JP2005055772A - 偏光光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光ディスクの記録・再生装置に用いられる光ピックアップには、光源からの投射光束と、光ディスクからの戻り光束を分離するため偏光光学素子が用いられている。投射光束はトラッキングやフォーカシングのためグレーティングを用いて光束を３本に分離して用いる。戻り光束はホログラムにより１次回折光を受光素子に導いている。グレーティングとホログラムは貼り合わせの際位置ずれが生じ、高い位置合わせ精度が得られなかった。
【解決手段】第１の基板５の両面に互いに周期の異なる凹凸を形成し、その両面を第２の基板２および第３の基板８によって隙間を設けて覆い、その隙間に光学的異方性材料３、７を充填する。第２、第３の基板の外側の面に台形プリズム１２、１３を、外側の面が互いに平行平面となるように、それぞれ隣接する基板およびプリズムの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する接着剤で貼り合わせる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、偏光光学素子およびそれを用いた光ピックアップ装置、光ディスクドライブ装置に関する。特に、記録可能な光ピックアップ装置に関する。

ＣＤ用のピックアップを小型軽量化するため、従来は複数の光学部品から構成されていた光学素子をホログラム素子に集積化すると共にレーザダイオードと受光素子を１つのパッケージ内に配置する構成の提案がある（例えば、非特許文献１ 参照。）。この構成により、小型で耐環境性に優れたピックアップを実現している。ホログラム素子はガラス基板表面にエッチングにより溝加工が施されており、基板の片面にホログラム（ピッチ１〜２μｍ程度）が、他面にグレーティング（ピッチ１０〜２０μｍ程度）が形成されている。ホログラムとグレーティングの間隔は２ｍｍ程度離れており、これはＤｉｓｋから戻って来た光のうちホログラムでの回折光がグレーティングを通らないようにするためである。グレーティングを通らないようにするためグレーティング領域の面積はホログラム領域の面積よりも小さくなっている。

非特許文献１に示したホログラム素子について説明する。１枚のガラス基板の各面にグレーティングとホログラムがそれぞれ形成されている。グレーティングとホログラムの位置関係は、それぞれの中心位置が一致するようにアライメント(調整)されている。アライメント方法としては、まず一方の面のホログラムパターンを形成し、そのホログラムパターン中のマーキングにあわせてグレーティングパターンを形成する。位置合わせは顕微鏡でマーキングの位置を見ながら露光するので精度良く位置合わせできる。しかしながら本構成は偏光に関係なく回折効率が一定なホログラムなので光利用効率が低く、とりわけ記録型の光ピックアップには不利となる。

偏光回折素子及びそれを用いた光ヘッド装置の提案もある（例えば、特許文献１ 参照。）。この装置は、２つのガラス基板に凹凸を設け、凹凸面を対面させてその間に光学的異方性材料を充填するというものである。この方式だとホログラムからの回折光がグレーティングを通っても不要な回折光は生じないのでホログラムとグレーティングの間隔を近づけることができる。ホログラムは偏光方向により回折効率が異なる偏光ホログラムなので、光源からの光をより多くＤｉｓｋに導き、Ｄｉｓｋからの反射光をより多く受光素子に多く導くことが出来るので高速再生に適している。

特許文献１に示したホログラム素子の構成を説明する。ガラス基板の片面にグレーティングがガラス基板の片面にホログラムが形成されている。その間に光学的異方性材料を充填して基板を対向させて接着すれば、偏光ホログラムと偏光グレーティングができ、ホログラム素子の薄型化を実現できる。グレーティングとホログラムの位置関係はそれぞれの中心位置が一致するようにアライメント(調整)される。但し、非特許文献１と違ってアライメント後に接着するので接着剤の硬化時にずれが生じ、位置合わせの精度としては非特許文献１に劣る。接着剤の硬化時に生じるずれを考慮すると、位置合わせの精度としては±５０μｍ程度である。特許文献１は偏光ホログラムなので光利用効率が高い反面、グレーティングとホログラムの位置関係精度が非特許文献１より劣ることが問題点である。

従来は無分割であったグレーティングを、複数の領域に分けて、ＬＤからの光に位相差を与えてホロユニットのピックアップへの組み付け調整を簡素化する方法が提案されている（例えば、特許文献２ 参照。）。このような方式では、ＬＤからの光に対してグレーティングの位置を精度良く合わせなければいけない。しかしながら、ホログラムと発光受光素子（ＬＤ・ＰＤ）ユニットを組みつける時は、ホログラムからの回折光を検知して調整するようになっている。したがってホログラムの位置合わせは行うが、グレーティングの位置合わせは行わない。ホログラムの位置合わせだけでグレーティングの位置も精度良く合わせるためにはホログラムとグレーティングの位置があらかじめ精度良く合っている必要がある。

