JP2006134551A - 回折光学素子およびこれを用いる光ピックアップ装置 - Google Patents

回折光学素子およびこれを用いる光ピックアップ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】BDに最適化された単一対物レンズを使用し、平行光、あるいはほぼ同一の発散光、集束光で入射してもDVD、CDの互換が可能な回折光学素子と、前記回折光学素子に開口数調節部材を設けることにより、構成が簡単で効率のよい光ピックアップ装置を提供する。
【解決手段】高密度記録媒体と少なくとも一つの低密度記録媒体を互換して採用するための光ピックアップ用回折光学素子であって、前記回折光学素子は少なくとも三つの同心円状の領域に区分され、前記各領域での回折構造の周期は連続的に変化し、各境界部位での回折構造の周期の変化は連続しない。前記区分された三つの同心円状領域のなかで、第1領域は、前記低密度記録媒体のうち、相対的に低密度である第1低密度記録媒体と相対的に高密度である第2低密度記録媒体の中間ディスク厚さの収差を補正するための領域であり、第2領域は第1低密度記録媒体の収差を補正するための領域であり、第3領域は第2低密度記録媒体の収差を補正するための領域である。
【選択図】図1

Description

本発明は青色レーザに最適化された光ディスク用対物レンズを用いて、ディスクの厚さ、レーザ波長の相違した光ディスクに対する記録または再生を可能にする回折光学素子およびこれを用いる光ピックアップ装置に関するものである。
従来、映像情報、音声情報またはコンピュータ上のデータを保存する手段として、記録容量0.65GBのCD、記録容量4.7GBのDVDなどの光記録媒体が普及されてきた。かかる光記録媒体は、対物レンズにより集束された光スポットを用いて光ディスクに任意の情報を記録するかあるいは記録された情報を再生する光記録機器であって、記録容量は光スポットの大きさによって決定される。光スポットの大きさ(S)は、下記の式1のように、光の波長(λ)に比例し、対物レンズの開口数(NA;Numerical Aperture)に反比例する。
Figure 2006134551
したがって、光ディスクの高密度化のため、光ディスクに結ばれる光スポットの大きさを減らすためには、青紫色レーザのような短波長光源を使用することと、開口数を0.6以上に大きくすることが必須に要求されるのが分かる。このような大容量の光記録媒体および光記録装置の例としては、青色の波長領域(405nm)と開口数0.85の対物レンズを用い、22GB程度の容量確保を満たすシステムが提案されている。
ここで、光ディスクの傾斜角をθ、光ディスクの屈折率をn、光ディスクの厚さをd、対物レンズの開口数をNAとすると、光ディスクの傾きにより発生するコマ収差W31は下記の式2のように示される。
Figure 2006134551
ここで、光ディスクの屈折率および厚さはそれぞれ光入射面から記録面までの光学媒質の屈折率および厚さを示す。一般に、光ディスクの傾きによる信号の劣化特性はレーザの波長に反比例し、対物レンズの開口数の三乗に比例するので、ディスクの傾きに対する公差は密度の増加につれて急激に減ることになる。したがって、これを補償するため、ディスクの記録密度が増加するにしたがってディスクの厚さを減少させることにより、ディスクの傾き特性を補償することができる。これは、前記式2から、光ディスクの傾きによる公差を確保するためには、高密度化のために対物レンズの開口数を増加させることにより光ディスクの厚さを減らす必要があることからも確認できる。したがって、780nmの波長を有するCDの場合は1.2mm、650nmの波長を有するDVDの場合は0.6mmに厚さを減らし、これからのDVDより高密度の青色レーザを使用する光ディスク(BD;Blue-ray Disc)は厚さが0.1mmとなる可能性が高い。もちろん、CDの場合0.45からDVDの場合0.6に対物レンズの開口数が増加し、BDの場合は対物レンズの開口数が0.85となる可能性が高い。このように、新規格の光ディスクを開発において問題となるものは既存の光ディスクとの互換性である。
