光学的波長板及び光ピックアップ装置
【課題】光ピックアップ装置において、部品点数を削減することである。
【解決手段】光ピックアップ装置１０は、光源１２と、偏光素子１８，２０と、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と、照明用レンズ２６と、検出用レンズ３２と、検出器３４と、反射型波長板４０と、対物光学系３０とを含んで構成される。反射型波長板４０は、反射板４２と、１／４波長板４４とが一体化された構造を有する。１／４波長板４４は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有し、直線偏光と円偏光との間の変換を行う周期格子構造が用いられる。複数の波長の光に対し共用するには、複屈折特性における波長−位相差特性において、一方側の波長における位相差と、他方側の波長における位相差の差が（π／４）の整数倍となるように周期格子構造の寸法、屈折率が設定される。
【解決手段】光ピックアップ装置１０は、光源１２と、偏光素子１８，２０と、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と、照明用レンズ２６と、検出用レンズ３２と、検出器３４と、反射型波長板４０と、対物光学系３０とを含んで構成される。反射型波長板４０は、反射板４２と、１／４波長板４４とが一体化された構造を有する。１／４波長板４４は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有し、直線偏光と円偏光との間の変換を行う周期格子構造が用いられる。複数の波長の光に対し共用するには、複屈折特性における波長−位相差特性において、一方側の波長における位相差と、他方側の波長における位相差の差が（π／４）の整数倍となるように周期格子構造の寸法、屈折率が設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的波長板及び光ピックアップ装置に係り、特に、直線偏光と円偏光との間の変換を行う光学的波長板及びこれを用いる光ピックアップ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクに書き込まれた情報を読み出し、あるいは情報を書き込むには、レーザ光を用いた光ピックアップが用いられる。光ディスクにレーザ光を当て、その反射光を検出器によって検出するときは、同じ光路を入射光と反射光が往復することになる。この入射光と反射光を分離するために、直線偏光と円偏光の間の変換を行う１／４波長板が用いられる。
【０００３】
１／４波長板は、水晶、液晶、方解石等の複屈折特性を有する物質を用いて得ることができる。この様な材質複屈折特性を用いるほかに、微細格子構造の回折格子が屈折率異方性を有することを利用する構造複屈折特性を用いることが行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、光ピックアップ装置に用いられる波長板として、対象となる光の波長の１／２以下の微細周期構造で形成されて、光に対してその偏光状態を変化させる構造複屈折を有するものを用いることが述べられている。ここでは、４０５ｎｍと６６０ｎｍのように２つの異なる波長の違いを、微細周期構造の材料、形状等を変えることで、位相差が、一方の波長の（２ｎ＋１）／４倍であり、他方の波長の（２ｍ＋１）／４倍となる波長板を得ることが述べられている。
【０００５】
非特許文献１には、構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計について、構造複屈折波長板を用いて、４０５ｎｍと６５０ｎｍと７８０ｎｍの３波長について、９０度の位相差を±１５°の範囲で得るための設計計算結果が述べられている。その結果によれば、構造複屈折波長板の微細周期構造の高さが２０００ｎｍ以上、アスペクト比が１０程度必要である。この寸法の構造を加工するのは、ナノインプリント技術でも難しいとして、ここでは、２枚張り合わせ構成で波長板を製作する方法が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２０７６３６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】今榮真紀子他，構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計，ＫＯＮＩＣＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＰＯＲＴ，Ｖｏｌ．３，２００６年，ｐ６２−６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ピックアップ装置においては、レーザ光源等の光出力部と、光出力部から出力される光を対物光学系に導く照明光学系と、対物光学系から出力される反射光を検出器に導く検出光学系と、光出力部と対物光学系との間に配置される反射板と、透過型１／４波長板
等、多くの光学部品が必要である。
【０００９】
１／４波長板については、複屈折特性を有する材料を用いることができる。その他に、特許文献１に述べられているように、構造複屈折特性を利用すると、材質複屈折特性を有しない材料の中で適当な屈折率のものを用い、微細周期構造の寸法等を設計することで、複屈折特性を制御することが可能である。
【００１０】
実際には、非特許文献１に述べられているように、透過型１／４波長板において、微細周期構造の高さが２０００ｎｍ以上、アスペクト比が１０程度必要な場合がある。このような高アスペクト比の微細周期構造を作るのは、ドライエッチング技術等を要し、容易ではない。非特許文献１では、２枚張り合わせ構成によって、高さを１／２としているが、その場合には、２枚張り合わせの高精度位置決めが必要になる。
【００１１】
本発明の目的は、部品点数を削減できる光ピックアップ装置を提供することである。また、他の目的は、複屈折特性を利用しながら、アスペクト比を抑制できる光学的波長板を提供することである。さらに他の目的は、複数の波長の光に対し共用できる光学的波長板を提供することである。別の目的は、その光学的波長板を用いた光ピックアップ装置を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学的波長板は、光学的反射板と、光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、が一体化して構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光学的波長板において、複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る光学的波長板において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る光学的波長板において、構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る光ピックアップ装置は、互いに異なる波長を有する複数の光源を含み、いずれか１つの波長の光を平行光として選択的に出力する光出力部と、光ディスクに対向し、光ディスクに対し移動可能な対物光学系と、対物光学系から出力される光ディスクからの反射光に含まれる情報信号を検出する検出器と、光出力部と対物光学系との間に配置され、光出力部の光軸に対し＋４５°の傾斜角度を有し、対物光学系の光軸に対し−４５°の傾斜角度を有する光学的波長板と、光出力部から出力される光について、光学的波長板を経て対物光学系に導く照明光学系と、対物光学系から出力される反射光について、光学的波長板を経て検出器に導く検出光学系と、を備え、光学的波長板は、光学的反射板と、光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、が一体化されて構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光ピックアップ装置において、複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る光ピックアップ装置において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成により、光学的波長板は、光学的反射板と、複屈折特性を有する光学素子とが一体化されて構成される反射型波長板である。これにより、例えば、光ピックアップ装置の光学系の部品点数を削減できる。
