JP2004341471A - 回折素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回折素子でありながらＣＤ用、ＤＶＤ用の各波長に対して回折効率が最適化された回折素子を得て、これを用いて光利用効率の高い光ヘッド装置を得る。
【解決手段】１枚の透明基板３上に形成された周期的な凹凸部を備える回折格子１であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また凹部には無機物または無機物を主成分とする透明材料である充填材２により充填されており、透明材料上面が凸部上面に一致して平坦である回折素子得て、この素子を光ヘッド装置の光源と対物レンズの間の光路中に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折素子および光ヘッド装置に関し、特に光ヘッド装置に関しては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。

同一の光ヘッド装置で、規格の異なる光ディスクであるＣＤ、ＤＶＤ、および次世代ＤＶＤを用いて情報の記録および再生を行うため、複数の波長の光波を用いる互換光ヘッド装置が提案されている。すなわち、ＣＤ用の波長７８０ｎｍ帯の光波、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ帯の光波、次世代ＤＶＤ用の４０５ｎｍ帯の光波を出射する複数の半導体レーザを備える互換光ヘッド装置である。

特開平１０−５９７４６号公報

前記互換光ヘッド装置において用いられる回折素子として、トラッキング用の３ビーム発生用の回折素子、光記録媒体である光ディスクより反射した戻り光を光検出器に導くホログラム素子など、さまざまな用途で用いられる。

このような複数波長の光波で用いる光ヘッド装置において、構成部品数の削減・小型・軽量化のため、一つの回折素子でありながら各波長により回折効率を最適化された回折素子のニーズが多い。しかしながら、従来の回折素子では、回折効率の波長依存性は、格子の材料および深さのみでほぼ決まるため、各波長において所望の回折効率を得ることが困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、少なくとも１枚の透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折格子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜からなり、また凹部には無機物または無機物を主成分とする透明材料により充填されており、透明材料上面が凸部上面に一致して平坦であるか、または凸部上面を覆って透明材料上面が平坦であることを特徴とする回折素子を提供する。

また、前記回折素子に、さらに複屈折性を有する有機薄膜または複屈折性を有する無機材料からなる積層基板が積層されて構成されている上記の回折素子を提供する。

また、前記透明基板が複屈折性を有する無機物基板からなる上記の回折素子を提供する。

波長λ_１および波長λ_２の光波を出射する光源と、波長λ_１および波長λ_２の光波を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された光波を検出する光検出器とを備え、光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置において、光源と対物レンズとの間の波長λ_１および波長λ_２の光波が共有する光路中に、上記の回折素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置波長λ_１および波長λ_２の光波を出射する光源と、波長λ_１および波長λ_２の光波を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された光波を検出する光検出器とを備え、光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置において、光源と対物レンズとの間の波長λ_１および波長λ_２の光波が共有する光路中に、請求項１、２または３のいずれかに記載の回折素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。

本発明の回折素子は、透明基板に光学多層膜からなる回折格子を有しているので、光学多層膜の設計で、回折効率の波長依存性を容易に制御できる。また、本発明の回折素子は、光学多層膜からなる回折格子と、その回折格子の凹部に充填された無機物または無機物を主成分とした透明な充填材からなり、さらに、前記回折格子と前記透明な充填材が形成された表面が平坦であるので、回折効率の温度変動が小さく、さらにノイズの少ない良好な３ビームを得ることができる。

また、光ヘッド装置に、本発明の回折素子を搭載することで、設計自由度が高く、かつ光利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

「第１実施態様」
本発明は、１枚の透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であり、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜からなっている。また凹部は無機物または無機物を主成分とする透明材料により充填されている回折素子である。すなわち、凹部は透明材料により埋められていて、凹部の上面と透明材料の上面の高さが一致していて、表面は平坦となっている。
または、凹部が透明材料により充填されていて、さらに凹部の上面が透明材料により覆われていてもよい。この場合も透明材料の表面は平坦となっている。

さらに、１枚の透明基板の両方の面に上記の周期的な凹凸部を備える回折素子が形成されていてもよい。
さらに、２枚の透明基板の間に上記の周期的な凹凸部が挟持されていてもよい。この場合も、凹部の上面と充填された透明材料の上面が一致していてもよく、また凹部の上面が透明材料により覆われていてもよい。

ここでいう、平坦とは、透明材料を充填した結果表面に残る規則的なうねりのピーク・トウ・バレイｄと、透明材料の屈折率と空気の屈折率との差Δｎとの積Δｎｄが、透過する可視光線の波長の１／１５以下であることを意味する。この条件のとき、うねりによる回折を１％以下に抑えることができる。

