(57)【要約】【課題】  頂部と底部との繰り返しによる複雑な位相構造を有する場合でも、光量損失を最小限に抑えるとともに金型成形で製造する際に形状誤差や変形を抑えることのできる光学素子、その光学素子を用いた光ピックアップ装置及び光通信モジュールを提供する。【解決手段】  この光学素子は、頂部１３と底部１４との繰り返しによる位相構造を有し、頂部と底部との間の光軸方向Ｐの高さをＴとし、頂部と底部とを結ぶ直線が光軸と成す角度をθとしたとき、次の関係式を満たす。５≦Ｔ≦１００（μｍ）、１．５≦θ≦１５（°）【選択図】  図１
2006323915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部と底部との繰り返しによる位相構造を有する光学素子において、
前記頂部と前記底部との間の光軸方向の高さをＴとし、前記頂部と前記底部とを結ぶ直線が前記光軸と成す角度をθとしたとき、次の関係式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする光学素子。
５≦Ｔ≦１００（μｍ）    （１）
１．５≦θ≦１５（°）    （２）
【請求項２】
前記角度θが次の関係式（３）を満たす請求項１に記載の光学素子。
１０Ｔα≦θ≦５０Ｔα    （３）
ここで、θはラジアンで表し、高さＴは各頂部と各底部との間の光軸方向の高さの内の最大高さであり、μｍで表し、αは光学素子を形成する材料の線膨張係数である。
【請求項３】
前記光学素子の外径が５ｍｍ以下である請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学素子の外径が１ｍｍ以上である請求項１，２または３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子の高さＴが８０μｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子の高さＴが６０μｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子の高さＴが１０μｍ以上である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記光学素子の高さＴが１５μｍ以上である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記位相構造がブレイズ構造または階段状構造である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記光学素子は射出成形により得られたものである請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記角度θは、前記頂部と前記底部とを結ぶ直線が複数ある場合、前記光軸と成す角度の内の小さい方である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記光学素子が光ピックアップ装置用の対物レンズ、カップリングレンズ、コリメートレンズ、ダイバージェントレンズ及びビームエキスパンダレンズの内の少なくともいずれかである請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記光ピックアップ装置が互いに異なる波長λ１，λ２，λ３の少なくとも２つの波長の光で光情報記録媒体に対し情報の記録及び／又は再生を行う場合、前記波長λ１，λ２，λ３は、次の関係式を満足する請求項１２項に記載の光学素子。
３５０ｎｍ＜λ１＜５５０ｎｍ
６００ｎｍ＜λ２＜７００ｎｍ
７００ｎｍ＜λ３＜８５０ｎｍ
【請求項１４】
前記光学素子が光通信モジュール用のレンズである請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記光通信モジュールが異なる波長λ４，λ５の光を用いて送信及び受信を行う場合、前記波長λ４，λ５が次の関係式を満足する請求項１４項に記載の光学素子。
１２８０ｎｍ≦λ４≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ５≦１５００ｎｍ
【請求項１６】
前記光通信モジュールが互いに異なる波長λ４，λ５，λ６の光を用いて送信及び受信を行う際に、前記波長λ４，λ５，λ６が次の関係式を満足する請求項１４項に記載の光学素子。
１２８０ｎｍ≦λ４≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ５≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ６≦１５７０ｎｍ
【請求項１７】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１８】
光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する光ピックアップ装置であって、
第１光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ１の光束を出射する第１の光源と、第２光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ２（λ１＜λ２）の光束を出射する第２の光源と、第３光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ３（λ２＜λ３）の光束を出射する第３の光源と、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子と、を備え、
