(57)【要約】【課題】光源波長の異なる複数の規格の光ディスク（主にＣＤとＤＶＤ）を記録再生できる光ヘッドでは、各光源からの光に対する有効光束径が異なるため、有効光束径の狭い光に対する光利用効率が低下してしまう。【解決手段】各光源と対物レンズとの間に、１つの基板の両面にＮ段の階段あるいは鋸歯状のブレーズ回折格子を形成したダイクロイックビームエキスパンダを設けることにより、波長の異なる２つの光源からの光束径を、波長選択的に拡大あるいは縮小する。【効果】各光源からのレーザ光の利用効率を高効率で得ることができる。【選択図】  図２
2004288336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長λ１の光を発生させる第１の光源と、
前記第１の波長よりも短い第２の波長λ２の光を発生させる第２の光源と、
前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を収束させる一つの対物レンズと、
前記対物レンズと前記第１または第２の光源との間に設けられ、前記第１の波長および前記第２の波長の少なくとも一方の光に対して光束径を拡大あるいは縮小し、溝深さｄを有する溝形状を有しており、
（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１
を満たす位相格子（ｎ２は位相格子の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の屈折率）を有することを特徴とする光ヘッド。
【請求項２】
前記位相格子は、前記第１の光源および前記第２の光源の少なくとも一方の光の光束の短軸方向と長軸方向に対して、異なる倍率で拡大あるいは縮小することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項３】
前記位相格子は、ｎ、ｍを整数、前記第１の波長へ及ぼす位相差をθ１、前記第２の波長へ及ぼす位相差をθ２として、
【数１】
2004288336.tif 000036
を満たすことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項４】
前記位相格子は、１枚の基板の両面に階段状または鋸歯状のブレーズ格子が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項５】
前記ブレーズ格子により発生される回折光のうち、０次光または１次光を用いるようにされていることを特徴とする請求項４記載の光ヘッド。
【請求項６】
前記位相格子は、前記第１の波長、前記第２の波長の少なくとも一方の光のビーム径を広げる第１の格子と、前記広げられたビーム径の広がりを小さくする第２の格子とを有することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項７】
前記位相格子は、前記第１の波長、前記第２の波長の少なくとも一方の光のビーム径を狭める第１の格子と、前記狭められたビーム径の広がりを広くする第２の格子とを有することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項８】
前記位相格子は、前記第１の波長の光のビーム径を変化させないことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項９】
前記位相格子は、前記第２の波長の光のビーム径を変化させないことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１０】
前記位相格子は、前記第１の波長の光および前記第２の波長の光のビーム径を共に縮小することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１１】
前記位相格子は、前記第１の波長の光のビーム径を縮小し、前記第２の波長の光のビーム径を拡大することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１２】
前記第１の波長は略７８０ｎｍであり、前記第２の波長は略６５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１３】
前記位相格子は、拡散光光路中に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１４】
前記位相格子は、平行光光路中に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１５】
前記光ヘッドは、前記第１および前記第２の波長の光を用いて、情報を媒体に記録するための記録用の光ヘッドであることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１６】
第１の波長λ１の光を発生させる第１の光源と、前記第１の波長よりも短い第２の波長λ２の光を発生させる第２の光源とが設けられたモジュールと、
前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を収束させる一つの対物レンズと、
前記対物レンズと前記第１または第２の光源との間に設けられ、前記第１の波長および前記第２の波長の少なくとも一方の光に対して光束径を拡大あるいは縮小し、溝深さｄを有する溝形状を有しており、
（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１
を満たす位相格子（ｎ２は位相格子の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の屈折率）を有することを特徴とする光ヘッド。
【請求項１７】
