JP2005010377A - Optical retardation element - Google Patents

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Mankichi Yo
万吉 余
Kazuo Sato
和郎 佐藤
Hisao Kikuta
久雄 菊田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical retardation element capable of producing a stable retardation for light of wide wavelength region. <P>SOLUTION: The optical retardation element has a rugged structure in which the projected parts 11 having substantially rectangular cross-section are arrayed with a period T shorter than a designed wavelength, on the upper surface thereof. In the rugged structure of a substrate part 10, the occupy ratio t/T of the projected parts which is a ratio between the width (t) in the periodical direction of the projected part 11 and the period T of the rugged structure becomes one value of 0.6 to 0.9. Therein, a cover film 20 having a refractive index n<SB>2</SB>higher than that of the projected part 11 is disposed so that a first cover film is formed at least on the upper surface of the projected part 11 in the substrate part 10. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複屈折波長板又は光学位相板と呼ばれる光学位相差素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光学位相差素子は、入射光の偏光成分毎に異なる位相遅延を与える光学素子であって、光ディスクのピックアップ、光通信における光アイソレータ、偏光解析による表面分析装置、偏光の合成・分離を行う液晶表示素子など様々な分野に応用されており、これらの分野において、必要且つ不可欠なデバイスとなってきている。
【0003】
特に、光ディスクのピックアップなどに備えられる光学位相差素子においては、偏光ビームスプリッタと共に用いられることにより、光エネルギーの利用効率を高めることができ、同時に光アイソレータとしても機能する。CDやDVDでは、異なる波長(780nm及び650nm)のレーザー光が用いられるが、近年では、これらを1つの光学システムで実現する装置が提案されている。また、光通信における光アイソレータにおいても、光信号の多重化のため広い波長域の光を通し得る。したがって、光学位相差素子としては、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させるものが求められてきている。
【0004】
光学位相差素子には、方解石、雲母、水晶のような自然界に存在する複屈折率結晶により形成されたものや、複屈折ポリマーにより形成されたもの、使用波長より短い人工的に周期構造を設けて形成されたものなどがある。
【0005】
複屈折率結晶のものとしては、結晶軸と平行にカットされた平板状のものがある。このカット面に対し垂直に入射した光は、常光線と呼ばれる光成分と、異常光線と呼ばれる光成分とに分けられる。常光線と異常光線とでは、伝播速度が異なるので、両光線が光学位相差素子内を伝播するにつれて、両光線間で位相遅延量に差が生じる。この位相遅延の差は光学位相差素子内の伝播距離に比例するので、光学位相差素子の厚さを制御することで、目標値となる位相遅延量の差が得られる。しかし、複屈折率結晶の光学位相差素子は、結晶を用いるため非常に高価であるという欠点がある。
【0006】
複屈折ポリマーのものでも、原理的には上述した複屈折率結晶のものと同じである。この場合は、光学位相差素子を構成するポリマーの平均的な分子方向とそれに垂直な方向との間で表れる複屈折率を利用する。このようなポリマーの偏った配列は、プラスティック材料に特定方向の力をかけながら薄板にするだけで製造することができるので、大きなサイズのものであっても安価に得ることができる。しかし、複屈折ポリマーのものは、光学的性質や耐久性が複屈折率結晶のものに比べて劣っており、高性能な光学素子への応用には不十分なものとなっている。
【0007】
人工的に周期構造を設けて形成されたものとしては、透明の誘電体基板上に周期的な凹凸構造が設けられたものがある。該凹凸構造の周期は使用波長より短くなっている。該凹凸構造に対し垂直に入射した光の伝播速度は、凹凸構造の溝方向に平行な偏光成分と、それに垂直な偏光成分との間で異なるので、両成分間で位相遅延差が生じる。この場合、この位相遅延差は凹凸構造の深さに比例する。したがって、この深さを制御することで、所望の位相遅延差が得られる。このような微細な周期的凹凸構造が設けられた光学位相差素子は、1983年にD.C. Flandersによって実現されている(非特許文献1参照)。
【0008】
上記凹凸構造(表面レリーフ格子)は、フォトレジストにより形成された格子パターンを用いて、電気鋳造により金型を製造しておき、該金型に熱可塑性樹脂を注入することにより製造される。即ち、成形による量産化が可能である。さらに、成形により製造される光学素子であれば、レンズのように曲面状に湾曲した表面を有するものであっても、該素子を構成する表面に上記のような周期的凹凸構造を組み込み、一つの光学位相差素子として製造することができる。
【0009】
しかしながら、上記凹凸構造を有する光学位相差素子においては、位相遅延差が凹凸構造の深さの他、材料の屈折率等に強く依存し、特に、材料の屈折率が高いほど複屈折が強くなる。ガラスやプラスティックなどの光学材料の屈折率は1.5程度なので、これらを用いて実用的な光学位相差素子を実現するには、非常に深い凹凸構造が必要となる。例えば、ガラス基板を使ってHe−Neレーザー光(波長λ=632.8 nm)に対応する位相遅延差1/4λの光学位相差素子を実現する場合、凹凸構造の周期を400nm、凸部の線幅を200nmとすると、深さが約1800 nmとなる。このような構造を射出成形やプレス成形によって製造すると、熱可塑性樹脂がうまく剥離されず、金型内に残留してしまうなどの問題が発生した。
【0010】
また、このような光学位相差素子を製造する方法として、誘電体基板に直接フォトレジストの格子パターンを形成し、これをマスクとしてエッチングする方法もある。しかしながら、この方法には、エッチングに耐えうる厚みを備えたレジストパターンの形成が困難である、紫外線露光装置や電子ビーム描画装置及びプラズマエッチング装置など高価な装置が必要となる、製造に長時間を要するなどの問題があった。
【0011】
また、屈折率の高い光学材料に凹凸構造を形成することにより、浅い凹凸構造でも大きな位相遅れを実現し得る光学位相差素子も考案されている。しかし、高屈折率の光学材料は成形加工に適さないため、生産性が悪く、コストが高くなるという欠点があった。
【0012】
この問題に対処すべく、基板誘電体に溝の深さを浅くした表面レリーフ格子を設け、前記基板誘電体より屈折率の高い誘電体材料を、表面レリーフ格子上に被覆或いは充填して形成された光学位相差素子が提案されている(特許文献1参照)。
【0013】
【非特許文献1】
ディー.シー.フランダース(D.C. Flanders)著,「人工的な異方性を有する誘電体としてのサブマイクロメーター周期のグレーティング(”Submicrometer periodicity gratings as artificial anisotropic dielectrics”)」,第42巻第6号、アプライド・フィジックス・レター(Applied Physics Letter),1983年3月15日,p.492〜494
【0014】
【特許文献1】
特公平7−99402号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に記載の光学位相差素子では、複屈折の強さが入射する波長に殆ど依存しないという問題があった。位相遅延差は複屈折の強さと波長の比に比例するので、その光学位相差素子に対して設計時に使用を想定した光の波長(以下、設計波長という)の近傍において十分な位相遅延差が生じるように構成されていても、設計波長の近傍から離れた他の波長域では十分な位相遅延差が得られないのが通常であった。
【0016】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる光学位相差素子を提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る光学位相差素子は、断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Tで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、前記被覆膜が、少なくとも前記基板部のうち前記凸部の上面に形成された第1被覆膜を有し、前記凸部の周期方向の幅tと前記凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【0018】
上記光学位相差素子によれば、凸部占有率t/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっているので、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる、いわゆるアクロマティックな光学位相差素子を実現することができる。
【0019】
また、前記被覆膜が、前記基板部のうち、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第2被覆膜を有し、該第2被覆膜の前記凹部の底面からの高さDと前記凸部の高さDとの差である被覆高差D−Dが、設計波長をλ、前記第2被覆膜の屈折率をn、0以上の任意の整数をNとしたとき、数式1で示される範囲内のいずれかの値となっていることが望ましい。
【0020】
2Nλ/4n <D−D<(2N+1)λ/4n … 数式1
上記光学位相差素子によれば、上記被覆高差D−Dが上記数式1の範囲内となっているので、設計波長λに対して凹凸構造での反射を抑制することができる。
【0021】
また、本発明に係る他の光学位相差素子は、断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Tで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、前記被覆膜が、前記凸部の上面に形成された第1被覆膜と、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第2被覆膜と、前記凸部の側面に形成された第3被覆膜とを有し、前記第2被覆膜及び前記第3被覆膜の膜厚が、前記第1被覆膜の膜厚より薄くなっており、前記第1被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅tより広い最大幅t1を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第1被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっており、前記凸部の周期方向の幅tと前記凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.4から0.6までのいずれかの値となっており、前記最大幅t1と前記凹凸構造の周期Tとの比である第1被覆膜占有率t1/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【0022】
上記光学位相差素子によれば、凹凸構造における凸部占有率t/Tが製造し易い0.4から0.6の値であっても、第1被覆膜占有率t1/Tを0.6から0.9までのいずれかの値とすることにより、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。
