JP3667984B2 - 広帯域偏光分離素子とその広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド - Google Patents
広帯域偏光分離素子とその広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つ以上の異なる波長の光に対して偏光分離機能を有する広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用い、使用波長の異なる２種以上の光記録媒体（ＣＤ系，ＤＶＤ系等の光ディスク）に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク等の光記録媒体に対して情報の記録・再生を行う光ヘッドが知られているが、光ディスク用光ヘッドでは、光ディスク基板からの情報信号を光源に戻すことなく効率よく受光光学系の光検出器へ導く手段として、偏光ビームスプリッタを１／４波長板と組み合わせて用い、光源からの出射光と光ディスクからの反射光とを偏光分離することが行われている。しかし、偏光ビームスプリッタは、複屈折の大きい結晶材料からなる２つのプリズムを組み合わせた構造や、あるいはガラス等の等方性の光学媒質からなる２つのプリズムの接合面（反射面）に誘電体多層膜を設けた構造などからなるため、大型でかつ高価であるという難点を有し、光ヘッドの小型化や低コスト化を図りにくいという欠点がある。
【０００３】
そこで、従来の偏光分離素子の難点を除去した、極めて薄い偏光分離素子として、複屈折回折格子型偏光板が提案されている（特開昭６３−３１４５０２号公報）。この複屈折回折格子型偏光板は、複屈折光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を基板として用い、これに周期的パターンでプロトンイオン交換を施し、さらにプロトンイオン交換領域上に誘電体膜を装荷した構造を持ち、プロトンイオン交換領域での常光線の位相差を誘電体膜で相殺することにより、常光線は直進し、異常光線だけを回折させる機能を有しており、薄くて小型の偏光分離素子を実現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、常光と異常光を分離する機能を有する薄くて小型の偏光分離素子が実現でき、ある特定の１波長について偏光分離の機能を持たせることができるが、異なる２つ以上の波長に対して偏光分離したいような目的に対しては有効に機能できない。
このため、１つの光ディスク用光ヘッドで、使用波長の異なる２種以上の光ディスク（ＣＤ系、ＤＶＤ系等）に対して情報の記録・再生を行いたいというような目的には対応することができない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、２つ以上の異なる複数の波長に対して消光比（偏光分離度）の良い広帯域偏光分離素子を提供することを第１の目的（課題）とする。
また、本発明は、上記広帯域偏光分離素子を用いて、構成がシンプルでかつ使用波長の異なる２種以上の光ディスクに対して情報の記録・再生を行うことができる２波長搭載光ディスク用光ヘッドを提供することを第２の目的（課題）とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る広帯域偏光分離素子は、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子であり、少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有している。
【０００７】
そして請求項１に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
を略満足することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
を略満足することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載の光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項１または２に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された１／４波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載の光ヘッドは、請求項３の構成に加えて、前記広帯域偏光分離素子に１／４波長板が一体化されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に記載の光ヘッドは、請求項３または４の構成に加えて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が１つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、前記広帯域偏光分離素子、あるいは１／４波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に記載の光ヘッドは、請求項３または４または５の構成に加えて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの構成・動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
（実施例１）
まず広帯域偏光分離素子の基本的な構成、動作の実施例について説明する。図１は本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。図１において、偏光分離素子１は、ガラスやプラスチック等の透明基板２上に周期的凹凸の格子構造を持つ複屈折膜３が装荷され、その上を等方性のオーバーコート層４で覆われた構成となっている。複屈折膜３は図１の紙面方向に振動する光とこれと垂直方向に振動する光に対する屈折率が異なる複屈折性を示す膜である。次にこの偏光分離素子１の動作を図２、図３に示す。
【００１５】
図２は図１に示す偏光分離素子の動作の一実施例を示す図であり、偏光分離素子１への入射光は２波長λ1 ，λ2 であり、その偏光としては、紙面方向とそれに垂直な偏波方向の２方向の振動成分をもつものとする。図２では偏光分離素子１を透過後、紙面方向の振動成分の光は２波長とも０次光として直進し、これと垂直方向の振動成分の光は±１次光として回折する。ここで、波長λ1 ＜λ2 とすると、＋１次光、−１次光ともλ1 よりλ2 の光の回折角は大きくなる。これによって偏光方向により２波長λ1 ，λ2 の光の方向が変わり、２波長に対する偏光分離素子として動作する。
【００１６】
次に図３は図１に示す偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図であり、図２とは反対に紙面に垂直な偏波方向の振動成分をもつ光がλ1 ，λ2 の２波長とも０次光として直進し、紙面方向の振動成分をもつ光が±１次光として回折し、偏光方向により２波長λ1 ，λ2 の光が偏光分離され、消光比（偏光分離度）の高い偏光分離素子となる。
【００１７】
尚、図１に示す構成の偏光分離素子は、上記２波長λ1 ，λ2 で消光比が高いのみでなく、λ1 ＜λ＜λ2 を満たす波長λに対して高い消光比を持った広帯域偏光分離素子として動作する。
【００１８】
