WO2012086600A1 - 回折光学素子および光ヘッド装置 - Google Patents

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WO2012086600A1
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light
medium layer
optical element
diffraction grating
diffractive optical
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PCT/JP2011/079403
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French (fr)
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浩司 宮坂
▲琢▼治 野村
健介 小野
元志 中山
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旭硝子株式会社
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    • G02B27/0037—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration with diffracting elements
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    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
    • G02B27/4238—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in optical recording or readout devices
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    • 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
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1374—Objective lenses

Definitions

  • the present invention relates to a diffractive optical element and an optical head device having a function of diffracting and collecting incident light.
  • Blu-ray (trade name, BD), DVD, and CD are widely used as optical disks. These BDs, DVDs, and CDs differ in the wavelength of light used for recording and / or reproduction (hereinafter referred to as “recording / reproduction”). Specifically, the BD uses an object having an NA (numerical aperture) of 0.85 on light emitted from a light source having a wavelength of 405 nm on an information recording medium having a substrate thickness (cover layer thickness) of 0.1 mm. Information is recorded and reproduced by condensing light through a lens.
  • NA numerical aperture
  • DVDs collect information emitted from a light source having a wavelength of 660 nm on an information recording medium having a substrate thickness (cover layer thickness) of 0.6 mm by an objective lens having an NA of 0.65. Record and play back.
  • an information recording medium having a substrate thickness (cover layer thickness) of 1.2 mm condenses light emitted from a light source having a wavelength of 780 nm by an objective lens having a NA of 0.45. Record and play back.
  • each optical disc when condensing light of the wavelength used for each optical disk by one objective lens, due to the difference in the thickness of the cover layer of each optical disk It is necessary to be able to correct the generated spherical aberration and to obtain a good condensing characteristic on each optical disc. Also, in this case, in order to prevent the objective lens moving parallel to the optical axis direction of each light from coming into contact with the surface of the optical disc, each optical disc is secured while ensuring a certain distance between the objective lens and the optical disc. It is necessary to obtain a good light condensing characteristic.
  • a structure of an objective lens having a diffraction grating structure and diffracting incident light is known. Specifically, since the sine of the diffraction angle due to diffraction is proportional to the reciprocal of the wavelength of the light and the diffraction order, a diffraction grating with a structure capable of obtaining an appropriate phase difference is designed, and the difference in the diffraction angle based on the diffraction order and wavelength. Can be used to correct the spherical aberration of each optical disc.
  • the medium in contact with the concavo-convex surface is air
  • a structure having a concavo-convex surface is conceivable.
  • the medium (material) constituting the diffraction grating often has a small change in the refractive index with respect to the change in the reciprocal of the wavelength. Therefore, when the medium in contact with the uneven surface is air, the diffraction characteristics are determined by the shape of the diffraction grating. That is, in this case, only the shape of the diffraction grating can be said to be the degree of freedom in designing the diffraction characteristics.
  • the incident angle dependency of the diffraction efficiency is increased, and the diffraction efficiency is greatly reduced when the inclination is increased.
  • the incident angle of light varies depending on the position where the light is incident.
  • the composite optical element of Patent Document 1 has a problem that it is difficult to obtain high diffraction efficiency because the relationship between the grating height direction of the diffraction grating and the incident angle of light is not considered. .
  • FIG. 12A is a schematic diagram showing a part of the manufacturing process of the composite optical element of Patent Document 1, and the second optical part made of resin on the first optical part 201 which becomes a base material and has a lens surface. A state in which 202 is pressed against a lower mold 203 as a mold and pressed is shown. Then, after this step, a step of releasing the second optical unit 202 made of resin and the lower die 203 in the vertical direction with respect to the lower die 203 is performed.
  • the composite optical element 210 shown in FIG. 12B is a base material, and the second optical part 212 made of resin is bonded onto the first optical part 211 having a lens surface.
  • a third optical part 213 made of resin is further bonded thereon, but the phase step part 214 has a structure protruding in the horizontal direction.
  • a good diffraction grating shape cannot be provided at the time of mold release. Therefore, there has been a problem that desired diffraction efficiency cannot be obtained, and light utilization efficiency is lowered.
  • the present invention has been made to solve such problems of the prior art, and a diffractive optical element having a diffraction grating shape on a curved surface can obtain a high diffraction efficiency with respect to incident light, and in the manufacturing process, for example, It is an object of the present invention to provide a diffractive optical element that can easily obtain predetermined optical characteristics by adopting a diffraction grating shape that can be easily released by a mold. Furthermore, it is possible to reduce the size by using this diffractive optical element that handles light of a plurality of wavelengths, and to provide an optical head device that can record and reproduce information stably by giving each optical disc good condensing characteristics. The purpose is to do.
  • the present invention is a diffractive optical element that changes a divergence state or a convergence state of incident light, and includes a diffraction grating formed by an interface in which a first medium layer and a second medium layer are joined,
  • the diffraction grating is configured by alternately arranging the grating side surface portions and the grating curved surface portions so that a boundary line formed by contacting the grating side surface portion and the grating curved surface portion becomes a ridgeline of the interface, and is a flat surface.
  • the plurality of grating side surface portions having different inclinations in the cross section including the optical axis of the incident light, and the direction of the light beam of the incident light substantially coincides with the inclination direction of the grating side surface portion.
  • a diffractive optical element is provided.
  • the interval in the direction orthogonal to the optical axis is the pitch P
  • the height of the lattice side surface located between the pitches P is h
  • the gap is positioned between the optical axis and the pitch P.
  • the light incident on the diffraction grating is convergent light, and is incident in the order of the second medium layer and the first medium layer, and the grating curved surface portion increases as the distance from the optical axis increases.
  • the diffractive optical element described above is inclined in the plane toward the first medium layer side.
  • the light incident on the diffraction grating is divergent light, and is incident on the second medium layer and the first medium layer in this order, and the curved curved surface portion increases as the distance from the optical axis increases.
  • the above-described diffractive optical element is provided that is inclined in the plane toward the second medium layer.
  • ⁇ 1 ⁇ 1
  • the refractive index of the first medium layer is n 1
  • the refractive index of the second medium layer is n 2
  • the power generated by the diffraction grating and phi 2 when giving negative power phi 2 ⁇ 0, when giving a positive power phi 2> when a 0, ⁇ 1 ⁇ (n 2 -n 1)
  • the above diffractive optical element satisfying x ⁇ 2 ⁇ 0 is provided.
  • the second medium layer provides the above-described diffractive optical element having a curved surface on the side facing the interface.
  • a base member having a curved surface; the first medium portion bonded onto the curved surface of the base member; and the second medium portion bonded to the first medium portion.
  • a diffractive optical element is provided.
  • At least two of the three types of light of blue light having a wavelength band of 405 nm, red light having a wavelength band of 660 nm, and infrared light having a wavelength band of 780 nm are incident.
  • the above-described diffractive optical element that diffracts one light is provided.
  • the refractive index of the first medium layer and the refractive index of the second medium layer with respect to any one or any two of the blue light, the red light, and the infrared light are substantially equal.
  • the above-described diffractive optical element is provided that matches and has different refractive indexes of the first medium layer and the second medium layer for the remaining light.
  • the refractive index of the first medium layer and the refractive index of the second medium layer with respect to the blue light substantially coincide, and the refractive index of the first medium layer with respect to the red light and the infrared light.
  • an optical head device comprising a light source, the above-described diffractive optical element for condensing the light emitted from the light source onto an optical disc, and a photodetector for detecting the light reflected by the optical disc.
  • the light source emits at least two kinds of light among three kinds of light of blue light having a wavelength band of 405 nm, red light having a wavelength band of 660 nm, and infrared light having a wavelength band of 780 nm. I will provide a.
  • the diffractive optical element of the present invention has a diffraction grating on a curved surface, and can have high diffraction efficiency with respect to light having a wavelength causing diffraction, and has a shape of a diffraction grating that can be easily manufactured. The effect that a high diffraction efficiency characteristic can be easily obtained can be obtained. Further, the present invention can obtain stable information recording / reproduction by obtaining a good light condensing characteristic on each optical disk using a diffractive optical element in an optical head device using light of a plurality of wavelengths. it can.
  • the cross-sectional schematic diagram of the diffraction grating of the diffractive optical element which concerns on this embodiment (A) A cemented lens having no diffraction grating.
  • D A diffractive optical element (2) that generates negative power.
  • the schematic diagram explaining the conditions of the height of the diffraction grating of a diffractive optical element (A) The cross-sectional schematic diagram (1) of another diffractive optical element. (B) Cross-sectional schematic diagram (2) of another diffractive optical element. (C) Schematic cross section of another diffractive optical element (3). (D) Schematic cross section of another diffractive optical element (4).
  • 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical head device according to an embodiment.
  • the schematic diagram of the diffraction grating in the diffractive optical element used as a comparative example. Sectional drawing of the diffractive optical element of a present Example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a diffractive optical element according to the present embodiment.
  • a first medium layer 11 is bonded to the surface of a base portion 13 having a curved surface
  • a second medium layer 12 is bonded to the surface of the first medium layer 11. It has an integrated configuration.
  • the diffraction grating shape is formed by the interface between the first medium layer 11 and the second medium layer 12, but the present invention is not limited to this.
  • the base material portion 13 and the first medium layer 11 may be made of the same material. In this case, the base material portion 13 has unevenness of the first medium layer 11 shown in FIG. You can think of it as something.
  • a diffraction grating or a phase is formed on the surface of the second medium layer 12, the interface between the base material portion 13 and the first medium layer 11, or the surface of the base material portion 13 (opposite the first medium layer 11 side).
  • step difference, may be sufficient.
  • the description will be given based on the configuration of the diffractive optical element 10 of FIG. 1, and in particular, a portion where the first medium layer 11 and the second medium layer 12 are combined will be described as a diffraction grating.
  • the base material portion 13 may be made of a material such as glass or plastic, and the base material portion 13 itself may be a single lens that generates a function as a lens, and is formed by polishing or press molding. As long as the first medium layer 11 and the second medium layer 12 satisfy the relationship of the refractive index described later, the first medium layer 11 and the second medium layer 12 are formed by using a resin or processing an inorganic material such as glass by cutting, grinding, pressing, or the like. Can be used.
  • FIG. 1 also shows a state when light of a specific wavelength is incident on the diffractive optical element 10. This light is incident on the diffractive optical element 10 as divergent light and is light having a wavelength to be diffracted by the diffraction grating.
  • FIG. 1 shows light rays 14a, 14b, It shows how the light beam 14c and light beam 14d proceed in this order. 1 represents the optical axis 15 of the diffractive optical element 10.
  • the light ray 14a is refracted on the light incident side surface (interface with air) of the second medium layer 12, and the traveling direction is changed to become the light ray 14b. Become.
  • separates from the optical axis 15 as light advances is defined as divergent light
  • the light which goes to the optical axis 15 as light advances is defined as convergent light.
  • the light whose traveling direction is parallel to the optical axis 15 is parallel light.
  • FIG. 1 specifically shows a state in which negative power that gives the action of a concave lens is added, but the present invention is not limited to this, and the diffraction grating part adds positive power that gives the action of a convex lens. It may be a thing.
  • the light is refracted at the interface between the first medium layer 11 and the base material part 13, the traveling direction is changed to become a light beam 14c, and further refracted on the light emitting surface of the base material part 13 (interface with air). Then, the traveling direction is changed and emitted as a light beam 14d.
