JP4399969B2

JP4399969B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP4399969B2
Application number: JP2000248847A
Authority: JP
Inventors: 龍一郎後藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: JP2002062415A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクを用いた光記録媒体（以下、光ディスクと記す）の情報を記録・再生する光ヘッド装置において、波長７９０ｎｍの半導体レーザと波長６５０ｎｍの半導体レーザをその発光点間隔を、１００〜３００μｍ隔てて配置し構成した２波長用半導体レーザを１つの光源ユニット内に配置することにより、発光点の位置精度が高く安定した光ヘッド装置が得られる。また、部品点数を削減して光ヘッド装置の小型化・軽量化が図られ、光学系の設計を簡略化できるなどの利点があるため、小型化・軽量化に対し種々の光ヘッド装置の構成が提案されている。
【０００３】
例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）において、２波長用半導体レーザ２の波長６５０ｎｍの発光点２Ａおよび波長７９０ｎｍの発光点２Ｂからの出射光は、コリメートレンズ４により平行光とされ、対物レンズ３により光ディスク５の情報記録面上に集光された後、反射される。この反射光はビームスプリッタ６を介して光検出器の受光面へ導かれ、光ディスク上の情報が電気信号に変換される。すなわち、図５（ａ）に示すように、波長６５０ｎｍの半導体レーザの発光点２Ａからの出射光は光検出器７Ａに集光される。一方、波長７９０ｎｍの半導体レーザ（図５（ｂ））の発光点２Ｂからの出射光は光検出器７Ｂの受光面に集光される。
【０００４】
図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、半導体レーザの発光点２Ａと２Ｂとが距離を隔てて存在する場合、発光点２Ａと２Ｂとの間隔の大きさに応じて光検出器７Ａと７Ｂとを離す必要があった。そのため、光検出器およびそれに付随する電気信号処理回路が複雑になる問題があった。また、光検出器７Ａと７Ｂのそれぞれの受光面を単一化する（合わせて１枚のものとする）場合、光検出器が大型化し、また応答速度が低下する問題があった。この大型化の問題に対して、波長λ₁の光を透過し、波長λ₂の光を偏向させる光学素子を用いることで、異なる発光点から出射した光を、光検出器の受光面の面積を増大させずに同一の光検出器に集光できる。
【０００５】
上記の光学素子とは回折格子のことである。例えば、図１において、擬似ブレーズド回折格子の階段状ステップの段差ｄに基づく光路差を波長λ₁＝６５０ｎｍの整数倍にする。この場合には、波長λ₂＝７９０ｎｍに対しては光路差が波長λ₂の整数倍にならないことを利用し、波長λ₁の光は透過させるが波長λ₂の光は回折させることができる。上記の光学素子を光ヘッド装置に組み込み、異なる発光点から出射した２つの光のうち、波長λ₁の光は回折せず直進的に透過させ、波長λ₂の光は回折させることで、波長λ₂の光の光軸を波長λ₁の光の光軸に一致させる。この光軸の一致により、光検出器の面積を増大させずに同一の光検出器に２つの光を集光できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の回折の原理に基き波長λ₂の光に対する回折効率を６０％以上にするためには、ステップ数を５〜７段と大きくする必要があった。