図１に示す構成の偏光分離素子１に用いられる複屈折膜３としては、Ｔａ2Ｏ5のような無機酸化物を透明基板２に対して斜め蒸着した膜や、あるいは透明基板２上に形成した配向膜上にポリジアセチレンを真空蒸着して配向させ紫外光を照射して固めた複屈折膜、あるいは透明基板２上にポリイミド膜を形成し、該ポリイミド膜を加熱しながら１方向に延伸して複屈折性を持たせた膜などが使える。そして、これらの複屈折膜をエッチングして凹凸の周期格子を形成させる。
【００１９】
また、等方性オーバーコート層４としては、上記複屈折膜と同じ材料を用い等方性を持たせて装荷する。すなわち、Ｔａ2Ｏ5なら斜めではなく基板に垂直方向から蒸着させる。ポリジアセチレンなら配向膜を介さないで装荷させる。ポリイミドなら延伸させないで加熱だけしてイミド膜とするなどである。また、屈折率を調整した樹脂をオーバーコート層としても良い。
【００２０】
尚、偏光分離素子を構成する複屈折膜３は膜状のものだけでなく、図５に示す実施例のように、ＬｉＮｂＯ3 、方解石、水晶などの複屈折性結晶３’を用い、この複屈折結晶３’をエッチングしてして周期的凹凸格子を形成し、その上に等方性オーバーコート層４を装荷しても良い。
あるいは図６に示す実施例のように、基板２上に複屈折膜３による周期的凹凸格子を形成した後、その上に別のガラス基板８を等方性の樹脂接着剤（等方性接着剤）７で接着し、この接着剤７がオーバーコート層の役割を持った構造にしても良い。
【００２１】
また、上記の実施例では複屈折媒体を周期的凹凸形状にしてその上に等方性物質でオーバーコートする構造の格子で説明したが、これに限定されるものではなく、従来技術で示したような、ＬｉＮｂＯ3 等の複屈折結晶を基板として用い、これに周期的パターンでイオン交換処理を施して周期的格子構造を形成した格子にも適用できる。
【００２２】
（実施例２）
つぎに請求項１の実施例について説明する。本実施例では、詳しく偏光分離素子の動作を解析し、図２に示した偏光分離素子の動作の最適条件を求める。ここでいう最適条件とは２波長λ１ ，λ２ の両方に対して消光比の良い条件である。
図４は図１，２に示す偏光分離素子１の要部を部分的に拡大して示す断面図である。図４においては、周期格子は透明基板２上に複屈折膜３が周期ｄで規則的に配列された凹凸構造となり、凹凸形状（複屈折領域）の深さをｈとする。
【００２３】
ここで、上記最適条件を考えるとき第３の波長λ3 を考える。この第３の波長λ3 はλ1 ＜λ3 ＜λ2 を満足する波長であり、実際にはλ1 とλ2 の中間近傍の波長が好ましい。
この波長λ3 における複屈折膜３の周期的格子の紙面方向の偏波（例えばｐ偏光）に対する屈折率をｎp 、紙面と垂直方向の偏波（例えばｓ偏光）に対する屈折率をｎs とし、等方性オーバーコート層４の屈折率をｎ1 とすると、例えば図４において、光路Ａ，Ｂ間の波長λ3 に対する光路長差Δは、
紙面方向 ：Δp＝（ｎp−ｎ1）ｈ ・・・(１)
紙面に垂直方向：Δs＝（ｎs−ｎ1）ｈ ・・・(２)
となる。以後、紙面方向を格子ベクトル方向と呼ぶ（図１に図示）。
【００２４】
図２のように格子ベクトル方向の振動成分が０次光として直進し、格子ベクトル方向と垂直な振動成分が効率良く±１次光として回折されるためには、次の二式を略満足することが必要である。すなわち、光の波長をλ3 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とすると、次の条件、
（ｎp−ｎ1）ｈ＝ｍλ3 ・・・(３)
（ｎs−ｎ1）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ3 ・・・(４)
である。
【００２５】
λ1 とλ2 の２波長の光が０次光と１次光に偏光分離するとき、偏光分離度（消光比）を高めるためには(３)，(４)式を満足している必要がある。
ただし、実用的には(３)，(４)式を厳密に満足していなくても近傍の条件になるように複屈折膜３の屈折率ｎp ，ｎs 、オーバーコート層４の屈折率ｎ1 、周期的格子の凹凸深さｈ、次数ｍを設定する。
また、(３)，(４)式を満足する格子深さをｈ1 とすると、(４)−(３)より、
（ｎs−ｎp）ｈ1＝λ3／２ ・・・(５)
∴ｈ1＝λ3／{２（ｎs−ｎp）} ・・・(６)
となる。
【００２６】
尚、従来技術のように複屈折結晶をイオン交換して作成した格子に対してはイオン交換領域の深さが上記のｈとなる。
また、(３)，(４)式を厳密に満足しなくても近傍で略満足すれば良いことは言うまでもない。
【００２７】
次に本発明の具体的な実施例を示す。この実施例は、複屈折膜３としてＴａ2Ｏ5の斜め蒸着膜を用い、オーバーコート層としてＴａ2Ｏ5の垂直蒸着膜を用いた場合である。
また、λ1＝６３５ｎｍ、λ2＝７８０ｎｍの２波長の光に対して消光比の良い偏光分離素子で第３の波長λ3 としてλ1 とλ2 のほぼ中間波長を選び、λ3＝７１０ｎｍとした。
この波長λ3 において、複屈折膜３である斜め蒸着Ｔａ2Ｏ5膜の格子ベクトル方向（紙面方向）の屈折率ｎp はｎp＝１．９４４、紙面（格子ベクトル方向）に垂直方向の屈折率ｎs はｎs＝２．０２３である。また、Ｔａ2Ｏ5オーバーコート層４のλ3 における屈折率ｎ1 はｎ1＝１．９４４である。
【００２８】
このような０次光と１次光（片側）の回折効率と格子深さｈの関係を図７に示す（図は(３)，(４)式中のｍ＝０の場合である）。
図７は格子の凹部と凸部の幅が等しいときの値で格子ベクトル方向のｐ偏波に対する０次光の回折効率と、これと直交するｓ偏波の１次光の回折効率を、波長６３５ｎｍ及び７８０ｎｍについてプロットしてある。
２波長とも消光比の大きくなる条件である(３)，(４)式から導かれる最適格子深さｈ1 は、本実施例の場合ｈ1＝４．４９μｍ である。図７でその点を見ると、ｐ偏波の０次光は両波長とも回折効率１００％であり、ｓ偏波の１次光は波長６３５ｎｍは３９％、７８０ｎｍは４０％で両方ともほぼ等しく、また効率も高い。本発明のような矩形格子の１次光の最高回折効率は４０．５％なので、２波長ともほぼ最高回折効率に近い高効率である。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば(３)，(４)式の条件を満足するように格子を形成することにより、６３５ｎｍ及び７８０ｎｍの両波長ともｐ偏波は０次光、ｓ偏波は±１次光に偏光分離され、消光比（偏光分離度）も極めて高い広帯域偏光分離素子が実現される。
【００３０】
（実施例３）
次に請求項２の実施例について説明する。本実施例では偏光分離素子１が図３のような動作をするときの最適条件を求める。
本実施例においても、着目する２波長λ１ ，λ２ に対してλ１ ＜λ３ ＜λ２ を満足する第３の波長λ３ に対し、複屈膜３における格子ベクトル方向（紙面方向）の偏波（例えばｐ偏光）に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波（例えばｓ偏光）に対する屈折率をｎｓ とし、等方性オーバーコート層４の屈折率をｎ１ 、周期的格子の凹凸深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、下記の(７)，(８)式、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３ ・・・(７)
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３ ・・・(８)
を略満足すれば図３の動作で偏光分離の消光比が高くなる条件となる。また、実際に(７)，(８)式が略成り立つようにｎｐ，ｎｓ，ｎ１，ｈ，ｍを設定する。
