JP2008216882A - 透過型回折素子、光ピックアップ装置及び透過型回折素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみを選択的に回折する透過型回折素子を迅速に製造する。
【解決手段】単一材料からなる透明基板２を用意し、その透明基板２上に、エッチング加工に基づき、凹部３を周期的にそれぞれ加工し、その各凹部３内に前記光学多層膜を充填する。これにより、エッチング加工において、エッチング最適条件を、単一物質からなる透明基板２にだけ合わせることができるようにして、途中で、エッチング条件を変えることなく、一気に透明基板２に凹部３を周期的に形成できるようにする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、光デバイスに使用される透過型回折素子、その透過型回折素子を利用した光ピックアップ装置及び透過型回折素子の製造方法に関する。

近年、規格の異なる光ディスクであるＣＤ、ＤＶＤ、次世代光ディスクに対する記録、再生等に対処すべく、２波長レーザー或いは３波長レーザーを１パッケージに収めた半導体レーザーが開発されている。これに伴い、回折効率の波長依存性を制御できる回折素子や、回折波長の異なる複数の回折素子を一体化して、一つの回折素子でありながら、複数の波長に対して回折効率と回折方向を制御するものが開発されている。このような回折素子としては、例えば特許文献１に示すように、透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とを交互に配置して、その光学多層膜部の設計により、回折効率の波長依存性を制御するものが提案されている。

ところで、上記回折素子を製造するに際しては、透明基板上に光学多層膜を成膜し、その光学多層膜に対してエッチング加工することにより、その光学多層膜に凹所を周期的にそれぞれ形成（回折格子形成）し、その各凹所内に透明材料を充填することとされる。
特開２００４−３４２２９５号公報

しかし、光学多層膜に対してエッチング加工を行い、その光学多層膜に凹部を周期的にそれぞれ形成する場合には、光学多層膜の各層のエッチング最適条件が異なることから、光学多層膜における各層のエッチング加工毎にその各層の物質にあったエッチング条件に変える必要がある。このため、このような製造方法においては、エッチング加工が煩雑となって、当該回折素子を迅速に製造することが困難とならざるを得ない。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたもので、その第１の技術的課題は、透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設されていて、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子において、その製造を、その構造に基づき迅速に行えるようにすることにある。
第２の技術的課題は、上記透過型回折素子を利用した光ピックアップ装置を提供することにある。
第３の技術的課題は、上記透過型回折素子を製造するための透過型回折素子の製造方法を提供することにある。

前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項１に係る発明）にあっては、
透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設されていて、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子において、
前記透明基板が単一材料からなり、
前記透明基板に凹部が周期的に形成されて、該透明基板における隣り合う各凹部間部分をもって前記各透明材料部が構成され、
前記各光学多層膜部が、前記各凹部内にそれぞれ充填されている構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては、請求項３に記載の通りとなる。

前記第１の技術的課題を達成するために本発明（請求項２に係る発明）にあっては、
複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子において、
前記各透明基板が単一材料からなり、
前記各透明基板に凹部が周期的にそれぞれ形成されて、該各透明基板における隣り合う各凹部間部分をもって該各透明基板における前記各透明材料部が構成され、
前記各透明基板における前記各光学多層膜部が、該各透明基板における各凹部内にそれぞれ充填されている構成としてある。この請求項２の好ましい態様としては、請求項３に記載の通りとなる。

前記第２の技術的課題を達成するために本発明（請求項４に係る発明）にあっては、
少なくとも２種類の異なる波長の光を出射する光源と、該光源からの出射光を記録媒体へ集光させる集光手段と、該記録媒体への出射光の集光に基づき該記録媒体から反射される反射光を検出する光検出手段と、を備える光ピックアップ装置において、
前記光源と前記集光手段との間の光路中に、請求項１〜３のいずれか１項の回折素子が配置されている、
ことを特徴とする光ピックアップ装置

前記第３の技術的課題を達成するために本発明（請求項５に係る発明）にあっては、
透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とが交互に配置されていて、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子の製造方法において、
先ず、前記透明基板として、単一材料からなるものを用意し、
次に、前記透明基板上に、エッチング加工に基づき凹部を周期的に加工して、隣り合う該凹部間部分をもって前記各透明材料部とし、
次に、前記各凹部内に光学多層膜をそれぞれ充填して、前記各光学多層膜部を形成する構成としてある。この請求項５の好ましい態様としては、請求項６，７，９の記載の通りとなる。

前記第３の技術的課題を達成するために本発明（請求項８に係る発明）にあっては、
複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子の製造方法において、
先ず、前記各透明基板として、単一材料からなるものを用意し、
次に、前記各透明基板上に、エッチング加工に基づき凹部を周期的に加工して、該各透明基板における隣り合う該凹部間部分をもって前記各透明基板における前記各透明材料部とし、
次に、前記各透明基板における前記各凹部内に光学多層膜をそれぞれ充填して、前記各透明基板における前記各光学多層膜部を形成し、
その後、前記透明材料部と前記光学多層膜部とを備える前記各透明基板を積層状態をもって接合する構成としてある。この請求項８の好ましい態様としては、請求項９の記載の通りとなる。

