JP2005141033A - 回折素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の波長により回折効率がほとんど変化することがなく、しかも波長による回折効率の設定を変えることのできる回折素子及び光ヘッドを提供する。
【解決手段】 複屈折を有する光学異方性媒質１１と、光学等方性媒質１２とを周期的に交互に配列し、光を回折する回折素子１０において、光学異方性媒質１１は、光が透過する光軸方向と垂直な面内若しくはこれに近い面内の屈折率楕円の主軸方向が、前記光軸方向に平行な軸のまわりにねじれ回転している。特に、複屈折を有する光学異方性媒質１１は、液晶を高分子化した高分子液晶で構成可能となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を回折する回折素子、およびこの回折素子を配置し光ディスクなどの光記録媒体の記録および／または再生を行う光ヘッド装置に関する。

周期的な位相段差（段状に変化する位相差を意味する）を有する回折素子は、その位相段差と入射する光の波長により回折効率が異なる。利用する光の波長が複数の場合、どれかひとつの波長で最適な回折効率を発生する位相段差を設定すると、他の波長では回折効率が一般的に異なり、必ずしも所望の回折効率を得ることができない（例えば、非特許文献１参照）。

また、回折素子が位相段差型（位相変調）ではなく、透過率変調型（振幅変調型）の場合、回折効率の波長依存性はほとんどなくなる。しかし、この透過率変調型（振幅変調型）の場合、透過率を周期的に変調させるため透過率の低い部分が発生し、その部分での透過光量が少なくなるので、光の利用効率が低くなる問題があった。

次に、回折素子の応用例として、この回折素子を光ディスク装置に用いる光ヘッドについて説明する。
最も一般的な回折素子の利用としては、トラッキングサーボ用の３ビーム発生用の回折格子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、ＤＶＤとＣＤを再生または記録可能な光ヘッド装置では、それぞれの光ディスクに対応した波長６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯の光を発生する光源を有する。従って、これら２種類の波長帯の光に対して、３ビーム発生のために共通の回折素子を用いることができれば、部品点数の削減や、光ヘッド装置の小型化に有効である。
一方、光源には、ひとつのパッケージから前記２つの波長帯の光を発振する、いわゆるツインＬＤなどにも応用が可能である。
鶴田匡夫著「応用光学１」培風館出版、１９９０年、ｐ３００ 特開２００３−１６２８３１号公報

しかしながら、従来の回折素子は、これら２つの波長に対してほぼ同じ回折効率を得たり、それぞれ所望の回折効率を得るような３ビームの回折素子を実現することは困難であった。つまり、ＤＶＤ用の光に対して回折素子の回折効率を所望の値に設定した場合には、ＣＤ用の光に対しては回折効率が低すぎたり高すぎたりして（逆も同様）、実用上の困難があった。

このような事情から、光の波長により回折効率がほとんど変化しない回折素子や、波長による回折効率の設定を変えることのできる回折素子の開発が切望されている。また、光ヘッド装置においては、４０５ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯のいずれか２つ以上の波長帯において、可能な限り回折効率値が等しい回折素子の開発が切望されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、光の波長により回折効率がほとんど変化することがなく、しかも波長による回折効率の設定を変えることのできる回折素子及びこの回折素子を備えた光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、複屈折を有する光学異方性媒質と光学等方性媒質とを周期的に交互に配列し、入射する光を回折させる回折素子において、
前記光学異方性媒質は、前記光が透過する光軸方向に垂直な偏光面内若しくはこれに近い偏光面内での屈折率楕円の主軸方向が、前記光軸方向に平行な軸のまわりにねじれ回転していることを特徴とする回折素子を提供する。

また、前記複屈折を有する光学異方性媒質が、液晶を高分子化した高分子液晶であることを特徴とする上記の回折素子を提供する。

また、前記光学異方性媒質を形成する材料の屈折率楕円の短軸屈折率ｎ_oまたは長軸屈折率ｎ_eが、前記光学等方性媒質の屈折率と等しいか若しくはこれに近いことを特徴とする上記の回折素子を提供する。

また、前記屈折率楕円の主軸方向のねじれ回転角は、１０度から９０度の範囲にあることを特徴とする上記の回折素子を提供する。

また、本発明は、光源から出射する２種類以上の波長の光を光記録媒体に集光し、その光記録媒体での反射光を光検出器で受光する光ヘッド装置において、
前記２種類以上の波長の光が透過する光路中に上記回折素子のいずれかを配置する光ヘッド装置を提供する。

