JP2007033761A - 回折素子及びこれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意次数の回折光を任意にパワー制御することができる回折素子を提供する。
【解決手段】
入力光に第１の位相分布（θ_１(ξ)）を生じさせる第１の位相分布生成手段（１０１）と、前記第１の位相分布（θ_１(ξ)）を有する光を一定距離（Ｇ）、伝搬させることにより、この伝搬光に所望の振幅分布（ａ(ｘ)）を生じさせる光伝搬手段（１０２）と、第２の位相分布（θ_２(ｘ)）を生じさせる第２の位相分布生成手段（１０３）であって、前記所望の振幅分布（ａ(ｘ)）を有する伝搬光の位相分布（θ_１'(ｘ)）に前記第２の位相分布（θ_２(ｘ)）を作用させることにより、前記伝搬光の位相分布（θ_１'(ｘ)）を補正して所望の位相分布（θ(ｘ)）とする、第２の位相分布生成手段（１０３）と、を有する回折素子（１００）により解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、任意次数の回折光を任意の強度比に配分することができる回折素子に関する。

ＣＤやＤＶＤなどの再生・記録装置で用いられる光ピックアップ技術では、光源からのメインの光線（０次光）を記録や再生に使用する一方、その他の補正作業、例えば、現在読んでいるトラック（信号が記録されている部分）に正しくメイン光線が照射されているかどうかなどを検出するために、０次光以外の回折光を利用している。

この０次光以外の回折光は、０次光の一部分を強度的に分配する形で生成されるため、０次光以外の回折光への分配率が大きくなったり、分配効率が悪かったりすると、メインの光線の強度が低下してしまう。例えば、ＤＶＤ−ＲやＣＤ−Ｒなどにおける高速記録では、記録エラーの発生率は光線の強度に依存するため、高速で記録するためには、光線の強度を所定の強度以上とし、十分な熱量をディスク媒体に与える必要がある（下記特許文献１を参照。）。

したがって、メインの０次光をなるべく強く維持すると共に、余分な次数の回折光をなくして必要な次数の回折光のみを得るといった、不均質な（任意な）回折制御が求められている。例えば、プラス１次の回折光とマイナス１次の回折光を均質にしないで、プラス１次の回折光を強度比５％として、残りの強度比９５％をすべて０次光とするような回折制御が求められている。しかしながら、通常の回折格子では、例えば、０次光の強度比７０％、プラス１次光が１０％、マイナス１次光が１０％、プラス２次光が５％、マイナス２次光が５％というように、回折光の強度比が左右対称となってしまう。

これに対して、各次数の回折光の強度比を制御すべく、入射ビームの位相分布を変換する層を１つだけ具備させた反射型または透過型の回折格子や、一部にブレーズ化形状を備えた回折格子などが開発されている（下記特許文献２を参照。）。しかしながら、任意の次数へ任意の強度比を割り当てる自由度はなく、十分な強度比の制御は不可能であった。例えば、０次光の強度比６０％、プラス１次光が１５％、マイナス１次光が７％、その他の次数への回折光合計１８％というように、高次の回折光を十分に抑制することができなかったり、低次の回折光の強度比制御が不十分であったり、メインの光線の強度が低下するなどの問題があった。

特開平８−３０４６１５号公報 特開２００３−２８８７３４号公報

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、任意次数の回折光を任意にパワー制御することができる回折素子を提供することを目的とする。

本発明は、基本的には、例えば、第１の位相板と第２の位相板とに光を透過させる際に、第１の位相板において位相分布を与えることにより、第２の位相板に到達するまでの間に所定の振幅分布を生じさせ、さらに第２の位相板によって所定の位相分布となるように補正することにより、最終的に所望の位相分布及び振幅分布を有する回折光、すなわち、制御された次数及び強度比を有する回折光を得ることができるという知見に基づく発明である。

具体的な回折素子としては、
入力光に第１の位相分布を生じさせる第１の位相分布生成手段（１０１）と、
前記第１の位相分布を有する光を一定距離、伝搬させることにより、この伝搬光に所望の振幅分布を生じさせる光伝搬手段（１０２）と、
前記伝搬光の位相分布を補正して所望の位相分布とする、第２の位相分布生成手段（１０３）と、
を有する回折素子（１００）が挙げられる。

具体的な回折素子としては、
前記第１の位相分布生成手段（１０１）と前記光伝搬手段（１０２）とにより、前記所望の振幅分布ａ(ｘ)を生じさせ、
前記第２の位相分布生成手段（１０３）により、前記伝搬光の位相分布を補正して前記所望の位相分布θ(ｘ)とし、
回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、上記回折素子（１００）が挙げられる。
なお、所望の振幅分布ａ(ｘ)は下記式（２）、所望の位相分布θ(ｘ)は下記式（３）を参照のこと。

