズである。信号検出用受光素子２９は、同一平面上で多分割された受光部３９を有し、光記録媒体３１で反射され円柱レンズ２８を経て入射される光を検出して電気信号に変換する。

以下光ピックアップ装置２０の動作について簡単に説明する。半導体レーザ２１から出射された光のうち、有効光束が光起電力素子２３の開口部３６を通過してコリメートレンズ２２へ入射する。コリメートレンズ２２によって平行光束化された光は、光分岐素子２４へ入射する。光分岐素子２４を透過した光は、立上ミラー２５で光路を曲げられて対物レンズ２６へ導かれ、対物レンズ２６によって光記録媒体３１の情報記録面に集光されて照射される。

光記録媒体３１で反射された反射光は、入射光と逆の光路を辿り、光分岐素子２４で反射され、スポットレンズ２７で集光された後、円柱レンズ２８を通り、信号検出用受光素子２９に照射され、信号検出用受光素子２９によって、情報再生信号（ＲＦ信号）、フォーカシングおよびトラッキングサーボ信号が検出される。

この信号検出動作の間、光起電力素子２３には、半導体レーザ２１から出射される光のうち、光起電力素子２３の開口部３６を通過した光束の残余の光束が照射されて起電力が発生する。この起電力が、回路５９ａ，５９ｂを介して冷却手段３０に供給され、冷却手段３０が駆動することによって、半導体レーザ２１が冷却される。

図７は、本発明の実施の第２形態である光ピックアップ装置６０の構成を簡略化して示す図である。本実施の形態の光ピックアップ装置６０は、実施の第１形態の光ピックアップ装置２０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

光ピックアップ装置６０において注目すべきは、コリメートレンズ２２と光分岐素子２４との間の光路上に、光束の形状を整形するビーム整形素子６１が設けられ、ビーム整形素子６１が設けられることに応じて光起電力素子６２の開口部６３の形状が実施の第１形態と異なるように形成されることである。ビーム整形素子６１には、たとえば整形プリズムまたはホログラム型のビーム整形素子などが用いられる。

本実施形態の光ピックアップ装置６０のように、コリメートレンズ２２と光分岐素子２４との間にビーム整形素子６１が設けられる場合、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける有効光束径Φｅｆｆに含まれる光のすべてが、光記録媒体３１に対する情報の記録／再生に利用されるのではない。ビーム整形素子６１による整形比をｍ（水平方向の光束径／垂直方向の光束径：ｍ≧１と仮定）とすると、コリメートレンズ２２を出射する段階における有効光束の形状は、水平方向の光束径が垂直方向の光束径に対して１／ｍ倍の楕円形状となる。すなわち、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける縦方向の有効光束径が実施の第１形態と同様にΦｅｆｆとすると、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける横方向の有効光束径がΦｅｆｆ／ｍとなる。

光起電力素子６２の開口部６３を通過してコリメートレンズ２２の主面２２ａに達し、コリメートレンズ２２を出射する横方向および縦方向の有効光束径が前述の大きさになるように、光起電力素子６２の開口部６３の形状が定められる。

図８は光起電力素子６２の形状および配置を横（Ｈ）方向が紙面の前後方向になるようにして見た図であり、図９は光起電力素子６２の形状および配置を縦（Ｖ）方向が紙面の前後になるようにして見た図である。

光起電力素子６２の受光面６２ａ位置における有効光束径は、コリメートレンズ２２の主面２２ａにおける有効光束径に対して（ｄ／Ｌ）倍になるので、横方向が｛（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ／ｍ｝で与えられ、縦方向が｛（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ｝で与えられる。

光起電力素子６２の開口部６３は、有効光束を遮ることがないように、横寸法ａが横方向の有効光束径：｛（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ／ｍ｝以上、縦寸法ｂが縦方向の有効光束径：｛（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ｝以上でなければならない。さらに、実施の第１形態と同様に、光起電力素子６２が起電力を得るためには、光強度１／ｅ^２以上の光束のうち、有効光束を除く幾分かの光束が光起電力素子６２の受光面６２ａに照射される必要があるので、開口部６３の横寸法ａおよび縦寸法ｂは、それぞれｄ・ｔａｎθ_Ｈ未満、ｄ・ｔａｎθ_Ｖ未満でなければならない。したがって、開口部６３の横寸法ａおよび縦寸法ｂは、次の式（５）および式（６）を満足する大きさに形成されることが望ましい。
ｄ・ｔａｎθ_Ｈ＞ａ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ／ｍ …（５）
ｄ・ｔａｎθ_Ｖ＞ｂ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ …（６）

