(57)【要約】【課題】  広い波長帯域の光に対して波長の依存度が少なく高い回折効率を発揮する回折光学素子を提供する。【解決手段】  ガラスなどの光学材料２０に溝１３が形成されて、等価屈折率の低い第１の領域１１と等価屈折率の高い第２の領域１２とが交互に形成されている。第１の領域１１には、金属の薄膜で形成された光透過膜２１が形成されている。この光透過膜２１が形成されていることにより、広い波長帯域において、０次回折光および±１次以上の回折光の回折効率を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面と交叉する方向に入射した光を０次回折光と、±１次以上の回折光とに分離する回折光学素子において、
面に沿って交互に配置された少なくとも第１の領域および第２の領域を有し、前記第１の領域の等価屈折率が、前記第２の領域の等価屈折率よりも低く、
前記第１の領域をその面と交叉する方向へ光が透過する透過領域内に、金属を含む光透過膜が配置されていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１の領域と前記第２の領域は、前記面に沿って縞状に配置されており、前記光透過膜も前記第１の領域に沿って帯状に形成されている請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記光透過膜の面積は、第１の領域の前記透過領域の面積よりも小さく設定されている請求項１または２記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記縞の延びる方向と直交する方向で切断した断面図では、前記第１の領域の幅寸法よりも前記光透過膜の幅寸法が小さく設定されている請求項３記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記第１の領域は前記第２の領域よりも幅寸法が大きい請求項３または４記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１の領域は前記第２の領域よりも幅寸法が小さく、前記第１の領域の幅寸法と前記光透過膜の幅寸法が一致している請求項１または２記載の回折光学素子。
【請求項７】
均一の板厚で且つ光透過性の光学材料で形成されたベース部を有しており、前記第２の領域には、前記ベース部と同じ光学材料で一体に形成された凸部が重ねられ、前記第１の領域には、前記ベース部の上にベース部の光学材料よりも絶対屈折率の低い媒質が位置している請求項１ないし６のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記ベース部と前記凸部を形成する光学材料の絶対屈折率が１．４〜２．１の範囲である請求項７記載の回折光学素子。
【請求項９】
均一の板厚で且つ光透過性の光学材料で形成されたベース部を有しており、前記第１の領域には、前記ベース部と同じ光学材料で一体に形成された凸部が重ねられ、前記第２の領域には、前記ベース部の上にベース部の光学材料よりも絶対屈折率の高い媒質が位置している請求項１ないし６のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記第２の領域に設けられた前記凸部の幅寸法が、ベース部から離れるにしたがって徐々に小さくなるように段階的に変化している請求項７または８記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記光透過膜は、金属薄膜である請求項１ないし１０のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項１２】
請求項１ないし１1のいずれかに記載の回折光学素子と、異なる波長の光を同時にまたは異なる時刻に発して、前記回折光学素子に対し面と交叉する方向から入射する発光部とを有していることを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
前記発光部から発せられる光の波長帯域が、０．４μｍ以上で０．８μｍ以下である請求項１２記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い波長帯域の入射光に対して効率の良い回折光を出射させることのできる回折光学素子、および前記回折光学素子を使用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光を０次光および少なくとも±１次光に分離する回折光学素子として、ガラスなどの光透過性の基板に複数条の溝を形成した回折格子が知られている。例えば、光ディスク装置では、発光部から発せられた所定の波長の光が、前記回折光学素子によって、０次回折光と±１次回折光とに分離される。光記録媒体の記録面に、前記０次回折光によるメインスポットと、前記±１次回折光の一対のサブスポットとが形成されると、前記メインスポットからの戻り光によって光記録媒体に記録された信号が読み取られ、一対の前記サブスポットからの戻り光の強度を比較することにより、前記メインスポットが光記録媒体の記録トラックに追従できるようトラッキング補正動作が行われる。
