WO2011001459A1 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

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WO2011001459A1
WO2011001459A1 PCT/JP2009/002983 JP2009002983W WO2011001459A1 WO 2011001459 A1 WO2011001459 A1 WO 2011001459A1 JP 2009002983 W JP2009002983 W JP 2009002983W WO 2011001459 A1 WO2011001459 A1 WO 2011001459A1
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light
region
belt
wavelength
optical element
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藤村佳代子
岡田真
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ナルックス株式会社
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    • G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1353—Diffractive elements, e.g. holograms or gratings

Definitions

  • the present invention relates to an optical element that does not generate diffraction for light in a first polarization state and generates diffraction for light in a second polarization state, and a method for manufacturing the same.
  • an optical element has been developed that is configured to diffract one of light having different wavelengths, such as light having a wavelength for CD and light having a wavelength for DVD, and not to diffract the other.
  • Patent Document 1 discloses an optical element using an optically isotropic material and an optically anisotropic material.
  • Patent Document 1 discloses an optical element using an optically isotropic material and an optically anisotropic material.
  • such an optical element has a problem that the material cost of the optically anisotropic substance is high and a substrate for holding both sides of the diffractive structure is required.
  • Patent Document 2 discloses an optical element that uses a sub-wavelength grating, which is a grating having a period equal to or shorter than a wavelength to be used.
  • An optical element using such a subwavelength grating can be manufactured using, for example, plastic, and thus has an advantage of low material cost. Furthermore, by adjusting the shape of the sub-wavelength grating, the characteristics including the effective refractive index of the sub-wavelength grating region can be freely set.
  • an optical element using a sub-wavelength grating that does not generate diffraction with respect to light in the first polarization state and generates diffraction with respect to light in the second polarization state.
  • optical elements that are relatively small in ratio and easy to manufacture.
  • An optical element includes a first belt-like region in which lattice convex portions are arranged at a first cycle and a second belt-like region in which no lattice convex portions are provided on a substrate in a first direction at a second cycle. It is arranged.
  • the first period has such a magnitude that the used light cannot cause diffraction
  • the second period has such a magnitude that the used light can cause diffraction.
  • a film having a refractive index higher than the refractive index of the material of the grating convex portion is provided on the first belt-shaped region and the second belt-shaped region, and the light in the first polarization state passing through the substrate surface,
  • the phase difference between the light passing through the first belt-like region and the light passing through the second belt-like region becomes zero and does not cause diffraction
  • the second polarization state light passing through the substrate surface is the second polarization state.
  • the height of the grating protrusions of the first period and the first band region is such that the phase difference between the light passing through the first band region and the light passing through the second band region causes diffraction.
  • Duty ratio which is the ratio of the grid projections to the space, the height of the grid projections, the refractive index of the material of the grid projections, the refractive index of the film, and the grid projections of the first strip region.
  • the film having a refractive index higher than the refractive index of the material of the lattice convex portions is provided on the first belt-like region provided with the lattice convex portions and the second belt-like region not provided with the lattice convex portions.
  • a first belt-shaped region in which lattice convex portions are arranged at a first period and a second belt-shaped region in which no lattice convex portions are provided are arranged on the substrate in the first direction.
  • the first period has such a magnitude that the used light cannot cause diffraction
  • the second period has such a magnitude that the used light can cause diffraction.
  • a material of a film having a refractive index higher than the refractive index of the material of the grating convex portions on the first belt-shaped region and the second belt-shaped region is distinguished from the first belt-shaped region and the second belt-shaped region. Apply without any.
  • the phase difference between the light that passes through the first belt-like region and the light that passes through the second belt-like region becomes zero, and diffraction does not occur.
  • the first polarization state of the light passing through the surface and the phase difference between the light passing through the first belt-like region and the light passing through the second belt-like region causes diffraction.
  • Period, duty ratio which is the ratio of the grid convex portion to the space of the height of the grid convex portion in the first band-shaped region, the height of the grid convex portion, and the refractive index of the material of the grid convex portion
  • the refractive index of the film and the method of applying the film are defined.
  • the refractive index higher than the refractive index of the material of the lattice convex portions is provided on the first belt-shaped region provided with the lattice convex portions and the second belt-shaped region not provided with the lattice convex portions.
  • the wavelength of the light in the first polarization state is different from the wavelength of the light in the second polarization state.
  • an optical element that diffracts only one of two wavelengths of light can be obtained.
  • the wavelength of the light in the first polarization state and the wavelength of the light in the second polarization state are the same.
  • an optical element that diffracts only one of light of one wavelength in two polarization states can be obtained.
  • the material of the lattice projections is plastic, and the material of the film is a metal oxide.
  • an inexpensive optical element that does not use an expensive material such as an optically anisotropic material can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface when the thickness of the optical element of the present embodiment is different from the lattice height. It is a flowchart which shows the design method of the optical element of this embodiment. For example, it is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface of a conventional optical element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-257771.
  • 6 is a perspective view of an optical element according to Example 2.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface when the thickness of the optical element
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical element 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of grid protrusions 103 extending in the Y direction are arranged in the X direction in the first direction in a first band-like region (referred to as the first region in the figure) on the substrate 101.
  • the first period is so small that the light passing through the first band-like region cannot cause diffraction.
  • a second belt-like region (described as the second region in the drawing) in which no grid convex portions are arranged is arranged adjacent to the first belt-like region.
  • the first belt-like region and the second belt-like region are repeatedly arranged in the X direction at the second period.
