JP2010170601A - 偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の方向の光強度分布の補正および波面収差の補正が可能で、フロントモニタ方式でのモニタ光の光量および超解像効果の異なるものを簡単に製造でき、生産性の高い偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板を提供する。
【解決手段】偏光ビームスプリッタ１０の光導入面１１ａの面中心を含む所定領域に入射光の波長以下の周期を有する凹凸配列が形成された偏光変換部１５と、偏光変換部１５の外周に接する所定領域に入射光の波長以下の周期を有する凹凸配列が形成された波面収差補正部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板に関し、特に光源からの光束の強度分布を変化させて対物レンズに導く偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板に関する。

光ピックアップやプリンタの分野では、レーザ光源の出射光量を安定させるために、レーザ光源の後側端面から出射されるレーザ光をモニタし、その結果に応じて出射光量を制御するオートパワーコントロール（ＡＰＣ）という手法がとられることがある。しかし、この手法では、レーザ光源の前側および後側の双方から出射されるレーザ光の光量が厳密には異なるために、フィードバックによって正確な光量制御がしにくい。また、所望の方向（前方）とは反対側（後方）にも光を出射させるため、レーザ光源の出射光量を有効に使えない。

そこで、近年では、レーザ光源から前方に出射されるレーザ光の一部をモニタ光として利用するフロントモニタ方式が多用されている。

例えば、特許文献１では、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をカップリングレンズによって平行光に変換し、ビームスプリッタの分離面を透過して対物レンズによって収束して光ディスク上に集光する。そして、カップリングレンズとビームスプリッタとの間の光路中に設けられた遮光部材の半導体レーザ素子側に、モニタ用の受光素子が配設されている。この受光素子により、半導体レーザ素子の前方で出射光量をモニタすることで、上述したフロントモニタ方式を実現する方法が開示されている。

また、特許文献２では、レーザダイオードから出射されたｓ偏光のレーザ光が１／２波長板に入射した時、１／２波長板からはｐ偏光のレーザ光が出射され、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと言う）に入射する。ＰＢＳでは、入射光のうちの約９０％が反射面にて反射され、光ディスク方向に向かう。一方、入射光のうちの約１０％は、ＰＢＳの反射面を透過してフロントモニタに入射し、そこで光量が検出される。このようにして、レーザダイオードの前方で出射光量をモニタすることで、上述したフロントモニタ方式を実現する方法が開示されている。

ところで、特許文献１においては、半導体レーザ素子から出射される光束の中心部が、遮光部材および受光素子にて遮光されるので、光軸付近の光強度を落とした光を光ディスクに照射することができる。その結果、光ディスク上に照射される光のスポットの径を絞ることができ、高密度記録に対応した、いわゆる超解像効果を得ることができる。

しかしながら、上記光束の中心部は、遮光部材および受光素子によって完全に遮光されるので、光ディスクに照射される光は、常に、光軸付近の光強度がゼロとなった光である。従って、特許文献１の構成では、超解像効果を可変にすることができない。

また、カップリングレンズとビームスプリッタとの間の光路中に受光素子が配設されるので、受光素子に入射する光の光量は、受光素子の受光面の面積を変えない限り一定である。つまり、上記受光面の面積を変えない限り、受光素子でのモニタ光量を可変にすることもできない。

一方、特許文献２においては、レーザダイオードから出射されるレーザ光の偏光方向（振動方向）と１／２波長板の結晶光学軸とのなす角度を適切に設定することにより、ＰＢＳの反射面に入射するレーザ光を、その反射面にて、所定の光強度を持つ２つのレーザ光に分離することができる。従って、反射面を構成する光学多層膜の波長依存性に影響されることなく、反射面に入射するレーザ光を所定の透過率で透過させて、フロントモニタ方式でのモニタ光として活用することができる。

しかし、特許文献２の構成では、ＰＢＳを介して光ディスクに照射される光の強度を、光軸付近だけ落とすように調整することはできない。その結果、上述した超解像効果を得ることができず、ましてや超解像効果を可変にすることもできない。

そこで、特許文献３では、図８に示すように、図示しない半導体レーザ素子とＰＢＳ１７０との間に、入射光の偏光方向に対して傾いた光学軸を持つ位相板１６０ａの両側に入射光の偏光方向に平行な光学軸を持つ位相板１６０ｂを配した合成位相板１６０を設け、レーザ光の中央の光束ＬＡを傾いた光学軸を持つ位相板１６０ａで楕円偏光させることで、レーザ光の中央の光束ＬＡの一部がＰＢＳ１７０の偏光反射面を透過するようにしている。

これによって、ＰＢＳ１７０の偏光反射面を透過した光をフロントモニタ方式でのモニタ光として活用することができるとともに、レーザ光の中央の光束ＬＡの一部を透過させることで光軸付近の光強度を落とした光を光ディスクに照射することができ、超解像効果を得ることができる。

位相板１６０は、位相板１６０ａと１６０ｂとの光学軸が所定の方向となるように、平板状の位相板１６０ａを平板状の２枚の位相板１６０ｂで挟み、これを所定の厚さにスライスすることで得られる。

また、特許文献３の方法では、入射光の偏光方向に対して傾いた光学軸を持つ位相板１６０ａの光学軸の傾き角を調整することで、ＰＢＳ１７０の偏光反射面を透過する光量、即ちフロントモニタ方式でのモニタ光の光量を可変にすることができるとともに、超解像効果も可変にすることができる。

特開平７−２９６４１４号公報 特開２００４−２５９３７６号公報 特開２００６−１８５４７４号公報

しかしながら、特許文献３に示された方法では、位相板１６０の構成から分かるように、３枚の位相板１６０ａと１６０ｂとが配置された方向（図のＹ方向）の入射光の光強度分布の補正は可能だが、その方向に直交する方向（図のＸ方向）の光強度分布の補正はできない。

さらに、特許文献３の方法で用いられる位相板は異方性を利用して位相差をもたらす波長板であるが、このような波長板は一般に非常に薄く、加工、接着等の取り扱いが困難で生産性に難がある。一方、取り扱いを容易にするために波長板を厚くすると、波長依存性が悪化し、ブルーレイ（ＢＤ）、ＤＶＤ、ＣＤの３波長域で波長板として機能しなくなる。また、位相板の寸法精度が厳しく、製造上の精度管理が難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、任意の方向の光強度分布の補正および波面収差の補正が可能で、フロントモニタ方式でのモニタ光の光量および超解像効果が可変にでき、加工、接着等の取り扱いが容易で、寸法精度の許容幅が大きく、生産性の高い偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．偏光分離手段を有するプリズムと、
光源からの入射光を前記偏光分離手段に入射させるための、前記偏光分離手段と対向する光導入面とを備えた偏光ビームスプリッタにおいて、
前記光導入面の面中心を含み周縁部を含まない所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、入射光の偏光と異なる偏光成分を発生させて偏光状態を変換する偏光変換部が形成され、
前記偏光変換部の外周に接し、前記光導入面の周縁部を含む所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記偏光変換部との位相ズレを整合させる波面収差補正部が形成され、
前記偏光変換部は、前記入射光が前記光導入面に垂直に入射する場合に、前記入射光と前記入射光の前記偏光分離手段での反射光とが作る入射面と前記光導入面との交線に対して所定の面内方位角θ_１だけ傾けて形成され、
前記波面収差補正部は、前記入射面と前記光導入面との前記交線に対して前記面内方位角θ_１と異なる面内方位角θ_２だけ傾けて形成されており、
前記波面収差補正部の前記面内方位角θ_２は、
−１５°＜θ_２＜１５°
または、
７５°＜θ_２＜１０５°
であることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。

