JP2002174731A - 光学素子、光学素子の製造方法、光学素子複製物、及び光学素子複製物の製造方法 - Google Patents
光学素子、光学素子の製造方法、光学素子複製物、及び光学素子複製物の製造方法Info
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Abstract
または回折効果を得ることができる光学素子とその製造
方法とを提供する。また、屈折効果及び回折効果によ
り、任意の形状の光ビームを得ることができる光学素子
及びその製造方法を提供する。 【解決手段】アゾポリマー担体10の表面10aに、レ
ンチキュラーレンズとして機能する凹凸24を形成し、
凹凸24の表面に微細な凹凸を形成する。この光学素子
に凹凸24が形成された側から入射光26が入射する
と、3分岐の拡散光(プラス1次光34、マイナス1次
光36、及び0次光38)が生成される。
Description
子の製造方法、光学素子複製物、及び光学素子複製物の
製造方法に関し、特に、アゾベンゼン骨格を有する高分
子層を備え、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を
有する光学素子、その光学素子の製造方法、その光学素
子の複製物、及び光学素子複製物の製造方法に関する。
凹レンズ、プリズム等の光の屈折を利用した光学素子
(屈折光学素子)が広く用いられてきた。最近では、微
細加工技術の発展によりマイクロレンズアレイやレンチ
キュラーレンズ等の作製も可能となり、照明から光通信
まで多様な用途において屈折光学素子が使用されてい
る。
には、レンチキュラーレンズを備えた光データバスとこ
の光データバスを用いた信号処理装置が開示されてい
る。この光データバス10は、図35(a)及び(b)
に示すように、信号光入射部11の一方の端縁11a
に、入射した信号光15を光データバス10内部に拡散
させる、端縁11aに沿って配列された複数のシリンド
リカル面(レンチキュラーレンズ)12を形成してい
る。光データバス10に入射された信号光15は、シリ
ンドリカル面12が複数配列されてなる拡散手段により
信号光出射部14側の端縁14aの全面にわたって拡散
されるので、信号光のうち光伝送層13の外に出て行く
信号光が最小限に抑えられる。これにより信号光15の
伝送効率が高くなり、信号光出射部14側の端縁14a
における出射量のばらつきが少なくなる。このため、光
データバス10を用いた信号処理装置では、低消費電量
化を図ることができる。
等の屈折光学素子は、比較的単純な集光や光拡散の機能
しか備えていない。例えば、上述の光データバスにおい
ては、単に信号光をレンチキュラーレンズにより拡散さ
せているだけである。これに対し、屈折光学素子の代わ
りに光の回折を利用した回折光学素子やホログラムを利
用した回折光学素子であるHolographic Optical Elemen
t(HOE)を用いた場合には、複雑な光波を生成する
ことができる。
て、図35(c)に示すように、信号光入射部11の一
方の端縁11aに、レンチキュラーレンズの代わりに回
折光学素子として拡散板20を配置すると、光データバ
ス10に入射された信号光15は、拡散板20により回
折され、信号光出射部14側の端縁14aに設けられた
所定の出力ポート(例えば、出力ポート14b、14
c)に集光するように、分岐されると共に拡散される。
面を任意に設計した波面に変換することができる。ま
た、回折光学素子は、屈折型レンズと逆の分散値を有
し、実質的には厚みを持たないので光学系がコンパクト
になるなど、屈折光学素子には無い利点を備えている。
その一方、光の回折を利用するために、屈折光学素子と
比べて本質的にアライメントの制約が大きい、波長分散
が大きい、0次光の発生により回折効率が低下する等の
問題点がある。
の作製方法としては、Photofabrication of surfaces f
or holograms, Sukant Tripathy, Dong-Yu Kim, Lian L
i, and Jayant Kumar, CHEMTECH MAY (1998) pp. 34-4
0.に記載されているように、アゾベンゼン骨格を有する
高分子(アゾポリマー)からなる記録媒体を用い、この
記録媒体にホログラムを記録することで、媒体表面に微
細な凹凸が誘起された表面レリーフホログラムを形成す
る方法が知られている。
長のレーザ光源を用い、二光波を干渉させて、記録媒体
の表面にサブミクロンピッチの表面レリーフホログラム
を形成する。通常の半導体プロセスを利用するHOE作
製過程は、パターン設計、露光、現像を複数回繰り返す
ため多くの工程を必要とするが、上記の方法では多くの
工程が省略でき、製造コストを大幅に低減することがで
きる。また、形成される表面レリーフホログラムのレリ
ーフ深さは、露光エネルギーに比例して増加するので、
緩やかに凹凸が変化した理想的な回折光学素子の作製が
可能である。
るレリーフ深さは数100nm程度であり、表面レリー
フホログラムを形成して回折光学素子として使用する場
合には、十分なレリーフ深さが得られず、回折されない
0次光が発生して回折効率が低下するという実用上の問
題が発生する。
子には、設計の自由度が大きいという利点があるが、光
の回折を利用するために本質的にアライメントの制約が
大きく、波長分散が大きい等の問題がある。一方、レン
ズなどの屈折光学素子には、設計の自由度は小さいが、
アライメントの制約は少なく、波長分散は小さく、0次
光による問題は発生しないという利点(屈折光学素子の
ロバスト性)がある。
であり、本発明の第1の目的は、表面に形成された凹凸
により、優れた屈折効果または回折効果を得ることがで
きる光学素子を提供することにある。本発明の第2の目
的は、屈折効果及び回折効果により、任意の形状の光ビ
ームを得ることができる光学素子を提供することにあ
る。本発明の第3の目的は、表面に十分な深さの凹凸
(レリーフ構造)を形成することにより、設計の自由度
が向上すると共に、優れた屈折効果及び/または優れた
回折効果を得ることができる光学素子を提供することに
ある。
を照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することによ
り、表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に
製造することができる光学素子の製造方法を提供するこ
とにある。本発明の第5の目的は、表面に凹凸が形成さ
れた光学素子を用いて、同じ表面形状の光学素子を容易
に複製でき、大量生産に好適な光学素子複製物の製造方
法とその方法により得られた光学素子複製物とを提供す
ることにある。
するために、請求項1に記載の光学素子は、アゾベンゼ
ン骨格を有する高分子層を備え、該高分子層の表面に屈
折機能を有する凹凸が形成されたことを特徴とする。こ
の光学素子では、高分子層の表面に形成された凹凸によ
り屈折効果を得ることができる。また、回折効率は十分
な凹凸深さが得られなければ低下するが、この光学素子
では、凹凸深さに拘らず凹凸間隔を最適化することによ
り、優れた屈折効果を得ることができる。
項2に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高
分子層を備え、該高分子層の表面に回折機能を有する深
さ1μm以上の凹凸が形成されたことを特徴とする。こ
の光学素子では、高分子層の表面に形成された深さ1μ
m以上の凹凸により回折効率が低下することなく、優れ
た回折効果を得ることができる。
めに、請求項3に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格
を有する高分子層を備え、該高分子層の表面に屈折機能
を有する第1凹凸が形成されると共に、該第1凹凸の表
面に屈折機能または回折機能を有する第2凹凸が形成さ
れたことを特徴とする。この光学素子では、高分子層の
表面に形成された第1凹凸により屈折効果が得られると
共に、第1凹凸の表面に形成された第2凹凸により屈折
効果または回折効果を得ることができる。
第2凹凸による屈折効果を得ることにより、優れた屈折
効果を得ることができる。また、第1凹凸による屈折効
果に加えて、第2凹凸による回折効果を得る場合には、
