JP2006106726A - Polarized light diffracting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光回折素子及びそれを用いた光ヘッド装置に関するものである。 The present invention relates to a polarization diffraction element and an optical head device using the polarization diffraction element.
偏光回折素子は、多くの用途を有し、例えばCD(Compact Disk)やDVD(Digital Versataile Disk)等の光ディスク等の光記録媒体に光学的情報を記録再生を行う場合のホログラム偏光光学素子として活用されたり、また、光磁気ディスクヘッドの検光子として活用されている。 Polarization diffraction elements have many uses, and are used as hologram polarization optical elements for recording and reproducing optical information on optical recording media such as optical disks such as CD (Compact Disk) and DVD (Digital Versataile Disk). It is also used as an analyzer for magneto-optical disk heads.
従来の偏光回折素子は例えば液晶等の複屈折材を利用している。(例えば、特許文献1の従来技術の欄参照) Conventional polarization diffraction elements use birefringent materials such as liquid crystal. (For example, refer to the column of prior art in Patent Document 1)
光ディスクの偏光ビームスプリッタを例として、図4に従来の偏光回折素子の構成例を示す。偏光回折素子1は、レーザ等の光源(図示せず)からの光は通過させて光記録媒体2に照射するが、光記録媒体2からの反射光に対しては回折格子として機能する。このような機能を実現するために偏光回折素子1は、白板ガラス42の光記録媒体2側に1/4波長板12を設け、反対側に長尺形状の複屈折材411が一定間隔で配置され、当該複屈折材411を覆うように充填樹脂41が充填されている。
An example of the configuration of a conventional polarization diffraction element is shown in FIG. 4 taking a polarization beam splitter of an optical disk as an example. The
複屈折材411としては、例えば液晶、ポリカーボネイト、方解石、水晶、サファイヤ、雲母、LN(ニオブ酸リチウム)が用いられる。ここで、複屈折材411の長尺方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率をn2、複屈折材411の長尺方向に垂直方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率をn1とすれば、充填樹脂41の屈折率は、複屈折材411の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光に対する複屈折材の屈折率n1と同じn1としている。
As the
従って、光源からの光を複屈折材411の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光とすると、複屈折材411と充填樹脂41とは屈折率が同じであるため、回折格子として機能せず、回折光が発生しない。他方で、1/4波長板12によって複屈折材411の長尺方向に垂直な方向の振動方向を持つ偏光から複屈折材411の長尺の振動方向を持つ偏光へと変換された反射光に対しては、複屈折材411と充填樹脂41とは異なる屈折率となるため、回折格子として機能し、回折光を発生させる。
従来の偏光回折素子は、液晶等の複屈折材を用いているため、製造コストの上昇を招いていた。 Since the conventional polarization diffraction element uses a birefringent material such as liquid crystal, the manufacturing cost has been increased.
本発明は、低コストで製造可能な偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することを目的とする。さらに、高い光学特性を有する偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a polarization diffraction element and an optical head device that can be manufactured at low cost. It is another object of the present invention to provide a polarization diffraction element and an optical head device having high optical characteristics.
本発明にかかる偏光回折素子は、入射した偏光の波長λ以下のピッチの凹凸を有する偏光の振動方向によって屈折率が異なる構造性複屈折部を複数有し、当該構造性複屈折部は、互いに離間して設けられ、隣接する構造性複屈折部同士のピッチが前記波長λより大きい偏光回折素子であって、前記構造性複屈折部と隣接する構造性複屈折部の間を屈折率調整部と定義し、前記屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成する媒質とは異なる屈折率を有する屈折率調整部を有するものである。このような構成によれば、複屈折を生じさせる部分に液晶等の複屈折材を用いる必要がないため、製造コストを低下させることができる。さらに、屈折率調整部の材料を変更することにより容易に回折効率を調整できるため、高い光学特性を容易に実現できる。 The polarization diffraction element according to the present invention has a plurality of structural birefringent portions having different refractive indices depending on the vibration direction of polarized light having irregularities with a pitch of λ or less of incident polarized light, and the structural birefringent portions are mutually connected. A polarization diffractive element that is provided apart and has a pitch between adjacent structural birefringent portions larger than the wavelength λ, and a refractive index adjusting unit between the structural birefringent portion and the adjacent structural birefringent portion The refractive index adjustment unit includes a refractive index adjustment unit having a refractive index different from that of the medium constituting the structural birefringence unit. According to such a configuration, it is not necessary to use a birefringent material such as a liquid crystal in a portion that generates birefringence, and thus the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, since the diffraction efficiency can be easily adjusted by changing the material of the refractive index adjusting unit, high optical characteristics can be easily realized.
