(57)【要約】【課題】簡単な構成で安価に２波長用レーザの光軸を揃える。【解決手段】二波長用回折素子１は、波長λ１の光と波長λ２の光とが入射する二波長用回折素子であって、透明基板２の一方の面に設けられた二次元回折格子３を備え、二次元回折格子３は、透明基板２に平行な第１方向に沿って３段の階段状に形成された階段周期構造を有し、透明基板２の他方の面に設けられた一次元回折格子４をさらに備え、二次元回折格子３は、透明基板２に平行な方向であって第１方向に直交する第２方向に沿って、階段周期構造５の各段の高さと等しい凹凸深さを有して凹凸状に形成された凹凸周期構造をさらに有しており、一次元回折格子４は、凹凸周期構造の凹部深さとは異なる凹部深さを有して第２方向に沿って凹凸状に形成された一次元凹凸周期構造を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ１の光と波長λ２の光とが入射する二波長用回折素子であって、
透明平板の一方の面に設けられた二次元回折格子を備え、
前記二次元回折格子は、前記透明平板に平行な第１方向に沿って３段以上の階段状に形成された階段周期構造を有することを特徴とする二波長用回折素子。
【請求項２】
前記透明平板の他方の面に設けられた一次元回折格子をさらに備え、
前記二次元回折格子は、前記透明平板に平行な方向であって前記第１方向に直交する第２方向に沿って、前記階段周期構造の各段の高さと等しい凹凸深さを有して凹凸状に形成された凹凸周期構造をさらに有しており、
前記一次元回折格子は、前記凹凸周期構造の凹凸深さとは異なる凹凸深さを有して前記第２方向に沿って凹凸状に形成された一次元凹凸周期構造を有している請求項１記載の二波長用回折素子。
【請求項３】
前記二次元回折格子において、
前記階段周期構造の各段の高さ：ｈ、
前記二次元回折格子の屈折率：ｎ、
としたとき、（ｎ−１）×ｈが波長λ１の整数倍となるように前記階段周期構造を形成し、
前記一次元回折格子の前記一次元凹凸周期構造の凹凸深さ：ｄ２、
前記一次元回折格子の屈折率：ｎ２、
としたとき、（ｎ２−１）×ｄ２が波長λ２の整数倍となるように前記一次元凹凸周期構造を形成する請求項２記載の二波長用回折素子。
【請求項４】
前記二次元回折格子の階段周期構造は、互いに発光点が異なる波長λ１の光と波長λ２の光とのうちの波長λ２の光を回折させて前記波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃え、
前記二次元回折格子の凹凸周期構造は、前記波長λ２の光を前記第２方向に沿って回折させたサブビームを生成し、
前記一次元回折格子の前記一次元凹凸周期構造は、前記波長λ１の光を前記第２方向に沿って回折させたサブビームを生成する請求項２記載の二波長用回折素子。
【請求項５】
前記波長λ１の光と波長λ２の光とは、前記二次元回折格子に入射し、前記一次元回折格子から出射する請求項２記載の二波長用回折素子。
【請求項６】
波長λ１の光と波長λ２の光とが入射する二波長用回折素子であって、
透明平板の一方の面に設けられた第１の二次元回折格子と、前記透明平板の他方の面に設けられた第２の二次元回折格子とを備え、
前記第１の二次元回折格子は、前記透明平板に平行な第１方向に沿って３段以上の階段状に形成された第１の階段周期構造を有しており、
前記第２の二次元回折格子は、前記第１方向と反対の第２方向に沿って３段以上の階段状に形成された第２の階段周期構造を有しており、
前記第１の階段周期構造の階段状の傾斜方向と、前記第２の階段周期構造の階段状の傾斜方向とが、互いに平行であることを特徴とする二波長用回折素子。
【請求項７】
前記第１の二次元回折格子は、前記透明平板に平行な方向であって前記第１方向に直交する第３方向に沿って凹凸状に形成された第１の凹凸周期構造をさらに有しており、
前記第２の二次元回折格子は、前記第３方向に沿って凹凸状に形成された第２の凹凸周期構造をさらに有しており、
前記第１の階段周期構造の各段の高さと、前記第２の階段周期構造の各段の高さとは、等しく、
前記第１の凹凸周期構造の凹凸深さと、前記第２の凹凸周期構造の凹凸深さとは、異なる請求項６記載の二波長用回折素子。
【請求項８】
前記第１および第２の二次元回折格子において、
前記第１および第２の階段周期構造の各段の高さ：ｈ、
前記第１および第２の二次元回折格子の屈折率：ｎ、
としたとき、（ｎ−１）×ｈが波長λ１の整数倍となるように前記第１および第２の階段周期構造を形成し、
前記第２の凹凸周期構造の凹凸深さ：ｄ２、
前記第２の二次元回折格子の屈折率：ｎ２、
としたとき、（ｎ２−１）×ｄ２が波長λ２の整数倍となるように前記第２の凹凸周期構造を形成する請求項７記載の二波長用回折素子。
【請求項９】