前記光学素子により、前記第１光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第１の光源から出射された光束を前記第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、前記第２光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第２の光源から出射された光束を前記第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、前記第３光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第３の光源から出射された光束を前記第３光情報記録媒体の情報記録面に集光させることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項１９】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子が対物レンズであることを特徴とする請求項１８に記載の光ピックアップ装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１１、１４，１５及び１６のいずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする光通信モジュール。
【請求項２１】
光ファイバの端末に向け光を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光を受光する受光素子と、請求項１乃至１１、１４，１５及び１６のいずれか１項に記載の光学素子からなる分光手段と、を備え、
前記分光手段が波長の異なる前記各光を異なる向きに相対的に屈曲させることで、前記発光素子からの光を前記光ファイバの端末に入射させるとともに、前記光ファイバの端末からの光を前記受光素子に入射させるように構成したことを特徴とする双方向用の光通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相構造を有する光学素子、その光学素子を用いた光ピックアップ装置及び光通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１は、段差部が傾斜した回折格子を開示し、この回折格子は入射光及び回折光に対して良好な回折効率を得るために、段差部を傾斜させるものである。特許文献１では、回折格子の段差部の傾斜は、回折光の方向に沿う方向に傾け、段差部により回折光が散乱しフレアとなることを防ぐことを目的としており、金型による回折格子の形成において生ずる形状誤差についてはなんら考慮されておらず、回折格子の高さに依存せずに段差部の傾斜が決定されているので、金型による成形で回折格子の形状誤差を生じうる可能性が多大である。
【０００３】
下記特許文献２は、同じく段差部が傾斜した回折格子を開示し、エッチングによる製造を目的とし、この回折格子をエッチングにより作成したとき、なりうる形状を示しており、明細書中に記載された条件式はマスクの隙間を規定するものである。特許文献２では、金型による回折格子の形成において生ずる形状誤差についてはなんら考慮されておらず、回折格子の高さに依存せずに段差部の傾斜が決定されているので、金型による成形で回折格子の形状誤差を生じうる可能性が多大である。しかし、特許文献２には上記特許文献１と同様に金型を用いた成形により回折格子を得るための形状の開示も示唆もない。
【特許文献１】特開平１０−１８６１１８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６９０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、頂部と底部との繰り返しによる複雑な位相構造を有する場合でも、光量損失を最小限に抑えるとともに金型成形で製造する際に形状誤差や変形を抑えることのできる光学素子、その光学素子を用いた光ピックアップ装置及び光通信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明による光学素子は、頂部と底部との繰り返しによる位相構造を有する光学素子において、前記頂部と前記底部との間の光軸方向の高さをＴとし、前記頂部と前記底部とを結ぶ直線が前記光軸と成す角度をθとしたとき、次の関係式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。
５≦Ｔ≦１００（μｍ）    （１）
１．５≦θ≦１５（°）    （２）
【０００６】
この光学素子によれば、頂部と底部との間の光軸方向の高さＴに関し、光の往復、波長、更に位相構造が４段である場合を考慮し、青色波長で６．４μｍであるので、波長特性や現実に適用可能な波長範囲のマージンを見込んで、５μｍ以上であることが必要であり、また、１００μｍ以下であることで、成形による製造の際に成形不良や不均一が生じ難くなり、形状誤差や変形が生じ難い。また、頂部と底部とを結ぶ直線が光軸と成す角度θに関し、角度θが１．５°以下であることで、成形品の光学素子が離型時に成形金型から抜けなくなることがないとともに、成形転写性を良好に維持できるので、形状誤差や変形を抑えることができる。また、角度θが１５°以下であることで、光量をロスする影の部分が大きくなり過ぎず、光量損失が大きくならない。以上のように、光量損失を最小限に抑えかつ形状誤差や変形を抑えるので、複雑な位相構造を有していても光学素子の性能を向上できる。
【０００７】
上記光学素子において前記角度θが次の関係式（３）を満たすことが好ましい。１０Ｔα≦θ≦５０Ｔα    （３）
【０００８】
ここで、θはラジアンで表し、高さＴは各頂部と各底部との間の光軸方向の高さの内の最大高さであり、μｍで表し、αは光学素子を形成する材料の線膨張係数である。
【０００９】
角度θが上記関係式（３）の下限を下回らないようにすると、成形品の離型時の変形による形状誤差が発生する確率が低くなり、また、上記関係式（３）上限を超えないようにすると、段差側面部の傾斜にともなう回折効率の低下を実用上問題ないレベルに抑えることができる。