【0023】
また、前記被覆膜各部の幅が高さ方向で滑らかに変化した形状となるので、有効屈折率が徐々に変化する構造となり、反射光を抑制することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態について、光学位相差素子として入射光λに対してλ/4の位相遅延差を発生させる1/4波長板を例に、添付図面を参照しつつ詳細に説明をする。
【0025】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。図示した断面構造は、紙面垂直方向に連続しており、畝状の表面形状が形成されている。
【0026】
図示のように、本発明の第1の実施形態に係る光学位相差素子100は、断面視略矩形状の凸部11が、設計波長より短い周期Tで配列された凹凸構造を上面に有する基板部10と、凸部11の屈折率nより高い屈折率nを有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜20とを備えている。
【0027】
基板部10は、本実施形態では、石英ガラス(屈折率1.46)により構成されているが、プラスティックや光硬化性樹脂など透過率の高い他の誘電体基板で構成することもできる。
【0028】
基板部10の上面に形成された凹凸構造の周期Tは、使用する光の波長λより短くなっており、本実施形態では、凸部11の周期方向の幅tと凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっている。また、周期Tは300nm、又は180nmに設定し、He−Neレーザー光(波長633nm)及びGaAlAs半導体レーザー光(波長780nm)を設計波長として、これらの近傍の波長域を使用光として想定しているが、設計波長及び周期Tの値はこれに制限されない。
【0029】
このような凹凸構造は、コスト面及び生産性を考慮すると、射出成形やプレス成型などの量産技術により形成されることが望ましいが、格子パターンを形成したフォトレジストをマスクとしたエッチング処理によっても形成可能である。また、図1では、凸部11が基板部10の本体と同じ材質に形成されているが、基板上に誘電体層を形成し、これをエッチングによりパターニングするなどして、凸部11を基板部10の本体と異なる材質としてもよい。
【0030】
被覆膜20は、基板部10のうち凸部11の上面に形成された第1被覆膜21と、凹部12の上面に形成された第2被覆膜22とを有している。本実施形態では、第1被覆膜21と第2被覆膜22とを同じ条件で同時に形成しており、第1被覆膜21と第2被覆膜22とが同じ高さDとなっているが、凹凸の形状効果等により成膜条件に差が生じ、異なる高さとなっていてもよい。ただし、本実施形態では、凹部の底面からの高さである第2被覆膜22の高さDは、凸部11の高さDより低くなっている。
【0031】
被覆膜20は、本実施形態では、Si(屈折率2.1)又はシリコン(Si)(屈折率3.5)により構成されているが、ZTO、TiOなど屈折率の高い他の誘電体基板で構成することもできる。被覆膜20は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法などにより形成される。
【0032】
このように基板部10の凹凸構造上に基板部10とは屈折率の異なる膜を設けることにより、図1に示すような第1〜3の実効層からなる三層構造が形成される。第1の実効層(j=1)は、第1被覆膜21(屈折率n)及び空気(屈折率1.0)、第2の実効層(j=2)は、凸部11(屈折率n)及び空気(屈折率1.0)、第3の実効層(j=3)は、凸部11(屈折率n)及び第2被覆膜22(屈折率n)によってそれぞれ構成される。
【0033】
凹凸構造の周期Tは、上述のように入射光に対する回折波を発生させないくらいに短いので、第1〜3の実効層のそれぞれは、人工的な複屈折による光学的異方性を具備した薄膜と見なすことができる。凹凸構造の溝と平行な方向に振動する光波(TE波)と溝に垂直な方向に振動する光波(TM波)とを含む光が各実効層に入射すると、TE波とTM波とは、それぞれ異なる有効屈折率(実効屈折率)を有する。以下では、j(=1〜3)を第1〜3の実効層に対応させて、第1〜3の実効層におけるTE波、TM波の有効屈折率を、nTE(j), nTM(j)と表し、各実効層の光学的異方性により、透過光に対して、偏光方向とそれに垂直な方向とで異なる位相遅延が発生する詳細を説明する。
【0034】
まず、周期Tは、各実効層に垂直に入射した光の各実効層における光の波長λより短くなっており、この垂直入射時に0次光以外の回折光が発生しない。このような周期Tの条件は、凸部11の屈折率n、被覆膜20の有効屈折率nTE(j), nTM(j)を用いて下記の数式11で与えられる。
【0035】
T < λ/max[n,nTE(j), nTM(j)] … 数式11
被覆膜20の屈折率nの値が大きい場合、必要な位相遅延差を発生させるための凹凸構造の深さは浅くするが、有効屈折率nTE(j), nTM(j)の値も大きくなるため、数式11に示すように、必要な周期Tは短くなるのがわかる。
【0036】
本実施形態では、周期Tが数式11を満足するので、凹凸構造に垂直に入射した光は高次の回折光を発生させず、透過した光は入射光と同じ方向に向けられる。凹凸構造内では、TE波の有効屈折率nTE(j)の値がTM波の有効屈折率 nTM(j)の値よりも大きくなっているので、TE波はTM波よりも遅い速度で凹凸構造を通過する。これにより、同位相で入射した光波は凹凸構造を通過する際に偏光方向とそれに垂直な方向とで異なる位相遅延を生じる。この際、TE波とTM波間との間で発生した位相遅延差δφは、数式13に示すようにTE波とTM波に対する2つの有効屈折率nTE(j)及び nTM(j)の差をδn(j)として、数式12で与えられる。1/4波長板では、その値は、0.5πラジアン、1/2波長板ではπラジアンとなる。
【0037】
δφ = 2π/λ(δn(1)D+δn(2)(D−D)+δn(3)D) … 数式12
δn(j) = nTE(j)− nTM(j) … 数式13
本実施形態のように、凹凸構造上に高屈折率の被覆膜20を形成して、δn(1)及びδn(3)の値が大きい三層構造とすることにより、数式12に示すように、凹凸構造の深さDを深くしなくても大きな位相遅延差を得ることができる。
【0038】
実効層全体におけるTE波及びTM波に対する有効屈折率nTE(j)及び nTM(j)は、各実効層における有効屈折率nTE0(j)及び nTM0(j)を用いて、次式で表される。式中fは、凸部11の周期方向の幅tと凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tを略記したものである。
第1の実効層(j=1)
【0039】
【数14】

Figure 2005010377
【0040】
【数15】
Figure 2005010377
【0041】
第2の実効層(j=2)
【0042】
【数16】
Figure 2005010377
【0043】
【数17】
Figure 2005010377
【0044】
第3の実効層(j=3)
【0045】
【数18】
Figure 2005010377
【0046】
【数19】
Figure 2005010377
【0047】
数式14〜数式19を「Rytovの2次近似式」と呼ばれる式に適用することにより、数式20及び21に示す有効屈折nTE(j)及び nTM(j)を得ることができる(参考文献:S. M. Rytov, ”Electromagnetic Properties of Finely Stratified Medium, Journal of Experimental and Theoretical Physics USSR, vol.29 (1955) 605−616)。
【0048】
【数20】
Figure 2005010377
【0049】
【数21】
Figure 2005010377
【0050】
ここで、n及びnは、j=1の場合、n=1、n=n、j=2の場合、n=1.0、n=n、j=3の場合、n=n、n=nとなる。
【0051】
図2(a)及び(b)は、図1に示した光学位相差素子において、凸部占有率t/Tを変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。光学位相差素子としては、凸部占有率t/Tの値が上述した0.6〜0.9の範囲を越える0.4及び0.5のものも比較のために示している。
【0052】
これらのグラフにおいて、凸部11の屈折率nは、上述のように石英ガラスの屈折率の1.46である。また、図2(a)においては、周期Tを300nmとし、被覆膜20の屈折率nが2.1となっており、図2(b)においては、周期Tを180nmとし、被覆膜20の屈折率nが3.5となっている。
【0053】
図示のように、ここに示した光学位相差素子は、He−Neレーザー光の波長である633nmの入射光に対して90°(0.5πラジアン)の位相遅延差δφを発生させる1/4波長板となっているが、凸部占有率t/Tの値が小さいものでは、入射光の波長λが長くなるにつれて位相遅延差δφが減少している。
【0054】
凸部11の周期方向の幅tは凹部12の周期方向の幅と同じ幅に形成され、凸部占有率t/Tは0.5とされるのが一般的であるが、凸部占有率t/Tが0.5を越えるものではこの位相遅延差低下の傾向が改善されており、位相遅延差δφが入射光の波長に依存しない、又は、ほぼ依存しないようになっている。例えば、t/Tが0.5の場合、位相変調量は入射光の波長に強く依存しているが、t/T>0.7になると、位相遅延差δφは入射光の波長λの変化に対して余り変化しなくなっている。
【0055】
第1の実施形態に係る光学位相差素子100においては、凸部占有率t/Tが、0.6から0.9までのいずれかの値となっており、上記効果を奏する。したがって、位相遅延差δφの入射光の波長λに対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができ、1つの光学位相差素子を広い波長域の用途に適用することができる。
【0056】
尚、図2に示されているように、凸部占有率t/Tは、0.7から0.9までのいずれかの値となっていることがより望ましく、0.8から0.9までのいずれかの値となっていることがさらに望ましい。これにより、位相遅延差δφを入射光の波長λの変換に対してより変動しないものとすることができ、広い波長域の光に対してより安定した位相遅延差を発生させることができる。
【0057】
図3は、本発明の第2の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【0058】
図示のように、本発明の第2の実施形態に係る光学位相差素子100Aは、基板部10と、被覆膜20Aとを備えているが、基板部10については、第1の実施形態に示したものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0059】
本実施形態においても、被覆膜20Aは、基板部10のうち凸部11の上面に形成された第1被覆膜21Aと、凹部12の上面に形成された第2被覆膜22Aとを有し、第1の実施形態に示したものと同様に形成される。しかし、本実施形態では、凹部の底面からの高さである第2被覆膜22Aの高さDは、凸部11の高さDより高くなっている。
【0060】
本実施形態では、第2被覆膜22Aの凹部12の底面からの高さDと凸部11の高さDとの差である被覆高差D−Dが、設計波長をλ、第2被覆膜22Aの屈折率をn、0以上の任意の整数をNとしたとき、数式1で示される範囲内のいずれかの値となっている。
【0061】
2Nλ/4n <D−D<(2N+1)λ/4n … 数式1
本実施形態においても、第1の実施形態の場合と同様に、図3に示すような第1〜3の実効層からなる三層構造が形成される。第1の実効層(j=1)が、第1被覆膜21A(屈折率n)及び空気(屈折率1.0)、第3の実効層(j=3)が、凸部11(屈折率n)及び第2被覆膜22A(屈折率n)によって構成されているのは同様である。しかし、第2の実効層(j=2)は、第1被覆膜21A(屈折率n)及び第2被覆膜22A(屈折率n)、即ち被覆膜20Aだけで構成された均一な層となる。
【0062】
この第2の実効層には光学的異方性がなく、層の厚さが偏光成分間の位相遅延差に影響を与えないので、被覆高差D−Dの値を調整しても1/4波長の位相遅延差を保持することができる。被覆高差D−Dが数式1で示される範囲のいずれかの値となっているので、TE波及びTM波に対して界面での反射を打ち消すことができる。したがって、本実施形態に係る光学位相差素子100Aによれば、設計波長λに対して凹凸構造での反射を抑制することができる。以下、これについて説明する。
