(57)【要約】【課題】格子ピッチが細かくなっても、回折効率の低下が少ない波長選択性の回折光学素子を得て、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置における光の利用効率の増加ならびに小型・軽量化を実現する。【解決手段】透明基板１１の１面に断面が階段状である回折格子１２と断面が矩形である回折格子１３を備える回折光学素子とし、回折光学素子に入射する２つの異なる波長の光のうち一方の波長の光を回折し、他方の波長の光を透過する波長選択性を回折光学素子として、この素子を光ヘッド装置に搭載する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１枚の透明基板と、透明基板の少なくとも１面に形成された回折格子からなる回折光学素子であって、回折格子は断面が階段状である格子と断面が矩形である格子を備え、回折光学素子に入射する２つの異なる波長の光のうち一方の波長の光を回折し、他方の波長の光を透過する波長選択性を有していることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記回折光学素子は、異常光および常光のうちいずれか一方として入射する直線偏光を回折し、いずれか他方として入射する直線偏光を透過する偏光選択性を有している請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記回折光学素子に波長板が一体化されている請求項１または２記載の回折光学素子。
【請求項４】
それぞれ異なる波長の光を出射する２つの光源と、前記異なる波長の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、対物レンズにより集光され光記録媒体によって反射された光を検出する２つの光検出器とを備える光ヘッド装置であって、前記光ヘッド装置は前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１または２記載の回折光学素子を備えていることを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子および光ヘッド装置に関し、特に光ヘッド装置に関しては光記録媒体の情報の記録および再生を行う光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤやＤＶＤなどの光記録媒体（以後、光ディスクと記す）に情報の記録・再生を行う光ヘッド装置において、光源である半導体レーザからの出射光はレンズにより光ディスク上に集光され、光ディスクで反射し戻り光となる。この戻り光は回折光学素子またはビームスプリッタを用いて光検出器である受光素子へ導かれ、光ディスク上の情報が電気信号に変換される。
【０００３】
同一の光ヘッド装置で、規格の異なる光ディスクであるＣＤおよびＤＶＤを用いて、情報の記録・再生を行うため、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置が製品化されている。光ディスクの記録層として、光の反射・吸収に対して波長依存性の高い媒質が用いられるＣＤ−Ｒ／ＲＷなどの再生を前提とした光ヘッド装置においては、ＣＤ用には７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザが用いられる。また、ＤＶＤ用には６６０ｎｍ波長帯の半導体レーザが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置において、規格の異なる光ディスクにて、情報の記録・再生を行うため、透過する光の波長によって回折効率を制御する波長選択性の回折光学素子が用いられる。さらに、光ディスクにて、情報を効率良く記録・再生するために、断面が矩形の格子の代わりに階段状の格子により鋸波状を近似した回折光学素子が用いられて、回折効率を向上することができる。しかしながら、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置の小型・軽量化にともない、波長選択性を有する階段状の回折格子の格子ピッチが細かくなり、入射光の偏光状態、入射角度によっては、断面が矩形の格子に比べて高い回折効率を得ることが困難となる問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、少なくとも１枚の透明基板と、透明基板の少なくとも１面に形成された回折格子からなる回折光学素子であって、回折格子は断面が階段状である格子と断面が矩形である格子を備え、回折光学素子に入射する２つの異なる波長の光のうち一方の波長の光を回折し、他方の波長の光を透過する波長選択性を有していることを特徴とする回折光学素子を提供する。
【０００６】
また、前記回折光学素子は、異常光および常光のうちいずれか一方として入射する直線偏光を回折し、いずれか他方として入射する直線偏光を透過する偏光選択性を有している上記の回折光学素子を提供する。