  • the first belt-like region functions as a lattice convex portion
  • the second belt-like region functions as a lattice concave portion.
  • the second period is so large that the light passing through the first band region and the second band region can cause diffraction.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical element shown in FIG. 1 in the X direction perpendicular to the substrate surface.
  • a plurality of grid protrusions 103 are arranged on the substrate 101 in the X direction at the first period.
  • the lattice convex portions are not arranged.
  • a film 105, a film 107, and a film 109 are provided on the lattice convex portion 103 of the first belt-shaped region, the substrate 101 of the lattice concave portion of the first belt-shaped region, and the substrate 101 of the second belt-shaped region, respectively.
  • the thickness of the film is made equal to the height 103 of the lattice convex portion in order to simplify the following description. Actually, as shown in FIG. 3, the thickness of the film may be different from the height of the grating protrusion 103.
  • the space between the substrate surface and the surface at the lattice height parallel to the substrate surface is referred to as L1.
  • L1 the lattice convex portion 103 and the film 107 are present at a predetermined ratio.
  • a space between a plane parallel to the substrate surface and at a lattice height and a plane parallel to the substrate surface and at a height position of the film 105 on the lattice projection 103 is referred to as U1.
  • the film 105 on the lattice convex portion 103 and the surrounding medium are present at a predetermined ratio.
  • the surrounding medium is air.
  • L2 the space between the substrate surface and the surface at the lattice height parallel to the substrate surface.
  • a film 109 exists in L2.
  • U2 the space between the plane at the lattice height parallel to the substrate surface and the plane at the height of the film 105 on the lattice protrusion 103 parallel to the substrate surface.
  • the height of the film 105 on the lattice convex portion 103 is also equal to the height of the lattice convex portion 103. Let this height be h. Therefore, the thicknesses (heights) of L1, U1, L2, and U2 are all h.
  • n L1 , n U1 , n L2 and n U2 of L1 , U1 , L2 and U2 will be considered. Since only the film 109 exists in L2 , nL2 is the refractive index of the film. Since only air exists in U2 , nU2 is the refractive index of air.
  • the effective refractive index of a region in which two types of media are arranged in a lattice pattern with a period equal to or shorter than the wavelength is expressed by n1 and n2, and n2 with respect to the volume of the entire region.
  • f volume ratio (duty ratio) occupied by
  • the refractive index n L1 of L1 is any value between the refractive index of the grating convex 103 and the refractive index of the film 107
  • the refractive index n U1 of U1 is Any value between the refractive index and the refractive index of air.
  • the optical path length of the light passing through U1 and L1 is the same as the optical path length of the light passing through U2 and L2, so the first Diffraction is not caused by the grating formed by the strip region and the second strip region.
  • n U1 + n L1 n U2 + n L2 (7)
  • the material of the film and the grating convex portion is selected so that the refractive index of the film is higher than the refractive index of the grating convex portion 103. Then, the following relationship is established. n U1 > n U2 (8) n L1 ⁇ n L2 (9)
  • the refractive index of the upper layer U1 of the first band region is larger than the refractive index of the upper layer U2 of the second band region, and the refractive index of the lower layer UL1 of the first band region is the second band shape. It is smaller than the refractive index of the lower layer UL2 of the region. Therefore, Expression (7) can be easily realized by appropriately selecting the material of the film and the lattice convex portion and adjusting the duty ratio of the first band-shaped region.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for designing the optical element of the present embodiment.
  • step S010 in FIG. 4 a second cycle is determined.
  • the second period is determined from the following equation so that the light in the second polarization state has a desired diffraction angle.
  • n 'sin ⁇ '-n sin ⁇ N ⁇ / ⁇ (10)
  • n Refractive index of the incident side medium (refractive index of air)
  • n ' refractive index of the output side medium (refractive index of air)
  • ⁇ incident angle
  • ⁇ ′ diffraction angle
  • N diffraction order
  • ⁇ wavelength of incident light
  • ⁇ period of diffraction grating (second period)
  • step S020 in FIG. 4 the upper limit of the first cycle is determined.
  • the upper limit of the first period is determined to be less than 1/20 of the second period.
  • the first period, the duty ratio, the height of the grating convex portions, and the film thickness are adjusted so that the expression (7) is satisfied for the light in the first polarization state in step S030 in FIG.
  • the lattice convex portions of the first belt-like region, the lattice concave portions of the first belt-like region, and the second In the case where a difference occurs in the film thickness of the belt-shaped region, the relationship between the coating amount of the film material and the film thickness of each part is measured in advance, and the design can be performed using the relationship. By designing in this way, for example, a complicated manufacturing process such as adjusting the coating amount of the film material so as to equalize the film thickness of each portion is not necessary.
  • Step S040 of FIG. 4 whether Expression (7) is satisfied, that is, whether the phase difference (optical path length difference) of the light passing through the first belt-like region and the second belt-like region is a predetermined value or less. Judgment is made. If the expression (7) is satisfied, the process ends. If expression (7) is not satisfied, the process returns to step S040.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view in the X direction perpendicular to the substrate surface of a conventional optical element disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2008-257771.
  • the X direction is a direction perpendicular to the direction in which the lattice convex portions extend on the substrate surface.
  • a plurality of lattice convex portions 103 are arranged on the substrate 101 in the X direction with a predetermined period.
  • the predetermined period is such a magnitude that the used light cannot be diffracted by the grating.
  • the lattice convex portions are not arranged.
  • the optical path length dg when light passes through the grating region in the direction perpendicular to the substrate surface can be expressed by the following equation.
  • dg hg ⁇ ng (11)
  • hg is the grating height
  • ng is the effective refractive index of the grating region obtained from the equation (3) or the equation (4).
  • na the refractive index of air
  • ⁇ the wavelength of light used
  • m an arbitrary integer.
  • the grating height needs to take a value equal to or larger than the reciprocal of the difference between the refractive index of the grating convex portion and the refractive index of air.
  • the aspect ratio which is the ratio of the grating height to the grating period, becomes large, and it becomes difficult to manufacture the sub-wavelength grating.
  • Example 1 The first embodiment has the configuration shown in FIG. 1, and the direction in which the lattice protrusions 103 are arranged is the X direction, which is the same as the direction in which the first and second belt-like regions are arranged. .
  • the present embodiment has an X-direction cross section shown in FIG. In other words, the thickness of the film is equal to the height of the grid protrusion 103.