したがって、総段差が大きくなり、格子の加工形状も複雑であるため、格子側壁（格子の段差方向の面）の影響により波長λ₁の光の透過効率と波長λ₂の光の回折効率がともに低下して、これらの効率をともに歩留よく安定して６０％以上とすることが困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、波長λ_１の光および波長λ_２（ただしλ_１＜λ_２）の光を出射する２波長用半導体レーザと、前記２波長用半導体レーザからの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体の情報記録面で反射した反射光を受光する光検出器と、前記反射光を前記光検出器側へ偏向させるビームスプリッタと、を備える光ヘッド装置であって、前記ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に２波長用回折光学素子が配置され、前記２波長用回折光学素子は、Ｎ段（ただしＮは２、３または４）の階段状ステップを有する擬似ブレーズド回折格子であり、前記階段状ステップの１つの段差に基づく光路差Ｒが、（Ｎ−１）×λ_２／Ｎ＜Ｒ＜λ_１の関係を満たし、前記波長λ _１の光および前記波長λ _２の光いずれも、同一の前記光検出器の受光面に集光する光ヘッド装置を提供する。
【０００８】
また、波長λ_１が６３０〜６７０ｎｍの範囲の値を、波長λ_２が７７０〜８１０ｎｍの範囲の値を採る上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の光ヘッド装置に用いる２波長用回折光学素子は、波長λ_１の光および波長λ_２（ただしλ_１＜λ_２）の光を透過する２波長用回折光学素子であり、Ｎ段（ただしＮは２、３または４）の階段状ステップを有する擬似ブレーズド回折格子である。擬似ブレーズド回折格子とは、ブレーズド回折格子の鋸歯形状の斜辺部分を階段で置き換えたものであり、階段の段差はすべて等しい。また、Ｎ段の階段状ステップとは、階段の段差の数がＮ−１のときの段数の階段状ステップを意味する。すなわち、段差の数に１を加えた数を段数とする。そして、２波長用回折光学素子の階段状ステップの段差に基づく光路差Ｒが、（Ｎ−１）×λ_２／Ｎ＜Ｒ＜λ_１の関係を満たすようにする。
【００１１】
使用される波長は通常は半導体レーザにより決まる。短い方の波長λ₁は２種類あって、４０５ｎｍを中心とする波長帯と６５０ｎｍを中心とする波長帯が典型的である。λ₁が４０５ｎｍを中心とする波長帯であるときには、長い方の波長λ₂は６５０、７８０または７９０ｎｍを中心とする波長帯が典型的である。λ₁が６５０ｎｍを中心とする波長帯であるときには、長い方の波長λ₂は７９０ｎｍを中心とする波長帯が典型的である。
【００１２】
すなわち、波長λ₁として３８５〜４２５ｎｍの範囲の値を採るときは、波長λ₂として６３０〜６５０ｎｍの範囲の値、または７６０〜８１０ｎｍの範囲の値を採ることができる。波長λ₁として６３０〜６７０ｎｍの値を採るときは、波長λ₂として７７０〜８１０ｎｍの値を採ることができる。
【００１３】
本発明の２波長用回折光学素子には、例えば、ＤＶＤ系の波長λ₁＝６５０ｎｍの光およびＣＤ系の波長λ₂＝７９０ｎｍの光とが入射する。図１に示す２波長用回折光学素子１は、段数Ｎ＝４の階段状ステップを有する、擬似ブレーズド回折格子である。擬似ブレーズド回折格子に加工された光学材料は、屈折率ｎを有する。擬似ブレーズド回折格子の格子は周期的で、格子ピッチがＰであり、かつ回折格子を上から平面的に見たときの格子は直線状である。また図１では、階段状ステップの格子ピッチＰ方向の全てのステップ幅は同じであるが、ステップ幅はこれに限定されない。
【００１４】
光路差Ｒは、（Ｎ−１）×λ₂／Ｎ＜Ｒ＜λ₁の関係を満たす。したがって光路差Ｒがλ₁に近くなり、回折格子を波長λ₁の光が透過すると、波長λ₁の光には位相変化が少なく、高い透過率となる。また、光路差Ｒが（Ｎ−１）×λ₂／Ｎに近くなり、回折格子を波長λ₂の光が透過すると、回折格子は段数Ｎの擬似ブレーズド回折格子として機能し、格子ピッチＰによって決まる特定の角度の方向に、波長λ₂の光は高い回折効率で回折される。ここで、格子ピッチＰをλ₂／ｓｉｎθ₁に等しくすることにより、波長λ₂の入射光の回折角はθ₁となる。
【００１５】
