(57)【要約】  基板上（１１０１）に、格子凸部（１１０３）を第１の周期で配置した第１の帯状領域（Ａ領域）及び格子凸部を設けない第２の帯状領域（Ｂ領域）を、第２の周期で配置し、第１の周期は、光が回折を生じ得ない大きさであり、第２の周期は、回折を生じ得る大きさであり、Ａ及びＢ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第１の膜を設け、第１及び第２の波長の光について、Ａ及びＢ領域によって生じる回折の１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率である第１の比率と第１及び第２の目標値との差を所定値以下とし、基板面からの最大高さが第１及び第２の波長の大きな方の波長以下となるように、偏光状態、第１の周期、Ａ領域のデューティ比、前記格子凸部の高さ、屈折率、前記第１の膜の屈折率、Ａ及びＢ領域の膜厚を定めた光学素子。
2011001641.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、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、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第１の膜を設け、  第１及び第２の波長の光について、前記第１及び第２の帯状領域によって生じる回折の１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率である第１の比率と第１及び第２の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第１及び第２の波長の大きな方の波長以下となるように、前記第１及び第２の波長の光の偏光状態、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、前記第１の膜の屈折率、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及び第２の目標値が等しい請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の帯状領域の基板面と前記第２の帯状領域の基板面との間に段差を設け、前記第１及び第２の波長の光のうち、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成された、請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の波長が、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長のいずれかである請求項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、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、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第１の膜を設け、前記第１の帯状領域の基板面と前記第２の帯状領域の基板面との間に段差を設け、  第１乃至第３の波長の光について、前記第１及び第２の帯状領域によって生じる回折の１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率である第１の比率と第１乃至第３の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第１乃至第３の波長の最大波長以下となるように、前記第１乃至第３の波長の光の偏光状態、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、前記第１の膜の屈折率、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、前記第２の帯状領域の膜厚及び前記段差の大きさを定めた光学素子。
【請求項６】
前記第１乃至第３の目標値が等しい請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１乃至第３の波長の光のうち２つの波長の光について、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成された、請求項５に記載の光学素子。
【請求項８】
第１乃至第３の目標値のうちの１つがゼロである請求項５に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１乃至第３の波長が、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長のいずれかである請求項５から８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
前記第１の膜上に前記第１の膜の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の膜をさらに備えた請求項１から９のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１１】
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１２】
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１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
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１１に記載の光学素子。
【請求項１４】
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１３のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複数の種類の光を所望の回折状態で回折させる光学素子に関する。
【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、複数の種類の光を所望の回折状態で回折させる光学素子が開発されている。たとえば、特許文献１は、サブ波長格子構造を含む２種類の格子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は、構造が複雑であり、製造の手間がかかりコストが高い。また、複雑な構造を使用せずに、複数の種類の光を所望の回折状態で回折させる回折光学素子の回折効率を向上させることは困難であった。【０００３】  他方、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、特許文献２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。特許文献３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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2008-257771号公報
【特許文献２】特開2005-141849号公報
【特許文献３】特開2008-257771号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  したがって、複数の種類の光を所望の回折状態で回折させる光学素子であって、製造しやすい構造で回折効率の高い光学素子に対するニーズがある。【０００６】  また、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】
【０００７】  本発明の第１の態様による光学素子は、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２の周期で配置し、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、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第１の膜を設けている。本態様による光学素子において、第１及び第２の波長の光について、前記第１及び第２の帯状領域によって生じる回折の１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率である第１の比率と第１及び第２の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの高さが第１及び第２の波長の大きな方の波長以下となるように、前記第１及び第２の波長の光の偏光状態、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、前記第１の膜の屈折率、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。【０００８】  本態様の光学素子によれば、サブ波長格子を設けた第１の帯状領域及び平坦な第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第１の膜を設けることにより、製造しやすい構造で、第１及び第２の波長の光を所望の状態に回折させることのできる、回折効率の高い光学素子が得られる。ここで、製造しやすい構造とは、たとえば、プラスチックの射出成形による製造方法において、金型の形状精度及び金型から製品への転写性など、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題を生じない構造を言う。【０００９】  本発明の実施形態によれば、前記第１及び第２の目標値が等しい。【００１０】  本実施形態によれば、異なる２波長の光を同様に回折させる、回折効率の高い光学素子が得られる。【００１１】  本発明の実施形態によれば、前記第１の帯状領域の基板面と前記第２の帯状領域の基板面との間に段差を設け、前記第１及び第２の波長の光のうち、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成されている。【００１２】  本実施形態によれば、第１及び第２の波長の光のうち、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成された光学素子が得られる。【００１３】  本発明の実施形態によれば、前記第１及び第２の波長が、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長のいずれかである。【００１４】  本実施形態によれば、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）のいずれか二つに兼用の装置に使用することのできる、回折効率の高い光学素子が得られる。【００１５】  本発明の第２の態様による光学素子は、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２の周期で配置し、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、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第１の膜を設け、前記第１の帯状領域の基板面と前記第２の帯状領域の基板面との間に段差を設けている。