JP4596938B2 - 光ピックアップ、光情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ピックアップ及び光情報処理装置に関わり、特に波長が変化した場合に発生する球面収差を補正するのに好適なものである。

近年、光情報記録媒体における記録密度の高密度化の要望が高く、発振波長λが４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザ光源と開口数（ＮＡ）が０．８５程度まで高められた対物レンズとを用いたシステムの開発が進んでいる。これは現行のＤＶＤ（ＮＡ＝０．６、λ＝６５０ｎｍ）が記録容量４．７ＧＢに対して、例えばＮＡ＝０．８５、λ＝４００ｎｍでは、２２ＧＢ程度の情報の記録が可能となる。
また、情報の記録・再生を行うためには、光ピックアップ用の光学系の性能が、マレシャル限界（波面収差が０．０７λｒｍｓ以下）を満足する必要がある。実際の光ピックアップでは、コリメータ、プリズム等の対物レンズ以外の光学素子が含まれるため、対物レンズお波面収差劣化では０．０３λｒｍｓ以下に抑えることが望ましい。
光情報記録再生装置は、半導体レーザを光源としているが、この半導体レーザの発振波長は、個々に異なっていたり、温度の変化に伴い変動したりする。光学材料の屈折率は、波長により変化する性質（分散）を持つため、光源の波長が変動すると３次の球面収差が発生する。したがって、情報の記録・再生時、この球面収差が光学的な課題の一つとなる。この波長が変化した時の球面収差発生量は、光源の短波長化と高ＮＡ化により大きくなる。これは、波長を短くすると光学材料の屈折率変化が大きくなり、波長が変化した時の球面収差変化量が大きくなることと、球面収差変化はＮＡの４乗に比例して大きくなるためである。したがって、波長が変化した時の記録、再生における光情報の劣化に与える影響はより大きくなる。
図１４に、波長４０５ｎｍにおいてＮＡ０．６５とＮＡ０．８５の対物レンズを使用したときの波長変動による波面収差の変化を示す。
ＮＡ０．６５では、対物レンズの設計波長である４０５ｎｍから１０ｎｍ波長が変動しても、対物レンズの要望性能である０．０３λｒｍｓ以下であるのに対して、ＮＡ０．８５では、３ｎｍ波長が変動すると０．０３λｒｍｓを超えてしまい、情報の記録・再生が行えなくなるおそれがある。
一般的に光情報記録装置の動作環境として、温度を１０℃から８０℃まで想定すると、半導体レーザの波長は、３ｎｍ程度変動する。また、中心波長ばらつきが±５ｎｍ程度と想定する必要がある。したがって、ＮＡ０．８５の対物レンズを用いる光学系では、このような波長変化による球面収差を補正する必要がある。
また、波長の異なる複数の光源を用いる互換型の光ピックアップにおいて、小型化、低コスト化を実現させるためには、単一の対物レンズで達成されることが望ましい。
この時、単一の対物レンズで波長や基板厚さが異なる光情報記録媒体を記録または再生するときには、球面収差が発生するため、収差を補正する必要がある。
例えば、基板厚０．１ｍｍ、ＮＡ０．８５、青色帯域の光源により構成されている光ピックアップと基板厚０．６ｍｍ、ＮＡ０．６５の赤色帯域の光源により構成されている光ピックアップとを一つの対物レンズで互換する場合が相当する。

従来から、異なる光情報記録媒体の情報を、一つの対物レンズを用いて記録或いは再生し、かつ光源の波長変動の影響を補正する光ピックアップとしては、以下の従来技術が挙げられる。例えば、回折レンズを用いて光ピックアップを構成することが考えられる。この場合、屈折面と回折面では波長の分散が異なるため、波長変化による球面収差を補正でき、且つ、回折レンズ上に設けられたホログラムを透過する光束が、光情報記録媒体により異なる次数を用いるため、球面収差の補正された良好なスポットを形成することができる。
また特許文献１には、光源の発振波長の変化による球面収差を、設計温度における発振波長に対して略２πの整数倍の位相差を、厚みの異なる領域を持つ収差補正素子により補正するように技術が開示されている。
また特許文献２には、光軸を中心とする輪帯を形成し、設計波長λ０の整数倍の光路差を付与することで波長変化による球面収差を補正するようにした技術が開示されている。
また特許文献３には、同心円状に分割された領域ごとに、波面の位相に不連続なとびを付与するような対物レンズを用いて、温度変化による色収差を補正し、かつ複数の光情報記録媒体で良好なスポットを得られるよう補正するようにした技術が開示されている。
特開２００３−２５５１１４公報 特開２００３−２４８９６３公報 特開２００２−２８８８６７公報

