JPH117653A

JPH117653A - 光ヘッド

Info

Publication number: JPH117653A
Application number: JP9162309A
Authority: JP
Inventors: Akira Arimoto; 昭有本; Takeshi Nakao; 武司仲尾; Yasuyuki Sugi; 靖幸杉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】一つの対物レンズ用いて波長の異なる光束を
集光するとともに、ディスク基板厚および再生に最適な
波長の異なる光ディスクに対して、記録再生特性が可能
な光ヘッド実現する。【解決手段】第１の波長を有する光源と、第２の波長
を有する光源と、前記２つの光源からの光束を合成させ
る光ビーム合成手段と、前記光ビーム合成手段から出射
する光束を光記録媒体上に絞り込む１つの対物レンズと
を有し、前記光合成手段と前記対物レンズとの間の光軸
上に、屈折率の波長依存性が相異なる２種類の材料を張
り合わせた光波面補償手段を配置し、上記第１の波長の
光を発散光とした。【効果】ディスク基板厚さおよび波長の違いによって
絞り込みスポットに発生する球面収差を補償することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光記録媒体ヘ情報
を記録、あるいは光記録媒体から光学的に情報を再生す
る光ディスク装置に係り、特に、基板厚さ、あるいは最
適な再生信号の得られる波長の異なる光記録媒体に対し
て、記録あるいは再生を行なう光ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクは大容量であり、かつ媒体可
換な情報記録メディアとして進歩してきたが、記録方式
やディスクサイズなどが多岐にわたり、それらの互換性
確保が重要な課題になっている。これまで、ＣＤ(Compa
ct Disc)の記録方式を基本にした、ＣＤ−ＲＯＭ(Compa
ct Disc - Read Only Memory)、ＣＤ−Ｒ(Compact Disc
- Rewritable)などが広く普及しており、新たな光ディ
スクの開発にあたっては上記の媒体との互換性確保に関
する要求が高まっている。しかし、これらの媒体に対し
ては、互いに異なる波長の光源を使用せざるをえない。

【０００３】光源の波長が異なると、ディスクの互換性
確保が困難になるという問題も発生する。例えば、ＣＤ
−Ｒは、光源の波長として約７８０ｎｍを想定して設計
されており、光源波長が６５０ｎｍとなると記録媒体の
反射率や吸収率の違いから再生信号が劣化してしまう。
この問題を解決するための従来技術としては、例えば、
第４３回応用物理学関係連合講演会講演番号２８ａＦ
−７(同講演予稿集No.3 1084頁)、あるいは特開平８−
５５３６３公報記載の方法が提案されている。前者は、
６５０ｎｍと７８０ｎｍの波長を有する２光源を使用
し、対物レンズに入射する前の光束中に波長７８０ｎｍ
の光束のみに対して作用するホログラム素子を配置する
ことによって基板厚の違いによる球面収差を補正してい
る。後者は、前者同様に６５０ｎｍと７８０ｎｍの波長
を有する２光源を使用し、波長７８０ｎｍの光のみ発散
光とすることによって基板厚の違いによる球面収差を補
正しようとするものである。(図３参照）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術には依
然として若干の問題点があり、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、Ｃ
Ｄ−Ｒ等とＤＶＤの互換性を確保するには必ずしも十分
とはいえない。すなわち、ホログラム素子を使用する場
合は、その形状の制御性や加工性、あるいは波長ずれな
どの観点から必ずしも十分な特性が得られるとは限らな
い。また、２個の対物レンズを使用する場合は、対物レ
ンズアクチュエータ可動部の大型化および重量増加のた
め、ディスク高速回転への対応が難しくなり、転送速度
向上あるいはアクセス時間短縮の観点から不利となる。
さらに、２つの異なる波長を使用し、１つの対物レンズ
に入射する光束として、一方の波長の光束を略平行光と
し他方の波長の光束を発散光にする場合は、対物レンズ
の設計が至難となる。すなわち、例えばマックス・ベレ
ーク著「レンズ設計の原理」（三宅和夫訳講談社刊１
９７０年）１２２−１２４頁に記載されているように、
光ディスクのように軽量性が要求される場合に用いられ
る単レンズの時は、一方の波長の平行光束が入射する場
合で考えると、コマ収差を最小にするレンズ形状がほぼ
一意に決定されてしまう。非球面形状などの補正手段を
講じたとしても、平行光束でコマ収差および球面収差が
補正された条件で、他方の波長の発散光が入射した場
合、両方の収差を同時に補正することができないため、
発散光で入射する光束による絞り込みスポットの集光特
性劣化が避けられない。

