JPWO2004097816A1 - 回折素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

使用する波長の変化に対して回折光量の変化が少なく、光ディスクへの情報の記録および再生を行う際にも安定した信号検出が可能となる回折素子および光ヘッド装置を得る。 回折素子は、格子の凹凸部を形成する凹凸部材１０２または充填部材１０３のいずれか一方の部材は使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料であり、かつ前記一方の部材はその屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材１０２または充填部材１０３の他方の部材の屈折率よりも低い材料である回折素子として構成し、この素子を光ヘッド装置の光源と対物レンズとの間の光路中に設置する。

Description

本発明は、回折素子および光ヘッド装置に関し、特に光記録媒体の情報の記録および再生用光ヘッド装置に用いられる回折素子、ならびにこの回折素子を用いた光ヘッド装置に関する。

ＣＤやＤＶＤなどの光ディスク、および光磁気ディスクなどの光記録媒体（以下、これらをまとめて光ディスクとよぶ）の情報記録面上に情報を記録し、または情報記録面上に記録された情報を再生する光ヘッド装置が各種用いられている。これら光ヘッド装置にあっては、ＣＤ系の光ディスクの記録・再生用には７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザが、ＤＶＤ系の光ディスク記録・再生用には６６０ｎｍ波長帯の半導体レーザが用いられている。
光ヘッド装置では、光ディスクの情報記録面に形成されたトラック上にレーザ光を集光させながら光ディスクを回転させるため、集光されたレーザ光のビームがトラックから外れないようにする必要があり、このため種々のトラッキング方法が開発されている。これらトラッキング方法の中では、３ビーム法がよく知られている。３ビーム法では、回折素子が使用され、回折素子による０次回折光（透過光）であるメインビームと、±１次回折光であるサブビームを発生させる。
ここで、６６０ｎｍの波長の光を発生するレーザ光源を用いた従来例の光ヘッド装置について、図７の構成例を参照しながら説明する。
半導体レーザ７０１からの波長６６０ｎｍの出射光は、ビームスプリッタ７０２を透過した後に、コリメートレンズ７０３で平行光とされ、対物レンズ７０４を透過後、光ディスク７０５の情報記録面に集光される。この集光された光は情報記録面で反射され、反射された光は、往路と同じ光路を逆行する。
すなわち、この反射された光は、再び対物レンズ７０４によって平行光となり、コリメートレンズ７０３で集光された後、ビームスプリッタ７０２に入射する。このビームスプリッタ７０２で反射された光は、往路の光軸とは９０°の角度をなす光軸に沿って進行して、光検出器７０６の受光面に集光される。そして信号光は、この光検出器７０６で電気信号に変換される。３ビーム発生回折格子７０７は一例として半導体レーザ７０１とビームスプリッタ７０２との間に配置され、３ビーム発生回折素子７０７で発生した±１次回折光であるサブビームがメインビーム同様に光検出器７０６の受光面に集光し、トラッキングサーボに用いる電気信号に変換される。
３ビーム発生回折素子７０７としては、透明基板または透明基板上に成膜した積層膜を格子形状に加工したものが、信頼性および量産性に優れた回折素子として一般的に使用されている。これらの回折素子では回折格子は、凸状に加工した基板または積層膜と、その凹部を占める空気との位相差により回折が生じており、その加工深さにより位相差を調整することで所望の回折効率を得ている。図８（ａ）に従来の回折素子、すなわち一般的に用いられるＳｉＯ_２蒸着膜と空気との屈折率差を用いた場合の回折素子の凸部と凹部との位相差の波長依存性を、波長６６０ｎｍの値で規格化して示す。また図８（ｂ）に従来の回折素子の回折効率の波長に対する変化の一例を示す。

しかしながら、一般的に格子凸部を形成するのに用いられる材料は、格子の凹部を占める空気に比べて、屈折率が高くかつ波長分散も大きいため、格子凸部と凹部との屈折率の差は、波長が長くなるにつれて小さくなり、すなわち波長の変化に対して負の変化率を示す。また一般的に、屈折率が高い物質ほど波長分散が大きくなるため、空気以外の２つの屈折率の異なる媒体を組み合わせても同様に波長の変化に対して負の変化率を示す。加えて回折効率を決定する位相差は屈折率差の他に波長の逆数にも比例することから、前述したような光ヘッド装置に用いられる一般的な回折素子においては、回折効率は、位相差がπまでの範囲で波長の変化に対して負の変化率を示す。
