(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を往復光路分離素子および対物レンズを経て厚さ方向に複数の記録層を有する多層記録媒体の所望の記録層に集光させ、該多層記録媒体からの戻り光を上記対物レンズを経て上記往復光路分離素子で往路と分離して、該多層記録媒体の戻り光から上記所望の記録層の戻り光を光検出器で選択的に受光するようにした光ピックアップ装置において、
上記光検出器の受光面側に金属薄膜からなる表面プラズモン共鳴膜を設け、
該表面プラズモン共鳴膜に、上記所望の記録層からの戻り光が平行光束で所定の入射角で入射して表面プラズモン共鳴するように上記多層記録媒体からの戻り光を入射させて、上記表面プラズモン共鳴膜で表面プラズモン共鳴した上記所望の記録層からの戻り光のみを上記光検出器で選択的に受光するよう構成したことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項２】
上記多層記録媒体からの戻り光を上記表面プラズモン共鳴膜に対してＰ偏光で入射させるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置。
【請求項３】
上記往復分離素子と上記表面プラズモン共鳴膜との間の戻り光路中に、ビームエキスパンダを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光ピックアップ装置。
【請求項４】
上記表面プラズモン共鳴膜を回動させて上記所望の記録層からの平行光束の戻り光に対する傾き角を調整する回動機構を設けたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光ピックアップ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚さ方向に複数の記録層を有する多層記録媒体から情報を再生する光ピックアップ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光ピックアップ装置として、例えば特開平８−１８５６４０号公報に記載されているものがある。この光ピックアップ装置では、半導体レーザからのレーザ光をコリメータレンズで平行光束とした後、ビームスプリッタで反射させて対物レンズにより多層光ディスクの所望の記録層に集光させ、多層光ディスクからの戻り光を対物レンズを経てビームスプリッタを透過させた後、絞りレンズのフォーカス位置に配置したピンホールに入射させ、これにより所望の記録層からの戻り光のみをピンホールを透過させるようにして、その透過光を光検出器で受光して所望の記録層に記録された情報を再生するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した光ピックアップ装置におけるように、多層記録媒体からの戻り光のフォーカス位置にピンホールを配置して所望の記録層からの戻り光を選択して取り出すコンフォーカル構成にあっては、ピンホール径を微小にする必要があるため、ピンホール自体の作製が困難になると共に、装置組み立ての際のピンホールの位置合わせが困難になるという問題がある。
【０００４】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、ピンホールを用いることなく簡単に作製および組み立てることができ、所望の記録層からの戻り光のみを選択して受光できる光ピックアップ装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に係る発明は、光源からの光を往復光路分離素子および対物レンズを経て厚さ方向に複数の記録層を有する多層記録媒体の所望の記録層に集光させ、該多層記録媒体からの戻り光を上記対物レンズを経て上記往復光路分離素子で往路と分離して、該多層記録媒体の戻り光から上記所望の記録層の戻り光を光検出器で選択的に受光するようにした光ピックアップ装置において、
上記光検出器の受光面側に金属薄膜からなる表面プラズモン共鳴膜を設け、