前記位相格子も前記モジュールに一体形成されていることを特徴とする請求項１６記載の光ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）等、使用する波長の異なる複数規格の光ディスク（記録媒体）を記録再生することができる光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光記録媒体である光ディスクの規格にはＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等の従来からの主に０．６５ＧＢのＣＤ系の光ディスクと、ＤＶＤ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＡＭ等の高密度化を実現した主に４．７ＧＢのＤＶＤ系の光ディスクがあり、記録再生に用いる半導体レーザ（ＬＤ）の光源の波長は、例えばＣＤ系では略７８０ｎｍ、ＤＶＤ系では略６５０ｎｍである。また、次世代の大容量記録媒体として略２５ＧＢの光ディスクの実用化が進められているが、その光源としては波長略４００ｎｍの半導体レーザが期待されている。このような記録再生波長の異なる複数規格の光ディスクを１台の光ディスクドライブ装置でそれぞれ記録・再生するにあたり、光学部品点数の低減、小型化を達成するため、１つの光ヘッドに複数の光源を搭載する光ヘッドが開発されている。
【０００３】
半導体レーザから放射される光束は発散性であり、その発散角は一様でなく、発光層の形成する平面に対して垂直な方向と平行な方向とで出射光の放射角が異なり、ファーフィールドパターンは楕円形状である。一般的に、半導体レーザから放射されるレーザ光束の放射角は垂直方向が平行方向に対して大きく、平行方向と垂直方向との放射角の比率は１：２〜１：４程度である。光記録媒体上に集光させる光スポットは円形状であることが好ましく、光スポットが楕円形状になるほど記録・再生能力が低下する傾向がある。
【０００４】
このため、「１つの」規格の光ディスクに対する半導体レーザの光利用効率を向上させるために、半導体レーザからの出射光に対して、出射後の放射角を変化させるための２枚の基板を並んで配置し、これらの基板の少なくとも１枚の基板の表面に鋸歯状または階段状の回折格子を形成し、回折格子により発生する回折光のうち１次回折光を用いて放射角を変化させ、前述の垂直方向と平行方向の放射角をほぼ一致させるようなビーム整形素子を構成し、光ヘッド装置に搭載した高効率な光ヘッド装置が提案されている（「ビーム整形素子および光ヘッド装置」特開２００２−３１９１７０）。
【０００５】
また、発光波長の異なる「２つの」光源を有する光ピックアップ装置において、各光源からの光束に対し、その楕円形状の強度分布を「短軸方向１方向のみ」に「拡大」して略円形の強度分布に変換することで、それぞれの光に対して記録再生能力を向上させるようなビーム整形用ホログラム素子が提案されている（「光ピックアップ装置」特開平１１−５３７５５）。前記ビーム整形用ホログラム素子としては偏光性ホログラムが用いられている。
【０００６】
また、発光波長の異なる２つの光源を有する光ピックアップ装置において、各光源と対物レンズの間に階段型平板レンズを配し、この階段型平板レンズにより相対的に長波長の光を光軸方向に回折させることで、光利用効率を高めるような光ピックアップ装置が提案されている（「互換型光ピックアップ装置」特開２０００−１６３７８７）。前記光ピックアップ装置は、前記階段型平板レンズにより相対的に長波長の光の焦点距離を長くすることで、上記のような対物レンズの開口数の違いによる光利用効率の低下を回避している。
【特許文献１】特開２００２−３１９１７０号
【特許文献２】特開平１１−５３７５５号
【特許文献３】特開２０００−１６３７８７号
【発明が解決しようとする課題】
光ディスクの記録再生において、特に記録の際には非常に大きな光エネルギが必要である。
【０００７】
しかし、特開２００２−３１９１７０号記載の装置は、１波長のみに対応したビーム整形素子であるため、当然２波長共に高い光利用効率と得ようとするものではない。
【０００８】
また、上記特開平１１−５３７５５号のように、同一のユニットに配置した２光源からの射出光束（レーザビーム）に対して、コリメートレンズや対物レンズ等の光学素子を共通にした場合、レーザ光束径、焦点距離が略等しく、対物レンズの開口数ＮＡのみが異なることにより、前記各光源に対する有効光束径が異なるため、有効光束径の狭い光、すなわち開口数の低い対物レンズに対応した光に対する光利用効率が低下してしまうという問題点がある。具体的には、例えばＣＤ／ＤＶＤ互換の光ヘッドにおいて各光源からの光が略等しい光束径で対物レンズに入射した場合、対応する開口数の小さいＣＤに対する光は対物レンズに入射する光全てを取り込むことができず、光利用効率が低下してしまう。
【０００９】
本発明は、記録再生波長の異なる２つの光記録媒体に対して記録再生を行うことができ、各光源からの出射光に対して光利用効率が良い光ヘッドを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
情報の書込みおよび消去／または再生を行う光ヘッドにおいて、第１の光源または第２の光源と対物レンズの間に、光源からの射出光束の光束径を断面楕円形状の短軸方向と長軸方向にそれぞれ拡大あるいは縮小させるようなダイクロイックビームエキスパンダを配置する。なお、ダイクロイックビームエキスパンダとは、１枚の基板の両面に階段状または鋸歯状のブレーズ格子を形成したものであり、ブレーズ格子による１次回折光あるいは０次光を用いて光束径を拡大、縮小あるいは略同径で透過するものである。
【００１１】
