JP2007265581A - 回折素子 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な液晶を用いることなく波長依存性のない回折素子を実現する。
【解決手段】入射光を回折させるための回折素子１には、透明基板３０上に、入射光を回折させるための第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とが交互に複数配列されて回折パターンが形成されている。第１の位相差領域１０及び前記第２の位相差領域２０には、入射光の複数の波長の位相差を揃えるために、複数の波長域のうち最短波長未満のピッチ間隔で複数の微小凹凸構造がナノオーダーで配列されている。そして、第１の位相差領域１０の微小凹凸構造と前記第２の位相差領域２０の微小凹凸構造とは直交している。ナノオーダーの微小凹凸構造により位相差が揃えられて、回折パターンにより回折効率に波長依存性が少ない回折機能を発揮することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は入射光を回折させる回折素子に関し、特に波長依存性が少ない回折素子に関するものである。

光学素子として入射光を回折させる回折素子があり、回折素子は例えば光ピックアップ等に用いられる。光ピックアップでは、光源から射出した光は、信号光として利用される他に、フォーカス誤差検出信号及びトラック誤差検出信号としても利用される。従って、回折素子は入射光のうち信号光を０次光として、フォーカス誤差検出信号及びトラック誤差検出信号を±１次光として回折させる。このため、回折素子は、ミクロンオーダーで凹凸構造がガラス基板上に形成された構成を採用している。

ところで、近年の光ピックアップでは、ＣＤ（Compact Disk：波長７８０ｎｍの光を利用した光ディスク）及びＤＶＤ（Digital Versatile Disk：波長６５０ｎｍの光を利用した光ディスク）の他に、大容量光ディスク（波長４０５ｎｍの青色レーザを利用した光ディスク）が普及しつつある。これら３つの波長域の光を別個独立の光ピックアップとして設けると装置全体が大型化するため、光ピックアップの構成部品を３波長に対応させて、光ピックアップの小型化を図っている。これに伴い、光ピックアップに用いられる回折素子も３波長対応のものを使用する必要がある。

ここで、光ピックアップに使用される光学部品は、夫々特定の波長においてその光学特性が発揮されるものが多い。従って、光ピックアップに用いられる回折素子も、ＣＤ、ＤＶＤ又は大容量光ディスクの何れかにおいて回折効率が最適になるように設計されている。このため、３波長のうち何れかに対応した回折素子を使用すると、１つの波長域の光では所定の回折効率が得られるが、他の波長域の光では回折効率が悪化するという問題がある。当該回折効率が悪化した波長域の光は、その光のパワーが減少するだけでなく、０次光と±１次光との間のパワーの配分比率も悪化するという問題を招来する。そうすると、安定した信号光の供給及びフォーカス誤差検出信号及びトラック誤差検出信号の供給を行うことができなくなる。

この問題を解決課題とするものが特許文献１に開示されている。特許文献１では、複屈折を有する光学異方性媒質と光学等方性媒質とを周期的に交互に配列して、光学異方性媒質を、光が透過する光軸方向と垂直な面内若しくはこれに近い面内での屈折率楕円の主軸方向を光軸方向に平行な軸の回りにねじれ回転させている。そして、偏光方向を回転することにより夫々の偏光方向に対して強度変調を与えている。
特開平２００５−１４１０３３公報

ところで、特許文献１では、格子状の各領域において偏光方向を回転させるために、光学異方性媒質を用いている。光学異方性媒質としては、ツイスト配向させた低分子液晶を重合した高分子液晶が用いられる。従って、波長による回折効率の依存性を解消するためには、特殊な高分子液晶が必要とされる。光学異方性媒質では、ツイスト配向させた低分子液晶を重合した高分子液晶により偏光方向を回転させている。このため、プレツイスト角及びツイスト角を調整して光学異方性の配向を調整する必要があるが、このとき光学異方性媒質を充填する凹部の溝の角度を微調整する必要がある。また、光学異方性媒質において、偏光方向の回転角度を制御するために、プレツイスト角、ツイスト角、高分子液晶の材質や格子部分の高さ等種々の調整が必要となる。

従って、低分子液晶を重合させた特殊な高分子液晶を用いて偏光方向を回転させることは、上記の種々の微調整が必要となる。光ピックアップ等では、取り扱う波長がナノオーダーの極めて短い波長であるため、上記の種々の調整項目には極めて高い厳格性が求められる。つまり、種々の調整項目が完全でないとすると、回折効率にばらつきが発生することになる。逆に、種々の調整項目の厳格性を追求すると、回折素子の作製が極めて困難なものとなり、作製コストの点で大きな問題となる。

