JP4246670B2 - Hologram element, semiconductor laser module, and optical pickup device - Google Patents
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Description
この発明は、ホログラム素子および半導体レーザモジュールおよび光ピックアップ装置に関する。 The present invention relates to a hologram element, a semiconductor laser module, and an optical pickup device.
光ピックアップ装置による光ピックアップの対象となる光ディスクが多様化し、その実用性が高まる一方、光ピックアップ装置の一層のコンパクト化・低コスト化が求められている。 Optical discs to be optically picked up by optical pickup devices are diversified and their practicality is increased, and further downsizing and cost reduction of optical pickup devices are required.
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、ホログラム素子を利用した光学系が実用化されつつある。この場合のホログラム素子は、光源から光ディスクへ照射される光の光路(往路)と光ディスクからの戻り光の光路(復路)とを分離するのに使用されるが、従来「光路分離に用いられていたビームスプリッタ」と比較するとサイズが小さいため、光ピックアップ装置のコンパクト化に資するところが大きく、光源の発光部と同一面に信号検出用の受光部を配置出来るため光路の設計が容易で、部品点数の低減の面でも有利である。 As an effective configuration for downsizing and cost reduction of an optical pickup device, an optical system using a hologram element is being put into practical use. The hologram element in this case is used to separate the optical path of light irradiated from the light source to the optical disk (outward path) and the optical path of return light from the optical disk (return path). Compared with the “beam splitter”, the size is small, which greatly contributes to the compactness of the optical pickup device. The light receiving part for signal detection can be arranged on the same surface as the light emitting part of the light source, and the design of the optical path is easy. This is also advantageous in terms of reducing the above.
このようなホログラム素子として、光学的等方性基板上にポリジアセチレン配向膜を形成し、この配向膜に周期格子を形成したもの(特許文献1)や、光学的等方性基板上に周期的凹凸格子をもった複屈折膜を装荷したもの(特許文献2)が提案されている。これら特許文献1、2記載のホログラム素子は低コスト化が可能で、格子ピッチも狭ピッチ化が可能であり、回折角が大きいので光ピックアップ装置をより有効に小型化できる。
As such a hologram element, a polydiacetylene alignment film is formed on an optically isotropic substrate and a periodic grating is formed on this alignment film (Patent Document 1), or a periodic on an optically isotropic substrate. The one loaded with a birefringent film having a concavo-convex grating (Patent Document 2) has been proposed. The hologram elements described in
ところで、ホログラム素子の回折効率に着目すると、入射光波長:λ0、回折格子の深さ:T、回折格子が形成されている材料の屈折率:n0、格子周期:Λにより、
Q=(2πλ0T)/(n0Λ2) (1)
で定義される「Q」の値が1より大きくなると「体積ホログラム効果」が発生し、ホログラム素子の回折効率が「入射角度に依存」して変化するようになる。
By the way, paying attention to the diffraction efficiency of the hologram element, the incident light wavelength: λ 0 , the diffraction grating depth: T, the refractive index of the material on which the diffraction grating is formed: n 0 , and the grating period: Λ
Q = (2πλ 0 T) / (n 0 Λ 2 ) (1)
When the value of “Q” defined in (1) is larger than 1, the “volume hologram effect” occurs, and the diffraction efficiency of the hologram element changes depending on the “incident angle”.
光ピックアップ装置の光学系のコンパクト化のために回折角を大きくしようとすると、格子周期:Λを小さくしてホログラム素子のピッチを狭小化する必要があるが、このようにすると、上記式(1)の右辺の分母が小さくなって「Q」の値が増大し、一般に1より大きくなる。 In order to increase the diffraction angle in order to make the optical system of the optical pickup apparatus compact, it is necessary to reduce the pitch of the hologram element by reducing the grating period: Λ. ), The denominator of the right side becomes smaller and the value of “Q” increases, and generally becomes larger than 1.
発明者は「透明基板上に形成された光学的に透明な有機材料層の表面に、断面形状が略矩形波状で回折用の微小な凹凸状周期構造を有し、凹凸状周期構造の凹部に光学的に透明な材料が充填されたホログラム素子」につき研究してきたが、このようなホログラム素子は、その製造の過程で「凹凸状周期構造の倒れ(凹凸状周期構造における凸部が透明基板の法線方向に対して傾く現象)」が発生しやすく、この凹凸状周期構造の倒れにより入射光の入射角に「バラツキ」が生じ、ホログラム素子ごとの「±1次回折光の不均一性」が発生し、ホログラム素子製造の歩留まりを低下させる問題があることを見出した。 The inventor stated that “the surface of the optically transparent organic material layer formed on the transparent substrate has a substantially concave-convex periodic structure for diffraction with a substantially rectangular wave-like cross-sectional shape. Although research has been conducted on “hologram elements filled with optically transparent materials”, such hologram elements have been developed in the process of manufacturing “the collapse of the irregular periodic structure (the convex part in the irregular periodic structure is The phenomenon of tilting with respect to the normal direction) is likely to occur, and the tilt of the concavo-convex periodic structure causes a variation in the incident angle of the incident light, resulting in “non-uniformity of ± first-order diffracted light” for each hologram element. It has been found that there is a problem that it occurs and reduces the yield of hologram element manufacturing.
この発明は上述した事情に鑑み、凹凸状周期構造の倒れを有効に軽減もしくは防止できる構造をもったホログラム素子、かかるホログラム素子を用いる光ピクアップ装置、半導体レーザモジュールの実現を課題とする。 In view of the above-described circumstances, an object of the present invention is to realize a hologram element having a structure capable of effectively reducing or preventing the collapse of the concavo-convex periodic structure, an optical pick-up device using the hologram element, and a semiconductor laser module.
この発明のホログラム素子は「透明基板上に形成された光学的に透明な有機材料層の表面に、断面形状が略矩形波状で回折用の微小な凹凸状周期構造を有し、凹凸状周期構造の凹部に光学的に透明な材料が充填され、使用波長:λ0、上記凹部の深さ:T、有機材料層の屈折率:n0、格子周期:Λにより
Q=(2πλ0T)/(n0Λ2) (1)
で定義されるQの値が1より大きいホログラム素子」であって、以下のごとき特徴を有する(請求項1)。
The hologram element of the present invention has “a concave / convex periodic structure having a substantially rectangular wave shape in cross section on the surface of an optically transparent organic material layer formed on a transparent substrate and having a minute concave / convex periodic structure for diffraction. Is filled with an optically transparent material, the wavelength used is λ 0 , the depth of the recess is T, the refractive index of the organic material layer is n 0 , and the grating period is Λ, Q = (2πλ 0 T) / (N 0 Λ 2 ) (1)
The hologram element having a Q value defined by (1) larger than 1 has the following characteristics (claim 1).
