JP2800156B2 - 光学式ヘッド装置 - Google Patents
光学式ヘッド装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、光学式情報記憶媒体への情報の記録／再生
に用いられる光学式ヘッド装置、特にトラッキングセン
サとして光ディスク上に複数個の光スポットを集光す
る、いわゆる３ビーム方式の光学ヘッド装置の改善に関
するものである。 ［従来の技術］ 第４図には従来の光学式ヘッド装置の構成が示されて
いる。 図において、（１）はレーザ光源である半導体レーザ
（以下LDという）、（40）はLDの出射レーザ光束（２）
を、面（30）上に構成された回折格子（30a）により反
射回折し、３つの反射回折光を発生させる平板光素子、
（６）は集光レンズ（５）を透過した光束の集光点付近
に置かれた光学式情報記憶媒体（以下光ディスクとい
う）、（７）は光ディスク（６）に記録された情報であ
るピット、（８）はピットの列よりなるトラックであ
り、例えばこのトラック（８）は光ディスク（６）に幅
約0.5μｍ、ピッチ1.6μｍでスパイラル状に刻み込まれ
ており、このトラック（８）の直径約1.6μｍの光スポ
ット（９）を追従させることにより、光ディスク（６）
に記憶されている情報を読取ることができる。 また、（10）は光ディスク（６）によって反射され、
集光レンズ（５）及び平板光学素子（40）を透過した光
束を受光して、光電変換する光検知器、（12）、（13）
は減算器、（16）は加算器である。 従来の光学式ヘッド装置は以上の構成ら成り、以下に
その動作について説明する。 前記LD（１）を出射した光束（２）は平板光学素子
（40）の面（30）に形成された回折格子（30a）によっ
て３つのビームに反射回折され、集光レンズ（５）によ
って光ディスク（６）の情報面上に斜線で示した３つの
光スポット（9a）、（9e）、（9f）として集光される。 この３つの光スポット（9a）、（9e）、（9f）のそれ
ぞれの中心を結ぶ線は、トラック（８）の軌跡方向に対
して、僅かに傾くように前記光学系装置が配置されてい
る。そして、光ディスク（６）に集光した光は情報面に
より反射され、集光レンズ（５）を再透過した後に、あ
る角度をもって配置された平板光学素子（40）を透過す
る。従って、平板光学素子（40）から出射される光束
は、公知のように非点収差、つまり子午光線、球欠光線
に対して別々の焦線を形成する収差が与えられ、この光
束は光検知器（10）に入射される。 また、光検知器（10）はディスク上の集光スポットが
合焦状態にあるといに中心ビームすなわち０次回折光
（スポット（9a）に対応する）の反射光束が最小錯乱円
となる光軸方向に置かれている。そして、光検知器（1
0）は、第４図（ｂ）に示されるように、３ビームを６
箇所で検知するようにしており、３ビームのうち中央の
ビーム（０次光）は４分割された検知部（10a）、（10
b）、（10c）、（10d）により、また両側のビーム（±
１次光）はそれぞれ独立した検知部（10e）、（10f）に
より受光される。 周知のように、両側の検知部（10e）、（10f）の出力
を減算器（13）によって差動演算することにより、中央
のスポット（9a）とトラック（８）の位置ずれが検知で
き、この検知信号はトラッキングエラー信号として端子
（14）から出力される。従って、このトラッキングエラ
ー信号により、ここでは図示しないトラッキングアクチ
ュエータが駆動制御され、スポット（9a）がトラック
（８）の中心に正しく位置するように補正される。 更に、中央の４分割検知部の出力は、対向する検知部
（10a）及び（10c）と（10b）及び（10d）を減算器（1
2）に供給することにより差動演算が行われ、この信号
はフォーカスエラー信号として出力端子（15）から取り
出されており、光ディスク上光スポットの焦点ずれを検
知し不図示のフォーカスアクチュエータにより焦点ずれ
が補正される。 この場合の焦点ずれ検出方法は非点収差法により行わ
れる。すなわち、第４図（ｂ）に示されるように、光デ
スク上のスポットが合焦状態のときは最小錯乱円となっ
て、略円形状態となるが、ヘッド装置と光ディスク
（６）の距離の変化により生ずる焦点ずれが起ると、光
検知部（10）上のスポットが縦長及び横長の楕円形に変
形する。従って、変形した楕円形を電気的に検出するこ
とにより焦点の位置ずれを検出することができる。 そして、４分割検知部（10a）〜（10b）の出力を加算
器（16）により加算した出力は、ヘッド装置本体の機能
である再生のための信号に用いられ、光ディスク（６）
からの再生信号は端子（17）から出力され不図示の処理
回路にて情報の読取りが行われる。 ［発明が解決しようとする問題点］ 以上に説明した従来装置では、光ディスク上に集光さ
れた３つの光スポットが反射された後、平板光学素子
（40）を透過する際に透過回折を生じ、これにより再生
