(57)【要約】【課題】回折格子の深さ加工バラツキにより生じる回折効率のバラツキを低減する構成を備え、単に回折効率を等しくするだけではなく、より高い回折効率になるようにした偏光回折光学素子を提供する。【解決手段】本発明は、入射光束の偏光方向に応じて光束を回折し分岐する偏光回折光学素子において、基板２上に複屈折性材料３からなる凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）４を形成して成り、該回折格子の溝深さをＴ、格子を透過する光の波長をλ、複屈折率差Δｎを、Δｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜としたとき、前記回折格子の溝深さＴが、略λ／（２Δｎ）であることを特徴とする。このように、回折格子の溝深さを限定することにより、回折格子の溝深さのバラツキによる回折効率のバラツキを低減でき、回折効率の向上を図ることができる。【選択図】              図１
2004212553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ピックアップ装置に用いられる光学素子であって、入射光束の偏光方向に応じて光束を回折し分岐する偏光回折光学素子において、
基板上に複屈折性を有する材料からなる凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）を形成して成り、該回折格子の溝深さをＴ、格子を透過する光の波長をλ、複屈折率差Δｎ（ｘ軸とｙ軸の屈折率の差）をΔｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜としたとき、前記回折格子の溝深さＴが、略λ／（２Δｎ）であることを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光回折光学素子において、
前記回折格子のＱ値を、
Ｑ＝（２πλＴ）／（ｎ０・Λ２）
（λ：波長、Ｔ：格子の溝深さ、ｎ０：平均屈折率、Λ：格子周期）
としたとき、前記Ｑ値が１≦Ｑ＜４であることを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光回折光学素子において、
基板上に設けた光学的異方性材料に凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に等方性物質を充填したことを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項４】
請求項３記載の偏光回折光学素子において、
前記光学的異方性材料は、高分子配向膜あるいは有機延伸膜であることを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項５】
請求項１または２記載の偏光回折光学素子において、
基板上に設けた光学的等方性材料、あるいは光学的等方性材料からなる基板上に、凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に光学的異方性材料を充填したことを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項６】
請求項５記載の偏光回折光学素子において、
充填される光学的異方性材料は液晶であることを特徴とする偏光回折光学素子。
【請求項７】
光源からの光を集光レンズで記録媒体に集光して記録または再生を行う光ピックアップ装置において、
前記光源から集光レンズに至る光路中に回折光学素子を配置し、前記記録媒体からの反射光を回折光学素子により分岐して光検出器で受光する光学系を備え、該光学系に配置する回折光学素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子を用いたことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項８】
請求項７記載の光ピックアップ装置において、
前記光学系は、光源と、該光源からの光を記録媒体上に集光させる集光レンズと、前記記録媒体からの反射光を回折し分岐する請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子と、該偏光回折光学素子で回折され分岐された反射光を検出し少なくともフォーカス誤差信号及びトラッキング誤差信号の検出を行う光検出器とを有することを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項９】
請求項７または８記載の光ピックアップ装置において、
前記光源と光検出器と偏光回折光学素子を一体に構成したユニットを用いたことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１０】
記録媒体に対して光ピックアップ装置を用いて情報の記録または再生を行う光ディスクドライブ装置において、
前記光ピックアップ装置として、請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ピックアップ装置を搭載したことを特徴とする光ディスクドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光回折光学素子、及びその偏光回折光学素子を用いた光ピックアップ装置、及びその光ピックアップ装置を搭載した光ディスクドライブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、回折光学素子を用いた光ピックアップ装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、図１２に示すような構成のホログラムを用いた光ピックアップが開示されている。この光ピックアップは、所定の光を発光する半導体レーザチップ１１６を有しており、この半導体レーザチップ１１６から出射された光は、ホログラム素子の裏面に形成されたトラッキングビーム生成用回折格子１１５により、トラッキング用の２つの副ビームと情報信号読み出し用の１つの主ビームの３つに分離される。この３つのビーム光は、ホログラム素子の上面に設けられたホログラム１１４を０次光として透過し、コリメートレンズ１１３により平行光に変換された後、対物レンズ１１２によって記録媒体であるディスク１１１上に集光される。ディスク１１１上に集光された光は、ディスク１１１上に形成されたピットによる変調を受けた後に反射され、ディスク１１１から反射された反射光は、対物レンズ１１２、コリメートレンズ１１３を順次透過した後、ホログラム１１４によって回折され、１次回折光として５分割フォトダイオード１１７上に導かれる。
