(57)【要約】【課題】光ピックアップ装置において、戻り光を光束分割素子を用いてフォーカシング用に分割して２分割受光素子に導き、ＦＥ信号を得る装置が知られている。この装置は一般的にフォーカスサーボに適する範囲が狭く、また、合焦近辺では感度が高いがデフォーカス量が大きくなると感度が低くなり、速やかなフォーカスサーボが行われなくなる。【解決手段】光束分割素子におけるフォーカシング用の光束を複数に分割し、少なくとも２つの光束は、合焦時に形成するスポットの位置が、２分割受光素子の分割線に直交する方向に関し異なる位置になるよう形成する。それぞれのスポットはデフォーカスによって受光素子上に作るスポットの光量分布が変化する。パラメータを変化させて、単独のスポットによって得られるＦＥ曲線を調べ、いくつかの曲線を合成することで目標のＦＥ曲線を得ることができる。用いた曲線のそれぞれのパラメータが設計値となる。【選択図】  図２
2006155826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束をディスクからなる記録媒体の記録面に集光し、該記録面からの反射光束を複数に分割する光束分割素子を有し、該分割された光束のうちの一部の光束を用いて２分割受光素子に導き、フォーカス信号を生成する光ピックアップにおいて、該フォーカス信号生成に寄与する光束を少なくとも２本とし、それら光束のうち少なくとも２本は、合焦時において前記２分割受光素子の分割線に直交する方向に関して異なる位置にスポットを形成することを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光ピックアップ装置において、前記フォーカス信号を生成するために用いる複数の光束が通過する前記光束分割素子の分割領域形状はいずれも扇形であることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光ピックアップ装置において、前記フォーカス信号生成に寄与する複数の光束に分割する前記光束分割素子の複数の分割領域は前記ディスクの半径方向に関し対称に形成することを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置において、前記光束分割素子はホログラムからなることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置を用いたことを特徴とする光ディスクドライブ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光ピックアップ装置を設計する方法において、前記フォーカス信号を示す目標の曲線（ＦＥ曲線という）が与えられたとき、前記光束分割素子の分割領域形状および前記２分割受光素子に対する前記スポットの位置等の複数のパラメータを変化させた単独のスポットによる複数のＦＥ曲線をシミュレーションによって作成し、該複数のＦＥ曲線を組み合わせて目標のＦＥ曲線に近い曲線を得ることによって前記複数のパラメータを確定することを特徴とする光ピックアップ装置設計方法。
【請求項７】
請求項６に記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記ＦＥ曲線がゼロクロスになるよう、前記単独のスポットによる複数のＦＥ曲線を組み合わせることを特徴とする光ピックアップ装置設計方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記ＦＥ曲線のフォーカスサーボが適用可能な範囲の両端近傍の感度を中心部の感度と同等かそれ以上に高くなるよう前記単独のスポットによる複数のＦＥ曲線を組み合わせることを特徴とする光ピックアップ装置設計方法。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記目標のＦＥ曲線から前記単独のスポットによるＦＥ曲線の１ないし複数の曲線のデータを差し引いた残りの曲線に近い複数の曲線から内挿して前記複数のパラメータを確定することを特徴とする光ピックアップ装置設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＤ、ＤＶＤなどの光ディスクの読み取り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２０はピックアップ光学系の照明系を示す簡略図である。
同図において符号３０１は光源としての半導体レーザ（ＬＤと略す）、３０２はカップリングレンズ（ＣＬと略す）、３０３はビームスプリッタ（ＢＳと略す）、３０４は波長板（ＱＰと略す）、３０５は対物レンズ（ＯＬと略す）、３０８は光束分割素子（単に分割素子と呼ぶことがある）、３０９は受光素子（ＰＤと略す）、３１０は光ディスクをそれぞれ示す。
