(57)【要約】  基板（１０１）上に、格子凸部（１０３）を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜（１０５、１０７、１０９）を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光が回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光が回折を生じるように、形状及び材料を定めた光学素子。
2011001459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の膜厚、前記第１の帯状領域の凹部の膜厚及び前記第２の帯状領域の膜厚を定めた光学素子。
【請求項２】
前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが異なる請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが同じである請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記格子凸部の材料がプラスチックであり、前記膜の材料が金属酸化物である請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布する光学素子の製造方法であって、
前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する、第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記膜の材料の塗布の方法を定めた光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じる光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ＣＤ用の波長の光とＤＶＤ用の波長の光など、異なる波長の光の一方を回折させ、他方を回折させないように構成された光学素子が開発されている。一例として、特開2005-141849号公報（特許文献１）は、光学的等方性物質と光学的異方性物質を使用した光学素子を開示している。しかし、このような光学素子には、光学的異方性物質の材料コストが高く、さらに回折構造の両面を保持するための基板が必要となるという問題点がある。特開2008-257771号公報（特許文献２）は、使用する波長以下の周期を備えた格子であるサブ波長格子を使用する光学素子を開示している。このようなサブ波長格子を使用する光学素子は、たとえば、プラスチックを使用して製造できるので、材料コストが低いという利点を有する。さらに、サブ波長格子の形状を調整することによって、サブ波長格子領域の有効屈折率を含む特性を自由に設定することができる。しかし、後で詳細に説明するように、光を回折させないためには、サブ波長格子の格子凸部と格子凹部の光路長差を、通過する光の波長の整数倍とする必要があるので、サブ波長格子の、格子周期に対する格子高さの比であるアスペクト比を大きくする必要がある。したがって、このようなサブ波長格子を備えた光学素子は、製造するのが困難であった。
【特許文献１】特開2005-141849号公報
【特許文献２】特開2008-257771号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による光学素子は基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第１の方向に第２の周期で配置したものである。前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさである。前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の膜厚、前記第１の帯状領域の凹部の膜厚及び前記第２の帯状領域の膜厚を定めている。【０００５】
本発明によれば、格子凸部を設けた第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域上に、格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設けることにより、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子が得られる。【０００６】
本発明による光学素子の製造方法は、基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、前記第１の方向に第２の周期で配置する。前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさである。前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜の材料を、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布する。前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する、第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記膜の塗布の方法を定めている。【０００７】
本発明の製造方法によれば、格子凸部を設けた第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域上に、格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設けることにより、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子が得られる。本発明の製造方法によれば、膜の材料を、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布するので、煩雑な製造プロセスが必要ない。【０００８】
本発明の実施形態による光学素子は、前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが異なる。【０００９】
