JP4139140B2

JP4139140B2 - Polarization hologram element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4139140B2
Application number: JP2002157676A
Authority: JP
Inventors: 剛鈴土
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2004004161A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射する光の偏光状態によってその偏光を分離するための偏光ホログラム素子及びその製造方法に関する。用途としては、光ディスク用の光ピックアップ光学系等に用いられる偏光ホログラム素子に関するものであり、特に、異なる記録密度を持った光記録媒体に対して読み取りまたは書き込みを行う光ピックアップ光学系に用いられる偏光ホログラム素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な光記録媒体に対応する光ピックアップ装置が研究開発されている。一つは、波長７８０ｎｍのレーザー光を用いるＣＤ（Compact Disc）系光ディスクの読み取り用、書き込み用の光ピックアップ装置であり、また、波長６６０ｎｍ程度のレーザー光を用いるＤＶＤ（Digital Versatile Disc）系光ディスクの読み取り用、書き込み用の光ピックアップ装置である。また、将来の高密度光ディスクとして、青色レーザー光を用いた光ディスク用の光ピックアップ装置も研究開発が盛んに行われている。上記に示した光ピックアップ装置は、個別の技術課題はあるものの、光ピックアップ部分の小型化や、低コスト化等の共通の課題を持っており、これらの課題に対する開発が盛んである。
【０００３】
光ピックアップ装置の小型化や低コスト化に対して有効な構成として、偏光分離素子として偏光ホログラム素子を利用した光学系が採用されている。この偏光ホログラム素子は、回折格子（ホログラム）による光の回折を利用してレーザー光の往路、復路の分離を行うための素子であり、従来は偏光分離素子として偏光ビームスプリッター等を使用していたため光学系が大型化していた部分を解決するだけでなく、レーザー発光と同一面に信号検出素子を配置できるため、光路の設計が容易になり、かつ、部品点数も低減できると言うメリットを持っている。また、記録密度の異なる複数種類の光記録媒体の書き込み、読み取りを一つの光ピックアップ装置で行う場合においても、光路を共通化可能であることから、有効な光学系であると考えられている。以下に、偏光ホログラム素子の従来例を示す。
【０００４】
第一の従来例として、一般的な偏光ホログラム素子の例である特開２０００−１９９８２０号公報記載の偏光ホログラム素子の製造方法を示す。この従来例では、複屈折材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板を用いて偏光ホログラム素子を作製している。
しかし、この従来例では、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板を用いているため、基板が高価であることや、その加工性において回折格子パターンを狭ピッチ化することが困難であり、その回折角度を大きく取ることができない等の問題点がある。従って、この従来例では、偏光ホログラム素子の低コスト供給や、偏光ホログラム素子を用いた光学系を小型化することができない。
【０００５】
次に、第二の従来例として、特開２０００−２２１３２５号公報記載の偏光分離素子を示す。この従来例では、光学的等方性基板上に有機膜（ポリアセチレン配向膜）を形成することで、低コストな偏光分離素子を提供している。
また、第三の従来例として、特開２０００−７５１３０号公報記載の偏光分離素子を示す。この従来例においても、光学的等方性基板上に複屈折性を持った高分子膜を形成することにより、低コストな偏光分離素子を提供している。
これらの二例の従来例においては、素子の低コスト化が可能であり、格子ピッチも狭ピッチ化することが可能であるために、素子の低コスト供給や偏光ホログラム素子を用いた光学系を小型化することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第二、三の従来例においては、回折格子自体が矩形で形成されている。これは、回折される偏光方向のレーザー光に対して回折効率を高くし、かつ透過率（０次回折効率）を抑えるためである。
しかしながら矩形の回折格子を作製した場合には、±１次回折効率は最大で約４０％に留まってしまう。従って、信号の検出効率を上げるためには、さらなる効率の向上が必要である。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、従来の問題を解消した新規な構成の偏光ホログラム素子とその製造方法を提供することを目的とし、特に、偏光ホログラム素子の回折効率の向上と、それに伴う加工時間の短縮等を目的とする。より詳しくは、偏光ホログラム素子の偏光特性の向上と回折効率の向上、材料の低コスト化に伴う素子の低コスト化と、加工が容易な材料による加工特性の向上、回折効率の向上とともに波面収差特性の向上、材料を共通化することでの素子の低コスト化、偏光ホログラム素子の多機能化、偏光ホログラム素子の透過率の向上による光学特性の向上を図ることを目的とし、さらには偏光ホログラム素子の容易な加工方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、請求項１に係る発明は、光学的に透明な等方性基板（以下、光学的等方性基板と言う）と、その光学的等方性基板上に形成された光学的に透明な異方性材料（以下、光学的異方性材料と言う）と、該光学的異方性材料の表面に形成された凹凸状の回折格子と、その格子内に充填される等方性材料と、さらにその表面を覆う光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）とからなる偏光ホログラム素子において、前記回折格子の格子形成方向を、基板面と垂直な方向から傾けて形成し、前記回折格子の格子部分の側面が平行で、基板面に対して同じ方向に傾斜している構成としたものである。
この偏光ホログラム素子の動作としては、レーザー光の偏光を、光学的異方性材料の表面に形成した偏光性の回折格子を用いて分離し、直交する二つの偏光方向によって、透過率と回折効率を変化させることによって偏光を分離するものである。また、ここでは、その効率の向上のために、偏光ホログラム素子において、回折格子の格子形成方向を、基板面と垂直な方向から傾けて構成している。これにより、１次回折光の必要な方向の回折効率を向上することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料の常光線方向屈折率もしくは異常光線方向屈折率のいずれかの屈折率と、前記回折格子内に充填される等方性材料の屈折率がほぼ同一である構成としたものである。
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料は、有機材料である構成としたものである。
さらに、請求項４に係る発明は、請求項３記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料は、延伸された高分子有機材料である構成としたものである。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、前記回折格子を形成した面の上部に光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）を、接着層を介して形成している構成としたものである。
また、請求項６に係る発明は、請求項５記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的等方性基板を接着している接着剤が、前記回折格子を充填している材料と同一である構成としたものである。
さらに、請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、偏光ホログラム素子と使用波長に対して一定の位相差を持つ位相板を一体で構成している構成としたものである。
さらに請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、偏光ホログラム素子外部との境界には、使用波長に対して反射を低減させるコーティングが施してある構成としたものである。
【００１１】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子を作製する際の製造方法であって、光学的等方性基板上に光学的異方性材料を形成し、該光学的異方性材料の表面に凹凸状の回折格子を形成し、その格子内に等方性材料を充填し、その表面をさらに光学的等方性基板で覆ってなり、前記回折格子の格子形成方向を基板面と垂直な方向から傾けて形成し、前記回折格子の格子部分の側面が平行で、基板面に対して同じ方向に傾斜している構成とした偏光ホログラム素子の製造方法において、前記回折格子部分は、異方性ドライエッチング方法により加工され、かつ、基板をエッチング方向から傾けて配置することで、回折格子の角度を規定し、作製することを特徴としたものである。