【０００３】
前記回折光学素子は、その回折効率が、入射光の波長に依存する。光透過性の基板に複数条の溝を形成した回折格子の場合には、回折効率が、入射光の波長と前記溝の深さとに依存する。そのため、所定の波長の入射光に対応するように設計された回折光学素子に、異なる波長の光が入射すると、０次回折光の光量および±１次回折光の光量が低下する課題がある。
【０００４】
したがって、例えばコンパクト・ディスク（ＣＤ）、ディジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ・ディスク（Ｂｌｕ−Ｒａｙ）などのように、使用する光の波長が相違するディスクを、互換性を有して装填できる光ディスク装置を構成する場合に、単一の回折光学素子を使用すると、いずれかの波長の光の効率を低下させることになる。また使用する光を切り替える度に回折光学素子を切り替えるには複雑な機構が必要となる。
【０００５】
また、回折光学素子の回折効率が、使用する光の波長に依存することに起因する課題は、光ディスク装置以外の光通信分野などの各種分野において同様に生じている。
【０００６】
以下の特許文献１には、異なる波長の入射光に対して、回折効率を一定の水準に保つことを目的とした光学素子が開示されている。
【０００７】
この光学素子は、透明基板に、無機物材料などによる膜を多層に形成して複数の凸部を形成し、この凸部と凸部との間に、透明基板と異なる材料を充填したものである。
【特許文献１】特開２００３−１８５８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１に記載の光学素子は、薄膜を多層に積層した積層体に間欠部を形成して、前記積層体で回折格子を形成したものである。この光学素子は、異なる屈折率を有する薄膜間の屈折率の境界を多重に形成することにより、広い波長帯域の光に対して、光の回折効率が低下しないように調整されたものと考えられる。
【０００９】
そのため、透明基板の上に無機物などの膜を多重に形成し、この多層膜をエッチングして多層膜に間欠部を形成するという複雑な構造としなくてはならない。前記特許文献１に記載されている実施例では、無機物の薄膜を１５層または３９層積層させることによって、波長依存性の無い回折効率が得られると報告されている。
【００１０】
しかし、透明基板に薄膜を１５層ないし２９層も積層する構造では、その製造工程が複雑であり、また１５層ないし２９層の各薄膜の膜厚を管理することが必要であり、均一な製品を製造することがきわめて難しいものとなっている。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、回折格子の構造を基本として、これに金属を含む光透過膜を付加することによって、入射光の広い波長帯域に対して効率の良い回折光の分離を可能とした回折光学素子およびこれを使用した光学装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、面と交叉する方向に入射した光を０次回折光と、±１次以上の回折光とに分離する回折光学素子において、
面に沿って交互に配置された少なくとも第１の領域および第２の領域を有し、前記第１の領域の等価屈折率が、前記第２の領域の等価屈折率よりも低く、
前記第１の領域をその面と交叉する方向へ光が透過する透過領域内に、金属を含む光透過膜が配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の回折光学素子は、等価屈折率の相違する少なくとも第１の領域と第２の領域を交互に形成した回折格子の構造を基本とし、この基本構造において、第１の領域への光の透過領域内に金属を含む光透過膜を配置したものである。この構成により、広い波長帯域において０次回折光および少なくとも±１次回折光の光量を高く維持することができる。
【００１４】