発明者は先願において、偏光光学素子及びそれを用いた光ピックアップ装置を提案した（特願２００３−０９０７６９）。青色レーザを用いた光ディスクドライブシステムでは、再生盤面パワーが小さかったり、メディアの反射率が小さかったり、受光素子の感度が低かったり、することから受光素子により多くの光量が入らないと十分な信号を確保することが出来ない。そこで本装置によって、ホログラムの回折効率を高める手段としてホログラムを傾斜する方式を提案した。この方式により今まで＋１次回折効率は４０％程度であったのが８０％程度まで高められ、青色レーザを用いたシステムや高速再生に適した光ピックアップ装置を実現することが出来るようになる。これはホログラムを体積ホログラム化すると特定の入射角に対して高い回折効率を示すようになるためである。光学的異方性材料の複屈折率Δｎ（＝常光屈折率−異常光屈折率）を小さくして、ホログラムの溝深さを深くすればその特性は顕著になることが知られている（例えば非特許文献２ 参照。）。

図１４、１５は先願の構成を示す図である。
同図において符号３２はプリズム、３３は偏光ホログラム、３４はプリズム、３５はグレーティング、３６はＬＤ・ＰＤユニットをそれぞれ示す。
偏光光学素子は偏光ホログラム３３を２つの台形プリズムで挟んだ構成になっている。そのうちの一方の台形プリズム３４にグレーティング３５が形成されている。この場合偏光ホログラム３３と台形プリズム３４を貼り合わせる時にグレーティングとホログラムの位置合わせを行う。しかしながらこの場合でもグレーティングとホログラムの位置合わせを行った後に接着するため、接着剤の硬化時にずれが生じ、位置合わせの精度としては非特許文献１に及ばない。接着剤の硬化時に生じるずれを考慮すると、位置合わせの精度としては±５０μｍ程度である。ホログラムを傾斜させることで特許文献１よりもさらに光利用効率が高い反面、グレーティングとホログラムの位置関係精度が非特許文献１に及ばない。

特開平１０−６８８２０号公報（第４頁、段落００３０、第２図） 特開２００１−２５０２５０号公報（第６頁、段落００５８、第１図） 倉田,吉田,久保,長浜,前井,大塚,西原,辻,鈴木「３ビーム法を用いたＣＤ用ホログラムピックアップ」、シャープ技報、日本、シャープ株式会社、平成元年９月、通巻第４２号、ｐ４５−５２ 小山・西原、光波電子光学、日本、コロナ社、ｐ１２１

そこで本発明では、ホログラムを偏光ホログラムとし、光利用効率を高め、かつグレーティングとホログラムの位置合わせ精度が高くなる構成を提案する。また偏光ホログラムと偏光グレーティングの組み合わせにより偏光光学素子の薄型化も実現する。
ホログラムとグレーティングを接着で位置合わせすると接着剤の硬化時のずれ等でどうしても精度が悪くなる。したがって基板の両面にステッパーやアライナーで高精度に位置合わせを行って、露光してパターンを形成する方がホログラムとグレーティングを位置合わせを高精度化する。

請求項１の発明では、両面に互いにピッチおよび深さの少なくとも一方を異ならせた凹凸形状を有する第１の基板と、前記両面に対向する第２、第３の基板と、前記第１の基板と第２の基板との間、および、前記第１の基板と第３の基板との間にそれぞれ光学的異方性材料を充填した偏光光学素子を特徴とする。
請求項２の発明では、請求項１に記載の偏光光学素子において、前記第１の基板の屈折率は該第１の基板の一方の面に接している光学的異方性材料の常光線屈折率とほぼ等しく、該基板の他方の面に接している光学的異方性材料の異常光線屈折率とほぼ等しく選定されていることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または２に記載の偏光光学素子において、前記第１の基板の屈折率は該第１の基板の一方の面に接している光学的異方性材料の常光線屈折率とほぼ等しく、且つ、該光学的異方性材料の異常光線屈折率よりも小さく選定されていることを特徴とする。
請求項４の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記両面の凹凸形状は周期が互いに異なり、一方の周期の大きい方の凹凸部の面積が、他方の周期の小さい方の凹凸部の面積より大きいことを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項４に記載の偏光光学素子において、前記周期の小さい方の凹凸部は体積ホログラムの機能を有することを特徴とする。
請求項６の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記第２および第３の基板のさらに外側にそれぞれ台形プリズムを一体化し、該両台形プリズムの外側の面が互いに平行平面になっていることを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項６に記載の偏光光学素子において、前記両台形プリズムの屈折率は、少なくともそれぞれが隣接する基板の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする。
請求項８の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記第２および第３の基板がそれぞれ台形プリズムからなり、該両台形プリズムの外側の面が互いに平行平面になっていることを特徴とする。

