JP3667984B2 - Broadband polarization separation element and optical head using the broadband polarization separation element - Google Patents

Broadband polarization separation element and optical head using the broadband polarization separation element Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つ以上の異なる波長の光に対して偏光分離機能を有する広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用い、使用波長の異なる2種以上の光記録媒体(CD系,DVD系等の光ディスク)に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ディスク等の光記録媒体に対して情報の記録・再生を行う光ヘッドが知られているが、光ディスク用光ヘッドでは、光ディスク基板からの情報信号を光源に戻すことなく効率よく受光光学系の光検出器へ導く手段として、偏光ビームスプリッタを1/4波長板と組み合わせて用い、光源からの出射光と光ディスクからの反射光とを偏光分離することが行われている。しかし、偏光ビームスプリッタは、複屈折の大きい結晶材料からなる2つのプリズムを組み合わせた構造や、あるいはガラス等の等方性の光学媒質からなる2つのプリズムの接合面(反射面)に誘電体多層膜を設けた構造などからなるため、大型でかつ高価であるという難点を有し、光ヘッドの小型化や低コスト化を図りにくいという欠点がある。
【0003】
そこで、従来の偏光分離素子の難点を除去した、極めて薄い偏光分離素子として、複屈折回折格子型偏光板が提案されている(特開昭63−314502号公報)。この複屈折回折格子型偏光板は、複屈折光学結晶であるニオブ酸リチウム(LiNbO3 )を基板として用い、これに周期的パターンでプロトンイオン交換を施し、さらにプロトンイオン交換領域上に誘電体膜を装荷した構造を持ち、プロトンイオン交換領域での常光線の位相差を誘電体膜で相殺することにより、常光線は直進し、異常光線だけを回折させる機能を有しており、薄くて小型の偏光分離素子を実現することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、常光と異常光を分離する機能を有する薄くて小型の偏光分離素子が実現でき、ある特定の1波長について偏光分離の機能を持たせることができるが、異なる2つ以上の波長に対して偏光分離したいような目的に対しては有効に機能できない。
このため、1つの光ディスク用光ヘッドで、使用波長の異なる2種以上の光ディスク(CD系、DVD系等)に対して情報の記録・再生を行いたいというような目的には対応することができない。
【0005】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、2つ以上の異なる複数の波長に対して消光比(偏光分離度)の良い広帯域偏光分離素子を提供することを第1の目的(課題)とする。
また、本発明は、上記広帯域偏光分離素子を用いて、構成がシンプルでかつ使用波長の異なる2種以上の光ディスクに対して情報の記録・再生を行うことができる2波長搭載光ディスク用光ヘッドを提供することを第2の目的(課題)とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る広帯域偏光分離素子は、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を0次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子であり、少なくとも互いに異なる2波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有している
【0007】
そして請求項1に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=mλ
(n−n)h=(m+1/2)λ
を略満足することを特徴とするものである。
【0008】
また、請求項2に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=(m+1/2)λ
(n−n)h=mλ
を略満足することを特徴とするものである。
【0009】
請求項に記載の光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項1または2に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された1/4波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするものである。
【0010】
請求項に記載の光ヘッドは、請求項の構成に加えて、前記広帯域偏光分離素子に1/4波長板が一体化されていることを特徴とするものである。
【0011】
請求項に記載の光ヘッドは、請求項3または4の構成に加えて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が1つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、前記広帯域偏光分離素子、あるいは1/4波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするものである。
【0012】
請求項に記載の光ヘッドは、請求項3または4または5の構成に加えて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの構成・動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【0014】
(実施例1)
まず広帯域偏光分離素子の基本的な構成、動作の実施例について説明する。図1は本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。図1において、偏光分離素子1は、ガラスやプラスチック等の透明基板2上に周期的凹凸の格子構造を持つ複屈折膜3が装荷され、その上を等方性のオーバーコート層4で覆われた構成となっている。複屈折膜3は図1の紙面方向に振動する光とこれと垂直方向に振動する光に対する屈折率が異なる複屈折性を示す膜である。次にこの偏光分離素子1の動作を図2、図3に示す。
【0015】
図2は図1に示す偏光分離素子の動作の一実施例を示す図であり、偏光分離素子1への入射光は2波長λ1 ,λ2 であり、その偏光としては、紙面方向とそれに垂直な偏波方向の2方向の振動成分をもつものとする。図2では偏光分離素子1を透過後、紙面方向の振動成分の光は2波長とも0次光として直進し、これと垂直方向の振動成分の光は±1次光として回折する。ここで、波長λ1 <λ2 とすると、+1次光、−1次光ともλ1 よりλ2 の光の回折角は大きくなる。これによって偏光方向により2波長λ1 ,λ2 の光の方向が変わり、2波長に対する偏光分離素子として動作する。
【0016】
次に図3は図1に示す偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図であり、図2とは反対に紙面に垂直な偏波方向の振動成分をもつ光がλ1 ,λ2 の2波長とも0次光として直進し、紙面方向の振動成分をもつ光が±1次光として回折し、偏光方向により2波長λ1 ,λ2 の光が偏光分離され、消光比(偏光分離度)の高い偏光分離素子となる。
【0017】
尚、図1に示す構成の偏光分離素子は、上記2波長λ1 ,λ2 で消光比が高いのみでなく、λ1 <λ<λ2 を満たす波長λに対して高い消光比を持った広帯域偏光分離素子として動作する。
【0018】
図1に示す構成の偏光分離素子1に用いられる複屈折膜3としては、Ta25のような無機酸化物を透明基板2に対して斜め蒸着した膜や、あるいは透明基板2上に形成した配向膜上にポリジアセチレンを真空蒸着して配向させ紫外光を照射して固めた複屈折膜、あるいは透明基板2上にポリイミド膜を形成し、該ポリイミド膜を加熱しながら1方向に延伸して複屈折性を持たせた膜などが使える。そして、これらの複屈折膜をエッチングして凹凸の周期格子を形成させる。
【0019】
また、等方性オーバーコート層4としては、上記複屈折膜と同じ材料を用い等方性を持たせて装荷する。すなわち、Ta25なら斜めではなく基板に垂直方向から蒸着させる。ポリジアセチレンなら配向膜を介さないで装荷させる。ポリイミドなら延伸させないで加熱だけしてイミド膜とするなどである。また、屈折率を調整した樹脂をオーバーコート層としても良い。
【0020】
尚、偏光分離素子を構成する複屈折膜3は膜状のものだけでなく、図5に示す実施例のように、LiNbO3 、方解石、水晶などの複屈折性結晶3’を用い、この複屈折結晶3’をエッチングしてして周期的凹凸格子を形成し、その上に等方性オーバーコート層4を装荷しても良い。
あるいは図6に示す実施例のように、基板2上に複屈折膜3による周期的凹凸格子を形成した後、その上に別のガラス基板8を等方性の樹脂接着剤(等方性接着剤)7で接着し、この接着剤7がオーバーコート層の役割を持った構造にしても良い。
【0021】
また、上記の実施例では複屈折媒体を周期的凹凸形状にしてその上に等方性物質でオーバーコートする構造の格子で説明したが、これに限定されるものではなく、従来技術で示したような、LiNbO3 等の複屈折結晶を基板として用い、これに周期的パターンでイオン交換処理を施して周期的格子構造を形成した格子にも適用できる。
【0022】
(実施例2)
つぎに請求項の実施例について説明する。本実施例では、詳しく偏光分離素子の動作を解析し、図2に示した偏光分離素子の動作の最適条件を求める。ここでいう最適条件とは2波長λ ,λ の両方に対して消光比の良い条件である。
図4は図1,2に示す偏光分離素子1の要部を部分的に拡大して示す断面図である。図4においては、周期格子は透明基板2上に複屈折膜3が周期dで規則的に配列された凹凸構造となり、凹凸形状(複屈折領域)の深さをhとする。
【0023】
ここで、上記最適条件を考えるとき第3の波長λ3 を考える。この第3の波長λ3 はλ1 <λ3 <λ2 を満足する波長であり、実際にはλ1 とλ2 の中間近傍の波長が好ましい。
この波長λ3 における複屈折膜3の周期的格子の紙面方向の偏波(例えばp偏光)に対する屈折率をnp 、紙面と垂直方向の偏波(例えばs偏光)に対する屈折率をns とし、等方性オーバーコート層4の屈折率をn1 とすると、例えば図4において、光路A,B間の波長λ3 に対する光路長差Δは、
紙面方向 :Δp=(np−n1)h ・・・(1)
紙面に垂直方向:Δs=(ns−n1)h ・・・(2)
となる。以後、紙面方向を格子ベクトル方向と呼ぶ(図1に図示)。
【0024】
図2のように格子ベクトル方向の振動成分が0次光として直進し、格子ベクトル方向と垂直な振動成分が効率良く±1次光として回折されるためには、次の二式を略満足することが必要である。すなわち、光の波長をλ3 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とすると、次の条件、
(np−n1)h=mλ3 ・・・(3)
(ns−n1)h=(m+1/2)λ3 ・・・(4)
である。
【0025】
