JPH07101519B2 - Optical head device - Google Patents
Optical head deviceInfo
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- JPH07101519B2 JPH07101519B2 JP62251025A JP25102587A JPH07101519B2 JP H07101519 B2 JPH07101519 B2 JP H07101519B2 JP 62251025 A JP62251025 A JP 62251025A JP 25102587 A JP25102587 A JP 25102587A JP H07101519 B2 JPH07101519 B2 JP H07101519B2
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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、光ディスクあるいは光カードなど、光もしく
は光磁気媒体上に記憶される光学情報を記録・再生する
光ピックアップヘッド装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical pickup head device for recording / reproducing optical information stored on an optical or magneto-optical medium such as an optical disc or an optical card.
従来の技術 高密度・大容量の記憶媒体として、ピット状パターンを
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,さらには
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。ミクロンオーダに絞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、ひとえにその光情報をピックアップする構
成、とりわけその光学系に因っている。光ピックアップ
ヘッド装置(以下OPUと略す)の基本的な機能は、
(i)回折限界の微小スポットを形成する集光性、(i
i)前記光学系の焦点制御とピット信号検出、および(i
ii)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8図は、
従来のOPUの一例を示す模式図である。通常TE00モード
で発振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で平行ビームとし、偏
光ビームスプリッタ109で左方の四分の一波長板(1/4λ
板)11に選択反射する。1/4λ板を通過した円偏光波面
は、集光レンズ系3で大略1μm程度のスポットに絞ら
れ、光記憶媒体面4上に到達し、ピット状パターン40を
照射する。媒体面6で反射・回折された光束は、再び集
光レンズ系3を逆に進んで四分の一波長板11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
10を透過してプリズムハーフミラー12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13を通って四分割フォトディテ
クタ14に入射し、焦点制御信号に変換される。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
グ制御信号検出用の二分割フォトディテクタ7に入る。2. Description of the Related Art Optical memory technology using a pit-shaped pattern as a high-density and large-capacity storage medium has been put into practical use while expanding its applications with digital audio disks, video disks, document file disks, and even data files. . The mechanism by which recording / reproducing of information is successfully performed with high reliability via a light beam focused on the order of micron is due to the structure for picking up the optical information, especially the optical system. The basic functions of the optical pickup head device (hereinafter abbreviated as OPU) are:
(I) Light-collecting property for forming a diffraction-limited minute spot, (i
i) focus control and pit signal detection of the optical system, and (i
ii) The tracking control is roughly classified into three types. These are realized by a combination of various optical systems and photoelectric conversion detection methods according to the purpose and application. Figure 8 shows
It is a schematic diagram which shows an example of the conventional OPU. Diverging wavefront from the semiconductor laser light source 1 that oscillates at normal TE 00 mode (electric field:
Horizontally polarized light is made into a parallel beam by the collimator lens 2, and the left quarter wave plate (1 / 4λ) is made by the polarization beam splitter 109.
Selective reflection on plate 11. The circularly polarized wave front that has passed through the 1/4 λ plate is focused by the condenser lens system 3 into a spot of approximately 1 μm, reaches the optical storage medium surface 4, and irradiates the pit-shaped pattern 40. The light beam reflected and diffracted by the medium surface 6 goes through the condensing lens system 3 in the opposite direction and passes through the quarter-wave plate 11 again to become a vertically polarized parallel beam, which is a polarization beam splitter.
After passing through 10, the prism half mirror 12 splits it into two directions. One reflected light passes through the condensing lens 20 and the cylindrical lens 13 that imparts astigmatism, enters the four-division photodetector 14, and is converted into a focus control signal. The other transmitted light enters the two-divided photodetector 7 for detecting the tracking control signal while keeping the far field pattern.
ここで、1/4λ板11は、偏光ビームスプリッタ10と組合
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方を抑圧して、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、1/4λ板と偏光ビームスプリッタを省くことが可能
であり、とくに小型化,低価格化のためには、部品の省
略,複合化が計られている。Here, the 1/4 λ plate 11 enhances the utilization efficiency of the light quantity by combining with the polarization beam splitter 10 and, at the same time, suppresses the return to the semiconductor laser and increases unnecessary noise in the signal light component. It is a device for not doing it. However, in the OPU of a read-only disc, there is a margin in the light quantity design, and it is possible to omit the 1 / 4λ plate and the polarization beam splitter. In particular, in order to reduce the size and cost, parts are omitted and combined. Is being measured.
発明が解決しようとする問題点 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エッ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な
く、小型化,低価格化,量産性,高信頼性の面で問題が
あった。Problems to be Solved by the Invention However, even in the reproduction-only OPU, it is necessary to configure the beam splitting means, the focus control means using astigmatism or the knife edge method, and the tracking control means independently or in combination. For this reason, it is not easy to mass-produce, assemble, and adjust the beam splitter, lens, prism, and other optical components that have been used in the past, and in terms of downsizing, cost reduction, mass productivity, and high reliability. There was a problem.
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・調整にも多くの時間と複雑な検査・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。As a common reason for these problems, firstly, since optical parts that require a highly accurate flat surface or aspherical surface can be processed as desired only after many steps, production is generally performed using a pressing means or the like. It is difficult, secondly, it takes a lot of time for assembly and adjustment and complicated inspection and measurement equipment in order to combine a large number of parts to exert a predetermined total performance, and thirdly, the small size of the parts. Since there is a limit to miniaturization, there is a big restriction on downsizing of the all optical system.
これらの問題を部分的に解決する方法として、たとえ
ば、第8図のコリメートレンズ2(あるいは20)をフレ
ネルレンズで構成し、金型を用いてプレス加工成形する
技術が開発されてきている。しかし、これは部品点数の
削減にはならず、面数がより多い部品であるプリズム形
ビームスプリッタなどは置き換えられないまま残され
る。また、加工精度の限界からもっとも高性能な集光を
要求されるレンズ3も代替され得ない。As a method of partially solving these problems, for example, a technique has been developed in which the collimator lens 2 (or 20) shown in FIG. 8 is formed of a Fresnel lens and is press-molded using a mold. However, this does not reduce the number of parts, and the prism type beam splitter, which is a part having a larger number of surfaces, is left unreplaced. Further, the lens 3 that requires the highest performance of focusing cannot be replaced because of the limit of processing accuracy.