【００２０】
また、反射型波長板である光学的波長板における複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子である。微細周期構造の周期を対象となる光の波長の１／２以下とすることで、微細周期構造が複屈折特性を有する。そして、反射型波長板は、透過型反射板に対し、入射角が４５度、反射角度が４５度であるので、光路が２×２1/2だけ長い。したがって、微細周期構造の高さを透過型に比して、約１／３とすることができる。これにより、微細周期構造のアスペクト比を小さくすることができる。
【００２１】
また、光学的波長板において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備える。これによって、１つの反射型波長板において、２つの波長の光に対応することが可能になる。
【００２２】
また、光学的波長板において、構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下である。シミュレーションと実験によれば、この範囲の格子充填率とすることで、複屈性特性の屈折率異方性であるΔｎを０．１以上とすることができる。Δｎは、互いに直交するＴＥ軸方向の屈折率とＴＭ軸方向の屈折率の差である。これによって、十分な構造複屈折特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る実施の形態の光学的ピックアップ装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における構造複屈折特性を利用した反射型反射板の様子を示す斜視図である。
【図３】図１において、光ディスクへの入射光について、直線偏光から円偏光へ変換される様子を説明する図である。
【図４】図１において、光ディスクからの反射光について、円偏光から直線偏光へ変換される様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の反射型波長板を透過型波長板と比較して説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、構造複屈折特性を利用した反射型反射板の波長と位相差の関係を示す特性図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、構造複屈折特性を利用した反射型反射板の複屈折特性Δｎと格子充填率ｆの関係を示す特性図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、反射型波長板を製作した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、光ディスクとして、読み出しのみを行うコンパクトディスクについて説明するが、適当な書き込み回路を設けることで、読み出し・書き込み可能な光ディスクに用いることができる。また、以下では、互いに異なる波長の光源として、４０５ｎｍと６６０ｎｍの２種類について説明するが、これは説明の一例であって、他の波長の光であってもよく、また、３種類以上の波長の光であってもよい。
【００２５】
以下で説明する形状、寸法、材質は、説明のためのものであるので、光学的波長板の仕様に合わせ、適当に変更が可能である。
【００２６】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２７】
図１は、光ピックアップ装置１０の光学系の構成を説明する図である。この光ピックアップ装置１０は、円盤上に光学的に読み取り可能な凹凸情報を刻み込んである光ディスク８の読み取り装置である。ここで、光ディスク８は、ＣＤと呼ばれるコンパクトディスクで、読み取りに用いる光の波長によって記録できる情報量、読み出し速度等が異なる。そのために、様々な波長の光を用いた読み出し装置がある。図１の光ピックアップ装置１０は、それらの波長の光の内、４０５ｎｍと６６０ｎｍの波長の光を用いることができるものである。
【００２８】
光ピックアップ装置１０は、光源１２と、偏光素子１８，２０と、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と、照明用レンズ２６と、検出用レンズ３２と、検出器３４と、反射型波長板４０と、対物光学系３０とを含んで構成される。
【００２９】
光源１２は、２種類の波長を有するレーザ光の内の１つを選択して、光ディスク８への入射光として出力する光出力部である。ここでは、４０５ｎｍの波長の光を出力できる第１レーザ素子１４と、６６０ｎｍの波長を出力できる第２レーザ素子１６が示されている。第１レーザ素子１４と第２レーザ素子１６には、放射される光を平行光とするコリメータ光学系を含むものとできる。第１レーザ素子１４と第２レーザ素子１６の選択は、適当な光学的シャッタを用いてもよく、あるいは、レーザ発振回路の動作制御によるものとしてもよい。以下では、特に断らない限り、第２レーザ素子１６が選択されたものとして説明を続ける。
【００３０】
偏光素子１８，２０は、レーザ光を直線偏光に揃える光学素子である。偏光素子１８は第１レーザ素子１４について設けられ、偏光素子２０は第２レーザ素子１６について設けられる。
【００３１】
ビームスプリッタ光学素子２２，２４は、偏光面が互いに直交する２つの直線偏光について、一方側の直線偏光を反射し、他方側の直線偏光を透過することができる光学素子である。ビームスプリッタ光学素子２２は第１レーザ素子１４について設けられ、ビームスプリッタ光学素子２４は第２レーザ素子１６について設けられる。
【００３２】
例えば、第２レーザ素子１６から出力する光の偏光面と、光ディスク８から反射してくる光の偏光面が互いに直交するときは、ビームスプリッタ光学素子２４は、第２レーザ素子１６から出力される光を反射して光ディスク８の方に向け、光ディスク８からの光を透過させて検出器３４の方に向けることができる。
【００３３】
照明用レンズ２６は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と反射型波長板４０との間に配置されるレンズ光学系である。照明用レンズ２６は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４からの光を乱れないように反射型波長板４０に入射させ、反射型波長板４０からの光を平行光としてビームスプリッタ光学素子２２，２４に向かわせる機能を有する。
【００３４】
検出用レンズ３２は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と検出器３４の間に配置されるレンズ光学系である。検出用レンズ３２は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４からの光を集光して検出器３４に照射させる機能を有する。
【００３５】
検出器３４は、光ディスク８からの光に含まれる情報を検出する光学検出装置である。光ディスク８からの光に含まれる情報としては、反射光の有無、反射光の強度等がある。これらの情報を検出するため、検出器３４は、光ダイオード、光トランジスタ、これらのアレイ等で構成することができる。
【００３６】
光ディスク８に向かい合って配置される対物光学系３０は、対物レンズ２８と、対物レンズ２８を移動駆動する駆動部を含む装置である。対物レンズ２８は、反射型波長板４０からの光を集光する機能を有する集光レンズである。駆動部は、対物レンズ２８の焦点を光ディスク８の表面に合わせる機能を有する。駆動部は、小型アクチュエータと、合焦制御回路とを含んで構成される。
【００３７】
