CN102112898A - 衍射光栅、像差校正元件及光学头装置 - Google Patents

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Abstract

一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。

Description

衍射光栅、像差校正元件及光学头装置
技术领域
本发明涉及衍射光栅、像差校正元件及光学头装置。
背景技术
光学头装置是对光盘照射激光并检测其反射光，从而读取设置在光盘的表面上的坑中所记录的信息的装置。
在光学头装置中，根据光盘的种类而照射不同波长的激光。例如，在HD-DVD(High Definition Digital Versatile Disk)或BD(Blu-ray Disk)中使用波长405nm区域的激光，在DVD(Digital Versatile Disk)中使用波长660nm区域的激光，在CD(Compact Disk)中使用波长785nm区域的激光。因此，为了通过一个光学头装置对应不同种类的光盘，而需要将激发出对应于光盘的波长的激光器搭载于装置。
近年来，为了实现光学头装置的小型化，而使用将射出DVD用的波长带域的激光的半导体激光器和射出CD用的波长带域的激光的半导体激光器形成在一个芯片内的2波长激光源。在专利文献1中公开有能够适用于此种光源的衍射光栅。而且，在专利文献2中公开有配置在3波长的光路中且波长选择性地校正相位的相位校正器。
专利文献1：日本国特开2007-293938号公报
专利文献2：日本国特开2003-207714号公报
发明内容
专利文献1的衍射光栅具有在基板的出射面侧交替配置低折射率材料和高折射率材料的结构。使形成为凸状的低折射率材料的宽度W与周期P的比(W/P)为0.5，以使从波长650nm到波长785nm的波长带域中的衍射效率成为恒定的方式设定光栅的深度，从而能够减小上述波长带域中的波长依赖性。
专利文献2的相位校正器具有截面为台阶状的图案结构，在波长互不相同的三种光中，一种或两种的一个台阶的高低差的光路长为波长的整数倍，并且对于其余的波长的光具有波长的非整数倍的高低差。尤其是三个波长形成为400～410nm、635nm及650nm中的任一个、及780nm的组合。
然而，专利文献1的衍射光栅是对应2波长的衍射光栅。即，虽然能够使用2波长激光源而对CD及DVD进行信息的记录和重放，但无法进一步进行对应于HD-DVD、BD等的信息的记录和重放。在专利文献1中虽然记载有通过改变低折射率材料和高折射率材料的光栅的深度而也能够适用于波长405nm的内容，但其具体的结构未公开。另一方面，期望有一种对于3个波长带的激光设计自由度高且能够波长选择性地进行衍射的衍射元件。
另外，虽然专利文献2的相位校正器对应于3波长，但其高低差对于玻璃等一种材料形成图案，并以使该材料的折射率和与该材料相接的空气的折射率之差成为所希望的值的方式赋予高低差。因此，在三个波长中改变使高低差为波长的整数倍的一个或两个波长的组合时，必须改变形成高低差的材料和该高低差的值这双方，从而存在设计自由度受限制的问题。
本发明鉴于该点而提出。即，本发明目的在于提供一种设计自由度高的能够对应3波长的衍射光栅和像差校正元件、以及具备该衍射光栅及/或像差校正元件的光学头装置。
本发明的其它目的及优点从以下的记载可知。
本发明涉及一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，所述衍射光栅的特征在于，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。
另外，本发明的衍射光栅优选，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为零。
另外，本发明的衍射光栅优选，所述波长λ3的光的一级衍射效率为4％以上。
本发明涉及一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，所述衍射光栅的特征在于，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。
另外，本发明的衍射光栅优选，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为零。
另外，本发明衍射光栅优选，所述波长λ1及所述波长λ2的光的一级衍射效率为4％以上。
本发明涉及一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，所述衍射光栅的特征在于，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，设透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1、所述波长λ2及所述波长λ3的光的相位差分别为a1π、a2π及a3π时，
(数式1)
0≤|a1-a2|≤0.2
0.2＜|a3-a1|
0.2＜|a3-a2|
的关系成立。
另外，在本发明的衍射光栅中，所述凸部能够由以SiO2为主要成分的材料形成，所述凹部能够由以TiO2为主要成分的材料或以Nb2O5为主要成分的材料或以Ta2O5为主要成分的材料形成。
另外，在本发明的衍射光栅中，所述凸部能够由以SiO2为主要成分的单层膜形成，所述凹部能够由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。这种情况下，所述多层膜优选为防反射膜。
另外，在本发明的衍射光栅中，所述凸部及所述凹部能够由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。这种情况下，所述多层膜优选为防反射膜。
本发明涉及一种像差校正元件，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，所述像差校正元件的特征在于，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍，所述像差校正元件对所述波长λ3的光中包含的像差成分进行校正。
另外，本发明的像差校正元件优选，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为零。
本发明涉及一种像差校正元件，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，所述像差校正元件的特征在于，所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍，所述像差校正元件对所述波长λ1的光及所述波长λ2的光中包含的像差成分进行校正。
另外，本发明的像差校正元件优选，透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差都实质上为零。
另外，本发明的像差校正元件的特征在于，所述凸部和所述凹部以使大致正交的两条线形成边界线的方式交替配置，所述两条线的交点成为光轴。
另外，本发明的像差校正元件的特征在于，所述凸部和所述凹部以使大致平行的两条线形成边界线的方式交替配置，光轴包含于将由所述两条线形成的间隔平分的线上。
另外，本发明的像差校正元件的特征在于，当提供包含所述光轴的第一直线和与所述第一直线正交且包含所述光轴的第二直线时，所述凸部和所述凹部中的至少一方具有与所述第一直线不交叉的岛状的区域，所述凸部和所述凹部如下配置：当关于所述第一直线轴对称时，所述凸部和所述凹部都重合，当关于所述第二直线轴对称时，所述凸部彼此都重合且所述凹部彼此都重合。
另外，本发明的像差校正元件的特征在于，所述凸部和所述凹部在以光轴为中心的圆区域和包围所述圆区域的多个环形区域中交替配置。
另外，本发明的像差校正元件的特征在于，所述凸部由以SiO2为主要成分的材料形成，所述凹部由以TiO2为主要成分的材料或以Nb2O5为主要成分的材料或以Ta2O5为主要成分的材料形成。
另外，在本发明的像差校正元件的特征在于，所述凸部及所述凹部由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。这种情况下，所述多层膜优选为防反射膜。
本发明的光学头装置具有：射出3种类的不同波长的光的光源；将来自所述光源的出射光向光记录介质聚光的物镜；及检测由所述光记录介质反射的所述出射光的检测器，所述光学头装置的特征在于，在所述光源与所述物镜之间的光路中配置有上述的衍射光栅及/或像差校正元件。
发明效果
本发明能够形成为能够对应3波长的衍射光栅。而且，本发明能够形成为能够对应3波长的像差校正元件。
另外，提供一种能够适用于对应的三个波长不同的光记录介质中的任一个的光学头装置。
附图说明
图1是示出本发明的衍射光栅的最基本的结构的图。
图2是示出主要的无机材料与多层膜的折射率的波长依赖性的坐标图。
图3是像散校正元件的实施方式1～4的像散校正元件的俯视示意图。
图4是像散校正元件的实施方式1～4的像散校正元件的剖视示意图。
图5是像散校正元件的实施方式5的像散校正元件的俯视示意图。
图6是像散校正元件的实施方式5的像散校正元件的剖视示意图。
图7是彗差校正元件的实施方式的彗差校正元件的俯视示意图。
图8是彗差校正元件的实施方式的彗差校正元件的剖视示意图。
图9是球差校正元件的实施方式的球差校正元件的俯视示意图。
图10是球差校正元件的实施方式的球差校正元件的剖视示意图。
图11是示出像散校正元件的实施方式4的像散校正元件的凸部及凹部的透射率的坐标图。
图12是光学头装置的实施方式1的光学头装置的结构图。
图13A是光学头装置的实施方式2的光学头装置的结构图。
图13B是光学头装置的实施方式2的光学头装置的结构图。
具体实施方式
(本发明的衍射光栅)
图1是示出本发明的衍射光栅的最基本的结构的图。
衍射光栅1具有以规定的周期交替设置在玻璃等透明基板2上的凸部3和凹部4。在此，凸部3的平均折射率n1小于凹部4的平均折射率n2，n1＜n2的关系成立。此外，基板2只要是各向同性的透明基板即可，除玻璃以外还能够使用塑料等。而且，在图1中，虽然在基板2的一个面上设置凸部和凹部，但也可以设置在基板2的两面上。此外，在图1中，凸部3及凹部4可以设置在来自光源的光向衍射光栅1入射的一侧，也可以设置在该光从衍射光栅1出射的一侧。
