可変回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置
【課題】周囲温度の変動の影響を抑制することのできる可変回折素子を提供する。
【解決手段】透明基板１２１、１２２と、透明基板１２１、１２２の少なくとも一方の対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３と、透明基板１２１、１２２間に挟持された液晶層１４とを備え、液晶層１４は、電圧印加によって所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、凸部１３は、第１の屈折率ｎ1または第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、その高さｄが、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５である。
【解決手段】透明基板１２１、１２２と、透明基板１２１、１２２の少なくとも一方の対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３と、透明基板１２１、１２２間に挟持された液晶層１４とを備え、液晶層１４は、電圧印加によって所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、凸部１３は、第１の屈折率ｎ1または第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、その高さｄが、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置に係り、特に、周囲温度の変化よる０次回折効率の変動を抑制した可変回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光により情報を書き込み・読み出すことの可能な光記録媒体が実用化されている。ＤＶＤ−Ｒなどの光記録媒体に対して情報の書き込みおよび／または読み出しをおこなう光ヘッド装置においては、光源から出射され光記録媒体の情報記録面上に集光照射される照射光量を、情報の書き込み時には大きく、読み出し時には小さくする必要がある。
【０００３】
従来、情報記録面への照射光量を変化させるためには、光源である半導体レーザへの注入電流を変化させて光源の出射光量を変化させていた。しかしながら半導体レーザは、低光量とするために注入電流を小さくすると、ノイズが増加したり出射光量が不安定になったりする問題がある。特に、波長４０５ｎｍ帯の青色レーザ光源においては、低光量時の出射光量の安定化が課題であった。
【０００４】
上記課題を解決するために、液晶素子と偏光ビームスプリッタとを組み込んだ光ヘッド装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。液晶素子に入射したレーザ光は、液晶素子の液晶層への印加電圧により偏光状態が変化されて出射され、偏光ビームスプリッタに入射し、所望の偏光方向の光のみが取り出されて、光記録媒体へ導かれる。ここで、偏光ビームスプリッタにより取り出される所望の偏光方向の光の強度は、液晶素子への印加電圧に応じて変化する。即ち、光源からの出射光量を一定の高光量に保ちながら、光記録媒体への照射光量を、書き込み時には減衰させずに、読み出し時には減衰させることができるため、低ノイズで安定した高品質な照射光が実現される。
【０００５】
また、回折格子を切り替え可能とした可変回折素子の発明も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この可変回折素子は、対向面にストライプ状の透明電極が形成された２枚の透明基板と、透明基板間に充填され封入された液晶を備えている。図７（ａ）および（ｂ）は、対向する透明電極の電極パターンを示す平面図であって、それぞれの透明基板のストライプ状の透明電極は、互いにピッチが異なるとともに、対向配置されたときにストライプ方向が所定角度をなすように形成されている。この可変回折素子は、ストライプ状の透明電極に印加する電圧を切り替えることにより回折効率を変化させて、０次回折光量、即ち透過率を変化させることができる。
【特許文献１】特開２００２−２６０２６９号公報
【特許文献２】特開２００６−９９９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の光ヘッド装置には、液晶素子と偏光ビームスプリッタとを組み合わせて光減衰器としているため、素子の配置や小型化に制約があるという課題があった。
また、特許文献２に記載の可変回折素子には、液晶の常光屈折率および異常光屈折率の温度変化が大きいため、周囲温度が変動したときの透過率変化が大きいという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記の従来の課題を解決するためになされたものであって、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制した可変回折素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の可変回折素子は、対向面に透明電極が形成された第１の透明基板および第２の透明基板と、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の前記対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部と、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層とを備える可変回折素子であって、前記液晶層は、外部電源から前記透明電極に電圧を印加して液晶分子の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、前記凸部は、前記第１の屈折率ｎ1または前記第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、前記凸部の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、前記凸部の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５であることを特徴とする構成を有している。
この構成により、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができることとなる。
【０００９】
本発明の可変回折素子は、前記凸部の屈折率ｎsがｎ1と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３または０．７５〜０．９５である構成、もしくは、前記凸部の屈折率ｎsがｎ2と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．２５または０．７〜０．９５である構成を有している。
この構成により、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対して２０〜８０％の範囲で任意の値の０次回折光強度を得ることができることとなる。
【００１０】
本発明の光ヘッド装置は、波長λの直線偏光である光源光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光源光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、前記情報記録面により反射された戻り光を検出する光検出器とを含む光ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズの間の光路上に請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変回折素子が配置されることを特徴とする構成を有している。
この構成により、周囲温度の変化による光学特性の変動を抑制し、安定した書き込みおよび読み出しをおこなうことができることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、凸部の高さｄとデューティ比Ｄとを適切な値とすることにより、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができるという効果を有する可変回折素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る可変回折素子について、図１の断面図を参照しつつ説明する。