上述の理由は、複合機能を有する光学素子を導入するこ
とにより解決されるとして、第7図に示すごときホログ
ラム素子16を集光レンズ3に接近させて配置する試みも
最近報告されている。((1)木村,小野,須釜,太
田;61年秋季 応用物理学会予稿集,30p−ZE−1,p.227
(1986)。(2)同;第22回微小光学研究会講演論文;v
ol.4(1986)p.38)従来、ホログラム記録に適した波長
域(λ1:400〜500nm)で素子を作成し、OPU光源として
適する近赤外あるいは赤色レーザ(λ2:〜800nm,633n
m)で再生すると、ホログラムのレンズ作用に対して顕
著な収差が発生し、その補正が困難であった。そこで、
ホログラム素子は、同図aに示すような光学系を用いて
2点P1,P2と参照光源Rとの干渉縞(実際にはホログラ
ム面の片側半分には波面230と231、残る片面に波面230
と232との干渉縞)をξ−η面で形成した、いわゆるレ
ンズレスフーリェ変換ホログラム系の考え方で設計され
ており、同図bのごとくして「ウェッジプリズム法」あ
るいは「ダブルナイフエッジ法」と等価な効果を有する
ようにホログラム素子16は161と162の部分に2分割した
形で、電子ビーム描画によって実現される。同図cは光
検出器15上での光スポットを模式的に示してる。こうす
ると、確かに使用する光源1の設計波長λ2に限って
は、無収差のホログラムレンズが作成でき、しかも、光
源の若干のスペクトル幅の変動に対する収差がビーム検
出器(フォトディテクタ)15の光電変換面上に現われて
も、4分割光電変換面151,152,153,154を用いたプッシ
ュプル法で変動を実用上支障ない範囲に押えることが可
能となる。しかし、第7図の素子16の微細パターンは電
子ビーム描画にて形成するのが好都合であるが、電子ビ
ーム描画が可能な素子16のパターンは、格子や双曲線形
状のような単純パターンの場合に限定され、もっと一般
のホログロム系を精度よく形成する技術は全く開示され
ていない。また従来方式の光学系では一般に第7図cか
らもわかる如く、ビームに対する光検出器15の位置精度
は数ミクロンのオーダを要求される問題もあった。It has been recently reported that an attempt to arrange the hologram element 16 as shown in FIG. 7 close to the condenser lens 3 is made, assuming that the above reason is solved by introducing an optical element having a composite function. ((1) Kimura, Ono, Sugama, Ota; Autumn 1986 Proceedings of the Japan Society of Applied Physics, 30p-ZE-1, p.227
(1986). (2) Same; 22nd Micro Optics Research Conference Lecture Paper; v
ol.4 (1986) p.38) Conventionally, elements were created in the wavelength range (λ 1 : 400 to 500 nm) suitable for hologram recording, and a near-infrared or red laser (λ 2 : to 800 nm, suitable as an OPU light source was prepared. 633n
When reproduced at m), a remarkable aberration was generated due to the lens action of the hologram, and it was difficult to correct the aberration. Therefore,
The hologram element uses an optical system as shown in FIG. 1A to form interference fringes between two points P 1 and P 2 and the reference light source R (actually, the wavefronts 230 and 231 are formed on one half of the hologram surface, and the remaining one surface is formed). Wavefront 230
And 232 interference fringes) are formed on the ξ-η plane, and the design is based on the concept of a so-called lensless Fourier transform hologram system. As shown in Fig. 7b, the "wedge prism method" or the "double knife edge method" is used. The hologram element 16 is realized by electron beam drawing in the form of being divided into two parts 161 and 162 so as to have an effect equivalent to. FIG. 7C schematically shows a light spot on the photodetector 15. By doing so, it is possible to create an aberration-free hologram lens only when the design wavelength λ 2 of the light source 1 is used, and the aberration of the beam detector (photodetector) 15 due to the slight variation of the spectral width of the light source is generated. Even if it appears on the conversion surface, the push-pull method using the four-divided photoelectric conversion surfaces 151, 152, 153, 154 can suppress the fluctuation within a practically acceptable range. However, although it is convenient to form the fine pattern of the element 16 of FIG. 7 by electron beam drawing, the pattern of the element 16 capable of electron beam drawing is in the case of a simple pattern such as a lattice or hyperbolic shape. A technique for forming a more general hologrom system with a limited accuracy is not disclosed at all. Further, in the conventional optical system, as generally seen from FIG. 7C, there is a problem that the positional accuracy of the photodetector 15 with respect to the beam is required to be on the order of several microns.
本発明は、OPUの焦点ならびにトラッキング制御を安定
に実現する単純な回折素子を用いた光ヘッド装置を提供
するものであり、電子ビーム描画とか特定波長での記録
再生といった制約を課することなく、もっと一般的な光
学原理に立脚したホログラム素子を用いて簡単化された
光学系を構成可能ならしめる。The present invention provides an optical head device using a simple diffraction element that stably realizes focus and tracking control of an OPU, without imposing restrictions such as electron beam drawing or recording / reproduction at a specific wavelength. A simplified optical system can be constructed by using a hologram element based on a more general optical principle.
従来開示されているピックアップ用ホログラム素子と本
発明になる回折(ホログラム)素子との相違について
は、以下の説明で順次、具体的に明らかにされる通りで
あるが、ここで、特に複合機能の面から見た従来素子の
制約と本発明の目的とするところを対比して要約してお
こう。The difference between the hologram element for a pickup disclosed heretofore and the diffractive (hologram) element according to the present invention will be specifically clarified in order in the following description. The following is a summary of the limitations of the conventional device from the aspect and the purpose of the present invention.