【００１０】
また、前記光学素子の外径が５ｍｍ以下であることが好ましく、また、１ｍｍ以上であることが好ましい。５ｍｍ以下の小径レンズに位相構造がある場合に、角度θの抜きテーパの必要性が顕在化し、金型成形で製造する際の形状誤差や変形を抑えることができる。なお、５ｍｍを越えた大径である場合も抜きテーパがあることが好ましいが、必ずしも上述の関係式（２）のように規定する範囲であるとは限らず、逆に、外径が１ｍｍ未満の場合であっても角度θの抜きテーパがあることが好ましいが、その角度や高さは関係式（１）、（２）の範囲から外れていてもよい。
【００１１】
また、前記光学素子の高さＴが８０μｍ以下であること（Ｔ≦８０）が、３波長を用いた光通信モジュールに使用することを考慮した場合に好ましく、また、それ以外の使用では前記光学素子の高さＴが６０μｍ以下であること（Ｔ≦６０）が好ましい。
【００１２】
また、前記光学素子の高さＴが１０μｍ以上であること（１０≦Ｔ）が、光通信用モジュールに使用することを考慮した場合に好ましく、それ以外の使用では前記光学素子の高さＴが１５μｍ以上であること（１５≦Ｔ）が好ましい。
【００１３】
また、前記位相構造がブレイズ構造または階段状構造であることが好ましい。なお、ブレイズ構造の場合は、鋸歯状の構造の頂部と底部との間の一つの光軸方向高さが上記Ｔに相当し、また、階段状構造の場合は、階段部の１セット分の最も高い段と最も低い段との光軸方向高さが上記Ｔに相当する。
【００１４】
また、前記光学素子は成形金型による射出成形により得られたものであることが好ましく、安価に大量生産が可能となる。なお、光学素子の材料は光学樹脂が好ましい。
【００１５】
また、前記角度θは、前記頂部と前記底部とを結ぶ直線が複数ある場合、前記光軸と成す角度の内の小さい方である。
【００１６】
また、前記光学素子が光ピックアップ装置用の対物レンズ、カップリングレンズ、コリメートレンズ、ダイバージェントレンズ及びビームエキスパンダレンズの内の少なくともいずれかであることが好ましい。この場合、上述の位相構造がレンズの光学面に形成される。また、前記光ピックアップ装置が互いに異なる波長λ１，λ２，λ３の少なくとも２つの波長の光で光情報記録媒体に対し情報の記録及び／又は再生を行う場合、前記波長λ１，λ２，λ３は、次の関係式を満足するように構成することが好ましい。
３５０ｎｍ＜λ１＜５５０ｎｍ
６００ｎｍ＜λ２＜７００ｎｍ
７００ｎｍ＜λ３＜８５０ｎｍ
【００１７】
また、前記光学素子が光通信モジュール用のレンズであることが好ましい。この場合、上述の位相構造がレンズの光学面に形成される。また、前記光通信モジュールが異なる波長λ４，λ５の光を用いて送信及び受信を行う場合、前記波長λ４，λ５が次の関係式を満足することが好ましい。
１２８０ｎｍ≦λ４≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ５≦１５００ｎｍ
【００１８】
また、前記光通信モジュールが互いに異なる波長λ４，λ５，λ６の光を用いて送信及び受信を行う際に、前記波長λ４，λ５，λ６が次の関係式を満足することが好ましい。
１２８０ｎｍ≦λ４≦１３４０ｎｍ
１４８０ｎｍ≦λ５≦１５００ｎｍ
１５３０ｎｍ≦λ６≦１５７０ｎｍ
【００１９】
本発明による光ピックアップ装置は、上述の光学素子を含むことを特徴とする。この光ピックアップ装置は、例えば、光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する光ピックアップ装置であって、第１光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ１の光束を出射する第１の光源と、第２光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ２（λ１＜λ２）の光束を出射する第２の光源と、第３光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生するための波長λ３（λ２＜λ３）の光束を出射する第３の光源と、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子と、を備え、前記光学素子により、前記第１光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第１の光源から出射された光束を前記第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、前記第２光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第２の光源から出射された光束を前記第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、前記第３光情報記録媒体に対して情報を記録及び／又は再生する際には、前記第３の光源から出射された光束を前記第３光情報記録媒体の情報記録面に集光させる。
【００２０】
上述の光ピックアップ装置によれば、上述の光学素子を用いることで、光量損失を最小限に抑えるとともに光学素子の形状誤差や変形を抑えることができ、光学素子の性能を向上できるので、光ピックアップ装置において安定して記録・再生を行うことができる。
【００２１】
また、上記光ピックアップ装置において上述の光学素子を対物レンズとすることができる。
【００２２】
本発明による光通信モジュールは上述の光学素子を含むことを特徴とする。この光通信モジュールは、例えば、光ファイバの端末に向け光を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光を受光する受光素子と、上述の光学素子からなる分光手段と、を備え、前記分光手段が波長の異なる前記各光を異なる向きに相対的に屈曲させることで、前記発光素子からの光を前記光ファイバの端末に入射させるとともに、前記光ファイバの端末からの光を前記受光素子に入射させるように構成した双方向用の光通信モジュールである。