また、前記回折素子の光学異方性媒質の、光が入射する側の面内の屈折率楕円の主軸方向が、前記光学異方性媒質を透過する光の光軸方向と垂直若しくはこれに近い角度であって、かつ、前記入射する光の偏光方向と一致若しくは近接していることを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。

また、前記回折素子と、透過光の偏光状態を変える位相板とを一体化することを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。

また、前記回折素子と、偏光方向によって回折効率の異なる偏光回折素子とを一体化することを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。

また、回折素子の回折格子パターンの周期性の位相が、前記回折素子の本体内で変化していることを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。

本発明によれば、光の波長により回折効率がほとんど変化することがなく、しかも波長による回折効率の設定を変えることのできる回折素子及び光ヘッドを提供できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の回折素子１０を示すものであり、特にこの要部を構成する回折格子の構造の一例を模式図として示す。この回折素子１０の回折格子の部分は、光学異方性媒質１１と屈折率ｎ_sを有する光学等方性媒質１２とを繰り返し配置し、これを基板１３、１４で挟んだ構成となっている。

複屈折を有する光学異方性媒質は、光の進行方向に対して略垂直な面内にその屈折率が、いわゆる常光屈折率ｎ_oである方向（この常光屈折率ｎ_oを有する方向を、「ｎ_o方向」とよぶ）と、異常光屈折率ｎ_eである方向（この異常光屈折率ｎ_oを有する方向を、「ｎ_e方向」とよぶ）を有する構成となっている。

ここで、このｎ_o方向およびｎ_e方向は、必ずしも入射光の進行方向（光軸）方向と直行する必要はないが、光軸方向に進行する光の偏光方向により屈折率が異なる必要はある。本実施形態では、ｎ_o方向およびｎ_e方向は、入射光の進行方向（図１では下から上への厚さ方向）でらせん状にねじれ回転させた構成となっている。

図２には、屈折率楕円Ｅの厚さ方向のねじれ回転を模式的に示した。このねじれは、連続的に変化させてもよいし、離散的に変化させてもよい。屈折率楕円は、長軸と短軸の２つの主軸を有するが、ここで、Ａは長軸方向を示しており、一般的に異常光屈折率ｎ_e方向である。

図３には、光学異方性媒質へ入射する光の偏光方向(入射偏光方向)と光学異方性媒質内でのｎ_o方向との関係を示した。光学異方性媒質の入射側でのｎ_o方向と入射偏光方向とのなす角を「プレツイスト角（θ_p）」としてあらわした。光学異方性媒質のｎ_o方向は、媒質の厚さ方向でらせん状に回転し、出射側面では、入射側面とθ_t（ツイスト角）だけ回転する。

ここで、光学異方性媒質としては、ツイスト配向させた低分子の液晶を重合した高分子液晶を用いることで作成できる。この光学異方性媒質としては、この他にも、複屈折を有する薄膜のｎ_o方向を少しずつ回転させて積層した積層型のものを用いることもできる。

これらの、光学異方性媒質をエッチィング法にてパターニングすることで格子状の凹凸を作成し、その凹部に光学等方性媒質１２を充填することで、図１に示す回折素子を作成できる。なお、基板１３、１４は、透明な材質、例としてガラスやアクリル樹脂やポリカーボネートなどのプラスティック材料を用いて、作成できる。

次に、本発明の実施形態に係る回折素子の回折効率について、図４を参照しながらその原理を定性的に説明する。
図４は、入射偏光と出射偏光との関係を模式的に示すものであり、ここでは、入射偏光方向を紙面に平行な方向とした。なお、簡単のために、プレツイスト角（θ_p）が０度でツイスト角（θ_t）が９０度のものについて説明する。

光学異方性媒質１１において、屈折率ｎ_oとｎ_eの差Δｎとその厚さｄを適当な値をとることで、この光学異方性媒質１１を透過する光は、偏光方向が概ね９０度回転する。一方、等方性媒質１２を透過した光は、偏光方向が変化しない。

例えば、図４において、紙面に水平な偏光方向に着目すると、この偏光の強度は、光学異方性媒質１１を透過した部分は０となり、等方性媒質１２を透過した部分のみ強度を有し、光強度が変調された光は回折される（図４には簡単のため回折光は省略した）。つまり、振幅型の回折素子として作用する。
一方、図４には記載しないが、紙面に垂直な偏光方向に対しても、同様に振幅型の回折素子として作用する。

