JP5082792B2 - Optical head device - Google Patents
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Description
本発明は、回折素子および光ヘッド装置に関し、特に光ヘッド装置については光ディスクの情報の記録および再生を行う光ヘッド装置に関する。 The present invention relates to a diffraction element and an optical head device, and more particularly to an optical head device that records and reproduces information on an optical disk.
光を回折する回折格子やホログラム素子は、通常ガラスやプラスチックの基板表面に断面形状が周期的な凹凸格子を設けることにより作製する。このような回折素子では波長に依存する回折効率はほぼ格子の深さのみで決まる。このため、複数の波長の光に対して回折効率を自由に制御することができない問題があった。 A diffraction grating or a hologram element that diffracts light is usually manufactured by providing a concave-convex grating with a periodic cross-sectional shape on the surface of a glass or plastic substrate. In such a diffraction element, the diffraction efficiency depending on the wavelength is almost determined only by the depth of the grating. For this reason, there has been a problem that the diffraction efficiency cannot be freely controlled for light of a plurality of wavelengths.
また、光ディスクの情報の再生や記録を行う光ヘッド装置においては、光ディスクの多様化により用いるレーザ光の波長は、790nm(CD系)、650nm(DVD系)および405nm(次世代DVD系)3種類の波長が検討されている。これら光ディスクの情報を同一の光ヘッド装置で再生するためには複数の波長の半導体レーザを搭載する必要がある。 Further, in an optical head device for reproducing and recording information on an optical disk, the wavelengths of laser light used for diversification of optical disks are 790 nm (CD system), 650 nm (DVD system), and 405 nm (next-generation DVD system). Wavelengths of In order to reproduce the information on these optical disks with the same optical head device, it is necessary to mount semiconductor lasers having a plurality of wavelengths.
一方光ヘッド装置において用いられる回折素子としては、トラッキング用の3ビーム発生用の回折素子、光ディスクにより反射した戻り光を光検出器に導くために光路を変えるホログラム素子など、さまざまな用途で用いられる。 On the other hand, the diffraction element used in the optical head device is used for various purposes such as a diffraction element for generating three beams for tracking and a hologram element for changing the optical path in order to guide the return light reflected by the optical disk to the photodetector. .
このような複数波長の光で用いる光ヘッド装置において、各波長により回折効率を最適化することのニーズは多い。しかしながら、前述のように通常の回折素子では回折効率の波長依存性は、格子の深さのみでほぼ決まるため所望の回折効率を各波長ごとに得ることは困難であった。 In such an optical head device used for light of a plurality of wavelengths, there are many needs for optimizing the diffraction efficiency for each wavelength. However, as described above, in a normal diffraction element, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is almost determined only by the grating depth, and it is difficult to obtain a desired diffraction efficiency for each wavelength.
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決し、回折効率の波長依存性を制御できる回折素子を提供することにある。また、本発明の回折素子を複数波長を用いた光ヘッド装置に用いることにより上記従来技術の欠点を解決し、設計の自由度を広げた光ヘッド装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a diffractive element that solves the above-mentioned drawbacks of the prior art and can control the wavelength dependence of diffraction efficiency. Another object of the present invention is to provide an optical head device that solves the above-mentioned drawbacks of the prior art by using the diffractive element of the present invention in an optical head device using a plurality of wavelengths and widens the design freedom.
