JP3851253B2

JP3851253B2 - 回折格子及び光ピックアップ

Info

Publication number: JP3851253B2
Application number: JP2002295642A
Authority: JP
Inventors: 俊之川崎
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004133074A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（Ｃompact Ｄisk），ＤＶＤ（Ｄigital Ｖideo Ｄisk，Ｄigital Ｖersatile Ｄisk），Ｂlu-Ｒay Ｄisc等の使用波長が異なる複数規格の光記録媒体に情報の記録または再生を行う光情報処理装置に用いられる回折格子および光ピックアップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の記録媒体に対して情報の記録または再生を行う情報処理装置において、その情報の記録再生方法の一つとして、光を用いて記録媒体に記録または再生する方法がある。このような光記録再生方法の代表的な例として、直径１２ｃｍの光記録媒体の片面にＭＰＥＧ２形式による圧縮した画像情報を２時間以上を録画したいという要求から、ＤＶＤ規格のディスク（光記録媒体）を用いるシステムが商品化されている。このＤＶＤ規格では、ディスクの記憶容量が片面で４.７ＧＢ，トラック密度が０.７４μｍ／トラック，線密度が０.２６７μｍ／ビットである。以後、このＤＶＤ規格に基づくディスクを単に、ＤＶＤと呼ぶ。
【０００３】
また、ＤＶＤのような光記録媒体に記録された情報の再生は、光ヘッドを用いて行われる。この光ヘッドにおいては、ＬＤ（半導体レーザー）から出射される光ビームが対物レンズにより光記録媒体のトラック上のピット列に集光される。さらに、光記録媒体で反射された光ビームは、集光レンズで光検出器に集光され、再生信号が得られる。この光検出器からの再生信号は再生信号処理系に入力され、データの復号が行われる。ＤＶＤの場合、光ヘッドにおけるＬＤの波長は６５０ｎｍ，対物レンズの開口数（ＮＡ）は０.６である。
【０００４】
さらに、ＤＶＤにおける規格を高密度化した新しい規格として、Ｂlu-Ｒay Ｄiscがある。これは、波長４０５ｎｍの青紫色レーザーを用いて、ＣＤやＤＶＤと同じ直径１２ｃｍの相変化型光記録媒体の片面１層に最大２７ＧＢの映像データを、繰り返して記録・再生することができる次世代の大容量光記録媒体の規格である。
【０００５】
Ｂlu-Ｒay Ｄiscでは、短波長の青紫色レーザーを用いるとともに、ビーム光を集光する対物レンズの開口数（ＮＡ）を０.８５とすることにより、ビームスポットを微小化している。また、レンズの高開口化に対応した光透過保護層厚０.１ｍｍの光記録媒体構造を採用することで、光記録媒体の傾きによる収差を低減し、さらに読み取りエラーの低減や記録密度の向上を図っている。これにより、光記録媒体の記録トラックピッチをＤＶＤの約半分の０.３２μｍに微細化し、光記録媒体片面に最大２７ＧＢの高密度記録を実現している。
【０００６】
図９に光記録媒体（ＤＶＤメディア）の記録再生を行うピックアップの概略構成図を示す。光記録媒体（ＤＶＤメディア）の光ピックアップ１は通常偏光光学系が用いられる。すなわち、光源のＬＤ２から対物レンズ６までの光路にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４を配置し，ＬＤ２の直線偏光の偏光面と同じ偏光面の光を透過させ、その先に設置してある１／４波長板５で円偏光となり、対物レンズ６で集光させられ、光記録媒体８の基板下の記録層に照射される。
【０００７】
さらに、光記録媒体８の反射面からの反射光は入射光と逆回転の円偏光となり、１／４波長板５を透過すると、ＬＤ２の偏光面と垂直方向の偏光面をもつ直線偏光となり、ＰＢＳ４で反射され、集光レンズ７を介してＰＤ（光検出器）１０に導かれる。波長板（１／４波長板）５により完璧な円偏光になっている場合は、ＰＢＳ４の透過光、すなわちＬＤ２の戻り光は“０”となり、メディア反射光はＰＤ１０によって完全に検出される。
【０００８】
また、光情報処理装置である光ディスクドライブ装置に用いられる光ピックアップとして、光記録媒体からの反射光を回折格子により分岐し、光検出器で受光する光学系を備えたものが種々提案されており、回折格子として偏光性の回折格子を用いたものが知られている。例えば、特許文献１の光ヘッド装置およびその製造方法には、光源からの光束を回折格子を通して光記録媒体に照射することにより、情報の記録・再生を行う光ヘッド装置において、回折格子として、光学異方性ポリマーにより形成された光学異方性を有する回折格子を用いることが記載されている。
【０００９】
