JP4347731B2 - 位相変調素子およびこれを備えた光ピックアップ - Google Patents

Description

本発明はＣＤ、ＤＶＤ等のディスク情報の読み取りまたは記録装置である光ピックアップに関し、更に詳しくは波長板あるいは広帯域波長板の機能を合体させた収差補正用の位相変調素子を搭載した光ピックアップに関する。

従来技術の理解を容易にするため、位相差板及び広帯域位相差板について簡単に説明する。ここでいう位相差板とは、入射偏光の方位により位相変調量が異なる光学素子であり、機能として入射偏光状態を変換する一般的な位相型光学素子のことを指す。このような光学素子の代表的なものとして四分の一波長板または二分の一波長板が知られ、その四分の一波長板の作用の一つは入射直線偏光を円偏光に変換する。また、二分の一波長板の作用の一つは、入射直線偏光の方位を９０°変換する。この２つの波長板の作用について以下に説明をする。

図５は、四分の一波長板の一般的な作用を示したものである。
厚さｄ、Ｙ軸方向の屈折率がｎｙ、Ｘ軸方向の屈折率がｎｘの波長板５０２に、波長λの直線偏光５０１がその方位をＸ軸に対し４５度で入射する場合を考える。このとき直線偏光５０１のＸ軸方向の成分はｎｘ、Ｙ軸方向の成分はｎｙの屈折率を見ながら距離ｄだけ進む。その際、光路長はそれぞれｎｘ×ｄ及びｎｙ×ｄとなり、その差すなわち位相差Δｎｄは（ｎｘ−ｎｙ）×ｄとなる。

そして、Δｎｄが入射波長λに対し±λ／４＋２ｎλとなる条件を満たすのが四分の一波長板であり、入射直線偏光５０１は円偏光に変換されて出射する。

同様に、Δｎｄが入射波長λに対し±λ／２＋２ｎλとなる条件を満たすのが二分の一波長板で、入射直線偏光５０１の方位を回転する素子として知られる。ここでｎｙ＜ｎｘとするとＹ軸方向（進相軸）が位相差板の方位と定義される。またｎは整数で波長板の次数を表す。
前述した位相差板は、その作用から明らかなように、特定の波長に対してのみ四分の一波長板あるいは二分の一波長板として機能する。

しかるに後述するように、近年光ディスクのピックアップ光学系では異なる２波長以上の直線偏光に対し同一の光学系で円偏光に変換する要求が生じてきた。そこで、この問題を解決するための従来技術として、基準となる波長５５０ｎｍ程度に対する二分の一波長板と四分の一波長板を互いの方位が５０度以上７０度以下の範囲で適当に調節して貼り合わせ、可視光域の異なる２波長以上の設計波長に対しほぼ四分の一波長板として機能する広帯域位相差板（広帯域四分の一波長板）が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、このとき基準波長や二枚の波長板を貼り合わせる相対方位は、設計波長により適当に調整される。

また、近年レーザー光学系特に記録型ＤＶＤのピックアップ光学系においては、ディスク基板の傾きや厚み方向の変化により発生する光学波面の乱れ（波面収差）、すなわち光波の位相をアクティブに補正する位相変調素子の一つとして、ガラス基板で複屈折材料である液晶を挟持した構造の液晶光学素子が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。

この記録型ＤＶＤで使用するレーザー光の波長は、６５０ｎｍ程度であるが、ＣＤ−Ｒ（記録型ＣＤ）との互換性を保つため、７８０ｎｍ程度のレーザー光も同一の光学系で使用する。その際、レーザーの戻り光防止や光利用効率の低下防止のため、特に６５０ｎｍと７８０ｎｍ近辺の波長に対し四分の一波長板として機能する上述した広帯域四分の一波長板を使用する必要がある。

更に、ノートパソコンに代表される記録型スリム型ＤＶＤ装置の場合、その光ピックアップは、非常に小型軽量に設計しなくてはならず、省スペース化のために、液晶光学素子と広帯域位相差板を一体化する必要が生じる。

図６は、その液晶光学素子に広帯域四分の一波長板を一体に貼り合せた構成例を示している。

本図面に示す様に、液晶光学素子６０１にフィルム二分の一波長板６０２及びフィルム四分の一波長板６０３を貼り合せることで、液晶光学素子６０１から入射する直線偏光の収差を補正し、その補正された直線偏光を円偏光としてフィルム四分の一波長板６０３から出射させることができる。また、図示をしないがこれと同様に、水晶二分の一波長板と水晶四分の一波長板を液晶光学素子６０１に貼り合わせても同様な効果を得ることができる。