【０００３】
図１２に示すような構成の光ピックアップ装置において、ホログラム１１４は複数の領域に分割されている。この複数の領域間で格子周期が異なると、ホログラムの加工時にエッチングレートの違いから溝深さ、格子角度に違いが生じる。その違いからホログラムの領域間で回折効率の違いを生じ、トラッキング信号にオフセットが生じてしまう。そこで特許文献１記載の発明では、ホログラムは複数の領域間で格子周期が異ならないようにして、領域間の分割線を対称軸とするように互いに対称に形成することを特徴としている。この構成により加工時に生じる溝深さ、格子角度の違いが低減され、回折効率の違いを抑制することができる。特にトラッキング信号におけるバランス特性を向上させることができる。
【０００４】
また、別の例として特許文献２には、図１３に示すような構成の回折素子を用いた光ピックアップ装置が開示されている。この光ピックアップ装置では、半導体レーザ２０１からの出射光は回折素子２０２により回折され、そのうち０次回折光が偏光ビームスプリッタ２０３、コリメートレンズ２０４、対物レンズ２０５を介して記録媒体２０６上に集光される。記録媒体２０６からの戻り光は対物レンズ２０５、コリメートレンズ２０４を通過し、偏光ビームスプリッタ２０３に入射する。そして偏光成分に応じて、一方は図示しない直角に反射されて、情報信号検出光学系に導かれる。他方、透過した戻り光は回折素子２０２にて回折され、その１次光が受光素子２０７に導かれる。
【０００５】
図１３に示すような構成の光ピックアップ装置において、回折素子は複数の領域に分割されている。この場合、回折素子２０２に格子周期（ピッチ）の大きい所と格子周期の小さい所があると、エッチング時に格子周期の大きい所は溝が深く、格子周期の小さい所は溝が浅く加工されてしまう。その溝深さの違いから回折素子の回折効率に違いを生じ、トラッキング信号にオフセットが生じてしまう。そこで特許文献２に記載の発明では、回折素子２０２の受光素子から最も遠い領域と、最も近い領域の格子のピッチが略等しくなるようにして、回折効率に差が出ないようにしている。これによりトラッキング信号におけるバランス特性を向上させることができる。
【０００６】
ところで、書換え型の光ピックアップ装置の高速化のためには光利用効率の高い素子を用いることが有効な手段である。一例としては、偏光方向により回折効率が異なる偏光分離素子を使えば光利用効率を高くすることができる。この偏光分離素子を実現するため、本出願人は先に、図１４に示すような構成の偏光分離素子を提案している（特許文献３参照）。この偏光分離素子は、透明基板３０２上に入射光の異なる偏光面に対し屈折率が異なる複屈折膜３０３が周期的凹凸格子として装荷され、さらにその上に等方性オーバーコート層３０４が被覆あるいは装荷されている構成であり、前記複屈折膜３０３が高分子複屈折膜（例えば延伸された有機高分子膜）からなることを特徴としている。特に、延伸された有機高分子膜（以下、有機延伸膜と言う）は、ＬｉＮｂＯ３のような結晶材料に比べて大面積化が容易なので低コスト化しやすいという特徴を持っている。また、屈折率も１．６前後なので、屈折率が同程度の透明性の高い等方性接着剤が入手しやすく、素子作製が容易であるといったメリットも持っている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２８８８５６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６５５１５号公報
【特許文献３】
特開２０００−７５１３０号公報
【非特許文献１】
小山、西原著「光波電子光学」コロナ社、Ｐ１１７〜Ｐ１３２
【非特許文献２】
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．３，Ｐ．９３８（１９９２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、回折光学素子の回折効率を高効率かつ均等にするための発明である。ここで回折効率とは、凹凸形状の格子を形成する光学材料の複屈折率と、格子の溝の深さを掛けたものである（回折効率＝複屈折率×格子の溝深さ）。
図８にＢＫ７ガラス上に凹凸形状の格子を形成した時の無偏光回折光学素子の格子の溝深さと回折効率の関係を示す。格子のピッチが１．６〜２．０μｍと異なる場合において、溝深さを変えていくと、深さが０．６〜０．６５μｍ近辺で回折効率は４０％程度となり最大になる。しかしながら、格子のピッチごとに最大回折効率は異なっている。１．６μｍでは３９％、２．０μｍでは４１％と、最大回折効率は格子のピッチにより僅かに異なる。
【０００９】
前述の従来例（特許文献１，２）では無偏光ホログラムのピッチを同一とし、受光素子を直列配置することで回折効率差を低減しているが、図８において、無偏光ホログラムの場合は対物レンズ出射光として往路で０次回折効率を８０％程度確保する必要があり、復路において、溝深さが０．２μｍ近傍で回折効率が８％程度の領域を使用することになる。しかしながら、図８のように深さ０．２μｍ近傍で加工精度の問題により深さがばらつくと、回折効率もバラツキが大きくなる。すなわち、図８において、溝深さが１０％ばらつくとすると、ピッチ１．６μｍの場合は、回折効率最大付近と深さ０．２μｍとの回折効率のバラツキを比較すると、Δη１＞Δη２となる。深さのバラツキはプロセス上１０％程度であるため、上記のように受光素子へ回折される光の回折効率のバラツキも大きくなり、出力信号のバラツキの原因となる。また、回折効率のバラツキが大きいと、信号検出系のゲインアンプの高帯域化が困難となる。さらに、バラツキだけでなく、無偏光では、回折効率の向上も困難である。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、回折格子の深さ加工バラツキにより生じる回折効率のバラツキを低減する構成を備え、単に回折効率を等しくするだけではなく、より高い回折効率になるようにした偏光回折光学素子を提供することを目的とする。