本発明は、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光するための対物レンズと、集光され前記光記録媒体によって反射された出射光を検出するための光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に回折素子が配置され、前記回折素子は、第1の回折格子と第2の回折格子と、が重なって備えられ、前記第1の回折格子と前記第2の回折格子のうち、少なくとも一方は、透明基板上に周期的な凹凸部を有し、前記凹凸部の凸部は、前記透明基板面に平行に屈折率の異なる2種の材料が交互に配された光学多層膜を備えるとともに、凹部は固体または液体からなる充填材によって充填されており、前記第1の回折格子は、前記透明基板面に垂直に入射する前記光源からの出射光の波長が650nmの光に対して回折するとともに、波長が790nmの光に対してほとんど回折せず、前記第2の回折格子は、波長が790nmの光に対して回折するとともに、波長が650nmの光に対してほとんど回折しない光ヘッド装置を提供する。 The present invention includes a light source, an objective lens for condensing the light emitted from the light source onto an optical recording medium, and a photodetector for detecting the emitted light that is collected and reflected by the optical recording medium. In the optical head device, a diffraction element is disposed in an optical path between the light source and the objective lens, and the diffraction element is provided with a first diffraction grating and a second diffraction grating overlapped with each other, At least one of the first diffraction grating and the second diffraction grating has a periodic uneven portion on the transparent substrate, and the convex portion of the uneven portion has a refractive index parallel to the transparent substrate surface. An optical multilayer film in which two different kinds of materials are alternately arranged is provided, the concave portion is filled with a filler made of solid or liquid, and the first diffraction grating is perpendicularly incident on the transparent substrate surface. wavelength of the light emitted from the light source 6 50 with diffracts against the light of m, the wavelength is hardly diffracted to light of 790 nm, the second diffraction grating with wavelength is diffracted to light of 790 nm, the light of wavelength 650nm In contrast, an optical head device that hardly diffracts is provided.
また、前記第1の回折格子のみが、前記光学多層膜および前記充填材を備える上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記第1の回折格子は、波長が650nmの光に対して1次回折効率が約6%となる上記の光ヘッド装置を提供する。 Further, only the first diffraction grating, to provide an optical head device of the said Ru comprising an optical multilayered film and the filler. The first diffraction grating provides the above-described optical head device in which the first-order diffraction efficiency is about 6% with respect to light having a wavelength of 650 nm.
また、前記光学多層膜が、交互に重ねられたSiO 2 膜およびTiO 2 膜を備えている上記の光ヘッド装置を提供する。
In addition, the above- mentioned optical head device is provided in which the optical multilayer film includes alternately stacked SiO 2 films and TiO 2 films .
本発明の回折素子は透明基板上に周期的に重ねた酸化物などの光学多層膜を用いて凹凸状の回折格子を形成したものであり、この回折素子は回折効率の波長依存性をほとんど一定にするなど、回折効率を制御できる。 The diffractive element of the present invention is formed by forming an uneven diffraction grating using an optical multilayer film such as an oxide periodically stacked on a transparent substrate. This diffractive element has almost constant wavelength dependency of diffraction efficiency. For example, the diffraction efficiency can be controlled.
本発明の回折素子の一例の概念的断面図を図1に示す。図1において、1は光学多層膜であり、透明基板3上に基板面に平行に形成された複数の層からなり凸部を構成する。図1では簡単のために2種の材料による5層の膜となっているが、膜の材料、種類および層数は所望の回折効率が得られるように設計すればよい。2は透明基板とは屈折率の異なる充填材であり、透明基板3上の光学多層膜1による凸部の間すなわち凹部を充填してもよいし、凹部のみならず凸部にも充填してもよい(図2参照。符号の意味は、図1と同じ。)。
A conceptual cross-sectional view of an example of the diffraction element of the present invention is shown in FIG. In FIG. 1,
充填材は固体または液体からなり、例えばAu、Alなどの金属材料、SiO2、ZrO2、MgF2などの酸化物およびフッ化物材料、H2Oなどの無機物材料や、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの有機物材料、さらに、液晶などの複屈折性材料などが使用できる。また、透明基板としては、ガラス、プラスチックなどの基板を使用できる。 The filler is made of solid or liquid, for example, metal materials such as Au and Al, oxide and fluoride materials such as SiO 2 , ZrO 2 and MgF 2 , inorganic materials such as H 2 O, acrylic resins, epoxy resins, etc. Organic materials, and birefringent materials such as liquid crystals can be used. As the transparent substrate, a substrate such as glass or plastic can be used.
