JP4344746B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、異なる種類の光記録媒体について、情報の記録または再生を行うことが可能な光ピックアップ装置に関する。

光ピックアップ装置は、半導体レーザから出射されたレーザ光を対物レンズによって光ディスクの信号記録面上に集光させて情報の記録や消去を行い、また、光ディスクからの反射光（戻り光）を光検出器で検出することによって、情報の再生を行う装置である。
近年、光学的記録媒体（光記録媒体）としては、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ）およびＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｄｉｓｋ又はＤｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）が普及しており、したがって、一台の光ピックアップ装置により、ＣＤおよびＤＶＤの双方について、情報記録または情報再生を行えるのが望ましい。
ＣＤおよびＤＶＤの双方に関して、情報の記録または再生を行えるようにするためには、光ピックアップ装置に、各媒体に対応した波長のレーザ光源を用意する必要がある。
ＣＤ用には赤外半導体レーザが用いられ、出射されるレーザ光の波長は７８５ｎｍ程度である。また、ＤＶＤの場合、ＣＤよりも記録密度が高いため、より短い波長の赤外レーザ光が使用される。そのレーザ光の波長は６６０ｎｍ程度である。
図１は、本発明前に、本発明の出願人によって検討された光ピックアップ装置（ＣＤおよびＤＶＤの双方について情報の記録／再生を行うことができる光ピックアップ装置）の要部の構成を示す図である。
図示されるように、この光ピックアップ装置は、ＤＶＤ用光源１０と、ＣＤ用光源２０と、コリメータレンズ４０と、収差補正用の液晶パネル５０と、１／４波長板６０と、を有している。
ＤＶＤ用光源１０は、波長６６０ｎｍ帯のＰ偏光（すなわち、入射面内で電界が振動する直線偏光）のレーザ光を出射する。ＣＤ用光源２０は、波長７８５ｎｍ帯のＰ偏光のレーザ光を出射する。
液晶パネル５０は、主に、ＤＶＤディスクの傾き（チルト角）に起因する波面収差（主にコマ収差）を補正するために設けられている。
すなわち、ＤＶＤは記録密度が高く、レーザ光の波長が短いため、光ピックアップの光軸に垂直な方向に対してＤＶＤディスクが傾く角度（チルト角）のマージンが小さく、ＤＶＤディスクのわずかな傾きにより、波面収差（コマ収差）が発生する。
収差（光学系を介して結像する系において、実際の結像点が、理想的な結像点からずれる現象）は、要するに、ディスクの傾きや反りによって光の光路長が変化するために生じる。
液晶素子は、印加電圧により、液晶分子のツイスト状態を変えることができる。このことは、入射光の光路長を、印加電圧によって変化させることができることを意味する。このことを利用し、ディスクの傾き等によって生じた光路長の変化を抑制するように液晶の印加電圧を調整することで、収差の補正が可能となる。
図示されないが、液晶パネル５０の下面電極は、複数の電極パターンに分割されており、各電極パターンに与える電圧を細かく制御し、液晶分子のツイスト状態を部分的に制御することで、収差を補正する。
また、図１において、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ帯のＰ偏光（直線偏光）ならびにＣＤ用の波長７８５ｎｍ帯のＰ偏光は、共にその偏光面が、液晶パネル５０の液晶分子の長軸方向に合致した状態で、液晶パネル５０に入射される。
したがって、入射された直線偏光は、ＴＮ液晶のねじれ（印加電圧によっては、ねじれがない状態となる場合もある）に沿って進み、再び、直線偏光（ここでは、Ｐ偏光）として出射される。
１／４波長板６０は、直線偏光を円偏光に変換する（あるいはその逆の変換を行う）ための偏光制御素子である。
すなわち、１／４波長板６０に入射する直線偏光（Ｐ偏光）の偏光面と、１／４波長板の光学軸との間の夾角が４５°となるようにすると、１／４波長板６０から出射されるレーザ光が円偏光になる。