特性上好ましくない現象が生じていた。 以下にこの透過回折の問題について詳細に述べる。 第５図は、従来の光学式ヘッド装置を示す第４図を簡
略化して描いた模式図である。 図において、ｅ、ｍ、ｆは各々光ディスク（６）上に
集光される−１、０、＋１次反射回折光である。 ディスク（６）から反射した光は、平板光学素子（4
0）を透過した後、光検知部（10）に、０次透過光Ｅ、
Ｍ、Ｆとして入射する。 しかし、平板光学素子（40）を透過する際には同時に
±１次透過回折光が生じる。同図においては、＋１次透
過回折光をE1、M1、F1で、−１次透過回折光をE-1、
M-1、F-1で表示している。 ここに、Ｅ±１はディスク上のスポットｅから生じた
±１次回折光、Ｍ±１はディスク上のスポットｍから生
じた±１次回折光、Ｆ±１はディスク上のスポットｆか
ら生じた±１次回折光である。図において、本来の検知
器への入射光束はＥ、Ｍ、Ｆであり、これらは各々光検
知器（10e）、（10a〜10d）、（10f）に入射する。しか
しながら、上記透過回折によって生じた±１次光のう
ち、M-1がＥと重なり、E1、F-1がＭと重なり、M1がＦと
重なって入射する。これら、複数の光束が重なって光検
知器に入射するために、トラッキングエラー信号の検出
特性が乱れる。 以下この現象を第６図で説明する。 第６図は、第５図の模式図における光ディスク（６）
が微小角θだけ傾いた状況を示している。図では便宜
上、ディスク上焦点光ｍ中心に傾いたように描いた。こ
の状況では、図のように第５図のディスクの基準状態
（図では（６′）の破線で表示）から光スポットｅはδ
ｅだけ遠い位置に集光され、光スポットｆは、δｆだけ
近い位置に集光される。従って、光ディスク（６）の傾
きにともない光検知器（10）に入射する光スポットＥに
はディスク（６）からの反射により２δｅの、光スポッ
トＦには−２δｆの光路長に対応する位相変化が生ず
る。一方、光スポットM1、M-1は、スポットｍより発生
するために光ディスク（６）の傾きによって位相変化が
生じない。 この結果、光検知器（10e）に共通に入射する光束
Ｅ、M-1の間に位相差が生じ干渉する。又、光検知器（1
0f）に共通に入射する光束Ｆ、M1の間に位相差が生じて
干渉する。上記干渉によってトラッキングエラー検出特
性に乱れが生じる。第７図は上記干渉現象により光検知
器（10e）又は（10f）のうち一方の検知器から得られる
出力信号のシミュレーション結果である。記算の前提と
しては、以下のパラメータを用いた。 ディスク上光スポット強度比 （I+1r/I0r,I-1r/I0r） （第８図参照） ;0.2 ディスクの平均反射率 ;0.8 トラック横断信号の変調率 ;0.23 透過回折光強度比 （I+1t/I0,I-1t/I0） （第８図参照） ;1.03×10-5 第７図において、短い変動周期がトラック横断に対応
し、破線で示したエンベンロープ変動がディスク傾きに
相当する。図に示す如くトラック横断信号の振幅をＡ、
エンベロープ変動振幅をＢとすると、エンベロープ変動
の大きさ（変動量）は、（B/A）×100％で表される。第
７図の場合変動量10％である。光ディスクに要求される
トラッキング制御精度は、約0.1μｍであることを考慮
し、かつトラックピッチが約1.6μｍであるからトラッ
ク検出信号の変動は約10％以下であることが望ましい。
このためには、上記シミュレーションにより透過回折光
強度比（±１次/0次）を1.03×10-5以下にしなかればな
らないことがわかる。 しかしながら従来装置では平板光学素子（40）の構成
にあたり、このような配慮がなされておらず、上述のよ
うな小さな透過回折抗強度比が得られず、トラッキング
エラー信号のエンベロープが許容を越えて変動するとい
う問題があった。 本発明は、以上詳述した問題点に鑑み、透過回折光の
±１次/0次光強度比を非常に小さくでき、よって良好な
トラッキングセンサ出力特性が得られる光学式ヘッド装
置用の平板光学素子の構成法を提供するものである。 ［問題点を解決するための手段］ この発明に係る光学ヘッド装置では、平板光学素子上
に構成した回折格子に対して以下の構成を有するもので
ある。 （１）平板基板上に屈折率n2をもつ媒質からなる周期構
造（格子）が形成されている。 （２）前記基板／格子上に所定の反射率・透過率を確保
するためのハーフミラー層が形成されている。 （３）ハーフミラー層の上に、表面が平坦な屈折率n1の
オーバコート層が形成されている。 （４）前記格子材の屈折率n2、オーバコート層の屈折率
n1によって決まる前記平板光学素子上の回折格子の透過
回折の位相量が所定値以下になるよう、屈折率差|n1−n
2|が０以上でかつ1.9×-2以下に設定されている。 （５）前記オーバコート層の膜厚は、LDから出射し、前
記ハーフミラー層で反射される光束に生じる非点収差が
無視できる程小さな値となることを考慮して膜厚の上限
が定められている。すなわち、膜厚は０より大きく略0.
