(57)【要約】  曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有する回折光学素子を提供する。  回折光学素子１０は、曲面を有する基材部１３の表面に第１の媒質層１１が接合され、第１の媒質層１１の表面に第２の媒質層１２が接合されており、一体化された構成となっており、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２の界面によって形成される回折格子の高さ方向と、回折格子に入射する光線１４ｂの方向とが略一致するように、設計される。さらに、第１の媒質層１１は光軸１５方向に離型するときに引っ掛かりがない凹凸となるように回折格子が形成される。
2012086600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光の発散状態または収束状態を変化させる回折光学素子であって、
第１の媒質層と第２の媒質層とが接合された界面によって形成された回折格子を有し、
前記回折格子は、格子側面部と格子曲面部とが接してできる境界線が前記界面の稜線となるように、前記格子側面部と前記格子曲面部とが交互に並んで構成され、
平坦な面を有する複数の前記格子側面部は、入射する前記光の光軸を含む断面において傾きが互いに異なるものを含み、
入射する前記光の光線の方向が、前記格子側面部の傾斜方向と略一致する回折光学素子。
【請求項２】
隣り合う前記稜線について、前記光軸と直交する方向の間隔をピッチＰ、前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部の高さをｈ、前記光軸と前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部とがなす角度をαとするとき、ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα、を満足する請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記回折格子に入射する前記光は収束光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、
前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第１の媒質層側に傾く請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記回折格子に入射する前記光は発散光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、
前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第２の媒質層側に傾く請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記回折格子に、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順で入射する光の状態をφ１とし、前記回折格子に収束光が入射するとき、φ１＝＋１であって、前記回折格子に発散光が入射するとき、φ１＝−１であるとし、
前記第１の媒質層の屈折率をｎ１、前記第２の媒質層の屈折率をｎ２とし、さらに、前記回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とするとき、
φ１×（ｎ２−ｎ１）×φ２＜０、を満足する請求項１〜４いずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第２の媒質層は、前記界面と対向する側に曲面を有する請求項１〜５いずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
曲面を有する基材部と、前記基材部の前記曲面上に接合された前記第１の媒質部と、前記第１の媒質部に接合された前記第２の媒質部と、を有する請求項１〜６いずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光うち、少なくとも２つの光が入射し、
前記３種の光のうち、少なくとも１つの光を回折する請求項１〜７いずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記青色光、前記赤色光、前記赤外光のうち、いずれか１つまたはいずれか２つの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、残りの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる請求項８に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記青色光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、前記赤色光および前記赤外光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる請求項９に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
光源と、前記光源から出射された光を、光ディスクに集光する請求項１〜１０いずれかの回折光学素子と、前記光ディスクで反射された光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置。
【請求項１２】
前記光源は、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光のうち少なくとも２種の光を発射する請求項１１に記載の光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射する光を回折して集光させる作用を有する回折光学素子および光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクとして、Ｂｌｕ−ｒａｙ（商品名、以下、ＢＤ）、ＤＶＤ、ＣＤが幅広く普及している。これらＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤは、記録および／または再生（以下、「記録・再生」という。）に用いる光の波長等が異なっている。具体的には、ＢＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が０．１ｍｍの情報記録媒体に、波長４０５ｎｍの光源から出射された光をＮＡ（開口数）が０．８５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。ＤＶＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が０．６ｍｍの情報記録媒体に、波長６６０ｎｍの光源から出射された光をＮＡが０．６５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。ＣＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が１．２ｍｍの情報記録媒体に、波長７８０ｎｍの光源から出射された光をＮＡが０．４５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。【０００３】