(1) 入射・反射光分離手段として両者とも機能する
が、焦点誤差ならびにトラッキング誤差検出に用いられ
る光ビームとして従来のホログラム素子は、「ウェッジ
プリズム法」によっており、この光学系をホログラム系
で構成する限りでは、光源から出射する光ビームが往路
のホログラムで回折され、対物レンズで集光された複数
スポットのビームを、無視できないパワー密度でディス
ク上に結像してしまう。回折光成分を抑圧するために
(i)ホログラムの搬送波周波数を高くして対物レンズ
開口でのケラレを大きくする、(ii)ホログラム素子と
対物レンズとの間隔を大きくして同様の効果を高くす
る、(iii)ホログラムの回折効率を低く押えるといっ
た方法が考えられるが、(i)は光源の波長変動の影響
を大きくして光検出系の信頼性を損い、(ii)は装置の
小型化を困難とし、(iii)は信号検出のS/N比を低く
し、また記録再生用の光ヘッドとしての機能達成を難し
くする。本発明ではファールフィールドで焦点誤差検出
可能な構成によって上記の問題を解決している。(1) Both function as an incident / reflected light separating means, but a conventional hologram element as a light beam used for detecting a focus error and a tracking error uses a “wedge prism method”, and this optical system is configured by a hologram system. As long as it is, the light beam emitted from the light source is diffracted by the hologram on the outward path, and the beams of a plurality of spots condensed by the objective lens are imaged on the disk with a power density that cannot be ignored. In order to suppress the diffracted light component, (i) the carrier frequency of the hologram is increased to increase vignetting at the objective lens aperture, and (ii) the distance between the hologram element and the objective lens is increased to enhance the same effect. , (Iii) A method of suppressing the diffraction efficiency of the hologram to be low can be considered, but (i) increases the influence of the wavelength fluctuation of the light source to impair the reliability of the photodetection system, and (ii) downsizes the device. (Iii) lowers the S / N ratio of signal detection and makes it difficult to achieve the function as an optical head for recording / reproducing. The present invention solves the above-mentioned problem by the structure capable of detecting the focus error in the foul field.
(2) 従来ホログラム素子は、集束パワーとしてのレ
ンズ機能を極力抑えた「レンズレスフーリェ変換型ホロ
グロム」として構成されたが、ピックアップ光源の設計
波長λからのわずかな波長ずれ(Δλ=±20nm)に対し
てもフォーカスオフセットを生じ、半導体レーザのロッ
トによる波長ずれを調整するためにフォトディテクタを
光軸方向に位置調整するめんどうな工程を設ける必要が
あった。本発明では、回折素子に長焦点のフレネルゾー
ンプレートを用いるが、集束パワーは別のレンズに依る
ので光源波長変動に伴う焦点位置変動はわずかであり、
しかもファーフィールドでの差動検出方式によって安定
な信号検出が可能である。(2) Conventionally, the hologram element was configured as a "lensless Fourier transform type hologram" that suppresses the lens function as focusing power as much as possible, but a slight wavelength deviation from the design wavelength λ of the pickup light source (Δλ = ± 20 nm) However, it is necessary to provide a troublesome process of adjusting the position of the photodetector in the optical axis direction in order to generate a focus offset and adjust the wavelength shift due to the lot of the semiconductor laser. In the present invention, a long focus Fresnel zone plate is used for the diffractive element, but since the focusing power depends on another lens, the focus position variation due to the light source wavelength variation is small,
Moreover, a stable signal can be detected by the differential detection method in the far field.
(3) 光検出器の調整に関して、従来方式はホログラ
ム系の有無を問わず、光電変換面内ならびに光軸方向の
位置精度を厳しく要求された。前者で5〜10ミクロン程
度、後者は数十ミクロンのオーダが必要とされる場合が
多い。本発明では光検出器の調整精度を緩和可能として
極めて簡単な調整工程もしくは無調整での光ヘッド製作
を実現しようとするものである。(3) With respect to the adjustment of the photodetector, the conventional method strictly requires the positional accuracy in the photoelectric conversion plane and in the optical axis direction regardless of the presence or absence of the hologram system. The former often requires an order of 5 to 10 microns, and the latter often requires an order of several tens of microns. The present invention aims to realize an extremely simple adjustment process or manufacture of an optical head without adjustment by making it possible to relax the adjustment accuracy of the photodetector.
問題点を解決するための手段 本発明は上述の問題点を解決するために、半導体レーザ
の如きコヒーレント光源と、コヒーレントビームを微小
スポットに収束する光学系と、軸外方向に複数波面を生
成する回折素子を組合わせることによって、所定形状で
比較的大面積の光電変換面上に所望のビーム制御用なら
びに再生情報を得られる構成を備えたものである。前記
回折素子としては、もっとも単純な構成としては第1の
軸はずしフレネルゾーンプレート(off−axis Fresnel
zone plate)およびこれと等しい焦点距離を有する第2
の軸はずしフレネルゾーンプレートを所定光軸間距離を
与えて重畳した形態によって実現される。また、さらに
望ましい構成としては、レンズフーリェ変換ホログラム
によって目的とする同様の波面を正確に生成しうる。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention generates a coherent light source such as a semiconductor laser, an optical system for converging a coherent beam into a minute spot, and a plurality of wavefronts in an off-axis direction. By combining the diffractive elements, a desired beam control and reproduction information can be obtained on a photoelectric conversion surface having a predetermined shape and a relatively large area. The simplest structure of the diffractive element is the first off-axis Fresnel zone plate (off-axis Fresnel).
zone plate) and a second having a focal length equal to this
It is realized by a form in which the off-axis Fresnel zone plates of (1) and (2) are overlapped with each other by giving a predetermined optical axis distance. Further, as a more desirable configuration, the same wavefront as the target can be accurately generated by the lens Fourier transform hologram.