【００２３】
上述の光通信モジュールによれば、上述の光学素子を用いることで、光量損失を最小限に抑えるとともに光学素子の形状誤差や変形を抑えることができ、光学素子の性能を向上できるので、光通信モジュールにおいて安定して送受信を行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光学素子によれば、頂部と底部との繰り返しによる複雑な位相構造を有する場合でも、光量損失を最小限に抑えるとともに金型成形で製造する際に形状誤差や変形を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
〈第１の実施の形態〉
【００２７】
図１は第１の実施の形態によるブレーズ回折構造を有する光学素子を示す一部側面図である。図２は第１の実施の形態による階段状回折構造を有する光学素子を示す一部側面図である。
【００２８】
図１に示すように、光学素子１０は、いわゆる鋸歯状のブレーズ回折構造を有し、光軸方向Ｐに対し比較的傾斜角が大きい略平面状の第１傾斜面１１と比較的傾斜角が小さい略平面状の第２傾斜面１２とを備え、第１傾斜面１１と第２傾斜面１２とが繰り返し形成されることで構成されている。
【００２９】
図１の光学素子１０において、光軸方向Ｐの最頂部である頂部１３と、光軸方向Ｐの最底部である底部１４との間の光軸方向Ｐにおける高さをＴ（μｍ）とし、頂部１３と底部１４とを結ぶ直線の内の第２傾斜面１２に沿った直線が光軸方向Ｐと成す角度をθ（°）とすると、次の関係式（１）及び（２）を満足するように構成されている。
５≦Ｔ≦１００（μｍ）    （１）
１．５≦θ≦１５（°）    （２）
【００３０】
また、図２に示す光学素子２０は、階段状回折構造を有し、光軸方向Ｐに略直交する複数の回折面部２１と、光軸方向Ｐに略平行な複数の立ち上がり面部２２と、を備え、各回折面部２１が各立ち上がり面部２２を介して図の右方向に段々に高くなるようにして４段の階段状に構成されている。
【００３１】
図２のように、光軸方向Ｐの最頂部である回折面部２１の隅部２１ａと、光軸方向Ｐの最底部である回折面部２１の隅部２１ｂとを結ぶ壁面が最深の立ち上がり面部２２を構成し、隅部２１ａと隅部２１ｂとの間の光軸方向Ｐにおける高さをＴ（μｍ）とし、隅部２１ａと隅部２１ｂとを結ぶ直線が光軸方向Ｐと成す角度をθ（°）とすると、上述の関係式（１）及び（２）を満足するように構成されている。
【００３２】
また、図２のような階段状の回折構造（波長選択回折、エシェロン型回折ともいう）の場合、光学素子の材料の屈折率をｎとし、立ち上がり面部２３による回折面部２１の各段差（高さ）ｄと波長λとの間には、Ｍをパラメータとして以下の関係式（６）が成り立つ。
（ｎ−１）ｄ＝Ｍ・λ    （６）
ここで、Ｍはほぼ整数となるように定められる。
【００３３】
上述の図１の頂部１３と底部１４との間の光軸方向Ｐの高さＴ、また、図２の最頂部の隅部２１ａと最低部の隅部２１ｂとの間の光軸方向Ｐの高さＴに関し、上記式（６）から、ｄ＝｛Ｍ／（ｎ−１）｝×λであり、屈折率ｎを１．５、青色波長（λ＝４００ｎｍ）とし、位相構造が４段であること及び光の往復を考慮して２倍することで、ｄ＝４×（１／（ｎ−１））×４００ｎｍ×２＝６．４μｍである。これに、波長特性や現実に適用可能な波長範囲のマージンを見込んで、５μｍ以上であることが必要であり、また、１００μｍ以下であることで、成形による製造の際に成形不良や不均一が生じ難くなるので、成形品である光学素子１０，２０に形状誤差や変形が生じ難い。
【００３４】
また、図１の頂部１３と底部１４とを結ぶ直線が光軸と成す角度θ、また、図２の隅部２１ａと隅部２１ｂとを結ぶ直線が光軸方向Ｐと成す角度をθに関し、角度θが１．５°以上であることで、成形品の光学素子１０，２０が離型時に成形金型から抜けなくなることがないとともに成形転写性を良好に維持でき、光学素子１０，２０の形状誤差や変形を抑えることができる。また、角度θが１５°以下であることで、光量をロスする影の部分が大きくなり過ぎず、光量損失が大きくならない。
【００３５】
以上のように、光学素子１０，２０の光量損失及び製造時の形状誤差や変形を抑えることができるので、複雑な位相構造を有していても光学素子１０，２０の性能を向上できる。
【００３６】
次に、図１，図２の光学素子の効果、特に角度θの範囲による効果について更に説明する。表面に回折構造などの段差による位相構造を設けた光学素子が知られており、例えば、光ピックアップや光通信モジュールに使用されているが、かかる光学素子では、使用波長や回折構造に要求する性能が複雑化していくと、隣り合う回折構造の、光軸にほぼ垂直な面の高さ（段差）が、光軸方向に延びて高くなる傾向にある。
【００３７】
例えば、光ピックアップ用の回折光学素子の場合、従来は多くが１次回折であったため、使用波長を８００ｎｍとすると、上記式（６）から導かれるｄ＝｛Ｍ／（ｎ−１）｝×λから、ｄ＝０．８μｍ×１×２（１次回折＝１波長分の段差で、ｎを１．５とする）＝１．６μｍとなる。つまり、最大でも１．６μｍ程度の段差であった。
【００３８】
一方、上述のような光学素子の多くは、プラスチック製であり、射出成形によって製造され、周知のとおり、形状が複雑になるほど射出成形の転写性が低下していくが、上記１．６μｍ程度の段差では成形上の問題は発生していなかった。
【００３９】
ここで、光ピックアップ装置用の光学素子としては、次世代の記録媒体のために青色光源を用いた光ピックアップ装置が登場し、これらと従来規格との互換が要求されている。このような光学素子には、記録媒体の基板厚に基づいて発生する球面収差の補正、色収差の補正、温度変化による収差の補正など、様々な機能を担わせるため、回折構造も複雑なものになっていく。鋸歯状の回折構造の場合、大きい回折次数としては１０次の回折光を使用する場合がある。この場合、使用波長を４００ｎｍとすると、上記式からｄ＝０．４μｍ×１０×２（１０次回折＝１０波長分の段差で、ｎを１．５とする）＝８μｍとなる。つまり、８μｍ程度の段差が生じる。