上述の課題で述べたように、記録再生波長の異なる２つの波長を有する光源からの出射光に対して非常に高い光利用効率が必要となるため、ダイクロイックビームエキスパンダの基板の両面に設ける階段状または鋸歯状のブレーズ格子の溝深さについて、以下を満たすように設計する。即ち、
溝深さをｄとすると、
（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１
を満たす位相格子（ｎ２は位相格子の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の屈折率、λ１は長波長側の波長）とする。このようにして、両光源からの出射光の光利用効率を両立するように設計する。また、深さｄは、ダイクロイックビームエキスパンダの最も深い溝の深さを意味する。
【００１２】
ここで「位相差」とは、図１（ａ）（ｂ）に示すように１の光源から発生する２つの光線（Ｉ、ＩＩ）の光路長差を角度の単位で表したものとする。特に比較対象を記載しない場合は最も深い溝を通過する光線（Ｉ）との位相差とする。ここで最も深い溝とは、光出射側から見て、その溝深さが最も深いものをいう。例えば「ｋ段目が作用する位相差θｋ」とは最も深い溝を通過する光線（Ｉ）と階段格子のｋ段目を通過する光線（ＩＩ）の位相差を意味する。また、この１波長以上分の「１波長」とは、複数の波長のうち、最も長い波長のものをいう。
【００１３】
ここで上記の式（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１の意味を説明する。ｎ２は位相格子の媒質の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の媒質の屈折率である。ｎ１の位相格子周囲は、大気の場合もあるが、何らかの物質で埋めている場合もある。ここで、図１（ｃ）に示すように、階段状の位相格子の場合は、長波長λ１の光が、位相格子の最も溝深さが深い箇所（位相格子の最低面）を通る溝深さｄ分の長さの第１の光路（即ち、屈折率ｎ１の媒質中を溝深さｄ分だけ通る光路）と、溝深さの起点となる位置（位相格子の最上面）を通るｄ分の長さの第２の光路（即ち、屈折率ｎ２の媒質中を通る長さｄ分だけ通る光路）との光路長差が、１波長以上となるようにしたものである。また、図１（ｄ）に示すように、鋸歯状の位相格子の場合でも、長波長λ１の光が、位相格子の最も溝深さが深い箇所（位相格子の最低位置）を通る溝深さｄ分の長さの第１の光路（即ち、屈折率ｎ１の媒質中を溝深さｄ分だけ通る光路）と、溝深さの起点となる位置（位相格子の最上位置）を通るｄ分の長さの第２の光路（即ち、屈折率ｎ２の媒質中を通る長さｄ分だけ通る光路）との光路長差が、１波長以上となるようにしたものである。
【００１４】
各光源からの光に対して、利用する回折次数によってブレーズ格子の回折効率を最大にする溝深さがそれぞれ存在するが、その溝深さは必ずしも一致しない。すなわち、一方の光利用効率を最大にするような溝深さでは、他方の光が所望の光利用効率を得られなくなる。ここで、ある光に対してその波長の整数倍の位相を加えても見かけ上何も変わらないため、各光源からの光に対してそれぞれ適当な波長の整数倍の位相を加えて、回折効率が共に略最大となるような溝深さにすることにより、両光源からの出射光の光利用効率が両立できるようになるのである。
【００１５】
このようなダイクロイックビームエキスパンダを用いることで、どのようなファーフィールドパターンのＬＤ（光源）を用いても、ＬＤの発光分布を所望の形状に変換でき、光源からのレーザ光を効率良く利用できる。
【００１６】
ここで補足すると、例えば、現在実用化されている製品レベルでは、半導体レーザの出力パワーはＣＤ用ＬＤが２３０ｍＷ程度、ＤＶＤ用ＬＤが１００ｍＷ程度であるのに対し、記録再生に必要な膜面パワーがＣＤにおいて約６０ｍＷ、ＤＶＤにおいて約２０ｍＷである。各光源からの出射光のコリメート効率を約６０％、その他対物レンズ等の光学部品の光利用効率を約５０％と仮定すると、光束径の変換において必要となる利用効率はＣＤにおいて約９０％、ＤＶＤにおいて約７０％と、非常に高い光利用効率が求められる。ここで、上記構成とすることによって、ＣＤでは９０％以上、ＤＶＤでは７０％以上の光利用効率が得られた。
【００１７】
なお、本発明は所謂「位相型回折格子」により位相差を持たせることにより光源からの光束の形状を変換するものであり、特開平１１−５３７５５で示されている「偏光性回折格子」、すなわち偏光方向の違いにより位相差を作用させるものとは本質的に異なるものである。
【００１８】
さらに、本願は、ダイクロイックビームエキスパンダを用いることで、２以上の各光源からの光に対して少なくとも一方の光束径を適当に変換するものである。これに対し、特開２０００−１６３７８７では、一方の光に対して焦点距離を変えることにより光利用効率の低下を抑制しようとするものであり、そのやり方が本質的に異なるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作および作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
（実施例１）
