JP4209154B2 - 回折光学素子 - Google Patents
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Description
【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前記段部を5段備える幅狭部と、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1段少なくし、上記幅狭部の階段格子の最上段の回折面部は、高さが上記幅広部の階段格子の最上段から1段低い回折面部の高さよりも低く、かつ上記幅広部の階段格子の最上段よりも2段低い回折面部の高さよりも高く、上記幅狭部の階段格子の最上段の立上がり面部は、長さが上記幅広部の階段格子の最上段の立上り面部の長さ及び上記幅広部の階段格子の最上段よりも1段低い立上り面部の長さよりも小さいことを特徴として構成されている。
【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
Claims (2)
- 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前記段部を5段備える幅狭部と、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1段少なくし、上記幅狭部の階段格子の最上段の回折面部は、高さが上記幅広部の階段格子の最上段から1段低い回折面部の高さよりも低く、かつ上記幅広部の階段格子の最上段よりも2段低い回折面部の高さよりも高く、上記幅狭部の階段格子の最上段の立上がり面部は、長さが上記幅広部の階段格子の最上段の立上り面部の長さ及び上記幅広部の階段格子の最上段よりも1段低い立上り面部の長さよりも小さいことを特徴とする回折光学素子。 - 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記載の回折光学素子。
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