JP3995827B2 - 光学的位相板を使用した光ピックアップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディジタルビデオディスク（ＤＶＤ）と記録可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ）に情報を記録し再生できる光ピックアップ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
映像、音響またはデータなどの情報を高密度で記録し再生するための記録媒体はディスク、カードまたはテープなどがいるが、ディスク形態が主流である。最近、光ディスク機器分野はレーザーディスク（ＬＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）からディジタルビデオディスク（ＤＶＤ）ヘまで製品が開発されて来ている。かかる光ディスクは光が入射する軸方向で一定した厚さを有するプラスチックまたはガラス媒質とその上に位置して情報が記録される信号記録面より構成される。
【０００３】
今までの高密度光ディスクシステムは記録密度を高めるために対物レンズの開口数を大きくし、６３５ｎｍまたは６５０ｎｍの短波長光源を使用することによりＤＶＤに記録及び再生でき、かつＣＤの再生も可能に開発された。しかし、ＣＤの最近の形態である記録可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ）の互換のためには７８０ｎｍ波長の光を使用すべきである。これはＣＤ−Ｒの記録特性によるもので、７８０ｎｍ波長の光と６５０ｎｍ波長の光を一つの光ピックアップで全て使用できるようにする技術がＤＶＤとＣＤ−Ｒの互換のために極めて大事な技術として注目されている。ＤＶＤとＣＤ−Ｒに互換される既存の光ピックアップを図１に基づき説明すれば次の通りである。
【０００４】
図１はＤＶＤとＣＤ−Ｒの光源として二つのレーザーダイオード（ＬＤ）と単一対物レンズを使用する光ピックアップを示す。図１の光ピックアップはＤＶＤ再生時には６３５ｎｍ波長のレーザー波長を使用し、ＣＤ−Ｒの記録及び再生時には７８０ｎｍ波長のレーザー光を使用する。レーザーダイオードである光源１から出射された６３５ｎｍ波長の光は視準レンズ２及び偏光光分割器３を通過した後、干渉フィルタ形プリズム４に進む。レーザーダイオードである光源１１から出射された７８０ｎｍ波長の光は視準レンズ１２、光分割器１３及び集光レンズ１４を通過した後、プリズム４に進む。７８０ｎｍ波長の光はプリズム４で収束され、かかる構造の光学系を“有限光学系”と言う。プリズム４は偏光光分割器３により反射された６３５ｎｍ波長の光を透過させ、集光レンズ１４により集光された７８０ｎｍ波長の光を反射させる。その結果、光源１からの光は視準レンズ２により平行な形態に１／４波長板５に入射され、光源１１からの光は集光レンズ１４及びプリズム４により発散する形態に１／４波長板５に入射される。１／４波長板５を透過した光は対物レンズ７に入射する。
【０００５】
対物レンズ７は厚さが０．６ｍｍであるＤＶＤディスク８の信号記録面に焦点が合うように設計されたもので、光源１から出射された６３５ｎｍ波長の光をＤＶＤディスク８の信号記録面にフォーカシングさせる。従って、ＤＶＤディスク８の信号記録面から反射された光はその信号記録面に記録された情報を収録する。この反射された光は偏光光分割器３を透過して光学的情報を検出する光検出器１０に入射される。
【０００６】
前述した有限光学系を適用しない場合、光源１１から出射された７８０ｎｍ波長の光を前記対物レンズ７を使用してその厚さが１．２ｍｍであるＣＤ−Ｒディスク９の信号記録面にフォーカシングさせれば、ＤＶＤディスク８の厚さとＣＤ−Ｒディスク９の厚さが相異なることによる球面収差が発生する。さらに詳しくは、この球面収差は対物レンズ７についてＣＤ−Ｒディスク９の信号記録面がＤＶＤディスク８の信号記録面より光軸上から遠く離れていることによる。かかる球面収差を縮めるために集光レンズ１４を使用した有限光学系の構成が求められる。図２と共に後述される可変絞り６の使用により、７８０ｎｍ波長の光はＣＤ−Ｒディスク９の信号記録面に最適化されたサイズの光スポットを形成し、ＣＤ−Ｒディスク９から反射された７８０ｎｍ波長の光はプリズム４により反射され、光分割器１３により再び反射され光検出器１５により検出できるようになる。
