JP3550873B2

JP3550873B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP3550873B2
Application number: JP11268896A
Authority: JP
Inventors: 琢治野村; 具也滝川; 浩一村田; 譲田辺
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1996-05-07
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2016-05-07
Also published as: JPH09297933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（コンパクト・ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスク、ＤＶＤ（デジタル・ビデオ・ディスク）等の光ディスク及び光磁気ディスク等に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ディスク及び光磁気ディスク等の光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光ヘッド装置としては、光記録媒体の記録面から反射された信号光を検出部へ導光（ビームスプリット）する光学部品としてプリズム式ビームスプリッタを用いたものと、回折格子又はホログラム素子を用いたものとが知られていた。
【０００３】
従来、光ヘッド装置用の回折格子又はホログラム素子は、ガラスやプラスチック基板上に、矩形の断面を有する矩形格子（レリーフ型）をドライエッチイング法又は射出成形法よって形成し、これによって光を回折しビームスプリット機能を付与していた。
【０００４】
また、光の利用効率が１０％程度の等方性回折格子よりも光の利用効率を上げようとした場合、偏光を利用することが考えられる。偏光を利用しようとすると、プリズム式ビームスプリッタにλ／４板を組み合わせて、往き（光源から光記録媒体かう方向）及び帰り（光記録媒体から検出部へ向かう方向）の効率を上げて往復効率を上げる方法があった。
【０００５】
しかし、プリズム式偏光ビームスプリッタは高価であり、他の方式が模索されていた。一つの方式としてＬｉＮｂＯ_３等の複屈折結晶の平板を用い、表面に異方性回折格子を形成し偏光選択性をもたせる方法が知られている。しかし、複屈折結晶自体が高価であり、民生分野への適用は困難である。またプロトン交換法によって格子を形成する場合、プロトン交換液中のプロトンのＬｉＮｂＯ_３への拡散が早いため、細かいピッチの格子を形成するのが困難である問題もあった。
【０００６】
等方性回折格子は前述のように、往きの利用効率が５０％程度で、帰りの利用効率が２０％程度であるため、往復で１０％程度が限界である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、透明基板の表面に格子状の凹凸部が形成され、前記凹凸部に、光学異方性を有する液晶が充填されている光学異方性回折格子が提案されているが液体である液晶の熱膨張のため、セルが膨らみ、光学波面収差が、高温側で大きく劣化する問題があった。
【０００８】
波面収差が劣化すると、光デイスク面上で、レーザビームを収束することが、できなくなり、情報の読みとり等が困難になる。
【０００９】
本発明は、前述の問題点を解消し、光の利用効率を高め安価に製造できる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源からの光を、透明基板の表面に格子状の凹凸部が形成されその凹凸部に光学異方性を有する液晶が充填された光学異方性回折格子を通して光記録媒体上に照射することにより情報の書き込み及び／又は情報の読み取りを行う光ヘッド装置において、光学異方性回折格子の凸部の頂点における基板間隙が５μｍ以下とされたことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
