JPH0778894B2 - 光ピツクアツプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 入射レーザビームを軸対称に交叉させる第１のグレーテ
ィングレンズとこの交叉ビームを光ディスク上に収束さ
せる第２のグレーティングレンズとの２枚のグレーティ
ングレンズを組合せることにより入射レーザビームの波
長変動の影響を殆ど受けることなく収差の極めて少ない
良好なビームスポットとずれの殆どない安定した合焦性
能を実現し得るようにした新規に開発されたグレーティ
ングレンズ系に、レーザ光源からのレーザ光の特定方向
の直線偏光（例えばＳ偏光）は反射してグレーティング
レンズ系に導きそれと垂直な方向の直線偏光（例えばＰ
偏光）は透過せしめる偏光ビームスプリッタと、グレー
ティングレンズ系内においてビームの往路と復路とで偏
光角度を90°相違ならしめて上記偏光ビームスプリッタ
を透過可能ならしめる1/4波長板と、偏光ビームスプリ
ッタを透過した上記グレーティングレンズ系からの信号
光を所定の比率で振幅分割する偏光依存性のない振幅分
割ビームスプリッタとを組合せ、振幅分割ビームスプリ
ッタの反射成分をフォーカシング用光検出器に導き且つ
透過成分をトラッキング用光検出器に導くことにより検
出精度並びに信頼性の高い光ディスク用ピックアップ装
置が実現出来る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光ピックアップ、特にグレーティングレンズ系
を用いた光ディスク用ピックアップ装置に関する。

〔従来の技術〕

光ディスクへの情報の書込みあるいは読取りを行うピッ
クアップは光ディスク装置全体の小型、高密度化、ある
いはアクセス時間の短縮等の要求から軽量、小型化、低
価格化が進められている。

かかる要望を充足するべく、近年、ホログラム素子を用
いた光ピックアップの開発が進められている。これは、
例えば特開昭59-160166号公報に記載されている如く、
半導体レーザ光源からのレーザビームをホログラム、偏
光ビームスプリッタを通して光ディスク上に収束させ、
その反射ビーム（信号光）を1/4波長板により偏光して
光検出器に取り出すものであるが、その構造の簡略さか
ら軽量、小型、低価格化が実現でき、この点においては
これまでのものに比しかなり満足すべき結果が得られて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ホログラムレンズは周知の如く波長変化
に応じて回折角が変化し収差が生じるので、半導体レー
ザの発振波長の変化に伴い（半導体レーザビーム光源の
波長は駆動電流、周囲温度の変化に応じて僅かに変動す
る）、焦点位置の変化や焦点ビーム径の劣化といった固
有の問題があり、そのためホログラムを用いた光ピック
アップの完全な実用化にまだ至っていない。

ところで、本願出願人は先に、特願昭61-220870号明細
書において、上述の如き入射光の波長変動があっても実
質上その影響を受けずに常に殆ど収差のない良好なビー
ムスポットを得ることができ且つかなり正確な安定した
合焦性能を期待できるグレーティングレンズ光学系を提
案した。

本発明はこのグレーティングレンズ光学系を利用して、
軽量、小型、低廉という要求は充足しつつ、尚且つ波長
変動の影響を殆ど受けない高精度にして信頼性の高い光
ピックアップ装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明に係る光ピックア
ップ装置は、レーザ光源からのレーザ光の特定方向の直
線偏光のみを透過せしめそれと垂直な方向の直線偏光は
反射する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリ
ッタにより反射された直線偏光を軸対称に交叉させる第
１のグレーティングレンズと、該第１グレーティングレ
ンズを透過した回折光を光信号記録媒体上の所定の一点
に合焦させる第２のグレーティングレンズとを光軸上に
配置したグレーティングレンズ系と、上記第１、第２グ
レーティングレンズの間に配置され上記グレーティング
レンズ系内においてビームの往路と復路とで偏光角度を
90°相違ならしめる1/4波長板と、上記1/4波長板により
90°偏光角度を変えられ、上記偏光ビームスプリッタを
透過する上記グレーティングレンズ系からの信号光を一
部は透過し一部は反射する偏光依存性のない振幅分割ビ
ームスプリッタと、該振幅分割ビームスプリッタの反射
光を検出するフォーカシング用光検出器と、上記振幅分
割ビームスプリッタの透過光を検出するトラッキング用
光検出器を有することを構成上の特徴とする。

