KR100656000B1

KR100656000B1 - 광회절 소자 및 광정보 처리 장치

Info

Publication number: KR100656000B1
Application number: KR1020057010552A
Authority: KR
Inventors: 쥰-이치 아사다; 세이지 니시와키
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2006-12-11
Also published as: EP1622137A1; KR20050085523A; US20060250933A1; WO2004097819A1; TW200501137A; CN1762009A; JPWO2004097819A1

Abstract

본 발명은 파장이 서로 다른 복수의 광빔이 통과하는 광로에 배치되는 광회절 소자이다. 복수의 광빔 중, 임의의 파장 λ₁을 갖는 제 1 광빔이 제 1 방향 X로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 제 1 광빔을 거의 완전히 투과시키지만, 제 1 광빔이 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 제 1 광빔을 거의 완전히 회절시키는 주기 구조를 갖고 있다. 복수의 광빔 중, 제 1 광빔의 파장 λ₁과는 다른 파장 λ₂를 갖는 제 2 광빔의 적어도 일부는 그 편광 상태에 상관없이 회절시킨다.

Description

광회절 소자 및 광정보 처리 장치{OPTICAL DIFFRACTION DEVICE AND OPTICAL INFORMATION PROCESSING DEVICE}

본 발명은 광의 파장 및 편광 상태에 따라 회절 작용을 다르게 한 광회절 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 기재 두께가 서로 다른 복수 종류의 광디스크에 대하여 데이터의 기록 및/또는 재생을 할 수 있는 광정보 처리 장치에 관한 것이다.

최근, 광디스크 등의 기록 매체에 정보를 기록하거나, 또는 기록 매체로부터 정보를 판독하는 장치가 보급되고 있다. 기록 매체로서는, CD나 DVD 등이 사용되고 있고, BD(Blu-Ray Disc) 등의 새로운 규격에 근거한 광디스크도 개발되어 있다. 이와 같이 다종다양한 기록 매체는, 각각 다른 규격에 따라 만들어지기 때문에, 기록/재생용 광의 파장, 기록 밀도, 기록 용량, 기재 두께 등의 사양 등이 다르지만, 다양한 기록 매체에 대한 정보의 기록/재생을 1대로 실행할 수 있는 장치가 개발되어, 이용되고 있다.

이러한 여러 가지의 규격에 근거하여 제작된 기록 매체에 대한 데이터의 기 록/재생을, 1대의 광디스크 장치로 처리하기 위해서는, 파장이 다른 광을 방사하는 복수의 광원을 탑재한 광픽업이 필요하게 된다. 「광픽업」이란, 광원, 광 검출기, 대물 렌즈, 대물 렌즈를 구동하는 액츄에이터 등의 요소가 집적된 소형의 장치이며, DVD 플레이어나 리코더 등의 광디스크 장치에 있어서 중요한 구성요소이다.

다양한 광디스크에 대응하기 위해서는, 복수의 광원을 구비한 광픽업을 이용하여, 기록/재생의 대상으로 되는 광디스크의 종류에 따라 광원을 선택한 뒤에, 그 광원으로부터 방사된 광을 이용하여 데이터의 기록, 소거/재생 동작을 할 필요가 있다.

기록/재생의 기본적인 기능을 하면서, 광디스크 장치를 소형화하고, 또한 제조 비용을 저감하기 위해서는, 상기 광픽업의 광학계를 가능한 한 소형화하는 것이 요구된다.

복수 종류의 광디스크에 대응한 광학계를 갖는 광픽업의 일례가 일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 기재되어 있다. 이하, 도 11을 참조하면서, 광픽업의 종래예를 설명한다. 도 11은 상기 일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 개시되어 있는 광픽업의 구성중, 주요부만을 간략하게 기재한 도면이다.

도 11에 나타내는 광픽업은, 재생 전용의 DVD-ROM이나, 기록 가능한 DVD-RAM, DVD-R, DVD-RW 등의 제 1 유형의 광디스크와, 재생 전용의 CD-ROM이나 기록 가능한 CD-R, CD-RW 등의 제 2 유형의 광디스크에 대응할 수 있다. 여기서, 제 1 유형의 광디스크는, 기재 두께가 0.6㎜이며, 이 유형의 광디스크에 정보를 기록/재 생하기 위해 이용되는 레이저광의 파장은 650㎚ 근방(파장 λ₁로 함)이다. 한편, 제 2 유형의 광디스크는, 기재 두께가 1.2㎜이며, 이 유형의 광디스크에 정보를 기록/재생하기 위해 이용되는 레이저광의 파장은 800㎚ 근방(파장 λ₂로 함)이다.

이 때문에, 상기의 광픽업은, 파장 650㎚ 정도(λ₁)의 레이저광을 발생시키는 레이저광원(101)과, 파장 800㎚ 근방(λ₂)의 레이저광을 발생시키는 레이저광원(102)을 구비하고 있다.

레이저광원(101)으로부터 나간 파장 λ₁의 광(직선편광)은, 파장 선택성을 갖는 막(103a)이 표면에 형성된 프리즘(103)에 의해 반사된 후, 콜리메이트 렌즈(104)로 평행광으로 되어, 편광 소자(109)를 투과한다. 편광 소자(109)는 편광성 홀로그램(107) 및 파장판(위상차판)(108)으로 구성되어 있다.

홀로그램(107)이 편광 의존성을 갖기 때문에, 홀로그램(107)에 입사한 광은 회절되지 않고, 홀로그램(107)을 투과한다. 환언하면, 홀로그램(107)에 입사하는 광의 편광 방향(전계벡터)는 홀로그램(107)에 의해 회절되지 않는 방향으로 설정되어 있다.

파장판(108)은 파장 λ₁의 광에 대하여 (5/4)λ₁의 리타데이션(Retardation)을 갖고 있고, 편광 소자(109)에 입사한 직선편광을 원편광으로 변환하여 출사한다. 편광 소자(109)로부터 나간 원편광은, 대물 렌즈(110)에 의해, 기재 두께 0.6㎜의 광디스크(예컨대 DVD)의 기록면(111)에 집광된다. 기록면(111)에서 반사된 광은, 광원측에서 오는 광과는 반대 방향으로 전파하고, 대물 렌즈(110)를 거쳐 편광 소자(109)에 입사한다. 이 때문에, 광디스크에서 반사된 광은, 파장판(108)에 의해, 광원의 측에서 오는 직선편광의 편광 방향에 대하여 직교하는 방향으로 편광한 직선편광으로 변환되어, 편광성 홀로그램(107)에 입사한다. 이렇게 하여, 광디스크에서 반사된 광은, 파장판(108)에서, 편광성 홀로그램(107)에 의해 회절되는 직선편광으로 변환되고 나서 편광성 홀로그램(107)을 투과하기 때문에, 홀로그램(107)에 의해 회절된다. 이 회절은 광디스크에서 반사된 광의 광속단면을 분할하도록 하여 행하여진다.

상기 회절광은 콜리메이트 렌즈(104)를 거쳐 프리즘(103)에 의해 반사된다. 프리즘(103)에 의해 반사된 회절광은, 레이저광원(101)에 근접하여 배치된 광 검출기 그룹(112)에 입사한다. 이렇게 하여, DVD 등의 광디스크에서 반사된 광의 광량 변화가 검출되어, 포커스 및 트랙킹 등의 제어에 이용되는 신호나 재생 신호(RF 신호) 등이 얻어진다.

한편, 레이저광원(102)을 출사한 파장 λ₂의 광은, 수지 등의 투명 부재에 요철형상의 그레이팅(grating)이 형성된 홀로그램(113)에 의해 일부가 회절되어, +1차광 및 -1차광 등의 회절광을 형성하지만, 대부분은 0차광으로서 투과한다.

홀로그램(113)으로부터 나간 0차광은, 프리즘(103) 및 파장 선택성 박막(103a)을 투과한 후, 콜리메이트 렌즈(104)에 입사한다. 콜리메이트 렌즈(104)는 입사해온 발산광을 어느 정도 수속한다. 콜리메이트 렌즈(104)를 투과한 파장 λ₂ 의 광은 편광 소자(109)에 입사하지만, 그 편광 방향이 편광성 홀로그램(107)에 의해 회절되지 않는 방향으로 설정되어 있기 때문에, 파장 λ₁의 광과 마찬가지로 편광 홀로그램(107)에 의해 회절되지 않고, 그대로 편광 홀로그램(107)을 투과한다.

파장판(108)은, 상술한 바와 같이, 파장 λ₁의 광에 대해서는 4분의 5파장판으로서 기능하지만, 파장 λ₂의 광에 대해서는 다른 위상차를 부여한다. 파장 λ₁=대략 650㎚인 광의 4분의 5파장은, 이하의 (식 1)로 나타내는 크기의 파장을 가지는 위상차를 형성한다.

(식 1)

CD 등에 이용되는 레이저광의 파장 λ₂는 대략 800㎚이기 때문에, 파장 λ₂의 광에 있어서, 파장판(108)은 대략 1파장판으로서 기능하는 것이 된다. 이 때문에, 파장판(108)을 투과하는 파장 λ₂의 광은, 거의 직선편광대로, 파장판(108)을 투과하는 것이 된다.

편광 소자(109)를 투과한 광(파장 λ₂)은, 대물 렌즈(110)에 의해서, 기재 두께 1.2㎜의 광디스크(CD 등)의 기록면(114)에 집광된다. 기록면(114)에서 반사된 광은 대물 렌즈(110)를 거쳐 다시 편광 소자(109)에 입사한다. 이 때, 파장판(108)은, 상술한 바와 같이 1파장판으로서 기능하기 때문에, 복로(復路)에 있어서도, 직선편광대로, 파장 λ₂의 광은 파장판(108)을 투과하여, 편광성 홀로그램(107) 에 입사한다. 이것 때문에, 편광성 홀로그램(107)에 입사하는 광(파장 λ₂)의 편광 방향은 왕로(往路)에서의 편광 방향과 동일하고, 파장 λ₂의 광은 홀로그램(107)에 의한 회절 작용을 받지 않고, 그대로 홀로그램(107)을 투과하여 콜리메이트 렌즈(104)에 입사한다.

콜리메이트 렌즈(104)에 입사한 광은 프리즘(103)을 거쳐, 편광 의존성이 없는 홀로그램(113)에 의해 일부가 회절 분기된다. 홀로그램(113)에 의해 회절된 광은 레이저광원(102)에 근접하여 배치된 광 검출기 그룹(115)에 분할되어 입사한다. 이렇게 해서, CD 등의 광디스크에서 반사된 광의 광량 변화가 검출되어, 포커스나 트랙킹 등의 제어 신호나 RF 신호 등을 얻을 수 있다.

다음에, 상기의 편광 소자(109)에 이용되고 있는 편광성 홀로그램(107)의 구성 및 동작 원리를 더 자세히 설명한다.

편광성 홀로그램은, 예컨대, 니오브산리튬 등의 굴절률 이방성을 갖는 복굴절 재료(굴절률: n₁, n₂, 굴절률차 Δn)의 기판을 이용하여 제작된다. 이러한 기판의 표면에는, 깊이 d의 격자홈이 형성되어 있고, 격자홈 내에는 굴절률 이방성을 갖지 않는 등방성 재료(굴절률: n₁)가 충전되어 있다.