【０００５】上記の課題を解決するため、本発明者らは
すでに特願平８―１８１８５９号（平成８年７月１１日
出願）にて、図２の如き構成を提案している。

【０００６】この構成では、第１の波長(650nm)を有す
る第１の光源と、第１の光源と異なる第２の波長(780n
m)を有する第２の光源と、前記２つの光源からの光束を
合成させる光ビーム合成手段と、前記光ビーム合成手段
から出射する光束を透明基板越しに光記録媒体上に絞り
込む１つの対物レンズ１０と、前記光記録媒体からの反
射光を、それぞれ前記第１の波長あるいは第２の波長の
みを有する光束に分離する光ビーム分離手段と、前記光
ビーム分離手段によって分離された光束のそれぞれを受
光し、光電変換する光検出手段を少なくとも有し、前記
光合成手段と前記対物レンズとの間の光軸上に、屈折率
の波長依存性が相異なる２種類の材料を張り合わせた、
光波面の補償手段９を配置している。

【０００７】この光波面の補償手段における２種類の材
料の張り合わせ面は略４次曲面となっており、２種類の
材料の屈折率は、前記２種類の波長のうち一方の波長に
おいてはほぼ等しくなっている。

【０００８】また、この光波面の補償手段と前記２光源
の間には、第１の波長を有する光束によって記録あるい
は再生を行なう場合と、第２の波長を有する光束によっ
て記録あるいは再生を行なう場合とで、前記対物レンズ
の実効的な開口数を変化させるための波長選択性を有す
るフィルタを配置する。

【０００９】さらに、前記光波面補償手段における張り
合わせ面が、前記第１の波長を有する光束に対応する開
口数と前記第２の波長を有する光束に対応する開口数の
うち、小さい開口数に相当する光束の領域のみ略４次曲
面となるように形成する。

【００１０】このような構成をとることによって、ディ
スク基板厚さおよび波長の違いによって絞り込みスポッ
トに発生する球面収差を補償することができる。

【００１１】すなわち、前記光波面補償手段における２
種類の材料として、第１の基板厚を有する光ディスクを
記録再生する第１の波長において、屈折率がほぼ等しく
なるように選定しておけば、前記第１の波長の光波面に
対しては前記光波面補償手段は影響をおよぼさない。し
たがって、対物レンズを、前記第１の波長と前記第１の
基板厚を想定して設計すれば、前記第１の波長を有する
光束に対しては良好な集光特性が得られる。一方、前記
の対物レンズによって、第２の波長を用いて第２の基板
厚を有する光ディスクを記録再生する場合、本発明のよ
うな光波面補償手段を用いなければ、基板厚ずれによる
球面収差が発生し、第２の波長を有する光束の集光特性
は劣化する。一般に、球面収差による光波面の歪みは略
４次曲面となることが知られている。したがって、前記
光波面補償手段における２種類の材質の屈折率が前記第
２の波長において所定の値となるように、波長依存性に
差異のある材質を選定するとともに、前記２種類の材質
の張り合わせ面形状を略４次曲面としておけば、球面収
差によって発生した、略４次曲面をもつ光波面の歪みを
補償することができる。これによって、１つの対物レン
ズ用いて波長の異なる光束を集光するとともに、ディス
ク基板厚および再生に最適な波長の異なる光ディスクに
対して、記録再生特性が可能な光ヘッド実現することが
できる。

【００１２】ところが、今までの説明は、波面補正手段
９につかわれる硝材（プラスチックを含む。）９―１、
９―２が使用波長において完全に等しい事を前提として
いた。また、650nm光源の光束を平行光束としていた。

【００１３】しかし、実際はそのような任意の材料をえ
ることは困難である程度の屈折率の差は覚悟せざるをえ
ない。

【００１４】例えば、現状ではＤＶＤの推奨波長である
６５０ｎｍの波長で最もお互いの屈折率が近いとおもわ
れる、Ｓｃｈｏｔｔ社製ガラスLak10を９―１として用
い、SF18を９―２として用いたときでも0.0011程度異な
る。この差は張り合わせ板を図の如く構成した場合に各
々のガラスの肉厚の差が仮に０.2ｍｍだとするとそこで
発生する収差は0.001x0.2mm=0.2ミクロンとなり使用波
長６５０ｎｍの３分の１となり無視できない値となる。