本実施形態によれば、２波長の光の一方のみを回折する光学素子が得られる。【００１０】
本発明の実施形態による光学素子は、前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが同じである。【００１１】
本実施形態によれば、２つの偏光状態の１波長の光のうち一方のみを回折する光学素子が得られる。【００１２】
本発明の実施形態による光学素子は、前記格子凸部の材料がプラスチックであり、前記膜の材料が金属酸化物である。【００１３】
本実施形態によれば、光学的異方性材料など高価な材料を使用しない安価な光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による光学素子の透視図である。
【図２】図１に示した光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。
【図３】本実施形態の光学素子の、膜の厚さが格子高さと異なる場合の基板面に垂直なＸ方向断面図である。
【図４】本実施形態の光学素子の設計方法を示す流れ図である。
【図５】たとえば特開2008-257771号公報に示される、従来の光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。
【図６】実施例２の光学素子の透視図である。
【図７】本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の別の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成のさらに別の例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態による光学素子１００の透視図である。基板上１０１の第１の帯状領域（図においては第１の領域と記載する）にＹ方向に伸びる複数の格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。第１の周期は、第１の帯状領域を通過する光が回折を生じ得ない程度に小さい。基板上には、格子凸部の配置されていない第２の帯状領域（図においては第２の領域と記載する）が第１の帯状領域と隣接して配置されている。第１の帯状領域及び第２の帯状領域は、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。基板を通過する光に対して、第１の帯状領域は、格子凸部として機能し、第２の帯状領域は格子凹部として機能する。そして、第２の周期は、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を通過する光が、回折を生じ得る程度に大きい。【００１６】
図２は、図１に示した光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。第１の帯状領域において、基板１０１上に複数の格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。第２の帯状領域において、格子凸部は配置されていない。第１の帯状領域の格子凸部１０３、第１の帯状領域の格子凹部の基板１０１及び第２の帯状領域の基板１０１上には、それぞれ、膜１０５、膜１０７及び膜１０９が設けられている。図２において、以下の説明を簡単にするために膜の厚さは格子凸部の高さ１０３と等しくしている。実際には、図３に示すように膜の厚さは格子凸部１０３の高さと異なってもよい。【００１７】
第１の帯状領域において、基板面と基板面に平行で格子高さの位置の面の間の空間をＬ１と呼称する。Ｌ１には、格子凸部１０３と膜１０７とが所定の比率で存在する。【００１８】
第１の帯状領域において、基板面に平行で格子高さの位置の面と基板面に平行で格子凸部１０３上の膜１０５の高さの位置の面との間の空間をＵ１と呼称する。Ｕ１には、格子凸部１０３上の膜１０５と周囲の媒質とが所定の比率で存在する。ここで、光学素子１００は空気中に置かれているので、周囲の媒質は空気である。【００１９】
第２の帯状領域において、基板面と基板面に平行で格子高さの位置の面の間の空間をＬ２と呼称する。Ｌ２には、膜１０９が存在する。【００２０】
第２の帯状領域において、基板面に平行で格子高さの位置の面と基板面に平行で格子凸部１０３上の膜１０５の高さの位置の面との間の空間をＵ２と呼称する。Ｕ２には、空気が存在する。【００２１】
ここで、説明を簡単にするために、格子凸部１０３上の膜１０５の高さも格子凸部１０３の高さと等しいとする。この高さをｈとする。したがって、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の厚さ（高さ）は全てｈとなる。【００２２】
つぎに、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率ｎＬ１、ｎＵ１、ｎＬ２及びｎＵ２について考察する。Ｌ２には、膜１０９のみが存在するので、ｎＬ２は膜の屈折率である。Ｕ２には、空気のみが存在するので、ｎＵ２は空気の屈折率である。【００２３】
Ｌ１及びＵ１のように、２種類の媒質が波長以下の周期で格子状に配列された領域の有効屈折率は、２種類の媒質の屈折率をｎ１及びｎ２で表し、全領域の体積に対するｎ２の占める体積の比率（デューティ比）をｆで表すと、以下の式で表せる。ここで、簡単のために光は基板面に垂直に入射すると仮定する。
【数１】
2011001459.tif 000003
【００２４】
上記の式によれば、Ｌ１の屈折率ｎＬ１は、格子凸部１０３の屈折率と膜１０７の屈折率との間のいずれかの値であり、Ｕ１の屈折率ｎＵ１は、膜１０５の屈折率と空気の屈折率との間のいずれかの値である。【００２５】
ここで、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１は、以下の式で表せる。
ｄ１＝ｈ（ｎＵ１＋ｎＬ１）          (5)【００２６】
また、基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２は、以下の式で表せる。