請求項９の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記光学的異方性材料以外のすべての部材が互いにほぼ等しい屈折率を有することを特徴とする。
請求項１０の発明では、請求項６ないし９のいずれか１つに記載の偏光光学素子を、光源と受光素子が一体化された投受光素子の受光窓部に一体化した光学素子ユニットを特徴とする。

請求項１１の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の偏光光学素子、または請求項１０に記載の光学素子ユニットを用いた光ピックアップ装置を特徴とする。
請求項１２の発明では、請求項１１に記載の光ピックアップ装置を搭載した光ディスクドライブ装置を特徴とする。

請求項１３の発明では、偏光光学素子の製造方法であって、
第１の基板の両面に互いにピッチおよび深さの少なくとも一方を異ならせた凹凸形状を形成する第１工程と、
前記第１の基板の一方の面と、該一方の面に対向する第２の基板との間、および、前記第１の基板の他方の面と、該他方の面に対向する第３の基板との間、のそれぞれに光学的異方性材料を充填する第２工程と、
を含むことを特徴とする。
請求項１４の発明では、請求項１３に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第１工程はさらに、前記第１の基板の一方の面に形成する凹凸形状と、他方の面に形成する凹凸形状との位置合わせを行う工程を含むことを特徴とする。

請求項１５の発明では、請求項１３または１４に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第２の基板、および第３の基板のそれぞれに、外側の面が互いに平行平面になるように台形プリズムを貼り合わせる第３工程を含むを特徴とする。
請求項１６の発明では、請求項１５に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記台形プリズムを貼り合わせる接着剤の屈折率は、少なくともそれぞれ隣接する基板および台形プリズムの屈折率と等しいことを特徴とする。
請求項１７の発明では、請求項１３または１４に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第２の工程における第１の基板の両面にそれぞれ対向する第２の基板および第３の基板はともに外側の面が互いに平行平面になるよう配置された台形プリズムであることを特徴とすることを特徴とする。

本発明によれば、グレーティングとホログラムが１つの基板の両面に近接して配置できるので、小型・低コストの偏光光学素子、および光ピックアップが得られる。
グレーティングとホログラムの位置精度が高いので、不要な回折光の発生が抑えられる。
偏光光学素子を主光線に対して所定の角度傾斜して使用できるため、１次回折光の回折効率が非常に高くなり、光ピックアップに用いると高速応答が得られる。

１枚の透明基板の両面にグレーティングとホログラムになるべき凹凸をそれぞれ形成し、その両面に光学的異方性材料を介して透明基板を貼り合わせて偏光光学素子を形成する。さらに、その偏光光学素子を両面の頂角が等しい２枚の台形プリズムで両側から挟んで接着し、キューブ状偏光光学素子を構成する。該キューブ状偏光光学素子を、投受光一体型素子の投受光窓に一体的に貼り付けて光学素子ユニットを形成し、光ディスク記録・再生用の光ピックアップとして用いる。

図１は本発明の実施形態を示す図である。
同図において符号１は光源、２は第２の基板、３は第１の光学的異方性材料、４はグレーティング、５は第１の基板、６はホログラム、７は第２の光学的異方性材料、８は第３の基板、９はカップリングレンズ、１０は受光素子、１１は偏光光学素子をそれぞれ示す。
光源１から出射された光はグレーティング４を透過回折して３つのビームに分割される。３つのビームはホログラム６を透過し、カップリングレンズ９で平行光になりＤｉｓｋに照射される。Ｄｉｓｋ上の信号を読み取った光は反射され、カップリングレンズ９に戻りホログラム６で回折される。回折された光は受光素子１０で受光され信号検出される。図１における基板は石英やＢＫ７のような低コストで透明なガラス基板である。ガラスでなくても樹脂でも構わない。

図２、３は図１に示す実施形態における作用を説明するための図である。
両図において（ａ）は回折光発生の模式図、（ｂ）は偏光に対応する屈折率に着目した模式図である。
まず、グレーティング４の作用について説明する。
第１の基板（以下単に基板と称す）５の片面にピッチ５〜３０μｍ、深さ０．２〜１．０μｍ程度のグレーティングを作るために凹凸加工を施す。本発明において、凹凸とは、断面が矩形波状の周期性のある帯状の凹凸形状を意味する。