反射型波長板４０は、反射板４２と、１／４波長板４４とが一体化された光学的波長板である。反射板４２は、入射面側が光を反射する反射面となっている板状部材の光学的反射板である。反射型波長板４０は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４から照明用レンズ２６を通ってくる入射光の光軸に対し、反射板４２の反射面が４５度の角度で傾斜するように配置される。これによって、ビームスプリッタ光学素子２２，２４から照明用レンズ２６を通ってくる入射光は、その光軸を９０度曲げられて、光ディスク８に向けられる。
【００３８】
１／４波長板４４は、入射面に対し＋４５°の入射角を有する直線偏光入射光を円偏光反射光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する円偏光入射光を直線偏光反射光に変換し、直線偏光入射光の偏光面と直線偏光反射光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子である。なお、１／４波長板とは、直線偏光と円偏光との間の変換を行う光学素子に与えられる一般的な名称であって、実際には、ｎを０または整数として、対象とする光の｛（２ｎ＋１）／４｝波長の厚さを有する薄板光学素子である。
【００３９】
図２は、反射型波長板４０の斜視図である。反射型波長板４０は、反射板４２の上に、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造の１／４波長板４４を一体化して配置したものである。１／４波長板４４の微細周期構造は、高さがｄ1、厚さがｂの薄い光学的壁をｆｂの隙間を隔てて、規則正しく配置した微細凹凸の周期格子構造である。幅方向の寸法は任意に設定することができる。ｆは、光学的壁の厚さｂと隙間ｆｂの比で、格子充填率と呼ばれる。したがって、微細凹凸の周期格子構造の周期は、（ｂ＋ｆｂ）である。対象となる光が６６０ｎｍの波長を有するときは、その半波長である３３０ｎｍ以下となるように、周期格子構造の周期である（ｂ＋ｆｂ）が設定される。なお、図２では、反射板４２の厚さがｄ2で示されている。
【００４０】
周期格子構造の周期が、対象となる光の半波長以下であるときは、周期格子構造の平行な壁面に対して平行な方向の光についての屈折率と、周期格子構造の平行な壁面に対して直交する方向の光についての屈折率が異なってくる複屈折特性が現れることが知られている。この複屈折特性によって、周期格子構造に直線偏光を入射すると円偏光に変換され、円偏光を入射すると直線偏光に変換される。１／４波長板４４は、この周期格子構造の複屈折特性を用いるものであるので、構造複屈折光学素子である。
【００４１】
図２では、ビームスプリッタ光学素子２２，２４側から反射型波長板４０に入射する入射直線偏光５２と、これによって反射型波長板４０によって変換され、反射板４２によって光軸が９０度変更されて光ディスク８に向かう反射円偏光５４が示されている。ここでいう入射、反射とは反射板４２に対する入射、反射を意味し、光ディスク８に対する入射、反射ではない。また、図２では、反射円偏光５４が光ディスク８によって反射されて戻ってきて反射型波長板４０に入射する入射円偏光５６と、反射板４２によって光軸が再び９０度変更されてビームスプリッタ光学素子２２，２４に向かう反射直線偏光５８が示されている。反射円偏光５４と入射円偏光５６は、円偏光の回転方向が互いに逆向きであるが、光軸は互いに平行で一致する。入射直線偏光５２と反射直線偏光５８は、偏光面が互いに直交するが、光軸は互いに平行で一致する。
【００４２】
図２では、光の進行方向に対し、周期格子構造の平行な壁面に平行な方向をＴＥ、周期格子構造の平行な壁面に平行な方向をＴＭとして示した。直線偏光は、偏光面がＴＥ−ＴＭ座標系に対し傾斜するベクトルを有する光として示され、円偏光は、ＴＥ−ＴＭ座標系の原点から一定の半径で円周状に回転するベクトルを有する光として示される。ここでＴＥは、光を電磁波として、電界＝０であるＴＥ波の振動方向に対応し、ＴＭは、磁界＝０であるＴＭ波の振動方向に対応する。
【００４３】
図３、図４は、反射型波長板４０を用いたときの光の状態を説明する図である。図３は、光源１２の第２レーザ素子１６からの光が光ディスク８に入射するときに用いられる光学系である照明光学系における光の状態、図４は、光ディスク８で反射された光が検出器３４に向かうときに用いられる光学系である検出光学系における光の状態を示す図である。
【００４４】
図３では、第１レーザ素子１６から放射された光は、偏光素子２０によって、直線偏光５０に揃えられる。この直線偏光５０の偏光面を第１偏光面と呼ぶことにする。偏光素子２０によって第１偏光面に揃った直線偏光５０は、ビームスプリッタ光学素子２４に入射される。ビームスプリッタ光学素子２４として、第１偏光面に揃った光を反射し、第１偏光面に直交する第２偏光面に揃った光を透過させるものを用いると、第１偏光面に揃った光はビームスプリッタ光学素子２４によって反射される。実際には、ビームスプリッタ光学素子２４に合わせて偏光素子２０の偏光方向が調整される。
【００４５】
ビームスプリッタ光学素子２４によって反射された光は、光軸を９０度変更されて、照明用レンズ２６を通り、反射型波長板４０に入射する。この入射する光が、図２で説明した入射直線偏光５２である。入射直線偏光５２は、第１偏光面に揃っている偏光であるが、図３では、これを光の進行方向に平行に揃った偏光として、丸印の中に黒丸をつけたマークで示している。
【００４６】
入射直線偏光５２は、図２で説明したように、反射型波長板４０によって反射円偏光５４に変換され、光軸を９０度変更される。反射円偏光５４は、対物光学系３０を通って
光ディスク８の表面に合焦されて照射される。反射円偏光５４は、光の進行方向に対し、ＴＥ−ＴＭ平面内で回転するベクトルを有するが、図３では、ＴＥ−ＴＭ平面内で反時計回りに回転するベクトルを有する光として示されている。
【００４７】
図４では、反射型波長板４０によって反射された反射円偏光５４は光ディスク８に照射される。そして、光ディスク８の表面で反射されて、再び対物光学系３０を通って反射型波長板４０に戻る。反射型波長板４０に戻った光は、図２で説明した入射円偏光５６である。入射円偏光５６は、光ディスク８の表面における反射によって、反射円偏光５４とＴＥ−ＴＭ平面内における回転方向が逆方向のベクトルを有する光となって反射型波長板４０に戻る。そのことを、図４では、ＴＥ−ＴＭ平面内で時計回りに回転するベクトルを有する光として示されている。
【００４８】
入射円偏光５６は、図２で説明したように、反射型波長板４０によって反射直線偏光５８に変換され、光軸を９０度変更される。変更された光軸は、元の入射直線偏光５２の光軸と同じとなる。反射直線偏光５８は、入射円偏光５６が反射円偏光５４と比較して、ＴＥ−ＴＭ平面内における回転方向が逆方向であるので、ＴＥ−ＴＭ平面内において入射直線偏光５２に対し直交する偏光面を有する光となる。図４では、これを光の進行方向に直交する方向に揃った偏光として、両側に矢印を付した線のマークで示している。
【００４９】
反射直線偏光５８はビームスプリッタ光学素子２４に入射する。上記のように、ビームスプリッタ光学素子２４は、ＴＥ−ＴＭ平面内において入射直線偏光５２に対し直交する光を透過する。したがって、反射直線偏光５８は、ビームスプリッタ光学素子２４を透過して、検出用光６０となる。検出用光６０はビームスプリッタ光学素子２２を透過し、検出用レンズ３２を通って、検出器３４に入射される。検出器３４は、入射された検出用光６０に含まれる情報を検出し、光ディスク８からの情報信号として出力する。
【００５０】
図５は、１／４波長板４４を従来から知られている透過型として用いる場合と、図２で説明したように反射板４２と一体化して反射型として用いる場合を比較して説明する図である。透過型で用いる場合、入射光は、１／４波長板４４の一方側の面に垂直に入射し、他方側の面に抜ける。図５では、その様子を実線で示してある。反射型で用いる場合、入射光は、１／４波長板４４の一方側の面に入射角度が＋４５度で入射し、他方側の面の界面で反射し、一方側の面において反射角度が−４５度として抜ける。図５では、その様子を破線で示してある。角度の符号は、図５で示すように、垂直入射に対する方向で定めた。