２．前記偏光変換部の前記面内方位角θ_１は、
３５°＜θ_１＜５５°
であることを特徴とする前記１に記載の偏光ビームスプリッタ。

３．前記偏光変換部の前記一次元の凹凸配列の凸部の幅（ｄ_１）と周期（ｐ_１）との比ｆ_１（＝ｄ_１／ｐ_１）は、
０．４＜ｆ_１＜０．６
であり、
前記波面収差補正部の前記一次元の凹凸配列の凸部の幅（ｄ_２）と周期（ｐ_２）との比ｆ_２（＝ｄ_２／ｐ_２）は、
０．３＜ｆ_２＜０．７
であることを特徴とする前記１または２に記載の偏光ビームスプリッタ。

４．前記偏光変換部は、前記光導入面の面中心を含む第１の領域と、前記第１の領域を取り囲む第２の領域とを有し、前記第１の領域での前記一次元の凹凸配列と前記第２の領域での前記一次元の凹凸配列とは異なる構造を有することを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタ。

５．前記１から４の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの前記偏光変換部が形成された面に光を入射させる光源と、
前記偏光分離手段で分離された前記光源からの光の一方を光ディスクに投光し、投光した光の前記光ディスクからの反射光を受光する光学系と、
前記光学系で受光された前記光ディスクからの反射光を受光する受光部と、
前記偏光分離手段で分離された前記光源からの光の他方を受光する光量モニタ部とを備えたことを特徴とする光ピックアップ。

６．前記光源から前記偏光変換部が形成された面に入射した直線偏光の入射光の光量の５％以上２０％以下が、前記直線偏光に垂直な偏光方向を持つ直線偏光として射出するように、前記偏光変換部の面積および前記偏光変換部での位相差が設定されていることを特徴とする前記５に記載の光ピックアップ。

７．前記偏光変換部の面積は、前記光源から前記偏光変換部が形成された面に入射した入射光のビーム面積の１／４以上１／３以下の面積であることを特徴とする前記５または６に記載の光ピックアップ。

８．光源からの入射光の光束の中心部の偏光状態を変換し、周辺部の偏光状態を実質的に変化させない光学素子としての位相板であって、
前記入射光が入射する光導入面の面中心を含み周縁部を含まない所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記入射光の偏光と異なる偏光成分を発生させて偏光状態を変換する偏光変換部が形成され、
前記偏光変換部の外周に接し、前記光導入面の周縁部を含む所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記偏光変換部との位相ズレを整合させる波面収差補正部が形成され、
前記偏光変換部の周期方向と前記波面収差補正部の周期方向とが異なることを特徴とする位相板。

本発明によれば、偏光ビームスプリッタの光導入面の面中心を含む所定領域に入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された偏光変換部と、偏光変換部の外周に接し、光導入面の周縁部を含む所定領域に入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された波面収差補正部とを備える。それによって、任意の方向の光強度分布の補正および波面収差の補正が可能で、フロントモニタ方式でのモニタ光の光量および超解像効果の異なるものを簡単に製造でき、加工、接着等の取り扱いが容易で、寸法精度の許容幅が大きく、生産性の高い偏光ビームスプリッタ、光ピックアップおよび位相板を提供することができる。

光ピックアップの一例を説明するための模式図である。 ＰＢＳの第１の実施の形態の構成を説明するための模式図である。 第１の実施の形態の偏光変換部および波面収差補正部の詳細を示す模式図である。 有効屈折率について説明するための模式図である。 第１の実施の形態の偏光変換部によるレーザビームの光量変化を示す模式図である。 ＰＢＳの第３の実施の形態の構成を説明するための模式図である。 第３の実施の形態の偏光変換部によるレーザビームの光量変化を示す模式図である。 従来のＰＢＳの構成を示す模式図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。

最初に、本発明における偏光ビームスプリッタが用いられる光ピックアップについて、図１を用いて説明する。図１は、光ピックアップの一例を説明するための模式図で、図１（ａ）は１波長の光源を有する光ピックアップの一例を示す模式図、図１（ｂ）は３波長の光源を有する光ピックアップの一例を示す模式図である。

図１（ａ）において、光ピックアップ１は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０、光源２０、光学系３０、受光部４０および光量モニタ部５０等で構成される。

ＰＢＳ１０は、２個の直角プリズム１１と１３とが、各々の直角稜に対向する斜面を互いに対向させて接合されて形成されている。直角プリズム１１の光源２０に対向する光導入面１１ａの面中心を含み周縁部を含まない所定領域には、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された偏光変換部１５が備えられている。

また、偏光変換部１５の外周に接し、光導入面１１ａの周縁部を含む所定領域には、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された波面収差補正部１６が備えられている。偏光変換部１５と波面収差補正部１６とは、それぞれ、凹凸配列の周期方向とそれに垂直な方向とを光学軸とする複屈折性を有している。

２個の直角プリズム１１および１３の何れか一方の斜面には、偏光分離手段１７が形成されており、入射光の偏光状態によって、入射光を反射あるいは透過させる。この時、入射光（後述するレーザビーム２１）と反射光（後述する光ディスク９０への入射光２５）とを含む面が入射面である。偏光変換部１５、波面収差補正部１６および偏光分離手段１７の詳細は後述する。

なお、ここでは、ＰＢＳ１０は、２個の直角プリズム１１と１３とが各々の直角稜に対向する斜面を互いに対向させて接合されて形成されているとしているが、これは必須ではない。また、プリズムが直角プリズムであることも必須ではない。

光源２０は、例えば青色レーザ素子であり、波長４０５ｎｍのレーザ光をレーザビーム２１として出射する。

光学系３０は、１／４波長板３１と対物レンズ３３等で構成される。１／４波長板３１は、ＰＢＳ１０からの直線偏光を円偏光に変換するとともに、光ディスク９０からの反射光（円偏光）を直線偏光に変換する。対物レンズ３３は、１／４波長板３１からの円偏光を光ディスク９０上に集光させるとともに、光ディスク９０からの反射光（円偏光）を、１／４波長板３１を介して、ＰＢＳ１０に導く。

受光部４０は、光ディスク９０からの反射光を、ＰＢＳ１０を介して受光し、光ディスク９０上の情報を読み出す。光量モニタ部５０は、ＰＢＳ１０の偏光分離手段１７を透過した光を受光する上述したフロントモニタであり、光源２０の光量制御に用いられる。

続いて、図１（ａ）の光ピックアップ１の動作について説明する。光源２０から出射されたレーザビーム２１（例えばｓ偏光とする）は、直角プリズム１１の光導入面１１ａに入射し、その光束の中央部の偏光変換部１５に入射した光束は、偏光変換部１５で発生する位相差によって偏光状態が変換（ｓ偏光が楕円偏光に変換）される。レーザビーム２１の光束の周辺部の波面収差補正部１６に入射した光束は、実質的に元の偏光状態（ｓ偏光）のままである。

ＰＢＳ１０内部に入射したレーザビーム２１は、ｓ偏光と、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とからなる楕円偏光、つまりｓ偏光とｐ偏光とが混合された光となっている。特に、光束の中心部分にｐ偏光成分が混合されている。このｓ偏光とｐ偏光とが混合されたレーザビーム２１は、ＰＢＳ１０の偏光分離手段１７で分離され、光量モニタ部５０への入射光２３（ｐ偏光）は偏光分離手段１７を透過して光量モニタ部５０に入射し、上述したように、光源２０の光量制御に用いられる。一方、光ディスク９０への入射光２５（ｓ偏光）は偏光分離手段１７で反射されて光学系３０に入射する。

光学系３０に入射した光ディスク９０への入射光２５（ｓ偏光）は、１／４波長板３１によって円偏光に変換され、対物レンズ３３によって光ディスク９０上に集光される。光ディスク９０上の情報を含んだ光ディスク９０からの反射光２７（円偏光）は、対物レンズ３３によって１／４波長板３１に導かれ、１／４波長板３１によって直線偏光（ｐ偏光）に変換され、ＰＢＳ１０に導かれる。