ここでは基板５の屈折率を１．５とする。この基板５の片面に形成された凹凸部の少なくとも凹部を充填するように第１の光学的異方性材料３を充填する。第１の光学的異方性材料３の屈折率を、常光屈折率（Ｐ偏光）に対して屈折率１．７、異常光屈折率（Ｓ偏光）に対して屈折率１．５とすると、常光（Ｐ偏光）が通った時は光学的異方性物質１の屈折率１．７と基板５の屈折率１．５とが異なるので光は回折し、異常光（Ｓ偏光）が通った時は光学的異方性物質１の屈折率１．５と基板５の屈折率１．５が同じなので光は何の変化も受けずに透過する。したがって、レーザ光源１からはＰ偏光を入射させ、ディスクからの戻り光は波面を９０°回転させてＳ偏光になるよう構成しておけば、レーザ光源１からのＰ偏光に対しては回折光が発生するので３ビーム化するグレーティングとして作用し、Ｄｉｓｋからの戻りのＳ偏光に対しては回折光が発生しないので、ホログラム６からの回折光がグレーティング４を通っても回折光は生じない。このためグレーティング４とホログラム６は間隔を狭くできるので薄型化できる。

次にホログラム６について説明する。基板５のグレーティングがある面とは別の面にピッチ０．５〜１０μｍ、深さ〜５μｍ程度のホログラムを作るために凹凸加工を施す。ここでは基板５の屈折率を１．５とする。これに少なくともこの凹部に第２の光学的異方性材料７を充填する。光学的異方性材料の屈折率を、常光屈折率（Ｐ偏光）に対して屈折率１．５、異常光屈折率（Ｓ偏光）に対して屈折率１．７とすると、基板５の屈折率１．５と光学的異方性材料２の屈折率１．７の違いから回折光が生じる。したがってレーザ光源からのＰ偏光に対しては回折光が発生しないで透過し、Ｄｉｓｋからの反射光であるＳ偏光に対しては回折光が発生して、受光素子へと導く。
なお、第１の基板５の断面図においては表現を簡略化するために、グレーティングとホログラムが共に矩形波状に示されているが、両者の格子方向は実際には直交させてある。

以上の説明を、格子状の凹凸面の両側における屈折率に着目して表現した模式図が両図の（ｂ）である。
図２（ｂ）に示すように、光源１からの入射光であるＰ偏光に対して、凹凸面の両側の屈折率が互いに異なるところ、すなわち、グレーティング４の位置で回折光が発生する。この回折光がホログラム６の位置を通るときは回折光が発生しない。
図３（ｂ）に示すように、ディスクからの戻り光であるＳ偏光に対して、凹凸面の両側の屈折率が互いに異なるところ、すなわち、ホログラム６の位置で回折光が発生する。この回折光がグレーティング４を通るときは回折光が発生しない。したがって、光束は往復とも不要な回折光が発生しないため光の利用効率が大きくなる。
基板２と基板８の屈折率は仮に１．５としたが、基板２と第１の光学的異方性材料３との間、および、基板８と第２の光学的異方性材料７との間、は凹凸面が存在しないため互いの屈折率が異なっていても回折は生じないので、基板面を光軸に垂直な状態で用いる場合は、両基板の屈折率は１．５に限定されるものではない。

図４は本発明の他の実施形態を示す図である。
同図において符号１２は第１の台形プリズム、１３は第２の台形プリズム、１４はキューブ状偏光光学素子をそれぞれ示す。
本実施形態は図１に示した実施形態に前記先願の思想を適用したものである。
ここでいう台形プリズムとは、側断面が三角形の頂部を切り取ったような台形になっていて、光の入出射面が互いに非平行になっているプリズムのことを言う。以下単にプリズムと呼ぶ。
キューブ状偏光光学素子１４は、偏光光学素子１１の両面に、光学的に透明なくさび形の第１のプリズム１２と第２のプリズム１３が接着され、全体としてほぼ直方体の形状をしている。両プリズムの、互いに外側に向いた面は互いに平行平面になっており、光の入出射面となっている。この入出射面に対する偏光光学素子１１の傾斜角度は、入出射面に対する垂直入射光線の、１次回折光の回折効率が最大となる角度に設定されている。

