JP2010015617A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いＳ偏光反射率かつ高いＰ偏光透過率の偏光分離特性を有する平板の偏光ビームスプリッタを搭載した光利用効率の高い光ヘッド装置を提供する。
【解決手段】光ヘッド装置の偏光ビームスプリッタは、透光性基板の表面に屈折率の異なる少なくとも２種以上の膜材料からなる多層膜が成膜され、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させるとともに、互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長域を拡げる。
【選択図】図３

Description

光記録媒体としてＤＶＤやＣＤなどの光ディスクが普及し、高密度情報記録光ディスクＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）が製品化され、光ディスクへの情報記録および記録情報の再生（以下、「記録再生」とよぶ）に光ヘッド装置が用いられる。
従来の光ヘッド装置３００の構成例の模式図を図１１に示す。レーザ光源１と、偏光ビームスプリッタプリズム２ａと、コリメートレンズ３および対物レンズ５と、光検出器６とを備え、レーザ光源１からの出射光が偏光ビームスプリッタプリズム２ａを透過し、コリメートレンズ３により平行光となり、対物レンズ５により光ディスク７の情報記録面に集光され、情報記録面で反射された信号光が対物レンズ５を再度透過して平行光となり、コリメートレンズ３により、偏光ビームスプリッタプリズム２ａで反射された信号光が光検出器６の受光面に集光される。

ここで、レーザ光源１からの出射光を効率よく情報記録面に集光するとともに、情報記録面で反射された信号光を効率よく光検出器に分波するために、２個の直角２等辺三角柱ガラスの一方の斜面に多層膜を成膜し接合された六面体ガラスブロック形態の偏光ビームスプリッタプリズム２ａが１／４波長板４とともに用いられる。レーザ光源から出射された直線偏光はＰ偏光（第１の直線偏光）として偏光ビームスプリッタプリズム２ａに入射して透過され、情報記録面に集光および反射されて１／４波長板４を往復透過することでＳ偏光（第２の直線偏光）となって偏光ビームスプリッタプリズム２ａに入射して反射される。

ここで用いられる偏光ビームスプリッタプリズム２ａでは、空気の屈折率（ｎ_ｇ＝１）に比べてプリズムである直角２等辺三角柱ガラスの屈折率（ｎ_ｇ＞１）が大きなため、空気と接する多層膜（ここで、多層膜材料の屈折率をｎとする）に斜入射する平板ビームスプリッタに比べ、Ｓｎｅｌｌ屈折則により入射角θ_０に対する多層膜中の屈折角θ＝ａｒｃｓｉｎ｛（ｎ_ｇ／ｎ）ｓｉｎθ_０｝の低下が少ない。後述するように、多層膜中の屈折角が大きなほどＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離波長領域が広くなるため、偏光ビームスプリッタとして機能する広い波長帯域を確保できる。その結果、例えばＢＤ光ディスクの記録再生に用いられる青色半導体レーザ光源の使用波長帯域である３９８〜４１５ｎｍにおいて、発散入射光に対しても高いＳ偏光反射率かつ高いＰ偏光透過率を示す偏光分離特性が得られ、レーザ光源から光ディスクへと進行する往路および光ディスクから光検出器へと進行する復路において高い光利用効率を実現できる。

また、従来の光ヘッド装置の他の構成例の模式図を図１２に示す。光ヘッド装置４００は、図１１に示す偏光ビームスプリッタプリズム２ａの代わりに、平行平板の透光性基板の片面に多層膜が成膜された平板ビームスプリッタ２ｂを用いている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２００７−２８０４６０号公報 特開２００２−４９１５号公報

しかし、図１１に示す光ヘッド装置３００においては、２個の直角２等辺三角柱ガラスを精度よく加工した後、多層膜の成膜および六面体ガラスブロック形態に接着する必要があり、図１２に示す平板ビームスプリッタに比べて加工が複雑化するとともにコストアップとなるといった問題があった。また、有機接着材を用いるため、高温および高湿度環境における長時間特性安定性や青色レーザ光照射に伴う耐光性などの信頼性に課題があった。

また、図１２に示す光ヘッド装置４００においては、平板ビームスプリッタ２ｂにおいて、空気と多層膜材料との屈折率差が大きいため、偏光ビームスプリッタプリズム２ａに比べてＳｎｅｌｌ屈折則による多層膜中の屈折角が小さな値となる。その結果、斜入射におけるＰ偏光とＳ偏光の実効屈折率の差が低下し、例えば、青色半導体レーザ光源の使用波長帯域である３９８〜４１５ｎｍにおいて、発散入射光に対し高い偏光分離特性の実現が困難であった。その結果、往路および復路の光利用効率が低下し、高出力の青色半導体レーザ光源が必要となるとともに、光検出器のＳＮ比（信号とノイズの比）低下を招くといった問題があった。また、入射角中心値を７０°以上の大きな値とすることにより平板ビームスプリッタ２ｂの多層膜中の屈折角を大きな値に設定し偏光分離特性を向上することができるが、大面積の平板ビームスプリッタ２ｂが必要となり光ヘッド装置の大形化を招くといった問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑み、高い偏光分離特性を有する平板の偏光ビームスプリッタを搭載した光利用効率の高い光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射された第１の直線偏光を円偏光に変換するとともに、光記録媒体から反射された円偏光を第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光に変換する１／４波長板と、前記１／４波長板を透過した円偏光を光記録媒体に集光する対物レンズと、前記光記録媒体により反射され前記１／４波長板により変換された第２の直線偏光を検出する光検出器と、前記レーザ光源と前記１／４波長板との間の光路中に配置され、前記レーザ光源から出射された第１の直線偏光を透過又は反射し、かつ、前記光記録媒体から反射され前記１／４波長板で円偏光から第２の直線偏光に変換された反射光を反射又は透過する偏光ビームスプリッタと、を備えた光ヘッド装置であって、前記偏光ビームスプリッタは、透光性基板の表面に屈折率の異なる少なくとも２種以上の膜材料からなる多層膜が成膜され、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させるとともに、互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長域を拡げたことを特徴とする。

