JP4117334B2 - 光ピックアップ - Google Patents

Description

本発明はディスク状媒体にレーザ光を照射することにより情報の記録または再生を行う光ピックアップ及び光ディスク装置に関する。

高密度光ディスク装置の規格の1つとして、波長405nmの青紫色レーザ、NA0.85の高NA対物レンズ、基板厚さ0.1mmのディスク媒体を用いたBlu-ray規格が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この高密度光ディスク装置では対物レンズのNAが0.85と現在のDVDよりも高く、ディスク媒体の基板厚さ誤差に伴って発生する球面収差が急激に大きくなる。そのため、球面収差の補正手段を設けることが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
上記Blu-ray規格では記録容量を高めるため、片面に基板と情報記録膜を2層に積層した構造とすることが提案されている。また、さらなる大容量化を目指して多層化への取組みがなされており、NA0.85の対物レンズ、波長405nmの青紫色レーザに対応した4層ディスク媒体（トータルの基板厚さ0.1mm）の試作例が報告されている。（例えば、非特許文献２参照）

特開２０００−１１４０２号公報（第3−13頁、図１，図13，図14） 信学技報TECHNICAL REPORT OF IEICE CPM2002-92(2002-9)、奥 万寿夫、ｐ33−ｐ36 光学 32巻9号（2003）、飯田 哲哉、志田 宣義、樋口 隆信、ｐ13−ｐ17

高NAの対物レンズを用い、高密度でかつ2層以上の多層ディスク媒体を記録再生する場合、光スポットの品質を劣化させないためには下記の(1)、(2)によって生じる球面収差をともに補正することが求められる。（1）各層における基板厚さ誤差（2）光スポットの焦点位置を各層間で切り替える際の基板厚さの差
上記（2）では上記（1）よりも大きな基板厚誤差の補正が必要であり、一方、上記（1）では上記（2）よりは小さな基板厚誤差ではあるが、精度の高い補正が必要となる。本発明は上記の点に鑑みなされたもので、高NAの対物レンズを用い、高密度でかつ2層以上の多層ディスク媒体を記録再生するため、補正可能な基板厚誤差を大小の2段階にわたって設定可能な球面収差補正光学系を備えた光ピックアップを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、異なる基板厚さを有するディスク媒体に対し対物レンズを介して記録再生を行う光ピックアップであって、レーザ光源と、前記対物レンズと、前記レーザ光源と前記対物レンズの間の光路に球面収差補正光学系を備え、前記球面収差補正光学系は第１、第２、第３の補正レンズが光軸方向に沿って配置されるとともに、前記第１から第３の補正レンズのうち１つあるいは２つの補正レンズが基準位置から光軸方向に変位可能であることを特徴とする光ピックアップとした。前記第１、第２、第３の補正レンズはそれぞれ凹レンズ、凸レンズ、凸レンズで形成され、前記第２の補正レンズはその焦点距離が前記第１、第３の補正レンズより大きく設定されていることを特徴とする光ピックアップとした。

あるいは、前記第１、第２、第３の補正レンズはそれぞれ凹レンズ、凹レンズ、凸レンズで形成され、前記第２の補正レンズはその焦点距離が前記第１、第３の補正レンズより大きく設定されていることを特徴とする光ピックアップとした。上記の光ピックアップを搭載したことを特徴とする光ディスク装置とした。

本発明によれば、高NAの対物レンズを用い、高密度でかつ2層以上の多層ディスク媒体を記録再生する光ピックアップにおいて、補正可能な基板厚誤差を大小の2段階にわたって設定可能な球面収差補正光学系を設けたので、各層における基板厚さ誤差と、光スポットの焦点位置を各層間で切り替える際の基板厚さの差の両方を精度良く補正することが可能な光ピックアップおよび光ディスク装置を提供することができる。また、ディスク媒体の基板厚さが大きく異なるため発生する球面収差についても補正することができるので、複数のディスク媒体に対して共通の高NA対物レンズを用い、記録再生を行う光ピックアップおよび光ディスク装置を提供することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態として、実施例１〜４を説明する。

本発明の実施例１について図１から図５を用いて説明する。図１は本発明の球面収差補正光学系を搭載した光ピックアップの側面図を示している。同図において、レーザ光源１０１から出射した光は、回折格子１０２、ビームスプリッタ１０３、コリメータレンズ１０４、本発明の球面収差補正光学系１０５を通過後、ミラー１０６で反射され、1/4波長板１０７を通過後、対物レンズ１０８によってディスク媒体１０９の記録面１１１に集光される。１１０はディスク媒体１０９の基板を示している。なお、対物レンズ１０８は（図示しない）２次元アクチュエータによって光軸１１２方向および光軸１１２に垂直な方向に駆動する。記録面１１１から反射した光は対物レンズ１０８、1/4波長板１０７を通過後、ミラー１０６で反射され、球面収差補正光学系１０５、コリメータレンズ１０４を通過後、ビームスプリッタ１０３で反射され、検出レンズ１１３によって光検出器１１４に集光される。

