CN1093265C - 衍射光栅及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面上形成了凹凸状周期栅格结构的衍射光栅，其凹凸状周期栅格是通过简单的工艺精密制得的。衍射光栅6具备玻璃基板1，并在其光出射面1b上通过PET涂料形成了聚二乙炔衍生物薄膜3。然后，通过紫外线穿透部分为微细周期栅格图纹的遮光膜4，对薄膜3的表面进行紫外线5的照射，使其发生选择性收缩，形成凹凸状周期栅格(3b、3c)。本发明能够简单地，且精度良好地制得具备微细凹凸状周期栅格图纹的衍射光栅。

Description

衍射光栅及其制造方法

技术领域

本发明涉及各种光学仪器，特别是光信号拾取装置所用的衍射光栅及其制造方法。更具体涉及由聚二乙炔薄膜制成的衍射光栅。

背景技术

作为用于光盘装置等各种光学仪器的衍射光栅，现在正被广泛应用的是一种在其表面周期性地形成凹凸部分，因而形成了构成凹凸状周期栅格图纹，使通过凸出部分和凹入部分的光产生相位差的光学元件。

作为应用于光拾取装置的偏振光性衍射光栅，日本专利公开公报平7-325217号提出了由聚二乙炔定向膜制得的双折射材料层按照周期性栅格状形成于玻璃基板上，该材料层仅对寻常光及异常光中的一种具有衍射光栅的功能，而使另一种能够照样透过。

该制造方法是半导体的制造过程中所采用的公知的方法，具体来讲，为了在形成的聚二乙炔定向膜上形成凹凸状周期栅格，在其上涂布了保护膜，露光、进行显象处理后，再进行防腐处理直到玻璃基板的凹部的深度达到规定值，然后，除去保护膜，就制得凹凸状周期栅格。

但是，这种在聚二乙炔定向膜上形成凹凸状周期栅格的制作方法需要几个步骤，很难进行适当的工艺管理，而且，还存在制作成本高的问题。

另外，也有使用对应于凹凸状周期栅格图纹而形成的金属图纹模具，通过注塑成型形成衍射光栅的制造方法。在这种情况下，制造具备精密周期栅格图纹的金属模具一般是比较困难的，所以，不适合通过注塑成型的方法来制造精密图纹的衍射光栅。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的课题提出了能够简单地，且精度良好地形成微细凹凸状周期栅格的衍射光栅。

而且，本发明的课题还提出了能够简单地、且精度良好地形成微细凹凸状周期栅格的衍射光栅的制作方法。

本发明者等对上述公开公报中记载的聚二乙炔衍生物的特性、物性等进行了多次实验后发现，如果对聚二乙炔衍生物进行紫外光照射，则被照射部分会发生物理收缩，形成凹状。

本发明以上述发现为基础，通过对聚二乙炔衍生物形成的薄膜进行选择性照射后发现，能够简单地，且精度良好地形成微细的凹凸状周期栅格，因而该收缩能够适用于衍射光栅的制造。

即，本发明的衍射光栅由玻璃基板等光学各向同性基板、在该光学各向同性基板的光入射面及出射面中的至少一面上形成的由聚二乙炔衍生物构成的薄膜、通过选择性地照射紫外线而在该薄膜的表面形成的凹凸状周期栅格构成。

这样构成的衍射光栅是通过先在玻璃基板等光学各向同性基板上形成前述由聚二乙炔衍生物构成的薄膜，然后，用紫外线穿透部分形成的周期栅格状遮光膜覆盖薄膜表面，再通过该遮光膜对前述薄膜进行紫外线照射，使前述薄膜表面的被紫外线照射部分按照定量收缩，形成前述凹凸状周期栅格而制得的。

本发明的衍射光栅表面形成的凹凸状周期栅格是通过对聚二乙炔衍生物薄膜进行紫外线照射这样简单的工艺制得的。而且，由于利用了紫外线照射来形成周期栅格图纹，所以，能够精确地形成精密的图纹。此外，与为了形成周期性栅格图纹而使SiO₂膜形成图纹的传统方法不同，本方法能够用构造简单的蒸镀机来形成聚二乙炔衍生物薄膜。

