JPWO2008072519A1 - 波長板素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents
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Abstract
収束光または発散光が入射してくる光学系に使用された場合でも、入射角度依存性による性能低下を低減可能な波長板素子を提供する。波長板素子10は、構造周期Pが使用波長λよりも短い凹凸周期構造を有する波長板素子であって、進相軸と遅相軸がなす平面において進相軸方向に対し垂直に引かれる分割線に沿って少なくとも第1乃至第3のエリア11,12,13に分割され、第1のエリアは、その両隣の第2及び第3のエリアの各凹凸周期構造と異なる凹凸周期構造を有する。
Description
本発明は、構造周期Pが使用波長λよりも短い凹凸周期構造を有する波長板素子及びこの波長板素子を用いた光ピックアップ装置に関する。
構造性複屈折を利用した波長板は、その凹凸周期構造の寸法選択により、広い波長帯域で一定の位相差性能を持つ広帯域波長板を実現できることが知られている。例えば、光ピックアップの重要な部品の一つとして使われる1/4波長板においては、次世代光ディスクの登場により、波長400nm〜800nmの広い波長帯域で一定の位相差性能を発現できる広帯域波長板が求められている。
下記特許文献1は、光束が通過する光学面に構造性複屈折を有する異なる微細形状を形成した複数の領域を有し、一つの領域を通過した光束が他の領域を通過した光束に対して異なる位相差を与えるようにした位相差発生部材を開示する。また、下記特許文献2は、光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させ、光束が通過する面に構造性複屈折を有する微細形状を設けており、微細形状は光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させるようにした位相差発生部材を開示する。
特開2006−208341号公報
特開2006−260635号公報
しかし、波長板に入射する光は平行光束とは限らず、光学系によっては収束または発散した光となる場合がある。このような場合、波長板は入射角度依存性を示すことがあり、特に、入射角度が大きくなる有効径の外周エリアにおいて透過率低下等の性能低下の問題が生じてしまう。このような波長板への入射光が収束光または発散光の場合、波長板における透過率低下等の性能低下に関する入射角度依存性について図1乃至図5を参照して説明する。
構造性複屈折波長板50は、通常、図1のような凹凸周期構造により構成され、溝部の屈折率n1と柱部の屈折率n2は異なる。図1では柱先端部51と溝底部52が平らな矩形の柱となっているが、柱先端部51及び/又は溝底部52が平らでない形状でもよい。この凹凸周期構造の構造周期P、フィリングファクタf(=L/P)、構造高さHの寸法選択により、発現する透過率や位相差性能を制御することができる。例えば、波長λ400nm〜800nmで一定の位相差性能を発現させるには、最短波長λminに対し、λmin/2<P<λminの範囲内で寸法を選択する。
ここで、図2(a)のようにyz面内で光束が入射角度θyで入射した場合、及び、図2(b)のようにxz面内で光束が入射角度θxで入射した場合について、構造性複屈折波長板50における波長λ405nmの各入射角依存性を図3(a)、(b)に示す。なお、構造性複屈折波長板50の凹凸周期構造は次のとおりである。
構造周期P:340nm
フィリングファクタf:0.75
構造高さH:2380nm
図2(a)の場合、図3(a)のように、透過率と位相差性能ともにθy=0度のときの性能に比べ、入射角度θyが変わってもほとんど性能が変化しないことが分かる。一方、図2(b)の場合、図3(b)のように、入射角度θxが大きくなるに従い、特に透過率が低下し、大きく性能が変化する。図3(a)、(b)の結果から、構造性複屈折波長板50は、大きな入射角度依存性を有し、また、その入射角度依存性は構造方向と関係を持つことが分かる。
構造周期P:340nm
フィリングファクタf:0.75
構造高さH:2380nm
図2(a)の場合、図3(a)のように、透過率と位相差性能ともにθy=0度のときの性能に比べ、入射角度θyが変わってもほとんど性能が変化しないことが分かる。一方、図2(b)の場合、図3(b)のように、入射角度θxが大きくなるに従い、特に透過率が低下し、大きく性能が変化する。図3(a)、(b)の結果から、構造性複屈折波長板50は、大きな入射角度依存性を有し、また、その入射角度依存性は構造方向と関係を持つことが分かる。
また、図4,図5に、図3と同じ凹凸周期構造について入射角度θxに関する波長λ650nm,780nmの場合の入射角度依存性を示す。図4,図5から、波長λ650nm,780nmの場合には入射角度θxに関してもほとんど性能の変化がないことが分かる。これは、この凹凸周期構造の構造周期Pが入射する波長λに対して十分に小さいためであると考えられる。
なお、波長板のような複屈折素子において、光の進む速度が速い(位相が進む)方位をその素子の進相軸といい、反対に遅い(位相が遅れる)方位を遅相軸といい、進相軸と遅相軸とを総称して主軸という。図1、図2(a)、(b)では、進相軸がx軸に沿い溝部に略直交し、遅相軸がy軸に沿い溝部に略平行である。
