JP2007273013A - 回折素子の設計方法並びに回折素子、対物レンズユニット、光ピックアップ及び光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な特性を呈する回折素子を容易に設計できるようにする。
【解決手段】設計目標として回折させない波長λ及び回折させる波長λがそれぞれ定められた回折格子ＤＧを設計する際、候補となる材料Ｍ１及びＭ２の各波長λにおけるそれぞれの屈折率ｎの値を（１６）式の左辺に代入し、このとき（１１）式を満たすことにより（１６）式の右辺が簡単な整数の比となり、且つ（１７）式を満たした場合、当該候補となる材料Ｍ１及びＭ２を当該回折格子ＤＧを構成する材料として適切であると判別することができるので、設計通りの回折格子ＤＧを構成し得るような材料Ｍ１及びＭ２を容易に選定することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は回折素子の設計方法並びに回折素子、対物レンズユニット、光ピックアップ及び光ディスク装置に関し、例えば光ディスク装置に適用して好適なものである。

近年、光ディスク装置においては、広く普及しているＣＤ（Compact Disc）方式、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）方式に加え、ＢＤ（Blu-ray Disc、登録商標）方式にも対応したものが開発されている。

かかる光ディスク装置では、装填された光ディスクの種類、すなわちＣＤ方式の光ディスク、ＤＶＤ方式の光ディスク又はＢＤ方式の光ディスクのいずれかが装填されると、その種類に応じて、当該光ディスクに照射する光ビームの波長を、ＣＤ方式に対応する約７８０［ｎｍ］、ＤＶＤ方式に対応する約６６０［ｎｍ］又はＢＤ方式に対応する約４０５［ｎｍ］に切り換えるようになされている。

ところで、光ディスク装置では、構成の簡素化や小型化といった要求に応じるべく、光ディスクに対して光ビームを照射する光ピックアップにおいて、３種類の波長に対応した１個の対物レンズを用いることが望ましい。

しかしながら、ＣＤ方式の光ディスク、ＤＶＤ方式の光ディスク及びＢＤ方式の光ディスクでは、照射すべき光ビームの波長がそれぞれ異なる他、各光ディスクにおける下面から信号記録面までの間隔、すなわち保護層の厚さがそれぞれ異なっており、また光ビームを照射する対物レンズに要求される開口数もそれぞれ異なっている。

このため、かかる光ディスク装置において用いられるような３種類の波長に対応した対物レンズを設計するには様々な困難が伴い、また各光ビームの透過効率の低下や収差の発生等により必ずしも良好な特性が得られていなかった。

そこで、所定の波長を選択的に回折させる回折素子を対物レンズと組み合わせて用いることにより、光ビームの収差を補正する手法が考えられる。

特に、屈折率の異なる２種類の材料を接合させ、その接合面において断面が略階段状でなる回折パターンを周期的に設けることにより、例えばＣＤ用の光ビームのみを回折させ、ＤＶＤ用光ビーム及びＢＤ用光ビームを回折させないような回折素子を光ディスク装置に用いる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３０２２７０公報（第１５〜１９頁、第１２図）

ところで、一般に光ビームを透過する材料は、波長に応じて屈折率が異なり、また材料の種類によっても屈折率が異なるといった性質を有している。

このため、かかる回折素子を設計する際、材料を適切に選定することにより、ＣＤ用光ビームの回折効率とＢＤ用光ビーム及びＤＶＤ用光ビームの透過効率とを同時に高めることができる、すなわち当該回折素子の特性を向上し得ると考えられる。

しかしながら、材料を選定し波長毎の屈折率が判明すれば回折素子における光ビームの回折効率や透過効率を算出し得るものの、光ビームの回折効率や透過効率を向上し得るためにどのような特性を有する材料を選定すれば良いか、といった材料の選定基準が明確にされていなかった。

このため、材料が適切に選定されていないことに起因して、必ずしも良好な特性を有する回折素子を設計し得ない可能性がある、という問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、良好な特性を呈する回折素子を容易に設計し得る回折素子の設計方法並びに良好な特性を呈し得る回折素子、対物レンズユニット、光ピックアップ及び光ディスク装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明の回折素子の設計方法においては、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層が接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子の設計方法であって、第１材料及び第２材料は、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが（１）式又は（２）式を満たすよう選定されているようにした。

これにより、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることが容易に判明し、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることが容易に判明するため、回折素子に適した材料を容易に選定することができる。

また本発明の回折素子においては、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子であって、第１材料及び第２材料は、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが（１）式又は（２）式を満たすよう選定されているようにした。

これにより、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができる。

さらに本発明の対物レンズユニットにおいては、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、当該回折素子から入射された上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームを集光する対物レンズとを有する対物レンズユニットであって、回折素子の第１材料及び第２材料は、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが（１）式又は（２）式を満たすよう選定されているようにした。

これにより、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができるので、対物レンズにより第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを集光することができる。

さらに本発明の光ピックアップにおいては、第１波長λ１の光ビームを出射する第１光源と、第２波長λ２の光ビームを出射する第２光源と、第３波長λ３の光ビームを出射する第３光源と、第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、記回折素子と一体に組み立てられ回折素子から入射された第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを集光する対物レンズとを有する光ピックアップであって、回折素子の第１材料及び第２材料は、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが（１）式又は（２）式を満たすよう選定されているようにした。

これにより、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができ、対物レンズにより第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを集光することができる。

また本発明の光ディスク装置においては、第１光ディスクに対応する第１波長λ１の光ビームを出射する第１光源と、第２光ディスクに対応する第２波長λ２の光ビームを出射する第２光源と、第３光ディスクに対応する第３波長λ３の光ビームを出射する第３光源と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、当該回折素子と一体に組み立てられ当該回折素子から入射された光ビームを第１光ディスク、第２光ディスク又は第３光ディスクに集光する対物レンズとを有する光ピックアップにより、第１光ディスク、第２光ディスク又は第３光ディスクに対して第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを照射する光ディスク装置であって、回折素子の第１材料及び第２材料は、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが（１）式又は（２）式を満たすよう選定されているようにした。

これにより、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができるので、第１光ディスク、第２光ディスク又は第３光ディスクに対して第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを照射することができる。

本発明によれば、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることが容易に判明し、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることが容易に判明するため、回折素子に適した材料を容易に選定することができ、かくして良好な特性を呈する回折素子を容易に設計し得る回折素子の設計方法を実現できる。

また本発明によれば、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができ、かくして良好な特性を呈し得る回折素子を実現できる。

さらに本発明によれば、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができるので、対物レンズにより第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを集光することができ、かくして良好な特性を呈し得る対物レンズユニットを実現できる。

さらに本発明によれば、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができ、対物レンズにより第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを集光することができ、かくして良好な特性を呈し得る光ピックアップを実現できる。

さらに本発明によれば、第１材料及び第２材料の各波長λにおける屈折率ｎ１及びｎ２が（１）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１及び第２波長λ２を回折させず第３波長λ３を回折させることができ、また（２）式を満たしている場合には、回折素子が第１波長λ１を回折させず第２波長λ２及び第３波長λ３を回折させることができるので、第１光ディスク、第２光ディスク又は第３光ディスクに対して第１波長λ１、第２波長λ２又は第３波長λ３でなる光ビームを照射することができ、かくして良好な特性を呈し得る光ディスク装置を実現できる。

