JP5571189B2 - 光ピックアップおよび光ディスク装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光ピックアップおよび光ディスク装置に関する。

一般に、光ディスクシステムでは、半導体レーザから発したレーザ光を対物レンズが光ディスク上に集光する。光ディスク上には、らせん状に情報が記録されており、これを走査するレーザ光は変調を受ける。情報を記録する際には、光ディスク上に形成された、らせん状の記録用トラックに沿ってレーザ光強度を変調する。光ディスクには偏芯があるため、光ピックアップに対して、前述のらせん構造の位置が変化する。これに追随するために、光ピックアップの対物レンズはアクチュエータに保持されており、アクチュエータをディスク半径方向にシフトすることにより、レーザ光は、らせん構造を走査し続けることができる。このようにして対物レンズがシフトするとき、対物レンズに対する物点が対物レンズの光軸から外れる。一般に、このような軸外の物点からの光線に対して、コマ収差が発生する。コマ収差は、記録・再生性能に悪影響を及ぼすので、できる限り除去する必要がある。従来の単層ないし数層の光ディスクシステムでは、対物レンズが正弦条件を満たすように設計することによって、レンズシフト時に発生するコマ収差を除去している。

光ディスクシステムの大容量化の方法のひとつは、多層化である。一枚のディスクにより多くの記録・再生層を形成すれば、それだけ多くの情報をそこに保持できるからである。そのような、超多層光ディスクシステムには、従来の単層ないし数層の光ディスクシステムにはなかった技術的課題がある。そのひとつに対物レンズのシフト特性問題がある。

Abstract Summaries, Optical Data Storage Topical Meeting 2010, 7730-71

超多層光ディスクシステムを実現するにあたり、対物レンズのレンズシフト時に発生するコマ収差を抑制できることが望まれている。

実施形態によれば、複数の層を有する光ディスクの記録および再生に用いられる光ピックアップが提供される。該光ピックアップは、高次の球面収差についてハーシェルの条件を満たし、レーザ光源が発するレーザ光を複数の層のいずれかに集光する対物レンズを有する。該対物レンズの使用倍率は、コリメートレンズを光軸方向に沿って移動することにより変化する。該光ピックアップは、レーザ光の波面に、該使用倍率における対物レンズに対する物点および像点が対物レンズの光軸上に存在しないことにより発生しうるコマ収差を打ち消す、３次の球面収差に相当する位相差を複数の層のそれぞれについて層ごとのディスク厚に基づいて発生する。

単層ディスクの記録・再生のための光ピックアップ光学系を示す図である。 図１の光ピックアップ光学系に対物レンズシフトが発生した場合を示す図である。 ２層ディスクの記録・再生のための光ピックアップを示す図である。 コリメートレンズによる球面収差の補正を説明するための図である。 図４の光ピックアップ光学系に対物レンズシフトが発生した場合を示す図である。 コマ収差の発生について説明するための図である。 超多層ディスクの記録・再生のための光ピックアップを示す図である。 一実施形態に係る液晶デバイスを備えた超多層用光ピックアップを示す図である。 ３次の球面収差に相当する位相差を表したグラフである。 対物レンズシフトの際のコマ収差発生について説明するための図である。 対物レンズシフトとコマ収差の関係を表したグラフである。 各層のコマ収差補正を説明するための図である。 一実施形態に係る光ピックアップを含んだ光ディスク装置を示す図である。

図１は、単層ディスクの記録・再生のための光ピックアップ光学系を示す図である。半導体レーザ１を、コリメートレンズ２の焦点距離ＦＬほど離れた位置に配置する。半導体レーザ１が放射するレーザ光は、コリメートレンズ２で平行光ＰＬに変換される。平行光ＰＬは対物レンズ３に入射して収束光ＣＬになり、単層ディスクＳＬＤの記録・再生層に集光される。一般に、光ディスクのような平行平板（この例では単層ディスクＳＬＤ）を収束光ＣＬが透過するとき、球面収差が発生する。球面収差の量は、ディスク厚ｄにより異なる。収差が発生すると、光ディスクの記録・再生性能に悪影響を及ぼすので、球面収差が発生しないようにしなければならない。対物レンズ３は、この球面収差を打ち消すような、反対の球面収差を発生するように設計される。よって、光ピックアップ全体で球面収差はゼロになる。

