JPH0816738B2 - 光学式ヘッド装置 - Google Patents

光学式ヘッド装置

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JPH0816738B2
JPH0816738B2 JP61-504482A JP50448286A JPH0816738B2 JP H0816738 B2 JPH0816738 B2 JP H0816738B2 JP 50448286 A JP50448286 A JP 50448286A JP H0816738 B2 JPH0816738 B2 JP H0816738B2
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optical head
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optical element
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信介 座間
光重 近藤
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    • G11B7/00Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/08Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers
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    • G11B7/135Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1392Means for controlling the beam wavefront, e.g. for correction of aberration
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は,光学式情報記録媒体へ記録/再生/消去
を行う光学式ヘッド装置において,光学系の有する球面
収差を無くし,良好な集光特性が得られるように球面収
差を補正した光学式ヘッド装置に関するものである。
背景技術 近年,無収差に近い,いわゆる,回折限界光学系を利
用した光学装置として,光ディスクの書込み,読出しを
行う光学式ヘッド装置の開発が活発に行われている。
第7図(a)(b)(c)はこのような光学式ヘッド
装置の要部の構成を示した図である。
図において,(1)は光源である半導体レーザ(以下
LDと称す),(2)は集光レンズ,(3)はディスク,
(4)はディスク(3)の情報記録面,(5)は集光レ
ンズ(2)の集光点,(6)はLD(1)の光束出射点,
(7)はLD(1)の出射光束,(10)はビームスプリッ
タ,(11)は光検知器,(12)は情報記録面(4)に形
成された情報トラック,(13)は光検知器上の集光点,
(14)は回折格子,(15)は円筒レンズである。
次に動作について説明する。LD(1)の光束出射点
(6)より発散光束として出射した出射光束(7)は,
集光レンズ(2)により収束光束に変換され,ディスク
(3)の表面側の厚さdの透明基板を介して情報面
(4)上の点(5)に集光される。
情報面(4)より反射された反射光束は,集光レンズ
(2)を再び透過し,ビームスプリッタ(10)により出
射光束(7)と分離され,光検知器(13)に受光され信
号が得られる。
集光レンズ(2)によるディスク(3)上の集光点
(5)は,常に情報トラック(12)に照射されている必
要があり,このためフォーカスサーボ,トラッキングサ
ーボ機能を有する。
第7図の装置においては非点収差法フォーカスサー
ボ,ツインスポット法トラッキングサーボを行う。この
点について簡単に説明をする。
非点収差法は反射光束中に円筒レンズ(15)のような
非点収差発生手段を配置し,反射光束に非点収差を与え
る。情報トラック(12)上に正しく焦点(5)がある
時,光検知器(11)上で最小錯乱円(13)が照射される
ように光検知器(11)を光軸方向に調整しておく。光検
知器は第7図(b)に示すような4分割検知器(11a)
(11b)(11c)(11d)を有する。
この時,光ディスク(3)の光軸方向の変位に対し,