【００１５】一方、使用する対物レンズとしては、その
ような波面補正手段を使わない系（例えば６５０ｎｍ専
用のＤＶＤ装置）につかうものと互換性があったほうが
都合が良い。しかし、対物レンズは補正手段がない状況
で球面収差、正弦条件が補正されているので補正板手段
を挿入すると波面に４次の歪み（球面収差）が若干発生
し集光特性が低下する（正弦条件は波面が４次で変化し
２次のオーダで変化しないので殆ど変化しない。）。

【００１６】本発明の目的は、上記の残存する収差によ
る集光特性低下の問題点を解決し、１つの対物レンズ用
いて波長の異なる光束を集光するとともに、ディスク基
板厚および再生に最適な波長の異なる光ディスクに対し
て、記録再生特性が可能な光ヘッド実現することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで、この球面収差を
補正するために650nm光源の位置を球面収差補正のため
に若干距離動かし、その光束を弱い発散光束とした（図
１）。

【００１８】これにより、球面収差は補正できることと
なった。

【００１９】なお、弱い発散光束とすることによりコマ
収差に影響する正弦条件がくずれるが、この程度は実質
上問題とならないほど小さい。

【００２０】この像点移動（あるいは入射光束の平行
度）は式一つで容易にあらわす事はかなりの困難なの
で、その導出方法に関して松居吉哉著（レンズ設計法：
共立出版：１９８９年１７版）を用いて流れを説明す
る。

【００２１】第４章にかかれている球面収差係数Ｉ
（４.２式内）に注目する（図９に記号の説明をおこな
う）。

【００２２】ここで位相板を使わないときに、は光デイ
スク板を含めたレンズ系の球面収差係数Ｉがゼロに近ず
くように設計する。その際かりに光源の位置は無限大で
設計することにしておく。更にこの際コマ収差係数ＩＩ
も除去できるようにしておく。このような状況でＣＤー
Ｒ、ＤＶＤ互換用の位相板を挿入した場合、もし第１波
長でのガラスの屈折率に差がなければなんらの問題も発
生しないが、若干の屈折率差があるときにはその位相板
によってわずかであるが球面収差が発生する。これをＩ
とするとこの分を補正する必要がある。

【００２３】先にＩ，ＩＩをゼロにするように求めた
ｒ、ｄ、Ｎなどのレンズ構成諸元を用いて（必要とあれ
ば、非球面係数を用いてあらたにIを計算する。）ただし、I=I I=h ⁴Q² (1/Ns)+ hQ=hN (1/r-1/s) h₁=s₁/g₁, h =h₁(s₂s₃ s /s₁s₂s _-1) h (1/Ns)=h (1/Ns-1/Ns) ここで、I +I =0となるようにｓ₁を決定すればよい。

【００２４】この結果単一波長用専用につくられたレン
ズを２波長（６５０／７８０ｎｍ）でもって互換性よく
使う事ができる。

【００２５】先述の特願平８ー１８１８５９では例え
ば、図２で示すように２波長共に無限遠からきた光束を
用いて光デイスクに集光していた。しかしながら、実際
に存在する光学ガラスを用いて系を構成することを考え
た場合に例えば６５０ｎｍの波長で殆ど屈折率がひとし
く７８０ｎｍでは分散のために屈折率の大きく異なるガ
ラスのくみあわせとしての１例として前述の如くＳchot
t社製光学ガラスのLaK10,Sf18を選択する。この波長の
６５０／７８０ｎｍにおける屈折率の値と屈折率差を表
１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】このガラスを用いた波面補償板を用い、表
２のようなレンズ構成の対物レンズを用いた。左側の数
字は像面の位置をしめす番号であり、図１や図２の面番
号に対応する。ｒは曲率半径（０は慣習的に無限大を示
す）、ｄは厚さ又は面間隔、ｎは屈折率である。

【００２８】

【表２】

【００２９】このときの集光特性を示す尺度としてのＳ
Ｄ（Strehl Definition)は、ＤＶＤの６５０ｎｍで画角
０で０.９、ＣＤの７８０ｎｍで０.９６である。(図４
の１００１ＣＤ及び１００１ＤＶＤ参照）ＤＶＤでの性
能が悪いのは、LaK10/SＦ18間の屈折率差０.００１１が
効いている。これは軸上の収差のために球面収差であ
る。一方、レンズ単体での画角０でのＳＤはほぼ１にち
かい（１００２参照）。これを補正するためにレンズ、
波面補償板の位置関係、構成は変えずに６５０ｎｍのレ
ーザ光源の位置を表３の位置から表４の如く変える。す
なわち、図２の如く平行光束であったものを図１のよう
にＤＶＤレンズに入る光束をわずかに発散させる。

