JP3552607B2

JP3552607B2 - 光ヘッドのフォーカス誤差検出方法および装置

Info

Publication number: JP3552607B2
Application number: JP26571299A
Authority: JP
Inventors: 勉松井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2001093167A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はランド／グルーブの両者に記録再生する相変化光ディスクもしくは光磁気ディスク装置の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法並びに検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクの高密度の記録再生を行うために、記録トラックのランド部やグルーブ部だけではなく、その両方に記録を行うランド／グルーブ法が採られている。図５にランド／グルーブ記録再生光ディスクの構造を示す。図５（ａ）はディスクの平面図を、図５（ｂ）は断面図を表す。ここではランド／グルーブのそれぞれの幅が０．６μｍ、ランド部分の高さが０．０７μｍのものを例にとっている。光ヘッドの記録再生用の光ビームは図５（ａ）に示す下方の基板側から入射される。
光ヘッドの記録再生ビームを光ディスクの特定トラックに常に焦点を合わせるサーボ機構はトラッキングサーボとフォーカスサーボであり、そのうちフォーカスサーボにおけるフォーカス誤差検出方法としては、非点収差法とナイフエッジ法（フーコー法）を改良したダブルナイフエッジ法が代表例である。
【０００３】
従来の非点収差法によるフォーカス誤差検出光学系の原理を示しているのが図６であり、光ディスク基板１００、対物レンズ１１０、集束レンズ１２０、円筒レンズ１３０、４分割光センサ１４０とから構成されている。図には、光ディスク基板への記録再生ビームが合焦点の場合（ｂ）、合焦位置よりディスク基板が近い場合（ａ）および離れている場合（ｃ）と、併せてそれぞれの状態に対応した４分割光センサ上の光の強度分布を示す。ＡＢＣＤに４つに分割したセンサの対角のエレメントの光電変換出力の和の差＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）からフォーカス誤差信号を検出している。ダブルナイフエッジ法のフォーカスエラ検出光学系については図示しないが、一般的には非点収差法と同様４分割光センサが用いられており、同様のフォーカスエラー信号の検出を行っている。
【０００４】
非点収差法とダブルナイフエッジ法の長短を比較すると、第一にアライメントに対する余裕度の点、とくにフォーカスセンサの位置ずれに対する感度があげられる。図６（ａ）にダブルナイフエッジ法（実線）と非点収差法（波線）のフォーカスセンサの最適位置からのずれに対するフォーカス零クロスの変化を示す。フォーカス零クロス（ＦＺＸ）の定義を図６（ｂ）に示す。４分割センサの隣り合う検出器の出力の差であるＡ−Ｂ出力とＣ−Ｄ出力を同時に出力した図を図６（ｂ）示す。ここで図中、Ｘ字の交点となった部分が零であれば４分割センサの中心にビームが位置していることになる。この位置からビームもしくはフォーカスセンサがずれると図中、破線のようにＡ−Ｂ出力が変化し、フォーカス零クロス点が変化する。このずれをＪとし、（Ａ−Ｂ）信号の片側振幅をＫとするとＦＺＸは以下の関係式で表現できる。
ＦＺＸ＝Ｊ／Ｋ＊１００（％）
ダブルナイフエッジ法でフォーカスセンサ上のビーム直径が３０μｍの場合、フォーカスセンサずれ１μｍに対してフォーカス零クロスは１０％となる。これに対して、非点収差法であるとフォーカスセンサ上１００μｍのビームスポットの場合、フォーカスセンサずれ１０μｍに対して、フォーカス零クロスが２％以下である。このことから、ダブルナイフエッジ法に比べて非点収差法はフォーカスセンサずれに対して安定している。このことは、非点収差法の方が温度安定性や経時劣化の点からダブルナイフエッジ法より優れていることを意味する。
【０００５】
そこで、従来の非点収差法によるフォーカス誤差信号を検出する光ヘッドによってランド／グルーブ記録をおこなった場合のフォーカスオフセットに対するビットエラーレート（ＢＥＲ）特性を図７に示す。１，７変調デジタル記録／ＰＲ１，１再生をおこなった場合、ランドとグルーブのビットエラーレート最小のフォーカスオフセット点がずれ、さらにグルーブに比べてランドのビットエラーレート特性が劣化した結果となった。
【０００６】
また、トラッククロスによるフォーカス誤差信号への漏れ込みをここでは変調と呼ぶとすると、従来の非点収差法では、フォーカスオフセットの変調依存性がダブルナイフエッジ方法に比べて大きいという実験事実を得た。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の非点収差式は大きな課題がある。本発明の目的は、従来の非点収差法のもつ温度特性が優れ、経時劣化が少ないという特長を保持しつつ、トラッククロスによるフォーカス誤差信号への漏れ込み量（変調）を低減し、ランド／グルーブの両者の記録再生特性の違い、とりわけデジタル記録におけるビットエラーレート特性を改善することにある。
