JP2008145503A

JP2008145503A - 屈折率変調型回折光学素子の作製方法

Info

Publication number: JP2008145503A
Application number: JP2006329433A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ushiro; 利彦後; Yoshihiro Akaha; 良啓赤羽; Kazuhiko Oda; 一彦織田; Takashi Matsuura; 尚松浦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する。
【解決手段】屈折率変調型回折光学素子の作製方法は、剥離剤（６）を介してＤＬＣ膜（２）上に位相格子マスク（３ａ）を接触させて配置し、その位相格子マスクを介してＵＶ光（４ｂ）によってＤＬＣ膜を干渉露光し、それによってＤＬＣ膜の局所的な屈折率を高めて屈折率変調型回折格子を形成し、その後に、ＤＬＣ膜から位相格子マスクを剥離するとともに剥離剤を除去することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、屈折率変調型回折光学素子の作製方法の改善に関し、特に、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する方法に関する。

周知のように、回折光学素子は、光の回折現象を利用することによって種々の機能を生じさせ得る光学素子である。より具体的には、波長合分岐、パワー合分岐、偏光合分岐、波長板、光アイソレータ、またはレンズなどの機能を有する回折光学素子が知られている。

一般に、回折光学素子は、透光性基板上に回折格子層を形成することによって作製される。その回折格子層の構造的相違に基づいて、回折光学素子はレリーフ型と屈折率変調型とに大別される。レリーフ型回折光学素子において回折が生じるのは、回折格子層のレリーフにおける厚い部分を通過する光の位相が薄い部分を通過する光の位相に比べて遅れることによって位相差が生じるからである。他方、屈折率変調型回折光学素子において回折が生じるのは、回折格子層の高屈折率領域を通過する光の位相が低屈折率領域を通過する光の位相に比べて遅れることによって位相差が生じるからである。

しかし、屈折率変調型回折光学素子は原理的には作製可能であるが、従来では実用的な屈折率変調型回折光学素子を作製することが困難であった。なぜならば、たとえば石英系ガラスに紫外光やＸ線のようなエネルギビームを照射することによって屈折率を高め得ることが知られているが、その場合の屈折率変化Δｎは０．０１以下程度に小さいからである。また、アルゴンレーザなどを用いて約５００ｎｍの波長の光をフォトポリマに照射してそれを熱処理することによってその屈折率変化Δｎを０．０４程度まで高め得ることも知られているが、屈折率差Δｎが０．０４程度の屈折率変調では良好な回折効率を有する回折光学素子を得るためには未だ不十分である。

ところが、近年において、本発明者らは、透光性ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：ダイヤモンド状炭素）膜を利用して良好な回折効率を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを特許文献１の特開２００４−１６３８９２号公報において開示している。すなわち、本発明者らは、イオンビームやＳＲ（シンクロトロン放射）光のようなエネルギビームをＤＬＣ膜に照射することによって、その屈折率変化Δｎを０．１以上に顕著に高めることができることを確認している。

そのようなＤＬＣ膜は、ガラス基板、ポリマ基板、およびその他の種々の透光性基板上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そして、そのようなプラズマＣＶＤによって得られる透光性ＤＬＣ膜は、通常は１．５５程度の屈折率を有している。また、このようなＤＬＣ膜の分子的構造を簡単に表現すれば、ダイヤモンド結合とグラファイト結合と水素原子とがランダムに混在して含まれている非晶質炭素系膜であるということができる。

図４から図６は、特許文献１に開示された屈折率変調型回折光学素子の作製過程を図解する模式的な断面図である。なお、本願の図面において、長さや厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を反映してはいない。

図４に示されているように、特許文献１では、たとえばシリカガラス基板１上に、ＤＬＣ膜２がプラズマＣＶＤによってたとえば２μｍの厚さに堆積される。なお、屈折率変調型回折光学素子におけるＤＬＣ膜の厚さに特別な制限はなく、任意の厚さに設定し得る。ただし、ＤＬＣ膜があまりに厚過ぎれば、その膜による光吸収効果が大きくなり過ぎることにおいて好ましくない。また、ＤＬＣ膜があまりに薄過ぎれば、十分な回折効果を得ることが困難になる傾向にあるので好ましくない。現在利用可能なＤＬＣ膜においては、好ましくは０．５〜７μｍ程度の厚さ範囲内のＤＬＣ膜が屈折率変調型回折光学素子に利用される。しかし、より小さな光吸収係数を有するＤＬＣ膜が得られればより厚いＤＬＣ膜の利用も可能であろうし、屈折率変化Δｎをより大きくできればより薄いＤＬＣ膜の利用も可能になるであろう。

