CN1441282A - 具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法以及利用该构件形成的光学元件 - Google Patents

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Abstract

提供交互地层叠多个高折射率层和具有低于这些高折射率层的折射率的多个低折射率层而成的、且各高折射率层以及低折射率层的厚度具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法，该方法由以下环节构成，即：交互地重合具有高折射率的多个第1板玻璃和具有较上述第1板玻璃低的折射率的多个第2板玻璃，形成层叠体；将上述层叠体加热到玻璃转移点以上；通过对上述被加热了的层叠体进行如下处理中的任一种，即相对于板玻璃的主面垂直地施加压力、以及相对于板玻璃的主面平行地进行拉伸，从而可以在一体化层叠体的同时，减薄各板玻璃的厚度。由此，通过形成可人工地控制的微细构造，可以制造用于形成具有任意的折射率分布或光学各向异性的光学元件的基本主体材料。

Description

具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法 以及利用该构件形成的光学元件
技术领域
本发明涉及具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法以及利用该构件形成的光学元件。根据本发明，通过形成受人工控制的微细构造，可以制造出用于形成具有任意的折射率分布或光学各向异性的光学元件的基本主体材料。
背景技术
以往，作为用于获得任意的折射率分布或光学各向异性的方法，已经开始使用了光学结晶或有机薄膜。例如，贴合多张水晶板或LiNbO3薄板的低通滤光片、或用光学玻璃捲冻至斯庋Ц飨蛞煨薄膜的波长板或偏光板等已经开始实用化。由于这些是主体材料，故适合于各种各样的加工，比较容易使用。
但是，由于以往的使用了结晶的低通滤光片在使用了水晶时，其常光和异常光的折射率差小，故如果想要得到足够的光学元件性能，需要加厚结晶的厚度，难以进行小型化。此外，由于LiNbO3其常光和异常光的折射率差大，因此，必须超过常规地进行减薄，除了加工困难以外，使用上也必须加以注意。
另外，因为以往的薄膜型的相位板或波长板是有机物，故存在对高温的耐久性差的问题。因此，作为液晶投影仪等投影机器内部的零件，不适合于作为靠近高温光源处的光学零件。
另一方面，近年来，随着微细加工技术的发展，已经能够做成超微米的微细构造。现在，微细构造的元件的制造方法可以分为下面这样的3种方法。
第1种方法是使用蒸敷法或溅射法等成膜技术层叠折射率不同的薄层的方法。通过层叠非常多的层，有可能形成主体材料。
第2种方法与制造衍射光栅等的方法相同，是采用使用曝光、显像、蚀刻方法的做法，即所谓的光刻蚀法。最近，随着曝光和蚀刻技术的进步，已经可以制作波长以下的构造了。此外，在光刻蚀法中，由于可以在平面上分布形成形状不同的任意的图案，故可以二维地制作人工的折射率分布。但其另一方面是存在厚度方向的制约，难以做成主体材料。
第3种方法是通过倾斜蒸敷制作具有方向性的微细构造的方法。在该方法中，可以不使用高度的微细加工技术地形成具有构造性复折射的薄膜。
用上述这样的方法制造的微细构造的元件由金属或电介质构成，对高温具有耐久性。此外，由于其在光学性能方面也可以进行独自设计，故在难以使用所得到的元件时，可以通过变更设计自由地确定规格。例如，具有用第1方法制造的微细构造的构件适用于光线相对于膜面垂直入射使用的、以往就已经被广泛地应用了的干涉膜。在作为这样的干涉膜使用时，虽然根据其光学特性而有所不同，但所层叠的层数最大为100层左右就足够了。
