JP4843819B2 - 偏光素子および偏光素子を含む光学系 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光素子、特に二波長に使用することのできる偏光素子および偏光素子を含む光学系に関する。さらに詳細に、光ピックアップ系において、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）用波長およびコンパクト・ディスク（ＣＤ）用波長に使用することのできる偏光ビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタを含む光学系に関する。
【０００２】
従来の格子素子技術では、半導体レーザーの一波長に対して偏光制御による分離を行っていた。たとえば、特開２００２−９０５３４号公報（第１７段落、図１他）を参照することができる。つまり、TE偏光とTM偏光の2つのモードで、TE偏光時は反射し、TM偏光時は透過させていた。しかし、二つの異なる半導体レーザーの波長に使用することはできなかった。
【０００３】
また、SiO2 基板にSiとSiO2 を交互に積層させて全体5層の矩形山を形成させて、任意の入射角度および動作波長に対して、偏光制御を行う装置も提案されている。たとえば、Tyan et al.,“Design, fabrication, and characterization of form-birefringent multilayer polarizing beam splitter”, Vol.14, No.7/July 1997/J. Opt. Soc. Am. Aを参照することができる。また、特開２００１-５１１２２号は、第１ブラッグ条件より短い周期ごとに繰り返しつつｚ軸方向に層状に積層する構造によって、入射光に位相を与えて偏波を分離する偏光ビームスプリッタを開示している。しかし、このような装置を現実に作製するのは、困難である。また、作製しても、工程が複雑であり、高コストである。
【０００４】
ここで、回折格子による偏光分離の原理について説明する。図１に示すように、屈折率がｎ1の媒質からｎ2の媒質に光が進む。境界には、周期Λの格子が形成されている。
【０００５】
光にはTE偏光（s偏光）、TM偏光（p偏光）と呼ばれる偏光がある。回折格子に光が入射する場合に、格子の溝に対して電界が平行に振動する方向の偏光をTE偏光と呼び、電界が垂直に（磁界が平行に）振動する方向の偏光をTM偏光と呼ぶ。
【０００６】
回折格子が波長λに対し、 入射角度θ0 、周期Λを用いて
Λcosθ0<λ （１）
の条件が満たされたとき、その回折格子構造は、光にとって有効屈折率neff で表される薄膜構造内を進行しているように認識される。このとき有効屈折率neff は、入射光の偏光方向によって異なり、第1次近似では次式で書き表される。
【数１】
ただしfは周期Λに対する図１における山側部分（ｆ’）の比（ｆ’／Λ）を表す。上式からfが0,1以外では、各々の偏光に対する有効屈折率の値が異なっていることがわかる。
【０００７】
各々の偏光状態による有効屈折率の違いの物理的意味は、光の波長よりも極めて小さい構造体を光が通過する際、構造体は散乱などを生じさせる遮蔽物として捉えられる。結果として遮蔽物を通過するのにエネルギー損失が生じ、その影響が有効屈折率として現われていると考えることができる。
【０００８】
この条件の下で各々の偏光成分における有効屈折率neff=nTE または neff ＝ nTM （ただしnTE ≠nTM ）のいずれかが、異なる媒質を進行する光の屈折の関係式（Snellの式）から変形される式
【数２】
を満たすと、その偏光方向をもつ入射光は有効屈折率neff を有する薄膜層を通過できなくなる。この状態は図１において、有効屈折率neff を有する薄膜層での屈折角度θ1がほぼ90°に達しており、n2側の層に光が移動できない状態に相当する。結果的に、入射したエネルギーの発散先として、反射光が生じることとなる。
【０００９】
以上、いずれか一方の偏光方向の光が格子構造から認識される有効屈折率neff の効果によって(4)式が成立すると、微小周期による偏光素子が実現することになる。
【００１０】
上述のように、格子部において周期を波長以下に設定することにより、電磁波として表される光は進行に伴って、回折波が生じないため、波の重ね合わせとして表現される回折効果として認識されなくなる。波の進行に対して格子部は屈折率変化の対象としてみなされ、電磁波に与える効果は仮想的な屈折率をもつ材質内での進行と同等の性質を与える。この結果、特定の波長帯域において薄膜層と同様の効果をもたらす。格子部を仮想的な屈折率をもつ材質と仮定する手法は有効屈折率法と呼ばれている。たとえば、Journal of Optical Society of America A Vol.13 No.5の1013ページには格子形状から有効屈折率を求めるための式が記述されている。有効屈折率層は格子部の周期に対する山部の比によって有効屈折率の値が決定される。矩形型凹凸形状の格子部もまた特定の波長帯域に依存し、その設計は矩形型凹凸形状の比と高さにより決まる。たとえば、Journal of Optical Society of America A Vol.13 No.5の988ページやApplied Optics Vol.36 No.34の8935ページなどに開示されているように、波長帯域を広げるために、高さ方向に対して三角形型の格子にすることによって、連続的に有効屈折率を変化させることができる。この操作により連続的に変化を与える多数の薄膜層の重ね合わせた効果と同様の性能をもたせることができる。
【００１１】
しかし、所定の波長領域の二波長に対して使用することのできる、簡単な構造の偏光素子は開発されていない。
【発明の開示】
【００１２】
このように、所定の波長領域の二波長に対して使用することのできる、簡単な構造の偏光素子に対する大きなニーズが存在する。
【００１３】
本発明の参考形態による偏光素子は、基板に断面が矩形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。波長をλ、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λであり、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.8）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.8）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１４】