【０００８】
本発明者は、このようなフォーカスオフセットに対する、ビットエラーレート特性のランド／グルーブの不一致と、トラッククロスによるフォーカス誤差信号への漏れ込み（変調）の不具合が生ずる原因は、ランド／グルーブのディスクからの回折パタンの変化とこれに応じたフォーカス誤差信号検出手段のかねあいから生じたものであることを突き止めた。すなわち、従来の非点収差法の４分割センサ１４０に到達するフォーカス誤差信号検出ビームを子細に見ると、図９に示すように、光ディスクのランドもしくはグルーブによる反射０次光２００と同時に、対物レンズによってランドもしくはグルーブによる反射＋１次回折光２０１と反射−１次回折光２０２が取り込まれており、これらが、４分割センサ１４０の各センサＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに偏って配分されおり、光電変換されたフォーカス誤差信号抽出時に、トラッククロス信号の回り込みとなって現れることが主因である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法は、非点収差を付加した光ビームを格子の回折により複数の光ビームに角度分岐し、角度分岐されなおかつ空間的に部分的に重なり合った複数の光ビームを４分割センサによって全て捕捉し、前記４分割センサのたすき掛けの差動検出によってフォーカス誤差信号を抽出する光ディスクに用いる光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法であって、前記複数の光ビームは少なくとも３本であり、前記３本の光ビームの前記空間的および部分的な重なりは、少なくとも前記３本の光ビームのうち前記格子による０次回折である中心に位置する第１の光ビームに含まれる前記光ディスクのトラックからの＋１次回折光成分が、隣り合う第２の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分と重なり、かつ前記第１の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分が、隣り合う第３の光ビームに含まれる前記トラックからの＋１次回折光成分とが重なることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法は、光ディスクに情報を記録再生する対物レンズが捕捉した前記光ディスクからの反射光ビームに非点収差を付加する手段と、非点収差が付加された反射光ビームを回折する周期位相格子と、周期位相格子の回折によって角度分岐された複数の光ビームのうち、前記位相格子による０次回折光である中心に位置する第１の光ビームに含まれる前記光ディスクのトラックからの＋１次回折光成分が、隣り合う第２の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分と重なり、かつ前記第１の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分が、隣り合う第３の光ビームに含まれる前記トラックからの＋１次回折光成分とが重なるように空間的に部分的に重なり合った前記複数の光ビームを全て受光し、分割された４つの光検出器のたすき掛けの差動出力からフォーカス誤差信号を出力する４分割センサを備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、前記請求項２に記載の周期位相格子の光を回折する回折方向が光ディスクの半径方向と接線方向としたことを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、請求項２に記載の前記非点収差を付加する手段が、円筒レンズもしくは光軸に斜めに挿入された平板を含むことを特徴とする。
また、本発明の請求項５に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、請求項２に記載の前記非点収差を付加する手段が、凹レンズと円筒レンズもしくは光軸に斜めに挿入された平板とを含んで一体とし、前記周期位相格子が光軸方向に調整可能としたことを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、請求項２に記載の前記非点収差を付加する手段が、凹レンズと円筒レンズもしくは光軸に斜めに挿入された平板とを含んで一体とし、前記周期位相格子が光軸方向に調整可能としたことを特徴とする。
また、本発明の請求項７に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、請求項２または３のいずれかに記載の前記周期位相格子は、井桁状の格子を平板の片面に形成したことを特徴とする。
