(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ１の光を出射する半導体レーザと、波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する半導体レーザと、光軸が同軸化された前記波長λ１の光および前記波長λ２の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、前記光記録媒体で反射された前記波長λ１の光を受光する第１の光検出器と、前記光記録媒体で反射された前記波長λ２の光を受光する第２の光検出器と、を備えた光ヘッド装置であって、
前記２つの半導体レーザと前記対物レンズとの間の、光軸が同軸化された前記波長λ１の光および前記波長λ２の光の光路中に２波長用回折素子を備え、
前記２波長用回折素子は、これら２種類の波長の光の第１の直線偏光に対する屈折率がｎｏ、前記第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光に対する屈折率がｎｅである複屈折性材料と、前記２種類の波長の光に対する屈折率が前記ｎｏと等しいｎｓである均一屈折率材料とが、前記２種類の波長の光の入射方向に垂直な面内で交互に周期的に並んで、断面が凹凸形状で段差がｄである回折格子を有し、
前記波長λ２の光の前記第２の直線偏光に対する、屈折率が前記ｎｓの部分と前記ｎeの部分との透過光の位相差２π×（ｎｅ−ｎｓ）×ｄ／λ２が、２πの整数倍であり、
前記波長λ１の光の前記第２の直線偏光に対する、屈折率が前記ｎｓの部分と前記ｎeの部分との透過光の位相差２π×（ｎｅ−ｎｓ）×ｄ／λ１が、２πの非整数倍であり、
前記光記録媒体で反射されて前記２波長用回折素子に入射する光のうち、前記波長λ１の光は、回折されて前記第１の光検出器に集光し、前記波長λ２の光は、偏光状態を変えずに前記第２の光検出器に集光することを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項２】
前記２波長用回折素子と前記第２の光検出器との間の前記波長λ２の光の光路中に、非偏光性回折素子が備えられている請求項１に記載の光ヘッド装置。
【請求項３】
前記凹凸形状がマルチステップの階段格子からなる請求項１または請求項２に記載の光ヘッド装置。
【請求項４】
前記波長λ１がＤＶＤ用の６５０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２がＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯である請求項１〜３いずれか１項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、光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤやＤＶＤなどの光ディスク、および光磁気ディスクなどの光記録媒体の情報記録面上に情報を記録または情報記録面上の情報を再生する光ヘッド装置において、半導体レーザからの出射光が光ディスクに反射されて戻り光となり、この戻り光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る。
【０００３】
このビームスプリッタとして回折素子の一種であるホログラム素子を用いることにより、光の進行方向を回折によって曲げて、受光素子に導くことができるため、光ヘッド装置を小型化でき実用化されている。
また、同一の光ヘッド装置で規格の異なるＣＤおよびＤＶＤの光ディスクの情報を記録・再生するため、ＣＤ／ＤＶＤ互換の光ヘッド装置が製品化されている。特に、光記録媒体層に波長依存性の高い媒質を用いるＣＤ−Ｒなどの再生を前提とした場合、ＣＤ用に７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザが用いられ、ＤＶＤ用に６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザが用いられている。