該表面プラズモン共鳴膜に、上記所望の記録層からの戻り光が平行光束で所定の入射角で入射して表面プラズモン共鳴するように上記多層記録媒体からの戻り光を入射させて、上記表面プラズモン共鳴膜で表面プラズモン共鳴した上記所望の記録層からの戻り光のみを上記光検出器で選択的に受光するよう構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項１に係る発明によると、バックグランド光となる所望の記録層以外の記録層からの戻り光は、表面プラズモン共鳴膜に対して収束または発散して入射するので、これらのバックグランド光は表面プラズモン共鳴を起こすことなく表面プラズモン共鳴膜で反射され、表面プラズモン共鳴膜で表面プラズモン共鳴した所望の記録層からの戻り光のみが電場増強されて光検出器に選択的に入射することになる。したがって、ピンホールを用いるコンフォーカル光ピックアップ装置の場合と比較して簡単に作製および組み立てることが可能となる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光ピックアップ装置において、上記多層記録媒体からの戻り光を上記表面プラズモン共鳴膜に対してＰ偏光で入射させるよう構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明によると、Ｐ偏光が持つ表面プラズモン共鳴膜に垂直な振動電場成分により表面電荷を励起して実効的な縦波成分を作り出すことができるので、所望の記録層からの戻り光による表面プラズモン共鳴が大きくなり、光検出器に入射する戻り光の強度が大きくなるので、その出力に基づいて検出される情報信号のＳＮ比を高めることが可能となる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、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、上記往復分離素子と上記表面プラズモン共鳴膜との間の戻り光路中に、ビームエキスパンダを設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に係る発明によると、多層記録媒体からの戻り光がビームエキスパンダにより拡大されて表面プラズモン共鳴膜に入射するので、多層記録媒体の記録層間隔が狭い場合でも、表面プラズモン共鳴膜に入射する隣接記録層からのバックグランド光の入射角が、表面プラズモン共鳴を起こす角度から大きくずれることになる。したがって、バックグランド光がより確実に除去され、よりＳＮ比の良好な情報信号を得ることが可能となる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項１，２または３に記載の光ピックアップ装置において、上記表面プラズモン共鳴膜を回動させて上記所望の記録層からの平行光束の戻り光に対する傾き角を調整する回動機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に係る発明によると、光学部品の取り付け誤差や温度による屈折率変化、あるいは光源の熱による出射光の波長変動により表面プラズモン共鳴膜に対する所望の記録層からの戻り光の入射角が変化しても、その入射角を回動機構により所定の角度に調整することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明で利用する表面プラズモン共鳴現象について説明する。
【００１４】
表面プラズモン共鳴現象は、物体の表面でのみ伝搬する光で、通常、プリズムや回折格子を用いた特殊な条件において発生し、現在、ＤＮＡセンサや、分子認識センサの基本技術として利用されている。また、特開２０００−９９６８１号公報には、表面プラズモン共鳴現象が特定の屈折率においてのみ発生することを利用して、カードや金券等の情報記録媒体の真偽を判別する識別方法が提案されている。
【００１５】
図８は、表面プラズモン共鳴現象を説明するための図である。金、銀、白金、銅、アルミニウム等からなる金属薄膜５１の一方の面に誘電体５２を配置し、他方の面にプリズム５３を密着させて、プリズム５３を通して金属薄膜５１にレーザ光５４を全反射の条件で入射させ、その反射光を検出器５５で受光するようにすると、特定の入射角のときに金属薄膜５１内にエバネッセント場が染み出し、このエバネッセント場に励起されて誘電体５２側に金属中の電荷の疎密波、すなわち表面プラズモン５６が発生して金属薄膜５１の反射率が急激に低下し、検出器５５に入射する反射光が減少する。
【００１６】
ここで、金属薄膜５１の誘電率をε１、誘電体５２の誘電率をε２、レーザ光５４の角速度をω、光速をｃとすると、表面プラズモンの波数ｋｓｐは、
【数１】
ｋｓｐ＝（ω／ｃ）｛ε１ε２／（ε１＋ε２）｝１／２    ・・・（１）
で表わされる。
【００１７】
また、プリズム５３中のエバネッセント場の波数ベクトルｋ１は、
【数２】
ｋ１＝（ω／ｃ）ｎ３    ・・・（２）
となる。ただし、ｎ３はプリズム５３の屈折率で、プリズム５３の誘電率をε３とすると、ｎ３２＝ε３である。
【００１８】
表面プラズモン共鳴現象は、波数ベクトルｋ１の金属薄膜５１の表面方向成分ｋ１sinαｓｐが、
【数３】
ｋ１sinαｓｐ＝ｋｓｐ    ・・・（３）
