JP2018010130A - 偏光解消素子 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のサブ波長構造領域をもつ偏光解消素子において、互いに隣接するサブ波長構造領域の間の境界領域において発生する回折光を低減する。【解決手段】偏光解消素子は、光透過性基板の表層部に設けられたサブ波長構造をもつ複数のサブ波長構造領域が一平面内に配列されており、互いに隣り合う前記サブ波長構造領域の間に複屈折性をもたない境界領域を有し、その境界領域の幅寸法が不均一となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、基板の表層部に光の波長以下のピッチをもって形成された微細構造を有する複数のサブ波長構造領域を備えた偏光解消素子に関するものである。

偏光解消素子は、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。

レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っており、光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ干渉発生の原因となって光学系の途中で光が強めあう点（スペックル）が生じる場合がある。スペックルは、レーザ光を使用するいろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。

スペックルを解消する方法のひとつとして、光の偏光状態が様々になったいわゆるランダム偏光状態にすることが挙げられる。偏光が不揃いであると、指向性の低い自然光の状態に近づくために光の干渉が起こりにくいからである。

偏光解消素子として、サブ波長構造（Sub-Wavelength Structures；ＳＷＳ）を備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照。）。サブ波長構造は、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝の周期構造である。

光の波長より短いピッチをもつ溝の周期構造は、周期をもつ方向ともたない方向で互いに異なる有効屈折率ｎＴＥ，ｎＴＭをもち、あたかも複屈折材料であるかのように振舞う（いわゆる構造性複屈折である）。この有効屈折率の差によって各偏波方向の光の伝播速度に差ができるため、サブ波長構造を通過する光の偏光状態が変化する。サブ波長構造は、構造の設計によって複屈折やそれらの分散を自由に制御できる。サブ波長構造のこの特性を利用して、偏光板、波長板、波長分離素子など、様々な製品が展開されている。

サブ波長構造を利用した偏光解消素子は、光を透過させる面が複数の領域に分割され、それらの各領域に種々の光学軸方向をもったサブ波長構造が形成されている。以下、サブ波長構造が形成されている領域をサブ波長構造領域と称する。光学軸方向とは、サブ波長構造の溝の配列方向である。偏光解消素子は、各サブ波長構造領域を光が走査するように平面的に駆動される。これにより、該偏光解消素子を透過する光の位相が時分割的にずれるため、位相のずれた光が混ざり合うことで光の可干渉性が低減され、スペックルが低減される。

特開２００４−３４１４５３号公報

上記のような偏光解消素子では、複数のサブ波長構造領域が隣接して配置されており、互いに隣接するサブ波長構造領域の間の境界領域においてサブ波長構造の光学軸方向が急激に変化することに起因して回折光が発生し、光の透過率が低下して光利用効率が低下するという問題がある。かかる問題に対し、本発明者らは、境界領域において発生する回折光の原因の１つとして、隣接するサブ波長構造領域の間の境界領域の規則性にあることを見出した。

そこで、本発明は、複数のサブ波長構造領域をもつ偏光解消素子において、互いに隣接するサブ波長構造領域の間の境界領域において発生する回折光を低減することを目的とするものである。

本発明に係る偏光解消素子は、光透過性基板の表層部に設けられたサブ波長構造をもつ複数のサブ波長構造領域が一平面内に配列されており、互いに隣り合う前記サブ波長構造領域の間に複屈折性をもたない境界領域を有し、その境界領域の幅寸法が不均一となっているものである。

サブ波長構造領域の境界線が直線状に並ぶと互いに隣り合うサブ波長構造領域の間の境界領域に規則性が生じる。境界領域に規則性が生じると、回折光が発生しやすい。これは、規則性をもつ境界領域が回折格子として機能するためである。これに対し、本発明では、互いに隣り合う前記サブ波長構造領域の間に複屈折性をもたない境界領域を有し、その境界領域の幅寸法が不均一であるので、サブ波長構造領域の境界線が直線状に並ばず、境界領域に規則性が生じない。

上記の場合、前記境界領域の幅寸法は該素子に入射する光の波長の半分以下であることが好ましい。境界領域の幅寸法が素子に入射する光の波長の半分以下であれば、境界領域での回折光の発生が抑制される。例えば、素子に入射する光が可視光（波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）である場合、境界領域の幅寸法は２００ｎｍ以下とすることで、境界領域での回折光の発生が抑制される。さらに、境界領域の幅寸法を該素子に入射する光の波長の３分の１以下とすることで、回折光の発生の抑止効果が高まる。