また、その光学異方性回折格子の凹凸部がＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）で形成されていて、ＳｉＯ _ｘＮ _ｙが含有する酸素量ｘと窒素量ｙとが、凹凸部の屈折率と液晶の常光屈折率又は異常光屈折率のいずれかの屈折率とが実質的に等しくなるように選ばれている光ヘッド装置、また、ＳｉＯ _ｘＮ _ｙが含有する酸素量ｘと窒素量ｙとが、その凹凸部の屈折率と透明基板の屈折率の差が０．１以内になるように選ばれている光ヘッド装置、及び、その凹凸部が、透明膜を透明基板表面に形成設けることにより形成され、そのシール部にはその透明膜が形成されていない光ヘッド装置、また、それらの光学異方性回折格子素子の光の入射部、出射部に反射防止膜が設けられた光ヘッド装置、また、それらの光学異方性回折格子素子の、基板の光源側の面に第２の回折格子が形成された光ヘッド装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の光ヘッド装置に用いる光学異方性回折格子は、透明基板の表面に格子状の凹凸部が形成されその凹凸部に光学異方性を有する液晶が充填された光学異方性回折格子であって、その光学異方性回折格子の凸部の頂点における基板間隙が５μｍ以下とされる。これにより温度変化があっても部分的な基板間隔変化を生じにくく、光学波面収差が劣化しにくいので、光の回折が安定して得られる。
【００１３】
図１は、本発明の光ヘッド装置の代表的な構成を示す模式図である。
【００１４】
図１において、１は半導体レーザー等の光源、２は光学異方性回折格子、３は１／４波長板等の位相差素子、４は集光レンズ、６は光検出器を示している。
【００１５】
光源１からでた光は、直線偏光、例えばＰ偏光を有するが、光学異方性回折格子２は回折格子として働かなくそのまま透過する。そして位相差素子３を通過して、集光レンズ４で光を集束して光記録媒体５表面で反射させ、再度集光レンズ４、位相差素子３を通過してＳ偏光になって光学異方性回折格子２に入射する。すると、往路とは偏光方向が９０°ずれているので、光学異方性回折格子２は回折格子として働き、光は回折され光検出器６に到達する。
【００１６】
図２は、この光ヘッド装置に用いる光学異方性回折格子の断面図である。
【００１７】
図２において、１１、１２はの基板、１３はその基板の一部に設けられた凸部、１４は２枚の基板を接着するシール材、１５はシール部、１６は液晶を示している。なお、ｄは基板１１と、基板１２の凸部との間隙を示している。
【００１８】
本発明では、この間隙ｄを５μｍ以下とする。これにより、温度が変化しても波面収差の変化が少なく、信頼性の高い回折格子が得られる。より好ましくは３μｍ以下、特には２μｍ以下とすることが好ましい。ただし、液晶の注入を行うので、０．５μｍ以上とすることが好ましい。
【００１９】
本発明では、光学異方性回折格子は、基板の凸部と液晶との屈折率の差によって回折格子を構成している。液晶は屈折率異方性を有するので、基板表面を配向処理することにより、特定方向に液晶を配列させることができる。これを利用して、光学異方性回折格子への入射する光の偏光方向によって、回折をさせたり、させなかったりすることができる。
【００２０】
本発明の基板としては、ガラス、プラスチック等の透明基板が使用できるが、ガラス、ポリオレフィン、ポリカーボネート等の屈折率が１．４以上１．６以下程度の透明基板を用いることが、液晶の常光屈折率の約１．５に整合しやすいため好ましい。
【００２１】
この基板に凹凸部を形成するには、基板自体をそのような形状に、エッチングや機械的切削によって加工することもできるが、液晶の常光屈折率又は異常光屈折率のいずれかの屈折率とほぼ等しい屈折率の透明膜を透明基板表面に積層形成することが好ましい。これには、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法等公知の透明膜の形成方法が利用できる。
【００２２】
この透明膜形成時に、マスクを設けておき、透明膜形成と同時に凹凸を形成してもよいし、透明膜を全面に形成しておき、フォトリソ工程で凹凸を形成してもよい。この凹凸部は、図２のように凸部のみが透明膜とされ、凹部は基板表面が露出するようにされていてもよいし、凹部にも透明膜が薄く残っていてもよい。また、シール部は凹部とした方が狭い基板間隙を容易に作成でき好ましい。
【００２３】
本発明の透明膜としては、液晶のいずれかの屈折率とほぼ等しい屈折率の透明膜で、使用する液晶による劣化を生じたり膨潤等により屈折率の変化を生じにくいものであれば使用できる。具体的には、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ等の無機酸化物の透明膜が好ましく用いられる。
【００２４】