【０００４】
図５において、６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザ１Ａおよび７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザ１Ｂからの出射光は、コリメートレンズ４Ａおよび４Ｂにより平行光となり、色合成分離ダイクロイックプリズム８により光軸が同軸化され、ホログラムビームスプリッタなどの偏光性回折素子２０、波長λ1と波長λ2との中間の波長用の１／４波長板７１を透過し、対物レンズ３でＣＤやＤＶＤなどの光ディスク５の上に集光される。
【０００５】
光ディスク５からの反射光は、再び対物レンズ３を透過し、偏光性回折素子２０により回折され、色合成分離ダイクロイックプリズム８により各波長の光に分離され、コリメートレンズ４Ａおよび４Ｂにより光検出器６Ａおよび６Ｂを構成する受光素子に到達する。受光素子は、受光した反射光を電気信号に変換し、電気信号はアンプで増幅され、さらに自動ゲイン補正回路でゲインが掛けられて信号レベルを一定範囲に調整される。
【０００６】
偏光性回折素子２０であるホログラムビームスプリッタは、図５のように対物レンズ３に一体化して用いる場合と、半導体レーザと光検出器との近くに配置し一体化したユニットとして用いる場合とがある。
また、偏光性回折素子２０は、従来ガラス基板の上面に均一屈折率材料からなる回折格子を形成した、偏光依存性のない非偏光性ホログラムビームスプリッタが用いられていたが、往路および復路で回折されるため、１０％以上の往復の光利用効率を得るのは困難であった。
【０００７】
そこで、光利用効率を向上させるために、光の偏光方向によって回折効率が異なる偏光性ホログラムビームスプリッタを用いることが提案されている。
これを用いる場合、６５０ｎｍと７９０ｎｍとの中間波長の光に対する１／４波長板７１を使用する。直線偏光が１／４波長板７１を往復することにより偏光面が９０゜回転した直交偏光となるため、往路の偏光に対しては回折格子として作用せず復路の偏光に対しては回折格子として作用することにより、結果として非偏光性ホログラムビームスプリッタよりも高い往復効率が得られる。
【０００８】
また、１／４波長板の代わりに６５０ｎｍの波長の光に対して５／４波長板を用いる構成も提案されている。
図６の５／４波長板を用いる場合、６５０ｎｍの波長の光は往路の偏光面と復路の偏光面が５／４波長板７２により９０゜回転する直交偏光となるため、偏光性ホログラムが往路の偏光に対しては回折格子として作用せず復路の偏光に対しては回折格子として作用することにより、結果として非偏光性ホログラムビームスプリッタよりも高い往復効率が得られる。
【０００９】
一方、７９０ｎｍの波長の光は往路の偏光面と復路の偏光面が５／４波長板７２によりほぼ３６０゜回転し、偏光状態の変化がない直交偏光のままであるため、復路の偏光に対しても回折格子として作用しないで透過する。その結果、色合成分離ダイクロイックプリズム８により７９０ｎｍの波長の光は、６５０ｎｍの波長の光とは分離され、別に設けられた７９０ｎｍの波長用の非偏光性回折素子２２により回折され、光検出器６Ｂに到達する。なお、図６中の図５と同じ符号の要素は、同じものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の偏光性回折素子２０を使用した場合、複屈折性が残留した光ディスクを用いたとき、光ディスクに反射された戻り光の偏光状態がその複屈折性により変化するため、復路の偏光性回折素子２０の回折光強度が変動し、その結果、光検出器の信号強度が変動して安定した信号再生ができない問題があった。光ディスクの複屈折性に伴う入射光の偏光の乱れは、光ディスク材料の加工時に生じる複屈折性とディスク厚に比例する。
【００１１】
したがって、この信号強度の変動は光ディスクの厚さが０．６ｍｍのＤＶＤ系に比べて、１．２ｍｍのＣＤ系において顕著に現れる。