具体的な回折素子としては、
前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、平面波が入力された場合、当該平面波に前記第１の位相分布θ_１(ξ)を生じさせる特性を有し、
前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、平面波が入力された場合、当該平面波に前記第２の位相分布θ_２(ｘ)を生じさせる特性を有し、
回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、上記回折素子（１００）が挙げられる。
なお、第１の位相分布θ_１(ξ)は下記式（１３）、第２の位相分布θ_２(ｘ)は下記式（１６）を参照のこと。

具体的な回折素子としては、
前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、周期関数である断面形状ｆ_Ａ(ξ)を有する位相板であり、
前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、周期関数である断面形状ｆ_Ｂ(ｘ)を有する位相板であり、
回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、上記回折素子（１００）が挙げられる。
なお、断面形状ｆ_Ａ(ξ)は下記式（１２）、断面形状ｆ_Ｂ(ｘ)は下記式（１５）を参照のこと。

具体的な回折素子としては、
前記入力光は、前記第１の位相分布生成手段（１０１）である位相板の表面に平行な平面波である、
上記回折素子（１００）が挙げられる。

具体的な回折素子としては、
前記回折素子（１００）は、前記第１の位相分布生成手段（１０１）と前記光伝搬手段（１０２）と前記第２の位相分布生成手段（１０３）とを順次、一体的に設けた構造を有し、
前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、前記構造体の一方の面に設けられ、
前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、前記構造体において前記第１の位相分布生成手段（１０１）に対向する他方の面に設けられる、
上記回折素子（１００）が挙げられる。

具体的な回折素子としては、
更に、前記回折素子（１００）から出力される前記回折光の伝搬方向を制御する光方向制御手段を有する、
上記回折素子（１００）が挙げられる。

具体的な回折方法としては、
第１の位相分布生成手段（１０１）により、入力光に第１の位相分布を生じさせ、
光伝搬手段（１０２）により、前記第１の位相分布を有する光を一定距離、伝搬させて、この伝搬光に所望の振幅分布を生じさせ、
第２の位相分布生成手段（１０３）により、前記伝搬光の位相分布を補正して所望の位相分布とし、
前記入力光を、任意の回折次数で任意の強度比を有する回折光とする、回折方法が挙げられる。

本発明に係る回折素子によれば、例えば、２つの位相板とその間の光伝搬部とを有する回折素子とすることにより、前段の位相板及び光伝搬部により所望の振幅分布を得て、後段の位相板により、所望の位相分布となるように補正することにより、所望の振幅分布及び位相分布で一義的に定義される、任意の次数光で任意の強度比を有する回折光を得ることができる。

例えば、ＣＤやＤＶＤなどの光学媒体から情報を読みとったり、情報を書き込んだりする際に用いられる光ピックアップ装置や、通信などで用いられる光スプリッタとして応用した場合、本発明に係る回折素子の強度ロスのない効率的な光分配制御という効果を十分に利用することができ、読み取り誤差、書き込み誤差などを抑制することができる。

＜実施形態にかかる回折素子の基本構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る回折素子の概略斜視外観図である。図１に示すように、実施形態に係る回折素子１００は、第１の位相分布生成手段である位相板１０１と、光伝搬手段である光伝搬部１０２と、第２の位相分布生成手段である位相板１０３とから構成される。さらに詳細には、回折素子１００は、第１の位相分布生成手段である位相板１０１と、光伝搬手段である光伝搬部１０２と、第２の位相分布生成手段である位相板１０３とを順次、一体的に設けた構造を有し、位相板１０１は、前記構造体の一方の面に設けられ、位相板１０３は、前記構造体において位相板１０１に対向する他方の面に設けられており、位相板１０１と位相板１０３との間が光伝搬部１０２となっている。位相板１０１及び位相板１０３は、下記詳細に説明するように、目標とする強度分布を有する回折光に応じた所定の凹凸断面形状を有している。なお、便宜的に直交座標系ｘｙｚ（又はξｙｚ）を用いて、回折素子１００と入力光との関係について説明すると、好ましい形態としては、位相板１０１の表面を構成するｘｙ面と位相板１０３の表面を構成するξｙ面とは平行であり、ｘｙ面及びξｙ面のそれぞれにおいてｙ方向に一様かつｘ方向又はξ方向に周期的な凹凸形状が形成されている。ここで、入力光はｚの負の方向から正の方向へ向かって入力される。なお、ｘ及びξについては後述する図５において説明する。

なお、第１、第２の位相分布生成手段としては、所定の位相分布を与えることができるものであればよく、位相板に限定されない。また、光伝搬手段としては、光を所定距離伝搬するもの（例えば、伝搬媒質）であればよく、図１に示す構造のように一体的な構造ではなく、各位相板を別体として作製し、各位相板の間に介在するガスなどでも光伝搬部として機能する。なお、本明細書における「位相板」との表現は、独立した板状部材を意味するだけでなく（各位相板を別体で作製する場合は、まさしく一般的な意味の「位相板」である。）図１に示すような「構造体の一面に設けられた所定の凹凸形状」であって、この面が位相板としての機能を有する場合も意味する。

