(57)【要約】【課題】一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上できる回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置を提供する。【解決手段】本発明による回折素子は、半導体レーザー光の強度分布を補正する回折素子であって、透明基板の一方の表面に、位相型の回折格子が形成されており、前記回折格子は、高さが２段階の変化を有する凸部を少なくとも１つ含み、前記回折格子は、凸部のうち最も高い面を有する部位の幅をＷとしたとき、格子１周期における幅Ｗの割合であるデューティ比が、所定領域内において連続的または断続的に変化していることを特徴とする。【選択図】図１
2014006950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザー光の強度分布を補正する回折素子であって、
透明基板の一方の表面に、位相型の回折格子が形成されており、
前記回折格子は、高さが２段階の変化を有する凸部を少なくとも１つ含み、
前記回折格子は、凸部において最も高い面を有する部位の幅をＷとしたとき、格子１周期における幅Ｗの割合であるデューティ比が、所定領域内において連続的または断続的に変化している
ことを特徴とする回折素子。
【請求項２】
高さが２段階の変化を有する前記凸部は、断面形状が凸の字状である
請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
高さが２段階の変化を有する前記凸部は、高い方の高さをｈ１、低い方の高さをｈ２としたとき、ｈ２＝ｈ１／２±０．１（ｈ１／２）の関係を満たしている
請求項１または請求項２に記載の回折素子。
【請求項４】
前記回折格子に含まれる各凸部は、当該凸部の中間点を中心とする格子１周期分の領域内における当該凸部に隣接する凹部の底面の幅が各々Ｗ／２±０．１（Ｗ／２）となるように各面の幅が設定されている
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の回折素子。
【請求項５】
前記回折格子が形成されていない領域に、前記回折格子と同じ材料からなり、厚さを前記回折格子に含まれる、高さが２段階の変化を有する凸部の低い方の高さと同じにした外縁部が設けられている
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回折素子。
【請求項６】
前記回折格子は、デューティ比が所定領域内において一方向にのみ連続的にまたは断続的に変化している
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の回折素子。
【請求項７】
半導体レーザー光源を備えた光ヘッド装置であって、
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の回折素子を備え、
前記回折素子は、前記半導体レーザー光源と対物レンズの間の光路中に設けられ、前記半導体レーザー光源から出射されるレーザー光の強度分布を補正する
ことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項８】
前記半導体レーザー光源が、複数の発光点を有し、２つ以上の異なる波長の光が発射される複数波長対応の半導体レーザー光源である
請求項７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、レーザー光の強度分布を補正する回折素子および該回折素子を備えた光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｂｌｕ−ｒａｙディスクやＤＶＤ、ＣＤを再生、記録する光ヘッド装置に用いられる半導体レーザーに要求される性能のひとつに、広がり角およびそのアスペクト比がある。なお、アスペクト比とは、楕円形状の長手方向の長さと短手方向の長さの比である。光ヘッド装置では、光のアスペクト比は小さいほど使いやすく、また広がり角が小さい方が利用効率の面で好ましい。
【０００３】
しかし、半導体レーザーの構造上、半導体レーザーから出射される光は楕円形状の発散光である。このため、アナモルフィックプリズム等で光源からの光のアスペクト比を補正することも行われている。
【０００４】
また、レーザー光の利用効率を高めるためにはレーザー光の広がり角が小さい方がよいが、光の強度分布がガウス分布をしている場合など、レンズ中心部と周辺部とで光の強度に大きな差がある場合には、対物レンズで集光する際に微少なスポットを得られないという問題が生じる。特に、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク（以下、ＢＤという。）の再生および記録に用いられる青紫色レーザーから出射する光は、楕円形状の長手方向の広がり角が大きくアスペクト比が大きいという欠点がある。
【０００５】
このような欠点を補うために、リム強度すなわちレンズ中心部における光強度に対するレンズ周辺部における光強度を高める技術が様々開発されている。
【０００６】
例えば、焦点距離の長いコリメートレンズを用いて、光源から出射されたレーザー光の中央部分の光だけを使用する構成により、高いリム強度を確保する技術がある。このような技術は、空間的に余裕のあるＡｕｄｉｏ−Ｖｉｓｕａｌ（ＡＶ）用途や、デスクトップ型のＰｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＰＣ）向けの光ヘッド装置に多く採用されている。
【０００７】
しかし、ノート型ＰＣ等のサイズが小さく空間的に余裕のない装置向けの光ヘッド装置では、光ヘッド装置に対する小型化の要請も強く、焦点距離の長いコリメートレンズを使用できない。そこで、中央部分の光の強度を落として周辺部の光の強度に近づけることで、高いリム強度を確保する技術が開発されている。
【０００８】
中央部分の光の強度を落とす方法の一つに、回折素子を用いる方法がある。より具体的には、レーザー光の中心部のみを回折させる回折素子を光路中に配置し、実効的に直進透過する光量を抑える方法である。このような回折素子の一例が、特許文献１に記載されている。
【０００９】
特許文献１に記載されている回折素子は、中心部から周辺部にかけて回折格子の凸部と凹部の比率が変化するように構成されている。これにより半導体レーザーから出射したレーザー光の０次回折光の光強度分布を制御して、出射される光ビームの光強度分布を均一にする。
【００１０】
なお、特許文献１に記載されている回折素子は、凸部と凹部の周期構造である凹凸構造を有する位相格子を用いる例であるが、遮光部と透過部とを交互に並べたスリット格子を用いても同様の効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１２８５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
焦点距離の長いコリメートレンズを使用できない場合に、強度がガウス分布している光のリム強度を補正する方法として、中心部分から周辺部分にかけて連続的または段階的にガウス分布を打ち消すような透過率分布をもたせた回折素子を用いることは有効である。
【００１３】
しかし、回折素子を用いる方法には、次のような問題があった。
【００１４】
例えば、位相格子を用いる場合には、直進透過する光の波面が乱れる問題があった。位相格子を用いて０次回折光の光強度分布を制御する場合、素子面内において格子の深さを連続的または段階的に変化させる方法と、格子のデューティ比すなわち格子１周期分の領域に占める凸部の割合を連続的または段階的に変化させる方法とがある。しかし、いずれの方法によっても、面内で波面の進みに差が出てしまい、その結果直進透過する光の波面が乱れて出射されてしまう。すなわち、波面収差を発生させてしまう。