光検知器(11)上のスポット形状は,最小錯乱円(実線
(13))から細長い楕円スポット(点線)のように変化
する。このスポット形状の変化を電気信号として得るた
めに,4分割検知器の対角成分の各和出力を差動演算
{((11a)+((11c))−((11b)+(11d))}す
ることによりフォーカスエラー信号を得て図示しないフ
ォーカスアクチュエータにより集光レンズ(2)を動か
し集光点(5)の情報面(4)からの光軸方向のズレを
補正できる。
ツインスポット法においては,LD(1)の出射光束
(7)中に配された回折格子(14)により,光束は0次
光と±1次光の複数に分けられ,情報トラック(12)上
に第7図(c)のように集光される。0次光は情報トラ
ックの中央に正しく照射され,信号の読出し,記録に用
いられる。±1次光はトラックから少しズレた位置に置
かれ,3つのスポットを結ぶ線は情報トラック(12)に対
し少し傾いている。
この時の±1次光の回折反射光束を光検知器(11e)
(11f)で受光し,その差信号((11e)−(11f))を
トラッキングエラー信号として得て図示しないトラッキ
ングアクチュエータにより集光レンズ(2)を動かし集
光点(5)の情報トラック(12)からの面内ズレを補正
する。
上記のような光学式ヘッド装置においては,記録媒体
上に蓄積される情報密度は可能な限り高め,大容量情報
媒体として利用するために,ピット長及びトラック間隔
は,LD(1)より集光レンズ(2)に至る集光系が回折
限界状態にある場合に信号を読み得るほど小さくなって
いる。
すなわち,回折限界の集光スポット(5)を情報トラ
ック(12)に照射するために,情報面(4)に入射する
収束光束は無収差でなければならない。この時,回折限
界として許容される波面収差の標準偏差は0.07λ(Mar
chal限界)である。
ところで,上述のように,厚さdの透明基板ディスク
を介しての集光が行われる場合,4次球面収差として, なる式で与えられるような,波面収差が発生することが
知られている。
光ディスク用ヘッドでは,無収差に近い集光が必要で
あるから,集光レンズ(2)は設計の段階であらかじめ
球面収差をW40だけ補正不足にしておき,光束がディス
ク基板を通った時に発生する収差と打ち消し合い,バラ
ンスがとれるようなレンズ設計上の配慮が払われてい
る。
また,第8図は光学式ヘッド装置(第7図)における
集光光学系だけを抜き出した図であり,図において,l1,
l2は集光レンズの主面H及びH′から光源出射点
(6),集光点(5)への距離であり,この距離l1,l2
は光ディスク用ヘッドの設計状態において,光源の出射
点(6)とディスク(3)上の集光点(5)が近軸光線
に関して共役関係となるように設定される。
すなわち,集光レンズ(2)の焦点距離をとする
と, なる関係が成立するようになっている。
また,上記式(2)を満足するような位置関係におい
て,集光光束の波面の乱れ,すなわち,波面収差ができ
るだけ小さくなるように,集光レンズ(2)のパラメー
タ(レンズ形状,厚みなど)が設定される。
ところが上記のような光学式ヘッド装置ではいくつか
の波面収差の発生要因があり,記録/再生特性を劣化さ
せる要因となっている。ここで波面収差成分の1つとし
て球面収差について考察する。
その発生要因として,ディスクの厚み誤差,ディ
スクの屈折率のばらつき,集光レンズの屈折面形状の
設計値からのずれ,集光レンズの厚み誤差,集光レ
ンズの屈折率ばらつきなどが挙げられる。
例えば屈折率N=1.55のポリカーボネイト基板のディ
スクでは,集光レンズの集光ビームの開口数(NA)とし
てsinθ=0.5を用いると,波長0.78μmの光に対し,
ディスクの厚みの設計中心からのずれを50μmとした場
合,前記(1)式を用いてrms波面収差の変化分として
0.014λが得られる。すなわち,この程度の微小な厚み
誤差によっても,前述の許容rms波面差0.07λの20%に
も達するのである。
その他,前述の〜のいずれの要因も光軸に対称な
4次球面収差を発生する原因となり,各収差要因の重ね
合わせはやはり光軸に対して対称な収差成分となるか
ら,トータルとして4次球面収差が残存することにな
り,ひとみの規格化された半径ρに対し,波面収差はω
・ρ(但し0<ρ<1)の形で表わすことができ
る。
このような球面収差が残存する結果として,集光点