尚、詳細については回折条件がｐ偏波とｓ偏波で逆になるが実施例２（請求項１）に準じた動作となる。
【００３１】
（実施例４）
次に請求項３の実施例について説明する。本実施例は実施例１から３に述べた本発明の広帯域偏光分離素子を光ディスク用光ヘッドに適用する場合の実施例であり、図８は広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
図８に示すように、この光ヘッドは波長の異なる光源を２個使い光学系を共通的に用いる構成であり、使用波長の異なる２種以上の光記録媒体（ＣＤ系，ＤＶＤ系等の光ディスク）に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドである。これは現在の光ディスクシステムで波長λ＝７８０ｎｍでの記録再生を前提にした追記型ＣＤであるＣＤ−Ｒ（ＣＤ−Recordable)と波長λ＝６３５ｎｍで記録再生を行う追記型ＤＶＤのＤＶＤ−Ｒの２種類の波長を一つの光ヘッドで互換的に使用する場合などがこれにあたる。
【００３２】
図８において、２つの光源は半導体レーザー１１，１１’からなり、一方の半導体レーザー１１は例えばλ1＝６３５ｎｍの発振波長、他方の半導体レーザー１１’はλ2＝７８０ｎｍの発振波長である。光ヘッドの光源１１，１１’から光ディスク１４（または１４’）に至る光路中には、実施例１〜３（請求項１〜３）の何れかに記載の広帯域偏光分離素子１９と１／４波長板２０、及びコリメートレンズ１６、対物レンズ１５が配置されている。偏光分離素子１９中の周期格子の格子ベクトル方向は図８の紙面方向と一致している。半導体レーザー１１，１１’の出射光の振動方向が紙面方向のとき、偏光分離素子は前述した(３)，(４)式を略満足することが望ましく、また、振動方向が紙面と垂直方向のときは(７)，(８)式を略満足することが望ましい。
【００３３】
これらの条件により、半導体レーザー１１（または１１’）からの出射光は偏光分離素子１９を０次光としてほとんど損失無く透過する。そして偏光分離素子１９を透過した光束は１／４波長板により円偏光となり、コリメートレンズ１６で平行光となり、対物レンズ１５により光ディスク上の記録面に集光される。ここで、半導体レーザー１１からのビームはＤＶＤなどの薄基板の光ディスク１４に、半導体レーザー１１’からのビームはＣＤなどの厚基板の光ディスク１４’に集光する。
【００３４】
光ディスク１４（または１４’）の記録面に集光された光は該記録面で反射され、その反射光は対物レンズ１５、コリメートレンズ１６を経て１／４波長板２０に戻り、１／４波長板２０透過後は円偏光が半導体レーザー出射時の振動方向と直交する振動方向の直線偏光に変換される。そして、出射時と直交した振動面に対しては偏光分離素子１９でほとんど±１次光として回折される。
【００３５】
図８において、半導体レーザー１１からの短波長の光は実線で光路を示し、半導体レーザー１１’からの長波長の光は点線で光路を示すが、偏光分離素子１９で回折後は、２波長の光のそれぞれで光路が大きく異なる。短波長のλ1＝６３５ｎｍの光に対してより長波長のλ2＝７８０ｎｍの光に対する回折角が大きくなるので、λ2 の方は外側に、λ1 の方はその内側に回折される。そこで内側には短波長λ1 用の光検出器１２，１３を配置し、その外側に長波長λ2 用の光検出器１２’，１３’が配置され、各々の波長光が検出される。光検出器１２，１３（または１２’，１３’）による検出は、光ディスク１４（または１４’）に記録されている情報信号の他、フォーカスサーボやトラッキングサーボのためのフォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号を検出する。
【００３６】
図８の光ヘッドに用いる偏光分離素子１９は、請求項１（実施例２）あるいは請求項２（実施例３）のように、λ１ ＜λ３ ＜λ２ を満足する第３の波長λ３ に対して(３)，(４)式あるいは(７)，(８)式を略満足するように設定すれば、λ１ ，λ２ の両方の波長に対して往復の光利用効率を共に高くすることができ、ＤＶＤ系及びＣＤ系で記録再生する用途に最適の２波長対応の光ヘッドを提供することができる。
したがって、請求項４記載の発明により対応波長の異なる複数の光ディスク１４，１４’に対して一つの光ヘッドで記録再生が行えるので、光ディスクドライブの小型化、低コスト化に貢献することができる。
【００３７】
（実施例５）
次に請求項４の実施例について説明する。本実施例は、図８に示した構成の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子１９に１／４波長板２０を一体化して１／４波長板付き偏光分離素子１７とするものである。具体的には、図１または図５に示す構成の偏光分離素子の等方性オーバーコート層４の上に１／４波長板を接着して一体化するか、あるいは図６に示す構成の偏光分離素子のガラス基板８の上に１／４波長板を接着して一体化することにより、１／４波長板付き偏光分離素子１７とする。また、別の例として、図１または図５の偏光分離素子の等方性オーバーコート層４の上や、図６に示す構成の偏光分離素子のガラス基板８の上に、異方性膜を用いた１／４波長膜を装荷成膜することも可能である。
【００３８】
本発明に係る偏光分離素子を光ヘッドに用いる場合、往復の光利用効率を最大にするには図８のように１／４波長板との組み合わせが必須である。この場合、偏光分離素子と１／４波長板を別々に形成して配置してもよいが、上記の実施例のように偏光分離素子１９に１／４波長板２０を一体化して１／４波長板付き偏光分離素子１７とすることにより、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化に寄与できる。また、偏光分離素子上に１／４波長膜を装荷成膜して一体化する場合には、１／４波長板として高価な光学結晶を用いる必要がなく、低コスト化に寄与することができる。
【００３９】
（実施例６）
次に請求項５の実施例について説明する。図９は請求項５記載の光ヘッドの一例を示す概略構成図であり、基本的な構成及び動作は図８の２波長対応光ヘッドと同じであるが、波長λ１ の半導体レーザー１１とそれに対応する光検出器１２，１３、及び波長λ２ の半導体レーザー１１’とそれに対応する光検出器１２’，１３’を１つのパッケージ８に一体的に実装し、さらにパッケージ８の上面に、１／４波長板２０と広帯域偏光分離素子１９を一体化した１／４波長板付き偏光分離素子１７を接着して一体化したものである。
【００４０】
本実施例の構成により、２波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな２波長対応光ヘッドが実現できる。
また、半導体レーザー１１，１１’、光検出器１２，１３，１２’，１３’、１／４波長板付き偏光分離素子１７などの主要部が１つのパッケージ８に一体化されているため、周囲温度の変化に対し、光学系の安定性が増すようになる。
【００４１】
（実施例７）
次に請求項６の実施例について説明する。図１０は請求項６記載の光ヘッドの一例を示す概略要部構成図であり、図９に示した光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す図である。実施例４（請求項３）〜実施例６（請求項５）に示した構成の光ヘッドにおいては、２つの半導体レーザー１１及び１１’は、光ヘッド光学系の光軸と垂直方向に互いに離れて配置されているが、図１０に示すように、光軸方向においては距離ΔＺだけ互いにずらして配置される。
