JP2006134504A - Polarized beam splitting element and its manufacturing method, optical head unit, and optical disk drive - Google Patents

Polarized beam splitting element and its manufacturing method, optical head unit, and optical disk drive Download PDF

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Masanori Kobayashi
正典 小林
Kazuya Miyagaki
一也 宮垣
Hiroyuki Sugimoto
浩之 杉本
Hiroyoshi Funato
広義 船戸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a polarized beam splitting element which can obtain a large diffraction angle even for short-wavelength light, has large diffraction efficiency and superior polarized beam selectivity, has good temperature characteristics of diffraction efficiency and small incidence angle dependency, and also has high efficiency against divergent light and temperature variation. <P>SOLUTION: The polarized beam splitting element 1 which has a cyclic structure comprising an optical anisotropic (birefringent) area 4 and an optical isotropic area 5 and is a refractive index modulation type to diffract incident light is characterized in that f(d)≤¾Δn<SB>H</SB>¾≤1.3×f(d) and f(d)=(λ/d)√(-cos2ϕ), where (d) is the film thickness of the cyclic structure, ϕ is the tilt of a grating in the element, and Δn<SB>H</SB>is a refractive index modulation quantity generated with the refractive index of the optical anisotropic (birefringent) area 4 to incident light having a specified polarizing direction and the refractive index of the optical istropic area 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、入射光の偏光方向によって素子を透過または回折させる機能を有する偏光分離素子に関し、特に光ヘッド装置(光ピックアップ装置)等に用いる偏光選択性の偏光分離素子(偏光回折素子、偏光ホログラム素子等)及びその製造方法に関するものであり、さらには、その偏光分離素子を用いた光ヘッド装置及び、その光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置に関する。   The present invention relates to a polarization separation element having a function of transmitting or diffracting an element depending on the polarization direction of incident light, and in particular, a polarization-selective polarization separation element (polarization diffraction element, polarization hologram) used in an optical head device (optical pickup device) or the like. And an optical head device using the polarization splitting device, and an optical disk drive device mounted with the optical head device.

従来、光ヘッド装置(光ピックアップ装置と言う場合もある)等に用いる偏光選択性の偏光分離素子(偏光回折素子、偏光ホログラム素子等)としては、以下のような従来技術がある。
(1)特許文献1(特許第3299384号公報(特開平7−287117号公報))には、光学異方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に屈折率を規定した材料を充填した偏光ビームスプリッターが開示されている。
(2)特許文献2(特許第550905号公報(特開平10−92004号公報))には、等方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に光学異方性の材料を充填した光学異方性回折素子が開示されている。
(3)特許文献3(特開平10−74333号公報)には、光重合性液晶を、周期的な透明電極パターンを有する透光性基板で狭持した液晶セルを用い、透明電極パターンに電圧を印加することで液晶を周期的に垂直配向させて光重合させるとともに、非電圧印加部は水平配向の状態で光重合させることで、水平配向領域と垂直配向領域の周期構造を形成した光学異方性回折素子が開示されている。
(4)特許文献4(特開平11−271536号公報)には、上述のような光重合性液晶を用い、水平配向させた状態で干渉露光等の方法で露光を行い、露光部の液晶を周期的に重合固化させた後に未露光部に外場を印加させ垂直配向させた状態で反応固化するホログラム素子が開示されている。
(5)特許文献5(特開2000−221465号公報)には、液晶と高分子を含む光学媒体を液晶のN−I点に対応した特定の温度範囲に制御して二光束干渉露光を行うことで、液晶が微細な周期構造に対し一様な方向に配向する構造を有する回折光学素子が開示されている。
(6)特許文献6(特開2003−270419号公報)には、回折効率が極小値をとる素子温度が25℃〜70℃以下の範囲にあり、素子は屈折率異方性および屈折率の温度依存性がそれぞれ異なる領域が交互に配列された構造を有する回折光学素子が開示されている。
Conventionally, as a polarization-selective polarization separation element (polarization diffraction element, polarization hologram element, etc.) used for an optical head device (sometimes referred to as an optical pickup device), there are the following conventional techniques.
(1) In Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3299384 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-287117)), a diffraction grating shape is formed on an optically anisotropic substrate, and a refractive index is defined in a groove portion of this diffraction grating shape. A polarizing beam splitter filled with the prepared material is disclosed.
(2) In Patent Document 2 (Japanese Patent No. 550905 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-92004)), a diffraction grating shape is formed on an isotropic substrate, and an optical anisotropy is formed in the groove of the diffraction grating shape. An optically anisotropic diffraction element filled with a material is disclosed.
(3) Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-74333) uses a liquid crystal cell in which a photopolymerizable liquid crystal is sandwiched by a translucent substrate having a periodic transparent electrode pattern, and a voltage is applied to the transparent electrode pattern. The liquid crystal is periodically vertically aligned to apply photopolymerization, and the non-voltage application unit is photopolymerized in a horizontal alignment state, thereby forming an optical structure having a periodic structure of horizontal alignment regions and vertical alignment regions. An isotropic diffractive element is disclosed.
(4) In Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-271536), the photopolymerizable liquid crystal as described above is used, and exposure is performed by a method such as interference exposure in a horizontally aligned state. There is disclosed a hologram element that is periodically solidified by polymerization and then solidified by reaction in a state in which an external field is applied to an unexposed portion and vertically aligned.
(5) In Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221465), two-beam interference exposure is performed by controlling an optical medium including liquid crystal and polymer within a specific temperature range corresponding to the NI point of the liquid crystal. Thus, a diffractive optical element having a structure in which liquid crystal is aligned in a uniform direction with respect to a fine periodic structure is disclosed.
(6) In Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-270419), the element temperature at which the diffraction efficiency takes a minimum value is in the range of 25 ° C. to 70 ° C., and the element has a refractive index anisotropy and a refractive index. A diffractive optical element having a structure in which regions having different temperature dependencies are alternately arranged is disclosed.

特許第3299384号公報(特開平7−287117号公報)Japanese Patent No. 3299384 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-287117) 特許第550905号公報(特開平10−92004号公報)Japanese Patent No. 550905 (JP-A-10-92004) 特開平10−74333号公報JP 10-74333 A 特開平11−271536号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-271536 特開2000−221465号公報JP 2000-212465 A 特開2003−270419号公報JP 2003-270419 A BellSyst. Tech. J.,48, 1969,P2909-2947BellSyst. Tech. J., 48, 1969, P2909-2947

近年、光ディスクドライブ装置等に搭載される光ヘッド装置(光ピックアップ装置)の小型化のために、光源であるレーザーダイオード(LD)と光検出器(フォトディテクター)を近接して配置し、偏光分離素子(例えば偏光選択性ホログラム素子)を用いて光源からの出射光は回折せずに効率良くディスク面に集光し、ディスク面で反射された後に偏光面が90度回転して戻ってきた光のみを回折させて効率良く光検出器の受光素子内に導く方式が提案されている。また、光ディスクドライブ装置は高密度化のために光源の短波長化が進展している。上記のホログラム素子を用いた場合、回折角は波長に依存するため、小型のレイアウトを実現するために必要な回折角を得るためには、より短いピッチの回折格子が必要とされている。一方、光源の短波長化に伴い、光検出器の受光素子の感度が低下するため、光学系の高効率化が必要とされている。さらに、書き込みや読み込み速度を向上させるためにも光学系の効率向上が求められており、このような光学系の特性は装置内の温度変化や周囲環境変化によっても高い効率を維持することが重要とされている。すなわち、偏光選択性ホログラム素子としては短いピッチで高い回折効率と良好な偏光選択性、さらに温度依存性が低いものが求められている。   In recent years, in order to reduce the size of an optical head device (optical pickup device) mounted on an optical disk drive device or the like, a laser diode (LD) as a light source and a photodetector (photodetector) are arranged close to each other to separate the polarization. Light emitted from the light source using an element (for example, a polarization selective hologram element) is efficiently condensed on the disk surface without being diffracted, and is reflected by the disk surface and then returned after the polarization plane has been rotated 90 degrees. A method has been proposed in which only the light is diffracted and efficiently guided into the light receiving element of the photodetector. In addition, in the optical disk drive device, the wavelength of the light source has been shortened to increase the density. When the hologram element described above is used, the diffraction angle depends on the wavelength. Therefore, in order to obtain a diffraction angle necessary for realizing a small layout, a diffraction grating having a shorter pitch is required. On the other hand, as the wavelength of the light source is shortened, the sensitivity of the light receiving element of the photodetector is lowered, so that the efficiency of the optical system must be increased. In addition, there is a need to improve the efficiency of the optical system in order to improve the writing and reading speed, and it is important to maintain the high efficiency of the characteristics of such an optical system even when the temperature in the device and the surrounding environment change. It is said that. That is, there is a demand for a polarization selective hologram element that has a high diffraction efficiency, a good polarization selectivity, and a low temperature dependency at a short pitch.

それに対して、特許文献1や特許文献2に記載の従来例は、ドライエッチング等の方法で回折格子形状を形成する必要がある。このような構造において、高い回折効率を得るためには溝形状の深さをより深くする必要があり、加工上の困難を伴う。また、深い溝形状に均一に材料を充填することが困難であるという問題もある。特許文献3に記載の従来例では、格子のピッチは透明電極のピッチで決まるが、電極の微細化の制約とともに、回折効率を高くするために厚膜化すると電極のピッチよりも膜厚が厚くなり、隣接電極の影響によって液晶層に所望の電界がかけられなくなるという問題がある。また、短いピッチでは、垂直配向領域の配向が隣接する水平配向領域に影響を及ぼし、所望の配向分布が得られないと言う問題がある。また、特許文献4に記載の従来例では露光のピッチを微細化することは可能であるが、反応活性種の熱拡散のために露光通りの短いピッチを形成することが困難であるという問題がある。さらに特許文献5に記載の従来例では、ポリマーと液晶の相分離を利用して短いピッチの周期構造を比較的容易に形成できるが、液晶相部分の複屈折性を十分に利用することは難しく、良好な偏光選択性、短波長における良好な透過性を得ることは難しい。   On the other hand, in the conventional examples described in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is necessary to form a diffraction grating shape by a method such as dry etching. In such a structure, in order to obtain high diffraction efficiency, it is necessary to increase the depth of the groove shape, which is accompanied by processing difficulties. There is also a problem that it is difficult to uniformly fill the deep groove shape with the material. In the conventional example described in Patent Document 3, the pitch of the grating is determined by the pitch of the transparent electrode. However, along with restrictions on miniaturization of the electrode, if the film is thickened to increase the diffraction efficiency, the film thickness becomes thicker than the pitch of the electrode. Therefore, there is a problem that a desired electric field cannot be applied to the liquid crystal layer due to the influence of the adjacent electrode. Further, when the pitch is short, there is a problem that the alignment of the vertical alignment region affects the adjacent horizontal alignment region, and a desired alignment distribution cannot be obtained. Further, in the conventional example described in Patent Document 4, it is possible to reduce the exposure pitch, but there is a problem that it is difficult to form a short pitch as exposed due to thermal diffusion of the reactive species. is there. Furthermore, in the conventional example described in Patent Document 5, a periodic structure with a short pitch can be formed relatively easily by utilizing the phase separation between the polymer and the liquid crystal, but it is difficult to fully utilize the birefringence of the liquid crystal phase portion. It is difficult to obtain good polarization selectivity and good transmittance at a short wavelength.

次に温度依存性に関して、特許文献1,3,4に記載の従来例では、格子の光学異方性領域として高分子膜や光硬化型液晶を用いているため、素子の特性としては比較的温度依存性は小さいが、前述したように複屈折性が小さく厚膜化の課題がある。これに対し複屈折性が比較的大きい特許文献2や特許文献5に記載の従来例では、非硬化型の液晶を用いるため温度依存性が大きくなり、光ピックアップ装置やプロジェクタなどの温度変化が大きい装置に組み込んだ場合、使用条件によっては高い回折効率を維持することは難しい。そこで、特許文献6に記載の従来例のように、温度依存性の異なる材料を用いて、温度依存性の異なる格子領域を形成し、素子の特性として温度依存性を小さくすることが提案されているが、素子の内部における短いピッチの格子領域では、選定した材料単体時の温度依存性とは若干異なる場合があり整合をとることが難しい。また、このような複屈折性と温度依存性を両立させる材料選定は制限が多いため実現することは難しい。   Next, regarding the temperature dependence, in the conventional examples described in Patent Documents 1, 3, and 4, since a polymer film or a photocurable liquid crystal is used as the optical anisotropy region of the lattice, the element characteristics are relatively Although the temperature dependency is small, as described above, the birefringence is small and there is a problem of increasing the film thickness. On the other hand, in the conventional examples described in Patent Document 2 and Patent Document 5 having relatively large birefringence, the temperature dependence is large because non-curable liquid crystal is used, and the temperature change of the optical pickup device or the projector is large. When incorporated in an apparatus, it is difficult to maintain high diffraction efficiency depending on the use conditions. Therefore, as in the conventional example described in Patent Document 6, it has been proposed to form a lattice region having different temperature dependence by using materials having different temperature dependence and to reduce the temperature dependence as the element characteristics. However, in the lattice area with a short pitch inside the element, the temperature dependence of the selected material alone may be slightly different and it is difficult to achieve matching. In addition, it is difficult to realize a material selection that achieves both birefringence and temperature dependency because there are many restrictions.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、青色等の短波長光においても大きな回折角度が得られ、大きな回折効率と優れた偏光選択性を有し、回折効率の温度特性が良く、入射角度依存性が小さく、発散光および温度変化に対しても高効率の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を提供することを目的とする。また、本発明は、その偏光分離素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、その偏光分離素子を用いた光ディスク用(または光磁気ディスク用)の小型な光ヘッド装置(光ピックアップ装置)を提供することを目的とする。さらに本発明は、その光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can obtain a large diffraction angle even in short-wavelength light such as blue, has a large diffraction efficiency and excellent polarization selectivity, has a good temperature characteristic of the diffraction efficiency, and is incident. An object of the present invention is to provide a polarization separation element (polarization selective hologram element) that has a small angle dependency and is highly efficient against diverging light and temperature changes. Moreover, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the polarization splitting element. Another object of the present invention is to provide a small optical head device (optical pickup device) for an optical disk (or a magneto-optical disk) using the polarization separation element. A further object of the present invention is to provide an optical disk drive device equipped with the optical head device.

