JP2008123588A - 回折素子及びそれを用いた光学ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】情報を劣化させることなく正確に記録及び再生できる回折素子及びそれを用いた光学ヘッド装置を提供する。
【解決手段】光学ヘッド装置は、Blu-ray DiscやＨＤ−ＤＶＤなどの光ディスクに対して、光信号を録音及び再生するために用いられる。光学ヘッド装置は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源と、レーザ光Ｌの偏光方向を回転させたり光信号のトラッキング制御に用いられるビームを生成したりする回折素子１３とを有する。回折素子１３は、水晶基板の主面の法線が水晶の結晶光学軸であるＺ軸に対して９０°となるような角度でカットした水晶基板からなる単板の１／２波長板２１を有する。また、回折素子１３は、１／２波長板２１に形成された、レーザ光Ｌから情報読み取り用に用いられる０次回折光Ｌ０（メインビーム）とトラッキング制御に用いられる±１次回折光Ｌ±１（サイドビーム）とを生成する回折格子２２とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長板及び回折格子の機能を有する回折素子及びそれを用いた光学ヘッド装置に関する。

上記した光学ヘッド装置は、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光記録媒体（以下、「光ディスク」と称す。）に対して、音楽情報や画像情報等を記録又は再生するために用いられる。図４（ａ）に示すように、光学ヘッド装置１１１は、例えば、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１１２と、レーザ光Ｌの偏光方向を回転させる１／２波長板１１３と、光信号のトラッキング制御に用いられ回折光を生成する回折格子１１４（グレーティング）とを有する。更に、光学ヘッド装置１１１は、光信号を受光する光検出器（フォトディテクタ（以下、「ＰＤ」と称す。））１１５と、光ディスク１１６からの光信号をＰＤ１１５に導くハーフミラー１１７と、回折格子１１４によって生成された複数のビームを平行なビームにするコリメートレンズ１１８と、直線偏光を円偏光に変換するため又は円偏光を直線偏光に変換するための１／４波長板１１９と、レーザ光Ｌを集光する対物レンズ１２０とを有する。

詳述すると、回折格子１１４は、レーザ光Ｌから情報読み取り用に用いられる０次回折光（メインビーム）とトラッキング制御に用いられる±１次回折光（サイドビーム）とを生成する（共に図示せず）。０次回折光は、光ディスク１１６に記録されている本来の情報（音楽情報、画像情報など）の読み取りに用いられる。一方、±１次回折光は、光ディスク１１６のトラッキングエラーを検出するために用いられる。

また、１／２波長板１１３と回折格子１１４とは、例えば、特許文献１に記載のように、スペース効率やコストダウンの観点から、互いを一体化したものが用いられる。また、１／２波長板１１３を単板（１枚の水晶基板）で製作する場合、結晶光学軸（Ｚ軸）に対して所定の角度（例えば、結晶光学軸に対して１３°〜１４°程度の角度）に傾けてカットしたものを用いている。しかしながら、この波長板は、入射角依存性が悪いという問題がある。特に、１／２波長板は、レーザ光源１１２に近い部分に配置されることから、入射角依存性が良好であることが望まれる。

そこで、入射角依存性を改善する一手段として、特許文献２においては、図４（ｂ）に示すように、２枚の水晶基板１１３ａ，１１３ｂを、互いの光学軸１１３ｃと光学軸１１３ｄとが貼り合わせ面に対して対象関係になるように貼り合わせて１／２波長板１１３を構成することが提案されている。２枚の水晶基板１１３ａ，１１３ｂを接着剤で固定するのに、例えば、紫外線硬化型樹脂が用いられる。このようにして固定された２枚の水晶基板１１３ａ，１１３ｂで構成された１／２波長板１１３上に回折格子１１４を形成することにより、回折素子が完成する。