【００４０】
図２の階段状の回折構造では、その他の使用波長との関係から、５段の階段構造を繰り返すことがもっとも効率が良い。すると、上記式からｄ＝０．４μｍ×２×５×２（１段あたり２波長分の段差で、５段分。さらに屈折率を１．５とする）＝８μｍとなる。つまり、この場合も８μｍ程度の段差が生じる。
【００４１】
以上のように、次世代の光ディスク等の記録媒体に対応する光学素子に設けられる回折構造などの段差は、従来に比較して非常に大きくなっており、回折構造が複雑化している。
【００４２】
更に、光通信モジュールについても、同様の問題が生じている。即ち、従来は比較的高価な光学部品を用いてフェルールなどの部品を構成していたが、高速通信を普及させるために、安価な光通信モジュールが求められている。このような光通信モジュールでは、送受信を単一のモジュールで行うため、比較的長波長の光源を用いて送受信を行うが、それら２波長の効率を高めるため、ここでも波長選択性のある階段状の回折構造の光学素子が使用される。
【００４３】
このような素子の回折構造についてみると、使用波長を１３００ｎｍとすると、上記式からｄ＝１．３μｍ×２×４×２（１段あたり２波長分の段差で、４段分。さらに屈折率を１．５とする）＝２０．８μｍとなる。さらに段数を増やした設計解もあり、その場合は当然に段差の高さも増える。
【００４４】
このような高段差による複雑な回折構造を有する光学素子を射出成形で製造する場合、以前は問題になっていなかった転写性の問題が生じる。即ち、成形金型のキャビティ内に樹脂を注入し、固化させてから成形金型を開いて成形品を取り出すが、この場合、樹脂と成形金型との線膨張係数の差や、取り出し時の成形金型の移動軌跡が必ずしも成形金型の開放方向と一致しないことから、金型と成形品の一部とが擦れてしまう現象が生じることがあり、このため、成形品に傷がついたり変形が生じ、成形不良箇所が発生することがある。
【００４５】
上述のような成形不良箇所は、鋸歯状回折構造の鋸先端部や、階段状回折構造の最も高い段の部位に生じ易く、この不良により光量損失が生じてしまう。
【００４６】
ここで、従来のように、もっとも高い段差部を、光軸方向からやや傾けることにより、金型から成形品を取り出す際に、金型と成形品とが接触する問題を避け易くなるが、一方で、傾けすぎると、逆に傾けたことによる光量損失が発生してしまうこと、即ち、図８で最深の立ち上がり面部２２の傾斜角θが大きくなり過ぎると、図８のハッチング２２ａで示す影の部分の幅が大きくなり、光量をロスしてしまい、光量損失が大きくなり、また、同様に傾きがあると、成形金型から成形品を取り出した後、微小な収縮をした後の形状が等方的に縮小したものではなくなるといった問題を本発明者らは見出した。
【００４７】
そこで、本発明者らによる検討の結果、回折構造の段差がある高さ範囲を有し射出成形により得る光学素子について、成形金型からの取り出し時に生じる傷や変形を避けることができ、かつ光量損失を最小限に抑え、加えて成形品が収縮した後の形状も良好になる上述のような傾斜角θの適切な範囲を見出したのである。
【００４８】
〈第２の実施の形態〉
【００４９】
図３は第２の実施の形態による光ピックアップ装置の概略図である。図３の光ピックアップ装置１００は、複数種類の光ディスクについて情報の記録・再生が可能であり、例えば、０．１ｍｍ厚の透明基板を有する高密度ＤＶＤのような第１の光ディスク２００と、０．６ｍｍ厚の透明基板を有するＤＶＤのような第２の光ディスク２０１と、１．２ｍｍ厚の透明基板を有するＣＤのような第３の光ディスク２０２に対し情報の記録・再生が可能である。
【００５０】
図３の光ピックアップ装置１００は、第１の光ディスク２００の再生用第１光源である波長λ１が４００ｎｍ程度の半導体レーザ１１１と、第２の光ディスク２０１の再生用第２光源である波長λ２が６６０ｎｍ程度の半導体レーザ１１２と、第３の光ディスク２０２の再生用第３光源である波長λ３が８００ｎｍ程度の半導体レーザ１１３と、を有し、各半導体レーザ１１１、１１２、１１３からの各光束を、第１の光ディスク２００と第２の光ディスク２０１と第３の光ディスク２０２の各情報記録面上にそれぞれ集光させる対物レンズ１６０を有する。
【００５１】
対物レンズ１６０には、回折光学素子１６１が前置されており、回折光学素子１６１は図１と同様のブレーズ回折構造の回折格子を備え、第１光源１１１からの光束を第１の光ディスク２００を再生する際に必要な例えば０．８５程度の像側開口数内で透明基板を介して第１の光ディスク２００の情報記録面上に集光させることができ、第２の光源１１２からの光束を、第２の光ディスク２０１を再生する際に必要な例えば０．６０程度の像側開口数内で透明基板を介して第２の光ディスク２０１の情報記録面上に集光させることができ、更に、第３の光源１１３からの光束を、第３の光ディスク２０２を再生する際に必要な例えば０．４程度の像側開口数内で透明基板を介して第３の光ディスク２０２の情報記録面上に集光させることができる。なお、回折光学素子１６１は、成形金型を用いてプラスチックの射出成形で製造することができる。
【００５２】
第１の光ディスク２００を再生する場合、第１半導体レーザ１１２からビームを出射し、出射された光束は、ビームスプリッタ１９０，１９１，１９２を透過し、更に、コリメータ１３０、回折光学素子１６１、絞り１７０を透過し、対物レンズ１６０により第１の光ディスク２００の透明基板を介して情報記録面に集光される。
【００５３】