附图说明

图1表示本发明的衍射光栅的制作步骤。

图2对根据图1所示的制作步骤制得的衍射光栅的衍射特性进行了说明。

具体实施方式

图1表示利用本发明制得的偏振光无依赖性衍射光栅的制作步骤。这里，所谓的偏振光无依赖性衍射光栅是指不依赖于光的偏转，而是按照一定的分频比产生衍射光的衍射光栅。

首先，如图1(A)所示，准备一定厚度的玻璃基板1作为光学各向同性基板。在该玻璃基板1上，例如可将编号为1a的基板表面(底部)作为光的入射面，而将编号为1b的基板表面(上部)作为光的出射面。图中所示的例子中，如后面所述，仅在光出射面1b一侧形成凹凸状周期栅格。

首先，在玻璃基板1的光出射面1b上涂上一定厚度的作为例子的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。该PET涂膜2带有粘着性，具有提高光出射面1b和形成于光出射面1b一侧的聚二乙炔衍生物薄膜之间的粘着性的效果。作为能够提高粘着性的材料，还可使用除PET之外的其他有机高分子材料，一般可使用聚酯类高分子材料和聚酰胺类高分子材料。

然后，如图1(B)所示，在具有PET涂膜2的玻璃基板1的光出射面1b一侧利用真空蒸镀二乙炔单体，再用紫外线照射该二乙炔单体，使其发生聚合，就形成了具有一定厚度的由以下化学式(1)表示的聚二乙炔衍生物薄膜3。

[化学式(化1)]

作为聚二乙炔，可使用化学式(化1)中的侧链R、R’由以下化学式(化2)～(化9)表示的物质。而且由化学式(化2)～(化9)构成的聚二乙炔衍生物中的任何一种都是由二乙炔单体聚合而成的。

[化学式(化2)]

惯用名CmU Cn              (CH₂)_mOCONHC_nH_2n+1                   …(2)

[化学式(化3)]

惯用名PTS                                                   …(3)

[化学式(化4)]

惯用名PTS-12

                                                …(4)[化学式(化5)]惯用名DCHD

                                                                   …(5)

[化学式(化6)]

惯用名HDU

                                                                   …(6)

[化学式(化7)]

惯用名DFMDP                                                                    …(7)

[化学式(化8)]

惯用名TCDU

                                                                   …(8)

[化学式(化9)]

惯用名nBCMU                   (CH₂)_nOCONHCH₂COOC₄H₉                …(9)然后，在用上述方法形成的聚二乙炔衍生物薄膜3的表面设置图1(C)所示的遮光膜4。这种遮光膜4由具有紫外线掩蔽特性的材料制成，对应于所希望形成的凹凸状微细周期栅格图纹，在遮光膜4上形成了多周期的紫外线穿透部分4a。设置了遮光膜4之后，在其表面进行紫外线5的照射。由于照射到遮光膜4上的紫外线穿透部分4a的紫外线透过了该部分4a，所以，聚二乙炔衍生物薄膜3的表面3a就在形成于遮光膜4上的微细周期栅格图纹对应的区域被光照射。

聚二乙炔衍生物薄膜3的表面3a被紫外线5照射后，其被照射部分发生收缩，形成凹部3b。而未被紫外线照射的部分保持原状，所以，如图(1)D所示，整体上就形成了凹凸状的周期性栅格。

此外，聚二乙炔衍生物中，由于紫外线照射部分的折射率比未照射部分小，所以，在聚二乙炔衍生物薄膜的表面3a上形成的凹凸状周期性栅格中，通过紫外线照射发生了收缩而形成的凹部3b的折射率就要比未照射部分的凸部3c小。