作用 本発明では2焦点を生成する回折素子に弱いレンズ作用
を持たせて集光(あるいはコリメート)レンズ系と合成
して用いるので、フォーカシング誤差信号はディスクに
集光したビームのファーフィールドで差動光検出され
る。Function In the present invention, since the diffractive element for generating two focal points has a weak lens function and is used in combination with the focusing (or collimating) lens system, the focusing error signal is differential in the far field of the beam focused on the disk. Light is detected.
すなわち、2つのフレネルゾーンプレートが弱い凸レン
ズならびに弱い凹レンズとして作用することにより、差
動光検出器の前後面に各々集光するビームが生成され、
フォーカシング誤差は光検出面上の2つのビームサイズ
の差異として検出可能となる。That is, the two Fresnel zone plates act as a weak convex lens and a weak concave lens to generate beams to be focused on the front and rear surfaces of the differential photodetector, respectively.
The focusing error can be detected as a difference between the two beam sizes on the light detection surface.
この構成によって、光学系ならびに光検出器の調整制度
が緩和される。This configuration relaxes the adjustment system of the optical system and the photodetector.
本発明ではまた、単純な形態の2ビームをファーフィー
ルドで検出する構成であるので、(iii)光検出器の領
域分割方向(境界線)が回折素子からの0次回折光収束
点を中心とする放射状方向にほゞ沿う如く設計すること
によって光源の波長変動、もしくはマルチスペクトル成
分に対する信号劣化を容易に回避できる。Since the present invention is also configured to detect two beams in a simple form in the far field, (iii) the area division direction (boundary line) of the photodetector is centered on the 0th-order diffracted light convergence point from the diffraction element. It is possible to easily avoid wavelength fluctuations of the light source or signal deterioration due to multi-spectral components by designing so as to extend in the radial direction.
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は赤外領域あるいはこの領
域よりも短波長域のコヒーレントビームを発する半導体
レーザ(たとえば波長λ2800nm)、2はコリメート
レンズ(焦点距離fc20mm)、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で平行ビームとさ
れ、レンズ3でディスク4上に集光される。このとき回
折素子6は軸外2焦点回折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、41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
通過してほゞ平行光とされた後回折素子6に入射して、
0次透過光の他に軸外に焦点の異なる2波面61,62を生
成する。反射型でなく透過型ディスクにおいても以下の
構成は全く同様に適用される。前記2波面はコリメート
レンズ2によって収束され、0次透過光の収束点(光源
1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面に各々焦点を結ぶ。5は光を受
けるディテクタで検出器51,52よりなる。各焦点面と面1
11との間隔はδ1=δ2=δと設計するが、たとえば非
点収差法での非点隔差に比べδ1+δ2は1桁程度大き
くとれるのでδ1≠δ2となってもその誤差は従来より
大幅に許容される。Embodiment FIG. 1 shows a schematic configuration of an OPU device according to an embodiment of the present invention. In the figure a, 1 is a semiconductor laser that emits a coherent beam in the infrared region or a wavelength range shorter than this region (for example, wavelength λ 2 800 nm), 2 is a collimating lens (focal length f c 20 mm), 3 is for focusing The objective lens 4 is an optical storage medium (optical disk), and the beam emitted from the light source 1 is collimated by the collimator lens 2 and focused on the disc 4 by the lens 3. At this time, the diffractive element 6 is an off-axis bifocal diffractive element and is interposed between the lenses 2 and 3, and the 0th order transmitted light is focused on the disk 4 in the outward path. 42 is a substrate and 41 is a protective film. The beam reflected on the disk 4 passes through the lens 3 again on the return path, is made into substantially parallel light, and then enters the diffractive element 6,
In addition to the 0th-order transmitted light, two wavefronts 61 and 62 having different off-axis focal points are generated. The following structure is applied to the transmissive disc instead of the reflective disc. The two wavefronts are converged by the collimator lens 2, and a surface 111 including the convergence point of the 0th-order transmitted light (light emitting point 10 of the light source 1) and perpendicular to the optical axis of the lens 2
And are focused on the two surfaces of the front and rear positions. A detector 5 receives light and comprises detectors 51 and 52. Each focal plane and plane 1
The distance from 11 is designed to be δ 1 = δ 2 = δ, but for example, δ 1 + δ 2 can be about one digit larger than the astigmatic difference in the astigmatism method, so that even if δ 1 ≠ δ 2. The error is tolerated to a greater extent than before.
同図bは面111に配置された第1および第2の光検出器5
1,52と発光点10の関係を示している。図中、光検出器5
1,52の光電変換面での入射ビームは610,620のごとくな
り、発光点を通る直線X−X′上に並ぶ。FIG. 5b shows the first and second photodetectors 5 arranged on the surface 111.
The relationship between 1,52 and the light emitting point 10 is shown. In the figure, photodetector 5
The incident beams on the photoelectric conversion surface of 1,52 are as in 610,620, and are arranged on a straight line XX 'passing through the light emitting point.
第2図は本発明の別の実施例を示す概念図である。第1
実施例では透過型回折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α
90゜として折曲げている。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。FIG. 2 is a conceptual diagram showing another embodiment of the present invention. First
In contrast to the case where a transmission type diffraction element is used in this embodiment, a reflection type hologram element 66 is used in this embodiment and the optical axis is set to α.
It is bent at 90 °. Further, the image forming optical system is configured only by the objective lens system 30 without using the collimator lens, and the size is reduced and the number of parts is further reduced.
第3図は本発明の更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1からの往路とは分離された
復路で制御ビームを得られるように偏光ビームスプリッ
タ109と波長板9を設けていること、および第3のフォ
トディテクタ7によってトラッキング検出を別途行なう
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10との性能バランスを容易にする目的でλ/5
程度の設計とし、戻り光量の最適化を計って信号検出の
S/N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る。FIG. 3 illustrates still another embodiment of the present invention. The difference from the above two examples is that the polarization beam splitter 109 is provided so that the control beam can be obtained in the return path separated from the outward path from the light source 1. And that the wavelength plate 9 is provided, and the tracking detection is separately performed by the third photodetector 7. Here, the wave plate 9 has a wavelength of λ / 5 for the purpose of facilitating the performance balance with the polarization beam splitter 10.
