JP2010102750A - 偏光性ホログラム素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光性ホログラム素子において、コストアップを招くことなく、青紫光に対する良好な回折角が得られるようにする。
【解決手段】偏光性ホログラム素子１２は、第１及び第２の２つの透明基板３０、３２と、これらの各透明基板３０、３２に挟まれたホログラム層３４とで構成されている。ホログラム層３４には、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜３６によってホログラムパターンが形成されている。光学多層膜３６は、傾斜して入射する光に対し、複屈折性を示す。これにより、ホログラム層３４は、入射した光の偏光方向によって回折の度合いを変化させる。光学多層膜３６は、微細加工精度に優れ、青紫光に対しても良好な回折角を得ることができる。また、光学多層膜３６は、プロトン交換膜に比べて安価なので、コストアップを招くこともない。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射した光の偏光方向によって回折の度合いが異なる偏光性ホログラム素子、及びこれを用いた光ピックアップ装置に関する。

ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクに記録されたデータを読み取ったり、光ディスクに対してデータを書き込んだりする光ピックアップ装置が普及している。こうした光ピックアップ装置には、入射した光の偏光方向によって回折の度合いが異なる偏光性ホログラム素子を用いて読み取り用のレーザ光と光ディスクからの反射光とを分離するものがある（例えば、特許文献１参照）。偏光性ホログラム素子を用いた光ピックアップ装置では、ビームスプリッタやハーフミラーを用いた光ピックアップ装置に比べ、装置の簡素化や小型・軽量化、及びこれらにともなう低価格化を図ることができる。

特許文献１では、高分子液晶などの配向性材料をガラス基板上に塗布した後、直線偏光した光を配向性材料に照射して複屈折性を増大させることにより、配向性薄膜を形成している。そして、この配向性薄膜をエッチングして回折格子のパターン（以下、ホログラムパターンと称す）を形成することにより、偏光性ホログラム素子を製造している。こうすることで、回折効率の高い偏光性ホログラム素子を歩留まりよく製造することができる。
特開平１１−３１２３２９号公報

近年、４０５ｎｍの波長の青紫光を用いることによって、赤色光を用いる従来のＤＶＤよりも記録容量を増加させた光ディスクが実用化されている。波長の短い青紫光を偏光性ホログラム素子で分離させるためには、赤色の光が用いられるＤＶＤ用のものに比べてホログラムパターンのピッチを狭くしなければならない。しかしながら、配向性材料を用いた偏光性ホログラム素子では、青紫光に対応したピッチのホログラムパターンを形成することが難しく、十分な回折角が得られないという問題がある。

また、偏光性ホログラム素子としては、配向性材料を用いるものの他に、プロトン交換膜によってホログラムパターンを形成するものが知られている。プロトン交換膜を用いた場合には、青紫光に対応したピッチのホログラムパターンも形成することができるが、プロトン交換膜自体のコストが高く、偏光性ホログラム素子のコストアップを招いてしまう。このため、青紫光を良好な回折角で分離し、かつ安価な偏光性ホログラム素子の登場が望まれていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、コストアップを招くことなく、青紫光を用いた際にも良好な回折角が得られる偏光性ホログラム素子、及びこれを用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、入射した光の偏光方向によって回折の度合いが異なるホログラムパターンを有する偏光性ホログラム素子において、光学的に等方性の材料からなり、光が入射する光入射面と所定の角度傾斜した状態で前記光入射面と向かい合う傾斜面とを有する透明基板と、前記傾斜面に設けられ、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜によって前記ホログラムパターンが形成されたホログラム層とを備えたことを特徴とする。

ここで、ホログラム層に用いられる光学多層膜は、２種類の無機誘電体膜を交互に積層するものであることが好ましい。こうすることで、光学多層膜の製造コストを抑えることができる。

なお、前記ホログラム層は、筋状に形成された前記光学多層膜を、その長手方向と略直交する方向に所定の間隔を開けて複数並べることにより、縞模様状の前記ホログラムパターンを形成していることが好ましい。