すなわち、図８や図９に示されているように、基板厚の異なる２種の光ディスク１４，１４’では光軸方向の集光位置にずれがあるため、図１０のように２つの半導体レーザー１１，１１’を光軸方向に距離ΔＺだけ互いにずらして配置することにより、２種の光ディスク１４，１４’に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる２種の光ディスク１４，１４’に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【００４２】
尚、上記の実施例４〜７に示した構成の光ヘッドにおいては、光検出器として、分離された複数の光検出器１２，１３，１２’，１３’を用いているが、これに限定されず、光検出器は、１枚のＳｉ基板上に複数の検出領域が形成されている１つの光検出器でも良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有するので、異なる２つ以上の波長の光に対し０次光と回折光に偏光分離することができ、広帯域な偏光分離素子を実現することができる。
【００４４】
そして請求項１記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
を略満足することを特徴とするので、波長λ１ からλ２ の間の波長λ３ の光に対して最大の消光比（偏光分離度）を与えることができる。また、上記の条件により、０次光が格子ベクトル方向の偏波、１次回折光がこれと垂直な方向の偏波に分離し、最も消光比の高い条件となる。
【００４５】
また、請求項２記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
を略満足することを特徴とするので、波長λ１ からλ２ の間の波長λ３ の光に対して最大の消光比（偏光分離度）を与えることができる。また、上記の条件により、請求項１とは逆に、０次光が格子ベクトルと垂直方向の偏波、１次回折光が格子ベクトル方向の偏波となる場合に最大の消光比を持たせられる。
【００４６】
請求項３記載の発明による光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項１または２に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された１／４波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするので、対応波長の異なる複数の光記録媒体に対して一つの光ヘッドで記録再生を行うことができ、部品点数が大幅に少なく、簡易構成の２波長対応光ヘッドを実現することができ、光ディスクドライブ等の小型化、低コスト化に貢献することができる。
【００４７】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子に１／４波長板が一体化されていることを特徴とするので、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化を図ることができる。
【００４８】
請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の光ヘッドにおいて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が１つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、広帯域偏光分離素子、あるいは１／４波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするので、２波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな２波長対応光ヘッドが実現できる。
【００４９】
請求項６に記載の発明では、請求項３または４または５に記載の光ヘッドにおいて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするので、２種類の光記録媒体の基板厚に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる２種類の光記録媒体に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。
【図２】図１に示す広帯域偏光分離素子の動作の一実施例を示す図である。
【図３】図１に示す広帯域偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図である。
【図４】図１に示す広帯域偏光分離素子の要部を部分的に拡大して示す要部断面図である。
【図５】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図６】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図７】本発明の広帯域偏光分離素子による０次光と１次光の回折光率と格子深さの関係を示すグラフである。
【図８】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
【図９】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの別の例を示す概略構成図である。
【図１０】図９に示す光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す概略要部構成図である。
【符号の説明】
１，１’：広帯域偏光分離素子
２：透明基板
３：複屈折膜
３’：複屈折性結晶
４：等方性オーバーコート層
７：等方性接着層
８：ガラス基板
１１：波長λ1 の半導体レーザー
１１'：波長λ2 の半導体レーザー
１２,１３：波長λ1 用の光検出器
１２’，１３’：波長λ2 用の光検出器
１４：波長λ1 対応の光ディスク（ＤＶＤ等）
１４’：波長λ2 対応の光ディスク（ＣＤ等）
１５：対物レンズ
１６：コリメートレンズ
１７：１／４波長板付き偏光分離素子
１８：パッケージ
１９：広帯域偏光分離素子
２０：１／４波長板
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つ以上の異なる波長の光に対して偏光分離機能を有する広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用い、使用波長の異なる２種以上の光記録媒体（ＣＤ系，ＤＶＤ系等の光ディスク）に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク等の光記録媒体に対して情報の記録・再生を行う光ヘッドが知られているが、光ディスク用光ヘッドでは、光ディスク基板からの情報信号を光源に戻すことなく効率よく受光光学系の光検出器へ導く手段として、偏光ビームスプリッタを１／４波長板と組み合わせて用い、光源からの出射光と光ディスクからの反射光とを偏光分離することが行われている。しかし、偏光ビームスプリッタは、複屈折の大きい結晶材料からなる２つのプリズムを組み合わせた構造や、あるいはガラス等の等方性の光学媒質からなる２つのプリズムの接合面（反射面）に誘電体多層膜を設けた構造などからなるため、大型でかつ高価であるという難点を有し、光ヘッドの小型化や低コスト化を図りにくいという欠点がある。
【０００３】