一方、一台の光ディスクドライブ装置で、ＣＤの記録および再生、ＤＶＤの記録および再生が行える、いわゆるスーパーコンボドライブが実用化されている。このＣＤ／ＤＶＤ兼用光ディスクドライブ装置に用いられる光ピックアップでは、ＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザーとＤＶＤ用の６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザーとが分離した状態で配置されている。この光ピックアップでは、半導体レーザー（６５０ｎｍ波長帯および７９０ｎｍ波長帯）からの出射光は、波長合成プリズムにより同一光軸上で合成され、ビームスプリッタを透過した後に、コリメートレンズで平行光とされ、対物レンズに入射する。この対物レンズを透過し、光記録媒体の情報記録面に集光された光ビームが、その情報記録面で反射され、反射された光（以下、信号光という）は、元の往路と同じ光路を逆行していく。
【００１０】
すなわち、この信号光は、再び、対物レンズによって平行光となり、コリメートレンズとビームスプリッタを介し、光検出器の受光面に集光する。そして、この光検出器で電気信号に変換される。
【００１１】
また、２つの波長の光を発光する半導体レーザーとして、例えば、７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザーと６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザーとを１チップ内に形成したモノリシックな２波長用半導体レーザーや、各波長帯のレーザーチップを発光点間が１００〜３００μｍ程度の間隔となるように配置した複数チップからなる２波長用半導体レーザーも提案されている。これらの２波長用半導体レーザーを用いれば、前述したような２つの半導体レーザーが別ユニットで構成された従来の光ピックアップに比べ、部品点数が低減し、小型化および低コスト化が図れる。
【００１２】
図１０に、各波長帯のレーザーチップを近接配置した２波長用の半導体レーザーユニットの概略構成を示す。ＣＤ，ＤＶＤ各波長帯のＬＤ（半導体レーザー）２ａ，２ｂを発光点間が１００〜３００μｍ程度の間隔となるように配置し、ＰＤ（光検出器）１０を同一パッケージ内に配置する。また、復路を通った信号光をＰＤ１０に導くためのＣＤ，ＤＶＤ用別に回折格子１１ａ，１１ｂをＬＤ２ａ，２ｂの前に配置する。
【００１３】
このようなＣＤ，ＤＶＤ用ＬＤ２ａ，２ｂ、ＰＤ１０、ＣＤ，ＤＶＤ用回折格子１１ａ，１１ｂを一体構成として配置した場合、復路のＣＤ用の光とＤＶＤ用の光のビーム径が重なるため、回折格子には、ＣＤ光に対してはＤＶＤ光が、ＤＶＤ光に対してはＣＤ光が透過するときに光を回折させない波長選択性をもたせる必要がある。
【００１４】
また、各ＬＤ２ａ，２ｂに対して近接した位置に回折格子１１ａ，１１ｂを配置しなければならず、この近接位置からＰＤ１０に光を導くためには、回折角を１５゜〜２０゜と大きくしなければならない。また、回折角を大きくするためには回折格子の格子ピッチを狭くする必要があり、回折角からピッチは２μｍ前後にしなければならない。
【００１５】
波長選択性を有する回折格子の場合、波長選択条件と波長を決めると、回折光側の波長の光の回折効率が一義的に決まり、回折効率を任意に設定することができないことから、この問題に対して、特許文献２の２波長用回折格子および光ヘッド装置では、広ピッチの回折格子に対して、格子の凸部の幅と周期の比が０.５で最大回折効率が得られることから、この比を０.５以外の値に設定し、回折効率を低下させることにより、回折効率の最大値以下の領域で任意に回折効率を設定することが記載されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平９−５０６４２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８１４３２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載の方法は広ピッチの回折格子にのみしか適用されず、回折効率を最大値以上の値に設定することができない。また、狭ピッチ領域における回折効率は、理論的に３０％前後に収束し、これより高い回折効率を得ることは難しい。
【００１８】
広ピッチ格子の回折効率を高める技術として、格子形状をブレーズ化する方法があり、＋方向と−方向の回折光の効率の比を変え、片側に寄せることにより回折効率を向上させることができる。この方法は広ピッチ格子に対しては効果があるが、狭ピッチ格子に対しては、溝の深さに対してピッチが小さいのでブレーズ形状を作成するのが難しく、高効率な回折格子を形成することは困難である。
【００１９】
記録用ＤＶＤにおいては、現在主に偏光光学系が用いられており、復路回折効率が３２％程度の偏光性回折格子が用いられている。今後さらに高速化すると、ＰＤ検出光量が不足し、高速記録ドライブを実現することが困難となる。偏光性回折格子の回折効率が現状の３２％から上昇すると、ＰＤ検出光量が増加し、さらに高速記録可能なＤＶＤ記録ドライブが実現できる。
【００２０】