Designed to the extent that the amount of return light is optimized for signal detection
The S / N ratio is maximized. The mirror 8 is for bending the optical path. In this case, the hologram 666 can be blazed to have maximum diffraction efficiency.
さて、以上の実施例における光検出器の構成を詳しく説
明しよう。第4図は第1図bで示した光検出器51および
52の各分割領域で検出されるビーム610,620の関係を模
式的に表わしている。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、両ビーム610,620は等し
い径,等しい光パワー密度で光電変換される。したがっ
て検出領域51,52の3分割領域の1つ510および520から
は等しい出力が検出され、その差動出力はゼロとなる。
すなわちフォーカス誤差信号FEは各領域jからの出力を
Sjと表わせば FE=S510−S520=0 第4図cではディスクへの集光スポットがデフォーカス
状態となって、回折素子6への入射光は平面波でなく、
例えば発散波となり、このため回折素子に含まれる凸レ
ンズ作用を受ける波面61の焦点は光検出器側に接近す
る。他方凹レンズ作用を受ける波面62は光検出器からさ
らに遠方の点に焦点を結ぶ。この結果、 FE=S510−S520>0 光ディスクがもし逆相に移動してデフォーカス状態とな
ると第4図aの如く、状態は対称的に逆転し FE=S510−S520<0 となる。設計例では各領域寸法として、W0=W1=W2=0.
05mm、また点10との距離をl1=1mm,l2=0.65mm、合焦点
時のビーム寸法D=0.10mmφ,δ1=δ2=0.4mm、た
ゞし、コリメートレンズの焦点距離をf2=20mm,レンズ
開口径を5mmφとした。Now, the configuration of the photodetector in the above embodiment will be described in detail. FIG. 4 shows the photodetector 51 shown in FIG.
The relationship between the beams 610 and 620 detected in each divided region of 52 is schematically shown. FIG. 4b shows the case where a focused spot is formed on the disk, and both beams 610 and 620 are photoelectrically converted with the same diameter and the same optical power density. Therefore, the same output is detected from one of the three divided areas 510 and 520 of the detection areas 51 and 52, and the differential output thereof becomes zero.
That is, the focus error signal F E is the output from each area j.
Expressed as S j , F E = S 510 −S 520 = 0 In FIG. 4c, the focused spot on the disk is in a defocused state, and the incident light on the diffraction element 6 is not a plane wave,
For example, it becomes a diverging wave, so that the focal point of the wavefront 61 included in the diffractive element and acting as a convex lens approaches the photodetector side. On the other hand, the concave lens action of the wavefront 62 focuses at a point further away from the photodetector. As a result, F E = S 510 −S 520 > 0 If the optical disc moves to the opposite phase and enters the defocused state, the state is symmetrically reversed as shown in FIG. 4A, and F E = S 510 −S 520 < It becomes 0. In the design example, W 0 = W 1 = W 2 = 0.
05mm, the distance to the point 10 is l 1 = 1mm, l 2 = 0.65mm, the beam size at the time of focusing D = 0.10mmφ, δ 1 = δ 2 = 0.4mm, and the focal length of the collimator lens f 2 = 20 mm and the lens aperture diameter was 5 mmφ.
実際のディスク装置では、光ディスク面のデフォーカス
量±5μm程度に対応する光検出器面での焦点変移量±
100μ程度を主たる動作域に設計すればよく、第4図に
おけるビーム径は最大125μmφ,最小75μmφ程度の
範囲で変化することになる。In an actual disc device, the defocus amount on the optical disc surface is about ± 5 μm, and the focus shift amount on the photodetector surface is ±
It suffices to design the main operating range to be about 100 μ, and the beam diameter in FIG. 4 changes within a range of maximum 125 μmφ and minimum 75 μmφ.
トラッキング誤差信号TEは、第1図でトラックが図面に
平行方向に向いているとすれば(第1図の情報記録面上
の凹凸はトラックに沿った信号ピットの断面を示す)、 TE=(S511+S521)−(S512+S522) を演算して得られる。TF,TEいづれについても本発明の
場合は第7図cのような場合に比べて光検出器調整精度
が大幅に緩和されることがわかる。Tracking error signal T E, if the track by the first drawing is oriented in the direction parallel to the drawing (irregularities on the information recording surface of the first drawing shows a cross section of the signal pits along the track), T E = ( S511 + S521 )-( S512 + S522 ). It can be seen that in both cases of T F and T E , in the case of the present invention, the photodetector adjustment accuracy is greatly relaxed as compared with the case of FIG. 7c.
光源として半導体レーザを使用する場合、温度変化ある
いは電流変化による波長シフトの問題がある。本発明で
は第4図のごとく分割境界の方向がホログラムの空間搬
送波周波数の方向に一致させてあるので第4図bに破線
で示したようなビーム変移(611のビームがΔl1、621の
ビームがΔl2)を生じても支障は起らない。ビームの倍
率変化は中心波長λ2からλ2+Δλへの変動に対して
は、両ビームとも等しく であり、ビーム径変化に伴う差動出力信号の異常はやは
り生じない。When a semiconductor laser is used as a light source, there is a problem of wavelength shift due to temperature change or current change. In the present invention, the direction of the division boundary is made to coincide with the direction of the spatial carrier frequency of the hologram as shown in FIG. 4, so the beam transition (the beam of 611 is the beam of Δl 1 , 621 is shown by the broken line in FIG. 4b. Causes Δl 2 ) without causing any problems. The beam magnification change is the same for both beams with respect to the change from the central wavelength λ 2 to λ 2 + Δλ. Therefore, the abnormality of the differential output signal due to the change in beam diameter does not occur.
