(57)【要約】【課題】ＨＤ用の単一の対物レンズを用いてＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生に対応可能な位相補正素子および光ヘッド装置を提供する。【解決手段】開口数ＮＡ2の領域に入射光の光学軸に関して回転対称性を有し断面形状が鋸歯状または鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似された凹凸部からなる第１の位相補正層１０Ａが形成され、波長λ1の直線偏光に対し略π／２の奇数倍の複屈折位相差を発生する第１の位相板３０Ａが一体化された位相補正素子１００であって、λ1＝４１０ｎｍ波長帯、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の３波長の入射光に対して、波長λ1の透過波面は不変で、波長λ2の透過波面、または波長λ2および波長λ3の透過波面を変化させる機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
λ1、λ2、λ3（λ1＜λ2＜λ3）の３波長の光を透過し、前記波長λ2の透過波面、または前記波長λ2および波長λ3の透過波面を変化させる機能を有する位相補正素子であって、
前記光が入射する前記位相補正素子平面内の開口数ＮＡ2の領域に第１の位相補正層が形成されているとともに、
前記波長λ1の直線偏光の入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換する第１の位相板が前記第１の位相補正層と一体化されて形成されており、
前記第１の位相補正層は、その断面形状が鋸歯状または鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、
前記位相補正素子平面内の前記開口数ＮＡ2の領域を含む開口数ＮＡ1（ＮＡ1＞ＮＡ2）の領域に入射する前記波長λ1の光の透過波面はその偏光状態に関わらず不変であるが、前記位相補正素子平面内の開口数ＮＡ2の領域に入射する波長λ2の光、または波長λ2および波長λ3の光の透過波面は変化させる機能を有することを特徴とする位相補正素子。
【請求項２】
前記第１の位相補正層は、
屈折率波長分散が異なる第１の透光性材料と第２の透光性材料を備え、その屈折率差△ｎが波長λ1でゼロであるとともに波長λ2および波長λ3では有限の値であって、
前記第１の透光性材料は、その断面形状が鋸歯状または鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、
前記凹凸部の少なくとも凹部に前記第２の透光性材料が充填され、
波長λ2における屈折率差を△ｎとすると、前記鋸歯状の各凸部の高さｄが、次式、
λ2／２≦△ｎ×ｄ≦λ3
を満たす請求項１に記載の位相補正素子。
【請求項３】
前記第１の位相補正層は、
前記鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、
階段形状の各段の凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が４πの自然数倍である請求項１に記載の位相補正素子。
【請求項４】
前記第１の位相板は、
λ1＝４１０ｎｍ波長帯とλ2＝６５０ｎｍ波長帯の中間波長λC＝（λ1＋λ2）／２に対する複屈折位相差がπとπ／２である２枚の位相板をそれらの光軸のなす角度が５７±５°となるように積層され、
少なくともλ1およびλ2の波長帯の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換する請求項１から３のいずれか１項に記載の位相補正素子。
【請求項５】
前記位相補正素子は、
その平面内の開口数ＮＡ3（ＮＡ2＞ＮＡ3）の領域に第２の位相補正層が形成されており、
前記第２の位相補正層は常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎe≠ｎo）で屈折率楕円体の光軸が一方向に揃った複屈折材料層を備え、
前記複屈折材料層は断面形状が鋸歯状でその各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、
前記凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeとほぼ等しい屈折率ｎSの均質屈折率透明材料が充填され、
前記階段形状格子の各段の凸部と凹部に対する波長λ1の異常光偏光または常光偏光の透過光の位相差が２πの奇数倍である請求項３に記載の位相補正素子。
【請求項６】
前記第１の位相板は、波長λ1の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、波長λ2および波長λ3の直線偏光入射光に対してπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転する機能を有する請求項５に記載の位相補正素子。
【請求項７】
前記第１の位相板は、波長λ1に対する複屈折位相差がπ／２とπである２枚の位相板をそれらの光軸のなす角度が４５±５°となるように積層された構成からなる請求項６に記載の位相補正素子。
【請求項８】
前記第１の位相補正層は、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎo≠ｎe）で屈折率楕円体の光軸が一方向に揃った複屈折材料層を備え、
前記複屈折材料層は、断面形状が鋸歯状あるいは鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部を備え、
前記凹凸部の少なくとも凹部は、常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎｏとほぼ等しい屈折率ｎSの均質屈折率透明材料が充填された構造を有する第１偏光性位相補正層と第２の偏光性位相補正層を備え、
前記第１の位相板は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してはπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転する機能を有し、
前記第２の位相板は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してπの偶数倍の複屈折位相差を発生させて偏光状態を変えず、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してはπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を９０°回転する機能を有し、
前記第１の位相板、第１の偏光性位相補正層、第２の位相板、第２の偏光性位相補正層の順番に配置され一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の位相補正素子。
【請求項９】
前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ1の円形領域から開口数ＮＡ3（ＮＡ1＞ＮＡ2＞ＮＡ3）の円形領域を差し引いて得られる円環領域に、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を反射する多層膜フィルタ、または、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を回折する、断面形状が矩形状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が１０πである回折格子が形成されている請求項１から８のいずれか１項に記載の位相補正素子。
【請求項１０】
前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ1の円形領域から開口数ＮＡ2の円形領域を差し引いて得られる第１の円環領域に、波長λ1の入射光を透過し波長λ2および波長λ3の入射光を回折する、断面形状が凹凸状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が２πである回折格子が形成され、
前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ2の円形領域から開口数ＮＡ3の円形領域を差し引いて得られる第２の円環領域に、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を反射する多層膜フィルタ、または、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を回折する、断面形状が矩形状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が１０πである回折格子が形成されている請求項１から８のいずれか１項に記載の位相補正素子。
【請求項１１】
前記回折格子または前記多層膜フィルタが形成された請求項９記載の前記円環領域または請求項１０記載の前記第１および第２の各円環領域と開口数ＮＡ3の前記円形領域に対する、波長λ1の入射光の位相差が２πの整数倍である位相補正素子。
【請求項１２】
λ1＝４１０ｎｍ波長帯とλ2＝６５０ｎｍ波長帯とλ3＝７８０ｎｍ波長帯の３波長の光を出射する光源と、出射された３波長の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置であって、前記３波長の光を出射する光源から光記録媒体に至る光路中に、請求項１から１１のいずれか１項に記載の位相補正素子を配置したことを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相補正素子および光ヘッド装置に関し、特に使用波長の異なる３種の光記録媒体への情報の記録および／または再生に使用する光ヘッド装置に搭載する位相補正素子およびその光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、周知のように、情報を記録および／または再生する光記録媒体及びこの光記録媒体に情報を記録および／または再生することができる光ヘッド装置が各種開発され使用されている。
このうち、ＣＤ用の光記録媒体（以後、「光ディスク」という）は、情報記録面保護用のカバー厚が１．２ｍｍの光ディスクであり、情報の記録および／または再生のために、光源として７８０ｎｍ波長帯の半導体レーザとＮＡ（開口数）が０．４４から０．５１までの対物レンズが使用される。
【０００３】
一方、ＤＶＤ用の光ディスクは、カバー厚が０．６ｍｍの光ディスクであり、情報の記録および／または再生には、光源として６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザとＮＡが０．６０から０．６５までの対物レンズが使用される。
【０００４】
さらに、記録情報量を増大させるため、光源として４１０ｎｍ波長帯の半導体レーザとＮＡが０．８５の対物レンズを使用する、カバー厚が０．１ｍｍの光ディスクが提案されている。以下、４１０ｎｍ波長帯の半導体レーザで使用する光ディスクを特にＨＤ用の光ディスクという。
【０００５】
ここで、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の光とは波長が略３９０ｎｍから略４３０ｎｍまでの光、λ2＝６５０ｎｍ波長帯の光とは波長が略６３０ｎｍから略６８０ｎｍまでの光、λ3＝７８０ｎｍ波長帯の光とは波長が略７６０ｎｍから略８２０ｎｍまでの光のことを示す。
【０００６】
また、以下ではＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤに対して用いる対物レンズの開口数ＮＡをそれぞれＮＡ1、ＮＡ2、ＮＡ3とし、ＮＡ1は０．８５程度、ＮＡ2は０．６０から０．６５程度、ＮＡ3は０．４４から０．５１程度の値のものを用いている。
また、複屈折材料の常光偏光と異常光偏光に対する常光屈折率と異常光屈折率の相違に起因して生じる位相差を「複屈折位相差」と呼称し、屈折率の偏光依存性によらない光路長差に対応した通常の位相差と用語を区別して用いる。また、「位相差」をラディアン（rad）単位で記すが、波長単位で表すときは「波長位相差」と呼称する。
【０００７】
ところで、ＣＤ用とＤＶＤ用とＨＤ用の３種の光ディスクでは、互いにカバー厚および使用波長が異なる。このため、情報を記録および／または再生する光ヘッド装置において、仮にいずれか一種の光ディスク用に設計された対物レンズを取付け、これらの光ディスクを互換的に使用してそこに情報を記録および／または再生しようとする場合、例えばこの光ヘッド装置を前述の光ディスクとは別の種類の光ディスクへの記録および／または再生に用いると、大きな球面収差が発生し、情報の記録および／または再生ができない問題があった。
【０００８】
そこで、この光ヘッド装置において、単一の対物レンズを用いてカバー厚の異なる光ディスクの情報の記録および／または再生を行うため、発生する球面収差を低減する種々の方式が提案されている。（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００９】
従来例１として、基板の周辺部に屈折率の異なる透明誘電体膜が積層された多層膜フィルタまたは回折格子が形成され、一方の波長の光は透過し他方の波長の光は反射または回折してＮＡを切り換える開口制限素子が特許文献１に提案されている。
ＤＶＤ用の波長λ2の光を透過し、ＣＤ用の波長λ3の光を反射する従来の開口制限素子１０００の断面図の例を図２０に示す。透光性基板（ガラス基板）１１００の表面で、開口数ＮＡ2の円形領域から開口数ＮＡ3の円形領域を差し引いて得られる円環領域（中間領域）に、多層膜フィルタ１２００が形成され、波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を透過しない開口制限素子となっている。
【００１０】
ここで、開口数ＮＡ3の円形領域と多層膜フィルタ１２００が形成された円環領域で、波長λ2の透過光の位相がそろうように、円環領域の多層膜フィルタ１２００に位相調整用の位相補償膜１３００が形成されている。
このような開口制限素子１０００を対物レンズと一体で用い、対物レンズにより情報記録面に集光される光束のＮＡをＤＶＤおよびＣＤの波長の相違に応じて切り換えることにより、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を低減する光ヘッド装置を構成できる。ここでは、対物レンズに対する波長λ3の入射光を発散光とすることにより、残留する球面収差を低減している。
【００１１】
従来例２として、開口制限素子に加えて、同心円状の干渉縞パターンを有しその断面形状が階段状になされている開口制限付ホログラム光学素子からなり、第一の波長の光を透過するとともにそれと異なる第二の波長の光を回折して球面収差を発生し、対物レンズの有する球面収差を打ち消す位相補正素子が特許文献２に提案されている。
