(57)【要約】【構成】位相板光学素子１８は、方向性を有する第１凹凸パターンを有する第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンを有する第２の面とからなり、ともに入射光が複屈折する光学的異方性を有する０次回折格子である。このような第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとのなす角度が所定の値になるように組み合わせることによって、反射防止効果を有する位相板光学素子１８、あるいはアスペクト比の小さな位相変換パターンを有する位相板光学素子１８が得られる。【効果】位相板光学素子の両面にそれぞれ凹凸パターンを形成することによって、凹凸パターンのアスペクト比を小さくでき、また凹凸パターンの組合せ角度を調整する必要がない製造の容易な位相板光学素子を提供することができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性を有する第１凹凸パターンが形成された第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンが形成された第２の面とからなる位相板光学素子であって、
前記第１凹凸パターンおよび前記第２凹凸パターンのそれぞれのパターンのピッチが前記位相板光学素子に入射する光の波長を前記位相光学素子の屈折率で割った値よりも小さく、かつ第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとが互いに所定の角度となるように前記第１凹凸パターンおよび前記第２凹凸パターンを配置した、位相板光学素子。
【請求項２】
前記第１凹凸パターンは位相変換パターンとして機能し、前記第２凹凸パターンは反射防止パターンとして機能し、さらに前記第１凹凸パターンと前記第２凹凸パターンとのなす角度を４５度とした、請求項１記載の位相板光学素子。
【請求項３】
前記第１凹凸パターンの凸部の高さｈが
【数１】
ｈ＝（２ｍ＋１）・λ／４ｎ
ｍ＝０，１，２・・・
ｎ＝屈折率
である、請求項２記載の位相板光学素子。
【請求項４】
前記第１凹凸パターンおよび前記第２凹凸パターンはともに位相変換パターンとして機能し、さらに互いに平行または垂直に配置される、請求項１記載の位相板光学素子。
【請求項５】
前記第１凹凸パターンおよび前記第２凹凸パターンの凸部の少なくとも一部が、前記位相板光学素子の材料よりも屈折率の高い材料で形成されている、請求項１ないし４記載の位相板光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、位相板光学素子に関し、特にその基体の両面に凹凸パターンが形成された位相板光学素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、入射光の位相をずらす位相板として、ガラス（屈折率１．５）、アクリル樹脂（屈折率１．４９）などの光透過性材料からなる基体の片面に、断面形状が矩形などで、方向性を有する周期的な凹凸パターンが形成された光学素子が知られている。この凹凸パターンは、高次の回折光が生じない０次回折格子であるので、方解石などと同じく光学的異方性のため複屈折するので、入射光の位相をずらせることができる。
【０００３】
また、単一波長の光に対して反射防止効果を有する反射防止板としては、光透過性材料からなる基体の表面に、断面形状が矩形などで、方向性を有する凹凸パターンを形成した光学素子がある。この凹凸パターンも位相板の場合と同様に０次回折格子とすることにより、有効な反射防止効果を得られることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような位相板は、金型に樹脂またはガラスを流し込む射出成形によって製造される。したがって、位相板のアスペクト比（凸部の高さ／凹凸パターンのピッチ）が大きい場合、金型の加工が非常に難しいため、位相板の製造が難しいという問題があった。
【０００５】
また、反射防止板を位相板と組み合わせて効果的な反射防止効果を得るためには、入射光の偏光状態に応じて位相板と反射防止板の組合せ角度を調整する必要があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、製造の容易な位相板光学素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、方向性を有する第１凹凸パターンが形成された第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンが形成された第２の面とからなる位相板光学素子であって、第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンのそれぞれのパターンのピッチが位相板光学素子に入射する光の波長を位相光学素子の屈折率で割った値よりも小さく、かつ第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとが互いに所定の角度となるように第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンを配置した位相板光学素子である。