また、Ｂlu-Ｒay Ｄiscなどの光源波長が４００ｎｍ帯を用いる光ディスクドライブ装置に用いる光ピックアップにおいては、さらに高効率な回折格子が必要となる。つまり、レンズなどの光学材料の透過率が波長６６０ｎｍ帯では９５％以上であったが、波長４００ｎｍ帯では９０％に低下する。さらに球面収差、コマ収差等の各種収差を補正する素子が数多く入り、各光学部品を透過する際に生ずる光量低下が大きな問題となる。また、短波長化による量子効率の低下から光検出器の光電変換効率が低下し、ＰＤ検出光量が激減する問題がある。以上のような検出光量低下を考慮すると、光源波長が４００ｎｍ帯を用いる光ディスクドライブ装置に用いる光ピックアップにおいては、回折効率が６０％以上必要となり、狭ピッチ回折格子を用いて光ピックアップを構成することは困難であるという問題があった。
【００２１】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、格子ピッチを小さくした場合の回折格子において、回折効率を大きくすることが可能な回折格子を実現し、この回折格子を用いて従来技術の問題点を解決した光ピックアップを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明に係る回折格子および光ピックアップにおける請求項１記載の回折格子は、断面形状が周期的な凹凸形状を有する回折格子において、回折格子の凸部間のピッチをΛ、凸部を形成する屈折率の大きい部材の幅をＤ、回折格子の凹部の深さをＴ、回折格子の平均屈折率をｎ、光源の波長をλ、回折格子の厚さ形状を定義するＱ値をＱ＝２πλＴ／ｎΛ^２とした場合、「Ｑ＞１」，「Ｄ／Λ≦０.４」の２式を満足することによって、凹凸形状を有する回折格子の凸部間のピッチΛと凸部の幅ＤとのＤ／Λが条件を満足する回折格子によって、０次回折光，±１次回折光において大きな回折効率を得ることができる。
【００２３】
また、請求項２記載の回折格子は、請求項１記載の回折格子において、回折格子の凸部の幅Ｄと凸部間のピッチΛにおける、Ｄ／Λ≦０.４を満足するように明暗の幅の比を１：１から変更したマスクパターンを有するフォトマスクを用いて回折格子を作成したことによって、所望のＤ／Λの値となるように明暗の幅の比を変えたマスクパターンを有するフォトマスクを用いて回折格子を形成して、０次回折光，±１次回折光において大きな回折効率を得ることができる。
【００２４】
また、請求項３〜５記載の回折格子は、請求項１，２記載の凹凸形状を有する回折格子において、凸部を複屈折媒質で形成し凹部を等方性媒質で充填したこと、また凸部の複屈折媒質に、有機延伸膜を用いたこと、または凸部の複屈折媒質に、液晶を用いたことによって、入射光の偏光面の角度により任意に回折効率を可変でき、往路で透過、復路で回折させることができる。
【００２５】
また、請求項６記載の回折格子は、請求項１〜５記載の回折格子において、この回折格子が、光源の波長として、波長λ１および波長λ２を用いて、一方の波長λ１を透過させるとともに、他方の波長λ２を回折させることによって、回折格子を２波長の光源、光検出器等と集積して一体形成することができる。
【００２６】
また、請求項７，８記載の光ピックアップは、請求項１〜６のいずれか１項記載の回折格子を用いる、光源からの出射光を取り込み、集光レンズにより光記録媒体上に集光して記録または再生を行う光ピックアップにおいて、光源と光記録媒体間の光路中に配置される回折格子と、光記録媒体からの反射光を回折格子により分岐して受光する光検出器とを備えたこと、さらに、光源と、光検出器と、回折格子が一体化されたことによって、高い検出効率を得ること、高速記録・再生することができ、光ピックアップの組み立て時間が短縮、光学系調整も簡単に行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態１における凹凸形状を有する回折格子の概略構成を示す部分断面図である。例えば、この回折格子には、ＳiＯ₂等の透明な部材の表面にエッチング等により図１に示すような溝（凹部）を形成している。溝は矩形状であり、回折格子の凸部間（格子）のピッチΛ＝８μｍ、溝深さＴ＝１μｍである。入射光側は空気であり、屈折率ｎ₁＝１、透過光側はＳiＯ₂であり、屈折率ｎ₂＝１.４５である。入射光側から波長λ＝０.６６μｍの単色光を入射し、透過側の０次回折光、±１次回折光を測定する。格子の屈折率の高い側すなわちＳiＯ₂側の幅をＤとし、Ｄ／Λを考える。
【００２９】
図２にピッチΛを一定にしたときのＤ／Λの変化に対する±１次回折光の回折効率を示す。図２に示す破線のピッチΛが８μｍのときにＤ／Λは０.５より少し小さいところで最大の２６.４％となり、Ｄ／Λが大きくなると回折効率は減少する。同様に、Ｄ／Λが小さくなっても回折効率は減少する。また、格子ピッチΛを１.５μｍとすると、図２に示す実線のように、Ｄ／Λが０.５のとき、回折効率は２０.９％であるが、最大とはならず、Ｄ／Λを小さくしていくと、すなわちＳiＯ₂の幅Ｄが小さくなると、回折効率は上昇する。Ｄ／Λが０.２近くで回折効率は４６.０％となり、ピッチΛが８μｍの最大回折効率２６.４％を大幅に上回る。このように、Ｄ／Λを調整することにより、回折効率をＤ／Λが０.５のときより大きくすることができる。
【００３０】
以上のことから、Ｄ／Λが小さい領域、特に０.４以下の領域で回折効率の最大値が現れるので、Ｄ／Λを０.４よりも小さくするとことによって±１次回折効率を高めることができる。
