JP4348223B2 - 光ヘッド及び光ディスクドライブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の記録面を有する多層光記録媒体用に好適な光ヘッド及び光ディスクドライブ装置に関する。

光記録媒体の大容量化を実現するために、記録面を複数設けて多層構造とすることは有効な手段である。

特許文献１によれば、このような２層光ディスク用のピックアップ装置において、再生（記録）していない面からの反射光が臨界角以上となって遮断されるようになる透過光学素子を設けることにより、再生（記録）している面からの反射光を受光する受光素子に再生（記録）していない面からの反射光がフレア光として入る量を低減させる技術が開示されている。

また、特許文献２によれば、多層記録媒体を再生する光ヘッドにおいて、目的の記録層からの反射光を受光する受光素子と目的以外の記録層からのクロストーク光を受光する受光素子とを備え、差動演算することにより層間クロストークをキャンセルする技術が開示されている。

特開平９−１８０２４４号公報 特開２００２−３１９１７７公報 Analysis for Design of Drives and Disks for Dual-layer Phase Change Optical Disks Optical Data Strage 2003( May11-14,2003) T.Shintani他 Hitachi

光記録媒体の大容量化を実現するために、上述のように記録面を複数設けて多層構造とすることは有効な手段である。図８はその一例として、記録層Ｌ０，Ｌ１を有する多層構造の光記録媒体１００に対する光ヘッド構成例を示し、１０１はレーザ光源、１０２はカップリングレンズ、１０３はビームスプリッタ、１０４は立上げミラー、１０５は１／４波長板、１０６は対物レンズ、１０７は検出レンズ、１０８は受光素子である。

しかしながら、多層光記録媒体１００の所望の記録層に光を照射すると、所望以外の記録層からも反射光が発生する。所望の記録層からの反射光は受光素子１０８に結像して信号検出が行われるが、所望以外の記録層からの反射光はフレア光となって受光素子１０８に入ってくる。このようなフレア光は小さいほうが望ましい。そこで、フレア光についての検討が、非特許文献１により報告されている。この報告によると、フレアを小さくするためには、
１．検出レンズ１０７の焦点距離を大きくする
２．受光素子１０８の面積を小さくする
３.多層記録媒体１００の層間隔(Ｌ０とＬ１の間隔)を大きくする
といった対応をしなければならない。層間隔は光記録媒体の標準化で規格として決まってしまうので、光ヘッドとして対応できるのは、検出レンズ１０７の焦点距離を大きくするか、受光素子１０８の面積を小さくするかである。

フレア光を少なくするために検出レンズ１０７の焦点距離と受光素子１０８の面積との関係を規定した例として、光学系横倍率Ｍ（＝検出レンズ１０７の焦点距離／対物レンズ１０６の焦点距離）、受光素子１０８の寸法Ｄとすると、Ｄ／Ｍ＝８〜１２μｍが適していることが特許文献１に示されている。受光素子１０８の寸法Ｄは約１００μｍ前後なので、光学系横倍率Ｍは８．３〜１２．５となる。対物レンズ１０６を焦点距離３ｍｍ、ＮＡ０．６５と想定すると、フレアを少なくするためには検出レンズ１０７の焦点距離は２４．９〜３７．５ｍｍが適していることになる。

ところが、光ヘッドを小型化するために、図９に示すように、レーザ光源１１１と受光素子１１２とを一体化したホログラムユニット１１３を使うと、検出レンズは上記のような大きな焦点距離とすることはできない。ホログラムユニット１１３を使用する場合、図９に示すように、レーザ光源１１１からの光を取り込むカップリングレンズと検出レンズは共通になる（図９中の共用レンズ１１４）。このようにホログラムユニットを使った光ヘッドでは、カップリングレンズと検出レンズとが共通なので、検出レンズの焦点距離をフレア光が小さくなるように最適化できない。即ち、カップリングレンズはレーザ光源１１１からの光を少しでも多く取り込むために、一般的に焦点距離の短いレンズ（焦点距離１０〜２０ｍｍ程度）が使われるので、対物レンズ１０６を焦点距離３ｍｍとすると光学系の横倍率Ｍは３．３〜６．６になる。受光素子１１２の寸法Ｄを約１００μｍとすると、Ｄ／Ｍ＝１５．２〜３０．３μｍとなる。従って、Ｄ／Ｍ＝８〜１２μｍから外れてしまいフレア光は大きくなってしまう。