〔作用〕

偏光ビームスプリッタは特定方向のレーザビーム（直線
偏光）のみ、例えばＰ波のみを通過させそれと直交する
方向の直線偏光、たとえばＳ波は反射する。従って、例
えばＳ波のみが偏光ビームスプリッタにより反射されグ
レーティングレンズ系に入射する。その時、直線偏光は
1/4波長板（λ/4板）により円偏光に変換される。グレ
ーティングレンズ系内においては、ビームは第１グレー
ティングレンズにより回折されるがその時回折光は光軸
対称に交叉せしめられる。次にこれらの回折光は第２グ
レーティングレンズにより回折され、光ディスク（光信
号記録媒体）上の一点に収束する。光ディスクにより反
射された反射ビーム（信号光）は往路と全く逆コースを
辿ってグレーティングレンズ系から出ていく。その際、
円偏光はλ/4板により再び直線偏光にされる。

グレーティングレンズ系から射出される直線偏光（信号
光）は前記のλ/4板を通過するときに往路の直線偏光に
対し90°偏光方向が異なる直線偏光（即ち、往路がＳ波
とすると復路はＰ波）になるため偏光ビームスプリッタ
を透過する。好ましくは偏光ビームスプリッタに一体的
に形成された振幅分割ビームスプリッタはこの透過光を
所定の比率で振幅分割し、その反射成分はフォーカシン
グ用光検出器に導かれてフォーカシング制御を行い、透
過成分はトラッキング用検出器に導かれてトラッキング
制御を行う。

グレーティングレンズ系は後述するようにレーザビーム
の波長変動の影響を殆ど受けず、実質上常に光ディスク
上の一点にかなりの精度で合焦させることが出来る。即
ち、波長変動によりさもなければ生じるであろう収差は
グレーティングレンズ系を用いることにより殆ど発生し
ない。

〔実施例〕

以下、本発明の好ましい実施例につき添付図面を参照し
て詳細に説明する。

まず初めに、本発明において重要な役割を果たすグレー
ティングレンズ系の構成について第６、第７図を参照し
て簡単に説明する。尚、このグレーティングレンズ系の
詳細構造は上記の特願昭61-220870号に詳しく開示され
ている。

第６図において、グレーティングレンズ系は第1,第２の
インライン型のグレーティングレンズ11,12を同一光軸
（一点鎖線）上に配置した構成であり、光軸上に点Ｐ
（コヒーレント光源）から発散する球面波を第１のグレ
ーティングレンズ11で光軸側に回折させ、光軸と一旦交
差させた後に、第２のグレーティングレンズ12によって
光軸上の所定の点Ｑに集束させるようにしたものであ
る。

上記第１のグレーティングレンズ11は、光軸に関して回
転対称の所定の空間周波数分布を有しており、光軸に関
して対称な任意の２点からの回折光が光軸上で交差する
ようにしてある。また、上記第２のグレーティングレン
ズ12は、光軸に関して回転対称の所定の空間周波数分布
を有しており、上記交差した回折光が光軸上の所定の１
点Ｑに集束するようにしてある。

上記構成において、第１のインライン型グレーティング
レンズの任意の１点に同一方向から入射した、互いに異
なる波長λo,λ（λｏ＜λ）の２つの光の進路を考えて
みる。まず、第１のインライン型グレーティングレンズ
によって、波長λの光は波長λｏの光よりも大きな角度
で回折されるとともに、これらの回折光はいずれも光軸
と交わった後に、第２のインライン型グレーティングレ
ンズ上に到達する。これらの光の到達点は、光軸を中心
とした同一半径上にあって、しかもその光軸からの距離
は波長λの光の方が波長λｏの光よりも遠い。次に、こ
れらの光は上記第２のインライン型グレーティングレン
ズによって回折されるが、この時、波長λの波長λｏの
光よりも大きな角度で回折されるので、２つの光の間隔
は次第に狭まっていき、最終的には１点で交わる。よっ
て、２つのインライン型グレーティングレンズに所定の
空間周波数分布を持たせておくことにより、上記２つの
光の交わる点を上記光軸上の指定の１点に置くことがで
きる。

