JP2613962B2

JP2613962B2 - 偏光検出装置

Info

Publication number: JP2613962B2
Application number: JP2226320A
Authority: JP
Inventors: 圭男吉田; 隆浩三宅; 泰男中田; 幸夫倉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH04106501A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光学素子に関し、特に入射光を偏光成分に
分離する偏光回折素子に関する。

（従来の技術）従来より、格子間隔を光の波長程度に設定した回折格
子は、偏光特性を有することが知られている（K.Yokomo
ri,“Dielectric surface−relief gratings with high
diffraction efficiency",Applied Optics Vo.23,No.1
4,pp2303,1984）。

第９図に示すように、従来の偏光回折素子21に於いて
は、ガラスなどの透明基板22の一方の面に、格子間隔が
入射光の波長程度に設定された、偏光特性を有する回折
格子23が、二光束干渉法等の方法により形成されてい
る。回折格子23は、例えば、フォトレジストからなり、
その厚さ及び格子間隔は、それぞれ２μｍ、0.5μｍに
設定されている。回折格子23は入射光のＰ偏光成分をほ
ぼ100％透過させると共に、Ｓ成分をほぼ100％回折させ
る。

このような偏光回折素子21に、例えば波長が0.8μｍ
の入射光24をブラッグ角で入射させると、入射光24のＰ
偏光成分は０次回折光24aとして回折格子23を透過し、
１次回折光24bとして回折されることは殆どない。一
方、入射光のＳ偏光成分は、１次回折光24bとして回折
格子23により回折され、０次回折光24aとして透過する
ことは殆どない。このようにして分離された０次回折光
24a及び１次回折光24bは、それぞれ集光レンズ25及び26
を介して光検出器27及び28によってそれぞれ検出され
る。

上記のように、回折格子23はＰ偏光成分とＳ偏光成分
を分離する特性を有するので、光磁気記録再生装置に於
ける光ピックアップ等の偏光ビームスプリッタとして利
用することができる。偏光ビームスプリッタに偏光回折
素子21を用いれば、部品点数を少なくして光ピックアッ
プの小型軽量化を図ることができる。

ところが、回折格子23による回折光の回折角は入射光
24の波長に依存するので、例えば光源にレーザダイオー
ドを用いた場合、レーザダイオードから出射される光の
波長が周囲の温度変化により変化すれば、上記回折角が
変化することになる。即ち、入射光24が所定の波長を有
するときに、１次回折光24bが所定の回折角で回折され
て集光レンズ26により光検出器28に正しく集光される。
ところが、周囲の温度が低下して入射光24の波長が上記
所定の波長より小さくなると回折角もそれに伴って小さ
くなり、回折格子23により回折された１次回折光24b
は、第９図の２点鎖線に示すように、所定の光路から大
きく外れて進む。このように、１次回折光24bが光検出
器28の所定の位置に集光されなくなり、Ｓ偏光成分の検
出が行えなくなるという不都合が生じる。

上述のように、偏光回折素子21に於いては、回折格子
23の格子間隔が入射光24の波長の長さ程度に設定されて
いるので、入射光24の波長が僅かに変化しただけで回折
角が大きく変化し、１次回折光24bの光路が移動するこ
とになる。そこで、光検出器28の受光部を大きくして、
１次回折光が移動しても受光し得るようにすることが考
えられる。しかし、このような光検出器28を偏光回折素
子21と共に光ピックアップ等の偏光検出装置に組み込む
と、光ピックアップが大型となり、光ピックアップの小
型軽量化を図る上でマイナス要因となる。また、光検出
器28の受光部を大きくしても、入射光24の波長変化によ
って１次回折光24bの集光点が一定せず、Ｓ偏光成分の
検出精度が低下するという問題点がある。

更に、１次回折光24bの回折角が100゜前後となるの
で、１次回折光24bと０次回折光24aとが大きくはなれて
進むことになる。そのため、光検出器27及び28を互いに
離れた位置に設けなければならなくなり、光ピックアッ
プが大型になってしまう。このことは、上述と同様に、
光ピックアップの小型軽量化を図る上でマイナス要因と
なる。