また、本発明では、回折効率を等しくし、より高い回折効率になるようにした偏光回折光学素子を光学系に用いて信号のオフセットを小さくし、信頼性を向上した光ピックアップ装置を提供することを目的し、さらには、その光ピックアップ装置を搭載することにより安定した信号検出が可能な光ディスクドライブ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、請求項１に係る発明は、光ピックアップ装置に用いられる光学素子であって、入射光束の偏光方向に応じて光束を回折し分岐する偏光回折光学素子において、基板上に複屈折性を有する材料からなる凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）を形成して成り、該回折格子の溝深さをＴ、格子を透過する光の波長をλ、複屈折率差Δｎ（ｘ軸とｙ軸の屈折率の差）をΔｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜としたとき、前記回折格子の溝深さＴが、略λ／（２Δｎ）であることを特徴とする。すなわち、請求項１記載の偏光回折光学素子では、基板上に複屈折性を有する材料からなる凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）を形成し、該回折格子の溝深さＴを略λ／（２Δｎ）に限定することにより、回折格子の溝深さのバラツキによる回折効率のバラツキを低減でき、回折効率の向上を図ることが可能となる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の偏光回折光学素子において、前記回折格子のＱ値を、
Ｑ＝（２πλＴ）／（ｎ０・Λ２）
（λ：波長、Ｔ：格子の溝深さ、ｎ０：平均屈折率、Λ：格子周期）
としたとき、前記Ｑ値が１≦Ｑ＜４であることを特徴とする。すなわち、請求項２記載の偏光回折光学素子では、Ｑ値を限定することにより入射角依存性を低減することが可能となる。また、この偏光回折光学素子を光ピックアップ装置の光学系に用いたときに、偏光回折光学素子をラジアル方向へシフトして組付け調整することで回折効率差を低減でき、回折効率を向上することが可能となる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の偏光回折光学素子において、基板上に設けた光学的異方性材料に凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に等方性物質を充填したことを特徴とする。すなわち、請求項３記載の偏光回折光学素子では、基板上に設けた光学的異方性材料に凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に等方性物質を充填したものであり、ピッチと深さの関係は請求項１または２に記載したようにすることにより、高効率化、低コスト化と同時に回折効率のバラツキの低減を図ることが可能となる。
また、請求項４に係る発明は、請求項３記載の偏光回折光学素子において、前記光学的異方性材料は、高分子配向膜あるいは有機延伸膜であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１または２記載の偏光回折光学素子において、基板上に設けた光学的等方性材料、あるいは光学的等方性材料からなる基板上に、凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に光学的異方性材料を充填したことを特徴とする。すなわち、請求項５記載の偏光回折光学素子では、基板上に設けた光学的等方性材料、あるいは光学的等方性材料からなる基板上に、凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に光学的異方性材料を充填したものであり、ピッチと深さの関係は請求項１または２に記載したようにすることにより、高効率化、低コスト化と同時に回折効率のバラツキ低減を図ることが可能となる。
また、請求項６に係る発明は、請求項５記載の偏光回折光学素子において、充填される光学的異方性材料は液晶であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、光源からの光を集光レンズで記録媒体に集光して記録または再生を行う光ピックアップ装置において、前記光源から集光レンズに至る光路中に回折光学素子を配置し、前記記録媒体からの反射光を回折光学素子により分岐して光検出器で受光する光学系を備え、該光学系に配置する回折光学素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子を用いたことを特徴とする。
また、請求項８に係る発明は、請求項７記載の光ピックアップ装置において、前記光学系は、光源と、該光源からの光を記録媒体上に集光させる集光レンズと、前記記録媒体からの反射光を回折し分岐する請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子と、該偏光回折光学素子で回折され分岐された反射光を検出し少なくともフォーカス誤差信号及びトラッキング誤差信号の検出を行う光検出器とを有することを特徴とする。
請求項７，８記載の光ピックアップ装置では、光学系に配置する回折光学素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子を用いたことにより、領域ごとの回折効率バラツキが小さく、高効率の回折光学素子を使うことができ、信号のオフセットを小さくし、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、光ピックアップ装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００１６】
請求項９に係る発明は、請求項７または８記載の光ピックアップ装置において、前記光源と光検出器と偏光回折光学素子を一体に構成したユニットを用いたことを特徴とする。
すなわち、請求項９記載の光ピックアップ装置では、光源と光検出器と偏光回折光学素子を一体に構成したユニットを用いたことにより、小型で低コストな光ピックアップ装置を提供することが可能となる。
【００１７】
請求項１０に係る発明は、記録媒体に対して光ピックアップ装置を用いて情報の記録または再生を行う光ディスクドライブ装置において、前記光ピックアップ装置として、請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ピックアップ装置を搭載したことを特徴とする。