この信号強度の変動は、波長板として１／４波長板７１を用いた場合も、５／４波長板７２を用いた場合にも発生し、問題となっていた。
【００１２】
本発明は、上述の課題を解決し、複屈折性の残留するＣＤ系の光ディスクに対しても安定した信号再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波長λ１の光を出射する半導体レーザと、波長λ２（λ１≠λ２）の光を出射する半導体レーザと、光軸が同軸化された前記波長λ１の光および前記波長λ２の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、前記光記録媒体で反射された前記波長λ１の光を受光する第１の光検出器と、前記光記録媒体で反射された前記波長λ２の光を受光する第２の光検出器と、を備えた光ヘッド装置であって、前記２つの半導体レーザと前記対物レンズとの間の、光軸が同軸化された前記波長λ１の光および前記波長λ２の光の光路中に２波長用回折素子を備え、前記２波長用回折素子は、これら２種類の波長の光の第１の直線偏光に対する屈折率がｎｏ、前記第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光に対する屈折率がｎｅである複屈折性材料と、前記２種類の波長の光に対する屈折率が前記ｎｏと等しいｎｓである均一屈折率材料とが、前記２種類の波長の光の入射方向に垂直な面内で交互に周期的に並んで、断面が凹凸形状で段差がｄである回折格子を有し、前記波長λ２の光の前記第２の直線偏光に対する、屈折率が前記ｎｓの部分と前記ｎeの部分との透過光の位相差２π×（ｎｅ−ｎｓ）×ｄ／λ２が、２πの整数倍であり、前記波長λ１の光の前記第２の直線偏光に対する、屈折率が前記ｎｓの部分と前記ｎeの部分との透過光の位相差２π×（ｎｅ−ｎｓ）×ｄ／λ１が、２πの非整数倍であり、前記光記録媒体で反射されて前記２波長用回折素子に入射する光のうち、前記波長λ１の光は、回折されて前記第１の光検出器に集光し、前記波長λ２の光は、偏光状態を変えずに前記第２の光検出器に集光することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１４】
また、前記２波長用回折素子と前記第２の光検出器との間の前記波長λ２の光の光路中に、非偏光性回折素子が備えられている上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記凹凸形状がマルチステップの階段格子からなる上記の光ヘッド装置を提供する。さらに、前記波長λ１がＤＶＤ用の６５０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２がＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯である上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の２波長用回折素子である偏光性ホログラムの１例について、図１を用いて説明する。透光性基板２１Ａである例えばガラス基板上に形成された複屈折性材料２１Ｂを、断面が凹凸形状に加工して回折格子とし、さらに、透光性基板２１Ｄである例えばガラス基板との間に均一屈折率材料２１Ｃを充填することにより偏光性ホログラムを作製する。ここで、複屈折性材料２１Ｂの常光屈折率ｎoと異常光屈折率ｎeとが異なり、また、均一屈折率材料２１Ｃの屈折率ｎsが複屈折性材料の常光屈折率ｎoと等しい材料を用いる。
しかし、本発明では均一屈折率材料２１Ｃの屈折率ｎsと複屈折性材料の常光屈折率ｎoとがわずか異なっていても、効果に大きな差はない。
【００１６】
ここで、複屈折性材料の断面が凹凸形状の段差ｄを次のように形成する。すなわち、複屈折性材料の異常光屈折率ｎeと均一屈折率材料２１Ｃの屈折率ｎsとの差（ｎe−ｎs）とにより生成される波長λ2に対する位相差２π×（ｎe−ｎs）×ｄ／λ2が２πの整数倍となり、波長λ1に対する位相差２π×（ｎe−ｎs）×ｄ／λ1が２πの非整数倍となるようにする。
