JP4336332B2 - 光ヘッドおよび光ディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ディスクまたは光カードなどの光媒体状に記憶される情報の記録・再生または消去に関するものである。

特に、複数の記録再生層を有する光ディスクに対して、正確な記録再生動作が可能な光学ヘッドおよび光ディスク装置に関する。

近年、光ディスクは多量の情報信号を高密度で記録することができるため、オーディオ、ビデオ、コンピュータ等の多くの分野において利用が進められている。そして、さらなる記録容量の増大が望まれ、現在までに様々な検討がなされており、その中には、記録層を多層に設ける方法がある。

しかし、このような多層光ディスクには、再生を行う所望の記録層（以後、再生層）からの反射光に、再生層以外の記録層（以後、非再生層）からの反射光が混入し、サーボが不安定になるという課題がある。

例えば、多層光ディスクの層間隔がフォーカスエラー信号（以後、ＦＥ信号）のＳ字曲線の最大ピーク振幅間のフォーカスずれ量（以後、Ｓ字間隔）に比べて十分に大きくない場合には、再生層で反射した光から得られるＳ字曲線の信号と、非再生層で反射した光によるＳ字曲線の信号が重なり、ＦＥ信号に誤差を持つため、対物レンズの制御が正確に行われず、所望の記録層に光スポットが集光できなくなる。

このとき、多層光ディスクの層間隔に対してＳ字間隔を十分狭くすると、上記課題は緩和されるが、フォーカス引き込みが困難になり、さらに記録再生時に振動などの外乱によりフォーカスサーボが外れやすくなるという新たな課題が生じる。また、Ｓ字間隔をある程度確保し、層間隔を広げると光ディスク表面から最も奥の記録層までの厚さが厚くなり、高ＮＡ対物レンズを使用する光学ヘッドでは球面収差が増大してしまう。

このような課題を解決するため、非点収差法によるＳ字間隔の狭いＦＥ信号とＳＳＤ法（スポットサイズ法）によるＳ字間隔の広いＦＥ信号を検出し、Ｓ字間隔の広いＦＥ信号を用いて、安定性の高い引き込み動作を行い、非再生層の影響を受け難いＳ字間隔の狭いＦＥ信号でそれぞれの層でのフォーカスサーボを行う方法が特許文献１において提案されている。
特開２００２−１９０１３２号公報

しかしながら、特許文献１に示される光学ヘッドには、再生層での反射光と非再生層での反射光が受光素子上で重なり、干渉することにより生じるオフセットの影響が考慮されていない。

すなわち、多層光ディスクでは、多層光ディスク内の複数の経路を通った光が受光素子上で干渉し、明暗の分布を形成するという課題があり、さらに、記録再生を行うために光ディスクを回転させると、光ディスク面内での各記録層の層間隔ばらつきにより、各経路の光学長が微妙に変化するため、この明暗分布が変動する。

この時、例えば、受光素子上で光束を分割して検出を行うＦＥ信号では、オフセットが生じるだけでなく、このオフセットが変動するために、著しくサーボが不安定になる。

ここで干渉による明暗の分布が反転する条件を考える。例えば、光源から出射し光軸付近を通過した後、多層光ディスクの再生層で反射する光と、同様に光軸付近を通過し非再生層で反射する光との受光素子上での干渉を考えると、この２つの光路を通る光の位相差は再生層と非再生層との層間隔で決まる。

このため、再生層と非再生層との間を往復する光路内に存在する光波の数が１／２個分ずれると位相差がπ／２ずれ、明暗が反転することになる。

例えば、光源波長０．４μｍ、再生層と非再生層の間の中間層の屈折率１．６とすると、再生層と非再生層の間隔が０．０６２５μmずれただけで明暗が逆転することになり、これは光ディスクの面内ばらつきとしては十分起こりうる値である。