請求項１に係る発明によれば、透明基板が単一材料からなり、その透明基板に凹部が周期的に形成されて、その透明基板における隣り合う各凹部間部分をもって各透明材料部が構成され、各光学多層膜部が各凹部内にそれぞれ充填されていることから、その構造に基づき、その単一材料からなる透明基板上に凹部を周期的に加工するに際し、その加工にエッチング加工を用いて、そのエッチング加工において、エッチング最適条件を、単一物質からなる透明基板にだけ合わせることができ、途中で、エッチング条件を変えることなく、一気に透明基板に凹部を周期的に形成できる。これより、透明基板における凹部加工の短縮化を図ることができ、当該透過型回折素子を迅速に製造できる。
また、各透明材料部が透明基板をもって一体的に形成されることになり、別部品である各透明材料部と透明基板とを接合（一体化）する場合に比して、光学性能（透過率、温度特性等）を高めることができる。

請求項２に係る発明によれば、複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子であっても、その構造に基づき、前記請求項１の場合同様、各透明基板における凹部加工の短縮化を図って、当該透過型回折素子を迅速に製造できると共に、光学性能を高めることができる。

請求項３に係る発明によれば、透明基板及び前記光学多層膜部が、無機系材料をもって形成されていることから、屈折率に対する温度依存性を、有機系材料を用いる場合に比して低くすることができ、温度特性に関し、十分な性能を得ることができる。

請求項４に係る発明によれば、光ピックアップ装置において、光源と集光手段との間の光路中に、請求項１〜３のいずれか１項の回折素子が配置されていることから、当該回折素子を利用した光ピックアップ装置を提供でき、その光ピックアップ装置において、当該回折素子の機能を十分に発揮させることができる。

請求項５に係る発明によれば、透明基板として、単一材料からなるものを用意し、次に、透明基板上に、エッチング加工に基づき凹部を周期的に加工し、次に、各凹部内に光学多層膜をそれぞれ充填することから、透明基板に対する凹部加工において、エッチング最適条件を、単一物質からなる透明基板にだけ合わせれば足りることになり、途中、エッチング条件を変えることなく、一気に透明基板に凹部を周期的に形成できる。このため、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子を迅速に製造できる。

請求項６に係る発明によれば、透明基板の両面に回路素子部をそれぞれ備える透過型回折素子を製造する場合であっても、その透明基板の両面に凹所を形成するに際して、エッチングの最適条件を、単一材料からなる透明基板にだけ合わせれば足りることになり、その透明基板の両面に対する周期的な凹所の形成を迅速に行うことができる。このため、このような透明基板の両面に回路素子部をそれぞれ備える透過型回折素子であっても、迅速に製造できる。

請求項７に係る発明によれば、この場合においても、透明基板の両面に凹所を形成するに際して、エッチング最適条件を、単一材料からなる透明基板にだけ合わせれば足りることになり、当該透過型回折素子を迅速に製造できる。

請求項８に係る発明によれば、複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子を製造する場合であっても、各透明基板に凹所を形成するに際して、エッチング最適条件を、単一物質からなるその透明基板にだけ合わせれば足りることになり、各透明基板に対する周期的な凹所の形成を迅速に行うことができる。このため、透明基板における凹部加工の短縮化を図ることができ、このような透過型回折素子においても、その製造を迅速に行うことができる。

請求項９に係る発明によれば、光学多層膜部において、隣り合う層の材料が異なっていても、光学多層膜ではなく透明基板をエッチング加工することから、製造工程の途中において、エッチング条件を変える必要はなくなる。このため、このような光学多層膜を有する透過型回折素子であっても、迅速に製造できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態に係る回折素子１を示す。回折素子１は、一枚の透明基板２を有しており、その透明基板２における一方の面２ａには凹部３が周期的に形成されて回折格子４（規則的な凹凸を有する平板格子）が形成されている。この回折格子４は、隣り合う各凹部３間部分を格子部（透明材料部）４ａとしており、その回折格子４の各凹部３内には光学多層膜（光学多層膜部）５がそれぞれ充填されている。

透明基板２としては、光学ガラス、石英基板、光学プラスチック等を用いることができる。しかし、温度に対する屈折率の安定性・信頼性などから、線膨張係数の小さい光学ガラス、石英基板などの無機材料からなるものが望ましい。

回折格子４のピッチ幅、デューティ（凹部３の幅と格子部４ａの幅の比率）などのパラメータについては、要求される回折格子４の仕様によって決定される。ピッチ幅に関しては±１次光の回折角に影響を与えるので、その要求に合わせて決定される。デューティに関しては、一般的には０．５が用いられ、状況に応じてそれ以外の値が用いられる。回折格子４の高さ（凹部３の深さ）に関しては、光学多層膜５との兼ね合いで決定される。基本的には、回折格子４の最上面（透明基板２における一方の面２ａ）が、充填する光学多層膜５の最上面と一致して表面が平坦になるのが望ましいので、回折格子４の高さは、その最上面と光学多層膜５の最上面とが一致するように調整される。勿論、状況によっては、回折格子４の高さを、その最上面と光学多層膜５の最上面とが一致しないようにしてもよい。

