(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向に垂直な第一主表面とそれに対向する第二主表面を有する透明な平行平板形状の基板と、
第一主表面に形成された、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料よりなる厚み方向の多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が第一主表面に平行な第一面内方向に周期的凹凸構造を有し、第一面内方向に垂直な方向には一様であるか、または第一面内方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されていて、厚み方向に入射する波長７４０ｎｍから８４０ｎｍの光に対して１／２波長板として作用することを特徴とする第一フォトニック結晶と、
第二主表面に形成された、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料よりなる厚み方向の多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が第二主表面に平行な第二面内方向に周期的凹凸構造を有し、第二面内方向に垂直な方向には一様であるか、または第二面内方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されていて、厚み方向に入射する波長７４０ｎｍから８４０ｎｍの光に対して１／４波長板として作用することを特徴とする第二フォトニック結晶からなり、
前記第一フォトニック結晶の前記第一面内方向と、前記第二フォトニック結晶の前記第二面内方向は、６０°の角度をなすように形成されていることを特徴とする光ピックアップ用１／４波長板である。
【請求項２】
前記屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料の一方が、ＳｉＯ２、ＭｇＦまたはそれらの混合物からなることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ用１／４波長板。
【請求項３】
前記屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料の他の一方が、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選ばれた一つの酸化物または前記の群から選ばれた二以上の酸化物の混合物からなることを特徴とする請求項１ないし２に記載の光ピックアップ用１／４波長板。
【請求項４】
前記透明基板が透明なガラス、ガラスセラミックスおよびセラミックスからなる群から選ばれた一つの材料からなることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光ピックアップ用１／４波長板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０nmの光について兼用可能な光ピックアップ用１／４波長板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、音楽・映像の記録再生装置やパーソナル・コンピュータ等の情報処理装置において、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、デジタル・ヴァーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ・ディスク（ＢＤ）等の光ディスクが記録媒体として広く用いられており、それら全ての光ディスクの記録再生を行うことが可能な光ディスク装置もすでに実用化され広く用いられている。
【０００３】
光ピックアップには、光ディスクに照射するレーザ光を円偏光とするために１／４波長板が用いられる。１／４波長板は、複屈折性を有する材料を用いた位相変調を行う光学素子であり、入射する直線偏光の光線を円偏光の光線に変換するという機能を有する。一方、周知のように波長板に入射した光と出射した光との位相差は波長の関数であるため、ある特定の波長の光に対して１／４波長板として機能するものであっても、入射光の波長がそれと異なる場合は、位相差が変化するという波長依存性を有しているので、位相差を１／４波長に維持できない。
【０００４】
前記のＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤは記録再生に用いる光の波長がそれぞれ７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍと異なるため、現在の光ディスク装置では、記録再生に用いられる光ピックアップを複数内蔵することにより前記三種の光ディスクに対応することが行われている。すなわち、ＣＤとＤＶＤについてはすでにそれらの使用波長について兼用可能な１／４波長板が実用化されており一つの光ピックアップで兼用することが可能になっているが、ＢＤの使用波長はＣＤ、ＤＶＤの使用波長から大きく離れているために、そのような構造をとらざるを得なくなっている。その結果、光ピックアップの部品点数が低減できず、光ピックアップの小型化、低価格化が困難になるという問題があった。
【０００５】
前記の通り、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長について兼用可能な光ピックアップ用１／４波長板が望まれており、そのための技術が提案されている。たとえば、特許文献１においては、１／２波長板と１／４波長板をそれらの光学軸を所定の角度傾けて張り合わせた構造を有する位相差板（１／４波長板）が提案されている。この例では、直線偏光の偏波方向に対して１／２波長板の光学軸を１５°、１／４波長板の光学軸を７５°傾けた状態になるように１／２波長板と１／４波長板を張り合わせた位相差板が、波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲において、直線偏光を「ほぼ完全に円偏光に変換することができる」旨が開示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された位相差板にかかる発明はポアンカレ球を用いた近似的な解析に基づくものであり、ミュラー行列やジョーンズ行列を用いた詳細な解析によって直線偏光から変換された円偏光の楕円率を計算した結果に基づいて、特許文献１に記載の位相差板は前記三波長について同時に十分な特性を示すようには設計できないと結論した例も報告されている（特許文献２）。なお、ミュラー行列やジョーンズ行列を用いた詳細な解析については、特許文献３に詳細に説明されている。