λ1 とλ2 の2波長の光が0次光と1次光に偏光分離するとき、偏光分離度(消光比)を高めるためには(3),(4)式を満足している必要がある。
ただし、実用的には(3),(4)式を厳密に満足していなくても近傍の条件になるように複屈折膜3の屈折率np ,ns 、オーバーコート層4の屈折率n1 、周期的格子の凹凸深さh、次数mを設定する。
また、(3),(4)式を満足する格子深さをh1 とすると、(4)−(3)より、
(ns−np)h1=λ3/2 ・・・(5)
∴h1=λ3/{2(ns−np)} ・・・(6)
となる。
【0026】
尚、従来技術のように複屈折結晶をイオン交換して作成した格子に対してはイオン交換領域の深さが上記のhとなる。
また、(3),(4)式を厳密に満足しなくても近傍で略満足すれば良いことは言うまでもない。
【0027】
次に本発明の具体的な実施例を示す。この実施例は、複屈折膜3としてTa25の斜め蒸着膜を用い、オーバーコート層としてTa25の垂直蒸着膜を用いた場合である。
また、λ1=635nm、λ2=780nmの2波長の光に対して消光比の良い偏光分離素子で第3の波長λ3 としてλ1 とλ2 のほぼ中間波長を選び、λ3=710nmとした。
この波長λ3 において、複屈折膜3である斜め蒸着Ta25膜の格子ベクトル方向(紙面方向)の屈折率np はnp=1.944、紙面(格子ベクトル方向)に垂直方向の屈折率ns はns=2.023である。また、Ta25オーバーコート層4のλ3 における屈折率n1 はn1=1.944である。
【0028】
このような0次光と1次光(片側)の回折効率と格子深さhの関係を図7に示す(図は(3),(4)式中のm=0の場合である)。
図7は格子の凹部と凸部の幅が等しいときの値で格子ベクトル方向のp偏波に対する0次光の回折効率と、これと直交するs偏波の1次光の回折効率を、波長635nm及び780nmについてプロットしてある。
2波長とも消光比の大きくなる条件である(3),(4)式から導かれる最適格子深さh1 は、本実施例の場合h1=4.49μm である。図7でその点を見ると、p偏波の0次光は両波長とも回折効率100%であり、s偏波の1次光は波長635nmは39%、780nmは40%で両方ともほぼ等しく、また効率も高い。本発明のような矩形格子の1次光の最高回折効率は40.5%なので、2波長ともほぼ最高回折効率に近い高効率である。
【0029】
以上のように、本実施例によれば(3),(4)式の条件を満足するように格子を形成することにより、635nm及び780nmの両波長ともp偏波は0次光、s偏波は±1次光に偏光分離され、消光比(偏光分離度)も極めて高い広帯域偏光分離素子が実現される。
【0030】
(実施例3)
次に請求項の実施例について説明する。本実施例では偏光分離素子1が図3のような動作をするときの最適条件を求める。
本実施例においても、着目する2波長λ ,λ に対してλ <λ <λ を満足する第3の波長λ に対し、複屈膜3における格子ベクトル方向(紙面方向)の偏波(例えばp偏光)に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波(例えばs偏光)に対する屈折率をn とし、等方性オーバーコート層4の屈折率をn 、周期的格子の凹凸深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、下記の(7),(8)式、
(n−n)h=(m+1/2)λ ・・・(7)
(n−n)h=mλ ・・・(8)
を略満足すれば図3の動作で偏光分離の消光比が高くなる条件となる。また、実際に(7),(8)式が略成り立つようにn,n,n,h,mを設定する。
尚、詳細については回折条件がp偏波とs偏波で逆になるが実施例2(請求項)に準じた動作となる。
【0031】
(実施例4)
次に請求項の実施例について説明する。本実施例は実施例1から3に述べた本発明の広帯域偏光分離素子を光ディスク用光ヘッドに適用する場合の実施例であり、図8は広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
図8に示すように、この光ヘッドは波長の異なる光源を2個使い光学系を共通的に用いる構成であり、使用波長の異なる2種以上の光記録媒体(CD系,DVD系等の光ディスク)に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドである。これは現在の光ディスクシステムで波長λ=780nmでの記録再生を前提にした追記型CDであるCD−R(CD−Recordable)と波長λ=635nmで記録再生を行う追記型DVDのDVD−Rの2種類の波長を一つの光ヘッドで互換的に使用する場合などがこれにあたる。
【0032】
図8において、2つの光源は半導体レーザー11,11’からなり、一方の半導体レーザー11は例えばλ1=635nmの発振波長、他方の半導体レーザー11’はλ2=780nmの発振波長である。光ヘッドの光源11,11’から光ディスク14(または14’)に至る光路中には、実施例1〜3(請求項1〜3)の何れかに記載の広帯域偏光分離素子19と1/4波長板20、及びコリメートレンズ16、対物レンズ15が配置されている。偏光分離素子19中の周期格子の格子ベクトル方向は図8の紙面方向と一致している。半導体レーザー11,11’の出射光の振動方向が紙面方向のとき、偏光分離素子は前述した(3),(4)式を略満足することが望ましく、また、振動方向が紙面と垂直方向のときは(7),(8)式を略満足することが望ましい。
【0033】
これらの条件により、半導体レーザー11(または11’)からの出射光は偏光分離素子19を0次光としてほとんど損失無く透過する。そして偏光分離素子19を透過した光束は1/4波長板により円偏光となり、コリメートレンズ16で平行光となり、対物レンズ15により光ディスク上の記録面に集光される。ここで、半導体レーザー11からのビームはDVDなどの薄基板の光ディスク14に、半導体レーザー11’からのビームはCDなどの厚基板の光ディスク14’に集光する。
【0034】
光ディスク14(または14’)の記録面に集光された光は該記録面で反射され、その反射光は対物レンズ15、コリメートレンズ16を経て1/4波長板20に戻り、1/4波長板20透過後は円偏光が半導体レーザー出射時の振動方向と直交する振動方向の直線偏光に変換される。そして、出射時と直交した振動面に対しては偏光分離素子19でほとんど±1次光として回折される。
【0035】
図8において、半導体レーザー11からの短波長の光は実線で光路を示し、半導体レーザー11’からの長波長の光は点線で光路を示すが、偏光分離素子19で回折後は、2波長の光のそれぞれで光路が大きく異なる。短波長のλ1=635nmの光に対してより長波長のλ2=780nmの光に対する回折角が大きくなるので、λ2 の方は外側に、λ1 の方はその内側に回折される。そこで内側には短波長λ1 用の光検出器12,13を配置し、その外側に長波長λ2 用の光検出器12’,13’が配置され、各々の波長光が検出される。光検出器12,13(または12’,13’)による検出は、光ディスク14(または14’)に記録されている情報信号の他、フォーカスサーボやトラッキングサーボのためのフォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号を検出する。
【0036】
図8の光ヘッドに用いる偏光分離素子19は、請求項(実施例2)あるいは請求項(実施例3)のように、λ <λ <λ を満足する第3の波長λ に対して(3),(4)式あるいは(7),(8)式を略満足するように設定すれば、λ ,λ の両方の波長に対して往復の光利用効率を共に高くすることができ、DVD系及びCD系で記録再生する用途に最適の2波長対応の光ヘッドを提供することができる。
したがって、請求項4記載の発明により対応波長の異なる複数の光ディスク14,14’に対して一つの光ヘッドで記録再生が行えるので、光ディスクドライブの小型化、低コスト化に貢献することができる。
【0037】
(実施例5)
次に請求項の実施例について説明する。本実施例は、図8に示した構成の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子19に1/4波長板20を一体化して1/4波長板付き偏光分離素子17とするものである。具体的には、図1または図5に示す構成の偏光分離素子の等方性オーバーコート層4の上に1/4波長板を接着して一体化するか、あるいは図6に示す構成の偏光分離素子のガラス基板8の上に1/4波長板を接着して一体化することにより、1/4波長板付き偏光分離素子17とする。また、別の例として、図1または図5の偏光分離素子の等方性オーバーコート層4の上や、図6に示す構成の偏光分離素子のガラス基板8の上に、異方性膜を用いた1/4波長膜を装荷成膜することも可能である。
【0038】
本発明に係る偏光分離素子を光ヘッドに用いる場合、往復の光利用効率を最大にするには図8のように1/4波長板との組み合わせが必須である。この場合、偏光分離素子と1/4波長板を別々に形成して配置してもよいが、上記の実施例のように偏光分離素子19に1/4波長板20を一体化して1/4波長板付き偏光分離素子17とすることにより、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化に寄与できる。また、偏光分離素子上に1/4波長膜を装荷成膜して一体化する場合には、1/4波長板として高価な光学結晶を用いる必要がなく、低コスト化に寄与することができる。
【0039】
(実施例6)
次に請求項の実施例について説明する。図9は請求項記載の光ヘッドの一例を示す概略構成図であり、基本的な構成及び動作は図8の2波長対応光ヘッドと同じであるが、波長λ の半導体レーザー11とそれに対応する光検出器12,13、及び波長λ の半導体レーザー11’とそれに対応する光検出器12’,13’を1つのパッケージ8に一体的に実装し、さらにパッケージ8の上面に、1/4波長板20と広帯域偏光分離素子19を一体化した1/4波長板付き偏光分離素子17を接着して一体化したものである。
【0040】
本実施例の構成により、2波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな2波長対応光ヘッドが実現できる。
また、半導体レーザー11,11’、光検出器12,13,12’,13’、1/4波長板付き偏光分離素子17などの主要部が1つのパッケージ8に一体化されているため、周囲温度の変化に対し、光学系の安定性が増すようになる。
【0041】
(実施例7)
次に請求項の実施例について説明する。図10は請求項記載の光ヘッドの一例を示す概略要部構成図であり、図9に示した光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す図である。実施例4(請求項)〜実施例6(請求項)に示した構成の光ヘッドにおいては、2つの半導体レーザー11及び11’は、光ヘッド光学系の光軸と垂直方向に互いに離れて配置されているが、図10に示すように、光軸方向においては距離ΔZだけ互いにずらして配置される。
すなわち、図8や図9に示されているように、基板厚の異なる2種の光ディスク14,14’では光軸方向の集光位置にずれがあるため、図10のように2つの半導体レーザー11,11’を光軸方向に距離ΔZだけ互いにずらして配置することにより、2種の光ディスク14,14’に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる2種の光ディスク14,14’に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【0042】