このように、ディスクの種類によってディスクの基板厚さが違うので、1種のディスクに合うように設計された光ピックアップで他種のディスクに記録/再生を行うと、ディスクの厚さ差により球面収差が大きく発生し、光品質の劣化が発生するため、正常的な信号の記録/再生が難しくなる。したがって、相違した基板厚さを有するディスク間の互換性を確保することが可能な種々の方法が提示されている。
このような方法のうち、一つのピックアップ内にBD用対物レンズとCD/DVD用対物レンズを搭載する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。しかし、この方法は、二つの対物レンズが搭載されているから、小型化、低費用化を達成し難いという問題がある。
したがって、前述したようなディスク間の互換性を確保し得る方法のなかで、波長の相違した複数の光源を採用する互換型光ピックアップの場合、装置の大きさ、組立性、価格などのいろいろの利点を考慮すると、単一対物レンズを備えることが好ましい。
このような単一対物レンズを用いて、厚さの相違した複数の光ディスクに対して互換して記録/再生が行えるため、前記互換型光ピックアップは前記球面収差を補正しなければならないという問題が発生する。
前記単一対物レンズを用いて互換性を得るための方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。この方法は、厚さの相違した高密度光ディスクと低密度光ディスクを互換して採用するため、低密度光ディスクに対しては発散光を用い、別途の光学部品の追加なしで、対物レンズの光ディスクの半径方向へのシフトの際にも良好な収差特性が得られる互換型光ピックアップを提供する。しかし、この方法は、対物レンズがトラッキング動作により移動することにより、収差が発生するという問題が発生する。
前記単一対物レンズを用いて互換性を得るためのほかの方法が知られている(例えば、特許文献3参照)。この方法は、回折光学素子として、複屈折物質を採用するホログラム素子を使用し、前記回折光学素子を対物レンズアクチュエータに搭載し、トラッキング時には対物レンズとともに移動することにより、トラッキング動作による収差発生を抑制し、異種の光ディスクのそれぞれに対して球面収差を補正し、ビームの最大効率でデータの記録/再生が行えるホログラム素子およびホログラム素子を用いる光ピックアップ装置を提供する。しかし、この方法は、回折光学素子をDVDに対して最適化すると、CDの場合に発散光として入射させる必要があり、逆にCDに対して最適化すると、DVDの場合に集束光として入射させる必要があるため、光ピックアップの構成が複雑になるという問題点がある。
前述したように、光ピックアップに要求される課題として、多開口数および短波長を有する光源を使用する場合に発生する収差を除去し、従来の光記録媒体との互換性を得るための方法が提案されているが、前述したような補正手段により光ピックアップの大型化、高費用化をもたらすことになる問題点が発生した。したがって、このような問題点を解決すると共に各機能を集約して小型化を達成するための光ピックアップ装置が要求されている。
特開2004−158118号公報 特開2004−14095号公報 特開2003−91859号公報
したがって、本発明は前述した問題点を解決するためになされたもので、単一対物レンズを使用し、平行光、あるいはほぼ同一の発散光、集束光で入射してもDVD、CDの互換が可能な回折光学素子を提供することを目的とする。
本発明のほかの目的は、回折光学素子に開口数調節部材を設けることにより、構成が簡単で効率のよい光ピックアップ装置を提供することである。
前記のような目的を達成するため、本発明は、高密度記録媒体と少なくとも一つの低密度記録媒体を互換して採用するための光ピックアップ用回折光学素子において、前記回折光学素子は少なくとも三つの同心円状の領域に区分され、前記各領域での回折構造の周期は連続的に変化し、各境界部位での回折構造の周期の変化は連続しないように構成された回折光学素子を提供する。
前記区分された三つの同心円状領域のなかで、第1領域は、前記低密度記録媒体のうち、相対的に低密度である第1低密度記録媒体と相対的に高密度である第2低密度記録媒体の中間ディスク厚さの収差を補正するための領域であり、第2領域は第1低密度記録媒体の収差を補正するための領域であり、第3領域は第2低密度記録媒体の収差を補正するための領域である。
