JP4373036B2 - 光ピックアップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報をトラック上に記録する光ディスクなどの光学式情報記録媒体の記録層に対して集光された光ビームの照射により情報の記録及び／又は再生を行う装置における光ピックアップに関し、特に、当該光ピックアップにおける光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは、映像データ、音声データ及びコンピュータデータなどのデータを記録再生する手段として広く用いられている。例えば、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)と称される高密度記録型光ディスクが実用化されている。
記録容量を拡大するという要求から次世代光ディスクシステムとして、光ピックアップにおいては、例えば、短い波長の青紫レーザを光源に用いかつ開口数ＮＡが０．８を越えるような対物レンズを用いつつ、ＤＶＤよりさらに高い密度で記録した光ディスクを用いることが検討されている。
【０００３】
光ディスクの記録層上には最表面の光透過層であるカバー層が設けられているが、対物レンズの開口数を大きくした場合、情報を記録再生する際に透過するカバー層の厚さが基準値から偏倚していると、球面収差が多く発生し、本来の対物レンズがもっている空間周波数特性（ＭＴＦ）を実現することができない。特に短いマークやピットを記録再生する場合に、カバー層の厚さムラによりジッタの発生量が増加するという問題点が生じる。
【０００４】
このような問題を解決するために、カバー層厚み誤差により発生する球面収差と対物レンズ自身の製造誤差による球面収差を補正する必要がある。そのために凹凸２枚構成のエキスパンダレンズを配置したり（特開２０００−１３６０３号）、他の例ではコリメータレンズを可動にした（特開平１１−２５９９０６号）光ピックアップが提案されている。
【０００５】
エキスパンダレンズによる球面収差補正においては、エキスパンダレンズにより対物レンズに入射する光ビームを平行光から収束光若しくは発散光とすることによって、対物レンズからの透過光に予め球面収差を発生させ、カバー層で発生する球面収差を補正する。すなわち、カバー層厚さが基準値である場合には、エキスパンダレンズが平行に入射した光ビームを平行に透過するように動作し、光ビーム径を若干変化させる。このとき、対物レンズ透過時に発生する球面収差が基準厚さのカバー層で発生する球面収差とちょうど打ち消し合うように対物レンズが設計されていれば、基準厚さのカバー層を通して集光したスポットでは球面収差が発生しない。カバー層厚が基準値から偏倚している場合には、エキスパンダレンズにより出射光ビームを平行光から収束光若しくは発散光に変化させる。具体的には、収束光若しくは発散光によって対物レンズで発生する球面収差量をカバー層厚によって変化した球面収差発生量と相殺するように変化させ、情報記録面上では無収差とするような補正を行なうのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高密度光ディスクシステムでも、マルチビームを必要とするトラッキングエラー検出のためのＤＰＰ(Differential Push Pull)法や、高密度化のためのＣＴＣ(Cross Talk Canceler)法を適用しようとする要請がある。
上記のようなエキスパンダレンズなどの球面収差補正光学系を含んだ光ピックアップで、かつマルチビームを使用するとき、球面収差補正系の動作に従ってマルチビームのお互いの記録面上のスポット間隔が変化するという問題が生じる。
【０００７】
ビームスポット間隔の変化は、ＤＰＰにおいてはトラッキングエラー検出感度の劣化、ＣＴＣではメインビームスポット−サブビームスポット間の遅延時間の変化になり問題となる。本発明はかかる問題を解消するためになされ、その目的は、球面収差補償を行っても記録層上でのスポット間隔が変化を抑制する光学系を有する光ピックアップを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ピックアップは、光を出射する光源と、前記光を光学式情報記録媒体の記録層に集光して照射する対物レンズと、前記光源及び前記対物レンズの間に配置されかつ光軸方向に移動制御される少なくとも１つの可動レンズを含み前記可動レンズの移動により前記光を収束光若しくは発散光として球面収差を補正する収差補正レンズ群と、を備え、前記収差補正レンズ群には、前記光学式情報記録媒体の記録層上に所定のビームスポット間隔でもって照射されるマルチビームが入射され、該マルチビームの照射により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップであって、前記収差補正レンズ群の出射側主面と前記対物レンズの主面との間隔が、前記対物レンズの開口数、前記収差補正レンズ群の出射側焦点距離、及び前記対物レンズの焦点距離に応じて定まる範囲内にあり、
前記収差補正レンズ群のうち最も出射側にあるレンズの出射側主面と前記対物レンズの主面との前記間隔ｅ 2 が下記の（１８）式、
【数２】
（式中、ＮＡは前記対物レンズの開口数を、ｆ 2 は前記収差補正レンズ群の出射側焦点距離を、ｆ 3 は前記対物レンズの焦点距離を、それぞれ表す）を満たすこと、並びに、
前記対物レンズの開口数は、０．８０以上であること、を特徴とする。
【００１１】