即ち、微小な凹凸状周期構造の凹部に「隣接する凸部同士を連結する連結部」が、同一凹部内においては100μmオーダー間隔で形成される。
「連結部」は、透明な有機材料層の表面に直交する方向に渡って実質的に使用波長オーダーの幅を持つ。また、凹凸状周期構造の上面部と、連結部の上面部と、凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分とが同一面をなす。
That is, “connecting portions that connect adjacent convex portions” are formed at intervals of 100 μm order in the concave portion of the minute concave-convex periodic structure.
The “connecting portion” has a width substantially in the order of the wavelength used in the direction orthogonal to the surface of the transparent organic material layer. Further, the upper surface portion of the uneven periodic structure, the upper surface portion of the connecting portion, and the organic material layer surface portion where the uneven periodic structure is not formed are flush with each other.
上記「凹凸状周期構造の上面部」や「連結部の上面部」における「上面部」は、必ずしも空間的な上下関係における上面を意味するものでなく、有機材料層の表面に形成された凹凸状周期構造における「透明基板と反対側の面部分」を意味する。
[連結部]は、凹凸状周期構造の各凹部に形成しても良いし、凹部1つおきに形成してもよい。連結部を形成しない凹部が「複数の凹部に対して1つ存在する」ような形成の仕方でも良い。
The “upper surface portion” in the “upper surface portion of the concavo-convex periodic structure” and the “upper surface portion of the connecting portion” does not necessarily mean the upper surface in the spatial vertical relationship, and the concavo-convex formed on the surface of the organic material layer It means “a surface portion opposite to the transparent substrate” in the periodic structure.
[Connecting portion] may be formed in each concave portion of the concavo-convex periodic structure, or may be formed every other concave portion. It may be formed in such a way that the recesses that do not form the connecting portions are “one exists for a plurality of recesses”.
同一凹部内に形成する連結部の間隔が10μmオーダーと狭い場合には、連結部の存在がホログラム素子の回折特性を劣化させる。また、数百μmオーダーの間隔では「凹凸状周期構造の倒れ」を有効に防止する効果が不十分と成る。従って、同一凹部内に形成する連結部の間隔は100μmオーダー、例えば100〜300μm程度が好ましい。
また、連結部の存在が回折特性に影響しないためには、連結部の幅は「使用波長オーダー」であることが必要である。
When the interval between the connecting portions formed in the same recess is as narrow as 10 μm, the presence of the connecting portion deteriorates the diffraction characteristics of the hologram element. Further, when the interval is in the order of several hundred μm, the effect of effectively preventing “falling of the uneven periodic structure” is insufficient. Therefore, the interval between the connecting portions formed in the same recess is preferably on the order of 100 μm, for example, about 100 to 300 μm.
Further, in order for the presence of the connecting portion not to affect the diffraction characteristics, the width of the connecting portion needs to be in the “use wavelength order”.
請求項1記載のホログラム素子は、「透明基板上に形成された光学的に透明な有機材料層」を、膜状で「その直交する光学軸である進相軸と遅相軸の方向の屈折率」が異なる光学的異方性を持つ材料とすることができる(請求項2)。
この場合において、請求項1における「有機材料層の屈折率:n0」は上記直交する光学軸方向の屈折率の平均値」である。
The hologram element according to
In this case, the “refractive index of the organic material layer: n 0 ” in
この請求項2記載のホログラム素子は、「凹凸状周期構造の凹部に充填する光学的に透明な材料」が、光学的異方性を持った膜状の有機材料における「いずれかの光学軸方向の屈折率」とほぼ同一の屈折率をもつ構成とすることができる(請求項3)。 The hologram element according to claim 2, wherein “an optically transparent material that fills the concave portions of the concave and convex periodic structure” is “any one of the optical axis directions” in a film-like organic material having optical anisotropy. It is possible to adopt a configuration having substantially the same refractive index as that of the "refractive index".
請求項2または3記載のホログラム素子においては、光学的異方性を持つ膜状の有機材料を「光学的等方性の透明基板上に接着材料により接着」し、この接着材料を「凹凸状周期構造の凹部に充填する光学的に透明な材料と略同一の屈折率を持つもの」とすることができる(請求項4)。 The hologram element according to claim 2 or 3, wherein a film-like organic material having optical anisotropy is "adhered to an optically isotropic transparent substrate with an adhesive material", and the adhesive material is It has the substantially same refractive index as that of the optically transparent material filled in the concave portion of the periodic structure.
上記請求項1または2記載のホログラム素子においては「凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料の上に、この透明な材料を接着材料として光学的等方性基板を接着した構成」とすることが好ましい(請求項5)。
In the hologram element according to
同様に、請求項3または4記載のホログラム素子においても「凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料の上に、この透明な材料を接着材料として光学的等方性基板を接着した構成」とすることが好ましい(請求項6)。 Similarly, in the hologram element according to claim 3 or 4, an optically isotropic substrate is formed by using this transparent material as an adhesive material on an optically transparent material filled in the concave portion of the concave-convex periodic structure. It is preferable to use “adhered configuration”.
請求項6記載のホログラム素子は「光学的異方性を持つ膜状の有機材料が、光学的等方性の透明基板上に接着材料により接着され、この接着材料が凹凸状周期構造の凹部に充填される光学的に透明な材料と略同一の屈折率を持ち、かつ、上記接着材料が、凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料と同一材料である構成」とすることができる(請求項7)。 6. The hologram element according to claim 6, wherein a film-like organic material having optical anisotropy is adhered to an optically isotropic transparent substrate by an adhesive material, and the adhesive material is formed in the concave portion of the concavo-convex periodic structure. “A configuration in which the optically transparent material to be filled has substantially the same refractive index and the adhesive material is the same material as the optically transparent material filled in the concave portions of the concave-convex periodic structure”. (Claim 7).
