JP2013077374A

JP2013077374A - 回折素子および光ヘッド装置

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Publication number: JP2013077374A
Application number: JP2013012969A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Osawa; 光生大澤; Koichi Murata; 浩一村田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】回折効率の波長依存性をほとんど一定にするなど、回折効率を制御できる回折素子を得て、光ヘッド装置に搭載し設計自由度が高く、かつ光利用効率の高い装置とする。
【解決手段】透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、前記光学多層膜の屈折率の算術平均値と前記凹部に充填された充填剤の屈折率との差が０．１２以下であり、波長が３５０ｎｍから９００ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折素子および光ヘッド装置に関し、特に光ヘッド装置については光ディスクの情報の記録および再生を行う光ヘッド装置に関する。

光を回折する回折格子やホログラム素子は、通常ガラスやプラスチックの基板表面に断面形状が周期的な凹凸格子を設けることにより作製する。このような回折素子では波長に依存する回折効率はほぼ格子の深さのみで決まる。このため、複数の波長の光に対して回折効率を自由に制御することができない問題があった。

また、光ディスクの情報の再生や記録を行う光ヘッド装置においては、光ディスクの多様化により用いるレーザ光の波長は、７９０ｎｍ（ＣＤ系）、６５０ｎｍ（ＤＶＤ系）および４０５ｎｍ（次世代ＤＶＤ系）３種類の波長が検討されている。これら光ディスクの情報を同一の光ヘッド装置で再生するためには複数の波長の半導体レーザを搭載する必要がある。

一方光ヘッド装置において用いられる回折素子としては、トラッキング用の３ビーム発生用の回折素子、光ディスクにより反射した戻り光を光検出器に導くために光路を変えるホログラム素子など、さまざまな用途で用いられる。

このような複数波長の光で用いる光ヘッド装置において、各波長により回折効率を最適化することのニーズは多い。しかしながら、前述のように通常の回折素子では回折効率の波長依存性は、格子の深さのみでほぼ決まるため所望の回折効率を各波長ごとに得ることは困難であった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決し、回折効率の波長依存性を制御できる回折素子を提供することにある。また、本発明の回折素子を複数波長を用いた光ヘッド装置に用いることにより上記従来技術の欠点を解決し、設計の自由度を広げた光ヘッド装置を提供することにある。

本発明は、透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、前記光学多層膜の屈折率の算術平均値と前記凹部に充填された充填剤の屈折率との差が０．１２以下である回折素子。前記光学多層膜の屈折率の算術平均値は、Ｈ層の屈折率ｎ_ＨとＨ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｈの積の和と、Ｌ層の屈折率ｎ_ＬとＬ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｌの積の和とを合計した値を、すべてのＨ層とすべてのＬ層の合計厚みで割った値である。

また、前記光学多層膜が、交互に重ねられたＳｉＯ_２膜およびＴｉＯ_２膜を備えている上記の回折素子を提供する。

また、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光するための対物レンズと、集光され前記光記録媒体によって反射された出射光を検出するための光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に前記回折素子が配置されている光ヘッド装置を提供する。

本発明の回折素子は透明基板上に周期的に重ねた酸化物などの光学多層膜を用いて凹凸状の回折格子を形成したものであり、この回折素子は回折効率の波長依存性をほとんど一定にするなど、回折効率を制御できる。

本発明の回折素子の一例を示す側方断面図。本発明の回折素子の他の例を示す側方断面図。図１の回折素子に透明基板を重ねた、本発明の回折格子を示す側方断面図。図２の回折素子に透明基板を重ねた、本発明の回折格子を示す側方断面図。本発明の回折素子の別の例を示す側方断面図。表１に示した光学多層膜の設計例により得られる回折素子における、１次の回折効率の波長依存性を示すグラフ。表２に示した光学多層膜の設計例により得られる回折素子における、１次の回折効率の波長依存性を示すグラフ。本発明の回折素子を搭載した光ヘッド装置一例を示す概略的側面図。実施例における回折素子の概略的側方断面図。