以上のことは第１のインライン型グレーティングレンズ
のどの点に入射した光についても言うことが出来、しか
も上記空間周波数分布は光軸に関して回転対称としてあ
るので、入射した発散球面波光はその波長が変化したと
しても、光軸上の上記所定の１点に集束され、従って収
差や焦点位置ずれが生じることはなくなる。

次に、上記グレーティングレンズ11,12の空間周波数分
布の具体的な決定方法について、第７図を参照して以下
（ｉ）〜（iv）に説明する。尚、点Ｐとグレーティング
レンズ11との距離を１、２つのグレーティングレンズ
11,12間の距離をｄ、グレーティングレンズ12と点Ｑと
の距離をl2とする。

（ｉ） まず、点Ｐを発してグレーティングレンズ11の
最外周の点R1に達する、波長λｏの光線を考える。この
光線は、点R1で回折され、グレーティングレンズ12の中
心の点r1（＝０）に達し、ここで更に回折されて点Ｑに
達するものとする（第７図中の実線ａ）。すると、上述
した光路（Ｐ→R1→r1→Ｑ）を仮定することにより、点
R1,r1における空間周波数F1,f1が決定される。

（ii） 次に、波長がλｏからλ（＞λｏ）に変った場
合について考える。点Ｐから点R1へと進んだ波長λの光
線は、点R1において、波長がλｏのときよりも大きな角
度で回折され、グレーティングレンズ12上の点r2に達す
る（破線ｂ）。ここで、波長がλであるときでも点Ｑに
集束するという条件から、点r2における空間周波数f2が
決定される。

（iii） 波長がλｏの場合に戻り、点r2で回折されて
点Ｑに達する光線がグレーティングレンズ11上のどこの
点から来るのかを逆に求めることが出来る（実線ｃ）。
そのグレーティングレンズ11上の点をR2とすると、点R2
での回折光が点Ｐに達するという条件から、点R2におけ
る空間周波数F2が決定される。

（iv） 次に、再び波長がλになった場合を考え、上記
（ii）と同様にしてグレーティングレンズ12上の点r3
（図示せず）とその空間周波数f3を求める。そして波長
をλｏに戻し、上記（iii）と同様にしてグレーティン
グレンズ11上の点R3（図示せず）とその空間周波数F3を
求める。このようにして点Rn（ｎ＝1,2,・・・）がグレ
ーティングレンズ11の中心に達するまで上記（ii）及び
（iii）の過程を繰り返すことによりグレーティングレ
ンズ11,12における半径方向の空間周波数分布が決定さ
れる。なお、第２のグレーティングレンズ12の径は、点
rnの位置で決定される。

以上のようにしてグレーティングレンズ11,12の空間周
波数分布を決定することにより、点Ｐから発した光が、
基準となる波長λｏとは異なる波長λであっても、これ
を実質上無収差で点Ｑに集束させることが出来る。

第８図はこのようにして決定した空間周波数の半径方向
の分布の一例を示すもので、各グレーティングレンズ1
1、12の半径Ｒ、ｒは夫々、 Ｒ＝1.18mm,r＝0.97mm であり、グレーティングレンズ11、12の開口数NA1、NA2
は夫々、 NA1＝0.3、NA2＝0.5 とした。

本発明は上述の如きグレーティングレンズ光学系を利用
して光ピックアップ装置を実現したものであり、光信号
記録媒体として光ディスクを例にとり第１図以下を参照
して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の光ピックアップの基本原理を示すもの
で、同図において、上述のグレーティングレンズ系は全
体を21でしめされ、第１グレーティングレンズ11と第２
グレーティングレンズ12とが光軸位置に配置される。半
導体レーザ発光点23（Ｐ）からの発散光は平板ないし膜
状の偏光ビームスプリッタ（偏光分離膜）25により反射
されてグレーティングレンズ系21に入射する。偏光ビー
ムスプリッタ25は周知の如く特定方向の直線偏光のみ透
過させ、それと垂直な方向の直線偏光は反射する。即
ち、例えばＰ波（またはＳ波）のみ透過し、Ｓ波（また
はＰ波）は反射する。

本発明の特徴の一つによれば、第１グレーティングレン
ズ11と第２グレーティングレンズ12との間に1/4波長板
（λ/4板）29が付設される。偏光ビームスプリッタ25に
より反射された直線偏光（例えばＳ波）は第１グレーテ
ィングレンズ11により上述の如く軸対称に回折されるが
その際、1/4波長板29により円偏光に変換され、第２グ
レーティングレンズ12により光ディスク10の所定の１点
Ｑ上に収束する。