本発明の光ピックアップにおいては、前記収差補正レンズ群は、正レンズ群と負レンズ群との２群で構成され、前記可動レンズが前記正レンズ群及び負レンズ群の少なくとも１方に含まれ、前記可動レンズにより前記正レンズ群の主面と前記負レンズ群の主面との間隔が光軸方向に可変とされることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光ピックアップにおいては、前記可動レンズは前記光源からの略平行光に変換するコリメータレンズで構成されていることを特徴とする。本発明の光ピックアップにおいては、前記対物レンズの焦点距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の光ピックアップを添付図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明による光ディスクの情報記録再生装置の光ピックアップの光学系の概略を示す。該情報記録再生装置の光ピックアップは、波長が４００ｎｍ〜４１５ｎｍ好ましくは４０５ｎｍ付近の短波長の青を出射する青色半導体レーザ１１を備えている。さらに、光ピックアップは、コリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３、負レンズの第１レンズＬ１及び正レンズの第２レンズＬ２からなるエキスパンダレンズ、並びに２つのレンズを含む２群対物レンズＬ３を備えている。なお、エキスパンダレンズはそれぞれ複数のレンズからなる正レンズ群と負レンズ群で構成できる。以上の光照射光学系によって、半導体レーザ１１からの発散光ビームは、コリメータレンズ１２で平行光ビームに変換され、ビームスプリッタ１３を透過して、対物レンズＬ３によって、その焦点付近にその記録層が位置するように置かれている光ディスク１９に向けて集光され、光ディスク１９の情報記録面のピット列上で光スポットを形成する。２枚のレンズを組み合わせたエキスパンダレンズは、両レンズＬ１、Ｌ２を光軸に沿って離すように駆動して対物レンズに入射する光ビームを平行光から収束光とし、逆に近接するように駆動して発散光とすることによって、波面を制御して予め球面収差を発生させ、これによって、光ディスク１９のカバー層で発生する球面収差を相殺する。また、対物レンズとして２群対物レンズＬ３を用いているが、対物レンズは、単一レンズでも複数レンズ（レンズ群）でも良い。
【００１４】
以上の光照射光学系に加えて、光ピックアップはさらに検出レンズなど光検出光学系を有しており、対物レンズＬ３及びビームスプリッタ１３は光検出光学系にも利用されている。光検出光学系により、光ディスク１９からの反射光は、対物レンズＬ３で集められビームスプリッタ１３によって検出用集光レンズ１１０に向けられる。検出レンズ１１０で集光された集束光は、例えば、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素子（図示せず）を通過して、光検出器の受光面１１１中心付近に光スポットを形成する。
【００１５】
また、受光面１１１を有する光検出器は復調回路３０及びエラー検出回路３１に接続されている。エラー検出回路３１は、対物レンズユニットのトラッキング制御及びフォーカス制御用のアクチュエータ２６を含む機構を駆動する駆動回路３３に、さらにエキスパンダレンズの第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２間の光軸上の距離を制御するアクチュエータ２６ａを含む機構を駆動する球面収差補正用レンズ群駆動回路３３ａに接続されている。
【００１６】
光検出器は、その受光面１１１中心付近に結像された光スポット像に応じた電気信号を復調回路３０及びエラー検出回路３１に供給する。復調回路３０は、その電気信号に基づいて記録信号を生成する。エラー検出回路３１は、その電気信号に基づいてフォーカスエラー信号や、トラッキングエラー信号や、球面収差エラー信号や、その他サーボ信号などを生成し、アクチュエータの駆動回路３３、３３ａを介して各駆動信号を各アクチュエータに供給し、これらが各駆動信号に応じて対物レンズＬ３、エキスパンダレンズなどをサーボ制御して駆動する。
【００１７】
実施形態の光ピックアップの再生動作を説明する。ビームスプリッタ１３を透過した平行光ビームは、可動レンズの第１レンズＬ１によってエキスパンダレンズの倍率に対応した発散光となる。この発散光を第２レンズＬ２は平行光或いは収差が補償された収束光若しくは発散光として対物レンズＬ３へと導く。可動レンズの第１レンズＬ１はアクチュエータ２６ａにより球面収差エラー信号に応じて光軸上で駆動され、波面収差を補償する。
【００１８】
光ディスク１９のカバー層膜厚が基準の厚さである場合において、第１レンズＬ１は基準位置にあり平行光ビームを対物レンズＬ３に出射する。カバー層の厚さが基準より薄いときには、両レンズの主面間隔を広げるように第１レンズＬ１を移動し、対物レンズＬ３の入射側主面位置には収束光が入射するように動作させる。これによって、対物レンズＬ３での球面収差発生量が増加し、カバー層が薄くなったことによってカバー層で発生する球面収差量が減少している分を補償する。これに対し、カバー層の厚さが基準値より厚いときには、両レンズの主面間隔を狭くするように第１レンズＬ１を移動し、対物レンズＬ３の入射側主面位置には発散光が入射するように動作させ、カバー層による球面収差量の増加分を補償する。
【００１９】
次に、本発明の原理を詳述する。
図２（ａ）のように第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２からなるエキスパンダレンズと、対物レンズＬ３からなる光学系を考える（各レンズは薄肉レンズとして記述してある）。これは、第１レンズＬ１（焦点距離ｆ1、パワーｐ1）、第２レンズＬ２（焦点距離ｆ2、パワーｐ2）、対物レンズＬ３（焦点距離ｆ3、パワーｐ3）の合成の焦点距離をｆとすると、図２（ｂ）のような焦点距離ｆの一つの対物レンズＬと等価となる。３ビーム（メインビームと両側の２つのサブビーム）の入射角（メインビーム）をθとすると、３ビームのスポット間隔ｑ（メインビームスポットとサブビームスポットの間隔）は、
【００２０】
【数３】
ｑ＝ｆ・ｔａｎθ （１）
となる。また、エキスパンダレンズ駆動後（球面収差補正後）の合成焦点距離をｆ′、３ビームスポット間隔をｑ′とすると、
【００２１】
【数４】
であるので、３ビームのスポット間隔の変化量をΔｑとして、
【００２２】
【数５】
が成り立つ。ただし、ｐ（＝１／ｆ）は合成系のパワーを表す。この左辺は元々の３ビームスポット間隔ｑに対するその変化量の割合を表しており、この割合を所定量Χ以下に押さえることが目的である。すなわち、
【００２３】
【数６】
を満たすことが所望の条件となる。
まず、エキスパンダレンズが動いていない状態での合成系のパワーｐを求める。合成系パワーｐは、各パワーｐ1、ｐ2、ｐ3及び主面間隔ｅ1、ｅ2を用いて、以下のように表せる。
【００２４】
【数７】