【００１２】
また、ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクにおける光記録媒体の情報の記録および／または再生を行う光ヘッド装置において、光源である半導体レーザからの出射光は対物レンズにより光記録媒体上に集光され、光記録媒体で反射された戻り光はビームスプリッタにより光検出器である受光素子へ導かれ、光記録媒体の情報が電気信号に変換される構成となっている。
ここで、半導体レーザの出射光を光ディスクの光記録媒体に効率よく集光し、光記録媒体からの信号光を光検出器で効率よく検出するため、偏光ビームスプリッタを用いることが有効である。偏光ビームスプリッタは、光源から出射した特定方向の偏波面の直線偏光を往路で透過し、光記録媒体で反射し往路と直交する偏波面となった直線偏光を復路で反射または回折して、光の進行方向を光検出器へと切り変えることができる。ここで、復路の偏波面を往路と直交する直線偏光とするために、入射光の波長に対し複屈折位相差がπ／２である位相板（１／４波長板）が用いられ、偏光ビームスプリッタと光記録媒体の光路中に配置されている。
【００１３】
【特許文献１】特許第２７１３２５７号公報
【特許文献２】特許第２７２５６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前記従来例１および２に示すように、単一の対物レンズを用いて２種の光ディスクの情報の記録および／または再生に対応可能な開口制限素子または位相補正素子はあるものの、ＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生に対応可能な３波長用の位相補正素子が存在しないため、単一の対物レンズを用いてこれら３種の光ディスクの情報の記録および／または再生は困難であった。
【００１５】
また、前記従来例１の開口制限素子をＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対応した互換素子として用いる場合、図２０に示す開口制限素子１０００に対して、ＨＤの開口数ＮＡ1の円形領域からＤＶＤの開口数ＮＡ2（ただし、ＮＡ1＞ＮＡ2）の円形領域を差し引いて得られる第１の円環領域に、波長λ1の入射光を透過し波長λ2および波長λ3の入射光を透過しない波長選択フィルタの機能を付加する必要がある。また、同様にＤＶＤの開口数ＮＡ2の円形領域からＣＤの開口数ＮＡ3（ただし、ＮＡ2＞ＮＡ3）の円形領域を差し引いて得られる第２の円環領域に、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を透過しない波長選択フィルタの機能を付加する必要がある。また、開口数ＮＡ3の円形領域は、波長λ1、波長λ2および波長λ3の入射光を全て透過する機能が必要である。
【００１６】
そこで、この波長選択フィルタとして、多層膜フィルタを用いる従来技術の適用では、第１の円環領域と第２の円環領域にそれぞれ分光透過率の異なる多層膜を領域分割して成膜する必要があり、極めて複雑なプロセスとなり、開口数ＮＡ1の全面において波長λ1の入射光に対する透過波面収差の劣化しない開口制限素子を安定して作製することが難しかった。
さらに、波長λ1に対する複屈折位相差がπ／２であるとともに、波長λ2および波長λ3の波長に対して位相補正素子としての特性劣化を招くことのない位相板が一体化された位相補正素子が求められていた。
【００１７】
本発明は、上記欠点を解決するためになされたものであり、ＨＤ用の単一の対物レンズを用いてＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生に対応可能な位相補正素子および光ヘッド装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、λ1、λ2、λ3（λ1＜λ2＜λ3）の３波長の光を透過し、前記波長λ2の透過波面、または前記波長λ2および波長λ3の透過波面を変化させる機能を有する位相補正素子であって、
前記光が入射する前記位相補正素子平面内の開口数ＮＡ2の領域に第１の位相補正層が形成されているとともに、
前記波長λ1の直線偏光の入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換する第１の位相板が前記第１の位相補正層と一体化されて形成されており、
前記第１の位相補正層は、その断面形状が鋸歯状または鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、
前記位相補正素子平面内の前記開口数ＮＡ2の領域を含む開口数ＮＡ1（ＮＡ1＞ＮＡ2）の領域に入射する前記波長λ1の光の透過波面はその偏光状態に関わらず不変であるが、前記位相補正素子平面内の開口数ＮＡ2の領域に入射する波長λ2の光、または波長λ2および波長λ3の光の透過波面は変化させる機能を有することを特徴とする位相補正素子を提供する。
【００１９】
さらに、前記第１の位相補正素子において、前記第１の位相補正層は、屈折率波長分散が異なる第１の透光性材料と第２の透光性材料を備え、その屈折率差△ｎが波長λ1でゼロであるとともに波長λ2および波長λ3では有限の値であって、前記第１の透光性材料は、その断面形状が鋸歯状または鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、前記凹凸部の少なくとも凹部に前記第２の透光性材料が充填され、波長λ2における屈折率差を△ｎとすると、前記鋸歯状の各凸部の高さｄが、次式、λ2／２≦△ｎ×ｄ≦λ3を満たす第２の位相補正素子を提供する。
【００２０】
さらに、前記第１の位相補正素子において、前記第１の位相補正層は、前記鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、階段形状の各段の凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が４πの自然数倍である第３の位相補正素子を提供する。
【００２１】
さらに、前記第１から第３の位相補正素子において、前記第１の位相板は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯とλ2＝６５０ｎｍ波長帯の中間波長λC＝（λ1＋λ2）／２に対する複屈折位相差がπとπ／２である２枚の位相板をそれらの光軸のなす角度が５７±５°となるように積層された構成からなり、少なくともλ1およびλ2の波長帯の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換する第４の位相補正素子を提供する。
【００２２】
さらに、前記第３の位相補正素子において、前記位相補正素子は、その平面内の開口数ＮＡ3（ＮＡ2＞ＮＡ3）の領域に第２の位相補正層が形成されており、前記第２の位相補正層は常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎe≠ｎo）で屈折率楕円体の光軸が一方向に揃った複屈折材料層を備え、前記複屈折材料層は断面形状が鋸歯状でその各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなり、前記凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎeとほぼ等しい屈折率ｎsの均質屈折率透明材料が充填され、前記階段形状格子の各段の凸部と凹部に対する波長λ1の異常光偏光または常光偏光の透過光の位相差が２πの奇数倍である第５の位相補正素子を提供する。
【００２３】
さらに、前記第５の位相補正素子において、前記第１の位相板は、波長λ1の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、波長λ2および波長λ3の直線偏光入射光に対してπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転する機能を有する第６の位相補正素子を提供する。
【００２４】
さらに、前記第６の位相補正素子において、前記第１の位相板は、波長λ1に対する複屈折位相差がπ／２とπである２枚の位相板をそれらの光軸のなす角度が４５±５°となるように積層された構成からなる第７の位相補正素子を提供する。
【００２５】
さらに、前記第１の位相補正素子において、前記第１の位相補正層は、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎo≠ｎe）で屈折率楕円体の光軸が一方向に揃った複屈折材料層を備え、前記複屈折材料層は、断面形状が鋸歯状あるいは鋸歯状の各凸部が階段形状によって近似され、かつ入射光の光学軸に対し回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部を備え、前記凹凸部の少なくとも凹部は、常光屈折率ｎoまたは異常光屈折率ｎoとほぼ等しい屈折率ｎSの均質屈折率透明材料が充填された構造を有する第１偏光性位相補正層と第２の偏光性位相補正層を備え、前記第１の位相板は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してπ／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してはπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転する機能を有し、前記第２の位相板は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してπの偶数倍の複屈折位相差を発生させて偏光状態を変えず、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光入射光に対してはπの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を９０°回転する機能を有し、前記第１の位相板、第１の偏光性位相補正層、第２の位相板、第２の偏光性位相補正層の順番に配置され一体化されている第８の位相補正素子を提供する。
【００２６】
さらに、前記第１から第８の位相補正素子において、前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ1の円形領域から開口数ＮＡ3（ＮＡ1＞ＮＡ2＞ＮＡ3）の円形領域を差し引いて得られる円環領域に、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を反射する多層膜フィルタ、または、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を回折する、断面形状が矩形状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が１０πである回折格子が形成されている第９の位相補正素子を提供する。
【００２７】
さらに、前記第１から８の位相補正素子において、前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ1の円形領域から開口数ＮＡ2の円形領域を差し引いて得られる第１の円環領域に、波長λ1の入射光を透過し波長λ2および波長λ3の入射光を回折する、断面形状が凹凸状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が２πである回折格子が形成され、前記位相補正素子平面上の開口数ＮＡ2の円形領域から開口数ＮＡ3の円形領域を差し引いて得られる第２の円環領域に、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を反射する多層膜フィルタ、または、波長λ1および波長λ2の入射光を透過し波長λ3の入射光を回折する、断面形状が矩形状で凸部と凹部に対する波長λ1の透過光の位相差が１０πである回折格子が形成されていることを特徴とする第１０の位相補正素子を提供する。
【００２８】
さらに、前記第９または１０の位相補正素子において、前記回折格子または前記多層膜フィルタが形成された第９の位相補正素子における円環領域または第１０の位相補正素子における前記第１および第２の各円環領域と開口数ＮＡ3の前記円形領域に対する、波長λ1の入射光の位相差が２πの整数倍であることを特徴とする第１１の位相補正素子を提供する。
【００２９】
さらに、λ1＝４１０ｎｍ波長帯とλ2＝６５０ｎｍ波長帯とλ3＝７８０ｎｍ波長帯の３波長の光を出射する光源と、出射された３波長の光を光記録媒体に集光する対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを少なくとも備える光ヘッド装置であって、前記３波長の光を出射する光源と光記録媒体に至る光路中に、前記第１から第１１に記載の位相補正素子を配置したことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の位相補正素子を用いることにより、波長λ1の透過波面は不変のまま、波長λ2あるいは波長λ3の透過波面を補正できる。また、波長λ1で１／４波長板の機能を有する第１の位相板が一体化されているため、位相補正素子を往復した波長λ1の直線偏光は直交する直線偏光に変換される。その結果、位相補正素子を波長λ1でＨＤ用の光ディスクに最適設計されたＨＤ用対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載することにより、使用波長およびカバー厚のそれぞれ異なるＨＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクに対しても安定した情報の記録および／または再生ができる。
【００３１】
また、偏光ビームスプリッタが搭載された本発明の光ヘッド装置に用いることにより、波長λ1の光に対して往路および復路の光利用効率が向上し、半導体レーザ光源の消費電力を削減でき、高速な記録および／または再生ができる。また、半導体レーザ光源の発振を不安定にする戻り光が減少するため、半導体レーザの発振が安定し、信頼性の高い記録および／または再生用の光ヘッド装置となる。また、対物レンズと光ディスクとの間隔を確保できるため、記録および／または再生時のフォーカスサーボなどの安定性を向上できる。したがって、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供できる。
【００３２】
また、位相補正素子中の第１の位相補正層に屈折率波長分散の異なる材料を用いることにより、入射光の偏光に依存しない波面収差補正ができる。また、位相補正素子中の第１の位相補正層を１段の位相差が波長λ1の２倍に相当する階段形状格子とすることにより、波長λ2の波面収差を独立に補正できる。
さらに、２波長用または３波長用の１／４波長板を用いることにより、ＤＶＤおよびＣＤの波長においても、高い光利用効率が得やすいとともに信頼性の高い記録および／または再生用の光ヘッド装置となる。