【０００７】
図１の可変絞り６は図２に示したように対物レンズ７の直径に一致する開口数（ＮＡ）０．６以下の領域に入って来る光を選択的に透過しうる薄膜形構造を有する。すなわち、可変絞り６は光軸について開口数（ＮＡ）０．４５を基準として６３５ｎｍ波長と７８０ｎｍ波長の光を全て透過させる領域１と６３５ｎｍ波長の光を全透過し、７８０ｎｍ波長の光を全反射する領域２に区分される。領域１は開口数（ＮＡ）０．４５以下の領域であり、領域２は領域１の外側の領域に誘電体薄膜のコーティングにより形成される。前述した領域１は誘電体薄膜コーティングされた領域２により発生される光学収差を取り除くために石英（ＳｉＯ２）薄膜で構成される。かかる可変絞り６の使用により開口数（ＮＡ）０．４５以下の領域１を通過する７８０ｎｍ波長の光はＣＤ−Ｒディスク９に適合した光スポットをその信号記録面に形成する。従って、図１の光ピックアップはＤＶＤディスク８からＣＤ−Ｒディスク９に変更する時最適の光スポットを有してＣＤ−Ｒ互換が可能である。
【０００８】
しかし、図１に関連した前述した光ピックアップはＤＶＤディスクとＣＤ−Ｒディスクの互換時に発生する球面収差を取り除くために７８０ｎｍ波長の光について有限光学系を構成すべきである。のみならず、可変絞り６の開口数０．４５以上の領域２に形成される光学薄膜である誘電体薄膜により開口数０．４５以下の領域１と開口数０．４５以上の領域２を通過する光間に光学経路差が発生するので、これを取り除くために領域１に特別な光学薄膜の形成を必要とした。このため、領域１に石英コーティングと領域２に多層薄膜をそれぞれ形成したが、その製造工程が複雑でのみならず薄膜厚さの調節をμｍ単位の精度で行うべきなので、量産に不向きである問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は位相板を使用して球面収差を取り除くことによりディジタルピデオディスクと記録可能なコンパクトディスクに互換される光ピックアップ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、光ピックアップから情報記録面まての距離が相異なり、情報の記録及び再生のために相異なる波長の光を使用する少なくとも二種の光記録媒体のための光ピックアップ装置は、相対的に短波長の第１光及ぴ相対的に長波長の第２光をそれぞれ出射するレーザー光源と、前記第１光による対物レンズの焦点が対物レンズに近い方に情報記録面を有する第１光記録媒体の情報記録面の位置に一致されるようにする既に設定された焦点距離を有する対物レンズと、光検出手段と、前記レーザー光源から出射される光を前記対物レンズ側に向かうよう前記対物レンズからの光を前記光検出手段を向かうように光経路を調節する手段と、前記光経路調節手段と前記対物レンズとの間に位置し、前記光経路調節手段から前記対物レンズに進む第２光の位相をシフトさせ、前記対物レンズにより集光される第２光により対物レンズから遠い側に情報記録面を有する第２光記録媒体の情報記録面の位置に形成される光スポットのサイズを縮める位相シフト手段を含み、使われる光記録媒体により第１光及び第２光のうち一つを使用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例を詳述する。
図３は本発明の望ましい実施例による光ピックアップの構造を示す。図３を参照すれば、レーザーダイオード光源３１が動作する場合、光源３１から発散される形態に出射される６５０ｎｍ波長の光は第１偏光光分割器３２及び第２偏光光分割器３３により順次に反射及び透過し、透過された光は視準レンズ３４に入射する。レーザーダイオード光源４０が動作する場合、光源４０から発散される形態に出射される７８０ｎｍ波長の光は第２偏光光分割器３３により反射されてから視準レンズ３４に入射する。視準レンズ３４は第２偏光光分割器３３から入射する光を可変絞り３５の面に垂直の光軸に平行に視準させ、視準された光は可変絞り３５により波長選択的に透過される。