図２は本発明の第１の実施例を示す光ヘッドの概略構成図である。同一のキャン内に第１の光源ＬＤ２０１、第２の光源ＬＤ２０２および検出手段となる受光素子２０３を配置している。光源ＬＤ１からの光は偏光性回折素子２０４を透過し、実質的に１／４波長分の位相差を与える素子、いわゆる「λ／４板」２０５によって直線偏光から円偏光に変換された後、コリメートレンズ２０６により略平行光となり、ダイクロイックビームエキスパンダ２０７を透過し、偏向プリズム２０８に反射され、対物レンズ２０９により第１の光ディスク２１０に基板越しに記録面に集光される。光源ＬＤ２からの光は同様に偏光性回折素子２０４を透過し、「λ／４板」２０５によって直線偏光から円偏光に変換された後、コリメートレンズ２０６により平行光となり、ダイクロイックビームエキスパンダ２０７によって光束径が拡大された後、偏向プリズム２０８に反射され、対物レンズに２０９より第２の光ディスク２１１に集光される。光ディスク２１０、２１１によって反射された光は、もと来た光路を戻り、「λ／４板」２０５によって直線偏光に戻る。この時点で入射光と戻り光は偏光方向がずれているので、戻り光のみを回折させるような偏光性回折素子２０４により回折された後、光検出器２０３に入射する。尚、偏光性回折格子２０４および「λ／４板」２０５は第１の光源２０１および第２の光源２０２と、対物レンズ２０９の間にあればよい。
【００２０】
ダイクロイックビームエキスパンダ２０７の機能について詳述する。以後、説明の具体性のため、光源ＬＤ１は波長λ１＝７９０ｎｍのＣＤ用半導体レーザで、光源ＬＤ２は波長λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ用半導体レーザであるとする。対物レンズ２０９はＣＤ、ＤＶＤ互換の対物レンズであり、光源ＬＤ２０１、２０２によって開口数ＮＡが異なる。上述の通り２光源ＬＤ１、ＬＤ２からの射出光束（レーザビーム）に対してコリメートレンズ２０６や対物レンズ２０９等の光学素子を共通にした場合、対物レンズへの入射光束径は略等しく、各光源からの光に対する有効光束径が異なるため、有効光束径の狭い光、すなわち開口数の低い対物レンズに対応した光に対する光利用効率が低下してしまう。そこで波長選択的に各光源からの光束径を拡大、縮小あるいはそのまま透過する機能をダイクロイックビームエキスパンダ２０７に持たせることにより、両光源からの光の損失をできる限り抑えて光利用効率を両立させる。実施例１では、光源ＬＤ１からの光を透過させ、光源ＬＤ２からの光を拡大するような機能を有する場合である。
【００２１】
ダイクロイックビームエキスパンダ２０７の具体的構造に関しては、素子の光利用効率をできるだけ高くするために、図３（ａ）のように１枚の基板の両面に図３（ｂ）に示すような階段状または鋸歯状のブレーズ格子を形成する。回折格子ではなく、基板の表面をレンズによる構成としても良い。実施例１の場合、ダイクロイックビームエキスパンダに略平行光で入射した光を略平行光で出射するため、１枚目のブレーズ格子によって回折させて発散光または収束光にした光を、２枚目のブレーズ格子によって略平行光にする。ブレーズ格子の線幅ｐおよび素子基板の厚さｄにより、光束径の拡大（縮小）倍率は任意に決定することができる。模式的な格子パターンを例示すると、ブレーズ格子の格子形状を図３（ｃ）のように略直線状にすると、前記直線と垂直方向に拡大または縮小することができ、図３（ｄ）のように楕円形状にすると、前記楕円の短軸と長軸の長さを適当に決定することにより、２方向に拡大または縮小することができる。また、１枚目および２枚目のブレーズ格子により回折させることなく０次光を用いることにより、ダイクロイックビームエキスパンダに入射した光束と略同径で透過させることもできる。
【００２２】
ここで１枚のブレーズ格子の作用について詳述する。２つの光源ＬＤ１、ＬＤ２からの光に対してブレーズ格子による１次回折光または０次光を用いるわけであるが、両波長において高効率を両立するように、各光源からの光に作用させる位相差をθ１、θ２（０≦θ１、θ２＜２π）としてそれぞれ（ｎ＋θ１／２π）λ１、（ｍ＋θ２／２π）λ２のように１波長以上相当の位相差を付加した位相格子とし、この位相差が
【００２３】
【数１】
2004288336.tif 000003
【００２４】
に示すように等しくなるような整数ｎ、ｍを適当に選択する。Ｎ段の階段を有するブレーズ格子において、図３（ｅ）に示すようにｋ段目までの線幅をｐｋ、そのｋ段目が作用する位相差をθｋとすると、０次、±１次の回折光複素振幅は以下の式で表される。
【００２５】
【数２】
2004288336.tif 000004
【００２６】
【数３】
2004288336.tif 000005
【００２７】
この時、１枚のＮ段ブレーズ格子による０次、１次の回折効率η０、η±１はそれぞれ以下の通りとなる。
【００２８】
【数４】
2004288336.tif 000006
【００２９】
【数５】
2004288336.tif 000007
【００３０】
となる。一般的にＮ個の複素数ｚ１、ｚ２、…、ｚＮに対して、
【００３１】
【数６】
2004288336.tif 000008
【００３２】
なる関係が有り、等号成立は
【００３３】
【数７】
2004288336.tif 000009
【００３４】
の時である。よって、１枚のＮ段ブレーズ格子による最大０次回折効率は
【００３５】
【数８】
2004288336.tif 000010
【００３６】
但し
【００３７】
【数９】
2004288336.tif 000011
【００３８】
の時で、最大１次回折効率は
【００３９】
【数１０】
2004288336.tif 000012
【００４０】
但し
【００４１】
【数１１】
2004288336.tif 000013
【００４２】
の時となる。図４はブレーズ格子の階段数Ｎと０次、１次の最大回折効率との関係を示している。最大０次回折効率η０，ｍａｘはブレーズ格子の段数Ｎに関わらず理論上１００％であるのに対し、最大１次回折効率η±１，ｍａｘは段数Ｎに関する単調増加関数（１に収束する）であり、すなわち最大１次回折効率はブレーズ格子の段数Ｎを増やすことによって増加させることができる。例えばＮ＝６段のブレーズ格子の場合、最大１次回折効率は９１．２％、ダイクロイックビームエキスパンダの光利用効率は２枚のブレーズ格子を透過することにより８３．２％となる。２つの光源からの光に対して利用効率を両立させるためには、利用する回折次数によって