図２は、図１の光ピックアップ光学系に対物レンズシフトが発生した場合を示す図である。半導体レーザ１は、長い点線で表したコリメートレンズ２の光軸Ａの上に位置し、なおかつ半導体レーザ１はコリメートレンズ２と焦点距離だけ離れているので、コリメートレンズ２を透過した光は図１と同じように平行光ＰＬである。図１のレンズシフトがない場合と同じように、対物レンズ３に垂直に平行光ＰＬが入射するので、対物レンズ３で収差は発生しない。

このようにして、単層ディスクＳＬＤの場合には、対物レンズ３に垂直に平行光が入射するように設計すれば、レンズシフトがある場合でも対物レンズ３で収差は発生しない。

図３は、２層ディスクの記録・再生のための光ピックアップを示す図である。同図に示す２層ディスクＤＬＤには、異なるディスク厚ｄとｄ’の２つの層がある。今、図１と同じ対物レンズ３を使用して、図３のようにディスク厚ｄ’の層に集光したとする。対物レンズ３はディスク厚ｄにより発生する球面収差を打ち消すように設計してあるので、ディスク厚ｄ’により発生する球面収差を完全には打ち消すことができない。よって、このままでは光学系に球面収差が残ってしまう。

そこで図４に示すように、コリメートレンズ２を光軸方向に移動することにより対物レンズ３の使用倍率を変化させる。対物レンズ３の使用倍率を変化させると、対物レンズ３により発生する球面収差が変化するので、ディスク厚ｄ’により発生する球面収差を打ち消すことができる。

図５は、図４の光ピックアップ光学系に対物レンズシフトが発生した場合を示す図である。コリメートレンズ２を透過した光は、図４と同じように、コリメートレンズ２の光軸Ａ上に集光する収束光である。対物レンズ３の光軸Ｂは、同図の矢印Ｓで示す対物レンズシフトによりコリメートレンズ２の光軸Ａとずれているので、対物レンズ３の物点は対物レンズ３の光軸Ｂ上にない。

一般に、図６のように、物点ＯＰ（および像点ＩＰ）が対物レンズ３のレンズ光軸Ｂ上にないとき、コマ収差が発生する。収差が発生すると、光ディスクの記録・再生性能に悪影響を及ぼすので、コマ収差が発生しないようにしなければならない。そこで、対物レンズ３（およびディスク厚ｄ’のカバーガラスを含む系）を、正弦条件が満たされるように設計することについて検討する。正弦条件が満たされていると、物点ＯＰ（および像点ＩＰ）が対物レンズ３の光軸Ｂ上にないときにも、コマ収差が発生しないと考えられる。

図７は、超多層ディスクの記録・再生のための光ピックアップを示す図である。超多層ディスクＭＬＤには、ディスク厚の異なる多数の記録・再生層がある。これらの層の全てに、半導体レーザ１から放射される光を集光する必要がある。ディスク厚が異なることによって変化する球面収差を補正するため、前述した２層ディスクの場合と同じように、コリメートレンズ２を光軸上に移動させて、対物レンズ３の使用倍率を変化させている。

しかし、この方法には問題がある。対物レンズ３の使用倍率を変化させることにより発生する球面収差と、ディスク厚の違いにより発生する球面収差とが、完全には一致するとは限らないのである。すなわち、球面収差は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式により展開できるが、最低次の球面収差である３次の球面収差が、対物レンズ側とディスク側とで打ち消し合うように、対物レンズ３の使用倍率を選択したとき、それ以外の高次の球面収差は、必ずしも対物レンズ側とディスク側とで打ち消しあうとは限らないのである。２層ディスクや数層の光ディスクのように各層のディスク厚の差が小さい場合には、この高次の球面収差は小さいが、超多層ディスクＭＬＤでは無視できない大きさになる。