この円偏光が、ＣＤやＤＶＤの記録／再生用の光となる。なお、記録または再生用の光として、直線偏光を用いる場合もあるが、この場合には、ディスクのばらつきに起因して、記録再生ジッタ性能が悪くなる場合があり、したがって、円偏光を用いるのが望ましい。
また、図１の１／４波長板６０は、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ帯のレーザ光（直線偏光）およびＣＤ用の波長７８５ｎｍ帯のレーザ光（直線偏光）の双方を、円偏光に変換する必要がある。したがって、図１の１／４波長板６０として、広帯域１／４波長板を使用しなければならない。
広帯域１／４波長板は、例えば、異なる光学異方性をもつ複数枚のポリマーフィルムを積層して構成される、複合的な位相差板である。
ＣＤおよびＤＶＤの双方について、情報の記録／再生を行うことができ、収差補正用の液晶パネルおよび広帯域１／４波長板を備える構成をもつ光ピックアップ装置は、例えば、特許文献１に記載されている。また、広帯域１／４波長板については、例えば、特許文献２に記載されている。
［特許文献１］特開平１０−２０２６３号公報（図１）
［特許文献２］特開２００３−１４９３１号公報
広帯域１／４波長板は複合的な位相板であり、その製造が容易でなく、また、価格も高い。この点で、光ピックアップ装置の製造上の負担となる。
また、広帯域１／４波長板は、複数の波長のレーザ光の偏光状態を正確に変換する必要があり、このためには、かなり厳しい使用上の制約（波長板の厚み、波長板の設置位置等）が課せられる。したがって、光ピックアップ装置の設計の自由度が減少する。

本発明が解決しようとする課題としては、広帯域波長板を不要とし、光ピックアップ装置の製造上、設計上の負担を軽減することが一例として挙げられる。
上記課題を解決するために、本発明の光ピックアップ装置は、異なる種類の第１および第２の光記録媒体について、情報の記録または再生が可能な光ピックアップ装置において、異なる波長の光を出射する第１および第２の光源と、前記第１の光源から出射される光に対しては収差補正用の素子と機能し、前記第２の光源から出射される光に対しては入射光の偏光状態を変換する波長板として機能する液晶素子と、前記収差補正用の素子としての液晶素子を通過した、前記第１の光源から出射された光の偏光状態を変換することを主目的とした波長板と、を有する。

図１は、本発明前に、本発明の出願人によって検討された光ピックアップ装置（ＣＤおよびＤＶＤの双方について情報の記録／再生を行うことができる光ピックアップ装置）の要部の構成を示す図である。
図２は、本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置の全体構成を示す図である。
図３は、図２の光ピックアップ装置の主要部分における、レーザ光の偏光状態を示す図である。
図４は、液晶素子の光学的特性を説明するための図である。
図５は、液晶素子の波長板として機能を説明するための図である。
なお、図中の符号、１００はＤＶＤ用レーザ光源、１１０はＣＤ用レーザ光源、１２０は偏光ビームスプリッタ、１３０は集光レンズ、１４０はフォトダイオード（光電変換素子）、１５０はダイクロイックプリズム、１６０はコリメータレンズ、１７０は液晶パネル、１８０は１／４波長板（ＤＶＤ用のレーザ光について最適化された一枚の波長板）、１９０は対物レンズ、２００は光記録媒体、２１０はチルト角検出器、２２０は液晶パネル制御回路である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置の特徴は、ＤＶＤ用のレーザ光については、液晶パネルを収差補正用の素子として機能させ、ＣＤ用のレーザ光については、液晶パネルを、偏光状態を変換するための波長板として機能させる点である。
すなわち、ＤＶＤディスクは記録密度が高く、記録または再生用のレーザ光の波長が短いため、チルトマージンに十分な余裕がなく、したがって、適宜、液晶素子を用いて、収差補正（チルト補正）を行う必要がある。