【００４３】
【数９】
2004288336.tif 000014
【００４４】
または／および
【００４５】
【数１１】
2004288336.tif 000015
【００４６】
の条件を満足する必要がある。実際には、
【００４７】
【数１】
2004288336.tif 000016
【００４８】
においてθ１、θ２がともに利用する回折次数によって
【００４９】
【数９】
2004288336.tif 000017
【００５０】
または／および
【００５１】
【数１１】
2004288336.tif 000018
【００５２】
の条件をできる限り満たすような整数ｎ、ｍを選択するので
【００５３】
【数９】
2004288336.tif 000019
【００５４】
または／および
【００５５】
【数１１】
2004288336.tif 000020
【００５６】
の条件を完全に満たすことはできず、そのため０次および１次回折効率は
【００５７】
【数８】
2004288336.tif 000021
【００５８】
および
【００５９】
【数１０】
2004288336.tif 000022
【００６０】
に示す理論的最大効率より低くなり、したがってダイクロイックビームエキスパンダの光利用効率も低下するため、できる限り効率が両立できるような適当なθ１、θ２を決定する必要がある。ｋ段目までの線幅ｐｋは最大０次回折効率η０，ｍａｘには影響せず、最大１次回折効率η±１，ｍａｘに影響するので、１次最大効率が最大となるように
【００６１】
【数１２】
2004288336.tif 000023
【００６２】
すなわち、各階段の幅を略等しくすることとする。一方、位相差θｋに関しては、図３（ｅ）に示すようにブレーズ格子のｋ段の溝深さをＬｋ、ダイクロイックビームエキスパンダの基板の屈折率をｎ２、周囲の屈折率をｎ１とすると、
【００６３】
【数１３】
2004288336.tif 000024
【００６４】
となる。ここで、θ１，ｋ、θ２，ｋはそれぞれ第１の光源、第２の光源からの光に対してそれぞれｋ段目の階段が作用する位相差と定義する。そこで２つの波長の光に対して利用する回折次数によって位相差θ１，ｋ、θ２，ｋができる限り
【００６５】
【数９】
2004288336.tif 000025
【００６６】
または／および
【００６７】
【数１１】
2004288336.tif 000026
【００６８】
の条件を満たすように各階段において適当な整数ｎ、ｍを選択することにより、ブレーズ格子のｋ段目の溝深さＬｋが決定される。第１の実施例では、光源ＬＤ１からの光を透過させ、光源ＬＤ２からの光を拡大するため、
【００６９】
【数１３】
2004288336.tif 000027
【００７０】
は以下のようになる。
【００７１】
【数１４】
2004288336.tif 000028
【００７２】
ブレーズ格子のピッチｐおよびダイクロイックビームエキスパンダの素子厚さｄに関しては、図５に示すように光源からの光の波長をλ、ダイクロイックビームエキスパンダによる光束径の変化をΔφ、回折角をｒとすると、以下のような条件式が得られる。
【００７３】
【数１５】
2004288336.tif 000029
【００７４】
【数１６】
2004288336.tif 000030
【００７５】
光束径をどれだけ変化させるか（Δφ）を決定すると、ブレーズ格子のピッチｐあるいは素子厚さｄの一方の値を与えることにより、もう一方が決定される。
【００７６】
以下に、第１の実施例に関して具体的な数値を用いてさらに説明する。ダイクロイックビームエキスパンダ素子の屈折率をｎ２＝１．５、周囲の屈折率をｎ１＝１．０とした時、ＣＤ光の光利用効率が９０％以上、ＤＶＤ光の光利用効率が７０％以上であるようなダイクロイックビームエキスパンダの構造の一例を図６に示す。例えばＮ＝５段で、各階段の深さが６．３３６μｍ、４．７５２μｍ、３．１６８μｍ、１．５８４μｍのブレーズ格子により、ＣＤのＤＢＥ効率が９９．９％、ＤＶＤのＤＢＥ効率が７６．６％と、両方の光に対して高い効率を維持したまま波長選択的に光束径を変換することができる。また、図６に示すように、さらに段数Ｎを増やすことにより、ＤＶＤのＤＢＥ効率もさらに高くすることができる。ここで列挙した例では加工の容易さやコストなどの観点からブレーズ格子の階段数Ｎ≦１０としたが、Ｎを増やすことで効率をさらに向上させることも可能である。
【００７７】
尚、本実施例において説明の簡単のために光源ＬＤ１は波長λ１＝７９０ｎｍのＣＤ用半導体レーザで、光源ＬＤ２は波長λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ用半導体レーザであるとしているが、例えばλ１＝７９０ｎｍ、λ２＝４１０ｎｍや、λ１＝６６０ｎｍ、λ２＝４１０ｎｍ等の組み合わせでも構わない。
（実施例２）
実施例１は図７（ａ）に示すように光源ＬＤ１からの光を透過させ、光源ＬＤ２からの光を拡大した例であるが、実施例１の光ヘッドにおいて、図７（ｂ）に示すようにダイクロイックビームエキスパンダ２０７により光源ＬＤ１からの光を縮小させ、光源ＬＤ２からの光を透過させたものが、本実施例２である。実施例２の場合、ブレーズ格子のパターンを決定する式は
【００７８】
【数１７】
2004288336.tif 000031
【００７９】
となるが、その他に関しては第１の実施例で前述されたことと実質的に同一であるのでその詳細な説明は省略する。
【００８０】