01λmas以下（λはLD光の波長）であり、典型的には該
膜厚が16.9μｍ以下となっている。 ［作用］ 本発明に係る光学式ヘッド装置では、平板光学素子の
格子とオーバコート層の屈折率差に起因する透過位相量
が所定値以下になるよう構成されているので、±１次/0
次透過回折光強度比を所定値以下にできる。よって、デ
ィスク傾きに対するエンベロープ変動の小さなトラッキ
ングエラー検出出力をもった光学式ヘッド装置が実現で
きる。しかも、前記平板光学素子のオーバコート層の膜
厚が所定値以下に設計されているので、ディスク上に集
光される光束に非点収差が発生し、集光性能が阻害され
ることがない。 ［実施例］ 本発明の第１の実施例による光学ヘッド装置に用いら
れる平板光学素子（40）の構造を第１図に示す。 図において、（30）は回折格子が形成された方の面を
示し、（31）は第４図（ａ）と同様に、光検知器（10）
に向う側の面である。素子の構造を図の下側の一点鎖線
枠内に拡大して示している。 図において、（33）は基板、（35）は基板（38）の上
に一体に構成された矩形の周期構造（格子）であり、屈
折率はn2、厚さｄとなっている。（37）は基板（38）と
格子（35）の上に形成されたハーフミラー層である。さ
らに、（36）はハーフミラー層（37）の上に形成された
オーバコート層であり、その表面が平坦で、屈折率n1、
厚みＤを有する。 次に本発明の光学式ヘッド装置で用いられる平板光学
素子の動作について説明する。 平板光学素子（40）に斜めに入射したLD出射光（２）
は、表面が格子（35）と同じく段差ｄを有するハーミラ
ー層（37）によって反射され、反射回折光（０次、±１
次）となり、第１図では図示を省略した対物レンズ、光
ディスクに向う。光ディスクから反射した光は再び平板
光学素子（40）の面（30）側から入射し、ハーフミラー
層（37）で部分的に透過される。 次に本発明のポイントである、±１次/0次透過回折光
強度比について述べる。 第９図のように、光束が入射角θにて、平板光学素子
の面（30）に入射し、オーバコート層にて屈折率θ′と
なり、格子（35）で透過回折され、強度I0t、Ｉ±1tの
光束に分離されたとする。|n1−n2|《１とすると、透過
光に対する位相型回折格子としての位相量φτは、
（１）式で与えられる。 一方、格子（35）の周期構造のデューティ比を0.5と
すると、（±１次/0次）光強度比は、（２）式で与えら
れる。 （１）式、（２）式より、（Ｉ±1t/I0）を小さく抑
えるにはψτをできるだけ０に近づけるのが有効である
ことがわかる。 数値例 基板、格子、オーバコート層等をPMMA系の樹脂で作成
すると仮定し、入射角θ＝45゜とすると、 n1＝1.48、θ′≒28.5゜である。よって（１）式より トラッキングエラー信号のエンベロープ変動許容を10
％と考えると先に述べたように、 （Ｉ±1t/I0）≦1.03×10-5であり、これを（２）式に
用いると、 ψτ≦1.010×10-2［rad］ …（３） （３）式を（１）′式に用いて さらに、LDの代表的波長としてλ＝0.78μｍとし、さ
らに３ビームヘッド用に反射回折光に適当な強度比（Ｉ
±1r/I0r）を付与することを考慮してdd＝0.058μｍと
すると、（４）式より |n1−n2|≦1.9×10-2 …（５） 以上のような計算手順により、（４）式は（５）式の
ような形で、n1、n2を制限することで、透過回折光強度
比（Ｉ±1t/I0）を所定の値以下に制御できる。 次に第１図の平板光学素子の作成法について述べる。 基板（38）は、以下のいずれかの方法で作成できる。 （１）平板ガラスの表面にエッチング等の手段で格子
（35）を形成する。 （２）光学樹脂等を射出成形等の手段により格子（35）
のついた基板（38）の形に成形する。 （３）紫外線硬化型の樹脂により格子（35）を表面に有
する基板（38）を成形する。これには、公知の2P法と呼
ばれる成形法が適用可能である。（H.C.Haver korn et
al;Philips Tech.Rev.40,10,p290）。 ハーフミラー層は、入射光に対する透過率：反射率を
所定の割合、例えば0.5:0.5にするのに用いられ、金
属単層膜、誘電体多層膜、金属・誘電体の混合多層
膜等で構成できる。実際の作成には、蒸着又はスパッタ
等で行う。オーバコート層（36）は表面（30）を平面と
するために樹脂等の材料をスピンコーティングにより形
成するのが最適である。 この際、格子の屈折率n2とオーバコート層の屈折率n1
は、例えば、（３）、（４）式と同様の見つもりに従
い、できるだけ近い屈折率の材料を選定すべきである。 例えば、基板（38）を2p法で作成し、オーバコート層
を2p法に使用したのと同一の紫外線硬化型樹脂をスピン
コートする等の手段を用いればn1とn2は非常によく一致
し、±１次/0次透過光強度比を小さくできる。 次にオーバコート層膜厚について説明する。LDの出射
光（２）は発散光束であり、オーバコート層（36）は傾
き角θで斜めに配置された平行平板と考えられるから反
射回折光には（６）式のような非点収差（rms値）が発
生する。（但しλは光の波長、NaはLD出射光の関口
数）。 反射回折光に非点収差が生じると、ディスク（６）上
に集光される光スポットの形状が乱れ、その結果光ディ
スク再生特性が劣化することはよく知られている。 非点収差の許容値を0.01λrmsとし、Na＝0.1、λ＝0.