また、前記光ヘッド装置において、前記光前記偏光ビームスプリッタの法線と入射光の主光線で規定される平面内における入射角の相違に起因して発生する分光特性の入射角依存性を補正するように、前記多層膜層の光学膜厚が調整されていることを特徴とする。

また、前記光ヘッド装置において、前記多層膜が、少なくとも短波長反射帯多層膜層および長波長反射帯多層膜層であることを特徴とする。

本発明の光ヘッド装置では、透光性基板の表面に多層膜が成膜された平板の偏光ビームスプリッタを用いるため、安価で大面積のガラス基板を用いて生産性よく多層膜の成膜が可能となり、従来の偏光ビームスプリッタプリズムを用いた光ヘッド装置に比べてコストダウンとなる。

また、本発明の光ヘッド装置では、レーザ光源の使用波長帯域において、高い偏光分離特性が実現できるため、往路および復路において高い光利用効率が得られる。その結果、比較的低出力のレーザ光源を用いてＳＮ比の高い光信号検出が可能となる。

また、本発明の光ヘッド装置では、発散光中に平板偏光ビームスプリッタが配置された場合、偏光分離特性の波長依存性および入射角依存性を補正できるため、レーザ光源の波長変動に対して平板偏光ビームスプリッタにより偏光分離された光の強度分布が安定化する。その結果、光ヘッド装置の大型化を招くことなく、往路および復路において高い光利用効率を実現できる。

また、前記平板偏光ビームスプリッタは光透過面および光反射面に接着材が用いられないため、高い信頼性が実現するとともに高密度情報記録光ディスクＢＤ用の光ヘッド装置に用いられる青色レーザ光に対する耐光性を確保しやすい。

本発明の光ヘッド装置１００の構成例の模式図を図１に示す。図１２に示す従来の光ヘッド装置４００の構成例と同じ機能の部品は同じ番号を記し、説明を省略する。

偏光ビームスプリッタとして、平行平板の透光性基板の片面に多層膜が成膜された平板偏光ビームスプリッタ１０を用い、レーザ光源１から出射する光の主光線が平板偏光ビームスプリッタ１０の偏光反射面に対して入射角θで入射する。なお、平板偏光ビームスプリッタ１０の偏光反射面である多層膜面の法線と入射光の主光線で規定される平面に対して、入射光の偏光のうち面内の偏光をＰ偏光、面に垂直な偏光をＳ偏光と呼ぶこととする。

ここで、レーザ光源１から出射する直線偏光をＳ偏光（第１の直線偏光）として平板偏光ビームスプリッタ１０に入射することにより高い反射率が得られる。レーザ光源１から出射する直線偏光がＳ偏光でない場合は、レーザ光源１と平板偏光ビームスプリッタ１０の間の光路中に１／２波長板を配置し、１／２波長板の透過偏光を回転させてＳ偏光に変換すればよい。また、レーザ光源１からの出射光の一部が平板偏光ビームスプリッタ１０を透過し、透過光を図示されていない光検出器により検出し、光ディスク７の情報記録面に到達する光が一定となるようにレーザ光源１の発光強度を帰還制御する場合、Ｐ偏光成分も平板偏光ビームスプリッタ１０に入射するように、主光線を回転軸としてレーザ光源１を回転する、あるいは前記１／２波長板を用いてその遅相軸の角度を回転調整して出射直線偏光の方向を所望の角度にすればよい。

平板偏光ビームスプリッタ１０により反射されたＳ偏光は、光ディスク７の情報記録面で反射し信号光となり、１／４波長板４を往復することによりＰ偏光（第２の直線偏光）に変換されて平板偏光ビームスプリッタ１０に入射する。平板偏光ビームスプリッタ１０はＰ偏光に対して高い偏光透過率を示すため、効率よく光検出器６の受光面に集光されて電気信号に変換される。

本発明の光ヘッド装置１００に用いられる平板偏光ビームスプリッタ１０について、その構造を示す断面図である図２を用いて偏光分離機能を以下に説明する。
図１では平板偏光ビームスプリッタ１０を発散光中に配置し、往路でＳ偏光反射および復路でＰ偏光透過となる光ヘッド装置としているが、往路でＰ偏光透過および復路でＳ偏光反射となる配置とした光ヘッド装置としてもよい。

ただし、発散光中に平板偏光ビームスプリッタ１０を斜入射で配置した場合、主光線の入射角と発散光の角度幅および基板の厚さに応じて透過光に非点収差が発生する。往路における透過波面収差が大きな場合、光ディスクの情報記録面の集光スポット形状が劣化し記録再生エラーとなるため、図１に示す往路でＳ偏光反射および復路でＰ偏光透過となる光ヘッド装置の構成が好ましい。