【００３３】
また、位相補正素子中の第２の位相補正層に複屈折の異なる材料を用い、異常光偏光に対する１段の位相差が波長λ1に相当する階段形状格子とし、３波長の入射偏光を規定することにより、波長λ3の波面収差を独立に補正できる。さらに、前記波長λ2の波面収差を独立に補正できる第１の位相補正層と、波長λ1で１／４波長板の機能を有しかつ波長λ2および波長λ3で１／２波長板の機能を有する第１の位相板を一体化した位相補正素子とすることにより、ＤＶＤおよびＣＤの波面収差を独立に補正できる。
【００３４】
また、波長λ1で１／４波長板の機能を有し、かつ波長λ2および波長λ3で１／２波長板の機能を有する前記の第１の位相板と、波長λ1の透過光の偏光は不変で波長λ2および波長λ3に対し偏波面を９０°回転する１／２波長板の機能を有する第２の位相板と、複屈折材料と均質屈折率材料からなる偏光性位相補正層を２層用いることにより、ＤＶＤおよびＣＤの波面収差補正ができる。複屈折材料として複屈折の大きな高分子液晶を用いることにより、位相補正層の厚さを薄くできるとともに、鋸歯状の凹凸形状を精度良く加工できるため、正確で光利用効率の効率の高い波面収差補正ができる。
【００３５】
また、開口数ＮＡ1から開口数ＮＡ3を差し引いた円環領域に、波長λ1および波長λ2の光のみを直進透過する多層膜フィルタあるいは回折格子を形成してＣＤ用の波長λ3の光束に対する開口制限とすることにより、安定したＣＤの波面収差補正ができる。
【００３６】
さらに、開口数ＮＡ1から開口数ＮＡ2を差し引いた第１の円環領域に、波長λ1の光のみを直進透過する回折格子を形成してＤＶＤ用の波長λ2の光束に対する開口制限素子とすることにより、安定したＤＶＤの波面収差補正ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る第１の位相補正素子の構成例について、図１に断面図を、図２に平面図を示す。
本実施形態に係る第１の位相補正素子１００は、開口数ＮＡ2の領域に形成された第１の位相補正層１０Ａと第１の位相板３０Ａとを備えて構成される。
【００３９】
第１の位相補正層１０Ａは、ＨＤ用の光ディスクに対応する位相補正素子の開口数ＮＡ1の有効径内で、ＤＶＤ用の光ディスクに対応する開口数ＮＡ2の領域に形成されていて、その断面形状が鋸歯状（いわゆるブレーズド回折格子型）あるいは鋸歯状の各凸部が階段形状格子によって近似されており、かつ入射光の光学軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなるように加工された屈折率ｎAの透光性材料（第１の透光性材料）１Ａと、その凹凸部の少なくとも凹部に屈折率ｎBの透光性材料（第２の透光性材料）１Ｂが充填された構成からなる。
【００４０】
図１では、第１の位相補正層１０Ａが、透光性基板５および６に狭持された構成例を示すが、透光性基板５の表面に形成されてその凹部には充填物が無い構成でもよい。この第１の位相補正層１０Ａは、位相補正素子平面内の開口数ＮＡ1の領域に入射する波長λ1の光の透過波面は不変だが、波長λ2、または波長λ2および波長λ3の光の透過波面を変化させる、波長選択性の位相補正層とすることにより、ブレーズド回折格子の空間的形状分布に応じて透過波面変化を生成できる。
位相補正層の波長選択性機能は、透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂの屈折率波長依存性の相違、屈折率偏光依存性の相違、あるいは階段格子の加工段差の位相差波長依存性などを利用することにより発現する。
【００４１】
また、第１の位相補正素子１００には、波長λ1に対し複屈折位相差がπ／２の奇数倍となる第１の位相板３０Ａが透光性基板５と透光性基板６とに挟まれ一体化されている。第１の位相板３０Ａとしては複屈折性を有する材料であればいずれでもよい。例えば、高分子液晶、水晶などの光学結晶や、一軸延伸により複屈折性が発現するポリカーボネートなどでもよい。高分子液晶は複屈折が比較的大きな値で、５０μｍ以下の薄膜を平坦性の優れたガラスなどの透光性基板に狭持し、均一かつ大面積に作製できるため、位相板として好ましい。
【００４２】
第１の位相板３０Ａの光軸と４５°の角度をなす偏波面で波長λ1の直線偏光が入射し、第１の位相板３０Ａを往復することにより、偏波面が直交する直線偏光に変換される。
第１の位相板３０Ａは、複屈折材料の単層でもよいし、２層以上積層した構成や、透光性基板を２枚以上用いその間に高分子液晶膜を狭持した構成でもよい。複屈折波長依存性を複屈折材料によって制御する、あるいは位相板を積層することにより複屈折位相差の波長依存性を制御できる。例えば、３波長λ1、λ2、λ3の入射光に対して１／４波長板として作用する位相板や、波長λ1の入射光に対して１／４波長板として作用するとともに波長λ2および波長λ3の入射光に対して１／２波長板として作用する位相板とすることもできる。
【００４３】
したがって、本実施形態の位相補正素子を用いることにより、ＨＤ用の対物レンズをＤＶＤまたはＣＤに用いたとき発生する波面収差を補正できる。また、波長λ1の直線偏光の入射光を透過しそれと直交する偏波面の直線偏光の入射光を反射または回折する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が搭載された光ヘッド装置における位相補正素子として用いることにより、光利用効率の高い光学系となるとともに、半導体レーザ光源の発振が安定するため、信頼性の高い記録および／または再生用の光ヘッド装置となる。
【００４４】
［第２の実施形態］
次に、図１において、屈折率波長分散が異なる透光性材料、つまり第１の透光性材料１Ａと第２の透光性材料１Ｂからなり、その屈折率差△ｎが波長λ1で略ゼロであるとともに波長λ2および波長λ3では有限の値となる屈折率波長分散性を有する第１の位相補正層１０Ｂと、第１の位相板３０Ｂとを備えた第２の位相補正素子２００について、以下に説明する。なお、この第１の位相板３０Ｂは、第１の位相補正素子１００での第１の位相板３０Ａと同じ構成である。
【００４５】
透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂは、可視波長域の屈折率波長分散の差が大きな２種の材料であって、波長λ1で屈折率値が等しく、波長λ1、λ2およびλ3で透明であれば、それ以外の波長で光吸収があってもよい。透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂはガラスなどの無機材料でもよいし、プラスティックレンズや光学樹脂として用いられる有機材料でもよい。屈折率波長分散を調整するために無機材料あるいは有機材料中に微粒子を分散させた複合材料でもよい。
【００４６】
図３はＤＶＤ用またはＣＤ用の光ディスクにおける透過光の波面収差を示すグラフである。図３において、（Ａ）は本実施形態の第２の位相補正素子２００を用いたときに本素子が発生する波面収差を示し、（Ｂ）は第２の位相補正素子２００を用いないときに発生している波面収差を示す。
【００４７】
図３の（Ｂ）は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯でカバー厚０．１ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対して良好な収差となるよう設計された開口数ＮＡ１のＨＤ用対物レンズを、λ2＝６５０ｎｍ波長帯でカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスクに開口数ＮＡ2で用いたときに、発生する波面収差の一例を示したグラフである。ここでは球面収差にパワー（倍率）成分が付加された波面収差を示し、横軸は開口径に対応した開口数ＮＡであり、縦軸は光学軸上の光線（ＮＡ＝０）に対する各ＮＡ値での光線の光学的距離差を使用波長単位で示す波長位相差の断面を表す。この波面収差は、実際にはほぼ軸対称の３次元形状で、略放物面状の分布をなす。
【００４８】
図３において、水平方向の複数本の点線は波長λ2の整数倍の等位相波面を示し、横線の各間隔は波長λ2となっている。図３の（Ｂ）に示す波面収差から波長λ2の整数倍を差し引いた波長位相差で、λ2以下の波面収差が補正すべき波面収差である。図３の（Ａ）は、上記λ2以下の波面収差を補正するように本発明の第２の位相補正素子２００における第１の位相補正層１０Ｂを使用して発生する波面収差を示したもので、中心から外周に向かって鋸歯の底面の幅が狭くなる同心円状になっている。
【００４９】
また、第１の位相補正層１０Ｂにおける鋸歯状の凹凸部の断面形状に加工された透光性材料１Ａは、図１および図２に示す鋸歯断面からなるフレネルレンズ形状とするが、この形状は次のようにして決定される。
すなわち、図３の（Ｂ）に示す断面形状が略放物線状で３次元的には略放物面状の波面収差を、開口数ＮＡ2の円形領域において波長λ2の間隔ごとに輪切りにして得られ複数の輪帯から、透光性材料１Ａの各凸部の輪帯半径が決まる。
これらの輪帯を波面収差がゼロの平面（図３において紙面に垂直な面）上に、ＮＡ＝０の軸の回りに同心円状に並べると、これらの輪帯の高さは全てλ2となる。すなわち、波長λ2で透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂの凹凸部の光路長差がλ2となるように透光性材料１Ａを加工する。
波長λ2においてｎA＞ｎBの場合、透光性材料１Ａの断面形状は図１の１Ａに相当する鋸歯状となるように加工する。
また、波長λ2においてｎA＜ｎBの場合、紙面と垂直な面に対し面対称形状である図３の（Ａ）に相当する断面形状に、透光性材料１Ａを加工すればよい。
【００５０】
波面収差λ2に相当する輪帯をなす透光性材料１Ａからなる鋸歯状の各凸部の高さｄは、波長λ2における透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂの屈折率差△ｎを用いてｄ＝λ2／△ｎで記述される。鋸歯状の各凸部を階段形状によって近似した場合、
λ2／２≦△ｎ×ｄ≦λ2
を満たす高さｄの範囲とすればよい。
また、波長λ2と波長λ3に対して収差補正するためには、
λ2／２≦△ｎ×ｄ≦λ3
を満たす高さｄの範囲とすればよい。
また、
λ2≦△ｎ×ｄ≦λ3
を満たす高さｄがさらに好ましい。
【００５１】
ここで、第２の位相補正素子２００に波長λ1の光が入射するとき、波長λ1における透光性材料１Ａと透光性材料１Ｂの屈折率差△ｎがゼロのため、透過波面は変化しない。一方、波長λ2の入射光に対して屈折率差△ｎは有限のため、鋸歯状の各凸部の高さｄに応じて波長単位の位相差△ｎ×ｄ／λ2が生じ、図３の（Ｂ）に示す波面収差を補正する図３の（Ａ）に示す透過波面変化が生じる。また、波長λ3の入射光に対しても屈折率差△ｎは有限のため、鋸歯状の各凸部の高さｄに応じて波長単位の位相差△ｎ×ｄ／λ3が生じ、図３の（Ａ）に類似した透過波面変化が生じる。すなわち、凹レンズに相当するパワーを有する透過波面となる。
波長λ2および波長λ3に対して、位相補正素子が凹レンズの作用を有することにより、光ディスクと対物レンズの間隔を拡大できるため、記録および／または再生において光ヘッド装置の安定性が向上する。
【００５２】
なお、同じＨＤ用対物レンズをλ3＝７８０ｎｍ波長帯でカバー厚１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスクに開口数ＮＡ3で用いたときに発生する波面収差は、第２の位相補正素子２００を用いただけでは完全には補正されないが、位相補正素子２００および対物レンズに対して波長λ3の入射光を波長λ2に比較して若干発散光とすることにより、良好な波面収差補正ができる。
また、波長λ2および波長λ3の入射光をどちらも若干発散光としたとき発生する波長λ2および波長λ3の波面収差を補正するように第１の位相相補層１０Ｂを加工することもできる。波長λ2と波長λ3の光を出射する半導体レーザが１つのパッケージ内に集積化された２波長レーザを光源とし、共通のコリメータレンズを用いて２波長の光を対物レンズに同程度の発散光として入射させる光ヘッド装置において、このような性能を備えた位相補正素子２００を用いることが有効である。
【００５３】
したがって、第２の位相補正素子２００を用いることにより、波長λ2および波長λ3の入射光の偏光状態にかかわらず波長λ1との波長の相違のみで収差補正ができるため、波長λ2および波長λ3に対する第１の位相板３０Ｂの制約が少ない。
【００５４】
［第３の実施形態］
次に、図４に本発明の他の実施形態に係る第３の位相補正素子３００の構成を断面図に示す。なお、平面図は図２と同じものである。
本実施形態に係る位相補正素子３００は、ガラスなどの透光性基板５の表面で開口数ＮＡ2の領域に形成された第１の位相補正層１０Ｃと、ガラスなどの透光性基板６の片面に形成された第１の位相板３０Ｃとを備えて構成される。この第１の位相板３０Ｃは、第１の位相補正素子１００での第１の位相板３０Ａと同じ構成である。
【００５５】
ここで、前述の第２の実施形態の第１の位相補正層１０Ｂと同様、第１の位相補正層１０Ｃは波長λ2の入射光に対して図３の（Ａ）に相当する波面収差を発生し、第３の位相補正素子３００を用いないときに発生する図３の（Ｂ）に示す波面収差を補正する。この第１の位相補正層１０Ｃは、ガラスなどの透光性基板５の表面で開口数ＮＡ2の領域に、断面形状が鋸歯状（いわゆるブレーズド回折格子型）に形成したものであり、鋸歯状の各凸部（凹凸部）が階段形状格子によって近似された均質材料からなる多段の階段形状のブレーズド回折格子で構成されている。なお、この凹凸部は、光学軸に関して回転対称性を有する形状に形成されている。
【００５６】
ここで、階段形状格子の各段における屈折率ｎの均質材料の透過光と空気の透過光との位相差が、波長λ1に対して略４πの自然数倍としている。λ1＝４１０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の場合、均質材料の屈折率波長分散を考慮すると、前記位相差は、波長λ1に対して略４πの自然数倍とすれば波長λ3に対しては略２πの自然数倍となる。したがって、鋸歯状の各凸部をこのような階段形状格子によって近似することにより、波長λ1および波長λ3に対しては入射光の偏光状態にかかわらず透過波面は変化することなく透過するが、波長λ2の入射光に対しては透過波面が変化する波長選択性の第１の位相補正層１０Ｃとなる。
【００５７】
また、第１の位相補正層１０Ｃにおける鋸歯状の凹凸部の形状は、図２および図４に示す階段形状格子からなるフレネルレンズ形状とするが、この形状は前述の第１の位相補正層１０Ｂと同様にして決定される。
【００５８】
図４において、（Ｎ＋１）レベル（すなわちＮ段）の階段形状格子の高さｄNをＮ等分した１段の高さｄN1の光路差（ｎ−１）×ｄN1がＣＤ用の光ディスクのλ3＝７８０ｎｍ波長帯の自然数倍となるようにしている。例えば（ｎ−１）×ｄN1＝λ3のとき、このように階段形状に加工された第１の位相補正層１０Ｃに、波長λ2の光が入射した場合を考える。この場合、透過光波面の位相は、