本発明の参考形態による偏光素子は、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。波長をλ、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λであり、TE偏光およびTM偏光の一方の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TE偏光およびTM偏光の他方の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１５】
本発明による偏光素子は、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。第１の波長λ１および第２の波長λ２がλ１ < λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0 <λ1 である。第１の波長λ１ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、第２の波長λ２ に対して、TE偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１６】
あるいは、第１の波長λ１ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、第２の波長λ２ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１７】
したがって、本発明による偏光素子は、基板の格子による多数の有効屈折率層と膜の格子による多数の有効屈折率層に近似でき、第１および第２の波長に対して偏光特性を有する。また、基板上に１層の膜を付着させた簡単な構造であり、製造方法が簡単であり、製造コストも低く低価額である。さらに、コンパクトな構造であり、装置の小型化が実現できる。
【００１８】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板が合成樹脂から構成されている。
【００１９】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板がアクリルまたはポリオレフィンなどの透明樹脂から構成されている。
【００２０】
したがって、本発明の実施形態による偏光素子は、低価額である。
【００２１】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板の格子パターンが金型からの転写によって形成される。
【００２２】
したがって、本発明の実施形態による偏光素子は、製造方法が簡単であり、製造コストも低く低価額である。
【００２３】
本発明の実施形態による偏光素子は、膜が蒸着膜である。
【００２４】
したがって、基板上に１層の蒸着を行えばよいので製造方法が簡単である。
【００２５】
本発明の実施形態による偏光素子は、蒸着膜がＴｉＯ２など基板の屈折率より高い屈折率の材料からなる。蒸着膜がＴｉＯ２の場合には、樹脂との付着性が高い。
【００２６】
本発明の実施形態による偏光素子は、蒸着膜の厚みが0．3マイクロメータよりも小さい。
【００２７】
本発明の実施形態による偏光素子は、格子高さが格子周期よりも小さい。
【００２８】
本発明の実施形態による偏光素子は、第１の波長がデジタルバーサタイルディスク用波長であり、第２の波長がコンパクト・ディスク用波長である。
【００２９】
したがって、デジタルバーサタイルディスクおよびコンパクト・ディスク両用の光ピックアップシステムに使用することができる。
【００３１】
本発明の光学系は、第１の波長の光源と、第２の波長の光源と、請偏光素子とを含む。偏光素子は、第１および第２の波長の光源からの光を、ディスクに到達するように反射させ、ディスクに反射された戻りの光を透過させるように構成される。
【００３２】
したがって、デジタルバーサタイルディスクおよびコンパクト・ディスク両用の光ピックアップシステムなどに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【１図】回折格子による偏光分離の原理について説明する。
【２図】本発明の2層三角形状格子の構造を示す。
【３図】本発明の2層三角形状格子を示す。
【４図】２層矩形状格子を示す。
【５図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の回折効率を示す。
【６図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の波長依存性を示す。
【７図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の入射角依存性を示す。
【８図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の回折効率を示す。
【９図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の波長依存性を示す。
【１０図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の入射角依存性を示す。
【１１図】２層矩形状格子の構造を示す。
【１２図】２層矩形状格子の回折効率を示す。
【１３図】２層矩形状格子の波長依存性を示す。
【１４図】２層矩形状格子の入射角依存性を示す。
【１５図】本発明の数値実施例１または２の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を示す。
【１６図】本発明の数値実施例３の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態による二波長偏光ビームスプリッタは、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。当該2層構造を図２に示す。基板は樹脂であり、アクリルまたはポリオレフィンであることが好ましい。基板上の格子パターンは、樹脂成形金型に形成した微細形状を転写することで作成する。樹脂成形金型に形成しておく微細形状は、レーザビーム加工装置により作成する。このように、転写された、樹脂基板の格子パターン上に、高屈折率層としてTiO2膜などの樹脂よりも屈折率の高い膜を、たとえば蒸着によって成膜する。蒸着による場合、製造上の制限から膜厚は0．3μｍよりも小さくなる。
【００３５】
なお、第１の波長λ１ および第２の波長λ２ がλ１ < λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０ として、格子周期Λは、