【０００８】
【作用】
この発明の位相板光学素子は、方向性を有する第１凹凸パターンを有する第１の面と、方向性を有する第２凹凸パターンを有する第２の面とからなり、ともに０次回折格子である。このため、第１凹凸パターンも第２凹凸パターンも入射光が複屈折する光学的異方性を有する。このような第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとのなす角度が所定の値になるように組み合わせることによって、反射防止効果を有する位相板光学素子、あるいはアスペクト比の小さな位相変換パターンを有する位相板光学素子を容易に製造することができる。
【０００９】
また、第１凹凸パターンを位相変換パターン、第２凹凸パターンを反射防止パターンとした場合、それらのパターンは互いに４５度の角度をなすように形成することが望ましい。この場合、まず入射光を、その振動面が第２凹凸パターンに平行または垂直になるように入射させると、透過光は位相が変わることなく第２凹凸パターンによる反射が防止される。次に、透過光は、第２凹凸パターンに対してその振動面が４５度の角度をなすように入射するので、位相がずらされて、１／４波長板の場合は円偏光光となる。このように、反射防止パターンと位相変換パターンをその両面に形成した位相板光学素子は、両パターンのなす角度を調整する必要はなく、また射出成形によって両パターンが同時に形成できるので製造が容易である。
【００１０】
この発明の実施例では、反射防止パターンである第１凹凸パターンの凸部の高さが、
【００１１】
【数２】
ｈ＝（２ｍ＋１）・λ／４ｎ
ｍ＝０、１、２・・・
となるように形成する。凸部の高さをこの高さｈにすることにより、入射光に対する反射率を最も低くすることができる。
【００１２】
また、位相変換パターンとして機能する第１凹凸パターンと第２凹凸パターンとが、互いに平行または９０度の角度をなすように形成することが望ましい。この場合、入射光を、その振動面が第１凹凸パターンに対して４５度の角度をなすように入射させると、第２凹凸パターンを透過した光は位相が９０度ずらされて円偏光となる。このように、反射防止パターンと位相変換パターンをその両面に形成した位相板光学素子は、位相変換パターンを片面にのみ凹凸パターンを形成する場合に比べて、各面のアスペクト比が小さくなるので製造が容易となる。
【００１３】
さらに、第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンの凸部の少なくとも一部が、位相板光学素子よりも屈折率の高い材料で形成されていることが望ましい。このことにより、第１凹凸パターンまたは第２凹凸パターンの凸部の高さを低くすることができるので、位相板光学素子の製造が容易となる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、位相板光学素子の両面にそれぞれ凹凸パターンを形成することによって、凹凸パターンのアスペクト比を小さくでき、また凹凸パターンの組合せ角度を調整する必要がないので、製造の容易な位相板光学素子を提供することができる。
【００１５】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１６】
【実施例】
図１を参照して、この発明の一実施例である位相板光学素子１８を１／４波長板として含む、ＣＤやＤＶＤなどの光記録装置のピックアップ部１０について説明する。
【００１７】
まず、レーザ光源１２から単一波長のＰ偏光光（光の振動方向が入射面に平行な光）が射出され、コリメータレンズ１４によって平行光にされる。
【００１８】
次に、この平行光にされたＰ偏光光を偏光ビームスプリッタ１６に入射させると、Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッタ１６を直進透過する。直進透過したＰ偏光光は、次に１／４波長板である位相板光学素子１８に対して垂直に入射する。この位相板光学素子１８により、Ｐ偏光光の位相は９０度ずらされて、右回転の円偏光光に変換される。次に、変換された円偏光光を対物レンズ２０によってスポット光にし、ＣＤなどの光記録媒体２２に当てる。
【００１９】
光記録媒体２２で反射されて戻ってくる光は、左回転の円偏光光になっている。これは、円偏光の回転方向は同じで光の進行方向が逆転するためである。この円偏光光が、再び位相板光学素子１８に垂直に入射すると、円偏光から直線偏光に変換されるが、位相は往路の場合からさらに９０度ずらされる。このため、位相板光学素子１８から射出される光はＳ偏光（光の振動面が入射面に垂直な光）に変換されている。
【００２０】