  • the material of the 1st medium layer 11 and the material of the base material part 13 are the same, refraction will not generate
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an enlarged structure of the diffraction grating in the vicinity of the optical path from the light beam 14a to the light beam 14d in FIG. 1.
  • the structure of the diffraction grating and the vicinity of the diffraction grating are transmitted.
  • the state of the light rays to be performed will be described in detail.
  • the diffraction grating is formed by the interface between the first medium layer 11 and the second medium layer 12.
  • an arbitrary apex protruding toward the second medium layer 12 is defined as the apex A.
  • the vertex A is included in a part of the ridgeline of the diffraction grating.
  • the ridge line including the vertex B 1 protruding to the first medium layer 11 side and the first medium layer 11 side are projected.
  • a ridge including an apex B 2 but applicable to each.
  • the ridge line including the vertex A is divided into two types of interfaces, it can also be considered as a boundary formed by the lattice side surface portion 21 and the lattice curved surface portion 22 described later.
  • grating side surface portion 21 corresponds to the interface of the diffraction grating sandwiched between the ridge, including a ridge line and the apex B 1 including vertices A, grating curved surface portion 22, a ridge and a vertex B 2 including vertex A It corresponds to the interface of the diffraction grating sandwiched between the ridgeline to be included. At this time, it can be considered that the interface forming the diffraction grating is formed by alternately arranging the grating side surface portions 21 and the grating curved surface portions 22.
  • the lattice side surface portion 21 is represented by a straight line in the cross-sectional view in FIG. 2, and spatially has, for example, a shape corresponding to a partial surface of a conical side surface having a certain vertex.
  • the lattice curved surface portion 22 is represented by a curve in the cross-sectional view in FIG. 2, and spatially has a shape corresponding to a part of a surface such as an aspheric surface, a spherical surface, or a cone.
  • the lattice side surface portion 21 and the lattice curved surface portion 22 may have, for example, a shape having rotational symmetry about the optical axis 15 in FIG.
  • the shape is not limited thereto, and the shape does not have rotational symmetry. It may be.
  • the lattice side surface portion 21 may have a stepped portion in part, and the lattice curved surface portion 22 may have a shape that approximates a stepped shape.
  • the center thereof is a curved curved surface portion, and the grating side surface portion and the grating curved surface portion are alternately arranged toward the peripheral portion.
  • the diffraction grating may be formed on a part of the interface between the first medium layer 11 and the second medium layer 12, or may be formed on the entire surface of these interfaces. Furthermore, when it is divided into a central part centered on the optical axis and other peripheral parts, the diffraction grating may be formed only in the central part or only in the peripheral part.
  • the angle formed by the tip of the diffraction grating may be 15 ° or more, and more preferably 20 ° or more.
  • the shape of the lattice side surface portion 21 is determined so that 1 and the angle ⁇ 2 substantially coincide with each other.
  • the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 cannot be made completely coincident with each other. However, including this case, it may be considered that these lights are incident within a specific angle range. At this time, ⁇ 1 and ⁇ 2 substantially coincide with each other.
  • the relationship between the angle ⁇ 2 [°] of the grating side surface portion 21 and the incident angle ⁇ 1 [°] of light incident on the diffraction grating is ⁇ 2.
  • the range is ⁇ 2 ⁇ 3 ° ⁇ ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 + 3 °.
  • the diffraction grating of the diffractive optical element 10 is measured in the radial direction from the optical axis, the interval between two adjacent ridge lines is the pitch P, the height of the grating side surface is h, and this value is the height of the diffraction grating. . Further, the value of the pitch P generally varies depending on the position in the radial direction.
  • the slope of a curved surface serving as an incident surface of light entering the objective lens may be large.
  • the incident surface in the peripheral portion is inclined by 45 ° or more, so that the change in the angle of light incident on the diffraction grating is large. .
  • the inclination direction of the grating side surface portion does not substantially coincide with the direction of the incident light without considering the inclination direction of the grating side surface portion, loss of diffraction efficiency is caused.
  • the grating ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 are substantially matched.
  • the shape of the side surface portion 21 may be determined.
  • FIG. 3A shows a lens formed by joining a medium 31a and a medium 32a made of different materials, and includes a light incident surface (for example, the medium 32a side) and a light emitting surface (for example, The medium 31a side) shows a case of a flat surface.
  • the shape of the diffraction grating that gives an optical action equivalent to that of such a lens is such that the optical path length difference generated between the medium 31a and the medium 32a matches the integer multiple of the wavelength ⁇ of the incident light.
  • the surface 34a serving as the reference surface corresponds to a surface having an optical path length difference of 0, and the surface 34b, the surface 34c, and the surface 34d have optical path length differences of ⁇ , 2 ⁇ from the reference surface, respectively. Examples of the surface to be 3 ⁇ are shown.
  • FIG. 3B is an example of a lens designed to have an interface from the (reference) surface 34a to the surface 34b based on FIG. 3A, and is formed by joining a medium 31b and a medium 32b.
  • an interface exists within the optical path length difference ⁇ (up to the surface 34b) from the reference surface 34a, and a diffraction grating can be provided by this interface.
  • the optical path length difference is not limited to the range of 0 to ⁇ , and may be adjusted in the range of 0 to 2 ⁇ , 0 to 3 ⁇ , and the like.
  • FIG. 3C shows the present embodiment in which the first medium layer 31c is provided on the surface of the base material portion 33, and the second medium layer 32c is provided on the surface of the first medium layer 31c.
  • a diffractive optical element is shown, but the shape of the diffraction grating at this time can also be designed based on the procedure of FIGS. 3 (a) and 3 (b).
  • FIG. 3C illustrates the case where the base material portion 33 and the first medium layer 31c are made of the same material. However, even when these are made of different materials, the same technique is used for designing. be able to.
  • a surface 36 calculated from the optical path length difference to be generated with respect to the reference surface 35a is given, and the ⁇ is calculated from the (reference) surface 35a.
  • a surface 35b having an optical path length difference of 2 ⁇ and a surface 35c having an optical path length difference of 2 ⁇ from the (reference) surface 35a are provided. Then, the interface of the surface 36 existing from the surface 35b to the surface 35c is shifted so as to exist from the (reference) surface 35a to the surface 35b. That is, as in FIG.
  • the shape of the diffraction grating can be determined by using the surface 35a, the surface 35b, and the surface 35c as surfaces where the optical path length difference of the light having the wavelength ⁇ matches an integral multiple of ⁇ . In this case, since the incident light is convergent light, the shape of the surface 35b is different from the shape of the surface 35c.
  • the diffraction grating may be designed so that the direction of the light beam at each position out of the light incident on the diffractive optical element substantially matches the height direction of the diffraction grating. Note that the direction of each light ray incident on the diffraction grating can be obtained by ray tracing or the like.
  • the relationship between the refractive index of the material constituting the first medium layer 11 and the refractive index of the material constituting the second medium layer 12 will be described.
  • an optical element that generates a negative power with respect to incident light will be described based on the optical elements 40a to 40d in FIGS. 4A to 4D. It is assumed that the light enters from the left side of the element and proceeds in the right direction.
  • the optical element 40a shown in FIG. 4A and the optical element 40b shown in FIG. Can be illustrated.
  • the first optical unit 41a has a convex surface and is joined to the second optical unit 42a.
  • the refraction of the first optical unit 41a is performed.
  • the rate is n (41a) and the refractive index of the second optical unit 42a is n (42a)
  • n (42a) it is preferable that the relationship n (42a)> n (41a) is satisfied.
  • the optical element 40b in FIG. 4B has a second optical unit 42b having a convex surface, and the first optical unit 41b. The structure joined to this can be considered.
  • the refractive index of the second optical unit 42b is n (42b) and the refractive index of the first optical unit 41b is n (41b), it is preferable that the relationship n (42b) ⁇ n (41b) is satisfied. .
  • the optical element that generates negative power with respect to the incident light is shown as the diffractive optical element having the diffraction grating.
  • the diffractive optical element 40c in FIG. 4C has a first medium layer 41c and a second medium layer 42c on the surface of the base member 43c, and the first medium layer 41c and the second medium.
  • a diffraction grating shape is formed by the interface with the layer 42c.
  • the 4D has a first medium layer 41d and a second medium layer 42d on the surface of the base member 43d, and the first medium layer 41d and the second medium layer.
  • a diffraction grating shape is formed by the interface with the layer 42d.
  • the diffractive optical elements 40c and 40d are both shown for the case where the light incident on the diffraction grating is convergent light.
  • the diffractive optical element 40c when the refractive index of the first medium layer 41c is n (41c) and the refractive index of the second medium layer 42c is n (42c), n (42c)> n (41c). It is good to have the relationship. Further, in the diffractive optical element 40d, when the refractive index of the first medium layer 41d is n (41d) and the refractive index of the second medium layer 42d is n (42d), n (42d) ⁇ n (41d). It is good to have a relationship. Further, the diffractive optical element 40c in FIG. 4C and the diffractive optical element 40d in FIG.
  • the diffractive optical element 40c has a diffraction grating shape suitable for mold release when the first medium layer 41c is processed by a mold or the like
  • the diffractive optical element 40d has the first medium layer 41d of the first medium layer 41d.
  • the protruding portion is not suitable for mold release when processed by a mold or the like.
  • the diffractive optical element 40c corresponds to the above-described diffractive optical element 10 as a diffractive optical element in which the convergent light is incident on the diffraction grating.
  • the appropriate shape of the diffraction grating is considered as follows. be able to. First, consider the ridgeline of the diffraction grating in the diffractive optical element 40c. Note that the ridgeline here refers to the ridgeline including the apex of the first medium layer 41c protruding toward the second medium layer 42c.
  • the ridge line corresponds to, for example, a circumference centered on the optical axis, but can be said to be a line formed by the boundary between the adjacent lattice curved surface portion and the lattice side surface portion as described above.
  • the lattice curved surface portion is inclined toward the first medium layer 41c as the lattice curved surface portion is separated from the optical axis with reference to the ridge line. It is good to have such a shape.
  • the lattice curved surface portion has a curved surface
  • a plurality of tangent lines can be drawn within one lattice curved surface portion, but the inclination of the tangent line drawn from the optical axis side toward the peripheral side is separated from the optical axis. Accordingly, the shape is inclined to the first medium layer 41c.
  • the grating curved surface portion becomes the second as the distance from the optical axis increases.
  • the shape is inclined toward the medium layer 42d side.
  • the lattice curved surface portion has a curved surface, a plurality of tangent lines can be drawn within one lattice curved surface portion, but the inclination of the tangent line drawn from the optical axis side toward the peripheral side is separated from the optical axis. Accordingly, the shape is inclined to the second medium layer 42d.
  • the diffraction grating having such a tangential inclination may not be suitable for mold release when processed by a mold or the like as described above, the diffraction grating of the diffractive optical element 40c in FIG. It is preferred to have the described slope (tangent).
  • the diffraction grating is described as generating negative power.
  • the diffraction grating is not limited to this, and may generate positive power.
  • the optical element 40c may have a refractive index relationship such that n (42c) ⁇ n (41c).
  • a diffractive optical element that generates positive power in the diffractive grating preferably has a diffraction grating shape like the diffractive optical element 40c in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating another configuration example of the diffractive optical element according to the present embodiment, and illustrates a state in which light having a wavelength to be diffracted enters the diffraction grating as divergent light.
