JPH09127335A

JPH09127335A - 光ヘッド装置の製造方法及び光ヘッド装置

Info

Publication number: JPH09127335A
Application number: JP7286150A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Tanabe; 譲田辺; Tomonori Korishima; 友紀郡島; Hiromasa Sato; 弘昌佐藤; Hiroki Hodaka; 弘樹保高
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光の利用効率を高め、安価に製造できる光ヘッ
ド装置を提供する。【解決手段】１表面に深さ１．５５μｍ、ピッチ９μｍ
の断面が矩形状のＳｉＯ₂ からなる凹凸部２を形成した
屈折率１．５４のガラス基板１と、１表面に配向膜のポ
リイミド膜４を形成した第２のガラス基板３とを積層し
凹凸部２に液晶６を真空注入した。Ｐ波の透過率は約９
５％で、Ｓ波の±１次回折光の回折効率は各々３２％で
あった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＤ（コンパクト
ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスク等の光デ
ィスク及び光磁気ディスク等に光学的情報を書き込んだ
り、光学的情報を読み取るための光ヘッド装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ディスク及び光磁気ディスク等
に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光
ヘッド装置としては、ディスクの記録面から反射された
信号光を検出部へ導光（ビームスプリット）する光学部
品としてプリズム式ビームスプリッタを用いたものと、
回折格子又はホログラム素子を用いたものとが知られて
いた。

【０００３】従来、光ヘッド装置用の回折格子又はホロ
グラム素子は、ガラスやプラスチック基板上に、矩形の
断面を有する等方性回折格子（レリーフ型）をドライエ
ッチング法又は射出成形法よって形成し、これによって
光を回折しビームスプリット機能を付与していた。

【０００４】また、光の利用効率が１０％程度の等方性
回折格子よりも光の利用効率を上げようとした場合、偏
光を利用することが考えられる。偏光を利用しようとす
ると、プリズム式ビームスプリッタにλ／４板を組み合
わせて、往路（光源から記録面へ向かう方向）及び復路
（記録面から検出部へ向かう方向）の効率を上げて往復
効率を上げる方法があった。

【０００５】しかし、プリズム式偏光ビームスプリッタ
は高価であり、他の方式が模索されていた。一つの方式
としてＬｉＮｂＯ₃ 等の複屈折結晶の平板を用い、表面
に光学異方性回折格子を形成し偏光選択性をもたす方法
が知られている。しかし、複屈折結晶自体が高価であ
り、民生分野への適用は困難である。またＬｉＮｂＯ_３
に関して、通常はプロトン交換法によって格子を形成す
るが、プロトン交換液中のプロトンがＬｉＮｂＯ_３基
板中に拡散しやすいため、細かい周期を持つ格子を形成
するのが困難である。

【０００６】等方性回折格子は前述のように、往路の利
用効率が５０％程度で、復路の利用効率が２０％程度で
あるため、往復で１０％程度が限界である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述の問題
を解消し光の利用効率を高め、安価に製造できる光ヘッ
ド装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源からの光
を回折素子を通して光記録媒体上に照射することにより
情報の書き込み及び／又は情報の読み取りを行う光ヘッ
ド装置の製造方法において、透明基板の表面にＳｉＯ₂
膜を被覆し、次いで前記ＳｉＯ₂ 膜を微細加工して格子
状の凹凸部を形成し、前記凹凸部に光学異方性を有する
液晶を充填して光学異方性回折格子を形成することによ
り前記回折素子を製造することを特徴とする光ヘッド装
置の製造方法を提供する。

