JP2005114857A - 光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化および低コスト化の要求を満足しつつ偏光分離の際の反射による光のロスを有効に防止することができる光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置を提供すること。
【解決手段】 偏光分離素子相当の機能を有する微細周期構造体１６が配設され、少なくとも、前記微細周期構造体１６の前記光透過性基板１５の側と反対の側および前記微細周期構造体１６と前記光透過性基板１５との間の少なくとも一方に薄膜層１８，１９が形成され、前記薄膜層１８，１９が、前記微細周期構造体１６と協働して前記光透過性基板１５の前記微細周期構造体１６側の表面に対する反射防止層として機能するようにされていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置に関する。

従来から、光ピックアップ装置に用いられる光ピックアップ用の光学素子としては、対物レンズ、コリメータレンズ、シリンドリカルレンズ、１／４波長板（ＱＷＰ）および偏光分離素子としての偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）等がある。

図４は、このような光学素子によって構成された従来の光ピックアップ装置の一例を示したものである。

この光ピックアップ装置１は、レーザダイオード等の光源２から出射した光を、それぞれ別体に配設された回折格子３、偏光ビームスプリッタ４、１／４波長板５、コリメータレンズ６および対物レンズ７を順次透過させて光記録媒体９に照射し、その反射光を、前記対物レンズ７、前記１／４波長板５を透過させた後、前記偏光ビームスプリッタ４において透過方向に対し直交する方向に反射させるようになっている。

偏光ビームスプリッタ４において光が反射するのは、光の偏光が１／４波長板５を２回透過する際に変化したためである。例えば、光源２の光がｓ偏光であれば、１／４波長板５を２回透過した光はｐ偏光となる。

偏光ビームスプリッタ４において反射した光は、シリンドカルレンズ１０によって集光された後に、フォトディテクタ１１によって受光されて、読み出しデータ等として用いられるようになっている。

ところで、近年、このような光学素子に対する小型化および低コスト化の要求が強くなりつつある。

しかしながら、従来の偏光ビームスプリッタ４は、コーティングしたブロック状のガラスを接合した構造であったため、構成が大きくなることを余儀なくされ、小型化のための障害となっていただけでなく、接合時に高精度の接合を要求されることによってコスト上昇の原因ともなっていた。

そこで、小型化、低コスト化を図る偏光ビームスプリッタとして、これまでにも、特許文献１に示すような光透過性基板の一方の面に微細構造の偏光格子を備えた偏光ビームスプリッタが提案されてきた。

特開２００２−９０５３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された偏光ビームスプリッタは、この偏光ビームスプリッタに入射した光のうち、偏光ビームスプリッタを透過すべき光がフレネル反射によって入射側に反射されることによって、光源光のロスを生じさせてしまうといった欠点を有している。

また、偏光格子を構成する微細構造（凹凸部分）は等価的に一つの薄膜層とみることができるため、この薄膜層に対する光の入射側に位置する物質（空気を含む、以下同様）との界面における反射光と、透過側に位置する物質との界面における反射光とを互いに干渉させる性質を有している。したがって、このような微細構造の性質を全く無視して単に光透過性基板上に反射防止膜を形成しただけでは、なお反射光を除去するために最適な構成であるとは言えない。

従って、従来は、小型化および低コスト化を考慮しつつ偏光分離の際の光の反射によるロスを有効に防止することができる光学素子については、未だに有効な提案がなされていないのが実情であった。

本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、小型化および低コスト化の要求を満足しつつ反射による光のロスを有効に防止することができる光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とするものである。

なお、光のロスを有効に防止するとは、光のロスを全く生じさせないことのみならず、ロスを実用上問題のないレベルまで低減することも含んだ概念とする（以下同様）。

前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係る光学素子の特徴は、所望の光学的機能を備えた微細周期構造体が配設され、少なくとも、前記微細周期構造体の前記光透過性基板の側と反対の側および前記微細周期構造体と前記光透過性基板との間の少なくとも一方に薄膜層が形成され、前記薄膜層が、前記微細周期構造体と協働して前記光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能するようにされている点にある。

そして、このような構成によれば、薄膜層と微細周期構造体とを協働させて光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能させることが可能となる。

請求項２に係る光ピックアップ装置の特徴は、光透過性基板の表面上に、偏光分離素子相当の機能を有する微細周期構造体が配設され、少なくとも、前記微細周期構造体の前記光透過性基板の側と反対の側および前記微細周期構造体と前記光透過性基板との間の少なくとも一方に薄膜層が形成され、前記薄膜層が、前記微細周期構造体と協働して前記光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能するようにされている光学素子を備えた点にある。

そして、このような構成によれば、光学素子の薄膜層と微細周期構造体とを協働させて光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能させることが可能となる。