そこで、対物レンズ３（およびカバーガラスを含む系）が、高次の球面収差に対してハーシェルの条件を満たすように設計する。このように設計することで、ディスク厚の違いに対して、対物レンズ３の使用倍率を変化させて３次の球面収差を打ち消しても、高次の球面収差が変化しないようになる。ところが、ハーシェルの条件は、前述の正弦条件と矛盾し、両方を満たす対物レンズ３を設計することはできない。よって、何らかの方法で、対物レンズシフトにより発生するコマ収差を抑制しなければならない。

そこで本実施形態に係る超多層ディスク用光ピックアップでは、図８のように、液晶デバイス４を光学系内に配置する。液晶デバイス４は、当該液晶デバイス４を透過する光の波面に３次の球面収差に相当する位相差を与えるように設計する。３次の球面収差に相当する位相差とは、図９のグラフに示すような中心対称な位相差であり、この中心が、コリメートレンズ２の光軸上にあるように配置する。図８のように対物レンズシフトがない場合には、液晶デバイス４により発生する３次の球面収差を、コリメートレンズ２の移動に基づく対物レンズ３の使用倍率変化に応じて発生する３次の球面収差により、ディスク厚により発生する３次の球面収差と同時に打ち消すことができる。すなわち、液晶デバイス４により３次の球面収差に相当する位相差を発生させても、光ピックアップ光学系には球面収差は残らない。

ところが、図１０のように対物レンズシフトがある場合、開口ＯＬの中心を通る光線である主光線ＰＲは、液晶デバイス４の位相差中心ＬＣからずれる。つまり、液晶デバイス４により与えられる位相差は、主光線ＰＲの通る開口ＯＬの中心に対して対称ではなくなる。これは、３次の球面収差ではなく、１８０度の回転対称性をもつコマ収差である。一方で、対物レンズ３は、ハーシェルの条件を満たし、正弦条件を満たしていないので、そのためにコマ収差、具体的には、使用倍率における対物レンズに対する物点および像点が対物レンズ光軸上に存在しないことにより発生しうるコマ収差が発生している。

図１１は、対物レンズシフトとコマ収差の関係を表したグラフである。同図において、プロットＰ１は、対物レンズ３が正弦条件を満たさないことにより発生するコマ収差である。プロットＰ２は、液晶デバイス４の位相差中心が主光線ＰＲに対してずれていることにより発生するコマ収差である。後者の、液晶デバイス４により発生するコマ収差は、液晶デバイス４に印加する電圧により、変えることができる。すなわち図１１のように、横軸の対物レンズシフト量に応じて増減するコマ収差を表すプロットの傾きを矢印Ｒで示すように変化させることができる。

このことを利用して、液晶デバイス４に印加する電圧を適当に選んでおけば、液晶デバイス４により発生するコマ収差によって、対物レンズ３が正弦条件を満たさないことにより発生するコマ収差を打ち消すことができる。一般に、対物レンズ３が正弦条件を満たさないことにより発生するコマ収差を表す図１１のプロットＰ１の傾きは、記録・再生する層毎に異なる。そこで、層毎に適当な電圧を液晶デバイス４に印加すれば、図１２に示すように、それぞれの傾きに対応したコマ収差を打ち消すことができる。

図１３は、本実施形態に係る光ピックアップを含んだ光ディスク装置を示す図である。本装置は、光ピックアップ２０と、液晶デバイス駆動回路９と、コリメートレンズ駆動回路１０と、トラッキングおよび焦点誤差検出回路１３と、対物レンズアクチュエータ駆動回路１４とを備える。

光ピックアップ２０は、半導体レーザ１と、コリメートレンズ２と、対物レンズ３と、液晶デバイス４と、ビームスプリッタ６と、光検出器７と、コリメートレンズ駆動機構８と、対物レンズアクチュエータ１５とを備え、ｎ個の記録・再生層を有する超多層ディスクＭＬＤに対向するよう配置される。

対物レンズ３は、超多層ディスクＭＬＤの目的の層のらせん構造を走査できるように、対物レンズアクチュエータ１５に保持される。コリメートレンズ２は、対物レンズ３の使用倍率を変化させるために、光軸に沿って移動できるようにコリメートレンズ駆動機構８に保持される。液晶デバイス４は、任意の３次球面収差に相当する位相差を発生できるように、液晶デバイス駆動回路９に接続される。

