JP2000266937A - ホログラフィー光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光を回折するホログラフィー光学素子を安価
に製造する。 【解決手段】 電子ビーム描画方式でシリコンウェーハ
４１上にビームスプリッタ３２を構成する複数の回折格
子４２の凹凸パターンを配列して形成し、次いでウェー
ハ４１の凹凸パターン（４２）が転写されたファーザー
４３を形成し、次いでファーザー４３の凹凸パターン
（４２）が転写されたマザー４４を形成し、さらにマザ
ー４４の凹凸パターン（４２）が転写されたスタンパ４
５を形成する。このことによりレンズ６、ビームスプリ
ッタ７及びピンホールの一体成形が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を回折するホロ
グラフィー光学素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリペイドカード、クレジットカード、
キャッシュカードなどの磁気カードは、記録手段として
磁気ストライプと呼ばれる磁気記録部を有する。この磁
気記録部には例えばプリペイドカードの場合には使用に
伴う残高が記録され、また、必要に応じて本人を確認す
るためにＩＤ（識別）番号などが記録される。このよう
な磁気カードは携帯に便利であり、面倒な現金の授受を
伴わないいわゆるキャッシュレス社会に貢献している。
一方、このような磁気カードは記録媒体が磁気記録層で
あるので、記録内容を容易に判読することができ、その
ため偽造も容易であるので、テレフォンカードやパチン
コ店のプリペイドカードが大量に偽造されたりして不正
使用されることが多く、社会問題化している。

【０００３】このような偽造や不正使用に対処するため
に、従来の単純な磁気記録方式に代えて複雑化した磁気
記録方式やＩＣカードが提案されているが、この方法は
コストが高くなるという問題があり、一般には普及して
いない。そこで、これに代わる方法として、回折格子や
ホログラムを用いた光学的記録方式が例えば特開平３−
７１３８３号公報、特開平５−７３７３８号公報、特公
平７−９７３８８号公報などにおいて提案されている。

【０００４】上記公報に示す従来の光学的記録方法で
は、ホログラムにおける光の反射強度が所定値か否か
（又は所定値以上か否か）を判断する方法であったり、
回折格子やホログラムにより反射光の複数の異なる光路
を検出する方法であるので、カードが正規（真正）か又
は偽造品かを識別することには役立つ。しかしながら、
例えばプリペイドカードの金額や、キャッシュカードに
おける暗証番号やカード番号を記録するために適さず、
この情報を仮に上記公報に示す従来の光学的記録方法を
用いて記録しようとすると莫大な数のホログラムを配置
する必要がある。また、カードの製造のみならず、記録
情報を精度よく再生しようとすると、読み出し装置（リ
ーダ）が非常に複雑化して極めて大きなコストを必要と
し、このため実現が困難と思われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本出願人
は、先の出願（特開平１０−１７１３３４号など）にお
いて例えばプリペイドカードの金額や、キャッシュカー
ドにおける暗証番号やカード番号などの複雑な情報を記
録する場合に好適な低コストの光カードと、この光カー
ドの記録再生装置を提案している。

【０００６】しかしながら、この記録再生装置において
用いられている単色光発生装置は、図６に示すように、
半導体レーザ（ＬＤ）１やＬＥＤなどの光源からの単色
拡散光を凸レンズ２で集光し、次いでこの集光された単
色光をピンホール３により照射範囲を制限し、さらにこ
の単色光をビームスプリッタ４により複数本（例えば７
本）のビームに分割するので、例えば特公平７−９７３
８８号公報に示されるような半導体レーザとレンズのみ
の構成と比較すると、それぞれの光学素子が非常な精密
さを必要とし、また、ビームが傾かないように組み立て
調整を行なう精度も要求されるので、多大なコストを要
するという問題点がある。

【０００７】このような問題点を解決するために、各々
の光学素子を回折光学素子あるいはホログラフィー光学
素子（ＨＯＥ）として構成することが有望視されてい
る。ＨＯＥは一般に軽量・小型であり、他の光学素子に
比べて容易に製作・複製をすることができる。特開平６
−１８６９００号ではＨＯＥを用いてコリメーション、
ビーム成形、ビーム複合、焦点調節のための素子を製作
している。また、特開平８−３３９５６８号では格子方
向が異なる複数の回折領域を重複することなく形成した
回折格子により、光束を複数の光束に分割する技術が開
示されている。