前記第１および第２の階段周期構造は、互いに発光点が異なる波長λ１の光と波長λ２の光とのうちの波長λ２の光を回折させて前記波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃え、
前記第１の凹凸周期構造は、前記波長λ１の光を前記第３方向に沿って回折させたサブビームを生成し、
前記第２の凹凸周期構造は、前記波長λ２の光を前記第３方向に沿って回折させたサブビームを生成する請求項７記載の二波長用回折素子。
【請求項１０】
前記波長λ１の光と波長λ２の光とは、前記第１の二次元回折格子に入射し、前記第２の二次元回折格子から出射する請求項６記載の二波長用回折素子。
【請求項１１】
請求項１および６のいずれかに記載の二波長用回折素子を備えたことを特徴とする光ピックアップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの波長の光を光源とする光ディスクなどの光記録媒体用の記録装置や再生装置などに用いる光ピックアップ用の２波長用回折素子およびその光ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤとＤＶＤとの双方が使用可能な光ディスク記録再生装置に搭載される光ピックアップには、構造の簡略化を図るために、２つの異なる波長のレーザ光の発光素子が一体に設けられた発光部が搭載されている。前記発光部では、前記発光素子が微小間隔を空けて配置されているので、レーザ光の光軸がずれた状態で光路が形成される。
【０００３】
図１０は、従来の光ピックアップ９０の構成を示す概略図である。この光ピックアップ９０に設けられた発光部９１には、互いに異なる波長のレーザ光を発する発光素子９１ａ、９１ｂが内蔵されている。光ピックアップ９０には、発光部９１から発せられたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ９３と、入射するレーザ光を透過させるとともに前記透過方向から入射する光を反射する偏光ビームスプリッタ９２と、１／４波長板９４と、対物レンズ９５と、円筒レンズ９７と、受光部９８とを備えた光学系が設けられている。
【０００４】
前記光ピックアップ９０では、一方の波長λ１の発光素子９１ａが光学系の中心を通るように設計すると、波長λ１の光は図の実線で示す光路を形成する。また他方の波長λ２の発光素子１ｂからの光は破線で示す光路を形成する。図１０に示すように、波長λ２の光軸は斜行して形成され、光ディスク９６に反射して戻った戻り光も光軸がずれた状態で受光部９８で受光されるので、受光部９８での戻り光の検出精度が低下する。
【０００５】
そこで、このずれを解消するために図１１に示す回折素子７２を受光部９８の受光面の前方に配置することで、光軸の位置ずれを補正することができる。図１１に示す回折素子７２は、レーザ光の射出面側に鋸刃状の回折格子が形成されたものであり、双方のレーザ光を回折させることで、互いの光軸が受光部９８の受光面で一致するようになっている。このとき、波長λ１（７８０ｎｍ）の回折角度をθ１とし、波長λ２（６６０ｎｍ）の回折角度をθ２とすると、θ１＞θ２の関係が成立する。また同様に光軸の位置ずれを補正する素子として、特許文献１に開示された回折素子がある。
【０００６】
また通常光ピックアップでは、レーザ光を光ディスクの情報記録面のトラック上に集光させた状態で、光ディスクの回転に追随させながらトラック上をトレースさせていくために、各種のトラッキング方法が開発されている。
【０００７】
これらのトラッキング方法として、例えば３ビーム法が知られている。この３ビーム法では、光源の半導体レーザから出射される１本のビームを回折格子によって回折し、この回折光の中から０次および±１次の３本の回折光を各ビームとして用いている。このうち、０次光はメインビームとしてトラック上に記録されたピットの信号再生に使用するが、残りの±１次光はトラッキング用の２つのサブビームとして使用するために、例えばトラック線方向に対してピットの前後にトラックピッチの約１／４だけずらして照射するように配置する。これにより、３本のビームの情報記録面での反射光は、それぞれ適宜位置に配置した受光素子に入射し、受光した光強度に応じた電気信号に変換される。
【０００８】
このような３ビーム法では、サブビーム側の電気信号の平均値レベルの差をとることで、トラック追跡サーボ用のトラッキング誤差信号が得られ、このトラッキング誤差信号を
利用してメインビームがトラック上から逸脱せぬようにサーボ制御を行う。すなわち、メインビームがトラック中心を走査しているときには、サブビームの平均レベルはどちらも同じレベルであるが、メインビームがトラック中心を外れると、サブビームの平均レベルに相違が生じ、トラッキング誤差信号として検知される。
