(57)【要約】【課題】  低コストで製造可能な光ヘッド装置用偏光回折素子を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる光ヘッド装置用偏光回折素子１は、入射光の振動方向によって、各次回折光に対する回折効率が異なる偏光回折体１１と、前記偏光回折体１１と前記光記録媒体２の間に設けられた１／４又は５／４波長板１２とを備えている。偏光回折体１１は、入射した偏光の波長λ以下のピッチの凹凸を有し、偏光によって屈折率が異なる構造性複屈折部１１１を複数有する。当該構造性複屈折部１１１は、互いに離間して設けられ、隣接する構造性複屈折部同士のピッチが前記波長λより大きい。【選択図】  図１
2006114201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の振動方向によって、各次回折光に対する回折効率が異なる偏光回折体と、前記偏光回折体と前記光記録媒体の間に設けられた１／４又は５／４波長板とを備えた光ヘッド装置用の偏光回折素子において、
前記偏光回折体は、入射した偏光の波長λ以下のピッチの凹凸を有する偏光の振動方向によって屈折率が異なる構造性複屈折部を複数有し、当該構造性複屈折部は、互いに離間して設けられ、隣接する構造性複屈折部同士のピッチが前記波長λより大きいことを特徴とする偏光回折素子。
【請求項２】
前記互いに離間して設けられた構造性複屈折部の間には、空気を有することを特徴とする請求項１記載の偏光回折素子。
【請求項３】
前記偏光回折体の構造性複屈折部とその間の位相差が、構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光、又は当該微細溝に垂直な偏光に対して２π×ｍ（ｍは正の整数）であることを特徴とする請求項２記載の偏光回折素子。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の偏光回折素子を備えた光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ヘッド装置用の偏光回折素子及び光ヘッド装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近は、ＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versataile Disk）等の光ディスクや光磁気ディスク等の光記録媒体に光学的情報を記録する技術が広く活用されている。光記録媒体に光学的情報を書き込む場合や読み出す場合には、光束制御素子が用いられる。
【０００３】
かかる光束制御素子の一つに偏光回折素子がある（例えば、特許文献１の従来技術の欄参照）。
図４は、偏光回折素子を利用した光ヘッド装置の概略的な構成を示す側面図である。半導体レーザなどの光源５５からの出射光は、偏光ビームスプリッター５４を反射し、コリメータレンズ５３、ミラー６、２次以降の高次回折光を遮光する遮光板５２を介して偏光回折素子１に入射する。偏光回折素子１を透過した光は、対物レンズ５１によって光記録媒体２の上に集光される。光記録媒体２からの反射光は、再び対物レンズ５１を透過し、偏光回折素子１により回折される。回折光は、遮光板５２、ミラー６、コリメータレンズ５３、偏光ビームスプリッター５４、検出レンズ５６を経て光検出器を構成する受光素子５７に到達する。受光素子５７は、受光した反射光を電気信号に変換し、変換された電気信号をアンプにより増幅し、さらに自動ゲイン補正回路によりゲインを掛けて信号レベルを一定範囲に調整する。
【０００４】
図５に従来の偏光回折素子の構成例を示す。偏光回折素子１は、レーザ等の光源（図示せず）からの光は通過させて光記録媒体２に照射するが、光記録媒体２からの反射光に対しては回折格子として機能する。このような機能を実現するために偏光回折素子１は、白板ガラス４２の光記録媒体２側に１／４波長板１２を設け、反対側に長尺形状の複屈折材４１１が一定間隔で配置され、当該複屈折材４１１を覆うように充填樹脂４１が充填されている。
【０００５】
複屈折材４１１としては、例えば液晶、ポリカーボネイト、方解石、水晶、サファイヤ、雲母、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）が用いられる。ここで、複屈折材４１１の長尺方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率をｎ２、前記長尺方向に垂直方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率をｎ１とすれば、充填樹脂４１の屈折率は、複屈折材４１１の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率ｎ１と同じｎ１としている。