図２は、実施形態に係る回折素子の光学的効果を説明する図である。図２には回折素子１００の断面形状と、入力される入力光及び出力される回折光が図示されている。図２に示すように、位相板１０１の表面に光が入力され、位相板１０３の側から回折光が出力される。位相板１０３の側から出力される回折光は、例えば、０次の回折光及び１次、２次の回折光が均質となっておらず、例えば、プラス２次の回折光の強度比を５％として、残りの強度比９５％をすべて０次光に配分するような強度比となるように制御されている。すなわち、実施形態に係る回折素子１００は、入力された入力光を、任意の回折次数で任意の強度比を有する回折光として出力することができるという光学的効果を有する。

＜実施形態にかかる回折素子の回折原理＞
図３は、実施形態に係る回折素子の回折原理を説明する図である。図３に基づいて、回折素子１００の回折原理を含めて、回折素子１００の構造を更に詳細に説明すると、回折素子１００は、入力光に第１の位相分布を生じさせる位相板１０１と、前記第１の位相分布を有する光を一定距離、伝搬させることにより、この伝搬光に所望の振幅分布を生じさせる光伝搬部１０２と、第２の位相分布を生じさせる位相板１０３であって、前記所望の振幅分布を有する伝搬光の位相分布に前記第２の位相分布を作用させることにより、前記伝搬光の位相分布を補正して所望の位相分布とする、位相板１０３と、を有する。

位相板１０１は、入力光に、位相板１０１の凹凸断面形状に由来する固有の位相分布（第１の位相分布）を作用させる（位相変化１）。すなわち、例えば入力光が平面波である場合には、位相板１０１を通過した直後の位相分布は第１の位相分布となる。その後、所定の位相分布を有する光を、光伝搬部１０２を所定距離、伝搬させることにより、振幅に変化を生じさせる結果、位相板１０３に到達するまでに、「所望の振幅分布」が生じるようになっている。

また、位相板１０３は、光伝搬部１０２を伝搬してきた光に、位相板１０３の凹凸断面形状に由来する固有の位相分布（第２の位相分布）を作用させる（位相変化２）。すなわち、例えば光伝搬部１０２を伝搬してきた光が平面波である場合には、位相板１０３を通過した直後の位相分布は第２の位相分布となる。しかし、光伝搬部１０２を伝搬してきた光は、すでに位相板１０１において位相分布が与えられている（平面波である場合はあまり想定しない。）ため、第２の位相分布の作用により、位相板１０３を通過した直後の位相分布は第２の位相分布ではなく、所定の位相分布を生じる。この所定の位相分布が「所望の位相分布」となるように、位相板１０３が設計されている。

本実施形態に係る回折素子には、完全な平面波だけでなく、緩やかな振幅分布を有するレーザ光も適用することができる。この緩やかな振幅分布を有するレーザ光は、回折素子面内では強度がゼロから最大値まで変化するが、回折素子における凹凸形状の１周期内ではｘ又はξによらず一定とみなすことができる。また、位相も回折素子の面内で一定または緩やかにしか変化しない。すなわち、周期の細かさに対して入力光の強度や位相が緩やかに変化するので、該入力光は平面波に近似して扱うことができる。

＜実施形態にかかる回折素子の形状設計方法（１）＞
ここで、実施形態に係る回折素子の設計思想について、更に説明する。ある単一波長の光の状態は、振幅情報と位相情報とで一義的に決めることができる。ここで、任意次数の回折光を任意にパワー配分するためには、回折素子から出力される光の波面に、振幅分布及び位相分布をもたせることが必要となる。この任意次数の回折光を任意にパワー配分するような光の振幅分布及び位相分布は、各次数光の強度比率をフーリエ逆変換することにより容易に算出することができる。したがって、回折素子から出力された光の振幅分布及び位相分布の両方を上記計算（フーリエ逆変換）により求まる分布とすることで、任意の次数光に対して任意のパワーを配分する回折素子を実現することができる。

一般的に、位相板の表面凹凸は光の波長と同程度であり、これによって任意の位相分布を発生させることができる。すなわち、光の位相を場所ごとに変える（位相分布）ためには、例えば、屈折率差のある界面に凹凸を設ければよく、凹凸のある一面を形成した位相板により、任意の位相分布を生じさせることができる。

一方、同様の考え方で、任意の振幅分布を生じさせることは困難である。すなわち、一つの面により、光の振幅を場所ごとに変える（振幅分布）ためには、例えば、その面における場所ごとに吸収率又は反射率の異なるようにする必要がある。この場合、吸収又は反射により光の利用効率は低下してしまうため、一つの面だけで１００％の利用効率を伴う振幅分布を生じさせることは困難である。このため、フーリエ逆変換で計算される理想的な位相分布を得ることはできても、それと共に理想的な振幅分布を得ることは極めて困難であった。

