JPH04281231A - 光集束光学系 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 　本発明は、光ディスク装置における光学系の改良に関
する。

（従来の技術） 　従来光ディスク装置においては、情報を読み出す際、
或は、情報を書き込む際には、対物レンズが合焦状態に
維持され、光源からのレーザービームが対物レンズによ
り集光されて光ディスクに照射される。

（発明が解決しようとする課題） 　従来の光ディスク装置では、レーザービームが対物レ
ンズにより集光されるが、集光されたレーザービームは
、対物レンズ及び光ビームの波長で定まる回折限界以上
に絞れないと言う問題があり、より高密度での記録及び
再生に限界があるとされている。

この発明は、レーザービームを光ディスク上でより小さ
く絞ることができる光集束光学系を提供することを目的
とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 　本発明によれば、上記課題を解決するために、光源と
、光源を出た光ビームを分割する手段と、分割された光
ビームの少なくとも一方の特性を変化させる手段と、再
度光ビームを合成する手段と、光を集光する手段を具備
した集束光学系が提供される。

（作用） 光ビームを２分割し、一方の光ビームは、光ディスク上
で通常の集光パターンを形成させる。他方の光ビームに
対して特性を変化させて光ディスク上で中心強度が比較
的小さく、しかもより広がりを持った集光パターンを描
くように工夫する。

さらに光ディスク上で二つの光の位相差をλ／２だけず
らして光ビームの干渉を利用することにより集光パター
ンの周辺部の光量を減小させる。その結果、実質的に集
光スポットサイズを小さくすることができる。

（実施例） 第１図は、この発明の光ディスク装置の一実施例を示し
ている。第２Ａ図から第４Ｂ図は、第１図に示した光デ
ィスク装置の基本原理を説明する為の説明図をである。

第２Ａ図から第４Ｂ図を参照してこの発明の基本原理に
ついて説明し、更に第１図を参照して具体的な光学系に
ついて説明する。第２Ａ図に示されるように略平面の等
位相面４１を有するレーザービーム３が対物レンズ７を
通過して集束されると、合焦時には、情報記憶媒体の記
録層４０上に第２Ｂ図に示されるような中心にピークを
有するある振幅分布５１を有するビームスポットが形成
される。平面の等位相面４１を有するレーザービームが
第３Ａ図に示されるような高さｈの段差を有する光反射
面４３によって反射されると、反射直後のレーザービー
ム３の等位相面には、局部的に距離ｄだけずれが生じる
。

このレーザービーム３を対物レンズ７により集光すると
、ずれ量ｄの値がλ／２（ここで、レーザービーム３の
波長をλとする。）の時、情報記憶媒体の記録層４０上
には、第３Ｂ図に示されるような振幅分布５２を有する
ビームスポットが形成される。

ここで、レーザービーム３の入射側から見た、ビーム断
面方向での光反射面４３の段差の形状は、ストライプ形
でも良く、また、同心円状や楕円形状であっても良い。

第２Ｂ図及び第３Ｂ図に示されるいずれの振幅分布５１
、５２を有する光ビームにあっても合焦時情報記憶媒体
の記録層４０上では、等位相面は平面となる。

第４Ａ図に示されるように２つの光ビームの振幅分布５
１、５２を同一点状に重ねると互いに干渉し合うことと
なる。特に、このとき両者の位相をλ／２だけずらすと
、光ビームの振幅分布が互いに相殺し合うように干渉さ
れる。その結果、第４Ｂ図に示すように光ビームの振幅
分布５１の周辺部が除かれ、光ビームの振幅分布５１に
比べより幅の狭い光ビームの振幅分布５３を有する集光
ビームスポットが形成される。

通常、レーザービーム３が対物レンズ７で集光されると
光ビームの回折の影響で集光点のスポットは、第２Ｂ図
に示すように広がりを持つて形成される。従って、従来
の技術では、光ビームを回折限界以上に絞るのは不可能
と考えられていた。