굴절률 이방성 재료로 형성되어 있는 기판의 굴절률은, 예컨대, 편광 방향이 격자홈에 평행한 편광에 대해서는 n₁이며, 격자홈에 수직인 편광에 대해서는 n₂(n₁ ≠ n₂)이다. 즉, 편광 방향이 격자홈에 평행한 편광에 관한 굴절률은, 격자홈의 내 외에서 동일하게, n₁의 크기를 가진다. 이에 비하여, 편광 방향이 격자홈에 수직인 편광에 대한 굴절률은 격자홈의 내부에서 n₁, 외부에서 n₂이다. 이 때문에, 편광 방향이 격자홈에 수직인 편광에 대하여, 홀로그램은 회절 격자로 기능하지만, 편광 방향이 격자홈에 평행한 편광에 대하여, 홀로그램은 회절 격자로서는 기능하지 않는다.

여기서, 격자홈의 내부와 외부(홈부 중간부분)를 지나는 광의 위상차를 φ로 하면, 홀로그램을 투과하는 광(파장 λ)의 투과율 T는, 이하의 식 2로 표현된다.

(식 2)

위상차 φ는 일반적으로, 이하의 식 3으로 표현된다.

(식 3)

여기서, Δn은, 격자홈의 내부와 홈 중간부분 사이에 있는 굴절률차다. 본 실시예의 경우, 편광 방향이 격자홈에 수직인 편광에 대하여, Δn=n₁-n₂이지만, 편광 방향이 격자홈에 평행한 편광에 대하여, Δn=n₁-n₁=0이다.

이 때문에, 격자홈에 평행한 편광의 투과율 T는 식 3에 Δn=0을 대입하여 φ=0으로 되기 때문에, 이하의 식 4로 표현된다.

(식 4)

이에 비하여, 격자홈에 수직인 편광의 경우, 위상차 φ는 식 5로 표현된다.

(식 5)

식 5에 있어서, φ=π가 되도록 격자홈의 깊이 d를 설정하면, 격자홈에 수직인 편광의 투과율 T=0으로 되어, 이 편광은 완전히 회절되는 것으로 된다.

따라서, 광원측에서 광디스크의 방향으로 진행하는 파장 λ₁ 및 파장 λ₂의 광은, 편광성 홀로그램(107)의 회절 격자를 느끼는 일없이, 그대로 투과하도록 광의 편광 방향과 홀로그램(107)의 격자홈의 방향의 관계가 설정된다. 이 경우, 편광 소자(109)에 입사하는 광은, 그 파장에 관계없이, 편광성 홀로그램(107)에 의해 회절하지 않는다.

이와는 반대로, 광디스크로부터 반사해온 광이 편광 홀로그램(107)에 입사할 때, 파장 λ₁의 광의 편광 방향은, 왕로에서의 파장 λ₁의 광의 편광 방향과는 직교한다. 환언하면, 복로에 있어서의 파장 λ₁의 광의 편광 방향은 격자홈에 수직하게 된다. 이 때문에, 상술한 식에서의 λ를 λ₁과 동일하게 설정하여 홀로그램(107)을 제작해 놓으면, 이 광은 홀로그램(107)에 의해 완전히 회절한다. 한편, 복로에 있어서의 파장 λ₂의 광은 왕로일 때와 같은 편광 상태에 있기 때문에, 파장 λ₂의 광은 회절되지 않고 홀로그램(107)을 투과한다.

이와 같이, 편광 의존성을 갖는 홀로그램과, 파장 의존성을 갖는 위상판을 이용한 구성에 의하면, DVD용의 광의 왕복광로와 CD용의 광의 왕복광로가 대부분 공용할 수 있기 때문에, 광픽업의 총 부품점수를 저감할 수 있고, 또한, 소형화 및 저비용화가 가능해진다.

최근, 구성부품을 집적화하여 광픽업을 더 소형화하고, 가격을 저감함으로써, 더 소형화되어 보다 저렴한 광디스크 장치를 실현하기 위해, 서로 다른 파장의 광원(반도체레이저 칩)을 동일 기판상에 근접시켜 배치한 광픽업이나, 이들 광원을 일체화하여 형성한 집적 장치를 이용한 광픽업이 제안되어 있다. 이것들의 광픽업에 의하면, 서로 다른 파장의 광에 대하여 광학계를 거의 완전히 공유화할 수 있다.

이와 같이 복수의 광원을 1칩 내에 집적한 광픽업의 일례가 일본 특허 공개 평성 2000-76689호 공보에 개시되어 있다. 도 12는 이 일본 특허 공개 평성 2000-76689호 공보에 기재되어 있는 광픽업의 구성을 도시하는 도면이다.

도 12의 광픽업에서는, 근접 배치된 2개의 반도체레이저(121, 122)가, 각각 다른 파장의 광(파장 λ₁), 광(파장 λ₂)을 출사한다. 여기서, 파장 λ₁은 예컨대 대략 650㎚이며, 파장 λ₂는 예컨대 대략 800㎚이다. 도 12에서는, 실선이 파장 λ₁의 광로를 나타내고, 파선이 파장 λ₂의 광로를 나타내고 있다.

반도체레이저(122)로부터 방사된 파장 λ₂의 광의 일부는 투명 부재(123)의 광원측에 형성된 회절 격자(124)에 의해 회절되어, 0차광과 ±1차광의 3개의 빔이 형성되고, 3개의 빔은 트랙킹 검출에 이용된다.

회절 격자(124)의 격자홈의 깊이는, 반도체레이저(121)로부터 방사된 파장 λ₁의 광빔을 회절시키지 않는 크기로 설정되어 있다. 파장 λ₁의 광의 일부 및 파장 λ₂의 광빔의 일부는, 투명 부재(125)의 표리에 형성된 홀로그램(126) 및 홀로그램(127)에 의해 각각 회절되지만, 대부분의 광은 그대로 투과한다. 투과한 광은 콜리메이트 렌즈(128) 및 대물 렌즈(129)를 거쳐, 각각의 파장에 적합한 기재 두께를 갖는 광디스크의 기록면(130, 131)에 집광된다. 이들 기록면(130, 131)에 의해 반사된 광은 역의 경로를 따라 홀로그램(127, 126)에 되돌아온다.

홀로그램(127)에서는 파장 λ₁의 광을 회절하지만, 파장 λ₂의 광은 회절하지 않도록, 그 격자홈의 깊이가 조절되어 있다. 이에 대하여, 홀로그램(126)에서는 파장 λ₂의 광빔을 회절하지만, 파장 λ₁의 광빔은 회절하지 않도록, 그 격자홈의 깊이가 조절되어 있다.

상기의 구성에 의해, 서로 다른 파장의 광빔에 대하여, 다른 홀로그램 패턴으로 각 광빔의 일부를 회절함으로써, 광디스크에서 반사된 광을 검출기 그룹(132)에 이끌 수 있다.

도 12에 나타내는 광픽업에 의하면, 2개의 광원(반도체레이저(121, 122))을 집적화함으로써 더 소형화되고, 또한, 다른 파장의 광에 대하여, 광축의 상대관계를 반도체 칩의 실장 정밀도로 고정할 수 있다. 이 때문에, 광학계의 정렬이 용이하게 되는 결과, 광픽업의 조립조정을 간소화하여, 생산성을 향상시킬 수 있다.

그러나, 상기 종래의 광픽업을 이용한 광디스크 장치에는, 이하에 나타내는 문제가 있다.

재생 전용의 광디스크 장치의 경우는, 신호의 S/N 비가 그다지 높은 값을 나타낼 필요가 없기 때문에, 광원의 출력이 작고, 또한, 광학계에 의한 광 전달 손실이 어느 정도의 크기를 나타내더라도, 실용상 지장이 없다. 그러나, 정보(데이터)의 기록 또는 재기록을 하는 광디스크 장치의 경우, 광디스크의 기록층에 상변화 마크를 형성하기 위해 충분히 큰 광파워가 필요하다. 특히 최근에는, 기록 전송 속도를 높여, 대용량의 데이터를 보다 짧은 시간으로 기록하는 것이 요구되어 있기 때문에, 배속 기록 성능의 향상이 필요하다. 배속이 높으면, 레이저광에 의한 기록층의 조사 시간이 단축되기 때문에, 광파워를 더 향상하는 것이 요구된다. 이러한 요구에 응하기 위해, 레이저의 고 출력화가 진행되고 있지만, 레이저 출력이 커질수록, 레이저 소자의 제작이 곤란하게 되고, 또한, 소비 전력 증가나 발열 등의 문제가 현저하게 된다. 이 때문에, 광학계의 광 전달 손실을 할 수 있는 한 작게 하는 것이 필요하게 되고 있다.

일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 개시되어 있는 장치(도 11)에서는, DVD 및 CD의 어느 쪽의 기록/재생을 하는 경우에도, 광원으로부터 광디스크를 향하는 왕로 상에서 편광성 홀로그램(107)을 투과할 때, 회절 격자에 의한 회절이 발생하지 않아, 광의 전달 손실은 발생하지 않는다. 단, CD의 재생을 할 때, 광 검출기로 신호광을 분기시키기 위해 사용되고 있는 다른 홀로그램(113)에서는, 광의 편광 방향에 상관없이, 광의 회절이 발생한다. 이 홀로그램(113)에 의해 형성되는 0차광의 투과율(회절하지 않는 광의 투과율) T는 이하의 식 6에 의해 표현된다.

(식 6)

여기서, t는 회절 격자 깊이(격자홈의 깊이), n은 회절 격자가 형성되어 있는 투명 부재의 굴절률이다.

CD로부터의 신호를 검출하기 위해서는, 어느 정도의 회절광을 발생시킬 필요가 있기 때문에, CD 재생용의 광이 광원으로부터 광디스크를 향하는 과정에서도, 홀로그램(113)에 의한 회절 손실이 발생한다. 단, CD 재생용 광원은 적외레이저라고 불리는 파장 780㎚ 정도의 반도체레이저이기 때문에, 고 출력화시키기 쉽고, 동작 전류치도 낮다. 이 때문에, 상기의 홀로그램(113)을 삽입한 것에 의해 발생하는 회절 손실을 보충하도록, 레이저광의 출력을 높이는 것이 가능하다.

일본 특허 공개 평성 2000-76689호 공보에 개시되어 있는 장치에서는, CD용 또는 DVD용 광원으로서 기능하는 반도체레이저(121, 122)로부터 방사된 광이 CD용 또는 DVD용의 검출 홀로그램(126, 127)을 통과할 때, 편광 방향에 관계없이 회절이 발생한다. 이 때문에, 왕로에서의 광에 회절 손실이 발생한다.

또한, 어느 쪽의 광원(반도체레이저(121, 122))으로부터 나간 광도, 광학계의 왕로에서는, DVD용 및 CD용 검출 홀로그램(126, 127)의 양쪽을 통과하게 된다. 이 때문에, 회절 손실이 2중으로 발생한다. 이러한 2중의 회절 손실을 방지하기 위해서는, 회절 격자의 깊이나 굴절률을 알맞게 설정함으로써, 2개의 검출 홀로그램 중의 일방에서는 회절이 발생하지 않도록 고안되어 있다. 예컨대, CD 재생용의 광이 DVD용 검출 홀로그램을 통과할 때, CD 재생용 광의 파장에 대해서는, DVD용 검출 홀로그램의 회절 격자의 요철로 2π만큼 위상이 어긋나도록 설정된다. 한편, DVD용의 광이 CD용 검출 홀로그램을 투과할 때에는, DVD의 파장에 대하여 회절 격자의 요철이 2π 어긋나게 되어 있다.

