(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０．９２μｍ以上であり、
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５μｍ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、前記分割電極間に０〜６Ｖの範囲で同一の電圧を印加するときの透過率の差が２％以内であることを特徴とする光ヘッド装置。
【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１０−２０２６３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０．９２μｍ以上であり、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５μｍ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、前記分割電極間に０〜６Ｖの範囲で同一の電圧を印加するときの透過率の差が２％以内であることを特徴とする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１０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２１ａ、２１ｂの液晶セルの内側表面には、電極２４ａ、２４ｂおよびシリカを主成分とする絶縁膜２５と配向膜２６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３１〜３５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、４１ｂ、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、４１ｂ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ＩＴＯ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、７μｍ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７μｍ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
【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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