【００１５】
なお、特許文献１では、このようなデューティ比が一定でない位相格子によって発生する波面の乱れを非点収差として捉えている。そこで、特許文献１に記載されている光ヘッド装置は、レーザー光の光強度分布を制御してリム強度を補正する回折素子の他に、この回折素子の非点収差を補正する平行平板を備えている。なお、平行平板は、半導体レーザーとコリメータレンズとの間に、半導体レーザーの光軸に対して斜めに配置される。
【００１６】
しかし、特許文献１に記載されている方法では、素子数が増えるだけでなく、その配置によっても多くの空間を必要とするため、光ピックアップの小型化の妨げになり好ましくない。
【００１７】
なお、スリット格子を用いれば、波面が乱れることはない。しかし、スリット格子は位相格子とは異なり、回折効率に波長依存性がないために、複数の波長の光を出射する光源に対して１つの回折素子でリム強度を補正しようとすると１つの波長（設計波長）以外の波長の光の光強度分布を悪化させたり、利用効率を低下させるなどの問題がある。例えば、ＢＤ用の波長、ＤＶＤ用の波長、ＣＤ用の波長の３つの波長の光を出射する３波長半導体レーザーを用いる光ピックアップ光学系では、波長毎に光強度分布が異なっているため、ＢＤ用の波長の光の光強度分布を補正しリム強度を向上させるために最適化されたスリット格子を、ＤＶＤ用やＣＤ用の波長の光に対しても使うと、ＤＶＤ用の波長の光およびＣＤ用の波長の光に対する光強度分布を悪化させてしまう問題があった。さらに、ＤＶＤ用の波長光およびＣＤ用の波長光の利用効率が低下してしまう問題があった。
【００１８】
本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、半導体レーザー出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上させる回折素子であって、実用性の高い回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置の提供を目的とする。具体的には、一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上可能な回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置の提供を目的とする。さらに、３波長半導体レーザーを用いる光ピックアップ光学系においても、一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を好適に補正可能な回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による回折素子は、半導体レーザー光の強度分布を補正する回折素子であって、透明基板の一方の表面に、位相型の回折格子が形成されており、回折格子は、高さが２段階の変化を有する凸部を少なくとも１つ含み、回折格子は、凸部において最も高い面を有する部位の幅をＷとしたとき、格子１周期における幅Ｗの割合であるデューティ比が、所定領域内において連続的または断続的に変化していることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による回折素子において、高さが２段階の変化を有する凸部は、断面形状が凸の字状であってもよい。
【００２１】
また、本発明による回折素子において、高さが２段階の変化を有する凸部は、高い方の高さをｈ１、低い方の高さをｈ２としたとき、いずれもｈ２＝ｈ１／２±０．１（ｈ１／２）の関係を満たしていてもよい。
【００２２】
また、本発明による回折素子において、回折格子に含まれる各凸部は、当該凸部の中間点を中心とする格子１周期分の領域内における当該凸部に隣接する凹部の底面の幅が各々Ｗ／２±０．１（Ｗ／２）となるように各面の幅が設定されていてもよい。
【００２３】
また、本発明による回折素子は、回折格子が形成されていない領域に、回折格子と同じ材料からなり、厚さを回折格子に含まれる高さが２段階の変化を有する凸部の低い方の高さと同じにした外縁部が設けられていてもよい。
【００２４】
また、本発明による回折素子において、回折格子は、デューティ比が所定領域内において一方向にのみ連続的にまたは断続的に変化していてもよい。
【００２５】
また、本発明による光ヘッド装置は、半導体レーザー光源を備えた光ヘッド装置であって、上述のいずれかの回折素子を備え、回折素子は、半導体レーザー光源と対物レンズの間の光路中に設けられ、半導体レーザー光源から出射されるレーザー光の強度分布を補正することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明による光ヘッド装置は、半導体レーザー光源が、複数の発光点を有し、２つ以上の異なる波長の光が発射される複数波長対応の半導体レーザー光源であってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上できる回折素子を提供できる。また３波長半導体レーザーを用いる光ピックアップ光学系においても、一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を好適に補正可能な回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置を提供できる。従って、実用性の高い回折素子および該回折素子を搭載した光ヘッド装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態の回折素子の構成の一例を示す断面模式図である。
【図２】凸部１２１の断面形状の例を示す説明図である。
【図３】凸部１２１の断面形状の例を示す説明図である。
【図４】凸部１２１の断面形状の例を示す説明図である。
【図５】凸部１２１の断面形状の例を示す説明図である。
【図６】凸部１２１の高部の幅Ｗを格子周期Ｐで規格化した値Ｄｃと０次回折効率との関係を示すグラフである。
【図７】半導体レーザーからの出射光の光強度分布の一例を示すグラフである。
【図８】第１の実施形態の回折素子１０の透過率の分布の一例を示すグラフである。
【図９】第１の実施形態の回折素子１０における回折格子１２のデューティ比Ｄｃの分布を示すグラフである。
【図１０】第１の実施形態の回折素子１０の一例を示す平面模式図である。
【図１１】第１の実施形態の回折素子１０による半導体レーザー光の補正光量分布の一例を示すグラフである。
【図１２】第１の実施形態の回折素子１０における波面収差の抑制の様子を、従来例と比較して示す模式図である。
【図１３】第２の実施形態の回折素子２０の一例を示す平面模式図である。
【図１４】第２の実施形態の回折素子２０の透過率の分布の一例を示すグラフである。
【図１５】第２の実施形態の回折素子２０による半導体レーザー光の補正光量分布の一例を示すグラフである。
【図１６】第３の実施形態の回折素子３０の透過率の分布を示すグラフである。
【図１７】第３の実施形態の回折素子３０による半導体レーザー光の補正光量分布の一例を示すグラフである。
【図１８】本発明の回折素子を有する光ヘッド装置１００の例を示す構成図である。
【図１９】本発明の回折素子を有する光ヘッド装置１００の他の例を示す構成図である。
【図２０】第１の実施例における回折格子１２の凸部１２１の形成例を示す平面模式図である。
【図２１】第１の実施例の回折素子１０に形成される回折格子１２のデューティ比Ｄｃと透過率との関係を示すグラフである。
【図２２】第１の比較例の回折素子９０の構成の一例を示す断面模式図である。
【図２３】第１の比較例の回折素子９０に形成される回折格子９２のデューティ比Ｄｒの分布を示すグラフである。
【図２４】第１の比較例の回折素子９０により発生する波面収差を模式的に示す平面模式図である。