【００５１】
図５において、透過型で用いる場合、１／４波長板４４を通る光の光路長は、１／４波長板４４の厚さｄ1である。これに対し、反射型で用いる場合、１／４波長板４４を通る光の光路長は、１／４波長板４４の厚さｄ1の２×２1/2となる。つまり、反射型として用いることで、透過型に比べ、見かけ上、１／４波長板４４の高さが約３倍となる。この効果によって、１／４波長板４４の高さｄ1を、従来技術の透過型光学的波長板の約３／１として、同等の複屈折特性を得ることができる。
【００５２】
例えば、特許文献２で述べられているように、３つの異なる波長の光について、位相差を±１５°の範囲で得るために必要な条件の高さ寸法を、反射型とすることで、約１／３とできる。
【００５３】
図６は、４０５ｎｍの波長の光と、６５０ｎｍの波長の光について、共用可能な反射型波長板４０の設計例を説明する図である。ここでは、横軸に光の波長をとり、縦軸に反射型波長板４０を用いたときのＴＥ波とＴＭ波の間の位相差をとってある。上記のように、ＴＥ波は、反射型波長板４０の周期格子構造の格子に平行な方向の光で、ＴＭ波は、周期格子構造の格子に直交する方向の光である。
【００５４】
反射型波長板４０を直線偏光と円偏光との間の変換素子として用いることができるのは、ＴＥ波とＴＭ波の間の位相差がπ／４の整数倍となるときである。ここでは、入射角度を４５度として、４０５ｎｍの波長の光に対して位相差が５×（π／４）となり、６６０ｎｍの波長の光に対して位相差が３×（π／４）となるときの反射型波長板４０の条件を求めた。その結果、反射型波長板４０の周期格子構造の周期（ｂ＋ｆｂ）を４０５ｎｍの１／２以下である２００ｎｍ、格子充填率ｆを０．５５、格子部分の屈折率を１．６、周期格子構造の高さｄ1を１２００ｎｍとすることがよいことが分かった。なお、反射板５２の厚さｄ1は、特に制約はないが、約５μｍまでとすることができる。図６は、その条件の下での波長−位相差特性である。
【００５５】
図６の波長−位相差特性は、４０５ｎｍの波長の光に対して位相差が５×（π／４）となり、６６０ｎｍの波長の光に対して位相差が３×（π／４）となっている。したがって、この波長−位相差特性を有する反射型波長板４０を用いることで、４０５ｎｍの波長の光と、６６０ｎｍの波長の光について、複屈折特性を有して、直線偏光と円偏光の間の変換を行うことができる。
【００５６】
ここで、周期格子構造の高さｄ1を１２００ｎｍで足りる。この高さｄ1は、対象とする光の波長の約３倍である。したがって、例えば、格子充填率ｆを０．５とすれば、アスペクト比は約６で足りる。これを透過型として用いると、周期格子構造の高さがこの約３倍となる。すなわち、約３６００ｎｍの高さが必要となり、アスペクト比が約１８となる。このように、反射型波長板４０とすることで、アスペクト比が小さくできるので、ドライエッチング技術を用いなくても、例えばナノインプリント技術として知られる転写技術によって製作が可能となる。
【００５７】
図７は、格子充填率ｆの設定に用いられる図である。ここでは、横軸に格子充填率ｆをとり、縦軸に、ＴＥ波における屈折率ｎTEとＴＭ波における屈折率ｎTMの差Δｎをとり、格子充填率ｆでΔｎがどのように変化するかのシミュレーション結果が示されている。シミュレーションは、有効媒質理論として知られる数式を用いて行った。このときの条件は、周期格子構造における格子部分の屈折率が１．６とし、周期格子構造の高さｄ1は十分に高いものとしてある。
【００５８】
図７によれば、Δｎは、ある格子充填率ｆで最大となるピーク特性となる。そこで、製作の余裕度の面からの格子充填率ｆとして、そのピークを挟む範囲とすることが好ましい。図７では、格子充填率ｆが０．３から０．８の間であれば、Δｎ＝０．１０以上を確保できることが分かる。図６の例は、格子充填率ｆ＝０．５５であるので、Δｎ＝０．１以上を確保している。
【００５９】
図８は、Ｃｒ薄膜を成膜した基板を反射板とし、その上に光感応性ポリマーであるフォトレジストを塗布し、予め製作した母型を用いるナノインプリント技術によって、周期格子構造を試作した様子を示す図である。光感応性ポリマーの屈折率は１．６である。図８の試作例は、周期格子構造の周期が３００ｎｍ、高さｄ1が３００ｎｍである。
【００６０】
周期格子構造の格子部分の材料としては、ポリマーの他に、ガラス、Ｔａ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等を用いることができる。反射板としては、金属層をコーティングした基板の他に、多層膜反射ミラー等を用いることができる。また、周期格子構造は、反射板の上に直接形成する他に、図７で示されるように、周期格子構造と同じ材料を用いて、溝を形成し、底部に周期格子構造の材料を残す構造であってもよい。その場合に底部の厚さは、５μｍ以下とすることができる。
【００６１】
上記では、２つの異なる波長の光に対応するため、一方側の波長の光に対し、位相差を５×（π／４）とし、他方側の波長の光に対し、位相差を３×（π／４）とするものとした。一般的には、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有するものとできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る光学的波長板及び光ピックアップ装置は、光ディスクの読み出し、書き込みに用いることができる。
【符号の説明】
【００６３】
８ 光ディスク、１０ 光ピックアップ装置、１２ 光源、１４，１６ レーザ素子、１８，２０ 偏光素子、２２，２４ ビームスプリッタ光学素子、２６ 照明用レンズ、２８ 対物レンズ、３０ 対物光学系、３２ 検出用レンズ、３４ 検出器、４０ 反射型波長板、４２ 反射板、４４ １／４波長板、５０ 直線偏光、５２ 入射直線偏光、５４ 反射円偏光、５６ 入射円偏光、５８ 反射直線偏光、６０ 検出用光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的波長板及び光ピックアップ装置に係り、特に、直線偏光と円偏光との間の変換を行う光学的波長板及びこれを用いる光ピックアップ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクに書き込まれた情報を読み出し、あるいは情報を書き込むには、レーザ光を用いた光ピックアップが用いられる。光ディスクにレーザ光を当て、その反射光を検出器によって検出するときは、同じ光路を入射光と反射光が往復することになる。この入射光と反射光を分離するために、直線偏光と円偏光の間の変換を行う１／４波長板が用いられる。
【０００３】
１／４波長板は、水晶、液晶、方解石等の複屈折特性を有する物質を用いて得ることができる。この様な材質複屈折特性を用いるほかに、微細格子構造の回折格子が屈折率異方性を有することを利用する構造複屈折特性を用いることが行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、光ピックアップ装置に用いられる波長板として、対象となる光の波長の１／２以下の微細周期構造で形成されて、光に対してその偏光状態を変化させる構造複屈折を有するものを用いることが述べられている。ここでは、４０５ｎｍと６６０ｎｍのように２つの異なる波長の違いを、微細周期構造の材料、形状等を変えることで、位相差が、一方の波長の（２ｎ＋１）／４倍であり、他方の波長の（２ｍ＋１）／４倍となる波長板を得ることが述べられている。
【０００５】
