JP2001043549A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電圧印加により制御する位相補正素子を備えた
光ヘッド装置で、位相補正素子の光の透過率が高くかつ
波面収差を低減させた装置とする。 【解決手段】位相補正素子４の基板には、複数の分割電
極を有し、各分割電極間のギャップを７μｍ以下とし、
半導体レーザ１からの出射光の分割電極ごとの位相を、
位相補正素子制御回路１０から位相補正素子４に制御信
号を加えて変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクなどの
光記録媒体の光学的情報の記録・再生を行う光ヘッド装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクであるＤＶＤは、同じく光デ
ィスクであるＣＤに比べディジタル情報が高密度で記録
されており、ＤＶＤを再生するための光ヘッド装置は、
光源の波長をＣＤの７８０ｎｍよりも短い６５０ｎｍま
たは６３５ｎｍとしたり、対物レンズの開口数（ＮＡ）
をＣＤの０．４５よりも大きい０．６にして光ディスク
面上に集光するスポット径を小さくしている。

【０００３】さらに、次世代の光記録においては光源の
波長を４００ｎｍ程度、ＮＡを０．６以上とすること
で、より大きな記録密度を得ることが提案されている。
しかし、光源の短波長化や対物レンズの高ＮＡ化によ
り、光ディスク面が光軸に対して直角より傾くチルトの
許容量や光ディスクの厚みむらの許容量が小さくなる。

【０００４】これら許容量が小さくなるのは、光ディス
クのチルトの場合にはコマ収差が発生し、光ディスクの
厚みむらの場合には球面収差が発生するために、光ヘッ
ド装置の集光特性が劣化して信号の読み取りが困難にな
ることによる。高密度記録においては光ディスクのチル
トや厚みむらに対する光ヘッド装置の許容量を拡げるた
めにいくつかの方式が提案されている。

【０００５】一つの方式として、通常光ディスクの接線
方向と半径方向との２軸方向に移動する対物レンズのア
クチュエータに、検出されたチルト角に応じて対物レン
ズを傾けるように傾斜用の軸を追加する方式がある。し
かし、この追加方式では球面収差は補正できないこと
や、アクチュエータの構造が複雑になる問題がある。

【０００６】また別の方式として、対物レンズと光源と
の間に備えた位相補正素子により波面収差を補正するも
のがある。この補正方式では、アクチュエータに大幅な
改造を施すことなく光ヘッド装置に素子を組み入れるだ
けでチルトの許容量や光ディスク厚みむらの許容量を拡
げることができる。

【０００７】例えば、位相補正素子を用いて光ディスク
のチルトを補正する上記の補正方式に特開平１０−２０
２６３がある。これは、位相補正素子を構成している液
晶などの複屈折性材料を挟持している基板に、電極が分
割されて形成された分割電極に電圧を印加して、複屈折
性材料の実質的な屈折率を光ディスクのチルト角に応じ
て変化させ、この屈折率の変化により発生した透過光の
位相変化により、光ディスクのチルトで発生したコマ収
差を補正する方式である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した位相補正素子
には、透過光の位相変化を発生させるために、複屈折性
材料に電圧を印加する複数個の分割電極を形成する必要
がある。それぞれの分割電極間のギャップには電極がな
く電圧を印加できないため、電圧が印加されたときギャ
ップと分割電極の境界で電界分布が不均一となり、液晶
分子の配向が不均一になる。その結果、電圧の印加によ
りギャップと分割電極との境界付近で屈折率が一定でな
く分布が生じ、屈折率分布のある部分で光が回折されて
光記録媒体に入射する光量が減少するので、信号の読み
取り精度が低下する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、光源と、光源からの
出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズ
と、光源と対物レンズとの間に出射光の波面を変化させ
る位相補正素子とを備えた光ヘッド装置であって、前記
位相補正素子は少なくとも一方が透明な一対の基板に挟
持された異方性光学媒質を備えており、前記一対の基板
の少なくとも透明な一方には間隔をおいて配置された複
数の分割電極が形成され、前記分割電極間の間隔が７μ
ｍ以下であり、さらに前記位相補正素子に波面を変化さ
せるための制御信号を発生する制御信号発生手段を備え
ていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。ま
た、前記異方性光学媒質の常光屈折率と異常光屈折率と
の差Δｎと、前記異方性光学媒質の光透過方向の厚みｄ
との積Δｎ・ｄが０．５μｍ以上である上記の光ヘッド
装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の光ヘッド装置の原
理構成の概念的断面図を示す。図１に示した光ヘッド装
置はＣＤまたはＤＶＤなどの光ディスク８に記録された
情報を再生するためのものであり、光源である半導体レ
−ザ１などから出射した光は例えばホログラムタイプの
偏光ビームスプリッタ２を透過した後、コリメートレン
ズ３により平行光となり、立ち上げミラー１１で９０°
方向に反射され、位相補正素子４、４分の１波長板５を
透過した後、対物レンズ６により光ディスク８上に集光
される。ここで、位相補正素子４を構成している一対の
基板はともに透明である。