光学多層膜の材料としては、SiO2、SiON、ZrO2、TiO2、Al2O3、CeO2、MgO、MgF2などの無機物材料を用いることができる。また、有機物材料であってもよい。多層膜の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ法などを挙げることができる。 As the material of the optical multilayer film, inorganic materials such as SiO 2 , SiON, ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , CeO 2 , MgO, and MgF 2 can be used. Moreover, an organic material may be sufficient. Examples of the method for forming the multilayer film include a vacuum deposition method and a sputtering method.
また、透過波面収差を改善するために、図3および図4に示すようにガラスまたは樹脂製の表面がフラットなカバー4を回折素子の充填材側に設けることが好ましい。
In order to improve the transmitted wavefront aberration, it is preferable to provide a
図5には、本発明の回折素子を透明基板3の表面と裏面との両面に形成した例を示す。11は第2の光学多層膜であり、12は第2の充填材である。ここでは、両面に形成する回折素子の回折効率の波長依存性や、格子ピッチなどを変化させることによる回折方向の調整など、設計の自由度を増加できて好ましい。
FIG. 5 shows an example in which the diffraction element of the present invention is formed on both the front surface and the back surface of the
また、この回折素子と他の光学素子とを積層して一体化してもよい。他の光学素子としては、例えば、波長板、通常の回折格子、偏光性回折格子、液晶を用いた光学素子、位相制御素子などである。これらの光学素子と本発明の回折素子とを一体化して一体化回折素子とすることにより、ひとつの一体化回折素子でありながら複数の機能を有するとともに、光ヘッド装置に組み込んだ場合光学部品点数を削減できて好ましい。 Moreover, this diffraction element and another optical element may be laminated and integrated. Examples of other optical elements include a wave plate, a normal diffraction grating, a polarizing diffraction grating, an optical element using liquid crystal, a phase control element, and the like. By integrating these optical elements and the diffractive element of the present invention into an integrated diffractive element, a single integrated diffractive element has multiple functions and the number of optical components when incorporated in an optical head device. This is preferable.
本発明の回折素子における光学多層膜の構成材料の第1設計例を表1に示す。 Table 1 shows a first design example of the constituent material of the optical multilayer film in the diffraction element of the present invention.
例えばガラスからなる透明基板上に、最下層と最上層のAl2O3膜を除いて、SiO2膜とTiO2膜とが13層交互に重ねられ、Al2O3膜を加えると合計15層の光学多層膜とされ、光学多層膜は周期的な凹凸形状に加工されて、格子が作製した後、屈折率1.93の充填材により格子の凹部が充填され回折素子が構成された(図1を参照)。 For example, 13 layers of SiO 2 films and TiO 2 films are alternately stacked on a transparent substrate made of glass except for the lowermost layer and the uppermost Al 2 O 3 film, and when an Al 2 O 3 film is added, a total of 15 After the optical multilayer film is processed into a periodic uneven shape and a grating is produced, the concave portion of the grating is filled with a filler having a refractive index of 1.93 to form a diffraction element ( (See FIG. 1).
この回折素子における1次の回折効率の波長依存性の例を図6に示す。図6には、比較例として従来の表面凹凸型の回折格子の1次の回折効率も示した。このように、本発明の光学多層膜により凹凸状の回折格子を形成したものは、波長350nmから900nmまでの光に対してほぼ理論限界の40%近い回折効率を示すことがわかる。なお、表1に用いたSiO2膜、TiO2膜、Al2O3膜の屈折率は、それぞれ異なり順に1.47、2.27、1.56であった。ただし成膜条件により屈折率が設計値と若干異なる場合には、膜厚を調整する。 An example of the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency in this diffraction element is shown in FIG. FIG. 6 also shows the first-order diffraction efficiency of a conventional surface uneven-type diffraction grating as a comparative example. Thus, it can be seen that the concavo-convex diffraction grating formed by the optical multilayer film of the present invention exhibits a diffraction efficiency close to the theoretical limit of 40% for light with a wavelength of 350 nm to 900 nm. The refractive indexes of the SiO 2 film, the TiO 2 film, and the Al 2 O 3 film used in Table 1 were 1.47, 2.27, and 1.56, respectively, in order. However, if the refractive index is slightly different from the designed value depending on the film forming conditions, the film thickness is adjusted.