【００３１】
このような断面形状が周期的な凹凸形状である回折格子において、凸部間のピッチをΛ，凹部の深さをＴ，回折格子の平均屈折率をｎ，光源の波長をλ，Ｑ値をＱ＝２πλＴ／ｎΛ²とし、回折格子の凸部を形成する屈折率の大きい部材の屈折率をｎ₂、回折格子の凹部を形成する屈折率の小さい部材の屈折率をｎ₁、屈折率差をΔｎ＝ｎ₂−ｎ₁としたときの、凸部間のピッチΛに対する屈折率の大きい部材（凸部）の幅Ｄとの比をＤ／Λとすると、±１次回折効率が最大値となるＤ／Λの値Ｄ／Λ_maxは、種々の実験結果や計算から、（数１）のように表すことができる。
【００３２】
【数１】
Ｄ／Λ_max＝１／２・ｅｘｐ（−３ΔｎＱ／２）
ここで、ピッチΛ＝８μｍのとき、（数１）から計算したＤ／Λ_maxは０.４８、また、ピッチΛ＝１.５μｍのときのＤ／Λ_maxは０.１８となり、図２の結果と一致する。したがって、回折格子のＤ／Λを（数１）を用いて計算したＤ／Λに近づけることによって、Ｄ／Λが０.５の従来の回折格子より大きい±１次回折効率をもつ回折格子を実現できる。
【００３３】
薄い格子、厚い格子の目安として、回折格子のＱ値が定義されている。いま、光源の波長をλ，回折格子の凹部の深さをＴ，回折格子の平均屈折率をｎ，格子（凸部間の）ピッチをΛとしたとき、回折格子のＱ値は、（数２）で与えられる。
【００３４】
【数２】
Ｑ＝２πλＴ／ｎΛ²
ここで、Ｑ＜１のとき薄い平面型格子、Ｑ＞１０のとき厚い体積型格子、１＜Ｑ＜１０のとき平面型から体積型への中間領域の格子という目安がある。図２の例では、ピッチΛ＝８μｍのとき、Ｑ＝０.０５となり、薄い平面型格子である。また、ピッチΛ＝１.５μｍのときはＱ＝１.５となり、中間領域の格子となる。ピッチΛ＝８μｍの薄い平面型格子の場合は、図２よりＤ／Λの調整による±１次回折効率の向上効果は現れないが、ピッチΛ＝１.５μｍの中間領域の格子では、Ｄ／Λの調整による±１次回折効率の向上効果は顕著である。
【００３５】
このように中間領域から厚い体積型格子にかけての領域、すなわちＱ＞１の領域においてＤ／Λの調整による回折効率の向上効果は顕著である。したがって、Ｑ＞１の領域の回折格子において、Ｄ／Λを０.４以下に調節することにより±１次回折効率を大きくすることができる。
【００３６】
次に、本発明の実施の形態２における回折格子について、その作成方法を、図３（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示すように、透明性の基板の上にフォトレジスト層をスピンコートなどにより形成する。このフォトレジスト層に格子パターンを露光し現像を行うと、図３（ｂ）の透明性基板の上に回折格子のパターンが形成される。ここで、露光するときの格子パターンのラインアンドスペース（明暗）の比を１：１からずらし、完成状態の回折格子のＤ／Λが所望の値となるように調整し形成する。ここが本実施の形態２における回折格子の大きな特徴である。
【００３７】
以上のように形成したフォトレジストの格子パターンの上にアルミニウム，クロムなどの金属層を真空蒸着、スパッタリング法などにより形成し（図３（ｃ）参照）、次にフォトレジストパターンをアセトン等の有機溶剤による溶出、あるいは酸素プラズマ中での分解による除去を行って、フォトレジストパターンとその上の金属層を取り除く。図３（ｄ）に示すように、残った金属格子パターンが以後のドライエッチングのマスクとなる。
【００３８】
次に、前述した透明性の基板上に金属格子パターンを形成したものをイオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、あるいはプラズマエッチングなどのドライエッチング装置に入れ、金属パターンをマスクとしてエッチングする（図３（ｅ）参照）。所望の深さまでエッチングした後、酸によって金属マスクを除去することにより、図３（ｆ）に示す所望のＤ／Λの値をもった回折格子を形成することができる。
【００３９】
本実施の形態３によれば、従来の回折格子の形成プロセスを殆ど変更することなく、格子パターンの明暗の幅の比を１：１から変えたマスクパターンをもつフォトマスクを用いて所望のＤ／Λの値の回折格子を形成でき、この回折格子により０次回折光，±１次回折光における大きな回折効率を得ることができる。
【００４０】
図４は本発明の実施の形態３におけるＣＤ／ＤＶＤ共通光路としたＬＤ，ＰＤユニットの概略構成を示す図である。図４に示すＣＤ用ＬＤ２ａとＤＶＤ用ＬＤ２ｂの間隔を１００μｍから３００μｍに近接して設置する。ＣＤ用ＬＤ２ａから出射された波長７８０ｎｍ帯の光は、広がり角θ_CDをもってＤＶＤ用回折格子（ＨＯＥ）１１ｂとＣＤ用ＨＯＥ１１ａを透過する。ＣＤ用ＨＯＥ１１ａ，ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂを透過した光はＣＬ（コリメートレンズ）３，波長板（１／４波長板）５，ＯＬ（対物レンズ）６を透過し、光記録媒体８の情報記録面に照射される。
【００４１】