ｄ２＝ｈ（ｎＵ２＋ｎＬ２）          (6)【００２７】
式（５）及び（６）から、以下の式が満足されれば、Ｕ１及びＬ１を通過する光の光路長とＵ２及びＬ２を通過する光の光路長とが同じになるので、第１の帯状領域及び第２の帯状領域によって形成される格子によって回折が生じることはない。
ｎＵ１＋ｎＬ１＝ｎＵ２＋ｎＬ２        (7)【００２８】
ここで、膜の屈折率が格子凸部１０３の屈折率よりも高くなるように膜及び格子凸部の材料を選択する。そうすると、以下の関係が成立する。
ｎＵ1  ＞ｎＵ２                    (8)
ｎＬ１＜ｎＬ２                     (9)【００２９】
すなわち、第１の帯状領域の上部層Ｕ１の屈折率は、第２の帯状領域の上部層Ｕ２の屈折率よりも大きく、第１の帯状領域の下部層ＵＬ１の屈折率は、第２の帯状領域の下部層ＵＬ２の屈折率よりも小さい。したがって、膜及び格子凸部の材料を適切に選択し、第１の帯状領域のデューティ比を調整することにより、式（7）を容易に実現することができる。【００３０】
図４は、本実施形態の光学素子の設計方法を示す流れ図である。【００３１】
図４のステップＳ０１０において、第２の周期を定める。ここで、第２の周期は、第２の偏光状態の光が所望の回折角を生じるように以下の式から定める。【００３２】
n’ sinθ’-n sinθ=Nλ/Λ              (10)
n：入射側媒質の屈折率(空気の屈折率)
n’：出射側媒質の屈折率(空気の屈折率)
θ：入射角
θ’：回折角
N：回折次数
λ：入射光の波長
Λ：回折格子の周期（第２の周期）
本実施形態において、入射角はゼロとすると、回折角は、第２の周期のみによって定まる。【００３３】
図４のステップＳ０２０において、第１の周期の上限を定める。第１の周期の上限は、一例として、第２の周期の２０分の１未満となるように定める。【００３４】
図４のステップＳ０３０において、第１の偏光状態の光について、式（７）が満足されるように、第１の周期、デューティ比、格子凸部の高さ、膜厚を調整する。【００３５】
ここで、膜の材料を、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布した場合に、第１の帯状領域の格子凸部、第１の帯状領域の格子凹部及び第２の帯状領域の膜厚に差が生じる場合には、膜の材料の塗布量と各部分ごとの膜厚との関係を予め測定しておき、その関係を利用して設計を行うことができる。このように設計を行うことにより、たとえば、各部分の膜厚を均等にするように膜の材料の塗布量を調節することなどの煩雑な製造プロセスが必要なくなる。【００３６】
図４のステップＳ０４０において、式（７）が満足されるか、すなわち、第１の帯状領域および第２の帯状領域を通過する光の位相差（光路長差）が所定の値以下となるかどうか判断される。式（７）が満足されれば処理は終了する。式（７）が満足されなければ、ステップＳ０４０に戻る。【００３７】
図５は、たとえば特開2008-257771号公報に示される、従来の光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。Ｘ方向は、基板面上において格子凸部の伸びる方向に垂直な方向である。格子領域において、基板１０１上に複数の格子凸部１０３が所定の周期でＸ方向に配置されている。上記所定の周期は、使用される光が格子によって回折を生じ得ない大きさである。平坦領域において、格子凸部は配置されていない。【００３８】
ここで、基板面に垂直方向に光が格子領域を通過する場合の光路長ｄｇは、以下の式で表せる。
ｄｇ＝ｈｇ・ｎｇ                      (11)
ここで、ｈｇは、格子高さであり、ｎｇは、式(3)又は式(4)から求めた格子領域の有効屈折率である。【００３９】
格子領域の有効屈折率は、空気の屈折率より大きいので、式（１１）から求めた格子領域を通過する光の光路長は、格子領域に対応する平坦領域を通過する光の光路長より必ず大きくなる。したがって、格子領域及び平坦領域によって形成される格子によって回折が生じないようにするには、格子領域と平坦領域との位相差が、２πの整数倍となるように以下の式が満足される必要がある。
（２π／λ）・ｈｇ・ｎｇ＝（２π／λ）・ｈｇ・ｎａ＋（２π・ｍ）／λ
(12)
【００４０】
ここで、ｎａは空気の屈折率、λは使用される光の波長であり、ｍは任意の整数である。式（１２）を整理すると以下の式が得られる。
ｈｇ＝ｍ／（ｎｇ−ｎａ）                (13)【００４１】
すなわち、格子高さは、格子凸部の屈折率と空気の屈折率との差の逆数以上の値をとる必要がある。後で実施例に関して説明するように、格子凸部に加工しやすいプラスチックを使用すると、格子周期に対する格子高さの比であるアスペクト比が大きくなり、サブ波長格子を製造するのが困難になる。【００４２】
上記において、従来の光学素子の格子が膜を備えていない場合について説明したが、従来の光学素子の格子が膜を備えている場合も同様である。【００４３】
以下に本発明の実施例について説明する。【００４４】
実施例１
実施例１は、図１に示した構成を備え、格子突起部１０３の配列される方向は、Ｘ方向であり、第１の帯状領域及び第２の帯状領域が配列される方向と同じである。本実施例は、図２に示したＸ方向断面を備える。すなわち、膜の厚さは格子凸部１０３の高さに等しい。【００４５】
表１は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。
【表１】
2011001459.tif 000004
【００４６】
表１において、長さの単位はマイクロメータである。また、屈折率の欄の左側の数字は、６６０ナノメータの波長の光の屈折率を示し、右側の数字は、７８５ナノメータの波長の光の屈折率を示す。本実施例においては、上記の２波長の光が使用される。【００４７】
本実施例の光学素子は、以下の方法により製造される。格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形により形成し、その上に、酸化タリウム（Ｔａ３Ｏ５）からなる蒸着材料を、蒸着法またはスパッタ法によって堆積させる。【００４８】