以上のように、波長板に求められる高い透過率と所望の位相差性能を発現する構造寸法を最適に設計しても、この波長板を収束光または発散光が入射する光学系で使用した場合、特に、入射角度θxが大きくなる有効径の外周エリアにおいて著しく性能が低下してしまう。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、収束光または発散光が入射してくる光学系に使用された場合でも、入射角度依存性による性能低下を低減可能な波長板素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明による波長板素子は、構造周期Pが使用波長λよりも短い凹凸周期構造を有する波長板素子であって、進相軸と遅相軸がなす平面において進相軸方向に対し垂直に引かれる分割線に沿って少なくとも第1乃至第3のエリアに分割され、前記第1のエリアは、その両隣の前記第2及び第3のエリアの各凹凸周期構造と異なる凹凸周期構造を有することを特徴とする。
この波長板素子によれば、進相軸方向に対し垂直に分割された少なくとも第1乃至第3のエリアにおいて、中央の第1のエリアとその両隣の第2及び第3のエリアが異なる凹凸周期構造を有することで、各エリアごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定することが可能となる。したがって、波長板素子が収束光または発散光が入射してくる光学系に使用された場合でも、入射角度依存性による性能低下を低減できる。
上記波長板素子において前記第2のエリアの凹凸周期構造と前記第3のエリアの凹凸周期構造が異なってもよく、また、前記第2のエリアの凹凸周期構造と前記第3のエリアの凹凸周期構造が同じであってもよい。
また、前記波長板素子が少なくとも第1乃至第4のエリアに分割された場合、前記第4のエリア及びそれ以降のエリアが前記第1のエリアに対し片方側に位置するように偏って構成してもよい。
また、前記第1のエリアの中心軸が波長板素子の中心軸と一致するように構成できる。
また、前記凹凸周期構造が異なるとは、凹凸周期構造の構造周期P,フィリングファクタf及び構造高さHの内の少なくとも1つが異なることである。
また、上記波長板素子は、波長板素子を通過した光束に対し、すべてのエリアにおいてλ/4またはλ/2の位相差を与えるものである。
本発明による光ピックアップ装置は、上述の波長板素子を搭載し、前記波長板素子に入射する光束が発散光または収束光であることを特徴とする。光ピックアップ装置が波長板素子を搭載した場合、この波長板素子に発散光または収束光が入射しても、入射角度依存性による性能低下を低減できるので、光情報記録媒体に対する情報の記録・再生の光ピックアップ性能を維持できる。
本発明の波長板素子によれば、波長板素子が収束光または発散光が入射してくる光学系に使用された場合でも、入射角度依存性による性能低下を低減することができる。
10 波長板素子
11〜13 第1〜第3のエリア
20 波長板素子
21〜27 第1〜第7のエリア
30 波長板素子
31〜35 第1〜第5のエリア
40 波長板素子
41〜43 第1〜第3のエリア
100 光ピックアップ装置
120 対物レンズ
200 光ディスク、光情報記録媒体
H 構造高さ
P構造周期
f フィリングファクタ
11〜13 第1〜第3のエリア
20 波長板素子
21〜27 第1〜第7のエリア
30 波長板素子
31〜35 第1〜第5のエリア
40 波長板素子
41〜43 第1〜第3のエリア
100 光ピックアップ装置
120 対物レンズ
200 光ディスク、光情報記録媒体
H 構造高さ
P構造周期
f フィリングファクタ
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
〈第1の実施の形態〉
図6は第1の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図(a)及び波長板素子をx軸方向に切断し模式的に示す断面図(b)である。図6(b)では波長板素子をx軸方向に引き延ばして示している。
図6は第1の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図(a)及び波長板素子をx軸方向に切断し模式的に示す断面図(b)である。図6(b)では波長板素子をx軸方向に引き延ばして示している。
図6(a)、(b)のように、波長板素子10は、平面的に円形状に構成され、凹凸周期構造が形成され、凹凸周期構造の溝部がy軸に沿って形成され、x軸方向が進相軸、y軸方向が遅相軸になっている。波長板素子10は、図6(a)のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a,bに沿って第1のエリア11,第2のエリア12及び第3のエリア13の3つに分割されている。
図6(a)のように、第1のエリア11が中央に位置し、第1のエリア11の中心軸が波長板素子10の中心軸と一致しており、第2のエリア12及び第3のエリア13が第1のエリア11のx軸方向の両側に位置している。
