JP2007047701A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光の発生を抑制でき、光利用効率の向上を図れる透過光位相変調方式の光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子の微細構造（周期構造）１４は、単位周期あたりの凹部１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）と凸部１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ）の面積比が基板１２の表面１２ａの全域もしくは一部にて変調された構造を有しているとともに、凸部１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ）の形状が、周期構造１４の高さ方向において次第に幅が狭くなる円錐形状に形成されており、これにより凸部１６は光反射防止手段（光反射防止構造）を構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集光、分岐、回折、ホログラムの機能を有する光学素子に関する。
本発明の光学素子は、レーザ記録装置、表示装置、画像形成装置に利用することができ、光通信、光情報処理等に用いられる薄型光学素子に応用することができる。

（光の波長よりも小さい周期構造による透過光の位相変調技術）
近年屈折率の異なる２つの媒質（例えば一方が空気で、もう一方が等方性媒質）が光の波長よりも小さい周期構造を持つような構造（ＳＷＳ＝Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；サブ波長構造）を利用した光学素子が広く開発されている。
これら構造は従来の波長以上の構造体による回折光学素子とは原理的に大きく異なる特性を示し、特に周期が波長よりも短い回折格子はサブ波長格子と呼ばれている。その中でもさらに周期が短く透過、反射ともに０次回折光しか存在しない周期をもつ格子は０次格子と呼ばれる
これら０次回折素子は高次の回折光が存在しないことから、従来の波長以上の構造による回折光学素子での高次回折光によるエネルギー損失を生じない、光利用効率の高い素子の実現が可能であると考えられる。

これらサブ波長構造を透過した０次回折光は、格子構造に起因する屈折率変化により位相変調を起こすことが知られている。例えば、構造周期を一定とし、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比を変調（デューティ変調）することで、透過光の波面を制御し、透過光を集光する素子が実現されている（非特許文献１参照）。
また、特許文献１には、同様に周期構造のデューティを変調し、且つ構造体の領域を分割することで空間的に位相を変調した回折光学素子が開示されている。
また、特許文献２には、円柱状のサブ波長構造体を用い、同様に単位面積あたりの円柱構造体が占める面積を変調することにより位相変調を行う光学素子が開示されている。

（光の波長よりも小さい周期構造による反射光発生防止技術）
上記のようなサブ波長構造によりなされる有用な光学特性として、反射防止機能が知られている。例に挙げた論文（非特許文献２）においては、素子の表面に、表面付近の屈折率を表面における法線方向に連続的に変化させる微細構造を設けることにより、反射率の大幅な低減を実現する素子構造が開示されている。
構造の具体例としては、例えば特許文献４に開示されているような、正弦波形状、三角錐形状、三角錐の頭頂部が半球形状、等がある。いずれの形状においても、素子表面における法線方向の屈折率の連続的な変化をもたらすことができ、良好な反射率低減効果を得ることができる。

特開２００１−３１８２１７号公報 特開２００４−６１９０５号公報 特開２００５−１０３７７号公報 特開２００１−２６４５２０号公報 特開２００４−１５５０８３号公報 （「Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｎｃｅｐｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ， Ｖｏｌ１４（４），ｐｐ９０１−９０６ （１９９７）） （文献「Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ‘ｍｏｔｈ ｅｙｅ’ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅｓ」，Ｏｐｔｉｃａ．Ａｃｔａ．，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ７，９９３−１００９（１９８２））

従来例にて開示されている、光の波長よりも小さい周期構造を有する透過光位相変調光学素子においては、いずれも素子表面における法線方向には形状の変化の無い構造となっている。
よって、前記法線方向の屈折率分布が一様であるため、反射率低減を狙った素子構造（正弦波形状、三角錐形状、三角錐の頭頂部が半球形状、等）の場合と比較して、多大な反射光が発生し、素子の光利用効率が著しく低下するという問題があった。

本発明は、反射光の発生を抑制でき、光利用効率の向上を図れる透過光位相変調方式の光学素子の提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、高さが周期的に変調されてなる周期構造を表面に有し、前記周期構造の周期が使用する光の波長より小さい周期で構成された光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比が、前記表面全域もしくは一部にて変調されてなる構造を有し、且つ、前記周期構造における凸部の形状が、光反射防止手段をなすことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光学素子において、前記周期構造が、前記周期よりも大きい構造変調周期を有する曲面上に形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての偏光方向制御機能をなしていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての集光力制御機能をなしていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての収差補正機能をなしていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての整形機能をなしていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての位相分布制御機能をなしていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、前記光反射防止手段を、前記凸部の高さ方向の錐形状によってなすことを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、前記光反射防止手段を、前記凸部の頭頂部の錐形状によってなすことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、前記光反射防止手段を、前記凸部の頭頂部の半球形状によってなすことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、位相変調構造を素子表面に有する光学素子において、凸部の形状を、素子表面における法線方向に連続的な幅の変化を有する形状とすることにより、素子表面での反射率の大幅な低減を実現でき、光利用効率を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、位相変調構造を素子表面に有し、かつ前記素子表面が前記周期構造よりも大きい構造変調周期を有する曲面を成す光学素子において、凸部の形状を、素子表面における法線方向に連続的な幅の変化を有する形状とすることにより、素子表面での反射率を大幅に低減でき、光利用効率を向上させることができるとともに、透過光量むらを抑制できる。

