(57)【要約】【課題】波長の異なる二つの光のうち、一方を回折させず、他方を回折させる回折格子を有する回折光学素子において、製造容易でかつ回折効率の高い回折光学素子を提供する。【解決手段】波長の異なる二つの光を入射させる回折光学素子１において、回折格子２は入射方向に沿う立上り面部５とこの立上り面部５から張出して細幅に形成された回折面部６とからなる段部７を所定段数備えた階段格子４を多数有し、段部７は隣接する回折面部６を通過する光に一方の光の波長の整数倍の光路差を与える高さに形成され、回折格子２は回折面部６の幅を小さく形成される幅狭部８と回折面部６の幅を大きく形成される幅広部９とからなり、幅狭部８の階段格子４は幅広部９の階段格子４より段数を少なくされてなる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる二つの光を入射させて、一方の光を回折させず他方の光を回折させる回折格子を有する入射面を備えた回折光学素子において、上記回折格子は入射方向に沿う立上り面部と該立上り面部から張出して細幅に形成された回折面部とからなる段部を所定段数備えた階段格子を多数有し、上記段部は隣接する回折面部を通過する光に一方の光の波長の整数倍の光路差を与える高さに形成され、
上記回折格子は回折面部の幅を小さく形成される幅狭部と回折面部の幅を大きく形成される幅広部とからなり、上記幅狭部の階段格子は上記幅広部の階段格子より段数を少なくされたことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
上記幅狭部の階段格子は、上記幅広部の階段格子より段数を１段少なくすると共に、最上段の上記立上り面部を上記幅広部の階段格子において対応する立上り面部よりも低くすることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
上記回折格子の階段格子は上記入射面において同心円状に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、波長の異なる二つの光を入射させて一方の光を回折させ他方の光を回折させない階段状の格子からなる回折格子を備えた回折光学素子に関し、特に製造容易でありかつ高い回折効率を有する回折格子を備えた回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＤ及びＤＶＤの２種の媒体から信号を読み取る光ピックアップでは、ＣＤの読み取りに用いられる波長７８５ｎｍのレーザ光と、ＤＶＤの読み取りに用いられる波長６５５ｎｍのレーザ光とを読み取りの対象にしている。このような光ピックアップにあっては、二つの波長（６５５ｎｍ，７８５ｎｍ）のレーザ光を発振するレーザダイオードからの光を、コリメータレンズにて平行光とし、集光レンズでＣＤ媒体、ＤＶＤ媒体の信号面に集光して照射し、この媒体信号面で変調された反射光をフォトダイオード上に集光して、フォトダイオードで入射された光エネルギーを電気エネルギーに変換して、電気信号を得るようにしている。
【０００３】
しかし、ＣＤとＤＶＤでは保護層の厚みが異なるため、ＤＶＤの保護層の厚みにあわせてレーザの焦点が合うように光学系を構成すると、ＣＤの読み取りの際には大きな球面収差が発生し、信号の読み取りができなくなる。このため、従来の光ピックアップでは、コリメータレンズの入射面に回折格子を形成している。
【０００４】
回折格子は、コリメータレンズの入射面に階段状の階段格子を多数設けてなり、段差の高さは、隣接する段差に入射する光に、ＤＶＤの読み取りに用いるレーザ光の波長の整数倍の光路差を与えるように形成される。これにより、ＤＶＤの読み取りに用いるレーザ光の光路差は、波長の整数倍となるので、この回折格子は、ＤＶＤの読み取りに用いるレーザ光は直進させ、より波長の長いＣＤの読み取りに用いるレーザ光は回折させることができる。
【０００５】
この場合、ＣＤの読み取りに用いるレーザ光に対しては、回折格子は凹レンズとしての機能を有することになり、ＣＤの読み取りに用いるレーザ光はコリメータレンズから発散光として出射される。このように回折格子により、波長の異なる二つのレーザ光のうち、ＣＤの読み取りに用いるレーザ光のみを発散光とすることで、ＣＤ媒体の信号面に焦点を合わせてレーザ光を照射することができる。
【０００６】
このような回折格子を有した光学素子は樹脂材からなり、金型を用いた射出成型により大量生産される。このように、金型を用いた射出成型により光学素子を製造する場合には、金型に微細な加工を精密に行う必要があり、バイトを用いた切削加工によって金型は製作される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光ピックアップに用いられる回折格子を有する光学素子は、以下に述べる課題を有していた。