光源のＬＤ３０１から出射した発散光は、ＣＬ３０２で略平行光となり、ＢＳ３０３を透過し、ＱＰ３０４で直線偏光から円偏光に変換されＯＬ３０５に入射し、光ディスク３１０の透明基板を透過し記録面上に微小スポットとして集光される。前記スポットにより、情報の再生、記録あるいは消去が行われる。
ディスク記録面で反射した光束は、ＯＬ３０５により再び平行光とされ、ＱＰ３０４で直線偏光に変換され、ＢＳ３０３で反射され、ＣＬ３０２で収束光とされ、ＣＬ３０２とＰＤ３０９の間にある光束分割素子３０８により、光束が複数に分割され、ＰＤ３０９に至る。ＰＤ３０９からは、情報信号、サーボ信号が検出される。
光束分割素子としてホログラムの回折機能を利用したものがある（例えば、特許文献１  参照。）。
【０００３】
図２１はホログラムによる光束分割素子の作用を説明するための図である。
同図において符号ＡＢはフォーカシング用分割領域、Ｃ、Ｄはトラッキング用分割領域、ＰＤＡ、ＰＤＢはフォーカス用受光素子、ＰＤＣ、ＰＤＤはトラッキング用受光素子をそれぞれ示す。
図２２はホログラムによる光束分割素子の構成を説明するための図である。同図（ａ）は光束分割素子の正面図、同図（ｂ）はフォーカス用受光素子の正面図である。
同図において符号Ｐは光のスポットを示す。
図２３はフォーカス信号を説明するためのグラフである。
同図において符号Ｇはフォーカス信号を示す曲線、ＦＳＲはフォーカスサーボが適用可能な範囲をそれぞれ示す。
光ディスクの読み取りにおいて、情報を読み取る際、正しいトラック位置を検出するためのトラッキング情報と、情報記録面に最小スポット光を形成するためのフォーカシング情報を常に検出している。記録面から反射されてきた光束は光束分割素子３０８によって、必要な情報を取り出すためそれぞれ分割されて所定の方向へ偏向される。
光束分割素子は大きくは３つの領域に分けられたホログラムである。ＡＢ領域とＣ、Ｄ領域で、回折角度を変えることにより、ＡＢ領域を経た光束はフォーカス用受光素子ＰＤＡ、ＰＤＢ方向に、Ｃ領域を経た光束はトラッキング用受光素子ＰＤＣ方向に、Ｄ領域を経た光束はトラッキング用受光素子ＰＤＤ方向に、それぞれ偏向される。
各ＰＤからの出力値をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、出力値のＡ−Ｂからフォーカス信号、Ｃ−Ｄからトラック信号、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋ＤからＲＦ信号を生成する。
【０００４】
フォーカシング情報を得るためのＡＢ領域から偏向された光束は、フォーカス用２分割受光素子ＰＤＡ、ＰＤＢの境界付近に焦点を結び、微小なスポットＰを形成する。同図では便宜上スポットＰを円形で表しているが、分割領域の形状によっては円形にならない。レーザ光束は可干渉性がよいため、分割領域で回折後の収束性光束は相互干渉により、ビームウェストの大きさが開口の大きさに反比例する関係が生ずる。したがって、開口が円形でない場合、開口の長手方向のビームウェストは短手方向のそれより小さくなり、大小関係が９０°ずれた形のほぼ楕円形になる。
受光素子はＰＤＡからの信号とＰＤＢからの信号を出力するので、それぞれの出力の値をＡ、Ｂで表すと、演算式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値をフォーカス信号（ＦＥ信号と呼ぶことがある）と定義する。記録面が正しいフォーカス面にあるとき、スポットＰの中心は丁度両領域の境界上にあり、フォーカス信号が０になるよう設定されている。記録面が正しい位置からずれると、そのずれ方向によって、スポットＰの中心は境界線のどちらか側に偏る。そのため、フォーカス信号が正または負の値を持つようになる。ずれの大きさ（デフォーカス量と言う）と、偏りの程度、言い換えればフォーカス信号の大きさ、とは相関がある。
図２３において、一般的にデフォーカス量に対するフォーカス信号の大きさは同図に示すようにＳ字形に近い形状を示す。
このフォーカス信号をデフォーカス量で微分した値をフォーカス感度と呼ぶ。フォーカス感度は図上では曲線の勾配で表される。勾配が大きいほど感度が高いことを表す。ＤＶＤ系では感度最大値が一般に５０（％／μｍ）以上となっている。ただし、勾配が同図において負になっている範囲はフォーカスサーボが正しくかけられない。したがって、同図に符号ＦＳＲで示した領域が実際にフォーカスサーボに利用できる範囲である。この範囲であっても、あまり勾配が小さすぎると、高い精度が得られないためサーボに時間がかかるので、ＦＳＲはなるべく広く且つほぼ一定の勾配であることが望ましい。