但是，要在具有这样的微细构造的构件中找出折射率各向异性，需要相对于薄膜使光线水平方向入射使用。因此，例如在作为1/3英寸左右的CCD用光学元件使用时，需要6mm角程度的大小。在用第1方法制造这样的构件时，由于一层的厚度是只有100nm左右的薄膜构成，故需要6万层左右的多层构造。这里，即使是可以按一层10秒钟进行成膜，其制作完成也需要一周左右的时间。此外，在形成薄膜时，还易于产生内部应力。由于该内部应力影响，要制造数mm的薄膜构造体是很困难的。
另一方面，第2种方法是在基板上经由成膜、抗蚀剂涂布、曝光、显像、蚀刻、剥离各工序获得任意的图案的方法(例如，参照特开平7-191209号公开专利)。在该方法中，虽然可以通过蚀刻任意地加工薄膜材料的构造体，但在深度方向蚀刻却存在着制约。特别地，在希望得到波长以下的线和空间时，因侧蚀刻或边缘淀积等的影响而不能得到完全的矩形构造。此外，即便是能够得到，在厚度方面也仅为数μm程度，所以也形不成主体材料。
另外，关于在第2种方法中使用的制造装置，为了进行微细构造的曝光，需要使用昂贵的光刻机。再有，在蚀刻中也需要RIE或ICPE等昂贵的装置，因此，制造成本也就变得昂贵了。
与之相对应，在第3种方法中，虽然可以通过对基板的蒸敷粒子的入射角度或蒸敷条件来控制空隙的大小，但最大也只能大到30％左右。此外，其在大小的偏差大、构造性复折射的效果低下的同时，还存在因光散射造成的透过率低下的问题。另外，与第1方法同样，进行厚膜化也较为困难。
发明内容
本发明之目的之一在于解决上述以往技术的问题点，提供廉价且简单地制造具有较波长更微细的周期构造的构件的方法。
此外，本发明的另外的目的则在于通过加工利用上述方法制造的构件，提供可以廉价且简单地制造的相位板或低通滤光片等光学元件。
为了实现上述目的，本发明的一种具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法，该构件是交互地层叠多个高折射率层和具有低于这些高折射率层的折射率的多个低折射率层而成的，且具有各高折射率层和低折射率层的厚度较波长更微细的周期构造，其特征在于，包含以下步骤：交互地重合具有高折射率的多个第1板玻璃和具有较上述第1板玻璃低的折射率的多个第2板玻璃，形成层叠体；将上述层叠体加热到玻璃转移点以上；通过对上述被加热了的层叠体进行如下处理中的任一种，即相对于板玻璃的主面是垂直地施加压力、以及相对于板玻璃的主面是平行地进行拉伸，从而可以在一体化层叠体的同时，减薄各板玻璃的厚度。
在上述方案中，进一步满足下面的条件式：
ΔTg≤30(℃)
Δα≤30×10-7(1/℃)
Δn≥0.15
这里，ΔTg是上述第1板玻璃和第2板玻璃的玻璃转移温度之差；Δα是上述第1板玻璃和第2板玻璃的线性热膨胀系数之差；Δn是上述高折射率层和低折射率层的折射率之差。
本发明的一种光学元件，其特征在于，是通过加工按照方案1的方法制造的构件而形成的光学元件。
附图说明
图1是较波长更微细的周期构造的原理图；
图2A、2B、2C和2D是用于说明本发明的具有微细的周期构造的构件的制造方法的概略图；
图3A以及图3B是说明利用根据本发明的方法制造的构件形成萨瓦尔板的方法的概略图。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的实施形态。
按照本发明的方法制造的构件是交互地层叠多个高折射率层和具有低于这些高折射率层的折射率的多个低折射率层而成，是各高折射率层以及低折射率层的厚度具有较波长更微细的周期构造的构件。在本发明中，是在交互重合了具有高折射率的多个第1板玻璃和具有低于上述第1板玻璃的折射率的多个第2板玻璃后，将之加热到玻璃转移温度以上，并通过相对于层垂直地施加压力、或者相对于层平行地进行拉伸，在一体化玻璃层叠构件的同时，薄薄地成形各层的厚度，制造上述的构件。这里，第1板玻璃和第2板玻璃最好分别具有数十微米的厚度。在上述成形工序中，在将该层叠玻璃材料加热到了玻璃转移温度后，压缩或者拉伸各层的膜厚以使之达到设计值地进行成形。此时，为了容易地进行成形，例如，也可以在加工了1000层左右的层叠构造后，进一步重合数层该加工构件，在将该层叠玻璃材料加热到了玻璃转移温度后，再将之加工到最终所需要的厚度。
