(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が異なる２つの光が直線偏光で入射して、前記２つの光がそれぞれ位相差を発生して出射する位相差素子であって、
前記位相差素子は、前記２つの光が入射する側から、複屈折性を有して位相差を発生する有機薄膜と、前記２つの光を反射する固定基板が配置され、
前記２つの光のうち６５０ｎｍ近傍の波長で入射する光に対して前記固定基板で反射して出射する光の位相差が５π／２発生し、かつ、７８０ｎｍ近傍の波長で入射する光に対して前記固定基板で反射して出射する光の位相差が２π発生するように前記有機薄膜のリタデーション値が調整され、
さらに、前記２つの光において発生するそれぞれの位相差は、前記直線偏光の進行方向と前記位相差素子の前記直線偏光の入射面の法線方向とがなす角度である入射角度が２０〜５０°の範囲内で依存しないように、前記有機薄膜の遅相軸方向と前記直線偏光の偏光方向との関係が特定されていることを特徴とする位相差素子。
【請求項２】
中心部では前記２つの光を透過し、前記中心部を囲む周辺部では前記２つの光のうち一方の光を透過するように形成された開口制御素子と一体化された請求項１に記載の位相差素子。
【請求項３】
光源からの直線偏光の出射光を光記録媒体に導き、前記光記録媒体で反射された前記出射光を光検出器へ導く光ヘッド装置において、
前記出射光が請求項１〜２いずれか１項に記載の位相差素子で反射して前記光記録媒体に到達するように設置されている光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相差素子および光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光記録媒体であるＣＤやＤＶＤなどの光ディスクまたは光磁気ディスクなどの光学的情報の記録、再生のために、位相差素子や回折素子などの光学素子を備えた光ヘッド装置が用いられる。
光ヘッド装置は、半導体レーザからの出射光を光記録媒体へ導き、光記録媒体からの反射光を回折素子やビームスプリッタなどの光学素子により回折または偏向させ、検出器で反射光を検出する構成となっている。また、光学素子である位相差素子は単独で、または回折素子と一体化されたものが、通常半導体レーザと光記録媒体の間に設置される。
【０００３】
従来、透過型の位相差素子としては、水晶のような無機単結晶を研磨したものが用いられている。しかし、無機単結晶は強い複屈折性を持つため位相差の入射角度依存性が強く、所望の位相差を付加する機能を有する位相差素子としては適さない。また、無機単結晶の光学素子は作成の工程数が多く、さらに作成に困難を伴う。
【０００４】
また、有機系材料の位相差素子は、作成に大きな困難は伴なわないが、基板上に接着するなどして位相差素子全体は厚くなっていた。したがって、光ヘッド装置に組み込むと装置の小型化が困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、無機単結晶を用いた位相差素子は位相差の入射角度依存性が大きいため、所望の位相差を得ることが困難であり、また作製に困難を伴っていた。したがって、光ヘッド装置に用いることも難しかった。
【０００６】
また、有機系材料の位相差素子は固定基板に設置されるため、透過型の位相差素子は、位相差素子全体として厚くなる問題があった。したがって、この位相差素子を光ヘッド装置に用いると装置の小型化が困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、波長が異なる２つの光が直線偏光で入射して、前記２つの光がそれぞれ位相差を発生して出射する位相差素子であって、
前記位相差素子は、前記２つの光が入射する側から、複屈折性を有して位相差を発生する有機薄膜と、前記２つの光を反射する固定基板が配置され、