特開平１０−６８８１６号公報（第２−４頁、第１−３図） 特開２００１−１４３３０８号公報（第２−４頁、第１図、第３図）

しかしながら、二枚の異なる方位を持った位相差フィルムを貼り合わせる場合は、熱膨張などの際に互いの膨張伸縮しやすい方位も異なるため、結果として歪みが生じ出射光の透過波面が乱れてしまうという問題がある。

また２枚の水晶板を貼り合わせる場合、一枚当たりの水晶板の厚みは少なくとも５００ミクロン程度となってしまうため、光学素子全体の厚みが１ｍｍ程度厚くなる問題がある。この問題は、小型軽量の光ピックアップとする上での、障壁となっていた。更には二枚の素子を貼り合わせる境界面での光の減衰も生じるという不具合もある。

本発明の目的は上記問題点を解決し、熱膨張の際にも透過波面を乱し難く、四分の一波長板もしくは広帯域四分の一波長板と収差補正機能を有する位相変調素子およびこれを備えた小型の光ピックアップを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の位相変調素子は、２枚の透明基板により挟持され
た複屈折性材料を有する位相変調素子において、前記複屈折性材料の反対側の前記透明基板表面に位相差板として機能する構造性複屈折構造のための形状加工を施したことを特徴とする。
また、構造性複屈折構造は、レーザー光源から出射されるレーザー光波長の半波長以下のピッチで形成された一次元位相格子であることを特徴とする。
また、一次元位相格子の形状は、矩形波形状、三角波形状、または正弦波形状であることを特徴とする。
また、一次元位相格子のデューティー比が５０％であることを特徴とする。
また、構造性複屈折構造が形成された表面に、位相差板をさらに貼り合わせてなることを特徴とする。
また、一次元位相格子の格子ベクトルの方位と、位相差板の方位の成す角が、５０度以上７０度以下、または１４０度以上１６０度以下となるように設定されていることを特徴とする。
また、複屈折性材料は、液晶であることを特徴とする。

本発明における光ピックアップは、レーザー光源と、対物レンズと、このレーザー光源と対物レンズとの間に配置された位相変調素子とを備え、この位相変調素子は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の位相変調素子であることを特徴とする。

本発明における位相差板機能を付加した位相変調素子を備えた光ピックアップは、従来の方法と比べ、位相変調素子を構成するガラス基板に位相差板を貼り付けるための余分な接着面や、位相差板を付加しなくて済む。

その結果、この光学素子は、生産性が良く薄型で軽量になり、例えこの光学素子が高温環境下に長時間置かれたとしても、光学素子を通過する直線偏光の波面の乱れを生じ難くすることができる。すなわち小型で信頼性の高い光ピックアップを実現できる。

本発明の光ピックアップは、レーザー光源と、対物レンズと、このレーザー光源と対物レンズとの間に配置された２枚の透明基板により挟持された複屈折性材料を有する位相変調素子とを備えた光ピックアップにおいて、前述した位相変調素子の透明基板に、複屈折性材料の反対側の表面に形状加工を施した構造性複屈折構造を有する構造を採用するものである。
以下にこの光ピックアップに搭載する位相変調素子の作用、構成および光ピックアップの構成について説明をする。

まず、本発明の実施形態の理解を容易にするために、構造性複屈折を利用した位相差板の作用を図７を用いて簡単に説明する。図７（ａ）は、例えば屈折率ｎを持つ透明なガラス基板７０１に矩形波状の一次元位相格子７０２を刻んだ光学素子の正面図であり、図７（ｂ）は、その光学素子の断面図である。
なお、この光学素子に形成された格子の溝の深さをｄ、格子ピッチをＰとする。このとき格子ベクトルは図に示すＹ軸方向で定義される。また、以下に述べる作用原理は本発明の考え方を示すものであり、厳密な設計においては、個々の条件において電磁場方程式を解く必要があるがここでの詳細な説明は割愛する。

ここで、Ｙ軸方向の直線偏光が入射した場合について考察する。このとき、格子ピッチＰがＹ軸方向の直線偏光が半波長程度以下の場合は、格子溝に光が定在することができず、媒質と空気（屈折率１）の平均的な屈折率を感じる。例えば、格子のデューティーが５０％の場合は、（ｎ＋１）／２の屈折率となる。また、溝に屈折率ｎｂの媒質が充填された場合は、（ｎ＋ｎｂ）／２の屈折率となる。

他方、Ｘ軸方向の直線偏光に関しては、格子は十分広く存在するため格子の構造が反映される。このときｎの屈折率を見て進む光７０３と、ｎｂの屈折率を見て進む光７０４が存在する。したがって、Ｙ軸方向とＸ軸方向の位相差はｎの屈折率を見て進む光７０３とｎｂの屈折率を見て進む光７０４に対し、それぞれ（数１）（数２）式で示される。