ところで、透過率を格子状に変調した振幅型回折格子では、一般に、透過率が低い部分があるので、透過光強度（光利用効率）は低くなる。しかしながら、本発明の回折素子の場合、図４を用いて説明したように、光吸収するのではなく偏光方向を回転することによりそれぞれの偏光方向に対して強度変調を与えているため、２つの偏光方向の光の和はロスがない。このため、光の利用効率は、位相変調型の回折素子と遜色がないものが得られる。また、この回折素子の回折原理は、振幅変調型なので、波長依存性のほとんどない回折効率を得ることができる。

次に、本実施形態の回折格子における回折効率と波長との関係を示すグラフを図５（Ａ）に、また比較のために通常の位相型回折格子（レリーフ型回折格子）における回折効率と波長との関係を示すグラフを図５（Ｂ）に示す。
この図５（Ａ）、（Ｂ）から、本発明の実施形態に係る回折格子の回折効率は、波長依存性が非常に小さいことがわかる。

次に、本実施形態の回折格子に入射する２種類の波長の光について、ツイスト角と回折効率との関係を図６に示す。ここでは、プレツイスト角は０度で、ツイスト角を変えたときの波長が６５０ｎｍと７８０ｎｍの入射光の回折効率がどのように変化するのかを示している。なお、等方性媒質の屈折率ｎ_sと異方性媒質の屈折率ｎ_oを等しくした。また、グラフ中のα、βは、それぞれ、６５０ｎｍと７８０ｎｍにおける、回折効率および回折効率比（＝０次光透過効率／１次光回折効率）を示している。

同図から分かるように、６５０ｎｍと７８０ｎｍでの回折効率および回折効率比（＝０次光透過効率／１次光回折効率）は、いずれの波長でもほとんど同じ関数で変化するため、グラフα、βのラインがほぼ重なり合っていることがわかる。
また、ツイスト角を変えることで、回折効率の波長依存性を抑えたまま、回折効率を変化させることができるとの知見も得られる。

なお、ツイスト角としては、１０度以下では回折効率が低すぎるために、実用上問題があり好ましくなく、１０度以上が好ましいが、特に３０度以上が好ましい。また、ツイスト角が９０度を超えると回折効率が再び減少するので、９０度以下に設定するのが好ましい。

また、この例では屈折率ｎ_s＝ｎ_oとしたが、ｎ_s＝ｎ_eとし、プレチルト角を９０度（つまり、ｎ_e方向と入射偏光方向を同じとする）としても同様の効果が得られる。屈折率ｎ_sをｎ_oまたはｎ_eとあわせることで、波長依存性を非常に小さくできるが、波長依存性をある程度必要とする場合には、屈折率ｎ_sをｎ_oまたはｎ_eからずらすことができる。

次に、光ヘッド装置への応用例について、図７に示す光ヘッド装置を用いて説明する。
この光ヘッド装置は、光源２０と、コリメータレンズ３０と、ビームスプリッタ４０と、対物レンズ５０と、光検出系（光検出器）６０との他に、図１に示す回折素子１０を備えた構成となっている。

この光ヘッド装置では、光源２０として、１つのパッケージに２つの波長の光（６５０ｎｍ帯と７８０ｎｍ帯）を発振する半導体レーザー（ＬＤ）２１、２２を用いた。この半導体レーザー２１、２２から出た光は、回折素子１０を透過してトラッキング用の３ビームが発生し（図７には簡単のため０次光のみ記載）、コリメータレンズ３０、ビームスプリッタ４０、対物レンズ５０を透過して、光記録媒体である光ディスクＤに集光される。
一方、この光ディスクＤから反射された光は、対物レンズ５０を透過してビームスプリッタ４０で反射され、光検出系６０に導かれる。
ここで、回折素子１０は、光ディスクＤとして、ＣＤを再生記録する際には７８０ｎｍ帯の光を回折し、ＤＶＤを再生記録する際には６５０ｎｍ帯の光を回折し、３ビームを発生させる必要がある。また、これらの半導体レーザーは４０５ｎｍ帯の青紫レーザーであってもよい。

このとき求められる回折効率としては、例えば０次透過効率と１次回折効率の比、即ち回折効率比（０次光透過効率／１次回折効率）が１０から２５程度が一般的で、多くは２０から１５ぐらいが必要とされる。なお、ＤＶＤとＣＤは、回折効率が大きく異なると、光検出系のゲイン調整が難しく、サイドビームの光量が小さすぎてノイズが多くなり記録・再生特性が劣化する一方、またサイドビーム強度が高すぎると、サイドビームでディスクに記録したりして記録特性が劣化するなどのため、好ましくは、ＤＶＤとＣＤそれぞれの光の波長に対して回折効率が等しいことが求められる。

