JP2004077806A

JP2004077806A - Phase plate optical element

Info

Publication number: JP2004077806A
Application number: JP2002238116A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamashita; 山下　博司
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a phase plate optical element which is easy to manufacture. <P>SOLUTION: The phase plate optical element 18 is a 0th-order diffraction grating which comprises a 1st surface with a 1st directional uneven pattern and a 2nd surface with a 2nd directional uneven pattern, the both having optical anisotropy of diffracting incident light. The phase plate optical element 18 has antireflection effect or a phase conversion pattern with a small aspect ratio by combining the 1st uneven pattern and 2nd uneven pattern so that the angle that they contain has a specified value. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、位相板光学素子に関し、特にその基体の両面に凹凸パターンが形成された位相板光学素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、入射光の位相をずらす位相板として、ガラス（屈折率１．５）、アクリル樹脂（屈折率１．４９）などの光透過性材料からなる基体の片面に、断面形状が矩形などで、方向性を有する周期的な凹凸パターンが形成された光学素子が知られている。この凹凸パターンは、高次の回折光が生じない０次回折格子であるので、方解石などと同じく光学的異方性のため複屈折するので、入射光の位相をずらせることができる。
【０００３】
また、単一波長の光に対して反射防止効果を有する反射防止板としては、光透過性材料からなる基体の表面に、断面形状が矩形などで、方向性を有する凹凸パターンを形成した光学素子がある。この凹凸パターンも位相板の場合と同様に０次回折格子とすることにより、有効な反射防止効果を得られることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような位相板は、金型に樹脂またはガラスを流し込む射出成形によって製造される。したがって、位相板のアスペクト比（凸部の高さ／凹凸パターンのピッチ）が大きい場合、金型の加工が非常に難しいため、位相板の製造が難しいという問題があった。
【０００５】
また、反射防止板を位相板と組み合わせて効果的な反射防止効果を得るためには、入射光の偏光状態に応じて位相板と反射防止板の組合せ角度を調整する必要があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、製造の容易な位相板光学素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、方向性を有する第１凹凸パターンが形成された第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンが形成された第２の面とからなる位相板光学素子であって、第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンのそれぞれのパターンのピッチが位相板光学素子に入射する光の波長を位相光学素子の屈折率で割った値よりも小さく、かつ第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとが互いに所定の角度となるように第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンを配置した位相板光学素子である。
【０００８】
【作用】
この発明の位相板光学素子は、方向性を有する第１凹凸パターンを有する第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンを有する第２の面とからなり、ともに０次回折格子である。このため、第１凹凸パターンも第２凹凸パターンも入射光が複屈折する光学的異方性を有する。このような第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとのなす角度が所定の値になるように組み合わせることによって、反射防止効果を有する位相板光学素子、あるいはアスペクト比の小さな位相変換パターンを有する位相板光学素子を容易に製造することができる。
【０００９】
また、第１凹凸パターンを位相変換パターン、第２凹凸パターンを反射防止パターンとした場合、それらのパターンは互いに４５度の角度をなすように形成することが望ましい。この場合、まず入射光を、その振動面が第２凹凸パターンに平行または垂直になるように入射させると、透過光は位相が変わることなく第２凹凸パターンによる反射が防止される。次に、透過光は、第２凹凸パターンに対してその振動面が４５度の角度をなすように入射するので、位相がずらされて、１／４波長板の場合は円偏光光となる。このように、反射防止パターンと位相変換パターンをその両面に形成した位相板光学素子は、両パターンのなす角度を調整する必要はなく、また射出成形によって両パターンが同時に形成できるので製造が容易である。
【００１０】
この発明の実施例では、反射防止パターンである第１凹凸パターンの凸部の高さが、
【００１１】
【数２】
ｈ＝（２ｍ＋１）・λ／４ｎ
ｍ＝０、１、２・・・
となるように形成する。凸部の高さをこの高さｈにすることにより、入射光に対する反射率を最も低くすることができる。
【００１２】