この発明の半導体レーザモジュールは「光ピックアップ装置用の半導体レーザモジュール」であって、半導体レーザと、光路分離素子と、受光部とをユニットとして有する。
「半導体レーザ」は光源として、光ディスクに照射する光を放射する。
「光路分離素子」は、半導体レーザからの光の光ディスクへの照射光の光路(往路)と、光ディスクからの戻り光の光路(復路)とを分離する光学素子である。
「受光部」は、光路分離素子により光路分離された戻り光を受光し、各種信号を生成するための受光信号を発する。
そして上記光路分離素子として、請求項1〜7の任意の1に記載のホログラム素子を用いる(請求項8)。
The semiconductor laser module of the present invention is a “semiconductor laser module for an optical pickup device”, and includes a semiconductor laser, an optical path separation element, and a light receiving unit as a unit.
The “semiconductor laser” emits light for irradiating the optical disk as a light source.
The “optical path separation element” is an optical element that separates the optical path of the irradiation light from the semiconductor laser to the optical disk (outward path) and the optical path of the return light from the optical disk (return path).
The “light receiving unit” receives the return light whose optical path is separated by the optical path separation element, and generates a light reception signal for generating various signals.
The hologram element according to any one of
この発明の光ピックアップ装置は、「光源からの光の光ディスクへの照射光の光路(往路)と、光ディスクからの戻り光の光路(復路)とを分離する光路分離素子」として、請求項1〜7の任意の1に記載のホログラム素子を用いたことを特徴とする(請求項9)。 The optical pickup device of the present invention is defined as “an optical path separation element that separates an optical path (outward path) of irradiation light from a light source onto an optical disk and an optical path (return path) of return light from the optical disk”. 7. The hologram element according to any one of 7 is used (claim 9).
請求項9記載の光ピックアップ装置において、光源としての半導体レーザと、光ディスクからの戻り光を受光する受光部と、請求項1〜7の任意の1に記載のホログラム素子とを、請求項8記載の半導体レーザモジュールとしてユニット化することができる(請求項10)。
9. The optical pickup device according to claim 9, wherein a semiconductor laser as a light source, a light receiving unit that receives return light from the optical disk, and the hologram element according to any one of
この発明のホログラム素子は、上記の如く光ピックアップ装置における光路分離素子として使用できるが、この発明のホログラム素子の用途はこれに限らず、種々の光学装置に各種の回折光学素子(入射光を、一定の比率で0次光(透過光)と±1次光、±2次光などに分光する作用を持つ光学素子)として使用できることは言うまでもない。 The hologram element of the present invention can be used as an optical path separation element in an optical pickup device as described above, but the application of the hologram element of the present invention is not limited to this, and various diffractive optical elements (incident light, Needless to say, it can be used as an optical element having a function of dispersing light into zero-order light (transmitted light), ± first-order light, ± second-order light, etc. at a constant ratio.
この発明のホログラム素子は、上述の如く、微小な凹凸状周期構造の凹部に「隣接する凸部同士を連結する連結部」が形成されるので、この連結部が「凹凸状周期構造の倒れ」を有効に軽減しもしくは防止する。従って、この発明のホログラム素子は、入射光の入射角の「バラツキ」による、ホログラム素子ごとの±1次回折光の不均一性を軽減ないし防止でき、製造の歩留まりがよい。このようなホログラム素子を歩留まり良く製造できるので、ホログラム素子の製造コスト、延いては半導体レーザモジュールや光ピックアップ装置の製造コストを低減化できる。 In the hologram element of the present invention, as described above, “a connecting portion that connects adjacent convex portions” is formed in the concave portion of the minute concave and convex periodic structure, so that this connecting portion is “the collapse of the concave and convex periodic structure”. Is effectively reduced or prevented. Therefore, the hologram element of the present invention can reduce or prevent the non-uniformity of ± first-order diffracted light for each hologram element due to “variation” of the incident angle of the incident light, and the production yield is good. Since such a hologram element can be manufactured with a high yield, the manufacturing cost of the hologram element, and thus the manufacturing cost of the semiconductor laser module and the optical pickup device can be reduced.
以下、実施の形態を具体的な実施例により説明する。 Hereinafter, the embodiment will be described with reference to specific examples.
図1は、実施例1のホログラム素子の断面図を示す。
図1に示すように、ホログラム素子は、透明基板11としての厚さ:1.0mmのBK7基板(平行平板)上に、エポキシ系の紫外線硬化型樹脂12(厚さ:約40μm)を介して、回折格子15が形成された厚さ:約100μmのポリエステル系の有機複屈折膜13が接着され、有機複屈折膜13の表面の回折格子を埋め込むようにしてエポキシ系の紫外線硬化型樹脂14(厚さ:約40μm)が形成された構成である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the hologram element according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the hologram element is placed on a BK7 substrate (parallel plate) having a thickness of 1.0 mm as a
回折格子15は、図示の如く、断面形状が「略矩形波状」であり、格子ピッチ:1.9μm、Duty:0.5、格子深さ:2.7μmである。「光学的に透明な有機材料層」としての有機複屈折膜13の屈折率は、直交する光学軸である進相軸と遅相軸の方向の屈折率がそれぞれ1.58と1.67であり、「光学的に透明な材料」である紫外線硬化型樹脂12、14の屈折率は1.58である。これらの屈折率はいずれも使用波長:660nmにおける屈折率である。
As shown in the figure, the
使用波長:λ0=660nm(=0.66μm)、凹部の深さ:T=2.7μm、有機材料層の屈折率:n0=1.625(=1.58と1.67の平均値)、格子周期:Λ=1.9μmとして、(1)式の右辺を計算すると、
(2πλ0T)/(n0Λ2)=2×3.14×0.66×2.7/(1.625×1.9×1.9)=1.9077
となって、「Q」の値は1より大きい。
Wavelength used: λ 0 = 660 nm (= 0.66 μm), depth of recess: T = 2.7 μm, refractive index of organic material layer: n 0 = 1.625 (= 1.58 and 1.67 average values) ), Lattice period: Λ = 1.9 μm and calculating the right side of equation (1),
(2πλ 0 T) / (n 0 Λ 2 ) = 2 × 3.14 × 0.66 × 2.7 / (1.625 × 1.9 × 1.9) = 1.9077
Thus, the value of “Q” is larger than 1.