ここで、図５に示した、プレツイスト角０度、ツイスト角９０度の場合には、０次透過効率と１次回折効率の回折効率比が２．５と小さすぎ（１次光回折効率が高すぎ）て、３ビーム用としては最適とはいえない場合がある。この場合、図６に示したように、ツイスト角を変更することで所望の回折効率比が得られる。たとえば、図６のようにツイスト角度を３０度から６０度程度とすることで、回折効率比が３ビーム用回折素子として好ましい値となる。

また、光学異方性材質の厚さｄと屈折率差ｎ_e−ｎ_sとの積Ｌ、つまり
Ｌ＝（ｎ_e−ｎ_s）・ｄ
＝ｎ・λ
但し、ｎ：整数
が、入射光の波長（λ；６５０ｎｍまたは７８０ｎｍ）の整数倍であるとき、回折効率の波長依存性を小さくできるため、好ましい。

また、２つの波長で回折効率を同じにする場合に限らず、それぞれの回折効率を所望の値に設定したい場合には、プレツイスト角やツイスト角、材質の屈折率および媒質の厚さを変えることで、設定することも可能である。

また、この回折素子と偏光を変化させる位相板（例えば１／４波長板や１／２波長板）とを組み合わせて使用することで、これらの素子を透過した光の偏光状態を変化させることができ、好ましい。また、１／４波長板を積層する場合、波長板の光軸角度はツイスト角と４５度交差させて配置するのが好ましい。

また、入射する光の偏光方向が、設定値からばらつきを生じたり、温度特性などで大きく変化する場合には、偏光方向によって回折効率が大きく異なる偏光回折素子を用いて、本発明の回折素子に入射すべき偏光方向と偏光回折素子の０次光の透過効率が高い偏光方向とを一致させることで、回折効率のばらつきなどを抑えることができ、好ましい。

なお、これらの位相板や偏光回折素子は、本発明の回折素子と回転方向を合わせて使用することで特性を安定させることができるために、別部品で使用するよりも、一体化して使用するほうが好ましい。また、一体化することで部品点数を削減できるので、好ましい。

また、光ディスクＤとして使用するＣＤとＤＶＤではトラックピッチが異なるため、単純な直線状のストライプパターンの回折素子では、良好なトラッキング信号を得ることができない場合がある。この場合には、例えば、前述した特開２００３−１６２８３１号公報に記載のように、回折格子のパターンを分割し格子の配列の位相をずらせることで、ＣＤおよびＤＶＤとも十分なトラッキング信号が得られるので好ましい。

（実施例１）
本発明の回折格子を設けた実施例１の回折素子について、図１、図３、図５を用いて説明する。
この実施例１の回折素子には、ガラス基板１３上でツイスト配向させた低分子の液晶を重合して、高分子液晶を作成する。この光学異方性媒質１１である高分子液晶の厚さは約１０μｍ、屈折率はｎ_eが１．６７、ｎ_oが１．５２である。

図３に示すプレツイスト角は０度、ツイスト角は９０度となるように、液晶の配向方向を制御する。このツイストした高分子液晶に対して、フォトリソエッティング法により凹凸の格子を作成する。そして、この凹凸のうち凹部に、屈折率ｎ_sが１．５２（ｎ_oと同じ）の樹脂を充填する。

このようにして作成する回折素子１０の回折効率の波長依存性は、図５に示す特性のものと同様の結果が予想される。これにより、波長により回折効率がほとんど変化しない回折素子を得ることができる。

（実施例２）
次に、本発明の回折格子１０を備えた実施例２の光ヘッド装置について、図７に示す構成図を用いて説明する。
この実施例２では、回折素子１０として、実施例１と同様の方法で作成する回折素子を使用し、ツイスト角は４０度とする。その回折素子の回折格子は、格子パターンを領域で分割し、分割領域ごとに格子の配列の位相をずらした位相シフト回折格子とする。

また、この回折素子１０には、波長６５０ｎｍ、７８０ｎｍとも、１次光回折効率および０次光透過光効率が、それぞれ約４．５％、約８８％であって、回折効率比（０次光透過光効率／１次光回折効率）が１９．６であるものを用いる。

一方、光源２０には、１つのパッケージに２つの波長帯（６５０ｎｍ帯と７８０ｎｍ帯）の光を発振する半導体レーザー２１、２２を用いており、使用する光ディスクＤの種類に応じて光源２１、２２を切換えて動作させるように構成する。