【図２５】第２の比較例の回折素子８０の構成の一例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の回折素子の構成の一例を示す断面模式図である。図１に示す回折素子１０は、透明基板１１の一方の表面に、周期Ｐで凸部１２１が設けられることにより凸部１２１と凹部１２２とが交互に並んだ凹凸構造であって、高さが一定でなく２段階の変化を有する凸部１２１を少なくとも１つ含む凹凸構造からなる位相型の回折格子１２が形成されている。なお、図１に示す例では、簡単のため、７つの凸部１２１を有する凹凸構造からなる回折格子１２を示しているが、そのうち６つの凸部１２１が、高さが２段階で変化する形状具体的には高さｈ１の面と高さｈ２の面を有する形状となっている。
【００３０】
回折格子１２において、格子周期Ｐは一定である。なお、本回折格子１２における格子周期Ｐは、隣接する凸部１２１の底部の中間点を結んだ距離に相当する。なお、凸部１２１の中間点は、透明基板１１の面上に少なくとも高さｈ２以上の高低差を形成している突起形状を１つの凸部１２１とみなし、その突起形状が形成されている領域の中間点でみる。
【００３１】
図２は、回折格子１２を構成している凸部１２１の断面形状の例を示す説明図である。本実施形態の回折素子１０に形成される回折格子１２は、１つの凸部１２１の中間点を中心に格子１周期分の領域をみた場合に、以下の条件を満たす凸部１２１が並んで構成されたものということができる。
【００３２】
図２に示すように、当該領域は次の５つの領域に分けることができる。以下これら５つの領域を領域Ａ〜Ｅと呼ぶ。ここで、領域Ｃは、凸部１２１のうち最も高い面を有する部位すなわち高さがｈ１の部位（以下、高部という。）が位置する領域である。また、領域Ｂと領域Ｄは、凸部１２１のうち高さがｈ２の部位（以下、低部という。）が位置する領域である。また、領域Ａと領域Ｅは、凸部１２１が形成されていない領域、すなわち凹凸構造において高さが０の領域である。領域Ａと領域Ｅは、当該領域内において、中心に位置する凸部に隣接する凹部１２２の底面が位置する領域であるということもできる。
【００３３】
回折格子１２を構成している各凸部１２１は、領域Ｃの幅すなわち高部の幅をＷとしたとき、領域Ａと領域Ｅの幅すなわち格子１周期分の領域内において隣接する凹部１２２の底面が位置する領域の幅が略等しくＷ／２となるように、各面の幅の設定がされている。なお、領域Ｂと領域Ｄの幅すなわち低部の幅は等しくなくてもよく、その和が「Ｐ−２Ｗ」となればよい。換言すると、１つの凸部１２１の中間点を中心に格子１周期分の領域内において領域Ｃと領域Ａと領域Ｅを除いた領域が領域Ｂと領域Ｄになればよい。ここで、ｈ１とｈ２の関係は、ｈ１＝ｄとしたとき、ｈ２＝ｄ／２である。なお、加工プロセスの精度によっては、領域Ｂの高さと領域Ｄの高さが等しくならない場合やｄ／２にならない場合も考えられるが、各々ｄ／２に対して±１０％程度のずれ量であれば許容できる。同様に、領域Ａと領域Ｅの幅が等しくならない場合やＷ／２とならない場合も考えられるが、各々Ｗ／２に対して±１０％程度のずれ量であれば許容できる。
【００３４】
このような条件を満たすものであれば、例えば、図３に示すように、高部が中心に位置していないような凸部１２１の断面形状であってもよい。なお、高さが２段階で変化する凸部１２１の断面形状は、凸の字状に限らない。例えば、図４に示すように、領域Ｄの幅を０として、領域Ｂの幅だけで「Ｐ−２Ｗ」の条件を満たすような、断面が横Ｌの字状も含まれる。同様に、領域Ｂの幅を０として、領域Ｄの幅だけで「Ｐ−２Ｗ」の条件を満たすような、Ｌの字状であってもよい。また、回折格子１２は、高さが変化しないすなわち断面が矩形の凸部１２１が含まれていてもよく、その場合は高さがｈ２の面を有する部位がないだけで同様の条件を満たしているものとする。すなわち、断面が矩形の凸部１２１は、図５に示すように、高部の幅ＷがＰ／２であるために、領域Ｂ、Ｄの幅が０となったものとみなせばよい。以下、高さが２段階で変化する凸部のことを「２段凸部」と表現し、高さが変化しない凸部のことを「１段凸部」と表現する場合がある。
【００３５】
本実施形態の回折格子１２は、各凸部１２１が上記の条件を満たした上で、リム強度を補正するために、面内において透過率を変化させている。すなわち、透過率に面内分布をもたせている。回折格子１２の０次回折効率は、各々の凸部１２１の高部の幅Ｗによって決まる。従って、面内に幅Ｗの分布をもたせると、透過率の面内分布を発現できる。図６は、凸部１２１の高部の幅Ｗを格子周期Ｐで規格化した値Ｄｃ（＝Ｗ／Ｐ）と０次回折効率との関係を示すグラフである。なお、図６において縦軸は０次回折効率を示し、横軸はＤｃ値を示している。本発明では、この値Ｄｃを回折格子１２のデューティ比と表現する。本実施形態の回折格子１２の構造上、デューティ比Ｄｃは必ず０．５より小さくなる。以降、格子周期に依らない一般的な変数である、このデューティ比Ｄｃを用いて透過率を説明する。なお、図６に示すグラフは、デューティ比Ｄｃが０．５のときに０次回折効率が７０％になる場合の例を示しているが、高さｈ１を変えることで、デューティ比Ｄｃが０．５のときの透過率を任意に設定できる。
【００３６】
ここで、図６のグラフで示される関係を数式で表すと、凸部１２１の中心点を中心に置いた格子１周期分の領域内の透過率η０は、以下の式（１）で示すように、デューティ比の２次関数で表される。
【００３７】
η０＝（６−４ａ−４ｂ＋２ｃ）Ｄｃ２＋２（ａ＋ｂ−２）Ｄｃ＋１    ・・・式（１）
【００３８】
ここで、ａは領域Ａと領域Ｂの位相差ΔφＡＢの余弦を表している。また、ｂは領域Ｂと領域Ｃの位相差ΔφＢＣの余弦を表している。また、ｃは領域Ｃと領域Ａの位相差ΔφＣＡの余弦を表している。なお、各位相差は、高さｈ１、高さｈ２、凸部１２１をなす材料の屈折率、凹部１２２をなす材料すなわち周辺媒質の屈折率（多くの場合、空気であるので屈折率は１）および透過する光の波長によって決まる。
【００３９】
次に、回折格子１２のデューティ比Ｄｃの設定方法について説明する。本実施形態の回折素子１０は、位相格子である回折格子１２を備えることによって、半導体レーザーからの出射光の光強度分布を補正して、リム強度を向上させる。具体的には、出射光の中心から補正したい径（例えば、有効径）までの光の一部を回折させて、その光強度を補正したい径における光強度に一致させる。
【００４０】
このため、まず、補正対象となる半導体レーザーからの出射光の光強度分布を考える。半導体レーザーからの出射光が、例えば、図７に示すようなガウス分布に従った光強度分布を有していたとする。図７は、半導体レーザーからの出射光の光強度分布の一例を示すグラフである。なお、図７において縦軸はレーザー光の中心部の光量を１として規格化した光量を示し、横軸は素子の中心部を０として当該回折素子１０における光が照射される位置（平面位置）を示している。
【００４１】
なお、実線は回折格子１２中央を通るｘ方向の軸上、破線は回折格子１２中央を通るｙ方向の軸上の光量分布をそれぞれ示している。図７に示す例では、半導体レーザーからの出射光が、ｘ方向への広がりがｙ方向よりも大きい楕円状の光強度分布を有していることがわかる。
【００４２】
なお、ガウス分布の関数は次の式（２）で表記でき、中心座標（０，０）で強度が１になるように規格化している。
【００４３】
ｆ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（−αｘ２−βｙ２）  ・・・式（２）
【００４４】
ここで、α、βは使用する半導体レーザーによって決まる係数である。また、ここでは、ｘの右肩の指数およびｙの右肩の指数を２としているが、それに限らない。これらの値は、使用する半導体レーザーから出射される光の実際の強度分布に合わせて適宜定めるのが好ましい。
【００４５】