そこで、本発明は、特殊な液晶を用いることなく、回折効率に波長依存性の少ない回折素子を提供することを目的とする。

本発明の回折素子は、透明基板上に、入射光を回折させるための第１の位相差領域と第２の位相差領域とが交互に複数配列されて回折パターンが形成され、前記第１の位相差領域及び前記第２の位相差領域には、前記入射光の複数の波長の位相差を揃えるために、前記複数の波長域のうち最短となる波長よりも短いピッチで複数の微小凹凸構造が配列され、 前記第１の位相差領域の微小凹凸構造と前記第２の位相差領域の微小凹凸構造とは直交していることを特徴とする。

本発明は、特殊な液晶を用いることなく、回折効率に波長依存性が少なく、且つ入射光の偏光方向に依存しない回折素子を実現することができる。

Ａ．本発明の回折素子の説明

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２に示されるように、本発明の回折素子１は、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とがガラス基板等の透明基板３０の一面に形成されてなる。図１にも示されるように、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とは交互に配列された周期構造を採用している。第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０には、図３にも示されるように、微小ピッチの凹凸構造が形成されている。微小ピッチの凹凸構造は、樹脂等に当該凹凸構造を転写することにより、又は透明基板３０自体に溝を掘り込むことにより形成される。従って、凹凸構造の凹部（以下、凹部１１とする）は空気層であり、凸部（以下、凸部１２とする）は樹脂やガラス素材等の媒質層である。このため、空気層である凹部１１と媒質層である凸部１２とでは屈折率に差があり、凹部１１の屈折率は凸部１２の屈折率よりも低い。従って、凹部１１を進行する光の伝搬速度は、凸部１２を進行する光の伝搬速度よりも速くなる。

第１の位相差領域１０の凹凸構造と第２の位相差領域２０の凹凸構造とは相互に直交している関係となっている。第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の微小ピッチはナノオーダーのサブ波長周期を有する微小構造からなる。一方、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との交互配列からなるパターンはミクロンオーダーからなる周期構造であるものとする。従って、回折素子１は、２つのパターンを有していることになる。つまり、（１）第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の凹凸構造による微小ピッチのパターンと、（２）第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との交互配列によるパターンと、の２つのパターンを有している。上記のうち（１）は、使用する波長（回折素子１に入射させるターゲットとなる波長）の位相差を揃えるために機能するものであり、（２）は回折機能を発揮する。上記（１）の機能と（２）の機能とにより、回折素子１は回折効率に波長依存性の少ない回折素子として機能することができる。以下、さらに詳しく説明していく。

上述したように、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０には、相互に直交する微小ピッチ（以下、微小ピッチＰｄとする）の凹凸構造が形成されている。ここで、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の夫々の凹凸構造の微小ピッチＰｄについて説明する。各位相差領域の微小ピッチＰｄは、回折素子１に入射する入射光を回折させるときに使用される光の波長域のうち最短となる波長よりも短いピッチ（以下、最短波長未満とする）で形成する。第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の凹凸構造はターゲットとなる波長の位相差を揃える機能を発揮するため、これらが単体で回折現象を発生しないようにする必要がある。ここで、入射光の波長をλとし、ｍ次光の回折角度をθとしたときに、微小ピッチＰｄとの間には、「Ｐｄ×ｓｉｎθ＝ｍ×λ」の式が成立する。そうすると、回折現象を生じさせないためには、微小ピッチＰｄは「Ｐｄ＜λ」の式を満たしている必要がある。そこで、微小ピッチＰｄは入射光の最短波長未満としている。

なお、図２にも示されるように、第１の位相差領域１０の間隔と第２の位相差領域２０の間隔とを合せた間隔（以下、回折ピッチＰｇとする）と微小ピッチＰｄとの関係は、「Ｐｇ＞Ｐｄ」となる。つまり、複数の微小凹凸構造が集合して第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０が構成されるため、「Ｐｇ＞Ｐｄ」となる。