また最近では、Blu-ray DiscやＨＤ−ＤＶＤ（High Definition-Digital Versatile Disc）などに対応する青紫色のレーザ光（４１０ｎｍ前後の波長）が用いられている。ここで入射角依存性について説明する。図５は、単板タイプの１／２波長板に青紫色レーザ光を用いた場合の入射角依存性を示すグラフである。図６は、貼り合わせタイプの１／２波長板に青紫色レーザ光を用いた場合の入射角依存性を示すグラフである。横軸は入射角を示し、縦軸は位相差を示す。

また、図２（ｂ）、（ｃ）を用いて、入射角φと入射方向ψについて説明する。なお、図２（ｂ）、（ｃ）に示す１／２波長板２１を、ここでは従来の１／２波長板１１３として説明する。図２（ｂ）、（ｃ）は、１／２波長板１１３（単板タイプの波長板、又は貼り合わせタイプの波長板）へ入射する光の方向について示した図であり、（ｂ）は入射光の光軸を１／２波長板１１３の主表面（Ｚ−Ｙ平面）へ投影した線とＺ軸とのなす角ψを示す図、（ｃ）は１／２波長板１１３へ入射する入射光の光軸とＸ軸との関係を示す斜視図である。なお、φは入射光の光軸とＸ軸とのなす角度、つまり入射角度（入射角）を示している。入射角φを±８°の範囲で、入射方向ψを０°から１５７．５°まで２２．５°のステップでシミュレーション解析した結果、図５及び図６に示すグラフのようになる。図５に示す単板タイプの１／２波長板は、入射角に対する位相差１８０°からのズレが大きくなり、入射角依存性が悪いことがわかる。一方、図６に示す２枚貼り合わせタイプの１／２波長板は、単板タイプの１／２波長板に比べて入射角依存性が改善されていることがわかる。

特開２００１−７６３６８号公報 特公平３−６１９２１号公報

しかしながら、Blu-ray DiscやＨＤ−ＤＶＤに、紫外線に近い領域の波長である青紫色レーザ光を使用しているため、２枚の水晶基板１１３ａ，１１３ｂを固定する紫外線硬化型樹脂が青紫色レーザ光を吸収する。よって、紫外線硬化型樹脂からなる接着剤が熱を発生し、これにより接着剤が劣化する。接着剤が劣化することにより、波長板の有する位相差特性が変化してしまい、その結果、光学ヘッド装置における光ディスク１１６の記録や再生に悪影響を及ぼすという問題がある。

本発明は、情報を劣化させることなく正確に記録及び再生できる回折素子及びそれを用いた光学ヘッド装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回折素子は、単板の水晶基板からなる１／２波長板と、入射する光を回折させる回折格子と、の機能を含むことを特徴とする。

この構成によれば、単板からなる水晶基板で１／２波長板を形成するので、例えば、複数枚の基板を紫外線硬化型樹脂からなる接着剤で貼り合わせて構成する１／２波長板に紫外線に近い領域のレーザ光を照射した際の接着剤が熱を発生し接着剤が劣化することを抑えることができる。更に、回折格子によって、１／２波長板で偏光方向を回転させた劣化の少ないレーザ光を、０次回折光と±１次回折光とに分離することができる。その結果、光ディスクに対して、情報を劣化させることなく正確に記録及び再生させることが可能となる。

本発明に係る回折素子では、前記１／２波長板上に、断面形状が周期的な凹凸からなる回折格子が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、回折格子の断面形状が周期的な凹凸であるので、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって比較的簡単に、上記した回折格子を１／２波長板上に形成することができる。更に、光ディスクに対して、情報を劣化させることなく正確に記録及び再生させることが可能となる。

