JP4253448B2 - Optical pickup device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクなどの光学式情報記録媒体の記録再生装置における光ピックアップ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、DVD(Digital Versatile Disc)と称される高記録密度及び大容量の光ディスク並びにこれを用いたシステムがある。片面の1層の記録層のDVDでは4.7Gバイトであるが、その記録層を複数化することにより、DVDの規格において記録層を2層とすることで倍の大容量化を実現している。
【0003】
また、更なる光ディスクの大容量化のために、高NA及び短波長の光学系及び光源を用い、カバー層下に記録層を2層、3層、4層積層する次世代の多層光ディスクシステムも考えられている。このような複数の記録面がスペーサ層を挟んで交互に積層される多層光ディスクにおいて、一方の光ディスク表面側から情報を読み取るには、所望のどちらか一方の層における記録面に対し光ビームの焦点を合焦位置若しくは最適集光位置に正確に合わせ、すなわち、集光されたスポットを所望の記録層に照射することが必要となる。
【0004】
実効的な開口数(NA)が大きい集光光学系では、光ディスクのカバー層の厚み誤差や多層構造とした場合の所望の記録層までのカバー層を含めた所定光透過層合計厚み(深さ)からの変動分(単に厚み誤差ともいう)により、開口数の4乗に比例した大きな波面収差(主として球面収差)が発生する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
厚み誤差より発生した球面収差によって当該記録層上の照射光ビームのスポット径が大きく広がってしまうため、所定光透過層に対してフォーカスサーボ系が最適設計された光学系を装備した光ピックアップでも、高NA集光光学系では、フォーカスサーボ動作中の焦点誤差信号は球面収差の影響を多大に受ける。すなわち、記録層上の光透過層の厚み誤差が大きい場合、スポットの最適集光位置がずれて焦点誤差信号が劣化する場合がある。
【0006】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、高開口数の対物レンズを用いた光学系であっても、フォーカスサーボの安定性を向上させ目標記録面に対し光ビームの最適合焦位置を良好に追従させることのできる光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ピックアップ装置は、光学式記録媒体の光透過層を介して記録面上に光ビームを集光してスポットを形成する照射光学系、及び、前記スポットから反射されて戻った戻り光を光検出器へ集光する光検出光学系を有し、前記光ビームの焦点誤差を検出する光ピックアップ装置であって、
前記光検出光学系の前記戻り光の光軸に配置されかつ、光学系において生じた波面収差の前記照射光学系の射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した瞳上の所定半径の近傍の光線成分を、前記戻り光から、環状に抽出する輪帯を有する回折光学素子を備え、
前記光検出器は、前記輪帯を通過する抽出された光線成分を受光するスポット受光部を含み、前記スポット受光部に接続されかつこれからの光電変換出力に基づいて前記光ビームの焦点誤差を検出する焦点誤差検出回路を備えたことを特徴とする。
【0008】
本発明の光ピックアップ装置においては、前記瞳上の所定半径は、前記光検出光学系の前記戻り光の光軸を中心に瞳半径をRoとした場合に0.71R0〜0.74R0であることを特徴とする。
本発明の光ピックアップ装置においては、前記輪帯は、下記式(3)
【0009】
【数2】
【0010】
((3)中、I(rcosθ,rsinθ)は射出瞳上の強度分布を、S(y)は焦点誤差信号関数を、y(r)は縦収差量をそれぞれ示す)を満たす内側及び外側半径rmin及びrmaxを有することを特徴とする。
本発明の光ピックアップ装置においては、前記回折光学素子は、前記輪帯に設けられた回折格子によって透過光を0次回折光と1次回折光に分離するグレーティング又はブレーズ型の透過ホログラムレンズであることを特徴とする。
【0011】
本発明の光ピックアップ装置においては、前記光検出光学系の前記戻り光の光軸における前記ホログラムレンズの前又は後のいずれかに配置されかつ前記戻り光に非点収差を付与する非点収差発生光学素子を有することを特徴とする。
本発明の光ピックアップ装置においては、前記ホログラムレンズが前記戻り光に非点収差を付与する機能を有することを特徴とする。
【0012】
本発明の光ピックアップ装置においては、前記スポット受光部は直交する2本の分割線を境界線として各々近接配置されかつ前記分割線の交点を中心に前記回折光学素子の前記輪帯から照射される±1次回折光のいずれかを受光する互いに独立した4個の受光素子から構成され、前記焦点誤差検出回路は対角位置にある前記4個の受光素子の1対の出力和の間の差分を前記光ビームの焦点誤差信号として生成することを特徴とする。
【0013】
本発明の光ピックアップ装置においては、前記ホログラムレンズが前記戻り光の±1次回折光に対し元の光軸から偏向させ集光せしめる偏芯したレンズ効果を有しかつ該±1次回折光のいずれかに凸レンズ又は凹レンズの作用をする機能を有することを特徴とする。
本発明の光ピックアップ装置においては、前記スポット受光部は各々が前記回折光学素子の前記輪帯から照射される±1次回折光を受光しかつ該±1次回折光のスポットを分割する分割線を境界線として各々近接配置された少なくとも2個の受光素子以上からなりかつ正極性側となる少なくとも1以上の受光素子の面積と負極性側となる少なくとも1以上の受光素子の面積との合計が略等しくなるように構成され、前記焦点誤差検出回路は前記受光素子の正極性側及び負極性側の出力和の間の差分を前記光ビームの焦点誤差信号として生成することを特徴とする。
【0014】
本発明の光ピックアップ装置においては、前記ホログラムレンズは前記戻り光の±1次回折光のいずれかに凸レンズ又は凹レンズの作用をする機能を有し、前記スポット受光部は直交する2本の分割線を境界線として各々近接配置されかつ前記分割線の交点を中心に前記回折光学素子の前記輪帯から照射される1次回折光を受光する互いに独立した4個の受光素子から構成され、前記焦点誤差検出回路は対角位置にある前記4個の受光素子の1対の出力和の間の差分を前記光ビームの焦点誤差信号として生成することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光ピックアップ装置を含む記録再生装置の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態である記録再生装置の構成を示す図である。
光ピックアップ装置3を備えた記録再生装置は、フォーカスアクチュエータ301を駆動制御するための駆動制御部59を備えている。駆動制御部59は、ピックアップの光検出器40に接続され、検出された信号に基づき種々の誤差信号を生成し、これらを接続されたフォーカス駆動回路18などへ供給する。記録再生装置は検出された信号に基づき再生信号を生成する復調回路20を有し、図示しないがスピンドルモータ、スライダ、トラッキングのためのサーボ駆動回路も備えている。
(第1の実施形態)
図2は、本発明の光ピックアップ装置の構成を示す図である。
【0016】
光ピックアップ装置3は、光源である半導体レーザ31と、グレーティング32と、偏光ビームスプリッタ33と、コリメータレンズ34と、ミラー35と、1/4波長板36と、対物レンズ37と、透光性材料からなるシリンドリカルレンズ、マルチレンズなどの非点収差発生光学素子38と、ホログラムレンズなどの回折光学素子39と、光検出器40を備えている。光検出器40は0次回折光用受光部400及び±1次回折光用受光部401a、401bを備えている。光ディスク1は、記録再生装置のスピンドルモータのターンテーブル(図示せず)上に対物レンズ37から離間するように載置される。
【0017】
光ピックアップ装置3にはフォーカスアクチュエータ301が内蔵され、これは対物レンズ37を支持しかつ駆動する。また、光ピックアップ装置3は偏光ビームスプリッタ33と対物レンズ37と光路中に透過する光ビームに位相差を付与して波面収差(球面収差)を補償する球面収差補正用レンズ群を挿入できる。
フォーカスアクチュエータ301は、フォーカス駆動回路18から供給された焦点誤差信号のレベルに応じて対物レンズ37を光ディスク1の表面に垂直な方向(光軸方向)に移動せしめ、光源から発射された光ビームを所定の記録層へ集光するフォーカスサーボを実行する。
【0018】
