JPH09297933A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】量産しやすく、光の利用効率が高く、温度変化
に強い光ヘッド装置を得る。 【解決手段】光源１、凹凸部を有する基板と平坦な基板
との間に液晶を挟み込みその凸部と他方の基板との間隙
ｄを３μｍ以下とした光学異方性回折格子２、１／４波
長板のような位相差素子３、集光レンズ４、光記録媒体
５、光検出器６とからなり、光記録媒体５からの反射光
を光学異方性回折格子２回折して光検出器６で検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、回折格子あるい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あるいは
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
チイング法あるい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ＬｉＮｂＯ₃ 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す方法が知
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ＬｉＮｂＯ₃ 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という問題もあった。

【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
るという問題点があった。

【０００８】波面収差が劣化すると、光デイスク面状
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ものである。

【００１１】また、その光学異方性回折格子の凹凸部が
ＳｉＯ_x Ｎ_y （１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）で形成
されていることを特徴とする光ヘッド装置、及び、それ
らの光学異方性回折格子の凹凸部が液晶のいずれかの屈
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
形成されていないことを特徴とする光ヘッド装置を提供
するものである。

【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
の入射する偏光によって、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_x Ｎ_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_x Ｎ_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法あるいは
反応性直流スパッタリング法によって、液晶の常光屈折
率あるい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
に形成することができるという点で好ましい。

【００２５】ＳｉＯ_x Ｎ_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_x Ｎ_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Ｏ₂ ガス、Ｎ₂ ガス、Ｎ₂ Ｏ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法あるい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_x Ｎ_y 膜を形
成する。

【００２８】その後、ＳｉＯ_x Ｎ_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、ＣＦ₄ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｃ₃ Ｆ
₈ 、ＣＨＦ₃ 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_x Ｎ_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
の厚みを有するポリカーボネート、ポリビニルアルコー
ルあるい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することができる。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、ＹＡ
Ｇレーザ等の固体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅ等の気体レーザ等
の各種の固体、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
りが可能になる。

【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−ＲＯ
Ｍ、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
光ディスク等のが使用できる。

【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可能であ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１〜６
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_x Ｎ_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１：４μ
ｍ、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９
７％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３０ｍλ
ｒｍｓ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

フロントページの続き (72)発明者 田辺 譲 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社中央研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。
2. 【請求項２】光学異方性回折格子の凹凸部がＳｉＯ_x Ｎ
   _y （１≦ｘ≦２、０＜ｙ≦１．３３）で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光ヘッド装置。
3. 【請求項３】光学異方性回折格子の凹凸部が液晶のいず
   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ことを特徴とする請求項１又
   は２記載の光ヘッド装置。