JP2013012273A - 反射型広帯域波長板および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の異なる波長に対して反射板と１／４波長板としての機能を果たし、かつ作製工数、製造コストを低減できる反射型広帯域波長板を提供する。
【解決手段】本発明の反射型広帯域波長板は、波長の異なる複数の直線偏光の入射光に対して、光路を偏向反射するとともに位相差を付与して出射する反射型広帯域波長板であって、入射側からみて、反射防止層と、単一の有機複屈折媒質層と、反射層とが順次積層されており、前記有機複屈折媒質層の光学軸が当該有機複屈折媒質層における厚さ方向に沿って連続的にねじれていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域にわたり入射する光を反射または、反射および透過して偏光状態を制御する反射型広帯域波長板、およびこの反射型広帯域波長板を用いる光学系である光ヘッド装置に関する。

近年、例えば光ストレージを扱う光学系として、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクなどの光記録媒体だけでなく、「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）のような高密度光記録媒体（以下、「光ディスク」という）に情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という）を行う光ヘッド装置の開発が進んでいる。

光ヘッド装置では、半導体レーザなどの光源から出射された光が、往路光として、例えば、偏光ビームスプリッタ、コリメータレンズ、立上げミラー、１／４波長板、対物レンズの順に通過して光ディスクの情報記録面に至る。また、情報記録面で反射された光は、復路光として、往路光とは逆の順番で各光学部品を通過し、偏光ビームスプリッタで光検出器の方に偏向される。

また、光ヘッド装置では、光利用効率を高めるため、偏光ビームスプリッタから出射される直線偏光（ＰまたはＳ偏光）の往路光を、光路中の１／４波長板によって円偏光に変換してからディスクの情報記録面へ入射し、記録面で反射された円偏光の復路光が、再び１／４波長板を通過することで往路光と直交した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタによって光検出器に至るように設計されている。

ところで、円偏光は他の光学素子からの位相変調作用を受けやすいため、対物レンズの直近に１／４波長板を置くことが望ましいとされている。しかし、対物レンズのディスク側には１／４波長板を置くスペースは無く、立ち上げミラーと対物レンズの間に１／４波長板を置くと、薄型化が難しくなるという問題がある。

また、立ち上げミラーの前に１／４波長板を置く場合もあるが、対物レンズの真下すなわちディスク側直近に置く場合に比べて、立ち上げミラーからの位相変調作用を受けやすく、また、光を平行光にするためのコリメータレンズの可動域確保のために、小型化が難しくなるという問題もある。

このような光ヘッド装置の小型化を実現するため、１／４波長板と他の光学素子とを一体化させることが検討されている。例えば、光源からのレーザの進行方向を光ディスク方向へ偏向させる立上げミラーの面に１／４波長板に相当する機能を設けることで、光を偏向しつつ直線偏光から円偏光に変換して出射する光学素子が検討されている。

例えば、特許文献１には、入射光の波長に対して（ｋπ）／８の位相差を与える波長板を反射膜の上に積層して、入射する光を反射させて偏向させるとともに１／４波長板としての機能を併せ持った反射型波長板を用いた光ヘッド装置が記載されている。なお、ここで、ｋは整数である。

また、特許文献２には、複数の波長に対して反射かつ１／４波長板の機能を有する光学素子を用いた光ヘッド装置が記載されている。

特開２０１０−２６２７２５号公報 特開２００３−９８３５０号公報

例えば、ＢＤ、ＣＤ、ＤＶＤのような３つの異なる波長の光に対して、反射かつ１／４波長板の機能を有する光学素子を実現することを考える。

特許文献１に記載された反射型波長板では、複数の異なる波長に対して（ｋπ）／８の位相差を与える位相差層を積層するとあるが、各波長の光に対して異なる複数のｋ、すなわち次数を最大公約数的に決めることになる。この場合、その中心波長からずれた波長の光に対する位相差のずれが、波長依存性により、ｋの絶対値である｜ｋ｜が増えるごとに大きくなる。その結果、光源からの光の波長がばらつきを持つ場合に、１／４波長板としての機能を十分に果たせないという問題がある。

また、特許文献２に記載された光学素子では、複数の位相差層を積層することで複数波長での作用を実現するとあるが、その広帯域化のための作製工数、製造コストがかかる。

そこで、本発明は、複数の異なる波長に対して反射板と１／４波長板としての機能を果たし、かつ作製工数、製造コストを低減できる反射型広帯域波長板および該反射型広帯域波長板を用いる光ヘッド装置の提供を目的とする。

本発明による反射型広帯域波長板は、波長の異なる複数の直線偏光の入射光に対して、光路を偏向反射するとともに位相差を付与して出射する反射型広帯域波長板であって、入射側からみて、反射防止層と、単一の有機複屈折媒質層と、反射層とが順次積層されており、前記有機複屈折媒質層の光学軸が当該有機複屈折媒質層における厚さ方向に沿って連続的にねじれていることを特徴とする。