ここで、図1に示すホログラム素子の製法と、凹凸状周期構造の倒れの発生するメカニズムを説明する。 Here, a method for producing the hologram element shown in FIG. 1 and a mechanism for causing the collapse of the irregular periodic structure will be described.
図3を参照すると、図3(a)に示すように、BK7基板による透明基板11上に接着剤(紫外線硬化型樹脂)12を介して有機複屈折膜13を形成する。即ち、透明基板11上に接着剤12をスピンコートし、コートされた接着剤12上に「気泡を混入させない」ようにして、有機複屈折膜13を載置する。載置後に透明基板11を回転させて「余分な接着剤」を振り切り、遠心力によって有機複屈折膜13を平坦化し、最後に紫外線を照射して接着剤12を硬化させることにより全体を強固に一体化する。
Referring to FIG. 3, as shown in FIG. 3A, an organic
次に図3(b)に示すように、凹凸状周期構造による回折格子15を形成する。
有機複屈折膜13の自由表面上にアルミ金属薄膜を蒸着し、その上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、凹凸状周期構造の平面形状に対応するパターンを持ったエッチングマスクを得、酸素プラズマによる異方性のドライエッチングを行って、回折格子15の凹部を侵刻し、その後にエッチングマスクを除去して回折格子15とした。
Next, as shown in FIG. 3B, a
An aluminum metal thin film is deposited on the free surface of the organic
次いで、図3(c)に示すように、回折格子15の凹部を埋め込むように紫外線硬化樹脂14の層を形成する。即ち、紫外線硬化樹脂14を回折格子15上にボッティングし、スピンコートを行い、スピンコート後に紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂14を硬化させる。
Next, as illustrated in FIG. 3C, a layer of the ultraviolet
ところで、説明中のホログラム素子も含めて、この発明のホログラム素子と同様の構造を持つものは一般に、そのサイズが「縦横数mm程度」のものであり、図1に示すようなホログラム素子が単体として個別的に製造されるわけではない。
一般には、縦横100mmオーダーのサイズの透明基板(ウエハ)上に、有機材料層が形成され、形成された大サイズの有機材料層の上に数十〜数百の回折格子の配列が一度に形成され、形成された回折格子の配列面全体の上に透明な材料の膜が形成される。そして、全体が一体化した後に、個々の回折格子をダイシングソーによる切断により切り離して「個別的なホログラム素子」を得るのである。説明中の実施例1では、ホログラム素子のサイズは3mm×3mmである。
By the way, in general, those having the same structure as the hologram element of the present invention, including the hologram element being described, have a size of “about several millimeters in length and width”, and the hologram element as shown in FIG. Are not manufactured individually.
In general, an organic material layer is formed on a transparent substrate (wafer) having a size of 100 mm in length and width, and an array of several tens to several hundreds of diffraction gratings is formed on the formed large-sized organic material layer at a time. Then, a transparent material film is formed on the entire array surface of the formed diffraction grating. Then, after the whole is integrated, the individual diffraction gratings are separated by cutting with a dicing saw to obtain “individual hologram elements”. In Example 1 in the description, the size of the hologram element is 3 mm × 3 mm.
図4は、上の製造工程において「透明な材料の膜」を大サイズの有機材料層上に形成する工程を説明図的に示している。
大サイズの有機材料層41(直径:100mmサイズの円形の透明基板上に形成されている。)には、多数の回折格子部が形成されているが、図4においては、説明の簡単のために、3つの回折格子を示している。これら回折格子42A、42B、42Cのうち、回折格子42Aは、大サイズの有機材料層41の中央近傍に形成されたものを示し、回折格子42B、42Cは大サイズの有機材料層41の周辺部近傍に形成されたものを示す。
FIG. 4 illustrates the process of forming a “transparent material film” on a large organic material layer in the above manufacturing process.
A large number of diffraction grating portions are formed on the large-sized organic material layer 41 (formed on a circular transparent substrate having a diameter of 100 mm). In FIG. 3 shows three diffraction gratings. Of these
図4の例では、透明な材料43の層はスピンコートにより形成される。
図4(a)の状態は、透明な材料(紫外線硬化型樹脂)43を大サイズの有機材料層41の中央部にボッティングした状態を示す。この状態で、大サイズの透明基板を高速回転させると、透明な材料43に作用する遠心力により、透明な材料43は大サイズの有機材料層43上で塗り広げられ(図4(b))、最終的には図4(c)のように材料43を平坦化したのち紫外線硬化させて、各回折格子の凹部に透明な材料43を充填する。
In the example of FIG. 4, the layer of the
The state of FIG. 4A shows a state where a transparent material (ultraviolet curable resin) 43 is botted to the center of the large-sized
透明な材料43を回転により塗り広げる過程に於いて、透明な材料43や有機材料膜41に遠心力が作用する。この遠心力の作用は大サイズの有機材料層41の周辺部に近いほど大きい。このため、大サイズの有機材料層41の周辺部においては、図4(c)に示すように、遠心力の作用により回折格子42Bや42Cの凹凸状周期構造が倒れる(凹凸状周期構造における凸部が「図示されない透明基板の法線方向(図の上下方向)」に対して傾く)ことがある。
In the process of spreading the
また、紫外線硬化型樹脂43が硬化される際に樹脂の収縮が生じて、大サイズの有機材料層上の「回折格子の位置」によっては、凹凸状周期構造が、図4(c)の向きとは逆に、大サイズの有機材料層の中央部側に倒れる場合もある。
Further, when the ultraviolet
このようして、大サイズの有機材料層41に形成された凹凸状周期構造の倒れは、大サイズの有機材料層41上における「個々の凹凸状周期構造の位置」に応じて異なるので、最終的に個々のホログラム素子を切り離した状態において、1枚のウエハから得られる数十〜数百のホログラム素子は、凹凸状周期構造の倒れが区々となる。
In this way, the collapse of the uneven periodic structure formed in the large-sized
実施例1のホログラム素子においては、Q値が約1.97と1より大きいので、体積ホログラム効果を生じ、凹凸状周期構造の倒れがバラツキにより、±1次回折光の回折効率に「略±3%程度のバラツキ」が発生し、加工の公差よりも大きなバラツキを持ってしまう。このためホロググラム素子製造の歩留まりを高めるには加工の公差を厳しくしなけばならず、生産性が低下する。 In the hologram element of Example 1, since the Q value is about 1.97, which is larger than 1, a volume hologram effect is generated, and the tilting of the uneven periodic structure varies, so that the diffraction efficiency of ± first-order diffracted light is “approximately ± 3”. % Variation "occurs, and the variation is larger than the processing tolerance. For this reason, in order to increase the yield of holographic element manufacturing, the processing tolerances must be tightened, and the productivity is lowered.