半導体レーザからのビームの波長は前述の如く変動する
が、グレーティングレンズ系を用いることにより波長変
化に起因する収差は上述の如くかなり吸収でききわめて
精度の高い光信号が得られる。

光ディスク10により反射されたビーム（信号光）は往き
と全く逆の光路を辿ってグレーティングレンズ系21内を
逆行しグレーティングレンズ系21から出射し、偏光ビー
ムスプリッタ25に入射するが、復路においては1/4波長
板29により円偏光から再度直線偏光に変換されると同時
にその偏光角が往路とは90°だけ異なる直線偏光とな
る。即ちλ/4板29への往路光とλ/4板29からの復路光
（信号光）とでは偏光角が90°異なり、従って信号光は
偏光ビームスプリッタ25を透過する。

本発明の別の特徴によれば、偏光ビームスプリッタ25の
後方には偏光に依存しない平板ないし膜状のビームスプ
リッタ33が設けられる。

ビームスプリッタ33は信号光を所定の比率で振幅分割
し、その透過成分はトラッキング用光検出器39に、また
反射成分はフォーカシング用光検出器37に夫々導かれ
る。

第２図は上記の基本原理に基づいて構成した光ピックア
ップの具体的実施例を示す。同図において、1/4波長板2
9は第１グレーティングレンズ11の基板として用いられ
ている。即ち、第１グレーティングレンズ11は1/4波長
板29の一面に直接一体的に形成される。第２グレーティ
ングレンズ12は通常の通り例えばガラス基板上に形成さ
れる。尚、両基板ともグレーティングレンズを形成して
いない方の面には好ましくは反射防止膜が形成される。

また、偏光ビームスプリッタ25と偏光依存性のないビー
ムスプリッタ33とは共に膜として同一の透明基板（ガラ
ス基板）61の両面に一体的に形成され、第１グレーティ
ングレンズ11の平面に対し45°の角度に配置される。光
ディスク10のトラック溝５（第４図）方向は図のｘ方向
とする。また、半導体レーザ23はその直線偏光の偏光方
向が紙面に垂直な方向（Ｓ偏光）とする。

第３図は光検知器37、39の構成例を示す。第３図におい
て、フォーカシング用光検出器37及びトラッキング用光
検出器39は夫々それ自体公知の４分割式及び２分割式PI
Nフォト・ダイオードから構成される。光ディスクの信
号は光検出器37、39の出力の強弱で識別される。

光ディスクではトラッキングは光ディスクの案内溝によ
り行われる。トラッキング用光検出器39を構成する２分
割フォト・ダイオード39a,39bの分割面はトラックに平
行に位置する。第４図において、光ディスク10に結像す
るビームがトラック案内溝５の中心に位置している時は
第４図（ａ）に示す如くビームスポットはフォト・ダイ
オード39a、39bの分割面中心に位置する。尚、第４図
（ｂ）はビームが案内溝５の左側にずれた場合を示し、
この場合には一方のフォト・ダイオード39aの受光量が
一部カットされ、反対にビームが案内溝の右側にずれた
ば場合には第４図（ｃ）に示す如く他方のフォト・ダイ
オード39bの受光量が一部暗くなる。尚、レーザビーム
をグレーティングレンズ系21内で軸対称に交叉させるた
め、収束ビームの位置ずれによる暗い部分は反転してフ
ォト・ダイオード39a、39bの分割面の近傍に現れること
になる。尚、第４図に示すトラッキングエラー検出法は
両フォト・ダイオード39a、39bの光量差を検出するプッ
シュ／ル法を利用したものである。

