JP2005063545A - 光学式ヘッド装置及び光学式情報処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学式記録媒体の再生又は記録光学系において、光学系全体の光路長を短縮化し、装置の小型化及び低コスト化を実現する。
【解決手段】 光学式ヘッド装置７は、発光源２及び透光性の光学要素３を含む光学系４を備え、発光源２から光学要素３を透過した光を光学式記録媒体５に照射する。光学要素３は、発光源側において負のパワーをもつ面若しくは面群を有し、光学式記録媒体側において正のパワーをもつ面若しくは面群を有している。該面又は面群のもつパワーを増大させるためにそれらの１面以上をホログラム面とし、同心円状のホログラムパターンを形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式記録媒体への光照射を利用して情報の読取や記録を行うための光学系において、その光路長を短縮化するための技術に関する。

光学式ディスクに係る情報の再生や記録に使用される光学式ヘッド装置（光学ピックアップ装置等）には、例えば、レーザダイオード等の光源及びその発散光をほぼ平行光束として変換するレンズ素子（コリメータレンズやカップリングレンズ等）、そして、その光をディスク記録面上に回折限界まで集光する対物レンズを備えている。対物レンズからディスクに照射されて該ディスクで変調を受けた光はフォトダイオードを用いた受光部において電気信号に変換され、情報の読み出しが行われる。例えば、光集積型構成では、レーザ発光部と受光部を一体的に形成した形態が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

このような集積型素子とレンズ素子を組み合わせて、素子間に必要な相互距離が保たれるように配置した光学系をもつピックアップ装置では、全体の厚みを小さくする目的で、光路変更用のミラーが光路上に配置される。この場合に、ピックアップ装置のサイズ（ディスクへの照射光軸方向からみた面積）がある程度必要であり、また、ミラーの付設によって光学部品点数が増え、コスト上昇の原因となる。

そこで、装置サイズを小さくして、かつ部品点数を削減するためには、光路変更用の素子等をできるだけ使わないようにすることが好ましい。つまり、光学的配置の形態としては、レーザ発光点から出射した光がなるべく光路変更を受けることなく直進してレンズ素子や対物レンズを透過した後に、ディスクに照射され、その戻り光についても対物レンズやレンズ素子を直進して受光部に到達することが望ましい。

特開平１０−２２２８５９号公報

ところで、上記の光学系を実現するためには、光路長を極度に短くする必要があり、従来の構成形態では十分な特性や精度を得ることが難しいという問題がある。

例えば、対物レンズのフォーカスサーボ制御では、対物レンズとディスクとの間隔を最良の状態に保つための制御用信号として、受光信号をもとにフォーカスエラー信号を形成する必要があり、各種検出方法（非点収差法、差動同心円法、フーコー法等）において安定したサーボ信号を得るためには、所定以上の光学倍率（例えば、３倍以上）を必要とする。また、ディスクと対物レンズとの衝突や干渉等の回避を目的として、該レンズの作動距離（ワーキングディスタンス）については、ディスクの面振れ量やスピンドルモータに係る位置（高さ）精度等を考慮して相応の値（例えば、コンパクトディスクでは概ね１ｍｍ以上）とする必要がある。

このような設計要求を満たし、かつ光路長を極力短くして高い光学倍率をもった光学系を実現するためには、レーザ光源にできるだけ近い位置に、大きな負のパワーをもつ光学要素を配し、かつ、ディスク側については該ディスクにできるだけ近い位置に、全体として大きな正のパワーをもつ光学要素を配することが必要になる。しかし、十分な作動距離を保証するためには、ディスクと対物レンズとが近すぎないように、両者間の距離をある程度以上確保しなければならない。その結果、さらに大きな正のパワーが光学要素に要求され、必要な有効径も大きくならざるを得ない。

そして、正負それぞれのパワーをもつ光学要素において、大きなパワーを得るには構成面の曲率を大きくすること、つまり、より小さい曲率半径の面が必要となり、その結果、レンズが厚くなり、必要な光路長内に収まらなくなったり、レンズの製造面で問題が発生する（金型の製造困難性や、成型の転写性の悪化等）。また、光学設計上の問題としては、例えば、概ね有効径以下の曲率半径が必要な場合にレンズとしての解が見い出せなくなるといった不都合が生じ得る。