このような問題を解決するために、この発明では、微小な凹凸状周期構造の凹部に「隣接する凸部同士を連結する連結部」を、同一凹部内においては100μmオーダー間隔で形成し、連結部が「透明な有機材料層の表面に直交する方向に渡って実質的に使用波長オーダーの幅」を持ち、凹凸状周期構造の上面部と、連結部の上面部と、凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分とが同一面をなすようにしている(請求項1)。 In order to solve such a problem, in the present invention, “connecting portions for connecting adjacent convex portions” are formed at intervals of 100 μm in the same concave portion in the concave portions of the minute concave and convex periodic structure. Part has “a width substantially in the order of the wavelength used in the direction orthogonal to the surface of the transparent organic material layer”, the upper surface part of the uneven periodic structure, the upper surface part of the connecting part, and the uneven periodic structure The organic material layer surface portion that is not formed is flush with the surface portion (Claim 1).
図2(a)は、実施例1のホログラス素子の平面形状を説明図的に示している。ホログラム素子(図1に示した構造を持つ。)は、平面図的(図1の状態を図1の上方からみた状態)には、3mm×3mmの正方形形状であり、その中央部に、格子配列方向が互いに異なる3種の回折格子部からなる凹凸状周期構造21(図1において符号15で示す部分)が形成されている。
FIG. 2A illustrates the planar shape of the hologlass element of Example 1 in an explanatory manner. The hologram element (having the structure shown in FIG. 1) has a square shape of 3 mm × 3 mm in plan view (the state shown in FIG. 1 as viewed from above in FIG. 1). A concave-convex periodic structure 21 (part indicated by
図2(a)において符号Bで示す部分を拡大して図2(b)に模式的に示す。また、図2(a)において符号Cで示す部分を図2(c)に拡大して示す。図2(a)に符号Aで示す部分の断面形状が図1に示すものである。
図2(b)、(c)において、符号23で示す部分は凹凸状周期構造における「凸部」、符号24は「凹部」、符号25は「連結部」を示す。連結部25は、隣接する凸部23同士を連結するものであり、微小な凹凸状周期構造の凹部24に形成される。
In FIG. 2 (a), the portion indicated by the symbol B is enlarged and schematically shown in FIG. 2 (b). In addition, the part indicated by the symbol C in FIG. 2A is enlarged and shown in FIG. The cross-sectional shape of the portion indicated by the symbol A in FIG. 2A is as shown in FIG.
In FIGS. 2B and 2C, a portion indicated by
実施例1においては、同一凹部内において形成された連結部25は当該凹部内で100μm間隔で(図2(b)、(c)の上下方向に並んで)形成される。連結部25の幅(図2(b)、(c)において上下方向の幅)は0.3μmであり、使用波長:0.66μmより小さいが「使用波長オーダー」である。また、凹凸状周期構造の上面部(凸部23の上面部)と、連結部25の上面部と、凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分22とは同一面をなす。
In the first embodiment, the connecting
図2に示す凹凸状周期構造の平面形状は、図2の図面に直交する方向(凹凸の凹部の深さの方向)に渡って実施的に同一の形状である。即ち、図2に示す凹凸状周期構造のパターンは、先に説明した「エッチングマスク」のパターンと同じである。 The planar shape of the concavo-convex periodic structure shown in FIG. 2 is practically the same shape in a direction orthogonal to the drawing of FIG. 2 (direction of the depth of the concavo-convex recess). That is, the pattern of the concavo-convex periodic structure shown in FIG. 2 is the same as the “etching mask” pattern described above.
凹凸状周期構造の上面部と、連結部25の上面部と、凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分22とが同一面をなすので、連結部を有する凹凸状周期構造をエッチングで形成するのが容易であり、ホログラム素子の製造が容易である。
Since the upper surface portion of the concavo-convex periodic structure, the upper surface portion of the connecting
凹凸状周期構造に連結部25が形成されたことにより、透明な材料をスピンコートする際の遠心力の作用による凸部の傾きが有効に軽減もしくは防止されるので、1枚のウエハから、凹凸状周期構造の倒れのない良好なホログラム素子を多数得ることができ、ホログラム素子製造の歩留まりがよく、ホログラム素子製造のコストを低減化できる。
Since the connecting
実施例1のホログラム素子は、DVD用の光ピックアップで「光路分離素子」として使用される。
光源(半導体レーザ)からのレーザ光が実施例1のホログラム素子に入射すると回折光が発生するが、有機複屈折膜13上に回折格子を形成しているため、レーザ光の偏光方向によって回折効率が異なる。有機複屈折膜13の1.58の屈折率を持つ光学軸方向の偏光では、充填している樹脂14の屈折率と同様なので回折格子が存在しないと同等で回折効率が低く、殆どのレーザ光が透過する。上記光学軸の方向と直交する偏光方向(ホログラム素子とDVDとの間の光路に設けられた1/4波長板の作用で戻り光は、この方向に偏光している。)では充填している樹脂との屈折率差が存在するため、戻り光は約32%の回折効率で受光部へ向けて回折される。
The hologram element of Example 1 is used as an “optical path separation element” in an optical pickup for DVD.
When laser light from a light source (semiconductor laser) enters the hologram element of Example 1, diffracted light is generated. However, since a diffraction grating is formed on the organic
実施例2のホログラム素子の構造を図5に示す。繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては図1におけると同一の符号を付した。
図5に示すホログラム素子は、厚み:1.0mmのBK7基板(平行平板)による透明基板11上に、エポキシ系の紫外線硬化型樹脂12(厚さ:約40μm)を介して、回折格子15が凹凸状周期構造として形成された厚さ:約100μmのポリエステル系の有機複屈折膜13が接着され、その表面に「回折格子15の凹部」を埋め込むような構成でエポキシ系の紫外線硬化型樹脂54(厚さ:約40μm)が形成され、さらにその上に厚さ:1.0mmのBK7基板(平行平板)による光学的等方性基板16が接着されている。
The structure of the hologram element of Example 2 is shown in FIG. In order to avoid complications, the same symbols as in FIG.