  • a first medium layer 51 is bonded to the surface of a base part 53 having a curved surface
  • a second medium layer 52 is bonded to the surface of the first medium layer 51. It has an integrated configuration.
  • a diffraction grating shape is formed by the interface between the first medium layer 51 and the second medium layer 52.
  • a portion where the first medium layer 51 and the second medium layer 52 are combined is used as a diffraction grating. .
  • FIG. 5 further shows a locus of a part of the light beam as a light beam 54 when light of a specific wavelength is transmitted through the diffractive optical element 50.
  • divergent light is incident on the diffractive optical element 50, it is refracted on the light incident side surface (interface with air) of the second medium layer 52, and the traveling direction is changed. At this time, it is incident on the diffraction grating as divergent light.
  • the grating curved surface part is separated from the optical axis 55 with reference to the ridge line.
  • a shape in which the lattice curved surface portion is inclined to the second medium layer 52 side is preferable.
  • the refractive index of the first medium layer 51 is n (51), and the refractive index of the second medium layer 52 is n (52).
  • n (51) the refractive index of the first medium layer 51
  • n (52) the refractive index of the second medium layer 52
  • the refractive index of the medium on the light incident side is n 2
  • the refractive index of the medium on the light output side is n 1 .
  • n 2 corresponds to the refractive index of the second medium layer 12
  • n 1 corresponds to the refractive index of the first medium layer 11.
  • the power generated by the diffraction grating and phi 2 when giving negative power ⁇ When giving 0, positive power ⁇ 2> ⁇ 2 and 0.
  • the diffractive optical element according to this embodiment is ⁇ 1 ⁇ (n 2 ⁇ n 1 ) ⁇ ⁇ 2 ⁇ 0 (1) It is good to satisfy.
  • FIG. 6 is an enlarged schematic diagram showing the structure of the diffraction grating of the diffractive optical element 10.
  • the diffraction grating shape is modified and shown. It is an example.
  • the mold is released with a mold or the like.
  • the release direction is made substantially equal to the optical axis direction, for example, the mold can be released without being caught from the mold.
  • Such an appropriate uneven shape is preferable. Therefore, a condition for preventing the shape of the diffraction grating from becoming unsuitable for release due to the height of the unevenness of the diffraction grating being too high is considered.
  • ⁇ be the angle formed with the grating side surface portion 22 with reference to the optical axis 15 (in FIG. 1). Then, as described above, when the distance between two adjacent vertices is measured in the radial direction from the optical axis as the pitch P, the height h of the diffraction grating is h ⁇ P / sin ⁇ (2) It is good to satisfy. Further, in the equation (2), the height h when the equation is satisfied corresponds to the maximum height h max in FIG. Since the value of the pitch P varies depending on the position of the diffraction grating, the height h of the diffraction grating may be set so as to satisfy the formula (2) according to the position.
  • FIGS. 7A to 7D show diffractive optical elements 70a to 70d as other diffractive optical elements, but such structures may also be used.
  • the diffractive optical element 70a has a first medium layer 71a on a base portion 73a having a curved surface, a second medium layer 72a on the first medium layer 71a, and a second medium layer.
  • a third medium layer 74a is provided on 72a.
  • the diffractive optical element 70b has a first medium layer 71b on a base part 73b serving as a flat plate, a second medium layer 72b on the surface of the first medium layer 71b, and a second medium.
  • the layer 72b may include the third medium layer 74b having a curved surface (refractive surface) on the surface, and the base material portion 73b may not have a curved surface.
  • the base material portion 73c has a curved surface and a flat surface on the side facing the curved surface, a second medium layer 72c on the flat surface of the base material portion 73c, and a second medium.
  • the first medium layer 71c may be provided on the surface of the layer 72c, and the base material portion 73c may be located on the light incident side. Furthermore, the diffractive optical element 70d has a first medium layer 71d on the surface of the base portion 73d having a concave lens surface, and a second medium layer 72d on the surface of the first medium layer 71d.
  • the surface (interface with the air) on the light incident side of the second medium layer 72d may have a concave curved surface.
  • the diffractive optical element various configurations other than the configurations shown in FIGS. 7A to 7D can be considered.
  • FIG. 8 shows a state in which the diffractive optical element 80 and the light incident on the diffractive optical element 80 are condensed on the optical disc 90 having a different cover layer thickness.
  • FIG. 8 shows a case where the diffractive optical element 80 is applied as an objective lens for an optical head device, the present invention is not limited to this. For example, it can be used as a camera lens.
  • the diffractive optical element 80 has a first medium layer 81 on the surface of the base member 83, and a second medium layer 82 is bonded onto the first medium layer 81, and the first medium layer 81 and the first medium layer 81 are connected to each other.
  • a diffraction grating shape is formed by the interface of the two medium layers 82.
  • the wavelengths of the three incident light beams are the wavelength ⁇ 1 , the wavelength ⁇ 2, and the wavelength ⁇ 3 ( ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3 ), and the light 84 with the wavelength ⁇ 1 is information on the first optical disc 91.
  • the light 85 having the wavelength ⁇ 2 is condensed on the information recording surface of the second optical disc 92, and the light 86 having the wavelength ⁇ 3 is condensed on the information recording surface of the third optical disc 93. .
  • the light 84 with the wavelength ⁇ 1 , the light 85 with the wavelength ⁇ 2 , and the light 86 with the wavelength ⁇ 3 are refracted on the light incident side surface (interface with air) of the second medium layer 82,
  • the light enters the diffraction grating formed by the medium layer 81 and the second medium layer 82.
  • the diffraction efficiency can be increased by making the traveling direction of the light beam substantially coincide with the direction of the grating side surface of the diffraction grating, and high light utilization efficiency. Can be obtained.
  • a material that does not generate diffraction in a wavelength-selective manner may be selected by setting the difference in refractive index at the interface with 82 to substantially zero.
  • the direction of the wavelength lambda 1 of the light beam since almost straightly transmitted independently of the diffraction grating and the direction of the grating side surface portion of the diffraction grating, in this case, for example, the direction of the wavelength lambda 2 of the light beam about the diffraction and / or
  • the diffractive optical element 80 may be designed in consideration of the direction of the light beam having the wavelength ⁇ 3 and the direction of the grating side surface of the diffraction grating.
  • wavelength ⁇ 1 is light of 405 nm wavelength band for BD that becomes blue light
  • light of wavelength ⁇ 2 is light of 660 nm wavelength band for DVD that is red light
  • light of wavelength ⁇ 3 Are considered to be light in the 780 nm wavelength band for CD, which is infrared light.
  • the 405 nm wavelength band is a wavelength close to the ultraviolet region, the diffractive optical element is required to have characteristics that do not deteriorate due to light of this wavelength, that is, light resistance.
  • the refractive indexes in the light of the 405 nm wavelength band are substantially matched, and the refraction in the light of the 660 nm wavelength band and the light of the 780 nm wavelength band is made. Combinations with different rates.
  • the material of the first medium layer 81 and the material of the second medium layer 82 are a material having a large wavelength dispersion (hereinafter referred to as “high dispersion material”) and a material having a small wavelength dispersion (hereinafter referred to as “low dispersion”).
  • high dispersion material a material having a large wavelength dispersion
  • low dispersion a material having a small wavelength dispersion
  • the 405 nm wavelength band indicates a range of 395 to 420 nm
  • the 660 nm wavelength band indicates a range of 640 to 680 nm
  • the 780 nm wavelength band indicates a range of 765 to 805 nm.
  • a highly dispersed material has an absorption band of light in the ultraviolet region, and thus wavelength dispersion is often large, while light resistance to light in the ultraviolet region is often weak.
  • the first medium layer 81 made of the highly dispersed material or The second medium layer 82 is preferably thin.
  • the diffraction grating when the diffraction grating generates a negative power with respect to light having a wavelength band of 660 nm, the diffraction grating is easily formed as in the diffractive optical element 40c of FIG.
  • the refractive index of the material of the first medium layer 81 must be lower than the refractive index of the material of the second medium layer 82 in light having a wavelength band of 660 nm.
  • the first medium layer 81 Is a high dispersion material
  • the second medium layer 82 is a low dispersion material.
  • the base material portion 83 and the first medium layer 81 are made of the same highly dispersed material, so that the thickness of the highly dispersed material increases, so that the light resistance to light in the 405 nm wavelength band is weak. become. Therefore, the material of the base material portion 83 and the material of the first medium layer 81 are different, and in particular, the material of the base material portion 83 is different from the high dispersion material such as glass, plastic, etc. It is preferable to do. Further, in this case, the diffraction grating is located on the light incident side (left side in FIG. 8) from the base member 83, so that the distance between the diffractive optical element 80 and the optical disk 90 is maintained and contact between them is avoided.
  • the base material portion 83 can select a material having excellent temperature characteristics, and the degree of freedom in design. Is preferable.
  • the diffractive optical element 80 is configured to receive three light beams having different wavelengths. However, two light beams having different wavelengths may be incident and diffracted only to light having one wavelength. That is, the refractive index of the first medium layer 81 and the refractive index of the second medium layer 82 are substantially the same for light of one wavelength, and the first medium for light of the other wavelength. The refractive index of the layer 81 and the refractive index of the second medium layer 82 may be different. Further, the light having a wavelength that is substantially matched is not limited to blue light, and may be red light and / or infrared light.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of the optical head device 100 according to the present embodiment.
  • the optical head device 100 emits light in each wavelength band from a light source 101a that emits blue light in a 405 nm wavelength band and a light source 101b that emits red light in a 660 nm wavelength band and infrared light in a 780 nm wavelength band. Is done.
  • a beam splitter 102 that reflects blue light and transmits red light and infrared light, and a second beam that transmits light in the first polarization direction and is orthogonal to the first polarization direction.
  • a polarizing beam splitter 103 that reflects light in the polarization direction, a collimator lens 104, a quarter-wave plate 105, and an objective lens 106, and is collected on an optical disk 107.
  • the optical head device 100 also includes a photodetector 108 that detects light reflected by the optical disc 107.
  • Blue light emitted from the light source 101 a is reflected by the beam splitter 102, while red light and infrared light emitted from the light source 101 b pass through the beam splitter 102.
  • These three types of light all become light in the first polarization direction, pass through the polarization beam splitter 103, the divergence state is changed by the collimator lens 104, and pass through the quarter wavelength plate 105. Then, the light enters the objective lens 106, is condensed on the information recording surface of the optical disk 107 corresponding to the light of each wavelength, and is reflected.
  • the reflected light passes through the objective lens 106 and the quarter-wave plate 105, becomes light in the second polarization direction, passes through the collimator lens 104, is reflected by the polarization beam splitter 103, and is detected by the photodetector. Condensed to 108.
  • the optical head device 100 has a detection device for servo signals, recording signals, and reproduction signals (not shown). Further, in the optical path between the light source 101a and / or the light source 101b and the polarization beam splitter 103, a diffraction element (grating element) (not shown) that generates three beams may be provided. Furthermore, a hologram element for obtaining a servo signal, an optical element for correcting the optical axis for light having different wavelengths, or an optical element for converting optical magnification may be provided. The optical head device 100 records and reproduces three types of optical disks corresponding to the three types of light with one objective lens 106.
  • the optical head device 100 records and reproduces BD corresponding to light in the 405 nm wavelength band.