その作製される偏光ホログラム素子の動作は、請求項１〜８の偏光ホログラム素子と同様である。ここでは、基板を傾けて異方性ドライエッチングで作製することで、偏光ホログラム素子において、回折格子の格子形成方向を、基板面と垂直な方向から傾けて構成することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、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。
【００１３】
［実施例１］
まず、本発明の第一の実施例の偏光ホログラム素子について説明する。図１は本発明の第一の実施例を示す偏光ホログラム素子の概略断面図である。
本実施例による偏光ホログラム素子１０は、例えば波長６６０ｎｍのレーザー光に対する偏光ホログラム素子である。
【００１４】
本実施例による偏光ホログラム素子１０では、光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）１１としてＢＫ７基板を用い、そのＢＫ７基板１１の上に、アクリル系紫外線硬化接着剤による接着層１２を介して、ポリエステル系有機材料を延伸し作製した有機複屈折膜１３を接着した。そして有機複屈折膜１３を形成した基板上に、矩形回折格子１６を形成し、その上部に格子を埋め込む様にエポキシ系の紫外線硬化樹脂によるオーバーコート層１４を形成し、その上部に光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）としてＢＫ７基板１５を接着して構成している。また、ここで上下のＢＫ７基板１１，１５の空気との界面には使用する波長に対する反射防止層を設けている。また、ここで回折格子１６の格子形成方向を図１に示すように、基板と垂直な面から角度をつけて形成している。その角度としては、２°の傾きを持たせている。
【００１５】
次に各構成の詳細について説明する。偏光ホログラム素子１０の上下のＢＫ７基板１１，１５は、上面側、下面側ともに、厚さ約１．０ｍｍの基板を使用している。接着層１２には界面での反射を極力避けるために、ＢＫ７基板１１に屈折率を一致させたアクリル系紫外線硬化接着剤を使用している。有機複屈折膜１３の厚みは約１００μｍであり、その屈折率は異常光線方向が、約１．５７９であり、常光線方向が約１．６７０となっている。また、オーバーコート層１４は厚みを約４０μｍとし、その屈折率をほぼ有機複屈折膜１３の異常光線方向の屈折率と合せた材料を使用している。ここではオーバーコート層１４は、上面側のＢＫ７基板１５との接着層も兼ねた構成になっている。また、上下の基板表面に設ける反射防止層としては、ＭｇＦ／ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２を使用した多層膜によって構成している。
【００１６】
次に、回折格子１６の形状について説明する。回折格子は深さを４．０μｍ、Dutyを約０．５、格子のピッチは２．０μｍとして形成している。ここで、格子の形成方向は基板１１と垂直な面から角度をつけて形成している。その角度としては、２°の傾きを持たせている。
【００１７】
次に、本実施例による偏光ホログラム素子１０の作製工程を簡単に説明する。始めに、ＢＫ７基板１１上に有機複屈折膜１３を、アクリル系紫外線硬化接着剤による接着層１２を用いて接着する。その後、公知のフォトリソ工程を経て、ドライエッチングによって回折格子形状を形成する。この際、図４に示すように、ドライエッチング装置の基板ホルダーをプラズマ照射方向から２°傾けて（即ち、水平面に対して基板を角度θ＝２°傾けて）エッチングを行うことにより、格子１６の形成方向を、基板１１と垂直な面から２°の角度をつけて形成している。その後、形成された回折格子１６上に、オーバーコート層１４としてエポキシ系の紫外線硬化樹脂をボッティングし、その上からＢＫ７基板１５を接着することによって、偏光ホログラム素子１０を作製する。
【００１８】
次に、本実施例による偏光ホログラム素子１０の回折特性について、図３を参照して詳細に説明する。本実施例に示すような矩形の回折格子１６の場合には、レーザー光を垂直入射させた場合には、約４０％の回折効率が得られる。このような素子を光ピックアップなどの偏光分離素子に使用する場合には、受光素子には片側の回折光のみを用いることになるため、もう片側の回折光は使用しない。つまり、片側の回折効率のみを向上させることができれば、受光効率が上がることになる。図３には、回折格子面に対して回折格子のストライプ方向（回折光発生方向）に入射光を傾けた場合の回折効率を示す（実測値）。図３に示すように、レーザー光の入射角度を変化させることによって、±１次光の回折効率に偏りを設けることが可能なことがわかる。第一実施例においては、回折格子の形成方向を２°傾け、実質的にレーザー入射光を２°傾けた構成としているため、回折効率が、＋１次で約５０％とすることができた。これによってレーザー光の利用効率が上がることになる。また、この際には０次回折光の上昇が懸念されるが、図３に示すように、ほぼ増加は見られていない。一方、格子内に上記構成のオーバーコート材料を充填しているため、偏光を９０°回転させたレーザー光においては、約９９％の透過率を示している。
【００１９】
次に、本実施例の偏光ホログラム素子の使用例を示す。図５は本実施例の偏光ホログラム素子を用いた光ピックアップ光学系の一例を示す概略構成図である。図５において、半導体レーザー（例えば波長６６０ｎｍのＬＤ）３１から出射されたレーザー光は、図１に示す構成の偏光ホログラム素子１０を通過し、カップリングレンズ３２を通過して略平行光束となり、位相板（例えばλ／４板）３３を通過し、コリメート対物レンズ３４により集光されて光ディスク（例えばＤＶＤ系光ディスク）３５に照射される。そして、光ディスク３５からの反射光は、コリメート対物レンズ３４を逆方向に通過して略平行光となるが、その反射光は光ディスク３５の読み取り、書き込みの情報を持っている。その反射光の情報を読み取るために、再度、偏光ホログラム素子１０を通過する際には、光路内に配置されている位相板（例えばλ／４板）３３の効果によって偏光方向がおおよそ９０°回転されているので、偏光ホログラム素子１０の回折格子１６により回折を受けることになる。そのため、光路を約５０％の回折効率で分岐することが可能になり、その回折光はフォトダイオード（ＰＤ）３６によって受光され、トラック信号、フォーカス信号、情報信号が検出される。
【００２０】
以上のように、本実施例の偏光ホログラム素子１０においては、回折格子１６の形成方向を基板面から傾けて形成することにより、使用する回折光の回折効率を向上することができる。また、回折格子１６の格子内をオーバーコート材料１４で充填し、その屈折率を有機複屈折膜１３の複屈折材料とマッチングさせることにより、偏光ホログラム素子の偏光分離機能を高機能で達成している。また、光学的異方性膜に延伸された高分子有機膜を使用することにより、より低価格での素子作製が可能である。また、回折格子面の上方に光学的等方性基板１５を接着することにより、波面収差特性の低下を抑えることができ、オーバーコート層１４により接着することにより、樹脂の共通化を図ることができ、コストも低減することができる。また、偏光ホログラム素子１０の表面に使用波長に対する無反射コーティングを施すことにより、透過率、回折効率などの特性が向上する。また、回折格子の形成方法に関しても、より容易な方法で所望の形状が形成できるため、容易に作製可能となる。
【００２１】
［実施例２］
次に、本発明の第二の実施例の偏光ホログラム素子について説明する。図２は本発明の第二の実施例を示す偏光ホログラム素子の概略断面図である。
本実施例による偏光ホログラム素子２０は、例えば波長６６０ｎｍのレーザー光に対する偏光ホログラム素子である。
【００２２】
本実施例による偏光ホログラム素子２０では、光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）２１としてＢＫ７基板を用い、そのＢＫ７基板２１の上に、アクリル系紫外線硬化接着剤による接着層２２を介して、ポリエステル系有機材料を延伸し作製した有機複屈折膜２３を接着した。そして有機複屈折膜２３を形成した基板上に、矩形回折格子２７を形成し、その上部に格子を埋め込む様にエポキシ系の紫外線硬化樹脂によるオーバーコート層２４を形成し、その上部に光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）として、位相板（例えばλ／４板）２５をあらかじめ形成したＢＫ７基板２６を接着して構成している。また、ここで上下のＢＫ７基板２１，２６の空気との界面には使用する波長に対する反射防止層を設けている。また、ここで回折格子２６の格子形成方向を図２に示すように、基板と垂直な面から角度をつけて形成している。その角度としては、４°の傾きを持たせている。