【0063】
光学位相差素子100Aに光が入射すると、第1〜3の実効層の上面となる界面1〜3、及び第3の実効層の下面となる界面4の4つの界面において反射が起こる。被覆膜20Aの屈折率nの値が大きい程、この反射が強くなり、透過率が低下する。以下では、界面1に入射する光(電場)の振幅をA、界面1からの反射光の振幅をBとし、第1〜3の各実効層内を伝播する入射光の振幅をA、反射光の振幅をBとし、界面4に入射する光の振幅をAとする。
【0064】
界面1からの反射光の振幅Bは、各界面での反射の総和として生じるものであり、その値は各界面での反射率と界面間の光学距離とで決まる。特に、界面間の光学距離は光波の干渉効果に関係するので、各実効層の膜厚を調節することにより、干渉効果を制御して反射光を抑制することができる。反射光の強さを示す振幅Bは、多層膜干渉理論を用いて概算される。
【0065】
まず、界面1より上方では、入射と反射との光波が存在するので、界面1より上方における電場Eは数式22で表すことができる。各実効層における電場Eは、同様に数式23で表すことができる。ここで、nの値はその実効層における屈折率であり、数式20及び数式21に示した有効屈折率nTE(j)及びnTM(j)となる。ただし、第2の実効層においてはnとなる。また、式中のzは、図3において基板部10の上面に対して垂直上向きに示されたz軸上の変位を表す。
【0066】
【数22】
Figure 2005010377
【0067】
【数23】
Figure 2005010377
【0068】
一方、各界面における電場E(z)、及びその伝播方向の微分は連続でなければならないので、z=zにおいて数式24及び25の境界条件が満足される。
【0069】
(z) = Ej−1(z) … 数式24
dEj−1(z)/dz = dE(z)/dz (z=z)… 数式25
上記の数式22〜数式25を用いて、界面1からの反射光の振幅Bを、TE波に対しては数式26〜30、TM波に対しては数式31〜35のように計算することができる。通常、両者の振幅Bは異なる値となっている。
【0070】
【数26】
Figure 2005010377
【0071】
【数27】
Figure 2005010377
【0072】
【数28】
Figure 2005010377
【0073】
【数29】
Figure 2005010377
【0074】
【数30】
Figure 2005010377
【0075】
【数31】
Figure 2005010377
【0076】
【数32】
Figure 2005010377
【0077】
【数33】
Figure 2005010377
【0078】
【数34】
Figure 2005010377
【0079】
【数35】
Figure 2005010377
【0080】
上記数式26〜30、及び数式31〜35を用い、He−Neレーザー光(波長633nm)に適した1/4波長板である本実施形態に係る光学位相差素子100Aの場合を計算する。基板部10の屈折率nは1.46、凹凸構造の周期Tは320 nm、凸部占有率t/Tは0.6、凸部11の高さDは325 nmである。
【0081】
被覆膜20Aの屈折率nが2.2の場合、1/4波長板とするためには、第1被覆膜21A及び第2被覆膜22Aの高さDは325 nmであればよい。しかしながら、この場合、上述した界面での反射のために、TE波の透過率は87%、TM波の透過率は90%になってしまう。これに対し、本実施形態では、Dが325 nmであるのに対し、上記数式1を満足するようにDは345 nmとしている。
【0082】
図4は、第2被覆膜22Aの高さDを変化させたときの界面1からの反射光のTE波及びTM波に対する振幅Bの依存性を示したグラフである。
【0083】
図示のように、第2被覆膜22Aの高さDが本実施形態である345 nmの場合、TE波とTM波の透過率が共に95%以上となり、反射を5%以下に抑制することができるのがわかる。
【0084】
図5は、本発明の第3の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【0085】
図示のように、本発明の第3の実施形態に係る光学位相差素子100Bは、基板部10Bと、被覆膜20Bとを備えている。
【0086】
基板部10Bについては、凸部11Bの周期方向の幅tと凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.4から0.6までのいずれかの値となっている。その他の点では第1の実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0087】
被覆膜20Bは、第1の実施形態の場合と同様に、凸部11Bより高い屈折率を有して凹凸構造上に形成されており、凸部11Bの上面に形成された第1被覆膜21Bと、凹凸構造の凹部12Bの底面に形成された第2被覆膜22Bとを有する。本実施形態では、さらに凸部11Bの側面に形成された第3被覆膜23Bを有する。
【0088】
図5に示したような構造は、スパッタリング法などの指向性の弱い成膜方法により、基板部10Bの凹凸構造上に被覆膜20Bを成長させることによって得られる。このような成膜方法では、凹部12Bの底面及び凸部11Bの側面に比べて、凸部の上面の方が膜が成長し易いので、第2被覆膜22B及び第3被覆膜23Bの膜厚は、第1被覆膜21Bの膜厚より薄くなっている。また、凸部の上面に形成される膜は成長と共に、その周期方向の幅が広くなり、最大幅t1を越えると狭くなって縮小している。したがって第1被覆膜21Bは、凸部の周期方向の幅tより広い最大幅t1を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て第1被覆膜21Bの上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっている。最大幅t1と凹凸構造の周期Tとの比である第1被覆膜占有率t1/Tは、0.6から0.9までのいずれかの値となっている。
【0089】
本実施形態では、被覆膜20Bが曲面状に形成されているため厳密ではないが、第1の実施形態の場合と同様に、図5に示すような第1〜3の実効層からなる三層構造が形成されると近似することができる。即ち、第1の実効層(j=1)は、第1被覆膜21B(屈折率n)及び空気(屈折率1.0)、第2の実効層(j=2)は、凸部11B(屈折率n)及び空気(屈折率1.0)、第3の実効層(j=3)は、凸部11B(屈折率n)及び第2被覆膜22B(屈折率n)によって概ね構成される。
【0090】
したがって、位相遅延差δφについても、第1〜3の実効層に基づき、数式12の場合と同様に数式36で求めることができる。ここで、Dは、第1被覆膜21の高さ、Dは、第2被覆膜22Bの高さ、Dは、凸部11の高さDと第2被覆膜22Bの高さDとの差をそれぞれ示している。
【0091】
【数36】
Figure 2005010377
【0092】
本実施形態に係る光学位相差素子10Bにおいては、第1及び第3の実効層における位相遅延差δn(1)及びδn(3)に比べて、第2の実効層における位相遅延差δn(2)の値は小さい。また、第1被覆膜21の高さD及び凸部11の高さDと第2被覆膜22Bの高さDとの差Dと比べて、第2被覆膜22Bの高さDの値は小さい。したがって、本実施形態に係る光学位相差素子10Bにおける位相遅延差においては、第1の実効層による複屈折効果が支配的となる。
【0093】
本実施形態に係る光学位相差素子100Bによれば、基板部10が屈折率の低い誘電体基板であっても、また、その上面に形成された凹凸構造における凸部占有率t/Tが製造し易い0.4から0.6の値であっても、第1被覆膜占有率t1/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となるように、屈折率の高い第1被覆膜21Bを凹凸構造上に形成することができる。したがって、第1の実施形態の場合と同様に、位相遅延差δφの入射光の波長λに対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。さらに、基板部10の凸部占有率t/Tを0.5前後とすることができるので、製造が容易となり、成型などに有利である。
【0094】
また、被覆膜20B各部の幅が高さ方向で滑らかに変化する形状となるので、有効屈折率が徐々に変化する構造となり、反射光を抑制することができる。
【0095】
図6は、図5に示した光学位相差素子を近似的に示した光学位相差素子の断面図であり、図7は、図6に示した光学位相差素子において、被覆膜の屈折率を変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【0096】
図6に示した光学位相差素子100Cは、位相遅延差δφの計算を容易にするために、図5に示した光学位相差素子100Bにおける被覆膜20Bを被覆膜20Cに近似したものとなっている。詳細には、第1被覆膜21Bを5つの第1被覆膜部22C1〜22C5に分割し、第2被覆膜22Bを第2被覆膜22Cに、第3被覆膜23Bを第3被覆膜23Cにそれぞれ近似している。
【0097】
尚、凸部占有率t/Tは0.5とし、第1被覆膜部22C1及び22C5の幅は0.7T、第1被覆膜部22C2及び22C4の幅は0.75T、第1被覆膜部22C3の幅は0.8Tとして、第1被覆膜占有率t1/Tを0.7から0.8まで変化させた。また、第3被覆膜23Cの幅は0.1Tとした。さらに、第2被覆膜22Cの高さDを0.2Dとし、被覆膜20Cの屈折率には2.0、2.5及び3.0を適用し、凹凸構造の周期Tは320nm、250nm及び210nmとしている。
【0098】
図示のように、図2に示した第1の実施形態の場合と同様に、入射光の波長λが長くなるにつれて位相遅延差δφが減少する傾向が見られる。図中黒丸で示した水晶の位相板は従来の技術を示しており、本実施形態に係る光学位相差素子100Cによれば、これと比べて位相遅延差低下の傾向が改善されており、位相遅延差δφが入射光の波長に依存し難くなっている。
【0099】
以上本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく種々の変更が可能である。例えば、本発明は、入射光λに対してλ、λ/2など、λ/4以外の位相遅延差を発生させる波長板にも適用可能である。また、設計波長、周期T等についても種々の変更が可能である。
【0100】
【実施例】
光学位相差素子の一例として、He−Neレーザーに使用する1/4波長板を作成した。基板部10を1.46の低い屈折率を持つ石英ガラス基板で構成し、上面には周期Tが320nm、線幅tが140nm、深さDが500nmの凹凸構造を作成した。次いで、スパッタ装置を用いて、被覆膜として屈折率nが2.03のZnSnO(ZTO)を凹凸構造上に500nmの厚さで堆積した。
【0101】
図8(a)は、石英ガラス基板上に形成した凹凸構造の断面電子顕微鏡写真であり、図8(b)は、図8(a)に示した凹凸構造上にZTO膜を被覆させて形成した光学位相差素子表面の畝状構造の断面電子顕微鏡写真である。
【0102】
上記のようにして製造した光学位相差素子にHe−Neレーザー光(波長633nm)と
Ti:サファイアレーザー光(波長780nm)とを透過させて光学特性を測定した。TE波とTM 波との間の位相遅延差は、He−Neレーザー光では約86度であり、Ti:サファイアレーザー光では約78度であった。また、He−Neレーザー光でのTE波、TM波の透過率は、それぞれ90.6%及び88.2%であった。
【0103】
【発明の効果】
本発明に係る光学位相差素子は、上面に凹凸構造を有する基板部と、前記凹凸構造の凸部の上面に形成された屈折率の高い第1被覆膜を有し、凸部占有率t/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【0104】
また、本発明に係る他の光学位相差素子は、上面に凹凸構造を有する基板部と、前記凹凸構造の凸部の上面に形成された第1被覆膜と、第1被覆膜より薄い凹部底面に形成された第2被覆膜と、前記凸部側面に形成された第3被覆膜とを有し、前記第1被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅tより広い最大幅t1を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第1被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに縮小した形状となっており、凸部占有率t/Tが0.4から0.6までのいずれかの値、第1被覆膜占有率t1/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【0105】