図3に示すように、光検出器40において、光軸上の0次回折光用受光部400は、直交する2本の分割線を境界線として各々近接配置されかつ互いに独立した4個の等しい面積の受光素子(B1,B2,B3,B4)から構成され、一方の分割線が光ディスク1のトラック伸長方向に平行になるように構成されている。また、0次回折光用受光部400から両側に分かれて配置された±1次回折光用受光部401a、401bの各々も、各々が直交する2本の分割線を境界線として各々近接配置されかつ互いに独立した4個の等しい面積の受光素子(A1,A2,A3,A4)(C1,C2,C3,C4)から構成されている。光検出器40は、光ディスクの記録層上で0次回折光のスポットが合焦となる場合にこれが後述の最小散乱円となり0次回折光用受光部400の分割線の交点に位置するように、光軸に垂直な平面上に配置されている。これら受光部は0次回折光用受光部400の中心(分割線の交点)に関して点対称に形成、配置され、すなわち該中心からトラック方向の及び垂直な方向に伸長する直線に関してそれぞれ対称である。
【0019】
図2に示すように、半導体レーザ31から射出された光ビームは、グレーティング32を経て偏光ビームスプリッタ33に入射する。偏光ビームスプリッタ33は偏光鏡を有しており、入射した光ビームは偏光ビームスプリッタ33を通過し、コリメータレンズ34を経て、ミラー35により光路を直角に変えられ、1/4波長板36を通過し、対物レンズ37から光ディスク1の所定の情報記録面へ照射される。このように、照射光学系は、対物レンズ37は光ディスク1上に螺旋又は同心円状に形成されたピット列又はトラックへ光ビームを集光して記録面上にスポットを形成する。この照射光ビームスポットにより、光ディスク1の情報記録面に記録情報を書き込む、又は読み出すことができる。
【0020】
光ディスク1の記録面上の光ビームスポットにて反射された戻り光は光検出光学系により、光検出器40へ導かれる。すなわち、戻り光は対物レンズ37、1/4波長板36、ミラー35及びコリーメータレンズ34を経て、再び偏光ビームスプリッタ33に入射する。この場合、戻り光は偏光ビームスプリッタ33により半導体レーザ31への方向とは異なる方向へ光路を変えられ、回折光学素子39及び非点収差発生光学素子38へ導かれる。回折光学素子39及び非点収差発生光学素子38を通過した戻り光は、非点収差を付与されると共に回折され、光検出器40における0次回折光用受光部400及び±1次回折光用受光部401a、401bへそれぞれの回折光として入射する。なお、非点収差発生光学素子38と回折光学素子39とを逆に配置して戻り光が回折された後に非点収差を付与するようにしてもよい。さらに、シリンドリカルレンズを省いて、ホログラムレンズが戻り光に非点収差を付与する機能を有するようにすることもできる。
【0021】
光検出器40の各受光部は、受光した光を光電変換して、光検出電気信号を、図1に示す駆動制御部59へ供給する。光検出器40に接続された駆動制御部59は、所定の演算を行って焦点誤差信号FE及び再生信号RF(Radio Frequency)を生成する。すなわち、駆動制御部59で出力される信号FE及びRFは、図3に示す光検出器40の各受光部の符号をその出力として示すと、以下の式によって示される。
【0022】
【数3】
FE=(A1+A4+C1+C4)−(A2+A3+C2+C3)
RF=B1+B2+B3+B4
駆動制御部59はこれら焦点誤差信号FE及び再生信号RFを、図1に示すフォーカス駆動回路18及び復調回路20にそれぞれ供給する。なお、駆動制御部59は所定の演算を行って波面収差誤差信号も生成できるように構成され得る。接線方向の分割線で分けた受光素子の光電変換信号はトラッキングエラー信号生成に用いられ得る。
【0023】
図2に示す光検出光学系の戻り光の光軸に配置された回折光学素子39のホログラムレンズは光学ガラスからなる平行平板からなる回折格子を形成されたグレーティング又はブレーズ型の透過ホログラムである。
図4に示すように、回折光学素子39のホログラムレンズは、戻り光から後述する特定の光線成分を環状に抽出する回折格子の輪帯39Aを有している。回折光学素子39の輪帯39Aにより抽出される特定の光線成分は、対物レンズ37などの照射光学系の射出瞳面における光ディスク1の情報記録面上の光透過層によって生じた波面収差の分布の極大値に対応した瞳上の所定半径の近傍の光線成分である。そのため、輪帯39Aは、かかる半径として、戻り光の光軸を中心に瞳半径をR0とした場合に0.71R0〜0.74R0を含んでいる部分である。
【0024】
図5に示すように、回折光学素子39の輪帯39Aは戻り光を回折し、0次回折光及び±1次回折光を光検出器40の0次回折光用受光部400並びに±1次回折光用受光部401a、401b上へ非点収差発生光学素子38を介して導き、円形の0次回折光スポット並びに円形及び環状の±1次回折光スポットを形成して、透過光を0次回折光と1次回折光に分離する。すなわち、回折光学素子39及び非点収差発生光学素子38を透過した回折光学素子39のホログラムレンズの作用を受けない0次回折光は、元の光軸からずれること無く進むが、±1次回折光は該光軸に対称に偏向される。0次回折光用受光部400は復調回路20へ、各±1次回折光用受光部は駆動制御部59へ接続され、それらの出力をそれぞれの回路へ供給する。
【0025】
図6によって、輪帯39Aから得られる±1次回折光を用いて非点収差法のフォーカスサーボを実行する第1の実施形態を詳細に説明する。回折光学素子39の輪帯39Aにより抽出される環状スポットを受光する±1次回折光用受光部401a、401bの出力を焦点誤差信号FEの検出に用いる。非点収差法は、戻り光の光学系中にシリンドリカルレンズや平行平板など非点収差発生光学素子を配置し、戻り光を4分割受光部の中心近傍で受光し1つの光スポット形状の変化を検出して焦点誤差信号を生成する方法である。なお、図6において、輪帯39Aからの+1次回折光を代表して動作を説明するために、対物レンズ37、シリンドリカルレンズの非点収差発生光学素子38、ホログラムレンズの回折光学素子39及び+1次回折光用受光部401a以外の要素は省略してある。
【0026】
図6に示すように、対物レンズ37から回折光学素子39の輪帯39A及びシリンドリカルレンズ38を透過し非点収差を持った戻り光の+1次回折光は、トラック(接線)伸長方向とディスク半径方向とで直交する2線分によって4分割された受光面を有する+1次回折光用受光部401aの中心付近に環状の光スポットS(後述の最小散乱円)を形成する。
【0027】
シリンドリカルレンズ38は、図6に示すように、その中心軸(レンズ面をなす円柱曲面の回転対称軸)が光ディスクのトラック伸長方向に対して45度の角度で伸長するように、戻り光の光路に配置されている。この構成において、対物レンズ37により収束する戻り光に非点収差を与え、光線は互いに90度方向の異なる非点収差となって、光ディスク及び対物レンズ37間距離に応じて前の線像M、最小散乱円S及び後ろの線像Mを形成する。検出光学系は、光ビームの合焦時に図6(a)の最小散乱円Sを+1次回折光用受光部401aに照射し、デフォーカス時に図6(b)又は(c)のように受光面の対角線方向に延びた線像及び楕円環状の光スポットを+1次回折光用受光部401aに照射する。+1次回折光の集光した線像間すなわち図6に示す(b)及び(c)間の距離が焦点誤差信号のキャプチャーレンジCpに対応する。
【0028】
図7は+1次回折光用受光部401aの出力に基づき生成された焦点誤差信号FEの関数S(y)、いわゆるS字特性であり、縦軸は信号強度S(y)を、横軸は距離(y)を示す。このS字特性において、合焦時に光スポット強度分布が4分割の受光部中心Oに関して対称すわなち、接線方向及び半径方向において対称となる図6(a)の真円の光スポットが受光素子(A1,A2,A3,A4)に形成されるので、対角線上にある受光素子(A1,A4)(A2,A3)の光電変換出力をそれぞれ加算して得られる値は互いに等しくなり、焦点誤差成分は「0」となる。また、非合焦時には図6(b)又は(c)の如く受光部の対角線方向に楕円又は線状の光スポットが受光部に形成されるので、対角線上にある受光部の光電変換出力をそれぞれ加算して得られる値は極性が互いに反対となる。よって、焦点誤差信号関数のS字特性の極大(b)及び極小(c)間がキャプチャーレンジCpに対応する。
【0029】
図8は、ガウス強度分布を有する光ビームの合焦時及び光ディスクに近い又は遠い時における0及び±1次回折光用受光部上の光ビームのスポットの様子を示す。図8(a)に示すように、合焦時には、0次回折光は0次回折光用受光部400上の最小散乱円として集光され、同時に、±1次回折光も±1次回折光用受光部401a、401b上の最小散乱円及び円環として集光される。
【0030】
対物レンズが光ディスクに遠い場合、図8(b)に示すように、0次及び±1次回折光スポットは対角位置の受光素子に延びた変形した楕円となり集光される。一方、対物レンズが光ディスクに近い場合、図8(c)に示すように、90度方向の異なる非点収差となって、0次及び±1次回折光スポットはもう一方の対角位置の受光素子に延びた変形した楕円となり集光される。