このように構成することにより、ディスクからの収束性の戻り光が、主光線において最大の回折効率で回折し、且つ、主光線を挟む＋および−の両側の角度を有する戻り光に対して同等の回折効率を示すため、受光素子からのプッシュプルの信号抽出に当たってオフセットを生ずることがない。
偏光光学素子１１を単に傾けるだけでなく、両面にプリズム１２、１３をつける理由は、組み付けの容易さのためもあるが、光学的特性の劣化を防ぐ目的が主である。すなわち、傾斜させた偏光光学素子１１を光源とカップリングレンズの間に配置すると非点収差が発生する。これは、偏光光学素子１１の平行平面が光軸に対して傾いているためである。そこでプリズム１２、１３を両面に貼って傾斜平行平面を解消し、非点収差の発生を抑えるのである。このとき、両プリズムの屈折率と、第１の基板５、第２の基板２、第３の基板８の各屈折率をすべて等しくしておくとより一層フレアや非点収差の防止に有効である。

図５は従来例のホログラムとグレーティングの面積関係を説明するための図である。
図６は本発明のホログラムとグレーティングの面積関係を説明するための図である。
両図において、（ａ）は光路を説明するための側断面図、（ｂ）はグレーティング領域の大きさを説明するための図、（ｃ）はホログラム領域の大きさを説明するための図である。

従来技術の説明でも示したが、図５（ａ）に示すように、Ｄｉｓｋから戻って来た光のうち受光素子１０に入るべきホログラムでの回折光が、グレーティングを通らないようにするため、同図（ｂ）に示すグレーティング領域４の面積は同図（ｃ）に示すホログラム領域６の面積よりも小さくなっている。
元々、グレーティング４はビーム径の小さい位置に設けられており、ホログラム６の方はそれに比べビーム径が大きくなった位置に設けられているのであるから、上記の大小関係は当然であるが、前記回折光がグレーティング４を通らないようにするためには回折光とグレーティングの距離が十分離れる必要がある。そのため、図５（ａ）に示すように、グレーティング４とホログラム６の光軸方向の距離を大きくしてやる必要がある。

しかしながら本発明ではグレーティング４とホログラム６は近接しており、ホログラム６からの回折光がグレーティング４領域を通る事を容認している。したがってホログラム６からの回折光が、対物レンズシフトや組み付けずれなどで動いた場合でも、必ずグレーティング４領域を通るようにすることが望ましい。ホログラム６からの回折光が、グレーティング４領域を通る場合と通らない場合があると、透過率に違いが出たり波面収差の乱れにもなる。ホログラム６からの回折光が必ずグレーティング４領域を通るようにするためにはグレーティング４領域の面積をホログラム６領域の面積より大きくすれば良い。図６に示すようにグレーティング４領域の面積をホログラム６領域の面積より大きくすればホログラム６からの回折光は全てグレーティング４領域を通ることになる。これによりホログラムからの回折光の光量に変動や分布むらがでないようにでき、信頼性の高い信号検出ができる。ホログラム６からの回折光はＳ偏光なので偏光グレーティング４を通っても回折光は生じず良好な信号検出ができる。

図７は各光学要素の屈折率による収束光の光路を示す一部省略断面図である。
非特許文献２にも示されているが、体積性のあるホログラムは、特定の入射角度で光が入射すると高い回折効率を示すが、その角度から外れると回折効率は低下する。ところがホログラム６は光源１とカップリングレンズ９の間に配置されるので、ホログラム６には収束光が入射する。したがって、回折効率が高い特定の入射角度を中心にカップリングレンズ９のＮＡに応じて±数°程度の範囲の角度で光が入射する。入射する光の角度範囲を狭くするためには、ホログラム直前の屈折率が大きい事が望ましいので、図７に示すように、第２の光学的異方性材料７のＳ偏光（異常光）に対する屈折率ｎｅが、第３の基板８の屈折率より大きくなるようにすれば、ホログラム６に入射する角度を小さくして、角度依存性の影響を小さくすることができると共に、収束光の周辺部の光の回折効率低下を抑制できる。

図８ないし１０はそれぞれ偏光光学素子の作製工程を示す図である。図８は第１工程、図９は第２工程、図１０は第３工程他をそれぞれ示す。
図８において符号１０１は第１のレジスト、１０２は第１のマスク、１０３は有機延伸膜のような複屈折材料からなるフィルム、１０４は第２のレジスト、１０５は第２のマスクをそれぞれ示す。
第１の工程は第１の基板５の両面に所望の凹凸を設ける工程である。
（ａ）第１の基板５に（ｂ）フォトレジスト１０１を塗布し、（ｃ）例えばグレーティングを形成するための第１のマスク１０２を所定の倍率で投影し、、レジスト１０１に適した露光を行う。