ＰＢＳ１０に入射した光ディスク９０からの反射光２７（ｐ偏光）は、偏光分離手段１７を透過して受光部４０に入射し、受光部４０で光ディスク９０上の情報が読み出される。図１（ａ）の光ピックアップ１の動作についての説明は以上である。

図１（ｂ）において、光ピックアップ１は、図１（ａ）に加えて、第２の光源６０およびダイクロイックプリズム７０等で構成される。

第２の光源６０は、図示したように光源２０と光軸が直交するように配置され、例えば波長６６０ｎｍ（ＤＶＤ用）と７８５ｎｍ（ＣＤ用）との２波長の光をレーザビーム６１として出射する。ダイクロイックプリズム７０は、図示したように、光源２０および第２の光源６０とＰＢＳ１０との間に配置され、光源２０からのレーザビーム２１を透過させるとともに、光源６０からの２波長のレーザビーム６１を反射してＰＢＳ１０へと導く。その他の構成および動作は、図１（ａ）と同じであるので、説明は省略する。

なお、光源２０と、第２の光源６０およびダイクロイックプリズム７０とを合わせて本発明における光源と考えてもよい。

また、光源２０から出射されたレーザビーム２１がｐ偏光の場合には、光ピックアップ１の構成として、図１（ａ）および（ｂ）で、光学系３０および光ディスク９０と光量モニタ部５０との配置を入れ替えたものとすればよい。

この場合の動作は、レーザビーム２１（ｐ偏光）の光束の中央部の偏光変換部１５に入射した光束は、偏光変換部１５によって楕円偏光に変換され、楕円偏光のｓ偏光成分が偏光分離手段１７で反射されて、光量モニタ部５０への入射光２３（ｓ偏光）として光量モニタ部５０に入射し、光源２０の光量制御に用いられる。

一方楕円偏光のｐ偏光成分と波面収差補正部１６に入射したレーザビーム２１（ｐ偏光）の周辺の光束とは、偏光分離手段１７を透過して、光ディスク９０への入射光２５（ｐ偏光）として光学系３０に入射する。

光学系３０に入射した光ディスク９０への入射光２５（ｐ偏光）は、１／４波長板３１によって円偏光に変換され、対物レンズ３３によって光ディスク９０上に集光される。光ディスク９０上の情報を含んだ光ディスク９０からの反射光２７（円偏光）は、対物レンズ３３によって１／４波長板３１に導かれ、１／４波長板３１によって直線偏光（ｓ偏光）に変換され、ＰＢＳ１０に導かれる。

ＰＢＳ１０に入射した光ディスク９０からの反射光２７（ｓ偏光）は、偏光分離手段１７で反射されて受光部４０に入射し、受光部４０で光ディスク９０上の情報が読み出される。光源２０から出射されたレーザビーム２１がｐ偏光の場合の光ピックアップ１の動作の説明は以上である。

次に、本発明におけるＰＢＳ１０の第１の実施の形態の構成について、図２を用いて説明する。図２は、ＰＢＳ１０の第１の実施の形態の構成を説明するための模式図で、図２（ａ）はＰＢＳ１０の中央断面図で、図１のＰＢＳ１０と同じ図、図２（ｂ）は図２（ａ）の矢印Ａ側から見た直角プリズム１１の光導入面１１ａの模式図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の光導入面１１ａにレーザビーム２１が入射した状態を示す模式図である。第１の実施の形態のＰＢＳ１０は、ｓ偏光が入射する場合に対応している。

図２（ａ）において、上述したように、ＰＢＳ１０は、２個の直角プリズム１１と１３とが、各々の直角稜に対向する斜面１１ｂと１３ｂとを互いに対向させて接合されて形成されている。ＰＢＳ１０の大きさは使用目的に合わせて適宜決定されるが、各辺の長さが１ｍｍから数十ｍｍである。

２個の直角プリズム１１と１３とは、ガラス等の透明媒質で形成されている。透明媒質としては、ガラス以外に、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）等の光学用樹脂を用いることができる。

直角プリズム１１の光源２０に対向する光導入面１１ａの面中心を含み周縁部を含まない所定領域には、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備えた偏光変換部１５が形成されている。また、偏光変換部１５の外周に接し、光導入面１１ａの周縁部を含む所定領域には、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備えた波面収差補正部１６が形成されている。

図示したように、図２（ａ）の面内で光導入面１１ａに垂直な方向、即ちレーザビーム２１の入射方向にｚ軸を、光導入面１１ａに平行な方向、即ち偏光分離手段１７で反射された光ディスク９０への入射光２５の出射方向と反対方向にｘ軸をとる。

２個の直角プリズム１１および１３の何れか一方の接合面には、偏光分離手段１７が形成されている。偏光分離手段１７は、通常の光学多層膜を用いたものでもよいし、ワイヤグリッド型偏光子であってもよい。ワイヤグリッド型偏光子は、例えば偏光変換部と同様の金型を用いたナノインプリント方式で形成することができる。その方法は、例えば本願出願人が別途出願した特願２００８−８６３９５に詳述されている。

図２（ｂ）において、光導入面１１ａ上で、図２（ａ）に示したｘ軸およびｚ軸に垂直で紙面上向き方向にｙ軸をとる。この場合、レーザビーム２１の進行方向（図面手前から奥に向かう方向）がｚ軸であり、レーザビーム２１のｓ偏光の偏光方向はｙ軸方向に平行であり、ｐ偏光の偏光方向はｘ軸方向に平行である。

偏光変換部１５は、直角プリズム１１の光導入面１１ａの面中心を含み周縁部を含まない所定領域に、後述するレーザビーム２１の面積Ｓ２１よりも小さい面積Ｓ１５で形成される。偏光変換部１５は、入射光の波長以下の周期を持つ一次元の凹凸配列であり、その配列の周期方向（ＴＭ方向）は、ｚ軸の正の側から見た場合に、ｘ軸に対して反時計方向に角度θ_１（以下、面内方位角θ_１と言う）をなして形成されている。

偏光変換部１５は、ｘ軸、ｙ軸に対称な、円、楕円、ｎ角形（ｎ≧４）が好ましい。こうすることで、光ディスク９０への入射光２５の形状が対称になり、信号検出等に影響を及ぼさないからである。図では、後述するレーザビーム２１の光束の形状に合わせて、楕円形としている。

波面収差補正部１６は、直角プリズム１１の偏光変換部１５の外周に接し、光導入面１１ａの周縁部を含む所定領域、ここでは偏光変換部１５を除く光導入面１１ａの全面に形成される。ただし、波面収差補正部１６は必ずしも偏光変換部１５を除く光導入面１１ａの全面に形成される必要はなく、後述するレーザビーム２１の光束を全て含む大きさ以上であればよい。

波面収差補正部１６は、入射光の波長以下の周期を持つ一次元の凹凸配列であり、その配列の周期方向（ＴＭ方向）は、ｚ軸の正の側から見た場合に、ｘ軸に対して反時計方向に面内方位角θ_２をなして形成されている。面内方位角θ_２は、偏光変換部１５の面内方位角θ_１よりも小さい角度である。ここで、光導入面１１ａに垂直で、ｘ軸に対してθ_２だけ傾いた面をＢ−Ｂ’面とする。

図２（ｃ）において、直角プリズム１１の光導入面１１ａには、光源２０からのレーザビーム２１が入射する。レーザビーム２１の光束の形状は一般的には楕円形であり、レーザビーム２１の光量分布は、レーザビーム２１の中心軸に対して軸対称なガウシアン分布と考えられる。レーザビーム２１は、その中心軸が光導入面１１ａの面中心に一致するように入射される。