  • the objective lens for reproduction and the objective lens for DVD / CD recording / reproduction corresponding to light in the 660 nm wavelength band and light in the 780 nm wavelength band may be disposed in different optical paths.
  • the diffractive optical elements 10 and 50 described in the embodiment of the diffractive optical element can be used.
  • the objective lens 106 is not limited to the one in which three kinds of light is incident, and may be one in which one or two kinds of light is incident, both of which are diffractive optical elements according to the present invention. Can be used.
  • the diffractive optical element according to the present invention as the objective lens 106, the diffraction efficiency of light having a wavelength to be diffracted by the diffraction grating of the diffractive optical element can be increased, and the workability as a diffraction grating is good. Since it has a shape, optical characteristics with high accuracy can be obtained, and light can be condensed onto the optical disc 107 with high accuracy.
  • each surface of the diffractive optical element 10 has an aspherical shape shown in Expression (3).
  • r is a radius
  • c is a curvature at the center of the aspheric surface
  • k is a conic coefficient
  • ⁇ 2i is a coefficient of a 2i-order term describing the aspheric shape.
  • a diffraction grating is formed in the inner region having a diameter of 2.46 mm with the optical axis as the center, but in the outer region (outer region), there is a region having no diffraction grating.
  • the aspheric coefficient of this region is a different value.
  • the diffraction effect generated by this diffraction grating is represented by a phase difference function ⁇ , where M is the diffraction order, A 2i is the 2i-th order coefficient of the phase function, and the phase difference function ⁇ is expressed by Equation (4).
  • the diffractive optical element according to the present example has a wavelength band of 405 nm as shown in Table 1 for two resins corresponding to the first medium layer 11 and the second medium layer 12 from the wavelength dispersion characteristics thereof.
  • the refractive index is substantially the same for blue light.
  • the diffraction grating has the maximum zero-order diffraction efficiency (straight forward transmittance) with respect to blue light.
  • the refractive index differs between the two resins for red light having a wavelength band of 660 nm and infrared light having a wavelength band of 780 nm, and the diffraction grating has the highest first-order diffraction efficiency for light of these wavelengths.
  • lens data of the diffractive optical element according to the present example is shown in [Table 1] to [Table 4].
  • the diffraction grating in the diffractive optical element according to this example gives negative power in red light and infrared light.
  • the incident angles are different from the optical axis of the diffractive optical element toward the outermost peripheral portion, but the light incident on each position of the diffraction grating in the direction of the grating side surface of the diffraction grating.
  • Set the angle equal to the angle of.
  • Table 5 specifically shows the relationship between the radial position of the grating side surface portion and the angle of the grating side surface portion in this example. Note that the position of the grating side surface is obtained by calculating the value of the radius at which the phase function is 2 ⁇ shown in Equation (4).
  • the surface normal direction of the second resin surface in the outermost peripheral portion is inclined by 56.9 ° with respect to the optical axis.
  • the incident angle to the diffraction grating is calculated from the refractive index of the second resin, the direction is 25.2 ° with respect to the optical axis.
  • the diffraction optical element produced in this way when the diffraction efficiency of the red light in the diffraction grating of an outer peripheral part is calculated by RCWA method, it will be about 88%.
  • the height h of the grating side surface portion was set to 38 ⁇ m at the maximum, and the height to the surface of the glass serving as the base material portion was set.
  • the incident angle of the light having a wavelength of 660 nm to the diffraction grating is calculated at the outermost peripheral portion of the light having a wavelength of 780 nm corresponding to the effective diameter of the light for CD, the direction forming 19.6 ° with respect to the optical axis. It becomes. Further, the height h of the diffraction grating at the outermost periphery of 780 nm light is 38 ⁇ m, the pitch P of this outermost periphery is 17.6 ⁇ m, and the direction of the side surface of the grating is 27.2 °.
  • FIG. 11 shows a part of the cross section of the diffractive optical element in the present embodiment.
  • This corresponds to the apex of the curved surface of the second resin corresponding to the second medium layer 12 of the element.
  • the uneven shape of the first resin corresponding to the first medium layer 11 can be easily released in the manufacturing process. I understand.
  • the diffraction grating in the diffractive optical element is considered to have a structure in which the height of each grating coincides with the optical axis direction.
  • FIG. 10 schematically shows a diffraction grating portion of the diffractive optical element of this comparative example, and the height h of the diffraction grating formed by the interface where the first resin 111 and the second resin 112 are joined together. Are given in a direction parallel to the optical axis.
  • the refracted ray 114a is incident on the second resin surface, becomes a light beam 114b that is incident on the diffraction grating at an angle theta 1 from the optical axis, the direction of this ray 114b, the direction of the height of the diffraction grating Is different.
  • the lens parameters shown in [Table 1] to [Table 4] of the embodiment are used, the height h parallel to the optical axis is set to 38 ⁇ m, and the outermost pitch P Is 16.3 ⁇ m.
  • the diffraction efficiency of red light in the outer diffraction grating of the diffractive optical element manufactured in this way is calculated by the RCWA method, it is about 3%, and diffracted light cannot be obtained.