各光学多層膜５は、隣り合う層の材料が異なるようにしつつ積層されている。具体的には、高屈折率材料と低屈折率材料とを周期的に配置したミラー構造を基本としており、低屈折率材料として、ＳｉＯ₂，ＭｇＦ₂，高屈折率材料として、ＴｉＯ₂，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｔａ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃のような無機物材料が主に用いられる。勿論この場合、使用する任意の波長に対しては吸収を持たない材料であることが望ましい。

この光学多層膜５の透過位相制御には、対称三層膜による等価膜の概念が利用されている。図２には、n1,d1とn2,d2の二種類の屈折率および膜厚からなる対称三層膜１０が示されているが、その対称三層膜１０は、等価屈折率Nと等価位相φをもった単層膜（等価膜２０）と同等の振る舞いをすることになり、このとき、等価屈折率Nと等価位相φとには、（数１）、（数２）が成立する。図３は、その対称三層膜１０における等価位相φと等価屈折率Nの波長依存性を示しており、その等価膜２０においては、グラフが不連続になっている領域が存在し、その不連続領域の両側近辺において等価位相φが急激に変化する。

一方、この光学多層膜５は、下記設計条件を満たす必要がある。
１）所定の波長において格子部４ａの透過位相と光学多層膜５の透過位相とが一致すること。
２）所定の他方の波長において格子部４ａの透過位相と光学多層膜５の透過位相との差ができるだけ大きいこと。
３）双方の所定の波長においてできるだけ低反射率であること。
この場合、上記条件に加えて、格子部４ａの高さ（凹部３の深さ）と光学多層膜５の厚さとが一致することを設計条件として満たすようにすることが、より好ましい。

そこで、光学多層膜５の形成に当たり、（数２）を用いて、上記設計条件１）、２）、３）の条件を満たすように対称三層膜１０の設計をし、それを要求する回折強度比が満たされるまで繰り返し積層することとしている。本実施形態に係る光学多層膜５は、このような考え方に基づき、図４に示すように、ＳｉＯ₂とＮｂ₂Ｏ₅の周期層とされている。この場合、この光学多層膜５は、その層数が４１層とされ、そのトータル膜厚は約５μmとされており、これに伴い、回折格子４の高さもそれに応じて約５μmになるように加工されている。尚、このとき用いられる透明基板２、光学多層膜１５Ａ，１５ＢにおけるＳｉＯ₂およびＮｂ₂Ｏ₅の屈折率の値は、ＳｉＯ₂については、６６０ｎｍの光に対して１．４５９、７８５ｎｍの光に対して１．４５５、Ｎｂ₂Ｏ₅については、６６０ｎｍの光に対して２．２８８、７８５ｎｍの光に対して２．２５７である。

このような光学多層膜５を保有する回折素子１は、具体的には、２波長（６６０ｎｍ、７８５ｎｍ）を保有するレーザーに対し、DVD用レーザーである６６０nmの波長の光に関しては、回折素子として光を回折するが、ＣＤ用のレーザーである７８５nmの波長の光に関しては、回折素子として作用せず光を回折しないことになっている。図５には、格子部４ａ（凹部３に隣り合う部分）の透過位相と光学多層膜５（充填部）を構成する対称三層膜の透過位相の波長依存性が示されており、その図５中、(a)は格子部４ａの透過位相、(b)は光学多層膜５を構成する対称三層膜の透過位相の波長依存性を示している。これによれば、７８５nmでは互いに重なり合っている曲線が、反射帯近辺でずれはじめ、６６０nmではわずかにずれている。このわずかなずれを回折強度比が任意の値になるまで積み重ねることによって、所定のある波長(６６０nm：特有の波長)では所定の回折強度比をもって回折し、他方の波長(７８５nm)では回折しない回折素子１となっている。

図６は、本実施形態に係る回折素子１についての０次および±１次光の回折効率の波長依存性を示したグラフで、６００nm〜８００nmまでの波長領域におけるものを示している。この図６において、(a)は±１次光の回折強度、(b)は０次光の回折強度、(c)は０次光と±１次光を足し合わせたトータルの透過率を示しており、この回折素子１によれば、波長６６０nm近辺の光を約５．３％回折すると共に、波長７８５nm近辺の光の約９７．５％を回折せずに透過させる。

本実施形態においては、透明基板２の他方の面に反射防止膜６が施されている。反射防止膜６は、反射損失による透過量の低下を目的とするものであり、その反射防止膜６は、透明基板２の他方の面に限らず、透明基板２の両方の面に付けてもよい。勿論、透明基板２に反射防止膜６を設けなくてもよい。

次に、上記回折素子１の製造方法について、図７〜図１２に基づき説明する。
（１）先ず、光学ガラス等の透明基板２における平坦な一方の面２ａに、凹部３が周期的にそれぞれ形成される。この各凹部３の形成には、リソグラフィ技術における塗布、露光、現像、さらには、エッチングの一つであるドライエッチング（食刻）が用いられる。勿論この場合、エッチングとしてウェットエッチングを用いることもできる。これを具体的に説明すれば下記の通りとなる。