本態様による光学素子において、第１乃至第３の波長の光について、前記第１及び第２の帯状領域によって生じる回折の１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率である第１の比率と第１乃至第３の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの高さが第１乃至第３の波長の最大波長以下となるように、前記第１乃至第３の波長の光の偏光状態、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、前記第１の膜の屈折率、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、前記第２の帯状領域の膜厚及び前記段差の大きさを定めている。【００１６】  本態様の光学素子によれば、サブ波長格子を設けた第１の帯状領域及び平坦な第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第１の膜を設け、さらに第１及び第２の帯状領域の基板面間に段差を設けることにより、製造しやすい構造で、第１乃至第３の波長の光を所望の状態に回折させることのできる、回折効率の高い光学素子が得られる。ここで、製造しやすい構造とは、たとえば、プラスチックの射出成形による製造方法において、金型の形状精度及び金型から製品への転写性など、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題を生じない構造を言う。【００１７】  本発明の実施形態によれば、前記第１乃至第３の目標値が等しい。【００１８】  本実施形態によれば、異なる３波長の光を同様に回折させる、回折効率の高い光学素子が得られる。【００１９】  本発明の実施形態によれば、前記第１乃至第３の波長の光のうち２つの波長の光について、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成されている。【００２０】  本実施形態によれば、前記第１乃至第３の波長の光のうち２つの波長の光について、短い方の波長の光の第１の比率が長い方の波長の光の第１の比率よりも小さくなるように構成された光学素子が得られる。【００２１】  本発明の実施形態によれば、第１乃至第３の目標値のうちの１つがゼロである。【００２２】  本実施形態によれば、第１乃至第３の波長の光のいずれかをできるだけ回折させないようにする光学素子が得られる。【００２３】  本発明の実施形態によれば、前記第１乃至第３の波長が、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長のいずれかである。【００２４】  本実施形態によれば、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）に兼用の装置に使用することのできる、回折効率の高い光学素子が得られる。【００２５】  本発明の実施形態によれば、前記第１の膜上に前記第１の膜の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の膜をさらに備えている。【００２６】  本実施形態によれば、第１の膜及び第２の膜が、第1の膜のみの場合に���べ反射率を低減するように機能するので、さらに回折効率の高い光学素子が得られる。【００２７】  本発明の第３の態様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。【００２８】  本態様によれば、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。【００２９】  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。【００３０】  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。【００３１】  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。【００３２】  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。【００３３】  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。【００３４】  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】
【００３５】
【図１】本発明の一つの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】位相差とバイナリ格子による０次光及び１次光の回折効率との関係を示すグラフである。
【図４】位相差と、１次光の回折効率と０次光の回折効率との比の関係を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の他の実施形態による光学素子の透視図である。
【図５Ｂ】本発明の他の実施形態による光学素子の透視図である。
【図６】図５Ａ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７】図５Ｂ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８】本発明の実施形態による光学素子の設計方法を示す流れ図である。
【図９】実施例１の光学素子の構成を示す図である。
【図１０】実施例２の光学素子の構成を示す図である。
【図１１】比較例１の光学素子の構成を示す図である。
【図１２Ａ】実施例３の光学素子の構成を示す図である。
【図１２Ｂ】実施例４の光学素子の構成を示す図である。
【図１３】実施例２の光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。
【図１４】実施例２の光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。
【図１５】実施例２の光学素子を含む光学系の構成の他の例を示す図である。
【図１６】実施例２の光学素子を含む光学系の構成の他の例を示す図である。
【図１７】本発明の他の実施形態による光学素子の透視図である。
【図１８】図１７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１９】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２０】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２１】たとえば特許文献２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２２】実施例６の光学素子の透視図である。
【図２３】実施例５の光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。
【図２４】実施例５の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２５】実施例５の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形態】
【００３６】第１の態様  図１は、本発明の第１の態様の一実施形態による光学素子１１００の透視図である。基板上１１０１の第１の帯状領域（図においてはＡ領域と記載する）にＹ方向に伸びる複数の格子凸部１１０３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。以下において、第１の周期で配置された格子凸部からなる格子をサブ波長格子と呼称する。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Ｂ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。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をマクロ格子と呼称する。基板を通過する光に対して、第１の帯状領域は、マクロ格子の凸部として機能し、第２の帯状領域はマクロ格子の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。
【００３７】  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。Ａ領域において、基板１１０１上に複数の格子凸部１１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。Ｂ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１１０３、第１の帯状領域の格子凹部の基板１１０１及び第２の帯状領域の基板１１０１上には、それぞれ、膜１１０５、膜１１０７及び膜１１０９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１１０３の高さｈ１と等しくしている。実際には、膜の厚さは格子凸部１１０３の高さと異なってもよい。
【００３８】  基板面と基板面に平行で格子高さｈ１の位置の面の間の空間をＳ１と呼称する。Ａ領域において、Ｓ１には、格子凸部１１０３と膜１１０７とが所定の比率で存在する。Ｂ領域において、Ｓ１には、膜１１０９が存在する。
【００３９】  基板面に平行で格子高さｈ１の位置の面と基板面に平行で格子凸部１１０３上の膜１１０５の高さの位置（ｈ１＋ｈ２）の面との間の空間をＳ２と呼称する。Ａ領域において、Ｓ２には、格子凸部１１０３上の膜１１０５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１１００は空気中に置かれているので、周囲の媒質は空気である。Ｂ領域において、Ｓ２には、空気が存在する。
【００４０】  Ａ領域のＳ１及びＢ領域のＳ１におけるある波長λの光の屈折率を、それぞれ、ｎ１Ａ及びｎ１Ｂとし、Ａ領域のＳ２及びＢ領域のＳ２におけるその波長の光の屈折率を、それぞれ、ｎ２Ａ及びｎ２Ｂとする。光が、基板面に垂直な方向にＡ領域及びＢ領域を通過すると仮定する。その場合に、Ａ領域のＳ１を通過する光とＢ領域のＳ１を通過する光の位相差を【数１】
2011001641.tif 000003
Ａ領域のＳ２を通過する光とＢ領域のＳ２を通過する光の位相差を
【数２】
2011001641.tif 000004
Ａ領域のＳ１及びＳ２を通過する光とＢ領域のＳ１及びＳ２を通過する光の位相差(以下、全位相差と呼称する)を
【数３】
2011001641.tif 000005
とすると以下の式が成立する。
【数４】
2011001641.tif 000006
【００４１】  ここで、所定の波長を第１の波長とし、所定の波長と異なる波長を第２の波長とする。光学素子に、第１及び第２の波長の光を使用するものとする。
【００４２】  第１の波長をλ１とし、第１の波長の光の位相差及び屈折率であることを(１)で示し、第２の波長をλ２とし、第２の波長の光の位相差及び屈折率であることを(２)で示す。
【００４３】  そうすると、式(１)乃至(３)から、以下の式が導かれる。【数５】
2011001641.tif 000007
ただし、ｉは、１または２をあらわすとして、
【数６】
2011001641.tif 000008
である。
