JP2003185819A - 回折素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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回折素子を得て、光ヘッド装
置に搭載し設計自由度が高く、かつ光利用効率の高い装
置とする。 【解決手段】透明基板３上に形成された周期的な凹凸部
を備える回折素子であって、凸部は異なる屈折率を有し
ていてかつ透明基板面に平行に配された光学多層膜１を
備え、また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異な
る充填材２によって充填されている回折素子を得て、光
ヘッド装置の光源と対物レンズとの光路中に搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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成する。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。

【０００３】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）、６５
０ｎｍ（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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明基板上に
形成された周期的な凹凸部を備える回折素子であって、
凸部は透明基板面に平行に配された光学多層膜を備え、
また少なくとも凹部は透明基板とは屈折率の異なる充填
材によって充填されていることを特徴とする回折素子を
提供する。

【０００８】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回折
素子を提供する。

【０００９】また、光源と、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、上記の回折素子が光
源と対物レンズとの間の光路中に配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。

【００１０】

【発明の実施の形態】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。）。

【００１１】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、ＳｉＯ _２、ＺｒＯ_２、Ｍｇ
Ｆ_２などの酸化物およびフッ化物材料、Ｈ_２Ｏ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。

【００１２】光学多層膜の材料としては、ＳｉＯ_２、Ｓ
ｉＯＮ、ＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２、Ａｌ _２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、
ＭｇＯ、ＭｇＦ_２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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】本発明の回折素子における光学的多層膜の
構成材料の第１設計例を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】例えばガラスからなる透明基板上に、最下
層と最上層のＡｌ_２Ｏ_３膜を除いて、ＳｉＯ_２膜とＴｉ
Ｏ_２膜とが１３層交互に重ねられ、Ａｌ_２Ｏ_３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）。

【００１９】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ＳｉＯ_２膜、Ｔｉ
Ｏ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３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。

【００２０】本発明の回折素子における光学的多層膜の
構成材料の第２設計例を表２に示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】上記と同様例えばガラスからなる透明基板
上に、ＳｉＯ_２膜とＴｉＯ_２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、格子が作製した後、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）。

【００２３】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ＳｉＯ_２膜、ＴｉＯ_２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。

【００２４】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２
４と光源２１、２２との間に、本発明の回折素子２３を
配置する。

【００２５】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６
５０ｎｍ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。

【００２６】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の順にもど
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。

【００２７】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。

【００２８】

【実施例】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
グラフィとエッティ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６
５０ｎｍ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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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を作成した。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。

【００３２】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５
４％、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。

【００３３】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。

【００３４】

【発明の効果】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。

【００３５】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回折素子の一例を示す側方断面図。

【図２】本発明の回折素子の他の例を示す側方断面図。

【図３】図１の回折素子に透明基板を重ねた、本発明の
回折格子を示す側方断面図。

【図４】図２の回折素子に透明基板を重ねた、本発明の
回折格子を示す側方断面図。

【図５】本発明の回折素子の別の例を示す側方断面図。

【図６】表１に示した光学多層膜の設計例により得られ
る回折素子における、1次の回折効率の波長依存性を示
すグラフ。

【図７】表２に示した光学多層膜の設計例により得られ
る回折素子における、1次の回折効率の波長依存性を示
すグラフ。

【図８】本発明の回折素子を搭載した光ヘッド装置一例
を示す概略的側面図。

【図９】実施例における回折素子の概略的側方断面図。

【符号の説明】

１、１１：光学的多層膜 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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板上に形成された周期的な凹凸部を
   備える回折素子であって、凸部は透明基板面に平行に配
   された光学多層膜を備え、また少なくとも凹部は透明基
   板とは屈折率の異なる充填材によって充填されているこ
   とを特徴とする回折素子。
2. 【請求項２】前記光学多層膜が、交互に重ねられたＳｉ
   Ｏ_２膜およびＴｉＯ_２膜を備えている請求項１記載の回
   折素子。
3. 【請求項３】光源と、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、請求項１または２記載の回
   折素子が光源と対物レンズとの間の光路中に配置されて
   いることを特徴とする光ヘッド装置。