ここで、第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２はエキスパンダレンズ（共焦点系）であるので、合成パワーは０である。
【００２５】
【数８】
ｐ1＋ｐ2−ｅ1ｐ1ｐ2＝０ （６）
これを（５）式に代入すると、
【００２６】
【数９】
となる。
次に、エキスパンダレンズの主面間隔がｅ1からｅ1＋εへとεだけ変化したとき、すなわち第１レンズＬ１を駆動させたときの合成パワーｐ′を求める。
（２）式の主面間隔ｅ1のところを主面間隔ｅ1＋εと置きかえることによって、
【００２７】
【数１０】
（３）式と（７）式と（８）式より、エキスパンダレンズ主面間隔の変化に対する３ビームスポット間隔の変化の割合は、以下のように表すことができる。（７）式と（８）式を（３）式に代入すると、
【００２８】
【数１１】
これを（４）式に代入すると、
【００２９】
【数１２】
となる。
この式は最適な主面間隔ｅ2の範囲を表すものであるが、その範囲がエキスパンダレンズの第１レンズＬ１の移動量εの関数となっている。所定の球面収差量（＝光ディスク厚み誤差）を補正するために、どのくらいエキスパンダレンズ主面間隔ｅ 1 を変化させればよいかは、エキスパンダレンズの設計によって異なるので、この形では範囲がわかりにくい。そこで、所定の光ディスク厚み誤差を補正するために必要となるεの値を求めて、（１０）式に代入することにする。
【００３０】
球面収差の補正は、対物レンズに対して平行光ではなく、収束光または発散光を入射することにより行う。入射光の発散または収束具合を、対物レンズに対する横倍率βで表す。図３のような光学系において、倍率βは以下の式で表される。
【００３１】
【数１３】
平行光入射の時はｓ＝∞であるのでβ＝０である。また、β＜０のとき発散光（図３と同じ状態）であり、β＞０のとき収束光となる。βの絶対値が大きくなるほど物点距離ｓは小さく（物点が対物レンズに近く）なり、より大きな球面収差の補正が可能となる。
【００３２】
図４はＮＡや焦点距離の異なる数種類の対物レンズ（いずれも０．１ｍｍの基板に対して収差が小となるように設計されたもの）に関して、光ディスクのカバー層厚み誤差を補正するために必要なβの値を計算した結果である。横軸はカバー層厚み誤差［ｍｍ］、縦軸には倍率（以下の式で表される量）
【００３３】
【数１４】
をとってある（ｆ3とＮＡはそれぞれ対物レンズの焦点距離と開口数）。レンズの種類によらず、所定の球面収差を補正するのに必要なかかる倍率の値はほぼ一定であることが分かる。この図より、βとｔ（カバー層厚み誤差）の関係は、
【００３４】
【数１５】
と表せる。
次にεとβの関係を求める。図５において、第２レンズＬ２に入射する光線は、仮想的な物点Ｏからの光線と考えても等価であるので、第２レンズＬ２に関する近軸結像公式より、
【００３５】
【数１６】
が得られる。また、対物レンズＬ３に関する近軸結像公式より、
【００３６】
【数１７】
図５に示す光線追跡により、ｓ＝ｓ2‐ｅ2であるから、
【００３７】
【数１８】
これをεについて解くと、
【００３８】
【数１９】
（１２）式を代入すると、
【００３９】
【数２０】
ただし式が煩雑になるため、
【００４０】
【数２１】
とおいた。
これで、カバー層厚み誤差ｔに対して、必要なεの値が求まったので、（１０）式に代入すると、
【００４１】
【数２２】
【００４２】
エキスパンダレンズで±３０μｍ程度の光ディスク厚み誤差を補償することが見込まれる。
また、許容されるＤＰＰにおける３ビームスポット間隔ずれ量の見積もりを計算した。トラック上にメインビームスポットが配置され、トラック間にはサブビームスポットが配置される。エキスパンダレンズの駆動により、元間隔ｑからサブビームはΔｑずれることになる。実際にＤＰＰのゲインに関与するのはサブビームの半径方向の位置のみである。よって、サブビームずれの半径方向成分ΔａがＤＰＰのゲインに影響を与えることになる。相似形なので、（Δａ）／ａ＝（Δｑ）／ｑである。
【００４３】
図６はビームスポット間隔の半径方向成分ａに対するΔａの割合（Δａ／ａ）を横軸に取り、縦軸にＤＰＰのゲイン変化を表している。光ディスク再生時の良好なプレイアビリティを確保するためには、ＤＰＰのゲインは３ｄＢ（約２９％）落ち程度に押さえることが望ましい。
一方、光ディスクの偏芯クランプ誤差によりΔａ／ａの値で±３０％程度のビーム位置ずれを生ずる。これによりビームスポット間隔ずれ量より狭い範囲でゲインの低下を招く。エキスパンダレンズ駆動によるビームスポット間隔変動を含めたトータルのゲイン低下が３ｄＢ以内となるためには、エキスパンダレンズ駆動によるビームスポット間隔変動は、Δａ／ａの値（＝Δｑ／ｑの値）で±５％以内に押さえる必要がある。
【００４４】
これらスポット間隔ずれ量と偏芯クランプ誤差の結果を示す図６より、ＤＰＰ（作動プッシュプル法）のゲインを８０％以上確保するためには、クランプ誤差などによる位置ずれの分も考慮するとエキスパンダレンズ駆動による３ビームのスポット位置ずれは５％程度以内に納めるのが望ましい。
よって、（１７）式に｜ｔ｜＝３／１００［ｍｍ］、Ｘ＝５／１００を代入すると、
【００４５】
【数２３】
【００４６】
となる。
これまでエキスパンダレンズの第１レンズＬ１を駆動した場合について述べてきた。次に第２レンズＬ２を駆動する場合について述べる。エキスパンダレンズの主面間隔がｅ1からｅ1＋εへと変化したとき、同時に主面間隔ｅ2もｅ2からｅ2−εへと変化する。（８）式の主面間隔ｅ2のところをｅ2−εと置き換えることによって、
【００４７】
【数２４】
【００４８】
が得られる。
（７）式と（２２）式を（３）式に代入すると、
【数２５】
ここでｆ2 2≫ε2であるため、ε2の項を無視すると、
【００４９】
【数２６】
と、（９）式と全く同じ形となるため、そのまま（１０）式も成立する。
また、図５の光線追跡において、主面間隔ｅ2をｅ2‐εと置きかえると、（１４）式のβは
【００５０】
【数２７】
となるが、ここでもｆ2 2≫ε2であるため、ε2の項を無視すると、
【数２８】
と、（１４）式と全く同じ形となる。
以降の式の展開は全く同じであるので、同様にして式（１８）が成立する。つまり、第１レンズＬ１を駆動する場合、第２レンズＬ２を駆動する場合ともに、（１８）式の範囲が最適な主面間隔ｅ2の範囲となる。