非特許文献１には、構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計について、構造複屈折波長板を用いて、４０５ｎｍと６５０ｎｍと７８０ｎｍの３波長について、９０度の位相差を±１５°の範囲で得るための設計計算結果が述べられている。その結果によれば、構造複屈折波長板の微細周期構造の高さが２０００ｎｍ以上、アスペクト比が１０程度必要である。この寸法の構造を加工するのは、ナノインプリント技術でも難しいとして、ここでは、２枚張り合わせ構成で波長板を製作する方法が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２０７６３６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】今榮真紀子他，構造性複屈折を用いた広帯域１／４波長板の最適設計，ＫＯＮＩＣＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＰＯＲＴ，Ｖｏｌ．３，２００６年，ｐ６２−６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光ピックアップ装置においては、レーザ光源等の光出力部と、光出力部から出力される光を対物光学系に導く照明光学系と、対物光学系から出力される反射光を検出器に導く検出光学系と、光出力部と対物光学系との間に配置される反射板と、透過型１／４波長板
等、多くの光学部品が必要である。
【０００９】
１／４波長板については、複屈折特性を有する材料を用いることができる。その他に、特許文献１に述べられているように、構造複屈折特性を利用すると、材質複屈折特性を有しない材料の中で適当な屈折率のものを用い、微細周期構造の寸法等を設計することで、複屈折特性を制御することが可能である。
【００１０】
実際には、非特許文献１に述べられているように、透過型１／４波長板において、微細周期構造の高さが２０００ｎｍ以上、アスペクト比が１０程度必要な場合がある。このような高アスペクト比の微細周期構造を作るのは、ドライエッチング技術等を要し、容易ではない。非特許文献１では、２枚張り合わせ構成によって、高さを１／２としているが、その場合には、２枚張り合わせの高精度位置決めが必要になる。
【００１１】
本発明の目的は、部品点数を削減できる光ピックアップ装置を提供することである。また、他の目的は、複屈折特性を利用しながら、アスペクト比を抑制できる光学的波長板を提供することである。さらに他の目的は、複数の波長の光に対し共用できる光学的波長板を提供することである。別の目的は、その光学的波長板を用いた光ピックアップ装置を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学的波長板は、光学的反射板と、光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、が一体化して構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光学的波長板において、複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る光学的波長板において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る光学的波長板において、構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る光ピックアップ装置は、互いに異なる波長を有する複数の光源を含み、いずれか１つの波長の光を平行光として選択的に出力する光出力部と、光ディスクに対向し、光ディスクに対し移動可能な対物光学系と、対物光学系から出力される光ディスクからの反射光に含まれる情報信号を検出する検出器と、光出力部と対物光学系との間に配置され、光出力部の光軸に対し＋４５°の傾斜角度を有し、対物光学系の光軸に対し−４５°の傾斜角度を有する光学的波長板と、光出力部から出力される光について、光学的波長板を経て対物光学系に導く照明光学系と、対物光学系から出力される反射光について、光学的波長板を経て検出器に導く検出光学系と、を備え、光学的波長板は、光学的反射板と、光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、が一体化されて構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光ピックアップ装置において、複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る光ピックアップ装置において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成により、光学的波長板は、光学的反射板と、複屈折特性を有する光学素子とが一体化されて構成される反射型波長板である。これにより、例えば、光ピックアップ装置の光学系の部品点数を削減できる。
【００２０】
また、反射型波長板である光学的波長板における複屈折特性を有する光学素子は、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子である。微細周期構造の周期を対象となる光の波長の１／２以下とすることで、微細周期構造が複屈折特性を有する。そして、反射型波長板は、透過型反射板に対し、入射角が４５度、反射角度が４５度であるので、光路が２×２1/2だけ長い。したがって、微細周期構造の高さを透過型に比して、約１／３とすることができる。これにより、微細周期構造のアスペクト比を小さくすることができる。
【００２１】
また、光学的波長板において、波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備える。これによって、１つの反射型波長板において、２つの波長の光に対応することが可能になる。
【００２２】
また、光学的波長板において、構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下である。シミュレーションと実験によれば、この範囲の格子充填率とすることで、複屈性特性の屈折率異方性であるΔｎを０．１以上とすることができる。Δｎは、互いに直交するＴＥ軸方向の屈折率とＴＭ軸方向の屈折率の差である。これによって、十分な構造複屈折特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る実施の形態の光学的ピックアップ装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における構造複屈折特性を利用した反射型反射板の様子を示す斜視図である。
【図３】図１において、光ディスクへの入射光について、直線偏光から円偏光へ変換される様子を説明する図である。
【図４】図１において、光ディスクからの反射光について、円偏光から直線偏光へ変換される様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の反射型波長板を透過型波長板と比較して説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、構造複屈折特性を利用した反射型反射板の波長と位相差の関係を示す特性図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、構造複屈折特性を利用した反射型反射板の複屈折特性Δｎと格子充填率ｆの関係を示す特性図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、反射型波長板を製作した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、光ディスクとして、読み出しのみを行うコンパクトディスクについて説明するが、適当な書き込み回路を設けることで、読み出し・書き込み可能な光ディスクに用いることができる。また、以下では、互いに異なる波長の光源として、４０５ｎｍと６６０ｎｍの２種類について説明するが、これは説明の一例であって、他の波長の光であってもよく、また、３種類以上の波長の光であってもよい。
【００２５】
以下で説明する形状、寸法、材質は、説明のためのものであるので、光学的波長板の仕様に合わせ、適当に変更が可能である。
【００２６】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２７】