本発明の回折素子における光学多層膜の構成材料の第2設計例を表2に示す。 Table 2 shows a second design example of the constituent material of the optical multilayer film in the diffraction element of the present invention.
上記と同様例えばガラスからなる透明基板上に、SiO2膜とTiO2膜とが交互に重ねられ29層の光学多層膜とされ、光学多層膜は周期的な凹凸形状に加工されて、格子を作製した後、屈折率1.51の充填材により格子の凹部が充填され回折素子が構成された(図2を参照)。 As described above, SiO 2 films and TiO 2 films are alternately stacked on a transparent substrate made of glass, for example, to form an 29-layer optical multilayer film. The optical multilayer film is processed into a periodic concavo-convex shape to form a lattice. After fabrication, the grating recesses were filled with a filler having a refractive index of 1.51 to form a diffraction element (see FIG. 2).
この回折素子における1次の回折効率の波長依存性の例を図7に示す。図7には比較例として従来の表面凹凸型の回折格子の回折効率も示した。このように、本発明の光学多層膜に凹凸状の回折格子を形成したものは、波長790nmの光はほとんど回折せず透過し、波長650nmの光は約6%回折することが分かる。さらに、600nmから670nmまでの広い波長帯域にわたり回折効率の変化がほとんどないことが分かる。なお、表2に用いたSiO2膜、TiO2膜の屈折率は、それぞれ異なり順に1.48、2.32であった。ただし上記と同様、成膜条件により屈折率が設計と若干異なる場合には、膜厚を調整する。 An example of the wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency in this diffraction element is shown in FIG. FIG. 7 also shows the diffraction efficiency of a conventional surface uneven diffraction grating as a comparative example. Thus, it can be seen that when the concave and convex diffraction grating is formed on the optical multilayer film of the present invention, light with a wavelength of 790 nm is transmitted without being diffracted, and light with a wavelength of 650 nm is diffracted by about 6%. Furthermore, it can be seen that there is almost no change in diffraction efficiency over a wide wavelength band from 600 nm to 670 nm. Note that the refractive indexes of the SiO 2 film and the TiO 2 film used in Table 2 were 1.48 and 2.32, respectively, in different order. However, similarly to the above, when the refractive index is slightly different from the design depending on the film forming conditions, the film thickness is adjusted.