以下、図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）光ディスク装置の構成
（１−１）光ディスク装置の全体構成
図１において、光ディスク装置１は、ＣＤ（Compact Disc）方式、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）方式又はＢＤ（Blu-ray Disc、登録商標）方式といった３方式のいずれかでなる光ディスク１００を再生し得るようになされている。

この光ディスク装置１は、制御部２によって全体を統括制御するようになされており、光ディスク１００が装填された状態で、図示しない外部機器からの再生指示等を受け付けると、当該制御部２から駆動部３及び信号処理部４を制御することにより当該光ディスク１００に記録された情報を読み出すようになされている。

実際上、信号処理部４は、制御部２の制御に基づき、光ピックアップ７により対物レンズユニット９から所定の光ビームを光ディスク１００の信号記録面に照射させる。

これと同時に駆動部３は、制御部２の制御に基づき、スピンドルモータ５により光ディスク１００を所定の回転速度で回転させ、スレッドモータ６により光ピックアップ７を光ディスク１００の径方向であるトラッキング方向へ大きく移動させ、さらに２軸アクチュエータ８により対物レンズユニット９を光ディスク１００に対して近接又は離隔させる方向であるフォーカス方向及びトラッキング方向の２方向へそれぞれ細かく移動させることにより、所望のトラックに対して光ビームを合焦させる。

これに応じて信号処理部４は、光ディスク１００の信号記録面において光ビームが反射されてなる反射光を検出し、その検出結果を基に再生信号を生成して、制御部２を介してこの再生信号を図示しない外部機器へ送出させる。

光ピックアップ７は、いわゆる３波長対応型となっており、対物レンズユニット９から、ＣＤ方式でなる光ディスク１００（以下、これをＣＤ方式ディスク１００ｃと呼ぶ）に対して波長約７８０［ｎｍ］の光ビームを照射し、またＤＶＤ方式でなる光ディスク１００（以下、これをＤＶＤ方式ディスク１００ｄと呼ぶ）に対して波長約６５０［ｎｍ］の光ビームを照射し、さらにＢＤ方式でなる光ディスク１００（以下、これをＢＤ方式ディスク１００ｂと呼ぶ）に対して波長約４０５［ｎｍ］の光ビームを照射するようになされている。

このように光ディスク装置１は、ＣＤ方式、ＤＶＤ方式、又はＢＤ方式でなる光ディスク１００に対してそれぞれの方式に適した光ビームを照射することにより、当該光ディスク１００を再生し得るようになされている。

（１−２）光ピックアップの構成
図２に示すように、光ピックアップ７は、光ビームの光源として、ＣＤ方式用の波長約７８０［ｎｍ］でなる光ビーム（以下、これをＣＤ用光ビームＬｃと呼ぶ）及びＤＶＤ方式用の波長約６５０［ｎｍ］でなる光ビーム（以下、これをＤＶＤ用光ビームＬｄと呼ぶ）を出射し得るレーザダイオード１１と、ＢＤ方式用の波長約４０５［ｎｍ］でなる光ビーム（以下、これをＢＤ用光ビームＬｂと呼ぶ）を出射し得るレーザダイオード１２とを有している。

カップリングレンズ１３は、レーザダイオード１１から出射された光ビームの光学倍率を変換するようになされている。

ビームスプリッタ１４は、反射透過面１４Ａにおいて、光ビームをその波長に応じて反射又は透過させるようになされており、当該反射透過面１４Ａにおいて、波長約７８０［ｎｍ］でなるＣＤ用光ビームＬｃ及び波長約６５０［ｎｍ］でなるＤＶＤ用光ビームＬｄを反射させ、また波長約４０５［ｎｍ］でなるＢＤ用光ビームＬｂを透過させるようになされている。

偏光ビームスプリッタ１５は、偏光面１５Ａにおいて、光ビームをその偏光方向により反射又は透過させるようになされており、ビームスプリッタ１４側から入射された光ビームを透過させ、また偏光方向が調整された上でコリメータレンズ１６側から入射された光ビームを反射させるようになされている。

コリメータレンズ１６は、偏光ビームスプリッタ１５から入射され発散光でなる光ビームを平行光に変換し、また立ち上げミラー１７から入射され平行光でなる光ビームを収束光に変換するようになされている。

立ち上げミラー１７は、コリメータレンズ１６から入射される水平方向の光ビームを反射して垂直方向、すなわち光ディスク１００に対してほぼ垂直に入射させる方向に立ち上げ、また１／４波長板１８からほぼ垂直に入射された光ビームを反射して水平方向に寝かせるようになされている。

１／４波長板１８は、光ビームにおける一部成分の位相を１／４波長分遅延させることにより、立ち上げミラー１７から入射される光ビームを直線偏光から円偏光へ変換し、或いは対物レンズユニット９から入射される光ビームを円偏光から直線偏光に変換するようになされている。

対物レンズユニット９は、図３に斜視図を示すように、略筒状でなる鏡筒部１９（図３では一部切断面を示す）の下部に扁平な円盤状でなる回折素子２０が取り付けられていると共に、当該鏡筒部１９の上部から中央部にかけて、当該回折素子２０とほぼ同様の大きさでなる扁平な円盤状部の下面に当該円盤よりも若干小径の紡錘形部が一体に形成されたような形状でなる対物レンズ２１が取り付けられている。

対物レンズユニット９は、１／４波長板１８から入射され平行光でなる光ビームを回折素子２０及び対物レンズ２１により収束光に変換し、これを光ディスク１００の信号記録面に合焦させるようになされている。

また光ピックアップ７は、光ディスク１００の信号記録面において反射され発散光となった光ビームを、対物レンズユニット９の対物レンズ２１及び回折素子２０により平行光に変換し、１／４波長板１８により円偏光から直線偏光に変換し、立ち上げミラー１７により水平方向、すなわち偏光ビームスプリッタ１５が設けられている方向へ寝かせ、コリメータレンズ１６により平行光から収束光に変換した後、偏光ビームスプリッタ１５へ入射させる。

この場合、偏光ビームスプリッタ１５は、光ビームの偏光方向に応じて偏光面１５Ａにおいて当該光ビームを反射し、これをコンバージョンレンズ２２へ入射させる。

コンバージョンレンズ２２は、ＣＤ用光ビームＬｃ及びＤＶＤ用光ビームＬｄとＢＤ用光ビームＬｂとの光学倍率の変換を行うようになされている。また光軸合成素子２３は、レーザダイオード１１から出射されたＣＤ用光ビームＬｃ及びＤＶＤ用光ビームＬｄの光軸とレーザダイオード１２から出射されたＢＤ用光ビームＬｂの光軸とを一致させるようになされている。

フォトディテクタ２４は、その上面（すなわちコンバージョンレンズ２２及び光軸合成素子２３を通過した光ビームが照射される面）においてそれぞれ所定形状でなる複数の検出領域がそれぞれ所定の位置に形成されており、照射された光ビームの光量をそれぞれ検出して光電変換することにより複数の検出信号を生成し、これを信号処理部４（図１）へ供給するようになされている。