本発明に係る回折素子では、前記１／２波長板は、前記水晶基板の主面の法線が水晶の結晶光学軸に対して９０°の角度でカットされた水晶基板であることを特徴とする。

この構成によれば、水晶基板の主面の法線が水晶の結晶光学軸に対して９０°の角度でカットされた水晶基板を用いるので、単板で１／２波長板を形成することが可能となり、例えば、複数枚の基板を紫外線硬化型樹脂からなる接着剤で貼り合わせて構成する１／２波長板に紫外線に近い領域のレーザ光を照射した際の接着剤が熱を発生し接着剤が劣化することを抑えることができる。更に、お互いの基板を貼り合わせる場合の貼り合わせ工程を省くことができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る光学ヘッド装置は、所定の波長の光を出射する光源と、前記光を光記録媒体に集光する対物レンズと、を備える光学ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、回折素子が配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、上記した単板の水晶基板で１／２波長板を形成するので、例えば、複数枚の基板を紫外線硬化型樹脂からなる接着剤で貼り合わせて構成する１／２波長板に紫外線に近い領域のレーザ光を照射した際の接着剤が熱を発生し接着剤が劣化することを抑えることができる。更に、回折格子によって、１／２波長板で偏光方向を回転させた劣化の少ないレーザ光を、０次回折光と±１次回折光とに分離することができる。その結果、光ディスクに対して、情報を劣化させることなく正確に記録及び再生させることが可能な光学ヘッド装置を提供することができる。

本発明に係る光学ヘッド装置では、前記回折素子と前記光源とが一体化されていることを特徴とする。

この構成によれば、回折素子と光源とが一体化されているので、スペース効率を向上させることができる。更に、回折素子と光源とが隣接して配置されているので、光源から出射したレーザ光の拡散による悪影響をより抑えることができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、光学ヘッド装置の構成を示す模式図である。以下、光学ヘッド装置の構成を、図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、光学ヘッド装置１１は、上記したように、ＣＤ、ＤＶＤ、Blu-ray Disc、ＨＤ−ＤＶＤなどの光ディスク２３に対し記録又は再生するために用いられ、レーザ光源１２と、回折素子１３と、ＰＤ１４（フォトディテクタ）と、ハーフミラー１５と、コリメートレンズ１６と、１／４波長板１７と、対物レンズ１８とを有する。

レーザ光源１２は、例えば、半導体レーザダイオード（以下、「ＬＤ」と称す。）であり、レーザ光Ｌを発生させるために用いられる。また、レーザ光Ｌは、例えば、Blu-ray Disc、ＨＤ−ＤＶＤに用いられる４１０ｎｍ前後の波長である。また、レーザ光源１２は、回折素子１３をレーザ光源１２に近づけて配置するために、例えば、回折素子１３と一体化された構造になっている。

回折素子１３は、例えば、１／２波長板２１と回折格子２２（グレーティング）とが一体化されて構成されている。回折素子１３は、１／２波長板２１及び回折格子２２の機能を有しており、レーザ光源１２から出射した直線偏光のレーザ光Ｌの偏光方向を１／２波長板２１により回転させると共に、回折格子２２により情報の記録又は再生用の０次回折光（メインビーム）とトラッキング制御用の±１次回折光（サイドビーム）の３ビームに回折するために用いられる。このとき、１／２波長板２１は、レーザ光Ｌの強度分布には影響を与えずに直線偏光の偏光方向のみ変化させる機能を有する。

ＰＤ１４は、光ディスク２３からの光信号を受光するために用いられる。ハーフミラー１５は、光ディスク２３からの光信号をＰＤ１４に導くために用いられる。

コリメートレンズ１６は、回折素子１３を介して出射する３つのレーザ光（０次回折光、±１次回折光）を平行光とするために用いられる。

１／４波長板１７は、光ディスク２３に入射する光と、光ディスク２３を反射して戻ってくる戻り光との干渉により、ノイズが発生することを抑えるために用いられる。なお、１／４波長板１７に入射するレーザ光は、１／４波長板１７を通過することにより、直線偏光から円偏光、又は円偏光から直線偏光に変換される。

対物レンズ１８は、コリメートレンズ１６から出射した３本のレーザ光Ｌを集光し、光ディスク２３の記録層上にスポット照射するために用いられる。光ディスク２３の記録層に照射された３本のレーザ光Ｌのうち０次回折光（メインビーム）によって、情報の書き込みや読み取りが行われる。