上記の回折素子を、例えばDVD系(波長650nm)とCD系(波長790nm)光ディスク用の光源を有する光ヘッド装置に搭載した場合について説明する。例えば、図8に示すようにコリメートレンズ24と光源21、22との間に、本発明の回折素子23を配置する。
The case where the above-described diffraction element is mounted on an optical head device having a light source for DVD (
この回折素子を図5を参考にして説明する。例えば第1の光学多層膜1および第1の充填材2よりなる第1の回折部分(透明基板3の上側)は、波長650nmの光を約6%回折し、波長790nmの光をほぼ100%透過するように設計し、第2の多層膜11および第2の充填材12よりなる第2の回折部分(透明基板3の下側)は、波長790nmの光を約6%回折し、波長650nmの光をほぼ100%透過するように設計する。これにより、回折素子23は各波長の3ビームを効率よく発生できる。
This diffraction element will be described with reference to FIG. For example, the first diffractive portion (upper side of the transparent substrate 3) made of the first
回折素子23によって3ビームに分割された各光源からの光は、コリメートレンズ24、ビームスプリッタ25を透過し、対物レンズ26により光記録媒体27に集光される。光記録媒体27にて反射された光は、対物レンズ26、ビームスプリッタ25の順に戻り光検出光学系28により検出される。回折素子23により得られた各波長の光の3ビームは、トラッキングに使用できる。
The light from each light source divided into three beams by the
また、光通信に使用される波長950nm〜1700nmの近赤外光に対しても本発明の回折素子を使用でき、特に波長1550nm帯の光を使用する波長分割多重通信の構成部品として使用できる。例えば広い波長帯域で回折効率が一定の回折素子を使用したビームスプリッタや、回折効率の波長分散を調整したゲインイコライザなどを挙げることができる。 Further, the diffraction element of the present invention can also be used for near infrared light with a wavelength of 950 nm to 1700 nm used for optical communication, and in particular, it can be used as a component for wavelength division multiplex communication using light with a wavelength of 1550 nm band. For example, a beam splitter using a diffraction element having a constant diffraction efficiency in a wide wavelength band, a gain equalizer that adjusts the wavelength dispersion of the diffraction efficiency, and the like can be given.
本実施例を図9に基づいて説明する。透明基板である石英ガラス基板31の一方の表面にフォトリソグラフィとエッチングの技術によりレリーフ型の第1の回折格子32を作製した。格子ピッチは20μm、デューティ比は1/2、深さは約1.4μmとし、波長650nmの光は回折せず透過し、波長780nmの光は、10%程度回折するようにした。
This embodiment will be described with reference to FIG. A relief-type
また、レリーフ型の回折格子の凹凸部上に真空蒸着法により波長650nmおよび波長790nmの光に対する反射防止膜を形成した。このレリーフ型の回折格子は、波長650nmの光をほとんど回折せず0次光の回折効率(すなわち透過率)が約90%、一方波長790nmの光を1次回折光として約10%回折し、0次光の回折効率が約55%であった。 Further, an antireflection film for light having a wavelength of 650 nm and a wavelength of 790 nm was formed on the concavo-convex portion of the relief type diffraction grating by a vacuum deposition method. This relief type diffraction grating hardly diffracts light having a wavelength of 650 nm and has a diffraction efficiency (that is, transmittance) of 0th order light of about 90%, while light having a wavelength of 790 nm is diffracted by about 10% as first order diffracted light. The diffraction efficiency of the next light was about 55%.
この石英ガラス基板31のレリーフ型の回折格子32を作製した面とは反対側の面には、真空蒸着法により表2に示した光学多層膜である誘電体多層膜を成膜した。上記と同様にして、フォトリソグラフィとエッチングの技術により、誘電体多層膜凸部33を有する第2の回折格子を作製した。格子ピッチは20μm、デューティ比は1/2とし、エッチングは基板の石英ガラスが露出した段階で止め、誘電体多層膜のみ凹凸になるようにした。
A dielectric multilayer film, which is an optical multilayer film shown in Table 2, was formed on the surface of the
ガラス基板の一方の面に、真空蒸着法により波長650nmおよび波長790nmの光に対する反射防止膜を形成してカバーガラス35を作製した。第2の回折格子の凹部に屈折率1.51のアクリル系の接着剤34を充填材として充填し、上記カバーガラス35をこの上に重ねて接着剤34によりカバーガラス35を接着して、図9に示したような回折素子を作製した。
An antireflection film for light having a wavelength of 650 nm and a wavelength of 790 nm was formed on one surface of the glass substrate by a vacuum deposition method to produce a
この回折素子の透過率および回折効率を調べたところ、波長650nmの光に対しては、0次光の回折効率が約70%、1次光の回折効率が約6%、一方波長790nmの光に対しては0次光の回折効率が約54%、1次光の回折効率が約9%であった。そして、いずれの波長の光についても効率よく3ビームを得ることができた。 When the transmittance and diffraction efficiency of this diffractive element were examined, for light with a wavelength of 650 nm, the diffraction efficiency of the 0th order light was about 70%, the diffraction efficiency of the first order light was about 6%, while the light with a wavelength of 790 nm In contrast, the diffraction efficiency of the zero-order light was about 54%, and the diffraction efficiency of the first-order light was about 9%. And it was possible to obtain three beams efficiently for light of any wavelength.