特に、透明膜として、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜（１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）を用いることが好ましい。この材料を用いる場合、プラズマＣＶＤ法又は反応性直流スパッタリング法によって、液晶の常光屈折率又は異常光屈折率とほぼ等しく、光学的に良好で安定であり信頼性の高い膜が、再現性良く基板上に容易に形成できるという点で好ましい。
【００２５】
ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜は、ｘとｙの比率によって屈折率を制御できるだけでなく、どんな比率においても光の吸収等の光学特性の劣化をもたらすことが少ないという利点もある。
【００２６】
ＳｉＯ_ｘＮ_ｙの形成法としては、プラズマＣＶＤ法が好ましく用いられるが、導電性をもつＳｉ基板をターゲットにしＯ_２ガス、Ｎ_２ガス、Ｎ_２Ｏガスを所定の比率で混合した雰囲気中でスパッタリングする反応性直流スパッタリング法が、プラズマＣＶＤ法に比べて膜形成レートが高いという点でより好ましい。
【００２７】
具体的には以下のようにして凹凸部を形成することが好ましい。研磨したガラス基板等の基板の表面に、プラズマＣＶＤ法又は反応性直流スパッタリング法により、液晶の常光屈折率と透明基板の屈折率（ともに屈折率は１．５程度）のいずれにも近くなるように、酸素と窒素の比率を調整してＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜を形成する。
【００２８】
その後、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜の上にフォトレジストをスピンコート法等によりコーティングし、所定のパターンを有するフォトマスクをフォトレジスト膜に密着させて紫外線で露光し、フォトレジスト現像処理することによってフォトレジストの格子状パターンを透明基板の表面に形成する。そのフォトレジストの格子状パターンをさらにマスクとして、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＣＨＦ_３等のガスを用いドライエッチングすることにより、深さ１〜２μｍ、ピッチ２〜２０μｍの光学異方性回折格子用の格子状の凹凸部を形成する。
【００２９】
なお透明基板の屈折率とＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜の屈折率との差は、界面による好ましくない反射等を防ぐために０．１以内とするのが好ましい。
【００３０】
本発明の光学異方性回折格子に用いる液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶等の液晶表示装置に使用される公知の液晶、液晶組成物、又は高分子液晶等が好ましく使用できる。
【００３１】
この基板の内、平坦な側の基板の内面には配向処理を施す。特に、ポリイミド膜等からなる配向膜を設け、その上をラビングして配向膜を形成することが好ましい。凹凸部を設けた基板側には、配向処理を行うことが難しいので、配向処理を省略してもよい。
【００３２】
この光学異方性回折格子に対して、光記録媒体側にλ／２板、λ／４板等として機能する位相差板、位相差フィルム等の位相差素子を積層配置させることにより、光の往き方向と光の帰り方向とで偏光方向を直交させ、光学異方性回折格子として機能させることができる。前記位相差素子は、数１０〜数１００μｍ程度の厚さを有するポリカーボネート、ポリビニルアルコール又はポリアリレート等の材料が好ましく使用できる。
【００３３】
この位相差素子の少なくとも片面をフォトポリマー、熱硬化型エポキシ樹脂等の光学的に透明な有機樹脂で覆うか、さらに前記有機樹脂を介して平坦性のよいガラス基板、プラスチック基板等の基板を積層接着すれば、波面収差の低減、信頼性の向上という利点があり好ましい。
【００３４】
この回折素子は、基板の光源側の面に第２の回折格子を形成してもよく、その場合３ビーム法によるトラッキングエラー検出ができ好ましい。この第２の回折格子は、フォトポリマー、フォトレジスト等を塗布し所定のパターンに露光することにより形成するか、又はドライエッチング法により直接透明基板を加工することにより形成することが好ましい。
【００３５】