図１は、本発明の第１実施態様となる回折素子の概念的断面図であり、該回折素子は、透明基板３に形成された光学多層膜からなる回折格子１と、回折格子１の凹部に充填された透明材料である充填材２からなる。

透明基板３としては、ガラスや石英ガラスなどの光学的に等方である透明な平行基板を用いることができる。

回折格子１としては、透明基板３上に石英や酸化チタンなどの光学多層膜である誘電体を蒸着法、スパッタ法などにより成膜した光学多層膜をエッチング法などで加工したものを用いてもよく、透明基板３上に、リフトオフ用の膜を成膜、パターニング後に、石英や酸化チタンなどの誘電体を蒸着法やスパッタ法により成膜し、リフトオフ用の膜を取り除いたものを用いてもよい。図１では、簡単のため、回折格子１は２種の材料からなる５層の光学多層膜として描かれているが、膜の材料、種類および層数は所望の回折効率が得られるように設計すればよい。

充填材２としての透明材料は、石英ガラス、酸化チタンなどの無機材料、または、前記無機材料を主成分とした、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などの有機材料を添加したものを用いてもよい。また、第１実施態様となる回折素子において、上記において述べたように透明材料の充填材２を、回折格子１の凹部のみに充填し上部を一致させてもよいし、図２に示すように回折格子１の凹部のみならず凸部を覆うように充填してもよい。図２の符号２および３は、図１と同様それぞれ充填材および透明基板である。以下の図において、符号１、２および３全て同じ要素を意味する。

このとき、回折格子１を形成する光学多層膜材料の屈折率の温度依存性と、充填材２を形成する透明材料の屈折率の温度依存性との差が、１００×１０^−６／℃以下になるように、おのおのの材料を選定することで、本発明の第１実施態様となる回折素子における回折効率の温度依存性を小さくできて好ましい。

充填材２を回折格子１の凹部に充填する手段として、上述の透明材料をＣＶＤ（化学気相蒸着法）により成膜して充填してもよいし、上述の透明材料の溶液を回折格子１に滴下させて、スピンコートにより成膜して充填してもよい。

このとき、透明な充填材２は回折格子１の凹部に充填されるのみならず、凸部にも堆積してしまい、透明な充填材２の表面に凹凸が生じ、透明な充填材２からなる回折格子が形成される（図７参照）。ただし、成膜条件を最適化することで、透明な充填材２表面の凹凸の高さを回折格子１の凹凸の高さに対し２０分の１以下にできる。

透明な充填材２の表面をさらに平坦化するために、透明な充填材２による凹凸が無くなるまで研磨してもよいし（図２参照）、回折格子１の上面に一致するまで研磨してもよい（図１参照）。
また、平坦化の手段としては、図３に示すように、透明な充填材２と同じ屈折率の接着剤（図示せず）を用いて、表面が平坦な透明基板６を積層してもよい。

上述したように、本発明の第１実施態様の回折素子は、透明基板上に形成した光学多層膜からなる回折格子を用いることで、回折効率の波長依存性に関する設計自由度を増すことができる。

さらに、前記光学多層膜からなる回折格子の凹部に、屈折率の温度依存性が光学多層膜材料とほとんど同じ透明な充填材を充填することで、回折効率の温度依存性を小さくできる。
また、前記透明な充填材の表面を平坦化させることで、前記表面の小さな凹凸により生じうる、不要な回折光または散乱光を無くすことができる。

「第２実施態様」
前記回折素子に、さらに複屈折性を有する有機薄膜または複屈折性を有する無機材料からなる積層基板が積層されて構成されている回折素子とすることがこの好ましい。有機薄膜または複屈折性を有する無機基板は、透明基板側に配されていてもよいし、回折格子側に配されていてもよい。

図４および図５に示すのは、本発明の第２実施態様となる回折素子の概念的断面図であり、該回折素子は、透明基板３に形成された光学多層膜からなる回折格子１と、回折格子１の凹部に充填された透明材料の充填材２と、複屈折性を有する有機薄膜または無機基板４からなり、前記複屈折性を有する有機薄膜または無機材料からなる積層基板４は、透明な充填材２の面に積層されていてもよく（図４参照）、透明基板３の面に積層されていてもよい（図５参照）。