１）透明基板２における一方の面２ａ上に、図７に示すように、レジスト（感光性樹脂）７を塗布し、そのレジスト７上に、周期的なパターンを書き込んだマスク（遮光材）８を、図８に示すように配置する。その上で、それらに対して露光を行ってレジスト７を感光させ、それらを、図９に示すように、現像処理により除去する。これにより、透明基板２上のレジスト７に所望の周期的パターンが形成され、そのスペース部９には透明基板２が露出する。

２）次に、図１０に示すように、現像されたレジストパターンを通じて透明基板２に対してドライエッチング加工（エッチング加工）を行い、レジスト７におけるスペース部９に臨む透明基板２部分を、さらに深く彫込んで凹部３を形成する。このドライエッチング加工においては、透明基板２をセットした真空チャンバ内にエッチング用ガスを導入し、そのガスをプラズマ化することにより発生させたラジカルを透明基板２に反応させて、該当部分を除去（揮発）する反応性エッチング、プラズマ化することにより発生するイオンを透明基板２に衝突させて物理的に該当部分を削るイオンエッチングが、単独的或いは複合的に行われ、エッチング用ガスとしては、ＣＦ４やＣＨＦ３のようなフッ素系ガスが用いられる。この場合、透明基板２が単一材料からなることから、エッチング用ガス等のエッチング条件については、その透明基板２についてのものだけを設定し、それを途中で変える必要はない。これにより、透明基板２が（光学ガラス）以外の他の部材を考慮したエッチング条件が不要となり、迅速に、透明基板２に各凹部３を形成できることになる。

（２）次に、図１１に示すように、透明基板２における一方の面２ａ側全体に対して前述の光学多層膜５の成膜が行われ、その光学ガラスにおける各凹部３内にもその光学多層膜５が充填される。
この場合、光学多層膜５の成膜方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法など、種々の方法を用いることができるが、特に、透明基板２における各凹部３内に充填させる必要があることから、指向性の強いイオンビームスパッタリングや真空蒸着、または高真空で成膜が可能なECRスパッタリングなどを用いることが望ましい。

（３）次に、図１２に示すように、レジスト７及びそのレジスト７上の光学多層膜５が除去される。
これにより、一枚の透明基板２における一方の面２ａに凹部３が周期的に形成されて回折格子４（規則的な凹凸を有する平板格子）が形成され、その透明基板２（回折格子４）の各凹部３内に光学多層膜５が充填されることになり、前記回折素子１が製造されたことになる。

したがって、この実施形態に係る製造方法を用いれば、透明基板２に凹部３（回折格子４）を形成するに際して、単一材料からなる透明基板２（光学ガラス等）に対してだけエッチング加工を行い、エッチング条件を途中で変える必要がなくなることから、エッチング条件を変えなければならないエッチング加工の場合（例えば光学多層膜５をエッチングする場合）に比して、当該回折素子１の製造時間を短縮することができる。
また、回折格子４を形成するに際して、透明基板２として、屈折率が保証された光学ガラス等を用いれば、格子高さ（凹部３の深さ）を的確に制御して各格子部４ａ（凹部３に隣り合う部分）の透過位相の精度高めることができ、光学多層膜５（回折格子４の充填部）における透過位相については、その光学多層膜の各層の膜厚制御により的確に制御できる。これにより、所望の精度の高い回折素子１を確実に製造（量産）できる。

図１３は、第２実施形態に係る回折素子１を示している。この回折素子１は、透明基板（ガラス、石英基板等）２における一方の面２ａ側に第１回折素子部１１Ａが形成され、透明基板２における他方の面２ｂ側に第２回折素子部１１Ｂが形成されている。

第１回折素子部１１Ａは、前記第１実施形態に係る構成がそのまま利用されており、その透明基板２の一方の面２ａには、周期的な凹部１３Ａが形成されて回折格子１４Ａが形成されている。この回折格子１４Ａは、隣り合う各凹部１３Ａ間部分を格子部（透明材料部）１４Ａａとしており、その回折格子１４Ａの各凹部１３Ａ内には光学多層膜（光学多層膜部）１５Ａ（図４に示すもの）がそれぞれ充填されている。この第１回折素子部１１Ａの構成要素１３Ａ，１４Ａ，１５Ａは、前記第１実施形態における回折素子１の構成要素１３，１４，１５と同じものとなっており、これらの説明は、重複するので省略する。尚、本実施形態においては、回折格子１４Ａの最上面（透明基板２の一方の面２ａ）と光学多層膜１５Ａの最上面とは面一にされ、その上に反射防止膜１６Ａが設けられている。

一方、第２回折素子部１１Ｂは、透明基板２の他方の面２ｂに、周期的な凹部１３Ｂが形成されて回折格子１４Ｂが形成されている。この回折格子１４Ｂは、隣り合う各凹部１３Ｂ間部分を格子部（透明材料部）１４Ｂａとしており、その各凹部１３Ｂ内に光学多層膜（光学多層膜部）１５Ｂが充填される構成となっている。この場合、回折格子１４Ｂの最上面（透明基板２の他方の面２ｂ）と光学多層膜１５Ｂの最上面とは面一にされ、その上に反射防止膜１６Ｂが設けられている。