この構成の２波長用回折素子２に、異なる波長λ1と波長λ2の直線偏光を入射する。
【００１７】
ここで、波長λ１の入射光の直線偏光方向が複屈折性材料による回折格子の常光屈折率ｎｏに対応した方向の常光の場合、図１（ａ）に示すように、ｎｏとｎｓが等しいため入射光は回折されることなく透過する。一方、波長λ１の常光の偏光方向と直交し、入射光の直線偏光方向が複屈折性回折格子の異常光屈折率ｎｅに対応した方向の異常光の場合、図１（ｂ）に示すように、位相差２π×（ｎｅ−ｎｓ）×ｄ／λ１の回折格子として作用するため、回折光が生じる。
【００１８】
また、波長λ2の常光が入射した場合も同様に、ｎoとｎsが等しいため入射光は回折されることなく透過する。さらに、波長λ2の異常光が入射した場合、位相差２π×（ｎe−ｎs）×ｄ／λ2は２πの整数倍となり、回折格子として作用しないため透過する。
すなわち、波長λ2の入射光はその偏光状態に関係なく２波長用回折素子２により回折されることなく透過する。
【００１９】
本発明の２波長用回折格子である偏光性ホログラムの他の例について、図３を用いて説明する。透光性基板３１Ａ、３１Ｄである例えばガラス基板の表面に透明電極を成膜した後、透明電極上に配向膜を形成し、常光屈折率がｎoで異常光屈折率ｎeの高分子液晶などの複屈折性材料を均一ギャップ（液晶膜厚）で液晶セル化する。このセル化により、第１の直線偏光の入射光には常光屈折率ｎoとして作用し、第１の偏光方向と直交する第２の直線偏光の入射光には異常光屈折率ｎeとして作用する複屈折性材料３１Ｂとなる。
【００２０】
さらに、格子の周期的パターンに対応して複屈折性材料の異常光屈折率ｎeを与える方向をセルの厚さ方向にそろえることにより、常光屈折率がｎoを与える方向は常にセルの面内にあって、第１および第２の直線偏光の入射光に対して常に常光屈折率ｎoを与える複屈折性材料すなわち均一屈折率材料３１Ｃとなる。
その結果、上記の液晶セルは第１の直線偏光の入射光には回折格子として作用しないが第２の直線偏光の入射光には回折格子として作用する。
【００２１】
このような液晶などのセルの回折格子の製法は種々ある。具体的には、あらかじめ２枚のガラス基板上に形成された透明電極を格子形状にパターニングしておき、電極間に電圧を印加して液晶などの複屈折性材料の異常光屈折率ｎeを与える方向をセルの厚さ方向にそろえる。ここで、あらかじめ重合開始剤が混入された複屈折性材料に光を照射する、または加熱することにより複屈折性材料を硬化させて分子などの配向を固定する。または、電極をパターニングのないベタ電極とし、セル表面に格子の周期的パターンに対応した遮光マスクを配置し、全面に電圧を印加しつつ光硬化させ、さらに遮光マスクを取り除き、電圧を印加しないで未硬化部を光硬化させてもよい。
【００２２】
このとき、図１と同様に、複屈折性材料３１Ｂおよび均一屈折率材料３１Ｃの厚さｄを、次のように形成すれば２波長用回折素子となる。すなわち、複屈折性材料の常光屈折率ｎoと異常光屈折率ｎeとの差（ｎe−ｎo）により生成される、波長λ2に対する位相差２π×（ｎe−ｎo）×ｄ／λ2が２πの整数倍となり、波長λ1に対する位相差２π×（ｎe−ｎo）×ｄ／λ1が２πの非整数倍となるようにする。
【００２３】
本発明の２波長用回折素子は、波長λ1の第１の直線偏光を透過し、第１の直線偏光と直交する波長λ1の第２の直線偏光を回折するとともに、波長λ1とは異なる波長λ2の光を偏光状態に関係なく透過できる。すなわち、特定波長の直線偏光に対して、偏光方向に応じて回折させたり回折させなかったりできるが、この特定波長とは異なる波長の直線偏光に対して、偏光方向によらず回折せずに透過させることができる。
【００２４】
このようにして得られた２波長用回折素子を偏光性ホログラムビームスプリッタとして光ヘッド装置に搭載した例を図２を用いて説明する。
半導体レーザ１Ａから出射した波長λ1＝６５０ｎｍの光は、色合成分離ダイクロイックプリズム８を透過しコリメートレンズ４により平行光化されて、さらに、２波長用回折素子２である偏光性ホログラムビームスプリッタにより回折されることなく通過し、波長λ1に対する１／４波長板７を経て対物レンズ３によりＤＶＤ系の光ディスク５の情報記録面に集光される。情報記録面で反射された光は再び対物レンズ３により平行光となって２波長用回折素子２に入射する。