因此，制得的衍射光栅6具有以下的衍射特性。图2中，在衍射光栅6的各部分上标有表示厚度及折射率的符号。它们所表示的内容如下：

d1：聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外线照射部分(凹部3b)的厚度

d2：聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外线未照射部分(凸部3c)的厚度

ne：聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外线照射部分(凹部3b)的折射率

no：聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外线未照射部分(凸部3c)的折射率

为了能够按照规定的光学特性形成衍射光栅6，有必要对应于上述凹部3b和凸部3c的折射率，根据规定值来设定各自的膜厚。所以，在衍射光栅6的制作中，需要先求出作为目标的相位差φ，然后通过下式求得凹部3b和凸部3c的膜厚，即厚度。

这里，作为衍射光栅6的穿透光，用的是波长为λ的半导体激光。

φ＝(2π/λ){(no-1)(d2-d1)+(no-ne)d1}

＝(2π/λ){(no-1)d2-(ne-1)d1}

用η₁表示1次光的衍射效率，η₀表示0次光的衍射效率，当η₁/η₀＝0.2时，φ＝1.22478(rad)。

这种情况下，聚二乙炔衍生物薄膜3未被紫外线照射的部分的折射率no为2.0，而超过规定的照射时间后，紫外线照射部分的折射率ne为一个基本稳定的值：ne＝1.5。而且，如果所用的半导体激光的波长为光拾取装置通常所用激光的波长λ＝780nm，那么，为了使聚二乙炔衍生物薄膜3的紫外线照射部分成为一半膜厚的凹部3b，d1和d2应该具备d1＝0.5d2的关系，因此，将这些值代入式(1)，就能够求出凸部3c及凹部3b的厚度，分别是d1＝101.4nm，d2＝202.8nm。

下面对具体的实施例进行说明。

本发明者们在折射率为1.513、厚为0.7mm的玻璃基板的表面形成了折射率为1.537、厚为100nm的PET涂膜，在涂膜表面，在压力为10^-3～10^-2Pa的氛围中，以10nm/s以下的速度进行二乙炔单体的真空蒸镀。然后，以5mW/cm²的照射强度，用波长为250nm的紫外线对蒸镀膜进行照射，历时30秒。使该蒸镀膜发生聚合，形成聚二乙炔衍生物薄膜3。该薄膜3的折射率(no)为2.0。

使用遮光膜，以5mW/cm²的照射强度，用波长为250nm的紫外线对薄膜3进行选择性照射以形成周期栅格，历时4000秒，该照射图纹为格子状，照射部分与未照射部分的比(功能比)为0.5，即照射部分与未照射部分的幅度相同。这时，被照射部分形成凹部，该凹部的折射率为1.5。

通过紫外线照射形成的凹部的深度可根据聚二乙炔衍生物薄膜的聚合条件、照射(露光)条件等进行调整，一般认为可在原来膜厚的30～80％的范围内进行调节。此外，可使用超高压水银灯作为此时的光源，照射强度和露光时间可适当设定。例如，其他条件与上述相同的情况下，即使照射强度为1.5mW/cm²，照射时间约为2000秒，也能够获得与上述同样的凹凸状周期栅格。

为了减少本发明的衍射光栅的光损失，较好的是在其光出射面及光入射面两面或其中的一面上形成防反射膜。而且，为了保护衍射光栅的表面，还可形成机械强度高的保护膜。

此外，上述衍射光栅6中，只在其光出射面一侧形成了凹凸状周期栅格，事实上，也可在光入射面一侧形成凹凸状周期栅格。而且，还可在两面都形成凹凸状周期栅格。

上述实施例中，例举了本发明适用于偏振光无依赖性衍射光栅的例子，本发明也适用于依赖光的偏转，根据不同的分频比产生衍射光的偏振光性衍射光栅。

如上所述，本发明中，用紫外线对聚二乙炔衍生物薄膜进行照射，发现照射部分发生了收缩，在此发现的基础上，对形成于玻璃基板上的聚二乙炔衍生物薄膜进行紫外线照射，使该薄膜表面选择性地进行收缩，形成凹凸状周期栅格，可将该凹凸状周期栅格作为衍射光栅使用。所以，与以往的使SiO2膜形成凹凸状图纹的方法，以及通过注塑成型的方法，用形成了凹凸状图纹的金属模具制得凹凸状图纹的方法相比，本发明的方法能够通过简单的工艺，且精度良好地形成微细的凹凸状周期栅格。而且，由于制作方法简单，所以，还能够降低制作成本。

