(57)【要約】  互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、  前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの整数倍であり、  前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの非整数倍である。
2010016559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、
前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの整数倍であり、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの非整数倍である回折格子。
【請求項２】
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差はいずれも実質的にゼロである請求項１に記載の回折格子。
【請求項３】
前記波長λ３の光の１次回折効率は４％以上である請求項１または２に記載の回折格子。
【請求項４】
互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、
前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの整数倍である回折格子。
【請求項５】
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は実質的にゼロである請求項４に記載の回折格子。
【請求項６】
前記波長λ１および前記波長λ２の光の１次回折効率は４％以上である請求項４または５に記載の回折格子。
【請求項７】
互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、
前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１、前記波長λ２および前記波長λ３の光の位相差をそれぞれａ１π、ａ２πおよびａ３πとすると、
０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．２
０．２＜｜ａ３−ａ１｜
０．２＜｜ａ３−ａ２｜
の関係が成立する回折格子。
【請求項８】
前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料からなり、
前記凹部は、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料からなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の回折格子。
【請求項９】
前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする単層膜からなり、
前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料と、を交互に積層した多層膜からなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の回折格子。
【請求項１０】
前記凸部および前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料と、を交互に積層した多層膜からなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の回折格子。
【請求項１１】
前記多層膜は反射防止膜である請求項９または請求項１０に記載の回折格子。
【請求項１２】
互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に設けられた凸部と凹部を有する収差補正素子において、
前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの整数倍であり、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの非整数倍であって、前記波長λ３の光に含まれる収差成分を補正する収差補正素子。
【請求項１３】
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差はいずれも実質的にゼロである請求項１２に記載の収差補正素子。
【請求項１４】
互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に設けられた凸部と凹部を有する収差補正素子において、
前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの整数倍であって、前記波長λ１の光および前記波長λ２の光に含まれる収差成分を補正する収差補正素子。
【請求項１５】
前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差はいずれも実質的にゼロである請求項１４に記載の収差補正素子。
【請求項１６】
前記凸部と前記凹部は、略直交する２つの線が境界線をなすように交互に配置され、前記２つの線の交点が光軸となる請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項１７】
前記凸部と前記凹部は、略平行する２つの線が境界線をなすように交互に配置され、前記２つの線によってできる間隔を二分する線上に光軸が含まれる請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項１８】
前記光軸を含む第１の直線と、前記第１の直線と直交しかつ、前記光軸を含む第２の直線を与えたとき、前記凸部と前記凹部のうち少なくとも一方は、前記第１の直線と交差しない島状の領域を有し、
前記第１の直線を軸対称としたとき、いずれも前記凸部と前記凹部とが重なり、
前記第２の直線を軸対称としたとき、いずれも前記凸部同士、前記凹部同士が重なるように配置されてなる請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項１９】
前記凸部と前記凹部は、光軸を中心とする円領域と、前記円領域を囲む複数の輪帯領域に交互に配置されてなる請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項２０】
前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料からなり、
前記凹部は、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料からなる請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項２１】
前記凸部および前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料と、を交互に積層した多層膜からなる請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の収差補正素子。
【請求項２２】
前記多層膜は反射防止膜である請求項２０または請求項２１に記載の収差補正素子。
【請求項２３】
３種類の異なる波長の光を出射する光源と、
前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、
前記光記録媒体で反射された前記出射光を検出する検出器と、を有する光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズの間の光路中に請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回折格子および／または請求項１２〜２２いずれか１項に記載の収差補正素子が配置されている光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子、収差補正素子および光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ヘッド装置は、光ディスクにレーザ光を照射し、その反射光を検出することによって、光ディスクの表面に設けられたピットに記録されている情報を読み取る装置である。【０００３】
光ヘッド装置では、光ディスクの種類に応じて異なる波長のレーザ光が照射される。例えば、ＨＤ−ＤＶＤ（High Definition Digital Versatile Disk）やＢＤ（Blu-ray Disk）では波長４０５ｎｍ帯のレーザ光が、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）では波長６６０ｎｍ帯のレーザ光が、ＣＤ（Compact Disk）では波長７８５ｎｍ帯のレーザ光がそれぞれ用いられる。このため、１つの光ヘッド装置で異なる種類の光ディスクに対応するには、光ディスクに応じた波長を発振するレーザを装置に搭載することが必要となる。【０００４】
近年では、光ヘッド装置の小型化を図るため、ＤＶＤ用の波長帯域のレーザ光を出射する半導体レーザと、ＣＤ用の波長帯域のレーザ光を出射する半導体レーザとを１つのチップ内に形成した２波長レーザ光源が用いられている。特許文献１には、こうした光源に適用可能な回折格子が開示されている。また、特許文献２には、３波長の光路中に配置し、波長選択的に位相を補正する位相補正器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２００７−２９３９３８号公報
【特許文献２】日本国特開２００３−２０７７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の回折格子は、基板の出射面側に低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に配置した構造を有する。凸状に形成された低屈折率材料の幅Ｗと周期Ｐの比（Ｗ／Ｐ）を０．５とし、波長６５０ｎｍから波長７８５ｎｍまでの波長帯域における回折効率が一定となるように格子の深さを設定することで、上記波長帯域における波長依存性を小さくできるとされる。【０００７】
特許文献２の位相補正器は、断面が階段状のパターン構造を有し、互いに波長が異なる３つの光のうち、１つまたは２つは、１つの階段の段差の光路長が、波長の整数倍、そして残りの波長の光に対して波長の非整数倍となる段差を有する。とくに、３つの波長は、４００〜４１０ｎｍ、６３５ｎｍ及び６５０ｎｍのうちのいずれか、７８０ｎｍの組合せである、とされている。【０００８】
しかしながら、特許文献１の回折格子は２波長対応の回折格子である。すなわち、２波長レーザ光源を用いて、ＣＤおよびＤＶＤに対する情報の記録と再生を行うことはできるものの、さらに、ＨＤ−ＤＶＤ、ＢＤなどに対応する情報の記録と再生を行うことはできない。特許文献１には、低屈折率材料と高屈折率材料の格子の深さを変えることにより、波長４０５ｎｍにも適用できる旨が記載されてはいるが、その具体的な構造については開示されていない。一方、３つの波長帯のレーザ光に対して、設計自由度が高くかつ波長選択的に回折できる回折素子が望まれている。【０００９】
また、特許文献２の位相補正器は、３波長に対応しているが、この段差はガラスなど、１つの材料に対してパターンを形成しており、該材料の屈折率と該材料と接する空気との屈折率との差を所望の値とするように段差を与えている。そのため、３つの波長のうち段差を波長の整数倍とする１つまたは２つの波長の組合せを変える場合、段差が形成される材料とその段差の値の両方を変えなければならず、設計自由度に制限がある、という問題があった。【００１０】