また、本発明による反射型広帯域波長板は、前記有機複屈折媒質層の光軸方位のねじれ角をθ２［°］とするとき、θ２が、９０＜θ２＜１３５であり、３９５〜４１５ｎｍの波長範囲である波長λ１、６４０〜６８０ｎｍの波長範囲である波長λ２、および７６０〜８１０ｎｍの波長範囲である波長λ３、の入射光に対して、波長λ１の光に対して出射する光の楕円率が０．７以上となり、波長λ２の光に対して出射する光の楕円率が０．６以上となり、波長λ３の光に対して出射する光の楕円率が０．５以上となるよう構成されていてもよい。

また、本発明による反射型広帯域波長板は、前記反射層が、金属膜の上に誘電体膜を積層した構造であってもよい。

また、本発明による光ヘッド装置は、複数波長の光を出射する光源と、前記複数波長の光源から出射された光を光ディスクに集光する対物レンズと、前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器とを備え、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上述の反射型広帯域波長板のいずれかが備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の異なる波長に対して反射板と１／４波長板としての機能を果たし、かつ作製工数、製造コストを低減できる反射型広帯域波長板および該反射型広帯域波長板を用いる光ヘッド装置を提供できる。

本発明の反射型広帯域波長板１０の構成例を示す模式図である。 本発明の反射型広帯域波長板１０の他の構成例を示す模式図である。 本発明の反射型広帯域波長板１０の他の構成例を示す模式図である。 反射型広帯域波長板１０に入射した光の光路および偏光状態の変化の様子を模式的に示す説明図である。 反射型広帯域波長板１０の分解斜視図である。 計算により求めた有機複屈折媒質層１２のパラメータの一例を示す説明図である。 計算条件１１、１２の有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。 計算により求めた有機複屈折媒質層１２のパラメータの他の例を示す説明図である。 計算条件２１〜２６の有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。 有機複屈折媒質層１２のパラメータの他の例を示す説明図である。 計算条件３１〜３４の有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。 第２の実施形態に係る光ヘッド装置１００の構成例を示す概念的模式図である。 第１の実施例の反射型広帯域波長板１０の反射層１３の積層構造の例を示す説明図である。 第１の実施例の反射型広帯域波長板１０の有機複屈折媒質層１２のパラメータの例を示す説明図である。 第１の実施例の反射型広帯域波長板１０の反射防止層１１の積層構造の例を示す説明図である。 （ａ）は第１の実施例の広帯域反射型波長板１０に対する入射角を示す説明図であり、（ｂ）は有機複屈折媒質層１２の光軸と入射面との関係を示す説明図である。 第１の実施例の広帯域反射型波長板１０による出射光１６ａの楕円率の絶対値を示すグラフである。 第２の実施例の広帯域反射型波長板１０の反射層１３の積層構造の具体例を示す説明図である。 第２の実施例の広帯域反射型波長板１０による出射光１６ａの楕円率の絶対値を示すグラフである。

実施形態１．
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の反射型広帯域波長板１０の構成例を示す模式図である。図１に示す反射型広帯域波長板１０は、２枚の透明基板１４ａ、１４ｂで有機複屈折媒質層１２を保持した構造の例である。なお、入射側の基板１４ａの外側の面には、反射防止層１１が設けられている。また、反入射側の基板１４ｂの外側の面には、反射層１３が設けられている。なお、図１に示す反射型広帯域波長板１０は、入射側からみて、反射防止層１１、基板１４ａ、有機複屈折媒質層１２、基板１４ｂ、反射層１３が順に積層された構造となっている。

また、図２は、本発明の反射型広帯域波長板１０の他の構成例を示す模式図である。図２に示す反射型広帯域波長板１０ａのように、１枚の基板１４ａと、その透明基板１４ａの一方の面に備えられた反射防止層１１と有機複屈折媒質層１２と、透明基板１４ａの他方の面に備えられた反射層１３とから構成されるものであってもよい。なお、図２に示す反射型広帯域波長板１０ｂは、入射側からみて、反射防止層１１、有機複屈折媒質層１２、基板１４ａ、反射層１３が順に積層された構造となっている。

また、図３は、本発明の反射型広帯域波長板１０の他の構成例を示す模式図である。図３に示す反射型広帯域波長板１０ｂのように、１枚の透明基板１４ａと、透明基板１４ａの一方の面に備えられた反射層１３と、反射層１３上に備えられた有機複屈折媒質層１２と、有機複屈折媒質層１２上に備えられた反射防止層１１とから構成されるものであってもよい。なお、図３に示す反射型広帯域波長板１０ｂは、入射側からみて、反射防止層１１、有機複屈折媒質層１２、反射層１３、基板１４ａが順に積層された構造となっている。以下、とくに説明がない場合は、これらの構成のうち、図１に示す反射型広帯域波長板１０を例に用いて説明する。