なお、ビーム整形素子６１を備えない場合、整形比ｍを１とすれば良いので、式（５）および式（６）の関係式は、実施の第１形態の関係式（３），（４）をも包含するものである。

本実施の形態では、光起電力素子６２の開口部６３の形状を、横寸法ａ、縦寸法ｂの長方形に形成するけれども、これに限定されることなく、有効光束径を含む形状であれば良く、たとえば短径ａ、長径ｂの楕円形状としても良い。開口部６３を楕円形状にした場合、有効光束径より外側の光を、光起電力素子６２による発電に一層効果的に利用することが可能になる。また実施の第１および第２形態において、光起電力素子２３，６２は、コリメートレンズホルダ３５に接した状態で設けられるけれども、両者は互いに分離した状態で設けられても良い。

図１０は、本発明の実施の第３形態である光ピックアップ装置７０の構成を簡略化して示す図である。本実施の形態の光ピックアップ装置７０は、実施の第１形態の光ピックアップ装置２０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の光ピックアップ装置７０は、光分岐素子２４を半導体レーザ２１とコリメートレンズ２２との間に配置し、光起電力素子２３を光分岐素子２４に接して装着する構成であり、また光分岐素子２４と円柱レンズ２８との間におけるスポットレンズが省かれる構成であることを特徴とする。このような構成とすることによって、光軸方向に光学系サイズを縮小することが可能になるので、光ピックアップ装置７０を小型化することができる。

図１１は本発明の実施の第４形態である光ピックアップ装置８０の構成を簡略化して示す図であり、図１２は図１１に示す光ピックアップ装置８０に備わる冷却手段８１の構成を示す拡大図である。本実施の形態の光ピックアップ装置８０は、実施の第３形態の光ピックアップ装置７０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の光ピックアップ装置８０において注目すべきは、冷却手段８１が、ペルチェ素子８２とヒートシンク８３とを含んで構成されることである。

ペルチェ素子８２は、たとえばビスマス−テルル（Ｂｉ−Ｔｅ）など熱電材を基材としたｎ型半導体８４とｐ型半導体８５とを、銅またはアルミニウム製の電極８６で直列接続し、これらを一対の第１および第２保持部材８７ａ，８７ｂで挟持する構成である。ペルチェ素子８２は、第１保持部材８７ａが、半導体レーザ２１が装着されるサブマウント９０に接するように、また第２保持部材８７ｂがヒートシンク８３に接するようにして設けられる。したがって、ヒートシンク８３、ペルチェ素子８２、サブマウント９０およびサブマウント９０に装着される半導体レーザ２１が一体の部材を構成し、この一体化した部材のヒートシンク８３部分がステム３２上に固設される。

ペルチェ素子８２は、直列接続されたｎ型半導体８４に電源の＋極８８を接続し、ｐ型半導体８５に電源の−極８９を接続し、直流電流を流すことによって、第１保持部材８７ａ側から第２保持部材８７ｂ側へ、すなわち図１２中に示す矢符９１，９２の方向に熱が運ばれるペルチェ効果を利用する素子である。前述のように半導体レーザ２１が装着されるサブマウント９０を、ペルチェ素子８２の第１保持部材８７ａ側に装着することによって、ペルチェ素子８２が、熱源である半導体レーザ２１から吸熱し、第２保持部材８７ｂ側へと熱を移動させる。さらに第２保持部材８７ｂから取出した熱を、ヒートシンク８３で放熱することによって、半導体レーザ２１から発生する熱を一層効果的に吸収し、半導体レーザ２１を冷却することが可能になる。

なお、光起電力素子２３による起電力を分配し、一部の起電力をヒートシンク８３の冷却に用いる構成としても良く、このように構成することによって、一層高い冷却効果を得ることができる。

本実施の形態の光起電力素子２３から生じる起電力を用いて冷却手段８１であるペルチェ素子８２を駆動させる具体例を、たとえばＢＤで記録を行う場合について以下に例示する。

ＢＤで記録を行う際の青色半導体レーザの発振出力を６０ｍＷとし、コリメートレンズでの結合効率が約３０％とすると、光起電力素子に照射される光出力は、残余の７０％である約４２ｍＷとなる。発振波長における光起電力素子の光電変換効率が０．３Ａ／Ｗとすると、約１３ｍＡの起電流を用いてペルチェ素子を駆動することが可能である。このように、たとえば負荷抵抗が５００Ω以上、定格電圧が６Ｖ以下のペルチェ素子を、半導体レーザが記録動作を行っている間中、連続駆動させることが可能である。