また、前記光学多層膜は、Ｐ偏光光又はＳ偏光光である第１偏光光に対応する第１屈折率と、前記第１偏光光に対して偏光方向が略９０度回転した第２偏光光に対応し、且つ前記第１屈折率よりも高い第２屈折率とを持つ複屈折性を有し、透過する光の偏光方向に応じて異なる位相差を発生させ、前記ホログラム層は、前記各光学多層膜の間に、光学的に等方性であるとともに前記第１屈折率と略同一の屈折率を有し、前記光学多層膜が前記第１偏光光に対して発生させる位相差と同じ位相差を透過する光に発生させる位相補償膜が設けられていることが好ましい。

さらに、前記光学多層膜は、前記光入射面に対して直交する光を前記傾斜面に入射させた際に生じる入射面と、前記長手方向とが略平行になるように形成されていることが好ましい。また、前記ホログラム層を挟むように配置される２つの前記透明基板を設けると、さらに好適である。

なお、入射した光の偏光方向に応じて回折効率が異なるホログラムパターンを有する偏光性ホログラム素子を用いて、光源が照射した読み取り光と、光ディスクの記録面で反射した反射光とを分離する本発明の光ピックアップ装置は、前記偏光性ホログラム素子を、光学的に等方性の材料からなり、光が入射する光入射面と所定の角度傾斜した状態で前記光入射面と向かい合う傾斜面とを有する透明基板と、前記傾斜面に設けられ、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜によって前記ホログラムパターンが形成されたホログラム層とで構成したことを特徴とする。

この際、前記光源は、所定の方向に直線偏光された光を前記読み取り光として照射し、前記偏光性ホログラム素子は、前記光入射面が前記読み取り光の光軸に対して略直交するとともに、前記読み取り光の偏光方向が前記ホログラム層に対してＰ偏光となるように配置されることが好ましい。

本発明では、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜によってホログラムパターンを形成するようにした。光学多層膜は、高分子液晶などの配向性材料に比べて微細加工精度に優れるため、青紫光に対応したピッチのホログラムパターンも形成可能で、青紫光を用いた際にも良好な回折角を得ることができる。また、光学多層膜は、プロトン交換膜に比べて安価に製造できるため、コストアップを招くこともない。

図１に示すように、光ピックアップ装置２は、レーザダイオード１０（以下、ＬＤ１０と称す）、偏光性ホログラム素子１２、コリメートレンズ１４、λ／４波長板１６、対物レンズ１８、フォトダイオード２０（以下、ＰＤ２０と称す）で構成されている。光ピックアップ装置２は、光ディスク４の記録面４ａに向けて光源であるＬＤ１０から読み取り光を照射する。そして、記録面４ａで反射した反射光をＰＤ２０で受光し、反射光の光強度の強弱を検知することにより、光ディスク４に記録されたデータを読み取る。

ＬＤ１０は、直線偏光された光を読み取り光として照射し、その読み取り光を偏光性ホログラム素子１２に入射させる。

偏光性ホログラム素子１２は、第１及び第２の２つの透明基板３０、３２と、これらの各透明基板３０、３２に挟まれたホログラム層３４とで構成され、略直方体状に形成されている。ホログラム層３４は、第１透明基板３０の底面３０ａ、及び第２透明基板３２の上面３２ａに対して略４５度傾斜して設けられている。この偏光性ホログラム素子１２は、底面３０ａと上面３２ａとが読み取り光の光軸Ｓに対して直交するとともに、読み取り光の偏光方向がホログラム層３４に対してＰ偏光となるように配置される。

各透明基板３０、３２には、光学ガラスや光学プラスチックなどの光学的に等方性の材料が用いられている。ホログラム層３４には、入射する光の偏光方向によって回折の度合いが異なるホログラムパターンが形成されている。なお、図１では、便宜上、ホログラム層３４に厚みを持たせて記載しているが、ホログラム層３４の膜厚は、約０．６μｍである。

