JPH08271712A

JPH08271712A - 光学素子及び光集積回路

Info

Publication number: JPH08271712A
Application number: JP7100236A
Authority: JP
Inventors: Minoru Oyama; 実大山
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】透過光が非回折光となる半透過・半反射形の
回折格子構造を有した光学素子を提供し、特に光ピック
アップで生じる不要回折光を少なくして迷光現象による
障害の発生を防止する。【構成】凹凸の高さｈを凹凸のピッチＰに対して十分
に小さく設定して波状形成されている半透過反射膜21で
反射形回折格子構造を構成し、その各凹部を埋める態様
で同一屈折率ｎ1の透明物質からなる透明層24,25を形成
し、且つ各透明層24,25の両面Ｓ1,Ｓ2を平面(又は回折
格子構造を有しない曲面)とする。この光学素子によれ
ば、光線が半透過反射膜21とその凹部を構成する透明物
質とからなる層構造部23を透過する場合に、どの入射位
置でも同一の光路長を経て透過することになるため、ｈ
≪Ｐの条件と併せて位相変調や強度変調を受けず、その
透過光は非回折光となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子及び光集積回路
に係り、光ディスクや光カード等の情報読取り装置に組
込まれるデバイスに適し、入射光を反射回折光と透過非
回折光に分岐させる機能を有し、装置内部での不要回折
光の発生を少なくして迷光による緒現象を防止すると共
に、高効率な信号検出を可能にするものに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスク装置の光ピックアップ(ＰＵ)
は、レーザビームを光ディスクのトラック上に集光せし
め、その反射光を光検出器へ導くための光学系を搭載し
ているが、例えば、３ビーム法を採用したＣＤ(Compact
Disc)プレーヤのＰＵでは、図１７や図１８に示すよう
な光学系になっている。

【０００３】図１７のＰＵでは、レーザ光源(半導体レ
ーザ)61から射出されたレーザビームが透過形回折格子6
2で回折せしめられ、その０次透過光と±１次回折光を
コリメートレンズ63で平行光化した後、ハーフミラー64
を透過させて対物レンズ65へ導き、対物レンズ65により
０次と±１次の回折光をそれぞれ主ビーム及び副ビーム
としてディスク66のトラックの中央部とその両側へズレ
た位置に集光させて照射する。一方、ディスク66の各集
光スポットから得られた反射光は、対物レンズ65からハ
ーフミラー64へ戻り、ハーフミラー64で反射されて焦点
検出レンズ67へ入射し、その焦点検出レンズ67が主ビー
ムと副ビームをそれぞれ３分割形光検出器68の中央の検
出部68aと両側の検出部68b,68cに集光させるが、主ビー
ムと副ビームの反射光はディスク66のピットで回折して
おり、それぞれトラックの記録情報とトラックからのズ
レに対応した光量変化を生じている。

【０００４】従って、中央の検出部68aの光電変換出力
を再生ＲＦ信号として、また両側の検出部68b,68cの光
電変換出力の差をトラッキングエラー(ＴＥ)信号として
検出できる。また、フォーカス制御に関しては各種の方
式があるが、非点収差法を採用する場合には、中央の検
出部68aを４分割しておき、主ビームに係る反射光をシ
リンドリカル・レンズを介して検出部68aへ入射させ、４
分割された各部の出力を用いて一定の演算を行うことに
よりフォーカスエラー(ＦＥ)信号を得る。

【０００５】図１８のＰＵは、図１７のＰＵがレーザビ
ームの往路にハーフミラー64の透過光を、復路に反射光
を用いているのに対し、逆に往路にハーフミラー64の反
射光を、復路に透過光を用いており、最近のＰＵではこ
の方式を採用していることが多い。この場合、ハーフミ
ラー64に関する入射系と透過系の光軸が逆になっている
だけであり、ハーフミラー64の光分岐・光路変換機能を
利用した基本的構成は図１７の場合と同様である。

【０００６】また、最近のＰＵの光学系として、ハーフ
ミラーの代わりにホログラム素子を用いてＰＵをより小
型で簡単な構成にするための各種提案がなされている
[小野:“光ディスクヘッド用ホログラフィック光学素
子",光メモリシンポジウム'90予稿集,pp1〜2 (1990)／
吉田他:“ＣＤ用ホログラムピックアップの耐環境特
性",光メモリシンポジウム'90予稿集,pp3〜4 (1990)／
辰巳他:“反射形回折格子レンズを用いたＣＤ光ピック
アップ光学系",MICROOPTICS NEWS,Vol.7 No.3 pp17〜22
(1988)／中西他:“樹脂ホログラム光学素子を用いた
光ピックアップユニットの開発",1994年春季応用物理学
関係連合講演会講演予稿集,No.3 PP1018 (1994)等]。
このホログラム素子を用いた３ビーム法のＰＵでは、図
１９や図２０に示すような光学系となる。