凸部3能够由以SiO2为主要成分的材料形成，凹部4能够由以Ta2O5为主要成分的材料形成。而且，可以使凸部3和凹部4为由所述材料形成的单层膜，但也可以使凸部3为由以SiO2为主要成分的材料形成的单层膜，而使凹部4为将以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜。通过使凹部4为多层膜，而能够将凹部4的平均折射率调整成所希望的值。尤其是如下所述，若使凹部4为作为防反射膜起作用的多层膜，则能够实现所希望的平均折射率并防止由反射产生的衍射光的损失。而且，虽然对于衍射光栅1的凸部3及凹部4进行了说明，但对于后述的像差校正元件的凸部及凹部，也能够使用同样的材料得到所希望的光学特性。
通常，当波长λ的光垂直入射到透明的介质中时，反射率R由入射介质的折射率ni和出射介质的折射率ns唯一决定，由下式表示。
(数式2)
R＝(ni-ns)2/(ni+ns)2        (I)
另一方面，当在上述两介质之间夹有膜厚h且折射率n的薄膜时，由于在薄膜与各介质的界面产生的多重反射的效果，而反射率R成为下面的情况。其中，δ＝(2πnh)/λ。
(数式3)
R＝{n2(ni-ns)2cos2δ+(nins-n2)2sin2δ}
/{n2(ni+ns)2cos2δ+(nins+n2)2sin2δ}      (II)
由式(II)，
(数式4)
nh＝(m+1)λ/2(m＝0，1，2，...)            (III)
时，在ni＜n＜ns的情况下，反射率R取得由式(I)表示的最大值，在ni＜n＞ns的情况下，取得由式(I)表示的最小值。即，当ni＜n＜ns时，薄膜作为防反射膜起作用，当ni＜n＞ns时，薄膜作为增反射膜起作用。因此，当ni＜n＞ns时，由于设置单层的薄膜，与未设置薄膜的情况相比，反射率有可能增加。这种情况下，即使想要通过调整膜厚h来抑制反射率的增加，由于式(III)的条件成立，膜厚h的调整也存在界限。
作为确保膜厚h的自由度并减少波长λ中的反射率的方法，列举有将薄膜从单层膜形成为多层膜的方法。例如，在本发明的衍射光栅中，使凸部为由SiO2形成的单层膜并使凹部为将SiO2和Ta2O5交替层叠而成的多层膜时，决定衍射效率的是Ta2O5的厚度，因此通过将Ta2O5的厚度自动设计作为规定的值而进行多层膜的设计。作为自动设计的方法，例如有产生随机数而决定各层的厚度，计算多层膜的透射率而找到符合条件的结构的方法；使各层的厚度从初始状态开始变化并计算多层膜的透射率与所希望的透射率的偏差，找到偏差进入规定的范围的结构的方法(梯度法)等。此外，为了求出多层膜的反射率和透射率等光学特性，已知有根据电磁场的边界条件求解的特性矩阵法。
本发明的衍射光栅例如如下所述制造。
首先，准备透明的玻璃基板，使用真空蒸镀法或溅射法等成膜技术在该玻璃基板上形成SiO2膜。接下来，通过光刻法对SiO2膜进行图案形成而形成凸部。然后，在SiO2膜的上残留有抗蚀剂膜的状态下，使用真空蒸镀法或溅射法等成膜技术，形成Ta2O5膜。接下来，通过去除抗蚀剂膜，而形成由Ta2O5膜构成的凹部。由此，得到图1所示的衍射光栅。
另外，本发明的衍射光栅也能够如下所述制造。
首先，使用光刻法在石英玻璃上形成抗蚀剂膜。接下来，将该抗蚀剂膜作为掩膜对石英玻璃进行图案形成而形成凸部。接下来，通过溅射法形成Ta2O5膜后，通过去除(1ift-off)法除去抗蚀剂膜而形成凹部。
本发明的第一形态的衍射光栅的特征在于，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。
通过形成为上述结构，能够对于波长λ1和波长λ2的光不进行衍射或在一定比例以上不进行衍射，但对于波长λ3的光进行衍射。这种情况下，波长λ3的光的一级衍射效率优选4％以上，更优选5％以上，尤其优选6％以上。
本发明的第二形态的衍射光栅的特征在于，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。
通过形成为上述结构，能够对于波长λ1和波长λ2的光进行衍射，但对于波长λ3的光不进行衍射或在一定比例以上不进行衍射。这种情况下，波长λ1及波长λ2的光的一级衍射效率优选为4％以上，更优选5％以上，尤其优选6％以上。
如此，根据本发明的衍射光栅，由于能够在三个波长带域进行衍射效率的设计，因此能够提高衍射效率的波长选择性的自由度。具体来说能得到如下的效果。
在光学头装置中，由于使激光聚光到光盘的信息记录面上形成的磁道上并使光盘旋转，因此需要使聚光的激光的光束不偏离磁道。因此，开发有各种跟踪方法。例如，信息的重放时使用的3光束法或信息的记录时使用的推挽法等具有代表性。在后者中，使用与磁道平行地分割成两部分的受光元件，接受来自光盘的反射光，而取得被分割成两部分的反射光的差的方法，尤其是用于消除信号的偏移的差动推挽法广为人知。在3光束法及差动推挽法中使用衍射光栅，它们在产生衍射光栅的0次衍射光即主光束和±1次衍射光即副光束的方面共通。然而，以往的衍射光栅例如对于790nm的波长带域和650nm的波长带域的任一种入射光都具有衍射效果，因此有可能不期望的不需要的衍射光成为杂散光而混入光检测器，而无法进行信息的记录或重放。而且，由于产生不需要的衍射光，因此会导致信息的记录或重放所需的0次衍射光的光量损失，从而也会产生信号光减少等问题。另一方面，根据本发明的衍射光栅，由于对于各波长的衍射效率的设计的自由度高，因此能够消除此种问题。
如上所述，本发明的第一形态的衍射光栅，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。而且，本发明的第二形态的衍射光栅，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。在前者的情况下，尤其是波长λ1的光的相位差及波长λ2的光的相位差都优选为零。另一方面，在后者的情况下，波长λ3的光的相位差优选为零。这是因为相位差为2π的整数倍时，光源即激光器的温度变化产生的偏差增大。而且，通常衍射光栅的凸部与凹部的光路长差为波长的整数倍时，无法完全消除衍射光。然而，通过设计成使光路长差为0(零)，与光路长差为波长的整数倍时相比，能够提高透射率。
本发明的第三形态的衍射光栅的特征在于，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差的绝对值与透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差的绝对值实质上相等，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差与波长λ1的相位差及波长λ2的相位差实质上不同。具体来说，透过凸部和凹部的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光的相位差分别为a1π、a2π及a3π时，
(数式5)
0≤|a1-a2|≤0.2         (1a)
0.2＜|a3-a1|            (1b)
0.2＜|a3-a2|            (1c)
的关系成立。尤其是优选
(数式6)
0≤|a1-a2|≤0.15        (2a)
0.25＜|a3-a1|           (2b)
0.25＜|a3-a2|           (2c)
的关系成立。
另外，在所述关系中，m为0以上的整数时，更优选
(数式7)
0.2+2m＜|a3|＜1.8+2m    (3)
成立。
即，在第三形态中，当0≤|a1-a2|≤0.2、优选0≤|a1-a2|≤0.15的关系成立时，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差的绝对值与透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差的绝对值实质上相等。而且，波长λ3的光的相位差为a3π时，当|a3-a1|和|a3-a2|的值都不在上述范围时，即，当0.2＜|a3-a1|且0.2＜|a3-a2|，优选0.25＜|a3-a1|且0.25＜|a3-a2|的关系成立时，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差与波长λ1的相位差及波长λ2的相位差实质上不同。
通过形成为上述结构，能够对于波长λ1和波长λ2的光不进行衍射或在一定比例以上不进行衍射，但对于波长λ3的光进行衍射。而且，也能够对于波长λ1和波长λ2的光进行衍射，但对于波长λ3的光不进行衍射或在一定比例以上不进行衍射。因此，即使为第三形态的结构，也能够在三个波长带域进行衍射效率的设计，因此能够提高衍射效率的波长选择性的自由度。
本发明的衍射光栅，例如能够搭载于具有波长405nm(HD-DVD用或BD用)、波长660nm(DVD用)、波长785nm(CD用)的3波长激光源的光学头装置。这种情况下，例如，能够将波长λ1的光形成为波长660nm±10nm的波长带域的光，能够将波长λ2的光形成为波长785nm±10nm的波长带域的光，能够将波长λ3的光形成为波长405nm±10nm的波长带域的光。
以下，叙述本发明的实施方式。但是，本发明并不局限于所述实施方式，而能够在不脱离本发明的主要内容的范围内实施各种变形。例如，本发明的衍射光栅也可以层叠两个以上的衍射光栅。当层叠两个衍射光栅时，可以分别形成使用了两张基板的衍射光栅，然后将它们重叠，也可以在三张基板中形成两个凹凸部。
在实施方式1～6中，作为构成图1的基板2及凸部3的材料使用石英玻璃，作为构成凹部4的材料使用Ta2O5。石英玻璃的波长405nm下的折射率为1.467，波长660nm下的折射率为1.456，波长785nm下的折射率为1.454。而且，Ta2O5的波长405nm下的折射率为2.273，波长660nm下的折射率为2.153，波长785nm下的折射率为2.137。在图1中，从凹部4的表面到凸部3的表面的空间5的深度为d1且由空气填充。因此，空间5的波长405nm、波长660nm、波长785nm下的折射率全部为1.000。此外，凸部3的间距p为10μm。而且，如上所述，三个波长分别为405nm、660nm、785nm时，使用的各材料(介质)中的折射率如表1所示，在以后的实施方式中随时参照。
[表1]
Figure BPA00001309403000141
衍射光栅的实施方式1.