図４は、反射型広帯域波長板１０に入射した光の光路および偏光状態の変化の様子を模式的に示す説明図である。図４において、入射光１５ａは、反射防止層１１の平面の法線方向、すなわちｚ方向に対して入射ε（｜ε｜＞０）で入射し、反射防止層１１から入射光１５ｂとして出射される。さらに、入射光１５ｂは有機複屈折媒質層１２に入射し、有機複屈折媒質層１２を透過して入射光１５ｃとなる。そして、入射光１５ｃは、反射層１３によって反射され反射光１６ｃとなる。その後、反射光１６ｃは、再び有機複屈折媒質層１２を透過して反射光１６ｂとなる。そして、反射光１６ｂは、反射防止層１１を透過し反射光１６ａとして出射される。

なお、本実施形態では、入射光１５ａ、１５ｂ、１５ｃと反射光１６ａ、１６ｂ、１６ｃの電場ベクトルのｐ偏光、ｓ偏光方向は、図４に示した方向をプラスとする。

本実施形態の反射型広帯域波長板１０における光路について、図５を参照してさらに詳しく説明する。図５は、本実施形態の反射型広帯域波長板１０の分解斜視図である。なお、図５において透明基板１４ａ，１４ｂは図示省略している。図５に示すように、入射光１５ｂは、有機複屈折媒質層１２の反射防止層１１側の界面１２ａの法線方向であるｚ軸方向に対して、入射角ε’（｜ε’｜＞０）で入射する。なお、図５において、符号２１ａは、界面１２ａにおける有機複屈折媒質層１２の光学軸（例えば、遅相軸）を表している。以下、界面１２ａ上のｘ軸と光学軸２１ａとがなす角度をθ_１とする。また、有機複屈折媒質層１２の光学軸は、有機複屈折媒質層１２における厚さ方向に沿って連続的に角度θ_２だけねじれている。符号２１ｂは、界面１２ｂにおける光学軸を表している。なお、本実施形態では、θ_１、θ_２は、図５のｚ軸方向から見て反時計回りの方向をプラスとする。また、以降、θ_１をプレツイスト角、θ_２をツイスト角と呼ぶ。

透明基板１４ａ、１４ｂとしては、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を使用できるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過する光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。

反射防止層１１としては、高屈折率材料と低屈折率材料とを用いて多層化した誘電体多層膜や、サブミクロン周期の凹凸を有するモスアイ構造を形成するなどして、界面での反射率を低く抑え、高い光利用効率を実現できる。また、反射防止層１１は、反射層１３以外の界面で反射する不要な反射光と、反射層１３で１回だけ反射するメインの反射光との干渉による光学特性の劣化を抑制する効果が得られる構成が好ましい。

有機複屈折媒質層１２としては、複屈折性を有する材料であればよいが、液晶を高分子化した高分子液晶を用いると、液晶の配向方向を制御してプレツイスト角θ１とツイスト角θ２を設定しやすく好ましい。

反射層１３としては、高屈折率材料と低屈折率材料とを用いて多層化した誘電体多層膜や金属反射膜などを使用できる。なお、反射防止層や反射層に誘電体多層膜を用いるときは、膜応力によって基板に反りが生じ、反射光１６ａの波面収差が劣化する場合がある。この場合、膜応力を小さくするため、膜厚は薄い構成が望ましい。

次に、ストークスパラメータ（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）およびミュラー行列を用いて、入射した光に対する反射型広帯域波長板１０の作用について説明する。ここで、入射光が完全偏光である場合Ｓ０成分を１とすることができるので以後この成分に関しては考慮せず、ミュラー行列も３×３の行列とする。また、光がｐ偏光方向に偏光している状態のストークスパラメータを（１，０，０）とする。

反射防止層１１は、入射光１５ａのｐ偏向方向、ｓ偏向方向の電場ベクトルに対して位相差δ_ｔを与える。この作用は、ミュラー行列を用いて以下の式（１）のように表される。

次に、有機複屈折媒質層１２の偏光特性を規定するパラメータの決定方法について説明する。有機複屈折媒質層１２を成す有機複屈折媒質は、光学軸方位と、光学軸方位と９０°をなす方位の屈折率とが異なるもので、この屈折率の差（屈折率異方性）をΔｎとする。また、複屈折媒質層１２の厚さをｄとする。

反射防止層１１から出射された入射光１５ｂが有機複屈折媒質層１２を通過して受ける作用Ｃ_１は、ミュラー行列を用いて以下の式（２）のように表される。なお、入射光１５ｂは、有機複屈折媒質層１２に入射角ε’で斜めに入射し、通過していく。このため、以下では、斜め入射を考慮した実効的なθ_１、θ_２、Δｎ、ｄをそれぞれθ_{１＿ｅｆｆ}、θ_{２＿ｅｆｆ}、Δｎ_ｅｆｆ、ｄ_ｅｆｆとして、有機複屈折媒質層１２の作用を定式化している。