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、設計自由度が高い３波長に対応可能な回折格子と収差補正素子、そして、この回折格子および／または収差補正素子を備えた光ヘッド装置とを提供することにある。【００１１】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの整数倍であり、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの非整数倍であることを特徴とするものである。【００１３】
また、本発明の回折格子は、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差はいずれも実質的にゼロであることが好ましい。【００１４】
また、本発明の回折格子は、前記波長λ３の光の１次回折効率は４％以上であることが好ましい。【００１５】
本発明は、互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの整数倍であることを特徴とするものである。【００１６】
また、本発明の回折格子は、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は実質的にゼロであることが好ましい。【００１７】
また、本発明回折格子は、前記波長λ１および前記波長λ２の光の１次回折効率は４％以上であることが好ましい。【００１８】
本発明は、互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に所定の周期で交互に設けられた凸部と凹部を有する回折格子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、前記凸部と前記凹部を透過する波長前記λ１、前記波長λ２および前記波長λ３の光の位相差をそれぞれａ１π、ａ２πおよびａ３πとすると、【００１９】
（数１）
０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．２
０．２＜｜ａ３−ａ１｜
０．２＜｜ａ３−ａ２｜【００２０】
の関係が成立することを特徴とするものである。【００２１】
また、本発明の回折格子において、前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料からなり、前記凹部は、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料からなるとすることができる。【００２２】
また、本発明の回折格子において、前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする単層膜からなり、前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料とを交互に積層した多層膜からなるとすることができる。この場合、前記多層膜は反射防止膜とすることが好ましい。【００２３】
また、本発明の回折格子において、前記凸部および前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料と、を交互に積層した多層膜からなるとすることができる。この場合、前記多層膜は反射防止膜とすることが好ましい。【００２４】
本発明は、互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に設けられた凸部と凹部を有する収差補正素子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの整数倍であり、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの非整数倍であって、前記波長λ３の光に含まれる収差成分を補正することを特徴とするものである。【００２５】
また、本発明の収差補正素子は、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差はいずれも実質的にゼロであることが好ましい。【００２６】
本発明は、互いに異なる波長λ１、波長λ２および波長λ３の光に用い、基板の少なくとも一方の面に設けられた凸部と凹部を有する収差補正素子において、前記凸部の平均屈折率は、前記凹部の平均屈折率より小さく、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ１の光の位相差および前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ２の光の位相差は、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差は、実質的に２πの整数倍であって、前記波長λ１の光および前記波長λ２の光に含まれる収差成分を補正することを特徴とするものである。【００２７】
また、本発明の収差補正素子は、前記凸部と前記凹部を透過する前記波長λ３の光の位相差はいずれも実質的にゼロであることが好ましい。【００２８】
また、本発明の収差補正素子は、前記凸部と前記凹部は、略直交する２つの線が境界線をなすように交互に配置され、前記２つの線の交点が光軸となることを特徴とするものである。【００２９】
また、本発明の収差補正素子は、前記凸部と前記凹部は、略平行する２つの線が境界線をなすように交互に配置され、前記２つの線によってできる間隔を二分する線上に光軸が含まれることを特徴とするものである。【００３０】
また、本発明の収差補正素子は、前記光軸を含む第１の直線と、前記第１の直線と直交しかつ、前記光軸を含む第２の直線を与えたとき、前記凸部と前記凹部のうち少なくとも一方は、前記第１の直線と交差しない島状の領域を有し、前記第１の直線を軸対称としたとき、いずれも前記凸部と前記凹部とが重なり、前記第２の直線を軸対称としたとき、いずれも前記凸部同士、前記凹部同士が重なるように配置されてなることを特徴とするものである。【００３１】
また、本発明の収差補正素子は、前記凸部と前記凹部は、光軸を中心とする円領域と、前記円領域を囲む複数の輪帯領域に交互に配置されてなることを特徴とするものである。【００３２】
また、本発明の収差補正素子において、前記凸部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料からなり、前記凹部は、ＴｉＯ２を主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料からなることを特徴とするものである。【００３３】
また、本発明の収差補正素子において、前記凸部はおよび前記凹部は、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、ＴｉＯ２主成分とする材料または、Ｎｂ２Ｏ５主成分とする材料または、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料と、を交互に積層した多層膜からなることを特徴とするものである。この場合、前記多層膜は反射防止膜とすることが好ましい。【００３４】
本発明の光ヘッド装置は、３種類の異なる波長の光を出射する光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記光記録媒体で反射された前記出射光を検出する検出器と、を有する光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズの間の光路中に、上記の回折格子および／または収差補正素子が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、３波長に対応可能な回折格子とすることができる。また、本発明は、３波長に対応可能な収差補正素子とすることができる。【００３６】
また、対応する３つの波長が異なる光記録媒体のいずれにも適用可能な光ヘッド装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による回折格子の最も基本的な構成を示す図である。
【図２】主な無機材料と多層膜の屈折率の波長依存性を示すグラフである。
【図３】非点収差補正素子の実施の形態１〜４の非点収差補正素子の平面模式図である。
【図４】非点収差補正素子の実施の形態１〜４の非点収差補正素子の断面模式図である。
【図５】非点収差補正素子の実施の形態５の非点収差補正素子の平面模式図である。
【図６】非点収差補正素子の実施の形態５の非点収差補正素子の断面模式図である。
【図７】コマ収差補正素子の実施の形態のコマ収差補正素子の平面模式図である。
【図８】コマ収差補正素子の実施の形態のコマ収差補正素子の断面模式図である。
【図９】球面収差補正素子の実施の形態の球面収差補正素子の平面模式図である。
【図１０】球面収差補正素子の実施の形態の球面収差補正素子の断面模式図である。
【図１１】非点収差補正素子の実施の形態４の非点収差補正素子の凸部および凹部の透過率を示すグラフである。
【図１２】光ヘッド装置の実施の形態１の光ヘッド装置の構成図である。
【図１３Ａ】光ヘッド装置の実施の形態２の光ヘッド装置の構成図である。
【図１３Ｂ】光ヘッド装置の実施の形態２の光ヘッド装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
（本発明の回折格子）
図１は、本発明による回折格子の最も基本的な構成を示す図である。
【００３９】
回折格子１は、ガラスなどの透明な基板２の上に、所定の周期で交互に設けられた凸部３と凹部４を有する。ここで、凸部３の平均屈折率ｎ１は、凹部４の平均屈折率ｎ２よりも小さく、ｎ１＜ｎ２の関係が成立する。尚、基板２は、等方性の透明基板であればよく、ガラス以外にもプラスチックなどを用いることもできる。また、図１では、基板２の一方の面に凸部と凹部を設けているが、基板２の両面に設けてもよい。さらに、図１で、凸部３および凹部４は、光源からの光が回折格子１に入射する側に設けてもよく、この光が回折格子１から出射する側に設けてもよい。
【００４０】
凸部３はＳｉＯ２を主成分とする材料からなるものとすることができ、凹部４はＴａ２Ｏ５を主成分とする材料からなるものとすることができる。また、凸部３と凹部４は、これらの材料からなる単層膜とすることができるが、凸部３を、ＳｉＯ２を主成分とする材料からなる単層膜とし、凹部４を、ＳｉＯ２を主成分とする材料と、Ｔａ２Ｏ５を主成分とする材料とが交互に積層された多層膜とすることもできる。凹部４を多層膜とすることにより、凹部４の平均屈折率を所望の値に調整することができる。特に、以下に述べるように、凹部４を反射防止膜として機能する多層膜とすれば、所望の平均屈折率を実現しつつ、反射による回折光の損失を防ぐことができる。また、回折格子１の凸部３および凹部４について説明しているが、後述する収差補正素子の凸部および凹部についても同様の材料を用いて所望の光学特性を得ることができる。
【００４１】
一般に、透明な媒質中に波長λの光が垂直に入射した場合、反射率Ｒは、入射媒質の屈折率ｎｉと、出射媒質の屈折率ｎｓによって一義的に決まり、次式で表される。
【００４２】
（数２）
Ｒ＝（ｎｉ−ｎｓ）２／（ｎｉ＋ｎｓ）２      （Ｉ）
【００４３】
一方、上記２つの媒質の間に、膜厚ｈで屈折率ｎの薄膜が挟まれた場合では、薄膜と各媒質との界面で生じる多重反射の効果によって、反射率Ｒは次のようになる。但し、δ＝（２πｎｈ）／λである。
【００４４】
（数３）
Ｒ＝｛ｎ２（ｎｉ−ｎｓ）２ｃｏｓ２δ＋（ｎｉｎｓ−ｎ２）２ｓｉｎ２δ｝
／｛ｎ２（ｎｉ＋ｎｓ）２ｃｏｓ２δ＋（ｎｉｎｓ＋ｎ２）２ｓｉｎ２δ｝    （ＩＩ）
【００４５】
式（ＩＩ）より、
【００４６】
（数４）
ｎｈ＝（ｍ＋１）λ／２（ｍ＝０、１、２、・・・）      （ＩＩＩ）
【００４７】
のとき、ｎｉ＜ｎ＜ｎｓの場合には、反射率Ｒは、式（Ｉ）で表される最大値をとり、ｎｉ＜ｎ＞ｎｓの場合には、式（Ｉ）で表される最小値をとる。すなわち、ｎｉ＜ｎ＜ｎｓのとき、薄膜は反射防止膜として機能し、ｎｉ＜ｎ＞ｎｓのとき、薄膜は反射増加膜として機能する。このため、ｎｉ＜ｎ＞ｎｓのときには、単層の薄膜を設けることにより、薄膜を設けない場合に比べて反射率が増加するおそれがある。この場合、反射率の増加を膜厚ｈの調整によって抑制しようとしても、式（ＩＩＩ）の条件があるために、膜厚ｈの調整には限界がある。