本発明の光ヘッド装置を読み取り用として使用する場合は、通常は光源側に光記録媒体からの反射光を検出する光検出器を設けるが、その検出器の受光面上に前記反射光が所望のビーム（スポット）形状で集光するように、光学異方性回折格子のパターンに面内曲率を付与したり、格子間隔に分布を付与してもよい。光学異方性回折格子のパターンは、コンピュータ装置によって設計した曲率分布、格子間隔分布とし、ＳＳＤ（スポット・サイズ・ディテクション）法等のフォーカスエラー検出法に最適なパターンとできる。前記光検出器としては、フォトダイオード、ＣＣＤ素子等の半導体素子を利用したものが小型軽量で、低消費電力であるため好ましい。
【００３６】
本発明の光源としては半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅ等の気体レーザが使用でき、半導体レーザが小型軽量化、連続発振、保守点検等の点で好ましい。また、光源部に半導体レーザ等と非線形光学素子を組み込んだ高調波発生装置（ＳＨＧ）を使用し、青色レーザ等の短波長レーザを用いると、高密度の光記録及び読み取りができる。
【００３７】
本発明の光記録媒体は、光により情報を記録及び／又は読み取ることができる媒体である。その例としてはＣＤ（コンパクトディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスク、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）等の光ディスク、及び光磁気ディスク、相変化型光ディスク等が使用できる。
【００３８】
前記回折素子の光入出射面に反射防止膜を設けることにより、光の損失を防ぐことができる。その場合、反射防止膜としてアモルファスフッ素樹脂を使用すれば、蒸着装置等の高価で大型の成膜装置を使用しないで低コストで成膜できるため好ましい。
【００３９】
たとえば、液晶を格子状の凹凸部の長手方向にほぼ平行な方向に（図１では紙面に垂直な方向）配向するように配向処理を行う。この場合、光源１の半導体レーザから入射したＰ波（図１では偏光方向が紙面に平行な偏光成分）に対しては、液晶と凸部は屈折率が等しく、すなわち光学異方性回折格子はＰ波に対しては透明となる。そのため、Ｐ波は何の変化も受けずそのまま位相差素子３である１／４波長板に入射し、円偏光に変化し、集光レンズとしての非球面レンズを透過し、ほぼ１００％の光が光記録媒体の記録面に到達する。
【００４０】
即ち、半導体レーザへの戻り光が非常に小さく、戻り光ノイズの点で有利である。さらに往路の透過率が高いということは、書き込みタイプの光ディスク装置においては、書き込み時に相対的に低い出力の半導体レーザで書き込みができるという点でコスト面で優れている。
【００４１】
前記記録面で反射し再び非球面レンズを通り戻ってきた反射光は、再び１／４波長板を通過し、偏光方向が９０°異なったＳ波に変化する。Ｓ波が光学異方性回折格子に入射すると、今度は液晶と凸部の屈折率が異なっているため回折格子として機能し、＋１次回折光として最大４０％程度、−１次回折光として最大４０％程度の回折効率が得られる。＋１次回折光、−１次回折光を検出する検出器をどちらか一方にのみ配置した場合で４０％、両方に配置した場合は計８０％の往復効率が得られる。
【００４２】
さらに前記凹凸部を、斜面状（のこぎり状）にしたときはほぼ７０〜９０％、３段の階段状にしたときはほぼ８１％の往復効率が得られる。
【００４３】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例を以下の例１〜４に示す。
【００４４】
厚さ１ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ角で、屈折率１．５２のガラス基板の１表面に、プラズマＣＶＤ法によって厚み１．３μｍのＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜を形成した。このとき、ｘ、ｙはおのおの１．８、０．１７程度であった。次いで、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法によって、深さ１．３μｍ、ピッチ６μｍの断面が矩形状の回折格子用の凹凸部を形成し、その上にポリイミド配向膜を形成した。
【００４５】
もう１枚のガラス基板の表面に液晶配向用の配向膜としてポリイミド膜を形成し、配向のためのラビング処理を行った。凹凸部を形成したガラス基板の凹凸部を形成した面と、平坦なガラス基板の配向膜を形成した面とを対向させ、さらに配向膜のラビング方向と凹凸部のストライプ方向が同じになるようにして、２つのガラス基板を積層した。
【００４６】
