JP2007279458A

JP2007279458A - サブ波長格子光学素子

Info

Publication number: JP2007279458A
Application number: JP2006106757A
Authority: JP
Inventors: Tadao Iwaki; 岩城　　忠雄
Original assignee: Miraial Co Ltd
Current assignee: Miraial Co Ltd
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-25
Also published as: WO2007116879A1

Abstract

【課題】サブ波長格子がその機能を常時有効に発揮することができるサブ波長格子光学素子を提案する。
【解決手段】本発明のサブ波長格子光学素子は、少なくとも１つが透明な材料で形成されている複数の基材によって気密空間を形成する。この気密空間を構成する少なくとも１面に、光を制御するためのサブ波長格子が設けられている。サブ波長格子が気密空間内に存在するため、サブ波長格子の突起の損傷を防止でき、また、サブ波長格子に対する水や油などの付着を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の制御素子としてサブ波長格子を適用したサブ波長格子光学素子に関する。

近年、サブ波長周期の突起を格子状に有するサブ波長格子の各種光学素子への適用が研究、開発されている。例えば、反射防止表面や偏光分離素子として、ディスプレイ、光検出器や発光素子へサブ波長格子を応用することが期待されている。

非特許文献１には、サブ波長格子を表面に有する色フィルタが記載されており、特許文献１には、サブ波長格子を表面に有する、光ピックアップに適用できる光学素子が記載されている。
金森義明、羽根一博著、「サブ波長格子 −バイオミメティック構造からフォトニックデバイスへ−」、応用物理、第７４巻第７号、ｐｐ．９３５−９３８、２００５年特開２００５−２８５３０５号公報

サブ波長格子は、上述したように、サブ波長周期の突起を格子状に配置したものである。光学素子のサブ波長格子面が取扱いの最中に他の物体と接し、サブ波長格子の一部の突起が破壊又は離脱すると、サブ波長格子が所望する機能を発揮し得なくなる。

また、光学素子のサブ波長格子面に水や油などが付くと（例えば、微細なため、指を接することによっても付く）、空気の屈折率と、水や油などの屈折率との相違により、サブ波長格子が所望する機能を発揮し得ず、又は、機能が低下する。また、付着した水や油は、突起間の隙間に入ると除去し難く、除去しようとすると、サブ波長格子の一部の突起を破壊又は離脱させる恐れがある。

そのため、サブ波長格子がその機能を常時有効に発揮することができるサブ波長格子光学素子が望まれている。

本発明のサブ波長格子光学素子は、少なくとも１つが透明な材料で形成されている複数の基材によって形成された気密空間を構成する少なくとも１面に光を制御するためのサブ波長格子が設けられていることを特徴とする。

本発明のサブ波長格子光学素子によれば、サブ波長格子が気密空間内に設けられているので、サブ波長格子の突起の破壊や離脱を防止でき、サブ波長格子への水や油などの付着も防止でき、サブ波長格子を、その機能を常時有効に発揮できる状態にしておくことができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明によるサブ波長格子光学素子の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態に係るサブ波長格子光学素子の構造を示す図面であり、図１（Ａ）が平面図であり、図１（Ｂ）が図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図である。なお、第１の実施形態のサブ波長格子光学素子には上下という概念がないものであるが、説明の便宜上、図１（Ｂ）の表示状態で適宜上下関係に言及する。

第１の実施形態のサブ波長格子光学素子１は、皿状の第１の基材２と、平板状の第２の基材３と、サブ波長格子４とを有する。

第１の基材２に形成されている凹部の底面は平面になっており、この平面にサブ波長格子４が設けられている。なお、図１では、凹部の周囲形状が矩形状のものを示しているが、他の形状（例えば円形）であっても良いことは勿論である。第１の基材２及び第２の基材３の周囲形状も矩形状に限定されるものではない。第２の基材３は、第１の基材２の凹部を完全に覆うように第１の基材２に対して設けられている。これにより、第１の基材２の凹部は、当該光学素子１の全体から見れば空隙（気密空間）５となり、この空隙５内にサブ波長格子４が設けられている。言い換えると、空隙５を構成する平行平面の一面にサブ波長格子４が設けられている。なお、平行平面の両面にサブ波長格子４が設けられていても良い。

空隙５の厚みは、空隙５の上下面での反射などで特定の波長成分が干渉で浮き立たないように選定されている。例えば、５μｍ以上できれば２０μｍ以上あることが好ましい。

さらに、対向する斜面に、同一の特性を有するサブ波長格子で形成した色分離フィルタによって、色分離特性を向上させることができた。

第１の基材２及び第２の基材３間の接合部６は、空隙５を気密なものとするように、第１の基材２及び第２の基材３を接合する。例えば、光学接着剤を用いた接着により接合する。空隙（気密空間）５は真空である必要はないが、上述したように、当該空隙５に外気が出入りすることを防止できるようになされている。