これらの構造に基づき、本発明に係る光学位相差素子によれば、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。したがって、従来の光学位相差素子では実現できなかった広帯域の光学位相差素子を実現することができる。
【0106】
また、凹凸構造に被覆膜を形成した構造となっているので、製造が容易であり、特に凹凸構造に成形により製造することにより低価格を実現し量産性に優れている。また、成形製造により曲面状に湾曲したレンズや反射部材等の光学素子の表面に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図2】(a)及び(b)は、図1に示した光学位相差素子において、凸部占有率t/Tを変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図4】第2被覆膜の高さDを変化させたときの界面1からの反射光のTE波及びTM波に対する振幅Bの依存性を示したグラフである。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図6】図5に示した光学位相差素子を近似的に示した断面図である。
【図7】図6に示した光学位相差素子において、被覆膜の屈折率を変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【図8】(a)は、石英ガラス基板上に形成した凹凸構造の断面電子顕微鏡写真であり、(b)は、(a)に示した凹凸構造上にZTO膜を被覆させて形成した光学位相差素子表面の畝状構造の断面電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
10、10B 基板部
11、11B 凸部
12、12B 凹部
20、20A、20B、20C 被覆膜
21、21A、21B、21C 第1被覆膜
22、22A、22B、22C 第2被覆膜
23B、23C 第3被覆膜
100、100A、100B、100C 光学位相差素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical phase difference element called a birefringent wave plate or an optical phase plate.
[0002]
[Prior art]
An optical phase difference element is an optical element that gives a different phase delay for each polarization component of incident light. It is an optical disk pickup, an optical isolator in optical communication, a surface analyzer by polarization analysis, and a liquid crystal display that combines and separates polarized light. It has been applied to various fields such as devices, and has become a necessary and indispensable device in these fields.
[0003]
In particular, an optical phase difference element provided in an optical disk pickup or the like can be used together with a polarizing beam splitter, so that the utilization efficiency of light energy can be increased, and at the same time, it functions as an optical isolator. In CDs and DVDs, laser beams having different wavelengths (780 nm and 650 nm) are used. In recent years, an apparatus that realizes these with one optical system has been proposed. Also in an optical isolator in optical communication, light in a wide wavelength range can be transmitted for multiplexing optical signals. Accordingly, there has been a demand for an optical phase difference element that generates a stable phase delay difference for light in a wide wavelength range.
[0004]
The optical phase difference element is provided with a natural birefringence crystal such as calcite, mica, or quartz, a birefringent polymer, or an artificial periodic structure shorter than the wavelength used. There is something that was formed.
[0005]
As the birefringent crystal, there is a flat plate cut parallel to the crystal axis. The light incident perpendicular to the cut surface is divided into a light component called an ordinary ray and a light component called an extraordinary ray. Since the propagation speed is different between the ordinary ray and the extraordinary ray, a difference occurs in the amount of phase delay between the two rays as they propagate through the optical phase difference element. Since the difference in the phase delay is proportional to the propagation distance in the optical phase difference element, the difference in the phase delay amount as the target value can be obtained by controlling the thickness of the optical phase difference element. However, the optical phase difference element of the birefringence crystal has a drawback that it is very expensive because it uses a crystal.
[0006]
Even the birefringent polymer is the same as the birefringent crystal described above in principle. In this case, the birefringence expressed between the average molecular direction of the polymer constituting the optical retardation element and the direction perpendicular thereto is used. Such an uneven arrangement of polymers can be produced simply by applying a force in a specific direction to the plastic material and making it a thin plate, so that even a large size can be obtained at a low cost. However, the birefringent polymer is inferior to the birefringent crystal in optical properties and durability, and is insufficient for application to a high-performance optical element.
[0007]
As an artificially formed periodic structure, there is a structure in which a periodic uneven structure is provided on a transparent dielectric substrate. The period of the uneven structure is shorter than the wavelength used. Since the propagation speed of light perpendicularly incident on the concavo-convex structure is different between the polarization component parallel to the groove direction of the concavo-convex structure and the polarization component perpendicular to the polarization component, a phase delay difference occurs between the two components. In this case, this phase delay difference is proportional to the depth of the concavo-convex structure. Therefore, a desired phase delay difference can be obtained by controlling this depth. An optical phase difference element provided with such a fine periodic concavo-convex structure was developed in 1983 by D.C. C. This is realized by Flanders (see Non-Patent Document 1).
[0008]
The concavo-convex structure (surface relief grid) is manufactured by manufacturing a mold by electroforming using a grid pattern formed of a photoresist and injecting a thermoplastic resin into the mold. That is, mass production by molding is possible. Furthermore, in the case of an optical element manufactured by molding, even if it has a curved surface such as a lens, the periodic concavo-convex structure as described above is incorporated into the surface constituting the element, and It can be manufactured as one optical phase difference element.