【0031】
図8(a)に示す光ビームの合焦時であっても、光ディスクのカバー層などの所定膜厚からの厚み誤差がある場合に球面収差が発生するので、光検出器の受光部上の照射光ビームのスポット径が変動する。しかしながら、上記したように、特定輪帯39Aに対応する±1次回折光用受光部401a、401b上のスポット形状は安定した形状すなわち受光部中心に点対称の形状を保つのである。ホログラムレンズの回折光学素子39の回折格子の輪帯39Aは、光ディスクのカバー層の厚み変動に強い特定の光線成分を戻り光から環状に抽出している。
【0032】
発明者は、かかる戻り光の特定の光線成分が球面収差の大きい部分に関係していることを知見して、上記したように、例えば開口数0.85の対物レンズを用いた光学系において、その射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した光ビーム横断面の規格化半径の近傍の光線成分を、回折光学素子により特定の輪帯環状に抽出して、その光線成分の強度分布を用いて焦点誤差検出を案出したのである。
【0033】
図9に光ディスクのカバー層の厚み誤差による球面収差がある場合の波面収差(b)及び瞳上光ビーム横断面(a)を示す。フォーカスを最良像点に合わせた時、波面収差の分布(b)は対物レンズの瞳半径をR0とすると半径0.71R0の付近でピーク(輪帯収差)を有する。この輪帯収差半径0.71R0の円周上を通過する光線の像点はピックアップに球面収差が発生してもまったく移動がない。この輪帯収差半径は対物レンズのNAによって若干異なりNAが大きいとわずかではあるが大きくなる。これは発生する球面収差のうち半径の4乗に比例する成分の他に、高次数の成分が大きくなるためである。例えばNAが0.85では輪帯収差半径0.74R0となる。
【0034】
カバー層などの厚み誤差のある場合すなわち球面収差の発生した場合の±1次回折光用受光部401a、401b上での光強度分布を示した図8から明らかなように、カバー層などの厚みが所定厚さと異なる場合、輪帯収差半径0.71R0を境に内側の光線と外側の光線の分布が異なる。この分布がアンバランスになるため球面収差が発生した場合の焦点誤差検出に誤差(デフォーカス)を生むことになる。しかし、輪帯収差半径0.71R0を透過する光線は、±1次回折光用受光部401a、401b上においてまったく動かないため、この光線のみで焦点誤差検出を行えば球面収差の影響をまったく受けない検出が可能となる。
【0035】
図10に焦点誤差検出に用いる光線成分を抽出する大きさの異なる回折光学素子39の回折格子輪帯を示す。図10(a)は半径0.71R0を含む細い幅の円環状領域の輪帯であり、図10(b)は半径0.71R0を含む瞳付近の光線も含まれる太い幅の円環状領域であり、図10(c)は瞳全面領域、すなわちカバー層厚み誤差によって発生するデフォーカス量をすべての反射光を焦点誤差検出に用いる場合である。図11は厚み誤差とデフォーカスの関係すなわち、輪帯の大きさに対応するデフォーカス量の変化を示す。図11から明らかなように、図10(b)(c)に示す領域を用いる場合と比較して、図10(a)の領域すなわち輪帯39Aのみ用いれば、カバー層厚み誤差がおおきくてもデフォーカスは全く発生しないことが分かる。図10(b)の場合は、すべての光線成分を用いる場合(図10(c))に比べれば効果はあるが厚み誤差が大きいとデフォーカスしてしまう。大きな厚み誤差が予想される場合や多層ディスクなどに用いる場合は図10(a)のホログラムの使用が優れているといえる。図12には厚み誤差と球面収差エラーの関係を示す。図12は、図10(a)(b)の円環状領域を用いる場合で同様な特性を示している。
【0036】
図9で示したように原理上、球面収差の影響が全くない部分は瞳上の半径0.71R0の円周部分であるが、この部分だけの光線成分を用いたのでは光量が足りず、信号のS/Nが取れない恐れがあるので、実際はこの半径0.71R0部分を含みある幅を持たせる必要がある。瞳上の半径0.71R0より内側の光線の収差と外側の光線の収差が検出器上でバランスさせる必要がある。
【0037】
そこで、半径を変数rとして回折光学素子39の回折格子輪帯39Aの外側半径(rmax)と内側半径(rmim)の好適な範囲を求める。以下のように、球面収差量に依存せずに最良像点に合焦するための最適輪帯の半径範囲を計算する。
ツェルニケ(Zernike)収差多項式を用いると、球面収差がある場合の最良像点における波面は次式(1)で表すことができる。
【0038】
【数4】
【0039】
この波面関数W(r)を縦収差量y(r)に変換すると、次式(2)のようになる。
【0040】
【数5】
【0041】
上式は、最良像点に合焦した場合に、瞳上の半径r(瞳半径で規格化した値)の円周上を通った光線が、どれだけデフォーカスした位置に焦点を結ぶかを示している(球面収差を半径毎のデフォーカスに換算した)。ここでAmn(但しm,nは整数)は球面収差係数を表し、カバー層厚み誤差△Tによって生じる球面収差であれば次式(2a)で解析的に求められる。
【0042】
【数6】
(ただし、k0=40,60,80,100,又は120)
【0043】
例えば、(NA,λ)=(0.85,405μm)、n=1.62、△T=10μmの場合には、A42=−0.26、A63=−0.049、A84=−0.0076となり、縦収差y(r)を図示すると図13に示すようにほぼ放物線になる(ここでは往路のみの球面収差を考えた)。つまり、カバー層厚み誤差によって生じる球面収差をデフォーカスで表現すると、瞳中心を通る光線のデフォーカス量(=y(0))と瞳最外周を通る光線のデフォーカス量(=y(1))の間に全ての光線が入ることになる。また、y(r)=0を解くことで、カバー層厚み誤差△Tに依存することなく、半径r=0.74近傍の光線が集光する位置が常に最良像点になることが分かる。なお、ここで高次まで考慮しているので半径r=0.74が得られるが、半径r=0.71はW60=W80=W100=W120=0とした場合の値である。言い方を変えれば、r=0.74近傍の光線のみで焦点誤差信号を生成すれば、△Tに関わらず常に最良像点にフォーカスをかけることができるということである。
【0044】
ここで、半径r=0.74近傍の光のみを用いたのでは光量が足りず、検出信号のS/Nが著しく劣化することが予想されるので、実際にはr=0.74を内包してある幅の輪帯内の光を用いることになる。図14に示すように瞳上の半径r=0.74を含む輪帯39Aの内径rminと外径rmaxの範囲を規定する。
この時、輪帯39Aの内径rminと外径rmaxは光線追跡により数値的に求めることが確実である。さらに、発明者は、球面収差がない時に全面の光を用いて生成した焦点誤差信号関数S(y)が既知であるならば、解析的に次式(3)を満足するように選んでも良いことを提案する。すなわち、輪帯収差の極大値(ピーク)の内外で光強度がバランスしゼロとなるように、縦収差量をパラメータとした焦点誤差信号関数S(y)と光強度分布の積が瞳全体においてゼロとして、以下の式(3a)を満たす内径rminと外径rmaxを算出する。
【0045】
【数7】
【0046】
ここでI(r)は対物レンズ射出瞳上の強度分布であるが、回転対称で表せない場合は、射出瞳上の強度分布をI(rcosθ,rsinθ)として、以下の式(3)を満たすように、内径rminと外径rmaxを算出する。
【0047】
【数8】
【0048】
例えば、球面収差がない時の瞳全面の光を用いたS字特性の焦点誤差信号関数S(y)が、上記図7のようである場合に、球面収差があまり大きくなければ、言いかえるとy(r)がS(y)の線形領域内に分布するならば、以下の式(4)のように簡単に書ける。すなわち図7に示すS(y)のy=0の傾きと縦収差量y(r)との積で表せる。
【0049】
【数9】
【0050】
モデルを簡単にするために、I(r)=1.0(一様光入射かつ鏡面反射)とし、(1)、(4)式を(3)式に代入して整理すると、以下の式(5)となる。
【0051】
【数10】
【0052】
但し、NA=0.85、λ=405nm、n=1.62とした。
(5)式を満たすような輪帯の内径rminと外径rmax(内側及び外側半径)は図15に示すグラフのようになる。図15から明らかなように、回折光学素子の輪帯幅を瞳半径のrmin=rmax=0.71と極めて狭い範囲からrmin=0.25〜rmax=0.95の幅の広い範囲までの範囲で設定することにより、光透過層によって生じた波面収差の射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した好適な光線成分を、戻り光から、環状に抽出することができる。
【0053】
実際には、I(r)はガウス分布であったり、光ディスクでの回折を考えると更に複雑な分布になるが、上述と同様に式(3)を満たすように回折光学素子の輪帯幅の内径rminと外径rmaxの関係が導出可能であり、射出瞳上の強度分布、焦点誤差信号関数から内径及び外径の最適値を求めることができる。