78μｍ、θ＝π/4、n1＝1.48とすると、（６）式を用い
て、 Ｄ≦16.9μｍとなる。 このようにオーバコート層の厚みＤを非点収差の許容
値により（６）式を用いて上限を決め、この値以下に設
計することにより、ディスク上光スポットの収差を事実
上無視でき、良好な記録／再生特性を有する光学式ヘッ
ド装置を構成できる。 次に、第２図により本発明の第２の実施例に用いられ
る平板光学素子（40）を説明する。 図の下に示した一点鎖線内の拡大図において、格子
（35）は屈折率がn2の材料による回折格子基板層（39）
と一体に作られている。 また、基板（38）は平板である。その他ハーフミラー
層（37）とオーバコート層（36）は第１の実施例である
第１図と同様である。本構成においては、平板光学素子
は例えば以下のように作成する。 まず、基板（38）はガラス等の平板を用意する。 次に基板（38）上に、格子（35）の凹凸形状を有する
回折格子基板（39）を2p法又は射出成形法等の成形手段
を用いて形成する。次にハーフミラー層を蒸着又はスパ
ッタ等により形成し、最後に樹脂等のスピンコーティン
グにより表面（30）が平坦なオーバコート層（30）を形
成する。 本構成の平板光学素子では、厚いガラス基板（38）上
に比較的薄い回折格子基板層（39）、ハーフミラー層
（37）、オーバコート層（36）が構成できるので、各層
の平面度が良好な素子が得られる。 なお、屈折率n1、n2、格子厚ｄの設計、及びオーバコ
ート層の膜厚ｄの設計法については先に述べた第１図の
例と同様であるから省略する。 次に第３図により第３の実施例に用いられる平板光学
素子（40）を説明する。本実施例ではガラス等の平板基
板（38）上に格子（35）が形成されている。格子（35）
の製法としては、誘電体の蒸着及び格子模様へのパタ
ーンニング、レジストをスピンコートした後に、リソ
グラフィにより格子模様を形成する。 などの方法が考えられる。このように格子（35）を形成
した後にハーフミラー層（37）を蒸着、スパッタ等で形
成し、続いて樹脂等をスピンコートしてオーバコート層
（36）を形成すればよい。本実施例では、第２の実施例
と同様に厚いガラス製基板（38）上に薄い格子（35）、
ハーフミラー層（37）、オーバコート層（36）が作成で
きるので、各層の平面度が良好にできる。 なお、ハーフミラー層（37）の反射率、透過率を格子
（35）の上部と、その間（図中にＡで図示）で一定に保
つためにn3はできるだけn2と近い値とするのが望まし
い。 本実施例では、できるだけn1とn2を近づけるために、
n2をレジストをリソグラフィにより格子（35）の形にパ
ターンニングし、同一レジストのスピンコーティングで
オーバコート層（36）を形成することが考えられる。 以上説明した平板光学素子は、反射光に対しては回折
格子として光を分波する作用を有するが、透過光に対し
ては回折格子ではなく、ほぼ一枚のハーフミラーとして
動作するという従来の回折格子にない機能を有してお
り、このような機能を必要とする他の光学機器に応用し
ても有用であること勿論である。 ［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明の光学式ヘッド装
置では以下の特徴を有する平板光学素子を使用した。 （１）平板基板上に屈折率n2の媒質の周期的に格子とし
て配置した。 （２）前記基板／格子上に所定の反射率・透過率を確保
するためのハーフミラー層が配置してある。 （３）ハーフミラー層の上に表面が平坦な屈折率n1のオ
ーバコート層が形成されている。 （４）格子材の屈折率n2、オーバコート層の屈折率n1に
よって決まる位相型回折格子の透過回折位相量が所定値
以下（典型的には1.01×10-2［rad］以下となるよう屈
折率差|n1−n2|が設定されている。 （５）オーバコート層の膜厚はLDから出射した光がハー
フミラー層で反射され、集光レンズに向う光束に生ずる
非点収差が十分小さな値となるよう典型的には、16.9μ
ｍ以下程度となっている。 この結果、本平板光学素子を用いた光学式ヘッド装置
は、ディスク傾きにともなうエンベロープ変動の小さい
良好なトラッキングエラー信号が得られる。又、（５）
の特徴によりディスク上に良好な光スポットが集光で
き、記録／再生性能の劣化がない。
に用いられる光学式ヘッド装置、特にトラッキングセン
サとして光ディスク上に複数個の光スポットを集光す
る、いわゆる３ビーム方式の光学ヘッド装置の改善に関
するものである。 ［従来の技術］ 第４図には従来の光学式ヘッド装置の構成が示されて
いる。 図において、（１）はレーザ光源である半導体レーザ
（以下LDという）、（40）はLDの出射レーザ光束（２）
を、面（30）上に構成された回折格子（30a）により反
射回折し、３つの反射回折光を発生させる平板光素子、
（６）は集光レンズ（５）を透過した光束の集光点付近
に置かれた光学式情報記憶媒体（以下光ディスクとい
う）、（７）は光ディスク（６）に記録された情報であ
るピット、（８）はピットの列よりなるトラックであ
り、例えばこのトラック（８）は光ディスク（６）に幅
約0.5μｍ、ピッチ1.6μｍでスパイラル状に刻み込まれ
ており、このトラック（８）の直径約1.6μｍの光スポ
ット（９）を追従させることにより、光ディスク（６）
に記憶されている情報を読取ることができる。 また、（10）は光ディスク（６）によって反射され、
集光レンズ（５）及び平板光学素子（40）を透過した光
束を受光して、光電変換する光検知器、（12）、（13）
は減算器、（16）は加算器である。 従来の光学式ヘッド装置は以上の構成ら成り、以下に
その動作について説明する。 前記LD（１）を出射した光束（２）は平板光学素子
（40）の面（30）に形成された回折格子（30a）によっ
て３つのビームに反射回折され、集光レンズ（５）によ
って光ディスク（６）の情報面上に斜線で示した３つの
光スポット（9a）、（9e）、（9f）として集光される。 この３つの光スポット（9a）、（9e）、（9f）のそれ
ぞれの中心を結ぶ線は、トラック（８）の軌跡方向に対
して、僅かに傾くように前記光学系装置が配置されてい
る。そして、光ディスク（６）に集光した光は情報面に
より反射され、集光レンズ（５）を再透過した後に、あ
る角度をもって配置された平板光学素子（40）を透過す
る。従って、平板光学素子（40）から出射される光束
は、公知のように非点収差、つまり子午光線、球欠光線
に対して別々の焦線を形成する収差が与えられ、この光
束は光検知器（10）に入射される。 また、光検知器（10）はディスク上の集光スポットが
合焦状態にあるといに中心ビームすなわち０次回折光
（スポット（9a）に対応する）の反射光束が最小錯乱円
となる光軸方向に置かれている。そして、光検知器（1
0）は、第４図（ｂ）に示されるように、３ビームを６
箇所で検知するようにしており、３ビームのうち中央の
ビーム（０次光）は４分割された検知部（10a）、（10
