JPH02257115A - 光情報媒体の記録再生用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体レーザー光源を用いた光情報媒体の
記録再生用光学系、特に該半導体レーザーから放出され
る楕円上の強度分布を円上の強度分布へと近づけるため
の補正光学系を含み、また該半導体レーザーの発振波長
が急激に変化する場合に最適な光情報媒体の記録再生用
光学系に関する。

（従来技術） 光ディスク等の光情報記録媒体への記録、再生装置に用
いられる光学系で、近年最も一般的なものは、第２図に
示すように、光源］を出た光をコリメータレンズあるい
はカップリンタレンズ２と対物レンズ３とで情報記録面
４に集光するものである。コリメータレンズあるいはカ
ップリングレンズ２は、光源からの発散光を平行光ない
しそれに近くまで発散の程度を減じるもので、その結像
倍率をｍ。とすれば １　／　ｍ　ｃ　　＜　１　／　４ の程度で用いられる。ここでは、この範囲で用いられる
集束レンズをコリメータと呼ぶ。また、この光学系では
、光ディスク等の面振れに対しては、対物レンズ３を光
軸方向に動かすことによってフォーカシングを行なって
いる。

コンパクトディスクの再生光学系における対物レンズの
代表的なものとして、焦点距離が４．５画、ＮＡｏ、４
５でアクリル系の樹脂を材料とした非球面レンズが実用
化されている。一方、コリメータレンズは、焦点距離が
１７ｎｎ、　ＮＡｏ、　１４のものが代表的であり、１
群２枚構成のものが多く使われているが、対物レンズ、
コリメータレンズ共に色収差が補正不足である。

また近年、大型電子計算機やパーソナルコンピューター
の記憶装置の記憶媒体として、光情報媒体として光ディ
スクなどの光情報媒体を利用することが研究されている
。光ディスクにも種々のタイプがあるが、直径が１３０
　ｍｕの光磁気ディスクの記録再生用光学系では、対物
レンズの代表的なものとしては焦点距離が４．３圃、Ｎ
Ａｏ、５３、またコリメーターレンズは焦点距離が８〜
］、　２　ｎｍ＋、ＮＡｏ、３４〜ｏ、２５のものが用
いられる。これは記録を行なうために半導体レーザーの
光量を効率良く取り込む必要があるためである。

一方、光源として用いられる半導体レーザーは、接合面
に水平な方向と垂直な方向では発散光束の拡がり角が異
なるものが一般的である。従って、上述のようなＮＡの
大きいコリメータを用いた場合、コリメーターレンズを
射出する光束はその断面が楕円状の強度分布を持つ。こ
の光束を有効に使うには、楕円の短軸方向の光束径を拡
大し光束が、はぼ円形になるように補正する手段を必要
とする。光磁気ディスクの記録再生用光学系では、波面
収差を良好に保ちつつこれを実現するために、アナモフ
ィックプリズムを用いる。

第３図にアナモフィックプリズムを用いた光束径の補正
用光学系を示す。第３図（ａ）が接合面に平行方向に対
応し、拡がり角の少ない光束をコリメータレンズで平行
光束にしたために、光束径が小となったのをアナモフィ
ックプリズムで拡大している。第３図（ｂ）は接合面に
垂直な方向に対応し、この方向のビーム径は変らない。

光束の拡大率γは第３図（ａ）から γ＝Ａ’／Ａ　　　　　　　　’（］）で表わされる。

一般に半導体レーザーは、温度などの外部環境によりモ
ードホップを起し、発振波長が急激に変化する。また記
録時には低出力で読みとり、高出力でデータ部に記録し
ようとすると、同様に、出力変化による発振波長が変化
する。この波長変化が急激なために、フォーカシングサ
ーボが追随できない程度に光学系の焦点位置が急激に変
化し、記録エラー、再生エラーを結果する。

もっとも、コンバク１−ディスク再生装置においでは、
再生専用であるため半導体レーザーの出力は一定である
。また記録された信号に誤り訂正符号が含まれており、
モードホップが起きても再生音には影響がないようにな
っている。

しかし、光磁気ディスク記録再生装置の場合は、このよ
うなエラーは装置の信頼性を低下させる。

このために、半導体レーザーの発振波長が急激に変化し
ても焦点位置の；ｌ化が、焦点深度内におさまるように
色収差の補正が必要となる。

上記の焦点距離が４．３ｎＩｌ１１．ＮＡｏ、５３の対
物レンズを球面レンズの組合レンズで構成すると、重量
が０．５ｇ程度と重くなる。一方、コンピューターの記
憶装置は、アクセスタイムが短いことが重要であるが、
対物レンズの重量が大きいことがアクセスタイムの短縮
の妨げになっていた。