しかしながら、上記した従来技術では、光学面の曲率半径が小さくなり易い高ＮＡの対物レンズにおいて、ホログラムを同心円状の微細な段差をもつような回折レンズは、光軸から離れるにしたがって、段差の影の影響が大きくなり、光の透過率が低下するので、高い光利用効率が要求される記録系の光ピックアップには不向きであった。
また上記特許文献１では、異なる光情報記録媒体に対する異なる波長の光束は、収差補正素子により波面が劣化してしまうという欠点があった。
また上記特許文献２では、許容できる波長変化は２ｎｍまでと狭い範囲であり、また輪帯数が多く、加工が複雑となる。さらに、複数の異なる波長の互換を達成するためには、段差だけでなく回折構造を必要とし、光利用効率の低下や加工が複雑になるという欠点があった。
また上記特許文献３では、対物レンズに段差等を形成しており、加工が複雑になるという欠点があった。
そこで、本発明は上記したような実情を鑑みてなされたものであり、光源の個々が持つ発振波長のばらつきや温度変化により、対物レンズ設計波長λ０から、波長が変化した場合に発生する球面収差を補正し、且つ、複数の光情報記録媒体に対して開口径の異なる光束で情報の再生又は記録を可能とする光ピックアップ及び光情報処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、中心波長４０５ｎｍの第１の光源と、中心波長６６０ｎｍの第２の光源と、中心波長７８０ｎｍの第３の光源と、設計波長４０５ｎｍの対物レンズと、を備え、複数の光情報記録媒体に対して、前記第１〜第３の光源から互いに異なる開口径で入射する光束を単一の前記対物レンズで集光させる光ピックアップであって、ＮＡ０．８５の開口径を通過した前記第１の光源からの光束が通過する輪帯領域に位相差を付与する第１の段差と、前記第１の光源の波長が変化した場合に波面を不連続に変化させて球面収差を補正する第２の段差を備えた収差補正素子と、波長選択性を有する誘電体多層膜により形成され、前記第２、第３の光源からの光束を前記対物レンズにより前記光情報記録媒体に集光する時は、開口径をＮＡ０．６５、０．４５にそれぞれ制限する開口制限素子と、を備え、前記対物レンズ、前記収差補正素子、及び前記開口制限素子を一体で可動するようにアクチュエータ上に設置すると共に、前記第１の光源からの光束は、略平行光であり、前記対物レンズは、前記第２、第３の光源からの光束が透過するときに発生する球面収差を補正するために有限系で使用され、前記第１の段差は、前記第２の光源からの光束により前記光情報記録媒体に対して記録または再生を行う時の開口径より外側に位置し且つ光軸から離れるに従って光軸方向の厚みが増すように形成され、前記第２の段差は、位相差が前記対物レンズの設計波長４０５ｎｍに対して略２πの整数倍であることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光ピックアップにおいて、前記収差補正素子は、前記開口制限素子が貼り合わされていることを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、複数の前記光情報記録媒体に対して、光ピックアップを用いて情報の記録・再生・消去の少なくともいずれか１以上を行う光情報処理装置において、前記光ピックアップが請求項１または請求項２に記載の光ピックアップであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＮＡ０．８５の開口径を通過した前記第１の光源からの光束が通過する輪帯領域に、位相差を付与する第１の段差を有する収差補正素子を備えているため、簡易な構成で波長が変化した時のスポット劣化を抑制でき、且つ、開口径の異なる複数の情報記録媒体に記録、または再生することができる。
また収差補正素子は、少ない領域で簡易に構成されているため、加工し易く回折素子で発生するような光利用効率の低下を少なくできる。またコストが安い材料を選択することで、レンズの低コスト化が実現できる。
また収差補正素子は、対物レンズに設計波長とは異なる波長の光が入射したときに発生する球面収差と逆極性の球面収差が発生する位相差を付与する第２の段差を有しているため、最も大きい開口径を通過する光束において、光源が持つ発振波長ばらつきや、温度変化により、対物レンズの設計波長λ０から、波長が変化したとき発生する球面収差を低減させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、使用波長に応じて開口を変換する開口制限素子と貼り合わされているため、光ピックアップの小型化が可能となり、組付け工程が容易になる。
請求項３に記載の発明によれば、本発明の光ピックアップを搭載した光情報処理装置であるため、開口径の異なる複数の情報記録媒体に記録、または再生することができ、且つ光源が持つ発振波長ばらつきや、温度変化が生じても、良好な信号を得ることができる。また、光利用効率の低下を抑制でき、低コスト化、小型化が実現できる。