本発明の回折光学素子は、前記回折光学素子に入射する低密度記録媒体の光が低密度記録媒体に適した有効開口数を有するようにする開口数調節部材をさらに含むことができる。
前記目的を達成するため、本発明は、前記のような回折光学素子で構成した光ピックアップ装置を提供する。
以上のような本発明による回折光学素子は、単一対物レンズを使用して、BD、DVD、CD間の互換を可能にした光ピックアップ装置を提供することができ、また前記回折光学素子に、DVD、CDの開口数を制限するための開口数調節部材を設けることにより、構成が簡単で効率のよい光ピックアップ装置を提供することができる。
以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図面において、図1は本発明の回折光学素子の平面図、図2は図1の回折光学素子の側面図、図3は図1の回折光学素子の断面図、図4aおよび図4bは本発明の回折光学素子による回折効果を示す概略図、図5は本発明の回折光学素子の回折構造周期を示すグラフ、図6aないし図6cは本発明の回折光学素子によるDVDの光線追跡結果を示す概略図、図7aおよび図7bは本発明の回折光学素子によるCDの光線追跡結果を示す概略図である。
まず、図1ないし図3に基づいて本発明の回折光学素子を説明する。本発明の回折光学素子10は高密度記録媒体と少なくとも一つの低密度記録密度記録媒体を互換して採用するためのものである。前記回折光学素子10は少なくとも三つの同心円状の領域に区分され、その構成は、図3の回折光学素子の断面図に示すように、二つのガラス基板層15、16と、この間に設けられた偏光層17とからなる。
本発明の実施形態で説明する低密度記録媒体は少なくとも2種の記録媒体に区分可能である。本発明の一実施形態においては、相対的に低密度である第1低密度記録媒体と相対的に高密度である第2低密度記録媒体に区分して説明する。すなわち、本発明の実施形態においては、前記高密度記録媒体としては、波長405nmの短波長を有し、開口数が0.85であるBDを使用し、前記低密度記録媒体のなかで、相対的に低密度である第1低密度記録媒体としては、波長が780nm、開口数が0.4であるCDを使用し、相対的に高密度である第2低密度記録媒体としては、波長が650nm、開口数が0.6であるDVDを使用するものと説明する。
図1に示すように、本発明の回折光学素子10は、中心から外側に第1領域11、第2領域12、第3領域13に区分して形成され、第3領域13の外部は外部領域14として示される。前記区分された三つの領域のうち、第1領域11は、低密度記録媒体のなかで、相対的に低密度の第1低密度記録媒体と相対的に高密度の第2低密度記録媒体の中間ディスク厚さの収差を補正するための領域であり、第2領域12は、第1低密度記録媒体の収差を補正するための領域であり、第3領域13は、第2低密度記録媒体の収差を補正するための領域に区分されている。
すなわち、本発明の一実施形態によると、前記第1領域11はDVDとCDの中間領域に対して最適化された領域で、ディスク厚さ0.6mm〜1.2mmに対して最適化された領域であり、その形成範囲は0<r<0.75mmである。第2領域12はCDに対して最適化された領域で、ディスク厚さ1.2mmに対して最適化された領域であり、その形成範囲は0.75<r<0.89mmである。第3領域はDVDに最適化された領域で、ディスク厚さ0.6mmに対して最適化された領域であり、その形成範囲は0.89<r<1.185mmである。図2はこのような回折光学素子10の側面図である。このように形成された回折光学素子10を通過する光はほぼ回折限界まで集光される。
図3は図1の回折光学素子10の断面図を示すもので、この回折光学素子10は、鋸状にブレージング処理されたガラス基板層15と、前記ガラス基板層15の鋸状に対応する面を有する偏光層17と、前記偏光層17の平面に対応する平面状のガラス基板層16とからなる。前記回折光学素子10はBD、DVDおよびCDに対して互換するためのもので、最高密度記録媒体の波長の光であるBDに対して最適化されており、DVDおよびCDを回折させることにより互換できるように構成されている。すなわち、CDの記録再生光およびDVDの記録再生光はすべ平行光として回折光学素子10に入射し、前記回折光学素子10の回折面により回折されて、光路が変換されて対物レンズに入射するようにすることにより、ディスクの記録面の厚さ差および波長差による収差を補正することができる。
