JP2010164749A - 光学素子、光ピックアップ、光情報処理装置、光減衰器、偏光変換素子、プロジェクタ光学系、光学機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学素子が、ピッチp1、p2、p3、p4、p5が入射光の波長以下であり溝深さdが互いに等しい3種以上のサブ波長凹凸構造21、22、23、24、25を備えた、入射光の波長以上のピッチPnの周期構造13を有し、入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する。
【選択図】図2
Description
これに対し、図18、図19に示すような、ピッチが入射光Aの波長よりも小さな微細周期構造を有するサブ波長凹凸構造Bを有し、複屈折波長板、反射防止構造、偏光分離素子などとしての様々な機能を有する光学素子110、120が提案されている(たとえば、〔特許文献1〕、及び、〔非特許文献1〕ないし〔非特許文献3〕参照)。このような光学素子では、入射光Aの入射角の変化による光学性能変動が少なく、光学的に優れているという報告もなされている。
このような問題点を改善した光学素子として図20に示すような偏光分離素子130が提案されている(たとえば、〔特許文献1〕参照)。同図(a)は偏光分離素子130の斜視図を示しており、同図(b)は偏光分離素子130の、同図(a)におけるb−b断面を示している。
構造性複屈折とは、サブ波長凹凸構造21、22、23、24、25のように屈折率の異なる2種類の媒質を光の波長よりも短いピッチでストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分(TE波)とストライプに垂直な偏光成分(TM波)とで屈折率が異なり、複屈折作用が生じることをいう。
サブ波長凹凸構造21のTE方向の有効屈折率:n1(P偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造21のTM方向の有効屈折率:n1(S偏光)=1.15
サブ波長凹凸構造22のTE方向の有効屈折率:n2(P偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造22のTM方向の有効屈折率:n2(S偏光)=1.31
サブ波長凹凸構造23のTE方向の有効屈折率:n3(P偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造23のTM方向の有効屈折率:n3(S偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造24のTE方向の有効屈折率:n4(P偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造24のTM方向の有効屈折率:n4(S偏光)=1.77
サブ波長凹凸構造25のTE方向の有効屈折率:n5(P偏光)=1.52
サブ波長凹凸構造25のTM方向の有効屈折率:n5(S偏光)=2.01
であり、
n1(P偏光)=n2(P偏光)=n3(P偏光)=n4(P偏光)=n5(P偏光)
=1.52
となり、互いに等しい値となることがわかる。
このようにして、回折素子として機能する光学素子10は偏光選択型の光路分岐を行う偏光分離素子の機能をもつ。
図5に、上述の条件に加え、ピッチPn=5μnとし、幅L1、L2、L3、L4、L5を全て1μmとした場合の、溝深さdに応じた回折効率を示す。
このように、光学素子10に入射した光束は偏光方向により回折方向が異なり、且つ各偏光方向の光束の回折する方向が特定の次数のみに回折されるように設定される。
光学素子10の作製の説明に先立ってモールド型の作成方法を説明する。
図6(a)に示すように、石英材料を基板とし、その表面に電子線描画用のレジストを所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、回折格子の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、同図(b)に示すように、レジスト上にサブ波長凹凸構造に対応した構造が形成される。溝の底は石英基材が露出している。
同図(c)に示すように、サブ波長凹凸構造に対応した構造のレジストパターンをマスクとして石英のドライエッチングを行う。エッチングには、RIENLD、TCP等のエッチング装置にて、CF4、CF3ガスを用いる。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。
同図(d)に示すように、レジストを剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で、酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してCAROS洗浄で除去する方法とがある。
完成したものを石英型として用いる。
図7(a) に示すように、シリコン(110)を基板とし、その表面に電子線描画用のレジストを所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、回折格子の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、同図(b)に示すように、レジスト上にサブ波長凹凸構造に対応した構造が形成される。溝の底はシリコン基材が露出している。
同図(c)に示すように、サブ波長凹凸構造に対応した構造のレジストパターンをマスクとしてシリコンのアルカリウェットエッチング(KOH溶液使用)を行う。シリコン基板は{111}面の壁として、ピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。
なお、ボッシュプロセス用いたドライエッチングでも同様の構造を制作できる。
同図(d)に示すように、レジストを剥離する。
完成したものをシリコン型として用いる。
このようにして作られた石英型、あるいはシリコン型を便宜上、金型と呼ぶことがある。
図6、図7に示した方法によって作成したモールド型を用いて回折構造を作製し、光学素子を製造する。
同図(a)に示すように、ガラス基板表面にシリコン膜(Si膜)を形成する。
シリコン膜の形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
1.基板温度 :70〜100℃
2.製膜時圧力:7〜8×10―4Torr
3.成膜速度 :0.5〜1.0Å/sec
4.RFパワー:100〜200W
モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、UVをガラス基板側から与える。
同図(d)に示すように、モールド型を離型する。UV硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :酸素ガス(O2)
2.ガス流入量 :20sccm
3.圧力 :0.4Pa
4.樹脂エッチング速度:30nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :60W
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :SF6、CHF3
2.ガス流入量
SF6 :20sccm
CHF3: 5sccm
3.圧力 :0.3Pa
4.樹脂エッチング速度: 5nm/sec
Siエッチング速度:30nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :50W
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :CHF3、Ar
2.ガス流入量
Ar : 5sccm
CHF3:20sccm
3.圧力 :0.3Pa
4.Siエッチング速度: 4nm/sec
ガラスエッチング速度:12nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :400W