すなわち、請求項１０記載の光ディスクドライブ装置では、請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ピックアップ装置を使うことにより、信号のバラツキやノイズによるオフセットが小さく、安定した信号検出が可能な光ディスクドライブ装置を実現することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例を示す偏光回折光学素子の構成及び動作の説明図であり、図２は本発明の一実施例を示す光ピックアップ装置の概略構成図である。図１の構成は、図２に示す光ピックアップ装置のホログラム光源ユニット１１の部分の構成例を示している。すなわち、図２に示す光ピックアップ装置のホログラム光源ユニット１１のケース内には、図１に示す光源１及び光検出器（複数の受光素子あるいは多分割受光素子）８が配設されており、そのケースの光出・入射用の開口部に偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）７が一体に設置されている。この偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）７は、透明な第１の基板２上に複屈折性を有する光学的異方性材料３を設け、この光学的異方性材料３にエッチング処理などにより凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）４を形成し、少なくとも格子の凹部に等方性材料５を充填し、さらにその上に透明な第２の基板６を装荷したものである。図１における第１、第２の基板１，６は石英やＢＫ７のような透明なガラス基板であるが、ガラスでなくてもよく、透明な樹脂でも構わない。また、図２において、符号１２はカップリングレンズ、１３は立上げミラー、１４は１／４波長板、１５は集光レンズである対物レンズ、１６は記録媒体である光ディスクである。尚、図２の構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。
【００２０】
図１，２において、ホログラム光源ユニット１１内の光源（例えば半導体レーザ）１から出射された直線偏光の光は、偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）７を透過し、カップリングレンズ１２で略平行光になり、立上げミラー１３で光路を略直角方向に偏向され、１／４波長板１４を透過して円偏光となり、対物レンズ１５で集光されて光ディスク１６の記録面に微小なスポット光として照射される。そして、光ディスク１６の記録面上の信号を読み取った光は、記録面で反射されて往路とは反対回りの円偏光となり、対物レンズ１５で略平行光とされ、１／４波長板１４を透過して往路とは直交した直線偏光となり、立上げミラー１３で光路を偏向され、カップリングレンズ１２に戻り、偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）７の偏光ホログラム４で回折されて分岐され、分岐された光は光検出器８の複数の受光素子（あるいは多分割受光素子）で受光され、情報信号、フォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号等の信号が検出される。
【００２１】
次に偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）７のホログラム４について説明する。ホログラム４は複屈折性を有する光学的異方性材料（以下、複屈折性材料と言う）３の表面に凹凸形状の周期的格子が形成されたもので、少なくとも凹部に等方性材料５が充填されている偏光ホログラムである。この偏光ホログラム４は、例えば図３に示すように２つの格子領域４ａ，４ｂに分割されており、領域４ａと４ｂでは格子ピッチ（格子周期）が異なっている。そのため領域４ａと領域４ｂからの回折光の回折角は異なり、それぞれ光検出器８の２つの受光素子８ａと８ｂで受光される。ここで領域４ａの方が回折角度が小さいので、格子のピッチは大きい。ここでは領域４ａの格子のピッチを仮に２．０μｍとする。領域４ｂの方は回折角度が大きいので格子のピッチは小さい。ここでは領域４ｂの格子のピッチを仮に１．６μｍとする。
【００２２】
このように偏光ホログラム４の格子のピッチが異なる場合、図８〜図１０に示すように、格子のピッチが異なる部分では最大回折効率が異なる。ここで、図８は前述したように、ＢＫ７ガラス上に凹凸形状の格子を形成した時の無偏光回折光学素子の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図である。また、図９は複屈折率Δｎが大きい場合の偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図であり、図１０は、複屈折率Δｎが小さい場合の偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図である。
【００２３】
光ピックアップ装置で高速再生をするためには、偏光ホログラム４による回折効率を大きくして光検出器８の受光素子８ａ，８ｂに入る光量を大きくしなければならないが、回折効率を大きくすると格子のピッチの異なるホログラム領域４ａ，４ｂでは得られる最大効率が異なるので、受光素子８ａ，８ｂに入る光量が異なってしまい、信号出力がアンバランスになって正確な信号検出ができなくなる。そこで従来例（特許文献１，２）では、無偏光ホログラムのピッチを同一とし、図４に示すように、受光素子８ａ，８ｂを直列配置することで回折効率差を低減している。これに対して、本発明では少なくともフォーカシング誤差信号、トラッキング誤差信号検出用の受光素子を有する光学系に偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）を搭載するものである。
【００２４】
図８はＢＫ７ガラス上に格子を形成した時の格子の溝深さと回折効率の関係を示しているが、格子のピッチが１．６〜２．０μｍと異なる場合において、溝深さを変えていくと、深さが０．６〜０．６５μｍ近辺で回折効率は４０％程度となり最大になる。しかしながら、格子のピッチごとに最大回折効率は異なっている。格子のピッチ１．６μｍでは３９％、２．０μｍでは４１％と、最大回折効率は格子のピッチによりわずかに異なる。従来例（特許文献１，２）では無偏光ホログラムの格子のピッチを同一とし、受光素子を直列配置することで回折効率差を低減しているが、無偏光ホログラムの場合は対物レンズ出射光として、往路で０次回折効率を８０％程度確保する必要があり、復路では溝深さが０．２μｍ近傍で回折効率８％程度の領域を使用することとなる。図８のように深さ０．２μｍ近傍で加工精度の問題により深さがばらつくと、回折効率もバラツキが大きくなる。深さのバラツキはプロセス上１０％程度あるため回折効率のバラツキも大きくなり、出力信号のバラツキ拡大の原因となる。