図１は、光ピックアップ装置１０の光学系の構成を説明する図である。この光ピックアップ装置１０は、円盤上に光学的に読み取り可能な凹凸情報を刻み込んである光ディスク８の読み取り装置である。ここで、光ディスク８は、ＣＤと呼ばれるコンパクトディスクで、読み取りに用いる光の波長によって記録できる情報量、読み出し速度等が異なる。そのために、様々な波長の光を用いた読み出し装置がある。図１の光ピックアップ装置１０は、それらの波長の光の内、４０５ｎｍと６６０ｎｍの波長の光を用いることができるものである。
【００２８】
光ピックアップ装置１０は、光源１２と、偏光素子１８，２０と、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と、照明用レンズ２６と、検出用レンズ３２と、検出器３４と、反射型波長板４０と、対物光学系３０とを含んで構成される。
【００２９】
光源１２は、２種類の波長を有するレーザ光の内の１つを選択して、光ディスク８への入射光として出力する光出力部である。ここでは、４０５ｎｍの波長の光を出力できる第１レーザ素子１４と、６６０ｎｍの波長を出力できる第２レーザ素子１６が示されている。第１レーザ素子１４と第２レーザ素子１６には、放射される光を平行光とするコリメータ光学系を含むものとできる。第１レーザ素子１４と第２レーザ素子１６の選択は、適当な光学的シャッタを用いてもよく、あるいは、レーザ発振回路の動作制御によるものとしてもよい。以下では、特に断らない限り、第２レーザ素子１６が選択されたものとして説明を続ける。
【００３０】
偏光素子１８，２０は、レーザ光を直線偏光に揃える光学素子である。偏光素子１８は第１レーザ素子１４について設けられ、偏光素子２０は第２レーザ素子１６について設けられる。
【００３１】
ビームスプリッタ光学素子２２，２４は、偏光面が互いに直交する２つの直線偏光について、一方側の直線偏光を反射し、他方側の直線偏光を透過することができる光学素子である。ビームスプリッタ光学素子２２は第１レーザ素子１４について設けられ、ビームスプリッタ光学素子２４は第２レーザ素子１６について設けられる。
【００３２】
例えば、第２レーザ素子１６から出力する光の偏光面と、光ディスク８から反射してくる光の偏光面が互いに直交するときは、ビームスプリッタ光学素子２４は、第２レーザ素子１６から出力される光を反射して光ディスク８の方に向け、光ディスク８からの光を透過させて検出器３４の方に向けることができる。
【００３３】
照明用レンズ２６は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と反射型波長板４０との間に配置されるレンズ光学系である。照明用レンズ２６は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４からの光を乱れないように反射型波長板４０に入射させ、反射型波長板４０からの光を平行光としてビームスプリッタ光学素子２２，２４に向かわせる機能を有する。
【００３４】
検出用レンズ３２は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４と検出器３４の間に配置されるレンズ光学系である。検出用レンズ３２は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４からの光を集光して検出器３４に照射させる機能を有する。
【００３５】
検出器３４は、光ディスク８からの光に含まれる情報を検出する光学検出装置である。光ディスク８からの光に含まれる情報としては、反射光の有無、反射光の強度等がある。これらの情報を検出するため、検出器３４は、光ダイオード、光トランジスタ、これらのアレイ等で構成することができる。
【００３６】
光ディスク８に向かい合って配置される対物光学系３０は、対物レンズ２８と、対物レンズ２８を移動駆動する駆動部を含む装置である。対物レンズ２８は、反射型波長板４０からの光を集光する機能を有する集光レンズである。駆動部は、対物レンズ２８の焦点を光ディスク８の表面に合わせる機能を有する。駆動部は、小型アクチュエータと、合焦制御回路とを含んで構成される。
【００３７】
反射型波長板４０は、反射板４２と、１／４波長板４４とが一体化された光学的波長板である。反射板４２は、入射面側が光を反射する反射面となっている板状部材の光学的反射板である。反射型波長板４０は、ビームスプリッタ光学素子２２，２４から照明用レンズ２６を通ってくる入射光の光軸に対し、反射板４２の反射面が４５度の角度で傾斜するように配置される。これによって、ビームスプリッタ光学素子２２，２４から照明用レンズ２６を通ってくる入射光は、その光軸を９０度曲げられて、光ディスク８に向けられる。
【００３８】
１／４波長板４４は、入射面に対し＋４５°の入射角を有する直線偏光入射光を円偏光反射光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する円偏光入射光を直線偏光反射光に変換し、直線偏光入射光の偏光面と直線偏光反射光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子である。なお、１／４波長板とは、直線偏光と円偏光との間の変換を行う光学素子に与えられる一般的な名称であって、実際には、ｎを０または整数として、対象とする光の｛（２ｎ＋１）／４｝波長の厚さを有する薄板光学素子である。
【００３９】
図２は、反射型波長板４０の斜視図である。反射型波長板４０は、反射板４２の上に、対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造の１／４波長板４４を一体化して配置したものである。１／４波長板４４の微細周期構造は、高さがｄ1、厚さがｂの薄い光学的壁をｆｂの隙間を隔てて、規則正しく配置した微細凹凸の周期格子構造である。幅方向の寸法は任意に設定することができる。ｆは、光学的壁の厚さｂと隙間ｆｂの比で、格子充填率と呼ばれる。したがって、微細凹凸の周期格子構造の周期は、（ｂ＋ｆｂ）である。対象となる光が６６０ｎｍの波長を有するときは、その半波長である３３０ｎｍ以下となるように、周期格子構造の周期である（ｂ＋ｆｂ）が設定される。なお、図２では、反射板４２の厚さがｄ2で示されている。
【００４０】
周期格子構造の周期が、対象となる光の半波長以下であるときは、周期格子構造の平行な壁面に対して平行な方向の光についての屈折率と、周期格子構造の平行な壁面に対して直交する方向の光についての屈折率が異なってくる複屈折特性が現れることが知られている。この複屈折特性によって、周期格子構造に直線偏光を入射すると円偏光に変換され、円偏光を入射すると直線偏光に変換される。１／４波長板４４は、この周期格子構造の複屈折特性を用いるものであるので、構造複屈折光学素子である。
【００４１】
図２では、ビームスプリッタ光学素子２２，２４側から反射型波長板４０に入射する入射直線偏光５２と、これによって反射型波長板４０によって変換され、反射板４２によって光軸が９０度変更されて光ディスク８に向かう反射円偏光５４が示されている。ここでいう入射、反射とは反射板４２に対する入射、反射を意味し、光ディスク８に対する入射、反射ではない。また、図２では、反射円偏光５４が光ディスク８によって反射されて戻ってきて反射型波長板４０に入射する入射円偏光５６と、反射板４２によって光軸が再び９０度変更されてビームスプリッタ光学素子２２，２４に向かう反射直線偏光５８が示されている。反射円偏光５４と入射円偏光５６は、円偏光の回転方向が互いに逆向きであるが、光軸は互いに平行で一致する。入射直線偏光５２と反射直線偏光５８は、偏光面が互いに直交するが、光軸は互いに平行で一致する。
【００４２】
図２では、光の進行方向に対し、周期格子構造の平行な壁面に平行な方向をＴＥ、周期格子構造の平行な壁面に平行な方向をＴＭとして示した。直線偏光は、偏光面がＴＥ−ＴＭ座標系に対し傾斜するベクトルを有する光として示され、円偏光は、ＴＥ−ＴＭ座標系の原点から一定の半径で円周状に回転するベクトルを有する光として示される。ここでＴＥは、光を電磁波として、電界＝０であるＴＥ波の振動方向に対応し、ＴＭは、磁界＝０であるＴＭ波の振動方向に対応する。