ここで、第１の基材２及び第２の基材３の少なくとも一方は透明体である。サブ波長格子４が、反射により、光の特性を制御するものである場合には、第１の基材２及び第２の基材３の少なくとも一方が透明体であれば良く、サブ波長格子４が、透過により、光の特性を制御するものである場合には、第１の基材２及び第２の基材３が共に透明体であることを要する。例えば、第１の基材２に金属を適用し、第２の基材３に透明体を適用することができる。このとき、金属表面は光沢鏡面となっていても良いし、黒アルマイト処理などの表面処理を施した光吸収面となっていても良い。基材２又は３のうち透明な基材は、例えば、ガラス又は高分子材料でなっている。

サブ波長格子４は、入射光に対して反射又は透過時に所望の制御を行って出射する一般的なサブ波長格子である。すなわち、サブ波長格子４は、光の波長の１／２０〜１／２程度の深さの凹凸構造を、光の波長の１／２０〜１／２程度の周期構造で面上に形成した回折格子の一種であり、この深さ（後述する図４のｈ参照）やピッチ（図４のｐ参照）や形成パターン（図４のｄはピッチと共に形成パターンを規定する突起の幅を示している）を制御することによって、種々の機能を持った光学素子を設計することができる。例えば、サブ波長格子４を用いた当該サブ波長格子光学素子１の用途としては、ダイクロイックミラー、バンドパスフィルタ、偏光ビームスプリッタ、反射ミラー、半透過ミラー、無反射コーティングなどを上げることができる。

サブ波長格子４を第１の基材２に設ける方法（作製方法）としては、例えば、以下の方法を適用することができる。第１は、第１の基材２に、サブ波長格子４として機能する高分子膜を転写（インプリント）し、サブ波長格子４を作製する。第２は、第１の基材２が高分子の基材の場合には、イオンビームを照射したり、フォト微細加工技術を用いたりして基材に対する直接の加工を施すことにより、サブ波長格子４を作製する。第２の作製方法には、金型を用いて、第１の基材２の表面にサブ波長格子４の凹凸を直接作製する場合が含まれる。第３に、第１の基材２の表面にストリップ（箔）を貼り付けていくことにより、サブ波長格子４を作製する。第４に、シリコン、ゲルマニウム又は化合物半導体などの半導体基板の表面を加工してサブ波長格子４を形成し、サブ波長格子４が形成された半導体基板を第１の基材２に接合する。

なお、図２は、第４の作製方法を適用した場合における、図１（Ｂ）に対応する断面図を示している。半導体基板７のサブ波長格子４が設けられていない面が、第１の基材２に形成された凹部の底面（平面）に貼り付けられる。必要ならば、半導体基板７の厚さを薄くし、光の透過を妨げないようにしても良い。

第１の実施形態のサブ波長格子光学素子によれば、サブ波長格子が気密空間内に配置されているので、取り扱い時に他の物体と光学素子が接触してもサブ波長格子の機能を行うことがない。また、水や油が光学素子に付着しても、容易に除去することができ、その除去の際に、サブ波長格子の突起を破壊したり離脱したりすることはない。

すなわち、第１の実施形態のサブ波長格子光学素子によれば、サブ波長格子を、その機能を常時有効に発揮できる状態にしておくことができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明によるサブ波長格子光学素子の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図３は、第２の実施形態に係るサブ波長格子光学素子の構造を示す断面図であり、上述した図１（Ｂ）に対応する図面であり、図１（Ｂ）との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第２の実施形態のサブ波長格子光学素子１Ａも、第１の基材２と、第２の基材３と、サブ波長格子４とを有する。

第２の実施形態の場合、第１の基材２及び第２の基材３は、概ね、底面が直角二等辺三角形形状の三角柱形状をしており、両者の最も広い面が互いに面するように、第１の基材２及び第２の基材３が一体化されている。第１の基材２の最も広い面は大半が凹部となっており、その凹部底面は平面となっており、その平面にサブ波長格子４が設けられている。第１の基材２の凹部が、第２の基材３の最も広い面で覆われることにより、サブ波長格子４が収容した凹部が空隙（気密空間）５となる。図３では、空隙５を構成する平行平面の一面にサブ波長格子４が設けられている場合を示したが、平行平面の両面にサブ波長格子４が設けられていても良い。

第１の基材２及び第２の基材３間の接合部６は、空隙５を気密なものとするように、第１の基材２及び第２の基材３を接合する。この第２の実施形態の場合、第１の基材２又は第２の基材３に形成された接合部６の一方に、突起又は突条が設けられており、他方に、凹部又は凹条が設けられており、両者の嵌合により、第１の基材２及び第２の基材３間を、位置決めしながら、かつ、気密性を高めるように接合する。

この第２の実施形態の場合も、サブ波長格子４は、入射光に対して反射又は透過時に所望の制御を行って出射するものである。そのため、第１の基材２及び第２の基材３の少なくとも一方が透明であることを要する。

