CN100373181C - 衍射元件和光头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供衍射效率几乎不因光的波长不同而发生变化、而且可以改变基于波长的衍射效率的设定的衍射元件和光头装置。具有双折射性的光学各向异性介质(11)和光学各向同性介质(12)周期性地交错排列、使光衍射的衍射元件(10)中，光学各向异性介质(11)中的与入射的光透过的光轴方向垂直的面内或与其接近的面内的折射率椭圆的主轴方向绕着与所述光轴方向平行的轴扭转。特别是，具有双折射性的光学各向异性介质(11)可以由将液晶高分子化得到的高分子液晶构成。

Description

衍射元件和光头装置
技术领域
本发明涉及使光衍射的衍射元件以及配置该衍射元件的、进行光盘等光记录媒体的记录和/或读取的光头装置。
背景技术
具有周期性的相位阶梯差(表示阶梯状变化的相位差)的衍射元件因其相位阶梯差和入射光的波长不同而衍射效率不同。使用的光的波长为多种的情况下，如果按照某一种波长设定产生最适的衍射效率的相位阶梯差，则在其它的波长衍射效率一般不同，未必能够获得所期望的衍射效率。
此外，衍射元件不是相位阶梯差型(相位调制)、而是透过率调制型(振幅调制型)的情况下，几乎没有衍射效率的波长依赖性。但是，这种透过率调制型(振幅调制型)的情况下，由于周期性地调制透过率，所以产生透过率低的部分，该部分的透过光量少，因此存在光的利用效率低的问题。
接着，作为衍射元件的例子，对将该元件用于光盘装置的光头进行说明。
作为最普遍的衍射元件的利用，已知发生跟踪伺服系统用的三光束的衍射光栅。
例如，在DVD和CD可读取或记录的光头装置中，具有产生对应于各种光盘的波长650nm带和780nm带的光的光源。因此，对于这两种波长带的光，如果为了发生三光束可以使用共同的衍射元件，则可以减少部件数量，使光头装置小型化。
另一方面，对于光源，还可以应用于用一个组件激发所述两个波长带的光的、所谓双LD等。
发明的揭示
发明要解决的课题
然而，以往的衍射元件难以对于这两个波长获得大致相同的衍射效率、或者获得各种所需的衍射效率的三光束的衍射元件。即，对于DVD用的光将衍射元件的衍射效率设定为所需的值时，对于CD用的光衍射效率过低或过高(反之亦然)，存在实用上的困难。
由于这样的情况，切盼开发出衍射效率几乎不因光的波长不同而发生变化的衍射元件和可以改变基于波长的衍射效率的设定的衍射元件。此外，急切希望开发出光头装置中在405nm带、650nm带、780nm带的任意两个或两个以上的波长带衍射效率尽可能相等的衍射元件。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供衍射效率几乎不因光的波长不同而发生变化、而且可以改变基于波长的衍射效率的设定的衍射元件和具备该衍射元件的光头装置。
本发明提供衍射元件，它是具备具有双折射性的光学各向异性介质和光学各向同性介质，所述光学各向异性介质和所述光学各向同性介质周期性地交错排列，使入射的光衍射的衍射元件，其特征在于，
所述光学各向异性介质中与所述入射的光透过的光轴方向垂直的面内的折射率椭圆的主轴方向绕着与所述光轴方向平行的轴扭转。
此外，还提供所述具有双折射性的光学各向异性介质为将液晶高分子化得到的高分子液晶的上述的衍射元件。
此外，还提供形成所述光学各向异性介质的材料中折射率椭圆的短轴折射率n。或长轴折射率ne与所述光学各向同性介质的折射率相等或与之接近的上述的衍射元件。
此外，还提供所述折射率椭圆的主轴方向的扭转角在10度～90度的范围内的上述的衍射元件。
此外，还提供光头装置，它是具备出射两种或两种以上波长的光的光源、将从所述光源出射的光聚光在光记录媒体上的物镜和接收被聚光并在所述光记录媒体被反射的反射光的光检测器的光头装置，其特征在于，