そこで、従来の偏光分離素子の難点を除去した、極めて薄い偏光分離素子として、複屈折回折格子型偏光板が提案されている（特開昭６３−３１４５０２号公報）。この複屈折回折格子型偏光板は、複屈折光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を基板として用い、これに周期的パターンでプロトンイオン交換を施し、さらにプロトンイオン交換領域上に誘電体膜を装荷した構造を持ち、プロトンイオン交換領域での常光線の位相差を誘電体膜で相殺することにより、常光線は直進し、異常光線だけを回折させる機能を有しており、薄くて小型の偏光分離素子を実現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、常光と異常光を分離する機能を有する薄くて小型の偏光分離素子が実現でき、ある特定の１波長について偏光分離の機能を持たせることができるが、異なる２つ以上の波長に対して偏光分離したいような目的に対しては有効に機能できない。
このため、１つの光ディスク用光ヘッドで、使用波長の異なる２種以上の光ディスク（ＣＤ系、ＤＶＤ系等）に対して情報の記録・再生を行いたいというような目的には対応することができない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、２つ以上の異なる複数の波長に対して消光比（偏光分離度）の良い広帯域偏光分離素子を提供することを第１の目的（課題）とする。
また、本発明は、上記広帯域偏光分離素子を用いて、構成がシンプルでかつ使用波長の異なる２種以上の光ディスクに対して情報の記録・再生を行うことができる２波長搭載光ディスク用光ヘッドを提供することを第２の目的（課題）とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る広帯域偏光分離素子は、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子であり、少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有している。
【０００７】
そして請求項１に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
を略満足することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の広帯域偏光分離素子は、上記の構成に加えて、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
を略満足することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載の光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項１または２に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された１／４波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載の光ヘッドは、請求項３の構成に加えて、前記広帯域偏光分離素子に１／４波長板が一体化されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に記載の光ヘッドは、請求項３または４の構成に加えて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が１つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、前記広帯域偏光分離素子、あるいは１／４波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に記載の光ヘッドは、請求項３または４または５の構成に加えて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による広帯域偏光分離素子と、その広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの構成・動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
（実施例１）
まず広帯域偏光分離素子の基本的な構成、動作の実施例について説明する。図１は本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。図１において、偏光分離素子１は、ガラスやプラスチック等の透明基板２上に周期的凹凸の格子構造を持つ複屈折膜３が装荷され、その上を等方性のオーバーコート層４で覆われた構成となっている。複屈折膜３は図１の紙面方向に振動する光とこれと垂直方向に振動する光に対する屈折率が異なる複屈折性を示す膜である。次にこの偏光分離素子１の動作を図２、図３に示す。
【００１５】
図２は図１に示す偏光分離素子の動作の一実施例を示す図であり、偏光分離素子１への入射光は２波長λ1 ，λ2 であり、その偏光としては、紙面方向とそれに垂直な偏波方向の２方向の振動成分をもつものとする。図２では偏光分離素子１を透過後、紙面方向の振動成分の光は２波長とも０次光として直進し、これと垂直方向の振動成分の光は±１次光として回折する。ここで、波長λ1 ＜λ2 とすると、＋１次光、−１次光ともλ1 よりλ2 の光の回折角は大きくなる。これによって偏光方向により２波長λ1 ，λ2 の光の方向が変わり、２波長に対する偏光分離素子として動作する。
【００１６】
次に図３は図１に示す偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図であり、図２とは反対に紙面に垂直な偏波方向の振動成分をもつ光がλ1 ，λ2 の２波長とも０次光として直進し、紙面方向の振動成分をもつ光が±１次光として回折し、偏光方向により２波長λ1 ，λ2 の光が偏光分離され、消光比（偏光分離度）の高い偏光分離素子となる。
【００１７】
尚、図１に示す構成の偏光分離素子は、上記２波長λ1 ，λ2 で消光比が高いのみでなく、λ1 ＜λ＜λ2 を満たす波長λに対して高い消光比を持った広帯域偏光分離素子として動作する。
【００１８】
図１に示す構成の偏光分離素子１に用いられる複屈折膜３としては、Ｔａ2Ｏ5のような無機酸化物を透明基板２に対して斜め蒸着した膜や、あるいは透明基板２上に形成した配向膜上にポリジアセチレンを真空蒸着して配向させ紫外光を照射して固めた複屈折膜、あるいは透明基板２上にポリイミド膜を形成し、該ポリイミド膜を加熱しながら１方向に延伸して複屈折性を持たせた膜などが使える。そして、これらの複屈折膜をエッチングして凹凸の周期格子を形成させる。
【００１９】
また、等方性オーバーコート層４としては、上記複屈折膜と同じ材料を用い等方性を持たせて装荷する。すなわち、Ｔａ2Ｏ5なら斜めではなく基板に垂直方向から蒸着させる。ポリジアセチレンなら配向膜を介さないで装荷させる。ポリイミドなら延伸させないで加熱だけしてイミド膜とするなどである。また、屈折率を調整した樹脂をオーバーコート層としても良い。
【００２０】
尚、偏光分離素子を構成する複屈折膜３は膜状のものだけでなく、図５に示す実施例のように、ＬｉＮｂＯ3 、方解石、水晶などの複屈折性結晶３’を用い、この複屈折結晶３’をエッチングしてして周期的凹凸格子を形成し、その上に等方性オーバーコート層４を装荷しても良い。
あるいは図６に示す実施例のように、基板２上に複屈折膜３による周期的凹凸格子を形成した後、その上に別のガラス基板８を等方性の樹脂接着剤（等方性接着剤）７で接着し、この接着剤７がオーバーコート層の役割を持った構造にしても良い。
【００２１】
