JP2009289355A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多層光ディスクの再生時にクロストークを低減する光ヘッド装置を提供する。
【解決手段】光源から出射する光を光ディスクの情報記録層で反射し光検出器に導く光ヘッド装置において、光ディスクから光検出器までの光路中にホログラム素子を設ける。ホログラム素子は、入射する直線偏光の光に対してホログラム素子を出射する光のうち直進透過する０次回折光の偏光方向と１次回折光の偏光方向とが直交する偏光状態に光検出器に到達させる。光検出器上で１次回折光となる信号光と０次回折光となる迷光が重なっても干渉が起きないため、クロストークが低減され、再生精度が安定した光ヘッド装置を提供できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えばＣＤ、ＤＶＤ等の光記録媒体（以下「光ディスク」という。）、とくに複数層の情報記録層を有する複層光ディスクであるＢＤやＨＤ−ＤＶＤに対して記録再生を行う必要のある光ヘッド装置に関する。

光ディスクには、情報記録層が単層の単層光ディスクと、複数層ある複層光ディスクとがある。例えば２層の記録層を有する２層光ディスクに対して情報の記録再生を行うとき、光ディスクで反射されて光検出器に戻る戻り光は、光源からの出射光を集光させた所望の情報記録層により反射される光（以下、「信号光」という）のみならず、隣接した情報記録層などにより反射された光（以下、「迷光」という）の影響を受ける。複層光ディスクの記録再生を行う光ヘッド装置では、このような異なる記録層から反射される光によるクロストーク成分がサーボ信号に影響を与えないような構成にする必要がある。なお、本明細書では、光ディスクに対する記録若しくは再生、または、記録および再生を総称して「記録再生」と表現する。

図１０に従来の複層光ディスクの記録再生を行う光ヘッド装置における２層光ディスク再生時の光路の模式図を示す。２層光ディスクの光入射面から近い層をＬ１層、遠い層をＬ２層とする。例えば、Ｌ１層を１０２面として再生時に光検出器に受光される光１０６に対し、Ｌ２層を１０１面として反射された光１０４は、その焦点が光１０６より前方に位置する。一方、Ｌ２層を１０２面として再生時に光検出器に受光される光１０６に対し、Ｌ１層を１０３面として反射された光１０５は、その焦点が光１０６より後方に位置する。

Ｌ１層の再生時においてＬ１層（自層）からの戻り光は、光検出器の検出面上に集光される。Ｌ１層を基準として、Ｌ２層（他層）より反射された戻り光は、ビーム径が大きく光密度は低いものの光検出器の検出面上に迷光となって照射されて、Ｌ１層（自層）からの戻り光と光検出器上で干渉を生じる。情報記録層の層間隔や光源波長の変化により光の干渉条件が変化すると、信号強度が変化して読み取り性能が低下する問題を引き起こす。

ここで、光ディスクの再生には、光ディスクに記録された光学的情報の読み取りのためのＲＦ信号とフォーカシングサーボおよびトラッキングサーボを行うためサーボ信号を生成する機能が必要になる。このサーボ信号として、少なくともフォーカスエラー信号とトラッキングエラー信号があり、光検出器の各受光エリアで検出した光信号を演算することによって生成される。例えば、フォーカシングサーボとして、シリンドリカルレンズを用いる非点収差法が挙げられる。また、トラッキングサーボとして、光ディスクの情報記録層に３つのスポットとなるビーム（１つのメインビームと２つのサブビーム）を集光させる３ビーム法が挙げられる。これは光源から光ディスクまでの光路中に回折素子を配し、０次回折光（直進透過光）と±１次回折光を生成するものである。一方で、光ディスクに対して１つのビームを照射する１ビーム法も挙げられる。これは、光ディスクで反射した１つの光（戻り光）を複数の受光エリアを有する光検出器で検出させ、各受光エリアで検出した光信号を演算するものである。

１ビーム法を用いるものとして、光ディスクと光検出器との間（復路）の戻り光の光路中に使用する波長の光に対して回折機能を発現するホログラム素子を配し、入射する信号光を回折させて光検出器で受光させる構成する光ヘッド装置が報告されている（特許文献１、非特許文献１）。この光ヘッド装置に用いられるホログラム素子は、透過光と回折光となる信号光を光検出器の分離されたそれぞれの受光部に到達させることによって各エラー信号を検出する。また、非特許文献１では、直進透過光の光量の割合（直進透過率）と回折光の光量の割合（回折効率）がそれぞれ８０％、８％とする例が記載されている。

この光ヘッド装置で複数層光ディスクを再生するとき、他の情報記録層で反射される迷光は集光されずに光検出器に到達する。とくに、上記のように直進透過率が回折効率の１０倍程度であると、直進透過率の迷光と回折光の信号光とが重なって受光部に到達することによって干渉が大きく発生しやすく、回折光の信号光から生成するトラッキングエラー信号の精度が劣化する。そのため、回折光の受光部は、広がって到達する直進透過光の迷光が到達しない位置に配置する。

特開２００６−０３１９１３号公報 Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４５，ｐｐ．１１７４−１１７７