図２は本発明に係る光ヘッド装置１００に用いられるに用いられる平板偏光ビームスプリッタ１０の構造を示すもので、異なる２つの中心波長からなる短波長反射帯多層膜層１２Ｓと長波長反射帯多層膜層１２Ｌがこの場合は平板基板１１一面上に重ねられている。光線が入射したときのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性形状を図３に示す。図中、実線（黒丸●および白丸○）は短波長反射帯の長波長側立ち上がり部であって、左側の線がＰ偏光分光透過特性を、右側の線がＳ偏光分光透過特性を表し、図中の破線（黒四角■および白四角□）は長波長反射帯の短波長側立ち下がり部分であって、左側の線がＳ偏光分光透過特性を、右側の線がＰ偏光分光透過特性を表す。この２つの分光透過特性の重ね合わせにより図中央部のＰ偏光透過波長領域が合成される。また同様にＳ偏光についても短波長反射帯と長波長反射帯のＳ偏光透過特性の重ね合わせにより、図中の白菱形◇で示すように全領域にわたるＳ偏光反射波長領域が合成される。長波長反射帯の短波長側立ち下がり部及び、短波長反射帯の長波長側立ち上がり部とも単独では従来の有効偏光分離波長領域が小さいが、双方の特性が合成されることにより、結果として、図中央部に示されるように幅広い有効偏光分離波長領域を得ることとなる。

平板基板１１の片面に成膜する短波長反射帯多層膜層１２Ｓと長波長反射帯多層膜層１２Ｌの順番に制約はなく、図２と逆でもよい。
使用波長帯域における多層膜層の光吸収はほとんど無いため、透過率と反射率の和はほぼ１００％となる。
なお、平板偏光ビームスプリッタ１０の他方の平面において、レーザ光源１の使用波長帯域の少なくともＰ偏光に対して、反射が低減される入射角の配置、あるいは反射防止膜などの反射防止処理を施すことが好ましい。

短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび長波長反射帯多層膜層１２Ｌは、屈折率の異なる透明誘電体膜が積層された多層膜層から成り、高屈折率ｎ_Ｈの誘電体膜と低屈折率ｎ_Ｌの誘電体膜を交互に積層された構造が一般的である。高屈折率ｎ_Ｈの誘電体膜として屈折率２以上のＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２などを用い、低屈折率ｎ_Ｌの誘電体膜として屈折率１．５以下のＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＡｌＦ_３、ＮａＦ、非結晶フッ素樹脂などを用いる。

なお、多層膜の構成材料として、常光屈折率ｎ_ｏと異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｅ＞ｎ_ｏ）の複屈折材料を高屈折膜として用い、屈折率がｎ_ｏに略等しい均質屈折率の低屈折膜と交互に積層した多層膜層としてもよい。この場合、複屈折材料の常光屈折率ｎ_ｏの方向をＰ偏光方向に一致させることにより、広い入射角範囲および広い波長帯域でＰ偏光に対して高い透過率が得られる。また、多層膜は短波長反射帯多層膜層および長波長反射帯多層膜層からなる２層に限らず、３層以上であってもよい。

多層膜形成方法として、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの乾式法と、塗布法、ゾルゲル法などの湿式法が用いられる。

以下、本発明の光ヘッド装置１００に用いられるに用いられる平板偏光ビームスプリッタ１０の原理について説明する。
屈折率１の大気中の多層膜に入射角θで光が入射した時、高屈折率ｎ_Ｈおよび低屈折率ｎ_ＬのＰ偏光およびＳ偏光に対する実効屈折率η_ＨＰ、η_ＨＳおよびη_ＬＰ、η_ＬＳは（１ａ）から（１ｄ）式で記載される。
η_ＨＰ＝ｎ_Ｈ／ｃｏｓθ_Ｈ＝ｎ_Ｈ／｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｈ）^２｝^０．５ （１ａ）
η_ＨＳ＝ｎ_Ｈ×ｃｏｓθ_Ｈ＝ｎ_Ｈ×｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｈ）^２｝^０．５ （１ｂ）
η_ＬＰ＝ｎ_Ｌ／ｃｏｓθ_Ｌ＝ｎ_Ｌ／｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｌ）^２｝^０．５ （１ｃ）
η_ＬＳ＝ｎ_Ｌ×ｃｏｓθ_Ｌ＝ｎ_Ｌ×｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｌ）^２｝^０．５ （１ｄ）

したがって、垂直入射でない場合は高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜のＰ偏光およびＳ偏光に対する実効屈折率差△η_Ｐと△η_Ｓは異なるとともに入射角θに依存し、（２ａ）および（２ｂ）式で記載される。
△η_Ｐ＝η_ＨＰ−η_ＬＰ＝（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）×Ａ_Ｐ×Ｃ （２ａ）
△η_Ｓ＝η_ＨＳ−η_ＬＳ＝（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）×Ａ_Ｓ （２ｂ）
ここで、Ａ_Ｐ、Ａ_ＳおよびＣは（３ａ）から（３ｃ）式で記載される。
Ａ_Ｐ＝（ｎ_Ｈ＋ｎ_Ｌ）／（η_ＨＰ＋η_ＬＰ） （３ａ）
Ａ_Ｓ＝（ｎ_Ｈ＋ｎ_Ｌ）／（η_ＨＳ＋η_ＬＳ） （３ｂ）
Ｃ＝｛（ｎ_Ｈｎ_Ｌ）^２−（ｎ_Ｈ ^２＋ｎ_Ｌ ^２）ｓｉｎ^２θ｝／（η_ＨＳη_ＬＳ）^２（３ｃ）

入射角θの増加に伴いｓｉｎθは増加するため、Ｓ偏光の実効屈折率η_ＨＳおよびη_ＬＳは（１ｂ）、（１ｄ）式より減少する。その結果、（３ｂ）式よりＡ_Ｓが増加するため、実効屈折率差△η_Ｓは（２ｂ）式より増加する。また、屈折率差（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）の大きな誘電体膜材料ほど実効屈折率差△η_Ｓは大きくなる。