この第２回折素子部１１Ｂおいては、回折格子１４Ｂのピッチ幅、デューティ、格子の高さなどは、第１実施形態の場合同様、要求される回折素子部１１Ｂの仕様によって決定され、各光学多層膜１５Ｂは、第１実施形態と同様、使用する波長に対して吸収をもたない無機材料が主として用いられる。しかし、光学多層膜１５Ｂに関しては、それに基づき、第２回折素子部１１Ｂを、第１回折素子部１１Ａ（光学多層膜１５Ａ）が回折する波長（一の特有波長）とは別の波長（別の特有波長）のみに回折素子して機能させ、第１回折素子部１１Ａが回折する波長に対しては回折素子として機能させないことになっている。このため、光学多層膜１５Ｂは、本実施形態においては、光学多層膜１５Ａと異なった膜構成とすべく、図１４に示すように、ＳｉＯ₂とＮｂ₂Ｏ₅の周期層とされ、その層数が２５層、そのトータル膜厚が約２．９μmとされている。これに伴い、回折格子１４Ｂの高さ（凹部１３Ｂの深さ）も、それに応じて約２．９μmになるように加工されている。

これにより、このような光学多層膜５Ｂを保有する第２回折素子部１１Ｂは、２波長（６６０ｎｍ、７８５ｎｍ）を保有するレーザー光に対し、ＣＤ用レーザーである７８５nmの波長の光に関しては回折素子として光を回折するが、DVD用レーザーである６６０nmの波長の光に関しては回折素子として作用せず光を回折しないことになる。図１５は、回折格子１４Ｂ（凹部１３Ｂに隣り合う部分：以下、格子部）の透過位相と光学多層膜５（充填部）を構成する対称三層膜の透過位相の波長依存性を示しており、その図１５中、(a)は格子部の透過位相、(b)は光学多層膜５を構成する対称三層膜の透過位相の波長依存性を示している。これによれば、６６０nm近辺の波長領域では両者の透過位相の曲線は互いに重なり合っているが、７８５nm近辺の波長領域ではわずかにずれている。

図１６は、第２回折素子部１１Ｂについての０次および±１次光の回折効率の波長依存性を示したグラフで、６００nm〜８００nmまでの波長領域におけるものを示している。この図１６において、(a)は±１次光の回折強度、(b)は０次光の回折強度、(c)は０次光と±１次光を足し合わせたトータルの透過率を示しており、この回折素子１によれば、波長７８５nm近辺の光を約５％回折すると共に、波長６６０nm近辺の光の約９９％を回折せずに透過させる。尚、このとき用いられる透明基板２、光学多層膜１５Ａ，１５ＢにおけるＳｉＯ₂およびＮｂ₂Ｏ₅の屈折率の値については、第１実施形態の場合と同様である。

図１７は、第２実施形態に係る回折素子１全体についての０次および±１次光の回折効率の波長依存性を示したグラフで、５００nm〜９００nmまでの波長領域におけるものを示している。この図１７において、(a)は±１次光の回折強度を示し、(b)は０次光の透過率、(c)は０次光と±１次光を足し合わせたトータルの透過率を示しており、これによれば、波長６６０nm近辺の光を約５．０％回折すると共に波長７８５nm近辺の光を約５．９％回折する。またそれぞれの波長における０次および±１次光の回折強度の和である透過率はいずれも８９％以上である。

このような第２実施形態に係る回折素子１を製造するに際しては、各回折素子部１１Ａ，１１Ｂは、前記第１実施形態と同様の方法により形成されるが、この場合、透明基板２の両面２ａ，２ｂにドライエッチング加工により周期的な凹部１３Ａ，１３Ｂを形成した後に、その両面２ａ，２ｂにおける各凹部に光学多層膜１５Ａ，１５Ｂを充填してもよいし、回折素子部１１Ａ，１１Ｂの一方を形成（凹部１３Ａ又は１３Ｂの形成、光学多層膜１５Ａ又は１５Ｂの充填）した後、回折素子部１１Ａ，１１Ｂの他方を形成するようにしてもよい。

図１８は第３実施形態に係る回折素子１を示している。この回折素子１は、２つの透明基板（光学ガラス、石英基板等）２２Ａと２２Ｂとを接着剤層２７を介して接合した構成とされ、その各透明基板２２Ａ，２２Ｂには、その厚み方向の一方側において、回折素子部２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ形成されている。

透明基板２２Ａにおける回折素子部（第１回折素子部）２１Ａには、前記第２実施形態に係る第１回折素子部１１Ａがそのまま利用されている。すなわち、透明基板２２Ａの一方の面２２ａには、周期的な凹部２３Ａが形成されて回折格子２４Ａが形成されている。この回折格子２４Ａは、隣り合う各凹部２３Ａ間部分を格子部（透明材料部）２４Ａａとしており、その各凹部２３Ａ内に光学多層膜２５Ａ（図４に示すもの）が充填されている。この場合、回折格子２４Ａの最上面（透明基板２２Ａの一方の面２２ａ）と光学多層膜２５Ａの最上面とは面一にされている。この回折素子部２１Ａの構成要素２３Ａ，２４Ａ，２５Ａは、前記第２実施形態における第１回折素子部１１Ａの構成要素１３Ａ，１４Ａ，１５Ａと同一のものが用いられており、これらの説明については、重複するので省略する。