上記本発明の球面収差補正光学系１０５はレーザ光源１０１側から見ると、凹レンズからなる第１の補正レンズ１１５、凸レンズからなる第２の補正レンズ１１６、凸レンズからなる第３の補正レンズ１１７が光軸１１２に沿って配置されている。第１の補正レンズ１１５は固定されており、第２の補正レンズ１１６と第３の補正レンズ１１７は（図示しない）駆動手段によって基準位置から光軸１１２に沿って変位するようになっている。光検出器１１４で得られた信号からディスク媒体１０９の基板１１０厚さ誤差による球面収差信号が検出され、この信号もとにして第２の補正レンズ１１６を矢印１１８の方向に、第３の補正レンズ１１７を矢印１１９の方向に変位させて球面収差を補正する。なお、上記駆動手段として例えばステッピングモータ等を用いることが可能であり、本図では図示しないが、第２の補正レンズ１１６、第３の補正レンズ１１７の基準位置と変位を検出するセンサが設けられている。

次に、図２から図５を用いて本発明の球面収差補正光学系１０５の動作について説明する。図２は図１から球面収差補正光学系１０５、対物レンズ１０８、ディスク媒体１０９の基板１１０を抜き出した図であり、（ａ）は基準位置から第２の補正レンズ１１６を光軸１１２方向に、（ｂ）は基準位置から第３の補正レンズ１１７を光軸１１２方向に変位させた場合を示している。上記基準位置では第１の補正レンズ１１５と第２の補正レンズ１１６が主平面間隔Ｌ1で、第２の補正レンズ１１６と第３の補正レンズ１１７が主平面間隔Ｌ2で配置され、図１で示したコリメートレンズ１０４から出射した平行光２０１が第１の補正レンズ１１５に入射し、第３の補正レンズ１１７から（点線で示す）平行光２０２が出射して対物レンズ１０８に入射する。第３の補正レンズ１１７と対物レンズ１０８は主平面間隔Cで配置されている。ここで、第１の補正レンズ１１５、第２の補正レンズ１１６、第３の補正レンズ１１７の焦点距離をそれぞれｆ1、ｆ2、ｆ3と表記する（ｆ1は負、f2は正、f3は正の符号）。

図３には例として、ｆ1＝−5mm、ｆ2＝200mm、ｆ3＝15.5mm、L1＝L2＝5mmとして、第２の補正レンズ１１６の変位δ2と合成焦点距離ｆの関係、第３の補正レンズ１１７の変位δ3と合成焦点距離ｆの関係を計算した結果を示す。なお、δ2、δ3の符号と方向については図２の図中に示した（δ2の符号は矢印２０３の方向を＋、矢印２０４の方向を−、δ3の符号は矢印２０７の方向を＋、矢印２０８の方向を−としている）。図３では横軸に補正レンズの変位を、縦軸に合成焦点距離ｆの逆数１/ｆを縦軸にとって示した。直線３０１は第２の補正レンズ１１６をδ2変位させた場合、直線３０２は第３の補正レンズ１１７をδ3変位させた場合である。δ2を＋側（矢印２０３の方向）に増加させると、合成焦点距離ｆの値が＋側（第３の補正レンズ１１７から見て、対物レンズ１０８側）で小さくなる。すなわち、第３の補正レンズ１１７から収束光２０５が出射することになる。一方、δ2を−側（矢印２０４の方向）に増加させると、合成焦点距離ｆの値が−側（第３の補正レンズ１１７から見て、第２の補正レンズ１１６側）で小さくなる。すなわち、第３の補正レンズ１１７から発散光２０６が出射することになる。これと同じことがδ3についても言えるが、δ3に対するｆの変化量はδ2に対する変化量の約9倍であり、大きく異なっている。

