(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、出射されたレーザ光を光記録媒体上に集光する対物レンズと、集光され光記録媒体により反射されたレーザ光を検出するための光検出器と、を備える光ヘッド装置において、
光源と対物レンズとの間の光路中に、０次回折光および±１次回折光の少なくとも３つの回折光を発生させる非偏光性回折格子と、０次回折光、±１次回折光および±２次回折光の少なくとも５つの回折光を発生させる偏光性回折格子と、前記偏光性回折格子への入射光の偏光面を直交する２つの偏光面間で変化させて、前記偏光性回折格子を機能させるか否かを選択するスイッチング素子とからなる回折素子と、が配置され、
光記録媒体上の情報記録面の情報を再生する場合は、前記回折素子における前記偏光性回折格子の回折光を発生させてトラッキング誤差信号検出および複数のトラックに記録された情報を並列に再生する信号検出に用い、
光記録媒体上の情報記録面に情報を記録する場合は、前記回折素子における前記偏光性回折格子の回折光を発生させず、前記非偏光性回折格子の±１次回折光をトラッキング誤差信号検出に用いるとともに、０次回折光を情報記録面に情報を記録する信号に用いることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項２】
前記スイッチング素子は、電極付きの透明基板間に挟持された液晶層を有するスイッチング素子である請求項１に記載の光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折素子および光ヘッド装置に関し、特に複数のビームを発生する偏光性の回折素子および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、ＤＶＤまたは光磁気ディスクなどの光記録媒体（以下、「光ディスク」という）の情報記録面上に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置が用いられている。この光ヘッド装置において、光ディスクの回転に追随して情報記録面のトラック上に入射光を集光するために、種々のトラッキング法が用いられる。
【０００３】
そのトラッキング法の中で、再生専用光ディスクの情報記録面の信号（情報）検出法として３ビーム法が、また記録用光ディスクのトラッキング誤差信号検出法として差動プッシュプル法が一般的に用いられている。いずれの方法においても回折格子を用いて０次回折光のメインビームと±１次回折光のサブビームを生成する点が共通している。
【０００４】
また、複数ビーム発生用の回折素子を用いて０次回折光、±１次回折光および±２次回折光、場合によってさらに±３次回折光を発生し、情報記録面の互いに隣り合う複数のトラック上に集光し、情報記録面で反射された複数ビームを光検出器の複数の受光面上に集光して信号検出する。これにより、複数のトラック上に記録されたピット情報を並列（同時）に読み出すことができるため、高速再生を実現できる。ここでは、複数ビームとは５ビーム以上を意味する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
複数ビーム発生用の回折素子を記録用光ディスクに用いると、光源である半導体レーザの出射光が複数のトラックに分散されるため、０次回折光を用いて単一トラックに記録するためには高出力半導体レーザが必要であった。また、０次回折光以外のビーム強度が強すぎると複数のトラックに同一の情報を記録することとなり、複数ビーム発生用の回折素子を使用できなかった。
【０００６】
本発明は、上述の実情に鑑み、光ディスクの再生時には複数ビーム発生用の回折素子となり、また光ディスクへの記録時には３ビーム発生用の回折素子となる回折素子を得て、この素子を搭載した高速再生と記録が可能な光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光を出射する光源と、出射されたレーザ光を光記録媒体上に集光する対物レンズと、集光され光記録媒体により反射されたレーザ光を検出するための光検出器と、を備える光ヘッド装置において、光源と対物レンズとの間の光路中に、０次回折光および±１次回折光の少なくとも３つの回折光を発生させる非偏光性回折格子と、０次回折光、±１次回折光および±２次回折光の少なくとも５つの回折光を発生させる偏光性回折格子と、前記偏光性回折格子への入射光の偏光面を直交する２つの偏光面間で変化させて、前記偏光性回折格子を機能させるか否かを選択するスイッチング素子とからなる回折素子と、が配置され、光記録媒体上の情報記録面の情報を再生する場合は、前記回折素子における前記偏光性回折格子の回折光を発生させてトラッキング誤差信号検出および複数のトラックに記録された情報を並列に再生する信号検出に用い、光記録媒体上の情報記録面に情報を記録する場合は、前記回折素子における前記偏光性回折格子の回折光を発生させず、前記非偏光性回折格子の±１次回折光をトラッキング誤差信号検出に用いるとともに、０次回折光を情報記録面に情報を記録する信号に用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】