一方、Ｐ偏光の実効屈折率η_ＨＰおよびη_ＬＰは（１ａ）、（１ｃ）式より入射角θの増加に伴い増加し、（３ａ）、（３ｃ）式よりＡ_ＰおよびＣは減少するため、実効屈折率差△η_Ｐは（２ａ）式より減少する。特に、（３ｃ）式において、（ｎ_Ｈｎ_Ｌ）^２／（ｎ_Ｈ ^２＋ｎ_Ｌ ^２）≦０．５のため、ｎ_Ｈ、ｎ_Ｌおよびθの設定によってはゼロに近い値となり、実効屈折率差△η_Ｐを小さくできる。

高屈折率ｎ_Ｈで膜厚ｄ_Ｈの誘電体膜と低屈折率ｎ_Ｌで膜厚ｄ_Ｌの誘電体膜の光学膜厚はｎ_Ｈ×ｄ_Ｈおよびｎ_Ｌ×ｄ_Ｌであり、各層の干渉に寄与する光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌは（４ａ）、（４ｂ）式で記述される。入射光の基準波長λ_０に対して光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌがλ_０／４となる膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌの条件で交互に積層した多層膜層の場合、透過率５０％となる反射帯の波長間隔で定義されるＰ偏光およびＳ偏光の反射帯の波長幅△λ_Ｐおよび△λ_Ｓは（５ａ）、（５ｂ）式で記載される。

Ｌ_Ｈ＝ｎ_Ｈ×ｄ_Ｈ×ｃｏｓθ_Ｈ
＝ｎ_Ｈ×ｄ_Ｈ×｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｈ）^２｝^０．５ （４ａ）
Ｌ_Ｌ＝ｎ_Ｌ×ｄ_Ｌ×ｃｏｓθ_Ｌ
＝ｎ_Ｌ×ｄ_Ｌ×｛１−（ｓｉｎθ／ｎ_Ｌ）^２｝^０．５ （４ｂ）
△λ_Ｐ／λ_０＝（４／π）×ｓｉｎ^−１｛△η_Ｐ／（η_ＨＰ＋η_ＬＰ）｝ （５ａ）
△λ_Ｓ／λ_０＝（４／π）×ｓｉｎ^−１｛△η_Ｓ／（η_ＨＳ＋η_ＬＳ）｝ （５ｂ）

この時のＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過率ＴｐとＴｓの計算例を図４に示す。
なお、高屈折率ｎ_Ｈと低屈折率ｎ_Ｌの誘電体膜の積層数を多くするほど、また実効屈折率差△η_Ｐおよび△η_Ｓが大きなほど、透過帯と反射帯の境界波長域の分光特性が急峻となる。

したがって、Ｐ偏光とＳ偏光の入射光に対する反射帯の波長幅△λ_Ｐと△λ_Ｓが△λ_Ｐ＜△λ_Ｓの大小関係となり、入射角θおよび屈折率差（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）の増加に伴い反射帯の波長幅△λ_Ｐと△λ_Ｓの差が拡大する。

その結果、基準波長λ_０とする反射波長帯の短波長域と長波長域で、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する立ち下がり部と立ち上がり部の偏光分離波長帯が発現し、平板偏光ビームスプリッタの機能が得られる。

本発明の平板偏光ビームスプリッタ１０において、短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび長波長反射帯多層膜層１２Ｌを構成する多層膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを調整することにより、使用波長域に中心波長に対して各々の反射帯の波長幅の略中心波長に相当する基準波長λ_０を短波長反射帯多層膜層１２Ｓでは短波長側に長波長反射帯多層膜層１２Ｌでは長波長側にするとともに、短波長反射帯多層膜層１２ＳのＳ偏光立ち上がり部と長波長反射帯多層膜層１２ＬのＳ偏光立ち下がり部が使用波長域の中心波長に近接するように多層膜層を設計する。その結果、図３に示す所望の広い有効偏光分離波長領域を有する平板偏光ビームスプリッタ１０が得られる。

なお、各層の光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌがλ_０／４の単純な多層膜とした場合、有効偏光分離波長領域におけるＰ偏光透過率の波長変動が大きくなるため、膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを調整することによりＰ偏光透過率が９５％以上となる多層膜構成とすることが好ましい。

高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜の屈折率差（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）が大きなほど、主光線の入射角θが大きな配置ほど、短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび長波長反射帯多層膜層１２Ｌの個々の偏光分離波長帯が広いため、平板偏光ビームスプリッタ１０においても広い有効偏光分離波長領域が得られる。

例えば、レーザ光源１として高情報記録密度光ディスクＢＤの記録再生用の光ヘッド装置に搭載される青色半導体レーザを用いる場合、レーザ光源の発振波長の個体差ばらつきおよび温度変化に伴う発振波長変動を考慮すると、使用波長帯域は３９８〜４１５ｎｍ程度となり、この使用波長帯域においてＳ偏光反射およびＰ偏光透過の偏光分離機能が重要となる。本発明の平板偏光ビームスプリッタ１０を入射角θ＝４５°の配置で用いた光ヘッド装置とすることにより、使用波長帯域において９５％以上の高いＳ偏光反射およびＰ偏光透過の偏光分離機能が実現できる。

一方、短波長反射帯多層膜層１２Ｓあるいは長波長反射帯多層膜層１２Ｌのみが平板基板１１の片面に成膜された従来の平板偏光ビームスプリッタとした場合、同等の偏光分離機能が得られる波長帯域幅は１０ｎｍ以下の狭い領域に留まるため、青色半導体レーザの波長変動に伴い光ヘッド装置の信号光量が安定せず、記録再生エラーが発生し問題となる。