これに対し、第４Ａ図に示すように２つの光ビームの干
渉を利用することによってよりスポットサイズの小さな
集光スポットを形成することができる。

このように２つの光ビームの干渉を利用してスポットサ
イズを微小化させることができるこの発明の集束光学系
の実施例を第１図を参照して説明する。

第１図に示される光学系においては、半導体レーザー素
子１から発生したレーザービーム３は、コリメートレン
ズ２を通過してその等位相面が平面に変換される。この
レーザービーム３は、λ／２板２３を通過して三角柱状
のプリズム部材５８に向けられる。このレーザービーム
３は、その電場の振動方向がλ／２板２３によって適切
に所定の方向に回転される。プリズム部材５８内におい
ては、レーザービームのＳ波成分は、偏光ビームスプリ
ット面１４で反射されて検光子５４に向けられ、レーザ
ービームのＰ波成分は、その偏光ビームスプリット面１
４を通過して光学特性を変化させる変化手段５７へ向け
られる。光学特性変化手段５７は、第一の平面５５及び
この第一の平面５５に対して特定の段差を有する第二の
平面５６を有し、この二つの平面でＰ波成分のレーザー
ビーム３が全反射される。このＰ波成分のレーザービー
ム３の等位相面は、全反射することにより平面状態から
局所的に段差を有する状態に変化される。第二の平面５
６から見た第一の平面５５の形状は、既に述べたように
ストライプ状でもよいし、楕円形状または円状でも良い
。

三角柱プリズム５８の光ビームの射出面には、検光子５
４が配置されている。この検光子５４は、ゼラチン等の
異方性フィルムにより形成され、或は、偏光ビームスプ
リット膜１４が形成されている面に対してねじれの関係
に配置される平面を有する偏光ビームスプリッターによ
り構成されている。そして、この検光子５４は、特定の
偏光方向を有する光ビームのみを通過させる働きを備え
ている。従って、この検光子５４をＳ波及びＰ波成分の
いずれをもある割合で、例えば、略均等に透過させるよ
うに配置することによって偏光ビームスプリット膜１４
でＳ波とＰ波に分離されたレーザービーム３が再びこの
検光子５４で再び合成される。

検光子５４で合成されたレーザビームは、良く知られる
ようにビームスプリッタ１５及び１／４λ板１６を透過
して対物レンズ７によって情報記録媒体、即ち光ディス
ク１８の記録面４０に集束される。この時、光ディスク
上には、ビームスポットが形成されるが、このビームス
ポットの大きさは、第２Ａ図及び第２Ｂ図を参照して説
明したように波面が揃えられたレーザービームが集光さ
れる場合に比して第３Ａ図及び第３Ｂ図及び第４Ａ図及
び第４Ｂ図を参照して説明したようにより微少なビーム
スポットが形成され、光ディスク１８上に記録される情
報の記録密度を向上させることができる。

光ディスク１８から反射された発散性のレーザービーム
は、対物レンズ７で集光されて合焦時には、平行ビーム
に変換され、再び１／４λ板１６を通過して偏光ビーム
スプリッタ１５に戻され、偏光ビームスプリッタ１５の
偏光面１３で反射される。反射されたレーザービームは
、集光レンズ１９で集光され、シリンドリカルレンズ２
０でレーザービームに非点収差が与えられて検出器２１
に照射され、対物レンズ７の合焦状態が検出される。こ
の集光レンズ１９及びシリンドリカルレンズ２０の組み
合せは、いわゆる、焦点検出検出方法における非点収差
法として知られている。明らかなように、この実施例で
は、非点収差法が説明されているが、光学的情報記録再
生装置の光学系の焦点検出方法として他の焦点検出方法
、例えば、ナイフエッジ法等が採用されても良い。

第１図及び第５図に示される光学特性変化手段５７の二
つの平面５５、５６は、エッチング法によっても作成す
ることができるが、この実施例では、次のようにリフト
オフ法により作成される。

即ち、直角部分を有する三角柱プリズム５８の直角部分
と対向する面に偏光ビームスプリット膜１４が形成され
る。次に、反射後のＳ波とＰ波（但しここで言うＰ波と
は、第二の平面５６のみで反射したレーザービームでは
なく、第一の平面５５と第二の平面５６でそれぞれ反射
した後、互いに干渉し合って合成されたレーザービーム
を言う。）の位相がλ／２だけずれるような厚みを持っ
た透明膜をその上に均一に積層し、第二の平面５６とす
る。その上にフォトレジスト層を形成後、ストライプ・
楕円・円形等のマスクをかぶせて露光し、現像する。こ
の結果、第一の平面５５が形成されるプリズム５８の領
域は、露出され、第二の平面５６に相当する領域は、フ
ォトレジスト層が残ったままになる。露出された領域上
に特定の厚みを有する先に形成したと同一の透明膜を形
成して第一の平面５５を形成し、その後フォトレジスト
層を除去して第二の平面５６を露出させる。二つの平面
５５、５６でレーザービームを全反射させることができ
るのでさらに光反射膜を形成する必要がない。