このように第1の実施形態では、焦点誤差検出に非点収差法を用いつつ、射出瞳上の強度分布から輪帯収差を含む円環状部分の光線は、その円環状部分に対応した部分(輪帯39A)に回折格子を設けた回折光学素子を用いて、本来の光軸より分離する。そして、円環回折格子によって偏向分離された円環状光線を焦点誤差検出専用の光検出器受光部(±1次回折光用受光部401a、401b)に入射させ、焦点誤差を検出するので、球面収差が発生しても受光部上で全く影響を受けない。
【0054】
さらに第1の実施形態では、輪帯収差の領域(瞳半径において0.71R0を含む領域)を境に内側を透過する光線と外側の光線の挙動が球面収差によって異なることを利用して光学系に発生する球面収差を検出する。
これらの構成によって、フォーカスサーボが回折光学素子の輪帯39Aを透過する光線のみでかけられているので、球面収差の影響を全く受けない高精度のデフォーカス検出が可能となる。
【0055】
具体的に、上記装置の図8に示すような対物レンズの光ビームの合焦時及び光ディスクに近い又は遠い時における0次及び±1次回折光用受光部にて得られる焦点誤差信号強度(フォーカスエラー)とデフォーカス量との関係を第1の実施形態につい調べた。資料となる光ディスクのカバー層の厚み誤差を0.1mm±0.02mmの範囲で調べた。図16に比較例として0次回折光用受光部400からの出力に基づいて非点収差法により得た信号(B1+B4)−(B2+B3)を示す。図17は第1の実施形態の±1次回折光用受光部401a、401bからの出力に基づいた信号(A1+A4+C1+C4)−(A2+A3+C2+C3)を示す。図16から明らかなように、図17を比較して、射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した光ビーム横断面の規格化半径の近傍の抽出された光線成分を用いた場合、良好なS字特性が得られることが分かる。
【0056】
このように、焦点誤差検出に非点収差法を用いた第1の実施形態は、円環状部分の分離はその領域に対応した輪帯部分に回折格子を設け本来の光軸より分離するとともに、当該回折格子によって偏向された円環状光線を焦点誤差検出専用受光部に入射させる。焦点誤差検出用受光部の形状は非点収差法で用いるいわゆる4分割ディテクタである。回折素子は0次光の強度が大きくなるように設定されている。RF信号やトラッキングエラー信号などは0次光が入射する0次光専用受光部で検出するようにしているので、RF信号を得るための加算アンプの数を少なくでき不要なノイズの増加を抑えることができる。また、第1の実施形態では回折素子による±1次回折光を両方用いたがとちらか一方のみでもかまわない。さらに、回折素子をフレーズ形状にしてどちらか一方の回折光のみを用いてもよい。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態における非点収差発生光学素子38を省略し、光検出器40、回折光学素子39及び駆動制御部59を差動スポットサイズ法に対応して変更した以外、第1の実施形態と基本的に同一である。上記第1の実施形態ではフォーカスアクチュエータ301のフォーカシングサーボ制御の方式として非点収差法を用いたが、第2の実施形態では、差動スポットサイズ法を用いる。スポットサイズ法は、光ディスクからの戻り光を2つの光路に分割し、それぞれ焦点距離の異なる前方及び後方の焦点を生じるように構成して、合焦点の前後に受光部設け、その上の光スポットの大きさを比較して焦点誤差信号を生成する方法である。
【0057】
図18に示すように、第2の実施形態の光検出器40において、光軸上の0次回折光用受光部400は、単一の受光素子(B)から構成されている。また、0次回折光用受光部400からディスク半径方向の両側に分かれて配置された±1次回折光用受光部401a、401bのそれぞれは、中心に配置された受光素子(A2)(C2)に半径方向に伸長する直線に対称に配置された等しい面積の受光素子対(A1,A3)(C1,C3)から構成されている。光検出器40は、光ディスクの記録層上で0次回折光のスポットが合焦となる場合にこれが後述の最小散乱円となり0次回折光用受光部400の中心に位置するように、光軸に垂直な平面上に配置されている。これら受光部は該中心からトラック方向の及び垂直な方向に伸長する直線に関してそれぞれ対称である。
【0058】
図19に示すように、第2の実施形態の回折光学素子39のホログラムレンズは、光ディスク1の情報記録面上の光透過層によって生じた波面収差の対物レンズ37などの照射光学系の射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した光ビーム横断面の規格化半径の近傍の特定の光線成分を、戻り光から、環状に抽出する回折格子の輪帯39Aを備えている。輪帯39Aは±1次回折光に対し元の光軸から略対称に偏向させ集光せしめるように、偏芯したレンズ効果を有している。また、輪帯39Aは±1次回折光のいずれかに凸レンズ又は凹レンズの作用をなすように設定されている。さらに、回折光学素子39の輪帯39Aは、戻り光の光軸を中心に瞳半径をR0とした場合に瞳上の半径0.71R0〜0.74R0を含んでいる。
【0059】
図20に示すように、回折光学素子39の輪帯39Aは戻り光を回折し、それぞれ0次回折光及び±1次回折光を光検出器40の0次回折光用受光部400並びに±1次回折光用受光部401a、401b上へ導き、円形の0次回折光スポット並びに円形及び環状の±1次回折光スポットを形成して、透過光を0次回折光と1次回折光に分離する。すなわち、回折光学素子39を透過した回折光学素子39のホログラムレンズの作用を受けない0次回折光は、元の光軸からずれること無く進むが、±1次回折光は該光軸に対称に偏向される。0次回折光用受光部400は復調回路20へ、各±1次回折光用受光部は駆動制御部59へ接続され、それらからの出力それぞれの回路へ供給される。回折光学素子39の輪帯39Aにより抽出される環状スポットを受光する±1次回折光用受光部401a、401bの出力を焦点誤差信号FEの検出に用いる。
【0060】
図21によって、輪帯39Aから得られる±1次回折光を用いて差動スポットサイズ法のフォーカスサーボを実行する第2の実施形態を詳細に説明する。なお、図21において、輪帯39Aからの+1次回折光を代表して動作を説明するために、対物レンズ37、回折光学素子39、0次回折光用受光部400及び+1次回折光用受光部401a,401b以外の要素は省略してある。
【0061】
図21に示すように、回折光学素子39は、光ディスクのトラック上で光ビームが合焦したとき、0次回折光が光軸の0次回折光用受光部400上に集光点を結び、同時に、+1次回折光が光軸から離れ光検出器40の手前に焦点f1を結び、かつ、−1次回折光が光軸から離れ光検出器40の遠方に焦点f2を結び、±1次回折光用受光部401a,401bの中央の受光素子(A2)(C2)上に環状スポットが照射されるように、構成されている。よって、デフォーカス時の対物レンズが近づく場合と遠ざかる場合で±1次回折光用受光部401a,401bにおける環状スポットの大きさ異なることになるので、それぞれの中央の受光素子の幅を適宜設定すると、例えば、図21に示す(d)及び(e)間の距離が焦点誤差信号のキャプチャーレンジとして、規定される。上記実施形態と同様にS字特性を示す信号が得られる。
【0062】
駆動制御部59は、出力する焦点誤差信号FE及び再生信号RFが、図22に示す光検出器40の各受光部の符号をその出力として示すと、以下の式によって示されるように、構成されている。
【0063】
【数11】
FE=(A1+A3+C2)−(A2+C1+C3)
RF=B
図22(a)に示すように、光ディスクのカバー層が所定膜厚である場合の合焦時には、0次回折光は0次回折光用受光部400上の最小散乱円として集光され、同時に、±1次回折光も±1次回折光用受光部401a、401b上の最小散乱円及び円環として集光される。対物レンズが光ディスクに遠い場合、図22(b)に示すように、0次回折光スポットは若干拡大し、±1次回折光用受光部上に拡大及び縮小した円として集光される。一方、対物レンズが光ディスクに近い場合、図22(c)に示すように、0次回折光スポットは若干拡大し、±1次回折光用受光部上に縮小及び拡大した円として集光される。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、第1の実施形態における光検出器40、回折光学素子39及び駆動制御部59を非点収差法及び差動スポットサイズ法に対応して変更した以外、第1の実施形態と基本的に同一である。上記第1の実施形態ではフォーカスアクチュエータ301のフォーカシングサーボ制御の方式として非点収差法のみを用いたが、第3の実施形態では、焦点誤差検出に非点収差法及び差動スポットサイズ法を用いたハイブリッド法を用いる。