可変回折素子１は、対向面に透明電極１１１および１１２が形成された第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２（以下、単に透明基板とも記す）と、第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２の少なくとも一方の対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３と、第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２の間に挟持された液晶層１４とを備える。第１の透明基板１２１と第２の透明基板１２２は、グラスファイバースペーサを混入したシール１５により所定の間隔を有して対向しており、外周をシールされている。
【００１３】
そして、液晶層１４は、外部電源から透明電極１１１、１１２に電圧を印加して液晶分子１４１の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものである。
【００１４】
また、凸部１３は、第１の屈折率ｎ1または第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、凸部１３の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５である。
【００１５】
第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２としては、耐久性の観点からガラス基板を使用することが望ましいが、ポリカーボネート系、ＰＥＴ、アクリル系等の樹脂基板を使用してもよい。
【００１６】
透明電極１１１、１１２は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の透明導電膜からなり、必要により外周部のトリミングや取り出し電極形成をおこなって形成される。透明電極１１１、１１２は、透明絶縁膜（図示せず）で覆うことが望ましい。
【００１７】
周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３は、透明材料からなる層を透明電極１１１に積層し、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングして形成される。さらに、凸部１３と液晶層１４との接触面をポリイミド等からなる配向膜（図示せず）で覆って、液晶分子１４１が水平配向したときに、所定の方向に揃うようにすることが望ましい。
【００１８】
なお、図１では透明電極１１１上に所定方向に延伸する周期的な凸部１３を形成した構成が示されているが、第１の透明基板１２１上にまず所定方向に延伸する周期的な凸部１３を形成し、その上に透明電極１１１を形成する構成としてもよい。また、所定方向に延伸する周期的な凸部１３が第１の透明基板１２１上にのみ形成された構成に限定されず、対向配置された第２の透明基板１２２の対向面上にも形成された構成とすることもできる。
【００１９】
液晶層１４に用いる液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶等を使用することが可能であり、誘電異方性は正であっても負であってもよい。液晶層１４の液晶分子１４１の配向状態は、透明電極１１１、１１２への印加電圧により、透明基板に平行な面（以下、基板平行面と記す）内で配向処理方向に揃った水平配向状態から垂直に揃った垂直配向状態まで変化する。それにより、配向処理方向と平行な偏光方向の直線偏光に対して液晶層１４が示す屈折率は、液晶分子１４１が水平配向している時の異常光屈折率ｎeから、垂直配向している時の常光屈折率ｎoまで変化する。
【００２０】
凸部１３を形成する透明材料としては、その屈折率ｎsが液晶層１４の常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeと等しい透明材料を用いる。ｎo＜ｎeの場合、液晶層１４の常光屈折率ｎoを第１の屈折率ｎ1として、液晶層１４の異常光屈折率ｎeを第２の屈折率ｎ2とする。
【００２１】
透明材料としては、ガラス、ＳｉＯ2、ＳｉＯxＮy、Ｔａ2Ｏ5等の無機材料、これらの混合物、または有機物を、その屈折率を調整して用いることが好ましい。また、透明材料として、高分子液晶やＬｉＮｂＯ3などの複屈折材料を用いることもできる。その場合、複屈折材料からなる透明材料は、所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率が液晶分子１４１の常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeと等しくなるように選ぶ必要がある。
【００２２】
透明基板と液晶層１４との接触面には、配向処理を施すことが好ましい。配向処理は、光配向、イオンビーム照射、ＳｉＯ等の斜め蒸着、ラビング等によりおこなうことができる。所定方向に延伸する周期的な凸部１３が形成された透明基板に対しては、特に凸部１３のピッチＰが小さい場合には、イオンビーム照射や光配向により配向処理をおこなうことが好ましく、ポリイミド膜やポーラスなＳｉＯ2膜、ＳｉＯ2などの無機材料からなる微粒子膜、ＳｉＯxＮy膜などの配向膜に対してイオンビームにより配向処理をおこなった配向膜を用いることができる。配向方向は、基板平行面内のいずれの方向としてもよいが、周期的に形成された凸部１３が延伸する方向と平行とすると良好な配向状態を得易いので好ましい。
【００２３】
以下では、誘電異方性が正（電圧非印加時に液晶層１４の液晶分子１４１が基板平行面に対して水平配向する）であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大（ｎo＜ｎe）である液晶を用いるとともに、周期的な凸部１３を、液晶の常光屈折率ｎoと等しい屈折率ｎsを有する等方性透明材料を用いて形成した場合について述べる。ここで、凸部１３が延伸する方向をＹ軸方向とし、基板平行面の法線方向をＺ軸方向とするＸＹＺ座標系を考える。
【００２４】
液晶層１４の液晶分子１４１は、電圧非印加時に配向処理方向であるＹ軸方向に平行に揃い、十分な大きさの電圧を印加した時に基板平行面に垂直なＺ軸方向に揃う（以下、このときの電圧を垂直配向電圧と記す）。したがって、液晶層１４は、Ｙ軸と平行な偏光方向の直線偏光に対して、電圧非印加時に異常光屈折率ｎeを、垂直配向電圧印加時に常光屈折率ｎoを示す。周期的に形成された凸部１３を通過する光と、液晶層１４の一部をなし、凸部１３と凸部１３との間に形成される凹部（以下、凸部１３と凹部とをまとめて回折格子と記す）を透過する光とに生じる光路差φ［ｎｍ］は、（１）式のように凸部１３の高さｄ［ｎｍ］と、凸部１３と凹部との屈折率差Δｎとの積で定義される。
φ＝Δｎ・ｄ （１）
【００２５】
ここで凸部１３の屈折率ｎsは液晶層１４の常光屈折率ｎoと等しくされているので、可変回折素子１の周期的な凸部１３の高さｄ［ｎｍ］を（２）式：
φ＝｜ｎe−ｎo｜・ｄ
＝（０．５＋ｍ）・λ （２）
を満足するように決めると、電圧非印加時に、配向処理方向と平行な偏光方向をもつ波長λ［ｎｍ］の直線偏光の入射光に対して１次回折効率が最大となり、０次回折効率ηを最小とすることができる（以下、０次回折効率ηの最小値を最小値η0と記す）。ただし、ｍは０以上の整数である。ｍ＝０（零）とすると凸部１３の加工が容易になり好ましいが、これに限定されない。
そのときの０次回折効率ηは（３）式で表される。
η＝（ｃｏｓ（φ／２））2 （３）
【００２６】
一方、垂直配向電圧印加時は、凸部１３と液晶層１４は屈折率差を持たないので、可変回折素子１は回折を生じず入射光は実質的に１００％直進透過される（以下単に「透過率が１００％である」と記す）。また、配向処理方向と直交する方向、即ちＸ軸と平行な偏光方向の直線偏光に対しては、液晶層１４は電圧の印加にかかわらず常光屈折率ｎoを示して、凸部１３と屈折率差を持たないので、可変回折素子１は常に回折を生じず透過率が１００％である。