本発明の請求項１に係る光学素子によれば、小型化および低コスト化の要求を満足しつつ反射による光のロスを有効に防止することができる光学素子を実現することができる。

請求項２に係る光ピックアップ装置によれば、小型化および低コスト化の要求を満足しつつ偏光分離の際の反射による光のロスを有効に防止して光記録媒体との間でデータの書き込みまたは読み込みを適正に行うことができる光ピックアップ装置を実現することができる。

以下、本発明に係る光学素子の実施形態について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態における光学素子１４は、ガラス等からなる光透過性基板１５における光源光の入射側の表面（図１における上面）上に、偏光分離素子相当の機能を有する微細周期構造体の一例としてのサブ波長構造体１６が配設されている。

このサブ波長構造体１６は、ナノ加工技術等の微細加工技術を用いて形成ピッチ（凹凸ピッチ）が使用する光の波長よりも小さい大きさに形成された構造体である。なお、図１に示す構造体は、断面矩形の格子状に形成されているが、これ以外の断面形状（例えば鋸歯状）を選択することも可能である。

また、図１におけるサブ波長構造体１６は、Ａｕ等の金属を格子状に整列させたいわゆるワイヤグリッド型のサブ波長構造体１６である。

このサブ波長構造体１６の構成材料としては、Ａｕの他にも、Ａｇ、ＣｕまたはＡｌ等の材料を選択することができる。

なお、ワイヤグリッドに限らず、例えば、ＳｉやＳｉＯ_２ からなる多層構造を光透過性基板１５の表面に配設するようにしてもよい。

このように、偏光分離素子相当の機能を有するサブ波長構造体１６を設けることによって、従来の偏光ビームスプリッタ４を代替しつつ、従来のようなコーティングしたブロック状のガラスの接合体に比べて構成を小さくすることができるとともに、組み立て工程を簡略化することができる。この結果、光学素子１４の小型化および低コスト化を実現することができる。

また、光学素子１４における透過波面収差が最も発生し易い面は、表面が粗いガラス製の部材の表面であるが、本実施形態において、光透過性基板１５をガラスによって形成する場合においても、このガラス製の光透過性基板１５の面数は、従来の偏光ビームスプリッタ４を構成するブロック状のガラスの接合体に比べて削減されている。したがって、従来よりも透過波面収差を低減することができる（図２参照）。これにともなって、現状と同程度の透過波面収差が許容されるのであれば、透過波面精度の公差を緩くすることが可能となり、歩留まり向上により更なる低コスト化を実現することができる。

さらに、本実施形態において、サブ波長構造体１６の層の、光透過性基板１５側と反対側の表面、サブ波長構造体１６の層と光透過性基板１５との間および光透過性基板１５のサブ波長構造体１６側と反対側の表面（下面）には、第１薄膜層１８、第２薄膜層１９および第３薄膜層２０からなる合計３層の薄膜層１８，１９，２０が形成されている。

そして、これらの薄膜層１８，１９，２０が、サブ波長構造体１６と協働して光透過性基板１５の表面（上面）に対する反射防止層として機能するようになっている。

より具体的には、サブ波長構造体１６と各薄膜層１８，１９，２０とは、空気と第１薄膜層１８との界面、第１薄膜層１８とサブ波長構造体１６の層との界面、サブ波長構造体１６の層と第２薄膜層１９との界面、第２薄膜層１９と光透過性基板１５との界面、光透過性基板１５と第３薄膜層２０との界面および第３薄膜層２０と空気との界面における各反射光を互いに干渉させることによって、各反射光を互いに打ち消し合うように構成されている。

これは、サブ波長構造体１６が、自らの異なる界面における反射光を互いに干渉させる薄膜層としての性質を有していることを十分に考慮した設計に基づくものである。

この結果、反射光を適正に除去することができ、光源光のロスを防止することが可能となる。

なお、光学素子１４の設計に際しては、フレネル反射を適正に除去するために、薄膜層１８，１９，２０、サブ波長構造体１６および光透過性基板１５のそれぞれの物質の屈折率を勘案して設計を行うことが重要である。その際に、サブ波長構造体１６の層は、光学的異方性がある薄膜層とみなすことができる。そして、ＴＥモードおよびＴＭモードのそれぞれの偏光成分に対する屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は、一軸性結晶について一般に用いられる等価屈折率法により求めることができ、これを基にＴＥモード及びＴＭモードのそれぞれについて、サブ波長構造体１６と協働して反射防止層として機能する薄膜層１８，１９，２０の最適構造を設計すればよい。

