JPH01253841A - ホログラムを用いた受光装置及び光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ディスクあるいは光カードなど、光媒体も
しくは光磁気媒体上に記憶される光学情報を記録・再生
あるいは消去可能な光ピツクアップヘッド装置に関する
ものである。

従来の技術 高密度・大容量の記憶媒体として、ビット状パターンを
用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク
、ビデオディスク、文書ファイルディスク、ざらにはデ
ータファイルと用途を拡張しつつ、実用化されてきてい
る。ミクロンオーダに紋られた光ビームを介して情報の
記録再生が高い信頼性のもとに首尾よく遂行されるメカ
ニズムは、ひとえにその光学系に因っている。光ピツク
アップヘット装置（以下ＯＰＵと略す）の基本的な機能
は、　（【）回折限界の微小スポットを形成する集光性
、　（ＩＩ）前記光学系の焦点制御とビット信号検出、
および（ＩＩＩ）同トラッキング制御の３種類に大別さ
れる。これらは、目的、用途に応じて、各種の光学系な
らびに光電変換検出方式の組合せによって実現されてい
る。第１１図は、従来のＯＰＵの一例を示す模式図であ
る。通常、ＴＥｌ！ｏモートで発際する半導体レーザ光
源１からの発散波面（電場：水平偏波）をコリメートレ
ンズ２て〜ＩＶ行ビームとし、偏光ビームスプリッタ１
０７で左方の四分の一波長板Ｃへ入板）１８に選択反射
する。１八λ板１８を通過した円偏光波面は、レンズ３
で大略１μｍ程度のスポットに紋られ、光記憶媒体面４
上に到達し、ビット状パターン４０を照射する。媒体面
で反射・回折された光束は、再びレンズ３を逆に進んで
電へλ板１８を通過すると垂直偏波の平行ビームとなり
、偏光ビームスプリッタ−１０７を透過してビームスプ
リッタ１９で２方向に分割される。一方の反射光は集光
レンズ２０、ならびに非点収差を付与する円柱状レンズ
２１を通って四分割フォトディテクタ５５に入射し、フ
ォーカス（焦点）誤差（以下ＦＥと略す）信号に変換さ
れる。他方の透過光は、ファーフィールドパ・ターンの
まま、トラッキング誤差（以下ＴＥと略す）信号検出用
の二分割フォトディテクタ２２に入る。

ここて、１八λ板１８は、偏光ビームスプリッタ１０７
と組み合わせることによって、光量の利用効率を高める
ことと同時に、半導体レーザへの戻り光を抑圧して、信
号光成分に不要なノイズが増加しないための工夫である
。しかし、再生専用ディスクのＯＰＵでは、光量設計に
余裕があり、゛／４人板と偏光ビームスプリッタを省く
ことが可能であり、特に小型化、低価格化のためには、
部品の省略、複合化が図られている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、再生専用ＯＰＵにおいても、ビーム分割
手段、非点収差あるいはナイフェツジ法などによる焦点
制御手段、またトラッキング制御手段を独立、もしくは
結合して構成する必要がある。そのために従来用いられ
てきた光学部品は、ビームスプリッタ、レンズ、プリズ
ム等いずれも大量に製作・組立・調整することは容易で
はなく、小型化、低価格化、ｌｌ産性、高信頼性の面で
問題があった。

これらの問題が生じる共通の理由として、第１に高精度
の平面あるいは非球面を要する光学部品は、多くの工程
を経て初めて所望の加工が実現されるのでプレス手段等
を用いるが如き生産が一般に困難であること、第２に多
数の部品を組み合わせて所定の総合性能を発揮させるた
めには、組立・調整にも多くの時用と複雑な検査・測定
装置を要すること、第３に部品の小型化に限界があると
ころから、全光学系の小型化にも大きな制約があった。