前記２つの光のうち６５０ｎｍ近傍の波長で入射する光に対して前記固定基板で反射して出射する光の位相差が５π／２発生し、かつ、７８０ｎｍ近傍の波長で入射する光に対して前記固定基板で反射して出射する光の位相差が２π発生するように前記有機薄膜のリタデーション値が調整され、
さらに、前記２つの光において発生するそれぞれの位相差は、前記直線偏光の進行方向と前記位相差素子の前記直線偏光の入射面の法線方向とがなす角度である入射角度が２０〜５０°の範囲内で依存しないように、前記有機薄膜の遅相軸方向と前記直線偏光の偏光方向との関係が特定されていることを特徴とする位相差素子を提供する。
【０００８】
また、中心部では前記２つの光を透過し、前記中心部を囲む周辺部では前記２つの光のうち一方の光を透過するように形成された開口制御素子と一体化された上記の位相差素子を提供する。さらに、光源からの直線偏光の出射光を光記録媒体に導き、前記光記録媒体で反射された前記出射光を光検出器へ導く光ヘッド装置において、前記出射光が上記の位相差素子で反射して前記光記録媒体に到達するように設置されている光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の位相差素子では、位相差発生機能を有する有機薄膜が反射機能を有する固定基板に設置されていることにより、有機薄膜を固定基板に固定した透過型の位相差素子と比べ約半分の有機膜厚とすることができ、薄型の位相差素子が実現できる。
【００１０】
以下、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、反射型位相差素子８は次の構成となっている。すなわち、位相差発生機能を有する有機薄膜１の一方の表面を例えば接着剤２によって反射機能を有する固定基板３に固定する。図１の構成では、有機薄膜１の他方の表面に無反射コート４を施してもよく、空気と有機薄膜１との屈折率差による表面反射損失がほとんど０となる。ここでは、無反射コート４を施している。
【００１１】
また、有機薄膜１は、半導体レーザなどのレーザ光が垂直に入射し透過するとき透過光に対しｍπ／４（ｍは自然数）の位相差を生じるように形成でき、また固定基板３で反射するとき反射光に対してはｍπ／２の位相差を生じるように形成できる。このｍπ／２については後述する。
【００１２】
ここで、所望の位相差を発生させるには有機薄膜１のリタデーション値を調整する。すなわち、有機薄膜１の常光屈折率と異常光屈折率の差をΔｎ、有機薄膜１の膜厚をｄ、透過光の波長をλとするとリタデーション値はΔｎ・ｄで与えられ、位相差ψとの間にψ＝Δｎ・ｄ・２π／λの関係がある。したがって、特定の波長の光に対しリタデーション値を調整すれば、所望の位相差が得られる。
【００１３】
有機薄膜は、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、脂環式ポリオレフィン、ポリアクリレートなどの高分子薄膜を一軸延伸などにより複屈折性を付与し、位相差発生機能を発現させた有機薄膜を使用できる。位相差発生機能を有する有機薄膜で上記以外の樹脂も使用できるが、耐熱性の面から、変性ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルスルホンまたは脂環式ポリオレフィンを用いることが好ましい。ここで変性ポリカーボネートとは、ポリエステルカーボネートをビスフェノールＡからなるポリカーボネートの構成成分の一部に使用した変性ポリカーボネートを意味する。また、有機薄膜として、固定基板に通常の液晶配向処理を施し、高分子液晶のモノマーを塗布して得た高分子液晶薄膜も使用できる。この高分子液晶は、側鎖型、主鎖型のいずれのタイプでもよい。
【００１４】