【００４８】
膜厚ｈの自由度を確保しながら、波長λにおける反射率を低減させる方法として、薄膜を単層膜から多層膜にする方法が挙げられる。例えば、本発明の回折格子において、凸部をＳｉＯ２からなる単層膜とし、凹部をＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５が交互に積層された多層膜とした場合、回折効率を決定するのはＴａ２Ｏ５の厚さになるので、Ｔａ２Ｏ５の厚さを所定の値として自動設計により多層膜の設計を行う。自動設計の手法としては、例えば、乱数を発生させて各層の厚さを決定し、多層膜の透過率を計算して条件に合う構成を見つける方法や、各層の厚さを初期状態から変化させながら、多層膜の透過率と所望の透過率とのずれを計算し、ずれが所定の範囲に入る構成を見つける方法（勾配法）などがある。尚、多層膜の反射率や透過率などの光学特性を求めるには、電磁場の境界条件から求める特性マトリックス法が知られている。
【００４９】
本発明の回折格子は、例えば、次のようにして製造される。
【００５０】
まず、透明なガラス基板を準備し、このガラス基板の上に真空蒸着法やスパッタ法などの成膜技術を用いてＳｉＯ２膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ法によってＳｉＯ２膜をパターニングして凸部を形成する。その後、ＳｉＯ２膜の上にレジスト膜を残した状態で、真空蒸着法やスパッタ法などの成膜技術を用いてＴａ２Ｏ５膜を形成する。次いで、レジスト膜をリフトオフすることにより、Ｔａ２Ｏ５膜からなる凹部を形成する。これにより、図１に示すような回折格子が得られる。
【００５１】
また、本発明の回折格子は、次のようにして製造することもできる。
【００５２】
まず、フォトリソグラフィ法を用いて石英ガラス上にレジスト膜を形成する。次に、このレジスト膜をマスクとして石英ガラスをパターニングして凸部を形成する。次いで、スパッタ法でＴａ２Ｏ５膜を形成してから、リフトオフ法によってレジスト膜を除去して凹部を形成する。
【００５３】
本発明の第１の態様の回折格子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの非整数倍であることを特徴としている。
【００５４】
上記構成とすることにより、波長λ１と波長λ２の光については回折しないか、若しくは、一定割合以上は回折しないが、波長λ３の光については回折するようにすることができる。この場合、波長λ３の光の１次回折効率は、４％以上とすることが好ましく、５％以上とすることがより好ましく、６％以上とすることが特に好ましい。
【００５５】
本発明の第２の態様の回折格子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの整数倍であることを特徴としている。
【００５６】
上記構成とすることにより、波長λ１と波長λ２の光については回折するが、波長λ３の光については回折しないか、若しくは、一定割合以上は回折しないようにすることができる。この場合、波長λ１および波長λ２の光の１次回折効率は、４％以上とすることが好ましく、５％以上とすることがより好ましく、６％以上とすることが特に好ましい。
【００５７】
このように、本発明の回折格子によれば、３つの波長帯域で回折効率の設計ができるので、回折効率の波長選択性の自由度を向上させることができる。具体的には次のような効果が得られる。
【００５８】
光ヘッド装置では、光ディスクの情報記録面に形成されたトラック上にレーザ光を集光させて光ディスクを回転させることから、集光されたレーザ光のビームがトラックから外れないようにする必要がある。このため、種々のトラッキング方法が開発されている。例えば、情報の再生時に使用する３ビーム法や、情報の記録時に使用するプッシュプル法などが代表的である。後者では、トラックと平行に２分割された受光素子を用いて光ディスクからの反射光を受け、２分割された反射光の差をとる方法、特に、信号のオフセットを打ち消すための差動プッシュプル法がよく知られている。３ビーム法および差動プッシュプル法には回折格子が使用され、これらは、回折格子による０次回折光であるメインビームと、±１次回折光であるサブビームとを発生させる点で共通する。しかし、従来の回折格子は、例えば、７９０ｎｍの波長帯域と６５０ｎｍの波長帯域のいずれの入射光に対しても回折効果を有するので、望まない不要な回折光が迷光となって光検出器に混入し、情報の記録や再生ができなくなるおそれがある。また、不要な回折光の発生により、情報の記録や再生に必要な０次回折光の光量損失を招き、信号光を減少させるなどの問題も生ずる。一方、本発明の回折格子によれば、各波長に対する回折効率の設計の自由度が高いので、こうした問題を解消することができる。
【００５９】
上述の通り、本発明の第１の態様の回折格子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの非整数倍である。また、本発明の第２の態様の回折格子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの整数倍である。前者の場合、特に、波長λ１の光の位相差および波長λ２の光の位相差がいずれもゼロであることが好ましい。一方、後者の場合、波長λ３の光の位相差がゼロであることが好ましい。これは、位相差が２πの整数倍になると、光源であるレーザの温度変化によるぶれが大きくなるためである。また、一般に、回折格子の凸部と凹部における光路長差が波長の整数倍であると、回折光を完全になくすことはできない。しかし、光路長差が０（ゼロ）となるように設計することにより、光路長差が波長の整数倍である場合に比べて透過率を高くすることができる。
【００６０】
本発明の第３の態様の回折格子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差の絶対値と、凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差の絶対値とが実質的に等しく、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、波長λ１の位相差および波長λ２の位相差と実質的に異なることを特徴としている。具体的には、凸部と凹部を透過する波長λ１、波長λ２および波長λ３の光の位相差をそれぞれａ１π、ａ２πおよびａ３πとしたときに、
【００６１】
（数５）
０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．２                      （１ａ）
０．２＜｜ａ３−ａ１｜                          （１ｂ）
０．２＜｜ａ３−ａ２｜                          （１ｃ）
【００６２】
の関係が成立する。特に、
【００６３】
（数６）
０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．１５                    （２ａ）
０．２５＜｜ａ３−ａ１｜                        （２ｂ）
０．２５＜｜ａ３−ａ２｜                        （２ｃ）
【００６４】
の関係が成立することが好ましい。
【００６５】
また、これらの関係において、ｍを０以上の整数としたとき、
【００６６】
（数７）
０．２＋２ｍ＜｜ａ３｜＜１．８＋２ｍ            （３）
【００６７】
であると、より好ましい。
【００６８】
すなわち、第３の態様においては、０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．２、好ましくは、０≦｜ａ１−ａ２｜≦０．１５の関係が成立するときに、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差の絶対値と、凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差の絶対値とが実質的に等しいとする。また、波長λ３の光の位相差をａ３πとすると、｜ａ３−ａ１｜と｜ａ３−ａ２｜の値がいずれも上記範囲にないとき、すなわち、０．２＜｜ａ３−ａ１｜且つ０．２＜｜ａ３−ａ２｜、好ましくは、０．２５＜｜ａ３−ａ１｜且つ０．２５＜｜ａ３−ａ２｜の関係が成立するときに、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、波長λ１の位相差および波長λ２の位相差と実質的に異なるとする。
【００６９】
上記構成とすることにより、波長λ１と波長λ２の光については回折しないか、若しくは、一定割合以上は回折しないが、波長λ３の光については回折するようにすることができる。または、波長λ１と波長λ２の光については回折するが、波長λ３の光については回折しないか、若しくは、一定割合以上は回折しないようにすることもできる。したがって、第３の態様の構成であっても、３つの波長帯域で回折効率の設計ができるので、回折効率の波長選択性の自由度を向上させることができる。
【００７０】
本発明の回折格子は、例えば、波長４０５ｎｍ（ＨＤ−ＤＶＤ用またはＢＤ用）、波長６６０ｎｍ（ＤＶＤ用）、波長７８５ｎｍ（ＣＤ用）の３波長レーザ光源を有する光ヘッド装置に搭載することができる。この場合、例えば、波長λ１の光を波長６６０ｎｍ±１０ｎｍの波長帯域の光とすることができ、波長λ２の光を波長７８５ｎｍ±１０ｎｍの波長帯域の光とすることができ、波長λ３の光を波長４０５ｎｍ±１０ｎｍの波長帯域の光とすることができる。
【００７１】
以下、本発明の実施の形態について述べる。但し、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することができる。例えば、本発明の回折格子は、２つ以上の回折格子が積層されていてもよい。２つの回折格子を積層する場合、それぞれ２枚の基板を用いた回折格子を形成してから重ねてもよいし、３枚の基板の中に２つの凹凸部を形成するようにしてもよい。
【００７２】
実施の形態１〜６では、図１の基板２および凸部３を構成する材料として石英ガラスを、凹部４を構成する材料としてＴａ２Ｏ５をそれぞれ用いる。石英ガラスの波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４６７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４５６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４５４である。また、Ｔａ２Ｏ５の波長４０５ｎｍにおける屈折率は２．２７３、波長６６０ｎｍにおける屈折率は２．１５３、波長７８５ｎｍにおける屈折率は２．１３７である。図１で、凹部４の表面から凸部３の表面までの空間５は、深さがｄ１であって、空気で充填されている。したがって、空間５の波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍにおける屈折率は全て１．０００となる。尚、凸部３のピッチｐは１０μｍとする。また、上記のように３つの波長をそれぞれ、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍとしたとき、使用する各材料（媒質）における屈折率を表１に示し、以降の実施の形態において随時、参照する。
【００７３】
【表１】
2010016559.tif 000003
【００７４】
回折格子の実施の形態１．
図１において、凹部４の高さ（基板２から凹部４の表面までの距離、以下同様）をｄ２とすると、凸部３の高さ（基板２から凸部３の表面までの距離、以下同様）は（ｄ１＋ｄ２）である。回折格子１に波長λの光が入射した場合、凸部３の屈折率をｎ１、凹部４の屈折率をｎ２とすれば、凸部３における光路長は
ｎ１×（ｄ１＋ｄ２）
であり、凹部４における光路長は