従って、この実施例２の光ヘッド装置では、半導体レーザー２１、２２の何れかから出た光については、何れの半導体レーザー２１、２２であっても、回折素子１０を透過するとトラッキング用の３ビーム（０次光と±１次光）が発生する（図７には簡単のため０次光のみ記載）。その後、この３ビームの光は、コリメータレンズ３０、ビームスプリッタ４０、対物レンズ５０を透過し、光ディスクＤに集光される。
一方、光ディスクＤで反射した光は、対物レンズ５０を透過した後、ビームスプリッタ４０で反射され、光検出系６０に導かれる。

この実施例２の光ヘッド装置によれば、光ディスクＤとしてＣＤおよびＤＶＤを用いると、光検出系６０からは、ともに良好な再生特性の出力信号が得られる。また、このとき、ＣＤもＤＶＤもほぼ同じトラッキング信号レベルを得ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

本発明の回折素子は、回折効率の波長による回折効率変動を抑えることができる効果を有し、複屈折を有する光学異方性媒質と光学等方性媒質とが周期的に交互に配列し、光学異方性媒質の、光が透過する光軸方向と概ね垂直な面内の屈折率楕円の主軸方向とが、光軸方向のまわりにねじれ回転していることで、例えばＤＶＤ用、ＣＤ用の６５０ｎｍ、７８０ｎｍの光に対してほぼ同じ回折効率の回折素子を得ることができ、光ディスクなどの光記録媒体の記録および／または再生を行う回折素子を用いた光ヘッド装置などに有用である。

本発明の回折素子の一例を模式的に示す断面図。 本発明の回折素子の光学異方性媒質の厚さ方向での屈折率異方性の方向の一例を模式的に示す説明図。 本発明の回折素子での入射偏光方向と光学異方性媒質の光学軸の一例を模式的に示す説明図。 本発明の回折素子透過直後の光の偏光状態の一例を模式的に示す説明図。 （Ａ）は本発明の回折素子の回折効率の一例を示すグラフ、（Ｂ）は従来の回折素子の回折効率の一例を示すグラフ。 本発明の回折素子の回折効率のツイスト角との関係の一例を示すグラフ。 本発明の光ヘッド装置の一例を示す概略構成図。

符号の説明

１０ 回折素子
１１ 光学異方性媒質
１２ 光学等方性媒質
１３、１４ 基板
２０ 光源
２１、２２ 半導体レーザー
３０ コリメータレンズ
４０ ビームスプリッタ
５０ 対物レンズ
６０ 光検出系（光検出器）
Ａ 主軸（長軸）
Ｂ 光軸方向に平行な軸
Ｄ 光ディスク（光記録媒体）
Ｅ 屈折率楕円

Claims (9)

1. 複屈折を有する光学異方性媒質と光学等方性媒質とを周期的に交互に配列し入射する光を回折させる回折素子において、
   前記光学異方性媒質は、前記光が透過する光軸方向に垂直な面内若しくはこれに近い面内での屈折率楕円の主軸方向が、前記光軸方向に平行な軸の回りにねじれ回転していることを特徴とする回折素子。
2. 前記複屈折を有する光学異方性媒質は、液晶を高分子化した高分子液晶である請求項１の回折素子。
3. 前記光学異方性媒質を形成する材料は、屈折率楕円の短軸屈折率ｎ_oまたは長軸屈折率ｎ_eが前記光学等方性媒質の屈折率と等しいか若しくはこれに近い請求項１または２の回折素子。
4. 前記屈折率楕円の主軸方向のねじれ回転角は、１０度から９０度の範囲にある請求項１から３のいずれか１項の回折素子。
5. 光源から出射する２種類以上の波長の光を光記録媒体に集光し、その光記録媒体での反射光を光検出器で受光する光ヘッド装置において、
   前記２種類以上の波長の光が透過する光路中に前記請求項１から４のいずれかに記載の回折素子が配置してあることを特徴とする光ヘッド装置。
6. 前記回折素子の光学異方性媒質の、光が入射する側の面内の屈折率楕円の主軸方向は、前記光学異方性媒質を透過する光の光軸方向と垂直若しくはこれに近い角度であって、かつ、前記入射する光の偏光方向と一致若しくは近接している請求項５の光ヘッド装置。
7. 前記回折素子と透過光の偏光状態を変える位相板とが、一体化されている請求項５または６の光ヘッド装置。
8. 前記回折素子と偏光方向によって回折効率の異なる偏光回折素子とが一体化されている請求項５から７のいずれか１項記載の光ヘッド装置。
9. 回折素子の回折格子パターンの周期性の位相が、前記回折素子の本体内で変化している請求項５から８のいずれか１項記載の光ヘッド装置。

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