上述のように、波長板素子10を進相軸方向に対して垂直に第1〜第3のエリア11〜13に分割し、それぞれのエリアごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定する。
本実施の形態の波長板素子10は、図6(b)のように、第1のエリア11の凹凸周期構造が第2のエリア12及び第3のエリア13の凹凸周期構造と異なっており、第2のエリア12及び第3のエリア13の各凹凸周期構造は同一である。すなわち、第2及び第3のエリア12,13の凹凸周期構造の構造周期P(図1参照)と構造高さH(図1参照)が第1のエリア11のものよりも小さく構成されている。
次に、図6(a)、(b)の波長板素子10を用いた光学系を含む光ピックアップ装置について図7を参照して説明する。図7は第1の実施の形態による波長板素子10を用いた光ピックアップ装置の概略図である。
図8の光ピックアップ装置100は、所定波長の光束を出射する半導体レーザ110と、光情報記録媒体である光ディスク200の情報記録面200a上に集光させる対物レンズ120と、光ディスク200の情報記録面200aからの光信号を電気信号に変換する光検出器140と、を有し、波長板素子10が偏光ビームスプリッタ130と対物レンズ120との間に配置されている。
光ピックアップ装置100は光ディスク200に対し情報の記録・再生が可能であるが、光ディスク200を再生する場合を例にして説明する。半導体レーザ110から光束を出射し、出射した光束は、レンズ150を透過し、偏光ビームスプリッタ130で反射し、波長板素子10を透過して直線偏光から円偏光の光束となる。この光束は対物レンズ120により図の実線のように光ディスク200の透明基板210を介して情報記録面200aに集光される。
そして、情報記録面200aで情報ビットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ120、波長板素子10、偏光ビームスプリッタ130、レンズ160を透過して、光検出器140に入射し、その出力信号を用いて、光ディスク200に記録された情報の読み取り信号が得られる。また、光検出器140上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出に基づいて2次元アクチュエータ(図示省略)が半導体レーザ110からの光束を光ディスク200の情報記録面200a上に結像するように対物レンズ120を移動させるとともに、半導体レーザ110からの光束を所定のトラックに結像するように対物レンズ120を移動させる。
上述のような光ピックアップ装置100の光学系において半導体レーザ110からの光束は、波長板素子10に入射するとき、収束光である。このため、上述のような入射角度依存性による性能低下が生じてしまうが、波長板素子10において各エリア11,12,13ごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定することで、かかる性能低下を低減することができる。
以下、本実施の形態の波長板素子10の作用効果について具体例により図8,図9を参照して説明する。
図7に示すような光ピックアップ装置の光学系内で波長板素子を使用した場合、従来の波長板素子の性能を図8(a)乃至(c)に示す。ここで、波長板素子の有効径は4mmであり,波長板素子に入射するすべての波長の光束は,有効径の外周部分で3度の入射角度を持つ収束光である。波長板素子の材料には、アペル(三井化学(株)製)を用い、その屈折率は、波長405nmにおける屈折率n405=1.560,波長650nmにおける屈折率n650=1.541,波長780nmにおける屈折率n780=1.537である。波長板素子の凹凸周期構造寸法は、P=340nm,f=0.75,H=2380nmとした(図1参照)。
入射光束は有効径の外周に行くほど入射角度が大きくなるため、図8(a)のように、特に波長405nmにおいて有効径の外周に近づくにつれて透過率が著しく低下してしまうことがわかる。このとき、図8(b)、(c)のように、波長650nm,780nmにおける性能はほとんど変化しない。
図9(a)乃至(c)に、本実施の形態による波長板素子の具体例な構造例を示す。図6(a)の第1のエリア11の凹凸周期構造の寸法は、P=340nm,f=0.75,H=2380nmであり、その両側の第2及び第3のエリア12,13の凹凸周期構造の寸法は、P=300nm,f=0.75,H=1920nmである(図1参照)。
波長板素子の有効径は4mmであり、波長板素子に入射するすべての波長の光束は、有効径の外周部分で3度の入射角度を持つ収束光である。波長板材料にはアペル(三井化学(株)製)を用い、その屈折率は、波長405nmにおける屈折率n405=1.560,波長650nmにおける屈折率n650=1.541,波長780nmにおける屈折率n780=1.537である。
図9(a)から、λ405nmにおいて従来の波長板素子でみられた有効径外周付近の透過率劣化が無くなり、有効径内全域でTETM平均透過率が高く維持されていることがわかる。また、図9(b)、(c)のように、波長650nm,780nmにおける性能は図8(b)、(c)とほとんど変わらないことがわかる。
〈第2の実施の形態〉