しかし、特許文献１および非特許文献１に示された構成では、１次回折光で到達する信号光用の受光部に０次回折光の迷光が到達しないようにする場合、受光部を大きく離隔しなければならず、光検出器を大きくする必要があった。また、そのためにホログラム素子を出射する回折光の回折角度を大きくするために回折格子のピッチを小さくしなければならず、高精度の加工が必要となる、という問題があった。さらに、３層以上の光ディスクに対しては、光検出器上でさらに径が広がった０次回折光の迷光で到達するため、光検出器をより大きくしなければならないといった問題があった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、光源と、前記光源からの出射光を単一ビームのまま光ディスクの情報記録面上に集光させる対物レンズと、前記光ディスクの情報記録面で反射された信号光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置であって、前記光ディスクの前記情報記録面から光検出器へ向かう光路中に、前記信号光の少なくとも一部を回折する機能を有するホログラム素子が配置され、前記ホログラム素子は、透明基板上に複屈折性材料からなる断面が周期的な凹凸形状を有するとともに、前記ホログラム素子に入射する前記信号光の偏光方向が、前記複屈折性材料の進相軸および遅相軸の方向と、いずれも異なるように配置され、前記光検出器は、前記ホログラム素子を直進透過する０次回折光を受光する第１の受光エリアと、前記ホログラム素子を回折する１次回折光を受光する第２の受光エリアを含む光ヘッド装置を提供する。

この構成により、光検出器に到達する０次回折光と１次回折光の偏光方向が直交するので、第１の受光エリアに、集光されて到達する信号光と、広がりをもつ０次回折光となる迷光と、が重なって到達してもこれらの光の間で干渉が発現しないのでエラー信号の読み取り精度を低下させず、再生品質のよい光ヘッド装置を実現することができる。

また、前記凹凸形状の少なくとも凹部を充填する光学的に等方性を示す等方性材料を有し、前記等方性材料の屈折率ｎ_ｓは、ｎ_ｏとｎ_ｅのいずれか一方に略等しい上記に記載の光ヘッド装置を提供する。また、前記凹凸形状が矩形状であり、前記凹凸形状の高さをｄ、入射する光の波長をλとするとき、｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝（ｊ＋１／２）λまたは｜ｎ_ｏ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝（ｊ＋１／２）λのいずれかを満足するとともに（ｊ≧０の整数）、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を直進透過する光量の割合を０次回折効率とし、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を＋１次回折または−１次回折する光量の割合を１次回折効率とするとき、０回折効率／１次回折効率が１〜３０の範囲にある上記に記載の光ヘッド装置を提供する。

この構成により、０次回折光を再生信号、フォーカスエラー信号用、＋１次回折光をトラッキングエラー信号用とする光ヘッド装置において、再生信号および各エラー信号を生成できるとともに、再生品質のよい光ヘッド装置を実現することができる。

また、前記凹凸形状がブレーズ形状またはブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状である請求項１または２に記載の光ヘッド装置を提供する。さらに、前記凹凸形状が擬似ブレーズ形状であり、前記凹凸形状の高さをｄ、入射する光の波長をλ、擬似ブレーズ形状の段数をｋ段としたとき、｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝｛ｍ（ｋ−１）／ｋ｝・λまたは｜ｎ_ｏ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝｛ｍ（ｋ−１）／ｋ｝・λのいずれかを満足するとともに（ｍ≧１の整数）、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を直進透過する光量の割合を０次回折効率とし、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を＋１次回折または−１次回折する光量の割合のうち大きい方を１次回折効率とするとき、０回折効率／１次回折効率が１〜３０の範囲にある上記に記載の光ヘッド装置を提供する。

この構成により、ホログラム素子に入射する光の光量に対して、０次回折光を受光する第１の受光エリアと１次回折光を受光する第２の受光エリアに到達する光量の割合が高く、光利用効率が高い光ヘッド装置を実現することができるとともに、再生品質のよい光ヘッド装置を実現することができる。

本発明は、光検出器の受光エリア上での迷光成分と信号光の干渉を少なくさらに光利用効率が高く、複層光ディスクを記録再生することができる光ヘッド装置を提供するものである。

図１は、本実施のホログラム素子に係る光ヘッド装置１０の概念的な構成を示す図である。光ヘッド装置１０は、所定の波長の光を出射する光源１１と、光源１１からの光を平行光に変換するコリメータレンズ１２と、コリメータレンズ１２を出射した上記ビームを光ディスク１５の方向に透過させるとともに、光ディスク１５の情報記録面１５ａにより反射された信号光を偏向分離して光検出器１８に導くビームスプリッタ１３と、光源１１からの光を光ディスク１５の情報記録面１５ａに集光する対物レンズ１４と、上記信号光を光検出器１８に集光するコリメータレンズ１６、上記信号光を検出する光検出器１８、およびホログラム素子１７、を備える。なお、ビームスプリッタ１３と対物レンズ１４との間の光路中に図示しない１／４波長板、コリメータレンズ１６と光検出器１８との間の光路中に図示しない非点収差レンズ（シリンドリカルレンズ）を備える。また、光ヘッド装置１０ではホログラム素子１７はコリメータレンズ１６と光検出器１８との間の光路中に位置しているが、ビームスプリッタ１３とコリメータレンズ１６との間の光路中であってもよい。