第5図は本発明の実施例に共通して用いうる別の光検出
器配列構成を説明したものであって、第4図の場合と異
なり、第1,第2の光検出器51,52は発光点10から等距離
lにあり、かつ分割境界線が、点10から放射状に伸びる
線上に一定角度θをなして形成されている。ホログラム
の搬送波周波数の絶対値を2つのビームで等しくさせる
ことができる利点があるので、大きな波長変動を伴う光
源とともに用いる場合には、lを極小に設計して目的を
達成することができる。発光点10にほゞ一致する点100
を中心として回折素子(ホログラム)もしくは光検出器
を微小角回転(98又は99へ)することにより、ビーム位
置611,612(互いに角θだけ離れている)との調整が完
了する。FIG. 5 illustrates another photodetector array configuration that can be commonly used in the embodiments of the present invention. Unlike the case of FIG. 4, the first and second photodetectors 51 and 52 are different from each other. Is equidistant from the light emitting point 10 and the dividing boundary line is formed at a constant angle θ on a line extending radially from the point 10. Since there is an advantage that the absolute value of the carrier frequency of the hologram can be made equal in the two beams, when used with a light source with a large wavelength variation, l can be designed to be a minimum to achieve the purpose. A point 100 that almost matches the emission point 10
By rotating the diffractive element (hologram) or the photodetector by a small angle (to 98 or 99) around, the adjustment with the beam positions 611 and 612 (which are separated from each other by the angle θ) is completed.
第6図は、本発明の実施例に共通して使用可能なレンズ
フーリェ変換ホログラムの記録光学系の一実施例を示す
概念図である。コヒーレントな平面波91で照明された屈
折率分布型ロッドレンズ901,902,900は所定の空間位置1
01,102,100に焦点を結び、さらにフーリェ変換レンズ9
を介して記録媒体60の上で互いに重畳され、レンズフー
リェ変換型ホログラムを形成する。レンズフーリェ変換
ホログラムの特質については、文献((3)「ホログラ
フィによる漢字メモリ」,加藤,藤戸,佐藤;画像電子
学会 研究会予稿79−04−1(1979.11.)(4)“Spec
kle reduction in holography……",M.Kato et al;アプ
ライド オプティクス(Appl.Opt.),14(1975)1093)
等に詳しく報告,解析されているように、一般画像の記
録再生光学系に適用された実績((5)「光学式漢字編
集処理システム」佐藤他;電子通信学会研究会資料,EC7
8−53(1978)47)を有するが、本発明では、ビーム制
御用手段として実用上支障ない限り、再生光学系光軸近
傍波面についてフーリェ変換が成立すればよく、ホログ
ラム素子からの波面再生に用いるレンズは、コリメート
レンズで代用できるし、あるいは単にホログラム素子を
収束球面波で照射するだけで、その集光面上に所望の再
生像を得ることが可能である。さて、第6図の記録光学
系で101,102のx軸とのz方向での間隔Δ1,Δ2は として設計することができる。ここでMは倍率、f1は記
録用フーリェ変換レンズ99の焦点距離、f2は再生用フー
リェ変換レンズの焦点距離に相当するもので、第1図で
はコリメートレンズ2の焦点距離、第2図ではホログラ
ムに入射する収束波の曲率半径f2である。ロッドレンズ
光軸間の距離L1,L2も第4図のl1,l2に対してML1=l1,ML
2=l2の関係にある。第1〜3図で述べた光ヘッド光学
系,光検出系との寸法的な整合をとるためには、記録用
フーリェ変換レンズの焦点距離f1を50〜100mm程度とす
るとL1,L2は1〜2mm程度となる。通常のレンズ光学系に
よっては所望のホログラムを得難いが、ロッドレンズは
径が1mm程度のものは容易に実現できる。FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a recording optical system for a lens Fourier transform hologram that can be used in common with the examples of the present invention. The gradient index rod lenses 901, 902 and 900 illuminated by the coherent plane wave 91 are arranged at predetermined spatial positions 1
Focus on 01,102,100, and further Fourier transform lens 9
Are superimposed on each other on the recording medium 60 via to form a lens Fourier transform hologram. For the characteristics of the lens-Fourier transform hologram, refer to (3) “Kanji memory by holography”, Kato, Fujito, Sato; IEICE Technical Committee 79-04-1 (1979.11.) (4) “Spec.
kle reduction in holography …… ", M.Kato et al; Applied Optics (Appl.Opt.), 14 (1975) 1093)
As reported and analyzed in detail, etc., it has been applied to recording and reproducing optical systems for general images ((5) "Optical Chinese character editing processing system" Sato et al .; IEICE Technical Committee, EC7)
8-53 (1978) 47), the present invention does not hinder practical use as a beam control means, as long as Fourier transform is established for the wavefront near the optical axis of the reproduction optical system, and the wavefront reproduction from the hologram element is possible. The lens used can be replaced by a collimator lens, or a desired reproduced image can be obtained on the converging surface by simply irradiating the hologram element with a convergent spherical wave. Now, in the recording optical system of FIG. 6, the intervals Δ 1 and Δ 2 in the z direction from the x axis of 101 and 102 are Can be designed as Here, M is the magnification, f 1 is the focal length of the recording Fourier transform lens 99, and f 2 is the focal length of the reproducing Fourier transform lens. In FIG. 1, the focal length of the collimator lens 2 is shown in FIG. Is the radius of curvature f 2 of the convergent wave incident on the hologram. The distances L 1 and L 2 between the optical axes of the rod lenses are also ML 1 = l 1 and ML with respect to l 1 and l 2 in FIG.
There is a relationship of 2 = l 2 . In order to achieve dimensional matching with the optical head optical system and the photodetection system described in FIGS. 1 to 3, if the focal length f 1 of the recording Fourier transform lens is set to about 50 to 100 mm, L 1 and L 2 Is about 1 to 2 mm. Although it is difficult to obtain a desired hologram with a normal lens optical system, a rod lens having a diameter of about 1 mm can be easily realized.