２π×（ｎ−１）×ｄN1／λ2＝２π×（λ3／λ2）
＝２π×１．２２
となり、階段形状格子の１段につき実効的に０．２２波長分だけ透過波面が遅れることになる。したがって、鋸歯状の断面形状をＮ＝３から５の階段形状格子に近似することにより、ＤＶＤ用の光ディスクの透過波面のみを補正する第１の位相補正層１０Ｃとなる。
【００５９】
図５は、第１の位相補正層１０Ｃの波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図である。図５において、階段形状格子の１段の高さｄN1に対応した補正光路差ａ、すなわち
ａ＝｛（ｎ−１）×ｄN1｝−λ2
を単位に、１波長λ2分の波面収差をａで分割することにより近似的に波面収差を補正している。なお、図５では５レベル（４段）の階段形状格子による収差補正例を示している。第１の位相補正層１０Ｃは、透光性基板５の表面を直接階段形状格子に微細加工してもよいし、所望の膜厚に成膜した層を加工してもよい。
【００６０】
したがって、第３の位相補正素子３００では、第１の位相補正層１０Ｃに使用する材料に制約が少なくて済むとともに、空気との屈折率差が大きなため加工量が比較的少なく加工しやすいといった長所がある。
【００６１】
［第４の実施形態］
次に、図６に本発明の第４の実施形態に係る第４の位相補正素子４００の構成例を断面図に示す。なお、平面図は図２と同じものである。
この実施形態の位相補正素子４００では、第１の位相板としてリタデーション値の異なった複屈折材料からなる２種の位相板３Ａと３Ｂをそれらの光軸が所定の角度をなすよう積層した第１の位相板３０Ｄを用いている。なお、図６では第１の位相補正層１０Ｄとして、第２の実施形態を示す図１の第２の位相補正素子２００における第１の位相補正層１０Ｂと同じ位相補正層を用いた場合を示すが、第３の実施形態の第３の位相補正素子３００で用いられた第１の位相補正層１０Ｃとしてもよい。
【００６２】
第１の位相板３０Ｄを構成する位相板３Ａと３Ｂは、例えば、高分子液晶、水晶などの光学結晶や、一軸延伸により複屈折性が発現するポリカーボネートなどの複屈折性を有する材料から形成されている。この位相板３Ａと３Ｂは、光軸およびリタデーション値の異なる高分子液晶膜を透光性基板６上に積層する、あるいは、透光性基板６上に形成された高分子液晶膜からなる位相板３Ｂに接着剤を用いてポリカーボネートからなる位相板３Ａを接着してもよい。また、透光性基板６の代わりに水晶からなる位相板３Ｂを用い、その上に高分子液晶膜からなる位相板３Ａを形成してもよい。
【００６３】
位相補正層１０Ｄ側から位相板３Ａ、位相板３Ｂの順に配置し、波長λの直線偏光入射光の偏波面に対する位相板３Ａ、３Ｂの進相軸の角度をθAおよびθBとし、それぞれのリタデーション値をＲA、ＲBとすると、積層位相板の透過光の偏光状態を表すストークス行列成分のＳ３は、次の（１）式で記述される。
【００６４】
【数１】
2004219977.tif 000003
【００６５】
ただし、δAおよびδBは、波長λにおける位相板３Ａと３Ｂの複屈折位相差を示し、
δA＝２πＲA／λ、
δB＝２πＲB／λ
と表される。
【００６６】
また、透過光の直線偏光性を表す楕円率κ（楕円偏光の長軸振幅に対する短軸振幅の比）はＳ3を用いて、次式、
κ＝ｔａｎ｛０．５×ｓｉｎ−１（Ｓ3）｝
で記述される。
【００６７】
したがって、第１の位相板３０Ｄが、例えば、３波長λ1、λ2、λ3の入射光に対して１／４波長板として作用するように、複屈折位相差が略π／２の奇数倍となる位相板とするためには、３波長に対してκが１すなわちＳ3が１に近い値となるようθA、θB、ＲA、ＲＢを決めればよい。
【００６８】
例えば、波長λ1と波長λ2の中間波長λC＝（λ1＋λ2）／２に対して、複屈折位相差δA≒πすなわち１／２波長板相当の位相板３Ａと、複屈折位相差δB≒π／２すなわち１／４波長板相当の位相板３Ｂを、それぞれの進相軸のなす角度｜θB−θA｜が５７±５°となるよう積層する。
進相軸の角度としては、θA＝１７±５°およびθB＝７４±５°、またはθA＝７４±５°およびθB＝１７±５°とする。
第１の位相板３０Ｄをこのような積層位相板とすることにより、λ1＝４１０ｎｍ波長帯、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光に対して、略π／２の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換する３波長用の１／４波長板となる。
【００６９】
なお、上記の第１の位相板３０Ｄを構成する位相板３Ａと位相板３Ｂの積層構成は一例であって、必ずしも上記のθA、θB、ＲA、ＲBの数値範囲に限定されるものではない。用いる複屈折材料によって複屈折量の波長依存性が異なるため、波長ごとの偏光変換の目的に応じて（１）式で記述される所望のＳ３となるよう、θA、θB、ＲA、ＲBを調整すればよい。
【００７０】
このような第１の位相板３０Ｄが一体化された本発明の第４の位相補正素子４００を用いることにより、波長λ1のみならず波長λ2および波長λ3の入射光に対しても１／４波長板として機能する。
このため、使用波長の異なる３種の光記録媒体の情報の記録および／または再生に使用する光ヘッド装置にこの第４の位相補正素子４００を搭載した場合、偏光ビームスプリッタと併用して光利用効率の高い光記録媒体の記録および／または再生ができる。また、偏光ビームスプリッタを用いない場合でも、光記録媒体からの反射戻り光は第１の位相板３０Ｄを往復することにより半導体レーザ光源の出射光の偏波面と直交する直線偏光となってレーザ発光点に入射するため、半導体レーザの発振に影響を与えず安定した出射光強度が得られ、信頼性の高い安定した記録および／または再生が実現する。
【００７１】
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る第５の位相補正素子５００の構成例について、図７に断面図を、図８に平面図を示す。なお、図８（ａ）は第１の位相補正層１０Ｅが形成された側から、図８（ｂ）はその反対側から見た外観を示す。
本実施形態に係る位相補正素子５００は、第３の位相補正素子３００と同様に透光性基板５の表面で開口数ＮＡ2の領域に第１の位相補正層１０Ｅが形成され、さらに透光性基板５の他方の面で開口数ＮＡ3の領域に第２の位相補正層２０Ｅが形成され、第１の位相板３０Ｅが一体化されている。なお、第１の位相補正層１０Ｅは、第３の実施形態の第１の位相補正層１０Ｃと同じ構成である。
【００７２】
はじめに、第２の位相補正層２０Ｅについて以下に詳細に説明する
開口数ＮＡ1のＨＤ用対物レンズを、λ3＝７８０ｎｍ波長帯でカバー厚１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスクに開口数ＮＡ3で用いたとき発生する球面収差にパワー成分が付加された波面収差は、図３の（Ｂ）に相当する。この波面収差を第２の位相補正層２０Ｅを用いて補正する方法は、第１の位相補正層１０Ａおよび１０Ｃについて前述した手順と同様である。
【００７３】
第２の位相補正層２０Ｅは、ガラスなどの透光性基板５の開口数ＮＡ3の領域に、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎe＞ｎo）の複屈折材料層である高分子液晶層を形成してなる。ここでは、液晶モノマーの溶液を透光性基板上の配向処理の施された配向膜上に塗布し、液晶分子の配向ベクトル（分子配向軸）を基板と平行面内の特定方向に揃うように配向させた後、紫外線などの光を照射して重合硬化させて高分子液晶層とする。
【００７４】
上記高分子液晶層を、断面形状が鋸歯状（いわゆるブレーズド回折格子型）であって、鋸歯状の各凸部が階段形状格子によって近似された多段の階段形状のブレーズド回折格子２Ａで、かつ光学軸に関して回転対称性を有する形状の凹凸部となるよう加工する。すなわち、中心から外周に向かって鋸歯の底面の幅が狭くなるように同心円状に凹凸部を形成する。そして、形成した高分子液晶層の凹凸部の少なくとも凹部に、常光屈折率ｎoとほぼ等しい屈折率ｎsの均質屈折率透明材料２Ｂを充填し、第２の位相補正層２０Ｅとする。すなわち、高分子液晶の凹凸部からなる階段形状のブレーズド回折格子２Ａを形成した透光性基板５と第１の位相板３０Ｅとの間に、均質屈折率透明材料２Ｂの充填材を充填する。
【００７５】
この第２の位相補正層２０Ｅは、波長λ1および波長λ2を常光偏光の入射光とし、波長λ3を異常光偏光の入射光として使用する。このようにすることにより、波長λ1および波長λ2に対しては透過波面が不変で、波長λ3に対してのみを発生した波面収差を補正する透過波面変化が生じる第２の位相補正層２０Ｅが得られる。
【００７６】
ここで、階段形状のブレーズド回折格子２Ａの各段における異常光屈折率ｎeの高分子液晶層の透過光と、屈折率ｎsの均質屈折率透明材料２Ｂの透過光との位相差が、波長λ1に対して略２πの奇数倍としている。鋸歯状の各凸部をこのような階段形状格子によって近似することにより、波長λ1の異常光偏光に対しても透過波面は変化することなく透過するが、波長λ3の異常光偏光に対しては透過波面が変化する波長選択性の機能を有する第２の位相補正層２０Ｅとなる。
【００７７】
また、第２の位相補正層２０Ｅにおける鋸歯状の凹凸部の断面形状は、ｎe＞ｎoの場合は、図７および図８（ｂ）に示す階段形状格子からなるフレネルレンズ形状とするが、ｎe＜ｎoの場合は、階段形状格子の凹凸を逆にする。
この形状は次のようにして決定される。すなわち、図３の（Ｂ）に示す断面形状が略放物線状で３次元的には略放物面状の波面収差を、開口数ＮＡ3の円形領域において波長λ3の間隔ごとに輪切りして得られる複数の輪帯から、ブレーズド回折格子２Ａの各凸部の輪帯半径が決まる。これら輪帯を波面収差がゼロの平面（図３において紙面に垂直な面）上に、ＮＡ＝０の軸の回りに同心円状に並べると、これら輪帯の高さは全てλ3であり、断面形状は鋸歯状となる。
【００７８】
次に、図７において、（Ｍ＋１）レベル（すなわちＭ段）の階段形状格子の高さｄMをＭ等分した１段の高さｄM1の光路差（ｎe−ｎs）×ｄM1がＨＤ用の光ディスクのλ1＝４１０ｎｍ波長帯の奇数倍となるようにしている。
例えば（ｎe−ｎs）×ｄＭ1＝λ1のとき、このような階段形状に加工された第２の位相補正層２０Ｅに波長λ3の光が入射した場合を考える。この場合、透過光波面の位相は、
２π×（ｎe−ｎs）×ｄM1／λ3＝２π×（λ1／λ3）
＝２π×０．５２
となり、階段形状格子の１段につき実効的に０．５２波長分だけ透過波面が遅れることになる。
【００７９】
実際には、高分子液晶層および均質屈折率透明材料の屈折率波長分散を考慮すると、透過波面の遅れ量はこれより小さな値となるため、鋸歯状の断面形状をＭ＝１またはＭ＝２の階段形状格子に近似することにより、ＣＤ用の光ディスクの異常光偏光の透過波面を補正する第２の位相補正層２０Ｅとなる。なお、波長λ2の入射光を常光偏光とすることにより、高分子液晶の常光屈折率ｎoと均質屈折率透明材料の屈折率ｎsがほぼ一致するため、第２の位相補正層２０Ｅによって透過波面変化を受けず透過する。
【００８０】
図９は、波長λ3に対する第２の位相補正層２０Ｅの波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図である。図９において、階段形状格子の１段の高さｄM1に対応した補正光路差ｂ、すなわち
ｂ＝（ｎe−ｎs）×ｄM1
を単位に、１波長λ3分の波面収差をｂで分割することにより、近似的に波面収差を補正している。なお、図９では３レベル（２段）の階段形状格子による収差補正例を示している。
【００８１】
上記説明は、複屈折材料層である高分子液晶層の常光屈折率ｎoが均質屈折率透明材料の屈折率ｎsに等しい場合だが、異常光屈折率ｎeとｎsが等しい場合は異常光偏光と常光偏光を入れ替えて考え、高分子液晶層の階段形状格子も発生した波面収差を補正するように加工すれば同様の機能が得られる。
なお、上記においては、複屈折材料層として、高分子液晶を用いた例を示したが、複屈折性を有する材料であればいずれでもよい。例えば、水晶、二オブ酸リチウムなどの光学結晶や、一軸延伸により複屈折性が発現するポリカーボネートなどの有機物材料などでもよい。そして、この複屈折材料は、屈折率楕円体の光軸が一方向に揃っている。高分子液晶などでは、分子配向軸がこれに対応している。
【００８２】
また、この第５の位相補正素子５００には、波長λ1および波長λ3の透過光に波面収差変化を与えず、波長λ2の透過光のみに波面収差補正する波面収差変化を与える第１の位相補正層１０Ｅも形成されている。
【００８３】
したがって、ＨＤ用の対物レンズを波長λ2および開口数ＮＡ2でＤＶＤ用の光ディスクに用いたときに発生する波面収差を第１の位相補正層１０Ｅで、また波長λ3および開口数ＮＡ3でＣＤ用の光ディスクに用いたときに発生する波面収差を第２の位相補正層２０Ｅで、それぞれ独立に補正できる。
【００８４】
即ち、この第５の位相補正素子５００に用いられる第２の位相補正層２０Ｅは、波長λ1に対してその偏光状態にかかわらず透過波面を変化させない。一方、波長λ2および波長λ3に対しては、常光偏光の透過波面の変化は生じないが、異常光偏光の透過波面は階段形状のブレーズド回折格子２Ａの形状に応じて変化する。
したがって、第５の位相補正素子５００を対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載して用いた場合、光源から光ディスクへと光伝搬する往路の波長λ2および波長λ3の入射光の偏光をそれぞれ常光偏光と異常光偏光にすれば、第２の位相補正層２０Ｅにおいて、波長λ3の入射光のみ所望の波面収差が補正されるよう透過波面が変化する。
【００８５】
しかし、光ディスクで反射されて位相補正素子５００に復路で入射する光は、第１の位相板３０Ｅを往復するため、通常、往路の偏光状態と異なる。波長λ2の異常光偏光成分が発生すると、第２の位相補正層２０Ｅの透過波面が変化し波面収差を発生させる。また、波長λ3の常光偏光成分が発生すると、波面収差を補正する透過波面変化が第２の位相補正層２０Ｅで生じないため、もとの波面収差が残留する。その結果、復路で光検出器の受光面に信号光を充分集光できない問題が生じる。
【００８６】
例えば、第１の位相板として波長λ1の複屈折位相差がπ／２となる従来の１／４波長板を用いる場合、波長λ2および波長λ3に対してこの位相板を往復後にπ／２程度の複屈折位相差が残留し、波面収差を発生する偏光成分が生じる。
【００８７】
そこで、このような問題を解決するため、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略π／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略πの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転させる本実施形態の第１の位相板３０Ｅを用いる。その構成例について、図７に示す断面図を用いて説明する。