【００２７】
凸部１３の高さｄを波長λ＝４０５ｎｍに対して（２）式を満たすように決めた可変回折素子１において、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比である格子のデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを０．５としたときの、０次回折効率ηの光路差φ依存性のグラフを図２に示す。ここで、液晶の常光屈折率ｎo、異常光屈折率ｎeはそれぞれ１．５２８、１．７０８で、凸部１３の屈折率ｎsを液晶の常光屈折率ｎoと等しい１．５２８とした。
【００２８】
グラフからわかるように、配向処理方向と平行な偏光方向をもつ波長４０５ｎｍの直線偏光に対する０次回折効率ηは、液晶分子１４１が垂直配向して光路差φが零のときに１００％となり、光路差φの増加とともに減少して、（２）式が成り立つとき、即ち光路差φが２０２．５ｎｍのときに最小値η0を示す。これより、凸部１３の高さｄを調整、または印加電圧の大きさを調整して液晶層１４が示す屈折率を変化させる範囲を設定することにより、凸部１３と凹部の液晶層１４との光路差φの上限値を調整すれば、波長λの入射光に対する０次回折効率ηを、１００％（光路差φが零のとき）から下限値（光路差φが上限値のとき）までの範囲の任意の値に制御できることがわかる。例えば、図２の回折格子の０次回折効率ηを４０％に制御する場合には、光路差φが０．１２μｍとなるように凸部１３の高さｄまたは印加電圧の範囲を制御すればよい。
【００２９】
ところが、可変回折素子１の温度が変動すると、凸部１３の屈折率、高さｄおよび幅ｗの変化は無視することができるが、液晶層１４の屈折率は無視できない変化を示すので、光路差φの上限値の変化を生じて、０次回折効率の下限値が変動する。そのため、素子温度によらず所望の０次回折効率を安定して得るには、０次回折光強度をモニターして印加電圧を制御する等の付加手段が必要であった。
【００３０】
本願発明者は、かかる課題に対して、回折格子の凸部１３の高さｄを（２）式が成り立つように決めるとともに、格子のデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを調整することにより、温度による変動を抑制して所望の０次回折効率を安定して得られることを見出して、本願発明に至った。
【００３１】
図３に、凸部１３の高さｄを波長λ＝４０５ｎｍに対して（２）式を満たすように決めた可変回折素子１について、デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを０．１から０．９まで０．１刻みで変えたときの、光路差φに対する０次回折効率ηの挙動をプロットしたグラフを示す。ここで、液晶の常光屈折率ｎo、異常光屈折率ｎeを図２の場合と同様とし、周期的な凸部１３のピッチＰを１０μｍとした。また、周期的な凸部１３のピッチＰを４μｍとした以外は図３の場合と同様の構成を有する可変回折素子１の０次回折効率ηの挙動をプロットしたグラフを、図４に示す。図３および図４において、デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．１、０．２、０．３、０．７、０．８、０．９のプロットは本願発明の構成に対応し、０．４、０．５、０．６のプロットは参考例である。
【００３２】
周期的な凸部１３のピッチＰが１０μｍでデューティ比Ｄ＝０．８の可変回折素子１に対して、液晶層１４への印加電圧を零とすると、０次回折効率ηを３２％に制御することができる。即ち、この可変回折素子１に対して、液晶層１４への印加電圧を、零と垂直配向電圧とに切り替えて制御すると、０次回折効率ηを３２％と１００％とに切り替えることができる。このとき、０次回折効率ηの最小値η0の近傍では、図３、図４からわかるように光路差φの変化に対する０次回折効率ηの変動が小さいので、温度変動により光路差φが変化しても、特段の付加手段を用いることなく０次回折効率ηの変動を小さく抑制することができる。
【００３３】
本発明の可変回折素子１では、デューティ比Ｄを０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５としているが、より好ましくは、凸部１３の屈折率ｎsが第１の屈折率ｎ1と等しい場合は０．３０以下または０．７０以上であって、凸部１３の屈折率ｎsが第２の屈折率ｎ2と等しい場合は０．３０以下または０．７０以上である。デューティ比Ｄをこの範囲から選択すると、可変回折素子１の０次回折効率ηを２０〜８０％の範囲の任意の値とすることができる。それにより、入射光を実質的に減衰させずに透過させる透過率が１００％の状態と、透過率が２０％〜８０％の範囲の任意の値となる状態とを安定に制御可能な可変回折素子が得られる。このような可変回折素子は、例えば、読み出しと書き込みとを切り替えておこなう光ヘッド装置に好ましく用いることができる。
【００３４】
凸部１３のピッチＰは、小さいほど回折角が大きくなって光ヘッド装置に用いた場合に回折光が光記録媒体に集光しないようにすることができるので、１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。不要な回折光の影響を避けるためには、ピッチＰを５μｍ以下とすることが特に好ましい。ただし、凸部１３の高さｄ、凸部１３の幅ｗや凹部の幅の寸法が光の波長の１／３〜１０倍の範囲内であると、０次回折効率ηが最小となる光路差φが（２）式で求められる値からずれ、それに伴って最小値η0が（３）式で求められる値からずれる場合があり、その場合は所望の光路差φと０次回折効率ηが得られるように高さｄや幅ｗを調整することが好ましい。
【００３５】
以上の説明では、液晶層１４の液晶として誘電異方性が正であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大（ｎo＜ｎe）である液晶を用いて、凸部１３の屈折率ｎsを常光屈折率ｎoと等しくした場合について述べたが、誘電異方性が負の液晶を用いたり、凸部１３の屈折率ｎsを異常光屈折率ｎeと等しくしたりする構成を用いることもできる。
【００３６】
次に、本発明に係る可変回折素子１を搭載した光ヘッド装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明では可変回折素子１に封入される液晶の誘電異方性は正であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大であるものとする。また、液晶分子１４１の配向方向は、光源が出射する直線偏光の偏光方向と平行であるものとする。
【００３７】
図５は、本発明に係る可変回折素子１を備え、波長λ＝４０５ｎｍの直線偏光を用いて光ディスクへの情報の書き込みおよび光ディスクからの情報の読み出しをおこなう光ヘッド装置２の構成の一例を示すブロック図である。
光ヘッド装置２は、波長４０５ｎｍで偏光方向がＹ軸方向の直線偏光を出射する光源２１と、光源２１から出射された光源光を透過させ、光源光と直交する偏光方向（Ｘ軸方向）の直線偏光を反射するビームスプリッタ２２と、可変回折素子１と、可変回折素子１から出射された光源光を平行光線化するコリメータレンズ２３と、コリメータレンズ２３から出射された光源光を円偏光に変換する１／４波長板２４と、円偏光に変換された光源光を光ディスク２０の情報記録面に集光する対物レンズ２５と、情報記録面により反射されて対物レンズ２５、１／４波長板２４、コリメータレンズ２３および可変回折素子１を経てビームスプリッタ２２に入射し、ビームスプリッタ２２により光路を偏向された戻り光を受光して電気信号に変換する光検出器２６とを含む。
【００３８】
まず光ディスク２０に情報を書き込む場合について説明する。光源２１から出射された光源光は、ビームスプリッタ２２を直進透過して可変回折素子１に入射する。このとき、可変回折素子１の液晶層１４には垂直配向電圧が印加されていて、凸部１３と凹部とが屈折率差を有さず回折を生じないようにされているので、入射した光源光は、実質的に減衰されることなくコリメータレンズ２３へ出射される。
【００３９】
コリメータレンズ２３に入射した光源光は、平行光線化されて１／４波長板２４へ出射される。１／４波長板２４に入射した光源光は、円偏光に変換されて、対物レンズ２５により光ディスク２０の情報記録面に集光、照射されて、光ディスク２０に情報が書き込まれる。