一方、ＣＤは、記録密度が低く、レーザ光の波長が長いため、チルトマージンに余裕がある。
したがって、収差補正（チルト補正）は、ＤＶＤの記録再生時に行えば十分であり、ＣＤについては、必須ではない。
また、液晶は、種々の光学的効果をもつ物質であり、その使用条件を選ぶと、液晶は、波長板（位相差板）としての効果も発揮する。
本実施の形態のピックアップ装置は、上記２点に着目し、ＣＤの記録再生については、液晶素子を用いた収差補正は行わないこととし、その代わりに、液晶素子を波長板として機能させ、直線偏光を楕円偏光（あるいは円偏光）に変換する素子として機能させる。
これにより、液晶素子の後に配置される１／４波長板は、ＤＶＤ用のレーザ光についてのみ偏光状態の変換を行えばいいことになり、したがって、一枚の波長板のみで対処可能となる（すなわち、広帯域波長板が不要となる）。
これにより、本実施の形態の光ピックアップ装置では、安価な部品を用いて、容易に光ピックアップ装置を組み立てることができる。
また、本実施の形態で使用する波長板は、複合品ではなく１枚の波長板であり、したがって、波長板の厚みや波長板の設置位置等をより自由に選ぶことができるようになり、設計の自由度が向上する。
さらに、詳細に本発明の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置の全体構成を示す図である。
図示されるように、この光ピックアップ装置は、ＤＶＤ用レーザ光源１００と、ＣＤ用レーザ光源１１０と、偏光ビームスプリッタ１２０と、集光レンズ１３０と、ディスク（ＤＶＤおよびＣＤ）からの反射光を電気信号に変換するフォトダイオード（光電変換素子）１４０と、ダイクロイックプリズム１５０と、コリメータレンズ１６０と、液晶素子（収差補正用素子としての機能と波長板としての機能を併せ持つ）と、ＤＶＤ用のレーザ光（直線偏光）を円偏光に変換することを主目的として設計されている１／４波長板１８０と、対物レンズ１９０と、光記録媒体（ＣＤやＤＶＤのディスク）２００と、ディスクの傾き（チルト角）検出器２１０と、液晶パネル制御回路２２０と、を有する。
ＤＶＤ用レーザ光源１００は、波長６６０ｎｍ帯のＰ偏光（すなわち、入射面内で電界が振動する直線偏光）のレーザ光を出射する。ＣＤ用レーザ光源１１０は、波長７８５ｎｍ帯のＰ偏光のレーザ光を出射する。
１／４波長板１８０は、波長６６０ｎｍ帯のレーザ光（直線偏光）を円偏光にするためのものであり、広帯域波長板ではない。
すなわち、本実施の形態の１／４波長板１８０は、６６０ｎｍ帯のレーザ光についての、進相波と遅相波の位相差がπ／４の奇数倍となるように設計されている。
各レーザ光源（１００，１１０）から出射されるレーザ光は、共通の光学軸をもっており、各レーザ光は、ダイクロイックプリズム１５０、コリメータレンズ１６０、液晶素子、１／４波長板１８０および対物レンズ１９０を介して進み、ディスク２００の記録面に結像する。
また、ディスク２００からの反射光は、その逆方向に進み、偏光ビームスプリッタ１２０で進行方向が直角に曲げられ、集光レンズ１３０を介してフォトダイオード１４０上に結像する。
なお、上記反射光の進行方向を曲げる手段としては、偏光ビームスプリッタ１２０に限らず、プリズムの機能を有する手段であればよい。
光記録媒体としてＤＶＤが使用される場合には、液晶パネル１７０は、収差補正素子として機能する。
すなわち、ＤＶＤは記録密度が高く、レーザ光の波長が短いため、光ピックアップの光軸に垂直な方向に対してＤＶＤディスクが傾く角度（いわゆるチルト角）のマージンが小さく、ＤＶＤディスクのわずかな傾きにより、波面収差（コマ収差）が発生する。
収差（光学系を介して結像する系において、実際の結像点が理想的な結像点からずれる現象）は、要するに、ディスクの傾きや反りによって光の光路長が変化するために生じる。
液晶素子は、印加電圧によって液晶分子のツイスト状態が変化し、したがって、入射光の光路長を変化させることができる。このことを利用し、ディスク２００の傾き等によって生じた光路長の変化を抑制するように液晶の印加電圧を調整することで、収差の補正が可能となる。