次に、上述の式（２）で表せられる半導体レーザーからの出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上させるために要求される回折素子１０の透過率の分布η０（ｘ，ｙ）を考える。半導体レーザーからの出射光の中心の光強度を１として規格化し、補正したい径における光強度をＭとすると、回折素子１０の透過率分布η０（ｘ，ｙ）は以下の式（３）のようになる。
【００４６】
η０（ｘ，ｙ）＝Ｍ／ｆ（ｘ，ｙ）  ・・・式（３）
【００４７】
式（３）をグラフ化したものを図８に示す。図８において、縦軸は透過率を示し、横軸は回折素子１０の平面位置を示している。なお、実線は回折格子１２中央を通るｘ方向の軸上、破線は回折格子１２中心を通るｙ方向の軸上の透過率分布をそれぞれ示している。なお、図８に示す例では、ｘ方向の分布で平面位置が±３７５μｍの位置を境に、またｙ方向の分布で平面位置が±１８０μｍの位置を境に透過率が９３％から１００％に一気に変化している。これは、回折格子１２において最小デューティ比Ｄｃｍｉｎを０．１として設計した結果である。
【００４８】
ここで、回折格子１２の凸部１２１の高部の幅Ｗおよび最小デューティ比Ｄｃｍｉｎについて説明する。本実施形態の回折素子１０が、半導体レーザーからの出射光のリム強度を補正するためには、中心から補正したい径までの透過率をＭから１００％までの連続的な分布とするのが理想的である。補正したい径近辺の透過率を１００％とする場合、当該領域におけるデューティ比Ｄｃをゼロにすればよい。すなわち、凸部１２１の高部の幅Ｗをゼロにすればよい。実際の加工プロセスでの実現方法を考えると、幅Ｗをゼロにはできるが、ゼロに近い幅（例えば０．００１μｍ幅）の突起形状を作成するのは難しい。同様に、領域Ａと領域Ｅをゼロに近い幅にすると隣接する凹部の窪み形状をゼロに近い幅（例えば０．００１μｍ幅）で作成するのは難しい。従って、加工できる範囲でデューティ比Ｄｃを連続的に変えることになる。
【００４９】
加工できる最小デューティ比Ｄｃｍｉｎは、格子周期にも依存するので一般的な値を示すことはできず、本発明として特に制限を設けない。例として、凹凸構造における最小幅として０．５μｍの突起形状あるいは窪み形状まで加工できる場合には、格子周期Ｐが５μｍであれば最小デューティ比Ｄｃｍｉｎは０．１になる。また、格子周期Ｐが１０μｍであれば最小デューティ比Ｄｃｍｉｎは０．０５になる。図８の透過率分布において透過率９３％から１００％への変化が連続的でないのはこのような加工プロセスによる制約のためである。
【００５０】
次に、式（３）および図８に表される透過率分布に従って、第１実施形態の回折素子１０における回折格子１２のデューティ比の分布Ｄｃ（ｘ，ｙ）を考える。デューティ比の分布Ｄｃ（ｘ，ｙ）は、上述の式（１）より求めることができ、式（４）で与えられる。
【００５１】
【数１】
2014006950.tif 000003
【００５２】
ここで、η０（ｘ，ｙ）は回折素子１０の平面座標を（ｘ，ｙ）としたときに当該回折素子１０において所望とされる透過率分布を表している。また、ａは領域Ａと領域Ｂの位相差ΔφＡＢの余弦、ｂは領域Ｂと領域Ｃの位相差ΔφＢＣの余弦、ｃは領域Ｃと領域Ａの位相差ΔφＣＡの余弦を表している。
【００５３】
図９は、上述の式（４）で表される第１実施形態の回折素子１０における回折格子１２のデューティ比の分布Ｄｃ（ｘ，ｙ）を示すグラフである。図９において、縦軸は回折素子１０に形成される回折格子１２のデューティ比Ｄｃを示し、横軸は回折素子１０の平面位置を示している。また、実線は回折格子１２中央を通るｘ方向の軸上、破線は回折格子１２中央を通るｙ方向の軸上のデューディー比Ｄｃの分布をそれぞれ示している。なお、図９のグラフにおいて、デューティ比Ｄｃが０の領域は、回折格子１２が形成されない領域とみなしてよい。
【００５４】
こうして、使用する半導体レーザーからの出射光のリム強度を補正する本実施形態の回折素子１０に形成する回折格子１２のデューティ比の分布を設計できる。なお、各凸部１２１の高部の幅Ｗは、デューティ比の分布Ｄｃ（ｘ，ｙ）と格子周期Ｐとから求められる。図１に示す例では、中心部から周辺部に向かって、凸部１２１の高部の幅Ｗが小さくなっていることがわかる。
【００５５】
図１０は、本実施形態の回折素子１０の一例を示す平面模式図である。図１０では、素子中央部に形成される回折格子１２のデューティ比Ｄｃの変化の様子を、等高線によって示している。図１０では、模式的ではあるが、デューティ比Ｄｃの値が大きい領域ほど網掛けを濃くし、デューティ比Ｄｃの値が小さい領域ほど網掛けを薄くして示している。また、網掛けがされていない領域はデューティ比Ｄｃの値が０の領域すなわち回折格子１２が形成されない領域を示している。また、図中横方向を素子ｘ方向とし、図中縦方向を素子ｙ方向としている。図１０によれば、回折格子１２は、素子中心部に楕円状に形成され、かつ中心部から周辺部に向かってデューティ比Ｄｃが徐々に小さくなるように形成されていることがわかる。なお、図１０では、回折格子１２が形成される領域（以下、格子加工領域という）の形状が楕円形状である例を示しているが、格子加工領域の形状は楕円形状に限らない。回折素子１０において、回折格子１２のデューティ比Ｄｃのｘ方向およびｙ方向の連続的な変化によって、半導体レーザー光の補正光量分布が所定の領域内において一様な強度分布を持つように、出射光量を制御できればよい。なお、図１０に示す回折素子１０は、半導体レーザーからの出射光のうち広がり角が大きい方向がｘ方向、広がり角が小さい方向がｙ方向に沿って照射されるものとして、その光量分布を補正し、リム強度を高める設計がされた例である。
【００５６】
図１１は、本実施形態の回折素子１０による半導体レーザー光の補正光量分布の一例を示すグラフである。なお、図１１に示す補正光量分布は、図７に示す光量分布をもって半導体レーザーから出射された光が、本実施形態の回折素子１０を透過した後の光量分布を示している。図１１において、縦軸は補正後の光量を示し、横軸は回折素子１０の平面位置を示している。なお、縦軸における光量は、補正前のレーザー光の中心部の光量を１として規格化している。図１１によれば、中心部分から直径３６０μｍの円内において半導体レーザー光が一様な強度分布（本例では、補正前のレーザー光の中心部の光量の約７０％）を持つように光量が補正されているのが分かる。
【００５７】
次に、本実施形態の回折素子１０における波面収差の抑制について説明する。図１２は、本実施形態の回折素子１０における波面収差の抑制の様子を、従来例と比較して示す模式図である。なお、図１２（ａ）は従来の回折素子９０における波面収差の発生の様子を示し、図１２（ｂ）は本実施形態の回折素子１０における波面収差の抑制の様子を示している。図１２（ａ）に示す従来の回折素子９０は、格子形状が単純な矩形の凸部９２１と凹部９２２とが交互に並んだ位相型の回折格子９２が、面内でデューティ比が連続的に異なるように形成されている。なお、比較例におけるデューティ比とは、格子１周期分の領域に占める凸部９２１の割合をいう。例えば格子中心のデューティ比が０．５であって、中心から離れるに従ってデューティ比が連続的に小さくすなわち凸部９２１の幅が細くなるように形成されている。なお、格子中心のデューティ比が０．５であって、中心から離れるに従ってデューティ比が連続的に大きくすなわち凸部９２１の幅が太くなってもよい。
【００５８】
図１２に示すように、従来のような格子形状が単純な矩形の回折格子９２を直進透過する光すなわち０次回折光の波面は、局所的には実線で示すように、回折格子９２の凸部９２１を直進する光の波面が遅れ、凹部９２２を直進する光の波面が進む。また、マクロ的には破線で示すように、回折格子９２の凸部９２１を直進する波面と凹部９２２を直進する光の波面の平均の波面となる。すなわち、格子加工領域内でデューティ比が異なる場合、デューティ比が大きい領域で波面がより遅れ、デューティ比が小さい領域で波面がより進む。このように面内で波面の進みに差が出るため、波面収差が発生する。