ホログラム層３４は、Ｐ偏光光が入射した場合、その光をほとんど回折させることなく、そのまま透過させる。一方、ホログラム層３４は、Ｓ偏光光が入射した場合、その光を回折させる。従って、偏光性ホログラム素子１２は、ＬＤ１０からＰ偏光の読み取り光が入射されると、その読み取り光を透過させてコリメートレンズ１４に入射させる。

コリメートレンズ１４は、光軸Ｓを中心に±１０度程度の広がりを持ってＬＤ１０から照射される読み取り光を平行光束に変換し、λ／４波長板１６に入射させる。λ／４波長板１６は、直線偏光の読み取り光を円偏光に変換し、対物レンズ１８に入射させる。対物レンズ１８は、円偏光に変換された読み取り光を記録面４ａ上に集光させ、読み取り光を記録面４ａに照射する。

記録面４ａに照射された読み取り光は、記録面４ａで反射し、反射光となって再び対物レンズ１８に入射する。この際、反射光は、ピットの有無や結晶化による反射率の変化などといった記録面４ａの状態に応じて光強度が変化する。また、反射光は、記録面４ａで反射することにより、読み取り光とは逆向きに回転する円偏光になる。

対物レンズ１８は、入射した反射光を平行光束に変換し、λ／４波長板１６に入射させる。λ／４波長板１６は、円偏光の反射光を直線偏光の光に変換し、コリメートレンズ１４に入射させる。この際、反射光は、読み取り光と回転方向が逆向きの円偏光であるため、読み取り光に対して９０度回転した直線偏光、すなわちホログラム層３４に対するＳ偏光光に変換される。コリメートレンズ１４は、反射光を集光し、偏光性ホログラム素子１２に入射させる。

偏光性ホログラム素子１２は、Ｓ偏光の反射光が入射すると、その反射光をホログラム層３４で回折させ、光軸Ｓに対して約１１度傾いた１次回折光をＰＤ２０に入射させる。ＰＤ２０は、入射した１次回折光を光電変換し、その光強度に応じた電気信号を出力する。これにより、光ディスク４に記録されたデータが読み出される。

図２は、偏光性ホログラム素子１２の構成を概略的に示す分解斜視図である。第１透明基板３０は、略台形柱状に形成されており、ＬＤ１０からの読み取り光が入射する光入射面である底面３０ａと、略４５度傾斜した状態で底面３０ａと向かい合う傾斜面３０ｂとを有している。第２透明基板３２は、略三角柱状に形成されており、記録面４ａからの反射光が入射する光入射面である上面３２ａと、略４５度傾斜した状態で上面３２ａと向かい合う傾斜面３２ｂとを有している。

各透明基板３０、３２は、各傾斜面３０ｂ、３２ｂでホログラム層３４を挟むように組み合わされる。これにより、前述のように、偏光性ホログラム素子１２が略直方体状に形成されるとともに、ホログラム層３４が略４５度傾斜して設けられる。なお、底面３０ａ、及び上面３２ａには、これらの面における光の反射を防止するＡＲ（Anti-Reflection）コート層を設けることが好ましい。

図２、及び図３に示すように、ホログラム層３４は、筋状に形成され、その長手方向（矢線Ａ方向）と略直交する方向に所定の間隔を開けて複数並べられた光学多層膜３６と、これらの各光学多層膜３６の間に設けられた位相補償膜３８とで構成されている。ホログラム層３４は、これらの各膜３６、３８によって縞模様状のホログラムパターンを形成している。

各膜３６、３８は、光入射面である底面３０ａ及び上面３２ａに対して直交する光を各傾斜面３０ｂ、３２ｂに入射させた際に生じる入射面と、それぞれの長手方向とが略平行になるように形成されている。各膜３６、３８の膜厚Ｔは、前述のように、約０．６μｍである。また、光学多層膜３６の配列ピッチＰｔは、約２．０μｍである。なお、膜厚Ｔ、及び配列ピッチＰｔは、これに限定されるものではない。