상기 장치에서는, 검출용 홀로그램(126, 127)이 광원(반도체레이저(121, 123))에 가깝기 때문에, 회절 격자의 회절 피치가 작고, 또한, 두 가지의 광 중 다른 쪽의 광을 회절하지 않도록 격자홈이 깊이 형성되어 있다. 예컨대, DVD용의 광의 발광점(광원)으로부터 광축상에서 2㎜ 떨어진 위치의 검출 홀로그램에 의해, 광원으로부터 700㎛ 떨어진 위치의 광 검출기에 회절광을 입사시키기 위해서는, 그 검출 홀로그램의 회절 피치 Λ를 이하의 식 7로 결정되는 크기로 설정해야 한다.

(식 7)

이에 대하여, DVD용의 광에 대해 2π의 위상차를 부여하지만, CD용의 광을 회절시키는 격자홈 깊이 d₃은, 이하의 식 8에 근거하여 결정된다.

(식 8)

n₃=2.0, λ₁=0.65로 하면, d₃=0.33㎛로 된다.

격자 피치 Λ에 대한 격자홈 깊이 d₃의 비(어스펙트비=d₃/Λ)는 0.33/(2/2)=0.33 정도로 된다.

회절 격자의 가공치수가 큰 경우는, 상기의 어스펙트비를 나타내는 단면이 이상적인 직사각형 형상의 격자홈 패턴을 형성할 수 있지만, 미세가공의 치수가 작아질수록 가공 정밀도가 저하하고, 단면이 직사각형 형상으로부터 정현파상으로 변화되기 때문에, 10∼20% 정도의 회절 손실이 발생한다. 즉, 레이저광원으로부터의 광을 효율적으로 광디스크면에 전달시키기 위해서는, 불필요한 회절이 발생하지 않는 편광성 유형의 회절 소자를 이용하는 것이 바람직하다.

다른 문제점은, 광디스크의 기재가 가지는 복굴절에 기인하여 발생한다. 광디스크의 기재는 광학적으로 투명한 수지를 성형함으로써 제작된다. 수지는 고분자 재료이기 때문에, 그 굴절률은 이방성을 나타낸다. 이 때문에, 성형과정에서 수지의 일부가 유동하여 치우침이 발생하면, 디스크의 일부 또는 전체가 복굴절성을 나타내는 것으로 된다. 특히 CD 등과 같이 기재 두께가 두꺼울수록, 복굴절성을 현저히 나타내는 경우가 많아진다. 또한, 가격을 낮게 억제하면서 생산량을 많게 하기 위해, 규격으로 정해져 있는 복굴절성의 허용범위를 넘은 광디스크도 많이 시판되어 있어, 이러한 광디스크에도 대응할 수 있는 것이 광디스크 장치의 측에 요구되고 있다. 또, 광디스크 기재의 복굴절성은, 디스크의 내주측에서 외주측으로 향하는 직경 방향(방사상 방향)으로 이방성의 축이 나타나기 쉽다.

광디스크 기재가 복굴절성을 나타내면, 기재를 투과하는 광의 편광 상태가 변화된다. 이 때문에, 편광성 홀로그램에 의해 회절되는 광량이 기재가 가지는 복굴절성에 의존하여 변동한다고 하는 문제가 있다. 극단적인 경우로서, 일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 개시되어 있는 장치(도 11)에서는, 광디스크의 기재의 지상축이 디스크 직경 방향에 대하여 45° 경사하고, 또한, 기재가 1/4파장판과 동 일한 리타데이션을 나타내는 경우를 생각한다. 이 경우, 광디스크로부터 되돌아온 광의 편광 방향은 광원으로부터 편광 홀로그램에 입사하는 광편광 방향에 직교하는 것이 되어, 광디스크로부터 되돌아온 광은 편광 홀로그램(109)에 의해 완전히 회절되어 버린다. 그러면, CD용의 검출 홀로그램(113)에 의해 회절하여 광 검출기(115)에 유도되어야 할 광이 없어지기 때문에, 신호광량이 0으로 되어 버린다.

한편, 일본 특허 공개 평성 2000-76689호 공보에 개시되어 있는 장치(도 12)에서는, CD 검출용 홀로그램 및 DVD 검출용 홀로그램 모두가, 편광에 의존하지 않기 때문에, 디스크 기재가 복굴절성을 갖고 있더라도, 그 영향으로 검출광량이 변동하는 것이 없다. 즉, 디스크 기재의 복굴절에 기인하는 문제를 피하는 관점에서는, 편광에 의존하지 않는 형태의 홀로그램을 이용하는 것이 바람직한 것으로 된다.

이상에 설명한 바와 같이, 일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 개시되어 있는 장치(도 11)에서는, 파장이 짧은 DVD용의 광을 효율적으로 광디스크면에 이끌 수 있지만, 편광성 홀로그램(109)을 이용하고 있기 때문에, 디스크 기재의 복굴절에 영향을 미치고, CD로부터의 신호가 0으로 되어 버리는 경우가 있다. 이것은, RF 신호의 판독뿐만 아니라, 포커스나 트랙킹 제어에도 나쁜 영향을 미치게 한다.

또한, 일본 특허 공개 평성 2000-76689호 공보에 개시되어 있는 장치(도 12)에서는, 홀로그램(126, 127)이 편광 의존성을 갖고 있지 않기 때문에, 광디스크 기재의 복굴절성에 의한 영향은 받지 않지만, 광 전달 효율이 낮다고 하는 문제가 있다.

이와 같이, 종래는, 광의 왕복로 모두 높은 광 전달 효율을 나타내면서, 광디스크 기재의 복굴절에 의한 영향도 받지 않는 것 같은 홀로그램(광회절 소자)이 없었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 행해진 것으로서, 그 목적은, 높은 광 전달 효율을 나타내면서, 광디스크 기재의 복굴절에 의한 영향도 받지 않는 광회절 소자 및 당해 소자를 구비한 광디스크 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 광회절 소자는, 파장이 서로 다른 복수의 광빔이 통과하는 광로에 배치되는 광회절 소자로서, 상기 복수의 광빔 중, 임의의 파장 λ₁을 갖는 제 1 광빔이 제 1 방향 X로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 상기 제 1 광빔을 거의 완전히 투과시키지만, 상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 상기 제 1 광빔을 거의 완전히 회절시키는 주기 구조를 갖고 있고, 상기 복수의 광빔 중, 상기 제 1 광빔의 파장 λ₁과는 다른 파장 λ₂를 갖는 제 2 광빔의 적어도 일부는, 그 편광 상태에 상관없이, 회절시킨다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광인 때, 주기적으로 대략 2nπ의 위상차(n은 0 이외의 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 상기 제 1 광빔이 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광인 때, 주기적으로 대략 (2m+1)π의 위상차(m은 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 또한, 상기 제 2 광빔이 상기 제 1 방향 X와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2nπλ₁/λ₂의 위상차를 갖는 광으로 변환하며, 상기 제 2 광빔이 상기 제 2 방향 Y와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 대략 (2m+1)πλ₁/λ₂의 위상차를 갖는 광으로 변환한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광의 파장이 λ₁일 때의 주기적인 굴절률차를 Δn₁, 파장이 λ₂일 때의 굴절률차를 Δn₂로 하고, 또한, 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광의 파장이 λ₁일 때의 주기적인 굴절률차를 Δn₁₁, 파장이 λ₂일 때의 굴절률차를 Δn₂₂로 한 경우에, 상기 주기 구조는, 상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2Nπ의 위상차(N은 0 이외의 정수)를 갖는 광으로 변환하며, 상기 제 1 광빔이 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 (2M+1)π의 위상차(M은 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 또한, 상기 제 2 광빔이 상기 제 1 방향 X와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2NπΔn₂λ₁/(Δn₁λ₂)의 위상차의 위상차를 갖는 광으로 변환하며, 상기 제 2 광빔이 상기 제 2 방향 Y와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 대략 (2M+1)πΔn₂₂λ₁/(Δn₁₁λ₂)의 위상차를 갖는 광으로 변환한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 교대로 주기적으로 배열된 제 1 영역 A 및 제 2 영역 B를 갖고 있고, 상기 제 1 및 제 2 영역의 각각은, 적어도 하나의 층을 갖고 있고, 임의의 방향 X로 편광 방향을 갖는 파장 λ₁의 직선편광의 광에 대하여 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층(I는 공기층을 포함하는 A 영역의 총층수)의 굴절률이 n_1A(i), 두께가 t_A(i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층(J는 공기층을 포함하는 B 영역의 총층수)의 굴절률이 n_1B(j), 두께가 t_B(j), 상기 방향 X와 직교하는 방향 Y로 편광 방향을 갖는 파장 λ₁의 직선편광에 대하여 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층의 굴절률이 n_11A(i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층의 굴절률이 n_11B(j)로 한 경우에,

또한

또는

또한

를 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 배열된 굴절률 이방성 영역 및 굴절률 등방성 영역을 갖고 있고, 파장 λ₁의 상광(常光) 및 이상광(異常光)에 대한 상기 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀ 및 n₁로 하고, 파장 λ₁의 광에 대한 상기 굴절률 등방성 영역의 굴절률을 n₃이라고 할 때, d, n₁, n₂, n₃, 및 λ₁이,

또한

또는

또한

를 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 굴절률 이방성 영역은 투명 기판상의 패터닝된 유기박막으로 형성되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 제 1 및 제 2 굴절률 이방성 영역을 갖고 있고, 파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에,

d, n₀, n₁, n₀₁, n₁₁이,

또한

또는

또한

를 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 교대로 주기적으로 배열된 두께 d₁의 굴절률 이방성 영역 및 두께 d₂의 제 2 굴절률 이방성 영역을 갖고, 파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에,

또한

또는

또한

를 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 배열된 제 1 및 제 2 굴절률 이방성 영역과, 상기 제 1 또는 제 2 굴절률 이방성 영역 상에 형성된 굴절률 n₄, 두께 t의 막 F₁을 갖고 있고, 파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에, 상기 제 1 굴절률 이방성 영역 상에 상기 막 F₁이 존재할 때는,

또한

또는

또한

를 만족하고,

상기 제 2 굴절률 이방성 영역 상에 상기 막 F₁이 존재할 때는,

또한

또는

또한

를 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 막 F₁은 리프트오프법에 의해 형성된 것이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 굴절률 이방성 기판에 주기적으로 형성된 요철의 오목부에 굴절률 등방성 재료를 충전함으로써 형성되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 주기 구조는, 굴절률 이방성 기판에 주기적으로 형성된 요철의 오목부에 굴절률 이방성 재료를 충전함으로써 형성되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수의 광빔 중의 적어도 2개는 편광 방향이 서로 대략 직교하고 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광회절 소자는, 광빔을 투과할 수 있는 개구 영역을 상기 광빔의 파장에 따라 변화시키는 개구 제한 수단을 구비하고 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 서로 다른 파장을 갖는 상기 복수의 광빔 중의 적어도 하나의 광빔의 파장의 정수배의 단차를 갖는 동심원 형상의 계단 구조가 상기 광회절 소자상에 형성되어 있다.