より具体的にいうと、先ず、偏光分離素子として機能するサブ波長構造体１６の微細周期構造が決定された後、当該サブ波長構造体１６を構成する凸条（又は凹溝）の幅や形成ピッチ、用いる材料の屈折率等から、等価屈折率法を用いて屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）を求める。次いで、得られた屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）をもとに、ＴＥモード及びＴＭモードの各偏光成分に対して最適な反射防止効果が得られるように、薄膜層１８，１９，２０の膜厚、屈折率、光学異方性等を決定すればよい。

ここで、サブ波長構造体１６は、偏光分離素子としての機能のみを追求してその構造を設計してもよいが、薄膜層１８，１９，２０と協働して反射防止層として機能させることを考慮に入れて、その構造を設計することもできる。また、フレネル反射は、屈折率の異なる物質間の界面で生じるものであるところ、サブ波長構造体１６の薄膜層としての屈折率ｎ（ＴＥ）又はｎ（ＴＭ）と、光透過性基板１５の屈折率とが等しいか、若しくは差が少ない場合は、サブ波長構造体１６と光透過性基板１５との界面では、ＴＥモード又はＴＭモードの偏光成分につき、そのフレネル反射は生じないことを前提として光学素子１４の設計を行うこともできる。

これに関連して、第２薄膜層１９を形成せずに、第１薄膜層１８および第３薄膜層２０のみ、あるいは、第１薄膜層１８のみを形成するようにしてもよい。

また、逆に、第１薄膜層１８を形成せずに、第２薄膜層１９および第３薄膜層２０のみ、あるいは、第２薄膜層１９のみを形成するようにしてもよい。

さらに、第１〜第３薄膜層１８，１９，２０は、複数層の薄膜層を積層させたものであってもよい。

薄膜層１８，１９，２０の材料としては、例えば、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、アルミニウムまたは珪素等を酸化させた酸化物、Ｍｇ_２ Ｆ、あるいは、これら各物質を適宜混合させた混合物等の誘電体材料が挙げられる。

上記の構成以外にも、例えば、光透過性基板１５のサブ波長構造体１６側と反対側の表面（図１における下面）に、１／４波長板相当の機能を有するサブ波長構造体等の微細周期構造体を設けるようにしてもよい。そのようにすれば、光学素子が、１／４波長板としての機能をも代替することができるため、光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置のさらなる小型化および低コスト化を図ることができる。尚、この場合にも当該微細周期構造体と協働して反射防止層として機能する薄膜層を任意の界面に形成してもよい。

以上の説明では、微細周期構造体として偏光分離素子相当の機能を有するサブ波長構造体１６を例として挙げたが、本発明の光学素子はこれに限定されず、所望の光学的機能を備えた微細周期構造体に反射防止機能を付加する手段として広く適用することができる。

次に、本発明に係る光ピックアップ装置の実施形態について、図２を参照して説明する。

なお、従来の光ピックアップ装置と基本的構成の同一もしくはこれに類する箇所については、同一の符号を用いて説明する。

前述した構成を有する光学素子１４は、図２に示すように、他の光学素子とともに光ピックアップ装置２１を構成することができる。

この光ピックアップ装置２１は、レーザダイオード等の光源２から出射される光源光の進行方向に、光源光の光軸に対して直交配置された回折格子３を有している。回折格子３の光の透過方向には、本発明の光学素子１４が、回折格子３側に第１薄膜層１８を向けるようにして光源光の光軸に対して所定の傾斜角度（例えば４５°）を有した状態に配置されている。

また、光学素子１４の光の透過方向には、１／４波長板５、コリメータレンズ６、対物レンズ７および光記録媒体９が、光源光の光軸に対して直交するように順次配置されており、各光学素子５，６，７に対しては、第３薄膜層２０が、所定の傾斜角度（例えば４５°）を有した状態で臨んでいる。

さらに、光学素子１４における光記録媒体９から反射された光の反射方向には、シリンドリカルレンズ１０および受光素子としてのフォトディテクタ１１が、光学素子１４からの反射光の光軸に直交するように順次配置されている。

ここで、前述のように、本発明の光学素子１４が従来の偏光ビームスプリッタ４４に比べて小型で且つ低コストなものであるため、このような光学素子１４を備えた光ピックアップ装置２１自体についても、小型で且つ安価な構成となっている。

また、光学素子１４のガラス製の部材の面数を削減して透過波面収差を低減することができるため、エラーレートを低減し、光ピックアップ装置２１自体の性能を向上することが可能とされている。このような光ピックアップ装置２１であれば、ＤＶＤや青色レーザ等のように、さらに短波長の光を用いる場合においても、良好な性能を得ることが期待される。

さらに、光学素子１４は、前述のように、反射光による光源光のロスを有効に防止することができるものであるため、光ピックアップ装置２１と光記録媒体９との間でデータの書き込みまたは読み込みを適正に行うことが可能となる。