以下に、実施例２に関して具体的な数値を用いてさらに説明する。実施例１同様、ダイクロイックビームエキスパンダ素子の屈折率をｎ２＝１．５、周囲の屈折率をｎ１＝１．０とした時、ＣＤ光の光利用効率が９０％以上、ＤＶＤ光の光利用効率が７０％以上であるようなダイクロイックビームエキスパンダの構造の一例を図８に示す。例えばＮ＝８段で、最大溝深さが約６．５μｍのブレーズ格子により、ＣＤのＤＢＥ効率が９０．２％、ＤＶＤのＤＢＥ効率が７７．４％となる。
（実施例３）
実施例１の光ヘッドにおいて、図７（ｃ）に示すようにダイクロイックビームエキスパンダ２０７により光源ＬＤ１、光源ＬＤ２からの光をともに縮小させてもたものを、実施例３で説明する。実施例３の場合、ブレーズ格子のパターンを決定する式は
【００８１】
【数１８】
2004288336.tif 000032
【００８２】
となるが、その他に関しては第１の実施例で前述されたことと実質的に同一であるのでその詳細な説明は省略する。
【００８３】
以下に、実施例３に関して具体的な数値を用いてさらに説明する。第１の実施例同様、ダイクロイックビームエキスパンダ素子の屈折率をｎ２＝１．５、周囲の屈折率をｎ１＝１．０とした時、ＣＤ光の光利用効率が９０％以上、ＤＶＤ光の光利用効率が７０％以上であるようなダイクロイックビームエキスパンダの構造の一例を図９に示す。実施例３の場合、最大溝深さ１．５８μｍの鋸歯状ブレーズ格子とした場合、ＣＤのＤＢＥ効率が１００％、ＤＶＤのＤＢＥ効率が７７．２％となる。
（実施例４）
実施例１の光ヘッドにおいて、図７（ｄ）に示すようにダイクロイックビームエキスパンダ２０７により光源ＬＤ１からの光を縮小させ、光源ＬＤ２からの光を拡大させてもよい。第４の実施例の場合、ブレーズ格子のパターンを決定する式は
【００８４】
【数１９】
2004288336.tif 000033
【００８５】
となるが、その他に関しては第１の実施例で前述されたことと実質的に同一であるのでその詳細な説明は省略する。
（実施例５）
図１０は本発明の実施例５を示す光ヘッドの概略構成図である。同一のキャン内に第１の光源ＬＤ１００１、第２の光源ＬＤ１００２および検出手段となる受光素子１００３を置いている。光源ＬＤ１からの光はダイクロイックビームエキスパンダ１００４によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、偏光性回折素子１００５を透過、実質的に１／４波長分の位相差を与える素子、いわゆる「λ／４板」１００６によって直線偏光から円偏光に変換された後、コリメートレンズ１００７により平行光となり、偏向プリズム１００８に反射され、対物レンズ１００９により第１の光ディスク１０１０に基板越しに記録面に集光される。光源ＬＤ２からの光も同様にダイクロイックビームエキスパンダ１００４によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、偏光性回折素子１００５を透過、「λ／４板」１００６によって直線偏光から円偏光に変換された後、コリメートレンズ１００７により平行光となり、偏向プリズム１００８に反射され、対物レンズに１００９より第２の光ディスク１０１１に集光される。光ディスク１０１０、１０１１によって反射された光は、もと来た光路を戻り、「λ／４板」１００６によって直線偏光に戻る。この時点で入射光と戻り光は偏光方向がずれているので、戻り光のみを回折させるような偏光性回折素子１００５により回折された後、光検出器１００３に入射する。尚、偏光性回折格子１００４および「λ／４板」１００５は第１の光源１００１および第２の光源１００２と、対物レンズ１００９の間にあればよい。実施例１は、第１の光源および第２の光源からの略平行光中にダイクロイックビームエキスパンダを置く場合であったが、実施例２は、ダイクロイックビームエキスパンダは第１の光源および第２の光源からの発散光中に置かれる場合であり、光源からの出射光のダイクロイックビームエキスパンダへの入射角をｉとすると、
【００８６】
【数１５】
2004288336.tif 000034
【００８７】
が
【００８８】
【数２０】
2004288336.tif 000035
【００８９】
のように変化するのみで、基本的には第１〜第４の実施例の１と同じ手順でダイクロイックビームエキスパンダの形状を決定することができる。また、第１の光源ＬＤ１００１と第２の光源ＬＤ１００２、検出手段１００３を同一のキャン内に有する所謂レーザモジュールと、ダイクロイックビームエキスパンダ１００４、偏光性回折格子１００５、「λ／４板」１００６を１つのユニットとして作成することにより光ヘッドの小型化が可能であり、また各素子の光軸調整等も不要となるため、光ヘッドの信頼性も向上する。
【００９０】
図１０のように、光源と検出手段およびダイクロイックビームエキスパンダを１つの“モジュール”として作成することにより、光ヘッドの小型化を図ることもでき、独立部品点数が削減できるため部品間の相対的な位置変動が減少するので、光ヘッドの信頼性も向上する。
（実施例６）
図１１は本発明の第６の実施例を示す光ヘッドの概略構成図である。実施例６では、位相格子を平行光中に配置した例である。符号１１０１は第１の光源ＬＤ、符号１１０２は第２の光源ＬＤを示している。光源ＬＤ１からの光はダイクロイックミラー１１０３により反射された後ビームスプリッタ１１０４を透過し、コリメートレンズ１１０５により平行光となり、ダイクロイックビームエキスパンダ１１０６によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、実質的に１／４波長分の位相差を与える素子、いわゆる「λ／４板」１１０７によって直線偏光から円偏光に変換された後、偏向プリズム１１０８に反射され、対物レンズ１１０９により第１の光ディスク１１１０に基板越しに記録面に集光される。