上記課題の解決方法として、１枚のホログラム素子にフ
ォーカスおよびトラッキング制御用の所定波面を記録し
ておき、光ヘッドの読み取りビームで再生される各波面
を光検出器に導く技術が晟近閉示されている。１）〜５
′ １）特願　昭５２−１０８９０８号　、天井り、永井２
）特願　昭６２−１６８５０号　、天井−Ｌ、永井３）
特願　昭６１７９６７７号　、松下、辰巳４　）　Ｙ、
Ｋ”ｉｍｕｒａ　ｅｔ　ａｔ、”ｔｌｉｇｈ　Ｐｅｒｆ
ｏｒｍａｎｃｅ　０ｐｔｉｃａｌ　）ｌｅａｄ　ｕｓｉ
ｎ３０ｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｈｏ１ｏ３ｒａｐｈｉｃ　０
ｐｔｉｃａｌＥ　ｌ　ｅｍｅｎ　ｔ、”　、プロシーデ
ィング　オブ　ザ　インターナショナル　シンポジウム
　オン　オプティカルメモリ（Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　ｔｈ
ｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｍｅｍｏｒｙ、）Ｔｏｋｙｏ、
５ｅｐｔ、１６−１８．１９８７（ｐ−５）Ｋ、Ｔａｔ
ｓｕｍｉ　　ｅｔ　ａｌ、”Ａ　Ｍｕｌｔｉ−ｆｕｎｃ
ｔｉｏｎａｌ　　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　　Ｔｙｐｅ　
Ｇｒａｔｉｎｇ　　Ｌｅｎｓ　　ｆｏｒ　　ｔｈｅ　Ｃ
Ｄ　０ｐｔｉｃａＩ　Ｈｅａｄ”、プロシーディング　
才ブ　ザ　インターナショナル　シンポジウム　オン　
オプティカルメモリ（Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＳｙｍｐｏｓｉｕＩｌｏｎ　
０ｐｔｉｃａｌ　Ｍｅｍｏｒｙ、）Ｔｏｋｙｏ、５ｅｐ
ｔ、＋６−１８．１９８７（ｐ、１上記のうち、４）は
ＦＥ倍信号ダブルナイフェツジ法で、ＴＥ倍信号ファー
フィールド（ホログラム素子面）上に設けたスリット格
子からの回折光強度によって検出する方法であり、他は
すべて第１０図に示すように非点収差波面を四分割フォ
トディテクタ５５で受光した信号から演算してＦＥ倍信
号びＴＥ倍信号検出するものである。ところが、各方式
ともホログラム素子の１次回折光のみを利用して信号の
検出を行っているために光の利用効率が悪くその結果検
出感度が低くなっ−こおり従来のＯＰＵ装置と同程度の
信号強度を得るためには光源の出力を大きくする必要が
あった。光源であるレーザの出力の増加は消費電力、体
積、コスト等の増大に起因するため、小型化、低価格化
、低消Ｒ電力化のためには光の利用効率を向上し光源の
出力を低下させるという課題かあ・つた。

また、フォトディテクタの調整をミクロンオーダーで精
度よく行わなければデフォーカスが生じるという課題が
あった。

課題を解決するための手段 本発明は、上述の課題を解決するためにＦＥ倍信号しく
はＴＥ倍信号検出を行う際、ホログラム素子の１次回折
光のみならず２次以上の高次回折光もしくは前記回折光
の共役像等、複数の回折光を同一基板上に形成したフォ
トディテクタを用いて同時に受光する。