【００４４】  ここで、第１及び第２の波長の全位相差を所望の値とするには、式(４)及び式(５)により、第１及び第２の波長の全位相差【数７】
2011001641.tif 000009
が所望の値となるように、ｎ１Ａ、ｎ１Ｂ、ｎ２Ａ、ｎ２Ｂ、ｈ１及びｈ２を定めればよい。
【００４５】  ここで、Ａ領域におけるＳ１の屈折率ｎ１Ａ及びＡ領域におけるＳ２の屈折率ｎ２Ａを求める。Ａ領域におけるＳ１及びＳ２は、２種類の媒質が波長以下の周期で格子状に配列されている。一般に、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。０次近似式【数８】
2011001641.tif 000010
２次近似式 
【数９】
2011001641.tif 000011
【００４６】  上記の式によれば、Ａ領域におけるＳ１の屈折率ｎ１Ａは、格子凸部１１０３の屈折率と膜１１０７の屈折率との間のいずれかの値であり、Ａ領域におけるＳ２の屈折率ｎ２Ａは、膜１１０５の屈折率と空気の屈折率との間のいずれかの値である。
【００４７】  したがって、Ａ領域におけるＳ１の屈折率ｎ１Ａは、格子凸部１１０３及び膜１１０７の材質の他、第１の周期、デューティ比及び格子高さを変えることによって調整することができる。また、Ａ領域におけるＳ２の屈折率ｎ２Ａは、膜１１０５の材質の他、第１の周期、デューティ比及び膜１１０５の厚さを変えることによって調整することができる。また、式（６）乃至式(９)によれば、光の偏光状態を変化させることにより屈折率を大きく変えることができる。
【００４８】  なお、Ａ領域またはＢ領域のＳ１及びＳ２などの層がＮ種類（Ｎは３以上の整数）の異なる物質を含む場合には、式(６)及び式(７)の代わりに以下の０次近似式を使用する。【数１０】
2011001641.tif 000012
【００４９】  ここで、デューティ比が０．５であるバイナリ格子を例として、位相差と回折効率との関係について説明する。バイナリ格子の格子凸部を通過した光と格子凹部を通過した光との位相差は、以下の式で表せる。ただし、光の波長をλ、格子凸部の屈折率をｎ、格子の周囲の媒質の屈折率を１、格子凸部の高さをｄとする。【数１１】
2011001641.tif 000013
【００５０】  図３は、位相差とバイナリ格子による０次光及び１次光の回折効率との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、格子凸部を通過した光と格子凹部を通過した光との位相差を表す。単位はラジアンである。グラフの縦軸は、０次光及び１次光の回折効率を表す。ここで、回折効率とは、入射光の光量に対する回折光の光量の比である。位相差が０及び２πラジアンのとき、１次光の回折効率は、０となり、０次光の回折効率は最大値１．０となる。位相差がπラジアンのとき、１次光の回折効率は、最大値０．４となり、０次光の回折効率は０となる。
【００５１】  図４は、位相差と、１次光の回折効率と０次光の回折効率との比の関係を示すグラフである。グラフの横軸は、図３と同様に、格子凸部を通過した光と格子凹部を通過した光との位相差を表す。グラフの縦軸は、１次光の回折効率と０次光の回折効率との比を表す。１次光の回折効率と０次光の回折効率との比は、位相差が０ラジアンのときに０であり、位相差が増加するに従って増加し、位相差が約２ラジアンのときに１となる。また、位相差が約４．３ラジアンのときに１であり、位相差が増加するに従って減少し、２πラジアンのときに０となる。
【００５２】  このように、バイナリ格子の格子凸部を通過した光と格子凹部を通過した光との位相差を変えることによって、１次光の回折効率と０次光の回折効率との比を変えることができる。同様に、光学素子１１００においても、Ａ領域を通過した光とＢ領域を通過した光との位相差を変えることによって、１次光の回折効率と０次光の回折効率との比を変えることができる。
【００５３】第２の態様  図５Ａは、本発明の第２の態様の一実施形態による光学素子２１００の透視図である。基板上２１０１の第１の帯状領域（図においてはＡ領域と記載する）にＹ方向に伸びる複数の格子凸部２１０３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Ｂ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。Ａ領域及びＢ領域は、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。Ａ領域及びＢ領域によって形成される格子をマクロ格子と呼称する。Ａ領域の基板面とＢ領域の基板面との間には段差があり、Ａ領域の基板面は、Ｂ領域の基板面より低くなっている。すなわち、Ａ領域の基板はマクロ格子の凹部を形成し、Ｂ領域の基板はマクロ格子の凸部を形成する。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。
【００５４】  図６は、図５Ａに示した光学素子２１００の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。Ａ領域において、基板２１０１上に複数の格子凸部２１０３が第１の周期でＸ方向に配置されサブ波長格子が形成されている。Ｂ領域において、格子凸部は配置されていない。Ａ領域の格子凸部２１０３、Ａ領域の格子凹部の基板２１０１及びＢ領域の基板２１１１上には、それぞれ、膜２１０５、膜２１０７及び膜２１０９が設けられている。
【００５５】  Ａ領域における基板面と基板面に平行で格子高さｈ１の位置の面の間の空間をＳ１と呼称する。Ａ領域において、Ｓ１には、格子凸部２１０３と膜２１０７とが所定の比率で存在する。Ｂ領域において、Ｓ１には、基板の凸部２１１１が存在する。
【００５６】  基板面に平行で格子高さｈ１の位置の面と基板面に平行で格子凸部２１０３上の膜２１０５の高さの位置（ｈ１＋ｈ２）の面との間の空間をＳ２と呼称する。Ａ領域において、Ｓ２には、格子凸部２１０３上の膜２１０５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２１００は空気中に置かれているので、周囲の媒質は空気である。Ｂ領域において、Ｓ２には、基板の凸部２１１１が存在する。
【００５７】  基板面に平行で高さ（ｈ１＋ｈ２）の位置の面と基板面に平行で基板の凸部２１１１の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）の位置の面との間の空間をＳ３と呼称する。Ａ領域において、Ｓ３には、空気が存在する。Ｂ領域においてＳ３には、基板の凸部２１１１が存在する。
【００５８】  基板面に平行で基板の凸部２１１１の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）の位置の面と基板面に平行で基板の凸部２１１１上の膜２１０９の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４）の位置の面との間の空間をＳ４と呼称する。Ａ領域において、Ｓ４には、空気が存在する。Ｂ領域においてＳ４には、膜２１０９が存在する。
【００５９】  図５Ｂは、本発明の第２の態様の他の実施形態による光学素子３１００の透視図である。光学素子３１００において、基板上３１０１の第１の帯状領域（Ａ領域）にＹ方向に伸びる複数の格子凸部３１０３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（Ｂ領域）が第１の帯状領域と隣接して配置されている。Ａ領域及びＢ領域は、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。Ａ領域及びＢ領域によって形成される格子をマクロ格子と呼称する。Ａ領域の基板面とＢ領域の基板面との間には段差があり、Ａ領域の基板面は、Ｂ領域の基板面より高くなっている。すなわち、Ａ領域の基板は、マクロ格子の凸部を形成し、Ｂ領域の基板はマクロ格子の凹部を形成する。そして、第２の周期は、Ａ領域及びＢ領域を通過する光が、回折を生じ得る程度に大きい。
【００６０】  図７は、図５Ｂに示した光学素子３１００の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。Ａ領域において、基板の凸部３１１１上に複数の格子凸部３１０３が第１の周期でＸ方向に配置されサブ波長格子が形成されている。Ｂ領域において、格子凸部は配置されていない。Ａ領域の格子凸部３１０３、Ａ領域の格子凹部の基板３１１１及びＢ領域の基板３１０１上には、それぞれ、膜３１０５、膜３１０７及び膜３１０９が設けられている。
【００６１】  Ｂ領域における基板面と基板面に平行で膜３１０９の厚さ(高さ)ｈ１の位置の面の間の空間をＳ１と呼称する。Ａ領域において、Ｓ１には、基板の凸部３１１１が存在する。Ｂ領域において、Ｓ１には、膜３１０９が存在する。
【００６２】  基板面に平行で高さｈ１の位置の面と基板面に平行で基板の凸部３１１１の高さの位置（ｈ１＋ｈ２）の面との間の空間をＳ２と呼称する。Ａ領域において、Ｓ２には、基板の凸部３１１１が存在する。Ｂ領域において、Ｓ２には、空気が存在する。
【００６３】  基板面に平行で高さ（ｈ１＋ｈ２）の位置の面と基板面に平行で格子凹部の膜１０７の高さ、または格子凸部３１０３の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）の位置の面との間の空間をＳ３と呼称する。Ａ領域において、Ｓ３には、格子凸部３１０３と膜３１０７が所定の比率で存在する。Ｂ領域においてＳ３には、空気が存在する。
【００６４】  基板面に平行で格子凸部３１０３の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）の位置の面と基板面に平行で格子凸部３１０３上の膜３１０５の高さ（ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４）の位置の面との間の空間をＳ４と呼称する。Ａ領域において、Ｓ４には、膜３１０５と空気が所定の比率で存在する。Ｂ領域においてＳ４には、空気が存在する。
【００６５】  光学素子２１００及び３１００において、Ａ領域のＳ１及びＢ領域のＳ１におけるある波長λの光の屈折率を、それぞれ、ｎ１Ａ及びｎ１Ｂとし、Ａ領域のＳ２及びＢ領域のＳ２におけるその波長の光の屈折率を、それぞれ、ｎ２Ａ及びｎ２Ｂとし、Ａ領域のＳ３及びＢ領域のＳ３におけるその波長λの光の屈折率を、それぞれ、ｎ３Ａ及びｎ３Ｂとし、Ａ領域のＳ４及びＢ領域のＳ４におけるその波長の光の屈折率を、それぞれ、ｎ４Ａ及びｎ４Ｂとする。光が、基板面に垂直な方向にＡ領域及びＢ領域を通過すると仮定する。その場合に、Ａ領域のＳ１乃至Ｓ４を通過する光とＢ領域のＳ１乃至Ｓ４を通過する光の位相差(以下、全位相差と呼称する)を【数１２】
2011001641.tif 000014
とする。
【００６６】  ここで、所定の波長を第１の波長とし、所定の波長と異なる２波長を第２及び第３の波長とする。光学素子に、第１乃至第３の波長の光を使用するものとする。
【００６７】  ここで、第１の波長をλ１とし、第１の波長の光の位相差及び屈折率であることを(１)で示し、第２の波長をλ２とし、第２の波長の光の位相差及び屈折率であることを(２)で示し、第３の波長をλ３とし、第３の波長の光の位相差及び屈折率であることを(３)で示す。
【００６８】  そうすると、式(４)及び(５)と同様に、以下の式が導かれる。【数１３】
2011001641.tif 000015
ただし、ｉは、１から３のいずれかを表すとして、