【００７５】
（数８）
ｎ２×ｄ２＋１×ｄ１
【００７６】
となるので、凸部３と凹部４の光路長差Ｌ（λ）は、
【００７７】
（数９）
Ｌ（λ）＝ｎ１×（ｄ１＋ｄ２）−（ｎ２×ｄ２＋１×ｄ１）      （４）
【００７８】
になる。したがって、波長４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍにおける凸部３と凹部４の各屈折率からそれぞれの波長における凸部３と凹部４の光路長差を求めると、波長４０５ｎｍでは、
【００７９】
（数１０）
Ｌ（４０５）＝０．４６７×ｄ１−０．８０３×ｄ２            （５ａ）
【００８０】
となり、波長６６０ｎｍでは、
【００８１】
（数１１）
Ｌ（６６０）＝０．４５６×ｄ１−０．６９７×ｄ２            （５ｂ）
【００８２】
となり、波長７８５ｎｍでは、
【００８３】
（数１２）
Ｌ（７８５）＝０．４５４×ｄ１−０．６８３×ｄ２            （５ｃ）
【００８４】
となる。
【００８５】
波長７８５ｎｍの光に対して光路長差Ｌが０（ゼロ）となるには、式（５ｃ）から
【００８６】
（数１３）
（ｄ１／ｄ２）＝１．５０４      （６ａ）
【００８７】
の関係が成立すればよい。このとき、式（５ａ）より
【００８８】
（数１４）
Ｌ（４０５）＝−０．０６８８×ｄ１
【００８９】
の関係が成立する。したがって、ｄ１とｄ２の比が式（６ａ）の関係を満たすようにしながら、これらの値を変化させることによって、波長４０５ｎｍでの回折効率を調整することができる。また、式（５ｂ）より
【００９０】
（数１５）
Ｌ（６６０）＝−０．００７３１×ｄ１
【００９１】
であるので、ｄ１が十分に小さい値であれば、波長６６０ｎｍでの光路長差を小さくして、高い透過率とすることができる。
【００９２】
このように、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍにおける光路長差をゼロまたはゼロと実質的に等しい値にし、波長４０５ｎｍにおける光路長差をこれらとは実質的に異なる値、あるいは２πの非整数倍とすることによって、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍで高い透過率を有し、波長４０５ｎｍで所定の回折効率を有する回折格子とすることができる。
【００９３】
回折格子の実施の形態２．
波長４０５ｎｍの光に対して光路長差Ｌを０（ゼロ）にするには、回折格子の実施の形態１で述べた式（５ａ）から
【００９４】
（数１６）
ｄ１／ｄ２＝１．７２６      （６ｂ）
【００９５】
の関係が成立するようにすればよい。このとき、式（５ｃ）より
【００９６】
（数１７）
Ｌ（７８５）＝０．０５８３×ｄ１
【００９７】
の関係が成立する。したがって、ｄ１とｄ２の比が式（６ｂ）の関係を満たすようにしながら、これらの値を変化させることによって、波長７８５ｎｍでの回折効率を調整することができる。同様に、式（５ｂ）より
【００９８】
（数１８）
Ｌ（６６０）＝０．０５２２×ｄ１
【００９９】
であるので、ｄ１とｄ２の比が式（６ｂ）の関係を満たすようにしながら、これらの値を変化させることによって、波長６６０ｎｍでの回折効率を調整することができる。
【０１００】
このように、波長４０５ｎｍにおける光路長差をゼロまたはゼロと実質的に等しい値にし、波長７８５ｎｍと波長６６０ｎｍにおける光路長差をこれらとは実質的に異なる値、あるいは２πの非整数倍とすることによって、波長４０５ｎｍで高い透過率を有し、波長７８５ｎｍと波長６６０ｎｍで所定の回折効率を有する回折格子とすることができる。
【０１０１】
回折格子の実施の形態３．
波長４０５ｎｍの光と波長６６０ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の整数倍となり、波長７８５ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の非整数倍となる回折格子を設計する。この回折格子は、本発明の第１の態様の回折格子に対応する。
【０１０２】
実施の形態１で述べた式（５ａ）と式（５ｂ）から、ｄ１＝５．９４μｍ、ｄ２＝２．９４μｍであるとき、波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍの光に対する光路長差Ｌは波長の整数倍となる。したがって、これらの波長の光について高い透過率が得られる。一方、このとき波長７８５ｎｍの光については、実施の形態１で述べた式（５ｃ）より
【０１０３】
（数１９）
Ｌ（７８５）＝０．６８９
【０１０４】
となるので、光路長差Ｌは波長の非整数倍となって回折する。
【０１０５】
したがって、本実施の形態の構成によれば、波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍで高い透過率を有し、波長７８５ｎｍで回折する回折格子とすることができる。
【０１０６】
回折格子の実施の形態４．
波長４０５ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の非整数倍となり、波長６６０ｍと波長７８５ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の整数倍となる回折格子を設計する。
この回折格子は、本発明の第１の態様の回折格子に対応する。
【０１０７】
図１において、凹部４の高さｄ２を０．７μｍとすると、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）は１．７５μｍである。凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．３６５π、波長６６０ｎｍで約−０．０２８π、波長７８５ｎｍで約−０．００４πである。
【０１０８】
回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率は
【０１０９】
（数２０）
η０＝ｃｏｓ２（φ／２）                        （７ａ）
【０１１０】
±１次回折光の回折効率は
【０１１１】
（数２１）
η１＝（２／π）２×ｓｉｎ２（φ／２）            （７ｂ）
【０１１２】
によってそれぞれ近似的に求められる。したがって、波長４０５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で約１１．９％となって回折するが、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で１００％となって直進透過する。
【０１１３】
回折格子の実施の形態５．
波長６６０ｎｍの光の位相差の絶対値と波長７８５ｎｍの光の位相差の絶対値とが実質的に等しく、波長４０５ｎｍの光の位相差が、波長６６０ｎｍの位相差および波長７８５ｎｍの位相差とは実質的に異なる回折格子を設計する。この回折格子は、本発明の第３の態様の回折格子に対応する。
【０１１４】
図１において、凹部４の高さｄ２を１．１７μｍとすると、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）は３．１７μｍである。凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．０４４５π、波長６６０ｎｍで約０．２９２π、波長７８５ｎｍで約０．２７７πである。したがって、λ１＝６６０ｎｍ、λ２＝７８５ｎｍ、λ３＝４０５ｎｍとし、これらの光の位相差をそれぞれａ１π、ａ２πおよびａ３πとすると、式（１ａ）〜式（１ｃ）の関係および、式（３）の不等式において、ｍ＝０としたとき、ａ３≒０．２７７であるので、
【０１１５】
（数２２）
０．２＜｜ａ３｜＜１．８
【０１１６】
の関係が成立する。
【０１１７】
回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率と、±１次回折光の回折効率とは、回折格子の実施の形態４、と同様にして求められる。それによれば、波長４０５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で約９９．５％となって直進透過するが、波長６６０ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で約８．０％となり、波長７８５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で約７．２％となってそれぞれ回折する。
【０１１８】
回折格子の実施の形態６．
波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の整数倍となり、波長７８５ｎｍの光に対しては、光路長差Ｌが波長の非整数倍となる回折格子を設計する。この回折格子は、本発明の第１の態様の回折格子に対応する。
【０１１９】
図１において、凹部４の高さｄ２を２．７μｍとすると、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）は８．２μｍである。凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約１．９４π、波長６６０ｎｍで約１．９０π、波長７８５ｎｍで約１．６６πである。したがって、波長４０５ｎｍと波長６６０ｎｍの光は、位相差φが約２πとなるので直進透過するが、波長７８５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で約１０％となって回折する。
【０１２０】
回折格子の実施の形態７．
回折格子の実施の形態１〜６では、凸部にＳｉＯ２を主成分とする材料を用い、凹部にＴａ２Ｏ５を主成分とする単層膜を用いた。本実施形態では、凸部に石英ガラスを用い、凹部を、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする材料とする。
【０１２１】
図１において、基板２および凸部３を構成する材料として石英ガラスを用いる。また、凹部４をＮｂ２Ｏ５で構成する。石英ガラスの波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４６７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４５６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４５４である。また、表１に示すように、Ｎｂ２Ｏ５の波長４０５ｎｍにおける屈折率は２．５４９、波長６６０ｎｍにおける屈折率は２．３１９、波長７８５ｎｍにおける屈折率は２．２９５である。
【０１２２】
凹部４の高さｄ２を０．３３９μｍとし、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）を０．９８５μｍとする。凹部４の表面から凸部３の表面までの空間５は、深さがｄ１であって、空気で充填されている。したがって、空間５の波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍにおける屈折率は全て１．０００となる。
【０１２３】
本実施の形態の構成における凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．３２３π、波長６６０ｎｍで約０．００５π、波長７８５ｎｍで約０．０２０πである。回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率は、式（７ａ）によって、±１次回折光の回折効率は、式（７ｂ）によってそれぞれ近似的に求められる。
【０１２４】
したがって、波長４０５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で９．６％となって回折するが、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で１００％となって直進透過する。