（ｄ）現像により、露光部のレジストを除去する。（ｅ）エッチングにより第１の基板５の表面に凹凸構造を形成する。（ｆ）表面のレジストを除去することによってグレーティング４が完成する。（ｇ）第１の基板５の裏面に有機延伸膜等の複屈折材料からなる所定の厚さのフィルム１０３を貼り、その上に第２のレジスト１０４を塗布する。（ｈ）既に形成されているグレーティングに、ホログラム用のマスク１０５の投影像を重ね、精度の高い位置あわせ（アライメント）を行う。投影はレジストに影響を与えない波長で行い、例えば、第１の基板５を矢印Ａ方向に微調整する。（ｉ）レジスト１０５に適した露光を行う。（ｊ）現像により、露光部のレジストを除去する。（ｋ）エッチングにより、フィルム１０３に所定の深さの凹凸を形成する。（ｌ）表面のレジストを除去することによってホログラム６が完成する。
本工程によれば、グレーティングとホログラムの位置合わせを、接着せずに行うことができ、アライナーやステッパーにより位置合わせを行うと、±１０μｍ以内の精度で位置合わせ可能である。

次に図９を用いて第２工程の説明をする。
同図において符号１０６は配向膜を示す。
（ａ）、（ａ）’好ましくは同種類の透明材料からなる第２基板２と、第３基板８のそれぞれ片面に、（ｂ）、（ｂ）’配向膜１０６を形成する。（ｃ）第１工程で作製した両面に凹凸が形成された第１基板５に、配向膜１０６側をそれぞれ向けて第２基板２と第３基板８で両側から挟み、第１基板５の凹凸面とそれぞれの配向膜との間に光学的異方材料としての液晶を封入する。この工程により、偏光グレーティングと偏光ホログラムが形成され、偏光光学素子１１が完成する。

次に図１０を用いて第３工程を説明する。同図（ａ）は第３工程を示す図、同図（ｂ）は一部の工程を省略した工程を説明するための図である。
偏光光学素子１１の外側の面のそれぞれに同形のプリズムを頂角側を逆向きにして貼り合わせる。すなわち、第２の基板２の外側の面には第１のプリズム１２を、また第３の基板８の外側の面には第２のプリズム１３を、それぞれ貼り合わせ、キューブ状偏光光学素子１４を得る。貼り合わせた結果は両プリズムの、光の入出射面となる外側の面が互いに平行平面になっている。
各プリズムの両面のなす角度、すなわち頂角は、外側の面に垂直に入射する主光線に対し、偏光ホログラムの１次光回折効率が最大になる角度に設定されているので、高い回折効率が得られるようになる。このとき、偏光グレーティングも同じ角度に傾けられるが、グレーティングはピッチが大きい上に、高い回折効率を必要としないので溝深さは浅く、体積ホログラムの特性は現れない。

一般にホログラムの回折効率を表すＱ値が小さい領域では、入射角度による回折効率の変化が少ないので、本実施形態におけるグレーティングは傾けて配置されても、その特性は傾けない場合とほとんど変わらない。
ここでいうＱ値とは、入射する光の空気中における波長をλ、ホログラムの溝深さをＴ、ホログラム媒質の屈折率をｎホログラムピッチをｄとしたとき、
Ｑ＝２πλＴ／ｎｄ^２
で表される値のことである。
また第１の基板５、第２の基板８の面に第１のプリズム１２と第２のプリズム１３を貼り合わせる時には、フレアの発生や非点収差の発生を抑えるため、基板やプリズムの材料と同じ屈折率の接着剤で接着することが望ましい。

同図（ｂ）に示すように、第２工程において第２の基板５、第３の基板８を用いる代わりに、第３の工程で用いる第１のプリズム１２、第２のプリズム１３を直接用いて偏光光学素子１４’を形成しても構わない。プリズムの使用に際しては、外側に向いた面（光の入出射面となる面）が互いに平行平面となるように配置する。この場合、第１のプリズム１２を第２の基板５、第２のプリズム１３を第３の基板８と呼び換えることができる。そうすれば部品点数が少なくなると共に、工程も１つ少なくなり、コストダウンにつながる。
この場合、液晶の封入に際して、面が傾斜していると封入が正常に行われなくなるおそれがあるので、治具を用いて第１の基板５との合わせ面が水平になるように構成する必要がある。
両プリズムは、光の入出射面となる非平行な面と両面を接続する４つの側面からなっていて、構造を簡単にするため、４つの側面は片方の入出射面に対し垂直になるよう構成してある。それぞれのプリズム１２、１３において、４つの側面に対し垂直な入出射面をそれぞれ１２ａ、１３ａとし、他方の入出射面を１２ｂ、１３ｂとする。
図１０（ａ）では１２ｂ、１３ｂを接着面としているが、その逆に、１２ａ、１３ａを接着面としても構わない。同図（ｂ）においても同様である。