Ｎを２、３または４とすると、擬似ブレーズド回折格子は波長λ₁の光に対する透過率と波長λ₂の光に対する回折効率が、使用に適する大きさとなる。特にＮ＝４のときは、透過率と回折効率がともに高く、光の利用効率が高くなり好ましい。Ｎが１であると、階段状ステップを形成しない。またＮが５以上であると波長λ₁の光に対する透過率は高くなるが、波長λ₂の光に対する回折効率は、格子側壁（格子の段差方向の面）の面積が増加して、格子側壁と光との相互作用の影響で低くなり、光の利用効率が低く不適当である。
【００１６】
この擬似ブレーズド回折格子の作製法として、例えば基板上に光学材料を所定の厚さにコートした後エッチング法により段差を形成してもよいし、基板を直接エッチング法によりして形成してもよい。さらに擬似ブレーズ形状に形成された金型を用いて基板をプレス加工してもよい。
【００１７】
また基板上にコートされ、エッチングされる光学材料として、ＳｉＯ₂膜、ＴｉＯ₂膜、ＳｉＯＮ膜などがあり、被コート基板として、ガラス基板や石英基板など複屈折性を有しない材料が使用できる。エッチング法により加工される基板（光学材料）として、合成石英など効率良くエッチングできる材料が使用できる。特に合成石英は、不純物が少なく光学的特性が優れ、また安定性がよく好ましい。波長λ₁として６３０〜６７０ｎｍの値を採り、波長λ₂として７７０〜８１０ｎｍの値を採ると、加工される段数に対し、光の回折効率と透過効率が高くなり好ましい。
【００１８】
つぎに本発明の、２波長用回折光学素子を用いた２波長光源装置について説明する。本発明においては、波長λ₁の光および波長λ₂の光を異なる発光点から出射する２波長用半導体レーザと、波長λ₁の光および波長λ₂の光を透過する２波長用回折光学素子とを備える２波長光源装置である。２波長用回折光学素子は、上記の光学素子を使用するところに特徴があり、出射された波長λ₁の光および波長λ₂の光が２波長用回折光学素子を透過することにより、波長λ₂の光は高い回折効率で回折され波長λ₁の光は直進して、２つの光のそれぞれ光軸が一致される。
【００１９】
図２において、発光点２Ｂから２波長用回折光学素子１に入射する光と発光点２Ａから入射する光との傾斜角θと、２波長用回折光学素子１による回折角θ_１が一致するように回折格子のピッチＰを決める。このように決めることにより、２波長用回折光学素子１を透過した波長λ_１の直進透過光と波長λ_２の回折光との光軸が一致した２波長光源装置が得られる。
【００２０】
つぎに本発明の、２波長用回折光学素子を搭載した光ヘッド装置について説明する。本発明の光ヘッド装置は、波長λ₁の光および波長λ₂の光を出射する２波長用半導体レーザと、２波長用半導体レーザからの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体の情報記録面で反射した反射光を受光する光検出器と、さらに上記の２波長用回折光学素子を備えている。そして、この２波長用回折光学素子が２波長用半導体レーザと対物レンズとの間の光路中、または光検出器と対物レンズとの間の光路中に設置されている。
【００２１】
図３（ａ）、図３（ｂ）では、２波長用回折光学素子１を、２波長用半導体レーザ２とビームスプリッタ６との間に配置している。発光点２Ａから出射された波長λ₁の光は、図３（ａ）に示すように２波長用回折光学素子１を透過し、一方、発光点２Ｂから出射された波長λ₂の光は、図３（ｂ）に示すように２波長用回折光学素子１により回折されて波長λ₁の光と光軸が一致する。その後２つの波長の光は、コリメートレンズ４を経て対物レンズ３によって光ディスク５上に集光され、反射された後に戻り光となる。
【００２２】
波長λ₁の光と波長λ₂の光は同じ光軸上にあるため、ビームスプリッタ６により反射された波長λ₁の光と波長λ₂の光は、いずれも同一の光検出器７の受光面に集光する。したがって、同一の光検出器を用いてＤＶＤ系の波長λ₁の信号光とＣＤ系の波長λ₂の信号光の検出が、光検出器の面積を増大させずに実現できる。
【００２３】
次に本発明の２波長用回折光学素子を搭載した光ヘッド装置の他の例について説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）では２波長用回折光学素子１を、ビームスプリッタ６と受光素子７との間に配置している。発光点２Ａ（図４（ａ））から出射された波長λ₁の光と発光点２Ｂ（図４（ｂ））から出射された波長λ₂の光は、コリメートレンズ４を経て対物レンズ３によって光ディスク５上に集光され、反射された後に戻り光となる。