【００１１】集光された光は光ディスク８により反射さ
れ対物レンズ６、４分の１波長板５、位相補正素子４、
コリメートレンズ３を順次先程とは逆に透過した後、偏
光ビームスプリッタ２により回折され光検出器９に入射
する。前述の半導体レーザ１からの出射光が光ディスク
８により反射される際、光ディスクの面上に記録された
情報により反射光は振幅変調され、光検出器９により光
強度信号として記録情報を読み取ることができる。

【００１２】偏光ビームスプリッタ２は例えば偏光性の
ホログラムを備えており、異方性方向（屈折率の差があ
る方向）に偏光成分を有する光を強く回折して光検出器
９に導く。光検出器９より得られる光ディスクの例えば
再生信号の強度が最適となるように、位相補正素子４に
向けて制御信号発生手段である位相補正素子制御回路１
０により制御信号が発生（出力）される。位相補正素子
制御回路１０より出力される制御信号は、光ディスクの
チルト量や対物レンズのシフト量に応じた電気信号であ
り、位相補正素子４の分割電極に印加する実質的に変化
する電圧となる。

【００１３】また立ち上げミラー１１は、半導体レーザ
１より出射した光をほぼ９０゜方向に反射させ光ディス
クに入射させるものであり、光ヘッド装置の厚み（光デ
ィスク８の面に垂直な方向）を薄くするには不可欠な光
学部品である。通常は、ガラス表面にＡｌなどの高反射
膜を蒸着したものが使用される。

【００１４】次に本発明において使用する位相補正素子
の構成を図を用いて説明する。図２は本発明における位
相補正素子の断面図である。異方性光学媒質には、ニオ
ブ酸リチウムなどの光学結晶や液晶などが使用できる。
ここでは、液晶を使用するものとして説明する。

【００１５】ガラス基板２１ａ、２１ｂが、シール材２
２により接着され液晶セルを形成している。シール材２
２にはガラス製のスペーサと樹脂の表面に金などを被膜
した導電性スペーサが含有されている。ガラス基板２１
ａ、２１ｂの液晶セルの内側表面には、電極２４ａ、２
４ｂおよびシリカを主成分とする絶縁膜２５と配向膜２
６が被膜されており、液晶セルの外側表面には反射防止
膜が被膜されている。

【００１６】電極２４ａは電極引出部２７で接続線によ
って位相補正素子制御回路と接続できるようパターン配
線されている。また電極２４ｂは前述の導電性スペーサ
によりガラス基板２１ａ上に形成された電極と電気的に
接続しており、電極２４ａ同様、電極引出部２７で接続
線によって位相補正素子制御回路と接続できる。液晶セ
ル内部には液晶２３が充填されており、図２に示した液
晶分子２８は、一方向に配向されたホモジニアス配向の
状態にある。電極２４ａ、２４ｂの材質は透過率が高い
方が望ましく、ＩＴＯなどの透明導電膜を使用すればよ
い。

【００１７】また配向膜の材料としては、液晶分子２８
のプレチルト角が２〜１０゜となればよく、ポリイミド
膜を図の紙面に平行で左右方向にラビングしたものや、
シリカ膜を斜め蒸着したものなどがよい。液晶材料はデ
ィスプレイ用途などに用いられるネマティック液晶がよ
く、カイラル剤の添加によりツイストさせてもよい。

【００１８】所望の波面変化（位相変化）量を得る手段
として液晶の複屈折性を利用する場合、液晶の常光屈折
率と異常光屈折率の差を大きくして液晶セルの間隔を小
さくした方が応答性を高くでき望ましい。しかし、液晶
セルの間隔が小さくなるほど液晶セルの製作が困難にな
るため、液晶の常光屈折率と異常光屈折率の差は０．１
〜０．２、液晶セルの間隔は２〜５μｍ程度とすること
が望ましい。図１に示した光ヘッド装置の場合、光は位
相補正素子４を透過するため、電極２４ａ、２４ｂの材
質は透過率が高い方が望ましく、ＩＴＯなどの透明導電
膜を使用すればよい。この場合は位相補正素子４を透過
型素子として使用している。