光検出器１８では、光ディスク１５の再生する情報記録面１５ａに記録された情報の再生信号、フォーカスエラー信号およびトラッキングエラー信号が検出される。なお、光ヘッド装置１０は、上記のフォーカスエラー信号に基づいてレンズを光軸方向に制御する図示しないフォーカスサーボと、上記のトラッキングエラー信号に基づいてレンズを光軸にほぼ垂直な方向に制御する図示しないトラッキングサーボとを備える。

光源１１は、例えば６５０ｎｍ波長帯の直線偏光の発散光束を出射する半導体レーザで構成される。なお、本発明で用いられる光源１１は、６５０ｎｍ波長帯の光に限定されず、例えば４００ｎｍ波長帯の光や７８０ｎｍ波長帯の光、その他の波長帯の光であってもよい。ここで、４００ｎｍ波長帯、波長６５０ｎｍ波長帯および７８０ｎｍ波長帯は、それぞれ、３８５ｎｍ〜４３０ｎｍ、６３０ｎｍ〜６９０ｎｍおよび７６０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲とする。

また、光源１１は、２種類または３種類の波長の光束を出射する構成としてもよい。かかる構成の光源としては、２個または３個の半導体レーザチップが同一基板上にマウントされた、所謂ハイブリッド型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源や、互いに異なる波長の光を出射する２個または３個の発光点を有するモノリシック型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源でもよい。

図２に本実施形態にかかるホログラム素子２０の平面模式図を示す。ホログラム素子２０は、入射する光を回折する機能を有する複数の回折格子領域２１、２２、２３、２４からなる。また、図２の点線で囲われた領域は、ホログラム素子２０に入射する光の有効領域の例を示すものであって、少なくともこれらの回折格子領域内には光が入射する。なお、有効領域は、入射する信号光の最大となる光強度に対して１０％以上の光強度となる領域とする。回折格子領域では、入射した光が直進透過する直進透過光成分と、直進透過光成分とは異なる方向に進行する回折光成分の両方を生成し、それぞれの光はコリメータレンズ１６によって集光されて光検出器１８に到達する。なお、ホログラム素子２０を構成する回折格子領域の平面形状および領域数は、これに限らず光検出器１８に備わる受光エリアの形状などによって変えてもよい。

ここで、回折格子領域に入射する直線偏光に対し、直進透過して出射する光（０次回折光）の成分、回折して出射する光の成分の効率について図３（ａ）を用いて説明する。図３（ａ）は、ホログラム素子２６の平面模式図であって、凸部２６ａと凹部２６ｂを示す。回折格子を構成する少なくとも凸部は、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅを有する複屈折材料からなる。角度αは、回折格子の長手方向を基準に断面が矩形状の格子の長手方向と進相軸（屈折率がｎ_ｏとなる方向）とがなす反時計回り方向の角度であり、角度βは、回折格子の長手方向を基準に断面が矩形状の格子の長手方向と入射偏光方向とがなす反時計回り方向の角度である。そして、図示しない等方性の充填材（屈折率ｎ_ｓ）で少なくとも凹部か平坦化されているホログラム素子２６を考える。また、回折格子の高さをｄとして、入射する波長λの光に対して、
｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝（ｊ＋１／２）λ ・・・ （１）
ｎ_ｏ＝ｎ_ｓ ・・・ （２）
の関係が成り立つものとする（ｊ≧０の整数）。

入射光の電場強度をＥとしたときに、図３（ａ）のホログラム素子２６の配置において進相軸（ｎ_ｏ）方向の電場強度をＥ_ｏ、遅相軸（ｎ_ｅ）方向の電場強度をＥ_ｅとする。図３（ｂ）は、入射する直線偏光をホログラム素子２６の進相軸方向の成分と遅相軸方向の成分とに分けて模式的に示すものであり、
Ｅ_ｏ＝Ｅｃｏｓ（α−β） ・・・ （３）
Ｅ_ｅ＝Ｅｓｉｎ（α−β） ・・・ （４）
で表すことができる。

また、（２）式の関係より、進相軸方向の成分は回折しないので直進透過光（０次回折光）となり、（３）式の関係より、遅相軸方向の成分は回折光となってホログラム素子２６を出射する。また、（１）式および（２）式を満たす場合、進相軸方向の０次回折効率（η_Ａ０とする）は１００％、±１次回折効率（η_Ａ±１とする）は０％となる。一方、遅相軸方向の０次回折効率（η_Ｂ０とする）は０％、±１次回折効率（η_Ｂ±１とする）は４０．５％となる。なお、この場合、±２次回折効率は０％、±３次回折効率は４．５％となる。２次以上の回折光を受光する光学系とすることもできるが、光利用効率の関係で回折光としては１次回折光を利用する光学系であると好ましい。