第１図及び第５図に示される光学系においては、レーザ
ービームが対物レンズ７を通過した後、情報記憶媒体、
即ち、光ディスク１８上に最小のスポット形状を形成す
るためには合成時の二つのレーザービームの光振幅比を
適正に合わせる必要がある。そのため光学系の組立調整
時には、λ／２板２３が回転可能に支持され、Ｓ波とＰ
波の振幅比がこのλ／２板２３の回転により適切に変化
される。

第１図に示される光集束光学系は、比較的構成が簡単で
比較的安価に作成できる。従って、第５図に示されるよ
うに情報記録再生光学系に第１図に示される光集束光学
系を組み込んだ場合にあっても、従来の光学系に対しそ
れ程光学系が大きくなることもなく、しかも高価になる
こともない。

本発明の基本原理を採用した応用例に係る光学系を第６
図に示す。この応用例に係る光学系は、第５図の光学系
に比べて簡略化した有している。

光学ヘッドは一般的に薄型化するために、光路を曲げて
光ビームを対物レンズへ向かわせる立ち上げミラーが組
み込まれる光学系か多く採用されている。第６図の光学
系では、立ち上げミラーとしての機能をも有する光学特
性変化手段５７が採用されている。また、この光学特性
変化手段５７では、第５図に示される偏光ビームスプリ
ット面１４に代えてハーフミラー面１２が採用されてい
る。

このハーフミラー面１２は、ここで二つの光ビームに分
割される振幅比が一定になるように光透過率及び光反射
率が設定されている。また、第６図に示される光学特性
変化手段においては、第５図に示される光学特性変化手
段とは、異なり、ハーフミラー面１２を通過したレーザ
ービームは、全反射されず、ハーフコート層４４で反射
される。

このハーフコート層４４の光反射率を比較的低く設定す
ることにより、ハーフミラー面１２とハーフコート層４
４との間で複数回反射されて迷光ビームとして情報記憶
媒体８に達する光ビームを十分に減少させることができ
る。このハーフコート層４４は、接着層４５を介して三
角柱プリズム４６に接合されている。

この第６図に示される光学系においては、半導体レーザ
ー素子１から発生したレーザービーム３は、コリメート
レンズ２を通過してその等位相面が平面に変換され、ビ
ームスプリッタ１５を通過して三角柱状のプリズム部材
４６に向けられる。

プリズム部材４６においては、その表面のハーフミラー
１２でレーザービームの一部が反射され、他の部分がこ
のハーフミラー１２を通過してハーフコート層４４に向
けられる。このハーフコート層４４は、第一の平面５５
及びこの第一の平面５５に対して特定の段差を有する第
二の平面５６を有することから、レーザービーム３の等
位相面は、反射される際にその波面が平面状態から局所
的に段差を有する状態に変化される。このハーフコート
層４４で反射されたレーザービーム３は、ハーフミラー
面１２を通過する際、このハーフミラー面１２で反射さ
れるレーザービームと干渉され、干渉が生じたレーザー
ビームは、対物レンズ７で集束されて情報記録媒体１８
に集光される。情報記録媒体１８上に集光されるレーザ
ービームは、第２Ａ図、第２Ｂ図、第３Ａ図及び第３Ｂ
図を参照して説明したように微少なビームスポットを形
成することとなる。

この発明の原理を用いた他の応用例を第７図を参照して
説明する。第１図に示される光学特性変化手段５７では
、第一の平面５５が第二の平面５６に挟まれ、しかもそ
れぞれの面で反射した光ビームの位相がλ／２だけずれ
るように段差ｈを有している。然ながら、第７図に示さ
れる光学特性変化手段６１では、中心線を境に第一の平
面５９と第二の平面６０が分割配置され、しかもそれぞ
れの平面で反射したレーザービームの位相がλ／４だけ
ずれるように段差ｈが設けられている。

第７図に示される光学特性変化手段６１では、偏光ビー
ムスプリット面１４で反射したレーザービームは、情報
記憶媒体１８上に第８Ａ図に示される光振幅分布６２を
形成する。これに対し光学特性変化手段６１で反射した
レーザービームは、情報記憶媒体１８上に第８Ａ図に破
線で示すような光振幅分布６３を形成する。この振幅分
布６３は、第一の平面５９と第二の平面６０を分割する
中心線に対応する中心線に関して非対称なパターンを有
している。また、情報記憶媒体１８上で二つの光振幅分
布６２、６３の位相をλ／２ずらすように設定すると、
互いに干渉して合って互いに重る部分が相殺され第８Ｂ
図に示すような光振幅分布６４が形成される。第８Ｂ図
に示される振幅分布から明らかなように単にレーザービ
ームを対物レンズ７で集光した場合に比して比較的小さ
なビームスポットを形成することができる。