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−４７００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＦＥ曲線に対してフォーカスサーボをかけられる範囲を広くしたり、合焦領域だけでなくより幅広い範囲でサーボのための感度を高くするにあたって、関連するパラメータの設定を容易にし、簡単に目標のＦＥ曲線を満足する構成と設計方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明では、光束をディスクからなる記録媒体の記録面に集光し、該記録面からの反射光束を複数に分割する光束分割素子を有し、該分割された光束のうちの一部の光束を用いて２分割受光素子に導き、フォーカス信号を生成する光ピックアップ装置において、該フォーカス信号生成に寄与する光束を少なくとも２本とし、それら光束のうち少なくとも２本は、合焦時において前記２分割受光素子の分割線に直交する方向に関して異なる位置にスポットを形成することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光ピックアップ装置において、前記フォーカス信号を生成するために用いる複数の光束が通過する前記光束分割素子の分割領域形状はいずれも扇形であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の光ピックアップ装置において、前記フォーカス信号生成に寄与する複数の光束に分割する前記光束分割素子の複数の分割領域は前記ディスクの半径方向に関し対称に形成することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置において、前記光束分割素子はホログラムからなることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置を用いた光ディスクドライブ装置を特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の発明では、請求項１に記載の光ピックアップ装置を設計する方法において、前記フォーカス信号を示す目標の曲線（ＦＥ曲線という）が与えられたとき、前記光束分割素子の分割領域形状および前記２分割受光素子に対する前記スポットの位置等の複数のパラメータを変化させた単独のスポットによる複数のＦＥ曲線をシミュレーションによって作成し、該複数のＦＥ曲線を組み合わせて目標のＦＥ曲線に近い曲線を得ることによって前記複数のパラメータを確定する光ピックアップ装置設計方法を特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記ＦＥ曲線がゼロクロスになるよう、前記単独のスポットによる複数のＦＥ曲線を組み合わせることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に記載の発明では、請求項６または７に記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記ＦＥ曲線のフォーカスサーボが適用可能な範囲の両端近傍の感度を中心部の感度と同等かそれ以上に高くなるよう前記単独のスポットによる複数のＦＥ曲線を組み合わせることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項６ないし８のいずれか１つに記載の光ピックアップ装置設計方法において、前記目標のＦＥ曲線から前記単独のスポットによるＦＥ曲線の１ないし複数の曲線のデータを差し引いた残りの曲線に近い複数の曲線から内挿して前記複数のパラメータを確定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、光ピックアップ装置におけるフォーカス信号を示すＦＥ曲線を、目標の形状にするために、ホログラムからなる光束分割素子の分割領域の形状および２分割受光素子上に焦点を結ぶときのスポットの位置等の設計値を定める構成および方法を示したので、試行錯誤法によらず、所望のＦＥ曲線を得る上記設計値が容易に得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明のフォーカシング用光束分割素子の１実施形態を説明するための図である。
同図において符号ｅ１〜ｅ４、ｆ１〜ｆ４はフォーカシング用光束分割素子、Ｐ１〜Ｐ４はスポットをそれぞれ示す。
図２は本発明の１実施形態から得られる個別のフォーカス信号を説明するための図である。
同図において符号Ｇ１〜Ｇ４はそれぞれスポットＰ１〜Ｐ４単独によるフォーカス信号の曲線を示す。
図３は本発明の１実施形態の合成のフォーカス信号を説明するためのグラフである。
同図において符号Ｇ０はフォーカス信号Ｇ１〜Ｇ４を合成した曲線を示す。