尚、上記の実施例4〜7に示した構成の光ヘッドにおいては、光検出器として、分離された複数の光検出器12,13,12’,13’を用いているが、これに限定されず、光検出器は、1枚のSi基板上に複数の検出領域が形成されている1つの光検出器でも良い。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、発明では、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を0次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、少なくとも互いに異なる2波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有するので、異なる2つ以上の波長の光に対し0次光と回折光に偏光分離することができ、広帯域な偏光分離素子を実現することができる。
【0044】
そして請求項1記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=mλ
(n−n)h=(m+1/2)λ
を略満足することを特徴とするので、波長λ からλ の間の波長λ の光に対して最大の消光比(偏光分離度)を与えることができる。また、上記の条件により、0次光が格子ベクトル方向の偏波、1次回折光がこれと垂直な方向の偏波に分離し、最も消光比の高い条件となる。
【0045】
また、請求項2記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=(m+1/2)λ
(n−n)h=mλ
を略満足することを特徴とするので、波長λ からλ の間の波長λ の光に対して最大の消光比(偏光分離度)を与えることができる。また、上記の条件により、請求項1とは逆に、0次光が格子ベクトルと垂直方向の偏波、1次回折光が格子ベクトル方向の偏波となる場合に最大の消光比を持たせられる。
【0046】
請求項記載の発明による光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項1または2に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された1/4波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするので、対応波長の異なる複数の光記録媒体に対して一つの光ヘッドで記録再生を行うことができ、部品点数が大幅に少なく、簡易構成の2波長対応光ヘッドを実現することができ、光ディスクドライブ等の小型化、低コスト化に貢献することができる。
【0047】
請求項に記載の発明では、請求項に記載の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子に1/4波長板が一体化されていることを特徴とするので、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化を図ることができる。
【0048】
請求項に記載の発明では、請求項3または4に記載の光ヘッドにおいて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が1つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、広帯域偏光分離素子、あるいは1/4波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするので、2波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな2波長対応光ヘッドが実現できる。
【0049】
請求項に記載の発明では、請求項3または4または5に記載の光ヘッドにおいて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするので、2種類の光記録媒体の基板厚に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる2種類の光記録媒体に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。
【図2】図1に示す広帯域偏光分離素子の動作の一実施例を示す図である。
【図3】図1に示す広帯域偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図である。
【図4】図1に示す広帯域偏光分離素子の要部を部分的に拡大して示す要部断面図である。
【図5】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図6】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図7】本発明の広帯域偏光分離素子による0次光と1次光の回折光率と格子深さの関係を示すグラフである。
【図8】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
【図9】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの別の例を示す概略構成図である。
【図10】図9に示す光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す概略要部構成図である。
【符号の説明】
1,1’:広帯域偏光分離素子
2:透明基板
3:複屈折膜
3’:複屈折性結晶
4:等方性オーバーコート層
7:等方性接着層
8:ガラス基板
11:波長λ1 の半導体レーザー
11':波長λ2 の半導体レーザー
12,13:波長λ1 用の光検出器
12’,13’:波長λ2 用の光検出器
14:波長λ1 対応の光ディスク(DVD等)
14’:波長λ2 対応の光ディスク(CD等)
15:対物レンズ
16:コリメートレンズ
17:1/4波長板付き偏光分離素子
18:パッケージ
19:広帯域偏光分離素子
20:1/4波長板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a broadband polarization separation element having a polarization separation function for light of two or more different wavelengths, and two or more types of optical recording media (CD system, DVD) having different use wavelengths using the broadband polarization separation element. The present invention relates to an optical head capable of recording / reproducing information with respect to an optical disc).
[0002]
[Prior art]
An optical head for recording / reproducing information with respect to an optical recording medium such as an optical disk is known. However, in an optical head for an optical disk, light from an optical receiving system can be efficiently transmitted without returning an information signal from the optical disk substrate to the light source. As a means for guiding the light to the detector, a polarization beam splitter is used in combination with a quarter wavelength plate, and the light emitted from the light source and the reflected light from the optical disk are polarized and separated. However, the polarization beam splitter has a structure in which two prisms made of a crystal material having a large birefringence are combined, or a dielectric multilayer on the joint surface (reflection surface) of two prisms made of an isotropic optical medium such as glass. Since it is composed of a structure provided with a film, it has the disadvantages of being large and expensive, and it is difficult to reduce the size and cost of the optical head.
[0003]
In view of this, a birefringent diffraction grating type polarizing plate has been proposed as an extremely thin polarization separation element that eliminates the disadvantages of the conventional polarization separation element (Japanese Patent Laid-Open No. 63-314502). This birefringent diffraction grating type polarizing plate is composed of lithium niobate (LiNbO) which is a birefringent optical crystal.Three ) As a substrate, and has a structure in which proton ions are exchanged in a periodic pattern and a dielectric film is loaded on the proton ion exchange region, and the phase difference of ordinary rays in the proton ion exchange region is determined as a dielectric film. By canceling out, the ordinary ray travels straight and has a function of diffracting only the extraordinary ray, and a thin and small polarization separation element can be realized.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