上記目的を達成するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第1の手段は、光学的異方性または複屈折性を示す領域と光学的等方性を示す領域からなる周期的な構造(以下、周期構造と言う)を有し、入射光を回折させる屈折率変調型の偏光分離素子において、入射波長をλ、前記周期構造の膜厚をd、素子内部の格子の傾きをφ(但し、φは格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準(0°)として45°<φ<135°の関係にあるものとする)としたとき、特定の偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性または複屈折性を示す領域の屈折率と、前記光学的等方性を示す領域の屈折率とにより生成される屈折率変調量Δnが、
f(d)≦|Δn|≦1.3・f(d)
f(d)=(λ/d)√(-cos2φ)
の関係にあることを特徴とする(請求項1)。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
The first means of the present invention has a periodic structure (hereinafter referred to as a periodic structure) composed of a region exhibiting optical anisotropy or birefringence and a region exhibiting optical isotropy, and incident light. In the refractive index modulation type polarization separation element that diffracts λ, the incident wavelength is λ, the film thickness of the periodic structure is d, the inclination of the grating inside the element is φ (where φ is a vector perpendicular to the grating periodic structure, The optical anisotropy or birefringence with respect to incident light in a specific polarization direction is shown when the periodic structure arrangement surface is set as a reference (0 °) and 45 ° <φ <135 °. The refractive index modulation amount Δn H generated by the refractive index of the region and the refractive index of the region exhibiting optical isotropy is expressed as follows:
f (d) ≦ | Δn H | ≦ 1.3 · f (d)
f (d) = (λ / d) √ (−cos2φ)
(Claim 1).

本発明の第2の手段は、第1の手段の偏光分離素子において、前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と、前記光学的等方性領域とにより生成される屈折率変調量Δnが、
|Δn|≦0.065・f(d)
の関係にあることを特徴とする(請求項2)。
According to a second means of the present invention, in the polarization separation element of the first means, the region showing the optical anisotropy or birefringence with respect to incident light in a polarization direction orthogonal to the specific polarization direction, and the optical The refractive index modulation amount Δn H generated by the isotropic region is
| Δn H | ≦ 0.065 · f (d)
(Claim 2).

本発明の第3の手段は、第1または第2の手段の偏光分離素子において、前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と、前記光学的等方性領域の少なくとも一方の領域に、非重合性液晶あるいは重合性液晶を含むことを特徴とする(請求項3)。
また、本発明の第4の手段は、第1乃至第3のいずれか一つの手段の偏光分離素子において、前記特定の偏光方向が、前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と前記光学的等方性領域の境界に対して直交していることを特徴とする(請求項4)。
According to a third means of the present invention, in the polarization separation element of the first or second means, at least one region of the optical anisotropy or birefringence region and the optically isotropic region is provided. And a non-polymerizable liquid crystal or a polymerizable liquid crystal.
According to a fourth means of the present invention, in the polarization separation element of any one of the first to third means, the specific polarization direction has the region exhibiting the optical anisotropy or birefringence, and the It is orthogonal to the boundary of the optically isotropic region (claim 4).

本発明の第5の手段は、第1乃至第4のいずれか一つの手段の偏光分離素子を作製する偏光分離素子の製造方法であって、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、スペーサー部材により基板間隔を制御された一対の透明基板間に注入する工程と、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程とを有することを特徴とする(請求項5)。   A fifth means of the present invention is a method of manufacturing a polarization separation element for producing the polarization separation element according to any one of the first to fourth means, comprising a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or a prepolymer, A layer mainly composed of a polymer by injecting a composition comprising a photopolymerization initiator between a pair of transparent substrates, the distance between which is controlled by a spacer member, and two-beam interference exposure of the composition. And a step of forming a periodic phase separation structure with a layer mainly composed of non-polymerizable liquid crystal (claim 5).

本発明の第6の手段は、第5の手段の偏光分離素子の製造方法において、前記組成物中の非重合性液晶材料は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量:100重量部に対して、15重量部〜500重量部の割合で使用することを特徴とする(請求項6)。
また、本発明の第7の手段は、第5または第6の手段の偏光分離素子の製造方法において、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることを特徴とする(請求項7)。
さらに本発明の第8の手段は、第5乃至第7のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記光重合開始剤の添加量は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの全量に対して0.1重量%以上、10重量%以下であることを特徴とする(請求項8)。
According to a sixth means of the present invention, in the method for producing a polarized light separating element according to the fifth means, the non-polymerizable liquid crystal material in the composition is based on the total amount of the polymerizable monomer or prepolymer: 100 parts by weight. And used at a ratio of 15 parts by weight to 500 parts by weight (claim 6).
The seventh means of the present invention is characterized in that, in the method for producing a polarization separation element of the fifth or sixth means, the polymerizable monomer or prepolymer is one having a large curing shrinkage due to polymerization. (Claim 7).
Further, according to an eighth means of the present invention, in the method for manufacturing a polarization separation element according to any one of the fifth to seventh means, the amount of the photopolymerization initiator added is the total amount of the polymerizable monomer or prepolymer. On the other hand, it is 0.1 to 10% by weight (claim 8).

本発明の第9の手段は、第5乃至第8のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記組成物の膜厚は、前記一対の基板間に介在されるスペーサー部材の高さで制御し、該スペーサー部材の高さは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて前記組成物の膜厚が所定の厚みになるように設定することを特徴とする(請求項9)。
また、本発明の第10の手段は、第5乃至第9のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光及び相分離過程においては、前記組成物を保持する基板を40℃〜100℃の範囲の温度に加熱保持しておくことを特徴とする(請求項10)。
According to a ninth means of the present invention, in the method for manufacturing a polarization separating element according to any one of the fifth to eighth means, the film thickness of the composition is set to a height of a spacer member interposed between the pair of substrates. The height of the spacer member is set so that the film thickness of the composition becomes a predetermined thickness according to the wavelength of diffracted light and the refractive index difference between the polymer part and the liquid crystal part of the periodic structure. (Claim 9).
According to a tenth means of the present invention, in the method for manufacturing a polarization separation element according to any one of the fifth to ninth means, the substrate holding the composition in the two-beam interference exposure and the phase separation process. Is kept heated to a temperature in the range of 40 ° C. to 100 ° C. (Claim 10).

本発明の第11の手段は、第5乃至第10のいずれか一つの手段に記載の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光に用いる光源の波長は、短波長(例えば514nm以下)であることを特徴とする(請求項11)。
また、本発明の第12の手段は、第5乃至第11のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光時の露光量は、0.5J/cm〜30J/cmの範囲で設定することを特徴とする(請求項12)。
The eleventh means of the present invention is the method of manufacturing a polarization beam splitting element according to any one of the fifth to tenth means, wherein the wavelength of the light source used for the two-beam interference exposure is a short wavelength (for example, 514 nm or less). (Claim 11).
According to a twelfth means of the present invention, in the method of manufacturing a polarization separation element according to any one of the fifth to eleventh means, the exposure amount during the two- beam interference exposure is 0.5 J / cm 2 to 30 J. It is set in the range of / cm 2 (claim 12).

本発明の第13の手段は、光源からの光を記録媒体に集光し、該記録媒体からの反射光を光検出器で検出して情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ヘッド装置において、前記記録媒体から前記光検出器に至る光路中に、前記記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子を備え、該光学素子が第1乃至第4のいずれか一つの手段に記載の偏光分離素子であることを特徴とする(請求項13)。
また、本発明の第14の手段は、第13の手段の光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことを特徴とする(請求項14)。
The thirteenth means of the present invention is an optical head for condensing light from a light source on a recording medium and detecting reflected light from the recording medium with a photodetector to record or reproduce information, or record and reproduce information. In the apparatus, an optical element that deflects reflected light from the recording medium toward the photodetector is provided in an optical path from the recording medium to the photodetector, and the optical element is any one of the first to fourth optical elements. It is a polarization separation element according to one means (claim 13).
According to a fourteenth means of the present invention, in the optical head device of the thirteenth means, the light source and the photodetector are housed in one case, and the polarization separation element is provided at the light output / incident part of the case. Are integrated (claim 14).

本発明の第15の手段は、記録媒体に対して光ヘッド装置を用いて情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ディスクドライブ装置において、前記光ヘッド装置として、第13または第14の手段の光ヘッド装置を搭載したことを特徴とする(請求項15)。   According to a fifteenth means of the present invention, in an optical disc drive apparatus for recording or reproducing information or recording and reproducing information on a recording medium using an optical head device, the thirteenth or fourteenth means is used as the optical head device. This optical head device is mounted (claim 15).

第1の手段の偏光分離素子では、前記屈折率変調量Δnを前記の式の範囲に設定することにより、許容回折効率における屈折率変調量の変化範囲を広くすることができる。そのため温度による屈折率変調量の変化、すなわち温度による回折効率の低下を抑制することができ、回折効率の温度特性がよい偏光分離素子を得ることができる。 In the polarization separation element of the first means, the range of change of the refractive index modulation amount in the allowable diffraction efficiency can be widened by setting the refractive index modulation amount Δn H to the range of the above equation. Therefore, a change in the refractive index modulation amount due to temperature, that is, a decrease in diffraction efficiency due to temperature can be suppressed, and a polarization separation element with good temperature characteristics of diffraction efficiency can be obtained.

第2の手段の偏光分離素子では、前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の入射光に対して、前記偏光分離素子の屈折率変調量Δnを前記の式の範囲に設定することで、得られる回折効率は1%以下となる。したがって良好な偏光選択性を得ることができる。
また、第3の手段の偏光分離素子では、光学的異方性または複屈折性を示す領域あるいは光学等方性を示す領域に表示装置などに汎用されている液晶を含んでいる。そのため製造面において低コストで量産性がよい。また、液晶の光学的異方性(または複屈折性)は大きいため、回折効率を比較的容易に向上させることができる。
さらに第4の手段の偏光分離素子では、前記特定の偏光方向が前記光学的異方性(または複屈折性)領域と前記光学的等方性領域の境界に対して直交しているため、前記偏光分離素子の複屈折を最大限利用することができる。そのため、膜厚および屈折率変調量を最適化することで、高回折効率で偏光選択性のよい偏光分離素子を得ることができる。
In the polarization separation element of the second means, by setting the refractive index modulation amount Δn H of the polarization separation element in the range of the above formula for the incident light in the polarization direction orthogonal to the specific polarization direction, The resulting diffraction efficiency is 1% or less. Therefore, good polarization selectivity can be obtained.
Further, the polarization separation element of the third means includes a liquid crystal generally used for a display device or the like in a region showing optical anisotropy or birefringence or a region showing optical isotropy. Therefore, in terms of manufacturing, mass production is good at low cost. Further, since the optical anisotropy (or birefringence) of the liquid crystal is large, the diffraction efficiency can be improved relatively easily.
Furthermore, in the polarization separation element of the fourth means, the specific polarization direction is orthogonal to the boundary between the optically anisotropic (or birefringent) region and the optically isotropic region, The birefringence of the polarization separation element can be utilized to the maximum. Therefore, by optimizing the film thickness and the refractive index modulation amount, a polarization separation element with high diffraction efficiency and good polarization selectivity can be obtained.

本発明の第5〜第12の手段の製造方法によれば、第1〜第4の手段の高い回折効率、良好な偏光選択性を有する偏光分離素子を作製することができる。   According to the manufacturing methods of the fifth to twelfth means of the present invention, it is possible to produce a polarization separation element having high diffraction efficiency and good polarization selectivity of the first to fourth means.

本発明の第13の手段によれば、記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子として、第1〜第6のいずれか一つの手段による高回折効率で偏光選択性のよい偏光分離素子を用いるので、光源から出射した光の往路ではほとんど回折せずに効率よく記録媒体に集光し、記録媒体からの反射光の復路(偏光面は90°回転)では大きな回折効率で情報を光検出器へと回折させることができる。そのため、小型で光利用効率の高い光ヘッド装置を実現することができる。
また、本発明の第14の手段によれば、前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことにより、組付けや調整が容易な光ヘッド装置を実現することができる。
According to the thirteenth means of the present invention, as an optical element for deflecting the reflected light from the recording medium toward the photodetector, the polarization selectivity is high with high diffraction efficiency by any one of the first to sixth means. Since a good polarization separation element is used, the light emitted from the light source concentrates on the recording medium efficiently without being diffracted, and has a large diffraction efficiency on the return path of the reflected light from the recording medium (the polarization plane is rotated by 90 °). Can diffract the information into a photodetector. Therefore, it is possible to realize a small-sized optical head device with high light utilization efficiency.
According to the fourteenth means of the present invention, the light source and the photodetector are housed in one case, and the polarization separating element is integrated with the light output / incident part of the case. An optical head device that can be easily attached and adjusted can be realized.