在所述两种或两种以上波长的光透过的所述光源和所述光记录媒体之间的光路中配置上述的衍射元件。
此外，如上述的光头装置，其中，所述衍射元件的光学各向异性介质的光入射侧的面内的折射率椭圆的主轴方向与透过所述光学各向异性介质的光的光轴方向垂直，而且与所述入射的光的偏光方向一致或接近。
此外，还提供所述衍射元件和改变透过光的偏光状态的相位板一体化了的上述的光头装置。
此外，还提供所述衍射元件和衍射效率因偏光方向不同而不同的偏光衍射元件一体化了的上述的光头装置。
另外，还提供衍射元件的衍射光栅图案的周期性的相位在所述衍射元件的主体内变化的上述的光头装置。
若采用本发明，则可以提供衍射效率几乎不会因光的波长不同而变化，而且能够改变基于波长的衍射效率的设定的衍射元件和光头。
附图的简单说明
[图1]模式化表示本发明的衍射元件的一个例子的截面图。
[图2]模式化表示本发明的衍射元件的光学各向异性介质的厚度方向上的折射率各向异性的方向的一个例子的说明图。
[图3]模式化表示本发明的衍射元件中的入射偏光方向和光学各向异性介质的光轴的一个例子的说明图。
[图4]模式化表示刚透过本发明的衍射元件的光的偏光状态的一个例子的说明图。
[图5](A)是表示本发明的衍射元件的衍射效率的一个例子的图表，(B)是表示以往的衍射元件的衍射效率的一个例子的图表。
[图6]表示本发明的衍射元件的衍射效率与扭转角的关系的一个例子的图表。
[图7]表示本发明的光头装置的一个例子的简要结构图。
实施发明的最佳方式
以下，参看附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1表示本发明的衍射元件10，特别是作为模式图表示构成其主要部分的衍射光栅的结构的一个例子。该衍射元件10的衍射光栅的部分为重复配置光学各向异性介质11和具有折射率ns的光学各向同性介质12、将其用基板13、14夹住的结构。
具有双折射性的光学各向异性介质为，在相对光的行进方向大致垂直的面内其折射率具有是所谓正常光折射率no的方向(将具有该正常光折射率no的方向称为“no方向”)和非常光折射率ne的方向(将具有该非常光折射率nd的方向称为“ne方向”)的结构。
其中，所述no方向和ne方向不一定要与入射光的行进方向(光轴)垂直，但折射率必须根据沿光轴方向行进的光的偏光方向而不同。
本实施方式中，no方向和ne方向在入射光的行进方向(图1中从下往上的厚度方向)为呈螺旋状扭转的结构。
图2中，模式化表示了折射率椭圆E的厚度方向的扭转。该扭转可以是连续地变化，也可以是非连续变化。折射率椭圆具有长轴和短轴两条主轴，其中，A表示长轴方向，一般为非常光折射率ne方向。
图3中，表示了向光学各向异性介质入射的光的偏光方向(入射偏光方向)与光学各向异性介质内的no方向的关系。光学各向异性介质的入射侧的no方向与入射偏光方向构成的角用“前扭转角(θp)”表示。光学各向异性介质的no方向在介质的厚度方向呈螺旋状旋转，在出射侧的面，相对入射侧的面只旋转θt(扭转角)。
其中，光学各向异性介质可以使用将扭转取向的低分子的液晶聚合得到的高分子液晶来制成。该光学各向异性介质除此之外还可以使用是具有双折射性的薄膜的no方向逐个旋转少许而层叠的层叠型介质。
通过将这些光学各向异性介质用蚀刻法进行布图而制成格子状的凹凸，在其凹部填充光学各向同性介质12，从而可以制成图1所示的衍射元件。基板13、14可以使用透明的材质制成，例如玻璃、丙烯酸树脂、聚碳酸酯等塑料材料。
接着，参看图4，对本发明的实施方式所述的衍射元件的衍射效率的原理进行定性的说明。