Λcosθ0 <λ1 の関係を満たすように設定する。また、格子高さは、格子周期よりも小さくなるように設定する。
【００３６】
以下では、第1の波長はＤＶＤ用波長（0.66μｍ）、第2の波長としてＣＤ用波長（0．785μｍ）とする。
【００３７】
ここで、本発明の2層三角形状格子（図３）について、2層矩形状格子（図４）と比較して説明する。2層矩形状格子は、基板の格子による有効屈折率層1および膜の格子による有効屈折率層2の2層の有効屈折率層に近似できる。本発明の2層三角形状格子は、基板の格子によるｎ層の有効屈折率層と膜の格子によるｎ’層の有効屈折率層に近似できる。このような構造により、2波長に対して偏光特性を持たせることが可能となる。
【００３８】
具体的には、格子周期を調整することにより、TE偏光およびTM偏光の波長依存特性を調整する。ＤＶＤ用波長の反射または透過効率がいずれかの偏光でピークとなり、ＣＤ用波長の反射または透過効率がいずれかの偏光でピークとなるようにする。また、樹脂高さと膜厚を調整してピーク効率を調整する。
【００３９】
それぞれの波長について、一方の偏光で透過し（透過効率が一定値以上）、他方の偏光で反射（反射効率が一定値以上）するようにすればよい。
【００４０】
以下において、数値実施例について説明する。
【００４１】
（数値実施例1）
本実施例の2層三角形状格子の仕様を表1に示す。
【表１】
【００４２】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００４３】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図５に示す。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。格子面への入射角度は、４５度である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図６に示す。図６は、図５のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図７に示す。図７は、図５のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００４４】
図５から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、70％以上透過される。また、ＣＤ用波長のTE偏光は、70％以上透過され、ＣＤ用波長のTM偏光は、80％以上反射される。このように、本実施例の2層三角形状の格子は、ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長に対して偏光特性を有する。
【００４５】
（数値実施例２）
本実施例の2層三角形状格子の仕様を表２に示す。
【表２】
【００４６】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００４７】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図８に示す。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。格子面への入射角度は４５度である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図９に示す。図９は、図８のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図１０に示す。図１０は、図８のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００４８】
図８から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、70％以上透過される。また、ＣＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＣＤ用波長のTM偏光は、80％以上透過される。このように、本実施例の2層三角形状の格子は、ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長に対して偏光特性を有する。
【００４９】
（参考例）
つぎに参考例として、2層矩形状格子について説明する。2層矩形状格子の構造を図１１に示す。
【００５０】
参考例の2層矩形状格子の仕様を表３に示す。
【表３】
【００５１】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００５２】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図１２に示す。格子面への入射角度は４５度である。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図１３に示す。図１３は、図１２のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図１４に示す。図１４は、図１２のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００５３】
図１２から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、80％以上透過される。しかし、図１２から明らかなように、ＣＤ用波長に対しては、TE偏光及びTM偏光は、共に透過される。
【００５４】
光ピックアップ光学系
本発明の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を、図１５および図１６にしたがって説明する。
【００５５】