ここで、ホログラム素子２６を出射する０次回折光成分をＩ_Ａ、±１次回折光成分をＩ_Ｂとすると、
Ｉ_Ａ＝｛Ｅ・ｃｏｓ（α−β）｝^２×η_Ａ０＋｛Ｅ・ｓｉｎ（α−β）｝^２×η_Ｂ０ ・・・ （５）
Ｉ_Ｂ＝｛Ｅ・ｃｏｓ（α−β）｝^２×η_Ａ±１＋｛Ｅ・ｓｉｎ（α−β）｝^２×η_Ｂ±１ ・・・ （６）
で表すことができ、各効率の数値を（５）式および（６）式に適用すると、ホログラム素子２６の効率比は、
Ｉ_Ａ／Ｉ_Ｂ＝（１／０．４０５）×｛ｃｏｓ（α−β）／ｓｉｎ（α−β）｝^２
・・・ （７）
となる。

このように各成分の電場強度、回折効率および回折効率比は、角度（α−β）の値によって変化する。つまり、ホログラム素子２６に入射する直線偏光方向と回折格子を形成する複屈折材料の進相軸（または進相軸と直交する遅相軸）と、がなす角度によって変えることができるものである。したがって、少なくとも０次回折光成分となるＩ_Ａと±１次回折光成分となるＩ_Ｂを発現させるには、Ｅ_ｏとＥ_ｅいずれも０とならないようにすればよく、（α−β）≠０となるようにすればよい。ホログラム素子２６では、格子長手方向と入射偏光方向とがなす角度βが０ではない設定としているが、（α−β）≠０であれば、β＝０（格子長手方向と遅相軸方向とが一致）であってもよい。

このことを踏まえ、ホログラム素子２０の構成について具体的に説明する。図４（ａ）は、ホログラム素子２０の平面模式図であって、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、図４（ａ）に示すホログラム素子２０の回折格子領域２４のＡ−Ａ´の断面を示した例である。回折格子３２ａおよび３２ｂは常光屈折率ｎ_ｏと異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）を有する複屈折性材料からなる。また、断面の方向Ａ−Ａ´は、Ｘ−Ｙ平面において回折格子の長手方向と垂直となる方向であるとともに、複屈折材料の進相軸（ｎ_ｏ）方向と一致するものとする。この場合、同時に、回折格子の長手方向と遅相軸（ｎ_ｅ）方向とが一致するものである。さらに、Ｘ−Ｙ平面においてＸ方向を基準に時計回りを＋方向、反時計回りを−方向としこのＡ−Ａ´方向となす角度をθとし、ここではＸ方向を基準に断面は−θ方向として説明する。

図４（ｂ）および図４（ｃ）に示す回折格子領域のＡ−Ａ´方向の断面構成としては、周期的な凹凸形状を有する回折格子３２ａまたは３２ｂが形成され、凹凸形状の少なくとも凹部を充填するように充填材３３が形成され、透明基板３１ａおよび３１ｂで挟持されてなる。充填材としては、ＵＶ硬化性アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料や、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、などの無機材料膜、そしてこれらから形成される多層膜などで構成してもよい。なお、透明基板３１ｂは充填材によっては配さなくてもよい場合がある。また、充填材３３を構成する材料は、光学的に等方性を示すものであっても複屈折性を示すものであってもよい。光学的に等方性を示す材料の場合、入射光に対する屈折率をｎ_ｓとすると、ｎ_ｓはｎ_ｅまたはｎ_ｏに略等しいように設計されることが好ましい。一方、複屈折性を示す材料である場合、回折格子３２ａ、３２ｂのｎ_ｏとｎ_ｅのいずれかの屈折率を示す方向の屈折率のうちいずれか一方の屈折率が一致していることが好ましい。ここでは、充填材は屈折率ｎ_ｓとなる等方性を示す材料であって、ｎ_ｓ＝ｎ_ｏであるものとして説明する。また、回折格子形状は、図４（ｂ）のように矩形状の回折格子形状に限らず、断面が鋸歯状となるブレーズ形状、図４（ｃ）のように階段状のブレーズ形状（以下、擬似ブレーズ形状）であってもよい。

ここで、矩形状の回折格子３２ａを有する回折格子領域２４に光が入射したときに出射する光の模式図を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。また、回折格子構造の高さをｄとしたとき、光源１１から出射する波長λの光に対して、｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜ｄ＝（ｍ＋１／２）λとなるように設計する（ｍ≧０の整数）と、±１次回折効率を高くでき、光利用効率を高めることができる。なお、回折格子形状が矩形状であれば加工が容易であり、ブレーズ形状であれば、例えば＋１次回折効率を大きく−１次回折効率を小さくするなど回折効率を調整できる。

ここで、図５（ａ）に示すようにＺ方向に進行するＸ方向の直線偏光３６が入射したとき、回折格子領域２４においてＸ方向に対して−θ（≠０）となる方向の光の成分３７ａは屈折率差を感じない（ｎ_ｏ＝ｎ_ｓ）ため直進透過光３５ａとなって進行する。一方、−θ方向に対して直交する方向つまり、−θ＋９０°となる方向の光の成分３７ｂおよび３７ｃは、周期的な凹凸構造によって屈折率差を感じる（ｎ_ｅ≠ｎ_ｓ）ので回折作用を発現し、それぞれ＋１次回折光３７ｂと−１次回折光３７ｃとなって回折して進行する。