  • Table 1 is a table
  • the unit of length is micrometer.
  • the number on the left side of the refractive index column indicates the refractive index of light having a wavelength of 660 nanometers, and the number on the right side indicates the refractive index of light having a wavelength of 785 nanometers. In the present embodiment, the above-described two-wavelength light is used.
  • the optical element of this example is manufactured by the following method.
  • the lattice projection is formed by injection molding a polyolefin-based resin, and an evaporation material made of thallium oxide (Ta 3 O 5 ) is deposited thereon by an evaporation method or a sputtering method.
  • Table 2 is a table showing the refractive indices and layer thicknesses of L1, U1, L2, and U2 of light having a wavelength of 785 nanometers.
  • light having a wavelength of 785 nanometers enters the optical element 100 as TM polarized light.
  • TM polarized light it is assumed that the TM-polarized surface is perpendicular to the substrate surface and is in the X direction, and the TE-polarized surface is perpendicular to the substrate surface and is in the Y direction.
  • the optical path length difference is 0.0033 micrometers.
  • the phase difference is 0.026 radians (1.50 degrees), which is almost zero, and the optical element of this example allows light of 785 nanometer wavelength (TM polarized light) to pass through without being diffracted.
  • Table 3 is a table showing the refractive indexes and layer thicknesses of L1, U1, L2, and U2 of light having a wavelength of 660 nanometers.
  • light having a wavelength of 660 nanometers enters the optical element 100 as TE polarized light.
  • the optical path length difference is 0.069 micrometers.
  • the phase difference is 0.657 radians (37.6 degrees), and the optical element of this embodiment diffracts light having a wavelength of 660 nanometers (TE polarized light).
  • Table 4 is a table
  • “Ratio” indicates the ratio of the first-order diffracted light amount to the zero-order diffracted light amount.
  • the other numerical values indicate the ratio of the amount of diffracted light to the amount of incident light.
  • “Total” indicates the total of the 0th-order diffracted light amount, the 1st-order diffracted light amount, and the ⁇ 1st-order diffracted light amount.
  • the “ratio” is set to the above numerical value based on the required specification. First-order diffracted light and ⁇ 1st-order diffracted light hardly occur with respect to light having a wavelength of 785 nanometers (TM polarized light).
  • the optical element of the present embodiment does not diffract the light in the first polarization state (light having a wavelength of 785 nanometers (TM polarization)), and the light in the second polarization state (light having a wavelength of 660 nanometers). (TE polarized light)) is diffracted.
  • FIG. 6 is a perspective view of the optical element according to the second embodiment.
  • the direction in which the lattice protrusions 103 are arranged is the Y direction, and is orthogonal to the direction in which the first and second belt regions are arranged (X direction). To do.
  • the cross section in the Y direction of the first belt-like region of this embodiment is the same as the cross section of the first belt-like region of FIG.
  • the arrangement direction of the lattice projections 103 coincides with the arrangement direction of the first belt-like region and the second belt-like region.
  • the arrangement direction of the lattice projections 103 is orthogonal to the arrangement directions of the first belt-like region and the second belt-like region.
  • the thickness of the film is equal to the height of the lattice projection 103.
  • Table 5 is a table
  • the unit of length is micrometer.
  • the number on the left side of the refractive index column indicates the refractive index of light having a wavelength of 660 nanometers, and the number on the right side indicates the refractive index of light having a wavelength of 785 nanometers.
  • the above-described two-wavelength light is used.
  • the optical element of this example is manufactured by the following method.
  • the lattice projection is formed by injection molding a polyolefin-based resin, and an evaporation material made of thallium oxide (Ta 3 O 5 ) is deposited thereon by an evaporation method or a sputtering method.
  • Table 6 is a table showing the refractive indexes and layer thicknesses of L1, U1, L2, and U2 of light having a wavelength of 660 nanometers.
  • light having a wavelength of 660 nanometers enters the optical element 100 as TE polarized light.
  • TE polarized light it is assumed that the TM-polarized surface is perpendicular to the substrate surface and is in the X direction, and the TE-polarized surface is perpendicular to the substrate surface and is in the Y direction.
  • the optical path length difference is almost zero, and the optical element of this embodiment allows light having a wavelength of 660 nanometers (TE polarized light) to pass through without being diffracted.
  • Table 7 is a table showing the refractive index and layer thickness of L1, U1, L2, and U2 of light having a wavelength of 785 nanometers.
  • light having a wavelength of 785 nanometers enters the optical element 100 as TM polarized light.
  • the optical path length difference is 0.081 micrometers.
  • the phase difference is 0.648 radians (37.2 degrees), and the optical element of this embodiment diffracts light having a wavelength of 785 nanometers (TM polarization).
  • Table 8 is a table
  • “Ratio” indicates the ratio of the first-order diffracted light amount to the zero-order diffracted light amount.
  • the other numerical values indicate the ratio of the amount of diffracted light to the amount of incident light.
  • “Total” indicates the total of the 0th-order diffracted light amount, the 1st-order diffracted light amount, and the ⁇ 1st-order diffracted light amount.
  • the “ratio” is set to the above numerical value based on the required specification. First-order diffracted light and ⁇ 1st-order diffracted light hardly occur with respect to light having a wavelength of 660 nanometers (TE polarized light).
  • the optical element of the present embodiment does not diffract the light in the first polarization state (light having a wavelength of 660 nanometers (TE-polarized light)), and the light in the second polarization state (light having a wavelength of 785 nanometers). (TM polarized light)) is diffracted.
  • a one-dimensional grating is arranged in the first belt-like region.
  • a two-dimensional grating may be arranged with a first period of a size that does not cause diffraction of light used in the first belt-like region.
  • the duty ratio of the grating in the first belt-shaped region is the ratio of the lattice convex portion to the space of the height of the lattice convex portion in the first belt-shaped region.
  • Comparative Example 1 has the X-direction cross section shown in FIG.
  • the lattice region and the flat region are repeatedly arranged in the X direction at the second period on the surface of the substrate.
  • the lattice convex portions 103 extending in the Y direction are arranged in the X direction at the first period.
  • the specification of the lattice is determined so as to satisfy the formula (13) for light having a wavelength of 785 nanometers (TM polarization).
  • Table 9 is a table
  • TM polarized light light having a wavelength of 785 nanometers
  • the second period is 22.7 micrometers.
  • Table 10 is a table
  • Example 1 Comparison between Example and Comparative Example In Example 1 and Comparative Example, the specification is determined so that the ratio of the first-order diffracted light amount to the zero-order diffracted light amount is the same.
  • the grating height of Example 1 is 0.097 micrometers, and the aspect ratio of the subwavelength grating is 0.334.