【００１９】しかし、電極２４ａ、２４ｂのいずれか一
方をＡｌまたはＣｒなどの反射率の高い材質を用いて作
製し、位相補正素子４を反射型素子として使用できる。
その場合、図１の立ち上げミラー１１の代わりにこの位
置に位相補正素子４を設置する。最初に光が入射する側
の電極（例えば電極２４ａ）を高透過率で分割された透
明電極にして、他方の電極（例えば電極２４ｂ）を高反
射率の電極にすれば、位相補正素子４に入射した光は、
透明電極２４ａ、液晶を透過して電極２４ｂで反射され
た後、再度、液晶、透明電極２４ａを透過して光ディス
ク８に向かう。

【００２０】反射型として位相補正素子を使用すれば、
図１の立ち上げミラー１１を位相補正素子４で置き換え
ることができるため部品点数が減り望ましい。しかし、
位相補正素子４に入射する光はほぼ４５゜の入射角度で
液晶を２度通過するため、透過型の場合と異なる液晶セ
ル間隔（液晶セルの中の液晶層の厚み）を設定する必要
がある。

【００２１】次に本発明における位相補正素子を用いる
ことにより得られる効果を説明する。図３は、本発明に
おける位相補正素子の分割電極の電極パターンの一例を
示す模式的平面図であり、図２の電極２４ａをフォトリ
ソグラフィー技術などを用いて５つの分割電極３１〜３
５に分割した。対物レンズにより光記録媒体に集光する
光は位相補正素子を通過する際に、分割電極３１〜３５
および液晶２３を透過する。分割電極３１〜３５は例え
ばＩＴＯ膜で形成されているが、図中実線に相当する分
割電極間のギャップはエッチングなどによりＩＴＯが取
り除かれているため分割電極３１〜３５は各々異なる電
圧に設定できる。

【００２２】図４は、本発明における位相補正素子の分
割電極間のギャップ付近の模式的断面図と実質的な屈折
率分布を示すグラフである。図４（ａ）は２つの分割電
極間のギャップ付近の模式的断面図であり、ガラス基板
４０の表面には分割電極である透明電極４１ａ、４１
ｂ、絶縁膜４２、配向膜４３が形成されている。透明電
極４１ａ、４１ｂの間には幅がＷのギャップがあり、こ
のギャップの領域の液晶には外部から電圧を印加できな
い。

【００２３】透明電極４１ａ、４１ｂに電圧を印加する
とガラス基板表面の透明電極より液晶中に電界が生じる
ため、液晶分子４４はガラス基板の表面にほぼ垂直に配
向する。電界の方向および電界強度は電気力線４５の方
向および密度で表される。ギャップの領域における液晶
分子の配向を決める外部電界には、透明電極４１ａ、４
１ｂからの漏れ電界だけが寄与する。

【００２４】しかし、ギャップ幅Ｗが液晶セル間隔に比
べ大きい場合には漏れ電界の強度は、透明電極との境界
付近を除いてギャップの部分では弱くなるため、透明電
極４１ａ、４１ｂに電圧を印加しても液晶分子の配向方
向はほとんど変化しないと考えられる。このとき、ギャ
ップの透明電極付近とギャップの内側では液晶分子が異
なる配向状態になるため、位相補正素子への入射光が感
ずる実質的な屈折率分布は不均一となる。

【００２５】図４（ｂ）は、２つの分割電極間のギャッ
プ付近の実質的な屈折率分布を示すグラフである。ギャ
ップ部分では液晶分子がガラス基板面にほぼ平行であ
り、透明電極部と比較して、実質的な屈折率は高くなっ
ている。透明電極のギャップ付近とギャップ部分との液
晶の実質的な屈折率差をΔφとして液晶セル間隔をｄ、
入射光の波長をλとすると、θ＝２πΔφ・ｄ／λなる
位相差が生じる。

