JP4487699B2

JP4487699B2 - 回折素子および光ピックアップ装置

Info

Publication number: JP4487699B2
Application number: JP2004266555A
Authority: JP
Inventors: 裕明下薗; 浩一村田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006085756A

Description

本発明は、回折素子およびＣＤやＤＶＤ等のディスクの厚さや記録密度の異なる光記録媒体(以下、「光ディスク」という）への情報の記録または光ディスクからの情報の再生を行う光ピックアップ装置に関する。

従来、光ディスクへの情報の記録または情報の再生（以下、「記録再生」という）、特に、具体的にはＣＤやＤＶＤ等の異なる種類の光ディスクに対して記録再生が可能な光ピックアップ装置が知られている。一般に、ＣＤの記録再生には７８０ｎｍ付近の波長を持つレーザー光源が必要であり、ＤＶＤの記録再生には６５０ｎｍ付近の波長を持つレーザー光源が必要であることが知られている。

また、従来、使用する光の波長が異なる光ディスクに対して記録再生を行うことができるようにするため、発振波長の異なる２個のレーザーを搭載した、所謂、２レーザー方式の光ピックアップ装置が実用化されている。通常、この方式の光ピックアップ装置は、個別に製作されたレーザーを１つのピックアップ上に搭載するものである。ところが、近年、光ピックアップ装置の小型化および低価格化を図るため、発振波長の異なる複数のレーザーダイオードを単一基板上に一体集積した、所謂、ツインレーザーが開発され、実用化されている。

上記のような２レーザー方式の光ピックアップ装置、或いは、ツインレーザー搭載の光ピックアップ装置では、コリメーター、対物レンズ等の光学系を２つの波長において共通に使用するため、異なる位置に配置された光源から出射される２つの光束の光軸が、前記光学系の光軸に一致するように合波する必要がある。
そこで、このような光ピックアップ装置では、回折素子を用いて異なる位置に配置されたレーザーから出射される２つの光束の光軸が一致するように合波する方法として、一方の使用波長の光束を０次で透過させるとともに、他方の使用波長の光束を１次で回折させ、回折素子から出射されたそれぞれの光束の光軸を一致させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、上記の方法では回折効率が低いという問題があり、その問題を解消するために、偏光異方性ホログラムを用いる方法も提案されている（例えば特許文献２参照）。

以下、特許文献２に記載の従来の技術について説明する。
図５は、特許文献２に記載された光ヘッド装置に用いる光源装置の構成図である。
この光ヘッド装置では、光源装置の光源に２つの半導体レーザー５１、５２を備えるとともに、この光源の近傍に波長板５３と偏光異方性回折素子５４を設けている。２つの半導体レーザー５１、５２のうち、波長６５０ｎｍの半導体レーザー５１からはｘ方向に偏光した光束を出射する一方、波長７８０ｎｍの半導体レーザーからは同じくｘ方向に偏光した光束を出射する。一方、波長板５３は、波長６５０ｎｍの光束に対してλ／２板として作用し、波長７８０ｎｍの光束に対しては何も作用しないように設計されている。即ち、波長６５０ｎｍの光束に対しては、偏光方向を９０°回転させ、波長７８０ｎｍの光束に対しては偏光方向の変換は行わない。また、偏光異方性回折素子５４は、等方性基板の表面に鋸歯状の周期的な溝を形成し、その鋸歯状の溝を複屈折材料で充填した構造となっている。等方性基板と複屈折材料はｙ方向の屈折率が一致するように選定されており、ｙ方向の偏光の光束は回折しないようになっている。

上記の構成により、半導体レーザー５１から出射するｘ方向に偏光した波長６５０ｎｍの光束は、波長板５３の（λ／２）板の作用によりｙ方向の偏光光束となり、偏光異方性回折素子５４では回折をすることなく透過する。また、半導体レーザー５２から出射するｘ方向に偏光した波長７８０ｎｍの光束は、波長板５３で偏光方向が変化されず、偏光異方性回折素子５４で回折する。このように半導体レーザー５１から出射した光束は回折せず、半導体レーザー５２から出射した光束は回折することで、それぞれの光束の光軸を一致させている。
特開平１１−１１０７８５号公報特開２００２−１５４４８号公報