図５（ｂ）は、Ｘ−Ｙ平面内における直進透過光（０次回折光）の偏光方向３７ａ、＋１次回折光の偏光方向３７ｂおよび−１次光の偏光方向３７ｃを示す模式図である。このようにＸ方向の直線偏光が回折格子領域２４に入射すると、この直線偏光は任意の２つの直交する直線偏光の成分の和として考えることができるため、−θ方向と−θ＋９０°方向との成分に分けて考えたとき直交する偏光方向の成分が直進透過光と、±１次回折光とに分けることができる。なお、これまでは、ｎ_ｓ＝ｎ_ｏとして説明したが、ｎ_ｓ＝ｎ_ｅおよびｎ_ｓ≠ｎ_ｏとした場合、これらの式のｎ_ｅをｎ_ｏに置き換えるとともにｎ_ｏをｎ_ｅに置き換えて成立し、同じように直進透過光の偏光方向と±１次回折光の偏光方向とは直交する。

なお、充填材３３の屈折率ｎ_ｓは、屈折率ｎ_ｅおよびｎ_ｏのいずれかとも一致しない場合があってもよい。この場合、複屈折性材料の遅相軸または進相軸のいずれかの方向の入射光の成分が、凸部を出射する光の位相と凹部を出射する光の位相との差で表す位相差が２πの整数倍になるように回折格子の高さをする。こうすることで、入射する光のうち進相軸方向または遅相軸方向の光の成分は高い０次回折効率を得ることができる。さらに、位相差が２πの整数倍となる方向と異なる光学軸（進相軸または遅相軸）方向の位相差がπの奇数倍となる材料の組合せであると、その方向の光の成分は高い１次回折効率を得ることができるのでより好ましい。また、充填材３３は空気であってもよく、この場合、ホログラム素子の加工が容易となる。さらに、透明基板３１ａは、回折格子３２ａおよび３２ｂと同じ複屈折性材料であるとホログラム素子の作製が容易になる。このとき、一定の厚さを有する透明基板３１ａが複屈折性材料であれば、透過する光に対して波長板として機能するので、波長板となる場合であっても凸部と凹部を出射する光が上記のような条件となるように回折格子の高さを設定するとよい。

これまでは、凹凸が周期的な矩形状の回折格子３２ａについて説明したが、凹凸形状がブレーズ形状または擬似ブレーズ形状であってもよい。図４（ｃ）は、擬似ブレーズ形状であるときの断面模式図であるが、点線で示す（階段状ではない）ブレーズ形状の場合の高さをｄとする。このとき擬似ブレーズ形状の回折格子３２ｂにおいて、回折格子形状の段数（ステップ数）をｋ段とした場合、
｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝｛ｍ（ｋ−１）／ｋ｝・λ （ｍ≧１の整数） ・・・ （８）
を満たすようにするとよい。なお、図４（ｃ）は段数を４段としたときの例である。また、図４（ｃ）の点線で示すようなブレーズ形状である場合は、
｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜ｄ＝ｍλ （ｍ≧１の整数） ・・・ （９）
を満たすようにすると、特定のｍ次回折光（例えば、ｍ＝１で、＋１次回折光のみ）の回折効率を高くでき、光利用効率を高めることができる。

ここで、図４（ｃ）に示すような擬似ブレーズ形状の回折格子に入射する波長λの光が上記（８）式を満たす場合、段数ｋを変数として、１次回折光の最大となる回折効率ε_１ ^ｋは、
ε_１ ^ｋ＝｛ｓｉｎ（π／ｋ）／（π／ｋ）｝^２ ・・・ （１０）
で表される。また、ｋを２、４、８、１６としたときの１次回折光の最大回折効率は、表１のように計算される。

また、回折格子領域２４を透過する直進透過光（０次回折光）および±１次回折光の効率については、これまで（１）式および（２）式が成立することを前提に説明したが、回折格子形状が矩形状であるとき、一般的に直進透過光の透過率（０次回折光の回折効率）η_０と±１次回折光η_±１は、それぞれ、
η_０＝ｃｏｓ^２｛π｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜ｄ／λ｝ ・・・ （１１）
η_±１＝（２／π）^２ｓｉｎ^２｛π｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜ｄ／λ｝ ・・・ （１２）
で表すことができる。

次に、図６（ａ）および図６（ｂ）にこのようなホログラム素子２０を透過または回折する光が光検出器１８に到達する様子の模式図を示す。光検出器１８の検出部としてはホログラム素子２０を出射した直進透過光を検出する第１の受光エリア４１と、ホログラム素子を出射した＋１次光を検出する第２の受光エリア４２からなる。受光エリア４１および４２はさらに分割された複数の小領域から構成され、このように到達する光量によって受光エリア４１では再生信号とフォーカスエラー信号が検出され、受光エリア４２ではトラッキングエラー信号が検出される。

図６（ａ）は、直進透過光の集光状態を示すものであり、再生する情報記録層から反射される情報の一部は光ヘッド装置１０のコリメータレンズ１６で集光されて、受光エリア４１に信号光４３ａとして到達する。一方、光ディスク１５の他の情報記録層から反射されて光検出器１８に到達する迷光のうち直進透過光となる迷光４４は集光せず、またホログラム素子２０の有効領域は全て回折格子領域であるため、全体的に迷光が広がった状態で受光エリア４１に到達する。このように、迷光４４は光検出器１８上で集光されないため大きな広がりを有し、＋１次回折光を検出する受光エリア４２に迷光４４が到達してしまうことがある。