【０００９】
また、これとは別の信号検出方法としては、情報記録面で反射したビームをトラックと平行に２分割させた受光素子で受け、このときの出力差からトラッキング誤差信号を検出するようにしたプッシュプル法も知られている。このプッシュプル法においては、１本のビームだけでは信号にオフセットが生じ、トラッキング精度が劣化するので、そのオフセットをキャンセルするために差動プッシュプル法が用いられる。
【００１０】
すなわち、この差動プッシュプル法でも、前述の３ビーム法と同様に半導体レーザから出射した１本のビームを回折格子で回折させて生成した０次光および±１次光の３本のビームを用いる。メインビームの０次光はトラック上に配置し、±１次光は２本のサブビームとしてトラック線方向に対して斜めの方向に配置し、メインビームが配置されたピットの前後にトラックピッチの約１／２だけトラックに垂直方向にずらして照射するように配置する。そして、それぞれのビームに対して配置された２分割の受光素子で情報記録面からの反射光を受け、２つの受光部における受光光量のプッシュプルを行う。この差動プッシュプル法では、メインビームのプッシュプル値とサブビームのプッシュプル値を減算することでオフセットをキャンセルする。
【００１１】
以上説明したように、３ビーム法あるいは差動プッシュプル法では、回折格子を必要とし、図１０においても発光部１の後方に回折格子８１を設けている。さらにＣＤとＤＶＤとで、用いる光の波長やトラックピッチが異なっているため、この回折格子の格子ピッチと格子の傾斜方向も、それぞれの光ディスクに合わせて異なるよう設定する必要があり、２波長用レーザ用の回折格子として、たとえば特許文献２に開示されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３１１２２１号公報（２００２年１０月２３日公開）
【特許文献２】特開２００１−２９００１７号公報（２００１年１０月１９日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の光ピックアップ装置では、２波長用レーザを用いた場合、２波長用レーザの光軸を揃えるための素子と、それぞれの波長のレーザ光に対して回折方向を最適化した回折格子が必要となるため、部品点数が増えるという問題がある。これらの機能を集積化した光学素子も特許文献２に開示されているが、複屈折材料が必要であるという問題があるし、多層構造であるため、安価なコストでの製造が難しいという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な構成で安価に２波長用レーザの光軸を揃えることができる二波長用回折素子およびこれを用いた光ピックアップを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明に係る二波長用回折素子は、波長λ１の光と波長λ２の光とが入射する二波長用回折素子であって、透明平板の一方の面に設けられた二次元回折格子を備え、前記二次元回折格子は、前記透明平板に平行な第１方向に沿って３段以上の階段状に形成された階段周期構造を有することを特徴とする。
【００１６】
この特徴により、３段以上の階段状に形成された二次元回折格子の階段周期構造は、波長λ１の光を回折させずにそのまま透過させ、波長λ２の光のみを回折させる。このため、簡単な構成で安価に、波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃えることができる。
【００１７】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記透明平板の他方の面に設けられた一次元回折格子をさらに備え、前記二次元回折格子は、前記透明平板に平行な方向であって前記第１方向に直交する第２方向に沿って、前記階段周期構造の各段の高さと等しい凹凸深さを有して凹凸状に形成された凹凸周期構造をさらに有しており、前記一次元回折格子は、前記凹凸周期構造の凹凸深さとは異なる凹凸深さを有して前記第２方向に沿って凹凸状に形成された一次元凹凸周期構造を有していることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、二次元回折格子の凹凸周期構造は、波長λ２の光に対して回折光を発生させ、波長λ１の光に対して回折光を発生させないように構成することができ、一次元回折格子の一次元凹凸周期構造は、波長λ２の光に対して回折光を発生させず、波長λ１の光に対して回折光を発生させるように構成することができる。このため、回折方向を最適化した二波長用回折素子を実現することができる。
