(57)【特許請求の範囲】
【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の光路中に設置されて出射光の波面の位相分布を変化させて光記録媒体上における波面収差を補正する位相補正素子と、位相補正素子に前記位相分布を変化させるための電圧を供給する制御電圧発生器とを備えた光ヘッド装置であって、前記位相補正素子は鞍型に反った光記録媒体が発生する波面収差が補正できるように、それぞれ電極が形成された一対の透明な基板と、前記基板間に挟持されベンド配向された液晶層とを備えており、前記光記録媒体が回転する回転速度の４倍程度の応答速度となって前記位相補正素子の前記印加電圧が変化するように前記制御電圧発生器が構成されていることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項２】
一対の前記基板のうち少なくとも一方の基板の前記電極と前記液晶層との間に形成された配向膜の配向方向が、前記位相補正素子に入射する光線の直線偏光の方向と一致する請求項１に記載の光ヘッド装置。
【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情報記録媒体に情報の書き込み・読み取り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（半導体レーザ）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にするなどしてレーザ光のビームスポット径をＣＤの半分程度まで小さくしている。
【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以上にすることで、より高い記録密度を得ることができる。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光ディスクチルトのチルト許容量（チルトマージン）や光ディスクの厚みむらの許容量（厚みむらマージン）が小さくなる。これらのマージンが小さくなる原因は、光ディスクチルトの場合コマ収差が発生し、光ディスクの厚みむらが生じた場合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ためである。
【０００４】
高密度記録においては光ディスクチルトや光ディスク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手法が提案されている。
一つは、通常２軸駆動の対物レンズアクチュエータに対し、検出されたチルト角に応じて対物レンズを傾けるよう可動軸を追加する方式である。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。
【０００５】
他の一つは、対物レンズと光源との間に備えられた位相補正素子により波面収差を補正する方式である。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マージンや厚みむらマージンを広げることができる。この補正方式の例として、光ディスクチルトを補正する特開平１０−２０２６３がある。これは、位相補正素子の電極を分割して形成された部分電極に光ディスクチルト角に応じて電圧を印加して、位相補正素子内部の液晶のような複屈折材料の実効屈折率を変化させ、発生した位相シフト分布により光ディスクチルトに起因したコマ収差を補正するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の液晶を用いた位相補正素子では、液晶の応答速度が光ヘッド装置のアクセス速度や、光ディスクの回転速度などに比べて遅いため、比較的遅い速度で変化する波面収差補正用に用途が限定されていた。特に、タンジェンシャル方向（光ディスクの回転方向）の光ディスク厚みむらや光ディスクチルト角の変化により発生する波面収差の大きさは、光ディスクの回転速度により変化するために、従来の位相補正素子では補正できない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の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の光路中に設置されて出射光の波面の位相分布を変化させて光記録媒体上における波面収差を補正する位相補正素子と、位相補正素子に前記位相分布を変化させるための電圧を供給する制御電圧発生器とを備えた光ヘッド装置であって、前記位相補正素子は鞍型に反った光記録媒体が発生する波面収差が補正できるように、それぞれ電極が形成された一対の透明な基板と、前記基板間に挟持されベンド配向された液晶層とを備えており、前記光記録媒体が回転する回転速度の４倍程度の応答速度となって前記位相補正素子の前記印加電圧が変化するように前記制御電圧発生器が構成されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の光ヘッド装置に備えられた位相補正素子は、鞍型に反った光記録媒体が発生する波面収差が補正できるように、それぞれ電極が形成された一対の透明な基板と、一対の基板間に挟持されベンド配向された液晶とを備えている。このベンド配向された液晶は、その応答速度が通常のネマティック配向に比べ一桁程度早いため、比較的早い速度で変化する波面収差の補正用に最適である。
【０００９】