作用 本発明では、ボログラムを用いた光ヘッド装置において
ＦＥ倍信号しくはざらにＴＥ倍信号検出する際、ホログ
ラム素子からの複数の回折光を同時に受光することによ
りＦＥ倍信号しくはさらにＴＥ倍信号検出感度を著しく
改善する。さらに共役像も同時に検出すれば、相補作用
によりフォトディテクタを大略調整するだけで良好なＦ
Ｅ倍信号得ることができ、デフォーカスはほとんど生じ
なくなる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例によるＯＰＵ装置の概略構
成を示す。同図（ａ）において、１はコヒーレントビー
ムを発する半導体レーザ（例えば波長λ２′：！８００
　ｎ　ｍ）、２はコリメートレンズ（例えば焦点距離ｆ
　ｃ　Ｎ：２０　ｍ　ｍ　）　３は集光用の対物レンズ
、４は光記憶媒体（光ディスク）であって、光源１から
発したビームはコリメートレンズ２て平行ビームとされ
、レンズ３でディスク４上に集光される。このとき６は
非点収差を含む波面を記録したホログラム素子であって
レンズ２．３の間に介在して、往路ではその０次透過光
がディスク４に集光されることになる。４２は基板、４
１は保護膜である。ディスク４上で反射されたビームは
復路で再びレンズ３を通過してほぼ平行光とされた後ホ
ログラム素子６に入射して、０次透過光の他に、軸外に
±ｌ、±２．±３．・・・±ｎ次の非点収差をもつ回折
光波面を生成する。第１図において波面７１１，７１２
は１次の非点収差再生像と共役像、波面７２１，７２２
は２次の非点収差再生像と共役像である。ここでホログ
ラム素子６はフーリエ変換型ホログラムであって、コリ
メートレンズ２を介してこれら波面７１１，７１２．７
２１，７２２は収束され、ディスク上に焦点が正しく結
ばれているときには０次透過光の収束点く光源ｌの発光
点１０）を含んでレンズ２の光軸に垂直な面１１１とは
前後する位置の２面に各々直交する方向に非点像を結ぶ
。５は光を受ける４組の四分割フォトディテクタで検出
器５１１゜５１２．５２１及び５２２がが一体化されて
いる。

各焦点面と面ＩＩＩとの間隔は＆　Ｉ＝８２−８と設計
する。

同図（ｂ）は面１１１に配置された４組の四分割フォト
ディテクタの各々の第１．第２．第３゜及び第４のフォ
トディテクタ５１１１．５１１２゜５１１３．５１１４
．．５１２１，５１２２，５１２３．５１２４，５２１
１，５２１２．５２１３＋５２１４、　５２２１．　５
２２２．　５２２３．　５２２４と発光点１０の関係を
示している。この図ではディスクのデフォーカス状態に
財応したフォトディテクタＬの非点収差再生像を示して
いる。図中、フォトディテクタ５の光電変換面での入射
ビームの一方は７１１及び？２１のごとくなり、共役像
７１２及び７２２と共に発光点を通る直線Ｘ−Ｘ　−、
ｈに並ぶ。

第２図は本発明の別の実施例を示す概念図である。第１
実施例では透過型ホログラム素子を用いているのに対し
、本実施例では反射型ホログラム素子６６を使って光軸
をαΣ９０°として折り曲げている。またコリメートレ
ンズを使用せず対物レンズ系３０だけで結像光学系を構
成して、小型化を計り、部品点数をより少なくしている
。

第３図は本発明のさらに別の実施例を説明したもので、
先の２例と異なる点は、光源ｌからの往路とは分離され
た復路で制御ビーム７１１，７１２．７２１及び７２２
を得られるように偏光ビームスプリツタ１０６と波長板
９を設けていること、及び第５フオトデイテクタ５００
によって０次透過光７００を用いた高周波情報（ＲＦ）
信号検出を別途行う構成としたことである。ここで波長
板９は、偏光ビームスプリッタ１０６との性能バランス
を容易にする目的でλへ程度の設計とし、光Ｒ１への戻
り光竜の最適化を計って信号検出のＳＺＮ比を極大にし
ている。ミラー８は光路折り曲げ用である。この場合は
必要に応じてホログラム６６６をブレーズ化して極大の
回折効率をもたせることができ、共役像７１２，７２２
は微弱なビームとなるので、ホログラム素子６６６から
の回折光を受光するフォトディテクタ５０において共役
像を検出するフォトディテクタ部分を省略できる。