図６（ｂ）は、信号光のうち＋１次回折光の集光状態を示すものであり、再生する情報記録層から反射される情報は光ヘッド装置１０のコリメータレンズ１６で集光されて、その一部は受光エリア４２に信号光４３ｂとして到達する。なお、受光エリア４２の各小領域にはそれぞれ、ホログラム素子２０の回折格子領域２１、２２、２３、２４を出射する＋１次回折光が集光して到達するように設計されている。これは、光検出器１８上で直進透過光が到達する位置を基準に回折光が到達する位置が、回折格子領域の回折格子の長手方向に対して垂直方向となることを利用するものである。

図７は、Ｚ方向に進行して入射する光が、断面が矩形状のホログラム素子３８を回折角γで回折して進行する様子を示す模式図である。図７の点Ｂは、ホログラム素子３８の中心点であり、点ＢからＺ方向に距離Ｌだけ離れた点を点Ｂ´とする。そして点Ｂ´をＸ−Ｙ平面の座標の中心として、点Ｂ´に対してこのＸ−Ｙ平面上で集光する位置を点Ｃとし、Ｙ軸を基準としてＹ軸と点Ｂ´−点Ｃの直線とがなす反時計回りの角度をΦとする。このとき、ホログラム素子３８の原点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を（０，０，０）として、回折光を到達させる光検出器の位置を（ρｃｏｓΦ，ρｓｉｎΦ，Ｌ）とするとき、Ｘ−Ｙ平面で回折格子の長手方向をΦと直交する方向とし、さらに格子ピッチをＰとするとき、直進透過光の方向に対して１次回折光の進行方向がなす角度をγとするとｓｉｎγ＝λ／Ｐで表されるので、
λ／Ｐ＝ρ／（ρ^２＋Ｌ^２）^１／２ ・・・ （１３）
となるように調整して受光エリア４２の各小領域の位置に集光するように設定できる。このように、各回折格子領域の格子の長手方向および格子ピッチＰを調整することによって図６（ｂ）に示すように、受光エリア４２の各小領域に各回折格子領域を回折した信号光４３ｂをそれぞれ集光して到達させることができる。

また、光ディスク１５の他の情報記録層から反射されて光検出器１８に到達する迷光のうち＋１次回折光となる図示しない迷光も、信号光４３ｂと相似的で広がりをもった形状で到達する。ここで、通常の１ビーム法を利用する光ヘッド装置では、直進透過光に対する＋１次回折光の光量比は１０：１程度に設定する例がある。また、＋１次回折光の信号光の光密度に対する＋１次回折光の迷光の光密度および、直進透過光の信号光の光密度に対する直進透過光の迷光の光密度は数％程度（１０％未満）である。したがって、この場合、直進透過光の迷光に対する＋１次回折光の迷光の光量比も１０：１程度となるので、迷光の中でも直進透過光の迷光の方が、光密度が高いので、＋１次回折光の信号光と重なって到達する迷光のうち直進透過光の迷光との干渉を小さくすることで、信号光と迷光との間で発生する干渉を抑制することができ、トラッキングサーボ信号に与える影響を少なくすることができる。なお、説明のために直進透過光と＋１次回折光との信号光、迷光の到達の様子をそれぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）に示したが、実際にはこれらは同時に到達する。

ここで、受光エリア４２に到達する信号光４３ｂおよび迷光４４について考える。本発明のホログラム素子２０を透過させることで、回折格子領域を出射する直進透過光（０次回折光）の信号光および迷光の偏光方向は、図５（ｂ）に示すようにＸ方向に対して−θ方向であり、一方、±１次回折光の偏光方向は、−θ＋９０°と、これらは互いに直交した光となる。このように、受光エリア４２で迷光４４と信号光４３ｂとが到達しても互いに直交した偏光成分であるため、干渉が発現しない。また、＋１次回折光となる図示しない＋１次回折光となる迷光は、上記の説明のように直進透過光となる迷光４４に比べて弱いものであり、このように受光エリア４２上における迷光４４と信号光４３ｂとの干渉を抑制することで、トラッキングエラー信号生成の品質を高めることができる。なお、直進透過光となる信号光４３ａは、直進透過する迷光４４と重なって受光エリア４１に到達するが、再生信号およびフォーカスエラー信号は迷光の影響を受けにくいので、これらの信号生成の品質を大きく劣化させることがない。