任意の形状の光ビームを得ることができる。
めに、請求項4に記載の光学素子は、屈折光学素子と、
該屈折光学素子の表面に形成されたアゾベンゼン骨格を
有する高分子層とを備え、該高分子層の表面に屈折機能
及び回折機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成され
たことを特徴とする。この光学素子では、屈折光学素子
により屈折効果が得られると共に、高分子層の表面に形
成された凹凸により屈折効果及び回折効果の少なくとも
一方を得ることができる。
て、凹凸による屈折効果を得ることにより、優れた屈折
効果を得ることができる。また、屈折光学素子による屈
折効果に加えて、凹凸による回折効果を得る場合には、
任意の形状の光ビームを得ることができる。
めに、請求項5に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格
を有する高分子層を備え、該高分子層の表面に屈折機能
を有する第1凹凸が形成されると共に、該第1凹凸の表
面に該第1凹凸より狭い間隔で第2凹凸が形成されたこ
とを特徴とする。この光学素子では、高分子層の表面に
形成された第1凹凸により屈折効果が得られると共に、
この第1凹凸の表面に形成された第2凹凸の形状に応じ
て、屈折効果及び回折効果の少なくとも一方を得ること
ができる。
めに、請求項6に記載の光学素子は、屈折機能を有する
第1凹凸を備えた屈折光学素子と、該第1凹凸の表面に
アゾベンゼン骨格を有する高分子層とを備え、該高分子
層の表面に前記第1凹凸より狭い間隔で第2凹凸が形成
されたことを特徴とする。この光学素子では、屈折光学
素子の表面に在る第1凹凸により屈折効果が得られると
共に、この第1凹凸の表面に形成された第2凹凸の形状
に応じて、屈折効果及び回折効果の少なくとも一方を得
ることができる。
る凹凸が5〜100μmの間隔で形成されることが好ま
しく、回折機能を有する凹凸が0.2〜5μmの間隔で
形成されることが好ましい。
転移点は、室温より高温、室温近傍、または20℃〜5
0℃の範囲のいずれかであることが好ましい。
項12に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する
高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が室温より高
温であり、前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能
の少なくとも一方を有する凹凸が形成されたことを特徴
とする。高分子のガラス転移点が室温より高温である場
合には、光を照射して凹凸を誘起する場合に、十分な深
さの凹凸を誘起できると共に、誘起された凹凸を安定に
維持することができる。この結果、光学素子の表面に十
分な深さの凹凸を容易且つ安定に形成することができ、
設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び/
または優れた回折効果を得ることができる。
に、請求項13に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格
を有する高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が室
温近傍であり、前記高分子層の表面に屈折機能及び回折
機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成されたことを
特徴とする。高分子のガラス転移点が室温近傍である場
合には、光を照射して凹凸を誘起する場合に、十分な深
さの凹凸を誘起できる。この結果、光学素子の表面に十
分な深さの凹凸を容易に形成することができ、設計の自
由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び/または優
れた回折効果を得ることができる。
に、請求項14に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格
を有する高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が2
0℃〜50℃の範囲であり、前記高分子層の表面に屈折
機能及び回折機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成
されたことを特徴とする。高分子のガラス転移点が20
℃〜50℃の範囲である場合には、光を照射して凹凸を
誘起する場合に、十分な深さの凹凸を誘起できると共
に、誘起された凹凸を安定に維持することができる。こ
の結果、光学素子の表面に十分な深さの凹凸を容易且つ
安定に形成することができ、設計の自由度が向上すると
共に、優れた屈折効果及び/または優れた回折効果を得
ることができる。
て、高分子層の表面に形成される凹凸のうち屈折機能を
有する部分に係る凹凸は、5〜100μmの間隔で形成
することができる。また、高分子層の表面に形成される
凹凸のうち回折機能を有する部分に係る凹凸は、0.2
〜5μmの間隔で形成することができ、回折機能を有す
る部分に係る凹凸は、深さ1μm以上で形成されること
が好ましい。更に、高分子層の表面に形成される凹凸と
して、高分子層の表面に形成され屈折機能を有する第1
凹凸と、該第1凹凸の表面に形成され屈折機能または回
折機能を有する第2凹凸とを備えることができる。ま
た、高分子層が屈折光学素子の表面に形成されていても
よい。
にホログラムが記録されていてもよい。この場合は、内
部に記録されたホログラムにより回折機能を得ることが
できる。
可能とするために、1〜10μmとするのが好ましい。
また、高分子は、側鎖にアゾベンゼン骨格を有するもの
が好ましく、主鎖に芳香族炭化水素基を含むものがより
好ましい。これらの高分子の中でも、下記一般式(1)
で表されるポリエステルが特に好ましい。
シ基、またはニトロ基を示し、Yはエーテル結合、ケト
ン結合、またはスルホン結合による2価の連結基を示
す。lおよびmは2〜18の整数を示し、nは5〜50
0の整数を示す。)上記の第4の目的を達成するため
に、請求項25に記載の発明は、本発明の光学素子を製
造する光学素子の製造方法であって、光学素子に設けら
れた高分子層の表面に所定の強度分布を有する光を照射
し、該強度分布に応じた凹凸を形成して、光学素子を製
造することを特徴とする。この場合、照射する光が円偏
光であることが好ましい。また、所定の強度分布を、計
算機ホログラムまたはキノフォームに対応した強度分布
や、拡散体から得られたスペックルパターンに対応した
強度分布とすることができる。
はキノフォームに対応した強度分布を有する光や、拡散
体から得られたスペックルパターンに対応した強度分布
を有する光など、任意の光パターンを照射することによ
り、高分子層の表面に所望形状の凹凸を形成することが
でき、高分子層の表面に凹凸が形成された光学素子を簡
便且つ安価に製造することができる。
に、請求項29に記載の発明は、本発明の光学素子を製
造する光学素子の製造方法であって、光学素子に設けら
れた高分子層の表面に物体光及び参照光を照射し、該物
体光及び参照光の干渉光による強度分布に応じた凹凸を
形成して、光学素子を製造することを特徴とする。この
場合、物体光と参照光は互いに逆周りの円偏光であるこ
とが好ましい。
ど、任意の光パターンを照射することにより、高分子層
の表面に所望形状の凹凸を形成することができ、高分子
層の表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に
製造することができる。
項31に記載の光学素子複製物の製造方法は、本発明の
光学素子の複製物を製造する光学素子複製物の製造方法
であって、前記光学素子の表面に形成された凹凸を利用
して、該凹凸を転写するためのスタンパを作製し、該ス
タンパを用いた熱圧着または射出成形により、樹脂材料
の表面に前記凹凸と同じ形状の凹凸を形成して、前記光
学素子の複製物を製造することを特徴とする。
に、請求項32に記載の光学素子複製物は、本発明の光
学素子の表面に形成された凹凸が転写されたものである
ことを特徴とする。
えば、本発明の光学素子を用いてマスタリングを行って
メタルマスタを作製し、このメタルマスタに基づいてス
