JP4324523B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明はＣＤ用とＤＶＤ用の二波長の光を発生しデータを読み取る光ピックアップに使用される光学素子に関し、特にＣＤ用とＤＶＤ用の二波長の光を同軸化して受光素子に入射させる光学素子に関する。

従来、ＣＤ及びＤＶＤの２種の媒体から信号を読み取る装置においては、ＣＤの読み取りに用いられる波長７８５ｎｍのレーザ光と、ＤＶＤの読み取りに用いられる波長６６０ｎｍのレーザ光との二波長の光を発生する光ピックアップが用いられている。

このような光ピックアップにあっては、二つの波長（６６０ｎｍ,７８５ｎｍ）のレーザ光を発振するレーザダイオードからの光を、ビームスプリッタで進行方向を変更した後、対物レンズでＣＤ媒体、ＤＶＤ媒体の信号面に集光して照射する。媒体信号面で変調された反射光は、上記対物レンズを経て上記ビームスプリッタを通過させ、この光をフォトダイオード上に集光して、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気信号を得るようにしている。

ここで、媒体からの戻り光がビームスプリッタを通過した後に、ＣＤ用波長のレーザ光とＤＶＤ用波長のレーザ光の光軸を同軸化することで、１つの受光素子により信号検出することができるように、同軸化素子と呼ばれる光学素子が用いられる。この同軸化素子は回折格子からなり、一方の光をそのまま透過させ、他方の光を回折させるように構成されている。

具体的には、６段の階段状格子を備え、隣接する回折面部の光路差をＤＶＤ用波長と同等としたものが用いられている。これによれば、ＤＶＤ用波長の入射光については回折させることなく０次回折光を出射し、ＣＤ用波長の入射光については回折させて１次回折光を出射する。このような光学素子としては、例えば特許文献１に挙げるようなものがある。
特開２００２−３１１２２０号公報

しかし、従来の同軸化のための光学素子は以下に述べる問題点を有していた。
光を反射または透過させるビームスプリッタは、レーザダイオードからの光を約９０°の方向に反射させるように、光軸に対して傾斜状に設けられている。したがって、媒体からの戻り光の光軸に対しても傾斜状となっている。ビームスプリッタは平板状に形成され、このビームスプリッタは透過した光にフォーカスエラー信号となる非点収差を生じさせる。

一方で、傾斜状に配置されたビームスプリッタは光にコマ収差も生じさせる。光にコマ収差が生じると、媒体のピット列が通過した時に、フォーカスエラー信号に偽信号がクロストークとして発生し、フォーカスサーボが不安定になるという問題点がある。したがって、傾斜状に配置されたビームスプリッタにより発生するコマ収差を、できるだけ低減することが求められる。

コマ収差を低減するための方法としては、ビームスプリッタの後方に当該ビームスプリッタとは逆方向に傾斜した平板を設けることにより、コマ収差をキャンセルできることが知られている。これを二波長の光ピックアップに適用すると、上記同軸化素子をビームスプリッタとは逆方向に傾斜させて配置することが考えられ、それによって同軸化素子は二つの光の光軸を合わせると共に、コマ収差を補正することができる。

この場合、同軸化素子は２０°程度傾斜させて配置することが想定される。しかし、このように同軸化素子を傾斜状に配置すると、回折効率が低下する。図１４には、従来の同軸化素子において傾斜して配置した場合の傾斜角度に対する回折効率の関係を示す。この図の結果は、同軸化素子の屈折率ｎ＝１．５４、ＣＤの波長λ₁＝７８５ｎｍ、ＤＶＤの波長λ₂＝６６０ｎｍ、回折格子の一段の格子深さｄ＝λ₂／（ｎ−１）＝１．２２μｍとした場合の計算値である。

この図に示すように、傾斜角度が大きくなるのに伴って回折効率は著しく低下する。特に、実際に用いられる２０°の傾斜角度では、ＤＶＤの０次回折光及びＣＤの１次回折光は、いずれも６５％前後まで低下する。