また、位相変換パターンとして機能する第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとが、互いに平行または９０度の角度をなすように形成することが望ましい。この場合、入射光を、その振動面が第１凹凸パターンに対して４５度の角度をなすように入射させると、第２凹凸パターンを透過した光は位相が９０度ずらされて円偏光となる。このように、反射防止パターンと位相変換パターンをその両面に形成した位相板光学素子は、位相変換パターンを片面にのみ凹凸パターンを形成する場合に比べて、各面のアスペクト比が小さくなるので製造が容易となる。
【００１３】
さらに、第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンの凸部の少なくとも一部が、位相板光学素子よりも屈折率の高い材料で形成されていることが望ましい。このことにより、第１凹凸パターンまたは第２凹凸パターンの凸部の高さを低くすることができるので、位相板光学素子の製造が容易となる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、位相板光学素子の両面にそれぞれ凹凸パターンを形成することによって、凹凸パターンのアスペクト比を小さくでき、また凹凸パターンの組合せ角度を調整する必要がないので、製造の容易な位相板光学素子を提供することができる。
【００１５】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１６】
【実施例】
図１を参照して、この発明の一実施例である位相板光学素子１８を１／４波長板として含む、ＣＤやＤＶＤなどの光記録装置のピックアップ部１０について説明する。
【００１７】
まず、レーザ光源１２から単一波長のＰ偏光光（光の振動方向が入射面に平行な光）が射出され、コリメータレンズ１４によって平行光にされる。
【００１８】
次に、この平行光にされたＰ偏光光を偏光ビームスプリッタ１６に入射させると、Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッタ１６を直進透過する。直進透過したＰ偏光光は、次に１／４波長板である位相板光学素子１８に対して垂直に入射する。この位相板光学素子１８により、Ｐ偏光光の位相は９０度ずらされて、右回転の円偏光光に変換される。次に、変換された円偏光光を対物レンズ２０によってスポット光にし、ＣＤなどの光記録媒体２２に当てる。
【００１９】
光記録媒体２２で反射されて戻ってくる光は、左回転の円偏光光になっている。これは、円偏光の回転方向は同じで光の進行方向が逆転するためである。この円偏光光が、再び位相板光学素子１８に垂直に入射すると、円偏光から直線偏光に変換されるが、位相は往路の場合からさらに９０度ずらされる。このため、位相板光学素子１８から射出される光はＳ偏光（光の振動面が入射面に垂直な光）に変換されている。
【００２０】
そして、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッタ１６で、入射方向に対して略直角方向に反射される。この偏光ビームスプリッタ１６からの反射光は、集光レンズ２４によって集光され、受光素子であるフォトディテクタ２６に照射される。その結果、光記録媒体からの反射光に応じた出力信号がフォトディテクタ２６から出力され、トラッキング調整信号または読出しデータとして使用される。
（第１実施例）
図２（ａ）を参照して、反射防止効果を有する１／４波長板としての位相板光学素子１８の構造について説明する。
【００２１】
この位相板光学素子１８は、ガラス（屈折率１．５）、アクリル樹脂（屈折率１．４９）、ポリカーボネイト樹脂（屈折率１．５４）などの光透過性材料からなり、その一方の面上には断面形状が矩形の周期的な凹凸パターンからなる位相変換パターンが形成されている。この位相変換パターンは０次回折格子になるように形成されている。ここで、０次回折格子とは、±１次以上の高次回折光を発生させず、入射した光は反射光を除いてすべて直進させる回折格子をいい、凹凸パターンのピッチを、入射光の波長を基板の屈折率で割った値よりも小さい値に設定することによって形成することができる。このように、位相変換パターンを０次回折格子とすることにより光学的異方性を有し、方解石などで形成した位相板と同じく入射光が複屈折するので、位相をずらすことができる。
【００２２】
この凹凸パターンの寸法形状は次のようにして決められる。すなわち、レーザ光源１２から射出されるＰ偏光光の波長を６６０ｎｍとした場合、図２（ａ）を部分的に拡大した図２（ｂ）に示す、断面形状が矩形の凹凸パターンからなる位相変換パターンのピッチ、凸部１８ａの幅、凸部１８ａの高さを計算すると、図３に示すグラフが求められる。このグラフから、凸部１８ａの高さが最も低い場合は、波長の約２．５倍であることがわかる。また、そのときの凸部１８ａの幅／パターンピッチが約０．５５であること、および０次回折格子であることの要件を考慮して、位相変換パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅が求められる。このようにして求めた位相変換パターンの形状は、次のような形状となる。
【００２３】
凹凸パターンのピッチ　：　３００ｎｍ
凸部１８ａの幅　　　　：　１６５ｎｍ
凸部１８ａの高さ　　　：　１６６０ｎｍ
次に、位相板光学素子の位相変換パターンが形成された面と反対の面にも、断面形状が矩形の凹凸パターンからなる反射防止パターンを形成する。これは、反射防止パターンが形成されていないと、入射光の４％程度が反射されてしまうので、大きな出力を得ることが難しいレーザ光源１２からの光を有効に活用する必要があるからである。このため、反射防止パターンも、位相変換パターンの場合と同様に０次回折格子とする必要がある。
【００２４】
この反射防止パターンの寸法形状は次のようにして決められる。すなわち、レーザ光源１２から射出されるＰ偏光光の波長を６６０ｎｍ、位相板光学素子１８の材質をガラス（屈折率１．５）とし、反射防止パターンの凹凸ピッチ、凸部１８ａの幅を位相変換パターンの場合と同じにするため、それぞれ３００ｎｍ、１６５ｎｍとしたときの凸部１８ａの高さと反射率との関係を計算すると、図４の△で表されたグラフに示す関係が得られた。
【００２５】
この図４からわかるように、凸部１８ａの高さと反射率との関係は周期的に変化し、例えば入射光がＰ偏光光の場合、凸部１８ａの高さが約１５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約６５０ｎｍ・・・のところで、反射率がほぼゼロとなっていることがわかる。この凸部１８ａの高さｈを式で表すと、次のようになる。
【００２６】
ｈ＝（２ｍ＋１）λ／４ｎ_ｐ　　　（１）
ｍ＝０，１，２・・・
ｎ_ｐ＝Ｐ偏光に対する屈折率