图4模式化表示了入射偏光和出射偏光的关系，其中，入射偏光方向为与纸面平行的方向。为了简化，对前扭转角(θp)为0度、扭转角(θt)为90度的情况进行说明。
光学各向异性介质11中，通过折射率no和ne的差Δn与其厚度d取适当的值，透过该光学各向异性介质11的光的偏光方向旋转大致90度。另一方面，透过各向同性介质12的光的偏光方向没有变化。
例如，在图4中，如果关注与纸面平行的偏光方向，该偏光的强度在透过光学各向异性介质11的部分为0，只有透过各向同性介质12的部分具有强度，光强度被调制的光发生衍射(图4中，为了简化而省略了衍射光)。即，作为振幅型的衍射元件发挥作用。
另一方面，虽然图4中未记载，对于垂直于纸面的偏光方向也作为振幅型的衍射元件发挥作用。
可是，将透过率调制成格子状的振幅型衍射光栅中，一般存在透过率低的部分，所以透过光强度(光利用效率)低。然而，本发明的衍射元件的情况下，如用图4所作说明，由于通过不进行光吸收而旋转偏光方向对各个偏光方向给予强度调制，因此两个偏光方向的光的和没有损失。因此，可以得到光的利用效率不逊色于相位调制型衍射元件的衍射元件。此外，该衍射元件的衍射原理为振幅调制型，所以可以得到几乎没有波长依赖性的衍射效率。
接着，表示本实施方式的衍射光栅中衍射效率和波长的关系的图表如图5(A)所示，此外为了比较，表示通常的相位型衍射光栅(凸起(relief)型衍射光栅)中衍射效率和波长的关系的图表如图5(B)所示。
由该图5(A)、(B)可知，本发明的实施方式所述的衍射光栅的衍射效率的波长依赖性非常小。
接着，关于入射到本实施方式的衍射光栅的两种波长的光，扭转角和衍射效率的关系如图6所示。图6描述了前扭转角为0度，改变扭转角时波长为650nm和780nm的入射光的衍射效率怎样变化。使各向同性介质的折射率ns和各向异性介质的折射率no相等。此外，图表中的α、β分别表示650nm和780nm下的衍射效率和衍射效率比(＝0级光透过效率/1级光衍射效率)。
由图6可知，由于650nm和780nm下的衍射效率和衍射效率比(＝0级光透过效率/1级光衍射效率)在任一波长下都按照几乎相同的函数变化，所以图表α、β的曲线基本重合。
此外，还发现通过变化扭转角，可以在抑制衍射效率的波长依赖性的同时，改变衍射效率。
由于扭转角小于等于10度，则衍射效率过低，所以实用上存在问题，是不理想的，较好是大于等于10度，特别好是大于等于30度。此外，若扭转角超过90度，则衍射效率再次减小，所以较好是设定为小于等于90度。
此外，该例子中，使折射率ns＝no，但即使ns不等于no，只要是在ns＝no±0.2×(ne-no)范围内，就可以得到同样的效果。特别是通过使折射率ns与no相等，可以使波长依赖性非常小，所以是理想的。此外，作为其它的例子，即使在ns＝ne±0.2×(ne-no)的范围内，也可以得到同样的效果。特别是使ns＝ne，即使前扭转角为90度(即，ne方向与入射偏光方向相同)，也可以使波长依赖性非常小，所以是理想的。此外，需要使波长依赖性达到某种程度的情况下，可以加大折射率ns与no或ne的差。
接着，对光头装置的应用例，使用图7所示的光头装置进行说明。
该光头装置为除了光源20、准直透镜30、分光器40、物镜50和光检测系统(光检测器)60之外，还具备图1所示的衍射元件10的结构。该光头装置中，光源20使用在一个组件中激发两种波长的光(650nm带和780nm带)的半导体激光器(LD)21、22。从该半导体激光器21、22出射的光透过衍射元件10，产生跟踪用的三光束(图7中，为了简化而只记载了0级光)，透过准直透镜30、分光器40、物镜50，聚光在作为光记录媒体的光盘D。
另一方面，从该光盘D反射的光透过物镜50，在分光器40反射，被导入光检测系统60。