反射層１３で反射された反射光１６ｃは、有機複屈折媒質層１２へ入射光１５ｂとは反対側から入射する。このため、反射光１６ｃが有機複屈折媒質層１２を通過して受ける作用Ｃ２は、ミュラー行列を用いて以下の式（３）のように表される。

反射層１３は、反射によって入射光１５ｃのｐ偏光方向、ｓ偏光方向の電場ベクトルに対して位相差δ_ｔを与える。この作用はミュラー行列を用いて以下の式（４）のように表される。反射層１３としては、高屈折率材料と低屈折率材料とを用いて多層化した反射多層膜や金属反射膜などを使用できる。

入射光１５ａのストークスパラメータを（Ｓ１_ｉｎ，Ｓ２_ｉｎ，Ｓ３_ｉｎ）とすると、反射光１６ａのストークスパラメータ（Ｓ１_ｏｕｔ，Ｓ２_ｏｕｔ，Ｓ３_ｏｕｔ）は、以下の式（５）のように表される。

ここで、反射光１６ａのストークスパラメータのＳ３成分である式（５）におけるＳ３_ｏｕｔと楕円率κとは、以下の式（６）の関係にある。

κ＝ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ（Ｓ３_ｏｕｔ）／２） ・・・式（６）

なお、楕円率κは、出射光１６ａの、進行方向と直交する平面２３における偏光状態の円偏光度合いをあらわすもので、楕円の長軸に対する短軸の比を表し、完全な円偏光であれば絶対値｜κ｜＝１、完全な直線偏光であれば｜κ｜＝０となる。

本実施形態では、上記の式（１）〜（６）を利用して、反射型広帯域波長板の設計を行った。ここで、入射光１５ａの条件として、（Ｓ１_ｉｎ，Ｓ２_ｉｎ，Ｓ３_ｉｎ）＝（−１，０，０）（ｓ偏光方向の直線偏光に相当）の直線偏光が入射した場合を考える。なお、計算単純化のため、反射防止層を通過する際に生じる位相差δ_ｔ＝０°とし、反射層で反射する際に生じる位相差δｒ＝１８０°とした。また、有機複屈折媒質の実効的な屈折率異方性を、波長によらず一定のΔｎ_ｅｆｆ＝−０．０４とした。

図６は、計算により求めた有機複屈折媒質層１２のパラメータの一例を示す説明図である。なお、図６において、計算条件１１は、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１１．０°である場合の各パラメータの収束結果の一例である。また、計算条件１２は、比較例として、ねじれがない場合、すなわち実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝０°である場合の各パラメータの収束結果の一例である。

なお、本例は、計算条件１１については各波長帯域での出射光１６ａが完全な円偏光により近づくように、すなわち出射光１６ａの楕円率の絶対値（｜κ｜）が１に近づくように、有機複屈折媒質層１２の実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}を調整して、出射光１６ａの楕円率に対する収束計算を行った結果の例である。また、計算条件１２については少なくとも１つの波長帯域での出射光１６ａが完全な円偏光により近づくように、すなわち出射光１６ａの楕円率の絶対値（｜κ｜）が１に近づくように、有機複屈折媒質層１２の実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}を調整して、出射光１６ａの楕円率に対する収束計算を行った結果の例である。

なお、図６には、有機複屈折媒質層１２のパラメータの例として、計算条件１１では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１１．０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．９μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６６．０°であることが示されている。また、計算条件１２では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝０．０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝１．４μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝４５．０°であることが示されている。

楕円率の絶対値は高い方がより完全な円偏光となるため好ましいが、本実施形態では、各波長帯域で０．５以上であれば所望の条件を満たしているものとする。

また、図７は、図６に示したパラメータを有する有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。図７に示すように、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１１．０°に設定した計算条件１１の場合、楕円率の絶対値の変化が小さく、広い帯域で楕円率の絶対値が高い値を示していることがわかる。一方、ねじれが無い場合すなわち実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝０．０°に設定した計算条件１２では、特定の波長で楕円率絶対値が最大値である１をとりうるが、それ以外の波長範囲では楕円率絶対値の減少が著しいことがわかる。

すなわち、複屈折媒質層１２の光学軸をねじれさせることにより、広い帯域にわたり出射光楕円率絶対値の波長依存性を少なくでき、特定の波長に対して所望する最大の楕円率絶対値は得られなくとも、広帯域にわたり許容範囲内とされる楕円率絶対値を得ることができる。例えば、図７に示す例では、少なくとも４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲に渡り、０．６を上回っている。また、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲では０．８を上回り、また、６５０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲では０．７を上回っている。