【0064】
図23に示すように、第3の実施形態の光検出器40において、光軸上の0次回折光用受光部400は、直交する2本の分割線を境界線として各々近接配置されかつ互いに独立した4個の等しい面積の受光素子(B1,B2,B3,B4)から構成され、一方の分割線が光ディスク1のトラック伸長方向に平行になるように構成されている。また、0次回折光用受光部400からさらに離れてディスク半径方向の両側に分かれて配置された±1次回折光用受光部401a、401bのそれぞれは、中心に配置された受光素子(A2)(C2)に半径方向に伸長する直線に対称に配置された等しい面積の受光素子対(A1,A3)(C1,C3)から構成されている。光検出器40は、光ディスクの記録層上で0次回折光のスポットが合焦となる場合にこれが後述の最小散乱円となり0次回折光用受光部400の分割線の交点に位置するように、光軸に垂直な平面上に配置されている。これら受光部は該中心からトラック方向の及び垂直な方向に伸長する直線に関してそれぞれ対称である。
【0065】
第3の実施形態の回折光学素子39のホログラムレンズは、図19に示す実施形態のものと同様、±1次回折光のいずれかに凸レンズ又は凹レンズの作用をするように設定された輪帯39Aを備える。輪帯39Aの内外側には回折格子が設けられていない透過平行板部分がある。回折光学素子39の輪帯39Aは、戻り光の光軸を中心に瞳半径をR0とした場合に瞳上の半径0.71R0〜0.74R0を含んでいる。
【0066】
図24に示すように、回折光学素子39の輪帯39Aは戻り光を回折し、0次回折光及び±1次回折光を光検出器40の0次回折光用受光部400並びに±1次回折光用受光部401a、401b上へ非点収差発生光学素子38を介して導き、円形の0次回折光スポット並びに円形及び環状の±1次回折光スポットを形成して、透過光を0次回折光と1次回折光に分離する。0次回折光用受光部400は復調回路20へ、各±1次回折光用受光部は駆動制御部59へ接続され、それらからの出力それぞれの回路へ供給される。回折光学素子39の輪帯39Aにより抽出される楕円環状スポットを受光する±1次回折光用受光部401a、401bの出力を焦点誤差信号FEの検出に用いる。
【0067】
駆動制御部59は、出力する焦点誤差信号FE及び再生信号RFが、図25に示す光検出器40の各受光部の符号をその出力として示すと、以下の式によって示されるように、構成されている。
【0068】
【数12】
FE=(A1+A3+C2)−(A2+C1+C3)
RF=B1+B2+B3+B4
上記のいずれの実施形態においても、DPPやCTCなど3ビーム仕様のピックアップに本発明を適用する場合、サイドビームの戻り光にも±1次回折光が発生するがサイドビームの±1次回折光はかなり少ない光量となるためこの光を受光する光検出器はあえて設ける必要はなくなる。3ビーム用光検出器は前記回折光学素子による0次回折光のみを受光するようにできる。
【0069】
【発明の効果】
本発明によれば、球面収差の影響が全くない円環状領域を透過する光線のみをもちいて焦点誤差検出を行うように構成したので、ディスクのカバー層厚み誤差によって球面収差が発生した場合でも焦点誤差検出に誤差(デフォーカス)が発生することがなく良好な焦点誤差検出が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光ピックアップ装置を備えた記録再生装置の構成を示す概略ブロック図。
【図2】本発明による光ピックアップ装置の構成を示す概略斜視図。
【図3】本発明による光ピックアップ装置の光検出器の概略平面図。
【図4】本発明による光ピックアップ装置の回折光学素子のホログラムレンズの構成を示す概略平面図。
【図5】本発明による光ピックアップ装置の回折光学素子のホログラムレンズから光検出器までの戻り光の光路を示す概略図。
【図6】本発明による光ピックアップ装置の光検出光学系の構成を示す概略斜視図。
【図7】本発明による光ピックアップ装置のキャプチャーレンジを有する焦点誤差信号の変化を示すグラフ。
【図8】本発明による光ピックアップ装置における戻り光の0及び±1次回折光用受光部上の光スポットの様子を示す光検出器の概略平面図。
【図9】光ディスクのカバー層の厚み誤差による球面収差がある場合の波面収差及び瞳上光ビーム横断面の関係を示す概略図。
【図10】本発明による光ピックアップ装置の焦点誤差検出に用いる光線成分を抽出する大きさの異なる3つの回折光学素子の回折格子輪帯を示す概略平面図。
【図11】本発明による光ピックアップ装置における光ディスクのカバー層の厚み誤差に対するデフォーカス量の変化を示すグラフ。
【図12】本発明による光ピックアップ装置における光ディスクのカバー層の厚み誤差に対する球面収差誤差の変化を示すグラフ。
【図13】本発明による光ピックアップ装置における光ディスクのカバー層の厚み誤差により生じる球面収差を示すグラフ。
【図14】本発明による光ピックアップ装置の焦点誤差検出に用いる光線成分を抽出する回折光学素子の回折格子輪帯の内径及び外径を説明する概略平面図。
【図15】本発明による光ピックアップ装置の焦点誤差検出に用いる光線成分を抽出する回折光学素子の回折格子輪帯の内径及び外径の関係の一例を示すグラフ。
【図16】比較として0次回折光を用いた、光ディスクのカバー層の厚み誤差ごとのデフォーカスに関する焦点誤差検出信号の変化を示すグラフ。
【図17】本発明による光ピックアップ装置における±1次回折光を用いた、光ディスクのカバー層の厚み誤差ごとのデフォーカスに関する焦点誤差検出信号の変化を示すグラフ。
【図18】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の光検出器の概略平面図。
【図19】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の回折光学素子のホログラムレンズの構成を示す概略平面図。
【図20】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の回折光学素子のホログラムレンズから光検出器までの戻り光の光路を示す概略図。
【図21】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の光検出光学系の構成を示す概略斜視図。
【図22】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置における戻り光の0及び±1次回折光用受光部上の光スポットの様子を示す光検出器の概略平面図。
【図23】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の光検出器の概略平面図。
【図24】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置の回折光学素子のホログラムレンズから光検出器までの戻り光の光路を示す概略図。
【図25】本発明による他の実施形態の光ピックアップ装置における戻り光の0及び±1次回折光用受光部上の光スポットの様子を示す光検出器の概略平面図。
【符号の説明】
1 光ディスク
3 ピックアップ
18 フォーカス駆動回路
20 復調回路
31 半導体レーザ
32 グレーティング
33 偏光ビームスプリッタ
34 コリーメータレンズ
35 ミラー
36 1/4波長板
37 対物レンズ
38 非点収差発生光学素子
39 回折光学素子
39A 輪帯
40 光検出器
59 制御部
301 フォーカスアクチュエータ
400 0次回折光用受光部
401a、401b ±1次回折光用受光部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical pickup device in a recording / reproducing apparatus for an optical information recording medium such as an optical disk.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there is a high recording density and large capacity optical disk called DVD (Digital Versatile Disc) and a system using the same. A single-layer DVD with a single recording layer is 4.7 Gbytes, but by increasing the number of recording layers, the recording capacity can be doubled by using two recording layers in the DVD standard. Yes.