【０１２５】
回折格子の実施の形態８．
本実施形態では、凸部に石英ガラスを用い、凹部を、ＴｉＯ２を主成分とする材料とする。
【０１２６】
図１において、基板２および凸部３を構成する材料として石英ガラスを用いる。また、凹部４をＴｉＯ２で構成する。石英ガラスの波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４６７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４５６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４５４である。また、表１に示すように、ＴｉＯ２の波長４０５ｎｍにおける屈折率は２．４８８、波長６６０ｎｍにおける屈折率は２．２０６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は２．１７０である。
【０１２７】
凹部４の高さｄ２を０．２５１μｍとし、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）を０．６５９μｍとする。凹部４の表面から凸部３の表面までの空間５は、深さがｄ１であって、空気で充填されている。したがって、空間５の波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍにおける屈折率は全て１．０００となる。
【０１２８】
本実施の形態の構成における凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．３２２π、波長６６０ｎｍで約−０．００５π、波長７８５ｎｍで約０．０１６πである。回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率は、式（７ａ）によって±１次回折光の回折効率は、式（７ｂ）によってそれぞれ近似的に求められる。
【０１２９】
したがって、波長４０５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で９．５％となって回折するが、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で１００％となって直進透過する。
【０１３０】
回折格子の実施の形態９．
実施の形態１〜８では、凸部に石英ガラスを用い、凹部にＴａ２Ｏ５を主成分とする単層膜または、Ｎｂ２Ｏ５を主成分とする単層膜または、ＴｉＯ２を主成分とする単層膜を用いた。これに対して、本実施の形態では、凸部をＳｉＯ２を主成分とする単層膜とし、凹部を、ＳｉＯ２を主成分とする材料とＴａ２Ｏ５を主成分とする材料とが積層された多層膜とする。
【０１３１】
図１において、基板２および凸部３を構成する材料として石英ガラスを用いる。また、凹部４をＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の多層膜で構成する。例えば、フォトリソグラフィ法を用いて石英ガラス上にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をマスクとして石英ガラスをパターニングして高さ１．８４５μｍの凸部３を形成する。次いで、スパッタ法で厚さ０．７μｍのＴａ２Ｏ５膜を形成し、さらにスパッタ法で厚さ０．０８５μｍのＳｉＯ２膜を形成してから、リフトオフ法によってレジスト膜を除去して凹部４を形成する。
【０１３２】
石英ガラスの波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４６７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４５６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４５４である。また、表１に示すように、ＳｉＯ２の波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４８７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４６８、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４６５である。さらに、表１に示すように、Ｔａ２Ｏ５の波長４０５ｎｍにおける屈折率は２．２７３、波長６６０ｎｍにおける屈折率は２．１５３、波長７８５ｎｍにおける屈折率は２．１３７である。
【０１３３】
凹部４の高さｄ２は０．７８５μｍとなるので、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）は１．８４５μｍである。凹部４の表面から凸部３の表面までの空間５は、深さがｄ１であって、空気で充填されている。したがって、空間５の波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍにおける屈折率は全て１．０００となる。
【０１３４】
ここで、石英ガラス基板の上にＴａ２Ｏ５膜を０．７μｍ形成し、この上を空気層とした場合の反射率を特性マトリックス法により計算すると、波長４０５ｎｍでは４．７％、波長６６０ｎｍでは２５．７％、波長７８５ｎｍでは９．６％となる。したがって、凹部４をＴａ２Ｏ５膜で形成した場合、式（７ａ）で近似される０次回折光の回折効率が得られなくなる。これに対して、石英ガラス基板の上にＴａ２Ｏ５膜を０．７μｍ形成した後、さらにＳｉＯ２膜を０．０８５μｍ形成して、この上を空気層とした場合の反射率を特性マトリックス法により計算すると、波長４０５ｎｍでは５．９％、波長６６０ｎｍでは４．７％、波長７８５ｎｍでは０％となる。したがって、回折格子を透過する光の量を増すことができる。
【０１３５】
本実施の形態の構成における凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．３４２π、波長６６０ｎｍで約−０．０１４π、波長７８５ｎｍで約０．００８πである。この回折格子において、直進透過する０次回折光の回折効率は、式（７ａ）によって、±１次回折光の回折効率は、式（７ｂ）によってそれぞれ近似的に求められる。
【０１３６】
したがって、波長４０５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で１０．６％となって回折するが、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で１００％となって直進透過する。
【０１３７】
回折格子の実施の形態１０．
本実施の形態では、凸部に石英ガラスを用い、凹部を、ＳｉＯ２を主成分とする材料とＴａ２Ｏ５を主成分とする材料とが交互に積層された多層膜とする。
【０１３８】
図１において、基板２および凸部３を構成する材料として石英ガラスを用いる。また、凹部４をＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の多層膜で構成する。例えば、フォトリソグラフィ法を用いて石英ガラス上にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をマスクとして石英ガラスをパターニングして高さ１．８４７７μｍの凸部３を形成する。次いで、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５からなる多層膜を０．７８７７μｍの厚さで形成して凹部４とする。多層膜は、全体で１０層とし、基板２の側から数えて奇数層目をＴａ２Ｏ５膜とし、偶数層目をＳｉＯ２膜とする。各層の厚さは、基板２の側から順に、０．３８５μｍ、０．００９５μｍ、０．１２９４μｍ、０．００３４μｍ、０．０１４６μｍ、０．０２９９μｍ、０．１５２６μｍ、０．００５８μｍ、０．０１８５μｍ、０．０３９１μｍとする。このとき、Ｔａ２Ｏ５膜の合計膜厚は０．７μｍである。
【０１３９】
石英ガラスの波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４６７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４５６、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４５４である。また、表１に示すように、ＳｉＯ２の波長４０５ｎｍにおける屈折率は１．４８７、波長６６０ｎｍにおける屈折率は１．４６８、波長７８５ｎｍにおける屈折率は１．４６５である。さらに、表１に示すように、Ｔａ２Ｏ５の波長４０５ｎｍにおける屈折率は２．２７３、波長６６０ｎｍにおける屈折率は２．１５３、波長７８５ｎｍにおける屈折率は２．１３７である。尚、多層膜の材料には、上記の他に、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２などを用いることもできる。図２に、主な無機材料と、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５からなる上記多層膜の屈折率の波長依存性を示す。
【０１４０】
凹部４の高さｄ２は０．７８７７μｍとなるので、凸部３の高さ（ｄ１＋ｄ２）は１．８４７７μｍである。凹部４の表面から凸部３の表面までの空間５は、深さがｄ１であって、空気で充填されている。したがって、空間５の波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍにおける屈折率は全て１．０００となる。
【０１４１】
ここで、石英ガラス基板の上にＴａ２Ｏ５膜を０．７μｍ形成し、この上を空気層とした場合の反射率を特性マトリックス法により計算すると、波長４０５ｎｍでは４．７％、波長６６０ｎｍでは２５．７％、波長７８５ｎｍでは９．６％となる。したがって、凹部４をＴａ２Ｏ５膜で形成した場合、式（７ａ）で近似される０次回折光の回折効率が得られなくなる。これに対して、石英ガラス基板の上に上記の多層膜を形成して、この上を空気層とした場合の反射率を特性マトリックス法により計算すると、波長４０５ｎｍでは１．６％、波長６６０ｎｍでは０．６％、波長７８５ｎｍでは１．１％となる。したがって、凹部４を多層膜とすることにより、回折格子１を透過する光の量を増すことができる。
【０１４２】
本実施の形態の構成における凸部３と凹部４の透過光の位相差φは、波長４０５ｎｍで約−０．３４２π、波長６６０ｎｍで約−０．０１４π、波長７８５ｎｍで約０．００８πである。回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率は、式（７ａ）によって、±１次回折光の回折効率は、式（７ｂ）によってそれぞれ近似的に求められる。
【０１４３】
したがって、波長４０５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率が最大で１１．９％となって回折するが、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの光は、０次回折光の回折効率がそれぞれ最大で１００％となって直進透過する。
【０１４４】
回折格子の実施の形態１１．
本実施の形態では、基板となる石英ガラス上に凸部３として、ＳｉＯ２そして、順にＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２とを交互に２層ずつ積層させた構造を有し、凹部４として、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に積層させた構造を有する。尚、凸部３のうち、石英ガラス上のＳｉＯ２を除く４層については、反射防止膜（ＡＲ膜）とも言う。さらに、凹部４の平均屈折率ｎ２は、凸部１１の平均屈折率ｎ１より大きい多層膜構造を有するが、本実施形態において凹部４の多層膜構造（１０層）そのものが反射防止膜としても機能する膜構成とする。表２に凸部の具体的な構造、表３に凹部の具体的な構造を示す。