また、図１の光ヘッド装置１００に示すように、平板偏光ビームスプリッタ１０が発散光および収束光の入射光配置において用いられる場合、短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび長波長反射帯多層膜層１２Ｌを構成する高屈折率ｎ_Ｈおよび低屈折率ｎ_Ｌの誘電体膜の光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌは、（４ａ）、（４ｂ）式に示すように入射角θに応じて変化する。主光線の入射角θに比べて、大きな入射角では偏光分離波長領域が短波長側に、小さな入射角では偏光分離波長領域が長波長側にシフトする。

その結果、例えば入射角θ＝４５°の平行光に対しては使用波長帯域において高い偏光分離特性が実現できるが、入射角４５°±８°の発散光に対しては、使用波長帯域をカバーする高い偏光分離特性が実現できないといった問題が生じる可能性がある。具体的には、入射角θ＝４５°で波長帯域幅約２５ｎｍに対して高い偏光分離機能を示す平板偏光ビームスプリッタ１０の場合、入射角４５°±８°の発散光に対する高い偏光分離特性が得られる波長幅は約５ｎｍに低下する。

光ヘッド装置１００において、レーザ光源１からの出射光はその半値強度全角の放射角が６°から２２°程度の楕円強度分布を有し、コリメートレンズ３で平行光とした後対物レンズで光ディスクの情報記録面に集光する。このとき、対物レンズの開口径に対して実効的な開口数が低下しない強度分布となるようにレーザ光源１の出射発散光に対するコリメートレンズ３による取り込み角が設定される。その結果、レーザ光源１とコリメートレンズ３の間の光路中に配置された平板偏光ビームスプリッタ１０は、入射光が主光線の入射角θに対して±６°から±９°程度の発散光の配置となる。

平板偏光ビームスプリッタへの入射角が主光線に対して分布した発散光中でも高い偏光分離特性を実現する２種類の方法を以下に説明する。

１．光学膜厚が空間分布した多層膜層
平板偏光ビームスプリッタの多層膜層を構成する高屈折率ｎ_Ｈと低屈折率ｎ_Ｌの誘電体膜の光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌは（４ａ）、（４ｂ）式に示す入射角依存性があるため、主光線に対する入射角θからの差異による光路長差変化分を各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを調整することにより補償すればよい。

このような多層膜層構造を有する平板偏光ビームスプリッタ２０の法線と入射光の主光線で規定されるＸＺ面における断面構造の模式図を図５に示す。なお、実際の多層膜層の総膜厚は０．５μｍから１０μｍ程度とわずかだが、説明のために膜厚を拡大強調して示している。

各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌは主光線の入射角θに対し、広角（θ＋α）側では厚く、狭角（θ−α）側では薄くなるよう、狭角側から広角側へ各誘電体膜の膜厚が連続的に空間分布した多層膜層構造とする。

なお、図５の紙面に垂直なＹ軸方向において、平板偏光ビームスプリッタ２０に対する主光線の入射角成分は０°のため、（４ａ）、（４ｂ）式より±１０°以下程度の発散光における入射角変化に対する光路長差Ｌ_ＨおよびＬ_Ｌの変動はわずかであり、Ｙ軸方向の各誘電体膜の膜厚を調整する可能性は低い。

このような多層膜層の分光特性における入射角依存性を膜厚調整で補正する技術は、ウェッジ付き光学フィルタなどの製品に適用されている成膜時に膜厚補正板を配置するなどの手法を用いることにより実現可能である。

２．主光線の入射角θが大きくなる配置
前述したように、平板偏光ビームスプリッタの多層膜層を構成する高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜の屈折率差（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）が大きいほど、主光線の入射角θが大きな配置ほど、短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび長波長反射帯多層膜層１２Ｌの個々の偏光分離波長帯が拡がるため、平板偏光ビームスプリッタにおいても有効偏光分離波長領域を拡大することができる。

屈折率差（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）は用いられる実用的な透明誘電体膜材料によって制約が有る。一方、主光線の入射角θを大きくするほど入射光束径に対する平板偏光ビームスプリッタ１０の受光面積を拡大することが重要である。これは平板偏光ビームスプリッタ１０の大型化およびコストアップを招き光ヘッド装置１００の大形化につながるといった問題が生じやすいからである。また、図１においてレーザ光源１と光検出器６が近づき干渉するため、配置上許容される入射角θには上限が有る。

このような問題を回避し、発散光中配置においてレーザ光源の使用波長帯域にわたり高い偏光分離特性を実現するためには、主光線の入射角θを４５°から６５°の範囲とすることが有効である。

［例１］
高密度情報記録光ディスクＢＤの記録再生用の光ヘッド装置に用いられる青色半導体レーザをＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍのレーザ光源１とし、主光線の入射角θ＝４５°の平行光中に平板偏光ビームスプリッタ２１を配置した本発明の光ヘッド装置２００の構成例の模式図を図６に示す。光ヘッド装置１００の構成例の模式図を示す図１と同じ機能の部品は同じ番号を記し、説明を省略する。

光ヘッド装置１００との相違点として、レーザ光源１から出射したＰ偏光（第１の直線偏光）の発散光がコリメートレンズ３により平行光となって平板偏光ビームスプリッタ２１に入射角θ＝４５°で入射する。さらに、光ディスク７の情報記録面により反射された信号光が対物レンズ５を再度透過して平行光となり、１／４波長板４を往復することによりＳ偏光（第２の直線偏光）に変換されて平板偏光ビームスプリッタ２１に入射し、反射された光は平板ビームスプリッタ２１ｂで反射され、平板ビームスプリッタ２１ａを透過し、コリメートレンズ３ａにより光検出器６ａの受光面に集光される。

