专利名称：偏振光分离元件及其制造方法和光拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于各种光学装置的偏振光分离元件及其制造方法。
作为用于CD、DVD、MO等的光记录盘和光磁记录盘(下文称为光盘)的记录、再现的光拾取装置，如图5(A)所示，其构成使从激光光源21射出的激光LA经偏振光分离元件1A、1/4波长板22及物镜23，聚光于光盘24的记录面241，其返回光LB再次经物镜23、1/4波长板22及偏振光分离元件1A到达光接收元件25。
用于这种光拾取装置2A的偏振光分离元件1A，通常为了提高利用效率，设定其特性使寻常光和非常光中任一个不衍射，则另一个全部衍射(在本申请说明书下文中，这种特性称为全偏振性)。因此，从激光光源21射出的激光LA，例如在偏振光分离元件1A中作为寻常光不衍射，则由光盘24返回的光LB，在再次入射至偏振光分离元件1A前，通过波长板22已成为非常光，因而由偏振光分离元件1A衍射，作为1级衍射光到达光接收元件25。因此，若使用这种全偏振性的偏振光分离元件1A，则从激光光源21射出的激光LA全部聚光于光盘24的记录面241，而且返回光LB的1级衍射光以其理论最大值到达光接收元件25，激光功率的利用效率高。
但是，在光盘24中，至记录面241的衬底242有大的双折射时，若使用这样的光盘24，返回光LB可能不到达光接收元件25。例如，若通过光盘24的衬底242的双折射，激光LB受到与1/2波长板相等的作用，则从激光光源21射出的激光LA与其返回光LB均成为寻常光，因而，如图5(B)所示，返回光LB在偏振光分离元件1A不衍射，直接通过，不到达光接收元件25。
本申请发明者提出了在光拾取装置中不使用已说明过的全偏振性的偏振光分离元件1A，而使用具有对寻常光和非常光两者均产生衍射光特性(在本申请说明书中，下文称为部分偏振性)的偏振光分离元件的技术方案。
这种部分偏振性的偏振光分离元件可用与采用铌酸锂制造全偏振性的偏振光分离元件时相同的方法制作，例如可通过下述步骤加以制造在铌酸锂单晶上周期性地进行质子交换而形成周期光栅，在该周期光栅的质子交换区域上形成SiO2等的光学各向同性透明膜。但是，为了形成铌酸锂单晶，需要特别的制造装置，在偏振光分离元件的制作中，需要进行很费时的处理。而且，由于铌酸锂质脆，在处理过程中破碎多，成品率低。又，铌酸锂材料本身价高。因此，存在偏振光分离元件非常昂贵这样的问题。
本发明鉴于上述问题而作出，其目的在于提供不采用特别的制造装置也能容易且廉价地制造的部分偏振性的偏振光分离元件及其制造方法。
为了解决上述课题，本发明所述的偏振光分离元件包括光学各向同性衬底；在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上形成的聚二乙炔衍生物构成的薄膜；周期光栅，通过在所述薄膜表面形成的凹凸及两种色彩的周期构造，使寻常光和非常光中一个的入射光产生至少1级衍射光，对另一个的入射光则产生0级衍射光和1级衍射光。
在本发明中，为了形成部分偏振性的偏振光分离元件，使用聚二乙炔衍生物。聚二乙炔衍生物薄膜可用蒸镀(真空镀敷)及紫外线聚合等方法简单地制作。因而，与使用铌酸锂的情况相比，可容易且廉价地加以制作。又，由于聚二乙炔衍生物双折射率大，可制作得簿。因此，可制作小型的偏振光分离元件。而且，由于聚二乙炔衍生物构成的薄膜仅通过蒸镀然后紫外线聚合，即可在面上均匀形成，适合于制作棱镜、平面镜等复合元件。
在本发明中，构成上述周期光栅的凹凸的凹部，通过对聚二乙炔衍生物构成的薄膜有选择地照射紫外线而形成。即，本申请的发明人对聚二乙炔衍生物的特性、物性等进行各种实验，结果发现，若有选择地向聚二乙炔衍生物构成的薄膜照射紫外线，则在照射部分折射率变化的同时，照射部分自然收缩成为凹部。因而，通过向聚二乙炔衍生物构成的薄膜表面有选择地照射紫外线，可形成凹凸状的周期光栅，与蚀刻等方法比较，可容易且精度良好地形成具有细微凹凸图形的周期光栅。