【００５１】
以上の実施形態においては、球面収差補正手段として２つのレンズからなるエキスパンダレンズを用いた場合を説明したが、球面収差を補正する手段として、エキスパンダレンズを用いずに、コリメータレンズと、光源との距離を変化させる方法もある。例えば、図７に示すように、平行平板からなるビームスプリッタ９３及びコリメータレンズＬ２からなるいわゆる有限光学系も本発明の情報記録再生装置に適用できる。図７中図１に示す同一符号の部材は同一のものである。この例ではコリメータレンズＬ２を駆動する構成としたが、代わりに半導体レーザ１１を光軸方向に移動せしめる構成としても球面収差を変化させることができる。通常、コリメータレンズと光源の距離は、コリメータレンズの焦点距離に等しくなるように配置されるが、この距離を変化させることにより、コリメータレンズ出射が平行光ではなくなり、対物レンズに関する倍率をコントロールすることができ、結果として球面収差の補正が可能になる。この場合も原理はエキスパンダレンズを用いた場合と全く同様である。図７において、エキスパンダレンズに平行光を入射させる代わりに、光源１１からの光線が直接、コリメータレンズＬ２に入射すると考えれば、コリメータレンズＬ２以降の光路は完全に図１の第２レンズＬ２同一であり、コリメータレンズによる球面収差補正の場合もエキスパンダレンズと同様であることは明らかである。
【００５２】
なお、コリメータレンズＬ２の位置を光軸方向に変化させることにより補正する場合は、エキスパンダレンズの第２レンズを駆動する場合に相当し、光源の位置を光軸方向に変化させることにより補正する場合は、エキスパンダレンズの第１レンズを駆動する場合に相当する。
（実施例）
エキスパンダレンズと対物レンズに関して、光線追跡シミュレーションにより、表１に示す条件で、エキスパンダレンズ駆動時の３ビームスポット間隔変動を計算した。エキスパンダレンズの第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２と対物レンズＬ３の主な仕様は以下の通りである。
Ｌ１焦点距離：−１７．８２１ｍｍ
Ｌ２焦点距離：２１．４７５ｍｍ
Ｌ３焦点距離：１．７７０ｍｍ
Ｌ３の開口数：０．８５
光源仕様波長：４０５ｎｍ
【００５３】
【表１】
【００５４】
なお、表１中、SRFは光源側からの屈折面番号を、RADIUSは曲率半径を、THICKNESSは屈折面間距離を、INDEXは屈折率を、TERM非球面係数を示す。SRF−１，２はＬ１を、SRF−３，４はＬ２を、SRF−５，６は２群レンズのＬ３の入射側レンズを、SRF−７，８は２群レンズのＬ３の出射側レンズを、SRF−９，１０はディスクカバー層を示す。
【００５５】
シミュレーションの結果を図８に示す。図８は±３０μｍの光ディスク厚み誤差において、像面での光軸上収差が最小となるようにエキスパンダレンズを駆動したときの、３ビームスポット間隔の変化率（（エキスパンダレンズ補正による３ビームスポット間隔の変化量）／エキスパンダレンズ補正前の３ビーム位置））を、主面間隔ｅ2の関数としてプロットしたグラフである。
【００５６】
（１８）式から得られる範囲は、１２．３６９ｍｍ＜ｅ2＜３４．１２１となる。ここでｅ2は第２レンズＬ２と対物レンズＬ３の主面間隔である。第２レンズＬ２の出射側主面は頂点から０．２５５ｍｍ前方に、対物レンズＬ３の入射側主面は頂点から２．５０３ｍｍ後方に位置しているので、両レンズの光軸上面間隔をｅ′とすると、ｅ2′＝ｅ2‐０．２５５‐２．５０３であるので、９．６１ｍｍ＜ｅ2′＜３１．３６ｍｍとなる。シミュレーション結果において、３ビームスポット間隔変化率が５％以内となる領域は上式とよく一致している。
【００５７】
よって、対物レンズの開口数は、０．８０以上である光ピックアップに有効に作用することが明らかになった。また、対物レンズの焦点距離が２ｍｍ以下である光ピックアップに有効に作用することも明らかになった。
本発明によれば、エキスパンダレンズなど、光ビームの収束状態を変えることによって球面収差の補償を行う光ピックアップ光学系で補償に伴って対物レンスの開口数が変化しないので、２層ディスクなどの多層記録媒体の記録再生時にも各記録層において同一のＭＴＦ特性を得ることができる。なお、本発明は、対物レンズに開口数が１を越える、いわゆるソリッドイマージョンレンズを用いた光学系に対しても同様に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、エキスパンダレンズまたはコリメータレンズの駆動により３０μｍの板厚誤差による球面収差を補正した場合でも、マルチビームのビームスポット間隔の変化量は光ディスクの記録面上で５％以内に押さえることができる。これによって、ＤＰＰの感度変化やＣＴＣの遅延時間の変化を抑圧することが可能になる。さらに、かかる構成によって、情報記録媒体において球面収差補償を行った場合に発生する開口数変化を抑え、球面収差補償に伴う信号記録再生特性の変化の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の情報記録再生装置の光ピックアップを説明する概略ブロック図。
【図２】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図３】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図４】本発明による実施形態の光ピックアップにおける光ディスクのカバー層膜厚誤差に対する横倍率の変化を示すグラフ。
【図５】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図６】本発明による実施形態の光ピックアップにおけるビーム間隔変動によるＤＰＰゲイン変動を示すグラフ。
【図７】本発明による他の実施形態の情報記録再生装置の光ピックアップを説明する概略ブロック図。
【図８】本発明による実施形態の光ピックアップにおける主面間隔ｅ2に対する３ビームスポット間隔変化率の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１１ 半導体レーザ
１２ コリメータレンズ
１３，９３ ビームスプリッタ
１９ 光ディスク