  • the grating height of the comparative example is 3.487 micrometers, and the aspect ratio of the sub-wavelength grating is 9.057.
  • the aspect ratio of the sub-wavelength grating of the example is 0.037 times (about 1/27) the aspect ratio of the sub-wavelength grating of the comparative example, so that the optical element can be manufactured very easily.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of an optical system including an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • the optical system is a pickup optical system that reads information recorded on the disk 219 with light of two wavelengths.
  • the optical system includes a laser light source 201, half-wave plates 203 and 205, an optical element 100, a polarizing filter 207, a beam splitter 209 such as a half mirror, a quarter-wave plate 211, a collimator lens 213, a mirror 215, and an objective lens 217. , A condenser lens 221 and a light receiving element 223.
  • the laser light source 201 is a light source of two wavelengths, a wavelength of 660 nm and a wavelength of 785 nm.
  • the wavelength 785 nm and the wavelength 660 nm are defined as a first wavelength and a second wavelength, respectively. It is assumed that both the first wavelength light and the second wavelength light emitted from the laser light source 201 are TE polarized light.
  • the half-wave plate 203 converts the first wavelength light from the TE polarized light to the TM polarized light, and transmits the second wavelength light as the TE polarized light.
  • the optical element 100 is, for example, as shown in the first embodiment, and transmits the first wavelength light without diffracting it, and diffracts the second wavelength light.
  • the optical element 100 transmits the first wavelength light as it is to the position of the optical element 100 and diffracts the second wavelength light, and transmits the second wavelength light as it is, and diffracts the first wavelength light.
  • An optical element may be provided.
  • the half-wave plate 205 transmits light having the first wavelength as TM polarized light, and converts light having the second wavelength from TE polarized light to TM polarized light.
  • the polarizing filter 207 removes noise by blocking light other than TM polarized light.
  • the beam splitter 209 reflects light having the first wavelength and the second wavelength, which is TM-polarized light.
  • the quarter-wave plate 211 converts the light having the first wavelength and the second wavelength, which are TM polarized light, into circularly polarized light.
  • the lights having the first wavelength and the second wavelength are converted into parallel light by the collimator lens 213, reflected by the mirror 215, and then condensed on the disk 219 by the objective lens 217.
  • the condensing position of the light of the first wavelength and the condensing position of the light of the second wavelength can be configured differently.
  • the light having the first wavelength and the second wavelength reflected by the disk 219 passes through the objective lens 217, the mirror 215, and the collimator lens 213, and is then converted into TE change by the quarter wavelength plate 211.
  • the beam splitter 209 transmits light of the first wavelength and the second wavelength that are TE polarized light.
  • the light having the first wavelength and the second wavelength which are TE polarized light, is collected on the light collection surface of the light receiving element 223 by the condenser lens 221. Note that, when the TE-polarized light is partially reflected by the beam splitter 209 in the return path, this light is blocked by the polarization filter 207.
  • the half-wave plate 203 converts the first wavelength light from the TE polarized light to the TM polarized light, transmits the second wavelength light as the TE polarized light, and the half-wave plate 205. Is configured to transmit light having the first wavelength as TM polarized light and convert light having the second wavelength from TE polarized light to TM polarized light.
  • the half-wave plate 203 converts the first wavelength light from TE polarized light to TM polarized light and transmits the second wavelength light as TE polarized light.
  • the first wavelength light may be converted from TM polarized light to TE polarized light
  • the second wavelength light may be transmitted as TE polarized light.
  • the polarization filter 207 transmits light having the first wavelength and the second wavelength, which are TE polarized light, and blocks light having the first wavelength and the second wavelength, which are TM polarized light.
  • the beam splitter 209 reflects the light of the first wavelength and the second wavelength, which are TE-polarized light, in the forward path, and transmits the light of the first wavelength and the second wavelength, which are TM-polarized light, in the return path.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the configuration of an optical system including an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • the optical system is a pickup optical system that reads information recorded on the disk 319 with light of two wavelengths.
  • the optical system includes a laser light source 301, half-wave plates 303 and 305, an optical element 100, a polarizing filter 307, a beam splitter 309 such as a half mirror, a quarter-wave plate 311, a collimator lens 313, a mirror 315, and an objective lens 317. , A condenser lens 321 and a light receiving element 323.
  • the beam splitter 209 is configured to transmit light of the first wavelength and the second wavelength in the forward path and reflect light of the first wavelength and the second wavelength in the return path.
  • FIG. 9 is a diagram showing still another example of the configuration of an optical system including an optical element according to an embodiment of the present invention.
  • the optical system is a pickup optical system that reads information recorded on the disk 419 with light of one wavelength.
  • the optical system includes a laser light source 401, an optical element 100, a polarizing filter 407, a beam splitter 409 such as a half mirror, a quarter wavelength plate 411, a collimator lens 413, a mirror 415, an objective lens 417, a condenser lens 421, and a light receiving element 423. including.
  • the laser light source 401 is, for example, a light source of one wavelength having a wavelength of 408 nm.
  • the optical element 100 is configured to diffract TE polarized light and transmit TM polarized light without diffracting, for example, for light of one wavelength.
  • the duty ratio, the height of the grating protrusion, the refractive index of the material of the grating protrusion, the refractive index of the film, and the thickness of the film so that the TM polarized light of the above wavelength satisfies the formula (7) Etc.
  • the TE-polarized light As shown in the equations (3) and (4), since the refractive index of the TE-polarized light and the refractive index of the TM-polarized light are different, when the TM-polarized light satisfies the equation (7), the TE-polarized light Of the light does not satisfy the formula (7) and diffraction occurs.
  • the diffracted TE-polarized light passes through the polarization filter 407, is reflected by the beam splitter 409, and reaches the disk 419 via the quarter-wave plate 411, the collimating lens 413, the mirror 415, and the objective lens 417.
  • the light reflected by the disk 419 reaches the light receiving element 423 via the objective lens 417, the mirror 415, the collimating lens 413, the quarter wavelength plate 411, the beam splitter 409 and the condenser lens 421.
  • the TM polarized light transmitted through the optical element 100 as it is is shielded by the polarizing filter 407.
  • TM polarized light since TM polarized light does not change its traveling direction due to diffraction, it is perpendicularly incident on the polarizing filter 407 and effectively shielded from light.