本発明の目的は、光ヘッドを小型化するためにホログラムユニットを使った場合でもフレア光の影響が大きくならないようにし、小型でフレア光の小さい光ヘッドを提供することである。

請求項１記載の発明の光ヘッドは、光源と、この光源から出射されたレーザ光を光記録媒体に向けて導くためのカップリングレンズと、このカップリングレンズを経たレーザ光を前記光記録媒体に対して集光照射させる対物レンズと、前記光記録媒体からの反射光を前記光源から出射されたレーザ光と分離する光束分離素子と、この光束分離素子からの光束を受光する受光素子と、を備える光ヘッドにおいて、前記光源から出射されたレーザ光に対してはレンズ作用を示さず前記光記録媒体からの反射光に対してのみ凹レンズ作用を示す光学素子を、前記光束分離素子とは別に前記カップリングレンズと同一光路上の前記カップリングレンズと前記対物レンズとの間に設けた事を特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光ヘッドにおいて、前記光源と前記受光素子とは同一パッケージ内に実装されている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光ヘッドにおいて、前記光学素子は、光学的異方性材料からなるレンズである。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の光ヘッドにおいて、前記光学素子は、光学的異方性材からなる回折型レンズである。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の光ヘッドにおいて、前記光学素子は、前記カップリングレンズと一体化されている。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の光ヘッドにおいて、前記光源と前記カップリングレンズとを使用波長を異ならせて複数組有し、前記光学素子は前記光記録媒体からの複数の波長の反射光に対して共用され何れの反射光に対してもレンズ作用を示す。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の光ヘッドにおいて、前記光学素子と前記カップリングレンズとの間隔は、波長の短い光をカップリングするレンズほど間隔が大きくなるように配置されている。

請求項８記載の発明の光ディスクドライブ装置は、請求項１ないし７の何れか一記載の光ヘッドを備える。

請求項１記載の発明によれば、カップリングレンズの焦点距離と検出レンズの焦点距離とが異なるようにしているのでフレア光を小さくすることができ、かつ、カップリングレンズと検出レンズとを同一光路上に配設しているので光ヘッドを小さくすることができる。

又、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子を備え、この光学素子とカップリングレンズとの組合せにより検出レンズを構成しているので、検出レンズの焦点距離をフレア光が少なくなるように最適化することができ、多層光記録媒体により発生するフレアを抑制することができる。

又、レンズ作用を示す光学素子は凹レンズ作用を有するものとしているので、この光学素子とカップリングレンズとの組合せで構成される検出レンズの焦点距離をカップリングレンズ単体での焦点距離よりも大きくして、多層光記録媒体により発生するフレア光を小さくすることができる。又、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子をカップリングレンズと対物レンズとの間に配置しているので、光記録媒体からの反射光が受光素子上に結像するようにして、ホログラムユニットの構成（受光素子の位置）を変えることなく信号検出することができる。

請求項２記載の発明によれば、ホログラムユニットのような光源と受光素子とを同一パッケージ内に実装して一体化したユニットを用いることで、多層光記録媒体により発生するフレア光を小さくしつつ光ヘッドの小型化を実現できる。

請求項３記載の発明によれば、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子を光学的異方性材料からなるレンズとしたので、光源からの光に対してはレンズ作用を示さず透過し、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示すことができる。

請求項４記載の発明によれば、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子を光学的異方性材料からなる回折型レンズとしたので、光源からの光に対してはレンズ作用を示さず透過し、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示すことができる上に、レンズ設計の自由度を大きくすることができる。