본 발명의 광정보 처리 장치는, 복수 종류의 광정보 매체에 데이터를 기입하는 것 및/또는 상기 광정보 매체로부터 데이터를 판독할 수 있는 광정보 처리 장치로서, 파장이 서로 다른 복수의 광빔을 형성하는 광원과, 상기 광빔을 집광하여, 상기 광정보 매체의 신호면 상에 광 스폿을 형성하는 대물 렌즈와, 상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 광회절 소자 및 파장판과, 상기 광정보 매체로부터 반사된 상기 광빔의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하고 있고, 상기 복수의 광빔 중의 적어도 2개의 광빔에 대하여, 상기 광원으로부터 상기 대물 렌즈에 이르기까지의 광로와, 광정보 매체의 신호면에 의해 반사되어 상기 광 검출기에 이르기까지의 광로가 공통된 부분에, 상기 광회절 소자가 배치되어 있고, 상기 광회절 소자는, 상기 적어도 2개의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 제 1 광빔에 대해서는 주기적으로 대략 2nπ의 위상차(n은 0 이외의 정수)를 부여하고, 파장 λ₂를 갖는 제 2 광빔에 대해서는 주기적으로 대략 2nπλ₁/λ₂의 위상차를 부여하며, 상기 광회절 소자를 투과한 상기 제 1 광빔은, 상기 대물 렌즈를 거쳐 제 1 광정보 매체의 신호면 상에 집광되고, 상기 신호면에서 반사된 제 1 광빔은 상기 대물 렌즈를 거쳐 상기 광회절 소자에 입사하여, 상기 광회절 소자에 의해 주기적으로 대략 2nπ+α의 위상차(α는 0 이외의 실수)가 부여되고, 상기 광회절 소자를 투과한 상기 제 2 광빔은 상기 대물 렌즈를 거쳐 제 2 광정보 매체의 신호면 상에 집광되고, 상기 신호면에서 반사된 제 2 광빔은 상기 대물 렌즈를 거쳐 상기 광회절 소자에 입사하여, 상기 광회절 소자에 의해 주기적으로 대략 (2nπ+α)λ₁/λ₂의 위상차가 부여된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광빔에 대한 α는 (2m+1)π(m은 정수)이다.

본 발명의 광정보 처리 장치는, 복수 종류의 광정보 매체에 데이터를 기입하는 것 및/또는 상기 광정보 매체로부터 데이터를 판독할 수 있는 광정보 처리 장치로서, 파장이 서로 다른 복수의 광빔을 형성하는 광원과, 상기 광빔을 집광하여, 상기 광정보 매체의 신호면 상에 광 스폿을 형성하는 대물 렌즈와, 상기 광원으로부터 상기 대물 렌즈에 이르기까지의 광로와 상기 광정보 매체로부터 반사되어 상기 광 검출기에 이르기까지의 광로가 공통된 부분에 배치된 광회절 소자 및 파장판과, 상기 광정보 매체로부터 반사된 상기 광빔의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하고 있고, 상기 광회절 소자는 상기 어느 하나에 기재된 광회절 소자로 구성되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 대물 렌즈를 이동시키는 수단을 구비하고 있고, 상기 광회절 소자가 상기 대물 렌즈를 이동시키는 수단에 탑재되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 파장판은, 상기 복수의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 광빔에 대해서는, 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 파장 λ₂를 갖는 광빔에 대해서는, 대략 Nλ₂의 리타데이션(N은 정수)을 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 파장판은, 상기 복수의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 광빔에 대해서는 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 파장 λ₂의 광빔에 대해서는(2N+1)λ₂/2의 리타데이션(N은 정수)을 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 적어도 2개의 광빔은, 상기 광원으로부터 나와 상기 광회절 소자에 입사할 때, 서로 직교하는 방향으로 편광하고 있다.

본 발명의 전자기기는, 상기 어느 하나의 광정보 처리 장치와, 복수의 서로 다른 규격에 근거하여 제작된 기록 매체를 회전시키는 구동부를 구비하고 있다.

도 1(a), 1(b)는 본 발명에 있어서의 광회절 소자의 기본적인 동작을 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 광정보 처리 장치의 실시예 1의 구성을 나타내는 단면도,

도 3(a), 3(b)는 본 발명에 따른 광회절 소자와 파장판으로 구성되는 편광 소자의 동작을 도시하는 도면,

도 4(a)는 실시예 1에 있어서의 광회절 소자(5)에 의해 분기된 광이 검출기(3a, 3b, 3c, 3d)에 입사하는 상태를 도시하는 도면이며, 도 4(b)는 검출광과 검출기(3a, 3b, 3c, 3d)의 위치 관계의 일례를 나타내는 평면도이며, 도 4(c)는 광회절 소자(5)의 홈 패턴을 모식적으로 나타내는 평면도,

도 5는 본 발명의 실시예 1에 이용되는 광회절 소자의 구성을 나타내는 단면도,

도 6(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 광회절 소자의 여러 가지의 실시예를 도시하는 도면,

도 7은 본 발명에 따른 광회절 소자의 다른 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 광회절 소자의 또 다른 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 9는 본 발명에 따른 광회절 소자의 또 다른 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 10은 본 발명의 광회절 소자에 있어서의 사이드 에칭과 테이퍼와 회절 효율의 관계를 나타내는 그래프,

도 11은 광디스크 장치의 제 1 종래예의 구성을 나타내는 단면도,

도 12는 광디스크 장치의 제 2 종래예의 구성을 나타내는 단면도이다.

본 발명에서는, 광픽업을 소형화하기 위해, 서로 다른 파장의 광빔을 방사하는 광원을 근접 또는 하나의 칩에 일체화하고, 또한, 서로 다른 파장의 광빔에 대하여 광회절 소자나 광 검출기를 공용화하여 사용한다.

도 1(a)는 본 발명에 따른 광회절 소자(5)에 파장 λ₁의 광빔이 입사하는 모양을 나타내고 있다. 도 1(a)의 상측에는 광회절 소자(5)의 단면이 도시되어 있고, 그 하측에는 광회절 소자(5)의 정면 부분이 모식적으로 도시되어 있다. 편광 방향이 제 1 방향 X에 평행한 방향으로 편광한 광빔(파장 λ₁)은, 도 1(a)에 도시하는 바와 같이, 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)에 의해 거의 회절되는 일없이 광회절 소자(5)를 투과할 수 있지만, 편광 방향이 제 2 방향 Y에 평행한 방향으로 편광한 광빔(파장 λ₁)은, 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)에 의해 거의 완전히 회절된다.

한편, 도 1(b)는 광회절 소자(5)에 파장 λ₂의 광빔이 입사하는 모양을 나타내고 있다. 여기서, λ₁<λ₂의 관계가 성립하고 있는 것으로 한다. 도 1(b)의 상측에는 광회절 소자(5)의 단면이 도시되어 있고, 그 하측에는 광회절 소자(5)의 정면 부분이 모식적으로 도시되어 있다. 파장이 λ₂인 광빔의 경우는, 그 편광 방향이 제 1 방향 X에 평행한 방향으로 편광하고 있는 경우도, 또한, 제 2 방향 Y에 평행한 방향으로 편광하고 있는 경우도, 모두, 도 1(b)에 도시하는 바와 같이, 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)에 의해 일부가 회절되고, 나머지가 투과하는 것이 된다.

이와 같이, 본 발명의 광회절 소자(5)는, 편광 의존성과 파장 의존성을 갖고 있는 점에 특징이 있지만, 파장 λ₁의 광빔에 대해서는 편광 방향에 의해 회절의 유 무가 크게 다른 데 비하여, 파장 λ₂의 광빔에 대해서는, 편광 방향에 관계없이 항상 입사광의 일부가 회절하는 점에 가장 중요한 특징을 갖고 있다.

이와 같이 신규인 광회절 소자(5)를 광픽업에 이용하는 것에 의해, 상대적으로 파장이 길고, 출력을 크게 하기 쉬운 광빔(예컨대 CD용의 광빔)에 대해서는, 그 편광 상태의 변화에 상관없이, 항상 회절광을 생성할 수 있다. 이 때문에, 도 11에 나타내는 종래의 장치에서 발생하고 있었던 문제, 즉 디스크 기재의 복굴절에 의해 영향을 받아 CD로부터의 신호 검출이 0으로 되어 버린다고 하는 문제를 해결할 수 있다.

또, 도 11의 편광 홀로그램(107)은, DVD용의 파장을 갖는 광빔에 대해서는 광회절 소자로서 기능하지만, CD용의 파장을 갖는 광빔에 대해서는 광회절 소자로서 기능하지 않기 때문에, CD용으로 별도의 홀로그램(113)이 불가결하게 된다. 또한, 도 12에 나타내는 종래의 장치에서도, CD용의 광빔과 DVD용의 광빔에 대하여 각각의 회절 격자를 이용할 필요가 있다.

이들 종래 기술에 대하여, 본 발명에서는, 하나의 광회절 소자(5)로 DVD용의 광빔뿐만 아니라, CD용의 광빔에 대해서도 적절한 회절을 실행할 수 있다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

우선, 도 2 내지 도 5를 참조하면서, 본 발명에 따른 광정보 처리 장치의 실 시예 1을 설명한다. 본 실시예의 광정보 처리 장치는 본 발명의 광회절 소자를 구비한 광픽업이다. 도 2는 이 광픽업의 전체 구성을 나타내고 있다.

도 2의 광픽업은, 복수 종류의 광디스크에 데이터를 기입하는 것, 및/또는 광디스크로부터 데이터를 판독할 수 있는 광디스크 장치에 이용된다. 기록 재생 동작을 행할 때, 광디스크는 광디스크 장치내의 모터 등의 구동부(도시하지 않음)에 의해 회전된다.

본 실시예의 광픽업은, 파장이 서로 다른 복수의 광빔을 형성하는 광원과, 광빔을 집광하여, 광디스크의 신호면 상에 광 스폿을 형성하는 대물 렌즈와, 광원과 대물 렌즈 사이에 배치된 광회절 소자 및 파장판과, 광디스크로부터 반사된 광빔의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하고 있다. 또, 광원은 다른 파장의 광을 방사하는 단일의 레이저 칩으로 구성되는 것이 바람직하지만, 두 가지의 레이저 칩을 근접 배치한 것이라도 좋다.

광원으로부터 대물 렌즈에 이르기까지의 광로와, 광디스크의 신호면에서 반사되어 광 검출기에 이르기까지의 광로가 공통된 부분에서, 본 발명에 따른 광회절 소자가 배치되어 있다.

이하, 본 실시예의 광픽업의 구성을, 더 상세히 설명한다.

우선, 도 2를 참조한다. 본 실시예에 있어서의 광 검출기(3)는, 실리콘 칩 등의 반도체 기판(2)에 형성되어 있고, 파장 λ₁ 및 파장 λ₂의 두 가지의 레이저광을 출사하는 레이저 칩(1)이 기판(2)에 실장되어 있다. 광 검출기(3)는 광전 효과 에 의해서 광을 전기 신호로 변환하는 복수의 포토다이오드로 구성되어 있다. 레이저 칩(1)이 방사하는 레이저광 중, 예컨대, 파장 λ₁은 대략 650㎚이며, 파장 λ₂는 대략 800㎚이다. 본 실시예에서는, 파장 λ₁의 레이저광은 DVD용으로 이용되고, 파장 λ₂의 레이저광은 CD용으로 이용된다.

레이저 칩(1)으로부터 출사된 파장 λ₁의 광은 콜리메이트 렌즈(4)에 의해서 평행화된 후, 편광 소자(7)를 투과한다. 편광 소자(7)는 광회절 소자(5)와 파장판(6)이 일체화된 소자이다. 편광 소자(7)는, 대물 렌즈(8)와 함께 지지부재(35)에 부착되어 있고, 액츄에이터(36)에 의해 대물 렌즈(8)와 함께 일체적으로 구동된다.