【数１４】
2011001641.tif 000016
である。
【００６９】  ここで、第１の波長の全位相差を所望の値とするには、式(１０)乃至 (１２)により、第１乃至第３の波長の全位相差【数１５】
2011001641.tif 000017
が所望の値となるように、ｎ１Ａ、ｎ１Ｂ、ｎ２Ａ、ｎ２Ｂ、ｎ３Ａ、ｎ３Ｂ、ｎ４Ａ、ｎ４Ｂ、ｈ１、ｈ２、ｈ３及びｈ４を定めればよい。
【００７０】  図８は、本発明の第１及び第２の態様による光学素子の設計方法を示す流れ図である。光学素子の格子凸部及び膜などの材質は予め決まっているものとする。
【００７１】  図８のステップＳ１０１０において、マクロ格子の第２の周期を定める。ここで、マクロ格子の第２の周期は、所定の波長の光の１次回折光が所望の回折角を生じるように以下の式から定める。ここで、所定の波長とは、第１乃至第３(第１または第２)の波長のいずれかの波長であってもよい。              n’ sinθ’-n sinθ=Nλ/Λ             （１３）              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、１次回折光の回折角は、入射光の波長及び第２の周期によって定まる。
【００７２】  図８のステップＳ１０２０において、サブ波長格子の第１の周期の上限を定める。サブ波長格子の第１の周期の上限は、一例として、式(１３)のΛを第一の周期、出射側媒質n’を基板の屈折率とした場合に回折が生じないように定める。
【００７３】  図８のステップＳ１０３０において、マクロ格子のデューティ比を設定する。一例として、初期値として０．５を設定する。ここで、マクロ格子のデューティ比は、マクロ格子の周期（第２の周期）に対する、サブ波長格子が設置されていない領域（Ｂ領域）のＸ方向の幅の比である。
【００７４】  図８のステップＳ１０４０において、設定したマクロ格子のデューティ比に対して、第１の比率(１次回折光の光量と０次回折光の光量との比率)を得るために必要な、Ａ領域(サブ波長格子部分)を通過する光とＢ領域(平坦部分)を通過する光の位相差を求め、この値を位相差の目標値とする。
【００７５】  図８のステップＳ１０５０において、それぞれの波長の光の偏光方向を、それぞれの波長の光の位相差の目標値を実現しやすいように定める。
【００７６】  図８のステップＳ１０６０において、膜厚・サブ波長格子高さ・段差・サブ波長格子内のデューティ比を定め、式(４)及び（５）あるいは式(１０)乃至(１２)にしたがって、たとえば、厳密結合波解析法によってそれぞれの波長の光の位相差を求める。
【００７７】  図８のステップＳ１０７０において、ステップＳ１０６０で求めたそれぞれの波長の光の位相差と位相差の目標値との差が所定の範囲内であるかどうか判断する。所定の範囲内であれば、ステップＳ１０８０に進む。所定の範囲内でなければ、ステップＳ１０３０に戻る。
【００７８】  図８のステップＳ１０８０において、基板面からの最大高さ（マクロ格子の高さと呼称する）が、最大波長以下であるかどうか判断する。最大波長以下であると判断されれば、処理を終了する。最大波長以下であると判断されなければ、ステップＳ１０３０に戻る。
【００７９】  以下において、本発明による光学素子の数値実施例について説明する。数値実施例は、厳密結合波解析法による計算によって求めた。
【００８０】実施例１  実施例１は、図１に示した実施形態に対応するものである。第１の波長は、６６０ｎｍとし、第２の波長は７８５ｎｍとする。第１及び第２の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との第１の比率の目標値を０．０６７±０．０１２とする。実施例１の光学素子は、図８の流れ図にしたがって、第１及び第２の波長の光の第１の比率を目標値とするように設計を行った。
【００８１】  図９は、実施例１の光学素子の構成を示す図である。本実施例において、第１の膜の上に第２の膜を形成する。第１の膜の屈折率は、格子凸部及び第２の膜の屈折率よりも大きいものとする。第２の膜の屈折率は、格子凸部の屈折率よりも大きくても小さくてもよい。一例として、格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形して形成したものである。第１の膜は、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たものである。第２の膜は、さらにその上に、２酸化珪素（ＳｉＯ２）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たものである。
【００８２】  第１の膜の上に第２の膜を設けるのは、入射光の反射をできるだけ小さくして、回折効率を向上させるためである。
【００８３】  表１は、実施例１の光学素子の各部の寸法を示す表である。ＳＷＳ（Sub-Wavelength Structure）は、サブ波長格子部、すなわち、Ａ領域を指す。【表１】
2011001641.tif 000018
【００８４】  ここで、実施例１のマクロ格子の高さ（基板面から第２の膜の上面までの距離）は、表１及び図９から明らかなように、３０６ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）以下である。
【００８５】  表２は、実施例１の光学素子の各部の屈折率を示す表である。第１の波長の光及び第２の波長の光は、ＴＥ波である。【表２】
2011001641.tif 000019
【００８６】  表３は、図９に示した各レベルの有効屈折率を示す図である。Ｌ１は、図２に示した実施形態のＳ１に相当する部分である。Ｌ２は、図２に示した実施形態のＳ２に相当する部分である。【表３】
2011001641.tif 000020
【００８７】  表４は、実施例１の光学素子の回折効率を示す表である。表３において、「０次」及び「１次」は、０次回折光及び１時回折光の回折効率を示し、「１次／０次」は、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を示し、「−１次＋０次＋１次」は、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を示す。【表４】
2011001641.tif 000021
【００８８】  表５は、Ａ領域を通過する光とＢ領域を通過する光との位相差を示す表である。【表５】
2011001641.tif 000022
【００８９】  マクロ格子のデューティ比は、０．６と定めた。第１の比率の目標値である０．０６７は、マクロ格子のデューティ比が０．６であるときに、位相差の目標値０．８１０[ラジアン]に対応する。
【００９０】  表３から、第１の波長について、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和である第２の比率は、０．９０７である。第２の波長について第２の比率は、０．８７４である。
【００９１】  ここで、実施例と同様の機能を有するバイナリ格子（以下において、実施例に対応するバイナリ格子と呼称する）を、以下の手順により求める。実現可能な範囲としてバイナリ格子の格子高さの範囲を0〜2um、デューティ比の範囲を0.1〜0.9とし、この範囲内で全ての波長に関して第１の比率が所定の値となる範囲を探し、その範囲の中心（格子高さ・デューティ比に対する許容範囲の中心）となる形状を代表的形状とする。たとえば、位相差２πの自由度に対応して、全ての波長に関して第１の比率が所定の値となる範囲が複数あり、複数の代表的形状が得られる場合には、回折効率が最大となるものを選択する。
【００９２】  実施例１に対応するバイナリ格子において、第１及び第２の波長の光の位相差は、３．４３２及び２．８６８である。また、第１及び第２の波長の光について、バイナリ格子の第２の比率は、０．７０８及び０．７０７である。
【００９３】  このように、実施例１の各波長の光の第２の比率は、バイナリ格子の対応する光の第２の比率よりも高くすることができる。その理由は、以下のとおりである。バイナリ格子の場合、相対的に波長の短い第１の波長について、相対的に波長の長い第２の波長と回折効率の比率を等しくするには、位相差はπ以上となる。この場合、一般的に多次の回折光が出易くなり、第２の比率はその分低くなる。これに対して、実施例１においては、式(４)及び式(５)にしたがって、ｎ１Ａ、ｎ１Ｂ、ｎ２Ａ、ｎ２Ｂ、ｈ１及びｈ２を適切に定めることにより、位相差の目標値を小さくすることができる。
【００９４】  また、本実施例においてマクロ格子の高さは最大波長以下であるので、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題は生じにくい。したがって、本実施例によれば、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を揃えることができ、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を高い値に維持することができる。
【００９５】実施例２  実施例２は、図５Ａに示した実施形態に対応するものである。第１の波長は、４０５ｎｍとし、第２の波長は、６６０ｎｍとし、第３の波長は７８５ｎｍとする。第１乃至第３の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との第１の比率の目標値を０．０６７±０．０１２とする。実施例２の光学素子は、図８の流れ図にしたがって、第１乃至第３の波長の光の第１の比率を目標値とするように設計を行った。
【００９６】  図１０は、実施例２の光学素子の構成を示す図である。本実施例において、第１の膜の上に第２の膜を形成する。第１の膜の屈折率は、格子凸部及び第２の膜の屈折率よりも大きいものとする。第２の膜の屈折率は、格子凸部の屈折率よりも大きくても小さくてもよい。一例として、格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形して形成したものである。第１の膜は、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たものである。第２の膜は、さらにその上に、２酸化珪素（ＳｉＯ２）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たものである。
【００９７】  表６は、実施例２の光学素子の各部の寸法を示す表である。ＳＷＳ（Sub-Wavelength Structure）は、サブ波長格子部、すなわち、Ａ領域を指す。【表６】
2011001641.tif 000023
【００９８】  ここで、実施例２のマクロ格子の高さ（低い方の基板面から第２の膜の最も高い上面までの距離）は、表６及び図１０から明らかなように、３４２ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）以下である。
【００９９】  表７は、実施例２の光学素子の各部の屈折率を示す表である。第１の波長の光は、ＴＥ波であり、第２の波長の光及び第３の波長の光は、ＴＭ波である。【表７】
2011001641.tif 000024
【０１００】  表８は、図１０に示した各レベルの有効屈折率を示す図である。Ｌ１は、図６に示した実施形態のＳ１に相当する部分である。Ｌ２は、図６に示した実施形態のＳ２に相当する部分である。【表８】
2011001641.tif 000025