According to the above prior art, a thin and small polarization separation element having a function of separating ordinary light and extraordinary light can be realized, and a function of polarization separation can be provided for one specific wavelength. It cannot function effectively for the purpose of polarization separation with respect to the wavelength.
For this reason, it is not possible to meet the purpose of recording / reproducing information with respect to two or more types of optical disks (CD system, DVD system, etc.) having different operating wavelengths with a single optical disk head. .
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is a first object (problem) to provide a broadband polarization separation element having a good extinction ratio (polarization separation degree) with respect to two or more different wavelengths. And
Further, the present invention provides an optical head for a two-wavelength-mounted optical disc that can record and reproduce information on two or more types of optical discs having a simple configuration and different operating wavelengths, using the broadband polarization separation element. Providing is the second object (problem).
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above objective,According to the present inventionThe broadband polarization separation element is a grating-type broadband polarization separation element that separates orthogonally polarized light of incident light into zero-order light and diffracted light by a periodic grating in which birefringent regions and isotropic regions are alternately arranged. Yes, and has the function of polarization separation for light of two or more wavelengths that are different from each otherdoing.
[0007]
  In addition to the above configuration, the wideband polarization separation element according to claim 1 has two wavelengths λ for polarization separation.1 , Λ2 Againstλ 1 And λ 2 Near the middle ofWavelength λ3 In contrast, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is np , And the refractive index for the polarization in the direction perpendicular to thiss And the refractive index of the isotropic region is n1 , The depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ3 , Where m is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
  (Np-N1) H = mλ3
  (Ns-N1) H = (m + 1/2) λ3
Is substantially satisfied.
[0008]
  In addition to the above configuration, the broadband polarization separating element according to claim 2 has two wavelengths λ for polarization separation.1 , Λ2 Againstλ 1 And λ 2 Near the middle ofWavelength λ3 In contrast, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is np , And the refractive index for the polarization in the direction perpendicular to thiss And the refractive index of the isotropic region is n1 , The depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ3 , Where m is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
  (Np-N1) H = (m + 1/2) λ3
  (Ns-N1) H = mλ3
Is substantially satisfied.
[0009]
  Claim3The optical head according to claim 1, wherein a plurality of light sources having different wavelengths, an objective lens disposed between the plurality of light sources and an optical recording medium, and the plurality of light sources and the objective lens are disposed.1 or 2And a quarter-wave plate disposed between the broadband polarization separation element and the objective lens, and a photodetector for detecting diffracted light by the broadband polarization separation element, at least the objective lens Condenses light of different wavelengths from a plurality of light sources on different optical recording medium surfaces, and diffracts and separates the reflected light from the optical recording medium surface for each wavelength by the broadband polarization separation element to detect light for each wavelength. It is characterized by being detected independently by a vessel.
[0010]
  Claim4An optical head according to claim3In addition to the above structure, a ¼ wavelength plate is integrated with the broadband polarization separation element.
[0011]
  Claim5An optical head according to claim3 or 4In addition to the above configuration, at least a plurality of light sources and a plurality of photodetectors are mounted in one package, and the broadband polarization separation element or the quarter wave plate integrated with the package in the package Are integrated by adhesion.
[0012]
  Claim6An optical head according to claim3 or 4 or 5In addition to the configuration described above, the emission surfaces of a plurality of light sources having different wavelengths are arranged so as to be shifted from each other in the optical axis direction of the optical head optical system.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration, operation, and operation of a broadband polarization separation element according to the present invention and an optical head using the broadband polarization separation element will be described in detail below based on the illustrated embodiments.