【００８８】
この第１の位相板３０Ｅは、第２の位相補正層２０Ｅ側から位相板３Ｃ、位相板３Ｄの順にリタデーション値の異なった複屈折材料からなる２種の位相板３Ｃと３Ｄを配置した２層構成である場合、波長λの直線偏光入射光の偏波面に対する位相板３Ｃと３Ｄの光軸の角度をθCおよびθDとし、それぞれのリタデーション値をＲC、ＲDとすると、前述の（１）式で記述される積層波長板の透過光のストークス行列成分であるＳ3から算出される楕円率κが、波長λ1に対しては略１で、波長λ2および波長λ3に対しては０．１以下となるようθC、θD、ＲC、ＲDを決めればよい。
【００８９】
具体的には、波長λ1に対して、複屈折位相差δC≒π／２すなわち１／４波長板相当の位相板３Ｃと、複屈折位相差δD≒πすなわち１／２波長板相当の位相板３Ｄを、それぞれの光軸のなす角度｜θD−θC｜が４５±５°となるよう積層する。位相板３Ｃの光軸角度としてはθC≒４５±５°とする。このような積層位相板とすることにより、所望の３波長用の第１の位相板３０Ｅが得られえる。
【００９０】
したがって、第５の位相補正素子５００において第１の位相板３０Ｅを往復後には、波長λ1の常光偏光は異常光偏光となり、波長λ2の常光偏光は常光偏光のままで、波長λ3の異常光偏光は異常光偏光のままである。その結果、往路および復路において、波長λ１の透過波面は不変で、波長λ2の透過波面は第１の位相補正層１０Ｅのみで補正され、波長λ3の透過波面は第２の位相補正層２０Ｅのみで補正される。
【００９１】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る第６の位相補正素子６００の構成例について、図１０に断面図を示す。
本実施形態に係る位相補正素子６００は、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略π／２の奇数倍の複屈折位相差を発生させて円偏光に変換し、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略πの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を回転する第１の位相板３０Ｆと、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略πの偶数倍の複屈折位相差を発生させて偏光状態を変えず、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光に対しては略πの奇数倍の複屈折位相差を発生させて偏波面を略９０°回転する第２の位相板４０Ｆと、第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1および第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2とからなり、第１の位相板３０Ｆと、第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1、第２の位相板４０Ｆ、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2の順番に配置された構成となっている。なお、符号５１および５２は偏光性位相補正層１０Ｆ2および１０Ｆ1が形成された透光性基板である。
【００９２】
ガラスなどの透光性基板５２および５１の開口数ＮＡ2の領域には、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎeで光軸が一方向に揃った複屈折材料である高分子液晶層が形成されている。この高分子液晶層は、断面形状が鋸歯状、または鋸歯状の各凸部が階段形状格子によって近似されており、かつ光学軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなるように加工された鋸歯状格子１Ｄおよび１Ｆで構成している。高分子液晶層の凹凸部の少なくとも凹部には、常光屈折率ｎoとほぼ等しい屈折率ｎsの均質屈折率透明材料１Ｅおよび１Ｇを充填している。
これにより、鋸歯状格子１Ｄおよび均質屈折率透明材料１Ｅで第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1を構成するとともに、鋸歯状格子１Ｆおよび均質屈折率透明材料１Ｇで第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2を構成する。
【００９３】
図１０に示すように、同心円格子パターンの中心軸側に、鋸歯状格子１Ｆでは鋸歯の斜面が向き、鋸歯状格子１Ｄでは鋸歯の垂直面が向いている。したがって、ｎe＞ｎoの場合は、異常光偏光の平面波が入射したとき、鋸歯状格子１Ｆの透過波面は発散球面波となり、鋸歯状格子１Ｄの透過波面は収束球面波となり、それぞれ凹レンズと凸レンズの作用を有する。
また、偏光性位相補正層１０Ｆ1と１０Ｆ2において、鋸歯状格子１Ｄおよび１Ｆに加工された高分子液晶の配向方向はそろっており、常光偏光に対して透過波面は変化しないが、異常光偏光に対しては鋸歯状の凹凸形状分布に応じて透過波面が変化する。
なお、ｎe＜ｎoの場合は、鋸歯状格子１Ｆおよび１Ｄの凹凸を逆に加工すればよい。また、ｎe＝ｎsの場合は、異常光偏光と常光偏光を入れ替えて考え、鋸歯状格子１Ｆおよび１Ｄの凹凸は、ｎe＜ｎoでは図１０に示すように加工し、ｎe＞ｎoでは逆に加工すれば同様の機能が得られる。
【００９４】
したがって、ＨＤ用の対物レンズを、波長λ2および開口数ＮＡ2でＤＶＤ用の光ディスクに用いたとき、あるいは波長λ3および開口数ＮＡ3でＣＤ用の光ディスクに用いたときに発生する図３の（Ｂ）に示す波面収差は、波長λ2および波長λ3の異常光偏光の入射光に対して、偏光性位相補正層１０Ｆ2の透過光に発生する波面収差が図３の（Ａ）に相当するように高分子液晶層１Ｆを加工することにより、補正できる。これは、図１に示す第２の位相補正素子２００において第１の位相補正層１０Ｂで補正する場合と同様である。
【００９５】
一方、第１の位相板３０Ｆは、第５の位相補正素子５００に用いられた第１の位相板３０Ｅと同等の構成および機能であり、波長λ1の直線偏光に対しては１／４波長板として作用し円偏光に変換し、波長λ2および波長λ3の直線偏光に対しては１／２波長板として作用し偏波面を回転する。
また、第２の位相板４０Ｆは、波長λ1に対しては入射光の編光状態を保ったまま出射し、波長λ2および波長λ3の直線偏光に対しては偏波面を略９０°回転する１／２波長板として作用する。
【００９６】
第２の位相板４０Ｆの具体的な構成は、波長λ1に対して複屈折位相差が何れも略１波長相当の略２πの位相板３Ｅと位相板３Ｆが、それぞれの光軸が略４５°の角度をなすように積層されている。すなわち、位相板３Ｅ、３Ｆの波長λ1に対する複屈折位相差をδEおよびδFとし、入射光の偏波面に対する進相軸の角度をθEおよびθFとすると、
δE＝δF≒２π
および
｜θF−θE｜＝４５±５°
としている。
【００９７】
光源からの出射光が光ディスクに集光される往路において、λ1＝４１０ｎｍ波長帯の直線偏光は、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2に常光偏光として入射し、回折されることなく直進透過し、第２の位相板４０Ｆを常光偏光のまま透過するため、第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1でも回折されることなく直進透過し、第１の位相板３０Ｆを透過して円偏光となる。
【００９８】
また、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の直線偏光は、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2に異常光偏光として入射し、回折されて第２の位相板４０Ｆを透過し常光偏光となり、第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1で回折されることなく直進透過し、第１の位相板３０Ｆで偏波面が回転して透過する。
【００９９】
ここで、第２の偏光位相補正層１０Ｆ2に形成されたブレーズド回折格子は、波長λ2および波長λ3の異常光偏光に対して、１次回折光の回折効率が高くなるよう、格子の断面が鋸歯状のブレーズ格子形状で格子凹凸部の透過波面の位相差が波長λ2および波長λ3の１波長程度とすることが好ましい。さらに、このブレーズド回折格子は、１次回折光が光ヘッド装置において発生する球面収差を補正するように同心円輪帯形状の格子パターンが形成されている。
【０１００】
一方、光ディスクにより反射されて光検出器に集光される復路において、波長λ1の直線偏光は、第１の位相板３０Ｆを往復して異常光偏光となって第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1に入射し、回折された後、第２の位相板４０Ｆを異常光偏光のまま透過し、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2で再び回折される。
また、波長λ2および波長λ3の光は、第１の位相板３０Ｆで偏波面が回転して元の常光偏光となり、第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1で回折されることなく直進透過し、第２の位相板４０Ｆを透過して異常光偏光となり、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2により往路と同じように回折される。
【０１０１】
ここで、第２の偏光位相補正層１０Ｆ2は、波長λ2および波長λ3の異常光偏光に対して１次回折効率が高くなるよう形成されているため、波長λ1の異常光偏光に対しては主に２次回折光が発生する。
したがって、復路で波長λ1の異常光偏光に対して第１の偏光位相補正層１０Ｆ1で発生する収束透過波面の回折光と、第２の偏光位相補正層１０Ｆ2により発生する発散透過波面の２次回折光との多重回折により、往路における位相補正素子６００の入射光と同じ波面状態となるように、第１の偏光位相補正層１０Ｆ1のブレーズド回折格子のパターンが形成されている。このとき、第１の偏光位相補正層１０Ｆ1による波長λ1の回折光の回折次数は１次でも２次でもよいが、同心円格子パターンの中心軸に対する回折方向は第２の偏光位相補正層１０Ｆ2と逆向きである。
【０１０２】
このような本実施形態の位相補正素子６００の構成とすることにより、波長λ1の常光偏光の入射光に対しては往路および復路において透過波面は不変で、往復後に入射光と直交する異常光偏光に変換する。
一方、波長λ2および波長λ3の異常光偏光の入射光に対しては往路および復路において波面収差を補正するように透過波面が変化する機能が得られる。すなわち、第２の偏光位相補正層１０Ｆ2と第２の位相板４０Ｆと第１の偏光位相補正層１０Ｆ1の組み合わせで、第２の位相補正素子２００における第１の位相補正層１０Ｂと同じ機能が得られる。
【０１０３】
このような本発明の上記した第１から第６の位相補正素子１００から６００を、ＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対応した互換素子として光ヘッド装置に搭載して用いる場合、波長λ1、λ2およびλ3それぞれの入射光束を開口数ＮＡ1、ＮＡ2およびＮＡ3に制限する開口制限素子を併用することが好ましい。この開口制限素子は、本発明の位相補正素子とは別に配置してもよいが、位相補正素子に開口制限機能を一体化することで小型軽量化し、取付け位置調整が不要となるため、好ましい。
【０１０４】
また、本発明の位相補正素子において、ＤＶＤの開口数ＮＡ2に対応した領域に形成された第１の位相補正層により透過波面が変化する波長λ2の光束は、球面収差補正成分に加えて大きなパワー成分が透過波面に付与されていると、開口数ＮＡ2より外周域の光束とは異なる対物レンズの焦点面に集光される。すなわち、開口数ＮＡ2の光束が光ディスクの情報記録面へ集光される時、外周域の光束は情報記録面へ集光されないため、光ヘッド装置の光検出器で信号光として検知されず、結果的に第１の位相補正層が波長λ2の入射光に対して開口数ＮＡ2の開口制限機能を持つことになる。
【０１０５】
同様に、図７に示す第５の位相補正素子５００において、ＣＤの開口数ＮＡ3に対応した領域に形成された第２の位相補正層２０Ｅにより透過波面が変化する波長λ3の光束は、大きなパワー成分が透過波面に付与されていると、開口数ＮＡ3より外周域の光束とは異なる対物レンズの焦点面に集光される。すなわち、光ヘッド装置の光検出器で信号光として検知されず、結果的に第２の位相補正層２０Ｅが波長λ3の入射光に対して開口数ＮＡ3の開口制限機能を持つことになる。
【０１０６】
第１の位相補正層および第２の位相補正層に大きなパワー成分を発生する機能がある場合、位相補正素子に新たに開口制限機能を付加する必要はない。
しかし、透過波面に位相補正層により付与されたパワー成分が少なく、所定の開口数より外周域の光束が光検出器に迷光となって入射する場合、安定した記録および／または再生ができない。特に、開口数ＮＡ2に対応した領域に第１の位相補正層のみが形成された位相補正素子の場合、波長λ3のＣＤの光束を開口数ＮＡ3に制限する開口制限機能を設けることが好ましい。
次に、本発明の位相補正素子に一体化して用いる開口制限について種々の実施形態を説明する。
【０１０７】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る第７の位相補正素子７００の断面図を図１１に、平面図を図１２に示す。
透光性基板５の表面で、開口数ＮＡ1の円形領域とＮＡ2の円形領域との差からなる第１の円環領域（Ａ1）に、断面形状が矩形の凹凸状で、凹部と凸部の長さ比が１：１で、その波長位相差が波長λ1に相当する回折格子９１を形成している。これにより、凹部と凸部の波長位相差が波長λ2および波長λ3の略１／２となるため、波長λ1の入射光は直進透過し、波長λ2および波長λ3の入射光は回折されて直進透過光が３０％以下となる開口制限機能が発現する。同様の波長選択機能は、凹部と凸部の波長位相差が波長λ1の略整数倍でかつ波長λ2および波長λ3に対して非整数倍好ましくは１／２の奇数倍に近い値であれば発現する。
【０１０８】
さらに、透光性基板５の表面の開口数ＮＡ2の円形領域とＮＡ3の円形領域との差からなる第２の円環領域（Ａ2）には、相対的に高屈折率の透明誘電体膜（図示せず）と相対的に低屈折率の透明誘電体膜（図示せず）を、各膜の光学的膜厚が波長オーダで交互に積層された構造の多層膜フィルタ９２が形成されている。
この多層膜フィルタ４Ａは、波長λ1および波長λ2の光を９０％以上透過し、波長λ3の光を７０％以上反射するように、２種類の透明誘電体の屈折率、層数および各層の膜厚が従来の多層膜フィルタ設計手法により設定される。高屈折率の透明誘電体膜としてはＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2などが用いられ、低屈折率の透明誘電体膜としてはＳｉＯ2、ＭｇＦ2などが用いられる。