【００２３】
次に各構成の詳細について説明する。偏光ホログラム素子２０の上下のＢＫ７基板２１，２６は、上面側、下面側ともに、厚さ約１．０ｍｍの基板を使用している。接着層２２には界面での反射を極力避けるために、ＢＫ７基板２１に屈折率を一致させたアクリル系紫外線硬化接着剤を使用している。有機複屈折膜２３の厚みは約１００μｍであり、その屈折率は異常光線方向が、約１．５７９であり、常光線方向が約１．６７０となっている。また、有機複屈折膜２３を接着する際に、ＢＫ７基板２１面との角度を約４°となるように接着している。さらに、オーバーコート層２４は厚みを約４０μｍとし、その屈折率をほぼ有機複屈折膜２３の異常光線方向の屈折率と合せた材料を使用している。ここではオーバーコート層２４は、表面にあらかじめλ／４板２５を形成したＢＫ７基板２６との接着層も兼ねた構成になっている。ここで、λ／４板２５は、ポリエステル系の位相差膜よりなり、膜厚は約１００μｍで、粘着材を用いてＢＫ７基板２６に接着している。また、上下の基板表面に設ける反射防止層としては、ＭｇＦ／ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２を使用した多層膜によって構成している。
【００２４】
次に、回折格子の形状について説明する。回折格子は深さを４．０μｍ、Dutyを約０．５、格子のピッチは２．０μｍとして形成している。ここで、格子の形成方向は、基板と垂直な面から角度をつけて形成している。その角度としては、４°の傾きを持たせている。
【００２５】
次に、本実施例による偏光ホログラム素子２０の作製工程を簡単に説明する。始めに、ＢＫ７基板２１上に有機複屈折膜２３を、アクリル系紫外線硬化接着剤による接着層２２を用いて接着する。その後、公知のフォトリソ工程を経て、ドライエッチングによって回折格子形状を形成する。この際、図４に示すように、ドライエッチング装置の基板ホルダーをプラズマ照射方向から４°傾けて（即ち、水平面に対して基板を角度θ＝４°傾けて）エッチングを行うことにより、格子２７の形成方向を、基板２１と垂直な面から４°の角度をつけて形成している。その後、形成された回折格子２７上に、オーバーコート層２４としてエポキシ系の紫外線硬化樹脂をボッティングし、その上から表面にあらかじめλ／４板２５を形成したＢＫ７基板２６を接着することによって、偏光ホログラム素子２０を作製する。
【００２６】
次に、本実施例による偏光ホログラム素子２０の回折特性について、図３を参照して詳細に説明する。本実施例に示すような矩形の回折格子１６の場合には、レーザー光を垂直入射させた場合には、約４０％の回折効率が得られる。このような素子を光ピックアップなどの偏光分離素子に使用する場合には、受光素子には片側の回折光のみを用いることになるため、もう片側の回折光は使用しない。つまり、片側の回折効率のみを向上させることができれば、受光効率が上がることになる。図３には、回折格子面に対して回折格子のストライプ方向（回折光発生方向）に入射光を傾けた場合の回折効率を示す（実測値）。図３に示すように、レーザー光の入射角度を変化させることによって、±１次光の回折効率に偏りを設けることが可能なことがわかる。第二実施例においては、回折格子の形成方向を４°傾け、実質的にレーザー入射光を４°傾けた構成としているため、回折効率が、＋１次で約５６％とすることができた。これによってレーザー光の利用効率が上がることになる。また、この際には０次回折光の上昇が懸念されるが、図３に示すように、ほぼ増加は見られていない。一方、格子内に上記構成のオーバーコート材料を充填しているため、偏光を９０°回転させたレーザー光においては、約９９％の透過率を示している。また、λ／４板２５を一体で形成しているため、直線偏光を入射させると、円偏光で出射される。この機能によって、光ピックアップのような往復光路を持った光学系において、往復の光路を分離することが可能になる。
【００２７】
次に、本実施例の偏光ホログラム素子の使用例を示す。図６は本実施例の偏光ホログラム素子を用いた光ピックアップ光学系の一例を示す概略構成図である。図６において、半導体レーザー（例えば波長６６０ｎｍのＬＤ）４１から出射されたレーザー光は、図２に示す構成の偏光ホログラム素子２０を通過し、カップリングレンズ４２を通過して略平行光束なり、コリメート対物レンズ４３により集光されて光ディスク（例えばＤＶＤ系光ディスク）４４に照射される。そして、光ディスク４４からの反射光は、コリメート対物レンズ４３を逆方向に通過して略平行光となるが、その反射光は光ディスク４４の読み取り、書き込みの情報を持っている。その反射光の情報を読み取るために、再度、偏光ホログラム素子２０を通過する際には、素子内に一体に配置されている位相板（λ／４板）２５の効果によって偏光方向がおおよそ９０°回転されているので、偏光ホログラム素子２０の回折格子２７により回折を受けることになる。そのため、光路を約５６％の回折効率で分岐することが可能になり、その回折光はフォトダイオード（ＰＤ）４５によって受光され、トラック信号、フォーカス信号、情報信号が検出される。
【００２８】
以上のように、本実施例の偏光ホログラム素子２０においては、回折格子２７の形成方向を基板面から傾けて形成することにより、使用する回折光の回折効率を向上することができる。また、回折格子２７の格子内をオーバーコート材料２４で充填し、その屈折率を有機複屈折膜２３の複屈折材料とマッチングさせることにより、偏光ホログラム素子の偏光分離機能を高機能で達成している。また、異方性膜に延伸された高分子有機膜を使用することにより、より低価格での素子作製が可能である。また、回折格子面の上方に光学的等方性基板２６を接着することにより、波面収差特性の低下を抑えることができ、オーバーコート層２４により接着することにより、樹脂の共通化を図ることができ、コストも低減することができる。また、位相板（λ／４板）２５を一体化することにより、直線偏光を円偏光に変換する機能を付加することができる。また、偏光ホログラム素子２０の表面に使用波長に対する無反射コーティングを施すことにより、透過率、回折効率などの特性が向上する。また、回折格子の形成方法に関しても、より容易な方法で所望の形状が形成できるため、容易に作製可能となる。
【００２９】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明では、上記の実施例のような材料や構成に限定されるものではなく、また、各材料の厚みや屈折率等も限定されるものではなく、使用される光学系やシステムによって、最適設計がなされるものである。また、本発明の実施例においては、波長が６６０ｎｍについての素子を例に挙げているが、波長７８０ｎｍ用や、二波長用なども格子深さを変更することで対応可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明では、光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）と、その光学的等方性基板上に形成された光学的に透明な異方性材料（光学的異方性材料）と、該光学的異方性材料の表面に形成された凹凸状の回折格子と、その格子内に充填される等方性材料と、さらにその表面を覆う光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）とからなる偏光ホログラム素子において、前記回折格子の格子形成方向を、基板面と垂直な方向から傾けて形成し、前記回折格子の格子部分の側面が平行で、基板面に対して同じ方向に傾斜している構成としたので、実際に使用する回折光の効率を向上することができる。また、これに伴い、格子深さを浅くすることでも同様の効率を得ることができるため、素子の加工時間も短縮することができる。
【００３１】
請求項２に係る発明では、請求項１記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料の常光線方向屈折率もしくは異常光線方向屈折率のいずれかの屈折率と、前記回折格子内に充填される等方性材料の屈折率がほぼ同一である構成としたので、偏光ホログラム素子の偏光特性向上と回折効率の向上を達成することができる。
また、請求項３に係る発明では、請求項１または２記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料は、有機材料である構成としたので、材料の低コスト化と加工性の向上を達成することができる。
さらに、請求項４に係る発明では、請求項３記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的異方性材料は、延伸された高分子有機材料である構成としたので、材料の低コスト化と加工性の向上を達成することができる。
【００３２】
請求項５に係る発明では、請求項１〜４のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、前記回折格子を形成した面の上部に光学的に透明な等方性基板（光学的等方性基板）を、接着層を介して形成している構成としたので、回折効率の向上とともに波面収差特性の向上を達成することができる。