【０００６】
従って、光源からの光を複屈折材４１１の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光とすると、複屈折材４１１と充填樹脂４１とは屈折率が同じであるため、回折格子として機能せず、回折光が発生しない。他方で、１／４波長板１２によって複屈折材４１１の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光から前記長尺の振動方向を持つ偏光へと変換された反射光に対しては、複屈折材４１１と充填樹脂４１とは異なる屈折率となるため、回折格子として機能し、回折光を発生させる。
【特許文献１】特開２０００−２４９８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の偏光回折素子は、液晶等の複屈折材を用いているため、製造コストの上昇を招いていた。
【０００８】
本発明は、低コストで製造可能な偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することを目的とする。さらに、高い光学特性を有する偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる、光ヘッド装置用の偏光回折素子は、入射光の振動方向によって、各次回折光に対する回折効率が異なる偏光回折体と、前記偏光回折体と前記光記録媒体の間に設けられた１／４又は５／４波長板とを備えたものである。前記偏光回折体は、入射した偏光の波長λ以下のピッチの凹凸を有する偏光の振動方向によって屈折率が異なる構造性複屈折部を複数有し、当該構造性複屈折部は、互いに離間して設けられ、隣接する構造性複屈折部同士のピッチが前記波長λより大きい構造を持つことを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記互いに離間して設けられた構造性複屈折部の間には、空気を有することが望ましい。
さらには、前記偏光回折体の構造性複屈折部とその間の位相差が、構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光、又は前記微細溝に垂直な偏光に対して２π×ｍ（ｍは正の整数）であることがより望ましい。
好適には前記偏光回折体は、前記構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光を透過させ、当該微細溝に垂直な偏光に対しては回折格子として機能することが望ましい。
【００１１】
偏光回折素子を利用する光ヘッドにおいては、上記構成の偏光回折素子を備えていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低コストで製造可能な偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することができる。さらに本発明によれば、高い光学特性を有する偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明の実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１にかかる偏光回折素子の断面模式図を示す。図１（ａ）は全体模式図、図１（ｂ）は光源からの入射光について説明するための図、図１（ｃ）は光記録媒体２において反射した光について説明するための図である。
【００１４】
偏光回折素子１は、偏光回折体１１及び１／４波長板１２を備えている。図１（ａ）に示されるように、偏光回折体１１が光源側に、１／４波長板１２が光記録媒体２側に設けられている。
【００１５】
偏光回折体１１は微細溝に対して平行な偏光であるＴＥ偏光に対してはそのまま透過させ、微細溝に対して垂直な偏光であるＴＭ偏光に対しては回折格子として機能する偏光系のホログラムビームスプリッターである。当該偏光回折体１１は、アクリル樹脂やシクロオレフィンポリマー樹脂等の透明性を有するプラスチック樹脂により形成されている。
【００１６】
偏光回折体１１の光源側の表面には、複数の凹凸からなる構造性複屈折部１１１が複数存在する。構造性複屈折部１１１における凹凸のピッチＷ３は通過する光の波長よりも小さくする。それによりＴＭ偏光に対する屈折率とＴＥ偏光に対する屈折率が異なる値を持ち、複屈折材と同等の性質を有することとなる。この実施の形態１における構造性複屈折部１１１の凹部１１２には、樹脂等が充填されておらず、空気が存在する。それぞれの構造性複屈折部１１１は、同じ幅Ｗ１を有し、同じ間隔Ｗ２で配置されている。隣接する構造性複屈折部同士のピッチ（図１におけるＷ１＋Ｗ２）は、入射光の波長より大きい。