在图1中，凹部4的高度(从基板2到凹部4的表面的距离，以下同样)为d2时，凸部3的高度(从基板2到凸部3的表面的距离，以下同样)为(d1+d2)。波长λ的光向衍射光栅1入射时，若设凸部3的折射率为n1，凹部4的折射率为n2，则凸部3中的光路长为
n1×(d1+d2)
，凹部4中的光路长成为
(数式8)
n2×d2+1×d1
，因此凸部3与凹部4的光路长差L(λ)成为
(数式9)
L(λ)＝n1×(d1+d2)-(n2×d2+1×d1)        (4)
。因此，若根据波长405nm、660nm、785nm下的凸部3和凹部4的各折射率求出各波长下的凸部3与凹部4的光路长差，则在波长405nm下，
(数式10)
L(405)＝0.467×d1-0.803×d2              (5a)
，在波长660nm下，
(数式11)
L(660)＝0.456×d1-0.697×d2    (5b)
，在波长785nm下，
(数式12)
L(785)＝0.454×d1-0.683×d2    (5c)
对于波长785nm的光而光路长差L成为0(零)时，根据式(5c)，
(数式13)
(d1/d2)＝1.504                 (6a)
的关系成立即可。此时，由式(5a)，
(数式14)
L(405)＝-0.0688×d1
的关系成立。因此，通过使d1与d2的比满足式(6a)的关系且使所述值变化，而能够调整波长405nm下的衍射效率。而且，由式(5b)，
(数式15)
L(660)＝-0.00731×d1
成立，因此若d1为充分小的值，则能够减小波长660nm下的光路长差而形成高透射率。
如此，通过使波长660nm与波长785nm下的光路长差为零或实质上与零相等的值，并使波长405nm下的光路长差为实质上与上述不同的值或为2π的非整数倍，而能够形成在波长660nm和波长785nm下具有高透射率，在波长405nm下具有规定的衍射效率的衍射光栅。
衍射光栅的实施方式2.
对于波长405nm的光使光路长差L为0(零)时，根据衍射光栅的实施方式1中所述的式(5a)，
(数式16)
d1/d2＝1.726        (6b)
的关系成立即可。此时，由式(5c)，
(数式17)
L(785)＝0.0583×d1
的关系成立。因此，通过使d1与d2的比满足式(6b)的关系并使所述值变化，而能够调整波长785nm下的衍射效率。同样地，由式(5b)，
(数式18)
L(660)＝0.0522×d1
成立，因此通过使d1与d2的比满足式(6b)的关系并使所述值变化，而能够调整波长660nm下的衍射效率。
如此，通过使波长405nm下的光路长差为零或实质上与零相等的值，并使波长785nm与波长660nm下的光路长差为实质上与它们不同的值或为2π的非整数倍，而能够形成为在波长405nm下具有高透射率且在波长785nm和波长660nm下具有规定的衍射效率的衍射光栅。
衍射光栅的实施方式3.
对于波长405nm的光和波长660nm的光，设计光路长差L为波长的整数倍的衍射光栅，对于波长785nm的光，设计光路长差L为波长的非整数倍的衍射光栅。该衍射光栅对应于本发明的第一形态的衍射光栅。
根据实施方式1中所述的式(5a)和式(5b)，d1＝5.94μm、d2＝2.94μm时，与波长405nm和波长660nm的光相对应的光路长差L成为波长的整数倍。因此，对于所述波长的光，能得到高透射率。另一方面，此时对于波长785nm的光，由实施方式1中所述的式(5c)，
(数式19)
L(785)＝0.689
成立，因此光路长差L成为波长的非整数倍而进行衍射。
因此，根据本实施方式的结构，能够形成为在波长405nm和波长660nm下具有高透射率，在波长785nm下进行衍射的衍射光栅。
衍射光栅的实施方式4.
对于波长405nm的光，设计光路长差L成为波长的非整数倍的衍射光栅，对于波长660m和波长785nm的光，设计光路长差L成为波长的整数倍的衍射光栅。
该衍射光栅对应于本发明的第一形态的衍射光栅。
在图1中，凹部4的高度d2为0.7μm时，凸部3的高度(d1+d2)为1.75μm。凸部3与凹部4的透射光的相位差
Figure BPA00001309403000171
在波长405nm下约-0.365π，在波长660nm下约-0.028π，在波长785nm下约-0.004π。
在衍射光栅1中，直进透射的0次衍射光的衍射效率通过
(数式20)
近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过
(数式21)
近似求出。因此，波长405nm的光的±1次衍射光的衍射效率最大成为约11.9％而进行衍射，但波长660nm及波长785nm的光的0次衍射光的衍射效率分别以最大成为100％而进行直进透射。
衍射光栅的实施方式5.
设计波长660nm的光的相位差的绝对值与波长785nm的光的相位差的绝对值实质上相等且波长405nm的光的相位差与波长660nm的相位差及波长785nm的相位差实质上不同的衍射光栅。该衍射光栅对应于本发明的第三形态的衍射光栅。
在图1中，凹部4的高度d2为1.17μm时，凸部3的高度(d1+d2)为3.17μm。凸部3与凹部4的透射光的相位差在波长405nm下约-0.0445π，在波长660nm下约0.292π，在波长785nm下约0.277π。因此，λ1＝660nm，λ2＝785nm，λ3＝405nm，所述光的相位差分别为a1π、a2π及a3π时，在式(1a)～式(1c)的关系及式(3)的不等式中，m＝0时，
Figure BPA00001309403000183
因此
(数式22)
0.2＜|a3|＜1.8
的关系成立。
在衍射光栅1中，与衍射光栅的实施方式4同样求出进行直进透射的0次衍射光的衍射效率和±1次衍射光的衍射效率。由此，波长405nm的光的0次衍射光的衍射效率分别以最大成为约99.5％而进行直进透射，但波长660nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为约8.0％进行衍射，波长785nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为约7.2％进行衍射。
衍射光栅的实施方式6.