微小ピッチＰｄは、凸部１２の間隔Ｌ１と凹部１１の間隔Ｌ２としたときに、「Ｐｄ＝Ｌ１＋Ｌ２」である。ここでは、「Ｌ１＝Ｌ２」であるものとし、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の微小ピッチＰｄは、夫々等しいものとする。勿論、第１の位相差領域１０の微小ピッチは第２の位相差領域２０の微小ピッチと等しくなくてもよいが、両者の微小ピッチは入射光の波長域の最短波長未満にすることが条件となる。また、凸部１２の間隔Ｌ１と凹部１１の間隔Ｌ２とも、等しくなくてもよい。つまり、凸部１２（及び凹部１１）の微小ピッチＰｄに対する占有率（フィリングファクター）を半分にしなくてもよい。

ここで、サブ波長オーダーの凹凸構造を有する第１の位相差領域１０に光が入射したときには、当該領域は位相差を揃えるような機能を発揮する。つまり、サブ波長オーダーの凹凸構造に光が入射すると、周期を持つ方向と持たない方向とで有効屈折率が異なる。そうすると、入射光の偏光方向によって屈折率差が異なることになり、複屈折性を入射光に作用する。複屈折性が作用すると、屈折率が大きい箇所は光の伝搬速度が遅くなり、屈折率が小さい箇所は光の伝搬速度が速くなる。このため、複屈折性の作用により位相差が発生する。

このとき、サブ波長オーダーの微小凹凸構造により入射光に与えられる位相差Ｒは、凹凸構造と平行な方向の偏光光に作用する屈折率をｎ_ＴＥとし、凹凸構造と垂直な方向の偏光光に作用する屈折率をｎ_ＴＭとし、凸部１２の高さをｄとし、入射光の波長をλとしたときに、「Ｒ＝（ｎ_ＴＥ―ｎ_ＴＭ）×ｄ／λ」となる。このときの微小ピッチＰｄに対する波長λの比率と位相差Ｒとの関係についてのグラフを図４に示す。図４において、横軸（λ／Ｐｄ）の値が「１」となる箇所が、入射光の波長λと凹凸構造の微小ピッチＰｄが等しくなる箇所である。当該箇所の前後においては、波長λが長くなるに従って、屈折率ｎ_ＴＥと屈折率ｎ_ＴＭとの差が広がっていく。屈折率ｎ_ＴＥと屈折率ｎ_ＴＭとの差は上記式の括弧内のものであり、分子の一部である。一方、波長λは上記式においては分母である。従って、波長λが長くなるに従って、屈折率ｎ_ＴＥと屈折率ｎ_ＴＭとの差が広がれば、上記式の分母が増えるに従って、分子も増えることになる。よって、横軸（λ／Ｐｄ）の値が「１」となる箇所の前後においては、位相差Ｒはほぼ一定になる。これにより、位相差Ｒを波長λによらず一定にすることができる。

特に、同図からも明らかなように、横軸（λ／Ｐｄ）の値がおおよそ「１．０」〜「２．０」程度の間において、屈折率ｎ_ＴＥの曲線の勾配が緩やかになるのに対して屈折率ｎ_ＴＭの曲線の勾配は急になる。つまり、微小ピッチＰｄが入射光の波長λの「１．０倍」〜「０．５倍」程度の範囲において、波長が長くなるに従って屈折率差が広がることになる。このため、当該範囲において位相差Ｒを一定にすることができる。

ここで、上記の位相差Ｒは、凸部１２の高さｄによっても変化する。そして、上記の屈折率ｎ_ＴＥ及びｎ_ＴＭは、凸部１２である媒質層の屈折率、凹部１１である空気層の屈折率及びフィリングファクターにより決定される。フィリングファクターは、上述したように、微小ピッチＰｄに対する凸部１２の間隔Ｌ１の占有比率、つまり「Ｌ１／Ｐｄ」である。従って、微小ピッチＰｄ、凸部１２の高さｄ、屈折率の選択、フィリングファクターの設定等の種々の要素により、位相差Ｒを決定し得る。本発明では、回折素子１に入射させる光の波長の位相差Ｒを揃えることができればよいため、ターゲットとなる波長の位相差Ｒが揃えられるように上記の種々の要素の値を決定することができる。例えば、青色レーザを使用する大容量光ディスク、ＤＶＤ及びＣＤの３波長を使用する場合には、ターゲットとなる波長は４０５ｎｍ、６５０ｎｍ及び７８０ｎｍであるため、３波長において位相差Ｒが揃えられるように上記の種々の値を決定することができる。つまり、ターゲットとなる複数の波長において位相差Ｒが揃えられるように決定する。