図示されないが、液晶パネル１７０の下面電極（ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透明電極）は、複数の電極パターンに分割されており、各電極パターンに与える電圧を、液晶パネル制御回路２２０により制御し、液晶パネル１７０における液晶分子の配向状態を部分的に制御することにより、収差を補正することができる。
したがって、ＤＶＤの記録再生時には、液晶パネル１７０の両端の印加電圧は、液晶パネル制御回路２２０による制御によって、動的に変化する。
ＤＶＤの記録再生時の動作は、図１と同じである。
すなわち、ＤＶＤの記録再生時には、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ帯のＰ偏光（直線偏光）の偏光方向は、液晶パネル１７０の液晶分子の長軸方向に一致する。したがって、入射された直線偏光は、直線偏光として出射される。
１／４波長板１８０は、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ帯の直線偏光を円偏光に変換する一枚の波長板からなる。
この１／４波長板１８０を通過することで、ＤＶＤ用のレーザ光は、円偏光になり、この円偏光が、ディスク（ＤＶＤディスク）２００の記録再生用の光となる。
一方、ＣＤ用レーザ光源１１０から出射される、ＣＤ用のレーザ光（波長７８５ｎｍ帯のレーザ光）については、液晶パネル１７０が波長板として機能する。
以下、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、図２に示される光ピックアップ装置の主要部分における、レーザ光の偏光状態を示す図である。
図３において、（６６０ｎｍ）という表記は、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ帯のレーザ光であることを示しており、同様に、（７８５ｎｍ）という表記は、ＣＤ用の７８５ｎｍ帯のレーザ光であることを示している。
また、矢印は直線偏光であることを示し、楕円形は楕円偏光であることを示し、円は円偏光であることを示す。
上述のとおり、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ帯のレーザ光については、偏光状態は図１と同様である。
一方、図３における、ＣＤ用の７８５ｎｍ帯のレーザ光の偏光状態は、図１とは異なっている。
すなわち、ＣＤ用レーザ光源１１０から出射された７８５ｎｍ帯のレーザ光は、液晶パネル１７０の液晶分子の長軸方向に対し、その偏光面が、所定の角度θ（０＜θ＜９０°）をなすように調整されて、液晶パネル１７０に入射される。
このとき、液晶パネル１７０の制御電圧は固定されている（すなわち、ＤＶＤの記録再生時のような収差補正制御は実施されない）。
また、液晶パネル１７０の厚みは、所定のレタデーションが得られるように予め調整されている。したがって、この液晶パネル１７０は、後述するように波長板として機能し、その結果として、液晶パネル１７０を通過したＣＤ用のレーザ光の偏光状態は、楕円偏光となる。
この楕円偏光は、ＤＶＤ用のレーザ光に対して最適化されている１／４波長板１８０を通過し、この１／４波長板１８０による光学的な作用を受けることで偏光状態が変化し、最終的に円偏光となる。この円偏光が、ディスク（ＣＤ）２００の記録再生用の光となる。
逆にいえば、１／４波長板１８０を通過した光の偏光状態が円偏光となるように、液晶パネル１７０の厚み（およびレーザ光の入射角θ）が、あらかじめ調整されることになる。
次に、液晶素子の波長板としての機能について説明する。
図４は、液晶パネル（液晶素子）の光学的特性を説明するための図である。
図示されるように、液晶パネル（液晶素子）は、上下のガラス板２１０ａ，２１０ｂ、ＩＴＯからなる透明電極２２０ａ，２２０ｂと、所定角でツイストしている（印加電圧によってはツイスト無しの状態にもなる）液晶分子Ｍと、で構成される。