このように、反射防止パターンは位相変換パターンに比べて凸部１８ａの高さが低いので、位相変換パターンと比べて容易に製造することができる。
なお、入射光がＳ偏光光の場合、同じ形状の反射防止パターンについて同様にシミュレーションを行なうと、図４の□で表されたグラフからわかるように、凸部１８ａの高さと反射率との関係はＰ偏光光の場合と同様に周期的に変化する。しかし、反射率は最も低い場合でも０．６％程度と、Ｐ偏光光の場合に比べて高くなっている。このことから、本実施例のような断面形状が矩形の反射防止パターンではＳ偏光光よりもＰ偏光光の場合に、高い反射防止効果が得られるので、図１に示すレーザ光源１２から射出される光としてＰ偏光光を用いている。
【００２７】
この場合、位相板光学素子１８の両面にそれぞれ位相変換パターンと反射防止パターンを形成した位相板光学素子１８を１／４波長板として使用するためには、各パターンを上述の寸法に形成するだけではなく、さらに各パターンが互いに４５度の角度をなすように形成する必要があるが、これは次の理由による。まず、入射光のＰ偏光光が反射防止パターンによって位相が変わらないようにするため、Ｐ偏光光の振動面を反射防止パターンの方向に対して平行に入射させる。次に、反射防止パターンを透過した光を位相変換パターンで円偏光光に変換するために、Ｐ偏光光の振動面を位相変換パターンの方向に対して４５度の角度で入射させる必要があるためである。
【００２８】
また、この位相板光学素子１８を図１に示すピックアップ部１０で、１／４波長板として使用する場合、反射防止パターンがレーザ光源１２側に向くようにセットする必要がある。このようにセットすることにより、レーザ光源１２から射出される単一波長のＰ偏光光に対して、まず反射防止パターンでＰ偏光光の反射が防止された後、反対の面に形成されている位相変換パターンで円偏光光に変換される。このようにセットする理由は、もし位相変換パターンがレーザ光源１２側に向くようにセットした場合、まず位相変換パターンによってＰ偏光光の位相がずらされて円偏光光に変換され、次に反射防止パターンによって反射が防止されるだけでなく、その形状が方向性を有する０次回折格子からなる周期パターンであるため、さらに位相もずらされる可能性があるからである。
【００２９】
なお、位相変換パターンおよび反射防止パターンとして、断面形状が矩形の場合について説明してきたが、パターンに方向性があれば、矩形に限定されることなく、台形、三角形など、種々の形状の凹凸パターンとすることができる。
【００３０】
また、図４の●で表されたグラフは、Ｐ偏光光の振動面が上述の寸法形状からなる位相変換パターンに対して４５度の角度をなすように入射させた場合の反射率を示している。このグラフからわかるように、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍ付近では、この位相変換パターンは反射率が約２．１程度となり、何もパターンが形成されていない場合の反射率である約４％に比べて、かなり低くなっている。つまり、この位相変換パターンは入射光の位相をずらして円偏光光に変換するだけではなく、反射防止効果もあることがわかる。
（第２実施例）
第１実施例の位相変換パターンは、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍと高く、アスペクト比が約５．５と大きいため、このような凹凸パターンを形成することは難しい。
【００３１】
このため、アスペクト比を小さくして凹凸パターンを作りやすくする一つの方法として、断面形状が矩形の凹凸パターンを位相板光学素子１８の一方の面だけでなく、他方の面にも同じピッチ、同じ凸部１８ａの幅を有する凹凸パターンを形成する。それぞれの面に形成する凸部１８ａの高さは、それらの和が一方の面のみに形成された場合の凸部１８ａの高さと等しくなるように形成する。このことによって、片面だけに位相変換パターンを形成した場合と同じ性能の位相変換パターンが得られる。
【００３２】
このように、凹凸パターンを位相板光学素子１８の両面に形成することによって、各面の凸部１８ａの高さを低くすることができるので、アスペクト比も小さくなる。したがって、位相板光学素子１８を容易に製造することができる。
【００３３】
例えば、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍである１／４波長板と同じ機能を有し、両面に凹凸パターンが形成された１／４波長板は、各面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅をそれぞれ３００ｎｍ、１６５ｎｍとした場合、凸部１８ａの高さがそれぞれ例えば８３０ｎｍである凹凸パターンを形成すればよい。このようにすることにより、片面に形成した場合のアスペクト比を約５．５から約２．７に抑えることができる。なお、凸部１８ａの高さを２分割する分け方に制限はないが、両面で凸部１８ａの高さがほぼ同じとなるように分ける場合がアスペクト比を最も小さくすることができる。
【００３４】
なお、一方の面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅と、他方の面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅は必ずしも同じにする必要はない。しかし、両面の形状寸法を変える場合、それぞれの面に形成された凸部１８ａの高さの和は、一方の面のみに形成された場合の高さと等しくならないため、改めて計算をやりなおす必要がある。
【００３５】
この位相板光学素子１８を１／４波長板として機能させるためには、凹凸パターンの形状寸法だけではなく、さらに一方の面に形成された凹凸パターンの方向と他方の面に形成された凹凸パターンの方向とは、互いに平行または９０度の角度をなすように形成する必要がある。このような位相板光学素子１８の一方の面に形成されている位相変換パターンに対して、Ｐ偏光光の振動面を４５度傾けて入射させると、その透過光はさらに第２凹凸パターンに対して振動面が４５度の角度をなして入射する。このように、それぞれの凹凸パターンで順次位相がずらされ、位相板光学素子１８から射出される光は入射光に対して位相が９０度ずらされた円偏光光となる。
（第３実施例）
アスペクト比を小さくして凹凸パターンを作りやすくする別の方法として、第１実施例または第２実施例で、位相変換パターンの凸部１８ａの一部を位相板光学素子１８の材料であるガラスよりも高い屈折率を有する材料で形成してもよい。
【００３６】