【０１４５】
【表２】
2010016559.tif 000004
【０１４６】
【表３】
2010016559.tif 000005
【０１４７】
尚、表２において、層番号が１の層が空気との界面にある層であって、層番号５が石英ガラスとの界面にある層である。そして、表３において、層番号が１の層が空気との界面にある層であって、層番号１０が石英ガラスとの界面にある層である。そして、図１における厚さｄ１は８８６ｎｍ、厚さｄ２は９９７ｎｍである。また、このとき凸部３、凹部４および空間５の平均屈折率は、表４に示す通りである。
【０１４８】
【表４】
2010016559.tif 000006
【０１４９】
このように、ＡＲ膜を有する凸部３とＡＲ膜の機能を有する多層膜からなる凹部４の透過率の位相差φは、波長４０５ｎｍで約０．０００π、波長６６０ｎｍで約０．３０７π、波長７８５ｎｍで約０．２８９πである。回折格子１において、直進透過する０次回折光の回折効率は、式（７ａ）によって、±１次回折光の回折効率は、式（７ｂ）によってそれぞれ近似的に求められる。
【０１５０】
したがって、波長４０５ｎｍの光は０次回折光の回折効率が最大で１００％となって直進透過するが、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光は、±１次回折光の回折効率がそれぞれ、最大で８．７％、７．８％となって回折する。
【０１５１】
（本発明の収差補正素子）
図３〜図１０は、本発明による収差補正素子の種々の構成を示す平面模式図または、断面模式図である。後述するように、収差補正素子１０、２０、３０および４０は、ガラスなどの透明な基板の上に凸部と凹部を有し、それぞれ補正する収差の種類に応じて凸部と凹部とが配置される。また、本発明による回折格子と同様に、凸部の平均屈折率ｎ１は、凹部の平均屈折率ｎ２よりも小さく、ｎ１＜ｎ２の関係が成立する。位相補正素子の実施態様として、以下の第１の実施の態様における位相補正素子と、第２の実施の態様における位相補正素子について説明する。
【０１５２】
まず、第１の実施の態様における収差補正素子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの非整数倍であることを特徴としている。この構成とすることにより、波長λ１の光と波長λ２の光については収差成分を補正しないが、波長λ３の光については収差成分を補正することができる。尚、波長λ１、波長λ２および波長λ３は互いに異なる波長である。尚、波長λ１、波長λ２および波長λ３は互いに異なる波長である。
【０１５３】
次に、第２の実施の態様における収差補正素子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの整数倍であることを特徴としている。この構成とすることにより、波長λ１の光と波長λ２の光については収差成分を補正するが、波長λ３の光については収差成分を補正しないようにすることができる。尚、波長λ１、波長λ２および波長λ３は互いに異なる波長である。
【０１５４】
このように収差補正素子に入射する波長が異なる３つの光のうち、選択的に１種または２種の光に対して、選択的に収差成分を補正することができる。そして、以下に説明する非点収差補正素子１０、非点収差補正素子２０、コマ収差補正素子３０および球面収差補正素子４０のうち、１つ又は異なる２つ以上の組合せにより種々の収差に対し、入射する光の波長に応じて選択的に補正することができる。例えば、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤに対してそれぞれ異なる３つの波長の光に対して共通する対物レンズを用いる光ヘッド装置の場合、対物レンズが特定の１種または２種の波長の光に対して球面収差が最小となるように設計され、一方、それ以外の波長の光の球面収差が大きい場合を考える。このとき、球面収差補正素子４０を３種の光が共通する光路中に配置することで、選択的に対象の波長の光に対してのみ球面収差補正ができ、３種の光それぞれの光ディスクに対して良好に集光させる光ヘッド装置を実現することができる。
【０１５５】
また、以下に説明する各種収差を補正する収差補正素子は、少なくとも光が入射する有効領域に、凸部と凹部を有する。そして、入射する特定の１種または２種の波長の光に対して選択的に、凸部と凹部との間で実質的に位相差を与えず、それ以外の波長の光に対してのみ、収差を補正するためには、上記に説明した「回折格子の実施の形態」と同様の設計を用いることによって、特定の１種または２種の波長の光に対して、凸部と凹部との間で所望の位相差を与えることで実現できる。
【０１５６】
上述の通り、本発明の第１の態様の収差補正素子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの非整数倍である。また、本発明の第２の態様の収差補正素子は、凸部と凹部を透過する波長λ１の光の位相差および凸部と凹部を透過する波長λ２の光の位相差が、いずれも実質的に２πの非整数倍であり、凸部と凹部を透過する波長λ３の光の位相差が、実質的に２πの整数倍である。前者の場合、特に、波長λ１の光の位相差および波長λ２の光の位相差がいずれもゼロであることが好ましい。一方、後者の場合、波長λ３の光の位相差がゼロであることが好ましい。これは、位相差が２πの整数倍になると、光源であるレーザの温度変化によるぶれが大きくなるためである。
【０１５７】
次に、具体的に各収差補正素子の実施の形態について説明する。但し、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することができる。例えば、本発明の収差補正素子は、２つ以上の収差補正素子が積層されていてもよい。２つの収差補正素子を積層する場合、それぞれ２枚の基板を用いた収差補正素子を形成してから重ねてもよいし、３枚の基板の中に２つの凹凸部を形成するようにしてもよい。
【０１５８】
非点収差補正素子の実施の形態１．
図３は、非点収差補正素子１０の平面模式図であり、収差を補正する波長の光の光軸Ｏを中心とした有効領域１３の中に凸部１１と凹部１２とを有する。ここで、有効領域１３は、光学系において利用される光が透過する領域であり、例えば、非点収差補正素子１０を透過した光を対物レンズによって光ディスクに集光させる光ヘッド装置の場合、対物レンズに入射する光に相当する領域が有効領域となる。また、非点収差補正素子１０に入射する全ての光を利用する場合、有効領域は、光軸と交わる点の光強度を１としたとき、ガウシアン分布で近似される光強度が１／ｅ２以上となる領域とする。
【０１５９】
非点収差補正素子１０は凸部１１と凹部１２とが、隣接する凸部１１と凹部１２との２つの境界線が略直交し、この２つの境界線の交点が光軸に一致するように構成される。図３において、凸部１１および凹部１２はそれぞれ直角三角形の領域を示しているが、これに限らない。有効領域１３内においてそれぞれ、２つの境界線によって配置された２つの凸部１１と２つの凹部１２とが配置されていれば、有効領域１３より外側はどのような形であってもよい。尚、以降の非点収差補正素子２０、コマ収差補正素子３０および球面収差補正素子４０についてもそれぞれの有効領域より外側の形状等については任意である。
【０１６０】
また、図４は、図３の１つの境界線を交差するように与えたＱ−Ｑ´の断面模式図である。非点収差補正素子１０は基板１５上に、平均屈折率がｎ１である媒質からなる厚さ（ｄ１＋ｄ２）となる凸部１１と、平均屈折率がｎ２である媒質からなる厚さｄ２となる凹部１２を有する。また、凹部１２の表面から凸部１１の表面までの空間１４には、平均屈折率がｎ３である媒質を有する。そして、波長λ１、λ２、λ３を含む波長帯の光に対していずれも、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係を満たす。
【０１６１】
ここで、波長λの光に対する、凸部１１の平均屈折率をｎ１（λ）、凹部１２の平均屈折率をｎ２（λ）、空間１４の平均屈折率をｎ３（λ）とすると、凸部１１を透過する光と、凹部１２および空間１４を透過する光との間に生じる光路差Ｌ（λ）は、
【０１６２】
（数２３）
Ｌ（λ）＝ｎ１（λ）×（ｄ１＋ｄ２）−ｎ２（λ）×ｄ２−ｎ３（λ）×ｄ１      （８）
【０１６３】
となる。尚、これは、回折格子の実施の形態１．の式（４）に相当する。
【０１６４】
式（８）においてｄ１とｄ２の値を所定のものとすることで、凸部１１と凹部１２に波長λ３の光が入射した場合、光路差Ｌ（λ３）が略０になり非点収差が発生せずに、波長λ１および波長λ２の光が入射した場合には凸部と凹部との間に光路差を生じ、非点収差を与える非点収差補正素子１０を得ることができる。
【０１６５】
次に、具体的に、互いに異なる３つの波長を設定し、各波長の光に対する、凸部１１の媒質の平均屈折率、凹部１２の媒質の平均屈折率および空間１４の平均屈折率、凸部１１および凹部１２の厚さを設定する。まず、異なる３つの波長をそれぞれ、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍとする。そして、各波長における各媒質の屈折率を表１より参照する。
【０１６６】
本実施形態の非点収差補正素子１０は、基板１５として石英ガラス上に凸部１１の媒質としてＳｉＯ２、凹部１２の媒質としてＴｉＯ２を用いる。また、空間１４の媒質は空気である。このとき、ｄ１＝９４２ｎｍ、ｄ２＝４５８ｎｍとすると、凸部１１と、凹部１２および空間１４の光路長差に対して２π／λを乗じて求められる各波長の光の位相差および発生する非点収差は、表５に示す通りである。尚、非点収差補正素子１０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφとする。
【０１６７】
【表５】
2010016559.tif 000007
【０１６８】
このように、波長４０５ｎｍの光に対して非点収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して非点収差を発生させる非点収差補正素子１０が得られる。尚、本実施形態は、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種について非点収差を発生せず、他の２種の波長の光に対して非点収差を発生させる第２の実施の態様に基づく。
【０１６９】
非点収差補正素子の実施の形態２．
本実施形態は、非点収差補正素子１０において、互いに異なる３つの波長の光のうち、２種について非点収差を発生せず、他の１種の波長の光に対して非点収差を発生させる第１の実施の態様に基づくものである。非点収差補正素子１０は、非点収差補正素子の実施の形態１．と同じ媒質の組合せ、つまり、石英ガラス上に凸部１１の媒質としてＳｉＯ２、凹部１２の媒質としてＴｉＯ２を用いる。このとき、ｄ１＝４２６ｎｍ、ｄ２＝２７０ｎｍとするとき、凸部１１と、凹部１２および空間１４との各波長の光の位相差および発生する非点収差は、表６に示す通りである。尚、非点収差補正素子１０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφとする。
【０１７０】
【表６】
2010016559.tif 000008
【０１７１】
このように、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して非点収差をほとんど発生させず、波長４０５ｎｍの光に対して非点収差を発生させる非点収差補正素子１０が得られる。
【０１７２】
非点収差補正素子の実施の形態３．
本実施形態は、非点収差補正素子１０において、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種について非点収差を発生せず、他の２種の波長の光に対して非点収差を発生させる第２の実施の態様に基づくものである。石英ガラス上に凸部１１の媒質としてＳｉＯ２、凹部１２の媒質としてＮｂ２Ｏ５を用いる。このとき、ｄ１＝１３４２ｎｍ、ｄ２＝６０７ｎｍとするとき、凸部１１と、凹部１２および空間１４との各波長の光の位相差および発生する非点収差は、表７に示す通りである。尚、非点収差補正素子１０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφとする。