上記のような非再生層で１回反射した光との干渉の他に、多層光ディスクでは、非再生層で３回反射した光との干渉の影響も考えられる。

図８（ａ）〜（ｅ）は再生層で反射した光と干渉する光の経路の例を示した説明図である。この図において、Ｌ１〜Ｌ６は多層光ディスクの記録層を示しており、Ｌ２を再生層として図の左上側から入射した光が通過する経路を示している。図８（ａ）は再生層Ｌ２で反射した光を波線、非再生層Ｌ１、Ｌ３で反射した光を実線で示しており、図８（ｂ）〜（ｅ）は３回反射迷光を実線、再生層で反射する光を波線で示している。

図８（ａ）で示した１回反射の迷光は、受光素子上ではデフォーカスした受光スポットとなるが、反射光量は再生層反射光と同等であるため、層間隔が離れていないと干渉による影響は大きい。

一方、図８（ｂ）〜（ｅ）に示す３回反射迷光の光量は、再生層での反射光に比べれば数％程度であるが、各層間隔の差が近い場合には高い干渉性を持つため、影響は無視できない。例えば、図８（ｂ）に示すように、Ｌ２層とＬ３層との間隔がＬ３層とＬ４層との間隔と近い場合、３回反射した迷光は再生層反射光とほぼ同一の光路を通るため、干渉の影響を大きく受ける。

干渉を考慮したシミュレーションにおいても、Ｓ字間隔が２μｍ、中間層の屈折率が１．６のとき、多層光ディスクの最小の層間隔が３０μｍ以下、あるいは、各層間隔の差が５μｍ以下となる部分があれば、受光素子上の光量分布に干渉の影響を受けるという結果が得られている。

以上の課題を踏まえ、本発明では、多層光ディスクの最小層間隔をＴ、層間隔の差の最小値をδ、Ｓ字間隔をｄ、各層間の屈折率をｎとした時、
ｎ・Ｔ／ｄ ＜２５
ｎ・δ／ｄ ＜４
の条件を満たすような多層光ディスクに対して記録再生を行う際に、非再生層からの反射光による干渉の影響を低減し、良好なフォーカスエラー信号が得られる光学ヘッドおよび、光ディスク装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の光ディスク装置は、３層以上の複数の記録層を有する光ディスクに記録、あるいは再生を行う光学ヘッドにおいて、光源と、前記光源からの光を前記光ディスクの所望の記録層に集光する光学系と、前記光ディスクの記録層からの反射光を分岐あるいは分割する光分岐素子と、前記光分岐素子で分岐あるいは分割した複数の光束を受光し信号検出を行う受光素子と、前記受光素子で得られる信号を演算することによりフォーカスエラー信号を得る演算手段と、を有し、前記光分岐素子により分岐あるいは分割された光束のうち少なくとも２つは、前記光学系の光軸付近を通過する光軸付近光束であり、前記少なくとも２つの光軸付近光束を各々受光して得られる信号を用いて、所望の記録層とそれ以外の記録層からの反射光が前記受光素子上で干渉することにより生じるフォーカスエラー信号のオフセットを低減するように演算する。

このとき、光ディスクと前記光ディスクからの反射光を分岐あるいは分割する光分岐素子との間の光路上に、光束に非点収差を与える光学素子を有し、前記光分岐素子で分岐あるいは分割された少なくとも１つの光束を受光素子で４分割受光して得られる信号と、前記光分岐素子で分岐あるいは分割された別の光束の中央部分を受光して得られる信号と、を演算することによりフォーカスエラー信号を得ることが望ましい。

あるいは光分岐素子で分岐あるいは分割された少なくとも１つの光束を受光素子で４分割受光して得られる信号と、光分岐素子で分岐あるいは分割された別の光束の中央部分を４分割受光して得られる信号と、を演算することによりフォーカスエラー信号を得ることが望ましい。

または、光分岐素子で分岐あるいは分割された少なくとも１つの光束は、集光する位置よりも手前側で受光され、光分岐素子で分岐あるいは分割された別の光束は集光する位置よりも奥側で受光され、それぞれ３分割された受光部により光束の中央部分と外側部分を分割受光されるとともに、前記分割受光された信号を演算することによりフォーカスエラー信号を得ることが望ましい。