図１５において、２波長レーザー光源１から発したビームは、偏光ビームスプリッタ２によって反射され、コリメータレンズ３、固定ミラー４および対物レンズ５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）６に至る。偏光ビームスプリッタ２とコリメータレンズ３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク６で反射されたビームは、対物レンズ５、固定ミラー４、コリメータレンズ３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ２に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ２を通過し、集光レンズ７を経てフォトダイオード８によって検出される。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ２として、数値実施例１の2層三角形状格子を使用している場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、２波長レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図５の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図５の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光は、レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTM偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図５の右の図）。戻った光は、TE偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図５の右の図）。
【００５７】
偏光ビームスプリッタ２として、数値実施例２の2層三角形状格子を使用している場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、２波長レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図８の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図８の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光も、レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図８の右の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図８の右の図）。
【００５８】
図１６において、ＤＶＤ波長レーザー光源９から発したビームは、偏光ビームスプリッタ１０によって反射され、コリメータレンズ１３、固定ミラー１４および対物レンズ１５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）１６に至る。偏光ビームスプリッタ１０とコリメータレンズ１３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク１６で反射されたビームは、対物レンズ１５、固定ミラー１４、コリメータレンズ１３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ１０に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ１０を通過し、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ１７を経てフォトダイオード１８によって検出される。
【００５９】
一方、ＣＤ波長レーザー光源１１から発したビームは、偏光ビームスプリッタ１２によって反射され、偏光ビームスプリッタ１０を透過し、コリメータレンズ１３、固定ミラー１４および対物レンズ１５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）１６に至る。偏光ビームスプリッタ１０とコリメータレンズ１３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク１６で反射されたビームは、対物レンズ１５、固定ミラー１４、コリメータレンズ１３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ１０に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ１０を通過し、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ１７を経てフォトダイオード１８によって検出される。
【００６０】
偏光ビームスプリッタ１０として、数値実施例３の2層矩形状格子を使用する場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、ＤＶＤ波長レーザー光源９から偏光ビームスプリッタ１０にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ１０で反射される（図１２の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図１２の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光は、レーザー光源１１から偏光ビームスプリッタ１２にTM偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ１２で反射され、偏光ビームスプリッタ１０に入射され透過する（図１２の右の図）。戻った光は、TE偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ１０を透過し（図１２の右の図）、偏光ビームスプリッタ１２に入射され透過する。
【０００１】
本発明は、偏光素子、特に二波長に使用することのできる偏光素子および偏光素子を含む光学系に関する。さらに詳細に、光ピックアップ系において、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）用波長およびコンパクト・ディスク（ＣＤ）用波長に使用することのできる偏光ビームスプリッタおよび偏光ビームスプリッタを含む光学系に関する。
【０００２】
従来の格子素子技術では、半導体レーザーの一波長に対して偏光制御による分離を行っていた。たとえば、特開２００２−９０５３４号公報（第１７段落、図１他）を参照することができる。つまり、TE偏光とTM偏光の2つのモードで、TE偏光時は反射し、TM偏光時は透過させていた。しかし、二つの異なる半導体レーザーの波長に使用することはできなかった。
【０００３】
また、SiO2 基板にSiとSiO2 を交互に積層させて全体5層の矩形山を形成させて、任意の入射角度および動作波長に対して、偏光制御を行う装置も提案されている。たとえば、Tyan et al.,“Design, fabrication, and characterization of form-birefringent multilayer polarizing beam splitter”, Vol.14, No.7/July 1997/J. Opt. Soc. Am. Aを参照することができる。また、特開２００１-５１１２２号は、第１ブラッグ条件より短い周期ごとに繰り返しつつｚ軸方向に層状に積層する構造によって、入射光に位相を与えて偏波を分離する偏光ビームスプリッタを開示している。しかし、このような装置を現実に作製するのは、困難である。また、作製しても、工程が複雑であり、高コストである。