また、同軸化素子に入射する光は、収束光であるために、同軸化素子の各点における光の角度は異なっている。図１４に示すように従来の同軸化素子では、実際に用いられる２０°の傾斜角度付近において回折効率の角度依存性が大きい。このように回折効率の角度依存性が大きいと、同軸化素子を透過する光の強度分布が不均一となり、これもフォーカスサーボを不安定にする要因となる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、光軸に対して傾斜状に配置しても回折効率が高くしかも回折効率の傾斜角度に対する依存性の少ない光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子は、表面に階段状の回折格子を多数設けてなる平板状の格子部を備え、該格子部の回折格子は１５°〜２５°の範囲の角度をなして入射する光のうち第１の波長λ１の光を回折させ、第２の波長λ２の光を回折させずに透過させる光学素子において、
上記回折格子は所定段数の段部を形成してなり、該段部の高さ（ｈ）は上記第２の波長λ２のレーザ光に対して（ｎ−１）ｈ＜λ２を満たす（ただしｎは上記格子部の屈折率）ことを特徴として構成されている。

また、本発明に係る光学素子は、上記回折格子に入射させる上記第１の波長λ₁は７８５ｎｍであり、上記第２の波長λ₂は６６０ｎｍであることを特徴として構成されている。

さらに、本発明に係る光学素子は、上記回折格子の段部の所定段数は６段であることを特徴として構成されている。

さらにまた、本発明に係る光学素子は、上記格子部の周縁部には筒状のホルダ部が連続状に形成され、該ホルダ部は外周に対する中心軸が各光の入射方向と略平行となるように配置されると共に、上記格子部は各光の入射方向に対して傾斜状に配置されることを特徴として構成されている。

そして、本発明に係る光学素子は、上記回折格子の各段部は各光の入射方向と略同じ方向に形成された壁面部と、各光の入射方向に対して傾斜状に形成された上記格子部と略平行な平坦部とから構成されることを特徴として構成されている。

本発明に係る光学素子によれば、回折格子の段部の高さ（ｈ）は第２の波長λ₂のレーザ光に対して（ｎ−１）ｈ＜λ₂を満たすことにより、入射光に対して傾斜状に回折格子を配置しても、第１の波長の光及び第２の波長の光ともに高い効率を得ることができ、かつ角度依存性を小さくすることができる。これにより安定した光を光ピックアップの受光部で得ることができるので、フォーカスサーボを安定して行うことができる。

また、本発明に係る光学素子によれば、回折格子に入射させる第１の波長λ₁は７８５ｎｍであり、第２の波長λ₂は６６０ｎｍであることにより、ＣＤとＤＶＤの両方を読み込むことのできる光ピックアップに用いることができる。

さらに、本発明に係る光学素子によれば、回折格子の段部の所定段数は６段であることにより、ＣＤ用とＤＶＤ用のいずれの光についても効率を高くすることができる。

さらにまた、本発明に係る光学素子によれば、格子部の周縁部には筒状のホルダ部が連続状に形成され、ホルダ部は外周に対する中心軸が各光の入射方向と略平行となるように配置され、格子部は各光の入射方向に対して傾斜状に配置されることにより、ホルダ部で回折格子の位置合わせを容易に行うことができる。

そして、本発明に係る光学素子によれば、回折格子の各段部は各光の入射方向と略同じ方向に形成された壁面部と、各光の入射方向に対して傾斜状に形成された格子部と略平行な平坦部とから構成されることにより、格子部とホルダ部を一体的に形成する際に、金型の抜き方向を光軸方向と一致させることができるので、格子部の有効径を相対的に大きくとることができ、結果としてホルダを含めた素子全体をコンパクトに形成することができる。

本発明の実施形態について、図面に添って詳細に説明する。図１は、本実施形態における光学素子の拡大断面図である。この図に示すように、本実施形態における光学素子は、傾斜して入射する二つの波長の光Ｌ１、Ｌ２の光軸を同軸化する同軸化光学素子１であり、略平板状に形成されると共に、各光Ｌ１、Ｌ２の入射面に階段状の回折格子３を多数設けてなるものである。