【００２６】図４（ａ）の透明電極４１ａ、４１ｂに電
圧を印加することによりΔφが大きくなりθがπ程度に
なった場合には、入射光はそのギャップと透明電極の境
界付近で回折されるため実質的な透過率（回折されずに
透過する部分）は低下する。漏れ電界に起因する分割電
極間のギャップでの電界強度はギャップ幅Ｗの２〜３乗
に反比例する。本発明では、ギャップ幅Ｗを小さくする
ことにより漏れ電界の効果が強められ、分割電極間のギ
ャップでの屈折率変化を小さくすることができる。

【００２７】したがって、ギャップ幅Ｗが小さくない場
合電圧の印加によりΔφが大きくなりθがπ程度になっ
て透過率は低下するが、ギャップ幅Ｗが小さい場合、ギ
ャップでの屈折率変化が小さくなり回折効果が弱くなる
結果、実質的な透過率は向上する。

【００２８】一般にギャップ幅Ｗを小さくした方がギャ
ップでの漏れ電界が強くなるために、回折による透過率
の低下は小さくなるが、ギャップ幅Ｗが小さくなる分Ｉ
ＴＯなどの透明導電膜のパターニング精度が厳しくなる
ため分割電極の作製が困難になる。したがって、位相補
正素子の歩留まりがよい範囲で最小のギャップ幅になる
よう分割電極を形成することがよく、例えば通常液晶素
子が使用される実効電圧が０Ｖから６Ｖ範囲内で、７μ
ｍ以下とすることが現実的である。

【００２９】また、液晶の常光屈折率と異常光屈折率の
差Δｎと液晶セル間隔ｄの積が０．５μｍ以上の場合に
は、ギャップ幅Ｗを７μｍ以下とすることにより漏れ電
界強度が増す結果Δφが小さくなり、位相差θがπ以下
になるので、回折効果が弱くなり透過率が向上して好ま
しい。さらにこの積が０．５μｍ以上のときギャップ幅
Ｗを５μｍ以下とするとさらに漏れ電界強度が増す結
果、位相差θは非常に小さくなり透過率がさらに向上し
て特に好ましい。

【００３０】位相補正素子により光源からの出射光の波
面を変化させて、波面収差であるコマ収差、球面収差お
よび非点収差を補正する。図３に示した電極パターンは
主にコマ収差を補正するための例であり、例えば光ディ
スクがチルトした場合でも、位相補正素子に適切な制御
信号を出力することによりコマ収差が補正されて良好な
再生信号を得ることができる。また、上述と同様な構成
（図１、図２）、原理（図４）により、電極パターンを
図５のようにすることで、球面収差や非点収差を補正で
きる。

【００３１】図５（ａ）は球面収差を補正する場合の分
割電極の電極パターンの一例を示す模式的平面図であ
る。この電極パターンを使用すると、光ディスクの厚み
が変化しても、位相補正素子に適切な制御信号を伝送す
ることにより良好な再生信号を得ることができる。図５
（ｂ）は非点収差を補正する場合の分割電極の電極パタ
ーンの一例を示す模式的平面図である。この電極パター
ンを使用すると、半導体レーザや他の光学部品により発
生する非点収差を補正できるため良好な再生信号を得る
ことができる。

【００３２】以上のようにして、補正する波面収差に応
じた電極パターンを形成し、分割電極間のギャップを７
μｍ以下にすることにより、実質的な透過率が高い位相
補正素子を得ることができる。

【００３３】

【実施例】本実施例では図１に示す光ヘッド装置により
光ディスク８に記録された情報を再生する。光ヘッド装
置には、図２に示す断面図の構成を有する透過型の位相
補正素子４が組み込まれており、光検出器９で得た信号
を位相補正素子制御回路１０にて処理し光ディスク８の
半径方向のチルト量に応じた電気信号を発生させ、位相
補正素子４を駆動させる。

【００３４】位相補正素子４は、厚み０．５ｍｍの無ア
ルカリ性のガラス基板２１ａ、２１ｂとエポキシを主成
分とするシール材２２により構成される液晶セル構造を
有しており、シール材２２に含有されたガラス製のスペ
ーサにより液晶セルの間隔が４．６μｍとなっている。
液晶セルの内部には常光屈折率と異常光屈折率の差が
０．２のネマティック液晶が充填されており、ガラス基
板２１ａ、２１ｂの表面に施されたポリイミドの配向膜
２６により図２に示す紙面の左右方向に液晶分子２８が
配向している。