図５においては、ＤＬＣ膜２上に、たとえばリフトオフ法によって金マスク３が形成される。この金マスク３においては、たとえば幅０．５μｍの金ストライプが０．５μｍの間隔を隔てて繰り返し配列される。すなわち、この金マスク３は、ライン・アンド・スペースのパターンを有している。その後、金マスク３の開口部を介して、たとえば８００ｋｅＶの加速電圧の下でＨｅイオンビーム４がたとえば５×１０¹⁷／ｃｍ²のドース量でＤＬＣ膜２内に注入される。

その結果、ＤＬＣ膜２のうちでＨｅイオン４が注入されなかった領域２ｂは１．５５の屈折率のままに維持されるが、Ｈｅイオン４が注入された領域２ａの屈折率はたとえば２．０５に高められ得る。すなわち、その屈折率変化Δｎは０．６程度もの非常に大きな値になり得る。このようなＤＬＣ膜における屈折率変化は石英系ガラスやフォトポリマにおいて得られる屈折率変化に比べてはるかに大きいものであり、十分に回折効率の大きな回折格子層の形成が可能となる。

図６において、最終的に金マスク３がエッチングによって除去され、屈折率変調型回折光学素子が得られる。

しかしながら、上述のようなイオン照射によって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法では、そのように高い加速電圧でイオン照射する装置が高価である。そして、そのようなイオン照射装置を良好な状態に維持管理するためにも費用がかかる。また、イオン照射の代わりにＳＲ光照射を利用する場合でも、シンクロトロンという大掛かりで高価な装置を要する。さらに、金マスクもコスト高の要因となるし、そのマスクのリフトオフ法による形成やエッチングによる除去の手間も煩雑である。

このような観点から、本発明らは、位相格子マスクを介してＵＶ（紫外）光をＤＬＣ膜に照射することによって屈折率変調型回折光学素子を作製する方法を特許文献２の国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレットにおいて開示している。

図７は、特許文献２に開示された屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。この作製方法においては、たとえば厚さ１００μｍのスペーサ５を介して、シリカガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）３ａがＤＬＣ膜２に対して近接配置される。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４ａをたとえば１６ｍＷ／ｍｍ²のエネルギ密度で１時間照射することによって、回折光学素子を作製することができる。このとき、位相格子マスク３ａからの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域２ａの屈折率が高められる。他方、その干渉光よって露光されない領域２ｂの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。

この場合、＋１次回折光と−１次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク３ａの凹凸周期の１／２の周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中における所望の高屈折率領域２ａの周期に比べて２倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク３ａを用いることができる。

なお、図７における屈折率変調型回折光学素子の作製方法では高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されているが、望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよいことは言うまでもない。そのためには、紫外光４ａをＤＬＣ膜面に対して斜め方向に入射させて、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光は、位相格子マスク３ａの凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中における所望の高屈折率領域２ａの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク３ａを用いなければならない。
特開２００４−１６３８９２号公報国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレット

図７に示されているように、位相格子マスク３ａを介してＤＬＣ膜２にＵＶビーム４ａを照射することによって簡便かつ低コストで屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることが本発明者らの検討によって分かったが、設計通りの望ましい回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製することが容易でないことが判明した。

そこで、本発明は、設計において期待される改善された特性を有する屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製する方法を提供することを目的としている。

本発明による屈折率変調型回折光学素子の作製方法においては、剥離剤を介してＤＬＣ膜上に位相格子マスクを接触させて配置し、その位相格子マスクを介してＵＶ光によってＤＬＣ膜を干渉露光し、それによってＤＬＣ膜の局所的な屈折率を高めて屈折率変調型回折格子を形成し、その後に、ＤＬＣ膜から位相格子マスクを剥離するとともに剥離剤を除去することを特徴としている。