表２は、７８５ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、７８５ナノメータの波長の光は、ＴＭ偏光として光学素子１００に入射される。ここで、ＴＭ偏光の面が基板面に垂直でＸ方向の面であり、ＴＥ偏光の面が基板面に垂直でＹ方向の面であると仮定する。
【表２】
2011001459.tif 000005
【００４９】
式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。【００５０】
ｄ１＝０．３１５８
ｄ２＝０．３１９１
したがって、光路長差は、０．００３３マイクロメータとなる。位相差は、０．０２６ラジアン（１．５０度）であり、ほぼゼロとなり、本実施例の光学素子は、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）を回折させることなくそのまま通過させる。【００５１】
表３は、６６０ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、６６０ナノメータの波長の光は、ＴＥ偏光として光学素子１００に入射される。
【表３】
2011001459.tif 000006
【００５２】
式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。【００５３】
ｄ１＝０．３８９１
ｄ２＝０．３２０１
したがって、光路長差は、０．０６９マイクロメータとなる。位相差は、０．６５７ラジアン（３７．６度）となり、本実施例の光学素子は、６６０ナノメータの波長（ＴＥ偏光）の光を回折させる。【００５４】
表４は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。
【表４】
2011001459.tif 000007
【００５５】
表４において、「比率」は、０次回折光量に対する１次回折光量の比率を示す。それ以外の数値は、入射光量に対する回折光量の比を示す。「合計」は、０次回折光量、１次回折光量及び−１次回折光量の合計を示す。本実施例では、要求仕様に基づいて「比率」を上記の数値としている。７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）に対して１次回折光及び−１次回折光はほとんど生じない。【００５６】
このように本実施例の光学素子は、第１の偏光状態の光（７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光））を回折させることなく、第２の偏光状態の光（６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光））を回折させる。【００５７】
実施例２
図６は、実施例２の光学素子の透視図である。図６に示すように、実施例２において、格子突起部１０３の配列される方向は、Ｙ方向であり、第１の帯状領域及び第２の帯状領域が配列される方向（Ｘ方向）と直交する。本実施例の第１の帯状領域のＹ方向断面は、図２の第１の帯状領域の断面と同じである。第１実施例では、図２に示すように、格子凸部１０３の配列方向が、第１の帯状領域及び第２の帯状領域の配列方向と一致する。これに対して、第２の実施例では、格子凸部１０３の配列方向が、第１の帯状領域及び第２の帯状領域の配列方向と直交する。本実施例において、膜の厚さは格子凸部１０３の高さに等しい。【００５８】
表５は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。
【表５】
2011001459.tif 000008
【００５９】
表５において、長さの単位はマイクロメータである。また、屈折率の欄の左側の数字は、６６０ナノメータの波長の光の屈折率を示し、右側の数字は、７８５ナノメータの波長の光の屈折率を示す。本実施例においては、上記の２波長の光が使用される。【００６０】
本実施例の光学素子は、以下の方法により製造される。格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形により形成し、その上に、酸化タリウム（Ｔａ３Ｏ５）からなる蒸着材料を、蒸着法またはスパッタ法によって堆積させる。【００６１】
表６は、６６０ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、６６０ナノメータの波長の光は、ＴＥ偏光として光学素子１００に入射される。ここで、ＴＭ偏光の面が基板面に垂直でＸ方向の面であり、ＴＥ偏光の面が基板面に垂直でＹ方向の面であると仮定する。
【表６】
2011001459.tif 000009
【００６２】
式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。【００６３】
ｄ１＝０．４３２２
ｄ２＝０．４３２０
したがって、光路長差は、ほぼゼロとなり、本実施例の光学素子は、６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光）を回折させることなくそのまま通過させる。【００６４】
表７は、７８５ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、７８５ナノメータの波長の光は、ＴＭ偏光として光学素子１００に入射される。
【表７】
2011001459.tif 000010
【００６５】
式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。【００６６】
ｄ１＝０．５０４５
ｄ２＝０．４２３５
したがって、光路長差は、０．０８１マイクロメータとなる。位相差は、０．６４８ラジアン（３７．２度）となり、本実施例の光学素子は、７８５ナノメータの波長（ＴＭ偏光）の光を回折させる。【００６７】
表８は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。
【表８】
2011001459.tif 000011
【００６８】