そして、第１の光ディスク２００の情報記録面で情報ビットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１６０、絞り１７０、回折光学素子１６１、コリメータ１３０を透過して、ビームスプリッタ１９２，１９１を透過し、ビームスプリッタ１９０に入射し、ここで反射してセンサレンズ１８０により非点収差が与えられ、光検出器３００上ヘ入射し、その出力信号を用いて、第１の光ディスク２００に記録された情報の読み取り信号が得られる。また、光検出器３００上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行う。この検出に基づいて２次元アクチュエータ１５０が第１の半導体レーザ１１１からの光束を第１の光ディスク２００の記録面上に結像するように対物レンズ１６０を移動させるとともに、半導体レーザ１１１からの光束を所定のトラックに結像するように対物レンズ１６０を移動させる。
【００５４】
第２の光ディスク２０１を再生する場合、第２半導体レーザ１１２からビームを出射し、出射された光束は、ビームスプリッタ１９１で反射し、ビームスプリッタ１９２を透過し、更に、コリメータ１３０、回折光学素子１６１、絞り１７０を透過し、対物レンズ１６０により第２の光ディスク２０１の透明基板を介して情報記録面に集光される。
【００５５】
そして、第２の光ディスク２０１の情報記録面で情報ビットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１６０、絞り１７０、回折光学素子１６１、コリメータ１３０を透過して、ビームスプリッタ１９２，１９１を透過し、ビームスプリッタ１９０に入射し、ここで反射してセンサレンズ１８０により非点収差が与えられ、光検出器３００上ヘ入射し、その出力信号を用いて、第２の光ディスク２０１に記録された情報の読み取り信号が得られる。また、光検出器３００上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行うことで、上述と同様に、２次元アクチュエータ１５０により対物レンズ１６０を移動させる。
【００５６】
第３の光ディスク２０２を再生する場合、第３半導体レーザ１１３からビームを出射し、出射された光束は、ビームスプリッタ１９２で反射し、コリメータ１３０、回折光学素子１６１、絞り１７０を透過し、対物レンズ１６０により第３の光ディスク２０２の透明基板を介して情報記録面に集光される。
【００５７】
そして、第３の光ディスク２０２の情報記録面で情報ビットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ１６０、絞り１７０、回折光学素子１６１、コリメータ１３０を透過して、ビームスプリッタ１９２，１９１を透過し、ビームスプリッタ１９０に入射し、ここで反射してセンサレンズ１８０により非点収差が与えられ、光検出器３００上ヘ入射し、その出力信号を用いて、第３の光ディスク２０２に記録された情報の読み取り信号が得られる。また、光検出器３００上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して合焦検出やトラック検出を行うことで、上述と同様に、２次元アクチュエータ１５０により対物レンズ１６０を移動させる。
【００５８】
以上のように、図３の光ピックアップ装置１００では、対物レンズ１６０に前置した図１と同様の回折光学素子１６１により、異なる波長の光束を異なる透明基板厚の光ディスク２００〜２０２の各情報記録面上に集光させる。この場合、３種の波長４００ｎｍ、６６０ｎｍ、８００ｎｍの光すべてに対して、回折効率が高い鋸歯状の回折光学素子１６１を得ようとすると、４００ｎｍの波長に対しては隣どうしで８波長分の波面とびがあり位相がそろい、このとき、６６０ｎｍの波長ではほぼ５波長分の波面とびがあり、また８００ｎｍの波長ではほぼ４波長分の波面とびが生じ、いずれも位相はほぼそろい、回折効率は高くなる。このようなブレーズ回折構造の回折光学素子１６１では図１の光軸方向Ｐにおける高さＴは、１６×０．４μｍ＝６．４μｍと高くなり、回折光学素子１６１が複雑化する。
【００５９】
また、同様のブレーズ回折構造で、４００ｎｍの波長に対し、隣どうしで１０波長分の波面とびができる構造でも、６６０ｎｍ、８００ｎｍの波長に対しても回折効率は高くなり、この場合、図１の高さＴは、２０×０．４μｍ＝８μｍと更に高くなり、回折光学素子１６１が更に複雑化する。
【００６０】
以上のように、図３の回折光学素子１６１が複雑化しても、図１のブレーズ階段状回折構造とすることで、光量損失を最小限に抑えるとともに光学素子の形状誤差や変形を抑えることができ、光学素子の性能を向上できるので、光ピックアップ装置１００において安定して記録・再生を行うことができる。なお、回折光学素子１６１は図２のような階段状回折構造としてもよい。また、回折光学素子１６１は対物レンズ１６０に一体に設けられてもよい。
【００６１】
〈第３の実施の形態〉
【００６２】
図４は第３の実施の形態による光通信モジュールを概念的に示す図である。
【００６３】
図４に示すように、光通信モジュール３０は、結合光学系３６と回折光学素子３５とを挟んで光ファイバ３４と、半導体レーザ３１・受光素子３２とが対向するようにして筐体３８内に配置されることで構成される。半導体レーザ３１、受光素子３２は固定部材２ａで筐体３８に固定され、カップリングレンズ３７は固定部材２ｂで筐体３８に固定され、また光ファイバ３４は固定部材２ｃで筐体３８に固定されている。
【００６４】
結合光学系３６はカップリングレンズ３７からなり、また、回折光学素子３５はカップリングレンズ３７の光ファイバ３４側の面３７ａに設けられた複数の階段状回折格子部３５ａから構成される。各階段状回折格子部３５ａは光軸Ｐと直交する方向に繰り返して配列されてカップリングレンズ３７の面３７ａ上に形成されており、カップリングレンズ３７と回折光学素子３５は、一体化しており、成形金型を用いてプラスチックの射出成形で製造することができる。
【００６５】