第２の位相差領域２０も位相差Ｒを揃えるためのものであるため、第１の位相差領域１０と同様の構成を採用する。ただし、凹凸構造は第１の位相差領域１０とは直交しているため、入射光の偏光方向に対する屈折率の作用は第１の位相差領域１０とは逆になる。

上述したように、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０が多波長（ターゲットとなる複数の波長）において位相差Ｒを揃えるような機能を発揮するが、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とが交互に配列された回折パターンを採用すると、回折効率に波長依存性が少ない回折素子を得ることができる。この理由について説明する。

第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とは、相互に直交する凹凸構造を有しているため、夫々入射光の偏光方向によって異なる屈折率を作用する。そして、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０には、サブ波長オーダーの凹凸構造が複数形成されている。従って、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との交互配列からなる回折パターンにおいて、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との屈折率が異なれば、回折現象が発生することになる。つまり、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とを、一般的な回折素子の凹凸パターンと同じものとみなすことができる。そうすると、回折現象により入射光に対して回折機能を作用させることができる。このとき、一般的な回折素子は、入射光を回折させるために凹凸により高低差を設ける必要がある。一方、本発明の回折素子１は、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との間に高低差を設けることは要しない。つまり、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０により、一般的な回折素子の凹凸形状の役割を果たすことになる。

なお、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との回折ピッチはナノオーダーの間隔で形成される格子が複数形成されたものであるため、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とはミクロンオーダーの間隔で形成されているものとしている。ただし、ミクロンオーダーには限定されない。回折現象を作用させるためには、少なくとも回折ピッチＰｇは、入射光の波長λ以上である必要がある。「Ｐｇ≧λ」を満たすことが回折現象発生の条件となるから、当該条件を満たすものであれば、回折ピッチＰｇは任意の間隔で形成することができる。また、ここでは、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の間隔を等しくしているが、異なっているものでもよい。

図５を用いて、回折パターンによる作用について具体的に説明する。図５において、回折素子１の入射側を図中の「ｉｎ」の側とし、出射側を図中の「ｏｕｔ」の側とする。同図（ａ）では、回折素子１に第１の位相差領域１０の凹凸構造と平行な偏光方向を有する偏光光（以下、Ｙ偏光光とする）が入射している。このとき、入射光の偏光方向は、第１の位相差領域１０の凹凸構造とは平行であるが、第２の位相差領域２０の凹凸構造とは直交している。ここで、凹凸構造と平行な方向の偏光光が入射したときに作用する屈折率をｎ１（凹凸構造と平行な偏光光に対する屈折率）とし、直交する方向の偏光光が入射したときに作用する屈折率をｎ２（凹凸構造と直交する偏光光に対する屈折率）とすると、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との間には、「ｎ１＞ｎ２」の関係式が成立する。そうすると、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との間には屈折率差を生じることになる。このため、回折素子１に入射する入射光に回折現象が生じる。

ここで、上述したように、ｍ次光における回折角度をθとしたときには、「Ｐｇ×ｓｉｎθ＝ｍ×λ」の式が成立する。従って、±１次光に回折させるときの回折角度θは、「θ＝ｓｉｎ^―１（λ／Ｐｇ）」となる。よって、フォーカス誤差信号やトラック誤差信号等として用いられる±１次光の回折角度θは、使用される波長λ及び回折ピッチＰｇとにより任意に決定することができる。通常、回折ピッチＰｇとしては、回折作用を発揮するために、数ミクロン乃至数百ミクロンの間隔で形成される。

また、第１の位相差領域１０を透過する光と第２の位相差領域２０を透過する光との間の位相差によって、０次光と±１次光とのエネルギーの配分比率が定まる。このとき、第１の位相差領域１０を透過する光と第２の位相差領域２０を透過する光との間の位相差は、凸部１２の高さｄによって定まる。よって、凸部１２の高さｄを適宜制御することにより、エネルギー配分比率を任意に制御することができる。

次に、図５（ｂ）に示されるように、第２の位相差領域２０の凹凸構造に平行な方向の偏光方向を有する偏光光（以下、Ｘ偏光光とする）が入射した場合について説明する。この場合、入射光の偏光方向は第２の位相差領域２０には対しては平行であるが、第１の位相差領域１０に対しては直交している。従って、第１の位相差領域１０を光が透過するときの屈折率ｎ２は、第２の位相差領域２０を光が透過するときの屈折率と比較して高い。そうすると、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０との間には屈折率差を生じることになる。このため、回折素子１に入射する入射光に回折現象が生じる。