【０００９】本発明は、また、光源からの光を回折素子
を通して光記録媒体上に照射することにより情報の書き
込み及び／又は情報の読み取りを行う光ヘッド装置にお
いて、前記回折素子は、透明基板の表面にＳｉＯ₂ 膜を
被覆し、前記ＳｉＯ₂ 膜を微細加工して格子状の凹凸部
を形成し、前記凹凸部に光学異方性を有する液晶を充填
して光学異方性回折格子を形成してなることを特徴とす
る光ヘッド装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明においては、透明基板上に
被覆されたＳｉＯ₂ 膜をエッチング等の手段により微細
加工することにより、ＳｉＯ₂ からなる凸部を形成し
て、格子状の凹凸部を透明基板上に設ける。ＳｉＯ₂ 膜
の屈折率は液晶の常光屈折率とかなり近く、また真空蒸
着法等によってガラス基板上又は透明プラスチック基板
上に形成できる。

【００１１】また、ＳｉＯ₂ 膜はＳｉの酸化物であるた
め、例えばエッチングガスとしてＣＦ₄ を用いた場合、
ＳｉＦ₄ の揮発性の高さによりドライエッチングのエッ
チング速度も高くなり、量産性よく容易に深い格子を掘
りうる。さらに、透明基板としてガラス基板用いた場
合、ＳｉＯ₂ とガラスとのエッチング速度の違い（Ｓｉ
Ｏ₂ のエッチング速度／ガラスのエッチング速度≧１０
／１）により、ガラス基板はほとんどエッチングされ
ず、ＳｉＯ₂ の凸部を精度よく形成でき、好ましい。し
たがって、ＳｉＯ₂ 以外の組成成分を含むガラス基板と
のエッチング速度の違いを利用することにより、格子深
さの再現性をよくし、格子深さの面分布を微調整して凹
凸部を形成できる。

【００１２】透明基板の屈折率とＳｉＯ₂ 膜との屈折率
との差は、界面による好ましくない反射等を防ぐために
０．１以内とするのが好ましい。

【００１３】本発明において、表面に格子状の凹凸部が
形成された２枚の透明基板を用い、凹凸部を形成した面
どうしを対面させ、それらの凹凸部に前記液晶を充填
し、２枚の透明基板を積層して光学異方性回折格子を形
成してもよい。その場合、各々の凹凸部は浅いものでよ
く、そのため作製が容易になり好ましい。また、２つの
対面する凹凸部により液晶の配向性が向上する点でも好
ましい。

【００１４】前記２枚の透明基板に形成された凹凸部
が、積層面に対して非対称となるように積層されている
場合、断面形状が非対称な回折格子を容易に作製でき、
±１次回折光のいずれか一方の回折効率を大きくし、回
折効率の大きい方の光を１つの検出器で検出できるとい
う効果があり、好ましい。

【００１５】本発明で用いる液晶としては、ネマチック
液晶、スメクチック液晶等の液晶表示装置等に使用され
る公知の液晶が使用できる。また、高分子液晶、液晶モ
ノマー、液晶組成物等も適宜使用できる。

【００１６】本発明において、前記液晶の常光屈折率と
異常光屈折率の差Δｎが０．０５〜０．３５であること
が好ましく、０．０５未満では凹凸部を深くする必要が
あり製造が困難になり、コスト高を招く等の点で不適で
あり、０．３５超では液晶が紫外線等により劣化しやす
い等の点で不適である。

【００１７】前記透明基板としては、ガラス、ポリオレ
フィン、ポリカーボネート等の屈折率が１．４程度〜
１．６程度のものが、液晶の常光屈折率約１．５に整合
しやすいため、好ましい。

【００１８】前記凹凸部は光学的に等方的なＳｉＯ₂ か
らなり、その屈折率をｎ、前記凹凸部の深さをＤ、前記
液晶の常光屈折率をｎ_g 、異常光屈折率をｎ_e 、｜ｎ−
ｎ_g｜と｜ｎ−ｎ_e ｜のいずれか大きい方をΔＮ、光源
からの光の真空中における波長をλ₀ としたとき、ＤΔ
Ｎ＝λ₀ ／２となる温度が３０℃より高温であるように
することが好ましい。すなわち、ＤΔＮ＝λ₀ ／２のと
きに最も高い回折効率による往復効率が得られるが、Δ
Ｎは温度によって変化するので例えば０〜６０℃の範囲
で温度特性を最適にするには、３０℃以上の温度で上記
の関係を満たすような凹凸部の深さにすることが好まし
い。