上述した実施例では、二つの光ビームの干渉を利用して
振幅分布の一部を互いに相殺していたが、互いに干渉さ
せて光振幅分布の一部を加算することによりサイズの小
さな集光スポットを形成させることもできる。対物レン
ズ７に入射するレーザービーム３の強度分布、即ち、振
幅分布としてその中心の強度を小さく設定し、その周辺
部の強度を大きくすることによって集光スポットサイズ
を小さくできる。しかしこのような振幅分布では、第９
Ａ図に示すように光振幅分布６６としてサイドローブが
大きくなってしまうと問題がある。本発明の応用例とし
てこの光振幅分布６６を有するレーザービームにこの光
振幅分布６６よりもスポットサイズは大きいが、第９Ａ
図に示すようにサイドローブの小さな光振幅分布６５を
有する光ビームを重ね合わせ、しかも互いに強め合うよ
うに位相を合わせることによって、第９Ｂ図に示すよう
に光振幅分布６６よりもスポットサイズが小さくサイド
ローブが相対的に小さな光振幅分布６７を形成させるこ
とができる。

このような光振幅分布を形成することが可能な光学系を
第１０図を参照して説明する。第１０図に示される光学
系においては、コリメートレンズ２を通過したレーザー
ビーム３の振動面がλ／２板２３の回転調整によって適
切な方向に向けられ、２つの光ビームのＳ波成分及びＰ
波成分の光振幅比が最適な状態に設定される。Ｓ波成分
は、偏光ビームスプリット面１４で反射され、ビームス
プリッタ１５及び対物レンズ７を通過して情報記憶媒体
上に第９Ａ図に示される光振幅分布６５を有するビーム
スポットを形成する。これに対して、Ｐ波成分は、偏光
ビームスプリット面１４を透過される。偏光ビームスプ
リット面１４の後方には、Ｐ波成分に対して特定の光路
差を与えるスペース層６８と光反射層６９が形成され、
接着層４５を介して三角柱プリズム４６に接合されてい
る。光反射層６９はその中心部でストライプ状・円形状
・あるいは楕円形状の大きな欠如領域を有し、その領域
では、レーザービームが三角柱プリズム４６中に進入さ
れる。従って偏光ビームスプリット面１４を通過したＰ
波成分のうち周辺部のみが光反射層６９で反射される。

この光反射層６９で反射されたＰ成分のレーザービーム
は、偏光ビームスプリット面１４、ビームスプリッタ１
５及び対物レンズ７を通過して情報記憶媒体上に第９Ａ
図に示される光振幅分布６６を有する比較的スポットサ
イズの小さなビームスポットを形成する。従って、Ｐ波
成分のレーザービームとＳ波成分の光ビームは、情報記
録媒体上で加算され、第９Ｂ図に示される光振幅分布を
有し、十分に小さなサイズを有するビームスポットが形
成される。

尚、スペース層６８は、偏光ビームスプリット面１４上
に酸化物・フッ化物・窒化物などの透明物質を真空蒸着
法やスパッタリング法により積層して形成される。光反
射層６９の形成方法は、前述したようにリフトオフ法に
よって形成するほかに、大きな欠如領域に対応したマス
クをかけながら真空蒸着法やスパッタリング法により積
層して形成することができる。振動面が互いに直交する
二つの光ビームを加算する場合には、Ｐ波成分とＳ波成
分の位相がｎλ／２（但しｎは整数、λは使用レーザー
波長）だけずれて直線偏光光ビームになっている条件の
時が最も二つの光ビームの加算効率が高い。従ってその
条件を満足するようにスペース層６８の厚みが設定され
ている。

第１０図に示される光学特性変化手段６１を対物レンズ
７の直前に配置し、立ち上げミラーと兼用させて光学系
の小型化を計った他の応用例を第１１図に示す。第１１
図には、第１０図に示した箇所或は部分と同一箇所或は
、部分に同一符号を付してその説明を省略する。

第１２図には、第１０図の光学系のλ／２板２３とＰ光
ビームスプリット面１４に代えて特定の光反射率と光透
過率を有する光学特性層７０を用いた光学系が示されて
いる。光学特性層７０で反射したレーザービームと、光
反射層７１で反射した後光学特性層７０を通過したレー
ザービームの間の位相差をｎλに設定することが望まし
い。またこのように設定することにより光学特性層７０
と光反射層７１との間で多重反射したレーザービームの
位相差もそれぞれλの整数倍だけずれる。