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 対物レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報をトラック上に記録する光ディスクなどの光学式情報記録媒体の記録層に対して集光された光ビームの照射により情報の記録及び／又は再生を行う装置における光ピックアップに関し、特に、当該光ピックアップにおける光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは、映像データ、音声データ及びコンピュータデータなどのデータを記録再生する手段として広く用いられている。例えば、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc)と称される高密度記録型光ディスクが実用化されている。
記録容量を拡大するという要求から次世代光ディスクシステムとして、光ピックアップにおいては、例えば、短い波長の青紫レーザを光源に用いかつ開口数ＮＡが０．８を越えるような対物レンズを用いつつ、ＤＶＤよりさらに高い密度で記録した光ディスクを用いることが検討されている。
【０００３】
光ディスクの記録層上には最表面の光透過層であるカバー層が設けられているが、対物レンズの開口数を大きくした場合、情報を記録再生する際に透過するカバー層の厚さが基準値から偏倚していると、球面収差が多く発生し、本来の対物レンズがもっている空間周波数特性（ＭＴＦ）を実現することができない。特に短いマークやピットを記録再生する場合に、カバー層の厚さムラによりジッタの発生量が増加するという問題点が生じる。
【０００４】
このような問題を解決するために、カバー層厚み誤差により発生する球面収差と対物レンズ自身の製造誤差による球面収差を補正する必要がある。そのために凹凸２枚構成のエキスパンダレンズを配置したり（特開２０００−１３６０３号）、他の例ではコリメータレンズを可動にした（特開平１１−２５９９０６号）光ピックアップが提案されている。
【０００５】
エキスパンダレンズによる球面収差補正においては、エキスパンダレンズにより対物レンズに入射する光ビームを平行光から収束光若しくは発散光とすることによって、対物レンズからの透過光に予め球面収差を発生させ、カバー層で発生する球面収差を補正する。すなわち、カバー層厚さが基準値である場合には、エキスパンダレンズが平行に入射した光ビームを平行に透過するように動作し、光ビーム径を若干変化させる。このとき、対物レンズ透過時に発生する球面収差が基準厚さのカバー層で発生する球面収差とちょうど打ち消し合うように対物レンズが設計されていれば、基準厚さのカバー層を通して集光したスポットでは球面収差が発生しない。カバー層厚が基準値から偏倚している場合には、エキスパンダレンズにより出射光ビームを平行光から収束光若しくは発散光に変化させる。具体的には、収束光若しくは発散光によって対物レンズで発生する球面収差量をカバー層厚によって変化した球面収差発生量と相殺するように変化させ、情報記録面上では無収差とするような補正を行なうのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高密度光ディスクシステムでも、マルチビームを必要とするトラッキングエラー検出のためのＤＰＰ(Differential Push Pull)法や、高密度化のためのＣＴＣ(Cross Talk Canceler)法を適用しようとする要請がある。
上記のようなエキスパンダレンズなどの球面収差補正光学系を含んだ光ピックアップで、かつマルチビームを使用するとき、球面収差補正系の動作に従ってマルチビームのお互いの記録面上のスポット間隔が変化するという問題が生じる。
【０００７】
ビームスポット間隔の変化は、ＤＰＰにおいてはトラッキングエラー検出感度の劣化、ＣＴＣではメインビームスポット−サブビームスポット間の遅延時間の変化になり問題となる。本発明はかかる問題を解消するためになされ、その目的は、球面収差補償を行っても記録層上でのスポット間隔が変化を抑制する光学系を有する光ピックアップを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ピックアップは、光を出射する光源と、前記光を光学式情報記録媒体の記録層に集光して照射する対物レンズと、前記光源及び前記対物レンズの間に配置されかつ光軸方向に移動制御される少なくとも１つの可動レンズを含み前記可動レンズの移動により前記光を収束光若しくは発散光として球面収差を補正する収差補正レンズ群と、を備え、前記収差補正レンズ群には、前記光学式情報記録媒体の記録層上に所定のビームスポット間隔でもって照射されるマルチビームが入射され、該マルチビームの照射により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップであって、前記収差補正レンズ群の出射側主面と前記対物レンズの主面との間隔が、前記対物レンズの開口数、前記収差補正レンズ群の出射側焦点距離、及び前記対物レンズの焦点距離に応じて定まる範囲内にあり、
前記収差補正レンズ群のうち最も出射側にあるレンズの出射側主面と前記対物レンズの主面との前記間隔ｅ 2 が下記の（１８）式、
【数２】
前記対物レンズの開口数は、０．８０以上であること、を特徴とする。
【００１１】