【００１９】前記透明基板の光学異方性回折格子上に、
ガラス、又はアクリル樹脂、ポリオレフィン、ポリカー
ボネート等のプラスチックからなる厚さ１ｍｍ程度の第
２の透明基板を積層することにより、液晶の層をはさみ
込んで固定できるため好ましい。液晶は凹凸部に充填す
るだけでなく、凹凸部からあふれた部分は透明基板と第
２の透明基板との間に、液晶の薄い層を形成してもよ
い。透明基板の凹凸部を形成した面の平坦部と第２の透
明基板との距離は、大きすぎると第２の透明基板に形成
した配向膜による液晶の配向力が低下するため１０μｍ
以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。

【００２０】前記透明基板の光学異方性回折格子上に第
２の透明基板が積層され、前記第２の透明基板の液晶側
に液晶配向用のポリイミド膜（配向膜）が形成される場
合、前記透明基板にポリイミド膜を形成する場合と比較
して、ラビング時のラビング用布の損傷が小さくなり、
製造コストが小さくなり好ましい。

【００２１】格子状の凹凸部を有する透明基板は、その
凹凸部自体がラビングされた配向膜と同様の配向作用を
持っており、第２の透明基板に配向膜を設けなくとも、
それだけでも充分な回折素子としての特性が得られるこ
とを見い出した。その場合、配向膜を設けた場合とほぼ
同等の特性が得られ、配向膜を設けなくてもよいので低
コストで製造できる利点がある。

【００２２】また、第２の透明基板にポリイミド膜を形
成する際に、配向のためのラビング方向と前記凹凸部の
ストライプの方向（格子状の凹凸部の長手方向）を同じ
にすることにより、液晶の配向の安定性や再現性を向上
させ、ΔＮを大きくでき、温度等の周辺環境による配向
率の低下を防止できる点で好ましい。

【００２３】前記格子状の凹凸部の断面形状が、凹凸部
の長手方向（ストライプ方向）に垂直な面において左右
非対称である場合、＋１次回折光又は−１次回折光の回
折効率を大きくし、回折効率の大きい方のみを利用すれ
ば１つの検出器のみで大きい往復効率が得られ好まし
い。左右非対称の形状とは、階段状、斜面状（鋸歯状）
等の形状である。

【００２４】また、凹凸部の間隔に分布を持たせるよう
にする、凹凸部の一部を左右非対称のものにしその他を
左右対称のものにする、凹凸部の一部を凸部としその他
を凹部とする、というような変更を行ってもよい。

【００２５】前記透明基板の光学異方性回折格子上に、
λ／２板、λ／４板等として機能する位相差板、位相差
フィルムを積層させれば、往路と復路とで偏光方向を直
交させ、光学異方性回折格子として機能させうる。前記
位相差板、位相差フィルムは、数１０〜数１００μｍ程
度の厚みを有するポリカーボネート又はポリビニルアル
コール等の材料が好ましく使用できる。

【００２６】前記位相差板又は位相差フィルムの少なく
とも片面をフォトポリマー、熱硬化型エポキシ樹脂等の
光学的に透明な有機樹脂で覆うか、又はさらに前記有機
樹脂を介して高平坦度のガラス基板、プラスチック基板
等の第３の透明基板を接着すれば、波面収差の低減、信
頼性の向上という利点が得られる。

【００２７】この場合、回折素子を透過した光の波面収
差が０．０７λ_rms （λ：光の波長、ｒｍｓ：自乗平均
値）を超えると光記録媒体上で微小なスポット（回折限
界）に集光しがたくなるため、波面収差が０．０７λ
_rms 未満になるような平坦度を有する第３の透明基板を
用いることが好ましい。波面収差が０．０１５λ_rms 以
下になるような平坦度を有する第３の透明基板を用いる
ことが特に好ましい。