【００２４】
波長λ₁の光と波長λ₂の光は異なる光軸上にあるが、ビームスプリッタ６により反射された波長λ₁の光は図４（ａ）に示すように２波長用回折光学素子１を透過し光検出器７に集光する。一方波長λ₂の光は図４（ｂ）に示すように２波長用光学素子１により回折されて、波長λ₁の光と同一の光検出器７の受光面に集光する。したがって、同一の光検出器を用いてＤＶＤ系の波長λ₁の信号光とＣＤ系の波長λ₂の信号光の検出が、光検出器の面積を増大させることなく実現できる。
【００２５】
本発明における擬似ブレーズド回折格子の格子ピッチＰを空間的に（格子位置により）変化させ、かつ回折格子を上から平面的に見たときの格子を曲線状にしたホログラム回折格子とし、波長λ₂の回折光に空間的な位相変化を付与してもよい。位相変化を付与することで、波長λ₂の回折光の受光面上への集光性をさらに改善できる。図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）および図４（ｂ）では、コリメートレンズ４と対物レンズ３を用いた構成を示したが、対物レンズ３のみを用いて２波長用半導体レ−ザ２からの出射光を光ディスクに集光する構成でもよい。
【００２６】
【実施例】
「例１」
図１を用いて本例の２波長用回折光学素子を説明する。本例の２波長用回折光学素子１には、ＤＶＤ系の波長λ₁＝６５０ｎｍの光とＣＤ系の波長λ₂＝７９０ｎｍの光が入射し、その断面が図１に示されている。ここで、擬似ブレーズド回折格子を形成する光学材料は屈折率ｎ＝１．４６の合成石英である。格子は、格子ピッチＰが３０μｍ、各段差ｄが全て同じ１．３４μｍであり、格子の形状は、段数Ｎ＝４の階段状ステップを有する擬似ブレーズド回折格子となっている。このとき光路差は６１６．４ｎｍであり、λ₁＝６５０ｎｍよりも小さく、また（Ｎ−１）×λ₂／Ｎ＝５９２．５ｎｍよりも大きかった。
【００２７】
この擬似ブレーズド回折格子は、１つの素子の大きさが４ｍｍ×４ｍｍ×０．５３ｍｍであり、合成石英をドライエッチング法にて加工し、作製した。本例では、波長λ₁の入射光の６５％以上を透過させるとともに、波長λ₂の入射光の６５％以上を、θ₁＝ｓｉｎ^-1（λ₂／Ｐ）＝１．５１°の回折角度で回折させることができる２波長用回折光学素子が得られた。
【００２８】
「例２」
本例の２波長光源装置は、図２に示す２波長用半導体レーザ２と、例１で得られた２波長用回折光学素子１とから構成されている。２波長用半導体レーザ２は、図２に示すようにＤＶＤ系の波長λ₁＝６５０ｎｍの光の発光点２ＡとＣＤ系の波長λ₂＝７９０ｎｍの光の発光点２Ｂとが１００μｍの間隔Ｗを有しており、２つの発光点からそれぞれの波長の光を出射する。２波長用半導体レーザ２の発光点２Ａ、２Ｂと２波長用回折光学素子１の回折格子面との間隔Ｌは、ほぼ５ｍｍであり、図示しない金属製のパッケージに両素子を収納し、固定した。
【００２９】
本例の２波長光源装置においては、波長λ₁の入射光の６５％以上を透過させるとともに、波長λ₂の入射光の６５％以上を波長λ₁の透過光の光軸と同一方向に回折させ、かつ２つの波長の光の光軸を重ねることができた。すなわち、波長λ₁の光と波長λ₂の光の光軸が一致し、２つの波長の光を同一方向に出射する２波長光源装置が実現した。
【００３０】
「例３」
本例の２波長用の光ヘッド装置は、例１で得られた２波長用回折光学素子１が、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように２波長用半導体レーザ２とビームスプリッタ６との間に配置された構成となっている。本発明の２波長用回折光学素子１を使用したため、２波長用半導体レーザ２の異なる発光点２Ａ、２Ｂからの２つの出射光の光軸を一致させることができ、一つの光検出器で２つの出射光を受光できた。また、２波長用回折光学素子１の擬似ブレーズド回折格子を段数Ｎ＝４の階段状ステップとしたので、高い透過率と高い回折効率が得られ、光の利用効率が高かった。その結果、波長λ₁の光および波長λ₂の光いずれも同一の光検出器の受光面に効率よく集光され、少ない部品点数でＳ／Ｎのよい安定した情報の記録・再生ができた。