光記録媒体８の情報記録面から反射した信号光は、再び、ＯＬ６，ＣＬ３を通り、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａ，ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂを透過する。このとき、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａではＣＤ光を回折し、ＤＶＤ光は透過する。逆に、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂではＣＤ光が透過し、ＤＶＤ光を回折する。この回折した光は、ＣＤ，ＤＶＤ光共にＰＤ（光検出器）１０に入射し、光記録媒体８からの反射光の光量を検出する。
【００４２】
このようなＣＤ／ＤＶＤ共通光学系において、ＣＤ光学系は無偏光光学系、ＤＶＤは偏光光学系とする。したがって、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａは無偏光回折格子であり、複路においてＤＶＤの光に対する０次回折効率は９５％以上が必要とされる。またＣＤ光においても、ＣＤ書き込み系ピックアップの場合、０次回折効率は８０％以上、１次回折効率は８％以上が必要とされる。
【００４３】
これらの条件を元に、無偏光ＣＤ用ＨＯＥを設計した。材質はＢＫ７で屈折率ｎ₂＝１.５１、屈折率差Δｎ＝０.５１、格子部平均屈折率ｎ＝１.２６、形状はピッチΛ＝２.４μｍ、Ｄ／Λ＝０.２３の矩形格子である。図５に前記形状の矩形格子の溝深さＴに対するＤＶＤ光（波長λ＝０.６６μｍ）の０次回折効率，１次回折効率ＣＤ光（波長λ＝０.７８μｍ）の０次回折効率，１次回折効率を示す。波長選択ＣＤ用ＨＯＥの場合、ＤＶＤ光は透過、ＣＤ光は一部回折させるため、溝深さは、図５でＤＶＤ０次回折光の２つめの最大値である１.５μｍ辺りを使用する。溝深さＴ＝１.５５μｍとしたとき、ＤＶＤ０次回折効率９５％、ＣＤ０次回折効率８１％、ＣＤ１次回折効率９.１％が得られた。
【００４４】
一般に回折格子の設計では、簡便に、スカラー回折理論に基づく代数計算により回折効率を求める。スカラー回折理論では、波長λにおける０次回折効率η₀と±１次回折効率η₁は、それぞれ、（数３），（数４）となる。
【００４５】
【数３】
η₀＝（２Ｄ／Λ−１）²Ｓiｎ²θ＋ｃｏｓ²θ
【００４６】
【数４】
η₁＝４（Ｓiｎ（πＤ／Λ）／π）²Ｓiｎ²θ
ただし位相変化θは、（数５）である。
【００４７】
【数５】
θ＝π／λ・ΔｎＴ
この式を用いて前記条件の回折格子の、溝深さＴに対するＤＶＤ０次回折効率を求めると図６に示す曲線となる。ただし、この図６ではＤ／Λ＝０.５で計算を行った。（数３）のスカラー計算では、図６のように溝深さＴに対して回折効率は規則的なコサイン関数となり、溝深さＴ＝１.３μｍで２山目の最大値となる。
【００４８】
しかし、実際の回折格子は図６の太線で示す曲線のようにはならず、図６中の破線で示す曲線となる。この曲線はＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法で計算した値であり、実測データとも一致する。この２山目の０次回折光の低下の要因は、スカラー計算では生じない偶数次回折光の発生であり、この偶数次の回折光により０次回折光の効率が低下している。この図６の破線で示す曲線の計算は、Ｄ／Λ＝０.５で行ったが、Ｄ／Λを調整して、Ｄ／Λ＝０.２３とすると、図６の細線で示す曲線のように、このＤＶＤ０次回折光の２山目の回折効率が上昇する。溝深さＴ＝１.４５μｍで最大値となり、Ｄ／Λ＝０.５のときの回折効率に比べ、各段に大きくなり、スカラー計算に近い値となっている。このように、Ｄ／Λを０.４より小さい値に調整することにより、回折格子の回折効率を格段に上昇させることができる。
【００４９】
次に、本発明の実施の形態４における回折格子について、その実施例１として作成方法を、図７（ａ）〜（ｇ）を参照しながら説明する。本実施例１の回折格子は、偏光性回折格子であり、まず、光学ガラスなどの透明性の基板の上に複屈折媒質を形成する。この形成法は複屈折媒質の膜を基板に貼りつける、あるいは複屈折媒質をスピンコートなどで塗布する、あるいは真空蒸着，スパッタリングなどの物理的製膜法で形成する。さらに、複屈折媒質の上にフォトレジスト層をスピンコートなどにより形成する（図７（ａ））。
【００５０】
フォトレジスト層に格子パターンを露光し現像を行った後、透明性基板の上に回折格子のパターンが形成される（図７（ｂ））。ここで露光するときの格子パターンのラインアンドスペースの比を１：１からずらし、完成状態の回折格子のＤ／Λが所望の値となるように調整する。これは前述した実施の形態２と同様である。このように形成したフォトレジストの格子パターンの上にアルミニウム，クロムなどの金属層を真空蒸着，スパッタリング法などにより形成し（図７（ｃ））、このフォトレジストパターンとその上の金属層をアセトン等の有機溶剤による溶出、あるいは酸素プラズマ中での分解による除去によって、フォトレジストパターンとその上の金属層を取り除く（図７（ｄ））。残った金属格子パターンが以後のドライエッチングのマスクとなる。
【００５１】