【０００７】
また、前記回折光学素子に波長板が一体化されている上記の回折光学素子を提供する。
【０００８】
さらに、それぞれ異なる波長の光を出射する２つの光源と、前記異なる波長の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、対物レンズにより集光され光記録媒体によって反射された光を検出する２つの光検出器とを備える光ヘッド装置であって、前記光ヘッド装置は前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の回折光学素子を備えていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
「第１実施態様」
本発明の第１実施態様の回折光学素子としては、１枚の透明基板の１面に形成された回折格子からなる回折光学素子であって、回折格子は断面が階段状である格子と断面が矩形である格子とを備えている。そして回折光学素子に入射する２つの異なる波長の光のうち一方の波長の光を回折し、他方の波長の光を透過する波長選択性を有している回折光学素子である。回折格子は１枚の透明基板の２面に分けて形成してもよいし、また２枚の透明基板の対向する面のうち一方の面または両面に形成してもよい。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施態様の回折光学素子の断面を示す模式図である。第１実施態様の回折光学素子は、ガラスや石英ガラスなどの光学的に等方である透明基板１１の１面に、断面が階段状の回折格子１２と、断面が矩形の回折格子１３とが混在した構成である。
【００１２】
回折格子１２と回折格子１３を構成する格子材料の屈折率をｎとしたとき、階段状の回折格子１２の１段の高さを、λ２／（ｎ−１）とすることで、波長λ２の光を透過し、他の波長λ１の光を回折する波長選択性を有することができる。
【００１３】
このとき、波長λ１に対して回折格子１２の１段の高さにより発生する位相差は、格子材料の屈折率波長分散を無視すると２π×（λ２／λ１）に近似される。２π×（λ２／λ１）と２π×ｍ（ただし、ｍは自然数との差の絶対値が最も小さな値を位相差δとすると、波長λ１の回折効率を最大にする階段状の回折格子１２の段数Ｎは、Ｎ×δが２πに最も近い場合である。
【００１４】
例えば、λ１＝６６０ｎｍおよびλ２＝７９０ｎｍのとき、２π×（λ２／λ１）は２π×１．２０のため、δ＝２π×０．２となり、Ｎ＝５となる。実際には格子材料の屈折率波長分散を考慮し、波長λ１の回折効率を最大にする回折格子１２の段数Ｎが定まる。
しかし、階段状の回折格子１２の格子ピッチが細かい場合、格子側壁による影響が大きくなって、波長λ２の光に対する透過率が低下してしまう。
【００１５】
一方、矩形の回折格子１３の高さも、λ２／（ｎ−１）の整数倍とすることで、波長λ２の光を透過し、波長λ１の光を回折する波長選択性を有することができる。
【００１６】
一般に、格子高さが低く、格子側壁による影響が無視できる階段状の回折格子１２の回折効率は矩形の回折格子１３の回折効率よりも大きいが、格子ピッチ、入射偏光、入射角度の条件によっては格子側壁による影響が無視できないため、階段状の回折格子１２の回折効率が、矩形の回折格子１３の回折効率よりも低下する場合がある。
【００１７】
そこで、階段状の回折格子１２の回折効率が、矩形の回折格子１３の回折効率よりも小さくなる格子領域に矩形の回折格子１３を形成し、他の領域に階段状の回折格子１２を形成することにより、回折光学素子全体で波長λ１の回折効率の低下を抑えるとともに、波長λ２の透過率の低下を抑えることができる。
【００１８】
上述のように構成した本発明の第１実施態様の回折光学素子を用いることにより、回折効率の低下を抑えた波長選択性の回折学素子を実現することができる。
【００１９】
「第２実施態様」
本発明の第２実施態様の回折光学素子は、異常光および常光のうちいずれか一方として入射する直線偏光を回折し、いずれか他方として入射する直線偏光を透過する偏光選択性を有している。すなわち、異常光として入射する直線偏光を回折する場合は、常光として入射する直線偏光を回折せず透過する。また、逆に常光として入射する直線偏光を回折する場合は、異常光として入射する直線偏光を回折せず透過する。
【００２０】
図２は、本発明の第２実施態様の回折光学素子の断面を示す模式図である。第２実施態様の回折光学素子は、ガラスや石英ガラスなどの光学的に等方である透明基板２１と２７の間に、複屈折性材料からなる、断面が階段状の回折格子２２と矩形の回折格子２３と、等方性媒質２４、波長板２５、接着剤２６を挟み込んだ構成である。
【００２１】
２つの異なる波長λ１と波長λ２の異常光偏光が入射し、格子材料となる複屈折性材料の異常光屈折率をｎｅ、等方性媒質２４の屈折率をｎｓ（≠ｎｅ）としたとき、階段状の回折格子２２の１段の高さをλ２／（ｎｅ−ｎｓ）とすることで、波長λ２の異常光偏光を透過し、波長λ１の異常光偏光を回折する波長選択性を付与できる。
【００２２】