このような回折光学素子10を回折限界まで集光可能に設計するためには、前述したように、前記回折光学素子10はBDに対して最適化されているので、BDは0次回折光(回折されない光)を使用するようにし、DVDおよびCDは1次回折光を使用するようにする。すなわち、図4aおよび図4bに示すように、BDの場合は0次回折光28に対してほぼ100%、DVDおよびCDの場合は1次回折光29に対してほぼ100%となるように回折光学素子10を形成する。
これは、本発明の回折光学素子10を形成するガラスの屈折率(ng1)と溝深さ(d)によって決定される。図3に示すような、鋸状にブレージング処理されたガラス基板15と、前記ガラス基板層15の鋸状に対応する面を有する偏光層17と、前記偏光層17の平面に対応する平面状のガラス基板層16において、前記偏光層17としては複屈折性光学材料を使用し、前記複屈折性光学材料は、BDの波長に対する屈折率をn1、DVDの波長に対する、BDと直交する偏光方向での屈折率をn2とする場合、ガラスの屈折率(ng1)と溝深さ(d)は下記のような関係を満たす。
BDの波長に対するガラス材料の屈折率をng1=n1
DVDの波長に対するガラス材料の屈折率をng2とする場合、
d=0.655/(ng2−n2)(単位:μm)
この際、BDの波長に対して回折は殆ど生じなく、CD/DVDの波長に対してだけ回折効果が生じて、回折光はほぼ1次光となる。この場合、BDとDVD/CDの偏光方向は直交させて入射させる必要がある。
前記偏光層17は、前述した偏光性高分子の代わりに、波長による屈折率変化の大きい高分子材料を用いることもできる。この際、BDの波長に対する屈折率をn1、DVDの波長に対する、BDと直交した偏光方向での屈折率をn2とする場合、ガラスの屈折率(ng1)と溝深さ(d)は下記のような関係を満たす。
BDの波長に対するガラス材料の屈折率をng1=n1
DVDの波長に対するガラス材料の屈折率をng2とする場合、
d=0.655/(ng2−n2)(単位:μm)
この場合、一般に偏光性材料の屈折率変化に比べ、波長による屈折率変化が小さいため、回折構造の溝深さ(d)が大きくなる。前述したように、偏光層17を形成する材料は、前記条件を満たすものであれば、高分子のほかにどんな材料を使用してもかまわない。
前述したような回折光学素子10の材料および溝深さを有する場合、第1領域11、第2領域12、および第3領域13は相違した周期(ピッチ)を有するように形成される。図5は本発明の回折光学素子10の半径による回折構造の周期(ピッチ)を示すもので、回折光学素子10の第1領域11はA領域18で指示され、第2領域12はB領域19で指示され、第3領域13はC領域20で示されている。各領域における周期は連続的に形成されるが、実線21は第1領域11での連続した周期を示し、点線22は第2領域での連続した周期を示し、1点鎖線23は第3領域13での連続した周期を示す。すなわち、各領域での周期は連続的に形成されているが、第1領域11と第2領域12間の第1境界面24、および第2領域12と第3領域13間の第2境界面25では、その周期が不連続的に変わるように形成される。
すなわち、本発明の一実施形態においては、DVDとCDの中間領域に対して最適化された第1領域11は0<r<0.75mmの範囲、CDに対して最適化された第2領域12は0.75<r<0.89mmの範囲、DVDに対して最適化された第3領域13は0.89<r<1.185mmの範囲を有するように形成される。ここで、境界となる0.75mmおよび0.89mmではその周期が不連続的に変わるように形成されたことが本発明の特徴である。また、本発明の回折光学素子10が3領域に分離可能なことも前述したような各領域の周期を相違するように形成することにより得られる結果である。
前述したように、本発明の一実施形態による回折光学素子10の偏光層17の溝深さ(d)は前記式3および式4によって決定され、その周期は図5に示すグラフによって決定される。このように形成された本発明の回折光学素子10によりBD、DVDおよびCDの3波長の光源を単一対物レンズで互換して使用することができる。
また、本発明の回折光学素子10は、前記回折光学素子10に入射する低密度記録媒体の光が低密度記録媒体に適した有効開口数を有するようにする開口数調節部材をさらに含むこともできる。