【００４０】
光ディスク２０から情報を読み出す場合には可変回折素子１の液晶層１４に電圧を印加しない状態とし、凸部１３と凹部が屈折率差を有し、可変回折素子１に入射した光源光の一部が回折されるようにする。これにより、可変回折素子１に入射した光源光は、０次回折光のみが光ディスク２０へ出射されるので、読み出しに必要な小さい光量の照射光を低ノイズで安定に実現することができる。
【００４１】
また、光ディスク２０に情報を書き込む場合も、情報を読み出す場合も、光ディスク２０の情報記録面により反射された逆周りの円偏光である戻り光は、１／４波長板２４により偏光方向がＸ軸方向の直線偏光に変換されるので、可変回折素子１によって減衰されることなく光検出器２６へ導かれて、高い光利用効率で記録された情報を読み出すことができる。
【００４２】
図５の構成では、可変回折素子１をビームスプリッタ２２とコリメータレンズ２３の間に配置した例を示したが、光源２１と対物レンズ２５の間であればどこに配置してもよい。また、凸部１３の延伸方向は特に制約は無いが、回折光が迷光となって情報記録面に集光したり光検出器２６に入射したりしてノイズを発生させないように、凸部１３のピッチＰと合わせて設定することが好ましい。
【００４３】
上記に説明した実施形態以外にも、例えば情報記録面が２層の光ディスクと１層の光ディスクなど、照射光量が異なる光ディスクに適用する光ピックアップ装置において有効に用いることができる。
【実施例】
【００４４】
本発明に係る可変回折素子の具体的な製造方法について図１を用いて説明する。
（１）２枚の石英ガラス基板からなる第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２のうち、第１の透明基板１２１の面上にスパッタリング法により、ＩＴＯからなる透明電極１１１、１１２を形成する。
（２）第１の透明基板１２１上の透明電極１１１上に、波長４０５ｎｍの光に対する屈折率が１．５２になるように組成比を調整した、厚さ１．５μｍの透明材料であるＳｉＯxＮy膜を生成する。
【００４５】
（３）フォトリソグラフィおよびエッチングによりＳｉＯxＮy膜を微細加工して、ピッチＰ＝４μｍ、凸部１３の幅ｗ＝０．８μｍ、即ちデューティ比Ｄが０．２で、凸部１３の高さｄ＝１．５μｍとなるように回折格子を形成する。なお凸部１３の高さｄは、光の波長４０５ｎｍに対して（２）式から求められる凸部１３の高さｄである１．１２５μｍから調整をおこなった。
（４）２枚の透明基板の透明電極面側に配向膜であるポリイミド膜（図示せず）を成膜する。
（５）回折格子が形成された第１の透明基板１２１上のポリイミド膜に対して、イオンビーム法により配向処理をおこなう。また、回折格子が形成されていない第２の透明基板１２２上のポリイミド膜に対して、ラビング処理により配向処理をおこなう。配向処理方向は、回折格子の格子方向と平行な方向とする。
【００４６】
（６）一方の透明基板の外周部に直径６．５μｍのグラスファイバースペーサを混入したシール１５を形成し、２枚の透明基板を透明電極１１１、１１２が形成された面を対向させて接着し、基板面間隔が６．５μｍの空セルとする。
（７）シール１５に設けた注入孔から常光屈折率ｎo＝１．５２、異常光屈折率ｎe＝１．７０、誘電異方性＝７の液晶を真空注入し、注入口（図示せず）をアクリル系接着剤で封止して、図１に概略構成図を示した本実施例の可変回折素子１が完成する。
【００４７】
本実施例の可変回折素子１の波長λ＝４０５ｎｍの光に対する光学特性を、室温（２６℃）で測定した。透明電極１１１、１１２間に電圧を印加しない状態では、回折格子の格子が延伸する方向と平行方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは６５％、直交する方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは９３％であった。透明電極１１１、１１２間に４０Ｖｒｍｓの電圧を印加した状態では、回折格子が延伸する方向と平行に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは８９％、直交する方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは９３％であった。
【００４８】
次に、上記の可変回折素子１の電圧を印加しない状態、即ち光路差φ＝｜ｎe−ｎo｜・ｄとなる状態での平行方向の０次回折効率ηの温度に対する変化状況を調べた。その結果を図６のグラフ中に黒丸で示す。なお、横軸は素子の温度を、縦軸は０次回折効率ηを表す。このグラフから判るように、素子の温度が２６℃から８６℃まで変化したときの、０次回折効率ηの変動は約５％であった。
【００４９】
比較のために、ピッチＰを４μｍ、凸部の幅ｗを２μｍ、即ちデューティ比を０．５とし、凸部１３の高さｄを（２）式から求められる値の約６２％、即ちｄ＝０．７μｍとした以外は上記の回折格子と同様とした回折格子を作製して、０次回折効率ηの温度特性を調べた。その測定結果を図６に白丸で示す。このグラフから判るように、素子温度が２６℃から８６℃まで変動すると、０次回折効率ηは約２０％変動した。
【００５０】
以上説明したように、（２）式に基づいて凸部１３の高さｄを決めるとともに凸部１３のデューティ比Ｄを調節することにより、可変回折素子１の光学特性の周囲温度の変化による変動を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明に係る可変回折素子は、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができるという効果を有し、光ディスクに対して記録・再生をおこなう光ヘッド装置に用いる可変減衰器として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る可変回折素子の断面図
【図２】デューティ比Ｄ＝５０％の可変回折素子の０次回折効率ηの光路差φ依存性を示すグラフ
【図３】０次回折効率ηの光路差φおよびデューティ比Ｄに対する依存性を示すグラフ（ピッチＰ＝１０μｍ）
【図４】０次回折効率ηの光路差φおよびデューティ比Ｄに対する依存性を示すグラフ（ピッチＰ＝４μｍ）
【図５】本発明に係る可変回折素子を備える光ヘッド装置の構成を示すブロック図
【図６】０次回折効率ηの温度依存性を示すグラフ
【図７】従来の可変回折素子の透明電極の電極パターンを示す平面図
【符号の説明】
【００５３】
１ 可変回折素子
２ 光ヘッド装置
１３ 凸部
１４ 液晶層
２１ 光源
２４ 波長板
２５ 対物レンズ
２６ 光検出器
１１１、１１２ 透明電極
１２１ 第１の透明基板
１２２ 第２の透明基板
１４１ 液晶分子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置に係り、特に、周囲温度の変化よる０次回折効率の変動を抑制した可変回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光により情報を書き込み・読み出すことの可能な光記録媒体が実用化されている。ＤＶＤ−Ｒなどの光記録媒体に対して情報の書き込みおよび／または読み出しをおこなう光ヘッド装置においては、光源から出射され光記録媒体の情報記録面上に集光照射される照射光量を、情報の書き込み時には大きく、読み出し時には小さくする必要がある。
【０００３】
従来、情報記録面への照射光量を変化させるためには、光源である半導体レーザへの注入電流を変化させて光源の出射光量を変化させていた。しかしながら半導体レーザは、低光量とするために注入電流を小さくすると、ノイズが増加したり出射光量が不安定になったりする問題がある。特に、波長４０５ｎｍ帯の青色レーザ光源においては、低光量時の出射光量の安定化が課題であった。
【０００４】
上記課題を解決するために、液晶素子と偏光ビームスプリッタとを組み込んだ光ヘッド装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。液晶素子に入射したレーザ光は、液晶素子の液晶層への印加電圧により偏光状態が変化されて出射され、偏光ビームスプリッタに入射し、所望の偏光方向の光のみが取り出されて、光記録媒体へ導かれる。ここで、偏光ビームスプリッタにより取り出される所望の偏光方向の光の強度は、液晶素子への印加電圧に応じて変化する。即ち、光源からの出射光量を一定の高光量に保ちながら、光記録媒体への照射光量を、書き込み時には減衰させずに、読み出し時には減衰させることができるため、低ノイズで安定した高品質な照射光が実現される。
