JP2006209891A

JP2006209891A - 光ピックアップ用光学素子

Info

Publication number: JP2006209891A
Application number: JP2005022153A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamashita; 博司山下
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】この発明は、樹脂の成形による複屈折構造を利用し、高性能で安価な光ピックアップ用光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明は、サブミクロンピッチの回折格子からなる構造複屈折で構成された光ピックアップ用の１／４位相差板４において、基板４０表面に２重周期構造のサブミクロンピッチの格子パターン４１が一体的に配置され、この格子パターン４１の表面に高屈折率の薄膜４２が設けられ、基板４０に設けられた格子パターン４１とその上の薄膜４２とで構造複屈折を構成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、光ディスク装置のピックアップ部に用いられる位相差制御素子等の光学素子に関するものである。

高密度、大容量の記録媒体として、ピット状パターンを有する光ディスクを用いた光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク、デジタルバーサタイルディスクなど種々の用途に用いられている。かかる光ディスクの記録／再生を行う光ディスク装置に用いられている光ピックアップ装置は、記録再生原理によって、追記型デイスクと相変化型デイスクに用いられる相変化記録再生型、再生専用型デイスクに用いられる再生専用型に分類されている。

光ピックアップ装置の光学系は、微小スポットを光デイスク面に照射し情報信号の記録再生を行うための記録再生光学系、微小スポットを光デイスク面の情報トラックに正確に結像させるためのフォーカシング光学系とトラッキング光学系に分けられる。この記録再生光学系において、光デイスクに入射するレーザ光と反射してくるレーザ光を分離させるために光分離デバイスが用いられている。具体的には半導体レーザ等の光源に光デイスクからの反射光を戻さずに光検出器（フォトダイオード）に完全に導くために、このデバイスが利用されている。半導体レーザに光デイスクからの反射光による戻り光があると、デイスクの反射面と半導体レーザとの間で共振が発生し、半導体レーザの発光量が変動したり、信号ノイズが発生したりすることが知られている。

この光分離デバイスとしては、いろいろな方法が提案されているが、偏光ビームスプリッタまたは偏光異方性ホログラムと光の偏光方向を変換するための位相差板、特に、直線偏光を円偏光に変換するための１／４波長板で構成されたものがある。

上記１／４波長板は位相差板の一種であるが、従来、この位相差板としては、水晶等の複屈折材料を精密に切り出して作製したり、樹脂を圧延して光学異方性を付与した材料等が使われていた。これに対して、サブミクロンピッチの回折格子を使って位相差板を構成するものも知られている（例えば、特許文献１参照）。この位相差板は、対象となる光の波長（λ）に対して１／２以下の非常に微細な凹凸の繰り返しによる周期構造（サブミクロンピッチ）の回折格子からなる構造複屈折で構成される。サブミクロンピッチの凹凸の繰り返しからなる回折格子においては、偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎＴＥと、偏光方向が溝に垂直な光の屈折率はｎＴＭは、それぞれ次の（１）（２）式で示される。

上記式中において、ｎ１は回折格子が形成された物質の屈折率、ｎ２は当該回折格子の溝を埋める物質の屈折率である。また、ｔは回折格子部の凸部の幅ｗ１と凹部（溝部）の幅ｗ２とのデューティ比であり、次の（３）式で示される。

ｔ＝ｗ１／（ｗ１＋ｗ２） …（３）

回折格子部の位相差は格子の高さ（溝の深さ）にほぼ比例しており、次の（４）式で示される。

γ＝２π・（ｎＴＥ−ｎＴＭ）・ｄ／λ

上記式中において、γは位相差、ｄは格子の高さ（溝の深さ）、λは光の波長である。

上記のことから、回折格子を形成する材料（屈折率）及び回折格子の形状（デューティ比及び格子の高さ（溝の深さ））により、任意の位相差の波長板を作製することができる。

特開２００２−９０５３４号公報

波長板を水晶等の複屈折材料を使って形成する場合には、量産コストが高いという問題がある。また、特許文献１に記載のようなサブミクロンピッチの回折格子を使った構造の場合には、位相差を大きくとろうとすると、格子の高さを高く（溝の深さを深く）する必要がある。サブミクロンピッチの回折格子の微細形状を樹脂成形法で転写して形成する場合、格子高さが高い（溝の深さが深い）場合、成形性が悪くなるという問題が発生する。