レーザ光を発散光とするためには、光学素子の外周になるに従って、格子幅を小さくしなくてはならない。また、回折効率を高めるためには、回折格子の階段状からなる階段格子の段数を多くしなければならない。しかし、段数を多くした場合には、光学素子の外周部における階段格子の最上段部を形成するための金型の加工が、バイトで加工できる限界よりも微細になる。一方、金型をバイトで加工できるように段数を少なくすると、回折効率は低下する。
【０００８】
例えば、全ての階段格子を６段に形成した場合の回折光学素子の断面図を図５に示す。図左端の一点鎖線は回折光学素子１の中心線を示している。回折光学素子１は回折格子２を有し、回折格子２は６段の階段状に形成されてなる階段格子４を多数有している。そして、階段格子４の幅は、外周になるほど小さくなり、したがって外周部は階段格子４の幅の小さい幅狭部８となり、それ以外の領域は階段格子４の幅の大きい幅広部９となる。この場合、光学素子を製造するための金型は、幅狭部８に対応する部分において非常に微細に加工する必要があり、それに対応したバイトを製作することは困難である。仮にバイトを製作することができたとしても、バイトの剛性が不足し、金型を所定の精度に加工することは困難である。
【０００９】
また、全ての階段格子を５段に形成した場合の回折光学素子の断面図を図６に示す。図５と同様に、図左端の一点鎖線は回折光学素子１の中心線を示している。この場合には、階段格子４は、６段に形成した場合の最上段に相当する部分を有しないため、光学素子を製造するための金型は、幅狭部８に対応する部分についても加工することができる。しかし、段数を減らしたことにより、回折効率は６段の場合に比べて低下する。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、波長の異なる二つの光のうち、一方を回折させず、他方を回折させる回折格子を有する回折光学素子において、製造容易でかつ回折効率の高い回折光学素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る回折光学素子は、波長の異なる二つの光を入射させて、一方の光を回折させず他方の光を回折させる回折格子を有する入射面を備えた回折光学素子において、上記回折格子は入射方向に沿う立上り面部と該立上り面部から張出して細幅に形成された回折面部とからなる段部を所定段数備えた階段格子を多数有し、上記段部は隣接する回折面部を通過する光に一方の光の波長の整数倍の光路差を与える高さに形成され、上記回折格子は回折面部の幅を小さく形成される幅狭部と回折面部の幅を大きく形成される幅広部とからなり、上記幅狭部の階段格子は上記幅広部の階段格子より段数を少なくされたことを特徴として構成されている。
【００１２】
本発明によれば、回折格子における格子幅が小さい部分の階段格子は段数が少ないので、回折光学素子を製造するための金型の加工において、加工困難な溝を形成する必要がない。
【００１３】
また、本発明に係る回折光学素子は、上記幅狭部の階段格子は、上記幅広部の階段格子より段数を１段少なくすると共に、最上段の上記立上り面部を上記幅広部の階段格子において対応する立上り面部よりも低くすることを特徴として構成されている。
【００１４】
本発明によれば、回折格子における幅狭部の階段格子は、段数を少なくしたにもかかわらず、回折効率の低下を抑えることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る回折光学素子は、回折格子の階段格子は入射面において同心円状に形成されたことを特徴として構成されている。
【００１６】
本発明によれば、回折格子はフレネルレンズとして機能し、波長の異なる二つの入射光のうち、一方を発散光とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に沿って詳細に説明する。図１は、本実施形態における回折光学素子を模式的に示した正面図である。また、図２は、本実施形態における回折光学素子の断面を模式的に示した断面図である。さらに、図３は、本実施形態における回折光学素子において、階段格子の段差を変化させた部分周辺の断面を模式的に示した断面拡大図である。
【００１８】
本実施形態における回折光学素子１は、図１に示すように略円形に形成されており、入射面３には階段状に形成されてなる階段格子４を同心円状に多数設けられて、回折格子２が形成される。回折格子２は、図１の太線で示す同心円状に領域分けされており、領域毎に階段格子４のピッチが異なっている。階段格子４のピッチは、外周の領域ほど小さく、したがって外周部において、階段格子４は最もピッチを小さく形成されている。
【００１９】
回折光学素子１の入射面３に設けられる回折格子２の階段格子４は、図２に示すような階段形状に形成される。図２は、回折格子２を誇張して表した模式図である。したがって、回折格子２の階段格子４は、実際には図２に示すよりも多数設けられる。また、図２においては上方から光が入射する。なお、図２の左端の一点鎖線は、回折光学素子１の中心線を示している。