回折格子23は、Ｐ偏光成分をほぼ100％透過させ、Ｓ
偏光成分をほぼ100％回折させる。入射光24が１つの回
折格子23のみを透過する場合には、入射光24に含まれる
Ｐ偏光成分のうちの０次回折光24aに含まれるＰ偏光成
分を表わす回折効率η_0P、及び入射光24に含まれるＳ偏
光成分のうちの１次回折光24bに含まれるＳ偏光成分を
表わす回折効率η_1Sは、それぞれ0.99である。従って、
回折格子23を透過した０次回折光24aには、0.01の回折
効率η_0Sで透過したＳ偏光成分が含まれる。同様に、回
折格子23によって回折された１次回折光24bには、0.01
の回折効率η_1Pで回折されたＰ偏光成分が含まれる。

０次回折光に於けるＰ偏光成分に対するＳ偏光成分の
割合、即ち、偏光度は、回折効率η_0Pに対する回折効率
η_0Sの比で表される。同様に、１次回折光に於ける偏光
度は、回折効率η_1Sに対する回折効率η_1Pの比で表され
る。上述のように１つの回折格子23を用いて入射光24を
分離させる場合については、上述の０次回折光及び１次
回折光の偏光度は、それぞれ約0.01となる。これらの偏
光度の値を有する０次回折光と１次回折光とに於ては、
Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との分離が満足できるほど十分
ではない。

（発明が解決しようとする課題）この問題点を解決するために、本発明らは、透明基板
の両面に同じピッチの格子を設けた偏光回折素子を開発
した（特願平１−81707）。この偏光回折素子を第５図
に示す。第５図に示すように、偏光回折素子１はガラス
等からなる透明基板２の両面に、それぞれ回折格子３、
４が設けられている。回折格子３、４に於ける格子間隔
は互いに等しく、入射光５の波長程度に設定されてい
る。何れの回折格子３、４に於いても、格子は第５図の
紙面に垂直な方向に設けられている。回折格子３、４
は、例えば、基板２をエッチングすることにより、レリ
ーフ型回折格子として作製される。

第６図に示すように、回折格子３、４には、等しい格
子間隔Ｄで正弦曲線の凸部６が形成されている。回折格
子３、４は、入射光５のＰ偏光成分、即ち、第５図の紙
面に平行に電界が振動する偏光成分をほぼ100％透過さ
せる。また、回折格子３、４は、入射光５のＳ偏光成
分、即ち、第５図の紙面に垂直に電界が振動する偏光成
分をほぼ100％回折させる。例えば、第５図の入射光５
の波長λを0.8μｍ、基板２の屈折率を1.5とすると、格
子間隔Ｄは約0.5μｍ、格子の深さｔは１μｍに設定さ
れる。

入射光５が偏光回折素子１に入射角θ_i1で入射する
と、Ｐ偏光成分は０次回折光5aとして回折格子３、４を
透過する。一方、入射光５のＳ偏光成分は、回折格子３
によって回折角θ_１で回折され、更に回折格子４によっ
て回折角θ_２で回折され、１次回折光5bとして偏光回折
素子１から出射される。

回折角θ_１、θ_２は、回折格子３、４の格子間隔Ｄと
入射光５の波長によって決まる。回折格子３、４の格子
間隔Ｄが互いに等しく設定されていると、回折角θ_１と
θ_２とは等しくなり、０次回折光5aと１次回折光5bとは
互いに平行となる。また、入射光の波長をλとしたとき
の入射光５の入射角θ_i1を、 θ_i1＝sin^-1（λ/2D）なる式を満たすように、即ち、ブラッグ角に設定してお
けば、回折格子３によって回折されたＳ偏光成分の回折
格子４への入射角θ_i2と、入射光５の入射角θ_i1とを等
しくすることができる。

第７図に第５図の偏光回折素子１を用いた偏光検出装
置の断面模式図を示す。上記のように分離された０次回
折光5a及び１次回折光5bは、第７図に示すように、それ
ぞれ偏光回折素子１から所定の距離を置いて配された集
光レンズ７、９を介して光検出器８、10に達する。光検
出器８、10は、それぞれパッケージ11、12内に配されて
いる。

第７図の構成に於て、何等かの原因で入射光５の波長
が所定の波長より短くなると、回折角θ_１、θ_２は小さ
くなり、回折角θ_１′、θ_２′となる。これらの回折角
が小さくなると、第７図の２点鎖線に示すように、１次
回折光5bは所定の光路から外れて進む。しかし、基板２
の厚さは小さいので、上記の光路のずれは僅かである。
従って、１次回折光5bが偏光回折素子１から出射する位
置も僅かにずれるのみである。また、前述のように、回
折格子３、４の格子間隔は等しいので、回折角θ_１′と
θ_２′とは等しくなり、１次回折光5bは０次回折光5aに
平行に出射される。このように、入射光５の波長が小さ
くなっても、偏光回折素子１からの１次回折光5bを集光
レンズ９によって、光検出器10の所定の位置に集光させ
ることができる。