对于波长405nm和波长660nm的光，设计光路长差L成为波长的整数倍的衍射光栅，对于波长785nm的光，设计光路长差L成为波长的非整数倍的衍射光栅。该衍射光栅对应于本发明的第一形态的衍射光栅。
在图1中，凹部4的高度d2为2.7μm时，凸部3的高度(d1+d2)为8.2μm。凸部3与凹部4的透射光的相位差
Figure BPA00001309403000184
在波长405nm下约1.94π，在波长660nm下约1.90π，在波长785nm下约1.66π。因此，波长405nm和波长660nm的光的相位差
Figure BPA00001309403000185
成为约2π因而进行直进透射，但波长785nm的光±1次衍射光的衍射效率以最大成为约10％而进行衍射。
衍射光栅的实施方式7.
在衍射光栅的实施方式1～6中，在凸部使用以SiO2为主要成分的材料，在凹部使用以Ta2O5为主要成分的单层膜。在本实施方式中，在凸部使用石英玻璃，使凹部为以Nb2O5为主要成分的材料。
在图1中，使用石英玻璃作为构成基板2及凸部3的材料。而且，通过Nb2O5构成凹部4。石英玻璃的波长405nm下的折射率为1.467，波长660nm下的折射率为1.456，波长785nm下的折射率为1.454。而且，如表1所示，Nb2O5的波长405nm下的折射率为2.549，波长660nm下的折射率为2.319，波长785nm下的折射率为2.295。
凹部4的高度d2为0.339μm，凸部3的高度(d1+d2)为0.985μm。从凹部4的表面到凸部3的表面的空间5的深度为d1，并由空气填充。因此，空间5的波长405nm、波长660nm、波长785nm下的折射率全部成为1.000。
本实施方式的结构中的凸部3与凹部4的透射光的相位差
Figure BPA00001309403000191
在波长405nm下约-0.323π，在波长660nm下约0.005π，在波长785nm下约0.020π。在衍射光栅1中，进行直进透射的0次衍射光的衍射效率通过式(7a)近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过式(7b)近似求出。
因此，波长405nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为9.6％而进行衍射，但波长660nm及波长785nm的光的0次衍射光的衍射效率以最大成为100％而进行直进透射。
衍射光栅的实施方式8.
在本实施方式中，在凸部使用石英玻璃，使凹部为以TiO2为主要成分的材料。
在图1中，使用石英玻璃作为构成基板2及凸部3的材料。而且，通过TiO2构成凹部4。石英玻璃的波长405nm下的折射率为1.467，波长660nm下的折射率为1.456，波长785nm下的折射率为1.454。而且，如表1所示，TiO2的波长405nm下的折射率为2.488，波长660nm下的折射率为2.206，波长785nm下的折射率为2.170。
凹部4的高度d2为0.251μm，凸部3的高度(d1+d2)为0.659μm。从凹部4的表面到凸部3的表面的空间5的深度为d1，并由空气填充。因此，空间5的波长405nm、波长660nm、波长785nm下的折射率全部成为1.000。
本实施方式的结构中的凸部3与凹部4的透射光的相位差在波长405nm下约-0.322π，在波长660nm下约-0.005π，在波长785nm下约0.016π。在衍射光栅1中，进行直进透射的0次衍射光的衍射效率通过式(7a)近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过式(7b)近似求出。
因此，波长405nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为9.5％而进行衍射，但波长660nm及波长785nm的光的0次衍射光的衍射效率以最大成为100％而进行直进透射。
衍射光栅的实施方式9.
在实施方式1～8中，在凸部使用石英玻璃，在凹部使用以Ta2O5为主要成分的单层膜或以Nb2O5为主要成分的单层膜或以TiO2为主要成分的单层膜。相对于此，在本实施方式中，将凸部形成为以SiO2为主要成分的单层膜，将凹部形成为将以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料层叠而成的多层膜。
在图1中，使用石英玻璃作为构成基板2及凸部3的材料。而且，由SiO2与Ta2O5的多层膜构成凹部4。例如，使用光刻法在石英玻璃上形成抗蚀剂膜后，以该抗蚀剂膜为掩膜对石英玻璃进行图案形成而形成高度1.845μm的凸部3。接下来，通过溅射法形成厚度0.7μm的Ta2O5膜，然后通过溅射法形成厚度0.085μm的SiO2膜，然后通过去除法除去抗蚀剂膜而形成凹部4。
石英玻璃的波长405nm下的折射率为1.467，波长660nm下的折射率为1.456，波长785nm下的折射率为1.454。而且，如表1所示，SiO2的波长405nm下的折射率为1.487，波长660nm下的折射率为1.468，波长785nm下的折射率为1.465。此外，如表1所示，Ta2O5的波长405nm下的折射率为2.273，波长660nm下的折射率为2.153，波长785nm下的折射率为2.137。
由于凹部4的高度d2成为0.785μm，因此凸部3的高度(d1+d2)为1.845μm。从凹部4的表面到凸部3的表面的空间5的深度为d1，并由空气填充。因此，空间5的波长405nm、波长660nm、波长785nm下的折射率全部为1.000。
在此，在石英玻璃基板上形成0.7μm的Ta2O5膜，通过特性矩阵法计算其上为空气层时的反射率后，在波长405nm下为4.7％，在波长660nm下为25.7％，在波长785nm下为9.6％。因此，通过Ta2O5膜形成凹部4时，无法得到通过式(7a)近似的0次衍射光的衍射效率。相对于此，在石英玻璃基板上形成0.7μm的Ta2O5膜后，进一步形成0.085μm的SiO2膜，通过特性矩阵法计算其上为空气层时的反射率时，在波长405nm下为5.9％，在波长660nm下为4.7％，在波长785nm下为0％。因此，能够增加透过衍射光栅的光量。
本实施方式的结构中的凸部3与凹部4的透射光的相位差
Figure BPA00001309403000211
在波长405nm下约为-0.342π，在波长660nm下约为-0.014π，在波长785nm下约为0.008π。在该衍射光栅中，进行直进透射的0次衍射光的衍射效率通过式(7a)近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过式(7b)近似求出。
因此，波长405nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为10.6％而进行衍射，但波长660nm及波长785nm的光的0次衍射光的衍射效率以最大成为100％而进行直进透射。
衍射光栅的实施方式10.
在本实施方式中，在凸部使用石英玻璃，使凹部为将以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜。
在图1中，使用石英玻璃作为构成基板2及凸部3的材料。而且，通过SiO2和Ta2O5的多层膜构成凹部4。例如，使用光刻法在石英玻璃上形成抗蚀剂膜后，以该抗蚀剂膜为掩膜对石英玻璃进行图案形成而形成高度1.8477μm的凸部3。接下来，以0.7877μm的厚度形成由SiO2和Ta2O5构成的多层膜作为凹部4。多层膜整体为10层，从基板2侧计算，第奇数层为Ta2O5膜，第偶数层为SiO2膜。各层的厚度从基板2侧依次为0.385μm、0.0095μm、0.1294μm、0.0034μm、0.0146μm、0.0299μm、0.1526μm、0.0058μm、0.0185μm、0.0391μm。此时，Ta2O5膜的合计膜厚为0.7μm。
石英玻璃的波长405nm下的折射率为1.467，波长660nm下的折射率为1.456，波长785nm下的折射率为1.454。而且，如表1所示，SiO2的波长405nm下的折射率为1.487，波长660nm下的折射率为1.468，波长785nm下的折射率为1.465。此外，如表1所示，Ta2O5的波长405nm下的折射率为2.273，波长660nm下的折射率为2.153，波长785nm下的折射率为2.137。此外，除上述之外，多层膜的材料中还可以使用SiON、ZrO2、Nb2O5、TiO2、A12O3、MgF2等。图2示出主要的无机材料与由SiO2和Ta2O5构成的上述多层膜的折射率的波长依赖性。
凹部4的高度d2为0.7877μm，因此凸部3的高度(d1+d2)为1.8477μm。从凹部4的表面到凸部3的表面的空间5的深度为d1，并由空气填充。因此，空间5的波长405nm、波长660nm、波长785nm下的折射率全部成为1.000。
在此，在石英玻璃基板上形成0.7μm的Ta2O5膜，通过特性矩阵法计算其上为空气层时的反射率时，在波长405nm下为4.7％，在波长660nm下为25.7％，在波长785nm下为9.6％。因此，通过Ta2O5膜形成凹部4时，无法得到通过式(7a)近似的0次衍射光的衍射效率。相对于此，在石英玻璃基板上形成上述的多层膜，通过特性矩阵法计算其上为空气层时的反射率时，在波长405nm下为1.6％，在波长660nm下为0.6％，在波长785nm下为1.1％。因此，通过将凹部4形成为多层膜，而能够增加透过衍射光栅1的光量。
本实施方式的结构中的凸部3与凹部4的透射光的相位差在波长405nm下约为-0.342π，在波长660nm下约为-0.014π，在波长785nm下约为0.008π。在衍射光栅1中，进行直进透射的0次衍射光的衍射效率通过式(7a)近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过式(7b)近似求出。
因此，波长405nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为11.9％而进行衍射，但波长660nm及波长785nm的光的0次衍射光的衍射效率以最大成为100％而进行直进透射。
衍射光栅的实施方式11.