表８において、「比率」は、０次回折光量に対する１次回折光量の比率を示す。それ以外の数値は、入射光量に対する回折光量の比を示す。「合計」は、０次回折光量、１次回折光量及び−１次回折光量の合計を示す。本実施例では、要求仕様に基づいて「比率」を上記の数値としている。６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光）に対して１次回折光及び−１次回折光はほとんど生じない。【００６９】
このように本実施例の光学素子は、第１の偏光状態の光（６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光））を回折させることなく、第２の偏光状態の光（７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光））を回折させる。【００７０】
他の実施形態について
実施例１及び２の光学素子においては、第１の帯状領域に１次元格子を配置している。他の実施形態として、第１の帯状領域に使用される光の回折を生じない大きさの第１の周期で２次元格子を配置してもよい。一般的に第１の帯状領域の格子のデューティ比は、第１の帯状領域の格子凸部の高さの空間に対して格子凸部の占める比率である。【００７１】
比較例
比較例は、図５に示したＸ方向断面を備える。【００７２】
比較例の光学素子において、基板の面上に格子領域及び平坦領域が、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。第１の帯状領域において、Ｙ方向に伸びる格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。【００７３】
格子の仕様は、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）に対して式（１３）を満足するように定められる。【００７４】
表９は、比較例の光学素子の格子領域の格子の仕様を示す表である。
【表９】
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【００７５】
この結果、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）は、格子領域及び平坦領域によって回折されない。【００７６】
比較例において、第２の周期は、２２．７マイクロメータである。【００７７】
表１０は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。
【表１０】
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【００７８】
実施例と比較例との対比
実施例１及び比較例において、０次回折光量に対する１次回折光量の比率が同じになるように仕様を定めている。【００７９】
実施例１の格子高さは、０．０９７マイクロメータであり、サブ波長格子のアスペクト比は、０．３３４である。これに対し、比較例の格子高さは、３．４８７マイクロメータであり、サブ波長格子のアスペクト比は、９．０５７である。このように、実施例のサブ波長格子のアスペクト比は、比較例のサブ波長格子のアスペクト比の０．０３７倍（約２７分の１）となり、光学素子の製造が極めて容易になる。【００８０】
光学系の構成例
図７は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。光学系は、２波長の光によりディスク２１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。【００８１】
光学系は、レーザ光源２０１、１／２波長板２０３、２０５、光学素子１００、偏光フィルタ２０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ２０９、１／４波長板２１１、コリメートレンズ２１３、ミラー２１５、対物レンズ２１７、集光レンズ２２１及び受光素子２２３を含む。【００８２】
レーザ光源２０１は、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの２波長の光の光源である。ここで、波長７８５ｎｍ及び波長６６０ｎｍをそれぞれ第１の波長及び第２の波長とする。レーザ光源２０１から発せられた、第１の波長及び第２の波長の光は、ともにＴＥ偏光であるとする。１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させる。光学素子１００は、たとえば、実施例１に示したものであり、第１の波長の光を回折させることなく透過させ、第２の波長の光を回折する。光学素子１００の位置に第１の波長の光をそのまま透過させ、第２の波長の光を回折する光学素子と、第２の波長の光をそのまま透過させ、第１の波長の光を回折する光学素子とを設けてもよい。１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光のまま透過させ、第２の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換する。偏光フィルタ２０７は、ＴＭ偏光以外の光を遮光することによってノイズを除去する。ビームスプリッタ２０９は、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を反射する。１／４波長板２１１は、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を円偏光とする。第１の波長及び第２の波長の光は、コリメートレンズ２１３によって平行光とされ、ミラー２１５によって反射された後、対物レンズ２１７によってディスク２１９上に集光される。ここで、第２の波長の光のみが回折されているので、第１の波長の光の集光位置と第２の波長の光の集光位置が異なるように構成することができる。ディスク２１９で反射された第１の波長及び第２の波長の光は、対物レンズ２１７、ミラー２１５、コリメートレンズ２１３を透過した後、１／４波長板２１１によってＴＥ変更に変換される。ビームスプリッタ２０９は、ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させる。ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光は、集光レンズ２２１によって受光素子２２３の集光面上に集光される。なお、復路においてビームスプリッタ２０９でＴＥ偏光の光が一部反射される場合には、この光は偏光フィルタ２０７によって遮光される。【００８３】