【０００４】
ここで、回折格子による偏光分離の原理について説明する。図１に示すように、屈折率がｎ1の媒質からｎ2の媒質に光が進む。境界には、周期Λの格子が形成されている。
【０００５】
光にはTE偏光（s偏光）、TM偏光（p偏光）と呼ばれる偏光がある。回折格子に光が入射する場合に、格子の溝に対して電界が平行に振動する方向の偏光をTE偏光と呼び、電界が垂直に（磁界が平行に）振動する方向の偏光をTM偏光と呼ぶ。
【０００６】
回折格子が波長λに対し、 入射角度θ0 、周期Λを用いて
Λcosθ0<λ （１）
の条件が満たされたとき、その回折格子構造は、光にとって有効屈折率neff で表される薄膜構造内を進行しているように認識される。このとき有効屈折率neff は、入射光の偏光方向によって異なり、第1次近似では次式で書き表される。
【数１】
【０００７】
各々の偏光状態による有効屈折率の違いの物理的意味は、光の波長よりも極めて小さい構造体を光が通過する際、構造体は散乱などを生じさせる遮蔽物として捉えられる。結果として遮蔽物を通過するのにエネルギー損失が生じ、その影響が有効屈折率として現われていると考えることができる。
【０００８】
この条件の下で各々の偏光成分における有効屈折率neff=nTE または neff ＝ nTM （ただしnTE ≠nTM ）のいずれかが、異なる媒質を進行する光の屈折の関係式（Snellの式）から変形される式
【数２】
【０００９】
以上、いずれか一方の偏光方向の光が格子構造から認識される有効屈折率neff の効果によって(4)式が成立すると、微小周期による偏光素子が実現することになる。
【００１０】
上述のように、格子部において周期を波長以下に設定することにより、電磁波として表される光は進行に伴って、回折波が生じないため、波の重ね合わせとして表現される回折効果として認識されなくなる。波の進行に対して格子部は屈折率変化の対象としてみなされ、電磁波に与える効果は仮想的な屈折率をもつ材質内での進行と同等の性質を与える。この結果、特定の波長帯域において薄膜層と同様の効果をもたらす。格子部を仮想的な屈折率をもつ材質と仮定する手法は有効屈折率法と呼ばれている。たとえば、Journal of Optical Society of America A Vol.13 No.5の1013ページには格子形状から有効屈折率を求めるための式が記述されている。有効屈折率層は格子部の周期に対する山部の比によって有効屈折率の値が決定される。矩形型凹凸形状の格子部もまた特定の波長帯域に依存し、その設計は矩形型凹凸形状の比と高さにより決まる。たとえば、Journal of Optical Society of America A Vol.13 No.5の988ページやApplied Optics Vol.36 No.34の8935ページなどに開示されているように、波長帯域を広げるために、高さ方向に対して三角形型の格子にすることによって、連続的に有効屈折率を変化させることができる。この操作により連続的に変化を与える多数の薄膜層の重ね合わせた効果と同様の性能をもたせることができる。
【００１１】
しかし、所定の波長領域の二波長に対して使用することのできる、簡単な構造の偏光素子は開発されていない。
【発明の開示】
【００１２】
このように、所定の波長領域の二波長に対して使用することのできる、簡単な構造の偏光素子に対する大きなニーズが存在する。
【００１３】
本発明の参考形態による偏光素子は、基板に断面が矩形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。波長をλ、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λであり、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.8）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.8）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１４】
本発明の参考形態による偏光素子は、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。波長をλ、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λであり、TE偏光およびTM偏光の一方の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TE偏光およびTM偏光の他方の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１５】
本発明による偏光素子は、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。第１の波長λ１および第２の波長λ２がλ１ < λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0 <λ1 である。第１の波長λ１ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、第２の波長λ２ に対して、TE偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１６】
あるいは、第１の波長λ１ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であり、第２の波長λ２ に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率が所定の値（0.7）以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率が所定の値（0.7）以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めている。
【００１７】
したがって、本発明による偏光素子は、基板の格子による多数の有効屈折率層と膜の格子による多数の有効屈折率層に近似でき、第１および第２の波長に対して偏光特性を有する。また、基板上に１層の膜を付着させた簡単な構造であり、製造方法が簡単であり、製造コストも低く低価額である。さらに、コンパクトな構造であり、装置の小型化が実現できる。