図４には例として、ｆ1＝−5mm、ｆ2＝200mm、ｆ3＝15.5mm、L1＝L2＝5mm、C＝20mmとして、図３で示した計算結果をもとに第２の補正レンズ１１６の変位δ2と基板１１０の厚さ誤差Δt補正量の関係、第３の補正レンズ１１７の変位δ3と基板１１０の厚さ誤差Δt補正量の関係を計算した結果を示す。なお、基板１１０厚さの基準値t＝100μm、対物レンズ１０８のNA＝0.85、レーザ光源１０１の波長＝405nm、基板１１０の屈折率＝1.62とした。上記Δtの符号は基板１１０の厚さが上記100μmより薄い場合を−、厚い場合を＋としている。直線４０１は第２の補正レンズ１１６をδ2変位させた場合、直線４０２は第３の補正レンズ１１７をδ3変位させた場合を示している。４０１、４０２の場合ともに補正レンズ変位δ2、δ3に比例して基板厚さ誤差Δt補正量は増加しているが、基板厚さ誤差補正感度（基板厚さ誤差Δt補正量／補正レンズ変位）は４０１と４０２の間で大きく異なり、４０２での補正感度は−25.4μm／mmであり、４０１での補正感度−2.8μm／mmの約9倍の値となっている。これは、焦点距離ｆ2（＝200mm）を焦点距離ｆ1（=-5mm）、焦点距離ｆ3（15.5mm）に比べて十分大きく設定することで、合成焦点距離fの感度（f／補正レンズ変位）が第３の補正レンズ１１７の変位時と第２の補正レンズ１１６の変位時とで大きく異なる（約9倍、図３参照）ことを反映しているためである。なお、図５にはｆ2＝200mmとして、第１の補正レンズ１１５の焦点距離をｆ1と、上記の基板厚さ誤差補正感度（基板厚さ誤差Δt補正量／補正レンズ変位）の関係を計算した例を示す。

５０１は第２の補正レンズ１１６を変位させた場合、５０２は第３の補正レンズ１１７を変位させた場合を示す。図より、ｆ1の値を-50mmから小さくするに従い、５０１と５０２で基板厚さ誤差補正感度の差が拡がっていくことがわかる。

このようにして、基板厚さ誤差補正感度（基板厚さ誤差Δt補正量／補正レンズ変位）の値を大小の２段階にわたって設定することが可能となる。

この特性を用いることにより球面収差補正を行う実施例について以下説明する。

Blu-rayディスクでは片面に基板と記録膜が1層の1層ディスクと、片面に基板と記録膜が2層に積層された2層ディスクの２種類が存在する。まず、1層ディスクの記録再生を行う場合を説明する。基板厚さが基準値100μmに対して規格上下限の±5μmの製造誤差があるとすると、球面収差を補正するには図４のグラフより、第２の補正レンズ１１６を約±1.8mm、あるいは第３の補正レンズ１１７を約±0.2mm変位させれば良い。特に第２の補正レンズ１１６を変位させる場合は、既に説明したように基板厚さ補正感度は−2.8μm／mmであるから、0.1mmの変位あたり0.28μmの基板厚さ誤差補正量となり、精度良く補正を行うことができる。

次に、2層ディスクの記録再生を行う場合を説明する。第2層の基板厚さの基準値は75μmであり、第1層の基板厚さ100μmに対して25μm薄くなる。第1層から第2層への切替えを行う場合、球面収差を補正するには図４のグラフより、第３の補正レンズ１１７を約＋1ｍｍ（図２（ｂ）において、矢印２０７の方向に約1ｍｍ）変位させれば良い。これで補正し切れない球面収差を補正するには、さらに第２の補正レンズ１１６を変位させる。また、第2層から第１層に切替えを行う場合、第３の補正レンズ１１７を約−1ｍｍ（図２（ｂ）において、矢印２０８の方向に約1ｍｍ）変位させれば良い。これで補正し切れない球面収差に対しては、さらに第２の補正レンズ１１６を変位させる。この補正により光スポットは正確に記録膜上に照射され、記録再生が正常に行われる。

また、ディスク媒体１０９が２層より多層（例えば３層、４層等）となり、例えば３層目、４層目の基板厚さが上記の75μmより薄くなった場合であっても第１層から切替えるときには図４より、第３の補正レンズ１１７を上記の＋１ｍｍよりもさらに大きく変位させれば良い。これで補正し切れない球面収差は、さらに第２の補正レンズ１１６を変位させることで補正する。

本発明の実施例２について図６、図７を用いて説明する。上記実施例１では球面収差補正光学系１０５のうち、第２の補正レンズ１１６を凸レンズとしたが、図６に示すように、第２の補正レンズ６０１に凹レンズを用いても良い。ここで、第１の補正レンズ１１５、第２の補正レンズ６０１、第３の補正レンズ１１７の焦点距離をそれぞれｆ1、ｆ2、ｆ3と表記する（ｆ1は負、f2は負、f3は正の符号）。その他は図１と同一であるため、ここでは説明を省略する。