[0003]
In order to further increase the capacity of optical discs, there is also a next-generation multilayer optical disc system that uses a high NA and short wavelength optical system and a light source and has two, three, and four recording layers laminated under the cover layer. It is considered. In a multilayer optical disc in which a plurality of recording surfaces are alternately stacked with a spacer layer interposed therebetween, in order to read information from the surface side of one of the optical discs, the focal point of the light beam with respect to the recording surface in one of the desired layers Must be precisely aligned with the in-focus position or the optimum condensing position, that is, it is necessary to irradiate the desired recording layer with the condensed spot.
[0004]
In a condensing optical system with a large effective numerical aperture (NA), the thickness of the cover layer of the optical disc is increased, and the total thickness (depth) of the predetermined light transmission layer including the cover layer up to the desired recording layer in the case of a multilayer structure. ), A large wavefront aberration (mainly spherical aberration) proportional to the fourth power of the numerical aperture occurs.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since the spot diameter of the irradiation light beam on the recording layer is greatly expanded due to the spherical aberration caused by the thickness error, even an optical pickup equipped with an optical system in which a focus servo system is optimally designed for a predetermined light transmission layer, In the high NA condensing optical system, the focus error signal during the focus servo operation is greatly affected by the spherical aberration. That is, when the thickness error of the light transmission layer on the recording layer is large, the optimum focus position of the spot may be shifted and the focus error signal may be deteriorated.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points. Even in an optical system using an objective lens having a high numerical aperture, the stability of the focus servo is improved and the optimum alignment of the light beam with respect to the target recording surface is achieved. An object of the present invention is to provide an optical pickup device capable of following the focal position satisfactorily.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The optical pickup device of the present invention includes an irradiation optical system that focuses a light beam on a recording surface through a light transmission layer of an optical recording medium to form a spot, and return light that is reflected from the spot and returns. An optical pickup device that has a light detection optical system that collects the light beam on a light detector and detects a focus error of the light beam,
In the vicinity of a predetermined radius on the pupil corresponding to the maximum value of the wavefront aberration distribution on the exit pupil plane of the irradiation optical system of the wavefront aberration generated in the optical system, which is disposed on the optical axis of the return light of the light detection optical system Comprising a diffractive optical element having an annular zone for extracting the light beam component in a ring shape from the return light,
The photodetector includes a spot light receiving unit that receives the extracted light component passing through the annular zone, and is connected to the spot light receiving unit and detects a focus error of the light beam based on a photoelectric conversion output from the spot light receiving unit. And a focus error detecting circuit.
[0008]
In the optical pickup device of the present invention, the predetermined radius on the pupil is a pupil radius R around the optical axis of the return light of the light detection optical system. o 0.71R 0 ~ 0.74R 0 It is characterized by being.
In the optical pickup device of the present invention, the annular zone has the following formula (3):
[0009]
[Expression 2]
[0010]
The inner and outer radii satisfying (in (3), I (r cos θ, r sin θ) represents the intensity distribution on the exit pupil, S (y) represents the focus error signal function, and y (r) represents the amount of longitudinal aberration). It has rmin and rmax.
In the optical pickup device of the present invention, the diffractive optical element is a grating or a blazed transmission hologram lens that separates transmitted light into zero-order diffracted light and first-order diffracted light by a diffraction grating provided in the annular zone. Features.
[0011]
In the optical pickup device of the present invention, astigmatism generation is provided either before or after the hologram lens on the optical axis of the return light of the light detection optical system and imparts astigmatism to the return light. It has an optical element.
In the optical pickup device of the present invention, the hologram lens has a function of imparting astigmatism to the return light.
[0012]
In the optical pickup device of the present invention, the spot light receiving unit is disposed close to each other with two orthogonal dividing lines as boundaries, and is irradiated from the annular zone of the diffractive optical element around the intersection of the dividing lines. It is composed of four independent light receiving elements that receive either ± 1st order diffracted light, and the focus error detection circuit calculates a difference between a pair of output sums of the four light receiving elements at diagonal positions. It is generated as a focus error signal of the light beam.
[0013]
In the optical pickup device of the present invention, the hologram lens has an eccentric lens effect in which the ± 1st order diffracted light of the return light is deflected from the original optical axis and condensed, and any one of the ± 1st order diffracted light It has a function of acting as a convex lens or a concave lens.
In the optical pickup device of the present invention, each of the spot light receiving portions receives a ± first-order diffracted light emitted from the annular zone of the diffractive optical element and borders a dividing line that divides the spot of the ± first-order diffracted light. The total of the area of at least one or more light receiving elements on the positive polarity side and the area of at least one or more light receiving elements on the negative polarity side is composed of at least two light receiving elements or more arranged close to each other as lines. The focus error detection circuit is configured to generate a difference between the positive and negative output sums of the light receiving element as a focus error signal of the light beam.
[0014]
In the optical pickup device of the present invention, the hologram lens has a function of acting as a convex lens or a concave lens on any of the ± first-order diffracted lights of the return light, and the spot light receiving unit has two orthogonal dividing lines. The focus error detection is composed of four light receiving elements that are arranged close to each other as boundaries and receive the first-order diffracted light irradiated from the annular zone of the diffractive optical element around the intersection of the dividing lines. The circuit generates a difference between a pair of output sums of the four light receiving elements at diagonal positions as a focus error signal of the light beam.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a recording / reproducing apparatus including an optical pickup device according to the present invention will be described below.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a recording / reproducing apparatus according to an embodiment of the present invention.
The recording / reproducing apparatus including the
(First embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the optical pickup device of the present invention.