(集光スポット)(5)の中心強度が低下し,結果的に
集光点径が大きくなることはよく知られた事実である。
光ヘッドにおいて,集光点(5)の径の増加は,光学系
のOTFの劣化につながり,その結果,光ディスク用ヘッ
ドの記録/読出しの高密度性が失なわれ,性能劣化につ
ながるという問題点があった。
発明の開示 この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので,非常に簡単な部品の位置調整により,球面
収差を極力小さくした光学式ヘッド装置を得ることを目
的とする。
この発明に係る光学式ヘッド装置は,光源,ビームス
プリッタ,光検知器が互いの相対距離を固定したユニッ
トとして構成され,このユニットを集光レンズの光軸方
向へ調節することにより球面収差を補正するよう構成
し,光検知器上の集光スポットが動くことなく集光光学
系の球面収差を補正できるようにして,設計どおりのフ
ォーカスセンサー特性を維持したまま回折限界の無収差
集光系を得られるようにしたものである。
図面の簡単な説明 第1図はこの発明の一実施例による光学式ヘッド装置
を示す構成図,第2図はこの発明の第2実施例を示す構
成図,第3図(a),第3図(b),第3図(c)はLD
の位置移動による収差発生を解析した図,第4図はこの
発明の第3実施例を説明するための構成図,第5図
(a),第5図(b)は光学式ヘッド装置における取付
調整状態を示す構成図,第6図(a),第6図(b)は
この発明実施例の内部構成を詳細に示した断面図,第7
図(a),(b),(c)は一般に用いられている光学
式ヘッド装置の構成図,第8図は一般に用いられている
光学式ヘッド装置の集光光学系構成図である。
発明を実施するための最良の形態 以下,この発明の第1実施例を前記第7図及び第8図
と同一部分に同一符号を付して表わした第1図について
説明する。第1図において,(8)はLD(1)の光軸方
向(矢示のZ方向)に沿って正,負の方向へ変位させる
調整手段である。
調整手段(8)でLDの位置を光軸方向に沿って正規の
位置,すなわち,LD(1)と,有限共役型対物レンズよ
り成る集光レンズ(2)間の正規の距離l1からずらすこ
とができる。集光レンズ(2)のパラメータは図中のLD
(1)から集光レンズ(2)の第1主面Hまでの距離
l1,第2主面H′からディスク(3)の情報面までの距
離l2とした場合に最適となるように設計されている。
よって,LD(1)の位置を変位させることにより,LD
(1)から第1主面Hまでの距離がl1からl1+Δに変化
したとすると,最適設計状態からずれるので球面収差が
発生する。
第3図(a)は,ある集光レンズを例としてl1の変位
量Δに対する球面収差発生量の関係を計算したグラフ,
第3図(b),(c)はΔ=±1mmの時の収差図形を示
すもので,第3図(b)はΔ=−1mm,第3図(c)はΔ
=+1mmの場合である。
このように,LD(1)の位置を集光レンズ(2)から
遠ざけたり,近づけたりすることにより,集光レンズは
正,負の球面収差を発生するもので,もとの光学系に前
述したような欠陥により球面収差が存在したとすると,
前記LD(1)の位置を調整することにより互いの球面収
差を打消し合うことができる。この例の場合,LD(1)
を±1mm動かすことにより,球面収差を約±λ/4も調整
することができる。
第2図はこの発明の第2実施例を示す図であり,第2
図において,集光レンズ(2)に光軸方向の位置調整手
段(9)が付加されており,LD(1)と集光レンズ
(2)の距離調整を該集光レンズ側で行っているのが,
前記第1実施例との違いである。この第2実施例も球面
収差の原因となる波面収差を減少させる原理自体は,単
にLDと集光レンズとの間の距離の変化に依存するので,
何ら,第1実施例と相違することなく,波面収差の減少
が可能となるものである。
なお,調整手段(8)または同(9)は必ずしも連続
的可動でなくてもよく,いくつかの離散的な位置を決め
るマウントのようなものを入れ替えることにより,最も
波面収差の小さい位置を近似的に与えるような装置でも
波面収差の低減に有効であることはいうまでもない。ま
た,この発明の集光光学装置による収差補正は,必ずし
も光ディスク用ヘッドの集光光学系のみに限定されるこ
となく,回折限界に近い光学性能を要求される光学系の
球面収差補正にも同様に適用可能である。
以上のように,この発明の第1図及び第2図に示した