光源ＬＤ２からの光も同様に、ダイクロイックミラー１１０３を透過し、ビームスプリッタ１１０４を透過し、コリメートレンズ１１０５により平行光となり、ダイクロイックビームエキスパンダ１１０６によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、「λ／４板」１１０７によって直線偏光から円偏光に変換された後、偏向プリズム１１０８に反射され、対物レンズに１１０９より第２の光ディスク１１１１に集光される。光ディスク１１１０、１１１１によって反射された光は、もと来た光路を戻り、「λ／４板」１１０７によって直線偏光に戻る。この時点で入射光と戻り光は偏光方向がずれているので、戻り光のみを反射させるようなビームスプリッタ１１０４により反射された後、光検出器１１１２に入射する。尚、「λ／４板」はビームスプリッタ１１０４と対物レンズ１１０９の間にあればよい。第６の実施例は、ダイクロイックビームエキスパンダが第１の光源および第２の光源からの略平行光中に置かれた場合であり、実施例１〜実施例４と同じ手順でダイクロイックビームエキスパンダの形状を決定することができる。
（実施例７）
図１２は本発明の第７の実施例を示す光ヘッドの概略構成図である。実施例７は、位相格子を拡散光中に配置した例である。符号１２０１は第１の光源ＬＤ、符号１２０２は第２の光源ＬＤを示している。光源ＬＤ１からの光はダイクロイックミラー１２０３により反射された後ビームスプリッタ１２０４を透過し、ダイクロイックビームエキスパンダ１２０５によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、コリメートレンズ１２０６により平行光となり、実質的に１／４波長分の位相差を与える素子、いわゆる「λ／４板」１２０７によって直線偏光から円偏光に変換された後、偏向プリズム１２０８に反射され、対物レンズ１２０９により第１の光ディスク１２１０に基板越しに記録面に集光される。光源ＬＤ２からの光も同様に、ダイクロイックミラー１２０３を透過し、ビームスプリッタ１２０４を透過し、ダイクロイックビームエキスパンダ１２０５によって光束径が拡大、縮小あるいはそのまま透過し、コリメートレンズ１２０６により平行光となり、「λ／４板」１２０７によって直線偏光から円偏光に変換された後、偏向プリズム１２０８に反射され、対物レンズに１２０９より第２の光ディスク１２１１に集光される。光ディスク１２１０、１２１１によって反射された光は、もと来た光路を戻り、「λ／４板」１２０７によって直線偏光に戻る。この時点で入射光と戻り光は偏光方向がずれているので、戻り光のみを反射させるようなビームスプリッタ１２０４により反射された後、光検出器１２１２に入射する。尚、「λ／４板」はビームスプリッタ１２０４と対物レンズ１２０９の間にあればよい。第７の実施例は、ダイクロイックビームエキスパンダが第１の光源および第２の光源からの発散光中に置かれた場合であり、第５の実施例と同じ手順でダイクロイックビームエキスパンダの形状を決定することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光ヘッドによれば、少なくとも１つ以上の光源を有する光ヘッドにおいて、どのようなファーフィールドパターンのＬＤを用いても、高い光利用効率を維持したままＬＤの発光分布を所望の形状にできる光ヘッドを実現することができ、複数の規格の光記録媒体の情報の再生のみならず、記録および高速化への対応が可能になるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブレーズ格子における位相差を説明するための図。
【図２】本発明による光ヘッドの基本的な実施形態を説明するための図。
【図３】本発明のダイクロイックビームエキスパンダを説明するための図。
（ａ）基板の両面に回折格子を有するダイクロイックビームエキスパンダの概略的側面図。
（ｂ）基板表面に形成する回折格子の側面図。
（ｃ）ブレーズ回折格子の鳥瞰図（格子形状が直線）。
（ｄ）ブレーズ回折格子の鳥瞰図（格子形状が楕円）。
（ｅ）階段状ブレーズ格子の側面図。
【図４】ブレーズ格子の階段数Ｎと０次、１次最大回折効率との関係を示す図。
【図５】本発明のダイクロイックビームエキスパンダ素子の作用を説明するための図。
【図６】ダイクロイックビームエキスパンダの表面に形成するブレーズ格子の構造の例。
【図７】本発明のダイクロイックビームエキスパンダ素子の作用を説明するための図。
（ａ）光源ＬＤ１の光を透過、光源ＬＤ２の光を拡大。
（ｂ）光源ＬＤ１の光を縮小、光源ＬＤ２の光を透過。
（ｃ）光源ＬＤ１、ＬＤ２の光をともに縮小。
（ｄ）光源ＬＤ１の光を縮小、ＬＤ２の光を拡大。
【図８】ダイクロイックビームエキスパンダの表面に形成するブレーズ格子の構造の例。
【図９】ダイクロイックビームエキスパンダの表面に形成するブレーズ格子の構造の例。
【図１０】本発明による光ヘッドの実施の別の形態を説明するための図。
【図１１】本発明による光ヘッドの実施の別の形態を説明するための図。
【図１２】本発明による光ヘッドの実施の別の形態を説明するための図。
【符号の説明】
２０１‥‥光源ＬＤ１、２０２‥‥光源ＬＤ２、２０３‥‥受光素子、２０４‥‥偏光性回折素子、２０５‥‥λ／４板、２０６‥‥コリメートレンズ、２０７‥‥ダイクロイックビームエキスパンダ（ＤＢＥ）、２０８‥‥偏向プリズム、２０９‥‥対物レンズ、２１０‥‥光ディスク１、２１１‥‥光ディスク２、
３０１‥‥ブレーズ格子、
１００１・・・光源ＬＤ１、１００２‥‥光源ＬＤ２、１００３‥‥受光素子、１００４‥‥ダイクロイックビームエキスパンダ、１００５‥‥偏光性回折素子、１００６‥‥λ／４板、１００７‥‥コリメートレンズ、１００８‥‥偏向プリズム、１００９‥‥対物レンズ、１０１０‥‥光ディスク１、１０１１‥‥光ディスク２、