これに対して、本発明者らは、位相板１０１により所定の位相分布を与えた後に、光伝搬部１０２において一定距離、伝搬させることにより、任意の振幅分布が得られることを見出した。そして、これを逆に考えて、所望の振幅分布及び所望の伝播距離から、位相板１０１において必要とされる位相分布を計算する手法を見出した。この必要とされる位相分布が分かれば、あとは、当該位相分布を生じさせる位相板１０１を設計すればよい。

位相板１０２に伝搬した光は、振幅分布については位相板１０１及び光伝搬部１０２の効果で所望の分布となっているが、位相分布については希望しない分布になっている場合がある。そこで、位相板１０３において所望の位相分布となるように修正する必要がある。そこで、上記手法により得られた任意の振幅分布の光は、再び位相板１０３において位相変化を施すことにより、伝搬光の位相分布をフーリエ逆変換で計算される所望の位相分布に補正する。伝搬光の位相分布を所望の位相分布に補正するためには、位相板１０３においてどのような位相分布を与えればよいかが分かれば、あとは、当該位相分布を生じさせる位相板１０１を設計すればよい。位相板１０３を通過する際の振幅分布の変化は無視できる程度であることから、上述するようにして位相板１０１、光伝搬部１０２、及び位相板１０３を作製すれば、フーリエ逆変換で計算される理想の振幅分布及び位相分布を同時に実現することができる。

図４は、実施形態に係る回折素子の形状設計方法の概念を説明する図である。図４に基づいて、実施形態に係る回折素子の形状設計方法を説明する。まず、光が一定距離、伝搬後に、任意の振幅分布となっているためには、平行だった光の伝搬方向を、当該伝搬方向と垂直な軸上において場所ごとに変化させる（曲げる）必要がある。軸上のどの場所において、伝搬方向をどの程度、変化させればよいかを幾何光学的に計算し、次にその変化量を実現する位相変化量を幾何学的に算出する。以下、説明を簡単にするため、振幅に分布をもたず（振幅分布ａ’＝一定）、位相に分布をもたない入力光（平面波）とする。

図４に示すように、位相板Ａに均一な光線が入力されると、位相板Ａによって各光線の伝搬方向が変化する結果、位相板Ｂ上では光線が密になる部分と疎になる部分とが形成される。すなわち、位相板Ａ（１０１）で位相が変化した光（伝搬方向が変化した光）は、位相板Ｂ（１０３）に到達するまでに所定の振幅分布ａを生じさせるようになる。

これを逆に考えると、所望の振幅分布ａを得るためには、位相板Ａにおいて各部分からの光線の伝搬方向を制御すればよいことが分かる。そして、この制御すべき伝搬方向は、位相板Ｂ上の振幅分布ａに応じた伝搬方向となる。一方、各光線における位相が等しい点を結んでできる面、すなわち等位相面と、各光線の伝搬方向とは直交することが知られているため、各光線に直交する面Ｃ_１〜Ｃ_７を繋ぐなどの作業により、等位相面を幾何学的に求めることができる。そして、このようにして求められた等位相面から、位相板Ａの断面形状を設計することができる。

また、同様に、光伝搬部を伝搬して位相板Ｂに到達した伝搬光の位相分布については、位相板Ｂを透過する際の各光線にそれぞれ直交する各面を繋げることで、位相板Ｂに入力される伝搬光の位相分布を求めることができる。したがって、当該位相分布を所望の位相分布に変換するような位相差を与える凹凸とすることで、位相板Ｂを設計することができる。

＜実施形態にかかる回折素子の形状設計方法（２）＞
図５及び図６は、実施形態に係る回折素子の形状設計方法を説明する図である。図６（Ａ）は各位相板における光線の対応関係を示す図であり、図６（Ｂ）は光線の伝搬方向の計算式を説明する図であり、図６（Ｃ）は位相板に入射する光線の伝搬方向と位相板の断面形状の傾きとの関係を説明する図である。これらの図を適宜用いて、実施形態に係る回折素子の形状設計方法を説明する。本段落では、図５に示すように、任意の次数光を任意の強度比で制御した回折光を得るための位相板Ａ（１０１）と位相板Ｂ（１０３）の断面形状、及び光伝搬部（１０２）の設計方法について説明する。