また、上記の実施例では複屈折媒体を周期的凹凸形状にしてその上に等方性物質でオーバーコートする構造の格子で説明したが、これに限定されるものではなく、従来技術で示したような、ＬｉＮｂＯ3 等の複屈折結晶を基板として用い、これに周期的パターンでイオン交換処理を施して周期的格子構造を形成した格子にも適用できる。
【００２２】
（実施例２）
つぎに請求項１の実施例について説明する。本実施例では、詳しく偏光分離素子の動作を解析し、図２に示した偏光分離素子の動作の最適条件を求める。ここでいう最適条件とは２波長λ１ ，λ２ の両方に対して消光比の良い条件である。
図４は図１，２に示す偏光分離素子１の要部を部分的に拡大して示す断面図である。図４においては、周期格子は透明基板２上に複屈折膜３が周期ｄで規則的に配列された凹凸構造となり、凹凸形状（複屈折領域）の深さをｈとする。
【００２３】
ここで、上記最適条件を考えるとき第３の波長λ3 を考える。この第３の波長λ3 はλ1 ＜λ3 ＜λ2 を満足する波長であり、実際にはλ1 とλ2 の中間近傍の波長が好ましい。
この波長λ3 における複屈折膜３の周期的格子の紙面方向の偏波（例えばｐ偏光）に対する屈折率をｎp 、紙面と垂直方向の偏波（例えばｓ偏光）に対する屈折率をｎs とし、等方性オーバーコート層４の屈折率をｎ1 とすると、例えば図４において、光路Ａ，Ｂ間の波長λ3 に対する光路長差Δは、
紙面方向 ：Δp＝（ｎp−ｎ1）ｈ ・・・(１)
紙面に垂直方向：Δs＝（ｎs−ｎ1）ｈ ・・・(２)
となる。以後、紙面方向を格子ベクトル方向と呼ぶ（図１に図示）。
【００２４】
図２のように格子ベクトル方向の振動成分が０次光として直進し、格子ベクトル方向と垂直な振動成分が効率良く±１次光として回折されるためには、次の二式を略満足することが必要である。すなわち、光の波長をλ3 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とすると、次の条件、
（ｎp−ｎ1）ｈ＝ｍλ3 ・・・(３)
（ｎs−ｎ1）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ3 ・・・(４)
である。
【００２５】
λ1 とλ2 の２波長の光が０次光と１次光に偏光分離するとき、偏光分離度（消光比）を高めるためには(３)，(４)式を満足している必要がある。
ただし、実用的には(３)，(４)式を厳密に満足していなくても近傍の条件になるように複屈折膜３の屈折率ｎp ，ｎs 、オーバーコート層４の屈折率ｎ1 、周期的格子の凹凸深さｈ、次数ｍを設定する。
また、(３)，(４)式を満足する格子深さをｈ1 とすると、(４)−(３)より、
（ｎs−ｎp）ｈ1＝λ3／２ ・・・(５)
∴ｈ1＝λ3／{２（ｎs−ｎp）} ・・・(６)
となる。
【００２６】
尚、従来技術のように複屈折結晶をイオン交換して作成した格子に対してはイオン交換領域の深さが上記のｈとなる。
また、(３)，(４)式を厳密に満足しなくても近傍で略満足すれば良いことは言うまでもない。
【００２７】
次に本発明の具体的な実施例を示す。この実施例は、複屈折膜３としてＴａ2Ｏ5の斜め蒸着膜を用い、オーバーコート層としてＴａ2Ｏ5の垂直蒸着膜を用いた場合である。
また、λ1＝６３５ｎｍ、λ2＝７８０ｎｍの２波長の光に対して消光比の良い偏光分離素子で第３の波長λ3 としてλ1 とλ2 のほぼ中間波長を選び、λ3＝７１０ｎｍとした。
この波長λ3 において、複屈折膜３である斜め蒸着Ｔａ2Ｏ5膜の格子ベクトル方向（紙面方向）の屈折率ｎp はｎp＝１．９４４、紙面（格子ベクトル方向）に垂直方向の屈折率ｎs はｎs＝２．０２３である。また、Ｔａ2Ｏ5オーバーコート層４のλ3 における屈折率ｎ1 はｎ1＝１．９４４である。
【００２８】
このような０次光と１次光（片側）の回折効率と格子深さｈの関係を図７に示す（図は(３)，(４)式中のｍ＝０の場合である）。
図７は格子の凹部と凸部の幅が等しいときの値で格子ベクトル方向のｐ偏波に対する０次光の回折効率と、これと直交するｓ偏波の１次光の回折効率を、波長６３５ｎｍ及び７８０ｎｍについてプロットしてある。
２波長とも消光比の大きくなる条件である(３)，(４)式から導かれる最適格子深さｈ1 は、本実施例の場合ｈ1＝４．４９μｍ である。図７でその点を見ると、ｐ偏波の０次光は両波長とも回折効率１００％であり、ｓ偏波の１次光は波長６３５ｎｍは３９％、７８０ｎｍは４０％で両方ともほぼ等しく、また効率も高い。本発明のような矩形格子の１次光の最高回折効率は４０．５％なので、２波長ともほぼ最高回折効率に近い高効率である。
【００２９】
以上のように、本実施例によれば(３)，(４)式の条件を満足するように格子を形成することにより、６３５ｎｍ及び７８０ｎｍの両波長ともｐ偏波は０次光、ｓ偏波は±１次光に偏光分離され、消光比（偏光分離度）も極めて高い広帯域偏光分離素子が実現される。
【００３０】
（実施例３）
次に請求項２の実施例について説明する。本実施例では偏光分離素子１が図３のような動作をするときの最適条件を求める。
本実施例においても、着目する２波長λ１ ，λ２ に対してλ１ ＜λ３ ＜λ２ を満足する第３の波長λ３ に対し、複屈膜３における格子ベクトル方向（紙面方向）の偏波（例えばｐ偏光）に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波（例えばｓ偏光）に対する屈折率をｎｓ とし、等方性オーバーコート層４の屈折率をｎ１ 、周期的格子の凹凸深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、下記の(７)，(８)式、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３ ・・・(７)
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３ ・・・(８)
を略満足すれば図３の動作で偏光分離の消光比が高くなる条件となる。また、実際に(７)，(８)式が略成り立つようにｎｐ，ｎｓ，ｎ１，ｈ，ｍを設定する。
尚、詳細については回折条件がｐ偏波とｓ偏波で逆になるが実施例２（請求項１）に準じた動作となる。
【００３１】
（実施例４）
次に請求項３の実施例について説明する。本実施例は実施例１から３に述べた本発明の広帯域偏光分離素子を光ディスク用光ヘッドに適用する場合の実施例であり、図８は広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
図８に示すように、この光ヘッドは波長の異なる光源を２個使い光学系を共通的に用いる構成であり、使用波長の異なる２種以上の光記録媒体（ＣＤ系，ＤＶＤ系等の光ディスク）に対して情報の記録・再生を行うことができる光ヘッドである。これは現在の光ディスクシステムで波長λ＝７８０ｎｍでの記録再生を前提にした追記型ＣＤであるＣＤ−Ｒ（ＣＤ−Recordable)と波長λ＝６３５ｎｍで記録再生を行う追記型ＤＶＤのＤＶＤ−Ｒの２種類の波長を一つの光ヘッドで互換的に使用する場合などがこれにあたる。
【００３２】
図８において、２つの光源は半導体レーザー１１，１１’からなり、一方の半導体レーザー１１は例えばλ1＝６３５ｎｍの発振波長、他方の半導体レーザー１１’はλ2＝７８０ｎｍの発振波長である。光ヘッドの光源１１，１１’から光ディスク１４（または１４’）に至る光路中には、実施例１〜３（請求項１〜３）の何れかに記載の広帯域偏光分離素子１９と１／４波長板２０、及びコリメートレンズ１６、対物レンズ１５が配置されている。偏光分離素子１９中の周期格子の格子ベクトル方向は図８の紙面方向と一致している。半導体レーザー１１，１１’の出射光の振動方向が紙面方向のとき、偏光分離素子は前述した(３)，(４)式を略満足することが望ましく、また、振動方向が紙面と垂直方向のときは(７)，(８)式を略満足することが望ましい。