請求項３乃至７のうちの何れかに記載の発明によれば、位相変調構造を素子表面に有し、かつ凹部と凸部の面積比の変調を以って、入射光束に対しての偏光制御機能、集光力制御機能、収差補正機能、整形機能、もしくは、位相分布制御機能を成す光学素子において、凸部の形状を、素子表面における法線方向に連続的に幅が変化している形状とすることにより、素子表面での反射率の大幅な低減を実現でき、光利用効率を向上させることができる。
請求項８に記載の発明によれば、凸部の形状を錐形状とすることにより、素子表面における法線方向の屈折率勾配が小さい光学素子を提供することが可能となる。
請求項９又は１０に記載の発明によれば、凸部の形状を頭頂部のみが錐形状又は半球形状とすることにより、凸部構造の機械的強度を低下させることなく、素子表面における法線方向の屈折率勾配の小さい光学素子を提供することが可能となる。

本発明の実施形態を説明する前に、従来の光学素子の位相変調構造等について説明する。
従来のサブ波長構造を有する位相変調光学素子では、微細構造の幅あるいは面積により透過光の位相を変調している。サブ波長領域での材料の屈折率は多くの場合下記の式に基づく有効屈折率法によって近似されることが知られている。

ここでｎ_ＴＥは、図９において電場が微細構造１０に平行に振動する垂直な偏光成分に対する屈折率、ｎ_ＴＭは電場が微細構造１０に垂直な方向に振動する成分に対する屈折率を示す。ｆは微細構造１０の各構造体（凸部）１１の幅ｗと周期ｐとの比であるフィルファクターを示す。図９において、符号１２は基板を示す。
図１０に、ｎ_１＝１、ｎ_２＝１．５とした場合のフィルファクターによる有効屈折率を示す。このようにＴＥ、ＴＭ波ともｎ_１からｎ_２までデューティによって制御可能であることが分かる。このとき偏光の異なる入射光での有効屈折率は偏光成分によりこのＴＥ、ＴＭによる有効屈折率の中間の値となる。
このとき透過０次光の位相変調はこの有効屈折率ｎを用いて入射光波長をλ、透過光路長をｄとすると、下記式で与えられる。

よって、図１１に示すような単位周期あたりの凹部１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）と凸部１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ）の面積比が変調されている構造とすることにより、入射光の位相に部分的な遅れが生じ、出射光の波面分布を調整することができる。
図１１に示す微細構造１０での有効屈折率は、図１０に示す通りフィルファクターにより異なる値をとるが、図１２に示すように、フィルファクターが大きい値であるほど、微細構造と空気層との界面における屈折率差が大きいため、反射光が発生してしまう。

図１乃至図４に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。なお、従来例と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
図１に示すように、本実施形態における光学素子の微細構造（周期構造）１４は、単位周期あたりの凹部１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）と凸部１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ）の面積比が基板１２の表面１２ａの全域もしくは一部にて変調された構造を有しているとともに、凸部１６（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ）の形状が、周期構造１４の高さ方向において次第に幅が狭くなる円錐形状に形成されており、これにより凸部１６は光反射防止手段（光反射防止構造）を構成している。

このような周期構造１４とした場合、図２に示すように、上記界面の屈折率差がなくなり、反射光の発生を抑制できる。ここでは凸部１６が、底面（基板１２の表面１２ａ）から頭頂部まで全域において有効屈折率変化を有する構造であるため、最も屈折率勾配を小さくでき、反射光低減には効果的である。
また、本実施形態のように、周期構造１４の高さ方向に凸部１６の幅が異なる（フィルファクターが異なる）場合の透過０次光の位相変調量は、周期構造の高さ方向（光線伝搬方向：Ｚ軸方向と定義）の有効屈折率関数ｎ（Ｚ）、入射光波長λとすると、下記式で与えられる。

以下に、本実施形態における光学素子の製造方法を説明する。
本発明の構造のような、可視光波長程度の構造体の周期はサブミクロンオーダであり、製造方法は限定される。特に数百ｎｍ程度の構造の製造方法としては、レーザ光の干渉を利用した干渉露光法と電子ビーム露光法が有効である。
レーザ干渉露光法では、通常青から紫外のレーザ光を干渉させて、感光性の高分子材料（レジスト）に照射し、その干渉ピッチの構造を形成する。このとき構造（周期構造）はレジストに形成される。レーザ干渉露光法における光学系を図３に示す。図３において、符号１７は紫外レーザを、１８は空間フィルターを、１９は１／２λ位相板を、２１はミラーを、２２はレジストを、２３はコントローラを、２４は回転ステージをそれぞれ示している。