さらに、光ヘッド装置２００ではＤＶＤおよびＣＤの光ディスクの記録再生も実現するため、ＤＶＤとＣＤ用の光ヘッド装置２００ａが一体化されている。ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光とＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光を切り替えて発振する２波長レーザ光源１ａから出射するＳ偏光の発散光のうち約９０％が平板ビームスプリッタ２１ａで反射され、コリメートレンズ３ａにより平行光となって平板ビームスプリッタ２１ｂを透過し、ＤＶＤおよびＣＤ用の対物レンズ５ａにより光ディスク７ａの情報記録面に集光される。光ディスク７ａの情報記録面で反射された信号光が前記対物レンズ５ａを再度透過して平行光となり、１／４波長板４ａを往復することによりＰ偏光に変換されて平板ビームスプリッタ２１ｂを透過し、コリメートレンズ３ａにより平板ビームスプリッタ２１ａを透過した一部の光が光検出器６ａの受光面に集光される。

ここで、平板ビームスプリッタ２１ｂはＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の少なくともＳ偏光を反射し、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯およびＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯のＰ偏光およびＳ偏光を透過する分光特性を有する平板ビームスプリッタである。また、平板ビームスプリッタ２１ａはＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の少なくともＳ偏光を透過し、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯およびＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の少なくともＳ偏光を９０％以上反射するとともに少なくともＰ偏光を１０％以上透過する分光特性を有する平板ビームスプリッタである。平板ビームスプリッタ２１ａおよび２１ｂは偏光分離機能が必須ではないため、従来の多層膜設計にて所望の分光特性が実現できる。

図６には記載していないが、レーザ光源１とコリメートレンズ３の間の光路中や、レーザ光源１ａとコリメートレンズ３ａの間の光路中にトラッキングサーボ信号を得るために、０次透過光と±１次回折光を生成する３ビーム回折格子を配置する場合がある。また、平板ビームスプリッタ２１ａと光検出器６ａの間の光路中にフォーカスサーボ信号を得るために、透過光に非点収差を発生させるシリンドリカルレンズなどを配置する場合がある。

次に、平板偏光ビームスプリッタ２１の具体的な構成および機能を図２を用いて以下に説明する。屈折率１．５２の透光性ガラスの平板基板１１の片面に、基板側から高屈折率ｎ_Ｈ＝２．２０のＴａ_２Ｏ_５誘電体膜と低屈折率ｎ_Ｌ＝１．４７のＳｉＯ_２誘電体膜を交互に、長波長反射帯多層膜層１２Ｌおよび短波長反射帯多層膜層１２Ｓを各々３０層ずつ積層し、合計６０層の構成となるように成膜する。図２の１２Ｓと１２Ｌの順番が逆の構成に対応する。

青色半導体レーザ光源の基準波長λ_０＝４０５ｎｍを用いると、（４ａ）、（４ｂ）式で定義される光路長差の６０層の平均値は０．２６８λ_０、長波長反射帯多層膜層１２Ｌと短波長反射帯多層膜層１２Ｓの各３０層の光路長差の平均値は０．３０５λ_０と０．２３１λ_０である。使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍにおける主光線の入射角θ＝４５°で±３°の発散および収束光に対して高いＰ偏光透過率を確保するために、長波長反射帯多層膜層１２Ｌにおける平板基板１１および短波長反射帯多層膜層１２Ｓとの境界の数層と、短波長反射帯多層膜層１２Ｓにおける大気との境界の数層は光路長差の各平均値０．３０５λ_０と０．２３１λ_０に対して最大０．４λ_０程度異なる光路長差に設定するとともに、その他の層の各光路長差を各平均値から±０．０６λ_０以内で各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを微調整した設計としている。

なお、主光線の入射角θ＝４５°に対して±３°の発散および収束光としたのは、情報記録面が２層からなるＢＤ用の光ディスクの場合、光ディスクカバー厚の相違に応じて発生する情報記録面における集光スポットの球面収差を補正するためにコリメートレンズ３および３ａを光軸方向に移動して±３°以下の範囲で発散光または収束光に調整することが必要となるためである。コリメートレンズ３と３ａの光軸方向の移動は、２個のコリメートレンズをホルダに一体固定し、ステッピングモータなどを用いて駆動する。

このような構成からなる平板偏光ビームスプリッタ２１のＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過率波長依存性の計算結果を図７に示す。（Ｐ−４５）と（Ｓ−４５）は入射角４５°、（Ｐ−４２）と（Ｓ−４２）は入射角４２°、（Ｐ−４８）と（Ｓ−４８）は入射角４８°に対するＰ偏光とＳ偏光の分光透過率を示す。すなわち、使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍにおける入射角４５°±３°の発散光に対し、９５％以上のＰ偏光透過率と９６％以上のＳ偏光反射率を示す平板偏光ビームスプリッタ２１となっている。なお、入射角θ＝４５°の平行光に対しては、波長帯域３９５〜４１７ｎｍにおいて９８％以上のＰ偏光透過率と９８％以上のＳ偏光反射率を示す。

比較例１として、従来技術である短波長反射帯多層膜層１２Ｓのみからなる平板偏光ビームスプリッタとした時のＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過率波長依存性の計算結果を図８に示す。入射角θ＝４５°の平行光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域は４００〜４１２ｎｍで、入射角４５°±３°の発散光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域は４０５〜４０９ｎｍとなり、使用波長帯域に対する高い偏光分離特性が得られにくい。