となる特定の入射角αｓｐのときに発生し、そのときに図９に反射光強度と入射角度との関係を示すように、反射率が急激に低下して反射光強度が減少する鋭い共鳴現象が現れる。この表面プラズモン共鳴現象が励起される特定の入射角αｓｐは、上記（１）〜（３）式から、
【数４】
αｓｐ＝sin−１（１／ｎ３）・｛ε１ε２／（ε１＋ε２）｝１／２・・・（４）
となる。なお、誘電体５２は空気でも良く、この場合、誘電率ε２は１となる。
【００１９】
表面プラズモン共鳴現象は、その特徴の一つとして電場を増強する効果がある。すなわち、図１０に入射電場に対する界面と垂直方向のプリズム表面近傍の電場強度分布を示すように、金属／誘電体界面では電場強度が入射場のそれと比較して非常に大きくなり、プリズムから離れるに従って指数関数的に減少する。
【００２０】
この電場増強効果について、例えばOPTICS LETTERS/Vol.21,No.22/November 15,1996 pp.1848-1850には、プリズムの材質をＢＫ−７、金属薄膜を厚さ４８ｎｍの銀薄膜とし、レーザ光を波長８００ｎｍとして入射角４２．３７度で表面プラズモンを励起させると、入射強度にして約３００倍に増強されることが示されている。
【００２１】
このように、表面プラズモン共鳴現象を用いることで、特定の入射角で金属薄膜に入射した光を非常に大きく電場増強することができる。
【００２２】
本発明は、上述した表面プラズモン共鳴現象による電場増強効果を利用して、多層記録媒体の所望の記録層からの戻り光のみを受光する。
【００２３】
以下、本発明による光ピックアップ装置の実施の形態について図１〜図７を参照して説明する。
【００２４】
図１は第１実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態では、光源１からの読み取り光をコリメータレンズ２で平行光束にして偏光ビームスプリッタ３の偏光膜３ａにＳ偏光で入射させ、該偏光膜３ａで反射される光束を１／４波長板４および対物レンズ５を経て、厚さ方向に複数の記録層を有する多層記録媒体６の所望の記録層６ａに集光させる。なお、光源１は、例えば波長４０５ｎｍ〜６５０ｎｍ内の任意の波長のコヒーレント光を発するレーザ光源を用い、対物レンズ５は、公知の駆動機構（図示せず）によりフォーカスおよびトラッキング制御する。
【００２５】
所望の記録層６ａで反射される戻り光は、対物レンズ５により平行光束に戻して１／４波長板４を経て偏光ビームスプリッタ３に入射させる。ここで、戻り光は往路および復路で１／４波長板４を透過するので、偏光膜３ａにＰ偏光で入射して該偏光膜３ａを透過する。この偏光ビームスプリッタ３を透過した戻り光は、偏光ビームスプリッタ７に入射させる。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ７は、その偏光膜７ａを例えばＰ偏光透過率７０％、Ｐ偏光反射率３０％、Ｓ偏光反射率１００％に構成し、この偏光膜７ａを透過する戻り光をプリズム８を介してＰ偏光で表面プラズモン共鳴膜９に入射させて光検出器１０で受光し、その出力に基づいて所望の記録層６ａに記録されている情報信号を検出する。また、偏光膜７ａで反射される戻り光は、集光レンズ１１を経て光検出器１２で受光し、その出力に基づいて公知の方法によりフォーカス・トラッキング制御におけるサーボ信号を検出する。
【００２７】
なお、表面プラズモン共鳴膜９は、厚さが例えば１０〜１００ｎｍ程度で、金、銀、白金、銅、アルミニウム等を、スパッタリング、真空蒸着等の通常の方法で形成し、この表面プラズモン共鳴膜９を光軸に対して表面プラズモン共鳴が起きる角度に傾けてプリズム８に接触させて配置する。また、光検出器１０は、表面プラズモン共鳴膜９に接触もしくは１００ｎｍ以内に近接させて配置する。
【００２８】
上記構成によると、読み取り光が集光された所望の記録層６ａからの戻り光は、表面プラズモン共鳴膜９に対して光軸と平行な平行光束で入射するので、表面プラズモン励起により電場増強されて情報信号検出用の光検出器１０に入射する。これに対し、所望の記録層６ａに隣接した記録層からの戻り光（バックグランド光）は、表面プラズモン共鳴膜９に対して光軸と平行でなく、収束または発散して入射するので、これらのバックグランド光は電場増強されることなく表面プラズモン共鳴膜９で反射され、光検出器１０に入射することはない。
【００２９】
ここで、図１に示す構成において、多層記録媒体６における記録層の層間隔を２５μｍ、対物レンズ５のＮＡを０．８５、光源１から出射する読み取り光の波長を４０５ｎｍとしてシュミレーション検討したところ、表面プラズモン共鳴膜１１に入射する隣接記録層からの戻り光は、光軸（表面プラズモン共鳴が起きる角度）に対して最大０．９度傾くことがわかった。表面プラズモン共鳴現象は非常に狭い角度で起こるため、このように戻り光が表面プラズモン共鳴が起きる角度から０．９度ずれると、表面プラズモン共鳴は起こらない。したがって、多層記録媒体６は記録層間隔が２５μｍ離れていれば上記の現象を生じさせることができ、これにより多層記録媒体６内で読み取り光が集光する所望の記録層６ａからの戻り光のみを表面プラズモン励起により電場増強して光検出器１２で受光することができる。