図１に示すように、ＡＢ領域をほぼ扇形に８分割し、それぞれｅ１〜ｅ４、ｆ１〜ｆ４とする。ｅ１〜ｅ４とｆ１〜ｆ４とは同図において左右対称に設定されている。それぞれの分割領域はホログラムを形成しており、独自の偏向方向を与えられている。それによって、ｅ１とｆ１は同一スポットＰ１を形成し、ｅ２とｆ２は同一スポットＰ４を形成し、ｅ３とｆ３は同一スポットＰ２を形成し、ｅ４とｆ４は同一スポットＰ３を形成する。この対称軸の方向は光ディスクの接線方向に向いている。これによって、対物レンズ移動等の光ピックアップ動作による入射光束の横方向へのずれを解消して、動作中の変動の小さいフォーカス信号を生成できる。
ここでいうホログラムとは、基本的には平行細線からなる回折格子を意味する。ただし、２光束干渉法によるホログラムを使うことを排除するものではない。
スポットＰ１〜Ｐ４は等間隔に配置されているものとする。なお、同図は円形の光束分割素子３０８の中心を通るように分割線Ｘ１を示しているが、必ずしも中心を通らなくても構わない。例えば同図に１点鎖線で示す分割線Ｘ２、あるいはＸ３より下をＣ、Ｄ領域とし、上側をＡＢ領域とすることもできる。このとき、ＡＢ領域の複数分割は、それぞれが扇形になるとは限らず、いろいろな分割方法がある。ただし、扇形に分割すると組み付け工程で入射光の中心がずれたような場合でも、複数のスポットから生成されるフォーカス信号の変動を小さくすることができる。また、扇形に形成することによって、２分割受光素子の分割線に直交する方向に関してそれぞれのスポットの開口数が異なり、それによって、デフォーカスに起因する受光素子の出力変化が多様になり、所望のＦＥ曲線を得るにあたって選択枝が多くなる。
このように受光面に複数のスポットを形成すると、デフォーカスによるスポットの移動量が、受光素子のＡ、Ｂ領域分割線に対して対称でなくなるため、図２に示すように１つ１つのスポットによる個別の信号（他のスポットが無いものとした場合の信号）は必ずしもゼロクロスにならない曲線を形成する。
これらの曲線を合成すると、図３に示すように、フォーカス信号は一般にデフォーカス０の近辺で屈曲部を生じ、フォーカス信号が０にならない（ゼロクロスにならない）ことがある。このようなフォーカス信号をシステムで使う場合、デフォーカスの大きさによって、感度が大きく変動するので、制御精度にばらつきを生じ、フォーカス制御に支障をきたす。
図１および図２に示したスポットＰ１〜Ｐ４はフォーカスが正しく合ったときの様子を円で代用している。しかし、光束分割素子３０８を扇型に設定しているので、フォーカスが正しく合っているときでもスポットの形状が円形にはならない。また、デフォーカスのときはスポットの光量分布も中心対称にはならなくなる。その理由を以下に説明する。
【００１４】
図４はレーザビームの光量分布を説明するための図である。同図（ａ）は中心を通る断面における分布、同図（ｂ）は光束分割素子に到達した光束の光量分布を立体的に示す斜視図である。
同図において符号ｘ、ｙ、ｚは座標軸、Ｇは光量分布を示す曲線、Ｇｘ１、Ｇｘ２はｘｚ平面における分布曲線、Ｇｙ１、Ｇｙ２はｙｚ平面における分布曲線、Ｇｏ１、Ｇｏ２は視点から見える包絡線、Ｏは座標原点をそれぞれ示す。
同図（ａ）において、レーザビームは可干渉性であるため、通常はビームの断面形状は円形であり、ビーム内のエネルギー分布はガウス分布と呼ばれる分布曲線Ｇになる。ここではこの分布をビームの光量分布として扱う。座標軸Ｏｚがビームの中心であり、曲線Ｇを座標軸Ｏｚ（対称軸）回りに回転させた状態の分布をしている。この分布のビームを特定の形状の開口でマスクをかけると、開口を通った直後はビームの断面形状がその開口の形状に倣うが、開口から離れるに従って、光線の相互干渉により、ガウス分布に近づいていく。
同図（ｂ）において、光束が収束しながら光束分割素子３０８に到達したときの光量分布は、ガウス分布曲線Ｇを対称軸回りに回転させた回転体の形状になっている。光束が本実施形態の光束分割素子３０８を通過すると、それぞれの領域ＡＢ、Ｃ、Ｄに対応して進行方向を変えられて、それぞれに対応する受光素子に向かう。ＡＢ領域はさらに２個ずつ組になった４組、合計８個の領域に分割されており、それぞれの組が互いに僅かずつ方向を変えられてＰＤＡ、ＰＤＢからなるフォーカシング用２分割受光素子３０９へ向かう。
【００１５】
図５は半円形の開口による光束の状態を示す側面図である。同図（ａ）は集光点が受光素子面に一致している場合（この状態を合焦という）、同図（ｂ）は分割素子から見て受光素子より遠い側に集光点が移動した場合、同図（ｃ）は分割素子から見て受光素子より近い側に集光点が移動した場合、をそれぞれ示す図である。ただし、同図のデフォーカス量は、理解を容易にするため数百倍に誇張して示してあり、実際の情報読み取り機器におけるデフォーカス量は±１０μｍ程度である。