請求項５記載の発明によれば、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子とカップリングレンズとを一体化しているので、光学素子とカップリングレンズとの間隔が変動しないようにして検出レンズの焦点距離変動を抑えて、オフセットや感度変動の発生を小さくすることができる。

請求項６記載の発明によれば、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子が、複数波長光に対して共用されてレンズ作用を示すので、規格の異なる多層光記録媒体に対してもフレア光を小さくすることができ、良好な信号を得ることができる。

請求項７記載の発明によれば、光記録媒体からの反射光に対してのみレンズ作用を示す光学素子を、短波長光源用のカップリングレンズから遠い位置の光路上に配置させているので、規格の異なる多層光記録媒体全てに対してフレアが小さくなるようにすることができる。

請求項８記載の発明の光ディスクドライブ装置によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の光ヘッドを備えるので、フレア光を小さくして信頼性の高い信号が得られると同時にホログラムユニットを用いることもでき、ドライブの薄型化を実現でき、ノート型パソコン等に搭載できる光ディスクドライブ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は本実施の形態の光ヘッド１の構成例を示す側面図である。本実施の形態の光ヘッド１は、複数、例えば２つの記録層Ｌ０，Ｌ１が所定の間隔を隔てて形成された多層構造の光記録媒体２に対する記録／再生用として用いられるものであり、ホログラムユニット３とカップリングレンズ４と所定の光学素子５と立上げミラー６と１／４波長板７と対物レンズ８とにより構成されている。

ホログラムユニット３は、レーザ光を発する光源としての半導体レーザ９と、光記録媒体２からの反射光を受光するための受光素子１０とを一体に実装してなるもので、その入出射面にはホログラム１１が設けられている。

カップリングレンズ４は、半導体レーザ９から出射されホログラム１１を透過した光を取り込んで平行光束化するためのレンズであり、半導体レーザ９から出射された光をより多く取り込むことと、かつ、取り込んだビームの最外周部の強度を一定以上に確保することとを両立し得る焦点距離ｆ１を有するものが用いられている。この焦点距離ｆ１は１０〜２０ｍｍ程度になるのが一般的である。

カップリングレンズ４で平行光（平行光でない場合もある）となったレーザ光は、光学素子５を透過し、立上げミラー６で直角に反射されて１／４波長板７で円偏光に変換されて、対物レンズ８により多層構造の光記録媒体２の所望の記録面（図１ではＬ０層）上に集光される。

ここに、カップリングレンズ４とともに同一光路上に配設された光学素子５はカップリングレンズ４とともに検出レンズ１２を構成するもので、半導体レーザ９から出射されたレーザ光に対してはレンズ作用を示さず光記録媒体２からの反射光に対してレンズ作用を示す光学特性を有する素子が用いられている。

そこで、多層構造の光記録媒体２から反射された光の振る舞いについて図２を参照して説明する。光記録媒体２のＬ０層から反射された光は、対物レンズ８、１／４波長板７を通って立上げミラー６で反射されて光学素子５へと入射する。このとき、光記録媒体２からの反射光は、１／４波長板７により偏光方向が９０度回転している。この偏光に対して光学素子５はレンズ作用を示す。とりわけ、ここでは光学素子５が反射光に対して凹レンズとして作用することとして話を進める。凹レンズの焦点距離はｆ２とする。光記録媒体２からの反射光は光学素子５でその凹レンズ作用により発散光となりカップリングレンズ４に入る。カップリングレンズ４は凸レンズなので再度収束光となってホログラム１１で回折され受光素子１０に導かれる。

ここで、光学素子５の焦点距離ｆ２、カップリングレンズ４の焦点距離ｆ１、光学素子５とカップリングレンズ４との間隔ｄとすると、光学素子５とカップリングレンズ４とを組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆは、
1／ｆ＝１／ｆ１＋１／ｆ２−ｄ／（ｆ１＊ｆ２）……………（１）
なる式で表される。