ポリカーボネートなどの有機薄膜は、一軸延伸することにより、高分子鎖が配向するため、延伸方向の屈折率とそれに直交する方向の屈折率に差異が生じ、位相差発生機能を有する有機薄膜となる。通常は、延伸方向が光の位相を遅らせる遅相軸の方向となり、遅相軸は一般的な複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率を与える方向と一致する。また、延伸の加減により所望の位相差を得ることができる。
【００１５】
また、半導体レーザなどの出射光で発散する光が位相差素子に入射する際、種々の入射角度を持つことになり位相差素子を反射する光に大きな非点収差が生じる。しかし、本発明では、位相差発生機能を有する有機薄膜の厚さを０．５ｍｍ以下にすることで、非点収差による情報の再生信号の劣化を防いでいるが、この厚さを０．１ｍｍ以下とすることによりさらに再生信号の劣化を防止できて好ましい。
【００１６】
接着剤の材料としては、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリイミド系、ユリア系、メラミン系、フラン系、イソシアネート系、シリコーン系、セルロース系、酢酸ビニル系、塩化ビニル系、ゴム系やそれらの混合系のものを使用できる。接着剤はＵＶ硬化型や熱硬化型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。接着剤は平滑に一定厚みで薄く塗布することが、波面収差を低減するために好ましい。塗布の方法としては、スピンコート、ロールコートなどの方法を用いると作業性が優れ、また厚さの制御が容易であり好ましい。
【００１７】
また、接着剤の屈折率と位相差発生機能を有する有機薄膜の屈折率の相違によるこれらの界面の反射損失をほとんど０にするために、有機薄膜とほぼ等しい屈折率を持つ接着剤を使用することが望ましい。
本発明の反射型位相差素子に用いられる反射機能を有する固定基板としては、平滑な光学ガラス表面にアルミニウムなどの金属薄膜またはＴｉＯ2とＳｉＯ2またはＴａ2Ｏ5とＳｉＯ2からなる誘電体多層薄膜を成膜したものが使用できる。金属薄膜は比較的容易に高い反射率を得ることができ、これを使用することは望ましい。一方、誘電体多層膜鏡も光学膜設計によっては使用する光の波長に対してほぼ１００％の反射率を得ることができ、これを使用することも望ましい。
【００１８】
図２では、図１の位相差素子における有機薄膜１の一方の表面に施された無反射コート４の代わりに、無反射コートを施した平行透明基板の光学カバーガラス５を接着剤６で接着している。図２において図１と同じ符号の構成要素は同じものを意味する。光学カバーガラス５を有機薄膜１に接着することにより有機薄膜１の表面粗さに基づく光の波面への影響を除去できるので、波面収差特性を良好にできる。また、光学カバーガラス５と接着剤６との界面、および接着剤６と有機薄膜１との界面での反射を小さくするために、接着剤６の屈折率ｎ6を光学カバーガラス５の屈折率ｎ5および有機薄膜１の常光屈折率および異常光屈折率の平均屈折率ｎ11との間に、ｎ6≒（ｎ5・ｎ1）1/2の関係を満たすように選択することは望ましい。
【００１９】
図３に示す反射型位相差素子８は、反射機能を有する固定基板３と、光学カバーガラス５の形状をプリズムに変えたものである。このプリズムの形状により光学カバーガラス５に対し光が垂直に入射するため、空気と光学カバーガラス５の屈折率差による屈折角の波長依存性が除去される。また、接着剤６の屈折率が光学カバーガラス５の屈折率に等しくなるように選択することは、位相差発生機能を有する有機薄膜１に対する光の入射角度の波長依存性を取り除くことができるので望ましい。
【００２０】
図４において図２と同じ符号の構成要素は同じものを意味する。反射型位相差素子８は位相差発生機能と反射機能とをあわせ持つ光学素子であり、薄型の位相差素子であって、またミラーを必要としないので光ヘッド装置内の占有体積を減らして装置を小型化できて好ましい。
【００２１】