[0009]
However, in the optical retardation element having the concavo-convex structure, the phase delay difference strongly depends on the refractive index of the material in addition to the depth of the concavo-convex structure, and in particular, the higher the refractive index of the material, the stronger the birefringence. . Since the refractive index of optical materials such as glass and plastic is about 1.5, a very deep concavo-convex structure is required to realize a practical optical phase difference element using them. For example, when an optical phase difference element having a phase delay difference of ¼λ corresponding to He—Ne laser light (wavelength λ = 632.8 nm) is realized using a glass substrate, the period of the concavo-convex structure is 400 nm, When the line width is 200 nm, the depth is about 1800 nm. When such a structure is manufactured by injection molding or press molding, there is a problem that the thermoplastic resin does not peel well and remains in the mold.
[0010]
Further, as a method for manufacturing such an optical phase difference element, there is a method in which a lattice pattern of a photoresist is directly formed on a dielectric substrate and etching is performed using this as a mask. However, this method requires an expensive apparatus such as an ultraviolet exposure apparatus, an electron beam drawing apparatus, and a plasma etching apparatus, which is difficult to form a resist pattern having a thickness that can withstand etching, and requires a long time for manufacturing. There was a problem such as need.
[0011]
Also, an optical phase difference element has been devised that can realize a large phase delay even in a shallow uneven structure by forming an uneven structure in an optical material having a high refractive index. However, an optical material having a high refractive index is not suitable for molding, and thus has a drawback of poor productivity and high cost.
[0012]
In order to cope with this problem, a surface relief grating having a shallow groove is provided in the substrate dielectric, and a dielectric material having a higher refractive index than the substrate dielectric is coated or filled on the surface relief grating. An optical phase difference element has been proposed (see Patent Document 1).
[0013]
[Non-Patent Document 1]
Dee. Sea. F. Flanders, “Submicrometer periodicities as anotropic dielectrics”, Vol. 42, No. 6, Applied. Physics Letter (Applied Physics Letter), March 15, 1983, p. 492-494
[0014]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-99402
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical phase difference element described in Patent Document 1 has a problem that the strength of birefringence hardly depends on the incident wavelength. Since the phase delay difference is proportional to the ratio of the birefringence strength to the wavelength, there is a sufficient phase delay difference in the vicinity of the light wavelength (hereinafter referred to as the design wavelength) that is assumed to be used for the optical phase difference element at the time of design. Even if it is configured to occur, it is usual that a sufficient phase delay difference cannot be obtained in other wavelength regions far from the vicinity of the design wavelength.
[0016]
The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and suppresses fluctuation of the phase delay difference with respect to the wavelength of the incident light, thereby generating a stable phase delay difference for light in a wide wavelength range. An object of the present invention is to provide an optical phase difference element that can be used.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, an optical phase difference element according to the present invention includes a substrate portion having a concavo-convex structure on a top surface, in which convex portions having a substantially rectangular shape in cross section are arranged with a period T shorter than a design wavelength, and the convex portions An optical retardation element having a higher refractive index than that of a portion and having a coating film formed on the concavo-convex structure, wherein the coating film is at least on an upper surface of the convex portion of the substrate portion A convex covering ratio t / T, which is a ratio of a width t in the periodic direction of the convex portion and a period T of the concave-convex structure; It is characterized by any value.
[0018]
According to the optical phase difference element, since the convex portion occupation ratio t / T is any value from 0.6 to 0.9, the fluctuation of the phase delay difference with respect to the wavelength of the incident light is suppressed. Thus, a so-called achromatic optical phase difference element capable of generating a stable phase delay difference for light in a wide wavelength range can be realized.
[0019]
Further, the coating film has a second coating film formed on the bottom surface of the concave portion of the concavo-convex structure in the substrate portion, and the height D of the second coating film from the bottom surface of the concave portion 2 And the height D of the projection 1 Difference in coating height D 2 -D 1 Is the design wavelength λ, and the refractive index of the second coating film is n 2 , Where N is an arbitrary integer greater than or equal to 0, it is preferably any value within the range represented by Equation 1.
[0020]
2Nλ / 4n 2 <D 2 -D 1 <(2N + 1) λ / 4n 2 ... Formula 1
According to the optical phase difference element, the coating height difference D 2 -D 1 Is within the range of Equation 1 above, it is possible to suppress reflection at the concavo-convex structure with respect to the design wavelength λ.
[0021]
In addition, another optical phase difference element according to the present invention includes a substrate portion having a concavo-convex structure in which convex portions having a substantially rectangular shape in a cross-sectional view are arranged at a period T shorter than a design wavelength, and a higher refractive than the convex portion. An optical phase difference element comprising a coating film formed on the concavo-convex structure, wherein the coating film is formed on the upper surface of the convex portion, A second coating film formed on a bottom surface of the concave portion of the concavo-convex structure; and a third coating film formed on a side surface of the convex portion, the second coating film and the third coating film. The extension portion has a maximum width t1 in the periodic direction that is wider than the width t in the periodic direction of the convex portion. Including a shape in which the width in the period direction smoothly changes from the upper surface of the convex portion to the upper end of the first coating film through the extended portion, The convex portion occupation ratio t / T, which is the ratio of the width t in the periodic direction of the portion and the period T of the concave-convex structure, is any value from 0.4 to 0.6, and the maximum width t1 The first coating film occupation ratio t1 / T, which is a ratio to the period T of the uneven structure, is any value from 0.6 to 0.9.
[0022]
According to the optical phase difference element, even when the convex portion occupancy t / T in the concavo-convex structure is a value of 0.4 to 0.6 which is easy to manufacture, the first coating film occupancy t1 / T is set to 0. By setting the value to any value from 6 to 0.9, it is possible to suppress the fluctuation of the phase delay difference with respect to the wavelength of the incident light and generate a stable phase delay difference with respect to light in a wide wavelength range. .
[0023]
In addition, since the width of each part of the coating film changes smoothly in the height direction, the effective refractive index gradually changes, and reflected light can be suppressed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, taking as an example a quarter wave plate that generates a phase delay difference of λ / 4 with respect to incident light λ as an optical phase difference element. To do.
[0025]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to the first embodiment of the present invention. The illustrated cross-sectional structure is continuous in the direction perpendicular to the paper surface, and has a bowl-like surface shape.
[0026]
As shown in the drawing, the optical retardation element 100 according to the first embodiment of the present invention has a concavo-convex structure on the upper surface of which convex portions 11 having a substantially rectangular shape in cross section are arranged with a period T shorter than the design wavelength. Refractive index n of part 10 and convex part 11 1 Higher refractive index n 2 And a coating film 20 formed on the concavo-convex structure.
[0027]
In the present embodiment, the substrate portion 10 is made of quartz glass (refractive index: 1.46). However, the substrate portion 10 may be made of another dielectric substrate having a high transmittance such as a plastic or a photocurable resin.
[0028]
The period T of the concavo-convex structure formed on the upper surface of the substrate unit 10 is shorter than the wavelength λ of the light to be used. In this embodiment, the period t of the convex part 11 and the period T of the concavo-convex structure The ratio of convex portion occupancy t / T, which is a ratio, is any value from 0.6 to 0.9. In addition, the period T is set to 300 nm or 180 nm, the He—Ne laser light (wavelength 633 nm) and the GaAlAs semiconductor laser light (wavelength 780 nm) are assumed as the design wavelengths, and the wavelength region in the vicinity thereof is assumed as the use light. However, the design wavelength and the value of the period T are not limited to this.
[0029]
Such a concavo-convex structure is preferably formed by mass production techniques such as injection molding and press molding in consideration of cost and productivity, but is also formed by etching using a photoresist having a lattice pattern as a mask. Is possible. In FIG. 1, the convex portion 11 is formed of the same material as the main body of the substrate portion 10. However, the convex portion 11 is formed on the substrate by forming a dielectric layer on the substrate and patterning it by etching. It is good also as a material different from the main body of the part 10. FIG.
[0030]
The coating film 20 has a first coating film 21 formed on the upper surface of the convex portion 11 in the substrate portion 10 and a second coating film 22 formed on the upper surface of the concave portion 12. In the present embodiment, the first coating film 21 and the second coating film 22 are simultaneously formed under the same conditions, and the first coating film 21 and the second coating film 22 have the same height D. 2 However, there may be a difference in film formation conditions due to the shape effect of the unevenness, and the height may be different. However, in the present embodiment, the height D of the second coating film 22 is the height from the bottom surface of the recess. 2 Is the height D of the convex part 11 1 It is lower.
[0031]
In the present embodiment, the coating film 20 is made of Si. 3 N 4 (Refractive index 2.1) or silicon (Si) (refractive index 3.5). 2 It is also possible to configure with another dielectric substrate having a high refractive index. The coating film 20 is formed by an electron beam evaporation method, a sputtering method, an ion beam evaporation method, or the like.
[0032]
Thus, by providing the film | membrane with a refractive index different from the board | substrate part 10 on the uneven structure of the board | substrate part 10, the three-layer structure which consists of a 1st-3rd effective layer as shown in FIG. 1 is formed. The first effective layer (j = 1) is the first coating film 21 (refractive index n 2 ) And air (refractive index 1.0), the second effective layer (j = 2) is a convex portion 11 (refractive index n). 1 ) And air (refractive index 1.0), the third effective layer (j = 3) 1 ) And the second coating film 22 (refractive index n) 2 ) Respectively.