タンパを作製する等、本発明の光学素子の表面に形成さ
れた凹凸を利用して、この凹凸を転写するためのスタン
パを作製することができる。そして、このスタンパを用
いた熱圧着または射出成形など大量生産に適した方法に
より、樹脂材料の表面に光学素子の表面に形成された凹
凸と同じ形状の凹凸を形成して、同じ表面形状の光学素
子を容易に複製することができる。このため、複雑な表
面形状の光学素子も容易に大量生産することができる。
また、得られた光学素子複製物は、本発明の光学素子と
同様に、優れた屈折効果及び/または優れた回折効果を
発揮する。
施の形態について説明する。 〔高分子担体または高分子層の材料〕本発明の光学素子
に使用する高分子材料は、アゾベンゼン骨格を有する高
分子(以下、「アゾポリマー」と称する)である。この
アゾベンゼン骨格は、トランス−シス−トランスの光異
性化サイクルを示す。
中でも、ガラス転移点Tgが室温近傍、好ましくは室温
より少し高温のアゾポリマーが特に好ましい。従来、Ph
otofabrication of surfaces for holograms, Sukant T
ripathy, Dong-Yu Kim, LianLi, and Jayant Kumar, CH
EMTECH MAY (1998) pp. 34-40.に記載されているよう
に、表面レリーフ形成には、ガラス転移点Tgが100
℃以上のアゾポリマーが使用されていたが、本発明者等
は、ガラス転移点Tgが室温近傍のアゾポリマーを記録
媒体に用いることで、深いレリーフ構造が容易且つ安定
に得られることを見出し、光学素子の設計の自由度を大
幅に向上させた。
ンゼン骨格を含む高分子が好ましく、主鎖に芳香族炭化
水素基を含む高分子がより好ましい。これらの中でも、
上記一般式(1)で表されるポリエステルが特に好まし
い。
ーの具体例を以下に示す。
リエステル(アゾポリマー(1))は、M.Satoらの”Sy
nthesis and properties of polyesters having cyanoa
zobenzene units in the side chain", Macromol. Rapi
d Commun. 15, 21-29 (1994)に報告されており、この
文献に記載されている方法により合成することができ
る。次に、このアゾポリマー(1)の合成手順を説明す
る。
ゼンの合成) 4−アミノベンゾニトリル2モル(23
6.3g)、HCl(12N)600ミリリットル、及
び純水600ミリリットルを氷浴中で攪拌しながら、N
aNO2水溶液(NaNO2150g、純水750ミリリ
ットル)を滴下した(ステップ1)。フェノール2モル
(191.8g)とKOH2モル(112.3g)を約
2リットルの純水にすばやく溶解し、ステップ1の生成
物を滴下して反応させた。反応終了後、生成物を吸引ろ
過によりろ取した後、純水で洗浄して減圧乾燥した。得
られた生成物をメタノールで再結晶させ、4−ヒドロキ
シ−4'−シアノアゾベンゼン1.3モル(292.3
g、収率65.5%)の結晶を得た。
4'−シアノアゾベンゼンの合成)4−ヒドロキシ−4'
−シアノアゾベンゼン0.2モル(44.6g)、1,
6−ジブロモヘキサン2モル(488.1g)、K2C
O31.45モル(200.4g)、及びアセトン80
0ミリリットルを2リットルの三つ口フラスコに入れ、
ウォータバスを用いて20時間還流し反応させた。室温
まで冷却した後、副生成物と過剰のK2CO3をろ過して
取り除いた。得られたろ液をロータリエバポレータを用
いて約1/2程度まで濃縮した後に冷凍庫に放置して結
晶化させた。析出した結晶を吸引ろ過によりろ取した
後、n−ヘキサンで洗浄して減圧乾燥した(0.117
モル(45.3g、収率58.6%))。更に、得られ
た粗結晶をエタノールで再結晶させ、4−(6−ブロモ
ヘキシルオキシ)−4'−シアノアゾベンゼン0.09
4モル(36.3g、収率47.0%)を得た。
ステルの合成) 5−ヒドロキシイソフタル酸1モル
(182.4g)、エタノール1500ミリリットル、
及び濃硫酸10ミリリットルを2リットルの三つ口フラ
スコに入れ、ウォータバスを用いて24時間還流し反応
させた。反応液をロータリエバポレータを用いて濃縮
し、濃縮液をNaHCO3水溶液に注いだ後、生成物を
ろ取し、減圧乾燥して、5−ヒドロキシイソフタル酸ジ
エチルエステル0.096モル(228.8g、収率9
6.0%)を得た。更に、得られた生成物をエタノール
で再結晶させ、加熱(50〜60℃)下で減圧乾燥し
た。
ゼンアゾフェノキシヘキシルオキシ)−イソフタル酸エ
チルエステルの合成) 4−(6−ブロモヘキシルオキ
シ)−4'−シアノアゾベンゼン0.08モル(30.
9g)、5−ヒドロキシイソフタル酸ジエチルエステル
0.08モル、K2CO30.12モル(16.58
g)、及びアセトン400ミリリットルを1リットルの
三つ口フラスコに入れ、ウォータバスを用いて24時間
還流し反応させた。放冷後、反応液を約4リットルの純
水に注ぎ、沈殿物をろ過して取り出し、減圧乾燥した
(0.071モル(38.8g、収率89.2%))。
その後アセトンで再結晶させ、側鎖部モノマーとなる5
−(4−シアノベンゼンアゾフェノキシヘキシルオキ
シ)−イソフタル酸エチルエステル0.058モル(3
1.4g、収率72.2%)の結晶を得た。得られた結
晶の融点は99.0℃であり、364.2nmに吸収ピ
ークを有していた。
トルと1H−NMRとによって行った。FTIRの測定
結果を次に示す。 FTIR(KBr):2947.7cm-1(CH伸縮),2227.4cm-1
(CN),1713.4cm-1(エステルC=O),1599.7cm-1(C=
C),1580cm-1(N=N),1244.8cm-1(C-O-C) また、下記表1に1H−NMRスペクトル分析の結果を
示す。
シルオキシフェニル)エーテルの合成) 4,4’−ジ
ヒドロキシジフェニルエーテル0.3モル(60.66
g)、6−クロロ−1−ヘキサノール0.66モル(9
0.16g)、K2CO30.7モル(97g)、及び
N,N−ジメチルホルムアミド250ミリリットルを混
合し、オイルバスを用いて160℃に加熱し24時間反
応させた。その後、反応液を少量の塩酸を含む水に注い
で、生成物を吸引ろ過によりろ取し、減圧乾燥して、ビ
ス(4−ヒドロヘキシルオキシフェニル)エーテルを得
た。更に、得られた生成物を水−N,N−ジメチルホル
ムアミド系混合溶剤より再結晶させて、ビス(4−ヒド
ロヘキシルオキシフェニル)エーテルの結晶がほぼ定量
的に得られた。得られた結晶の融点は119℃であっ
た。
トルと1H−NMRとによって行った。FTIRの測定
結果を次に示す。 FTIR(KBr、JASCO FT/IR-230):3312.1cm-1(O
H),2936.1cm-1(CH伸縮),1505.2cm-1(芳香族),1
241.9cm-1(C-O-C) また、下記表2に1H−NMRスペクトル分析の結果を
示す。
の溶融重縮合) 側鎖部モノマー:5−(4−シアノベ
ンゼンアゾフェノキシヘキシノキシ)−イソフタル酸エ
チルエステル0.01モル(5.4361g)、主鎖部
モノマー:ビス(4−ヒドロヘキシルオキシフェニル)
エーテル0.01モル(4.0253g)、及び無水酢
酸亜鉛0.1gを300ミリリットルの三つ口フラスコ
に入れ、窒素雰囲気下で、次の1)〜4)のステップに
従い反応させた。 1)約160℃で2時間反応 2)10Torr(1.33×103Pa)に減圧して
20分反応 3)30分かけて180℃、2〜5Torr(0.27
×103〜0.67×103Pa)に昇温・減圧 4)180℃、2〜5Torr(0.27×103〜
0.67×103Pa)で2時間反応 上記反応終了後、反応液をクロロホルムに溶解させてメ
タノール中に注いだ。沈殿物をろ過して取り出し、純水
で加熱洗浄した後にメタノールで加熱洗浄し、減圧乾燥
して、シアノアゾベンゼンを側鎖に持つポリエステルを
ほぼ定量的に得た。
(1)のDSC(示差走査熱量計)曲線を示す。ガラス
転移温度Tgは38℃、融点Tmは65℃であった。ま
た、偏光顕微鏡観察によると、液晶相は存在せず固体状
態において複屈折を有する高分子であった。
る高分子層を有する記録媒体を作成した。まず、上記方
法で合成したアゾポリマー(1)をクロロホルムに0.