なお、「少なくとも第１の領域および第２の領域を有し」とは、前記第１の領域と第２の領域とが交互に形成される構造のみならず、両領域間に位置する他の領域、例えばその等価屈折率が第１の領域と第２の領域の中間値となる領域等を形成することが可能であるとの意味である。また、「少なくとも±１次回折光」とは、実質的に±１次回折光のみが分離されるものであってもよいし、さらに±２次以上の高次の回折光が、高い効率で分離されるものであってもよいという意味である。
【００１５】
本発明では、好ましくは、前記第１の領域と前記第２の領域は、前記面に沿って縞状に配置されており、前記光透過膜も前記第１の領域に沿って帯状に形成されている。
【００１６】
本発明は、前記光透過膜の面積は、第１の領域の前記透過領域の面積よりも小さく設定されているものであり、さらには、前記縞の延びる方向と直交する方向で切断した断面図において、前記第１の領域の幅寸法よりも前記光透過膜の幅寸法が小さく設定されているものである。この場合には、前記第１の領域は前記第２の領域よりも幅寸法が大きいものが好ましい。
【００１７】
あるいは、本発明は、前記第１の領域は前記第２の領域よりも幅寸法が小さく、前記第１の領域の幅寸法と前記光透過膜の幅寸法が一致しているものであってもよい。
【００１８】
また、本発明は、均一の板厚で且つ光透過性の光学材料で形成されたベース部を有しており、前記第２の領域には、前記ベース部と同じ光学材料で一体に形成された凸部が重ねられ、前記第１の領域には、前記ベース部の上にベース部の光学材料よりも絶対屈折率の低い媒質が位置しているものである。
【００１９】
この場合に、前記ベース部と前記凸部を形成する光学材料の絶対屈折率が１．４〜２．１の範囲であることが好ましい。
【００２０】
この場合に、前記第２の領域に設けられた前記凸部の幅寸法が、ベース部から離れるにしたがって徐々に小さくなるように段階的に変化しているものとすることが可能である。
【００２１】
あるいは、均一の板厚で且つ光透過性の光学材料で形成されたベース部を有しており、前記第１の領域には、前記ベース部と同じ光学材料で一体に形成された凸部が重ねられ、前記第２の領域には、前記ベース部の上にベース部の光学材料よりも絶対屈折率の高い媒質が位置しているものである。
【００２２】
本発明では、好ましくは、前記光透過膜は、金属薄膜である。
次に、本発明の光学装置は、上記いずれかに記載の回折光学素子と、異なる波長の光を同時にまたは異なる時刻に発して、前記回折光学素子に対し面と交叉する方向から入射する発光部とを有していることを特徴とするものである。
【００２３】
また、上記光学装置では、前記発光部から発せられる光の波長帯域を、０．４μｍ以上で０．８μｍ以下とすることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の回折光学素子は、比較的簡単な構造で、広い波長帯域の入射光に対して効率良く回折光を分離することができる。すなわち、０次回折光、±１次回折光さらに高次の回折光のそれぞれにおいて、広い波長帯域において、その回折効率を高く設定することが可能である。また、異なる等価屈折率の第１の領域と第２の領域を交互に形成して回折格子の構造としているため、第１の領域と第２の領域のピッチを可変して、回折角度を設定したり、両領域の境界の深さを可変して使用する光の波長帯域に対して最適な回折効率を得ることができるように調整するなどの種々の設定を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は本発明の第１の実施の形態の回折光学素子の断面図、図２は前記回折光学素子の１ユニット部を示す拡大断面図である。
【００２６】
図１に示す回折光学素子１は、第１の面２と第２の面３を有している。図１では、入射光Ｂの入射面が第１の面２で、出射面が第２の面３である。しかし、入射光Ｂの入射面が第２の面３で、出射面が第１の面２であってもよい。出射光は、０次回折光Ｂ０と、プラス１次回折光Ｂ＋１、マイナス１次回折光Ｂ−１に分離される。なお、図１では±２次よりも高次の回折光を省略している。
【００２７】
前記回折光学素子１は、第１の領域１１と第２の領域１２とが交互に繰り返して形成されている。第１の領域１１と第２の領域１２は、図の紙面と直交する方向にそれぞれ帯状に延び、第１の領域１１と第２の領域１２とが縞状に形成されている。
【００２８】
図１では、縞が延びる方向と直交する方向での、第１の領域１１と第２の領域１２の配列ピッチをＰで示している。また、第１の領域１１を中心として、左右に等距離を取り全体を１ピッチＰの幅寸法とした単位を１ユニットＵとしている。図１に示す回折光学素子１は、前記ユニットＵが繰り返して連続する形状である。
【００２９】