【０１０１】  表９は、実施例２の光学素子の回折効率を示す表である。表７において、「０次」及び「１次」は、０次回折光及び１次回折光の回折効率を示し、「１次／０次」は、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を示し、「−１次＋０次＋１次」は、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を示す。【表９】
2011001641.tif 000026
【０１０２】  表１０は、Ａ領域を通過する光とＢ領域を通過する光との位相差を示す表である。【表１０】
2011001641.tif 000027
【０１０３】  マクロ格子のデューティ比は、０．７と定めた。第１の比率の目標値である０．０６７は、マクロ格子のデューティ比が０．７であるときに、位相差の目標値０．９４９[ラジアン]に対応する。
【０１０４】  表７から、第１の波長について、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和である第２の比率は、０．８６９である。第２の波長について第２の比率は、０．８３０である。第３の波長について第２の比率は、０．８４３である。
【０１０５】  実施例２に対応する対応するバイナリ格子において、第１の波長の位相差は４．０７０、第２及び第３の波長の位相差は２．２１８である。また、第１乃至第３の波長の光について、バイナリ格子の第２の比率は、０．７５０、０．７２７及び０．７７７である。
【０１０６】  このように、実施例２の各波長の光の第２の比率は、バイナリ格子の対応する光の第２の比率よりも高くすることができる。その理由は、以下のとおりである。バイナリ格子の場合、相対的に波長の短い第１の波長について、相対的に波長の長い第２、第３の波長と回折効率の比率を等しくするには、第１の波長の位相差はπ以上となる。この場合、一般的に多次の回折光が出易くなり、第２の比率はその分低くなる。これに対して、実施例２においては、式(１０)乃至 (１２)にしたがって、ｎ１Ａ、ｎ１Ｂ、ｎ２Ａ、ｎ２Ｂ、ｎ３Ａ、ｎ３Ｂ、ｎ４Ａ、ｎ４Ｂ、ｈ１、ｈ２、ｈ３及びｈ４を適切に定めることにより、位相差の目標値を小さくすることができる。
【０１０７】  また、本実施例においてマクロ格子の高さは最大波長以下であるので、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題は生じにくい。したがって、本実施例によれば、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を揃えることができ、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を高い値に維持することができる。
【０１０８】比較例１  比較例１は、実施例２に対応し、バイナリ格子を使用するものである。第１の波長は、４０５ｎｍとし、第２の波長は、６６０ｎｍとし、第３の波長は７８５ｎｍとする。第１の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比の目標値を０．０６７±０１２とする。なお、比較例１においては、スカラー理論に基づいて計算を行なった。
【０１０９】  図１１は、比較例１の光学素子の構成を示す図である。
【０１１０】  表１１は、実施例１の光学素子の各部の寸法などを示す表である。【表１１】
2011001641.tif 000028
【０１１１】  表１２は、比較例１の光学素子の各部の屈折率を示す表である。【表１２】
2011001641.tif 000029
【０１１２】  表１３は、比較例１の光学素子の回折効率を示す表である。表１１において、「１次／０次」は、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を示し、「−１次＋０次＋１次」は、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を示す。比較例１の波長４０５ｎｍの光の第２の比率は、表７に示した、実施例２の波長４０５ｎｍの光の第２の比率に対して、約１４パーセント低下している。【表１３】
2011001641.tif 000030
【０１１３】  表１４は、格子凸部と格子凹部との位相差を示す表である。ここで、波長４０５ｎｍの光の位相差４．０７０ラジアンで生じる１次／０次回折効率比は、位相差２．２１３ラジアンで生じる１次／０次回折効率比と同等である。その理由は、図４の１次／０次回折効率比の曲線が、位相差πラジアンに関して対称な形状であり、かつ、以下の式が成立するからである。【数１６】
2011001641.tif 000031
【表１４】
2011001641.tif 000032
【０１１４】  本比較例によれば、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を揃えることができるが、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和の値は実施例２の値よりも小さくなる。
【０１１５】実施例３  実施例３は、図５Ｂに示した実施形態に対応するものである。第１の波長は、４０５ｎｍとし、第２の波長は、６６０ｎｍとし、第３の波長は７８５ｎｍとする。第１の波長の光の、第１の比率（１次回折光の光量と０次回折光の光量との比）の目標値を０．０６７±０．０１５とする。第２の波長の光の、第１の比率の目標値を０（０．０４２以下）とする。第３の波長の光の、第１の比率の目標値を０．１５４±０．０１５とする。実施例３の光学素子は、図８の流れ図にしたがって、第１乃至第３の波長の光の第１の比率を目標値とするように設計を行った。
【０１１６】  図１２Ａは、実施例３の光学素子の構成を示す図である。本実施例において、サブ波長格子からなるＡ領域及び平坦部からなるＢ領域上に膜を形成する。膜の屈折率は、格子凸部の屈折率よりも大きいものとする。一例として、格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形して形成したものである。膜は、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たものである。
【０１１７】  表１５は、実施例３の光学素子の各部の寸法を示す表である。ＳＷＳ（Sub-Wavelength Structure）は、サブ波長格子部、すなわち、Ａ領域を指す。【表１５】
2011001641.tif 000033
【０１１８】  ここで、実施例３のマクロ格子の高さ（低い方の基板面から膜の最も高い上面までの距離）は、表１５及び図１２Ａから明らかなように、３９０ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）以下である。
【０１１９】  表１６は、実施例３の光学素子の各部の屈折率を示す表である。第１の波長の光及び第２の波長の光は、ＴＭ波であり、第３の波長の光は、ＴＥ波である。【表１６】
2011001641.tif 000034
【０１２０】  表１７は、図１２に示した各レベルの有効屈折率を示す図である。Ｌ３は、図７に示した実施形態のＳ３に相当する部分である。Ｌ４は、図７に示した実施形態のＳ４に相当する部分である。【表１７】
2011001641.tif 000035
【０１２１】  表１８は、実施例３の光学素子の回折効率を示す表である。表１５において、「０次」及び「１次」は、０次回折光及び１時回折光の回折効率を示し、「１次／０次」は、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を示し、「−１次＋０次＋１次」は、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を示す。【表１８】
2011001641.tif 000036
【０１２２】  表１９は、Ａ領域を通過する光とＢ領域を通過する光との位相差を示す表である。【表１９】
2011001641.tif 000037
【０１２３】  マクロ格子のデューティ比は、０．５と定めた。第１の比率の目標値である０．０６７は、マクロ格子のデューティ比が０．５であるときに、位相差の目標値０．７７１[ラジアン]に対応する。
【０１２４】  表１５から、第１の波長について、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和である第２の比率は、０．８０５である。第２の波長について第２の比率は、０．８９０である。第３の波長について第２の比率は、０．８１２である。
【０１２５】  実施例３に対応するバイナリ格子において、位相差は、第１乃至第３の波長の光について、２０．５１５、１２．１４８、１０．１５０である。また、第１乃至第３の波長の光について、バイナリ格子の第２の比率は、０．８１１、０．９８５、及び０．６９７である。
【０１２６】  ここで、実施例３に対応するバイナリ格子の格子高さは、２５２０ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）の３倍以上である。このような格子は、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題を有する。製造上の問題とは、たとえば、プラスチックの射出成形による製造方法において、金型の形状精度及び金型から製品への転写性などである。換言すると、仮にこのような格子高さの高い格子を製造したとしても、上記の製造上の問題から、上記の理論上の光学性能を達成することはできない。
【０１２７】  他方、実施例３においてマクロ格子の高さが最大波長以下であるので、製造上の問題は生じにくく、理論上の光学性能を達成することができる。したがって、本実施例によれば、ブルーレイディスク（ＢＤ）、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比である第２の比率を全く異なる値とすることができ、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を高い値に維持することができる。
【０１２８】実施例４  実施例４は、図５Ａに示した実施形態と同様の格子を使用する。実施例４において、第１の波長は、６６０ｎｍとし、第２の波長は７８５ｎｍとする。第１及び第２の波長の光の、１次回折光の光量と０次回折光の光量との第１の比率の目標値を、それぞれ０（０．０４２以下）及び０．０６７±０．０１５とする。実施例４の光学素子は、図８の流れ図にしたがって、第１及び第２の波長の光の第１の比率を目標値とするように設計を行った。
【０１２９】  図１２Ｂは、実施例４の光学素子の構成を示す図である。本実施例において、第１の膜の上に第２の膜を形成する。第１の膜の屈折率は、格子凸部及び第２の膜の屈折率よりも大きいものとする。第２の膜の屈折率は、格子凸部の屈折率よりも大きくても小さくてもよい。一例として、格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形して形成したものである。第１の膜は、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たものである。第２の膜は、さらにその上に、２酸化珪素（ＳｉＯ２）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たものである。