【０００５】
また、回折格子を切り替え可能とした可変回折素子の発明も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この可変回折素子は、対向面にストライプ状の透明電極が形成された２枚の透明基板と、透明基板間に充填され封入された液晶を備えている。図７（ａ）および（ｂ）は、対向する透明電極の電極パターンを示す平面図であって、それぞれの透明基板のストライプ状の透明電極は、互いにピッチが異なるとともに、対向配置されたときにストライプ方向が所定角度をなすように形成されている。この可変回折素子は、ストライプ状の透明電極に印加する電圧を切り替えることにより回折効率を変化させて、０次回折光量、即ち透過率を変化させることができる。
【特許文献１】特開２００２−２６０２６９号公報
【特許文献２】特開２００６−９９９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の光ヘッド装置には、液晶素子と偏光ビームスプリッタとを組み合わせて光減衰器としているため、素子の配置や小型化に制約があるという課題があった。
また、特許文献２に記載の可変回折素子には、液晶の常光屈折率および異常光屈折率の温度変化が大きいため、周囲温度が変動したときの透過率変化が大きいという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記の従来の課題を解決するためになされたものであって、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制した可変回折素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の可変回折素子は、対向面に透明電極が形成された第１の透明基板および第２の透明基板と、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の前記対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部と、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層とを備える可変回折素子であって、前記液晶層は、外部電源から前記透明電極に電圧を印加して液晶分子の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、前記凸部は、前記第１の屈折率ｎ1または前記第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、前記凸部の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、前記凸部の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５であることを特徴とする構成を有している。
この構成により、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができることとなる。
【０００９】
本発明の可変回折素子は、前記凸部の屈折率ｎsがｎ1と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３または０．７５〜０．９５である構成、もしくは、前記凸部の屈折率ｎsがｎ2と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．２５または０．７〜０．９５である構成を有している。
この構成により、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対して２０〜８０％の範囲で任意の値の０次回折光強度を得ることができることとなる。
【００１０】
本発明の光ヘッド装置は、波長λの直線偏光である光源光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光源光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、前記情報記録面により反射された戻り光を検出する光検出器とを含む光ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズの間の光路上に請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変回折素子が配置されることを特徴とする構成を有している。
この構成により、周囲温度の変化による光学特性の変動を抑制し、安定した書き込みおよび読み出しをおこなうことができることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、凸部の高さｄとデューティ比Ｄとを適切な値とすることにより、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができるという効果を有する可変回折素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る可変回折素子について、図１の断面図を参照しつつ説明する。
可変回折素子１は、対向面に透明電極１１１および１１２が形成された第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２（以下、単に透明基板とも記す）と、第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２の少なくとも一方の対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３と、第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２の間に挟持された液晶層１４とを備える。第１の透明基板１２１と第２の透明基板１２２は、グラスファイバースペーサを混入したシール１５により所定の間隔を有して対向しており、外周をシールされている。
【００１３】
そして、液晶層１４は、外部電源から透明電極１１１、１１２に電圧を印加して液晶分子１４１の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものである。
【００１４】
また、凸部１３は、第１の屈折率ｎ1または第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、凸部１３の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５である。
【００１５】
第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２としては、耐久性の観点からガラス基板を使用することが望ましいが、ポリカーボネート系、ＰＥＴ、アクリル系等の樹脂基板を使用してもよい。
【００１６】
透明電極１１１、１１２は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の透明導電膜からなり、必要により外周部のトリミングや取り出し電極形成をおこなって形成される。透明電極１１１、１１２は、透明絶縁膜（図示せず）で覆うことが望ましい。
【００１７】
周期的に形成された所定方向に延伸する凸部１３は、透明材料からなる層を透明電極１１１に積層し、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングして形成される。さらに、凸部１３と液晶層１４との接触面をポリイミド等からなる配向膜（図示せず）で覆って、液晶分子１４１が水平配向したときに、所定の方向に揃うようにすることが望ましい。
【００１８】
なお、図１では透明電極１１１上に所定方向に延伸する周期的な凸部１３を形成した構成が示されているが、第１の透明基板１２１上にまず所定方向に延伸する周期的な凸部１３を形成し、その上に透明電極１１１を形成する構成としてもよい。また、所定方向に延伸する周期的な凸部１３が第１の透明基板１２１上にのみ形成された構成に限定されず、対向配置された第２の透明基板１２２の対向面上にも形成された構成とすることもできる。