在本发明的偏振光分离元件用作偏振系统光拾取装置的光束分离器时，上述周期光栅最好设定成使对一个入射光，产生最大的1级衍射光。若把这样构成的偏振光分离元件用于偏振系统光拾取装置的光束分离器，在激光不受光盘双折射影响时，可使光接收元件的光接收量为最大。
在本发明的偏振光分离元件用于不依赖偏振的系统的光拾取装置的光束分离器时，所述周期光栅最好以下述方式构成对寻常光和非常光中一个的入射光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5；对另一个的入射光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5以上。这样构成的偏振光分离元件用于不依赖偏振的系统的光拾取装置的光束分离器时，如果激光受光盘双折射的影响，则光接收元件的光接收量增大。由此，对具有双折射的光盘，与以往的不依赖偏振的系统的光拾取装置相比，可提高激光功率的利用效率。
在本发明中，虽然有时在形成上述凹凸状的周期光栅的上述薄膜表面形成防反射膜或保护上述薄膜免受机械损伤的保护膜，但最好形成兼具防反射功能及保护上述薄膜免受机械损伤的保护功能两者的表面薄膜。若如上构成，通过防反射功能，可减少偏振光分离元件的光损失，而且可确实保护机械强度低的聚二乙炔衍生物薄膜，提高偏振光分离元件的可靠性。
本发明的偏振光分离元件的制造方法，其特征是在上述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上蒸镀二乙炔单体后，通过向该二乙炔单体照射紫外线，使该二乙炔单体聚合，从而形成聚二乙炔衍生物构成的薄膜，然后，通过对该薄膜有选择地照射紫外线，形成上述周期光栅。
本发明中，在向光学各向同性衬底蒸镀二乙炔单体后，仅照射紫外线，即可形成聚二乙炔衍生物构成的聚合膜，仅向该聚合膜有选择地照射紫外线，即可形成周期光栅。因此，与蚀刻等方法比较，易于制作狭间距的周期光栅，不必特别的装置。由此，可容易且廉价地制造部分偏振性的偏振光分离元件。
本发明中，在上述二乙炔单体蒸镀前，通过摩擦处理在上述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面至少一个面上形成的膜，使之成为定向膜后，在该定向膜表面蒸镀二乙炔单体。若采用上述构成，则在定向膜表面蒸镀二乙炔单体，二乙炔单体即可根据定向膜的摩擦处理方向，自发定向。
图1是应用本发明的偏振光分离元件的构成略图。
图2是用于说明图1所示偏振光分离元件衍射特性的曲线。
图3(A)～(D)是表示示于图1的偏振光分离元件的制造方法的工序的剖面图。
图4是图1所示偏振光分离元件用作光束分离器的光拾取装置的构成略图。
图5(A)、(B)是用于说明全偏振性的偏振光分离元件用作光束分离器的光拾取装置的缺陷的构成略图。
下文，参照附图，说明本发明的实施例。
偏振光分离元件的构成图1是应用本发明的偏振光分离元件的构成略图。如图所示，偏振光分离元件1具有作为备有形成光入射面和光出射面的第1及第2表面101、102的光学各向同性衬底的玻璃衬底10，以及在该玻璃衬底10的第1表面101上以预定膜厚形成的聚二乙炔衍生物膜11(聚二乙炔衍生物构成的薄膜)。在聚二乙炔衍生物膜11的表面，构成通过对该聚二乙炔衍生物膜11本身有选择地照射紫外线，而形成凹凸状的周期光栅12。在玻璃衬底10的表面101，即聚二乙炔衍生物膜11的基底上形成由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜构成的定向膜13。
聚二乙炔衍生物膜11由下述化学式(1)所示的聚二乙炔衍生物构成。