その際、液晶注入口を除き、２つのガラス基板の周囲を球状スペーサを含むエポキシ樹脂シール材でシールした。この球状スペーサの直径は例１：４μｍ、例２：６μｍ、例３：８μｍ、例４：１０μｍとしたものを作成した。その後、液晶注入口から液晶（メルク社製商品名ＢＬ００９、ネマチック液晶、常光屈折率１．５２６６、異常光屈折率１．８１８１）を真空注入した。
【００４７】
平坦なガラス基板の配向膜と反対側の面に１／４波長板を透明接着剤により積層接着し、さらにその上に波面収差を改善するためのフォトポリマー、第３のガラス基板を積層接着して回折素子を作製した。回折素子の光源からの光の入射部、出射部には、誘電体多層膜による反射防止膜を施した。
【００４８】
凹凸部を設けたガラス基板の凹部は、おおむねエッチングによりぼぼガラス基板表面が露出する程度にされていたが、シール部に相当する部分もドライエッチングにより透明膜をおおむね除去したものを作成した。
【００４９】
これらの回折素子のシール部のスペーサ直径（μｍ）、凸部での基板間隙（μｍ）、２５℃と６０℃の波面収差（ｍλｒｍｓ）を表１に示す。
【００５０】
例１の回折素子を用い、光源として半導体レーザを用い、波長６７８ｎｍのＰ波（図１の紙面に平行な偏光成分）を入射させたとき、Ｐ波の透過率は約９７％であった。また、光ディスクからの反射光（円偏光）が１／４波長フィルムによりＳ波（紙面に垂直な偏光成分）に変化し、このＳ波が光学異方性回折格子により回折され、＋１次回折光の回折効率は３４％で、−１次回折光の回折効率は３４％であった。
【００５１】
この結果、往路効率約９７％、往復効率約６６％（±１次回折光検出）となった。
【００５２】
例１、例２の回折素子は６０℃での波面収差がいずれも３０ｍλｒｍｓ以下で温度変化に対して光検出器の出力が安定しており、信頼性の高いものであり、特に例１は６０℃での波面収差がいずれも２０ｍλｒｍｓ以下で優れていた。
【００５３】
【表１】

【００５４】
【発明の効果】
本発明は、液晶を用いた光学異方性回折格子の有する効率が良く、量産性に優れ、安価であるという特長を生かしつつ、その欠点であった温度変化による波面収差の変化による回折効率の低下を抑制でき、広い温度範囲での安定した光ヘッド装置を容易に得ることができる。
【００５５】
本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で種々の応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘッド装置の代表的な構成を示す模式図。
【図２】本発明の光ヘッド装置に用いる光学異方性回折格子の断面図。
【符号の説明】
１：光源
２：光学異方性回折格子
３：位相差素子
４：集光レンズ
５：光記録媒体
６：光検出器

Claims

光源からの光を、透明基板の表面に格子状の凹凸部が形成されその凹凸部に光学異方性を有する液晶が充填された光学異方性回折格子を通して光記録媒体上に照射することにより情報の書き込み及び／又は情報の読み取りを行う光ヘッド装置において、光学異方性回折格子の凸部の頂点における基板間隙が５μｍ以下とされたことを特徴とする光ヘッド装置。
光学異方性回折格子の凹凸部がＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）で形成されていて、ＳｉＯ _ｘＮ _ｙが含有する酸素量ｘと窒素量とが、凹凸部の屈折率と液晶の常光屈折率又は異常光屈折率のいずれかの屈折率とが実質的に等しくなるように選ばれている請求項１記載の光ヘッド装置。
前記ＳｉＯ _ｘＮ _ｙ（１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）における酸素量ｘと窒素量ｙとが、その凹凸部の屈折率と透明基板の屈折率との差が０．１以内であるように選ばれている請求項１又は２記載の光ヘッド装置。
前記光学異方性回折格子の凹凸部が、透明膜を透明基板表面に形成設けることにより形成され、そのシール部にはその透明膜が形成されていない請求項１〜３記載の光ヘッド装置。
前記光学異方性回折格子素子の光の入射部、出射部に反射防止膜が設けられた請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ヘッド装置。
前記光学異方性回折格子素子の、基板の光源側の面に第２の回折格子が形成された請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ヘッド装置。