【００２５】
そこで、本発明では、図１，２に示す光ピックアップ装置の光学系に偏光回折光学素子を設けることで、往路を９０％以上確保でき、復路においては、図９に示すような偏光回折光学素子の回折効率より、溝深さを２μｍ付近（回折効率最大付近）に設定することで、深さに対する回折効率の変化量が低減するため、深さバラツキによる回折効率のバラツキを低減できる。これにより受光素子８ａ，８ｂに入る光量バラツキを低減でき、信号出力を安定化できるため正確な信号検出ができるようになる。また、偏光回折光学素子の回折効率のバラツキを低減し、かつ高効率化することにより、信号検出系のゲインアンプの高帯域化も容易になる。
【００２６】
ここで、偏光回折光学素子７の偏光ホログラム４の格子の溝深さをＴ、格子を透過する光の波長をλ、複屈折率差Δｎ（ｘ軸とｙ軸の屈折率の差（ｚ軸を光軸とする））をΔｎ＝｜ｎｘ−ｎｙ｜としたとき、格子の溝深さＴが、
Ｔ＝λ／（２Δｎ）
となるようにする。このようにすることで、各ピッチでの回折効率を最大にできる。
【００２７】
尚、図８の無偏光ホログラムの場合は、溝深さのバラツキは一般的に加工工程において１０％程度のバラツキが発生する。このため、図８でピッチ１．６μｍの場合は回折効率最大付近と深さ０．２μｍとの回折効率のバラツキを比較すると、Δη１＞Δη２（０．２μｍの深さの回折効率のバラツキに対して、最大効率の深さでの回折効率のバラツキは約１／３）となる。
本発明では、回折光学素子に図９（または図１０）に示すような特性の偏光ホログラム素子を用い、格子の溝深さＴが、Ｔ＝λ／（２Δｎ）となるようにするので、各ピッチでの回折効率を最大にでき受光素子に入る光量バラツキを低減でき、信号出力を安定化できるため正確な信号検出ができるようになる。また、信号検出系のゲインアンプの高帯域化もさらに容易となる。
【００２８】
（実施例２）
次に本発明の第２の実施例を図５に基づいて説明する。図５は偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）のＱ値を０．１，１，２，４，７，１０と変えたときの一次回折効率の光束入射角依存性を示す図である。ここでＱ値とはホログラム素子が平面ホログラムか体積ホログラムかを判断する目安となるパラメータであり、光源波長をλ、回折格子の溝深さをＴ、平均屈折率をｎ０、回折格子のピッチ（格子周期）をΛとしたとき、Ｑ値は、
Ｑ＝（２πλＴ）／（ｎ０・Λ２）
で求められる。
【００２９】
一般にＱ≦０．５の場合は平面ホログラム、Ｑ≧１０の場合は体積ホログラムと言われている。０．５＜Ｑ＜１０の場合は、その中間領域である（非特許文献１参照）。図５に示すように、平面ホログラムでは光束入射角に関わらず回折効率は一定であるが、体積ホログラムでは光束入射角により回折効率は大きく変化し、特定の入射角（ブラッグ角）時に回折効率は最大になる。ここで図５におけるＱ＝０．１の場合とＱ＝２の場合を比較すると、回折効率に光束入射角依存性のあるＱ＝２の場合の方が、ブラッグ角をθＢとすると、およそ±θＢの範囲において回折効率が上回っている。
【００３０】
従って、例えば図１に示すような光学系において、偏光ホログラム素子７に入射する光束入射角が±θＢ以内になるように設計すれば、記録媒体からの反射光（戻り光束）を受光手段である光検出器８に導く偏光ホログラム素子として、回折効率に光束入射角依存性のある偏光ホログラム素子を用いた方が、回折効率が光束入射角によらず一定である偏光ホログラム素子を用いるよりも回折効率を高くできる。また、Ｑ＝２の場合に限らず、図５によればＱ値が２〜４の場合において、光束入射角が０、すなわち垂直入射時における回折効率がＱ＝０．１の平面ホログラムの場合よりも上回っているので、光束入射角０を中心とした或る入射角範囲での回折効率の平均値が平面ホログラムの回折効率より高くなる。従って、戻り光束を受光手段に導く偏光ホログラム素子として、回折効率に光束入射角依存性のある偏光ホログラム素子を用いる場合、Ｑ値が２〜４になるように設計することが望ましい。
【００３１】
以上によれば、偏光ホログラム４の各領域４ａ，４ｂのピッチが同一の偏光回折光学素子７を用い、図４に示すように光検出器８の受光素子８ａ，８ｂが直列配置された光学系において、さらなる回折効率の向上が可能となり、且つ、回折効率最大の領域を利用できる。また、光検出器８による信号検出においてＳ／Ｎ比を確保でき、高速化に対応できるようになる。ただし、入射角依存性によりトラックオフセットが発生するが、オフセット除去手段に関しては、例えば光源１の光軸に対し、偏光回折光学素子７を記録媒体（光ディスク）１６のラジアル方向にシフトしてトラッキングオフセットを低減する方法があり、オフセット除去が可能となる。
【００３２】
（実施例３）
次に実施例１，２に示した構成において、偏光回折光学素子７は図６に示すように、複屈折性を有する光学的異方性材料（以下、複屈折性材料と言う）３の表面に凹凸形状を有する回折格子（偏光ホログラム）４を形成した偏光回折光学素子であることについて説明する。図１でも示したように、図６に示す偏光回折光学素子の第１の基板１と第２の基板６は石英やＢＫ７のような透明なガラス基板である。また、ガラス以外に、透明な樹脂でも構わない。ホログラム４は複屈折性材料３の表面にエッチング等により凹凸形状が形成されたものであり、少なくとも凹部に等方性材料５が充填されている偏光ホログラムである。複屈折性材料３の屈折率と等方性材料５の屈折率の差と、格子の溝深さにより回折効率が決まるが、屈折率差により特性が違うので、それに合わせて最適な深さを決めていく必要がある。図９に示すように、複屈折性材料３の複屈折率差Δｎが大きい場合は、ピッチの違いによる最大回折効率の違いは小さい。逆に図１０に示すように、複屈折性材料３の複屈折率差Δｎが小さい場合は、ピッチの違いによる最大回折効率の違いは大きい。いずれの場合でも回折効率のバラツキを低減するために、前述したように格子の深さを最大回折効率付近に設定すれば、回折効率差を低減することができる。したがって、格子の深さを最大回折効率の付近に設定することによる回折効率バラツキの低減は、多用な複屈折材料に適用できる有効な手段と言える。