透明基板２２Ｂにおける回折素子部（第２回折素子部）２１Ｂには、前記第２実施形態に係る第２回折素子部１１Ｂがそのまま利用されている。すなわち、透明基板２２Ｂの一方の面２２ｂには、周期的な凹部２３Ｂが形成されて回折格子２４Ｂが形成されている。この回折格子２４Ｂは、隣り合う各凹部２３Ｂ間部分を格子部（透明材料部）２４Ｂａとしており、その各凹部２３Ｂ内に光学多層膜２５Ｂ（図１４に示すもの）が充填されている。この場合、回折格子２４Ｂの最上面（透明基板２２Ｂの一方の面２２ｂ）と光学多層膜２５Ｂの最上面とは面一にされている。この回折素子部２１Ｂの構成要素２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂは、前記第２実施形態における第２回折素子部１１Ｂの構成要素１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂと同じものが用いられており、これらの説明についても、重複するので省略する。

接着剤層２７は、２つの透明基板２２Ａ，２２Ｂを、その回折素子部２１Ａ，２１Ｂが対面するようにして接合している。この接着剤層２７を形成する接着剤には、透明で、使用する任意の波長に対して吸収性を持たず、且つ透明基板２２Ａ，２２Ｂの屈折率とそれほど大きな差がないものを用いるのが望ましい。この場合、接着剤として有機性接着剤を用いる場合には、温度に対する屈折率の変動等が問題になるが、回折素子部２１Ａ，２１Ｂ（回折格子２４Ａ，２４Ｂの最上面及び光学多層膜２５Ａ，２５Ｂの最上面）が平坦（面一）とされていることから、仮に有機性接着剤を接着剤層２７に用いても、その影響は受けない。

また、本実施形態においては、透明基板２２Ａの他方の面２２ｂ上に反射防止膜２６Ａが設けられ、透明基板２２Ｂの他方の面２２ｂ上に反射防止膜２６Ｂが設けられている。これは、図１８に示すように、回折素子部２１Ａ，２１Ｂ同士が互いに対面している場合において、仮に上記のように反射防止膜２６Ａ，２６Ｂを設けないときには、その回折素子部２１Ａ，２１Ｂとは反対側の面（透明基板２２Ａ、２２Ｂの他方の面２２ｂ）が大気と接して、その面２２ｂと大気との屈折率差が大きくなるからである。
但し、透明基板２２Ａ、２２Ｂを、その回折素子部２１Ａ，２１Ｂが同方向に向くように積層した場合には、接着剤と接する面に関しては、接着剤の屈折率が透明基板２２Ａ、２２Ｂの屈折率に十分近い場合等には、反射防止膜を設ける必要はない。

図１９は、この第３実施形態に係る回折素子１（図１８参照）についての０次および±１次光の回折効率の波長依存性を示したグラフで、６００nm〜８００nmまでの波長領域におけるものを示している。この図１９において、(a)は±１次光の回折強度、(b)は０次光の回折強度、(c)は０次光と±１次光を足し合わせたトータルの透過率を示しており、この回折素子１によれば、波長６６０nm近辺の光を約４．５％回折すると共に、波長７８５nm近辺の光の約６％を回折する。また、それぞれの波長における０次および±１次光の回折強度の和である透過率は、いずれも８９％以上である。

この第３実施形態に係る回折素子１を製造するに際しては、透明基板２２Ａにおいて回折素子部２１Ａを形成すること、透明基板２２Ｂにおいて回折素子部２１Ｂを形成することを、前記第１実施形態に係る回折素子１の製造方法と同様の方法によりそれぞれ行い、その後、その両透明基板２２Ａ，２２Ｂを接着剤層２７をもって積層状態に接合する。この第３実施形態に係る回折素子１を製造においても、各透明基板２２Ａ（２２Ｂ）に各回折素子部２１Ａ（２１Ｂ）を形成するに際して、その単一材料からなる各透明基板２２Ａ（２２Ｂ）に対してエッチング加工を行って凹部２３Ａ（２３Ｂ）を形成することから、その製造の迅速化を図ることができる。特に、本実施形態においては、１つの回折素子を形成するに際して、凹部を、２枚の透明基板２２Ａ（２２Ｂ）にそれぞれ形成しなければならないことから、その迅速化の効果は大きい。

上記各実施形態に係る回折素子１は、図２０に示すように、光ピックアップ装置３０に搭載される。光ピックアップ装置３０は、回折素子１の他に、光記録媒体３１（ＤＶＤ３１ａ、ＣＤ３１ｂ）に対してＤＶＤ用波長λ１及びＣＤ用波長λ２のレーザーを出射するレーザー出射装置３２（レーザーダイオード）と、レーザー出射装置３２と光記録媒体３１との間の光路中に配置される集光手段としてのコリメートレンズ３４及び対物レンズ３５と、コリメートレンズ３４と対物レンズ３５との間に配置されて光路を制御するビームスプリッタ３６と、記録媒体３１により反射された光を対物レンズ３５，ビームスプリッタ３６，集光レンズ３７を経て受け取りその光の強度を検知するフォトセンサ３８と、を備えており、この光ピックアップ装置３０においては、回折素子１は、一般に、ビームスプリッタ３３とレーザー出射装置３２との間に配置される。