例えば、第１実施例の位相変換パターンと同じ性能を有し、断面形状が矩形の凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層した場合の例として、ＺｒＯ_２（屈折率１．９８）を蒸着した場合について計算を行なうと、図５（ａ）を参照して、各面の凹凸パターンの形状寸法は次のようになる。
【００３７】
凹凸パターンのピッチ　　：　３００ｎｍ
凸部１８ａの幅　　　　　：　１６５ｎｍ
凸部１８ａの高さ　　　　：１１００ｎｍ
（屈折率１．５の高さ　：　８００ｎｍ）
（屈折率１．９８の高さ：　３００ｎｍ）
このことからもわかるように、凸部１８ａの先端部に高屈折率材料であるＺｒＯ_２を積層することにより、凸部１８ａの高さを１６６０ｎｍから１１００ｎｍに、５６０ｎｍも低くすることができる。このため、アスペクト比も５．５から３．７に改善することができるので、位相板光学素子１８の製造が容易となる。
【００３８】
また、第１実施例の位相変換パターンにおいて、高屈折率層１８ｃを凸部１８ａの先端部だけでなく、凹部１８ｂにも積層することによって、同様に凸部１８ａの高さを低くすることができる。例えば、図５（ｂ）に示すようにＺｒＯ_２を凸部１８ａの先端部と凹部にそれぞれ３００ｎｍずつ積層することにより、同様に凸部１８ａの高さは全体として１１００ｎｍに抑えることができるので、位相板光学素子１８の製造が容易となる。
【００３９】
さらに、反射防止パターンの凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層することにより、第１実施例の反射防止パターンと同じ性能を維持しながら、凸部１８ａの高さをより低くすることができる。例えば、図６（ｂ）に示すようにＺｒＯ_２を凸部１８ａの先端部に５０ｎｍ堆積することにより、図６（ａ）に示す凸部１８ａの高さを１５０ｎｍから１００ｎｍへと低くすることができる。
【００４０】
なお、高屈折率材料としては、ＺｒＯ_２のかわりに、ＴｉＯ_２（屈折率２．１）を使用することもできる。
【００４１】
また、第２実施例の位相板光学素子１８の両面に位相変換パターンを分割して形成した場合でも、さらに各面の凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層することにより、凹凸パターンのアスペクト比をより小さくできるので、位相板光学素子１８の製造もさらに容易となる。
【００４２】
例えば、各面の凸部１８ａの高さが８３０ｎｍの凹凸パターンの場合、凸部１８ａの先端にＺｒＯ_２を１５０ｎｍ積層することにより、凸部１８ａの高さが全体として５５０ｎｍになるので、さらに２８０ｎｍ低くすることができる。したがって、両面で考えると５６０ｎｍ低くすることができる。
【００４３】
次に、図５（ａ）に示す凸部１８ａの一部に高屈折率層１８ｃを積層した位相変換パターンの製造方法について説明する。ガラスまたはアクリルなどの樹脂からなり、凹凸パターンの一方の面の凸部１８ａから他方の面の凸部１８ａまでに相当する厚さを有する基板の両面に、それぞれＺｒＯ_２などの高屈折率材料を蒸着する。次に、この高屈折率層１８ｃの表面にレジストで凹凸のパターンを形成する。そして、このレジストをマスクにして、高屈折率層１８ｃおよびガラス基板を所定の深さまでエッチングした後、レジストを除去する。他方の面についても同様の工程により、凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃが積層された凹凸パターンを形成することができる。
【００４４】
また、図５（ｂ）に示すに、高屈折率層１８ｃを凸部１８ａの一部だけでなく、凹部１８ｂにも積層した位相板光学素子１８の製造方法について説明する。まず、ガラスまたはアクリルなどの樹脂を、金型を用いて射出成形することにより、凹凸パターンを形成する。その後、片面ごとにＺｒＯ_２を蒸着することによって、凸部１８ａおよび凹部に高屈折率層１８ｃが積層された凹凸パターンを形成することができる。したがって、図５（ｂ）に示す位相板光学素子１８は、図５（ａ）に示す位相板光学素子１８よりも少ない製造工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である位相板光学素子を用いた光記録装置のピックアップ部を示す図解図である。
【図２】この発明の一実施例である位相板光学素子の断面形状を示す断面図である。
【図３】図２実施例における凸部の幅と高さの関係を表したグラフである。
【図４】図２実施例における凹凸パターンの凸部の高さと反射率との関係を表したグラフである。
【図５】図２実施例において高屈折率層を積層した図解図である。
【図６】図２実施例において高屈折率層を積層した図解図である。
【符号の説明】
１０…ピックアップ部
１２…レーザ光源
１６…偏光ビームスプリッタ
１８…位相板光学素子
１８ａ…凸部
１８ｂ…凹部
１８ｃ…高屈折率層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a phase plate optical element, and more particularly, to a phase plate optical element having a concavo-convex pattern formed on both surfaces of a substrate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a phase plate for shifting the phase of incident light, one side of a base made of a light-transmitting material such as glass (refractive index 1.5) or acrylic resin (refractive index 1.49) has a rectangular cross section on one side. An optical element in which a periodic uneven pattern having directionality is formed is known. Since this uneven pattern is a zero-order diffraction grating that does not generate high-order diffracted light, it is birefringent due to optical anisotropy like calcite and the like, so that the phase of incident light can be shifted.