【００１９】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記二次元回折格子において、前記階段周期構造の各段の高さ：ｈ、前記二次元回折格子の屈折率：ｎ、としたとき、（ｎ−１）×ｈが波長λ１の整数倍となるように前記階段周期構造を形成し、前記一次元回折格子の前記一次元凹凸周期構造の凹凸深さ：ｄ２、前記一次元回折格子の屈折率：ｎ２、としたとき、（ｎ２−１）×ｄ２が波長λ２の整数倍となるように前記一次元凹凸周期構造を形成することが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、簡単な構成で回折方向を最適化した二波長用回折素子を実現することができる。
【００２１】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記二次元回折格子の階段周期構造は、互いに発光点が異なる波長λ１の光と波長λ２の光とのうちの波長λ２の光を回折させて前記波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃え、前記二次元回折格子の凹凸周期構造は、前記波長λ２の光を前記第２方向に沿って回折させたサブビームを生成し、前記一次元回折格子の前記一次元凹凸周期構造は、前記波長λ１の光を前記第２方向に沿って回折させたサブビームを生成することが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、簡単な構成で波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃え、回折方向を最適化した二波長用回折素子を実現することができる。
【００２３】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記波長λ１の光と波長λ２の光とは、前記二次元回折格子に入射し、前記一次元回折格子から出射することが好ましい。
【００２４】
二次元回折格子は特定の波長でかつ特定の角度で入射する光束に対して最適に設計されるため、それ以外の角度で入射する光束では迷光が多く発生する。従って、一次元回折格子で３本のビームを生成した後に二次元回折格子に導く構成では迷光が多く発生する。よって、波長λ１の光と波長λ２の光を二次元回折格子に入射し、一次元回折格子から出射するように構成すると、迷光を抑制することができる。
【００２５】
本発明に係る二波長用回折素子は、波長λ１の光と波長λ２の光とが入射する二波長用回折素子であって、透明平板の一方の面に設けられた第１の二次元回折格子と、前記透明平板の他方の面に設けられた第２の二次元回折格子とを備え、前記第１の二次元回折格子は、前記透明平板に平行な第１方向に沿って３段以上の階段状に形成された第１の階段周
期構造を有しており、前記第２の二次元回折格子は、前記第１方向と反対の第２方向に沿って３段以上の階段状に形成された第２の階段周期構造を有しており、前記第１の階段周期構造の階段状の傾斜方向と、前記第２の階段周期構造の階段状の傾斜方向とが、互いに平行であることを特徴とする。
【００２６】
この特徴によれば、波長λ２の光を第１の階段周期構造で回折させ、第２の階段周期構造でさらに回折させることによって、波長λ２の光の光軸を波長λ１の光の光軸と揃えることができる。
【００２７】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記第１の二次元回折格子は、前記透明平板に平行な方向であって前記第１方向に直交する第３方向に沿って凹凸状に形成された第１の凹凸周期構造をさらに有しており、前記第２の二次元回折格子は、前記第３方向に沿って凹凸状に形成された第２の凹凸周期構造をさらに有しており、前記第１の階段周期構造の各段の高さと、前記第２の階段周期構造の各段の高さとは、等しく、前記第１の凹凸周期構造の凹凸深さと、前記第２の凹凸周期構造の凹凸深さとは、異なることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、回折方向を最適化した二波長用回折素子を実現することができる。
【００２９】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記第１および第２の二次元回折格子において、前記第１および第２の階段周期構造の各段の高さ：ｈ、前記第１および第２の二次元回折格子の屈折率：ｎ、としたとき、（ｎ−１）×ｈが波長λ１の整数倍となるように前記第１および第２の階段周期構造を形成し、前記第２の凹凸周期構造の凹凸深さ：ｄ２、前記第２の二次元回折格子の屈折率：ｎ２、としたとき、（ｎ２−１）×ｄ２が波長λ２の整数倍となるように前記第２の凹凸周期構造を形成することが好ましい。