第５図に示すように、回折格子３を透過した０次回折
光には、回折効率η_0Pで透過したＰ偏光成分以外に、回
折効率η_0Sで透過したＳ偏光成分が僅かに含まれてい
る。回折格子３を透過した０次回折光の偏光度は、回折
効率η_0P及びη_0Sをそれぞ0.99及び0.01とすると、約0.
01となる。回折格子３と同じ回折効率η_0P、η_0Sを有す
る回折格子４を回折格子３を透過した０次回折光が透過
すると、回折効率η_0P、η_0Sはそれぞれ２乗され、得ら
れる０次回折光5aの偏光度は、0.0001となる。この値
は、前述の第９図の従来例で得られる０次回折光の偏光
度の1/100である。

一方、回折格子３で回折た１次回折光には、回折効率
η_1Sで透過したＳ偏光成分以外に、回折効率η_1Pで透過
したＰ偏光成分が僅かに含まれている。回折格子３で回
折された１次回折光の偏光度は、回折効率η_1S及びη_1P
をそれぞれ0.99及び0.01とすると、約0.01となる。回折
格子３と同じ回折効率η_1S、η_1Pを有する回折格子４に
於て回折格子３で回折された１次回折光が回折される
と、回折効率η_0P、η_0Sはそれぞれ２乗され、得られる
１次回折光5bの偏光度は、0.0001となる。この値は、前
述の第９図の従来例で得られる１次回折光の偏光度の1/
100である。このような偏光度の値を有する０次回折光
と１次回折光では、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが実用に
共し得る程に十分に分離されている。

第８図に示すように、偏光回折素子１の０次回折光5a
と１次回折光5bとを、１の集光レンズ13を用いて同一パ
ッケージ14内に収納された光検出器８、10で検出するこ
ともできる。このような構成により、例えば、Si等の単
一の半導体基板上に光検出器８及び10を形成することに
より、光検出器の近接配置が可能となる。

ところが、第７図に示す偏光回折素子１を用いた偏光
検出装置では、０次回折光5aと１次回折光5bのそれぞれ
に集光レンズ７及び９が必要である。また、第８図の偏
光検出装置では、互いに平行で空間的に分離された０次
回折光5aと１次回折光5bとを、近接する光検出器８、10
に集光しなければならないので、少なくとも入射光５の
２倍の有効径を有する大きな集光レンズ13が必要とな
る。このように、第７図及び第８図の偏光検出装置で
は、集光光学系の小型軽量化が十分配慮されていなかっ
た。

本発明はこのような問題点を解決するものであり、本
発明の目的は、偏光検出装置に組み込んだ場合に該装置
の小型軽量化が可能で、入射光の波長が変動しても集光
位置が殆ど変化しない偏光回折素子を提供することであ
る。

（課題を解決するための手段）本発明の偏光検出装置は、透明基板の一方の面に第１
の回折格子を形成し、他方の面に第２の回折格子を形成
し、これらの回折格子の格子間隔が互いに等しく、第１
の回折格子の格子方向と第２の回折格子の格子方向とが
所定の微少角度を成す偏光回折素子と、この偏光回折素
子の出射側に配された一対の光検出手段とを備え、光を
偏光回折素子に入射して、この偏光回折素子の第１及び
第２の回折格子を共に通過した０次回折光と、第１及び
第２の回折格子によって共に回折された１次回折光を形
成し、０次及び１次回折光を格光検出手段に入射させて
おり、そのことによって上記目的が達成される。

（作用）本発明の偏光回折素子に所定の波長の光が入射する
と、第１及び第２の回折格子を透過した０次回折光と、
第１及び第２の回折格子で回折された１次回折光は、第
１回折格子の回折方向と第２の回折格子の回折方向との
成す角に比例した角度をもって偏光回折素子から出射さ
れる。このような０次回折光と１次回折光とは単一の集
光レンズを用いて異なる位置に集光され得る。また、第
１及び第２の回折格子の格子間隔が互いに等しいので、
入射光の波長移動による回折光の集光位置のずれは殆ど
生じない。更に、入射角のブラッグ角からのずれを許容
範囲内に設定すれば、得られる偏光成分の光学特性は殆
ど劣化しない。