[0003]
Further, as an anti-reflection plate having an anti-reflection effect with respect to light of a single wavelength, an optical element in which a directional uneven pattern having a rectangular cross section or the like is formed on the surface of a substrate made of a light transmitting material is used. There is. It is known that an effective anti-reflection effect can be obtained by using this uneven pattern as a zero-order diffraction grating as in the case of the phase plate.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Such a phase plate is manufactured by injection molding in which a resin or glass is poured into a mold. Therefore, when the aspect ratio of the phase plate (height of the convex portion / pitch of the concavo-convex pattern) is large, there is a problem that the processing of the mold is very difficult, so that the phase plate is difficult to manufacture.
[0005]
Further, in order to obtain an effective antireflection effect by combining the antireflection plate with the phase plate, it is necessary to adjust the combination angle of the phase plate and the antireflection plate according to the polarization state of the incident light.
[0006]
Therefore, a main object of the present invention is to provide a phase plate optical element which is easy to manufacture.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a phase plate optical element comprising a first surface on which a first directional uneven pattern is formed, and a second surface on which a second directional uneven pattern is formed, The pitch of each of the first uneven pattern and the second uneven pattern is smaller than a value obtained by dividing the wavelength of light incident on the phase plate optical element by the refractive index of the phase optical element, and the first uneven pattern and the second uneven pattern Is a phase plate optical element in which a first concave-convex pattern and a second concave-convex pattern are arranged such that a predetermined angle is formed between them.
[0008]
[Action]
The phase plate optical element of the present invention comprises a first surface having a first uneven pattern having directivity and a second surface having a second uneven pattern having directivity, both of which are a zero-order diffraction grating. . For this reason, both the first uneven pattern and the second uneven pattern have optical anisotropy such that incident light is birefringent. A phase plate optical element having an anti-reflection effect or a phase plate having a phase conversion pattern with a small aspect ratio by combining such an angle between the first uneven pattern and the second uneven pattern so as to have a predetermined value. An optical element can be easily manufactured.
[0009]
When the first concave-convex pattern is a phase conversion pattern and the second concave-convex pattern is an antireflection pattern, it is desirable that these patterns are formed so as to form an angle of 45 degrees with each other. In this case, when the incident light is first incident such that the vibrating surface is parallel or perpendicular to the second uneven pattern, the transmitted light is prevented from being reflected by the second uneven pattern without changing the phase. Next, the transmitted light enters the second concave / convex pattern such that the vibrating surface forms an angle of 45 degrees, so that the transmitted light is shifted in phase and becomes a circularly polarized light in the case of a quarter wavelength plate. As described above, the phase plate optical element in which the antireflection pattern and the phase conversion pattern are formed on both sides thereof does not require adjustment of the angle formed by both patterns, and can be easily manufactured because both patterns can be formed simultaneously by injection molding. is there.
[0010]
In the embodiment of the present invention, the height of the convex portion of the first concave / convex pattern that is the antireflection pattern is
[0011]
(Equation 2)
h = (2m + 1) · λ / 4n
m = 0, 1, 2,...
It is formed so that By setting the height of the projection to this height h, the reflectance for incident light can be minimized.
[0012]
Further, it is desirable that the first uneven pattern and the second uneven pattern functioning as a phase conversion pattern are formed so as to be parallel to each other or form an angle of 90 degrees. In this case, when the incident light is incident such that the vibration surface forms an angle of 45 degrees with the first uneven pattern, the light transmitted through the second uneven pattern is shifted in phase by 90 degrees to become circularly polarized light. . As described above, the phase plate optical element in which the antireflection pattern and the phase conversion pattern are formed on both sides thereof is manufactured because the aspect ratio of each surface is smaller than the case where the uneven pattern is formed on only one side of the phase conversion pattern. Becomes easier.
[0013]
Furthermore, it is desirable that at least a part of the projections of the first uneven pattern and the second uneven pattern is formed of a material having a higher refractive index than the phase plate optical element. This makes it possible to reduce the height of the projections of the first uneven pattern or the second uneven pattern, thereby facilitating the manufacture of the phase plate optical element.
[0014]
【The invention's effect】
According to the present invention, by forming the concavo-convex pattern on both sides of the phase plate optical element, the aspect ratio of the concavo-convex pattern can be reduced, and it is not necessary to adjust the combination angle of the concavo-convex pattern. A plate optical element can be provided.
[0015]
The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
[0016]
【Example】
With reference to FIG. 1, a description will be given of a pickup unit 10 of an optical recording apparatus such as a CD or DVD including a phase plate optical element 18 as a quarter wavelength plate according to an embodiment of the present invention.
[0017]
First, P-polarized light of a single wavelength (light whose light oscillation direction is parallel to the incident surface) is emitted from the laser light source 12, and is collimated by the collimator lens 14.
[0018]
Next, when the parallelized P-polarized light is made incident on the polarization beam splitter 16, the P-polarized light passes straight through the polarization beam splitter 16. The P-polarized light that has passed straight ahead then enters perpendicularly to the phase plate optical element 18 that is a quarter-wave plate. The phase plate optical element 18 shifts the phase of the P-polarized light by 90 degrees and converts it into right-handed circularly polarized light. Next, the converted circularly polarized light is converted into a spot light by the objective lens 20 and is applied to an optical recording medium 22 such as a CD.
[0019]
The light reflected back from the optical recording medium 22 is left-handed circularly polarized light. This is because the rotation direction of the circularly polarized light is the same and the traveling direction of the light is reversed. When this circularly polarized light is again incident perpendicularly on the phase plate optical element 18, it is converted from circularly polarized light into linearly polarized light, but the phase is further shifted by 90 degrees from the case of the outward path. For this reason, the light emitted from the phase plate optical element 18 is converted into S-polarized light (light whose vibration plane is perpendicular to the incident plane).