ここで、図５に示す各記号について説明しておく。入力光は位相分布θ'(ξ)及び振幅分布ａ'(ξ)を有する。ただし、説明を簡単にするため、振幅に分布をもたず（振幅分布ａ’＝一定）、位相に分布をもたない入力光（平面波）とする。位相板Ａは周期関数ｆ_Ａ(ξ)で表される断面形状を有し、平面波が入力すると、位相分布θ_１(ξ)を生じさせる。入力光に垂直で位相板Ａ上に沿った軸をξ軸とする。また、位相板Ｂは周期関数ｆ_Ｂ(ｘ)で表される断面形状を有し、平面波が入力すると、位相分布θ_２(ｘ)を生じさせる。入力光に垂直で位相板Ｂ上に沿った軸をｘ軸とする。ξ軸とｘ軸とは平行である。また、ξ軸におけるξ＝０の位置と、ｘ軸におけるｘ＝０の位置とは、同じ高さ（ξ＝０を通過するξ軸に直角な光線は、ｘ軸に直角にｘ＝０を通過する。）である。光伝搬部（１０２）の長さはＧである。光伝搬部１０２、位相板Ａ、及び位相板Ｂの屈折率をｎ_２とし、位相板Ａに入力される入力光が伝搬する媒体の屈折率をｎ_１とし、位相板Ｂから出力される回折光が伝搬する媒体の屈折率をｎ_３とする。光伝搬部１０２を伝搬した光が位相板Ｂに入力されるときには、位相分布θ'_１(ｘ)、振幅分布ａ(ｘ)を有する光となっている。最終的に得られる、回折光は位相分布θ(ｘ)、振幅分布ａ(ｘ)を有する光である。

まず、任意の次数光を任意の強度比で制御した回折光を、強度比Ａ_０ ^２の０次光、強度比Ａ_＋１ ^２の＋１次光、強度比Ａ_−１ ^２の−１次光、強度比Ａ_＋２ ^２の＋２次光、強度比Ａ_−２ ^２の−２次光・・・と記述する。この回折光となる光波の式Ｙ(ｘ)は、各次数の光の係数をフーリエ係数とする下記式（１）で与えられる。なお、式Ｙ(ｘ)は振幅分布と位相分布との両方の情報を含む。また、各係数Ａｎは、説明を簡単にするために実数に限っておく。

ただし、ｘは分布方向における位置であり、ｎは回折次数であって０又は自然数であり、Ａ_ｋは各回折光の強度比の平方根であり、強度比はＡ_ｋ ^２であり、
Φ＝（２π／λ）×ｓｉｎθ_１ｓｔであり、λは光の波長であり、θ_１ｓｔは１次の回折角であり、
α_ｋは０次回折光に対する各回折光の位相差であり、α_０＝０である。また、ｊは虚数単位である。

したがって、最終的に目標とする所望の振幅分布ａ(ｘ)と所望の位相分布θ(ｘ)をそれぞれ別に表現すると、所望の振幅分布ａ(ｘ)はＹ(ｘ)の絶対値であり下記式（２）で表され、所望の位相分布θ(ｘ)はＹ(ｘ)の偏角であり下記式（３）で表される。また、振幅分布ａ（ｘ）と位相分布θ（ｘ）とを合わせた所望の電界分布Ｅ（ｘ）は下記式（４）で表される。

ただし、ｘは分布方向における位置であり、ｎは回折次数であって０又は自然数であり、Ａ_ｋは各回折光の強度比の平方根であり、強度比はＡ_ｋ ^２であり、
Φ＝（２π／λ）×ｓｉｎθ_１ｓｔであり、λは光の波長であり、θ_１ｓｔは１次の回折角であり、
α_ｋは０次回折光に対する各回折光の位相差であり、α_０＝０であり、マイナスプラスα_ｋは、ｋが正のときには−α_ｋを意味し、ｋが負のときには＋α_ｋを意味する。

また、上記式（１）〜（３）について、各次数の回折光が全て０次回折光と同位相であるとして簡略化すると、それぞれ、下記式（５）〜（７）となる。

上記式（６）及び（７）で表される所望の位相分布θ(ｘ)及び所望の振幅分布ａ(ｘ)を得るために、実施形態では、位相板Ａ（１０１）と光伝搬部１０２と位相板Ｂ（１０３）とからなる回折素子１００を作製した。まず、位相板Ａの形状設計方法について説明し、次に位相板Ｂの形状設計方法について説明する。

位相板Ａの断面形状について説明する。まず、図６（Ａ）に示すように、位相板Ａ上の任意の座標ξを通過した光線が位相板Ｂ上において到達する点をｘ(ξ)とし、位相板Ｂ上の任意の座標ｘに到達する光線が位相板Ａ上を通過する点をξ(ｘ)と表す。このとき、ξ(ｘ)は目標とする強度分布、すなわち振幅の２乗の分布の積分に等しい。したがって、下記式（８）が導かれる。なお、下記式（８）の逆関数がｘ(ξ)となる。

このとき、位相板Ａ上の座標ξでの光線の伝搬方向Ｄ(ξ)は、図６（Ｂ）に示すように、下記式（９）で表される。

一方、位相板Ａの表面の傾きｆ'_Ａ(ξ)（すなわち、求める断面形状ｆ_Ａ(ξ)の微分値）に入力光が入射する前後の媒体の屈折率差を表す項をかけ合わせたものは、図６（Ｃ）に示すように、光線の伝搬方向に等しい。したがって、下記式（１０）及び下記式（１１）が導かれる。