本発明の偏光光学素子を光ピックアップに用いれば、以下のような利点が得られる。
１． ＋１次回折光のみ回折効率が高いので、高速再生と小型化に適している。
２．ホログラムとグレーティングを接着しないので双方を高精度に位置合わせが出来、信頼性の高い信号を得ることが出来る。
３．ホログラムの回折光がグレーティングを避ける必要が無いので、ホログラムのピッチを大きくでき、加工性が良くなる。
４．グレーティングとホログラムの間隔を小さくできるので、素子の薄型化ができる
５．ホログラム面、グレーティング面ともに表面には出ないので、素子をさわって汚れた場合でも溶剤で拭き取れば汚れを落とせるので扱いが容易で歩留りが良くなる。
特にキューブ状としたことで
６．キューブ形状で、各基板の屈折率も互いに等しいため、非点収差やフレアの発生を抑えられる。

図１１は本発明の偏光光学素子を投受光素子と一体化した状態を示す図である。
同図において符号１５は投受光素子、１６は光学素子ユニットをそれぞれ示す。
投受光素子１５は光源１と受光素子１０が１つの缶構造の中に所定の距離おいて配置されている。光源１は缶のほぼ中央に置かれ、上面には受光窓が配置されており、受光窓の大きさは戻り光が受光素子１０に入射できる大きさとなっている。受光窓の前面にキューブ状偏光光学素子１４が貼り付けられて、光学素子ユニット１６が構成される。

貼り合わせに際しては、投受光素子１５に対し、キューブ状偏光光学素子１４内のホログラム６との関係を調整するだけで自動的にグレーティング４の位置精度が確保できる。グレーティングの位置精度が高いので、サブビームに位相差を与えることが出来、調整が簡素化できる。
この光学素子ユニット１６を用いれば、光ピックアップを構成するにあたって、一番難しい位置合わせを要する部分がユニット化されているため、組み付けが非常に簡単になり、生産性が向上し、且つ、十分な精度が保証される。また、光ピックアップ装置の低コスト化も実現でき、しかも、経時変化の少ない安定な信号検出ができるようになる。

図１２は光学素子ユニットを用いて光ピックアップを構成した概念図である。
同図において符号１７は立ち上げミラー、１８は１／４波長板、１９は対物レンズ、２０は光ディスク、３０は光ピックアップをそれぞれ示す。
図中、光路を示す線は概要を示すにとどめており、正確な光路を示すものではない。
光学素子ユニット１６中の投受光素子１５の光源１から水平方向に出た光束はキューブ状偏光光学素子１４を経てコリメータレンズ９で平行光に変換され、立ち上げミラー１７で鉛直上方に曲げられ、１／４波長板１８を経て対物レンズ１９に入射し、光ディスク２０の情報記録面に収束される。光ディスクからの戻り光はほぼ同じ光路を逆行し、破線で示すように、ホログラム面からの１次回折光が受光素子１０に到達する。
なお、説明の都合上、光ピックアップ３０の構成に光学素子ユニット１６を用いたが、投受光素子１５とキューブ状偏光光学素子１４が一体化されていなくても光学的な効果は同様である。

図１３は本発明の偏光光学素子を光ディスクドライブ装置に適用した状態を示す概念図である。
同図において符号４０は光ディスクドライブ、５０はパソコンをそれぞれ示す。
光ディスクドライブ装置４０はパソコン５０からの指示およびデータによって、指定の読み書きを行う。読み書きにあたっては、光学素子ユニット１６を含む光ピックアップ装置３０が動作する。
本発明の偏光光学素子を用いた光ピックアップ装置は、回折効率が大きいので高速再生に適している。また、回折光が＋１次光側に強く出るので、＋１次光側に受光素子を配置すればよいためユニットを小型化でき、ドライブの薄型化を実現できる。したがって、ノートパソコン用のドライブにも適している。