ここで、偏光回折素子は、前記構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光を透過させ、当該微細溝に垂直な偏光に対しては回折格子として機能することが好ましい。 Here, the polarization diffraction element transmits polarized light parallel to the fine groove formed by the unevenness provided in the structural birefringence portion, and functions as a diffraction grating for polarized light perpendicular to the fine groove. Is preferred.
前記屈折率調整部の屈折率は、前記構造性複屈折部を構成する媒質の最小の屈折率よりも高いことが望ましい。 The refractive index of the refractive index adjusting unit is preferably higher than the minimum refractive index of the medium constituting the structural birefringent unit.
さらに具体的には、前記屈折率調整部の屈折率は、構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光に対する当該構造性複屈折部の屈折率又は前記微細溝に垂直な偏光に対する当該複屈折率部の屈折率と略同じであるとよい。また、前記屈折率調整部の屈折率は、構造性複屈折部に設けられた凹凸により形成された微細溝に平行な偏光に対する当該構造性複屈折部の屈折率及び前記微細溝に垂直な偏光に対する当該複屈折率部の屈折率の双方と異なるようにすることも可能である。 More specifically, the refractive index of the refractive index adjusting portion is determined by the refractive index of the structural birefringent portion with respect to polarized light parallel to the microgroove formed by the unevenness provided in the structural birefringent portion or the fine groove. It is preferable that the refractive index of the birefringence portion is substantially the same with respect to the polarized light perpendicular to. Further, the refractive index of the refractive index adjusting unit is such that the refractive index of the structural birefringent portion with respect to the polarized light parallel to the fine groove formed by the unevenness provided in the structural birefringent portion and the polarized light perpendicular to the fine groove. It is also possible to make it different from both of the refractive indexes of the birefringence portion.
好適な実施の形態における屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成している媒質とは異なる屈折率を持つ樹脂により形成されている。特に、記屈折率調整部は、光硬化性樹脂により形成されることにより容易に製造することができる。
偏光回折素子を利用する光ヘッドにおいては、上記構成の偏光回折素子を備えていることが望ましい。
The refractive index adjusting unit in a preferred embodiment is formed of a resin having a refractive index different from that of the medium constituting the structural birefringent unit. In particular, the refractive index adjusting unit can be easily manufactured by being formed of a photocurable resin.
In an optical head using a polarization diffraction element, it is desirable to include the polarization diffraction element having the above configuration.
本発明によれば、低コストで製造可能な偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することができる。さらに本発明によれば、高い光学特性を有する偏光回折素子及び光ヘッド装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a polarization diffraction element and an optical head device that can be manufactured at low cost. Furthermore, according to the present invention, a polarization diffraction element and an optical head device having high optical characteristics can be provided.
発明の実施の形態1.
図1に本発明の実施の形態1にかかる偏光回折素子の断面模式図を示す。図1(a)は全体模式図、図1(b)は光源からの入射光について説明するための図、図1(c)は光記録媒体2において反射した光について説明するための図である。
FIG. 1 shows a schematic sectional view of a polarization diffraction element according to
偏光回折素子1は、偏光回折体11及び1/4波長板12を備えている。図1(a)に示されるように、偏光回折体11が光源側に、1/4波長板12が光記録媒体2側に設けられている。偏光回折体11と1/4波長板12は、部品の取り扱いや部品点数の点から図1(a)に示されるように、一体化していることが望ましいが、それらは分離されていてもよい。
The
偏光回折体11は、アクリル樹脂やシクロオレフィンポリマー樹脂等の透明性を有するプラスチック樹脂により形成されている。
The polarization
偏光回折体11の光源側の表面には、複数の凹凸からなる構造性複屈折部111が複数存在する。構造性複屈折部111における凹凸のピッチW3は通過する光の波長よりも小さくする。それによりTM偏光に対する屈折率とTE偏光に対する屈折率が異なる値を持ち、複屈折材と同等の性質を有することとなる。この実施の形態1における構造性複屈折部111の凹部112には、樹脂等が充填されておらず、空気が存在する。それぞれの構造性複屈折部111は、同じ幅W1を有し、同じ間隔W2で配置されている。隣接する構造性複屈折部同士のピッチ(図1におけるW1+W2)は、入射光の波長より大きい。
A plurality of structural
構造性複屈折部111における凹凸は、複数の互いに平行な溝として図1(a)の紙面に垂直な方向に延在している。即ち、構造性複屈折部111は、紙面に対して垂直な方向に長い長方形の凹溝が複数形成され、方向性に異方性を有する構造になっている。尚、この例では、凹凸の凹部には空気が位置することになるが、当該凹部に対して偏光回折体11と屈折率の異なる物質又は媒質を充填してもよい。