このため半導体レーザの個体差による発振波長のばらつき、または周辺温度の変化による発振波長の変化に応じて、波長が長くなるほど回折効率は低下するという問題点を有していた。この回折光量の変動のため、信号強度や信号／雑音比の変動を生じたり、信号処理に用いる受光素子の増幅率設定が初期設定に対して不適切になるといった問題点を有していた。
また、２種類の波長帯に対して機能する回折格子を設計する際には、各々の波長における格子凸部と格子凹部の位相差は、ほぼ波長の逆数により決まり任意には選べないという問題点を有していた。
本発明の目的は、半導体レーザを光源として用いるＣＤ系光ディスクおよびＤＶＤ系光ディスクなどの光ヘッド装置において、半導体レーザの波長の変化に対して回折光量の変化が少なく光ディスクへの情報の記録および再生を行う際にも安定した信号検出が可能となる回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置を提供することである。
また、異なる２つの波長帯において各々の波長帯の光に対する回折効率の設定範囲を広げることを目的とする。
本発明は、周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の少なくとも凹部に充填された充填部材とを備える回折素子であって、格子の凹凸部を形成する凹凸部材および充填部材のいずれか一方の部材は使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料であり、かつ前記一方の部材はその屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の他方の部材の屈折率よりも低い材料であることを特徴とする回折素子を提供する。
また、周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の少なくとも凹部に充填された充填部材とを備える回折素子であって、格子の凹凸部を形成する凹凸部材および充填部材のいずれの部材も使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料であり、かつ凹凸部材および充填部材のいずれか波長分散の大きい方の部材の屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の波長分散の小さい方の部材の屈折率よりも低いことを特徴とする回折素子を提供する。
また、前記凹凸部材および前記充填部材のいずれか一方に、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する有機物顔料が含まれている上記の回折素子を提供する。
また、前記凹凸部材および前記充填部材の双方に、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する有機物顔料が含まれている上記の回折素子を提供する。
また、前記凹凸部材は、有機物顔料を含むレジストを有している上記の回折素子を提供する。
また、前記有機物顔料が赤色有機物顔料であって、ジケトピロロピロール系、アンスラキノン系、キナクリドン系、縮合アゾ系およびペリレン系からなる赤色有機物顔料の群のうち何れか１種または複数種組み合わされて用いられる上記の回折素子を提供する。
また、前記赤色有機物顔料がアンスラキノン系の赤色有機物顔料である上記の回折素子を提供する。
また、光源である半導体レーザと、半導体レーザから出射した出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された出射光を検出する光検出器とを備えていて、光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置において、半導体レーザと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ことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
また、前記回折素子の周期的凹凸状の格子が、光線の透過する領域において前記領域が分割され、回折される光線が分割されるように構成されている、上記の光ヘッド装置を提供する。
さらに、前記光ヘッド装置は、異なる少なくとも２つの波長帯の光が用いられる上記の光ヘッド装置を提供する。