其中，作为聚二乙炔衍生物，化学式(1)的侧链基R、R′可采用以下化学式(2)～(9)所表示的构成。
又，化学式(2)～(9)所构成的聚二乙炔衍生物是任一种二乙炔单体加以聚合物化得到的。
(CH2)mOCONHCnH2n+1……(2)(惯用名CmUCn)
(惯用名PTS)
(惯用名PTS-12)
(惯用名DCHD)
(惯用名HDU)
(惯用名DFMDP)
(惯用名TCDU)(CH2)nOCONHCH2COOC4H9……(9)(惯用名nBCMU)聚二乙炔衍生物构成的聚二乙炔衍生物膜11定向于X-Y平面内，主链方向(定向方向)是箭头H所示的Y轴方向。
这样的聚二乙炔衍生物膜11一旦照射紫外线，则切断分子链以蓝、红、透明的顺序，或不变成蓝色，以红、透明的顺序起色彩变化，伴随该变化，具有定向方向H的折射率降低的性质。与此同时，聚二乙炔衍生物膜11的紫外线照射部分具有收缩性质，该收缩部分成为凹部。
在本实施例中，利用该性质，聚二乙炔衍生物膜11其定向方向的折射率形成周期性变化。即，在本实施例的偏振光分离元件1中，通过对聚二乙炔衍生物构成的聚二乙炔衍生物膜11有选择地照射紫外线，在变化色彩的同时，形成收缩至预定膜厚的凹部121，在紫外线未照射处，形成以原有折射率及膜厚残存的凸部122，从而形成周期光栅12。
该周期光栅12的光学特性，如图2所示，对寻常光和非常光产生的1级衍射光的强度以实线L1表示，0级衍射光的强度以点划线L2表示。
如图所示，本实施例的偏振光分离元件1形成具有部分偏振性，即对偏振于聚二乙炔衍生物膜11的定向方向H的非常光，1级衍射光最大，而且对偏振于与上述定向方向H垂直方向的寻常光，0级衍射光与1级衍射光的波分量比(分波比、衍射强度比)为2∶1。通过把上述凹部121及凸部122的折射率及其膜厚分别设定成预定值，可得到这样的光学特性。
即，制造偏振光分离元件1时，对非常光和寻常光，从作为目标的波分量比算出凹部121与凸部122产生的相位差φ，计算结果代入下式(1)、(2)，求出凸部122的膜厚d及凹部121的凹陷量d1。
φe=(2π/λ)(ne-1)×d1+(ne-nt)×(d-d1))(1)φo=(2π/λ)(n0-1)×d1 (2)式中，φe对非常光的相位差φo对寻常光的相位差λ波长d凸部122的膜厚d1凹部121的深度ne凸部122对非常光折射率no凸部122对寻常光折射率nt凹部121折射率例如，为了把偏振光分离元件1用作偏振系统的光拾取装置的光束分离器，在对波长650nm的非常光入射，使1级衍射光最大、对寻常光入射，使0级衍射光与1级衍射光的波分量比为2∶1时，对非常光的相位差φe为180度，对寻常光的相位差φo为96度。这时，若设ne=1.8、n0=nt=1.5，则d=505nm、d1=347nm。
偏振光分离元件1的制造方法然后，说明本实施例的偏振光分离元件1的制造方法。首先，如图3(A)所示，在玻璃衬底10的第1表面101上，形成PET膜构成的定向膜13。为了形成该定向膜13，首先，把PET溶解于少量含氟醇类溶剂直至饱和，然后，以含氯稀释液稀释至10倍，把从该稀释的溶液中取除沉淀物后的溶液涂布于光学各向同性的玻璃衬底10的第1表面101上。该PET膜的膜厚例如为100nm至200nm。然后，用尼龙、人造丝、聚酯物等的交织物，以预定的定向方向的同一方向，摩擦处理PET膜的表面，由此，使PET膜成为定向膜13。
然后，如图3(B)所示，用真空镀敷法，在定向膜13的表面，成膜用于形成化学式(1)所示的聚二乙炔衍生物的二乙炔单体11a。在真空镀敷时，二乙炔单体11a根据定向膜13的摩擦处理方向，自发定向。本实施例中，在进行上述真空镀敷时，电阻加热的加热温度为124℃、蒸镀速度为0.05nm/s～0.5nm/s、压力为1～4mPa，使二乙炔单体成膜成满足式(1)的膜厚。