図５（ｃ）には、入射光の偏光方向が第１の位相差領域１０の凹凸構造及び第２の位相差領域２０の凹凸構造の何れに対しても傾斜している場合について説明する。つまり、入射光である偏光光はＸ偏光光及びＹ偏光光の何れに対しても傾斜している場合について説明する。この場合、入射光はＸ偏光光とＹ偏光光との２つの偏光成分を有するため、入射光をＸ偏光光とＹ偏光光とに分解することができる。このため、第１の位相差領域１０に入射する入射光のうち、Ｙ偏光光に対しては屈折率が低く（屈折率ｎ１）、Ｘ偏光光に対しては屈折率が高い（屈折率ｎ２）。一方、第２の位相差領域２０に入射する入射光のうち、Ｘ偏光光に対してはＸ偏光光に対しては屈折率が低く（屈折率ｎ１）、Ｙ偏光光に対しては屈折率が高い（屈折率ｎ２）。そうすると、Ｘ偏光光及びＹ偏光光の夫々に対して、屈折率差が作用し、Ｘ偏光光とＹ偏光光との間に伝搬速度に差を生じ、全体として回折現象が生じる。

従って、入射光の偏光方向が何れの偏光方向であったとしても、回折素子１は回折現象を作用する。換言すれば、回折素子１に偏光方向の依存性がないこととなる。

以上説明したように、本発明の回折素子は、第１の位相差領域及び第２の位相差領域には夫々サブ波長オーダーの凹凸構造が形成されることにより、多波長に渡って位相差を揃える機能を発揮させ、第１の位相差領域の凹凸構造と第２の位相差領域の凹凸構造とを直交させることにより、全体として回折素子としての機能を作用させている。このため、特殊な液晶を用いることなく、回折効率に波長依存性がない回折素子を実現することができる。また、第１の位相差領域の凹凸構造と第２の位相差領域の凹凸構造とを直交させることにより、夫々の偏光成分に分解することができることから、入射光の偏光方向に依存することがない回折素子を実現することができる。

なお、図１に示した第１の位相差領域１０の凹凸構造は透明基板３０の短手方向に、第２の位相差領域２０の凹凸構造は透明基板３０の長手方向に形成しているが、例えば、図６に示されるように、透明基板３０の短手方向及び長手方向に対して斜めに形成してもよい。ただし、第１の位相差領域１０の凹凸構造と第２の位相差領域２０の凹凸構造とは相互に直交している条件は満たしている必要がある。

Ｂ．本発明の回折素子を適用した場合の回折効率についての説明

次に、上述した回折素子１の回折効率の特性について説明する。図７は、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０における各波長域の位相差を示す図である。ここでは、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の凹凸構造の微小ピッチＰｄを「４００ｎｍ」とし、凹部１１の間隔Ｌ２を「１２５ｎｍ」とし、凸部１２の間隔Ｌ１を「２７５ｎｍ」として説明する。また、ターゲットとなる波長としては、ＣＤの波長（７８０ｎｍ）、ＤＶＤの波長（６５０ｎｍ）及び青色レーザを用いる大容量光ディスク（４０５ｎｍ）を含む波長域とするため、その範囲はおおよそ「３９５ｎｍ〜８１５ｎｍ」程度とする。また、格子の高さｄは「２４００ｎｍ」とする。ここでは、「３９５ｎｍ〜８１５ｎｍ」の波長域をターゲットとして説明しているが、勿論これに限定はされない。また、青色レーザを用いる大容量光ディスク、ＤＶＤ及びＣＤの波長は厳密に、４０５ｎｍ、６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの波長の光ではなく、中心波長が４０５ｎｍ、６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの波長の光であり、夫々多少前後する。ＣＤの波長は、中心波長を７８５ｎｍ又は７９０ｎｍとする２種類がある。そこで、中心波長を７８５又は７９０ｎｍとして、２５ｎｍ程度は前後するため、「７６０ｎｍ〜８１５ｎｍ」程度の範囲を含むものとする。ＤＶＤの波長としては、中心波長を６６０ｎｍとして、２０ｎｍ程度は前後するため、「６４０ｎｍ〜６８０ｎｍ」程度の範囲を含むものとする。そして、青色レーザを用いる大容量光ディスクの波長としては、中心波長を４０５ｎｍ又は４０８ｎｍとする２種類がある。そこで、中心波長を４０５ｎｍ又は４０８ｎｍとして、夫々前後１０ｎｍ又は８ｎｍ程度は前後するため、「３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ」程度の範囲を含むものとする。