この回折素子を、図8に示した光ヘッド装置中の回折素子23の位置に搭載した。光源21として、DVD用の光源である波長650nmのLD、光源22としてCD用の光源である波長790nmのLDを使用したところ、790nmの光、および650nmの光を効率よく各々3ビームに分けることができ、さらに光ヘッド装置の光利用効率を高めことができた。そして、この3ビームは光ヘッド装置のトラッキングに使用され、光ディスクからの情報の再生時に良質の再生特性が得られた。
This diffractive element was mounted at the position of the
以上説明したように、本発明の回折素子は透明基板上に周期的に重ねた酸化物などの光学多層膜を用いて凹凸状の回折格子を形成したものであり、この回折素子は回折効率の波長依存性をほとんど一定にするなど、回折効率を制御できる。 As described above, the diffractive element of the present invention has a diffractive diffraction grating formed by using an optical multilayer film such as an oxide periodically stacked on a transparent substrate. The diffraction efficiency can be controlled by making the wavelength dependence almost constant.
また本発明の回折素子を複数波長の光を用いる光ヘッド装置に搭載することで設計自由度が高く、かつ光利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。 Further, by mounting the diffraction element of the present invention on an optical head device using light of a plurality of wavelengths, an optical head device having a high degree of design freedom and high light utilization efficiency can be obtained.
1、11:光学多層膜
2、12:充填材
3:透明基板
4:カバー
21、22:光源
23:回折素子
24:コリメートレンズ
25:ビームスプリッタ
26:対物レンズ
27:光記録媒体
28:光検出光学系
31:石英ガラス基板
32:回折格子
33:誘電体多層膜凸部
34:接着剤
35:カバーガラス
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記回折素子は、第1の回折格子と第2の回折格子と、が重なって備えられ、
前記第1の回折格子と前記第2の回折格子のうち、少なくとも一方は、透明基板上に周期的な凹凸部を有し、前記凹凸部の凸部は、前記透明基板面に平行に屈折率の異なる2種の材料が交互に配された光学多層膜を備えるとともに、凹部は固体または液体からなる充填材によって充填されており、
前記第1の回折格子は、前記透明基板面に垂直に入射する前記光源からの出射光の波長が650nmの光に対して回折するとともに、波長が790nmの光に対してほとんど回折せず、
前記第2の回折格子は、波長が790nmの光に対して回折するとともに、波長が650nmの光に対してほとんど回折しない光ヘッド装置。 An optical head device comprising: a light source; an objective lens for condensing the light emitted from the light source onto an optical recording medium; and a photodetector for detecting the emitted light collected and reflected by the optical recording medium. A diffractive element is disposed in the optical path between the light source and the objective lens,
The diffraction element is provided with a first diffraction grating and a second diffraction grating overlapping,
At least one of the first diffraction grating and the second diffraction grating has a periodic uneven part on a transparent substrate, and the convex part of the uneven part has a refractive index parallel to the transparent substrate surface. And an optical multilayer film in which two different materials are alternately arranged, and the concave portion is filled with a solid or liquid filler,
Wherein the first diffraction grating, with the wavelength of the light emitted from the light source incident perpendicularly to the transparent substrate surface is diffracted by pairs of 6 50 nm light, almost diffraction to light of wavelength 790nm Without
The second diffraction grating is an optical head device that diffracts light having a wavelength of 790 nm and hardly diffracts light having a wavelength of 650 nm .
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