同図は図４（ｂ）に示した座標系において、ｙｚ平面を紙面に一致させた状態を示している。フォーカシング用受光素子３０９は、同図に示すように、分割線が紙面に垂直になるよう（ｘ軸方向に）設定されている。受光素子の感度は場所によらず一定であるとすれば、光束の分布が紙面に垂直な方向（ｘ軸方向）でどのようになっていようとも、同図における左右方向（ｙ軸方向）における分布で受光素子に発生する電気出力が決まる。したがって、ＦＥ出力を考えるときは、光量分布をｘ軸方向に圧縮した（積分した）状態でｙ軸方向の分布だけを見ればよいことになる。
同図において符号ＪＦは受光面上における集光点を含む平面（これを焦点面と呼ぶ）、ＦＦは分割素子から見て受光素子より遠い側にできた焦点面、ＮＦは分割素子から見て受光素子より近い側にできた焦点面、Ｌ０は軸光線、ＬＭは外側光線、Ｐはそれぞれの場合における受光素子面における光束のスポットをそれぞれ示す。なお、煩雑さを避けるため、同図（ｂ）、（ｃ）においては紛れるおそれのない部分については符号を省略した。
分割素子３０８への収束性の入射光束は、分割素子３０８によって収束性の度合いを変えられたり、進行方向を変えられてＰＤＡ、ＰＤＢからなる受光素子３０９へ向かう。同図では説明を簡略化するため、合焦の状態のとき、光線は直進するように設計されているとする。
【００１６】
同図（ａ）において、フォーカシング用のＡＢ領域を通過する入射光束は半円形である。半円の扇の要にあたる分割素子３０８の中心Ｏ（図４における座標原点Ｏと同じ位置）を通る光線（これを軸光線Ｌ０と呼ぶ）は分割素子３０８の平面に垂直に通過し、２分割受光素子３０９の中央部（分割線の中央）を通る。半円の円弧の頂点を通る光線（これを外側光線ＬＭと呼ぶ）は、焦点面ＪＦで軸光線と交わるように出射する。したがって、受光素子上にできる光束のスポットＰは原理的には点にしかならない。しかし、レーザ光を用いて収束させる場合、光束自身の可干渉性によって、焦点位置において、ある大きさのビームウェストと呼ばれる断面のエネルギ分布がガウス分布をなす円ないし楕円形のスポットを形成するので、合焦位置においてスポットはＰＤＡ、ＰＤＢの両方に少しずつかかり、両者に電気的出力を発生させる。光束分割素子の形状が円形でない場合は、ビームウェストの形状も円形にならない。扇形のように幅が長さよりかなり小さい場合、ビームウェストは逆に幅に対応する方向が大きくなり、長さに対応する方向が短いほぼ楕円状になる。
同図（ｂ）はいわゆる後ピンと呼ばれる状態を示している。このとき、軸光線Ｌ０の進行方向は変化せず、外側光線ＬＭは焦点面ＦＦ上で軸光線Ｌ０と交わるように方向が変えられる。受光素子３０９上で両光線に挟まれる範囲がスポットＰとなるので、光束は受光素子ＰＤＡに電気的出力を生じ、ＰＤＢには殆ど出力を生じない。
同図（ｃ）はいわゆる前ピンと呼ばれる状態を示している。このときは同図（ｂ）と逆に、受光素子ＰＤＢに電気的出力を生じ、ＰＤＡには殆ど出力を生じない。
このような構成で焦点面が後ピンから合焦を経て前ピンに到るまで移動するとき、２分割受光素子、３０９からのＦＥ信号である出力差Ａ−Ｂは、正の最大値から、０を経て、負の最大値まで変化する。合焦位置におけるスポットの大きさによって、０を経由するときのデフォーカス量に対する変化率（グラフにおける勾配）は変わる。同じ光量においてスポットの大きさを大きく設計すると、光量のピーク値は小さくなるので変化率は小さくなり、グラフの勾配は緩やかになる。
【００１７】
図６は図１に示した実施形態に対応する光束の状態を説明する側面図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図５におけるそれらと同様である。
符号の定義は基本的に図５のそれと同様であり、同図（ｂ）、（ｃ）においても、紛れるおそれのない部分は符号を省略した。
本実施形態では、合焦における受光素子面上の４個のスポットＰ１〜Ｐ４の大きさを同じにし、位置を等間隔に設定している。ここでスポットのサイズを言うときはスポットのエネルギにおいてピーク値に対して１／ｅ２になる範囲を言うものとする。
同図（ａ）において、それぞれのスポットに対応する軸光線Ｌ０は、分割素子３０８の細分化された領域ｅ１〜ｅ４、ｆ１〜ｆ４によって、スポットＰ１〜Ｐ４の中心に到るように方向が変えられる。それぞれのスポットに対する出射光束の外側光線の分割素子３０８における位置は、それぞれの扇形のｙ座標の最大値によって決まる。スポットＰ１に対する外側光線ＬＭ（Ｐ１）が最も外側になり、スポットＰ３に対する外側光線ＬＭ（Ｐ３）が最も軸光線Ｌ０に近くなる。それぞれの外側光線は合焦面ＪＦにおいて対応する軸光線Ｌ０と交叉するように進む。
この実施形態では、合焦時点において、スポットＰ１とＰ２は主として受光素子ＰＤＡに出力を発生し、スポットＰ３とＰ４は主として受光素子ＰＤＢに出力を発生する。