【００２０】
階段格子４は、光の入射方向に沿う立上り面部５と、この立上り面部５から垂直方向に張出して細幅に形成された回折面部６とからなる段部７を所定段数備えてなるものである。本実施形態においては、回折面部６を６つまたは５つ有する段数に形成されている。（以下、階段格子４の段数は回折面部６の数をいう。すなわちこの場合は６段または５段である。）
【００２１】
ここで、階段格子４の立上り面部５の高さをΔとすると、通過する光に光路差（ｎ−１）Δ（ｎは回折光学素子１の屈折率、空気の屈折率を１とした）を与え、この光学的な光路差をＤＶＤの読み取りに用いるレーザ光の波長である６５５ｎｍの整数倍となるように階段格子４の段差を設定している。これにより、この回折格子２はＤＶＤの読み取りに用いる波長６５５ｎｍの入射光は直進させる。それに対して、ＣＤの読み取りに用いる波長７８５ｎｍの入射光は回折させることができ、すなわちこの回折格子２はＣＤの読み取りに用いるレーザ光については、凹レンズの機能を有することになる。
【００２２】
このように、回折格子２はＣＤの読み取りに用いるレーザ光に対してはいわゆるフレネルレンズとして機能するため、外周になるほど階段格子４の回折面部６の幅を小さくする必要がある。階段格子４の回折面部６の幅が大きい領域を幅広部９といい、外周部において階段格子４の回折面部６の幅が小さい領域を幅狭部８という。この場合において、幅広部９の階段格子４の段数は６段に形成される。一方、幅狭部８では、階段格子４の段数は５段に形成される。
【００２３】
図３に示すように、回折格子２において階段格子４の段数を６段に形成された６段の階段格子１０では、それぞれ下から順に段部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆの各回折面部６が等幅で設けられる。それに対して、回折格子２において階段格子４の段数を５段に形成された５段の階段格子１１では、それぞれ下から順に段部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが設けられる。ここで、段部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄについては、各回折面部６は等幅に設けられる。一方、最上段である段部１１ｅの回折面部６は、６段の場合における最上段の段部１０ｆに相当する段部７を設けることなく形成されているので、他の回折面部６の２つ分に相当する幅を有している。
【００２４】
また、幅狭部８における５段の階段格子１１では、その最上段である段部１１ｅの高さを他の段部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄよりも低く形成している。このため、幅狭部８の段部１１ｅの高さは、幅広部９の段部１０ｅよりもわずかに低くされている。本実施形態においては、段部１１ｅの高さを他の段部７の高さに比べて５０ｎｍ低くしている。
【００２５】
階段状に形成された階段格子４は、ＣＤの読み取りに用いるレーザ光の波長の整数倍と、隣接する回折面部６を通過する光の光路差との差の深さを有する格子と等価である。ここで、５段の階段格子１１における最上段の段部１１ｅの高さを、他の段部７に比べて低くすると、その差は他の段部７に比べて大きくなる。すなわち、５段の階段格子１１は、６段の場合に比べて最深部において深さの浅い格子と等価であったのに対して、５段の階段格子１１における最上段の段部１１ｅの高さを低くしたことにより、最深部においてより深い格子と等価となり、６段の場合に近づくことになる。これにより、最上段の段部１１ｅの高さを他の段部７と同じ高さに形成した場合と比べて、ＣＤの読み取りに用いるレーザ光の回折効率を高くすることができるので、階段格子４を６段から５段にしたことによる回折効率の低下を抑えることができる。
【００２６】
このように、階段格子４を５段に形成する領域、すなわち幅狭部８は、後述する回折光学素子１の製造に用いる金型２０を加工する場合において、階段格子４を形成するときに６段に加工できない領域である。金型２０を加工する場合に、最も微細な加工を必要とするのは回折光学素子１の階段格子４における最上段に対応する部分であり、また階段格子４は外周ほど階段の幅は小さく形成される。このため、階段格子４を５段に形成する領域、すなわち幅狭部８は、回折光学素子１の外周部となる。
【００２７】
図３に示すように、幅広部９の階段格子１０においては、その最上段である６段目の段部１０ｆに対応する金型２０の加工は行うことができるのに対し、幅狭部８の階段格子１１においては、６段目の段部に対応する金型２０の加工は困難である。このため、幅狭部８の階段格子１１は５段とし、その最上段を１１ｅとしている。