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Abstract

　基板（１０１）上に、格子凸部（１０３）を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜（１０５、１０７、１０９）を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光が回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光が回折を生じるように、形状及び材料を定めた光学素子。

Description

光学素子及びその製造方法
　本発明は、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じる光学素子及びその製造方法に関する。
　たとえば、ＣＤ用の波長の光とＤＶＤ用の波長の光など、異なる波長の光の一方を回折させ、他方を回折させないように構成された光学素子が開発されている。一例として、特開2005-141849号公報（特許文献１）は、光学的等方性物質と光学的異方性物質を使用した光学素子を開示している。しかし、このような光学素子には、光学的異方性物質の材料コストが高く、さらに回折構造の両面を保持するための基板が必要となるという問題点がある。特開2008-257771号公報（特許文献２）は、使用する波長以下の周期を備えた格子であるサブ波長格子を使用する光学素子を開示している。このようなサブ波長格子を使用する光学素子は、たとえば、プラスチックを使用して製造できるので、材料コストが低いという利点を有する。さらに、サブ波長格子の形状を調整することによって、サブ波長格子領域の有効屈折率を含む特性を自由に設定することができる。しかし、後で詳細に説明するように、光を回折させないためには、サブ波長格子の格子凸部と格子凹部の光路長差を、通過する光の波長の整数倍とする必要があるので、サブ波長格子の、格子周期に対する格子高さの比であるアスペクト比を大きくする必要がある。したがって、このようなサブ波長格子を備えた光学素子は、製造するのが困難であった。
特開2005-141849号公報 特開2008-257771号公報
　したがって、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子に対するニーズがある。
　本発明による光学素子は基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第１の方向に第２の周期で配置したものである。前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさである。前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の膜厚、前記第１の帯状領域の凹部の膜厚及び前記第２の帯状領域の膜厚を定めている。
　本発明によれば、格子凸部を設けた第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域上に、格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設けることにより、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子が得られる。
　本発明による光学素子の製造方法は、基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、前記第１の方向に第２の周期で配置する。前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさである。前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜の材料を、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布する。前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する、第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記膜の塗布の方法を定めている。
　本発明の製造方法によれば、格子凸部を設けた第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域上に、格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設けることにより、第１の偏光状態の光に対して、回折を生じることがなく、第２の偏光状態の光に対して回折を生じるサブ波長格子を使用した光学素子であって、サブ波長格子のアスペクト比が比較的小さく、製造するのが容易な光学素子が得られる。本発明の製造方法によれば、膜の材料を、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布するので、煩雑な製造プロセスが必要ない。
　本発明の実施形態による光学素子は、前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが異なる。
　本実施形態によれば、２波長の光の一方のみを回折する光学素子が得られる。
　本発明の実施形態による光学素子は、前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが同じである。
　本実施形態によれば、２つの偏光状態の１波長の光のうち一方のみを回折する光学素子が得られる。
　本発明の実施形態による光学素子は、前記格子凸部の材料がプラスチックであり、前記膜の材料が金属酸化物である。
　本実施形態によれば、光学的異方性材料など高価な材料を使用しない安価な光学素子が得られる。
本発明の一実施形態による光学素子の透視図である。 図１に示した光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。 本実施形態の光学素子の、膜の厚さが格子高さと異なる場合の基板面に垂直なＸ方向断面図である。 本実施形態の光学素子の設計方法を示す流れ図である。 たとえば特開2008-257771号公報に示される、従来の光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。 実施例２の光学素子の透視図である。 本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の別の例を示す図である。 本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成のさらに別の例を示す図である。
　図１は、本発明の一実施形態による光学素子１００の透視図である。基板上１０１の第１の帯状領域（図においては第１の領域と記載する）にＹ方向に伸びる複数の格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。第１の周期は、第１の帯状領域を通過する光が回折を生じ得ない程度に小さい。基板上には、格子凸部の配置されていない第２の帯状領域（図においては第２の領域と記載する）が第１の帯状領域と隣接して配置されている。第１の帯状領域及び第２の帯状領域は、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。基板を通過する光に対して、第１の帯状領域は、格子凸部として機能し、第２の帯状領域は格子凹部として機能する。そして、第２の周期は、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を通過する光が、回折を生じ得る程度に大きい。
　図２は、図１に示した光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。第１の帯状領域において、基板１０１上に複数の格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。第２の帯状領域において、格子凸部は配置されていない。第１の帯状領域の格子凸部１０３、第１の帯状領域の格子凹部の基板１０１及び第２の帯状領域の基板１０１上には、それぞれ、膜１０５、膜１０７及び膜１０９が設けられている。図２において、以下の説明を簡単にするために膜の厚さは格子凸部の高さ１０３と等しくしている。実際には、図３に示すように膜の厚さは格子凸部１０３の高さと異なってもよい。
　第１の帯状領域において、基板面と基板面に平行で格子高さの位置の面の間の空間をＬ１と呼称する。Ｌ１には、格子凸部１０３と膜１０７とが所定の比率で存在する。
　第１の帯状領域において、基板面に平行で格子高さの位置の面と基板面に平行で格子凸部１０３上の膜１０５の高さの位置の面との間の空間をＵ１と呼称する。Ｕ１には、格子凸部１０３上の膜１０５と周囲の媒質とが所定の比率で存在する。ここで、光学素子１００は空気中に置かれているので、周囲の媒質は空気である。
　第２の帯状領域において、基板面と基板面に平行で格子高さの位置の面の間の空間をＬ２と呼称する。Ｌ２には、膜１０９が存在する。
　第２の帯状領域において、基板面に平行で格子高さの位置の面と基板面に平行で格子凸部１０３上の膜１０５の高さの位置の面との間の空間をＵ２と呼称する。Ｕ２には、空気が存在する。
　ここで、説明を簡単にするために、格子凸部１０３上の膜１０５の高さも格子凸部１０３の高さと等しいとする。この高さをｈとする。したがって、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の厚さ（高さ）は全てｈとなる。
　つぎに、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率ｎＬ１、ｎＵ１、ｎＬ２及びｎＵ２について考察する。Ｌ２には、膜１０９のみが存在するので、ｎＬ２は膜の屈折率である。Ｕ２には、空気のみが存在するので、ｎＵ２は空気の屈折率である。
　Ｌ１及びＵ１のように、２種類の媒質が波長以下の周期で格子状に配列された領域の有効屈折率は、２種類の媒質の屈折率をｎ１及びｎ２で表し、全領域の体積に対するｎ２の占める体積の比率（デューティ比）をｆで表すと、以下の式で表せる。ここで、簡単のために光は基板面に垂直に入射すると仮定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記の式によれば、Ｌ１の屈折率ｎＬ１は、格子凸部１０３の屈折率と膜１０７の屈折率との間のいずれかの値であり、Ｕ１の屈折率ｎＵ１は、膜１０５の屈折率と空気の屈折率との間のいずれかの値である。
　ここで、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１は、以下の式で表せる。
　ｄ１＝ｈ（ｎＵ１＋ｎＬ１）　　　　　(5)
　また、基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２は、以下の式で表せる。
　ｄ２＝ｈ（ｎＵ２＋ｎＬ２）　　　　　(6)
　式（５）及び（６）から、以下の式が満足されれば、Ｕ１及びＬ１を通過する光の光路長とＵ２及びＬ２を通過する光の光路長とが同じになるので、第１の帯状領域及び第２の帯状領域によって形成される格子によって回折が生じることはない。
　ｎＵ１＋ｎＬ１＝ｎＵ２＋ｎＬ２　　　　(7)
　ここで、膜の屈折率が格子凸部１０３の屈折率よりも高くなるように膜及び格子凸部の材料を選択する。そうすると、以下の関係が成立する。
　ｎＵ1　＞ｎＵ２　　　　　　　　　　(8)
　ｎＬ１＜ｎＬ２　　　　　 　　　　　(9)
　すなわち、第１の帯状領域の上部層Ｕ１の屈折率は、第２の帯状領域の上部層Ｕ２の屈折率よりも大きく、第１の帯状領域の下部層ＵＬ１の屈折率は、第２の帯状領域の下部層ＵＬ２の屈折率よりも小さい。したがって、膜及び格子凸部の材料を適切に選択し、第１の帯状領域のデューティ比を調整することにより、式（7）を容易に実現することができる。
　図４は、本実施形態の光学素子の設計方法を示す流れ図である。
　図４のステップＳ０１０において、第２の周期を定める。ここで、第２の周期は、第２の偏光状態の光が所望の回折角を生じるように以下の式から定める。