【００３１】
「例４」
本例の２波長用光ヘッド装置は、例１で得られた２波長用回折光学素子１が、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ６と光検出器７との間に配置された構成となっている。本発明の２波長用回折光学素子１を使用したため、２波長用半導体レーザ２の異なる発光点２Ａ、２Ｂからの２つの出射光の光軸を一致させることができ、一つの光検出器で２つの出射光を受光できた。また、２波長用回折光学素子１の擬似ブレーズド回折格子を段数Ｎ＝４の階段状ステップとしたので、高い透過率と高い回折効率が得られ、光の利用効率が高かった。その結果、波長λ₁の光および波長λ₂の光いずれも同一の光検出器の受光面に効率よく集光され、少ない部品点数でＳ／Ｎのよい安定した情報の記録・再生ができた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光ヘッド装置に用いる２波長用回折光学素子は、従来の擬似ブレーズド回折格子よりも少ない段数の階段状ステップで、光の高い透過率と高い回折効率を得ることができ、光の利用効率を高めることができる。
【００３３】
また、本発明の光ヘッド装置に用いる２波長用回折光学素子を用い、この素子と発光点位置の異なる２波長用半導体レーザとを組み合わせて搭載した光ヘッド装置では、光ディスクからの反射信号光を同一の光検出器の受光面に集光させることができるため、少ない部品点数でＳ／Ｎの高い安定した情報の記録・再生ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘッド装置に用いる２波長用回折光学素子の１例を示す概略側面図。
【図２】本発明の光ヘッド装置に用いる２波長光源装置の１例を示す側方断面図。
【図３】図１の２波長用回折光学素子を有し２波長用半導体レーザを用いた本発明の光ヘッド装置の１例を示す概略断面図であって、（ａ）波長λ_１の出射光が進行する様子を示す図、（ｂ）波長λ_２の出射光が進行する様子を示す図。
【図４】図１の２波長用回折光学素子を有し２波長用半導体レーザを用いた本発明の光ヘッド装置の他の例を示す概略断面図であって、（ａ）波長λ_１の出射光が進行する様子を示す図、（ｂ）波長λ_２の出射光が進行する様子を示す図。
【図５】２波長用半導体レーザを用いた従来の光ヘッド装置の概略断面図であって、（ａ）波長λ_１の出射光が進行する様子を示す図、（ｂ）波長λ_２の出射光が進行する様子を示す図。
【符号の説明】
１：２波長用回折光学素子
２：２波長用半導体レーザ
２Ａ、２Ｂ：発光点
３：対物レンズ
４：コリメートレンズ
５：光記録媒体
６：ビームスプリッタ
７：光検出器
１１：擬似ブレーズド回折格子

Claims

波長λ_１の光および波長λ_２（ただしλ_１＜λ_２）の光を出射する２波長用半導体レーザと、
前記２波長用半導体レーザからの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、
集光されて光記録媒体の情報記録面で反射した反射光を受光する光検出器と、
前記反射光を前記光検出器側へ偏向させるビームスプリッタと、を備える光ヘッド装置であって、
前記ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に２波長用回折光学素子が配置され、
前記２波長用回折光学素子は、Ｎ段（ただしＮは２、３または４）の階段状ステップを有する擬似ブレーズド回折格子であり、前記階段状ステップの１つの段差に基づく光路差Ｒが、（Ｎ−１）×λ_２／Ｎ＜Ｒ＜λ_１の関係を満たし、前記波長λ _１の光および前記波長λ _２の光いずれも、同一の前記光検出器の受光面に集光する光ヘッド装置。
波長λ_１が６３０〜６７０ｎｍの範囲の値を、波長λ_２が７７０〜８１０ｎｍの範囲の値を採る請求項１に記載の光ヘッド装置。