在本实施方式中，在成为基板的石英玻璃上，作为凸部3，具有将SiO2、然后将Ta2O5和SiO2交替各层叠两层而成的结构，作为凹部4，具有将TiO2和SiO2交替层叠而成的结构。此外，在凸部3中，对于石英玻璃上的除SiO2之外的4层，也称为防反射膜(AR膜)。此外，具有凹部4的平均折射率n2大于凸部11的平均折射率n1的多层膜结构，但在本实施方式中形成为将凹部4的多层膜结构(10层)其本身也作为防反射膜发挥作用的膜结构。表2示出凸部的具体的结构，表3示出凹部的具体的结构。
[表2]
Figure BPA00001309403000241
[表3]
Figure BPA00001309403000242
此外，在表2中，层号码为1的层是处于与空气的界面的层，层号码5是处于与石英玻璃的界面的层。并且，在表3中，层号码为1的层是处于与空气的界面的层，层号码10是处于与石英玻璃的界面的层。并且，图1中的厚度d1为886nm，厚度d2为997nm。而且，此时凸部3、凹部4及空间5的平均折射率如表4所示。
[表4]
如此，具有AR膜的凸部3与由具有AR膜的功能的多层膜形成的凹部4的透射率的相位差
Figure BPA00001309403000252
在波长405nm下约0.000π，在波长660nm下约0.307π，在波长785nm下约0.289π。在衍射光栅1中，进行直进透射的0次衍射光的衍射效率通过式(7a)近似求出，±1次衍射光的衍射效率通过式(7b)近似求出。
因此，波长405nm的光的0次衍射光的衍射效率以最大成为100％而进行直进透射，但波长660nm的光及波长785nm的光的±1次衍射光的衍射效率以最大成为8.7％、7.8％而进行衍射。
(本发明的像差校正元件)
图3～图10是示出本发明的像差校正元件的各种结构的俯视示意图或剖视示意图。如后所述，像差校正元件10、20、30及40在玻璃等透明基板上具有凸部和凹部，分别根据校正的像差的种类而配置凸部和凹部。而且，与本发明的衍射光栅同样地，凸部的平均折射率n1小于凹部的平均折射率n2，n1＜n2的关系成立。作为相位校正元件的实施方式，说明以下的第一实施方式中的相位校正元件和第二实施方式中的相位校正元件。
首先，第一实施方式中的像差校正元件的特征在于，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。通过形成为该结构，能够虽然对于波长λ1的光和波长λ2的光不校正像差成分，但对于波长λ3的光校正像差成分。此外，波长λ1、波长λ2及波长λ3是互不相同的波长。此外，波长λ1、波长λ2及波长λ3是互不相同的波长。
接下来，第二实施方式中的像差校正元件的特征在于，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。通过形成为该结构，能够对于波长λ1的光和波长λ2的光校正像差成分，但对于波长λ3的光不校正像差成分。此外，波长λ1、波长λ2及波长λ3是互不相同的波长。
如此，在入射到像差校正元件的波长不同的三种光中，能够选择性地对于1种或2种光选择性地校正像差成分。并且，在以下说明的像散校正元件10、像散校正元件20、彗差校正元件30及球差校正元件40中，通过1个或不同的两个以上的组合，能够对于各种像差根据入射的光的波长选择性地进行校正。例如，对于使用共通的物镜应对对于BD/DVD/CD分别不同的三个波长的光的光学头装置，考虑有物镜设计成对于特定的1种或2种波长的光使球差成为最小，而除此之外的波长的光的球差较大的情况。此时，通过将球差校正元件40配置在3种光共通的光路中，能够选择性地仅对于对象的波长的光进行球差校正，从而能够对于3种光各自的光盘实现良好聚光的光学头装置。
另外，以下说明的对各种像差进行校正的像差校正元件至少在光入射的有效区域具有凸部和凹部。并且，为了选择性地对于入射的特定的1种或2种波长的光在凸部与凹部之间实质上不提供相位差而仅对于除此之外的波长的光来校正像差，通过使用与上述说明的“衍射光栅的实施方式”同样的设计，能够对于特定的1种或2种波长的光在凸部与凹部之间提供所希望的相位差来实现。
如上所述，本发明的第一形态的像差校正元件，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。而且，本发明的第二形态的像差校正元件，透过凸部和凹部的波长λ1的光的相位差及透过凸部和凹部的波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，透过凸部和凹部的波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。在前者的情况下，尤其优选波长λ1的光的相位差及波长λ2的光的相位差都为零。另一方面，在后者的情况下，优选波长λ3的光的相位差为零。这是因为相位差为2π的整数倍时，光源即激光器的温度变化引起的偏差增大。
接下来，具体说明各像差校正元件的实施方式。但是，本发明并不局限于此，而在不脱离本发明的主要内容的范围内能够进行各种变形而实施。例如，本发明的像差校正元件也可以层叠两个以上的像差校正元件。层叠两个像差校正元件时，可以在形成分别使用了两张基板的像差校正元件之后将它们重叠，也可以在三张基板中形成两个凹凸部。
像散校正元件的实施方式1.
图3是像散校正元件10的俯视示意图，在以校正像差的波长的光的光轴O为中心的有效区域13中具有凸部11和凹部12。在此，有效区域13是在光学系统中利用的光透过的区域，例如，对于通过物镜使透过像散校正元件10的光聚光于光盘的光学头装置，与入射到物镜的光相当的区域成为有效区域。而且，在利用入射到像散校正元件10的全部的光的情况下，当与光轴相交的点的光强度为1时，有效区域成为通过高斯分布近似的光强度为1/e2以上的区域。
像散校正元件10构成为，凸部11和凹部12与相邻的凸部11和凹部12的两条边界线大致正交，且这两条边界线的交点与光轴一致。在图3中凸部11及凹部12分别示出直角三角形的区域，但并不局限于此。只要在有效区域13内分别配置有通过两条边界线配置的两个凸部11和两个凹部12，则有效区域13的外侧可以为任何形式。此外，对于以后的像散校正元件20、彗差校正元件30及球差校正元件40，对于各自的有效区域的外侧的形状等是任意的。
另外，图4是使图3的一条边界线交叉的Q-Q’的剖视示意图。像散校正元件10在基板15上具有由平均折射率为n1的介质构成的厚度为(d1+d2)的凸部11和由平均折射率为n2的介质构成的厚度为d2的凹部12。而且，在从凹部12的表面到凸部11的表面的空间14中具有平均折射率为n3的介质。并且，对于含有波长λ1、λ2、λ3的波长带的光，都满足n2＞n1＞n3的关系。
在此，对于波长λ的光的凸部11的平均折射率为n1(λ)，凹部12的平均折射率为n2(λ)，空间14的平均折射率为n3(λ)时，在透过凸部11的光与透过凹部12及空间14的光之间产生的光路差L(λ)成为
(数式23)
L(λ)＝n1(λ)×(d1+d2)-n2(λ)×d2-n3(λ)×d1    (8)
。此外，这相当于衍射光栅的实施方式1.的式(4)。
在式(8)中通过将d1和d2的值形成为规定的值，在波长λ3的光入射到凸部11和凹部12时，光路差L(λ3)大致成为0，不产生像散，而在波长λ1及波长λ2的光入射时，在凸部与凹部之间产生光路差，从而能够得到提供像散的像散校正元件10。
接下来，具体来说，设定互不相同的三个波长，设定对于各波长的光的凸部11的介质的平均折射率、凹部12的介质的平均折射率及空间14的平均折射率、凸部11及凹部12的厚度。首先，使不同的三个波长分别为405nm、660nm、785nm。并且，各波长下的各介质的折射率参照表1。
本实施方式的像散校正元件10，在作为基板15的石英玻璃上使用SiO2作为凸部11的介质并使用TiO2作为凹部12的介质。而且，空间14的介质为空气。此时，d1＝942nm，d2＝458nm时，对于凸部11、凹部12及空间14的光路长差乘以2π/λ而求出的各波长的光的相位差及产生的像散如表5所示。此外，入射到像散校正元件10的光的有效区域为
Figure BPA00001309403000291
[表5]
  波长   405nm   660nm  785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π   0.312π  0.293π
  像散(λrms)   0.000   0.061  0.057
如此，能得到对于波长405nm的光不产生像散，对于波长660nm的光及波长785nm的光产生像散的像散校正元件10。此外，本实施方式基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生像散而对于其它两种波长的光产生像散的第二实施方式。
像散校正元件的实施方式2.
