JP4444206B2

JP4444206B2 - 光ピックアップ装置

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Publication number: JP4444206B2
Application number: JP2005378121A
Authority: JP
Inventors: 一郎森下
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007179677A; KR20070070044A; KR100828369B1

Description

本発明は、光ピックアップ装置に関し、特に、互換光学系を有する光ピックアップ装置に関する。

小型且つ可搬性を有する記録媒体に１５ギガバイト以上の大容量データを記録するために、青紫色のレーザダイオード（ＬＤ）を用いる光ディスクシステムとしてBlu−ray Disc（商標、以下「ＢＤ」と略す）やHigh Definition Digital Versatile Disc（商標、以下「ＨＤＤＶＤ」と略す）などが開発されている。これらのシステムは、従来のＣＤ（Compact Disc）や、ＤＶＤ（Degital Versatile Disc）との互換性や、さらにＢＤとＨＤＤＶＤとの互換性を有することが望ましい。

ＣＤディスクの再生には、約７８０ナノメータ帯の波長のレーザ光をＮＡ（開口数）が０．４５の対物レンズを用いて集光し、ＤＶＤディスクでは約６５０ナノメータ帯の波長のレーザ光をＮＡが０．６の対物レンズを用いて集光している。ＨＤＤＶＤの再生及び記録にはＮＡが０．６５の対物レンズを用いている。また、ディスクのカバー層の厚みはＢＤが０．１ミリメータ、ＨＤＤＶＤが０．６ミリメータ、ＤＶＤが０．６ミリメータ、ＣＤが１．２ミリメータであることから、ＨＤＤＶＤ用光ピックアップとＤＶＤ用光ピックアップとの互換を比較的容易に確保できる可能性がある。しかし、ＢＤにはＮＡが０．８５の対物レンズを用いるので、その他の光学系と互換させることが困難である。そこで、ＢＤ光学系とその他光学系とを区別して、２つの光学系を備えた光ピックアップ装置が考案されている。

例えば、図８は、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換光学系１０８とＢＤ光学系１０４とを有する光ピックアップ装置を表す概念図である。

図８に表したような光ピックアップ装置の場合、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換光学系１０８で用いる光学部品は、３波長に対応させているため、以下の問題が生じる場合がある。
例えば、ホログラム素子は、全ての波長に対して光利用効率を高くすることが困難であり、ＤＶＤやＣＤを再生するときでも記録用高出力半導体レーザ（以下、「ＬＤ」と略す）を使用しなければならない。そのために、ＤＶＤ用ＬＤ及びＣＤ用ＬＤの高出力化を行うと、再生時における半導体レーザのＨＦ（High Frequency）変調が困難になる場合がある。また、ホログラム素子の光利用効率が低いということは、不要光が多いということであり、例えばフォーカシングエラー（ＦＥ）信号に含まれる偽信号が大きくなるという問題が生ずる。さらに、３波長に対応したダイクロイックフィルタミラー（ＤＦミラー）は膜厚が厚いため、歪みが大きくなるという問題が生じる。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的はＮＡが０．８５の対物レンズを有するＢＤ／ＣＤ光学系と、ＮＡが約０．６の対物レンズを有するＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ光学系と、を組み合わせた互換光学系を有する光ピックアップ装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、カバー層厚みが０．１ミリメータである第１の光ディスクと、カバー層厚みが１．２ミリメータである第２の光ディスクとを再生する開口数が０．８５である対物レンズを有する第１の光学系と、カバー層厚みが０．６ミリメータである第３及び第４の光ディスクを再生する開口数が０．６５である第２光学系と、前記第１の光学系を経由して前記第１の光ディスクへビームを放射するかまたは前記第２の光学系を経由して前記第３の光ディスクへビームを放射する略４０５ナノメータ帯の波長を有する第１の半導体レーザと、前記第１の光学系を経由して前記第２の光ディスクへビームを放射する略７８０ナノメータ帯の波長を有する第２の半導体レーザと、前記第２の光学系を経由して前記第４の光ディスクへビームを放射する略６５０ナノメータ帯の波長を有する第３の半導体レーザと、を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、複数の異なる規格の光ディスクを再生または再生記録する光ピックアップ装置であって、前記複数の規格のうちで、対物レンズの開口数が最も大きい光ディスクに使用する対物レンズに入射させる光の偏光状態が円偏光とされたことを特徴とする光ピックアップ装置が提供される。