The unevenness in the structural
構造性複屈折部111の間には、屈折率調整部113が設けられている。この屈折率調整部113は、構造性複屈折部111を構成する媒質、つまり構造性複屈折部の凸部の媒質である樹脂と凹部に位置する空気の屈折率とは異なる屈折率を有する。当該屈折率調整部113は、熱硬化性ポリマー樹脂や、UV硬化性樹脂等の光硬化性ポリマー樹脂等により形成される。
A refractive
構造性複屈折部111の屈折率は、TM偏光に対してはn2、TE偏光に対してはn1(n1とn2は等しくない)である。また、屈折率調整部113の屈折率は、構造性複屈折部111のTE偏光に対する屈折率と同じn1である。なお、屈折率調整部113において用いられる材料を変更して屈折率を変えることによって各偏光に対する各次数回折光への回折効率を容易に調整することも可能である。
The refractive index of the structural
1/4波長板12は、光源から偏光回折体を通過した直線偏光を円偏光に変換して光記録媒体2に照射する、あるいは光記録媒体2で反射された円偏光を直線偏光へ変換して偏光回折体11に入射させる機能を有する。尚、1/4波長板12の代わりに5/4波長板を設けてもよい。
The
次に、図1(b)(c)を用いて、光の挙動について説明する。この例では、光源からの光はレーザ光であるため、既に直線偏光である。そして、当該直線偏光がTE偏光となるように位置調整がなされている。図1(b)に示されるように、TE偏光L1が偏光回折体11に入射したとき、構造性複屈折部111は、屈折率調整部113と同じ屈折率n1となる。このため、TE偏光L1はそのまま通過し、1/4波長板12に入射する。従って、この状態の偏光回折体11は、0次透過効率が高い。1/4波長板12に入射したTE偏光L1は、円偏光L2に変換されて光記録媒体2に対して出射する。
Next, the behavior of light will be described with reference to FIGS. In this example, since the light from the light source is laser light, it is already linearly polarized light. The position is adjusted so that the linearly polarized light becomes TE polarized light. As shown in FIG. 1B, when the TE polarized light L1 is incident on the polarization
光記録媒体2において反射した反射光L3は、円偏光である。この反射光L3は、再び1/4波長板12に入射する。図1(c)に示されるように、反射光L3は、1/4波長板12において直線偏光であるTM偏光L4に変換されて、偏光回折体11に入射する。
The reflected light L3 reflected from the
偏光回折体11の構造性複屈折部111は、TM偏光L4に対して屈折率調整部113とは異なる屈折率となるため、回折格子として機能する。
Since the
続いて、図2及び図3を用いて本発明の実施の形態1にかかる偏光回折素子の製造方法の一例について説明する。まず、パターニング工程を実行する(S101)。このパターニング工程では、まず、シリコン基板に対してレジストを塗布し、KrFステッパー装置によってパターン露光を行なう。次にエッチング工程を実行する(S102)。この例では、D−RIE(Deep Reactive Ion Etching)によりエッチングを行なう。その後、レジスト上にスパッタ等により導電膜を形成した後、電解メッキにより金型、即ちメッキスタンパを形成する(S103)。スタンパはいわゆる反転型であり、その一面には偏光回折体11を構成するための形状が形成されている。好適な実施の形態では、1つのスタンパには、複数の偏光回折体11に対応した形状が形成されている。スタンパは例えばNi、Cu、Auにより形成される。
Next, an example of a method for manufacturing the polarization diffraction element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, a patterning process is performed (S101). In this patterning step, first, a resist is applied to the silicon substrate, and pattern exposure is performed by a KrF stepper device. Next, an etching process is performed (S102). In this example, etching is performed by D-RIE (Deep Reactive Ion Etching). Thereafter, a conductive film is formed on the resist by sputtering or the like, and then a die, that is, a plating stamper is formed by electrolytic plating (S103). The stamper is a so-called inversion type, and a shape for forming the polarization
このようにして製造されたスタンパを用いて樹脂成型を行なう(S104)。このとき、2P法やナノプリンティングにより樹脂を所定形状に加工してもよい。図3(a)に樹脂成型により形成された偏光回折体11の断面図を示す。この段階の偏光回折体11の上面には、構造性複屈折部111となる凹凸や屈折率調整部113が形成される凹部は形成されているが、その中には何も充填されていない。
Resin molding is performed using the stamper thus manufactured (S104). At this time, the resin may be processed into a predetermined shape by the 2P method or nanoprinting. FIG. 3A shows a cross-sectional view of the polarization
次に、レジン塗布を行なう(S105)。図3(b)にレジン塗布後の様子を示す。この例では、レジンとしてUV硬化性樹脂115が塗布されている。そして、露光・現像工程を行う(S106)。露光は、構造性複屈折部111を遮光し、屈折率調整部113を露光するマスクを配置した状態で紫外線光を照射することにより行なわれる(図3(c))。これにより、屈折率調整部113にあるUV硬化性樹脂115は硬化し、さらに、現像により、構造性複屈折部111の凹部に充填された未硬化のUV硬化性樹脂115を除去する。
Next, resin coating is performed (S105). FIG. 3B shows a state after the resin is applied. In this example, a UV
その後、ダイシング工程(S107)によって、複数の偏光回折体11に分離する。
Then, it isolate | separates into the several polarization | polarized-
以上説明したように、本発明の実施の形態1にかかる偏光回折素子は、液晶等の高価な複屈折材料を用いることなく偏光回折素子を形成したため、極めて安価に製造することが可能である。 As described above, since the polarization diffraction element according to the first embodiment of the present invention is formed without using an expensive birefringent material such as liquid crystal, it can be manufactured at a very low cost.
