JP2021039258A - 光学素子の製造方法および光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な構造の回折格子を簡便に形成することが可能な光学素子の製造方法および光学素子を提供する。【解決手段】溶媒（４１）に溶解する材料で構成されたベース部材を用意する準備工程と、ベース部材上に溶媒（４１）に溶解しない材料で回折格子部（２０）を形成する回折格子形成工程と、溶媒（４１）でベース部材を溶解して回折格子部（２０）を分離する分離工程と、透光性の材料で構成された導光部（１０）に回折格子部（２０）を貼り合わせる接着工程を有する光学素子の製造方法。【選択図】図５

Description

本発明は、光学素子の製造方法および光学素子に関し、特に回折格子を用いた光学素子の製造方法および光学素子に関する。

従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。

しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。

一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子を備えた光学素子を用いている。

特開２０１８−１１８６６９号公報 特表２０１８−５２８４４６号公報

回折格子を備える光学素子を用いたＨＵＤでは、光源から光学素子への光の入射角度と回折格子の構造によって光の投影方向が決定される。そのため、光学素子の構造によって光源と光学素子の配置に制約が生じ、ＨＵＤの設計自由度が低下してしまう。光学素子の光学的な特性は回折格子の物理的な構造によって決定されるので、ＨＵＤの設計自由度を向上させるためには、様々な構造の回折格子を形成する必要がある。また、ＨＵＤに用いられる光学素子の薄型化と小型化も望まれている。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、様々な構造の回折格子を簡便に形成することが可能な光学素子の製造方法および光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学素子の製造方法は、溶媒に溶解する材料で構成されたベース部材を用意する準備工程と、前記ベース部材上に前記溶媒に溶解しない材料で回折格子部を形成する回折格子形成工程と、前記溶媒で前記ベース部材を溶解して前記回折格子部を分離する分離工程と、透光性の材料で構成された導光部に前記回折格子部を貼り合わせる接着工程を有することを特徴とする。

このような本発明の光学素子の製造方法では、ベース部材上に回折格子部を形成した後にベース部材を溶解させ、導光部に回折格子部を貼り合わせているため、回折格子部の形成に適したベース部材を用いるとともに、導光部の構造やサイズを自由に選択でき、様々な構造の光学素子を簡便に形成することが可能となる。

また、本発明の一態様では、前記溶媒は水である。

また、本発明の一態様では、前記ベース部材はＮａＣｌで構成される。

また、本発明の一態様では、前記接着工程は、前記分離工程で用いた前記溶媒中で実施される。

また、本発明の一態様では、前記回折格子部上に保護膜を形成する保護膜形成工程を有する。

また、本発明の一態様では、前記回折格子形成工程は、反応性イオンビームエッチング法を用い、前記回折格子部はスランテッドグレーティングである。

また、本発明の光学素子は、透光性の材料で構成された導光部と、前記導光部上に形成された回折格子部とを有し、前記導光部の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明では、様々な構造の回折格子を簡便に形成することが可能な光学素子の製造方法および光学素子を提供することができる。

第１実施形態における光学素子１００の構造を示す模式斜視図である。 光学素子１００における光路について説明する模式図であり、図２（ａ）は導光部１０の側面から光を入射した場合を示し、図２（ｂ）は導光部１０の裏面から光を入射した場合を示している。 光学素子１００の製造方法を説明する工程図である。 光学素子１００の製造方法を説明する工程図である。 光学素子１００の製造方法を説明する工程図である。 第２実施形態における光学素子１００の構造を示す模式上面図である。 第３実施形態における光学素子１００の構造を示す模式断面図である。 第４実施形態における光学素子１００の構造を示す模式断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１００の構造を示す模式斜視図である。図１に示すように光学素子１００は、導光部１０と、回折格子部２０を備えている。また、回折格子部２０は板状部２１と、凸部２２と、凹部２３を備えている。なお図１は、光学素子１００の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１００における実寸を示すものではない。

導光部１０は、光を透過する材料で構成された略板状の部分であり、上面に回折格子部２０が形成されている。導光部１０のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１５ｍｍ、厚さｔ＝０．１〜１００ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光部１０を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ_２を主成分とするガラスやポリマーを用いることが好ましい。図１では、導光部１０として直方体のものを例示したが、後述するように導光部１０の形状は限定されない。一例として、導光部１０を厚さ１ｍｍ以下のポリマーで構成する場合には、光学素子１００に可撓性をもたせることができ、ロールトゥロールで製造することも可能となる。

回折格子部２０は、導光部１０上に形成された略板状の部分であり、導光部１０とは屈折率が異なる材料で構成されている。図１に示した回折格子部２０の例では、導光部１０の主面全体を板状部２１が覆い、板状部２１の表面には複数の凸部２２と凹部２３が周期的に形成されて回折格子を構成している。図１に示した例では、回折格子部２０の凸部２２と凹部２３は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。