本発明によれば、ＮＡが０．８５の対物レンズを有するＢＤ／ＣＤ光学系と、ＮＡが約０．６５の対物レンズを有するＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ光学系と、を組み合わせた互換光学系を有する光ピックアップ装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同様の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本実施形態に係る互換光学系を有する光ピックアップ装置を表す模式図である。
この光ピックアップ装置は、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系８と、ＢＤ／ＣＤ互換光学系４と、からなり、ＤＶＤ用半導体レーザ（ＬＤ）を有するＤＶＤ用ホログラムユニット７０と、ＣＤ用ＬＤを有するＣＤ用ホログラムユニット６０と、青紫ＬＤ１０と、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ用互換対物レンズユニット８５と、ＢＤ／ＣＤ互換対物レンズユニット５５と、を有している。この青紫ＬＤ１０は、ＨＤＤＶＤ光学系とＢＤ光学系とにおいて共通化されている。

ＨＤＤＶＤ光学系とＤＶＤ光学系との光路は、概ね共通化されており、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換対物レンズユニット８５は、青紫ＬＤ１０による中心波長が４０５ナノメータ帯とＤＶＤ用ホログラムユニット７０による６５０ナノメータ帯との波長のレーザ光を光ディスクに集光させる役割を有する。一方、ＢＤ光学系の光路の一部はＣＤ光学系と共通化されており、ＢＤ／ＣＤ互換対物レンズユニット５５は、青紫ＬＤ１０による中心波長が４０５ナノメータ帯とＣＤ用ホログラムユニット６０による７８０ナノメータ帯の波長のレーザ光を光ディスクに集光する役割を有する。

ここで、本実施形態に係る互換光学系を有する光ピックアップ装置の光路について説明する。
まず、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系８の光路は、以下の如くである。
Ｐ偏光成分の直線偏光（以下、「Ｐ波」と略す）である４０５ナノメータ帯の発散光を青紫ＬＤ１０から照射して、回折格子１５を介してＰ／Ｓ切替素子２０ａでＰ波をＳ偏光成分の直線偏光（以下、「Ｓ波」と略す）に切り替える。Ｓ波は偏光プリズム２５ａで反射し、波長選択性を有するダイクロイックフィルタ（ＤＦ）２５ｂ内で反射され、コリメートレンズ３０ａで平行光束に変換され１／２波長板８０で位相を９０°ずらしてＰ波に変換されＤＦミラー４０ｂで分離する。ＤＦミラー４０ｂを透過した光は検出レンズ９０ｂを介してフロントモニタ９５ｂに入射する。一方、ＤＦミラー４０ｂで反射した光は１／４波長板４５ｂで円偏光にされＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換対物レンズユニット８５で集光され光ディスクの信号記録層に絞り込まれる（往路）。また、光ディスクから反射した光は、往路を順に戻り、１／４波長板４５ｂでＳ波となり、さらに１／２波長板でＰ波に変換され、ＤＦ２５ｂで反射し、偏光プリズム２５ａを透過して検出レンズ９０ｃを介して受光素子９６で受光される（復路）。

次に、ＤＶＤ光学系の光路について説明する。
６５０ナノメータ帯の発散光をＤＶＤ用ホログラムユニット７０から照射して、立ち上げミラー７５で反射し、波長選択性を有するＤＦ２５ｂを透過したＰ波は、ＨＤＤＶＤと同様の往路で光ディスクに入射する。光ディスクで反射した光は、往路を順に戻りＤＶＤ用ホログラムユニット７０で受光される。なお、ＤＶＤ光学系の偏光状態は直線でも円偏光でも性能の差は少ないため、何れでもよい。