このとき、３分割された受光部の中央の分割幅をｗ、光学ヘッドの検出光学系の倍率をβ、Ｓ字間隔をｄ、対物レンズの開口数をＮＡとしたとき
０．２５＜ｗ／（２ＮＡ・ｄ・β）
を満たすことが望ましい。

また、３分割された受光部の中央の分割幅をｗ、光学ヘッドの検出光学系の倍率をβ、Ｓ字間隔をｄ、対物レンズの開口数をＮＡとしたとき
ｗ／（２ＮＡ・ｄ・β）＜０．６
を満たすことが望ましい。

本発明の光ディスク装置によれば、多層光ディスクに対して記録再生を行う際に、記録再生を行っている記録層のフォーカスエラー信号に、他の記録層での反射光が混入し干渉することにより生じるオフセットを低減するようにした極めて良好な光ヘッド装置を提供することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１、図２は本発明の実施の形態１における光ディスク装置を示した構成図である。

図１において、１は光学ヘッド、２は３層以上の記録層を有する多層光ディスク、３は光源である半導体レーザ、４は偏向ビームスプリッタ、５は１／４波長板、６はコリメータレンズ、７はミラー、８は対物レンズ、９はシリンドリカルレンズなどの透光性材料からなる非点収差発生光学素子、１０は回折素子、１１は複数の受光部を有する受光素子、１２はアクチュエータを示している。

ここで、非点収差発生光学素子９は、光ディスク２の情報トラックに対応する方向に対して４５度方向に非点収差が発生するように配置されている。

図２は受光素子１１の構成を示しており、回折素子１０の０次光を受光する位置に直交する２本の分割線を境界線として配置された４分割の受光部１１ａ〜１１ｄが構成され、回折素子１０の±１次回折光を受光する位置には、受光部１１ａ〜１１ｄの間の分割線に対して±４５度方向に長い矩形形状の受光部１１ｅ、１１ｆが構成され、フォーカスエラー信号として、
ＦＥ＝（１１ａ＋１１ｄ）−（１１ｂ＋１１ｃ）−Ｇ（１１ｅ−１１ｆ） （Ｇは係数）
の演算を行う演算回路に接続されている。

ここで、受光部１１ｅ、１１ｆの形状は±１次回折光の光束径よりも小さく、±１次回折光の中央部分の光束を受光するように構成される。

本実施の形態では、通常の非点収差法によるフォーカスエラー信号検出において生じる、複数の記録層からの反射光が干渉して出来る明暗分布の影響を低減するため、受光部１１ｅ、１１ｆから得られる信号を信号検出演算に加えている。

以上のように構成された光ディスク装置において、多層光ディスク２の所望の記録層の情報の再生を行う場合、光学ヘッド１の半導体レーザ３から出射された光は、偏向ビームスプリッタ４、１／４波長板５、コリメータレンズ６を透過し、ミラー７にて光路を直角に変えられ、対物レンズ８により、多層光ディスク２の所望の記録面に集光される。

多層光ディスク２で反射した光は、再び対物レンズ８、ミラー７、コリメータレンズ６、１／４波長板５を経由し、偏向ビームスプリッタ４に入射する。このとき、反射光の偏向方向は、半導体レーザ３から出射した光の偏向に対して９０度ずれており、半導体レーザ３の方向とは異なる方向に光路を変えられ、非点収差発生素子９へ導かれ、非点収差を付与された後、回折素子１０により、０次光および±１次光に分岐され、それぞれの光束は受光素子１１の所定の受光部で受光される。

このとき、受光素子１１上の受光部には光ディスク２の再生層からの反射光だけでなく、非再生層からの反射光も同様の経路で入射し、受光スポットは干渉により明暗分布が生じる。

図３はこの時の受光素子上の受光部および、受光スポットを示している。２１、２２、２３は再生層で反射した光の受光スポット、２４、２５、２６は非再生層で反射した光の受光スポットであり、回折素子１０により０次光、±１次光の３つ光束に分岐されて受光されている。また、２７、２８、２９は再生層、非再生層からの反射光が干渉してできた明暗部である。