【００３０】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記第１および第２の階段周期構造は、互いに発光点が異なる波長λ１の光と波長λ２の光とのうちの波長λ２の光を回折させて前記波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃え、前記第１の凹凸周期構造は、前記波長λ１の光を前記第３方向に沿って回折させたサブビームを生成し、前記第２の凹凸周期構造は、前記波長λ２の光を前記第３方向に沿って回折させたサブビームを生成することが好ましい。
【００３１】
本発明に係る二波長用回折素子では、前記波長λ１の光と波長λ２の光とは、前記第１の二次元回折格子に入射し、前記第２の二次元回折格子から出射することが好ましい。
【００３２】
本発明に係る光ピックアップは、本発明に係る二波長用回折素子を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る二波長用回折素子は、前記透明平板に平行な第１方向に沿って３段以上の階段状に形成された階段周期構造を有するので、簡単な構成で安価に、波長λ１の光と波長λ２の光との光軸を揃えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１に係る光ピックアップの構成を示す図である。
【図２】上記光ピックアップに設けられた二波長用回折素子の構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は上記二波長用回折素子に形成された階段周期構造の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記二波長用回折素子の動作を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）は上記二波長用回折素子に形成された凹凸周期構造の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記二波長用回折素子の他の動作を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）は波長λ１の光の階段深さＨと回折効率との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は波長λ２の光の階段深さＨと回折効率との間の関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態２に係る光ピックアップの構成を示す図である。
【図７】上記光ピックアップに設けられた二波長用回折素子の構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は上記二波長用回折素子に形成された第１階段周期構造の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記二波長用回折素子の動作を説明するための断面図である。
【図９】（ａ）は上記二波長用回折素子に形成された第１および第２凹凸周期構造の構成を示す断面図であり、（ｂ）は上記二波長用回折素子の他の動作を説明するための断面図である。
【図１０】従来の光ピックアップの構成を示す図である。
【図１１】従来の光ピックアップに搭載された回折素子の機能を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光ピックアップ１４の構成を示す図である。図１に示す光ピックアップ１４は、半導体レーザダイオードが内蔵された発光部１５と、この発光部１５から発せられたレーザ光を平行光にするコリメートレンズ１６と、１／４波長板１７と、光ディスク１８に光を集光する対物レンズ１９と、光ディスク１８からの戻り光を検出する受光部２０と、受光部２０に戻り光を集光する円筒レンズ２１と、発光部１５から出射されたレーザ光を透過させるとともに、前記光ディスク１８からの戻り光を反射して受光部２０に導く偏光ビームスプリッタ２２と、前記発光部１５と偏光ビームスプリッタ２２との間に配置された本実施の形態の二波長用回折素子１とを備えている。
【００３７】
前記発光部１５内において、ＤＶＤ用として波長６６０ｎｍ（λ１）のレーザ光の発光点を形成する発光素子２３ａと、ＣＤ用として波長７８０ｎｍ（λ２）のレーザ光の発光点を形成する発光素子２３ｂとが、微小間隔離間した状態で配置されている。このため発光点がずれるので、発光部１５から発せられた異なる波長のレーザ光は、互いに光軸がずれている。本実施の形態の回折素子１は、発光部１５の直後に設けられ、レーザ光の光軸を揃えるとともに、それぞれの波長の光に対して最適な角度で３ビームを発生させる。