光通信モジュール３０は、上り光及び下り光による送信・受信を行う２波長用双方向通信モジュールであり、半導体レーザ３１から出射する波長λ４のレーザ光（図４の実線で示す上り光）がカップリングレンズ３７を透過し、その透過光（０次光）が光ファイバ３４の端面３４ａに結像し、また、光ファイバ３４の端面３４ａから出射する波長λ５の光（図４の破線で示す下り光）が回折光学素子３５で回折されて受光素子３２に入射する。
【００６６】
また、上述の波長λ４、λ５は以下の関係式（４）、（５）の範囲内であり、例えば、λ４が１３１０ｎｍ、λ５が１４９０ｎｍである。
１２８０ｎｍ≦λ４≦１３４０ｎｍ        （４）
１４８０ｎｍ≦λ５≦１５００ｎｍ        （５）
【００６７】
上述の図４の光通信モジュール１は、通信業者から加入者側ヘ（下り）は１４９０ｎｍの波長λ５を用いた情報伝送を行い、加入者側から通信業者へ（上り）は半導体レーザの１３１０ｎｍの波長λ４を使うが、これら２つの波長λ４，λ５の光を分波するのに、図４ではカップリングレンズ３７の面３７ａに設けられた複数の階段状回折格子部３５ａからなる回折光学素子３５を用いている。
【００６８】
また、図２のような階段状の回折構造（波長選択回折、エシェロン型回折ともいう）の場合、光学素子の材料の屈折率をｎとし、立ち上がり面部２３による回折面部２１の各段差（高さ）ｄと波長λとの間には、Ｍをパラメータとして以下の関係式（６）が成り立つ。
（ｎ−１）ｄ＝Ｍ・λ    （６）
ここで、Ｍはほぼ整数となるように定められる。
【００６９】
上記回折光学素子３５は、例えば、図２と同様の構造であり、プラスチック射出成形でカップリングレンズ３７と一体に形成されるが、屈折率ｎが約１．５であり、上記式（６）でＭ＝２として、図２の回折面部２１の各高さ（段差）ｄが、２×（１／（ｎ−１））×１．３１μｍ＝５．２４μｍとなるように形成されている。そのため、波長１．３１μｍの上り光が入射しても隣合う回折面部２１（図２）を通過する波面の位相がずれず、そのまま透過する。
【００７０】
一方、１．４９μｍの下り光では、わずかずつ位相がずれ、１周期（４段）で１．４９μｍの波長１つ分がずれ、１次の回折光が発生し、図４のように、光の進行方向が変えられる。このような図２の４段の階段状回折構造の光学素子における最大高さＴは、５．２４×３＝１５．７μｍとなり、回折構造が複雑化する。
【００７１】
〈第４の実施の形態〉
【００７２】
図５は第４の実施の形態による光通信モジュールを概念的に示す図である。図６は図５の回折光学素子の階段状回折格子部の一部側面図である。
【００７３】
図５に示す第４の実施の形態による光通信モジュール４０は、図４の構成に受光素子３３が追加された３波長用双方向光通信モジュールである。即ち、半導体レーザ３１から出射する波長λ４のレーザ光がカップリングレンズ３７を透過し、その透過光（０次光）が光ファイバ３４の端面３４ａに結像する一方、光ファイバ３４の端面３４ａから出射する波長λ５の光（図５の破線で示す）及び波長λ６（λ５＜λ６）の光（図５の一点鎖線線で示す）が回折光学素子３９で回折されて受光素子３２と受光素子３３にそれぞれ入射する。
【００７４】
受光素子３２と受光素子３３は、半導体レーザ３１に対し回折光学素子３９の各階段状回折格子部３９ａが配列する方向に光軸Ｐからより離れるように配置されている。光ファイバ３４の端面３４ａから射出される波長λ２、λ３のうち長い波長λ３用の受光素子３３は、受光素子３２よりも半導体レーザ３１から離れた位置に配置される。このように、受光素子３２，３３は、波長が長くなるにつれカップリングレンズ３７から光軸Ｐの方向に離れるように配置される。
【００７５】
また、回折光学素子３９は、例えば、図６のように、各階段状回折格子部３９ａが１周期１２段から構成され、段差ｄ、最深の立ち上がり面部２２の最大高さＴの階段状回折構造となっている。この高さＴ及び立ち上がり面部２２が光軸方向Ｐと成す角度θは、上述の関係式（１）、（２）を満足する。
【００７６】
また、上述の波長λ４、λ５、λ６は以下の関係式（４）、（５）、（７）の範囲内であり、例えば、λ４が１３１０ｎｍ、λ５が１４９０ｎｍ、λ６が１５５０ｎｍである。
１２８０ｎｍ≦λ１≦１３４０ｎｍ        （４）
１４８０ｎｍ≦λ２≦１５００ｎｍ        （５）
１５３０ｎｍ≦λ３≦１５７０ｎｍ        （７）
【００７７】
上述の図５の光通信モジュール４０では、上記２つの波長λ４，λ５に加え、下り光に１５５０ｎｍの波長λ６を用いた情報伝送を行うが、図６のような階段状回折構造の回折光学素子３９を用いて、波長λ５，λ６の光を分離している。この場合、回折光学素子３９の最大高さＴは、各階段状回折格子部３９ａが１周期１２段であるので、５．２４×１１＝５７．６４μｍとなり、回折光学素子３９は更に複雑化する。
【００７８】
上述の図５，図６のように、多数の波長の光に対し、回折効率の高い回折光学素子を得ようとすると、回折光学素子の最大高さＴが高くなる傾向にある。また、図３のような光ピックアップ装置の場合よりも、光通信のように使用される波長が長くなるにつれて回折光学素子の最大高さＴが高くなり、回折構造が一層複雑化するが、回折光学素子３５，３８を図２の階段状回折構造とすることで、光量損失を最小限に抑えるとともに金型成形で製造する際の形状誤差や変形を抑えることができるので、光通信モジュール３０，４０において安定して送受信を行うことができる。
【００７９】
次に、成形金型で成形された回折光学素子を成形金型から離型する際に発生する変形について図７を参照して説明する。図７は成形金型で成形した階段状回折構造の回折光学素子に変形が生じた状態を示す一部側面図である。
【００８０】
成形された回折光学素子を成形金型から離型する際には接触面に摩擦力ｆが発生し、これに抗いながら距離ｓだけ移動した際に、仕事量Ｗ＝ｆ・ｓが発生する。この仕事量Ｗは、通常、熱などになるが、接触面の機械的変形につながる場合もある。摩擦による仕事量Ｗは、図７のように、移動距離が長くなる先端部の回折面部２１ｃで最大となり、離型変形が発生し易く、例えば、変形突起部２１ｄが形成されてしまう。また、階段状回折構造の回折光学素子の最大高さＴが高いほど、離型時の仕事量は増えるので、離型変形の問題は顕著となる。