このような問題点を解決しようとするものとして特開昭
６１−３１１０号公報記載の対物レンズが見られる。し
かし、このレンズには、■非球面を含む接合レンズであ
るため芯出しが困難である。

■１群２枚構成のため全軸上厚が単レンズの場合と比較
して厚いため、作動距離が短くなってしまう。■プレス
ガラスレンズとして面精度を確保するにはレンズ材質が
制限されるので、自由に分散を選ぶことが困難となる。

■像高を確保するには、非球面レンズ同士を接合する必
要があるので高価となる。等の問題がある。

このような問題点を解決する手段として、次に、対物レ
ンズには通常の非球面単レンズを用い、コリメーターレ
ンズに補正過剰な色収差を持たせ、光学系全体で色収差
を補正することで、対物レンズの軽量小型化と色収差の
補正とを両立させた光学系が提案された。（特開昭６２
−２６９９２２号公報） しかしながら、アナモフィックプリズム等を用いて、一
方向の光束を拡大するような手段が光学系に含まれてい
る場合、上述のような色収差を補正過剰にしたコリメー
ターレンズを使用して光学系全体の色収差を完全に補正
した場合、波長の変化に対しての焦点移動はない代わり
に非点収差が発生し、これが収束スポットの形状に悪影
響を及ぼすことが指摘されている。（ＭＴＣＲＯＯＰ１
’１Ｃ３ＮＥＷＳ　Ｖｏｌ、６　Ｎｏ、３　Ｐ、４８−
Ｐ、５３　（１９８８）　）（この発明が解決しようと
する問題点）この発明は、アナモフィックプリズム等を
用いて一方向の光束を拡大するような手段が含まれてい
る光情報媒体の記録再生用光学系において、コリメータ
に適当な包収゛θを持たせ、非点収差による波面収差と
のバランスを取ることによって、光学系が複雑になって
大型化し、重址が増加するようなことなく、全体として
、半導体レーザーの発振波長変化にともなう焦点移動と
非点収差の発生を必要十分な量に抑えた光学系を得よう
とするものである。

（問題を解決するための手段） 本発明の光情報媒体の記録再生用光学系は、第１図に示
すように、少なくとも半導体レーザー光源と、該光源か
らの発散光をほぼ平行な光束にするための正の焦点距離
を有するコリメーターレンズと、該コリメーターレンズ
を出た光束の一方向の光束径を拡大して光束の強度分布
を円状に近づける手段と、合焦機能を有し、該光束をさ
らに集束させる対物レンズとから構成される情報記録面
に集光する為の光学系であって、上記コリメーターレン
ズは、下記の条件で示す色収差を持つことを特徴とする
。

ｆｏ　ニコリメーターレンズの焦点距離ｆｏ　二対物レ
ンズの焦点距離 γ　　：光束の拡大率（γ〉１） 丈１肛：　コリメーターレンズの軸上色収差ａ　λ ａｆＢｃ　　　丈１刊に関しては、半導体し但し　ａλ
　゛　　ａλ 一ザーのカバーガラス、光情報媒体の保護層による影響
を含めた値である。

（作用） 第１図の光学系において、コリメーターの焦点距離をｆ
。、対物レンズの焦点距離をｆ。、光束の一 拡大率をγ（γ〉１）とする。

コリメーターレンズ、対物レンズの軸上色収差を、上記
のようにバックフォーカスｆ　８ｃ、　　ｆ　ＲＯの基
準使用波長近傍における波長に対する偏微分で表わし それぞれ　　□、　　立」旦　とする。

ａｆａｃ ａ　λ　　　　　　　ａ　λ 尚、ａｆａｃは半導体レーザーのカバーガラスδ　λ ａｆｅｏは光情報媒体の保護層による影響δ　λ を含めた値である。

半導体レーザーの接合面に平行な方向をｙ方向、垂直な
方向を２方向とする。ｙ方向では、コリメーターレンズ
の焦点距離が実際のコリメーターレンズの焦点距離ｆ。

の７倍になった光学系と等価であると考えられる。

このとき△λの波長変化があったときのｙ方向、２方向
それぞれの焦点移動量を△ｙ、△Ｚとすると △ｙ＝（（−ｉ−Ｌ−）２−ＬｉＪＬＬ−十一月ｌ−）
△λ　　（２）γｆｃａｌ　　　　　ａ　　λ △Ｚ＝（（１虹）、ａｔ肛十立ハ虹）△λ　　（３）ｆ
ｏ　　　ａλ　　　ａλ 従ってγ〉１の場合、非点隔差Ｓ＝△ｙ−Δ２が生じる
。