（実施例）本発明の実施例について以下に説明する。第１図に本
発明の偏光回折素子の一実施例を用いた偏光検出装置の
模式図を示す。本実施例では、第１図に示すように、ｘ
軸を入射光５の光軸に一致させた座標軸（ｘ、ｙ、ｚ）
を設定する。また、偏光回折素子１の面にｘ′−ｙ′面
を一致させた座標軸（ｘ′ｙ′ｚ′）も第１図に示し
た。偏光表示素子１を用いた第１図の偏光検出装置を−
ｙ方向から見た図を第２図に示す。第３図に偏光回折素
子１の斜視図を示す。

第３図に示すように、本実施例の偏光回折素子１は、
透明基板２と、該透明基板２の一方の面に形成された第
１の回折格子３と、該透明基板２の他方の面に形成され
た第２の回折格子４とを備えている。第１及び第２の回
折格子３、４の格子間隔Ｄは互いに等しく、第１の回折
格子３の格子方向と第２の回折格子４の格子方向とが、
所定の微小角（β_１＋β_２）を成している。偏光回折素
子１は入射光５に対して斜めに設定され、偏光回折素子
１のｘ軸方向には集光レンズ13、及び光検出器８、10が
配されている。光検出器８、10はパッケージ14内に収納
されている。

透明基板２はガラス、プラスチック等からなる。回折
格子３、４は、例えば基板２をエッチングすることによ
り、レリーフ型回折格子として作製される。回折格子
３、４は、エッチング以外に、例えばフォトレジスト等
によって形成してもよい。回折格子３、４の断面の形状
は第６図と同様であり、前述のように回折格子３、４の
格子間隔Ｄは互いに等しい。回折格子３、４の断面の形
状は、第６図に示す正弦波状以外に、矩形、三角形、台
形等とすることもできる。第２図及び第３図に示すよう
に、回折格子３の格子方向は、ｚ′−ｘ′面内に於て
ｚ′軸に対して＋β_１の角度を成して形成されている。
回折格子４の格子方向は、ｚ′−ｘ′面内に於てｚ′軸
に対して−β_２の角度を成して形成されている。従っ
て、回折格子３、４の格子方向は互いに（β_１＋β_２）
の角度を成している。本実施例ではβ_１＝β_２＝1.5゜
とした。

格子間隔Ｄは入射光５の波長λの0.5〜２倍に設定さ
れるのが好ましい。格子間隔Ｄがこの範囲を外れると、
他のパラメータ、例えば深さを調整しても、所望の回折
効率、偏向特性等を得ることができなくなる。本実施例
では入射光５の波長λを0.78μｍ、透明基板２の屈折率
を1.5として、第１及び第２の回折格子３、４の格子間
隔Ｄを0.46μｍ、格子の深さｔを約1.2μｍとした。こ
のように設定することにより、入射光５のＰ偏向成分、
即ち、電界がｙ軸方向に振動する偏光成分をほぼ100％
透過させることができる。同様に、入射光５のＳ偏光成
分、即ち、電界がｚ軸方向に振動する偏光成分をほぼ10
0％回折させることができる。

このような構成の偏光回折素子１を有する偏光検出装
置に於て、入射光５の偏光回折素子１への入射角θを、 θ＝sin^-1（ｎ・λ/2D） ……（１）（ｎは整数）で表される第ｎ次ブラッグ角に設定するのが好ましい。
このような角度θで入射光５を偏光回折素子１に入射さ
せることにより、回折効率をより100％に近づけること
ができる。入射光５のＰ偏光成分は偏光回折素子１の回
折格子３及び４を透過して、０次回折光5aとして出射さ
れる。第２図に示すように、０次回折光5aはｘ軸方向に
出射される。一方、Ｓ偏光成分は回折格子３及び４で回
折されて偏光回折素子１から１次回折光5bとして出射さ
れる。回折格子３、４の格子方向が平行でないため、回
折格子３、４で回折された１次回折光5bは、ｘ−ｙ面内
に於てｘ軸に対して角−αをもって出射される。β_１、
β_２が十分小さければ、角αは入射光５の波長λ、格子
間隔Ｄ、β_１及びβ_２によって、次式のように定められ
る。

