(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光され前記光記録媒体により反射された前記出射光を検出する光検出器とを備え、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記光源側から偏光方向変換手段と偏光性回折素子が設置されている光ヘッド装置であって、
前記偏光性回折素子は、透明基板上に形成された複屈折性材料に断面形状が凹凸状の格子が形成され、格子の凹凸部に光学的に等方な充填材が充填されてなり、前記充填材の屈折率が前記複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれかに等しく、前記格子の２つの凸部と２つの凹部とからなる隣接する４領域がピッチＰのくり返し単位となっており、前記複屈折性材料の屈折率と前記充填材の屈折率とが異なる方向に偏光方向を有する入射直線偏光に対し発生する０次回折光の回折効率η0とｋ次回折光の回折効率ηkとの比が、−ｍ≦ｋ≦ｍ（ｍは２または３）となるｋに対し、１≦η0／ηk≦５の関係を満たすように、前記４領域それぞれの幅のピッチＰに対する比率が特定されており、
前記偏光方向変換手段は、入射した直線偏光の偏光方向を変えずに出射する場合と、この偏光方向と直交する直線偏光に変えて出射する場合との２つの状態を切り替えることができ、
前記偏光性回折素子は、前記偏光方向変換手段の前記２つの状態の切り替えに応じて、前記光記録媒体の再生時には０次、±１次および±２次、または、０次、±１次、±２次、±３次の回折光に分離し、前記光記録媒体の記録時には０次の回折光（透過光）のみとす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、偏光性回折素子および光ヘッド装置に関し、特に主に０次、±１次および±２次、または主に０次、±１次、±２次および±３次の回折光を発生する偏光性回折素子およびこの素子を搭載した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および光磁気ディスクなどの光記録媒体（以下、「光ディスク」いう）の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は回折素子が種々の用途で使用されている。
例えば、特開平１１−６６６０９には、回折素子により半導体レーザからの出射光を複数の光ビームに分割し、この複数の光ビームを光ディスクの情報記録面の複数のトラック上に同時に集光させることで、複数のトラック上の記録情報を同時に読み取り、従来よりも高速に情報の再生を行うことが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の光ヘッド装置においては、半導体レーザからの出射光を従来の回折素子により複数の光ビームに分割するため、分割された光ビームの光量が低下し、情報の記録が高速にできないなどの問題を有する。
本発明の目的は、上記の問題を解決するために、主に０次、±１次および±２次、または主に０次、±１次、±２次および±３次の高効率の回折光を発生する偏光性回折素子を得ること、そして、この偏光性回折素子を用いて光ディスクの再生時には複数光ビームで複数トラック上の情報を読み出すことにより高速に情報の再生ができるとともに、記録時には単一光ビームで高速に情報の記録を行うことができる光ヘッド装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光され前記光記録媒体により反射された前記出射光を検出する光検出器とを備え、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記光源側から偏光方向変換手段と偏光性回折素子が設置されている光ヘッド装置であって、前記偏光性回折素子は、透明基板上に形成された複屈折性材料に断面形状が凹凸状の格子が形成され、格子の凹凸部に光学的に等方な充填材が充填されてなり、前記充填材の屈折率が前記複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれかに等しく、前記格子の２つの凸部と２つの凹部とからなる隣接する４領域がピッチＰのくり返し単位となっており、前記複屈折性材料の屈折率と前記充填材の屈折率とが異なる方向に偏光方向を有する入射直線偏光に対し発生する０次回折光の回折効率η0とｋ次回折光の回折効率ηkとの比が、−ｍ≦ｋ≦ｍ（ｍは２または３）となるｋに対し、１≦η0／ηk≦５の関係を満たすように、前記４領域それぞれの幅のピッチＰに対する比率が特定されており、前記偏光方向変換手段は、入射した直線偏光の偏光方向を変えずに出射する場合と、この偏光方向と直交する直線偏光に変えて出射する場合との２つの状態を切り替えることができ、前記偏光性回折素子は、前記偏光方向変換手段の前記２つの状態の切り替えに応じて、前記光記録媒体の再生時には０次、±１次および±２次、または、０次、±１次、±２次、±３次の回折光に分離し、前記光記録媒体の記録時には０次の回折光（透過光）のみとすることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の偏光性回折素子の１例が示されている図１においては、偏光性回折素子１Ａは、第１の透光性基板１１の面上に、複屈折性材料が、断面形状が凹凸状の格子１３として形成されているとともに、格子１３を挟んで第１の透光性基板と対向して第２の透光性基板１２を配置する構成となっている。さらに第１の透光性基板１１、格子１３および第２の透光性基板１３で形成される空間を光学的等方性の充填材１４で隙間なく充填して構成される。充填材１４の屈折率は、複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれかに等しく選ばれる。
【０００７】
格子は図２に拡大図を示すように、透明基板１１上において格子１３を形成する２つの凸部と２つの凹部とからなる隣接する４領域がピッチＰのくり返し単位となる。複屈折性材料の屈折率と充填材の屈折率とが異なる方向の偏光方向を有する入射直線偏光に対し凹凸部は回折格子となっている。
【０００８】
そして、回折格子により発生する０次回折光とｋ次回折光の回折効率の比が、−ｍ≦ｋ≦ｍ（ｍは２または３）となるｋに対し、１≦η0／ηk≦５の関係を満たすように、４領域の幅ａ1、ａ2、ａ3およびａ4のそれぞれのＰに対する比率が特定されている。すなわち、ｍが２のとき、−２、−１、０、１、２のそれぞれのｋに対し、０次回折効率η0とｋ次回折効率ηkとの比が１≦η0／ηk≦５の関係を満たすように、ａ1／Ｐ、ａ2／Ｐ、ａ3／Ｐおよびａ4／Ｐの値が特定されている。ｍが３のとき、−３、−２、−１、０、１、２、３のそれぞれのｋに対しも同様である。
【０００９】
ここでη0／ηk＞５のときには、０次以外の回折光量が低下し、複数光ビームで並列読み出しを行うための光量を得ることができない。また、η0／ηk＜１のときには、０次回折光（メインビーム）の光量が他の回折光の光量より小さくなる。
【００１０】
透光性基板１１および透光性基板１２は、例えばガラス基板であれば、平坦度が高く波面収差の発生が低減でき、また耐久性に優れ好ましい。
複屈折性材料としては、例えば高分子液晶を使用できる。透光性基板の表面にポリイミドなどの薄膜を形成し、配向処理を施して配向膜とする。この配向膜上に液晶モノマの溶液を塗布し、液晶分子を配向させる。この状態で、液晶モノマ溶液に予め含有された光重合開始剤に、光重合用の光源から光を照射して液晶モノマを高分子化することにより、透光性基板上に複屈折性材料を形成できる。
【００１１】
上記のように透光性基板上に形成された複屈折性材料に、フォトリソグラフィとエッチングの技術を用いて、格子を形成する。充填される光学的等方性の充填材としては、アクリル系、エポキシ系、ポリエステル系の紫外線硬化型接着剤または熱硬化型の接着剤であれば作業性がよく好ましいが、これらに限定されない。また、充填材の屈折率は、例えば複屈折性材料の常光屈折率に等しくする。
【００１２】
上記のように構成された偏光性回折素子に、複屈折性材料に対し異常光となる直線偏光が入射したときには、複屈折性材料の屈折率と充填材の屈折率が異なるため、上記のように格子は回折格子として機能する。
【００１３】
また、偏光性回折素子に、複屈折性材料に対し常光となる直線偏光（直線偏光と偏光方向が直交）が入射したときには、複屈折性材料の屈折率と充填材の屈折率が等しいため、格子は回折格子として機能せず、入射光は回折されずに通過する。
【００１４】