【００１７】
構造性複屈折部１１１における凹凸は、複数の互いに平行な溝として図１（ａ）の紙面に垂直な方向に延在している。即ち、構造性複屈折部１１１は、紙面に対して垂直な方向に長い長方形の凹溝が複数形成され、方向性に異方性を有する構造になっている。尚、この例では、凹凸の凹部には空気が位置することになるが、当該凹部に対して偏光回折体１１と屈折率の異なる物質又は媒質を充填してもよい。
【００１８】
構造性複屈折部１１１の屈折率は、ＴＥ偏光に対してはｎ２、ＴＭ偏光に対してはｎ１（ｎ１とｎ２は等しくない）である。ｎ１とｎ２とが異なるため、構造性複屈折部１１１と構造性複屈折部間１１３の空気の位相差がＴＭ偏光とＴＥ偏光で異なる。よって、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の回折効率を変化させることができる。さらには構造性複屈折部１１１の厚さ、つまり空気深さを調整することにより各偏光の回折効率を変化させることができ、特にＴＥ偏光に対して構造性複屈折部１１１と構造性複屈折部間１１３との位相差を２π×ｍ（ｍは正の整数）にし、ＴＭ偏光に対する前記位相差は２π×ｍ（ｍは正の整数）ではなくすることもできる。この場合、偏光回折体はＴＭ偏光に対しては回折格子と作用するが、ＴＥ偏光に対しては回折格子として作用しない偏光回折格子を得ることができる。
【００１９】
１／４波長板１２は、光源から偏光回折体を通過した直線偏光を円偏光に変換して光記録媒体２に照射する、あるいは光記録媒体２で反射された円偏光を直線偏光へ変換して偏光回折体１１に入射させる機能を有する。尚、１／４波長板１２の代わりに５／４波長板を設けてもよい。
【００２０】
次に、図１（ｂ）（ｃ）を用いて、光の挙動について説明する。この例では、光源からの光はレーザ光であるため、既に直線偏光である。そして、当該直線偏光がＴＥ偏光となるように位置調整がなされている。構造性複屈折部厚さＤはＴＥ偏光に対して構造性複屈折部１１１と空気が存在する構造性複屈折部間１１３の位相差が２πになり、ＴＭ偏光に対し前記位相差が２π×ｍ（ｍは正の整数）にならないように調整されている。図１（ｂ）に示されるように、ＴＥ偏光Ｌ１が偏光回折体１１に入射したとき、構造性複屈折部１１１と構造性複屈折部間１１３との位相差が２πであるため、ＴＥ偏光Ｌ１はそのまま通過し、１／４波長板１２に入射する。従って、この状態の偏光回折体１１は、０次透過効率が高い。１／４波長板１２に入射したＴＥ偏光Ｌ１は、円偏光Ｌ２に変換されて光記録媒体２に対して出射する。
【００２１】
光記録媒体２において反射した反射光Ｌ３は、円偏光である。この反射光Ｌ３は、再び１／４波長板１２に入射する。図１（ｃ）に示されるように、反射光Ｌ３は、１／４波長板１２において直線偏光であるＴＭ偏光Ｌ４に変換されて、偏光回折体１１に入射する。
【００２２】
ＴＭ偏光に対しては構造性複屈折部と構造性複屈折部間１１３の位相差が２π×ｍ（ｍは正の整数）ではないため回折格子として機能する。
【００２３】
続いて、図２を用いて本発明の実施の形態１にかかる偏光回折素子の製造方法の一例について説明する。まず、パターニング工程を実行する（Ｓ１０１）。このパターニング工程では、まず、シリコン基板に対してレジストを塗布し、ＫｒＦステッパー装置によってパターン露光を行なう。次にエッチング工程を実行する（Ｓ１０２）。この例では、Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によりエッチングを行なう。その後、レジスト上にスパッタ等により導電膜を形成した後、電解メッキにより金型、即ちメッキスタンパを形成する（Ｓ１０３）。スタンパはいわゆる反転型であり、その一面には偏光回折体１１を構成するための形状が形成されている。好適な実施の形態では、１つのスタンパには、複数の偏光回折体１１に対応した形状が形成されている。スタンパは例えばＮｉ、Ｃｕ、Ａｕにより形成される。
【００２４】
このようにして製造されたスタンパを用いて樹脂成型を行なう（Ｓ１０４）。このとき、２Ｐ法やナノプリンティングにより樹脂を所定形状に加工してもよい。
【００２５】
その後、ダイシング工程（Ｓ１０５）によって、複数の偏光回折体１１に分離する。
【００２６】
以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかる偏光回折素子は、液晶等の高価な複屈折材料を用いることなく偏光回折素子を形成したため、極めて安価に製造することが可能である。