【００２８】前記透明基板と第２の透明基板との間の周
辺部、又は回折素子全体の周辺部をエポキシ樹脂等のシ
ール材でシールすることにより、液晶の漏れを防ぐだけ
でなく、外部環境の湿度や温度の変化による液晶及び有
機樹脂等の好ましくない物理的又は化学的変化を防止で
き好ましい。

【００２９】前記透明基板の凹凸部を設けた面又は反対
側の面（光源側の面）に、トラッキングエラー検出用の
３ビームを発生させる第２の回折格子を設けてもよく、
その場合トラッキングエラー検出が容易になり好まし
い。前記第２の回折格子は、フォトポリマー、フォトレ
ジスト等を塗布し所定パターンに露光して形成するか、
又はドライエッチング法により直接第２の基板を加工し
て形成する。

【００３０】本発明の光ヘッド装置を読み取り用として
使用する場合は、通常、光源側に光記録媒体からの反射
光を検出する検出器を設ける。その検出器の受光面上に
前記反射光が所望のビーム形状に集光するように、回折
素子の光学異方性回折格子パターンに面内曲率を付与し
たり、格子間隔に分布を付与してもよい。前記格子パタ
ーンは、コンピュータによって設計した曲率分布、格子
間隔分布とし、スポットサイズディテクション法等のフ
ォーカスエラー検出法に最適なパターンとすることがで
きる。前記検出器としては、フォトダイオード、ＣＣＤ
素子等の半導体素子を利用したものが小型軽量で、低消
費電力であるため好ましい。

【００３１】前記回折素子の光入出射面に反射防止膜を
設けることにより、光の損失を防止できる。その場合、
反射防止膜としてアモルファスフッ素樹脂を使用すれ
ば、蒸着装置等の高価で大型の成膜装置を使用せずに低
コストで成膜でき好ましい。

【００３２】前記光源、回折素子、検出器、対物レンズ
等を同一のパッケージ内に収容すれば、小型で光軸調整
等が容易な光ヘッド装置を提供でき好ましい。

【００３３】本発明の光源としては、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）、ＬＥＤ等の半導体素子を利用したものがよく、Ｌ
Ｄが小型軽量で、低消費電力で、コヒーレンス性を有す
るため好ましい。また光記録媒体としては、ＣＤ（コン
パクトディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ（デジタル
ビデオディスク）等の光ディスク、光磁気ディス
ク、相変化型光ディスク、光カード、その他光により情
報を書き込み及び／又は読み取るような光システム用の
記録媒体が使用できる。

【００３４】以上において、全て単独の回折素子につい
て述べたが、例えば１２０ｍｍ×１２０ｍｍ角の透明基
板に複数個の液晶を充填した回折素子を形成し、最後に
個々に切断することもできる。又は液晶の充填を、個々
の回折素子の切断後行うこともできる。

【００３５】液晶は、格子状の凹凸部の長手方向にほぼ
平行な方向に（図１では紙面に垂直な方向）配向してい
るが、光源（図１では下方）から入射したＰ波（図１で
は偏光方向が紙面に平行な偏光成分）に対しては、液晶
と凹凸部は屈折率が等しく、すなわち光学異方性回折格
子はＰ波に対しては透明となる。そのため、Ｐ波は何の
変化も受けずそのままλ／４板に入射し、円偏光に変化
し、対物レンズとしての非球面レンズを透過し、ほぼ１
００％の光が光記録媒体の記録面に到達する。

【００３６】すなわち半導体レーザへの戻り光が非常に
小さく、戻り光ノイズの点で有利である。さらに往路の
透過率が高いということは、書き込みタイプの光デイス
ク装置においては、書き込み時に、相対的に低い出力の
半導体レーザで書き込みできるという点でコスト面で優
れる。