例えば、カップリングレンズ４の焦点距離ｆ１＝２０ｍｍ、光学素子５の焦点距離ｆ２＝−３０ｍｍ、光学素子５とカップリングレンズ４との間隔ｄ＝１０ｍｍとすると、光学素子５とカップリングレンズ４とを組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆは、(１)式よりｆ＝３０ｍｍとなる。ｆ＝３０ｍｍであれば光学系の横倍率Ｍは１０（＝３０ｍｍ／３ｍｍ（対物レンズ８の焦点距離））となるので、受光素子１０の寸法Ｄを１００μｍとすると、Ｄ／Ｍ＝１００／１０＝１０μｍになる。従って、Ｄ／Ｍ＝８〜１２μｍに入っておりフレア光に対して強い光学系となる。

このように本実施の形態の光ヘッド１によれば、光学素子５が、半導体レーザ９から光記録媒体２へと向かう光（往路光）に対しては透過するだけで何らレンズ作用を及ぼさないので、カップリングレンズ４を最適な焦点距離ｆ１に設計でき、かつ、光記録媒体２から反射された光に対してはレンズ作用を示すので、カップリングレンズ４と組合せて最適な焦点距離ｆの検出レンズ１２を実現することができる。従って、カップリングレンズ４と検出レンズ１２とが共用されるホログラムユニット３を使った光学系においてもフレア光の少ない良好な信号検出が可能となる。

もっとも、本実施の形態は、ホログラムユニット３に限らず、光源と受光素子とが同一パッケージに実装され、カップリングレンズと検出レンズとが共用される光学系に対しても本実施の形態の光学素子５は有効に作用する。

次に、光学素子５の最適位置について説明する。光学素子５とカップリングレンズ４とを組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆは(１)式で表される。２つのレンズ４，５を組合せた検出レンズ１２の焦点距離がｆとは、平行光が入射した位置から約ｆｍｍのところに集光すると考えられる。ここでは、光学素子５の作用により、焦点距離ｆをカップリングレンズ４の焦点距離ｆ１より大きくしたい。

そこで、図３（ｂ）に示すように光学素子５を半導体レーザ９とカップリングレンズ４との間の光路上に配設したとすると、焦点距離ｆは大きくなるが、集光点が受光素子１０よりも遠くになってしまい、受光素子１０の位置を動かさなければならない。受光素子１０の位置を動かすと言うことは、半導体レーザ９と受光素子１０との配置を変えなければならず、現状のホログラムユニットの構造を変えなければいけなくなってしまう。結果として、ホログラムユニットが大きくなったり、高コスト化してしまうので、現状のホログラムユニット３を流用するためには、光学素子５は、図３（ａ）に示すように、カップリングレンズ４と対物レンズ８との間の光路上に配設させることが望ましい。

また、このような光学素子５の具体的な構成例について説明する。本実施の形態の光学素子５は、半導体レーザ９から出射された光と光記録媒体２からの反射光との、偏光方向の違いを利用したものである。このような偏光方向によりレンズ作用の有無を生じさせるためには、当該光学素子５を光学的異方性材料で形成すればよい。光学的異方性材料としては、ＬｉＮｂＯ_３結晶やＣａＣＯ_３や液晶や有機延伸膜と言った材料がある。このような材料を使ってレンズ構造を形成すれば、半導体レーザ９からの光に対してはレンズ作用を示さず透過し、光記録媒体２からの反射光に対してはレンズ作用を発生させることができる。

図４にその一例を示す。光学的異方性材料としては液晶２１を用いた例を示す。一方のガラス２２（屈折率ｎ＝１．５）表面を曲面形状に加工し、他方の平板ガラス２３（屈折率ｎ＝１．５）との間に液晶２１（常光屈折率ｎｏ＝１．５，異常光屈折率ｎｅ＝１．７）を充填する。液晶２１は、半導体レーザ９からの光（常光）に対してはガラス２３，２２と同じ屈折率を示すのでレンズ作用は示さず単なる平板として透過する一方、光記録媒体２からの反射光（異常光）に対してはガラス２２，２３とは異なる屈折率を示すのでレンズとして作用する。