【００１８】
同図（ｂ）は後ピン状態における光束の様子を示している。焦点面が変化しても各軸光線Ｌ０の方向は変化しない。各スポットに対応するｙｚ平面における光束の広がりが異なるので、この断面におけるスポットＰ１〜Ｐ４の大きさはそれぞれ異なる。原理的には、前記扇形のｙ座標の最大値にほぼ比例する。ただし、それぞれの扇形は面積的に等分したものとしているので、それぞれのスポットに含まれる光量は互いに等しい筈である。したがって、スポットの大きさが大きい場合は最大光量（ピーク値と呼ぶことがある）が小さく、スポットの大きさが小さい場合は最大光量が大きくなっている筈である。後ピン状態においても、合焦状態とほぼ同様に、スポットＰ１とＰ２は主として受光素子ＰＤＡに出力を発生し、スポットＰ３とＰ４は主として受光素子ＰＤＢに出力を発生する。
同図（ｃ）は前ピン状態における光束の様子を示している。この状態では、スポットＰ１とＰ２は受光素子ＰＤＡと受光素子ＰＤＢの双方に出力を発生し、スポットＰ３とＰ４は主として受光素子ＰＤＢに出力を発生する。
したがって、本実施形態におけるＦＥ信号は、主としてスポットＰ１とＰ２の位置変化により得られるものと考えられる。しかし、同図において、デフォーカスに対するスポットの大きさの変化とともに、ｙｚ平面での光量分布も大きく変化し、必ずしも単純ではない。
【００１９】
図７は細分化領域のｙｚ平面に対する光量分布を説明するための図である。同図（ａ）は受光素子に寄与する光量分布の算出手順を説明するための図、同図（ｂ）は光束分割素子ｆ２の受光素子に対する光量分布を示す図である。
同図において符号Ｇ１、Ｇ２は扇形半径部に対応するガウス分布曲線、ｙｋは任意ｙ座標、ｘ１、ｘ２はの扇形の両半径部のｙｋにおけるｘ座標、Ｚ１、Ｚ２はそれぞれ座標（ｘ１、ｙｋ）、（ｘ２、ｙｋ）におけるガウス分布曲線の値、ＧｙｋはＺ１、Ｚ２を結ぶ回転ガウス分布曲面上の曲線をそれぞれ示す。
図４に示したように、光束分割素子に到った収束光束は回転ガウス分布に相当するエネルギ分布を有している。この光束が、扇形の開口を有する光束分割素子を通過するとき、ｙｚ平面に対するエネルギ分布を領域ｆ２について調べてみる。
回転ガウス分布曲面と扇形ｆ２で囲まれる立体の体積が扇形の開口ｆ２を通過する光量であると考える。
任意のｙの値をｙｋとし、ｙｋにおけるｘｚ平面が上記立体と共有する面、すなわち、図７（ａ）におけるｙｋ、Ｚ１、Ｚ２、Ｇｙｋで囲まれる面、の面積Ｓｙｋが座標ｙｋにおける光量になる。ｙｋが定まると、ｘ１、ｘ２が定まり、原点Ｏからの距離が定まる。ガウス分布は数式で与えられるので、Ｚ１、Ｚ２、およびＧｙｋは算出可能となり、ｙｋを固定としてｘをｘ１からｘ２まで積分すればＳｙｋが得られる。このようにして、ｙを０からｙの最大値ｙmaxまで求めれば、同図（ｂ）に示すような曲線が得られる。扇の要の位置がエネルギとしては最も高いが、扇の面積的には最も小さい部分なので光量はさほど大きくならない。逆にｙmax近傍は扇の面積的には大きい部分であるが、ガウス分布曲線の値が小さくなるためこれも大きな値にはならない。したがって、両者の中間部に最大の光量の値が存在する。この例では光束分割素子の領域ｆ２について考えたが、領域が変わると扇形の傾斜方向が変わるので、最大光量の位置（ピーク位置と呼ぶことがある）もそれに応じて異なってくる。
フォーカシング用２分割受光素子のＡ領域、Ｂ領域にどのような光量が入るかを知るには、焦点近傍におけるスポットに関し、上記のようなｙｚ面に対する光量分布を調べればよい。以下ｙｚ面に対する光量分布をｙ方向の光量分布、あるいは単に光量分布と呼ぶ。
【００２０】
図８は光束分割素子ｅ１、ｆ１領域とその開口を通過する光量分布を示す図である。同図（ａ）は開口形状、同図（ｂ）は光量分布をそれぞれ示す図である。
図９はデフォーカスによるスポット形状の変化と各光量分布を示す図である。同図（ａ）、（ｂ）は正のデフォーカス、同図（ｃ）は合焦、同図（ｄ）、（ｅ）は負のデフォーカスをそれぞれ示す図である。なお、開口の形状が扇形であるため、スポットの形状は複雑になるが、同図では楕円形で代用してある。同図の破線は参考のために開口部の位置と形状を示すもので、スポットの大きさとの比例関係はない。
同図において符号Ａは開口部、Ｂは光束断面形状、Ｇは光量分布曲線をそれぞれ示す。
図８（ｂ）に示す曲線Ｇ０は、図７（ｂ）に示す曲線を得た方法と同様にして求めたものである。
図９（ａ）は合焦位置に比較的近いデフォーカス位置（デフォーカス量Δｆ＝Δｚａとする）での一般的状態を示している。同図において、光束は収束点に向けて断面が小さくなって行くが、断面の形状Ｂａは幾何光学的には開口部の形状を保っているはずである。しかしながら、前述のように、レーザ光束が可干渉性であるため、断面の形状Ｂａは輪郭が不鮮明になり、ガウス分布の楕円に近づいていく。このときのｙ方向の光量分布は曲線Ｇａの様になる。