【００１８】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板が合成樹脂から構成されている。
【００１９】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板がアクリルまたはポリオレフィンなどの透明樹脂から構成されている。
【００２０】
したがって、本発明の実施形態による偏光素子は、低価額である。
【００２１】
本発明の実施形態による偏光素子は、基板の格子パターンが金型からの転写によって形成される。
【００２２】
したがって、本発明の実施形態による偏光素子は、製造方法が簡単であり、製造コストも低く低価額である。
【００２３】
本発明の実施形態による偏光素子は、膜が蒸着膜である。
【００２４】
したがって、基板上に１層の蒸着を行えばよいので製造方法が簡単である。
【００２５】
本発明の実施形態による偏光素子は、蒸着膜がＴｉＯ２など基板の屈折率より高い屈折率の材料からなる。蒸着膜がＴｉＯ２の場合には、樹脂との付着性が高い。
【００２６】
本発明の実施形態による偏光素子は、蒸着膜の厚みが0．3マイクロメータよりも小さい。
【００２７】
本発明の実施形態による偏光素子は、格子高さが格子周期よりも小さい。
【００２８】
本発明の実施形態による偏光素子は、第１の波長がデジタルバーサタイルディスク用波長であり、第２の波長がコンパクト・ディスク用波長である。
【００２９】
したがって、デジタルバーサタイルディスクおよびコンパクト・ディスク両用の光ピックアップシステムに使用することができる。
【００３１】
本発明の光学系は、第１の波長の光源と、第２の波長の光源と、請偏光素子とを含む。偏光素子は、第１および第２の波長の光源からの光を、ディスクに到達するように反射させ、ディスクに反射された戻りの光を透過させるように構成される。
【００３２】
したがって、デジタルバーサタイルディスクおよびコンパクト・ディスク両用の光ピックアップシステムなどに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【１図】回折格子による偏光分離の原理について説明する。
【２図】本発明の2層三角形状格子の構造を示す。
【３図】本発明の2層三角形状格子を示す。
【４図】２層矩形状格子を示す。
【５図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の回折効率を示す。
【６図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の波長依存性を示す。
【７図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例１）の入射角依存性を示す。
【８図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の回折効率を示す。
【９図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の波長依存性を示す。
【１０図】本発明の2層三角形状格子（数値実施例２）の入射角依存性を示す。
【１１図】２層矩形状格子の構造を示す。
【１２図】２層矩形状格子の回折効率を示す。
【１３図】２層矩形状格子の波長依存性を示す。
【１４図】２層矩形状格子の入射角依存性を示す。
【１５図】本発明の数値実施例１または２の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を示す。
【１６図】本発明の数値実施例３の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態による二波長偏光ビームスプリッタは、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなる。当該2層構造を図２に示す。基板は樹脂であり、アクリルまたはポリオレフィンであることが好ましい。基板上の格子パターンは、樹脂成形金型に形成した微細形状を転写することで作成する。樹脂成形金型に形成しておく微細形状は、レーザビーム加工装置により作成する。このように、転写された、樹脂基板の格子パターン上に、高屈折率層としてTiO2膜などの樹脂よりも屈折率の高い膜を、たとえば蒸着によって成膜する。蒸着による場合、製造上の制限から膜厚は0．3μｍよりも小さくなる。
【００３５】
なお、第１の波長λ１ および第２の波長λ２ がλ１ < λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０ として、格子周期Λは、
Λcosθ0 <λ1 の関係を満たすように設定する。また、格子高さは、格子周期よりも小さくなるように設定する。
【００３６】
以下では、第1の波長はＤＶＤ用波長（0.66μｍ）、第2の波長としてＣＤ用波長（0．785μｍ）とする。
【００３７】
ここで、本発明の2層三角形状格子（図３）について、2層矩形状格子（図４）と比較して説明する。2層矩形状格子は、基板の格子による有効屈折率層1および膜の格子による有効屈折率層2の2層の有効屈折率層に近似できる。本発明の2層三角形状格子は、基板の格子によるｎ層の有効屈折率層と膜の格子によるｎ’層の有効屈折率層に近似できる。このような構造により、2波長に対して偏光特性を持たせることが可能となる。
【００３８】
具体的には、格子周期を調整することにより、TE偏光およびTM偏光の波長依存特性を調整する。ＤＶＤ用波長の反射または透過効率がいずれかの偏光でピークとなり、ＣＤ用波長の反射または透過効率がいずれかの偏光でピークとなるようにする。また、樹脂高さと膜厚を調整してピーク効率を調整する。
【００３９】
それぞれの波長について、一方の偏光で透過し（透過効率が一定値以上）、他方の偏光で反射（反射効率が一定値以上）するようにすればよい。
【００４０】
以下において、数値実施例について説明する。
【００４１】
（数値実施例1）
本実施例の2層三角形状格子の仕様を表1に示す。
【表１】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００４３】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図５に示す。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。格子面への入射角度は、４５度である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図６に示す。図６は、図５のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図７に示す。図７は、図５のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００４４】