本实施方式的像散校正元件10基于在互不相同的三个波长的光中对于2种不产生像散而对于其它1种波长的光产生像散的第一实施方式。像散校正元件10是与像散校正元件的实施方式1.相同介质的组合，即，在石英玻璃上使用SiO2作为凸部11的介质并使用TiO2作为凹部12的介质。此时，d1＝426nm，d2＝270nm时，凸部11与凹部12及空间14的各波长的光的相位差及产生的像散如表6所示。此外，入射到像散校正元件10的光的有效区域为
Figure BPA00001309403000301
[表6]
  波长   405nm   660nm   785nm
  2πL(λ)/(λ)   -0.314π   0.000π   0.019π
  像散(λrms)   0.061   0.000   0.004
如此，能得到对于波长660nm的光及波长785nm的光几乎不产生像散而对于波长405nm的光产生像散的像散校正元件10。
像散校正元件的实施方式3.
本实施方式的像散校正元件10基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生像散而对于其它2种波长的光产生像散的第二实施方式。在石英玻璃上使用SiO2作为凸部11的介质，使用Nb2O5作为凹部12的介质。此时，当d1＝1342nm、d2＝607nm时，凸部11与凹部12及空间14的各波长的光的相位差及产生的像散如表7所示。此外，入射到像散校正元件10的光的有效区域为
Figure BPA00001309403000302
[表7]
  波长   405nm   660nm  785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π   0.312π  0.285π
  像散(λrms)   0.000   0.061  0.056
如此，能得到对于波长405nm的光不产生像散而对于波长660nm的光及波长785nm的光产生像散的像散校正元件10。
像散校正元件的实施方式4.
本实施方式的像散校正元件10基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生像散而对于其它两种的波长的光产生像散的第二实施方式。在成为基板的石英玻璃上具有将SiO2、然后将Ta2O5和SiO2交替各层叠2层的结构作为凸部11，并具有将TiO2和SiO2交替层叠的结构作为凹部12。此外，对于凸部11中的石英玻璃上的除SiO2之外的4层，也称为防反射膜(AR膜)。此外，虽然具有凹部12的平均折射率n2大于凸部11的平均折射率n1的多层膜结构，但在本实施方式中形成为凹部12的多层膜结构(10层)其本身也作为防反射膜起作用的膜结构。表8示出凸部的具体结构，表9示出凹部的具体结构。
[表8]
Figure BPA00001309403000311
[表9]
Figure BPA00001309403000321
此外，在表8中，层号码为1的层是处于与空气的界面的层，层号码5是处于与石英玻璃的界面的层。并且，在表9中，层号码为1的层是处于与空气的界面的层，层号码10是处于与石英玻璃的界面的层。并且，图4中的厚度d1为886nm，厚度d2为997nm。而且，此时凸部11、凹部12及空间14的平均折射率如表10所示。
[表10]
Figure BPA00001309403000331
如此，具有AR膜的凸部11与由具有AR膜的功能的多层膜构成的凹部12的透射率的波长依赖性如图11所示，在405nm、660nm及785nm下分别能够减少界面反射产生的透射率的损失。而且，凸部11与凹部12及空间14的各波长的光的相位差及产生的像散如表11所示。
[表11]
  波长   405nm  660nm   785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π  0.306π   0.289π
  像散(λrms)   0.000  0.059   0.056
如此，能得到对于波长405nm的光不产生像散而对于波长660nm的光及波长785nm的光产生像散且实现了高透射率的像散校正元件10。
像散校正元件的实施方式5.
本实施方式是具有与像散校正元件的实施方式1.～4.不同的平面结构的像散校正元件。图5是本实施方式的像散校正元件20的俯视示意图，在以校正像差的波长的光的光轴O为中心的有效区域23中具有凸部21和凹部22。像散校正元件20的凸部21和凹部22通过大致平行的两条边界线L1、L2配置包含光轴的凹部22并在凹部22的外侧分别配置两个凸部21。
另外，光轴O位于将由边界线L1、L2形成的间隔分成两部分的线上，从光轴O到边界线L1的(最短)距离和从光轴O到边界线L2的(最短)距离都为距离w。图6是包含光轴O且使边界线L1及边界线L2交叉的R-R’的剖视示意图。像散校正元件20在基板25上具有由平均折射率为n1的介质构成的厚度(d1+d2)的凸部21和由平均折射率为n2的介质构成的厚度d2的凹部22。而且，在从凹部22的表面到凸部21的表面的空间24中具有平均折射率为n3的介质。并且，对于包含波长λ1、λ2、λ3的波长带的光，都满足n2＞n1＞n3的关系。
各波长下的光路长L(λ)能够使用上述的式(8)，在式(8)中，通过将d1和d2的值形成为规定的值，而能够实现上述的基于第一实施方式或第二实施方式的具有波长选择性的像散校正元件20。例如，能够得到在波长λ1的光入射到凸部21和凹部22时，光路差L(λ1)及光路差L(λ2)大致成为0且不产生像散，而在波长λ3的光入射时，在凸部与凹部之间产生光路差，且提供像散的像散校正元件20。
接下来，具体来说，将互不相同的三个波长分别设定为405nm、660nm、785nm，并设定对于各波长的光的凸部21的介质的平均折射率、凹部22的介质的平均折射率及空间24的平均折射率、凸部21及凹部22的厚度。
本实施方式的像散校正元件20在作为基板25的石英玻璃上使用SiO2作为凸部21的介质并使用TiO2作为凹部22的介质。而且，空间24的介质为空气。此时，当d1＝942nm、d2＝458nm时，对于凸部21、凹部22及空间24的光路长差乘以2π/λ而求出的各波长的光的相位差及产生的像散如表12所示。此外，入射到像散校正元件20的光的有效区域为
Figure BPA00001309403000341
的圆区域，而且图5中的距离w为0.6mm。
[表12]
  波长   405nm   660nm   785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π   0.312π   0.293π
  像散(λrms)   0.000   0.050   0.047
如此，能得到对于波长405nm的光不产生像散而对于波长660nm的光及波长785nm的光产生像散的像散校正元件20。此外，本实施方式基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生像散而对于其它2种波长的光产生像散的第二实施方式。而且，构成凸部21的材料及构成凹部22的材料并不局限于此，也可以基于在互不相同的三个波长的光中对于2种不产生像散而对于其它1种波长的光产生像散的第一实施方式。此外也可以是凸部21具有包含AR膜的结构而凹部22具有多层膜的结构。而且，也可以调换凸部21的位置与凹部22的位置，即，也可以在光轴O的位置配置凸部。