その他の実施の形態.
上述の例では、1/4波長板を用いたが、これに限らず、回折格子素子の光記録媒体側の面に通過する光の波長より小さいピッチの凹凸の微細溝を設けて、同様の機能を達成するようにしてもよい。
Other embodiments.
In the above example, the quarter-wave plate is used. However, the present invention is not limited to this, and a concave and convex fine groove having a pitch smaller than the wavelength of light passing through the surface on the optical recording medium side of the diffraction grating element is provided. You may make it achieve a function.
この実施例にかかる偏光回折素子は、図1に示す構造を有する。偏光回折体11は、屈折率が1.60のNTT−AT社製の紫外線硬化樹脂である光導波路用アクリル樹脂を用いて製造した。屈折率調整部113には屈折率が1.38の紫外線硬化性樹脂である、フッ素系樹脂(JSR株式会社製Opstar)を用いている。構造性複屈折部111の凹部112には何も充填されていないため、屈折率は空気の1である。
The polarization diffraction element according to this example has the structure shown in FIG. The polarization
構造性複屈折部111の凹部112の幅は195nm、凹部112の深さ及び屈折率調整部113の深さは2794nmである。構造性複屈折部111における凹凸のピッチW3は390nmであり、入射光の波長780nmよりも短く、半分の長さを有する。構造性複屈折部111の凸部の幅は、195nmである。この場合の構造性複屈折部111の屈折率は、TE偏光に対しては1.38、TM偏光に対しては1.24である。
The width of the
このような構成の場合には、TE偏光に対しては回折が起きず、TM偏光に対しては略全ての光を回折可能にできる。薄膜近似を用いたスカラー回折理論を利用し計算した結果によれば、回折が起こらず透過した光である0次回折光に関しては、TE偏光に対しては99%以上、TM偏光に対しては0.1%未満の回折効率を有することが導かれた。また、+1次回折光に関しては、TE偏光に対しては0.1%未満、TM偏光に対しては40%程度の回折効率を有することが導かれた。 In such a configuration, diffraction does not occur with respect to TE polarized light, and almost all light can be diffracted with respect to TM polarized light. According to the result calculated using the scalar diffraction theory using the thin film approximation, the 0th-order diffracted light that is transmitted without being diffracted is 99% or more for TE polarized light and 0 for TM polarized light. It was derived to have a diffraction efficiency of less than 1%. Further, regarding the + 1st order diffracted light, it was derived that it has a diffraction efficiency of less than 0.1% for TE polarized light and about 40% for TM polarized light.
1 偏光回折素子
2 光記録媒体
11 偏光回折体
12 1/4波長板
41 充填樹脂
42 白板ガラス
111 構造性複屈折部
112 凹部
113 屈折率調整部
115 硬化性樹脂
411 複屈折材
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記構造性複屈折部と隣接する構造性複屈折部の間を屈折率調整部と定義し、前記屈折率調整部は、前記構造性複屈折部を構成している媒質とは異なる屈折率を有したことを特徴とする偏光回折素子。 There are a plurality of structural birefringent portions having different refractive indexes depending on the vibration direction of polarized light having irregularities with a pitch of λ or less of incident polarized light, and the structural birefringent portions are provided apart from each other and adjacent structures A polarization diffraction element in which the pitch between the characteristic birefringence portions is larger than the wavelength λ,
Between the structural birefringent part and the adjacent structural birefringent part is defined as a refractive index adjusting part, and the refractive index adjusting part has a refractive index different from that of the medium constituting the structural birefringent part. A polarization diffraction element characterized by having.
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