上述したＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤにおける光ディスクにおいて、１つの対物レンズにより各々の光ディスクに使用する波長の光を集光することを考えた場合、各々の光ディスクのカバー層の厚さの違いに起因して発生する球面収差を補正することができ、各光ディスクへの良好な集光特性が得られるようにすることが必要となる。また、この場合、各々の光の光軸方向と平行に移動する対物レンズが、光ディスクの表面と接触することを防ぐため、対物レンズと光ディスクとの間に一定の距離を確保しながら、各光ディスクへの良好な集光特性が得られるようにする必要がある。【０００４】
ここで、各光ディスクのカバー層の厚さの違いに起因して発生する球面収差を補正するために、回折格子の構造を有し、入射する光を回折させる対物レンズの構成が知られている。具体的に、回折による回折角の正弦は、光の波長の逆数と回折次数に比例するため、適切な位相差が得られる構造の回折格子を設計し、回折次数および波長に基づく回折角の違いを利用することで、各光ディスクの球面収差の補正が可能となる。【０００５】
このような回折格子としては、凹凸面と接する媒質が空気となるもの、即ち、表面に凹凸を有する構造となるものが考えられる。この場合、空気の屈折率は略１であることに加え、回折格子を構成する媒質（材料）は、波長の逆数の変化に対する屈折率の変化が小さい場合が多い。そのため、凹凸面と接する媒質が空気である場合、回折特性に関しては回折格子の形状により決定される。つまり、この場合、回折格子の形状のみが回折特性の設計の自由度ともいえる。【０００６】
これに対して、回折格子の凹凸が空気と接しない場合、即ち、２つの異なる媒質（材料）によって回折格子が構成されている場合、これらの媒質を適宜、選択（調整）することで、これらの媒質の屈折率に基づき、所望の屈折率差を得ることができる。このように、２つの異なる媒質（材料）によって回折格子が構成されているレンズとして、互いに材質が異なる第１光学部と第２光学部の接合面と、互いに材質が異なる第２光学部と第３光学部の接合面に回折構造を有する複合光学素子が報告されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１４５１２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、特許文献１の複合光学素子は、空気ではない、異なる２つの媒質によって回折格子の構造を有するが、一方の媒質が空気（屈折率＝１）である場合に比べると、これらの媒質間での屈折率差は小さい。このため、これらの媒質間で回折が発生するように、所定の位相差を与えようとすると、一方の媒質が空気である場合に比べて、回折格子の格子高さを大きくしなければならいという制約がある。一方、格子高さが大きくなると、格子高さ方向から入射する光の回折効率に対して、格子高さ方向から傾いた方向から入射する光の回折効率の変化が大きくなる。つまり、回折効率の入射角度依存性が大きくなり、この傾きが大きくなると回折効率が大きく低減する。とくに、曲面に回折格子を有する場合は、光が入射する位置によって、光の入射角度が異なる。ところが、特許文献１の複合光学素子は、回折格子の格子高さ方向と、光の入射角度との関係について考慮されておらず、高い回折効率を得ることが困難である、という問題があった。【０００９】
さらに、特許文献１の複合光学素子は、樹脂からなる第２光学部と第３光学部との界面により回折格子形状を与えることが開示されているが、下記の理由により、回折格子形状を高い精度で与え、所望の回折効率を得ることが困難であるという問題があった。図１２（ａ）は、特許文献１の複合光学素子の製造工程の一部を示した模式図であり、基材となりレンズ面を有する第１光学部２０１上に、樹脂からなる第２光学部２０２を、金型となる下型２０３に押し当ててプレスすることによって成形する様子を示したものである。そして、この工程の後に、樹脂からなる第２光学部２０２と下型２０３とを、下型２０３に対して鉛直方向に離型する工程を経る。【００１０】
ところが、特許文献１の複合光学素子は、図１２（ｂ）に示す複合光学素子２１０が、基材となりレンズ面を有する第１光学部２１１上に、樹脂からなる第２光学部２１２が接合され、さらにその上に樹脂からなる第３光学部２１３が接合されてなるが、位相段差部２１４が水平方向に突出する構造を有する。このとき、複合光学素子２１０の製造工程のうち、下型により第２光学部２１２および第３光学部２１３を離型する工程において、下型を鉛直方向に容易に離型することが困難であるとともに、離型の際に良好な回折格子形状を与えることができない。そのため、所望の回折効率を得ることができず、光利用効率が低下するという問題があった。【００１１】
本発明は、従来技術のかかる問題を解決するためになされたものであり、曲面に回折格子形状を有する回折光学素子について、入射する光に対して高い回折効率が得られるとともに、製造工程において例えば、金型による離型が容易となる回折格子の形状とすることで、所定の光学特性を容易に得られる回折光学素子を提供することを目的とする。さらに、複数の波長の光を取り扱うこの回折光学素子を用いることで小型化が実現できるとともに、各光ディスクに良好な集光特性を与えることで安定した情報の記録・再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、入射する光の発散状態または収束状態を変化させる回折光学素子であって、第１の媒質層と第２の媒質層とが接合された界面によって形成された回折格子を有し、前記回折格子は、格子側面部と格子曲面部とが接してできる境界線が前記界面の稜線となるように、前記格子側面部と前記格子曲面部とが交互に並んで構成され、平坦な面を有する複数の前記格子側面部は、入射する前記光の光軸を含む断面において傾きが互いに異なるものを含み、入射する前記光の光線の方向が、前記格子側面部の傾斜方向と略一致する回折光学素子を提供する。【００１３】
また、隣り合う前記稜線について、前記光軸と直交する方向の間隔をピッチＰ、前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部の高さをｈ、前記光軸と前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部とがなす角度をαとするとき、ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα、を満足する上記の回折光学素子を提供する。【００１４】
また、前記回折格子に入射する前記光は収束光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第１の媒質層側に傾く上記の回折光学素子を提供する。【００１５】
また、前記回折格子に入射する前記光は発散光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第２の媒質層側に傾く上記の回折光学素子を提供する。【００１６】
また、前記回折格子に、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順で入射する光の状態をφ１とし、前記回折格子に収束光が入射するとき、φ１＝＋１であって、前記回折格子に発散光が入射するとき、φ１＝−１であるとし、前記第１の媒質層の屈折率をｎ１、前記第２の媒質層の屈折率をｎ２とし、さらに、前記回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とするとき、φ１×（ｎ２−ｎ１）×φ２＜０、を満足する上記の回折光学素子を提供する。【００１７】
また、前記第２の媒質層は、前記界面と対向する側に曲面を有する上記の回折光学素子を提供する。【００１８】
また、曲面を有する基材部と、前記基材部の前記曲面上に接合された前記第１の媒質部と、前記第１の媒質部に接合された前記第２の媒質部と、を有する上記の回折光学素子を提供する。【００１９】