【００３５】また、配向膜２６とガラス基板の間には絶
縁膜２５、ＩＴＯの電極２４ａ、２４ｂが形成されてお
り、電極２４ａ、２４ｂは電極引出部２７において位相
補正素子制御回路１０と接続線によって接続されてい
る。電極２４ｂは分割のない一様な電極であるのに対
し、電極２４ａの電極２４ｂと対向する部分はフォトリ
ソグラフィー技術により図３に示す分割電極３１〜３５
に分割されている。

【００３６】これらの分割電極の最外周は直径４ｍｍの
円であり、対物レンズに入射する光はこの電極の領域内
を透過する際に、分割電極３１〜３５の各々に印加され
る電圧値に対応した位相シフトを光のそれぞれの領域で
受ける。本実施例では、分割電極３３に常に２．５Ｖの
電圧を印加し、光ディスクのチルト量に応じて分割電極
３１、３２、３４、３５に対し２〜３Ｖの電圧を印加す
ることにより、変形した光ディスクから良好な再生信号
を得ることができた。

【００３７】図６は、本実施例で使用した位相補正素子
の光の透過率の印加電圧依存性を示すグラフであり、本
実施例の分割電極間のギャップ幅Ｗは５μｍである。参
考例としての従来のギャップ幅が１０μｍのものの光の
透過率も示す。従来の位相補正素子の構成は本実施例と
同様であるが、分割電極間のギャップ幅が異なってい
る。測定に用いた光源は波長６５０ｎｍの半導体レーザ
である。図６の透過率は、電圧０Ｖでの対物レンズへの
入射光量に対する、各電圧での入射光量の百分率で示し
てある。

【００３８】参考例では２．５Ｖの電圧を印加した状態
で、分割電極間のギャップでの散乱により透過率が９％
程度低下したが、本実施例の位相補正素子の場合２％程
度の低下にとどまった。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明の光ヘッド装置に
おいては、液晶の位相補正素子を構成している基板上の
分割電極間のギャップ幅を７μｍ以下にすることによ
り、液晶素子で通常使用される範囲で任意の印加電圧に
おいて高い光の透過率を得ることができ、したがって良
好な再生信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ヘッド装置の原理構成の概念的断面
図である。

【図２】本発明における位相補正素子の断面図である。

【図３】本発明における位相補正素子の分割電極の電極
パターンの一例を示す模式的平面図である。

【図４】本発明における位相補正素子の分割電極間のギ
ャップ付近の模式的断面図と実質的な屈折率分布を示す
グラフであり、（ａ）は２つの分割電極間のギャップ付
近の模式的断面図であり、（ｂ）は２つの分割電極間の
ギャップ付近の実質的な屈折率分布を示すグラフであ
る。

【図５】本発明における位相補正素子の分割電極の電極
パターンの一例を示す模式的平面図であり、（ａ）は主
に球面収差を補正する場合であり、（ｂ）は主に非点収
差を補正する場合である。

【図６】本実施例で使用した位相補正素子の光の透過率
の印加電圧依存性を示すグラフである。

【符号の説明】

１：半導体レーザ ２：偏光ビームスプリッタ ３：コリメートレンズ ４：位相補正素子 ５：４分の１波長板 ６：対物レンズ ７：アクチュエータ ８：光ディスク ９：光検出器 １０：位相補正素子制御回路 ２１ａ、２１ｂ：ガラス基板 ２２：シール材 ２３：液晶 ２４ａ、２４ｂ：電極 ２５、４２：絶縁膜 ２６、４３：配向膜 ２７：電極引出部 ２８、４４：液晶分子 ３１〜３５：分割電極 ４０：ガラス基板 ４１ａ、４１ｂ：透明電極 ４５：電気力線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、光源からの出射光を光記録媒体上
   に集光させるための対物レンズと、光源と対物レンズと
   の間に出射光の波面を変化させる位相補正素子とを備え
   た光ヘッド装置であって、 前記位相補正素子は少なくとも一方が透明な一対の基板
   に挟持された異方性光学媒質を備えており、前記一対の
   基板の少なくとも透明な一方には間隔をおいて配置され
   た複数の分割電極が形成され、前記分割電極間の間隔が
   ７μｍ以下であり、 さらに前記位相補正素子に波面を変化させるための制御
   信号を発生する制御信号発生手段を備えていることを特
   徴とする光ヘッド装置。
2. 【請求項２】前記異方性光学媒質の常光屈折率と異常光
   屈折率との差Δｎと、前記異方性光学媒質の光透過方向
   の厚みｄとの積Δｎ・ｄが０．５μｍ以上である請求項
   １に記載の光ヘッド装置。