b）、（10c）、（10d）により、また両側のビーム（±
１次光）はそれぞれ独立した検知部（10e）、（10f）に
より受光される。 周知のように、両側の検知部（10e）、（10f）の出力
を減算器（13）によって差動演算することにより、中央
のスポット（9a）とトラック（８）の位置ずれが検知で
き、この検知信号はトラッキングエラー信号として端子
（14）から出力される。従って、このトラッキングエラ
ー信号により、ここでは図示しないトラッキングアクチ
ュエータが駆動制御され、スポット（9a）がトラック
（８）の中心に正しく位置するように補正される。 更に、中央の４分割検知部の出力は、対向する検知部
（10a）及び（10c）と（10b）及び（10d）を減算器（1
2）に供給することにより差動演算が行われ、この信号
はフォーカスエラー信号として出力端子（15）から取り
出されており、光ディスク上光スポットの焦点ずれを検
知し不図示のフォーカスアクチュエータにより焦点ずれ
が補正される。 この場合の焦点ずれ検出方法は非点収差法により行わ
れる。すなわち、第４図（ｂ）に示されるように、光デ
スク上のスポットが合焦状態のときは最小錯乱円となっ
て、略円形状態となるが、ヘッド装置と光ディスク
（６）の距離の変化により生ずる焦点ずれが起ると、光
検知部（10）上のスポットが縦長及び横長の楕円形に変
形する。従って、変形した楕円形を電気的に検出するこ
とにより焦点の位置ずれを検出することができる。 そして、４分割検知部（10a）〜（10b）の出力を加算
器（16）により加算した出力は、ヘッド装置本体の機能
である再生のための信号に用いられ、光ディスク（６）
からの再生信号は端子（17）から出力され不図示の処理
回路にて情報の読取りが行われる。 ［発明が解決しようとする問題点］ 以上に説明した従来装置では、光ディスク上に集光さ
れた３つの光スポットが反射された後、平板光学素子
（40）を透過する際に透過回折を生じ、これにより再生
特性上好ましくない現象が生じていた。 以下にこの透過回折の問題について詳細に述べる。 第５図は、従来の光学式ヘッド装置を示す第４図を簡
略化して描いた模式図である。 図において、ｅ、ｍ、ｆは各々光ディスク（６）上に
集光される−１、０、＋１次反射回折光である。 ディスク（６）から反射した光は、平板光学素子（4
0）を透過した後、光検知部（10）に、０次透過光Ｅ、
Ｍ、Ｆとして入射する。 しかし、平板光学素子（40）を透過する際には同時に
±１次透過回折光が生じる。同図においては、＋１次透
過回折光をE1、M1、F1で、−１次透過回折光をE-1、
M-1、F-1で表示している。 ここに、Ｅ±１はディスク上のスポットｅから生じた
±１次回折光、Ｍ±１はディスク上のスポットｍから生
じた±１次回折光、Ｆ±１はディスク上のスポットｆか
ら生じた±１次回折光である。図において、本来の検知
器への入射光束はＥ、Ｍ、Ｆであり、これらは各々光検
知器（10e）、（10a〜10d）、（10f）に入射する。しか
しながら、上記透過回折によって生じた±１次光のう
ち、M-1がＥと重なり、E1、F-1がＭと重なり、M1がＦと
重なって入射する。これら、複数の光束が重なって光検
知器に入射するために、トラッキングエラー信号の検出
特性が乱れる。 以下この現象を第６図で説明する。 第６図は、第５図の模式図における光ディスク（６）
が微小角θだけ傾いた状況を示している。図では便宜
上、ディスク上焦点光ｍ中心に傾いたように描いた。こ
の状況では、図のように第５図のディスクの基準状態
（図では（６′）の破線で表示）から光スポットｅはδ
ｅだけ遠い位置に集光され、光スポットｆは、δｆだけ
近い位置に集光される。従って、光ディスク（６）の傾
きにともない光検知器（10）に入射する光スポットＥに
はディスク（６）からの反射により２δｅの、光スポッ
トＦには−２δｆの光路長に対応する位相変化が生ず
る。一方、光スポットM1、M-1は、スポットｍより発生
するために光ディスク（６）の傾きによって位相変化が
生じない。 この結果、光検知器（10e）に共通に入射する光束
Ｅ、M-1の間に位相差が生じ干渉する。又、光検知器（1
0f）に共通に入射する光束Ｆ、M1の間に位相差が生じて
干渉する。上記干渉によってトラッキングエラー検出特
性に乱れが生じる。第７図は上記干渉現象により光検知
器（10e）又は（10f）のうち一方の検知器から得られる
出力信号のシミュレーション結果である。記算の前提と
しては、以下のパラメータを用いた。 ディスク上光スポット強度比 （I+1r/I0r,I-1r/I0r） （第８図参照） ;0.2 ディスクの平均反射率 ;0.8 トラック横断信号の変調率 ;0.23 透過回折光強度比 （I+1t/I0,I-1t/I0） （第８図参照） ;1.03×10-5 第７図において、短い変動周期がトラック横断に対応
し、破線で示したエンベンロープ変動がディスク傾きに
相当する。図に示す如くトラック横断信号の振幅をＡ、
エンベロープ変動振幅をＢとすると、エンベロープ変動
の大きさ（変動量）は、（B/A）×100％で表される。第
７図の場合変動量10％である。光ディスクに要求される
トラッキング制御精度は、約0.1μｍであることを考慮
し、かつトラックピッチが約1.6μｍであるからトラッ
ク検出信号の変動は約10％以下であることが望ましい。
このためには、上記シミュレーションにより透過回折光
強度比（±１次/0次）を1.03×10-5以下にしなかればな
らないことがわかる。 しかしながら従来装置では平板光学素子（40）の構成
にあたり、このような配慮がなされておらず、上述のよ
うな小さな透過回折抗強度比が得られず、トラッキング
エラー信号のエンベロープが許容を越えて変動するとい
う問題があった。 本発明は、以上詳述した問題点に鑑み、透過回折光の
±１次/0次光強度比を非常に小さくでき、よって良好な
トラッキングセンサ出力特性が得られる光学式ヘッド装
置用の平板光学素子の構成法を提供するものである。 ［問題点を解決するための手段］ この発明に係る光学ヘッド装置では、平板光学素子上
に構成した回折格子に対して以下の構成を有するもので
ある。 （１）平板基板上に屈折率n2をもつ媒質からなる周期構
造（格子）が形成されている。 （２）前記基板／格子上に所定の反射率・透過率を確保
するためのハーフミラー層が形成されている。 （３）ハーフミラー層の上に、表面が平坦な屈折率n1の
オーバコート層が形成されている。 （４）前記格子材の屈折率n2、オーバコート層の屈折率
n1によって決まる前記平板光学素子上の回折格子の透過
回折の位相量が所定値以下になるよう、屈折率差|n1−n
2|が０以上でかつ1.9×-2以下に設定されている。 （５）前記オーバコート層の膜厚は、LDから出射し、前
記ハーフミラー層で反射される光束に生じる非点収差が
無視できる程小さな値となることを考慮して膜厚の上限
が定められている。すなわち、膜厚は０より大きく略0.