さて以上の実施例における光検出器の構成及び信号検出
方法を詳しく説明しよう。第４図は第３図（ｂ）で示し
た４！Ｉの四分割フォトディテクタ５１１．５１２，５
２１，５２２の各分割領域５Ｉｌｌ、５１１２，５１１
３，５１１４，５１２１．５１２２，５１２３，５１２
４，５２１１゜５２１２、　５２１３．　５２１４．　
５２２１．　５２２２．５２２３．５２２４で検出され
るビーム７１１．７１２，７２１．’７２２及びフォト
ディテクタ５００で検出されるＯ次光７００の関係を模
式的にかつ一般的に表している。第４図（ｂ）はディス
ク上に合焦点のスポットが形成された場合であり、第４
図（ａ）及び（ｃ）は各々逆位相でのデフォーカス状態
を示す。フォーカス制御の特性（いわゆる８字特性）は
第１０図に示すように非点収差波面をいずれかの四分割
フォトディテクタで受光した信号から演算して得ること
ができ、これは衆知の技術である。このとき各々の４分
割フォトディテクタで受光した信号を演算することによ
って得られたＦＥ倍信号和をとることによりＦＥ倍信号
出力強度は、１次回折光のみを利用して得られた場合と
比べて増大する。さらに、共役像も利用してＦＥ倍信号
検出した場合、フォトディテクタの調整が多少ずれてい
ても相補作用によりディスク上に合焦点のスポットが形
成された時にＦＥ倍信号出力はほぼ０となりしたがって
デフォーカスは生じない。また、光源に波長変動が生じ
てもフォトディテクタ上の再生像は動くが、やはり相補
効果によりディスク上に合焦点のスポットが形成された
時にＦＥ倍信号出力はほぼＯとなり、したがってデフォ
ーカスは生じない。この相補効果によるＦＥ信号検出の
安定化は他の実施例においても同様なことがいえる。ま
た、例えば第５図に示すがごとくフォトディテクタ５０
の内部を結線すれば信号演算回路から見たフォトディテ
クタは１組の四分割フォトディテクタとなり、従来の回
路構成をそのまま使用することも可能となる。四分割フ
ォトディテクタ５１１，５１２，５２１．５２２及び０
次光検出用フォトディテクタ５００は、・例えば１枚の
Ｎ型シリコン基板上にボウ嚢（■族元素）をイオン注入
することによって各ディテクタを形成すれば容易に実現
可能である。

第６図は第１図（ａ）のホログラム素子とは非点収差波
面の再生方向が異なるホログラム素子を用いたときに得
られる再生像７００．　７１１．　７１２．７２１，７
２２及びフォトディテクタ５１の様子を表しており、第
６図（ｂ）はディスクｔに合焦点のスポットが形成され
た状態、第６図（ａ）及び（Ｃ）は、各々逆位相でのデ
フォーカス状態を示す。ＲＦ倍信号フォトディテクタ５
０００を用いて検出する。ＦＥ倍信号、第７図Ａもしく
は八−の如き信号出力が片側のフォトディテクタ５０１
２もしくは５０１５より得られ、もしＡ−Ａ−の差動出
力を利用すれば、図のように作動域は倍加されることが
わかる。また、別の方法として一方の共役像の中央部、
例えばフォトディテクタ５０１２の出力Ａにその両隣の
フォトディテクタ５０１１．５０１３の各出力を逆符号
で加算すればＢの如き出力特性が得られる。同様に、他
方の共役像からもフォトディテクタ５０１５の出力へ−
にその両隣のフォトディテクタ５０１４゜５０１６の各
出力を逆符号で加算すればＢ−の如くＢと対称的な出力
が得られるので再び差動をとればＢ−Ｂ−より更に拡大
された作動域を得ることもＥｉｆ能である。第６図に示
したような再生像の場合には、高次の回折光も例えば第
〔５図に示した帯状のフォトディテクタにより検出する
ことが可能なのでフォトディテクタの構造は簡素化され
る。