【００３３】
ここで、図６に示すような構成の偏光回折光学素子に用いられる複屈折材料３の一例として、複屈折膜の例について説明する。複屈折膜としては有機の高分子配向膜がある。作製方法の一例としては、ガラスなどの透明基板上にＳｉＯなどを斜め蒸着したり、あるいはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの有機膜を布で擦ってラビング処理した配向膜上に、ポリジアセチレンモノマーを真空蒸着して配向させ、この後、紫外線を照射してポリマー化して複屈折膜を作る方法がある（例えば、非特許文献２参照）。この方法により、有機材料の複屈折膜を安価に生産することができる。
また、複屈折膜を得る別の加工法として、スピンコートなどにより作製したポリイミドやポリカーボネート等の高分子フィルムを延伸により分子鎖を一軸方向に配向させ、面内複屈折を発生させる方法があり、このようにして作製された複屈折膜を有機延伸膜と言う。この有機延伸膜では、延伸の時の温度や加える力により複屈折Δｎを変えることができ、安価で量産可能な方法である。尚、有機延伸膜に用いられる有機高分子材料としては、ポリイミドやポリカーボネートの他に、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォンなどを用いることができる。
このようにして得られた複屈折膜に、エッチング等により凹凸形状の格子を形成し、その表面を等方性の屈折率の物質で埋めて平坦化することにより、低コストで高効率な偏光ホログラムが形成される。
【００３４】
（実施例４）
以上の実施例１〜３では、基板上に複屈折性材料（複屈折膜）３を形成し、その複屈折性材料に凹凸形状の格子からなるホログラム４を形成した構成の偏光回折光学素子について述べたが、ここでは、光学的等方性材料に凹凸形状の格子を設け、少なくとも格子の凹部に複屈折性を有する光学的異方性材料を充填した構成の偏光回折光学素子について説明する。
本実施例では図７に示すように、回折光学素子７’は等方性材料９の表面に凹凸形状を有し、少なくともその凹部に光学的異方性材料（複屈折性材料）１０を充填した偏光回折光学素子である。第１の基板１、第２の基板６は石英やＢＫ７のような透明なガラス基板であるが、ガラス以外にも透明な樹脂でも構わない。尚、等方性材料９は第１の基板２と共通でもよい。すなわち、等方性材料かなる基板に凹凸形状の格子を形成してもよい。
【００３５】
より具体的に説明すると、図７に示す偏光回折光学素子７’では、ホログラム４は、等方性材料９の表面にエッチング等により凹凸形状の回折格子を形成したものであり、少なくとも凹部に光学的異方性材料（複屈折性材料）１０が充填されている偏光ホログラムである。この場合にも、複屈折性材料１０の複屈折率と溝深さにより回折効率が決まるが、複屈折率差に応じて深さの違いによる最大回折効率が異なってくる。すなわち、複屈折率差により特性が違うので、それに合わせて最適な深さを決めていく必要がある。例えば、図９のように複屈折性材料１０の複屈折率差が大きい場合は、格子のピッチの違いによる最大回折効率の違いは小さい。逆に図１０のように複屈折性材料１０の複屈折率差が小さい場合は、格子のピッチの違いによる最大回折効率の違いは大きい。いずれの場合も回折効率のバラツキを低減するために、格子の深さを変えて最大回折効率付近に設定することで、回折効率のバラツキを低減することができる。このように複屈折性材料１０の複屈折率差が幾つであっても、格子の深さを最大回折効率付近に設定することにより、回折効率のバラツキを低減することができる。したがって、格子の深さを最大回折効率の付近に設定することによる回折効率バラツキの低減は、光学的等方性材料に凹凸形状の格子を設け、少なくとも格子の凹部に複屈折性材料を充填した構成の偏光回折光学素子にも適用できる有効な手段と言える。
【００３６】
ここで、図７に示すような構成の偏光回折光学素子に用いられる複屈折性材料１０としては液晶が好適である。すなわち、等方性材料９の表面に凹凸形状の格子を設けた場合には、格子の凹部に液晶を充填することになる。液晶の複屈折率差は、配合によりある程度任意に変えることができる。等方性材料９の凹凸加工において溝深さを浅くしたい場合は液晶の複屈折率差を大きくし、深い溝加工が可能であれば液晶の複屈折率差を小さくすれば良い。また、体積ホログラムを作りたい場合は、液晶の複屈折率差を小さくして深い溝加工にすれば良い。このように多用なホログラムを作ることに対応できる液晶は、作るものにより複屈折率差も多用に変わることが予想される。また、複屈折率差に合わせて格子ピッチや格子の深さを最適にすることにより、均一、かつ高い回折効率を得ることができる。
【００３７】
（実施例５）
本発明に係る光ピックアップ装置は、光源１からの光を集光レンズ（対物レンズ）１５で記録媒体（光ディスク）１６に集光して記録または再生を行う光ピックアップ装置であり、光源１から対物レンズ１５に至る光路中に回折光学素子７を配置し、光ディスク１６からの反射光を回折光学素子７により分岐して光検出器８で受光する光学系を備え、該光学系に配置する回折光学素子７として、実施例１〜４で説明した構成の偏光回折光学素子を用いたものである。より具体的には、図２に示したように、光学系は、ホログラム光源ユニット１１と、カップリングレンズ１２、立上げミラー１３、１／４波長板１４、対物レンズ１５などで構成されており、ホログラム光源ユニット１１のケース内には、図１に示す光源１及び受光素子８が配設されており、そのケースの光出・入射用の開口部に偏光回折光学素子７が一体に設置されている。そして、偏光回折光学素子７としては、実施例１〜４で説明した偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）が用いられているので、以下のような利点がある。
（１）回折効率自体も高いので、高速記録・再生に対応できる。
（２）格子の深さバラツキによる回折効率差を低減できるので、低コストに偏光ホログラム素子を作製でき、光ピックアップ装置を低コストに作製することができる。
（３）領域ごとの回折効率バラツキが小さく、高効率の偏光ホログラム素子を使うことができ、信号のオフセットを小さくし、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、光ピックアップ装置の信頼性の向上を図ることができる。
（４）光源１と光検出器８と偏光ホログラム素子７を一体に構成したホログラム光源ユニット１１を用いることにより、小型で低コストな光ピックアップ装置を実現することができる。