彗差校正元件的实施方式
本实施方式是具有校正彗差的结构的彗差校正元件。图7是本实施方式的彗差校正元件30的俯视示意图，在以校正像差的波长的光的光轴O为中心的有效区域33中具有凸部31和凹部32。彗差校正元件30在与光轴正交的平面中的有效区域33内具有岛状的凹部32。并且，以将形成凹部32的区域分成二部分的方式在图7中以包含光轴O的x方向为对称轴时，以使凸部31彼此、凹部32彼此相互重叠而成为线对称的方式配置凸部31、凹部32，而且，在以与x方向正交且包含光轴O的y方向为对称轴时，以使凸部31与凹部32相互重叠的方式配置凸部31、凹部32。
具体来说，以图7为x-y平面而以原点(x，y)＝(0，0)为光轴O时，有效区域33成为以光轴O为中心的半径r的圆区域，在xy坐标系中，当X＝x/r、Y＝y/r时，在
(数式24)
f(X，Y)＝a/2×(3X2+3Y2-2X)        (9)
的函数中，凹部32的区域为满足规定的值Φ以下的区域。此外，a是决定规定的值Φ的任意的常数。
图8是在包含光轴O的X方向上使凸部31与凹部32的边界线交叉的S-S’的剖视示意图。彗差校正元件30在基板35上具有由平均折射率为n1的介质形成的厚度(d1+d2)的凸部31和由平均折射率为n2的介质构成的厚度d2的凹部32。而且，从凹部32的表面到凸部31的表面的空间34中具有平均折射率为n3的介质。并且，对于包含波长λ1、λ2、λ3的波长带的光，都满足n2＞n1＞n3的关系。
各波长下的光路长L(λ)能够使用上述的式(8)，在式(8)中，通过将d1和d2的值形成为规定的值，而能够实现上述的基于第一实施方式或第二实施方式的具有波长选择性的彗差校正元件30。例如，能够得到在波长λ1的光入射到凸部31和凹部32时，光路差L(λ1)及光路差L(λ2)大致成为0，不产生彗差，而在波长λ3的光入射时，在凸部与凹部之间产生光路差，并提供彗差的彗差校正元件30。
接下来，具体来说，将互不相同的三个波长分别设定为405nm、660nm、785nm，设定对于各波长的光的凸部31的介质的平均折射率、凹部32的介质的平均折射率及空间34的平均折射率、凸部31及凹部32的厚度。
本实施方式的彗差校正元件30在作为基板35的石英玻璃上使用SiO2作为凸部31的介质并使用TiO2作为凹部32的介质。而且，空间34的介质为空气。而且，入射到彗差校正元件30的光的有效区域为
Figure BPA00001309403000361
的圆区域，在上述式(9)中a＝0.015，规定的值Φ＝6.72×10-5。此时，当d1＝942nm、d2＝458nm时，对于凸部31和凹部32及空间34的光路长差乘以2π/λ而求出的各波长的光的相位差及产生的彗差如表13所示。
[表13]
  波长   405nm   660nm   785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π   0.312π   0.293π
  像散(λrms)   0.000   0.063   0.059
如此，能得到对于波长405nm的光不产生彗差而对于波长660nm的光及波长785nm的光产生彗差的彗差校正元件30。此外，本实施方式基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生彗差而对于其它2种波长的光产生彗差的第二实施方式。而且，构成凸部31的材料及构成凹部32的材料并不局限于此，也可以基于在互不相同的三个波长的光中对于2种不产生彗差而对于其它1种波长的光产生彗差的第一实施方式。此外，也可以形成为凸部31具有包含AR膜的结构而凹部32具有多层膜的结构。而且，也可以调换凸部31的位置与凹部32的位置。
球差校正元件的实施方式
本实施方式是具有校正球差的结构的球差校正元件。图9是本实施方式的球差校正元件40的俯视示意图，在以校正像差的波长的光的光轴O为中心的有效区域43中具有凸部41和凹部42。球差校正元件40具有成为以光轴O为中心的圆区域的凸部41，具有包围作为圆区域的凸部41而形成为环形的凹部42，而且具有包围凹部42而形成为环形的凸部41。即，具有包含光轴O的圆区域和多个环形区域，凸部41和凹部42分别沿离开光轴的方向交替配置。
具体来说，以图9为x-y平面而以原点(x，y)＝(0，0)为光轴O时，将有效区域43形成为以光轴O为中心的半径r的圆区域，在xy坐标系中，当X＝x/r，Y＝y/r时，在
(数式25)
f(X，Y)＝b/6×{6(X2+Y2)2-6(X2+Y2)2}        (10)
的函数中，凸部41的区域成为满足规定的值Ψ以下的区域。此外，b是决定规定的值Ψ的任意的常数。
图10是在包含光轴O的X方向上使凸部41与凹部42的边界线交叉的T-T’的剖视示意图。球差校正元件40在基板45上具有由平均折射率为n1的介质构成的厚度(d1+d2)的凸部41和由平均折射率为n2的介质构成的厚度d2的凹部42。而且，从凹部42的表面到凸部41的表面的空间44中具有平均折射率为n3的介质。并且，对于包含波长λ1、λ2、λ3的波长带的光，都满足n2＞n1＞n3的关系。
各波长下的光路长L(λ)能够使用上述的式(8)，在式(8)中，通过将d1和d2的值形成为规定的值，而能够实现上述的基于第一实施方式或第二实施方式的具有波长选择性的球差校正元件40。例如，能够得到波长λ1的光入射到凸部41和凹部42时，光路差L(λ1)及光路差L(λ2)大致成为0，不产生球差，而波长λ3的光入射时，在凸部与凹部之间产生光路差，并提供球差的球差校正元件40。
接下来，具体来说，将互不相同的三个波长分别设定为405nm、660nm、785nm，设定对于各波长的光的凸部41的介质的平均折射率、凹部42的介质的平均折射率及空间44的平均折射率、凸部41及凹部42的厚度。
本实施方式的球差校正元件40在作为基板45的石英玻璃上使用SiO2作为凸部41的介质并使用TiO2作为凹部42的介质。而且，空间44的介质为空气。而且，入射到球差校正元件40的光的有效区域为的圆区域，在上述式(10)中b＝1×10-3，规定的值Ψ＝1.5×10-4。此时，当d1＝942nm、d2＝458nm时，对于凸部41、凹部42及空间44的光路长差乘以2π/λ而求出的各波长的光的相位差及产生的球差如表14所示。
[表14]
  波长   405nm  660nm   785nm
  2πL(λ)/(λ)   0.000π  0.312π   0.293π
  像散(λrms)   0.000  0.063   0.059
如此，能得到对于波长405nm的光不产生球差而对于波长660nm的光及波长785nm的光产生球差的球差校正元件40。此外，本实施方式基于在互不相同的三个波长的光中对于1种不产生球差而对于其它2种波长的光产生球差的第二实施方式。而且，构成凸部41的材料及构成凹部42的材料并不局限于此，也可以基于在互不相同的三个波长的光中对于2种不产生球差而对于其它1种波长的光产生球差的第一实施方式。此外，也可以形成为凸部41具有包含AR膜的结构，凹部42具有多层膜的结构。而且，也可以替换凸部41的位置与凹部42的位置。
光学头装置的实施方式1.