[0014]
  Example 1
  FirstBasic configuration and operation of broadband polarization separation elementExamples will be described. Figure 1According to the inventionIt is a fragmentary sectional view showing an example of composition of a broadband polarization separation element. In FIG. 1, a polarization separating element 1 is loaded with a birefringent film 3 having a periodic concavo-convex lattice structure on a transparent substrate 2 such as glass or plastic, and is covered with an isotropic overcoat layer 4. It becomes the composition. The birefringent film 3 is a film exhibiting birefringence having different refractive indexes for light oscillating in the direction of the paper in FIG. Next, the operation of this polarization separation element 1 is shown in FIGS.
[0015]
FIG. 2 is a diagram showing an example of the operation of the polarization separation element shown in FIG. 1, and the incident light to the polarization separation element 1 has two wavelengths λ.1 , Λ2 It is assumed that the polarized light has vibration components in two directions, that is, the direction of the paper and the direction of polarization perpendicular thereto. In FIG. 2, after passing through the polarization beam splitter 1, the vibration component light in the paper direction travels straight as zero-order light for both wavelengths, and the vibration component light in the vertical direction diffracts as ± first-order light. Where the wavelength λ1 <Λ2 Then, for both the + 1st order light and the −1st order light, λ1 From λ2 The diffraction angle of light increases. As a result, the two wavelengths λ1 , Λ2 The direction of the light changes, and operates as a polarization separation element for two wavelengths.
[0016]
Next, FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the operation of the polarization separation element shown in FIG. 1. In contrast to FIG. 2, light having a vibration component in the polarization direction perpendicular to the paper surface is λ.1 , Λ2 The two wavelengths of light travel straight as 0th order light, and light having a vibration component in the direction of the paper surface is diffracted as ± 1st order light.1 , Λ2 The light is polarized and separated, resulting in a polarization separation element having a high extinction ratio (polarization separation degree).
[0017]
Note that the polarization separation element having the configuration shown in FIG.1 , Λ2 In addition to the high extinction ratio, λ1 <Λ <λ2 It operates as a broadband polarization separation element having a high extinction ratio with respect to the wavelength λ satisfying the above condition.
[0018]
As the birefringent film 3 used in the polarization separation element 1 having the configuration shown in FIG.2OFiveBirefringence obtained by depositing polydiacetylene on a transparent substrate 2 obliquely deposited on the transparent substrate 2 or by aligning polydiacetylene on the alignment film formed on the transparent substrate 2 and then irradiating it with ultraviolet light. A film or a film obtained by forming a polyimide film on the transparent substrate 2 and stretching it in one direction while heating the polyimide film can be used. Then, these birefringent films are etched to form an uneven periodic grating.
[0019]
The isotropic overcoat layer 4 is loaded using the same material as that of the birefringent film so as to be isotropic. That is, Ta2OFiveThen, it is deposited from the vertical direction on the substrate, not diagonally. If polydiacetylene is used, it is loaded without an alignment film. In the case of polyimide, it is not heated and only heated to form an imide film. Moreover, it is good also considering the resin which adjusted the refractive index as an overcoat layer.
[0020]
Incidentally, the birefringent film 3 constituting the polarization separating element is not limited to a film-like one, but as in the embodiment shown in FIG.Three Even if a birefringent crystal 3 ′ such as calcite or quartz is used and this birefringent crystal 3 ′ is etched to form a periodic concavo-convex lattice, an isotropic overcoat layer 4 is loaded thereon. good.
Alternatively, as in the embodiment shown in FIG. 6, after forming a periodic concavo-convex grating by the birefringent film 3 on the substrate 2, another glass substrate 8 is placed on the isotropic resin adhesive (isotropic bonding). The adhesive 7 may be bonded, and the adhesive 7 may serve as an overcoat layer.
[0021]
Further, in the above embodiment, the birefringent medium is described as a periodic concavo-convex shape with a lattice having a structure in which an isotropic material is overcoated thereon. However, the present invention is not limited to this and is shown in the prior art. Such as LiNbOThree The present invention can also be applied to a lattice in which a birefringent crystal such as is used as a substrate and subjected to ion exchange treatment in a periodic pattern to form a periodic lattice structure.
[0022]
  (Example 2)
  Then claims1Examples will be described. In the present embodiment, the operation of the polarization separation element is analyzed in detail, and the optimum condition for the operation of the polarization separation element shown in FIG. 2 is obtained. The optimum condition here is 2 wavelengths λ1 , Λ2 It is a condition with a good extinction ratio for both.
  FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part of the polarization separation element 1 shown in FIGS. In FIG. 4, the periodic grating has an uneven structure in which the birefringent films 3 are regularly arranged on the transparent substrate 2 with the period d, and the depth of the uneven shape (birefringent region) is h.
[0023]
Here, when considering the optimum condition, the third wavelength λThree think of. This third wavelength λThree Is λ1 <ΛThree <Λ2 Is a wavelength that satisfies1 And λ2 A wavelength in the vicinity of the middle is preferable.
This wavelength λThree The refractive index of the periodic grating of the birefringent film 3 in FIG.p , N is the refractive index for polarized light (for example, s-polarized light) perpendicular to the paper surface.s And the refractive index of the isotropic overcoat layer 4 is n1 For example, in FIG. 4, the wavelength λ between the optical paths A and B in FIG.Three The optical path length difference Δ with respect to
Paper direction: Δp= (Np-N1) H (1)
Perpendicular to paper: Δs= (Ns-N1) H (2)
It becomes. Hereinafter, the paper surface direction is referred to as a lattice vector direction (shown in FIG. 1).
[0024]
As shown in FIG. 2, in order for the vibration component in the lattice vector direction to go straight as zero-order light, and for the vibration component perpendicular to the lattice vector direction to be efficiently diffracted as ± first-order light, the following two expressions are substantially satisfied. It is necessary. That is, the wavelength of light is λThree , M is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
(Np-N1) H = mλThree                ... (3)
(Ns-N1) H = (m + 1/2) λThree    ... (4)
It is.
[0025]
λ1 And λ2 When the two wavelengths of light are polarized and separated into 0th order light and 1st order light, it is necessary to satisfy the expressions (3) and (4) in order to increase the degree of polarization separation (extinction ratio).
However, in practice, the refractive index n of the birefringent film 3 is such that the conditions in the vicinity are satisfied even if the expressions (3) and (4) are not strictly satisfied.p , Ns The refractive index n of the overcoat layer 41 , The irregularity depth h and the order m of the periodic grating are set.
In addition, the lattice depth satisfying equations (3) and (4) is h.1 Then, from (4)-(3),
(Ns-Np) H1= ΛThree/ 2 ... (5)
∴h1= ΛThree/ {2 (ns-Np)} (6)
It becomes.
[0026]
Note that the depth of the ion exchange region is h as described above for a lattice formed by ion exchange of a birefringent crystal as in the prior art.