以上より、位相板Ａの断面形状ｆ_Ａ(ξ)は周期関数である下記式（１２）で表され、また、位相板Ａを平面波が透過した後の位相分布θ_１(ξ)は下記式（１３）で表される。

次に、位相板Ｂの断面形状について説明する。上述する位相板Ａとほぼ同様の手順で、光伝搬部１０２を伝搬した光が位相板Ｂに入力されるときの位相分布θ'_１(ｘ)は、下記式（１４）で表すことができる。

したがって、位相板Ｂで与えるべき位相変化２は、所望の位相分布θ(ｘ)と伝搬光の位相分布θ'_１(ｘ)とを用いて、θ(ｘ)−θ'_１(ｘ)と表せるので、位相板Ｂの断面形状ｆ_Ｂ(ｘ)は周期関数である下記式（１５）で表され、位相板Ｂを平面波が透過した場合の位相分布θ_２(ｘ)は下記式（１６）で表される。

＜実施形態にかかる回折素子の製造方法＞
実施形態に係る回折素子の材料としては、石英ガラス、その他の光学ガラス、透明度の高いプラスチックなどが使用できる。また、実施形態に係る回折素子は、２つの位相板が対向する面に形成されており、例えばアクリル樹脂などの透明材料をプレス成型して、対向する２つの面に各位相板の形状を作り込むことにより製造することができる。また、ガラス転移点又は融点の異なる２種類の樹脂材料を順にプレス成型するなどにより、基板の一方の面に２層構造の位相板を形成することによっても実現できる。例えば、第１の樹脂材料をプレス成型して位相板Ａ又はＢいずれかの位相板を形成した後、この形成した位相板面上において、第１の樹脂材料よりもガラス転移点又は融点が低い第２の樹脂材料を、第１の樹脂材料のガラス転移点又は融点よりも高い温度でプレス成型して、残りの位相板を形成する。また、透明材料の表面に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより、周期的な溝を形成して位相板形状とすることもできる。位相板形状の形成は、その他のフォトリソグラフィや干渉露光、金型によるスタンピング技術、ナノプリンティングなど様々な方法で行うことができる。いずれの場合でも、微小領域ごとに溝の方向を高精度に定めることができる。

例えば、ナノプリント技術について説明すると、ナノプリント技術の基本原理は、ナノスケールの凹凸パターンを形成したナノ金型を樹脂薄膜が塗布された基板に押し当て、樹脂薄膜の表面に凹凸パターンを転写することである。ナノ金型の凹凸形状を等倍転写する、ナノインプリント技術と呼ばれる方法や、ナノ金型の凹部の深さよりも高い構造体を形成する高アスペクト比ナノプリント技術などが挙げられる。ナノインプリントと高アスペクト比ナノプリントを総称してナノプリントと呼ぶ。

ナノプリントの原理については、まず、ガラスやシリコン製の基板の上に、例えば、樹脂薄膜をスピンコート法などで塗布する。次に、樹脂薄膜をガラス転移温度、例えばＰＭＭＡ（Polymethyl-methacrylate）の場合は約１１０℃以上に加熱した後、軟らかくなった樹脂薄膜にナノ金型を押し当てる。押し当てる際の圧力は、一般に数メガパスカル程度である。その後、ナノ金型を樹脂薄膜からはく離する。以上の工程によって、樹脂薄膜の表面にナノ金型表面のパターンが転写される。なお、転写工程において熱エネルギーを使うのではなく、例えば石英ガラスでできた透明なナノ金型を用い、プレス中に紫外線を樹脂に照射することにより、樹脂を硬化させる手法もある。

＜光ピックアップ装置への応用例＞
図７は、実施形態に係る回折素子を応用して作製した光ピックアップ装置の概略構成図である。図７に示すように、光ピックアップ装置は、レーザ光を発生するレーザ光源２０２と、上記実施形態に係る回折素子２０４と、往路と復路のビームを分離する偏光ビームスプリッタ２０６と、コリメータレンズ２０８と、１／４波長板２１０と、各回折光をピット２１４に集束する対物レンズ２１２と、コンデンサレンズ２１６と、シリンドリカルレンズ２１８と、ピット２１４からの反射光を光電変換する光電変換デバイス２２０とから構成される。図７において、レーザ光源２０２から出射される所定波長の照射光が、本発明にかかる回折素子２０４により、例えば０次（強度比９５％）と＋１次（強度比５％）の２方向の光に分けられ、これら０次光と＋１次光は、偏光ビームスプリッタ２０６、コリメータレンズ２０８、１／４波長板２１０、及び対物レンズ２１２を介して、光記録媒体の表面に形成されているピット２１４に照射される。