また、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光うち、少なくとも２つの光が入射し、前記３種の光のうち、少なくとも１つの光を回折する上記の回折光学素子を提供する。【００２０】
また、前記青色光、前記赤色光、前記赤外光のうち、いずれか１つまたはいずれか２つの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、残りの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる上記の回折光学素子を提供する。【００２１】
また、前記青色光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、前記赤色光および前記赤外光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる上記の回折光学素子を提供する。【００２２】
また、光源と、前記光源から出射された光を、光ディスクに集光する上記の回折光学素子と、前記光ディスクで反射された光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置を提供する。【００２３】
さらに、前記光源は、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光のうち少なくとも２種の光を発射する上記の光ヘッド装置を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の回折光学素子は、曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有することで、所定の光学特性、とくに、高い回折効率特性が容易に得られる効果を得ることができる。また、本発明は、複数の波長の光を用いる光ヘッド装置において、回折光学素子を用いて、各光ディスクへの良好な集光特性を得ることで、安定した情報の記録・再生を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る回折光学素子の断面模式図（１）。
【図２】本実施形態に係る回折光学素子の回折格子の断面模式図。
【図３】（ａ）回折格子を有さない接合レンズ。（ｂ）回折格子を有するレンズ。（ｃ）回折格子を有する回折光学素子。
【図４】（ａ）負のパワーを発生する光学素子（１）。（ｂ）負のパワーを発生する光学素子（２）。（ｃ）負のパワーを発生する回折光学素子（１）。（ｄ）負のパワーを発生する回折光学素子（２）。
【図５】本実施形態に係る回折光学素子の断面模式図（２）。
【図６】回折光学素子の回折格子の高さの条件を説明する模式図。
【図７】（ａ）他の回折光学素子の断面模式図（１）。（ｂ）他の回折光学素子の断面模式図（２）。（ｃ）他の回折光学素子の断面模式図（３）。（ｄ）他の回折光学素子の断面模式図（４）。
【図８】本実施形態に係る回折光学素子および入射する光の集光性を示す模式図。
【図９】本実施形態に係る光ヘッド装置の構成を示す模式図。
【図１０】比較例となる回折光学素子における回折格子の模式図。
【図１１】本実施例の回折光学素子の断面図。
【図１２】（ａ）複合光学素子の製造工程の一部を示す模式図。（ｂ）従来の複合光学素子の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（回折光学素子の実施形態）
図１は、本実施形態に係る回折光学素子の構成例を示す模式図である。図１に示す回折光学素子１０は、曲面を有する基材部１３の表面に第１の媒質層１１が接合され、第１の媒質層１１の表面に第２の媒質層１２が接合されており、一体化された構成となっている。なお、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２との界面によって回折格子形状をなすが、これに限らない。例えば、基材部１３と第１の媒質層１１とが同一の材料であってもよく、この場合、基材部１３は、その表面に、図１に示す第１の媒質層１１の凹凸があるものとして考えることができる。また、この他に、第２の媒質層１２の表面に、図示しない他の材料が積層される構成であってもよい。さらに、第２の媒質層１２の表面、基材部１３と第１の媒質層１１との界面、基材部１３の（第１の媒質層１１側に対向する）表面に、回折格子や位相段差等の凹凸を有する構成であってもよい。以降、本実施形態では、まず、図１の回折光学素子１０の構成に基づき説明し、とくに、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２とを合わせた部分を回折格子として説明する。
【００２７】
基材部１３は、ガラスやプラスチック等の材料を用いることができ、また、基材部１３そのものがレンズとしての機能を発生する単レンズであってもよく、研磨やプレス成形によって形成される。第１の媒質層１１、第２の媒質層１２は、後述する屈折率の関係を満たすものであれば、樹脂を用いたり、ガラス等の無機材料を切削、研削、プレス等によって加工したものを用いたりすることができる。
【００２８】
また、図１は、回折光学素子１０に、特定の波長の光が入射するときの様子も示す。この光は、回折光学素子１０に発散光で入射するとともに、回折格子で回折する対象の波長の光であるものとし、図１は、その光の一部の光線として、光線１４ａ、光線１４ｂ、光線１４ｃそして光線１４ｄの順に進行する様子を示したものである。なお、図１の一点鎖線は、回折光学素子１０の光軸１５を表す。まず、光線１４ａは、第２の媒質層１２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｂとなるが、このとき、光線１４ｂは、収束光となる。なお、光が進行するにしたがって光軸１５から離れていく光を発散光、光が進行するにしたがって光軸１５に向かう光を収束光として、それぞれ定義する。また、光の進行方向が光軸１５と平行となる光は平行光とする。
【００２９】
次に、収束光である光線１４ｂが回折格子に入射すると、回折格子により回折されることでパワー成分が付加される。なお、図１では、具体的に、凹レンズの作用を与えるような負のパワーが付加される様子を示すが、これに限らず、回折格子部は、凸レンズの作用を与える正のパワーを付加するものであってもよい。そして、第１の媒質層１１と基材部１３との界面で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｃとなり、さらに、基材部１３の光出射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｄとなって出射する。なお、第１の媒質層１１の材料と基材部１３の材料が同一のものであれば、この界面で屈折は発生しない。
【００３０】
図２は、図１において、光線１４ａから光線１４ｄに至る光路の近傍における回折格子の構造を拡大して示した模式図であり、図２に基づき、回折格子の構造および回折格子の近傍を透過する光線の様子について詳細に説明する。まず、回折格子は、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２の界面によって形成されるが、図２の断面図において、第２の媒質層１２側に突出する任意の頂点を頂点Ａとすると、頂点Ａは、回折格子の稜線の一部に含まれる。次に、図２において、頂点Ａを含む稜線と隣り合う２つの稜線を考えると、第１の媒質層１１側に突出する頂点Ｂ１を含む稜線と、第１の媒質層１１側に突出する頂点Ｂ２を含む稜線と、がそれに該当する。そして、頂点Ａを含む稜線は、２種類の界面に分けて考えたとき、後述する、格子側面部２１と格子曲面部２２とが接してできる境界と考えることもできる。つまり、格子側面部２１は、頂点Ａを含む稜線と頂点Ｂ１を含む稜線と、に挟まれた回折格子の界面に相当し、格子曲面部２２は、頂点Ａを含む稜線と頂点Ｂ２を含む稜線と、に挟まれた回折格子の界面に相当する。このとき、回折格子をなす界面は、格子側面部２１と格子曲面部２２とが交互に並んでなるものと考えることができる。