液晶分子は長軸方向にビフェニルや多重結合部位を持ち、長軸方向とそれに垂直な方向（すなわち、短軸方向）で誘電率が異なる。液晶相では分子が統計的に配向ベクトルで示される方向を向いており、その方向とそれと垂直な方向で異方性を示す。配向ベクトルに平行な方向と垂直な方向では屈折率が異なる。このため液晶セルに入射する光は光線方向と偏光方向によって異なる屈折率を感じる。
しかし、配向ベクトル方向に進む光線にとっては屈折率の異方性は存在せず、偏光方向によらず唯一の屈折率を感じることになる。このような方向を異方性結晶の光軸と呼ぶ。一般のネマチック液晶では、光軸は１本であり、１軸性の物質と呼ばれる。
１軸性の物体（すなわち液晶）に光軸（つまり液晶分子の長軸方向）に垂直に光を入射したとき、光軸に平行な振動面の光が感じる屈折率をｎｅ、光軸に垂直な光が感じる屈折率をｎｏとする。また、光軸に平行な振動面の光を異常光（線）、垂直な振動面の光を常光（線）とよぶ。常光に対する屈折率は光の入射角度によらずｎｏで一定であり、常光はスネルの法則に従って屈折する。異常光の屈折率は入射角によりｎｅからｎｏまで変化する。このため異常光はスネルの法則に従わずに異常な挙動をするように見える。
１軸性の物質の光軸に垂直に直線偏光を透過することを考える。これは、液晶の水平配向の液晶素子に垂直に光を入射する場合（すなわち、上述のレーザ光の液晶分子の長軸方向に対する角度θ＝９０°の場合）に相当する。偏光が光軸に対して、平行あるいは垂直な場合には、偏光は直線偏光のままである。このように物質内を進行しても状態が変わらない偏光を固有偏光と呼ぶ。
一方、入射する直線偏光の偏光面が光軸（液晶分子の長軸）に平行でも垂直でもない場合（０＜θ＜９０°の場合）には、液晶内を光が進行するにつれて偏光状態が変化する。一般の偏光は物質内を直交する２つの固有偏光として伝播する。その時に偏光方向により屈折率が異なるために液晶素子を通過後に、
Δ＝２πｄ（ｎｅ−ｎｏ）／λ
で表される位相差Δを生じる。
ここで、λは、入射光の波長であり、ｄは液晶素子の厚さである。入射偏光が光軸に対して４５°の場合は、位相差Δがπ／４なって、液晶を通過した光は円偏光になり、少しずれると楕円偏光になり、位相差Δがπとなって入射偏光と垂直な直線偏光になる。分散を無視すると、液晶素子のレタデーションＲは、
Ｒ＝ｄ（ｎｅ−ｎｏ）＝Δｎｄ
と表される。
すなわち、液晶は一軸性の結晶物質と同様の光学的性質をもち、液晶素子の厚みｄを調整することで、液晶素子を通過する光の進相および遅相の位相差を制御でき、これにより、液晶素子から出射されるレーザ光の偏光状態を調整することができる。
本実施の形態では、先に説明したように、１／４波長板１８０を通過した７８５ｎｍ帯の光の偏光状態が円偏光となるように、液晶パネル１７０の厚みｄ（およびレーザ光の入射角θ）を、あらかじめ調整しておく。
すなわち、本実施の形態の場合、図３に示すように、液晶パネル１７０を通過した光は楕円偏光になり、この楕円偏光は、１／４波長板１８０を通過することで、最終的に円偏光となる。
なお、７８５ｎｍ帯のレーザ光について、１／４波長板１８０を経由しない光路を確保できる場合には、液晶パネル１７０から出射されるレーザ光を円偏光とし、この円偏光を、記録再生用の光として用いてもよい。
図５は、液晶パネル（液晶素子）の波長板として機能を示す図である。
図示されるように、液晶パネル１７０は、ＣＤ用の７８５ｎｍ帯のレーザ光については、あたかも、直線偏光を楕円偏光や円偏光に変換する波長板のように機能する。
以上説明したように、本実施の形態の光ピックアップ装置では、使用されるレーザ光の波長に応じて、液晶パネルの機能を切り換える（すなわち、短い波長の光については収差補正用の素子として機能させ、長い波長の光については波長板として機能させる）ことにより、液晶パネルの後に配置される１／４波長板の負担を減らし、これにより、安価な波長板を使用できるようになる。
したがって、本実施の形態の光ピックアップ装置では、安価な部品を用いて、容易に光ピックアップ装置を組み立てることが可能となる。
また、本実施の形態で使用する波長板は、複合品ではなく１枚の波長板であり、したがって、波長板の厚みや波長板の設置位置等をより自由に選ぶことができるようになり、設計の自由度が向上する。