また、請求項６に係る発明では、請求項５記載の偏光ホログラム素子において、前記光学的等方性基板を接着している接着剤が、前記回折格子を充填している材料と同一である構成としたので、請求項５の構成において材料を共通化することでの低コスト化を達成することができる。
さらに、請求項７に係る発明では、請求項１〜６のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、偏光ホログラム素子と使用波長に対して一定の位相差を持つ位相板を一体で構成している構成としたので、偏光ホログラム素子の多機能化を達成することができる。
さらに請求項８に係る発明では、請求項１〜７のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子において、偏光ホログラム素子外部との境界には、使用波長に対して反射を低減させるコーティングが施してある構成としたので、偏光ホログラム素子の透過率の向上による光学特性の向上を達成することができる。
【００３３】
請求項９に係る発明では、請求項１〜８のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子を作製する際の製造方法であって、光学的等方性基板上に光学的異方性材料を形成し、該光学的異方性材料の表面に凹凸状の回折格子を形成し、その格子内に等方性材料を充填し、その表面をさらに光学的等方性基板で覆ってなり、前記回折格子の格子形成方向を基板面と垂直な方向から傾けて形成し、前記回折格子の格子部分の側面が平行で、基板面に対して同じ方向に傾斜している構成とした偏光ホログラム素子の製造方法において、前記回折格子部分は、異方性ドライエッチング方法により加工され、かつ、基板をエッチング方向から傾けて配置することで、回折格子の角度を規定し、作製することを特徴としたので、請求項１〜８のいずれか一つに記載の偏光ホログラム素子の容易な加工方法の提供を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す偏光ホログラム素子の概略断面図である。
【図２】本発明の第二の実施例を示す偏光ホログラム素子の概略断面図である。
【図３】本発明の第一、第二の実施例の偏光ホログラム素子における光入射角度と回折効率の関係を示す図である。
【図４】基板上の有機複屈折膜にドライエッチングによって回折格子形状を形成する際の説明図である。
【図５】図１に示す偏光ホログラム素子を用いた光ピックアップ光学系の一例を示す概略構成図である。
【図６】図２に示す偏光ホログラム素子を用いた光ピックアップ光学系の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０，２０：偏光ホログラム素子
１１，１５，２１，２６：ＢＫ７基板（光学的等方性基板）
１２，２２：接着層
１３，２３：有機複屈折膜（光学的異方性材料）
１４，２４：オーバーコート層（等方性材料）
１６，２７：回折格子
２５：位相板（λ／４板）
３１，４１：半導体レーザー（ＬＤ）
３２，４２：カップリングレンズ
３３：位相板（λ／４板）
３４，４３：コリメート対物レンズ
３５，４４：光ディスク
３６，４５：フォトダイオード（ＰＤ）
θ：ドライエッチング時の基板の水平面とのなす角度[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization hologram element for separating polarized light according to the polarization state of incident light and a manufacturing method thereof. The application relates to a polarization hologram element used in an optical pickup optical system for an optical disk, and in particular, a polarization used in an optical pickup optical system for reading or writing to optical recording media having different recording densities. The present invention relates to a hologram element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, optical pickup devices corresponding to various optical recording media have been researched and developed. One is an optical pickup device for reading and writing on a CD (Compact Disc) optical disk using a laser beam having a wavelength of 780 nm, and also a DVD (Digital Versatile Disc) optical disk using a laser beam having a wavelength of about 660 nm. This is an optical pickup device for reading and writing. In addition, as a future high-density optical disc, an optical pickup device for an optical disc using blue laser light has been actively researched and developed. Although the optical pickup apparatus described above has individual technical problems, it has common problems such as downsizing and cost reduction of the optical pickup part, and developments for these problems are active.
[0003]
As an effective configuration for miniaturization and cost reduction of the optical pickup device, an optical system using a polarization hologram element as a polarization separation element is employed. This polarization hologram element is an element for separating the forward path and the return path of laser light by utilizing light diffraction by a diffraction grating (hologram), and conventionally a polarization beam splitter or the like has been used as a polarization separation element. In addition to solving the large-sized part of the optical system, the signal detection element can be placed on the same plane as the laser emission, which makes it easy to design the optical path and reduce the number of parts. Yes. In addition, even when writing and reading of a plurality of types of optical recording media having different recording densities are performed with a single optical pickup device, it is considered that the optical path can be shared, so that it is an effective optical system. A conventional example of a polarization hologram element is shown below.