これに応じて信号処理部４は、フォトディテクタ２４（図２）からの検出信号を用いた所定の演算処理等を行うことにより再生ＲＦ信号を生成し、当該再生ＲＦ信号を基に所定の復号化処理や復調処理等を経て再生信号を生成するようになされている。

また信号処理部４（図１）は、フォトディテクタ２４（図２）からの検出信号を用いた所定の演算処理等を行うことにより、トラッキングエラー信号やフォーカスエラー信号等といった駆動制御用の信号を生成し、これらを制御部２へ供給するようになされている。これに応じて制御部２は、駆動部３を介してトラッキング制御やフォーカス制御等を行い、光ディスク１００に対する光ビームの照射状態を調整して所望のトラックに追従させ、再生信号を正常に生成し得るようになされている。

（１−２−１）ＣＤ方式ディスクの場合
実際上、制御部２（図１）は、所定のディスク種別判定手法により光ディスク１００がＣＤ方式ディスク１００ｃであることを認識した場合、光ピックアップ７（図２）におけるレーザダイオード１１の発光点１１Ａから発散光でなるＣＤ用光ビームＬｃを発射させ、カップリングレンズ１３を介してビームスプリッタ１４へ入射させる。

光ピックアップ７は、ビームスプリッタ１４によりＣＤ用光ビームＬｃを反射透過面１４Ａにおいて反射させ、偏光ビームスプリッタ１５を透過させて、コリメータレンズ１６により発散光から平行光に変換し、立ち上げミラー１７により水平方向から垂直方向に立ち上げ、１／４波長板１８により直線偏光から円偏光に変換した後、当該ＣＤ用光ビームＬｃを対物レンズユニット９へ入射させる。

対物レンズユニット９は、１／４波長板１８から入射されたＣＤ用光ビームＬｃを回折素子２０及び対物レンズ２１により収束光に変換し、これをＣＤ方式ディスク１００ｃの信号記録面に合焦させる。

また対物レンズユニット９は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの信号記録面において反射され発散光となったＣＤ用光ビームＬｃを、対物レンズ２１及び回折素子２０により平行光に変換し、１／４波長板１８へ入射させる。

その後光ピックアップ７は、１／４波長板１８に入射されたＣＤ用光ビームＬｃを円偏光から直線偏光に変換させ、立ち上げミラー１８により水平方向へ寝かせ、コリメータレンズ１６により平行光から収束光に変換させた後、偏光ビームスプリッタ１５により偏光面１５Ａにおいて反射させ、コンバージョンレンズ２２及び光軸合成素子２３を順次通過させてフォトディテクタ２４へ照射させる。

フォトディテクタ２４は、照射されたＣＤ用光ビームＬｃの光量を複数の検出領域によりそれぞれ検出して複数の検出信号を生成し、これを信号処理部４（図１）へ供給する。

これに応じて信号処理部４は、複数の検出信号を基に再生ＲＦ信号を生成した上で再生信号を生成し、またトラッキングエラー信号やフォーカスエラー信号等といった駆動制御用の信号を生成するようになされている。

（１−２−２）ＤＶＤ方式ディスクの場合
制御部２（図１）は、所定のディスク種別判定手法により光ディスク１００がＤＶＤ方式ディスク１００ｄであることを認識した場合、光ピックアップ７（図２）におけるレーザダイオード１１の発光点１１Ｂから発散光でなるＤＶＤ用光ビームＬｄを発射させ、カップリングレンズ１３を介してビームスプリッタ１４へ入射させる。

その後、光ピックアップ７は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、ＤＶＤ用光ビームＬｄをカップリングレンズ１３、ビームスプリッタ１４、偏光ビームスプリッタ１５、コリメータレンズ１６、立ち上げミラー１７及び１／４波長板１８の順に通過又は反射させ、対物レンズユニット９において当該ＤＶＤ用光ビームＬｄを回折素子２０及び対物レンズ２１により収束光に変換し、これをＤＶＤ方式ディスク１００ｄの信号記録面に合焦させる。

また対物レンズユニット９は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、ＤＶＤ方式ディスク１００ｄの信号記録面において反射され発散光となったＤＶＤ用光ビームＬｄを、対物レンズ２１、回折素子２０により平行光に変換した後、１／４波長板１８、立ち上げミラー１７、コリメータレンズ１６、偏光ビームスプリッタ１５、コンバージョンレンズ２２及び光軸合成素子２３の順に通過又は反射させ、フォトディテクタ２４へ照射させる。

フォトディテクタ２４は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、照射されたＤＶＤ用光ビームＬｄの光量を複数の検出領域によって検出することにより複数の検出信号を生成し、これらを信号処理部４（図１）へ供給する。

これに応じて信号処理部４は、再生ＲＦ信号を生成した上で再生信号を生成し、またトラッキングエラー信号やフォーカスエラー信号等といった駆動制御用の信号を生成するようになされている。

（１−２−３）ＢＤ方式ディスクの場合
制御部２（図１）は、所定のディスク種別判定手法により光ディスク１００がＢＤ方式ディスク１００ｂであることを認識した場合、光ピックアップ７（図２）におけるレーザダイオード１２の発光点１２Ａから発散光でなるＢＤ用光ビームＬｂを発射させ、ビームスプリッタ１４へ入射させる。

この場合、ビームスプリッタ１４は、ＢＤ用光ビームＬｂを反射透過面１３Ａにおいて透過させ、これを偏光ビームスプリッタ１５へ入射させる。

その後光ピックアップ７は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、ＢＤ用光ビームＬｂを偏光ビームスプリッタ１５、コリメータレンズ１６、立ち上げミラー１７及び１／４波長板１８の順に通過又は反射させ、対物レンズユニット９において当該ＢＤ用光ビームＬｂを対物レンズ２１により収束光に変換し、これをＢＤ方式ディスク１００ｂの信号記録面に合焦させる。

因みに対物レンズユニット９の回折素子２０は、ＢＤ用光ビームＬｂを回折せずそのまま透過させるようになされている（詳しくは後述する）。

また対物レンズユニット９は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、ＢＤ方式ディスク１００ｂの信号記録面において反射され発散光となったＢＤ用光ビームＬｂを、対物レンズ２１により平行光に変換した後、１／４波長板１８、立ち上げミラー１７、コリメータレンズ１６、偏光ビームスプリッタ１５、コンバージョンレンズ２２及び光軸合成素子２３の順に通過又は反射させ、フォトディテクタ２４へ照射させる。

フォトディテクタ２４は、ＣＤ方式ディスク１００ｃの場合と同様、照射されたＢＤ用光ビームＬｂの光量を複数の検出領域によって検出することにより複数の検出信号を生成し、これらを信号処理部４（図１）へ供給する。

これに応じて信号処理部４は、再生ＲＦ信号を生成した上で再生信号を生成し、またトラッキングエラー信号やフォーカスエラー信号等といった駆動制御用の信号を生成するようになされている。

このように光ピックアップ７は、光ディスク１００がＣＤ方式ディスク１００ｃ、ＤＶＤ方式ディスク１００ｄ或いはＢＤ方式ディスク１００ｂのいずれであっても、対物レンズユニット９により、ＣＤ用光ビームＬｃ、ＤＶＤ用光ビームＬｄ又はＢＤ用光ビームＬｂを当該光ディスク１００の信号記録面に合焦させ得ると共に、その反射光をフォトディテクタ２４により検出し得るようになされている。