本発明の光ヘッド装置は、図２に示すような鞍型に反った光記録媒体である光ディスクを再生する際に発生する波面収差（主にコマ収差）を補正する位相補正素子を備えている。図２のような光ディスクでは、反りにより発生する光ディスクチルト角は光ディスクの回転速度の２倍の周期で変化するため、光ディスクの回転に追随して波面収差を補正するためには少なくとも光ディスクの回転速度の４倍程度の応答速度が要求される。
【００１０】
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ーザ１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により平行光束とされ、本発明におけるベンド配向された液晶を備える位相補正素子４、４分の１波長板５を透過した後、アクチュエータ７に設置された対物レンズ６により光ディスク８上に集光される。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。本発明におけるベンド配向された液晶を備える位相補正素子については、後述する。
【００１１】
半導体レーザ１から出射された光が光ディスク８により反射される際、光ディスク８上に記録された情報により振幅変調され、光検出器９により光強度信号として記録情報が読み取られる。偏光ビームスプリッタ２は例えば偏光ホログラムを備えており、偏光ホログラムの光学的異方性の方向に偏光成分を有する光を強く回折してこの回折光を光検出器９に導く。
【００１２】
位相補正素子４は光検出器９より得られる光ディスク８からの再生信号が最良になるように、制御電圧発生器である位相補正素子制御回路１０により電圧が印加され駆動される。位相補正素子制御回路１０より出力される電圧は、光ディスク８のチルト量や対物レンズのシフト量に応じたものであり位相補正素子４に印加する実効的な電圧となっている。
【００１３】
次に本発明における位相補正素子の構成を図を用いて説明する。図３に示される位相補正素子において、厚さ０．５ｍｍの例えば無アルカリガラスを用いたガラス基板２１ａ、２１ｂが、エポキシ化合物を主成分とするシール材２２により接着され液晶セルを形成している。シール材２２には例えばガラス製のスペーサと樹脂の表面に例えば金を被膜した導電性スペーサとが含有されている。
【００１４】
液晶セルを構成するガラス基板２１ａの内側表面には、電極２４ａ、シリカを主成分とする絶縁膜２５ａ、配向膜２６ａ、がガラス基板側から順に被膜されている。同様に、液晶セルを構成するガラス基板２１ｂの内側表面には、電極２４ｂ、シリカを主成分とする絶縁膜２５ｂ、配向膜２６ｂ、がこの順に被膜されている。また、液晶セルの外側表面には反射防止膜が被膜されていてもよい。
ここで、電極２４ａ、２４ｂは例えばＩＴＯ膜であり、また配向膜２６ａ、２６ｂは、例えばポリイミドをガラス基板上にスピンコート法により塗布し、焼成によって形成したポリイミド膜をラビングしたものである。
【００１５】
電極２４ａ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は前述のシール材２２に含まれている導電スペーサを通じてガラス基板２１ａ上に形成された電極と電気的に接触しており、電極２４ａと同様に電極２４ｂも電極引出部２７で位相補正素子制御回路１０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、例えば屈折率異方性（常光屈折率と異常光屈折率との差）が０．１５のツイストしていないネマティック液晶を用いる。ガラス基板２１ａとガラス基板２１ｂの間隔（液晶セル間隔）は通常６μｍ程度である。
【００１６】
配向膜２６ａ、２６ｂは図３の左から右の方向にラビングされており、電圧を印加してない状態では液晶分子２８は図３に示すようなスプレイ配向になる。実際に位相補正素子を稼動させて波面収差を補正するときは、応答速度の早いベンド配向を用いる。スプレイ配向をベンド配向に転移させるには、高電圧を一定時間印加する必要がある。
【００１７】
例えば、スプレイ配向の液晶に１０Ｖを１０秒印加することにより、全ての液晶領域でベンド配向に転移したことを確認した後、バイアス電圧Ｖｃ以上である例えば２．５Ｖまで電圧を下げる。この例では、実際のバイアス電圧は２．３Ｖであるが、ベンド配向を保持するためこの電圧よりもわずか高い２．５Ｖで止めている。
【００１８】
ここで、バイアス電圧Ｖｃは配向状態の転移電圧であり、バイアス電圧以下ではスプレイ配向が安定な状態であり、バイアス電圧以上ではベンド配向が安定な状態となる。バイアス電圧は用いる液晶材料や配向膜材料、プレチルト角などの条件により異なる値をもつ。
なお、本発明においては電圧印加によってベンド配向を実現したが、一方の基板にラビングによる配向処理を施し、他方の基板に垂直配向膜材料を塗布することによって、ベンド配向を実現してもよい。
【００１９】
次に光ディスクのチルトにより発生する波面収差を補正する原理を説明する。位相補正素子に印加する電圧を大きくすると液晶分子は電界方向に配向するため、位相補正素子に入射する光における液晶分子の配向方向成分、すなわち配向膜の配向方向に偏光した光の成分の感ずる実効屈折率は印加する電圧とともに変化して液晶の常光屈折率に近づく。そのために、この成分の光の位相は電圧値とともに変化する。
【００２０】
一方、配向膜の配向方向と直交する方向の成分の光は、印加する電圧値にかかわらず常に常光屈折率を感ずるため位相は変化しない。したがって、位相補正素子に入射する光を配向膜の配向方向に偏光した直線偏光とすることは、印加電圧の変化による位相変化を最も大きくできるので好ましい。
【００２１】