ここでは、レーザビーム２１の面積をＳ２１とし、その楕円形状の長手方向が光導入面１１ａの幅一杯に入射する、つまり、光源２０からのレーザビーム２１が全て光導入面１１ａに入射するとする。これによって、図示したように、レーザビーム２１の中心軸近傍の光束が偏光変換部１５に入射し、周辺の光束が波面収差補正部１６に入射することになる。

次に、ＰＢＳ１０の第１の実施の形態における偏光変換部１５および波面収差補正部１６の詳細を図３を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態の偏光変換部１５および波面収差補正部１６の詳細を示す模式図で、図３（ａ）は光導入面１１ａの面中心を通る上述したＢ−Ｂ’面での断面模式図、図３（ｂ）は同じく斜視模式図である。図３（ｂ）では、偏光変換部１５は四角形として示している。

図３（ａ）および（ｂ）において、偏光変換部１５は、入射光の波長（例えば、青色レーザの４０５ｎｍ）以下の周期を持つ一次元の凹凸配列であり、幅ｄ_１の凸部１５ａと、凸部１５ａに対してｈだけ段差のある凹部１５ｂとが周期ｐ_１で櫛歯状に一次元に配列されている。

波面収差補正部１６は、幅ｄ_２の凸部１６ａと、凹部１６ｂとが周期ｐ_２で櫛歯状に一次元に配列されている。凸部１６ａと偏光変換部１５の凸部１５ａとは同一面であり、凹部１６ｂと偏光変換部１５の凹部１５ｂとの段差をｇ_１とする。波面収差補正部１６の凹凸段差が偏光変換部１５の凹凸段差ｈよりも小さくなる場合に段差ｇ_１の値を正とし、大きくなる場合、即ち波面収差補正部１６の凹凸段差が偏光変換部１５の凹凸段差ｈよりも深い場合に段差ｇ_１の値を負とする。後述する説明を簡単にするために、ここでは凸部１５ａと凸部１６ａとは同一面であるとしたが、これは必須ではない。

上述したように、偏光変換部１５はｘ軸に対して面内方位角θ_１だけ傾いており、波面収差補正部１６は、ｘ軸に対して面内方位角θ_２だけ傾いている。従って、図３（ａ）のｘｚ面での断面では、幅ｄ_１の凸部１５ａの見かけの幅はｄ_１／ｃｏｓ（θ_１−θ_２）であり、周期はｐ_１／ｃｏｓ（θ_１−θ_２）である。

詳細は後述するが、偏光変換部１５の凸部１５ａと凹部１５ｂとの段差ｈおよび波面収差補正部１６の凸部１６ａと凹部１６ｂとの段差（ｈ−ｇ_１）を適切に設定することで、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との入射光の波面の位相を整合させることができ、波面収差を抑えることができる。

偏光変換部１５および波面収差補正部１６の凹凸配列は、金型を用いたナノインプリント法によって、金型の凸凹構造を転写して形成される。偏光変換部１５および波面収差補正部１６は、直角プリズム１１の光導入面１１ａ上に直接形成されてもよいし、ＰＢＳ１０とは別の透明媒質の板上に偏光変換部１５および波面収差補正部１６を形成して、透明媒質の板を光導入面１１ａ上に貼り付けてもよい。

第１の実施の形態では、偏光変換部１５は直角プリズム１１の光導入面１１ａ上に直接形成されているとする。金型を用いたナノインプリント法による凹凸配列の形成方法は、例えば本願出願人が別途出願した特願２００８−２４１８８７に詳述されている。

ここで、偏光変換部１５の凸部１５ａの幅ｄ_１と凹凸の周期ｐ_１との比ｆ_１（＝ｄ_１／ｐ_１）を考えると、金型の凸凹構造の転写性の観点から、比ｆ_１は、
０．４＜ｆ_１＜０．６
が好ましい。同様に、波面収差補正部１６の凸部１６ａの幅ｄ_２と凹凸の周期ｐ_２との比ｆ_２（＝ｄ_２／ｐ_２）は、
０．３＜ｆ_２＜０．７
が好ましい。

また、同じく金型の凸凹構造の転写性の観点から、偏光変換部１５の凹凸の周期ｐ_１および波面収差補正部１６の凹凸の周期ｐ_２は、
５０ｎｍ＜ｐ_１＜入射光の波長λ
５０ｎｍ＜ｐ_２＜入射光の波長λ
が好ましい。

続いて、図３（ａ）に示したＰＢＳ１０の第１の実施の形態における偏光変換部１５および波面収差補正部１６によるレーザビーム２１の偏光状態の変換と波面収差の補正とについて説明する。

偏光変換部１５によってレーザビーム２１の偏光状態がｓ偏光からｐ偏光に変換される量は、レーザビーム２１の光量の５％以上２０％以下が望ましい。５％未満であれば光量モニタ部５０に入射する光量が不足して光源２０の光量制御に支障があり、２０％超であれば、逆に光ディスク９０に照射される情報読出のための光量が不足するためである。

まず、偏光変換部１５の屈折率は、一次元の凹凸配列に平行な方向（ＴＥ方向とする）と垂直な方向（ＴＭ方向とする）とで異なり、それぞれ、一次元の凹凸配列の周期ｐ_１が光の波長より十分小さい時には、

と記述できる。

ここに、
ｎ_ａｉｒ：空気の屈折率（＝１．０）
ｎ_ｇｌ：偏光変換部１５を形成する透明媒質の屈折率
ｎ_ＴＥ１：偏光変換部１５の一次元の凹凸配列に平行なＴＥ方向の屈折率
ｎ_ＴＭ１：偏光変換部１５の一次元の凹凸配列に垂直なＴＭ方向の屈折率
である。

また、周期ｐ_１が光の波長程度の場合には、偏光変換部１５の屈折率は、上述したｎ_ＴＥ１およびｎ_ＴＭ１を用いて、

と記述できる。

ここに、
ｎ_ＴＥ：周期ｐ_１が光の波長程度の場合の偏光変換部１５の一次元の凹凸配列に平行なＴＥ方向の屈折率
ｎ_ＴＭ：周期ｐ_１が光の波長程度の場合の偏光変換部１５の一次元の凹凸配列に垂直なＴＭ方向の屈折率
である。

そして、入射光の波長λに対して所望の位相差Γ（α）となるように、

から段差ｈを選ぶことで、偏光変換部１５が形成される。

ここに、
α；位相差
ｍ_１；整数
である。

ここで、有効屈折率ｎ_ｅ１について、図４を用いて説明する。図４は、有効屈折率ｎ_ｅ１について説明するための模式図である。

本発明においては、図２（ｂ）に示したように、偏光変換部１５は、その凹凸配列の周期方向（ＴＭ方向）が、ｘ軸に対して面内方位角θ_１だけ傾いている。つまり、偏光変換部１５の屈折率は、図４（ａ）に示したように、ｘ軸に対してθ_１傾いたＴＭ方向の屈折率ｎ_ＴＭと、ＴＭ方向に直交するＴＥ方向の屈折率ｎ_ＴＥとのそれぞれの２倍を長径と短径とする屈折率楕円体ＲＥで表される。

そして、後述するように入射光がｓ偏光である場合、ｓ偏光の偏光方向はｙ軸方向であるから、ｓ偏光に作用する屈折率は、ｙ軸と屈折率楕円体ＲＥとの接点が示す屈折率である。これを有効屈折率ｎ_ｅ１とする。入射光がｐ偏光の場合には、ｘ軸と屈折率楕円体ＲＥとの接点が示す屈折率が有効屈折率ｎ_ｅ１となる。

ｙ軸、つまり有効屈折率ｎ_ｅ１は、図４（ｂ）に示すように、ＴＥ方向に対して角度θ_１だけ傾いている。従って、有効屈折率ｎ_ｅ１のＴＭ成分およびＴＥ成分は、
ＴＭ＝ｎ_ｅ１ｓｉｎθ_１
ＴＥ＝ｎ_ｅ１ｃｏｓθ_１
である。これらと、屈折率楕円体ＲＥを示す式