図１は、実施例１の回折素子を示す断面図を示す。
図２は、実施例２の回折素子を示す断面図を示す。
図３は、本発明の回折素子が搭載される光ヘッド装置の概略を示す概念図を示す。
図４は、本発明の回折素子の１態様の概略を示す断面図を示す。
図５は、回折格子の特性を示すグラフで、（ａ）図４に示す回折格子において、実線：凹凸部材の屈折率の波長依存性、破線：充填部材の屈折率の波長依存性、（ｂ）実線：図４に示す回折格子の凸部と凹部位相差の波長依存性、破線：従来の回折素子の凸部と凹部位相差の波長依存性を示す。
図６は、混合する赤色有機顔料の濃度を３種類変えた場合の回折素子の示す特性のグラフで、（ａ）回折格子の凸部と凹部位相差の波長依存性、（ｂ）１次回折効率の波長依存性を示す。
図７は、従来の回折素子が搭載された光ヘッド装置の概略を示す概念図を示す。
図８は、従来の回折素子の特性を示すグラフで、（ａ）位相差の波長依存性、（ｂ）１次回折効率の波長依存性を示す。
図９は、従来の回折素子の特性を示すグラフで、（ａ）回折素子に用いる材料の屈折率波長分散関係、（ｂ）位相差の波長依存性を示す。
図１０は、本発明の回折素子が適用される回折素子のパターンの概略を示す上面図を示す。

本発明は、周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の凹部に充填された充填部材とを備える回折素子である。そして、回折素子の格子の凹凸部を形成する凹凸部材または充填部材のいずれか一方の部材が、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料である。さらに、一方の吸収端を有する部材は、その屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の他方の部材の屈折率よりも低い材料である回折素子である。
ここで、充填部材は凹部を充填するのみならず、凹凸部を覆ってもよい。また、凹凸部を形成する凹凸部材は、凹部および凸部の双方を形成してもよく、また孤立した凸部のみを形成してもよい。すなわち、凸部と凹部とで材料が異なっていてもよい。以下の説明においては、凹凸部材とは凸部を形成する部材を意味する。
回折格子の回折効率は、格子凸部と格子凹部の屈折率の差により生じる位相差により決まる。波長λにおける位相差φは、波長に依存する格子凸部の平均屈折率ｎ_１（λ）と格子凹部の平均屈折率ｎ_２（λ）と格子の深さｄならびに入射波長λにより下記の式２で表される。

一般に回折素子の凸部に用いられる材料はいずれも波長が長いほど屈折率が小さくなる傾向を示し、かつ波長の変化に対する屈折率の変化はその屈折率が高いほど大きい。図９（ａ）に、従来の回折格子の代表的な物質の屈折率の波長依存性として、低屈折率材料の例としてＳｉＯ_２を実線で、高屈折率材料の例としてＴｉＯ_２を破線でグラフを示す。また、図９（ｂ）に、格子凸部として上記のいずれかの材料を用い、凹部を空気が占める構成とした回折素子の６６０ｎｍの値で規格化した凸部と凹部の位相差の変化を、同様にＳｉＯ_２を用いた場合を実線で、ＴｉＯ_２を用いた場合を破線でグラフで示す。
図９（ａ）および図９（ｂ）より、これらの場合には、いずれも波長が長くなると屈折率は小さくなり、かつ位相差の変化は屈折率が高いほど大きいことがわかる。したがって、これらの材料で格子凸部を形成し、格子凹部を空気で占める回折格子を形成した場合には、格子の凸部と凹部の位相差は大きな負の変化率を示し、入射波長が長くなると回折効率が低下することがわかる。
本発明を満たす媒質の組み合わせの一例のうち、一方の媒質に有機顔料を含む形態の断面図を図４に示す。透明基板４０１上に屈折率が約１．５のアクリル系ベースポリマーと５５０ｎｍ近傍に吸収極大を持つ赤色有機顔料を混合した樹脂からなる凹凸部材４０２が形成され、その凹部を屈折率が約１．７の波長分散の小さい充填部材４０３にて充填し、かつ対向する透明基板４０４を接着保持することで回折素子としている。
上記の図４に示した回折格子に用いた樹脂の屈折率の波長依存性を図５（ａ）に示す。凹凸部材４０２を形成する樹脂の屈折率を実線で示し、格子の凹部を充填する充填部材４０３の屈折率を破線で示した。図５（ａ）より、二つの材料の屈折率差は、波長が長くなるほど大きくなることがわかる。図５（ｂ）に、これらの材料で構成した回折格子の格子の凸部と凹部の位相差を６６０ｎｍの値で規格化して実線で示す。２つの材料の屈折率の差が波長に対して正の変化率を示し、かつその変化率が６６０ｎｍ近傍で波長の変化率とほぼ等しいため、格子の凸部と凹部の位相差は、６６０ｎｍの近傍でほぼ一定の値を示す。図５（ｂ）にあわせて破線で示した、従来の回折素子の凸部と凹部の位相差が波長の増加に伴い減少しており、この破線と比較して実線では波長依存性が大きく低減されていることがわかる。