回折格子部２０を構成する材料は限定されないが、導光部１０との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ_２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部２０は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。

回折格子部２０のサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましく、例えば全厚ｈが７８８±１２ｎｍ程度、凸部２２の高さｄが２１０ｎｍ程度、凸部２２の幅ｗが２３０ｎｍ程度、凹部２３の周期Λが６９６ｎｍ程度が挙げられる。また図１に示した例では、回折格子部２０の凸部２２と凹部２３は板状部２１の主面に対して角度φ（−４５°＜φ＜４５°）だけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。

図２は、光学素子１００における光路について説明する模式図であり、図２（ａ）は導光部１０の側面から光を入射した場合を示し、図２（ｂ）は導光部１０の裏面から光を入射した場合を示している。図示しない光源からは、光学素子１００に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。

図２（ａ）に示した例では、入射光Ｌｉｎは導光部１０の側面に対して斜めに入射し、導光部１０内部を進行して板状部２１に入射する。導光部１０と板状部２１の界面では、入射光Ｌｉｎの一部は板状部２１内に入射し、一部が反射光として導光部１０内に反射される。入射光Ｌｉｎのうち導光部１０と板状部２１の界面で反射された光は、導光部１０内を進行して側面と裏面で反射されて再び主面に到達し、再び回折格子部２０に入射する。

入射光Ｌｉｎのうち板状部２１内を進行する光は、導光部１０と回折格子部２０の屈折率に応じて進行角度が変化し、凸部２２と凹部２３による回折条件を満たす出射角度方向に出射光ＬＯ１として出射される。また、回折格子部２０に取り込まれた光は、屈折率と入射角を適切に選択することで空気との界面での漏れモードの条件を満たすことができ、回折格子部２０内で繰り返し反射されて板状部２１内を伝搬して、出射光ＬＯ１とは異なる位置から出射光ＬＯ２として出射される。

図２（ｂ）に示した例では、入射光Ｌｉｎは導光部１０の裏面に入射し、導光部１０内部を進行して板状部２１に入射する。板状部２１に入射した光は、凸部２２と凹部２３による回折条件を満たす出射角度方向に出射光Ｌｏｕｔとして出射される。図２（ｂ）では導光部１０の裏面に略垂直に入射光Ｌｉｎが入射した例を示したが、裏面に対して斜めに入射させてもよい。その場合には、導光部１０および回折格子部２０での光の進行と出射光は、図２（ａ）で示した側面からの入射と同様になる。

次に、本実施形態における光学素子１００の製造方法について、図３〜図５を用いて説明する。図３〜図５は、光学素子１００の製造方法を説明する工程図である。

図３（ａ）に示す準備工程では、ベース部材３０を用意する。ベース部材３０は、特定の溶媒に溶解する材料で構成された平板状の部材であり、例えば水に対して溶解するＮａＣｌやＫＣｌを用いることができる。ベース部材３０としてＮａＣｌを用いる場合には、単結晶ＮａＣｌの（００１）面が主面となるような板状のものを用いることが、表面の平坦性と結晶安定性の観点から好ましい。

ベース部材３０の具体的なサイズは限定されないが、例えば幅１０ｍｍ、奥行き１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ等が挙げられる。ベース部材３０の厚さを１ｍｍ以下とすると、後述する回折格子形成工程において回折格子部２０を形成する際の自由度が向上するために好ましい。また、後述する分離工程でベース部材３０を溶解させる時間を短縮するためにも、ベース部材３０は薄いほうが好ましいが、ハンドリング時の破損を抑制するためには０．１ｍｍ以上の厚さを有していることが好ましい。

次に図３（ｂ）に示すように、ベース部材３０の主面上に板状部２１を形成する。ベース部材３０の材料としては、溶媒に対して溶解しない材料を用いる必要があり、例えばＴｉＯ_２が挙げられ、一例として７８８（±１２）ｎｍの膜厚で蒸着して板状部２１を形成する。次に図３（ｃ）に示すように、板状部２１上にマスク３１を形成する。マスク３１の材料としては例えばＣｒが挙げられ、一例として５０〜１００ｎｍの膜厚で蒸着する。次に図３（ｄ）に示すように、マスク３１上にレジスト３２を塗布する。