次に、ＢＤ／ＣＤ互換光学系４のＢＤ光学系の光路について説明する。
Ｐ波である約４０５ナノメータ帯の発散光を青紫ＬＤ１０から照射して、Ｐ／Ｓ切替素子２０ａではそのまま変換させずにＰ波として透過し、偏光プリズム２５ａを透過しコリメートレンズ３０ａで平行光束にして第２ＤＦ２７を介してＤＦミラー４０ａで分離する。ＤＦミラー４０ａを透過した光は、検出レンズ９０ａを介してフロントモニタ９５ａに入射する。ＤＦミラー４０ａで反射した光は１／４波長板４５ａを介して円偏光に変換され、ＢＤ用対物レンズユニット５５に入射し光ディスクの信号記録層に絞り込まれる（往路）。光ディスクで反射した光は往路を順に戻り、１／４波長板４５ａでＳ波になり、偏光プリズム２５ａで反射して、検出レンズ９０ｃを介して受光素子９６で受光される（復路）。

一方、ＣＤ光学系の光路は、以下の如くである。
約７８０ナノメータ帯の発散光をＣＤ用ホログラムユニット６０から照射して、コリメートレンズ３０ｃを介して第２ＤＦ２７で反射し、ＢＤ光学系の往路と同様の光路で光ディスクの信号記録層に絞り込まれる（往路）。光ディスクで反射した光は往路を戻り、ＣＤ用ホログラムユニット６０に受光される。ここで、ＣＤ光学系の偏光状態は直線偏光と円偏光とでは性能の差が少ないので、何れであってもよい。

このように、本実施形態によれば、各光学部品を２波長対応とすることにより、例えば、ホログラムの光利用効率を向上させ、ＤＦミラーの膜厚を薄くすることができるため、ＣＤを読み込んだ際に生じる偽ＦＥ信号の抑制や、ＤＶＤ再生やＣＤ再生で低出力ＬＤが使用でき、さらにＤＦミラーの歪み抑制を行うことができる。

ところで、ＮＡが０．６５より大きい対物レンズを用いると、光の偏光状態がスポット径に及ぼす影響が無視できなくなる。図１に例示した具体例においては、１／４波長板４５ａ、４５ｂを用いて直線偏光を円偏光に変換しているが、仮に直線偏光を対物レンズに入射させた場合、スポット形状が楕円化し、スポット強度も低下する現象が現れる。特に、対物レンズのＮＡが０．６５より大きくなると、その現象は顕著である。従来はＮＡが０．６５以下の対物レンズを用いていたため、この現象は問題視されなかった。しかし、記録媒体の高密度化に伴い、ＮＡが０．６５以上の対物レンズが使用されるようになると、この現象は問題となる。すなわち、このようにスポット径が楕円化したり強度が低下すると、各再生信号の変調度や強度が小さくなるという問題が生じる。

例えば、図２は、対物レンズに入射する光の偏光状態を表す模式図であり、図２（ａ）が低ＮＡで集光させた模式図であり、図２（ｂ）が高ＮＡで集光させた模式図である。

ここで、光軸方向がｚ軸であり、対物レンズの平面がｘ軸とｙ軸であり、対物レンズに入射する光はｘ方向に振動している。この振動方向を図２（ａ）ではａベクトル、ａ’ベクトル（ａ＝ａ’）で表し、図２（ｂ）ではｔベクトル、ｔ’ベクトル（ｔ＝ｔ’）で表す。