【００３３】
これらの条件により、半導体レーザー１１（または１１’）からの出射光は偏光分離素子１９を０次光としてほとんど損失無く透過する。そして偏光分離素子１９を透過した光束は１／４波長板により円偏光となり、コリメートレンズ１６で平行光となり、対物レンズ１５により光ディスク上の記録面に集光される。ここで、半導体レーザー１１からのビームはＤＶＤなどの薄基板の光ディスク１４に、半導体レーザー１１’からのビームはＣＤなどの厚基板の光ディスク１４’に集光する。
【００３４】
光ディスク１４（または１４’）の記録面に集光された光は該記録面で反射され、その反射光は対物レンズ１５、コリメートレンズ１６を経て１／４波長板２０に戻り、１／４波長板２０透過後は円偏光が半導体レーザー出射時の振動方向と直交する振動方向の直線偏光に変換される。そして、出射時と直交した振動面に対しては偏光分離素子１９でほとんど±１次光として回折される。
【００３５】
図８において、半導体レーザー１１からの短波長の光は実線で光路を示し、半導体レーザー１１’からの長波長の光は点線で光路を示すが、偏光分離素子１９で回折後は、２波長の光のそれぞれで光路が大きく異なる。短波長のλ1＝６３５ｎｍの光に対してより長波長のλ2＝７８０ｎｍの光に対する回折角が大きくなるので、λ2 の方は外側に、λ1 の方はその内側に回折される。そこで内側には短波長λ1 用の光検出器１２，１３を配置し、その外側に長波長λ2 用の光検出器１２’，１３’が配置され、各々の波長光が検出される。光検出器１２，１３（または１２’，１３’）による検出は、光ディスク１４（または１４’）に記録されている情報信号の他、フォーカスサーボやトラッキングサーボのためのフォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号を検出する。
【００３６】
図８の光ヘッドに用いる偏光分離素子１９は、請求項１（実施例２）あるいは請求項２（実施例３）のように、λ１ ＜λ３ ＜λ２ を満足する第３の波長λ３ に対して(３)，(４)式あるいは(７)，(８)式を略満足するように設定すれば、λ１ ，λ２ の両方の波長に対して往復の光利用効率を共に高くすることができ、ＤＶＤ系及びＣＤ系で記録再生する用途に最適の２波長対応の光ヘッドを提供することができる。
したがって、請求項４記載の発明により対応波長の異なる複数の光ディスク１４，１４’に対して一つの光ヘッドで記録再生が行えるので、光ディスクドライブの小型化、低コスト化に貢献することができる。
【００３７】
（実施例５）
次に請求項４の実施例について説明する。本実施例は、図８に示した構成の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子１９に１／４波長板２０を一体化して１／４波長板付き偏光分離素子１７とするものである。具体的には、図１または図５に示す構成の偏光分離素子の等方性オーバーコート層４の上に１／４波長板を接着して一体化するか、あるいは図６に示す構成の偏光分離素子のガラス基板８の上に１／４波長板を接着して一体化することにより、１／４波長板付き偏光分離素子１７とする。また、別の例として、図１または図５の偏光分離素子の等方性オーバーコート層４の上や、図６に示す構成の偏光分離素子のガラス基板８の上に、異方性膜を用いた１／４波長膜を装荷成膜することも可能である。
【００３８】
本発明に係る偏光分離素子を光ヘッドに用いる場合、往復の光利用効率を最大にするには図８のように１／４波長板との組み合わせが必須である。この場合、偏光分離素子と１／４波長板を別々に形成して配置してもよいが、上記の実施例のように偏光分離素子１９に１／４波長板２０を一体化して１／４波長板付き偏光分離素子１７とすることにより、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化に寄与できる。また、偏光分離素子上に１／４波長膜を装荷成膜して一体化する場合には、１／４波長板として高価な光学結晶を用いる必要がなく、低コスト化に寄与することができる。
【００３９】
（実施例６）
次に請求項５の実施例について説明する。図９は請求項５記載の光ヘッドの一例を示す概略構成図であり、基本的な構成及び動作は図８の２波長対応光ヘッドと同じであるが、波長λ１ の半導体レーザー１１とそれに対応する光検出器１２，１３、及び波長λ２ の半導体レーザー１１’とそれに対応する光検出器１２’，１３’を１つのパッケージ８に一体的に実装し、さらにパッケージ８の上面に、１／４波長板２０と広帯域偏光分離素子１９を一体化した１／４波長板付き偏光分離素子１７を接着して一体化したものである。
【００４０】
本実施例の構成により、２波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな２波長対応光ヘッドが実現できる。
また、半導体レーザー１１，１１’、光検出器１２，１３，１２’，１３’、１／４波長板付き偏光分離素子１７などの主要部が１つのパッケージ８に一体化されているため、周囲温度の変化に対し、光学系の安定性が増すようになる。
【００４１】
（実施例７）
次に請求項６の実施例について説明する。図１０は請求項６記載の光ヘッドの一例を示す概略要部構成図であり、図９に示した光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す図である。実施例４（請求項３）〜実施例６（請求項５）に示した構成の光ヘッドにおいては、２つの半導体レーザー１１及び１１’は、光ヘッド光学系の光軸と垂直方向に互いに離れて配置されているが、図１０に示すように、光軸方向においては距離ΔＺだけ互いにずらして配置される。
すなわち、図８や図９に示されているように、基板厚の異なる２種の光ディスク１４，１４’では光軸方向の集光位置にずれがあるため、図１０のように２つの半導体レーザー１１，１１’を光軸方向に距離ΔＺだけ互いにずらして配置することにより、２種の光ディスク１４，１４’に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる２種の光ディスク１４，１４’に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【００４２】
尚、上記の実施例４〜７に示した構成の光ヘッドにおいては、光検出器として、分離された複数の光検出器１２，１３，１２’，１３’を用いているが、これに限定されず、光検出器は、１枚のＳｉ基板上に複数の検出領域が形成されている１つの光検出器でも良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有するので、異なる２つ以上の波長の光に対し０次光と回折光に偏光分離することができ、広帯域な偏光分離素子を実現することができる。
【００４４】
そして請求項１記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
を略満足することを特徴とするので、波長λ１ からλ２ の間の波長λ３ の光に対して最大の消光比（偏光分離度）を与えることができる。また、上記の条件により、０次光が格子ベクトル方向の偏波、１次回折光がこれと垂直な方向の偏波に分離し、最も消光比の高い条件となる。
【００４５】