そこで、本発明は、光学式記録媒体の再生又は記録光学系において、光学系全体の光路長を短縮化し、装置の小型化及び低コスト化に寄与することを課題とする。

本発明は、発光源とともに光学系を構成する透光性の光学要素が、発光源側において負のパワーをもつ面若しくは面群及び光学式記録媒体側において正のパワーをもつ面若しくは面群を有しており、該面又は面群のもつパワーを大きくするためにそれらのうち１面以上がホログラム面とされて、該面と光学系の光軸との交点を中心とする同心円状のホログラムパターンが形成されたものである。

本発明ではホログラム面の回折作用を利用することで、より大きなパワーを得ることができ、しかも、光学式記録媒体側に位置する光学要素の面又は面群を該光学式記録媒体に対して過度に近づける必要がなく、上記した作動距離を十分に確保することができる。また、光路上に反射性要素を配置させる必要がない。

本発明によれば、光学系全体の光路長を短縮化して装置の小型化に寄与することができる。また、光路変更用のミラーを削減することで部品点数及び低コスト化を実現できる。

そして、上記光学要素については、負のパワーをもつ面を含む第一の光学素子と正のパワーをもつ面を含む第二の光学素子とを組み合わせた構成としたり、あるいは、一つの光学素子だけを用いてその一方の面が負のパワーをもち、他方の面が正のパワーをもつように構成することで、部品点数及びコストを低減することができ、小型化や高精度化に適している。

上記ホログラム面が、非球面上にホログラムパターンを形成した複合面とされる場合には、球面収差を小さくできるので光学特性が良好となる。また、上記ホログラム面が、平面上にホログラムパターンを形成した面とされる場合には、パワーをもたない面に所望の回折作用をもったホログラムを簡単にかつ精度良く形成することができる。

そして、上記ホログラム面において、必要な開口数を決める領域内にホログラムパターンを形成することによって、アパーチャーを用いることなく、開口数を制御することができる。

図１は、本発明に係る基本構成例を示しており、光学式情報処理装置１は、発光源２と透光性の光学要素３を含む光学系４を備えている。

発光源２はコヒーレント光源とされ、本例では、レーザダイオード等の発光素子２ａと、フォトダイオード等を用いた受光素子２ｂとを複合した光集積型デバイスが用いられている。つまり、発光素子２ａを構成するレーザチップを搭載したサブマウント２ｃと、プリズム部材２ｄが基板（マウント）２ｅ上に配置されており、該基板２ｅには受光素子２ｂを構成するフォトディテクタが形成されている。尚、本例に限らず、発光素子２ａと受光素子２ｂとをそれぞれ各別の素子で構成する形態（所謂ディスクリート構成）も可能である。

光学要素３は一つ又は複数の光学素子を用いて構成され、ミラー等の反射性要素は含まない。本例では、カップリングレンズ３ａと、λ／４板（４分の１波長板）３ｂ、対物レンズ３ｃが光学系４の光軸上に配置されている。

発光素子２ａの出力光は、プリズム部材２ｄに形成された反射面（傾斜面）で９０度の光路変更を受ける。そして、発光源２から外部に出射された発散光は光学要素３を透過して収束され、対物レンズ３ｃから光学式記録媒体５に照射される。光学式記録媒体５としては、例えば、光ディスクや光磁気ディスク、相変化型ディスク等の他、光学式のカード状媒体やテープ状媒体等が挙げられる。

光学式記録媒体５の記録層で反射された後の戻り光は対物レンズ３ｃを透過し、λ／４板３ｂにおいてその偏光方向が９０度回転される。これはレーザへの戻り光の影響をなくすためであり、戻り光ノイズに強い構成としている。カップリングレンズ３ａを透過した光はその後、プリズム部材２ｄを透過して受光素子２ｂに到達し、ここで必要な情報が検出されて、信号処理部６に送られる。

このように、発光源２と光学要素３を含む光学系４は光学式ヘッド装置７を構成しており、光学式記録媒体５の情報再生又は記録（書き換えや消去を含む。）に用いられる。

尚、信号処理部６は受光信号に基いてＲＦ（Radio Frequency）信号やサーボエラー信号を取り出し、後者をサーボ制御部８に送出する。該サーボ制御部８には、例えば、下記に示す制御部が含まれる。