本発明の第15の手段によれば、第13または第14の手段の小型で光利用効率の高い光ヘッド装置を搭載しているので、光利用効率が高く、コンパクトな光ディスクドライブ装置を実現することができる。   According to the fifteenth means of the present invention, since the optical head device having the small and high light utilization efficiency of the thirteenth or fourteenth means is mounted, a compact optical disk drive device with high light utilization efficiency is realized. be able to.

以下、本発明の構成・動作及び作用について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明に係る偏光分離素子の断面構成の概略を示す図である。この偏光分離素子1は、光学的異方性(複屈折性)を示す領域4と光学的等方性を示す領域5からなる周期的な構造(周期構造)を有し、その周期構造は、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を一対の透明基板2,3間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層(光学的等方性領域)5と、主に非重合性液晶から成る層(光学的異方性(複屈折性)領域)4との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散液晶型の偏光分離素子である。この偏光分離素子1の機能動作としては、例えば図2(a)に示すように、偏光分離素子1へ入射する偏光方向がS偏光(ここでは紙面垂直方向である格子稜線方向とする)であり、光学的等方性領域5の屈折率nと光学的異方性(複屈折性)領域4の一方の屈折率noがn=noのとき、光はそのまま透過する。また、図2(b)に示すように、入射する偏光方向がP偏光(ここでは紙面左右方向である格子アレイ方向とする)であり、光学的等方性領域5の屈折率nと光学的異方性(複屈折性)領域4のもう一方の屈折率neがn≠neのとき、光は回折する。このように入射光の偏光方向により、透過と回折の選択がなされる機能を有する。
Hereinafter, the configuration, operation, and action of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a cross-sectional configuration of a polarization beam splitting element according to the present invention. This polarization separation element 1 has a periodic structure (periodic structure) composed of a region 4 exhibiting optical anisotropy (birefringence) and a region 5 exhibiting optical isotropy. By mainly holding a composition comprising a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or prepolymer, and a photopolymerization initiator between a pair of transparent substrates 2 and 3 and subjecting the composition to two-beam interference exposure, Polymer in which a periodic phase separation structure of a layer (optically isotropic region) 5 made of a polymer and a layer (optically anisotropic (birefringent) region) 4 mainly made of a non-polymerizable liquid crystal is formed It is a dispersion liquid crystal type polarization separation element. As a functional operation of the polarization separation element 1, for example, as shown in FIG. 2 (a), the polarization direction incident on the polarization separation element 1 is S-polarized light (here, the lattice ridge direction which is the direction perpendicular to the paper surface). When the refractive index n of the optically isotropic region 5 and one refractive index no of the optically anisotropic (birefringent) region 4 are n = no, the light is transmitted as it is. Further, as shown in FIG. 2B, the incident polarization direction is P-polarized light (here, the grating array direction which is the left-right direction on the paper surface), and the refractive index n of the optically isotropic region 5 and the optical When the other refractive index ne of the anisotropic (birefringent) region 4 is n ≠ ne, the light is diffracted. In this manner, transmission and diffraction are selected depending on the polarization direction of incident light.

ここで一般的に回折を利用した偏光分離素子(偏光回折素子)にはさまざまなタイプが存在し、例えば振幅変調型、位相変調型の素子がある。回折効率の点では位相変調型の方が優位であり、位相変調型には表面レリーフ型、屈折率変調型がある。また、偏光回折素子は厚いものと薄いものに区別され、一般に次式により定義される。
Q=(2πλd)/(nΛ
(但し、λ:波長、d:厚さ、n:記録材料の屈折率、Λ:周期構造のピッチ)
(1) 薄い→Q≒0
(2) 厚い→Q≫1
Here, there are generally various types of polarization separation elements (polarization diffraction elements) using diffraction, for example, amplitude modulation type and phase modulation type elements. The phase modulation type is superior in terms of diffraction efficiency, and the phase modulation type includes a surface relief type and a refractive index modulation type. Polarization diffraction elements are classified into thick and thin elements, and are generally defined by the following equations.
Q = (2πλd) / (nΛ 2 )
(Where λ: wavelength, d: thickness, n: refractive index of recording material, Λ: pitch of periodic structure)
(1) Thin → Q ≒ 0
(2) Thick → Q >> 1

ここで、例えば周期が波長に比べて十分大きく、薄いと見なせる偏光回折素子の回折効率はフラウンホーファー回折理論およびスカラー回折理論が適応でき、周期が波長程度に小さくなってきた場合には、電磁界解析であるベクトル回折理論が適応できる。また、厚いと見なせる屈折率変調型素子(厚いホログラム)の回折効率はKogelnikの結合波理論(非特許文献1(BellSyst. Tech. J.,48, 1969,P2909-2947)参照)が適応できる。これは、ある波長の光が周期構造を形成する各領域に入射した場合、各領域で散乱された光はその波長と入射角度および各領域の周期構造ピッチに対応する特定方向に散乱成分が強め合うブラックの回折条件を満たしている。ここで、図1に示した構成の偏光分離素子1は、この屈折率変調型に相当する。一般的に回折効率はホログラムの屈折率変調量Δnと厚みdに依存し、回折効率が最大(100%)となる屈折率変調量Δn_maxは次式で表せる。
f(d)=Δn_max=(λ/d)√(-cos2φ)
Here, for example, the diffraction efficiency of a polarization diffraction element whose period is sufficiently large and thin compared to the wavelength can be applied to the Fraunhofer diffraction theory and the scalar diffraction theory. The vector diffraction theory that is analysis can be applied. Further, the diffraction efficiency of a refractive index modulation element (thick hologram) that can be regarded as being thick can be adapted to Kogelnik's coupled wave theory (see Non-Patent Document 1 (BellSyst. Tech. J., 48, 1969, P2909-2947)). This is because when light of a certain wavelength is incident on each region forming a periodic structure, the light scattered in each region has a stronger scattering component in a specific direction corresponding to the wavelength, the incident angle, and the periodic structure pitch of each region. It meets the diffraction conditions of the matching black. Here, the polarization separation element 1 having the configuration shown in FIG. 1 corresponds to this refractive index modulation type. Generally the diffraction efficiency depends on the refractive index modulation [Delta] n H and the thickness d of a hologram, the refractive index modulation [Delta] n H _max the diffraction efficiency is maximized (100%) is expressed by the following equation.
f (d) = Δn H _max = (λ / d) √ (−cos 2φ)

すなわち、特定な偏光方向における光学的異方性を示す領域4と光学的等方性を示す領域5の屈折率変調量Δnが一定である場合、偏光分離素子1の周期構造の厚みd(以後、膜厚と呼ぶ場合もある)を設定することで高い回折効率を設定することができる。ここで、φは図1に示したように格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準(0°)として、45°<φ<135°の関係にあるものとする。一般的に複屈折性領域、等方性領域に存在する物質の屈折率には温度依存性があり、常に一定の屈折率を保つことは難しい。この温度による屈折率の変化は前述の機能動作の特性に大きな影響を及ぼし、回折効率の変動、偏光選択性の低下に繋がり実用上大きな問題となる。なお、偏光選択性とはS偏光の回折効率/P偏光の回折効率と定義する。 That is, when the refractive index modulation amount Δn H of the region 4 exhibiting optical anisotropy in a specific polarization direction and the region 5 exhibiting optical isotropy is constant, the thickness d ( Hereinafter, a high diffraction efficiency can be set by setting (sometimes referred to as a film thickness). Here, φ is a vector perpendicular to the lattice periodic structure as shown in FIG. 1, and is in a relationship of 45 ° <φ <135 ° with the periodic structure arrangement surface as a reference (0 °). In general, the refractive index of a substance existing in a birefringent region or an isotropic region has temperature dependence, and it is difficult to always maintain a constant refractive index. This change in refractive index due to temperature greatly affects the characteristics of the functional operation described above, leading to fluctuations in diffraction efficiency and a decrease in polarization selectivity, which is a serious problem in practice. The polarization selectivity is defined as S-polarization diffraction efficiency / P-polarization diffraction efficiency.

図3に屈折率変調型の偏光分離素子の屈折率変調量Δnと回折効率の関係を示す。ここで示している屈折率変調量Δnとは図1に示す偏光分離素子内部の屈折率分布の高低差であるが、説明を簡潔にするため、Δnは|no−n|または|ne−n|と等価とする。図4は等方性領域nと複屈折性領域no、neの一般的な屈折率の温度依存性である。図4のように温度が上昇すると屈折率n、no、neの絶対値は変化し、相対的に|no−n|および|ne−n|も変化する。このように温度上昇による屈折率の変化に伴い、偏光分離素子の回折効率も温度により大きく変動する。すなわち最大回折効率を設定した場合、温度上昇によりΔnは小さくなり回折効率は低下する傾向にある(図3の矢印)。ここで、一般的に高い回折効率を得るためにはΔnがある程度大きくなければならないため、高い回折効率を得る場合は、Δnとして|ne−n|を設定することが好ましい。 FIG. 3 shows the relationship between the refractive index modulation amount Δn H and the diffraction efficiency of the refractive index modulation type polarization beam splitter. The refractive index modulation amount Δn H shown here is the difference in the refractive index distribution inside the polarization splitting element shown in FIG. 1, but for the sake of brevity, Δn H is | no−n | or | ne. Equivalent to −n | FIG. 4 shows the temperature dependence of the general refractive index of the isotropic region n and the birefringent regions no and ne. As the temperature rises as shown in FIG. 4, the absolute values of the refractive indices n, no, ne change, and | no-n | and | ne-n | change relatively. As described above, along with the change in the refractive index due to the temperature rise, the diffraction efficiency of the polarization separation element varies greatly depending on the temperature. That is, when the maximum diffraction efficiency is set, Δn H decreases with increasing temperature and the diffraction efficiency tends to decrease (arrow in FIG. 3). Here, in order to generally obtain high diffraction efficiency, Δn H must be large to some extent. Therefore, when obtaining high diffraction efficiency, it is preferable to set | ne−n | as Δn H.

図3の屈折率変調量Δnと回折効率の関係を詳細に示すため、任意の屈折率変調量Δnを最大の回折効率が得られる屈折率変調量Δn_maxで規格化し変形したものと回折効率の関係を図5に示す。ここで従来は、例えば理想的に最大効率100%が得られている素子において、許容の回折効率が80%以上である場合、Δn/Δn_maxの変化量は図5より0.3(=|1−0.7|)の変化であれば許容できる。これに対し、本発明では屈折率変調量Δnを次式、
f(d)≦|Δn|≦1.3・f(d)
f(d)=(λ/d)√(-cos2φ)
の範囲に設定するため、Δn/Δn_maxの変化量は0.6(=|1.3−0.7|)の変化を許容することができ、Δnの変化量としては最大で従来の倍の範囲を許容できることになる。すなわち温度によるΔnの変化量範囲を広くすることができるため、回折効率の温度特性がよい偏光分離素子を得ることができる。
To show the refractive index modulation [Delta] n H in FIG. 3 the relation of the diffraction efficiency in detail, to those normalized modified refractive index modulation [Delta] n H _max that any refractive index modulation [Delta] n H is the maximum diffraction efficiency is obtained The relationship of diffraction efficiency is shown in FIG. Here, conventionally, for example, in an element that ideally obtains a maximum efficiency of 100%, when the allowable diffraction efficiency is 80% or more, the amount of change in Δn H / Δn H — max is 0.3 (FIG. 5). = | 1-0.7 |) is acceptable. On the other hand, in the present invention, the refractive index modulation amount Δn H is expressed by the following equation:
f (d) ≦ | Δn H | ≦ 1.3 · f (d)
f (d) = (λ / d) √ (−cos2φ)
Therefore, the change amount of Δn H / Δn H — max can accept a change of 0.6 (= | 1.3−0.7 |), and the change amount of Δn H is the maximum. A range twice that of the prior art can be tolerated. That is, since the variation range of Δn H with temperature can be widened, a polarization separation element with good temperature characteristics of diffraction efficiency can be obtained.

さらに、前述したように高い回折効率で良好な温度特性を実現する屈折率変調量は、ある特定の偏光方向に対してであり、この偏光方向と直交する偏光方向における屈折率変調量Δnを、
|Δn|≦0.065・f(d)
の範囲に設定することで、図6に示すように回折効率は1%以下となる。なお、図6の屈折率変調量と回折効率の関係は前述と同様である。したがって特定の偏光方向では高い回折効率が得られ、特定の偏光方向と直交する偏光方向では非常に低い回折効率が得られるため、良好な偏光選択性を得ることができる。
Furthermore, as described above, the refractive index modulation amount that realizes good temperature characteristics with high diffraction efficiency is for a specific polarization direction, and the refractive index modulation amount Δn H in the polarization direction orthogonal to the polarization direction is ,
| Δn H | ≦ 0.065 · f (d)
By setting in this range, the diffraction efficiency becomes 1% or less as shown in FIG. The relationship between the refractive index modulation amount and the diffraction efficiency in FIG. 6 is the same as described above. Therefore, high diffraction efficiency can be obtained in a specific polarization direction, and very low diffraction efficiency can be obtained in a polarization direction orthogonal to the specific polarization direction, so that good polarization selectivity can be obtained.