[0033]
Since the period T of the concavo-convex structure is short enough not to generate a diffracted wave with respect to incident light as described above, each of the first to third effective layers is a thin film having optical anisotropy due to artificial birefringence. Can be considered. When light including a light wave (TE wave) oscillating in a direction parallel to the groove of the concavo-convex structure and a light wave (TM wave) oscillating in a direction perpendicular to the groove is incident on each effective layer, the TE wave and the TM wave are Each has a different effective refractive index (effective refractive index). In the following, j (= 1 to 3) is made to correspond to the first to third effective layers, and the effective refractive index of the TE wave and TM wave in the first to third effective layers is expressed as n. TE (J), n TM This will be described in detail with reference to (j), in which different phase delays occur between the polarization direction and the direction perpendicular to the transmitted light due to the optical anisotropy of each effective layer.
[0034]
First, the period T is shorter than the wavelength λ of light in each effective layer, which is perpendicularly incident on each effective layer, and no diffracted light other than the 0th order light is generated at the time of this normal incidence. The condition of such a period T is that the refractive index n of the convex portion 11 1 The effective refractive index n of the coating film 20 TE (J), n TM Using (j), the following Expression 11 is given.
[0035]
T <λ / max [n 1 , N TE (J), n TM (J)] ... Formula 11
Refractive index n of coating film 20 2 Is large, the depth of the concavo-convex structure for generating a necessary phase delay difference is made shallow, but the effective refractive index n TE (J), n TM Since the value of (j) also increases, it can be seen that the necessary period T is shortened as shown in Equation 11.
[0036]
In the present embodiment, since the period T satisfies Equation 11, the light incident perpendicularly to the concavo-convex structure does not generate high-order diffracted light, and the transmitted light is directed in the same direction as the incident light. Within the concavo-convex structure, the effective refractive index n of the TE wave TE The value of (j) is the effective refractive index n of the TM wave TM Since it is larger than the value of (j), the TE wave passes through the concavo-convex structure at a slower speed than the TM wave. As a result, when the light wave incident in the same phase passes through the concavo-convex structure, a phase delay different between the polarization direction and the direction perpendicular thereto is generated. At this time, the phase delay difference δφ generated between the TE wave and the TM wave has two effective refractive indexes n for the TE wave and the TM wave as shown in Expression 13. TE (J) and n TM The difference of (j) is given by Equation 12 with δn (j). For a quarter-wave plate, the value is 0.5π radians and for a half-wave plate is π radians.
[0037]
δφ = 2π / λ (δn (1) D 2 + Δn (2) (D 1 -D 2 ) + Δn (3) D 2 ) ... Formula 12
δn (j) = n TE (J) -n TM (J) Expression 13
As in this embodiment, the coating film 20 having a high refractive index is formed on the concavo-convex structure to form a three-layer structure in which the values of δn (1) and δn (3) are large. In addition, the depth D of the uneven structure 1 A large phase delay difference can be obtained without increasing the depth.
[0038]
Effective refractive index n for TE and TM waves in the entire effective layer TE (J) and n TM (J) is the effective refractive index n in each effective layer TE0 (J) and n TM0 Using (j), it is expressed by the following equation. In the formula, f is an abbreviation of the convex portion occupancy t / T, which is the ratio of the width t in the periodic direction of the convex portion 11 to the period T of the concave-convex structure.
First effective layer (j = 1)
[0039]
[Expression 14]
Figure 2005010377
[0040]
[Expression 15]
Figure 2005010377
[0041]
Second effective layer (j = 2)
[0042]
[Expression 16]
Figure 2005010377
[0043]
[Expression 17]
Figure 2005010377
[0044]
Third effective layer (j = 3)
[0045]
[Expression 18]
Figure 2005010377
[0046]
[Equation 19]
Figure 2005010377
[0047]
By applying Expressions 14 to 19 to an expression called “Rytov's quadratic approximate expression”, effective refraction n shown in Expressions 20 and 21 is obtained. TE (J) and n TM (J) (Reference: S. M. Rytov, “Electromagnetic Properties of Finely Stratified Medium, Journal of Experimental and Theoretics.
[0048]
[Expression 20]
Figure 2005010377
[0049]
[Expression 21]
Figure 2005010377
[0050]
Where n 3 And n 4 Is n if j = 1 3 = 1, n 4 = N 2 , J = 2, n 3 = 1.0, n 4 = N 1 , J = 3, n 3 = N 2 , N 4 = N 1 It becomes.
[0051]
2A and 2B show the dependency of the phase delay difference δφ on the wavelength λ of the incident light when the convex portion occupancy t / T is changed in the optical phase difference element shown in FIG. It is a graph. As optical phase difference elements, those having a convex portion occupation ratio t / T of 0.4 and 0.5 exceeding the above-described range of 0.6 to 0.9 are also shown for comparison.
[0052]
In these graphs, the refractive index n of the convex portion 11 1 Is 1.46 of the refractive index of quartz glass as described above. In FIG. 2A, the period T is set to 300 nm, and the refractive index n of the coating film 20 is set. 2 In FIG. 2B, the period T is 180 nm, and the refractive index n of the coating film 20 is 2 Is 3.5.
[0053]
As shown in the figure, the optical phase difference element shown here generates a phase delay difference δφ of 90 ° (0.5π radians) with respect to incident light of 633 nm which is the wavelength of the He—Ne laser light. Although a wave plate is used, when the convex portion occupation ratio t / T is small, the phase delay difference δφ decreases as the wavelength λ of the incident light increases.
[0054]
The width t of the convex portion 11 in the periodic direction is formed to be the same width as the width of the concave portion 12 in the periodic direction, and the convex portion occupation ratio t / T is generally set to 0.5. When t / T exceeds 0.5, the tendency of the phase delay difference to decrease is improved, and the phase delay difference δφ does not depend on the wavelength of incident light or almost does not depend on it. For example, when t / T is 0.5, the phase modulation amount strongly depends on the wavelength of the incident light. However, when t / T> 0.7, the phase delay difference δφ is a change in the wavelength λ of the incident light. Has not changed much.
[0055]
In the optical phase difference element 100 according to the first embodiment, the convex portion occupancy t / T is any value from 0.6 to 0.9, and the above-described effect is exhibited. Therefore, the fluctuation of the phase delay difference δφ with respect to the wavelength λ of the incident light can be suppressed, and a stable phase delay difference can be generated for light in a wide wavelength range. It can be applied for use.
[0056]
As shown in FIG. 2, the convex portion occupation ratio t / T is more preferably any value from 0.7 to 0.9, and 0.8 to 0.9. It is further desirable that the value is any of the above. Thereby, the phase delay difference δφ can be made less variable with respect to the conversion of the wavelength λ of the incident light, and a more stable phase delay difference can be generated for light in a wide wavelength range.
[0057]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to the second embodiment of the present invention.
[0058]
As shown in the figure, the optical retardation element 100A according to the second embodiment of the present invention includes a substrate unit 10 and a coating film 20A. The substrate unit 10 is the same as that of the first embodiment. Since it is the same as that shown, its detailed description is omitted.
[0059]
Also in the present embodiment, the coating film 20 </ b> A includes a first coating film 21 </ b> A formed on the upper surface of the convex portion 11 in the substrate portion 10 and a second coating film 22 </ b> A formed on the upper surface of the concave portion 12. And formed in the same manner as shown in the first embodiment. However, in the present embodiment, the height D of the second coating film 22A, which is the height from the bottom surface of the recess. 2 Is the height D of the convex part 11 1 Higher.
[0060]
In the present embodiment, the height D from the bottom surface of the concave portion 12 of the second coating film 22A. 2 And the height D of the projection 11 1 Difference in coating height D 2 -D 1 Is the design wavelength λ and the refractive index of the second coating film 22A is n 2 , Where N is any integer greater than or equal to 0, the value is any value within the range represented by Equation 1.
[0061]
2Nλ / 4n 2 <D 2 -D 1 <(2N + 1) λ / 4n 2 ... Formula 1
Also in the present embodiment, as in the case of the first embodiment, a three-layer structure including the first to third effective layers as shown in FIG. 3 is formed. The first effective layer (j = 1) is the first coating film 21A (refractive index n 2 ) And air (refractive index 1.0), the third effective layer (j = 3) 1 ) And the second coating film 22A (refractive index n) 2 ) Is the same. However, the second effective layer (j = 2) includes the first coating film 21A (refractive index n 2 ) And the second coating film 22A (refractive index n) 2 ), That is, a uniform layer constituted only by the coating film 20A.
[0062]
Since this second effective layer has no optical anisotropy and the thickness of the layer does not affect the phase delay difference between the polarization components, the coating height difference D 2 -D 1 Even if this value is adjusted, the phase delay difference of ¼ wavelength can be maintained. Coating height difference D 2 -D 1 Is any value within the range represented by Equation 1, reflection at the interface can be canceled with respect to the TE wave and the TM wave. Therefore, according to the optical phase difference element 100A according to the present embodiment, it is possible to suppress reflection at the concavo-convex structure with respect to the design wavelength λ. This will be described below.