本発明の光ピックアップにおいては、前記収差補正レンズ群は、正レンズ群と負レンズ群との２群で構成され、前記可動レンズが前記正レンズ群及び負レンズ群の少なくとも１方に含まれ、前記可動レンズにより前記正レンズ群の主面と前記負レンズ群の主面との間隔が光軸方向に可変とされることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光ピックアップにおいては、前記可動レンズは前記光源からの略平行光に変換するコリメータレンズで構成されていることを特徴とする。本発明の光ピックアップにおいては、前記対物レンズの焦点距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の光ピックアップを添付図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明による光ディスクの情報記録再生装置の光ピックアップの光学系の概略を示す。該情報記録再生装置の光ピックアップは、波長が４００ｎｍ〜４１５ｎｍ好ましくは４０５ｎｍ付近の短波長の青を出射する青色半導体レーザ１１を備えている。さらに、光ピックアップは、コリメータレンズ１２、ビームスプリッタ１３、負レンズの第１レンズＬ１及び正レンズの第２レンズＬ２からなるエキスパンダレンズ、並びに２つのレンズを含む２群対物レンズＬ３を備えている。なお、エキスパンダレンズはそれぞれ複数のレンズからなる正レンズ群と負レンズ群で構成できる。以上の光照射光学系によって、半導体レーザ１１からの発散光ビームは、コリメータレンズ１２で平行光ビームに変換され、ビームスプリッタ１３を透過して、対物レンズＬ３によって、その焦点付近にその記録層が位置するように置かれている光ディスク１９に向けて集光され、光ディスク１９の情報記録面のピット列上で光スポットを形成する。２枚のレンズを組み合わせたエキスパンダレンズは、両レンズＬ１、Ｌ２を光軸に沿って離すように駆動して対物レンズに入射する光ビームを平行光から収束光とし、逆に近接するように駆動して発散光とすることによって、波面を制御して予め球面収差を発生させ、これによって、光ディスク１９のカバー層で発生する球面収差を相殺する。また、対物レンズとして２群対物レンズＬ３を用いているが、対物レンズは、単一レンズでも複数レンズ（レンズ群）でも良い。
【００１４】
以上の光照射光学系に加えて、光ピックアップはさらに検出レンズなど光検出光学系を有しており、対物レンズＬ３及びビームスプリッタ１３は光検出光学系にも利用されている。光検出光学系により、光ディスク１９からの反射光は、対物レンズＬ３で集められビームスプリッタ１３によって検出用集光レンズ１１０に向けられる。検出レンズ１１０で集光された集束光は、例えば、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素子（図示せず）を通過して、光検出器の受光面１１１中心付近に光スポットを形成する。
【００１５】
また、受光面１１１を有する光検出器は復調回路３０及びエラー検出回路３１に接続されている。エラー検出回路３１は、対物レンズユニットのトラッキング制御及びフォーカス制御用のアクチュエータ２６を含む機構を駆動する駆動回路３３に、さらにエキスパンダレンズの第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２間の光軸上の距離を制御するアクチュエータ２６ａを含む機構を駆動する球面収差補正用レンズ群駆動回路３３ａに接続されている。
【００１６】
光検出器は、その受光面１１１中心付近に結像された光スポット像に応じた電気信号を復調回路３０及びエラー検出回路３１に供給する。復調回路３０は、その電気信号に基づいて記録信号を生成する。エラー検出回路３１は、その電気信号に基づいてフォーカスエラー信号や、トラッキングエラー信号や、球面収差エラー信号や、その他サーボ信号などを生成し、アクチュエータの駆動回路３３、３３ａを介して各駆動信号を各アクチュエータに供給し、これらが各駆動信号に応じて対物レンズＬ３、エキスパンダレンズなどをサーボ制御して駆動する。
【００１７】
実施形態の光ピックアップの再生動作を説明する。ビームスプリッタ１３を透過した平行光ビームは、可動レンズの第１レンズＬ１によってエキスパンダレンズの倍率に対応した発散光となる。この発散光を第２レンズＬ２は平行光或いは収差が補償された収束光若しくは発散光として対物レンズＬ３へと導く。可動レンズの第１レンズＬ１はアクチュエータ２６ａにより球面収差エラー信号に応じて光軸上で駆動され、波面収差を補償する。
【００１８】
光ディスク１９のカバー層膜厚が基準の厚さである場合において、第１レンズＬ１は基準位置にあり平行光ビームを対物レンズＬ３に出射する。カバー層の厚さが基準より薄いときには、両レンズの主面間隔を広げるように第１レンズＬ１を移動し、対物レンズＬ３の入射側主面位置には収束光が入射するように動作させる。これによって、対物レンズＬ３での球面収差発生量が増加し、カバー層が薄くなったことによってカバー層で発生する球面収差量が減少している分を補償する。これに対し、カバー層の厚さが基準値より厚いときには、両レンズの主面間隔を狭くするように第１レンズＬ１を移動し、対物レンズＬ３の入射側主面位置には発散光が入射するように動作させ、カバー層による球面収差量の増加分を補償する。
【００１９】
次に、本発明の原理を詳述する。
図２（ａ）のように第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２からなるエキスパンダレンズと、対物レンズＬ３からなる光学系を考える（各レンズは薄肉レンズとして記述してある）。これは、第１レンズＬ１（焦点距離ｆ1、パワーｐ1）、第２レンズＬ２（焦点距離ｆ2、パワーｐ2）、対物レンズＬ３（焦点距離ｆ3、パワーｐ3）の合成の焦点距離をｆとすると、図２（ｂ）のような焦点距離ｆの一つの対物レンズＬと等価となる。３ビーム（メインビームと両側の２つのサブビーム）の入射角（メインビーム）をθとすると、３ビームのスポット間隔ｑ（メインビームスポットとサブビームスポットの間隔）は、
【００２０】
【数３】
ｑ＝ｆ・ｔａｎθ （１）
となる。また、エキスパンダレンズ駆動後（球面収差補正後）の合成焦点距離をｆ′、３ビームスポット間隔をｑ′とすると、
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】
【数６】
まず、エキスパンダレンズが動いていない状態での合成系のパワーｐを求める。合成系パワーｐは、各パワーｐ1、ｐ2、ｐ3及び主面間隔ｅ1、ｅ2を用いて、以下のように表せる。
【００２４】
【数７】
【００２５】
【数８】
ｐ1＋ｐ2−ｅ1ｐ1ｐ2＝０ （６）
これを（５）式に代入すると、
【００２６】
【数９】
次に、エキスパンダレンズの主面間隔がｅ1からｅ1＋εへとεだけ変化したとき、すなわち第１レンズＬ１を駆動させたときの合成パワーｐ′を求める。
（２）式の主面間隔ｅ1のところを主面間隔ｅ1＋εと置きかえることによって、
【００２７】
【数１０】
【００２８】
【数１１】
【００２９】
【数１２】