図２は、回折素子の構成及び回折素子とレーザ光との関係を示す模式図である。（ａ）は、回折素子の構成を示す斜視図である。（ｂ）、（ｃ）は、波長板へ入射する光の方向を示す模式図である。以下、回折素子の構成を、図２を参照しながら説明する。なお（ａ）は、回折素子１３に入射するレーザ光Ｌと、回折素子１３から出射するレーザ光Ｌとの状態の比較をし易くするために、回折素子１３と一体化されたレーザ光源１２の図示を省略する。また、（ｂ）、（ｃ）の光の方向の説明は、後述する図３の入射角依存性と共に説明する。

図２（ａ）に示すように、回折素子１３は、１／２波長板２１と回折格子２２との機能を有しており、１／２波長板２１上に回折格子２２がパターン形成された一体型に構成されている。又、回折素子１３は、例えば、矩形状に形成されている。

１／２波長板２１は、切り出し研磨された単板（１枚）からなる水晶基板である。また、１／２波長板２１は、Ｘ軸又はＹ軸に対して垂直にカットしたＸカット水晶基板又はＹカット水晶基板が用いられる。図２（ａ）に示す１／２波長板２１は、Ｘ軸に垂直にカットされたＸカット水晶基板である。Ｘカット水晶基板及びＹカット水晶基板とは、水晶基板の主面の法線が水晶の結晶光学軸であるＺ軸に対して９０°となるような角度でカットされた水晶基板である。

回折格子２２（グレーティング）は、１／２波長板２１上に、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）などを蒸着し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって縞状にパターニングされている。なお、図２に示す回折格子２２は、例えば、断面形状が周期的な凹凸となるように形成されており、ここでは凹凸形状の図示を省略している。回折格子２２は、上記したように、レーザ光源１２から出射したレーザ光Ｌから、３つのレーザ光Ｌ０，Ｌ＋１，Ｌ−１を生成する。レーザ光Ｌ０は、情報の記録又は再生用の０次回折光（メインビーム）である。一方、レーザ光Ｌ＋１及びレーザ光Ｌ−１は、トラッキング制御用の±１次回折光（サイドビーム）である。以下、０次回折光Ｌ０、±１次回折光Ｌ±１とする。

図２に示す矢印Ａ及び矢印Ｂは、回折素子１３に入射する前と入射した後とのレーザ光Ｌの直線偏光の偏光方向を示している。また、楕円形Ｃ及び楕円形Ｄは、回折素子１３に入射する前と入射した後とのレーザ光Ｌの強度分布を示している。以下、直線偏光Ａ、直線偏光Ｂ、強度分布Ｃ、強度分布Ｄとする。

直線偏光Ａは、１／２波長板２１を通過することによって、偏光方向が９０°回転した直線偏光Ｂとなる。また、強度分布Ｃは、１／２波長板２１を通過するとき、強度分布の方向が維持された強度分布Ｄとなる。

次に、図１及び図２（ａ）を参照しながら、光学ヘッド装置１１による光ディスク２３の再生方法を説明する。まず、レーザ光源１２からコリメートレンズ１６にレーザ光Ｌを出射させる。レーザ光Ｌは、回折素子１３の１／２波長板２１によって直線偏光Ａの方向が直線偏光Ｂに回転し、回折格子２２によって３本のレーザ光Ｌ（Ｌ０，Ｌ＋１，Ｌ−１）が生成される。３本のレーザ光Ｌは、コリメートレンズ１６によって平行光となって１／４波長板１７に入射する。

そして、３本のレーザ光Ｌは、１／４波長板１７を通過することによって、直線偏光Ｂから円偏光となる。この円偏光のレーザ光Ｌは、対物レンズ１８によって集光され、光ディスク２３の情報記録エリアにスポット照射する。そして、レーザ光Ｌは、光ディスク２３で反射されると、回転方向が逆転した円偏光となる。この逆転した円偏光が、対物レンズ１８を経て再度１／４波長板１７を通過することにより、レーザ光源１２からのレーザ光Ｌと直交関係にある直線偏光に変換される。よって、出射するレーザ光Ｌと戻ってくるレーザ光Ｌとの干渉を防ぐことが可能となり、ノイズが発生することを抑えることができる。