【０１３０】  第１の膜の上に第２の膜を設けるのは、入射光の反射をできるだけ小さくして、回折効率を向上させるためである。
【０１３１】  表２０は、実施例１の光学素子の各部の寸法を示す表である。ＳＷＳ（Sub-Wavelength Structure）は、サブ波長格子部、すなわち、Ａ領域を指す。【表２０】
2011001641.tif 000038
【０１３２】  ここで、実施例４のマクロ格子の高さ（低い方の基板面から膜の最も高い上面までの距離）は、表２０及び図１２Ｂから明らかなように、４４０ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）以下である。
【０１３３】  表２１は、実施例４の光学素子の各部の屈折率を示す表である。第１の波長の光は、ＴＥ波であり第２の波長の光は、ＴＭ波である。【表２１】
2011001641.tif 000039
【０１３４】  表２２は、図１２Ｂに示した各レベルの有効屈折率を示す図である。Ｌ１は、図６に示した実施形態のＳ１に相当する部分である。Ｌ２は、図２に示した実施形態のＳ２に相当する部分である。【表２２】
2011001641.tif 000040
【０１３５】  表２３は、実施例４の光学素子の回折効率を示す表である。表２０において、「０次」及び「１次」は、０次回折光及び１時回折光の回折効率を示し、「１次／０次」は、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を示し、「−１次＋０次＋１次」は、０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を示す。【表２３】
2011001641.tif 000041
【０１３６】  表２４は、Ａ領域を通過する光とＢ領域を通過する光との位相差を示す表である。【表２４】
2011001641.tif 000042
【０１３７】  表２５は、実施例４に対応するバイナリ格子において、第１及び第２の波長について、Ａ領域を通過する光とＢ領域を通過する光との位相差及び第２の比率を示す表である。【表２５】
2011001641.tif 000043
【０１３８】  ここで、実施例４に対応するバイナリ格子の格子高さは、１２５０ｎｍであり、最大波長（７８５ｎｍ）の１．５倍以上である。このような格子は、理論上の光学性能の達成を阻害する、製造上の問題を有する。製造上の問題とは、たとえば、プラスチックの射出成形による製造方法において、金型の形状精度及び金型から製品への転写性などである。換言すると、仮にこのような格子高さの高い格子を製造したとしても、上記の製造上の問題から、上記の理論上の光学性能を達成することはできない。
【０１３９】  他方、実施例４においてマクロ格子の高さが最大波長以下であるので、製造上の問題は生じにくく、理論上の光学性能に近い値を達成することができる。したがって、本実施例によれば、デジタルバーサタイルディク（ＤＶＤ）用の波長の光の第１の比率（１次回折光の光量と０次回折光の光量との比）を、コンパクトディスク（ＣＤ）用の波長の光の第１の比率よりも小さくすることができ、両波長の光の０次回折光、１次回折光、−１次回折光の回折効率の和を高い値に維持することができる。
【０１４０】実施例２の光学素子を含む光学系の構成例  図１３及び図１４は、実施例２の光学素子２１００を含む光学系の構成の一例を示す図である。光学系は、３波長の光によりディスク１２１９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。図１３は、光源からディスク１２１９に至る光の経路を示し、図１４は、ディスク１２１９に反射された後の光の経路を示す。
【０１４１】  光学系は、レーザ光源１２０１、１／２波長板１２０３、１２０５、光学素子３１００、偏光フィルタ１２０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ１２０９、１／４波長板１２１１、コリメートレンズ１２１３、ミラー１２１５、対物レンズ１２１７、集光レンズ１２２１及び受光素子１２２３を含む。
【０１４２】  図１３において、レーザ光源１２０１は、波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの３波長の光の光源である。ここで、波長４０５ｎｍ、波長７８５ｎｍ及び波長６６０ｎｍをそれぞれ第１の波長乃至第３の波長とする。レーザ光源１２０１は、第１の波長乃至第３の波長の光のいずれかを選択的に射出する。第１の波長乃至第３の波長の光は、全てＴＥ偏光であるとする。１／２波長板１２０３は、第２の波長及び第３の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第１の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させるように構成されている。光学素子２１００は、たとえば、実施例２に示したものであり、３波長の光に対して、１次回折光の光量と０次回折光の光量との比を０．０６７±０．０１２とするように構成されている。１／２波長板１２０５は、第２の波長及び第３の波長の光(０次回折光及び±１次回折光)をＴＭ偏光からＴＥ偏光に変換し、第１の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させるように構成されている。偏光フィルタ１２０７は、ＴＥ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ように構成されている。ビームスプリッタ１２０９は、ＴＥ偏光であるいずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)を反射する。１／４波長板１２１１は、ＴＥ偏光であるいずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)を円偏光とする。いずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)は、コリメートレンズ１２１３によって平行光とされ、ミラー１２１５によって反射された後、対物レンズ１２１７によってディスク１２１９上に集光される。ここで、０次回折光、±１次回折光は、それぞれディスク１２１９上の異なる位置に集光される。０次回折光は、主にディスク１２１９上に記録されたデータの読み取りに使用され、±１次回折光は、ディスク１２１９に対するレンズ系の位置制御に使用される。
【０１４３】  図１４において、ディスク１２１９で反射されたいずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)は、対物レンズ１２１７、ミラー１２１５、コリメートレンズ１２１３を透過した後、１／４波長板１２１１によってＴＭ偏光に変換される。ビームスプリッタ１２０９は、ＴＭ偏光であるいずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)を透過させる。ＴＭ偏光であるいずれかの波長の光(０次回折光及び±１次回折光)は、集光レンズ１２２１によって０次回折光及び±１次回折光用の３個の受光素子１２２３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１２０９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１２０７によって遮光される。
【０１４４】  図１５及び図１６は、実施例２の光学素子２１００を含む光学系の構成の他の例を示す図である。光学系は、３波長の光によりディスク１３１９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。図１５は、光源からディスク１３１９に至る光の経路を示し、図１６は、ディスク１３１９に反射された後の光の経路を示す。
【０１４５】  光学系は、レーザ光源１３０１、１／２波長板１３０３、１３０５、光学素子２１００、偏光フィルタ１３０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ１３０９、１／４波長板１３１１、コリメートレンズ１３１３、ミラー１３１５、対物レンズ１３１７、集光レンズ１３２１及び受光素子１３２３を含む。
【０１４６】  ビームスプリッタ１３０９を除き、それぞれの光学素子は、図１３及び図１４の光学系の場合と同様に機能する。ビームスプリッタ１３０９は、往路において、いずれかの波長の光を透過させ、復路において、いずれかの波長の光を反射するように構成されている。
【０１４７】第３の態様  図１７は、本発明の第３の態様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。
【０１４８】  図１８は、図１７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１８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１９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。
【０１４９】  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。
【０１５０】  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。
【０１５１】  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。
【０１５２】  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。
【０１５３】  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。
【０１５４】  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。
【０１５５】  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。 ０次近似式【数１７】
2011001641.tif 000044
２次近似式 
【数１８】
2011001641.tif 000045
【０１５６】  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。
【０１５７】  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）                             （１４）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）                           （１５）
【０１５８】  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                           （１６）
【０１５９】  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                                   （１７）  ｎＬ１＜ｎＬ２                                     （１８）
【０１６０】  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。