【０００７】図１９は透過形のホログラム素子71を用い
たＰＵを示し、往路では、レーザ光源61から射出された
レーザビームは透過形回折格子62で回折せしめられてホ
ログラム素子71に入射し、ホログラム素子71はその入射
した回折光を透過させ、対物レンズ65が０次と±１次の
回折光をそれぞれ主ビーム及び副ビームとしてディスク
66のトラックの中央部とその両側へズレた位置に集光さ
せる。逆に、復路では、ディスク66からの主ビームと副
ビームに係る反射光は対物レンズ65からホログラム素子
71に入射し、ホログラム素子71のレンズ機能によって各
ビームが分離配置されている主ビーム用の光検出器72a
と副ビーム用の光検出器72a,72bへ集光せしめられる。
尚、ホログラム素子71はその回折格子パターンにより入
射光の光軸に対する反射光の光軸方向を変換することが
でき、各ビームをレーザ光源61からズレた位置に集光さ
せることができる。

【０００８】一方、図２０は反射形のホログラム素子73
を用いたＰＵを示し、往路では、ホログラム素子73が透
過形回折格子62による回折光を立上げて対物レンズ65へ
導き、復路では、ホログラム素子73が対物レンズ65から
入射される主ビーム及び副ビームの反射光の光路を変換
しながらそのレンズ機能によって各ビームを光検出器72
a,72b,72cへ集光させている。従って、図から明らかな
ように、このＰＵの光学系によれば、ディスク66に垂直
な方向に関してＰＵ全体を薄く構成することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１７や図
１８で示したＰＵの光学系は、回折格子62やコリメート
レンズ63や焦点検出レンズ67が独立した要素として組込
まれるため、部品点数が多くなって、ＰＵの小型化や製
造コストの低減化を図る上で限界がある。一方、ホログ
ラム素子71,73を用いた図１９や図２０のＰＵ光学系
は、図１７や図１８で示したＰＵの光学系と比較して、
コリメートレンズ63や焦点検出レンズ67を不要化でき、
部品点数の削減やＰＵの小型化を図る上で有利である。
しかし、ホログラム素子71,73は、ハーフミラー64やコ
リメートレンズ63や焦点検出レンズ67に比較すると、設
計や製造が難しく、非常に高価であり、ＰＵの製造コス
トの面でみれば問題が残る。

【００１０】そこで、図１７と図１８のＰＵの光学系に
対して、図２１と図２２のように半透過反射形回折格子
69,70を用いた光学系を考えることができる。それらの
ＰＵの光学系は、レーザビームの光束の拡がりも利用
し、図１７と図１８におけるＰＵの光学系で用いられて
いるハーフミラー64と回折格子62やコリメートレンズ63
や焦点検出レンズ67の機能の全てを前記の半透過反射形
回折格子69,70だけを用いて実現させるものである。そ
して、それらの光学系によれば、レーザ光源61から射出
されたレーザビームを回折させるための回折格子62も不
要になることから、図１９や図２０のホログラム素子7
1,73を用いたＰＵよりも部品点数が削減され、ＰＵの小
型化を実現できると共に、半透過反射形回折格子69,70
は製造が容易で安価であることから、製造コストの面で
極めて有利になる。

【００１１】しかしながら、半透過反射形回折格子69,7
0は反射光と透過光を共に回折させるため、図２１の場
合には往路の反射光と復路の透過光が不要な回折光とし
て現れ、また図２２の場合には往路と復路の透過光が不
要な回折光として現れる。そして、そのように不可避的
に発生する各不要回折光は、必要光の光量を低下させて
光検出器68での検出効率を低下せしめ、また単一のレー
ザ光源61から射出された可干渉性の強い光であるため
に、実装密度の高いＰＵ内で種々の迷光現象を発生させ
る。例えば、光検出器68の検出信号にオフセットを発生
させたり、レーザ光源61と各反射面等の間で共振を生じ
させてレーザビームの光量変動によるノイズ発生の原因
となり、再生ＲＦ信号やＴＥ信号等の検出精度に悪影響
を及ぼす。従って、一般のＰＵにおいても不要回折光を
如何に少なくするかが重要な課題になっているが、特
に、図２１と図２２のＰＵの光学系では、前記の不要回
折光の発生さえなくすことができれば光学系全体での不
要回折光をなくすことができるため、そのような半透過
反射形回折格子が求められる。

【００１２】そこで、本発明は、前記の課題に鑑みて、
ＰＵ等に適用することにより不要回折光を少なくするこ
とが可能な光学素子と、更にその光学素子の基本構成を
組込んだ光集積回路を提供することを目的として創作さ
れた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、凹凸状表
面の反射形回折格子構造をなすように、前記凹凸のピッ
チに対して十分に小さい膜厚の半透過反射膜が波状形成
されており、前記半透過反射膜の両面の各凹部が同一屈
折率の透明物質で構成されている層構造を具備した光学
素子に係る。また、この光学素子において、層構造に対
して光線が斜め方向から入射するような光学系に適用さ
れる場合には、半透過反射膜の凹凸の高さをその凹凸の
ピッチに対して十分に小さく設定される。

【００１４】第２の発明は、基板上に、光導波路と、前
記光導波路に対する接合面と反対側の面を凹凸状に形成
した透明なバッファ層と、入射光の一部を反射し、一部
を透過させる半透過反射膜を前記バッファ層の凹凸面に
成膜して反射形回折格子構造を構成した回折・透過層
と、前記バッファ層の透明物質と同一屈折率の透明物質
で前記回折・透過層の各凹部を埋めると共に各凸部を露
出させない厚みの層を形成し、且つその表面側を略平面
又は回折格子構造を有しない曲面とした透明層を順に積
層させた光集積回路に係る。