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】一方、７８０ｎｍのＣＤ再生なあたっては
平行光束を維持させる。対物レンズは平行光束に対し
て、球面収差およびコマ収差が除去できるように設計さ
れている。ＤＶＤ再生の時の光学配置を表４に示す。こ
のようにすると先程のＳＤはＤＶＤのみ向上し、一方Ｃ
Ｄは変化しないので各々ほぼ0.96と殆ど無収差となって
いる。また軸外特性もレンズ単体の特性に非常に近ずい
ている。一方ＣＤは軸外１４０ミクロンでもＳＤが０．
８以上を保っている。従来技術として紹介した特開平８
―５５３６３の配置（図３）でのＣＤの特性は中心でＳ
Ｄが１であるのに対し９０ミクロンの軸外でＳＤは０．
８以下になってしまう（図４中の１００３参照）。

【００３３】これは入射光束が平行で球面、コマ収差が
とれるように設計されているレンズに対して、発散拘束
をいれたがために生じるコマ収差の影響があるがためで
ある。

【００３４】図５乃至８に、本発明を適用した種々の光
ヘッド構成を示す。

【００３５】図５（ａ）は、波長６５０ｎｍの半導体レ
ーザ１ａから出射する光束に対してはビーム整形光学系
３ａを挿入し、さらに、１／４波長板１４を使用するこ
とによって、円偏光の光束をディスク１２に集光させる
例である。ディスクからの反射光は再度１／４波長板１
４を通過することにより半導体レーザ１ａから出射する
光束に対して偏光方向が９０度回転するので、ビームス
プリッタ４ａを偏光ビームスプリッタとしておけば、半
導体レーザ１ａからディスクにいたる光学系の光利用率
を高められるとともに、信号検出系１３ａに導かれる光
量を大きくすることができるという特徴がある。一方、
波長７８０ｎｍの半導体レーザ１ｂから出射する光束に
対してはビーム整形は行わず、ビームスプリッタ４ｂを
半導体レーザ１ｂとコリメートレンズ２ｂの間に挿入す
ることにより、光学系の小型化を図ることができる。上
記の光学系は、例えば波長６５０ｎｍで情報の書き替え
が可能なＤＶＤ−ＲＡＭの記録再生を行ない、波長７８
０ｎｍでＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ等を再生する場
合に適している。

【００３６】図５（ｂ）は、図５（ａ）から１／４波長
板１４を取り除いた構成である。この場合、ビームスプ
リッタ４ａとしては、例えば無偏光のハーフビームスプ
リッタを用いる。半導体レーザ１ａからディスクにいた
る光学系の光利用率は図５（ａ）の場合ほど高くはない
ものの、無偏光のハーフビームスプリッタといった安価
な部品を使用することができる。この光学系は、例えば
波長６５０ｎｍで再生専用のＤＶＤ−ＲＯＭの再生を行
ない、波長７８０ｎｍでＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ
等を再生する場合に適している。

【００３７】図６（ａ）は、いずれの波長の系に対して
もビーム整形を行なわない場合であり、光ヘッドの小型
化および低価格化に適している。

【００３８】図６（ｂ）は、いずれの波長の系に対して
も、コリメートレンズと半導体レーザ間にビームスプリ
ッタを配置した構成であり、図６（ａ）の構成より小型
化に適している。また、従来公知のホログラム素子等を
用いて半導体レーザ１ａ、１ｂと信号検出光学系１３
ａ、１３ｂを一体化したモジュール構造とすればさらに
小型化が可能である。

【００３９】図７（ａ）（ｂ）は、それぞれ、図５
（ａ）（ｂ）において、波長選択性開口フィルタ８と光
波面補償板９を対物レンズ１０から離して配置した構成
である。アクセス時間の短縮や転送速度向上のためのデ
ィスク回転高速化に対応する上で、対物レンズ１０を含
むアクチュエータ１１の可動部軽量化は重要である。図
１に示した本発明における第１の実施例においては、波
長選択性開口フィルタ８、光波面補償板９および対物レ
ンズ１０を一体駆動することが好ましいと述べたが、上
記のアクセス時間短縮や転送速度向上の観点からは不利
である。波長選択性開口フィルタ８と光波面補償板９を
対物レンズ１０から離して配置した場合でも、対物レン
ズ１０がディスクの偏心に追従して移動しても光束のけ
られや開口制限される領域とのずれを抑えるためには、
ディスクの偏心に追従して光ヘッド全体あるいは対物レ
ンズアクチュエータ部分のみを移動させる、いわゆる２
段サーボ方式を採用すればよい。