层叠玻璃材料的加热只要是气体环境炉、带式炉等可以均匀地加热玻璃毛坯的方法即可，并没有特定地限定的方法。
此外，在层叠100层左右分别具有1mm左右厚度的、具有高折射率的板玻璃和具有低折射率的板玻璃且将该层叠玻璃材料加热到了玻璃转移温度以上后，并在通过压缩或者拉伸使上面的面积达到4倍地进行了加工之后，再在与层相互垂直方向将该构件进行分割成4份的切断，通过数次地重复进行层叠、压缩或者拉伸、切断，也可以使各层的膜厚达到设计值。
在减薄玻璃的工序中，虽然可以考虑施加热辊、热加压等的压力进行拉伸的方法或者在气体环境炉内保持层叠构件的两端进行拉伸获得薄层的方法以及并用二者的方法等，但本发明并非仅限于这些方法。
此外，这里，具有高折射率的板玻璃以及具有低折射率的板玻璃的物理性质值是后继工序的制造处理过程所包含的处理条件也能够允许的构成，且只要是可以得到光学特性的物理性质值，并没有特别的限制。
进而，根据本发明的制造方法，在制造处理过程中进行过急冷或者急速加热时，玻璃转移点以及线性热膨胀系数特性将变得非常重要。在用玻璃转移点较大不同的材料进行了制造时，在加热工序中，虽然温度转移低的材料会因层叠构造体的自重而熔化，但温度转移高的材料则完全没有变形，作为结果，在将温度转移点高的材料成形为按照了设计值的厚度时，温度转移点低的层因自重而熔化了的部分将变薄。因此，为了使具有高折射率的第1板玻璃和具有低折射率的第2板玻璃同时近于软化，需要达到ΔTg≤30(℃)的条件。这里，ΔTg表示上述第1板玻璃和第2板玻璃的玻璃转移温度之差。
另外，在冷却工序中，当层叠了线性热膨胀系数较大不同的材料时，将使较大的热应力进入材料。在后继工序进行这样的材料的切断或者研磨时，会存在带来应力破坏的可能性。因此，为了尽可能地实现不使热应力滞留，需要达到Δα≤30×10-7(1/℃)的条件。这里，Δα表示上述第1板玻璃和第2板玻璃的线性热膨胀系数之差。
再有，在想要得到足够的光学特性时，高折射率层和低折射率层的折射率之差越大越好。这里，图1给出了较波长更微细的周期构造的原理图。图1中，符号5表示高折射率层，符号6表示低折射率层。此外，O表示光学轴。当取高折射率层的折射率为nH、高折射率层的厚度为dH，低折射率层的折射率为nL、低折射率层的厚度为dL时，在间距(dH+dL)与光的波长相比足够地小时，有关与层平行地前进的光波的有效折射率可以用下面的(1)式以及(2)式给出。
nTE＝((nH 2·dH+nL 2·dL)/(dH+dL))(1/2) (1)
nTM＝((dH+dL)/(dH/nH 2+dL/nL 2))(1/2) (2)
这里，TE是电场平行于层地振动的波，TM表示电场垂直于层地振动的波。进而，nTE表示相对于TE波的微细的周期构造的折射率，nTM表示相对于TM波的微细的周期构造的折射率。在该nTE和nTM值上具有差的现象被称之为构造性复折射或者形态各向异性，可作为光学各向异性材料使用。
一般经常使用的人工水晶的|nTE-nTM|为0.09，在希望获得超过它的效果时，需要达到Δn≥0.2的条件。Δn表示高折射率层与低折射率层的折射率之差。这里，在考虑了加工性、材料稳定性、材料成本等时，虽然在实用中Δn≥0.15也可以使用，但当折射率差成为小于0.15时，因其构造性复折射效果极端低下而无法实用。
此外，由如上述这样制造的构件形成的本发明的光学元件，指的是如相对于层方向在45°的角度上切断主体的层叠构造体，进而实施研磨加工，将之加工到数十微米而得到的元件。这样得到的元件可作为萨瓦尔板使用。