なお、光学素子５を回折型のレンズとして形成する場合は、図５に示すようにガラス２２に同心円状に凹凸２２ａを設けてそこに液晶２１を充填すればよい。このような回折型のレンズは、輪帯（同心円状の凹凸２２ａ）の周期構造を変えるだけでレンズの焦点距離を変えることができるのでレンズの設計自由度が大きくなる。さらには、凹凸２２ａの断面をブレーズ化（鋸刃状）すれば１００％近い高効率を得ることもできる。

次に、経時変化や温度特性に対して安定化を図り得る構成例について説明する。本実施の形態の光学素子５とカップリングレンズ４とを組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆは、（１）式で示したように、カップリングレンズ４の焦点距離ｆ１、光学素子５の焦点距離ｆ２、光学素子５とカップリングレンズ４との間隔ｄによって決まる。

この際、焦点距離自体は経時的に大きく変わるものではないが、光学素子５とカップリングレンズ４との間隔ｄは経時変化や温度特性に対して変化する可能性がある。この間隔ｄが変化すると組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆが変動し、信号にオフセットが生じたり、Ｆｏ信号感度が変動したりする不具合を生じ得る。このような不具合を未然に防止するためには、図５に示すように、光学素子５とカップリングレンズ４とを例えばレンズホルダ２４等を用いて一体化すればよい。光学素子５とカップリングレンズ４とが予め一体化されていれば、間隔ｄの変動量は小さくなるので組合せた検出レンズ１２の焦点距離ｆが変動する量も小さくなる。また、光ヘッド１にカップリングレンズ４を組付けるときも光学素子５は、半導体レーザ９から出射されたレーザ光に対しては素通りするだけなので、一体化されていたとしても通常のカップリングレンズを組付けるときと何ら変わりはない。さらに一体化する際に、光学素子５とカップリングレンズ４のレンズ光軸合わせをしてから一体化すれば、光ヘッド１への組付けは容易になる。

前述したような本実施の形態の光ヘッド１は、多層構造の光記録媒体２を対象とする光ディスクドライブ装置に好適に適用することができる。本実施の形態の光ヘッド１によれば、多層構造の光記録媒体２によるフレア光が小さくなるので信頼性の高い再生信号を得ることができ、また、ホログラムユニット３を使うことができるので、小型で経時変化や温度等に安定であり、さらに光学素子５のレンズ作用は偏光を利用しているので光利用効率が高く高速再生に適している、といったメリットを持つため、特に、ノート型パソコン等への搭載が好適となる。

ところで、本実施の形態の光ヘッド１をこのような光ディスクドライブ装置に適用する上で、半導体レーザ９（ホログラムユニット３）とカップリングレンズ４とを使用波長を異ならせて複数組備え、光学素子５についてはこれらの複数の波長光に対して共用させる構成とすれば、ＣＤやＤＶＤやBlu-Ray、ＨＤ−ＤＶＤなど規格の異なる光記録媒体２について兼用可能な光ヘッドとして提供することができる。ここでは、一例として、ＤＶＤ多層光記録媒体とBlu-Ray多層光記録媒体とに対応可能な光ヘッドの場合について図７を参照して説明する。

光ヘッド１の小型化のために全てホログラムユニット３ａ，３ｂ，３ｃを使った構成とすると、図７に示すような光学系となる(ビーム整形素子や収差補正素子等の本発明に直接関係のない素子は省略)。３ａはBlu-Ray用ホログラムユニット、３ｂはＤＶＤ用ホログラムユニット、３ｃはＣＤ用ホログラムユニットである。また、４ａはBlu-Ray用カップリングレンズ、４ｂはＤＶＤ用カップリングレンズ、４ｃはＣＤ用カップリングレンズである。光学素子５とカップリングレンズ４ａとによりBlu-Ray用検出レンズ１２ａが構成され、光学素子５とカップリングレンズ４ｂとによりＤＶＤ用検出レンズ１２ｂが構成されている。なお、２５ａ〜２５ｃはビームスプリッタである。