また、光ディスク２３で反射されて戻ってくる３つのレーザ光Ｌは、コリメートレンズ１６によって各々平行なビームにされる。その後、レーザ光Ｌは、ハーフミラー１５によってＰＤ１４に入射し、受光面に照射される。その結果、光ディスク２３からの戻り光に応じた出力信号（電気信号）がＰＤ１４より出力される。

更に、出力信号は、図示しない制御回路で信号処理される。詳述すると、光ディスク２３の情報記録エリアにはトラックに沿ってデジタル信号を記録したピットが形成されている。ピットの有無やピットの大きさ（長さ）によって光ディスク２３からの戻り光が変化するので、それをＰＤ１４で受光して電気信号に変換し、制御回路で信号処理することにより、例えば、光ディスク２３に記録されている情報が再生される。

その際、０次回折光Ｌ０（メインビーム）は、光ディスク２３に記録されている音楽情報や画像情報など信号の読み取りに用いられる。一方、±１次回折光Ｌ±１は、光ディスク２３のトラッキングエラーを検出するために、０次回折光Ｌ０が照射されるトラックの両側のトラックにそれぞれ照射される。光ディスク２３に記録されたデータを正しく読み取るためには、このトラッキング制御が正確になされていることが重要である。例えば、±１次回折光Ｌ±１でトラックを正しく追跡しながら、目標のトラック上に０次回折光Ｌ０を正確に照射しなければならない。

以上のように、回折素子１３を構成する１／２波長板２１を、Ｘカット水晶板又はＹカット水晶板からなる単板で製作していることから、回折素子１３にBlu-ray DiscやＨＤ−ＤＶＤに用いられる青紫色のレーザ光Ｌを照射したとしても、１／２波長板２１を紫外線硬化型樹脂などの接着剤で２枚貼り合わせて構成した際の接着剤の劣化に起因した積層波長板の位相差特性の変化による光学ヘッド装置１１の記録又は再生機能に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

図３は、回折素子を構成する１／２波長板に青紫色レーザを用いた場合の入射角依存性を示すグラフである。以下、１／２波長板の入射角依存性について、図２（ｂ）、（ｃ）及び図３を参照しながら説明する。

図３に示すグラフは、横軸が入射角であり、縦軸が位相差である。入射角は、例えば、Ｘカット水晶基板を用いた場合、Ｘ軸と入射光の光軸とのなす角度をいう。また、１／２波長板２１の主表面（Ｚ−Ｙ平面）のＺ軸（光学軸）と入射光の光軸を１／２波長板２１の主表面（Ｚ−Ｙ平面）へ投影した線とのなす角度を入射方向とする。

また、図２（ｂ）は、入射光の光軸３１を１／２波長板２１の主表面（Ｚ−Ｙ平面）へ投影した線とＺ軸とのなす角ψ（入射方向）を示す平面図である。図２（ｃ）は、１／２波長板２１へ入射する入射光の光軸３１とＸ軸との関係を示す斜視図である。なおφは、入射光の光軸３１とＸ軸とのなす角度、いわゆる入射角度（入射角）を示している。

入射角±８°の範囲で、入射方向を０°（Ｚ軸）から１５７．５°まで２２．５°のステップでシミュレーション解析した結果、入射角に対する位相差１８０°からのズレが小さくなり、図５及び図６に示す、従来の入射角依存性と比較して極めて改善されていることがわかる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。