回折格子１、透明基板３および透明な充填材２は、本発明の第１実施態様の回折素子と同様のものを用いることができる。

複屈折性を有する有機薄膜または無機材料の積層基板４として、ポリカーボネートを一軸延伸して複屈折性を誘起した薄膜、または水晶の単板を薄く加工したものを用いることができる。
また、複屈折性を有する有機薄膜または無機材料の積層基板４上に、積層基板４の保護、または平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。

上述したように、本発明の第２実施態様の回折素子は、回折格子による光波の偏向制御と、複屈折を有する有機薄膜または無機材料の積層基板による光波の偏光制御を、一つの素子で実現できる。

「第３実施態様」
また、前記透明基板が複屈折性を有する無機物基板からなる回折素子とすることが好ましい。
図６は、本発明の第３実施態様となる回折素子の概念的断面図であり、該回折素子は、複屈折性を有する無機物基板５に形成された光学多層膜からなる回折格子１と、回折格子１の凹部に充填された透明な充填材２からなる。

回折格子１および透明な充填材２は、本発明の第１実施態様の回折素子と同様のものを用いることができる。複屈折性を有する無機物基板５としては、水晶またはニオブ酸リチウムなどの単板を用いることができる。また、回折格子１および透明な充填材２上に、表面の平坦性向上のために、光学的に等方的な透明基板を積層してもよい（図示せず）。

上述したように、本発明の第３実施態様の回折素子は、回折格子による光波の偏向制御と、複屈折を有する無機物基板による光波の偏光制御を、一つの素子で実現できる。

「第４実施態様」
図８は、本発明の第４実施態様の光ヘッド装置を示す光学配置図であり、例えば本発明の回折素子３１を搭載した場合について説明する。第４実施態様の光ヘッド装置は光記録媒体であるＤＶＤ３７およびＣＤ３８の情報の記録・再生を行うＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置であって、ＤＶＤ用の波長λ_１およびＣＤ用の波長λ_２の光波を出射する２波長光発振半導体レーザ３２とビームスプリッタ３３との間に、本発明の回折素子３１を備えている。

図９を参考にして回折素子３１について説明する。回折素子３１は、透明基板１３の上面に形成された、光学多層膜からなる回折格子１１と回折格子１１の凹部に充填された透明な充填材１４からなる第１の回折部分と、透明基板１３の下面に形成された、光学多層膜からなる回折格子１２と第２の回折格子１２の凹部に充填された透明な充填材１５からなる第２の回折部分からなる。

前記第１の回折部分では、ＤＶＤ用の波長λ_１の光波を約６％回折し、ＣＤ用の波長λ_２の光波をほぼ１００％透過するように設計し、一方、第２の回折部分では、ＤＶＤ用の波長λ_１の光波をほぼ１００％回折し、ＣＤ用の波長λ_２の光波を約６％透過するように設計する。これにより、回折素子３２は各波長の光波を３ビームに効率良く分けることができる。

回折素子３１によって３ビームに分割された、２波長光発振半導体レーザ３２からの各波長の光波は、ビームスプリッタ３３、コリメートレンズ３４を透過し、対物レンズ３６により光記録媒体であるＤＶＤ３７またはＣＤ３８に集光される。ＤＶＤ３７またはＣＤ３８にて反射された光波は、対物レンズ３６、コリメートレンズ３４の順に戻り、ビームスプリッタ３３で反射して光検出器３５によって検出される。回折素子３１により得られた各波長の光波の３ビームは、トラッキングに使用できる。

「実施例１」
本実施例は図１に示す第１実施態様の回折素子の具体例である。ガラス製の透明基板３の表面に、真空蒸着で石英（ＳｉＯ_２）と酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる光学多層膜を成膜して、フォトリソグラフィとエッチングの技術により矩形状の回折格子１を形成した。

次に、回折格子１の凹部に透明な充填材２として、ポリシラザンにアクリル樹脂と酸化チタンを混合し、波長５８９ｎｍの光波に対し屈折率が１．５１になるように調整したものを充填し硬化した。さらに、透明な充填材２の表面に残ったわずかな凹凸（図７参照）を平坦にするため精密研磨機によってその凹凸を研磨し、研磨後の表面に反射防止膜を施した（図示せず）また、透明基板３の回折格子１を形成した面とは反対の面にも反射防止膜を施した（図示せず）。

ここで、本実施例の回折素子による回折効率が、波長６６０ｎｍの光波において、０次光の回折効率（透過光の透過率）が８４％、＋１次光の回折効率が６％、波長７８０ｎｍの光波において、０次光の回折効率（透過光の透過率）がほとんど１００％になるように、前記回折格子１を構成する光学多層膜を設計（表１参照）し、石英と酸化チタンからなる２９層膜とした。