Needless to say, even if the expressions (3) and (4) are not strictly satisfied, they may be satisfied substantially in the vicinity.
[0027]
Next, specific examples of the present invention will be described. In this embodiment, the birefringent film 3 is Ta2OFiveAs an overcoat layer, Ta2OFiveThis is the case of using the vertical vapor deposition film.
Λ1= 635 nm, λ2A polarization separation element having a good extinction ratio with respect to two wavelengths of light of 780 nm and a third wavelength λThree As λ1 And λ2 Choose an almost intermediate wavelength of λThree= 710 nm.
This wavelength λThree In the oblique deposition Ta which is the birefringent film 32OFiveRefractive index n in the film lattice vector direction (paper surface direction)p Is np= 1.944, refractive index n perpendicular to the plane of the paper (lattice vector direction)s Is ns= 2.023. Ta2OFiveΛ of overcoat layer 4Three Refractive index n1 Is n1= 1.944.
[0028]
FIG. 7 shows the relationship between the diffraction efficiency of such 0th-order light and 1st-order light (one side) and the grating depth h (the figure shows the case where m = 0 in the equations (3) and (4)).
FIG. 7 shows the values of the diffraction efficiency of zero-order light with respect to p-polarization in the grating vector direction and the diffraction efficiency of s-polarization first-order light orthogonal to this when the widths of the concave and convex portions of the grating are equal. Plotted for 635 nm and 780 nm.
Optimal grating depth h derived from Eqs. (3) and (4), which is a condition for increasing the extinction ratio for both wavelengths.1 Is h in this embodiment.1= 4.49 μm. As can be seen from FIG. 7, the p-polarized zero-order light has a diffraction efficiency of 100% for both wavelengths, and the s-polarized first-order light has a wavelength of 635 nm of 39% and 780 nm of 40%. Also, the efficiency is high. Since the highest diffraction efficiency of the primary light of the rectangular grating as in the present invention is 40.5%, both the two wavelengths have high efficiencies almost close to the highest diffraction efficiency.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, by forming the grating so as to satisfy the conditions of the expressions (3) and (4), the p-polarized light is zero-order light and s-polarized light at both wavelengths of 635 nm and 780 nm. A wave is polarized and separated into ± first-order light, and a broadband polarization separation element having an extremely high extinction ratio (polarization separation degree) is realized.
[0030]
  (Example 3)
  Next claim2Examples will be described. In this embodiment, an optimum condition is obtained when the polarization separation element 1 operates as shown in FIG.
  Also in this embodiment, the two wavelengths λ of interest1 , Λ2 For λ1 <Λ3 <Λ2 The third wavelength λ that satisfies3 In contrast, the refractive index of the birefringent film 3 with respect to the polarization (for example, p-polarized light) in the lattice vector direction (paper surface direction) is expressed as n.p , And the refractive index for polarized light in the direction perpendicular to this (for example, s-polarized light) is ns And the refractive index of the isotropic overcoat layer 4 is n1 , H is the uneven depth of the periodic grating, and λ is the wavelength of light.3 , Where m is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...), The following equations (7) and (8):
  (Np-N1) H = (m + 1/2) λ3    ... (7)
  (Ns-N1) H = mλ3                ... (8)
Is substantially satisfied by the operation shown in FIG. In addition, in order to actually satisfy the expressions (7) and (8), np, Ns, N1, H, m are set.
  For details, the diffraction conditions are reversed for the p-polarized wave and the s-polarized wave.1).
[0031]
  Example 4
  Next claim3Examples will be described. The present embodiment is an embodiment in which the broadband polarization separation element of the present invention described in Embodiments 1 to 3 is applied to an optical head for an optical disk, and FIG. 8 shows an example of an optical head using the broadband polarization separation element. It is a schematic block diagram.
  As shown in FIG. 8, this optical head has a configuration in which two light sources having different wavelengths are used and an optical system is used in common, and two or more optical recording media having different operating wavelengths (optical discs such as CD and DVD). ) Is an optical head capable of recording / reproducing information. This is a CD-R (CD-Recordable) which is a write-once CD that is premised on recording / playback at a wavelength λ = 780 nm in the current optical disk system, and a DVD-R of a write-once DVD that performs recording / playback at a wavelength λ = 635 nm. This is the case when two wavelengths are used interchangeably with one optical head.
[0032]
In FIG. 8, the two light sources are composed of semiconductor lasers 11 and 11 '.1= 635 nm oscillation wavelength, the other semiconductor laser 11 ′ is λ2= Oscillation wavelength of 780 nm. In the optical path from the light source 11, 11 ′ of the optical head to the optical disk 14 (or 14 ′), the broadband polarization separation element 19 according to any one of Embodiments 1 to 3 (Claims 1 to 3) and ¼. A wave plate 20, a collimating lens 16, and an objective lens 15 are disposed. The grating vector direction of the periodic grating in the polarization separating element 19 coincides with the paper surface direction of FIG. When the oscillation direction of the emitted light of the semiconductor lasers 11 and 11 ′ is the paper surface direction, it is desirable that the polarization separation element substantially satisfies the above-described equations (3) and (4), and the vibration direction is perpendicular to the paper surface. In some cases, it is desirable to satisfy the expressions (7) and (8).
[0033]
Under these conditions, light emitted from the semiconductor laser 11 (or 11 ') passes through the polarization separating element 19 as zero-order light with almost no loss. The light beam that has passed through the polarization separation element 19 becomes circularly polarized light by the quarter-wave plate, becomes parallel light by the collimating lens 16, and is condensed on the recording surface on the optical disk by the objective lens 15. Here, the beam from the semiconductor laser 11 is focused on a thin substrate optical disk 14 such as a DVD, and the beam from the semiconductor laser 11 'is focused on a thick substrate optical disk 14' such as a CD.
[0034]
The light condensed on the recording surface of the optical disk 14 (or 14 ′) is reflected by the recording surface, and the reflected light returns to the quarter-wave plate 20 through the objective lens 15 and the collimator lens 16, and the quarter wavelength. After passing through the plate 20, the circularly polarized light is converted into linearly polarized light having a vibration direction orthogonal to the vibration direction when emitting the semiconductor laser. Then, the vibration plane orthogonal to the time of emission is almost diffracted as ± first-order light by the polarization separation element 19.
[0035]
In FIG. 8, the short wavelength light from the semiconductor laser 11 indicates the optical path with a solid line, and the long wavelength light from the semiconductor laser 11 ′ indicates the optical path with a dotted line. Each light has a very different optical path. Λ of short wavelength1= Λ longer wavelength for 635 nm light2= Because the diffraction angle for light of 780 nm is large, λ2 On the outside, λ1 Is diffracted inside. So short wavelength λ inside1 Optical detectors 12 and 13 for the long wavelength λ2 The light detectors 12 'and 13' are arranged for detecting each wavelength light. Detection by the optical detectors 12 and 13 (or 12 ′ and 13 ′) is performed by using focus error signals and tracking error signals for focus servo and tracking servo, in addition to information signals recorded on the optical disk 14 (or 14 ′). Is detected.