この式は最適な主面間隔ｅ2の範囲を表すものであるが、その範囲がエキスパンダレンズの第１レンズＬ１の移動量εの関数となっている。所定の球面収差量（＝光ディスク厚み誤差）を補正するために、どのくらいエキスパンダレンズ主面間隔ｅ 1 を変化させればよいかは、エキスパンダレンズの設計によって異なるので、この形では範囲がわかりにくい。そこで、所定の光ディスク厚み誤差を補正するために必要となるεの値を求めて、（１０）式に代入することにする。
【００３０】
球面収差の補正は、対物レンズに対して平行光ではなく、収束光または発散光を入射することにより行う。入射光の発散または収束具合を、対物レンズに対する横倍率βで表す。図３のような光学系において、倍率βは以下の式で表される。
【００３１】
【数１３】
【００３２】
図４はＮＡや焦点距離の異なる数種類の対物レンズ（いずれも０．１ｍｍの基板に対して収差が小となるように設計されたもの）に関して、光ディスクのカバー層厚み誤差を補正するために必要なβの値を計算した結果である。横軸はカバー層厚み誤差［ｍｍ］、縦軸には倍率（以下の式で表される量）
【００３３】
【数１４】
【００３４】
【数１５】
次にεとβの関係を求める。図５において、第２レンズＬ２に入射する光線は、仮想的な物点Ｏからの光線と考えても等価であるので、第２レンズＬ２に関する近軸結像公式より、
【００３５】
【数１６】
【００３６】
【数１７】
【００３７】
【数１８】
【００３８】
【数１９】
【００３９】
【数２０】
【００４０】
【数２１】
これで、カバー層厚み誤差ｔに対して、必要なεの値が求まったので、（１０）式に代入すると、
【００４１】
【数２２】
エキスパンダレンズで±３０μｍ程度の光ディスク厚み誤差を補償することが見込まれる。
また、許容されるＤＰＰにおける３ビームスポット間隔ずれ量の見積もりを計算した。トラック上にメインビームスポットが配置され、トラック間にはサブビームスポットが配置される。エキスパンダレンズの駆動により、元間隔ｑからサブビームはΔｑずれることになる。実際にＤＰＰのゲインに関与するのはサブビームの半径方向の位置のみである。よって、サブビームずれの半径方向成分ΔａがＤＰＰのゲインに影響を与えることになる。相似形なので、（Δａ）／ａ＝（Δｑ）／ｑである。
【００４３】
図６はビームスポット間隔の半径方向成分ａに対するΔａの割合（Δａ／ａ）を横軸に取り、縦軸にＤＰＰのゲイン変化を表している。光ディスク再生時の良好なプレイアビリティを確保するためには、ＤＰＰのゲインは３ｄＢ（約２９％）落ち程度に押さえることが望ましい。
一方、光ディスクの偏芯クランプ誤差によりΔａ／ａの値で±３０％程度のビーム位置ずれを生ずる。これによりビームスポット間隔ずれ量より狭い範囲でゲインの低下を招く。エキスパンダレンズ駆動によるビームスポット間隔変動を含めたトータルのゲイン低下が３ｄＢ以内となるためには、エキスパンダレンズ駆動によるビームスポット間隔変動は、Δａ／ａの値（＝Δｑ／ｑの値）で±５％以内に押さえる必要がある。
【００４４】
これらスポット間隔ずれ量と偏芯クランプ誤差の結果を示す図６より、ＤＰＰ（作動プッシュプル法）のゲインを８０％以上確保するためには、クランプ誤差などによる位置ずれの分も考慮するとエキスパンダレンズ駆動による３ビームのスポット位置ずれは５％程度以内に納めるのが望ましい。
よって、（１７）式に｜ｔ｜＝３／１００［ｍｍ］、Ｘ＝５／１００を代入すると、
【００４５】
【数２３】
となる。
これまでエキスパンダレンズの第１レンズＬ１を駆動した場合について述べてきた。次に第２レンズＬ２を駆動する場合について述べる。エキスパンダレンズの主面間隔がｅ1からｅ1＋εへと変化したとき、同時に主面間隔ｅ2もｅ2からｅ2−εへと変化する。（８）式の主面間隔ｅ2のところをｅ2−εと置き換えることによって、
【００４７】
【数２４】
が得られる。
（７）式と（２２）式を（３）式に代入すると、
【数２５】
【００４９】
【数２６】
また、図５の光線追跡において、主面間隔ｅ2をｅ2‐εと置きかえると、（１４）式のβは
【００５０】
【数２７】
【数２８】
以降の式の展開は全く同じであるので、同様にして式（１８）が成立する。つまり、第１レンズＬ１を駆動する場合、第２レンズＬ２を駆動する場合ともに、（１８）式の範囲が最適な主面間隔ｅ2の範囲となる。
【００５１】
以上の実施形態においては、球面収差補正手段として２つのレンズからなるエキスパンダレンズを用いた場合を説明したが、球面収差を補正する手段として、エキスパンダレンズを用いずに、コリメータレンズと、光源との距離を変化させる方法もある。例えば、図７に示すように、平行平板からなるビームスプリッタ９３及びコリメータレンズＬ２からなるいわゆる有限光学系も本発明の情報記録再生装置に適用できる。図７中図１に示す同一符号の部材は同一のものである。この例ではコリメータレンズＬ２を駆動する構成としたが、代わりに半導体レーザ１１を光軸方向に移動せしめる構成としても球面収差を変化させることができる。通常、コリメータレンズと光源の距離は、コリメータレンズの焦点距離に等しくなるように配置されるが、この距離を変化させることにより、コリメータレンズ出射が平行光ではなくなり、対物レンズに関する倍率をコントロールすることができ、結果として球面収差の補正が可能になる。この場合も原理はエキスパンダレンズを用いた場合と全く同様である。図７において、エキスパンダレンズに平行光を入射させる代わりに、光源１１からの光線が直接、コリメータレンズＬ２に入射すると考えれば、コリメータレンズＬ２以降の光路は完全に図１の第２レンズＬ２同一であり、コリメータレンズによる球面収差補正の場合もエキスパンダレンズと同様であることは明らかである。
【００５２】
なお、コリメータレンズＬ２の位置を光軸方向に変化させることにより補正する場合は、エキスパンダレンズの第２レンズを駆動する場合に相当し、光源の位置を光軸方向に変化させることにより補正する場合は、エキスパンダレンズの第１レンズを駆動する場合に相当する。
（実施例）
エキスパンダレンズと対物レンズに関して、光線追跡シミュレーションにより、表１に示す条件で、エキスパンダレンズ駆動時の３ビームスポット間隔変動を計算した。エキスパンダレンズの第１及び第２レンズＬ１、Ｌ２と対物レンズＬ３の主な仕様は以下の通りである。