ここで、０次光は各ピット上に結像して記録情報の読取りに用いられ、＋１次光はトラックの左右寄りに結像してトラッキングサーボ用の信号として用いられる。更に、０次光と＋１次光は、上記ピット面及びトラック面で反射して再び逆経路をたどり、偏光ビームスプリッタ２０６で折り返されて、コンデンサレンズ２１６とシリンドリカルレンズ２１８を通り、光電変換デバイス２２０で光電変換される。

そして、０次光の反射光から記録情報を再生すると共に、光電変換デバイス２２０で検出される０次光の反射光の受光パターンの歪みと、＋１次光の反射光の受光位置ズレを無くすように光学系をサーボ制御することによって、記録情報の読取り精度の維持を図っている。このように、本発明に係る回折素子２０４は、主として記録情報の読取りのための０次光と、サーボ制御を行うための＋１次光を発生させるための重要な構成要素であり、０次以外の回折光として、＋１次の回折光しか発生させないため、メインビームの強度低下を抑えることができる。なお、回折光の伝搬方向を制御する光方向制御手段としては、上記偏光ビームスプリッタ２０６、コリメータレンズ２０８、１／４波長板２１０、対物レンズ２１２、コンデンサレンズ２１６、及びシリンドリカルレンズ２１８などが挙げられる。

本発明の回折素子の実施例について説明する。図８は、光学的特性が異なる３種類の回折素子の断面形状を示す図である。

図８（Ａ）は、目標回折強度比を０次光回折強度比９５％、＋１次光回折強度比５％、それ以外の次数の回折光強度比を０％として作製した回折素子の例である。入力光を波長４０５ｎｍとし、位相板材料の屈折率を１．５とし、位相板の厚さを０．４ｍｍとした。この結果、１次回折角が０．３°であり、０次光回折強度比が９５．０％、＋１次光回折強度比が５．０％、それ以外の次数の回折光強度比が０％となり、誤差０．１％以内で設計どおりの強度比制御ができた。なお、図８（Ａ）には一周期分の形状が示されており、実線が位相板Ａの形状であり、点線が位相板Ｂの形状である。回折素子の全体としては、当該形状が７７μｍ周期で繰り返し、形成されている。

図８（Ｂ）は、目標回折強度比を０次光回折強度比９０％、−１次光回折強度比２％、−２次光回折強度比８％、それ以外の次数の回折光強度を０％として作製した回折素子の例である。入力光を波長６３０ｎｍとし、位相板材料の屈折率を１．５とし、位相板の厚さを０．４ｍｍとした。この結果、１次回折角が０．３°であり、０次光回折強度比が９０．１％、−１次光回折強度比が２．０％、−２次光回折強度比が７．９％、それ以外の次数の回折光強度比が０％となり、誤差０．１％以内で設計どおりの強度比制御ができた。なお、図８（Ｂ）には一周期分の形状が示されており、実線が位相板Ａの形状であり、点線が位相板Ｂの形状である。回折素子の全体としては、当該形状が１２０μｍ周期で繰り返し、形成されている。

図８（Ｃ）は、目標回折強度比を０次光回折強度比５０％、＋１次光回折強度比２５％、−２次光回折強度比２５％、それ以外の次数の回折光強度を０％として作製した回折素子の例である。入力光を波長７７０ｎｍとし、位相板材料の屈折率を１．５とし、位相板の厚さを０．４ｍｍとした。この結果、１次回折角が０．３°であり、０次光回折強度比が５０．４％、＋１次光回折強度比が２５．４％、−２次光回折強度比が２４．２％、それ以外の次数の回折光強度比が０％となり、誤差０．８％以内で設計どおりの強度比制御ができた。なお、図８（Ｃ）には一周期分の形状が示されており、実線が位相板Ａの形状であり、点線が位相板Ｂの形状である。回折素子の全体としては、当該形状が１４６μｍ周期で繰り返し、形成されている。

本発明により実現される回折素子は、光ピックアップ装置、通信用などのビームスプリッタ装置、ホログラム記録装置、又は干渉計などのレーザ光を用いるあらゆる光学装置に利用することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る回折素子の概略斜視外観図である。 図２は、実施形態に係る回折素子の光学的効果を説明する図である。 図３は、実施形態に係る回折素子の回折原理を説明する図である。 図４は、実施形態に係る回折素子の形状設計方法の概念を説明する図である。 図５は、実施形態に係る回折素子の形状設計方法を説明する図である。 図６は、実施形態に係る回折素子の形状設計方法を説明する図である。 図７は、実施形態に係る回折素子を応用して作製した光ピックアップ装置の概略構成図である。 図８は、光学的特性が異なる３種類の回折素子の断面形状を示す図である。