しかしながら、このような特許文献２に開示された従来のものでは、偏光異方性ホログラムを用いて波長選択的に回折を行うため、偏光異方性ホログラムに入射する光束の偏光方向を所定の方向に設定する必要があり、波長板を用いているが、コスト高になるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、入射する光束の偏光方向に依存することのない、異なる２波長に対して所望の回折効率を独立に設定可能な回折素子および光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明は、断面形状が周期的な凹凸状の第１の格子を表面に形成した第１の透明基板と、断面形状が周期的な凹凸状の第２の格子を表面に形成した第２の透明基板と、が、前記第１の格子と前記第２の格子とが対向するように配置され、前記第１の格子の凹凸および前記第２の格子の凹凸を充填する充填部材を有する回折素子であって、前記第１の格子の長手方向と前記第２の格子の長手方向とが等しく、前記第１の格子の格子ピッチと前記第２の格子の格子ピッチとが等しく、さらに、第１の波長λ_１の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率または前記第２の格子の屈折率にほぼ等しく、第２の波長λ_２（λ_１≠λ_２）の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率および前記第２の格子の屈折率と異なる回折素子を提供する。この構成により、入射する光束の偏光方向に依存することのない、異なる２波長に対して所望の回折効率を独立に設定可能な回折素子が実現できる。

また、断面形状が周期的な凹凸状の第１の格子を表面に形成した透明基板と、前記第１の格子の凹凸を充填するとともに、前記第１の格子と対向する側に断面形状が周期的な凹凸状の第２の格子を有する第１の充填部材と、前記第２の格子の凹凸を充填する第２の充填部材と、を有する回折素子であって、前記第１の格子の長手方向と前記第２の格子の長手方向とが等しく、前記第１の格子の格子ピッチと前記第２の格子の格子ピッチとが等しく、さらに、第１の波長λ_１の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率または前記第２の格子の屈折率にほぼ等しく、第２の波長λ_２（λ_１≠λ_２）の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率および前記第２の格子の屈折率と異なる回折素子を提供する。この構成により、請求項１とは異なる構成で、入射する光束の偏光方向に依存することのない、異なる２波長の光束に対して所望の回折効率を独立に設定可能な回折素子を実現できる。

また、前記第１の格子の断面形状と、前記第２の格子の断面形状のうち、少なくとも１つの断面形状が、鋸歯状または鋸歯状を階段状に近似した周期構造である上記の回折素子を提供する。この構成により、異なる２波長の光束に対して回折効率が高く、また、容易に製造可能な回折素子が実現できる。

また、前記第１の格子および前記第２の格子の断面形状がいずれも、鋸歯状または鋸歯状を階段状に近似した周期構造である上記の回折素子を提供する。この構成により、異なる２波長の光束に対して回折効率が高く、また、容易に製造可能な回折素子が実現できる。

また、前記波長λ _１および前記波長λ _２は、６５０ｎｍと７８０ｎｍとの組み合わせとなる上記の回折素子を提供する。

また、本発明は、第１の使用波長の光束を出射する第１の光源と、前記第１の使用波長とは異なる第２の使用波長の光束を出射する第２の光源と、前記各光源が出射した光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を受光する受光素子と、を備える光ピックアップ装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中または、前記対物レンズと前記受光素子との間の光路中に、上記の回折素子が設置されている光ピックアップ装置を提供する。この構成により、光軸の揃った高効率の２波長光ピックアップ装置を実現できる。偏光方向に依存しない回折素子を用いているため、この回折素子に入射する光束の偏光方向を変換するための波長板が不要となることに加えて、この回折素子回折後の光束に対しても偏光方向を変換するための波長板が不要であり、該装置の低コスト化が実現できる。

さらに、第１の使用波長の光束を出射する第１の光源と、前記第１の使用波長とは異なる第２の使用波長の光束を出射する第２の光源と、前記各光源が出射した光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を受光する受光素子と、を備える光ピックアップ装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の回折素子が設置されているとともに、前記対物レンズと前記受光素子との間の光路中に、上記の回折素子が設置されている光ピックアップ装置を提供する。この構成により、光軸の揃った高効率の２波長光ピックアップ装置を実現できる。偏光方向に依存しない回折素子を用いているため、この回折素子に入射する光束の偏光方向を変換するための波長板が不要となることに加えて、この回折素子回折後の光束に対しても偏光方向を変換するための波長板が不要であり、該装置の低コスト化が実現できる。

本発明によれば、入射する光束の偏光方向に依存することのない、異なる２波長に対して所望の回折効率を独立に設定可能な回折素子を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る回折素子の断面の一部を示す断面図であり、この回折素子１０は、第１の透明基板１１と、第１の透明基板１１に形成した断面形状が周期的凹凸状である第１の格子１２と、第２の透明基板１３と、第２の透明基板１３に形成した断面形状が周期的凹凸状である第２の格子１４と、充填部材１５とを備えている。