【００１５】

【作用】

第１の発明について；この発明の基本的構成と原理は、
層構造部分の断面図である図１から図７に示される。但
し、透明部分の断面に係るハッチングは省略されてお
り、以下の各図においても同様である。図１は、この発
明の層構造の一例として、反射形回折格子構造をなすよ
うに半透過反射膜1が矩形波状に凹凸形成されており、
その半透過反射膜1の両面の各凹部が同一屈折率ｎ1の透
明物質2で構成された層構造3を示す。尚、半透過反射膜
1は、入射光の一部を反射し、一部を透過させるもので
あるが、その厚みｔは透過反射膜1の凹凸のピッチＰと
比較して十分に小さい。

【００１６】今、図１に示すように、層構造3の面に垂
直な方向から入射光(実線)がある場合を仮定すると、半
透過反射膜1の凸部と凹部でそれぞれ入射光の一部が反
射し、一部が透過する。その場合、反射光(点線)に係る
層構造3の内での光路長をみると、層構造の厚みをｈと
して、凸部では０、凹部では略２・ｈ・ｎ1となり、凸部
と凹部での反射光には光路長の差ΔＬ≒２・ｈ・ｎ1に対
応する位相差(＝２π・ΔＬ／λ：λは光の波長)が発生
し、その結果、半透過反射膜1が反射形回折格子として
回折光を反射させる。一方、透過光(一点鎖線)に係る層
構造3内での光路長をみると、凹部と凸部で共に略ｈ・ｎ
1で同一となり、透過光に対する周期的位相変調が打ち
消され、透過光に対する回折光は極めて小さく抑制され
る。

【００１７】次に、層構造3の面に対して斜め方向から
入射光がある場合を仮定すると、半透過反射膜1の凸部
と凹部に関して、図２及び図３に示すような光路が考え
られる。図２の光路の場合、反射光(点線)に係る層構造
3の内での光路長をみると、凸部では０、凹部では略２・
(ｈ／cosθ)・ｎ1となり、凸部と凹部での反射光には光
路差ΔＬ≒２・(ｈ／cosθ)・ｎ1が生じ、前記と同様に半
透過反射膜1が反射形回折格子として回折光を反射させ
る。また、透過光(一点鎖線)に係る層構造3内での光路
長は、凸部と凹部で共に(ｈ／cosθ)・ｎ1となり、前記
と同様に透過光は回折しない。

【００１８】ただ、図３のＡ1,Ａ2,・・・の範囲にあるよ
うな光路では、図２の場合(入射光が如何なる入射位置
でも半透過反射膜1を１回だけ透過して透過光になる場
合)と異なり、入射光は半透過反射膜1を３回透過して透
過光になり、結果的に半透過反射膜1が強度変調形回折
格子として機能し、透過光に回折が発生することにな
る。また、図３に示すように、層構造3内で多重反射し
て透過光や反射光となる光路も存在する。しかし、半透
過反射膜1の凹凸の高さｈをその凹凸のピッチＰに対し
て十分に小さく設定しておけば、Ａ1,Ａ2,・・・の範囲は
極めて小さいものとなり、また多重反射が発生する光路
範囲も僅かなものになることから、強度変調に伴う回折
現象や多重反射による透過・反射光を実質的に無視でき
る程度に抑制することができる。

【００１９】ところで、以上の説明は矩形波状に凹凸形
成された半透過反射膜1の場合に関するものであるが、
半透過反射膜1の凹凸は要するに反射形回折格子として
機能するものであればよく、図４から図６に示すよう
に、正弦波状、三角波状、又は台形波状に凹凸形成した
ものであってもよい。その場合には、凹凸の高さｈを大
きくしても、図３で発生した強度変調や多重反射を無く
することが可能である。本発明に所謂「凹凸状表面の反
射形回折格子構造」は、矩形波状のものだけでなく、図
４から図６に示す如く波状形成したものも含む意味で用
られている。

【００２０】従って、本発明の光学素子は、図７に示す
ように、その層構造3が入射光を回折・反射させる反射形
回折格子と非回折光として透過させるハーフミラーの両
機能を具有していることになり、応用範囲の広い光学素
子として利用できる。尚、層構造3の両側に構成される
物質は、層構造3に対して光を入射させ、また透過光を
出射させるものであれば足り、その屈折率ｎx1,ｎx2が
ｎ1である必要はなく、ｎx1,ｎx2≠ｎ1の場合には光線
が層構造3に屈折して入射し、層構造3から屈折して出射
するだけである。