また、請求項２記載の発明では、上記の広帯域偏光分離素子において、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
を略満足することを特徴とするので、波長λ１ からλ２ の間の波長λ３ の光に対して最大の消光比（偏光分離度）を与えることができる。また、上記の条件により、請求項１とは逆に、０次光が格子ベクトルと垂直方向の偏波、１次回折光が格子ベクトル方向の偏波となる場合に最大の消光比を持たせられる。
【００４６】
請求項３記載の発明による光ヘッドは、波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項１または２に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された１／４波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とするので、対応波長の異なる複数の光記録媒体に対して一つの光ヘッドで記録再生を行うことができ、部品点数が大幅に少なく、簡易構成の２波長対応光ヘッドを実現することができ、光ディスクドライブ等の小型化、低コスト化に貢献することができる。
【００４７】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の光ヘッドにおいて、広帯域偏光分離素子に１／４波長板が一体化されていることを特徴とするので、光ヘッドの部品点数を減らすことができ、光ヘッドのコンパクト化を図ることができる。
【００４８】
請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の光ヘッドにおいて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が１つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、広帯域偏光分離素子、あるいは１／４波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とするので、２波長を用いた光ヘッドが簡易構成となり、また組付け調整箇所が少なくなり工程が簡易化され、小型で低コストな２波長対応光ヘッドが実現できる。
【００４９】
請求項６に記載の発明では、請求項３または４または５に記載の光ヘッドにおいて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とするので、２種類の光記録媒体の基板厚に合わせて集光位置を調整でき、対物レンズのフォーカスサーボ系に負担をかけずに、同一光学系を用いて基板厚の異なる２種類の光記録媒体に対して良好な集光性能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による広帯域偏光分離素子の構成例を示す部分断面図である。
【図２】図１に示す広帯域偏光分離素子の動作の一実施例を示す図である。
【図３】図１に示す広帯域偏光分離素子の動作の別の実施例を示す図である。
【図４】図１に示す広帯域偏光分離素子の要部を部分的に拡大して示す要部断面図である。
【図５】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図６】本発明による広帯域偏光分離素子の別の構成例を示す部分断面図である。
【図７】本発明の広帯域偏光分離素子による０次光と１次光の回折光率と格子深さの関係を示すグラフである。
【図８】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略構成図である。
【図９】本発明による広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッドの別の例を示す概略構成図である。
【図１０】図９に示す光ヘッドのパッケージ部分を拡大して示す概略要部構成図である。
【符号の説明】
１，１’：広帯域偏光分離素子
２：透明基板
３：複屈折膜
３’：複屈折性結晶
４：等方性オーバーコート層
７：等方性接着層
８：ガラス基板
１１：波長λ1 の半導体レーザー
１１'：波長λ2 の半導体レーザー
１２,１３：波長λ1 用の光検出器
１２’，１３’：波長λ2 用の光検出器
１４：波長λ1 対応の光ディスク（ＤＶＤ等）
１４’：波長λ2 対応の光ディスク（ＣＤ等）
１５：対物レンズ
１６：コリメートレンズ
１７：１／４波長板付き偏光分離素子
１８：パッケージ
１９：広帯域偏光分離素子
２０：１／４波長板
Claims (6)
- 複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、
少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有し、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
を略満足することを特徴とする広帯域偏光分離素子。 - 複屈折性の領域と等方性の領域が交互に配置された周期格子により入射光の直交する偏光を０次光と回折光に分離する格子型の広帯域偏光分離素子において、
少なくとも互いに異なる２波長以上の光に対し偏光分離をする機能を有し、偏光分離する２波長λ１ ，λ２ に対してλ １ およびλ ２ の中間近傍の波長λ３ に対し、複屈折領域における格子ベクトル方向の偏波に対する屈折率をｎｐ 、これと垂直方向の偏波に対する屈折率をｎｓ とし、等方性領域の屈折率をｎ１ 、複屈折領域の深さをｈ、光の波長をλ３ 、ｍを０を含む正負の自然数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）とするとき、次の条件、
（ｎｐ−ｎ１）ｈ＝（ｍ＋１／２）λ３
（ｎｓ−ｎ１）ｈ＝ｍλ３
を略満足することを特徴とする広帯域偏光分離素子。 - 波長の異なる複数の光源と、その複数の光源と光記録媒体の間に配置された対物レンズと、前記複数の光源と対物レンズの間に配置された請求項１または２に記載の広帯域偏光分離素子と、該広帯域偏光分離素子と対物レンズの間に配置された１／４波長板と、該広帯域偏光分離素子による回折光を検出する光検出器を備え、少なくとも対物レンズにより複数の光源からの波長の異なる光をそれぞれ異なる光記録媒体面に集光し、該光記録媒体面からの反射光を前記広帯域偏光分離素子により波長毎に回折分離して波長毎の光検出器で独立に検出することを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。
- 請求項３記載の光ヘッドにおいて、前記広帯域偏光分離素子に１／４波長板が一体化されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。
- 請求項３または４記載の光ヘッドにおいて、少なくとも複数の光源と複数の光検出器が１つのパッケージ内に実装され、そのパッケージに、前記広帯域偏光分離素子、あるいは１／４波長板が一体化された広帯域偏光分離素子が、接着により一体化されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。
- 請求項３または４または５記載の光ヘッドにおいて、波長の異なる複数の光源の出射面が、光ヘッド光学系の光軸方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする広帯域偏光分離素子を用いた光ヘッド。
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