另外，作为本发明的光学元件，还有相对于层方向在90°的角度上切断用上述方法制造的主体的层叠构造体，实施研磨加工，并将之加工到数十微米而得到的元件。这样得到的元件可作为波长板使用。
再有，除了这里给出的光学元件以外，还可以利用所有按照本发明的方法制造的构件形成可以找到并获得对应于构造性复折射带来的光的功能的元件，并非是仅特别地限定于萨瓦尔板或波长板。
使用图2A～图2D说明本发明的具有微细的周期构造的构件的制造方法。
首先，如图2A所示的那样，交互地重合具有高折射率的多个第1板玻璃1和具有低于上述该第1板玻璃1的折射率的多个第2板玻璃2，形成层叠体3。
然后，如图2B所示的那样，在带式炉4内设置层叠体3。该带式炉4被区分成第1室7、第2室8以及第3室9，通过带式输送机11在这些室之间传送层叠体3。在第2室中，多段地设置有压缩辊10。
第1室7是升温区。首先，层叠体3被搬入该第1室7，加热到玻璃转移温度以上。然后，层叠体3被带式输送机11搬送到第2室8中，通过用多段辊10相对于板玻璃的主面垂直地施加压力，渐渐地减薄层叠体3的厚度。进而，利用带式输送机11将厚度变薄了的层叠体13搬送到第3室9内，逐渐地冷却到室温。
然后，如图2B那样，沿线段A-A’以及B-B’将从第3室9取出来的层叠体13分割成4份。并且，4重重合被分割开了的层叠体并再次将该重合了的层叠体搬入图2B所示的带式炉9中，实施升温、压缩成形、冷却。通过按规定次数反复这样的图2B以及图2C的处理，可以交互地层叠图2D所示那样的多个高折射率层和具有低于这些高折射率层的折射率的多个低折射率层，制造出各高折射率层以及低折射率层的厚度具有较波长更微细的周期构造的构件12。
下面，说明使用上述这样的方法制造具有微细的周期构造的构件的具体实施例。
[实施例1]
我们使用通过图2A～图2D说明过的那样的处理制造了具有微细的周期构造的构件。
首先，利用界面活性剂分别刷洗干净各50片具有100mm×100mm的大小、厚度为1mm的S-BSL7(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.516)和具有100mm×100mm的大小、厚度为1mm的S-LAH55(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.835)。然后，实施纯水刷洗、纯水冲洗，并在110℃的气体环境炉内放置10分钟，进行干燥。这里，S-LAH55相当于第1板玻璃1，S-BSL7相当于第2板玻璃2。
然后，交互地重叠层叠第2板玻璃(S-BSL7)2和第1板玻璃(S-LAH55)1，制作出图2A所示那样的具有100mm×100mm×100mm的大小的100层的玻璃块(层叠体3)(图2A中原理地给出10层构造)。
其次，如图2B所示的那样，在多段地设置了压缩辊10的带式炉4内设置上述玻璃块(层叠体3)。首先，是第1室7的升温区。在此，升温至高于玻璃转移点5℃的高温。第2板玻璃(S-BSL7)2和第1板玻璃(S-LAH55)1的玻璃转移点分别为576℃、700℃。因而，升温到了705℃，此时，为了不使玻璃转移点低的第2板玻璃(S-BSL7)2因自重而变形，在铜制的板的表面用电镀了白金的板设置了宽度为100mm的滑道，以便减小变形的影响。升温速度是每分钟5℃。
而后，将玻璃块移动到第2室8，用多段式的热辊(多段辊)10慢慢地减薄玻璃块(层叠体3)的总厚度。玻璃块(层叠体3)的运动速度为30mm/分。此外，最终从辊出来的玻璃块厚为25mm。进而，将玻璃块(层叠体13)移动到第3室9，慢慢地进行冷却。冷却速度为1分钟3℃。这样一直将玻璃块(层叠体13)冷却到了室温。