本実施形態で使用する２つの波長を、第１の波長λ_１、第２の波長λ_２として、λ_１に対する第１の格子１２、第２の格子１４、充填部材１５の屈折率を、それぞれ、ｎ_１１、ｎ_１２、ｎ_１３、また、λ_２に対する屈折率をｎ_２１、ｎ_２２、ｎ_２３とするとき、
ｎ_１３＝ｎ_１１、または、ｎ_１３＝ｎ_１２
を満足するように材料を選択する。

例えば、ｎ₁₃＝ｎ₁₁であるように各材料の屈折率を選択することで、波長λ₁の光束に対しては、実質、ｎ₁₁とｎ₁₂の２種類の材料が、第１の格子１２の凹凸形状を形成した回折格子となる。そこで、波長λ₁に対して、第１の格子１２の凹凸の段差寸法を、回折効率が最大となるよう最適化する。そのとき、波長λ₂に対しては通常、ｎ₂₁とｎ₂₂とｎ₂₃は全て異なるが、この３つの屈折率の組み合わせで、波長λ₂に対して、回折効率最大となるように第２の格子１４の段差寸法を決定する。
このように、２つの格子を用いて、それぞれの段差寸法を上記手順にて最適化することで、異なる２波長の光束に対して高効率な回折効率を有する回折素子が実現する。
なお、ｎ₁₃＝ｎ₁₂の場合にも、上記の説明の第１の格子１２と第２の格子１４の役割が入れ替わるだけで、同様の効果が得られる。

［例１］
次に、本発明の回折素子の具体的な実施例について、以下に詳細に説明する。なお、本実施例において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
図２は、「例１」に係る回折素子２０の断面形状の一部を示す。図２において、回折素子２０は、表面に格子がエッチングされた透明基板２１（図１において説明した第１の透明基板１１、およびこの表面に形成された第１の格子１２を同一材料で作成したもの）と、第２の透明基板１３（図１に示す第１の実施形態の第２の透明基板と同一のもの）と、第２の格子１４（図１に示す第１の実施形態の第２の格子１４と同一のもの）と、充填部材１５（図１に示す第１の実施形態の充填部材１５と同一のもの）とで構成される。

透明基板２１および第２の透明基板１３には、石英ガラスを用いた。
また、第２の透明基板１３に設ける第２の格子１４は、以下に示す材料を用いた。即ち、御国色素社製「ＣＦレッドＥＸ−２７３９」を８５％、日本化薬社製「ＫＡＹＡＲＡＤ−ＤＰＨＡ」を１２％、プロピレングリコール−１−モノメチルエーテル−２−アセテートを３％からなる混合物に、光重合開始材として、チバスペシャリティケミカルズ社製「イルガキュア９０７」を０．２％混合した組成物をスピンコートし、１００℃で３分間保持し、紫外線照射後２００℃で６０分間保持し、膜としたものである。

また、充填部材１５としては、以下の材料を用いた。
下記の［化１］で表される化合物、ビス（β−エピチオプロピル）スルフィドにテトラブチルアンモニウムブロミドを０．１％添加し５分間攪拌したものを、モノマーの状態で充填する。この充填部材１５を充填後、１００℃で４時間過熱し硬化させる。

上記の材料の使用波長での屈折率を、［表１］にまとめる。なお、上記充填部材１５に用いる材料の屈折率は、硬化後の値である。

この数値を用いて、格子の形状を決定する手順を説明する。
透明基板２１の一部である第１の格子１２と第２の格子１４とは、ともに、３２ステップの階段状格子として鋸歯状形状を近似して計算を行った。
使用波長６５０ｎｍの光束に対しては、［表１］に示した第２の格子１４の屈折率と充填材１５の屈折率の違い０．００１を無視して、共に屈折率１．７０４として、実質、図３に示すような回折格子と等価であると考える。即ち、第１の格子１２の凹凸を充填材で充填した構成と考えることができる。
このような仮定で、まず、波長６５０ｎｍの光束に対して、１次の回折効率最大という条件で第１の格子１２の形状（図２に示す段差ｄ１の値）を決定する。格子ピッチ１０μｍとして計算を行い、段差ｄ１＝２．６０μｍで１次の回折効率が最大（９２％）となった。