【００２７】
その他の実施の形態．
上述の例では、１／４波長板を用いたが、これに限らず、回折格子素子の光記録媒体側の面に通過する光の波長より小さいピッチの凹凸の微細溝を設けて、同様の機能を達成するようにしてもよい。
【実施例１】
【００２８】
実施例１は、図３に示す構造において、構造性複屈折部１１１間を空気層とした形状を有する。偏光回折体１１は、屈折率が１．６０のＮＴＴ−ＡＴ社製の紫外線硬化樹脂である光導波路用アクリル樹脂を用い、構造性複屈折部間１１３は空気（屈折率＝１）である。構造性複屈折部１１１の凹部１１２には何も充填されていないため、屈折率は空気の１である。
【００２９】
構造性複屈折部１１１の凹部１１２の幅は１９５ｎｍ、凹部１１２の深さ及び構造性複屈折部間の深さは２０５１ｎｍである。構造性複屈折部１１１における凹凸のピッチＷ３は３９０ｎｍであり、入射光の波長７８０ｎｍよりも短く、半分の長さを有する。構造性複屈折部１１１の凸部の幅は、１９５ｎｍである。この場合の構造性複屈折部１１１の屈折率は、ＴＥ偏光に対しては１．３８、ＴＥ偏光に対しては１．２４である。
【００３０】
このような構成の場合には、ＴＥ偏光に対して構造性複屈折部と空気が存在する構造性複屈折部間による位相差が２πでありＴＥ偏光に対しては回折が起きず、ＴＭ偏光に対しては構造性複屈折部と空気による位相差が２π×ｍ（ｍは正の整数）ではないため一部において回折が起こる。薄膜近似を用いたスカラー回折理論を利用し計算した結果によれば、回折が起こらず透過した光である０次回折光に関しては、ＴＥ偏光に対しては９９％以上、ＴＭ偏光に対しては１６％の回折効率を有することが導かれた。また、＋１次回折光に関しては、ＴＥ偏光に対しては０．１％未満、ＴＭ偏光に対しては３４％の回折効率を有することが導かれた。
【実施例２】
【００３１】
実施例２は、図３に示す構造において、構造性複屈折部１１１間を空気層とした形状を有する。偏光回折体１１は、屈折率が１．６０のＮＴＴ−ＡＴ社製の紫外線硬化樹脂である光導波路用アクリル樹脂を用いて製造した。構造性複屈折部間１１３は空気（屈折率＝１）である。構造性複屈折部１１１の凹部１１２には何も充填されていないため、屈折率は空気の１である。
【００３２】
構造性複屈折部１１１の凹部１１２の幅は１９５ｎｍ、凹部１１２の深さ及び構造性複屈折部間１１３の深さは８２００ｎｍである。構造性複屈折部１１１における凹凸のピッチＷ３は３９０ｎｍであり、入射光の波長７８０ｎｍよりも短く、半分の長さを有する。構造性複屈折部１１１の凸部の幅は、１９５ｎｍである。この場合の構造性複屈折部１１１の屈折率は、ＴＥ偏光に対しては１．３８、ＴＭ偏光に対しては１．２４である。
【００３３】
このような構成の場合には、ＴＥ偏光に対して構造性複屈折部と空気の構造性複屈折部間による位相差が２πであり×４であるためＴＥ偏光に対しては回折が起きず、ＴＭ偏光に対しては構造性複屈折部と空気による位相差が略５πであり略全てにおいて回折が起こる。薄膜近似を用いたスカラー回折理論を利用し計算した結果によれば、回折が起こらず透過した光である０次回折光に関しては、ＴＥ偏光に対しては９９％以上、ＴＭ偏光に対しては０．１％以下の回折効率を有することが導かれた。また、＋１次回折光に関しては、ＴＥ偏光に対しては０．１％未満、ＴＭ偏光に対しては約４０％の回折効率を有することが導かれた。
【００３４】
上記の実施例では、ＣＤに対する光波長に対して示したが、本発明にかかる偏光回折素子は、ＤＶＤに対する光波長、あるいはＣＤ用、ＤＶＤ用等多数の光波長光源を有する光ヘッドに適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明にかかる偏光回折素子の断面図である。
【図２】本発明にかかる偏光回折素子の製造フローを示すフローチャートである。
【図３】本発明にかかる他の偏光回折素子の断面図である。
【図４】光ヘッド装置の構成図である。
【図５】従来の偏光回折素子の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  偏光回折素子
２  光記録媒体
１１  偏光回折体
１２  １／４波長板
４１  充填樹脂
４２  白板ガラス
１１１  構造性複屈折部
１１２  凹部
１１３  構造性複屈折部間
１１５  硬化性樹脂
４１１  複屈折材
【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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