また、透明基板の中心部では２波長以上の光を透過し、中心部を囲む周辺部では１波長以上の光を透過させる開口制御機能を有する位相差素子を一体化させることが、一素子でありながら開口制御と位相差発生の２つの機能を併せ持つので好ましい。そして、この複合的な素子を光ヘッド装置に組み込むと装置の小型化が図れて好ましい。通常、中心部は、半導体レーザからの２波長の光を透過し、周辺部は１波長の光のみを透過する。この開口制御機能は、透明基板の周辺部に誘電多層膜、断面が周期的な凹凸の形状をした回折格子などを形成することにより得られる。
【００２２】
本発明の位相差素子をＣＤやＤＶＤなどの光ディスクまたは光磁気ディスクなどの光記録媒体に対して情報の記録、再生を行う光ヘッド装置に用いる場合は、図４にあるように、光源となる例えば半導体レーザ７の出射光が有機薄膜１に入射するように設置する。有機薄膜１は、半導体レーザ７の出射光が有機薄膜１に垂直入射し固定基板で反射し出射した際に（２ｐ−１）π／２（ｐは自然数）近傍の値となるものを用いる。これにより、半導体レーザから出射した直線偏光は、本発明の位相差素子で反射されて円偏光となる。
【００２３】
また、位相差素子の遅相軸の方向と半導体レーザからの出射光の直線偏光方向が特定の関係にあるときに、位相差素子に入射する出射光の入射角度にほとんど影響されずにほぼ一定の位相差が得られて好ましい。例えば、波長が６５０ｎｍの光に対し、位相差素子からの反射光の偏光状態を示す楕円率角が、入射角度によらずほぼ４５°になるように有機薄膜１の遅相軸方向を入射直線偏光方向に対して調整して固定基板３に固定する。これにより、位相差素子８を反射した出射光は（２ｐ−１）π／２（ｐは自然数）の位相差を発生し、円偏光に変換できる。
【００２４】
ここで、楕円率角とは、楕円偏光の長軸をａ、短軸をｂとしたとき、ｔａｎα＝±ｂ／ａ（−４５°≦α≦４５°）で定義されるαのことである。
特に、特定の波長に対して所望のリタデーション値の有機薄膜１を選択することにより、ＤＶＤに用いる波長６５０ｎｍ近傍の光に対しては５π／２の位相差を、一方ＣＤに用いる波長７８０ｎｍの光に対し２πの位相差を与える反射型の位相差素子を構成できる。
【００２５】
すなわち、２種類の波長の光を使用する光ヘッド装置に位相差素子を組み込む場合、リタデーション値を調整し位相差素子を反射した一方の波長の光に対しては５π／２（すなわち、奇数・π／２）の位相差を与えて円偏光とし、他方の波長の光に対しては２π（すなわち、偶数・π／２）の位相差を与えて直線偏光とできる。また、πの位相差でも直線とすることができる。
【００２６】
そして、６５０ｎｍの光と７８０ｎｍの光の共通光路中に位相差素子が置かれる場合、６５０ｎｍの光に対しては偏光ホログラムなどを用いて光の利用効率を高める。また、７８０ｎｍの光に対しては偏光ホログラムの光の利用効率を低めて、別置きされる無偏光ホログラムを使用できる。
【００２７】
このように、それぞれの波長の光の偏光状態を互いに異ならせる（円偏光および直線偏光）ことによって、波長ごとに個々の光を制御しやすくなる。したがって一般的に、リタデーション値が調整された有機薄膜を反射機能を有する固定基板に固定した位相差素子により反射した光は、ｍπ／２（ｍは自然数）の位相差を発生することが好ましい。ここで、ｍが奇数のとき反射光は円偏光、偶数のときは直線偏光となる。なお、２ｐ−１はｍが奇数のときに対応する。
【００２８】
【実施例】
「例１」
本例では図１に示した反射型の位相差素子を作製した。
位相差発生機能を有する有機薄膜１として、一軸延伸を施したポリカーボネートを、接着剤２としてポリエステル系接着剤を、反射機能を有する固定基板３としてアルミニウムを厚さ１００ｎｍ蒸着したガラス基板を用いて位相差素子を作製した。
【００２９】
有機薄膜１は厚さが４５μｍであり、有機薄膜１を垂直入射し透過した波長６５２ｎｍの光に４０８ｎｍ（すなわち５π／４）の位相差、有機薄膜１を設置した位相差素子を反射した場合には２倍の８１６ｎｍ（すなわち５π／２）の位相差、を発生させた。