図５から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、70％以上透過される。また、ＣＤ用波長のTE偏光は、70％以上透過され、ＣＤ用波長のTM偏光は、80％以上反射される。このように、本実施例の2層三角形状の格子は、ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長に対して偏光特性を有する。
【００４５】
（数値実施例２）
本実施例の2層三角形状格子の仕様を表２に示す。
【表２】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００４７】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図８に示す。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。格子面への入射角度は４５度である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図９に示す。図９は、図８のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図１０に示す。図１０は、図８のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００４８】
図８から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、70％以上透過される。また、ＣＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＣＤ用波長のTM偏光は、80％以上透過される。このように、本実施例の2層三角形状の格子は、ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長に対して偏光特性を有する。
【００４９】
（参考例）
つぎに参考例として、2層矩形状格子について説明する。2層矩形状格子の構造を図１１に示す。
【００５０】
参考例の2層矩形状格子の仕様を表３に示す。
【表３】
ここで樹脂高さとは、樹脂部分の格子高さである。
【００５２】
ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、偏光角度に対する回折効率（透過・反射効率）を図１２に示す。格子面への入射角度は４５度である。偏光角度は、0度がTM偏光、90度がTE偏光である。また、TEモードおよびTMモードの波長依存特性を図１３に示す。図１３は、図１２のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、波長を変化させたものである。ＤＶＤ用波長およびＣＤ用波長の、入射角依存性を図１４に示す。図１４は、図１２のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の状態から、入射角を変化させたものである。
【００５３】
図１２から明らかなように、ＤＶＤ用波長のTE偏光は、80％以上反射され、ＤＶＤ用波長のTM偏光は、80％以上透過される。しかし、図１２から明らかなように、ＣＤ用波長に対しては、TE偏光及びTM偏光は、共に透過される。
【００５４】
光ピックアップ光学系
本発明の偏光ビームスプリッタを使用した光ピックアップシステムの構成を、図１５および図１６にしたがって説明する。
【００５５】
図１５において、２波長レーザー光源１から発したビームは、偏光ビームスプリッタ２によって反射され、コリメータレンズ３、固定ミラー４および対物レンズ５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）６に至る。偏光ビームスプリッタ２とコリメータレンズ３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク６で反射されたビームは、対物レンズ５、固定ミラー４、コリメータレンズ３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ２に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ２を通過し、集光レンズ７を経てフォトダイオード８によって検出される。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ２として、数値実施例１の2層三角形状格子を使用している場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、２波長レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図５の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図５の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光は、レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTM偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図５の右の図）。戻った光は、TE偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図５の右の図）。
【００５７】
偏光ビームスプリッタ２として、数値実施例２の2層三角形状格子を使用している場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、２波長レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図８の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図８の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光も、レーザー光源１から偏光ビームスプリッタ２にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ２で反射される（図８の右の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図８の右の図）。