同軸化光学素子１は、光透過性の樹脂材またはガラス材からなるものである。また、光を透過させる格子部２を備え、その入射面に形成された回折格子３が、ＣＤ用の７８５ｎｍの波長を有する第１の光Ｌ１を回折させ、ＤＶＤ用の６６０ｎｍの波長を有する第２の光Ｌ２を回折させずに直進させて同軸化するものである。すなわち、この回折格子３は、第１の光Ｌ１については、１次回折光を最も強く出射し、第２の光Ｌ２については、０次回折光を最も強く出射するものである。

回折格子３は、格子部２の表面において階段状に形成されるもので、図１に示すように６つの段部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ，４ｅ、４ｆからなるパターンを多数形成している。各段部４、４は、同軸化光学素子１の厚さ方向に形成される壁面部５と、この壁面部５と垂直方向に形成される平坦部６とからなっており、壁面部５の高さを適正な値とすることにより、回折格子３は上記機能を有することができる。この壁面部５の高さは以下のように設定される。

同軸化光学素子１に入射する光Ｌ１、Ｌ２は、いずれも回折格子３に対して傾斜状に入射する。このため、壁面部５の高さを以下のように設定する。壁面部５の高さをｈ、第２の光Ｌ２の波長をλ₂、格子部２の屈折率をｎとすると、（ｎ−１）ｈ＜λ₂を満たすようにする。具体的には、（ｎ−１）ｈ＝０．９４９λ₂とする。ｎ＝１．５４でλ₂＝６６０ｎｍであるとすると、壁面部５の高さｈは、１．１６μｍとなる。

この同軸化光学素子１は、図２に示すような光ピックアップ１０に用いられる。この光ピックアップ１０は、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を発生する２つのレーザダイオードが内蔵された二波長光源１１と、この二波長光源１１からの光を反射させると共に、反射方向から入射する光を透過させるビームスプリッタ１２と、ビームスプリッタ１２からの光を平行光とするコリメートレンズ１３と、コリメートレンズ１３からの光を垂直方向に反射させる反射鏡１４と、反射鏡１４からの光をＤＶＤないしＣＤからなる媒体２０に対して集光する対物レンズ１５とを備えている。

さらに光ピックアップ１０は、媒体２０からの戻り光がビームスプリッタ１２を透過した後に、本実施形態の同軸化光学素子１と、光を受光するフォトダイオードからなる受光部１６とを備えている。二波長光源１１は、上述のように２つのレーザダイオードを内蔵しており、これらは微小間隔を置いて配置されているので、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２は光軸がずれた状態で出射される。同軸化光学素子１は、受光部１６の位置において略同じ位置に光が集光するように、このずれを補正する。

また、傾斜状に配置されたビームスプリッタ１２を透過した戻り光には、コマ収差が生じており、これを補正するために、平板状の同軸化光学素子１をビームスプリッタ１２とは逆方向に傾斜させて配置している。同軸化光学素子１の傾斜角度は、２０°前後が望ましい。このように同軸化光学素子１を設けることにより、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２を受光部１６での受光位置を一致させると共に、ビームスプリッタ１２により生じるコマ収差を補正して、安定した読み込みを行うことができる。

図１に示す構造を有する同軸化光学素子１の特性について図３に示す。図３は、同軸化光学素子１の傾斜角度に対する回折効率分布を示している。この図で対比する従来の同軸化光学素子１は、壁面部５の高さが（ｎ−１）ｈ＝λ₂を満たすように設定されたものである。

この図に示すように、本実施形態の同軸化光学素子１は、二波長の光ピックアップ１０における同軸化光学素子１の傾斜角度である２０°前後で、第１の光Ｌ１、第２の光Ｌ２とも従来より高い効率を有している。また、従来の同軸化光学素子１は、２０°前後における角度依存性が大きいのに対して、本実施形態の同軸化光学素子１は、その角度依存性が小さい。

したがって、本実施形態の同軸化光学素子１は、図２の光ピックアップ１０のように、光に対して傾斜状に配置した場合において、高い透過率を得ることができる。また、同軸化光学素子１に入射する光は、図２に示すように各点で異なる入射角度であり、概ね１５°から２５°の範囲である。この角度範囲で、本実施形態の同軸化光学素子１は角度依存性が小さいので、略均一な出射光を得ることができる。これにより、光ピックアップ１０においてフォーカスサーボを安定して行うことができる。