【００３８】
（実施例６）
実施例１，５に示した光ピックアップ装置は、回折効率が高く、均一な回折効率の偏光ホログラム素子を用いるので、光利用効率が高く、信頼性の高い信号が得られる。また、回折効率が高いと信号検出系の光集積回路（ＯＰＩＣ）のゲインを小さくでき、ＯＰＩＣの高速応答化に貢献できる。したがって、この光ピックアップ装置を光ディスクドライブ装置に搭載することによって、記録・再生速度の高速化を達成することができる。
また、本発明に係る光ピックアップ装置は、偏光分離に偏光ホログラム素子７を用い、光源１と光検出器８を配設した光源ユニット１１と一体化しているので、光ピックアップ装置の小型化、薄型化が可能であり、ノート型パーソナルコンピュータ等に搭載される光ディスクドライブ装置の光ピックアップ装置として好適に用いることができる。
【００３９】
次に光ディスクドライブ装置の構成例を図１１に示す。図１１は光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。この光ディスクドライブ装置２０は、情報記録媒体としての光ディスク１６を回転駆動するためのスピンドルモータ２２、光ピックアップ装置２３、レーザコントロール回路２４、エンコーダ２５、モータドライバ２７、再生信号処理回路２８、サーボコントローラ３３、バッファＲＡＭ３４、バッファマネージャ３７、インターフェース３８、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）３９、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４０、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）４１などを備えている。尚、図１１における矢印は、代表的な信号や情報の流れを示すものであり、各ブロックの接続関係の全てを表わすものではない。また、光ディスク１６としては、ＣＤ（コンパクト・ディスク）系の光ディスク（ＣＤ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ）や、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）系の光ディスク（ＤＶＤ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ）等があり、光ピックアップ装置２３内に波長の異なる光源を複数備えることにより、互換性を持たせることができる。
【００４０】
光ピックアップ装置２３は、光ディスク１６のスパイラル状または同心円状のトラックが形成された記録面にレーザ光を照射すると共に、記録面からの反射光を受光し、情報の記録または再生を行うための装置であり、例えば実施例１，５で説明した図２のような構成となっている。
再生信号処理回路２８は、光ピックアップ装置２３の出力信号である電流信号を電圧信号に変換し、該電圧信号に基づいてウォブル信号、再生情報を含むＲＦ信号及びサーボ信号（フォーカスエラー信号、トラックエラー信号）などを検出する。そして、再生信号処理回路２８では、ウォブル信号からアドレス情報及び同期信号等を抽出する。ここで抽出されたアドレス情報はＣＰＵ４０に出力され、同期信号はエンコーダ２５に出力される。さらに、再生信号処理回路２８では、ＲＦ信号に対して誤り訂正処理等を行なった後、バッファマネージャ３７を介してバッファＲＡＭ３４に格納する。また、サーボ信号は再生信号処理回路２８からサーボコントローラ３３に出力される。サーボコントローラ３３では、サーボ信号に基づいて光ピックアップ装置２３を制御する制御信号を生成し、モータドライバ２７に出力する。
【００４１】
前記バッファマネージャ３７では、バッファＲＡＭ３４へのデータの入出力を管理し、蓄積されたデータ量が所定の値になると、ＣＰＵ４０に通知する。前記モータドライバ２７では、サーボコントローラ３３からの制御信号及びＣＰＵ４０の指示に基づいて、光ピックアップ装置２３及びスピンドルモータ２２を制御する。前記エンコーダ２５では、ＣＰＵ４０の指示に基づいて、バッファＲＡＭ３４に蓄積されているデータをバッファマネージャ３７を介して取り出し、エラー訂正コードの付加などを行い、光ディスク１６への書き込みデータを作成するとともに、再生信号処理回路２８からの同期信号に同期して、書き込みデータをレーザコントロール回路２４に出力する。前記レーザコントロール回路２４では、エンコーダ２５からの書き込みデータに基づいて、光ピックアップ装置２３からのレーザ光出力を制御する。
【００４２】
前記インターフェース３８は、ホスト（例えば、パーソナルコンピュータ）との双方向の通信インターフェースであり、ＡＴＡＰＩ（ＡＴ  Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  Ｐａｃｋｅｔ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）及びＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等の標準インターフェースに準拠している。
前記ＲＯＭ３９には、ＣＰＵ４０にて解読可能なコードで記述された制御用のプログラム等が格納されている。ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ３９に格納されている前記プログラムに従って上記各部の動作を制御するとともに、制御に必要なデータ等を一時的にＲＡＭ４１に保持する。
【００４３】
以上、光ディスクドライブ装置の一構成例を説明したが、本発明では光ピックアップ装置２３として、実施例１〜４で説明した偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）を用いた光ピックアップ装置（例えば図１，２の構成）を搭載しているので、光利用効率が高く、信頼性の高い信号が得られ、かつ記録・再生速度の高速化を達成することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の偏光回折光学素子では、基板上に複屈折性を有する材料からなる凹凸形状の回折格子（偏光ホログラム）を形成し、該回折格子の溝深さＴを略λ／（２Δｎ）に限定することにより、回折格子の溝深さのバラツキによる回折効率のバラツキを低減でき、回折効率の向上を図ることができる。