[0020]
The S-polarized light is reflected by the polarization beam splitter 16 in a direction substantially perpendicular to the incident direction. The reflected light from the polarizing beam splitter 16 is condensed by a condensing lens 24 and is irradiated on a photodetector 26 as a light receiving element. As a result, an output signal corresponding to the reflected light from the optical recording medium is output from the photodetector 26 and used as a tracking adjustment signal or read data.
(First embodiment)
The structure of the phase plate optical element 18 as a quarter-wave plate having an anti-reflection effect will be described with reference to FIG.
[0021]
The phase plate optical element 18 is made of a light transmissive material such as glass (refractive index 1.5), acrylic resin (refractive index 1.49), polycarbonate resin (refractive index 1.54), and has one surface thereof. Has a phase conversion pattern formed of a periodic uneven pattern having a rectangular cross section. This phase conversion pattern is formed so as to be a zero-order diffraction grating. Here, the zero-order diffraction grating refers to a diffraction grating that does not generate higher-order diffracted light of ± 1 order or more, and makes all incident light go straight except for reflected light. Is set to a value smaller than the value obtained by dividing by the refractive index of the substrate. As described above, the 0th-order diffraction grating is used as the phase conversion pattern to have optical anisotropy, and incident light is birefringent similarly to the phase plate formed of calcite or the like, so that the phase can be shifted.
[0022]
The dimensions and shape of this concavo-convex pattern are determined as follows. That is, when the wavelength of the P-polarized light emitted from the laser light source 12 is set to 660 nm, the phase conversion shown in FIG. 2B in which FIG. When the pitch of the pattern, the width of the projection 18a, and the height of the projection 18a are calculated, a graph shown in FIG. 3 is obtained. From this graph, it can be seen that when the height of the protrusion 18a is the lowest, the wavelength is about 2.5 times the wavelength. In addition, the pitch of the phase conversion pattern and the width of the convex portion 18a are determined in consideration of the requirement that the width / pattern pitch of the convex portion 18a is about 0.55 and that it is a zero-order diffraction grating. Can be The shape of the phase conversion pattern obtained in this manner is as follows.
[0023]
Pitch of uneven pattern: 300 nm
Width of convex portion 18a: 165 nm
Height of convex portion 18a: 1660 nm
Next, on the surface of the phase plate optical element opposite to the surface on which the phase conversion pattern is formed, an anti-reflection pattern having a rectangular cross section is formed. This is because if the anti-reflection pattern is not formed, about 4% of the incident light is reflected, so that it is necessary to effectively utilize the light from the laser light source 12 for which it is difficult to obtain a large output. . For this reason, the antireflection pattern also needs to be a zero-order diffraction grating as in the case of the phase conversion pattern.
[0024]
The dimensions and shape of the antireflection pattern are determined as follows. That is, the wavelength of the P-polarized light emitted from the laser light source 12 is 660 nm, the material of the phase plate optical element 18 is glass (refractive index 1.5), and the pitch of the concave and convex of the antireflection pattern and the width of the convex 18 a are phase-converted. When the relationship between the height of the convex portion 18a and the reflectance at 300 nm and 165 nm, respectively, was calculated in order to make it the same as the case of the pattern, the relationship shown by the graph represented by △ in FIG. 4 was obtained.
[0025]
As can be seen from FIG. 4, the relationship between the height of the projection 18a and the reflectance changes periodically. For example, when the incident light is P-polarized light, the height of the projection 18a is about 150 nm, about 400 nm, about 400 nm, or about 400 nm. It can be seen that the reflectance at 650 nm... Is almost zero. The height h of the projection 18a is expressed by the following equation.
[0026]
h = (2m + 1) λ / 4n _p (1)
m = 0, 1, 2, ...
n _p = refractive index for P-polarized light As described above, the antireflection pattern has a lower height of the projections 18a than the phase conversion pattern, and thus can be manufactured more easily than the phase conversion pattern.
In the case where the incident light is S-polarized light, when a similar simulation is performed for an antireflection pattern having the same shape, as can be seen from the graph represented by the square in FIG. 4, the relationship between the height of the convex portion 18a and the reflectance is obtained. Changes periodically as in the case of P-polarized light. However, even at the lowest case, the reflectance is about 0.6%, which is higher than that of the P-polarized light. For this reason, in the antireflection pattern having a rectangular cross section as in the present embodiment, a higher antireflection effect can be obtained when the P-polarized light is used than the S-polarized light, so that the light is emitted from the laser light source 12 shown in FIG. P-polarized light is used as the light.
[0027]
In this case, in order to use the phase plate optical element 18 having the phase conversion pattern and the antireflection pattern formed on both sides of the phase plate optical element 18 as a quarter-wave plate, it is only necessary to form each pattern to the above-described dimensions. Instead, each pattern must be formed so as to form an angle of 45 degrees with each other for the following reason. First, in order to prevent the phase of the incident P-polarized light from being changed by the anti-reflection pattern, the vibrating surface of the P-polarized light is incident parallel to the direction of the anti-reflection pattern. Next, in order to convert the light transmitted through the antireflection pattern into circularly polarized light using the phase conversion pattern, it is necessary to make the vibration plane of the P-polarized light incident at an angle of 45 degrees with respect to the direction of the phase conversion pattern. It is.