【００５９】
一方、図１２（ｂ）に示すように、本実施形態の回折素子１０では、回折格子１２が２段凸部１２１を含んで構成されているので、局所的には実線で示すように、領域Ａと領域Ｅを直進する光の波面が最も進み、その次に領域Ｂと領域Ｄを直進する光の波面が進み、領域Ｃを直進する光の波面が最も遅れる。そして、デューティ比Ｄｃに応じて回折格子１２の凸部１２１の高部の幅Ｗを変化させるだけでなく、幅Ｗの変化に伴い低部の幅も変化させているので、マクロ的には破線で示すように、領域Ａと領域Ｅにおける波面の進みと領域Ｃにおける波面の遅れとが相殺されて、領域Ｂと領域Ｄにおおける波面に一致する。すなわち、リム強度を補正するために格子加工領域内でデューティ比Ｄｃを異ならせたとしても、面内で波面の進みに差が生じないため波面収差を発生しない。
【００６０】
なお、図１２（ｂ）に示す例のように、格子加工領域より外側（図面左側）の領域に、格子材料と同じ材料を用いた外縁部１３を設けてもよい。外縁部１３は、その厚みを、領域Ｂおよび領域Ｄの厚みに一致させている。このように構成すると、半導体レーザー光の光量分布が補正されない領域を透過する光の波面と、光量分布が補正される領域を透過する光の波面とを一致でき、回折素子全面において収差の発生を抑制できて好ましい。例えば、半導体レーザー光の中心が回折格子中心からずれても波面収差の発生を抑制できる。また、光量分布を補正していない周辺領域の光も利用する場合にも波面収差の発生を抑制できる。
【００６１】
次に、本実施形態の回折素子１０の作製方法について説明する。まず、光学的に等方な透明基板１１の表面に、格子材料となるＳｉＯ２等の誘電体膜を蒸着やスパッタ等のプロセスを用いて厚さがｄになるように成膜する。続いて、透明基板１１上に成膜した誘電体膜において、領域Ａおよび領域Ｅに相当する部分の厚みをフォトリソグラフィとドライエッチングの手法を用いてｄ／２分だけ除去する。さらに、同様の手法を用いて、透明基板１１上に成膜した誘電体膜において、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｄ、領域Ｅに相当する部分の厚みをｄ／２分だけを除去する。
【００６２】
なお、光学的に等方な透明基板１１として石英ガラス基板を用い、その石英ガラス基板の表面を直接加工して、回折格子１２をなす凹凸構造を形成してもよい。そのような場合であっても、フォトリソグラフィとドライエッチングを２回繰り返す同様の手法で、回折格子１２を形成できる。
【００６３】
また、第１実施形態の回折素子１０は、金型による射出成型を利用して、回折格子１２を有する透明基板１１ごと樹脂材料から作製も可能である。また、ガラスまたは樹脂からなる透明基板１１上に、金型により成形された樹脂製の凸部１２１群を積層する２Ｐ法を使って回折格子１２を形成してもよい。
【００６４】
また、図示省略しているが、透明基板１１の格子加工面上およびその裏面上に、誘電体多層膜からなる反射防止膜を蒸着またはスパッタ等のプロセスで成膜してもよい。反射防止膜の材料としてはＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５などの誘電体を使用できる。反射防止膜によって空気界面での光の反射を抑制し、光の利用効率を向上できて好ましい。なお、透明基板１１の格子加工面の裏面上に反射防止膜を成膜する場合、成膜順序は格子加工前であっても格子加工後であってもよい。
【００６５】
以上のように、本実施形態によれば、一つの素子でありながら波面を乱さずに半導体レーザー出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上できる。また、スリット格子ではなく、位相格子を用いているので、例えば波長４０５ｎｍを設計波長として作製されたＢＤ波長用の回折素子１０を、ＣＤ波長（例えば、７８５ｎｍ）やＤＶＤ波長（例えば、６５５ｎｍ）の光に対して使用したとしても、これらの光の利用効率を低下しすぎることはない。このため、３波長半導体レーザーを用いる光ピックアップ光学系においても使用できる。
【００６６】
また、本実施形態の回折素子１０は、半導体レーザー光の光強度分布を補正する回折格子１２を形成した面とは逆の面に反射防止膜を成膜する以外にも、例えば、光ディスク装置において、ディスクのトラッキングのために用いる回折格子などを積層または加工形成してもよい。また、例えば、１／４波長板や１／２波長板などの位相差板を積層してもよい。これらは、光ピックアップ内にて用いられる光学素子を集約できるので、光ピックアップ作製時の工数削減や小型化ができて好ましい。この場合、反射防止膜は、これら回折格子や位相差板を積層または加工形成した上に成膜してもよい。
【００６７】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１３は、本実施形態の回折素子２０の一例を示す平面模式図である。図１３では、素子中央部に形成される回折格子１２のデューティ比Ｄｃの変化の様子を、等高線によって示している。図１３では、模式的ではあるが、デューティ比Ｄｃの値が大きい領域ほど網掛けを濃くし、デューティ比Ｄｃの値が小さい領域ほど網掛けを薄くして示している。また、網掛けがされていない領域はデューティ比Ｄｃの値が０の領域すなわち回折格子１２が形成されない領域を示している。また、図中横方向を素子ｘ方向とし、図中縦方向を素子ｙ方向としている。図１３によれば、回折格子１２は、素子中心部にｘ方向に延びる帯状に形成され、かつ中心部からｙ方向の周辺部に向かってデューティ比Ｄｃが徐々に小さくなるように形成されていることがわかる。本実施形態の回折素子２０の断面構造および作製方法は第１の実施形態の回折素子１０と同様である。ただし、図１３に示すように、格子加工領域の形状が帯状となっており、回折格子１２のデューティ比Ｄｃが、ｙ方向にのみ連続的に変化する分布となっている。
【００６８】
すなわち、本実施形態の回折素子２０は、半導体レーザーからの出射光において、急な光強度分布を示すｙ方向のリム強度のみを補正するよう構成されている。換言すると、緩やかな光強度分布を示すｘ方向のリム強度は補正しない。
【００６９】
なお、第２実施形態の回折素子２０において回折格子１２の形状は帯状に限らない。回折素子２０において、回折格子１２のデューティ比Ｄｃのｙ方向での連続的な変化によって、半導体レーザー光のｙ方向の補正光量分布が所定の領域内において一様な強度分布を持つように、出射光量を制御できればよい。
【００７０】
図１４は、本実施形態の回折素子２０の透過率の分布の一例を示すグラフである。なお、グラフの読み方は図８と同様である。すなわち、縦軸は透過率を示し、横軸は回折素子１０の平面位置を示している。また、実線は回折格子１２中央を通るｘ方向の軸上、破線は回折格子１２中心を通るｙ方向の軸上の透過率分布をそれぞれ示している。図１４に示すグラフによれば、回折素子２０は、ｙ方向のみ透過率が変化し、ｘ方向の透過率は場所に依らず一様である。
【００７１】
図１５は、第２の実施形態の回折素子２０による半導体レーザー光の補正光量分布を示すグラフである。なお、図１５に示す補正光量分布は、図７に示す光強度分布をもって半導体レーザーから出射された光が、本実施形態の回折素子２０を透過した後の補正光量分布を示している。図１５において、縦軸は補正後の光量を示し、横軸は回折素子２０の平面位置を示している。図１５によれば、中心から約±１８０μｍの範囲内において半導体レーザー光はｙ方向で一様の光強度分布を持つように光量が変換されているのが分かる。なお、ｘ方向の光強度分布は補正されていない。このような補正光量分布であっても、実際の使用において許容できる場合がある。
【００７２】