従って、多重反射したレーザービームは、互いに強め合
い情報記憶媒体１８上にスポットサイズの小さな集光パ
ターンの一部を形成することになる。

第１３図には、変形例に係る光学特性変化手段５７が示
されている。この光学特性変化手段５７は、その基本的
な原理が第４Ａ図及び第４Ｂ図を参照して説明したと同
様であって、二つのレーザービームの位相がλ／２ずれ
るようにスペース層６８の厚みが設定され、所定のパタ
ーンでミラー面８０を形成している。第４Ａ図の説明で
は、光の振幅分布５２を作成するための光学特性変化手
段５７として第３Ａ図に示すように位相変化を利用して
いるが、第１２図に示される光学特性手段５７では、特
定のパターンを有するミラー面８０を用いて光ビームに
強度分布の変化を生じさせている。即ち、予め、計算機
を用いて情報記憶媒体８上に形成したい集光スポットパ
ターンをフーリエ変換するシミュレーションを実行して
光ビームの強度分布を決定し、この光ビームの強度分布
に対応するミラー面８０のパターンを決定している。

第４Ａ図に示される光ビームの振幅分布５２は、第１４
Ａ図に示すようなリング状の振幅分布に近い分布を有し
ている。第１４Ｂ図は、このリングをＸ−Ｘ面で切断し
た振幅分布を表している。この第１４Ａ図及び第１４Ｂ
図の振幅分布に対して計算機シミュレーションによりフ
ーリエ変換を実行すると、第１４Ｃ図に示すような強度
分布を有するパターン８１が得られる。半導体レーザー
素子１から発生され、コリメートレンズ２を通過した直
後のレーザービーム３の強度分布８２は、第１４Ｄ図に
実線で示すようなガウス分布に近い分布を有しているが
、このレーザービーム３を第１４Ｅ図に示しすような特
定のパターンを有するミラー面８０で反射させることに
より第１４Ｃ図に示されるパターン８１を有する光強度
分布とすることができる。特定のパターンを有するミラ
ー面８０のパターン形状は、コリメートレンズ２を通過
した直後のレーザービーム３の強度分布８２とフーリエ
変換を行ったパターン８１から計算機シミュレーション
により求める。このシミュレーション結果から電子ビー
ム露光装置によりマスクパターンを作成し、そのマスク
パターンから前述したリフトオフ法により特定のパター
ンを持ったミラー面８０を作ることができる。

［発明の効果］ 　以上説明したように本発明によれば、情報記憶媒体上
の集光スポットサイズを従来に比べて小さくすることが
でき、情報記憶媒体上の記憶密度を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

　第１図は、この発明の光ディスク装置の一実施例に係
る光学系を示す概略図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第３Ａ図
、第３Ｂ図、第４Ａ図及び第４Ｂ図は、第１図に示した
光ディスク装置の基本原理を説明する為の説明図、第５
図、第６図及び第７図は、第１図に示された光ディスク
装置の光学系の変形例を示す概略図、第８Ａ図及び第８
Ｂ図は、第７図に示された光学系における光振幅分布を
示すグラフ、第９Ａ図及び第９Ｂ図は、この発明の光デ
ィスク装置の他の実施例に係る光振幅分布を示すグラフ
、第１０図は、第９Ａ図及び第９Ｂ図に示される光振幅
分布を実現する光学系を示す概略図、第１１図、第１２
図、及び第１３図は、第１０図に示された光学系の変形
例を示す概略図、第１４Ａ図から第１４Ｅ図は、第１３
図に示された光学系を実現する為のシュミュレーション
で求められた光ビームパターン、光振幅分布及びミラー
面のパターンを示している。 ７…対物レンズ、１２…ハーフミラー 面、１４…偏光ビームスプリット面、１８…光ディスク
、４４…ハーフコート層、４６、５８…プリズム、５７
…光学特性変化手段、６８…スペース層、６９、７１…
光反射層、７０…光学特性層、８０…ミラー面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　光源と、光源を出た光ビームを分割する手段と、分割
   された光ビームの少なくとも一方の特性を変化させる手
   段と、再度光ビームを合成する手段と、光を集光する手
   段を具備し、もって集光スポットサイズを小さくするこ
   とを特徴とする光集束光学系。