【０１６１】  図２０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。
【０１６２】  図２０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。              n’ sinθ’-n sinθ=Nλ/Λ             （１３）              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。
【０１６３】  図２０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。
【０１６４】  図２０のステップＳ０３０において、第１の偏光状態の光について、式（１６）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。
【０１６５】  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。
【０１６６】  図２０のステップＳ０４０において、式（１６）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（１６）が満足されれば処理は終了する。式（１６）が満足されなければ、ステップＳ０４０に戻る。
【０１６７】  図２１は、たとえば特許文献２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。
【０１６８】  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                                 （１９）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。
【０１６９】  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（１９）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                                                        （２０）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（２０）を整理すると以下の式が得られる。    ｈｇ＝ｍ／（ｎｇ−ｎａ）                         （２１）
【０１７０】  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。
【０１７１】  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。
【０１７２】  以下に本発明の実施例について説明する。
【０１７３】実施例５  実施例５は、図１７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１８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。
【０１７４】  表２６は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。【表２６】
2011001641.tif 000046
表２６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。
【０１７５】  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。
【０１７６】  表２７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２７】
2011001641.tif 000047
【０１７７】  式（１４）及び式（１５）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。    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。
【０１７８】  表２８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２８】
2011001641.tif 000048
【０１７９】  式（１４）及び式（１５）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。    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。
【０１８０】  表２９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２９】
2011001641.tif 000049
表２９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。
【０１８１】  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。
【０１８２】実施例６  図２２は、実施例２の光学素子の透視図である。図２２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１８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１８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。
【０１８３】  表３０は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。【表３０】
2011001641.tif 000050
【０１８４】  表３０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。
【０１８５】  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。
【０１８６】  表３１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３１】
2011001641.tif 000051
【０１８７】  式（１４）及び式（１５）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。    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。
【０１８８】  表３２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３２】
2011001641.tif 000052
【０１８９】  式（１４）及び式（１５）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。    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。
【０１９０】  表３３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３３】
2011001641.tif 000053
【０１９１】  表３３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。
【０１９２】  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。
【０１９３】他の実施形態について  実施例４及び５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。
【０１９４】比較例２  比較例２は、図２１に示したＸ方向断面を備える。
【０１９５】  比較例２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。
【０１９６】  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。
【０１９７】  表３４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３４】
2011001641.tif 000054
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。
【０１９８】  比較例２において、第２の周期は、２２．７マイクロメータである。
【０１９９】  表３５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３５】
2011001641.tif 000055
【０２００】実施例５と比較例２との対比  実施例５及び比較例２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。
【０２０１】  実施例４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。
【０２０２】実施例５の光学素子を含む光学系の構成例  図２３は、実施例５の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。
【０２０３】  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。
【０２０４】  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。
【０２０５】  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。
【０２０６】  図２４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。
【０２０７】  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。
【０２０８】  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２３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。
【０２０９】  図２５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。
【０２１０】  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。
【０２１１】  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（１６）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（１６）を満足するときに、ＴＥ偏光の光は、式（１６）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】
2011001641.tif 000056
【図２】
2011001641.tif 000057
【図３】
2011001641.tif 000058
【図４】
2011001641.tif 000059
【図５Ａ】
2011001641.tif 000060
【図５Ｂ】
2011001641.tif 000061