なお、剥離剤は、位相格子マスク上にコーティングされてそれと一体化されてもよい。この場合には、屈折率変調型回折格子を形成した後に、剥離剤は位相格子マスクと一体的にＤＬＣ膜から除去される。他方、剥離剤は、ＤＬＣ膜上に塗布されてもよい。この場合には、屈折率変調型回折格子を形成してＤＬＣ膜から位相格子マスクを剥離した後に、剥離剤がＤＬＣ膜上から除去される。

ＤＬＣ膜は、その表面において酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、または水素と炭素を主要成分として含む膜のいずれかからなる保護膜の一層以上を有していることが好ましい。

また、剥離剤は、フッ素系化合物を含むものであることが好ましい。さらに、ＤＬＣ膜に対するＵＶ光による干渉露光は、希ガス、窒素ガス、またはそれらの混合ガスの雰囲気中で行われることが好ましい。

以上のように位相格子マスクをＤＬＣ膜に接触させてＵＶ干渉露光することによって屈折率変調型回折光学素子の作製方法は、ＤＬＣ膜内においてその干渉露光によって屈折率が局所的に高められた領域がチャープ構造を形成すべき場合に特に好ましい。

以上のような本発明によれば、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製することができる。

まず、本発明者らは、図７の作製方法において、何故に設計通りの望ましい回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製することが容易でないのかについて、その原因を解明すべく詳細に検討した。その結果、ＵＶレーザビームの発散角とそのレーザビームの照射によるＤＬＣ膜におけるアブレーションとが重大な影響を及ぼしていることが判明した。

前述のように、ＵＶレーザビームとしてＫｒＦレーザビーム（波長２４８ｎｍ）がしばしば利用される。ここで、一般に市販されているＫｒＦレーザ装置におけるビームは、１ｍｒａｄ以上の発散角を有している。

この場合、図７におけるような作製方法において、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離が大きければ、位相格子マスクによる干渉パターンにおける強度変化割合がビームの発散角に起因して低下し、ＤＬＣ膜２中において十分な屈折率変化が得られなくなる。

より具体的には、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離が２００μｍ以上であれば、位相格子マスクによる干渉パターンにおける強度変化割合がビームの発散角に起因して顕著に低下し、ＤＬＣ膜２中において十分な屈折率変化が得られず、実用的な屈折率変調型回折光学素子が得られなくなる。したがって、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との距離は、少なくとも１５０μｍ以下であることが望まれる。

他方、一般に位相格子マスクは空気との界面を前提として設計される。すなわち、通常では、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との間に空気層が介在させられる。

これらの事情と、位相格子マスク３ａおよびＤＬＣ膜２との相互の取り扱いの簡便のために、１００μｍ程度の厚さのスペーサ５が好ましく利用される（図７参照）。このことは、位相格子マスク３ａおよびＤＬＣ膜２との間に１００μｍ程度の厚さの空気層が存在することを意味する。なお、位相格子マスク３ａにおけるレリーフの溝の深さは、僅かに０．１μｍ程度である。

このような状態において、特許文献２に開示されているようにたとえば１６ｍＷ／ｍｍ²のエネルギ密度でＵＶレーザビームを１時間照射することによって回折光学素子を作製した場合、ＤＬＣ膜２の表面にレーザビームによるアブレーションが生じていることが本発明者らによって新たに見出された。

すなわち、このようなアブレーションによって、ＤＬＣ膜の厚さ減少を生じるとともに、そのような厚さ減少に伴ってＤＬＣ膜の表面に微細な凹凸が生じ得る。このようなＤＬＣ膜の厚さ減少と表面凹凸の生成は、得られる屈折率変調型回折光学素子の回折特性が設計目標値から大きくずれることを意味する。

以上のような本発明者らによる新たな知見に基づいて、本発明者らは、本発明に密接に関連する参考例として、図８の模式的断面図に示されているような方法によって屈折率変調型回折光学素子を作製した。

（参考例）
図８に示された参考例による方法においては、図７におけるようなスペーサ５を用いずに、シリカガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）３ａがＤＬＣ膜２に直接に接して配置される。すなわち、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２との間で空気層が排除され、位相格子マスク３ａにおける深さ０．１μｍのレリーフ溝内に僅かな空気が残存するだけである。この状態で、位相格子マスク３ａに対して入射角４２度のＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）を１７ｍＷ／ｍｍ²のパワー密度で照射することによって、ＤＬＣ膜２中に０．１５以上の屈折率差Δｎを含む屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