この光ピックアップ装置３０においては、回折素子１として、例えば第２実施形態に係るものが用いられる場合（図１３参照）には、第１回折素子部１１Ａでは、ＤＶＤ用波長λ１の光が回折される一方、ＣＤ用波長λ２の光がほぼ１００％透過される。一方、第２回折素子部１１Ｂでは、ＣＤ用波長λ２の光が回折される一方、ＤＶＤ用波長λ１の光がほぼ１００％透過される。これにより、回折素子１（第１回折素子部１１Ａ、回折素子部１１Ｂ）は、レーザー出射装置３２からのレーザーを、各特有の波長λ１（λ２）に関し、まっすぐに進む０次光と、＋１次の回折光と、−１次光の回折光とからなる３つのビーム分割する。このレーザー出射装置３２からの各波長λ１（λ２）の３つのビームは、コリメートレンズ３４，ビームスプリッタ３６，対物レンズ３５を経て記録媒体３１に集光され、この後、ＤＶＤ３１ａ又はＣＤ３１ｂにて反射された光は、対物レンズ３５，ビームスプリッタ３６，集光レンズ３７を経てフォトセンサ３８に集光され、その光の強度はフォトセンサ３８により検知される。この場合、０次光は情報の読み取り用として、また、±１次光はトラッキングエラー検出用として使用される。

実施例１
本実施例は、第１実施形態に係る回折素子１（図１参照）の具体例である。BK7製の透明基板２の表面上にフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて矩形状の回折格子４を形成させた。レジスト７はネガ型のものを用い、エッチングされる深さを約5μmになるようにエッチング条件を調整した。
次に真空蒸着法(電子ビーム蒸着法)により基板の裏面に反射防止膜６を施し、その後、同じく真空蒸着法により二酸化珪素(SiO2)と酸化ニオブ(Nb2O5)からなる光学多層膜５を成膜した。この際の膜設計に関しては図４に準拠したものを採用した。
次に(硫酸・過酸化水素・水)混合液を用いてレジスト７ごと多層膜のリフトオフを行った。
上記のような工程で作成した回折素子を、６６０nmにおける回折光を調べたところ、透過率８９％、１次回折強度４．６％という良好な結果が得られた。

実施例２
本実施例は、第１実施形態に係る回折素子１（図１参照）のもう一つの具体例である。BK7製の透明基板２の表面上にフォトリソグラフィとドライエッチング技術を用いて矩形状の回折格子４を形成させる。レジスト７はネガ型のものを用い、エッチングされる深さを約２．９μmになるようにエッチング条件を調整する。
次に真空蒸着法(電子ビーム蒸着法)により基板の裏面に反射防止膜６を施し、その後、同じく真空蒸着法により二酸化珪素(SiO2)と酸化ニオブ(Nb2O5)からなる光学多層膜５を成膜する。この際の膜設計に関しては、図１４に準拠したものを採用した。
次に(硫酸・過酸化水素・水)混合液を用いてレジスト７ごと多層膜のリフトオフを行った。
上記のような工程で作成した回折素子１を、７８５nmにおける回折光は透過率８８．５％、１次回折効率５．７％となった。

実施例３
本実施例は、第３実施形態に係る回折素子１（図１８参照）の具体例である。実施例１および実施例２に基づいて製作した二つの回折素子１を互いに対向するように配置し、接着剤を用いて接着する。この際、接着剤としては屈折率１．５０のものを用いる。
上記のような工程で作成した回折素子１を、６６０nmにおける回折光は透過率８８％、１次回折強度４．６％となった。また、７８５nmにおける回折光は透過率８８．５％、１次回折効率５．７％となった。

以上実施形態について説明したが本発明にあっては、回折素子１により制御すべき特有の波長として、ＣＤ用波長（７８０ｎｍ帯）、ＤＶＤ用波長（６６０ｎｍ帯）だけでなく、次世代ＤＶＤ用波長（４０５ｎｍ帯）を適宜、用いることができる。

尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或いは利点として記載されたものに対応したものを提供することをも含むものである。

第１実施形態に係る回折素子を示す断面図。 対称三層膜による等価膜の概念を説明する図。 対称三層膜による等価膜における等価位相/等価屈折率の波長依存性を示す図。 第１実施形態において用いられる光学多層膜を説明する説明図。 第１実施形態に係る回折素子における透過位相の波長依存性を示す図。 第１実施形態に係る回折素子における回折効率の波長依存性を示す図。 第１実施形態に係る回折素子の制作工程を説明する説明図。 図７に続く工程を説明する説明図。 図８に続く工程を説明する説明図。 図９に続く工程を説明する説明図。 図１０に続く工程を説明する説明図。 図１１に続く工程を説明する説明図。 第２実施形態に係る回折素子を示す断面図。 第２実施形態において用いられる光学多層膜を説明する説明図。 第２実施形態に係る回折素子における透過位相の波長依存性を示す図。 第２実施形態に係る第２回折素子部における回折効率の波長依存性を示す図。 第２実施形態に係る回折素子全体における回折効率の波長依存性を示す図。 第３実施形態に係る回折素子を示す断面図。 第３実施形態に係る回折素子における回折効率の波長依存性を示す図。 回折素子が搭載された光ピックアップ装置を説明する説明図。