また、本発明の請求項８に係わる発明の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置は、請求項２または３のいずれかに記載の前記周期位相格子は、直線状の格子を平板の表裏に直交して形成したことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のランド／グルーブ記録再生用光ヘッドの基本構成を図１に示す。
半導体レーザ１からの出射光は、コリメータレンズ２によって平行光とされ、楔プリズム３１、偏光ビームスプリッタ３２、４５°ミラー３３、１／４波長板３４からなる複合プリズム３へ入射される。１／４波長板３４を透過した光ビームは円偏光となり、対物レンズ４で集束され光ディスク５で合焦となり光ディスクから反射される。光ディスクからの反射光は逆順をたどり、偏光ビームスプリッタ３２までもどるが、反射光は１／４波長板によって光ディスクに向かう光とは直交した偏光となっているため、ここで９０度偏向され、ハーフミラー６を一部が透過し、２分割センサ７でプシュプル法によるトラッキング誤差信号が検出される。この２分割センサ７の各エレメントの光電変換出力をＥ，Ｆとするとトラッキング誤差信号（ＴＥ）は、ＴＥ＝Ｅ−Ｆで抽出される。
【００１１】
前記のハーフミラー６によって反射され９０度偏向したビーム成分は、収束レンズ８、凹レンズ９、円筒レンズ１０を経てフォーカス誤差信号検出４分割センサ１２へ至るが、本発明では、円筒レンズ１０とフォーカス誤差信号検出４分割センサ１２との間に、格子の方向が直交して設けられた直交回折格子１１を配設してある。凹レンズ９は通常よく使われるように、収束レンズ８による焦点位置を延ばすために設けているものである。
【００１２】
収束レンズ８、凹レンズ９、円筒レンズ１０を透過する光軸は１本であるが、直交回折格子１１を透過すると、ｘ、ｙ方向に透過回折光を発生する。図２に直交回折格子１１による透過回折の状態を図示する。本図では、高次の回折光を省略して、ｘ、ｙ方向に±１次の回折光と０次光の９ビーム出力の状態を表現している。フォーカス誤差信号検出４分割センサ１２の受光面は、図３に示すように、分割十字線の中央に上記の０次（０，０）光２０が位置し、±１次光の４ビーム、すなわち（＋１，０）光２１、（−１，０）光２２、（０，＋１）光２３、（０，−１）光２４のが受光面によって受光されるように４分割センサが配置されている。ここでは、合焦の場合を表している。４分割センサ１２のエレメントをＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとしたとき、フォーカス誤差信号（ＦＥ）はＦＥ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）によって、また、ＲＦ信号はＲＦ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄによって検出される。
【００１３】
格子ピッチで決定される透過回折光の回折角は次のように設定する。図４に直交回折格子１１によって作られる５つのビームの４分割センサ１２上の配置を、フォーカス誤差検出ビーム中に含まれる光ディスクのランド／グルーブによる反射回折光成分を含めて表す。図の分かりにくさを避けるために、５つのビームの重なった部分は描いてない。この図では、直交回折格子１１による（＋１，０）光すなわちｘ方向＋１次回折光２１と（−１，０）光すなわちｘ方向−１次回折光２２を最前面に描き、（０，＋１）光２３と（０，−１）光２４を最背面に、（０，０）光２０を最前面と最背面の中間に描いてある。この図に示すように、直交回折格子１１を回折せずに透過した回折格子０次光成分２０すなわち（０，０）光２０の中に含まれているランド／グルーブによる＋１次反射回折光成分（図示してない）と（＋１，０）光２１中に含まれているランド／グルーブによる−１次反射回折光成分２１−ｂとが重なり、（０，０）光２０の中に含まれているランド／グルーブによる−１次反射回折光成分（図示してない）と（−１，０）光２１中に含まれているランド／グルーブによる＋１次反射回折光成分２２−ａとが重なるように、直交回折格子１１のｘ軸方向の格子ピッチを定める。また、ｙ軸方向には（０，＋１）光２３や（０，−１）光２４の中に含まれているランド／グルーブによる±１次反射回折光成分と（０，０）光２０中のそれとの重なりの関係は持たせていないので、ｙ軸方向の格子ピッチは任意でよいが、ここではｘ軸方向と同一としておく。
【００１４】