とから、有効屈折率ｎ_ｅ１は、

である。

次に、偏光変換部１５によるレーザビーム２１の偏光状態の変化を導く。まず、ｓ偏光のレーザビーム２１が全て偏光変換部１５に入射した場合に、ｓ偏光からｐ偏光に偏光状態が変化する光量を導く。図２（ａ）および（ｂ）に示した座標系において、ｓ偏光の偏光方向はｙ軸方向であるから、ｓ偏光を、

と表して、偏光変換部１５の作用を受けてｓ偏光がｐ偏光に変換される場合を考える。

まず、面内方位角θ_１＝０°（ｘ軸と平行）の時の偏光変換部１５の位相差をΓとすると、
偏光変換部１５のＪｏｎｅｓ行列Ａは、

と表せる。

次に、面内方位角がθ_１の場合、偏光変換部１５のＪｏｎｅｓ行列Ａ’は、上述した行列Ａを用いて、
Ａ’＝Ｒ（θ_１）・Ａ・Ｒ（−θ_１）
と表せる。

ここに、

である。

偏光変換部１５を通過することで、光の電界強度は、

となる。

従って、ｐ偏光の光量を示す光の電界強度のｘ成分の絶対値の２乗は、

となる。

また、偏光変換部１５の面内方位角θ_１は、詳細は後述するが、偏光変換部１５によってｓ偏光からｐ偏光に変換されたｐ偏光の光量を大きくするために、
３５°＜θ_１＜５５°
が好ましく、
４０°＜θ_１＜５０°
がより好ましい。面内方位角θ_１＝４５°の場合、（９式）が最大となる。

この範囲を外れると、ｐ偏光の光量を大きくするためには位相差Γを大きくしなければならず、そのためには段差ｈが大きくなり、成形性が悪化する。

次に、波面収差補正部１６について説明する。図３（ａ）に戻って、図に矢印で示した光Ｃのように、空気から偏光変換部１５の凸部１５ａに入射した光が、空気と凸部１５ａとの界面から凸部１５ａと凹部１５ｂとの段差ｈだけ進んだ時の位相ｐｈ_１５は、上述した有効屈折率ｎ_ｅ１を用いて、

と表せる。

一方、空気から波面収差補正部１６の凸部１６ａに入射した光Ｄが、上述した光Ｃと同じく空気と凸部１５ａとの界面からｈだけ進んだ時の位相ｐｈ_１６は、

と表せる。

ここで、波面収差補正部１６の有効屈折率ｎ_ｅ２は、（６式）と同様に、

である。

一般的に、光Ｃと光Ｄとの位相のズレの絶対値｜ｐｈ_１５−ｐｈ_１６｜が２０／１０００倍以下であれば、波面収差により光ディスク９０上のレーザビーム像がぼけて、データの読み取りに支障をきたすことはないとされている。そこで、光Ｃと光Ｄとの位相のズレ（ｐｈ_１５−ｐｈ_１６）が、

を満たすように偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１を選べば、波面収差を無視することができる。

波面収差補正部１６は、偏光変換部１５と同様に、波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列からなっている。波面収差補正部１６が存在しない場合、即ち偏光変換部１５の周囲がガラスや樹脂材料からなる平面の場合、偏光変換部１５と周囲との屈折率差が大きく、偏光変換部１５とその周囲での波面を一致させることが困難である。波面収差補正部１６の有効屈折率ｎ_ｅ２は（７式）で表され、波面収差補正部１６と偏光変換部１５との屈折率差は小さい。そのため、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１を適切に設定することで、波面収差の発生を抑えることができる。

波面収差補正部１６の面内方位角θ_２は、
−１５°＜θ_２＜１５°
を満たしている。この場合、有効屈折率ｎ_ｅ２は実質的にｎ_ＴＥであり、ｐ偏光成分が実質的に発生しないので、波面収差補正部１６でｓ偏光が楕円偏光に変換されることは実質的にない。その結果、波面収差補正部１６に入射した光束のほぼ全量が偏光分離手段１７で反射される。

以下に、本発明の第１の実施の形態の詳細な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限るものではない。

（実施例１）
ここで、例えばＰＢＳ１０、偏光変換部１５および波面収差補正部１６を構成する透明媒質の硝材をＢＫ７（ｎ_ｇｌ＝１．５３）とし、λ＝４０５ｎｍ、ｈ＝５７０ｎｍ、ｐ_１＝ｐ_２＝４００ｎｍ、ｆ_１＝ｆ_２＝０．５と仮定して、（１式）から（５式）に代入すると、位相差Γ＝１．０７ｒａｄが得られる。

位相差Γ＝１．０７ｒａｄと（９式）を最大とする面内方位角θ_１＝４５°とを（９式）に代入すると、ｎ_ｅ１＝１．３６であり、

となる。

つまり、ｓ偏光のレーザビーム２１が全て偏光変換部１５に入射した場合、入射光量の２６％がｐ偏光に変化し、光量モニタ部５０に導かれることになる。従って、レーザビーム２１の光量の５／２６から２０／２６が偏光変換部１５に入射するように偏光変換部１５の面積を設定すれば、上述した偏光変換部１５によってレーザビーム２１の偏光状態がｓ偏光からｐ偏光に変化される量の条件（５％以上２０％以下）を満たすことができる。

この時、波面収差補正部１６の凹凸構造をｙ軸に平行、つまり面内方位角θ_２＝０°とすると、ｎ_ｅ２＝１．４２となり、（９式）から、波面収差補正部１６にｓ偏光のレーザビーム２１が入射しても、波面収差補正部１６でｓ偏光がｐ偏光に変換されることはない。

また、（９式）から、ｐ偏光の光量を示す光の電界強度のｘ成分の絶対値の２乗は、

となって、波面収差補正部１６によるｓ偏光からｐ偏光への変換の影響は、無視できる程度に抑えることができる。

この時、（８式）の条件に数値を代入して、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１の条件を求めると、
−５０ｎｍ≦ｇ_１≦３０ｎｍ
となり、段差ｇ_１の寸法精度の許容幅を広くとることができる。

つまり、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇを上述した条件を満たすように設定することで、波面収差を無視できる程度に低減しながら、入射光量の最大２６％を光量モニタ部５０に導くことが可能となる。

もし波面収差補正部１６を設けないと、波面収差を低減しながら入射光を光量モニタ部５０に導くためには、凸部１５ａと凹部１５ｂとの段差ｈ＝２４１５ｎｍとする必要がある。しかしながら、このような光の波長に比べて非常に大きな段差ｈは、金型の製造および金型の凸凹配列の転写性の観点から実現性に乏しい。

それに対して、上述したように、偏光変換部１５と波面収差補正部１６とを設けることで、段差ｈおよびｇを光の波長程度に小さくすることができ、金型の製造が容易になるとともに、凸凹配列の転写性を向上させることができる。

同様にして、透明媒質の硝材の屈折率ｎ_ｇｌ＝１．５３と、入射光の波長λ＝４０５ｎｍとを固定して、その他のパラメータｆ_１、ｆ_２、θ_１、θ_２、ｈ、ｇ_１を１パラメータ毎に変化させて、位相ズレが（８式）を満たすように計算した結果を、表１に示す。

波面収差補正部１６の凸部の幅ｄ_２と周期ｐ_２との比ｆ_２＝０．４のとき、有効屈折率ｎ_ｅ２＝１．３７となり、偏光変換部１５の有効屈折率ｎ_ｅ１＝１．３６と非常に近くなる。その結果、段差ｇ_１の許容量は拡大している。

（実施例２）
次に、透明媒質の硝材を、ＢＫ７（ｎ_ｇｌ＝１．５３）よりも屈折率の高いＳＫ１０（ｎ_ｇｌ＝１．６３）に変更して、λ＝４０５ｎｍ、ｈ＝５００ｎｍ、ｐ_１＝ｐ_２＝４００ｎｍ、ｆ_１＝ｆ_２＝０．５として（１式）から（５式）に代入すると、位相差Γ＝１．３６ｒａｄが得られる。