図４に示すように、光学多層膜３６は、第１誘電体膜４０と、この第１誘電体膜４０よりも低い屈折率の第２誘電体膜４２とを交互に積層することで構成される。本実施形態では、７層の第１誘電体膜４０と、６層の第２誘電体膜４２とからなる１３層構造の光学多層膜３６を示している。第１誘電体膜４０には、例えば、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）が用いられる。また、第２誘電体膜４２には、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が用いられる。このように構成された光学多層膜３６は、Ｐ偏光光に対応する第１屈折率と、Ｓ偏光光に対応し、且つ第１屈折率よりも高い第２屈折率とを持つ複屈折性を有している。なお、各誘電体膜４０、４２の層数、及び材料は、上記に限定されるものではない。

位相補償膜３８は、ランタンとアルミナの混合物による単層構造に構成されている。この位相補償膜３８は、光学的に等方性であるとともに、４５度傾斜した光学多層膜３６の第１屈折率と同じ屈折率を有している。なお、位相補償膜３８の材料は、上記に限定されるものではなく、等方性で第１屈折率と同じ屈折率を有するものであれば、如何なるものでもよい。さらに、位相補償膜３８は、単層構造に限らず、上記の条件を満たすものであれば多層構造でもよい。

上記構成の偏光性ホログラム素子１２を製造するには、先ず、蒸着によって第２透明基板３２の傾斜面３２ｂの全体に光学多層膜３６を形成する。光学多層膜３６の形成方法については、例えば、特開２００７−１０２１１１号公報に詳細に説明されている。次に、光学多層膜３６をイオンミーリングなどによってエッチングすることにより、傾斜面３２ｂの全体に形成された光学多層膜３６を、筋状の複数の光学多層膜３６に成形する。この後、蒸着によって各光学多層膜３６の間に位相補償膜３８を充填することにより、ホログラム層３４を形成する。そして、各傾斜面３０ｂ、３２ｂでホログラム層３４を挟むように、ホログラム層３４が形成された第２透明基板３２を第１透明基板３０に接着することにより、偏光性ホログラム素子１２が完成する。

なお、光学多層膜３６のエッチングによって各膜３６、３８の特性にバラツキが生じる場合には、傾斜面３２ｂと光学多層膜３６（ホログラム層３４）との間に、ガラスなどからなるバッファ層を設けることが好ましい。また、偏光性ホログラム素子１２の製造手順は、上記に限定されるものではない。

図５、及び図６は、波長４０５ｎｍの光を各膜３６、３８に照射した際に、各膜３６、３８が透過する光に与える位相差を示す位相特性のグラフである。図５は、Ｐ偏光光を入射させた場合を示し、図６は、Ｓ偏光光を入射させた場合を示している。また、各グラフの横軸は、入射する光の光軸に対する各膜３６、３８の傾斜角度（本例では、４５度）であり、各グラフの縦軸は、各膜３６、３８が透過する光に与える位相差である。

図５、及び図６に示すように、等方性の材料からなる位相補償膜３８は、入射する光の偏光方向に関わらず、ほぼ同一の位相特性を示す。これに対し、複屈折性を有する光学多層膜３６は、Ｐ偏光光とＳ偏光光とで異なる位相特性を示す。

前述のように、４５度の傾斜角度でＰ偏光光が入射した場合、各膜３６、３８の屈折率は、同じである。このため、各膜３６、３８は、図５に示すように、４５度の傾斜角度でＰ偏光光が入射した場合、ほぼ同一の位相差で光を透過させる。一方、Ｓ偏光光が入射した場合、光学多層膜３６の屈折率は、位相補償膜３８の屈折率よりも高くなる。このため、４５度の傾斜角でＳ偏光光が入射した場合、光学多層膜３６は、Ｐ偏光光の入射時、及び位相補償膜３８を透過する光と比べて、約１８０度位相を遅らせる。