【００２５】
ここで、２波長用回折素子２は、往路においてはレーザ光の常光に対して回折を生じないが、復路においては対物レンズ３と２波長用回折素子２との間に配置された１／４波長板７を２回通過することによって偏光方向が９０゜回転した異常光に対して回折が生じる。
【００２６】
このとき、２波長用回折素子２による回折光のうち＋１次回折光が色合成分離ダイクロイックプリズム８を透過し、コリメートレンズ４によって光検出器６Ａの受光面に集光される。
一方、半導体レーザ１Ｂから出射した波長λ2＝７９０ｎｍの光のうち、非偏光性回折素子２２であるホログラムビームスプリッタに回折されないで透過した光は色合成分離ダイクロイックプリズム８により反射され、２波長用回折素子２により回折されることなく通過し、対物レンズ３によりＣＤ系の光ディスク５の情報記録面に集光される。情報記録面で反射された光は再び対物レンズ３により平行光となって２波長用回折素子２に入射する。
【００２７】
そして、波長λ2の光は２波長用回折素子２を透過し、コリメートレンズ４を通過し、色合成分離ダイクロイックプリズム８により反射された後、非偏光性回折素子２２に回折されて、光検出器６Ｂの受光面に集光される。
波長λ2の光は、その偏光状態に関わらず２波長用回折素子２に回折されることなく透過するため、ＣＤ系の光ディスク５に複屈折性が残留し、光ディスクの入射光の偏光状態が変化しても２波長用回折素子２で回折光が発生しない。
【００２８】
したがって、波長λ2用のホログラムビームスプリッタである非偏光性回折素子２２として偏光依存性のない均一屈折率材料を凹凸加工して作製された回折格子を用いることにより、ＣＤ系の光ディスク内の複屈折性量の変動に対しても、回折効率が一定な信号光が光検出器６Ｂへ入射する。その結果、安定した信号再生が行える光ヘッド装置を実現できる。
【００２９】
【実施例】
［例１］
本例を、図１に基いて説明する。複屈折性材料２１Ｂの断面矩形波状の回折格子に均一屈折率材料２１Ｃである等方性充填材を充填することにより２波長用回折素子を作製した。
ここで、複屈折性材料２１Ｂによる回折格子として常光屈折率ｎo＝１．５２、異常光屈折率ｎe＝１．６７の高分子液晶を用い、均一屈折率材料２１Ｃとして屈折率ｎs＝１．５２のアクリル系等方性充填材を用いた。
【００３０】
また、（ｎe−ｎs）×ｄが波長λ2＝７９０ｎｍのほぼ２倍となるように、すなわち格子深さｄをほぼ１０．５３μｍとした。その結果、波長λ1＝６５０ｎｍの異常光のみをほぼ３８％の高い±１次回折効率で回折し、波長λ1の常光および波長λ2の光を偏光状態にかかわらず透過する、２波長用回折素子２である偏光性ホログラムビームスプリッタが実現した。
【００３１】
［例２］
例１における断面矩形波状の回折格子の代わりに図４に示す４段ステップの階段格子からなる２波長用回折素子を作製した。各階段ピッチ（格子深さ）を同じ高さとした。
ここで、複屈折性材料２１Ｂの各階段の格子深さｄを（ｎe−ｎs）×ｄが波長λ2の整数倍となるように加工することで、例１と同様に波長λ2の常光に対しても回折が起こらない条件とした。
【００３２】
具体的には、（ｎe−ｎs）×ｄがλ2となるように、すなわち各階段の格子深さを０、５．２７、１０．５３、１５．８０μｍの４段構造とすることにより、波長λ1＝６５０ｎｍの異常光のみをほぼ７６％の高い＋１次回折効率で回折する２波長用回折素子が実現した。
【００３３】
［例３］
例１の偏光性ホログラムビームスプリッタを２波長用回折素子として図２に示した光ヘッド装置に搭載した。
その結果、波長λ1＝６５０ｎｍの半導体レーザ光に対して、２波長用回折素子２は、往路では常光に対してほぼ９５％の光を直進透過し、復路ではほぼ３５％の光を＋１次回折光として回折するため、３３％程度の高い往復効率が得られた。
【００３４】