【００３０】
なお、サーボ信号検出用の光検出器１２には、所望の記録層６ａからの戻り光の他にバックグランド光も入射するため、その出力にオフセットが生じるが、そのオフセット成分は読み取るべき記録層毎に予め決めた補正値で相殺補正して、所要のサーボ信号を検出する。
【００３１】
このように、表面プラズモン共鳴現象による電場増強効果を利用することにより、多層記録媒体６の所望の記録層６ａからの戻り光のみを選択的に受光することができるので、ピンホールを用いる場合に比べて作製および組み立てを簡単にできる。
【００３２】
また、戻り光をＰ偏光で表面プラズモン共鳴膜９に入射することで、表面プラズモン共鳴膜９に垂直な振動電場成分により表面電荷を励起して実効的な縦波成分を作り出すことができ、これにより表面プラズモン共鳴を大きくでき、光検出器１０に入射する所望の記録層６ａからの戻り光の強度を大きくできるので、検出する情報信号のＳＮ比を高めることができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、表面プラズモン共鳴膜９をプリズム８に接触させて配置したが、表面プラズモン共鳴膜９を剥き出しの状態で配置したり、あるいはプリズム８に代わる透明な物質に接触させて配置したりすることもできる。
【００３４】
図２は、第２実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態は、図１に示す構成において、戻り光の光路中（例えば偏光ビームスプリッタ７とプリズム８との間）に、図２に示すビームエキスパンダ２１を配置して、戻り光を拡大して表面プラズモン共鳴膜９に入射させるようにしたものである。
【００３５】
本実施の形態によると、特に、多層記録媒体６の記録層間隔が狭い場合でもバックグランド光を十分に除去でき、ＳＮ比の良好な情報信号を得ることができる。すなわち、記録層間隔が狭いと、表面プラズモン共鳴膜９に入射する所望の記録層６ａからの戻り光と、隣接記録層からの戻り光との角度差が小さいため、そのままでは隣接記録層からの戻り光も表面プラズモン増強されてバックグランド光を十分に除去できず、ＳＮ比の良好な情報信号を得ることができない場合がある。
【００３６】
これに対し、本実施の形態におけるように、戻り光をビームエキスパンダ２１で拡大して表面プラズモン共鳴膜９に入射させるようにすれば、多層記録媒体６の記録層間隔が狭い場合でも、表面プラズモン共鳴膜９に入射する隣接記録層からの戻り光の入射角を、表面プラズモン共鳴を起こす角度から大きくずらすことができるので、バックグランド光を十分に除去でき、ＳＮ比の良好な情報信号を得ることができる。
【００３７】
図３は、第３実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態は、図１に示す構成において、プリズム８、表面プラズモン共鳴膜９および光検出器１０を、軸３１を中心に回動機構３２により一体に回動可能とし、これにより光軸に対する表面プラズモン共鳴膜９の傾き角、すなわち所望の記録層６ａからの戻り光によって表面プラズモン共鳴が起きる角度を調整可能にしたものである。
【００３８】
すなわち、プリズム８等の光学部品の取り付け誤差や温度による屈折率変化、あるいは光源１の熱による出射光の波長変動によって、表面プラズモン共鳴膜９に対する光軸の傾きが変化すると、図４（ａ）に示すように所望の記録層６ａからの戻り光によって表面プラズモン共鳴が起こらなくなってしまう。
【００３９】
このような場合、本実施の形態によると、図４（ｂ）に示すように回動機構３２によりプリズム８、表面プラズモン共鳴膜９および光検出器１０を軸３１を中心に一体に回動させて、光軸に対する表面プラズモン共鳴膜９の傾きを調整することにより、所望の記録層６ａからの戻り光によって表面プラズモン共鳴を起こさせることができる。
【００４０】
ここで、多層記録媒体６からの戻り光を表面プラズモン共鳴膜９に入射させながら、プリズム８、表面プラズモン共鳴膜９および光検出器１０を回動機構３２により一体に回動させると、回動機構３２による表面プラズモン共鳴膜９の光軸に対する角度に応じて、光検出器１０に入射する戻り光の強度は図５に示すように変化し、表面プラズモン共鳴が生じる所定の角度で光検出器１０への入射強度が最大になる。したがって、回動機構３２による表面プラズモン共鳴膜９の回動調整は、光検出器１０の出力をモニタすることによって行なうことができる。