また、比較例２として、従来技術である長波長反射帯多層膜層１２Lのみからなる平板偏光ビームスプリッタとした時のＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過率波長依存性の計算結果を図９に示す。入射角θ＝４５°の平行光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域は４００〜４１０ｎｍで、入射角４５°±３°の発散光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域は４０５〜４０７ｎｍとなり、使用波長帯域に対する高い偏光分離特性が得られにくい。

本発明の光ヘッド装置２００によれば、ＢＤ用光ディスク７の記録再生において往路および復路の高い光利用効率が得られ、比較的低消費電力の青色半導体レーザ光源を用いることができるとともに、ＳＮの高い光信号検出ができるため安定した動作が実現する。また、偏光ビームスプリッタプリズムの代わりに平板偏光ビームスプリッタ２１を用い、他の光合分波素子も平板ビームスプリッタから成るため、生産性が高くコストダウンが可能となる。さらに、ＤＶＤおよびＣＤの用光ディスク７ａの記録再生に対しても、ＢＤ用と共通の光検出器６ａを用いるため、光ヘッド装置の小型化につながるとともにコストダウンとなる。

［例２］
本発明の第２の実施例を、光ヘッド装置１００の構成例の模式図である図１を用いて説明する。
レーザ光源１とし実施例１と同じ青色半導体レーザを用い、主光線の入射角θ＝４５°で±８°の発散光中に平板偏光ビームスプリッタ２０を配置した構成としている。光ヘッド装置１００の構成および作用は実施の形態に記したため説明を省略する。
平板偏光ビームスプリッタ２０の具体的な構成および機能を図５を用いて以下に説明する。

平板偏光ビームスプリッタ２０の片面に成膜された多層膜層は、主光線の入射角θ＝４５°となる位置において、実施例１の平板偏光ビームスプリッタ１０と同じ各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌの多層膜設計構成としている。さらに、平板偏光ビームスプリッタ１０のＸＺ面内で、入射角が４５°に対して狭角（４５°−８°）側から広角（４５°＋８°）側に向かって連続的に各誘電体膜の膜厚が厚くなるように空間分布したウェッジ付き多層膜層とし、多層膜層の分光特性における入射角依存性を補正している。

具体的には、入射角が３７°（＝４５°−８°）でおよび５３°（＝４５°＋８°）の時、入射角θ＝４５°に比較して有効偏光分離波長領域が略＋９ｎｍおよび略−９ｎｍだけ波長シフトするため、各誘電体膜の膜厚を入射角θ＝４５°の位置の膜厚に対する比率として、入射角が３７°および５３°の位置で略−２．３％および略＋２．３％程度の連続的な膜厚分布を形成する。

その結果、使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍにおいて、主光線の入射角θ＝４５°で±８°の発散光に対し９６％以上のＰ偏光透過率と９６％以上のＳ偏光反射率となる高い偏光分離特性を示す平板偏光ビームスプリッタ２０が得られ、比較的低消費電力で安定したＳＮの高い光信号検出ができる光ヘッド装置が実現する。

［例３］
レーザ光源１とし実施例１および２と同じ青色半導体レーザを用い、主光線の入射角θ＝６０°で±８°の発散光中に平板偏光ビームスプリッタ１０を配置した図１に示す本発明の光ヘッド装置１００において、図２に示す平板偏光ビームスプリッタ１０の本実施例における具体的な構成および機能を以下に説明する。光ヘッド装置１００の構成および作用は実施の形態に記したため説明を省略する。

屈折率１．５２の透光性ガラスの平板基板１１の片面に、基板側から高屈折率ｎ_Ｈ＝２．２０のＴａ_２Ｏ_５誘電体膜と低屈折率ｎ_Ｌ＝１．４７のＳｉＯ_２誘電体膜を交互に合計５８層積層した構成からなる短波長反射帯多層膜層１２Ｓと長波長反射帯多層膜層１２Ｌを成膜する。青色半導体レーザ光源の基準波長λ_０＝４０５ｎｍを用いると、（４ａ）、（４ｂ）式で定義される光路長差の５８層の平均値は０．２６３λ_０、３０層からなる短波長反射帯多層膜層１２Ｓと２８層からなる長波長反射帯多層膜層１２Ｌの各光路長差の平均値は０．２２３λ_０と０．３０４λ_０である。使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍおよび入射角６０°±８°の発散光に対して高いＰ偏光透過率を確保するために、短波長反射帯多層膜層１２Ｓにおける平板基板１１との境界の数層と、長波長反射帯多層膜層１２Ｌにおける短波長反射帯多層膜層１２Ｓおよび大気との境界の数層は光路長差の各平均値０．２２３λ_０と０．３０４λ_０に対して最大０．４λ_０程度異なる光路長差に設定するとともに、その他の層の各光路長差を各平均値から±０．０６λ_０以内となるように各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを微調整した多層膜設計としている。

このような構成からなる平板偏光ビームスプリッタ１０のＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過率波長依存性の計算結果を図１０に示す。（Ｐ−６０）と（Ｓ−６０）は入射角６０°、（Ｐ−５２）と（Ｓ−５２）は入射角５２°、（Ｐ−６８）と（Ｓ−６８）は入射角６８°に対するＰ偏光とＳ偏光の分光透過率を示す。すなわち、使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍにおける入射角６０°±８°の発散光に対し、９８％以上のＰ偏光透過率と９８％以上のＳ偏光反射率を示す平板偏光ビームスプリッタ１０となっている。なお、入射角θ＝６０°の平行光に対しては、波長帯域３８９〜４２２ｎｍにおいて９３％以上のＰ偏光透過率と９９％以上のＳ偏光反射率を示す。