然后，如图3(c)所示，向二乙炔单体膜11a的全部表面照射紫外线，使二乙炔单体膜11a聚合。在聚合时，使超高压水银灯的辐射通量密度为约2mw/cm2，照射紫外线的照射时间约2分钟。
然后，如图3D所示，向聚二乙炔衍生物膜11有选择地照射紫外线，从而形成周期光栅12。在该工序中，为了有选择地照射紫外线，首先，在聚二乙炔衍生物膜11上配置已形成衍射光栅图案的光掩模(铬掩模)，从其上部照射准直的紫外线。采用超高压水银灯作为这时的光源，其强度约20mw/cm2、曝光时间约1小时。由此，与光掩模15透光部分相当的聚二乙炔衍生物膜11，通过紫外线照射被切断分子链，在色彩变化的同时收缩，从而成为上述凹部121。另一方面，与光掩模15遮光部分相当的聚二乙炔衍生物膜11，色彩不变化，也不收缩，成为上述凸部122。通过上述工序，制造图1所示的偏振光分离元件1。
采用偏振光分离元件1的光拾取装置该偏振光分离元件1例如可对CD、DVD、MO等光盘，用作图4所示的偏振系统光拾取装置2的光束分离器等。
在图4所示的光拾取装置2中，从激光光源21(半导体激光器)向光盘24，顺次配置上述偏振光分离元件1、1/4波长板22、物镜23。从激光光源21射出的激光LA设定为寻常光，通过偏振光分离元件1，以2∶1的波分量比衍射成0级衍射光与1级衍射光(图2中A点及B点所示条件)，其中的0级衍射光用1/4波长板22变换成圆偏振光后，经物镜23，作为光斑聚光于光盘24的记录面241。
这时，聚光的激光由光盘24的记录面241反射。来自该光盘24的返回光LB再次经物镜23和1/4波长板22，导向偏振光分离元件1。
自激光光源21射出的激光作为寻常光一旦通过偏振光分离元件1后，作为返回光LB，在再次入射至偏振光分离元件1前，因二次通过1/4波长板而成为非常光。因此，偏振光分离元件1产生最大强度的1级衍射光LB1(相当于图2中C点条件)，而几乎不产生0级衍射光LB0(相当于图2中D点条件)。于是，1级衍射光LB1到达光接收元件25，根据该光接收元件25的光接收量，检测记录在光盘24上的数据。
可是，上述说明是以光盘24的衬底242没有双折射为前提的情况，有时，光盘有非常大的双折射。最极端的情况下，往往光盘24的衬底242的双折射给予激光与1/2波长板相等的作用，原本应返回光LB成为非常光入射至偏振光分离元件1，现在却成为寻常光入射至偏振光分离元件1。
在这种场合，若使用以往的全偏振性的偏振光分离元件，则返回光LB完全不能到达光接收元件25。即，在全偏振性的偏振光分离元件中，如图2中二点划线L3所示，由于对寻常光不产生1级衍射光(相当于E点条件)，通过光盘24的衬底242的双折射，作为寻常光入射至偏振光分离元件1的返回光LB直接通过偏振光分离元件，返回光LB完全不到达光接收元件25。
可是，在上述实施例的偏振光分离元件1中，由于即使是寻常光，也以2∶1的比例产生0级衍射光LB0和1级衍射光LB1(图2中A点及B点相当的条件)，其中因1级衍射光LB1向光接收元件25衍射，一部分返回光LB必然到达光接收元件25。
又，若采用相应于光盘24的双折射程度进行相位差修正的波长板，则效果更好。
这样，在本实施例的光拾取装置2中，由于采用部分偏振性的偏振光分离元件1作为光束分离器，即使光盘24本身具有大的双折射，返回光LB的一部分也必定可到达光接收元件25，因而即使从具有大双折射的光盘24，也能无故障地进行信息重放。而且，偏振光分离元件1的周期光栅12，其构成使对非常光产生的1级衍射光为最大，因而在把该偏振光分离元件1用于偏振系统光拾取装置2的情况下，当返回光LB完全不受光盘24双折射影响时，可使光接收元件25的光接收量最大。