　　　　　　　n’ sinθ’-n sinθ=Nλ/Λ　　　　　　　(10)

　　　　　　　n：入射側媒質の屈折率(空気の屈折率)
　　　　　　　n’：出射側媒質の屈折率(空気の屈折率)
　　　　　　　θ：入射角
　　　　　　　θ’：回折角
　　　　　　　N：回折次数
　　　　　　　λ：入射光の波長
　　　　　　　Λ：回折格子の周期（第２の周期）

本実施形態において、入射角はゼロとすると、回折角は、第２の周期のみによって定まる。
　図４のステップＳ０２０において、第１の周期の上限を定める。第１の周期の上限は、一例として、第２の周期の２０分の１未満となるように定める。
　図４のステップＳ０３０において、第１の偏光状態の光について、式（７）が満足されるように、第１の周期、デューティ比、格子凸部の高さ、膜厚を調整する。
　ここで、膜の材料を、第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布した場合に、第１の帯状領域の格子凸部、第１の帯状領域の格子凹部及び第２の帯状領域の膜厚に差が生じる場合には、膜の材料の塗布量と各部分ごとの膜厚との関係を予め測定しておき、その関係を利用して設計を行うことができる。このように設計を行うことにより、たとえば、各部分の膜厚を均等にするように膜の材料の塗布量を調節することなどの煩雑な製造プロセスが必要なくなる。
　図４のステップＳ０４０において、式（７）が満足されるか、すなわち、第１の帯状領域および第２の帯状領域を通過する光の位相差（光路長差）が所定の値以下となるかどうか判断される。式（７）が満足されれば処理は終了する。式（７）が満足されなければ、ステップＳ０４０に戻る。
　図５は、たとえば特開2008-257771号公報に示される、従来の光学素子の、基板面に垂直なＸ方向断面図である。Ｘ方向は、基板面上において格子凸部の伸びる方向に垂直な方向である。格子領域において、基板１０１上に複数の格子凸部１０３が所定の周期でＸ方向に配置されている。上記所定の周期は、使用される光が格子によって回折を生じ得ない大きさである。平坦領域において、格子凸部は配置されていない。
　ここで、基板面に垂直方向に光が格子領域を通過する場合の光路長ｄｇは、以下の式で表せる。

　　ｄｇ＝ｈｇ・ｎｇ　　　　　　　　　　　(11)

ここで、ｈｇは、格子高さであり、ｎｇは、式(3)又は式(4)から求めた格子領域の有効屈折率である。
　格子領域の有効屈折率は、空気の屈折率より大きいので、式（１１）から求めた格子領域を通過する光の光路長は、格子領域に対応する平坦領域を通過する光の光路長より必ず大きくなる。したがって、格子領域及び平坦領域によって形成される格子によって回折が生じないようにするには、格子領域と平坦領域との位相差が、２πの整数倍となるように以下の式が満足される必要がある。

（２π／λ）・ｈｇ・ｎｇ＝（２π／λ）・ｈｇ・ｎａ＋（２π・ｍ）／λ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)
　ここで、ｎａは空気の屈折率、λは使用される光の波長であり、ｍは任意の整数である。式（１２）を整理すると以下の式が得られる。
　　ｈｇ＝ｍ／（ｎｇ－ｎａ）　　　　　　　　(13)
　すなわち、格子高さは、格子凸部の屈折率と空気の屈折率との差の逆数以上の値をとる必要がある。後で実施例に関して説明するように、格子凸部に加工しやすいプラスチックを使用すると、格子周期に対する格子高さの比であるアスペクト比が大きくなり、サブ波長格子を製造するのが困難になる。
　上記において、従来の光学素子の格子が膜を備えていない場合について説明したが、従来の光学素子の格子が膜を備えている場合も同様である。
　以下に本発明の実施例について説明する。
実施例１
　実施例１は、図１に示した構成を備え、格子突起部１０３の配列される方向は、Ｘ方向であり、第１の帯状領域及び第２の帯状領域が配列される方向と同じである。本実施例は、図２に示したＸ方向断面を備える。すなわち、膜の厚さは格子凸部１０３の高さに等しい。
　表１は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１において、長さの単位はマイクロメータである。また、屈折率の欄の左側の数字は、６６０ナノメータの波長の光の屈折率を示し、右側の数字は、７８５ナノメータの波長の光の屈折率を示す。本実施例においては、上記の２波長の光が使用される。
　本実施例の光学素子は、以下の方法により製造される。格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形により形成し、その上に、酸化タリウム（Ｔａ３Ｏ５）からなる蒸着材料を、蒸着法またはスパッタ法によって堆積させる。
　表２は、７８５ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、７８５ナノメータの波長の光は、ＴＭ偏光として光学素子１００に入射される。ここで、ＴＭ偏光の面が基板面に垂直でＸ方向の面であり、ＴＥ偏光の面が基板面に垂直でＹ方向の面であると仮定する。