[0004]
As a first conventional example, a method for manufacturing a polarization hologram element described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-199820, which is an example of a general polarization hologram element, will be described. In this conventional example, lithium niobate (LiNbO) which is a birefringent material is used. ₃ ) A polarization hologram element is manufactured using a substrate.
However, in this conventional example, lithium niobate (LiNbO ₃ ) Since the substrate is used, there are problems that the substrate is expensive and it is difficult to narrow the pitch of the diffraction grating pattern in terms of workability, and the diffraction angle cannot be increased. Therefore, in this conventional example, it is not possible to supply the polarization hologram element at a low cost and to downsize the optical system using the polarization hologram element.
[0005]
Next, as a second conventional example, a polarization separation element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221325 is shown. In this conventional example, a low-cost polarization separation element is provided by forming an organic film (polyacetylene alignment film) on an optically isotropic substrate.
As a third conventional example, a polarization separation element described in JP-A-2000-75130 is shown. Also in this conventional example, a low-cost polarization separation element is provided by forming a polymer film having birefringence on an optically isotropic substrate.
In these two conventional examples, the cost of the element can be reduced, and the grating pitch can also be narrowed. Therefore, the low cost supply of the element and the optical system using the polarization hologram element are provided. It is possible to reduce the size.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the second and third conventional examples, the diffraction grating itself is formed in a rectangular shape. This is for increasing the diffraction efficiency and suppressing the transmittance (0th-order diffraction efficiency) with respect to the diffracted laser beam in the polarization direction.
However, when a rectangular diffraction grating is manufactured, the ± 1st-order diffraction efficiency remains at a maximum of about 40%. Therefore, in order to increase the signal detection efficiency, further improvement in efficiency is necessary.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a polarization hologram element having a novel configuration that solves the conventional problems and a method for manufacturing the same, and in particular, to improve the diffraction efficiency of the polarization hologram element. The purpose is to shorten the processing time associated therewith. More specifically, the polarization characteristics of polarization hologram elements are improved and the diffraction efficiency is improved, the cost of the elements is reduced along with the cost reduction of materials, the processing characteristics are improved by materials that are easy to process, the diffraction efficiency is improved, and the wavefront aberration is increased. The purpose is to improve the optical characteristics by improving the characteristics, reducing the cost of the element by sharing the material, making the polarization hologram element multifunctional, and improving the transmittance of the polarization hologram element. The object is to provide an easy processing method of the element.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a means for achieving the above object, the invention according to claim 1 includes an optically transparent isotropic substrate (hereinafter referred to as an optically isotropic substrate) and an optically isotropic substrate. An optically transparent anisotropic material formed (hereinafter referred to as an optically anisotropic material), an uneven diffraction grating formed on the surface of the optically anisotropic material, In a polarization hologram element comprising an isotropic material to be filled and an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) covering the surface of the isotropic diffraction element, lattice Forming direction perpendicular to the substrate surface Na The substrate is formed by tilting from the direction, and the side surface of the grating part of the diffraction grating is parallel, surface Against In the same direction The configuration is inclined.
The operation of this polarization hologram element is that the polarization of the laser beam is separated using a polarizing diffraction grating formed on the surface of an optically anisotropic material, and the transmittance and diffraction efficiency are determined by two orthogonal polarization directions. The polarized light is separated by changing. Here, in order to improve the efficiency, in the polarization hologram element, the diffraction grating lattice Forming direction perpendicular to the substrate surface Na It is tilted from the direction. Thereby, the diffraction efficiency of the required direction of 1st-order diffracted light can be improved.
[0009]
The invention according to claim 2 is the polarizing hologram element according to claim 1, wherein either the ordinary refractive index or the extraordinary ray refractive index of the optically anisotropic material is included in the diffraction grating. The isotropic material to be filled is configured to have substantially the same refractive index.
The invention according to claim 3 is the polarization hologram element according to claim 1 or 2, wherein the optically anisotropic material is an organic material.
The invention according to claim 4 is the polarization hologram element according to claim 3, wherein the optically anisotropic material is a stretched polymer organic material.
[0010]
The invention according to claim 5 is the polarizing hologram element according to any one of claims 1 to 4, wherein an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic) is formed on the upper surface of the diffraction grating. The conductive substrate) is formed through an adhesive layer.
The invention according to claim 6 is the polarization hologram element according to claim 5, wherein the adhesive that bonds the optically isotropic substrate is the same as the material that fills the diffraction grating. It is what.
Furthermore, the invention according to claim 7 is the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 6, wherein the polarization hologram element and the phase plate having a certain phase difference with respect to the used wavelength are integrally configured. It is the composition which has.
Furthermore, the invention according to claim 8 is the polarizing hologram element according to any one of claims 1 to 7, wherein a coating that reduces reflection with respect to a used wavelength is applied to a boundary with the outside of the polarizing hologram element. It has a certain configuration.
[0011]
The invention according to claim 9 is a manufacturing method for manufacturing the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 8, wherein an optically anisotropic material is provided on an optically isotropic substrate. Forming an uneven diffraction grating on the surface of the optically anisotropic material, filling the grating with an isotropic material, and further covering the surface with an optically isotropic substrate, Diffraction grating lattice Forming direction perpendicular to substrate surface Na The substrate is formed by tilting from the direction, and the side surface of the grating part of the diffraction grating is parallel, surface Against In the same direction In the method of manufacturing a polarization hologram element having a tilted configuration, the diffraction grating portion is processed by an anisotropic dry etching method, and the substrate is tilted from the etching direction so that the angle of the diffraction grating is increased. It is characterized by defining and producing.
The operation of the produced polarization hologram element is the same as that of the polarization hologram element of claims 1-8. Here, by tilting the substrate and making it by anisotropic dry etching, in the polarization hologram element, the diffraction grating lattice Forming direction perpendicular to the substrate surface Na It is possible to configure by tilting from the direction.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the configuration, operation and action of the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
[0013]
[Example 1]
First, the polarization hologram element of the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic sectional view of a polarization hologram element showing a first embodiment of the present invention.
The polarization hologram element 10 according to the present embodiment is a polarization hologram element for laser light having a wavelength of 660 nm, for example.
[0014]
In the polarization hologram element 10 according to the present embodiment, a BK7 substrate is used as the optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) 11, and the BK7 substrate 11 is bonded with an acrylic ultraviolet curing adhesive. An organic birefringent film 13 produced by stretching a polyester organic material was bonded via the layer 12. Then, a rectangular diffraction grating 16 is formed on the substrate on which the organic birefringent film 13 is formed, an overcoat layer 14 made of an epoxy-based ultraviolet curable resin is formed so as to embed the grating thereon, and optically formed thereon. A BK7 substrate 15 is bonded and configured as a transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate). Here, an antireflection layer for the wavelength to be used is provided at the interface between the upper and lower BK7 substrates 11 and 15 with the air. Further, here, the diffraction grating 16 is formed at an angle from a plane perpendicular to the substrate, as shown in FIG. The angle is 2 °.