この同軸化光学素子１について、位置決めを正確かつ容易に行うために、ホルダ部７を設ける。図４には、ホルダ部７を設けた同軸化光学素子１の断面図を示す。この図では、回折格子３について１つ１つの段部を省略し、６段からなるパターンを１つの格子として簡略化して示している。

図４に示すように、入射面に回折格子３を形成された格子部２は、各光Ｌ１、Ｌ２に対して傾斜状に配置され、ホルダ部７は、格子部２の周縁部に連続状に形成される。ホルダ部７の外周に対する中心軸は、入射する光Ｌ１、Ｌ２の光軸と略平行となるように配置される。このホルダ部７は、外周面を所定の場所に固定することによって、光学素子として機能する格子部２を正確かつ容易に位置決めすることができる。

回折格子３は、上述のように壁面部５が格子部２の厚さ方向と略同じ方向となるように形成されているので、同軸化光学素子１を射出成形により一体的に形成しようとした場合、金型の離型のためには、その抜き方向を格子部２の厚さ方向と略同じ方向とする必要がある。そのため、図４に示すようにホルダ部７を肉厚に形成する必要があり、したがって素子全体に対する格子部２の有効径が小さくなる。格子部２の有効径は所定の値が必要であるため、相対的な有効径が小さくなることにより、同軸化光学素子１全体の径が大きくなる。

次に示す第２の実施形態では、この問題点を解決している。図５には、同軸化光学素子１の第２の実施形態における断面図を示す。なお、回折格子３は図４と同様に簡略化して示している。この図に示すように、本実施形態における同軸化光学素子１では、回折格子３の壁面部５を入射する光Ｌ１、Ｌ２の光軸と略同じ方向に形成している。

図６には、本実施形態における回折格子３の拡大断面図を示す。この図に示すように、回折格子３を構成する段部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは、いずれも壁面部５は入射する光Ｌ１、Ｌ２と略同じ方向に形成され、一方で平坦部６は格子部２の面方向と平行に形成されている。それぞれの壁面部５の高さは、第１の実施形態と同じである。

回折格子３をこのように構成することで、金型の抜き方向を入射する光Ｌ１、Ｌ２と同じ方向とすることができ、これはホルダ部７の外周面と同じ方向となるので、ホルダ部７を薄肉に形成することができ、素子全体に対する格子部２の有効径を相対的に大きくすることができるので、同軸化光学素子１全体の径をコンパクトにすることができる。

本実施形態における同軸化光学素子１の特性について図７に示す。この図に示すように、第１の光Ｌ１及び第２の光Ｌ２共に傾斜角度２０°前後において従来の同軸化光学素子よりも高い効率を有している。また、傾斜角度２０°前後における角度依存性も小さい。したがって、第１の実施形態の同軸化光学素子１と同様に、光ピックアップ１０においてフォーカスサーボを安定して行うことができる。

さらに、第２の実施形態を変形させた例について説明する。図８は、第３の実施形態における同軸化光学素子１の断面図を示す。また、図９は本実施形態の回折格子３の拡大断面図である。これらの図に示すように、本実施形態では、回折格子３を格子部２の出射面に形成している。格子部２の周縁部にホルダ部７を連続状に設け、また回折格子３の壁面部５を入射する光Ｌ１、Ｌ２の光軸方向と略同じ向きとしたこと、及びその他の回折格子３の形状、寸法は第２の実施形態と同様である。

格子部２をこのように構成することにより、図８及び図９に示すように、回折格子３で回折する第１の光Ｌ１の回折方向を第１及び第２の実施形態とは逆方向にすることができる。それ以外の機能及び効率については第２の実施形態の同軸化光学素子１と同様であるので、二波長光源１１におけるレーザダイオードの配置に応じて、選択的に用いることができる。