【００２１】第２の発明について；この発明の光集積回
路は、基板上に光導波路を形成し、その光導波路の上に
第１の発明に係る光学素子の基本構造を結合させた集積
構造を有する。前記のように、第１の発明の光学素子は
反射形回折格子とハーフミラーの機能を具有するため、
この光集積回路によれば、入射光を回折させて光ディス
ク等の光情報媒体に照射させ、その媒体からの反射光を
入射光として回折させることなく直下の光導波路に直接
的に導くことができる。従って、光導波路に光検出手段
を結合させることで、反射形回折格子とハーフミラーと
光検出器の機能を一部品に集積化できると共に、効率の
良い信号検出を実現する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の光学素子及び光集積回路の実
施例を図８から図１７を用いて詳細に説明する。《実施例１》この実施例に係る光学素子の拡大断面図は
図８に示される。同図において、11は矩形波状に凹凸形
成された半透過反射膜、12a,12bは半透過反射膜11の両
面の凹部に埋設されている透明物質(屈折率がｎ1)、13
は半透過反射膜11と透明物質12a,12bで構成された層構
造部を示し、この実施例では、その層構造部13の表裏面
に前記の透明物質12a,12bと異なる透明物質(屈折率がｎ
2,ｎ3)で表面Ｓ1,Ｓ2を略平面とした透明層14,15が形成
されている。ここに、半透過反射膜11の膜厚ｔと層構造
部13の厚みｈは、半透過反射膜11の凹凸のピッチＰに対
して十分に小さく設定されており、透明層14,15の厚み
ｗ2,ｗ3は一定の曲げ強度と保護層を兼ねるために層構
造部13の厚みｈより厚く形成されている。

【００２３】この光学素子は、例えば、ガラス基板(透
明層15)の上にＳiＯ₂膜を厚みｈで成膜し、パターンエ
ッチングによってＳiＯ₂膜を凹凸状の回折格子構造に形
成し(透明物質12bのみを残す)、その面上にアルミニウ
ムの真空蒸着等によって厚みｔの半透過反射膜11を形成
し、半透過反射膜11の上にＳiＯ₂膜を半透過反射膜11の
凸部が露出しない厚みで成膜し、エッチバックによって
半透過反射膜11の凸部の表面より上のＳiＯ₂膜を除去し
(透明物質12aのみを残して層構造部13を形成)、その上
に紫外線硬化樹脂(透明層14)をスピンコートして紫外線
の照射によって硬化させる手順で製造することができ
る。

【００２４】そして、この光学素子では、表面Ｓ1への
入射光は透明層14で屈折して層構造部13へ入射される
が、層構造部13が半透過反射膜11の両面の凹部に同一屈
折率ｎ1の透明物質を埋設した上記の第１の発明の構成
であるために反射形回折格子とハーフミラーの両機能を
有し、層構造部13による反射回折光は透明層14を透過し
て表面Ｓ1で屈折しながら外部へ射出され、層構造部13
を透過した非回折光は透明層15を透過して表面Ｓ2で屈
折しながら外部へ射出されることになる。

【００２５】《実施例２》この実施例に係る光学素子の
拡大断面図は図９に示される。同図において、21は矩形
波状に凹凸形成された半透過反射膜、24,25は透明物質
で半透過反射膜21の両面の各凹部を埋めると共に各凸部
を覆った透明層、23は半透過反射膜21とその各凹部に埋
め込まれた前記の透明物質で構成された層構造部を示
し、透明層24,25は同一屈折率ｎ1の透明物質で構成され
ており、且つその各表面Ｓ1,Ｓ2は略平面になってい
る。尚、半透過反射膜21の膜厚ｔと層構造部23の厚みｈ
が半透過反射膜21の凹凸のピッチＰに対して十分に小さ
く設定されていること、また層構造部23の両側に構成さ
れる透明層24,25の厚みｗ2,ｗ3が層構造部13の厚みｈよ
り厚く形成されていることは実施例１の場合と同様であ
る。

【００２６】この光学素子は、例えば、２Ｐ(photo-pol
ymerization)法で表面に凹凸状の回折格子構造が形成さ
れたポリカーボネイト等の透明基板(透明層25)を作成
し、その回折格子構造側の面にアルミニウムの真空蒸着
等によって厚みｔの半透過反射膜21を形成し、その上に
前記透明基板と同一屈折率の透明な紫外線硬化樹脂をス
ピンコートし、紫外線照射によって硬化させて透明層24
を形成するという手順で製造することができる。

【００２７】そして、この光学素子は、実施例１の場合
と比較して、半透過反射膜21の両面の凹部と凸部及び両
表面に形成される層が同一の透明物質で構成されている
点が異なるだけで、層構造部23が反射形回折格子とハー
フミラーの機能を有することは同様であり、入射光の一
部は表面Ｓ1から反射回折光として射出され、一部が表
面Ｓ2から透過非回折光として射出される。

【００２８】《実施例３》この実施例の光学素子は実施
例２の変形例に相当し、その拡大断面図は図１０に示さ
れる。前記の実施例２では半透過反射膜21の両側の凹部
を固体透明物質で構成するようにしているが、製造工程
では片側の凹部をスピンコートやスパッタリング等の成
膜手段で埋める必要があるため、不完全な埋設部分や厚
みムラが発生して層構造部23の機能に障害が発生する可
能性がある。一方、層構造部23は半透過反射膜21の両側
の凹部が同一屈折率ｎ1の透明物質で満たされていれば
よい。