ここで、本発明の偏光分離素子の作製方法について詳細に説明する。図7に相分離を行う前の素子の断面構成の概略を示す。ここでは複屈折性を大きくするために光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域の少なくとも一方の領域において液晶を含むように、非重合性液晶分子6と重合性モノマー(あるいはプレポリマー)7と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した組成物8を二枚の透明基板2,3間に挟む。組成物8の厚みは基板間隔を制御するための図示しないスペーサー部材によって制御できる。なお、この組成物8は感光性を有するため、素子作製工程において感度を有する波長域の光を遮断した環境下で取り扱うことが好ましい。   Here, a method for producing the polarization separation element of the present invention will be described in detail. FIG. 7 shows an outline of a cross-sectional configuration of the element before phase separation. Here, in order to increase the birefringence, the non-polymerizable liquid crystal molecule 6 and the polymerizable monomer (in order to include liquid crystal in at least one of the region exhibiting optical anisotropy and the region exhibiting optical isotropy) Alternatively, a composition 8 in which a prepolymer) 7 and a photopolymerization initiator (not shown) are uniformly mixed is sandwiched between two transparent substrates 2 and 3. The thickness of the composition 8 can be controlled by a spacer member (not shown) for controlling the substrate interval. In addition, since this composition 8 has photosensitivity, it is preferable to handle it in an environment where light in a wavelength region having sensitivity is blocked in the device manufacturing process.

非重合性液晶6としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率とほぼ等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率とほぼ等しい屈折率になるように重合性モノマーあるいはプレポリマーを選択してもよい。非重合性液晶の組成としては、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、1−フェニル−2−シクロヘキシルエタン、1−フェニル−2−ビフェニルエタン、1−シクロヘキシル−2−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、4−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。非重合性液晶材料は、重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量100重量部に対して15重量部〜500重量部の割合で使用されることが好ましい。   As the non-polymerizable liquid crystal 6, a general liquid crystal having refractive index anisotropy can be used. When selecting a liquid crystal material, it is possible to select a liquid crystal material having a refractive index substantially equal to the refractive index of the cured layer of the polymerizable monomer or prepolymer in an orientation state of a certain order parameter. Then, the polymerizable monomer or the prepolymer may be selected so that the refractive index of the liquid crystal is almost equal to the refractive index in an orientation state with a certain order parameter. The composition of the non-polymerizable liquid crystal may be any of nematic, cholesteric, and smectic types, and conventionally known biphenyl, terphenyl, phenylcyclohexane, biphenylcyclohexane, benzoic acid phenyl ester, cyclohexanecarboxylic acid phenyl ester, phenylpyrimidine, phenyl Dioxane, Tran, 1-phenyl-2-cyclohexylethane, 1-phenyl-2-biphenylethane, 1-cyclohexyl-2-biphenylethane, biphenylcarboxylic acid phenyl ester, 4-cyclohexylbenzoic acid phenyl ester, etc. A liquid crystal having a cyano group, a halogen group, or the like as a substituent, such as a group, an alkoxy group, or a polar group for imparting dielectric anisotropy can be used. The non-polymerizable liquid crystal material is preferably used in a proportion of 15 parts by weight to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount of polymerizable monomers or prepolymers.

重合性モノマー(またはそのプレポリマー)7としては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、1分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を1個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物であり、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等が挙げられるが、特に2官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等が挙げられる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等がある。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と(メタ)アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。また、上記の他に熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。   As the polymerizable monomer (or its prepolymer) 7, it is preferable to use a monomer that has a large cure shrinkage due to polymerization. As such a polymerizable monomer, a photopolymerizable compound having an ethylenically unsaturated bond, a photopolymerization having at least one ethylenically unsaturated double bond in one molecule, a photocrosslinkable monomer, Examples of monomers and copolymers thereof include unsaturated carboxylic acids and salts thereof, esters of unsaturated carboxylic acids and aliphatic polyhydric alcohol compounds, unsaturated carboxylic acids and Examples thereof include amides with aliphatic polyvalent amine compounds. Particularly, bifunctional or higher polyfunctional monomers have large curing shrinkage and can be suitably used. Examples of unsaturated carboxylic acid monomers include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, maleic acid, and halogen-substituted unsaturated carboxylic acids such as chlorinated unsaturated carboxylic acids and brominated unsaturated carboxylic acids. And fluorinated unsaturated carboxylic acid. Examples of unsaturated carboxylic acid salts include sodium and potassium salts of the aforementioned acids. Moreover, polyfunctional acrylates and methacrylates such as urethane acrylates, polyester acrylates, epoxy resins and (meth) acrylic acid can be mentioned. In addition to the above, a thermal polymerization inhibitor, a plasticizer, and the like may be added.

光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、例えばビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、1−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、2−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、ジエトキシアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、α−アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができる。光重合開始剤の添加量は照射する光の波長に対する各材料の吸光度によっても異なるが、モノマーまたはプレポリマー全量に対して0.1重量%以上10重量%以下であることが好ましく、さらに0.5重量%以上3重量%以下であることがより好ましい。光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。   As the photopolymerization initiator, known materials can be used, for example, biacetyl, acetophenone, benzophenone, Michler ketone, benzyl, benzoin alkyl ether, benzyl dimethyl ketal, 1-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropane-1- ON, 2-chlorothioxanthone, methylbenzoyl formate, 1- (4-isopropylphenyl) -2-hydroxy-2-methylpropan-1-one, diethoxyacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2,2-dimethoxy Examples include -1,2-diphenylethane-1-one, α-aminoalkylphenone, bisacylphosphine oxide, and metallocene. The addition amount of the photopolymerization initiator varies depending on the absorbance of each material with respect to the wavelength of the irradiated light, but is preferably 0.1% by weight or more and 10% by weight or less based on the total amount of the monomer or prepolymer. More preferably, the content is 5% by weight or more and 3% by weight or less. When the amount of the photopolymerization initiator added is too small, phase separation between the polymer and the liquid crystal hardly occurs, and the necessary exposure time becomes long. On the other hand, if there are too many photopolymerization initiators, the polymer and liquid crystal are cured with insufficient phase separation, so that many liquid crystal molecules are taken into the polymer and the polarization selectivity is reduced. There is.

スペーサー部材としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることができる。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材はホログラムの有効領域外に形成することが好ましい。スペーサー部材の高さは数μmから数十μmの範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望の周期的構造層(ホログラム層)厚みとなるように適宜設定される。透明基板2,3としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることができる。   As the spacer member, a spherical spacer, a fiber spacer, a film or the like used in a liquid crystal display device can be used. Further, the protrusion shape may be processed on the substrate surface by photolithography and etching or molding technique. The spacer member is preferably formed outside the effective area of the hologram. The height of the spacer member is preferably in the range of several μm to several tens of μm, and is appropriately set to have a desired periodic structure layer (hologram layer) thickness according to the wavelength of the diffracted light and the refractive index difference between the polymer part and the liquid crystal part. Is set. As the transparent substrates 2 and 3, glass, plastic, or the like used in a liquid crystal display device can be used.

次に相分離による周期的構造(ホログラム)の形成過程(光学異方性領域と光学等方性領域の周期構造形成)について図8を用いて説明する。ここでは図7に示したような一対の基板2,3間に注入された組成物8を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程を説明する。図9に二光束干渉露光装置の基本的な構成を示す。この二光束干渉露光装置は、露光用レーザー装置(可干渉性を有する光源)51と、対物レンズ52とアパーチャ53からなるスペイシャルフィルタと、コリメートレンズ54と、ハーフミラー55と、ミラー56a,56bで構成され、57は図7に示すような一対の基板2,3間に注入された組成物8からなる記録材料、58は記録材料を加熱するための温調ステージである。露光用レーザー装置51にはクリプトンイオンレーザー(発振波長407nm)、ヘリウムカドミウムレーザー(発振波長442nm)、アルゴンレーザー(発振波長488nmまたは514nm)等の短波長光源を利用するが、これに限らず可干渉性を有する光源であればよい。露光用レーザー装置51には単一縦モード発振するレーザーを利用するとコヒーレンス長が長くなり、また、ノイズの少ない回折格子を作製できる。対物レンズ52とアパーチャ53からなるスペイシャルフィルタは必ずしも必要ではないが、ハーフミラー55までの光学素子などでレーザービームにノイズが乗ることがあり、このビーム品質を良好にするためには有用である。ハーフミラー55でレーザー光を二分してからミラー56a,56bで所定の角度でビームを重ね合わせ、干渉縞を発生させ、記録材料(被露光サンプル)57をこの干渉縞の発生した位置に配置すると、干渉縞ピッチに対応した回折格子を作製できる。ここでは、スペイシャルフィルタ(対物レンズ52とアパーチャ53)とコリメートレンズ54はハーフミラー55の手前に配置しているが、ミラー56a,56bの各ミラーの後に配置してもよい。さらに、コリメートレンズ54の後に収束レンズ(図示しない)を配置することで、収束光を用いた干渉露光が可能となる。収束光による干渉露光を用いた場合は、再生した時の収束位置が設定できる。   Next, a process of forming a periodic structure (hologram) by phase separation (periodic structure formation of an optically anisotropic region and an optically isotropic region) will be described with reference to FIG. Here, a composition 8 injected between a pair of substrates 2 and 3 as shown in FIG. 7 is subjected to two-beam interference exposure, whereby a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal are formed. The step of forming the periodic phase separation structure will be described. FIG. 9 shows a basic configuration of the two-beam interference exposure apparatus. This two-beam interference exposure apparatus includes an exposure laser apparatus (light source having coherence) 51, a spatial filter including an objective lens 52 and an aperture 53, a collimator lens 54, a half mirror 55, and mirrors 56a and 56b. 7 is a recording material made of the composition 8 injected between a pair of substrates 2 and 3 as shown in FIG. 7, and 58 is a temperature control stage for heating the recording material. The exposure laser device 51 uses a short wavelength light source such as krypton ion laser (oscillation wavelength 407 nm), helium cadmium laser (oscillation wavelength 442 nm), argon laser (oscillation wavelength 488 nm or 514 nm). Any light source may be used. When a laser that oscillates in a single longitudinal mode is used as the exposure laser device 51, a coherence length is increased, and a diffraction grating with less noise can be manufactured. A spatial filter including the objective lens 52 and the aperture 53 is not always necessary, but noise may be added to the laser beam by an optical element up to the half mirror 55, and is useful for improving the beam quality. . When the laser beam is divided into two by the half mirror 55, the beams are superposed at a predetermined angle by the mirrors 56a and 56b to generate interference fringes, and the recording material (exposed sample) 57 is arranged at the position where the interference fringes are generated. A diffraction grating corresponding to the interference fringe pitch can be produced. Here, the spatial filter (the objective lens 52 and the aperture 53) and the collimating lens 54 are disposed in front of the half mirror 55, but may be disposed after each of the mirrors 56a and 56b. Furthermore, by arranging a converging lens (not shown) after the collimating lens 54, interference exposure using convergent light becomes possible. When interference exposure using convergent light is used, the convergence position when reproducing can be set.

図8においては、図9に示すような構成の所望の波長のレーザー光源による二光束干渉露光装置を用いて、記録材料である組成物8中に露光を行うと、干渉縞の明部において重合性モノマー(あるいはプレポリマー)7の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー(あるいはプレポリマー)7が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶6が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。この時、液晶分子が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には図8の下段の図のように干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層7(光学的等方性領域5)と非重合性液晶層6(光学的異方性(複屈折性)領域4)の周期構造が形成され、液晶層部の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。なお、この干渉露光および相分離過程においては、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが40℃から100℃程度が好ましい。   In FIG. 8, when exposure is performed in the composition 8 as a recording material using a two-beam interference exposure apparatus with a laser light source having a desired wavelength configured as shown in FIG. 9, polymerization occurs in the bright part of the interference fringes. Photopolymerization reaction of the polymerizable monomer (or prepolymer) 7 starts. At this time, curing shrinkage occurs to cause a density difference, the adjacent polymerizable monomer (or prepolymer) 7 moves to the bright part, and further polymerization proceeds. At the same time, the non-polymerizable liquid crystal 6 present in the bright part is driven out toward the dark part to cause phase separation. At this time, it is considered that when the liquid crystal molecules move, a force to align the major axis of the liquid crystal molecules in the moving direction by the interaction with the monomer or polymer chain is considered to work. That is, it is considered that a force for orienting liquid crystal molecules in the direction of the interference fringe acts in the phase separation process. Finally, as shown in the lower diagram of FIG. 8, the polymer layer 7 (optical isotropic region 5) and the non-polymerizable liquid crystal layer 6 (optical anisotropy (compounds)) correspond to the bright and dark pitches of the interference fringes. It is considered that a state in which the periodic structure of the (refractive) region 4) is formed and the orientation vector of the liquid crystal layer portion is oriented in the interval direction of the interference fringes is obtained. In this interference exposure and phase separation process, it is preferable to keep the sample heated to an appropriate temperature. It is considered that the phase separation speed changes depending on the temperature and affects the orientation of the liquid crystal molecules. The optimum heating temperature varies depending on the material used, but is preferably about 40 ° C to 100 ° C.

相分離によるポリマー層7(光学的等方性領域5)と非重合性液晶層6(光学的異方性(複屈折性)領域4)の周期構造では、厳密にはポリマーと非重合性液晶が周期的に完全に分離することは困難であり、ここで言うポリマー層とはポリマー成分が多い領域であり液晶分子を含んでいても良い。また、非重合性液晶層とは非重合性液晶成分が多い領域でありポリマー成分を含んでいても良い。実際にはポリマー層と液晶層の界面は理想的な平面では無く凹凸状であると推測されるため、図8に示したように界面での液晶分子長軸方向のバラツキは大きく、液晶層のオーダーパラメーターは比較的小さい状態となる。したがって、液晶層部の複屈折は材料単体の複屈折性よりは比較的小さくなる。   In the periodic structure of the polymer layer 7 (optically isotropic region 5) and the nonpolymerizable liquid crystal layer 6 (optically anisotropic (birefringent) region 4) by phase separation, strictly speaking, the polymer and the nonpolymerizable liquid crystal However, it is difficult to completely separate periodically, and the polymer layer referred to here is a region having a large amount of polymer components and may contain liquid crystal molecules. The non-polymerizable liquid crystal layer is a region having a large amount of non-polymerizable liquid crystal components and may contain a polymer component. Actually, the interface between the polymer layer and the liquid crystal layer is assumed to be uneven rather than an ideal plane, so the variation in the major axis direction of the liquid crystal molecules at the interface is large as shown in FIG. Order parameters are relatively small. Accordingly, the birefringence of the liquid crystal layer is relatively smaller than the birefringence of the material alone.