【０１０９】
透光性基板５の表面をこのような構造とすることにより、波長λ1の入射光は開口数ＮＡ1の領域を直進透過し、波長λ2の入射光は開口数ＮＡ2の領域を直進透過し、波長λ3の入射光は開口数ＮＡ3の領域を直進透過する波長選択性の開口制限基板５Ａが得られる。なお、この第７の位相補正素子７００では、開口制限基板５Ａ以外は第１から第６の位相補正素子いずれかの構成としてもよい。図１１では、第４の位相補正素子４００の構成を用いた場合を示す。
【０１１０】
ここで、開口制限基板５Ａの開口数ＮＡ1の領域（内部は全て含む）を透過した波長λ1の光の波面が変化しないように、また、開口数ＮＡ2の領域（内部は全て含む）を透過した波長λ2の光の波面が変化しないように、開口制限基板５Ａ表面の第１の円環領域（Ａ1）と第２の円環領域（Ａ2）と円形領域（Ａ3）の内の少なくとも一つの領域には、位相調整用の段差が加工されていることが好ましい。
位相調整用の段差は、透光性基板５を直接加工する場合と、透光性基板５の表面に透光性誘電体膜を成膜した後で加工する場合とがある。いずれも、円形領域（Ａ3）は波長λ1、λ2およびλ3の入射光を透過するよう反射防止膜８などを形成して反射防止機能を付与することが好ましい。
【０１１１】
次に、図１１の開口制限基板５Ａについて、その断面図を部分的に拡大した図１３を用いて具体的に説明する。
図１３は透光性基板５の表面を加工して、円形領域（Ａ3）表面との段差間隔がｄ3となる円環領域（Ａ2）の表面（Ｓ0面）を位相調整用の段差面として加工する例を示す。
円環領域（Ａ1）には、断面形状が凹凸状の回折格子９１が形成されており、この凹部の表面をＳ1とし、Ｓ0とＳ1との間隔をｄ1とする。また、凹凸状の回折格子９１の凸部の表面をＳ4とし、Ｓ0とＳ4との間隔をｄ4とする。また、円環領域（Ａ2）のみに多層膜フィルタ９２が形成されており、この多層膜フィルタ９２表面をＳ2面とし、Ｓ0とＳ2との間隔すなわち多層膜フィルタ９２の膜厚をｄ２とする。
【０１１２】
このとき、開口数ＮＡ1の領域を直進透過する波長λ1の入射光の透過波面が変化して波面収差の発生を起さないようにするため、円環領域（Ａ1）と円環領域（Ａ2）と円形領域（Ａ3）の各領域を透過する波長λ1の透過光の波長位相差が波長λ1の整数倍となるようにする。
また、開口数ＮＡ2の領域を直進透過する波長λ2の入射光の透過波面が変化して波面収差の発生を起さないようにするため、円環領域（Ａ2）と円形領域（Ａ3）の各領域を透過する波長λ2の透過光の波長位相差が波長λ2の整数倍となるようにする。
【０１１３】
空気と接する円環領域（Ａ1）の回折格子９１は、凹部と凸部の波長位相差が波長λ1になるよう、屈折率ｎの凸部の凹凸深さが（ｄ4−ｄ1）＝λ1／（ｎ−１）となるように加工されており、波長λ1の入射光は回折されることなく直進透過し、回折格子９１の凹部と凸部の透過波面はそろっている。
【０１１４】
したがって、円環領域（Ａ1）のＳ0面とＳ1またはＳ4面の光路長と、円形領域（Ａ3）のＳ0面とＳ3面の光路長との差に起因して発生する波長λ1の透過光の波長位相差が、波長λ1の整数倍となるようにすればよい。
【０１１５】
その結果、波長λ１の透過光に対して円環領域（Ａ1）と円形領域（Ａ3）の位相差は発生しないため、円環領域（Ａ2）と円形領域（Ａ3）の波長λ1および波長λ2の透過光に対する位相差についてのみ調整すればよい。
【０１１６】
円環領域（Ａ2）の総膜厚ｄ2の多層膜フィルタ９２を平均屈折率ｎMの均一層と見なし、多層膜フィルタ９２内部の屈折率の異なる膜界面での多重反射に伴う光路長の増大も平均屈折率ｎMで考慮すると、円環領域（Ａ2）と円形領域（Ａ3）におけるＳ0面を基準にしたＳ2とＳ3面までの光路長Ｌ2とＬ3は、次の（２）式と（３）式で記述される。
【０１１７】
【数２】
2004219977.tif 000004
【０１１８】
ここで、ｎ3は円形領域（Ａ3）における反射防止膜８なども含めたＳ0面とＳ3面間の平均屈折率を示す。
【０１１９】
したがって、（Ｌ2−Ｌ3）の波長位相差が波長λ1の略整数倍かつ波長λ2の略整数倍となるよう、多層膜フィルタ９２の構成（総膜厚ｄ2および平均屈折率ｎM）および円形領域（Ａ3）の構成（総厚ｄ3および平均屈折率ｎ3）の関係を満たすＳ0面からＳ3面を加工することにより、ＮＡ2領域における波長λ1および波長λ2の光の透過波面は変化することがなくなり、開口制限基板５Ａによる波面収差は発生しない。その結果、光ヘッド装置の対物レンズと一体で第７の位相補正素子７００を用いた場合、ＨＤおよびＤＶＤ用の光ディスクの情報記録面へ入射光を効率よく集光できる。
【０１２０】
また、同一構成の多層膜フィルタを円環領域（Ａ1）および円環領域（Ａ2）に形成した後、円環領域（Ａ1）にのみ回折格子９１を加工してもよい。
また、上記した実施形態では、位相調整用の段差を透光性基板５の円環領域（Ａ2）表面を加工して形成したが、透光性基板５の表面の円環領域（Ａ1）と円形領域（Ａ3）のみに、ｄ1＝ｄ3となるよう透光性誘電体膜を成膜して位相調整用の段差としてもよい。
ここで、回折格子９１は、円環領域（Ａ1）の透光性誘電体膜上に屈折率ｎの凸部が凹凸深さ（ｄ4−ｄ1）＝λ1／（ｎ−１）となるように加工する。
【０１２１】
なお、円形領域（Ａ3）に位相調整用の透光性誘電体膜を成膜する場合、低屈折率誘電体および高屈折率誘電体の混合物または化合物からなる単層の中間屈折率誘電体を用いることが好ましい。中間屈折率誘電体の屈折率を調整することにより、透光性誘電体膜と多層膜フィルタ９２を同じ膜厚にできる（ｄ2＝ｄ3）ため、その表面にさらに位相補正層などが加工できる。
【０１２２】
ここで、回折格子９１の平面パターンは、透過光の光学軸を中心に２回の回転対称性がないように設計される。例えば図１２では、Ｙ軸対称な２分割格子パターンとしており、光学軸の回りに２回の回転対称性を有しない。２分割格子パターンは同心円形状や格子ピッチが分布していてもよい。
このような格子パターンとすることにより、往路で回折格子９１により回折された光が、光ディスクの情報記録面で反射された後、復路で回折格子９１により再び回折され、光ディスクの記録情報の信号光と同じ光路を通り光検出器の受光面に入射することを回避できる。その結果、実質的な円環領域（Ａ1）の波長選択性の開口制限機能が得られる。
【０１２３】
また、円環領域（Ａ2）に形成された多層膜フィルタ９２の代わりに、波長λ1と波長λ2の光を透過し、波長λ3の光を回折する波長選択性の回折格子９３が形成された開口制限基板５Ｂを用いた第７の実施形態の変形例に係る位相補正素子８００の断面図を図１４に示す。
断面形状が凹凸状で、凹部と凸部の長さ比が１：１で、その波長位相差が波長λ1の略５倍に相当する回折格子９３を形成することにより、波長位相差が波長λ2の略３倍、波長λ3の略２．５倍となるため、波長λ1および波長λ2の入射光は直進透過し、波長λ3の入射光は回折されて直進透過光が３０％以下となる開口制限機能が発現する。
同様の波長選択機能は、凹部と凸部の波長位相差が波長λ1および波長λ2の略整数倍でかつ波長λ3に対して非整数倍好ましくは１／２の奇数倍に近い値であれば発現する。
【０１２４】
波長λ1および波長λ2の透過光に対する回折格子９３の凸部と円形領域（Ａ3）の位相差が波長λ1および波長λ2の整数倍であれば、波面収差は発生しない。図１４に示すように、円環領域（Ａ1）に回折格子９１を、円環領域（Ａ2）に回折格子９３を格子凸部の面がそろうよう透光性基板５の表面を直接加工することにより、開口制限基板５ＢにおけるＮＡ1領域の波長λ1の透過光およびＮＡ2領域の波長λ2の透過光は透過波面が変化せず波面収差は発生しない。
【０１２５】
位相補正素子７００および８００では、円環領域（Ａ1）と円環領域（Ａ2）に波長選択性の異なる２種の開口制限機能を形成している例を示したが、第１の位相補正層が波長λ2に対して開口数をＮＡ2に制限する機能を有する場合、円環領域（Ａ2）のみあるいは円環領域（Ａ1）および円環領域（Ａ2）に、多層膜フィルタ９２または回折格子９３を形成してもよい。また、開口制限機能を透光性基板５の表面に形成する例を示したが、透光性基板６の表面、または位相補正素子内部に形成してもよい。
位相補正素子７００において、円環領域（Ａ1）にも開口数ＮＡ2の領域に形成された第１の位相補正層１０Ｂと同じ透光性材料１Ａを用いて断面が矩形状で格子ピッチの細かな矩形回折格子を形成し、波長λ2および波長λ3の入射光を回折させることによりに開口制限機能が得られる。この場合、矩形回折格子の凸部の高さを位相補正層１０Ｂにおける鋸歯状格子の透光性材料１Ａの略半分とすればよい。
【０１２６】
また、位相補正素子３００および５００において、透光性基板５の表面の円環領域（Ａ1）にも、開口数ＮＡ2の領域に形成された第１の位相補正層１０Ｃ、１０Ｅと同じように、断面が矩形状で格子ピッチの細かな矩形回折格子を形成し、波長λ2および波長λ3の入射光を回折させることによりに開口制限機能が得られる。この場合、矩形回折格子の凸部の高さは階段形状格子である位相補正層１０Ｃ、１０Ｅの１段の高さｄN1とすればよい。
【０１２７】
また、位相補正素子５００において、円環領域（Ａ1）と円環領域（Ａ2）にも開口数ＮＡ3の領域に形成された第２の位相補正層２０Ｅと同じ高分子液晶を用いて断面が矩形状で格子ピッチの細かな矩形回折格子を形成し、波長λ3の異常光偏光の入射光を回折させることにより、開口制限機能が得られる。この場合、矩形回折格子の凸部の高さは階段形状格子である位相補正層２０Ｅの１段の高さｄM1とすればよい。
【０１２８】
［第８の実施形態］
第１ないし第７の実施形態で得られた本発明に係る位相補正素子を搭載した光ヘッド装置の構成例を、図１５から図１８を用いて説明する。
図１５は第１の実施形態に係る第１の位相補正素子１００を搭載した光ヘッド装置を示す構成図である。なお、この位相補正素子１００は、前記した第１の位相補正素子１００に限らず、第１から第７の位相補正素子の何れでもよい。
また、図１６から図１８の各（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ位相補正素子へ３種の波長λ1、λ2、λ3の光が入射したときの光束と波面を示す断面図である。図１６は第７の位相補正素子７００の場合、図１７は第５の位相補正素子５００の場合、図１８は第６の位相補正素子６００において円環領域（Ａ1）と円環領域（Ａ2）に波長λ1と波長λ2の光を透過し波長λ3の光を反射する多層膜フィルタ（図略）が形成された位相補正素子９００の場合を示す。
【０１２９】
光ヘッド装置には、図１５に示すように、ＨＤ用の光ディスクに使用するλ1＝４１０ｎｍ波長帯の光を発生する半導体レーザ１４Ａと、ＤＶＤ用の光ディスクに使用するλ2＝６５０ｎｍ波長帯の光を発生する半導体レーザ１４Ｂと、ＣＤ用の光ディスクに使用するλ3＝７８０ｎｍ波長帯の光を発生する半導体レーザ１４Ｃとを備えているとともに、波長λ1の光を受光する光検出器１５Ａと、波長λ2の光を受光する光検出器１５Ｂと、波長λ3の光を受光する光検出器１５Ｃとを備えている。
さらに、この光ヘッド装置には、波長λ1の光の光路中に、偏光ビームスプリッタ１９と、合波プリズム１７と、コリメータレンズ１３と、前述の位相補正素子１００と、対物レンズ１２とが配設されている。
また、この光ヘッド装置には、波長λ2の光の光路中に、ホログラムビームスプリッタ１６Ｂと、合波プリズム１８とが配設され、合波プリズム１７に至るように構成されているとともに、波長λ3の光の光路中には、ホログラムビームスプリッタ１６Ｃが配設され、合波プリズム１８に至るように構成されている。
【０１３０】
（I）上記構成において、半導体レーザ１４Ａから放射された波長λ1の光は、偏光ビームスプリッタ１９で反射され、合波プリズム１７を透過し、コリメータレンズ１３により平行光となり、常光偏光として位相補正素子１００に入射する。さらに、波長λ1に対して１／４波長板として作用する位相補正素子１００内の第１の位相板により円偏光に変換され、図１６から図１８の（ａ）に示すように、位相補正素子１００を直進透過する。そして、開口数ＮＡ1＝０．８５に相当する光束がＨＤ用の光ディスクＤ1に対応して設計された対物レンズ１２により光ディスクＤ1（ＨＤ用の光ディスク）の情報記録面へ集光される。
【０１３１】
光ディスクＤ1の情報記録面で反射した波長λ1の信号光は、元の経路を経て位相補正素子１００内の第１の位相板により異常光偏光に変換され、位相補正素子１００を直進透過し、合波プリズム１７および偏光ビームスプリッタ１９を透過して光検出器１５Ａの受光面へ効率よく集光され、電気信号に変換される。
【０１３２】
（II）また、半導体レーザ１４Ｂから放射された波長λ2の光は、その半分以上がホログラムビームスプリッタ１６Ｂを透過し、合波プリズム１８を透過し、合波プリズム１７で反射された後、コリメータレンズ１３により集光され平行光となり、位相補正素子１００に入射する。さらに、位相補正素子１００において、開口数ＮＡ2＝０．６０に相当する光束は、位相補正素子１００内の第１の位相補正層により、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する波面収差を補正するとともに凹レンズに相当するパワーを有するように、透過波面が図１６から図１８の（ｂ）に示すように変換される。そして、この位相補正素子１００を透過した光束が対物レンズ１２により光ディスクＤ2（この場合、ＤＶＤ用の光ディスク）の情報記録面へ集光される。
【０１３３】
光ディスクＤ2の情報記録面で反射した波長λ2の信号光は、元の経路を経て、一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｂにより回折されて光検出器１５Ｂの受光面へ集光され、電気信号に変換される。
【０１３４】
（III）また、半導体レーザ１４Ｃから放射された波長λ3の光は、その半分以上がホログラムビームスプリッタ１６Ｃを透過し、合波プリズム１８および合波プリズム１７で反射され、コリメータレンズ１３により集光され略平行光となり位相補正素子１００に入射する。さらに、位相補正素子１００内の開口数ＮＡ3＝０．４５に相当する光束は、位相補正素子内の第１または第２の位相補正層により光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する波面収差を補正するとともに凹レンズに相当するパワーを有するように、透過波面が図１６から図１８の（ｃ）に示すように変換される。そして、この位相補正素子１００を透過した光束が対物レンズ１２により光ディスクＤ3（この場合、ＣＤ用の光ディスク）の情報記録面へ集光される。
【０１３５】
光ディスクＤ3の情報記録面で反射した波長λ3の信号光は、元の経路を経て、一部がホログラムビームスプリッタ１６Ｃにより回折されて光検出器１５Ｃの受光面へ集光され、電気信号に変換される。
【０１３６】