前述の波長６６０ｎｍ近傍で一定な位相差を示す凹凸部材と充填部材の組み合わせに対し、凹凸部材の赤色有機顔料の混合濃度を調整することで最も効果の大きい波長を変更することができる。図６（ａ）は、混合する赤色有機顔料の濃度を３種類変えた場合の凸部と凹部の位相差の波長依存性を示している。実線で示したＤＶＤに用いる６６０ｎｍに最適化した場合に加えて、点線で示したＣＤで用いる７９０ｎｍへの最適化も可能である。また、６６０ｎｍと７９０ｎｍの中間の波長に最適化することで、一点破線で示したように、いずれの波長に対しても一定の効果を有する構成が可能であることがわかる。図６（ｂ）は、これら図６（ａ）の材料での回折効率の波長依存性を示すグラフで、６６０ｎｍに最適化した場合を実線で、７９０ｎｍに最適化した場合を点線で、中間に最適化した場合を一点破線で示す。
図６（ｂ）より６６０ｎｍと７９０ｎｍでほぼ等しい回折効率となるよう設計することに加えて、７９０ｎｍに最適化した場合の回折効率の波長依存性から明らかなように、通常の回折格子では実現が困難である、例えば短い波長である６６０ｎｍの回折効率よりも長い波長である７９０ｎｍの回折効率が高い回折素子とすることもできる。この効果により格子の凹凸部材と充填部材との屈折率と、屈折率の波長依存性との組み合わせを調整することで、少なくとも２つの波長を用いる光ヘッド装置においては、各々の波長での回折効率をある程度自由に設定できる。
上記のように、凹凸部材または充填部材に、回折素子に入射する波長よりも短い波長域に吸収端を有する有機物顔料を含ませて、異常分散効果により屈折率の増加を発生させることができる。
また、本発明は周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の少なくとも凹部に充填された充填部材とを備える回折素子である。そして、格子の凹凸部を形成する凹凸部材および充填部材のいずれの部材も、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料である。さらに、凹凸部材または充填部材のいずれか波長分散の大きい方の部材の屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の波長分散の小さい方の部材の屈折率よりも低い回折素子である。このとき、屈折率が高い材料の吸収端を、屈折率が低い材料に比べてより短波長とすることで、位相の波長依存性をさらに低減させることができる。
このように凹凸部材および充填部材のいずれの部材も、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料とすることで、一方の部材のみに使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料を用いた場合と比較して、屈折率差と波長から決まる各波長での位相差の設計が容易になる。このことから、この回折素子はさらに広い範囲で略等しい回折効率が得られるという効果を有する。
有機物顔料は蒸着法などにより製膜してもよいし、また有機物顔料を樹脂バインダ、重合性モノマ、重合開始材、増感剤、溶剤、界面活性剤などに混合し適宜調整した組成物を用いて製膜してもよい。組成物を用いる場合には透明基板上に組成物を塗布した後、溶媒を加熱除去しさらに重合硬化させるとよい。また、必要に応じて重合硬化後、加熱処理してもよい。
上記組成物において、有機物顔料がエッチングできるレジスト中に含まれた場合には、選択的に硬化させた残りの末重合硬化部をエッチング処理し、容易に所望の格子形状を作製できるので好ましい。さらに前記レジストがフォトレジストである場合は、フォトリソグラフィにより直接格子が形成できるので特に好ましい。
使用する波長がＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯やＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯である場合には、赤色有機物顔料が好適に用いられる。