【００１２】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、可変絞り３５は７８０ｎｍ波長の光及び６５０ｎｍ波長の光の両方が透過する「領域３」と６５０ｎｍ波長の光のみが透過する「領域４」を有する。領域４はホログラム構造を有するもので、このホログラム構造は回折次数が０次ではない７８０ｎｍ波長の光に対する回折効率が最大になるようして回折次数が０次である６５０ｎｍ波長の光に対する回折効率が１００％の回折格子より構成される。すなわち、６５０ｎｍ波長の光は回折されず透過させる。回折格子の溝深さによる０次回折された光の回折効率を示す図１１を参照すれば、溝深さが３．８μｍの場合、“＋＋”が重なった実線で示された６５０ｎｍ波長の光は１００％の回折効率を有し、円が重なった実線で示された７８０ｎｍの波長の光は０％の回折効率を有する。従って、可変絞り３５の領域４は溝深さが３，８μｍの回折格子に設計される。本発明の実施例では前述した領域３と領域４とを区分するために開口数（ＮＡ）０．５を使う。それで、領域３は開口数（ＮＡ）０．５以下の部分となり、領域４は開口数（ＮＡ）が０．５より大きい部分となる。従って、本発明の実施例による対物レンズ３７の直径に一致する開口数（ＮＡ）０．６以下の領域を通過する光はその波長により可変絞り３５の領域３と領域４で波長選択的に透過される。図７Ｂに示された可変絞りは非対称形のホログラムパターンで構成されるもので、受光部に向かって進む光によるフィードバックノイズを防止できる。
【００１３】
可変絞り３５を透過した光は図４に基づき後述する位相板部３６を通過してから環状遮蔽対物レンズ３７に入射する。本発明による対物レンズ３７はＤＶＤディスク８の情報記録面にフォーカシングするよう設計されている。本発明の位相板部３６を使用しなければ、使用されるディスクがＤＶＤディスク８からＣＤ−Ｒディスク９に取り替えられる場合、ＣＤ−Ｒディスク９の情報記録面に形成される光スポットのサイズは一般に１．８μｍ以上となる。しかし、ＣＤ−Ｒディスク９に使われる光スポットサイズは一般に１．４μｍなので、１．８μｍのスポットサイズを以てはＣＤ−Ｒディスク９に情報を記録または再生できなくなる。
【００１４】
従って、本発明ではＣＤ−Ｒディスク９に情報を記録または再生できるよう光スポットのサイズを縮めるために位相板部３６を使う。
図３に示したように、位相板部３６は可変絞り３５と対物レンズ３７との間に置かれる。この位相板部３６は図４に示したように可変絞り３５の近くの面から内側に凹み、一定した幅と深さを有する環状溝３６１を備える。この環状溝３６１は食刻や金型を制作して射出やモールディングで制作されたもので、その深さＤは次の数式１及び２により決定される。
【数式１】

【数式２】

【００１５】
ここで、ｍは任意の整数であり、ｎ’とｎはλ’（＝６５０ｎｍ）とλ（＝７８０ｎｍ）における屈折率をそれぞれ示す。上記の数式１及び２においてｍ’＝３及びｍ＝２の場合、環状溝３６１の深さＤは３．８μｍほどとなる。この深さＤは環状溝３６１を有する位相板部３６は可変絞り３５から対物レンズ３７に進む７８０ｎｍ波長の光を１８０度位相シフトさせ、６５０ｎｍ波長の光を３６０度位相シフトさせる。図１０は位相板部３６の環状溝３６１の深さＤにより二種の波長の位相シフトを示したもので、実線は６５０ｎｍ波長の光に対する位相シフトを示したものであり、点線は７８０ｎｍ波長の光に対する位相シフトを示す。Ｄ−３．８μｍにおいて７８０ｎｍ波長の光は１８０度位相を有すると共に６５０ｎｍ波長の光は３６０度位相を有する。
【００１６】
従って、１８０度位相シフトされた７８０ｎｍ波長の光は位相板部３６を使用しない時に比べて実際に超解像効果を以て開口を通過することになる。かかる位相板部３６によりＣＤ−Ｒディスク９の情報記録面に形成される光スポットサイズはＣＤ−Ｒディスク９に対する情報の記録及び再生できるほどに縮まり球面収差が取り除かれる。
【００１７】