以下、本発明の光ピックアップ及び収差補正手段の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る光ピックアップ装置の全体構成示した概略図である。なお、第１の実施形態の光ピックアップ装置は、基板厚の異なる情報記憶媒体を異なる開口径を有する光ピックアップで記録または再生を行うことができる。
また２種類の光記録情報媒体である光記録媒体の記録または再生を行うことができるものとする。ここで２種類の光記録媒体の開口数、波長、領域までの基板厚は、それぞれＮＡ＝０．８５、青色領域までの基板厚０．１ｍｍと、ＮＡ＝０．６５、赤色領域までの基板厚０．６ｍｍであるものとする。
この図１において、青色領域の光源を利用した光ピックアップは、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、プリズム４、１／４波長板５、開口制限素子９、収差補正素子２０、対物レンズ６、偏光ビームスプリッタ３、検出レンズ８、受光素子１０より構成される。
青色領域の光源の中心波長λ０は４０５ｎｍであり、開口数ＮＡは０．８５、光記録媒体７の基板厚を０．１ｍｍとすると、半導体レーザ１の出射光は、コリメートレンズ２により略平行光にされる。コリメートレンズ２を通過した光は偏光ビームスプリッタ３に入射し、プリズム４により偏向される。そして、１／４波長板５、開口制限素子９、収差補正素子２０、対物レンズ６を介して集光されることにより、光記録媒体７に情報の記録、再生が行われる。光記録媒体７からの反射光は対物レンズ６、１／４波長板５を通過した後、偏光ビームスプリッタ３により入射光と分離して偏向され、検出レンズ８により受光素子１０上に導かれ、再生信号、フォーカス誤差信号、トラック誤差信号が検出される。

赤色領域の光を利用した光ピックアップは、受発光素子３１、発散角変換レンズ３２、波長選択性のビームスプリッタ３３、プリズム４、１／４波長板５、開口制限素子９、収差補正素子２０、対物レンズ６により構成される。
赤色領域の光源の中心波長λ１は６６０ｎｍであり、半導体レーザ３１ａから出射した光は、発散角変換レンズ３２、ビームスプリッタ３３を経て、プリズム４より偏向される。そして１／４波長板５、開口制限素子９、収差補正素子２０、対物レンズ６を介して、光記録媒体３７に集光される。光記録媒体３７の基板厚は０．６ｍｍであり、対物レンズ６の開口数ＮＡは０．６５である。開口数ＮＡの切り替えは、波長選択性を有する開口制限素子９を用いる。光記録媒体３７からの反射光は対物レンズ６、１／４波長板５を通過した後、ビームスプリッタ３３により入射光と分離して偏向され、ホログラム素子３１ｂにより受光素子３１ｃ上に導かれ、再生信号、フォーカス誤差信号、トラック誤差信号が検出される。
ここで、本実施形態の光ピックアップ装置において使用した対物レンズ６のレンズデータを以下に示す。
対物レンズ６は、開口径２ｍｍの非球面屈折型レンズであり、その設計波長は４０５ｎｍである。そして、その波長４０５ｎｍでは波面収差０．０１λｒｍｓ以下と十分小さくなるように設計されている。但し、４０５ｎｍから波長が変化していくと、ＮＡ０．８５においては図１４に示すように球面収差が発生することになる。

次に、本実施形態の収差補正手段である収差補正素子の概略について説明する。
図２は収差補正素子の正面図、図３はその側面図であり、図２、図３に示すように、収差補正素子２０は、光軸方向に光軸を中心とした同心円状に領域が３つに分割（実線２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）されており、光軸から離れるにしたがって厚みが増すように形成されている。それぞれの領域における厚みの段差は対物レンズ６の設計波長４０５ｎｍの整数（Ｎ）倍の光路差を生じるように形成されている。
その様子を図４に示す。横軸は半径位置、縦軸は位相段差数Ｎを示す。なお、本実施形態ではＮ＝４．７を用いた。
収差補正素子２０の段差の境（２０ｂ、２０ｃ）の半径位置は、１．７６ｍｍ、１．８８ｍｍである。また用いた硝材は合成石英である。
点線で示した領域の境２０ｄは、基板厚０．６ｍｍの光記録媒体を開口数０．６５、波長６６０ｎｍの光束で記録または再生を行う時の開口となる。
収差補正素子２０の段差の境（２０ｂ、２０ｃ）は、２０ｄより外側に設けている。これは、段差がＮＡ＝０．６５の６６０ｎｍの光束には作用しないようにするためである。
収差補正素子２０がないときの青色領域での波長変化による球面収差量は、図５の点線になるのに対して、上記収差補正素子２０を用いると図５の実線のように３次の球面収差を補正することができる。