すなわち、本発明の偏光性回折素子は、入射する直線偏光の偏光方向に応じて回折格子として機能する、または機能せず、さらに回折格子として機能する場合にはｍが２のときは主に±２次以下、またはｍが３のときは主に±３次以下の次数の回折光を発生するように、ａ1／Ｐ、ａ2／Ｐ、ａ3／Ｐおよびａ4／Ｐの値が特定されている（図２参照）。
【００１５】
本発明の光ヘッド装置には、本発明の偏光性回折素子が搭載される。図３に１例として示す本発明の光ヘッド装置は、光源である半導体レーザ２から出射した光が、偏光方向変換手段である偏光変換素子３を通過した後、偏光性回折素子１に入射する。半導体レーザ２からの出射光は、偏光性回折素子１により複数の光ビームに分割されるような直線偏光の偏光方向を有している。
【００１６】
また、偏光変換素子３は、半導体レーザ２から出射され、偏光変換素子３に入射した直線偏光の偏光方向を変えずに出射する場合と、この偏光方向と直交する直線偏光に変えて出射する場合との２つの状態を切り替えることができる。偏光変換素子３としては、具体的には、波長板、ツイステッドネマティック液晶セルを光路中に出し入れする、また波長板を光軸の回りに回転させる機構を備えるなどにより実現できる。
【００１７】
図３（ａ）では、偏光変換素子３により出射光の偏光方向が変化を受けずに偏光性回折素子１に入射し、偏光回折素子１によって、主な５つ、または７つの光ビーム（回折光）に分離された光は、ビームスプリッタ４を通過する。通過した光は、コリメートレンズ５によって平行光とされ、対物レンズ６により、光ディスク７上の複数のトラック上に集光され、反射される。反射された複数の光は、ビームスプリッタ４により反射され、複数の光検出器８で個別に検出されて、再生信号、トラッキングエラー信号、フォーカシングエラー信号などを与える。
【００１８】
図３（ｂ）では、偏光変換素子３によって、半導体レーザ２からの出射光が元の偏光方向と直交する偏光方向に変化を受けた後、偏光性回折素子１に入射し、回折されずに通過する。通過した光は、ビームスプリッタ４を透過し、コリメートレンズ５によって平行光とされ、対物レンズ６により、光ディスク上７の単一トラック上に集光され、一部は情報を記録するために使われ、残りは反射される。反射された光は、ビームスプリッタ４により反射され、複数の光検出器８のうちの１つで検出されて、トラッキングエラー信号やフォーカシングエラー信号を与える。
【００１９】
なお、偏光性回折素子１に、直線偏光が入射したときに３ビームを発生させる別の偏光性回折素子を積層して、再生時のトラッキングエラー信号を得るための３ビームを発生させる構成にしてもよいし、直線偏光が入射したときに３ビームを発生させる別の偏光回折素子を積層して、記録時のトラッキングエラー信号を得るための３ビームを発生させる構成にしてもよい。
【００２０】
【実施例】
「例１」
本例は、偏光性回折素子に関する。まず、ポリイミド樹脂をスピンコート法により第１のガラス基板（透光性基板）上に均一に塗布、成膜し、焼成した後、ラビング処理を施して、配向膜とした（図示せず）。配向膜の厚さは、６０ｎｍであった。その後、配向膜上に塗布した液晶モノマを光重合硬化し高分子液晶膜を形成した。高分子液晶の膜厚は３．８６μｍであり、屈折率は、波長λ＝７８５ｎｍで常光屈折率ｎo＝１．５５、異常光屈折率ｎe＝１．６０であった。
【００２１】
以上のようにして成膜され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、格子を作製した。ここで、格子のピッチをＰ＝３０μｍとし、格子ピッチ内を幅ａ１＝１．５μｍ、ａ２＝９．６μｍ、ａ３＝８．７μｍおよびａ４＝１０．２μｍの順に４つの領域に分割し、高さｄ＝３．８６μｍの凹凸状の格子とした。この凹凸部の幅の比は、ピッチの端から順に１：６．４：５．８：６．８であった。
【００２２】
同時に、硬化後の屈折率が波長λで１．５５である光学的等方性の充填材として紫外線硬化型接着剤を格子間に充填し、さらに第２のガラス基板（透光性基板）で挟んだ。その後、紫外線を照射して接着剤を重合させて図１に示す構成の偏光性回折素子を作製した。
【００２３】
上記のように作製した偏光性回折素子に、波長λで、高分子液晶に対し異常光となる偏光方向の直線偏光を入射したところ、約４２％が０次回折光として透過し、約１０％の±１次および±２次回折光が発生する５ビーム回折素子が得られた。ここで、ｋ次回折光の回折効率ηkは、−２≦ｋ≦２の範囲において、η0／ηk＝４．２＜５を満たしていた。また、この偏光性回折素子に、波長λで、高分子液晶に対し常光となる偏光方向の直線偏光を入射したところ、透過率が９８％であり、回折光は見られなかった。