本実施形態の回折素子２０では、半導体レーザー光を回折素子に照射する場合に、レーザー光の中心と格子加工領域においてｙ方向中心のみを一致させればよく、アセンブリ時の調整を容易にしている。本実施形態によるアセンブリ時の調整の容易さは、リム強度を高める光強度補正能とのトレードオフになっているため、使用目的に合わせてｘ方向の光強度補正能の有無を適宜選択すればよい。
【００７３】
なお、本実施形態の回折素子２０においても、回折格子１２をなす各々の凸部１２１の断面形状は図２〜図５に示した例と同様の条件を満たしている。このため、第１実施形態の回折素子１０と同様に、波面収差の発生を抑制できる。
【００７４】
実施形態３．
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態および第２の実施形態では、半導体レーザーから出射する光の光強度分布を連続的に補正するために、回折格子１２のデューティ比Ｄｃを連続的に変化させる例を示したが、回折素子による光強度分布の補正は、連続的なものに限らず段階的なものであってもよい。すなわち、面内におけるデューティ比Ｄｃの変化が階段状のような断続的であってもよい。
【００７５】
第３実施形態の回折素子３０は、第１実施形態の回折素子１０と同様に、半導体レーザーからの出射光の光強度分布を補正してリム強度を向上させる回折素子であって、出射光の中心から補正したい径までの光の一部を回折させて、その光強度を補正したい径における光強度に一致させる。ただし、図１６に示すように第３実施形態の回折素子３０では、当該回折素子３０が有する透過率分布として、中心部分から補正したい径までの領域内において段階的に透過率を変化させている。
【００７６】
なお、中心部分から補正したい径までの領域内において回折格子１２のデューティ比Ｄｃをｘ方向および／またはｙ方向に段階的に変化させる以外は、本実施形態の回折素子３０の構成は、第１の実施形態の回折素子１０または第２の実施形態の回折素子２０と同様でよい。
【００７７】
図１７は、第３の実施形態の回折素子３０による半導体レーザー光の補正光量分布の一例を示すグラフである。なお、図１７に示す補正光量分布は、図７に示す光量分布をもって半導体レーザーから出射された光が、本実施形態の回折素子３０を透過した後の補正光量分布を示している。図１７において、縦軸は補正光量を示し、横軸は回折素子３０の平面位置を示している。図１７によれば、中心部分から直径３６０μｍの円内において半導体レーザー光の光強度分布が、一定ではないものの、補正前の中心部の光量に対して補正後の光量が平均して７０％になるように変換されているのが分かる。このように、補正光量分布が段をもっていても実際の使用において許容できる場合もある。
【００７８】
なお、本実施形態の回折素子３０においても、回折格子１２をなす各々の凸部１２１の断面形状は図２〜図５に示した例と同様の条件を満たしている。このため、第１実施形態の回折素子１０と同様に、波面収差の発生を抑制できる。
【００７９】
このような回折素子１０，２０，３０を用いて光ヘッド装置における半導体レーザー光の光路中に配置して、リム強度を向上させればよい。図１８は、本発明の回折素子を有する光ヘッド装置１００の例を示す構成図である。図１８に示す光ヘッド装置１００は、３波長半導体レーザー光源１０１、第１の回折素子１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、コリメータレンズ１０４、ミラー１０５、１／４波長板１０６、対物レンズ１０７、第３の回折素子１０９、シリンドリカルレンズ１１０、光受光器１１１および第２の回折素子として第１の実施形態の回折素子１０を備えている。
【００８０】
なお、本例では、光ヘッド装置１００が、略同一の発光点から異なる３つの波長の光が発射される３波長半導体レーザー光源１０１を備える例を示しているが、レーザー光源１０１は、３波長対応でなくてもよい。例えば、１つの波長の光が発射されるレーザー光源や異なる２つの波長の光が発射されるレーザー光源であってもよい。また、発光点を複数有していてもよい。以下、単にレーザー光源１０１という。
【００８１】
図１８に示す光ヘッド装置１００では、レーザー光源１０１から発射されたレーザー光は、第１の回折素子１０２に入射する。第１の回折素子１０２において、０次回折光（直進透過光）と、トラッキングサーボ信号の検出のための±１次回折光とが生成される。続いて、第２の回折素子である回折素子１０に入射する。回折素子１０において、光ビームの光強度分布が制御されて、リム強度が補正されて出射される。続いて、光ビームは偏光ビームスプリッタ１０３を透過して、コリメータレンズ１０４に入射する。コリメータレンズ１０４により平行光となった後、ミラー１０５に入射し、光ディスク１０８のある方向へ偏向される。そして、各々の波長の光において１／４波長板としての機能を有する広帯域の１／４波長板１０６に入射し、円偏光の光に変換された後、対物レンズ１０７により光ディスク１０８の情報記録面に集光される。
【００８２】
光ディスク１０８に集光された光ビームは情報記録面で反射されて反射光とり、再び対物レンズ１０７を介して、１／４波長板１０６に入射する。１／４波長板１０６において、円偏光である反射光は、半導体レーザー光源１０１からの光ビームである出射光と偏光方向が直交する直線偏光の光に変換される。続いて、反射光は、ミラー１０５で反射されて、コリメータレンズ１０４に入射する。コリメータレンズ１０４により収束光となった後、偏光ビームスプリッタ１０３に入射する。このとき、反射光は出射光と偏光方向が直交するので、偏光ビームスプリッタ１０３で反射されて、光受光器１１１のある方へ偏向される。そして、第３の回折素子１０９で回折され、シリンドリカルレンズ１１０により非点収差の付与がなされた後、光受光器１１１に受光される。
【００８３】
なお、第１の回折素子１０２と第２の回折素子としての第１の実施形態の回折素子１０の位置を入れ替えてもよい。
【００８４】
また、回折素子１０の配置は、図１８に示す例に限らず、例えば、図１９に示す位置であってもよい。すなわち、コリメータレンズ１０４によって出射光が平行光に変換された後の光路中に配置してもよい。図１９は、本発明の回折素子を有する光ヘッド装置１００の他の例を示す構成図である。なお、図１９では、図１８と同じ光学素子については同じ符号を付しているため、説明を省略する。また、図１８および図１９では、本発明の回折素子として第１の実施形態の回折素子１０を備える例を示したが、代わりに第２の実施形態の回折素子２０や第３の実施形態の回折素子３０を備えていてもよい。
【００８５】
また、既に説明したように、第１の回折素子１０２の機能を実現する回折格子や、１／４波長板の機能を有する位相差板を、回折素子１０の他方の面に積層または加工形成すれば、光ヘッド装置内において必要とする光学素子数を減らすことができるので、光ピックアップ作製時の工数削減や小型化ができて好ましい。
【実施例】
【００８６】
実施例１．
以下、上述した各実施形態の回折素子について具体的な数値等を用いて説明する。第１の実施例の回折素子１０は、第１の実施形態の回折素子１０の例であって、図１に示す断面構造および図１０に示すデューティ比の変化パターンを有し、格子周期Ｐが５μｍである回折格子１２を有する回折素子である。すなわち、本実施例の回折素子１０は、透明基板１１の一方の表面に、５μｍ周期で凸部１２１が並ぶ凹凸構造であって、高さが２段階の変化を有する凸部１２１を少なくとも１つ含む凹凸構造からなる位相型の回折格子１２が形成されている。また、回折格子１２は、素子中心からｘ方向に±３７５μｍ、ｙ方向に±１８０μｍの範囲に楕円状に形成されており、その範囲内において凸部１２１の高部の幅Ｗがｘ方向およびｙ方向に連続的に変化している。本実施例の回折素子１０に形成されている回折格子１２が有するデューティ比Ｄｃの分布は、図９に示すとおりである。
【００８７】