【０００８】これらはホログラフィックプレートを用い
て光学的に製作されるので高品質である反面、高価にな
ってしまうという課題がある。そこで、本出願人は、電
子ビーム描画装置を用いてビームスプリッタを形成した
光学素子に金属薄膜をスパッタすることにより、ピンホ
ールも一体化した光学素子を特願平１０−２５３２１６
号により提案したが、後述するように、ピンホールの周
辺領域に遮光材として金属薄膜を形成することは、工程
数が増えると共にピンホール形成位置がずれない様に形
成する精度が要求されるので、コストダウンの障害の一
つとなっていた。本発明は上記問題点に鑑み、安価に製
造することができるホログラフィー光学素子及びその製
造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、以下の１，２に記載のホログラフィー光
学素子及びその製造方法を提供しようとするものであ
る。 １．供給される単色拡散光を集光してその照射範囲を制
限した上で複数本の回折光を出力するホログラフィー光
学素子であって、供給される単色拡散光の略中央部分に
ビームスプリッタを形成したピンホールと、このピンホ
ール周辺領域にｎ値（ｎ＞２）の位相パターンを有する
計算機ホログラムと、が形成された透明材料からなるこ
とを特徴とするホログラフィー光学素子。

【００１０】２．供給される単色拡散光を集光してその
照射範囲を制限した上で複数本の回折光を出力するホロ
グラフィー光学素子の製造方法であって、電子ビーム描
画装置により略中央のピンホール部分にビームスプリッ
タを描画すると同時にその周辺領域にｎ値（ｎ＞２）の
位相パターンを描画して共に計算機ホログラムとして形
成し、この計算機ホログラムを透明材料の表面に複製す
ることを特徴とするホログラフィー光学素子の製造方
法。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係るホログ
ラフィー光学素子の一実施の形態を使用して再生される
光カードの例を示す構成図、図２は図１の光カードに対
して複数の単色回折光を照射する単色光発生装置を示す
模式図、図３は本発明に係るホログラフィー光学素子の
一実施の形態を示す図、図４はホログラフィー光学素子
に適用されるＣＧＨの位相パターンを説明するための
図、図５は図３のホログラフィー光学素子の製造工程を
示す説明図である。

【００１２】図１（ｂ）は本発明に係るホログラフィー
光学素子の一実施の形態を使用して再生される光記録媒
体（光カード）１０の側面断面を示すものである。この
光カード１０は基板１１と、記録層と、例えばアルミニ
ウムの反射膜１３とＵＶ保護膜１４が積層されて２５ｍ
ｍ×７５ｍｍの矩形状に構成されている。基板１１とし
ては例えばポリカーボネートなどを用いることができ、
ＵＶ保護膜１４としては例えばＵＶポリマーコートなど
を用いることができる。記録層には２次元画像データに
基づいて演算により生成された複数のホログラム干渉縞
が形成され、このホログラム干渉縞は計算機ホログラム
（ＣＧＨ：コンピュータ・ジェネレーテッド・ホログラ
ム）１２と呼ばれている。

【００１３】図１（ａ）は基板１１側から見た上面図を
示し、ＣＧＨ１２は正方形で示され、反射膜１３はＣＧ
Ｈ１２より広い領域として示されている。複数のＣＧＨ
１２は縦横方向に配列されて形成され、その１つは例え
ば１００μｍであり、間隔は２５０μｍである。その１
つ１つが文字を表し、例えばプリペイドカードとして用
いる場合には、ある単位の金額を表す。

【００１４】このようなＣＧＨ１２を再生する場合に
は、図２に示すような単色光発生装置２０を用いる。な
お、図２に示す例では、ＣＧＨ１２は横方向に６個が配
列されているので、単色光発生装置２０は中央の回折さ
れていない１本と、外側の回折されている６本の合計７
本のビームを発生して、回折されている６本により横方
向の６個のＣＧＨ１２を一度に照射する。また、単色光
発生装置２０又はＣＧＨ１２を縦方向に移動させること
により、２次元に配列されたＣＧＨ１２を照射してその
反射光を読み取る。なお、ビームスポットＢＳは長円形
で示されているが、円形でもよい。