[0016]
The
[0017]
The
The
[0018]
As shown in FIG. 3, in the
[0019]
As shown in FIG. 2, the light beam emitted from the
[0020]
The return light reflected by the light beam spot on the recording surface of the
[0021]
Each light receiving unit of the
[0022]
[Equation 3]
FE = (A1 + A4 + C1 + C4) − (A2 + A3 + C2 + C3)
RF = B1 + B2 + B3 + B4
The
[0023]
The hologram lens of the diffractive
As shown in FIG. 4, the hologram lens of the diffractive
[0024]
As shown in FIG. 5, the
[0025]
With reference to FIG. 6, a detailed description will be given of a first embodiment in which astigmatism focus servo is performed using ± first-order diffracted light obtained from the
[0026]
As shown in FIG. 6, the + 1st order diffracted light of astigmatism that passes through the
[0027]
As shown in FIG. 6, the
[0028]
FIG. 7 shows a function S (y) of the focus error signal FE generated based on the output of the
[0029]
FIG. 8 shows the state of the spot of the light beam on the light receiving unit for 0 and ± 1st order diffracted light when the light beam having a Gaussian intensity distribution is in focus and close to or far from the optical disk. As shown in FIG. 8A, at the time of focusing, the 0th-order diffracted light is collected as the minimum scattering circle on the 0th-order diffracted
[0030]
When the objective lens is far from the optical disk, as shown in FIG. 8 (b), the 0th-order and ± 1st-order diffracted light spots are condensed into a deformed ellipse extending to the light receiving element at the diagonal position. On the other hand, when the objective lens is close to the optical disk, astigmatism different in the direction of 90 degrees occurs as shown in FIG. 8C, and the zeroth and ± first order diffracted light spots are the light receiving elements at the other diagonal position. It becomes a deformed ellipse extending in the direction of focusing.
[0031]
Even when the light beam shown in FIG. 8A is in focus, spherical aberration occurs when there is a thickness error from a predetermined film thickness such as the cover layer of the optical disc. The spot diameter of the irradiation light beam varies. However, as described above, the spot shape on the ± 1st-order diffracted
[0032]
The inventor found out that a specific light ray component of such return light is related to a portion having a large spherical aberration, and as described above, for example, in an optical system using an objective lens having a numerical aperture of 0.85, The light component in the vicinity of the normalized radius of the light beam cross section corresponding to the maximum value of the wavefront aberration distribution on the exit pupil plane is extracted into a specific annular zone by the diffractive optical element, and the intensity distribution of the light component is calculated. It was used to devise focus error detection.
[0033]
FIG. 9 shows a wavefront aberration (b) and a pupil light beam cross section (a) when there is spherical aberration due to the thickness error of the cover layer of the optical disk. When focusing on the best image point, the wavefront aberration distribution (b) indicates the pupil radius of the objective lens as R 0 Then radius 0.71R 0 Near the peak (annular aberration). This zone aberration radius 0.71R 0 The image point of the light beam passing on the circumference of the lens does not move at all even if spherical aberration occurs in the pickup. The radius of the zonal aberration varies slightly depending on the NA of the objective lens, and increases slightly if the NA is large. This is because, in the generated spherical aberration, in addition to the component proportional to the fourth power of the radius, the higher order component becomes larger. For example, when NA is 0.85, the annular aberration radius is 0.74R. 0 It becomes.
[0034]
As is apparent from FIG. 8 showing the light intensity distribution on the
[0035]
FIG. 10 shows a diffraction grating ring zone of the diffractive
[0036]
As shown in FIG. 9, in principle, a portion that is not affected by spherical aberration has a radius 0.71R on the pupil. 0 However, if the light component of only this part is used, the amount of light is insufficient and the signal S / N may not be obtained. 0 It needs to have a certain width including the part. Radius 0.71R on the pupil 0 The aberrations of the inner and outer rays need to be balanced on the detector.
[0037]
Therefore, a suitable range of the outer radius (rmax) and the inner radius (rmim) of the diffraction
When a Zernike aberration polynomial is used, the wavefront at the best image point when there is spherical aberration can be expressed by the following equation (1).
[0038]
[Expression 4]
[0039]
When this wavefront function W (r) is converted into a longitudinal aberration amount y (r), the following equation (2) is obtained.
[0040]
[Equation 5]
[0041]
The above equation shows how much the defocused position of the light beam that passes through the circumference of the radius r (value normalized by the pupil radius) on the pupil when focusing on the best image point. (Spherical aberration is converted into defocus for each radius). Here, Amn (where m and n are integers) represents a spherical aberration coefficient. If the spherical aberration is caused by the cover layer thickness error ΔT, it is analytically obtained by the following equation (2a).
[0042]
[Formula 6]
(However, k0 = 40, 60, 80, 100, or 120)
[0043]
For example, when (NA, λ) = (0.85, 405 μm), n = 1.62, ΔT = 10 μm, A 42 = -0.26, A 63 = -0.049, A 84 = −0.0076, and the longitudinal aberration y (r) becomes almost parabolic as shown in FIG. 13 (here, spherical aberration only in the forward path is considered). That is, when spherical aberration caused by the cover layer thickness error is expressed by defocus, the defocus amount of light rays passing through the center of the pupil (= y (0)) and the defocus amount of light rays passing through the outermost periphery of the pupil (= y (1)) ) All the light rays enter. Also, by solving for y (r) = 0, it can be seen that the best image point is always the position at which the light rays in the vicinity of the radius r = 0.74 are focused without depending on the cover layer thickness error ΔT. Here, since the higher order is taken into consideration, the radius r = 0.74 is obtained, but the radius r = 0.71 is W 60 = W 80 = W 100 = W 120 This is the value when = 0. In other words, if the focus error signal is generated only with light rays in the vicinity of r = 0.74, the best image point can always be focused regardless of ΔT.
[0044]
Here, if only light in the vicinity of the radius r = 0.74 is used, the amount of light is insufficient, and it is expected that the S / N of the detection signal is significantly deteriorated, so that actually r = 0.74 is included. The light in the ring with a certain width is used. As shown in FIG. 14, the range of the inner diameter rmin and the outer diameter rmax of the
At this time, it is certain that the inner diameter rmin and the outer diameter rmax of the
[0045]
[Expression 7]
[0046]
Here, I (r) is the intensity distribution on the exit pupil of the objective lens, but when it cannot be expressed in rotational symmetry, the intensity distribution on the exit pupil is taken as I (r cos θ, r sin θ) and the following expression (3) is satisfied. Thus, the inner diameter rmin and the outer diameter rmax are calculated.
[0047]
[Equation 8]
[0048]
For example, when the S-shaped focus error signal function S (y) using the light of the entire pupil surface when there is no spherical aberration is as shown in FIG. If y (r) is distributed in the linear region of S (y), it can be simply written as the following equation (4). That is, it can be represented by the product of the slope of S = 0 (y = 0) and the longitudinal aberration amount y (r) shown in FIG.
[0049]
[Equation 9]
[0050]
In order to simplify the model, when I (r) = 1.0 (uniform light incidence and specular reflection), and substituting Equations (1) and (4) into Equation (3), the following equation is obtained: (5)
[0051]
[Expression 10]
[0052]
However, NA = 0.85, λ = 405 nm, and n = 1.62.
The inner diameter rmin and outer diameter rmax (inner and outer radii) of the annular zone that satisfies the equation (5) are as shown in the graph of FIG. As is apparent from FIG. 15, the annular zone width of the diffractive optical element ranges from a very narrow range of the pupil radius, rmin = rmax = 0.71, to a wide range of the range of rmin = 0.25-rmax = 0.95. Thus, a suitable light component corresponding to the maximum value of the wavefront aberration distribution on the exit pupil plane of the wavefront aberration generated by the light transmission layer can be extracted from the return light in a ring shape.
[0053]
Actually, I (r) has a Gaussian distribution or a more complicated distribution in consideration of diffraction on the optical disk, but the annular width of the diffractive optical element satisfies the expression (3) as described above. The relationship between the inner diameter rmin and the outer diameter rmax can be derived, and the optimum values of the inner diameter and the outer diameter can be obtained from the intensity distribution on the exit pupil and the focus error signal function.