【００３１】
ここで、格子側面部２１は、図２における断面図では直線によって表され、また、空間的には、例えば、ある頂点を有する円錐の側面の一部の面に相当する形状を有する。一方、格子曲面部２２は、図２における断面図では曲線によって表され、また、空間的には、ある非球面、球面、円錐等の一部の面に相当する形状を有する。なお、格子側面部２１および格子曲面部２２は、例えば、図１の光軸１５を中心として回転対称性を有する形状であってもよいが、これに限らず、回転対称性を有さない形状であってもよい。さらに、格子側面部２１は、一部に階段状の段差を有してもよく、また、格子曲面部２２も、階段状に近似されるような形状であってもよい。なお、回折格子の界面がフレネルレンズ形状であるとき、その中心は格子曲面部であり、周辺部に向けて格子側面部と格子曲面部とが交互に配置される。
【００３２】
また、回折格子は、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２との界面の一部に形成されるものであってもよく、これらの界面の全面に形成されていてもよい。さらには、光軸を中心とする中心部と、それ以外の周辺部と、に分けたとき、回折格子が中心部のみに形成されていたり、周辺部のみに形成されていたりしてもよい。また、回折格子を形成するための金型を作製する際に切削を用いる場合、図２において、例えば、頂点Ｂ１から頂点Ａ、そして頂点Ｂ２の順に結んでできる、回折格子の先端部の角度が小さくなると、切削工具が破損しやすくなる。そのため、回折格子の先端部がなす角度は１５°以上であればよく、２０°以上であればより好ましい。
【００３３】
次に、図２の断面図に基づき、格子側面部２１と格子曲面部２２の傾斜について説明する。まず、光軸１５と回折格子に入射する光線１４ｂの進行方向と、がなす角度をθ１とし、光軸１５と格子側面部２１の直線方向と、がなす角度をθ２とすると、角度θ１と角度θ２とが、略一致するように、格子側面部２１の形状が決められている。ここで、回折光学素子１０に波長が異なる複数の光が入射する場合や、光線１４ａとは異なる入射角度で光が入射する場合は、角度θ１が一つの値に決まらないので、全ての条件において、角度θ１と角度θ２とを完全に一致させることはできないが、この場合も含め、特定の角度範囲内にこれらの光が入射するように考えるとよい。このとき、θ１とθ２とが、略一致するとは、格子側面部２１の角度θ２［°］と、回折格子に入射する光の入射角度θ１［°］との関係が、θ２−５°≦θ１≦θ２＋５°の範囲となるように与えるとよく、θ２−３°≦θ１≦θ２＋３°の範囲であれば好ましい。なお、回折光学素子１０の回折格子は、光軸から半径方向に測って、２つ隣の稜線の間隔をピッチＰとし、格子側面部の高さをｈとしてこの値を回折格子の高さとする。また、ピッチＰの値は、一般的に半径方向の位置によって異なる。
【００３４】
また、回折光学素子１０を、例えば、光ヘッド装置用の対物レンズとして適用させる場合、対物レンズへ入射する光の入射面となる曲面の傾斜が大きい場合がある。とくに、ＮＡが大きい光、例えば、ＢＤ用の４０５ｎｍの光が入射する対物レンズとして適用させる場合、周辺部の入射面は４５°以上傾斜するので、回折格子に入射する光線の角度の変化が大きい。そのため、格子側面部の傾斜方向を考慮せずに、格子側面部の傾斜方向が入射する光線の方向と略一致しない場合は、回折効率の損失を引き起こす。とくに、傾斜が大きい周辺部で回折効率の損失が大きくなると、実質的なＮＡが小さくなる場合があるので、前述のように、角度θ１と角度θ２とが、略一致するように、格子側面部２１の形状が決められているとよい。
【００３５】
次に、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に基づき、回折光学素子の回折格子の設計について説明する。まず、図３（ａ）は、互いに異なる材料からなる、媒質３１ａと媒質３２ａと、が接合してなるレンズであり、光の入射面（例えば、媒質３２ａ側）、光の出射面（例えば、媒質３１ａ側）はいずれも平面の場合を示したものである。このようなレンズと同等の光学作用を与える回折格子の形状は、媒質３１ａと媒質３２ａとで生じる光路長差が、入射する光の波長λの整数倍と一致する面３４ａ、面３４ｂ、面３４ｃ、面３４ｄの集合を考える。なお、図３（ａ）は、基準面となる面３４ａは、光路長差が０の面に相当し、面３４ｂ、面３４ｃおよび面３４ｄは、基準面より光路長差がそれぞれ、λ、２λおよび３λとなる面を例について示した。
【００３６】
ここで、面３４ｂから面３４ｃに至るまでに存在する界面が、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに存在するようにシフトさせる。そして、面３４ｃから面３４ｄに至るまでに存在する界面も、同じく、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに存在するようにシフトする。図３（ｂ）は、図３（ａ）に基づき、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに界面を有するように設計したレンズの例であり、媒質３１ｂと媒質３２ｂが接合されてなるが、基準面３４ａより光路長差λ以内（面３４ｂまで）に界面が存在し、この界面によって回折格子を与えることができる。なお、光路長差は、０〜λの範囲となる場合に限らず、０〜２λ、０〜３λ等の範囲で調整してもよい。
【００３７】
そして、図３（ｃ）は、基材部３３の表面に第１の媒質層３１ｃを有し、さらに、第１の媒質層３１ｃの表面に第２の媒質層３２ｃを有する、本実施形態に係る回折光学素子を示すものであるが、このときの回折格子の形状についても、図３（ａ）、図３（ｂ）の手順に基づき、設計することができる。なお、図３（ｃ）は、基材部３３と第１の媒質層３１ｃとが同一の材料である場合について図示したものであるが、これらが異なる材料からなる場合でも、同じ手法で設計することができる。
【００３８】
ここで、図３（ｃ）の場合は、光が入射する面が曲面であるので、基準面３５ａに対して発生させたい光路長差から計算した面３６を与え、（基準）面３５ａからλの光路長差を有する面３５ｂ、（基準）面３５ａから２λの光路長差を有する面３５ｃを与える。そして、面３５ｂから面３５ｃに至るまでに存在する、面３６の界面が、（基準）面３５ａから面３５ｂに至るまでに存在するようにシフトさせる。つまり、図３（ａ）のように入射面が平面となる光学素子と同様に、第１の媒質層３１ｃと第２の媒質層３２ｃとの間で発生させる光路長差と、基準面と入射する波長λの光の光路長差がλの整数倍と一致する面を、面３５ａ、面３５ｂ、面３５ｃとして回折格子の形状を決めることができる。なお、この場合、入射する光は収束光であるので、面３５ｂの形状と面３５ｃの形状とは異なる。この場合、回折格子は、回折光学素子に入射する光のうち、各位置の光線の方向と、回折格子の高さ方向とが、略一致するように設計するとよい。なお、回折格子に入射する各光線の方向は、光線追跡等により求めることができる。
【００３９】