【００２９】そこで、この実施例では、透明基板(透明
層25)の回折格子構造パターン側の面に半透過反射膜21
が蒸着された後、その半透過反射膜21に両面が平面であ
る透明基板26を対向させ、それらの対向空間にその屈折
率が透明層25と同一である透明な液体27を充填し、対向
空間の周囲を枠体(図示せず)で封止しておく構成を採用
する。この実施例によれば、前記の凹部を透明層25と同
一屈折率(ｎ1)の液体で完全に満たすことができ、且つ
素子の両面を高い平坦度の平面で構成することができる
ため、高精度な光学素子を実現できる。

【００３０】また、前記の液体27の代わりに屈折率が透
明層25と同一である低粘度の透明接着剤を用いれば、透
明基板26と半透過反射膜21との接着を兼ねることがで
き、当然に封止用の枠体も不要となる。尚、接着剤とし
ては紫外線硬化樹脂を適用することもできる。

【００３１】《実施例４》この実施例に係る光学素子の
断面図は図１１及び図１２に示される。上記の各実施例
に係る光学素子は、両表面Ｓ1,Ｓ2を平面で構成してい
る。しかし、機能面から見ると、要するに光線の入射側
に回折した反射光が、透過側に回折しない透過光が得ら
れれば足り、必ずしも両表面Ｓ1,Ｓ2を平面にしておく
必要はなく、回折格子構造を有しない曲面であってもよ
い。

【００３２】ところで、入射光が平行光線の光束である
場合に、両表面Ｓ1,Ｓ2を平面にしている前記の各実施
例では層構造部13,23と透明層15,25を透過した非回折透
過光は平行光束となるが、光学系への適用に際してはそ
の非回折透過光を集光させて光検出器等へ導くような場
合が多い。そこで、この実施例では、図１１に示すよう
に、前記の各実施例における透明層15,25の表面を凸レ
ンズ状の曲面31に形成し、非回折透過光の集光機能をも
たせる。また、図１２のように、透明層15,25の表面に
透過形回折格子レンズ(例えば、フレネルレンズ)32を形
成することで、同様に集光機能を持たせることができ
る。従って、この実施例によれば、単一の光学素子に反
射形回折格子とハーフミラーの機能に併せてレンズ機能
を具有させることが可能になる。

【００３３】《実施例１〜４の光学素子の応用例》上記
の実施例１〜３の光学素子は、３ビーム法のＰＵの光学
系において、図１３に示されるような態様で利用され
る。同図において、41が実施例１〜３に係る光学素子で
あり、レーザ光源61のビーム出射方向とディスク66の面
の法線方向に対して４５°の傾斜角をもって設置されて
いる。レーザ光源61から出射されたレーザビームは拡が
りながら光学素子41に入射し、往路では、その一部が反
射回折光となって対物レンズ65へ導かれ、対物レンズ65
がその０次回折光と±１次回折光をそれぞれ主ビームと
副ビームとしてディスク66のトラックの中央部と両側へ
ズレた位置に集光させる。また、復路では、ディスク66
からの主ビームと副ビームに係る反射光が対物レンズ65
を介して光学素子41に入射するが、光学素子41は前記の
反射光の一部を回折させることなく透過させ、光線逆進
の法則に基づいて光検出器68に集光させる。即ち、ディ
スク66で反射された主ビームを中央の検出部68aへ集光
させて再生ＲＦ信号を検出し、副ビームを両側の検出部
68b,68cへ集光させてＴＥ信号を検出する。

【００３４】ところで、以上は必要光の往路と復路につ
いて説明したが、この応用例の光学系では、往路におい
てレーザ光源61から出射されて光学素子41を透過する非
回折光と、復路において対物レンズ65から光学素子41へ
導かれて反射する回折光とが不要光となる。しかし、図
２１から図２２のＰＵの光学系と比較してみた場合、図
２１から図２２のＰＵの光学系では往路と復路で共に不
要回折光を発生させているのに対し、往路では非回折光
しか発生せず、不要回折光の発生要素を減らすことがで
きる。また、往路で発生する不要光は非回折光であるた
めにＰＵ外へ放出させる等の対策が容易である。従っ
て、この応用例の光学系によれば、ＰＵの部品点数の削
減によって実装密度を高めて小型化を実現すると共に、
不要回折光を少なくして迷光現象の発生を抑制すること
ができる。

【００３５】次に、上記の実施例４の光学素子は、ＰＵ
の光学系において図１４に示されるような態様で利用さ
れる。但し、この光学系は１ビームプッシュプル法でＴ
Ｅ信号を検出するものである。同図の光学系において、
42が実施例４に係る光学素子(図１１の光学素子)であっ
て、その入射面がレーザ光源61のビーム出射方向に対し
て約２０°の傾斜角を有するように設定されており、レ
ーザ光源61から射出される楕円断面の光束をコリメート
レンズ63で平行光化して光学素子42に入射させ、光学素
子42で反射する略円形断面の＋±１次回折光を対物レン
ズ65でディスク66のトラックに集光させるようになって
いる。