【００１９】
液晶層１４に用いる液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶等を使用することが可能であり、誘電異方性は正であっても負であってもよい。液晶層１４の液晶分子１４１の配向状態は、透明電極１１１、１１２への印加電圧により、透明基板に平行な面（以下、基板平行面と記す）内で配向処理方向に揃った水平配向状態から垂直に揃った垂直配向状態まで変化する。それにより、配向処理方向と平行な偏光方向の直線偏光に対して液晶層１４が示す屈折率は、液晶分子１４１が水平配向している時の異常光屈折率ｎeから、垂直配向している時の常光屈折率ｎoまで変化する。
【００２０】
凸部１３を形成する透明材料としては、その屈折率ｎsが液晶層１４の常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeと等しい透明材料を用いる。ｎo＜ｎeの場合、液晶層１４の常光屈折率ｎoを第１の屈折率ｎ1として、液晶層１４の異常光屈折率ｎeを第２の屈折率ｎ2とする。
【００２１】
透明材料としては、ガラス、ＳｉＯ2、ＳｉＯxＮy、Ｔａ2Ｏ5等の無機材料、これらの混合物、または有機物を、その屈折率を調整して用いることが好ましい。また、透明材料として、高分子液晶やＬｉＮｂＯ3などの複屈折材料を用いることもできる。その場合、複屈折材料からなる透明材料は、所定の偏光方向の直線偏光に対して示す屈折率が液晶分子１４１の常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeと等しくなるように選ぶ必要がある。
【００２２】
透明基板と液晶層１４との接触面には、配向処理を施すことが好ましい。配向処理は、光配向、イオンビーム照射、ＳｉＯ等の斜め蒸着、ラビング等によりおこなうことができる。所定方向に延伸する周期的な凸部１３が形成された透明基板に対しては、特に凸部１３のピッチＰが小さい場合には、イオンビーム照射や光配向により配向処理をおこなうことが好ましく、ポリイミド膜やポーラスなＳｉＯ2膜、ＳｉＯ2などの無機材料からなる微粒子膜、ＳｉＯxＮy膜などの配向膜に対してイオンビームにより配向処理をおこなった配向膜を用いることができる。配向方向は、基板平行面内のいずれの方向としてもよいが、周期的に形成された凸部１３が延伸する方向と平行とすると良好な配向状態を得易いので好ましい。
【００２３】
以下では、誘電異方性が正（電圧非印加時に液晶層１４の液晶分子１４１が基板平行面に対して水平配向する）であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大（ｎo＜ｎe）である液晶を用いるとともに、周期的な凸部１３を、液晶の常光屈折率ｎoと等しい屈折率ｎsを有する等方性透明材料を用いて形成した場合について述べる。ここで、凸部１３が延伸する方向をＹ軸方向とし、基板平行面の法線方向をＺ軸方向とするＸＹＺ座標系を考える。
【００２４】
液晶層１４の液晶分子１４１は、電圧非印加時に配向処理方向であるＹ軸方向に平行に揃い、十分な大きさの電圧を印加した時に基板平行面に垂直なＺ軸方向に揃う（以下、このときの電圧を垂直配向電圧と記す）。したがって、液晶層１４は、Ｙ軸と平行な偏光方向の直線偏光に対して、電圧非印加時に異常光屈折率ｎeを、垂直配向電圧印加時に常光屈折率ｎoを示す。周期的に形成された凸部１３を通過する光と、液晶層１４の一部をなし、凸部１３と凸部１３との間に形成される凹部（以下、凸部１３と凹部とをまとめて回折格子と記す）を透過する光とに生じる光路差φ［ｎｍ］は、（１）式のように凸部１３の高さｄ［ｎｍ］と、凸部１３と凹部との屈折率差Δｎとの積で定義される。
φ＝Δｎ・ｄ （１）
【００２５】
ここで凸部１３の屈折率ｎsは液晶層１４の常光屈折率ｎoと等しくされているので、可変回折素子１の周期的な凸部１３の高さｄ［ｎｍ］を（２）式：
φ＝｜ｎe−ｎo｜・ｄ
＝（０．５＋ｍ）・λ （２）
を満足するように決めると、電圧非印加時に、配向処理方向と平行な偏光方向をもつ波長λ［ｎｍ］の直線偏光の入射光に対して１次回折効率が最大となり、０次回折効率ηを最小とすることができる（以下、０次回折効率ηの最小値を最小値η0と記す）。ただし、ｍは０以上の整数である。ｍ＝０（零）とすると凸部１３の加工が容易になり好ましいが、これに限定されない。
そのときの０次回折効率ηは（３）式で表される。
η＝（ｃｏｓ（φ／２））2 （３）
【００２６】
一方、垂直配向電圧印加時は、凸部１３と液晶層１４は屈折率差を持たないので、可変回折素子１は回折を生じず入射光は実質的に１００％直進透過される（以下単に「透過率が１００％である」と記す）。また、配向処理方向と直交する方向、即ちＸ軸と平行な偏光方向の直線偏光に対しては、液晶層１４は電圧の印加にかかわらず常光屈折率ｎoを示して、凸部１３と屈折率差を持たないので、可変回折素子１は常に回折を生じず透過率が１００％である。
【００２７】
凸部１３の高さｄを波長λ＝４０５ｎｍに対して（２）式を満たすように決めた可変回折素子１において、凸部１３の幅ｗとピッチＰとの比である格子のデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを０．５としたときの、０次回折効率ηの光路差φ依存性のグラフを図２に示す。ここで、液晶の常光屈折率ｎo、異常光屈折率ｎeはそれぞれ１．５２８、１．７０８で、凸部１３の屈折率ｎsを液晶の常光屈折率ｎoと等しい１．５２８とした。
【００２８】
グラフからわかるように、配向処理方向と平行な偏光方向をもつ波長４０５ｎｍの直線偏光に対する０次回折効率ηは、液晶分子１４１が垂直配向して光路差φが零のときに１００％となり、光路差φの増加とともに減少して、（２）式が成り立つとき、即ち光路差φが２０２．５ｎｍのときに最小値η0を示す。これより、凸部１３の高さｄを調整、または印加電圧の大きさを調整して液晶層１４が示す屈折率を変化させる範囲を設定することにより、凸部１３と凹部の液晶層１４との光路差φの上限値を調整すれば、波長λの入射光に対する０次回折効率ηを、１００％（光路差φが零のとき）から下限値（光路差φが上限値のとき）までの範囲の任意の値に制御できることがわかる。例えば、図２の回折格子の０次回折効率ηを４０％に制御する場合には、光路差φが０．１２μｍとなるように凸部１３の高さｄまたは印加電圧の範囲を制御すればよい。
【００２９】
ところが、可変回折素子１の温度が変動すると、凸部１３の屈折率、高さｄおよび幅ｗの変化は無視することができるが、液晶層１４の屈折率は無視できない変化を示すので、光路差φの上限値の変化を生じて、０次回折効率の下限値が変動する。そのため、素子温度によらず所望の０次回折効率を安定して得るには、０次回折光強度をモニターして印加電圧を制御する等の付加手段が必要であった。
【００３０】
本願発明者は、かかる課題に対して、回折格子の凸部１３の高さｄを（２）式が成り立つように決めるとともに、格子のデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを調整することにより、温度による変動を抑制して所望の０次回折効率を安定して得られることを見出して、本願発明に至った。
【００３１】
図３に、凸部１３の高さｄを波長λ＝４０５ｎｍに対して（２）式を満たすように決めた可変回折素子１について、デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐを０．１から０．９まで０．１刻みで変えたときの、光路差φに対する０次回折効率ηの挙動をプロットしたグラフを示す。ここで、液晶の常光屈折率ｎo、異常光屈折率ｎeを図２の場合と同様とし、周期的な凸部１３のピッチＰを１０μｍとした。また、周期的な凸部１３のピッチＰを４μｍとした以外は図３の場合と同様の構成を有する可変回折素子１の０次回折効率ηの挙動をプロットしたグラフを、図４に示す。図３および図４において、デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．１、０．２、０．３、０．７、０．８、０．９のプロットは本願発明の構成に対応し、０．４、０．５、０．６のプロットは参考例である。
【００３２】
