衍射元件以及光拾取裝置的製作方法
2023-10-22 22:17:37 3
專利名稱：衍射元件以及光拾取裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光拾取裝置中用於將從雷射二極體射出的雷射衍射成為3束光等的衍射元件，特別地涉及能夠抑制或者解除因溫度變化引起雷射波長變動而產生衍射角度的變動的衍射元件。
背景技術：
作為DVD重放裝置為了使得CD-R也能夠進行重放是主要安裝著DVD重放用的650nm雷射二極體、CD-R重放·記錄用的780nm雷射二極體的所謂2雷射方式的重放裝置。對於安裝於這種重放裝置的光拾取裝置，最好能夠削減光學部件的個數並且使得裝置小型化、低價化。
由此，最近開發出所謂的雙雷射二極體(Twin-LD)，該雙雷射二極體是將物鏡固定為兩個波長共通使用的單透鏡方式並且雷射二極體也在單一的半導體基板上將波長不同的雷射集合在一起，該雙雷射二極體作為光拾取裝置的雷射光源。又，對於雷射光源與透鏡之間配置的光學元件，取代了對於每個波長配置各個光學元件，而是對於採用2個波長採用具有能夠發揮各自所要求的作用的波長選擇性的光學元件。
例如，對於為了伺服控制利用光拾取裝置在光記錄媒體上所形成的光斑的位置而生成必要的3光束的衍射元件，至今為止是在光學系統中對於2個波長安裝各自的衍射元件，而已經逐漸使用相對於2個波長能夠提供所要求的衍射角度以及衍射效率的波長選擇性衍射元件(以下，在本說明書中稱為「雙波長光柵」)又，對於用於檢測由光記錄媒體的記錄面反射回來的光的檢測器，也逐漸採用對於2個波長的雷射能夠通用的單一的檢測器。此時，當安裝上述雙雷射二極體時，由於從上述雷射光源射出的2個波長的雷射幾乎平行地出射，如此在單一的檢測器上不能夠會聚在同一點。因此，採用改變一波長雷射的前進方向並且使得2個波長的雷射會聚在同一點的波長選擇性的衍射元件(以下，在本說明書中稱為「光路合成元件」)。
這裡，作為這種雙波長光柵以及光路合成元件等所使用的衍射元件，一般由不易熱變形的無機材料製成。對於該衍射元件能夠忽略由於光拾取裝置等的環境溫度變化引起的熱變形。換言之，由於能夠忽略由於熱變形引起的光柵面的光柵間距的變動，故儘管溫度變化也能夠將恆定波長的雷射以要求的角度進行衍射。
然而，對於光拾取裝置等，受到環境溫度變化影響的部分不僅僅是光學元件，雷射光源也同樣受到熱的影響。當環境溫度發生變換時，雷射光源隨之其振蕩波長也會發生變動。結果由於入射到衍射元件的雷射的波長也發生變動而隨著波長變動其衍射角度也發生變化。當衍射角度發生變化時，例如當採用光路合成元件的情況下，會發生不能夠將2個波長的雷射會聚到同一點等的障礙。
例如，波長為780nm的第2雷射當環境溫度從20℃變化到60℃時波長從784.7nm變化到793.6nm，產生約10nm的波長變動。
例如，以圖8所示的衍射波長780nm的雷射的光路合成元件為示例進行說明，準備5個由某種形狀的無機材料形成的以往構造的光路合成元件樣品，對於使得環境溫度從20℃以每10℃地變化到60℃時的各樣品的衍射角度進行測定，得到如圖9曲線所示的結果。5個樣品的衍射角度變化與以從光柵的間距計算所得的虛線所示的計算值相同，由於20℃到60℃的環境溫度變化而衍射角度從1.32度變化到1.337度。即該衍射角度由於環境溫度20℃到60℃變化而發生0.015度變化。該值相當於環境溫度20℃的衍射角度1.322度的1.1％的變動率。又，在圖8中，由虛線表示環境溫度20℃時衍射狀態，實線表示環境溫度60℃時衍射狀態。
將該衍射角度變化以會聚在光檢測器的受射面上的光斑位置的移動變化量進行表示時，形成圖10的曲線所示的結果。由此可知，5個樣品的光斑移動變化表示為與以從波長變化所計算出的虛線所示的計算值相同的變化，由於20℃到60℃的環境溫度變化產生1.83μm的移動。