次に、第１の媒質層１１を構成する材料の屈折率と第２の媒質層１２を構成する材料の屈折率との関係について説明する。ここでは、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子について、図４（ａ）〜図４（ｄ）の光学素子４０ａ〜４０ｄに基づいて説明するが、光はいずれも、各光学素子の左側から入射して右方向に進行するものとする。ここで、２つの媒質が接合されてなる界面が曲面である場合、負のパワーを発生させる光学素子の構成としては、図４（ａ）の光学素子４０ａ、図４（ｂ）の光学素子４０ｂが例示できる。
【００４０】
具体的に、図４（ａ）の光学素子４０ａは、第１の光学部４１ａが凸面を有し、第２の光学部４２ａに接合されるが、ここで、第１の光学部４１ａの屈折率をｎ（４１ａ）、第２の光学部４２ａの屈折率をｎ（４２ａ）とすると、ｎ（４２ａ）＞ｎ（４１ａ）の関係を有するとよい。また、同様に、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子として、図４（ｂ）の光学素子４０ｂは、第２の光学部４２ｂが凸面を有し、第１の光学部４１ｂに接合される構成が考えられる。ここで、第２の光学部４２ｂの屈折率をｎ（４２ｂ）、第１の光学部４１ｂの屈折率をｎ（４１ｂ）とすると、ｎ（４２ｂ）＜ｎ（４１ｂ）の関係を有するとよい。
【００４１】
このように、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子を、回折格子を有する回折光学素子として示したのが、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃ、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄである。まず、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃは、基材部４３ｃの表面に、第１の媒質層４１ｃと第２の媒質層４２ｃを有し、第１の媒質層４１ｃと第２の媒質層４２ｃとの界面によって回折格子形状をなす。そして、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄは、基材部４３ｄの表面に、第１の媒質層４１ｄと第２の媒質層４２ｄを有し、第１の媒質層４１ｄと第２の媒質層４２ｄとの界面によって回折格子形状をなす。また、回折光学素子４０ｃ、４０ｄは、いずれも、回折格子へ入射する光が収束光である場合について示したものである。
【００４２】
ここで、回折光学素子４０ｃにおいて、第１の媒質層４１ｃの屈折率をｎ（４１ｃ）、第２の媒質層４２ｃの屈折率をｎ（４２ｃ）とすると、ｎ（４２ｃ）＞ｎ（４１ｃ）の関係を有するとよい。また、回折光学素子４０ｄにおいて、第１の媒質層４１ｄの屈折率をｎ（４１ｄ）、第２の媒質層４２ｄの屈折率をｎ（４２ｄ）とすると、ｎ（４２ｄ）＜ｎ（４１ｄ）の関係を有するとよい。また、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃ、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄは、模式的な断面図を示したものであるが、それぞれの回折格子の断面形状の典型的な違いを示したものである。つまり、回折光学素子４０ｃは、第１の媒質層４１ｃを金型等により加工する場合に離型に適する回折格子の形状を有するのに対し、回折光学素子４０ｄは、第１の媒質層４１ｄの突出している部分が、金型等により加工する場合に離型に適さない。
【００４３】
この場合、収束光が回折格子に入射する回折光学素子としては、回折光学素子４０ｃが、前述の回折光学素子１０に相当するものであるが、回折格子の適切な形状は、以下のように考えることができる。まず、回折光学素子４０ｃにおいて、回折格子の稜線を考える。なお、ここでいう稜線は、第１の媒質層４１ｃが、第２の媒質層４２ｃ側へ突出した方の頂点を含む方の稜線について考える。そして、この稜線は、例えば、光軸を中心とした円周に相当するが、前述のように、隣り合う格子曲面部と格子側面部との境界によってできる線ともいえる。ここで、稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、この稜線を基準に、この格子曲面部が光軸から離れるにしたがって、格子曲面部が第１の媒質層４１ｃ側へ傾くような形状とするとよい。言い換えると、格子曲面部は、曲面を有するので、１つの格子曲面部内において複数の接線を引くことができるが、光軸側から周辺側に向けて引いたこの接線の傾きが、光軸から離れるにしたがって第１の媒質層４１ｃへ傾くような形状となっている。
【００４４】
一方、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄの回折格子の場合、同じように稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、格子曲面部は、光軸から離れるにしたがって第２の媒質層４２ｄ側へ傾くような形状となっている。言い換えると、格子曲面部は、曲面を有するので、１つの格子曲面部内において複数の接線を引くことができるが、光軸側から周辺側に向けて引いたこの接線の傾きが、光軸から離れるにしたがって第２の媒質層４２ｄへ傾くような形状となっている。ところが、このような接線の傾きを有する回折格子は、前述のように金型等により加工する場合に離型に適さない場合があるので、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃの回折格子について説明した傾き（接線）を有することが好ましい。
【００４５】
なお、これまで、回折格子は負のパワーを発生させるものとして説明したが、これに限らず、正のパワーを発生させるものであってもよく、このとき、例えば、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃにおいて、ｎ（４２ｃ）＜ｎ（４１ｃ）のような屈折率の関係を有するとよい。また、回折格子で正のパワーを発生させる回折光学素子についても、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃのような回折格子の形状を有するものが好ましい。
【００４６】
また、これまで、回折光学素子において、回折格子に収束光が入射する場合について説明したが、回折格子に発散光が入射するものであってもよい。図５は、本実施形態に係る回折光学素子の他の構成例を示す模式図であって、回折の対象となる波長の光が発散光として回折格子に入射する様子を示したものである。図５に示す回折光学素子５０は、曲面を有する基材部５３の表面に第１の媒質層５１が接合され、第１の媒質層５１の表面に第２の媒質層５２が接合されており、一体化された構成となっている。そして、第１の媒質層５１と第２の媒質層５２との界面によって回折格子形状をなし、とくに、第１の媒質層５１と第２の媒質層５２とを合わせた部分を回折格子とする。
【００４７】
また、図５は、さらに、回折光学素子５０を特定の波長の光が透過するとき、その光の一部の光線の軌跡を光線５４として示したものである。回折光学素子５０に発散光が入射すると、第２の媒質層５２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられるが、このとき、発散光として回折格子に入射する。この場合、回折格子の高さ方向、つまり、回折格子の格子側面部の面方向に沿って、光線５４が進行するように回折格子の形状を与えるとよい。また、このように回折格子に発散光が入射する場合において、稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、稜線を基準に、この格子曲面部が光軸５５から離れるにしたがって、格子曲面部が第２の媒質層５２側へ傾くような形状とするとよい。
【００４８】