（１）本実施形態によれば、Ｘカット水晶基板又はＹカット水晶基板からなる単板の水晶基板で１／２波長板２１を形成するので、例えば、複数枚の水晶基板を紫外線硬化型樹脂からなる接着剤で貼り合わせて構成する１／２波長板に、Blu-ray DiscやＨＤ−ＤＶＤなどに用いられる青紫色のレーザ光Ｌ（４１０ｎｍ前後の波長）を照射した際の接着剤が熱を発生し接着剤が劣化することによる１／２波長板２１の位相差変動を抑えることができる。更に、回折格子２２によって、１／２波長板２１で偏光方向を回転させた劣化の生じていない直線偏光のレーザ光Ｌを、０次回折光Ｌ０と±１次回折光Ｌ±１とに分離することができる。その結果、光ディスク２３に対して、情報を劣化させることなく正確に記録及び再生させることができる。また、青紫色のレーザ光Ｌに対してより安心して使用することができる。

（２）本実施形態によれば、Ｘカット水晶基板又はＹカット水晶基板を用いて１／２波長板２１を形成するので、従来の単板タイプの１／２波長板や貼り合わせタイプの１／２波長板と比較して、入射角依存性を改善させることが可能となる。よって、信頼性に優れた回折素子１３を提供することができる。

（３）本実施形態によれば、単板の水晶基板からなる１／２波長板２１上に回折格子２２（グレーティング）がパターン形成された一体型なので、回折素子１３の構造を簡便化することが可能となり、スペース効率を向上させることができる。更に、安価な構成の回折素子１３及び光学ヘッド装置１１を提供することができる。

なお、本実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。

（変形例１）
上記したように、回折素子１３は、レーザ光源１２と一体型された構造に限定されず、例えば、レーザ光源１２と別体であり離れた構成であってもよい。ただし、入射角依存性の特性に悪影響を及ぼすことを抑えるために、極力レーザ光源１２に近い位置に配置することが望ましい。

（変形例２）
上記したように、回折素子１３は、図２に示すような矩形状に限定されず、例えば、円板状であってもよい。この場合、円板状の１／２波長板上に回折格子が縞状にパターン形成されている。

本発明の実施形態に係る光学ヘッド装置の構成を示す模式図。 （ａ）は光学ヘッド装置を構成する回折素子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は波長板へ入射する光の方向を示す模式図。 １／２波長板の入射角依存性を示すグラフ。 従来の光学ヘッド装置の構成を示す模式図であり、（ａ）は光学ヘッド装置全体の構成を示す模式図、（ｂ）は１／２波長板の構成を示す模式図。 従来の単板タイプの１／２波長板の入射角依存性を示すグラフ。 従来の貼り合わせタイプの１／２波長板の入射角依存性を示すグラフ。

符号の説明

１１…光学ヘッド装置、１２…レーザ光源、１３…回折素子、１４…フォトディテクタとしてのＰＤ、１５…ハーフミラー、１６…コリメートレンズ、１７…１／４波長板、１８…対物レンズ、２１…１／２波長板、２２…回折格子、２３…光ディスク、３１…光軸、Ｌ…レーザ光、Ｌ０…０次回折光、Ｌ±１…±１次回折光。

Claims (5)

1. 単板の水晶基板からなる１／２波長板と、
   入射する光を回折させる回折格子と、
   を含むことを特徴とする回折素子。
2. 請求項１に記載の回折素子であって、
   前記１／２波長板上に、断面形状が周期的な凹凸からなる回折格子が形成されていることを特徴とする回折素子。
3. 請求項１又は２に記載の回折素子であって、
   前記１／２波長板は、前記水晶基板の主面の法線が水晶の結晶光学軸に対して９０°の角度でカットされた水晶基板であることを特徴とする回折素子。
4. 所定の波長の光を出射する光源と、
   前記光を光記録媒体に集光する対物レンズと、
   を備える光学ヘッド装置であって、
   前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の回折素子が配置されていることを特徴とする光学ヘッド装置。
5. 請求項４に記載の光学ヘッド装置であって、
   前記回折素子と前記光源とが一体化されていることを特徴とする光学ヘッド装置。

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