本発明の回折素子の一例の概念的断面図を図１に示す。図１において、１は光学多層膜であり、透明基板３上に基板面に平行に形成された複数の層からなり凸部を構成する。図１では簡単のために２種の材料による５層の膜となっているが、膜の材料、種類および層数は所望の回折効率が得られるように設計すればよい。２は透明基板とは屈折率の異なる充填材であり、透明基板３上の光学多層膜１による凸部の間すなわち凹部を充填してもよいし、凹部のみならず凸部にも充填してもよい（図２参照。符号の意味は、図１と同じ。）。

充填材は固体または液体からなり、例えばＡｕ、Ａｌなどの金属材料、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＦ_２などの酸化物およびフッ化物材料、Ｈ_２Ｏなどの無機物材料や、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの有機物材料、さらに、液晶などの複屈折性材料などが使用できる。また、透明基板としては、ガラス、プラスチックなどの基板を使用できる。

光学多層膜の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＦ_２などの無機物材料を用いることができる。また、有機物材料であってもよい。多層膜の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などを挙げることができる。

また、透過波面収差を改善するために、図３および図４に示すようにガラスまたは樹脂製の表面がフラットなカバー４を回折素子の充填材側に設けることが好ましい。

図５には、本発明の回折素子を透明基板３の表面と裏面との両面に形成した例を示す。１１は第２の光学多層膜であり、１２は第２の充填材である。ここでは、両面に形成する回折素子の回折効率の波長依存性や、格子ピッチなどを変化させることによる回折方向の調整など、設計の自由度を増加できて好ましい。

また、この回折素子と他の光学素子とを積層して一体化してもよい。他の光学素子としては、例えば、波長板、通常の回折格子、偏光性回折格子、液晶を用いた光学素子、位相制御素子などである。これらの光学素子と本発明の回折素子とを一体化して一体化回折素子とすることにより、ひとつの一体化回折素子でありながら複数の機能を有するとともに、光ヘッド装置に組み込んだ場合光学部品点数を削減できて好ましい。

本発明の回折素子における光学多層膜の構成材料の第１設計例を表１に示す。

例えばガラスからなる透明基板上に、最下層と最上層のＡｌ_２Ｏ_３膜を除いて、ＳｉＯ_２膜とＴｉＯ_２膜とが１３層交互に重ねられ、Ａｌ_２Ｏ_３膜を加えると合計１５層の光学多層膜とされ、光学多層膜は周期的な凹凸形状に加工されて、格子が作製した後、屈折率１．９３の充填材により格子の凹部が充填され回折素子が構成された（図１を参照）。

この回折素子における１次の回折効率の波長依存性の例を図６に示す。図６には、比較例として従来の表面凹凸型の回折格子の１次の回折効率も示した。このように、本発明の光学多層膜により凹凸状の回折格子を形成したものは、波長３５０ｎｍから９００ｎｍまでの光に対してほぼ理論限界の４０％近い回折効率を示すことがわかる。なお、表１に用いたＳｉＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率は、それぞれ異なり順に１．４７、２．２７、１．５６であった。ただし成膜条件により屈折率が設計値と若干異なる場合には、膜厚を調整する。

本発明の回折素子における光学多層膜の構成材料の第２設計例を表２に示す。

上記と同様例えばガラスからなる透明基板上に、ＳｉＯ_２膜とＴｉＯ_２膜とが交互に重ねられ２９層の光学多層膜とされ、光学多層膜は周期的な凹凸形状に加工されて、格子を作製した後、屈折率１．５１の充填材により格子の凹部が充填され回折素子が構成された（図２を参照）。

この回折素子における１次の回折効率の波長依存性の例を図７に示す。図７には比較例として従来の表面凹凸型の回折格子の回折効率も示した。このように、本発明の光学多層膜に凹凸状の回折格子を形成したものは、波長７９０ｎｍの光はほとんど回折せず透過し、波長６５０ｎｍの光は約６％回折することが分かる。さらに、６００ｎｍから６７０ｎｍまでの広い波長帯域にわたり回折効率の変化がほとんどないことが分かる。なお、表２に用いたＳｉＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜の屈折率は、それぞれ異なり順に１．４８、２．３２であった。ただし上記と同様、成膜条件により屈折率が設計と若干異なる場合には、膜厚を調整する。