本発明の実施の一形態である光ピックアップ装置２０の構成を簡略化して示す図である。 半導体レーザ２１の概略構成を示す斜視図である。 光起電力素子２３における起電力発生の概要を例示する斜視図である。 光起電力素子２３であるｐ−ｎ型半導体素子４７の受光面の形状を例示する斜視図である。 光起電力素子２３の形状および配置を横（Ｈ）方向が紙面の前後方向になるようにして見た図である。 光起電力素子２３の形状および配置を縦（Ｖ）方向が紙面の前後になるようにして見た図である。 本発明の実施の第２形態である光ピックアップ装置６０の構成を簡略化して示す図である。 光起電力素子６２の形状および配置を横（Ｈ）方向が紙面の前後方向になるようにして見た図である。 光起電力素子６２の形状および配置を縦（Ｖ）方向が紙面の前後になるようにして見た図である。 本発明の実施の第３形態である光ピックアップ装置７０の構成を簡略化して示す図である。 本発明の実施の第４形態である光ピックアップ装置８０の構成を簡略化して示す図である。 図１１に示す光ピックアップ装置８０に備わる冷却手段８１の構成を示す拡大図である。 従来技術の光ピックアップ装置１の構成を示す図である。

符号の説明

２０，６０，７０，８０ 光ピックアップ装置
２１ 半導体レーザ
２２ コリメートレンズ
２３，６２ 光起電力素子
２４ 光分岐素子
２５ 立上ミラー
２６ 対物レンズ
２７ スポットレンズ
２８ 円柱レンズ
２９ 光検出器
３０，８１ 冷却手段
３１ 光記録媒体
３６，６３ 開口部
３７ ファン
３８ ファンモータ
８２ ペルチェ素子
８３ ヒートシンク

Claims (5)

1. 光を出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射された光を平行光束化するコリメートレンズと、光を分岐する光分岐素子と、光記録媒体の情報記録面に光を集束する対物レンズと、光記録媒体で反射された光を受光する受光素子とを備え、半導体レーザから出射された光を、コリメートレンズ、光分岐素子および対物レンズを介して光記録媒体に照射し、光記録媒体による反射光を受光素子で受光して情報を記録および／または再生する光ピックアップ装置において、
   半導体レーザとコリメートレンズとの間の光路上に、予め定められる形状の開口部を有し、光が照射されることによって起電力を発生する光起電力素子が設けられ、
   半導体レーザに備わる活性層が光を出射する端面で延びる方向に対して同一平面内で平行な方向を横（Ｈ）方向とし、横方向と前記平面とに垂直な方向を縦（Ｖ）方向とし、
   半導体レーザから出射される光束の中心強度を１とし、光束の光軸に対して垂直な仮想平面内で横方向および縦方向のそれぞれにおいて光強度が１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）になる点と半導体レーザとを結んで形成される横方向の放射角度をθ_Ｈおよび縦方向の放射角度をθ_Ｖとし、
   半導体レーザと光起電力素子の受光面との距離をｄとするとき、
   光起電力素子は、
   光起電力素子の横寸法Ｓ_Ｈと縦寸法Ｓ_Ｖとが、下記式を満足するように形成され、
   半導体レーザを冷却する冷却手段をさらに含み、
   冷却手段は、
   光起電力素子が発生する起電力によって駆動されることを特徴とする光ピックアップ装置。
   Ｓ_Ｈ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｈ
   Ｓ_Ｖ≧ｄ・ｔａｎθ_Ｖ
2. 半導体レーザから出射される光束の形状を整形するビーム整形素子をさらに含み、
   半導体レーザと光起電力素子の受光面との距離をｄとし、
   半導体レーザとコリメートレンズの主面との光路長をＬとし、
   コリメートレンズの主面における有効光束径をΦｅｆｆとし、
   ビーム整形素子による光束形状の整形比（＝横（Ｈ）方向／縦（Ｖ）方向）をｍとするとき、
   光起電力素子が有する開口部の横方向の寸法ａと縦方向の寸法ｂとが、下記式を満足することを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ装置。
   ｄ・ｔａｎθ _Ｈ ＞ａ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ／ｍ
   ｄ・ｔａｎθ _Ｖ ＞ｂ≧（ｄ／Ｌ）・Φｅｆｆ
3. 冷却手段は、
   ファンと、ファンを駆動するファンモータとを含むことを特徴する請求項２記載の光ピックアップ装置。
4. 冷却手段は、
   ペルチェ素子を含むことを特徴する請求項１記載の光ピックアップ装置。
5. 光起電力素子の受光面は、
   テクスチャ構造を有するように形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置。

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