すなわち、本発明の一実施形態においては、低密度記録媒体の光の開口数を制限するための開口数調節部材を前記回折光学素子10の各面に形成する。本発明の回折光学素子10の側面図である図2に示すように、前記回折光学素子10の前面には、相対的に低密度である第1低密度記録媒体の光の開口数を制限するための第1開口数調節領域26が形成され、前記回折光学素子10の背面には、相対的に高密度である第2低密度記録媒体の光の開口数を制限するための第2開口数調節領域27が形成されている。
すなわち、本発明の一実施形態によると、第3領域13の外側領域14はDVDの開口を制限するための第1開口数調節領域26であって、この領域を通過するDVDの開口を制限して、DVDの波長の回折光がディスク上に焦点を形成しないように構成する。また、CDの開口の制限のためには、前記回折光学素子10の背面の0.91μm<rの領域にCDの開口を制限するための第2開口数調節領域27を設け、この領域を通過するCDの開口を制限して、CDの波長の回折光がディスク上に焦点を形成しないように構成する。このような本発明の開口数調節部材は、前記回折光学素子の表面に多層膜コーティングを行うことにより形成することができる。しかし、CDの波長の透過を防ぐための第2開口数調節領域27の場合、CDの記録/再生の場合は、収差が大きく、ディスク上に集光されないため、第2開口数調節領域27を形成しなくても、その効果においては大きな違いが生じない。
したがって、本発明による回折光学素子は、BD、DVDおよびCDの3波長の光源を単一対物レンズで互換することができるだけでなく、回折光学素子の各面に、DVD、CDの開口を制限するための開口数調節領域を形成することにより、構成が一層簡単な光ピックアップ装置を実現することができるという利点がある。
このように形成された本発明の一実施形態による回折光学素子10により透過されたBD、DVDおよびCDの光ビームの作用効果を説明する。
図6aないし図6cは本発明の回折光学素子によるDVDの光線追跡結果を示し、図7aおよび図7bは本発明の回折光学素子によるCDの光線追跡結果を示す。
本発明による回折光学素子10による光線の流れを説明すると、図6aは第1領域11をDVDが通過する場合の光線経路を示し、図6bは第2領域12をDVDが通過する場合の光線経路を示し、図6cは第3領域13をDVDが通過する場合の光線経路を示す。このように形成された光路により発生する収差は各領域別に計算可能である。すなわち、第1領域11では0.014λrms、第2領域12では0.119λrms、第3領域13では0.022λrmsの収差値が得られることが分かる。このような各領域の収差値は各領域の面積比(A:B:C=0.4:0.16:0.44)により加重値を与えるので、全体波面収差の値として約0.034λrmsが得られる。このような全体波面収差の値は波面収差のマレシャル条件(波面収差<0.07λrms)を満足させるだけでなく、記録計に対する条件(波面収差<0.033λrms)を誤差範囲内で満足させることが分かる。
図7aは第1領域11をCDが通過する場合の光線経路を示し、図7bは第2領域12をCDが通過する場合の光線経路を示す。このように形成された光線経路により発生する収差を各領域別に計算すると、第1領域11では0.029λrms、第2領域12では0.01λrmsの値を有することが分かる。したがって、全体波面収差の値は各領域の面積比(A:B=0.71:0.29)により加重値を与えた値となって、約0.23λrmsの値を満足させることが分かる。このような波面収差の値は波面収差のマレシャル条件(波面収差<0.07λrms)を満足させるだけでなく、記録計に対する条件(波面収差<0.033λrms)を満足させることが分かる。図面において、参照符号30は対物レンズを示し、参照符号31は記録媒体を示す。
したがって、本発明の回折光学素子を装着した光ピックアップ装置は、前述したように、波面収差を適正範囲内に減少させて効率の向上をもたらすだけでなく、回折光学素子に、低密度記録媒体の光の開口数を制限し得る開口数調節部材を装着することにより、全体光ピックアップ装置の構成を簡単にすることができるという点に本発明の特徴があると言える。