実施態様１の場合と同様に、階段状の回折格子２２の格子ピッチが細かい場合、格子側壁による影響が大きくなって、波長λ２の異常光偏光に対する透過率が低下する。一方、矩形の回折格子２３の高さも、λ２／（ｎｅ−ｎｓ）の自然数倍とすることで、波長λ２の異常光偏光を透過し、波長λ１の異常光偏光を回折する波長選択性を付与できる。
【００２３】
一般に、格子高さが低く、格子側壁による影響が無視できる階段状の回折格子２２の回折効率は矩形の回折格子２３の回折効率よりも大きいが、格子ピッチ、入射偏光、入射角度の条件によっては格子側壁による影響が無視できないため、階段状の回折格子２２の回折効率が、矩形の回折格子２３の回折効率よりも低下することがある。
【００２４】
そこで、階段状の回折格子２２の回折効率が、矩形の回折格子２３の回折効率よりも小さくなる格子領域に矩形の回折格子２３を形成し、他の領域に階段状の回折格子２２を形成することにより、回折光学素子全体で波長λ１の異常光偏光に対する回折効率の低下を抑えるとともに、波長λ２の異常光偏光に対する透過率の低下を抑えることができる。
【００２５】
また、使用する波長帯において、等方性媒質２４の屈折率ｎｓと格子材料となる複屈折性材料の常光屈折率ｎｏの大きさを一致させることで、第２実施態様の回折光学素子は、常光として入射する光を波長によらず直線透過させ、異常光として入射する光に対し波長選択性の回折光学素子として機能する、偏光選択性を有することができて好ましい。
【００２６】
また、第２実施態様の回折光学素子を光が往復するとき、図２に示すように波長板２５として４分の１波長板を一体化した回折光学素子として用いると、回折格子２２および回折格子２３に、往路にて入射する常光偏光が復路にて異常光入射とできて好ましい。
【００２７】
その結果、波長λ１に対しては往路で透過し復路で回折光を発生する偏光回折格子の機能を有し、波長λ２に対しては往路および復路で直進透過する機能を有する。特に、使用する波長帯全域において４分の１波長板として機能する広帯域特性の波長板を用いた場合でも、波長λ２の偏光状態に関わらず入射光を直進透過する機能を有する。
【００２８】
上述のように構成した本発明の第２実施態様の回折光学素子によると、偏光選択性を有し、かつ回折効率の低下を抑えた波長選択性の回折学素子を実現できる。
【００２９】
「第３実施態様」
図３は、本発明の第３実施態様の光ヘッド装置を示す光学配置図であり、例えば第２実施態様の回折光学素子６を備えている。第３実施態様の光ヘッド装置はＤＶＤおよびＣＤの光ディスク８の情報の記録・再生を行うＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置であって、光源として、ＤＶＤ用の波長λ１の直線偏光を出射する半導体レーザ１ＡとＣＤ用の波長λ２の直線偏光を出射する半導体レーザ１Ｂとの２種の光源を備えている。
【００３０】
半導体レーザ１Ａを出射した直線偏光はビームスプリッタ４を透過し、コリメートレンズ５を透過する。一方、半導体レーザ１Ｂを出射した直線偏光はビームスプリッタ４を反射し、コリメートレンズ５を透過する。コリメートレンズ５を透過した２つの波長の直線偏光は、第２実施態様において説明した本発明の回折光学素子６に対し常光として入射する。
【００３１】
したがって、前記２つの波長の直線偏光は、回折光学素子６に積層された４分の１波長板により回折光学素子６を直進透過して、円偏光になった後、対物レンズ７によって、光ディスク８上に集光される。ここで、ビームスプリッタ４として、ＤＶＤ用の波長光を全透過、ＣＤ用の波長光を全反射させる波長選択性のビームスプリッタを用いることにより、半導体レーザからの光を効率良く利用できて好ましい。
【００３２】
光ディスク８を反射した２つの波長の円偏光は、４分の１波長板により直線偏光となった後、回折光学素子６の回折格子に対し、異常光として入射する。ＤＶＤ用の波長光は回折光学素子６によって、回折されコリメートレンズ５、ビームスプリッタ４を透過して、光検出器２Ａに集光される。一方、ＣＤ用の波長光は回折光学素子６を直進透過し、コリメートレンズ５を透過、ビームスプリッタ４を反射して、ホログラム素子３により回折され、光検出器２Ｂに集光される。ここで、半導体レーザ１Ｂ、光検出器２Ｂ、ホログラム素子３を、ひとつの部品として集積したレーザホログラムユニットを用いることは、光ヘッド装置の部品点数を減らし、かつ小型・軽量化できて望ましい。
【００３３】
上述のように構成された本発明の第３実施態様の光ヘッド装置は、小型・軽量化しても、回折光学素子６を用いることで、２つの半導体レーザ１Ａ、１Ｂの出射光を効率良く利用できる。
【００３４】
【実施例】
「例１」
本例は図１に示す第１の実施態様の回折光学素子の具体例である。ガラス製の透明基板１１の１面に、断面が階段状の回折格子１２と、断面が矩形の回折格子１３をフォトリソグラフィとエッチングの技術を用いて作製した。さらに、波長７８０ｎｍの光を透過、波長６６０ｎｍの光を回折する波長選択性をもつように回折光学素子を作製した。
【００３５】