赤色有機物顔料は上記いずれの波長帯でも顕著な吸収がなく、高い透過率が実現できる。一方、６６０ｎｍより短い波長で吸収が現れ、その後波長の減少に応じて急激に吸収が増加し、５５０ｎｍ近傍に吸収極大を有するため、異常分散効果により、６６０ｎｍ波長帯、７９０ｎｍ波長帯で、屈折率の波長依存性を変化させることができる。
赤色顔料としては、ジケトピロロピロール系、アンスラキノン系、キナクリドン系、縮合アゾ系、ペリレン系などに分類される有機物顔料を使用できる。これらの有機物顔料は単独で用いてもよいし、２種または３種以上を混合して用いてもよい。なかでも、ピグメントレッド（Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ）．２５４に代表されるジケトピロロピロール系やピグメントレッド１７７に代表されるアンスラキノン系は耐久性に優れており、本素子の赤色有機物顔料として好ましく用いられる。
赤色有機物顔料が含まれたフォトレジストは、液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの作製に用いられており、市販のカラーフィルタ用レジストの一部はそのまま使用できる。また、赤色有機物顔料、樹脂バインダ、重合性モノマ重合開始材、増感剤、溶剤、界面活性剤などの濃度や化合物を必要に応じて調整してもよい。
また、上記の有機物顔料を含むレジストを硬化前にエッチングして格子を作成する方法以外にも、硬化後の部材（膜や蒸着膜）をフォトリソグラフィとエッチング処理により格子を形成してもよく、また、基板表面に形成された格子の凹部または凹凸部に有機物顔料を含んだレジストを充填部材として充填してもよい。他の充填部材としては、光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂などが挙げられる。
前述の赤色有機物顔料を含む樹脂の屈折率の波長依存性を大きくするほど、屈折率も高くなる。このため、組み合わせる光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂としても屈折率が高いものが好ましく、１．６以上のものが好ましく用いられる。
このような光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂としては、特開２０００−３０９５８４に記載があるような式１で表される化合物を含んでいる組成物があり、この組成物は屈折率が高く、かつ屈折率の波長分散が小さくて本用途として好ましく用いることができる。しかし、この化合物に限定されない。

式中、Ｒ^１〜Ｒ^６はそれぞれ炭素数１〜１０の炭化水素基または水素を表す。ＸはＳまたはＯを示し、このＳの個数は三員環を構成するＳとＯの合計に対して、５０％以上である。ＹはＯ、Ｓ、ＳｅまたはＴｅを表し、ｐは０〜６、ｑは０〜４の範囲の整数である。
無機材料との組み合わせで同様の効果を得ることもでき、この場合には有機顔料を混合した樹脂を凹凸部材か充填部材のいずれか一方に用い、他方に屈折率の高い、例えばＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３などの材料を、使用することでも同様の効果が得られる。環境温度の変化に対する特性の変化を抑制するには、温度変化に対する挙動が類似である有機物同士の組み合わせがよく、この場合温度変化に対する特性の変化が少なく好ましい。
また、本発明の格子凸部と凹部には光学的には違いはなく、いずれの分散特性を持つ材料を先に格子形状にしても同様の効果を有する。
本発明は、半導体レーザを光源に用いた光ヘッド装置に対して適用でき、半導体レーザの波長の個体差によるばらつきや、環境温度の変化による波長変動に対して回折効率の変動を抑制する効果を有し、安定に記録および再生ができる光ヘッド装置を実現できる効果を有する。本発明の回折効率の波長依存性の低減効果は、例に示した回折効率のみではなく、他の場合の回折効率についても効果があるが、従来の回折素子の構成では波長変動が生じやすい、透過率が高く回折効率の低い設計の回折格子に対して特に効果が大きく、このため、透過光量を確保する必要性がある書き込み系の光ヘッドに対しては特に効果が大きい。
本発明は、波長変動の範囲のみではなく、より広い範囲の波長の光に対しての回折作用を設計できることから、２つの異なる波長の光に対して機能する回折素子への適用時にもその効果が大きい。