[0015]
Next, details of each component will be described. The upper and lower BK7 substrates 11 and 15 of the polarization hologram element 10 are substrates having a thickness of about 1.0 mm on both the upper surface side and the lower surface side. In order to avoid reflection at the interface as much as possible, the adhesive layer 12 uses an acrylic ultraviolet curable adhesive having a refractive index matched to that of the BK7 substrate 11. The thickness of the organic birefringent film 13 is about 100 μm, and the refractive index thereof is about 1.579 in the extraordinary ray direction and about 1.670 in the ordinary ray direction. Further, the overcoat layer 14 is made of a material having a thickness of about 40 μm and a refractive index almost equal to the refractive index of the organic birefringent film 13 in the extraordinary ray direction. Here, the overcoat layer 14 is configured to also serve as an adhesive layer with the BK7 substrate 15 on the upper surface side. Moreover, as an antireflection layer provided on the upper and lower substrate surfaces, MgF / TiO ₂ / SiO ₂ It is comprised by the multilayer film which uses this.
[0016]
Next, the shape of the diffraction grating 16 will be described. The diffraction grating is formed with a depth of 4.0 μm, a duty of about 0.5, and a pitch of the grating of 2.0 μm. Here, the lattice is formed at an angle from a plane perpendicular to the substrate 11. The angle is 2 °.
[0017]
Next, a manufacturing process of the polarization hologram element 10 according to the present embodiment will be briefly described. First, the organic birefringent film 13 is bonded onto the BK7 substrate 11 using the adhesive layer 12 made of an acrylic ultraviolet curing adhesive. Thereafter, a diffraction grating shape is formed by dry etching through a known photolithography process. At this time, as shown in FIG. 4, the etching is performed by tilting the substrate holder of the dry etching apparatus by 2 ° from the plasma irradiation direction (that is, tilting the substrate at an angle θ = 2 ° with respect to the horizontal plane). Is formed at an angle of 2 ° with respect to a plane perpendicular to the substrate 11. Thereafter, an epoxy-based ultraviolet curable resin is botted as the overcoat layer 14 on the formed diffraction grating 16, and the BK7 substrate 15 is adhered thereon to manufacture the polarization hologram element 10.
[0018]
Next, the diffraction characteristics of the polarization hologram element 10 according to this embodiment will be described in detail with reference to FIG. In the case of the rectangular diffraction grating 16 as shown in the present embodiment, a diffraction efficiency of about 40% can be obtained when the laser beam is vertically incident. When such an element is used for a polarization separation element such as an optical pickup, only the diffracted light on one side is used for the light receiving element, so the diffracted light on the other side is not used. That is, if only the diffraction efficiency on one side can be improved, the light receiving efficiency will increase. FIG. 3 shows diffraction efficiency when incident light is tilted in the stripe direction of the diffraction grating (diffracted light generation direction) with respect to the diffraction grating surface (actual measurement value). As shown in FIG. 3, it can be seen that the diffraction efficiency of ± first-order light can be biased by changing the incident angle of the laser light. In the first embodiment, the diffraction grating formation direction is inclined by 2 ° and the laser incident light is substantially inclined by 2 °, so that the diffraction efficiency can be about 50% in the + 1st order. This increases the utilization efficiency of the laser beam. Further, in this case, there is a concern about the rise of the 0th-order diffracted light, but almost no increase is seen as shown in FIG. On the other hand, since the overcoat material having the above-described configuration is filled in the grating, the laser beam obtained by rotating the polarized light by 90 ° shows a transmittance of about 99%.
[0019]
Next, a usage example of the polarization hologram element of the present embodiment will be shown. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical pickup optical system using the polarization hologram element of this embodiment. In FIG. 5, a laser beam emitted from a semiconductor laser (for example, an LD having a wavelength of 660 nm) 31 passes through the polarization hologram element 10 having the configuration shown in FIG. 1, passes through a coupling lens 32, and becomes a substantially parallel light beam. The light passes through a plate (for example, a λ / 4 plate) 33, is condensed by a collimating objective lens 34, and is applied to an optical disk (for example, a DVD-based optical disk) 35. The reflected light from the optical disk 35 passes through the collimating objective lens 34 in the reverse direction and becomes substantially parallel light. The reflected light has information on reading and writing of the optical disk 35. In order to read the information of the reflected light, when passing through the polarization hologram element 10 again, the polarization direction is rotated approximately 90 ° by the effect of the phase plate (for example, λ / 4 plate) 33 arranged in the optical path. Therefore, it is diffracted by the diffraction grating 16 of the polarization hologram element 10. Therefore, the optical path can be branched with a diffraction efficiency of about 50%. The diffracted light is received by the photodiode (PD) 36, and a track signal, a focus signal, and an information signal are detected.
[0020]
As described above, in the polarization hologram element 10 of the present embodiment, the diffraction efficiency of the diffracted light to be used can be improved by forming the diffraction grating 16 inclined from the substrate surface. Moreover, the polarization separation function of the polarization hologram element is achieved with high functionality by filling the grating of the diffraction grating 16 with the overcoat material 14 and matching the refractive index with the birefringence material of the organic birefringence film 13. Yes. Further, by using a polymer organic film stretched to the optically anisotropic film, it is possible to fabricate an element at a lower cost. Further, by adhering the optically isotropic substrate 15 above the diffraction grating surface, it is possible to suppress the deterioration of the wavefront aberration characteristics, and by adhering with the overcoat layer 14, it is possible to make the resin common. And cost can be reduced. Further, by providing the surface of the polarization hologram element 10 with an anti-reflection coating for the used wavelength, characteristics such as transmittance and diffraction efficiency are improved. Also, with respect to the method of forming the diffraction grating, since a desired shape can be formed by an easier method, it can be easily manufactured.
[0021]
[Example 2]
Next, a polarization hologram element according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic sectional view of a polarization hologram element showing a second embodiment of the present invention.
The polarization hologram element 20 according to the present embodiment is a polarization hologram element for laser light having a wavelength of 660 nm, for example.
[0022]
In the polarization hologram element 20 according to the present embodiment, a BK7 substrate is used as the optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) 21, and the BK7 substrate 21 is bonded with an acrylic ultraviolet curing adhesive. An organic birefringent film 23 produced by stretching a polyester organic material was bonded via the layer 22. Then, a rectangular diffraction grating 27 is formed on the substrate on which the organic birefringent film 23 is formed, an overcoat layer 24 made of an epoxy-based ultraviolet curable resin is formed so as to embed the grating thereon, and optically formed thereon. As a transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate), a BK7 substrate 26 on which a phase plate (for example, a λ / 4 plate) 25 is previously formed is bonded. In addition, an antireflection layer for the wavelength to be used is provided at the interface between the upper and lower BK7 substrates 21 and 26 with air. In addition, the diffraction grating 26 is formed at an angle from a plane perpendicular to the substrate, as shown in FIG. The angle is 4 °.