周期的な凸部１３のピッチＰが１０μｍでデューティ比Ｄ＝０．８の可変回折素子１に対して、液晶層１４への印加電圧を零とすると、０次回折効率ηを３２％に制御することができる。即ち、この可変回折素子１に対して、液晶層１４への印加電圧を、零と垂直配向電圧とに切り替えて制御すると、０次回折効率ηを３２％と１００％とに切り替えることができる。このとき、０次回折効率ηの最小値η0の近傍では、図３、図４からわかるように光路差φの変化に対する０次回折効率ηの変動が小さいので、温度変動により光路差φが変化しても、特段の付加手段を用いることなく０次回折効率ηの変動を小さく抑制することができる。
【００３３】
本発明の可変回折素子１では、デューティ比Ｄを０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５としているが、より好ましくは、凸部１３の屈折率ｎsが第１の屈折率ｎ1と等しい場合は０．３０以下または０．７０以上であって、凸部１３の屈折率ｎsが第２の屈折率ｎ2と等しい場合は０．３０以下または０．７０以上である。デューティ比Ｄをこの範囲から選択すると、可変回折素子１の０次回折効率ηを２０〜８０％の範囲の任意の値とすることができる。それにより、入射光を実質的に減衰させずに透過させる透過率が１００％の状態と、透過率が２０％〜８０％の範囲の任意の値となる状態とを安定に制御可能な可変回折素子が得られる。このような可変回折素子は、例えば、読み出しと書き込みとを切り替えておこなう光ヘッド装置に好ましく用いることができる。
【００３４】
凸部１３のピッチＰは、小さいほど回折角が大きくなって光ヘッド装置に用いた場合に回折光が光記録媒体に集光しないようにすることができるので、１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。不要な回折光の影響を避けるためには、ピッチＰを５μｍ以下とすることが特に好ましい。ただし、凸部１３の高さｄ、凸部１３の幅ｗや凹部の幅の寸法が光の波長の１／３〜１０倍の範囲内であると、０次回折効率ηが最小となる光路差φが（２）式で求められる値からずれ、それに伴って最小値η0が（３）式で求められる値からずれる場合があり、その場合は所望の光路差φと０次回折効率ηが得られるように高さｄや幅ｗを調整することが好ましい。
【００３５】
以上の説明では、液晶層１４の液晶として誘電異方性が正であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大（ｎo＜ｎe）である液晶を用いて、凸部１３の屈折率ｎsを常光屈折率ｎoと等しくした場合について述べたが、誘電異方性が負の液晶を用いたり、凸部１３の屈折率ｎsを異常光屈折率ｎeと等しくしたりする構成を用いることもできる。
【００３６】
次に、本発明に係る可変回折素子１を搭載した光ヘッド装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明では可変回折素子１に封入される液晶の誘電異方性は正であり、かつ異常光屈折率ｎeが常光屈折率ｎoより大であるものとする。また、液晶分子１４１の配向方向は、光源が出射する直線偏光の偏光方向と平行であるものとする。
【００３７】
図５は、本発明に係る可変回折素子１を備え、波長λ＝４０５ｎｍの直線偏光を用いて光ディスクへの情報の書き込みおよび光ディスクからの情報の読み出しをおこなう光ヘッド装置２の構成の一例を示すブロック図である。
光ヘッド装置２は、波長４０５ｎｍで偏光方向がＹ軸方向の直線偏光を出射する光源２１と、光源２１から出射された光源光を透過させ、光源光と直交する偏光方向（Ｘ軸方向）の直線偏光を反射するビームスプリッタ２２と、可変回折素子１と、可変回折素子１から出射された光源光を平行光線化するコリメータレンズ２３と、コリメータレンズ２３から出射された光源光を円偏光に変換する１／４波長板２４と、円偏光に変換された光源光を光ディスク２０の情報記録面に集光する対物レンズ２５と、情報記録面により反射されて対物レンズ２５、１／４波長板２４、コリメータレンズ２３および可変回折素子１を経てビームスプリッタ２２に入射し、ビームスプリッタ２２により光路を偏向された戻り光を受光して電気信号に変換する光検出器２６とを含む。
【００３８】
まず光ディスク２０に情報を書き込む場合について説明する。光源２１から出射された光源光は、ビームスプリッタ２２を直進透過して可変回折素子１に入射する。このとき、可変回折素子１の液晶層１４には垂直配向電圧が印加されていて、凸部１３と凹部とが屈折率差を有さず回折を生じないようにされているので、入射した光源光は、実質的に減衰されることなくコリメータレンズ２３へ出射される。
【００３９】
コリメータレンズ２３に入射した光源光は、平行光線化されて１／４波長板２４へ出射される。１／４波長板２４に入射した光源光は、円偏光に変換されて、対物レンズ２５により光ディスク２０の情報記録面に集光、照射されて、光ディスク２０に情報が書き込まれる。
【００４０】
光ディスク２０から情報を読み出す場合には可変回折素子１の液晶層１４に電圧を印加しない状態とし、凸部１３と凹部が屈折率差を有し、可変回折素子１に入射した光源光の一部が回折されるようにする。これにより、可変回折素子１に入射した光源光は、０次回折光のみが光ディスク２０へ出射されるので、読み出しに必要な小さい光量の照射光を低ノイズで安定に実現することができる。
【００４１】
また、光ディスク２０に情報を書き込む場合も、情報を読み出す場合も、光ディスク２０の情報記録面により反射された逆周りの円偏光である戻り光は、１／４波長板２４により偏光方向がＸ軸方向の直線偏光に変換されるので、可変回折素子１によって減衰されることなく光検出器２６へ導かれて、高い光利用効率で記録された情報を読み出すことができる。
【００４２】
図５の構成では、可変回折素子１をビームスプリッタ２２とコリメータレンズ２３の間に配置した例を示したが、光源２１と対物レンズ２５の間であればどこに配置してもよい。また、凸部１３の延伸方向は特に制約は無いが、回折光が迷光となって情報記録面に集光したり光検出器２６に入射したりしてノイズを発生させないように、凸部１３のピッチＰと合わせて設定することが好ましい。
【００４３】
上記に説明した実施形態以外にも、例えば情報記録面が２層の光ディスクと１層の光ディスクなど、照射光量が異なる光ディスクに適用する光ピックアップ装置において有効に用いることができる。
【実施例】
【００４４】
本発明に係る可変回折素子の具体的な製造方法について図１を用いて説明する。
（１）２枚の石英ガラス基板からなる第１の透明基板１２１および第２の透明基板１２２のうち、第１の透明基板１２１の面上にスパッタリング法により、ＩＴＯからなる透明電極１１１、１１２を形成する。
（２）第１の透明基板１２１上の透明電極１１１上に、波長４０５ｎｍの光に対する屈折率が１．５２になるように組成比を調整した、厚さ１．５μｍの透明材料であるＳｉＯxＮy膜を生成する。
【００４５】
（３）フォトリソグラフィおよびエッチングによりＳｉＯxＮy膜を微細加工して、ピッチＰ＝４μｍ、凸部１３の幅ｗ＝０．８μｍ、即ちデューティ比Ｄが０．２で、凸部１３の高さｄ＝１．５μｍとなるように回折格子を形成する。なお凸部１３の高さｄは、光の波長４０５ｎｍに対して（２）式から求められる凸部１３の高さｄである１．１２５μｍから調整をおこなった。
（４）２枚の透明基板の透明電極面側に配向膜であるポリイミド膜（図示せず）を成膜する。
（５）回折格子が形成された第１の透明基板１２１上のポリイミド膜に対して、イオンビーム法により配向処理をおこなう。また、回折格子が形成されていない第２の透明基板１２２上のポリイミド膜に対して、ラビング処理により配向処理をおこなう。配向処理方向は、回折格子の格子方向と平行な方向とする。
【００４６】
（６）一方の透明基板の外周部に直径６．５μｍのグラスファイバースペーサを混入したシール１５を形成し、２枚の透明基板を透明電極１１１、１１２が形成された面を対向させて接着し、基板面間隔が６．５μｍの空セルとする。
（７）シール１５に設けた注入孔から常光屈折率ｎo＝１．５２、異常光屈折率ｎe＝１．７０、誘電異方性＝７の液晶を真空注入し、注入口（図示せず）をアクリル系接着剤で封止して、図１に概略構成図を示した本実施例の可変回折素子１が完成する。
【００４７】