【００４１】
図６は、かかる回動機構３２を駆動して傾き調整を行なう駆動回路の一例の構成を示すブロック図である。この駆動回路では、ＣＰＵ４１によりＤ／Ａ変換回路４２を経て静電モータや電磁モータ等のアクチュエータ（ＡＣＴ）４３を駆動して表面プラズモン共鳴膜９をプリズム８および光検出器１０と一体に回動させ、そのときの光検出器１０の電流出力をＩ−Ｖ変換回路４４で電圧出力に変換した後、Ａ／Ｄ変換回路４５でサンプリングしてデジタル信号に変換してＣＰＵ４１に取り込む。
【００４２】
ＣＰＵ４１では、順次取り込まれる光検出器１０の出力を比較してそのピーク値をメモリ４６に格納する。すなわち、図７に順次のサンプリング時における光検出器１０の出力を示すように、ｎ回目に取り込まれた出力が（ｎ−１）回目に取り込まれた出力よりも大きく、かつ（ｎ＋１）回目に取り込まれた出力がｎ回目に取り込まれた出力よりも小さいときは、ｎ回目の出力をピーク値としてメモリ４６に格納する。
【００４３】
このようにして、光検出器１０から得られる出力のピーク値をメモリ４６に格納したら、例えばＡＣＴ４３によりプリズム８、表面プラズモン共鳴膜９および光検出器１０を逆回転させて、光検出器１０の出力がメモリ４６に格納されているピーク値と一致する位置に回動機構３２を位置決めする。
【００４４】
なお、このような回動機構３２による表面プラズモン共鳴膜９の光軸に対する傾き角の調整は、情報の再生に先立って、多層記録媒体６の任意の記録層あるいは所望の記録層６ａからの戻り光を利用して、一回あるいは所望の記録層を換える層ジャンプ毎に行なったり、多層記録媒体６がディスクの場合にはディスクの最外周あるいは最内周に設けられている鏡面部を利用して行なったりすることができる。
【００４５】
本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では表面プラズモン共鳴膜９をプリズム８に接触させて配置したが、プリズム８に代えて他の透明光学部材を用いたり、透明光学部材と表面プラズモン共鳴膜９との間に例えばクロム膜を介在させて透明光学部材と表面プラズモン共鳴膜９との密着性を向上させたり、あるいはこのような透明光学部材を省略したりすることもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光検出器の受光面側に金属薄膜からなる表面プラズモン共鳴膜を設け、該表面プラズモン共鳴膜に多層記録媒体からの戻り光を、所望の記録層からの戻り光が平行光束で表面プラズモン共鳴するように入射させ、これにより表面プラズモン共鳴した所望の記録層からの戻り光のみを光検出器で選択的に受光するようにしたので、多層記録媒体からの戻り光を収束してピンホールにより所望の記録層からの戻り光を選択するコンフォーカル光ピックアップ装置の場合と比較して簡単に作製および組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による光ピックアップ装置の第１実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。
【図２】  同じく、第２実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。
【図３】  同じく、第３実施の形態の光学系の要部の構成を示す図である。
【図４】  第３実施の形態の作用を説明するための図である。
【図５】  同じく、第３実施の形態の作用を説明するための図である。
【図６】  図３に示す回動機構の駆動回路の一例の要部の構成を示すブロック図である。
【図７】  図６の動作を説明するための図である。
【図８】  本発明で利用する表面プラズモン共鳴現象を説明するための図である。
【図９】  図８の金属薄膜に対する入射角度と反射光強度との関係を示す図である。
【図１０】  表面プラズモン共鳴現象による電場強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  コリメータレンズ
３  偏光ビームスプリッタ
３ａ  偏光膜
４  １／４波長板
５  対物レンズ
６  多層記録媒体
６ａ  所望の記録層
７  偏光ビームスプリッタ
７ａ  偏光膜
８  プリズム
９  表面プラズモン共鳴膜
１０  光検出器
１１  集光レンズ
１２  光検出器
２１  ビームエキスパンダ
３１  軸
３２  回動機構
【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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