As described above, in the first embodiment, while using the astigmatism method for focus error detection, the light beam of the annular portion including the annular aberration from the intensity distribution on the exit pupil is a portion corresponding to the annular portion ( Separation from the original optical axis is performed using a diffractive optical element provided with a diffraction grating in the
[0054]
Furthermore, in the first embodiment, the region of the zonal aberration (0.71R in pupil radius) 0 Spherical aberration generated in the optical system is detected by utilizing the fact that the behavior of the light beam transmitted through the inner side and the outer light beam differs depending on the spherical aberration.
With these configurations, since the focus servo is applied only by the light beam that passes through the
[0055]
Specifically, the focus error signal intensity (focus) obtained by the light receiving unit for the 0th order and ± 1st order diffracted light when the light beam of the objective lens as shown in FIG. The relationship between the error) and the defocus amount was examined in the first embodiment. The thickness error of the cover layer of the optical disk serving as a document was examined in the range of 0.1 mm ± 0.02 mm. FIG. 16 shows a signal (B1 + B4) − (B2 + B3) obtained by the astigmatism method based on the output from the 0th-order diffracted
[0056]
Thus, in the first embodiment using the astigmatism method for focus error detection, the annular portion is separated from the original optical axis by providing a diffraction grating in the annular portion corresponding to the region, The annular light beam deflected by the diffraction grating is made incident on the focus error detection light receiving unit. The shape of the focus error detecting light receiving portion is a so-called quadrant detector used in the astigmatism method. The diffraction element is set so that the intensity of the 0th-order light is increased. Since the RF signal, tracking error signal, and the like are detected by the 0th-order light receiving part on which the 0th-order light is incident, the number of addition amplifiers for obtaining the RF signal can be reduced to suppress an increase in unnecessary noise. Can do. In the first embodiment, both the ± first-order diffracted light beams from the diffraction element are used, but only one of them may be used. Furthermore, the diffraction element may be formed into a phrase shape and only one of the diffracted lights may be used.
(Second Embodiment)
In the second embodiment, the astigmatism generation
[0057]
As shown in FIG. 18, in the
[0058]
As shown in FIG. 19, the hologram lens of the diffractive
[0059]
As shown in FIG. 20, the
[0060]
With reference to FIG. 21, a second embodiment in which focus servo of the differential spot size method is executed using ± first-order diffracted light obtained from the
[0061]
As shown in FIG. 21, when the light beam is focused on the track of the optical disc, the diffractive
[0062]
The
[0063]
[Expression 11]
FE = (A1 + A3 + C2) − (A2 + C1 + C3)
RF = B
As shown in FIG. 22 (a), at the time of focusing when the cover layer of the optical disc has a predetermined film thickness, the 0th-order diffracted light is condensed as a minimum scattering circle on the light-receiving
(Third embodiment)
The third embodiment is the same as the first embodiment except that the
[0064]
As shown in FIG. 23, in the
[0065]
The hologram lens of the diffractive
[0066]
As shown in FIG. 24, the
[0067]
The
[0068]
[Expression 12]
FE = (A1 + A3 + C2) − (A2 + C1 + C3)
RF = B1 + B2 + B3 + B4
In any of the above-described embodiments, when the present invention is applied to a three-beam pickup such as DPP or CTC, ± first-order diffracted light is generated in the return light of the side beam, but the ± 1st-order diffracted light of the side beam is considerable. Since the amount of light is small, it is not necessary to provide a photodetector for receiving this light. The three-beam photodetector can receive only the 0th-order diffracted light from the diffractive optical element.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the focus error detection is performed using only the light beam that passes through the annular region that is not affected by the spherical aberration at all, even if the spherical aberration occurs due to the disc cover layer thickness error, the focus error is detected. An error (defocus) does not occur in error detection, and good focus error detection can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a recording / reproducing apparatus including an optical pickup device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a configuration of an optical pickup device according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic plan view of a photodetector of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view showing a configuration of a hologram lens of a diffractive optical element of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing an optical path of return light from the hologram lens of the diffractive optical element of the optical pickup device according to the present invention to the photodetector.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a configuration of a light detection optical system of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a change in a focus error signal having a capture range of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view of a photodetector showing a state of a light spot on a light receiving portion for 0th and ± 1st order diffracted light of return light in the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the relationship between wavefront aberration and pupillary light beam cross section when there is spherical aberration due to the thickness error of the cover layer of the optical disc.
FIG. 10 is a schematic plan view showing diffraction grating zones of three diffractive optical elements having different sizes for extracting a light beam component used for focus error detection of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a change in defocus amount with respect to the thickness error of the cover layer of the optical disc in the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 12 is a graph showing a change in spherical aberration error with respect to the thickness error of the cover layer of the optical disc in the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 13 is a graph showing spherical aberration caused by the thickness error of the cover layer of the optical disc in the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 14 is a schematic plan view illustrating an inner diameter and an outer diameter of a diffraction grating ring zone of a diffractive optical element that extracts a light beam component used for focus error detection of the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 15 is a graph showing an example of the relationship between the inner and outer diameters of a diffraction grating ring zone of a diffractive optical element that extracts a light beam component used for focus error detection of the optical pickup device according to the present invention;
FIG. 16 is a graph showing a change in a focus error detection signal related to defocus for each thickness error of a cover layer of an optical disk using 0th-order diffracted light as a comparison.
FIG. 17 is a graph showing a change in a focus error detection signal related to defocus for each thickness error of a cover layer of an optical disc using ± first-order diffracted light in the optical pickup device according to the present invention.
FIG. 18 is a schematic plan view of a photodetector of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic plan view showing the configuration of a hologram lens of a diffractive optical element of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram showing an optical path of return light from a hologram lens of a diffractive optical element of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention to a photodetector.
FIG. 21 is a schematic perspective view showing a configuration of a light detection optical system of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a schematic plan view of a photodetector showing a state of a light spot on a light receiving unit for 0th and ± first-order diffracted light of return light in an optical pickup device of another embodiment according to the present invention.
FIG. 23 is a schematic plan view of a photodetector of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a schematic diagram showing an optical path of return light from a hologram lens of a diffractive optical element of an optical pickup device according to another embodiment of the present invention to a photodetector.
FIG. 25 is a schematic plan view of a photodetector showing a state of a light spot on a light receiving unit for 0 and ± first-order diffracted light of return light in an optical pickup device of another embodiment according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Optical disc
3 Pickup
18 Focus drive circuit
20 Demodulator circuit
31 Semiconductor laser
32 grating
33 Polarizing Beam Splitter
34 Collimator lens
35 mirror
36 1/4 wave plate
37 Objective lens
38 Astigmatism generating optical element
39 Diffractive optical element
39A Ring
40 photodetectors
59 Control unit
301 Focus actuator
400 Light receiving part for 0th order diffracted light
401a, 401b ± 1st order diffracted light detector
Claims (10)
前記光検出光学系の前記戻り光の光軸に配置されかつ、光学系において生じた波面収差の前記照射光学系の射出瞳面における波面収差分布の極大値に対応した瞳上の所定半径の近傍の光線成分を、前記戻り光から、環状に抽出する輪帯を有する回折光学素子を備え、
前記光検出器は、前記輪帯を通過する抽出された光線成分を受光するスポット受光部を含み、前記スポット受光部に接続されかつこれからの光電変換出力に基づいて前記光ビームの焦点誤差を検出する焦点誤差検出回路を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。An irradiation optical system for condensing a light beam on a recording surface through a light transmission layer of an optical recording medium to form a spot, and return light reflected from the spot and returning to a photodetector. An optical pickup device having a light detection optical system and detecting a focus error of the light beam,
In the vicinity of a predetermined radius on the pupil corresponding to the maximum value of the wavefront aberration distribution on the exit pupil plane of the irradiation optical system of the wavefront aberration generated in the optical system, which is disposed on the optical axis of the return light of the light detection optical system Comprising a diffractive optical element having an annular zone for extracting the light beam component in a ring shape from the return light,
The photodetector includes a spot light receiving unit that receives the extracted light component passing through the annular zone, and is connected to the spot light receiving unit and detects a focus error of the light beam based on a photoelectric conversion output from the spot light receiving unit. An optical pickup device provided with a focus error detection circuit.
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