続いて、ＢＤ・ＤＶＤ・ＣＤのような３つの異なる波長の直線偏光の入射光に対して、光の利用効率を高める楕円偏光に変換して出射する反射型広帯域波長板の複屈折媒質層１２のパラメータの例を示す。

ここでは、入射光１５ａの条件として、４０５ｎｍ帯域、６６０ｎｍ帯域、７８５ｎｍ帯域の各帯域の、（Ｓ１_ｉｎ，Ｓ２_ｉｎ，Ｓ３_ｉｎ）＝（−１，０，０）（ｓ偏光方向の直線偏光に相当）の直線偏光が入射した場合を考える。なお、計算単純化のため、反射防止層を通過する際に生じる位相差δ_ｔ＝０°とし、反射層で反射する際に生じる位相差δｒ＝１８０°とした。また、有機複屈折媒質の実効的な屈折率異方性を、波長によらず一定のΔｎ_ｅｆｆ＝−０．０４とした。

図８は、計算により求めた有機複屈折媒質層１２のパラメータの他の例を示す説明図である。図８において、計算条件２１〜２６は、それぞれ実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝９０°、１０５°、１１０°、１１５°、１２０°、１３５°である場合の各パラメータの収束結果の一例である。すなわち、図８では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}がそれぞれ９０°、１０５°、１１０°、１１５°、１２０°、１３５°である場合において、各波長帯域での出射光１６ａの楕円率絶対値が１に近づくように、有機複屈折媒質層１２の実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}を調整した結果を示している。

なお、図８には、有機複屈折媒質層１２のパラメータの例として、計算条件２１では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝９０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝６．８０μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝５８．６６°であることが示されている。また、計算条件２２では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１０５°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝５．４０μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．４３°であることが示されている。また、計算条件２３では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．９１μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６６．２０°であることが示されている。また、計算条件２４では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１５°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．６７μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．１３°であることが示されている。また、計算条件２５では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１２０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．５１μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６３．８８°であることが示されている。また、計算条件２６では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１３５°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．０８μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝５９．６０°であることが示されている。

また、図９は、図８に示したパラメータを有する有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。なお、図９（ａ）は、４０５ｎｍ帯域付近の波長依存性を示すグラフである。また、図９（ｂ）は、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域付近の波長依存性を示すグラフである。なお、図９（ａ）と図９（ｂ）は、波長帯域を４０５ｎｍ帯域付近（３８０ｎｍ〜４３０ｎｍ）と、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域付近（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）とに分けて表示しているが、両グラフは同じの有機複屈折媒質層１２による出射光楕円率絶対値を示している。

図９に示すように、９０＜θ_{２＿ｅｆｆ}＜１３５の範囲にある計算条件２２、２３、２４、２５の各条件において、４０５ｎｍ帯域で０．７以上、６６０ｎｍ帯域で０．６以上、７８５ｎｍ帯域で０．５以上、の楕円率が得られた。なお、θ_{２＿ｅｆｆ}＝９０°とした計算条件２１では、４０５ｎｍ帯域で０．８以上の楕円率を得られる一方、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域で０．４より低い楕円率しか得られなかった。また、θ_{２＿ｅｆｆ}＝１３５°とした計算条件２６では、４０５ｎｍ帯域、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域で０．５より低い楕円率しか得られなかった。

なお、上記例では、屈折率異方性が波長分散を有さない場合を例に示したが、波長分散を有する場合であっても、プレツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}の最適範囲はほぼ同様であった。図１０は、有機複屈折媒質層１２のパラメータの他の例を示す説明図である。図１０（ａ）は、本例の有機複屈折媒質層１２の屈折率異方性Δｎ_ｅｆｆを示す説明図である。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す屈折率異方性を有する有機複屈折媒質層１２において、計算条件３１〜３４として実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}が１０３°、１０５°、１１０°、１１５°である場合の各パラメータの収束結果の一例である。

なお、図１０（ａ）には、本例の有機複屈折媒質の屈折率異方性として、４０５ｎｍ帯域ではΔｎ_ｅｆｆ＝−０．０４２１、６６０ｎｍ帯域ではΔｎ_ｅｆｆ＝−０．０４０３、７８５ｎｍ帯域ではΔｎ_ｅｆｆ＝−０．０４０２であることが示されている。また、図１０（ｂ）には、有機複屈折媒質層１２のパラメータの例として、計算条件３１では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１０３°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝５．３μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．１°であることが示されている。また、計算条件３２では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１０５°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝５．１μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．９°であることが示されている。また、計算条件３３では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}＝１１０°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．７μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．８°であることが示されている。また、計算条件３４では、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}が１１５°である場合、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、＝４．４μｍ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}＝６５．０°であることが示されている。