同図（ｂ）はさらに合焦位置に近づいた時（デフォーカス量Δｆ＝Δｚｂとする）の一般的状態を示している。合焦点に近いと光束の断面の形状Ｂｂは、幾何光学的成分よりも光束の相互干渉による成分の方が支配的になり、長さと幅の方向が逆転する。このときの光量分布は曲線Ｇｂの様になる。
同図（ｃ）において、レーザ光束の可干渉性により、合焦位置（デフォーカス量Δｆ＝０）の断面形状Ｂｃはビームウェストと呼ばれ、開口の長さ方向と直交する方向に長く伸びるほぼ楕円形となる。同図では誇張して示してある。このときの光量分布は曲線Ｇｃの様になる。
同図（ｄ）、（ｅ）は合焦点を過ぎた状態（デフォーカス量をそれぞれΔｆ＝Δｚｄ、Δｆ＝Δｚｅとする）を示しているが、合焦点近傍における光束断面の形状は、合焦点の前後においてほぼ対称的な変化を示す。
【００２１】
図１０はデフォーカス量変化と受光素子出力の関係を説明するための図である。同図（ａ）はデフォーカス量変化と光量分布の関係を説明するための図、同図（ｂ）はＦＥ曲線を示す図である。
同図において符号ＤＺは受光素子の不感帯を示す。
同図（ａ）において、横軸をｙ軸とし、座標原点は２分割受光素子の中心とする。２分割受光素子の中間部には若干の幅で受光素子が存在しない領域（不感帯）ＤＺがある。不感帯ＤＺより右側を受光素子のＡ領域、左側を同Ｂ領域とする。いま、合焦におけるスポットの中心が受光素子の中心から距離ｙ０だけ離れているとする。
合焦時におけるスポットＰｃの光量分布曲線Ｇｃは、ｙ＝ｙ０にピーク位置を有し左右ほぼ対称形になる。この意味でｙ＝ｙ０を対称軸と呼ぶ。これに対し、Δｚｂだけ正方向にデフォーカスされたスポットＰｂの光量分布曲線Ｇｂはピーク位置が同図において右の方に若干移動し、ピーク値は曲線Ｇｃよりも小さくなる。その代わり、スポットの大きさ（幅と呼ぶ）は広がり、曲線Ｇｂは曲線Ｇｃの両外側に裾引き部を有する。負方向にデフォーカスされた場合はデフォーカス量の絶対値が等しい場合、前記対称軸に関し、正方向デフォーカスの場合とほぼ対称な光量分布曲線になる。
【００２２】
ＦＥ信号はＰＤＡとＰＤＢの出力差であるから、同図におけるＰＤＡ領域とＰＤＢ領域のそれぞれにかかる光量分布曲線下の面積の差として算出できる。デフォーカスと共に、光量分布曲線の形状が変化していくので、中間の状態の曲線は省略するが、従来例で説明下のと同様に、デフォーカス量０付近では、不感帯ＤＺにかかる曲線の光量値でＦＥ曲線の勾配がほぼ定まる。デフォーカス量が大きくなり過ぎると、ピーク位置の移動量に比べて曲線の幅の広がりの方が大きくなり、ＰＤＡ領域とＰＤＢ領域の出力の差が小さくなって行き、ＦＥ曲線の勾配が負になっていく。
このようにして求めたのが同図（ｂ）に示す曲線Ｇである。曲線Ｇは図２（ｂ）において曲線Ｇ１として示した曲線に相当する。
【００２３】
図１１および図１４は他の開口における光量分布を示す図である。
図１２および図１５は他の開口に対するデフォーカスによるスポット形状の変化と各光量分布を示す図である。
図１３および図１６は他の開口に対するデフォーカス量変化と受光素子出力の関係を説明するための図である。
これらの図は開口ｅ２、ｆ２、および開口ｅ４、ｆ４に対する光量分布およびＦＥ曲線を示している。それぞれは開口の形状以外は、図８ないし図１０において説明したのと同様なので詳細な説明は省略する。なお、開口ｅ３、ｆ３に関しては上記の図から内挿で推定きるので図示は割愛した。
図３に示したＦＥ曲線は、図１０（ｂ）、図１３（ｂ）、図１６（ｂ）に示したような単独のスポットによるＦＥ曲線を合成したものとして得ることができる。
これら単独のスポットによるＦＥ曲線は、当然のことながら、光束分割素子の分割領域、すなわち開口、の位置や形状の違い、および、受光素子上のスポットの配置位置で変化する。それぞれのＦＥ曲線は以上に説明したようなシミュレーションにより求めることができる。したがって、それらの曲線を合成した結果も計算上で知ることができる。
【００２４】
図１７ないし図１９は設計上目標とするＦＥ曲線の例をそれぞれ示す図である。
図１７のＦＥ曲線Ｇ０はゼロクロスを条件とし、ＦＳＲの大きさを特に気にしない場合を示す。
このような要求の場合には例えば図２においてスポットＰ２の位置をより中央部に近い側に設定することで、曲線Ｇ２は若干形が変わるが、縦軸の切片が横軸に大きく近づき、ゼロクロスを達成することができる。どの位置に設定すべきかは、シミュレーションで定めることができる。１つの方法として、予め複数のスポット位置を設定してＦＥ曲線を求めておく。そして目標の曲線（図１７のＧ０）から既知の曲線（図２のＧ１、Ｇ３、Ｇ４）のデータを差し引けば必要な曲線が得られる。予め作っておいた曲線の中からゼロクロスを条件にこの曲線に最も近い曲線を選ぶ。丁度よい曲線が無い場合は近い曲線から内挿することによってスポットの設定位置を定めることができる。