【００５８】
図１６において、ＤＶＤ波長レーザー光源９から発したビームは、偏光ビームスプリッタ１０によって反射され、コリメータレンズ１３、固定ミラー１４および対物レンズ１５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）１６に至る。偏光ビームスプリッタ１０とコリメータレンズ１３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク１６で反射されたビームは、対物レンズ１５、固定ミラー１４、コリメータレンズ１３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ１０に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ１０を通過し、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ１７を経てフォトダイオード１８によって検出される。
【００５９】
一方、ＣＤ波長レーザー光源１１から発したビームは、偏光ビームスプリッタ１２によって反射され、偏光ビームスプリッタ１０を透過し、コリメータレンズ１３、固定ミラー１４および対物レンズ１５を経てディスク（ＤＶＤまたはＣＤ）１６に至る。偏光ビームスプリッタ１０とコリメータレンズ１３との間には、図示しない１／４波長板が設けられる。ディスク１６で反射されたビームは、対物レンズ１５、固定ミラー１４、コリメータレンズ１３および１／４波長板を経由して偏光ビームスプリッタ１０に戻る。ビームは戻るまで１／４波長板を２回通過しているので位相が９０度変化する。このビームは、偏光ビームスプリッタ１０を通過し、偏光ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ１７を経てフォトダイオード１８によって検出される。
【００６０】
偏光ビームスプリッタ１０として、数値実施例３の2層矩形状格子を使用する場合について説明する。ＤＶＤ用波長の光は、ＤＶＤ波長レーザー光源９から偏光ビームスプリッタ１０にTE偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ１０で反射される（図１２の左の図）。戻った光は、TM偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する（図１２の左の図）。他方、ＣＤ用波長の光は、レーザー光源１１から偏光ビームスプリッタ１２にTM偏光の状態で入射される。したがって、偏光ビームスプリッタ１２で反射され、偏光ビームスプリッタ１０に入射され透過する（図１２の右の図）。戻った光は、TE偏光の状態であるので、偏光ビームスプリッタ１０を透過し（図１２の右の図）、偏光ビームスプリッタ１２に入射され透過する。
Claims (13)
- 偏光素子であって、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなり、第１の波長λ１および第２の波長λ２が
λ１<λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λ1 であり、第１の波長λ１に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率は、偏光素子が反射素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率は、偏光素子が透過素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、第２の波長λ２に対して、TE偏光の0次回折光の透過効率は、偏光素子が透過素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、TM偏光の0次回折光の反射効率は、偏光素子が反射素子として機能するのに十分な所定の値以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めた偏光素子。 - 所定の値が、0．７である請求項１に記載の偏光素子。
- 偏光素子であって、基板に断面が三角形状の、一定周期Λの格子パターンを形成し、当該格子パターン上に基板に比べて屈折率の高い膜を付着させた2層構造からなり、第１の波長λ１および第２の波長λ２がλ１<λ２ の関係を満たす場合に、格子面に対する入射角度を、θ０としてΛcosθ0<λ1 であり、第１の波長λ１に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率は、偏光素子が反射素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率は、偏光素子が透過素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、第２の波長λ２に対して、TE偏光の0次回折光の反射効率は、偏光素子が反射素子として機能するのに十分な所定の値以上であり、TM偏光の0次回折光の透過効率は、偏光素子が透過素子として機能するのに十分な所定の値以上であるように格子周期、格子高さおよび膜厚を定めた偏光素子。
- 所定の値が、0．７である請求項３に記載の偏光素子。
- 基板が合成樹脂から構成される請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光素子。
- 基板が透明樹脂から構成される請求項５に記載の偏光素子。
- 基板の格子パターンが金型からの転写によって形成される請求項１から６のいずれか一項に記載の偏光素子。
- 膜が蒸着膜である請求項1から７のいずれか一項に記載の偏光素子。
- 蒸着膜が基板の屈折率より高い屈折率の材料からなる請求項８に記載の偏光素子。
- 蒸着膜の厚みが0．3マイクロメータよりも小さい請求項８または９に記載の偏光素子。
- 格子高さが格子周期よりも小さい請求項１から１０のいずれか一項に記載の偏光素子。
- 前記第１の波長がデジタルバーサタイルディスク用波長であり、前記第２の波長がコンパクト・ディスク用波長である請求項１から１１のいずれか一項に記載の偏光素子。
- 前記第１の波長の光源と、前記第２の波長の光源と、請求項１から１２のいずれか１項の偏光素子とを含む光学系であって、偏光素子は、前記第１および第２の波長の光源からの光を、ディスクに到達するように反射させ、ディスクに反射された戻りの光を透過させるように構成された、光学系。
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