其中，衍射元件10在对作为光盘D的CD进行读取、记录时衍射780nm带的光，在对作为光盘D的DVD进行读取、记录时衍射650nm带的光，需要产生三光束。此外，这些半导体激光器可以是405nm带的青紫激光器。
这时所要求的衍射效率，例如0级透过效率和1级衍射效率的比，即衍射效率比(0级光透过效率/1级光衍射效率)一般为10～25左右，大多需要在20～15左右。如果DVD和CD的衍射效率差别大，则光检测系统的增益调整困难，一级光束的光量过小，噪音增多，记录·读取特性劣化；另一方面，如果一级光束强度过大，用一级光束在光盘上进行记录，记录特性发生劣化等，所以较好是对于DVD和CD各自的光的波长要求衍射效率相等。
其中，图5所示的前扭转角为0度、扭转角为90度的情况下，0级光透过效率和1级光衍射效率的衍射效率比会达到2.5而过小(1级光衍射效率过高)，作为三光束用有时不能说是最适合。这种情况下，如图6所示，通过改变扭转角可以得到所需的衍射效率。例如，如图6所示，通过使扭转角在30度～60度左右，衍射效率比达到作为三光束用衍射元件理想的值。
此外，光学各向异性材质的厚度d和折射率差ne-ns的积L，即
L＝(ne-ns)·d
＝n·λ
其中n为整数是入射光的波长(λ：650nm或780nm)的整数倍时，可以减小衍射效率的波长依赖性，所以是理想的。
此外，不仅是在两种波长下设定相同的衍射效率的情况下，在将各个衍射效率设定为所需的值的情况下，也可以通过改变前扭转角、扭转角、材质的折射率以及介质的厚度来进行设定。
此外，入射偏光方向和光学各向异性介质的折射率椭圆体的主轴方向在±20度以内相同时，衍射效率的波长依赖性小，是理想的。并且，入射偏光方向和光学各向异性介质的折射率椭圆体的主轴方向相同时(前扭转角为0度或90度)，衍射效率的波长依赖性更小，是理想的。
此外，通过将该衍射元件和使偏光变化的相位板(例如1/4波长板和1/2波长板)组合使用，可以改变透过这些元件的光的偏光状态，是理想的。此外，1/4波长板层叠时，波长板的光轴角度与扭转角交叉45度配置，是理想的。
此外，入射的光的偏光方向与设定值产生偏差、或者因温度特性等大幅变化的情况下，通过使用衍射效率因偏光方向不同而差别大的偏光衍射元件，使要入射到本发明的衍射元件的偏光方向和偏光衍射元件的0级光的透过效率高的偏光方向一致，从而可以抑制衍射效率的偏差等，是理想的。
这些相位板和偏光衍射元件通过使本发明的衍射元件和旋转方向配合使用，可以使特性稳定，因此相比以分立部件使用，一体化使用更理想。此外，通过一体化可以减少部件数量，所以是理想的。
此外，作为光盘D使用的CD和DVD中，由于道间距不同，单一的直线状条纹图案的衍射元件会无法获得良好的跟踪信号。这种情况下，例如通过分割衍射光栅的图案，使光栅队列的相位改变，CD和DVD也可以获得足够的跟踪信号，所以是理想的。
「实施例1」
以下例举本发明的实施例。
对于设置了本发明的衍射光栅的实施例1的衍射元件，使用图1、图3、图5进行说明。
为了得到该实施例1的衍射元件，在玻璃基板13上使扭转取向的低分子液晶进行聚合，制成高分子液晶。作为该光学各向异性介质11的高分子液晶的厚度为约10μm，折射率ne为1.67，no为1.52。
控制液晶的取向方向，使图3所示的前扭转角为0度，扭转角为90度。对该扭转的高分子液晶通过光蚀刻法和蚀刻法制成凹凸的格子。而且，在该凹凸中的凹部填充折射率ns为1.52(与no相同)的树脂。
这样制成的衍射元件10的衍射效率的波长依赖性预测为与图5所示的特性相同的结果。由此，可以得到衍射效率几乎不随波长变化的衍射元件。
「实施例2」
接着，对具备本发明的衍射光栅10的实施例2的光头装置使用图7所示的结构图进行说明。