図４の状態（ａ）はスプレイ配向、状態（ｂ）と（ｃ）はベンド配向である。本発明における位相補正素子は図４の（ｂ）、（ｃ）に示すベンド配向の状態における、電圧印加に基づく実効屈折率変化δｎを利用する。ここでｄを液晶セル間隔、Ｖを印加電圧とすると位相補正素子により発生する光の位相シフトはδｎ（Ｖ）・ｄである。図５に示すように、δｎ（２．５）＝０に対して、位相シフト量が印加電圧の増加とともに減少していく。
【００２２】
一方、ベンド配向における液晶の応答速度は通常のネマティック配向に比べ一桁程度早く、これは、駆動時の液晶再配列時間が極めて小さいことに起因している。本発明における位相補正素子の応答速度は、２．５Ｖから６Ｖまでの間の各電圧での立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに２０ｍｓｅｃ以下であり、光ディスクの回転に充分追随できる速度であることがわかった。
【００２３】
ここで、立ち上がり時間は、上記電圧区間内の任意の電圧から出発して０．１Ｖ電圧を増加させたとき、最終的に到達する位相差より１０ｎｍ小さい位相差に到達するまでの時間とした。また、立ち下がり時間は、逆に０．１Ｖ電圧を減少させたとき、最終的に到達する位相差より１０ｎｍ大きい位相差に到達するまでの時間とした。
【００２４】
本発明において、位相補正素子は、例えばラディアル方向（光ディスクの半径方向）の光ディスクのチルトにより発生する、図６に示す波面収差（コマ収差）を補正する機能を有している。図中の数字、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍは、波面収差の大きさを表わしており、正は波面すなわち位相が進んだ状態、負は位相が遅れた状態を意味する。
【００２５】
この位相シフトを補正する位相補正素子の電極パターンが図７であり、図３の電極２４ａをフォトリソグラフィー技術を用いて５つの部分電極３１〜３５に分割した。部分電極３１〜３５はＩＴＯ膜で形成されており、図中実線に相当する電極間隔はエッチング法によりＩＴＯ膜が取り除かれているため部分電極３１〜３５は各々異なる電圧に設定できる。
【００２６】
図５の位相シフト量の印加電圧依存性から、部分電極３１〜３５にそれぞれ適切な電圧を印加すれば、各部分電極の液晶領域ごとに図６の波面収差を打ち消すような位相シフト分布を発生させることができる。図７の電極パターンを有する位相補正素子を組み込んだ光ヘッド装置で、図２のように反ったＤＶＤの再生を行ったところ、位相補正素子がない場合に比べ良好な再生信号を得ることができた。
【００２７】
また、本発明の光ヘッド装置は光ディスクの回転方向に分布するディスクチルト量やディスク厚みムラにより発生する波面収差を、ディスクの回転に追随して位相補正素子を制御して動的に補正させることを特徴としている。すなわち、位相補正素子制御回路１０は位相補正素子に対して、ディスク回転周波数ｆの整数倍（ｍ倍）の速度で電圧を変化させる。ここでｍ＝４である。
【００２８】
図２のように光ディスクが反っていた場合、ｍ＝４とすることで光ディスクの回転に伴うディスクチルト量の変化に対応できる。位相補正素子制御回路１０に要求される周波数帯域はディスク回転周波数ｆと前記ｍの積で表され、通常１ＫＨｚ程度あればよい。したがって、光記録媒体の回転周期に同期して位相補正素子の印加電圧が変化するように制御電圧発生器が構成されているので、光ディスクの回転に伴うディスクチルト量の変化に対応できる。
【００２９】
以上において、ラディアル方向の光ディスクチルトにより発生するコマ収差を補正する方法を述べたが、参考として補正する波面収差の種類に応じて電極パターンを変えることにより、同様にしてタンジェンシャル方向の光ディスクチルトや、光ディスク厚みむらにより生ずる球面収差を補正できる。
【００３０】
コマ収差の補正用の電極パターンの例は、上記図７に示したものである。参考として球面収差の場合は平面状の電極を同心円状の線で分割した形状の電極が好ましい。また非点収差の場合は平面状の電極を、１点を通る放射状の直線で分割した形状の電極が好ましい。
【００３１】
【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、ベンド配向状態の液晶を位相補正素子に用いることにより高速に透過光の位相シフト分布を変化させることができ、光ディスクの回転速度で変化する波面収差特にコマ収差を随時補正できる。
【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図。
【図２】光ディスクの反り形状を示す模式図。
【図３】本発明における位相補正素子の１例を示す概略断面図。
【図４】印加電圧の大きさによる液晶分子の配向状態を示す模式図であり、（ａ）スプレイ配向、（ｂ）ベンド配向、（ｃ）ベンド配向。
【図５】本発明における位相補正素子の位相シフト量と印加電圧の関係の１例を示すグラフ。
【図６】光ディスクチルトが発生したときのコマ収差分布を示す概念図。
【図７】コマ収差を補正する本発明における位相補正素子の電極パターン模式図。
【符号の説明】
１：半導体レ−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
２５ａ、２５ｂ：絶縁膜
２６ａ、２６ｂ：配向膜
２７：電極引出部
２８：液晶分子
３１〜３５：部分電極
【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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