（１−３）対物レンズユニットの構成
次に、ＣＤ方式ディスク１００ｃ、ＤＶＤ方式ディスク１００ｄ及びＢＤ方式ディスク１００ｂと、対物レンズユニット９との拡大断面図を図４に示す。

因みに、対物レンズユニット９には２軸アクチュエータ８（図１）が取り付けられているものの、図４では省略している。

一般に、ＣＤ方式、ＤＶＤ方式及びＢＤ方式では、互換性等の観点から、情報を読み出すための光ビームの波長、当該光ビームを集光する際の開口数、及び各光ディスク１００における下面から信号記録面までの部分（いわゆるカバー層）の厚みがそれぞれ規格により規定されている。

具体的にＣＤ方式では、波長が約７８０［ｎｍ］、開口数が約０．４５、カバー層の厚みが１．２［ｍｍ］と規定されており、またＤＶＤ方式では、波長が約６５０［ｎｍ］、開口数が約０．６５、カバー層の厚みが０．６［ｍｍ］と規定されており、さらにＢＤ方式では、波長が約４０５［ｎｍ］、開口数が約０．８５、カバー層の厚みが０．１［ｍｍ］と規定されている。

また対物レンズユニット９では、対物レンズ２１の特性上、当該対物レンズ２１からＣＤ用光ビームＬｃ、ＤＶＤ用光ビームＬｄ及びＢＤ用光ビームＬｂがそれぞれ照射される場合の焦点距離がそれぞれ異なっている。

このため光ディスク装置１では、実際には光ディスク１００の高さを固定したまま２軸アクチュエータ８（図１）を介して対物レンズユニット９の高さ（すなわち光ディスク１００との間隔）を調整することにより、各光ビームを各光ディスクの信号記録面に合焦させるようになされている。

因みに図４では、説明の都合上、対物レンズユニット９を固定し光ディスク１００の高さを変化させている。このため図４では、各光ディスクの下面の高さが異なっている。また図４では、ＣＤ方式ディスク１００ｃ、ＤＶＤ方式ディスク１００ｄ及びＢＤ方式ディスク１００ｂについて、いずれもカバー層のみを表している。

ところで対物レンズ２１は、ＢＤ用光ビームＬｂの相対的な強度やＢＤ方式で規定されている開口数等の観点から、ＣＤ用光ビームＬｃやＤＶＤ用光ビームＬｄよりも優先して当該ＢＤ用光ビームＬｂに最適化された設計となっている。

このため対物レンズユニット９の対物レンズ２１は、当該対物レンズ２１の下側からＢＤ用光ビームＬｂが平行光として入射されると、当該ＢＤ用光ビームＬｂを収束光に変換し、ＢＤ方式ディスク１００ｂの信号記録面に合焦させることができる。

しかしながら対物レンズ２１は、ＢＤ用光ビームＬｂに最適化されているため、仮にＣＤ用光ビームＬｃ又はＤＶＤ用光ビームＬｄが対物レンズ２１の下側から平行光として入射された場合、収束光に変換することはできるものの、収差が発生してしまうため光ディスク１００の信号記録層に正しく合焦させることができない。

そこで対物レンズユニット９は、回折素子２０によりＣＤ用光ビームＬｃ又はＤＶＤ用光ビームＬｄのみを選択的に回折させ非平行光として対物レンズ２１に入射させると共に、ＢＤ用光ビームＬｂを平行光のまま当該対物レンズ２１に入射させるようになされている。

具体的に回折素子２０は、ＣＤ用光ビームＬｃを回折すると共にＤＶＤ用光ビームＬｄ及びＢＤ用光ビームＬｂを回折しないようなホログラムでなるＣＤ用回折格子ＤＧｃが上層部２０Ａに形成されており、図４に示したように、当該ＣＤ用回折格子ＤＧｃによってＣＤ用光ビームＬｃをやや外方へ回折させるようになされている。

すなわち回折素子２０の上層部２０Ａは、ＤＶＤ用光ビームＬｄ及びＢＤ用光ビームＬｂをそのまま透過させてＣＤ用光ビームＬｃのみを選択的に回折させることができ、換言すれば、ＣＤ用光ビームＬｃの収差のみを補正するレンズとして機能することになる。

これに応じて対物レンズ２１は、図４に示したように、回折素子２０から入射されるＣＤ用光ビームＬｃをその下面及び上面においてそれぞれ屈折させ、収束光に変換する。この結果、対物レンズユニット９は、ＣＤ用光ビームＬｃの収差を補正することができ、対物レンズ２１から照射するＣＤ用光ビームＬｃをＣＤ方式ディスク１００ｃの信号記録面に合焦させることができる。

また回折素子２０は、ＤＶＤ用光ビームＬｄを回折すると共にＣＤ用光ビームＬｃ及びＢＤ用光ビームＬｂを回折しないようなホログラムでなるＤＶＤ用回折格子ＤＧｄが下層部２０Ｂに形成されており、図４に示したように、当該ＤＶＤ用回折格子ＤＧｄによってＤＶＤ用光ビームＬｄをわずかに外方へ回折させるようになされている。

すなわち回折素子２０の下層部２０Ｂは、ＣＤ用光ビームＬｃ及びＢＤ用光ビームＬｂをそのまま透過させ、ＤＶＤ用光ビームＬｄのみを選択的に回折させることができ、換言すれば、ＤＶＤ用光ビームＬｄの収差のみを補正するレンズとして機能することになる。

これに応じて対物レンズ２１は、図４に示したように、回折素子２０から入射されるＤＶＤ用光ビームＬｄをその下面及び上面においてそれぞれ屈折させ、収束光に変換する。この結果、対物レンズユニット９は、ＤＶＤ用光ビームＬｄの収差を補正することができ、対物レンズ２１から照射するＤＶＤ用光ビームＬｄをＤＶＤ方式ディスク１００ｄの信号記録面に合焦させることができる。

このように対物レンズユニット９は、回折素子２０の上層部２０ＡによりＣＤ用光ビームＬｃのみを回折させて収差を補正し、また回折素子２０の下層部２０ＢによりＤＶＤ用光ビームＬｄのみを回折させて収差を補正することにより、ＢＤ用光ビームＬｂに最適化された対物レンズ２１から照射するＣＤ用光ビームＬｃ、ＤＶＤ用光ビームＬｄ及びＢＤ用光ビームＬｂを、ＣＤ方式ディスク１００ｃ、ＤＶＤ方式ディスク１００ｄ、及びＢＤ方式ディスク１００ｂの信号記録面にそれぞれ合焦させ得るようになされている。

（１−４）回折素子の構成
回折素子２０は、図５（Ａ）に示すように、全体的に扁平な円盤状に形成されたベース層２０Ｃを中心に構成されており、上述したように上層部２０ＡにＣＤ用回折格子ＤＧｃが形成され、また下層部２０ＢにＤＶＤ用回折格子ＤＧｄが形成されている。