また、共役像側のフォトディテクタもＦＥ倍信号得られ
るように内部で結線すれば出力強度は倍加しさらに演算
回路を簡素化することができろ。

第８図は例えば第３図（ａ）に示す光学系の構成におい
て異なる位置に焦点を持つ波面を重畳記録したホログラ
ム素子を用いた場合に得られる再生像７０００，７１１
１，７１１２，７１２１，７１２２．７２１１，７２１
２，７２２１．７２２２及びそのときのフォトディテク
タ５２の構成を表している。７０００は０次光、１つの
波面の再生像は７１１１が１次回折光、７２１１が２次
の回折光、７１２１．７２２１がそれぞれ航記回折光の
共役像であり、もう１つの波面の再生像は７１１２が１
次回折光、７２１２が２次回折光、７１２２．７２２２
が共役像である。第８図（ｂ）はディスク上に合焦点の
スポットが形成された状態、第８図（ａ）及び（ｃ）は
各々逆位相の状態を示す。ＦＥ倍信号例えばフォトディ
テクタ５０１８と５０２１の差動出力をとることにより
得られ、また、例えはフォトディテクタ５０１８の出力
に５０２０．５０２２の出力を、５０２１の出力に５０
１７．５０１９の出力をそれぞれ加算することにまり差
動出力は増大する。さらに共役像側のフォトディテクタ
５０２３，５０２４，５０２５、　５０２６．　５０２
７．　５０２８についても同様な演算を行い、その出力
も利用すればＦＥ倍信号倍加する。勿論この場合にもフ
ォトディテクタを帯状の構成とすることにより、さらに
ディテクタ内部で結線を行うことにより信号演算回路、
配線等が簡素化されることは言うまでもない。

第９図は本発明の更に別の実施例を説明する概念図であ
る。同図（ａ）はホログラム素子６６６６の機能領域区
分を示し、フォーカス制御用に非点収差を含む波面を記
録した領域６９１，６９２及び６９３と単純な格子パタ
ーンを各々使と異なる方向に記録したスリット状格子の
領域６８．６９とからなる。同図（ｂ）は、例えば第３
図（ａ）に示したＯ　Ｐ　Ｕにホログラム素子６６６６
を用いた場合のフォトディテクタ上における再生像を示
している。ＦＥ倍信号フォトディテクタ５００１゜５０
０２を用いて検出し、ＴＥ倍信号フォトディテクタ５４
１と５４２もしくは５４３と５４４とから差動検出する
。この実施例で示したＴＥ信号検出のためのスリット格
子ホログラム素子も、本発明の他の全ての実施例に組み
合わせて実施可能である。

なお、本実施例に述べた構成では全て±１次及び±２次
の回折光を利用する場合について説明したが、±３次以
上の回折光をも利用することや、もしくは片側（例えば
＋側）のみの複数の回折光を利用することも可能である
ことは勿論言う迄もない。

発明の効果 本発明では２次以上の高次の回折光もしくはその共役像
をも利用することにより以下に示す効果を有する。

（Ｉ）回折格子によって制御ビームを生成した場合の弱
点とされる制御信号の微弱化に対して、本発明でＣよ光
の利用効率が向上し通常のホログラム素子を用いても従
来光学系と何ら遜色ない強度の制御信号を検出すること
が可能となる。

（ＩＩ　’）フォーカス誤差（ＦＥ）信号、トラッキン
グ誤差（ＴＥ）信号もしくはさらに高周波情報（ＲＦ）
信号を１つの基板上に形成したフォトディテクタで検出
できるため光学系の調整が容易となり部品点数の減少、
低価格化、小型化等が実現可能となる。