【００８１】
離型時に発生した変形突起部２１ｄは、図７に示すように、最大段差となる側面部（最深の立ち上がり面部２２）に若干の傾斜とともに先端部の突起として出現し、この変形突起部２１ｄで光が散乱するため回折効率が低下し、散乱光は有害なフレアとなる。
【００８２】
上述のような離型変形を防ぐには、仕事量Ｗを低減する必要があるが、そのためには、離型時に摩擦力を小さくしなければならない。そこで、図２，図５のように、最深の立ち上がり面部２２に若干の傾斜角θを設けておくことで、離型とともに最深の立ち上がり面部２２（最大段差の側面部）における圧力が急速に減少し、接触面の摩擦力が低減され、仕事量Ｗも減少する。
【００８３】
上述の最深の立ち上がり面部２２（最大段差の側面部）傾斜角θは次の条件式（３）を満足するとよく、条件式（３）の下限を下回らないようにすると、離形変形による形状誤差が発生する確率が低く、条件式（３）の上限を超えないようにすると、段差側面部の傾斜にともなう回折効率の低下は実用上問題ないレベルに抑えることができる。
【００８４】
１０Ｔα≦θ≦５０Ｔα    （３）
ここで、θはラジアンで表し、高さＴは各頂部と各底部との間の光軸方向の高さの内の最大高さであり、μｍで表し、αは光学素子を形成する材料の線膨張係数である。
【実施例】
【００８５】
波長４００ｎｍで１０次回折光を用いる図１のブレーズ回折構造の回折格子を次の条件で設計でき、上述の関係式（１）、（２）、（３）を満足する。
高さＴ＝８μｍ
線膨張率＝７×１０-5
θ＝１．６°
【００８６】
図２の階段状回折構造の回折格子を次の条件で設計でき、上述の関係式（１）、（２）、（３）を満足する。
高さＴ＝１５．７μｍ
線膨張率＝７×１０-5
θ＝２°
【００８７】
図６の階段状回折構造の回折格子を次の条件で設計でき、上述の関係式（１）、（２）、（３）を満足する。
高さＴ＝５７．６４μｍ
線膨張率＝７×１０-5
θ＝５°
【００８８】
また、最深の立ち上がり面部の高さＴを３〜９８μｍまで５μｍおきに変え、傾斜角θを１〜２０°まで１°おきに変えた場合、図７のような変形突起部の発生の有無、及び、図８のように最深の立ち上がり面部２２（最大段差の側面部）の傾斜角θによる光量損失の程度を調べた。その結果を高さＴを横にとり、傾斜角θを縦にとって図９に示す。図９の「〇」（丸）で示す範囲が、変形突起部が発生せずかつ光量損失の程度が少ない部分であり、この範囲で高さＴ及び傾斜角θを決めることが好ましい。
【００８９】
以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図３の光ピックアップ装置は３種類の第１〜第３の光ディスク２００〜２０２について情報の記録・再生が可能であるが、第１〜第３の光ディスク２００〜２０２の内のいずれか１つの光ディスク、または、いずれか２つの光ディスクについて情報の記録・再生が可能なように構成できる。
【００９０】
また、図３の回折光学素子１６１は他の光学素子と一体に構成してもよく、例えば、対物レンズ１６０やコリメータ１３０のいずれかの光学面に形成できる。
【００９１】
また、図４では、カップリングレンズ３７と回折光学素子３５を一体化しているが、回折光学素子３５をカップリングレンズ３７とは独立して設けてもよく、また、複数の階段状回折格子部３５ａはカップリングレンズ３７の半導体レーザ３１・受光素子３２と対向する面側に設けてもよい。これらのことは図５においても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１の実施の形態によるブレーズ回折構造を有する光学素子を示す一部側面図である。
【図２】第１の実施の形態による階段状回折構造を有する光学素子を示す一部側面図である。
【図３】第２の実施の形態による光ピックアップ装置の概略図である。
【図４】第３の実施の形態による光通信モジュールを概念的に示す図である。
【図５】第４の実施の形態による光通信モジュールを概念的に示す図である。
【図６】図５の回折光学素子の階段状回折格子部の一部側面図である。
【図７】成形金型で成形した階段状回折構造の回折光学素子に変形が生じた状態を示す一部側面図である。
【図８】階段状回折構造の回折光学素子における最深の立ち上がり面部２２の傾斜による光量損失を説明するための一部側面図である。
【図９】本実施例において最深の立ち上がり面部の高さＴ及び傾斜角θを変えた場合、図７のような変形突起部の発生の有無、及び、図８のように最深の立ち上がり面部２２（最大段差の側面部）の傾斜角θによる光量損失の程度を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 光学素子
１１ 傾斜面
１２ 傾斜面
１３ 頂部
１４ 底部
２０ 光学素子
２１ 回折面部
２１ａ 隅部
２１ｂ 隅部
２１ｃ 回折面部
２１ｄ 変形突起部
２２ 立ち上がり面部
２３ 最深の立ち上がり面部
３０，４０ 光通信モジュール
３１ 半導体レーザ
３２ 受光素子
３３ 受光素子
３４ 光ファイバ
３５ 回折光学素子
３５ａ 階段状回折格子部
３９ 回折光学素子
３９ａ 階段状回折格子部
１００ 光ピックアップ装置
１１１ 半導体レーザ（第１の光源）
１１２ 半導体レーザ（第２の光源）
１１３ 半導体レーザ（第３の光源）
１６０ 対物レンズ
１６１ 回折光学素子
２００ 第１の光ディスク
２０１ 第２の光ディスク
２０２ 第３の光ディスク
Ｐ 光軸、光軸方向
Ｔ 最大高さ
θ 傾斜角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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