次に回折効率比（０次回折効率／１次回折効率）の設計手法について説明する。回折効率比は、入射光の偏光方向によって変化し、光ヘッド装置に適用する場合は適度な偏光方向となるように設定する必要がある。図８に、断面が矩形状の回折格子をなす複屈折材料のｎ_ｅの方向（ｎ_ｅ≠ｎ_ｓおよびｎ_ｏ＝ｎ_ｓ）と入射光の直線偏光方向とがなす角度に対する、回折効率比の特性を示す。ここで、０次回折光を再生信号、フォーカスエラー信号用、＋１次回折光をトラッキングエラー信号用とする光ヘッド装置に本発明のホログラム素子を適用する場合、回折効率比は１〜３０が好ましく、５〜２０であるとより好ましく、５〜１５であるとさらに好ましい。したがって、このような回折効率比を実現するには、ｎ_ｅの方向と入射光の直線偏光方向とがなす角度が１５〜６０°であれば好ましく、１９〜３５°であればより好ましく、２２〜３５°であればさらに好ましい。なお、ｎ_ｏ≠ｎ_ｓおよびｎ_ｅ＝ｎ_ｓとなるホログラム素子の場合、当然ながら上記の値はｎ_ｏの方向と入射光の直線偏光方向とがなす角度に相当する。

また、断面が擬似ブレーズ形状となる回折格子の場合の断面が矩形状の回折格子をなす複屈折材料のｎ_ｅの方向（ｎ_ｅ≠ｎ_ｓおよびｎ_ｏ＝ｎ_ｓ）と入射光の直線偏光方向とがなす角度に対する、回折効率比の特性を図９に示す。なお、擬似ブレーズ形状の回折効率は＋１次回折効率と−１次回折効率のうち大きい値を１次回折効率とする。このときの回折効率比も上記と同様に、１〜３０が好ましく、５〜２０であるとより好ましく、５〜１５であるとさらに好ましい。したがって、このような範囲の回折効率比を実現するためには、図９に示す擬似ブレーズ形状の段数による特性に基づいて入射する直線偏光の方向を決定するとよい。上記と同様に、ｎ_ｏ≠ｎ_ｓおよびｎ_ｅ＝ｎ_ｓとなるホログラム素子の場合、当然ながら上記の値はｎ_ｏの方向と入射光の直線偏光方向とがなす角度に相当する。

また、ホログラム素子を出射する光は、これまでの説明のように直進透過光（０次回折光）を再生信号、フォーカスエラー信号用として、＋１次回折光をトラッキングエラー信号用とした形態に限らない。例えばブレーズ形状の回折格子として＋１次回折効率を高くすることで、＋１次回折光を再生信号およびフォーカスエラー信号用、直進透過光（０次回折光）をトラッキングエラー信号用に適用することもできる。この他に、直進透過光（０次回折光）と＋１次回折光で受光させるだけでなく、＋１次回折光と−１次回折光の組み合わせ、または直進透過光（０次回折光）と±１次回折光の３つの組み合わせとなるような構成としてもよい。

（実施例）
ホログラム素子２０の作製方法について図３（ｂ）をもとに説明する。透明基板３１ａとして石英ガラス基板を洗浄後、石英ガラス基板上に図示しないポリイミドを成膜して焼成し、一つの方向に平行にラビング処理をして配向膜を形成する。同様に配向膜を形成した図示しない石英ガラス基板を配向方向が平行になるように対向させ、直径約４μｍの図示しないスペーサを１０個／ｍｍ^２で散布し、さらに周辺をシールして重ね合わせ、一定の厚さとなる空隙を有するセルを作製する。この空隙に４０５ｎｍの波長の光において常光屈折率（ｎ_ｏ）が１．５５、異常光屈折率（ｎ_ｅ）が１．６５となる液晶を注入し、液晶に紫外線を照射して硬化させ、厚さ約４μｍの高分子液晶層を作製する。

ここで図示しない石英ガラス基板を離型して、この高分子液晶層をフォトリソグラフィおよびエッチングによって加工する。このとき、直進透過領域２１には高分子液晶が完全に除去されるように加工され、回折格子領域２１、２２、２３、２４はそれぞれ断面が矩形状で回折格子ピッチＰが約１０μｍのパターンとなるように加工して回折格子３２ａを作製する。なお、回折格子領域の回折格子の長手方向および格子ピッチは、光検出器の受光エリアに適応させるために各回折格子領域で異なるようにする。そして、回折格子パターン側に充填材３３として波長４０５ｎｍの光に対して屈折率が１．５５となる紫外線硬化型接着剤で高分子液晶からなる回折格子の凹部を埋め、石英ガラス基板で挟持する。その後、紫外線照射により重合硬化させ、ホログラム素子２０を作製する。

そして、光ヘッド装置の信号光の偏光方向を図４でいうＸ方向としたときに、回折格子の長手方向がＸ方向を基準に時計回り方向を＋として６３．４°となるように設置する。このようなホログラム素子にＸ方向の直線偏光が入射すると、高分子液晶の常光屈折率となる方向である、−２６．６°方向の直線偏光が直進透過光として出射し、この方向と直交する６３．４°方向の直線偏光は回折する。このとき、入射光の光強度を１とすると、直進透過光（０次回折光）および＋１次回折光は、それぞれ８０％、８．１％となる。

（比較例）
比較例として、回折格子を構成する材料の屈折率が等方性の透明材料である場合について示す。波長４０５ｎｍの光に対する屈折率が１．４７である石英ガラス基板の表面に断面が矩形状となるとともに凹凸の高さが約０．４μｍとなる回折格子を形成する。このとき、一定の方向の直線偏光の光が入射すると、０次回折光、１次回折光いずれも同じ偏光方向の信号光および迷光が発現し、１次回折光の信号光が到達する光検出器の受光エリア上に、同じ偏光方向で０次回折光の迷光が到達するので干渉が発生し、エラー信号生成の精度の劣化が生じる。