図３に示す様に非再生層で反射した光の受光スポットは、再生層との層間隔分だけ焦点がずれているため、４５度方向に伸びた楕円形状の受光スポットとなり、干渉による明暗部も４５度方向に伸びた形になる。また、再生層反射光も、非再生層反射光も、光束の中心（光軸付近）の位相変化は小さいため、干渉による明暗部は光束の中央付近に広い領域が形成される。一方、光束の外周部では間隔の狭い干渉縞ができるが、実質的には平均化されるため干渉の影響は小さい。

また、本実施の形態のように光束を３つに分岐した場合、明暗部２７、２８、２９の明暗は再生層と非再生層との層間隔により決まるため、明暗部２７、２８、２９の明暗は一致する。

このような明暗分布が生じている受光スポットに対して、
ＦＥ＝（１１ａ＋１１ｄ）−（１１ｂ＋１１ｃ）
で演算される通常の非点収差法によるフォーカスエラー信号を適用すると、明暗部２８は１１ａ、１１ｄの領域に多く含まれるため、干渉による明暗の影響がオフセットとして残ってしまう。

一方、本実施の形態では、受光部１１ｅと受光部１１ｆが±１次回折光の中央部分に現れる明暗部２７、２９を検出するように配置されており、検出される明暗部の面積はそれぞれ、受光部１１ａ、１１ｄに含まれる明暗部２８の面積と、受光部１１ｂ、１１ｃに含まれる明暗部２８の面積に概略対応するように構成されているため、受光部１１ｅと受光部１１ｆで検出される信号の差は上記のオフセットに対応する。したがって、
ＦＥ＝（１１ａ＋１１ｄ）−（１１ｂ＋１１ｃ）−Ｇ（１１ｅ−１１ｆ）
の演算をする事により、干渉によるオフセットの影響を低減したフォーカスエラー信号が得られる。

このフォーカスエラー信号のレベルおよび極性に応じてアクチュエータ１２により対物レンズ８を光ディスク２の表面に垂直な方向に（光軸方向）に移動させ、半導体レーザ３から出射した光を所定の記録層へ集光するフォーカスサーボが実行される。

以上のように、本発明にかかる光学ヘッドは、多層光ディスクの再生を行う際に、非再生層からの反射光が受光素子に混入し干渉することにより生じるフォーカスエラー信号のオフセットおよびオフセットの変動を低減することができる。

なお、本実施の形態では、受光素子上の光束の中央部すなわち光学系の光軸付近を通過してきた光束部分の明暗分布によるフォーカスエラー信号のオフセットに対応する信号を、プリズムあるいは回折素子等で分岐した別の光束の中央部から検出することを特徴としているため、補正にもちいる前記別の光束は、中央部分のみが分岐されていても良い。

また、前記別の光束を受光する受光部の形状は別の形でも良い。例えば、別の実施の形態として、受光素子１１の受光部を図４に示すように配置し、
ＦＥ＝（１１ａ＋１１ｄ）−（１１ｂ＋１１ｃ）−Ｇ（１１ｇ＋１１ｊ−１１ｈ−１１ｉ）
の様にしても同様な効果が得られる。

（実施の形態２）
図５、図６は本発明の実施の形態２における光ディスク装置を示した構成図である。

図５において、３１は光学ヘッド、３２は３層以上の記録層を有する多層光ディスク、３３は光源である半導体レーザ、３４は偏向ビームスプリッタ、３５は１／４波長板、３６はコリメータレンズ、３７はミラー、３８は対物レンズ、３９はレンズ効果を持ったホログラム素子、４０は複数の受光部を有する受光素子、４１はアクチュエータを示している。

ここで、ホログラム素子３９は、光軸に対して偏心したレンズ効果を有しており、±１次光のいずれかに対し、凸レンズまたは凹レンズの作用をするように設定されている。

図６は受光素子４０の構成を示しており、ホログラム素子３９の±１次回折光を受光する位置に、受光部４０ａ〜４０ｆが構成され、フォーカスエラー信号として、
ＦＥ＝（４０ａ＋４０ｃ＋４０ｅ）−（４０ｂ＋４０ｄ＋４０ｆ）
の演算を行う演算回路に接続されている。