本発明に係る偏光解消素子は、互いに隣り合う前記サブ波長構造領域の間に複屈折性をもたない境界領域を有し、その境界領域の幅寸法が不均一であり、サブ波長構造領域の境界線が直線状に並ばないので、境界領域に規則性が生じず、互いに隣り合うサブ波長構造領域の間の境界領域における回折光の発生を低減することができる。該偏光解消素子を透過する光の量が増加するので、光利用効率が向上する。

偏光解消素子の一実施例を概略的に示す平面図である。 同実施例において互いに隣り合うサブ波長構造領域の間の境界領域を拡大視したときの構造の一例である。 凸部の端部が同一直線上に配置されるように設計してサブ波長構造を形成した場合の境界領域を示す図である。 サブ波長構造領域の境界部分における回折光の量をＦＦＴ変換（高速フーリエ変換）を用いてシミュレーションしたときの画像であり、（Ａ）は図２のように境界領域の幅を不均一にした場合、（Ｂ）は図３のように境界領域の幅を均一にした場合である。

以下、本発明に係る偏光解消素子の実施形態について、図面を用いて説明する。

偏光解消素子２は、例えば石英基板等の光透過性基板の表面が複数の領域（サブ波長構造領域）４に分割され、各サブ波長構造領域４に互いに異なる光学軸方向をもったサブ波長構造が形成されているものである。サブ波長構造とは、光透過性基板の表層部に対象となる波長よりも短いピッチで配列された凹凸からなり、その波長の光に対して複屈折性をもって位相差を生じさせる構造である。サブ波長構造の光学軸方向とは凹凸の配列方向である。なお、この実施例では、各サブ波長構造領域６が略正方形となっているが、サブ波長構造領域６の形状は円形、多角形を組み合わせた形でも良い。

図１において、互いに隣り合うサブ波長構造領域４の境界領域６は線として描かれているが、この境界領域６はサブ波長構造領域４のようなサブ波長構造、すなわち複屈折性を有しない領域となっている。この境界領域６は、図１では直線に表されているが、拡大視すると直線状に設けられていない。

図２は互いに隣り合うサブ波長構造領域４の間の境界領域６を拡大視したときの構造の一例である。

既述のように、各サブ波長構造領域４には凸部８と凹部１０が所定のピッチで連続的に配列されたサブ波長構造が設けられている。互いに隣り合うサブ波長構造領域４の間の境界領域６の間隔は均一ではなく、５０ｎｍ〜２００ｎｍの間で変化するように不均一な幅をもっている。これにより、各サブ波長構造領域４の端部形状が非直線形状となっている。

この実施例の偏光解消素子２は、サブ波長構造を形成する工程において、凸部８となる領域上にマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクにして凸部８となる領域以外の領域全体をエッチングして凹部１０を形成している。そのため、境界領域６が凹部１０と同じ高さで設けられている。したがって、実際には、図２において破線で示されているような各サブ波長構造領域４の境界線は存在しない。

そのため、この実施例では、同一サブ波長構造領域４内の凸部８の端部が同一直線上に並んで配置されないように設計してサブ波長構造を形成することで、境界領域６が不均一な幅を有するようになっている。図３は凸部８の端部が同一直線上に配置されるように設計してサブ波長構造を形成した場合を示しているが、この場合には境界領域６が均一な幅をもつこととなる。

また、サブ波長構造を形成する工程において、凹部１０となる領域にのみ開口をもつマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクにして凹部１０のみをエッチングにて形成した場合には、境界領域６が凸部８と同じ高さで設けられることとなる。その場合にも、図２において破線で示されているような各サブ波長構造領域４の境界線は存在しない。この場合は、同一サブ波長構造領域４内の凹部１０の端部が同一直線上に並んで配置されないように設計してサブ波長構造を形成することで、境界領域６が、図２と同様に不均一な幅をもつこととなる。

図４はサブ波長構造領域４の境界部分における回折光の量をＦＦＴ変換（高速フーリエ変換）を用いてシミュレーションしたときの画像であり、（Ａ）は図２のように境界領域６の幅を不均一にした場合、（Ｂ）は図３のように境界領域６の幅を均一にした場合である。