ここで、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の凹凸構造の微小ピッチＰｄは「４００ｎｍ」であるため、入射光の最短波長である「４０５ｎｍ」よりも短い。従って、微小ピッチ間隔Ｐｄが満たさなくてはならない最短波長未満という条件は満たす。図７を参照すると、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の夫々に形成されたサブ波長の周期構造で形成された凹凸構造により、青色レーザを用いた大容量光ディスクの波長４０５ｎｍ、ＤＶＤの波長６５０ｎｍ及びＣＤの波長７８０ｎｍにおいて、位相差が「０・２５」に近づいている。ここで、１波長分は「３６０°」であるため、位相差「０．２５」は「９０°」となる。よって、全ての波長域で位相差を「９０°」に近づけることができる。

次に、第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０を凹凸パターンが相互に直交するように形成すると、第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とでは入射光の偏光方向によって異なる屈折率を作用する。このため、回折現象を生じるが、上述したように第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０は、波長４０５、６５０及び７８０ｎｍの全ての波長域で位相差が９０°に近づいているため、図８に示されるように、回折素子１の回折効率は、青色レーザを用いた大容量光ディスク、ＤＶＤ及びＣＤの全ての波長域においてほぼ一定にすることができる。図中では、０次光と±１次光との合計は、波長に依らずほぼフラットに９０％程度の回折効率を得ている。そして、同図からも明らかなように、０次光は各波長域においてほぼ５０％程度のフラットな回折効率を得ることができ、また±１次光は各波長域においてほぼ２０％程度のフラットな回折効率を得ることができる。

よって、信号光として使用される０次光も、フォーカス誤差検出信号及びトラック誤差検出信号として使用される±１次光も、波長依存性のない安定した回折効率を得ることができる。従って、全ての波長域で信号光、フォーカス誤差検出信号及びトラック誤差検出信号を安定して供給することができ、回折効率に波長依存性のない回折素子１を実現することができる。

なお、微小ピッチＰｄ、凸部１２の高さｄ、フィリングファクター等の種々の要素をターゲットとなる多波長において最適なものを選択することにより、ターゲットとなる多波長（波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）において位相差を全て揃えることができる。このときは、回折効率に波長依存性が全くない回折素子１を得ることができる。勿論、完全に位相差を揃えるものではなくても、ターゲットとなる波長において位相差が揃えられるように第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０は作用するため、上記の種々の要素は適宜設定することが可能である。

上述したものは、波長４０５、６５０、７８０ｎｍ、つまり青色レーザを用いた大容量光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤの波長域について説明したが、勿論３波長ではなく、２波長にも対応することができる。例えば、ＣＤ及びＤＶＤの２波長に対応した回折素子１の場合は、微小ピッチＰｄは、最短となる波長である６５０ｎｍよりも短く形成することにより、回折効率に波長依存性がない回折素子１を得ることができる。

また、上述したように、青色レーザを用いた大容量光ディスクは、中心波長を４０５ｎｍ又は４０８ｎｍとする２種類があり、中心波長４０５ｎｍの場合は１０ｎｍ程度、中心波長４０８ｎｍの場合は８ｎｍ程度前後する。そこで、これらのうち最も短い波長として３９５ｎｍが考えられるが、波長３９５ｎｍの青色レーザを用いた大容量光ディスクの場合は、ピッチ間隔Ｐｄを３９５ｎｍよりも短くする必要がある。そこで、ピッチ間隔Ｐｄを３９４ｎｍとした一例について説明すると、凹部１１の間隔Ｌ２を「１２３ｎｍ」とし、凸部１２の間隔Ｌ１を「２７１ｎｍ」としたときに、好適な回折効率を得ることができる。

Ｃ．本発明の回折素子を製造する製造方法についての説明

次に、上述した回折素子１を製造するための製造方法について説明する。回折素子１の第１の位相差領域１０及び第２の位相差領域２０の凹凸構造は、サブ波長の周期構造を有している。このため、ナノオーダーの凹凸構造を形成する必要があるため、極めて微小な微小ピッチで凹凸構造を形成することができる方法を用いる必要がある。その方法としては、例えばエッチングによる方法や蒸着による方法等の方法があるが、ここでは、微小構造のパターニング方法として高い生産性を有するナノインプリントを用いて、回折素子１を製造する方法について説明する。