【００２４】
「例２」
本例も、偏光性回折素子に関する。まず、例１と同様の方法で、例１と同様の高分子液晶膜を、厚さが５．２０μｍになるように形成した。以上のようにして成膜され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、格子を作製した。ここで、格子のピッチをＰ＝３０μｍとし、格子ピッチ内を幅ａ１＝６．９μｍ、ａ２＝３．９μｍ、ａ３＝６．３μｍおよびａ４＝１２．９μｍの順に４つの領域に分割し、高さｄ＝５．２０μｍの凹凸状の格子とした。この凹凸部の幅の比は、ピッチの端から順に１．８：１：１．６：７．７であった。
【００２５】
また、硬化後の屈折率が波長λ＝７８５ｎｍで１．５５である光学的等方性の充填材として紫外線硬化型接着剤を格子間に充填し、さらに第２のガラス基板（透光性基板）で挟んだ。その後、紫外線を照射して接着剤を重合させて図１に示す構成の偏光性回折素子を作製した。
【００２６】
上記のように作製した偏光性回折素子に、波長λで、高分子液晶に対し異常光となる偏光方向の直線偏光を入射したところ、約２７％が０次回折光として透過し、約１０％の±１次、±２次および３次回折光が発生する７ビーム回折素子が得られた。ここで、ｋ次回折光の回折効率ηkは、−３≦ｋ≦３の範囲において、η0／ηk＝２．７＜５を満たしていた。また、この偏光性回折素子に、波長λで、高分子液晶に対し常光となる偏光方向の直線偏光を入射したところ、透過率が９８％であり、回折光は見られなかった。
【００２７】
「例３」
本例は、光ヘッド装置に関する。図３に示すように、例１で得られた回折素子を、偏光方向変換手段である偏光変換素子３とビームスプリッタ４との間の光路中に偏光性回折素子１として配置した。偏光変換素子３として、１／２波長板を用いた。１／２波長板の板面は入射光の光軸に対して垂直に配置され、光軸の回りに回転できるようになっている。１／２波長板を回転することで出射光の偏光方向を変化させることができ、偏光性回折素子１へ入射する直線偏光を、高分子液晶に対して異常光となる偏光方向の場合と常光となる偏光方向の場合とに変化させることができた。
【００２８】
その結果、図３（ａ）に示すように、光ディスク７の再生時には５つの光ビームで５つのトラック上の情報を読み出すことにより高速に情報の再生ができるとともに、図２（ｂ）に示すように、記録時には単一光ビームで高速に情報の記録を行うことができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏光性回折素子は、素子に入射する直線偏光の偏光方向を選択することにより、入射光を主に０次、±１次および±２次の回折光に分離できる、または０次の回折光（透過光）のみとすることができる。また、入射光を主に０次、±１次、±２次および±３次の回折光に分離できる、または０次の回折光（透過光）のみとすることができる。
【００３０】
また、本発明の偏光性回折素子を搭載した本発明の光ヘッド装置を用いれば、光ディスクの再生時には主に５つ、または７つの複数の光ビームで同数のトラック上の情報を読み出すことにより高速に情報の再生ができるとともに、記録時には単一光ビームで高速に情報の記録を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光回折素子の１例を示す図で、（ａ）直線偏光Ｐ1が入射したときの様子を示す側面図、（ｂ）直線偏光Ｐ2が入射したときの様子を示す側面図。
【図２】図１の格子部分の拡大図。
【図３】本発明の光ヘッド装置の１例を示す図で、（ａ）光ディスクの再生時の様子を示す側面図、（ｂ）記録時の様子を示す側面図。
【符号の説明】
１：偏光性回折素子
２：半導体レーザ
３：偏光変換素子
４：ビームスプリッタ
５：コリメートレンズ
６：対物レンズ
７：光ディスク
８：光検出器
１１、１２：透光性基板
１３、１５：格子
１４：充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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