図１は本発明の回折素子の構成要素を模式的に示す断面図であり、回折素子１００は非偏光性回折格子１０と、偏光性回折格子２０と、直線偏光入射光の偏光方向を切り替えるスイッチング素子３０とからなる。各構成要素が個別の部品からなり、それら各構成要素部品を一体化した構成としてもよいし、一体化せずそれらを組み合わせて回折素子１００としてもよい。ここで、偏光性回折格子とは回折特性が格子への入射光の偏光方向に依存するものをいい、非偏光性回折格子とは回折特性が偏光方向に依存しないものをいう。
【００１０】
個別の構成要素部品を一体化した回折素子２００の一例を図２に示す。３つの回折光（３ビーム）発生用の非偏光性回折格子１０は、透光性基板１２の表面を凹凸形状に加工して格子１１としている。回折格子１０により入射光は回折され、発生した０次回折光と±１次回折光を３ビームとして用いる。ここで、０次回折光と±１次回折光との光量総和を最大とするため、格子１１は凹部の幅と凸部の幅の比を１：１とする。０次回折光と±１次回折光のそれぞれの光量の比率は、凹部と凸部における透過光の位相差をその段差ｄにより調整することで定まる。トラッキング信号検出の場合、＋１次回折光または−１次回折光と、０次回折光との回折効率比を１：５〜２０の比率とする。
【００１１】
少なくとも５つの回折光（複数ビーム）発生用の偏光性回折格子２０は、透光性基板１２の格子１１が形成された面とは反対側の面に、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ（ｎｅ≠ｎｏ）で光学軸が透光性基板１２の面に平行で一定方向（後述する）に揃った複屈折性材料層を凹凸格子２１に加工し、常光屈折率ｎｏとほぼ等しい等方的屈折率ｎｓの透光性充填材２２を用いて複屈折性材料層の凹凸部を埋めた構成となっている。
【００１２】
スイッチング素子は、電極付きの透明基板間に挟持された液晶層を有することが、１０Ｖ以下の小さな電圧の印加でスイッチング機能を持たせることができ好ましい。
スイッチング素子３０は、透明電極膜３４、３５が成膜されさらにその表面に配向処理された配向膜（図示せず）が形成された透光性基板３２、３３をシ−ル材３６を用いてシールし、液晶層３１を基板間に狭持した構成としている。配向膜の配向処理方向と、液晶層の材料の種類と、対向する透明電極膜３４、３５への印加電圧Ｖの大きさとに応じて種々のスイッチング素子が実現できる。本発明では、スイッチング素子への入射光の直線偏光に対して、印加電圧がある値Ｖ１のとき透過光の偏光方向が不変で、印加電圧が他の値Ｖ２（Ｖ２≠Ｖ１）のとき透過光の偏光方向が入射光の偏光方向（以下、「入射偏光方向」という）に対して、直交するように切り替えできる素子を準備する。
次に、回折素子２００の作用について、図３および図４を用いて説明する。スイッチング素子３０への印加電圧がＶ１のとき、入射偏光方向は９０゜回転した直交偏光に切り替わって回折格子２０に入射する。このとき、入射偏光方向が複屈折性材料層からなる格子２１の異常光偏光方向となるようにすれば、ｎｅとｎｓとは異なるため回折光が発生する。
【００１３】
回折素子２０により発生する各次数の回折光の効率比は、格子２１のピッチ内の凹凸構造を変化させることにより調整できる。具体的には、凹部と凸部が交互に並んでいる格子の、２つの凹部と２つの凸部からなる隣接する４領域をピッチのくり返し単位として、ピッチ内の４領域のそれぞれの領域幅の比を非等分とする。これにより、±１次回折光と±２次回折光、さらに±１次回折光と±３次回折光の効率比率を調整できる。また、０次回折光と±１次回折光との効率比率は、凹部と凸部における透過光の位相差を、その段差ｄの高さを調整することにより、変更できる。このようにして、５ビーム以上の複数ビームが発生する偏光性回折格子２０となる。
【００１４】
さらに、非偏光性回折格子１０を透過するとき、各複数ビームに対して±１次回折光が発生する。ここで、偏光性回折格子２０による複数ビームの発生方向と非偏光性回折格子１０による３ビームの発生方向が重ならないよう、偏光性回折格子２０の格子２１のパタ−ンと非偏光性回折格子１０のパタ−ンが異なるようにする。具体的には、例えばそれぞれの格子の格子方向（長手方向）が角度をなすようにする。
【００１５】
一方、スイッチング素子３０の印加電圧がＶ２のとき、入射偏光方向は不変のままスイッチング素子３０を透過して回折格子２０に常光偏光として入射し、ｎｏとｎｓはほぼ等しいため回折光は発生せず直進透過する。このとき、偏光性回折格子２０を透過した光は単一ビームであるため、透過光は非偏光性回折格子１０の格子によって規定される回折方向に±１次回折光が発生する。
したがって、スイッチング素子３０の印加電圧をＶ１とＶ２との間で切り替えることにより、５ビーム以上の複数ビームと３ビームの回折光の発生を切り替えできる回折素子２００が得られる。なお、図３および図４において、図２と同じ符号の要素は図２と同じ要素を示す。