[0023]
Next, details of each component will be described. The upper and lower BK7 substrates 21 and 26 of the polarization hologram element 20 are substrates having a thickness of about 1.0 mm on both the upper surface side and the lower surface side. In order to avoid reflection at the interface as much as possible, an acrylic UV curable adhesive having a refractive index matched to that of the BK7 substrate 21 is used for the adhesive layer 22. The thickness of the organic birefringent film 23 is about 100 μm, and its refractive index is about 1.579 in the extraordinary ray direction and about 1.670 in the ordinary ray direction. Further, when the organic birefringent film 23 is adhered, the organic birefringent film 23 is adhered so that the angle with the BK7 substrate 21 surface is about 4 °. Further, the overcoat layer 24 is made of a material having a thickness of about 40 μm and a refractive index substantially equal to the refractive index of the organic birefringent film 23 in the extraordinary ray direction. Here, the overcoat layer 24 is configured to also serve as an adhesive layer with the BK7 substrate 26 on which the λ / 4 plate 25 is formed in advance. Here, the λ / 4 plate 25 is made of a polyester-based retardation film, has a thickness of about 100 μm, and is adhered to the BK7 substrate 26 using an adhesive material. Moreover, as an antireflection layer provided on the upper and lower substrate surfaces, MgF / TiO ₂ / SiO ₂ It is comprised by the multilayer film which uses this.
[0024]
Next, the shape of the diffraction grating will be described. The diffraction grating is formed with a depth of 4.0 μm, a duty of about 0.5, and a pitch of the grating of 2.0 μm. Here, the lattice is formed at an angle from a plane perpendicular to the substrate. The angle is 4 °.
[0025]
Next, a manufacturing process of the polarization hologram element 20 according to the present embodiment will be briefly described. First, the organic birefringent film 23 is bonded onto the BK7 substrate 21 by using an adhesive layer 22 made of an acrylic ultraviolet curing adhesive. Thereafter, a diffraction grating shape is formed by dry etching through a known photolithography process. At this time, as shown in FIG. 4, etching is performed by tilting the substrate holder of the dry etching apparatus by 4 ° from the plasma irradiation direction (that is, tilting the substrate at an angle θ = 4 ° with respect to the horizontal plane). Is formed at an angle of 4 ° with respect to a plane perpendicular to the substrate 21. Thereafter, by botting an epoxy-based ultraviolet curable resin as the overcoat layer 24 on the formed diffraction grating 27 and bonding a BK7 substrate 26 on which a λ / 4 plate 25 is previously formed on the surface thereof, The polarization hologram element 20 is produced.
[0026]
Next, the diffraction characteristics of the polarization hologram element 20 according to this embodiment will be described in detail with reference to FIG. In the case of the rectangular diffraction grating 16 as shown in the present embodiment, a diffraction efficiency of about 40% can be obtained when the laser beam is vertically incident. When such an element is used for a polarization separation element such as an optical pickup, only the diffracted light on one side is used for the light receiving element, so the diffracted light on the other side is not used. That is, if only the diffraction efficiency on one side can be improved, the light receiving efficiency will increase. FIG. 3 shows diffraction efficiency when incident light is tilted in the stripe direction of the diffraction grating (diffracted light generation direction) with respect to the diffraction grating surface (actual measurement value). As shown in FIG. 3, it can be seen that the diffraction efficiency of ± first-order light can be biased by changing the incident angle of the laser light. In the second embodiment, the diffraction grating was formed at an angle of 4 ° and the laser incident light was substantially inclined by 4 °, so that the diffraction efficiency was about 56% in the + 1st order. This increases the utilization efficiency of the laser beam. Further, in this case, there is a concern about the rise of the 0th-order diffracted light, but almost no increase is seen as shown in FIG. On the other hand, since the overcoat material having the above-described configuration is filled in the lattice, the laser beam obtained by rotating the polarized light by 90 ° shows a transmittance of about 99%. Further, since the λ / 4 plate 25 is formed integrally, when linearly polarized light is incident, it is emitted as circularly polarized light. This function makes it possible to separate the reciprocating optical path in an optical system having a reciprocating optical path such as an optical pickup.
[0027]
Next, a usage example of the polarization hologram element of the present embodiment will be shown. FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical pickup optical system using the polarization hologram element of this embodiment. In FIG. 6, a laser beam emitted from a semiconductor laser (for example, an LD having a wavelength of 660 nm) 41 passes through the polarization hologram element 20 having the configuration shown in FIG. 2, passes through the coupling lens 42, becomes a substantially parallel light beam, and collimates. The light is condensed by the objective lens 43 and irradiated onto an optical disk (for example, a DVD optical disk) 44. The reflected light from the optical disk 44 passes through the collimator objective lens 43 in the reverse direction and becomes substantially parallel light. The reflected light has information on reading and writing of the optical disk 44. In order to read the information of the reflected light, when passing through the polarization hologram element 20 again, the polarization direction is approximately 90 ° due to the effect of the phase plate (λ / 4 plate) 25 disposed integrally in the element. Since it is rotated, it is diffracted by the diffraction grating 27 of the polarization hologram element 20. Therefore, the optical path can be branched with a diffraction efficiency of about 56%. The diffracted light is received by the photodiode (PD) 45, and a track signal, a focus signal, and an information signal are detected.
[0028]
As described above, in the polarization hologram element 20 of the present embodiment, the diffraction efficiency of the diffracted light to be used can be improved by forming the diffraction grating 27 to be inclined with respect to the substrate surface. Further, the polarization separation function of the polarization hologram element can be achieved with high functionality by filling the grating of the diffraction grating 27 with the overcoat material 24 and matching the refractive index with the birefringence material of the organic birefringence film 23. Yes. Further, by using a polymer organic film stretched on an anisotropic film, it is possible to fabricate a device at a lower price. Further, by adhering the optically isotropic substrate 26 above the diffraction grating surface, it is possible to suppress deterioration of the wavefront aberration characteristics, and by adhering with the overcoat layer 24, it is possible to make the resin common. And cost can be reduced. Further, by integrating the phase plate (λ / 4 plate) 25, a function of converting linearly polarized light into circularly polarized light can be added. Further, by providing the surface of the polarization hologram element 20 with an anti-reflection coating for the used wavelength, characteristics such as transmittance and diffraction efficiency are improved. Also, with respect to the method of forming the diffraction grating, since a desired shape can be formed by an easier method, it can be easily manufactured.