這裡，在一般光拾取裝置中所要求的光檢測器的光斑移動距離的允許範圍為2μm。因此，當為光拾取裝置的校正溫度範圍的上限70℃時，相對於允許範圍不存在餘地，故成品率降低。
當波長為650nm的雷射的情況下也存在上述不良情況。又，對於雙波長光柵也會發生同樣情況。
鑑於上述問題，本發明為了提供一種能夠抑制或者消除隨環境溫度變化的雷射波長變動引起的衍射角度變動的波長選擇性的衍射元件。
發明內容
為了解決上述問題，在本發明中，對於隨著入射雷射的波長而衍射角度不同的衍射元件，由具備能夠利用隨溫度變化發生熱變形引起的光柵的間距變動來抵消或者減少因溫度變化產生的入射雷射的波長變化引起的所述衍射角度的變動的膨脹係數的材料形成。
這裡，若根據使用於一般的光拾取裝置總的雷射波長(650nm或者780nm)以及該光學系統所要求的容許誤差，若由線膨脹係數為為5×10-5/℃～3×10-4/℃範圍內的值的材料形成本發明的衍射元件，能夠通過衍射元件的熱膨脹或者熱收縮引起的光柵間距變化來抵消因溫度變化引起波長變動導致的衍射角度的變化，使得在實用上不存在障礙。
其次，當將本發明的衍射元件作為光拾取裝置中的雙波長光柵使用時，最好設定其衍射特性，使得對於中心波長為650nm以及780nm中的一方的0次衍射效率為90％以上，對於另一方波長的1次衍射效率在10～20％的範圍內。
另一方面，當將本發明的光柵作為光拾取裝置中的光路合成元件使用時，最好具備由多個階面形成的階梯狀斜面的閃耀光柵面。此時，各階梯狀斜面的階數為4～6。
又，最好設定該衍射特性，使得對于于中心波長為650nm以及780nm中的一方的0次衍射效率為70％以上，對於另一波長的1次衍射效率在50％以上。
圖1是概要性地表示安裝有本發明的衍射元件的雙波長光拾取裝置的光學系統的構造圖。
圖2是表示圖1的光路合成元件的剖視圖。
圖3是表示透過圖2所示的光路合成元件的波長780nm的雷射的衍射效率與出射面階數的關係的曲線圖。
圖4是用於表示對於圖2所示的光路合成元件波長780nm的雷射隨環境溫度變化引起的波長變動與衍射角度變動的關係的說明圖。
圖5是表示圖1的雙波長光柵的剖視圖。
圖6是用於說明通過圖5所示的雙波長光柵的雷射的波長變動與衍射角度變化的關係的說明圖。
圖7是表示圖5所示的雙波長光柵的其他示例的說明圖。
圖8用於表示以往的波長選擇性光路合成元件。
圖9是表示對於以往的光路合成元件波長780nm的雷射隨環境溫度變化的波長變動與隨此的衍射角度變化的關係的曲線圖。
圖10表示對於以往的光路合成元件波長780nm的雷射隨環境溫度變化的波長變動與隨此的光斑位置移動變化量的關係的曲線圖。
具體實施形態以下，參照附圖對於本發明的最佳實施例進行說明。
圖1是概要性地表示安裝著本發明的衍射元件的光拾取裝置其光學系統的構造圖。如該圖所示，光拾取裝置1是CD、CD-R、DVD等的對於基板厚度以及記錄密度不同的多個種類的光記錄媒體6進行信息的重放、記錄的裝置，該光拾取裝置1具有將出射波長為650nm的以實線所示的雷射L1的雷射光源11與出射波長為780nm的以虛線表示的雷射L2的雷射光源12收納在共用的盒體中的雙波長雷射光源單元10、共同的光學系統Lo。雷射L1與雷射L2的發光點位置例如相離110μm左右。
在共同的光學系統Lo中配置有使得從雙波長光源單元10出射的雷射L1透過並且將雷射L2分離成用於生成循跡誤差信號的3光束的雙波長光柵2、部分地反射分成3束的雷射L1、L2的平板狀的分光器30、使得由分光器30反射的雷射L1、L2平行化的準直透鏡40、將從準直透鏡40射出的雷射L1。L2會聚到光記錄媒體6的記錄面6a上的物鏡41。雙波長光柵2是根據本發明而構成的衍射元件。