作製する周期構造のピッチは所望の回折角や波長によって異なるが、概ね0.2μmから10μmの範囲である。例えば、波長405nmの入射光に対して20°の回折角を得るためには、1.1μm程度のピッチ、波長650nmの入射光に対しては2.3μm程度のピッチが必要となる。ポリマー層と液晶層の境界面の傾斜角としては、境界面が基板面に対して垂直な場合を0°として、0°から±20°程度が好ましい。二光束干渉露光時の露光量としては光重合開始剤の添加濃度や露光時の温度によっても異なるが、0.5J/cmから30J/cmが好ましく、1J/cmから15J/cmがより好ましい。ここではより狭ピッチが実現可能である二光束干渉露光系による説明を記しているが、所望のピッチが実現できれば、ステッパー露光、マスク露光等において相分離過程を促がし、偏光分離素子を作製してもよい。 The pitch of the periodic structure to be produced varies depending on the desired diffraction angle and wavelength, but is generally in the range of 0.2 μm to 10 μm. For example, in order to obtain a diffraction angle of 20 ° with respect to incident light with a wavelength of 405 nm, a pitch of approximately 1.1 μm is required, and with respect to incident light with a wavelength of 650 nm, a pitch of approximately 2.3 μm is required. The inclination angle of the boundary surface between the polymer layer and the liquid crystal layer is preferably about 0 ° to ± 20 °, with 0 ° when the boundary surface is perpendicular to the substrate surface. The exposure amount at the time of two-beam interference exposure varies depending on the addition concentration of the photopolymerization initiator and the temperature at the time of exposure, but is preferably 0.5 J / cm 2 to 30 J / cm 2 , and 1 J / cm 2 to 15 J / cm 2. Is more preferable. Here, the explanation is based on the two-beam interference exposure system that can realize a narrower pitch. However, if the desired pitch can be realized, the phase separation process is promoted in stepper exposure, mask exposure, etc., and a polarization separation element is manufactured. May be.

前述したように偏光分離素子の光学異方性領域と光学等方性領域の周期構造に含まれる液晶材料は表示装置などに汎用されているため製造面において低コストで量産性がよい。また偏光分離素子としたときの複屈折性(屈折率異方性)が従来の延伸高分子フィルムなどに比べて大きいため、回折効率を比較的容易に向上させることができるといった利点がある。また、この偏光分離素子の複屈折性の大きさは温度、露光量などの露光条件である程度設定可能である。前述では非重合性液晶について述べたが重合性液晶を用いてもある程度同様の効果が得られる。重合性液晶を用いた場合、複屈折性は小さくなるが、熱安定等の信頼性が向上する。   As described above, the liquid crystal material included in the periodic structure of the optically anisotropic region and the optically isotropic region of the polarization separation element is widely used for display devices and the like. Further, since the birefringence (refractive index anisotropy) when used as a polarization separation element is larger than that of a conventional stretched polymer film, there is an advantage that the diffraction efficiency can be improved relatively easily. Further, the magnitude of the birefringence of the polarization separation element can be set to some extent under exposure conditions such as temperature and exposure amount. Although the non-polymerizable liquid crystal has been described above, the same effect can be obtained to some extent even when the polymerizable liquid crystal is used. When a polymerizable liquid crystal is used, birefringence is reduced, but reliability such as thermal stability is improved.

ここで、前述したような相分離により生成された偏光分離素子において、回折させたい場合の偏光方向は、ポリマーや液晶により生成された複屈折性を最大限活用するためには、見かけ上の液晶の配向方向に対して平行であることが好ましい。前述したように液晶の配向ベクトルは光学的異方性領域と光学的等方性領域の周期構造のアレイ方向を向いていると考えられており、すなわち、回折させたい場合の入射光の偏光方向は光学的異方性領域と光学的等方性領域の境界に対して直交していることが好ましい。このように素子に入射する特定の偏光方向を周期構造の境界と直交するように設定することで、素子としての偏光分離機能を最大限活用することができる。ここで、図1、図8に示した偏光分離素子1の光学的異方性領域4と光学的等方性領域5の周期構造は基板面に対して略垂直の場合を例示しているが、これに限らず、図10(a),(b)のように光学的異方性領域4と光学的等方性領域5の周期構造の境界面は基板面に対して傾斜していてもよく、その傾斜角は、境界面が基板面に対して垂直な場合を0°として、0°〜±20°の範囲で設定することができる。   Here, in the polarization separation element generated by the phase separation as described above, the polarization direction in the case of diffracting is an apparent liquid crystal in order to make the best use of the birefringence generated by the polymer or liquid crystal. It is preferable to be parallel to the orientation direction. As described above, the orientation vector of the liquid crystal is considered to be directed to the array direction of the periodic structure of the optically anisotropic region and the optically isotropic region, that is, the polarization direction of the incident light when diffracting is desired. Is preferably orthogonal to the boundary between the optically anisotropic region and the optically isotropic region. Thus, by setting the specific polarization direction incident on the element to be orthogonal to the boundary of the periodic structure, the polarization separation function as the element can be utilized to the maximum. Here, the periodic structure of the optically anisotropic region 4 and the optically isotropic region 5 of the polarization beam splitting element 1 shown in FIGS. 1 and 8 is illustrated as being substantially perpendicular to the substrate surface. Not limited to this, even if the boundary surface of the periodic structure of the optically anisotropic region 4 and the optically isotropic region 5 is inclined with respect to the substrate surface as shown in FIGS. The inclination angle can be set in the range of 0 ° to ± 20 °, where 0 ° is the case where the boundary surface is perpendicular to the substrate surface.

傾斜領域の形成方法としては、階調マスク露光や電子ビーム(EB)描画によるフォトリソグラフィーとエッチング、または切削加工や成形技術、二光束干渉露光等により形成することができる。このように傾斜領域を形成した場合には、周期構造の傾斜方向に応じてプラス方向またはマイナス方向の片側のみにブラック回折による回折光が出射し、一方向に対して高効率化が図れる。また、回折させたい偏光方向に対する光学的異方性領域と光学的等方性領域との屈折率変調量と周期構造の厚みを最適化することで、プラスまたはマイナス一次回折光のみが高効率で出射し、二次以上の高次の回折光はほとんどゼロとなるように設定することができる。   As a method for forming the inclined region, it can be formed by gradation mask exposure, photolithography and etching by electron beam (EB) drawing, cutting processing, molding technique, two-beam interference exposure, or the like. When the inclined region is formed in this way, the diffracted light by the black diffraction is emitted only on one side of the plus direction or the minus direction according to the inclination direction of the periodic structure, and high efficiency can be achieved in one direction. In addition, by optimizing the refractive index modulation amount and the thickness of the periodic structure in the optically anisotropic region and the optically isotropic region with respect to the polarization direction to be diffracted, only positive or negative first-order diffracted light can be highly efficient. It is possible to set so that the second order or higher order diffracted light is almost zero.

以上の本発明に係る偏光分離素子について、例えば二光束干渉露光により作製した偏光分離素子は1μm程度の短いピッチが容易に形成できることから、小型化のために大きい回折角を必要とする光ヘッド装置(光ピックアップ装置)用の偏光分離素子に用いたときに特に効果的である。   With respect to the polarization separation element according to the present invention described above, for example, a polarization separation element manufactured by two-beam interference exposure can easily form a short pitch of about 1 μm, and therefore an optical head device that requires a large diffraction angle for miniaturization. This is particularly effective when used in a polarization separation element for an (optical pickup device).

図11は本発明の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を用いた光ヘッド装置(光ピックアップ装置)の基本的な構成例を示す図である。図11において、符号11は半導体レーザー(レーザーダイオード(LD))、12は図1,2(または図10)を参照して説明した構成の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)、13は1/4波長板、14はコリメーターレンズ、15は対物レンズ、16は記録媒体である光ディスク、17は光検出器の受光素子(例えばフォトダイオード)である。   FIG. 11 is a diagram showing a basic configuration example of an optical head device (optical pickup device) using the polarization separation element (polarization selective hologram element) of the present invention. 11, reference numeral 11 is a semiconductor laser (laser diode (LD)), 12 is a polarization separation element (polarization selective hologram element) having the structure described with reference to FIGS. 1 and 2 (or FIG. 10), and 13 is 1 / 4 wavelength plate, 14 is a collimator lens, 15 is an objective lens, 16 is an optical disk as a recording medium, and 17 is a light receiving element (for example, a photodiode) of a photodetector.

図11において、半導体レーザー11から出た読み出し光である直線偏光は、偏光分離素子12、1/4波長板13を透過し、コリメーターレンズ14によって略平行光となって対物レンズ15に導かれ、光ディスク16の記録層に集光される。光ディスク16で反射された光は入出射の共通光路におかれた1/4波長板13によって偏光面が90°回転される。偏光分離素子12は半導体レーザー近傍の入出射の共通光路中におかれる。半導体レーザー11からの出射偏光が偏光分離素子12の光学的異方性(複屈折性)を示す領域と光学的等方性を示す領域の屈折率変調量が0(理想的に)となるような方向であれば、光はほとんど損失なく透過して光ディスク16の記録層に集光される。光ディスク16からの戻り光は偏光面が90°回転して偏光分離素子12に入射するため、光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域の屈折率変調量は0ではなく、この屈折率変調量に対して許容回折効率が得られる膜厚を設定しておくことで、高回折効率化が図れる。この際、偏光分離素子12の分離角が15°以上であれば、偏光分離素子12と半導体レーザー11およびフォトダイオード17を近接させることができ、光路長を短く構成することができる。ここで、分離角を20°、波長を405nmとしたとき、所望の回折格子(ホログラム)のピッチはおおよそ1ミクロン前後である。本発明の偏光分離素子12は、前述のように格子間隔をきわめて短く構成することができるため、このような短い格子間隔であっても高い回折効率を得ることができる。   In FIG. 11, the linearly polarized light that is the readout light emitted from the semiconductor laser 11 passes through the polarization separation element 12 and the quarter wavelength plate 13, and is converted into substantially parallel light by the collimator lens 14 and guided to the objective lens 15. The light is condensed on the recording layer of the optical disc 16. The plane of polarization of the light reflected by the optical disk 16 is rotated by 90 ° by the quarter-wave plate 13 placed in a common optical path for input and output. The polarization separation element 12 is placed in a common optical path for input and output near the semiconductor laser. The refractive index modulation amount of the region where the polarized light emitted from the semiconductor laser 11 exhibits optical anisotropy (birefringence) and the region where the polarization isolator 12 exhibits optical isotropy becomes 0 (ideally). If the direction is correct, the light is transmitted with almost no loss and condensed on the recording layer of the optical disc 16. Since the return light from the optical disc 16 is incident on the polarization separation element 12 with the polarization plane rotated by 90 °, the refractive index modulation amount in the region showing optical anisotropy and the region showing optical isotropy is not zero. By setting a film thickness at which an allowable diffraction efficiency is obtained for this refractive index modulation amount, a high diffraction efficiency can be achieved. At this time, if the separation angle of the polarization separation element 12 is 15 ° or more, the polarization separation element 12, the semiconductor laser 11 and the photodiode 17 can be brought close to each other, and the optical path length can be shortened. Here, when the separation angle is 20 ° and the wavelength is 405 nm, the pitch of a desired diffraction grating (hologram) is approximately 1 micron. Since the polarization separation element 12 of the present invention can be configured to have a very short grating interval as described above, high diffraction efficiency can be obtained even with such a short grating interval.

次に図12は本発明の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を用いた光ヘッド装置(光ピックアップ装置)の別の構成例を示す図である。
この光ヘッド装置は、光源(半導体レーザー)11と光検出器(フォトダイオード)17を一つのケース18内に収納し、このケース8の光出・入射部に偏光分離素子12を接合して一体化したものである。このように光源11と光検出器17及び偏光分離素子12を一体化してユニットを構成することにより、光ヘッド装置の各素子の組み付けや調整が容易となる。
Next, FIG. 12 is a diagram showing another configuration example of an optical head device (optical pickup device) using the polarization separation element (polarization selective hologram element) of the present invention.
In this optical head device, a light source (semiconductor laser) 11 and a photodetector (photodiode) 17 are housed in one case 18, and a polarization separation element 12 is joined to a light output / incident part of the case 8 to be integrated. It has become. Thus, by assembling the light source 11, the photodetector 17, and the polarization separation element 12 to constitute a unit, assembly and adjustment of each element of the optical head device is facilitated.

次に上記光ヘッド装置(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の一例について説明する。
図11に示した光ヘッド装置(光ピックアップ装置)は、偏光分離素子12として本発明の偏光選択性の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を用いるので、光利用効率が高く、高速な記録・再生に適した信頼性の高い信号が得られる。また、回折効率が高いと信号検出系の光集積回路(OPIC)のゲインを小さくでき、OPICの高速応答化に貢献できる。また、入射角度により回折効率が変わらなければオフセットの小さい信号が得られる。したがって光ディスクドライブ装置の記録・再生速度の高速化と安定したサーボ制御を達成することができる。
Next, an example of an optical disk drive device on which the optical head device (optical pickup device) is mounted will be described.
The optical head device (optical pickup device) shown in FIG. 11 uses the polarization-selective polarization separation element (polarization-selective hologram element) of the present invention as the polarization separation element 12, and therefore has high light utilization efficiency and high-speed recording.・ Reliable signals suitable for playback can be obtained. Moreover, if the diffraction efficiency is high, the gain of the optical integrated circuit (OPIC) of the signal detection system can be reduced, which can contribute to the high-speed response of the OPIC. If the diffraction efficiency does not change depending on the incident angle, a signal with a small offset can be obtained. Therefore, it is possible to increase the recording / reproducing speed and stable servo control of the optical disk drive device.