本実施例の可変回折素子１の波長λ＝４０５ｎｍの光に対する光学特性を、室温（２６℃）で測定した。透明電極１１１、１１２間に電圧を印加しない状態では、回折格子の格子が延伸する方向と平行方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは６５％、直交する方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは９３％であった。透明電極１１１、１１２間に４０Ｖｒｍｓの電圧を印加した状態では、回折格子が延伸する方向と平行に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは８９％、直交する方向に振動する直線偏光に対する０次回折効率ηは９３％であった。
【００４８】
次に、上記の可変回折素子１の電圧を印加しない状態、即ち光路差φ＝｜ｎe−ｎo｜・ｄとなる状態での平行方向の０次回折効率ηの温度に対する変化状況を調べた。その結果を図６のグラフ中に黒丸で示す。なお、横軸は素子の温度を、縦軸は０次回折効率ηを表す。このグラフから判るように、素子の温度が２６℃から８６℃まで変化したときの、０次回折効率ηの変動は約５％であった。
【００４９】
比較のために、ピッチＰを４μｍ、凸部の幅ｗを２μｍ、即ちデューティ比を０．５とし、凸部１３の高さｄを（２）式から求められる値の約６２％、即ちｄ＝０．７μｍとした以外は上記の回折格子と同様とした回折格子を作製して、０次回折効率ηの温度特性を調べた。その測定結果を図６に白丸で示す。このグラフから判るように、素子温度が２６℃から８６℃まで変動すると、０次回折効率ηは約２０％変動した。
【００５０】
以上説明したように、（２）式に基づいて凸部１３の高さｄを決めるとともに凸部１３のデューティ比Ｄを調節することにより、可変回折素子１の光学特性の周囲温度の変化による変動を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明に係る可変回折素子は、小型化が可能かつ配置の自由度が高く、周囲温度の変化による０次回折効率の変動を抑制することができるという効果を有し、光ディスクに対して記録・再生をおこなう光ヘッド装置に用いる可変減衰器として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る可変回折素子の断面図
【図２】デューティ比Ｄ＝５０％の可変回折素子の０次回折効率ηの光路差φ依存性を示すグラフ
【図３】０次回折効率ηの光路差φおよびデューティ比Ｄに対する依存性を示すグラフ（ピッチＰ＝１０μｍ）
【図４】０次回折効率ηの光路差φおよびデューティ比Ｄに対する依存性を示すグラフ（ピッチＰ＝４μｍ）
【図５】本発明に係る可変回折素子を備える光ヘッド装置の構成を示すブロック図
【図６】０次回折効率ηの温度依存性を示すグラフ
【図７】従来の可変回折素子の透明電極の電極パターンを示す平面図
【符号の説明】
【００５３】
１ 可変回折素子
２ 光ヘッド装置
１３ 凸部
１４ 液晶層
２１ 光源
２４ 波長板
２５ 対物レンズ
２６ 光検出器
１１１、１１２ 透明電極
１２１ 第１の透明基板
１２２ 第２の透明基板
１４１ 液晶分子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向面に透明電極が形成された第１の透明基板および第２の透明基板と、
前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の前記対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部と、
前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層とを備える可変回折素子であって、
前記液晶層は、外部電源から前記透明電極に電圧を印加して液晶分子の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、
前記凸部は、前記第１の屈折率ｎ1または前記第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、
前記凸部の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、前記凸部の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５であることを特徴とする可変回折素子。
【請求項２】
前記凸部の屈折率ｎsがｎ1と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３または０．７５〜０．９５である請求項１に記載の可変回折素子。
【請求項３】
前記凸部の屈折率ｎsがｎ2と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．２５または０．７〜０．９５である請求項１に記載の可変回折素子。
【請求項４】
波長λの直線偏光である光源光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記光源光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、
前記情報記録面により反射された戻り光を検出する光検出器とを含む光ヘッド装置であって、
前記光源と前記対物レンズの間の光路上に請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変回折素子が配置されることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１】
対向面に透明電極が形成された第１の透明基板および第２の透明基板と、
前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の少なくとも一方の前記対向面上にピッチＰで周期的に形成された所定方向に延伸する凸部と、
前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層とを備える可変回折素子であって、
前記液晶層は、外部電源から前記透明電極に電圧を印加して液晶分子の配向状態を制御することによって、所定の偏光方向の直線偏光の入射光に対する屈折率が、第１の屈折率ｎ1から第２の屈折率ｎ2（ただしｎ1＜ｎ2）まで変化するものであり、
前記凸部は、前記第１の屈折率ｎ1または前記第２の屈折率ｎ2と等しい屈折率ｎsを有する透明材料からなり、
前記凸部の高さｄは、｛（０．５＋ｍ）・λ／Δｎ｝（ただし、Δｎ＝｜ｎ2−ｎ1｜で、ｍは零を含む自然数、λは入射光の波長）であって、前記凸部の幅ｗとピッチＰとの比であるデューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３５または０．６５〜０．９５であることを特徴とする可変回折素子。
【請求項２】
前記凸部の屈折率ｎsがｎ1と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．３または０．７５〜０．９５である請求項１に記載の可変回折素子。
【請求項３】
前記凸部の屈折率ｎsがｎ2と等しく、前記デューティ比Ｄ＝ｗ／Ｐが０．０５〜０．２５または０．７〜０．９５である請求項１に記載の可変回折素子。
【請求項４】
波長λの直線偏光である光源光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記光源光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、
前記情報記録面により反射された戻り光を検出する光検出器とを含む光ヘッド装置であって、
前記光源と前記対物レンズの間の光路上に請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変回折素子が配置されることを特徴とする光ヘッド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２３４７６２（Ｐ２００８−２３４７６２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７２４３５（Ｐ２００７−７２４３５）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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