【００３６】この光学系によれば、コリメートレンズ63
で平行光化されたビームが光学素子42で反射・回折せし
められて、その回折光がディスク66で反射して復路をた
どるため、復路で光学素子42へ入射してその層構造部1
3,23を透過した非回折光は平行光束となり、そのままで
は光検出部68へ集光させることができない。しかし、こ
の光学素子42は透明層15,25の表面を凸レンズ状の曲面3
1に形成してあるため、そのレンズ機能によって前記の
透過非回折光を一定の焦点距離ｂで光検出部68に集光さ
せることができる。従って、この光学素子42は単一の光
学素子として反射形回折格子とハーフミラーと焦点検出
レンズを兼ねており、焦点検出レンズを別途に設ける必
要がなくなる。そして、不要回折光の発生条件に関して
は、図１３の場合と同様であり、ＰＵの小型化の実現が
可能になると共に、不要回折光による迷光現象の発生を
抑制することができる。尚、この応用例では図１１の光
学素子42を用いたもので説明したが、図１２の光学素子
のように透明層15,25の表面に透過形回折格子レンズ32
を形成したものであっても、当然に同様の機能が得られ
る。また、図１４のようにコリメートレンズ63で平行光
化される光学系だけでなく、図１３の光学系に適用すれ
ば、光学素子と光検出部68の間隔を小さくでき、ＰＵの
小型化を実現できる。

【００３７】《実施例５》この実施例は、前記の実施例
に係る光学素子の基本構成を組込んだ光集積回路に係
る。先ず、前提として、本件出願人は図２２に示される
光集積回路の提案を行っている(特願平6-79793号)。同
図において、81はＳi基板、82a,82bはＳi基板81の表面
にｐｎ接合構成で形成された２個の光検出部(各光検出
部82a,82bは紙面に垂直な方向に分離配置されている)、
83はＳi基板81の表面を熱酸化させたＳiＯ₂で構成され
るバッファ層、84はバッファ層83の上にコーニング＃７
０５９ガラスをスパッタリングして成膜した光導波層、
85は光導波層84の上にＳi-ＮをＰ-ＣＶＤによって成膜
し、所定パターンにドライエッチングして形成されたグ
レーティングカップラ、86はグレーティングカップラ85
を含む光導波層84の上に成膜されたＳiＯ₂のバッファ
層、87はバッファ層86の表面にグレーティングカップラ
85と同様の工程で形成された半透過反射形グレーティン
グ(又は半透過反射形ホログラム)であり、バッファ層83
におけるＳi基板81の光検出部82に対応する領域はエッ
チングによって除去されており、光導波層84が光検出部
82に結合せしめられている。

【００３８】この光集積回路80は図２２に示されるよう
な態様でＰＵの光学系に適用される。尚、このＰＵは、
プリグルーブが施されている光磁気ディスク66aを対象
として再生ＲＦ信号とＴＥ信号とＦＥ信号を検出する。
先ず、光集積回路80はレーザ光源61のビーム出射方向に
対して入射面が約２０°の傾斜角を有するように設定さ
れており、往路では、レーザ光源61から射出された楕円
断面の光束はコリメートレンズ63で平行光化されて光集
積回路80の表面の半透過反射形グレーティング87へ入射
し、半透過反射形グレーティング87で反射・回折され、
その内の１次回折光が対物レンズ65でディスク66aのト
ラックに集光せしめられる。そして、ディスク66aのト
ラックに集光した光は、プリグルーブによって回折せし
められた０次回折光と±１次回折光となって反射する。
一方、復路では、ディスク66aでの反射・回折光が半透過
反射形グレーティング87を透過してグレーティングカッ
プラ85へ入射するが、グレーティングカップラ85はその
入射領域が分割されており、入射光を光導波路84へ導く
と共に各分割領域の回折格子パターンによってその導波
光を２個の光検出部82a,82bへ集光させる。また、グレ
ーティングカップラ85の各分割領域は中心光軸と４５°
の角度をなす互いに直交する偏光方向を有するように形
成されているため、ディスク66aの記録情報によって反
射光に与えられたカー効果による偏光面の回転が各導波
光に逆相の強度変化を与える。従って、各光検出部82a,
82bの出力の差をとれば再生ＲＦ信号が得られ、また各
光検出部82a,82bを２分割型にしておき、それらの分割
部の出力を用いて演算を行うことによりＴＥ信号やＦＥ
信号を得ることができる。即ち、この光集積回路80はビ
ーム整形機能を有した反射形回折格子とハーフミラーと
検光子と焦点検出レンズと光検出器を一体に集積化させ
たものである。

【００３９】ところで、前記の光集積回路80において、
往路及び復路での半透過反射形グレーティング87への入
射光は、一部が反射・回折光となり、一部がバッファ層8
6へ回折光として入射する。その場合、往路及び復路で
半透過反射形グレーティング87で回折されてバッファ層
86に入射する回折光は不要光であり、迷光として悪影響
を及ぼす可能性があると共に、復路で回折されることは
光検出部82a,82bでの検出効率の低下を招く。