以上のように構成された光ディスク装置において、多層光ディスク３２の所望の記録層の情報の再生を行う場合、光学ヘッド３１の半導体レーザ３３から出射された光は、偏向ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、コリメータレンズ３６を透過し、ミラー３７にて光路を直角に変えられ、対物レンズ３８により、多層光ディスク３２の所望の記録面に集光される。

多層光ディスク３２で反射した光は、再び対物レンズ３８、ミラー３７、コリメートレンズ３６、１／４波長板３５を経由し、偏向ビームスプリッタ３４に入射し、半導体レーザ３３の方向とは異なる方向に光路を変えられ、ホログラム素子３９により、±１次光に分岐され、一方が受光素子４０の手前側で焦点を結び、もう一方は受光素子４０の奥側で焦点を結ぶようなレンズ効果を与えられ、それぞれの光束は受光素子４０の所定の受光部で受光される。

このとき、受光素子４０上の受光部には光ディスク２の再生層からの反射光だけでなく、非再生層からの反射光も同様の経路で入射し、受光スポットは干渉により明暗分布が生じる。

図７はこの時の受光素子４０上の受光部および、受光スポットを示している。５１、５２は再生層で反射した光の受光スポットであり、受光スポット５１を形成する光束は受光素子４０の手前側で焦点を結び、受光スポット５２を形成する光束は受光素子４０の奥側で焦点を結ぶ様に構成されている。５３、５４は光ディスク表面から見て再生層より手前側の非再生層で反射した光の受光スポットを示しており、受光スポットの大きさが異なるのは、ホログラム素子３９のレンズ効果のためである。５５、５６は再生層、非再生層からの反射光が干渉してできた明暗部である。

実施の形態１と同様に、再生層反射光も、非再生層反射光も、光束の中心（光軸付近）の位相変化は小さいため、干渉による明暗部は光束の中央付近に広い領域が形成され、光束の外周部では間隔の狭い干渉縞ができる。また、明暗部５５、５６の明暗は再生層と非再生層との層間隔により決まるため、明暗部５５、５６の明暗は一致する。

このような明暗分布が生じている受光スポットに対して、本実施の形態では、いわゆるスポットサイズ法（ＳＳＤ法）によりフォーカスエラー信号を検出する。このとき、３分割受光部の中央の受光部の幅ｗを、再生層に焦点が合っている時の受光スポット５１、５２の光束径の０．２５倍以上かつ０．６倍以下となるように構成する。

この条件を検出光学系の倍率β、Ｓ字間隔ｄ、対物レンズの開口数ＮＡを用いて表すと
０．２５＜ ｗ／（２ＮＡ・ｄ・β） ＜０．６ となる。

以上のように構成された本実施の形態において、
ＦＥ＝（４０ａ＋４０ｃ＋４０ｅ）−（４０ｂ＋４０ｄ＋４０ｆ）
の演算によりフォーカスエラー信号を検出すると、明暗部５５、５６はその大部分が、３分割の中央の受光部４０ｂ、４０ｅに含まれるため、上記の演算により、明暗分布の影響を引き算することになり、フォーカスエラー信号に生じるオフセットを低減することができる。

このフォーカスエラー信号のレベルおよび極性に応じてアクチュエータ４１により対物レンズ３８を多層光ディスク３２の表面に垂直な方向に（光軸方向）に移動させ、半導体レーザ３３から出射した光を所定の記録層へ集光するフォーカスサーボが実行される。

以上のように、本発明にかかる光学ヘッドは、多層光ディスクの再生を行う際に、非再生層からの反射光が受光素子に混入し干渉することにより生じるフォーカスエラー信号のオフセットおよびオフセットの変動を低減することができる。

なお、干渉の影響の除去には、受光素子４０の３分割受光部の中央受光部の幅を広くするほど効果があるが、この幅を大きくしすぎると、フォーカスエラー信号のＳ字曲線の振幅が小さくなるため、おおむね０．４倍程度が適正である。