この発明は、上述した従来の問題点を解消するためになされたものにして、樹脂の成形による複屈折構造を利用し、高性能で安価な光ピックアップ用光学素子を提供することを目的とする。

この発明は、上述の問題を解決するため、サブミクロンピッチの回折格子からなる構造複屈折で構成された光ピックアップ用光学素子において、前記光学素子の基板表面に２重周期構造のサブミクロンピッチの格子が一体的に配置され、この格子の表面に高屈折率の薄膜が設けられ、基板に設けられた格子とその上の薄膜とで構造複屈折を構成することを特徴とする。

また、前記光学素子の２重周期構造の１周期構造断面は、格子の高さ方向に対して不均一でかつ１周期構造中心に対して左右対称構造にすることができる。

この発明の光学素子は、基板上に形成した格子上に、高屈折率の薄膜を形成して構造複屈折を構成するので、基板上に形成するサブミクロンピッチの格子高さを低くでき、基板の成形が容易にになり、安定した性能で、かつ安価な光学素子が得られる。

さらに、基板上に形成する格子は２重周期構造に形成しているので、２重周期構造の近接した凸部間の谷間に成膜材料が入り込み、さらに両凸部上に堆積した薄膜が互いに近づき、両者が接触して一体となり堆積され、高屈折率の薄膜が形成される。この結果、両凸部上に高屈折率膜をスリムに成膜することができる。

以下、この発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態を１／４位相差板に用いた場合の光学記録／再生装置のピックアップ部における光学系を示す構成図である。

図１に示すように、このピックアップ部の構成は、直線偏光特性を有するレーザー光源１から出射された光をこの発明にかかる回折格子部２を形成した光学素子３と１／４波長板４を通し、レーザー光を回折格子部２で３ビームに分割すると共に、１／４波長板４で直線偏光を円偏光に変換する。この実施形態における１／４波長板４は、光透過性板の一方の面には反射防止構造が反対の面にはこの発明の特徴とする構造複屈折を示すサブミクロンピッチの凹凸微細構造で構成されている。

この分割された光は無偏光ビームスプリッタを構成するハーフミラー５によってその反射率に応じた光が対物レンズ６に与えられ、この対物レンズ６でスポット光にして光記録媒体７の記録面に照射される。そして、光記録媒体７で反射した反射光は対物レンズ６、ハーフミラー５を透過し、その透過した光をフォトディテクタ８で受け、フォトディテクタ８から光量に応じた信号が出力される。

フォトディテクタ８の出力信号は、トラッキング調整信号または読み出しデータとして使用される。

また、光記録媒体７で反射された反射光のうちハーフミラー５の反射率に応じて、１／４波長板４、光学素子３側へ戻り光が与えられ、光学素子３を経た光がレーザー光源１に帰還する。この戻り光は１／４波長板４により、出射レーザー光に対して偏光面が９０°回転しているため、出射レーザー光とは干渉せず、ノイズの発生は起こらない。

１／４波長板のように、位相差を９０度つけるような０次回析格子の場合には、材料の屈折率にもよるが１μｍ以上の高さの矩形格子を作製しなければならない。上述したように、格子の高さを高くすると成形性が悪くなる。そこで、この発明においては、図２に示すように、サブミクロンピッチの微細な凹凸からなる格子４１を基板４０に一体的に配置形成し、この格子４１の表面に高屈折率の薄膜４２を形成して、１／４波長板４を構成している。このように、基板４０に高屈折率材料からなる薄膜４２を成膜することで、必要な格子高さを低くするとともに、基板４０上に設ける格子の高さも低くできる。
ている。