そして、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッタ１６で、入射方向に対して略直角方向に反射される。この偏光ビームスプリッタ１６からの反射光は、集光レンズ２４によって集光され、受光素子であるフォトディテクタ２６に照射される。その結果、光記録媒体からの反射光に応じた出力信号がフォトディテクタ２６から出力され、トラッキング調整信号または読出しデータとして使用される。
（第１実施例）
図２（ａ）を参照して、反射防止効果を有する１／４波長板としての位相板光学素子１８の構造について説明する。
【００２１】
この位相板光学素子１８は、ガラス（屈折率１．５）、アクリル樹脂（屈折率１．４９）、ポリカーボネイト樹脂（屈折率１．５４）などの光透過性材料からなり、その一方の面上には断面形状が矩形の周期的な凹凸パターンからなる位相変換パターンが形成されている。この位相変換パターンは０次回折格子になるように形成されている。ここで、０次回折格子とは、±１次以上の高次回折光を発生させず、入射した光は反射光を除いてすべて直進させる回折格子をいい、凹凸パターンのピッチを、入射光の波長を基板の屈折率で割った値よりも小さい値に設定することによって形成することができる。このように、位相変換パターンを０次回折格子とすることにより光学的異方性を有し、方解石などで形成した位相板と同じく入射光が複屈折するので、位相をずらすことができる。
【００２２】
この凹凸パターンの寸法形状は次のようにして決められる。すなわち、レーザ光源１２から射出されるＰ偏光光の波長を６６０ｎｍとした場合、図２（ａ）を部分的に拡大した図２（ｂ）に示す、断面形状が矩形の凹凸パターンからなる位相変換パターンのピッチ、凸部１８ａの幅、凸部１８ａの高さを計算すると、図３に示すグラフが求められる。このグラフから、凸部１８ａの高さが最も低い場合は、波長の約２．５倍であることがわかる。また、そのときの凸部１８ａの幅／パターンピッチが約０．５５であること、および０次回折格子であることの要件を考慮して、位相変換パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅が求められる。このようにして求めた位相変換パターンの形状は、次のような形状となる。
【００２３】
凹凸パターンのピッチ　：　３００ｎｍ
凸部１８ａの幅　　　　：　１６５ｎｍ
凸部１８ａの高さ　　　：　１６６０ｎｍ
次に、位相板光学素子の位相変換パターンが形成された面と反対の面にも、断面形状が矩形の凹凸パターンからなる反射防止パターンを形成する。これは、反射防止パターンが形成されていないと、入射光の４％程度が反射されてしまうので、大きな出力を得ることが難しいレーザ光源１２からの光を有効に活用する必要があるからである。このため、反射防止パターンも、位相変換パターンの場合と同様に０次回折格子とする必要がある。
【００２４】
この反射防止パターンの寸法形状は次のようにして決められる。すなわち、レーザ光源１２から射出されるＰ偏光光の波長を６６０ｎｍ、位相板光学素子１８の材質をガラス（屈折率１．５）とし、反射防止パターンの凹凸ピッチ、凸部１８ａの幅を位相変換パターンの場合と同じにするため、それぞれ３００ｎｍ、１６５ｎｍとしたときの凸部１８ａの高さと反射率との関係を計算すると、図４の△で表されたグラフに示す関係が得られた。
【００２５】
この図４からわかるように、凸部１８ａの高さと反射率との関係は周期的に変化し、例えば入射光がＰ偏光光の場合、凸部１８ａの高さが約１５０ｎｍ、約４００ｎｍ、約６５０ｎｍ・・・のところで、反射率がほぼゼロとなっていることがわかる。この凸部１８ａの高さｈを式で表すと、次のようになる。
【００２６】
ｈ＝（２ｍ＋１）λ／４ｎｐ　　　（１）
ｍ＝０，１，２・・・
ｎｐ＝Ｐ偏光に対する屈折率
このように、反射防止パターンは位相変換パターンに比べて凸部１８ａの高さが低いので、位相変換パターンと比べて容易に製造することができる。
なお、入射光がＳ偏光光の場合、同じ形状の反射防止パターンについて同様にシミュレーションを行なうと、図４の□で表されたグラフからわかるように、凸部１８ａの高さと反射率との関係はＰ偏光光の場合と同様に周期的に変化する。しかし、反射率は最も低い場合でも０．６％程度と、Ｐ偏光光の場合に比べて高くなっている。このことから、本実施例のような断面形状が矩形の反射防止パターンではＳ偏光光よりもＰ偏光光の場合に、高い反射防止効果が得られるので、図１に示すレーザ光源１２から射出される光としてＰ偏光光を用いている。
【００２７】
この場合、位相板光学素子１８の両面にそれぞれ位相変換パターンと反射防止パターンを形成した位相板光学素子１８を１／４波長板として使用するためには、各パターンを上述の寸法に形成するだけではなく、さらに各パターンが互いに４５度の角度をなすように形成する必要があるが、これは次の理由による。まず、入射光のＰ偏光光が反射防止パターンによって位相が変わらないようにするため、Ｐ偏光光の振動面を反射防止パターンの方向に対して平行に入射させる。次に、反射防止パターンを透過した光を位相変換パターンで円偏光光に変換するために、Ｐ偏光光の振動面を位相変換パターンの方向に対して４５度の角度で入射させる必要があるためである。