上記の回折素子を、例えばＤＶＤ系（波長６５０ｎｍ）とＣＤ系（波長７９０ｎｍ）光ディスク用の光源を有する光ヘッド装置に搭載した場合について説明する。例えば、図８に示すようにコリメートレンズ２４と光源２１、２２との間に、本発明の回折素子２３を配置する。

この回折素子を図５を参考にして説明する。例えば第１の光学多層膜１および第１の充填材２よりなる第１の回折部分（透明基板３の上側）は、波長６５０ｎｍの光を約６％回折し、波長７９０ｎｍの光をほぼ１００％透過するように設計し、第２の多層膜１１および第２の充填材１２よりなる第２の回折部分（透明基板３の下側）は、波長７９０ｎｍの光を約６％回折し、波長６５０ｎｍの光をほぼ１００％透過するように設計する。これにより、回折素子２３は各波長の３ビームを効率よく発生できる。

回折素子２３によって３ビームに分割された各光源からの光は、コリメートレンズ２４、ビームスプリッタ２５を透過し、対物レンズ２６により光記録媒体２７に集光される。光記録媒体２７にて反射された光は、対物レンズ２６、ビームスプリッタ２５の順に戻り光検出光学系２８により検出される。回折素子２３により得られた各波長の光の３ビームは、トラッキングに使用できる。

また、光通信に使用される波長９５０ｎｍ〜１７００ｎｍの近赤外光に対しても本発明の回折素子を使用でき、特に波長１５５０ｎｍ帯の光を使用する波長分割多重通信の構成部品として使用できる。例えば広い波長帯域で回折効率が一定の回折素子を使用したビームスプリッタや、回折効率の波長分散を調整したゲインイコライザなどを挙げることができる。

本実施例を図９に基づいて説明する。透明基板である石英ガラス基板３１の一方の表面にフォトリソグラフィとエッチングの技術によりレリーフ型の第１の回折格子３２を作製した。格子ピッチは２０μｍ、デューティ比は１／２、深さは約１．４μｍとし、波長６５０ｎｍの光は回折せず透過し、波長７８０ｎｍの光は、１０％程度回折するようにした。

また、レリーフ型の回折格子の凹凸部上に真空蒸着法により波長６５０ｎｍおよび波長７９０ｎｍの光に対する反射防止膜を形成した。このレリーフ型の回折格子は、波長６５０ｎｍの光をほとんど回折せず０次光の回折効率（すなわち透過率）が約９０％、一方波長７９０ｎｍの光を１次回折光として約１０％回折し、０次光の回折効率が約５５％であった。

この石英ガラス基板３１のレリーフ型の回折格子３２を作製した面とは反対側の面には、真空蒸着法により表２に示した光学多層膜である誘電体多層膜を成膜した。上記と同様にして、フォトリソグラフィとエッチングの技術により、誘電体多層膜凸部３３を有する第２の回折格子を作製した。格子ピッチは２０μｍ、デューティ比は１／２とし、エッチングは基板の石英ガラスが露出した段階で止め、誘電体多層膜のみ凹凸になるようにした。

ガラス基板の一方の面に、真空蒸着法により波長６５０ｎｍおよび波長７９０ｎｍの光に対する反射防止膜を形成してカバーガラス３５を作製した。第２の回折格子の凹部に屈折率１．５１のアクリル系の接着剤３４を充填材として充填し、上記カバーガラス３５をこの上に重ねて接着剤３４によりカバーガラス３５を接着して、図９に示したような回折素子を作製した。

この回折素子の透過率および回折効率を調べたところ、波長６５０ｎｍの光に対しては、０次光の回折効率が約７０％、１次光の回折効率が約６％、一方波長７９０ｎｍの光に対しては０次光の回折効率が約５４％、１次光の回折効率が約９％であった。そして、いずれの波長の光についても効率よく３ビームを得ることができた。