また、これらの屈折率について、第１の媒質層５１の屈折率をｎ（５１）、第２の媒質層５２の屈折率をｎ（５２）とする。このとき、回折格子で正のパワーを発生させる場合、ｎ（５２）＞ｎ（５１）の関係とし、また、回折格子で負のパワーを発生させる場合、ｎ（５２）＜ｎ（５１）の関係を満たすように設計するとよい。
【００４９】
ここで、回折光学素子の回折格子に入射する光の発散状態または収束状態、回折格子で回折させる光のパワー、回折格子を構成する２つの媒質（材料）の屈折率の関係に基づき、本実施形態に係る回折光学素子１０、５０に与えるべき条件について考える。まず、回折格子に入射する光の状態をφ１とし、収束光が入射する場合、φ１＝−１、発散光が入射する場合、φ１＝＋１とする。次に、回折格子を構成する２つの媒質のうち、光の入射側の媒質の屈折率をｎ２、光の出射側の媒質の屈折率をｎ１とする。例えば、回折光学素子１０において、ｎ２は、第２の媒質層１２の屈折率、ｎ１は、第１の媒質層１１の屈折率に相当する。さらに、対象となる波長の光に対して、回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とする。このとき、本実施形態に係る回折光学素子は、
φ１×（ｎ２−ｎ１）×φ２＜０      ・・・  （１）
を満たすようにするとよい。
【００５０】
次に、回折光学素子における回折格子の形状の条件として、回折格子の高さの上限について、図６を用いて説明する。図６は、回折光学素子１０の回折格子の構造について拡大して示した模式図であるが、とくに、この回折格子の高さの上限を説明するために、回折格子形状を変形させて示した例である。前述のように、第１の媒質層１１を形成する場合に金型等で離型させるが、離型する方向を光軸方向に略等しくする場合、例えば、金型から引っ掛かりがなく離型できるような適切な凹凸形状とすることが好ましい。そのため、回折格子の凹凸の高さが高すぎることによって、離型に適さない形状とならないための条件を考える。
【００５１】
まず、（図１における）光軸１５を基準に、格子側面部２２となす角度をαとする。そして、前述のように、光軸から半径方向に測って、２つ隣の頂点の間隔をピッチＰとするとき、回折格子の高さｈは、
ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα                    ・・・  （２）
を満たすとよい。また、式（２）において、等式となるときの高さｈは、図６における最大高さｈｍａｘに相当する。なお、ピッチＰは、回折格子の位置によりその値が異なるので、その位置に合わせて式（２）を満たすように回折格子の高さｈを設定するとよい。
【００５２】
また、これまで、回折光学素子１０のように基材部１３と、第１の媒質層１１、第２の媒質層１２による構成について説明したが、回折光学素子としてはこれに限らない。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、他の回折光学素子の構成として、回折光学素子７０ａ〜７０ｄを示したものであるが、このような構成であってもよい。まず、回折光学素子７０ａは、曲面を有する基材部７３ａ上に、第１の媒質層７１ａを有し、第１の媒質層７１ａの上に第２の媒質層７２ａ、さらに第２の媒質層７２ａの上に第３の媒質層７４ａを有するものである。
【００５３】
また、回折光学素子７０ｂは、平面板となる基材部７３ｂ上に、第１の媒質層７１ｂを有し、第１の媒質層７１ｂの表面に第２の媒質層７２ｂ、さらに第２の媒質層７２ｂの表面に曲面（屈折面）を有する第３の媒質層７４ｂを有するものであり、基材部７３ｂが曲面を有しないものであってもよい。また、回折光学素子７０ｃは、基材部７３ｃが、曲面と、曲面と対向する側に平面を有し、基材部７３ｃの平面上に第２の媒質層７２ｃを有し、第２の媒質層７２ｃの表面に第１の媒質層７１ｃを有するものであり、基材部７３ｃが光の入射側に位置するものであってもよい。さらに、回折光学素子７０ｄは、凹レンズ面を有する基材部７３ｄの表面に、第１の媒質層７１ｄを有し、第１の媒質層７１ｄの表面に第２の媒質層７２ｄを有するものであり、第２の媒質層７２ｄの光入射側の表面（空気との界面）が凹状の曲面を有するものであってもよい。
【００５４】
回折光学素子としては、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示した構成以外にも様々な構成が考えられる。とくに、回折格子に入射する光の条件に合わせ、さらに、回折格子の形状について、加工容易性が得られるように、構成されるとよい。
【００５５】
次に、波長が異なる複数の光を集光させる作用を有する回折光学素子について、とくに図８において、波長が異なる３つの光が入射する回折光学素子８０を例にして説明する。図８は、回折光学素子８０および、回折光学素子８０に入射するそれぞれの光に対して、カバー層の厚さが異なる光ディスク９０に集光する様子を示したものである。
尚、図８では、回折光学素子８０を光ヘッド装置用の対物レンズとして適用させる場合を示しているが、これに限られない。例えば、カメラレンズとしても用いることができる。
回折光学素子８０は、基材部８３の表面に第１の媒質層８１を有し、さらに第１の媒質層８１上に第２の媒質層８２が接合され、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２の界面によって回折格子形状をなす。
【００５６】
ここで、入射する３つの光の波長を、波長λ１、波長λ２および波長λ３（λ１＜λ２＜λ３）とし、波長λ１の光８４が、第１の光ディスク９１の情報記録面に集光し、波長λ２の光８５が、第２の光ディスク９２の情報記録面に集光し、波長λ３の光８６が、第３の光ディスク９３の情報記録面に集光する。そして、波長λ１の光８４、波長λ２の光８５および波長λ３の光８６は、第２の媒質層８２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折して、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２によって形成される回折格子に入射する。このとき、少なくとも、回折格子で回折させる対象の光について、光線の進行方向と回折格子の格子側面部の方向と、を略一致させることで、回折効率を高くすることができ、高い光利用効率を得ることができる。
【００５７】
なお、第１の媒質層８１および第２の媒質層８２の各材料の屈折率の波長分散特性により、例えば、波長λ１の光に対して、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２との界面で屈折率差を略ゼロとして、波長選択的に回折を発生させないような材料を選択してもよい。この場合、波長λ１の光線の方向は、回折格子の格子側面部の方向とは無関係に回折格子をほぼ直進透過するので、この場合、例えば、回折に関する波長λ２の光線の方向および／または波長λ３の光線の方向と、回折格子の格子側面部の方向と、を考慮して回折光学素子８０を設計するとよい。
【００５８】
ここで、例えば、波長λ１の光を、青色光となるＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光、波長λ２の光を、赤色光であるＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光、波長λ３の光を、赤外光であるＣＤ用の７８０ｎｍ波長帯の光と考える。この場合、４０５ｎｍ波長帯は紫外域に近い波長であるので、回折光学素子は、この波長の光によって劣化しない特性、つまり、耐光性が要求される。ここで、例えば、第１の媒質層８１の材料と第２の媒質層８２の材料について、４０５ｎｍ波長帯の光における屈折率を略一致させ、６６０ｎｍ波長帯の光、７８０ｎｍ波長帯の光における屈折率が異なる組み合わせとする。このとき、第１の媒質層８１の材料と第２の媒質層８２の材料とは、波長分散が大きい材料（以下、「高分散材料」という。）と波長分散が小さい材料（以下、「低分散材料」という。）との組み合わせによって、上記のような屈折率の関係が得られる。なお、４０５ｎｍ波長帯は、３９５〜４２０ｎｍの範囲、６６０ｎｍ波長帯は、６４０〜６８０ｎｍの範囲、７８０ｎｍ波長帯は、７６５〜８０５ｎｍの範囲を示す。