また、有機薄膜１と空気との界面での反射を防ぐために、有機薄膜１の空気側界面に無反射コート４を施した。
【００３０】
図５に示すように発振波長が６５２ｎｍである半導体レーザ７を出射した光は、偏光子９を透過することによりｘ軸に平行な直線偏光とした。この直線偏光は位相差素子８に任意の角度で入射する。このとき、入射角度は位相差素子８の表面に立てた法線と直線偏光とのなす角度とする。
【００３１】
ここで、有機薄膜１の遅相軸方位は楕円率角が略４５°になるように調整した結果、図５に示す座標系のｘ軸と４２°の方向をなすように、すなわちφ＝４２°回転させて前述の接着剤２を用いて前述の固定基板３のアルミニウム膜側に貼った。
【００３２】
上記のように作製された位相差素子を反射した光の位相差の入射角度依存性を調べた。その結果、入射角度がθ＝２０〜５０°で位相差素子８を反射した光は、８０６〜８２４ｎｍの位相差が発生した。これは、垂直入射の場合の位相差８１６ｎｍから最大わずか９ｎｍ程度しかずれておらず、位相差は約５π／２で円偏光となっている。
【００３３】
また、光源として発振波長が７８０ｎｍである半導体レーザ７を用いて、同様に位相差の入射角度依存性を調べた。入射角度がθ＝２０〜５０°で位相差素子８を反射する直線偏光は、反射することにより７７９〜７９７ｎｍの位相差が発生した。これは、垂直入射の場合の位相差７８８ｎｍから最大わずか９ｎｍ程度しかずれておらず、位相差は約２πで直線偏光となっている。
【００３４】
したがって、この反射機能を有する位相差素子はθ＝２０〜５０°の広い角度範囲で入射する直線偏光をほぼ一様な円偏光（波長６５０ｎｍに対し）に変換、また一様な直線偏光（波長７８０ｎｍに対し）のまま保存することができ、反射光の位相差の入射角度依存性を減少できた。
【００３５】
「例２」
本例では図２に示した反射型の位相差素子を作製した。
位相差発生機能を有する有機薄膜１として一軸延伸を施したポリカーボネートを、接着剤２および接着剤６として同一のポリエステル系接着剤を、反射機能を有する固定基板３としてアルミニウムを厚さ１００ｎｍ蒸着したガラス基板を、光学カバーガラス５として無反射コートを施した厚さ０．３ｍｍの光学ガラスを用いて位相差素子を作製した。
【００３６】
有機薄膜１は例１と同一のもので、厚さが４５μｍであり、この有機薄膜１を垂直入射し透過した波長６５２ｎｍの光に対して４０８ｎｍ（約５π／４）の位相差、有機薄膜１を設置した位相差素子を反射した場合には２倍の８１６ｎｍ（すなわち５π／２）の位相差、を発生させた。
【００３７】
上記の有機薄膜１を前述の接着剤２と接着剤６を用いて前述の固定基板３のアルミニウム膜面と前述の光学カバーガラス５の非コート面の間に挟んだ。
ここで、有機薄膜１の遅相軸方位は楕円率角が略４５°になるように調整した結果、図５に示す座標系のｘ軸と４５°の方向をなすように、すなわちφ＝４５°回転させて前述の接着剤２を用いて前述の固定基板３のアルミニウム膜側に貼った。
【００３８】
上記のように作製された位相差素子を反射した光の位相差の入射角度依存性を例１と同様に調べた。
入射角度がθ＝１０〜６０°で位相差素子８を反射した光は、８０８〜８２２ｎｍの位相差が発生した。これは、垂直入射の場合の位相差８１６ｎｍから最大わずか８ｎｍ程度しかずれておらず、位相差は約５π／２で円偏光となっている。
【００３９】
また、光源として発振波長が７８０ｎｍである半導体レーザ７を用いて、同様に位相差の入射角度依存性を調べた。入射角度がθ＝１０〜６０°で位相差素子８を反射する直線偏光は、反射することにより７８１〜７９５ｎｍの位相差が発生した。これは、垂直入射の場合の位相差７８８ｎｍから最大わずか７ｎｍ程度しかずれておらず、位相差は約２πで直線偏光となっている。
【００４０】