8g/ミリリットルの濃度で溶かし、洗浄したガラス基
板上にスピンコートした(1000rpm,20秒)。
乾燥させた後、等方相になる温度まで加熱し、急冷し
て、アゾポリマー(1)からなる高分子層を形成した。
偏光顕微鏡観察により形成された高分子層は等方的なア
モルファス膜であることを確認した。また、触針式の表
面粗さ計を用いて膜厚を測定したところ1.5μmであ
った。
ラムを形成し、凹凸深さ(レリーフ深さ)と露光エネル
ギーとの関係を調べた。表面レリーフホログラムの形成
に当っては、アルゴンイオンレーザの515nmの発振
線を用い、これを2光波に分岐して物体光及び参照光と
すると共に、それぞれの偏光を互いに逆周りの円偏光と
した。露光強度は0.5W/cm2とした。形成される
グレーティングの間隔が1μm及び10μmの2通りと
なるように2光波の交差角を調整して、レリーフ発達の
様子を調べた。結果を図2に示す。
増加するとレリーフ深さも増加した。また、間隔が10
μmのグレーティングでは1μmを超える深さの凹凸が
形成できた。また、1μm間隔のグレーティングはそれ
より小さい0.25μm程度の深さの凹凸が形成でき
た。
記録媒体では、従来より深いレリーフを誘起することが
できる。これはアゾポリマーのTgが室温近傍であるた
めに、光照射による分子移動が容易に起こるためである
と推測される。一方、室温より低いTgのアゾポリマー
を用いると、光照射時には深いレリーフが誘起されるも
のの、光遮断後にその形状は維持されず、結果として深
い凹凸を持つ光学素子は実現できない。従って、前記し
た通り、深いレリーフ構造が容易且つ安定に得られる点
で、室温より少し高いTg、好ましくは20℃〜50℃
の範囲のTgを示すアゾポリマーが本発明には好適であ
る。
層の厚みを種々変えて記録媒体を複数作製し、各々の記
録媒体について表面レリーフホログラムを形成して、レ
リーフ深さと露光エネルギーとの関係を調べたところ、
アゾポリマーの厚みが1μm〜10μmの範囲で、図2
に示す場合と同様の大きさの凹凸が誘起されることが確
認された。
十から百μm程度の薄い膜で、凹凸が誘起された例は複
数報告されているが、数μmを超える厚いアゾポリマー
層に深いレリーフ構造を誘起した例は報告されていな
い。本発明においては、アゾポリマー層の厚みを1μ〜
10μmと厚くした場合にも、効果的に数百nmから数
μmの凹凸が誘起できることを明らかにした。即ち、上
記した通り、適切なTgを有するアゾポリマーを記録媒
体に用い、その厚みを比較的厚くしてホログラムを記録
することで、非常に大きな表面レリーフ構造を生成でき
ることを見出した。そして、これを光学素子に応用する
ことにより、光学素子の設計の自由度を大幅に向上させ
ることができた。
リマーの例(化学構造式とそのTg)を以下に示す。こ
れらのアゾポリマーは、アゾポリマー(1)と同様の方
法で合成することができる。
は20℃から50℃の範囲内にあり、レリーフ形成実験
においても、アゾポリマー(1)と同様に深い凹凸を誘
起できることが確認された。
図3(a)に示すように、アゾポリマー担体10を備え
るように構成することができる。なお、アゾポリマー担
体は、アゾポリマー層のみで構成されている。アゾポリ
マー担体10の表面10aには、屈折機能及び回折機能
の少なくとも一方を有する所定形状の凹凸が形成されて
いる。この凹凸は、記録媒体であるアゾポリマー担体1
0の表面10aに、アゾポリマーの異性化を誘起する所
定波長の光を所定の強度分布で照射することにより形成
することができる。
示すように、ガラス基板やプラスチック基板等の基体1
2と、この基体12表面に形成されたアゾポリマー層1
4とで構成されていてもよい。同様に、アゾポリマー層
14の表面14aには、屈折機能及び回折機能の少なく
とも一方を有する所定形状の凹凸が形成されている。こ
れらの凹凸は、この記録媒体のアゾポリマー層14の表
面14aに、アゾポリマーの異性化を誘起する所定波長
の光を所定の強度分布で照射することにより、表面14
aに所定形状の凹凸が形成される。
体は、例えば、アゾポリマーのクロロホルム溶液を、洗
浄した基体12上にキャストし乾燥することにより作製
することができる。また、アゾポリマー溶液を基体12
上にスピンコートしてアゾポリマー層14を形成しても
よい。また、フィルム状の基体12を用いる場合は、基
体12にアゾポリマー材料をホットプレスにより接着し
てアゾポリマー層14を形成することもできる。
凸ピッチ)により、回折機能または屈折機能のいずれか
を有する。回折機能について考察する場合、凹凸ピッチ
は格子間隔Λに相当する。入射光の波長をλ、媒体の屈
折率をn、回折角(ホログラム記録の2光波交差角)を
θとすると、格子間隔Λは下記式で与えられる。
体(アゾポリマー)の屈折率n=1.5とすると、格子
間隔Λが5μm以上では回折角θは0°〜7°と小さく
なり、格子間隔Λが0.5μmでは回折角θは90°と
大きくなる。即ち、凹凸ピッチがある程度広い場合に
は、回折角は小さく主に屈折による作用を有し、凹凸ピ
ッチが狭くなるに従い、効果的な(回折角の大きい)回
折機能を有するようになる。この通り、回折機能及び屈
折機能の程度は、厳密には、入射光の波長λ、アゾポリ
マーの屈折率によっても多少変化するが、概略的には、
凹凸ピッチが5〜100μmの間隔で形成された場合
に、その凹凸は屈折機能を有し、凹凸ピッチが0.2〜
5μmの間隔で形成された場合に、その凹凸は回折機能
を有すると考えて良い。また、上記の凹凸は、凹凸が形
成される深さ(凹凸深さ)により、回折効率が変化す
る。前記の通り、凹凸深さが深くなるに従い0次光の発
生が少なくなり、回折効率が向上する。
の間隔であり、凹凸深さは最大凸部と最大凹部とのギャ
ップである。これら凹凸ピッチ及び凹凸深さは、AFM
(原子間力顕微鏡)による観察像から測定することがで
きる。スペックルパターンのように凹凸ピッチが一定で
ない場合には、平均値または分散範囲を求めればよい。
また、凹凸ピッチは上記の関係式に基づき、入射光の波
長λ、アゾポリマーの屈折率n、及び回折角θから求め
ることもできる。
素子は、アゾポリマー担体の表面に、レンチキュラーレ
ンズとして機能する凹凸(第1凹凸)を形成し、この凹
凸の表面にこの凹凸より狭い間隔で回折機能を有する凹
凸(第2凹凸)を形成したものである。なお、レンチキ
ュラーレンズは、図4(a)に示す構造を有している。
6によりレンチキュラーレンズの形状に対応した明暗
(図6に示す光強度分布)を有する光波18を生成し、
この光波18をレンズ20及び22によってアゾポリマ
ー担体10の表面10aに結像させる。これにより、図
7(a)に示すように、レンチキュラーレンズの作用を
持つようにアゾポリマー担体10の表面10aに凹凸2
4が形成される。
形成されたアゾポリマー担体10に、凹凸24が形成さ
れた側から光(入射光)26を入射させると、凹凸24
の屈折機能により拡散光28を得ることができる。拡散
光28のビームプロファイルを図7(b)に示す。図4
(b)に示すレンチキュラーレンズの拡散特性と略同じ
拡散特性を有していることが分かる。
体10の凹凸24が形成された表面10aに、レーザ光
を二光波に分岐し、それぞれ物体光30及び参照光32
として照射する。物体光30及び参照光32は互いに逆
周りの円偏光とする。これにより効率よく表面レリーフ
ホログラムが記録されて、アゾポリマー担体10の凹凸
24の表面に微細な凹凸が形成される。
入射した場合にプラス1次光34、マイナス1次光3
6、及び0次光38を均等に回折するように設計してお
くと、図9(a)に示すように、アゾポリマー担体10
に、凹凸24が形成された側から入射光26を入射させ
た場合に、3分岐の拡散光(プラス1次光34、マイナ
ス1次光36、及び0次光38)が生成され、図9
(b)に示す拡散角のビームを得ることができる。
は、アゾポリマー担体の表面に形成された凹凸によりレ
ンチキュラーレンズと同じ屈折効果が得られると共に、
この凹凸の表面に形成された微細な凹凸により回折効果
を得ることができる。また、屈折効果及び回折効果の両
方が得られるので、用途に応じて複雑なビームプロファ
イルを得ることができる。更に、任意の光パターンを照
射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表
面に凹凸を形成することができ、光学素子を簡便且つ安
価に製造することができる。
素子は、基体として屈折光学素子であるレンチキュラー
レンズを用いると共に、レンチキュラーレンズの凹凸
(第1凹凸)面にアゾポリマー層を形成し、更にこのア
ゾポリマー層の表面にレンズの凹凸より狭い間隔で回折
機能を有する凹凸(第2凹凸)を形成したものである。
キュラーレンズ12Aの凹凸面にアゾポリマーを均一に
コートしてアゾポリマー層14を形成する。アゾポリマ
ー層14はレンチキュラーレンズ12A表面の凹凸に沿
って形成される。このレンチキュラーレンズは、図4
(a)に示す構造を有しており、図4(b)に示すよう
に、入射光を半値全角が10°となるように拡散させ
る。
層14の表面14aに、レーザ光を二光波に分岐し、そ