【図６】
2011001641.tif 000062
【図７】
2011001641.tif 000063
【図８】
2011001641.tif 000064
【図９】
2011001641.tif 000065
【図１０】
2011001641.tif 000066
【図１１】
2011001641.tif 000067
【図１２Ａ】
2011001641.tif 000068
【図１２Ｂ】
2011001641.tif 000069
【図１３】
2011001641.tif 000070
【図１４】
2011001641.tif 000071
【図１５】
2011001641.tif 000072
【図１６】
2011001641.tif 000073
【図１７】
2011001641.tif 000074
【図１８】
2011001641.tif 000075
【図１９】
2011001641.tif 000076
【図２０】
2011001641.tif 000077
【図２１】
2011001641.tif 000078
【図２２】
2011001641.tif 000079
【図２３】
2011001641.tif 000080
【図２４】
2011001641.tif 000081
【図２５】
2011001641.tif 000082
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月24日(2011.1.24)
【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、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、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第1の膜を設け、
第1及び第2の波長の光について、前記第1及び第2の帯状領域によって生じる回折の1次回折光の光量と0次回折光の光量との比率である第1の比率と第1及び第2の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第1及び第2の波長の大きな方の波長以下となるように、前記第1及び第2の波長の光の偏光状態、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、前記第1の膜の屈折率、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及び第2の目標値が等しい請求項1に記載の光学素子。 
【請求項３】
前記第1の帯状領域の基板面と前記第2の帯状領域の基板面との間に段差を設け、前記第1及び第2の波長の光のうち、短い方の波長の光の第1の比率が長い方の波長の光の第1の比率よりも小さくなるように構成された、請求項1に記載の光学素子。 
【請求項４】
前記第1及び第2の波長が、ブルーレイディスク(BD)、デジタルバーサタイルディク(DVD)、コンパクトディスク(CD)用の波長のいずれかである請求項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、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、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第1の膜を設け、前記第1の帯状領域の基板面と前記第2の帯状領域の基板面との間に段差を設け、
第1乃至第3の波長の光について、前記第1及び第2の帯状領域によって生じる回折の1次回折光の光量と0次回折光の光量との比率である第1の比率と第1乃至第3の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第1乃至第3の波長の最大波長以下となるように、前記第1乃至第3の波長の光の偏光状態、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、前記第1の膜の屈折率、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、前記第2の帯状領域の膜厚及び前記段差の大きさを定めた光学素子。 
【請求項６】
前記第1乃至第3の目標値が等しい請求項5に記載の光学素子。 
【請求項７】
前記第1乃至第3の波長の光のうち2つの波長の光について、短い方の波長の光の第1の比率が長い方の波長の光の第1の比率よりも小さくなるように構成された、請求項5に記載の光学素子。 
【請求項８】
第1乃至第3の目標値のうちの1つがゼロである請求項5に記載の光学素子。 
【請求項９】
前記第1乃至第3の波長が、ブルーレイディスク(BD)、デジタルバーサタイルディク(DVD)、コンパクトディスク(CD)用の波長のいずれかである請求項5から8のいずれかに記載の光学素子。 
【請求項１０】
前記第1の膜上に前記第1の膜の屈折率よりも低い屈折率を有する第2の膜をさらに備えた請求項1から9のいずれかに記載の光学素子。 
【請求項１１】
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１０のいずれかに記載の光学素子。
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月29日(2011.8.29)
【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、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、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第1の膜を設け、
第1及び第2の帯状領域に対応する空間を、材料の種類に応じて分割した、前記基板面に平行な、複数のレベルの層に関して、第1の帯状領域に対応する部分の有効屈折率が第2の帯状領域に対応する部分の有効屈折率よりも大きなレベルの層及び第1の帯状領域に対応する部分の有効屈折率が第2の帯状領域に対応する部分の有効屈折率よりも小さなレベルの層が、少なくとも一つずつ存在するように構成された光学素子であって、
第1及び第2の波長の光について、前記第1及び第2の帯状領域によって生じる回折の1次回折光の光量と0次回折光の光量との比率である第1の比率と第1及び第2の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第1及び第2の波長の大きな方の波長以下となるように、前記第1及び第2の波長の光の偏光状態、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、前記第1の膜の屈折率、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及び第2の波長が、ブルーレイディスク(BD)、デジタルバーサタイルディク(DVD)、コンパクトディスク(CD)用の波長のいずれかである請求項1に記載の光学素子。 
【請求項３】
前記第1及び第2の目標値が等しい請求項1または2に記載の光学素子。 
【請求項４】
前記第1の帯状領域の基板面と前記第2の帯状領域の基板面との間に段差を設け、前記第1及び第2の波長の光のうち、短い方の波長の光の第1の比率が長い方の波長の光の第1の比率よりも小さくなるように構成された、請求項1または2に記載の光学素子。 
【請求項５】
前記第１及び第２の波長の光について、第1の帯状領域で生じる位相変化と第２の帯状領域で生じる位相変化の差がπラジアン未満である請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の波長の光について、第1の帯状領域で生じる位相変化と第２の帯状領域で生じる位相変化の差が０.８５１ラジアン以下である請求項5に記載の光学素子。
【請求項７】
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、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、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第1の膜を設け、前記第1の帯状領域の基板面と前記第2の帯状領域の基板面との間に段差を設け、
第1及び第2の帯状領域に対応する空間を、材料の種類に応じて分割した、前記基板面に平行な、複数のレベルの層に関して、第1の帯状領域に対応する部分の有効屈折率が第2の帯状領域に対応する部分の有効屈折率よりも大きなレベルの層及び第1の帯状領域に対応する部分の有効屈折率が第2の帯状領域に対応する部分の有効屈折率よりも小さなレベルの層が、少なくとも一つずつ存在するように構成された光学素子であって、
第1乃至第3の波長の光について、前記第1及び第2の帯状領域によって生じる回折の1次回折光の光量と0次回折光の光量との比率である第1の比率と第1乃至第3の目標値との差を所定の値以下とし、基板面からの最大高さが第1乃至第3の波長の最大波長以下となるように、前記第1乃至第3の波長の光の偏光状態、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、前記第1の膜の屈折率、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、前記第2の帯状領域の膜厚及び前記段差の大きさを定めた光学素子。 
【請求項８】
前記第1乃至第3の波長が、ブルーレイディスク(BD)、デジタルバーサタイルディク(DVD)、コンパクトディスク(CD)用の波長のいずれかである請求項7に記載の光学素子。 
【請求項９】
前記第1乃至第3の目標値が等しい請求項7または8に記載の光学素子。 
【請求項１０】
前記第1乃至第3の波長の光のうち2つの波長の光について、短い方の波長の光の第1の比率が長い方の波長の光の第1の比率よりも小さくなるように構成された、請求項7または8に記載の光学素子。 
【請求項１１】
第1乃至第3の目標値のうちの1つがゼロである請求項7または8に記載の光学素子。 
【請求項１２】
前記第１乃至第３の波長の光について、第1の帯状領域で生じる位相変化と第2の帯状領域で生じる位相変化の差がπラジアン未満である請求項7から11のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１乃至第３の波長の光について、第1の帯状領域で生じる位相変化と第2の帯状領域で生じる位相変化の差が１．０６５ラジアン以下である請求項12に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記第１の帯状領域に配置した格子凸部の高さに対する第1の膜厚の比が１．０６９以下である請求項１から１３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１５】
前記第1の膜上に前記第1の膜の屈折率よりも低い屈折率を有する第2の膜をさらに備えた請求項1から14のいずれかに記載の光学素子。 
【請求項１６】
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15のいずれかに記載の光学素子。
【国際調査報告】
2011001641.tif 000083
2011001641.tif 000084
2011001641.tif 000085
2011001641.tif 000086