α＝（λ/D）×（β_１＋β_２） ……（２）前述のように、λ＝0.78μｍ、Ｄ＝0.46μｍ、β_１＝
β_２＝1.5゜とすれば、α＝５゜となる。

このように、０次回折光5aと１次回折光5bとが角度α
を成して出射されると、０次回折光5aと１次回折光5bと
がたとえ重なり合っていても、集光レンズ13によって焦
点面上の異なる位置に集光され、容易に分離され得る。
本実施例に於けるα＝５゜の場合で集光レンズ13の焦点
距離ｆが10mmの場合には、０次回折光5aと１次回折光5b
とは、互いに0.9mm離れた位置に集光される。集光レン
ズ13の有効径は、入射光５の有効径より僅かに大きけれ
ば足りる。回折格子３、４の格子方向がｚ′軸と成す角
β_１及びβ_２が十分小さく、且つ回折格子３、４の格子
間隔Ｄも等しいので、入射光５の波長λが変動しても、
０次回折光5aと１次回折光5bとの集光スポットは殆ど移
動しない。２つの回折格子３、４を用いたことによる偏
光度を改善する効果も維持される。

前述の（２）式に示すように、β_１及びβ_２が大きい
ほどαは大きくなるが、それにつれて偏光特性の劣化も
生じる。第４図に、回折格子３（又は４）の回折効率η
_0P、η_0Sη_1P及びη_1Sのβ_１（又はβ_２）への依存性を
示す。尚、回折効率η_0P、η_0S、η_1P及びη_1Sは、前述
の第５図で説明したものと同様である。第４図に示すよ
うに、｜β₁|≦５゜（｜β₂|≦５゜）即ち、回折格子３の格子方向と回折格子４の格子方向
との成す角（β_１＋β_２）が、｜β_１＋β₂|≦10゜の関係を満たすと、 η_0P、η_1S≧0.93 η_0S、η_1P≧0.03 となる。従って、回折格子３及び４を透過した光の偏光
度は、（η_0S/η_0P）^２≦0.001 （η_1P/η_1S）^２≦0.001 となり、実用に共することができる。

（発明の効果）本発明の偏光回折素子は、このように、互いに所定の
微小角を成す格子方向を有する２つの回折格子を備えて
いるので、Ｐ及びＳ偏光成分は互いに僅かに角度差をも
って偏光回折素子から出射される。このようなＰ及びＳ
偏光成分は、入射光のスポットより僅かに大きな単一の
集光レンズによって互いに近接する位置に集光されるの
で、本発明の偏光回折素子を、例えば光ピックアップ等
の偏光検出装置に組み込めば、該装置の小型軽量化が可
能である。しかも、入射光の波長が変化しても、各偏光
成分の集光位置は殆ど変化しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の偏光回折素子の一実施例を用いた偏光
検出装置の断面模式図、第２図は第１図の偏光検出装置
を−ｙ方向から見た平面図、第３図は第１図の偏光回折
素子の斜視図、第４図は本発明の偏光回折素子に形成さ
れた回折格子の回折効率と該回折格子の格子方向との関
係を示す図、第５図は偏光回折素子の改良例の断面図、
第６図は回折格子の断面図、第７図及び第８図は第５図
の偏光回折素子を用いた偏光検出装置の断面模式図、第
９図は従来の偏光回折素子を用いた偏光検出装置の断面
図である。１……偏光回折素子、２……透明基板、３……第１の回
折格子、４……第２の回折格子、５……入射光、5a……
０次回折光、5b……１次回折光、8,10……光検出器、13
……集光レンズ、14……パッケージ。

フロントページの続き (72)発明者倉田幸夫大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開昭63−155107（ＪＰ，Ａ) 特開平１−246509（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−155508（ＪＰ，Ａ) 特開平１−178154（ＪＰ，Ａ) 特開平２−265037（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板の一方の面に第１の回折格子を形
成し、他方の面に第２の回折格子を形成し、これらの回
折格子の格子間隔が互いに等しく、第１の回折格子の格
子方向と第２の回折格子の格子方向とが所定の微少角度
を成す偏光回折素子と、この偏光回折素子の出射側に配された一対の光検出手段
とを備え、光を偏光回折素子に入射して、この偏光回折素子の第１
及び第２の回折格子を共に通過した０次回折光と、第１
及び第２の回折格子によって共に回折された１次回折光
を形成し、０次及び１次回折光を各光検出手段に入射さ
せる偏光検出装置。
【請求項２】前記第１の回折格子の格子方向と前記第２
の回折格子の格子方向との成す角が、10゜以下である請
求項１に記載の偏光検出装置。
【請求項３】０次及び１次回折光を集光して各光検出手
段に入射させる集光手段を更に備える請求項１に記載の
偏光検出装置。
【請求項４】集光手段は、単一の集光レンズであり、偏
光回折素子と各光検出手段間に配置された請求項２に記
載の偏光検出装置。