れぞれ物体光30及び参照光32として照射する。物体
光30及び参照光32は互いに逆周りの円偏光とする。
これにより効率よく表面レリーフホログラムが記録され
て、アゾポリマー層14の表面14aに微細な凹凸が形
成される。
入射した場合にプラス1次光34、マイナス1次光3
6、及び0次光38を均等に回折するように設計してお
くと、図12(a)に示すように、アゾポリマー層14
に、凹凸24が形成された側から入射光26を入射させ
た場合に、3分岐の拡散光(プラス1次光34、マイナ
ス1次光36、及び0次光38)が生成され、図12
(b)に示す拡散角のビームを得ることができる。
は、レンチキュラーレンズにより屈折効果が得られると
共に、アゾポリマー層の表面に形成された微細な凹凸に
より回折効果を得ることができる。また、屈折効果及び
回折効果の両方が得られるので、用途に応じて複雑なビ
ームプロファイルを得ることができる。更に、任意の光
パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起するこ
とにより、表面に凹凸を形成することができ、光学素子
を簡便且つ安価に製造することができる。
ズを用いる例について説明したが、屈折光学素子として
は、上記アゾポリマーを溶解する溶剤に不溶であれば、
どのような媒質のものでも良く、その形状も球面、非球
面、凹レンズ等どのような形でも良い。
素子は、基体として屈折光学素子であるレンチキュラー
レンズを用いると共に、レンチキュラーレンズの凹凸
(第1凹凸)面にアゾポリマー層を形成し、更にこのア
ゾポリマー層の表面にレンズの凹凸より狭い間隔で屈折
機能を有する凹凸(第2凹凸)を形成したものである。
英のレンチキュラーレンズ12Aの凹凸面にアゾポリマ
ーを均一にコートしてアゾポリマー層14を形成する。
アゾポリマー層14はレンチキュラーレンズ12A表面
の凹凸に沿って形成される。このレンチキュラーレンズ
は、図4(a)に示す構造を有しており、図4(b)に
示すように、入射光を半値全角が10°となるように拡
散させる。
を用いて、アゾポリマー層14の表面14aに拡散体か
らのスペックルパターンを転写する。即ち、光源40か
らのレーザ光42を1/4波長板44により円偏光46
として拡散体48に入射させ、拡散体48の後方に出射
される拡散光50をアゾポリマー層14の表面14aに
照射する。これにより、図14に示すように、アゾポリ
マー層14にスペックルパターンに応じた凹凸52が形
成される。
方向の拡散特性を示す。ここで水平方向とはレンチキュ
ラーレンズのシリンドリカル面が並ぶ方向であり、垂直
方向とはこれに直交する方向である。スペックルパター
ン転写後の拡散特性を実線で示し、スペックルパターン
転写前の拡散特性を点線で示す。図15から分かるよう
に、アゾポリマー層14にスペックルパターンに応じた
凹凸52を形成した光学素子の方が拡散角度が大きく拡
散特性に優れている。
は、レンチキュラーレンズにより屈折効果が得られると
共に、アゾポリマー層の表面に形成された微細な凹凸に
よっても屈折効果を得ることができ、素子の厚みを押さ
えつつ、より優れた屈折効果を得ることができる。ま
た、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸
を誘起することにより、表面に凹凸を形成することがで
き、光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
ズを用いる例について説明したが、第2の実施の形態と
同様に、他の屈折光学素子を用いてもよい。
クルパターンを転写する例について説明したが、計算機
ホログラムまたはキノフォームに対応した強度分布の光
を照射して、これらの強度分布に応じた凹凸を形成する
こともできる。計算機ホログラムとは、物体光と参照光
とにより生じる干渉縞を計算し、計算結果に相当する強
度分布の光で記録したホログラムである。計算機ホログ
ラムについては、実施例において詳述する。キノフォー
ムとは、強度や偏光方向ではなく、位相分布を記録した
ホログラムである。
明の光学素子の複製物を大量生産する場合に好適な製造
方法について説明する。本発明の光学素子は、上記の通
り、アゾポリマー担体またはアゾポリマー層の表面に、
屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する所定形
状の凹凸が形成されていることを特徴とするものであ
る。従って、表面に形成された凹凸を転写することで、
同じ凹凸形状を備えた光学素子を複製することができ
る。
ポリマー担体またはアゾポリマー層の表面に所望形状の
凹凸を誘起した光学素子を用い、コンパクトディスクの
製造工程と同様にして、光学素子に金蒸着や無電解メッ
キにより導電処理を施し、ニッケルなどの電鋳を行うこ
とにより、この光学素子のネガの金型(メタルマスタ)
を作製できる。この金型に基づいて、アクリル、ポリカ
ーネイト、ポリエステルなどの樹脂材料に、熱圧着や射
出成形加工などによってパターンを転写して、複製物
(光学素子)を得ることができる。
ず、図16(A)に示すように、例えば、第1の実施の
形態と同様にして、アゾポリマー担体10の表面10a
に凹凸24が形成されると共に、凹凸24の表面に微細
な凹凸が形成された光学素子を作製する。次に、図16
(B)に示すように、この光学素子の凹凸24及び微細
な凹凸が形成された表面10aに、金を蒸着して薄膜メ
ッキ層54を形成する(マスタリング工程)。
上にニッケル電鋳により所定厚さのメタルマスタ56を
形成し、図16(D)で、形成されたメタルマスタ56
を薄膜メッキ層54から剥離する。図16(E)で、こ
の剥離したメタルマスタ56上にニッケル電鋳によりマ
ザー58を形成し、図17(A)で、マザー58をメタ
ルマスタ56から剥離する。図17(B)で、剥離した
マザー58上にニッケル電鋳によりスタンパ60を形成
し、図17(C)で、スタンパ60をマザー58から剥
離して、スタンパ60が完成する(スタンパ作製工
程)。このスタンパ60は、アゾポリマー担体10の表
面10aに形成された凹凸24及び微細な凹凸に対応す
る凹凸を備えている。
タンパ60を固定型62及び移動型64からなる射出成
形機に取り付けて熱溶融したポリエステル樹脂65を注
入口(図示せず)から高圧力で注入して射出成形を行
う。最後に、図17(E)に示すように、射出成形機の
温度が下がり、樹脂が硬化したところでポリエステル樹
脂製の光学素子66を取り出す。取り出された光学素子
66の表面66aには、アゾポリマー担体10の表面1
0aに形成された凹凸24及び微細な凹凸と同じ形状の
凹凸が形成される(転写成形工程)。
作製し、このスタンパを用いて熱圧着または射出成形で
複製物を製造するので、複製物を大量に生産するのに適
している。
は、アゾポリマーからなる高分子層の表面に形成された
凹凸により、優れた屈折効果及び/または優れた回折効
果を得ることができる。特に屈折効果に加えて回折効果
を得る場合には、回折素子と屈折素子の両方の機能を兼
ね備えるため、任意の形状のビームを得るのに有効であ
り、光バスシステム以外にも、結像光学素子、超解像レ
ンズ、分光器、など多岐に渡る応用が期待できる。
のガラス転移点を有するアゾポリマーを用いる場合に
は、高分子層の表面に十分な深さの凹凸を容易且つ安定
に形成することができ、設計の自由度が向上すると共
に、優れた屈折効果及び/または優れた回折効果を得る
ことができる。
ば、光の干渉縞、スペックルパターン、計算機ホログラ
ムなど任意の光パターンを照射することによって、複雑
な凹凸を簡単に誘起することができ、簡便で安価に光学
素子を作製することができる。更に、本発明の光学素子
複製物の製造方法によれば、この光学素子をもとにスタ
ンパを作製し、スタンパを用いて大量に複製物を製造す
ることも可能である。また、得られた光学素子複製物に
よれば、本発明の光学素子と同様に、優れた屈折効果及
び/または優れた回折効果を得ることができる。
に、屈折機能を有する凹凸や回折機能を有する凹凸を設
ける例について説明したが、偏光板、波長板、反射板等
の他の光学素子に、屈折機能を有する凹凸や回折機能を
有する凹凸を設けることもできる。
するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではな
い。 (実施例1)本実施例では、図18及び図19を参照し
て、特開平10−282371号公報に開示されている
ような光データバス及び信号処理装置に使用する光拡散
分岐素子として好適な光学素子を作製した例について説
明する。
ベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリマ
ー(2))を用いた。このアゾポリマー(2)のガラス
転移温度Tgは26.8℃であり本発明に好適である。
透明ガラス基板12Bに、このアゾポリマー(2)を
1.5μmの厚さで塗布して、アゾポリマー層14を備
えた記録媒体を作製した。
光変調器16により、水平方向に広がった光波(図18
(a)に示す光強度分布)を生成し、この光波をレンズ