次に、透明基板上の複屈折媒質に金属格子パターンを形成したものをイオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、あるいはプラズマエッチングなどのドライエッチング装置に入れ、金属パターンをマスクとして複屈折媒質をエッチングする（図７（ｅ））。所望の深さまでエッチングした後、酸によって金属マスクを除去すると、凹凸形状の矩形格子が複屈折媒質に形成される（図７（ｆ））。
【００５２】
さらに、複屈折媒質の凹凸部を等方性の媒質で充填し、その上に透明基板を被せる（図７（ｇ））。このとき、等方性媒質の屈折率は、複屈折媒質の常光線屈折率あるいは異常光線屈折率の何れかと等しいことが透過率、回折効率を高める上で望ましい。また、最上部の透明基板は必ずしも必要ではなく、等方性媒質の平坦性が確保することができればなくてもよい。
【００５３】
本実施例１では、ドライエッチング用の金属マスクの作成方法として、いわゆるリフトオフ法を用いる作成方法を述べたが、この方法に限定されず、複屈折媒質上に直接金属層を形成し、この金属層上にフォトレジストを塗布して格子パターンを露光，現像して、フォトレジストによる格子パターンを形成し、この格子パターンをエッチングマスクとして金属層をエッチングする。その後にフォトレジストを除去して図７（ｅ）に示す状態を形成することもできる。以上の方法によって、所望のＤ／Λの値をもった回折効率の高い偏光性回折格子を形成することができる。
なお、複屈折媒質は複屈折性を示す透明性物質なら何でもよく、有機膜、有機延伸膜が使用できる。有機延伸膜の材料としては、ポリエステル系、ポリイミド系、ポリエチレン系、ポリカーボネイト系、ポリビニルアルコール系、ポリメタクリル酸メチル系、ポリスチレン系、ポリサルフォン系、ポリエーテルサルフォン系、ポリエチレンテレフタレート系などの有機材料が使える。特にＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネイト）の延伸膜は、延伸方向とその垂直方向の屈折率差Δｎが０.１と大きく、本実施例１には最適である。
【００５４】
また、本実施の形態４の実施例２における回折格子の形成方法として、複屈折媒質に代えて液晶を使うこともできる。以下に、本実施の形態４の実施例１として液晶の場合の形成方法を示す。まず、透明基板を配向処理し、その上に光硬化性液晶を均一に塗布し、配向方向に合わせ格子パターンを露光する。ここで、露光するときの格子パターンのラインアンドスペースの比を１：１からずらし、完成状態の回折格子のＤ／Λが所望の値となるように調整する。ここが本特許の大きな特徴である。硬化後未硬化部を除去すると、液晶の凹凸形状ができる。凹部を等方性物質で充填し、等方性物質表面に透明基板を接着することにより、偏光性回折格子を形成することができる。
【００５５】
また、本実施の形態４の実施例３における回折格子の形成方法として、以下に示すような液晶偏光性回折格子の形成方法がある。配向処理した２枚の透明基板を、配向面を内側にして配向方向を合わせ向かい合わせて設置する。２枚の基板のギャップは、ギャップを一定に保つギャップ材により一定に保たれている。そのギャップに光硬化性液晶を注入し、格子パターンを露光し、液晶硬化部と未硬化部の回折格子を形成する。ここでも同様に、露光するときの格子パターンのラインアンドスペースの比を１：１からずらし、完成状態の回折格子のＤ／Λが所望の値となるように調整する。その後外部から液晶に電界を印加し、その電界を印加した状態で全面露光する。液晶未硬化部が電界配向状態で硬化し、液晶による偏光性回折格子を形成することができる。
【００５６】
なお、偏光性回折格子の形成方法は前述した各実施例により説明した形成方法だけではなく、様々な方法がある。このように形成された偏光性回折格子は、液晶の方向とその垂直方向の屈折率差Δｎが最大０.２にすることができ、本発明には最適である。
【００５７】
以上のように作成した偏光性回折格子の動作について説明する。偏光性回折格子は、複屈折媒質に形成された回折格子の溝を等方性媒質で充填した構造をもっている。等方性媒質の屈折率は複屈折媒質の常光線屈折率、あるいは異常光線屈折率とほぼ同じであるように選定する。ここでは等方性媒質の屈折率は複屈折媒質の常光線屈折率と同じであるとする。
【００５８】
このような回折格子に、直線偏光を入射した場合を考える。まず常光線屈折率に従う偏光面をもった光を入射すると、格子部の複屈折媒質の屈折率は常光線屈折率であり、等方性媒質の屈折率も常光線屈折率に等しいため、この偏光面をもった光に対しては格子を認識することができない。したがって、入射光はそのまま透過し、回折格子として機能しない。逆に、異常光線屈折率に従う偏光面をもった光を入射すると、格子部の複屈折媒質の屈折率は異常光線屈折率であり、等方性媒質の屈折率は常光線屈折率に等しいため、この偏光面をもった光は格子を認識し、光を回折する。このように、入射光の偏向方向によって回折効率を変えることができる。
【００５９】