階段状の回折格子１２は、格子材料の屈折率１．４５から空気の屈折率を引いた値０．４５で、波長７８０ｎｍを除算して得られた値１．７３μｍを１段の高さとし、３段からなる総高さ５．２μｍの階段状の回折格子とした。
【００３６】
一方、矩形の回折格子１３の高さを、１．７３μｍの２倍の高さである３．４７μｍとした。その結果、波長７８０ｎｍの光を透過、波長６６０ｎｍの光を効率良く回折する回折光学素子を作製できた。
【００３７】
さらに、格子ピッチ、入射偏光、入射角度に依存して、階段状の回折格子１２による回折効率が、矩形の回折格子１３による回折効率よりも小さくなる領域に矩形の回折格子１３を、他の領域に階段状の回折格子１２を形成した。これら回折格子分布の平面パターンを４図に示す。前記平面パターンは、４つの領域からなり、領域Ａ１、Ａ２に階段状の回折格子１２が、領域Ｂ１、Ｂ２に矩形の回折格子１３が形成されている。
上述のように構成した本例の回折光学素子によると、波長選択性を有し、かつ回折効率の高い回折学素子を作製することができた。
【００３８】
「例２」
本例は図２に示す第２実施態様の回折光学素子の具体例である。本例の回折光学素子の作製方法を説明する。ガラス製の透明基板２１の１面に、ポリイミドを膜状に塗布しラビング配向処理を施して配向膜（図示せず）としたのち、配向膜上に塗布した液晶モノマーを光重合硬化し高分子液晶層を形成した。高分子液晶の屈折率は、光重合硬化後に異常光屈折率ｎｅが約１．７、常光屈折率ｎｏが約１．５であった。つぎに、透明基板１２に成膜した高分子液晶をフォトリソグラフィとエッチングの技術を用いて、断面が階段状の回折格子２２と、断面が矩形の回折格子２３を作製した。これら回折格子分布の平面パターンは、例１と同様図４に示されるものであった。
【００３９】
さらに、上記２つの回折格子の隙間に等方性媒質２４を充填する。このとき、等方性媒質２４として屈折率ｎｓが約１．５である接着剤を用いて、回折格子の隙間を充填する同時に、波長板２５を接着した。
【００４０】
また、波長７８０ｎｍの光を透過、波長６６０ｎｍの光を回折する波長選択性をもつように、本例の回折光学素子において、階段状の回折格子２２と矩形の回折格子２３の高さを以下のように決めた。階段状の回折格子２２は、格子材料の異常光屈折率１．７から接着剤２４の屈折率を引いた値０．２で波長７８０ｎｍを除して得られた値３．９μｍを１段の高さとし、３段からなる総高さ１１．７μｍの階段状の回折格子とした。
【００４１】
一方、矩形の回折格子２３の高さを、３．９μｍの２倍の高さである７．８μｍとした。さらに、格子ピッチ、入射偏光、入射角度に依存して、階段状の回折格子２２による回折効率が、矩形の回折格子２３による回折効率よりも小さくなる領域に矩形の回折格子２３を、他の領域に階段状の回折格子２２を形成した。
【００４２】
ここで、波長板２５として、ポリカーボネートを一軸延伸して、本例の回折光学素子を透過する光の中心波長に対して４分の１波長に相当するリタデーション値を誘起したものを用いた。
次に、波長板２５に接着剤２６を塗布してガラスからなる透明基板２７を積層した後、接着剤２６を硬化させて、本例の回折光学素子を作製した。
【００４３】
上述のように構成した本例の回折光学素子によると、波長選択性と偏光選択性を合わせもち、かつ回折効率の高い回折光学素子を作製できた。
【００４４】
なお、階段状の回折格子と矩形の回折格子の分布の平面パターンは、上記のものに限定されず、使用状況に応じて種々変更すればよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置を小型・軽量化する際に、波長選択性の回折光学素子として、格子ピッチ、入射偏光、入射角度に依存した条件に従って、階段状の回折格子と矩形の回折格子を混在させた回折光学素子を用いることで、光の利用効率を増した光ヘッド装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様の回折光学素子の断面図。
【図２】本発明の第２実施態様の回折光学素子の断面図。
【図３】本発明の第３実施態様の光ヘッド装置の光学配置図。
【図４】本発明の回折光学素子に形成された回折格子の平面パターンの１例を示す概念図。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ：半導体レーザ
２Ａ、２Ｂ：光検出器
３：ホログラム素子
４：ビームスプリッタ
５：コリメートレンズ
６：回折光学素子
７：対物レンズ
８：光ディスク
１１、２１、２７：透明基板
１２、２２：階段状の回折格子
１３、２３：矩形の回折格子
２４、２６：接着剤
２５：波長板
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２：平面パターンの分割された領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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