対物レンズを透過し収束光となった光線のベクトルは、図２（ａ）ではａベクトル及びａ’ベクトルは、それぞれｂベクトル及びｃベクトルになり、このｂベクトルをｄベクトル（ｘ方向成分）とｅベクトル（ｚ方向成分）との和（ｂ＝ｄ＋ｅ）で表し、ｃベクトルをｆベクトル（ｘ方向成分）とｇベクトル（ｚ方向成分）との和（ｃ＝ｆ＋ｇ）で表す。図２（ｂ）ではｔベクトル及びｔ’ベクトルはそれぞれｈベクトル及びｉベクトルになり、このｔベクトルをｊベクトル（ｘ方向成分）とｋベクトル（ｚ方向成分）との和（ｔ＝ｊ＋ｋ）で表し、ｔ’ベクトルをｌベクトル（ｘ方向成分）とｍベクトル（ｚ方向成分）との和（ｃ＝ｌ＋ｍ）で表す。

また、図３は、図２の偏光状態において振動方向と直交した方向のスポットを表す模式図であり、図３（ａ）が低ＮＡで集光させた模式図であり、図３（ｂ）が高ＮＡで集光させた模式図である。

ここで、光軸方向がｚ軸であり、対物レンズの平面がｘ軸とｙ軸であり、ｙ方向に振動している。
すなわち、図２に表すように、ｘ方向に振動する場合、ＮＡに関わらずｚ方向成分であるｅベクトル及びｇベクトルや、ｋベクトル及びｍベクトルは、それぞれ互いに方向が反対であり、同じ大きさのベクトルであるため、スポット形成時には、この成分方向は相殺される。しかし、ＮＡが大きい方がｚ方向成分が大きくなるため、相殺される成分は大きくなり、スポット径に与える影響が大きくなる。

これに対して、図３に表すように、ｙ方向に振動する偏光は、対物レンズを透過しても何ら影響を受けない。従って、直線偏光を集光した場合、振動方向と方向成分が同一であると光は弱め合う成分が生じて光の強度が低下するが、振動方向に直交した方向には、弱め合う成分が生じないことから、スポット径が楕円化する現象が生じ、ＮＡが増大する程に楕円化は顕著に現れる。

図４は、ＬＤのＦＦＰ（Far Field Pattern）を考慮しない場合の偏光状態におけるスポット径半値幅と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。
ここで、横軸は対物レンズのＮＡであり、縦軸はスポット径半値幅（マイクロメータ）をそれぞれ表す。また、ＬＤのＦＦＰをθ／／２０°（ＬＤの層方向に平行）、θ⊥２０°（ＬＤの層方向に垂直）とし、直線偏光はｘ方向にのみ振動している。この際、約４０５ナノメータ帯の波長をＮＡが０．８５の対物レンズに入射させている。強度分布は等方的なガウス分布を形成し、開口径は約３．０ミリメータである。

また、図５は、図４の偏光状態におけるスポット径半値幅比と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。
ここで、スポット径半値幅比は、同一方向に振動した偏光状態において、ｘ方向成分のスポット径半値幅をｙ方向成分で除した値である。

まず、図４及び図５について説明する。
図４に表したように、対物レンズのＮＡの増加に伴い、スポット径半値幅は小さくなることが確認できる。また、直線偏光の振動方向に直交な方向成分は強め合うためスポット径半値幅は円偏光の曲線より小さく、直線偏光の振動方向に平行な方向成分では弱め合うため円偏光よりも大きくなる。このため、直線偏光の振動方向に直交方向成分と平行方向成分との差異は、ＮＡの増加に伴い大きくなることが分かる。

また、図５に表したように、対物レンズのＮＡの増加に伴い、振動方向に平行な方向成分は弱め合うためスポット径半値幅比は大きくなり楕円化することが確認できる。例えば、ＮＡが０．３５のとき、ｘ方向に振動した直線偏光のスポット径半値幅比は１．０３であり、ＮＡが０．８５ではスポット径半値幅比が１．２８である。ここで、この長軸方向は直線偏光の振動方向と一致している。

これに対して、偏光状態が円偏光の場合、図５に表したように、スポット径半値幅比は、例えば１．０と等軸状であることが確認できる。

図６は、ＦＦＰを考慮した場合の偏光状態におけるスポット径半値幅と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。
また、図７は、図６の偏光状態におけるスポット径半値幅比と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。