【００２８】
また、この位相板光学素子１８を図１に示すピックアップ部１０で、１／４波長板として使用する場合、反射防止パターンがレーザ光源１２側に向くようにセットする必要がある。このようにセットすることにより、レーザ光源１２から射出される単一波長のＰ偏光光に対して、まず反射防止パターンでＰ偏光光の反射が防止された後、反対の面に形成されている位相変換パターンで円偏光光に変換される。このようにセットする理由は、もし位相変換パターンがレーザ光源１２側に向くようにセットした場合、まず位相変換パターンによってＰ偏光光の位相がずらされて円偏光光に変換され、次に反射防止パターンによって反射が防止されるだけでなく、その形状が方向性を有する０次回折格子からなる周期パターンであるため、さらに位相もずらされる可能性があるからである。
【００２９】
なお、位相変換パターンおよび反射防止パターンとして、断面形状が矩形の場合について説明してきたが、パターンに方向性があれば、矩形に限定されることなく、台形、三角形など、種々の形状の凹凸パターンとすることができる。
【００３０】
また、図４の●で表されたグラフは、Ｐ偏光光の振動面が上述の寸法形状からなる位相変換パターンに対して４５度の角度をなすように入射させた場合の反射率を示している。このグラフからわかるように、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍ付近では、この位相変換パターンは反射率が約２．１程度となり、何もパターンが形成されていない場合の反射率である約４％に比べて、かなり低くなっている。つまり、この位相変換パターンは入射光の位相をずらして円偏光光に変換するだけではなく、反射防止効果もあることがわかる。
（第２実施例）
第１実施例の位相変換パターンは、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍと高く、アスペクト比が約５．５と大きいため、このような凹凸パターンを形成することは難しい。
【００３１】
このため、アスペクト比を小さくして凹凸パターンを作りやすくする一つの方法として、断面形状が矩形の凹凸パターンを位相板光学素子１８の一方の面だけでなく、他方の面にも同じピッチ、同じ凸部１８ａの幅を有する凹凸パターンを形成する。それぞれの面に形成する凸部１８ａの高さは、それらの和が一方の面のみに形成された場合の凸部１８ａの高さと等しくなるように形成する。このことによって、片面だけに位相変換パターンを形成した場合と同じ性能の位相変換パターンが得られる。
【００３２】
このように、凹凸パターンを位相板光学素子１８の両面に形成することによって、各面の凸部１８ａの高さを低くすることができるので、アスペクト比も小さくなる。したがって、位相板光学素子１８を容易に製造することができる。
【００３３】
例えば、凸部１８ａの高さが１６６０ｎｍである１／４波長板と同じ機能を有し、両面に凹凸パターンが形成された１／４波長板は、各面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅をそれぞれ３００ｎｍ、１６５ｎｍとした場合、凸部１８ａの高さがそれぞれ例えば８３０ｎｍである凹凸パターンを形成すればよい。このようにすることにより、片面に形成した場合のアスペクト比を約５．５から約２．７に抑えることができる。なお、凸部１８ａの高さを２分割する分け方に制限はないが、両面で凸部１８ａの高さがほぼ同じとなるように分ける場合がアスペクト比を最も小さくすることができる。
【００３４】
なお、一方の面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅と、他方の面の凹凸パターンのピッチおよび凸部１８ａの幅は必ずしも同じにする必要はない。しかし、両面の形状寸法を変える場合、それぞれの面に形成された凸部１８ａの高さの和は、一方の面のみに形成された場合の高さと等しくならないため、改めて計算をやりなおす必要がある。
【００３５】
この位相板光学素子１８を１／４波長板として機能させるためには、凹凸パターンの形状寸法だけではなく、さらに一方の面に形成された凹凸パターンの方向と他方の面に形成された凹凸パターンの方向とは、互いに平行または９０度の角度をなすように形成する必要がある。このような位相板光学素子１８の一方の面に形成されている位相変換パターンに対して、Ｐ偏光光の振動面を４５度傾けて入射させると、その透過光はさらに第２凹凸パターンに対して振動面が４５度の角度をなして入射する。このように、それぞれの凹凸パターンで順次位相がずらされ、位相板光学素子１８から射出される光は入射光に対して位相が９０度ずらされた円偏光光となる。
（第３実施例）
アスペクト比を小さくして凹凸パターンを作りやすくする別の方法として、第１実施例または第２実施例で、位相変換パターンの凸部１８ａの一部を位相板光学素子１８の材料であるガラスよりも高い屈折率を有する材料で形成してもよい。
【００３６】