ここで、例えば波長が６ｎｍ変化した場合の波面位相の様子を図６に示す。
位相段差を付与したところで波面の位相が不連続になっているのが分かる。このように波面を不連続に変化させて３次の球面収差を補正している。
なお、段差の高さ、段差の境の半径位置は、対物レンズの形状、対物レンズの設計波長λ０、収差補正素子を構成する材料、開口数によって異なり、本実施形態に限定されるものではない。
光記録媒体３７は、開口制限素子９により開口が制限され、開口数ＮＡ＝０．６５の対物レンズ６により集光される。この開口制限素子９は、例えば波長選択性を有する誘電体多層膜を用いている。また対物レンズ６は、４０５ｎｍで波面が良好になるよう設計されているため、赤色領域の光が対物レンズ６を透過する場合は、球面収差が発生する。
この時発生する球面収差を補正するために赤色領域の光束は、図７に示すような有限系で対物レンズ６を使用する。
有限系で対物レンズ６へ入射することにより発生する対物レンズ６の光軸と垂直方向へのシフトに対する波面劣化を低減するためには、平行光に近づければよく、このような時は、図７のような断面を持つ同心円状の収差補正素子を使用すると良い。
シフトに対して強くするためには、平行光に近づける必要があるが、この時、対物レンズ６で球面収差が生じる。この発生した球面収差を図８の領域２２の部分で補正する。
領域２２の段差は、対物レンズの設計波長４０５ｎｍの整数倍で形成されており、この段差は６６０ｎｍにおいては、０．１９倍の位相段差に対応する。
したがって、領域２２に形成された段差は４０５ｎｍでは位相差が発生せず、６６０ｎｍにおいてのみ位相差が発生し、平行光に近づけた際に発生する球面収差を補正することができる。
しかしながら、このような収差補正を行うと、青色領域の光束を用いる場合、光源個々の波長ばらつきや、温度変化により設計波長４０５ｎｍから波長がずれ、球面収差が発生する。したがって、このようなときは収差補正素子２０の領域２２で発生する球面収差と対物レンズ６の球面収差の両方を打ち消すことができるように領域２２の位相段差を付与すればよい。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係る光ピックアップ装置の全体構成示した概略図であり、収差補正素子を青色領域、赤色領域、赤外帯域の３種類の異なる光情報記録媒体に対して用いた場合の構成を示した図である。なお、青色、赤色領域の光源に対する構成は、第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。
赤外領域の光源においては、中心波長λ２が７８０ｎｍの半導体レーザ４１ａから出射した光は、発散角変換レンズ４２、ビームスプリッタ４３を経てプリズム４より偏光される。そして１／４波長板５、開口制限素子４４、収差補正素子２０、対物レンズ６を介して光記録媒体４７に集光される。
光記録媒体４７の基板厚は１．２あり、対物レンズ６の開口数は０．４である。開口数の切り替えは、波長選択性の開口変換素子４４を用いる。光情報媒体４７からの反射光は対物レンズ６、１／４波長板５を通過した後、ビームスプリッタ４３により入射光と分離して偏向され、ホログラム素子４１ｂにより受光素子４１ｃ上に導かれ、再生信号、フォーカス誤差信号、トラック誤差信号が検出される。
収差補正素子２０は図１０のように青色領域の光束１１のみに作用し、赤色、赤外の光束には作用しないように形成されている。
赤色、赤外領域の記録場媒体７は、開口制限素子４９により開口が制限され、それぞれ開口数ＮＡ０．６５、０．４５の対物レンズ６により集光される。この開口制限素子４９は、波長選択性を有する誘電体多層膜を用いている。
また対物レンズ６は波長４０５ｎｍで波面が良好になるよう設計されているため、赤色又は赤外領域の光が対物レンズを透過する場合は球面収差が発生する。この時発生する球面収差を補正するために、赤色、赤外領域の光束は図１０のように有限系で対物レンズを使用する。