図２０は、本実施例の回折素子１０に形成される回折格子１２の各凸部１２１の形成例を示す平面模式図である。なお、図２０では、模式的ではあるが、楕円状の格子加工領域内において各凸部１２１の高部が形成される領域を網掛けで示している。図２０に示すように、回折格子１２の各凸部１２１は、ｘ−ｙ平面において４５度の角度に延びる棒状の格子であってそれらが周期５μｍで並ぶ周期構造であってもよい。図２０の例では、素子中央のｘ，ｙ座標を（０，０）とし、中心（０，０）を通る一本の格子（凸部１２１）は、当該格子内で高部の幅Ｗが連続的に変化している。すなわち、１つの凸部１２１の中で、中心から外周に向かって高部の幅Ｗが徐々に細くなっている。また、格子のピッチをＰとすると、その格子の右隣の格子の中心（Ｐ／ｃｏｓ４５°，０）では、高部の幅Ｗが、（０，０）に位置する格子の高部の幅Ｗよりも細くなっているとともに、当該格子の中で外周に向かうに従ってさらに細くなっている。また、さらに右隣の格子の中心（２Ｐ／ｃｏｓ４５°，０）では、高部の幅Ｗが、（Ｐ／ｃｏｓ４５°，０）に位置する格子の高部の幅Ｗよりも細くなっているとともに、当該格子の中で外周に向かうに従ってさらに細くなっている。このように各凸部１２１を形成することにより、格子加工領域内において、回折格子１２の凸部１２１の高部の幅Ｗをｘ方向およびｙ方向に連続的に変化させている。なお、図示省略しているが、高部の幅Ｗの変化に併せて各格子の中の低部の幅も変化させている。本例の各凸部１２１の形成例は、あくまで一例であって、今回は紙面の水平に対して４５度の角度を示したが１３５度でも他の角度でもよく、各凸部１２１の平面形状はこの限りではない。
【００８８】
また、本実施例の回折素子１０では、透明基板１１として光学的に等方な透明ガラスを用いている。また、凸部１２１をなす格子材料としてＳｉＯ２膜を用いている。具体的には、透明ガラス基板の一方の表面に、ＳｉＯ２膜を真空蒸着等で成膜し、成膜したＳｉＯ２膜をフォトリソおよびドライエッチングで加工して、所望の形状を有する凸部１２１の周期構造の形成により、回折格子１２を得る。
【００８９】
ＳｉＯ２の屈折率は波長４０５ｎｍの光に対して、１．４６である。また、凸部１２１において高さｈ１は１６４ｎｍであり、高さｈ２は８２ｎｍである。このとき、波長４０５ｎｍのレーザー光のうち、中心部の光は、本実施例の回折素子１０を通ると光量の７０％が直進透過する。なお、図９のグラフにおいて、デューティ比が０の領域は、回折格子１２が形成されない領域である。本実施例においては、回折格子１２が形成されない領域、すなわち格子加工領域より外側の領域には、成膜したＳｉＯ２膜を、厚さが８２ｎｍとなるように加工して外縁部１３を形成している。
【００９０】
このようにして作製された本実施例の回折素子１０は、図８のグラフに示す透過率分布を有しており、回折格子形成領域の中心から半径１８０μｍの円内に照射される半導体レーザー光の光強度分布を一様に補正する。
【００９１】
なお、本実施例で使用する半導体レーザーは、波長４０５ｎｍの光を出射し、図７のグラフに示す光強度分布を有している。なお、式（２）の係数は、α＝２.８×１０−６、β＝１．１８×１０−５であり、ｘ、ｙの単位はμｍである。
【００９２】
このような半導体レーザー光を、本実施例の回折素子１０に照射すると、図１１に示す光量分布に補正されて出射される。また、本実施例の回折素子１０を出射する光の波面はマクロ的に一様に揃っているため波面収差を発生させない。
【００９３】
次に、本実施例の回折素子１０の透過率の波長依存性を評価する。図２１は、本実施例の回折素子１０に形成される回折格子１２のデューティ比Ｄｃと透過率との関係を波長４０５ｎｍ、６５５ｎｍ、７８５ｎｍの光につき示したグラフである。なお、図２１において、横軸は回折格子１２のデューティ比Ｄｃを示し、縦軸は透過率を示している。また、実線が波長４０５ｎｍの光に対する透過率、破線が波長６５５ｎｍの光に対する透過率、一点鎖線が波長７８５ｎｍの光に対する透過率を示している。
【００９４】
図２１によれば、波長６５５ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光に対する透過率は、デューティ比Ｄｃが０．５の領域でもそれほど低減されていない（例えば、８５％以上を維持している）ことが分かる。従って、本実施例の回折素子１０を３波長半導体レーザーを用いる光ピックアップに搭載する場合でも、ＢＤ波長として例えば４０５ｎｍの光の光強度分布を補正しながら、ＤＶＤ波長として例えば６５５ｎｍの光とＣＤ波長として例えば７８５ｎｍの光を効率よく透過させられることがわかる。なお、ＤＶＤ波長、ＣＤ波長の光に対しては光強度分布の補正は実用上不要であるので、効率よく透過するのが望ましい。本実施例の回折素子１０を透過すると、ＤＶＤ波長、ＣＤ波長の光に対しても光強度分布を補正するが、その補正能は小さいので実用上問題にならない。
【００９５】
比較例１．
第１の実施例の回折素子１０の比較例として、以下の回折素子９０を示す。第１の比較例である回折素子９０は、図２２に示す断面構造および図１０に示すデューティ比の変化パターンを有し、格子周期Ｐが５μｍである回折格子９２を有する回折素子である。すなわち、本比較例の回折素子９０は、透明基板９１の一方の表面に、周期Ｐで凸部９２１が並ぶ凹凸構造であって、いずれの凸部９２１も断面が矩形の凹凸構造からなる回折格子９２が形成されている。また、回折格子９２は、素子中心からｘ方向に±３７５μｍ、ｙ方向に±１８０μｍの範囲に楕円状に形成されており、その範囲内において凸部９２１の幅Ｗ’がｘ方向およびｙ方向に連続的に変化している。本比較例における０次回折効率は、凸部９２１の幅Ｗ’を格子周期Ｐで規格化した値Ｄｒ（＝Ｗ’／Ｐ）で決まる。以下、この値Ｄｒを本比較例におけるデューティ比という。なお、図１０は、素子中央部に形成された回折格子９２のデューティ比Ｄｒを、等高線に対応づけて描いていたものとして見ればよい。
【００９６】
図２３は、本比較例の回折素子９０に形成される回折格子９２のデューティ比Ｄｒの分布を示すグラフである。図２３において、縦軸は回折素子９０に形成される回折格子９２のデューティ比Ｄｒを示し、横軸は回折素子１０の平面位置を示している。
【００９７】
第１の比較例の回折素子９０の周期Ｐは５μｍである。また、作製方法としては、上述の第１の実施例の回折素子１０と同様に、透明基板９１として光学的に等方な透明ガラス９１を用い、その一方の表面に凸部９２１をなす格子材料としてＳｉＯ２膜を成膜する。そして、透明基板９１上に成膜したたＳｉＯ２膜をフォトリソおよびエッチングで加工し、断面矩形の凸部９２１の周期構造を得る。
【００９８】
ＳｉＯ２の屈折率は波長４０５ｎｍの光に対して、１．４６である。また、本比較例の各凸部９２１の高さｈ１は１６４ｎｍである。このとき、波長４０５ｎｍのレーザー光のうち、中心部の光は、第１の比較例の回折素子９０を通ると光量の７０％が直進透過する。なお、図２３のグラフにおいて、デューティ比Ｄｒが０の領域は、回折格子９２が形成されない領域である。本比較例においても、回折格子９２が形成されない領域、すなわち格子加工領域より外側の領域には、成膜したＳｉＯ２膜を、厚さが８２ｎｍとなるように加工して外縁部９３を形成している。
【００９９】
このようにして作製された本比較例の回折素子９０は、上述の第１の実施例の回折素子１０と同じ透過率分布を有しており、回折格子形成領域の中心から半径１８０μｍの円内に照射される半導体レーザー光の光強度分布を一様に補正する。なお、本比較例で使用する半導体レーザーは、第１の実施例と同様、波長４０５ｎｍの光を出射し、図７のグラフに示す光強度分布を有している。なお、式（２）の係数は、α＝２.８×１０−６、β＝１．１８×１０−５であり、ｘ、ｙの単位はμｍである。
【０１００】
このような半導体レーザー光を、本比較例の回折素子９０に照射すると、第１の実施例の回折素子１０と同様に、図１１に示す光量分布に補正されて出射される。すなわち、本比較例の回折素子９０は、第１の実施例の回折素子１０と同等にφ３６０μｍ内の光強度分布を一様してリム強度を向上する光強度分布補正能がある。