【０００７】
特許文献２においては、光ピックアップ用に使用する場合には位相差板により直線偏光が生じる位相差が特許文献１に記載の位相差板について、その特性を波長４００ｎｍから５５０ｎｍの範囲で最適化した場合や波長６００ｎｍから８５０ｎｍの範囲で最適化した場合には、最適化した範囲外波長４００ｎｍ付近から７８０ｎｍの広範囲に渡って十分な特性を有するものを設計できないと結論している。そして、特許文献２においては、前記三種類の光ディスクの使用波長について十分な性能を示す１／４波長板として、基板材料を水晶とした波長板２枚と基板材料をニオブ酸リチウムとした波長板１枚からなる積層型の１／４波長板（特許文献２の第３設計例）が開示されており、「第一の波長板、第二の波長板の基板材料として複屈折波長分散の小さな水晶」を用い、「第三の波長板の基板材料として複屈折波長分散の大きな二オブ酸リチウム」を用いて、第一の波長板（波長６００ｎｍで位相差１８０°）を面内方位角１１．５°、第二の波長板（同じく位相差１９５°）を面内方位角５６．１°および第三の波長板（同じく位相差１０３°）を面内方位角−４５．０°とした際に「波長板の特性が４８０ｎｍ程度の帯域を有し、４００〜７８０ｎｍの広帯域で楕円率が０．８以上」で「所望の１／４波長板としての波長板特性を満足」する設計例が得られた旨開示している。
【０００８】
以上のように、前記三種類の光ディスクの使用波長について兼用可能な光ピックアップ用１／４波長板を得るためには、一般的な一方向延伸樹脂フィルムや水晶位相差板を２枚積層した波長板（特許文献１）ではその特性が不十分である一方で、水晶やニオブ酸リチウムなどの光学結晶を３枚以上使用すれば十分な特性が得られるとされる（特許文献２）が、基板材料や基板数増に起因してコストが増加することや貼り合わせの際の位置あわせが難しくなることが考えられ、さらに改善が望まれる。
【０００９】
近年、フォトニック結晶を用いることにより位相差板の波長依存性を設計可能なことが知られており（例えば特許文献４に記載の１／４波長板）、かかるフォトニック結晶は例えば成膜とドライエッチングを繰り返す方法により製造可能なことが知られている（例えば特許文献５に記載の方法）。しかしながら、フォトニック結晶による波長板はその位相差の波長依存性が大きいため、単一の素子で位相差が一定の波長板を設計することは一般に困難であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−０６８８１６号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４０８０号公報
【特許文献３】特開２００７−３１１０１２号公報
【特許文献４】特開２０００−０５６１３３号公報
【特許文献５】特開２００９−１２８８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長すなわち７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍの波長を有する光に対して１／４波長板として使用可能な、安価で大量生産することができる波長板、特に光ピックアップ用波長板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、厚み方向に垂直な第一主表面とそれに対向する第二主表面を有する透明な平行平板形状の基板と、
第一主表面に形成された、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料よりなる厚み方向の多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が第一主表面に平行な第一面内方向に周期的凹凸構造を有し、第一面内方向に垂直な方向には一様であるか、または第一面内方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されていて、厚み方向に入射する波長７４０ｎｍから８４０ｎｍの光に対して１／２波長板として作用することを特徴とする第一フォトニック結晶と、
第二主表面に形成された、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料よりなる厚み方向の多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が第二主表面に平行な第二面内方向に周期的凹凸構造を有し、第二面内方向に垂直な方向には一様であるか、または第二面内方向より大きい長さの周期的または非周期的な凹凸構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されていて、厚み方向に入射する波長７４０ｎｍから８４０ｎｍの光に対して１／４波長板として作用することを特徴とする第二フォトニック結晶からなり、
前記第一フォトニック結晶の前記第一面内方向と、前記第二フォトニック結晶の前記第二面内方向は、６０°の角度をなすように形成されていることを特徴とする光ピックアップ用１／４波長板である。
【００１３】
本発明の光ピックアップ用１／４波長波長板は、厚み方向に入射する直線偏光の偏波方向に対して、前記第一面内方向を７５°傾け、前記第二面内方向を１５°傾けた状態で使用される。このとき、本発明の１／４波長板は、ＣＤとＤＶＤの記録再生波長すなわち７８０ｎｍと６５０ｎｍ、４０５ｎｍの波長を有する直線偏光に対して、９０°±１０°の位相差を与え、かつ、ＢＤの記録再生波長すなわち４０５ｎｍの波長を有する直線偏光に対して、２７０°±１０°＝（９０°＋１８０°）±１０°の位相差を与える。すなわち、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長において、単一の素子により光ピックアップ用１／４波長板を実現できる。
【００１４】
また本発明は、前記屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料の一方が、ＳｉＯ２、ＭｇＦまたはそれらの混合物からなることを特徴とする光ピックアップ用１／４波長板である。