図２は、前記回折光学素子１の１ユニットＵを示している。図２に示すように、前記回折光学素子１は、透明な光学材料２０で形成されている。この実施の形態では、前記光学材料２０が、例えばガラスであり光学材料２０の絶対屈折率が１．５である。
【００３０】
第１の領域１１では前記光学材料２０に溝１３が形成され、第２の領域１２には、前記光学材料２０によって溝１３の両側に位置する凸部１４が形成されている。溝１３の底面１３ａから凸部１４，１４の上面までの高さ寸法（段差）はＨである。前記ベース部１５の底面１５ａ、前記溝１３の底面１３ａおよび前記凸部１４の上面１４ａは、全て平坦面であり、且つ前記各面は互いに平行である。また、溝１３の左右両側の段差面１３ｂ，１３ｂは、前記各面に対して垂直である。
【００３１】
光学材料２０のうちの前記凸部１４，１４を除いた部分をベース部１５と定義すると、この回折光学素子１は、均一な厚み寸法Ｈ０を有するベース部１５を有し、第１の領域１１ではベース部１５の上に空気層が存在し、第２の領域１２では、ベース部１５の上に同じ光学材料の凸部１４が一体に重ねられたものとなっている。第１の領域１１では、絶対屈折率が１．５のベース部の上に、絶対屈折率が１．０の空気層が存在し、第２の領域１２では、絶対屈折率が１．５のベース部１５の上に、同じく絶対屈折率が１．５の凸部１４が位置している。よって、等価屈折率は第１の領域１１が第２の領域２よりも低くなっている。
【００３２】
本明細書での等価屈折率とは、入射光Ｂの等価方向に絶対屈折率の相違する媒質が存在しているときには、各媒質の絶対屈折率の平均値を意味する。よって、第１の領域１１の等価屈折率は、ベース部１５を構成する光学材料２０の絶対屈折率１．５と、空気層の絶対屈折率１．０との平均値である。第２の領域１２は、同じ光学材料のベース部１５と凸部１４とで構成されているため、等価屈折率は１．５である。
【００３３】
等価屈折率の低い第１の領域１１では、この第１の領域１１での入射光Ｂの透過領域（幅寸法Ｗ０の領域）内に、金属を含む光透過膜２１が配置されている。図２に示す実施の形態では、第１の領域１１を形成する溝１３の底部に、前記光透過膜２１が埋め込まれており、この光透過膜２１の上面と前記溝１３の底面１３ａとが同一面である。
【００３４】
前記光透過膜２１は単一層の金属膜であり、その膜厚Ｔは、光を透過できる寸法に設定されている。光透過膜２１は、本来は光を透過しない材料であり、この材料を光が一部透過できる厚みに形成したものである。前記光透過膜２１の屈折率は、実数成分と虚数成分を有する複素数として表現することができ、光透過膜２１は、入射光Ｂとして使用する波長の帯域において、光の一部を透過し光の一部を吸収する光半透過膜である。
【００３５】
実施の形態での前記光透過膜２１は、膜厚が5ｎｍの金で形成された金属薄膜である。ただし、前記金属薄膜は、銀、パラジウム、イリジウム、白金などの貴金属、アルミニウム、錫、亜鉛、銅、ニッケル、チタンなどであってもよい。前記光透過膜２１は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって形成される。光透過膜２１が金属膜の場合には、その膜厚は２〜１０ｎｍの範囲が好ましい。
【００３６】
図２に示す実施の形態では、第１の領域１１の幅寸法Ｗ０が、前記ピッチＰの０．５以上で、好ましくは０．６〜０．８の範囲（例えば０．７）であり、第１の領域１１の幅寸法Ｗ０が、第２の領域１２の幅寸法よりも大きく設定されている。また、光透過膜２１の幅寸法Ｗ１は、溝１３の幅寸法Ｗ０の１／３であり、光透過膜２１の両縁部と前記段差面１３ｂ，１３ｂとのそれぞれの幅寸法Ｗ２とＷ３も、共に前記幅寸法Ｗ０の１／３である。
【００３７】
前記回折光学素子１では、第１の面２に対して垂直に入射する入射光Ｂが、第２の面３から垂直に出射する０次回折光Ｂ０と、第２の面３の垂直線に対して一方向へ回折角αを有して回折するプラス１次回折光Ｂ＋１と、逆方向へ回折角αを有して回折するマイナス１次回折光Ｂ−１とに分離される。さらに±２次回折光およびさらに高次に回折光も分離されるが図１では省略している。
【００３８】
この回折光学素子１は、等価屈折率の低い帯状の第１の領域１１と、等価屈折率の高い帯状の第２の領域１２とが交互に配置されていることにより、基本的に回折格子として機能する。第１の領域１１と第２の領域１２とのピッチＰを設定することによって、前記回折角αを調整でき、前記凸部１４の段差、すなわち互いに屈折率の相違する空気層と光学材料２０との境界面の段差寸法Ｈを設定することによって、０次回折光Ｂ０と、プラス１次回折光Ｂ＋１と、マイナス１次回折光Ｂ−１の光強度（回折効率）が調整される。
【００３９】