符号の説明

１ 回折素子
２，２２Ａ，２２Ｂ 透明基板
２ａ，２２ａ 一方の面
２ｂ，２２ｂ 他方の面
３，１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ 凹部
４ 回折格子
４ａ 格子部（透明材料部）
５，１５Ａ，１５Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ 光学多層膜
１１Ａ，２１Ａ 第１回折素子部
１１Ｂ，２１Ｂ 第２回折素子部
１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ 回折格子
１４Ａａ，１４Ｂａ，２４Ａａ，２４Ｂａ 格子部（透明材料部）
３０ 光ピックアップ装置
３１ コリメートレンズ（集光手段）
３２ レーザー出射装置（光源）
３５ 対物レンズ（集光手段）
３８ フォトセンサ（光検出手段）

Claims (9)

1. 透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設されていて、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子において、
   前記透明基板が単一材料からなり、
   前記透明基板に凹部が周期的に形成されて、該透明基板における隣り合う各凹部間部分をもって前記各透明材料部が構成され、
   前記各光学多層膜部が、前記各凹部内にそれぞれ充填されている、
   ことを特徴とする透過型回折素子。
2. 複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子において、
   前記各透明基板が単一材料からなり、
   前記各透明基板に凹部が周期的にそれぞれ形成されて、該各透明基板における隣り合う各凹部間部分をもって該各透明基板における前記各透明材料部が構成され、
   前記各透明基板における前記各光学多層膜部が、該各透明基板における各凹部内にそれぞれ充填されている、
   ことを特徴とする透過型回折素子。
3. 請求項１又は２において、
   前記透明基板及び前記光学多層膜部が、無機系材料をもって形成されている、
   ことを特徴とする透過型回折素子。
4. 少なくとも２種類の異なる波長の光を出射する光源と、該光源からの出射光を記録媒体へ集光させる集光手段と、該記録媒体への出射光の集光に基づき該記録媒体から反射される反射光を検出する光検出手段と、を備える光ピックアップ装置において、
   前記光源と前記集光手段との間の光路中に、請求項１〜３のいずれか１項の回折素子が配置されている、
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。
5. 透明基板上に透明材料部と光学多層膜部とが交互に配置されていて、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子の製造方法において、
   先ず、前記透明基板として、単一材料からなるものを用意し、
   次に、前記透明基板上に、エッチング加工に基づき凹部を周期的に加工して、隣り合う該凹部間部分をもって前記各透明材料部とし、
   次に、前記各凹部内に光学多層膜をそれぞれ充填して、前記各光学多層膜部を形成する、
   ことを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記透明基板における一方の面に対して凹部を周期的にそれぞれ形成すると共に、該透明基板における他方の面に対して凹部を周期的にそれぞれ形成し、
   次に、前記一方の面における各凹部に対して光学多層膜をそれぞれ充填して、該一方の面側に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、一の特有波長の光のみを回折する第１回折素子部を形成すると共に、前記他方の面における各凹部に対して光学多層膜をそれぞれ充填して、該他方の面側に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、前記一の特有波長とは異なる別の特有波長の光のみを回折する第２回折素子部を形成する、
   ことを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
7. 請求項５において、
   前記透明基板における一方の面に対して凹部を周期的にそれぞれ形成すると共に、該一方の面における各凹部に対して光学多層膜をそれぞれ充填して、該一方の面側に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、一の特有波長の光のみを回折する第１回折素子部を形成し、
   次に、前記透明基板における他方の面に対して凹部を周期的にそれぞれ形成すると共に、該他方の面における各凹部に対して光学多層膜をそれぞれ充填して、該他方の面側に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、前記一の特有波長とは異なる別の特有波長の光のみを回折する第２回折素子部を形成する、
   ことを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
8. 複数の透明基板が積層され、該各透明基板に透明材料部と光学多層膜部とが交互に並設された状態で設けられ、該各透明基板毎に、波長の異なる複数種類の入射光のうち、特有の波長の光のみが選択的に回折される透過型回折素子の製造方法において、
   先ず、前記各透明基板として、単一材料からなるものを用意し、
   次に、前記各透明基板上に、エッチング加工に基づき凹部を周期的に加工して、該各透明基板における隣り合う該凹部間部分をもって前記各透明基板における前記各透明材料部とし、
   次に、前記各透明基板における前記各凹部内に光学多層膜をそれぞれ充填して、前記各透明基板における前記各光学多層膜部を形成し、
   その後、前記透明材料部と前記光学多層膜部とを備える前記各透明基板を積層状態をもって接合する、
   ことを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
9. 請求項５又は８において、
   前記光学多層膜部が、隣り合う層の材料が異なるように設定されている、
   ことを特徴とする透過型回折素子の製造方法。
   
   
   

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