　式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。
　
　　ｄ１＝０．３１５８
　　ｄ２＝０．３１９１
　　
したがって、光路長差は、０．００３３マイクロメータとなる。位相差は、０．０２６ラジアン（１．５０度）であり、ほぼゼロとなり、本実施例の光学素子は、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）を回折させることなくそのまま通過させる。
　表３は、６６０ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、６６０ナノメータの波長の光は、ＴＥ偏光として光学素子１００に入射される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。
　　ｄ１＝０．３８９１
　　ｄ２＝０．３２０１

したがって、光路長差は、０．０６９マイクロメータとなる。位相差は、０．６５７ラジアン（３７．６度）となり、本実施例の光学素子は、６６０ナノメータの波長（ＴＥ偏光）の光を回折させる。
　表４は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４において、「比率」は、０次回折光量に対する１次回折光量の比率を示す。それ以外の数値は、入射光量に対する回折光量の比を示す。「合計」は、０次回折光量、１次回折光量及び－１次回折光量の合計を示す。本実施例では、要求仕様に基づいて「比率」を上記の数値としている。７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）に対して１次回折光及び－１次回折光はほとんど生じない。
　このように本実施例の光学素子は、第１の偏光状態の光（７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光））を回折させることなく、第２の偏光状態の光（６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光））を回折させる。
実施例２
　図６は、実施例２の光学素子の透視図である。図６に示すように、実施例２において、格子突起部１０３の配列される方向は、Ｙ方向であり、第１の帯状領域及び第２の帯状領域が配列される方向（Ｘ方向）と直交する。本実施例の第１の帯状領域のＹ方向断面は、図２の第１の帯状領域の断面と同じである。第１実施例では、図２に示すように、格子凸部１０３の配列方向が、第１の帯状領域及び第２の帯状領域の配列方向と一致する。これに対して、第２の実施例では、格子凸部１０３の配列方向が、第１の帯状領域及び第２の帯状領域の配列方向と直交する。本実施例において、膜の厚さは格子凸部１０３の高さに等しい。
　表５は、本実施例の光学素子の仕様を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５において、長さの単位はマイクロメータである。また、屈折率の欄の左側の数字は、６６０ナノメータの波長の光の屈折率を示し、右側の数字は、７８５ナノメータの波長の光の屈折率を示す。本実施例においては、上記の２波長の光が使用される。
　本実施例の光学素子は、以下の方法により製造される。格子凸部は、ポリオレフィン系の樹脂を射出成形により形成し、その上に、酸化タリウム（Ｔａ３Ｏ５）からなる蒸着材料を、蒸着法またはスパッタ法によって堆積させる。
　表６は、６６０ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、６６０ナノメータの波長の光は、ＴＥ偏光として光学素子１００に入射される。ここで、ＴＭ偏光の面が基板面に垂直でＸ方向の面であり、ＴＥ偏光の面が基板面に垂直でＹ方向の面であると仮定する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。
　　ｄ１＝０．４３２２
　　ｄ２＝０．４３２０

したがって、光路長差は、ほぼゼロとなり、本実施例の光学素子は、６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光）を回折させることなくそのまま通過させる。
　表７は、７８５ナノメータの波長の光の、Ｌ１、Ｕ１、Ｌ２及びＵ２の屈折率及び層の厚さを示す表である。本実施例において、７８５ナノメータの波長の光は、ＴＭ偏光として光学素子１００に入射される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　式（５）及び式（６）から、基板面に垂直方向に光がＵ１及びＬ１を通過する場合の光路長ｄ１及び基板面に垂直方向に光がＵ２及びＬ２を通過する場合の光路長ｄ２を計算すると、以下の式が得られる。