［第３実施形態］
また図１１に示すように、本実施形態の収差補正素子２０は開口制限素子９と貼り合わせて使用することができる。これにより、小型化が可能となり、組付け工程が容易になる。また図１２に示すように、本実施形態の収差補正素子２０は、開口変換手段９ｂと一体にして用いることができる。これにより、部品点数が低減し、軽量化、小型化が実現でき、また組付け工程が容易になる。
さらに本実施形態の収差補正素子２０、開口変換素子９ｂ、１／４波長板５を図示しないアクチュエータ上に設置して用いる実施形態について説明する。
これらの部品をアクチュエータ上に設置して対物レンズ６と一体に可動させることにより、相対的なシフトやチルトに伴う波面劣化を抑制できる。
なお、アクチュエータは２軸から４軸のいずれかの可動変位であってもよい。即ちフォーカス・トラックの２方向制御に加えて、ラジアル方向又はタンジェンシャル方向のチルト制御が可能なアクチュエータであってもよい。３軸または４軸のアクチュエータにより対物レンズの傾きを変化させると、対物レンズ６を透過する光束にコマ収差が発生するので、光情報記録媒体の傾きにより発生するコマ収差と相殺することができる。
また図１３に示すように、本実施形態の収差補正素子を対物レンズ面に形成して用いることができる。また、図示しないが開口制限素子９も同様に対物レンズ面に形成するようにしても良いことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る光ピックアップ装置の全体構成を示した概略図。 収差補正素子の正面図。 収差補正素子の側面図。 収差補正素子の説明図。 収差補正素子の有無による波長変化による球面収差量を示した図。 波長が変化した場合の波面位相の様子を示した図。 収差補正素子と光束の関係を示した図。 収差補正素子の側面図。 第２の実施形態に係る光ピックアップ装置の全体構成を示した概略図。 収差補正素子の機能を説明するための説明図。 収差補正素子と開口制限素子との構成を示した図。 収差補正機能面と開口変換機能面とによる構成を示した図。 収差補正素子と光束の関係を示した図。 波長変動による波面収差の変化を示した図。

符号の説明

１ 半導体レーザ、２ コリメートレンズ、３ 偏光ビームスプリッタ、４ プリズム、５ １／４波長板、６ 対物レンズ、７ ３７ 光記録媒体、８ 検出レンズ、９ 開口制限素子、１０ 受光素子、２０ 収差補正素子、３１ 受発光素子、３１ｂ ホログラム素子、３１ｃ 受光素子、３２ 発散角変換レンズ、３３ ビームスプリッタ

Claims (3)

1. 中心波長４０５ｎｍの第１の光源と、中心波長６６０ｎｍの第２の光源と、中心波長７８０ｎｍの第３の光源と、設計波長４０５ｎｍの対物レンズと、を備え、複数の光情報記録媒体に対して、前記第１〜第３の光源から互いに異なる開口径で入射する光束を単一の前記対物レンズで集光させる光ピックアップであって、
   ＮＡ０．８５の開口径を通過した前記第１の光源からの光束が通過する輪帯領域に位相差を付与する第１の段差と、前記第１の光源の波長が変化した場合に波面を不連続に変化させて球面収差を補正する第２の段差を備えた収差補正素子と、
   波長選択性を有する誘電体多層膜により形成され、前記第２、第３の光源からの光束を前記対物レンズにより前記光情報記録媒体に集光する時は、開口径をＮＡ０．６５、０．４５にそれぞれ制限する開口制限素子と、を備え、
   前記対物レンズ、前記収差補正素子、及び前記開口制限素子を一体で可動するようにアクチュエータ上に設置すると共に、
   前記第１の光源からの光束は、略平行光であり、
   前記対物レンズは、前記第２、第３の光源からの光束が透過するときに発生する球面収差を補正するために有限系で使用され、
   前記第１の段差は、前記第２の光源からの光束により前記光情報記録媒体に対して記録または再生を行う時の開口径より外側に位置し且つ光軸から離れるに従って光軸方向の厚みが増すように形成され、
   前記第２の段差は、位相差が前記対物レンズの設計波長４０５ｎｍに対して略２πの整数倍であることを特徴とする光ピックアップ。
2. 請求項１に記載の光ピックアップにおいて、
   前記収差補正素子は、前記開口制限素子が貼り合わされていることを特徴とする光ピックアップ。
3. 複数の前記光情報記録媒体に対して、光ピックアップを用いて情報の記録・再生・消去の少なくともいずれか１以上を行う光情報処理装置において、
   前記光ピックアップが請求項１または請求項２に記載の光ピックアップであることを特徴とする光情報処理装置。

Images