ここで、（数１）と（数２）は、絶対値が同じで符号が異なることが判る。また、Ｘ軸方向の直線偏光は、一次元位相格子７０２により回折されるが、格子ピッチＰが波長の半
分程度のため、回折の実数解が存在せず、エバネセント波として一部が表面に定在するのみである。エバネセント波は、ポインティングベクトルの平均が０のため、エネルギーを消費しない。

次に、本発明の光ピックアップ及びそれの構成要素の一つである位相変調素子の構造および作用について更に詳細に説明をする。図１は、本発明における光ピックアップの実施形態の代表例である。ここでは光ピックアップの主要部のみの構成を示しており、通常の光ピックアップを構成する、レーザー光を発光するレーザーダイオード、レーザー光を直線偏光とするコリメートレンズ、レーザーダイオードから出射したレーザー光が光ディスク１０５まで到達する往路と、光ディスク１０５で反射された復路のレーザー光の経路を分離する偏光プリズム等の光学部品は省かれている。

そして、直線偏光１０１が位相変調素子１０２に入射する。ここで位相変調素子１０２には、光ディスクの傾きや厚み変化等で発生する光学収差を補償するため、必要に応じて適当な位相変調プロファイルが与えられる。また、位相変調素子１０２は、上述した位相変調の機能だけでなく四分の一波長板の機能も合わせ持ち、出射偏光１０３は円偏光となり対物レンズ１０４を通して光ディスク１０５に集光されディスクに書かれた情報を読み出す。

図２は本発明の光ピックアップを構成する１／４波長板機能を付した位相変調素子１０２の構造の一つを示す断面図である。

この位相変調素子は、２枚のガラス基板２０１に液晶等の複屈折材料２０２が挟まれた構造を有する。そして、この位相変調素子を構成する２枚の内少なくとも一方のガラス基板には、前述した作用を有する矩形波状の一次元位相格子２０３が刻まれる（ここでは、一方のガラス基板の表面に一次元位相格子２０３が形成された例を示している。）。

前述したように、一次元位相格子のピッチＰを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を使用波長の四分の一波長板となるように設計する。これにより、更にこの構成に四分の一波長板等を貼り合せなくても、同じ機能が付加された波面変調用の位相変調素子とすることができる。

また、ここではガラス基板２０１に直接溝を刻んだ例を示したが、溝を刻まなくてもイオン交換法等を用いて屈折率分布を与えることで位相格子を形成しても良い。また更には、必要に応じて両方の基板表面に構造性複屈折構造を形成した形態としても構わない。

以上説明の如く、本実施形態の位相変調素子１０２で構成された光ピックアップは、従来の方法と比べ、位相変調素子を構成するガラス基板２０１に位相差板を貼り付けるための余分な接着面や、位相差板を付加しなくて済む。その結果、この光ピックアップは生産性が良く薄型で軽量になり、例えこの光ピックアップが高温環境下に長時間置かれたとしても、波面の乱れを生じにくい光ピックアップとすることができる。

次に、本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子の他の構成例について説明をする。図３は、本発明における第２の実施形態の位相変調素子の構造を示す断面図である。

本実施形態においても、位相変調素子は、２枚のガラス基板３０１に液晶等の複屈折材
料３０２が挟まれた構造を有する。そして、２枚のガラス基板３０１の内、一方のガラス基板には、矩形波状の一次元位相格子３０３が刻まれている。

更にその一次元位相格子が形成されたガラス基板表面に、基準波長に対するフィルム四分の一波長板３０４が貼り合わされている。前述したように、一次元位相格子のピッチを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を基準波長の二分の一波長板となるように設計し、位相格子の格子ベクトルとフィルム四分の一波長板３０４の方位を、５０度以上７０度以下あるいは１４０度以上１６０度以下の範囲で適当に選べば、特定の２波長以上に対してほぼ四分の一波長板となる広帯域四分の一波長板として機能させることができる。ここで、四分の一波長板として、フィルム以外の水晶等の複屈折を持つ材料を用いても良い。

上記構成を採用すれば、実施例１の効果に加えて、従来の多波長対応型の光ピックアップで用いられていた広帯域四分の一波長板の構成に比べて、フィルム、または水晶四分の一波長板の１枚分が必要なくなり、その厚み分と、波長板を貼り合せる接着剤の分の薄型化が見込め、小型で信頼性の高い光ピックアップが可能となる。

次に、本発明の光ピックアップの他の構成例について説明をする。図４（ａ）は、本発明における光ピックアップを構成する位相変素子１０２の構造を示した斜視図である。

図４（ａ）に示す様に、本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子は、他の実施形態と同様に、２枚のガラス基板４０１に液晶等の複屈折材料４０２が挟まれた構造を有する。その一方のガラス基板には、三角波状の一次元位相格子４０３が刻まれ、その形状加工された表面に基準波長に対する水晶四分の一波長板４０４が貼り合わされている。