【００５９】
ところが、一般に、高分散材料は、紫外域に光の吸収帯を有し、それによって波長分散が大きい場合が多い一方で、紫外域の光に対する耐光性が脆弱である場合が多い。また、このような高分散材料の耐光性は、その厚さに依存して劣化するので、例えば、ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光を用いる場合、高分散材料からなる第１の媒質層８１または第２の媒質層８２は、薄い方が好ましい。ここで、回折格子が、６６０ｎｍ波長帯の光に対して負のパワーを発生させる場合、上記の式（１）に基づくとともに、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃのように、容易に形成できる回折格子の形状を考えると、６６０ｎｍ波長帯の光において、第１の媒質層８１の材料の屈折率は、第２の媒質層８２の材料の屈折率より低くしなければならない。この場合、４０５ｎｍ波長帯の光に対する、第１の媒質層８１の材料の屈折率と、第２の媒質層８２の材料の屈折率とは略一致していることから、第１の媒質層８１を高分散材料、第２の媒質層８２を低分散材料とする組み合わせとなる。
【００６０】
ここで、例えば、基材部８３と第１の媒質層８１とが、同一の高分散材料で構成される場合、高分散材料の厚さが増すので、４０５ｎｍ波長帯の光に対する耐光性が脆弱になる。そのため、基材部８３の材料と第１の媒質層８１の材料とは異なるものとし、とくに基材部８３の材料は、前述したガラス、プラスチック等のように、高分散材料とは異なる材料とすることが好ましい。また、この場合、回折格子は、基材部８３より光入射側（図８の左側）にあることで、回折光学素子８０と光ディスク９０との間の距離を保ち、これらの接触を避けることができるので好ましい。さらに、回折光学素子８０が、基材部８３、第１の媒質層８１および第２の媒質層８２によって構成される場合、基材部８３が温度特性に優れた材料を選択でき、設計自由度が増すので好ましい。
【００６１】
なお、回折光学素子８０は、波長が異なる３つの光が入射するものとしたが、波長が異なる２つの光が入射し、一方の波長の光に対してのみ回折させるものであってもよい。つまり、一方の波長の光に対して、第１の媒質層８１の屈折率と第２の媒質層８２の屈折率と、が略一致し、他方の波長の光に対して、第１の媒質層８１の屈折率と第２の媒質層８２の屈折率と、が異なるものであってもよい。また、略一致させる波長の光は、青色光とする場合に限らず、赤色光および／または赤外光であってもよい。
【００６２】
（光ヘッド装置の実施形態）
図９は、本実施形態に係る光ヘッド装置１００の構成を示す模式図である。光ヘッド装置１００は、４０５ｎｍ波長帯となる青色光を出射する光源１０１ａと、６６０ｎｍ波長帯となる赤色光および７８０ｎｍ波長帯となる赤外光を出射する光源１０１ｂより、各波長帯の光が出射される。これらの光の光路中に、青色光を反射するとともに、赤色光および赤外光を透過するビームスプリッタ１０２と、第１の偏光方向の光を透過するとともに第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタ１０３と、コリメータレンズ１０４と、１／４波長板１０５と、対物レンズ１０６を有し、光ディスク１０７に集光される。また、光ヘッド装置１００は、光ディスク１０７で反射された光を検出する、光検出器１０８を有する。
【００６３】
次に、光ヘッド装置１００の光学作用について、説明する。光源１０１ａから発射された青色光は、ビームスプリッタ１０２で反射され、一方、光源１０１ｂから発射された赤色光および赤外光は、ビームスプリッタ１０２を透過する。そして、これら３種の光は、いずれも第１の偏光方向の光となって、偏光ビームスプリッタ１０３を透過し、コリメータレンズ１０４で発散状態が変えられ、１／４波長板１０５を透過する。そして、対物レンズ１０６に入射し、各波長の光に対応した光ディスク１０７の情報記録面に集光し、反射される。反射したこれらの光は、対物レンズ１０６および１／４波長板１０５を透過して、第２の偏光方向の光となってコリメータレンズ１０４を透過し、偏光ビームスプリッタ１０３で反射され、光検出器１０８に集光する。
【００６４】
また、光ヘッド装置１００は、図示しないサーボ信号、記録信号および再生信号の検出装置を有している。また、光源１０１ａおよび／または光源１０１ｂと偏光ビームスプリッタ１０３との間の光路中に、３ビームを発生させる図示しない回折素子（グレーティング素子）を有してもよい。さらに、サーボ信号を得るための、ホログラム素子や、波長が異なる光について光軸を補正したり、光学倍率を変換するための光学素子を有したりしてもよい。また、光ヘッド装置１００は、１つの対物レンズ１０６で、３種の光に対応した３種の光ディスクを記録・再生するものとしたが、例えば、４０５ｎｍ波長帯の光に対応するＢＤの記録・再生をする対物レンズと、６６０ｎｍ波長帯の光および７８０ｎｍ波長帯の光に対応するＤＶＤ／ＣＤの記録・再生をする対物レンズと、が異なる光路中にそれぞれ配置されるものであってもよい。
【００６５】
ここで、対物レンズ１０６として、回折光学素子の実施形態で説明した、係る回折光学素子１０、５０等を用いることができる。上記の説明のように、対物レンズ１０６は３種の光が入射するものに限らず、１種または２種の光が入射するものであってもよく、いずれも、本発明に係る回折光学素子を用いることができる。とくに、対物レンズ１０６として、本願発明に係る回折光学素子を用いることで、回折光学素子の回折格子に、回折させる波長の光の回折効率を高くすることができるとともに、回折格子として加工性の良い形状を有することから、高い精度での光学特性が得られ、光ディスク１０７へ高い精度で集光させることができる。
【実施例】
【００６６】
（回折光学素子の実施例）
回折光学素子の実施例として、図１に示す回折光学素子１０の構成に基づき、具体的な設計例を説明する。まず、本実施例に係る回折光学素子は、基材部１３として、ガラスを用い、第１の媒質層１１および第２の媒質層１２として、樹脂を用いる。また、回折光学素子１０の各面は、式（３）に示す非球面形状を有する。式（３）において、ｒは半径、ｃは非球面中心部における曲率であり、ｋはコーニック係数、α２ｉは、非球面形状を記述する２ｉ次の項の係数である。【００６７】
【数１】
2012086600.tif 000003
【００６８】
また、２つの樹脂の界面において、光軸を中心とした直径φ２．４６ｍｍの内側領域には回折格子が形成されているが、それより外側の領域（外側領域）では回折格子を有しない領域となっており、この領域の非球面係数は異なる値である。この回折格子によって生じる回折作用は、位相差関数Φによって表され、Ｍを回折次数、Ａ２ｉは位相関数の２ｉ次の係数として、位相差関数Φは、式（４）によって示される。【００６９】
【数２】
2012086600.tif 000004
【００７０】