[0036]
  The polarization separation element 19 used in the optical head of FIG.1(Example 2) or claims2As in Example 3, λ1 <Λ3 <Λ2 The third wavelength λ that satisfies3 If it is set so that the expressions (3), (4) or (7), (8) are substantially satisfied, λ1 , Λ2 Therefore, the two-wavelength optical head can be provided which is most suitable for recording / reproducing in the DVD system and the CD system.
  Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, recording and reproduction can be performed with a single optical head for a plurality of optical disks 14 and 14 'having different corresponding wavelengths, which can contribute to downsizing and cost reduction of the optical disk drive.
[0037]
  (Example 5)
  Next claim4Examples will be described. In this embodiment, in the optical head having the configuration shown in FIG. 8, a quarter wavelength plate 20 is integrated with the broadband polarization separation element 19 to form a polarization separation element 17 with a quarter wavelength plate. Specifically, a quarter wavelength plate is adhered and integrated on the isotropic overcoat layer 4 of the polarization separation element having the configuration shown in FIG. 1 or FIG. 5, or the polarization having the configuration shown in FIG. A quarter wavelength plate is bonded and integrated on the glass substrate 8 of the separation element to obtain a polarization separation element 17 with a quarter wavelength plate. As another example, an anisotropic film is formed on the isotropic overcoat layer 4 of the polarization separation element shown in FIG. 1 or FIG. 5 or on the glass substrate 8 of the polarization separation element having the configuration shown in FIG. It is also possible to load and form the used 1/4 wavelength film.
[0038]
When the polarization separation element according to the present invention is used in an optical head, a combination with a quarter-wave plate is essential as shown in FIG. In this case, the polarization separation element and the quarter wavelength plate may be separately formed and arranged. However, the quarter wavelength plate 20 is integrated with the polarization separation element 19 as in the above-described embodiment. By using the polarizing plate-equipped polarization separation element 17, the number of parts of the optical head can be reduced, and the optical head can be made compact. In addition, when a quarter wavelength film is loaded and integrated on the polarization separation element, it is not necessary to use an expensive optical crystal as a quarter wavelength plate, which can contribute to cost reduction. .
[0039]
  (Example 6)
  Next claim5Examples will be described. FIG. 9 claims5FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the optical head described, in which the basic configuration and operation are the same as those of the two-wavelength compatible optical head in FIG.1 Semiconductor laser 11 and corresponding photodetectors 12, 13 and wavelength λ2 The semiconductor laser 11 ′ and the corresponding photodetectors 12 ′ and 13 ′ are integrally mounted on one package 8, and the quarter wavelength plate 20 and the broadband polarization separating element 19 are integrated on the upper surface of the package 8. The polarized light separating element 17 with a quarter wave plate is bonded and integrated.
[0040]
With the configuration of this embodiment, the optical head using two wavelengths has a simple configuration, the number of assembling adjustment points is reduced, the process is simplified, and a small and low-cost two-wavelength compatible optical head can be realized.
Further, since the main parts such as the semiconductor lasers 11 and 11 ′, the photodetectors 12, 13, 12 ′ and 13 ′, and the polarization separation element 17 with a quarter wavelength plate are integrated in one package 8, The stability of the optical system increases with changes in temperature.
[0041]
  (Example 7)
  Next claim6Examples will be described. FIG. 10 claims6FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an essential part showing an example of the described optical head, and is an enlarged view of a package portion of the optical head shown in FIG. 9. Example 4 (claims)3To Example 6 (claims)52), the two semiconductor lasers 11 and 11 ′ are arranged apart from each other in the direction perpendicular to the optical axis of the optical head optical system. However, as shown in FIG. In the direction, they are shifted from each other by a distance ΔZ.
  That is, as shown in FIG. 8 and FIG. 9, there are two semiconductor lasers as shown in FIG. 10 because there are deviations in the condensing position in the optical axis direction in the two types of optical disks 14 and 14 ′ having different substrate thicknesses. 11 and 11 'are shifted from each other by a distance ΔZ in the optical axis direction, so that the condensing position can be adjusted in accordance with the two types of optical disks 14 and 14', without burdening the focus servo system of the objective lens. The same optical system can be used to provide good light condensing performance for the two types of optical disks 14 and 14 'having different substrate thicknesses.
[0042]
In the optical heads having the configurations shown in the fourth to seventh embodiments, a plurality of separated photodetectors 12, 13, 12 ′ and 13 ′ are used as photodetectors. However, the present invention is not limited to this. Instead, the photodetector may be one photodetector in which a plurality of detection regions are formed on one Si substrate.
[0043]
【The invention's effect】
  As explained above,BookIn the invention, in a grating-type broadband polarization separation element that separates orthogonally polarized light of incident light into zero-order light and diffracted light by a periodic grating in which birefringent regions and isotropic regions are alternately arranged, at least mutually Has a function to separate polarized light for two or more different wavelengthsRuThus, light having two or more different wavelengths can be polarized and separated into zero-order light and diffracted light, and a broadband polarization separation element can be realized.
[0044]
  According to the first aspect of the present invention, in the broadband polarization separation element, the two wavelengths λ for polarization separation are provided.1 , Λ2 Againstλ 1 And λ 2 Near the middle ofWavelength λ3 In contrast, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is np , And the refractive index for the polarization in the direction perpendicular to thiss And the refractive index of the isotropic region is n1 , The depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ3 , Where m is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
  (Np-N1) H = mλ3
  (Ns-N1) H = (m + 1/2) λ3
Therefore, the wavelength λ1 To λ2 Wavelength λ between3 The maximum extinction ratio (polarization separation degree) can be given to the light. Further, according to the above conditions, the zero-order light is separated into the polarization in the grating vector direction, and the first-order diffracted light is separated into the polarization in the direction perpendicular thereto, so that the extinction ratio is the highest.
[0045]
  Further, in the invention according to claim 2, in the broadband polarization separation element, two wavelengths λ for polarization separation are provided.1 , Λ2 Againstλ 1 And λ 2 Near the middle ofWavelength λ3 In contrast, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is np , And the refractive index for the polarization in the direction perpendicular to thiss And the refractive index of the isotropic region is n1 , The depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ3 , Where m is a positive / negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
  (Np-N1) H = (m + 1/2) λ3
  (Ns-N1) H = mλ3
Therefore, the wavelength λ1 To λ2 Wavelength λ between3 The maximum extinction ratio (polarization separation degree) can be given to the light. Also, according to the above conditions, contrary to claim 1, the maximum extinction ratio is given when the zero-order light is polarized in the direction perpendicular to the grating vector and the first-order diffracted light is polarized in the grating vector direction. .