上記の例においては、１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させ、１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光のまま透過させ、第２の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換するように構成した。代替的に、１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させ、１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光からＴＥ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させるように構成してもよい。この場合に、偏光フィルタ２０７はＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させ、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を遮光する。ビームスプリッタ２０９は、往路において、ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を反射し、復路において、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させるように構成する。【００８４】
図８は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の別の例を示す図である。光学系は、２波長の光によりディスク３１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。【００８５】
光学系は、レーザ光源３０１、１／２波長板３０３、３０５、光学素子１００、偏光フィルタ３０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ３０９、１／４波長板３１１、コリメートレンズ３１３、ミラー３１５、対物レンズ３１７、集光レンズ３２１及び受光素子３２３を含む。【００８６】
ビームスプリッタ３０９を除き、それぞれの光学素子の機能は、図７の光学系の場合と同様に機能する。ビームスプリッタ２０９は、往路において、第１の波長及び第２の波長の光を透過させ、復路において、第１の波長及び第２の波長の光を反射するように構成する。【００８７】
図９は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成のさらに別の例を示す図である。光学系は、１波長の光によりディスク４１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。【００８８】
光学系は、レーザ光源４０１、光学素子１００、偏光フィルタ４０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ４０９、１／４波長板４１１、コリメートレンズ４１３、ミラー４１５、対物レンズ４１７、集光レンズ４２１及び受光素子４２３を含む。【００８９】
レーザ光源４０１は、たとえば、波長４０８ｎｍの１波長の光の光源である。光学素子１００は、１波長の光に対して、たとえば、ＴＥ偏光を回折させ、ＴＭ偏光を回折させずに透過させるように構成する。この場合に、上記波長のＴＭ偏光の光が式（７）を満足するように、デューティ比、格子凸部の高さ、格子凸部の材料の屈折率、膜の屈折率及び膜の厚さなどを定める。式（３）及び（４）に示すように、ＴＥ偏光の光の屈折率とＴＭ偏光の光の屈折率とは異なるので、ＴＭ偏光の光が式（７）を満足するときに、ＴＥ偏光の光は、式（７）を満足せず、回折が生じる。回折されたＴＥ偏光の光は、偏光フィルタ４０７を透過して、ビームスプリッタ４０９で反射され、１／４波長板４１１、コリメートレンズ４１３、ミラー４１５、対物レンズ４１７を経てディスク４１９に到達する。ディスク４１９で反射された光は、対物レンズ４１７、ミラー４１５、コリメートレンズ４１３、１／４波長板４１１を経て、ビームスプリッタ４０９及び集光レンズ４２１を経て受光素子４２３に到達する。他方、光学素子１００をそのまま透過したＴＭ偏光は、偏光フィルタ４０７によって遮光される。この際、ＴＭ偏光は、回折による進行方向の変化がないので、偏光フィルタ４０７に垂直に入射し効果的に遮光される。
【図１】
2011001459.tif 000014
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月7日(2010.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の膜厚、前記第１の帯状領域の凹部の膜厚及び前記第２の帯状領域の膜厚を定めた光学素子。
【請求項２】
前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが異なる請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが同じである請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記格子凸部の材料がプラスチックであり、前記膜の材料が金属酸化物である請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【国際調査報告】
2011001459.tif 000023
2011001459.tif 000024
2011001459.tif 000025
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