上述のように作製した回折素子の波長６６０ｎｍの光波に対する回折光を調べたところ、透明な充填材２の表面を平坦化したため、ノイズとなる回折光や散乱光もなく、効率良く３ビームを得ることができた。
さらに、０次回折効率と＋１次回折効率との比に関して、室温から１００℃までの温度依存性を調べたところ、その比（０次／＋１次）は１４±２の間にあり、回折効率の温度変動が実用上充分に小さい回折素子を得ることができた。

次に、上述の実施例で作製した回折素子を、図８に示す光ヘッド装置の回折素子３１の位置に搭載して、ＤＶＤ３７のトラッキング特性を調べたところ、良好なトラッキング性能を示し、ＤＶＤ３７の情報の記録・再生特性も良好であった。

「実施例２」
本実施例は図３に示す第１実施態様の回折素子の具体例である。図中下側の面に反射防止膜を施したガラス製の透明基板３の図中上側の面に、真空蒸着で石英（ＳｉＯ_２）と酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる表２に示す９層構造の光学多層膜を成膜する。次に、前記光学多層膜をフォトリソグラフィとエッチングの技術により矩形状の回折格子１に加工する。

次に、回折格子１の凹部に透明な充填材２として、ポリシラザンにアクリル樹脂と酸化チタンを混合し、波長５８９ｎｍの光波に対し屈折率が１．５６になるように調整したものを充填し硬化する。さらに、また、図中上側の面に反射防止膜を施したガラス製の透明基板６のを回折格子１の上に接着剤で接着する。

ここで、本実施例の回折素子による回折効率は、波長６６０ｎｍの光波において、０次光の回折効率（透過光の透過率）が８７％、＋１次光の回折効率が５％、波長７８０ｎｍの光波において、０次光の回折効率（透過光の透過率）も８７％、＋１次光の回折効率が５％となる。
すなわち、本実施例の回折素子によると、６６０ｎｍと７８０ｎｍの異なる波長の光波に対する回折効率を一致させることができる。

例えば、ＣＤ／ＤＶＤ互換光ヘッド装置において、単一の回折素子でＣＤおよびＤＶＤのトラッキング信号を得るトラッキング方法が提案されている。本実施例の回折素子を、上記のトラッキング信号用の回折素子として利用すると、波長７８０ｎｍの光波を用いるＣＤ、および波長６６０ｎｍの光波を用いるＤＶＤの記録および再生において、ともに同じ回折効率のトラッキング信号を得ることができる。

本発明の回折素子は、光学多層膜構造となっているので、回折効率の波長依存性に設計自由度を必要とする場合に使用できる。

本発明の第１実施態様の回折素子の断面の１例を示す断面図。 本発明の第１実施態様の回折素子の断面の他の例を示す断面図。 本発明の第１実施態様の回折素子の断面の別の例を示す断面図。 本発明の第２実施態様の回折素子の断面の１例を示す断面図。 本発明の第２実施態様の回折素子の断面の他の例を示す断面図。 本発明の第３実施態様の回折素子の１例を示す断面図。 本発明の回折素子の作製途中における該素子の断面図。 本発明の第４実施態様の光ヘッド装置の光学配置を示す概念図。 本発明の第４実施態様の光ヘッド装置に搭載した本発明の回折素子の１例を示す断面図。

符号の説明

１、１１、１２：回折格子
２、６、１４、１５：充填材
３：透明基板
４：積層基板
５：無機物基板
１３：透明基板
３１：回折素子
３２：２波長光発振半導体レーザ

Claims (4)

1. 少なくとも１枚の透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折格子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜からなり、また凹部には無機物または無機物を主成分とする透明材料により充填されており、透明材料上面が凸部上面に一致して平坦であるか、または凸部上面を覆って透明材料上面が平坦であることを特徴とする回折素子。
2. 前記回折素子に、さらに複屈折性を有する有機薄膜または複屈折性を有する無機材料からなる積層基板が積層されて構成されている請求項１に記載の回折素子。
3. 前記透明基板が複屈折性を有する無機物基板からなる請求項１または２に記載の回折素子。
4. 波長λ_１および波長λ_２の光波を出射する光源と、波長λ_１および波長λ_２の光波を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された光波を検出する光検出器とを備え、光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置において、光源と対物レンズとの間の波長λ_１および波長λ_２の光波が共有する光路中に、請求項１、２または３のいずれかに記載の回折素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置。
   

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