図４は、第２の実施形態に係るサブ波長格子の表面を示す拡大断面図である。第２の実施形態のサブ波長格子４は、例えば、金型を利用して作製されるものである。第２の実施形態のサブ波長格子４は、格子状に配置される突起の伸長方向が、図４に示すように、サブ波長格子４の法線方向と平行ではなく傾斜している。格子状に配置される突起の伸長方向は、金型のプレス方向、金型の抜き方向に平行になっており、金型を利用した作製時に突起が損傷し難くなされている。もちろん、金型の抜き方向がサブ波長格子形成面に対して垂直な場合は、突起の伸長方向がサブ波長格子形成面に垂直になるようにサブ波長格子を設計するのが好ましい。

第２の実施形態のサブ波長格子光学素子４も、第１の実施形態で言及したような種々の用途に適用可能である。例えば、偏光ビームスプリッタにサブ波長格子を適用する場合に、第２の実施形態の構造を適用することができる。

第２の実施形態のサブ波長格子光学素子によっても、サブ波長格子を気密空間内に設けたので、第１の実施形態と同様に、サブ波長格子を、その機能を常時有効に発揮できる状態にしておくことができる。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明によるサブ波長格子光学素子の第３の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図５は、第３の実施形態に係るサブ波長格子光学素子の構造を示す断面図であり、上述した図１（Ｂ）に対応する図面であり、図１（Ｂ）との同一、対応部分には同一符号を付して示している。

第３の実施形態のサブ波長格子光学素子１Ｂは、直角二等辺三角柱状の４個のプリズム１１〜１４を互いに接合することにより、概ね四角柱状をなしている。各プリズム１１〜１４の他のプリズムと面する面の一部は底部が平面の凹部となされており、４個のプリズム１１〜１４が結合された状態で断面Ｘ字状の空隙（気密空間）５が形成されている。この第３の実施形態では、プリズム１１〜１４が基材になっている。

空隙５の気密性を高め、かつ、プリズム１１〜１４の位置関係が所望するものとなるように、接合部６の一方に、突起又は突条が設けられており、他方に、凹部又は凹条が設けられており、両者が嵌合するようになされている。

Ｘ字状をした空隙５を形成している平面の内、対向する計８個の平面にはそれぞれ、入射光に対して反射又は透過時に所望の制御を行って出射するサブ波長格子４が設けられている。言い換えると、対向する平行平面同士に、サブ波長格子４がそれぞれ設けられている。この第３の実施形態では、進行光に対して少なくとも２以上のサブ波長格子４が作用するので、光に対する制御をより実行し易いものとなっている。

第３の実施形態のサブ波長格子光学素子４も、第１の実施形態で言及したような種々の用途に適用可能である。例えば、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタにサブ波長格子を適用する場合に、第３の実施形態の構造を適用することができる。

第３の実施形態のサブ波長格子光学素子によっても、サブ波長格子を気密空間内に設けたので、第１の実施形態と同様に、サブ波長格子を、その機能を常時有効に発揮できる状態にしておくことができる。

（Ｄ）他の実施形態
気密空間の形状は、上記各実施形態のものに限定されず、また、その気密空間に収容するサブ波長格子の数も上記実施形態のものに限定されない。例えば、図６（Ａ）に示すように、直方体形状の気密空間に４個のサブ波長格子を設けても良く、また例えば、図６（Ｂ）に示すように、三角柱形状の気密空間に３個のサブ波長格子を設けても良い。

第１の実施形態に係るサブ波長格子光学素子の構造を示す図面である。第１の実施形態に係るサブ波長格子光学素子の変形例を示す断面図である。第２の実施形態に係るサブ波長格子光学素子を示す断面図である。第２の実施形態に係るサブ波長格子表面の拡大断面図である。第３の実施形態に係るサブ波長格子光学素子を示す断面図である。他の実施形態に係るサブ波長格子光学素子を示す断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ…サブ波長格子光学素子、２…第１の基材、３…第２の基材、４…サブ波長格子、５…空隙、６…接合部、７…半導体基板。

Claims

少なくとも１つが透明な材料で形成されている複数の基材によって形成された気密空間を構成する少なくとも１面に光を制御するためのサブ波長格子が設けられていることを特徴とするサブ波長格子光学素子。
上記気密空間は対向する平行平面を有しており、サブ波長格子はこの平行平面の一方又は両方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のサブ波長格子光学素子。
上記気密空間を形成するために、上記複数の基材は、基材間を接合する接合部で気密に接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサブ波長格子光学素子。
上記接合部には、位置を決めるための嵌合部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のサブ波長格子光学素子。
上記サブ波長格子は、上記基材に対して、高分子材料を転写して形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサブ波長格子光学素子。
上記サブ波長格子は、高分子材料の上記基材の表面を直接加工して形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサブ波長格子光学素子。
上記サブ波長格子は、シリコン、ゲルマニウム又は化合物半導体などの半導体基板の表面を加工して形成されており、この半導体基板を上記基材に接合して上記気密空間に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサブ波長格子光学素子。
上記基材のうち透明な基材の材料は、ガラス又は高分子材料であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のサブ波長格子光学素子。