また、図１１は、図１０に示したパラメータを有する有機複屈折媒質層１２の出射光楕円率絶対値の波長依存性グラフを示す説明図である。なお、図１１（ａ）は、４０５ｎｍ帯域付近の波長依存性を示すグラフである。また、図１１（ｂ）は、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域付近の波長依存性を示すグラフである。なお、図１１（ａ）と図１１（ｂ）は、波長帯域を４０５ｎｍ帯域付近（３８０ｎｍ〜４３０ｎｍ）と、６６０ｎｍ帯域および７８５ｎｍ帯域付近（６００ｎｍ〜８００ｎｍ）とに分けて表示しているが、両グラフは同じの有機複屈折媒質層１２による出射光楕円率絶対値を示している。

図１１に示すように、９０＜θ_{２＿ｅｆｆ}＜１３５の範囲にある計算条件３１、３２、３３、３４の各条件において、４０５ｎｍ帯域で０．７以上、６６０ｎｍ帯域で０．６以上、７８５ｎｍ帯域で０．５以上、の楕円率が得られた。

以上に示すように、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}を、９０＜θ_{２＿ｅｆｆ}＜１３５の範囲で決めると、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}を調整することにより、各波長帯域において高い楕円率を示すパラメータを高い精度で得ることができる。なお、９０＜θ_{２＿ｅｆｆ}＜１３５以外であっても、対象とする波長帯域によっては、または、材料の選定や他のパラメータの調整量を大きくすること等により、所望の特性を得ることは可能である。

なお、以上の計算では、δｒ＝０°、δ_ｔ＝１８０°としたが、δｒ、δ_ｔがそれ以外の値を持つ場合であっても、所望の特性を得るように、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}を調整すればよい。

また、以上の計算では、入射光１５ａをｓ偏光方向の直線偏光に相当するとして、ストークスパラメータ（Ｓ１_ｉｎ，Ｓ２_ｉｎ，Ｓ３_ｉｎ）＝（−１，０，０）としたが、そのほかの任意の直線偏光や楕円偏光に対しても、所望の特性を得るように、実効的な厚さｄ_ｅｆｆ、実効的なプレツイスト角θ_{１＿ｅｆｆ}、実効的なツイスト角θ_{２＿ｅｆｆ}を調整できる。

また、上述のようなミュラー行列を用いた計算では、斜め入射を考慮した実効的なパラメータであるθ_{１＿ｅｆｆ}、θ_{２＿ｅｆｆ}、Δｎ_ｅｆｆ、ｄ_ｅｆｆを用いて有機複屈折媒質層１２の作用を定式化しているが、実際に作成する場合は、製造パラメータである、θ１、θ２、ｄを、θ_{１＿ｅｆｆ}、θ_{２＿ｅｆｆ}、ｄ_ｅｆｆ近傍で調整して、同等の特性を得ることができる。

実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１２は、本実施形態に係る光ヘッド装置１００の構成例を示す概念的模式図である。本実施形態では、光ヘッド装置が、上述した反射型広帯域波長板１０を有する場合について説明する。

図１２に示す光ヘッド装置１００は、所定の波長の光を出射する光源１０１と、光源１０１から発射した光を反射型広帯域波長板１０の方向に直進透過させるとともに、光ディスク１０５で反射された戻り光を偏向分離するビームスプリッタ１０２と、ビームスプリッタ１０２を透過した光を平行光に変換するコリメータレンズ１０３と、反射型広帯域波長板１０で反射される光を光ディスク１０５に集光させる対物レンズ１０４と、光ディスク１０５で反射され、ビームスプリッタ１０２で反射される光を検出する光検出器１０６、とを備えている。また、光ヘッド装置１００は、光源１０１とビームスプリッタ１０２との間の光路中に、光源１０１が出射した光の一部を回折させてメインビームと２つのサブビームの３つのビームを発生する回折素子を備えていてもよい。

光源１０１は、複数の波長の光源を出射する半導体レーザにより構成される。本実施形態では、４０５ｎｍ波長帯、波長６６０ｎｍ波長帯および７８０ｎｍ波長帯の直線偏光の発散光を出射する半導体レーザにより構成されるものとする。

ここで、光源１０１から発射された直線偏光の光は、偏光ビームスプリッタ１０２を透過し、コリメータレンズ１０３で平行光になって反射型広帯域波長板１０に入射する。その後、反射型広帯域波長板１０により反射された際に円偏光の光となって、対物レンズ１０４により光ディスク１０５に集光する。なお、光源から光ディスクに至るまでの光路を「往路」とし、光ディスクから光検出器に至るまでの光路を「復路」と定義をする。

光ディスク１０５で反射された光は、逆回りの円偏光の光となって、再び、対物レンズ１０４を透過し、反射型広帯域波長板１０に入射する。その後、反射型広帯域波長板１０により反射された際に往路での直線偏光の光と直交する直線偏光の光となって、コリメータレンズ１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２で反射されて、光検出器１０６に到達する。