次に、第４の実施形態について説明する。図１０は本実施形態における同軸化光学素子１の断面図、図１１はその回折格子３の拡大断面図である。これらの図に示すように、本実施形態では、回折格子３を格子部２の入射面に形成している。第２の実施形態では、各段部は格子部２の傾斜方向と逆方向に傾斜する階段状に形成されている。一方、本実施形態では、各段部は格子部２の傾斜方向と同じ方向に傾斜する階段状に形成されている。

本実施形態の回折格子３は、図１０及び図１１に示すように、第１の光Ｌ１は第３の実施形態と同じ方向に回折する。すなわち、第２の実施形態とは回折方向を逆になる。このように、回折格子３の形状を反転させることによっても、回折方向を逆にすることができる。

次に、第５の実施形態について説明する。図１２は本実施形態における同軸化光学素子１の断面図、図１３はその回折格子３の拡大断面図である。これらの図に示すように、本実施形態では、回折格子３を格子部２の出射面に形成している。同じく格子部２の出射面に回折格子３を形成した第３の実施形態では、各段部は格子部２の傾斜方向と逆方向に傾斜する階段状に形成されているのに対し、本実施形態では、各段部は格子部２の傾斜方向と同じ方向に傾斜する階段状に形成されている。

このような格子部２の構成によれば、第１の光Ｌ１の回折方向を第３の実施形態とは逆方向とすることができる。以上、第２〜５の実施形態のように、回折格子３を格子部２のいずれの面に形成するかと、回折格子３の各段部の傾斜方向により、第１の光Ｌ１の回折方向を変化させることができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用はこれら実施形態には限られず、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。

本実施形態における光学素子の拡大断面図である。 本実施形態における光学素子を用いた光ピックアップの構成図である。 本実施形態における光学素子の傾斜角度に対する回折効率分布を示した図である。 本実施形態における光学素子にホルダ部を設けた場合の断面図である。 ホルダ部を設けた光学素子の第２の実施形態を示した断面図である。 図５の回折格子の拡大断面図である。 図５の光学素子における傾斜角度に対する回折効率分布を示した図である。 ホルダ部を設けた光学素子の第３の実施形態を示した断面図である。 図８の回折格子の拡大断面図である。 ホルダ部を設けた光学素子の第４の実施形態を示した断面図である。 図１０の回折格子の拡大断面図である。 ホルダ部を設けた光学素子の第５の実施形態を示した断面図である。 図１２の回折格子の拡大断面図である。 従来の光学素子における傾斜角度に対する回折効率分布を示した図である。

符号の説明

１ 同軸化光学素子
２ 格子部
３ 回折格子
４ 段部
５ 壁面部
６ 平坦部
７ ホルダ部
１０ 光ピックアップ
１１ 二波長光源
１２ ビームスプリッタ
１３ コリメートレンズ
１４ 反射鏡
１５ 対物レンズ
１６ 受光部
２０ 媒体

Claims (5)

1. 表面に階段状の回折格子を多数設けてなる平板状の格子部を備え、該格子部の回折格子は１５°〜２５°の範囲の角度をなして入射する光のうち第１の波長λ１の光を回折させ、第２の波長λ２の光を回折させずに透過させる光学素子において、
   上記回折格子は所定段数の段部を形成してなり、該段部の高さ（ｈ）は上記第２の波長λ２のレーザ光に対して（ｎ−１）ｈ＜λ２を満たす（ただしｎは上記格子部の屈折率）ことを特徴とする光学素子。
2. 上記回折格子に入射させる上記第１の波長λ１は７８５ｎｍであり、上記第２の波長λ２は６６０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 上記回折格子の段部の所定段数は６段であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
4. 上記格子部の周縁部には筒状のホルダ部が連続状に形成され、該ホルダ部は外周に対する中心軸が各光の入射方向と略平行となるように配置されると共に、上記格子部は各光の入射方向に対して傾斜状に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 上記回折格子の各段部は各光の入射方向と略同じ方向に形成された壁面部と、各光の入射方向に対して傾斜状に形成された上記格子部と略平行な平坦部とから構成されることを特徴とする請求項４記載の光学素子。

Images