図７には例として、ｆ1＝−5mm、ｆ2＝−200mm、ｆ3＝15.5mm、L1＝L2＝5mm、C＝20mmとして、第２の補正レンズ６０１の変位δ2と基板１１０の厚さ誤差Δt補正量の関係、第３の補正レンズ１１７の変位δ3と基板１１０の厚さ誤差Δt補正量の関係を計算した結果を示す。その他の条件は図４の場合と同一である。

直線７０１は第２の補正レンズ６０１をδ2変位させた場合、直線７０２は第３の補正レンズ１１７をδ3変位させた場合を示している。７０１、７０２の場合ともに補正レンズ変位δ2、δ3に比例して基板厚さ誤差Δt補正量は増加しているが、基板厚さ誤差補正感度（基板厚さ誤差Δt補正量／補正レンズ変位）は７０１と７０２の間で大きく異なり、７０２における補正感度は−29μm／mmであり、７０１における補正感度2.7μm／mmの約10倍の値となっている。これは、焦点距離ｆ2（＝−200mm）を焦点距離ｆ1（=−5mm）、焦点距離ｆ3（15.5mm）に比べて十分大きく設定することで、合成焦点距離fの感度（f／補正レンズ変位）が第３の補正レンズ１１７の変位時と第２の補正レンズ５０１の変位時とで大きく異なる（約10倍）ことを反映しているためである。このことは図４と同様である。このようにして、実施例１と同様に、基板厚さ誤差補正感度（基板厚さ誤差Δt補正量／補正レンズ変位）の値を大小の２段階にわたって設定することが可能となる。

上記実施例１、実施例２では基板厚さの基準値が100μm であるBlu-rayディスクの場合について説明してきたが、本発明の球面収差補正光学系１０５、６０３は上記Blu-rayディスクとは大きく異なる基板厚さをもつディスク媒体に対して適用することも可能である。この実施例３について図８、図９を用いて説明する。図８はディスク媒体としてDVD媒体８０１が装着された場合を示しており、基板８０２の厚さｔ１は600μmで上記Blu-rayディスクの基板厚さ（100μm）に比べて500μm厚い。レーザ光源には波長650〜660nmの赤色レーザが用いられ、対物レンズ１０８は実施例１、実施例２と共通であるが、波長選択性のアパーチャ８０３により波長650〜660nmにおいて実効的なNAが0.6〜0.65に設定されている。

図９には例として、ｆ1＝−5mm、ｆ2＝200mm、ｆ3＝15.5mm、L1＝L2＝5mm、C＝20mm、第２の補正レンズ１１６の変位δ4＝−3mm（図８において、矢印８０４の方向に3mm）として、第３の補正レンズ１１７の変位δ5と基板厚さ誤差補正量（厚みが増える方向）の関係を計算した結果を曲線９０１に示す。なお、基板厚さの基準値を100μm、実効NA＝0.65、レーザ光源の波長＝660nm、基板８０２の屈折率＝1.58 とした。図９より、変位δ5が−4.6mm（図８において、矢印８０５の方向に4.6mm）のとき、基板厚さ誤差補正量が500μmとなることがわかる。すなわち、この状態で基板８０２の厚さｔ１＝600μmの場合の球面収差を打ち消すことが可能となる。さらに、例えば、基板８０２の厚さｔ１の変動量約±30μmを補正することを想定すると、基板厚さ誤差補正量が470μm〜530μmとなるように第３の補正レンズ１１７の変位δ5を約−4.9mm〜約−4.2mmの間にもっていくことにより補正ができることになる。この補正によって光スポットは正確に記録膜上に照射され、DVDの記録再生が正常に行われる。