01λmas以下（λはLD光の波長）であり、典型的には該
膜厚が16.9μｍ以下となっている。 ［作用］ 本発明に係る光学式ヘッド装置では、平板光学素子の
格子とオーバコート層の屈折率差に起因する透過位相量
が所定値以下になるよう構成されているので、±１次/0
次透過回折光強度比を所定値以下にできる。よって、デ
ィスク傾きに対するエンベロープ変動の小さなトラッキ
ングエラー検出出力をもった光学式ヘッド装置が実現で
きる。しかも、前記平板光学素子のオーバコート層の膜
厚が所定値以下に設計されているので、ディスク上に集
光される光束に非点収差が発生し、集光性能が阻害され
ることがない。 ［実施例］ 本発明の第１の実施例による光学ヘッド装置に用いら
れる平板光学素子（40）の構造を第１図に示す。 図において、（30）は回折格子が形成された方の面を
示し、（31）は第４図（ａ）と同様に、光検知器（10）
に向う側の面である。素子の構造を図の下側の一点鎖線
枠内に拡大して示している。 図において、（33）は基板、（35）は基板（38）の上
に一体に構成された矩形の周期構造（格子）であり、屈
折率はn2、厚さｄとなっている。（37）は基板（38）と
格子（35）の上に形成されたハーフミラー層である。さ
らに、（36）はハーフミラー層（37）の上に形成された
オーバコート層であり、その表面が平坦で、屈折率n1、
厚みＤを有する。 次に本発明の光学式ヘッド装置で用いられる平板光学
素子の動作について説明する。 平板光学素子（40）に斜めに入射したLD出射光（２）
は、表面が格子（35）と同じく段差ｄを有するハーミラ
ー層（37）によって反射され、反射回折光（０次、±１
次）となり、第１図では図示を省略した対物レンズ、光
ディスクに向う。光ディスクから反射した光は再び平板
光学素子（40）の面（30）側から入射し、ハーフミラー
層（37）で部分的に透過される。 次に本発明のポイントである、±１次/0次透過回折光
強度比について述べる。 第９図のように、光束が入射角θにて、平板光学素子
の面（30）に入射し、オーバコート層にて屈折率θ′と
なり、格子（35）で透過回折され、強度I0t、Ｉ±1tの
光束に分離されたとする。|n1−n2|《１とすると、透過
光に対する位相型回折格子としての位相量φτは、
（１）式で与えられる。 一方、格子（35）の周期構造のデューティ比を0.5と
すると、（±１次/0次）光強度比は、（２）式で与えら
れる。 （１）式、（２）式より、（Ｉ±1t/I0）を小さく抑
えるにはψτをできるだけ０に近づけるのが有効である
ことがわかる。 数値例 基板、格子、オーバコート層等をPMMA系の樹脂で作成
すると仮定し、入射角θ＝45゜とすると、 n1＝1.48、θ′≒28.5゜である。よって（１）式より トラッキングエラー信号のエンベロープ変動許容を10
％と考えると先に述べたように、 （Ｉ±1t/I0）≦1.03×10-5であり、これを（２）式に
用いると、 ψτ≦1.010×10-2［rad］ …（３） （３）式を（１）′式に用いて さらに、LDの代表的波長としてλ＝0.78μｍとし、さ
らに３ビームヘッド用に反射回折光に適当な強度比（Ｉ
±1r/I0r）を付与することを考慮してdd＝0.058μｍと
すると、（４）式より |n1−n2|≦1.9×10-2 …（５） 以上のような計算手順により、（４）式は（５）式の
ような形で、n1、n2を制限することで、透過回折光強度
比（Ｉ±1t/I0）を所定の値以下に制御できる。 次に第１図の平板光学素子の作成法について述べる。 基板（38）は、以下のいずれかの方法で作成できる。 （１）平板ガラスの表面にエッチング等の手段で格子
（35）を形成する。 （２）光学樹脂等を射出成形等の手段により格子（35）
のついた基板（38）の形に成形する。 （３）紫外線硬化型の樹脂により格子（35）を表面に有
する基板（38）を成形する。これには、公知の2P法と呼
ばれる成形法が適用可能である。（H.C.Haver korn et
al;Philips Tech.Rev.40,10,p290）。 ハーフミラー層は、入射光に対する透過率：反射率を
所定の割合、例えば0.5:0.5にするのに用いられ、金
属単層膜、誘電体多層膜、金属・誘電体の混合多層
膜等で構成できる。実際の作成には、蒸着又はスパッタ
等で行う。オーバコート層（36）は表面（30）を平面と
するために樹脂等の材料をスピンコーティングにより形
成するのが最適である。 この際、格子の屈折率n2とオーバコート層の屈折率n1
は、例えば、（３）、（４）式と同様の見つもりに従
い、できるだけ近い屈折率の材料を選定すべきである。 例えば、基板（38）を2p法で作成し、オーバコート層
を2p法に使用したのと同一の紫外線硬化型樹脂をスピン
コートする等の手段を用いればn1とn2は非常によく一致
し、±１次/0次透過光強度比を小さくできる。 次にオーバコート層膜厚について説明する。LDの出射
光（２）は発散光束であり、オーバコート層（36）は傾
き角θで斜めに配置された平行平板と考えられるから反
射回折光には（６）式のような非点収差（rms値）が発
生する。（但しλは光の波長、NaはLD出射光の関口
数）。 反射回折光に非点収差が生じると、ディスク（６）上
に集光される光スポットの形状が乱れ、その結果光ディ
スク再生特性が劣化することはよく知られている。 非点収差の許容値を0.01λrmsとし、Na＝0.1、λ＝0.