【００３７】前記記録面で反射し再び非球面レンズを通
り戻ってきた反射光は、再びλ／４板を通過し、偏光方
向が９０°異なったＳ波に変化する。Ｓ波が光学異方性
回折格子に入射すると、今度は液晶と凹凸部の屈折率が
異なるため回折格子として機能し、＋１次回折光として
最大４０％程度、−１次回折光として最大４０％程度の
回折効率が得られる。＋１次回折光、−１次回折光を検
出する検出器をどちらか一方にのみ配置した場合で４０
％、両方に配置した場合は計８０％の往復効率が得られ
る。

【００３８】さらに、前記凹凸部の長手方向に垂直な面
における断面形状を斜面状（鋸歯状）にしたときはほぼ
７０〜９０％、３段の階段状にしたときはほぼ８１％の
往復効率が得られる。

【００３９】

【実施例】

［例１］本発明の例１を図１に示す。１０ｍｍ×１０ｍ
ｍ角、厚さ１ｍｍ、屈折率１．５４の、比較的アルカリ
成分の少ない第１のガラス基板１の１表面に、真空蒸着
法によって厚さ１．５５μｍのＳｉＯ₂ 膜を形成した。
次いで、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法に
よって、格子状に前記ＳｉＯ₂ 膜をエッチングして、深
さ約１．５５μｍ、ピッチ（周期）９μｍの断面が矩形
状の格子状の凹凸部２を形成した。

【００４０】比較的アルカリ成分の少ない第２のガラス
基板３の１表面に、液晶配向用の配向膜としてポリイミ
ド膜４を形成し、配向のためのラビング処理を行った。
ガラス基板１の凹凸部２を形成した面と、ガラス基板３
のポリイミド膜４を形成した面とを対面させ、さらにポ
リイミド膜４のラビング方向と前記凹凸部２のストライ
プ方向が同じになるようにして、２つのガラス基板を積
層した。

【００４１】その場合、液晶注入口となる開口部を除き
２つのガラス基板の周囲を直径約４μｍの球状スペーサ
を含むエポキシ樹脂（図示せず）でシールした。液晶注
入口から液晶６（メルク社製商品名ＢＬ００２、ネマチ
ック液晶、常光屈折率１．５２５、異常光屈折率１．７
７１）を真空注入した。このとき、ΔＮ＝０．２３、Ｄ
＝１．５５（μｍ）、λ₀ ＝６７８（ｎｍ）であり、Ｄ
ΔＮ＝λ₀ ／２を満たすのは３５℃になるようにＤを設
定した。

【００４２】ガラス基板３のポリイミド膜４と反対側の
面にλ／４フィルム７を透明接着剤５により積層接着
し、さらにその上に波面収差を改善するためのフォトポ
リマー８、第３のガラス基板９を積層接着して回折素子
１０を作製した。回折素子１０の光源からの光の入射部
１１、光の出射部１２には、誘電体多層膜による反射防
止膜を施した。

【００４３】光源として半導体レーザ（図１では回折素
子１０の下方に設けられるが、図示せず。）を用い、波
長６７８ｎｍのＰ波（紙面に平行な偏光成分）を入射さ
せたとき、Ｐ波の透過率は約９５％であった。また、光
ディスク（図１では回折素子１０の上方に設けられる
が、図示せず。）からの反射光（円偏光）がλ／４フィ
ルム７によりＳ波（紙面に垂直な偏光成分）に変化し、
このＳ波が光学異方性回折格子により回折され、＋１次
回折光の回折効率は３２％で、−１次回折光の回折効率
は３２％であった。この結果、往路効率約９５％、往復
効率約６１％（±１次回折光検出）となった。