この回折素子を、図８に示した光ヘッド装置中の回折素子２３の位置に搭載した。光源２１として、ＤＶＤ用の光源である波長６５０ｎｍのＬＤ、光源２２としてＣＤ用の光源である波長７９０ｎｍのＬＤを使用したところ、７９０ｎｍの光、および６５０ｎｍの光を効率よく各々３ビームに分けることができ、さらに光ヘッド装置の光利用効率を高めことができた。そして、この３ビームは光ヘッド装置のトラッキングに使用され、光ディスクからの情報の再生時に良質の再生特性が得られた。

以上説明したように、本発明の回折素子は透明基板上に周期的に重ねた酸化物などの光学多層膜を用いて凹凸状の回折格子を形成したものであり、この回折素子は回折効率の波長依存性をほとんど一定にするなど、回折効率を制御できる。

また本発明の回折素子を複数波長の光を用いる光ヘッド装置に搭載することで設計自由度が高く、かつ光利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。

１、１１：光学多層膜
２、１２：充填材
３：透明基板
４：カバー
２１、２２：光源
２３：回折素子
２４：コリメートレンズ
２５：ビームスプリッタ
２６：対物レンズ
２７：光記録媒体
２８：光検出光学系
３１：石英ガラス基板
３２：回折格子
３３：誘電体多層膜凸部
３４：接着剤
３５：カバーガラス

Claims

透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、前記光学多層膜の屈折率の算術平均値と前記凹部に充填された充填剤の屈折率との差が０．１２以下であり、波長が３５０ｎｍから９００ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子。前記光学多層膜の屈折率の算術平均値は、Ｈ層の屈折率ｎ_ＨとＨ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｈの積の和と、Ｌ層の屈折率ｎ_ＬとＬ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｌの積の和とを合計した値を、すべてのＨ層とすべてのＬ層の合計厚みで割った値である。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、前記光学多層膜の屈折率の算術平均値と前記凹部に充填された充填剤の屈折率との差が０．１２以下であり、波長が６００ｎｍから８５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が１０％以下であることを特徴とする回折素子。前記光学多層膜の屈折率の算術平均値は、Ｈ層の屈折率ｎ_ＨとＨ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｈの積の和と、Ｌ層の屈折率ｎ_ＬとＬ層のそれぞれの層の厚みｄ_Ｌの積の和とを合計した値を、すべてのＨ層とすべてのＬ層の合計厚みで割った値である。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が３５０ｎｍから９００ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が６００ｎｍから８５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が１０％以下であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が４０５ｎｍから６５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が４０５ｎｍから６５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が１０％以下であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が９５０ｎｍから１５５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が９５０ｎｍから１５５０ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が１０％以下であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が１５５０ｎｍから１９００ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が３５％以上であることを特徴とする回折素子。
透明基板上に形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填材によって充填されている回折素子において、前記凸部は屈折率の高い層（Ｈ層）と低い層（Ｌ層）の周期構造を有する前記光学多層膜であり、波長が１５５０ｎｍから１９００ｎｍの範囲の光における１次の回折効率が１０％以下であることを特徴とする回折素子。
前記基板は平行平板であって、
前記基板面に対し垂直方向より光が入射するものであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の回折素子。
前記回折素子には、複数の波長の光が入射するものであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の回折素子。
前記充填剤は、フッ化物材料、有機物材料、複屈折性材料のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の回折素子。
前記回折素子は、偏光分離をするものではないことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の回折素子。
前記回折素子は、複屈折を有しないことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の回折素子。
前記光学多層膜は、前記透明基板の両面に形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の回折素子。
前記透明基板の一方の面に形成される光学多層膜からなる凸部の格子ピッチと、前記透明基板の他方の面に形成される光学多層膜からなる凸部の格子ピッチとは、異なることを特徴とする請求項１６に記載の回折素子。
前記透明基板の一方の面には、レリーフ型の回折格子が形成されており、
前記透明基板の他方の面には、前記光学多層膜が形成されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の回折素子。
前記光学多層膜が、交互に重ねられたＳｉＯ_２膜およびＴｉＯ_２膜を備えている請求項１から１８のいずれかに記載の回折素子。
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光するための対物レンズと、集光され前記光記録媒体によって反射された出射光を検出するための光検出器とを備える光ヘッド装置において、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１９のいずれかに記載の回折素子が配置されている光ヘッド装置。