【００１５】このような単色光発生装置２０の例とし
て、本出願人は特願平１０−２５３２１６号において、
図７に示すような単色光発生装置２０ａを提案した。こ
の単色光発生装置２０ａは図６に示す各光学部材を一体
化したものであり、半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤなど
の単色拡散光を発生する光源部材１と、この光源部材１
から出力される単色拡散光を集光する凸レンズ２と、こ
の凸レンズ２によって集光された単色光の照射範囲を制
限するピンホール３と、単色光を複数本に分割するビー
ムスプリッタ４とからなる。そして、図８（ａ），
（ｂ）に示すように、凸レンズ２及びビームスプリッタ
４を一体として作成し、金属薄膜をスパッタするなどし
てピンホール３の膜を形成することで一体化された光学
部材２１と、光源部材１との合計２つの部材で構成され
ている。

【００１６】しかし、この単色光発生装置２０ａは、光
源部材１として広がり角の大きな半導体レーザや発光ダ
イオードを使用した場合には、一般に凸レンズ２の厚み
が大きくなってしまい、小型化が困難であった。また、
ピンホール３の膜を形成するスパッタ工程は凸レンズ２
及びビームスプリッタ４の成形工程とは別のプロセスと
して行なわなければならず、また、凸レンズ２の中央に
ピンホール３を設けるようにスパッタ位置を調節するの
が難しく、コストアップの原因になっていた。

【００１７】これに対して、図３に示す単色光発生装置
２０ｂは、本発明の一実施の形態であるビームスプリッ
タ、レンズ、ピンホールの３要素を１枚のホログラフィ
ー光学素子（ＨＯＥ）を適用することにより小型化を実
現したものである。すなわち、透明樹脂５の表面におい
て、その中心部分（ピンホール部分）をレンズ６及びビ
ームスプリッタ７としての作用を有するように形成し、
その周囲の領域８にｎ値（ｎ＞２）の計算機ホログラム
（ＣＧＨ）を形成したホログラフィー光学素子（ＨＯ
Ｅ）２２を用いるものである。

【００１８】このＨＯＥ２２は、図７に示したような凸
レンズ２とは異なり、広角の光源を使用する場合でも薄
く構成することができるため、より小型化が可能とな
る。また、ピンホールの周辺領域８は、多値の計算機ホ
ログラム（ＣＧＨ）で構成することにより、遮光機能を
持たせるように設計することができる。そのため、金属
薄膜をスパッタする工程が不要となり、工程数が減るだ
けでなく、スパッタ位置がずれることもなくなるので、
歩留まりが高くなり、コストダウンが可能となる。

【００１９】ここで、この多値の計算機ホログラム（Ｃ
ＧＨ）について、図４を参照しながら説明する。なお、
説明をわかりやすくするために、図４（ａ），（ｂ）は
共に中心のピンホール部分にはレンズ６及びビームスプ
リッタ７を形成していない状態の光出力を示している。
図４（ａ）には２値のＣＧＨの断面模式図とそのＣＧＨ
を使用した単色光発生装置からの出力光の例を示す。２
値のＣＧＨは単純な凹凸であるため、回折に寄与しない
０次光（平行光）が現れ、この０次光が中央のピンホー
ル部分から出力される再生光と共に記録媒体に照射され
てしまうので、遮光効果が得られないことになる。しか
しながら、図４（ｂ）に示すように、ｎ値（ｎ＞２）の
位相を有するＣＧＨ（回折格子）を使用した場合には、
０次光を減らして回折光のみにすることができ、この回
折光が記録媒体に照射されないように設計することによ
り、実質的な遮光機能を有することになる。

【００２０】図５に単色光発生装置２０ｂを構成する本
発明のホログラフィー光学素子２２の製造工程を示す。
まず、図５（ａ）に示すように、公知の電子ビーム描画
方式でシリコン（Ｓｉ）ウェーハ（以下単にウエーハと
もいう）４１上にＨＯＥビームスプリッタ７、ＨＯＥレ
ンズ６からなるＨＯＥピンホールとその周辺領域８を構
成する多値のホログラムパターン４２を形成する。