The hologram element shown in FIG. 5 has a
回折格子15は格子ピッチ:1.9μm、Duty:0.5、格子深さ:2.7μmの矩形波形状の断面形状を持ち、有機複屈折膜13の屈折率は互いに直交する光学軸方向に1.58と1.67であり、紫外線硬化型樹脂12、14の屈折率は1.58(ともに使用波長:660nmにおける値)である。
The
形成された凹凸状周期構造の平面形状は図2に示す如くである。即ち、実施例2のホログラム素子は、光学的等方性基板16を除けば、材料的にも形態的にも実施例1のものと同じであり、(1)式の右辺で定義される「Q」の値も実施例1の場合と同じく1.9077である。また、回折格子15の作製方法も実施例1のホログラム素子の作製方法と同じである。
The planar shape of the formed irregular periodic structure is as shown in FIG. That is, the hologram element of Example 2 is the same as that of Example 1 in terms of material and form, except for the optically
即ち、図6(a)に示すように、BK7基板による透明基板11上に接着剤12を介して、有機複屈折膜13を接着する。即ち、透明基板11上に接着剤12をスピンコートし、その上に「気泡を混入させない」ようにして有機複屈折膜13を載置し、載置後に透明基板11を回転させて余分な接着剤を振り切り、遠心力の作用によって有機屈折膜を平坦化し、紫外線を照射して接着剤12を固化する。
That is, as shown in FIG. 6A, the organic
次いで、図6(b)に示すように、回折格子15を実施例1の場合と同様にして形成し、図6(c)に示すように、回折格子15の凹部を埋め込むように紫外線硬化型樹脂14を付加し、この紫外線効果樹脂14を接着材料としてBK7基板による光学的等方性基板16を接着して全体を一体化させる。
Next, as shown in FIG. 6B, the
実施例2においては、紫外線硬化型樹脂14による回折格子15の凹部の埋め込みと、光学的等方性基板16の接着を以下のように行う。
図7は、上の製造工程において「紫外線硬化型樹脂による回折格子の凹部の埋め込みと、光学的等方性基板の接着」を、図示されない大サイズの透明基板(ウエハ)上に接着された大サイズの有機材料層41に対して行う工程を説明図的に示している。
大サイズの有機材料層41(実施例1の場合と同じく直径:100mmの円形の透明基板(ウエハ)上に形成されている。)には多数の回折格子部が形成され、図7においては説明の簡単のために、3つの回折格子を示している。これら回折格子42A、42B、42Cのうち、回折格子42Aは、大サイズの有機材料層41の中央近傍に形成されたものを示し、回折格子42B、42Cは大サイズの有機材料層41の周辺部近傍に形成されたものを示す。
In the second embodiment, the concave portions of the
FIG. 7 is a schematic diagram showing the process of “filling the concave portion of the diffraction grating with the ultraviolet curable resin and bonding the optically isotropic substrate” in the above manufacturing process on a large transparent substrate (wafer) (not shown). The process performed with respect to the
A large number of diffraction grating portions are formed on the large-sized organic material layer 41 (formed on a circular transparent substrate (wafer) having a diameter of 100 mm as in the case of Example 1). For the sake of simplicity, three diffraction gratings are shown. Of these
図7(a)に示すように、多数の回折格子を配列形成された大サイズの有機材料層41の中央部に、透明な材料(紫外線硬化型樹脂)43をボッティングし、その上から、光学的等方性基板46を載置し、その上部から押圧力を加えて、透明な材料43の層厚を制御しつつ、透明な材料43により各回折格子の凹部を埋め込む。
As shown in FIG. 7A, a transparent material (ultraviolet curable resin) 43 is botted at the center of a large-sized
光学的等方性基板46に押圧力を印加することにより、透明な材料43を有機材料層41上で広げる。このようにして、透明な材料43は周辺へと広げられ、最終的には第7図(c)のようにウエハ全面に均一に広がり各回折格子の凹部を埋め込む。このとき有機材料層41と光学的等方性基板46とのギャップを制御し、透明な材料43である紫外線硬化型樹脂を硬化させる。
A
光学的等方性基板46による押圧により、図7(c)に示すように、回折格子42Bや42Cの凸部がウエハ周辺側に傾く場合がある。また、樹脂硬化の際の収縮によって、回折格子の凸部が第7図(c)とは逆にウエハの内側に向かって傾く場合がある。
Due to the pressing by the optically
実施例2においても、回折格子の凹部に実施例1と同様の連結部が形成されるので、このような回折格子の傾き、即ち凹凸状周期構造の倒れが有効に軽減もしくは防止される。 Also in the second embodiment, since the connecting portion similar to that of the first embodiment is formed in the concave portion of the diffraction grating, such a tilt of the diffraction grating, that is, the collapse of the concavo-convex periodic structure is effectively reduced or prevented.
上に説明した実施例1、2のホログラム素子は、透明基板11上に形成された光学的に透明な有機材料層13の表面に、断面形状が略矩形波状で回折用の微小な凹凸状周期構造15を有し、凹凸状周期構造15の凹部に光学的に透明な材料14が充填され、使用波長:λ0、上記凹部の深さ:T、有機材料層の屈折率:n0、格子周期:Λにより
Q=(2πλ0T)/(n0Λ2)
で定義されるQの値(=1.9077)が1より大きいホログラム素子である。
In the hologram elements of Examples 1 and 2 described above, the cross-sectional shape is a substantially rectangular wave shape on the surface of the optically transparent
Is a hologram element having a Q value (= 1.9077) defined by (1) greater than 1.