ホログラム層３４による回折度合いの変化は、上記した光学多層膜３６の複屈折性に起因する。各傾斜面３０ｂ、３２ｂによって４５度傾斜して設けられるホログラム層３４にＰ偏光光が入射した場合には、光学多層膜３６を透過する光と位相補償膜３８を透過する光とに与えられる位相差が同一であるため、前述のように、ほとんど回折することなく入射した光が透過する。これに対し、ホログラム層３４にＳ偏光光が入射した場合には、光学多層膜３６を透過する光と位相補償膜３８を透過する光とに約１８０度の位相差が与えられるため、回折が大きくなり、前述のように、入射した光の光軸に対して約１１度傾いた１次回折光が出射される。

［実施例］
次に、上記構成の偏光性ホログラム素子１２の実施例について説明する。各透明基板３０、３２には、屈折率１．８００６３の光学ガラスを用いた。第２透明基板３２の傾斜面３２ｂに、下表１に示す１３層構造の光学多層膜３６を形成した。

光学多層膜３６をエッチングした後、各光学多層膜３６の間に、ランタンとアルミナとの混合物（屈折率１．７５）からなる位相補償膜３８を６３０ｎｍの膜厚で設け、ホログラム層３４を形成した。この後、ホログラム層３４が形成された第２透明基板３２と第１透明基板３０とを接着し、偏光性ホログラム素子１２を完成させた。

図７〜１０は、完成した偏光性ホログラム素子１２に波長４０５ｎｍの光を入射させた際の透過率を示すグラフである。各グラフの横軸は、底面３０ａ又は上面３２ａに入射する光の入射角度（光の広がり角度）であり、各グラフの縦軸は、偏光性ホログラム素子１２を透過した回折光の透過率（回折効率）である。また、図７は、Ｐ偏光光を入射させた際の０次回折光の透過率を示し、図８は、Ｐ偏光光を入射させた際の１次回折光の透過率を示し、図９は、Ｓ偏光光を入射させた際の０次回折光の透過率を示し、図１０は、Ｓ偏光光を入射させた際の１次回折光の透過率を示している。

偏光性ホログラム素子１２にＰ偏光光を入射させた場合、図７に示すように、０次回折光は、±１２度の入射角度にわたって、ほぼ１００％の透過率を示した。この際、図８に示すように、１次回折光の透過率は、±１２度の入射角度にわたって、ほぼ０％であった。一方、偏光性ホログラム素子１２にＳ偏光光を入射させた場合、図９に示すように、０次回折光は、−１２度〜８度の入射角度の範囲で、ほぼ０％の透過率を示した。この際、図１０に示すように、１次回折光の透過率（すなわち回折効率）は、−１２度〜８度の入射角度の範囲で、約４０％であった。また、１次回折光の回折角は、約１１度であった。このように、本実施例によれば、波長４０５ｎｍの青紫光に対し、約４０％の高い回折効率、及び約１１度の良好な回折角を得ることができる。

なお、上記実施形態では、２つの透明基板３０、３２を用い、ホログラム層３４を挟むようにしたが、透明基板は、いずれか一方だけでもよい。また、上記実施形態では、ホログラム層３４の傾斜角度を４５度としたが、傾斜角度は、これに限定することなく、任意の角度でよい。さらに、上記実施形態では、ＬＤ１０からＰ偏光の読み取り光を偏光性ホログラム素子１２に入射させるようにしたが、これとは反対に、Ｓ偏光の読み取り光を入射させてもよい。また、上記実施形態では、光ピックアップ装置２に本発明の偏光性ホログラム素子１２を適用したが、本発明の偏光性ホログラム素子１２は、これに限ることなく、他の光学装置に適用してよい。