接着，如图2C那样，沿线段A-A’以及B-B’在与层垂直方向用切割机分割成4块地切断开玻璃块(层叠体13)。进而，在洗净了切断的各个块后，4重重合地重叠由第2板玻璃(S-BSL7)形成的层和由第1板玻璃(S-LAH55)形成的层。如果该重合是分别重合切断边2边的重合，则最终可以得到的有效面积更宽。再次用图2B所示的带式炉对这样进行了重合的块实施热成形，可以使最终厚度达到25mm。
如果反复5次这些工序，则可以形成厚度25mm的102400层构成的玻璃块。此时的1层的厚度约为244nm。进而，为了使该玻璃块达到10.24mm的厚度，用多段地设置了压缩辊的带式炉同样地实施升温、压缩成形、冷却，可以得到具有300mm×300mm的大小、厚度为10.24mm的玻璃块。这里，玻璃块的周边约25mm的额缘状区域因压缩辊的卷压或自重引起的变形的影响，层的均匀性很差，故用切割机切除。
采用以上这样做法，我们得到了图2D这样的、由高折射率玻璃和低折射率玻璃的交互层构成，各层的膜厚为100nm、具有102400层构成的玻璃毛坯(具有微细的周期构造的构件12)。该玻璃毛坯为250mm角，厚度是10.24mm。
[实施例2]
我们加工按实施例1制造的玻璃毛坯形成了萨瓦尔板。
首先，如图3A所示的那样，相对于层方向按照线段C-C’以及线段D-D’以45℃的角度，切断了在实施例1制造的构件12，得到1.2mm厚度。然后，垂直角地、使之成为14mm×14mm地切掉周边，得到14mm×14mm、厚度1.2mm的薄板。对该薄板实施玻璃研磨，得到14mm×14mm、厚度1mm的萨瓦尔板。
我们测量了所得到的萨瓦尔板的常光和异常光的分离宽度，约为15μm。该值与厚度1mm的人工水晶的5.88μm，可知其是非常大的。此外，在用本实施例的萨瓦尔板制作了低通滤光片时，用人工水晶的约2.55分之1的厚度得到了同样的效果。
[实施例3]
除了玻璃保持温度取394℃以外，作为高折射率的玻璃材料(第1板玻璃)使用PBH71(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.923)、作为低折射率的玻璃材料(第2板玻璃)使用FSL3(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.4645)与实施例同样地制造了玻璃毛坯。
该2种玻璃的组合，其折射率差特别的大，由于其玻璃转移点低达394℃，故升温冷却的时间短，复折射光特别的高。
[实施例4]
我们测量了与实施例2同样地加工在实施例3得到的玻璃毛坯所形成的萨瓦尔板的、该萨瓦尔板的常光和异常光的分离宽度，约为36μm。
[实施例5]
除了玻璃保持温度取664℃以及摘除了在铜板上实施了白金镀层的滑道板外，作为高折射率的玻璃材料(第1板玻璃)使用LAH78(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.901)、作为低折射率的玻璃材料(第2板玻璃)使用BSM14(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.603)与实施例1同样地制造了玻璃毛坯。
该2种玻璃的组合，其折射率差比较的小，由于其玻璃转移点的差小到1℃，线性热膨胀系数之差小到2×10-7/℃，故即使是没有SUS制的滑道也是可以制造的。
<参考例1>
除了摘除了在铜板的表面电镀了白金的板以外，采用与实施例1同样的做法制造了具有微细的周期构造的构件(玻璃毛坯)。在本比较例中，在作为第1室的升温区，第2板玻璃(S-BSL)因自重大而产生了变形。
与实施例2同样地利用该玻璃毛坯形成萨瓦尔板并测量了常光和异常光的分离宽度，约为3μm。可知，该值与人工水晶的值大致等同，其折射率各向异性的效果小。此外，我们用透过式显微镜评价了各层的厚度，由第2板玻璃(S-BSL)形成的层约为10nm，由第1板玻璃(S-LAH55)形成的层约为190nm。
<参考例2>