したがって、この反射機能を有する位相差素子はθ＝２０〜５０°の例１よりも広い角度で入射する直線偏光をほぼ一様な円偏光（波長６５０ｎｍに対し）に変換、また一様な直線偏光（波長７８０ｎｍに対し）のまま保存することができ、反射光の位相差の入射角度依存性をさらに減少させることができた。
【００４１】
「例３」
本例では、例２の位相差素子を光ヘッド装置に組み込んだ。この様子を図６に示す。
半導体レーザ７を出射した直線偏光（１４ｂの方向）は反射型位相差素子８で反射し左回り円偏光（１４ｃの方向）となる。前記位相差素子８を反射した円偏光（１４ｃの方向）は、ビームスプリッタ１０によって分割される。このときビームスプリッタ１０を回折せずに直進する光のみ利用し、回折して進む光（図示せず）は利用しない。
【００４２】
ビームスプリッタ１０を直進した円偏光は対物レンズ１１により光ディスク１３に集光される。さらに、光ディスク１３を反射した光は、右回り円偏光（１４ｄの方向）となり対物レンズ１１とビームスプリッタ１０を透過する。このとき、ビームスプリッタ１０を透過した光は、光検出器１２に向かう光と半導体レーザ７に向かう光に分けられる。ビームスプリッタ１０により分割された円偏光は、反射型位相差素子８を反射し直線偏光（１４ａの方向）となる。
【００４３】
この直線偏光（１４ａの方向）は、半導体レーザ７を出射した直線偏光（１４ｂの方向）に対し、振動方向が直交する。したがって、半導体レーザ７を出射した光と半導体レーザ７に戻る光は干渉が生じず、安定したレーザ出力が半導体レーザ７より得られた。その結果、光検出器１２で検出される光のジッタと呼ばれる信号検出誤差が減少し、良好な再生信号が得られた。
【００４４】
本例では、本発明の反射型位相差素子８を光ヘッド装置に組み込むことにより、光ヘッド装置の構成部品点数を減らし、小型化が実現できたとともに、光ヘッド装置において良好なジッタ特性が得られることが確認できた。さらに、反射型位相差素子へのレーザ光の入射角度の精度に余裕ができたため、光ヘッド装置の組み立てが容易になった。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、位相差発生機能を有する有機薄膜が、所望の位相差が発生するようにリタデーション値を調整されて反射機能を有する固定基板に設置された反射型位相差素子は、薄型でありながら所望の位相差を発生する位相差素子である。
【００４６】
また、この位相差素子を使用することにより部品点数を低減でき光ヘッド装置の組み立て工程数を少なくでき、さらに装置を小型化できる。
さらに、位相差素子の遅相軸と位相差素子に入射するレーザ光の直線偏光方向とを特定することにより、レーザ光の位相差素子への入射角自由度の大きい（組み立ての容易な）光ヘッド装置にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位相差素子の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の位相差素子の構成の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の位相差素子の構成の別の例を示す断面図である。
【図４】図２の位相差素子を設置した本発明の光ヘッド装置の拡大図である。
【図５】本発明の位相差素子の測定光学系および座標系を示す概念図である。
【図６】図２の位相差素子を設置した本発明の光ヘッド装置の断面図である。
【符号の説明】
１：有機薄膜
２：接着剤
３：固定基板
４：無反射コート
５：光学カバーガラス
６：接着剤
７：半導体レーザ
８：位相差素子
９：偏光子
１０：ビームスプリッタ
１１：対物レンズ
１２：光検出器
１３：光ディスク
【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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