【００２８】
次に、本実施形態に係る回折光学素子の製造方法について説明する。回折光学素子１は、樹脂材等により形成することができ、この場合には金型２０を用いた射出成型により、大量生産をすることができる。金型２０は超硬材製であり、図４に示すように、回折光学素子１を反転した形状とされ、バイトによる切削加工により製造される。
【００２９】
図４に示すような金型２０を加工する場合に、階段格子４の最上段を形成するための階段溝２１の切削加工において、階段格子４の段差を６段に形成しようとすると、バイトによる切削加工の限界よりも細い溝を切削しなければならない領域では、その階段溝２１は５段に形成される。階段溝２１は、製造する回折光学素子１に対応して、外周になるほどその幅を小さく形成されるから、金型２０の加工においては、回折格子２の幅狭部８を形成する部分に相当する外周部分に、階段溝２１を５段に形成する領域が生じる。このようにして、中心に近い部分の階段溝２１ａは６段とされ、外周部の階段溝２１ｂは５段とされた金型２０が加工される。
【００３０】
また、５段に形成された階段溝２１ｂにおいて、その最も深い溝は、回折光学素子１の５段に形成された階段格子４の最上段の段差を低くしていることに対応して、６段に形成された階段溝２１ａの５段目の溝に比べて５０ｎｍ浅く加工される。このような金型２０を用いると、上述したような幅狭部８の階段格子４を５段とし、幅広部９の階段格子４を６段とし、かつ幅狭部８の階段格子４の最上段はそれに対応する幅広部９の階段格子４の段部７に比べて５０ｎｍ低く形成された回折光学素子１を製造することができる。
【００３１】
以上、実施形態について説明したが、本発明の適用はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の思想の範囲において様々に適用されうるものである。
例えば、本実施形態において幅狭部８における段部７の段数は、幅広部９における段部７の段数より１段少なくしているが、２段ないしそれ以上少なくすることもできる。また、幅狭部８において段部７を一定の段数に形成するのではなく、領域に分けてそれぞれ異なった段数を有するようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、波長の異なる二つの光を入射させて、一方の光を回折させず他方の光を回折させる回折格子を有する入射面を備えた回折光学素子において、回折格子の幅狭部の階段格子は幅広部の階段格子より段数を少なくされたことにより、幅広部については高い回折効率を維持しつつ、回折光学素子を製造するための金型の加工において、加工困難な溝を形成する必要がなく、したがって製造容易でかつ回折効率の高い回折光学素子とすることができる。
【００３３】
また、本発明によれば、幅狭部の階段格子は、幅広部の階段格子より段数を１段少なくし、最上段の立上り面部を幅広部の階段格子において対応する立上り面部よりも低くすることにより、回折格子における格子幅が小さい部分の階段格子は、段数を少なくしたにもかかわらず、回折効率の低下を抑えることができ、回折光学素子全体としての回折効率の低下を抑えることができる。
【００３４】
さらに、本発明によれば、回折格子の階段格子は入射面において同心円状に形成されたことにより、回折格子はフレネルレンズとして機能し、波長の異なる二つの入射光のうち、一方を発散光とすることができるので、ＣＤ及びＤＶＤの２種の媒体から信号を読み取る光ピックアップに、透過効率の高い光学素子として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本実施形態における回折光学素子を模式的に示した正面図である。
【図２】
本実施形態における回折光学素子の断面を模式的に示した断面図である。
【図３】
本実施形態における回折光学素子において、階段格子の段差を変化させた部分周辺の断面を模式的に示した断面拡大図である。
【図４】
本実施形態における回折光学素子を製造するための金型の断面を模式的に示した断面図である。
【図５】
階段格子を全て６段に形成した場合の回折光学素子の断面を模式的に示した断面図である。
【図６】
階段格子を全て５段に形成した場合の回折光学素子の断面を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１　　　回折光学素子
２　　　回折格子
３　　　入射面
４　　　階段格子
５　　　立上り面部
６　　　回折面部
７　　　段部
８　　　幅狭部
９　　　幅広部
１０　　　６段の階段格子
１１　　　５段の階段格子
２０　　　金型
２１　　　階段溝
【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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