したがって、本発明によれば、広帯域波長板を不要とし、光ピックアップ装置の製造上、設計上の負担を軽減することができる。
以上の説明では、ＣＤおよびＤＶＤコンパチブルの光ピックアップ装置を例にとって説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、近年、より短波長の青色レーザ光（ブルーレイ）を用いた光ピックアップ装置も登場しており、光記録媒体の高密度化が進展すればするほど、光学部品のコスト上昇、設計自由度の減少といった問題が顕在化する。
このような場合、本発明の設計思想を用いて、一つの光学部品の機能を、使用される光の波長に応じて使い分けるという手法を導入することで、光ピックアップ装置の製造、組立に伴う負担を軽減することが可能となる。
本発明は、ＤＶＤ／ＣＤコンパチブルのドライブ、ＤＶＤレコーダ、その他のディスクドライブ、あるいは光磁気記録媒体（ＭＯ）のような光を利用する媒体のドライブ等に使用することができる。
本出願は、２００４年３月３１日出願の日本特許出願（特願２００４−１０４５７３）、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (6)

1. 異なる種類の第１および第２の光記録媒体について、情報の記録または再生が可能な光ピックアップ装置において、
   異なる波長の光を出射する第１および第２の光源と、
   前記第１の光源から出射される光に対しては収差補正用の素子と機能し、前記第２の光源から出射される光に対しては入射光の偏光状態を変換する波長板として機能する液晶素子と、
   前記収差補正用の素子としての液晶素子を通過した、前記第１の光源から出射された光の偏光状態を変換することを主目的とした波長板と、
   を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 請求項１記載の光ピックアップ装置において、
   前記第１の光源から出射される光の偏光面が、前記液晶素子の分子の長軸方向と一致し、
   前記第２の光源から出射される光の偏光面が、前記液晶素子の分子の長軸方向と所定の角度θ（０＜θ＜９０°）をなすことを特徴とする光ピックアップ装置。
3. 請求項２記載の光ピックアップ装置において、
   前記第１および第２の光源から出射される光は共に直線偏光であり、
   前記第１の光源から出射される直線偏光について、その偏光面が、前記液晶素子の分子の長軸方向と一致するようにして前記液晶素子に入射されることにより、前記液晶素子から直線偏光を出射させ、その直線偏光を前記波長板に入射して円偏光に変換し、その円偏光を前記第１の光記録媒体についての記録または再生用の光とし、
   前記第２の光源から出射される直線偏光について、その偏光面が、前記液晶素子の分子の長軸方向と所定の角度θ（０＜θ＜９０°）をなすようにして前記液晶素子に入射されることにより、前記液晶素子から楕円偏光を出射させ、この楕円偏光を前記波長板に入射させ、その結果として前記波長板から円偏光を出射させ、その円偏光を前記第２の光記録媒体についての記録または再生用の光とすることを特徴とする光ピックアップ装置。
4. 請求項３記載の光ピックアップ装置において、
   前記第２の光記録媒体についての前記記録または再生用の光が最終的に円偏光となるように、前記液晶素子の厚みが調整されていることを特徴とする光ピックアップ装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光ピックアップ装置において、
   前記第１の光源から出射される光の波長は、前記第２の光源から出射される光の波長よりも短いことを特徴とする光ピックアップ装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光ピックアップ装置において、
   前記第１の光源から出射される光は、ＤＶＤの記録または再生用の光であり、前記第２の光源から出射される光は、ＣＤの記録または再生用の光であることを特徴とする光ピックアップ装置。

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