ＤＶＤ系の光ディスク５はディスク厚が薄いため、残留複屈折性による入射光の位相差の乱れが少ないので、直線偏光が１／４波長板を往復により２回透過しても復路の光の直線偏光からのずれは少なかった。したがって、光検出器６Ａで検出される信号光の変動は抑制されていた。
また、光ディスクの残留複屈折性による信号光の変動を低減するために、あらかじめ１／４波長板７によって生成された直交する偏光成分の位相差を１／４波長からずらしてもよい。
【００３５】
一方、半導体レーザ１Ｂから出射したＣＤ系の波長λ2＝７９０ｎｍの光は、往路では２波長用回折素子２にほとんど回折されずほぼ９５％の光が直進透過し、復路においてもほぼ９０％の光が２波長用回折素子２に回折されずに直進透過した。
【００３６】
ＣＤ系の光ディスク５は、ＤＶＤ系に比べ厚いため残留複屈折性による入射光の位相差の乱れがＤＶＤ系の光ディスクに比べ大きいが、復路では波長λ2の光はその偏光状態にかかわらずほとんどの光が２波長用回折素子２を透過するため、非偏光性回折素子２２であるホログラムビームスプリッタによって回折された＋１次回折光が光検出器６Ｂに集光された。
したがって、光検出器６Ｂに到達する信号光はＣＤ系の光ディスクの残留複屈折性に依存しないため、信号光は変動をほとんど受けなかった。
【００３７】
このようにして得られた２波長用回折素子を用いた光ヘッド装置により、ＤＶＤ系の光ディスクの情報の記録・再生を高い光利用効率でできるとともに、ＣＤ系の複屈折性の残留する光ディスクに対しても安定した情報の記録・再生ができた。
【００３８】
本例では例１で記載した単純な２ステップ段差の凹凸形状回折格子のホログラムを用いたが、例２に記載した断面がマルチステップの階段格子や鋸波形状のブレ−ズ格子とすることにより、特定次数の回折効率を向上できるため、用途に応じて種々の設計および製作ができる。
【００３９】
以上説明したように、本発明に係る光ヘッド装置に用いる２波長用回折素子は、波長λ1の第１の直線偏光を透過し、第１の直線偏光と直交する波長λ1の第２の直線偏光を回折するとともに、波長λ1とは異なる波長λ2の光を偏光状態に関係なく透過できる。すなわち、特定波長の直線偏光に対して、偏光方向に応じて回折させたり回折さなかったりできるが、この特定波長とは異なる波長の直線偏光に対して、偏光方向によらず回折せずに透過させることができる
【００４０】
また、本発明の２波長用回折素子を用いた光ヘッド装置によれば、光利用効率の高いＤＶＤ系の光ディスクの情報の記録・再生ができるとともに、ＣＤ系の複屈折性の残留する光ディスクに対しても安定した情報の記録・再生ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２波長用回折素子の１例を示す概略的側面図で、（ａ）常光が透過する様子を示す側面図、（ｂ）異常光が透過する様子を示す側面図。
【図２】本発明の２波長用回折素子を用いた光ヘッド装置の概略側面図。
【図３】本発明の２波長用回折素子の別の例を示す概略的側面図で、（ａ）常光が透過する様子を示す側面図、（ｂ）異常光が透過する様子を示す側面図。
【図４】本発明の２波長用回折素子の他の例を示す概略的側面図。
【図５】従来の光ヘッド装置の１例を示す概略側面図。
【図６】従来の他の光ヘッド装置の別の例を示す概略側面図。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ：半導体レーザ
２、２Ａ、２Ｂ：２波長用回折素子
３：対物レンズ
４、４Ａ、４Ｂ：コリメートレンズ
５：光ディスク
６Ａ、６Ｂ：光検出器
７、７１：１／４波長板
７２：５／４波長板
８：色合成分離ダイクロイックプリズム
２０：偏光性回折素子
２１Ａ、３１Ａ、２１Ｄ、３１Ｄ：透光性基板
２１Ｂ、３１Ｂ：複屈折性材料
２１Ｃ、３１Ｃ：均一屈折率材料
２２：非偏光性回折素子
【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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