[0063]
When light enters the optical phase difference element 100A, reflection occurs at four interfaces, that is, the interfaces 1 to 3 that are the upper surfaces of the first to third effective layers and the interface 4 that is the lower surface of the third effective layer. Refractive index n of coating film 20A 2 The larger the value of, the stronger this reflection and the lower the transmittance. In the following, the amplitude of the light (electric field) incident on the interface 1 is A 0 , The amplitude of the reflected light from the interface 1 is B 0 And the amplitude of incident light propagating in each of the first to third effective layers is A 1 ~ 3 , The amplitude of the reflected light is B 1 ~ 3 And the amplitude of the light incident on the interface 4 is A 4 And
[0064]
Amplitude B of reflected light from interface 1 0 Occurs as the sum of reflections at each interface, and its value is determined by the reflectance at each interface and the optical distance between the interfaces. In particular, since the optical distance between the interfaces is related to the interference effect of light waves, the interference effect can be controlled to suppress the reflected light by adjusting the film thickness of each effective layer. Amplitude B indicating intensity of reflected light 0 Is approximated using multilayer interference theory.
[0065]
First, since there are incident and reflected light waves above the interface 1, the electric field E above the interface 1. 0 Can be expressed by Equation 22. Electric field E in each effective layer j Can be similarly expressed by Equation 23. Where n j Is the refractive index in the effective layer, and the effective refractive index n shown in Equation 20 and Equation 21. TE (J) and n TM (J). However, in the second effective layer, n 2 It becomes. Further, z in the equation represents a displacement on the z-axis that is shown vertically upward with respect to the upper surface of the substrate portion 10 in FIG.
[0066]
[Expression 22]
Figure 2005010377
[0067]
[Expression 23]
Figure 2005010377
[0068]
On the other hand, the electric field E at each interface j (Z j ), And its propagation direction derivative must be continuous, z = z j , The boundary conditions of Equations 24 and 25 are satisfied.
[0069]
E j (Z j ) = E j-1 (Z j ) ... Formula 24
dE j-1 (Z) / dz = dE j (Z) / dz (z = z j ) ... Formula 25
Using the above Equations 22 to 25, the amplitude B of the reflected light from the interface 1 0 Can be calculated as Equations 26-30 for the TE wave and Equations 31-35 for the TM wave. Usually, both amplitudes B 0 Are different values.
[0070]
[Equation 26]
Figure 2005010377
[0071]
[Expression 27]
Figure 2005010377
[0072]
[Expression 28]
Figure 2005010377
[0073]
[Expression 29]
Figure 2005010377
[0074]
[30]
Figure 2005010377
[0075]
[31]
Figure 2005010377
[0076]
[Expression 32]
Figure 2005010377
[0077]
[Expression 33]
Figure 2005010377
[0078]
[Expression 34]
Figure 2005010377
[0079]
[Expression 35]
Figure 2005010377
[0080]
The case of the optical retardation element 100A according to the present embodiment, which is a ¼ wavelength plate suitable for He—Ne laser light (wavelength 633 nm), is calculated using the above Expressions 26-30 and 31-35. Refractive index n of the substrate unit 10 1 Is 1.46, the period T of the concavo-convex structure is 320 nm, the convex portion occupation ratio t / T is 0.6, and the height D of the convex portion 11 1 Is 325 nm.
[0081]
Refractive index n of coating film 20A 2 Is 2.2, the height D of the first coating film 21A and the second coating film 22A is required to obtain a quarter-wave plate. 2 May be 325 nm. However, in this case, due to the reflection at the interface described above, the TE wave transmittance is 87% and the TM wave transmittance is 90%. On the other hand, in this embodiment, D 1 Is 325 nm, and D satisfies the above formula 1 2 Is 345 nm.
[0082]
FIG. 4 shows the height D of the second coating film 22A. 2 Of the reflected light from the interface 1 with respect to the TE and TM waves 0 It is the graph which showed dependence of.
[0083]
As shown, the height D of the second coating film 22A 2 However, in the case of 345 nm, which is the present embodiment, both the TE wave and TM wave transmittances are 95% or more, and reflection can be suppressed to 5% or less.
[0084]
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to the third embodiment of the present invention.
[0085]
As illustrated, the optical phase difference element 100B according to the third embodiment of the present invention includes a substrate unit 10B and a coating film 20B.
[0086]
For the substrate portion 10B, the convex portion occupation ratio t / T, which is the ratio of the width t in the periodic direction of the convex portion 11B and the period T of the concave-convex structure, is any value from 0.4 to 0.6. Yes. Since the other points are the same as those of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0087]
As in the case of the first embodiment, the coating film 20B has a higher refractive index than the convex portion 11B and is formed on the concave-convex structure, and the first coating formed on the upper surface of the convex portion 11B. A film 21B and a second coating film 22B formed on the bottom surface of the concave portion 12B having the concave-convex structure are included. In the present embodiment, it further includes a third coating film 23B formed on the side surface of the convex portion 11B.
[0088]
The structure as shown in FIG. 5 is obtained by growing the coating film 20B on the concavo-convex structure of the substrate portion 10B by a film forming method having a low directivity such as a sputtering method. In such a film forming method, since the film is more likely to grow on the top surface of the convex portion than the bottom surface of the concave portion 12B and the side surface of the convex portion 11B, the second coating film 22B and the third coating film 23B The film thickness is smaller than the film thickness of the first coating film 21B. Further, the film formed on the upper surface of the convex portion becomes wider in the periodic direction as it grows, and narrows and shrinks when it exceeds the maximum width t1. Accordingly, the first coating film 21B includes an extended portion having a maximum width t1 wider than the width t in the periodic direction of the convex portion in the periodic direction, and the first coating film 21B passes through the extended portion from the upper surface of the convex portion. It has a shape in which the width in the period direction smoothly changes until reaching the upper end. The first coating film occupation ratio t1 / T, which is the ratio between the maximum width t1 and the period T of the concavo-convex structure, is any value from 0.6 to 0.9.
[0089]
In the present embodiment, since the coating film 20B is formed in a curved surface shape, it is not strict, but as in the case of the first embodiment, three coating layers including first to third effective layers as shown in FIG. It can be approximated when a layered structure is formed. That is, the first effective layer (j = 1) includes the first coating film 21B (refractive index n 2 ) And air (refractive index 1.0), the second effective layer (j = 2) is a convex portion 11B (refractive index n). 1 ) And air (refractive index 1.0), the third effective layer (j = 3) is a convex portion 11B (refractive index n). 1 ) And the second coating film 22B (refractive index n) 2 ).
[0090]
Therefore, the phase delay difference δφ can also be obtained by Expression 36 as in Expression 12, based on the first to third effective layers. Where D 2 Is the height of the first coating film 21, D 4 Is the height of the second coating film 22B, D 3 Is the height D of the convex part 11 1 And the height D of the second coating film 22B 4 The difference is shown respectively.
[0091]
[Expression 36]
Figure 2005010377
[0092]
In the optical phase difference element 10B according to the present embodiment, the phase delay difference δn (2 in the second effective layer compared to the phase delay differences δn (1) and δn (3) in the first and third effective layers. ) Is small. Further, the height D of the first coating film 21 2 And the height D of the projection 11 1 And the height D of the second coating film 22B 4 Difference D 3 Compared to the height D of the second coating film 22B 4 The value of is small. Therefore, the birefringence effect by the first effective layer is dominant in the phase delay difference in the optical retardation element 10B according to the present embodiment.
[0093]
According to the optical phase difference element 100B according to the present embodiment, even if the substrate unit 10 is a dielectric substrate having a low refractive index, the convex portion occupation ratio t / T in the concavo-convex structure formed on the upper surface thereof is manufactured. Even if the value is 0.4 to 0.6, the first coating film occupancy t1 / T has a high refractive index so that the first coating film occupancy t1 / T is any value from 0.6 to 0.9. One coating film 21B can be formed on the concavo-convex structure. Therefore, as in the case of the first embodiment, it is possible to suppress the fluctuation of the phase delay difference δφ with respect to the wavelength λ of the incident light and generate a stable phase delay difference for light in a wide wavelength range. Further, since the convex portion occupancy t / T of the substrate portion 10 can be set to around 0.5, manufacturing is facilitated, which is advantageous for molding and the like.
[0094]
Further, since the width of each part of the coating film 20B changes smoothly in the height direction, the effective refractive index gradually changes, and reflected light can be suppressed.
[0095]
6 is a cross-sectional view of the optical phase difference element that schematically shows the optical phase difference element shown in FIG. 5, and FIG. 7 shows the refractive index of the coating film in the optical phase difference element shown in FIG. 6 is a graph showing the dependence of the phase delay difference δφ on the wavelength λ of incident light when the angle is changed.
[0096]
The optical phase difference element 100C shown in FIG. 6 is obtained by approximating the coating film 20B in the optical phase difference element 100B shown in FIG. 5 to the coating film 20C in order to facilitate the calculation of the phase delay difference δφ. It has become. Specifically, the first coating film 21B is divided into five first coating film portions 22C1 to 22C5, the second coating film 22B is the second coating film 22C, and the third coating film 23B is the third. Each of them is approximate to the coating film 23C.