また、３分割受光部の中央受光部の幅を狭くすると、明暗部５５、５６は中央受光部４０ｂ、４０ｅの領域からはみ出すが、はみ出した部分も３分割の外側の受光部４０ａ、４０ｃと受光部４０ｄ、４０ｆの信号の引き算により、影響を相殺できるので０．２５倍程度までは、干渉の影響の少ないフォーカスエラー信号が得られる。

なお、３分割受光部の中央受光部の幅が比較的狭い場合には、
ＦＥ＝（４０ａ＋４０ｃ）−（４０ｄ＋４０ｆ）−Ｇ（４０ｂ−４０ｅ） （Ｇは係数）
のように適当なゲインを設けて演算することにより、オフセット変動の低減効果を高めることができる。

本発明にかかる光学ヘッドは、多層光ディスクの再生を行う際に、非再生層からの反射光が受光素子に混入し干渉することにより生じるフォーカスエラー信号のオフセットおよびオフセットの変動を低減することができる。

これにより、層間隔を狭くして球面収差量を低減した多層光ディスクにおいても、Ｓ字間隔をある程度確保できるため、安定したサーボ動作が可能となる。

本発明の実施の形態１の構成を示した構成図 本発明の実施の形態１の受光素子の構成を示した構成図 本発明の実施の形態１の受光素子と受光スポットを示した説明図 本発明の実施の形態１の別の実施形態の受光素子を示した構成図 本発明の実施の形態２の構成を示した構成図 本発明の実施の形態２の受光素子の構成を示した構成図 本発明の実施の形態２の受光素子と受光スポットを示した説明図 多層光ディスクの迷光の経路を説明する説明図

符号の説明

１ 光学ヘッド
２ 多層光ディスク
３ 半導体レーザ
４ 偏向ビームスプリッタ
５ １／４波長板
６ コリメータレンズ
７ ミラー
８ 対物レンズ
９ 非点収差発生光学素子
１０ 回折素子
１１ 受光素子
１１ａ〜１１ｆ 受光部
１１ｇ〜１１ｊ 受光部
１２ アクチュエータ
２１〜２３ 再生層反射光の受光スポット
２４〜２６ 非再生層反射光の受光スポット
２７〜２９ 再生層反射光と非再生層反射光の干渉による明暗部
３１ 光学ヘッド
３２ 多層光ディスク
３３ 半導体レーザ
３４ 偏向ビームスプリッタ
３５ １／４波長板
３６ コリメータレンズ
３７ ミラー
３８ 対物レンズ
３９ ホログラム素子
４０ 受光素子
４０ａ〜４０ｆ 受光部
４１ アクチュエータ
５１，５２ 再生層反射光の受光スポット
５３，５４ 非再生層反射光の受光スポット
５５，５６ 再生層反射光と非再生層反射光の干渉による明暗部

Claims (2)

1. ３層以上の複数の記録層を有する光ディスクに記録、あるいは再生を行う光学ヘッドにおいて、
   光源と、
   前記光源からの光を前記光ディスクの所望の記録層に集光する光学系と、
   前記光ディスクの記録層からの反射光を分岐あるいは分割する光分岐素子と、
   前記光分岐素子で分岐あるいは分割した複数の光束を受光し信号検出を行う受光素子と、
   前記光分岐素子と前記受光素子の間の光路上に配置され、光束に、前記光ディスクの情報トラック方向に対して４５度方向に非点収差を与える光学素子と、
   前記受光素子で得られる信号を演算することによりフォーカスエラー信号を得る演算手段と、を有し、
   前記光分岐素子は、回折素子であって、
   前記受光素子は、
   ０次光を受光する位置に、直交する２本の分割線を境界線として配置された４分割の受光部と、
   ±１次回折光を受光する位置に、前記分割線に対して±４５度方向に長い矩形形状の受光部と、を有し、
   前記矩形形状の受光部は、前記±１次回折光の光束径よりも小さく、±１次回折光の中央部分の光束を受光するように構成され、
   前記各々の受光部から得られる信号を用いて、所望の記録層とそれ以外の記録層からの反射光が前記受光素子上で干渉することにより生じるフォーカスエラー信号のオフセットを低減するように演算することを特徴とする光学ヘッド。
2. 請求項１記載の光ヘッドを用いた光ディスク装置。

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