実施例によれば,LDと集光レンズの間の距離を変化する
調整手段を付加したので,LDと集光レンズの間の距離を
変化させて集光光学系がもっていた球面収差に起因する
波面収差を大幅に低減するように調整でき,集光光学系
の性能を回折限界内に収めるのに極めて有効である。こ
の結果,この光学式ヘッド装置を光ヘッド光学系の集光
光学系に適用した場合には集光点径の小径化改善による
光学系のOTF向上に伴ない,書込み/読出し特性の球面
収差による劣化を大きく改善でき,光学ヘッドの収差成
分のうち,球面収差の許容量を拡大することが可能とな
るものである。
ところで,上述した2つの実施例においても次のよう
な問題のあることが判明した。
以下この問題点について,第4図を用いて説明する。
第4図は上述の第1実施例(第1図)による光学式ヘ
ッド装置を示し,第2図における構成要素と同一又は相
当する部分には同一符号を付して示している。
図においてUはLD(1)の発光点(6)から共役点で
ある光ディスク上集光点(5)までの距離,bはビームス
プリッタまでの距離,gは回折格子までの距離,b′はビー
ムスプリッタからもう一つの共役点である光検知器(1
1)上の集光点(13)までの距離である。
球面収差を補正するためにLD(1)の調整手段(8)
により光軸方向(Z)にLD(1)を変位し,対物レンズ
(2)までの距離l1をΔだけ変化させl1+Δとなったと
き,ビームスプリッタまでの距離もb+Δと変化する。
したがって共役点である(13)の位置も変化しb′が
変化してしまう。
この結果,光検知器(11)に最小錯乱円(13)を照射
するためには,光検知器(11)もしくは光軸調整用レン
ズ(図示しないが例えば円筒レンズ(15)の位置に配す
るレンズ)を動かし調整しなければならない。
このように調整範囲が広く必要な上,円筒レンズ(1
5)に入射する反射光束の集光位置が異なることにより
非点隔差が変化し,フォーカスセンサー特性が設計値と
変わってしまうという重大な問題が生じる。又,光源発
光点(6)と回折格子(14)の距離gもΔ変化する。
この時第7図(c)におけるスポット間隔PはΔに比
例して変化し,第7図(b)における光検知器上スポッ
ト間隔P′もほぼΔに比例して変化する。このことは所
定の位置に形成された光検知器(11e)(11f)に照射さ
れない恐れがあるばかりかP′が小さくなる場合には0
次光に干渉しフォーカスセンサー特性,トラッキングセ
ンサー特性両方に影響を与える問題がある。
次に上述した第2の実施例による光学式ヘッド装置の
問題点を述べる。
集光レンズ(2)を動かしl1をl1+Δとすることによ
り,上記(2)式に従い集光レンズ(2)からディスク
までの距離l2も変化してしまう。したがって,情報面
(4)に集光点(5)を形成するためには,光ディスク
(3)を光軸方向に動かさなければならない。このこと
はプレーヤに光学式ヘッド装置を搭載する際に,大がか
りな調節機構が必要となることを意味し,実用上好まし
くない。
一方,上述の第1実施例では,LD(1)だけを変位さ
せるため,光学式ヘッド装置に適用した場合に上述した
問題が生ずるのであって,光ディスクに対する光学式ヘ
ッド装置全体の位置を調整すれば,b,g(第4図)の距離
は変らず問題が生じなくなる可能性がある。
つまり,第1実施例では,l1の距離を変えることによ
って球面収差を調整するのであり,このことは光点
(6)と光ディスク上の集光点(5)の共役点間距離U
を変えることにほかならない。
そこで,球面収差補正のための別の実施例として第5
図(a)(b)に示すようなものが考えられる。
第5図において,Uは光源の発光点(6)と光ディスク
上集光点(5)までの距離である。(16)は光学式ヘッ
ド装置,Aは光学式ヘッド装置(16)の取付基準面を示し
ており,tは取付基準面Aから光ディスク(3)までの距
離である。
第5図(a)は球面収差補正前の基準状態の光ディス
クとの相対配置関係を示しており,第5図(b)は光学
式ヘッド装置(16)全体をΔだけZ方向に移動させた時
の相対的位置関係を示している。
第5図(b)においては,光源発光点(6)からディ
スク上集光点(5)までの距離はU+Δとなり,球面収
差はその微小移動Δにより補正される。この際には、LD
1あるいは集光レンズ2の移動に伴って光ディスク5上
への焦点がずれることになるが、この焦点ずれは図示さ