除了玻璃保持温度取465℃以外，作为高折射率的玻璃材料(第1板玻璃)使用PBH6W(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.805)、作为低折射率的玻璃材料(第2板玻璃)使用S-FPL51(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.497)，与实施例1同样地制造了玻璃毛坯。
这些玻璃材料线性热膨胀系数分别为90×10-7(1/℃)以及156×10-7(1/℃)，在冷却时，因热应力过大，在玻璃上产生了裂纹并变得白色浑浊。
<参考例3>
除了玻璃保持温度取672℃以外，作为高折射率的玻璃材料(第1板玻璃)使用S-LAM54(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.757)、作为低折射率的玻璃材料(第2板玻璃)使用BSM7(股份有限奥哈拉公司制造的光学玻璃：n＝1.607)，与实施例1同样地制造了玻璃毛坯。与实施例2同样地对在此得到的玻璃毛坯实施加工，形成了萨瓦尔板。测量的该萨瓦尔板的常光和异常光的分离宽度约为4μm。
[实施例6]
使用按实施例1、3、5制造的玻璃毛坯制作了λ/4板。通过相对于层方向以90°的角度进行切割以及研磨，形成了λ/4板。设计波长λ取为632.8nm。各玻璃毛坯的组合的λ/4板的厚度以及利用椭圆仪测量的相位差的测量值示于表1。
表1
   玻璃材料(L/H)    n(TE)    n(TM) λ/4板的厚度(μm)    相位差(度)
  S-BSL7/S-LAH55 1.6713 1.6461 6.3 46.0
  PBH71/FSL3   1.7091   1.6477     2.6     45.2
  LAH78/BSM14   1.7586   1.7333     6.3     45.5
表1中，n(TE)表示对应电场平行于层地振动的波(TE波)的折射率，n(TM)表示对应电场垂直于层地振动的波(TM波)的折射率。
本发明除了以上说明过的实施例外，可以进行种种的变形。例如，在实施例中，通过相对于板玻璃的主面，垂直地对被加热了的层叠体施加压力，减薄了各板玻璃的厚度，但也可以代之使用相对于板玻璃的主面平行地进行拉伸的方法。在不脱离权利要求的范围的限度内，本发明包含全部这样的变形例。

Claims (3)

1.一种具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法，该构件是交互地层叠多个高折射率层和具有低于这些高折射率层的折射率的多个低折射率层而成的，且具有各高折射率层和低折射率层的厚度较波长更微细的周期构造，其特征在于，包含以下步骤：
交互地重合具有高折射率的多个第1板玻璃和具有较上述第1板玻璃低的折射率的多个第2板玻璃，形成层叠体；
将上述层叠体加热到玻璃转移点以上；
通过对上述被加热了的层叠体进行如下处理中的任一种，即相对于板玻璃的主面是垂直地施加压力、以及相对于板玻璃的主面是平行地进行拉伸，从而可以在一体化层叠体的同时，减薄各板玻璃的厚度。
2.根据权利要求1所记载的制造方法，其特征在于，满足下面的条件式：
ΔTg≤30(℃)
Δα≤30×10-7(1/℃)
Δn≥0.15
这里，ΔTg是上述第1板玻璃和第2板玻璃的玻璃转移温度之差；Δα是上述第1板玻璃和第2板玻璃的线性热膨胀系数之差；Δn是上述高折射率层和低折射率层的折射率之差。
3.一种光学元件，其特征在于，是通过加工按照权利要求1的方法制造的构件而形成的光学元件。
CN03106430A 2002-02-25 2003-02-25 具有较波长更微细的周期构造的构件的制造方法以及利用该构件形成的光学元件 Pending CN1441282A (zh)

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