在本实施例中，为了形成部分偏振性的偏振光分离元件1，采用聚二乙炔衍生物膜11。该聚二乙炔衍生物膜11可用蒸镀及紫外线聚合等方法简单地加以制作，材料本身也价廉。因而，与采用铌酸锂的场合相比，可容易且廉价地制造。又，聚二乙炔衍生物膜11由于双折射率大，可做得薄。因此可制成小型的偏振光分离元件1。而且，聚二乙炔衍生物膜11仅通过蒸镀然后紫外线聚合，即可在面内均匀形成，因而适合于制作棱镜、平面镜等复合元件。
又，在本发明的偏振光分离元件的制造方法中，仅通过蒸镀二乙炔单体11a后照射紫外线，形成聚二乙炔衍生物膜11。然后，对聚二乙炔衍生物膜11有选择地照射紫外线，使紫外线照射部分的折射率变化，同时使该部分收缩构成凹部121。因而，与进行蚀刻形成凹凸图形的方法相比，可容易且精度良好地形成具有细微凹凸的狭间距周期光栅12。而且，因不需特别的装置，因而可廉价形成部分偏振性的偏振光分离元件1。
又，在本实施例中，在蒸镀二乙炔单体11a前，先在光学各向同性基板10上形成PET等高分子膜，对该膜表面施加摩擦处理，形成定向膜13，然后，在定向膜13的表面，蒸镀二乙炔单体11a。因而，仅通过蒸镀二乙炔单体11a，该单体可自发地定向于定向膜11的摩擦处理方向。
其它实施例在上述实施例中，设置偏振光分离元件1，使对寻常光，以波分量比2∶1产生0级衍射光和1级衍射光；对非常光，1级衍射光为最大。若本发明是对寻常光或非常光之一，产生0级衍射光和1级衍射光、对另一个至少产生1级衍射光的部分偏振性，则不限于上述波分量比。
又，在上述实施例中，偏振光分离元件1其构成使自激光光源射出的光，作为寻常光入射至偏振光分离元件1，但在激光光源射出的光以非常光入射至偏振光分离元件1这种方式构成时，也可设定成使对非常光以2∶1的分波比产生0级衍射光和1级衍射光，而且对寻常光使1级衍射光为最大。
又，本发明涉及的偏振光分离元件用于不依赖偏振的系统的光拾取装置的光束分离器时，也可将其构成使对寻常光及非常光中一个的入射光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5(0级衍射光1级衍射光=2∶1)，而对另一个的入射光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5以上(0级衍射光1级衍射光=2∶1以上)。若这样构成的偏振光分离元件用于不依赖偏振的系统的光拾取装置的光束分离器时，激光一旦受光盘双射率的影响，光接收元件的光接收量倾向于增大。由此，对有双折射的光盘，与以往的不依赖偏振的系统的光拾取装置比较，可实现激光功率利用率高的光拾取装置。
又，也可以在形成凹凸状周期光栅12的聚二乙炔衍生物膜11的表面，形成防反射膜、保护聚二乙炔衍生物膜11免受机械损伤的保护膜或兼有上述两膜功能的薄膜。一旦形成防反射膜，可减少偏振光分离元件的光损失；一旦形成保护膜，可保护低机械强度的聚二乙炔衍生物的聚二乙炔衍生物膜11，从而提高偏振光分离元件1的可靠性。
如上所述，本发明的偏振光分离元件，其特征在于用聚二乙炔衍生物膜，形成具有部分偏振性的周期光栅。因此，根据本发明，聚二乙炔衍生物膜，不需特殊装置，即可非常容易地形成，因而能廉价形成部分偏振性的偏振光分离元件。又，由于聚二乙炔衍生物膜，双折射率非常大，可形成薄的部分偏振性的偏振光分离元件。再者，聚二乙炔衍生物膜，在蒸镀后仅进行紫外线聚合，即可在面内均匀形成，而且，只要有选择地进行紫外线照射，即可形成折射率不同的凹部和凸部，与蚀刻等方法比较，可精度良好且廉价地制造狭间距的周期光栅。
权利要求
1．一种偏振光分离元件，其特征在于包括光学各向同性衬底；在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上形成的聚二乙炔衍生物构成的薄膜；在所述薄膜表面形成的凹凸及两种色彩构成的周期光栅，它使对寻常光和非常光中一个的入射光产生至少1级衍射光，对另一个的入射光产生0级衍射光和1级衍射光。
2．如权利要求1所述的偏振光分离元件，其特征在于，构成所述周期光栅的凹凸的凹部是通过对聚二乙炔衍生物构成的所述薄膜有选择地照射紫外线而形成的。