図10は第2の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図10のように、波長板素子20は、平面的に円形状に構成され、凹凸周期構造が形成され、凹凸周期構造の溝部がy軸に沿って形成され、x軸方向が進相軸、y軸方向が遅相軸になっている。波長板素子20は、図10のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a乃至fに沿って第1のエリア21,第2のエリア22,第3のエリア23,第4のエリア24,第5のエリア25,第6のエリア26及び第7のエリア27の7つに分割されている。
図10は第2の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図10のように、波長板素子20は、平面的に円形状に構成され、凹凸周期構造が形成され、凹凸周期構造の溝部がy軸に沿って形成され、x軸方向が進相軸、y軸方向が遅相軸になっている。波長板素子20は、図10のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a乃至fに沿って第1のエリア21,第2のエリア22,第3のエリア23,第4のエリア24,第5のエリア25,第6のエリア26及び第7のエリア27の7つに分割されている。
図10のように、第1のエリア21が中央に位置し、第1のエリア11の中心軸が波長板素子10の中心軸と一致しており、第2のエリア22及び第3のエリア23が第1のエリア11のx軸方向の両側に位置し、第4のエリア24が第2のエリア22の隣りに位置し、第5のエリア25が第3のエリア23の隣りに位置し、第6のエリア26が第4のエリア24の隣りに位置し、第7のエリア27が第5のエリア25の隣りに位置している。
本実施の形態の波長板素子20は、第1のエリア21の凹凸周期構造と、第2〜第7のエリア22〜27の各凹凸周期構造と異なっており、第2のエリア22及び第3のエリア23の各凹凸周期構造は同一であり、第4のエリア24及び第5のエリア25の各凹凸周期構造は同一であり、第6のエリア26及び第7のエリア27の各凹凸周期構造は同一である。
上述のように、波長板素子20を進相軸方向に対して垂直に第1〜第7のエリア21〜27に分割し、それぞれのエリアごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定することができる。
図11(a)乃至(c)に、本実施の形態による波長板素子の具体例な構造例を示す。図10の第1のエリア21の凹凸周期構造の寸法は、P=340nm,f=0.75,H=2380nmであり、第2及び第3のエリア22,23の凹凸周期構造の寸法は、P=320nm,f=0.69,H=1720nmであり、第4及び第5のエリア24,25の凹凸周期構造の寸法は、P=300nm,f=0.75,H=1920nmであり、第6及び第7のエリア26,27の凹凸周期構造の寸法は、P=330nm,f=0.72,H=1940nmである(図1参照)。
波長板素子の有効径は4mmであり、波長板素子に入射するすべての波長の光束は、有効径の外周部分で3度の入射角度を持つ収束光である。波長板素子の材料は図9の場合と同一である。
図11(a)から、λ405nmにおいて従来の波長板素子でみられた有効径外周付近の透過率劣化が無くなり、有効径内全域でTETM平均透過率が高く維持されていることがわかる。また、図11(b)、(c)のように、波長650nm,780nmにおける
性能は図8(b)、(c)とほとんど変わらないことがわかる。
性能は図8(b)、(c)とほとんど変わらないことがわかる。
〈第3の実施の形態〉
図12は第3の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図12のように、波長板素子30は、平面的に円形状に構成され、凹凸周期構造が形成され、凹凸周期構造の溝部がy軸に沿って形成され、x軸方向が進相軸、y軸方向が遅相軸になっている。波長板素子30は、図12のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a乃至dに沿って第1のエリア31,第2のエリア32,第3のエリア33,第4のエリア34及び第5のエリア35の5つに分割されている。
図12は第3の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図12のように、波長板素子30は、平面的に円形状に構成され、凹凸周期構造が形成され、凹凸周期構造の溝部がy軸に沿って形成され、x軸方向が進相軸、y軸方向が遅相軸になっている。波長板素子30は、図12のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a乃至dに沿って第1のエリア31,第2のエリア32,第3のエリア33,第4のエリア34及び第5のエリア35の5つに分割されている。
図12のように、第1のエリア31が中央に位置するが、第1のエリア11の中心軸が波長板素子10の中心軸から偏っており、第2のエリア32及び第3のエリア33が第1のエリア11のx軸方向の両側に位置し、第4のエリア34が第3のエリア33の隣りに位置し、第5のエリア35が第4のエリア34の隣りに位置している。