【０１７３】
【表７】
2010016559.tif 000009
【０１７４】
このように、波長４０５ｎｍの光に対して非点収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して非点収差を発生させる非点収差補正素子１０が得られる。
【０１７５】
非点収差補正素子の実施の形態４．
本実施形態は、非点収差補正素子１０において、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種について非点収差を発生せず、他の２種の波長の光に対して非点収差を発生させる第２の実施の態様に基づくものである。基板となる石英ガラス上に凸部１１として、ＳｉＯ２そして、順にＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２とを交互に２層ずつ積層させた構造を有し、凹部１２として、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とを交互に積層させた構造を有する。尚、凸部１１のうち、石英ガラス上のＳｉＯ２を除く４層については、反射防止膜（ＡＲ膜）とも言う。さらに、凹部１２の平均屈折率ｎ２は、凸部１１の平均屈折率ｎ１より大きい多層膜構造を有するが、本実施形態において凹部１２の多層膜構造（１０層）そのものが反射防止膜としても機能する膜構成とする。表８に凸部の具体的な構造、表９に凹部の具体的な構造を示す。
【０１７６】
【表８】
2010016559.tif 000010
【０１７７】
【表９】
2010016559.tif 000011
【０１７８】
尚、表８において、層番号が１の層が空気との界面にある層であって、層番号５が石英ガラスとの界面にある層である。そして、表９において、層番号が１の層が空気との界面にある層であって、層番号１０が石英ガラスとの界面にある層である。そして、図４における厚さｄ１は８８６ｎｍ、厚さｄ２は９９７ｎｍである。また、このとき凸部１１、凹部１２および空間１４の平均屈折率は、表１０に示す通りである。
【０１７９】
【表１０】
2010016559.tif 000012
【０１８０】
このように、ＡＲ膜を有する凸部１１とＡＲ膜の機能を有する多層膜からなる凹部１２の透過率の波長依存性は、図１１のようになり、４０５ｎｍ、６６０ｎｍおよび７８５ｎｍにおいてそれぞれ、界面反射による透過率の損失を低減することができる。また、凸部１１と、凹部１２および空間１４との各波長の光の位相差および発生する非点収差は、表１１に示す通りである。
【０１８１】
【表１１】
2010016559.tif 000013
【０１８２】
このように、波長４０５ｎｍの光に対して非点収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して非点収差を発生させ、さらに高い透過率を実現した非点収差補正素子１０が得られる。
【０１８３】
非点収差補正素子の実施の形態５．
本実施形態は、非点収差補正素子の実施の形態１．〜４．と異なる平面構造を有する非点収差補正素子である。図５は、本実施形態の非点収差補正素子２０の平面模式図であり、収差を補正する波長の光の光軸Ｏを中心とした有効領域２３の中に凸部２１と凹部２２とを有する。非点収差補正素子２０は、凸部２１と凹部２２とが、略平行する２つの境界線Ｌ１、Ｌ２によって、光軸を含む凹部２２と、凹部２２の外側にそれぞれ２つの凸部２１が配置される。
【０１８４】
また、境界線Ｌ１、Ｌ２によってできる間隔を二分する線上に光軸Ｏが位置し、光軸Ｏから境界線Ｌ１までの（最短）距離、光軸Ｏから境界線Ｌ２までの（最短）距離はいずれも距離ｗである。図６は、光軸Ｏを含み、境界線Ｌ１および境界線Ｌ２を交差するように与えたＲ−Ｒ´の断面模式図である。非点収差補正素子２０は基板２５上に、平均屈折率がｎ１である媒質からなる厚さ（ｄ１＋ｄ２）となる凸部２１と、平均屈折率がｎ２である媒質からなる厚さｄ２となる凹部２２を有する。また、凹部２２の表面から凸部２１の表面までの空間２４には、平均屈折率がｎ３である媒質を有する。そして、波長λ１、λ２、λ３を含む波長帯の光に対していずれも、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係を満たす。
【０１８５】
各波長における光路長Ｌ（λ）は、上記の式（８）を用いることができ、式（８）においてｄ１とｄ２の値を所定のものとすることで、上記の、第１の実施の態様または第２の実施の態様に基づく、波長選択性を有する非点収差補正素子２０を実現できる。例えば、凸部２１と凹部２２に波長λ１の光が入射した場合、光路差Ｌ（λ１）および光路差Ｌ（λ２）が略０になり非点収差が発生せずに、波長λ３の光が入射した場合には凸部と凹部との間に光路差を生じ、非点収差を与える非点収差補正素子２０を得ることができる。
【０１８６】
次に、具体的に、互いに異なる３つの波長をそれぞれ、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍと設定し、各波長の光に対する、凸部２１の媒質の平均屈折率、凹部２２の媒質の平均屈折率および空間２４の平均屈折率、凸部２１および凹部２２の厚さを設定する。
【０１８７】
本実施形態の非点収差補正素子２０は、基板２５として石英ガラス上に凸部２１の媒質としてＳｉＯ２、凹部２２の媒質としてＴｉＯ２を用いる。また、空間２４の媒質は空気である。このとき、ｄ１＝９４２ｎｍ、ｄ２＝４５８ｎｍとすると、凸部２１と、凹部２２および空間２４の光路長差に対して２π／λを乗じて求められる各波長の光の位相差および発生する非点収差は、表１２に示す通りである。尚、非点収差補正素子２０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφの円領域、さらに、図５における距離ｗを０．６ｍｍとする。
【０１８８】
【表１２】
2010016559.tif 000014
【０１８９】
このように、波長４０５ｎｍの光に対して非点収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して非点収差を発生させる非点収差補正素子２０が得られる。尚、本実施形態は、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種について非点収差を発生せず、他の２種の波長の光に対して非点収差を発生させる第２の実施の態様に基づく。また、凸部２１を構成する材料および凹部２２を構成する材料はこれに限らず、互いに異なる３つの波長の光のうち、２種について非点収差を発生せず、他の１種の波長の光に対して非点収差を発生させる第１の実施の態様に基づくものであってもよい。さらに、凸部２１がＡＲ膜を含む構造を有し、凹部２２が多層膜の構造を有するものであってもよい。また、凸部２１の位置と凹部２２の位置とが入れ替わってもよく、つまり、光軸Ｏの位置に凸部が配置されるものであってもよい。
【０１９０】
コマ収差補正素子の実施の形態
本実施形態は、コマ収差を補正する構造を有するコマ収差補正素子である。図７は、本実施形態のコマ収差補正素子３０の平面模式図であり、収差を補正する波長の光の光軸Ｏを中心とした有効領域３３の中に凸部３１と凹部３２とを有する。コマ収差補正素子３０は、光軸と直交する平面における有効領域３３内に島状の凹部３２を有する。そして、凹部３２が形成された領域を二分するように、図７において光軸Ｏを含むｘ方向を対称軸としたとき、凸部３１同士、凹部３２同士が互いに重なって線対称となるように、また、ｘ方向と直交し、光軸Ｏを含むｙ方向を対称軸としたとき、凸部３１と凹部３２とが互いに重なるように、凸部３１、凹部３２を配置される。
【０１９１】
具体的に、図７をｘ−ｙ平面として原点（ｘ，ｙ）＝（０，０）を光軸Ｏとしたとき、有効領域３３を、光軸Ｏを中心とする半径ｒの円領域とし、ｘｙ座標系において、Ｘ＝ｘ／ｒ、Ｙ＝ｙ／ｒとしたとき、凹部３２の領域は、
【０１９２】
（数２４）
ｆ（Ｘ，Ｙ）＝ａ／２×（３Ｘ２＋３Ｙ２−２Ｘ）                （９）
【０１９３】
の関数において、所定の値Φ以下を満たすものである。尚、ａは、所定の値Φを決定する任意の定数である。
【０１９４】
図８は、光軸Ｏを含むＸ方向において、凸部３１と凹部３２との境界線を交差するように与えたＳ−Ｓ´の断面模式図である。コマ収差補正素子３０は基板３５上に、平均屈折率がｎ１である媒質からなる厚さ（ｄ１＋ｄ２）となる凸部３１と、平均屈折率がｎ２である媒質からなる厚さｄ２となる凹部３２を有する。また、凹部３２の表面から凸部３１の表面までの空間３４には、平均屈折率がｎ３である媒質を有する。そして、波長λ１、λ２、λ３を含む波長帯の光に対していずれも、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係を満たす。
【０１９５】
各波長における光路長Ｌ（λ）は、上記の式（８）を用いることができ、式（８）においてｄ１とｄ２の値を所定のものとすることで、上記の、第１の実施の態様または第２の実施の態様に基づく、波長選択性を有するコマ収差補正素子３０を実現できる。例えば、凸部３１と凹部３２に波長λ１の光が入射した場合、光路差Ｌ（λ１）および光路差Ｌ（λ２）が略０になりコマ収差が発生せずに、波長λ３の光が入射した場合には凸部と凹部との間に光路差を生じ、コマ収差を与えるコマ収差補正素子３０を得ることができる。
【０１９６】
次に、具体的に、互いに異なる３つの波長をそれぞれ、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍと設定し、各波長の光に対する、凸部３１の媒質の平均屈折率、凹部３２の媒質の平均屈折率および空間３４の平均屈折率、凸部３１および凹部３２の厚さを設定する。
【０１９７】
本実施形態のコマ収差補正素子３０は、基板３５として石英ガラス上に凸部３１の媒質としてＳｉＯ２、凹部３２の媒質としてＴｉＯ２を用いる。また、空間３４の媒質は空気である。また、コマ収差補正素子３０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφの円領域、上記式（９）においてａ＝０．０１５、所定の値Φ＝６．７２×１０−５とする。このとき、ｄ１＝９４２ｎｍ、ｄ２＝４５８ｎｍとすると、凸部３１と、凹部３２および空間３４の光路長差に対して２π／λを乗じて求められる各波長の光の位相差および発生するコマ収差は、表１３に示す通りである。
【０１９８】
【表１３】
2010016559.tif 000015
【０１９９】
このように、波長４０５ｎｍの光に対してコマ収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対してコマ収差を発生させるコマ収差補正素子３０が得られる。尚、本実施形態は、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種についてコマ収差を発生せず、他の２種の波長の光に対してコマ収差を発生させる第２の実施の態様に基づく。また、凸部３１を構成する材料および凹部３２を構成する材料はこれに限らず、互いに異なる３つの波長の光のうち、２種についてコマ収差を発生せず、他の１種の波長の光に対してコマ収差を発生させる第１の実施の態様に基づくものであってもよい。さらに、凸部３１がＡＲ膜を含む構造を有し、凹部３２が多層膜の構造を有するものであってもよい。また、凸部３１の位置と凹部３２の位置とが入れ替わってもよい。
【０２００】
球面収差補正素子の実施の形態