さらに、面内方位角θ_１＝４５°およびθ_２＝０°であり、ｎ_ｅ１＝１．４６、ｎ_ｅ２＝１．５６となる。（９式）に代入すると、

となる。

つまり、ｓ偏光のレーザビーム２１が全て偏光変換部１５に入射した場合、入射光量の４０％がｐ偏光に変化し、光量モニタ部５０に導かれることになる。

この場合に、（実施例１）と同様にして、透明媒質の硝材の屈折率ｎ_ｇｌ＝１．６３と、入射光の波長λ＝４０５ｎｍとを固定して、その他のパラメータｆ_１、ｆ_２、θ_１、θ_２、ｈ、ｇ_１を１パラメータ毎に変化させて、位相ズレが（８式）を満たすように計算した結果を、表２に示す。

例えば、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１の条件は、
−１２０ｎｍ≦ｇ_１≦５５ｎｍ
となり、段差ｇの寸法精度の許容幅を広くとることができる。

偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇを上述した条件を満たすように設定することで、波面収差を低減しながら、入射光量の最大４０％を光量モニタ部５０に導くことが可能となる。

（実施例３）
さらに、透明媒質の硝材を、より屈折率の高いＳ−ＬＡＨ６６（ｎ_ｇｌ＝１．７９）に変更して、λ＝４０５ｎｍ、ｈ＝３００ｎｍ、ｐ_１＝ｐ_２＝４００ｎｍ、ｆ_１＝ｆ_２＝０．５として（１式）から（５式）に代入すると、位相差Γ＝１．４４ｒａｄとなる。

同様に、面内方位角θ_１＝４５°およびθ_２＝０°であり、ｎｅ_１＝１．６１、ｎｅ_２＝１．７６となる。（９式）に代入すると、

となる。つまり、ｓ偏光のレーザビーム２１が全て偏光変換部１５に入射した場合、入射光量の４３％がｐ偏光に変化し、光量モニタ部５０に導かれることになる。

この場合に、（実施例１）と同様にして、透明媒質の硝材の屈折率ｎ_ｇｌ＝１．７９と、入射光の波長λ＝４０５ｎｍとを固定して、その他のパラメータｆ_１、ｆ_２、θ_１、θ_２、ｈ、ｇ_１を１パラメータ毎に変化させて、位相ズレが（８式）を満たすように計算した結果を、表３に示す。

例えば、偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１の条件は、
−４２０ｎｍ≦ｇ_１≦２３ｎｍ
となり、段差ｇの寸法精度の許容幅を広くとることができる。偏光変換部１５と波面収差補正部１６との段差ｇ_１を上述した条件を満たすように設定することで、波面収差を低減しながら、入射光量の最大４３％を光量モニタ部５０に導くことが可能となる。

上述した実施例１から３の結果から分かるように、透明媒質の屈折率が高いほど、段差ｈが小さくても得られる位相差Γは大きい。言い換えると、透明媒質の屈折率が高いほど所定の位相差Γを得るのに必要な段差ｈはより小さくできるので、金型の凸凹構造の転写性がより向上する。

なお、一般的には、ＰＢＳ１０の硝材にはＢＫ７が用いられることが多い。その場合は、後述するＰＢＳ１０の第３の実施の形態のように、ＢＫ７の直角プリズム１１の光導入面１１ａに、ＳＫ１０やＳ−ＬＡＨ６６の平板の表面に偏光変換部１５および波面収差補正部１６が形成されたものを貼付すればよい。その際には、直角プリズム１１の光導入面１１ａと表面に偏光変換部１５が形成された平板との界面にマッチングコート（反射防止コート）を施すことが好ましい。

次に、第１の実施の形態の偏光変換部１５によるレーザビーム２１の光量変化について、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施の形態の偏光変換部１５によるレーザビーム２１の光量変化を示す模式図で、横軸に図２（ｂ）に示したｘ軸あるいはｙ軸上のレーザビーム２１の位置を、縦軸にレーザビーム２１の光量を示してある。

図５において、レーザビーム２１の光量分布は、太い破線２１Ｄで示した、レーザビーム２１の中心軸に対して軸対称なガウシアン分布と考えられる。このレーザビーム２１を直角プリズム１１の光導入面１１ａに入射させると、偏光変換部１５に入射したレーザビーム２１の中心軸近傍の光の偏光状態がｓ偏光から楕円偏光に変換される。

楕円偏光のｐ偏光成分２３は、偏光分離手段１７を透過して光量モニタ部５０に入射する。その光量は図５に横縞のハッチングで示した２３Ｄである。

一方、偏光分離手段１７で反射され、光ディスク９０に入射するレーザ光（ｓ偏光）２５は、図５に２５Ｄとして示した光量分布を持っており、レーザビーム２１の中心軸近傍の光量が減衰して平坦に近い光量分布となっている。

また、波面収差補正部１６で発生するｐ偏光成分の強度は、偏光変換部１５で発生するｐ偏光成分の強度に比べて小さい、そのため、波面収差補正部１６を透過した光のほぼ全量が偏光分離手段１７で反射され、レーザビーム２１の周辺部の形状は実質的に変化しない。そのために、超解像効果を実現することができる。

つまり、上述した偏光変換部１５を用いることにより、光量モニタ部５０に入射する光量を確保してフロントモニタを実現することができるとともに、光ディスク９０に入射するレーザ光２５の超解像効果を実現することができる。

なお、超解像効果を得るためには、図２（ｂ）に示した偏光変換部１５の面積Ｓ１５は、レーザビーム２１のビーム面積Ｓ２１の１／４以上１／３以下であることが望ましい。１／３を超えると、レーザビーム２１の中心軸近傍の光量の落ち込みエッジがレーザビーム２１の面積の端部に近づきすぎて十分な超解像効果が得られず、１／４未満であると、レーザビーム２１の中心軸近傍の光量の落ち込み量が不足して十分な超解像効果が得られないためである。

次に、本発明におけるＰＢＳ１０の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態のＰＢＳ１０は、ｐ偏光が入射する場合に対応している。第２の実施の形態のＰＢＳ１０が第１の実施の形態のＰＢＳ１０と異なる点は、波面収差補正部１６の面内方位角θ_２であり、その他については第１の実施の形態のＰＢＳ１０と同じであるので、説明は省略する。

波面収差補正部１６の面内方位角θ_２は、入射するｐ偏光に対して実質的にｓ偏光成分を発生させないように設定されている。

偏光変換部１５の面内方位角θ_１は、偏光変換部１５によってｐ偏光からｓ偏光に変換されたｓ偏光の光量を大きくするために、
３５°＜θ_１＜５５°
が好ましく、
４０°＜θ_１＜５０°
がより好ましい。

また、波面収差補正部１６の面内方位角θ_２は、
７５°＜θ_２＜１０５°
を満たしている。この場合、有効屈折率ｎ_ｅ２は実質的にｎ_ＴＥであり、ｓ偏光成分が実質的に発生しないので、波面収差補正部１６でｐ偏光が楕円偏光に変換されることは実質的にない。その結果、波面収差補正部１６に入射した光束のほぼ全量が偏光分離手段１７を透過する。

また、波面収差補正部１６の面内方位角θ_２は、
−１５°＜θ_２＜１５°
であってもよい。この場合であっても、波面収差補正部１６によりｐ偏光が楕円偏光に変換されることは実質的にない。この場合、有効屈折率ｎ_ｅ２は実質的にｎ_ＴＭとなる。有効屈折率ｎ_ｅ２が、プリズムを構成する透明媒質の屈折率ｎ_ｇｌよりも偏光変換部１５の有効屈折率ｎ_ｅ１に近く、（８式）を満足するならば、段差ｇ_１の許容量を大きくできる。