前記第１の領域１１に前記光透過膜２１が設けられていると、この光透過膜２１が光の一部を吸収することにより、また光透過膜２１の屈折率の虚数成分の影響で、異なる波長の入射光に対して、ほぼ均一な回折効率を得ることができる。すなわち、段差Ｈの寸法を使用する光の波長帯域のいずれかの波長の１／４、１／２などのいずれか最適な値に設定しておくことにより、その波長およびその周辺の波長の光に対して高い回折効率を得ることができる。
【００４０】
なお、光学材料２０の絶対屈折率は、特に制限されないが、使用する光の波長が０．４μｍ以上で、０．８μｍ以下の場合、光学材料２０の絶対屈折率は１．４〜２．１の範囲であることが好ましい。
【００４１】
図３は、前記第１の実施の形態の変形例である回折光学素子１Ａの１ユニットＵを示す断面図である。
【００４２】
図３に示す回折光学素子１Ａは、第１の領域１１に形成されている溝１３の底面１３ａにおいて、光透過膜２１が光学材料２０内に埋め込まれておらず、光透過膜２１が溝１３の底面１３ａの上に形成されている。また、溝１３の底面１３ａおよび前記光透過膜２１を覆う反射防止膜２２と、凸部１４の上面１４ａを覆う反射防止膜２２が形成されている。
【００４３】
前記反射防止膜２２を形成することにより、入射光の反射を防止でき、光の透過効率および回折効率を上げることができる。なお、図１に示す第２の面３から光が入射する場合には、ベース部１５の底面１５ａに反射防止膜を形成することが好ましい。
【００４４】
さらに、前記反射防止膜２２に代えて、あるいは反射防止膜２２に加えて、所定の波長帯域の光を透過しやすくした帯域フィルタを構成する単層のまたは複数層の薄膜を形成することもできる。
【００４５】
図４は本発明の第２の実施の形態の回折光学素子１０１の１ユニットＵを示す拡大断面図である。
【００４６】
この回折光学素子１０１は、絶対屈折率が１．５の光学材料２０で形成されている。第１の領域１１１では、前記光学材料２０に凸部１１４が形成されている。また、第２の領域１１２では、前記光学材料２０に溝１１３が形成されている。溝１１３の段差面１１３ｂの高さ寸法はＨである。前記溝１１３内には、前記光学材料２０よりも絶対屈折率の高い（例えば屈折率１．８）の媒質１２１が充填されている。この媒質１２１は透明で光学的に安定な材料であり、樹脂、ガラス、セラミックなどで形成される。
【００４７】
前記光学材料２０は、前記凸部１１４以外の部分が、均一な厚み寸法のベース部１１５である。
【００４８】
図４に示す回折光学素子１０１では、第１の領域１１１の等価屈折率が、第２の領域１１２の等価屈折率よりも低く構成されている。そして、第１の領域１１１に形成されている前記凸部１１４の上面１１４ａに前記光透過膜２１が形成されている。この光透過膜２１の厚みや幅寸法、および第１の領域１１１の幅寸法に対する光透過膜２１の幅寸法の比は、図２に示した第１の実施の形態と同等に設定される。
【００４９】
図５は本発明の第３の実施の形態の回折光学素子１Ｂの１ユニットＵを示す断面図である。
【００５０】
この回折光学素子１Ｂは、図２に示す回折光学素子１を反転させたものであり、図２に示す幅寸法Ｗ０と同じ部分が第２の領域１２Ｂであり、第２の領域１２Ｂの両側に第１の領域１１Ｂ，１１Ｂが位置している。第２の領域１２Ｂの幅寸法Ｗ０は、前記ピッチＰの０．５以上で、好ましくは０．６〜０．８の範囲（例えば０．７）であり、第２の領域１２Ｂの幅寸法Ｗ０が、第１の領域１１Ｂの幅寸法よりも大きく設定されている。
【００５１】
第２の領域１２Ｂでは、絶対屈折率が１．５の光学材料２０により、ベース部１５Ｂと凸部１４Ｂとが一体に形成されている。第１の領域１１Ｂには溝１１３Ｂが形成されており、第１の領域１１Ｂでは、ベース部１５Ｂの上に空気が位置している。よって、第１の領域１１Ｂの相対屈折率は、第２の領域１２Ｂの相対屈折率よりも低い。
【００５２】
そして、前記光透過膜２１は、前記第１の領域１１Ｂの幅寸法と同一であり、この光透過膜２１は、溝１１３Ｂの底面の全域に形成されている。
【００５３】
図６は本発明の第４の実施の形態の回折光学素子２０１の１ユニットＵを示す拡大断面図である。
【００５４】
この回折光学素子２０１は、第１の領域２１１で、光学材料２０に溝２１３が形成され、第２の領域２１２では、前記光学材料２０によって凸部２１４が形成されている。光学材料２０は、前記凸部２１４以外の部分が、均一な厚さ寸法のベース部２１５である。そして、第１の領域２１１では、溝２１３の底面２１３ａに前記光透過膜２１が形成されている。
【００５５】