【００４４】［例２］本発明の例２を図２に示す。図２
において、例１と同じ部品については同じ符号を付して
いる。ポリイミド膜４を形成しなかった以外は例１と同
様の構成とした。この場合、凹凸部２の配向力のみによ
って液晶６は配向した。例２においては、Ｐ波の透過率
は約９５％で、Ｓ波の＋１次回折光の回折効率は約３１
％で、−１次回折光の回折効率は約２９％であった。こ
の結果、往路効率約９５％、往復効率約５７％（±１次
回折光検出）となった。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、複屈折結晶のような高価な材
料を用いることなく、複屈折結晶よりも大きな基板面積
で量産性よく生産できる。さらに複屈折結晶よりも細か
いパターンで回折格子が形成でき、光学設計上の自由度
が高い。また、レリーフ型回折格子のような等方性格子
に比べて、高い光利用効率が得られる。

【００４６】また往路の透過率がほぼ１００％であるた
め、半導体レーザへの戻り光が非常に小さく、戻り光の
ノイズの点で有利である。さらに往路の透過率が高いと
いうことは、書き込みタイプの光デイスク装置において
は、書き込み時に、相対的に低い出力の半導体レーザで
書き込みできるという点でコスト的に優れる。さらに
は、ポリイミド膜等の液晶配向用の膜を設けなくとも、
液晶を配向をさせることができ量産性に優れる。

【００４７】光学異方性回折格子の格子パターンについ
ては、露光用のマスク等を用いＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅ
ｒＧｅｎｅｒａｔｅｄＨｏｌｏｇｒａｍ）法によ
り、複雑な格子パターンを容易に量産性よく形成でき
る。

【００４８】λ／４板等の位相差板、位相差フィルムは
回折素子内にラミネートされているため、非常に生産性
に優れ全体をコンパクトにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の例１を示す、液晶による光学異方性回
折格子を用いた光ヘッド装置の基本構成の側面図。

【図２】本発明の例２を示す、光ヘッド装置の基本構成
の側面図。

【符号の説明】

１：第１のガラス基板２：凹凸部３：第２のガラス基板４：ポリイミド膜５：透明接着剤６：液晶７：λ／４フィルム８：フォトポリマー９：第３のガラス基板１０：回折素子１１：光の入射部１２：光の出射部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保高弘樹神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を回折素子を通して光記録媒
体上に照射することにより情報の書き込み及び／又は情
報の読み取りを行う光ヘッド装置の製造方法において、
透明基板の表面にＳｉＯ₂ 膜を被覆し、次いで前記Ｓｉ
Ｏ₂ 膜を微細加工して格子状の凹凸部を形成し、前記凹
凸部に光学異方性を有する液晶を充填して光学異方性回
折格子を形成することにより前記回折素子を製造するこ
とを特徴とする光ヘッド装置の製造方法。
【請求項２】前記透明基板をガラス基板とし、ガラス基
板上に真空蒸着法によりＳｉＯ₂ 膜を被覆し、ＳｉＯ₂
膜をエッチングすることにより、格子状の凹凸部を形成
する請求項１記載の光ヘッド装置の製造方法。
【請求項３】光源からの光を回折素子を通して光記録媒
体上に照射することにより情報の書き込み及び／又は情
報の読み取りを行う光ヘッド装置において、前記回折素
子は、透明基板の表面にＳｉＯ₂ 膜を被覆し、前記Ｓｉ
Ｏ₂ 膜を微細加工して格子状の凹凸部を形成し、前記凹
凸部に光学異方性を有する液晶を充填して光学異方性回
折格子を形成してなることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項４】前記透明基板の光学異方性回折格子上に位
相差素子を積層した請求項３記載の光ヘッド装置。
【請求項５】前記位相差素子の少なくとも片面を透明な
有機樹脂で覆った請求項４記載の光ヘッド装置。
【請求項６】前記回折素子の光入射面及び／又は光出射
面に、高平坦度の透明基板を積層した請求項３〜５のい
ずれか記載の光ヘッド装置。