このように、光ヘッド装置１００において、反射型波長板１０は、立ち上げミラーとしての機能に加え、１／４波長板としての機能を併せ持つので、光ヘッド装置１００の部品点数が削減でき、薄型化・小型化を実現できる。なお、光ヘッド装置１００には、反射型広帯域波長板１０を備えた例について説明したが、使用する波長の光を反射するとともに、例えば、楕円偏光の光を円偏光の光に変える機能を有するものであってもよい。また、反射して１／４波長板としての機能を有するものとして、他の反射型広帯域波長板１０ａや反射型広帯域波長板１０ｂを用いてもよい。

このように、光ヘッド装置１００において、反射型広帯域波長板１０は、立ち上げミラーとしての機能に加え、１／４波長板としての機能を併せ持つので、これらを別々に配置する場合と比べて、光ヘッド装置１００の部品点数が削減でき、薄型化・小型化が実現できる。また、薄型でアクチュエータに対するスペースの制限が少ないため、高い設計自由度が得られる。

また、反射型広帯域波長板１０は、広帯域化のために複屈折層を２層以上積層する必要がなく、単一の複屈折層により実現されるので、製造工程の簡素化および製造コストの削減といった効果が得られる。

以下、第１の実施例として、反射型広帯域波長板１０の作成方法とともに具体的な構成について説明する。以下では、反射型広帯域波長板１０の構成として、図３に示した反射型広帯域波長板１０ｂの例を示す。

本実施例では、透明基板１４ａとして石英ガラス基板の一方の平面に、反射層１３を形成する。具体的には、図１３に示すようなＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を交互に所定の膜厚になるように、真空蒸着法、スパッタ法などによって積層する。なお、図１３は、本実施例の反射型広帯域波長板１０の反射層１３の積層構造の例を示す説明図である。

次に、反射層１３の上に、図１４に示す屈折率異方性Δｎと厚さｄ、ツイスト角θ_２を有する、複屈折媒質層１２を形成する。具体的には、反射層１３の上にポリイミドを塗布し、焼成後、ラビングによって一方向に配向した配向膜を形成する。次に、図示しない、別の石英ガラス基板の一方の平面に、同様にラビング処理をしたポリイミド配向膜を形成する。続いて、２枚の石英ガラス基板の間に、所望の厚さとなるようなスペーサを散布し、重ね合せる。このとき、２枚の石英ガラス基板のラビング方向がなす角度が、ツイスト角θ_２＝１１５．０°となるように設定する。次に、２枚の石英ガラス基板によってできた空隙に、屈折率異方性Δｎが４０５ｎｍで−０．０４２１、６６０ｎｍで−０．０４０３、７８５ｎｍで−０．０４０２の複屈折材料である液晶を注入し、ＵＶ光を照射することによって液晶を硬化させ、厚さ方向に光学軸がねじれた高分子液晶からなる厚さｄ＝４．７２μｍの有機複屈折媒質層１２を形成する。なお、有機複屈折媒質層１２を形成した後は、液晶を封入するために用いた図示しない一方の石英ガラス基板は除去する。

次に、形成した複屈折媒質層１２の上に、反射防止層１１を形成する。具体的には、図１５に示すようなＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を交互に所定の膜厚になるように、真空蒸着法、スパッタ法などによって積層する。なお、図１５は、本実施例の反射型広帯域波長板１０の反射防止層１１の積層構造の例を示す説明図である。

このように作成した広帯域反射型波長板１０ｂの特性について図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、本実施例の広帯域反射型波長板１０に入射する光の入射角を示す説明図である。また、図１６（ｂ）は、本実施例の広帯域反射型波長板１０の有機複屈折媒質層１２の光軸と入射面との関係を示す説明図である。

すなわち、本実施例では、図１６に示すように、広帯域反射型波長板１０の反射防止層１１の平面の法線に対して、入射角ε＝４５°となるようにして、また、プレツイスト角θ_１が７４．１°となるようにして、入射光１５ａとして、４０５ｎｍを中心とする波長３９５〜４１５ｎｍのｓ偏光の光を入射する。同様に、６６０ｎｍを中心とする波長６４０〜６８０ｎｍのｓ偏光の光を入射する。また同様に、７８５ｎｍを中心とする波長７６０〜８１０ｎｍのｓ偏光の光を入射する。

図１７は、このときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示すグラフである。なお、計算には、４ｘ４行列法を用いた。図１７（ａ）は波長４０５ｎｍを中心とする波長範囲３９５〜４１５ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。図１７（ｂ）は、波長６６０ｎｍ帯域を中心とする波長範囲６４０〜６８０ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。図１７（ｃ）は、波長７８５ｎｍ帯域を中心とする波長範囲７６０〜８１０ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。