例えば、第１実施例の位相変換パターンと同じ性能を有し、断面形状が矩形の凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層した場合の例として、ＺｒＯ２（屈折率１．９８）を蒸着した場合について計算を行なうと、図５（ａ）を参照して、各面の凹凸パターンの形状寸法は次のようになる。
【００３７】
凹凸パターンのピッチ　　：　３００ｎｍ
凸部１８ａの幅　　　　　：　１６５ｎｍ
凸部１８ａの高さ　　　　：１１００ｎｍ
（屈折率１．５の高さ　：　８００ｎｍ）
（屈折率１．９８の高さ：　３００ｎｍ）
このことからもわかるように、凸部１８ａの先端部に高屈折率材料であるＺｒＯ２を積層することにより、凸部１８ａの高さを１６６０ｎｍから１１００ｎｍに、５６０ｎｍも低くすることができる。このため、アスペクト比も５．５から３．７に改善することができるので、位相板光学素子１８の製造が容易となる。
【００３８】
また、第１実施例の位相変換パターンにおいて、高屈折率層１８ｃを凸部１８ａの先端部だけでなく、凹部１８ｂにも積層することによって、同様に凸部１８ａの高さを低くすることができる。例えば、図５（ｂ）に示すようにＺｒＯ２を凸部１８ａの先端部と凹部にそれぞれ３００ｎｍずつ積層することにより、同様に凸部１８ａの高さは全体として１１００ｎｍに抑えることができるので、位相板光学素子１８の製造が容易となる。
【００３９】
さらに、反射防止パターンの凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層することにより、第１実施例の反射防止パターンと同じ性能を維持しながら、凸部１８ａの高さをより低くすることができる。例えば、図６（ｂ）に示すようにＺｒＯ２を凸部１８ａの先端部に５０ｎｍ堆積することにより、図６（ａ）に示す凸部１８ａの高さを１５０ｎｍから１００ｎｍへと低くすることができる。
【００４０】
なお、高屈折率材料としては、ＺｒＯ２のかわりに、ＴｉＯ２（屈折率２．１）を使用することもできる。
【００４１】
また、第２実施例の位相板光学素子１８の両面に位相変換パターンを分割して形成した場合でも、さらに各面の凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃを積層することにより、凹凸パターンのアスペクト比をより小さくできるので、位相板光学素子１８の製造もさらに容易となる。
【００４２】
例えば、各面の凸部１８ａの高さが８３０ｎｍの凹凸パターンの場合、凸部１８ａの先端にＺｒＯ２を１５０ｎｍ積層することにより、凸部１８ａの高さが全体として５５０ｎｍになるので、さらに２８０ｎｍ低くすることができる。したがって、両面で考えると５６０ｎｍ低くすることができる。
【００４３】
次に、図５（ａ）に示す凸部１８ａの一部に高屈折率層１８ｃを積層した位相変換パターンの製造方法について説明する。ガラスまたはアクリルなどの樹脂からなり、凹凸パターンの一方の面の凸部１８ａから他方の面の凸部１８ａまでに相当する厚さを有する基板の両面に、それぞれＺｒＯ２などの高屈折率材料を蒸着する。次に、この高屈折率層１８ｃの表面にレジストで凹凸のパターンを形成する。そして、このレジストをマスクにして、高屈折率層１８ｃおよびガラス基板を所定の深さまでエッチングした後、レジストを除去する。他方の面についても同様の工程により、凸部１８ａの先端部に高屈折率層１８ｃが積層された凹凸パターンを形成することができる。
【００４４】
また、図５（ｂ）に示すに、高屈折率層１８ｃを凸部１８ａの一部だけでなく、凹部１８ｂにも積層した位相板光学素子１８の製造方法について説明する。まず、ガラスまたはアクリルなどの樹脂を、金型を用いて射出成形することにより、凹凸パターンを形成する。その後、片面ごとにＺｒＯ２を蒸着することによって、凸部１８ａおよび凹部に高屈折率層１８ｃが積層された凹凸パターンを形成することができる。したがって、図５（ｂ）に示す位相板光学素子１８は、図５（ａ）に示す位相板光学素子１８よりも少ない製造工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例である位相板光学素子を用いた光記録装置のピックアップ部を示す図解図である。
【図２】この発明の一実施例である位相板光学素子の断面形状を示す断面図である。
【図３】図２実施例における凸部の幅と高さの関係を表したグラフである。
【図４】図２実施例における凹凸パターンの凸部の高さと反射率との関係を表したグラフである。
【図５】図２実施例において高屈折率層を積層した図解図である。
【図６】図２実施例において高屈折率層を積層した図解図である。
【符号の説明】
１０…ピックアップ部
１２…レーザ光源
１６…偏光ビームスプリッタ
１８…位相板光学素子
１８ａ…凸部
１８ｂ…凹部
１８ｃ…高屈折率層
【図１】
2004077806.tif 000003
【図２】
2004077806.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004077806.tif 000008