该实施例2中，使用用与实施例1相同的方法制成的衍射元件作为衍射元件10，扭转角为40度。该衍射元件的衍射光栅按区域分割光栅图案，制成在每个分割区域光栅队列的相位稍变的相移衍射光栅。
此外，该衍射元件10所用的如下的元件，对于波长650nm、780nm，1级光衍射效率和0级光透过效率都分别为约4.5％、约88％，衍射效率比(0级光透过效率/1级光衍射效率)为19.6。
另一方面，光源20使用在一个组件中激发两个波长带(650nm带和780nm带)的半导体激光器21、22，形成根据使用的光盘D的种类切换光源21、22而使其动作的结构。
因此，在该实施例2的光头装置中，对于半导体激光器21、22的任一个出射的光，不管是半导体激光器21、22的任一个，透过衍射元件10都产生跟踪用的三光束(0级光和±1级光)(图7中，为了简化而只记载了0级光)。然后，该三光束的光透过准直透镜30、分光器40、物镜50，聚光在光盘D。
另一方面，从光盘D反射的光透过物镜50后，用分光器40反射，被导入光检测系统60。
若采用该实施例2的光头装置，如果使用CD和DVD作为光盘D，则都可以从光检测系统60得到良好的读取特性的输出信号。此外，这时CD和DVD都可以获得大致相同的跟踪信号水平。
本发明并不局限于上述的实施方式，在不超出其主旨的范围内可以以各种方式进行实施。
产业上利用的可能性
本发明的衍射元件具有可以抑制衍射效率因波长不同而变化的效果，通过具有双折射性的光学各向异性介质和光学各向同性介质周期性地交错排列、光学各向异性介质中与光透过的光轴方向大致垂直的面内的折射率椭圆的主轴方向绕着光轴方向旋转，可以得到对于例如DVD用、CD用的650nm和780nm的光的衍射效率大致相同的衍射元件，可以用于使用进行光盘等光记录媒体的记录和/或读取的衍射元件的光头装置等。

Claims (9)

1.衍射元件，它是具备具有双折射性的光学各向异性介质和光学各向同性介质，所述光学各向异性介质和所述光学各向同性介质周期性地交错排列，使入射的光衍射的衍射元件，其特征在于，
所述光学各向异性介质中与所述入射的光透过的光轴方向垂直的面内的折射率椭圆的主轴方向绕着与所述光轴方向平行的轴扭转。
2.如权利要求1所述的衍射元件，其特征还在于，所述具有双折射性的光学各向异性介质为将液晶高分子化得到的高分子液晶。
3.如权利要求1或2所述的衍射元件，其特征还在于，形成所述光学各向异性介质的材料中的折射率椭圆的短轴折射率no或长轴折射率ne与所述光学各向同性介质的折射率相等或与之接近。
4.如权利要求1所述的衍射元件，其特征还在于，所述折射率椭圆的主轴方向的扭转角在10度～90度的范围内。
5.光头装置，它是具备出射两种或两种以上波长的光的光源、将从所述光源出射的光聚光在光记录媒体上的物镜和接收被聚光并在所述光记录媒体被反射的反射光的光检测器的光头装置，其特征在于，
在所述两种或两种以上波长的光透过的所述光源和所述光记录媒体之间的光路中配置权利要求1～4中的任一项所述的衍射元件。
6.如权利要求5所述的光头装置，其特征还在于，所述衍射元件的光学各向异性介质的光入射侧的面内的折射率椭圆的主轴方向与透过所述光学各向异性介质的光的光轴方向垂直，而且与所述入射的光的偏光方向一致或接近。
7.如权利要求5或6所述的光头装置，其特征还在于，所述衍射元件和改变透过光的偏光状态的相板一体化。
8.如权利要求5所述的光头装置，其特征还在于，所述衍射元件和衍射效率因偏光方向不同而不同的偏光衍射元件一体化。
9.如权利要求5所述的光头装置，其特征还在于，衍射元件的衍射光栅图案的周期性的相位在所述衍射元件的主体内变化。
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