(57)【要約】【課題】  低コストで製造可能な偏光回折素子を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる偏光回折素子１は、入射した偏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を備えている。偏光回折体１１は、表面に形成された凹凸により構造性複屈折を生じさせる構造性複屈折部１１１を複数有する。構造性複屈折部１１１は、回折格子として機能するように、互いに離間して配置され、構造性複屈折部間１１３には構造性複屈折部を構成する媒質と異なる媒質を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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より大きい偏光回折素子であって、
前記構造性複屈折部と隣接する構造性複屈折部の間を屈折率調整部と定義し、前記屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成している媒質とは異なる屈折率を有したことを特徴とする偏光回折素子。
【請求項２】
前記屈折率調整部の屈折率は、前記構造性複屈折部を構成する媒質の最小の屈折率よりも高い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】
前記屈折率調整部の屈折率は、構造性複屈折部に設けられた微細溝に対し、平行又は垂直方向のいずれかの偏光に対する構造性複屈折部の屈折率と略同じであることを特徴とする請求項１又は２記載の偏光回折素子。
【請求項４】
前記屈折率調整部の屈折率は、構造性複屈折部に設けられた微細溝に対し、平行又は垂直方向の偏光に対する構造性複屈折部の屈折率の、いずれとも異なることを特徴とする請求項１又は２記載の偏光回折素子。
【請求項５】
前記屈折率調整部は、樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の偏光回折素子。
【請求項６】
前記屈折率調整部は、光硬化性樹脂により形成されていることを特徴とする請求項５記載の偏光回折素子。
【請求項７】
前記偏光回折素子は、さらに１／４又は５／４波長板を備えたことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の偏光回折素子。
【請求項８】
請求項１乃至７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、偏光回折素子及びそれを用いた光ヘッド装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光回折素子は、多くの用途を有し、例えばＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versataile Disk）等の光ディスク等の光記録媒体に光学的情報を記録再生を行う場合のホログラム偏光光学素子として活用されたり、また、光磁気ディスクヘッドの検光子として活用されている。
【０００３】
従来の偏光回折素子は例えば液晶等の複屈折材を利用している。（例えば、特許文献１の従来技術の欄参照）
【０００４】
光ディスクの偏光ビームスプリッタを例として、図４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、複屈折材４１１の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複屈折材４１１の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】
本発明にかかる偏光回折素子は、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より大きい偏光回折素子であって、前記構造性複屈折部と隣接する構造性複屈折部の間を屈折率調整部と定義し、前記屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成する媒質とは異なる屈折率を有する屈折率調整部を有するものである。このような構成によれば、複屈折を生じさせる部分に液晶等の複屈折材を用いる必要がないため、製造コストを低下させることができる。さらに、屈折率調整部の材料を変更することにより容易に回折効率を調整できるため、高い光学特性を容易に実現できる。
【００１０】
ここで、偏光回折素子は、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好ましい。
【００１１】
前記屈折率調整部の屈折率は、前記構造性複屈折部を構成する媒質の最小の屈折率よりも高いことが望ましい。
【００１２】
さらに具体的には、前記屈折率調整部の屈折率は、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に対する当該構造性複屈折部の屈折率又は前記微細溝に垂直な偏光に対する当該複屈折率部の屈折率と略同じであるとよい。また、前記屈折率調整部の屈折率は、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に対する当該構造性複屈折部の屈折率及び前記微細溝に垂直な偏光に対する当該複屈折率部の屈折率の双方と異なるようにすることも可能である。
【００１３】
好適な実施の形態における屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成している媒質とは異なる屈折率を持つ樹脂により形成されている。特に、記屈折率調整部は、光硬化性樹脂により形成されることにより容易に製造することができる。
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】
【００１４】
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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。偏光回折体１１と１／４波長板１２は、部品の取り扱いや部品点数の点から図１（ａ）に示されるように、一体化していることが望ましいが、それらは分離されていてもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
構造性複屈折部１１１の間には、屈折率調整部１１３が設けられている。この屈折率調整部１１３は、構造性複屈折部１１１を構成する媒質、つまり構造性複屈折部の凸部の媒質である樹脂と凹部に位置する空気の屈折率とは異なる屈折率を有する。当該屈折率調整部１１３は、熱硬化性ポリマー樹脂や、ＵＶ硬化性樹脂等の光硬化性ポリマー樹脂等により形成される。
【００２１】
構造性複屈折部１１１の屈折率は、ＴＭ偏光に対してはｎ２、ＴＥ偏光に対してはｎ１（ｎ１とｎ２は等しくない）である。また、屈折率調整部１１３の屈折率は、構造性複屈折部１１１のＴＥ偏光に対する屈折率と同じｎ１である。なお、屈折率調整部１１３において用いられる材料を変更して屈折率を変えることによって各偏光に対する各次数回折光への回折効率を容易に調整することも可能である。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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は、屈折率調整部１１３と同じ屈折率ｎ１となる。このため、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。
【００２４】
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。
【００２５】
偏光回折体１１の構造性複屈折部１１１は、ＴＭ偏光Ｌ４に対して屈折率調整部１１３とは異なる屈折率となるため、回折格子として機能する。
【００２６】
続いて、図２及び図３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。
【００２７】
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。図３（ａ）に樹脂成型により形成された偏光回折体１１の断面図を示す。この段階の偏光回折体１１の上面には、構造性複屈折部１１１となる凹凸や屈折率調整部１１３が形成される凹部は形成されているが、その中には何も充填されていない。
【００２８】
次に、レジン塗布を行なう（Ｓ１０５）。図３（ｂ）にレジン塗布後の様子を示す。この例では、レジンとしてＵＶ硬化性樹脂１１５が塗布されている。そして、露光・現像工程を行う（Ｓ１０６）。露光は、構造性複屈折部１１１を遮光し、屈折率調整部１１３を露光するマスクを配置した状態で紫外線光を照射することにより行なわれる（図３（ｃ））。これにより、屈折率調整部１１３にあるＵＶ硬化性樹脂１１５は硬化し、さらに、現像により、構造性複屈折部１１１の凹部に充填された未硬化のＵＶ硬化性樹脂１１５を除去する。
【００２９】
その後、ダイシング工程（Ｓ１０７）によって、複数の偏光回折体１１に分離する。
【００３０】
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。
【００３１】
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】
【００３２】
この実施例にかかる偏光回折素子は、図１に示す構造を有する。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。屈折率調整部１１３には屈折率が１．３８の紫外線硬化性樹脂である、フッ素系樹脂（ＪＳＲ株式会社製Ｏｐｓｔａｒ）を用いている。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。
【００３３】
構造性複屈折部１１１の凹部１１２の幅は１９５ｎｍ、凹部１１２の深さ及び屈折率調整部１１３の深さは２７９４ｎｍ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。
【００３４】
このような構成の場合には、ＴＥ偏光に対しては回折が起きず、ＴＭ偏光に対しては略全ての光を回折可能にできる。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％未満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４０％程度の回折効率を有することが導かれた。
【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】本発明にかかる偏光回折素子の製造フローを示す断面図である。
【図４】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  屈折率調整部
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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