【００４３】
図３、図４は、反射型波長板４０を用いたときの光の状態を説明する図である。図３は、光源１２の第２レーザ素子１６からの光が光ディスク８に入射するときに用いられる光学系である照明光学系における光の状態、図４は、光ディスク８で反射された光が検出器３４に向かうときに用いられる光学系である検出光学系における光の状態を示す図である。
【００４４】
図３では、第１レーザ素子１６から放射された光は、偏光素子２０によって、直線偏光５０に揃えられる。この直線偏光５０の偏光面を第１偏光面と呼ぶことにする。偏光素子２０によって第１偏光面に揃った直線偏光５０は、ビームスプリッタ光学素子２４に入射される。ビームスプリッタ光学素子２４として、第１偏光面に揃った光を反射し、第１偏光面に直交する第２偏光面に揃った光を透過させるものを用いると、第１偏光面に揃った光はビームスプリッタ光学素子２４によって反射される。実際には、ビームスプリッタ光学素子２４に合わせて偏光素子２０の偏光方向が調整される。
【００４５】
ビームスプリッタ光学素子２４によって反射された光は、光軸を９０度変更されて、照明用レンズ２６を通り、反射型波長板４０に入射する。この入射する光が、図２で説明した入射直線偏光５２である。入射直線偏光５２は、第１偏光面に揃っている偏光であるが、図３では、これを光の進行方向に平行に揃った偏光として、丸印の中に黒丸をつけたマークで示している。
【００４６】
入射直線偏光５２は、図２で説明したように、反射型波長板４０によって反射円偏光５４に変換され、光軸を９０度変更される。反射円偏光５４は、対物光学系３０を通って
光ディスク８の表面に合焦されて照射される。反射円偏光５４は、光の進行方向に対し、ＴＥ−ＴＭ平面内で回転するベクトルを有するが、図３では、ＴＥ−ＴＭ平面内で反時計回りに回転するベクトルを有する光として示されている。
【００４７】
図４では、反射型波長板４０によって反射された反射円偏光５４は光ディスク８に照射される。そして、光ディスク８の表面で反射されて、再び対物光学系３０を通って反射型波長板４０に戻る。反射型波長板４０に戻った光は、図２で説明した入射円偏光５６である。入射円偏光５６は、光ディスク８の表面における反射によって、反射円偏光５４とＴＥ−ＴＭ平面内における回転方向が逆方向のベクトルを有する光となって反射型波長板４０に戻る。そのことを、図４では、ＴＥ−ＴＭ平面内で時計回りに回転するベクトルを有する光として示されている。
【００４８】
入射円偏光５６は、図２で説明したように、反射型波長板４０によって反射直線偏光５８に変換され、光軸を９０度変更される。変更された光軸は、元の入射直線偏光５２の光軸と同じとなる。反射直線偏光５８は、入射円偏光５６が反射円偏光５４と比較して、ＴＥ−ＴＭ平面内における回転方向が逆方向であるので、ＴＥ−ＴＭ平面内において入射直線偏光５２に対し直交する偏光面を有する光となる。図４では、これを光の進行方向に直交する方向に揃った偏光として、両側に矢印を付した線のマークで示している。
【００４９】
反射直線偏光５８はビームスプリッタ光学素子２４に入射する。上記のように、ビームスプリッタ光学素子２４は、ＴＥ−ＴＭ平面内において入射直線偏光５２に対し直交する光を透過する。したがって、反射直線偏光５８は、ビームスプリッタ光学素子２４を透過して、検出用光６０となる。検出用光６０はビームスプリッタ光学素子２２を透過し、検出用レンズ３２を通って、検出器３４に入射される。検出器３４は、入射された検出用光６０に含まれる情報を検出し、光ディスク８からの情報信号として出力する。
【００５０】
図５は、１／４波長板４４を従来から知られている透過型として用いる場合と、図２で説明したように反射板４２と一体化して反射型として用いる場合を比較して説明する図である。透過型で用いる場合、入射光は、１／４波長板４４の一方側の面に垂直に入射し、他方側の面に抜ける。図５では、その様子を実線で示してある。反射型で用いる場合、入射光は、１／４波長板４４の一方側の面に入射角度が＋４５度で入射し、他方側の面の界面で反射し、一方側の面において反射角度が−４５度として抜ける。図５では、その様子を破線で示してある。角度の符号は、図５で示すように、垂直入射に対する方向で定めた。
【００５１】
図５において、透過型で用いる場合、１／４波長板４４を通る光の光路長は、１／４波長板４４の厚さｄ1である。これに対し、反射型で用いる場合、１／４波長板４４を通る光の光路長は、１／４波長板４４の厚さｄ1の２×２1/2となる。つまり、反射型として用いることで、透過型に比べ、見かけ上、１／４波長板４４の高さが約３倍となる。この効果によって、１／４波長板４４の高さｄ1を、従来技術の透過型光学的波長板の約３／１として、同等の複屈折特性を得ることができる。
【００５２】
例えば、特許文献２で述べられているように、３つの異なる波長の光について、位相差を±１５°の範囲で得るために必要な条件の高さ寸法を、反射型とすることで、約１／３とできる。
【００５３】
図６は、４０５ｎｍの波長の光と、６５０ｎｍの波長の光について、共用可能な反射型波長板４０の設計例を説明する図である。ここでは、横軸に光の波長をとり、縦軸に反射型波長板４０を用いたときのＴＥ波とＴＭ波の間の位相差をとってある。上記のように、ＴＥ波は、反射型波長板４０の周期格子構造の格子に平行な方向の光で、ＴＭ波は、周期格子構造の格子に直交する方向の光である。
【００５４】
反射型波長板４０を直線偏光と円偏光との間の変換素子として用いることができるのは、ＴＥ波とＴＭ波の間の位相差がπ／４の整数倍となるときである。ここでは、入射角度を４５度として、４０５ｎｍの波長の光に対して位相差が５×（π／４）となり、６６０ｎｍの波長の光に対して位相差が３×（π／４）となるときの反射型波長板４０の条件を求めた。その結果、反射型波長板４０の周期格子構造の周期（ｂ＋ｆｂ）を４０５ｎｍの１／２以下である２００ｎｍ、格子充填率ｆを０．５５、格子部分の屈折率を１．６、周期格子構造の高さｄ1を１２００ｎｍとすることがよいことが分かった。なお、反射板５２の厚さｄ1は、特に制約はないが、約５μｍまでとすることができる。図６は、その条件の下での波長−位相差特性である。
【００５５】
図６の波長−位相差特性は、４０５ｎｍの波長の光に対して位相差が５×（π／４）となり、６６０ｎｍの波長の光に対して位相差が３×（π／４）となっている。したがって、この波長−位相差特性を有する反射型波長板４０を用いることで、４０５ｎｍの波長の光と、６６０ｎｍの波長の光について、複屈折特性を有して、直線偏光と円偏光の間の変換を行うことができる。
【００５６】
ここで、周期格子構造の高さｄ1を１２００ｎｍで足りる。この高さｄ1は、対象とする光の波長の約３倍である。したがって、例えば、格子充填率ｆを０．５とすれば、アスペクト比は約６で足りる。これを透過型として用いると、周期格子構造の高さがこの約３倍となる。すなわち、約３６００ｎｍの高さが必要となり、アスペクト比が約１８となる。このように、反射型波長板４０とすることで、アスペクト比が小さくできるので、ドライエッチング技術を用いなくても、例えばナノインプリント技術として知られる転写技術によって製作が可能となる。
【００５７】
図７は、格子充填率ｆの設定に用いられる図である。ここでは、横軸に格子充填率ｆをとり、縦軸に、ＴＥ波における屈折率ｎTEとＴＭ波における屈折率ｎTMの差Δｎをとり、格子充填率ｆでΔｎがどのように変化するかのシミュレーション結果が示されている。シミュレーションは、有効媒質理論として知られる数式を用いて行った。このときの条件は、周期格子構造における格子部分の屈折率が１．６とし、周期格子構造の高さｄ1は十分に高いものとしてある。
【００５８】
図７によれば、Δｎは、ある格子充填率ｆで最大となるピーク特性となる。そこで、製作の余裕度の面からの格子充填率ｆとして、そのピークを挟む範囲とすることが好ましい。図７では、格子充填率ｆが０．３から０．８の間であれば、Δｎ＝０．１０以上を確保できることが分かる。図６の例は、格子充填率ｆ＝０．５５であるので、Δｎ＝０．１以上を確保している。
【００５９】