さらに、図12に示した光ヘッド装置は、偏光分離素子12として本発明の偏光選択性の偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を用い、半導体レーザー11とフォトダイオード17を収納したケース18と一体化した構成であるので、光ヘッド装置の小型化、薄型化が可能であり、例えばノート型パーソナルコンピュータや、ディスプレイ一体型ドライブ装置等に搭載される光ディスクドライブ装置の光ヘッド装置(光ピックアップ装置)として好適に用いることができる。   Furthermore, the optical head device shown in FIG. 12 uses the polarization-selective polarization separation element (polarization-selective hologram element) of the present invention as the polarization separation element 12, and a case 18 containing the semiconductor laser 11 and the photodiode 17. Since it is an integrated configuration, it is possible to reduce the size and thickness of the optical head device. For example, an optical head device (optical pickup device) of an optical disk drive device mounted on a notebook personal computer, a display integrated drive device, or the like. ) Can be suitably used.

次に光ディスクドライブ装置の一構成例を図13に示す。図13は光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。この光ディスクドライブ装置20は、記録媒体としての光ディスク16を回転駆動するためのスピンドルモータ22、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23、レーザーコントロール回路24、エンコーダ25、モータドライバ27、再生信号処理回路28、サーボコントローラ33、バッファRAM34、バッファマネージャ37、インターフェース38、リード・オンリー・メモリ(ROM)39、中央演算処理装置(CPU)40、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)41などを備えている。尚、図13における矢印は、代表的な信号や情報の流れを示すものであり、各ブロックの接続関係の全てを表わすものではない。また、図13の構成は一例であり、これに限定されるものではない。   Next, one configuration example of the optical disk drive apparatus is shown in FIG. FIG. 13 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the optical disc drive apparatus. This optical disk drive device 20 includes a spindle motor 22 for rotating the optical disk 16 as a recording medium, an optical head device (optical pickup device) 23, a laser control circuit 24, an encoder 25, a motor driver 27, and a reproduction signal processing circuit 28. , A servo controller 33, a buffer RAM 34, a buffer manager 37, an interface 38, a read only memory (ROM) 39, a central processing unit (CPU) 40, a random access memory (RAM) 41, and the like. Note that the arrows in FIG. 13 indicate the flow of typical signals and information, and do not represent the entire connection relationship of each block. Moreover, the structure of FIG. 13 is an example, and is not limited to this.

記録媒体である光ディスク16としては、CD(コンパクト・ディスク)系の光ディスク(CD,CD−R,CD−RW)や、DVD(デジタル・バーサタイル・ディスク)系の光ディスク(DVD,DVD−R,DVD+R,DVD−RW,DVD+RW,DVD−RAM等)、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスク等があるが、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23内に波長の異なる光源を複数備えた構成とし、光ディスク16の種類に応じて光源を選択的に駆動するようにすれば、複数種類の光ディスクに対して記録や再生を行うことができる光ディスクドライブ装置を構成することができる。   As the optical disc 16 as a recording medium, a CD (compact disc) optical disc (CD, CD-R, CD-RW) or a DVD (digital versatile disc) optical disc (DVD, DVD-R, DVD + R). , DVD-RW, DVD + RW, DVD-RAM, etc.), high-density optical discs using blue semiconductor lasers as light sources, etc., but the optical head device (optical pickup device) 23 has a plurality of light sources having different wavelengths, If the light source is selectively driven according to the type of the optical disc 16, an optical disc drive device capable of recording and reproducing with respect to a plurality of types of optical discs can be configured.

図13において、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23は、光ディスク16のスパイラル状または同心円状のトラックが形成された記録面にレーザー光を照射すると共に、記録面からの反射光を受光し、情報の記録または再生を行うための装置であり、例えば図11または図12に示したような構成となっている。
再生信号処理回路28は、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23の出力信号である電流信号を電圧信号に変換し、該電圧信号に基づいてウォブル信号、再生情報を含むRF信号及びサーボ信号(フォーカス信号、トラッキング信号)などを検出する。そして、再生信号処理回路28では、ウォブル信号からアドレス情報及び同期信号等を抽出する。ここで抽出されたアドレス情報はCPU40に出力され、同期信号はエンコーダ25に出力される。さらに、再生信号処理回路28では、RF信号に対して誤り訂正処理等を行なった後、バッファマネージャ37を介してバッファRAM34に格納する。また、サーボ信号は再生信号処理回路28からサーボコントローラ33に出力される。サーボコントローラ33では、サーボ信号に基づいて光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23を制御する制御信号を生成しモータドライバ27に出力する。
In FIG. 13, an optical head device (optical pickup device) 23 irradiates a recording surface on which a spiral or concentric track of an optical disk 16 is formed with a laser beam and receives reflected light from the recording surface. For example, having a configuration as shown in FIG. 11 or FIG.
The reproduction signal processing circuit 28 converts a current signal that is an output signal of the optical head device (optical pickup device) 23 into a voltage signal, and based on the voltage signal, a wobble signal, an RF signal including reproduction information, and a servo signal (focus). Signal, tracking signal) and the like. Then, the reproduction signal processing circuit 28 extracts address information, a synchronization signal, and the like from the wobble signal. The address information extracted here is output to the CPU 40, and the synchronization signal is output to the encoder 25. Further, the reproduction signal processing circuit 28 performs error correction processing or the like on the RF signal and then stores it in the buffer RAM 34 via the buffer manager 37. The servo signal is output from the reproduction signal processing circuit 28 to the servo controller 33. The servo controller 33 generates a control signal for controlling the optical head device (optical pickup device) 23 based on the servo signal and outputs the control signal to the motor driver 27.

前記バッファマネージャ37では、バッファRAM34へのデータの入出力を管理し、蓄積されたデータ量が所定の値になると、CPU40に通知する。前記モータドライバ27では、サーボコントローラ33からの制御信号及びCPU40の指示に基づいて、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23及びスピンドルモータ22を制御する。前記エンコーダ25では、CPU40の指示に基づいて、バッファRAM34に蓄積されているデータをバッファマネージャ37を介して取り出し、エラー訂正コードの付加などを行い、光ディスク16への書き込みデータを作成するとともに、再生信号処理回路28からの同期信号に同期して、書き込みデータをレーザーコントロール回路24に出力する。前記レーザーコントロール回路24では、エンコーダ25からの書き込みデータに基づいて、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23からのレーザー光出力を制御する。   The buffer manager 37 manages input / output of data to / from the buffer RAM 34, and notifies the CPU 40 when the accumulated data amount reaches a predetermined value. The motor driver 27 controls the optical head device (optical pickup device) 23 and the spindle motor 22 based on a control signal from the servo controller 33 and an instruction from the CPU 40. The encoder 25 takes out the data stored in the buffer RAM 34 through the buffer manager 37 based on an instruction from the CPU 40, adds an error correction code, etc., creates data to be written to the optical disc 16, and reproduces it. Write data is output to the laser control circuit 24 in synchronization with the synchronization signal from the signal processing circuit 28. The laser control circuit 24 controls the laser light output from the optical head device (optical pickup device) 23 based on the write data from the encoder 25.

前記インターフェース38は、ホスト(例えばパーソナルコンピュータ)との双方向の通信インターフェースであり、ATAPI(AT Attachment Packet Interface)及びSCSI(Small Computer System Interface)等の標準インターフェースに準拠している。
前記ROM39には、CPU40にて解読可能なコードで記述された制御用のプログラム等が格納されている。CPU40は、ROM39に格納されている前記プログラムに従って上記各部の動作を制御するとともに、制御に必要なデータ等を一時的にRAM41に保持する。
The interface 38 is a bidirectional communication interface with a host (for example, a personal computer) and conforms to a standard interface such as ATAPI (AT Attachment Packet Interface) and SCSI (Small Computer System Interface).
The ROM 39 stores a control program written in a code readable by the CPU 40. The CPU 40 controls the operation of each unit according to the program stored in the ROM 39, and temporarily holds data necessary for control in the RAM 41.

以上、光ディスクドライブ装置の一構成例を説明したが、本発明では光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23として、回折効率が高い偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)12を用いた光ヘッド装置(光ピックアップ装置)を搭載しているので、光利用効率が高く且つ偏光選択性が良いので、信頼性の高い信号が得られ、かつ記録・再生速度の高速化を達成することができる。また、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスクドライブ装置を実現することができる。
さらに本発明では、光ヘッド装置(光ピックアップ装置)23内に波長の異なる複数の光源を備えることにより、CD系やDVD系の光ディスク、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスクなどの使用する波長の異なる複数規格の光ディスクを記録または再生することができる光ディスクドライブ装置を実現することができる。
As described above, one configuration example of the optical disk drive apparatus has been described. In the present invention, an optical head apparatus (polarization selective hologram element) 12 having a high diffraction efficiency is used as the optical head apparatus (optical pickup apparatus) 23 ( Since the optical pickup device) is mounted, the light use efficiency is high and the polarization selectivity is good, so that a highly reliable signal can be obtained and the recording / reproducing speed can be increased. Further, it is possible to realize a high density optical disc drive apparatus using a blue semiconductor laser as a light source.
Furthermore, in the present invention, a plurality of light sources having different wavelengths are provided in the optical head device (optical pickup device) 23, so that the wavelength used for a CD-type or DVD-type optical disc, a high-density optical disc using a blue semiconductor laser as a light source, or the like. It is possible to realize an optical disc drive apparatus capable of recording or reproducing optical discs of different standards.

次に本発明に係る偏光分離素子の構成及び作製方法のより具体的な実施例と比較例について説明する。   Next, more specific examples and comparative examples of the configuration and manufacturing method of the polarization beam splitter according to the present invention will be described.

(実施例1)
まず、厚み0.7mmのガラス基板の片面に青色光に対する反射防止膜を形成し、およそ4μm径のビーズスペーサーを混入した接着剤により二枚のガラス基板を貼り合わせてセルを形成した。接着剤の塗布は反射防止膜形成面とは反対の面で、基板の縁の2箇所に塗布した。
次に以下の(1)〜(5)の材料の混合物からなる組成物を約60℃に加熱しながら毛管法によりセル中(基板間)に注入し、厚み約3〜9μmの組成物層をそれぞれ形成した。なお、この組成物は緑色より短波長の光に反応性を示すため、赤色光を用いた暗室下で取り扱った。
Example 1
First, an antireflection film for blue light was formed on one surface of a 0.7 mm thick glass substrate, and two glass substrates were bonded together with an adhesive mixed with a bead spacer having a diameter of about 4 μm to form a cell. The adhesive was applied to two locations on the edge of the substrate on the surface opposite to the antireflection film forming surface.
Next, a composition comprising a mixture of the following materials (1) to (5) is injected into the cell (between the substrates) by the capillary method while heating to about 60 ° C., and a composition layer having a thickness of about 3 to 9 μm is formed. Each was formed. Since this composition is reactive to light having a shorter wavelength than green, it was handled in a dark room using red light.

(1) ネマチック液晶(メルク社製TL216、Δε>0):30重量部
(2) フェニルグリシジルエーテルアクリレートヘキサメチレンジイソシアネートウレタンプレポリマー(共栄社化学製AH600):75重量部
(3) ジメチロールトリシクロデカンジアクリレート(共栄社化学製DCP−A):10重量部
(4) 2−ヒドロキシエチルメタクリレート(共栄社化学製HO):5重量部
(5) ビスアシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤(チバガイギー製イルガキュア819):1重量部
(1) Nematic liquid crystal (Merck TL216, Δε> 0): 30 parts by weight
(2) Phenyl glycidyl ether acrylate hexamethylene diisocyanate urethane prepolymer (AH600 manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.): 75 parts by weight
(3) Dimethylol tricyclodecane diacrylate (DCP-A manufactured by Kyoeisha Chemical): 10 parts by weight
(4) 2-hydroxyethyl methacrylate (Kyoeisha Chemical HO): 5 parts by weight
(5) Bisacylphosphine oxide photopolymerization initiator (Ciba Geigy's Irgacure 819): 1 part by weight

次に波長442nm、出力80mWのHe−Cdレーザーを光源とした露光用レーザー装置51を用い、図9に示すような二光束干渉露光装置を作成した。レーザー光をコリメートレンズ54で拡大し、ハーフミラー55で分割して1つの光束が約10mW/cm程度の平行光とし、ミラー56a,56bにより反射して、二光束の交差角度を26度に設定した。この波長と交差角度では二光束の交差領域に約1μm周期の干渉縞が生成される。
セル基板(記録材料57)を温調用の加熱装置58に取り付け、約60℃に加熱した状態で、約1分間の二光束干渉露光を行い、偏光分離素子を作製した。このとき、基板面の垂直方向に対して+26度と0度の方向から二光束が入射するように設定しており、素子内部に形成される格子の傾きは基板面に対しておよそ81.7度となる。
Next, a two-beam interference exposure apparatus as shown in FIG. 9 was prepared using an exposure laser apparatus 51 using a He—Cd laser having a wavelength of 442 nm and an output of 80 mW as a light source. The laser beam is magnified by the collimating lens 54, divided by the half mirror 55, and one light beam is made into parallel light of about 10 mW / cm 2 , reflected by the mirrors 56a and 56b, and the crossing angle of the two light beams is set to 26 degrees. Set. At this wavelength and crossing angle, interference fringes with a period of about 1 μm are generated in the crossing region of the two light beams.
The cell substrate (recording material 57) was attached to a heating device 58 for temperature control, and was subjected to two-beam interference exposure for about 1 minute in a state heated to about 60 ° C. to produce a polarization separation element. At this time, the two light beams are set to enter from directions of +26 degrees and 0 degrees with respect to the vertical direction of the substrate surface, and the inclination of the grating formed inside the element is approximately 81.7 with respect to the substrate surface. Degree.