Ｌ１焦点距離：−１７．８２１ｍｍ
Ｌ２焦点距離：２１．４７５ｍｍ
Ｌ３焦点距離：１．７７０ｍｍ
Ｌ３の開口数：０．８５
光源仕様波長：４０５ｎｍ
【００５３】
【表１】
なお、表１中、SRFは光源側からの屈折面番号を、RADIUSは曲率半径を、THICKNESSは屈折面間距離を、INDEXは屈折率を、TERM非球面係数を示す。SRF−１，２はＬ１を、SRF−３，４はＬ２を、SRF−５，６は２群レンズのＬ３の入射側レンズを、SRF−７，８は２群レンズのＬ３の出射側レンズを、SRF−９，１０はディスクカバー層を示す。
【００５５】
シミュレーションの結果を図８に示す。図８は±３０μｍの光ディスク厚み誤差において、像面での光軸上収差が最小となるようにエキスパンダレンズを駆動したときの、３ビームスポット間隔の変化率（（エキスパンダレンズ補正による３ビームスポット間隔の変化量）／エキスパンダレンズ補正前の３ビーム位置））を、主面間隔ｅ2の関数としてプロットしたグラフである。
【００５６】
（１８）式から得られる範囲は、１２．３６９ｍｍ＜ｅ2＜３４．１２１となる。ここでｅ2は第２レンズＬ２と対物レンズＬ３の主面間隔である。第２レンズＬ２の出射側主面は頂点から０．２５５ｍｍ前方に、対物レンズＬ３の入射側主面は頂点から２．５０３ｍｍ後方に位置しているので、両レンズの光軸上面間隔をｅ′とすると、ｅ2′＝ｅ2‐０．２５５‐２．５０３であるので、９．６１ｍｍ＜ｅ2′＜３１．３６ｍｍとなる。シミュレーション結果において、３ビームスポット間隔変化率が５％以内となる領域は上式とよく一致している。
【００５７】
よって、対物レンズの開口数は、０．８０以上である光ピックアップに有効に作用することが明らかになった。また、対物レンズの焦点距離が２ｍｍ以下である光ピックアップに有効に作用することも明らかになった。
本発明によれば、エキスパンダレンズなど、光ビームの収束状態を変えることによって球面収差の補償を行う光ピックアップ光学系で補償に伴って対物レンスの開口数が変化しないので、２層ディスクなどの多層記録媒体の記録再生時にも各記録層において同一のＭＴＦ特性を得ることができる。なお、本発明は、対物レンズに開口数が１を越える、いわゆるソリッドイマージョンレンズを用いた光学系に対しても同様に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、エキスパンダレンズまたはコリメータレンズの駆動により３０μｍの板厚誤差による球面収差を補正した場合でも、マルチビームのビームスポット間隔の変化量は光ディスクの記録面上で５％以内に押さえることができる。これによって、ＤＰＰの感度変化やＣＴＣの遅延時間の変化を抑圧することが可能になる。さらに、かかる構成によって、情報記録媒体において球面収差補償を行った場合に発生する開口数変化を抑え、球面収差補償に伴う信号記録再生特性の変化の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の情報記録再生装置の光ピックアップを説明する概略ブロック図。
【図２】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図３】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図４】本発明による実施形態の光ピックアップにおける光ディスクのカバー層膜厚誤差に対する横倍率の変化を示すグラフ。
【図５】本発明による実施形態の光ピックアップの光学系を説明する概略図。
【図６】本発明による実施形態の光ピックアップにおけるビーム間隔変動によるＤＰＰゲイン変動を示すグラフ。
【図７】本発明による他の実施形態の情報記録再生装置の光ピックアップを説明する概略ブロック図。
【図８】本発明による実施形態の光ピックアップにおける主面間隔ｅ2に対する３ビームスポット間隔変化率の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１１ 半導体レーザ
１２ コリメータレンズ
１３，９３ ビームスプリッタ
１９ 光ディスク
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 対物レンズ
Claims (4)
- 光を出射する光源と、前記光を光学式情報記録媒体の記録層に集光して照射する対物レンズと、前記光源及び前記対物レンズの間に配置されかつ光軸方向に移動制御される少なくとも１つの可動レンズを含み前記可動レンズの移動により前記光を収束光若しくは発散光として球面収差を補正する収差補正レンズ群と、を備え、前記収差補正レンズ群には、前記光学式情報記録媒体の記録層上に所定のビームスポット間隔でもって照射されるマルチビームが入射され、該マルチビームの照射により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップであって、前記収差補正レンズ群の出射側主面と前記対物レンズの主面との間隔が、前記対物レンズの開口数、前記収差補正レンズ群の出射側焦点距離、及び前記対物レンズの焦点距離に応じて定まる範囲内にあり、
前記収差補正レンズ群のうち最も出射側にあるレンズの出射側主面と前記対物レンズの主面との前記間隔ｅ2が下記の（１８）式、
前記対物レンズの開口数は、０．８０以上であること、を特徴とする光ピックアップ。 - 前記収差補正レンズ群は、正レンズ群と負レンズ群との２群で構成され、前記可動レンズが前記正レンズ群及び負レンズ群の少なくとも１方に含まれ、前記可動レンズにより前記正レンズ群の主面と前記負レンズ群の主面との間隔が光軸方向に可変とされることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ。
- 前記可動レンズは前記光源からの光を略平行光に変換するコリメータレンズで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ピックアップ。
- 前記対物レンズの焦点距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ピックアップ。
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