ここで、ＬＤのＦＦＰをθ／／８．５°、θ⊥２０°として考慮し、直線偏光はｘ方向及びｙ方向に振動している。この際、対物レンズに入射する強度分布は非等方的なガウス分布を形成している。

図６に表したように、ＮＡの増加に伴い、図４と同様にスポット径半値幅は小さくなることが分かる。また、ＦＦＰを考慮した場合においても、直線偏光の振動方向に直交な方向成分は強め合うためスポット径半値幅は円偏光の曲線より小さく、直線偏光の振動方向に平行な方向成分では弱め合うため円偏光よりも大きくなることが分かる。

また、図７に表したように、図５と同様の傾向が見られ、例えば、対物レンズのＮＡが０．３５のときｘ方向に振動したスポット径の半値幅比は１．０７５、ｙ方向が１．０２０であり、ＮＡが０．８５のときｘ方向に振動したスポット径の半値幅比は１．３１０、ｙ方向が０．８１１である。ここで、この長軸方向は直線偏光の振動方向と一致している。

このように、直線偏光を光ディスクに入射させると、ＮＡの増加に伴いスポット形状が楕円化し、振動再生時には円周方向と半径方向の光学的周波数特性が異なり、例えば、クロストークや信号劣化などの問題が生じる。

これに対して、偏光状態が円偏光であると、図７に表したようにＮＡの増加に関わらず、スポット径半値幅比は例えば１．０５と等軸状にすることが可能となる。

また、ＮＡが０．３５から０．８５に増加したときのスポット径収縮率は、直線偏光の振動方向と方向成分とが同一である場合が約５０％であり、この振動方向に直交方向では約４０％である。これに対して、円偏光では４４％と均一に収縮させることが可能となる。

このように、本実施形態の互換光学系を有する光ピックアップ装置のＢＤ／ＣＤ互換光学系４において、ＮＡが０．８５の対物レンズに円偏光を入射させることでクロストークや信号劣化などが抑制できる。また、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系８に円偏光を用いるとさらに、良好な信号特性を得ることができる。従って、光利用効率を加味した互換光学性を有する光ピックアップ装置の設計が可能となる。

また、図６に示したように光ディスクのスポット径は、ＬＤのＦＦＰの影響を受けて楕円形状になることが一般的に知られている。一方、前述したように直線偏光を対物レンズに入射させると、そのスポットは楕円形状になる。そこで、ＬＤの層方向と直交する方向に直線偏光の向きを設定することにより、光ディスク上のスポット径を円形状にすることができる。これは、例えば、ＬＤのキャップ層に１／２波長板を設けてもよい。このようなスポット形状は目視にて確認することが可能である。

ところで、ＬＤのＦＦＰの大きさやコリメートレンズの焦点距離によってＦＦＰがスポット形状に及ぼす影響が異なるために、直線偏光を多少楕円偏光にすることで、スポット形状を円形状に調整することも可能である。さらに、例えば中心波長が４０５ナノメータ帯のＬＤの偏光状態をレーザの層方向に対して直交する方向の直線偏光にしても同様な効果が得られる。

以上、本実施形態に係る本実施形態に係る光ピックアップ装置の偏光状態が及ぼすスポット形状について説明した。本実施形態によれば、ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系８と、ＢＤ／ＣＤ互換光学系４と、からなる互換光学系を有する光ピックアップ装置は、光学素子が２波長に対応し、例えば、部品設計や作製が容易で、且つホログラム効率の高い互換光学系を有する光ピックアップ装置が得られる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。例えば、光情報記録再生装置を構成する、装置の構成、光学部品、受光素子などの構成要素におけるサイズ、形状、配置などに関し当業者が行う各種設計変更なども、本発明の要旨を逸脱しない限り本発明に包含される。