作製した素子の基板面に対して垂直方向から波長442nmの直線偏光のレーザー光を照射して、入射光強度に対する+1次回折光強度を測定した。入射光強度は5mW程度になるようにNDフィルターを用いて調整し、回転ステージを用いて素子の基板面に対して垂直方向から±20°の範囲で回折効率の入射角特性を測定した。この入射角特性から素子の屈折率変調量Δnを求めた。また、入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を45度回転させることで、素子に入射する偏光方向(P偏光、S偏光)を切り換え可能に構成し、+1次回折効率の偏光選択性を測定した。このときのP偏光は干渉露光時の干渉縞と直交方向とし、S偏光は干渉縞の方向とした。以下に作製した素子の諸特性を示す。 A linearly polarized laser beam having a wavelength of 442 nm was irradiated from the perpendicular direction to the substrate surface of the fabricated element, and the + 1st order diffracted light intensity with respect to the incident light intensity was measured. The incident light intensity was adjusted using an ND filter so that the incident light intensity was about 5 mW, and the incident angle characteristic of the diffraction efficiency was measured in a range of ± 20 ° from the direction perpendicular to the substrate surface of the element using a rotating stage. The refractive index modulation amount Δn H of the element was obtained from this incident angle characteristic. In addition, a linearly polarizing plate and a half-wave plate are arranged in the incident optical path, and the polarization direction (P-polarized light, S-polarized light) incident on the element can be switched by rotating the optical axis of the half-wave plate by 45 degrees. The polarization selectivity of the + 1st order diffraction efficiency was measured. At this time, the P-polarized light was orthogonal to the interference fringes during interference exposure, and the S-polarized light was the direction of the interference fringes. Various characteristics of the fabricated device are shown below.

実施例1では、上記のようにして作製したセルにおいて、組成物を封入する前のセルのギャップ(厚み)は約4μmであった。この場合、100%の回折効率が得られる屈折率変化量は以下の式、
Δn_max=(λ/d)√(-cos2φ)
よりΔn_max=0.108となる。入射角特性から求めたΔnは0.133であり、P偏光の+1次回折効率は86%で、S偏光の回折効率は0%であった。すなわち、+1次回折光の偏光選択性(S偏光/P偏光)は0%であった。
In Example 1, in the cell produced as described above, the gap (thickness) of the cell before encapsulating the composition was about 4 μm. In this case, the amount of change in the refractive index at which 100% diffraction efficiency is obtained is expressed by the following equation:
Δn H _max = (λ / d) √ (−cos2φ)
Therefore, Δn H — max = 0.108. Δn H obtained from the incident angle characteristic was 0.133, the + 1st-order diffraction efficiency of P-polarized light was 86%, and the diffraction efficiency of S-polarized light was 0%. That is, the polarization selectivity (S-polarized light / P-polarized light) of the + 1st order diffracted light was 0%.

(比較例1)
次に比較例1として、実施例1とほぼ同様にして偏光分離素子を作製した。以下に作製した素子の諸特性を示す。
比較例1では、上記のようにして作製したセルにおいて、組成物を封入する前のセルのギャップ(厚み)は約3.5μmであった。この場合、100%の回折効率が得られる屈折率変化量は以下の式、
Δn_max=(λ/d)√(-cos2φ)
よりΔn_max=0.123となる。入射角特性から求めたΔnは0.091であり、P偏光の+1次回折効率は81%で、S偏光の回折効率は0%であった。すなわち、+1次回折光の偏光選択性(S偏光/P偏光)は0%であった。
(Comparative Example 1)
Next, as Comparative Example 1, a polarization separation element was produced in substantially the same manner as in Example 1. Various characteristics of the fabricated device are shown below.
In Comparative Example 1, in the cell produced as described above, the gap (thickness) of the cell before encapsulating the composition was about 3.5 μm. In this case, the amount of change in the refractive index at which 100% diffraction efficiency is obtained is expressed by the following equation:
Δn H _max = (λ / d) √ (−cos2φ)
Therefore, Δn H — max = 0.123. Δn H obtained from the incident angle characteristics was 0.091, the + 1st-order diffraction efficiency of P-polarized light was 81%, and the diffraction efficiency of S-polarized light was 0%. That is, the polarization selectivity (S-polarized light / P-polarized light) of the + 1st order diffracted light was 0%.

ここで、実施例1で作製したセルと比較例1で作製したセルのP偏光における+1次回折光効率の温度特性を測定した。図14に室温時の回折効率で規格化した回折効率比(対室温(RT))の温度特性を示す。図14から25℃〜75℃の範囲において、実施例1の方が回折効率の低下率が低いことが分かる。即ち、偏光分離素子の特定の偏光方向に対する屈折率変調量Δnが、
f(d)≦|Δn|≦1.3・f(d)
f(d)=(λ/d)√(-cos2φ)
の関係にあることで温度特性よくなることが分かる。
Here, the temperature characteristics of the + 1st order diffracted light efficiency in the P-polarized light of the cell produced in Example 1 and the cell produced in Comparative Example 1 were measured. FIG. 14 shows temperature characteristics of the diffraction efficiency ratio (vs. room temperature (RT)) normalized by the diffraction efficiency at room temperature. From FIG. 14, it can be seen that in the range of 25 ° C. to 75 ° C., the reduction rate of the diffraction efficiency is lower in Example 1. That is, the refractive index modulation amount Δn H with respect to a specific polarization direction of the polarization separating element is
f (d) ≦ | Δn H | ≦ 1.3 · f (d)
f (d) = (λ / d) √ (−cos2φ)
It can be seen that the temperature characteristics are improved by the relationship.

(実施例2)
干渉露光時の温度を80℃に設定した以外は実施例1と同様にして偏光分離素子を作製した。以下に作製した素子の諸特性を示す。
実施例2では、上記のようにして作製したセルにおいて、組成物を封入する前のセルのギャップ(厚み)は約4.5μmであり、P偏光の入射角特性から求めたΔnは0.124であり、+1次回折効率は84.6%、S偏光の入射角特性から求めたΔnは0であり、+1次回折効率は0%であった。すなわち、+1次回折光の偏光選択性(S偏光/P偏光)は0%であった。
(Example 2)
A polarization separation element was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature during interference exposure was set to 80 ° C. Various characteristics of the fabricated device are shown below.
In Example 2, in the cell produced as described above, the gap (thickness) of the cell before encapsulating the composition was about 4.5 μm, and Δn H obtained from the incident angle characteristic of P-polarized light was 0.00. is 124, the + 1-order diffraction efficiency 84.6%, [Delta] n H determined from the incident angle characteristic of the S-polarized light is 0, the + 1-order diffraction efficiency was 0%. That is, the polarization selectivity (S-polarized light / P-polarized light) of the + 1st order diffracted light was 0%.

(比較例2)
干渉露光時の温度を100℃に設定した以外は実施例1と同様にして偏光分離素子を作製した。以下に作製した素子の諸特性を示す。
比較例2では、上記のようにして作製したセルにおいて、組成物を封入する前のセルのギャップ(厚み)は約4.5μmであり、P偏光の入射角特性から求めたΔnは0.125であり、+1次回折効率は86.4%、S偏光の入射角特性から求めたΔnは0.008であり、+1次回折効率は1.1%であった。すなわち、+1次回折光の偏光選択性(S偏光/P偏光)は1.2%であった。
(Comparative Example 2)
A polarization separation element was produced in the same manner as in Example 1 except that the temperature during interference exposure was set to 100 ° C. Various characteristics of the fabricated device are shown below.
In Comparative Example 2, in the cell produced as described above, the gap (thickness) of the cell before encapsulating the composition was about 4.5 μm, and Δn H obtained from the incident angle characteristic of P-polarized light was 0.00. is 125, the + 1-order diffraction efficiency 86.4%, [Delta] n H determined from the incident angle characteristic of the S-polarized light is 0.008, the + 1-order diffraction efficiency was 1.1%. That is, the polarization selectivity (S-polarized light / P-polarized light) of the + 1st order diffracted light was 1.2%.

ここで、実施例2と比較例2の特性を比較すると、回折効率は共に80%以上で高い効率が得られているが、偏光選択性は実施例2では0%、比較例2では1.2%であった。
両セルともに波長λ=441.6nm、膜厚d=4.5μm、格子傾きφ=81.7度はほぼ同様であるため、0.065・f(d)を求めたところ、
f(d)=(λ/d)√(-cos2φ)=0.096
であり、
|Δn|≦0.006(=0.065・f(d))
となった。
実施例2と比較例2のS偏光のΔnはそれぞれ0と0.008であり、比較例2では上式の関係を満たしておらず、実施例2では上式の関係を満たしているため、実施例2の素子で良好な偏光選択性が得られていると考えられる。
Here, when the characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 are compared, both diffraction efficiencies are 80% or higher, and high efficiency is obtained. However, the polarization selectivity is 0% in Example 2, and 1 in Comparative Example 2. 2%.
In both cells, the wavelength λ = 441.6 nm, the film thickness d = 4.5 μm, and the lattice inclination φ = 81.7 degrees are almost the same, and when 0.065 · f (d) is obtained,
f (d) = (λ / d) √ (−cos 2φ) = 0.096
And
| Δn H | ≦ 0.006 (= 0.065 · f (d))
It became.
Since Δn H of S-polarized light in Example 2 and Comparative Example 2 is 0 and 0.008, respectively, Comparative Example 2 does not satisfy the relationship of the above equation, and Example 2 satisfies the relationship of the above equation. It is considered that good polarization selectivity was obtained with the device of Example 2.

(実施例3)
実施例1で作製したセルにおいて、入射光の偏光方向(仮のP偏光)が干渉露光時の干渉縞の方向に対して5°傾いていた時の回折効率は80%であり、前記偏光方向と直交する偏光方向(仮のS偏光)の回折効率は1%であった。すなわち、偏光選択性は1.3%となり、実施例1での特性に比べて回折効率および偏光選択性が劣化した。これは入射光の偏光方向が干渉露光時の干渉縞の方向に平行または垂直でなかったためと考えられる。言い換えると良好な偏光選択性を得るためには入射光の偏光方向は干渉露光時の干渉縞の方向に平行または垂直でなければならない。これは入射偏光方向が干渉縞により形成される素子内部周期構造の境界に対して、直交または平行であることと等価である。
(Example 3)
In the cell fabricated in Example 1, the diffraction efficiency when the polarization direction of incident light (provisional P-polarized light) is inclined by 5 ° with respect to the direction of interference fringes during interference exposure is 80%. The diffraction efficiency in the direction of polarization perpendicular to (temporary S-polarized light) was 1%. That is, the polarization selectivity was 1.3%, and the diffraction efficiency and polarization selectivity were deteriorated as compared with the characteristics in Example 1. This is presumably because the polarization direction of the incident light was not parallel or perpendicular to the direction of the interference fringes during interference exposure. In other words, in order to obtain good polarization selectivity, the polarization direction of incident light must be parallel or perpendicular to the direction of interference fringes during interference exposure. This is equivalent to the incident polarization direction being orthogonal or parallel to the boundary of the element internal periodic structure formed by interference fringes.

(実施例4)
実施例1と同様にして偏光分離素子を作製した。この素子を図11のような構成の光ヘッド装置(光ピックアップ装置)に使用する場合、偏光分離素子12の基板面を光源(半導体レーザー)11から光ディスク16面までの光軸に対して垂直に配置することができる。また、図11の半導体レーザー11とフォトダイオード17間の距離が一定である場合、回折角度が26度と非常大きいために、半導体レーザー11とフォトダイオード17の形成面と、偏光分離素子12の間隔を短縮することができる。したがって光ヘッド装置(光ピックアップ装置)全体の薄型化が実現できる。
また、半導体レーザー11とフォトダイオード17の形成面と、偏光分離素子12の間隔を短縮することができるので、例えば図12に示すように半導体レーザー(LD)11とフォトダイオード(PD)17を収納したケース18の光入・出射部に偏光分離素子(HO)12を取り付けてユニット化することができ、このようなLD・PD・HO一体化ユニットを用いることにより、光ヘッド装置の組み付け・調整が容易になる。さらに、この光ヘッド装置(光ピックアップ装置)を用いることにより、光利用効率が高く、薄型でコンパクトな光ディスクドライブ装置を実現できる。
Example 4
A polarization separation element was produced in the same manner as in Example 1. When this element is used in an optical head device (optical pickup device) configured as shown in FIG. 11, the substrate surface of the polarization separation element 12 is perpendicular to the optical axis from the light source (semiconductor laser) 11 to the optical disk 16 surface. Can be arranged. In addition, when the distance between the semiconductor laser 11 and the photodiode 17 in FIG. 11 is constant, the diffraction angle is as large as 26 degrees, so the distance between the formation surface of the semiconductor laser 11 and the photodiode 17 and the polarization separation element 12 is large. Can be shortened. Therefore, the overall thickness of the optical head device (optical pickup device) can be reduced.
Further, since the distance between the formation surface of the semiconductor laser 11 and the photodiode 17 and the polarization separation element 12 can be shortened, for example, the semiconductor laser (LD) 11 and the photodiode (PD) 17 are accommodated as shown in FIG. A polarization separation element (HO) 12 can be attached to the light incident / exit section of the case 18 and unitized. By using such an integrated unit of LD / PD / HO, assembly / adjustment of the optical head device is possible. Becomes easier. Furthermore, by using this optical head device (optical pickup device), it is possible to realize a thin and compact optical disc drive device with high light utilization efficiency.