電子ビーム露光法では、電子ビームを集光・走査してレジスト材料に照射し、レジスト材料の微細な構造を作製する。
これら手法によりレジスト以外の材料に微細構造を作製する場合は、このレジスト構造を利用して、反応性ドライエッチングや金属蒸着等の手法を用いて構造を作製していた。
図１に示すような円錐構造は、これら微細なレジストパタンあるいはリフトオフした金属パタンを用い、図４に示すように、反応性エッチングの手法で反応性ガス２５の吸着とエッチングの作用により作製することが可能である。

上記実施形態では、凸部１６の底面から頭頂部まで全域が錐（円錐）である形状を示したが、図５に示すように、周期構造１４Ａにおける凸部１６’（１６ａ’、１６ｂ’、１６ｃ’、１６ｄ’、１６ｅ’）頭頂部が平坦である円錐形状としてもよい（第２の実施形態）。符号１５’（１５ａ’、１５ｂ’、１５ｃ’、１５ｄ’）は凹部を示す。
図６に示すように、頭頂部のみ錘形状である凸部２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ）と凹部２７（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ）を有する周期構造１４Ｂとしてもよい（第３の実施形態）。
図７に示すように、頭頂部が半球である形状の凸部２８（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ）と凹部２９（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ）を有する周期構造１４Ｃとしてもよい（第４の実施形態）。
すなわち、凸部の高い部分であるほど細い「先細り」の形状においても、微細構造と空気層との界面における屈折率差を小さくでき、反射光低減効果が得られる。

図６に示すような頭頂部のみ錘形状である構造は、たとえば感度の異なる２層レジストを用い、下面に感度の高いレジスト、上面に感度の低いレジストを配置し、干渉光によって露光する。このとき下面は十分な露光が起き、概矩形の構造となり、上面は光強度に依存した概正弦波形状とすることができる。
この構造により直接あるいはドライエッチング法等で基板材料の除去を行うことで、形状を形成することができる。
またこの構造は、複数回の露光により作成することも可能である。一段の概矩形の構造を形成し、その上にレジストを塗布し、構造に合わせてレーザ光をたとえば干渉させて照射する。このレジストを概円錐構造とすることで、図６に示すような構造を作成する。

上述のように、図１で示したように、底面から頭頂部まで全域において有効屈折率変化を有する構造が最も屈折率勾配を小さくできるため、反射光低減には効果的であるが、凸部の先端部が非常に細くなり、機械的強度が低くなるといった短所がある。
これに対し、図５、図６、図７で示した構造では、凸部の先端部の細い部分を少なくできることから、機械的強度を向上させることが可能である。
更に、図８に示すように、曲面を有する表面１２ａ’上に微細構造１４Ｄがある場合でも、平坦な基板上にある場合と同様に反射光低減効果が得られる（第５の実施形態）。微細構造１４Ｄは、凸部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ）と、凹部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ）を有している。
ここで、表面１２ａ’は、微細構造１４Ｄの周期よりも大きい構造変調周期を有している。
上記各実施形態において、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、入射光束に対しての偏光方向制御機能、集光力制御機能、収差補正機能、整形機能又は位相分布制御機能とすることができる。

本発明の第１の実施形態における光学素子の微細構造を示す図である。 従来例との間における有効屈折率の比較グラフである。 レーザ干渉露光法に用いられる光学系を示す図である。 反応性エッチングの手法による製造工程を示す図である。 第２の実施形態における光学素子の微細構造を示す図である。 第３の実施形態における光学素子の微細構造を示す図である。 第４の実施形態における光学素子の微細構造を示す図である。 第５の実施形態における光学素子の微細構造を示す図である。 従来における位相変調構造を有する光学素子の微細構造を示す図である。 フィルファクターと有効屈折率との関係を示すグラフである。 従来における位相変調構造を有する光学素子において、単位周期あたりの凹部と凸部の面積比が変調された微細構造を示す図である。 微細構造と空気層との位置関係を示す図である。

符号の説明

１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 周期構造
１５、２７、２９、３１ 凹部
１６、２６、２８、３０ 凸部
Ｐ 周期構造の周期

Claims (10)

1. 高さが周期的に変調されてなる周期構造を表面に有し、前記周期構造の周期が使用する光の波長より小さい周期で構成された光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比が、前記表面全域もしくは一部にて変調されてなる構造を有し、且つ、前記周期構造における凸部の形状が、光反射防止手段をなすことを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、
   前記周期構造が、前記周期よりも大きい構造変調周期を有する曲面上に形成されていることを特徴とする光学素子。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての偏光方向制御機能をなしていることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての集光力制御機能をなしていることを特徴とする光学素子。
5. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての収差補正機能をなしていることを特徴とする光学素子。
6. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての整形機能をなしていることを特徴とする光学素子。
7. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記周期構造における単位周期あたりの凹部と凸部の面積比の変調を以って、前記光学素子への入射光束に対しての位相分布制御機能をなしていることを特徴とする光学素子。
8. 請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、
   前記光反射防止手段を、前記凸部の高さ方向の錐形状によってなすことを特徴とする光学素子。
9. 請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、
   前記光反射防止手段を、前記凸部の頭頂部の錐形状によってなすことを特徴とする光学素子。
10. 請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光学素子において、
    前記光反射防止手段を、前記凸部の頭頂部の半球形状によってなすことを特徴とする光学素子。
    

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