なお、波面収差補正部１６を、その有効屈折率ｎ_ｅ２が実質的にｎ_ＴＭとなるように構成してもよいという思想は、第１の実施の形態においても同じである。

上述したように、本発明におけるＰＢＳ１０の第１および第２の実施の形態によれば、偏光ビームスプリッタの光導入面の面中心を含む所定領域に、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が面内方位角θ_１を持って形成された偏光変換部と、偏光変換部の外周に接し、光導入面の周縁部を含む所定領域に、入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が面内方位角θ_２（≠θ_１）を持って形成された波面収差補正部とを備える。それによって、任意の方向の光強度分布の補正および波面収差の補正が可能で、フロントモニタ方式でのモニタ光の光量および超解像効果の異なるものを簡単に製造でき、加工、接着等の取り扱いが容易で、寸法精度の許容幅が大きく、生産性の高い偏光ビームスプリッタおよび光ピックアップを提供することができる。

次に、本発明におけるＰＢＳ１０の第３の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、ＰＢＳ１０の第３の実施の形態の構成を説明するための模式図で、図６（ａ）はＰＢＳ１０の中央断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＰＢＳ１０の第３の実施の形態における偏光変換部１５の断面拡大図である。

図６（ａ）において、第３の実施の形態のＰＢＳ１０が図２（ａ）の第１の実施の形態のＰＢＳ１０と異なる点は、偏光変換部１５および波面収差補正部１６が、直角プリズム１１の光導入面１１ａに直接形成されているのでなく、透明媒質平板１２の光導入面１２ａ上に形成され、透明媒質平板１２の裏面１２ｂが直角プリズム１１の光導入面１１ａに貼付されている点と、偏光変換部１５の構成である。その他については第１の実施の形態のＰＢＳ１０と同じであるので、説明は省略する。

透明媒質平板１２には、ガラスや、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）等の光学用樹脂を用いることができる。

透明媒質平板１２の光導入面１２ａ上に形成された偏光変換部１５は、図２（ｂ）および（ｃ）に示したと同様に、光導入面１２ａの面中心を含む所定位置に、レーザビーム２１の面積Ｓ２１よりも小さい面積Ｓ１５で、ｘ軸に対して面内方位角θ_１だけ傾けて形成されている。波面収差補正部１６については、第１の実施の形態と同じであるので説明は省略し、偏光変換部１５について、光導入面１２ａの面中心を通り、光導入面１２ａに垂直で、かつ、ｘ軸に対して面内方位角θ_１だけ傾いた面での断面を図６（ｂ）に示す。

図６（ｂ）において、第３の実施の形態では、偏光変換部１５は光導入面１２ａの面中心を含む第１の領域１５１と第１の領域１５１を取り囲む第２の領域１５３とで構成される。第１の領域１５１と第２の領域１５３とはそれぞれ、入射光の波長（例えば、青色レーザの４０５ｎｍ）以下の周期を持つ一次元の凹凸配列からなる。ここでは、第１の領域１５１と第２の領域１５３との面内方位角θ_１は同一とする。

第１の領域１５１は、幅ｄ_１の凸部１５ａと、凸部１５ａに対してｈだけ段差のある凹部１５ｂとが周期ｐ_１で櫛歯状に一次元に配列されている。

同様に、第２の領域１５３は、凸部１５ａと同一面にある幅ｄ_１の第２の凸部１５ｃと、凹部１５ｂに対してｇ_２だけ段差のある第２の凹部１５ｄとが周期ｐ_１で櫛歯状に一次元に配列されている。これによって、第１の領域１５１の方が第２の領域１５３よりも、入射光の直線偏光を、それに垂直な偏光成分をより多く含む楕円偏光に変換することができる。ここでは凸部１５ａと凸部１６ａとは同一面であるとしたが、第１の実施の形態と同様に、これは必須ではない。

偏光変換部１５の第１の領域および第２の領域の外周の形状は、ｘ軸、ｙ軸に対称な、円、楕円、ｎ角形（ｎ≧４）が好ましい。こうすることで、光ディスク９０への入射光２５の形状が対称になり、信号検出等に影響を及ぼさないからである。

第１の実施の形態と同様に、凸部１５ａと凹部１５ｂとの段差ｈ、凹部１５ｂと第２の凹部１５ｄとの段差ｇ_２および凹部１５ｂと波面収差補正部１６の凹部１６ｂとの段差ｇ_１を適切に設定することで、偏光変換部１５の第１の領域１５１および第２の領域１５３と波面収差補正部１６との入射光の波面の位相を整合させることができ、波面収差を抑えることができる。さらに、段差ｈ、ｇ_２、ｇ_１をそれぞれ光の波長程度に小さくすることができ、転写性を向上させることができる。

上述した第３の実施の形態の偏光変換部１５を用いた場合のレーザビーム２１の光量変化について、図７を用いて説明する。図７は、第３の実施の形態の偏光変換部１５によるレーザビーム２１の光量変化を示す模式図で、横軸に図６（ａ）に示したｘ軸あるいはｙ軸上のレーザビーム２１の位置を、縦軸にレーザビーム２１の光量を示してある。

図７において、レーザビーム２１の光量分布は、図５と同じく、太い破線２１Ｄで示したレーザビーム２１の中心軸に対して軸対称なガウシアン分布と考えられる。このレーザビーム２１を透明媒質平板１２の光導入面１２ａに入射させると、偏光変換部１５の第１の領域１５１の段差ｈの凹凸配列に入射したレーザビーム２１の中心軸近傍の光の偏光状態がｓ偏光から楕円偏光に変換される。

それとともに、偏光変換部１５の第２の領域１５３の段差（ｈ−ｇ_２）の凹凸配列に入射したレーザビーム２１の中心軸から少し離れた光の偏光状態がｓ偏光から楕円偏光に変換される。段差（ｈ−ｇ_２）は段差ｈよりも小さいので、第２の領域１５３の凹凸配列による楕円偏光への変換率は、第１の領域１５１の凹凸配列による変換率よりも低い。楕円偏光のｐ偏光成分２３は、偏光分離手段１７を透過して光量モニタ部５０に入射する。その光量は図７に横縞のハッチングで示した２３Ｄである。

一方、偏光分離手段１７で反射され、光ディスク９０に入射するレーザ光（ｓ偏光）２５は、図７に２５Ｄとして示した光量分布を持っている。図５に示した光ディスク９０に入射するレーザ光（ｓ偏光）２５と比べると、レーザビーム２１の中心軸近傍の光量がより平坦に近くなり、矩形形状により近くなっているので、図５に示した光量分布よりもさらに大きな超解像効果を実現することができる。

従って、上述した第３の実施の形態の偏光変換部１５を用いることにより、光量モニタ部５０に入射する光量を確保してフロントモニタを実現することができるとともに、光ディスク９０に入射するレーザ光２５の、より大きな超解像効果を実現することができる。

なお、第１の実施の形態と同様に、超解像効果を得るためには、偏光変換部１５の面積Ｓ１５は、レーザビーム２１のビーム面積Ｓ２１の１／４以上１／３以下であることが望ましい。

上述した第３の実施の形態では、偏光変換部１５は、
（１）第１の領域１５１の段差ｈと第２の領域１５３との段差（ｈ−ｇ_２）とが異なる
としたが、第１の領域１５１と第２の領域１５３との違いはこれに限るものではなく、例えば、
（２）第１の領域１５１と第２の領域１５３との面内方位角θ_１が異なる
（３）第１の領域１５１と第２の領域１５３との凹凸配列の周期ｐ_１が異なる
（４）第１の領域１５１と第２の領域１５３とのｆ_１（＝凸部の幅ｄ_１／凹凸配列の周期ｐ_１）が異なる
ものであってもよい。