同図(i)に示す状態になって回折素子完成。ガラス基板自身の片面が回折素子になっている。
同図(a)に示すように、ガラス基板表面にTi2O5膜(5酸化タンタル膜)を形成する。
Ti2O5膜の形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
1.基板温度 :70〜100℃
2.製膜時圧力:5〜8×10―4Torr
3.成膜速度 :0.7〜1.0Å/sec
4.RFパワー:300〜500W
モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、UVをガラス基板側から与える。
同図(d)に示すように、モールド型を離型する。UV硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :酸素ガス(O2)
2.ガス流入量 :20sccm
3.圧力 :0.4Pa
4.樹脂エッチング速度:30nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :60W
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :CHF3、Ar
2.ガス流入量
Ar : 5sccm
CHF3:20sccm
3.圧力 :0.3Pa
4.Ti2O5エッチング速度: 8nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :400W
最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガス(プラズマ)中でドライエッチングによる剥離処理により除去する。
図10(a)に示すように、ガラス基板表面にシリコン膜(Si膜)を形成する。
シリコン膜の形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
1.基板温度 :70〜100℃
2.製膜時圧力:7〜8×10―4Torr
3.成膜速度 :0.5〜1.0Å/sec
4.RFパワー:100〜200W
同図(c)に示すように、「高精度微細幅露光装置」によって、I線ステッパを使用する。露光後、現像工程を経て部分的にレジストを除去し、Siを露出させる。残っているレジストは、以後のエッチング用マスクパターンとなる。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :SF6、CHF3
2.ガス流入量
SF6 :20sccm
CHF3: 5sccm
3.圧力 :0.4Pa
4.Siエッチング速度:30nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :50W
ドライエッチングは以下の条件で行う。
1.ガス種 :CHF3、Ar
2.ガス流入量
Ar : 5sccm
CHF3:20sccm
3.圧力 :0.3Pa
4.ガラスエッチング速度:12nm/sec
5.上部バイアス電力 :1KW
6.下部バイアス電力 :400W
シリコンマスクはアルカリ(KOH)液でウェット剥離する。
同図(g)に示す状態になって回折素子完成。ガラス基板自身の片面が回折素子になっている。
かかる液晶素子60は、一対の電極付き基板61と、これら基板61間に位置する液晶セルとしての液晶層62と、液晶層62を構成する液晶をかかる基板61間に封入して液晶層62を形成するシール63とを有している。
かかる光減衰器70は、液晶素子60と、基板61間に電圧を印加して液晶層62を形成する液晶の配向を制御する電圧印加部71と、液晶素子60の両側に設けられた光学素子10とを有している。
この偏光変換素子80は、光学素子10と、光学素子10に対して入射光を入射させる開口部81を形成する遮光部材82と、光学素子10の出射側の、開口部81に対する対向位置において基板11上に形成された1/2波長板83と、光学素子10の出射側に1/2波長板83を挟むようにして基板11上に形成されたプリズム84とを有している。
このようにして、偏光変換素子80により、ランダムな偏光方向を有する光束は、射出時にはS偏光成分に揃った光束として射出することになる。
このように光学素子10を偏光変換素子に適用することにより、簡易な構成で高精度な偏光変換素子が実現される。
各周期構造におけるサブ波長凹凸構造の種類は互いに同数でなくともよい。
上述の形態ではサブ波長凹凸構造が平板上に形成された場合について説明したが、これに限られるものではなく、レンズのような曲面上に形成してもよい。
10 透過型の光学素子
13 周期構造
20 複数の光学素子を有する光学素子
21、22、23、24、25 サブ波長凹凸構造
30 反射型の光学素子
40 光ピックアップ
41 記録媒体
50 光情報処理装置
60 減衰手段
70 光減衰器
80 偏光変換素子
83 変換素子
90 光学機器
93 プロジェクタ光学系
d 溝深さ
p1、p2、p3、p4、p5 サブ波長凹凸構造のピッチ
Pn 周期構造のピッチ
Claims (12)
- ピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい3種以上のサブ波長凹凸構造を備えた、前記波長以上のピッチの周期構造を有し、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する光学素子。
- 請求項1記載の光学素子において、
前記3種以上のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の屈折率が前記所定の偏光方向と異なる偏光方向について互いに同一となるように、同各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに異ならせるとともに同各サブ波長凹凸構造のフィリングファクタが設定されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項1または2記載の光学素子において、
前記所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項1ないし3の何れか1つに記載の光学素子において、
前記周期構造のピッチが、前記所定の偏光方向を所定の方向に回折するように不均一に設定されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項1ないし4の何れか1つに記載の光学素子において、
透過型または反射型であることを特徴とする光学素子。 - 請求項1ないし5の何れか1つに記載の光学素子を複数有し、何れかの光学素子を経た光が他の光学素子に対する入射光となることを特徴とする光学素子。
- 請求項1ないし6の何れか1つに記載の光学素子を有し、
記録媒体に情報を記録し及び/又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップ。 - 請求項7記載の光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置。
- 請求項1ないし6の何れか1つに記載の光学素子と、
この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器。 - 請求項1ないし6の何れか1つに記載の光学素子と、
この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子。 - 請求項1ないし6の何れか1つに記載の光学素子、または、請求項9記載の光減衰器、または、請求項10記載の偏光変換素子を有し、
前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系。 - 請求項1ないし6の何れか1つに記載の光学素子、または、請求項7記載の光ピックアップ、または、請求項8記載の光情報処理装置、または、請求項9記載の光減衰器、または、請求項10記載の偏光変換素子、または、請求項11記載のプロジェクタ光学系を有する光学機器。
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