れないフォーカスサーボ機構により自動的に補正され
る。
しかしながら,第5図(a)(b)の実施例において
は,取付基準面Aから光ディスク(3)に至る距離tが
t+Δに変わるので,この光学式ヘッド装置をプレーヤ
に適用する際には,光学式ヘッド装置(16)の取り付け
高さを変える機構が必要である上,プレーヤ内の他の部
品とのスペース配分の問題が生じることとなり,やはり
好ましいものではない。
この発明は上記のような問題点を解消するためのさら
に別の実施例(第3の実施例)を含んでおり,光源と対
物レンズ間距離を調整する手段を有し,かつフォーカス
センサー特性,トラッキングセンサー特性を基準設計ど
おりに維持し,無収差の集光光学系を構成できる光学式
ヘッド装置について以下詳述する。
第3の実施例は第4図を用いて説明されるが,第4図
に示されている調整手段(8)は使用しないので,以下
の説明では調整手段(8)が無いものとする。本実施例
でのフォーカスサーボ,トラッキングサーボ方式,球面
収差補正法原理は上述したものと全く同じであるので,
これらに関する説明は省略する。
本実施例においてはg,b,b′の距離は固定されてい
る。したがって,球面収差を補正するためには調節手段
(17)によってLD(1),回折格子(14),ビームスプ
リッタ(10),円筒レンズ(15)光検知器(11)を全体
的に光軸方向(Z方向)に動かすことによりl1の距離を
調整する。この結果先に述べたように球面収差を補正で
きる。
しかし,LD(1)とビームスプリッタの距離bは不変
なので,LD(1)の発光点(6)と共役関係にあれ光デ
ィスクからの反射光束の集光点(13)とビームスプリッ
タの距離も不変でありb′に等しい。したがって集光点
(13)は光検知器(11)に照射されたままである。
当然非点隔差も変らないのでフォーカスセンサー特性
は基準状態(設計値)とほとんど変わらない。又本実施
例ではLD(1),回折格子(14)間距離gも不変なので
先に述べたように第2図(b)においてスポット間隔
P′が変化せずトラッキングセンサー特性,フォーカス
センサー特性共に変化せず良好なサーボ特性を維持でき
る。
近年,対物レンズとして,低コスト,軽量を目的とし
たプラスチック成型レンズ,もしくはガラスモールド
(プレス)レンズ,グレーティングレンズ,フレネルレ
ンズ等の射出成型,プレス成型のレンズが考案され,一
部実用化されている。このようなレンズは大量生産が容
易である反面,成型時の製造誤差,金型自体の設計から
の誤差により収差が発生する。しかし同一成型ロットの
レンズ間には収差のバラツキが比較的小さく,ある一定
の収差特性を持つことが知られている。そこで本発明第
4の実施例としてある成型ロットの多数のレンズの波面
収差量,たとえば球面収差の平均値を把握しておけば,
光学式ヘッド装置1台ごとに第3実施例のような球面収
差補正手段(17)を用いることはなく,あらかじめ,l1
の異なる数種の光学鏡筒を用意しておき,前記球面収差
の平均値を打ち消すにあたり最も近い鏡筒を選択すれ
ば,同一ロットのレンズに対しては同一種の鏡筒を用い
ることにより,かなり球面収差を補正できる。
第6図(a)(b)においてさらに詳しく説明する。
図において,(18)は光学鏡筒,(19)はフォーカス及
びトラッキング用アクチュエータである。第6図(a)
においては,LD(1)の発光点(6)から集光レンズ
(2)の主面Hまでの距離がl1aとなっており,また第
6図(b)ではl1bとなる鏡筒(18)を用いた光学式ヘ
ッド装置であり,第6図(a),(b)図ともg,b,b′
の距離は等しい。
又,Aは光ディスクの基準位置までの距離が一定値tで
ある光学式ヘッド装置の基準取付位置であり,(a),
(b)図ともに光ディスクから等しい位置tにある。
例えばあるロットから得られた多数の対物レンズには
統計的にある一定の球面収差を持つことが分っている
と,この球面収差値に対してはl1aの距離となる第6図
(a)の鏡筒(18)を用いた場合,第6図(b)の鏡筒
(18′)の場合より球面収差補正効果が大きいときに
は,このロットのレンズに関しては全て(a)図の鏡筒
(18)に搭載すれば良い。このようにしてl1の値が少し
ずつ異なる数種の鏡筒(18)を用意しておけば,かなり
精度良く球面収差を補正できる。この場合,第1の実施
例のような調整手段を持たずに済むので低コストな光学