そして、微小な凹凸状周期構造15の凹部に、隣接する凸部23同士を連結する連結部25が、同一凹部24内においては100μmオーダー間隔で形成され、連結部25は、透明な有機材料層の表面に直交する方向に渡って実質的に使用波長オーダーの幅を持ち、凹凸状周期構造15の上面部と、連結部25の上面部と、凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分22とが同一面をなす(請求項1)。
And the
また、透明基板上に形成された光学的に透明な有機材料層13は膜状の材料(厚さ:約100μmのポリエステル系の有機複屈折膜)であり、その直交する光学軸である進相軸と遅相軸の方向の屈折率が異なる光学的異方性を持つ(請求項2)。
Further, the optically transparent
また、凹凸状周期構造15の凹部に充填する光学的に透明な材料14が、光学的異方性を持った有機材料のいずれかの光学軸方向の屈折率(=1.58)と略同一の屈折率(=1.58)をもつ(請求項3)。
In addition, the optically
光学的異方性を持つ膜状の有機材料層13は、光学的等方性の透明基板11上に接着材料12により接着され、接着材料12は凹凸状周期構造15の凹部に充填する光学的に透明な材料14と略同一の屈折率(=1.58)を持つ(請求項4)。
The film-like
また実施例2のホログラム素子は、凹凸状周期構造15の凹部に充填された光学的に透明な材料14の上に、この透明な材料を接着材料として光学的等方性基板16を接着したものである(請求項5、6)。
In the hologram element of Example 2, the optically
また、実施例1、2のホログラム素子とも、光学的異方性を持つ膜状の有機材料層13は、光学的等方性の透明基板11上に接着材料12により接着され、接着材料12は凹凸状周期構造15の凹部に充填する光学的に透明な材料14と略同一の屈折率を持ち、かつ、接着材料12が、凹凸状周期構造15の凹部に充填された光学的に透明な材料14と同一材料である(請求項7)。
In both the hologram elements of Examples 1 and 2, the film-like
実施例1、2のホログラム素子は、有機材料層を複屈折材料としているので、ホログラム素子に偏光特性を付加することができ、有機材料層を「膜状の材料」とすることで、材料使用量を低減して製造コストを下げることができる。また、回折格子内に充填する材料の屈折率を有機複屈折膜の「直交する光学軸のいずれかの屈折率」と合わせることにより、偏光性の効率が向上する。 In the hologram elements of Examples 1 and 2, since the organic material layer is a birefringent material, polarization characteristics can be added to the hologram element, and the organic material layer can be used as a “film-like material”. The production cost can be reduced by reducing the amount. Further, the efficiency of polarization is improved by matching the refractive index of the material filled in the diffraction grating with “the refractive index of any of the orthogonal optical axes” of the organic birefringent film.
さらに、有機複屈折膜13をBK7基板(透明基板)11に貼り付けることにより、BK7基板面の平坦度が向上し波面収差特性が向上する。実施例2のホログラム素子のように、回折格子の表面側にもBK7基板(光学的等方性基板)を配して透明な材料14の表面を平坦化することにより、「スピンコート等で埋め込みを行う場合に発生する可能性のある表面うねり」による波面収差も改善される。
Furthermore, by attaching the organic
接着に用いる樹脂はすべて同一材料を用いていることにより、上部と下部のBK7基板の間を略同一の屈折率とすることができ、内部の層構成の凹凸による波面収差も低減することができる。 Since all the resins used for bonding are made of the same material, the refractive index between the upper and lower BK7 substrates can be made substantially the same, and the wavefront aberration due to the unevenness of the internal layer structure can also be reduced. .
実施例3として、光ピックアップ用の「半導体レーザモジュール」の実施の形態を図8に示す。 As Example 3, an embodiment of a “semiconductor laser module” for an optical pickup is shown in FIG.
実施例3の半導体レーザモジュールは、ホログラム素子81、半導体レーザ82、受光素子83、パッケージ84、半導体レーザと受光素子を実装するためのステム85を有し、これらをユニット化したものである。
The semiconductor laser module of Example 3 includes a
半導体レーザ82は波長:660nmのものである。ホログラム素子81としては、実施例1、2に示したものを適宜に利用できるが、この実施例では実施例2のホログラム素子を用いている。
The
即ち、実施例3の半導体レーザモジュールは、光ピックアップ装置用の半導体レーザモジュールであって、光源としての半導体レーザ82と、この半導体レーザ82からの光86の光ディスクへの照射光の光路と、光ディスクからの戻り光の光路とを分離する光路分離素子81と、光路分離素子81により光路分離された戻り光87を受光する受光部83とをユニットとして有し、上記光路分離素子81として実施例2のホログラム素子を用いたものである(請求項8)。
That is, the semiconductor laser module of Example 3 is a semiconductor laser module for an optical pickup device, and includes a
図10に実施例4として、光ピックアップ装置の実施の形態を示す。
光ピックアップ装置は、光ピックアップ用の半導体レーザモジュール91として実施例3のものを用い、この半導体レーザモジュール91に対して、コリメートレンズ92、フォーカスレンズ93、1/4波長板96を付加した構成となっている。勿論、実際の光ピックアップ装置には構成部品が他にもあるが図9は簡略化した構成を示している。
FIG. 10 shows an embodiment of an optical pickup device as a fourth embodiment.