発明の効果 以上のように本発明になる光ヘッド装置は、光ビーム制
御に回折素子から生成される2波面を用い、かつ光ディ
スクに集光されたスポットのファーフィールドパターン
を光検出器で差動検出する構成をとることによって以下
の優れた効果をもたらすものである。EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the optical head device according to the present invention uses the two-wavefront generated by the diffraction element for the light beam control, and the far field pattern of the spot focused on the optical disc is differentiated by the photodetector. By adopting the detection configuration, the following excellent effects are brought about.
(i) 回折素子をビームスプリッタとして機能させた
従来方式では往路で生じる±1次をはじめとする高次回
折成分が光ディスクに集光するが、本発明ではデフォー
カスパターンとなるのでパワー密度は従来例に比べ2桁
以上小さくなり、不要記録ならびにサーボ動作不良を防
止できる。(I) In the conventional method in which the diffractive element functions as a beam splitter, high-order diffracted components such as ± 1st order generated on the outward path are condensed on the optical disk. However, in the present invention, a defocus pattern is formed, so that the power density is conventionally. Compared to the example, it is smaller by two digits or more, and unnecessary recording and servo operation failure can be prevented.
(ii) 回折素子によって制御ビームを生成した場合の
弱点とされる光源の波長変動に対して、本発明では光検
出器分割線をホログラムの空間搬送波周波数方向に一致
させること、および差動型の演算出力によって問題を解
決している。(Ii) With respect to the wavelength fluctuation of the light source, which is a weak point when the control beam is generated by the diffractive element, the present invention makes the photodetector dividing line coincide with the spatial carrier frequency direction of the hologram, and The problem is solved by the operation output.
(iii) 従来一般に光検出器の位置調整は、3軸方向
について各軸とも厳しい精度を要求されたが、本発明で
はこれを大幅に緩和することができ、回折素子あるいは
光検出器の回動調整程度の簡単な工程によって高信頼度
の光ヘッド装置を製作可能である。(Iii) Conventionally, position adjustment of the photodetector has generally required strict accuracy in each of the three axial directions, but this can be greatly alleviated in the present invention, and the diffraction element or the photodetector can be rotated. A highly reliable optical head device can be manufactured by a simple process of adjustment.
(iv) 本発明になる回折素子は、単純なゾーンプレー
ト型素子であって極めて高精度,高回折効率のものを容
易に大量複製可能である。(Iv) The diffractive element according to the present invention is a simple zone plate type element and can be easily mass-produced with extremely high precision and high diffraction efficiency.
以上のごとく、本発明の光ヘッド装置は小型化,軽量
化,高信頼性,量産性,および経済性に優れた新規技術
を提供するものである。As described above, the optical head device of the present invention provides a new technology that is excellent in miniaturization, weight reduction, high reliability, mass productivity, and economy.
第1図は本発明の一実施例を示す光ヘッド装置の概略構
成図、第2図は本発明の別の実施例を説明する原理説明
図、第3図は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、第4図は光検出器の動作を説明した本
発明の原理図、第5図は本発明の光検出器の更に別の実
施例に関する構成概念図、第6図は本発明の回折素子を
ホログラムとして実現する記録光学系を説明する一実施
例の構成図、第7図は従来のホログラム素子を用いた光
ヘッド光学系の構成概念図、第8図は従来の光ヘッド光
学系の構成例を示す構成図である。 1……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……集光光学系、4……光
ディスク、5……光検出器、51……第1フォトディテク
タ、52……第2フォトディテクタ、6……回折素子、66
……反射型ホログラム素子、7……第3フォトディテク
タ、8……反射ミラー、9……1/5波長板、10……光源
発光点、11……1/4波長板、99……フーリェ変換レン
ズ、60……記録媒体、900,901,902……屈折率分布型ロ
ッドレンズ、16……従来の複合機能ホログラム素子。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical head device showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a principle explanatory diagram for explaining another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an optical head device to be described, FIG. 4 is a principle diagram of the present invention for explaining the operation of the photodetector, and FIG. 5 is a configuration conceptual diagram relating to still another embodiment of the photodetector of the present invention. FIG. 6 is a block diagram of an embodiment for explaining a recording optical system for realizing the diffraction element of the present invention as a hologram, FIG. 7 is a conceptual diagram of a configuration of an optical head optical system using a conventional hologram element, and FIG. It is a block diagram which shows the structural example of the conventional optical head optical system. 1 ... Semiconductor laser or equivalent coherent light source,
2 ... Collimating lens, 3 ... Condensing optical system, 4 ... Optical disc, 5 ... Photodetector, 51 ... First photodetector, 52 ... Second photodetector, 6 ... Diffraction element, 66
...... Reflective hologram element, 7 ... Third photodetector, 8 ... Reflecting mirror, 9 ... 1/5 wavelength plate, 10 ... Light source emission point, 11 ... 1/4 wavelength plate, 99 ... Fourier conversion Lens, 60 ... Recording medium, 900, 901, 902 ... Gradient index type rod lens, 16 ... Conventional multi-function hologram element.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−121644(JP,A) 特開 昭60−212835(JP,A) 特開 昭60−171644(JP,A) 特開 昭62−97141(JP,A) 特開 昭62−172538(JP,A) 特開 昭62−277640(JP,A)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-53-121644 (JP, A) JP-A-60-212835 (JP, A) JP-A-60-171644 (JP, A) JP-A-62-97141 (JP , A) JP 62-172538 (JP, A) JP 62-277640 (JP, A)
Claims (7)
ムを発する光源と、 前記コヒーレントビームもしくは準単色のビームを微小
スポットに収束する集光光学系と、 前記光学系を介して前記コヒーレントビームもしくは準
単色ビームが所定の光記憶媒体によって反射され、前記
集光光学系および前記光源へ逆進する往復光路中に配置
され、前記光学系光軸の軸外方向に同一次数で焦点が異
なる2つの波面を生成する回折素子と、 前記往復光路の復路において、前記回折素子からの0次
透過光の収束点と一致する前記光源の発光点から延長し
た延長線と平行な2辺を、少なくとも1組もつ矩形受光
部を有しており、前記2つの波面を焦点近傍の同一平面
で各々受光する第1および第2の光検出器を備え、 前記光検出器は、前記光源の近傍に配置されており、 前記回折素子には、前記2つの波面を各々生成するため
に、2つのフレネルゾーンプレートが全面にわたって重
畳されており、 前記2つの波面はそれぞれ焦点が前記光検出器の前後に
あり、 前記2つの波面の強度分布形状が、前記光検出器上でほ