ベース層２０Ｃは、所定の屈折率を有する透明な樹脂材料でなり、屈折率の異なる他の物質や空気との境界面において、光ビームを屈折させるようになされている。

上層部２０Ａは、図５（Ｂ）に部分拡大断面図を示すように、ベース層２０Ｃの上面に階段状でなるＣＤ用回折パターンＰＴｃが周期的に形成されており、その上側に透明な樹脂材料でなるカバー層２０Ｄが接合されている。

ＣＤ用回折パターンＰＴｃは、３段の階段状に形成されており、全体の高さ、すなわち１段目と３段目との距離は１２［μｍ］とされ、またＣＤ用回折パターンＰＴｃごとの周期は１８［μｍ］とされている。またＣＤ用回折パターンＰＴｃは、図３に示したように、回折素子２０の上面における、中心から外径の半分程度までの範囲に同心円状に形成されている。

カバー層２０Ｄは、ベース層２０Ｃと異なる屈折率を有する透明な材料によって構成されており、その下面がＣＤ用回折パターンＰＴｃと隙間無く接合するように形成されると共に、その上面が平面状に形成されている。

このように回折素子２０の上層部２０Ａは、ベース層２０Ｃの上面に階段状でなるＣＤ用回折パターンＰＴｃが周期的に形成され、その上側に当該ベース層２０Ｃと異なる屈折率を有するカバー層２０Ｄが接合されており、これにより光ビームをその波長に応じて回折又は透過させ、結果的にＣＤ用光ビームＬｃのみを回折させるＣＤ用回折格子ＤＧｃとして機能するようになされている。

一方、下層部２０Ｂは、図５（Ｃ）に部分拡大断面図を示すように、平面状に形成されたベース層２０Ｃの下面に、ＤＶＤ用回折格子ＤＧｄが形成された回折パターン層２０Ｅが接合されている。

回折パターン層２０Ｅは、透明な樹脂材料でなると共にベース層２０Ｃとほぼ同等の屈折率を有しており、階段状でなるＤＶＤ用回折パターンＰＴｄが下面側に周期的に形成されている。なお回折パターン層２０Ｅの下面は、他の物質に覆われていないため、直接空気に触れるようになされている。

ＤＶＤ用回折パターンＰＴｄは、５段の階段状に形成されており、全体の高さ、すなわち１段目と５段目との距離は６［μｍ］となされ、またＤＶＤ用回折パターンＰＴｄごとの周期は１７０［μｍ］となされている。またＤＶＤ用回折パターンＰＴｄは、図３に示したように、回折素子２０の下面における、中心から外径の２／３程度までの範囲に同心円状に形成されている。

このように回折素子２０の下層部２０Ｂは、ベース層２０Ｃの下面に接合された回折パターン層２０Ｅに階段状でなるＤＶＤ用回折パターンＰＴｄが周期的に形成されており、これにより光ビームをその波長に応じて回折又は透過させ、結果的にＤＶＤ用光ビームＬｄのみを回折させるＤＶＤ用回折格子ＤＧｄとして機能するようになされている。

（２）回折素子の設計
次に、回折素子２０を設計する際における、当該回折素子２０を構成する材料を選定するための条件について、図５（Ｂ）と対応する図６を用いて説明する。因みに図６では、説明の都合上、ベース層２０Ｃに対応し材料Ｍ１でなる第１層と、カバー層２０Ｄに対応し材料Ｍ２でなる第２層とが接合されており、その接合面に階段状の断面を有する回折パターンＰＴが周期的に形成されることにより回折格子ＤＧが構成されているものとする。

ここで、回折格子ＤＧを構成する階段状の回折パターンＰＴは、それぞれ最下段から最上段まで合計ｓ段でなり、各段の段差が段差ｄであるものとする。

また回折格子ＤＧは、材料Ｍ１でなる第１層（図の下側）から材料Ｍ２でなる第２層（図の上側）へ向けて光ビームＬを進行させるものとする。

（２−１）１波長に関する光路差
まず、ある１つの波長λについての光路に着目する。ここで、この波長λにおける材料Ｍ１及びＭ２の屈折率をそれぞれ屈折率ｎ１及びｎ２とする。

図６に示した着目領域ＡＲ１を光ビームＬ１が通過する場合、当該光ビームＬ１は材料Ｍ１内を通過するため、当該着目領域ＡＲ１における光路、すなわち階段１段分の光路は（ｎ１×ｄ）となる。同様に、着目領域ＡＲ１を光ビームＬ２が通過する場合、当該光ビームＬ２は材料Ｍ２内を通過するため、当該着目領域ＡＲ１における光路、すなわち階段１段分の光路は（ｎ２×ｄ）となる。

このため、着目領域ＡＲ１における光ビームＬ１と光ビームＬ２との光路差は、（ｎ２−ｎ１）ｄとなる。ここで、光路差である（ｎ２−ｎ１）ｄを波長λで除算し、ラジアン単位に換算するため２πを乗じることにより、次式に示すような位相差φを得ることができる。

ここで、回折格子ＤＧにおける回折作用について考える。回折格子ＤＧは、階段１段分の位相差φ１が波長λの整数倍になっていれば、当該波長λの光ビームＬに対して回折パターンＰＴの影響を受けさせず回折を生じさせないことになる。このことは、任意の整数ｐを用いて次式のように表すことができる。

以下では、回折格子ＤＧが波長λにおいて（４）〜（５）式を満たすことにより回折を生じさせないことを、「波長λについて０次型である」と呼ぶ。

一方、これと反対に回折格子ＤＧにおいて波長λの光ビームＬを回折させる場合、上述した（５）式を満たさなければ良いことになる。このとき回折格子ＤＧにおける回折効率を最大にするには、互いに隣接する回折パターンＰＴの接続部分において、位相差を生じさせず「互いの位相が滑らかに繋がる」ようにすれば良い。

これを換言すれば、図６に破線で示したように仮想的に階段がｓ段以上続いていた場合において、階段ｓ段分の位相差φｓが波長λの整数倍になっていれば良い、ということになるため、任意の整数ｑを用いてこのことを次式のように表すことができる。

しかしながら、仮に整数ｑが階段の段数ｓにより割り切れてしまうと、階段１段分の位相差φが波長λの整数倍であることに相当するため、波長λの光ビームＬを回折させないことになってしまう。このため、回折格子ＤＧにおいて波長λの光ビームＬを回折させるための条件としては、上述した（６）式及び（７）式に加えて、階段の段数ｓと整数ｑが互いに素であれば良く、これは次式のように表すことができる。

因みに、ｇｃｄ（ａ，ｂ）は、整数ａと整数ｂとの最大公約数（the greatest common divisor）を表している。

以下では、回折格子ＤＧが波長λにおいて（６）〜（８）式を満たすことにより回折を生じさせることを、「波長λについて１次型である」と呼ぶ。

このように回折格子ＤＧでは、回折パターンＰＴにおける階段１段分に着目した場合、当該回折パターンＰＴを波長λの光ビームＬが通過する際の光路差に基づき、ある波長λについて０次型とするには（４）〜（５）式の条件を満たせば良く、またある波長λについて１次型とするには（６）〜（８）式の条件を満たせば良い。

ところで回折格子ＤＧは、１次型の場合、階段の段数ｓが多くなると、回折パターンＰＴの全体的な形状が直角三角形に近づくため、いわゆるブレーズドホログラムに近づくことになり、回折効率が向上することになる。