この回折光学素子２０１は、第１の領域２１１と第２の領域２１２との境界部の段差が、回折光学素子２０１の面に対して垂直ではなく、その高さが段階的に変化している。そして、溝２１３の底面２１ａから凸部２１４の上面２１４ａまでの高さ寸法がＨとなっている。第１の領域２１１の等価屈折率は、第２の領域２１２の等価屈折率よりも低くなっているが、第１の領域２１１と第２の領域２１２とでの等価屈折率の差が徐々に変化するものとなっている。
【００５６】
この回折光学素子２０１においても、第１の領域２１１と第２の領域２１２との等価屈折率の違いによって、入射光Ｂを０次回折光と±１次回折光、さらに高次の回折光に分離することが可能であり、第１の領域２１１での光の透過領域に光透過膜２１が設けられていることによって、広い波長帯域で、回折効率を向上することができる。
【００５７】
図７は本発明の第５の実施の形態の回折光学素子３０１の１ユニットＵを示す断面図である。
【００５８】
この回折光学素子３０１は、光学材料２０よりも絶対屈折率の高い例えば絶対屈折率が１．８の媒質１２１が使用され、第１の領域３１１では、前記媒質１２１に溝３１３が形成されている。また第２の領域３１２では、前記媒質１２１によって凸部３１４が形成されている。そして、前記媒質１２１の前記凸部３１４以外の部分がベース部３１５となっている。
【００５９】
前記溝３１３の深さは第１の領域３１１で最も深く、第２の領域３１２に向かうにしたがって段階的に浅くなっている。そして、この溝３１３内に媒質１２１よりも絶対屈折率の低い、例えば絶対屈折率が１．５の光学材料２０が埋められている。よって、第１の領域３１１の等価屈折率が第２の領域３１２の等価屈折率よりも低くなっており、この等価屈折率は、第１の領域３１１と第２の領域３１３との境界部で段階的に変化できるようになっている。そして、第１の領域３１では、光学材料２０の上面に光透過膜２１が形成されている。なお、この光透過膜２１は、第１の領域３１１において、媒質１２１と光学材料２０との境界部に形成されていてもよい。
【００６０】
図７に示す回折光学素子３０１は、図６に示した回折光学素子２０１と同様に、広い波長帯域の光に対して高い効率で回折効率を高めることができる。
【００６１】
図８は本発明の第６の実施の形態の回折光学素子４０１を示す１ユニットＵの断面図である。
【００６２】
図８に示す回折光学素子４０１は、図５に示した回折光学素子１Ｂの構造を基本とし、図５に示す第２の領域１２Ｂの凸部１４Ｂの代わりに、凸部１４Ｄを形成したものである。この凸部１４Ｄの幅寸法は、ベース部１５Ｂから離れるにしたがって徐々に段階的に短くなっている。前記凸部１４Ｂの最も幅寸法の広い部分（凸部１４Ｂの裾部）の幅寸法はＷ０である。
【００６３】
なお、第２の領域１２Ｂの左右両側に位置する第１の領域１１Ｂの底面の全域に光透過膜２１が形成されている。
【００６４】
また、本発明の回折光学素子は前記各実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００６５】
例えば、図２、図３、図４、図６、図７に示す各実施の形態において、光透過膜２１は第１の領域において、分割されて形成されていてもよい。前記各実施の形態の回折光学素子は、第１の領域の一部に光透過膜２１が形成されていることが好ましく、前記第１の領域の面積に対する光透過膜の面積比は、０．２〜０．５程度が好ましい。
【００６６】
次に、図９は第１の実施の形態の回折光学素子１を使用した光学装置５０１の一例を示している。この光学装置５０１は、光ディスク装置の光ヘッドに搭載されるものである。
【００６７】
この光学装置５０１には発光部５０２が設けられている。この発光部５０２は、波長が０．４０８μｍ、０．６５８μｍ、０．７８５μｍの少なくとも２種の光が切り替えて発光可能である。発光部５０２の発光経路には回折光学素子１と集光レンズ５０３が設けられている。発光部５０２から発せられた光は回折光学素子１を通過し集光レンズで集光させられて光ディスクＤの記録面Ｄ１に光のスポットが形成される。
【００６８】
発光部５０２から発せられる光は、回折光学素子１によって０次回折光と、±１次回折光に分離される。０次回折光は記録面Ｄ１の情報記録部を走査し、この０次回折光の反射戻り光を検知することによって、記録面Ｄ１に記録された情報が読み取られる。また、±１次回折光の２つの戻り光の強度を比較することによって、前記０次回折光が常に記録面Ｄ１の記録トラックを追従するようにトラッキング制御される。
【００６９】
この光学装置５０１では、発光部５０２からどの波長の光が発せられても、ディスクＤの記録面Ｄ１に０次回折光と±１次回折光を強い光量で照射することができる。よって装填されるディスクＤが相違するときに、そのディスクに合わせた波長の光を常に与えることができるようになる。