【００１５】
また本発明は、前記屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料の他の一方が、ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選ばれた一つの酸化物たは前記の群から選ばれた二以上の酸化物の混合物からなることを特徴とする光ピックアップ用１／４波長板である。
【００１６】
また本発明は、前記透明基板が透明なガラス、ガラスセラミックスおよびセラミックスからなる群から選ばれた一つの材料からなることを特徴とする光ピックアップ用１／４波長板である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光ピックアップ用１／４波長板は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長に対して同時に使用できるものであって、特殊な材料を使用せずに大きな面積に形成可能で、かつ透明基板の両面に一体にフォトニック結晶が形成されているため軸合わせも容易であり、無機材料のみで形成することも可能であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明に用いられる第一および第二のフォトニック結晶を形成するために用いられる透明な平行平板形状の基板の形状を示す図である。
【図２】図２は本発明に用いられる第一および第二のフォトニック結晶の積層構造を示す断面図である。
【図３】図３は本発明の光ピックアップ用１／４位相板の三波長における位相差を示す図である。
【図４】図４は本発明の光ピックアップ用１／４位相板の三波長における楕円率について計算した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長すなわち７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍの波長を有する光に対して光ピックアップ用１／４波長板として使用可能な、安価で大量生産することができる光ピックアップ用波長板を提供するという目的を、実現した。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明の実施例１を説明する。
【００２１】
ＦＤＴＤ法によりフォトニック結晶の各設定波長における位相差を計算した。各設定波長において１／２波長板となる第一フォトニック結晶と１／４波長板となる第二フォトニック結晶についての位相データを基にして、ミュラー行列を使って波長板２枚を通過する直線偏光の位相差を計算した計算結果を表１に示す。また、これを図示したものを図３に示す。同じく楕円率について計算した結果を表２、図４に示す。設定波長が７４０ｎｍから８４０ｎｍの範囲で、三波長について位相差が９０°または２７０°（＝９０°+１８０°）に近くなり、楕円率が０．８５を超えることが認められる。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
以上の通り、入射光の偏波方向と各波長板構造の軸方向のなす角度を第一フォトニック結晶については７５°、第二フォトニック結晶については１５°と設定して、設定波長を変えた際の位相差をシミュレーションにより求めた結果、設定波長７５０ｎｍのときにＣＤ（７８０ｎｍ）、ＤＶＤ（６５０ｎｍ）、ＢＤ（４０５ｎｍ）の三波長の光に対して位相差が９０°±１０°の光ピックアップ用１／４波長板になることがわかった。
【００２５】
前記のシミュレーションによる設計に従い、本発明の１／４波長板を作成した。周期１９３ｎｍ、アスペクト比約０．４、断面形状が三角形状である凹凸構造体を透明基板の両面に形成し、表面と裏面の凹凸の溝のなす角度を６０°とした基板をナノインプリント法により作製した。
【００２６】
バイアススパッタリング法を用いて、前記基板の両面に片面づつ成膜を行い、第一フォトニック結晶と第二フォトニック結晶を作製した。ＳｉターゲットとＮｂターゲットを用いて、Ａｒガス雰囲気中でＳｉＯ２膜とＮｂ２Ｏ５膜を交互に成膜した。その成膜においては、波長７５０ｎｍで位相差がそれぞれ１８０°、９０°になるように設計した結果から求めた必要膜総数を積層した。第一フォトニック結晶は、膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２層と膜厚２０ｎｍのＮｂ２Ｏ５層を単位周期として１４０周期を積層し、第一フォトニック結晶は、膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２層と膜厚２０ｎｍのＮｂ２Ｏ５層を単位周期として７０周期を積層した。
【００２７】
入射する直線偏光の偏波方向と第一フォトニック結晶の溝方向のなす角度が７５度になるように素子を配置して回転検光子法を用いて位相差を評価を行った結果、波長７８０ｎｍにおいて９４．１°、波長６５０ｎｍにおいて９０．５°、波長４０５ｎｍにおいて２７２．４（＝９２．４＋１８０）°の位相差となることがわかった。すなわち、前記三波長において位相差が９０°±１０°の範囲にあり、前記三波長対応の光ピックアップ用波長板が作成できたことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の１／４波長板は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤの記録再生波長すなわち７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍの波長を有する光に対して光ピックアップ用１／４波長板として使用できる。
【符号の説明】
【００２９】
１  凹凸を有する基板
２  第一の誘電体材料
３  第二の誘電体材料
１０１  波長４０５ｎｍにおける位相差（単位：°）
１０２  波長６５０ｎｍにおける位相差（単位：°）
１０３  波長７８０ｎｍにおける位相差（単位：°）
２０１  三波長で光ピックアップ用１／４波長板として使用可能な範囲
１１１  波長４０５ｎｍにおける楕円率
１１２  波長６５０ｎｍにおける楕円率
１１３  波長７８０ｎｍにおける楕円率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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