ナノインプリントは、モールド（金型）を用いて微小構造のパターンを転写する方法である。ナノインプリントには、主に熱式ナノインプリントと光硬化式ナノインプリントとの２種類があり、熱式ナノインプリントは熱可塑性樹脂を使用してパターン転写を行い、光硬化式ナノインプリントはＵＶ（Ultra Violet）硬化樹脂を使用してパターン転写を行うものである。ここでは、幅広い種類の樹脂材料を使用できるという点から、熱式ナノインプリントを使用するものとする。

熱式ナノインプリントを用いる場合、ガラス基板等の透明基板上に熱可塑性樹脂を塗布し、微小構造のパターンが形成されたモールドを加圧して加熱する。これにより、熱可塑性樹脂にはパターンが転写される。そして、熱可塑性樹脂にパターンが転写された後に、モールドを冷却して熱可塑性樹脂からモールドを引き離す。以上により、モールドに形成されている微小構造のパターンが転写される。そこで、予めモールドに回折素子１のパターン、つまり、相互に直交する微小凹凸構造を有する第１の位相差領域１０と第２の位相差領域２０とが交互に周期的に配列された回折パターンを形成しておき、このモールドを用いて透明基板上に塗布された熱可塑性樹脂に回折素子１のパターンを転写する。これにより、回折素子１を製造することができる。

以上は、熱式ナノインプリントによる回折素子１の製造方法について説明したが、光硬化式ナノインプリントによるものでもよい。また、エッチングによる方法や蒸着による方法等によるものでもよい。要は、回折素子１の微小構造のパターンを形成するものであれば、任意の方法を適用することができる。

Ｅ．回折素子の別の形状

図９には、回折素子の形状として、図１及び図６に示した形状とは異なる形状を有しているものを例示している。図９の回折素子では、輪帯状の構成を採用している。つまり、第１の位相差領域と第２の位相差領域とを交互に配列していることは図１及び図６とは変わらないが、図１及び図６では直線状に第１の位相差領域と第２の位相差領域とが交互に配列されているのに対し、図９の回折素子では、輪帯状に第１の位相差領域９１と第２の位相差領域９２とを配列している。第１の位相差領域９１と第２の位相差領域９２との交互配列の態様は、図１及び図６とは異なるが、夫々の位相差領域の凹凸構造は相互に直交している。

従って、第１の位相差領域９１及び第２の位相差領域９２には夫々サブ波長オーダーの凹凸構造が形成されることにより、多波長に渡って位相差を揃える機能を発揮させ、第１の位相差領域９１の第２の位相差領域９２の凹凸構造を直交させることにより、回折効率に波長依存性がない回折素子を実現することができる。

回折素子の平面図である。 回折素子の側面図である。 回折素子の一部についての拡大図である。 波長・微小ピッチ比に対する有効屈折率の特性を示すグラフである。 入射光の偏光方向によって回折作用を示す説明図である。 第１の位相差領域及び第２の位相差領域のパターンを斜めに形成した場合の回折素子の平面図である。 波長に対する位相差の特性を示すグラフである。 波長に対する回折効率の特性を示すグラフである。 輪帯状にした回折素子の平面図である。

符号の説明

１ 回折素子 １０ 第１の位相差領域
１１ 凹部 １２ 凸部
２０ 第２の位相差領域 ３０ 透明基板
Ｐｄ 微小ピッチ Ｐｇ 回折ピッチ
λ 波長

Claims (2)

1. 透明基板上に、入射光を回折させるための第１の位相差領域と第２の位相差領域とが交互に複数配列されて回折パターンが形成され、
   前記第１の位相差領域及び前記第２の位相差領域には、前記入射光の複数の波長の位相差を揃えるために、前記複数の波長域のうち最短となる波長よりも短いピッチで複数の微小凹凸構造が配列され、
   前記第１の位相差領域の微小凹凸構造と前記第２の位相差領域の微小凹凸構造とは直交していることを特徴とする回折素子。
2. 前記回折素子に入射する光は、波長が３９５ｎｍ乃至４１５ｎｍ、６４０ｎｍ乃至６８０ｎｍ又は７６０ｎｍ乃至８１５ｎｍのうち少なくとも２以上の波長域の光であることを特徴とする請求項１記載の回折素子。
   
   

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