편광 소자(7)에 포함되는 광회절 소자(5)는, 광원인 레이저 칩(1)의 측에서 입사해오는 파장 λ₁의 광에 대하여, 주기적으로 대략 2nπ의 위상차(n은 0 이외의 정수)를 부여한다. 즉, 광원측에서 입사해오는 파장 λ₁의 광에 대해서는 거의 회절하는 일 없이 투과시킬 수 있다.

편광 소자(7)를 투과한 광(파장 λ₁)은, 대물 렌즈(8)에 의해 광디스크의 기록면(9)상에 집광되어 반사된다. 반사광은 다시 대물 렌즈(8)를 거쳐 편광 소자(7)에 입사하여, 편광 소자(7) 내의 광회절 소자(5)에 의해 회절된다. 광회절 소자(5)는 광디스크로부터 반사되어 온 파장 λ₁의 광에 대하여 주기적으로 대략 2nπ+α의 위상차(α는 0 이외의 실수)를 부여한다. 즉, 광회절 소자(5)는, 광디스크 측으로부터 입사해온 파장 λ₁의 광의 적어도 일부를 회절한다. 또, α가 (2m+1)π일 때(m은 정수), 광디스크측으로부터 입사해온 파장 λ₂의 광의 거의 모두가 회절되는 것으로 된다. 광회절 소자(5)로 회절된 광은 콜리메이트 렌즈(4)를 거쳐 광 검출기(3)에 입사한다. 광 검출기(3)는 광량 변화에 따른 전기 신호를 생성하고, 이 전기 신호는 포커스 제어 신호, 트랙킹 제어 신호, 및 RF 신호이다.

한편, 레이저 칩(1)을 출사한 파장 λ₂의 광도, 콜리메이트 렌즈(4)에 의해서 평행화되어, 편광 소자(7)를 투과한다. 편광 소자(7)에 포함되는 광회절 소자(5)는 광원인 레이저 칩(1)의 측에서 입사해오는 파장 λ₂의 광에 대하여, 주기적으로 대략 2nπλ₁/λ₂의 위상차를 부여한다. 이 때문에, 파장 λ₂의 광의 일부는 광회절 소자(5)에 의해 회절되지만, 나머지는 광회절 소자(5)를 투과한다.

광회절 소자(5)를 투과한 광은, 대물 렌즈(8)에 의해 기재 두께가 서로 다른 광디스크의 기록면(10)상에 집광되어, 기록면(10)에서 반사된다. 반사광은 다시 대물 렌즈(8)를 거쳐 편광 소자(7)에 입사하여, 편광 소자(7)내의 광회절 소자(5)에 의해 회절된다. 광회절 소자(5)는, 광디스크로부터 반사되어 온 파장 λ₂의 광에 대하여, 주기적으로 대략 (2nπ+α)λ₁/λ₂의 위상차(α는 0 이외의 실수)를 부여한다. 광회절 소자(5)에서 회절된 광은 콜리메이트 렌즈(4)를 거쳐 광 검출기(3)에 입사한다. 광 검출기(3)는 광량 변화에 따른 전기 신호를 생성하고, 이 전기 신호는 포커스 제어 신호, 트랙킹 제어 신호, 및 RF 신호이다.

도 3(a) 및 (b)는, 도 2의 편광 소자(7)에 대하여, 파장 λ₁, λ₂의 광에 대하여, 회절의 편광 의존성을 모식적으로 도시하는 도면이다.

도 3(a)는 파장 λ₁의 광이 편광 소자(7)를 반대 방향으로 통과하는 경우를 모식적으로 나타내고 있다. 광원측(도면중 하측)으로부터 편광 소자(7)에 입사하는 파장 λ₁의 광은, 예컨대, 지면에 평행한 편광 방향을 가지는 직선편광이다. 이러한 광은 주기 구조(11)를 갖는 회절 소자(5)를 투과할 수 있다. 또, 도시되어 있는 편광 소자(7)의 주기 구조(11)는 지면에 수직인 방향으로 연장하는 회절홈에 의해 구성되어 있다. 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)는 편광 의존성을 갖고 있고, 편광 방향이 지면에 평행한 직선편광(파장 λ₁)이 광회절 소자(5)를 투과할 때, 주기 구조(11)의 입사 위치에 따라, 2Nπ(N은 0 이외의 정수)의 위상차가 투과광에 발생한다. N이 0이 아닌 점에서, 본 실시예의 광회절 소자(5)는 일본 특허 공개 2001-14714호 공보에 기재되어 있는 회절 격자(도 11의 홀로그램(107))와 크게 다르다. 본 실시예에서는, 광회절 소자(5)의 투과광에 발생하는 주기적인 위상차가 2π의 정수배와 같기(광회절 소자(5)에서 발생하는 광로차가 파장 λ₁의 정수배와 동일함) 때문에, 광의 회절 원리에 따라, 파장 λ₁의 광에 있어서는 주기 구조(11)이 없는 상태와 같게 된다. 이 때문에, 상기의 광은 광회절 소자(5)에 의해 회절되지 않고, 투과한다.

이렇게 하여 광회절 소자(5)를 투과한 광은 다음에 파장판(6)을 통과한다. 파장판(6)은 파장 λ₁의 광에 대하여 (m±1/4)파장(m은 정수) 상당의 리타데이션을 갖고 있다. 본 실시예에서는, 파장판(6)은 파장 λ₁(650㎚)의 광에 대하여 4분의 5파장판으로서 기능한다. 이 때문에, 파장 λ₁의 직선편광은 파장판(6)에 의해 원편광으로 변환된다.

도시하지 않은 광디스크에서 반사되어 되돌아온 광(원편광)은 파장판(6)에 의해 직선편광으로 변환된다. 이 직선편광의 편광 방향(지면에 수직)은 광원측으로부터 광회절 소자(5)로 입사한 광의 편광 방향과 직교한다. 이러한 직선편광에 대하여, 회절 소자(5)의 주기 구조(11)는, 입사 위치에 따라 (2M+1)π의 위상차(M은 정수)를 주기적으로 발생시킨다. 이 때문에, 이 직선편광은 광의 회절 원리에 의해 완전히 회절된다(식 2 참조).

다음에, 도 3(b)를 참조하면서, 파장 λ₂의 광에 대하여 편광 소자(7)의 동작을 설명한다.

도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 광원측으로부터 광회절 소자(5)에 입사하는 파장 λ₂의 광(편광 방향이 지면에 평행한 직선편광)이 편광 소자(7)에 입사할 때, 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)에 의해, 거의 2Nπλ₁/λ₂의 위상차가 발생한다. N은 0이 아니기 때문에, 발생하는 위상차는 0이 되지 않는다. 이 때문에, 광회절 소자(5)에서는, 파장 λ₂의 광의 회절이 어느 정도는 발생한다.

또한, 엄밀하게는, 광회절 소자(5)의 재료에는 파장 분산이 있기 때문에, 파 장 λ₁의 광과 파장 λ₂의 광 사이에 굴절률차가 발생한다. 여기서, 주기 구조(11)를 구성하는 매질의 주기적 굴절률차를 파장 λ₁, λ₂의 광의 각각에 대하여 Δn₁, Δn₂로 한다. 이 경우, 주기 구조(11)에서 2NπΔn₂·λ₁/(Δn₁·λ₂)의 위상차가 발생하고, 이 위상차는 광회절 소자(5)의 재료에 파장 분산이 크면 무시할 수 없다.

λ₁=650㎚(DVD용 파장의 광), λ₂=800㎚(CD용 파장의 광), N=1이라고 하면, 회절하지 않는 광(0차광)의 투과 효율은 이하의 식 9로 표현된다.

(식 9)

식 9로부터, 입사한 광의 39%가 광회절 소자(5)에 의해 회절되는 것을 알 수 있다.

한편, 광디스크로부터 되돌아오는 파장 λ₂의 광이, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 편광 소자(7)에 입사했을 때, 광회절 소자(5)의 주기 구조(11)에 의해 (2M+1)πλ₁/λ₂의 위상차가 발생한다. 따라서, 파장 λ₁의 광 또는 파장 λ₂의 광 중 상대적으로 큰 파장을 가지는 광이, 다른 쪽의 광의 파장의 정수배(2배, 3배, …)의 크기를 가지지 않는 한, 양쪽의 광에 대한 회절광을 0으로 설정할 수는 없다.

또, 상술한 파장 분산에 의해, 엄밀하게는 (2M+1)πΔn₂₂λ₁/(Δn₁₁λ₂)의 위 상차가 발생한다. Δn₁₁, Δn₂₂는, 각각, 광디스크로부터 되돌아온 파장 λ₁, λ₂의 광이 파장판(6)을 거쳐 광회절 소자(5)에 입사할 때의 편광 상태에 대한 주기 구조의 주기적인 굴절률차다.

λ₁=650㎚(DVD용의 광), λ₂=800㎚(CD용의 광), M=1이라고 하면, ±1차 회절광의 각 회절 효율은 이하의 식 10으로 표현된다.

(식 10)

±1차 회절광 이외의 광은 거의 0차광으로서 회절 격자를 투과한다.

또, 가장 편광의 영향을 크게 받는 것은, CD의 기재가 1/4파장판과 거의 등가인 복굴절을 가지는 경우이다. 이 경우, 입사시와 직교하는 방향의 직선편광으로 된다. 이 때의 ±1차 회절광의 회절 효율은 완전 회절 조건을 만족시키고, ±1차 회절광의 대략 37% 정도가 신호광으로서 귀환한다. 즉, 귀환광량은 여러 가지 편광 상태에 따라 변화되지만, 최악의 경우라도 0이 되지 않는다.

도 4(a)는 광회절 소자(5)에 의해 분기된 광이 검출기(3a, 3b, 3c, 3d)에 입사하는 상태를 도시하는 도면이며, 도 4(b)는 검출광과 검출기(3a, 3b, 3c, 3d)의 위치 관계의 일례를 나타내는 평면도이다. 또한, 도 4(c)는 광회절 소자(5)의 홈 패턴을 모식적으로 나타내는 평면도이다.

광회절 소자(5)는, 도 4(c)에 도시하는 바와 같이 광디스크의 트랙 방향에 대응하는 방향으로 연장하는 경계선을 경계로 하여 2분할되어 있다. 분할된 2개의 영역의 한쪽은 광디스크의 외주측에서 반사된 광을 검출기(3b, 3d)에서 회절하고, 분할된 2개의 영역의 다른 쪽은 광디스크의 내주측에서 반사된 광을 검출기(3a, 3c)에서 회절한다. 도 4(a)에서는, 실선으로 파장 λ₂의 광빔을 나타내고, 파선으로 파장 λ₁의 광빔을 나타내고 있다. 광회절 소자(5)로부터 광 검출기(3a, 3b)의 방향으로 회절되는 광이 +1차광이라고 하면, 광회절 소자(5)로부터 광 검출기(3c, 3d)의 방향으로 회절되는 광이 -1차광이다.

상기의 광회절 소자(5)에서는, 경계선의 우측에서의 격자 간격과 좌측에서의 격자 간격 사이에 차이를 마련하는 것에 의해, +1차광과 -1차광 사이에 형성되는 각도를 경계선의 좌우로 변화시킬 수 있다. 도 4의 예에서는, 경계선보다 우측의 격자 간격을 좌측의 격자 간격에 비해서 상대적으로 짧게 설정하고 있다.