【００１６】
このようにして得られた本発明の回折素子を光ヘッド装置に搭載した一例を図５に示す。レーザ光源２から出射した光は、本発明の回折素子１を透過し、ビームスプリッタ３により反射され、コリメータレンズ４により平行光化されて、対物レンズ５により光ディスク６の情報記録面に集光される。集光され情報記録面で反射された光は再び対物レンズ５およびコリメータレンズ４、さらにビームスプリッタ３を透過して光検出器７の受光面に集光される。５ビームを用いて５本のトラックの情報を並列読みだしする場合、光検出器７の受光面は例えば図６に示すように分割されている。
【００１７】
再生専用光ディスクを再生する場合、スイッチング素子３０の印加電圧をＶ１として、本発明の回折素子２００の偏光性回折格子２０により発生した５ビームのうち非偏光性回折格子１０によって回折されなかった光は図６に示すように情報記録面の５本のトラック上に集光する。集光し情報記録面で反射された光を図７に示すように光検出器７の受光面７１、７２、７３、７４および７５で０次、＋１次、−１次、＋２次、−２次の偏光性回折格子２０による回折光として検知する。受光面７１は４分割され、各受光面の信号強度を演算して位相差検出法によるフォーカス位置誤差検出およびヘテロダイン法によるトラッキング位置誤差検出などの公知の制御方式により、複数のトラック上に記録されたピット情報を並列読み出しできる。なお、図６に示すように非偏光性回折格子１０による±１次回折光は偏光性回折格子２０により発生した５ビーム毎にトラック間に集光する。
【００１８】
また、ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷなどの記録用光ディスクを再生する場合、偏光性回折格子２０の０次回折光が非偏光性回折格子１０により±１次回折光に分割されたビームを、２分割された光検出器７の受光面７６と７７とで検知し、差動プッシュプル法によるトラッキング位置誤差検出を行う。ここで、偏光性回折格子２０の回折光方向と非偏光性回折格子１０の回折光方向は平行とならないようにする必要がある。
【００１９】
一方、記録用光ディスクに記録する場合、スイッチング素子３０の印加電圧をＶ２として、偏光性回折格子２０では回折光が発生しないで非偏光性回折格子１０で３ビームを発生させ、差動プッシュプル法によるトラッキング位置誤差検出および記録を行う。
【００２０】
以下の実施例において、本発明の回折素子について具体的に説明する。
【００２１】
【実施例】
本実施例の回折素子について、図２を用いて説明する。ガラス基板１２上に屈折率ｎ＝１．４５のＳｉＯ２膜を膜厚２２１ｎｍとなるよう成膜した後、フォトエッチングにより周期的にＳｉＯ２膜を除去するよう凹凸形状に加工し、空気と界面をなす非偏光性回折格子１０とした。格子１１の格子ピッチＰは３０μｍとし、１つの凹部と１つの凸部から構成され、凹部と凸部の幅の比は１：１であった。この非偏光性回折格子１０に波長が７８５ｎｍの光が入射したとき、約８５％が０次回折光として透過し、約６％の±１次回折光が発生した。
【００２２】
次に、ＩＴＯからなる透明電極膜３４、３５、さらに配向処理された配向膜が形成（図示せず）されたガラス基板３２と３３を用いて、基板周辺部でシ−ル材３６によりセルギャップ５μｍとなるようにし、基板間にネマティック液晶を注入して液晶層３１を形成し、スイッチング素子３０を作製した。基板３２と３３の配向膜の配向方向は平行とすることにより液晶分子は基板面と平行で一定方向に配向した。
【００２３】
この液晶分子の配向方向に対して入射偏光方向が４５゜の角度をなす、波長が７８５ｎｍの直線偏光レーザ光が入射した場合、透明電極膜３４、３５に電圧を印加しないとき（Ｖ１＝０）スイッチング素子３０は位相差πの位相板となり、入射偏光方向が９０゜回転（直交）した出射光となった。また、透明電極膜３４、３５に周波数１ｋＨｚで振幅５Ｖの矩形電圧を印加したとき（Ｖ２＝５Ｖ）は液晶分子が基板面に対して垂直方向に配向が揃い位相差がほとんど発生しないため、出射光の偏光方向は変わらなかった。
【００２４】
次に、ガラス基板１２の片面に形成された配向処理後の配向膜上に、液晶モノマ−溶液を厚さが一定となるよう塗布した後、紫外線を照射して重合固化することにより、常光屈折率ｎｏが１．５５、異常光屈折率ｎｅが１．６０で層厚が３．８６μｍの高分子液晶からなる複屈折性材料層（高分子液晶層）を形成した。さらに、フォトエッチング法により高分子液晶層を断面形状が凹凸状の格子２１に加工し、等方的屈折率ｎｓが１．５５である透光性の充填材２２を用いて高分子液晶層の凹凸部を埋めるとともにスイッチング素子３０のガラス基板３２に接着して偏光性回折格子２０とした。
【００２５】