  • the diffractive optical element of the present invention has a diffraction grating on a curved surface, can increase diffraction efficiency with respect to light having a wavelength that generates diffraction, and has a diffraction grating shape that can be easily manufactured. An effect of easily obtaining optical characteristics can be obtained. Further, the present invention can obtain stable information recording / reproduction by obtaining a good light condensing characteristic on each optical disk using a diffractive optical element in an optical head device using light of a plurality of wavelengths. it can.

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Abstract

　曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有する回折光学素子を提供する。　回折光学素子１０は、曲面を有する基材部１３の表面に第１の媒質層１１が接合され、第１の媒質層１１の表面に第２の媒質層１２が接合されており、一体化された構成となっており、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２の界面によって形成される回折格子の高さ方向と、回折格子に入射する光線１４ｂの方向とが略一致するように、設計される。さらに、第１の媒質層１１は光軸１５方向に離型するときに引っ掛かりがない凹凸となるように回折格子が形成される。

Description

回折光学素子および光ヘッド装置
　本発明は、入射する光を回折して集光させる作用を有する回折光学素子および光ヘッド装置に関する。
　光ディスクとして、Ｂｌｕ－ｒａｙ（商品名、以下、ＢＤ）、ＤＶＤ、ＣＤが幅広く普及している。これらＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤは、記録および／または再生（以下、「記録・再生」という。）に用いる光の波長等が異なっている。具体的には、ＢＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が０．１ｍｍの情報記録媒体に、波長４０５ｎｍの光源から出射された光をＮＡ（開口数）が０．８５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。ＤＶＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が０．６ｍｍの情報記録媒体に、波長６６０ｎｍの光源から出射された光をＮＡが０．６５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。ＣＤは、基板の厚さ（カバー層の厚さ）が１．２ｍｍの情報記録媒体に、波長７８０ｎｍの光源から出射された光をＮＡが０．４５の対物レンズにより集光させることにより情報の記録・再生を行う。
　上述したＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤにおける光ディスクにおいて、１つの対物レンズにより各々の光ディスクに使用する波長の光を集光することを考えた場合、各々の光ディスクのカバー層の厚さの違いに起因して発生する球面収差を補正することができ、各光ディスクへの良好な集光特性が得られるようにすることが必要となる。また、この場合、各々の光の光軸方向と平行に移動する対物レンズが、光ディスクの表面と接触することを防ぐため、対物レンズと光ディスクとの間に一定の距離を確保しながら、各光ディスクへの良好な集光特性が得られるようにする必要がある。
　ここで、各光ディスクのカバー層の厚さの違いに起因して発生する球面収差を補正するために、回折格子の構造を有し、入射する光を回折させる対物レンズの構成が知られている。具体的に、回折による回折角の正弦は、光の波長の逆数と回折次数に比例するため、適切な位相差が得られる構造の回折格子を設計し、回折次数および波長に基づく回折角の違いを利用することで、各光ディスクの球面収差の補正が可能となる。
　このような回折格子としては、凹凸面と接する媒質が空気となるもの、即ち、表面に凹凸を有する構造となるものが考えられる。この場合、空気の屈折率は略１であることに加え、回折格子を構成する媒質（材料）は、波長の逆数の変化に対する屈折率の変化が小さい場合が多い。そのため、凹凸面と接する媒質が空気である場合、回折特性に関しては回折格子の形状により決定される。つまり、この場合、回折格子の形状のみが回折特性の設計の自由度ともいえる。
　これに対して、回折格子の凹凸が空気と接しない場合、即ち、２つの異なる媒質（材料）によって回折格子が構成されている場合、これらの媒質を適宜、選択（調整）することで、これらの媒質の屈折率に基づき、所望の屈折率差を得ることができる。このように、２つの異なる媒質（材料）によって回折格子が構成されているレンズとして、互いに材質が異なる第１光学部と第２光学部の接合面と、互いに材質が異なる第２光学部と第３光学部の接合面に回折構造を有する複合光学素子が報告されている（特許文献１）。
国際公開第２００７／１４５１２０号
　上記のように、特許文献１の複合光学素子は、空気ではない、異なる２つの媒質によって回折格子の構造を有するが、一方の媒質が空気（屈折率＝１）である場合に比べると、これらの媒質間での屈折率差は小さい。このため、これらの媒質間で回折が発生するように、所定の位相差を与えようとすると、一方の媒質が空気である場合に比べて、回折格子の格子高さを大きくしなければならいという制約がある。一方、格子高さが大きくなると、格子高さ方向から入射する光の回折効率に対して、格子高さ方向から傾いた方向から入射する光の回折効率の変化が大きくなる。つまり、回折効率の入射角度依存性が大きくなり、この傾きが大きくなると回折効率が大きく低減する。とくに、曲面に回折格子を有する場合は、光が入射する位置によって、光の入射角度が異なる。ところが、特許文献１の複合光学素子は、回折格子の格子高さ方向と、光の入射角度との関係について考慮されておらず、高い回折効率を得ることが困難である、という問題があった。
　さらに、特許文献１の複合光学素子は、樹脂からなる第２光学部と第３光学部との界面により回折格子形状を与えることが開示されているが、下記の理由により、回折格子形状を高い精度で与え、所望の回折効率を得ることが困難であるという問題があった。図１２（ａ）は、特許文献１の複合光学素子の製造工程の一部を示した模式図であり、基材となりレンズ面を有する第１光学部２０１上に、樹脂からなる第２光学部２０２を、金型となる下型２０３に押し当ててプレスすることによって成形する様子を示したものである。そして、この工程の後に、樹脂からなる第２光学部２０２と下型２０３とを、下型２０３に対して鉛直方向に離型する工程を経る。
　ところが、特許文献１の複合光学素子は、図１２（ｂ）に示す複合光学素子２１０が、基材となりレンズ面を有する第１光学部２１１上に、樹脂からなる第２光学部２１２が接合され、さらにその上に樹脂からなる第３光学部２１３が接合されてなるが、位相段差部２１４が水平方向に突出する構造を有する。このとき、複合光学素子２１０の製造工程のうち、下型により第２光学部２１２および第３光学部２１３を離型する工程において、下型を鉛直方向に容易に離型することが困難であるとともに、離型の際に良好な回折格子形状を与えることができない。そのため、所望の回折効率を得ることができず、光利用効率が低下するという問題があった。
　本発明は、従来技術のかかる問題を解決するためになされたものであり、曲面に回折格子形状を有する回折光学素子について、入射する光に対して高い回折効率が得られるとともに、製造工程において例えば、金型による離型が容易となる回折格子の形状とすることで、所定の光学特性を容易に得られる回折光学素子を提供することを目的とする。さらに、複数の波長の光を取り扱うこの回折光学素子を用いることで小型化が実現できるとともに、各光ディスクに良好な集光特性を与えることで安定した情報の記録・再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
　本発明は、入射する光の発散状態または収束状態を変化させる回折光学素子であって、第１の媒質層と第２の媒質層とが接合された界面によって形成された回折格子を有し、前記回折格子は、格子側面部と格子曲面部とが接してできる境界線が前記界面の稜線となるように、前記格子側面部と前記格子曲面部とが交互に並んで構成され、平坦な面を有する複数の前記格子側面部は、入射する前記光の光軸を含む断面において傾きが互いに異なるものを含み、入射する前記光の光線の方向が、前記格子側面部の傾斜方向と略一致する回折光学素子を提供する。
　また、隣り合う前記稜線について、前記光軸と直交する方向の間隔をピッチＰ、前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部の高さをｈ、前記光軸と前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部とがなす角度をαとするとき、ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα、を満足する上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記回折格子に入射する前記光は収束光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第１の媒質層側に傾く上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記回折格子に入射する前記光は発散光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第２の媒質層側に傾く上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記回折格子に、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順で入射する光の状態をφ１とし、前記回折格子に収束光が入射するとき、φ１＝＋１であって、前記回折格子に発散光が入射するとき、φ１＝－１であるとし、前記第１の媒質層の屈折率をｎ１、前記第２の媒質層の屈折率をｎ２とし、さらに、前記回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とするとき、φ１×（ｎ２－ｎ１）×φ２＜０、を満足する上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記第２の媒質層は、前記界面と対向する側に曲面を有する上記の回折光学素子を提供する。
　また、曲面を有する基材部と、前記基材部の前記曲面上に接合された前記第１の媒質部と、前記第１の媒質部に接合された前記第２の媒質部と、を有する上記の回折光学素子を提供する。
　また、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光うち、少なくとも２つの光が入射し、前記３種の光のうち、少なくとも１つの光を回折する上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記青色光、前記赤色光、前記赤外光のうち、いずれか１つまたはいずれか２つの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、残りの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる上記の回折光学素子を提供する。
　また、前記青色光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、前記赤色光および前記赤外光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる上記の回折光学素子を提供する。
　また、光源と、前記光源から出射された光を、光ディスクに集光する上記の回折光学素子と、前記光ディスクで反射された光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置を提供する。
　さらに、前記光源は、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光のうち少なくとも２種の光を発射する上記の光ヘッド装置を提供する。
　本発明の回折光学素子は、曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有することで、所定の光学特性、とくに、高い回折効率特性が容易に得られる効果を得ることができる。また、本発明は、複数の波長の光を用いる光ヘッド装置において、回折光学素子を用いて、各光ディスクへの良好な集光特性を得ることで、安定した情報の記録・再生を得ることができる。
本実施形態に係る回折光学素子の断面模式図（１）。 本実施形態に係る回折光学素子の回折格子の断面模式図。 （ａ）回折格子を有さない接合レンズ。（ｂ）回折格子を有するレンズ。（ｃ）回折格子を有する回折光学素子。 （ａ）負のパワーを発生する光学素子（１）。（ｂ）負のパワーを発生する光学素子（２）。（ｃ）負のパワーを発生する回折光学素子（１）。（ｄ）負のパワーを発生する回折光学素子（２）。 本実施形態に係る回折光学素子の断面模式図（２）。 回折光学素子の回折格子の高さの条件を説明する模式図。 （ａ）他の回折光学素子の断面模式図（１）。（ｂ）他の回折光学素子の断面模式図（２）。（ｃ）他の回折光学素子の断面模式図（３）。（ｄ）他の回折光学素子の断面模式図（４）。 本実施形態に係る回折光学素子および入射する光の集光性を示す模式図。 本実施形態に係る光ヘッド装置の構成を示す模式図。 比較例となる回折光学素子における回折格子の模式図。 本実施例の回折光学素子の断面図。 （ａ）複合光学素子の製造工程の一部を示す模式図。（ｂ）従来の複合光学素子の構成を示す模式図。
　（回折光学素子の実施形態）