图12是本实施方式的光学头装置的结构图。该光学头装置能够适用于对应的波长不同的光记录介质，即，HD-DVD或BD、DVD及CD的任一种。
光学头装置101具有射出波长405nm、波长660nm、波长785nm这3个波长的激光的光源102、分束器103、准直镜104、物镜105、检测器106，且在光源102与准直镜104之间的光路中配置有本发明的衍射光栅1。在本实施方式中，使用实施方式1的衍射光栅作为衍射光栅1。由此，能得到HD-DVD或BD的跟踪用的3个光束。
从光源102射出的光透过衍射光栅1、分束器103、准直镜104及物镜105后，到达光记录介质即光盘107的信息记录面。然后，在光盘107的信息记录面被反射，与去路相反地，以物镜105及准直镜104的顺序沿返路前进。然后，在通过分束器103时前进方向弯曲90度而到达检测器106。光盘107为HD-DVD或BD、DVD、CD。
光源102是射出HD-DVD用或BD用的波长405nm、DVD用的波长660nm、CD用的波长785nm这三个波长带域的激光的3波长半导体激光器。此外，并不局限于此，例如，也可以使用输出波长660nm和波长785nm的激光的2波长半导体激光器和输出波长405nm的激光的半导体激光器这两个光源构成光学头装置。这种情况下，在三个波长的激光共同通过的位置设置衍射光栅。
在衍射光栅1中，波长660nm与波长785nm下的光路长差为零或实质上等于零，波长405nm下的光路长差与它们实质上不同。因此，使波长660nm和波长785nm的光透过且使波长405nm的光衍射，因此波长405nm的光向光盘107的成像性能被最优化。即，透过衍射光栅1的波长403nm的光入射到物镜105后，聚光在光盘107的信息记录面上。由于衍射光栅1设计成仅使波长405nm的光衍射，因此与物镜105的特性相辅相承地，形成HD-DVD或BD的记录重放没有问题的光点。
此外，能够适用于本实施方式的光学头装置的衍射光栅并不局限于实施方式1的衍射光栅。例如，使用实施方式5的衍射光栅时，使波长660nm和波长785nm的光进行衍射，因此能够仅对于所述波长的光产生±1次衍射光作为跟踪用的副光束。而且，使用实施方式6的衍射光栅时，能够仅产生波长785nm的光作为跟踪用的副光束。此外，使用实施方式7或实施方式8的衍射光栅时，能够仅产生波长405nm的光作为跟踪用的副光束。
另外，也能够使用层叠两个以上衍射光栅而成的衍射光栅。这种情况下，能得到如下效果。
设衍射光栅的间距为p且波长λ下的衍射角为θ时，sinθ与(λ/p)成比例。在此，将射出波长不同的两种以上的光的单块半导体激光器和凹凸部的间距单一的衍射光栅组合使用时，在单一的检测器中，为了弥补波长引起的衍射角的不同而需要增大检测器的受光面积。然而，检测器的大型化会导致高频特性的下降，而有可能成为光盘的高速重放的障碍。另一方面，按波长形成检测器的受光面时，有可能由于受光元件的增加而导致信号处理电路复杂化。因此，例如，将在波长660nm下进行衍射且在波长405nm和波长785nm下进行直进透射的衍射光栅、和在波长660nm下进行直进透射且在波长405nm和波长785nm下进行衍射的衍射光栅层叠。然后，将各个光栅间距最优化而使用时，无需增大检测器的受光面积，因此能够消除上述问题。
光学头装置的实施方式2.
图13A及图13B是本实施方式的光学头装置的结构图。图13A的光学头装置200是在光学头装置100上将像差校正元件210及/或像差校正元件220配置在三个不同的波长的光的光路中的结构，图13B的光学头装置201是对于光学头装置200未配置衍射光栅1的结构。此外，对与光学头装置100所使用的部件相同的部件，分别附加相同符号而避免重复说明。
在光学头装置200、201中，只要在波长405nm的光、波长660nm的光、波长785nm的光所共通的光路中，则能够配置在光源102与分束器103之间的光路中、分束器103与物镜105之间的光路中。而且，根据应校正的像差的种类、应校正的波长的光，配置各种像差校正元件即可，在光学头装置200、201中并不限于一个像差校正元件，也可以配置多个像差校正元件。
详细地且参照特定的实施方式说明了本发明，但本领域技术人员应该了解到不脱离本发明的精神和范围而能够施加各种变更或修正。本申请基于2008年8月7日提出申请的日本专利申请(特愿2008-203956)，并在此参照而引入了其内容。
标号说明
1 衍射光栅
2、15 基板
3、11、21、31、41 凸部
4、12、22、32、42 凹部
5、14、24、34、44 空间
10、20 像散校正元件
30 彗差校正元件
40 球差校正元件
13、23、33、43 有效区域
101、200、201 光学头装置
102 光源
103 分束器
104 准直镜
105 物镜
106 检测器
107 光盘
210、220 像差校正元件

Claims (23)

1.一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，
所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为零。
3.根据权利要求1或2所述的衍射光栅，其中，
所述波长λ3的光的一级衍射效率为4％以上。
4.一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，
所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍。
5.根据权利要求4所述的衍射光栅，其中，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为零。
6.根据权利要求4或5所述的衍射光栅，其中，
所述波长λ1及所述波长λ2的光的一级衍射效率为4％以上。
7.一种衍射光栅，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有以规定的周期交替设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，
所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，
设透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1、所述波长λ2及所述波长λ3的光的相位差分别为a1π、a2π及a3π时，
0≤|a1-a2|≤0.2
0.2＜|a3-a1|
0.2＜|a3-a2|
的关系成立。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的衍射光栅，其中，
所述凸部由以SiO2为主要成分的材料形成，
所述凹部由以TiO2为主要成分的材料或以Nb2O5为主要成分的材料或以Ta2O5为主要成分的材料形成。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的衍射光栅，其中，
所述凸部由以SiO2为主要成分的单层膜形成，
所述凹部由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的衍射光栅，其中，
所述凸部及所述凹部由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。
11.根据权利要求9或10所述的衍射光栅，其中，
所述多层膜为防反射膜。
12.一种像差校正元件，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，
所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的整数倍，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的非整数倍，所述像差校正元件对所述波长λ3的光中包含的像差成分进行校正。
13.根据权利要求12所述的像差校正元件，其中，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为零。
14.一种像差校正元件，用于互不相同的波长λ1、波长λ2及波长λ3的光，且具有设置在基板的至少一个面上的凸部和凹部，其中，
所述凸部的平均折射率小于所述凹部的平均折射率，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ1的光的相位差及透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ2的光的相位差都实质上为2π的非整数倍，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差实质上为2π的整数倍，所述像差校正元件对所述波长λ1的光及所述波长λ2的光中包含的像差成分进行校正。
15.根据权利要求14所述的像差校正元件，其中，
透过所述凸部和所述凹部的所述波长λ3的光的相位差都实质上为零。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的像差校正元件，其中，
所述凸部和所述凹部以使大致正交的两条线形成边界线的方式交替配置，所述两条线的交点成为光轴。
17.根据权利要求12～15中任一项所述的像差校正元件，其中，
所述凸部和所述凹部以使大致平行的两条线形成边界线的方式交替配置，光轴包含于将由所述两条线形成的间隔平分的线上。
18.根据权利要求12～15中任一项所述的像差校正元件，其中，
当提供包含所述光轴的第一直线和与所述第一直线正交且包含所述光轴的第二直线时，所述凸部和所述凹部中的至少一方具有与所述第一直线不交叉的岛状的区域，
所述凸部和所述凹部如下配置：当关于所述第一直线轴对称时，所述凸部和所述凹部都重合，当关于所述第二直线轴对称时，所述凸部彼此都重合且所述凹部彼此都重合。
19.根据权利要求12～15中任一项所述的像差校正元件，其中，
所述凸部和所述凹部在以光轴为中心的圆区域和包围所述圆区域的多个环形区域中交替配置。
20.根据权利要求12～19中任一项所述的像差校正元件，其中，
所述凸部由以SiO2为主要成分的材料形成，
所述凹部由以TiO2为主要成分的材料或以Nb2O5为主要成分的材料或以Ta2O5为主要成分的材料形成。
21.根据权利要求12～19中任一项所述的像差校正元件，其中，
所述凸部及所述凹部由以SiO2为主要成分的材料和以TiO2为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Nb2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成，或者由以SiO2为主要成分的材料和以Ta2O5为主要成分的材料交替层叠而成的多层膜形成。
22.根据权利要求20或21所述的像差校正元件，其中，
所述多层膜为防反射膜。
23.一种光学头装置，具有：射出3种不同波长的光的光源；将来自所述光源的出射光向光记录介质聚光的物镜；及检测由所述光记录介质反射的所述出射光的检测器，其中，
在所述光源与所述物镜之间的光路中配置有权利要求1～11中任一项所述的衍射光栅及/或权利要求12～22中任一项所述的像差校正元件。
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