そして、このような光ピックアップ装置２１によって光記録媒体９のデータを読み出すには、まず、光源２から出射された光源光が、回折格子３を経て光学素子１４を透過する。

このとき、光学素子１４のサブ波長構造体１６が偏光分離素子として機能することによって、ｐ偏光またはｓ偏光の一方のみを透過させる。

ここで、従来は、偏光ビームスプリッタ４を本来透過すべき偏光が、フレネル反射によって光源側に反射することがあったが、本実施形態においては、サブ波長構造体１６と薄膜層１８，１９，２０とが互いに協働することによって、反射光を干渉させて互いに打ち消すことができる。

これにより、光源光を、ロスがないか、または実用上問題がないレベルまで低減された状態で光記録媒体９側に進行させることができる。

また、このとき、光透過性基板１５をガラス製の部材とした場合における光源光が透過するガラス面数は、第２薄膜層１９と光透過性基板１５との界面および光透過性基板１５と第３薄膜層２０との界面の計２面であり、従来の構成よりも面数が削減されている。なお、従来の構成は、ブロック状のガラスの接合体であったため、光源光が透過する際のガラス面数は４面であった。

光学素子１４を透過した透過光は、１／４波長板５、コリメータレンズ６を経た後、対物レンズ７によって光記録媒体９の記録面に集光照射される。

そして、光記録媒体９に照射した照射光は、記録面によって反射されるとともに、この反射された反射光は、照射光の進行方向と逆方向に進行し、対物レンズ７、コリメータレンズ６、１／４波長板５を経て光学素子１４に入射し、この光学素子１４の第２薄膜層１９とサブ波長構造体１６との界面によって反射される。

次いで、光学素子１４によって反射された反射光は、シリンドリカルレンズ１０を経た後にフォトディテクタ１１によって受光される。

これによって、反射光に含まれる光記録媒体９の記録データの読み出しが適正に行われる。

本実施例においては、具体的に図３に示すような寸法に構成されたサブ波長構造体を備えた試料について、ＲＣＷＡ法を用いて光学特性を試験した。

その結果を以下の表１に示す。

表１は、ガラス基板（ＢＫ７）からなる光透過性基板１５上に設置されたＡｕを用いたサブ波長構造体１６の光量比（消光比、反射比）を求めたものであり、この表１は、図３に示したサブ波長構造体１６の偏光分離素子（偏光ビームスプリッタ）としての性能を示す指標となる。

表１に示すように、ＣＤの使用波長である７８５ｎｍでの反射比が−２０ｄＢとなり、十分使用可能な値となった。

このように、本発明における光学素子１４は、従来の偏光ビームスプリッタ４を十分に代替しうる光学性能を発揮できることが分かる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、本発明の光学素子１４を光ピックアップ装置以外の光学機器に適用してもよいことは勿論である。

また、薄膜層の厚みや屈折率あるいはサブ波長構造体の凹凸ピッチや屈折率等の値は、これら薄膜層とサブ波長構造体とが互いに協働することによって反射防止層としての機能を発揮できるような値であれば、必要に応じて種々の値を選択することができる。

本発明に係る光学素子の実施形態を模式的に示す断面図 本発明に係る光ピックアップ装置の実施形態を模式的に示す構成図 本発明に係る光学素子の実施形態において、特性試験に用いられるサブ波長構造体の具体的寸法を示す説明図 従来採用されていた光学素子およびこれを用いた光ピックアップ装置の一例を示す構成図

符号の説明

１４ 光学素子
１５ 光透過性基板
１６ サブ波長構造体
１８ 第１薄膜層
１９ 第２薄膜層
２０ 第３薄膜層
２１ 光ピックアップ装置

Claims (2)

1. 光透過性基板の表面上に、所望の光学的機能を備えた微細周期構造体が配設され、少なくとも前記微細周期構造体が位置する前記光透過性基板の表面上であって、前記微細周期構造体の前記光透過性基板の側と反対の側および前記微細周期構造体と前記光透過性基板との間の少なくとも一方に薄膜層が形成され、前記薄膜層が、前記微細周期構造体と協働して前記光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能するようにされていることを特徴とする光学素子。
2. 光透過性基板の表面上に、偏光分離素子相当の機能を有する微細周期構造体が配設され、少なくとも前記微細周期構造体が位置する前記光透過性基板の表面上であって、前記微細周期構造体の前記光透過性基板の側と反対の側および前記微細周期構造体と前記光透過性基板との間の少なくとも一方に薄膜層が形成され、前記薄膜層が、前記微細周期構造体と協働して前記光透過性基板の表面に対する反射防止層として機能するようにされている光学素子を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。