図４を参照しながら、本発明の実施の形態５の光ピックアップにおける、偏光性回折格子を用いたＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂを説明する。ＤＶＤは図９で説明したのと同じく、書き込み光学系の場合、記録パワーの制限から照明効率を上げなければならず、偏光光学系を採用している。ＤＶＤ用ＬＤ２ｂから出射した光は、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂに入射する。このとき、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂは偏光性回折格子であるため、往路の光に対して、透過光が最大となるように偏光面が調節されている。すなわち、往路の光に対してはＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂは透明板として機能する。
【００６０】
その後、波長板（１／４波長板）５を透過して光記録媒体８を反射した光は、再び波長板５を透過し、偏光面が９０゜回転した直線偏光となってＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂに逆側から入射する。偏光面が９０゜回転しているため、復路の光に対してはＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂは回折格子として機能し、光を回折し、ＰＤ１０に信号光を導く。このときＤＶＤ光は、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａを往路復路共に透過するが、実施の形態３で示したように、ＣＤ用ＨＯＥはＤＶＤ光に対しては透過であるため、問題とはならない。
【００６１】
図４は前述したように、ＣＤとＤＶＤ共通光路におけるＬＤ，ＰＤユニットを示し、ＣＤ用ＬＤ２ａとＤＶＤ用ＬＤ２ｂの間隔を１００μｍから３００μｍに近接して設置する。ＤＶＤ用ＬＤ２ｂから出射された波長６６０ｎｍ帯の光は、広がり角θ_DVDをもってＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂとＣＤ用ＨＯＥ１１ａを透過する。ＣＤ／ＤＶＤ用ＨＯＥを透過した光はＣＬ（コリメートレンズ）３、波長板５、ＯＬ（対物レンズ）６を透過し、光記録媒体８の情報記録面に照射される。情報記録面から反射した信号光は再びＯＬ６、ＣＬ３を通り、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａ、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂを透過する。このとき、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａではＣＤ光を回折し、ＤＶＤ光は透過する。逆に、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂはＣＤ光は透過し、ＤＶＤ光を回折する。この回折した光は、ＣＤ，ＤＶＤ光共にＰＤ（光検出器）１０に入射し、光記録媒体８からの反射光の光量を検出する。
【００６２】
このようなＣＤ／ＤＶＤ共通光学系において、ＣＤ光は無偏光光学系、ＤＶＤ光は偏光光学系とする。したがって、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂは偏光性回折格子であり、復路においてＣＤ光に対する０次回折効率は９５％以上が必要とされる。また、ＤＶＤ光においても、ＤＶＤ書き込み系ピックアップの場合、１次回折効率は３２％以上が必要とされる。
【００６３】
これらの条件を元に、偏光性回折格子のＤＶＤ用ＨＯＥを設計した。材質は液晶で屈折率差Δｎ＝０.２，形状はピッチΛ＝２.０μｍ，Ｄ／Λ＝０.２６の矩形格子である。図８に前記形状の矩形格子の溝深さＴに対するＤＶＤ光（波長λ＝０.６６μｍ）の１次回折効率、ＣＤ光（波長λ＝０.７８μｍ）の０次回折効率を示す。ＤＶＤ用ＨＯＥの場合、ＣＤ光は透過、ＤＶＤ光は回折させるため、溝深さＴは、図８で５.８μｍ辺りを使用する。溝深さＴ＝５.８μｍとしたとき、ＤＶＤ１次回折効率３８％、ＣＤ０次回折効率９６％が得られた。
【００６４】
ここで、ＣＤ０次回折光の入射角度について、図４を用いて説明する。本実施の形態５ではＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂを光源側、ＣＤ用ＨＯＥ１１ａをＯＬ６側に配置した。このようにＣＤ／ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ａ，１１ｂを配置した場合、復路においてＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂをＣＤ光が透過するときに、ＣＤ光は既にＣＤ用ＨＯＥ１１ａで回折されており、ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂにはＣＤ用ＨＯＥ１１ａの回折角が付いた入射角度で入射することとなる。ＣＤ用ＨＯＥ１１ａのピッチΛは２.４μｍであり、このピッチΛからＣＤ用ＨＯＥ１１ａのＣＤ光回折角度は１９゜である。ＤＶＤ用ＨＯＥ１１ｂのＣＤの０次光回折効率は、このＣＤ光の入射角度１９゜を考慮しなければならない。先に算出したＣＤの０次光回折効率９６％および図８のＣＤの０次光回折効率は、このＣＤ入射角を考慮した値である。