本実施例によれば、図１７（ａ）に示すように、波長３９５〜４１５ｎｍの範囲で楕円率絶対値が０．７以上となり、ほぼ円偏光の光を得られることがわかる。また、図１７（ｂ）に示すように、波長６４０〜６８０ｎｍの範囲で楕円率絶対値が０．６以上の光を得られることがわかる。また、図１７（ｃ）に示すように、波長７６０〜８１０の範囲で楕円率絶対値が０．５以上の光を得られることがわかる。

第２の実施例では、反射型広帯域波長板１０の反射層１３として、金属膜の上に誘電体膜を積層した金属増反射ミラーを利用した例を示す。

まず、実施例１と同様に、透明基板１４ａとして石英ガラス基板の一方の平面に、反射層１３を形成する。本実施例では、石英ガラス基板の一方の面にＡｇ系合金を形成し、その上にＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を図１８に示すような所定の膜厚になるように、真空蒸着法、スパッタ法などによって積層する。なお、図１８は、本実施例の反射層１３の積層構造の具体例を示す説明図である。

以下、第１の実施例と同様に、図１４に示すパラメータを有する複屈折媒質層１２と図１５に示す積層構造の反射防止層１１を形成する。

図１９は、このようにして作成した広帯域反射型波長板１０に対して、入射角ε＝４５°となるようにして、また、プレツイスト角θ１が７４．１°となるようにして、ｓ偏光の光を入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示すグラフである。なお、図１９（ａ）は、波長４０５ｎｍを中心とする波長範囲３９５〜４１５ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。図１９（ｂ）は、波長６６０ｎｍ帯域を中心とする波長範囲６４０〜６８０ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。図１９（ｃ）は、波長７８５ｎｍ帯域を中心とする波長範囲７６０〜８１０ｎｍを入射したときの出射光１６ａの楕円率の絶対値を示している。

本実施例によれば、図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、波長３９５〜４１５ｎｍの範囲で楕円率絶対値が０．７以上、波長６４０〜６８０ｎｍの範囲で楕円率絶対値が０．６以上、波長７６０〜８１０ｎｍの範囲で楕円率絶対値が０．６以上の光を得られることがわかる。

また、第１の実施例では、図１３に示すような積層構造により反射層１３の膜厚が合計４２８９ｎｍであるが、本実施例では図１８に示すような積層構造により合計９８９ｎｍとなるため、反射層１３の膜厚を薄くできる。このため、反射層の成膜工数を削減でき、また、反射層の膜応力による収差劣化を抑えることができる。

このように、本発明による広帯域反射型波長板を光ヘッド装置に使用した場合、往路光の直線偏光の光と直交する偏光方向の復路光が検出器に到達することで、光ディスクの情報を読み取ることができる。なお、上記説明では、出射光の楕円率絶対値が０．５以上であれば所望の条件を満たすものとしたが、楕円率は、高い方が検出器へ入る復路光の利用効率が高くなるのでより好ましい。

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクやＢＤなどの光ディスクに情報の記録・再生を行う光ヘッド装置の光学系において、光利用効率を高めるために利用される。

１０、１０ａ、１０ｂ 反射型広帯域波長板
１１ 反射防止層
１２ 有機複屈折媒質層
１３ 反射層
１４ａ、１４ｂ 透明基板
１００ 光ヘッド装置
１０１ 光源
１０２ ビームスプリッタ
１０３ コリメータレンズ
１０４ 対物レンズ
１０５ 光ディスク
１０６ 光検出器

Claims (4)

1. 波長の異なる複数の直線偏光の入射光に対して、光路を偏向反射するとともに位相差を付与して出射する反射型広帯域波長板であって、
   入射側からみて、反射防止層と、単一の有機複屈折媒質層と、反射層とが順次積層されており、前記有機複屈折媒質層の光学軸が当該有機複屈折媒質層における厚さ方向に沿って連続的にねじれている
   ことを特徴とする反射型広帯域波長板。
2. 前記有機複屈折媒質層の光軸方位のねじれ角をθ２［°］とするとき、θ２が、９０＜θ２＜１３５であり、
   ３９５〜４１５ｎｍの波長範囲である波長λ１、６４０〜６８０ｎｍの波長範囲である波長λ２、および７６０〜８１０ｎｍの波長範囲である波長λ３、の入射光に対して、波長λ１の光に対して出射する光の楕円率が０．７以上となり、波長λ２の光に対して出射する光の楕円率が０．６以上となり、波長λ３の光に対して出射する光の楕円率が０．５以上となる
   請求項１に記載の反射型広帯域波長板。
3. 前記反射層が、金属膜の上に誘電体膜を積層した構造である
   請求項１または請求項２に記載の反射型広帯域波長板。
4. 複数波長の光を出射する光源と、前記複数波長の光源から出射された光を光ディスクに集光する対物レンズと、前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器とを備え、
   前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の反射型広帯域波長板が備えられている
   ことを特徴とする光ヘッド装置。

Images