78μｍ、θ＝π/4、n1＝1.48とすると、（６）式を用い
て、 Ｄ≦16.9μｍとなる。 このようにオーバコート層の厚みＤを非点収差の許容
値により（６）式を用いて上限を決め、この値以下に設
計することにより、ディスク上光スポットの収差を事実
上無視でき、良好な記録／再生特性を有する光学式ヘッ
ド装置を構成できる。 次に、第２図により本発明の第２の実施例に用いられ
る平板光学素子（40）を説明する。 図の下に示した一点鎖線内の拡大図において、格子
（35）は屈折率がn2の材料による回折格子基板層（39）
と一体に作られている。 また、基板（38）は平板である。その他ハーフミラー
層（37）とオーバコート層（36）は第１の実施例である
第１図と同様である。本構成においては、平板光学素子
は例えば以下のように作成する。 まず、基板（38）はガラス等の平板を用意する。 次に基板（38）上に、格子（35）の凹凸形状を有する
回折格子基板（39）を2p法又は射出成形法等の成形手段
を用いて形成する。次にハーフミラー層を蒸着又はスパ
ッタ等により形成し、最後に樹脂等のスピンコーティン
グにより表面（30）が平坦なオーバコート層（30）を形
成する。 本構成の平板光学素子では、厚いガラス基板（38）上
に比較的薄い回折格子基板層（39）、ハーフミラー層
（37）、オーバコート層（36）が構成できるので、各層
の平面度が良好な素子が得られる。 なお、屈折率n1、n2、格子厚ｄの設計、及びオーバコ
ート層の膜厚ｄの設計法については先に述べた第１図の
例と同様であるから省略する。 次に第３図により第３の実施例に用いられる平板光学
素子（40）を説明する。本実施例ではガラス等の平板基
板（38）上に格子（35）が形成されている。格子（35）
の製法としては、誘電体の蒸着及び格子模様へのパタ
ーンニング、レジストをスピンコートした後に、リソ
グラフィにより格子模様を形成する。 などの方法が考えられる。このように格子（35）を形成
した後にハーフミラー層（37）を蒸着、スパッタ等で形
成し、続いて樹脂等をスピンコートしてオーバコート層
（36）を形成すればよい。本実施例では、第２の実施例
と同様に厚いガラス製基板（38）上に薄い格子（35）、
ハーフミラー層（37）、オーバコート層（36）が作成で
きるので、各層の平面度が良好にできる。 なお、ハーフミラー層（37）の反射率、透過率を格子
（35）の上部と、その間（図中にＡで図示）で一定に保
つためにn3はできるだけn2と近い値とするのが望まし
い。 本実施例では、できるだけn1とn2を近づけるために、
n2をレジストをリソグラフィにより格子（35）の形にパ
ターンニングし、同一レジストのスピンコーティングで
オーバコート層（36）を形成することが考えられる。 以上説明した平板光学素子は、反射光に対しては回折
格子として光を分波する作用を有するが、透過光に対し
ては回折格子ではなく、ほぼ一枚のハーフミラーとして
動作するという従来の回折格子にない機能を有してお
り、このような機能を必要とする他の光学機器に応用し
ても有用であること勿論である。 ［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明の光学式ヘッド装
置では以下の特徴を有する平板光学素子を使用した。 （１）平板基板上に屈折率n2の媒質の周期的に格子とし
て配置した。 （２）前記基板／格子上に所定の反射率・透過率を確保
するためのハーフミラー層が配置してある。 （３）ハーフミラー層の上に表面が平坦な屈折率n1のオ
ーバコート層が形成されている。 （４）格子材の屈折率n2、オーバコート層の屈折率n1に
よって決まる位相型回折格子の透過回折位相量が所定値
以下（典型的には1.01×10-2［rad］以下となるよう屈
折率差|n1−n2|が設定されている。 （５）オーバコート層の膜厚はLDから出射した光がハー
フミラー層で反射され、集光レンズに向う光束に生ずる
非点収差が十分小さな値となるよう典型的には、16.9μ
ｍ以下程度となっている。 この結果、本平板光学素子を用いた光学式ヘッド装置
は、ディスク傾きにともなうエンベロープ変動の小さい
良好なトラッキングエラー信号が得られる。又、（５）
の特徴によりディスク上に良好な光スポットが集光で
き、記録／再生性能の劣化がない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例に用いられる平板光学素子
の構造説明図、第２図は本発明の第２実施例に用いられ
る平板光学素子の構造説明図、第３図は本発明の第３実
施例に用いられる平板光学素子の構造説明図、第４図は
従来の光学式ヘッド装置の光学系の説明図、第５図は従
来の光学式ヘッド装置において光検知器上に透過回折光
が生ずる様子の説明図、第６図は従来の光学式ヘッド装
置において、ディスクが傾いた場合の説明図、第７図は
従来の光学式ヘッド装置においてディスクが傾いた場合
に光検知器（10e）又は（10f）から得られるトラック検
知出力のシミュレーション結果の説明図、第８図は透過
回折、反射回折の説明図、第９図はオーバコート層（3
6）を有する平板光学素子（40）における透過回折の説
明図である。 図において、（１）はLD、（40）は平板光学素子、
（５）は集光レンズ、（６）は光ディスク、（10）は光
検知器、（35）は格子、（37）はハーフミラー層、（3
6）はオーバコート層である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
の構造説明図、第２図は本発明の第２実施例に用いられ
る平板光学素子の構造説明図、第３図は本発明の第３実
施例に用いられる平板光学素子の構造説明図、第４図は
従来の光学式ヘッド装置の光学系の説明図、第５図は従
来の光学式ヘッド装置において光検知器上に透過回折光
が生ずる様子の説明図、第６図は従来の光学式ヘッド装
置において、ディスクが傾いた場合の説明図、第７図は
従来の光学式ヘッド装置においてディスクが傾いた場合
に光検知器（10e）又は（10f）から得られるトラック検
知出力のシミュレーション結果の説明図、第８図は透過
回折、反射回折の説明図、第９図はオーバコート層（3
6）を有する平板光学素子（40）における透過回折の説
明図である。 図において、（１）はLD、（40）は平板光学素子、
（５）は集光レンズ、（６）は光ディスク、（10）は光
検知器、（35）は格子、（37）はハーフミラー層、（3