70により集光しながら、物体光30としてアゾポリマ
ー層14の表面14aに照射すると共に、ビームスプリ
ッタ72によって平行の参照光32を同時に照射した。
物体光30及び参照光32は互いに逆周りの円偏光に設
定した。これにより効率よく表面レリーフホログラムが
記録されて、アゾポリマー層14の表面14aに微細な
凹凸が形成される。凹凸のピッチは0.8〜2.0μm
であった。
す。図19に示すように、十分な露光エネルギーで記録
することにより、凹凸の深さが1μm以上の表面レリー
フホログラムが誘起された。その結果、得られた光学素
子に光を入射させると、殆ど0次回折光が現れず、図1
8(a)に示す光強度分布の拡散光を得ることができ
た。従って、この光学素子は上述の光データバス用の光
拡散分岐素子として好適である。
2を参照して、特開平10−282371号公報に開示
されているような光データバス及び信号処理装置に好適
に使用される光拡散分岐素子とその作製方法とについて
説明する。
ベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリマ
ー(3))を用いた。このアゾポリマー(3)のガラス
転移温度Tgは48.5℃であり本発明に好適である。
透明ガラス基板12Bに、このアゾポリマー(3)を
8.0μmの厚さで塗布して、アゾポリマー層14を備
えた記録媒体を作製した。
00μmの範囲でランダムなピッチのレンチキュラーレ
ンズを誘起するための光強度分布である。図5に示す光
学系を用いて、図20に示す光強度分布の光波を生成
し、アゾポリマー層の表面に照射した。このときの光波
は円偏光に設定した。これにより上記レンチキュラーレ
ンズの作用を持つように、アゾポリマー層の表面に凹凸
が形成される。
深さにより示す。十分な露光エネルギーで記録すること
により、図21に示すように、凹凸深さが最大1.2μ
mの表面レリーフホログラムが誘起された。
方向の拡散特性を示す。図22から分かるように、水平
方向に0次透過光はなく、均一にビームが拡散してい
る。一方、垂直方向にビームは広がらないことから、こ
の光学素子は良好な非等方拡散を示した。即ち、本実施
例では、表面に任意の凹凸形状を備えた屈折光学素子を
容易に作製することができ、所望の拡散特性を得ること
ができる。
層の表面に拡散体からスペックルパターンを転写して凹
凸を形成し、光学素子を作製した例について説明する。
体の後方に生じるスペックルパターンを体積ホログラム
記録した場合、そのホログラム自体が拡散特性を示すこ
とが知られている。例えば、特開平4−299303号
公報には、この効果を利用して屈折率がゆるやかに変化
する拡散境界が記録されたホログラム拡散体が開示され
ている。これに対し、本実施例では、屈折率変化ではな
く、スペックルパターンを直接アゾポリマー層の表面に
凹凸として記録する方法について説明する。
ベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリマ
ー(5))を用いた。このアゾポリマー(5)のガラス
転移温度Tgは37.8℃であり本発明に好適である。
透明ガラス基板12Bに、このアゾポリマー(5)を
3.0μmの厚さで塗布して、アゾポリマー層14を備
えた記録媒体を作製した。
を用いて、アゾポリマー層14の表面14aに拡散体か
らのスペックルパターンを転写する。即ち、光源40と
してアルゴンイオンレーザの発振線488nmを用い、
光源40からのレーザ光42を1/4波長板44により
円偏光46として拡散体48に入射させた。拡散体48
としては楕円の拡散光を生成する非等方拡散体を用い
た。拡散体48の5mm後方に記録媒体を配置し、拡散
体48から出射される拡散光50をアゾポリマー層14
の表面14aに照射した。アゾポリマー層14に凹凸が
十分に誘起されるように、光強度2.2W/cm2のス
ペックルパターンを8時間照射した。これによりアゾポ
リマー層14の表面14aにスペックルパターンに応じ
た凹凸が形成された光学素子(拡散体)が得られた。
に誘起された凹凸パターンをAFM(原子間力顕微鏡)
によって観察した結果を示す。凹凸深さの最大値は1μ
m程度であり、凹凸のピッチは略5μm〜100μmの
間を50μmを中心に分布した形状となった。このよう
にスペックルパターンが凹凸としてアゾポリマー層14
に転写された。
図25にこの光学素子の水平方向及び垂直方向の拡散特
性を示す。図25から分かるように、アゾポリマー層1
4の拡散は、0次透過光は無く非等方拡散であった。こ
の光学素子の拡散特性は、表面に形成された凹凸による
屈折効果によって生じるものである。
なく表面の凹凸により屈折機能を有する光学素子(拡散
体)を作製することができる。更に、この光学素子の凹
凸を機械的に転写してスタンパを作製することができ、
このスタンパを用いて同じ凹凸形状を備えた光学素子を
大量生産することができる、というメリットを有する。
いて作製された屈折型の光学素子に回折効果を付与する
ために、アゾポリマー層の表面に形成された凹凸の表面
に更に微細な凹凸を形成し、光学素子を作製した例につ
いて説明する。
線488nmを用い、実施例2で作製された光学素子の
アゾポリマー層の凹凸が形成された表面に、レーザ光を
二光波に分岐して物体光及び参照光として照射する。物
体光及び参照光の偏光は1/4波長板によって互いに逆
周りの円偏光とした。この偏光配置により効率よく表面
レリーフホログラムを作製することができ、アゾポリマ
ー層に形成された凹凸の表面に、凹凸のピッチが1μm
以下、凹凸深さが200nm以下の微細な凹凸を形成す
ることができた。
ギーを調節することで、プラス1次光、マイナス1次
光、及び0次光を均等に回折するようした。これによ
り、図9(a)に示すように3分岐の拡散光が生成され
る。この場合の拡散光のビームプロファイルは図9
(b)に示す通りである。
る凹凸の表面に微細な凹凸を付加することにより、回折
効果を付加することができる。また、本実施例の光学素
子では、レンチキュラーレンズによる屈折効果とアゾポ
リマー層の表面に形成された微細な凹凸による回折効果
の両方が得られるので、用途に応じて複雑なビームプロ
ファイルを得ることができる。
の光学素子についても、同様の方法で回折効果を付与す
ることができる。
8を参照して、特開平10−282371号公報に開示
されているような光データバス及び信号処理装置に使用
する光拡散分岐素子として好適な光学素子を作製した例
について説明する。
ベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリマ
ー(6))を用いた。このアゾポリマー(6)のガラス
転移温度Tgは33.1℃であり本発明に好適である。
溶液をスピンコートによりレンチキュラーレンズ12A
の凹凸面に塗布した。このとき、アゾポリマー層14の
厚みは1μmとした。アゾポリマー層14はレンチキュ
ラーレンズ12A表面の凹凸に沿って形成された。レン
チキュラーレンズとしては、図4(a)に示す石英のレ
ンチキュラーレンズを用いた。このレンズは、図4
(b)に示すように、入射光を半値全角が10°拡散さ
せる。また、レンチキュラーレンズの凹凸のピッチは1
66μmであり、凹凸の深さは50μmである。
ラーレンズの拡散角をトップハット状のビームに形成す
るために、図27に示す光学系を用いて、表面レリーフ
ホログラムを作製する。まず、空間光変調器16によ
り、図26(a)に示す光強度分布の光波を生成した。
この光波は、レンチキュラーレンズ12Aによる拡散光
をトップハット状の光強度分布に変形するようにあらか
じめ設計されている。
がら物体光30として照射すると共に、ビームスプリッ
タ72によって平行の参照光32を同時に照射した。物
体光30及び参照光32は、略同軸でアゾポリマー層1
4の表面14aとは反対側の表面14bから入射した。
物体光30及び参照光32は互いに逆周りの円偏光に設
定した。また、レリーフホログラムの回折効率が略50
%となるように露光エネルギーを調整した。これにより
表面レリーフホログラムが記録されて、アゾポリマー層
14の表面14aに微細な凹凸が形成される。凹凸のピ
ッチは0.5〜2.0μmであり、凹凸の深さは200
nm以下であった。
から光を入射させ、ホログラムを再生した。即ち、入射
した光のうち半分の光は表面レリーフホログラムにより
回折され、その後レンチキュラーレンズにより屈折され
て拡散した。また、ホログラムにより回折されない残り
の半分の光は、そのままレンチキュラーレンズによって
拡散された。図28に示すように、結果として、この二
つの拡散光が合わさることによりトップハット状の拡散
光を得ることができた。
光学素子によって拡散させ、かつ、残り半分の光はその
拡散光を補うように回折光学素子で生成される。従っ
て、上述の光データバス用の光拡散分岐素子として好適
である。
層の表面に計算機ホログラムを転写して凹凸を形成し、
光学素子を作製した例について説明する。
る。原理的には、計算機ホログラムの入力面での光の複
素振幅、即ち位相と実振幅の両方を決めると、計算機ホ