比較例として、従来技術である短波長反射帯多層膜層１２Ｓまたは長波長反射帯多層膜層１２Lのみからなる平板偏光ビームスプリッタとした時のＰ偏光とＳ偏光に対する分光透過率波長依存性の計算結果から、入射角θ＝６０°の平行光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域は４００〜４１２ｎｍで、入射角６０°±８°の発散光に対して９０％以上のＰ偏光透過率と９０％以上のＳ偏光反射率を示す波長帯域４０５〜４０９ｎｍとなり、使用波長帯域に対する高い偏光分離特性が得られない。

本発明の光ヘッド装置１００によれば、ＢＤ用光ディスク７の記録再生において往路および復路の高い光利用効率が得られ、比較的低消費電力の青色半導体レーザ光源を用いることができるとともに、ＳＮの高い光信号検出ができるため安定した動作が実現する。また、偏光ビームスプリッタプリズムの代わりに平板偏光ビームスプリッタを用いているため、生産性が高くコストダウンが可能となる。

実施例１から３では、レーザ光源１としてＢＤ用光ディスクの使用波長帯域３９８〜４１５ｎｍの青色半導体レーザ光源を用いる例について説明したが、ＤＶＤ用光ディスクの使用波長帯域６４５〜６７５ｎｍの赤色レーザ光源や、ＣＤ用光ディスクの使用波長帯域７６５〜８０５ｎｍの近赤外レーザ光源を用いる場合でも、平板偏光ビームスプリッタの多層膜層の基準波長λ_０の相違に応じて各誘電体膜の膜厚ｄ_Ｈおよびｄ_Ｌを調整した多層膜設計構成に変更すれば対応できる。

また、同じ多層膜設計手法を用いて、ＢＤ波長用の多層膜層とＤＶＤ波長用の多層膜層を積層することにより、ＢＤ使用波長帯域およびＤＶＤ使用波長帯域に対して高い偏光分離機能を実現する平板偏光ビームスプリッタとすることができるため、光ヘッド装置のさらなる小型化およびコストダウンにつながる。

本発明の実施形態の光ヘッド装置の構成例を示す模式図。 本発明の光ヘッド装置に搭載された平板偏光ビームスプリッタの構造を示す断面図。 本発明の光ヘッド装置に搭載された平板偏光ビームスプリッタのＰ、Ｓ偏光の分光透過特性形状例を示すグラフ。 光路長差がλ_０／４の高屈折率と低屈折率の誘電体膜を交互に積層した多層膜の斜入射光に対するＰ、Ｓ偏光の分光透過特性形状例を示すグラフ。 本発明の光ヘッド装置に搭載された平板偏光ビームスプリッタにおいて、多層膜層に膜厚分布が付与された構造を示す断面図。 本発明の第１の実施例の光ヘッド装置の構成例を示す模式図。 本発明の第１の実施例の光ヘッド装置に搭載された平板偏光ビームスプリッタのＰ、Ｓ偏光の分光透過特性を示すグラフ。 比較例１として、従来の平板ビームスプリッタのＰ、Ｓ偏光の分光透過特性を示すグラフ。 比較例２として、従来の平板ビームスプリッタのＰ、Ｓ偏光の分光透過特性を示すグラフ。 本発明の第３の実施例の光ヘッド装置に搭載された平板偏光ビームスプリッタのＰ、Ｓ偏光の分光透過特性を示すグラフ。 従来の偏光ビームスプリッタプリズムを搭載した光ヘッド装置の構成例を示す模式図。 従来の平板ビームスプリッタを搭載した光ヘッド装置の構成例を示す模式図。

符号の説明

１、１ａ：レーザ光源
２ａ：偏光ビームスプリッタプリズム
２ｂ、２１ａ、２１ｂ：平板ビームスプリッタ
３、３ａ：コリメートレンズ
４、４ａ：１／４波長板
５、５ａ：対物レンズ
６、６ａ：光検出器
７、７ａ：光ディスク
１０、２０、２１：平板偏光ビームスプリッタ
１１：平板基板
１２Ｓ：短波長反射帯多層膜層
１２Ｌ：長波長反射帯多層膜層
１００、２００、２００ａ：光ヘッド装置

Claims (3)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された第１の直線偏光を円偏光に変換するとともに、光記録媒体から反射された円偏光を第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光に変換する１／４波長板と、
   前記１／４波長板を透過した円偏光を光記録媒体に集光する対物レンズと、
   前記光記録媒体により反射され前記１／４波長板により変換された第２の直線偏光を検出する光検出器と、
   前記レーザ光源と前記１／４波長板との間の光路中に配置され、前記レーザ光源から出射された第１の直線偏光を透過又は反射し、かつ、前記光記録媒体から反射され前記１／４波長板で円偏光から第２の直線偏光に変換された反射光を反射又は透過する偏光ビームスプリッタと、を備えた光ヘッド装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタは、透光性基板の表面に屈折率の異なる少なくとも２種以上の膜材料からなる多層膜が成膜され、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させるとともに、互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長域を拡げたことを特徴とする光ヘッド装置。
2. 前記偏光ビームスプリッタの法線と入射光の主光線で規定される平面内における入射角の相違に起因して発生する分光特性の入射角依存性を補正するように、前記多層膜層の光学膜厚が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド装置。
3. 前記多層膜が、少なくとも短波長反射帯多層膜層および長波長反射帯多層膜層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ヘッド装置。

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