又，在共同光學系統Lo中配置有用於接受由光記錄媒體6的記錄面6a反射之後透過分光器30的雷射L1、L2的反射光Lr1、Lr2的共同受光元件13。在分光器30與受光元件13之間配置有用於將偏離光軸的反射光Lr1、Lr2導向共同受光元件13的受光面的光路合成元件5。該光路合成元件5也是根據本發明而構成的衍射元件。
在本發明中，使得從雷射光源11出射的雷射L1的光軸與光拾取裝置1的系統光軸41a(透鏡41的光軸)一致。因此，從另一雷射光源12射出的雷射L2在偏離光軸的狀態下通過共同光學系統Lo並且由光路合成元件5稍加偏轉而導向共同受光元件13的共同受射面上。
對於這樣構造的光拾取裝置1，作為光記錄媒體6從DVD重放信息等時是從雷射光源11出射波長為650nm的雷射L1。該雷射L1被導向共同光學系統Lo，由透鏡41在DVD的記錄面上會聚成光斑，由DVD的記錄面所反射的雷射L1的反射光Lr1通過分光器30、光路合成元件5會聚到共同受光元件13。根據由共同受光元件13檢測出的信號進行DVD的信息重放等。
對此，作為光記錄媒體6進行CD-R的信息重放等時是從另一雷射光源12出射波長為780nm的雷射L2。該雷射L2也被導向共同的光學系統Lo，通過透鏡41在CD-R的記錄面上會聚成光斑，從CD-R的記錄面反射來的雷射L2的反射光Lr2通過分光器30、光路合成元件5會聚到共同受光元件13。根據由共同受光元件13檢測出的信號進行CD-R的信息重放等。
(光路合成元件)圖2是表示本發明的光路合成元件的剖視圖。圖3是表示透過圖2所示的光路合成元件的波長780nm的第2雷射的衍射效率與出射面階梯階數的關係的曲線圖，圖4是用於說明對於圖2所示的光路合成元件波長780nm的第2雷射隨環境溫度變化引起的波長變動對應的衍射角度校正的說明圖。
本例的光路合成元件5是平板狀的樹脂成形品，一面為平坦的反射光入射面51、另一面為形成衍射光柵的出射面52。在該出射面52上作為光柵使得閃耀光柵的斜面周期性地形成多個階梯的階面52a，這稱為雙閃耀光柵(binaryblazed grating)。
由於相對於透過相鄰階面52a的波長650nm的雷射L1因高度D而相位延遲正好一個波長，各階梯53的相差D即各階部階面52a的高度成為不會產生衍射作用而使得作為0次衍射光L1A直接通過的高度。令相對於第1雷射L1的波長650nm的折射率為n1、相對於第2雷射L2的雙波長780nm的折射率為n2、波長650nm為λ1時，則由下式可以計算出上述高度D。
D＝λ1/(n1-1)另一方面，階部53由於為閃耀光柵，相對于波長780nm的雷射L2在直射的0次衍射光L2A以及向其兩側偏轉的+1次衍射光、-1次衍射光中，+1次衍射光L2B的衍射效率最高。
這裡，衍射效率能夠由階面的階數決定。如圖3所示，以X軸表示階面階數、以Y軸表示衍射效率時，能夠降低0次衍射光、-1次衍射光的效率而提高+1次衍射光的衍射效率的階數為4～6，此時的+1次衍射光的衍射效率為60％～90％。在本實施例中設定階數為6。
這樣，光路合成元件5能夠使得波長650nm的雷射L1作為0次衍射光L1A直射進入、使得波長780nm的雷射L2以比0次衍射光L2A更高衍射效率作為+1次衍射光L2B偏轉並且會聚到共同的受光元件。
又，本實施例中的光路合成元件5的樹脂材料採用線膨脹係數為0.5×10-4/℃～3×10-4/℃範圍內的材料。作為為代表性的樹脂材料，其線膨脹係數為聚碳酸酯 2.0×10-4/℃聚苯乙烯 1.8～2.4×10-4/℃聚甲基丙烯甲醇 1.3×10-4/℃這裡，對於用於以往的光路合成元件中的無機材料，其線膨脹係數為光學玻璃 0.15～0.45×10-4/℃石英玻璃 0.017×10-4/℃因此，用於本實施例中的光路合成元件的樹脂材料比無機材料的線膨脹係數約增大10倍。