図８は、Ｃｒ薄膜を成膜した基板を反射板とし、その上に光感応性ポリマーであるフォトレジストを塗布し、予め製作した母型を用いるナノインプリント技術によって、周期格子構造を試作した様子を示す図である。光感応性ポリマーの屈折率は１．６である。図８の試作例は、周期格子構造の周期が３００ｎｍ、高さｄ1が３００ｎｍである。
【００６０】
周期格子構造の格子部分の材料としては、ポリマーの他に、ガラス、Ｔａ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等を用いることができる。反射板としては、金属層をコーティングした基板の他に、多層膜反射ミラー等を用いることができる。また、周期格子構造は、反射板の上に直接形成する他に、図７で示されるように、周期格子構造と同じ材料を用いて、溝を形成し、底部に周期格子構造の材料を残す構造であってもよい。その場合に底部の厚さは、５μｍ以下とすることができる。
【００６１】
上記では、２つの異なる波長の光に対応するため、一方側の波長の光に対し、位相差を５×（π／４）とし、他方側の波長の光に対し、位相差を３×（π／４）とするものとした。一般的には、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有するものとできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る光学的波長板及び光ピックアップ装置は、光ディスクの読み出し、書き込みに用いることができる。
【符号の説明】
【００６３】
８ 光ディスク、１０ 光ピックアップ装置、１２ 光源、１４，１６ レーザ素子、１８，２０ 偏光素子、２２，２４ ビームスプリッタ光学素子、２６ 照明用レンズ、２８ 対物レンズ、３０ 対物光学系、３２ 検出用レンズ、３４ 検出器、４０ 反射型波長板、４２ 反射板、４４ １／４波長板、５０ 直線偏光、５２ 入射直線偏光、５４ 反射円偏光、５６ 入射円偏光、５８ 反射直線偏光、６０ 検出用光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的反射板と、
光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、
が一体化して構成されることを特徴とする光学的波長板。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的波長板において、
複屈折特性を有する光学素子は、
対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることを特徴とする光学的波長板。
【請求項３】
請求項２に記載の光学的波長板において、
波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることを特徴とする光学的波長板。
【請求項４】
請求項２に記載の光学的波長板において、
構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、
微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下であることを特徴とする光学的波長板。
【請求項５】
互いに異なる波長を有する複数の光源を含み、いずれか１つの波長の光を平行光として選択的に出力する光出力部と、
光ディスクに対向し、光ディスクに対し移動可能な対物光学系と、
対物光学系から出力される光ディスクからの反射光に含まれる情報信号を検出する検出器と、
光出力部と対物光学系との間に配置され、光出力部の光軸に対し＋４５°の傾斜角度を有し、対物光学系の光軸に対し−４５°の傾斜角度を有する光学的波長板と、
光出力部から出力される光について、光学的波長板を経て対物光学系に導く照明光学系と、
対物光学系から出力される反射光について、光学的波長板を経て検出器に導く検出光学系と、
を備え、
光学的波長板は、
光学的反射板と、
光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、
が一体化されて構成されることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光ピックアップ装置において、
複屈折特性を有する光学素子は、
対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光ピックアップ装置において、
波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１】
光学的反射板と、
光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、
が一体化して構成されることを特徴とする光学的波長板。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的波長板において、
複屈折特性を有する光学素子は、
対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることを特徴とする光学的波長板。
【請求項３】
請求項２に記載の光学的波長板において、
波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを０または整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることを特徴とする光学的波長板。
【請求項４】
請求項２に記載の光学的波長板において、
構造複屈折光学素子は、微細凹凸周期格子構造を有し、
微細凹凸周期格子構造の格子充填率が０．３以上０．８以下であることを特徴とする光学的波長板。
【請求項５】
互いに異なる波長を有する複数の光源を含み、いずれか１つの波長の光を平行光として選択的に出力する光出力部と、
光ディスクに対向し、光ディスクに対し移動可能な対物光学系と、
対物光学系から出力される光ディスクからの反射光に含まれる情報信号を検出する検出器と、
光出力部と対物光学系との間に配置され、光出力部の光軸に対し＋４５°の傾斜角度を有し、対物光学系の光軸に対し−４５°の傾斜角度を有する光学的波長板と、
光出力部から出力される光について、光学的波長板を経て対物光学系に導く照明光学系と、
対物光学系から出力される反射光について、光学的波長板を経て検出器に導く検出光学系と、
を備え、
光学的波長板は、
光学的反射板と、
光学的反射板の入射面側に一体化して配置され、入射面に対し＋４５°の入射角を有する入射直線偏光を反射円偏光に変換し、入射面に対し−４５°の入射角を有する入射円偏光を反射直線偏光に変換し、入射直線偏光の偏光面と反射直線偏光の偏光面とが互いに９０°変化する複屈折特性を有する光学素子と、
が一体化されて構成されることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光ピックアップ装置において、
複屈折特性を有する光学素子は、
対象となる光の波長の１／２以下の周期を有する微細周期構造を有する構造複屈折光学素子であることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光ピックアップ装置において、
波長と位相差の間の関係である波長位相差特性として、互いに異なる波長を有する２つの光について、ｎとｍを整数として、一方側波長の｛（２ｎ＋１）／４｝倍の位相差を有し、他方側波長の｛（２ｍ＋１）／４｝倍の位相差を有する波長位相差特性を備えることを特徴とする光ピックアップ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５０８５８（Ｐ２０１２−１５０８５８Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４２４（Ｐ２０１１−７４２４）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
【Ｆターム（参考）】
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