一方、回折格子ＤＧは、上述した（４）〜（５）式又は（６）〜（８）式において整数ｐ又は整数ｑの値が大きくなると、回折パターンＰＴの縦面における回折の影響や、実際に形成された階段の縦面における面精度の影響等を受けることになるため、効率が低下することになる。

このため回折格子ＤＧでは、整数ｐ及び整数ｑに関して、次式に示す条件を満たすことが望ましい。

また回折格子ＤＧでは、（４）〜（５）式において階段１段分の位相差φ１が２πの整数倍からずれて（φ１＝２π（ｐ＋ε））となった場合（但しεは整数からのずれを表し、１よりも小さい値でなる）や、（６）〜（７）式において階段ｓ段分の位相差φｓが２πの整数倍からずれて（φｓ＝２π（ｑ＋ε））となった場合にも、透過効率又は回折効率が低下することになる。

このずれεによる効率Ｔの低下分Ｔ（ε）は、当該ずれεが生じなかった場合の効率Ｔ（０）を用いると、大まかに次式のように表すことができる。

ここで、この効率Ｔの低下分Ｔ（ε）を２０％程度までに抑えることを考えると、ずれεに関して次式の条件を満たすことが望ましい。

このように回折格子ＤＧでは、整数ｐ及び整数ｑに関する（９）式の条件やずれεに関する（１１）式の条件を満たすことにより、透過効率又は回折効率を向上させることが期待できる。

（２−２）複数波長に関する光路差
次に、回折格子ＤＧにおける複数の波長λに関する光路差について、ＣＤ方式の波長λｃ、ＤＶＤ方式の波長λｄ及びＢＤ方式の波長λｂに着目して考える。

まず、回折格子ＤＧにより各波長λを回折させない（すなわち０次型とする）か、或いは回折させる（すなわち１次型とする）かについて検討する。

ここで、回折素子２０（図５（Ａ））において上層部２０Ａ及び下層部２０Ｂにそれぞれ回折格子ＰＧを形成し得ることを考慮し、仮想的な上層回折格子ＤＧｘ及び下層回折格子ＤＧｙを組み合わせると仮定する。また、対物レンズ２１がＢＤ用光ビームＬｂに最適化されていることや、各方式における光ビームＬの相対的な強度の差、すなわちＢＤ用光ビームＬｂが弱くＣＤ用光ビームＬｃが強いことも考慮するものとする。

この場合、図７（Ａ）に示すように、ＢＤ方式の波長λｂをいずれも回折させず、ＤＶＤ方式の波長λｄを下層回折格子ＤＧｙのみにより回折させ、ＣＤ方式の波長λｃを上層回折格子ＤＧｘのみにより回折させる第１の組み合わせと、図７（Ｂ）に示すように、ＢＤ方式の波長λｂをいずれも回折させず、ＤＶＤ方式の波長λｄを下層回折格子ＤＧｙのみにより回折させ、ＣＤ方式の波長λｃを上層回折格子ＤＧｘ及び下層回折格子ＤＧｙの両方で回折させる第２の組み合わせとが考えられる。

すなわち、回折格子ＤＧとしては、図７（Ｃ）に示すように、波長λｂ及び波長λｄを回折させず、波長λｃのみを回折させる第１の回折格子ＤＧ１と、波長λｂを回折させず、波長λｄ及び波長λｃを回折させる第２の回折格子ＤＧ２との２通りについて検討すれば良いことになる。

因みに、波長λｄのみを回折させることは、波長λｃのみを回折させることと計算手法が同様であるため、説明の都合上、第１の回折格子ＤＧ１では波長λｃのみを回折させるものとした。

ところで、回折格子ＤＧを構成する材料Ｍ１及びＭ２は、図８に示すように、光ビームＬを透過する一般的な材料と同様、それぞれの屈折率ｎ１及びｎ２が波長λに応じて変化し、いわゆる分散が生じている。また当該材料Ｍ１と当該材料Ｍ２とでは、互いの屈折率及び屈折率の変化の様子が異なっており、図９に示すように、屈折率の差も波長に応じて変化している（いわゆる分散を有している）。

このため、例えばＢＤ方式の波長λｂにおける屈折率の差（ｎ２（λｂ）−ｎ１（λｂ））と、ＤＶＤ方式の波長λｄにおける屈折率の差（ｎ２（λｄ）−ｎ１（λｄ））と、ＣＤ方式の波長λｃにおける屈折率の差（ｎ２（λｃ）−ｎ１（λｃ））とは、いずれも互いに異なる値となっている。

すなわち、複数の波長λを考慮に入れた回折格子を検討する場合、各波長λにおいて屈折率が異なることを前提とする必要がある。

（２−２−１）第１の回折格子
まず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させる第１の回折格子ＤＧ１（図７（Ｃ））について検討する。回折格子ＤＧ１において、ＢＤ方式の波長λｂ及びＤＶＤ方式の波長λｄを回折させず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させるための条件は、上述した（４）〜（７）式の組み合わせとなり、次式のようになる。

ここで、（１２）式における各辺を共通の２πで除算しそれぞれの比をとると次式のようになる。

この（１３）式における左辺の各項に対してλｂ／ｄを乗じることにより、次式のようになる。

ここで次に示す（１５）式のように屈折率の差δｂ、δｄ及びδｃ、並びに波長の比ρｂｄ及びρｂｃを定義して（１４）式における左辺の各項を置き換え、さらに当該（１４）式の右辺の各項に整数からのずれεｂ、εｄ及びεｃがそれぞれ含まれることを考慮することにより、当該（１４）式は次に示す（１６）式のように変形することができる。

ここで、（１６）式の各項は、波長λ、材料Ｍごとの各波長λにおける屈折率ｎ、階段の段数ｓ、整数ｐ及びｑ、並びに整数からのずれεが含まれており、階段の高さｄは含まれていない。すなわち、（１６）式は階段の高さｄと無関係に成立する。

また、（８）式における整数ｑを整数ｑｃに置き換えることにより、「回折させたい波長λｃに応じた整数ｑｃと階段の段数ｓとが互いに素である」といった条件を表す次式が得られる。

回折格子ＤＧは、この（１６）式及び（１７）式が成立し、且つ（１１）式を満たす場合、波長λｂ及び波長λｄを回折させず、波長λｃのみを回折させることになる。すなわち、波長λｂ及び波長λｄを回折させず、波長λｃのみを回折させるような回折格子ＤＧを設計する際には、この（１６）式、（１７）式及び（１１）式を満たすような屈折率を有する材料Ｍ１及びＭ２を選定すれば良い。

（２−２−２）第２の回折格子
次に、ＤＶＤ方式の波長λｄ及びＣＤ方式の波長λｃを回折させる第２の回折格子ＤＧ２（図７（Ｃ））について検討する。ＢＤ方式の波長λｂを回折させず、ＤＶＤ方式の波長λｄ及びＣＤ方式の波長λｃを回折させるための条件は、上述した第１の回折格子と一部異なり、上述した（４）〜（７）式を組み合わせた次式のようになる。