第１の実施の形態で示したように、上述した４つのパラメータの何れを異ならせても、偏光変換部１５での直線偏光を楕円偏光に変換する変換率が変化する。よって、これら４つのパラメータを単独であるいは適切に組み合わせて変化させることで、所望の偏光変換部１５を得ることができる。いずれにしても、第１の領域１５１の方が第２の領域１５３よりも、入射光の直線偏光を、それに垂直な偏光成分をより多く含む楕円偏光に変換することができるように、上述した各パラメータを設定すればよい。

上述したように、本発明におけるＰＢＳ１０の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、第１の領域１５１と第２の領域１５３とを有することで、レーザビーム２１の中心軸近傍の光量がより平坦に近くなり、矩形形状により近くなっているので、第１の実施の形態よりもさらに大きな超解像効果を実現することができる。

以上に述べたように、本発明によれば、偏光ビームスプリッタの光導入面の面中心を含む所定領域に入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された偏光変換部と、偏光変換部の外周に接し、光導入面の周縁部を含む所定領域に入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列が形成された波面収差補正部とを備える。それによって、任意の方向の光強度分布の補正および波面収差の補正が可能で、フロントモニタ方式でのモニタ光の光量および超解像効果の異なるものを簡単に製造でき、加工、接着等の取り扱いが容易で、寸法精度の許容幅が大きく、生産性の高い偏光ビームスプリッタおよび光ピックアップを提供することができる。

なお、本発明に係る偏光ビームスプリッタ、および光ピックアップを構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１ 光ピックアップ
１０ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１１、１３ 直角プリズム
１１ａ （直角プリズム１１の）光導入面
１２ 透明媒質平板
１２ａ （透明媒質平板１２の）光導入面
１２ｂ （透明媒質平板１２の）裏面
１５ 偏光変換部
１５１ （偏光変換部１５の）第１の領域
１５３ （偏光変換部１５の）第２の領域
１５ａ （偏光変換部１５の）凸部
１５ｂ （偏光変換部１５の）凹部
１５ｃ （偏光変換部１５の）第２の凸部
１５ｄ （偏光変換部１５の）第２の凹部
１６ 波面収差補正部
１６ａ （偏光変換部１６の）凸部
１６ｂ （偏光変換部１６の）凹部
１７ 偏光分離膜
２０ 光源
２１ レーザビーム
２１Ｄ レーザビーム２１の光量分布
２３ 光量モニタ部５０への入射光（ｐ偏光）
２３Ｄ 光量モニタ部５０への入射光（ｐ偏光）２３の光量
２５ 光ディスク９０への入射光
２５Ｄ 光ディスク９０への入射光２５の光量分布
２７ 光ディスク９０からの反射光
３０ 光学系
３１ １／４波長板
３３ 対物レンズ
４０ 受光部
５０ 光量モニタ部
６０ 第２の光源
６１ ２波長のレーザビーム
７０ ダイクロイックプリズム
ｄ_１ （偏光変換部１５の）凸部１５ａの幅
ｄ_２ （波面収差補正部１６の）凸部１６ａの幅
ｐ_１ （偏光変換部１５の）凹凸配列の周期
ｐ_２ （波面収差補正部１６の）凹凸配列の周期
ｆ_１ （偏光変換部１５の）凸部の幅ｄ_１と周期ｐ_１との比（＝ｄ_１／ｐ_１）
ｆ_２ （波面収差補正部１６の）凸部の幅ｄ_２と周期ｐ_２との比（＝ｄ_２／ｐ_２）
ｇ_１ （偏光変換部１５の）凹部１５ｂと（波面収差補正部１６の）凹部１６ｂとの段差
ｇ_２ （偏光変換部１５の）凹部１５ｂと第２の凹部１５ｄとの段差
ｈ （偏光変換部１５の）凸部１５ａと凹部１５ｂとの段差
Ｓ１５ （偏光変換部１５の）面積
Ｓ２１ （レーザビーム２１の）面積
θ_１ （偏光変換部１５の）面内方位角
θ_２ （波面収差補正部１６の）面内方位角

Claims (8)

1. 偏光分離手段を有するプリズムと、
   光源からの入射光を前記偏光分離手段に入射させるための、前記偏光分離手段と対向する光導入面とを備えた偏光ビームスプリッタにおいて、
   前記光導入面の面中心を含み周縁部を含まない所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、入射光の偏光と異なる偏光成分を発生させて偏光状態を変換する偏光変換部が形成され、
   前記偏光変換部の外周に接し、前記光導入面の周縁部を含む所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記偏光変換部との位相ズレを整合させる波面収差補正部が形成され、
   前記偏光変換部は、前記入射光が前記光導入面に垂直に入射する場合に、前記入射光と前記入射光の前記偏光分離手段での反射光とが作る入射面と前記光導入面との交線に対して所定の面内方位角θ_１だけ傾けて形成され、
   前記波面収差補正部は、前記入射面と前記光導入面との前記交線に対して前記面内方位角θ_１と異なる面内方位角θ_２だけ傾けて形成されており、
   前記波面収差補正部の前記面内方位角θ_２は、
   −１５°＜θ_２＜１５°
   または、
   ７５°＜θ_２＜１０５°
   であることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
2. 前記偏光変換部の前記面内方位角θ_１は、
   ３５°＜θ_１＜５５°
   であることを特徴とする請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ。
3. 前記偏光変換部の前記一次元の凹凸配列の凸部の幅（ｄ_１）と周期（ｐ_１）との比ｆ_１（＝ｄ_１／ｐ_１）は、
   ０．４＜ｆ_１＜０．６
   であり、
   前記波面収差補正部の前記一次元の凹凸配列の凸部の幅（ｄ_２）と周期（ｐ_２）との比ｆ_２（＝ｄ_２／ｐ_２）は、
   ０．３＜ｆ_２＜０．７
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光ビームスプリッタ。
4. 前記偏光変換部は、前記光導入面の面中心を含む第１の領域と、前記第１の領域を取り囲む第２の領域とを有し、前記第１の領域での前記一次元の凹凸配列と前記第２の領域での前記一次元の凹凸配列とは異なる構造を有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタ。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタの前記偏光変換部が形成された面に光を入射させる光源と、
   前記偏光分離手段で分離された前記光源からの光の一方を光ディスクに投光し、投光した光の前記光ディスクからの反射光を受光する光学系と、
   前記光学系で受光された前記光ディスクからの反射光を受光する受光部と、
   前記偏光分離手段で分離された前記光源からの光の他方を受光する光量モニタ部とを備えたことを特徴とする光ピックアップ。
6. 前記光源から前記偏光変換部が形成された面に入射した直線偏光の入射光の光量の５％以上２０％以下が、前記直線偏光に垂直な偏光方向を持つ直線偏光として射出するように、前記偏光変換部の面積および前記偏光変換部での位相差が設定されていることを特徴とする請求項５に記載の光ピックアップ。
7. 前記偏光変換部の面積は、前記光源から前記偏光変換部が形成された面に入射した入射光のビーム面積の１／４以上１／３以下の面積であることを特徴とする請求項５または６に記載の光ピックアップ。
8. 光源からの入射光の光束の中心部の偏光状態を変換し、周辺部の偏光状態を実質的に変化させない光学素子としての位相板であって、
   前記入射光が入射する光導入面の面中心を含み周縁部を含まない所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記入射光の偏光と異なる偏光成分を発生させて偏光状態を変換する偏光変換部が形成され、
   前記偏光変換部の外周に接し、前記光導入面の周縁部を含む所定領域に、前記入射光の波長以下の周期を有する一次元の凹凸配列を備え、前記偏光変換部との位相ズレを整合させる波面収差補正部が形成され、
   前記偏光変換部の周期方向と前記波面収差補正部の周期方向とが異なることを特徴とする位相板。

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