【００３８】
発光部１５から発射した波長λ１、λ２のレーザ光は、二波長用回折素子１を透過して光軸を揃えられ、さらに２本のサブビームを生成した後に、偏光ビームスプリッタ２２を透過する。そして、コリメートレンズ１６により平行光とされた後に、１／４波長板１７を透過して、対物レンズ１９に入射する。対物レンズ１９により集光されたレーザ光は光ディスク１８にスポット光を形成する。光ディスク１８により反射された戻り光は、対物レンズ１９、１／４波長板１７、コリメートレンズ１６を経て、偏光ビームスプリッタ２２に導かれる。発光部１５から出射したレーザ光は往路と復路で１／４波長板１７を透過することにより、偏光の向きが９０度回転し、戻り光は偏光ビームスプリッタ２２により反射され、円筒レンズ２１を経て受光部２０に導かれる。
【００３９】
図２は、二波長用回折素子１の構成を示す斜視図である。図２に示すように、二波長用回折素子１は、透明基板（透明平板）２を備えている。透明基板２のレーザ光の入射面側に二次元回折格子３が形成され、射出面側に一次元回折格子４が形成されており、二次元回折格子３はＸ方向とＹ方向の二方向に沿って周期的な構造をもち、一次元回折格子４はＹ方向に沿って周期的な構造をもつ。
【００４０】
図３（ａ）は二波長用回折素子１に形成された階段周期構造５の構成を示す断面図であり、（ｂ）は二波長用回折素子１の動作を説明するための断面図である。Ｘ−Ｚ断面については、図３（ａ）に示すように、二次元回折格子３の階段周期構造５は、複数の凸部２４ａが周期的に連続して鋸刃状に形成されている。各凸部２４ａは、巨視的に見ると、垂直面と傾斜面とで直角三角形状に形成され、微視的に見ると各傾斜面に階段状に段差部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が形成されている。
段差部は平坦面が段々と高さを変えて段数を３以上とした形状であり、最下段の平坦面から最上段の平坦面までの距離である階段深さをＨ、１段あたりの１段深さをｈ、凸部の周期をＰｘ、各段のＸ方向の幅寸法Ｗｘとする。Ｗｘとｈは等ピッチで形成されている（即ち、ｈ＝Ｈ／２、Ｗｘ＝Ｐｘ／３）。
波長λの入射光がこの階段周期構造５を通過するときに発生する位相差（空気との屈折率差により形成される）は、二次元回折格子３の屈折率をｎ（λ）とすると、式１で表される。
【００４１】
φ（λ）＝２π・（ｎ（λ）−１）ｈ／λ        …式１
この位相差φ（λ）が、レーザ光の一方の波長λ１に対して式２を満たすようにし、もう一方の波長λ２に対して式３を満たすようにする。ただし、Ｎ１、Ｎ２は正の整数とする。
【００４２】
φ（λ１）＝２Ｎ１π（Ｎ１は整数）              …式２
φ（λ２）≠２Ｎ２π（Ｎ２は整数）              …式３
式２に示すように、（ｎ（λ）−１）・ｈが波長λの整数倍となるように深さ寸法ｈを設定することで、前記波長λのレーザ光が二次元回折素子３内を通過したときに、波長λのレーザ光が回折しなくなる。波長λ１のレーザ光に対しては式２を満たすように、波長λ２のレーザ光に対しては式３を満たすように１段深さｈを設定することによって、波長λ１のレーザ光が二次元回折素子３に入射したときにレーザ光を回折させずに０次回折光のままの状態で透過させることができ、波長λ２のレーザ光のみを回折させることができる。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、波長λ２のレーザ光を二次元回折素子３に入射したとき、式４に示す回折角度（０次光光軸と１次回折光の発生方向軸とがなす角度）θｘの方向に回折光が発生する。
【００４４】
２π／λ２・ｓｉｎ（θｘ）＝２π／Ｐｘ  …式４
発光点から二次元回折格子３までの距離をＬ、両発光点の間の間隔をＤとしたとき、式５の関係を満たすよう各発光素子を配置すれば、図３（ｂ）に示すように、波長λ１の光と波長λ２の光の光軸をそろえることができる。
【００４５】
Ｌ・ｔａｎ（θｘ）＝Ｄ                …式５
この階段周期構造５の階段深さＨを変化させたときの回折効率の計算結果を図５に示す。回折格子層（２次元回折格子３）の屈折率ｎを１．５５、波長λ１を６６０ｎｍ、波長λ２を７８０ｎｍとした。波長λ１の結果を図５（ａ）に、波長λ２の結果を図５（ｂ）に示す。階段深さＨ＝４．７μｍ付近で、波長６６０ｎｍの光の０次回折光を最大にすることができ、波長７８０ｎｍの光に対しては、−１次回折光を最大にすることができることがわかる。
【００４６】