第５図はフォーカシング用光検出器37を構成する４分割
光検出器の配置構成の一例を示す。４分割光検出器37は
その受光領域が４つに分割されたPINフォト・ダイオー
ド37a、37b、37c、37dから構成される。４分割光検出器
37は第５図（ａ）に示す如く、合焦状態においてフォト
・ダイオード37a、37b、37c、37dの中心にビームスポッ
トが当たるように配置される。光ディスク10が合焦位置
から第２グレーティングレンズ12に近づくと４分割光検
出器37上の信号光のスポットは第５図（ｃ）に示す如く
横長の楕円になり、逆に遠ざかると第５図（ｂ）に示す
如く縦長の楕円となる。従って、４分割光検出器37の４
個の領域37a、37b、37c、37dの光出力の差、即ち（11＋
12）−（13＋14）を測れば合焦状態では“0"、光ディス
クが近づいた場合は＜０、遠ざかった場合は＞０にな
る。従って、この誤差信号（11＋12）−（13＋14）が０
になるように光学系をアクチュエータ（図示せず）によ
り上下に制御することによりフォーカシングが行える。
このフォーカシング制御はガラス基板61、偏光ビームス
プリッタ25、ビームスプリッタ33によって発生する非点
収差を利用し非点収差法で行う。

尚、フォーカシング用光検出器或いはトラッキング用光
検出器によりフォーカシングエラーあるいはトラッキン
グエラーが検出された時の光学系の調整は、例えば光学
系全体を適当なアクチュエータ（図示せず）により光デ
ィスク10に対して所定方向に動かすことにより行うこと
ができる。

以上の実施例において、トラッキング用光検出器及びフ
ォーカシング用光検出器は上記の２分割ないしは４分割
フォト・ダイオードに限らず、その他の光検出器を用い
得ることは勿論である。

また、フィーカシング用光検出器37に入射するビームス
プリッタ33からの反射光はガラス基板61内においてその
幅の２倍の光路を通過することになるので大きな非点収
差を有することになり、従って４分割光検知器37により
非点収差法に基づく確実なフォーカスエラーの検知が行
えるという副次的効果もある。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば発振波長の変化の影響を実
質上受けることなく、殆ど収差の生じないグレーティン
グレンズ光学系を用いることにより、トラッキング制
御、フォーカシング制御の作動信頼性の高い、軽量、小
型、廉価な高性能の光ピックアップ装置が実現出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ピックアップ装置の基本原理を
示す図、第２図は第１図に示される原理に基づく光ピッ
クアップ装置の具体的構成の一実施例を示す図、第３図
は第２図に示される光検出器の配置構成を示す図解図、
第４図はトラッキング用光検出器の３種のビーム検出状
態を示す図、第５図はフォーカシング用検出器を構成す
る４分割光検出器の３種のビーム検出状態を示す図、第
６図は本発明において用いられるグレーティングレンズ
光学系の基本構成を示す図、第７図は第６図に示される
グレーティングレンズの空間周波数の決定方法を説明す
る図、第８図は第７図の方法により設計されるグレーテ
ィングレンズの空間周波数特性の一例を示す線図。 10……光ディスク、11……第１グレーティングレンズ、
12……第２グレーティングレンズ、21……グレーティン
グレンズ光学系、23……半導体レーザ、25……偏光ビー
ムスプリッタ、29……1/4波長板、33……ビームスプリ
ッタ、37……フォーカシング用光検出器、39……トラッ
キング用光検出器。

フロントページの続き (72)発明者 池田 弘之 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 稲垣 雄史 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源（23）からのレーザ光の特定方
   向の直線偏光のみを透過せしめそれと垂直な方向の直線
   偏光は反射する偏光ビームスプリッタ（25）と、 該偏光ビームスプリッタにより反射された直線偏光を軸
   対称に交叉させる第１のグレーティングレンズ（11）
   と、該第１グレーティングレンズを透過した回折光を光
   信号記録媒体（10）上の所定の一点に合焦させる第２の
   グレーティングレンズ（12）とを光軸上に配置したグレ
   ーティングレンズ系（21）と、 上記第１、第２グレーティングレンズの間に配置され上
   記グレーティングレンズ系内においてビームの往路と復
   路とで偏光角度を90°相違ならしめる1/4波長板（29）
   と、 上記1/4波長板により90°偏光角度を変えられ、上記偏
   光ビームスプリッタを透過する上記グレーティングレン
   ズ系からの信号光を一部は透過し一部は反射する偏光依
   存性のない振幅分割ビームスプリッタ（33）と、 該振幅分割ビームスプリッタの反射光を検出するフォー
   カシング用光検出器（37）と、 上記振幅分割ビームスプリッタの透過光を検出するトラ
   ッキング用光検出器（39）、 を有する光ピックアップ装置。