なお、図８の場合にもＤＬＣ膜が厚さ減少を生じ得るが、図８の参考例では図７の場合に比べて厚さ減少が低減させられ得る。また、図８の場合には、図７の場合に比べて、ＤＬＣ膜の表面凹凸の生成も軽減され得る。このことは、図７の先行技術の場合に比べて、図８の参考例の場合には、より設計値に近い回折特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製し得ることを意味する。

しかしながら、図８に示されているようにＤＬＣ膜２に位相格子マスク３ａを直接に接して配置した状態でＵＶ光４ａを照射した場合、光化学反応によってマスク３ａにＤＬＣ膜または保護膜が付着してマスクが汚染されるとともに、均一な屈折率変調型回折光学素子の形成が困難であるという問題が生じることを本発明者らが新たに見出した。そこで、本発明においては以下の種々の実施形態におけるように、ＤＬＣ膜と位相格子マスクとが剥離剤を介して互いに接した状態でＵＶ光が照射される。

（実施形態１）
図１において、本発明の実施形態１による屈折率変調型回折光学素子の作製方法が模式的な断面図で図解されている。図１に示された本実施形態１による方法は、図８に示された参考例の方法に比べて、位相格子マスク３ａが剥離剤６を介してＤＬＣ膜２上に接触配置されていることのみにおいて異なっている。

そのような剥離剤６として、たとえばダイキン工業（株）から販売されているオプツールＤＳＸのようなフッ素系剥離剤を好ましく利用することができる。剥離剤６は、ＤＬＣ膜２の表面に塗布されてもよく、位相格子マスク３ａの表面に塗布されてもよい。要は、互いに接触させられるＤＬＣ膜２と位相格子マスク３ａとの間に剥離剤６が介在させられればよいのである。

より具体的には、剥離剤は、位相格子マスク上にコーティングされてそれと一体化されてもよい。この場合には、屈折率変調型回折格子を形成した後に、剥離剤は位相格子マスクと一体的にＤＬＣ膜から除去される。他方、剥離剤は、ＤＬＣ膜上に塗布されてもよい。この場合には、屈折率変調型回折格子を形成してＤＬＣ膜から位相格子マスクを剥離した後に、剥離剤がＤＬＣ膜上から除去される。

なお、塗布される剥離剤６の厚さとしては、たとえば５ｎｍ程度の非常に薄い厚さでも有効である。

このような剥離剤６は、レーザビーム４ｂの照射によって位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２が接合することを効果的に防止し得るとともに、レーザビーム４ｂの照射によるＤＬＣ膜２のアブレーションやその表面凹凸の発生を軽減するようにも作用し得る。そして、レーザビーム４ｂの照射後においては、剥離剤６の効果によって、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２とを容易に分離することができ、ＤＬＣ膜２に付着した剥離剤６を除去することも容易である。

なお、上述の参考例や本実施形態１の場合のように、位相格子マスクに対してレーザビームを斜めに入射させる場合、位相格子マスクの下面において全反射が生じることがある。しかし、参考例や本実施形態１の場合のように位相格子マスクの下面がＤＬＣ膜と接している場合には、位相格子マスクの下面が空気層と接している場合に比べて全反射が起こり難くなるので、レーザビームの斜め入射の場合にもそのビームをより有効に利用することができる。

（実施形態２）
図２の模式的な断面図は、本発明の実施形態２による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解している。図２の方法が図１の方法と異なる点は、ＤＬＣ膜２がその上面に保護膜７を有していることである。そのような保護膜７として、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、または水素と炭素を主要成分として含む膜のいずれかを一層以上設けることができる。

このような保護層７は、ＤＬＣ膜２のＵＶ照射時において酸素や水がその膜と反応することを防止するように作用し、酸素や水に対するバリア膜として機能すると同時に、ＤＬＣ膜２からの元素の脱離やアブレーションを抑制する効果を期待することができる。より具体的には、保護層として、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミ膜、酸化チタン膜、酸化タンタル膜、フッ化マグネシウム膜、ＤＬＣ膜より水素含有量が少ない水素化炭素膜、珪素と酸素をも含む水素化炭素膜、またはポリマ膜などが好ましい。これらの膜は、酸素や水に対するバリア性が高いと同時に、光学素子に含める場合に透明性が高い点で優れる。なお、保護膜にはピンホールやクラックがないか極めて少ないことが望ましい。