超多層ディスクＭＬＤで変調を受けた光信号は、ビームスプリッタ６を経て光検出器７により検出され、電圧信号に変換される。この電圧信号に基づいて、トラッキング誤差および焦点誤差が回路１３により検出される。これらの誤差量に応じて、対物レンズアクチュエータ駆動回路１４が対物レンズアクチュエータ１５に駆動信号を送る。偏芯などによって、超多層ディスクＭＬＤのらせん構造がディスク半径方向に移動した場合にも、このようなフィードバックループによって、対物レンズ３が同じくディスク半径方向にシフトしてらせん構造に追随できる。

液晶デバイス駆動回路９は、超多層ディスクＭＬＤの各層に最適な印加電圧値をそれぞれ記憶するメモリ１１を有する。各層の記録・再生を行う際には、液晶デバイス駆動回路９がその層に対応する印加電圧値をメモリ１１から読み出し、液晶デバイス４に印加する。

コリメートレンズ駆動回路１０は、超多層ディスクＭＬＤの各層に最適なコリメートレンズ位置をそれぞれ記憶するメモリ１２を有する。各層の記録・再生を行う際には、コリメートレンズ駆動回路１０がその層に対応する位置をメモリ１２から読み出し、コリメートレンズ駆動機構８に送る。コリメートレンズ駆動機構８は、該当する位置にコリメートレンズ２を移動させる。

各層に最適な液晶デバイス４への印加電圧値および各層に最適なコリメートレンズ２の位置は以下の手順で決定できる。

（手順１）液晶デバイス４に所定の印加電圧を与える。

（手順２）球面収差を打ち消すようにコリメートレンズ２を移動させる。

（手順３）対物レンズ３をシフトをさせた状態でコマ収差が許容範囲かどうか判断する。

（手順４）手順３のコマ収差が許容範囲ではなければ手順１からやり直す。

（手順５）次の層に移り手順１からはじめる。

上記手順１と手順２により、それぞれ最適な印加電圧値と最適なコリメートレンズ位置が決定される。手順２の球面収差と手順３のコマ収差は、干渉計で測定することもできるが、簡易的に、再生信号振幅やジッタ（Ｊｉｔｔｅｒ）などの信号評価指標を代替としても良い。

以上の通り、本実施形態によれば、超多層光ディスクシステムを実現するにあたり、対物レンズのレンズシフト時に発生するコマ収差を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (2)

1. 複数の層を有する光ディスクの記録および再生に用いられる光ピックアップであって、
   レーザ光を発するレーザ光源と、
   使用倍率が可変であり、高次の球面収差についてハーシェルの条件を満たし、前記レーザ光を前記複数の層のいずれかに集光する対物レンズと、
   光軸方向に沿って移動することにより前記対物レンズの使用倍率を変化させるコリメートレンズと、
   前記レーザ光の波面に、前記使用倍率における前記対物レンズに対する物点および像点が前記対物レンズの光軸上に存在しないことにより発生しうるコマ収差を打ち消す、３次の球面収差に相当する位相差を前記複数の層のそれぞれについて層ごとのディスク厚に基づいて発生する液晶デバイスと、
   を具備する光ピックアップ。
2. 複数の層を有する光ディスクの記録および再生に用いられる光ピックアップであって、
   レーザ光を発するレーザ光源と、
   使用倍率が可変であり、高次の球面収差についてハーシェルの条件を満たし、前記レーザ光を前記複数の層のいずれかに集光する対物レンズと、
   光軸方向に沿って移動することにより前記対物レンズの使用倍率を変化させるコリメートレンズと、
   前記レーザ光の波面に、前記使用倍率における前記対物レンズに対する物点および像点が前記対物レンズの光軸上に存在しないことにより発生しうるコマ収差を打ち消す、３次の球面収差に相当する位相差を前記複数の層のそれぞれについて層ごとのディスク厚に基づいて発生する液晶デバイスと、
   前記層ごとの球面収差相当する位相差を発生させるための複数の印加電圧を前記複数の層について記憶するメモリと、
   前記複数の層のいずれかの記録または再生を行う際に、対応する印加電圧を前記メモリから読み出して前記液晶デバイスに印加する駆動回路と、
   を具備する光ディスク装置。

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