【００４０】図８は、図６（ａ）の構成においてコリメ
ートレンズを共通化したものであり、光ヘッドの小型化
に対する一方策である。これらの実施例では光束を補正
版の屈折率差に応じて若干発散あるいは収束にしている
ことは言うまでもない。

【００４１】以上述べてきた本発明の実施例において
は、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒなどを中心
に説明してきたが、本発明の内容は光磁気ディスクにも
適用可能であり、例えば再生信号検出光学系１３として
光磁気信号検出光学系を配置すればよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明により、ディスク基板厚さおよび
波長の違いによって絞り込みスポットに発生する球面収
差をほぼ補償することができるので、１つの対物レンズ
を用いて波長の異なる光束を集光するとともに、ディス
ク基板厚および再生に最適な波長の異なる光ディスクに
対して、記録再生特性が可能な光ヘッド実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す図。

【図２】先に検討した光波面補償板の実施例を説明する
図。

【図３】従来の光波面補償効果を説明する図。

【図４】本発明における光学性能を従来の方法と異なる
ことを定量的に示す図。

【図５】本発明の他の実施例を示す図。

【図６】本発明の他の実施例を示す図。

【図７】本発明の他の実施例を示す図。

【図８】本発明の他の実施例を示す図。

【図９】像点移動量を計算するために用いたレンズ諸元
の記号を説明する図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ…半導体レーザ、２ａ、２ｂ…コリメートレンズ、３ａ、３ｂ…ビーム整形光学系、４ａ、４ｂ…ビームスプリッタ、５…波長フィルタ、６、７…ミラー８…波長選択性開口フィルタ９…光波面補償板１０…対物レンズ、１１…アクチュエータ、１２ａ、１２ｂ…光ディスク１３ａ、１３ｂ…再生信号検出光学系、１４…１／４波長板１００１ＣＤ、１００１ＤＶＤ、１００２、１００３…
図４中のＳＤの軸外特性を示す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の波長を有する第１の光源と、第１の
光源と異なる第２の波長を有する第２の光源と、前記２
つの光源からの光束を合成させる光ビーム合成手段と、
前記光ビーム合成手段から出射する光束を光記録媒体上
に絞り込む１つの対物レンズと、前記光合成手段と前記
対物レンズとの間の光軸上に、屈折率の波長依存性が相
異なる２種類の材料を張り合わせた光波面補償手段とを
具備し、上記第１の波長の光を発散光としたことを特徴する光ヘ
ッド。
【請求項２】前記光記録媒体からの反射光を、それぞれ
前記第１の波長あるいは第２の波長のみを有する光束に
分離する光ビーム分離手段と、前記光ビーム分離手段に
よって分離された光束のそれぞれを受光し、光電変換す
る光検出手段とをさらに具備することを特徴する請求項
１に記載の光ヘッド。
【請求項３】請求項１又は２の何れかに記載の光ヘッド
において、前記光波面補償手段における張り合わせ面
が、前記第１の波長を有する光束に対応する開口数と前
記第２の波長を有する光束に対応する開口数のうち、小
さい開口数に相当する光束の領域のみ略４次曲面である
ことを特徴とする光ヘッド。
【請求項４】請求項１乃至３の何れかに記載の光ヘッド
において、前記第１の波長を有する光束に対応する開口
数と前記第２の波長を有する光束に対応する開口数のう
ち、大きい方の開口数が０．６以上であることを特徴と
する光ヘッド。
【請求項５】請求項６に記載の光ヘッドにおいて、前記
第１の波長を有する光束に対応する開口数と前記第２の
波長を有する光束に対応する開口数のうち、小さい方の
開口数が０．４５以下であることを特徴とする光ヘッ
ド。
【請求項６】請求項１乃至５の何れかに記載の光ヘッド
において、前記第１の波長を有する光束によって記録又
は再生を行う場合と前記第２の波長を有する光束によっ
て記録又は再生を行う場合とで前記対物レンズの実効的
な開口数を変化させる手段をさらに具備することを特徴
とする光ヘッド。
【請求項７】前記対物レンズ、前記光波面補償手段およ
び前記開口数を変化させる手段が、一体化されて前記光
記録媒体の上下振れおよび回転偏心に追従させるための
駆動手段に搭載されていることを特徴とする請求項７に
記載の光ヘッド。
【請求項８】請求項６又は７のいずれかに記載の光ヘッ
ドにおいて、前記開口数を変化させる手段が、前記光波
面補償手段上に形成されていることを特徴とする光ヘッ
ド。