本発明の実施形態を示す図である。 図１に示す実施形態における作用を説明するためのである。 図１に示す実施形態における作用を説明するためのである。 本発明の他の実施形態を示す図である。 従来例のホログラムとグレーティングの面積関係を説明するための図である。 本発明のホログラムとグレーティングの面積関係を説明するための図である。 各光学要素の屈折率による収束光の光路を示す一部省略断面図である。 偏光光学素子の作製の第１工程を示す図である。 偏光光学素子の作製の第２工程を示す図である。 偏光光学素子の作製の第３工程を示す図である。 本発明の偏光光学素子を投受光素子と一体化した状態を示す図である。 光学素子ユニットを用いて光ピックアップを構成した概念図である。 本発明の偏光光学素子を光ディスクドライブ装置に適用した状態を示す概念図である。 先願の構成を示す図である。 先願の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 第２の基板
３ 第１の光学的異方性材料
４ グレーティング
５ 第１の基板
６ ホログラム
７ 第２の光学的異方性材料
８ 第３の基板
１０ 受光素子
１１ 偏光光学素子
１４ キューブ状偏光光学素子
１６ 光学素子ユニット

Claims (17)

1. 両面に互いにピッチおよび深さの少なくとも一方を異ならせた凹凸形状を有する第１の基板と、前記両面に対向する第２、第３の基板と、前記第１の基板と第２の基板との間、および、前記第１の基板と第３の基板との間にそれぞれ光学的異方性材料を充填したことを特徴とする偏光光学素子。
2. 請求項１に記載の偏光光学素子において、前記第１の基板の屈折率は該第１の基板の一方の面に接している光学的異方性材料の常光線屈折率とほぼ等しく、該基板の他方の面に接している光学的異方性材料の異常光線屈折率とほぼ等しく選定されていることを特徴とする偏光光学素子。
3. 請求項１または２に記載の偏光光学素子において、前記第１の基板の屈折率は該第１の基板の一方の面に接している光学的異方性材料の常光線屈折率とほぼ等しく、且つ、該光学的異方性材料の異常光線屈折率よりも小さく選定されていることを特徴とする偏光光学素子。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記両面の凹凸形状は周期が互いに異なり、一方の周期の大きい方の凹凸部の面積が、他方の周期の小さい方の凹凸部の面積より大きいことを特徴とする偏光光学素子。
5. 請求項４に記載の偏光光学素子において、前記周期の小さい方の凹凸部は体積ホログラムの機能を有することを特徴とする偏光光学素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記第２および第３の基板のさらに外側にそれぞれ台形プリズムを一体化し、該両台形プリズムの外側の面が互いに平行平面になっていることを特徴とする偏光光学素子。
7. 請求項６に記載の偏光光学素子において、前記両台形プリズムの屈折率は、少なくともそれぞれが隣接する基板の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする偏光光学素子。
8. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記第２および第３の基板がそれぞれ台形プリズムからなり、該両台形プリズムの外側の面が互いに平行平面になっていることを特徴とする偏光光学素子。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の偏光光学素子において、前記光学的異方性材料以外のすべての部材が互いにほぼ等しい屈折率を有することを特徴とする偏光光学素子。
10. 請求項６ないし９のいずれか１つに記載の偏光光学素子を、光源と受光素子が一体化された投受光素子の受光窓部に一体化したことを特徴とする光学素子ユニット。
11. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の偏光光学素子、または請求項１０に記載の光学素子ユニットを用いたことを特徴とする光ピックアップ装置。
12. 請求項１１に記載の光ピックアップ装置を搭載したことを特徴とする光ディスクドライブ装置。
13. 偏光光学素子の製造方法であって、
    第１の基板の両面に互いにピッチおよび深さの少なくとも一方を異ならせた凹凸形状を形成する第１工程と、
    前記第１の基板の一方の面と、該一方の面に対向する第２の基板との間、および、前記第１の基板の他方の面と、該他方の面に対向する第３の基板との間、のそれぞれに光学的異方性材料を充填する第２工程と、
    を含むことを特徴とする偏光光学素子の作製方法。
14. 請求項１３に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第１工程はさらに、前記第１の基板の一方の面に形成する凹凸形状と、他方の面に形成する凹凸形状との位置合わせを行う工程を含むことを特徴とする偏光光学素子の作製方法。
15. 請求項１３または１４に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第２の基板、および第３の基板のそれぞれに、外側の面が互いに平行平面になるように台形プリズムを貼り合わせる第３工程を含むことを特徴とする偏光光学素子の作製方法。
16. 請求項１５に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記台形プリズムを貼り合わせる接着剤の屈折率は、少なくともそれぞれ隣接する基板および台形プリズムの屈折率と等しいことを特徴とする偏光光学素子の作製方法。
17. 請求項１３または１４に記載の偏光光学素子の作製方法において、前記第２の工程における第１の基板の両面にそれぞれ対向する第２の基板および第３の基板はともに外側の面が互いに平行平面になるよう配置された台形プリズムであることを特徴とする偏光光学素子の作製方法。
    

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