【００４０】そこで、この実施例は、前記の実施例の光
学素子が透過光を非回折光として射出する機能を有して
いることに着目し、光導波路84の上にその光学素子の基
本構造を適用し、前記の不具合を解消させた光集積回路
を実現する。この実施例に係る光集積回路の拡大断面図
は図１５に示される。同図において、51はＳiの基板、5
2は基板51の表面を熱酸化させたＳiＯ₂膜の上にスパッ
タリングでコーニング＃７０５９ガラスを成膜して構成
された光導波路、56は光導波路52の上にパターンエッチ
ングで形成したグレーティングカップラ、53はグレーテ
ィングカップラ56の上に形成したＳiＯ₂層(屈折率:ｎ1)
の表面をパターンエッチングで凹凸状の回折格子構造に
形成したバッファ層、54はバッファ層53の上にアルミニ
ウムの真空蒸着等によって形成された半透過反射膜、55
は半透過反射膜54の上にバッファ層53と同一屈折率(ｎ
1)の紫外線硬化樹脂をスピンコートして紫外線の照射に
よって硬化させた透明層であり、透明層55の表面は平面
になっている。即ち、光導波路52のグレーティングカッ
プラ56の上にバッファ層53と半透過反射膜54と透明層55
からなる前記実施例の光学素子の基本構造が積層された
構成になっている。

【００４１】そして、この光集積回路は、図１５に示す
ように、透明層55への入射光の一部を回折格子構造の半
透過反射膜54で反射・回折させて透明層55の表面から射
出し、また半透過反射膜54を透過した入射光の一部は非
回折光としてバッファ層53からグレーティングカップラ
56を介して光導波路52へ導かれる。

【００４２】このグレーティングカップラ56は、光集積
回路全体について図１５のX-X矢視断面でみると、図１
６に示されるように異なる回折格子パターンが施された
領域56a,56bに分割されており、各領域56a,56bは入射光
を光導波路52に沿って９０°異なる方向へ集光させるよ
うになっていると共に、光集積回路80の場合と同様に各
分割領域は中心光軸と４５°の角度をなす互いに直交す
る偏光方向を有するように形成されている。従って、図
１６に示すように、グレーティングカップラ56による各
集光位置に相当する光導波路52の端面にそれぞれ２分割
の光検出器57a,57bを配設したものを図２３の光学系に
適用すれば、光集積回路80の場合と同様に再生ＲＦ信号
とＴＥ信号を得ることができる。そして、この実施例の
光集積回路によれば、入射光が半透過反射膜54を透過す
る際に回折を受けないため、前記の光集積回路80と比較
して、光検出器57a,57bでの検出効率が向上し、また迷
光による種々の悪影響が生じない。

【００４３】

【発明の効果】本発明の光学素子及び光集積回路は、以
上の構成を有していることにより、次のような効果を奏
する。請求項１の発明は、従来の透過型回折格子が反射
光と透過光が共に回折光になるのに対し、一部を回折光
として反射し、一部を非回折光として透過させる層構造
を有しており、光ディスク装置や光カードの情報読取り
装置等の広範な用途に適用できる光学素子を実現する。
請求項２の発明は、前記の層構造に対して斜め方向から
入射光がある場合に、透過光が強度変調によって回折す
ることを抑制し、層構造への入射角に制約を受けない光
学素子を実現する。請求項３から請求項７の発明は、反
射型回折格子とハーフミラーの両機能を具備した簡単な
構造の光学素子を提供し、また透明層の表面に凸状レン
ズ状の曲面や透過型回折格子レンズを構成することによ
り、前記の機能に併せて透過非回折光を集光させるレン
ズ機能も具備した光学素子を提供する。特に、光ディス
ク装置のＰＵ等に適用されることにより、不要回折光の
発生を少なくして迷光現象による各種の障害を防止す
る。請求項８から請求項１０の発明は、反射型回折格子
とハーフミラーの両機能を具備し、入射光を光導波路へ
導く光集積回路において、光導波路の上に前記の光学素
子の基本構成を適用して光導波路へ非回折光のみを導く
ことを可能にし、光導波路への入射光の減衰を少なくし
て高効率な信号検出を可能にし、迷光による悪影響の発
生を防止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の拡大断面及びその層構造部
分に垂直な入射光があった場合の反射光と透過光の光路
を示す図である。

【図２】光学素子の拡大断面及びその層構造部分に斜め
方向の入射光があった場合の反射光と透過光の光路を示
す図である。

【図３】光学素子の拡大断面及びその層構造部分に対す
る斜め方向の入射光が半透過反射膜を複数回透過して透
過光になる場合の光路と多重反射する場合の光路を示す
図である。