本実施形態は、球面収差を補正する構造を有する球面収差補正素子である。図９は、本実施形態の球面収差補正素子４０の平面模式図であり、収差を補正する波長の光の光軸Ｏを中心とした有効領域４３の中に凸部４１と凹部４２とを有する。球面収差補正素子４０は、光軸Ｏを中心とした円領域となる凸部４１を有し、円領域となる凸部４１を囲んで輪帯状に凹部４２を有し、さらに、凹部４２を囲んで輪帯状に凸部４１を有する。つまり、光軸Ｏを含む円領域と複数の輪帯領域を有し、それぞれ凸部４１と凹部４２が光軸から離れる方向に交互い配置される。
【０２０１】
具体的に、図９をｘ−ｙ平面として原点（ｘ，ｙ）＝（０，０）を光軸Ｏとしたとき、有効領域４３を、光軸Ｏを中心とする半径ｒの円領域とし、ｘｙ座標系において、Ｘ＝ｘ／ｒ、Ｙ＝ｙ／ｒとしたとき、凸部４１の領域は、
【０２０２】
（数２５）
ｆ（Ｘ，Ｙ）＝ｂ／６×｛６（Ｘ２＋Ｙ２）２−６（Ｘ２＋Ｙ２）２｝      （１０）
【０２０３】
の関数において、所定の値Ψ以下を満たすものである。尚、ｂは、所定の値Ψを決定する任意の定数である。
【０２０４】
図１０は、光軸Ｏを含むＸ方向において、凸部４１と凹部４２との境界線を交差するように与えたＴ−Ｔ´の断面模式図である。球面収差補正素子４０は基板４５上に、平均屈折率がｎ１である媒質からなる厚さ（ｄ１＋ｄ２）となる凸部４１と、平均屈折率がｎ２である媒質からなる厚さｄ２となる凹部４２を有する。また、凹部４２の表面から凸部４１の表面までの空間４４には、平均屈折率がｎ３である媒質を有する。そして、波長λ１、λ２、λ３を含む波長帯の光に対していずれも、ｎ２＞ｎ１＞ｎ３の関係を満たす。
【０２０５】
各波長における光路長Ｌ（λ）は、上記の式（８）を用いることができ、式（８）においてｄ１とｄ２の値を所定のものとすることで、上記の、第１の実施の態様または第２の実施の態様に基づく、波長選択性を有する球面収差補正素子４０を実現できる。例えば、凸部４１と凹部４２に波長λ１の光が入射した場合、光路差Ｌ（λ１）および光路差Ｌ（λ２）が略０になり球面収差が発生せずに、波長λ３の光が入射した場合には凸部と凹部との間に光路差を生じ、球面収差を与える球面収差補正素子４０を得ることができる。
【０２０６】
次に、具体的に、互いに異なる３つの波長をそれぞれ、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍと設定し、各波長の光に対する、凸部４１の媒質の平均屈折率、凹部４２の媒質の平均屈折率および空間４４の平均屈折率、凸部４１および凹部４２の厚さを設定する。
【０２０７】
本実施形態の球面収差補正素子４０は、基板４５として石英ガラス上に凸部４１の媒質としてＳｉＯ２、凹部４２の媒質としてＴｉＯ２を用いる。また、空間４４の媒質は空気である。また、球面収差補正素子４０に入射する光の有効領域は、２ｍｍφの円領域、上記式（１０）においてｂ＝１×１０−３、所定の値Ψ＝１．５×１０−４とする。このとき、ｄ１＝９４２ｎｍ、ｄ２＝４５８ｎｍとすると、凸部４１と、凹部４２および空間４４の光路長差に対して２π／λを乗じて求められる各波長の光の位相差および発生する球面収差は、表１４に示す通りである。
【０２０８】
【表１４】
2010016559.tif 000016
【０２０９】
このように、波長４０５ｎｍの光に対して球面収差を発生させず、波長６６０ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対して球面収差を発生させる球面収差補正素子４０が得られる。尚、本実施形態は、互いに異なる３つの波長の光のうち、１種について球面収差を発生せず、他の２種の波長の光に対して球面収差を発生させる第２の実施の態様に基づく。また、凸部４１を構成する材料および凹部４２を構成する材料はこれに限らず、互いに異なる３つの波長の光のうち、２種について球面収差を発生せず、他の１種の波長の光に対して球面収差を発生させる第１の実施の態様に基づくものであってもよい。さらに、凸部４１がＡＲ膜を含む構造を有し、凹部４２が多層膜の構造を有するものであってもよい。また、凸部４１の位置と凹部４２の位置とが入れ替わってもよい。
【０２１０】
光ヘッド装置の実施の形態１．
図１２は、本実施の形態の光ヘッド装置の構成図である。この光ヘッド装置は、対応する波長が異なる光記録媒体、すなわち、ＨＤ−ＤＶＤまたはＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤのいずれにも適用可能である。
【０２１１】
光ヘッド装置１０１は、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍ、波長７８５ｎｍの３波長のレーザ光を出射する光源１０２と、ビームスプリッタ１０３と、コリメータレンズ１０４と、対物レンズ１０５と、検出器１０６とを有し、光源１０２とコリメータレンズ１０４の間の光路中に本発明による回折格子１が配置されている。本実施の形態では、回折格子１として実施の形態１の回折格子を用いる。これにより、ＨＤ−ＤＶＤまたはＢＤのトラッキング用の３ビームが得られる。
【０２１２】
光源１０２から出射された光は、回折格子１、ビームスプリッタ１０３、コリメータレンズ１０４および対物レンズ１０５を透過した後に、光記録媒体である光ディスク１０７の情報記録面に到達する。その後、光ディスク１０７の情報記録面で反射されて、往路とは逆に、対物レンズ１０５およびコリメータレンズ１０４の順で復路を辿る。その後、ビームスプリッタ１０３を通過する際に進行方向が９０度曲げられて検出器１０６に到達する。光ディスク１０７は、ＨＤ−ＤＶＤまたはＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤである。
【０２１３】
光源１０２は、ＨＤ−ＤＶＤ用またはＢＤ用の波長４０５ｎｍ、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ、ＣＤ用の波長７８５ｎｍの３つの波長帯域のレーザ光を出射する３波長半導体レーザである。尚、これに限られるものではなく、例えば、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍのレーザ光を出力する２波長半導体レーザと、波長４０５ｎｍのレーザ光を出力する半導体レーザとの２つの光源を用いて光ヘッド装置を構成することもできる。この場合、３つの波長のレーザ光が共通して通る位置に回折格子を設置する。
【０２１４】
回折格子１では、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍにおける光路長差がゼロまたはゼロと実質的に等しく、波長４０５ｎｍにおける光路長差がこれらとは実質的に異なっている。このため、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの光を透過し、波長４０５ｎｍの光を回折するので、波長４０５ｎｍの光の光ディスク１０７への結像性能が最適化される。すなわち、回折格子１を透過した波長４０３ｎｍの光は、対物レンズ１０５に入射した後、光ディスク１０７の情報記録面上に集光される。回折格子１は、波長４０５ｎｍの光のみを回折するように設計されているので、対物レンズ１０５の特性と相まって、ＨＤ−ＤＶＤまたはＢＤの記録再生に問題ない光スポットが形成される。
【０２１５】
尚、本実施の形態の光ヘッド装置に適用可能な回折格子は、実施の形態１の回折格子に限られるものではない。例えば、実施の形態５の回折格子を用いれば、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの光を回折するので、これらの波長の光についてのみ±１次回折光をトラッキング用のサブビームとして発生させることができる。また、実施の形態６の回折格子を用いれば、波長７８５ｎｍの光のみをトラッキング用のサブビームとして発生させることができる。さらに、実施の形態７または実施の形態８の回折格子を用いれば、波長４０５ｎｍの光のみをトラッキング用のサブビームとして発生させることができる。
【０２１６】
また、２つ以上の回折格子が積層された回折格子を用いることもできる。この場合には、次のような効果が得られる。
【０２１７】
回折格子のピッチをｐとし、波長λにおける回折角をθとすると、ｓｉｎθは（λ／ｐ）に比例する。ここで、波長の異なる２つ以上の光を出射するモノシリックな半導体レーザと、凹凸部のピッチが単一である回折格子とを合わせて使用する場合、単一の検出器では、波長による回折角の違いを補うために検出器の受光面積を大きくする必要がある。しかしながら、検出器の大型化は、高周波特性の低下を招いて、光ディスクの高速再生の障害となるおそれがある。一方、波長毎に検出器の受光面を形成した場合には、受光素子の増加によって信号処理回路が複雑化するおそれもある。そこで、例えば、波長６６０ｎｍでは回折し、波長４０５ｎｍと波長７８５ｎｍでは直進透過する回折格子と、波長６６０ｎｍでは直進透過し、波長４０５ｎｍと波長７８５ｎｍでは回折する回折格子とを積層する。そして、それぞれの格子ピッチを最適化して用いれば、検出器の受光面積を大きくする必要がなくなるので、上記問題を解消することができる。
【０２１８】
光ヘッド装置の実施の形態２．
図１３Ａおよび図１３Ｂは、本実施の形態の光ヘッド装置の構成図である。図１３Ａの光ヘッド装置２００は、光ヘッド装置１００に収差補正素子２１０および／または収差補正素子２２０を３つの異なる波長の光の光路中に配置したものであり、図１３Ｂの光ヘッド装置２０１は、光ヘッド装置２００に対して回折格子１を配置しないものである。尚、光ヘッド装置１００に用いられるものと同じものには、それぞれ同じ番号を付して説明の重複を避ける。
【０２１９】
光ヘッド装置２００、２０１において、波長４０５ｎｍの光、波長６６０ｎｍの光、波長７８５ｎｍの光に共通する光路中であれば、光源１０２とビームスプリッタ１０３との間の光路中、ビームスプリッタ１０３と対物レンズ１０５との間の光路中に配置することができる。また、補正すべき収差の種類、補正すべき波長の光に応じて、各種の収差補正素子を配置すればよく、光ヘッド装置２００、２０１において１つの収差補正素子に限らず、複数の収差補正素子を配置するものであってもよい。
【０２２０】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２００８年８月７日出願の日本特許出願（特願２００８−２０３９５６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【０２２１】
１  回折格子
２、１５  基板
３、１１、２１、３１、４１  凸部
４、１２、２２、３２、４２  凹部
５、１４、２４、３４、４４  空間
１０、２０  非点収差補正素子  
３０  コマ収差補正素子  
４０  球面収差補正素子  
１３、２３、３３、４３  有効領域  
１０１、２００、２０１  光ヘッド装置
１０２  光源
１０３  ビームスプリッタ
１０４  コリメータレンズ
１０５  対物レンズ
１０６  検出器
１０７  光ディスク
２１０、２２０  収差補正素子
【図１】
2010016559.tif 000017
【図２】
2010016559.tif 000018
【図３】
2010016559.tif 000019
【図４】
2010016559.tif 000020
【図５】
2010016559.tif 000021
【図６】
2010016559.tif 000022
【図７】
2010016559.tif 000023
【図８】
2010016559.tif 000024
【図９】
2010016559.tif 000025
【図１０】
2010016559.tif 000026
【図１１】
2010016559.tif 000027
【図１２】
2010016559.tif 000028
【図１３Ａ】
2010016559.tif 000029
【図１３Ｂ】
2010016559.tif 000030
【国際調査報告】
2010016559.tif 000031
2010016559.tif 000032
2010016559.tif 000033
2010016559.tif 000034