図４（ａ）は二波長用回折素子１に形成された凹凸周期構造の構成を示す断面図であり、（ｂ）は二波長用回折素子１の他の動作を説明するための断面図である。Ｙ−Ｚ断面については図４（ａ）に示すように、二次元回折格子３には矩形状の凹凸周期構造６が形成
されており、また同様に一次元回折格子４にも矩形状の一次元凹凸周期構造７が形成されている。図４（ｂ）に示すように、この二次元回折格子３は、波長λ２の光に対してＹ−Ｚ面内の方向に回折光を発生させ、波長λ１の光に対しては回折光を発生させないよう構成され、一次元回折格子４は、逆に波長λ１の光に対してＹ−Ｚ面内の方向に回折光を発生させ、波長λ２の光に対して回折光を発生させないよう構成される。
【００４７】
この二次元回折格子３および一次元回折格子４のＹ−Ｚ断面における凹凸周期構造６および一次元凹凸周期構造７の形状については、凹凸部の凹凸深さｄ、凸部屈折率ｎ、周期Ｐｙ、凸部幅Ｗｙは、それぞれ凹凸周期構造６および一次元凹凸周期構造７ごとに個別に設定される。この回折格子の凹凸部の凹凸深さｄおよび凸部の屈折率ｎ（λ）を用いて、波長λの入射光が空気との屈折率差により形成される位相差は式６で表される。
【００４８】
二次元回折格子３の凹凸周期構造６の形状を、波長λ１の入射光に対して式７を満たすように、波長λ２の入射光に対して式８を満たすように形成すると、二次元回折格子３はＹ−Ｚ面内の方向に波長λ２の光のみを回折させる。
φ（λ）＝２π・（ｎ（λ）−１）ｄ／λ        …式６
φ（λ１）＝２Ｎ３π（Ｎ３は整数）              …式７
φ（λ２）≠２Ｎ４π（Ｎ４は整数）                …式８
また第二の回折格子の凹凸構造の形状を、波長λ１の入射光に対して式９を、波長λ２の入射光に対して式１０を満たすように形成すると、第二の回折格子はＹ−Ｚ面内の方向に波長λ１の光のみを回折させる。
【００４９】
φ（λ１）≠２Ｎ５π（Ｎ５は整数）              …式９
φ（λ２）＝２Ｎ６π（Ｎ６は整数）              …式１０
このように形成された二波長用回折格子１によって回折される光の効率は、スカラ理論に基づいて求められ、波長λの入射光に対する０次光回折効率η０（λ）、および±１次回折効率η±１（λ）は、それぞれ式１１、式１２で表される。
【００５０】
η０（λ）＝４（Ｗ／Ｐ−１／２）２ｓｉｎ２（φ（λ）／２）
＋ｃｏｓ２（φ（λ）／２）    …式１１
η±１（λ）＝４／π２・ｓｉｎ２（πＷ／Ｐ）・ｓｉｎ２（φ（λ）／２）  …式１２
式７、式１０を満たす場合は、デューティ比（Ｗ／Ｐ）によらず０次光回折効率は１００％、１次光回折効率は０％である。
【００５１】
二次元回折格子３による回折角度（０次光光軸と１次回折光の発生方向軸とがなす角度）θ１は式１３を満たす。
【００５２】
２π／λ２・ｓｉｎ（θ１）＝２π／Ｐ１        …式１３
同様に一次元回折格子４においては、
２π／λ１・ｓｉｎ（θ２）＝２π／Ｐ２        …式１４
を満たす角度方向θ２に回折光が発生する。
【００５３】
ＣＤ系とＤＶＤ系光ディスクとではトラックピッチが異なるため、回折光の発生方向はそれぞれの光ディスクに対して最適化する必要がある。本実施の形態に係る二波長回折素子１では二次元回折格子３と一次元回折格子４との形状を独立して設計することが可能であるため、上記条件を満たすように二次元回折格子３と一次元回折格子４との特性（回折効率、回折角度）を最適化することができる。また２波長レーザの光軸補正を行うための素子と３ビームを生成するための回折格子を一体化することができるため部品点数を削減することができる。
【００５４】
本実施の形態に係る二波長用回折素子１の構成は、透明基板２の両面に二次元回折格子３と一次元回折格子４とを設けたものであるが、二次元回折格子３と一次元回折格子４との材料としては熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂、光硬化性樹脂などが使用でき、これらの回折格子の周期は数μｍ〜十数μｍでよく、また深さも数μｍであるため、金型による転写が容易であるため安価に製造することができる。二波長用回折素子１の作製方法としては、透明基板２の両面に二次元回折格子３と一次元回折格子４とを成型してもよいし、透明基板２、二次元回折格子３、および一次元回折格子４を同一部材として、金型を用いて一体成型してもよい。上記した二波長用回折素子１では、二次元回折格子３の階段周期構造５の段差数を３段としているが、本発明はこれに限定されない。さらに段差数を増やしてもよい。
【００５５】
（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係る光ピックアップ１４ａの構成を示す図である。実施の形態１において前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。光ピックアップ１４ａは、二波長用回折素子１ａを備えている。