・サーボエラー信号に応じて図示しないアクチュエータを使って対物レンズ３ｃを駆動するためのフォーカスサーボ及びトラッキングサーボに係る制御部（８ａ）
・光学式記録媒体５に対する光学式ヘッド装置７の移動や搬送（ヘッド送り）を行うために、ボールネジ等の直線移動機構や、揺動アーム等の回動機構を駆動制御する制御部（８ｂ）
・光学式記録媒体５の回転や移動、走行等に係る制御部（８ｃ）。

次に、光学系４の構成について説明する。

上記光学要素３において、構成面の曲率半径が小さくなり過ぎると、前記した問題が生じるため、曲率半径についてはある程度の大きさを維持したままで、より大きなパワー（屈折力、回折力を含む。）が得られるように、球面若しくは非球面レンズや屈折率分布型レンズのレンズ面又は平面上にホログラムパターン（回折格子パターン）を形成して、その回折作用を利用することが望ましい。即ち、光学要素３は、発光源側において負のパワーをもつ面若しくは面群と、光学式記録媒体側において正のパワーをもつ面若しくは面群を有することを基本とする。そして、それらのうち１面以上を透過型のホログラム面とし、該面と光学系４の光軸との交点を中心とする同心円状のホログラムパターンを形成する。これによって、光学系全体の光路長を短縮することができるとともに、光軸方向からみた場合の光学式ヘッド装置７の面積を小さくすることが可能となる。

構成形態としては、例えば、下記に示す例が挙げられる。

（Ｉ）負のパワーをもつ面を含む第一の光学素子及び正のパワーをもつ面を含む第二の光学素子を用いて構成した形態
（ＩＩ）負のパワーをもつ面及び正のパワーをもつ面を含む一つの光学素子によって構成した形態。

形態（Ｉ）としては、例えば、発光源に近い側に負のパワーをもつレンズを配置し、光学式記録媒体に近い側に正のパワーをもつレンズを配置する。そして、正のパワーをもつレンズについて、その一方の面又は両方の面にホログラムパターンを形成した構成例が挙げられる。つまり、レンズ面の屈折作用に対してホログラムパターンによる回折作用を加味することで大きな正パワーが得られる。

また、形態（ＩＩ）としては、例えば、発光源に近い側に負のパワーをもつレンズ面若しくはホログラム面又はそれらの複合面を形成し、光学式記録媒体に近い側には正のパワーをもつレンズ面若しくはホログラム面又はそれらの複合面を形成した例が挙げられる。

尚、いずれの形態でも、少数の光学素子を用いて光学系を構成できるので、小型化や部品点数及びコストの削減に適している。また、レンズ面又は平面に同心円状のホログラムパターンを形成して回折作用を付与する場合には、半導体製造プロセス技術（リソグラフィ等）を用いて必要な精度を得ることができる。

尚、光学ディスク等への適用における光学仕様の一例を挙げると、下記のようになる。

・レーザ波長： ７８０ｎｍ
・開口数 ： ０．４５
・物像間距離： ５．３ｍｍ
・作動距離 ： １ ｍｍ
・光学倍率 ： ４ 倍。

図２は上記形態（Ｉ）について光学系の要部を例示したものであり、図中の「Ｌ」はその光軸を示す。

本例に示す光学系４Ａでは、受発光素子（あるいは送受光素子）９としてレーザダイオードとフォトディテクタとの複合素子（所謂レーザカプラ）が用いられており、その出射光がカップリングレンズ１０を透過した後、対物レンズ１１を介して光学ディスク１２（図にはその一部を示す。）に照射される。

受発光素子９の近くに配置されたカップリングレンズ１０は、全体として負のパワーをもっている。本例では、受発光素子９に対向する第一面１０＿１に凹面１０ａが形成され、光学ディスク１２側の第二面１０＿２が平面とされている。尚、凹面１０ａは負曲率の非球面とされている。

光学ディスク１２の近くに配置された対物レンズ１１は、全体として正のパワーをもっている。本例では、受発光素子９側の第一面１１＿１が正曲率の非球面とされ、光学ディスク１２に対向する第二面１１＿２が正曲率の非球面にホログラムパターンを形成した複合面とされている。即ち、レンズ面上にホログラムを複合させ、その回折作用による集光パワーを付加し、これによって、対物レンズの中心厚を小さくすることができ、全系の光路長（受発光素子９と光学ディスク１２との間）を短くすることができる。