  図１は、本実施形態に係る回折光学素子の構成例を示す模式図である。図１に示す回折光学素子１０は、曲面を有する基材部１３の表面に第１の媒質層１１が接合され、第１の媒質層１１の表面に第２の媒質層１２が接合されており、一体化された構成となっている。なお、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２との界面によって回折格子形状をなすが、これに限らない。例えば、基材部１３と第１の媒質層１１とが同一の材料であってもよく、この場合、基材部１３は、その表面に、図１に示す第１の媒質層１１の凹凸があるものとして考えることができる。また、この他に、第２の媒質層１２の表面に、図示しない他の材料が積層される構成であってもよい。さらに、第２の媒質層１２の表面、基材部１３と第１の媒質層１１との界面、基材部１３の（第１の媒質層１１側に対向する）表面に、回折格子や位相段差等の凹凸を有する構成であってもよい。以降、本実施形態では、まず、図１の回折光学素子１０の構成に基づき説明し、とくに、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２とを合わせた部分を回折格子として説明する。
　基材部１３は、ガラスやプラスチック等の材料を用いることができ、また、基材部１３そのものがレンズとしての機能を発生する単レンズであってもよく、研磨やプレス成形によって形成される。第１の媒質層１１、第２の媒質層１２は、後述する屈折率の関係を満たすものであれば、樹脂を用いたり、ガラス等の無機材料を切削、研削、プレス等によって加工したものを用いたりすることができる。
　また、図１は、回折光学素子１０に、特定の波長の光が入射するときの様子も示す。この光は、回折光学素子１０に発散光で入射するとともに、回折格子で回折する対象の波長の光であるものとし、図１は、その光の一部の光線として、光線１４ａ、光線１４ｂ、光線１４ｃそして光線１４ｄの順に進行する様子を示したものである。なお、図１の一点鎖線は、回折光学素子１０の光軸１５を表す。まず、光線１４ａは、第２の媒質層１２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｂとなるが、このとき、光線１４ｂは、収束光となる。なお、光が進行するにしたがって光軸１５から離れていく光を発散光、光が進行するにしたがって光軸１５に向かう光を収束光として、それぞれ定義する。また、光の進行方向が光軸１５と平行となる光は平行光とする。
　次に、収束光である光線１４ｂが回折格子に入射すると、回折格子により回折されることでパワー成分が付加される。なお、図１では、具体的に、凹レンズの作用を与えるような負のパワーが付加される様子を示すが、これに限らず、回折格子部は、凸レンズの作用を与える正のパワーを付加するものであってもよい。そして、第１の媒質層１１と基材部１３との界面で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｃとなり、さらに、基材部１３の光出射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられて光線１４ｄとなって出射する。なお、第１の媒質層１１の材料と基材部１３の材料が同一のものであれば、この界面で屈折は発生しない。
　図２は、図１において、光線１４ａから光線１４ｄに至る光路の近傍における回折格子の構造を拡大して示した模式図であり、図２に基づき、回折格子の構造および回折格子の近傍を透過する光線の様子について詳細に説明する。まず、回折格子は、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２の界面によって形成されるが、図２の断面図において、第２の媒質層１２側に突出する任意の頂点を頂点Ａとすると、頂点Ａは、回折格子の稜線の一部に含まれる。次に、図２において、頂点Ａを含む稜線と隣り合う２つの稜線を考えると、第１の媒質層１１側に突出する頂点Ｂ１を含む稜線と、第１の媒質層１１側に突出する頂点Ｂ２を含む稜線と、がそれに該当する。そして、頂点Ａを含む稜線は、２種類の界面に分けて考えたとき、後述する、格子側面部２１と格子曲面部２２とが接してできる境界と考えることもできる。つまり、格子側面部２１は、頂点Ａを含む稜線と頂点Ｂ１を含む稜線と、に挟まれた回折格子の界面に相当し、格子曲面部２２は、頂点Ａを含む稜線と頂点Ｂ２を含む稜線と、に挟まれた回折格子の界面に相当する。このとき、回折格子をなす界面は、格子側面部２１と格子曲面部２２とが交互に並んでなるものと考えることができる。
　ここで、格子側面部２１は、図２における断面図では直線によって表され、また、空間的には、例えば、ある頂点を有する円錐の側面の一部の面に相当する形状を有する。一方、格子曲面部２２は、図２における断面図では曲線によって表され、また、空間的には、ある非球面、球面、円錐等の一部の面に相当する形状を有する。なお、格子側面部２１および格子曲面部２２は、例えば、図１の光軸１５を中心として回転対称性を有する形状であってもよいが、これに限らず、回転対称性を有さない形状であってもよい。さらに、格子側面部２１は、一部に階段状の段差を有してもよく、また、格子曲面部２２も、階段状に近似されるような形状であってもよい。なお、回折格子の界面がフレネルレンズ形状であるとき、その中心は格子曲面部であり、周辺部に向けて格子側面部と格子曲面部とが交互に配置される。
　また、回折格子は、第１の媒質層１１と第２の媒質層１２との界面の一部に形成されるものであってもよく、これらの界面の全面に形成されていてもよい。さらには、光軸を中心とする中心部と、それ以外の周辺部と、に分けたとき、回折格子が中心部のみに形成されていたり、周辺部のみに形成されていたりしてもよい。また、回折格子を形成するための金型を作製する際に切削を用いる場合、図２において、例えば、頂点Ｂ１から頂点Ａ、そして頂点Ｂ２の順に結んでできる、回折格子の先端部の角度が小さくなると、切削工具が破損しやすくなる。そのため、回折格子の先端部がなす角度は１５°以上であればよく、２０°以上であればより好ましい。
　次に、図２の断面図に基づき、格子側面部２１と格子曲面部２２の傾斜について説明する。まず、光軸１５と回折格子に入射する光線１４ｂの進行方向と、がなす角度をθ１とし、光軸１５と格子側面部２１の直線方向と、がなす角度をθ２とすると、角度θ１と角度θ２とが、略一致するように、格子側面部２１の形状が決められている。ここで、回折光学素子１０に波長が異なる複数の光が入射する場合や、光線１４ａとは異なる入射角度で光が入射する場合は、角度θ１が一つの値に決まらないので、全ての条件において、角度θ１と角度θ２とを完全に一致させることはできないが、この場合も含め、特定の角度範囲内にこれらの光が入射するように考えるとよい。このとき、θ１とθ２とが、略一致するとは、格子側面部２１の角度θ２［°］と、回折格子に入射する光の入射角度θ１［°］との関係が、θ２－５°≦θ１≦θ２＋５°の範囲となるように与えるとよく、θ２－３°≦θ１≦θ２＋３°の範囲であれば好ましい。なお、回折光学素子１０の回折格子は、光軸から半径方向に測って、２つ隣の稜線の間隔をピッチＰとし、格子側面部の高さをｈとしてこの値を回折格子の高さとする。また、ピッチＰの値は、一般的に半径方向の位置によって異なる。
　また、回折光学素子１０を、例えば、光ヘッド装置用の対物レンズとして適用させる場合、対物レンズへ入射する光の入射面となる曲面の傾斜が大きい場合がある。とくに、ＮＡが大きい光、例えば、ＢＤ用の４０５ｎｍの光が入射する対物レンズとして適用させる場合、周辺部の入射面は４５°以上傾斜するので、回折格子に入射する光線の角度の変化が大きい。そのため、格子側面部の傾斜方向を考慮せずに、格子側面部の傾斜方向が入射する光線の方向と略一致しない場合は、回折効率の損失を引き起こす。とくに、傾斜が大きい周辺部で回折効率の損失が大きくなると、実質的なＮＡが小さくなる場合があるので、前述のように、角度θ１と角度θ２とが、略一致するように、格子側面部２１の形状が決められているとよい。
　次に、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に基づき、回折光学素子の回折格子の設計について説明する。まず、図３（ａ）は、互いに異なる材料からなる、媒質３１ａと媒質３２ａと、が接合してなるレンズであり、光の入射面（例えば、媒質３２ａ側）、光の出射面（例えば、媒質３１ａ側）はいずれも平面の場合を示したものである。このようなレンズと同等の光学作用を与える回折格子の形状は、媒質３１ａと媒質３２ａとで生じる光路長差が、入射する光の波長λの整数倍と一致する面３４ａ、面３４ｂ、面３４ｃ、面３４ｄの集合を考える。なお、図３（ａ）は、基準面となる面３４ａは、光路長差が０の面に相当し、面３４ｂ、面３４ｃおよび面３４ｄは、基準面より光路長差がそれぞれ、λ、２λおよび３λとなる面を例について示した。
　ここで、面３４ｂから面３４ｃに至るまでに存在する界面が、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに存在するようにシフトさせる。そして、面３４ｃから面３４ｄに至るまでに存在する界面も、同じく、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに存在するようにシフトする。図３（ｂ）は、図３（ａ）に基づき、（基準）面３４ａから面３４ｂに至るまでに界面を有するように設計したレンズの例であり、媒質３１ｂと媒質３２ｂが接合されてなるが、基準面３４ａより光路長差λ以内（面３４ｂまで）に界面が存在し、この界面によって回折格子を与えることができる。なお、光路長差は、０～λの範囲となる場合に限らず、０～２λ、０～３λ等の範囲で調整してもよい。
　そして、図３（ｃ）は、基材部３３の表面に第１の媒質層３１ｃを有し、さらに、第１の媒質層３１ｃの表面に第２の媒質層３２ｃを有する、本実施形態に係る回折光学素子を示すものであるが、このときの回折格子の形状についても、図３（ａ）、図３（ｂ）の手順に基づき、設計することができる。なお、図３（ｃ）は、基材部３３と第１の媒質層３１ｃとが同一の材料である場合について図示したものであるが、これらが異なる材料からなる場合でも、同じ手法で設計することができる。
　ここで、図３（ｃ）の場合は、光が入射する面が曲面であるので、基準面３５ａに対して発生させたい光路長差から計算した面３６を与え、（基準）面３５ａからλの光路長差を有する面３５ｂ、（基準）面３５ａから２λの光路長差を有する面３５ｃを与える。そして、面３５ｂから面３５ｃに至るまでに存在する、面３６の界面が、（基準）面３５ａから面３５ｂに至るまでに存在するようにシフトさせる。つまり、図３（ａ）のように入射面が平面となる光学素子と同様に、第１の媒質層３１ｃと第２の媒質層３２ｃとの間で発生させる光路長差と、基準面と入射する波長λの光の光路長差がλの整数倍と一致する面を、面３５ａ、面３５ｂ、面３５ｃとして回折格子の形状を決めることができる。なお、この場合、入射する光は収束光であるので、面３５ｂの形状と面３５ｃの形状とは異なる。この場合、回折格子は、回折光学素子に入射する光のうち、各位置の光線の方向と、回折格子の高さ方向とが、略一致するように設計するとよい。なお、回折格子に入射する各光線の方向は、光線追跡等により求めることができる。
　次に、第１の媒質層１１を構成する材料の屈折率と第２の媒質層１２を構成する材料の屈折率との関係について説明する。ここでは、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子について、図４（ａ）～図４（ｄ）の光学素子４０ａ～４０ｄに基づいて説明するが、光はいずれも、各光学素子の左側から入射して右方向に進行するものとする。ここで、２つの媒質が接合されてなる界面が曲面である場合、負のパワーを発生させる光学素子の構成としては、図４（ａ）の光学素子４０ａ、図４（ｂ）の光学素子４０ｂが例示できる。
　具体的に、図４（ａ）の光学素子４０ａは、第１の光学部４１ａが凸面を有し、第２の光学部４２ａに接合されるが、ここで、第１の光学部４１ａの屈折率をｎ（４１ａ）、第２の光学部４２ａの屈折率をｎ（４２ａ）とすると、ｎ（４２ａ）＞ｎ（４１ａ）の関係を有するとよい。また、同様に、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子として、図４（ｂ）の光学素子４０ｂは、第２の光学部４２ｂが凸面を有し、第１の光学部４１ｂに接合される構成が考えられる。ここで、第２の光学部４２ｂの屈折率をｎ（４２ｂ）、第１の光学部４１ｂの屈折率をｎ（４１ｂ）とすると、ｎ（４２ｂ）＜ｎ（４１ｂ）の関係を有するとよい。
　このように、入射する光に対して負のパワーを発生させる光学素子を、回折格子を有する回折光学素子として示したのが、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃ、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄである。まず、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃは、基材部４３ｃの表面に、第１の媒質層４１ｃと第２の媒質層４２ｃを有し、第１の媒質層４１ｃと第２の媒質層４２ｃとの界面によって回折格子形状をなす。そして、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄは、基材部４３ｄの表面に、第１の媒質層４１ｄと第２の媒質層４２ｄを有し、第１の媒質層４１ｄと第２の媒質層４２ｄとの界面によって回折格子形状をなす。また、回折光学素子４０ｃ、４０ｄは、いずれも、回折格子へ入射する光が収束光である場合について示したものである。
　ここで、回折光学素子４０ｃにおいて、第１の媒質層４１ｃの屈折率をｎ（４１ｃ）、第２の媒質層４２ｃの屈折率をｎ（４２ｃ）とすると、ｎ（４２ｃ）＞ｎ（４１ｃ）の関係を有するとよい。また、回折光学素子４０ｄにおいて、第１の媒質層４１ｄの屈折率をｎ（４１ｄ）、第２の媒質層４２ｄの屈折率をｎ（４２ｄ）とすると、ｎ（４２ｄ）＜ｎ（４１ｄ）の関係を有するとよい。また、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃ、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄは、模式的な断面図を示したものであるが、それぞれの回折格子の断面形状の典型的な違いを示したものである。つまり、回折光学素子４０ｃは、第１の媒質層４１ｃを金型等により加工する場合に離型に適する回折格子の形状を有するのに対し、回折光学素子４０ｄは、第１の媒質層４１ｄの突出している部分が、金型等により加工する場合に離型に適さない。
　この場合、収束光が回折格子に入射する回折光学素子としては、回折光学素子４０ｃが、前述の回折光学素子１０に相当するものであるが、回折格子の適切な形状は、以下のように考えることができる。まず、回折光学素子４０ｃにおいて、回折格子の稜線を考える。なお、ここでいう稜線は、第１の媒質層４１ｃが、第２の媒質層４２ｃ側へ突出した方の頂点を含む方の稜線について考える。そして、この稜線は、例えば、光軸を中心とした円周に相当するが、前述のように、隣り合う格子曲面部と格子側面部との境界によってできる線ともいえる。ここで、稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、この稜線を基準に、この格子曲面部が光軸から離れるにしたがって、格子曲面部が第１の媒質層４１ｃ側へ傾くような形状とするとよい。言い換えると、格子曲面部は、曲面を有するので、１つの格子曲面部内において複数の接線を引くことができるが、光軸側から周辺側に向けて引いたこの接線の傾きが、光軸から離れるにしたがって第１の媒質層４１ｃへ傾くような形状となっている。