この画像において白く表れているほどより多くの回折光が発生している。同図（Ａ）及び（Ｂ）における十字の白線はサブ波長構造領域４の境界領域６で強く回折光が発生していることを示している。（Ｂ）では境界領域６の周囲にもぼんやりと回折光が発生していることがわかるが、（Ａ）では境界領域６の周囲からはほとんど回折光が発生していないことがわかる。

このシミュレーションの結果から、境界領域６の幅を不均一にして境界領域６の規則性をなくすことにより、偏光解消素子２全体において発生する回折光の光量が低減されることがわかる。このシミュレーションでは、図２のように境界領域６の幅を不均一にすることによって、境界領域６の幅を均一にした場合に比べて回折光の光量が４９．５５％低減した。

この実施例は可視光（波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）に対応した素子である。そのため、境界領域６の幅がこの偏光解消素子２に入射する光の最も短い波長の半分以下の幅となるように設計している。透過する光の最も短い波長の半分以下の幅をもつ構造体であれば、光の回折の影響を受けないため、境界領域６の幅をそのように設計することで、今日仮領域６での回折光の発生が抑制される。この実施例では、境界領域６の幅寸法を５０ｎｍ〜２００ｎｍの間で変化するように設計しているが、その幅寸法の最大値は使用する光の波長によって適宜変更することが可能である。

本実施例では赤外レーザであるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ向けの偏光解消素子の作成例を示す。なお、この実施例の偏光解消素子の構造は図１及び図２を用いて説明した上記実施例１と同じであるため、この実施例でも図１及び図２を用いて説明する。

既述のように、各サブ波長構造領域４には凸部８と凹部１０が所定のピッチで連続的に配列されたサブ波長構造が設けられている。サブ波長構造のピッチは用いられる光の波長に応じて設計されるものであり、この実施例では、ＹＡＧレーザの波長（１０６４ｎｍ）の半分以下である５００ｎｍに設計されている。また、互いに隣り合うサブ波長構造領域４の間の境界領域６の間隔は均一ではなく、５０ｎｍ〜５００ｎｍの間で変化するように不均一な幅をもっている。これにより、各サブ波長構造領域の端部形状が非直線形状となっている。境界領域６の幅寸法がＹＡＧレーザの波長１０６４ｎｍの半分以下である５００ｎｍ以下の範囲で変化するため、境界領域６での回折光の発生が抑制される。

この実施例の偏光解消素子は、サブ波長構造を形成する工程において、凸部となる領域上にマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクにして凸部となる領域以外の領域全体をエッチングして凹部を形成している。そのため、境界領域が凹部と同じ高さで設けられている。

そのため、この実施例では、同一サブ波長構造領域内の凸部の端部が同一直線上に並んで配置されないように設計してサブ波長構造を形成することで、境界領域が不均一な幅を有するようになっている。

また、サブ波長構造を形成する工程において、凹部となる領域にのみ開口をもつマスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクにして凹部のみをエッチングにて形成した場合には、境界領域が凸部と同じ高さで設けられることとなる。この場合は、同一サブ波長構造領域内の凹部の端部が同一直線上に並んで配置されないように設計してサブ波長構造を形成することで、境界領域６が不均一な幅をもつこととなる。

サブ波長構造は、光の波長よりも十分に小さいことが肝要であり、小さすぎることによる弊害は発生しない。このように赤外光のような波長の長い光向けのサブ波長構造の場合は、比較的構造体が大きく設計できるため、境界領域６の幅寸法が不均一となるように設計した場合、境界領域６の幅を大きく変量することができ、境界領域６の均一性をさらに崩すことができる。これにより、境界領域６の不均一化による回折光発生回避の効果も向上する。

２ 偏光解消素子
４ サブ波長構造領域
６ 境界領域
８ 凸部
１０ 凹部

Claims (3)

1. 光透過性基板の表層部に設けられたサブ波長構造をもつ複数のサブ波長構造領域が一平面内に配列された偏光解消素子であって、
   互いに隣り合う前記サブ波長構造領域の間に複屈折性をもたない境界領域を有し、その境界領域の幅寸法が不均一である偏光解消素子。
2. 前記境界領域の幅寸法は素子を透過する光の最も短い波長の半分以下である請求項１に記載の偏光解消素子。
3. 前記境界領域の幅寸法は５０ｎｍから２００ｎｍの間の寸法である請求項１または２に記載の偏光解消素子。