このような本発明は前述した実施形態に限定されなく、多様に変更および修正可能なものである。このような本発明の多様な変更および修正は当業者によって容易になし得るものである。
本発明の回折光学素子の平面図である。 図1の回折光学素子の側面図である。 図1の回折光学素子の断面図である。 本発明の回折光学素子による回折効果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子による回折効果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子の回折構造周期を示すグラフである。 本発明の回折光学素子によるDVDの光線追跡結果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子によるDVDの光線追跡結果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子によるDVDの光線追跡結果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子によるCDの光線追跡結果を示す概略図である。 本発明の回折光学素子によるCDの光線追跡結果を示す概略図である。
符号の説明
10 回折光学素子
11 第1領域
12 第2領域
13 第3領域
15 ガラス基板層
16 平面状ガラス基板層
17 偏光層
24 第1境界面
25 第2境界面
26 第1開口数調節領域
27 第2開口数調節領域
28 BDの0次光
29 CDおよびDVDの1次光

Claims (9)

  1. 高密度記録媒体と少なくとも一つの低密度記録媒体を互換して採用するための光ピックアップ用回折光学素子において、
    前記回折光学素子は少なくとも三つの同心円状の領域に区分され、前記各領域での回折構造の周期は連続的に変化し、各境界部位での回折構造の周期の変化は連続しないことを特徴とする回折光学素子。
  2. 前記区分された三つの同心円状領域のなかで、第1領域は、前記低密度記録媒体のうち、相対的に低密度である第1低密度記録媒体と相対的に高密度である第2低密度記録媒体の中間ディスク厚さの収差を補正するための領域であり、第2領域は第1低密度記録媒体の収差を補正するための領域であり、第3領域は第2低密度記録媒体の収差を補正するための領域であることを特徴とする請求項1記載の回折光学素子。
  3. 前記回折構造の周期は、前記回折光学素子に形成された鋸状の周期によって決定されることを特徴とする請求項1記載の回折光学素子。
  4. 前記回折光学素子は、
    鋸状にブレージング処理されたガラス基板層と、
    前記ガラス基板層の鋸状に対応する面を有する偏光層と、
    前記偏光層の他面に結合された平面状ガラス基板層とを含んでなることを特徴とする請求項1記載の回折光学素子。
  5. 前記偏光層は、複屈折性光学材料、または波長による屈折率変化が大きい高分子材料からなることを特徴とする請求項4記載の回折光学素子。
  6. 前記回折光学素子の偏光層が、ガラスの屈折率と溝深さは、それぞれ、
    ng1=n1
    d=0.655/(ng2−n2)と
    により表される式を満たし、
    n1はBDの波長に対する屈折率であり、n2はDVDの波長に対する、BDと直交する偏光方向での屈折率であり、ng2はDVDの波長に対するガラスの屈折率であり、dは溝の深さであることを特徴とする請求項4記載の回折光学素子。
  7. 前記回折光学素子に入射する低密度記録媒体の光が低密度記録媒体に適した有効開口数を有するようにする開口数調節部材をさらに含むことを特徴とする請求項4記載の回折光学素子。
  8. 前記開口数調節部材は、
    相対的に低密度である第1低密度記録媒体の光の開口数を調節するため、前記回折光学素子の一面に設けられる第1開口数調節領域と、
    相対的に高密度である第2低密度記録媒体の光の開口数を調節するため、前記回折光学素子の他面に設けられる第2開口数数調節領域とからなることを特徴とする請求項7記載の回折光学素子。
  9. 前記回折光学素子に入射する低密度記録媒体の光の開口数を調節するための開口数調節部材は多層膜コーティングにより形成されることを特徴とする請求項7記載の回折光学素子。
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