実際の使用例としては、波長による回折角の違いを用いて集光特性や収差特性を制御する回折型光学素子や格子凸凹部の位相、ピッチなどを光の透過する有効な領域内で不連続的に分割する、また格子凸凹部領域の境界線の傾きを変えることで回折光を分割する、すなわち回折スポットを分割する回折素子があり、具体的には、ＣＤ、ＤＶＤのように異なるトラックピッチにも対応可能とした位相シフト差動プッシュプル法に用いる２波長用３ビーム発生回折格子や、２つの異なる波長に対して独立に光検出器を有する２波長用レーザユニットに用いるホログラム回折素子などが挙げられる。
これらの素子に対しては、使用する２つの波長での回折特性の設計自由度が大きいため、いずれの波長の光に対してもほぼ所望する回折特性を得ることが可能であり効果が大きい。
また、本素子の中心波長は特定の波長に限定されるものではなく、ＤＶＤに用いられる６６０ｎｍ波長帯、ＣＤに用いられる７９０ｎｍ波長帯に加えて、記録密度を高めるために波長を４００ｎｍ波長帯とした高密度光ヘッド装置に対しても、材料構成を適切に選定することで同様な効果を有する。
本実施態様の回折素子は、位相板を図４で説明した上下のガラス基板中に設けると構成できる。位相板を回折素子と一体化することにより、小型でありながら入射光に対して回折効果と偏光状態を変化させる効果を合わせもつことができ好ましい。位相板としては、１／２波長板、１／４波長板などが挙げられ、複数枚の位相板を設けることもできる。
以下、実施例について説明する。
［例１］
本例の回折素子の断面図を図１に示す。
赤色有機物顔料としてピグメントレッド２５４を１５％含む顔料含有液（御国色素社製ＣＦレッドＥＸ−２７３９）を４８％、ペンタエリスリトールテトラアクリレート（日本化薬社製ＫＡＹＡＲＡＤ−ＤＰＨＡ）を４１％、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１１％混合し混合物を作製した。さらに光重合開始材として、イルガキュア９０７（チバスペシャリティケミカルズ社製）を上記混合物に対して０．２％となるよう混合し組成物を作製した。なおここで、数値は質量％である。
この組成物を凹凸部材としてスピンコート法により裏面に図示しない低反射コートを施した透明基板であるガラス基板１０１上に均一にコーティングし、１００℃で３分間保持した。次に組成物全面に紫外線を照射後、２００℃で６０分間保持し、厚さ０．５５μｍの膜を作製した。このようにして作製した膜の上に、厚さ６０ｎｍのＳｉＯ_２膜をスパッタ法により形成し、ＳｉＯ_２膜の上にフォトレジストをスピンコート法により塗布した。次にフォトマスクをガラス基板１０１のＳｉＯ_２膜側に配置して紫外線露光し、その後ドライエッチングを行い赤色顔料を含む格子の凹凸部１０２を作製した。その後、ＳｉＯ_２膜を除去し、図１に示すような回折格子を、格子ピッチ２０μｍ、格子高さ０．５５μｍとして作製した。
凹凸部材の屈折率は波長６６０ｎｍにおいて１．５７５であった。
次に重合後の屈折率が波長６６０ｎｍにおいて１．７０４であるポリマをモノマの状態で充填部材１０３として格子の凹凸部１０２に充填し、さらに別の低反射コート（図示せず）を施したガラス基板１０４を積層して、回折格子とポリマを挟み込んだ。その後、加熱によりモノマを重合させて硬化し回折素子１を作製した。
このようにして作製した素子に波長６６０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．５％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．３％であった。入射する光の波長に対する回折効率の変化は、波長６４０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．８％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．１％であり、波長６８０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．６％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．２％であった。本素子は上記の波長範囲で波長依存性の小さい回折特性を示した。
［例２］
本例の回折素子の断面図を図２に示す。
図示しない低反射コートを施した透明基板であるガラス基板２０１に、波長６６０ｎｍにおける屈折率が２．０８４であり、波長７９０ｎｍでは２．０６７であるＴａ_２Ｏ_５膜を、厚さ０．２８μｍにスパッタ法を用いて成膜した。Ｔａ_２Ｏ_５膜の上にフォトレジストをスピンコート法により塗布した。次にフォトマスクをガラス基板のＴａ_２Ｏ_５膜側に配置して紫外線露光し、その後ドライエッチングを行い格子の凹凸部２０２を作製した。