6）はオーバコート層である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．半導体レーザ光源、該光源から出射する光束を第一
の面によって反射すると同時に０次回折光とその他の回
折光の複数本の光束に回折分離する平板光学素子、該平
板光学素子によって反射分離された光束を光学式情報記
憶媒体上に複数個の光スポットとして集光する集光レン
ズ手段、前記光学式情報記憶媒体の情報面によって反射
され前記対物レンズ手段を再透過し、前記平板光学素子
の第一の面及び第二の面を透過した光束を受光して光電
変換する光検知器より構成され、該光検知器上の０次回
折光の変形によってディスク集光光束の焦点ずれを検知
し、０次回折光により光学式情報記憶媒体に畜えられた
情報を再生し、０次以外の回折光により前記光学式情報
記憶媒体上の情報トラックと０次回折光の集光スポット
との面内ずれを検出する光学式ヘッド装置において、前
記平板光学素子は、平板基板上に屈折率n2、厚みｄの材
料により構成された周期構造よりなる格子と、前記基板
及び格子上に設けられたハーフミラー層と、該ハーフミ
ラー層の上に設けられ、表面が平坦で、屈折率n1、厚さ
Ｄを有するオーバコート層と、から構成され、前記格子
材の屈折率n2とオーバコート層の屈折率n1は前記平板光
学素子を前記半導体レーザ光が透過する際に透過回折さ
れて生ずる±１次/0次光強度比が所定量以下になるよう
に|n1−n2|が０以上かつ1.9×10-2以下に整合されてお
り、かつ前記オーバコート層の厚みＤは、前記半導体レ
ーザ出射光が前記ハーフミラー層により反射され、前記
集光レンズの側に反射される時に発生する非点収差のrm
s値が、０λrmsより大きく略0.01λrms（λはLD光の波
長）以下となるような膜厚にて構成されてなることを特
徴とする光学式ヘッド装置。 ２．前記オーバコート層の膜厚Ｄが16.9μｍ以下である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式ヘ
ッド装置。 ３．前記平板光学素子は、平板ガラス表面にエッチング
により格子パターンを形成して一体的に作成され、オー
バコート層は樹脂材をスピンコーティングにより付着し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
載の光学式ヘッド装置。 ４．前記平板光学素子は、基板と格子が射出成形により
一体的に作成され、オーバコート層は樹脂材をスピンコ
ーティングにより付着したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項又は第２項記載の光学式ヘッド装置。 ５．前記平板光学素子は、基板と格子が紫外線硬化型の
樹脂を型にあてて硬化させることにより一体的に形成さ
れ、オーバコート層は樹脂材をスピンコーティングによ
り付着したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
第２項記載の光学式ヘッド装置。 ６．前記平板光学素子は、平板ガラス上に樹脂を型にあ
てて成型硬化させることにより作成された格子パターン
を表面に有する格子基板を形成し、オーバコート層は樹
脂材をスピンコーティングにより付着したことを特徴と
する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の光学式ヘッ
ド装置。 ７．前記平板光学素子は、平板ガラス上に格子を誘電体
の蒸着又はスパッタと、格子模様へのパターンニングに
より作成し、オーバコート層は、樹脂材をスピンコーテ
ィングにより付着したことを特徴とする特許請求の範囲
第１項又は第２項記載の光学式ヘッド装置。 ８．前記平板光学素子は、平板ガラス上に格子をスピン
コートしたレジストをリソグラフィにより格子模様にす
ることにより形成し、オーバコート層は樹脂材をスピン
コーティングにより付着したことを特徴とする特許請求
の範囲第１項又は第２項記載の光学式ヘッド装置。 ９．前記平板基板上に形成された格子を構成する材料
と、前記ハーフミラー層上に形成されたオーバコート層
を構成する材料が同一材料であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の光学式ヘッド装置。
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|---|---|---|---|
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Family
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
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| US5210627A (en) * | 1990-05-31 | 1993-05-11 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Optical record and reproduction apparatus with liquid crystal panel that rotates light followed by a polarizer or birefringent plate |
| US5119231A (en) * | 1990-06-15 | 1992-06-02 | Honeywell Inc. | Hybrid diffractive optical filter |
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| US5214535A (en) * | 1991-12-17 | 1993-05-25 | Xerox Corporation | Lens cover assembly for binary diffractive optic lenses |
| US5208700A (en) * | 1991-12-23 | 1993-05-04 | Xerox Corporation | Lens cover assembly for binary diffractive optic lenses |
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