１１０１‥‥光源ＬＤ１、１１０２‥‥光源ＬＤ２、１１０３‥‥ハーフミラー、１１０４‥‥偏光ビームスプリッタ、１１０５‥‥コリメートレンズ、１１０６‥‥ダイクロイックビームエキスパンダ、１１０７‥‥偏向プリズム、１１０８‥‥対物レンズ、１１０９‥‥光ディスク１、１１１０‥‥光ディスク２、１１１１‥‥受光素子、１１１２‥‥λ／４板、
１２０１‥‥光源ＬＤ１、１２０２‥‥光源ＬＤ２、１２０３‥‥ハーフミラー、１２０４‥‥偏光ビームスプリッタ、１２０５‥‥ダイクロイックビームエキスパンダ、１２０６‥‥コリメートレンズ、１２０７‥‥偏向プリズム、１２０８‥‥対物レンズ、１２０９‥‥光ディスク１、１２１０‥‥光ディスク２、１２１１‥‥受光素子、１２１２‥‥λ／４板。
【図１】
2004288336.tif 000037
【図２】
2004288336.tif 000038
【図３】
2004288336.tif 000039
【図４】
2004288336.tif 000040
【図５】
2004288336.tif 000041
【図６】
2004288336.tif 000042
【図７】
2004288336.tif 000043
【図８】
2004288336.tif 000044
【図９】
2004288336.tif 000045
【図１０】
2004288336.tif 000046
【図１１】
2004288336.tif 000047
【図１２】
2004288336.tif 000048
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月18日(2003.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長λ1の光を発生させる第１の光源と、
前記第１の波長よりも短い第２の波長λ2の光を発生させる第２の光源と、
前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を収束させる一つの対物レンズと、
前記対物レンズと前記第１または第２の光源との間に設けられ、前記第１の波長および前記第２の波長の少なくとも一方の光に対して光束径を拡大あるいは縮小し、溝深さｄを有する溝形状を有しており、
（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１
を満たす位相格子（ｎ２は位相格子の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の屈折率）を有することを特徴とする光ヘッド。
【請求項２】
前記位相格子は、前記第1の光源および前記第２の光源の少なくとも一方の光の光束の短軸方向と長軸方向に対して、異なる倍率で拡大あるいは縮小することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項３】
前記位相格子は、ｎ、ｍを整数、前記第１の波長へ及ぼす位相差をθ1、前記第２の波長へ及ぼす位相差をθ2として、
【数１】
2004288336.tif 000049
を満たすことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項４】
前記位相格子は、１枚の基板の両面に階段状または鋸歯状のブレーズ格子が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項５】
前記ブレーズ格子により発生される回折光のうち、０次光または１次光を用いるようにされていることを特徴とする請求項４記載の光ヘッド。
【請求項６】
前記位相格子は、前記第１の波長、前記第２の波長の少なくとも一方の光のビーム径を広げる第１の格子と、前記広げられたビーム径の広がりを小さくする第２の格子とを有することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項７】
前記位相格子は、前記第１の波長、前記第２の波長の少なくとも一方の光のビーム径を狭める第１の格子と、前記狭められたビーム径の広がりを広くする第２の格子とを有することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項８】
前記位相格子は、前記第１の波長の光のビーム径を変化させないことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項９】
前記位相格子は、前記第２の波長の光のビーム径を変化させないことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１０】
前記位相格子は、前記第１の波長の光および前記第２の波長の光のビーム径を共に縮小することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１１】
前記位相格子は、前記第１の波長の光のビーム径を縮小し、前記第２の波長の光のビーム径を拡大することを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項１２】
第１の波長λ1の光を発生させる第１の光源と、前記第１の波長よりも短い第２の波長λ2の光を発生させる第２の光源とが設けられたモジュールと、
前記第１の光源からの光と前記第２の光源からの光を収束させる一つの対物レンズと、
前記対物レンズと前記第１または第２の光源との間に設けられ、前記第１の波長および前記第２の波長の少なくとも一方の光に対して光束径を拡大あるいは縮小し、溝深さｄを有する溝形状を有しており、
（ｎ２−ｎ１）ｄ＞λ１
を満たす位相格子（ｎ２は位相格子の屈折率、ｎ１は位相格子周囲の屈折率）を有することを特徴とする光ヘッド。
【請求項１３】
前記位相格子も前記モジュールに一体形成されていることを特徴とする請求項１２記載の光ヘッド。