（ＩＩＩ）共役像も同時に差動検出することにより、Ｆ
Ｅ信号特性に関するフォトディテクタの調整精度が大幅
に緩和される。

（【■）共役像も同時に差動検出することにより、ＦＥ
信号特性に関する光源の波長変動の許容範囲が大幅に緩
和される。

（Ｖ）共役像も同時に差動検出することにより、光源の
波長が変動したりもしくはディテクタの設定位置にずれ
が生じたとしてもＦＥ倍信号オフセットが極めて生じに
くくなり、安定したフォーカス制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す光ヘッド装置の
概略構成図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示す光ヘッド装
置におけるフォトディテクタと発光点の関係図、第２図
は本発明の別の実施例を説明する光ヘッド装置の概略構
成図、第３図（ａ）ごま本発明の他の実施例を説明する
光ヘッド装置の概略構成図、同図（ｂ）は同図（ａ）に
示す光ヘット装置におけるホログラム素子からの回折光
とフォトディテクタの関係図、第４図（ａ　）、（ｂ　
）、（Ｃ）は本発明を説明する一般的原理図、第５図は
本発明によるフォトディテクタの結線図、第６図（ａ）
、（ｂ）、（ｃ）は本発明の別の実施例を説明するフォ
トディテクタの構成図、第７図は本発明の一実施例を説
明するフォーカス誤差信号検出特性の概念図、第８図（
ａ　）、（ｂ　）、（Ｃ）は本発明の他の実施例を説明
するフォトディテクタの構成図、第９図（ａ）は本発明
の他の実施例を説明するホログラム素子の構成図、同図
（ｂ）は同図（ａ）に示すホログラム素子を用いた光ヘ
ッド装置における回折光とフォトディテクタの用係図、
第１０図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来の光ヘッド光学
系のフォーカス制御信号検出方法の概念図、第１Ｊ図は
従来の光ヘッド光学系の非点収差波面検出系の一例を示
す構成図である。 ｌ・・・半導体レーザもしくは相当のコヒーレント光源
、２・・・コリメートレンズ、３・・・レンズ、４・・
・光記憶媒体（光ディスク）、５・・・フォトディテク
タ、６・・・ホログラム素子、８・・・ミラー、９・・
・１１５波長板、１０・・・発光点、６６・・・反射型
ホログラム素子、６８・・・単純回折格子領域、６９・
・・単純回折格子領域、１０６・・・偏光ビームスプリ
ッタ、６９１・・・ホａグラノ、領域、６９２・・・ホ
ログラム領域、６９３・・・ホログラム領域、７１１・
・・１次回折光、７１２・・・１次回折光（共役像）、
７２１・・・２次回折光、７２２・・・２次υ１折光（
共役像）、６６６６・・・スリット格子付ホログラム素
子、 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名３０−ｍ−
しンス゛ 乙６−、グ泪型才、Ｕ’）’セム蒙チ 第２図 ／ 舐−一一〇次迭局尤 ／ 第４図 （と２．ン　　　　　　　　　　　　　　（ｂン　　　
　　　　　　　　　　　　（（）第５図 第　６［Ｘｌ （（１）　　　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　
　　　　　（ご）の１５ 第　７　図 Ｂ−Ｂ’ 第９０ ７／−、；ｌμ声収差再生ふア面 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホログラム素子と、このホログラム素子からの複
   数次の回折光を受光する複数の受光部が一体化されたフ
   ォトディテクタとを具備したホログラムを用いた受光装
   置。
2. （２）コヒーレントビームもしくは準単色のビームを発
   する光源と、前記光源からのビームを受け光記憶媒体上
   へ微小スポットに収束する集光光学系と、前記光記憶媒
   体で反射したビームを受け回折光を発生させて受光する
   特許請求の範囲第１項記載の受光装置を具備した光ヘッ
   ド装置。