上記実施例１、実施例２、実施例３では光ピックアップに関する実施例を説明してきたが、ここでは上記光ピックアップを搭載した光ディスク装置の実施例について図１０を用いて説明する。図１０は情報の記録および再生を行う情報記録再生装置１００１の概略ブロック図を示している。１００２は本発明の光ピックアップを示しており、この光ピックアップ１００２から検出された信号は信号処理回路内のサーボ信号生成回路１００３および情報信号再生回路１００４に送られる。上記サーボ信号生成回路１００３では、上記光ピックアップ１００２より検出された信号から光ディスク１００５に適したフォーカシング制御信号、トラッキング制御信号、球面収差検出信号が生成され、これらをもとにアクチュエータ駆動回路１００６を経て光ピックアップ１００２内の（図示しない）対物レンズアクチュエータを駆動し、対物レンズ１００７の位置制御を行う。また、上記サーボ信号生成回路１００３では上記光ピックアップ１００２より球面収差検出信号が生成され、この信号をもとに球面収差補正駆動回路１００８を経て光ピックアップ１００２内の（図示しない）球面収差補正光学系の補正レンズを駆動する。また、情報信号再生回路１００４では上記光ピックアップ１００２から検出された信号から光ディスク１００５に記録された情報信号が再生され、その情報信号は情報信号出力端子１００９へ出力される。なお、上記サーボ信号生成回路１００３および、情報信号再生回路１００４で得られた信号の一部はシステム制御回路１０１０に送られる。システム制御回路１０１０からはレーザ駆動用記録信号が送られ、レーザ光源点灯回路１０１１を駆動させて発光量の制御を行い、上記光ピックアップ１００２を介して、光ディスク１００５に記録信号を記録する。なお、このシステム制御回路１０１０にはアクセス制御回路１０１２とスピンドルモータ駆動回路１０１３が接続されており、それぞれ上記光ピックアップ１００２のアクセス方向位置制御や光ディスク１００５のスピンドルモータ１０１４の回転制御が行われる。なお、上記情報記録再生装置１００１をユーザが制御する場合、ユーザ入力処理回路１０１５にユーザが指示することによって行う。その際、情報記録再生装置の処理状態等の表示は表示処理回路１０１６によって行われる。

実施例１の光ピックアップを示す図である。 実施例１の球面収差補正光学系の動作を説明する図である。 実施例１において、補正レンズ変位と1／合成焦点距離の関係を示す図である。 実施例１において、補正レンズ変位と基板厚さ誤差補正量の関係を示す図である。 実施例１において、第１の補正レンズ焦点距離ｆ1と、基板厚誤差補正感度（基板厚誤差補正量／補正レンズ変位）の関係を示す図である。 実施例２の光ピックアップを示す図である。 実施例２において、補正レンズ変位と基板厚さ誤差補正量の関係を示す図である。 実施例３を示す図である。 実施例３において、第３の補正レンズ１１７の変位δ5と基板厚さ誤差補正量の関係を示す図である。 実施例４を示す図である。

符号の説明

１０５…実施例１における球面収差補正光学系、１１５…実施例１における第１の補正レンズ、１１６…実施例１における第２の補正レンズ、１１７…実施例１における第３の補正レンズ、１１８…実施例１において第２の補正レンズ１１６の変位方向を示す矢印、１１９…実施例１において第３の補正レンズ１１７の変位方向を示す矢印、４０１…実施例１において第２の補正レンズ１１６の変位δ2と基板厚さ誤差補正量の関係を示すグラフ、４０２…実施例１において第３の補正レンズ１１７の変位δ3と、基板厚さ誤差補正量の関係を示すグラフ、６０１…実施例２における第２の補正レンズ、７０１…実施例２において第２の補正レンズ６０１の変位δ2と基板厚さ誤差補正量の関係を示すグラフ、７０２…実施例２において第３の補正レンズ１１７の変位δ3と、基板厚さ誤差補正量の関係を示すグラフ。

Claims (4)

1. 異なる基板厚さを有するディスク媒体に対し対物レンズを介して記録再生を行う光ピックアップであって、
   レーザ光源と、前記対物レンズと、前記レーザ光源と前記対物レンズの間の光路に球面収差補正光学系を備え、前記球面収差補正光学系は第１、第２、第３の補正レンズが光軸方向に沿って配置されるとともに、前記第２の補正レンズはその焦点距離が前記第１、第３の補正レンズよりも大きく設定されており、
   前記第２の補正レンズを含む２つの補正レンズが基準位置から光軸方向に変位可能であり、
   前記第１、第２の補正レンズを用いて基板厚さ誤差が小さな範囲での球面収差補正を行い、前記第３の補正レンズを用いて基板厚さ誤差が大きな範囲での球面収差補正を行うことを特徴とする光ピックアップ。
2. 請求項１に記載の光ピックアップにおいて、前記対物レンズの焦点位置を前記ディスク媒体の所定の層から他の層の情報記録面に切替える際に、前記第３の補正レンズを用いて、又は、前記第３の補正レンズと前記第１及び／又は第２の補正レンズとを用いて、球面収差補正を行うことを特徴とする光ピックアップ。
3. 請求項１に記載の光ピックアップにおいて、基板厚さが異なる複数のディスク媒体の情報記録面に対する前記対物レンズの焦点位置を切替える際に、前記第３の補正レンズを用いて球面収差補正を行うことを特徴とする光ピックアップ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光ピックアップを搭載したことを特徴とする光ディスク装置。

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