保護膜の形成には、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などの気相合成法を適用することができる。また、一部のポリマに関しては、スピンコートによって保護膜を形成することができる。

より具体的には、酸化珪素保護膜、酸化アルミ保護膜などは、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などのいずれによっても合成することができる。酸窒化珪素保護膜、窒化珪素保護膜などは、主にプラズマＣＶＤ法などで合成することができる。酸化チタン保護膜、酸化タンタル保護膜、フッ化マグネシウム保護膜などは、主にスパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着法などで合成することができる。

また、ＤＬＣ膜２より水素量が少ない水素化炭素保護膜は、たとえば前述のプラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜２を堆積する場合に比べて高周波パワーを大きくする方法やガス圧力を小さくする方法によって得ることができる。

珪素と酸素を含む水素化炭素保護膜は、ＤＬＣ膜の成膜と同様の方法において、原料ガスにシロキサンなどを導入することによって得ることができる。シロキサンとは、−Ｓｉ−Ｏ−の周期構造を骨格に持ち、シリコン原子から出る側鎖に水素または炭化水素系の基が付帯した構造を有する材料の総称である（例として、ポリジメチルシロキサン［（ＣＨ₃）₂ＳｉＯ］_n、ポリジフェニルシロキサン［（Ｃ₆Ｈ₅）₂ＳｉＯ］_n、ポリメチルフェニルシロキサン［（ＣＨ₃）（Ｈ₆Ｈ₅）ＳｉＯ］_n、ポリ水素メチルシロキサン［（Ｈ）（ＣＨ₃）ＳｉＯ］_nなどがある）。

保護膜７は、ＤＬＣ膜２にＵＶ光４ｂを照射する前に形成することによって、その照射時および光学素子としての使用時の両方に保護効果を発揮させることができる。

なお、保護膜７を形成する場合、一般的には、ＤＬＣ膜２を形成した成膜室内で引き続いてその保護膜を形成することが好ましい。これは、ＤＬＣ膜２を大気中に取り出すことによって、保護膜７にピンホールなどの欠陥が形成されやすくなるからである。ただし、ポリマなどをスピンコートなどで被覆する場合はこの限りではない。

本実施形態２においては、ＤＬＣ膜２が保護膜７によって覆われているとともに、その上に剥離剤６を介して位相格子マスク３ａが接触配置され、その状態でレーザビーム４ｂが照射されるので、実施形態１に比べて、位相格子マスク３ａとＤＬＣ膜２が接合することをさらに効果的に防止し得るとともに、レーザビーム４ｂの照射によるＤＬＣ膜２のアブレーションやその表面凹凸の発生をより確実に防止することができる。

（実施形態３）
本発明による実施形態３においては、実施形態１におけるレーザビーム４ｂの照射時の大気雰囲気が不活性雰囲気に置き換えられる。すなわち、図１における空気雰囲気が希ガスのＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、もしくはＸｅ、またはＮ₂ガスで置き換えられる。この状態で、実施形態１の場合と同様にＫｒＦレーザ光４ｂを照射することによって、屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。

すなわち、図１の実施形態１における酸素を含む空気雰囲気を希ガスで置き換えた本実施形態３の場合においては、実施形態１に比べて、ＤＬＣ膜のアブレーションと表面凹凸の発生をより低減しつつ屈折率変調型回折光学素子を作製することができる。なお、本実施形態３においては、図１の実施形態１における酸素を含む空気雰囲気を希ガスまたはＮ₂ガスで置き換える場合が説明されたが、図２の実施形態２における酸素を含む空気雰囲気を希ガスまたはＮ₂ガスで置き換えてもよいことは言うまでもない。