以上説明したように、本発明によれば、青色等の短波長光においても大きな回折角度が得られ、高回折効率と優れた偏光選択性を有し、回折効率の温度特性が良く、入射角度依存性が小さく、発散光および温度変化に対しても高効率な偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)を実現することができる。そして、この偏光分離素子を用いることにより、高密度光ディスク対応の小型な光ヘッド装置(光ピックアップ装置)を容易に実現することができ、さらには、その光ヘッド装置を搭載した、小型でコンパクトな光ディスクドライブ装置を実現することができる。そして、このような小型でコンパクトな光ディスクドライブ装置は、デスクトップ型やノート型のパーソナルコンピュータに搭載する光ディスクドライブ装置として好適に利用できる他、ポータブルなディスプレー一体型光ディスクドライブ装置等にも好適に利用することができる。   As described above, according to the present invention, a large diffraction angle can be obtained even for short-wavelength light such as blue, it has high diffraction efficiency, excellent polarization selectivity, good temperature characteristics of diffraction efficiency, and an incident angle. It is possible to realize a polarization separation element (polarization selective hologram element) that is small in dependence and highly efficient against diverging light and temperature change. By using this polarization separation element, it is possible to easily realize a compact optical head device (optical pickup device) compatible with a high-density optical disc, and further, a compact and compact device equipped with the optical head device. An optical disk drive device can be realized. Such a small and compact optical disk drive device can be suitably used as an optical disk drive device mounted on a desktop or notebook personal computer, and also suitably used for a portable display-integrated optical disk drive device or the like. be able to.

さらに本発明の偏光分離素子は、光ディスク用の他、光磁気ディスクなどの記録、再生に用いる光ヘッド装置を小型化するための偏光選択性ホログラム素子として利用することができる。
また、本発明の偏光分離素子は、投射型表示装置などに用いる照明光学系において、照明光の光利用効率を向上させるための偏光分離素子としても利用することができる。
さらにまた、本発明の偏光分離素子は、偏光面に応じて光路を切り換える光スイッチなどにも応用することができる。
Furthermore, the polarization separation element of the present invention can be used as a polarization selective hologram element for downsizing an optical head device used for recording and reproduction of a magneto-optical disk or the like in addition to an optical disk.
The polarization separation element of the present invention can also be used as a polarization separation element for improving the light use efficiency of illumination light in an illumination optical system used in a projection display device or the like.
Furthermore, the polarization separation element of the present invention can also be applied to an optical switch for switching the optical path according to the polarization plane.

本発明に係る偏光分離素子の断面構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of a cross-sectional structure of the polarization splitting element which concerns on this invention. 図1に示す構成の偏光分離素子の動作の説明図である。It is explanatory drawing of operation | movement of the polarization separation element of a structure shown in FIG. 屈折率変調型の偏光分離素子の屈折率変調量Δnと回折効率の関係を示す図である。It is a graph showing the relationship of the refractive index modulation [Delta] n H and the diffraction efficiency of the polarization separating element of the refractive index modulation type. 等方性領域nと複屈折性領域no、neの一般的な屈折率の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the general refractive index of isotropic area | region n and birefringent area | region no, ne. 屈折率変調量Δnを最大の回折効率が得られる屈折率変調量Δn_maxで規格化したものと回折効率の関係を示す図である。The refractive index modulation [Delta] n H is a diagram showing a relationship between normalized as the diffraction efficiency in the refractive index modulation [Delta] n H _max the resulting maximum diffraction efficiency. 屈折率変調量Δnを最大の回折効率が得られる屈折率変調量Δn_maxで規格化したものと回折効率の関係の一部を拡大して示す図である。The refractive index modulation [Delta] n H is an enlarged view showing a part of the relationship between the diffraction efficiency obtained by normalizing refractive index modulation [Delta] n H _max the resulting maximum diffraction efficiency. 相分離を行う前の素子(セル)の断面構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the cross-sectional structure of the element (cell) before performing phase separation. 相分離による周期的構造の形成過程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the periodic structure by phase separation. 二光束干渉露光装置の基本的な構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of a two-beam interference exposure apparatus. 周期構造の境界面が基板面に対して傾斜している構成の偏光分離素子の動作の説明図である。It is explanatory drawing of operation | movement of the polarization separation element of the structure where the boundary surface of a periodic structure inclines with respect to a substrate surface. 本発明の偏光分離素子を用いた光ヘッド装置の基本的な構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the optical head apparatus using the polarization splitting element of this invention. 本発明の偏光分離素子を用いた光ヘッド装置の別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the optical head apparatus using the polarization splitting element of this invention. 本発明の光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of an optical disk drive device equipped with an optical head device of the present invention. 室温時の回折効率で規格化した回折効率比(対室温(RT))の温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic of the diffraction efficiency ratio (vs. room temperature (RT)) normalized by the diffraction efficiency at room temperature.

符号の説明Explanation of symbols

1:偏光分離素子
2,3:透明基板
4:光学的異方性(複屈折性)領域
5:光学的等方性領域
6:非重合性液晶
7:重合性モノマー(あるいはプレポリマー)
8:組成物
11:半導体レーザー
12:偏光分離素子(偏光選択性ホログラム素子)
13:1/4波長板
14:コリメーターレンズ
15:対物レンズ
16:光ディスク(記録媒体)
17:フォトダイオード(受光素子)
18:ケース
23:光ヘッド装置(光ピックアップ装置)
1: Polarized light separating element 2, 3: Transparent substrate 4: Optically anisotropic (birefringent) region 5: Optically isotropic region 6: Non-polymerizable liquid crystal 7: Polymerizable monomer (or prepolymer)
8: Composition 11: Semiconductor laser 12: Polarization separation element (polarization selective hologram element)
13: 1/4 wavelength plate 14: Collimator lens 15: Objective lens 16: Optical disk (recording medium)
17: Photodiode (light receiving element)
18: Case 23: Optical head device (optical pickup device)

Claims (15)

光学的異方性または複屈折性を示す領域と光学的等方性を示す領域からなる周期的な構造(以下、周期構造と言う)を有し、入射光を回折させる屈折率変調型の偏光分離素子において、
入射波長をλ、前記周期構造の膜厚をd、素子内部の格子の傾きをφ(但し、φは格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準(0°)として45°<φ<135°の関係にあるものとする)としたとき、特定の偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性または複屈折性を示す領域の屈折率と、前記光学的等方性を示す領域の屈折率とにより生成される屈折率変調量Δnが、
f(d)≦|Δn|≦1.3・f(d)
f(d)=(λ/d)√(-cos2φ)
の関係にあることを特徴とする偏光分離素子。
Refractive index modulation type polarization having a periodic structure (hereinafter, referred to as a periodic structure) composed of a region exhibiting optical anisotropy or birefringence and a region exhibiting optical isotropy, and diffracting incident light. In the separation element,
The incident wavelength is λ, the thickness of the periodic structure is d, and the inclination of the grating inside the element is φ (where φ is a vector perpendicular to the grating periodic structure, and 45 ° with the periodic structure array plane as the reference (0 °)) <Φ <135 °), the refractive index of the region showing the optical anisotropy or birefringence with respect to incident light in a specific polarization direction and the optical isotropy. The refractive index modulation amount Δn H generated by the refractive index of the region shown in FIG.
f (d) ≦ | Δn H | ≦ 1.3 · f (d)
f (d) = (λ / d) √ (−cos2φ)
A polarization separation element characterized by having the following relationship:
請求項1記載の偏光分離素子において、
前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と、前記光学的等方性領域とにより生成される屈折率変調量Δnが、
|Δn|≦0.065・f(d)
の関係にあることを特徴とする偏光分離素子。
The polarization separating element according to claim 1,
The refractive index modulation amount Δn H generated by the region showing the optical anisotropy or birefringence with respect to the incident light in the polarization direction orthogonal to the specific polarization direction and the optical isotropic region,
| Δn H | ≦ 0.065 · f (d)
A polarization separation element characterized by having the following relationship:
請求項1または2記載の偏光分離素子において、
前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と、前記光学的等方性領域の少なくとも一方の領域に、非重合性液晶あるいは重合性液晶を含むことを特徴とする偏光分離素子。
The polarization separation element according to claim 1 or 2,
A polarization separation element comprising a non-polymerizable liquid crystal or a polymerizable liquid crystal in at least one of the region exhibiting optical anisotropy or birefringence and the optically isotropic region.
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の偏光分離素子において、
前記特定の偏光方向が、前記光学的異方性または複屈折性を示す領域と前記光学的等方性領域の境界に対して直交していることを特徴とする偏光分離素子。
The polarization separation element according to any one of claims 1 to 3,
The polarization separation element, wherein the specific polarization direction is orthogonal to a boundary between the optically anisotropic or birefringent region and the optically isotropic region.
請求項1乃至4のいずれか一つに記載の偏光分離素子を作製する偏光分離素子の製造方法であって、
非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、スペーサー部材により基板間隔を制御された一対の透明基板間に注入する工程と、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程とを有することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
A method for manufacturing a polarization separation element for producing the polarization separation element according to any one of claims 1 to 4,
A step of injecting a composition comprising a non-polymerizable liquid crystal, a polymerizable monomer or prepolymer, and a photopolymerization initiator between a pair of transparent substrates whose substrate spacing is controlled by a spacer member; A method for producing a polarization separation element, comprising the step of forming a periodic phase separation structure of a layer mainly made of a polymer and a layer mainly made of a non-polymerizable liquid crystal by performing light beam interference exposure .
請求項5記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記組成物中の非重合性液晶材料は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量:100重量部に対して、15重量部〜500重量部の割合で使用することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization separation element according to claim 5,
The non-polymerizable liquid crystal material in the composition is used in a ratio of 15 parts by weight to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount of the polymerizable monomer or prepolymer. Manufacturing method.
請求項5または6記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記重合性モノマーあるいはプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization separation element according to claim 5 or 6,
As the polymerizable monomer or prepolymer, a method for producing a polarized light separating element, which has a large curing shrinkage due to polymerization, is used.
請求項5乃至7のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記光重合開始剤の添加量は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの全量に対して0.1重量%以上、10重量%以下であることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization separation element according to any one of claims 5 to 7,
The method for producing a polarization separation element, wherein the addition amount of the photopolymerization initiator is 0.1 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the total amount of the polymerizable monomer or prepolymer.
請求項5乃至8のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記組成物の膜厚は、前記一対の基板間に介在されるスペーサー部材の高さで制御し、該スペーサー部材の高さは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて前記組成物の膜厚が所定の厚みになるように設定することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization splitting device according to any one of claims 5 to 8,
The film thickness of the composition is controlled by the height of the spacer member interposed between the pair of substrates, and the height of the spacer member is determined by the wavelength of the diffracted light, the polymer part of the periodic structure, and the liquid crystal part. A method for manufacturing a polarization separation element, wherein the film thickness of the composition is set to a predetermined thickness according to a difference in refractive index.
請求項5乃至9のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光及び相分離過程においては、前記組成物を保持する基板を40℃〜100℃の範囲の温度に加熱保持しておくことを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization separation element according to any one of claims 5 to 9,
In the two-beam interference exposure and phase separation process, the substrate for holding the composition is heated and held at a temperature in the range of 40 ° C to 100 ° C.
請求項5乃至10のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光に用いる光源の波長は、短波長であることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization splitting device according to any one of claims 5 to 10,
The method of manufacturing a polarization separation element, wherein a wavelength of a light source used for the two-beam interference exposure is a short wavelength.
請求項5乃至11のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光時の露光量は、0.5J/cm〜30J/cmの範囲で設定することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
In the manufacturing method of the polarization splitting device according to any one of claims 5 to 11,
The two light exposure amount at the time of beam interference exposure, the method of manufacturing the polarization separating element, characterized in that set in the range of 0.5J / cm 2 ~30J / cm 2 .
光源からの光を記録媒体に集光し、該記録媒体からの反射光を光検出器で検出して情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ヘッド装置において、
前記記録媒体から前記光検出器に至る光路中に、前記記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子を備え、該光学素子が請求項1乃至4のいずれか一つに記載の偏光分離素子であることを特徴とする光ヘッド装置。
In an optical head device for condensing light from a light source on a recording medium and detecting reflected light from the recording medium with a photodetector to record or reproduce information, or record and reproduce,
An optical element for deflecting reflected light from the recording medium toward the photodetector is provided in an optical path from the recording medium to the photodetector, and the optical element is any one of claims 1 to 4. An optical head device comprising the polarization separation element according to claim 1.
請求項13記載の光ヘッド装置において、
前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことを特徴とする光ヘッド装置。
The optical head device according to claim 13, wherein
An optical head device characterized in that the light source and the photodetector are housed in one case, and the polarization separation element is integrated in a light output / incident part of the case.
記録媒体に対して光ヘッド装置を用いて情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ディスクドライブ装置において、
前記光ヘッド装置として、請求項13または14記載の光ヘッド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。
In an optical disk drive apparatus for recording or reproducing information, or recording and reproducing information using an optical head device for a recording medium,
15. An optical disk drive device, wherein the optical head device according to claim 13 or 14 is mounted as the optical head device.
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