[0046]
  Claim3The optical head according to the invention described above is provided with a plurality of light sources having different wavelengths, an objective lens disposed between the plurality of light sources and the optical recording medium, and disposed between the plurality of light sources and the objective lens.1 or 2And a quarter-wave plate disposed between the broadband polarization separation element and the objective lens, and a photodetector for detecting diffracted light by the broadband polarization separation element, at least the objective lens Condenses light of different wavelengths from a plurality of light sources on different optical recording medium surfaces, and diffracts and separates the reflected light from the optical recording medium surface for each wavelength by the broadband polarization separation element to detect light for each wavelength. Since it can be detected independently by a detector, recording and reproduction can be performed with a single optical head for a plurality of optical recording media with different supported wavelengths, and the number of components is greatly reduced, and two wavelengths with a simple configuration can be obtained. A corresponding optical head can be realized, which can contribute to downsizing and cost reduction of an optical disk drive or the like.
[0047]
  Claim4In the invention described in claim3In the optical head described in (4), the quarter-wave plate is integrated with the broadband polarization separation element, so that the number of parts of the optical head can be reduced and the optical head can be made compact. it can.
[0048]
  Claim5In the invention described in claim3 or 4In the optical head described in (1), at least a plurality of light sources and a plurality of photodetectors are mounted in one package, and a broadband polarization separation element or a quarter-wave plate integrated with the package is integrated into the package. However, it is characterized by being integrated by bonding, so the optical head using two wavelengths has a simple configuration, the number of assembly adjustment points is reduced, the process is simplified, and it is compact and low cost for two wavelengths. An optical head can be realized.
[0049]
  Claim6In the invention described in claim3 or 4 or5. The optical head according to 5, wherein the emission surfaces of a plurality of light sources having different wavelengths are shifted from each other in the optical axis direction of the optical head optical system. The focusing position can be adjusted according to the thickness, and it has good focusing performance for two types of optical recording media with different substrate thicknesses using the same optical system without burdening the focus servo system of the objective lens. Can be made.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of a broadband polarization separation element according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the operation of the broadband polarization separation element shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing another example of the operation of the broadband polarization separation element shown in FIG. 1;
4 is a cross-sectional view of a main part of a main part of the broadband polarization separation element shown in FIG. 1 partially enlarged. FIG.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing another configuration example of the broadband polarization separation element according to the present invention.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing another configuration example of the broadband polarization separation element according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the diffracted light rates of zeroth-order light and first-order light and the grating depth by the broadband polarization separation element of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical head using a broadband polarization separation element according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing another example of an optical head using a broadband polarization separation element according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a main part showing an enlarged package portion of the optical head shown in FIG. 9;
[Explanation of symbols]
1,1 ': Broadband polarization separation element
2: Transparent substrate
3: Birefringent film
3 ': Birefringent crystal
4: Isotropic overcoat layer
7: Isotropic adhesive layer
8: Glass substrate
11: Wavelength λ1 Semiconductor laser
11 ′: wavelength λ2 Semiconductor laser
12, 13: wavelength λ1 For light detector
12 ', 13': wavelength λ2 For light detector
14: Wavelength λ1 Supported optical disks (DVD, etc.)
14 ': wavelength λ2 Compatible optical disc (CD, etc.)
15: Objective lens
16: Collimating lens
17: Polarization separating element with quarter wave plate
18: Package
19: Broadband polarization separation element
20: 1/4 wavelength plate

Claims (6)

複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を0次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、
少なくとも互いに異なる2波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有し、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=mλ
(n−n)h=(m+1/2)λ
を略満足することを特徴とする広帯域偏光分離素子。
In a grating-type broadband polarization separation element that separates orthogonally polarized light of incident light into zero-order light and diffracted light by a periodic grating in which birefringent regions and isotropic regions are alternately arranged,
At least function of the polarization separation to two different wavelengths or light, two wavelengths lambda 1 to polarization separation, lambda respect lambda 2 1 And λ 2 For the wavelength λ 3 near the middle of the birefringence region, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is n p , the refractive index for the polarization in the direction perpendicular thereto is n s, and the refractive index of the isotropic region is When n 1 , the depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ 3 , and m is a positive or negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
(N p −n 1 ) h = mλ 3
(N s −n 1 ) h = (m + 1/2) λ 3
A broadband polarization separation element substantially satisfying the above.
複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を0次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、
少なくとも互いに異なる2波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有し、偏光分離する2波長λ ,λ に対してλ およびλ の中間近傍の波長λ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をn 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をn とし、等方性領域の屈折率をn 、複屈折領域の深さをh、光の波長をλ 、mを0を含む正負の自然数(m=0,±1,±2,・・・)とするとき、次の条件、
(n−n)h=(m+1/2)λ
(n−n)h=mλ
を略満足することを特徴とする広帯域偏光分離素子。
In a grating-type broadband polarization separation element that separates orthogonally polarized light of incident light into zero-order light and diffracted light by a periodic grating in which birefringent regions and isotropic regions are alternately arranged,
At least function of the polarization separation to two different wavelengths or light, two wavelengths lambda 1 to polarization separation, lambda respect lambda 2 1 And λ 2 For the wavelength λ 3 near the middle of the birefringence region, the refractive index for the polarization in the grating vector direction in the birefringence region is n p , the refractive index for the polarization in the direction perpendicular thereto is n s, and the refractive index of the isotropic region is When n 1 , the depth of the birefringent region is h, the wavelength of light is λ 3 , and m is a positive or negative natural number including 0 (m = 0, ± 1, ± 2,...)
(N p −n 1 ) h = (m + 1/2) λ 3
(N s −n 1 ) h = mλ 3
A broadband polarization separation element substantially satisfying the above.
波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項1または2に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された1/4波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。  The wide-band polarization separation according to claim 1 or 2, wherein a plurality of light sources having different wavelengths, an objective lens disposed between the plurality of light sources and an optical recording medium, and the plurality of light sources and the objective lens are disposed. Element, a quarter-wave plate disposed between the broadband polarization separation element and the objective lens, and a photodetector for detecting diffracted light by the broadband polarization separation element, and at least from the plurality of light sources by the objective lens Lights with different wavelengths are condensed on different optical recording medium surfaces, and the reflected light from the optical recording medium surfaces is diffracted and separated for each wavelength by the broadband polarization separation element, and is independently detected by a photodetector for each wavelength. An optical head using a broadband polarization separation element. 請求項3記載の光ヘッドにおいて、前記広帯域偏光分離素子に1/4波長板が一体化されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。  4. An optical head using a broadband polarization separation element according to claim 3, wherein a quarter wavelength plate is integrated with the broadband polarization separation element. 請求項3または4記載の光ヘッドにおいて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が1つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、前記広帯域偏光分離素子、あるいは1/4波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。  5. The optical head according to claim 3, wherein at least a plurality of light sources and a plurality of photodetectors are mounted in one package, and the broadband polarization separation element or the quarter wavelength plate is integrated in the package. An optical head using a broadband polarization separation element, wherein the broadband polarization separation element is integrated by bonding. 請求項3または4または5記載の光ヘッドにおいて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。  6. The optical polarization head according to claim 3, wherein the emission surfaces of a plurality of light sources having different wavelengths are arranged so as to be shifted from each other in the optical axis direction of the optical head optical system. Used optical head.
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