本例では、ホログラム面（第二面１１＿２）が非球面上にホログラムパターンを形成した複合面とされているので、球面収差の低減に有効である。また、該ホログラム面については、必要な開口数を決める領域内にホログラムパターンが形成されているので、開口数を制御するために用いられるアパーチャーが不要である。つまり、ホログラムパターンの形成範囲を面上で必要な径内の領域に限定することによって、開口数を制御することができるので、開口数のバラツキの抑制及び部品点数の削減に有効である。

受発光素子９の出射光はカップリングレンズ１０の凹面１０ａにおいて光軸Ｌから離れる方向に屈折された後、対物レンズ１１により集光されて光学ディスク１２に照射される。尚、カップリングレンズ１０と対物レンズ１１との間の面間隔精度や偏芯精度（光軸に直交する面内におけるずれ）を許容範囲以下に保つためには、例えば、カップリングレンズ１０のフランジ部に、対物レンズ１１の周縁部を受ける面を形成して両レンズを機械的に組み合わせた構成（所謂「ダブレット」）により実現することができる。また、レーザへの戻り光ノイズの低減には、カップリングレンズ１０の第二面１０＿２の側に４分の１波長板を配置することが好ましく、該波長板、さらにはカップリングレンズ１０を透過した光が受発光素子９内のフォトディテクタにより検出されてＲＦ信号やサーボエラー信号が得られる。

尚、受発光素子９上にカップリングレンズ１０が接合された構成にするとさらにコンパクト化され、フォーカス制御やトラッキング制御時においてレーザ発光点とレンズとの位置ずれが生じないので、特性劣化のないサーボ制御を実現できる。また、カップリングレンズ１０と対物レンズ１１とを一体化させた構成形態では、フォーカスサーボ制御やトラッキングサーボ制御に関して両レンズを含む光学系を駆動する方法と、該光学系に対して受発光素子９を動かす方法が挙げられる。

図３は上記形態（ＩＩ）について光学系の要部を例示したものであり、「Ｌ」はその光軸を示す。

本例に示す光学系４Ｂでは、上記実施例１と同じ受発光素子９が用いられており、その出射光がホログラム素子１３を透過した後、光学ディスク１２に照射される。

ホログラム素子１３において、受発光素子９に対向する第一面１３＿１が負のパワーをもっており、凹面１３ａが負曲率の非球面とされている。そして、光学ディスク１２に対向する第二面１３＿２が正のパワーをもつホログラム面とされている。つまり、本例では、平面上にホログラムパターンを形成した面だけで正のパワーを得ており、全系の光路長を短くすることができる。

負のパワーをもつ第一面及び正のパワーをもつ第二面が１つのホログラム素子に形成されているため、面間の偏芯精度や面間隔精度を高くすることができ、特性や品質が良好となり、また、１つの光学素子で済む。そして、ホログラム面（第二面１３＿２）については、必要な開口数を決める領域内にホログラムパターンが形成されているので、開口数を制御するために用いられるアパーチャーが不要である。

図４は上記形態（ＩＩ）について光学系の要部を例示したものであり、図中の「Ｌ」はその光軸を示す。

本例に示す光学系４Ｃが、上記実施例２に示す光学系４Ｂと相違する箇所は、ホログラム素子の第一面及び第二面がともにホログラム面とされていることである。

つまり、受発光素子９の出射光がホログラム素子１４を透過した後、光学ディスク１２に照射されるが、ホログラム素子１４において受発光素子９に対向する第一面１４＿１が負のパワーをもつホログラム面とされ、光学ディスク１２に対向する第二面１４＿２が正のパワーをもつホログラム面とされている。

本例でも負のパワーをもつ第一面及び正のパワーをもつ第二面が１つのホログラム素子に形成されているので、精度や部品点数の面で有利である。また、必要な開口数を決める領域内にホログラムパターンを形成することにより、開口数を制御するために用いられるアパーチャーが不要となる。

尚、本実施例３及び上記実施例２に示すホログラム面については、平面上にホログラムパターンを形成した面とされているので、球面又は非球面上にホログラムパターンを形成する場合に比べて加工が簡単で高い精度が得られる。