ここで第１の回折格子と同様に、（１８）式における各辺を２πで除算し左辺の各項に対してλｂ／ｄを乗じてそれぞれの比をとることにより、次式のようになる。

この（１９）式に対して（１５）式を用いて左辺の各項を置き換え、さらに当該（１９）式の右辺の各項に整数からのずれεｂ、εｄ及びεｃがそれぞれ含まれることを考慮することにより、当該（１９）式は次式のように変形することができる。

また（８）式における整数ｑを整数ｑｄ又は整数ｑｃに置き換えることにより、「回折させたい波長λｄに応じた整数ｑｄと階段の段数ｓとが互いに素であり、且つ「回折させたい波長λｃに応じた整数ｑｃと階段の段数ｓとが互いに素である」といった条件を表す次式が得られる。

この（２０）式も、（１６）式と同様、階段の高さｄが含まれていないため、当該階段の高さｄと無関係に成立する。

回折格子ＤＧは、この（２０）式及び（２１）式が成立し、且つ（１１）式を満たす場合、波長λｂを回折させず、波長λｄ及び波長λｃのみを回折させることになる。すなわち、波長λｂを回折させず、波長λｄ及び波長λｃのみを回折させるような回折格子ＤＧを設計する際には、この（２０）式、（２１）式及び（１１）式を満たすような屈折率を有する材料Ｍ１及びＭ２を選定すれば良い。

（２−３）回折格子の設計例
ここで、具体的な回折格子ＤＧ（図６）の設計例について説明する。設計目標として、上述した第１の回折格子のようにＢＤ方式の波長λｂ及びＤＶＤ方式の波長λｄを回折させず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させるものとする。

また、設計条件として、回折パターンＰＴにおける階段の段数ｓを３とし、ＢＤ方式の波長λｂを４０８［ｎｍ］、ＤＶＤ方式の波長λｄを６５５［ｎｍ］、ＣＤ方式の波長λｃを７８５［ｎｍ］とした。

因みに階段の段数ｓを素数である３としたのは、（１７）式の条件を満たしやすくすることを考慮したためである。

これらの設計条件を用いて、上述した（１６）式の左辺に対して各種材料の屈折率を当てはめ、このとき（１７）式を満たすと共に整数からのずれεｂ、εｄ及びεｃが（１１）式を満たすか否か、すなわち（１６）式における左辺の各項がほぼ整数比となるか否かを検討した。

ここで、図１０に示すような屈折率を有するポリオレフィン系樹脂及びアクリル系ＵＶ（Ultra Violet ray）硬化樹脂をそれぞれ材料Ｍ１及びＭ２とした場合に、（１６）式に各屈折率を代入した結果、次式のようになった。

また、（１７）式に各値を代入した結果、次式のようになった。

この場合、（２２）式及び（２３）式からわかるように、（１７）式及び（１１）式の両方を満たしているため、設計目標を実現し得る、すなわちＢＤ方式の波長λｂ及びＤＶＤ方式の波長λｄを回折させず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させる回折格子ＤＧとして機能し得ることが判明した。

ここで、この回折格子ＤＧにおける階段の高さｄに対する回折効率の算出結果を図１１に示す。この図１１を基に、ＢＤ方式の波長λｂ、ＤＶＤ方式の波長λｄ及びＣＤ方式の波長λｃのいずれも回折効率が高まるような階段１段分の高さｄを６．５３［μｍ］に決定した。

このように、回折格子ＤＧを設計する際、（１６）式の左辺に各種材料の屈折率を当てはめ、このとき（１７）式を満たすと共に整数からのずれεｂ、εｄ及びεｃが（１１）式を満たすか否かを判定することにより、当該回折格子ＤＧが設計目標である波長λごとの回折の有無を実現し得るか否かを判別することができる。

因みに、回折パターンＰＴの周期に関しては、図４において回折素子２０と対物レンズ２１との距離や光ビームＬを回折させたい角度に応じて所定の演算処理を行うことにより算出することができる。

（３）動作及び効果
以上の構成において、ＢＤ方式の波長λｂ及びＤＶＤ方式の波長λｄを回折させず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させることを設計目標として回折格子ＤＧを設計する場合、候補となる材料Ｍ１及びＭ２の各波長λにおけるそれぞれの屈折率ｎの値を（１６）式の左辺に代入する。

この結果、（１６）式の右辺が簡単な整数の比となり、同時に（１７）式を満たした場合、当該回折格子ＤＧは設計目標を実現し得る、すなわち、候補となる材料Ｍ１及びＭ２は、当該回折格子ＤＧを構成する材料として適切であると判別することができる。

従って、回折格子ＤＧを設計する場合、（１６）式、（１７）式及び（１１）式を用いることにより、材料Ｍ１及びＭ２が当該回折格子ＤＧの材料として適切であるか否かを容易に判定することができるので、結果的に、設計通りの回折格子ＤＧを構成し得るような材料Ｍ１及びＭ２を容易に選定することができる。

この場合、特に（１１）式を満たしていることにより、各波長λにおける光ビームＬの回折効率及び透過効率の低下を抑えることができる。

また、（１６）式には階段の高さｄが含まれていないため、回折パターンＰＴの具体的な寸法を決定する前の段階であっても、回折格子ＤＧの材料Ｍ１及びＭ２を容易に選定することができ、さらに、材料Ｍ１及びＭ２の選定後に当該材料Ｍ１及びＭ２それぞれの屈折率ｎ１及びｎ２等に応じて階段の高さｄを最適に設計することもできる。

ところで、光学設計に関する指標の一つとしてアッベ数があり、このアッベ数を用いて材料Ｍ１及びＭ２を選定することも考えられる。しかしながら、このアッベ数はガラス材料等に対しては分散に関する良好な指標となり得るものの、ＵＶ硬化樹脂は異常分散性が高いため、当該ＵＶ硬化樹脂に対してアッベ数は適切な指標とはなり得ない。

これに対して（１６）式では、回折させる波長λ及び回折させない波長λにおける、各材料Ｍ１及びＭ２の具体的な屈折率ｎを用いた演算を行うため、異常分散性の有無に拘わらず、設計通りの回折格子ＤＧを構成し得るか否かを高い精度で判別することができる。

以上の構成によれば、設計目標として回折させない波長λ及び回折させる波長λがそれぞれ定められた回折格子ＤＧを設計する際、候補となる材料Ｍ１及びＭ２の各波長λにおけるそれぞれの屈折率ｎの値を（１６）式の左辺に代入し、このとき（１１）式を満たすことにより（１６）式の右辺が簡単な整数の比となり、且つ（１７）式を満たした場合、当該候補となる材料Ｍ１及びＭ２を当該回折格子ＤＧを構成する材料として適切であると判別することができるので、設計通りの回折格子ＤＧを構成し得るような材料Ｍ１及びＭ２を容易に選定することができる。

（４）他の実施の形態
なお上述した実施の形態においては、回折格子ＤＧを設計する際、ＢＤ方式の波長λｂ及びＤＶＤ方式の波長λｄを回折させず、ＣＤ方式の波長λｃのみを回折させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばＢＤ方式の波長λｂ及びＣＤ方式の波長λｃを回折させず、ＤＶＤ方式の波長λｄのみを回折させる等、他の組み合わせであっても良い。