本実施形態に係るＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系８と、ＢＤ／ＣＤ互換光学系４と、からなる互換光学系を有するピックアップ装置を表す模式図である。対物レンズに入射する光の偏光状態を表す模式図であり、図２（ａ）が低ＮＡで集光させた模式図であり、図２（ｂ）が高ＮＡで集光させた模式図である。図２の偏光状態において振動方向と直交した方向のスポットを表す模式図であり、図３（ａ）が低ＮＡで集光させた模式図であり、図３（ｂ）が高ＮＡで集光させた模式図である。ＦＦＰ（Far Field Pattern）を考慮しない場合の偏光状態におけるスポット径半値幅と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。図４の偏光状態におけるスポット径半値幅比と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。ＦＦＰを考慮した場合の偏光状態におけるスポット径半値幅と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。図６の偏光状態におけるスポット径半値幅比と対物レンズのＮＡとの関係を表すグラフ図である。比較例の互換光学系を有する光ピックアップ装置を表す模式図である。

符号の説明

４ＢＤ／ＣＤ互換光学系、８ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ互換光学系、１０青紫レーザ素子、１５回折格子、４５ａ、４５ｂ１／４波長板、５０無偏光ホログラム素子、
５５ＢＤ／ＣＤ互換対物レンズユニット、６０ＣＤ用ホログラムユニット、
７０ＤＶＤ用ホログラムユニット、８５ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズユニット、１００ＢＤ用対物レンズ、１０５ＤＶＤ／ＣＤ用高出力ユニット、
１０４ＢＤ光学系、１０８ＨＤＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換光学系

Claims

カバー層厚みが０．１ミリメータである第１の光ディスクと、カバー層厚みが１．２ミリメータである第２の光ディスクとを再生する開口数が０．８５である対物レンズを有する第１の光学系と、
カバー層厚みが０．６ミリメータである第３及び第４の光ディスクを再生する開口数が０．６５である対物レンズを有する第２の光学系と、
前記第１の光学系を経由して前記第１の光ディスクへビームを放射するかまたは前記第２の光学系を経由して前記第３の光ディスクへビームを放射する略４０５ナノメータ帯の波長を有する第１の半導体レーザと、
前記第１の光学系を経由して前記第２の光ディスクへビームを放射するものであって、ＣＤ用の第２の半導体レーザと、
前記第２の光学系を経由して前記第４の光ディスクへビームを放射するものであって、ＤＶＤ用の第３の半導体レーザと、
を備え、
前記第１の光学系または前記第２の光学系において、前記対物レンズに入射させる略４０５ナノメータ帯の波長を有するレーザ光の偏光状態は、前記第１の半導体レーザの層に沿う方向に対して直交する方向の直線偏光であることを特徴とする光ピックアップ装置。
カバー層厚みが０．１ミリメータである第１の光ディスクと、カバー層厚みが１．２ミリメータである第２の光ディスクとを再生する開口数が０．８５である対物レンズを有する第１の光学系と、
カバー層厚みが０．６ミリメータである第３及び第４の光ディスクを再生する開口数が０．６５である対物レンズを有する第２の光学系と、
前記第１の光学系を経由して前記第１の光ディスクへビームを放射するかまたは前記第２の光学系を経由して前記第３の光ディスクへビームを放射する略４０５ナノメータ帯の波長を有する第１の半導体レーザと、
前記第１の光学系を経由して前記第２の光ディスクへビームを放射するものであって、ＣＤ用の第２の半導体レーザと、
前記第２の光学系を経由して前記第４の光ディスクへビームを放射するものであって、ＤＶＤ用の第３の半導体レーザと、
を備え、
前記第１の光学系または前記第２の光学系において、前記対物レンズに入射させる略４０５ナノメータ帯の波長を有するレーザ光の偏光状態は、前記第１の半導体レーザの層に沿う方向に対して直交する方向に長軸を有する楕円偏光であり、その楕円率は前記略４０５ナノメータ帯の波長を有するレーザ光の光ディスクにおけるスポット形状が円形となるように設定されていることを特徴とする光ピックアップ装置。