　一方、図４（ｄ）の回折光学素子４０ｄの回折格子の場合、同じように稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、格子曲面部は、光軸から離れるにしたがって第２の媒質層４２ｄ側へ傾くような形状となっている。言い換えると、格子曲面部は、曲面を有するので、１つの格子曲面部内において複数の接線を引くことができるが、光軸側から周辺側に向けて引いたこの接線の傾きが、光軸から離れるにしたがって第２の媒質層４２ｄへ傾くような形状となっている。ところが、このような接線の傾きを有する回折格子は、前述のように金型等により加工する場合に離型に適さない場合があるので、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃの回折格子について説明した傾き（接線）を有することが好ましい。
　なお、これまで、回折格子は負のパワーを発生させるものとして説明したが、これに限らず、正のパワーを発生させるものであってもよく、このとき、例えば、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃにおいて、ｎ（４２ｃ）＜ｎ（４１ｃ）のような屈折率の関係を有するとよい。また、回折格子で正のパワーを発生させる回折光学素子についても、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃのような回折格子の形状を有するものが好ましい。
　また、これまで、回折光学素子において、回折格子に収束光が入射する場合について説明したが、回折格子に発散光が入射するものであってもよい。図５は、本実施形態に係る回折光学素子の他の構成例を示す模式図であって、回折の対象となる波長の光が発散光として回折格子に入射する様子を示したものである。図５に示す回折光学素子５０は、曲面を有する基材部５３の表面に第１の媒質層５１が接合され、第１の媒質層５１の表面に第２の媒質層５２が接合されており、一体化された構成となっている。そして、第１の媒質層５１と第２の媒質層５２との界面によって回折格子形状をなし、とくに、第１の媒質層５１と第２の媒質層５２とを合わせた部分を回折格子とする。
　また、図５は、さらに、回折光学素子５０を特定の波長の光が透過するとき、その光の一部の光線の軌跡を光線５４として示したものである。回折光学素子５０に発散光が入射すると、第２の媒質層５２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折し、進行方向が変えられるが、このとき、発散光として回折格子に入射する。この場合、回折格子の高さ方向、つまり、回折格子の格子側面部の面方向に沿って、光線５４が進行するように回折格子の形状を与えるとよい。また、このように回折格子に発散光が入射する場合において、稜線と、稜線に接する格子曲面部と、を考えたとき、稜線を基準に、この格子曲面部が光軸５５から離れるにしたがって、格子曲面部が第２の媒質層５２側へ傾くような形状とするとよい。
　また、これらの屈折率について、第１の媒質層５１の屈折率をｎ（５１）、第２の媒質層５２の屈折率をｎ（５２）とする。このとき、回折格子で正のパワーを発生させる場合、ｎ（５２）＞ｎ（５１）の関係とし、また、回折格子で負のパワーを発生させる場合、ｎ（５２）＜ｎ（５１）の関係を満たすように設計するとよい。
　ここで、回折光学素子の回折格子に入射する光の発散状態または収束状態、回折格子で回折させる光のパワー、回折格子を構成する２つの媒質（材料）の屈折率の関係に基づき、本実施形態に係る回折光学素子１０、５０に与えるべき条件について考える。まず、回折格子に入射する光の状態をφ１とし、収束光が入射する場合、φ１＝－１、発散光が入射する場合、φ１＝＋１とする。次に、回折格子を構成する２つの媒質のうち、光の入射側の媒質の屈折率をｎ２、光の出射側の媒質の屈折率をｎ１とする。例えば、回折光学素子１０において、ｎ２は、第２の媒質層１２の屈折率、ｎ１は、第１の媒質層１１の屈折率に相当する。さらに、対象となる波長の光に対して、回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とする。このとき、本実施形態に係る回折光学素子は、
  φ１×（ｎ２－ｎ１）×φ２＜０　　　・・・　（１）
を満たすようにするとよい。
　次に、回折光学素子における回折格子の形状の条件として、回折格子の高さの上限について、図６を用いて説明する。図６は、回折光学素子１０の回折格子の構造について拡大して示した模式図であるが、とくに、この回折格子の高さの上限を説明するために、回折格子形状を変形させて示した例である。前述のように、第１の媒質層１１を形成する場合に金型等で離型させるが、離型する方向を光軸方向に略等しくする場合、例えば、金型から引っ掛かりがなく離型できるような適切な凹凸形状とすることが好ましい。そのため、回折格子の凹凸の高さが高すぎることによって、離型に適さない形状とならないための条件を考える。
　まず、（図１における）光軸１５を基準に、格子側面部２２となす角度をαとする。そして、前述のように、光軸から半径方向に測って、２つ隣の頂点の間隔をピッチＰとするとき、回折格子の高さｈは、
  ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα　　　　　　　　　　・・・　（２）
を満たすとよい。また、式（２）において、等式となるときの高さｈは、図６における最大高さｈｍａｘに相当する。なお、ピッチＰは、回折格子の位置によりその値が異なるので、その位置に合わせて式（２）を満たすように回折格子の高さｈを設定するとよい。
　また、これまで、回折光学素子１０のように基材部１３と、第１の媒質層１１、第２の媒質層１２による構成について説明したが、回折光学素子としてはこれに限らない。図７（ａ）～図７（ｄ）は、他の回折光学素子の構成として、回折光学素子７０ａ～７０ｄを示したものであるが、このような構成であってもよい。まず、回折光学素子７０ａは、曲面を有する基材部７３ａ上に、第１の媒質層７１ａを有し、第１の媒質層７１ａの上に第２の媒質層７２ａ、さらに第２の媒質層７２ａの上に第３の媒質層７４ａを有するものである。
　また、回折光学素子７０ｂは、平面板となる基材部７３ｂ上に、第１の媒質層７１ｂを有し、第１の媒質層７１ｂの表面に第２の媒質層７２ｂ、さらに第２の媒質層７２ｂの表面に曲面（屈折面）を有する第３の媒質層７４ｂを有するものであり、基材部７３ｂが曲面を有しないものであってもよい。また、回折光学素子７０ｃは、基材部７３ｃが、曲面と、曲面と対向する側に平面を有し、基材部７３ｃの平面上に第２の媒質層７２ｃを有し、第２の媒質層７２ｃの表面に第１の媒質層７１ｃを有するものであり、基材部７３ｃが光の入射側に位置するものであってもよい。さらに、回折光学素子７０ｄは、凹レンズ面を有する基材部７３ｄの表面に、第１の媒質層７１ｄを有し、第１の媒質層７１ｄの表面に第２の媒質層７２ｄを有するものであり、第２の媒質層７２ｄの光入射側の表面（空気との界面）が凹状の曲面を有するものであってもよい。
　回折光学素子としては、図７（ａ）～図７（ｄ）に示した構成以外にも様々な構成が考えられる。とくに、回折格子に入射する光の条件に合わせ、さらに、回折格子の形状について、加工容易性が得られるように、構成されるとよい。
　次に、波長が異なる複数の光を集光させる作用を有する回折光学素子について、とくに図８において、波長が異なる３つの光が入射する回折光学素子８０を例にして説明する。図８は、回折光学素子８０および、回折光学素子８０に入射するそれぞれの光に対して、カバー層の厚さが異なる光ディスク９０に集光する様子を示したものである。
尚、図８では、回折光学素子８０を光ヘッド装置用の対物レンズとして適用させる場合を示しているが、これに限られない。例えば、カメラレンズとしても用いることができる。
回折光学素子８０は、基材部８３の表面に第１の媒質層８１を有し、さらに第１の媒質層８１上に第２の媒質層８２が接合され、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２の界面によって回折格子形状をなす。
　ここで、入射する３つの光の波長を、波長λ１、波長λ２および波長λ３（λ１＜λ２＜λ３）とし、波長λ１の光８４が、第１の光ディスク９１の情報記録面に集光し、波長λ２の光８５が、第２の光ディスク９２の情報記録面に集光し、波長λ３の光８６が、第３の光ディスク９３の情報記録面に集光する。そして、波長λ１の光８４、波長λ２の光８５および波長λ３の光８６は、第２の媒質層８２の光入射側の表面（空気との界面）で屈折して、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２によって形成される回折格子に入射する。このとき、少なくとも、回折格子で回折させる対象の光について、光線の進行方向と回折格子の格子側面部の方向と、を略一致させることで、回折効率を高くすることができ、高い光利用効率を得ることができる。
　なお、第１の媒質層８１および第２の媒質層８２の各材料の屈折率の波長分散特性により、例えば、波長λ１の光に対して、第１の媒質層８１と第２の媒質層８２との界面で屈折率差を略ゼロとして、波長選択的に回折を発生させないような材料を選択してもよい。この場合、波長λ１の光線の方向は、回折格子の格子側面部の方向とは無関係に回折格子をほぼ直進透過するので、この場合、例えば、回折に関する波長λ２の光線の方向および／または波長λ３の光線の方向と、回折格子の格子側面部の方向と、を考慮して回折光学素子８０を設計するとよい。
　ここで、例えば、波長λ１の光を、青色光となるＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光、波長λ２の光を、赤色光であるＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光、波長λ３の光を、赤外光であるＣＤ用の７８０ｎｍ波長帯の光と考える。この場合、４０５ｎｍ波長帯は紫外域に近い波長であるので、回折光学素子は、この波長の光によって劣化しない特性、つまり、耐光性が要求される。ここで、例えば、第１の媒質層８１の材料と第２の媒質層８２の材料について、４０５ｎｍ波長帯の光における屈折率を略一致させ、６６０ｎｍ波長帯の光、７８０ｎｍ波長帯の光における屈折率が異なる組み合わせとする。このとき、第１の媒質層８１の材料と第２の媒質層８２の材料とは、波長分散が大きい材料（以下、「高分散材料」という。）と波長分散が小さい材料（以下、「低分散材料」という。）との組み合わせによって、上記のような屈折率の関係が得られる。なお、４０５ｎｍ波長帯は、３９５～４２０ｎｍの範囲、６６０ｎｍ波長帯は、６４０～６８０ｎｍの範囲、７８０ｎｍ波長帯は、７６５～８０５ｎｍの範囲を示す。
　ところが、一般に、高分散材料は、紫外域に光の吸収帯を有し、それによって波長分散が大きい場合が多い一方で、紫外域の光に対する耐光性が脆弱である場合が多い。また、このような高分散材料の耐光性は、その厚さに依存して劣化するので、例えば、ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光を用いる場合、高分散材料からなる第１の媒質層８１または第２の媒質層８２は、薄い方が好ましい。ここで、回折格子が、６６０ｎｍ波長帯の光に対して負のパワーを発生させる場合、上記の式（１）に基づくとともに、図４（ｃ）の回折光学素子４０ｃのように、容易に形成できる回折格子の形状を考えると、６６０ｎｍ波長帯の光において、第１の媒質層８１の材料の屈折率は、第２の媒質層８２の材料の屈折率より低くしなければならない。この場合、４０５ｎｍ波長帯の光に対する、第１の媒質層８１の材料の屈折率と、第２の媒質層８２の材料の屈折率とは略一致していることから、第１の媒質層８１を高分散材料、第２の媒質層８２を低分散材料とする組み合わせとなる。
　ここで、例えば、基材部８３と第１の媒質層８１とが、同一の高分散材料で構成される場合、高分散材料の厚さが増すので、４０５ｎｍ波長帯の光に対する耐光性が脆弱になる。そのため、基材部８３の材料と第１の媒質層８１の材料とは異なるものとし、とくに基材部８３の材料は、前述したガラス、プラスチック等のように、高分散材料とは異なる材料とすることが好ましい。また、この場合、回折格子は、基材部８３より光入射側（図８の左側）にあることで、回折光学素子８０と光ディスク９０との間の距離を保ち、これらの接触を避けることができるので好ましい。さらに、回折光学素子８０が、基材部８３、第１の媒質層８１および第２の媒質層８２によって構成される場合、基材部８３が温度特性に優れた材料を選択でき、設計自由度が増すので好ましい。
　なお、回折光学素子８０は、波長が異なる３つの光が入射するものとしたが、波長が異なる２つの光が入射し、一方の波長の光に対してのみ回折させるものであってもよい。つまり、一方の波長の光に対して、第１の媒質層８１の屈折率と第２の媒質層８２の屈折率と、が略一致し、他方の波長の光に対して、第１の媒質層８１の屈折率と第２の媒質層８２の屈折率と、が異なるものであってもよい。また、略一致させる波長の光は、青色光とする場合に限らず、赤色光および／または赤外光であってもよい。
　（光ヘッド装置の実施形態）
  図９は、本実施形態に係る光ヘッド装置１００の構成を示す模式図である。光ヘッド装置１００は、４０５ｎｍ波長帯となる青色光を出射する光源１０１ａと、６６０ｎｍ波長帯となる赤色光および７８０ｎｍ波長帯となる赤外光を出射する光源１０１ｂより、各波長帯の光が出射される。これらの光の光路中に、青色光を反射するとともに、赤色光および赤外光を透過するビームスプリッタ１０２と、第１の偏光方向の光を透過するとともに第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向の光を反射する偏光ビームスプリッタ１０３と、コリメータレンズ１０４と、１／４波長板１０５と、対物レンズ１０６を有し、光ディスク１０７に集光される。また、光ヘッド装置１００は、光ディスク１０７で反射された光を検出する、光検出器１０８を有する。