請求項２記載の偏光回折光学素子では、回折格子のＱ値を限定することにより入射角依存性を低減することができる。また、この偏光回折光学素子を光ピックアップ装置の光学系に用いたときに、偏光回折光学素子をラジアル方向へシフトして組付け調整することで回折効率差を低減でき、回折効率を向上し回折効率バラツキを低減して高速化に対応できる。
【００４５】
請求項３記載の偏光回折光学素子では、基板上に設けた光学的異方性材料に凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に等方性物質を充填したものであり、ピッチと深さの関係は請求項１または２に記載したようにすることにより、高効率化、低コスト化と同時に回折効率のバラツキの低減を図ることができる。また、光学的異方性材料に直接凹凸加工を施せるので、微小ピッチの格子を形成でき、等方性材料が充填物質と接着剤を兼ねることができ、工程が簡素化できる。
請求項４記載の偏光回折光学素子では、前記光学的異方性材料に高分子配向膜あるいは有機延伸膜を用いるので材料費が安価であり、特に、有機延伸膜を使うことにより、大面積に加工でき、より低コスト化を実現できる。
【００４６】
請求項５記載の偏光回折光学素子では、基板上に設けた光学的等方性材料、あるいは光学的等方性材料からなる基板上に、凹凸形状の回折格子を形成し、少なくともその凹部に光学的異方性材料を充填したものであり、ピッチと深さの関係は請求項１または２に記載したようにすることにより、高効率化、低コスト化と同時に回折効率のバラツキ低減を図ることができる。また、光学的等方性材料、すなわち加工が容易なガラス材等に直接凹凸加工を施せるので、微小ピッチの格子を安定して形成でき、信頼性が高い。
請求項６記載の偏光回折光学素子では、光学的等方性材料に形成した凹凸形状の回折格子に充填される光学的異方性材料に液晶を用いることにより、低コスト化を実現することができる。また、充填物質が液晶なので、複屈折率を大きくすることができ、溝加工が浅くても良く、加工時間を短縮でき、量産性が良い。
【００４７】
請求項７，８記載の光ピックアップ装置では、光学系に配置する回折光学素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光回折光学素子を用いたことにより、領域ごとの回折効率バラツキが小さく、高効率の回折光学素子を使うことができ、信号のオフセットを小さくしてＳ／Ｎ比を向上することができ、信頼性の高い高速記録・再生を行うことができる。
また、請求項９記載の光ピックアップ装置では、光源と光検出器と偏光回折光学素子を一体に構成したユニットを用いたことにより、小型で低コストで、信頼性の高い光ピックアップ装置を実現することができる。
【００４８】
請求項１０記載の光ディスクドライブ装置では、請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ピックアップ装置を搭載することにより、信号のバラツキやノイズによるオフセットが小さく、安定した信号検出を行うことができ、記録・再生速度の高速化を達成することができる光ディスクドライブ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す偏光回折光学素子の構成及び動作の説明図である。
【図２】本発明の一実施例を示す光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図３】偏光回折光学素子の２分割されたホログラム領域と、各領域からの回折光を受光する受光素子の配置の一例を示す図である。
【図４】偏光回折光学素子の２分割されたホログラム領域と、各領域からの回折光を受光する受光素子の配置の別の例を示す図である。
【図５】偏光回折光学素子のＱ値を変えたときの回折効率の光束入射角依存性を示す図である。
【図６】本発明に係る偏光回折光学素子の構成例を示す概略要部断面図である。
【図７】本発明に係る偏光回折光学素子の別の構成例を示す概略要部断面図である。
【図８】ＢＫ７ガラス上に凹凸形状の格子を形成した時の無偏光回折光学素子の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図である。
【図９】複屈折率Δｎが大きい場合の偏光回折光学素子の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図である。
【図１０】複屈折率Δｎが小さい場合の偏光回折光学素子の格子の溝深さと＋１次回折効率の関係を示す図である。
【図１１】光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】従来技術の一例を示す光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図１３】従来技術の別の例を示す光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図１４】回折格子を用いた偏光分離素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：光源（半導体レーザ）
２：第１の基板
３：光学的異方性材料（複屈折性材料）
４：偏光ホログラム（回折格子）
４ａ，４ｂ：格子領域
５：等方性材料
６：第２の基板
７，７’：偏光回折光学素子（偏光ホログラム素子）
８：光検出器
８ａ，８ｂ：受光素子
９：光学的等方性材料
１０：光学的異方性材料（複屈折性材料）
１１：ホログラム光源ユニット
１２：カップリングレンズ
１３：立上げミラー
１４：１／４波長板
１５：対物レンズ
１６：光ディスク（記録媒体）
【図１】
2004212553.tif 000003
【図２】
2004212553.tif 000004
【図３】
2004212553.tif 000005
【図４】
2004212553.tif 000006
【図５】
2004212553.tif 000007
【図６】
2004212553.tif 000008
【図７】
2004212553.tif 000009
【図８】
2004212553.tif 000010
【図９】
2004212553.tif 000011
【図１０】
2004212553.tif 000012
【図１１】
2004212553.tif 000013
【図１２】
2004212553.tif 000014
【図１３】
2004212553.tif 000015
【図１４】
2004212553.tif 000016