[0097]
The convex portion occupation ratio t / T is 0.5, the width of the first coating film portions 22C1 and 22C5 is 0.7T, the width of the first coating film portions 22C2 and 22C4 is 0.75T, The width of the covering film portion 22C3 was 0.8T, and the first covering film occupation ratio t1 / T was changed from 0.7 to 0.8. The width of the third coating film 23C was set to 0.1T. Further, the height D of the second coating film 22C 4 0.2D 2 The refractive index of the coating film 20C is 2.0, 2.5, and 3.0, and the period T of the concavo-convex structure is 320 nm, 250 nm, and 210 nm.
[0098]
As shown in the figure, the phase delay difference δφ tends to decrease as the wavelength λ of the incident light increases as in the case of the first embodiment shown in FIG. The quartz phase plate shown by the black circles in the figure shows the prior art, and according to the optical phase difference element 100C according to the present embodiment, the tendency of the phase delay difference to be reduced is improved as compared with this, The delay difference δφ is unlikely to depend on the wavelength of incident light.
[0099]
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the present invention is also applicable to a wave plate that generates a phase delay difference other than λ / 4, such as λ, λ / 2, etc. with respect to incident light λ. Various changes can be made to the design wavelength, the period T, and the like.
[0100]
【Example】
As an example of the optical phase difference element, a quarter wavelength plate used for a He—Ne laser was prepared. The substrate part 10 is composed of a quartz glass substrate having a low refractive index of 1.46, and the upper surface has a period T of 320 nm, a line width t of 140 nm, and a depth D. 1 Produced a concavo-convex structure of 500 nm. Next, using a sputtering apparatus, a refractive index n as a coating film 2 Zn with 2.03 2 SnO 4 (ZTO) was deposited on the concavo-convex structure to a thickness of 500 nm.
[0101]
FIG. 8A is a cross-sectional electron micrograph of the concavo-convex structure formed on the quartz glass substrate, and FIG. 8B is formed by covering the concavo-convex structure shown in FIG. 8A with a ZTO film. 3 is a cross-sectional electron micrograph of a saddle-like structure on the surface of an optical retardation element.
[0102]
The optical phase difference element manufactured as described above is subjected to He—Ne laser light (wavelength 633 nm) and
Ti: sapphire laser light (wavelength 780 nm) was transmitted to measure optical characteristics. The phase delay difference between the TE wave and the TM wave was about 86 degrees for the He—Ne laser light and about 78 degrees for the Ti: sapphire laser light. Moreover, the transmittance | permeability of the TE wave and TM wave with He-Ne laser light was 90.6% and 88.2%, respectively.
[0103]
【The invention's effect】
The optical phase difference element according to the present invention includes a substrate portion having a concavo-convex structure on the upper surface and a first coating film having a high refractive index formed on the upper surface of the convex portion of the concavo-convex structure, and has a convex portion occupation ratio t. / T is any value from 0.6 to 0.9.
[0104]
Further, another optical phase difference element according to the present invention includes a substrate portion having a concavo-convex structure on an upper surface, a first coating film formed on an upper surface of the convex portion of the concavo-convex structure, and being thinner than the first coating film. A second coating film formed on the bottom surface of the concave portion and a third coating film formed on the side surface of the convex portion, wherein the first coating film is wider than a width t in a periodic direction of the convex portion; It includes an extended portion having a maximum width t1 in the periodic direction, and has a shape in which the width in the periodic direction is smoothly reduced from the upper surface of the convex portion to the upper end of the first coating film through the extended portion, The convex portion occupation ratio t / T is any value from 0.4 to 0.6, and the first coating film occupation ratio t1 / T is any value from 0.6 to 0.9. It is characterized by that.
[0105]
Based on these structures, the optical phase difference element according to the present invention suppresses the fluctuation of the phase delay difference with respect to the wavelength of the incident light, and generates a stable phase delay difference for light in a wide wavelength range. Can do. Accordingly, it is possible to realize a broadband optical phase difference element that could not be realized with a conventional optical phase difference element.
[0106]
Moreover, since the coating film is formed on the concavo-convex structure, the manufacturing is easy. In particular, by manufacturing the concavo-convex structure by molding, a low price is realized and the mass productivity is excellent. Moreover, it can be applied to the surface of an optical element such as a lens or a reflecting member that is curved into a curved shape by molding.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to a first embodiment of the present invention.
2A and 2B show the dependence of the phase delay difference δφ on the wavelength λ of incident light when the convex portion occupancy t / T is changed in the optical phase difference element shown in FIG. It is the graph which showed.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the height D of the second coating film. 2 Of the reflected light from the interface 1 with respect to the TE and TM waves 0 It is the graph which showed dependence of.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an optical phase difference element according to a third embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view schematically showing the optical phase difference element shown in FIG. 5;
7 is a graph showing the dependence of the phase delay difference δφ on the wavelength λ of incident light when the refractive index of the coating film is changed in the optical phase difference element shown in FIG. 6;
8A is a cross-sectional electron micrograph of a concavo-convex structure formed on a quartz glass substrate, and FIG. 8B is an optical image formed by coating the concavo-convex structure shown in FIG. It is a cross-sectional electron micrograph of a bowl-like structure on the surface of a retardation element.
[Explanation of symbols]
10, 10B Board part
11, 11B Convex part
12, 12B recess
20, 20A, 20B, 20C Coating film
21, 21A, 21B, 21C First coating film
22, 22A, 22B, 22C Second coating film
23B, 23C Third coating film
100, 100A, 100B, 100C Optical phase difference element

Claims (3)

断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Tで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、
前記被覆膜が、少なくとも前記基板部のうち前記凸部の上面に形成された第1被覆膜を有し、
前記凸部の周期方向の幅tと前記凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする光学位相差素子。
A convex portion having a substantially rectangular shape in cross section in a top surface has a concave-convex structure arranged with a period T shorter than the design wavelength, and a substrate having a higher refractive index than the convex portion and formed on the concave-convex structure. An optical retardation element comprising a covering film,
The coating film has a first coating film formed on the upper surface of the convex portion of at least the substrate portion,
The convex portion occupancy t / T, which is the ratio of the width t in the periodic direction of the convex portion and the period T of the concave-convex structure, is any value from 0.6 to 0.9. Optical phase difference element.
前記被覆膜が、前記基板部のうち、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第2被覆膜を有し、
該第2被覆膜の前記凹部の底面からの高さDと前記凸部の高さDとの差である被覆高差D−Dが、設計波長をλ、前記第2被覆膜の屈折率をn、0以上の任意の整数をNとしたとき、数式1で示される範囲内のいずれかの値となっていることを特徴とする請求項1記載の光学位相差素子。
2Nλ/4n <D−D<(2N+1)λ/4n … 数式1
The coating film has a second coating film formed on the bottom surface of the concave portion of the concavo-convex structure in the substrate portion,
The coating height difference D 2 -D 1 , which is the difference between the height D 2 from the bottom surface of the concave portion of the second coating film and the height D 1 of the convex portion, has a design wavelength of λ and the second coating film. 2. The optical phase difference according to claim 1, wherein when the refractive index of the covering film is n 2 and an arbitrary integer equal to or greater than 0 is N, the optical retardation is any value within the range represented by Formula 1. element.
2Nλ / 4n 2 <D 2 −D 1 <(2N + 1) λ / 4n 2 ...
断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Tで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、
前記被覆膜が、前記凸部の上面に形成された第1被覆膜と、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第2被覆膜と、前記凸部の側面に形成された第3被覆膜とを有し、
前記第2被覆膜及び前記第3被覆膜の膜厚が、前記第1被覆膜の膜厚より薄くなっており、
前記第1被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅tより広い最大幅t1を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第1被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっており、
前記凸部の周期方向の幅tと前記凹凸構造の周期Tとの比である凸部占有率t/Tが0.4から0.6までのいずれかの値となっており、
前記最大幅t1と前記凹凸構造の周期Tとの比である第1被覆膜占有率t1/Tが0.6から0.9までのいずれかの値となっていることを特徴とする光学位相差素子。
A convex portion having a substantially rectangular shape in cross section in a top surface has a concave-convex structure arranged with a period T shorter than the design wavelength, and a substrate having a higher refractive index than the convex portion and formed on the concave-convex structure. An optical retardation element comprising a covering film,
A first coating film formed on an upper surface of the convex portion; a second coating film formed on a bottom surface of the concave portion of the concave-convex structure; and a first coating film formed on a side surface of the convex portion. 3 coating films,
The film thickness of the second coating film and the third coating film is thinner than the film thickness of the first coating film,
The first coating film includes an extension portion having a maximum width t1 wider than the width t in the periodic direction of the convex portion in the periodic direction, and the first coating film passes through the extension portion from the upper surface of the convex portion. It has a shape in which the width in the period direction smoothly changes to the top,
The convex portion occupancy t / T, which is the ratio of the width t in the periodic direction of the convex portion and the period T of the concave-convex structure, is any value from 0.4 to 0.6,
The first coating film occupation ratio t1 / T, which is a ratio of the maximum width t1 and the period T of the concavo-convex structure, is any value from 0.6 to 0.9. Phase difference element.
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