次に、波長７８０ｎｍの光束に対して、１次の回折効率最大という条件で第２の格子１４の形状（図２に示す段差ｄ２）を決定する。波長７８０ｎｍの光束に対しては、第１の格子１２、第２の格子１４、充填部材１５の３つの材料の屈折率が全て異なる回折格子となるが、波長６５０ｎｍにおいて、第１の格子１２の段差ｄ１は決定しているため、波長７８０ｎｍの光束に対して１次の回折効率が最大となるよう、第２の格子１４の段差ｄ２を決定する。計算により、段差ｄ２＝３．３μｍにすることで１次の回折効率が最大（９１％）となった。
このように、第１の格子１２の段差ｄ１と第２の格子１４の段差ｄ２をそれぞれ独立に決定できるため、異なる２波長に対してそれぞれ最適化が可能となる。
なお、先に、波長６５０ｎｍで第２の格子１４と充填部材１５の屈折率の差を無視したが、上記の段差ｄ１、ｄ２を用いて、改めて波長６５０ｎｍで［表１］に示した第２の格子１４と充填部材１５の屈折率の値を用いて回折効率の計算を行った。すると、先のｄ１の値で波長６５０ｎｍの光束に対して、１次の回折効率９２％であり、先の計算で問題ないことを確認した。

上記計算の結果を元に、第１の格子１２の段差ｄ１、第２の格子１４の段差ｄ２をそれぞれ２．６μｍ、３.３μｍとして、回折素子を作成した。
透明基板２１に設ける格子（第１の格子１２）は、３２段の階段状で近似された断面形状をもつ擬似ブレーズであって、石英ガラスからなる厚さ１ｍｍの平行平面の基板表面をフォトリソグラフィ技術により加工して形成した。第２の格子１４は、上記材料で説明した膜を第２の透明基板１３に形成し、その膜をフォトリソグラフィ技術により加工して形成した。この透明基板２１および第２の格子１４を施した第２の透明基板１３をそれぞれの格子が対向するように配置し、その間隙を充填部材１５で充填し、その後、熱により硬化させた。
このようにして作成した回折素子に対して、波長６５０ｎｍおよび波長７８０ｎｍでの１次の回折効率を測定したところ、共に９０％であった。

なお、透明基板２１の格子部分の段差ｄ１を含む厚さ、および第２の透明基板１３の厚さは０．５ｍｍとし、各透明基板２１、１３の格子を持たないほうの平面には、６５０ｎｍおよび７８０ｎｍに対する反射防止膜を施した。なお、例１では、格子を有する２枚の透明基板２１、１３を対向させ、間隙を充填部材１５で充填する構成としたが、これに限らない。石英ガラスにエッチングで凹凸状の格子を形成し、その上に、第２の格子１４に用いた材料を用いて膜を形成し、その膜をフォトリソグラフィ技術により加工して凹凸状の格子を設け、その上に前述の充填部材１５で凹凸部分を充填し、カバーガラスで保護するような構成としてもよい。

［例２］
本例の光ピックアップ装置の光学配置は、図４に示すように、光源１を構成する、波長６５０ｎｍの光束を発する第１の光源１Ａおよび波長７８０ｎｍの光束を発する第２の光源１Ｂと、それぞれの光源１Ａ，１Ｂからの光束を合波するための第１の回折素子２（前述例１で示した回折素子を用いる）と、合波された光束を透過させ、また、光ディスク(光記録媒体)Ｄである第１または第２の光ディスクＤ_A，Ｄ_Bの情報記録面（Ｄ_A1またはＤ_B1）で反射した戻り光を反射させる光学素子３と、コリメーターレンズ４と、絞り５と、対物レンズ６と、第１の光ディスクＤ_Aまたは第２の光ディスクＤ_Bの情報記録面（Ｄ_A1またはＤ_B1）で反射され上記光学素子３で反射された光束を分波するための第２の回折素子７（前述の例１で示した回折素子を用いる）と、受光素子８を構成する、分波された波長６５０ｎｍの光束を受光する第１の受光素子８Ａおよび分波された波長７８０ｎｍの光束を受光する第２の受光素子８Ｂとからなる。

このような構成の本例の光ピックアップ装置は、波長６５０ｎｍの光束と波長７８０ｎｍの光束を、第１の回折素子２の１次回折を用いて合波し、また、光ディスクＤからの戻り光に対しては第２の回折素子７の１次回折を用いて分波する。
格子ピッチの等しい第１、第２の回折素子２、７の２枚を往路と復路のそれぞれに設けることで、温度変化による波長変動で生ずる回折角の変化を相殺することが可能であるが、上記した例１のように２つの使用波長でそれぞれ最適化された回折素子を用いることで、光利用効率の高い光ピックアップ装置を実現できる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。例えば、上記の「例２」では往路と復路のそれぞれに回折素子を用いたが、本発明の光ピックアップ装置はこれに限らない。往路のみに、光軸を一致させる素子として用いてもよいし、復路のみに、光軸を分離させる素子、或いは光軸を一致させる素子を用いてもよい。また、上記の「例２」では、光軸の一致或いは分離のために回折素子を用いたが、回折効率を適切に設定することで、トラッキングエラー信号を形成するために用いる３ビーム作成用の回折素子として用いることもできる。