[0028]
When the phase plate optical element 18 is used as a quarter-wave plate in the pickup unit 10 shown in FIG. 1, it is necessary to set the antireflection pattern so as to face the laser light source 12 side. With this setting, the P-polarized light of a single wavelength emitted from the laser light source 12 is first formed on the opposite surface after the reflection of the P-polarized light is prevented by the antireflection pattern. The light is converted into circularly polarized light by the phase conversion pattern. The reason for setting this way is that if the phase conversion pattern is set so as to face the laser light source 12, the phase of the P-polarized light is first shifted by the phase conversion pattern and converted into circularly polarized light, and then the anti-reflection This is because not only the reflection is prevented by the pattern, but also the phase may be further shifted because the shape is a periodic pattern composed of a zero-order diffraction grating having directionality.
[0029]
The phase conversion pattern and the antireflection pattern have been described in the case where the cross-sectional shape is rectangular. However, as long as the pattern has directionality, the pattern is not limited to a rectangle, but may be various shapes such as trapezoids and triangles. It can be.
[0030]
Further, the graph represented by ● in FIG. 4 shows the reflectance when the vibrating surface of the P-polarized light is incident at an angle of 45 degrees with respect to the phase conversion pattern having the above-mentioned dimensions and shape. I have. As can be seen from this graph, when the height of the convex portion 18a is around 1660 nm, the reflectance of this phase conversion pattern is about 2.1, which is about 4% when no pattern is formed. It is considerably lower than that. In other words, it can be seen that this phase conversion pattern not only converts the phase of the incident light into circularly polarized light but also has an antireflection effect.
(Second embodiment)
In the phase conversion pattern of the first embodiment, it is difficult to form such a concavo-convex pattern because the height of the projection 18a is as high as 1660 nm and the aspect ratio is as large as about 5.5.
[0031]
Therefore, as one method of reducing the aspect ratio and making it easier to form a concavo-convex pattern, a concavo-convex pattern having a rectangular cross-sectional shape is formed not only on one surface of the phase plate optical element 18 but also on the other surface at the same pitch and the same pitch. An uneven pattern having the width of the convex portion 18a is formed. The height of the protrusions 18a formed on each surface is formed so that the sum thereof is equal to the height of the protrusions 18a formed on only one surface. As a result, a phase conversion pattern having the same performance as when a phase conversion pattern is formed only on one side can be obtained.
[0032]
By forming the concavo-convex pattern on both surfaces of the phase plate optical element 18 in this manner, the height of the projections 18a on each surface can be reduced, so that the aspect ratio is also reduced. Therefore, the phase plate optical element 18 can be easily manufactured.
[0033]
For example, a quarter-wave plate having the same function as a quarter-wave plate in which the height of the projections 18a is 1660 nm, and a quarter-wave plate in which an uneven pattern is formed on both surfaces, is provided with the pitch of the uneven pattern on each surface and the height of the projection 18a. In the case where the widths are 300 nm and 165 nm, respectively, an uneven pattern in which the heights of the projections 18 a are 830 nm, for example, may be formed. By doing so, the aspect ratio when formed on one side can be suppressed from about 5.5 to about 2.7. Note that there is no limitation on how to divide the height of the projection 18a into two, but the aspect ratio can be minimized when the height of the projection 18a is divided so that the height is substantially the same on both surfaces.
[0034]
The pitch of the uneven pattern on one surface and the width of the convex portion 18a need not always be the same as the pitch of the uneven pattern on the other surface and the width of the convex portion 18a. However, when changing the dimensions of both surfaces, the sum of the heights of the protrusions 18a formed on each surface is not equal to the height formed on only one surface, so it is necessary to perform the calculation again. .
[0035]
In order for the phase plate optical element 18 to function as a quarter-wave plate, not only the shape and size of the concavo-convex pattern but also the direction of the concavo-convex pattern formed on one surface and the concavo-convex pattern formed on the other surface Must be formed so as to be parallel to each other or at an angle of 90 degrees. When the vibrating surface of the P-polarized light is incident on the phase conversion pattern formed on one surface of the phase plate optical element 18 at an angle of 45 degrees, the transmitted light is further transmitted to the second uneven pattern. Incident on the vibrating surface at an angle of 45 degrees. As described above, the phases are sequentially shifted by the respective concavo-convex patterns, and the light emitted from the phase plate optical element 18 is circularly polarized light whose phase is shifted by 90 degrees with respect to the incident light.
(Third embodiment)
As another method of reducing the aspect ratio to easily form the concavo-convex pattern, in the first or second embodiment, a part of the convex portion 18a of the phase conversion pattern is made of glass which is a material of the phase plate optical element 18. May be formed of a material having a high refractive index.
[0036]
For example, ZrO ₂ (refractive index 1.98) has the same performance as that of the phase conversion pattern of the first embodiment, and has a high refractive index layer 18c laminated at the tip of a convex portion 18a having a rectangular cross section. ) Is calculated, the shape dimensions of the concavo-convex pattern on each surface are as follows with reference to FIG.
[0037]
Pitch of uneven pattern: 300 nm
Width of convex portion 18a: 165 nm
Height of convex portion 18a: 1100 nm
(Height of refractive index 1.5: 800 nm)
(Height of refractive index 1.98: 300 nm)
As can be seen from this, by stacking ZrO ₂ , which is a high-refractive index material, on the tip of the projection 18a, the height of the projection 18a can be reduced by 560 nm from 1660 nm to 1100 nm. Therefore, the aspect ratio can be improved from 5.5 to 3.7, and the manufacture of the phase plate optical element 18 becomes easy.