また、本実施例に係る回折光学素子は、第１の媒質層１１および第２の媒質層１２に相当する、２つの樹脂について、その波長分散特性より、表１に示すように、４０５ｎｍ波長帯となる青色光に対して、屈折率は略一致している。即ち、回折格子は、青色光に対して０次回折効率（直進透過率）が最大となる。一方、６６０ｎｍ波長帯となる赤色光および７８０ｎｍ波長帯となる赤外光に対して、２つの樹脂間で屈折率が異なり、回折格子は、これらの波長の光に対して１次回折効率が最大となるように設計される。具体的に、本実施例に係る回折光学素子のレンズデータを、［表１］〜［表４］に示す。ここで、回折によって生じるパワーΨは、入射する光の波長λとして、
Ψ＝−２Ａ２Ｍλ                    ・・・  （５）
で表すことができ、［表４］の位相関数の係数の値から、本実施例に係る回折光学素子における回折格子は、赤色光および赤外光において負のパワーを与える。【００７１】
【表１】
2012086600.tif 000005
【００７２】
【表２】
2012086600.tif 000006
【００７３】
【表３】
2012086600.tif 000007
【００７４】
【表４】
2012086600.tif 000008
【００７５】
上記に示すレンズパラメータを用いて作製される回折光学素子に、赤色光である波長６６０ｎｍの光を入射し、この光の光線を追跡する。このとき、６６０ｎｍの光線のうち、回折光学素子の光軸から最外周部に向けて、入射する角度がそれぞれ異なるが、回折格子の格子側面部の方向を、回折格子の各位置に入射する光の角度と等しい角度に設定する。表５は、具体的に、本実施例において、格子側面部の半径方向の位置と格子側面部の角度との関係を示したものである。なお、格子側面部の位置は、式（４）に示した、位相関数が２πとなる半径の値を計算することで求めたものである。【００７６】
【表５】
2012086600.tif 000009
【００７７】
このとき、最外周部における、第２の樹脂面の面法線方向は光軸に対して５６．９°傾斜している。そして、第２の樹脂の屈折率より回折格子への入射角度を計算すると、光軸に対して２５．２°をなす方向となる。また、最外周の回折格子（番号：４３）の高さｈを３８μｍ、最外周のピッチＰが１６．３μｍとすると、入射角度（＝２４．９°）から計算される、最大高さｈｍａｘ３８．３μｍ以下となるので、第１の樹脂の加工が容易となる。そして、このように作製される回折光学素子について、外周部の回折格子における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８８％となる。なお、本実施例の回折光学素子は、格子側面部の高さｈを最大３８μｍとし、基材部となるガラスの表面までの高さとした。【００７８】
また、ＣＤ用の光の有効径に相当する、７８０ｎｍの光の最外周部において、波長６６０ｎｍの光の、回折格子への入射角度を計算すると、光軸に対して１９．６°をなす方向となる。また、７８０ｎｍの光の最外周部における、回折格子の高さｈを３８μｍ、この最外周のピッチＰを１７．６μｍ、格子側面部の方向を２７．２°とする。このとき、７８０ｎｍの光の最外周部における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８３％となる。一方、赤外光である７８０ｎｍの光は、７８０ｎｍの光の最外周部において、回折格子への入射角度を計算すると、２８．２°であり、格子側面部の方向を２７．２°に近い値となる。そして、７８０ｎｍの光の最外周部における、赤外光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８３％となる。【００７９】
また、図１１は、本実施例における回折光学素子の断面の一部を示したものであり、図面の左端は光軸に相当し、原点（半径＝０、高さ＝０）は、回折光学素子の第２の媒質層１２に相当する第２の樹脂の曲面の頂点に相当する。図１１より、本実施例の回折光学素子における回折格子について、とくに、第１の媒質層１１に相当する第１の樹脂の凹凸の形状は、製造工程において、容易に離型できるものであることがわかる。【００８０】
（比較例）
比較例では、回折光学素子における回折格子について、格子の高さがいずれも光軸方向と一致する構造のものを考える。図１０は、本比較例の回折光学素子の回折格子部分を模式的に示したものであり、第１の樹脂１１１と第２の樹脂１１２とが接合された界面によってなる回折格子の高さｈが、いずれも光軸と平行する方向に与えられているものである。この場合、第２の樹脂面に入射する光線１１４ａが屈折して、光軸から角度θ１で回折格子に入射する光線１１４ｂとなるが、この光線１１４ｂの方向は、回折格子の高さの方向とは異なる。【００８１】
ここで、本比較例に係る回折光学素子についても、実施例の［表１］〜［表４］のレンズパラメータを用い、光軸と平行となる高さｈを３８μｍとし、最外周のピッチＰを１６．３μｍとする。そして、このように作製される回折光学素子について、外周部の回折格子における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約３％となり、回折光が得られない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明の回折光学素子は、曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有することで所定の光学特性が容易に得られる効果を得ることができる。また、本発明は、複数の波長の光を用いる光ヘッド装置において、回折光学素子を用いて、各光ディスクへの良好な集光特性を得ることで、安定した情報の記録・再生を得ることができる。【００８３】
本出願を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１０年１２月２４日出願の日本特許出願（特願２０１０-２８８２５３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１０、４０ｃ、４０ｄ、５０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、８０  回折光学素子
１１、４１ｃ、４１ｄ、５１、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、８１  第１の媒質層
１２、４２ｃ、４２ｄ、５２、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、８２  第２の媒質層
１３、４３ｃ、４３ｄ、５３、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ、８３  基材部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、５４、１１４ａ、１１４ｂ  光線
１５、５５  光軸
２１  格子側面部
２２  格子曲面部
４０ａ、４０ｂ  光学素子
４１ａ、４１ｂ  第１の光学部
４２ａ、４２ｂ  第２の光学部
７４ａ、７４ｂ  第３の媒質層
８４  波長λ１の光
８５  波長λ２の光
８６  波長λ３の光
９０、１０７  光ディスク
９１  第１の光ディスク
９２  第２の光ディスク
９３  第３の光ディスク
１００  光ヘッド装置
１０１ａ、１０１ｂ  光源
１０２  ビームスプリッタ
１０３  偏光ビームスプリッタ
１０４  コリメータレンズ
１０５  １／４波長板
１０６  対物レンズ
１０８  光検出器
１１１  第１の樹脂
１１２  第２の樹脂
２０１、２１１  第１光学部
２０２、２１２  第２光学部
２０３  金型
２１３  第３光学部
２１４  位相段差部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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