ぼ円形であることを特徴とする光ヘッド装置。1. A light source that emits a coherent beam or a quasi-monochromatic beam, a condensing optical system that converges the coherent beam or the quasi-monochromatic beam into a minute spot, and the coherent beam or the quasi-monochromatic beam via the optical system. Are arranged in a reciprocal optical path that is reflected by a predetermined optical storage medium and travels backward to the condensing optical system and the light source, and generates two wavefronts having the same order and different focal points in the off-axis direction of the optical system optical axis. And a rectangular light receiving element having at least one pair of two sides parallel to an extension line extending from a light emitting point of the light source, which coincides with a convergence point of 0th-order transmitted light from the diffractive element, on the return path of the round-trip optical path. And a first photodetector and a second photodetector that receive the two wavefronts on the same plane near the focal point, respectively, and the photodetector is provided near the light source. Two Fresnel zone plates are superposed over the entire surface of the diffractive element in order to generate the two wavefronts, respectively, and the two wavefronts have respective focal points before and after the photodetector. And an intensity distribution shape of the two wavefronts is substantially circular on the photodetector.
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光ヘッド
装置。2. The optical head device according to claim 1, wherein the diffractive element is a Fourier transform hologram.
射光源より出射するビーム方向と約45度をなしてホログ
ラム面が設けられていることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の光ヘッド装置。3. The hologram element according to claim 1, wherein the diffractive element is a reflection hologram, and a hologram surface is provided so as to form an angle of about 45 degrees with a beam emitted from the radiation source. Optical head device.
矩形受光部で分割構成したことを特徴とする特許請求の
範囲第1項記載の光ヘッド装置。4. The optical head device according to claim 1, wherein each of the first and second photodetectors is divided into three rectangular light receiving portions.
ムを発する光源と、 前記コヒーレントビームもしくは準単色のビームを微小
スポットに収束する集光光学系と、 前記光学系を介して前記コヒーレントビームもしくは準
単色ビームが所定の光記憶媒体によって反射され、前記
集光光学系および前記光源へ逆進する往復光路中に配置
され、前記光学系光軸の軸外方向に同一次数で焦点の異
なる第1および第2の波面を生成する回折素子と、 前記往復光路の復路において、前記回折素子からの0次
透過光の収束点と一致する前記光源の発光点から延長し
た延長線と平行な2辺を、少なくとも1組もつ矩形受光
部を有しており、前記2つの波面を焦点近傍の同一平面
で各々受光する第1および第2の光検出器を備え、 前記光検出器は、前記光源の近傍に配置されており、 前記回折素子には、前記2つの波面を各々生成するため
に、2つのフレネルゾーンプレートが全面にわたって重
畳されており、 前記2つの波面はそれぞれ焦点が前記光検出器の前後に
あり、 前記2つの波面の形状が前記光検出器上でほぼ円形であ
り、 第1および第2の光検出器の矩形受光部における、前記
光源の発光点から延長した延長線と平行な辺は、前記第
1および第2の波面を生成する回折素子パターンの搬送
波周波数方向に各々ほぼ一致ないし、平行する方向に設
けられたことを特徴とする光ヘッド装置。5. A light source that emits a coherent beam or a quasi-monochromatic beam, a condensing optical system that converges the coherent beam or the quasi-monochromatic beam into a minute spot, and the coherent beam or the quasi-monochromatic beam via the optical system. Are arranged in a reciprocating optical path that is reflected by a predetermined optical storage medium and travels backward to the condensing optical system and the light source, and first and second focal points having the same order and different in the off-axis direction of the optical system optical axis. Of the diffractive element for generating the wavefront of the light source, and at least one of two sides parallel to the extension line extending from the light emitting point of the light source, which coincides with the convergence point of the 0th-order transmitted light from the diffractive element, in the return path of the round-trip optical path. A pair of rectangular photodetectors, and first and second photodetectors that respectively receive the two wavefronts on the same plane near the focus, and the photodetector is the optical detector. The Fresnel zone plate is disposed over the entire surface of the diffractive element in order to generate the two wavefronts, and the two wavefronts each have a focal point for the photodetection. Before and after the detector, the shapes of the two wavefronts are substantially circular on the photodetector, and an extension line extending from the light emitting point of the light source in the rectangular light receiving portions of the first and second photodetectors. The optical head device is characterized in that the parallel sides are provided so as to be substantially coincident with or parallel to the carrier frequency direction of the diffraction element pattern for generating the first and second wavefronts.
おける、光源の発光点から延長した延長線と平行な辺の
なす角度が、90度より小さいことを特徴とする特許請求
の範囲第5項記載の光ヘッド装置。6. An angle formed by a side parallel to an extension line extending from a light emitting point of the light source in the rectangular light receiving portions of the first and second photodetectors is smaller than 90 degrees. An optical head device according to claim 5.
クタであって、前記フォトディテクタを単一基板に集積
したことを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の光ヘ
ッド装置。7. The optical head device according to claim 5, wherein the first and second photodetectors are photodetectors, and the photodetectors are integrated on a single substrate.
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1987
- 1987-10-05 JP JP62251025A patent/JPH07101519B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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