基板４０上に形成される格子４１は、図２に示すように、ピッチＡとピッチＢを持った２重周期構造からなり、構造複屈折を示す０次回折格子を構成している。この実施形態における格子４１は、一対の凸部４１ａ、４１ｂで格子４１としての１つの凸部を構成する。凸部４１ａ、４１ａ間はピッチＡで構成され、凸部４１ａと４１ｂとの間は、ピッチＢに構成され、２重周期構造の格子構造となっている。すなわち、格子４１としての１つの凸部は、凸部４１ａとこの凸部４１ａに対してピッチＢだけ離れて設けられた凸部４１ｂで構成される。格子４１としての凹凸のピッチはピッチＡとなる。

０次回析格子は、入射光に対して高次の回析光が発生しない回析格子である。使用する波長、基板の屈折率によりパターンピッチは適宜最適化されるが、この実施形態では、ピッチＡは２００〜４００ｎｍ程度、ピッチＢは５０〜２００ｎｍ程度である。

また、格子４１を備えた基板４０の作製方法は、樹脂の射出成形でもよいが、ガラス基板にＵＶ樹脂を用いた２Ｐ（Photoreplication Process）成形法で図２に示した構造を作製することもできる。

格子４１の表面に成膜される高屈折率の薄膜４２は、例えば、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の高屈折率材料を使用することができる。高屈折率の薄膜４２は、後述するように、スパッタ法などにより、格子４１を形成した基板４０上に成膜される。スパッタ法などによる成膜の際、電界集中が発生するような基板の形状に基板４０を形成する。

この実施形態のように、ピッチＡとピッチＢを持った２重周期構造からなる基板２０においては、電界分布が複雑になり、凹凸を１つのピッチで形成した1周期構造の場合に比べて、凸部４１ａ、４１ｂの頂点部への電界集中が起きる。凸部４１ａ、４１ｂの頂点部に電界を集中させて成膜する粒子を飛ばすことで、頂点部を中心として堆積が進み、近接した凸部４１ａ、４１ｂ間の谷間に成膜材料が入り込むとともに、両凸部４１ａ、４１ｂ上に堆積した薄膜が互いに近づく。そして、両者が接触して一体となり堆積が進む。この結果、両凸部４１ａ、４１ｂ上に高屈折率膜がスリムに成膜される。

電界集中をより効率よく機能させるためには、真空度を上げてより粒子が垂直方向に飛ぶようにすればよい。そのために、真空度を1×10^-4〜1×10^-5Paに高くする。また、バイアススパッタのように、バイアス電圧を印加することで、電界方向を垂直に立てることができ、より効果が期待できる。

図３は、基板４０上に、２重周期構造の格子４１を形成し、この格子４１上に高屈折率の薄膜４２を成膜した後の位相差を示すものである。この例では、基板上に設けた格子４１における位相差が２０度であり、高屈折率の薄膜４２部での位相差が７０度であり、トータル位相差は９０度となっている。

上記実施形態では、２重周期構造を一対の凸部４１ａ、４１ｂで構成したが、波長板の基板に構成する格子パターンは上記に限らず、色々な構造にすることができる。図４ないし図６に、構造複屈折を示す０次回折格子となる２重周期構造の格子パターンを示す。図４に示す格子パターン４１は、凸部をピッチＡ間隔の凸部４１ａ１とその両側にピッチＢでそれぞれ設けられた凸部４１ｂ１、凸部４１ｂ１とで構成されている。図５に示す格子パターン４１は、格子４１としての１つの凸部を構成する凸部４１ａ２と４１ｂ２の内側のパターンがブレーズ形状で構成されている。この図５に示す格子パターン４１は、２重周期構造の１周期構造断面、すなわち、格子４１としての１つの凸部の高さ方向の断面は不均一で、かつ１周期構造中心に対して左右対称構造としている。さらに、図６に示す格子パターン４１は、図５に示す格子パターン４１に凸部４１ａ３と４１ｂ３間に平坦部が設けられている。

上記したように、２重周期構造では２重周期構造の谷間に成膜材料が入り込むため高屈折率膜がスリムに成膜できる。

図７は、図５に示す格子パターン４１上に高屈折率の薄膜４２を成膜して波長板を構成したものである。図５に示す格子パターン４１は谷間をＶ字形状にしたことで、より谷間に成膜材料が入り込むことでよりきれいに成膜できることが期待できる。