また上述した実施の形態においては、材料Ｍ１と材料Ｍ２とを接合することにより回折格子ＤＧを構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば材料Ｍ２を用いないようにしても良い。

この場合、便宜的に、材料Ｍ２が空気でなりその屈折率ｎが１であると見なせば良い。例えば、回折素子２０（図５（Ａ））の下層部２０Ｂに形成されるＤＶＤ用回折格子ＤＧｄを設計する際、（１６）式においてλｄのみを回折させるものとし、材料Ｍ２の屈折率ｎ２を１とすれば良い。

さらに上述した実施の形態においては、３種類の波長としてＢＤ方式、ＤＶＤ方式及びＣＤ方式の４０８ｎｍ、６５５ｎｍ及び７８５ｎｍとするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、それぞれ他の波長であっても良い。また、ＢＤ方式、ＤＶＤ方式又はＣＤ方式に限らず、他の方式であっても良い。

さらに上述した実施の形態においては、ＢＤ方式、ＤＶＤ方式及びＣＤ方式のように３種類の波長について回折させるか否かを設計条件として定めた上で（１６）式及び（２０）式のように材料Ｍ１及びＭ２の選定条件を定めるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば４種類以上の波長についてそれぞれ回折させるか否かを設計目標とし、（１２）〜（１６）式或いは（１７）〜（２０）式のように変形することにより材料Ｍ１及びＭ２の選定条件を定めるようにしても良い。

さらに上述した実施の形態においては、（１０）式における効率Ｔの低下分Ｔ（ε）を２０％程度までに抑えるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、当該低下分Ｔ（ε）の許容範囲を１０％や２５％等のような他の値としても良い。また、ずれεの条件としては、（１１）式に限らず、例えばε＜０．１等の他の条件であっても良い。

さらに上述した実施の形態においては、回折素子２０（図５（Ａ））において、上層部２０ＡのＣＤ用回折格子ＤＧｃによりＣＤ方式の波長λｃのみを回折させ、下層部２０ＢのＤＶＤ用回折格子ＤＧｃによりＤＶＤ方式の波長λｄのみを回折させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば下層部２０Ｂの回折格子ＤＧによりＣＤ方式の波長λｃのみを回折させ、上層部２０Ａの回折格子ＤＧによりＤＶＤ方式の波長λｄ及びＣＤ方式の波長λｃを回折させるなど、他の組み合わせであっても良い。

さらに上述した実施の形態においては、光ディスク装置１の光ピックアップ７における対物レンズユニット９に組み込む回折素子２０を設計する際に本発明を適用するようにした場合について述べたが、これに限らず、他の種々の回折素子を設計する際に本発明を適用しても良い。すなわち、回折素子２０は対物レンズユニット９に組み込まれるもの以外でも良く、対物レンズユニット９は光ピックアップ７に組み込まれるもの以外でも良く、光ピックアップ７は光ディスク装置１に組み込まれるもの以外でも良い。

本発明は、複数の波長でなる光ビームを利用する種々の光学機器でも利用できる。

光ディスク装置の全体構成を示すブロック図である。 光ピックアップの構成を示す略線図である。 対物レンズユニットの構成を示す略線的斜視図である。 対物レンズユニット内の光路を示す略線図である。 回折素子の構成を示す略線図である。 回折素子の光路差を示す略線図である。 各波長における回折の有無を示す略線図である。 材料ごとの波長に対する屈折率を示す略線図である。 波長に対する屈折率の差を示す略線図である。 樹脂材料における波長ごとの屈折率を示す略線図である。 階段の高さによる効率を示す略線図である。

符号の説明

１……光ディスク装置、７……光ピックアップ、９……対物レンズユニット、１９……鏡筒部、２０……回折素子、２０Ａ……上層部、２０Ｂ……下層部、２０Ｃ……ベース層、２０Ｄ……カバー層、２０Ｅ……回折パターン層、２１……対物レンズ、ＤＧｃ……ＣＤ用回折格子、ＤＧｄ……ＤＶＤ用回折格子、ＤＧ……回折格子、ＰＴｃ……ＣＤ用回折パターン、ＰＴｄ……ＤＶＤ用回折パターン、ＰＴ……回折パターン、Ｍ１、Ｍ２……材料、ｎ１、ｎ２……屈折率、λ……波長、ｄ……階段の高さ、ｓ……階段の段数、ｐ、ｑ……整数、ε……整数からのずれ。

Claims (7)

1. 第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層が接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子の設計方法であって、
   上記第１材料及び上記第２材料は、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが次式
   

   

   又は次式
   

   

   を満たすよう選定されている
   ことを特徴とする回折素子の設計方法。
2. 上記段数ｓ、整数ｐｉ及び整数ｑｊは、
   次式
   

   

   を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子の設計方法。
3. 上記第１材料及び上記第２材料の少なくとも一方は、
   樹脂材料でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の回折素子の設計方法。
4. 第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子であって、
   上記第１材料及び上記第２材料は、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが次式
   

   

   又は次式
   

   

   を満たすよう選定されている
   ことを特徴とする回折素子。
5. 第１波長λ１、第２波長λ２及び第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、当該回折素子から入射された上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームを集光する対物レンズとを有する対物レンズユニットであって、
   上記回折素子の上記第１材料及び上記第２材料は、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが次式
   

   

   又は次式
   

   

   を満たすよう選定されている
   ことを特徴とする対物レンズユニット。
6. 第１波長λ１の光ビームを出射する第１光源と、
   第２波長λ２の光ビームを出射する第２光源と、
   第３波長λ３の光ビームを出射する第３光源と、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、
   上記回折素子と一体に組み立てられ上記回折素子から入射された上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームを集光する対物レンズと
   を有する光ピックアップであって、
   上記回折素子の上記第１材料及び上記第２材料は、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが次式
   

   

   又は次式
   

   

   を満たすよう選定されている
   ことを特徴とする光ピックアップ。
7. 第１光ディスクに対応する第１波長λ１の光ビームを出射する第１光源と、
   第２光ディスクに対応する第２波長λ２の光ビームを出射する第２光源と、
   第３光ディスクに対応する第３波長λ３の光ビームを出射する第３光源と、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第１材料でなる第１層と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３でなる光ビームをいずれも透過する第２材料でなる第２層とが接合されてなり、その接合面に所定段数ｓでなる階段状の回折パターンが所定周期毎に繰り返し形成された回折素子と、
   当該回折素子と一体に組み立てられ当該回折素子から入射された光ビームを上記第１光ディスク、上記第２光ディスク又は上記第３光ディスクに集光する対物レンズと
   を有する光ピックアップにより、上記第１光ディスク、上記第２光ディスク又は上記第３光ディスクに対して上記第１波長λ１、上記第２波長λ２又は上記第３波長λ３でなる光ビームを照射する光ディスク装置であって、
   上記回折素子の上記第１材料及び上記第２材料は、
   上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第１材料の屈折率ｎ１（λ１）、ｎ１（λ２）及びｎ１（λ３）と、上記第１波長λ１、上記第２波長λ２及び上記第３波長λ３における当該第２材料の屈折率ｎ２（λ１）、ｎ２（λ２）及びｎ２（λ３）とが次式
   

   

   又は次式
   

   

   を満たすよう選定されている
   ことを特徴とする光ディスク装置。

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