前述した位相板部３６は可変絞り３５の近くの表面上の外側に突出した一定した幅と高さの突出部形態に変形することもできる。かかる変形は位相板の機能をよく知っている当業者にとって明らかなので具体的な説明を省く。
位相板部３６を透過した光が入射する対物レンズ３７は図４に示したように環状遮蔽領域３７１を備える。この環状遮蔽領域３７１は領域３の中を通過する光の一部を遮蔽させる。したがって、ＤＶＤディスク８からＣＤ−Ｒディスク９への取り替えによる球面収差が縮まる。また、フォーカスサーボ系（図示せず）の焦点エラー信号に対する感度を増やす。
【００１８】
ＤＶＤディスク８またはＣＤ−Ｒディスク９の情報記録面から反射した光は対物レンズ３７から光検出レンズ３８に進み、光検出レンズ３８により光検出器３９に集束される。したがって、図３の装置はＤＶＤディスク８及びＣＤ−Ｒディスク９の両方に対する情報の記録及び再生が可能になる。
【００１９】
図６は図３の位相板部３６と対物レンズ３７を一つのユニットで結合した対物レンズ４７を示し、図５はかかる対物レンズ４７を備えた光ピックアップの光学構造を示す。図６の対物レンズ４７は可変絞り３５の近くの表面上に内側に凹み一定した幅と深さを有する環状溝４７１を備える。かかる環状溝４７１の刻まれた対物レンズ４７は位相板部３６と同様に、７８０ｎｍ波長の光を１８０度位相シフトさせ、６５０ｎｍ波長の光を３６０度位相シフトさせる。従って、可変絞り３５から対物レンズ４７に入射する７８０ｎｍ波長の光のうち環状溝４７１により回折された光はＣＤ−Ｒディスク９に対する球面収差を縮める作用を果たす。かかる環状溝４７１によりＤＶＤディスク８からＣＤ−Ｒディスクに取り替える際の球面収差が取り除かれ、７８０ｎｍ波長の光についてＣＤ−Ｒディスク９に対する情報の記録及び再生が可能になる程小サイズの光スポットがその情報記録面に形成される。図５の光ピックアップは、６５０ｎｍ波長の光のための光源３１、光検出レンズ５１及び光検出器５３に加えて、７８０ｎｍ波長の光のための光源４９１及び光検出器４９３が一つに結合されたユニット４９を含む。また、図５の光ピックアップはユニット４９の光源４９１から出る光とその光検出器４９３に入射する光のためにホログラム形光分割器４８をさらに使用する。かかる図５の構成及び動作は前述した説明を通して図３の装置を十分理解できる当業者にとって明らかなのでその具体的な説明は省く。
【００２０】
前述した図６の対物レンズ４７に形成される環状溝４７１を対物レンズ４７の表面上に外側に突出した一定した幅と高さの突出部形態に変形することもできる。
【００２１】
図７は本発明による位相板と可変絞りが一つにて結合された構造を示す。図７を参照すれば、開口数（ＮＡ）０．５以下の領域に入っている位相変化領域は環状を有する。かかる位相シフト領域は前述した位相板部３６と同一な機能を行うのでその具体的な説明は省く。
【００２２】
図８は本発明は光ピックアップ装置によるスポットサイズとサイドロープの滅少効果を説明するための図である。図８において、ａはＣＤ−ＲディスクにＤＶＤのために最適化された既存の方式の光ピックアップを使用する場合であって、この場合ＣＤ−Ｒディスクの情報記録面に形成されるスポットサイズは１．５３μｍである。ｂは本発明の光ピックアップ装置を使用する場合であって、この場合スポットサイズは１．３３μｍてある。ｃは既存のＣＤ専用光ピックアップをＣＤ−Ｒディスクに使用する場合であって、そのスポットサイズは１．４１μｍである。図８を通して、本発明の光ピックアップ装置は既存の光ピックアップを使う場合に比べてスポットサイズが略８０％縮まることがわかり、またディスク記録と再生時にサイドロープのサイズが小さければ小さいほど望ましい光特性を有する光ピックアップについてサイドロープというスポット周辺の光量も滅ることがわかる。図９において本発明による光ピックアップ装置が非点収差方式で光信号を検出する場合、ＣＤ−Ｒディスク再生時のフォーカスサーボ信号について良好な特性を有することを相対的に下側に位置したグラフを通して示す。
【００２３】