式ヘッド装置を構成でき,かつ本発明の主旨であるb,g,
b′を一定にする条件を満すので第一の実施例と同等な
効果が得られる。さらに,第3の実施例においては取付
面Aからディスクに至る距離tを一定に保てるので,光
学式ヘッド装置をプレーヤで使用する際に,何らディス
ク取付位置や光学式ヘッド装置取付位置を変えずに済む
ので都合がよい。尚本実施例では非点収差法フォーカス
サーボ,ツインスポット法トラックサーボを用いたが,
フーコー法,ナイフエッヂ法,臨界角法,ヘテロダイン
法,プッシュプル法などのサーボ方式にも適用でき,要
するにセンサ系への反射光束と光源からの出射光束をビ
ームスプリッタで分けている光学系において,光源,ビ
ームスプリッタ,光検知器の相対位置を変えずに光源か
ら対物レンズまでの距離を変えることで本発明の目的が
達成できる。
以上、述べてきたようにこの発明によれば、光源であ
る半導体レーザと、該半導体レーザからの出射光束を情
報記録媒体上に集光させる集光光学手段と、前記情報記
録媒体からの反射光束と前記半導体レーザからの出射光
束とを分離する光束分離素子と、前記分離された反射光
束を受光する光検知器とを少なくとも備えた光学式ヘッ
ド装置において、該装置は前記半導体レーザ,光束分離
素子,光検知器を含む第1の光学素子群と、前記集光光
学手段を含む第2の光学素子群とから成り、第1の光学
素子群において各光学素子間の相対位置は固定されてお
り、第1,第2の光学素子群間の光軸方向距離を調節する
調節手段を設けたので、光束分離手段を介して共役関係
にある、光源の発光点と反射光束の集光点の位置(光検
知器の位置)関係を不変としながら、第2の光学素子群
を構成する集光光学手段と第1の光学素子群との間の相
対間隔位置を調整することができ、フォーカスセンサー
特性を基準状態とほとんど変えることなく集光光学系の
球面収差を補正できるという効果がある。
産業上の利用可能性 この発明は光ディスク,コンパクトディスクなどに用
いられる光学式ヘッドに適用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 都出 英一 京都府長岡京市馬場図所1番地 三菱電機 株式会社 電子商品開発研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−216116(JP,A) 特開 昭50−156945(JP,A) 実開 昭60−128320(JP,U) 山田幸五郎著「光学機械器具」(昭19− 8−20)誠文堂新光社P.204及びP.217

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光源である半導体レーザと、該半導体レー
    ザからの出射光束を情報記録媒体上に集光させる集光光
    学手段と、前記情報記録媒体からの反射光束と前記半導
    体レーザからの出射光束とを分離する光束分離素子と、
    前記分離された反射光束を受光する光検知器とを少なく
    とも備えた光学式ヘッド装置において、 該装置は前記半導体レーザ,光束分離素子,光検知器を
    含む第1の光学素子群と、前記集光光学手段を含む第2
    の光学素子群とから成り、第1の光学素子群において各
    光学素子間の相対位置は固定されており、第1,第2の光
    学素子群間の光軸方向距離を調節する調節手段を設けて
    なることを特徴とする光学式ヘッド装置。
  2. 【請求項2】調節手段は第1の光学素子群を光軸方向に
    変位させることを特徴とする請求の範囲第1項記載の光
    学式ヘッド装置。
  3. 【請求項3】第1及び第2の光学素子群を構成する各要
    素は、鏡筒に取付けられ、該鏡筒は群間の光軸方向の距
    離が段階的に異なる数種が用意され、前記球面収差が最
    も小さくなる鏡筒を選択して用いることを特徴とする請
    求の範囲第1項記載の光学式ヘッド装置。
  4. 【請求項4】第1の光学素子群は回折格子手段を有する
    ことを特徴とする請求の範囲第1項記載の光学式ヘッド
    装置。
  5. 【請求項5】第2の光学素子群は有限共役型対物レンズ
    から成ることを特徴とする請求の範囲第1項記載の光学
    式ヘッド装置。
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