광빔 스폿의 광디스크면에서의 위치가 트랙의 중심에서 어긋나면, 회절광량에 비대칭성이 나타난다. 이 회절광량의 비대칭성은 광빔 스폿의 트랙 중심으로부터의 어긋남의 크기에 의존한다. 따라서, 광 검출기(3c)의 출력으로부터 광 검출기(3d)의 출력을 빼는 연산을 함으로써, 상기 회절광량의 비대칭성을 정량적으로 검출할 수 있다. 이러한 연산에 의해 얻어지는 신호(트랙킹 오류 신호)에 근거하여, 푸시풀법에 의한 트랙킹 검출을 할 수 있다.

또한, 광디스크면에 대한 포커스의 어긋남은 검출기에 형성되는 빔 스폿의 사이즈의 변화로서 나타난다. 광 검출기(3a)의 출력으로부터 광 검출기(3b)의 출력을 빼는 연산을 함으로써, 빔 스폿 크기의 변화를 검출할 수 있다. 상기의 연산 에 의해 얻어지는 신호에 근거하여, SSD 법(Spot Size Detection 법)에 의한 포커스 검출을 할 수 있다.

또, 광디스크의 트랙을 따라 기입된 데이터는, 예컨대, 광 검출기(3c)로부터의 출력과 광 검출기(3d)로부터의 출력을 더하게 하는 연산을 하는 것에 의해, 검출(재생)할 수 있다. 이러한 연산에 의해 얻어지는 재생 신호를, 이하 「RF 신호」라고 부르는 경우가 있다.

본 실시예에 있어서의 편광 소자(7)는, 상술한 바와 같이, 대물 렌즈(8)와 함께 액츄에이터(36)로 일체적으로 구동된다. 이 때문에, 광디스크의 편심운동 등에 따라 대물 렌즈(8)가 트랙킹 방향(디스크 직경 방향)으로 시프트했을 때에도, 상기의 연산에 의해 구해지는 신호에 오프셋은 발생하지 않는다. 이것은, 대물 렌즈(8)가 트랙킹 방향으로 시프트하더라도, 검출기(3a∼3d) 상에 형성되는 광 스폿의 위치가 검출기상의 X 방향으로 시프트하는 것뿐이기 때문이다. 이러한 광 스폿의 시프트를 고려하여, 검출기의 수광 영역이 충분히 넓게 형성되어 있으면, 광 스폿의 위치가 검출기의 수광 영역 내에서 이동했다고 해도, 상기의 연산에 의해 구해지는 신호의 레벨에 변화는 발생하지 않는다.

광회절 소자(5)에 입사하는 광은, 파장의 차이에 따라, 다른 각도(회절각)로 회절된다. 예컨대, 파장 λ₁의 광은 참조 부호 12a∼12d로 표시되는 영역에 입사하고, 광 스폿을 형성한다. 이에 비하여, 파장 λ₂의 광은, 참조 부호 13a∼13d로 표시되는 영역에 입사하고, 광 스폿을 형성한다. 본 실시예에서는, 각 검출기(3a∼ 3d)의 수광 영역이, 이들 광 스폿의 전체를 받을 수 있는 크기를 갖고 있기 때문에, 파장이 다른 광을 같은 검출기로 검출하는 것이 가능하다. 도 11의 장치에서는, DVD용 및 CD용으로 두 가지의 광 검출기를 필요로 했기 때문에, 장치의 소형화가 곤란하지만, 본 발명에 따르면, 소형화가 용이하게 된다.

본 실시예의 편광 소자(7)를 이용하는 것에 의해, 파장 λ₁의 광(예컨대 DVD용의 광)은, 광원으로부터 나와 광회절 소자(5)를 투과할 때, 거의 회절되지 않는다(도 3(a)). 이 때문에, 광원으로부터 나간 광은 광량의 손실을 피하면서, 높은 효율로 광디스크면에 이른다. 한편, 파장 λ₂의 광(예컨대 CD용의 광)은, 디스크 기재가 갖는 복굴절성 때문에 편광 상태가 변화된 광이 광디스크로부터 되돌아왔다고 해도, 회절 후, 광량의 저하가 억제되어, 최악의 경우에도, 신호 레벨이 0으로 되어 버리는 경우는 없다(도 3(b)).

또, 본 실시예에 있어서의 파장판(6)은, 파장 λ₁의 광에 대해서는, 5/4파장판으로서 기능한다. 즉, 파장 λ₂의 광에 대해서는, 거의 1파장판으로서 기능한다.

본 발명에서는, 상기의 파장판 대신에, 파장 λ₁의 광에 대하여 1/4파장판으로서 기능하는 리타데이션을 갖는 파장판(6)을 이용하여도 좋다. 이러한 파장판(6)은, 파장 λ₂의 광에 대하여, 거의 1/5파장판으로 기능한다. 이 때문에, 디스크 기재에 복굴절이 없는 경우, 디스크로부터 되돌아온 광이 파장판(6)을 통과하여 광회절 소자(5)에 입사할 때의 편광 상태는 타원편광이 된다. 이 타원편광은, 광원 으로부터 나간 광이 최초에 광회절 소자(5)에 입사할 때의 편광 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 주축을 갖고, 또한 직선편광에 가까운 타원도를 갖는다. 이러한 편광이 광회절 소자(5)에 입사하면, 회절광량이 커지기 때문에, 신호광량도 커진다.

본 발명에서 이용할 수 있는 파장판은, 상기의 구체적인 리타데이션을 갖는 두 가지의 파장판에 한정되지 않는다. 즉, 파장 λ₁의 광에 대하여 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 또한, 파장 λ₂의 광에 대하여 대략 Nλ₂의 리타데이션(N은 정수)을 갖고 있는 파장판이라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 파장 λ₁의 광에 대하여 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 또한, 파장 λ₂의 광에 대하여 대략 (2N+1)λ₂/2의 리타데이션(N은 정수)을 갖고 있는 파장판이라도 좋다. 이러한 파장판을 이용하면, 파장 λ₂의 광이 광디스크로부터 반사하여 되돌아왔을 때, 다시 같은 편광 상태에 되돌아가기 때문에, 파장판(6)이 파장 λ₂의 광에 대하여 1파장판으로서 기능하는 경우의 효과와 동일한 효과가 발휘된다.

디스크 기재가 복굴절성을 가지면, 광디스크에서 반사된 광의 편광 상태는 여러가지로 변화되지만, 본 실시예에 따르면, 신호광량을 검출할 수 없는 레벨로 저하하는 경우는 없다. 왜냐하면, 신호광량이 가장 적어지는 것은, 광디스크로부터 되돌아온 광의 편광 상태가 왕로에서의 광의 편광 상태와 같은 직선편광으로 할 때이지만, 이러한 경우에도, 본 실시예에 따르면, 회절 효과가 8.4%이며, 0으로는 되지 않기 때문이다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 복굴절성이 큰 광디스크에 대하여도, 안정되게 신호의 재생 및 제어를 할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 광픽업에 의하면, DVD용 광원과 같이, 파장이 짧기 때문에, 저비용으로 제작 또는 입수하기 어려운 고출력 광원으로부터 나가는 광에 대해서는, 그 이용효율을 높이고 있다(도 3(a)). 한편, 고출력의 광원을 비교적 저렴하고 제작 또는 입수할 수 있지만, 기재가 두껍기 때문에 복굴절성에 의한 편광 상태의 변화가 발생하기 쉬운 CD 등의 광디스크에 대해서는, 편광 상태의 변화에 의한 영향을 저감할 수 있다(도 3(b)).

또한, 본 실시예에 따르면, 서로 다른 파장의 광에 대하여, 광원으로부터의 광은 효율좋게 투과시키면서도, 광디스크로부터 되돌아온 광을 검출기에 이끄는 기능을 발휘시킬 수 있는 광픽업을 실현할 수 있기 때문에, 소형화로 부품점수가 적은 광픽업을 저비용으로 제공하는 것이 가능하게 된다.

다음에, 도 5를 참조하면서, 본 실시예의 광픽업에 적합하게 이용될 수 있는 광회절 소자의 구조를 설명한다. 도 5는 이러한 광회절 소자의 주기 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 5에 나타내는 광회절 소자는, 영역 A와 영역 B가 면내 방향에 교대로 규칙적으로 배열한 주기 구조를 갖고 있다. 이 주기 구조가 격자 패턴을 구성하여, 광을 회절한다. 영역 A 및 영역 B의 각각은, 굴절률 및/또는 두께가 서로 다른 복수의 매질층이 적층된 구조를 갖고 있다. 도 5의 회절 소자를 광이 투과할 때, 영 역 A를 투과하는 광과 영역 B를 투과하는 광 사이에 위상차가 발생하여, 이것에 의해 회절 현상이 발생한다.

여기서, 편광 방향이 도 5의 지면에 평행한 직선편광이, 도 5의 회절 격자를 투과할 때, 영역 A와 영역 B 사이에서 발생하는 위상차를 δ로 한다. 한편, 편광 방향이 도 5의 지면에 수직인 직선편광이 도 5의 회절 격자를 투과할 때, 영역 A와 영역 B 사이에서 발생하는 위상차를 δ₁로 한다. 또한, 편광 방향이 지면에 평행한 직선편광인 파장 λ₁의 광에 대한 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층의 굴절률이 n_1A(i), 두께가 t_A(i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층의 굴절률이 n_1B(j), 두께가 t_B(j)로 한다. 한편, 편광 방향이 지면에 수직인 직선편광에 대한 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층의 굴절률은 n_11A(i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층의 굴절률은 n_11B(j)로 한다. 또, 본 명세서에서의 「매질층」에는, 공기의 층도 포함되는 것으로 한다.

이러한 표기 방법에 따르면, 이하의 식 11이 성립한다.

(식 11)

그리고, 위상차 δ는 이하의 식 12로 표현된다.

(식 12)

여기서, Σ는 각 층의 굴절률과 층두께의 적의 총합을 의미한다.

한편, 위상차 δ₁은 이하의 식 13으로 표현된다.

(식 13)

(식 2) 및 (식 3)으로부터, 위상차 δ나 위상차 δ₁이 Lλ₁(L은 0 이외의 정수)과 같게 될 때, 회절이 발생하지 않는 「완전 투과」의 상태로 되고, 위상차 δ나 위상차 δ₁이 (2M+1)λ₁/2와 같게 될 때, 「완전 회절」의 상태가 된다. 즉, 광회절 소자의 주기 구조가, 이하의 식 14 및 식 15의 양쪽을 만족할 때, 파장 λ₁의 광이 광회절 소자에 대하여, 광원측에서 입사하는 경우에는 「완전 투과」가 실현되고, 디스크측에서 입사하는 경우에는 「완전 회절」이 실현된다.

(식 14)

(식 15)

한편, 상기의 조건이 만족될 때, 파장 λ₂의 광에 대해서는, 위상차 δ와 위상차 δ₁ 사이에, (2M+1)πλ₁/λ₂의 위상차가 발생하기 때문에, 이하의 (식 16)에 표현되는 일차 회절광이 발생한다.

(식 16)

파장 λ₁의 광 또는 파장 λ₂의 광 사이에, 한 쪽이 다른 쪽의 파장의 정수배(2배 이상)가 되는 차가 없으면, 회절광은 0이 되지 않는다. DVD용의 광의 파장(λ₁=650㎚)과, CD용의 광의 파장(λ₂=800㎚) 사이에는, 이러한 큰 차이는 없기 때문에, 회절광은 0이 되지 않는다.