前述した実施例は可変絞り、位相板及び環状遮蔽対物レンズを含む構成で説明されたが、このうち位相板のみの使用によりディスクの取り替えによる球面収差を縮めながらＣＤ−Ｒディスクに適合した光スポットをその情報記録面に形成しうる。また、可変絞りのみの使用でもディスク取り替えによる最適の開口数を設定する光ピックアップに適用して使用することもできる。かかるホログラム形可変絞りは既存の薄膜形可変絞りに代わって適宜で量産性に優れた光ピックアップに適用できる。
【００２４】
前述した実施例は視準レンズ３４により形成される無限光学系に関連して説明されたが、本発明は光分割器と対物レンズとの間に置かれる視準レンズを取り除くことにより形成される有限光学系についても同様に適用できることは当業者にとって明らかである。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による光ピックアップ装置は位相板を使用することにより製造工程上の問題を起こす既存の光学機器を使用せず単一対物レンズでＤＶＤディスクとＣＤ−Ｒディスクの互換される光ピックアップを制作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＤＶＤとＣＤ−Ｒの光源として二つのレーザーダイオードと単一の対物レンズを使用する既存の光ピックアップの光学構造を示した図である。
【図２】 図１の可変絞りを説明するための図である。
【図３】 本発明の望ましい一実施例による光ピックアップの光学構造を示した図である。
【図４】 図３の位相板部と環状遮蔽対物レンズを示した図である。
【図５】 本発明の望ましい他の一実施例による光ピックアップの光学構造を示した図である。
【図６】 位相板機能を有する環状遮蔽対物レンズを示した図である。
【図７】 Ａ及びＢは本発明による位相板と可変絞りが結合された構造を示した図である。
【図８】 本発明によるスポットサイズとサイドロープの減少効果を示した図である。
【図９】 ＣＤ−Ｒディスクの再生時にフォーカスサーボ信号の特性を示した図である。
【図１０】 位相板の溝の深さによる光の位相シフトを示す図である。
【図１１】 本発明による可変絞りの溝深さに応ずる０次回折された光の回折効率の変化を示す図である。
【符号の説明】
３５ 可変絞り
３６ 位相板
３７、４７ 対物レンズ

Claims (3)

1. 少なくとも２つの記録媒体のための光ピックアップ装置であって、前記少なくとも２つの記録媒体は、光ピックアップから情報記録面への距離が異なり、かつ、情報の記録および読出に対して前記記録媒体に対応した異なる波長の光ビームを使用し、
   前記光ピックアップ装置は、
   前記異なる波長の光ビームを出射する２つの光源と、
   前記光ビームを受信し、全てのタイプの光記録媒体に対する光ビームを透過する内側領域と、特定のタイプの光記録媒体に対する光ビームのみを透過する外側領域とを有し、前記内側領域は、該内側領域を透過する光ビームのうち所定波長の光ビームの位相をシフトする領域を具備する位相シフト手段と、
   前記位相シフト手段によって送信された光ビームを透過する対物レンズと、
   ディスクから反射された光を検出する光検出器と、
   前記光源から前記対物レンズへ光を送信／反射し、かつ、あるディスクから反射された光を前記光検出器へ反射／送信するビームスプリッタと
   を具備する
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 第１光ビームと第２光ビームとのうちの１つが光記録媒体に対応して選択され、
   ある光記録媒体が他の光記録媒体に変更される度に、対応して選択された光ビームの光経路を構成する構成要素が対応して使用される
   ことを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ装置。
3. 前記レーザ光源のうちの１つと前記光検出器とが、１つの装置として統合される
   ことを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ装置。

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