對於這樣構成的光路合成元件5，如圖4所示，當環境溫度從20℃到60℃變化時，從虛線所示的形狀起如左右箭頭S所示那樣變化到實線所示形狀而向平面方向延伸。此時，與以往的無機材料相比，構成本例的光路緩衝元件5的樹脂材料約伸長10倍。當光路合成元件5伸長時，在其出射側光柵面上的光柵間距(各階面的寬度)變寬。
最後，波長為780nm的第2雷射L2由於環境溫度變化使波長從以虛線所示的780nm增加到實線所示的790nm而增加了10nm的情況下，通過光柵間距變寬能夠降低+1次衍射光L2B的衍射角度的變動。
對於衍射角變動，若光路合成元件5的樹脂材料其線膨脹係數在0.5×10-4/℃到3×10-4/℃的範圍內，能夠使得環境溫度60℃時的衍射角度變動相對於環境溫度20℃的衍射角度下降1％以下。又，若是線膨脹係數為3×10-4/℃的樹脂，則能夠完全抵消衍射角度的變動。
(雙波長光柵)其次，圖5是表示本實施例的雙波長光柵2的剖視圖。圖6是用於說明透過圖5所示的雙波長光柵的雷射當隨環境溫度波長發生變動與由此引起的衍射角度變動的關係的說明圖。
本實施例的雙波長光柵2為平板狀的樹脂成形品，一面為平坦的入射面21、另一面為形成凹凸狀的衍射光柵的出射面22。該出射面22的光柵為凹面22a、凸面22b形成周期性的構造。與上述光路合成元件5相同地，本實施例的雙波長光柵2的樹脂材料為線膨脹係數從0.5×10-4/℃到3×10-4/℃。
與上述光路合成元件5相同地計算出相對於凹面22a的凸面22b的高度(階差)D，使得相對於通過出射面22的波長650nm的雷射L1由凸面22b的階差D引起的相位延遲正好為1個波長，使得不產生衍射作用並且使得雷射L1作為0次衍射光L1A原樣地通過。
另一方面，對于波長780nm的雷射L2發揮作用使得分成直射的0次衍射光L2A以及向其兩側偏轉的+1次衍射光L2B、-1次衍射光L2C的3束。
因此，雙波長光柵2使得波長650nm的雷射L1作為0次衍射光L1A直射進來，使得波長780nm的雷射L2分離為0次衍射光L2A、+1次衍射光L2B、-1次衍射光L2C，並且能夠生成循跡誤差信號。
對於如此構成雙波長光柵2，如圖6所示，當環境溫度從20℃變化到60℃時，從虛線所示的形狀如左右箭頭所示在平面方向上因熱變形而延伸為實線所示形狀。此時，與以往的無機材料相比，構成本實施例的雙波長光柵2的樹脂材料約延伸10倍。結果是由於光柵間距擴大，波長780nm的雷射L2因環境溫度變化波長從虛線所示的780nm變化到實線所示的790nm增加10nm，能夠減少+1次衍射光L2B、-1次衍射光L2C的延伸角度變動。該衍射角度變動若當雙波長光柵2的樹脂材料線膨脹係數在0.5×10-4/℃到3×10-4/℃的範圍內時能夠使得環境溫度60℃時的衍射角度變動相對於環境溫度20℃的衍射角度為1％以下，若是線膨脹係數為3×10-4/℃的樹脂則能夠完全抵消衍射角度的變化。
又，在上述的示例中，形成在出射面22上的凹面22a與凸面22b的階差D採用相對于波長650nm的雷射L1不發揮衍射作用的尺寸，也可以採用對于波長780nm的雷射L2不發揮衍射作用的尺寸。當令雷射L1的波長為650nm的折射率為n1、雷射L2的波長為780nm的折射率為n2、波長780nm為λ2時，此時的階差D1為D1＝λ2/(n2-1)波長780nm的雷射由於階差D1引起的相位延遲正好為1個波長並且沒有受到衍射作用而作為0次衍射光通過。
又，在上述的各實施例中，光路合成元件5以及雙波長光柵2都將形成光柵的面作為出射面而配置，而也可以將形成了光柵的面作為入射面而配置。