光ピックアップ装置の構成を概略的に示す説明図である。 偏光性ホログラム素子の構成を概略的に示す分解斜視図である。 ホログラム層の構成を概略的に示す部分断面図である。 光学多層膜の構成を概略的に示す断面図である。 光学多層膜と位相補償膜とのＰ偏光に対する位相特性を示すグラフである。 光学多層膜と位相補償膜とのＳ偏光に対する位相特性を示すグラフである。 偏光性ホログラム素子にＰ偏光光を入射させた際の０次回折光の透過率を示すグラフである。 偏光性ホログラム素子にＰ偏光光を入射させた際の１次回折光の透過率を示すグラフである。 偏光性ホログラム素子にＳ偏光光を入射させた際の０次回折光の透過率を示すグラフである。 偏光性ホログラム素子にＳ偏光光を入射させた際の１次回折光の透過率を示すグラフである。

符号の説明

２ 光ピックアップ装置
４ 光ディスク
４ａ 記録面
１０ ＬＤ（光源）
１２ 偏光性ホログラム素子
３０ 第１透明基板
３０ａ 底面（光入射面）
３０ｂ 傾斜面
３２ 第２透明基板
３２ａ 上面（光入射面）
３２ｂ 傾斜面
３４ ホログラム層
３６ 光学多層膜
３８ 位相補償膜
４０ 第１誘電体膜
４２ 第２誘電体膜

Claims (7)

1. 入射した光の偏光方向によって回折の度合いが異なるホログラムパターンを有する偏光性ホログラム素子において、
   光学的に等方性の材料からなり、光が入射する光入射面と、所定の角度傾斜した状態で前記光入射面と向かい合う傾斜面とを有する透明基板と、
   前記傾斜面に設けられ、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜によって前記ホログラムパターンが形成されたホログラム層とを備えたことを特徴とする偏光性ホログラム素子。
2. 前記ホログラム層は、筋状に形成された前記光学多層膜を、その長手方向と略直交する方向に所定の間隔を開けて複数並べることにより、縞模様状の前記ホログラムパターンを形成していることを特徴とする請求項１記載の偏光性ホログラム素子。
3. 前記光学多層膜は、Ｐ偏光光又はＳ偏光光である第１偏光光に対応する第１屈折率と、前記第１偏光光に対して偏光方向が略９０度回転した第２偏光光に対応し、且つ前記第１屈折率よりも高い第２屈折率とを持つ複屈折性を有しており、透過する光の偏光方向に応じて異なる位相差を発生させ、
   前記ホログラム層は、前記各光学多層膜の間に、光学的に等方性であるとともに前記第１屈折率と略同一の屈折率を有し、前記光学多層膜が前記第１偏光光に対して発生させる位相差と同じ位相差を透過する光に発生させる位相補償膜が設けられていることを特徴とする請求項２記載の偏光性ホログラム素子。
4. 前記光学多層膜は、前記光入射面に対して直交する光を前記傾斜面に入射させた際に生じる入射面と、前記長手方向とが略平行になるように形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の偏光性ホログラム素子。
5. 前記ホログラム層を挟むように配置される２つの前記透明基板を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光性ホログラム素子。
6. 入射した光の偏光方向に応じて回折効率が異なるホログラムパターンを有する偏光性ホログラム素子を用いて、光源が照射した読み取り光と、光ディスクの記録面で反射した反射光とを分離する光ピックアップ装置において、
   前記偏光性ホログラム素子を、光学的に等方性の材料からなり、光が入射する光入射面と所定の角度傾斜した状態で前記光入射面と向かい合う傾斜面とを有する透明基板と、前記傾斜面に設けられ、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層してなる光学多層膜によって前記ホログラムパターンが形成されたホログラム層とで構成したことを特徴とする光ピックアップ装置。
7. 前記光源は、所定の方向に直線偏光された光を前記読み取り光として照射し、
   前記偏光性ホログラム素子は、前記光入射面が前記読み取り光の光軸に対して略直交するとともに、前記読み取り光の偏光方向が前記ホログラム層に対してＰ偏光となるように配置されることを特徴とする請求項６記載の光ピックアップ装置。

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