ログラムの出力面での複素振幅を決めることができる。
この2つの複素振幅の関係は、解析的な変換関係で記述
でき、両者があまり接近していない場合にはフーリエ変
換の関係にある。しかし、位相と振幅をともに変調する
素子の実現は難しく、振幅のみ、位相のみを変調するの
が普通である。位相あるいは振幅のみの変調では、所望
の出力と計算機ホログラムとの間には一意的な関係が無
く、探索的な最適化手法に頼らざるを得ない。
返しフーリエ変換を行うGerchberg-Saxton法、シュミレ
ーッテッド・アニーリング法などのニューラルネットの
手法を用いる方法、遺伝的アルゴリズムを用いる方法な
どがある。ここではシンプルなパターンでは比較的収束
が速いGerchberg-Saxton法を用い、計算機ホログラムを
算出した。
あり、図29(a)は、それを形成するための入力面で
の計算機ホログラムである。計算機ホログラムは入力面
での位相分布を表しており、白い部分が位相差πに対応
し、黒い部分が位相差−πに対応している。この例で
は、位相差パターンを図29(b)に示すような濃淡画
像としてアゾポリマーに照射し、明るい部分で表面を誘
起させる。この誘起されたレリーフ構造によって入射光
の位相を変調する。従って、計算機ホログラムに対応す
る位相差に等しい凹凸を誘起する必要がある。
学系によってアゾポリマー担体10の表面10aに縮小
して結像した。アゾポリマーとしては、側鎖にシアノア
ゾベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリ
マー(7))を用いた。このアゾポリマー(7)のガラ
ス転移温度Tgは38℃であり本発明に好適である。凹
凸の深さの最大値は1μm程度であり、凹凸の最小ピッ
チは1μm程度であった。
アゾポリマー担体に転写された。アゾポリマー担体の表
面をAFMによって観察した結果を図32に示す。ま
た、得られた光学素子に光を入射させ、その出射光を評
価した結果を図30に示す。図30より、計算機ホログ
ラムは4分岐に設計したにもかかわらず、出射光は0次
回折光のある5分岐の光波となった。これは、位相差π
に相当する凹凸がアゾポリマー担体の表面に誘起されな
かったため100%の回折効率が得られなかったことに
起因する。
たせるために、図6に示したレンチキュラーレンズの形
状に対応した明暗画像を、計算機ホログラムが凹凸とし
て転写されたアゾポリマー担体の表面に照射した。この
とき、図5に示した光学系を使用した。これによってレ
ンチキュラーレンズの作用を持つようにアゾポリマーに
凹凸を誘起した。凹凸のピッチは10μmであった。得
られた光学素子に光を入射させると、図31に示すモー
ドプロファイルの5分岐の拡散光を得ることができた。
施例6で作製した光学素子を用いて、光学素子を複製す
るためのメタルマスタを作製した例について説明する。
はアゾポリマー層またはアゾポリマー担体の表面)に、
蒸着あるいは無電解メッキによって導電性処理を施す。
次に、ニッケル電鋳などにより光学素子のネガの金型で
あるメタルマスタを作製することができる。凹凸が精密
に転写されたメタルマスタを得ることができれば、後は
このメタルマスタを用いてスタンパを作製し、このスタ
ンパを用いて、アクリル、ポリカーネイト、ポリエステ
ルなどの樹脂材料に、熱圧着や射出成形加工などによっ
て凹凸パターンを転写することにより、容易に複製物を
得ることができる。
られた光学素子を用いて作製したメタルマスタ表面のA
FM像である。凹凸が誘起されたアゾポリマー層の表面
に無電解メッキを施し、その後ニッケル電鋳により金型
であるメタルマスタを作製した。図33(a)及び
(b)と図24とを比較することにより、アゾポリマー
層の表面形状が正確にメタルマスタに転写されているこ
とがわかる。
られた光学素子のアゾポリマー層表面のAFM像であ
り、図34(b)及び(d)は、これを用いて作製した
メタルマスタ表面のAFM像である。凹凸が誘起された
アゾポリマー層の表面に金蒸着を施し、その後ニッケル
電鋳によりメタルマスタを作製した。図34(a)〜
(d)より、アゾポリマー層の表面形状が正確にメタル
マスタに転写されていることがわかる。
方法で光学素子を製造することにより、複雑な凹凸を備
えた光学素子であっても、その複製を簡便かつ低コスト
に大量生産することができる。
ーレンズの表面に形成されたアゾポリマー層の表面に拡
散体からのスペックルパターンを転写して凹凸を形成し
光学素子を作製した例について説明する。
ベンゼンを持つポリエステル(例示化合物:アゾポリマ
ー(4))を用いた。このアゾポリマー(4)のガラス
転移温度Tgは48.5℃であり本発明に好適である。
溶液をスピンコートによりレンチキュラーレンズ12A
の凹凸面に塗布し、厚さ3μmのアゾポリマー層14を
形成した。アゾポリマー層14はレンチキュラーレンズ
12A表面の凹凸に沿って形成された。レンチキュラー
レンズとしては、図4(a)に示す石英のレンチキュラ
ーレンズを用いた。このレンズは、図4(b)に示すよ
うに、入射光を半値全角が10°拡散させる。また、レ
ンチキュラーレンズの凹凸のピッチは166μmであ
る。
を用いて、アゾポリマー層14の表面14aに拡散体か
らのスペックルパターンを転写する。即ち、光源として
アルゴンイオンレーザの発振線488nmを用い、光源
40からのレーザ光42を1/4波長板44により円偏
光46として拡散体48に入射させた。拡散体48とし
ては楕円の拡散光を生成する非等方拡散体を用いた。拡
散体48の5mm後方にアゾポリマー層14を備えた記
録媒体を配置し、拡散体48の後方に出射される拡散光
50をアゾポリマー層14の表面14aに照射した。ア
ゾポリマー層14の表面14aに凹凸が十分に誘起され
るように、光強度2.2W/cm2のスペックルパター
ンを8時間照射した。これにより、図14に示すよう
に、アゾポリマー層14にスペックルパターンに応じた
凹凸52が形成された光学素子(拡散体)が得られた。
なお、凹凸52の凹凸深さの最大値は1μm程度であ
り、凹凸ピッチは略5μm〜100μmの範囲に50μ
mを中心に分布した形状となった。
方向の拡散特性を示す。スペックルパターン転写後の拡
散特性を実線で示し、スペックルパターン転写前の拡散
特性を点線で示す。図15から分かるように、アゾポリ
マー層14にスペックルパターンに応じた凹凸52を形
成した光学素子の方が拡散特性に優れている。即ち、ア
ゾポリマー層14の表面に形成された凹凸52による2
次的な屈折効果により拡散特性が向上した。
表面の凹凸による拡散素子を作製することができる。従
って、この光学素子表面の凹凸を機械的に転写してネガ
のマスター拡散体を作製し、このマスター拡散体に基づ
いて複製物を大量生産することができる、というメリッ
トがある。
凹凸により、優れた屈折効果または回折効果を得ること
ができる、という効果を奏する。
を有する凹凸を兼ね備えるように構成した場合には、屈
折効果及び回折効果により、任意の形状の光ビームを得
ることができる、という効果を奏する。
分子材料を用いた場合には、表面に十分な深さの凹凸
(レリーフ構造)を形成することにより、設計の自由度
が向上すると共に、優れた屈折効果及び/または優れた
回折効果を得ることができる、という効果を奏する。
パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起するこ
とにより、表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ
安価に製造することができる、という効果を奏する。
面に凹凸が形成された光学素子を用いてスタンパを作製
するので、同じ表面形状の光学素子を容易に複製でき、
大量生産が可能になる、という効果を奏する。また、得
られた光学素子複製物は、本発明の光学素子と同様に、
優れた屈折効果及び/または優れた回折効果を得ること
ができる、という効果を奏する。
線図である。
成を示す概略断面図である。
略断面図であり、(b)は(a)に示すレンズの拡散特
性を示す線図である。
おける露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図であ
る。
分布を示す図である。
造工程において粗い凹凸が形成された段階を示す概略断
面図であり、(b)は(a)に示す光学素子の拡散光の
ビームプロファイルを示す線図である。
おいて微細な凹凸が形成された段階を示す概略断面図で
ある。
射出される拡散光を示す概略断面図であり、(b)は
(a)に示す拡散光のビームプロファイルを示す線図で
ある。
においてレンズの凹凸面に高分子層が形成された段階を
示す概略断面図である。
において高分子層に微細な凹凸が形成された段階を示す
概略断面図である。
ら射出される拡散光を示す概略断面図であり、(b)は
(a)に示す拡散光のビームプロファイルを示す線図で
ある。
における露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図であ
る。
において高分子層に微細な凹凸が形成された段階を示す
概略断面図である。
を示す線図である。