　　ｄ１＝０．５０４５
　　ｄ２＝０．４２３５
したがって、光路長差は、０．０８１マイクロメータとなる。位相差は、０．６４８ラジアン（３７．２度）となり、本実施例の光学素子は、７８５ナノメータの波長（ＴＭ偏光）の光を回折させる。
　表８は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表８において、「比率」は、０次回折光量に対する１次回折光量の比率を示す。それ以外の数値は、入射光量に対する回折光量の比を示す。「合計」は、０次回折光量、１次回折光量及び－１次回折光量の合計を示す。本実施例では、要求仕様に基づいて「比率」を上記の数値としている。６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光）に対して１次回折光及び－１次回折光はほとんど生じない。
　このように本実施例の光学素子は、第１の偏光状態の光（６６０ナノメータの波長の光（ＴＥ偏光））を回折させることなく、第２の偏光状態の光（７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光））を回折させる。
他の実施形態について
　実施例１及び２の光学素子においては、第１の帯状領域に１次元格子を配置している。他の実施形態として、第１の帯状領域に使用される光の回折を生じない大きさの第１の周期で２次元格子を配置してもよい。一般的に第１の帯状領域の格子のデューティ比は、第１の帯状領域の格子凸部の高さの空間に対して格子凸部の占める比率である。
比較例
　比較例は、図５に示したＸ方向断面を備える。
　比較例の光学素子において、基板の面上に格子領域及び平坦領域が、第２の周期でＸ方向に繰り返し配置されている。第１の帯状領域において、Ｙ方向に伸びる格子凸部１０３が第１の周期でＸ方向に配置されている。
　格子の仕様は、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）に対して式（１３）を満足するように定められる。
　表９は、比較例の光学素子の格子領域の格子の仕様を示す表である。
　
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　この結果、７８５ナノメータの波長の光（ＴＭ偏光）は、格子領域及び平坦領域によって回折されない。
　比較例において、第２の周期は、２２．７マイクロメータである。
　表１０は、本実施例の光学素子による回折の状態を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
実施例と比較例との対比
　実施例１及び比較例において、０次回折光量に対する１次回折光量の比率が同じになるように仕様を定めている。
　実施例１の格子高さは、０．０９７マイクロメータであり、サブ波長格子のアスペクト比は、０．３３４である。これに対し、比較例の格子高さは、３．４８７マイクロメータであり、サブ波長格子のアスペクト比は、９．０５７である。このように、実施例のサブ波長格子のアスペクト比は、比較例のサブ波長格子のアスペクト比の０．０３７倍（約２７分の１）となり、光学素子の製造が極めて容易になる。
光学系の構成例
　図７は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。光学系は、２波長の光によりディスク２１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。
　光学系は、レーザ光源２０１、１／２波長板２０３、２０５、光学素子１００、偏光フィルタ２０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ２０９、１／４波長板２１１、コリメートレンズ２１３、ミラー２１５、対物レンズ２１７、集光レンズ２２１及び受光素子２２３を含む。
　レーザ光源２０１は、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの２波長の光の光源である。ここで、波長７８５ｎｍ及び波長６６０ｎｍをそれぞれ第１の波長及び第２の波長とする。レーザ光源２０１から発せられた、第１の波長及び第２の波長の光は、ともにＴＥ偏光であるとする。１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させる。光学素子１００は、たとえば、実施例１に示したものであり、第１の波長の光を回折させることなく透過させ、第２の波長の光を回折する。光学素子１００の位置に第１の波長の光をそのまま透過させ、第２の波長の光を回折する光学素子と、第２の波長の光をそのまま透過させ、第１の波長の光を回折する光学素子とを設けてもよい。１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光のまま透過させ、第２の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換する。偏光フィルタ２０７は、ＴＭ偏光以外の光を遮光することによってノイズを除去する。ビームスプリッタ２０９は、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を反射する。１／４波長板２１１は、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を円偏光とする。第１の波長及び第２の波長の光は、コリメートレンズ２１３によって平行光とされ、ミラー２１５によって反射された後、対物レンズ２１７によってディスク２１９上に集光される。ここで、第２の波長の光のみが回折されているので、第１の波長の光の集光位置と第２の波長の光の集光位置が異なるように構成することができる。ディスク２１９で反射された第１の波長及び第２の波長の光は、対物レンズ２１７、ミラー２１５、コリメートレンズ２１３を透過した後、１／４波長板２１１によってＴＥ変更に変換される。ビームスプリッタ２０９は、ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させる。ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光は、集光レンズ２２１によって受光素子２２３の集光面上に集光される。なお、復路においてビームスプリッタ２０９でＴＥ偏光の光が一部反射される場合には、この光は偏光フィルタ２０７によって遮光される。
　上記の例においては、１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させ、１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光のまま透過させ、第２の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換するように構成した。代替的に、１／２波長板２０３は、第１の波長の光をＴＥ偏光からＴＭ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させ、１／２波長板２０５は、第１の波長の光をＴＭ偏光からＴＥ偏光に変換し、第２の波長の光をＴＥ偏光のまま透過させるように構成してもよい。この場合に、偏光フィルタ２０７はＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させ、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を遮光する。ビームスプリッタ２０９は、往路において、ＴＥ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を反射し、復路において、ＴＭ偏光である第１の波長及び第２の波長の光を透過させるように構成する。
　図８は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成の別の例を示す図である。光学系は、２波長の光によりディスク３１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。
　光学系は、レーザ光源３０１、１／２波長板３０３、３０５、光学素子１００、偏光フィルタ３０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ３０９、１／４波長板３１１、コリメートレンズ３１３、ミラー３１５、対物レンズ３１７、集光レンズ３２１及び受光素子３２３を含む。
　ビームスプリッタ３０９を除き、それぞれの光学素子の機能は、図７の光学系の場合と同様に機能する。ビームスプリッタ２０９は、往路において、第１の波長及び第２の波長の光を透過させ、復路において、第１の波長及び第２の波長の光を反射するように構成する。
　図９は、本発明の一実施形態による光学素子を含む光学系の構成のさらに別の例を示す図である。光学系は、１波長の光によりディスク４１９上に記録された情報を読み取るピックアップ光学系である。
　光学系は、レーザ光源４０１、光学素子１００、偏光フィルタ４０７、ハーフミラーなどのビームスプリッタ４０９、１／４波長板４１１、コリメートレンズ４１３、ミラー４１５、対物レンズ４１７、集光レンズ４２１及び受光素子４２３を含む。
　レーザ光源４０１は、たとえば、波長４０８ｎｍの１波長の光の光源である。光学素子１００は、１波長の光に対して、たとえば、ＴＥ偏光を回折させ、ＴＭ偏光を回折させずに透過させるように構成する。この場合に、上記波長のＴＭ偏光の光が式（７）を満足するように、デューティ比、格子凸部の高さ、格子凸部の材料の屈折率、膜の屈折率及び膜の厚さなどを定める。式（３）及び（４）に示すように、ＴＥ偏光の光の屈折率とＴＭ偏光の光の屈折率とは異なるので、ＴＭ偏光の光が式（７）を満足するときに、ＴＥ偏光の光は、式（７）を満足せず、回折が生じる。回折されたＴＥ偏光の光は、偏光フィルタ４０７を透過して、ビームスプリッタ４０９で反射され、１／４波長板４１１、コリメートレンズ４１３、ミラー４１５、対物レンズ４１７を経てディスク４１９に到達する。ディスク４１９で反射された光は、対物レンズ４１７、ミラー４１５、コリメートレンズ４１３、１／４波長板４１１を経て、ビームスプリッタ４０９及び集光レンズ４２１を経て受光素子４２３に到達する。他方、光学素子１００をそのまま透過したＴＭ偏光は、偏光フィルタ４０７によって遮光される。この際、ＴＭ偏光は、回折による進行方向の変化がないので、偏光フィルタ４０７に垂直に入射し効果的に遮光される。

Claims (5)

  1. 　基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を設け、前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の膜厚、前記第１の帯状領域の凹部の膜厚及び前記第２の帯状領域の膜厚を定めた光学素子。
  2. 　前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが異なる請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の偏光状態の光の波長と前記第２の偏光状態の光の波長とが同じである請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記格子凸部の材料がプラスチックであり、前記膜の材料が金属酸化物である請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
  5. 　基板上に、格子凸部を第１の周期で配置した第１の帯状領域及び格子凸部を設けない第２の帯状領域を、第２の周期で配置し、前記第１の周期は、使用される光が回折を生じ得ない大きさであり、前記第２の周期は、使用される光が回折を生じ得る大きさであり、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域上に前記格子凸部の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜を、前記第１の帯状領域及び第２の帯状領域を区別することなく塗布する光学素子の製造方法であって、
    　前記基板面を通過する第１の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差がゼロとなり回折を生じず、前記基板面を通過する、第２の偏光状態の光の内、前記第１の帯状領域を通過する光と前記第２の帯状領域を通過する光の位相差が回折を生じるように、前記第１の周期、前記第１の帯状領域の前記格子凸部の高さの空間に対して前記格子凸部の占める比率であるデューティ比、前記格子凸部の高さ、前記格子凸部の材料の屈折率、前記膜の屈折率、前記膜の材料の塗布の方法を定めた光学素子の製造方法。
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