図１１に示す位相補正素子７００において、偏光依存性がない第１の位相補正層１０Ｇを用いているため、波長λ2の入射光の偏光状態に関係なく収差補正ができる。また、波長λ1、波長λ2および波長λ3の入射光に対して１／４波長板として機能する第１の位相板３０Ｄ（図６参照）を用いることにより、位相板を往復した光を、入射光と偏波面が直交する直線偏光に変換できる。
【０１３７】
また、ホログラムビームスプリッタ１６Ｂあるいは１６Ｃとして、常光偏光を透過し異常光偏光を回折する偏光ホログラムビームスプリッタを用いれば、光利用効率が向上する。あるいは、半導体レーザの発光点に発振光と同じ偏波面の光が戻らないため、レーザ発振が安定し信頼性の高い記録および／または再生もできる。
【０１３８】
図７に示す位相補正素子５００において、往路および復路で波長λ2を常光偏光とすると、第１の位相補正層１０Ｅにより波長λ2の入射光に対し波面収差補正が達成できる。
また、図１８に示す位相補正素子９００において、往路および復路で波長λ2を異常光偏光とすると、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2（図１０参照）により、波長λ2の入射光に対し波面収差補正が達成できる。
図７に示す位相補正素子５００において、往路および復路で波長λ3を異常光偏光とすると、第２の位相補正層２０Ｅにより、波長λ3の入射光に対し波面収差補正が達成できる。
【０１３９】
また、図１１に示す位相補正素子７００および図１８に示す位相補正素子９００では、第１の位相補正層１０Ｇまたは第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2（図１０参照）により、波長λ3の入射光に対しても往路と復路で収差補正機能が生じるが、球面収差が残留するため、位相補正素子および対物レンズに対して波長λ3の入射光を若干発散光とすることにより良好な波面収差補正ができる。あるいは、位相補正素子および対物レンズに対して波長λ2および波長λ3の入射光を同程度の発散光とし、位相補正層が両方の波長に対して波面収差補正ができるように形成することもできる。なお、位相補正素子９００では第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2で収差補正されるように波長λ3の入射光を波長λ2と同じ異常光偏光としている。
【０１４０】
また、カバー厚０．１ｍｍでλ1＝４１０ｎｍ波長帯のＨＤ用の光ディスク用に設計された対物レンズをＤＶＤおよびＣＤ用の光ディスクに用いる場合、対物レンズと光ディスクの間隔を確保するために、位相補正層に球面収差補正成分に加えて凹レンズ作用を有するパワー成分が付加された透過波面となるよう位相補正層の格子パターンとすることが好ましい。
【０１４１】
なお、図１１に示す位相補正素子７００では、回折格子９１が波長λ2の入射光を開口数ＮＡ2＝０．６０に制限し、回折格子９１と多層膜フィルタ９２が波長λ3の入射光を開口数ＮＡ3＝０．４５に制限している例を示す。
また、図７に示す位相補正素子５００では、第１の位相補正層１０Ｅが波長λ2の入射光を開口数ＮＡ2＝０．６０に制限し、第２の位相補正層２０Ｅが波長λ3の入射光を開口数ＮＡ3＝０．４５に制限している例を示す。
一方、図１８に示す位相補正素子９００では、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2（図１０参照）が波長λ2の入射光を開口数ＮＡ2＝０．６０に制限し、多層膜フィルタ９２（図１１参照。ただし、円環領域（Ａ1）および（Ａ2）に形成されている。）が波長λ3の入射光を開口数ＮＡ3＝０．４５に制限している例を示す。
【０１４２】
したがって、本発明の実施形態に示した第１から８の位相補正素子を用いることにより、カバー厚が０．１ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対応して設計された対物レンズ１２をカバー厚が０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスクおよびカバー厚が１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスクの記録および／または再生に用いた場合に発生する波面収差を補正できる。このため、半導体レーザから出射した光を安定して光ディスクの情報記録面へ集光し、ＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対する記録および／または再生が実現できる。
【０１４３】
また、図１６から図１８に示すように、位相補正素子透過後に波長λ2および波長λ3の光が発散光となるよう位相補正層を加工することにより、図１５の点線で示す光路のように、対物レンズ１２とＤＶＤおよびＣＤの光ディスクＤ2，Ｄ3との間隔（作動距離）を拡げることができる。作動距離を大きくとることによって、対物レンズ１２と位相補正素子（１００〜９００）をアクチュエータ（図示せず）に搭載してフォーカスサーボを起動させたときの安定性が向上する。
【０１４４】
なお、上記実施形態では、λ1＝４１０ｎｍ波長帯でカバー厚が０．１ｍｍのＨＤ用の光ディスクＤ1に対応して開口数ＮＡ1＝０．８５で設計されたＨＤ用対物レンズ１２を前提としたが、カバー厚が０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスクＤ1に対応して開口数ＮＡ1＝０．６５程度で設計されたＨＤ用対物レンズを用いて、ＤＶＤ用の光ディスクＤ2およびＣＤ用の光ディスクＤ3の記録および／または再生に必要となる位相補正素子を提供することもできる。
【０１４５】
この場合、ＨＤ用とＤＶＤ用の光ディスクＤ1，Ｄ2は、カバー厚および対物レンズの開口数は同程度のため、使用波長の相違に起因した光学材料（特に対物レンズ）の屈折率波長分散に伴い発生する球面収差を補正すればよい。また、λ1＝４１０ｎｍ波長帯とλ2＝６５０ｎｍ波長帯の開口数ＮＡ1とＮＡ2を同程度とすれば、開口制限機能は波長λ1と波長λ2を透過しλ3＝７８０ｎｍ波長帯を透過しない多層膜フィルタ９２または回折格子９３のみでよい。
また、ＨＤの開口数がＤＶＤの開口数と同程度のため、対物レンズとＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクとの間隔を拡げる必要はない。したがって、位相補正素子に大きなパワー成分をもった透過波面に変換する凹レンズ機能は不要で、球面収差成分を補正すればよい。
【０１４６】
上記開口数ＮＡ1＝０．６５程度のＨＤ用対物レンズをＤＶＤ用の光ディスクＤ2に波長λ2および開口数ＮＡ2で用いたとき発生する球面収差を位相補正素子により補正する場合、作製する位相補正層は、図４に示す第３の位相補正素子３００において用いられる第１の位相補正層１０Ｃと同じである。
この位相補正素子３００では、図３の（Ｂ）に示す大きなパワー成分を含む球面収差を補正するため、多段の階段形状断面のブレーズド回折格子からなるフレネルレンズ形状であったが、補正すべき波面収差が球面収差のみでその大きさが１波長以内の場合も、図５に示した波面収差補正法にて多段の階段形状のパターンを決定すればよい。
【０１４７】
なお、球面収差を階段形状のパターンで補正する場合、透過波面に高次収差成分が残留する。このような高次収差を低減するために、第２の位相補正素子２００（図１参照）において用いられた第１の位相補正層１０Ｂを構成する屈折率波長分散材料を高次波面収差が補正される形状に加工し、第１の位相補正層１０Ｃ（図４参照）と併用すればよい。また、図１０に示す第６の位相補正素子６００において用いられた偏光性位相補正層を構成する高分子液晶を、高次波面収差が補正される形状に加工し、第１の位相補正層１０Ｃと併用してもよい。
【０１４８】
上記開口数ＮＡ1＝０．６５程度のＨＤ用対物レンズをＣＤ用の光ディスクＤ3に波長λ3および開口数ＮＡ3で用いたとき発生する球面収差を補正する方法は、対物レンズへの入射光を発散光とする、あるいは図７に示す第５の位相補正素子５００において用いられる第２の位相補正層２０Ｅと同様の位相補正層を用いればよい。なお、波長λ3の光束を開口数ＮＡ3に規定する開口制限として、図１１に示す第７の位相補正素子７００で用いられる多層膜フィルタ９２あるいは図１４に示す第８の位相補正素子８００で用いられる回折格子９３を、開口数ＮＡ3の外周域に形成すればよい。
【実施例】
【０１４９】
「例１」
本発明に係る前記の第７の位相補正素子７００の実施例を、図１１（断面図）と図１２（平面図）を用いて説明する。
【０１５０】
この第７の位相補正素子７００を作製するには、
（１）はじめに、屈折率ｎ＝１．４７のガラス基板５（透光性基板５）の表面で、開口数ＮＡ1＝０．８５の円形領域から開口数ＮＡ2＝０．６０の円形領域を差し引いて得られる円環領域（Ａ1）に、断面の凹凸の深さが８６２ｎｍで、凹部と凸部の長さの比が１：１で平面形状が直線状の回折格子９１を、Ｙ軸対称になるようにＹ軸に対して±４５°傾斜した２分割パターンとしてエッチング加工する。
【０１５１】
（２）次に、回折格子９１が加工された面の全面にλ1＝４１０ｎｍ波長帯、λ2＝６５０ｎｍ波長帯およびλ3＝７８０ｎｍ波長帯の光に対する反射防止膜８として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2からなる４層反射防止膜８（図１３参照）を成膜するが、その構成を表１に示す。このとき、反射防止膜８の光路長（屈折率×膜厚）は、波長λ1で３３１ｎｍ、波長λ2で３２２ｎｍである。
【０１５２】
【表１】
2004219977.tif 000005
【０１５３】
【表２】
2004219977.tif 000006
【０１５４】
（３）次に、ガラス基板５（透光性基板５）の表面で、開口数ＮＡ2＝０．６０の円形領域から開口数ＮＡ3の円形領域を差し引いて得られる円環領域（Ａ2）に、波長λ1と波長λ2の光を９０％以上透過し、波長λ3の光を７０％以上反射する多層膜フィルタ９２として、高屈折率の透明誘電体膜Ｔａ2Ｏ5と低屈折率の透明誘電体膜ＳｉＯ2を交互に１２層積層するが、その構成を表２に示す。このとき、多層膜フィルタ９２の総膜厚ｄ2は１３６４ｎｍで、光路長は波長λ1で２４２０ｎｍ、波長λ2で２３７３ｎｍである。
【０１５５】
このような多層膜フィルタ９２をガラス基板５の円環領域（Ａ2）に形成するとき、円形領域（Ａ3）と位相差が生じないように、多層膜フィルタ９２を成膜する前にあらかじめガラス基板５の円環領域（Ａ2）をエッチング加工して位相調整用の段差を形成する。具体的には、図１３の円形領域（Ａ3）の表面Ｓ３に対して、反射防止膜８の膜厚２０７ｎｍを含みガラス基板５を深さ２１８７ｎｍとなるように加工する。
【０１５６】
このとき、波長λ1の入射光に対して、円形領域（Ａ3）におけるＳ0面とＳ3面間の光路長（Ｌ3）は（３）式で記載され、エッチング加工したガラス基板５と反射防止膜８との光路長の和であり、Ｌ3＝３２４２ｎｍである。
【０１５７】
一方、円環領域（Ａ2）におけるＳ0面とＳ3面間の光路長（Ｌ2）は（２）式で算出され、多層膜フィルタ９２の光路長２４２０ｎｍ（＝１．７７４×１３６４ｎｍ）と、円形領域（Ａ3）との間に生じたＳ2面とＳ3面間の空気層の光路長８２３ｎｍの和であり、Ｌ2＝３２４３ｎｍとなり、ほぼＬ2＝Ｌ3である。
【０１５８】
したがって、波長λ1の入射光に対して開口制限基板５Ａの円環領域（Ａ1）と円形領域（Ａ3）で位相差は生じないため、開口数ＮＡ1の全領域において入射光と同じ透過波面が得られる。
また、波長λ2の入射光に対しても同様に、円形領域（Ａ3）におけるＳ0面とＳ3面間の光路長Ｌ3はＬ3＝３１９７ｎｍ、円環領域（Ａ2）におけるＳ0面とＳ3面間の光路長Ｌ2はＬ2＝３２０５ｎｍとなり、ほぼＬ2＝Ｌ3のため、波長λ2の入射光に対しても開口制限基板５Ａの開口数ＮＡ2の全領域において入射光と同じ透過波面が得られる。
【０１５９】
このようにして得られる本実施例の開口制限基板５Ａの分光透過率を図１９に示す。円環領域（Ａ1）に形成される回折格子９１の分光透過率を（ａ）で、円環領域（Ａ2）に形成される多層膜フィルタ９２の分光透過率を（ｂ）で、円形領域（Ａ3）に形成された反射防止膜８の分光透過率を（ｃ）で示す。
【０１６０】
（４）次に、開口制限機能が形成されたガラス基板５の反対側の面に、屈折率ｎAの透光性材料としてＳｉＮとＳｉＯ2の混合組成からなるＳｉＯＮ膜を、膜厚３２μｍとなるように成膜する。そして、図１１に示す様な鋸歯断面からなるフレネルレンズ形状に加工し、第１の位相補正層１０Ｇを構成する透光性材料１Ａとする。さらに、その凹部に屈折率ｎBの透光性材料１Ｂとして高屈折率透明プラスティック材料を用い、充填および固化して第１の位相補正層１０Ｇとする。
【０１６１】
このとき、透光性材料１Ａ（ＳｉＯＮ）と透光性材料１Ｂ（高屈折率プラスティック材料）の屈折率は、波長λ1では略等しく、波長λ2では０．０２０の屈折率差が生じ、波長λ3では０．０２３の屈折率差が生じる。したがって、第１の位相補正層１０Ｇは、波長λ1の入射光に対して透過波面は不変だが、波長λ2および波長λ3の入射光に対して透過波面が変化する。鋸歯の凹凸部の段差は波長λ2と波長λ3の中間波長に対して略１波長の位相差に相当するため、波長λ2および波長λ3で１次回折光が最大となる。
なお、第１の位相補正層１０Ｇは、波長λ2および波長λ3で透光性材料１Ａが透光性材料１Ｂに比べ屈折率が大きいため、図１１に示す断面形状となっている。
【０１６２】
（５）次に、ガラス基板６の片面にポリイミドを塗布し、Ｘ軸と１６３°の角度をなす方向に配向処理を施した後、アクリル系の液晶モノマーの溶液を塗布し、紫外光を照射することで重合硬化させ、進相軸がＸ軸と７３°の角度をなす方向にそろった複屈折性材料の高分子液晶膜からなる位相板３Ｂを形成する。ここで、波長λ2と波長λ3の中間波長に相当する波長５２０ｎｍに対する位相板３Ｂのリタデーション値は１３０ｎｍで略１／４波長に相当する。なお、角度は図１２において時計と反対回りを正方向とする。
【０１６３】
さらに、位相板３Ａとして延伸により複屈折性が発現したポリカーボネート製の有機物薄膜を用い、接着剤を用いて位相板３Ｂに積層するとともに位相補正層１に接着固定する。波長５２０ｎｍに対する位相板３Ａのリタデーション値は２６０ｎｍで略１／２波長に相当し、その進相軸をＸ軸と１７°の角度をなす方向とする。すなわち、位相板３Ａと位相板３Ｂの進相軸は５６°の角度をなす。
このようにして位相板３Ａと位相板３Ｂが積層されてなる第１の位相板３０Ｇを作製する。
【０１６４】
このようにして作製した第７の位相補正素子７００によれば、第１の位相板３０Ｇに、Ｘ軸方向に偏波面を有する波長λ1、λ2、λ3の光が開口制限基板５Ａ側から入射すると、何れも楕円率κが０．９以上の円偏光となって出射し、３波長で１／４波長板相当の機能が得られる。
【０１６５】
「例２」
次に、本発明に係る前記の第５の位相補正素子５００の実施例を、図７（断面図）と図８（平面図）を用いて説明する。
【０１６６】