The optical pickup device uses the one of Example 3 as the
半導体レーザモジュール91から出射したレーザ光(波長:660nm)はコリメートレンズ92、1/4波長板96、フォーカスレンズ93を通過し、DVDである光ディスク94に照射される。光ディスク94に照射されたレーザ光は光ディスク94の情報を得て反射されて戻り光となり、上記光学系を再度通過し、半導体レーザモジュール91に戻る。戻り光は1/4波長板96を往復するため、半導体レーザモジュール91のホログラム素子81には偏光方向が90度旋回した状態で戻り、回折された戻り光87が受光部83で受光されて受光信号が発せられ、各種信号の生成に供される。
Laser light (wavelength: 660 nm) emitted from the
実施例4の光ピックアップ装置は、ホログラム素子81が「回折効率や透過率の均一性の高いホログラム素子」であるため、特性の均一性も高い光ピックアップ装置として実現できる。
The optical pickup device of the fourth embodiment can be realized as an optical pickup device with high uniformity of characteristics because the
即ち、実施例4の光ピックアップ装置は、光源82からの光の光ディスク94への照射光の光路と、光ディスク94からの戻り光の光路とを分離する光路分離素子81として、実施例2のホログラム素子を用いたものであり(請求項9)、光源としての半導体レーザ82と、光ディスクからの戻り光を受光する受光部83と、実施例2のホログラム素子81が半導体レーザモジュールとしてユニット化されている(請求項10)。
That is, the optical pickup device of the fourth embodiment uses the hologram of the second embodiment as an optical
11 透明基板
13 有機材料層
14 透明な材料
15 凹凸状周期構造(回折格子)
22 凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分
23 凹凸状周期構造の凸部
25 連結部
11
22 Surface portion of the organic material layer where the irregular periodic structure is not formed 23 Convex portion of the irregular
Claims (10)
Q=(2πλ0T)/(n0Λ2)
で定義されるQの値が1より大きいホログラム素子において、
微小な凹凸状周期構造の凹部に、隣接する凸部同士を連結する連結部が、同一凹部内においては100μmオーダー間隔で形成され、
上記連結部は、透明な有機材料層の表面に直交する方向に渡って実質的に使用波長オーダーの幅を持ち、
上記凹凸状周期構造の上面部と、上記連結部の上面部と、上記凹凸状周期構造の形成されていない有機材料層表面部分とが同一面をなすことを特徴とするホログラム素子。 On the surface of the optically transparent organic material layer formed on the transparent substrate, the cross-sectional shape is a substantially rectangular wave shape, and there is a fine concavo-convex periodic structure for diffraction. Filled with a transparent material, wavelength used: λ 0 , depth of the recess: T, refractive index of organic material layer: n 0 , lattice period: Λ Q = (2πλ 0 T) / (n 0 Λ 2 )
In a hologram element having a Q value defined by
Connection portions that connect adjacent convex portions to the concave portions of the minute uneven periodic structure are formed at intervals of the order of 100 μm in the same concave portion,
The connecting portion has a width substantially in the order of the wavelength used over the direction orthogonal to the surface of the transparent organic material layer,
A hologram element, wherein an upper surface portion of the concavo-convex periodic structure, an upper surface portion of the coupling portion, and a surface portion of the organic material layer where the concavo-convex periodic structure is not formed are flush with each other.
透明基板上に形成された光学的に透明な有機材料層が膜状の材料であり、その直交する光学軸である進相軸と遅相軸の方向の屈折率が異なる光学的異方性を持つことを特徴とするホログラム素子。 The hologram element according to claim 1, wherein
An optically transparent organic material layer formed on a transparent substrate is a film-like material and has optical anisotropy with different refractive indexes in the direction of the fast axis and the slow axis, which are orthogonal optical axes. A hologram element characterized by having.
凹凸状周期構造の凹部に充填する光学的に透明な材料が、光学的異方性を持った有機材料のいずれかの光学軸方向の屈折率とほぼ同一の屈折率をもつこと特徴とする、ホログラム素子。 The hologram element according to claim 2, wherein
The optically transparent material filling the concave portions of the concavo-convex periodic structure has a refractive index substantially the same as the refractive index in the optical axis direction of any organic material having optical anisotropy, Hologram element.
光学的異方性を持つ膜状の有機材料は、光学的等方性の透明基板上に接着材料により接着され、上記接着材料は凹凸状周期構造の凹部に充填する光学的に透明な材料と略同一の屈折率を持つものであるであることを特徴とするホログラム素子。 The hologram element according to claim 2 or 3,
A film-like organic material having optical anisotropy is bonded to an optically isotropic transparent substrate by an adhesive material, and the adhesive material is an optically transparent material that fills the concave portions of the concavo-convex periodic structure. A hologram element having substantially the same refractive index.
凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料の上に、この透明な材料を接着材料として光学的等方性基板を接着したことを特徴とするホログラム素子。 The hologram element according to claim 1 or 2,
A hologram element characterized in that an optically isotropic substrate is bonded onto an optically transparent material filled in a concave portion of an uneven periodic structure using the transparent material as an adhesive material.
凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料の上に、この透明な材料を接着材料として光学的等方性基板を接着したことを特徴とするホログラム素子。 The hologram element according to claim 3 or 4,
A hologram element characterized in that an optically isotropic substrate is bonded onto an optically transparent material filled in a concave portion of an uneven periodic structure using the transparent material as an adhesive material.
光学的異方性を持つ膜状の有機材料は、光学的等方性の透明基板上に接着材料により接着され、上記接着材料は凹凸状周期構造の凹部に充填する光学的に透明な材料と略同一の屈折率を持ち、かつ、上記接着材料が、上記凹凸状周期構造の凹部に充填された光学的に透明な材料と同一材料であることを特徴とするホログラム素子。 The hologram element according to claim 6, wherein
A film-like organic material having optical anisotropy is bonded to an optically isotropic transparent substrate by an adhesive material, and the adhesive material is an optically transparent material that fills the concave portions of the concavo-convex periodic structure. A hologram element having substantially the same refractive index, and wherein the adhesive material is the same material as an optically transparent material filled in the concave portions of the concave-convex periodic structure.
光源としての半導体レーザと、
この半導体レーザからの光の光ディスクへの照射光の光路と、上記光ディスクからの戻り光の光路とを分離する光路分離素子と、
上記光路分離素子により光路分離された戻り光を受光する受光部とをユニットとして有し、上記光路分離素子として、請求項1〜7の任意の1に記載のホログラム素子を用いたことを特徴とする半導体レーザモジュール。 A semiconductor laser module for an optical pickup device,
A semiconductor laser as a light source;
An optical path separation element that separates the optical path of the light irradiated from the semiconductor laser onto the optical disk and the optical path of the return light from the optical disk;
A light receiving unit that receives return light separated by the optical path separation element as a unit, and the hologram element according to any one of claims 1 to 7 is used as the optical path separation element. Semiconductor laser module.
光源としての半導体レーザと、光ディスクからの戻り光を受光する受光部と、請求項1〜7の任意の1に記載のホログラム素子が、請求項8記載の半導体レーザモジュールとしてユニット化されていることを特徴とする光ピックアップ装置。
The optical pickup device according to claim 9, wherein
The semiconductor laser as the light source, the light receiving unit for receiving the return light from the optical disk, and the hologram element according to any one of claims 1 to 7 are unitized as the semiconductor laser module according to claim 8. An optical pickup device characterized by the above.
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