此外，由于聚二乙炔衍生物薄膜比SiO₂膜等的折射率大，而被紫外线照射部分的折射率却小，所以，凹凸状周期栅格的凹部穿透光和凸部穿透光的相位差就大。因此，制作具备一定衍射特性的衍射光栅时所需的膜厚具有比以往构造的衍射光栅薄的优点。

Claims (7)

1.一种衍射光栅，其特征在于，具备光学各向同性基板、形成于该光学各向同性基板的光入射面及光出射面中的至少一面的由聚二乙炔衍生物构成的薄膜、以及通过选择性地对该薄膜表面进行紫外线照射而在该薄膜表面形成的凹凸状周期栅格，前述聚二乙炔衍生物由以下的化学式(1)表示，式中的侧链R、R’由以下的化学式(2)～(9)表示，

[化学式(2)]

惯用名CmU Cn      (CH₂)_mOCONHC_nH_2n+1             …(2)

[化学式(3)]

惯用名PTS                              …(3)

[化学式(4)]

惯用名PTS-12                             …(4)

[化学式(5)]

惯用名DCHD

                                       …(5)

[化学式(6)]

惯用名HDU

                                                  …(6)

[化学式(7)]

惯用名DFMDP  

                                                  …(7)

[化学式(8)]

惯用名TCDU                                                   …(8)

[化学式(9)]

惯用名nBCMU    (CH₂)_nOCONHCH₂COOC₄H₉              …(9)。

2.如权利要求l所述的衍射光栅，其特征还在于，在前述光学各向同性基板和前述薄膜之间形成了对两者都具有粘着性的聚酯类高分子材料或聚酰胺类高分子材料。

3.如权利要求l或2所述的衍射光栅，其特征还在于，在形成了前述凹凸状周期栅格的前述薄膜的表面还形成了防反射膜。

4.一种衍射光栅的制作方法，其特征在于，在光学各向同性基板的光入射面及光出射面中的至少一面上形成由聚二乙炔衍生物构成的薄膜，然后，在该薄膜表面覆盖紫外线穿透部分为周期栅格状的遮光膜，通过该遮光膜对前述薄膜的表面进行紫外线照射，使前述薄膜表面发生选择性收缩，形成凹凸状周期栅格，前述聚二乙炔衍生物由以下的化学式(1)

表示，式中的侧链R、R’由以下的化学式(2)～(9)表示，

[化学式(2)]

惯用名CmU Cn         (CH₂)_mOCONHC_nH_2n+1                 …(2)

[化学式(3)]

惯用名PTS

                                               …(3)

[化学式(4)]

惯用名PTS-12

                                               …(4)

[化学式(5)]

惯用名DCHD

                                                 …(5)

[化学式(6)]

惯用名HDU

                                           …(6)

[化学式(7)]

惯用名DFMDP

                                        …(7)

[化学式(8)]

惯用名TCDU

                                         …(8)

[化学式(9)]

惯用名nBCMU      (CH₂)_nOCONHCH₂COOC₄H₉               …(9)。

5.如权利要求4所述的衍射光栅的制作方法，其特征还在于，用二乙炔单体进行真空蒸镀，然后，对该二乙炔单体进行紫外线照射，使其聚合而形成上述聚二乙炔衍生物构成的薄膜。

6.如权利要求5所述的衍射光栅的制作方法，其特征还在于，在前述光学各向同性基板上形成聚酯类高分子材料或聚酰胺类高分子材料的有机高分子膜之后，再形成由聚二乙炔衍生物构成的薄膜。

7.如权利要求4所述的衍射光栅的制作方法，其特征还在于，用波长为λ的半导体激光作为衍射光栅的穿透光时，先求出作为目标的相位差φ，再用下式求出前述凹凸状周期栅格的凹部厚度d1和凸部厚度d2，式中no为紫外线未照射部分的折射率，ne为紫外线照射部分的折射率，

φ＝(2π/λ){(no-1)(d2-d1)+(no-ne)d1}。