（実施形態４）
図９は、日本ビクター（株）のＨＶ−Ｄ５０ＬＡ１が採用している単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を模式的断面図で示している。このカラー液晶プロジェクタは、ガラス基板２１の上面上に形成された回折光学膜２０からなるカラーフィルタを含んでいる。ガラス基板２１の下面上には液晶層２３が設けられ、その液晶層２３の下面には反射型電極層２４が設けられている。反射型電極層２４はＲ（赤）、Ｇ（緑）、およびＢ（青）のそれぞれの光を反射するための反射型画素電極を含んでおり、一組のＲ、Ｇ、およびＢの反射型電極が一つの画素を構成している。図９において、複数のＲ電極が図面に直交する方向に整列されており、同様に複数のＧ電極および複数のＢ電極のそれぞれも図面に直交する方向に整列されている。なお、ガラス基板２１と液晶層２３との間には、Ｒ、Ｇ、およびＢの電極に対向して透明電極（図示せず）が設けられている。

図９のカラー液晶プロジェクタにおいて、光源（図示せず）からの白色光Ｗが所定の入射角で回折光学膜２０に照射される。回折光学膜２０は、回折作用によって、白色光Ｗを赤色Ｒ、緑色Ｇ、および青色Ｂの光に波長分離（分光）するとともに、それらの光を対応するＲ電極、Ｇ電極、およびＢ電極上に集光するマイクロレンズアレイとしての機能を併有している。そして、Ｒ電極、Ｇ電極、およびＢ電極のそれぞれによって反射された赤色Ｒ、緑色Ｇ、および青Ｂの光は、回折光学膜２０の回折条件からずれていてその膜を透過し、投射レンズ（図示せず）によってスクリーン上に投影される。

図１０は、先行技術において分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを併有する回折格子の一例を示す模式的平面図である。この回折格子は、ガラス基板１１上に形成された格子パターンを含んでいる。その格子パターンは互いに平行な複数の帯状領域１２を含み、それらの帯状領域１２は例えば金属クロム（Ｃｒ）膜で形成することができる。もちろんＣｒ膜１２は非透光性であって、光は複数の帯状Ｃｒ膜１２の間のみを透過する。

すなわち、複数の平行な帯状Ｃｒ膜領域１２が回折格子として作用し、光は帯状Ｃｒ膜１２の長手方向に直交する方向に回折される。その際に、周知のように回折角には波長依存性があるので、Ｒ、Ｇ、およびＢの光は互いに異なる回折角で回折されることになり、白色光Ｗをカラー分離することできる。

さらに、図１０の回折格子において特徴的なことは、帯状Ｃｒ膜領域１２の幅と間隔が周期的に変化させられていることである。これは、回折格子にマイクロレンズアレイ作用を生じさせるためである。すなわち、波長が同じである場合に、周知のように回折格子の間隔が小さくなるにしたがって回折角が大きくなるので、回折格子の間隔を徐々に変化させることによってレンズ作用を生じさせることができるのである。このように回折格子の間隔を徐々に変化させた構造は、チャープ構造とも称されている。

なお、図１０のチャープ構造を有する回折格子においては、前述のように光は帯状Ｃｒ膜１２の長手方向に直交する方向のみに回折されるので、レンズ作用もその方向のみにおいて生じ、すなわち線状のフォーカスを有する柱状レンズのように作用する。ただし、望まれる場合には、周知のフレネルゾーンプレートに類似の回折格子を利用することによって、点状のフォーカスを有する円形状レンズまたは正方形状レンズの作用を生じさせ得ることは言うまでもない。

図１０の回折格子は互いに平行な複数の柱状マイクロレンズを含んでいるかのように作用し、矢印１３で示された領域が一つの柱状マイクロレンズとして作用する。一つの柱状マイクロレンズ領域１３内では、右側に比べて左側において帯状Ｃｒ膜１２の幅と間隔が減少させられている。すなわち、図１０の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜１２の幅と間隔が、柱状マイクロレンズ領域１３ごとに周期的に変化させられている。

ところで、図９のカラー液晶プロジェクタにおける回折光学膜２の代わりに図１０のような回折格子をそのまま適用した場合、帯状Ｃｒ膜１２は光を透過しないので、光源からの白色光Ｗの利用効率が低くなる。また、図１０の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜領域１２のピッチが非常に小さい。例えば領域１３内の中央部において、そのピッチは約０．５μｍ以下である。したがって、図１０のような回折格子は電子ビーム描画を利用して作製しなければならず、工業的量産には適していない。