【図４】半透過反射膜を正弦波状に凹凸形成した層構造
部分の拡大断面図である。

【図５】半透過反射膜を三角波状に凹凸形成した層構造
部分の拡大断面図である。

【図６】半透過反射膜を台形波状に凹凸形成した層構造
部分の拡大断面図である。

【図７】光学素子の層構造部分に斜め方向の入射光があ
り、反射回折光と透過非回折光が生じている状態をマク
ロ的に示す図である。

【図８】実施例１に係る光学素子の拡大断面及び斜め方
向の入射光があった場合の反射光と透過光の光路を示す
図である。

【図９】実施例２に係る光学素子の拡大断面及び斜め方
向の入射光があった場合の反射光と透過光の光路を示す
図である。

【図１０】実施例３に係る光学素子の拡大断面図であ
る。

【図１１】透明層の表面を凸レンズ状の曲面とした実施
例４に係る光学素子の断面図である。

【図１２】透明層の表面に透過形回折格子レンズを形成
した実施例４に係る光学素子の断面図である。

【図１３】実施例１〜３の光学素子の応用例に係るＰＵ
の光学系を示す図である。

【図１４】実施例４の光学素子の応用例に係るＰＵの光
学系を示す図である。

【図１５】実施例５の光集積回路の拡大断面及び斜め方
向の入射光があった場合の反射光と透過光の光路を示す
図である。

【図１６】光集積回路全体を図１６のX-X矢視断面でみ
た場合の断面図である。

【図１７】従来のＰＵの光学系を示す図である。

【図１８】従来のＰＵの光学系を示す図である。

【図１９】ホログラム素子を用いたＰＵの光学系を示す
図である。

【図２０】ホログラム素子を用いたＰＵの光学系を示す
図である。

【図２１】通常の半透過反射形回折格子を用いて、図１
７の光学系の構成を簡素化した場合の光学系を示す図で
ある。

【図２２】通常の半透過反射形回折格子を用いて、図１
８の光学系の構成を簡素化した場合の光学系を示す図で
ある。

【図２３】先の提案に係る光集積回路の断面図及びその
ＰＵへの適用態様を示す図である。

【符号の説明】

1,11,21,54…半透過反射膜、2,12a,12b…透明物質、3…
層構造、13,23…層構造部、14,15,24,25,55…透明層、2
6…透明基板、27…透明な液体又は接着剤、31…凸レン
ズ状の曲面、32…透過形回折格子レンズ、41…実施例１
〜３に係る光学素子、42…実施例４に係る光学素子、5
1,81…Ｓi基板、52,84…光導波路、53,83,86…バッファ
層、56,85…グレーティングカップラ、56a,56b…グレー
ティングカップラの分割領域、57a,57b,68,72a,72b,72
c,…光検出器、61…レーザ光源、62…透過形回折格子、
63…コリメートレンズ、64…ハーフミラー、65…対物レ
ンズ、66,66a…ディスク(66aは光磁気ディスク)、67…
焦点検出レンズ、68a〜68c…光検出器の検出部、69,70
…半透過反射形回折格子、71…透過形ホログラム素子、
73…反射形ホログラム素子、80…光集積回路、82a,82b
…光検出部、87…半透過反射形グレーティング又は半透
過反射形ホログラム、Ａ1,Ａ2…半透過反射膜を３回透
過して透過光となる光路の範囲、ｂ…焦点距離、ｈ…構
造層の高さ、ｎ1,ｎ2,ｎ3,ｎx1,ｎx2…屈折率、Ｐ…半
透過反射膜の凹凸のピッチ、Ｓ1,Ｓ2…透明層の表面、
ｔ…半透過反射膜の厚み、Ｗ1,Ｗ2…透明層の厚み。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹凸状表面の反射形回折格子構造をなす
ように、前記凹凸のピッチに対して十分に小さい膜厚の
半透過反射膜が波状形成されており、前記半透過反射膜
の両面の各凹部が同一屈折率の透明物質で構成されてい
る層構造を具備した光学素子。
【請求項２】請求項１の光学素子において、半透過反
射膜の凹凸の高さをその凹凸のピッチに対して十分に小
さく設定した光学素子。
【請求項３】請求項１又は２の光学素子において、層
構造の両面に透明層を形成し、且つその各透明層の表面
側を略平面又は回折格子構造を有しない曲面とした光学
素子。
【請求項４】請求項３の光学素子において、層構造
の両面の透明層を、半透過反射膜の各凹部を構成する透
明物質と同一物質で形成した光学素子。
【請求項５】請求項３の光学素子において、一方の透
明層が、他方の透明層と同一屈折率の流動体透明物質を
半透過反射膜と固体透明層の間に充填して封止したもの
である光学素子。
【請求項６】請求項３の光学素子において、一方の透
明層が、他方の透明層と同一屈折率の接着剤を半透過反
射膜と固体透明層の間に充填して固化させたものである
光学素子。
【請求項７】請求項３、４、５、又は６の光学素子に
おいて、その一方の透明層の表面側のみを略平面又は回
折格子構造を有しない曲面とし、他方の透明層の表面側
に凹凸状の透過形回折格子レンズを形成した光学素子。
【請求項８】基板上に、光導波路と、前記光導波路に
対する接合面と反対側の面を凹凸状に形成した透明なバ
ッファ層と、前記バッファ層の凹凸のピッチに対して十
分に小さい膜厚の半透過反射膜を前記バッファ層の凹凸
面に成膜して反射形回折格子構造を構成した回折・透過
層と、前記バッファ層の透明物質と同一屈折率の透明物
質で前記回折・透過層の各凹部を埋めると共に各凸部を
露出させない厚みの層を形成し、且つその表面側を略平
面又は回折格子構造を有しない曲面とした透明層を順に
積層させた光集積回路。
【請求項９】請求項８の光集積回路において、バッフ
ァ層に形成される凹凸の高さをその凹凸のピッチに対し
て十分に小さく設定した光集積回路。
【請求項１０】請求項８又は９の光集積回路におい
て、光導波路とバッファ層の接合面にグレーティングカ
ップラを構成した光集積回路。