上記のような、回折格子１１によってフォーカス誤差検出ビーム中に含まれる光ディスクのランド／グルーブによる反射回折光成分の重なりを設けることにより、（０，０）光２０中の光ディスクのランド／グルーブによる±１次の反射回折光成分は、（＋１，０）光２１中の光ディスクのランド／グルーブによる−１次の反射回折光成分２１−ｂと（−１，０）光２２中のランド／グルーブによる＋１次の反射回折光成分２２−ａとによって干渉を介してそれぞれ振幅を減ぜられる。さらに図示していないが、（＋１，０）光２１中の光ディスクのランド／グルーブによる＋１次の反射回折光成分２１−ａは、その上の高次のｘ方向＋２次の回折光中の光ディスクのランド／グルーブによる−１次の反射回折光成分によって、また、（−１，０）光２２中のランド／グルーブによる−１次の反射回折光成分２２−ｂは、その上の高次のｘ方向−２次の回折光中の光ディスクのランド／グルーブによる＋１次の反射回折光成分に自動的に重なり、重なった光波成分によって干渉を介してそれぞれ振幅が減ぜられる。一方直交回折格子によるｙ軸方向＋１次の回折光２３および−１次の回折光２４とは０次光２０中の光ディスクのランド／グルーブによるの反射回折光成分とは重なりを持っていない。これらの回折光成分は、４分割センサの（Ａ＋Ｃ）と（Ｂ＋Ｄ）間の受光光量のバランスをあたえ、Ｓ字を成すフォーカス誤差信号の正負の振幅の対称を保証する。
【００１５】
干渉による振幅の減少は次のように解釈される。光ディスクのランド及びグルーブの繰り返しは、光学的には厚さの薄い反射位相回折格子を成している。位相回折格子による回折光の電界については、古く１９６７年にＷ．Ｒ．ＫｌｅｉｎとＢ．Ｄ．Ｃｏｏｋによって解析されている（小山次郎、西原浩共著「光波電子工学」第１１６頁−第１２２頁、昭和５３年５月、コロナ社刊を参照）。回折された平面波光の電界の波動をｚ方向に伝搬する伝搬項と振幅項の積で表したとき、ｍ次（ｍは０を含む正負の整数）回折光の振幅項φ_ｍは、
φ_ｍ＝ｅｘｐ（−ｊｍＱαｚ／（２Ｔ））×Ｊ_ｍ（４κＴ・ｓｉｎ（Ｑαｚ／（２Ｔ））／（Ｑα））
で表される。ここで、Ｊ_ｍはｍ次のベッセル関数、Ｑは格子の厚さの目安を与えるパラメータ、αは格子面に対する光の入射角を表すパラメータ、κは格子の位相変調の深さを表すパラメータである。上式φ_ｍの第１項の指数関数の肩に掛かるｍＱαｚ／（２Ｔ）は格子からｚ伝搬した地点でのｍ次回折波の電界振幅の位相を表す。平面波が格子に垂直に入射したときにはα＝０であるので、ｍ次回折波の位相は、次数ｍによらず全て等しい。しかしながら、光ディスクへの入射光は、大きなＮＡをもつ収束光であり、また、光ヘッドがトラッククロスする場合の入射光とランド／グルーブが作る格子との成す角度は常に厳格に垂直とはいいがたい。従って、ランド／グルーブが作る格子による＋１次の回折光と−１次の回折光の位相は異なるため、これらを直交回折格子を介して干渉させると、干渉の振幅すなわちビジビリティは１より低下し、光ディスクのランド／グルーブによる回折波の強度は低下する。なお、直交回折格子による回折では、入射する光はビームサイズが大きく平面波に近く、また回折格子への入射角は垂直であるためα＝０に相当し、ここでの０次を含む回折光間の位相ずれは発生しない。
【００１６】
このように、フォーカス誤差検出４分割センサ１２の手前に、直交回折格子１１を設けることによって、ランド／グルーブに基づく光ディスクからの回折光の影響を減ずることができた。これによって、フォーカスセンサずれ１０μｍに対してフォーカス零クロスが２％弱の安定したものとなった。さらに、フォーカスオフセット変化に対して、ランド／グルーブの最小のビットエラーレートの値が一致した。また、「変調」の影響をうけないため安定したサーボ特性を確保できた。
【００１７】
上記のような、直交回折格子の格子ピッチは上記の光ヘッドの実施例では１００〜２００μｍと粗いため、製作は容易である。一例としてポリカーボネート等の薄板の片面に井桁の直交した位相格子を形成してもよく、また薄板の両面に１次元位相格子を直交させて設けてもよい。
【００１８】
また、光ディスクのランド／グルーブに起因する回折光成分間の重ね合わせのための、格子ピッチは厳密さを要求されない。なぜならば、重ね合わせの精密な調整は、通常の非点収差光学系を構成している収束レンズ８、凹レンズ９、円筒レンズ１０、４分割センサ１２を調整した後、直交回折格子１１のみを光軸方向に移動調整することで容易に行えるからである。
【００１９】
また、円筒レンズや光軸に斜めに挿入した平行平板などの非点収差を発生させる機能を司る光部品と、この２次元回折格子の機能とを複合したホログラム素子を用いれば、部品点数の削減を図ることもできる。
【００２０】
【発明の効果】
以上、本発明のように非点収差を発生させる光学系とフォーカス誤差検出４分割センサの間に、２次元の光回折を起こす回折格子を設けることによって、ランド／グルーブに基づく光ディスクからの回折光の影響を減ずることができ、機械的安定性や温度安定性や信頼性に優れたランド／グルーブ記録用光ヘッドを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘッドの実施例の構成を示す。
【図２】本発明の光ヘッドの実施例を構成する２次元回折格子によるビーム分散を示す。
【図３】本発明の光ヘッドの実施例におけるフォーカスセンサに照射されるフォーカス誤差検出光ビームの構成を示す。