ここで、格子２１の格子ピッチＰを３０μｍとし、格子ピッチ内を幅がそれぞれ１．５μｍ、９．６μｍ、８．７μｍおよび１０．２μｍ、凸部の高さｄが３．８６μｍの４つの領域に分割した。この偏光性回折格子２０に波長が７８５ｎｍの異常光偏光方向のレーザ光を入射すると、約４２％が０次回折光として透過し、約１０．２％の±１次および±２次回折光が発生する５ビーム用の回折素子が得られた。また、常光偏光方向のレーザ光を入射すると、回折光は発生しなかった。
【００２６】
このようにして得られた本発明の回折素子２００において、格子１１の格子方向と偏光性回折格子２０の格子方向とが約４５゜の角度をなし、偏光性回折格子２０の常光屈折率方向とスイッチング素子３０の配向膜の配向方向が約４５゜の角度をなしている。
【００２７】
図５に示すように、光ヘッド装置のレーザ光源２とビームスプリッタ３との間の回折素子１の位置に、本実施例の回折素子２００を配置し、レーザ光源２からの出射偏光方向が偏光性回折格子２０の常光偏光方向と一致するようにした。ここで、使用したレーザ光源は、出射波長が７８５ｎｍの高出力半導体レーザであった。
【００２８】
スイッチング素子３０に電圧を印加しないとき、入射偏光方向がスイッチング素子３０により９０゜回転した直交偏光に切り替わって透過し、偏光性回折格子２０に異常光偏光として入射する。このとき、偏光性回折格子２０により５ビームの回折光が発生し、さらに非偏光性回折格子１０により各ビームに対して３ビームづつ、合計１５本のビームが回折光として発生した。そして図６に示すように、１５本のビーム中５本のビームが光ディスクの情報記録面の５本のトラック上に光スポットとなって集光され、また１０本のビーム（非偏光性回折格子１０による±１次回折光）が各トラックから０．５ピッチ離れた位置（トラックとトラックとの間）に光スポットとなって集光された。
【００２９】
これらの光スポットは情報記録面で反射され、図７に示すように光検出器７の受光面に集光された。再生用光ディスクにおいて、受光面７１、７２、７３、７４および７５により情報記録面の信号を検出し、４分割された受光面７１でフォ−カス位置誤差検出およびトラッキング位置誤差検出を行い、５本のトラック上に記録されたピット情報を並列に読み出すことができた。
【００３０】
また、ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷなどの記録用光ディスクを再生する場合、光検出器７の２分割受光面７６と７７で検知した信号、および４分割受光面７１で検知した信号を用い、差動プッシュプル法による信号検出を行った。
【００３１】
一方、記録用光ディスクに記録する場合、スイッチング素子３０の周波数１ｋＨｚで振幅５Ｖの矩形電圧を印加して、偏光性回折格子２０への入射偏光が常光偏光のまま入射することにより偏光性回折格子２０では回折光を発生させず、非偏光性回折格子１０で３ビームを発生させて、光検出器７の受光面７１、７６および７７を用いて信号検出および０次回折光による記録を行うことができた。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の回折素子を用いれば５ビーム以上の複数ビームの発生と３ビームの発生を切り替えできる。この回折素子を光ディスクの再生において、複数のトラックの並列（同時）信号読み出し用の複数ビーム発生回折素子として用いることにより、多くの記録信号を同時に高精度で読み出すことができるため、高速再生が実現できる。また、光ディスクの記録においては、３ビーム発生回折素子として用いることによりレーザ光の光量損失を抑制できるため、正確な高速記録が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折素子の構成要素を模式的に示す構成図。
【図２】本発明の回折素子の１例を示す断面図。
【図３】図２の回折素子に、低い電圧Ｖ１を印加したときの回折素子の作用を示す断面図。
【図４】図２の回折素子に、電圧Ｖ２（Ｖ２≠Ｖ１）を印加したときの回折素子の作用を示す断面図。の側面図。
【図５】本発明の光ヘッド装置の構成の１例を示す側面図。
【図６】本発明の回折素子を使用した場合の、光ディスクの情報記録面におけるスポット集光形態の例を示す平面図。
【図７】本発明の回折素子を使用した場合の、光検出器の受光面におけるスポット集光形態の例を示す平面図。
【符号の説明】
１、１００、２００：回折素子
１０：非偏光性回折格子
２０：偏光性回折格子
３０：スイッチング素子
１１、２１、３１：格子
１２、３２、３３：透光性基板
２２：充填材
３１：液晶層
３４、３５：透明電極膜
３６：シール材
２：レーザ光源
３：ビームスプリッタ
７：光検出器
７１、７２、７３、７４、７５、７６、７７：受光面
【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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【図６】
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【図７】
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