(雙波長光柵的其他實施例)這裡，對於雙波長光柵2，在入射面21上也能夠設計對于波長780nm的雷射不會發生衍射作用的階差D1的凹凸。如圖7所示，雙波長光柵2A在入射面21上形成對于波長780nm的雷射L2不發生衍射作用的階差D1的凹面21a、凸面21b，在出射面22上形成對于波長650nm的雷射L1不發生衍射作用的階差D的凹面22a、凸面22b。
對於如此構成的雙波長光柵2A，對於雷射L1進行衍射而分為0次衍射光L1A、+1次衍射光L1B、-1次衍射光L1C這樣3束，使得雷射L2原樣通過。在出射面22上，使得雷射L1的3束光L1A、L1B、L1C原樣通過，對於雷射L2進行衍射分成0次衍射光L2A、+1次衍射光L2B、-1次衍射光L2C這樣3束。因此，雙波長光柵2A對於2個波長L1、L2能夠生成要求的衍射角度的3束雷射。
又，階差D、D1隻要是能夠對於雷射生成一個波長的整數倍的相位差(2π、4π…)的尺寸即可。
如上所述，對於本發明的衍射元件，積極地利用環境溫度變化引起的光柵間距的變動，能夠抵消或者降低隨環境溫度變化引起的雷射的波長變動導致的衍射角度的變化。因此，能夠避免或者抑制由于波長變動引起的衍射角度變動所導致的不良情況。
又，將本發明的衍射元件作為具備雙波長雷射光源的光拾取裝置中的3束光生成用雙波長光柵或者光路合成元件，能夠實現部件個數少而且相對於環境溫度變化穩定性高的光拾取裝置。
權利要求
1.一種衍射元件，隨著入射雷射的波長而衍射角度不同，其特徵在於，由具備能夠利用隨溫度變化發生熱變形引起的光柵的間距變動來抵消或者減少因溫度變化產生的入射雷射的波長變化引起的所述衍射角度的變動的膨脹係數的材料形成。
2.如權利要求1所述的衍射元件，其特徵在於，線膨脹係數為5×10-5/℃～3×10-4/℃範圍內的值。
3.如權利要求2所述的衍射元件，其特徵在於，對於中心波長為650nm以及780nm中的一方的0次衍射效率為90％以上，對於另一波長的1次衍射效率在10～20％的範圍內。
4.如權利要求1所述的衍射元件，其特徵在於，具有具備由多個階面形成的階梯狀斜面的閃耀光柵面。
5.如權利要求4所述的衍射元件，其特徵在於，各階梯狀斜面的階數為4～6。
6.如權利要求4所述的衍射元件，其特徵在於，對於中心波長為650nm以及780nm中的一方的0次衍射效率為70％以上，對於另一波長的1次衍射效率在50％以上。
7.一種光拾取裝置，將從雷射二極體射出的雷射通過3束光生成用衍射元件照射到光記錄媒體的記錄面並且將來自所述記錄面的反射光導向光檢測器，其特徵在於，所述3光束生成用衍射元件是權利要求1所述的衍射元件。
8.一種光拾取裝置，具有第1雷射二極體以及第2雷射二極體，將從所述第1以及第2雷射二極體出射的平行的波長不同的第1以及第2雷射照射到光記錄媒體的記錄面上並且將從所述記錄面反射的反射光通過光路合成用光學元件導向共用的光檢測器，其特徵在於，所述光路合成用光學元件是權利要求4所述的衍射元件。
全文摘要
本發明的衍射元件能夠解除或降低隨環境溫度變化的雷射波長變動引起的衍射角度變動。光路合成元件是使波長650nm的雷射直接通過而使波長780nm的雷射發生衍射且使之與波長650nm的雷射會聚在同一位置上的衍射元件,它是具備入射面及形成光柵的出射面的樹脂成形品。該光路合成元件的線膨脹係數為5×10
文檔編號G11B7/135GK1348176SQ0113543
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月28日 優先權日2000年10月6日
發明者林賢一, 武田正 申請人:株式會社三協精機製作所