【００２５】
図１８のＦＥ曲線Ｇ０はゼロクロスの他に、ＦＳＲを大きくした曲線である。
このような要求の場合には例えば図２においてスポット間隔を少し広げ、それぞれの曲線の勾配が急な部分がｙ方向において互いに重複しないようにする。間隔をあけすぎると図１８に示すように若干階段状になるが、正の勾配があまり小さくならない範囲であれば、実用上はあまり問題にならない。
図１９のＦＥ曲線Ｇ０はゼロクロスの他に、ＦＳＲを大きくし、その両端部に近い部分で勾配をゼロクロス点での勾配と同等かそれより大きく（感度を高く）した曲線である。
このような要求の場合には、例えば、図２において、光束分割素子のｅ１、ｆ１、およびｅ２、ｆ２の面積配分をｅ３、ｆ３、およびｅ４、ｆ４のそれより大きくする。そして図１８の説明に示したような方法を用いることによって、目標の曲線Ｇ０を得ることができる。ここでＦＳＲの両端部といったのは、ＦＳＲの端部から見てＦＳＲの幅の４分の１以内の範囲を言うが、厳密な意味はない。
なお、目標の曲線Ｇ０を得る方法として図２の例を変形する方法で説明したが、実際には任意の作成可能な開口形状を用いて解決することが可能である。例えば、任意の開口形状と任意のスポット位置についてＦＥ曲線を予め求めておくことにより、それぞれのパラメータの変化とＦＥ曲線の形状変化との関係を掴んでおけば、実際に物を作って試行錯誤的に設計値を定めることなく、要求に応じて計算上で設計値を定めることができる。
光束分割素子の分割の仕方は扇形に限らず、任意の形状が可能である。また分割数も、例ではスポット数を４個としたが、２個以上であれば組み合わせによってＦＥ曲線の形状を変化させることができる。３個以上とした場合、設計の都合によってはその内の２個が同一位置にスポットを形成することになる場合も有りうる。要するに少なくとも２個のスポットが受光素子のｙ方向において異なる位置になっていればよい。
【００２６】
以上説明したように、本発明では、装置のフォーカシング特性上重視されるＦＥ曲線を先に定めることによって、そのＦＥ曲線を満足させるための光束分割素子の分割の仕方、２分割受光素子へ入射するスポット位置等の設計値を容易に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のフォーカシング用光束分割素子の１実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明の１実施形態から得られる個別のフォーカス信号を説明するための図である。
【図３】本発明の１実施形態の合成のフォーカス信号を説明するためのグラフである。
【図４】レーザビームの光量分布を説明するための図である。
【図５】半円形の開口による光束の状態を示す側面図である。
【図６】図１に示した実施形態に対応する光束の状態を説明する側面図である。
【図７】細分化領域のｙｚ平面に対する光量分布を説明するための図である。
【図８】光束分割素子ｅ１、ｆ１領域とその開口を通過する光量分布を示す図である。
【図９】デフォーカスによるスポット形状の変化と各光量分布を示す図である。
【図１０】デフォーカス量変化と受光素子出力の関係を説明するための図である。
【図１１】光束分割素子ｅ２、ｆ２領域とその開口を通過する光量分布を示す図である。
【図１２】デフォーカスによるスポット形状の変化と各光量分布を示す図である。
【図１３】デフォーカス量変化と受光素子出力の関係を説明するための図である。
【図１４】光束分割素子ｅ４、ｆ４領域とその開口を通過する光量分布を示す図である。
【図１５】デフォーカスによるスポット形状の変化と各光量分布を示す図である。
【図１６】デフォーカス量変化と受光素子出力の関係を説明するための図である。
【図１７】設計上目標とするＦＥ曲線の例を示す図である。
【図１８】設計上目標とするＦＥ曲線の例を示す図である。
【図１９】設計上目標とするＦＥ曲線の例を示す図である。
【図２０】ピックアップ光学系の照明系を示す簡略図である。
【図２１】ホログラムによる光束分割素子の作用を説明するための図である。
【図２２】ホログラムによる光束分割素子の構成を説明するための図である。
【図２３】フォーカス信号を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
３０８      光束分割素子
３０９      ２分割受光素子
Ｇ０      ＦＥ信号曲線
Ｐ      光束スポット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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