【図４】本発明の光ヘッドの実施例を構成するフォーカスセンサへに照射されるフォーカス誤差検出光ビームの詳細な構成を示す。
【図５】従来技術の説明に関し、ランド／グルーブ光ディスクとビームスポットの配置を示す。
【図６】従来の非点収差によるフォーカス誤差検出光学系の動作を示す図である。
【図７】従来の説明に関し、フォーカスセンサずれとフォーカス零クロスの変化を示す。
【図８】従来の説明に関し、フォーカスオフセットずれと記録再生のビットエラーレート（ＢＥＲ）特性を示す。
【図９】従来の非点収差によるフォーカス誤差検出光学系を構成する４分割センサ上の光分布の詳細を示す。
【符号の説明】
１半導体レーザ
２コリメータレンズ
３複合プリズム
４対物レンズ
５光ディスク
６ハーフミラー
７２分割センサ
８収束レンズ
９凹レンズ
１０円筒レンズ
１１直交回折格子
１２４分割センサ
２０（０，０）光
２１（＋１，０）光
２１−ａ反射回折光成分
２１−ｂ反射回折光成分
２２（−１，０）光
２２−ａ反射回折光成分
２２−ｂ反射回折光成分
２３（０，＋１）光
２４（０，−１）光
３１楔プリズム
３２偏光ビームスプリッタ
３３４５°ミラー
３４１／４波長板
１００光ディスク基板
１１０対物レンズ
１２０集束レンズ
１３０円筒レンズ
１４０４分割光センサ
２００反射０次光
２０１反射＋１次回折光
２０２反射−１次回折光

Claims

非点収差を付加した光ビームを格子の回折により複数の光ビームに角度分岐し、角度分岐されなおかつ空間的に部分的に重なり合った複数の光ビームを４分割センサによって全て捕捉し、前記４分割センサのたすき掛けの差動検出によってフォーカス誤差信号を抽出する光ディスクに用いる光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法であって、
前記複数の光ビームは少なくとも３本であり、前記３本の光ビームの前記空間的および部分的な重なりは、
少なくとも前記３本の光ビームのうち前記格子による０次回折である中心に位置する第１の光ビームに含まれる前記光ディスクのトラックからの＋１次回折光成分が、隣り合う第２の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分と重なり、かつ前記第１の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分が、隣り合う第３の光ビームに含まれる前記トラックからの＋１次回折光成分とが重なることを特徴とする光ヘッドのフォーカス誤差信号検出方法。
光ディスクに情報を記録再生する対物レンズが捕捉した前記光ディスクからの反射光ビームに非点収差を付加する手段と、
非点収差が付加された反射光ビームを回折する周期位相格子と、
周期位相格子の回折によって角度分岐された複数の光ビームのうち、前記位相格子による０次回折光である中心に位置する第１の光ビームに含まれる前記光ディスクのトラックからの＋１次回折光成分が、隣り合う第２の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分と重なり、かつ前記第１の光ビームに含まれる前記トラックからの−１次回折光成分が、隣り合う第３の光ビームに含まれる前記トラックからの＋１次回折光成分とが重なるように空間的に部分的に重なり合った前記複数の光ビームを全て受光し、分割された４つの光検出器のたすき掛けの差動出力からフォーカス誤差信号を出力する４分割センサを備えることを特徴とする光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記周期位相格子の光を回折する回折方向が光ディスクの半径方向と接線方向としたことを特徴とする請求項２に記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記非点収差を付加する手段が、円筒レンズもしくは光軸に斜めに挿入された平板を含むことを特徴とする請求項２に記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記非点収差を付加する手段と前記周期位相格子とを一体としたホログラム素子で構成することを特徴とする前記請求項２に記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記非点収差を付加する手段が、凹レンズと円筒レンズもしくは光軸に斜めに挿入された平板とを含んで一体とし、前記周期位相格子が光軸方向に調整可能としたことを特徴とする請求項２に記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記周期位相格子は、井桁状の格子を平板の片面に形成したことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。
前記周期位相格子は、直線状の格子を平板の表裏に直交して形成したことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の光ヘッドのフォーカス誤差信号検出装置。