以上のように、本発明にかかる光ヘッド装置は、多層光ディスクから反射されて光検出器までの光路中にホログラム素子を配置することで、光検出器の受光エリアに信号光と多層光ディスクによって発現する迷光とが重なって到達しても、干渉を低減させることができ、エラー信号生成の品質の低下を抑制することができる。このように、信号光とのクロストークによる影響を低減でき有用である。

光ヘッド装置の概念的構成図 ホログラム素子の平面模式図 回折格子の長手方向、入射光の偏光方向、回折格子を構成する複屈折材料の進相軸との関係を示す模式図。 ホログラム素子の平面模式図および断面模式図 ホログラム素子に入射する光およびホログラム素子を出射する光の進行方向および偏光方向を示す模式図 光検出器に到達する信号光および迷光を示す模式図 ホログラム素子を出射する回折光の出射方向および到達位置を示す模式図 断面が矩形状となるホログラム素子の遅相軸方向と入射光の偏光方向とがなす角度に対する回折効率比を示すグラフ 断面が擬似ブレーズ形状となるホログラム素子の遅相軸方向と入射光の偏光方向とがなす角度に対する回折効率比を示すグラフ ２層光ディスク再生時の光路模式図

符号の説明

１０ 光ヘッド装置
１１ 光源
１２、１６ コリメータレンズ
１３ ビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
１５ 光ディスク
１５ａ 情報記録面
１７、２０、２６、３８ ホログラム素子
１８ 光検出器
２１、２２、２３、２４ 回折格子領域
２５ 有効領域
２６ａ 凸部
２６ｂ 凹部
３１ａ、３１ｂ 透明基板
３２ａ、３２ｂ 回折格子
３３ 充填材
３４ ホログラム素子に入射する光の進行方向
３５ａ 直進透過光（０次回折光）
３５ｂ、３５ｃ １次回折光
３６ ホログラム素子に入射する光の偏光方向
３７ａ 直進透過光の偏光方向
３７ｂ、３７ｃ １次回折光の偏光方向
４１、４２ 受光エリア
４３ａ 信号光（直進透過光）
４３ｂ 信号光（１次回折光）
４４ 迷光（直進透過光）
１０１、１０２、１０３ 光ディスクの層
１０４、１０５、１０６ 光ディスクから反射される光

Claims (5)

1. 光源と、前記光源からの出射光を単一ビームのまま光ディスクの情報記録面上に集光させる対物レンズと、前記光ディスクの情報記録面で反射された信号光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置であって、
   前記光ディスクの前記情報記録面から光検出器へ向かう光路中に、前記信号光の少なくとも一部を回折する機能を有するホログラム素子が配置され、
   前記ホログラム素子は、透明基板上に複屈折性材料からなる断面が周期的な凹凸形状を有するとともに、前記ホログラム素子に入射する前記信号光の偏光方向が、前記複屈折性材料の進相軸および遅相軸の方向と、いずれも異なるように配置され、
   前記光検出器は、前記ホログラム素子を直進透過する０次回折光を受光する第１の受光エリアと、前記ホログラム素子を回折する１次回折光を受光する第２の受光エリアを含む光ヘッド装置。
2. 前記凹凸形状の少なくとも凹部を充填する光学的に等方性を示す等方性材料を有し、前記等方性材料の屈折率ｎ_ｓは、ｎ_ｏとｎ_ｅのいずれか一方に略等しい請求項１に記載の光ヘッド装置。
3. 前記凹凸形状が矩形状であり、前記凹凸形状の高さをｄ、入射する光の波長をλとするとき、｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝（ｊ＋１／２）λまたは｜ｎ_ｏ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝（ｊ＋１／２）λのいずれかを満足するとともに（ｊ≧０の整数）、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を直進透過する光量の割合を０次回折効率とし、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を＋１次回折または−１次回折する光量の割合を１次回折効率とするとき、
   ０回折効率／１次回折効率が１〜３０の範囲にある請求項２に記載の光ヘッド装置。
4. 前記凹凸形状がブレーズ形状またはブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状である請求項１または２に記載の光ヘッド装置。
5. 前記凹凸形状が擬似ブレーズ形状であり、前記凹凸形状の高さをｄ、入射する光の波長をλ、擬似ブレーズ形状の段数をｋ段としたとき、｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝｛ｍ（ｋ−１）／ｋ｝・λまたは｜ｎ_ｏ−ｎ_ｓ｜・ｄ＝｛ｍ（ｋ−１）／ｋ｝・λのいずれかを満足するとともに（ｍ≧１の整数）、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を直進透過する光量の割合を０次回折効率とし、入射する光の光量に対して前記ホログラム素子を＋１次回折または−１次回折する光量の割合のうち大きい方を１次回折効率とするとき、
   ０回折効率／１次回折効率が１〜３０の範囲にある請求項４に記載の光ヘッド装置。

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