赤色有機物顔料としてピグメントレッド２５４を１５％含む顔料含有液（御国色素社製ＣＦレッドＥＸ−２７３９）を６０％、ペンタエリスリトールテトラアクリレート（日本化薬社製ＫＡＹＡＲＡＤ−ＤＰＨＡ）を３％、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３７％混合し混合物を作製した。さらに光重合開始材として、イルガキュア９０７（チバスペシャリティケミカルズ社製）を上記混合物に対して０．２％となるよう混合し組成物を作製した。なお、これらの数値は質量％である。
この組成物をスピンコート法にて、表面に凹凸を形成したＴａ_２Ｏ_５膜上に均一にコーティングし、１００℃で３分間保持した。次に組成物全面に紫外線を照射後、２００℃で６０分間保持し、厚さ約１μｍの充填膜２０３とした。充填に用いた赤色有機顔料を含む樹脂膜は、波長が６６０ｎｍで１．８３４、波長が７９０ｎｍで１．７６４の屈折率を硬化後に示した。
別に裏面に低反射コートを施したガラス基板２０４の表面に、リタデーション値が約１７５ｎｍの延伸したポリカーボネートフィルムを位相板２０５として紫外線硬化型の接着剤２０６で接着した。これら処置した２枚のガラス基板を、ポリカーボネートフィルム面と赤色有機顔料を含む膜とが向かい合うように紫外線硬化型の接着剤２０６で積層し、位相板２０５を内蔵した回折素子２を作製した。
このようにして作製した素子に波長６６０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．５％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．２％であった。また、波長７９０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．３％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．４％であり、２つの異なる波長でほぼ等しい回折特性を示した。
波長６８０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８．６％であり、＋１次回折光および−１次回折光の回折効率がおのおの４．２％であった。本素子は上記の波長範囲で波長依存性の少ない回折特性を示した。また、入射する偏光方向をポリカーボネートの延伸方向と４５°とすることで、入射した直線偏光は、波長が６６０ｎｍおよび７９０ｎｍに対して、楕円率角がおのおの８４°および８０°の円偏光に近い楕円偏光を出射しほぼ１／４波長板として機能した。
本発明の回折素子を用いた光ヘッド装置について、図３の構成例を参照しながら説明する。半導体レーザを２波長半導体レーザ３０１（ＤＶＤ系光ディスク用の波長６６０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザとＣＤ系光ディスク用の波長７９０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザとが一体化されている）とする。
２波長半導体レーザ３０１からの、実線で示す波長６６０ｎｍおよび破線で示す７９０ｎｍの出射光は、ビームスプリッタ３０２を透過した後に、コリメートレンズ３０３で平行光とされ、対物レンズ３０４を透過後、光ディスク３０５の情報記録面に、ほぼ同じ経路で集光される。この集光された光は情報記録面で反射され、反射された光は、往路と同じ光路を逆行する。
すなわち、この反射された光は、再び対物レンズ３０４によって平行光となり、コリメートレンズ３０３で集光された後、ビームスプリッタ３０２に入射する。このビームスプリッタ３０２で反射された光は、往路の光軸とは９０°の角度をなす光軸に沿って進行して、２波長光検出器３０６の６６０ｎｍおよび７９０ｎｍ用に配置された受光面に集光される。そして信号光は、この２波長光検出器３０６で電気信号に変換される。
２波長用３ビーム発生回折格子３０７は一例として２波長半導体レーザ３０１とビームスプリッタ３０２との間に、内蔵された位相板の延伸方向と出射する偏光の方向が４５°となるように配置され、２波長３ビーム発生回折格子３０７で発生した±１次回折光であるサブビームがメインビーム同様に２波長光検出器３０６のそれぞれの受光面に集光し、トラッキングサーボに用いる電気信号に変換される。ここで用いる３ビーム発生回折素子は、図１０に黒で示す凹部と白で示す凸部が同一の周期で位相のみが反転した２種類の格子領域１００１、１００２に、光の透過する有効領域内で分割されている。この分割により発生する回折スポットはほぼ４つに分離して発生し、記録再生に６６０ｎｍの波長を用いるＤＶＤと７９０ｎｍの波長を用いるＣＤという異なるトラックピッチに対応することを可能としている。