上記に説明した各構成によれば、例えば、下記に示す利点が得られる。

・光路上に配置されるミラーを排除することで部品点数を削減し、低コスト化や部品組み立て時の精度を保証することができること
・ミラー等によって光路を極力曲げない光学的配置を採用し、光学系の光軸方向からみた光学式ヘッド装置の面積を小さくすることができ、装置の小型化を実現できること
・フレームやシャーシ等を含めた光学ブロック全体の軽量化に寄与することができ、受発光素子を含む光学系全体に係るサーボシステムについて信頼性を高めることができること（例えば、トラッキングサーボ時の収差劣化及び入出力光路長（Ｉ−Ｏ長）変化に起因するレーザノイズや収差劣化等の影響を低減して、特性の向上や安定化を図ることができる。）
・ホログラム面において、ホログラムパターンの形成範囲を必要な径内に限定することで開口数を設計上自由に制御できること（アパーチャーを作らなくても済み、開口数のバラツを低減し、部品コストを削減できる。）。

本発明に係る基本構成例を示す説明図である。 実施例１の構成例を示す図である。 実施例２の構成例を示す図である。 実施例３の構成例を示す図である。

符号の説明

１…光学式情報処理装置、２…発光源、３…光学要素、４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ…光学系、５…光学式記録媒体、７…光学式ヘッド装置

Claims (10)

1. 発光源及び透光性の光学要素を含む光学系を備え、該発光源から該光学要素を透過した光を光学式記録媒体に照射することによって該光学式記録媒体の情報再生又は記録を行うための光学式ヘッド装置において、
   上記光学要素が、上記発光源側において負のパワーをもつ面若しくは面群及び上記光学式記録媒体側において正のパワーをもつ面若しくは面群を有しており、上記負又は正のパワーを大きくするためにそれらの１面以上がホログラム面とされ、該面と上記光学系の光軸との交点を中心とする同心円状のホログラムパターンが形成されている
   ことを特徴とする光学式ヘッド装置。
2. 請求項１に記載した光学式ヘッド装置において、
   上記光学要素が、上記負のパワーをもつ面を含む第一の光学素子と上記正のパワーをもつ面を含む第二の光学素子を用いて構成されるか又は上記負のパワーをもつ面及び上記正のパワーをもつ面を含む一つの光学素子によって構成される
   ことを特徴とする光学式ヘッド装置。
3. 請求項１に記載した光学式ヘッド装置において、
   上記ホログラム面が、非球面上にホログラムパターンを形成した複合面とされている
   ことを特徴とする光学式ヘッド装置。
4. 請求項１に記載した光学式ヘッド装置において、
   上記ホログラム面が、平面上にホログラムパターンを形成した面とされている
   ことを特徴とする光学式ヘッド装置。
5. 請求項１に記載した光学式ヘッド装置において、
   上記ホログラム面のうち、上記光学系の開口数を決める領域内にホログラムパターンが形成されている
   ことを特徴とする光学式ヘッド装置。
6. 発光源及び透光性の光学要素を含む光学系を備え、該発光源から該光学要素を透過した光を光学式記録媒体に照射することによって該光学式記録媒体の情報再生又は記録を行う光学式情報処理装置において、
   上記光学要素が、上記発光源側において負のパワーをもつ面若しくは面群及び上記光学式記録媒体側において正のパワーをもつ面若しくは面群を有しており、上記負又は正のパワーを大きくするためにそれらのうち１面以上がホログラム面とされ、該面と上記光学系の光軸との交点を中心とする同心円状のホログラムパターンが形成されている
   ことを特徴とする光学式情報処理装置。
7. 請求項６に記載した光学式情報処理装置において、
   上記光学要素が、上記負のパワーをもつ面を含む第一の光学素子と上記正のパワーをもつ面を含む第二の光学素子を用いて構成されるか又は上記負のパワーをもつ面及び上記正のパワーをもつ面を含む一つの光学素子によって構成される
   ことを特徴とする光学式情報処理装置。
8. 請求項６に記載した光学式情報処理装置において、
   上記ホログラム面が、非球面上にホログラムパターンを形成した複合面とされている
   ことを特徴とする光学式情報処理装置。
9. 請求項６に記載した光学式情報処理装置において、
   上記ホログラム面が、平面上にホログラムパターンを形成した面とされている
   ことを特徴とする光学式情報処理装置。
10. 請求項６に記載した光学式情報処理装置において、
    上記ホログラム面のうち、上記光学系の開口数を決める領域内にホログラムパターンが形成されている
    ことを特徴とする光学式情報処理装置。
    

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