本実施の形態の波長板素子30は、第1のエリア21の凹凸周期構造と、第2〜第5のエリア32〜35の各凹凸周期構造と異なっており、第2のエリア32及び第3のエリア33の各凹凸周期構造は同一であるが、第4のエリア34及び第5のエリア35の各凹凸周期構造は他のエリアの各凹凸周期構造と異なっている。
上述のように、波長板素子30を進相軸方向に対して垂直に第1〜第5のエリア31〜35に分割し、それぞれのエリアごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定することができる。
〈第4の実施の形態〉
図13は第4の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図13の波長板素子40は、図6(a)と同様に、図13のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a,bに沿って第1のエリア41,第2のエリア42及び第3のエリア43の3つに分割されている。第1のエリア41の凹凸周期構造が第2のエリア42及び第3のエリア43の凹凸周期構造と異なり、第2のエリア42の凹凸周期構造と第3のエリア43の凹凸周期構造が異なっている。
図13は第4の実施の形態による波長板素子を模式的に示す平面図である。図13の波長板素子40は、図6(a)と同様に、図13のx−y平面において、進相軸(x軸)に直交する方向に引かれる分割線a,bに沿って第1のエリア41,第2のエリア42及び第3のエリア43の3つに分割されている。第1のエリア41の凹凸周期構造が第2のエリア42及び第3のエリア43の凹凸周期構造と異なり、第2のエリア42の凹凸周期構造と第3のエリア43の凹凸周期構造が異なっている。
波長板素子40を進相軸方向に対して垂直に第1〜第3のエリア41〜43に分割し、それぞれのエリアごとにそのエリアに入射してくる光の入射角度に対して最適な設計寸法の凹凸周期構造を選定することができる。
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、波長板素子の分割数は、3つ、7つとしたが、他の分割数であってもよいことは勿論である。また、波長板素子の外形は円形に限定されず、四角形や多角形でもよい。
また、図9,図11では、3波長すべてにおいて、有効径が4mm,有効径外周で3度の収束光が入射する場合の波長板素子としたが、各波長ごとに有効径が異なってもよく、また、収束光、発散光、平行光が混在してもよく、更に、その入射角度は同角度でなくてもよい。また、図7において半導体レーザ110からの戻り光を防止するために波長板素子10を傾けて設置してもよい。
また、各エリアにおいて凹凸周期構造を異ならせるために構造高さHが異なるようにした場合、図6(b)では、第1のエリア11の柱先端部51と、第2及び第3のエリア12,13の柱先端部51とが揃って同一高さの柱先端面になっているが、溝底部52を揃えて同一高さの溝底面としてもよく、また、柱先端面と溝底面の両方が揃っていない構造としてもよい。これは、図10,図12,図13の場合も同様である。
なお、本実施の形態の各波長板素子は、例えば、インプリント法により、各エリア毎の微細な凹凸周期構造に対応した金型を用いて、樹脂材料を加圧成形した後に、成形品を金型から剥離することで製造できる。
Claims (8)
- 構造周期Pが使用波長λよりも短い凹凸周期構造を有する波長板素子であって、
進相軸と遅相軸がなす平面において進相軸方向に対し垂直に引かれる分割線に沿って少なくとも第1乃至第3のエリアに分割され、
前記第1のエリアは、その両隣の前記第2及び第3のエリアの各凹凸周期構造と異なる凹凸周期構造を有することを特徴とする波長板素子。 - 前記第2のエリアの凹凸周期構造と前記第3のエリアの凹凸周期構造が異なる請求の範囲第1項に記載の波長板素子。
- 前記第2のエリアの凹凸周期構造と前記第3のエリアの凹凸周期構造が同じである請求の範囲第1項に記載の波長板素子。
- 前記波長板素子が少なくとも第1乃至第4のエリアに分割された場合、前記第4のエリア及びそれ以降のエリアが前記第1のエリアに対し片方側に位置する請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項に記載の波長板素子。
- 前記第1のエリアの中心軸が波長板素子の中心軸と一致する請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項に記載の波長板素子。
- 前記凹凸周期構造が異なるとは、凹凸周期構造の構造周期P,フィリングファクタf及び構造高さHの内の少なくとも1つが異なることである請求の範囲第1項乃至第5項のいずれか1項に記載の波長板素子。
- 波長板素子を通過した光束に対し、すべてのエリアにおいてλ/4またはλ/2の位相差を与える請求の範囲第1項乃至第6項のいずれか1項に記載の波長板素子。
- 請求の範囲第1項乃至第7項のいずれか1項に記載の波長板素子を搭載し、前記波長板素子に入射する光束が発散光または収束光であることを特徴とする光ピックアップ装置。
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