　次に、光ヘッド装置１００の光学作用について、説明する。光源１０１ａから発射された青色光は、ビームスプリッタ１０２で反射され、一方、光源１０１ｂから発射された赤色光および赤外光は、ビームスプリッタ１０２を透過する。そして、これら３種の光は、いずれも第１の偏光方向の光となって、偏光ビームスプリッタ１０３を透過し、コリメータレンズ１０４で発散状態が変えられ、１／４波長板１０５を透過する。そして、対物レンズ１０６に入射し、各波長の光に対応した光ディスク１０７の情報記録面に集光し、反射される。反射したこれらの光は、対物レンズ１０６および１／４波長板１０５を透過して、第２の偏光方向の光となってコリメータレンズ１０４を透過し、偏光ビームスプリッタ１０３で反射され、光検出器１０８に集光する。
　また、光ヘッド装置１００は、図示しないサーボ信号、記録信号および再生信号の検出装置を有している。また、光源１０１ａおよび／または光源１０１ｂと偏光ビームスプリッタ１０３との間の光路中に、３ビームを発生させる図示しない回折素子（グレーティング素子）を有してもよい。さらに、サーボ信号を得るための、ホログラム素子や、波長が異なる光について光軸を補正したり、光学倍率を変換するための光学素子を有したりしてもよい。また、光ヘッド装置１００は、１つの対物レンズ１０６で、３種の光に対応した３種の光ディスクを記録・再生するものとしたが、例えば、４０５ｎｍ波長帯の光に対応するＢＤの記録・再生をする対物レンズと、６６０ｎｍ波長帯の光および７８０ｎｍ波長帯の光に対応するＤＶＤ／ＣＤの記録・再生をする対物レンズと、が異なる光路中にそれぞれ配置されるものであってもよい。
　ここで、対物レンズ１０６として、回折光学素子の実施形態で説明した、係る回折光学素子１０、５０等を用いることができる。上記の説明のように、対物レンズ１０６は３種の光が入射するものに限らず、１種または２種の光が入射するものであってもよく、いずれも、本発明に係る回折光学素子を用いることができる。とくに、対物レンズ１０６として、本願発明に係る回折光学素子を用いることで、回折光学素子の回折格子に、回折させる波長の光の回折効率を高くすることができるとともに、回折格子として加工性の良い形状を有することから、高い精度での光学特性が得られ、光ディスク１０７へ高い精度で集光させることができる。
　（回折光学素子の実施例）
  回折光学素子の実施例として、図１に示す回折光学素子１０の構成に基づき、具体的な設計例を説明する。まず、本実施例に係る回折光学素子は、基材部１３として、ガラスを用い、第１の媒質層１１および第２の媒質層１２として、樹脂を用いる。また、回折光学素子１０の各面は、式（３）に示す非球面形状を有する。式（３）において、ｒは半径、ｃは非球面中心部における曲率であり、ｋはコーニック係数、α２ｉは、非球面形状を記述する２ｉ次の項の係数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、２つの樹脂の界面において、光軸を中心とした直径φ２．４６ｍｍの内側領域には回折格子が形成されているが、それより外側の領域（外側領域）では回折格子を有しない領域となっており、この領域の非球面係数は異なる値である。この回折格子によって生じる回折作用は、位相差関数Φによって表され、Ｍを回折次数、Ａ２ｉは位相関数の２ｉ次の係数として、位相差関数Φは、式（４）によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、本実施例に係る回折光学素子は、第１の媒質層１１および第２の媒質層１２に相当する、２つの樹脂について、その波長分散特性より、表１に示すように、４０５ｎｍ波長帯となる青色光に対して、屈折率は略一致している。即ち、回折格子は、青色光に対して０次回折効率（直進透過率）が最大となる。一方、６６０ｎｍ波長帯となる赤色光および７８０ｎｍ波長帯となる赤外光に対して、２つの樹脂間で屈折率が異なり、回折格子は、これらの波長の光に対して１次回折効率が最大となるように設計される。具体的に、本実施例に係る回折光学素子のレンズデータを、［表１］～［表４］に示す。ここで、回折によって生じるパワーΨは、入射する光の波長λとして、
  Ψ＝－２Ａ２Ｍλ　　　　　　　　　　・・・　（５）
で表すことができ、［表４］の位相関数の係数の値から、本実施例に係る回折光学素子における回折格子は、赤色光および赤外光において負のパワーを与える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　上記に示すレンズパラメータを用いて作製される回折光学素子に、赤色光である波長６６０ｎｍの光を入射し、この光の光線を追跡する。このとき、６６０ｎｍの光線のうち、回折光学素子の光軸から最外周部に向けて、入射する角度がそれぞれ異なるが、回折格子の格子側面部の方向を、回折格子の各位置に入射する光の角度と等しい角度に設定する。表５は、具体的に、本実施例において、格子側面部の半径方向の位置と格子側面部の角度との関係を示したものである。なお、格子側面部の位置は、式（４）に示した、位相関数が２πとなる半径の値を計算することで求めたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　このとき、最外周部における、第２の樹脂面の面法線方向は光軸に対して５６．９°傾斜している。そして、第２の樹脂の屈折率より回折格子への入射角度を計算すると、光軸に対して２５．２°をなす方向となる。また、最外周の回折格子（番号：４３）の高さｈを３８μｍ、最外周のピッチＰが１６．３μｍとすると、入射角度（＝２４．９°）から計算される、最大高さｈｍａｘ３８．３μｍ以下となるので、第１の樹脂の加工が容易となる。そして、このように作製される回折光学素子について、外周部の回折格子における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８８％となる。なお、本実施例の回折光学素子は、格子側面部の高さｈを最大３８μｍとし、基材部となるガラスの表面までの高さとした。
　また、ＣＤ用の光の有効径に相当する、７８０ｎｍの光の最外周部において、波長６６０ｎｍの光の、回折格子への入射角度を計算すると、光軸に対して１９．６°をなす方向となる。また、７８０ｎｍの光の最外周部における、回折格子の高さｈを３８μｍ、この最外周のピッチＰを１７．６μｍ、格子側面部の方向を２７．２°とする。このとき、７８０ｎｍの光の最外周部における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８３％となる。一方、赤外光である７８０ｎｍの光は、７８０ｎｍの光の最外周部において、回折格子への入射角度を計算すると、２８．２°であり、格子側面部の方向を２７．２°に近い値となる。そして、７８０ｎｍの光の最外周部における、赤外光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約８３％となる。
　また、図１１は、本実施例における回折光学素子の断面の一部を示したものであり、図面の左端は光軸に相当し、原点（半径＝０、高さ＝０）は、回折光学素子の第２の媒質層１２に相当する第２の樹脂の曲面の頂点に相当する。図１１より、本実施例の回折光学素子における回折格子について、とくに、第１の媒質層１１に相当する第１の樹脂の凹凸の形状は、製造工程において、容易に離型できるものであることがわかる。
　（比較例）
　比較例では、回折光学素子における回折格子について、格子の高さがいずれも光軸方向と一致する構造のものを考える。図１０は、本比較例の回折光学素子の回折格子部分を模式的に示したものであり、第１の樹脂１１１と第２の樹脂１１２とが接合された界面によってなる回折格子の高さｈが、いずれも光軸と平行する方向に与えられているものである。この場合、第２の樹脂面に入射する光線１１４ａが屈折して、光軸から角度θ１で回折格子に入射する光線１１４ｂとなるが、この光線１１４ｂの方向は、回折格子の高さの方向とは異なる。
　ここで、本比較例に係る回折光学素子についても、実施例の［表１］～［表４］のレンズパラメータを用い、光軸と平行となる高さｈを３８μｍとし、最外周のピッチＰを１６．３μｍとする。そして、このように作製される回折光学素子について、外周部の回折格子における、赤色光の回折効率をＲＣＷＡ法によって計算すると、約３％となり、回折光が得られない。
　以上のように、本発明の回折光学素子は、曲面に回折格子を有し、回折を発生させる波長の光に対する回折効率が高くできるとともに、容易に製造できる回折格子の形状を有することで所定の光学特性が容易に得られる効果を得ることができる。また、本発明は、複数の波長の光を用いる光ヘッド装置において、回折光学素子を用いて、各光ディスクへの良好な集光特性を得ることで、安定した情報の記録・再生を得ることができる。
　本出願を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１０年１２月２４日出願の日本特許出願（特願２０１０-２８８２５３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　１０、４０ｃ、４０ｄ、５０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、８０　回折光学素子
　１１、４１ｃ、４１ｄ、５１、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、８１　第１の媒質層
　１２、４２ｃ、４２ｄ、５２、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、８２　第２の媒質層
　１３、４３ｃ、４３ｄ、５３、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ、８３　基材部
　１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、５４、１１４ａ、１１４ｂ　光線
　１５、５５　光軸
　２１　格子側面部
　２２　格子曲面部
　４０ａ、４０ｂ　光学素子
　４１ａ、４１ｂ　第１の光学部
　４２ａ、４２ｂ　第２の光学部
　７４ａ、７４ｂ　第３の媒質層
　８４　波長λ１の光
　８５　波長λ２の光
　８６　波長λ３の光
　９０、１０７　光ディスク
　９１　第１の光ディスク
　９２　第２の光ディスク
　９３　第３の光ディスク
　１００　光ヘッド装置
　１０１ａ、１０１ｂ　光源
　１０２　ビームスプリッタ
　１０３　偏光ビームスプリッタ
　１０４　コリメータレンズ
　１０５　１／４波長板
　１０６　対物レンズ
　１０８　光検出器
　１１１　第１の樹脂
　１１２　第２の樹脂
　２０１、２１１　第１光学部
　２０２、２１２　第２光学部
　２０３　金型
　２１３　第３光学部
　２１４　位相段差部

Claims (12)

  1. 　入射する光の発散状態または収束状態を変化させる回折光学素子であって、
    　第１の媒質層と第２の媒質層とが接合された界面によって形成された回折格子を有し、
    　前記回折格子は、格子側面部と格子曲面部とが接してできる境界線が前記界面の稜線となるように、前記格子側面部と前記格子曲面部とが交互に並んで構成され、
    　平坦な面を有する複数の前記格子側面部は、入射する前記光の光軸を含む断面において傾きが互いに異なるものを含み、
    　入射する前記光の光線の方向が、前記格子側面部の傾斜方向と略一致する回折光学素子。
  2. 　隣り合う前記稜線について、前記光軸と直交する方向の間隔をピッチＰ、前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部の高さをｈ、前記光軸と前記ピッチＰの間に位置する前記格子側面部とがなす角度をαとするとき、ｈ≦Ｐ／ｓｉｎα、を満足する請求項１に記載の回折光学素子。
  3. 　前記回折格子に入射する前記光は収束光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、
    　前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第１の媒質層側に傾く請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
  4. 　前記回折格子に入射する前記光は発散光であって、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順に入射し、
    　前記格子曲面部は、前記光軸から離れるにしたがって、その面内において前記第２の媒質層側に傾く請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
  5. 　前記回折格子に、前記第２の媒質層、前記第１の媒質層の順で入射する光の状態をφ１とし、前記回折格子に収束光が入射するとき、φ１＝＋１であって、前記回折格子に発散光が入射するとき、φ１＝－１であるとし、
    　前記第１の媒質層の屈折率をｎ１、前記第２の媒質層の屈折率をｎ２とし、さらに、前記回折格子で発生するパワーをφ２とし、負のパワーを与えるときはφ２＜０、正のパワーを与えるときはφ２＞０とするとき、
    　φ１×（ｎ２－ｎ１）×φ２＜０、を満足する請求項１～４いずれか１項に記載の回折光学素子。
  6. 　前記第２の媒質層は、前記界面と対向する側に曲面を有する請求項１～５いずれか１項に記載の回折光学素子。
  7. 　曲面を有する基材部と、前記基材部の前記曲面上に接合された前記第１の媒質部と、前記第１の媒質部に接合された前記第２の媒質部と、を有する請求項１～６いずれか１項に記載の回折光学素子。
  8. 　４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光うち、少なくとも２つの光が入射し、
    　前記３種の光のうち、少なくとも１つの光を回折する請求項１～７いずれか１項に記載の回折光学素子。
  9. 　前記青色光、前記赤色光、前記赤外光のうち、いずれか１つまたはいずれか２つの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、残りの光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる請求項８に記載の回折光学素子。
  10. 　前記青色光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が略一致し、前記赤色光および前記赤外光に対する、前記第１の媒質層の屈折率と前記第２の媒質層の屈折率が異なる請求項９に記載の回折光学素子。
  11. 　光源と、前記光源から出射された光を、光ディスクに集光する請求項１～１０いずれかの回折光学素子と、前記光ディスクで反射された光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置。
  12. 　前記光源は、４０５ｎｍ波長帯である青色光、６６０ｎｍ波長帯である赤色光、７８０ｎｍ波長帯である赤外光の３種の光のうち少なくとも２種の光を発射する請求項１１に記載の光ヘッド装置。
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