本発明の回折素子は、入射光束の偏光方向に依存することなく、換言すれば、波長板等の偏光方向を制御するための素子を必要とすることなく、異なる２波長に対して回折効率の最適化がなされるため、簡単な構成で、低コストで、光利用効率の高い、記録再生用の光ピックアップ装置等に有用である。

本発明の実施形態に係る回折素子を示す概略構成図。本発明の例１に係る回折素子の一部を示す概略構成図。本発明の例１に係る回折素子に等価な回折素子の一部を示す概略構成図。本発明の例２に係る光ピックアップ装置を示す概略構成図。従来技術である、光源、回折素子からなる光源装置の概念図。

符号の説明

１光源
１Ａ第1の光源
１Ｂ第２の光源
２第１の回折素子
３光学素子
４コリメーターレンズ
５絞り
６対物レンズ
７第２の回折素子
８受光素子
８Ａ第１の受光素子
８Ｂ第２の受光素子
１０回折素子
１１第１の透明基板
１２第１の透明基板に形成した第１の格子
１３第２の透明基板
１４第２の透明基板に形成した第２の格子
１５充填部材
２０回折素子
２１第１の格子を直接刻んだ第１の透明基板
Ｄ光ディスク（光記録媒体）
Ｄ_A、Ｄ_B 光ディスク
Ｄ_A1、Ｄ_B1 情報記録面

Claims

断面形状が周期的な凹凸状の第１の格子を表面に形成した第１の透明基板と、断面形状が周期的な凹凸状の第２の格子を表面に形成した第２の透明基板と、が、前記第１の格子と前記第２の格子とが対向するように配置され、前記第１の格子の凹凸および前記第２の格子の凹凸を充填する充填部材を有する回折素子であって、
前記第１の格子の長手方向と前記第２の格子の長手方向とが等しく、前記第１の格子の格子ピッチと前記第２の格子の格子ピッチとが等しく、
さらに、第１の波長λ_１の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率または前記第２の格子の屈折率にほぼ等しく、
第２の波長λ_２（λ_１≠λ_２）の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率および前記第２の格子の屈折率と異なる回折素子。
断面形状が周期的な凹凸状の第１の格子を表面に形成した透明基板と、前記第１の格子の凹凸を充填するとともに、前記第１の格子と対向する側に断面形状が周期的な凹凸状の第２の格子を有する第１の充填部材と、前記第２の格子の凹凸を充填する第２の充填部材と、を有する回折素子であって、
前記第１の格子の長手方向と前記第２の格子の長手方向とが等しく、前記第１の格子の格子ピッチと前記第２の格子の格子ピッチとが等しく、
さらに、第１の波長λ_１の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率または前記第２の格子の屈折率にほぼ等しく、
第２の波長λ_２（λ_１≠λ_２）の光に対し、前記充填部材の屈折率は、前記第１の格子の屈折率および前記第２の格子の屈折率と異なる回折素子。
前記第１の格子の断面形状と、前記第２の格子の断面形状のうち、少なくとも１つの断面形状が、鋸歯状または鋸歯状を階段状に近似した周期構造である請求項１または２に記載の回折素子。
前記第１の格子および前記第２の格子の断面形状がいずれも、鋸歯状または鋸歯状を階段状に近似した周期構造である請求項３に記載の回折素子。
前記波長λ_１および前記波長λ_２は、６５０ｎｍと７８０ｎｍとの組み合わせとなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の回折素子。
第１の使用波長の光束を出射する第１の光源と、前記第１の使用波長とは異なる第２の使用波長の光束を出射する第２の光源と、前記各光源が出射した光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を受光する受光素子と、を備える光ピックアップ装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中または、前記対物レンズと前記受光素子との間の光路中に、請求項１から５のいずれか１項に記載の回折素子が設置されている光ピックアップ装置。
第１の使用波長の光束を出射する第１の光源と、前記第１の使用波長とは異なる第２の使用波長の光束を出射する第２の光源と、前記各光源が出射した光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を受光する受光素子と、を備える光ピックアップ装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から５いずれか１項に記載の回折素子が設置されているとともに、前記対物レンズと前記受光素子との間の光路中に、請求項１から５のいずれか１項に記載の回折素子が設置されている光ピックアップ装置。