【００２１】なお、公知の電子ビーム描画方式によりホ
ログラムパターンを形成する方法について説明すると、
まず、ウェーハ４１上にフォトレジストを塗布し、次い
でこのフォトレジスト上を電子ビーム露光装置によりホ
ログラムの２次元パターンを描画する。次いでエッチン
グ工程とメッキ工程を経ることによりフォトレジストを
除去してウェーハ４１の表面にホログラムの凹凸パター
ン４２を形成する。

【００２２】このようにウェーハ４１の表面にホログラ
ムの凹凸パターン４２を形成すると、次いで図５
（ｂ）、（ｃ）に示すように凹凸パターン４２の上にニ
ッケル（Ｎｉ）をプレーティングして、ウェーハ４１の
凹凸パターンが転写されたファーザー４３を形成する。
次いで図５（ｃ）、（ｄ）に示すようにこのファーザー
４３の上にニッケルをプレーティングして、ファーザー
４３の凹凸パターンが転写されたマザー４４を形成す
る。その後、図５（ｄ）、（ｅ）に示すようにこのマザ
ー４４の上にニッケルをプレーティングして、マザー４
４の凹凸パターンが転写されたスタンパ４５を形成す
る。

【００２３】したがって、このような製造方法によれ
ば、図３に示すようにレンズ６と、ビームスプリッタ７
とピンホールが一体化された光学素子を実現することが
できる。ここで、ピンホールの径は、図３に示すような
円形にしたり、長円形に形成したりすることにより所望
のビーム形状を実現することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子ビーム描画装置を用いてレンズ、ビームスプリッタ及
びピンホールを一体化するようにしたので、光学精度の
調整を必要とせず、また、小型化が可能となる。そし
て、光学部品を描画及び複製工程だけで製造することが
できるので、安価に製造することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るホログラフィー光学素子の一実施
の形態を使用して再生される光カードの例を示す構成図
である。

【図２】図１の光カードに対して複数の単色回折光を照
射する単色光発生装置を示す模式図である。

【図３】本発明に係るホログラフィー光学素子の一実施
の形態を示す図である。

【図４】ホログラフィー光学素子に適用されるＣＧＨの
位相パターンを説明するための図である。

【図５】本発明のホログラフィー光学素子の製造工程を
示す図である。

【図６】従来の単色光発生装置を示す構成図である。

【図７】他の光学素子を使用した従来の単色光発生装置
を示す構成図である。

【図８】従来の光学素子を示す正面図及び側面図であ
る。

【符号の説明】

６ ＨＯＥレンズ ７ ＨＯＥビームスプリッタ ８ ＨＯＥピンホールの周辺領域 ２２ ホログラフィー光学素子（ＨＯＥ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 CA01 CA05 CA09 CA15 CA17 CA20 CA28 CA30 2K008 AA13 CC03 FF27 GG05 HH19 HH25 5D119 AA38 BA02 JA03 JA04 JA22 JA23 JA46 JA47

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給される単色拡散光を集光してその照射
   範囲を制限した上で複数本の回折光を出力するホログラ
   フィー光学素子であって、 供給される単色拡散光の略中央部分にビームスプリッタ
   を形成したピンホールと、このピンホール周辺領域にｎ
   値（ｎ＞２）の位相パターンを有する計算機ホログラム
   と、が形成された透明材料からなることを特徴とするホ
   ログラフィー光学素子。
2. 【請求項２】供給される単色拡散光を集光してその照射
   範囲を制限した上で複数本の回折光を出力するホログラ
   フィー光学素子の製造方法であって、 電子ビーム描画装置により略中央のピンホール部分にビ
   ームスプリッタを描画すると同時にその周辺領域にｎ値
   （ｎ＞２）の位相パターンを描画して共に計算機ホログ
   ラムとして形成し、 この計算機ホログラムを透明材料の表面に複製すること
   を特徴とするホログラフィー光学素子の製造方法。