前述した様に、一次元位相格子４０３のピッチを入射直線偏光の半波長程度以下に選び、溝の深さや屈折率を基準波長の二分の一波長板となるように設計し、位相格子の格子ベクトルとフィルム四分の一波長板４０４の方位を、５０度以上７０度以下、あるいは１４０度以上１６０度以下の範囲で適当に選べば、第２の実施の形態と同様に、特定の２波長以上に対してほぼ四分の一波長板となる広帯域四分の一波長板として機能する。

図４（ｂ）は、三角波状の一次元位相格子の断面図の一部を表したものである。その格子ピッチＰは、入射光波長の半分程度以下となる様に設計されている。ここで、媒質の屈折率をｎ１、その他の領域の屈折率をｎ２（通常は空気層でｎ２＝１）とする。この時、三角形の頂点からＬだけ進んだＹ軸方向の直線偏光に対するｎ１の屈折率層の断面積をＳ１、ｎ２の屈折率層の断面積をＳ２とし、（数３）により、平均屈折率が表される。

したがって、進んだ距離ｚに関して積分すれば、Ｙ軸方向の偏光に対する光路長を得ることができる。また、（数３）により得られる平均屈折率は、ｚに対し徐々に変化するため、境界面での屈折率の不連続が発生しない。そのため、この構成における一次元位相格子４０３の形状加工が施された三角形状は、無反射コートの役割も果たす。また、この一次位相格子４０３に形成する形状に、三角波形状の代わりに正弦波状の格子を用いてもよ
い。この場合は、位相型感光材料に対し平面波の二光束干渉法により正弦波位相構造を容易に作成することができるという利点を有する。

本実施の形態の位相変調素子を用いた光ピックアップ採用すれば、先に説明をした実施例２の効果に加えて、更に光損失の少ない光ピックアップとすることが出来る。

本発明の光ピックアップの主要部構成を示す図である。（実施例１） 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子の構成を示す断面図である。（実施例１） 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子の他の構成を示す断面図である。（実施例２） 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子の更に他の構成を示す斜視図である。（実施例３） 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子に形成された三角波状の一次元位相格子における要部拡大断面図である。（実施例３） 四分の一波長板の一般的な機能を説明するための図である。 背景技術に示す２枚のフィルム位相差板により構成される広帯域位相差板を示す断面図である。 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子を構成する構造性複屈折における位相差板の作用を説明するための平面図である。（実施例１） 本発明の光ピックアップを構成する位相変調素子を構成する構造性複屈折における位相差板の作用を説明するための断面図である。（実施例１）

符号の説明

１０１、５０１ 直線偏光
１０２ 位相変調素子
１０３ 円偏光
１０４ 対物レンズ
１０５ 光ディスク
２０１、３０１、４０１、７０１ ガラス基板
２０２、３０２、４０２ 複屈折材料
２０３、３０３、４０３、７０２ 一次元位相格子
３０４、６０２ フィルム二分の一波長板
６０３ フィルム四分の一波長板
５０２ 波長板
６０１ 液晶光学素子
７０３ ｎの屈折率を見ながら進む光
７０４ ｎｂの屈折率を見ながら進む光

Claims (8)

1. ２枚の透明基板により挟持された複屈折性材料を有する位相変調素子において、前記複屈折性材料の反対側の前記透明基板表面に位相差板として機能する構造性複屈折構造のための形状加工を施したことを特徴とする位相変調素子。
2. 前記構造性複屈折構造は、前記レーザー光源から出射されるレーザー光波長の半波長以下のピッチで形成された一次元位相格子であることを特徴とする請求項１に記載の位相変調素子。
3. 前記一次元位相格子の形状は、矩形波形状、三角波形状、または正弦波形状であることを特徴とする請求項２に記載の位相変調素子。
4. 前記一次元位相格子のデューティー比が５０％であることを特徴とする請求項２に記載の位相変調素子。
5. 前記構造性複屈折構造が形成された表面に、位相差板をさらに貼り合わせてなることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の位相変調素子。
6. 前記一次元位相格子の格子ベクトルの方位と、前記位相差板の方位の成す角が、５０度以上７０度以下、または１４０度以上１６０度以下となるように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の位相変調素子。
7. 前記複屈折性材料は、液晶であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の位相変調素子。
8. レーザー光源と、対物レンズと、前記レーザー光源と前記対物レンズとの間に配置された位相変調素子とを備えた光ピックアップにおいて、前記位相変調素子は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の位相変調素子であることを特徴とする光ピックアップ。

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