符号の説明

１００ 回折素子
１０１ 位相板（第１の位相分布生成手段）
１０２ 光伝搬部（光伝搬手段）
１０３ 位相板（第２の位相分布生成手段）
２０２ レーザ光源
２０４ 回折素子
２０６ 偏光ビームスプリッタ
２０８ コリメータレンズ
２１０ １／４波長板
２１２ 対物レンズ
２１４ ピット
２１６ コンデンサレンズ
２１８ シリンドリカルレンズ
２２０ 光電変換デバイス

Claims (9)

1. 入力光に第１の位相分布を生じさせる第１の位相分布生成手段（１０１）と、
   前記第１の位相分布を有する光を一定距離、伝搬させることにより、この伝搬光に所望の振幅分布を生じさせる光伝搬手段（１０２）と、
   前記伝搬光の位相分布を補正して所望の位相分布とする、第２の位相分布生成手段（１０３）と、
   を有する回折素子（１００）。
2. 前記第１の位相分布生成手段（１０１）と前記光伝搬手段（１０２）とにより、下記式（１）で表される前記所望の振幅分布ａ(ｘ)を生じさせ、
   前記第２の位相分布生成手段（１０３）により、前記伝搬光の位相分布を補正して下記式（２）で表される前記所望の位相分布θ(ｘ)とし、
   回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、請求項１に記載する回折素子（１００）。
   ただし、ｘは分布方向における位置であり、ｎは回折次数であって０又は自然数であり、Ａ_ｋは各回折光の強度比の平方根であり、強度比はＡ_ｋ ^２であり、
   Φ＝（２π／λ）×ｓｉｎθ_１ｓｔであり、λは光の波長であり、θ_１ｓｔは１次の回折角であり、
   α_ｋは０次回折光に対する各回折光の位相差であり、α_０＝０であり、マイナスプラスα_ｋは、ｋが正のときには−α_ｋを意味し、ｋが負のときには＋α_ｋを意味する。
3. 前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、平面波が入力された場合、当該平面波に下記式（３）で表される前記第１の位相分布θ_１(ξ)を生じさせる特性を有し、
   前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、平面波が入力された場合、当該平面波に下記式（４）で表される前記第２の位相分布θ_２(ｘ)を生じさせる特性を有し、
   回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、請求項１に記載する回折素子（１００）。
   ただし、ξは分布方向における位置であり、Ｇは前記光伝搬手段における前記一定距離であり、ｘ(ξ)は下記式（５）で示す関数ξ(ｘ)の逆関数である。
   また、ｎ_３は前記回折光が出射する媒体の屈折率であり、θ_１'(ｘ)は下記式（６）で示す前記伝搬光の位相分布である。
   ただし、ｎ_２は前記光伝搬手段の屈折率である。
4. 前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、周期関数である下記式（７）で表される断面形状ｆ_Ａ(ξ)を有する位相板であり、
   前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、周期関数である下記式（８）で表される断面形状ｆ_Ｂ(ｘ)を有する位相板であり、
   回折光における任意の回折次数を任意の強度比に制御する、請求項１に記載する回折素子（１００）。
   ただし、ξは分布方向における位置であり、Ｇは前記光伝搬手段における前記一定距離であり、ｎ_２は前記光伝搬手段の屈折率であり、ｎ_１は前記入力光が伝搬する媒体の屈折率であり、ｘ(ξ)は下記式（９）で示す関数ξ(ｘ)の逆関数である。
   また、ｎ_３は前記回折光が出射する媒体の屈折率であり、θ_１'(ｘ)は下記式（１０）で示す前記伝搬光の位相分布である。
   
5. 前記入力光は、前記第１の位相分布生成手段（１０１）である位相板の表面に平行な平面波である、
   請求項４に記載する回折素子（１００）。
6. 前記回折素子（１００）は、前記第１の位相分布生成手段（１０１）と前記光伝搬手段（１０２）と前記第２の位相分布生成手段（１０３）とを順次、一体的に設けた構造を有し、
   前記第１の位相分布生成手段（１０１）は、前記構造体の一方の面に設けられ、
   前記第２の位相分布生成手段（１０３）は、前記構造体において前記第１の位相分布生成手段（１０１）に対向する他方の面に設けられる、
   請求項１ないし請求項５のいずれかに記載する回折素子（１００）。
7. 更に、前記回折素子（１００）から出力される前記回折光の伝搬方向を制御する光方向制御手段を有する、
   請求項１から６のいずれかに記載する回折素子（１００）。
8. 請求項１から６のいずれかに記載する回折素子（１００）を具備する光ピックアップ装置。
9. 第１の位相分布生成手段（１０１）により、入力光に第１の位相分布を生じさせ、
   光伝搬手段（１０２）により、前記第１の位相分布を有する光を一定距離、伝搬させて、この伝搬光に所望の振幅分布を生じさせ、
   第２の位相分布生成手段（１０３）により、前記伝搬光の位相分布を補正して所望の位相分布とし、
   前記入力光を、任意の回折次数で任意の強度比を有する回折光とする、回折方法。