非点隔差が存在した場合、その回折焦点はサジタル焦線
とタンジェンシャル焦線の中間にあることが知られてい
る（光学の原理■、マックスホルン、エミル・ウォルフ
著、草用徹、横田英嗣訳：東海大出版会（１９７８）　
Ｐ、７０］、）、従って焦点シフト量は　ｄ＝（△ｙ＋
△ｚ）／２で表わすことができる。

光情報媒体の記録再生用光学系のように回折限界性能を
有する光学系においては、その性能を波面収差で表わす
ことが望ましい。

デフォーカス量ｄが存在するとき発生する波面収差のｒ
　ｍ　ｓ値を△Ｗｄ、非点隔差Ｓが存在するとき発生す
る波面収差のｒｍｓ値を△Ｗ８とすると ΔＷ４＝」肪ルｌｄｌ　　　　　’　　　（４）４ｆ丁 △Ｗｓ＝　４１ｓｌ　　　　　　（５）但し、ＮＡは対
物レンズの開口数である。

（２）（３）（４）（５）・式から △Ｗ、→貫”　ｌ　（Ｆ（１十長）（妙伜＋Ｌ玩虹）△
λＩ（６） ａ　λ （ＮＡ）２］　　　ｆｏ２８　ｆＩＩｅｌ（１−ゴ）（
−）□△λ１（７） △Ｗｓ−■τ　　ｙ　ｆｃ　ａλ で表わされる。

デフォーカスによって発生する波面収差と、非点隔差を
有した場合に回折焦点に合焦したときに発生する非点収
差とは、直交関係にあり、従って、合成された波面収差
のｒｍｓ値を△ＷＴとすると△ＷＴ　＝Ｊ（△Ｗ、ｌ）
”（△ｗｓ）２（ｇ）で表わされる。

ａ　ｆｉｓｏ　＞　（）　　として、△Ｗ１、△Ｗｓ、
△Ｗ１δλ と　丈１肛　の関係を模式的に第４図に示す１゜ａ　λ 図かられかるように△Ｗ１には最小値があることがわか
る。

（６）（７）（ｓ）式から （△ＷＴ）２＝（△ｗ、＋）２＋（△ＷＳ）　”＝１１ 式中［コの中をＸとおくと、Ｘが最小となここでは計算
を見やすくするために、仮りに”　　　　”　　−（（
］／２）ｂ”＋ｃ”）ｋ変数を元に戻すと （１］） ａｆＢｃ　　− δ　λ ２（γ７＋］）、γ２（血）２丈−ｈ旦３γ４−２γ　
＋３ｆ、ａ　λ （１１）を（１０）に代入して ｃ　　　　　　　２ Ｘ＝４ｂ・＋２０＝ｙ 変数を元に戻すと 、＝４（γニー１）２□　（丈玩、）２３γ−２γ＋３
　ａλ （９）より とおくと Ｘ　＝　２　（−７−ｂｋｘ　＋　ｙ）”　＋　ｋ２ｃ
２ｘ２＝に２（＋ｂ２＋ｃ”）ｘ２＋２ｂｋｙｘ＋２ｙ
”　　（１０）Ｘが極値（最小値）を持つ条件は　＋÷
二〇より求める。

従って、式（１０）より すなわち、ｆｏ、　　ｆｏ、　ａ　ｆ　ａ　ｏ、γが与
えらａ　λ とき最適な色収差は式（１２）で表わされ、そのときの
波面収差のｒｍｓ値は（１５）で表わされる。

今、コリメーターレンズとして色収差を補正したレンズ
を使用したときの波面収差を△Ｗ１とすると式（６）（
７）（８）より に＝ Ａ１＝ Ａ３＝ Ａ４＝ ２．４５７９０Ｘ　１０ ］、］、００００Ｘ　１０−３ １．３８６５０　Ｘ　１０−４ −５．２３９５０Ｘ１０−’ ２．３６６２０Ｘ　１Ｏ−７ Ｐ１＝ Ｐ３＝ Ｐ４＝ ４．００００ ６．００００ ８．００００ １０．００００ γ＝２のとき この実施例では ａ　＝−０，４’Ｊ６　μｍ／　ｎｍ を代入すると ΔＷａ　＝　２．８９２　Ｘ　１０−３１△λ１ΔＷｓ
＝１．６４０Ｘ１０−３１△λ △ＷＴ＝３．３２５Ｘ１０−３Ｉ△λｌ　　とな；６゜
（発明の効果） （１６）式によれば△ＷＴの最適値は３．１２２ｘｉｏ
−３１△λ１であり、この実施例の△ＷＴは、上記のよ
うに３．３２５　ｘ　１０−３１Δλ１であるので、最
適値と６．５％しか違わない。