部分断面図である。
部分断面図である。
図であり、(b)は実施例1の光学素子の製造工程にお
ける露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
である。
キュラーレンズの形状に対応した光強度分布を示す図で
ある。
ある。
ある。
ックル転写光学系を示す光軸に沿った概略断面図であ
る。
察した様子を示す斜視図である。
ある。
図であり、(b)は実施例5の光学素子の拡散特性を示
す線図である。
光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
ビームプロファイルを示す線図である。
算機ホログラムであり、(b)は出力面での光強度分布
である。
ビームプロファイルを示す線図である。
射出される拡散光のビームプロファイルを示す線図であ
る。
察した様子を示す図である。
たメタルマスタの表面状態をAFMで観察した様子を示
す斜視図であり、(b)は(a)のスケールに沿った部
分断面図である。
FMで観察した様子を示す斜視図、(b)は実施例6の
光学素子を用いて作製したメタルマスタの表面状態をA
FMで観察した様子を示す斜視図、(c)は(a)のス
ケールに沿った部分断面図、(d)は(b)のスケール
に沿った部分断面図である。
術を示す図であり、(c)は光データバスの屈折光学素
子に代えて回折光学素子を取り付けた場合の図である。
Claims (32)
- 【請求項1】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子層の表面に屈折機能を有する凹凸が形成された
光学素子。 - 【請求項2】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子層の表面に回折機能を有する深さ1μm以上の
凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項3】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子層の表面に屈折機能を有する第1凹凸が形成さ
れると共に、該第1凹凸の表面に屈折機能または回折機
能を有する第2凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項4】屈折光学素子と、該屈折光学素子の表面に
形成されたアゾベンゼン骨格を有する高分子層とを備
え、 該高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくとも
一方を有する凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項5】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子層の表面に屈折機能を有する第1凹凸が形成さ
れると共に、該第1凹凸の表面に該第1凹凸より狭い間
隔で第2凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項6】屈折機能を有する第1凹凸を備えた屈折光
学素子と、該第1凹凸の表面にアゾベンゼン骨格を有す
る高分子層とを備え、 該高分子層の表面に前記第1凹凸より狭い間隔で第2凹
凸が形成された光学素子。 - 【請求項7】前記屈折機能を有する凹凸が5〜100μ
mの間隔で形成された請求項1及び3〜6のいずれか1
項に記載の光学素子。 - 【請求項8】前記回折機能を有する凹凸が0.2〜5μ
mの間隔で形成された請求項2〜4のいずれか1項に記
載の光学素子。 - 【請求項9】前記高分子のガラス転移点が、室温より高
温である請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学素
子。 - 【請求項10】前記高分子のガラス転移点が、室温近傍
である請求項1〜9のいずれか1項に記載の光学素子。 - 【請求項11】前記高分子のガラス転移点が、20℃〜
50℃の範囲である請求項1〜10のいずれか1項に記
載の光学素子。 - 【請求項12】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子のガラス転移点が室温より高温であり、 前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくと
も一方を有する凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項13】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子のガラス転移点が室温近傍であり、 前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくと
も一方を有する凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項14】アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備
え、 該高分子のガラス転移点が20℃〜50℃の範囲であ
り、 前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくと
も一方を有する凹凸が形成された光学素子。 - 【請求項15】前記凹凸のうち屈折機能を有する部分に
係る凹凸が5〜100μmの間隔で形成された請求項1
2〜14のいずれか1項に記載の光学素子。 - 【請求項16】前記凹凸のうち回折機能を有する部分に
係る凹凸が0.2〜5μmの間隔で形成された請求項1
2〜15のいずれか1項に記載の光学素子。 - 【請求項17】前記凹凸のうち回折機能を有する部分に
係る凹凸が深さ1μm以上で形成された請求項12〜1
4及び16のいずれか1項に記載の光学素子。 - 【請求項18】前記凹凸は、前記高分子層の表面に形成
され屈折機能を有する第1凹凸と、該第1凹凸の表面に
形成され屈折機能または回折機能を有する第2凹凸とを
備える請求項12〜14のいずれか1項に記載の光学素
子。 - 【請求項19】前記高分子層が屈折光学素子の表面に形
成された請求項12〜18のいずれか1項に記載の光学
素子。 - 【請求項20】前記高分子層の内部にホログラムが記録
された請求項1〜19のいずれか1項に記載の光学素
子。 - 【請求項21】前記高分子層の厚さを1〜10μmとし
た請求項1〜20のいずれか1項に記載の光学素子。 - 【請求項22】前記高分子は、側鎖にアゾベンゼン骨格
を含む請求項1〜21のいずれか1項に記載の光学素
子。 - 【請求項23】前記高分子は、主鎖に芳香族炭化水素基
を含む請求項1〜22のいずれか1項に記載の光学素
子。 - 【請求項24】前記高分子は、下記一般式(1)で表さ
れるポリエステルである請求項1〜23のいずれか1項
に記載の光学素子。 【化1】 (式中、Xはシアノ基、メチル基、メトキシ基、または
ニトロ基を示し、Yはエーテル結合、ケトン結合、また
はスルホン結合による2価の連結基を示す。lおよびm
は2〜18の整数を示し、nは5〜500の整数を示
す。) - 【請求項25】請求項1〜24のいずれか1項に記載の
光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、 前記高分子層の表面に所定の強度分布を有する光を照射
し、該強度分布に応じた凹凸を形成して、 光学素子を製造する光学素子の製造方法。 - 【請求項26】前記光が円偏光である請求項25に記載
の光学素子の製造方法。 - 【請求項27】前記所定の強度分布が、計算機ホログラ
ムまたはキノフォームに対応した強度分布である請求項
25または26に記載の光学素子の製造方法。 - 【請求項28】前記所定の強度分布が、拡散体から得ら
れたスペックルパターンに対応した強度分布である請求
項25または26に記載の光学素子の製造方法。 - 【請求項29】請求項1〜24のいずれか1項に記載の
光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、 前記高分子層の表面に物体光及び参照光を照射し、該物
体光及び参照光の干渉光による強度分布に応じた凹凸を
形成して、 光学素子を製造する光学素子の製造方法。 - 【請求項30】前記物体光と参照光は互いに逆周りの円
偏光である請求項29に記載の光学素子の製造方法。 - 【請求項31】請求項1〜24のいずれか1項に記載の
光学素子の複製物を製造する光学素子複製物の製造方法
であって、 前記光学素子の表面に形成された凹凸を利用して、該凹
凸を転写するためのスタンパを作製し、 該スタンパを用いた熱圧着または射出成形により、樹脂
材料の表面に前記凹凸と同じ形状の凹凸を形成して、 前記光学素子の複製物を製造する光学素子複製物の製造
方法。 - 【請求項32】請求項1〜24のいずれか1項に記載の
光学素子の表面に形成された凹凸が転写された光学素子
複製物。
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