次に、格子パターン４１上に高屈折率の薄膜４２を成膜する方法につき説明する。高屈折率の薄膜は蒸着法やＲＦスパッタ法により行うことができるが、図８に示すように格子パターン４１に向かって、粒子が垂直に飛ぶように成膜する方が格子パターン４１上にきれいに成膜することができる。図において、矢印は粒子の飛ぶ方向を示す。このため、この実施形態では、ＲＦスパッタ法にバイアス電圧を印加した電界方向を垂直に立てたバイアススパッタにより成膜している。そして、真空度も高くし、真空度を1×10^-4〜1×10^-5Paに設定してスパッタを行う。

図９は、この発明に用いられるＲＦバイアススパッタ装置の概略を示す模式図である。このスパッタ装置は、真空チャンバ（図示しない）内に基板ホルダ１０２とこの基板ホルダ１０２に対向してターゲット１００が配置される。このターゲット１００の組成は成膜する高屈折材料の膜組成と同じ組成のものが用いられる。ターゲット１００は、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の高屈折率材料で形成すればよい。基板ホルダ１０２及びターゲット１００は、ＲＦ高周波電源１０３、１０４が接続されている。そして、基板ホルダー１０２に格子パターン４１を形成した基板４０が取り付けられ、基板４０とターゲット１００間にＤＣバイアス１０５が印加される。なお、この図９に示した装置においては、ＲＦ高周波電源をそれぞれ独立して設けているが、１つの電源で共有することもできる。

そして、真空チャンバー内の真空度を1×10^-4〜1×10^-5Paになるように、真空ポンプ（図示しない）で真空引きし、所定の真空度に達すると、ＲＦ高周波電源１０３、１０４に所望のスパッタレートに応じた電力を投入し、成膜を開始する。

上述したように、電界集中が発生するような基板４０の形状にした２重周期構造は、電界分布が複雑になり、1周期構造に比べより頂点部への電界集中が起きる。そして、電界集中の谷間にエアポケットが発生し重力により格子の間に材料が落ち込むことでより横への広がりを抑えることができる。電界集中をより効率よく機能させるためには、この装置では、真空度を上げてより粒子が垂直方向に飛ぶように、真空度を1×10^-4〜1×10^-5Paに高くしている。また、ＤＣバイアス１０５により、バイアス電圧を印加し、さらに電界方向を垂直に立てて、薄膜形成をスリムよく形成している。

この発明により、平板の光学素子を成形性を上げて作製できるため、安価で高性能な光学素子を提供できる。

この発明にかかる光学素子の一実施形態を１／４位相差板に用いた場合の光学記録／再生装置のピックアップ部における光学系を示す構成図である。この発明の一実施形態にかかる１／４位相差板の要部を示す模式図である。この発明の一実施形態にかかる１／４位相差板の構造と位相差を示す図である。この発明の実施形態にかかる位相差板の基板に設ける格子パターンの他の例を示す模式図である。この発明の実施形態にかかる位相差板の基板に設ける格子パターンの異なる例を示す模式図である。この発明の実施形態にかかる位相差板の基板に設ける格子パターンのさらに異なる例を示す模式図である。図５に示す格子パターン上に高屈折率の薄膜を形成した状態を示す模式図である。基板上に成膜する状態を示す模式図である。この発明に用いられるＲＦバイアススパッタ装置の概略を示す模式図である。

符号の説明

４１／４位相差板
４０基板
４１格子パターン
４２高屈折率の薄膜

Claims

サブミクロンピッチの回折格子からなる構造複屈折で構成された光ピックアップ用光学素子において、前記光学素子の基板表面に２重周期構造のサブミクロンピッチの格子が一体的に配置され、この格子の表面に高屈折率の薄膜が設けられ、前記基板に設けられた格子とその上の薄膜とで構造複屈折を構成することを特徴とする光ピックアップ用光学素子。
前記光学素子の２重周期構造の１周期構造断面は格子の高さ方向に対して不均一でかつ１周期構造中心に対して左右対称構造であることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ用光学素子。