[0038]
In the phase conversion pattern of the first embodiment, the height of the convex portion 18a can be similarly reduced by stacking the high refractive index layer 18c not only on the tip portion of the convex portion 18a but also on the concave portion 18b. it can. For example, as shown in FIG. 5B, by stacking ZrO ₂ on the tip portion and the concave portion of the convex portion 18a by 300 nm each, the height of the convex portion 18a can be similarly suppressed to 1100 nm as a whole. The manufacture of the phase plate optical element 18 becomes easy.
[0039]
Further, by stacking the high refractive index layer 18c on the tip of the projection 18a of the anti-reflection pattern, the height of the projection 18a is reduced while maintaining the same performance as the anti-reflection pattern of the first embodiment. be able to. For example, as shown in FIG. 6B, by depositing 50 nm of ZrO ₂ on the tip of the projection 18a, the height of the projection 18a shown in FIG. 6A can be reduced from 150 nm to 100 nm. it can.
[0040]
Note that TiO ₂ (refractive index: 2.1) can be used as the high refractive index material instead of ZrO ₂ .
[0041]
Further, even when the phase conversion pattern is divided on both sides of the phase plate optical element 18 of the second embodiment, the high refractive index layer 18c is further laminated on the tip of the projection 18a on each surface, so that the unevenness is obtained. Since the aspect ratio of the pattern can be made smaller, the manufacture of the phase plate optical element 18 is further facilitated.
[0042]
For example, in the case of a concavo-convex pattern in which the height of the convex portion 18a on each surface is 830 nm, the total height of the convex portion 18a becomes 550 nm by stacking 150 nm of ZrO ₂ on the tip of the convex portion 18a. Can be lower. Therefore, it can be reduced by 560 nm when considered on both sides.
[0043]
Next, a method of manufacturing a phase conversion pattern in which a high refractive index layer 18c is laminated on a part of the projection 18a shown in FIG. 5A will be described. A high-refractive-index material such as ZrO _{2 is applied to} both surfaces of a substrate made of a resin such as glass or acrylic and having a thickness corresponding to the protrusions 18a on one surface of the uneven pattern and the protrusions 18a on the other surface. Evaporate. Next, an uneven pattern is formed on the surface of the high refractive index layer 18c with a resist. Then, using this resist as a mask, the high refractive index layer 18c and the glass substrate are etched to a predetermined depth, and then the resist is removed. By the same process on the other surface, a concavo-convex pattern in which the high refractive index layer 18c is laminated on the tip of the convex portion 18a can be formed.
[0044]
5B, a method of manufacturing the phase plate optical element 18 in which the high refractive index layer 18c is laminated not only on a part of the projection 18a but also on the depression 18b will be described. First, a resin such as glass or acrylic is injection-molded using a mold to form a concavo-convex pattern. Thereafter, by depositing ZrO ₂ on each side, a concavo-convex pattern in which the high refractive index layer 18c is laminated on the convex portions 18a and concave portions can be formed. Therefore, the phase plate optical element 18 shown in FIG. 5B can be manufactured with fewer manufacturing steps than the phase plate optical element 18 shown in FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an illustrative view showing a pickup section of an optical recording apparatus using a phase plate optical element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a phase plate optical element according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a width and a height of a protrusion in the embodiment of FIG. 2;
FIG. 4 is a graph showing a relationship between the height of a convex portion of the concave / convex pattern and the reflectance in the embodiment of FIG. 2;
FIG. 5 is an illustrative view in which high refractive index layers are laminated in the embodiment of FIG. 2;
FIG. 6 is an illustrative view in which high refractive index layers are laminated in the embodiment of FIG. 2;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pickup part 12 ... Laser light source 16 ... Polarization beam splitter 18 ... Phase plate optical element 18a ... Convex part 18b ... Concave part 18c ... High refractive index layer

Claims

A phase plate optical element comprising: a first surface on which a first uneven pattern having directionality is formed; and a second surface on which a second uneven pattern having directionality is formed,
A pitch of each of the first uneven pattern and the second uneven pattern is smaller than a value obtained by dividing a wavelength of light incident on the phase plate optical element by a refractive index of the phase optical element, and the first uneven pattern; A phase plate optical element, wherein the first uneven pattern and the second uneven pattern are arranged such that the first uneven pattern and the second uneven pattern are at a predetermined angle to each other.

The said 1st uneven | corrugated pattern functions as a phase conversion pattern, The said 2nd uneven | corrugated pattern functions as an anti-reflection pattern, Furthermore, the angle which the said 1st uneven | corrugated pattern and the said 2nd uneven | corrugated pattern made was 45 degrees, The claim | item 4. 2. The phase plate optical element according to 1.

The height h of the convex portion of the first concave / convex pattern is given by:
h = (2m + 1) · λ / 4n
m = 0, 1, 2, ...
3. The phase plate optical element according to claim 2, wherein n = refractive index.

2. The phase plate optical element according to claim 1, wherein both the first concave-convex pattern and the second concave-convex pattern function as a phase conversion pattern, and are arranged parallel or perpendicular to each other.

5. The phase plate optics according to claim 1, wherein at least a part of the protrusions of the first concave-convex pattern and the second concave-convex pattern is formed of a material having a higher refractive index than a material of the phase plate optical element. element.