【００７０】
なお、本発明の光学装置は、前記実施の形態に限られるものではなく、広い波長帯域を利用した光通信や、光を用いた各種制御装置や工作機械などにも使用することができる。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７２】
・  実施例１
１ユニットＵが図２に示す構造の回折光学素子を実施例１とした。光学材料２０はガラス材料を使用した。第１の領域１１と第２の領域１２の１ピッチＰ（１ユニットＵの幅寸法）を５０μｍとした。
【００７３】
以下の表１には厚み寸法が示されている。光透過膜２１は、膜厚Ｔが５ｎｍの金の薄膜（蒸着膜）を使用した。また、溝１３の底部で、光透過膜２１が光学材料２０内に埋設され、光透過膜２１の上面は溝１３の底面１３ａに一致している。そのため、光透過膜２１の左右両側に位置する光学材料２０の部分２０ａと２０ｂも共に厚みが５ｎｍである。また、第２の領域１２の凸部１４の高さ寸法および第１の領域１１の空気層の高さ寸法Ｈを１０５ｎｍとした。
【００７４】
表２には幅寸法が示されている。表２では、各部分の幅寸法を比で示している。実施例１は、光透過膜２１の幅寸法Ｗ１、溝１３内での光透過膜２１の両縁部から段差面１３ｂ，１３ｂまでの寸法Ｗ２，Ｗ３が全て、溝１３の幅寸法Ｗ０の１／３である。また、１ユニットＵの幅寸法に対する第１の領域１１１の空気層の幅寸法Ｗ０の比は０．７である。すなわち前記幅寸法Ｗ０は、３５μｍである。
【００７５】
表３には屈折率が記載されている。光透過膜２１を形成する金属膜は金であり、光学材料２０で形成された凸部１４の絶対屈折率は１．５である。
【００７６】
・  実施例１の特性
表１には、実施例１の回折特性が示されている。使用波長は、λ１が０．４０８μｍ、λ２が０．６５８μｍ、λ３が０．７８５μｍである。表１には、それぞれの波長の光に対する０次回折光と、プラス１次回折光およびマイナス１次回折光の回折効率を示している。
【００７７】
図１０は、前記実施例１における回折効率を示す線図であり、横軸が波長で縦軸が回折効率である。線図の上方にプロットされているグラフが０次回折光であり、下にプロットされているグラフが、プラス１次回折光またはマイナス１次回折光である。
【００７８】
表１および図１０とから、実施例１では０．４μｍ以上で０．８μｍ以下の広い波長帯域において、０次回折光と±１次回折光の双方の回折効率が高いことがわかる。
【００７９】
・  光透過膜の厚みの変化
以下の表１に示す実施例２は、光透過膜２１を形成する金の薄膜の厚みを４ｎｍとし、その上面を溝１３の底面１３ａと同一面としたものである。よって、光透過膜２１の左右両側に位置する光学材料２０の部分２０ａ，２０ｂの厚みも４ｎｍである。
【００８０】
表１に示す実施例３は、光透過膜２１を形成する金の薄膜の厚みを６ｎｍとし、その上面を溝１３の底面１３ａと同一面とした。よって、光透過膜２１の左右両側に位置する光学材料２０の部分２０ａ，２０ｂの厚みも６ｎｍである。実施例４は、光透過膜２１を形成する金の薄膜の厚みを６ｎｍとし、その上面を溝１３の底面から１ｎｍだけ突出させた。よって、光透過膜２１の左右両側に位置する光学材料２０の部分２０ａ，２０ｂの厚みは５ｎｍである。
【００８１】
表１に示す実施例５は、光透過膜２１を形成する金の薄膜の厚みを７ｎｍとし、その上面を溝１３の底面１３ａと同一面とした。よって、光透過膜２１の左右両側に位置する光学材料２０の部分２０ａ，２０ｂの厚みも７ｎｍである。
【００８２】
次に、表１に示す実施例６は、光透過膜２１を形成する金の薄膜を実施例１と同じとし、凸部１４の段差Ｈを１００ｎｍとしたものである。
【００８３】
表１に示すように、実施例２ないし実施例６は、いずれも０次回折光と±１次回折光の回折効率が高い水準である。
【００８４】
表１から、金属の薄膜で形成された光透過膜２１の膜厚Ｔは２〜１０ｎｍが好ましく、さらに好ましくは４〜７ｎｍである。また、段差Ｈに対する前記膜厚Ｔの比は、０．０２〜０．１が好ましく、さらに好ましくは０．０３８（４／１０５）〜０．０６７（７／１０５）の範囲である。
【００８５】
【表１】
2006113224.tif 000003
【００８６】
・  光透過膜の幅の変化
表２に示す実施例７は、実施例１を変形させて、光透過膜２１の幅寸法Ｗ１を、溝１３の幅寸法Ｗ０の４０％としたものである。実施例８は、溝１３の幅寸法Ｗ０を１ユニットの幅寸法Ｐの７３％すなわち３６．５μｍとし、光透過膜２１の幅寸法Ｗ１を前記３６．５μｍの１／３としたものである。
【００８７】
実施例７と実施例８は共に、使用波長帯域において回折効率が高い水準であることが解る。