각 매질층은, 광원측으로부터의 광이 지면에 수직인 직선편광으로 되고, 또한, 디스크측으로부터의 광이 지면에 평행한 직선편광으로 되는 경우에도, 상기의 작용과 동일한 작용을 광에 부여한다. 이 때문에, 이하의 식 17 및 식 18이 만족되는 조건을 채용하더라도 좋다.

(식 17)

(식 18)

(실시예 2)

도 6(a) 내지 (c)를 참조하면서, 본 발명에 따른 광회절 소자의 실시예 2를 설명한다.

도 6(a)는 본 실시예의 광회절 소자와 파장판을 포함하는 편광 소자의 구성 을 나타내는 단면도이다.

이 편광 소자는, 제 1 유리 기판(15)과, 상기 유리 기판(15) 상에 형성된 박막 주기 구조(16)와, 박막 주기 구조(16)를 피복하도록 유리 기판(15) 상에 형성된 등방성 매질(17)과, 등방성 매질(17) 상에 마련된 파장판(21)과, 파장판(21) 상에 마련된 제 2 유리 기판(14)을 구비하고 있다. 여기서, 박막 주기 구조(16)는 굴절률 이방성을 갖고 있고, 파장판(21)은 필름형상 시트로 형성되어 있다.

상기의 편광 소자의 회절 격자의 부분은, 예컨대, 다음과 같이 하여 제조된다.

우선, 유리 기판(15) 상에, 두께 d의 유기막으로 이루어지는 굴절률 이방성박막(굴절률 n₁, n₂)의 격자 패턴을 형성한다. 다음에, 이 박막 주기 구조(16)의 홈을 등방성 굴절률의 매질(17)(굴절률 n₃)로 충전한다.

이 경우, 실시예 1에 대하여 설명한 이유와 동일한 이유에 의해, 두께 d, 굴절률 n₁, n₂, n₃, 및 광의 파장 λ₁은, 이하의 식 19 및 식 20, 또는 식 21 및 식 22를 만족하도록 선택된다.

(식 19)

(식 20)

(식 21)

(식 22)

또한, 본 실시예의 구성에 의하면, 소자의 제작이 용이하게 되어, 파장판도 포함시켜 구성이 간소화된다. 이 때문에, 광픽업의 소형화에 적합하다.

또한, 도 6(b) 및 도 6(c)에 도시하는 바와 같이, 유리 기판상에 다른 기능을 갖는 박막이나 구조를 마련하면, 다른 기능도 편광 소자의 기능에 부여할 수 있다.

도 6(b)에 나타내는 소자는 유리 기판(14)상에 형성된 개구 제한막(18) 및 위상 보정막(19)을 더 구비하고 있다. 개구 제한막(18)은, 예컨대 파장 λ₂의 광은 투과하지만, 파장 λ₁의 광은 차단하는 파장 선택성을 갖는 재료로 형성되어 있다. 이 때문에, 개구 제한막(18)은, 파장 λ₁의 광에 대하여, 선택적인 「조리개」로서 기능한다. 위상 보정막(19)은 개구 제한막(18)이 존재하는 영역과 존재하지 않는 영역 사이에서 발생하는 위상의 어긋남을 보정한다.

DVD나 CD 등과 같이 기록 밀도가 다른 복수의 광디스크에 대하여 데이터의 기록/재생을 하는 경우, 기록 밀도에 따라 광디스크 상에 형성하는 광 스폿의 사이즈(직경)가 다르다. 도 6(b)의 소자에 의하면, 파장 선택성을 갖는 막을 이용하고 있기 때문에, 입사하는 광의 파장에 따라 개구수 NA(Numerical Aperture)를 조절할 수 있어, 광디스크 상에 알맞은 크기의 광 스폿을 형성할 수 있다.

도 6(c)에 나타내는 소자는, 두께가 동심원 형상으로 변화되는 위상 단차 구조(20)를 구비하고 있다. 본 실시예에 있어서의 위상 단차 구조(20)의 각 단차는, 파장 λ₁의 정수배의 광학 두께를 갖고 있기 때문에, 파장 λ₁의 광은, 파면이 정렬된 상태(평면파와 등가인 상태)로 소자를 투과할 수 있다. 한편, 파장 λ₂의 광이, 도 6(c)의 소자를 투과하면, 그 위상은 동심원 형상으로 변화된 것으로 된다. 즉, 광축의 중심에서 외측을 향하여, 조금씩 위상이 어긋난 파면, 즉 대략 구면파가 형성된다. 이러한 구면파가, 집광 렌즈에 의해, 파장 λ₁의 광과 같이 동일 기재 두께의 광디스크의 기록면상에 집광되면, 구면수차 때문에 희미해진 상이 형성되지만, 파장 λ₂의 광은, 원래, 파장 λ₁의 광이 조사되어야 할 광디스크와는 다른 기재 두께의 디스크로 적용된다. 위상 단차 구조(20)를 알맞게 설계함으로써, 기재 두께의 차에 의해서 발생하는 수차를 보정할 수 있다.

파장 λ₁의 광원 및 파장 λ₂의 광원이 모두 실질적으로 같은 위치에 발광점을 갖고, 양쪽 광 모두 콜리메이트 렌즈로 평행화되는 무한계를 채용하는 경우, 같은 렌즈를 이용하여도, 다른 기재 두께의 디스크 기록면에 대하여, 구면수차가 억제된 최적의 집광을 할 수 있다.

또, 개구 제한막(18) 및 위상 단차판(20)을, 각각, 유리 기판(15) 및 유리 기판(14)에 형성함으로써, 다기능인 편광 소자를 구성하는 것도 가능하다.

(실시예 3)

도 7을 참조하면서, 본 발명의 광회절 소자와 파장판을 구비한 편광 소자의 다른 구성을 설명한다.

본 실시예의 광회절 소자는, 굴절률 이방성 영역(22)이 주기적으로 형성된 기판(23)을 갖고 있다. 기판(23)은 니오브산리튬 등의 이방성 재료로 형성되어 있고, 굴절률 이방성 영역(22)은 프로톤(proton) 교환 등의 방법에 의해 극성이 반전된 영역(두께: d, 프로톤 교환부)이다.

기판(23)의 주기 구조는, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대하여, 각각, 굴절률 n₀, n₁인 부분과, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대하여 각각 굴절률 n₀₁, n₁₁인 부분으로 이루어져 있다.

이들 수치는, 이하의 식 23 및 식 24 또는 식 25 및 식 26을 만족하도록 설정된다.

(식 23)

(식 24)

(식 25)

(식 26)

본 실시예에 따르면, 소자의 제작이 간단히 된다고 하는 이점이 있다.

(실시예 4)

도 8을 참조하면서, 본 발명의 광회절 소자와 파장판을 구비한 편광 소자의 다른 구성을 설명한다.

상기의 각 실시예의 경우, 편광 소자의 제작이 용이하다고 하는 이점이 있지만, 선택할 수 있는 재료의 굴절률 범위가 비교적 좁다. 따라서, 이용하는 광의 파장에 따라서는, 상기 식을 만족하는 해가 없는 경우도 있다.

도 8의 광회절 소자는, 굴절률 이방성 영역(25)이 주기적으로 형성된 기판(26)을 갖고 있다. 기판(26)은 니오브산 리튬 등의 이방성 재료로 형성되어 있고, 굴절률 이방성 영역(25)은 프로톤 교환 등의 방법에 의해 극성이 반전된 영역(두께: d₁, 프로톤 교환부)이다. 이러한 구조는, 두께 d₂의 프로톤 교환부(25)를 기판(26)에 형성한 후, 프로톤 교환부(25)만을 선택적으로 에칭하고, 그 두께를 d₁로 설정함으로써 작성될 수 있다.

여기서, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대한 프로톤 교환부(25)의 굴절률을 n₀, n₁, 두께를 d₁로 하고, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대한 기판(26)의 굴절률을 n₀₁, n₁₁로 한다.

이 때, 각 수치는, 이하의 식 27 및 식 28, 또는 식 29 및 식 30을 만족하도록 설정된다.

(식 27)

(식 28)

(식 29)

(식 30)

본 실시예에 따르면, 프로톤 교환부(25)의 에칭량을 조절함으로써, 두께 d₂ 및 두께 d₁을 독립된 값으로 설정할 수 있기 때문에, 상기의 식을 만족하는 굴절률을 가지는 재료의 선택 범위가 확대된다.

(실시예 5)

도 9를 참조하면서, 본 발명에 따른 광회절 소자의 다른 실시예를 설명한다.

실시예 4의 광회절 소자에 의하면, 필요한 조건을 만족하는 재료를 찾아내기 쉽지만, 기판의 에칭량을 그다지 크게 할 수 없다. 왜냐하면, 에칭량을 크게 하 면, 깊이 방향만이 아니라 가로 방향의 에칭(사이드 에칭)도 진행된다. 사이드 에칭이 발생하면, 격자홈의 측면에 테이퍼가 형성되어, 홈의 단면 형상이 이상적인 직사각형이 아니게 된다.

도 10은, 격자 피치가 10㎛ 및 20㎛의 주기 구조를 갖는 광회절 소자를 제작하는 경우에, 사이드 에칭에 기인하는 테이퍼부의 폭과, 파장 λ₁의 광의 0차 투과 효율의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 테이퍼부의 폭이 커질수록, 환언하면, 사이드 에칭이 진행할수록, 투과 효율이 저하하여 손실이 커진다.

이에 비하여, 도 9에 나타내는 구조의 광회절 소자에 의하면, 굴절률 이방성 기판(29)에 프로톤 교환 등에 의해 형성한 굴절률 이방성 부분(28)을 에칭하는 대신에, 그 위에 탄탈 등의 고굴절률 박막(굴절률 n₄, 두께 t)(30)을 성장시키고 있다. 고굴절률 박막(30)의 패터닝은, 예컨대, 리프트오프법에 의해 행해질 수 있다. 고굴절률의 박막을 이용하는 이유는, 굴절률 n₄가 높을수록, 필요한 박막(30)의 두께 t를 작게 할 수 있기 때문이다.

이러한 구성을 채용함으로써, 사이드 에칭에 의한 테이퍼가 형성되지 않고, 또한, 고굴절률막(30)의 굴절률이나 두께를 조절할 수 있기 때문에, 상술한 식에서 규정되는 조건을 만족하는 주기 구조를 작성하기 쉬워진다.

본 실시예에서는, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대하여, 각각 굴절률 n₀, n₁인 영역 G와, 파장 λ₁의 상광, 이상광에 대하여 각각 굴절률 n₀₁, n₁₁인 영역 H에 따라, 굴절률 이방성 영역이 구성되어 있다.

이 경우에, 영역 G 상에 막(30)이 있을 때, d, t, n₀, n₁, n₀₁, n₁₁, n₄는 이하의 식 31 및 식 32, 또는 식 33 및 식 34를 만족하도록 설정된다.

(식 31)

(식 32)

(식 33)

(식 34)

영역 H 상에 막(30)이 있는 경우는, d, t, n₀, n₁, n₀₁, n₁₁, n₄는 이하의 식 35 및 식 36, 또는 식 37 및 식 38을 만족하도록 설정된다.