また△ＷＴは４．８２５ｘ］Ｏ−”　ｌ　△λｌ　テ、
コツトきの改善率は３１％である（最適値では３５％）
、。

今１０ｎｍの波長変化があったとき、この実施例ではλ
”８３０ｎｍとして△ＷＴ”０．０４．Ｏλｒ・ｍｓの
波面収差の変化であり、これは回折限界を示すマレシャ
ルの許容値０．０７λｒ　ｒｎ　ｓより小さく集束スポ
ットへの影響はわずかである。

以上のようにこの発明の光学系は、アクリル系樹脂を使
用した色収差の補正されていない単レンズを使用しても
、光学系全体で半導体レーザーのモードホップや出力変
化にともなう発振波長変化による集束スポットの劣化を
小さくすることができる。

この種の対物レンズは重量が０．１ｇ程度と従来この種
の目的に使われていたガラスレンズと比較して１１５程
度の重量であり、また、ガラス製の非球面レンズを使用
した１群２枚の対物レンズと比較しても１７３程度の重
量である。

また、対物レンズの製造コス１−も現在大量安価に生産
されているＣＤ用非球面プラスチック対物レンズと同程
度のコストですみ、システム全体として従来の光学系と
比較して安価に生産出来る。

さらに、近年、不均質レンズ、マイクロフレネルレンズ
、球面レンズに非球面形状を有する薄い透明材料を接合
したハイブリッドレンズ等も対物レンズに用いられてい
るが、このような色収差の補正されていないものもこの
発明の光学系の対物レンズとして使用することが出来る
。また、従来からよく使われている特開昭５５−４．０
６８号公報記載のような２群３枚構成の対物レンズは凸
レンズに分散の小さい材料、凹レンズに分散の大きい材
料を使用することで、ある程度の色補正が可能であり、
この場合はコリメータレンズの色収差補正過剰量を減ら
すことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光学系の構成を示す断面図で（ａ
）は半導体レーザーの接合面に水平な方向、（ｂ）は半
導体レーザーの接合面に垂直な方向の光軸を含む断面図
である。 第２図は、従来例の基本構成図、第３図は光束の一方向
を拡大するためのアナモフィックプリズムの光軸を含む
２方向の断面図、第４図は、コリメーターの色収差と各
波面収差のｒｍｓ値との関係を示す図、第５図は、光束
の拡大率と波面収差の改善率との関係を表わす図である
。 １：光源（半導体レーザー） ２：コリメーターレンズ　　３：対物レンズ４：情報記
録面　　　　　　５：カバーガラス６：アナモフィック
プリズム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも半導体レーザー光源と、該光源からの
   発散光をほぼ平行な光束にするための正の焦点距離を有
   するコリメーターレンズと、該コリメーターレンズを出
   た光束の一方向を拡大して光束の強度分布を円上に近づ
   ける手段と、合焦機能を有し上記光束をさらに集束させ
   る対物レンズとから構成される情報記録面に集光する為
   の光学系であって、上記コリメーターレンズは、下記の
   条件で示す色収差を持つことを特徴とする光情報媒体の
   記録再生用光学系 １／２ａ＞■ｆ＿Ｂ＿Ｃ／■λ＞√２ａ、■ｆ＿Ｂ＿Ｃ
   ／■λ＜φ但しａ＝−｛２（γ＾２＋１）γ＾２｝／｛
   ３γ＾４−２γ＾２＋３｝（ｆｃ／ｆｏ）＾２■ｆ＿Ｂ
   ＿Ｏ／■λｆｃ：コリメーターレンズの焦点距離 ｆｏ：対物レンズの焦点距離 γ：光束の拡大率（γ＞１） ■ｆ＿Ｂ＿Ｃ／■λ：コリメーターレンズの軸上色収差
   ■ｆ＿Ｂ＿Ｏ／■λ：対物レンズの軸色収差（■ｆ＿Ｂ
   ＿Ｏ／■λ＞０）但し■ｆ＿Ｂ＿Ｃ／■λ、■ｆ＿Ｂ＿
   Ｏ／■λに関しては、半導体レーザーのカバーガラス、
   光情報媒体の保護層による影響を含めた値である。