この場合、例えばＮＡ０．６５のＤＶＤとＮＡ０．８５のBlu-Rayでは、検出レンズのＮＡが同じ（焦点距離が同じ）であればＮＡ０．８５のBlu-Rayの方がフレアに強く、同じ規格であれば検出レンズのＮＡが小さい（焦点距離が長い）方がフレアに強いことが判る。これを本発明に当てはめると、ＮＡ０．６５のＤＶＤの方の検出レンズ１２ｂのＮＡが小さく（焦点距離が大きい）なるようにしてフレアに強くすればよいことが判る。前述の（１）式において、焦点距離ｆを大きくするためには、間隔ｄを小さくすれば良い。即ち、光学素子５とＤＶＤ用のカップリングレンズ４ｂまでの距離ｄ２を、Blu-Ray用のカップリングレンズ４ａまでの距離ｄ１より小さくすればよい。このような構成とすることにより、ＤＶＤ多層光記録媒体とBlu-Ray多層光記録媒体との両方について再生可能な光ヘッドにおいて、どちらもフレア光が少なく安定した信号検出が可能となる。

本発明の一実施の形態の光ヘッドの構成例を示す側面図である。 多層構造の光記録媒体から反射された光の振る舞いについて説明するための側面図である。 光学素子の配設例の良否を示す側面図である。 光学素子の構成例を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）はその正面図である。 光学素子の別の構成例を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）はその正面図である。 カップリングレンズと光学素子との一体化構成例を示す側面図である。 ＤＶＤ多層光記録媒体とBlu-Ray多層光記録媒体とに対応可能な光ヘッドの構成例を示す側面図である。 多層構造の光記録媒体用の一般的な光ヘッドの構成例を示す側面図である。 ホログラムユニットを使用する場合の多層構造の光記録媒体用の一般的な光ヘッドの構成例を示す側面図である。

符号の説明

１ 光ヘッド
２ 光記録媒体
３ ホログラムユニット
４ カップリングレンズ
５ 光学素子
８ 対物レンズ
９ 光源
１０ 受光素子
１２ 検出レンズ

Claims (8)

1. 光源と、
   この光源から出射されたレーザ光を光記録媒体に向けて導くためのカップリングレンズと、
   このカップリングレンズを経たレーザ光を前記光記録媒体に対して集光照射させる対物レンズと、
   前記光記録媒体からの反射光を前記光源から出射されたレーザ光と分離する光束分離素子と、
   この光束分離素子からの光束を受光する受光素子と、を備える光ヘッドにおいて、
   前記光源から出射されたレーザ光に対してはレンズ作用を示さず前記光記録媒体からの反射光に対してのみ凹レンズ作用を示す光学素子を、前記光束分離素子とは別に前記カップリングレンズと同一光路上の前記カップリングレンズと前記対物レンズとの間に設けた事を特徴とする光ヘッド。
2. 前記光源と前記受光素子とは同一パッケージ内に実装されている、請求項１記載の光ヘッド。
3. 前記光学素子は、光学的異方性材料からなるレンズである、請求項１又は２の何れか一記載の光ヘッド。
4. 前記光学素子は、光学的異方性材からなる回折型レンズである、請求項１又は２記載の光ヘッド。
   
5. 前記光学素子は、前記カップリングレンズと一体化されている、請求項１ないし４の何れか一記載の光ヘッド。
   
6. 前記光源と前記カップリングレンズとを使用波長を異ならせて複数組有し、前記光学素子は前記光記録媒体からの複数の波長の反射光に対して共用され何れの反射光に対してもレンズ作用を示す、請求項１ないし４の何れか一記載の光ヘッド。
7. 前記光学素子と前記カップリングレンズとの間隔は、波長の短い光をカップリングするレンズほど間隔が大きくなるように配置されている、請求項６記載の光ヘッド。
8. 請求項１ないし７の何れか一記載の光ヘッドを備える光ディスクドライブ装置。
   

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