（１）３つの波長λ1＝４０５ｎｍ、λ2＝６５５ｎｍ、λ3＝７９０ｎｍに対する屈折率が、１．４７０、１．４５６、１．４５４であるガラス基板５（透光性基板）の表面で、開口数ＮＡ2＝０．６０の領域を直接エッチング加工し、光学軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部形状（フレネルレンズ形状）で断面形状が鋸歯状で５レベル（４段）の階段形状格子によって近似された階段状のブレーズド回折格子からなる第１の位相補正層１０Ｅを形成する。
【０１６７】
ここで、階段形状格子１段の高さｄN1を１．７２３μｍとし、空気との光路差が波長λ1に対して２×λ1となっている。このとき、波長λ2に対しては１．２×λ2、すなわち０．２×λ2相当となり、波長λ3に対しては約λ3となっている。したがって、５レベル（４段）の階段形状格子に入射する波長λ1および波長λ3の透過波面は変化しないが、波長λ2の透過波面は階段形状格子の輪帯分布に応じて変化する。
【０１６８】
各階段形状格子の輪帯半径は、波長λ1でカバー厚０．１ｍｍのＨＤ用の光ディスクに対して良好な収差となるよう設計されたＮＡ1＝０．８５のＨＤ用対物レンズを、波長λ2でカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスクにＮＡ2＝０．６０で用いたとき発生する透過波面収差を補正するように決定する。
【０１６９】
（２）次に、第１の位相補正層１０Ｅが形成されたガラス基板５の反対側の面に、実施例１の位相板３Ｂと同様の作成法で、進相軸がＸ軸に方向にそろった常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎeの高分子液晶層を形成する。さらに、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより、開口数ＮＡ3＝０．４５の領域に、光学軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部形状（フレネルレンズ形状）で、断面形状が鋸歯状で３レベル（２段）の階段形状格子によって近似された階段形状のブレーズド回折格子２Ａを加工し、その凹部に常光屈折率ｎoとほぼ等しい屈折率ｎsの均質屈折率透明材料２Ｂを充填して第２の位相補正層２０Ｅとする。
【０１７０】
ここで、３つの波長λ1、λ2、λ3に対する屈折率差（ｎe−ｎs）は、０．２７７、０．２１３、０．２００であり、階段形状格子１段の高さｄM1を１．４６２μｍとする。この場合、異常光偏光に対して、高分子液晶層からなる階段形状のブレーズド回折格子２Ａの１段の均質屈折率透明材料２Ｂとの光路長差が波長λ1に対してはλ1となり、波長λ3に対しては０．３７×λ3となっている。したがって、第２の位相補正層２０Ｅに入射する常光偏光の透過波面は波長に関わらず変化せず、また波長λ1の透過波面は入射偏光に関わらず変化しない。一方、波長λ3の異常光偏光入射光の透過波面は階段形状格子の輪帯分布に応じて変化する。
【０１７１】
各階段形状格子の輪帯半径は、対物レンズを波長λ3でカバー厚１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスクにＮＡ3＝０．４５で用いたときに発生する透過波面収差を補正するように決定する。
【０１７２】
（３）次に、ガラス基板６の片面に実施例１の位相板３Ｂと同様の作成法で、進相軸がＸ軸方向にそろった高分子液晶膜からなる位相板３Ｄを形成する。ここで、波長λ1に対する位相板３Ｄのリタデーション値は２０３ｎｍで略１／２波長に相当する。さらに、実施例１の位相板３Ａと同様に、位相板３Ｃとしてポリカーボネート製の有機物薄膜を用い、接着剤を用いて位相板３Ｄに積層するとともに位相補正層２０Ｅに接着固定する。波長λ1に対する位相板３Ｃのリタデーション値は１０２ｎｍで略１／４波長に相当し、その進相軸をＸ軸と４５°の角度をなす方向とする。すなわち、位相板３Ｃと位相板３Ｄの進相軸は４５°の角度をなす。このようにして位相板３Ｃと位相板３Ｄが積層されてなる第１の位相板３０Ｅを作製する。
【０１７３】
このようにして作製した第５の位相補正素子５００によれば、第１の位相板３０Ｅに、Ｘ軸方向に偏波面を有する波長λ1の光が透光性基板５側から入射すると、楕円率κが０．９以上の円偏光となって出射し、１／４波長板相当の機能が得られる。また、Ｙ軸方向に偏波面を有する波長λ2および波長λ3の光が入射すると、各々の偏波面が回転した直線偏光に変換され、１／２波長板相当の機能が得られる。
【０１７４】
したがって、波長λ2の常光偏光入射光が第１の位相板３０Ｅを往復するともとの常光偏光となり、復路においても第２の位相補正層２０Ｅで透過波面変化なく直進透過する。また、波長λ3の異常光偏光入射光が第１の位相板３０Ｅを往復するともとの異常光偏光となり、復路においても第２の位相補正層２０Ｅで透過波面が変化し波面収差補正作用が発現する。
なお、第１の位相補正層１０Ｅを透過する波長λ2のＮＡ2領域の常光偏光および第２の位相補正層２０Ｅを透過する波長λ3のＮＡ3領域の異常光偏光はパワー成分を含む透過波面となるため、所定の開口領域以外の透過光と集光面が異なり、開口領域外に開口制限機能を設けなくともよい。
【０１７５】
「例３」
本発明に係る前記の第６の位相補正素子６００の実施例を、図１０（断面図）を用いて説明する。
【０１７６】
（１）ガラス基板５１（透光性基板）の円環領域（Ａ1）および円環領域（Ａ2）に実施例１の多層膜フィルタ９２と同じ多層膜フィルタ（図示せず）を形成する。
また、ガラス基板６（透光性基板）の片面に形成する位相板３Ｄと位相板３Ｃを積層してなる第１の位相板３０Ｆは、実施例２において用いられた第１の位相板３０Ｅ（図７）と同じであるため、説明を省略する。
【０１７７】
（２）ガラス基板５２の片面に、実施例１の位相板３Ｂと同様の作成法で、進相軸がＸ軸と７０°の角度をなす方向にそろった高分子液晶膜からなる位相板３Ｆを形成する。ここで、波長λ1に対する位相板３Ｆのリタデーション値は４０５ｎｍで略１波長に相当する。さらに、実施例１の位相板３Ａと同様に、位相板３Ｅとしてポリカーボネート製の有機物薄膜を用い、均質屈折率透明材料１Ｇを接着剤として用いて位相板３Ｆに積層するとともに第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2の高分子液晶からなるブレーズド回折格子１Ｆの凹部に充填し、接着固定する。
【０１７８】
波長λ1に対する位相板３Ｅのリタデーション値は４０５ｎｍで略１波長に相当し、その進相軸をＸ軸と２５°の角度をなす方向とする。すなわち、位相板３Ｅと位相板３Ｆの進相軸は４５°の角度をなす。このようにして、位相板３Ｅと位相板３Ｆが積層されてなる第２の位相板４０Ｆを作製する。
【０１７９】
第２の位相板４０Ｆに、Ｘ軸方向に偏波面を有する波長λ1の光が入射すると、出射偏光は変わらない。また、Ｙ軸方向に偏波面を有する波長λ2および波長λ3の光が入射すると、各々の偏波面が略９０°回転したＸ軸方向の直線偏光に変換され、１／２波長板相当の機能が得られる。
【０１８０】
この第６の位相補正素子６００中の第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2と第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1は何れも、実施例２の第２の位相補正層２０Ｅと同様の作製法で、ガラス基板５１と５２の片面に進相軸がＸ軸方向にそろった常光屈折率ｎo＝１．５５および異常光屈折率ｎe＝１．７０の高分子液晶層を形成する。
【０１８１】
（３）さらに、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより、開口数ＮＡ2＝０．６０の領域に、光学軸に関して回転対称性を有する輪帯状の凹凸部形状（フレネルレンズ形状）で、断面形状が鋸歯状のブレーズド回折格子１Ｆおよび１Ｄを加工し、その凹部に常光屈折率ｎoとほぼ等しい屈折率ｎsの均質屈折率透明材料１Ｇおよび１Ｅを充填して、第２の偏光性位相補正層１０Ｆ2および第１の偏光性位相補正層１０Ｆ1とする。なお、図１０に示すように、ブレーズド回折格子１Ｆと１Ｄは、鋸歯断面の斜面が同心円格子パターンの中心軸に対して逆向に加工されている。
【０１８２】
高分子液晶からなる鋸歯状のブレーズド回折格子１Ｄおよび１Ｆに常光偏光が入射した場合、高分子液晶と均質屈折率透明材料との屈折率差がないため透過波面は変化しない。一方、異常光偏光が入射した場合、高分子液晶と均質屈折率透明材料との屈折率差約０．１５が生じ、鋸歯状のブレーズド回折格子の形状に応じた透過波面の変化が生じる。
【０１８３】
実施例２の第２の位相補正層２０Ｅでは、３レベル（２段）の階段形状のブレーズド回折格子２Ａとしたが、ブレーズド回折格子１Ｄおよび１Ｆでは鋸歯全体の凹凸段差が波長λ2および波長λ3の異常光に対して略１波長の位相差に相当する高分子液晶の膜厚としている点が異なる。その結果、波長λ２および波長λ3で１次回折光が最大となる。このとき、波長λ1の異常光に対しては２次回折光が最大となる。
【０１８４】
「例４」
このようにして作製された位相補正素子、例えば第６の位相補正素子６００と対物レンズ１２をアクチュエータ（図示せず）に一体化し、図１５に示す光ヘッド装置に搭載する。
【０１８５】
この光ヘッド装置をＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクの記録および／または再生に用いるとき、対物レンズのみでは発生した波面収差が補正されるとともに、対物レンズと光ディスクとの間隔を確保することができる。その結果、安定してＨＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の３種の光ディスクの記録および／または再生が実現できる。
また、波長λ1の常光偏光入射光が、位相補正素子、例えば第６の位相補正素子６００を往復することで、位相板３０Ｆにより直交化した偏光方向の異常光偏光出射光に変換されるため、偏光ビームスプリッタ１９と併用することにより光検出器１５Ａで効率よく信号光を検出できる。
【産業上の利用可能性】
【０１８６】
本発明の位相補正素子は、波長λ1の透過波面は不変のまま、波長λ2あるいは波長λ3の透過波面を補正でき、また、波長λ1で１／４波長板の機能を有する第１の位相板が一体化されているため、位相補正素子を往復した波長λ1の直線偏光は直交する直線偏光に変換される効果を有し、波長λ1でＨＤ用の光ディスクに最適設計されたＨＤ用対物レンズと一体で搭載することにより、使用波長およびカバー厚のそれぞれ異なるＨＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクに対しても安定した情報の記録および／または再生ができる光ヘッド装置用等の位相補正素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明の第１および第２の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１および第２の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す平面図。
【図３】ＤＶＤ用またはＣＤ用の光ディスクにおける透過光の波面収差を示すグラフであり、（Ａ）は本発明の位相補正素子により生成される波面収差、（Ｂ）はＤＶＤ用またはＣＤ用の光ディスクにおける透過光の波面収差。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図５】第３の実施形態に係る位相補正素子の第１の位相補正層の波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す平面図。
【図９】第５の実施形態に係る位相補正素子の第２の位相補正層の波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係る位相補正素子の構成を示す平面図。
【図１３】図１１および図１２に示す第７の位相補正素子の開口制限基板の加工面の位置関係を示す拡大断面図。
【図１４】本発明の第７の実施形態の変形例に係る位相補正素子の構成を示す断面図。
【図１５】第８の実施形態に係る位相補正素子を搭載した光ヘッド装置を示す構成図。
【図１６】第８の実施形態に係る位相補正素子へ３種の波長の光が入射したときの光束と波面を示す断面図であり、（ａ）は波長λ1の光、（ｂ）は波長λ2の光、（ｃ）は波長λ3の光。
【図１７】第８の実施形態に係る位相補正素子へ３種の波長の光が入射したときの光束と波面を示す断面図であり、（ａ）は波長λ1の光、（ｂ）は波長λ2の光、（ｃ）は波長λ3の光。
【図１８】第８の実施形態に係る位相補正素子へ３種の波長の光が入射したときの光束と波面を示す断面図であり、（ａ）は波長λ1の光、（ｂ）は波長λ2の光、（ｃ）は波長λ3の光。
【図１９】図１２に示す開口制限基板の各領域の分光透過率であって、（ａ）は第１の円環領域（Ａ1）、（ｂ）は第２の円環領域（Ａ2）、（ｃ）は円形領域（Ａ3）での分光透過率を示すグラフ。
【図２０】従来の開口制限素子の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１８８】
１Ａ：屈折率ｎAの透光性材料（第１の透光性材料）
１Ｂ：屈折率ｎBの透光性材料（第２の透光性材料）
１Ｄ、１Ｆ：高分子液晶からなる鋸歯状格子
１Ｅ、１Ｇ：均質屈折率透明材料（充填材）
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ，１０Ｅ、１０Ｇ：第１の位相補正層
１０Ｆ1：第１の偏光性位相補正層
１０Ｆ2：第２の偏光性位相補正層
２Ａ：階段形状のブレーズド回折格子
２Ｂ：均質屈折率透明材料（充填材）
２０Ｅ：第２の位相補正層
３Ａ〜３Ｆ：位相板
３０Ａ〜３０Ｇ：第１の位相板
４０Ｆ：第２の位相板
５、５１、５２：透光性基板
１０００：開口制限素子
１１００：透光性基板
１２００：多層膜フィルタ
１３００：位相補償膜
５Ａ、５Ｂ：開口制限基板
６：透光性基板
８：反射防止膜
９２：多層膜フィルタ
９１、９３：回折格子
１２：対物レンズ
１３：コリメータレンズ
１４Ａ：半導体レーザ（ＨＤ用；λ1＝４１０ｎｍ）
１４Ｂ：半導体レーザ（ＤＶＤ用；λ2＝６５０ｎｍ）
１４Ｃ：半導体レーザ（ＣＤ用；λ3＝７８０ｎｍ）
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ：光検出器
１６Ｂ、１６Ｃ：ホログラムビームスプリッタ
１７、１８：合波プリズム
１９：偏光ビームスプリッタ
１００〜９００：位相補正素子
Ａ1：（第１の）円環領域、
Ａ2：（第２の）円環領域
Ａ3：円形領域
Ｄ1：光ディスク（ＨＤ用）
Ｄ2：光ディスク（ＤＶＤ用）
Ｄ3：光ディスク（ＣＤ用）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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