【００８８】
溝幅寸法Ｗ０に対する光透過膜２１の幅寸法Ｗ１の比は、０．２〜０．５の範囲が好ましく、さらに好ましくは、０．３３〜０．４の範囲である。
【００８９】
・  光透過膜の位置の変化
表２に示す実施例９は、実施例１を基本とし、光透過膜２１の中心を、溝１３の幅寸法Ｗ０の約４％分だけ横に位置ずれさせたものである。実施例１０は、図２に示す実施例１に対して溝１３の中心をピッチＰに対して２％位置ずれさせたものである。すなわち、この実施例１０は、光透過膜２１の中心をピッチＰの２％だけ位置ずれさせたものである。
【００９０】
このように、溝１３内で光透過膜２１を必ずしも中心に位置させなくても、高い回折効率を実現できることが解る。
【００９１】
【表２】
2006113224.tif 000004
【００９２】
・  光透過膜の材料
表３に示す実施例１１は、実施例１の基本構造として、光学材料２０を絶対屈折率が１．４９でアッベ数が５７のアクリル系材料であるＰＭＭＡで形成したものである。
【００９３】
表３に示す実施例１２は、実施例１の金の薄膜の代りに厚み５ｎｍの銅の薄膜を使用したもの、実施例１３は、実施例１の金の薄膜の代りに厚み５ｎｍの銀の薄膜を使用したものである。
【００９４】
表３に示す実施例１４は、実施例１の金の薄膜の代りに厚み５ｎｍのアルミニウムの薄膜を使用したもの、実施例１５は、実施例１の金の薄膜の代りに厚み２ｎｍの銀の薄膜を使用したものである。
【００９５】
実施例１２ないし１５の光学材料２０の絶対屈折率は１．５である。
実施例１１では、光学材料２０の屈折率が変化しても、広い波長帯域において回折効率が良好であるとの効果を発揮することができる。これは、本発明の効果が、光透過膜２１の存在に起因し、光学材料２０の屈折率に依存していないことを意味している。また実施例１２と１３では、光透過膜２１が銅薄膜、銀薄膜の場合に実施例１と同等の回折効率を得ることが解る。
【００９６】
実施例１４では、光透過膜２１を厚み５ｎｍのアルミニウムとすることで、光の回折効率が低下している。ただし、実施例１５では、アルミニウムの膜厚を２ｍｍとすることにより、回折効率を向上させることが解る。
【００９７】
【表３】
2006113224.tif 000005
【００９８】
以上各実施例は、図２に示す構造の回折光学素子について算出したものであるが、図２に示す構造以外のものであっても同様に計算でき、また前記各実施例と同等の効果を発揮させることができる。なお、前記実施例の数値は、金属の屈折率を単純なDrudeモデルにしたがうものとして計算している。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の回折光学素子を示す断面図、
【図２】図１に示す回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図３】第１の実施の形態の回折光学素子の変形例を示す１ユニットの拡大断面図、
【図４】第２の実施の形態の回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図５】第３の実施の形態の回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図６】第４の実施の形態の回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図７】第５の実施の形態の回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図８】第６の実施の形態の回折光学素子の１ユニットを示す拡大断面図、
【図９】回折光学素子を使用した光学装置の断面図、
【図１０】実施例１の回折効率を示す線図、
【符号の説明】
【０１００】
１  回折光学素子
２  第１の面
３  第２の面
１１  第１の領域
１２  第２の領域
１３  溝
１４  凸部
１５  ベース部
２０  光学材料
２１  光透過膜
１２１  光学材料よりも屈折率の高い媒質
【図１】
2006113224.tif 000006
【図２】
2006113224.tif 000007
【図３】
2006113224.tif 000008
【図４】
2006113224.tif 000009
【図５】
2006113224.tif 000010
【図６】
2006113224.tif 000011
【図７】
2006113224.tif 000012
【図８】
2006113224.tif 000013
【図９】
2006113224.tif 000014
【図１０】
2006113224.tif 000015