3．如权利要求2所述的偏振光分离元件，其特征在于，所述周期光栅其构成使对所述一个入射光产生的1级衍射光为最大。
4．如权利要求3所述的偏振光分离元件，其特征在于，在构成所述周期光栅的所述薄膜表面，备有兼具防反射功能和保护所述薄膜免受机械损伤的保护功能的表面薄膜。
5．如权利要求1所述的偏振光分离元件，其特征在于，所述周期光栅其构成使对所述一个入射光的1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5以上，对所述另一入射光的1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5。
6．如权利要求5所述的偏振光分离元件，其特征在于，在构成所述周期光栅的所述薄膜表面，备有兼具防反射功能和保护所述薄膜免受机械损伤的保护功能的表面薄膜。
7．一种偏振光分离元件的制造方法，所述偏振光分离元件具有光学各向同性衬底、在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上形成的聚二乙炔衍生物构成的薄膜；其特征在于所述方法包括下述步骤在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上蒸镀二乙炔单体后，向该二乙炔单体照射紫外线，由此使该二乙炔单体聚合，形成聚二乙炔衍生物构成的薄膜；然后，通过对该薄膜有选择地照射紫外线，形成所述周期光栅。
8．如权利要求7所述的偏振光分离元件的制造方法，其特征在于，在蒸镀所述二乙炔单体前，通过摩擦处理在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上形成的膜，使之成为定向膜，然后，在该定向膜表面蒸镀二乙炔单体。
9．一种光拾取装置，其构成使从激光光源射出的激光经偏振光分离元件、1/4波长板及物镜聚光于光盘，其返回光经所述物镜、1/4波长板及偏振光分离元件导向光接收元件；其特征在于，所述偏振光分离元件包括光学各向同性衬底；在所述光学各向同性衬底的光入射面和光出射面中至少一个面上形成的聚二乙炔衍生物构成的薄膜；在所述薄膜表面形成的凹凸及两种色彩构成的周期光栅，它使对激光光源射出的激光产生0级衍射和1级衍射，对从所述光盘返回的光至少产生1级衍射。
10．如权利要求9所述的光拾取装置，其特征在于，所述周期光栅其构成使对来自所述光盘的返回光产生的1级衍射光为最大。
11．如权利要求9所述的光拾取装置，其特征在于，在构成所述周期光栅的所述薄膜表面，备有兼具防反射功能和保护所述薄膜免受机械损伤的保护功能的表面薄膜。
12．如权利要求9所述的光拾取装置，其特征在于，所述周期光栅其构成使对所述激光光源射出的激光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5；对来自所述光盘的返回光，1级衍射光对0级衍射光的衍射强度比为0.5以上。
全文摘要
本发明提供一种不用特别装置即可容易且廉价地制造的部分偏振性的偏振光分离元件及其制造方法。制造偏振光分离元件(1)时,在作为光学各向同性衬底的玻璃衬底(10)的表面(101)上,形成聚二乙炔衍生物膜(11),通过有选择地紫外线照射该聚二乙炔衍生物膜(11),形成2种色彩的周期构造,同时形成凹凸,制成具有部分偏振性的周期光栅(12)。该具有部分偏振性的偏振光分离元件(1)若用于光拾取装置,则即使光盘有双折射,由于部分返回光必定到达光接收元件,可无故障地进行信息重放。
文档编号G11B11/105GK1226007SQ99101730
公开日1999年8月18日 申请日期1999年1月29日 优先权日1998年2月9日
发明者林贤一, 小林一雄 申请人:株式会社三协精机制作所