【００５６】
図７は、二波長用回折素子１ａの構成を示す斜視図である。図７に示すように、二波長用回折素子１ａは、透明基板２を備えている。透明基板２の入射面側に二次元回折格子９が形成され、射出面側に二次元回折格子８が形成されており、二次元回折格子９と二次元回折格子８とはともにＸ方向とＹ方向の二方向に沿って周期的な構造をもつ。
【００５７】
図８（ａ）は二波長用回折素子１ａの二次元回折格子９に形成された階段周期構造１２の構成を示す断面図であり、図８（ｂ）は二波長用回折素子１ａの動作を説明するための断面図である。Ｘ−Ｚ断面については図８（ａ）に示すように、階段周期構造１２は複数の凸部２４ｂが連続して鋸刃状に形成され、第一の実施の形態と同様に各凸部２４ｂは、巨視的に見ると垂直面と傾斜面とで直角三角形状に形成され、微視的に見ると各傾斜面に階段状に段差部Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３が形成されている。射出面側の二次元回折格子８にも二次元回折格子９と同様の階段周期構造１０が用いられる点が実施の形態１と異なっている。階段周期構造１２と階段周期構造１０との互いの傾斜面は平行となるよう形成されている。このように、階段周期構造１２の階段状の傾斜方向と、階段周期構造１０の階段状の傾斜方向とは、互いに平行である。
【００５８】
図８（ｂ）に示すように、二次元回折格子８・９ともに、波長λ１のレーザ光に対して回折光を発生せず、波長λ２のレーザ光に対して回折光を発生させるよう構造を設定する。図８（ｂ）に示す形状とすることにより、二次元回折格子９の階段周期構造１２におけるλ２のレーザ光の１次回折光を、λ１のレーザ光の光軸側に回折させ、さらに二次元回折格子９と反対側に設けられた二次元回折格子８において波長λ２のレーザ光を前記とは逆側に回折させると、波長λ２のレーザ光の光軸と波長λ１のレーザ光の光軸とを一致させることができるようになる。
【００５９】
透明基板２の屈折率はｎｐとすると、このとき回折光は、式１５の関係を満たす回折角度θｘの方向に発生する。
【００６０】
２π／λ２・ｎｐ・ｓｉｎ（θｘ）＝２π／Ｐｘ  …式１５
透明基板２の厚みをＴ、両発光点の間の間隔をＤとしたとき、式１６の関係を満たせば波長λ１と波長λ２の光軸をそろえることができる。
【００６１】
Ｔ・ｔａｎ（θｘ）＝Ｄ                    …式１６
ＣＤ用レーザ素子とＤＶＤ用レーザ素子とをモノリシック集積化した２波長レーザでは、発光点間隔のバラツキが±１μｍ以下の精度で管理されている。このため、透明基板２の厚みＴと、回折角度θｘを適切に管理することにより、二次元回折素子１ａの位置あわせを不要とすることができる。
【００６２】
Ｙ−Ｚ面については、実施の形態１と同様に、図９（ａ）（ｂ）に示すように、一方の波長の光のみに対して回折光を発生させるよう二次元回折格子９を設定し、もう一方の波長の光のみに対して回折光を発生させるよう二次元回折格子８を設定する。二次元回折格子９は、凹凸周期構造１３を有する。二次元回折格子８は、凹凸周期構造１１を有する。
【００６３】
本二次元回折素子１ａは波長λ２の光の光軸を平行移動させて、波長λ１の光の光軸と一致させることができる。このため、発光点と二次元回折素子１ａとの間の距離の調整を不要とすることができる。さらに２波長レーザの光軸補正を行うための素子と３ビームを生成するための回折格子とを一体化することができるため部品点数を削減することができる。
【００６４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、少なくとも２つの波長の光を光源とする光ディスクなどの光記録媒体用の記録装置や再生装置などに用いる光ピックアップ用の２波長用回折素子およびその光ピックアップに利用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１    二波長用回折素子
２    透明基板（透明平板）
３    二次元回折格子
４    一次元回折格子
５    階段周期構造
６    凹凸周期構造
７    一次元凹凸周期構造
８    二次元回折格子
９    二次元回折格子
１０  階段周期構造
１１  凹凸周期構造
１２  階段周期構造
１３  凹凸周期構造
１４  光ピックアップ
【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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