そこで、図９のカラー液晶プロジェクタにおいては、マスタ回折格子を介して光がガラス基板上のフォトポリマ膜へ照射され、その光照射されたフォトポリマ膜を熱処理することによって回折光学膜２０が作製される。その際に、強度の高い光照射を受けた領域ほど屈折率ｎが高まる。すなわち、フォトポリマからなる回折光学膜２０においては、屈折率ｎが変調されており、屈折率変調型の回折格子として作用する。

しかし、前述のようにフォトポリマからなる屈折率変調型回折光学膜においては屈折率差Δｎを十分に高めることができず、回折効率の高い回折光学膜を得ることが困難である。

そこで、本実施形態４においては、図３の模式的な断面図で示されているように、チャープ構造を有する位相格子マスク３ｂが剥離剤６を介してＤＬＣ膜２上に接触配置され、図１または図２の場合と同様にレーザビーム４ｂが照射される。こうして、高屈折率領域２ａと低屈折率領域２ｂとの幅が徐々に変化させられたチャープ構造を有する回折光学膜２が得られる。

本発明による回折光学膜の作製方法は、このようなチャープ構造を有する回折光学膜の作製において特に好ましい。なぜならば、図３に示されているようなチャープ構造を有する位相格子マスク３ｂが図７に示されているようにＤＬＣ膜２に対して空間を開けて配置された状態でレーザビーム４ｂが照射されれば、そのチャープ構造を有する位相格子マスク３ｂもレンズ作用を生じるので、位相格子マスク３ｂのチャープ構造に対応した間隔周期の屈折率変化としてＤＬＣ膜２に転写することができなくなるからである。

なお、図３においてはＤＬＣ膜２上に保護膜７が形成されていないが、そのような保護膜を付加的に設けてもよいことは言うまでもない。さらに、本実施形態４においても、レーザビーム４ｂの照射雰囲気として、希ガス雰囲気またはＮ₂ガス雰囲気を利用してもよいことも言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、特性の改善された屈折率変調型回折光学素子を簡便かつ低コストで作製することができる。

本発明の一実施形態による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的断面図である。本発明の他の実施形態による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的断面図である。本発明のさらに他の実施形態による屈折率変調型回折光学素子の作製方法を図解する模式的断面図である。先行技術による屈折率変調型回折光学素子の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。図４に続く工程を示す模式的断面図である。図５に続く工程を示す模式的断面図である。先行技術による屈折率変調型回折光学素子の作製方法の他の例を図解する模式的断面図である。本発明に密接に関連する屈折率変調型回折光学素子の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。先行技術による単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を図解する模式的断面図である。先行技術において波長分離機能とマイクロレンズ機能とを併有する回折格子の一例を示す模式的平面図である。

符号の説明

１シリカガラス基板、２ＤＬＣ膜、２ａ高屈折率領域、２ｂ低屈折率領域、３金マスク、３ａ位相格子マスク、４Ｈｅイオンビーム、４ａ、４ｂＵＶ光、５スペーサ、６剥離剤、７保護膜。

Claims

剥離剤を介してＤＬＣ膜上に位相格子マスクを接触させて配置し、
前記位相格子マスクを介してＵＶ光によって前記ＤＬＣ膜を干渉露光し、それによって前記ＤＬＣ膜の局所的な屈折率を高めて屈折率変調型回折格子を形成し、
その後に、前記ＤＬＣ膜から前記位相格子マスクを剥離するとともに前記剥離剤を除去することを特徴とする屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記位相格子マスク上に前記剥離剤がコーティングされており、前記屈折率変調型回折格子を形成した後に、前記剥離剤は前記位相格子マスクと一体的に前記ＤＬＣ膜から除去されることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記剥離剤は前記ＤＬＣ膜上に塗布されており、前記屈折率変調型回折格子を形成して前記ＤＬＣ膜から前記位相格子マスクを剥離した後に、前記剥離剤が前記ＤＬＣ膜上から除去されることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記ＤＬＣ膜はその表面において酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、または水素と炭素を主要成分として含む膜のいずれかからなる保護膜の一層以上を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記剥離剤はフッ素系化合物を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記ＵＶ光による前記干渉露光は、希ガス、窒素ガス、またはそれらの混合ガスの雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。
前記ＤＬＣ膜内において前記干渉露光によって屈折率が局所的に高められた領域はチャープ構造を形成していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の屈折率変調型回折光学素子の作製方法。