[0029]
As mentioned above, although the Example of this invention was described, in this invention, it is not limited to a material and a structure like said Example, Moreover, the thickness, refractive index, etc. of each material are not limited. Rather, the optimum design is made according to the optical system and system used. In the embodiment of the present invention, an element with a wavelength of 660 nm is taken as an example, but the wavelength for 780 nm or for two wavelengths can be dealt with by changing the grating depth.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, in the invention according to claim 1, an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) and an optically transparent substrate formed on the optically isotropic substrate. An anisotropic material (an optically anisotropic material), an uneven diffraction grating formed on the surface of the optically anisotropic material, an isotropic material filled in the grating, and its surface In a polarization hologram element comprising an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) covering the diffraction grating, lattice Forming direction perpendicular to the substrate surface Na The substrate is formed by tilting from the direction, and the side surface of the grating part of the diffraction grating is parallel, surface Against In the same direction Since the structure is inclined, the efficiency of the actually used diffracted light can be improved. Accordingly, since the same efficiency can be obtained by reducing the grating depth, the processing time of the element can also be shortened.
[0031]
In the invention according to claim 2, in the polarization hologram element according to claim 1, the refractive index of either the ordinary ray direction refractive index or the extraordinary ray direction refractive index of the optically anisotropic material, and the diffraction grating Since the refractive index of the filled isotropic material is substantially the same, it is possible to improve the polarization characteristics and the diffraction efficiency of the polarization hologram element.
In the invention according to claim 3, in the polarization hologram element according to claim 1 or 2, the optically anisotropic material is an organic material, so that the cost of the material is reduced and the workability is improved. Can be achieved.
Furthermore, in the invention according to claim 4, in the polarization hologram element according to claim 3, the optically anisotropic material is a stretched polymer organic material. An improvement in sex can be achieved.
[0032]
According to a fifth aspect of the present invention, in the polarization hologram element according to any one of the first to fourth aspects, an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic) is formed on the upper surface of the diffraction grating. Since the substrate is formed through the adhesive layer, the diffraction efficiency can be improved and the wavefront aberration characteristics can be improved.
In the invention according to claim 6, in the polarization hologram element according to claim 5, the adhesive that adheres the optically isotropic substrate is the same as the material that fills the diffraction grating. Therefore, the cost can be reduced by using the same material in the configuration of claim 5.
Furthermore, in the invention according to claim 7, in the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 6, the polarization hologram element and the phase plate having a certain phase difference with respect to the used wavelength are integrally configured. With this configuration, it is possible to achieve multi-functionalization of the polarization hologram element.
Further, in the invention according to claim 8, in the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 7, a coating for reducing reflection with respect to a used wavelength is applied to a boundary with the outside of the polarization hologram element. Since it has a certain configuration, it is possible to achieve an improvement in optical characteristics by improving the transmittance of the polarization hologram element.
[0033]
The invention according to claim 9 is a manufacturing method for producing the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 8, wherein an optically anisotropic material is provided on an optically isotropic substrate. Forming an uneven diffraction grating on the surface of the optically anisotropic material, filling the grating with an isotropic material, and further covering the surface with an optically isotropic substrate, Diffraction grating lattice Forming direction perpendicular to substrate surface Na The substrate is formed by tilting from the direction, and the side surface of the grating part of the diffraction grating is parallel, surface Against In the same direction In the method of manufacturing a polarization hologram element having a tilted configuration, the diffraction grating portion is processed by an anisotropic dry etching method, and the substrate is tilted from the etching direction so that the angle of the diffraction grating is increased. Since it is defined and manufactured, provision of an easy processing method for a polarization hologram element according to any one of claims 1 to 8 can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a polarization hologram element showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a polarization hologram element showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the light incident angle and the diffraction efficiency in the polarization hologram elements of the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram when a diffraction grating shape is formed by dry etching on an organic birefringent film on a substrate.
5 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical pickup optical system using the polarization hologram element shown in FIG.
6 is a schematic configuration diagram showing an example of an optical pickup optical system using the polarization hologram element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
10, 20: Polarization hologram element
11, 15, 21, 26: BK7 substrate (optically isotropic substrate)
12, 22: Adhesive layer
13, 23: Organic birefringent film (optically anisotropic material)
14, 24: Overcoat layer (isotropic material)
16, 27: Diffraction grating
25: Phase plate (λ / 4 plate)
31, 41: Semiconductor laser (LD)
32, 42: Coupling lens
33: Phase plate (λ / 4 plate)
34, 43: Collimating objective lens
35, 44: Optical disc
36, 45: Photodiode (PD)
θ: Angle formed with the horizontal plane of the substrate during dry etching

Claims

An optically transparent isotropic substrate (hereinafter referred to as an optically isotropic substrate) and an optically transparent anisotropic material (hereinafter referred to as an optically different material) formed on the optically isotropic substrate. An isotropic material), an uneven diffraction grating formed on the surface of the optically anisotropic material, an isotropic material filled in the grating, and an optically transparent covering the surface In a polarization hologram element comprising an isotropic substrate (optical isotropic substrate),
The grating forming direction of the diffraction grating is inclined from a direction perpendicular to the substrate surface, and the side surface of the grating part of the diffraction grating is parallel and inclined in the same direction with respect to the substrate surface . A characteristic polarization hologram element.

The polarization hologram element according to claim 1,
The refractive index of either the ordinary ray direction refractive index or the extraordinary ray direction refractive index of the optically anisotropic material is substantially the same as the refractive index of the isotropic material filled in the diffraction grating. A polarization hologram element.

The polarization hologram element according to claim 1 or 2,
The polarization hologram element, wherein the optically anisotropic material is an organic material.

The polarization hologram element according to claim 3, wherein
The polarization hologram element, wherein the optically anisotropic material is a stretched polymer organic material.

In the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 4,
A polarization hologram element, wherein an optically transparent isotropic substrate (optical isotropic substrate) is formed above an upper surface of the diffraction grating via an adhesive layer.

The polarization hologram element according to claim 5, wherein
A polarization hologram element, wherein an adhesive that bonds the optically isotropic substrate is the same as a material that fills the diffraction grating.

In the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 6,
1. A polarization hologram element comprising a polarization hologram element and a phase plate having a certain phase difference with respect to a wavelength used as a unit.

In the polarization hologram element according to any one of claims 1 to 7,
A polarization hologram element characterized in that a coating for reducing reflection with respect to a used wavelength is applied to a boundary with the outside of the polarization hologram element.

A method for producing the polarization hologram element according to claim 1, wherein an optically anisotropic material is formed on an optically isotropic substrate, and the optically anisotropic material is formed. surface to form an uneven grating sexual material, filled with an isotropic material into the lattice, becomes more covered by optically isotropic substrate the surface, the substrate lattice formation direction of the diffraction grating In the manufacturing method of the polarization hologram element formed by tilting from the direction perpendicular to the surface, the side surface of the grating portion of the diffraction grating is parallel and tilted in the same direction with respect to the substrate surface ,
The diffraction grating portion is processed by an anisotropic dry etching method, and the substrate is tilted from the etching direction so that the angle of the diffraction grating is defined and manufactured. Method.