(식 35)

(식 36)

(식 37)

(식 38)

또, 사이드 에칭에 의한 회절 효과의 저하를 막기 위해서는, 굴절률 이방성 기판의 표면에 회절홈을 형성한 후, 홈의 내부를 적절한 두께의 이방성 재료로 매립하더라도 좋다. 굴절률 이방성 기판에 직사각형의 회절홈을 형성하기 위해서는, 사이드 에칭이 적은 이온밀링(ion milling) 등의 물리 에칭을 이용하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 실시예에서는, 파장이 서로 다른 광이 같은 편광 방향에서 광회절 소자에 입사하고 있지만, 이들 파장이 다른 광이 서로 직교하는 방향으로 편광하고 있더라도 좋다. 이 경우, 특정 파장의 광에 대하여 1/2파장판으로서 기능하는 편광판을 광원과 광회절 소자 사이에 배치하면 좋다.

본 발명에 따르면, 하나의 광회절 소자에 의해, 서로 다른 파장의 광에 대하여 광디스크로부터의 광을 분기하여 검출기에 이끄는 광분기 소자를 실현할 수 있다. 이 때문에, 광픽업의 광학계를 간소화할 수 있어, 기재 두께나 기록 밀도가 다른 광디스크에의 기록 재생을 하나의 소형이고 저렴한 광픽업을 이용하여 실행할 수 있게 된다.

또한, CD와 같이 기재가 두껍고, 복굴절성이 높은 디스크에 대하여 기록·재생을 하는 경우에도, 편광 의존성이 낮기 때문에, 검출광량의 변화도 작고, 최악의 경우에도 신호가 없어져 버리는 일이 없다.

본 발명에 따르면, 하나의 광회절 소자에 의해, CD용의 광빔과 DVD용의 광빔의 양쪽에 대하여 필요한 회절을 일으킬 수 있기 때문에, 광정보 처리 장치를 소형화하는 것이 용이하게 된다.

Claims

파장이 서로 다른 복수의 광빔이 통과하는 광로에 배치되는 광회절 소자로서,

상기 복수의 광빔 중, 임의의 파장 λ₁을 갖는 제 1 광빔이 제 1 방향 X로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 상기 제 1 광빔을 거의 완전히 투과시키지만, 상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광 상태에 있을 때는, 상기 제 1 광빔을 거의 완전히 회절시키는 주기 구조를 갖고 있고,

상기 복수의 광빔 중, 상기 제 1 광빔의 파장 λ₁과는 다른 파장 λ₂를 갖는 제 2 광빔의 적어도 일부는, 그 편광 상태에 상관없이 회절시키는

광회절 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 주기 구조는,

상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2nπ의 위상차(n은 0 이외의 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 상기 제 1 광빔이 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 (2m+1)π의 위상차(m은 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 또한,

상기 제 2 광빔이 상기 제 1 방향 X와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2nπλ₁/λ₂의 위상차를 갖는 광으로 변환하고, 상기 제 2 광빔이 상기 제 2 방향 Y와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 대략 (2m+1)πλ₁/λ₂의 위상차를 갖는 광으로 변환하는

광회절 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광의 파장이 λ₁일 때의 주기적인 굴절률차를 Δn₁, 파장이 λ₂일 때의 굴절률차를 Δn₂로 하고, 또한, 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광의 파장이 λ₁일 때의 주기적인 굴절률차를 Δn₁₁, 파장이 λ₂일 때의 굴절률차를 Δn₂₂로 한 경우에,

상기 주기 구조는,

상기 제 1 광빔이 상기 제 1 방향 X로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 2Nπ의 위상차(N은 0 이외의 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 상기 제 1 광빔이 상기 제 2 방향 Y로 편광한 직선편광일 때, 주기적으로 대략 (2M+1)π의 위상차(M은 정수)를 갖는 광으로 변환하고, 또한,

상기 제 2 광빔이 상기 제 1 방향 X와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선 편광일 때, 주기적으로 대략 2NπΔn₂λ₁/(Δn₁λ₂)의 위상차를 갖는 광으로 변환하고, 상기 제 2 광빔이 상기 제 2 방향 Y와 대략 일치하는 방향으로 편광한 직선편광일 때, 대략 (2M+1)πΔn₂₂λ₁/(Δn₁₁λ₂)의 위상차를 갖는 광으로 변환하는

광회절 소자.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 주기 구조는 교대로 주기적으로 배열된 제 1 영역 A 및 제 2 영역 B를 갖고 있고,

상기 제 1 및 제 2 영역의 각각은 적어도 하나의 층을 갖고 있고,

임의의 방향 X로 편광 방향을 갖는 파장 λ₁의 직선편광의 광에 대하여 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층(I는 공기층을 포함하는 A 영역의 총층수)의 굴절률이 n_1A(i), 두께가 t_A(i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층(J는 공기층을 포함하는 B 영역의 총층수)의 굴절률이 n_1B(j), 두께가 t_B(j), 상기 방향 X와 직교하는 방향 Y로 편광 방향을 갖는 파장 λ₁의 직선편광에 대하여 영역 A의 i(i=1, 2, 3… I)번째의 층의 굴절률이 n_11A((i), 영역 B의 j(j=1, 2, 3… J)번의 층의 굴절률이 n_11B(j)로 된 경우에,

또한

또는

또한

를 만족하는

광회절 소자.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 주기 구조는, 두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 배열된 굴절률 이방성 영역 및 굴절률 등방성 영역을 갖고 있고,

파장 λ₁의 상광(常光) 및 이상광(異常光)에 대한 상기 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀ 및 n₁로 하고, 파장 λ₁의 광에 대한 상기 굴절률 등방성 영역의 굴절률을 n₃이라고 할 때, d, n₁, n₂, n₃, 및 λ₁이,

또한

또는

또한

를 만족하는

광회절 소자.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 주기 구조는, 두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 제 1 및 제 2 굴절률 이방성 영역을 갖고 있고,

파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에,

d, n₀, n₁, n₀₁, n₁₁이,

또한

또는

또한

를 만족하는

광회절 소자.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 주기 구조는, 교대로 주기적으로 배열된 두께 d₁의 굴절률 이방성 영역 및 두께 d₂의 제 2 굴절률 이방성 영역을 갖고,

파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에,

또한

또는,

또한

를 만족하는

광회절 소자.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 주기 구조는,

두께 d의 층내에 교대로 주기적으로 배열된 제 1 및 제 2 굴절률 이방성 영역과, 상기 제 1 또는 제 2 굴절률 이방성 영역 상에 형성된 굴절률 n₄, 두께 t의 막 F₁을 갖고 있고,

파장 λ₁의 상광 및 이상광에 대한 상기 제 1 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀, n₁로 하고, 상광, 이상광에 대한 상기 제 2 굴절률 이방성 영역의 굴절률을 각각 n₀₁, n₁₁로 하는 경우에,

상기 제 1 굴절률 이방성 영역 상에 상기 막 F₁이 존재할 때는,

또한

또는,

또한

를 만족하고,

상기 제 2 굴절률 이방성 영역 상에 상기 막 F₁이 존재할 때는,

또한

또는,

또한

를 만족하는

광회절 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 광빔 중의 적어도 2개는 편광 방향이 서로 대략 직교하고 있는 광회절 소자.
제 1 항에 있어서,

광빔을 투과할 수 있는 개구 영역을 상기 광빔의 파장에 따라 변화시키는 개구 제한 수단을 구비하고 있는 광회절 소자.
제 1 항에 있어서,

서로 다른 파장을 갖는 상기 복수의 광빔 중의 적어도 하나의 광빔의 파장의 정수배의 단차를 갖는 동심원 형상의 계단 구조를 갖고 있는 광회절 소자.
복수 종류의 광정보 매체에 데이터를 기입하는 것 및/또는 상기 광정보 매체로부터 데이터를 판독하는 것이 가능한 광정보 처리 장치로서,

파장이 서로 다른 복수의 광빔을 형성하는 광원과,

상기 광빔을 집광하여, 상기 광정보 매체의 신호면 상에 광 스폿을 형성하는 대물 렌즈와,

상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 광회절 소자 및 파장판과,

상기 광정보 매체로부터 반사된 상기 광빔의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하고 있고,

상기 복수의 광빔 중의 적어도 2개의 광빔에 대하여, 상기 광원으로부터 상기 대물 렌즈에 이르기까지의 광로와, 광정보 매체의 신호면에 의해 반사되어 상기 광 검출기에 이르기까지의 광로가 공통된 부분에, 상기 광회절 소자가 배치되어 있고,

상기 광회절 소자는, 상기 적어도 2개의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 제 1 광빔에 대해서는 주기적으로 대략 2nπ의 위상차(n은 0 이외의 정수)를 부여하고, 파장 λ₂를 갖는 제 2 광빔에 대해서는 주기적으로 대략 2nπλ₁/λ₂의 위상차를 부여하며,

상기 광회절 소자를 투과한 상기 제 1 광빔은, 상기 대물 렌즈를 거쳐 제 1 광정보 매체의 신호면 상에 집광되고, 상기 신호면에서 반사된 제 1 광빔은 상기 대물 렌즈를 거쳐 상기 광회절 소자에 입사하며, 상기 광회절 소자에 의해 주기적으로 대략 2nπ+α의 위상차(α는 0 이외의 실수)가 부여되고,

상기 광회절 소자를 투과한 상기 제 2 광빔은, 상기 대물 렌즈를 거쳐 제 2 광정보 매체의 신호면 상에 집광되고, 상기 신호면에서 반사된 제 2 광빔은 상기 대물 렌즈를 거쳐 상기 광회절 소자에 입사하며, 상기 광회절 소자에 의해 주기적 으로 대략 (2nπ+α)λ₁/λ₂의 위상차가 부여되는

광정보 처리 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 광빔에 대한 α는 (2m+1)π(m은 정수)인 광정보 처리 장치.
복수 종류의 광정보 매체에 데이터를 기입하는 것 및/또는 상기 광정보 매체로부터 데이터를 판독하는 것이 가능한 광정보 처리 장치로서,

파장이 서로 다른 복수의 광빔을 형성하는 광원과,

상기 광빔을 집광하여, 상기 광정보 매체의 신호면 상에 광 스폿을 형성하는 대물 렌즈와,

상기 광원으로부터 상기 대물 렌즈에 이르기까지의 광로와 상기 광정보 매체로부터 반사되어 상기 광 검출기에 이르기까지의 광로가 공통된 부분에 배치된 광회절 소자 및 파장판과,

상기 광정보 매체로부터 반사된 상기 광빔의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하고 있고,

상기 광회절 소자는 청구항 1에 기재되어 있는 광회절 소자로 구성되어 있는

광정보 처리 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 대물 렌즈를 이동시키는 수단을 구비하고 있고, 상기 광회절 소자가 상기 대물 렌즈를 이동시키는 수단에 탑재되어 있는 광정보 처리 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 파장판은, 상기 복수의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 광빔에 대해서는 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 파장 λ₂를 갖는 광빔에 대해서는 대략 Nλ₂의 리타데이션(N은 정수)을 갖는 광정보 처리 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 파장판은, 상기 복수의 광빔 중, 파장 λ₁을 갖는 광빔에 대해서는 대략 (2M+1)λ₁/4의 리타데이션(M은 정수)을 갖고, 파장 λ₂의 광빔에 대해서는 (2N+1)λ₂/2의 리타데이션(N은 정수)을 갖는 광정보 처리 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 광빔은, 상기 광원으로부터 나와 상기 광회절 소자에 입사할 때, 서로 직교하는 방향으로 편광하고 있는 광정보 처리 장치.
청구항 14에 기재된 광정보 처리 장치와,

복수의 서로 다른 규격에 근거하여 제작된 기록 매체를 회전시키는 구동부

를 구비한 전자기기.