２波長３ビーム発生回折素子３０７は、いずれの波長に対してもほぼ同等の強度の信号光を２波長光検出器上に集光せしめ、ＤＶＤおよびＣＤいずれの光ディスクに対してもトラッキングサーボをかけることができる。また、いずれの波長の光もほぼ円偏光に変換されているため光ディスクからの戻り光による半導体レーザの不安定化もみられず、良好な信号特性を得ることができる。

本発明の回折素子を用いれば、半導体レーザの製造ばらつきや環境温度の変化に起因する発振波長の変化に対して回折効率の変化の少ない回折素子が実現する。また、少なくとも２つの異なる波長に対する回折特性をある程度自由に設計可能な回折素子を実現できる。
さらに、本発明の回折素子を用いた光ヘッド装置において、位相板を積層することで装置の部品点数の削減および小型化が実現できるとともに、ＣＤ系やＤＶＤ系光ディスクの記録および再生において安定した信号の検出が実現できる。
本発明の回折素子を光ヘッド装置に用いれば、光ディスクの記録および再生において安定した信号の検出が実現できる。

Claims (10)

1. 周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の少なくとも凹部に充填された充填部材とを備える回折素子であって、格子の凹凸部を形成する凹凸部材および充填部材のいずれか一方の部材は使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料であり、かつ前記一方の部材はその屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の他方の部材の屈折率よりも低い材料であることを特徴とする回折素子。
2. 周期的凹凸状の格子を表面に形成した透明基板と、格子の少なくとも凹部に充填された充填部材とを備える回折素子であって、格子の凹凸部を形成する凹凸部材および充填部材のいずれの部材も使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する材料であり、かつ凹凸部材および充填部材のいずれか波長分散の大きい方の部材の屈折率が、使用する波長のすべての領域で、凹凸部材または充填部材の波長分散の小さい方の部材の屈折率よりも低いことを特徴とする回折素子。
3. 前記凹凸部材および前記充填部材のいずれか一方に、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する有機物顔料が含まれている請求の範囲１に記載の回折素子。
4. 前記凹凸部材および前記充填部材の双方に、使用する波長よりも短い波長域に光の吸収端を有する有機物顔料が含まれている請求の範囲２に記載の回折素子。
5. 前記凹凸部材は、有機物顔料を含むレジストを有している請求の範囲３または４に記載の回折素子。
6. 前記有機物顔料が赤色有機物顔料であって、ジケトピロロピロール系、アンスラキノン系、キナクリドン系、縮合アゾ系およびペリレン系からなる赤色有機物顔料の群のうち何れか１種または複数種組み合わされて用いられる請求の範囲３、４または５に記載の回折素子。
7. 前記赤色有機物顔料がアンスラキノン系の赤色有機物顔料である請求の範囲６に記載の回折素子。
8. 光源である半導体レーザと、半導体レーザから出射した出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された出射光を検出する光検出器とを備えていて、光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置において、半導体レーザと対物レンズとの間の光路中に、請求の範囲１から７のいずれかに記載の回折素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装直。
9. 前記回折素子の周期的凹凸状の格子が、光線の透過する領域において前記領域が分割され、回折される光線が分割されるように構成されている、請求の範囲８に記載の光ヘッド装置。
10. 前記光ヘッド装置は、異なる少なくとも２つの波長帯の光が用いられる請求の範囲８または９に記載の光ヘッド装置。

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