【０１０１】
しかし、本比較例の回折素子９０を透過する波長４０５ｎｍの光の波面は、図２４に示す等高線で描かれるような、格子加工領域内中心の波面を基準に、格子加工領域内の外側ほど波面が進み、格子加工領域外の波面が遅れる。図２４では、模式的ではあるが、波面の進みが早い領域ほど網掛けの濃度を濃くし、波面の進みが遅い領域ほど網掛けの濃度を薄くして表示している。なお、網掛けがされていない領域は波面の進みが最も遅い領域を示している。計測すると、格子加工領域内のφ３６０μｍにおける波面収差は０．００７λｒｍｓであって、格子加工領域の外も含む領域内のφ１０００μｍにおいて波面収差は０．０７２λｒｍｓであり、大きな波面収差を発生することが分かる。
【０１０２】
なお、格子加工領域外の光を利用する場合、格子加工領域外をエッチング加工して掘り下げれば、波面収差の値は小さくできる。例えば、格子加工領域外を掘り下げて厚みを２２ｎｍにしたときに、波面収差が最小になり、φ１０００μｍの径において０．００４λｒｍｓの波面収差になる。一方、格子加工領域内の光のみを利用する場合は、格子加工領域外を掘り下げる方法で波面収差を小さくできない。
【０１０３】
本発明の回折素子は、原理的に、回折格子のデューティ比の分布に起因する波面収差を発生させないので、第１の比較例の回折素子に比べて有効である。
【０１０４】
比較例２．
第１の実施例の回折素子１０の第２の比較例として、以下の回折素子８０を示す。第２の比較例である回折素子８０は、図２５に示す断面構造および図１０に示すデューティ比の変化パターンを有し、格子周期Ｐが５μｍである回折格子８２を有する回折素子である。回折格子８２は、遮光部８２１が周期Ｐで並んだスリット格子である。遮光部８２１は、厚み１００ｎｍのＣｒ膜によって形成されている。
【０１０５】
また、回折格子８２は、素子中心からｘ方向に±３７５μｍ、ｙ方向に±１８０μｍの範囲に楕円状に形成されており、その範囲内において開口部８２２の幅Ｗ’’がｘ方向およびｙ方向に連続的に変化している。本比較例における０次回折効率ηｓは、開口部８２２の幅Ｗ’’を格子周期Ｐで規格化した値Ｄｓ（＝Ｗ’／Ｐ）で決まり、次の式（５）によって与えられる。以下、この値Ｄｓを本比較例におけるデューティ比という。
【０１０６】
ηｓ＝Ｄｓ２  ・・・式（５）
【０１０７】
この式（５）によって与えられる透過率を基に、本比較例の回折素子８０は、上述の第１の実施例の回折素子１０と同じ透過率分布を有するように、回折格子８２のデューティ比Ｄｓを変化させている。このとき格子加工領域中心の開口部のデューディー比Ｄｓは０．８３であって透過率が７０％である。また、格子加工領域中心から周辺部にかけて開口部８２２のデューティ比Ｄｓが大きくなり、光強度分布を補正する径（有効径）にてデューティ比Ｄｓが０．９６であって透過率が９３％である。なお、図１０は、素子中央部に形成された回折格子８２の遮光部８２１の幅の大小を、等高線によって描いていたものとして見ればよい。
【０１０８】
なお、本比較例で使用する半導体レーザーは、第１の実施例と同様、波長４０５ｎｍの光を出射し、図７のグラフに示す光強度分布を有している。なお、式（２）の係数は、α＝２.８×１０−６、β＝１．１８×１０−５であり、ｘ、ｙの単位はμｍである。
【０１０９】
このような半導体レーザー光を、本比較例の回折素子８０に照射すると、第１の実施例の回折素子１０と同様に、図１１に示す光量分布に補正されて出射される。すなわち、本比較例の回折素子８０は、第１の実施例の回折素子１０と同等にφ３６０μｍ内の光強度分布を一様してリム強度を向上する光強度分布補正能がある。
【０１１０】
また、第２の比較例の回折素子８０を透過する光の波面は、各スリット開口部を直進透過する光（０次回折光）に位相差が発生しないので波面収差を発生しない。
【０１１１】
しかし、式（５）によって与えられる透過率は、波長に依存しない。このため、第２の比較例の回折素子８０は、波長４０５ｎｍ、波長６５５ｎｍ、波長７８５ｎｍの光を出射する３波長半導体レーザーを光源として使う場合、いずれの波長の光に対しても光強度分布を補正することになる。一般に、波長毎に光強度分布は異なっている。例えば、波長４０５ｎｍの出射光の光強度分布は、図７に示したようにｘ方向、ｙ方向への拡がりが大きく異なるが、波長６５５ｎｍの出射光の光強度分布、および波長７８５ｎｍの出射光の光強度分布は、その拡がりの差が小さく実用上無視できる。
【０１１２】
従って、波長４０５ｎｍの光強度分布に対してリム強度を向上させるように最適化されたパターンを有する第２の比較例の回折素子８０を、波長６５５ｎｍ、波長７８５ｎｍの光が透過すると、光強度分布を悪化させてしまう。さらに、いずれの波長光においても中心強度を７０％にするため、光の利用効率も悪化させてしまう。このため、３波長半導体レーザーを使用する光学系で使うことは困難である。
【０１１３】
一方、本発明の実施例１の回折素子１０においては、波長６５５ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光に対して、透過率が高く、光強度分布補正能が弱いため、３波長半導体レーザーを使用する光学系でも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明の回折素子は、半導体レーザーを出射する光のガウス分布を補正して中心から周辺部までの強度を一定にでき、かつ波面収差を抑制できるので、対物レンズを用いて集光する光学系を有し、特に微小なスポットが要求される光ヘッド装置あるいはレーザービーム加工機等に利用できる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、２０、３０  回折素子
１１  透明基板
１２  回折格子
１２１  凸部
１２２  凹部
１３  外縁部
８０、９０  比較例としての回折素子
１００  光ヘッド装置
１０１  半導体レーザー光源
１０２  第１の回折素子
１０３  偏光ビームスプリッタ
１０４  コリメータレンズ
１０５  ミラー
１０６  １／４波長板
１０７  対物レンズ
１０８  光ディスク
１０９  第３の回折素子
１１０  シリンドリカルレンズ
１１１  光受光器
【図１】
2014006950.tif 000004
【図２】
2014006950.tif 000005
【図３】
2014006950.tif 000006
【図４】
2014006950.tif 000007
【図５】
2014006950.tif 000008
【図６】
2014006950.tif 000009
【図７】
2014006950.tif 000010
【図８】
2014006950.tif 000011
【図９】
2014006950.tif 000012
【図１１】
2014006950.tif 000013
【図１２】
2014006950.tif 000014
【図１４】
2014006950.tif 000015
【図１５】
2014006950.tif 000016
【図１６】
2014006950.tif 000017
【図１７】
2014006950.tif 000018
【図１８】
2014006950.tif 000019
【図１９】
2014006950.tif 000020
【図２０】
2014006950.tif 000021
【図２１】
2014006950.tif 000022
【図２２】
2014006950.tif 000023
【図２３】
2014006950.tif 000024
【図２５】
2014006950.tif 000025
【図１０】
2014006950.tif 000026
【図１３】
2014006950.tif 000027
【図２４】
2014006950.tif 000028