【００６５】
前述した各実施の形態のようなＤ／Λを０.４以下に調整した回折格子を光ピックアップに用いることにより、高い検出効率を得ることができ、高速記録・再生可能な光ピックアップを実現できる。
【００６６】
また、本実施の形態３の図４に示すように複数波長の光源，光検出器，複数波長用の回折格子を一体化して構成することにより、光ピックアップの組み立てを行う際に、複数波長の光源，光検出器，複数波長用の回折格子が一体化されているので組み立て時間が短縮され、光学系調整も簡単に行うことができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、凹凸形状を有する回折格子の凸部間のピッチΛと凸部の幅ＤのＤ／Λが各条件を満足する回折格子によって、また、所望のＤ／Λの値となるように明暗の幅の比を変えたマスクパターンを有するフォトマスクを用いて回折格子を形成して、０次回折光，±１次回折光において大きな回折効率を得ること、また、凸部を複屈折媒質で形成し凹部を等方性媒質で充填した偏光性回折格子により、入射光の偏光面の角度により任意に回折効率を可変でき、往路で透過、復路で回折させることができ、さらに、光源の波長λ１および波長λ２の２波長の一方を透過、他方を回折させることで２波長の光源、光検出器、複数波長用の回折格子を一体化できる。
【００６８】
また、光ピックアップに前述した回折格子を用いることで、高い検出効率を得ることができ、また高速記録・再生することができ、光ピックアップの組み立て時間が短縮、光学系調整も簡単に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における凹凸形状を有する回折格子の概略構成を示す部分断面図
【図２】ピッチΛを一定にしたときのＤ／Λの変化に対する±１次回折光の回折効率を示す図
【図３】本発明の実施の形態２における回折格子の作成方法を説明する図
【図４】本発明の実施の形態３におけるＣＤ／ＤＶＤ共通光路としたＬＤ，ＰＤユニットの概略構成を示す図
【図５】本実施の形態３における回折格子の溝深さＴに対するＤＶＤ０次回折効率、ＣＤ０次回折効率、１次回折効率を示す図
【図６】本実施の形態３における回折格子の溝深さＴに対するＤＶＤ０次回折効率を示す曲線を示す図
【図７】本発明の実施の形態４における偏光性回折格子の作成方法を説明する図
【図８】本実施の形態３における回折格子の溝深さＴに対するＤＶＤ１次回折効率、ＣＤ０次回折効率を示す図
【図９】光記録媒体に記録再生を行うピックアップの概略を示す構成図
【図１０】各波長帯のレーザーチップを近接配置した２波長用の半導体レーザーユニットの概略構成を示す図
【符号の説明】
１光ピックアップ
２ＬＤ（半導体レーザー）
２ａＣＤ用ＬＤ
２ｂＤＶＤ用ＬＤ
３ＣＬ（コリメートレンズ）
４ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
５波長板（１／４波長板）
６ＯＬ（対物レンズ）
７集光レンズ
８光記録媒体
１０ＰＤ（光検出器）
１１ａＣＤ用ＨＯＥ（回折格子）
１１ｂＤＶＤ用ＨＯＥ（回折格子）

Claims

断面形状が周期的な凹凸形状を有する回折格子において、前記回折格子の凸部間のピッチをΛ、前記凸部を形成する屈折率の大きい部材の幅をＤ、前記回折格子の凹部の深さをＴ、前記回折格子の平均屈折率をｎ、光源の波長をλ、前記回折格子の厚さ形状を定義するＱ値をＱ＝２πλＴ／ｎΛ^２とした場合、
Ｑ＞１
Ｄ／Λ≦０.４
の２式を満足することを特徴とする回折格子。
前記回折格子の凸部の幅Ｄと前記凸部間のピッチΛにおける、Ｄ／Λ≦０ . ４を満足するように明暗の幅の比を１：１から変更したマスクパターンを有するフォトマスクを用いて前記回折格子を作成したことを特徴とする請求項１項記載の回折格子。
前記凹凸形状を有する回折格子において、凸部を複屈折媒質で形成し凹部を等方性媒質で充填したことを特徴とする請求項１または２記載の回折格子。
前記凸部の複屈折媒質に、有機延伸膜を用いたことを特徴とする請求項３記載の回折格子。
前記凸部の複屈折媒質に、液晶を用いたことを特徴とする請求項３記載の回折格子。
前記光源の波長として、波長λ１および波長λ２を用いて、一方の波長λ１を透過させるとともに、他方の波長λ２を回折させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の回折格子。
請求項１〜６のいずれか１項記載の回折格子を用いる、光源からの出射光を取り込み、集光レンズにより光記録媒体上に集光して記録または再生を行う光ピックアップにおいて、
前記光源と前記光記録媒体間の光路中に配置される前記回折格子と、前記光記録媒体からの反射光を前記回折格子により分岐して受光する光検出器とを備えたことを特徴とする光ピックアップ。
前記光源と、前記光検出器と、前記回折格子が一体化されたことを特徴とする請求項７記載の光ピックアップ。