次に図４（ｅ）に示すように、レジスト３２を電子線リソグラフィー技術等を用いてパターニングし、マスク３１をエッチングする。次に図４（ｆ）に示すように、レジスト３２を除去して、凸部２２と対応する位置にのみマスク３１を残す。次に図４（ｇ）に示すように、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、マスク３１の間から露出した板状部２１に凹部２３を形成する。このとき、ベース部材３０を１ｍｍ以下の厚さとすると、ＲＩＢＥ装置内にベース部材３０を傾斜して配置し、板状部２１の上面に対して斜め方向に凹部２３を形成することができる。ベース部材３０の傾斜角度は限定されないが、一例として４５度傾けることも可能である。次に図４（ｈ）に示すように、マスク３１を除去してベース部材３０上に板状部２１と凸部２２、凹部２３を備えた回折格子部２０を形成する。

図３（ｂ）から図４（ｈ）までが、本発明における回折格子形成工程に相当している。回折格子部２０の構造としては、一例として凸部２２と凹部２３のピッチΛは６９６ｎｍとし、凸部２２の幅ｗを２３０ｎｍとし、凸部２２の高さｄを２１０ｎｍとし、回折格子部２０全体の厚さｈを７８８ｎｍとした。また、凸部２２と凹部２３が板状部２１に対してなす角度φは４５度とした。

次に図５（ｉ）に示す分離工程では、容器４０内に溶媒４１を満たし、回折格子部２０が形成されたベース部材３０を溶媒４１内に投入して、ベース部材３０を溶媒４１に溶解させる。ベース部材３０が完全に溶媒４１に溶解すると、回折格子部２０のみが溶媒４１内に残留して分離される。ベース部材３０として潮解性の材料であるＮａＣｌを用いた場合には、溶媒４１として水を用いることができる。安全性が高く後処理が容易であるため、ベース部材３０としてＮａＣｌを用い、溶媒４１として水を用いることが好ましい。

次に図５（ｊ）に示すように、透光性の材料で構成された導光部１０を別途用意する。最後に図５（ｋ）に示す接着工程で、導光部１０の上面に回折格子部２０を貼り合わせて本実施形態の光学素子１００を得る。図５（ｋ）に示した接着工程は、図５（ｉ）で示した分離工程で用いた溶媒４１内で実施することが好ましい。溶媒４１中に導光部１０を入れ、溶媒４１中で分離されて浮遊している回折格子部２０を導光部１０で掬い上げると、導光部１０と回折格子部２０の間から溶媒４１が排出され、導光部１０上に回折格子部２０が分子間力によって接着される。

本実施形態の光学素子の製造方法では、ベース部材３０上に回折格子部２０を形成した後にベース部材３０を溶媒４１に溶解させ、導光部１０に回折格子部２０を貼り合わせているため、回折格子部２０の形成に適したベース部材３０を用いるとともに、導光部１０の構造やサイズを自由に選択でき、様々な構造の光学素子１００を簡便に形成することが可能となる。特に、ベース部材３０を１ｍｍ以下の厚さとすることで、ＲＩＢＥ装置内にベース部材３０に斜めに配置してスランテッドグレーティングを形成することができ、傾斜角度も自由に設定することができる。これにより、図２（ａ）（ｂ）で示した出射光ＬＯ１，ＬＯ２，Ｌｏｕｔの出射方向と、入射光Ｌｉｎの入射角度の関係において設計自由度が向上する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図６は、本実施形態における光学素子１００の構造を示す模式上面図である。本実施形態は、導光部１０および回折格子部２０が直方体ではない点が第１実施形態と異なっている。

図６に示すように、本実施形態の光学素子１００では、導光部１０および回折格子部２０が平面視において台形状とされており、一つの側面が他の側面に対してδΘだけ傾斜して形成されている。導光部１０と回折格子部２０が傾斜した側面を有することで、導光部１０に入射した入射光Ｌｉｎは、回折格子部２０と導光部１０の界面や、側面および裏面で繰り返し反射された後に、再度回折格子部２０に入射する位置が異なるものとなる。したがって、光学素子１００の面内における複数箇所から出射光ＬＯ１，ＬＯ２を取り出すことができる。

また、導光部１０の裏面を回折格子部２０に対して傾斜させるとしてもよい。その場合には、入射光Ｌｉｎは、回折格子部２０と導光部１０の界面や、側面および裏面で繰り返し反射された後に、再度回折格子部２０に入射する位置と角度が異なるものとなる。したがって、光学素子１００の面内における複数箇所から出射光ＬＯ１，ＬＯ２を取り出すとともに、出射光ＬＯ１と出射光ＬＯ２の出射角度を異ならせることができる。

本実施形態においても、光学素子１００の製造方法は図３〜図５で示した第１実施形態と同様である。本発明では、ベース部材３０上に回折格子部２０を形成した後にベース部材３０を溶媒４１に溶解させ、導光部１０に回折格子部２０を貼り合わせているため、本実施形態のように導光部１０の構造やサイズを自由に選択でき、様々な構造の光学素子１００を簡便に形成することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図７は、本実施形態における光学素子１００の構造を示す模式断面図である。本実施形態では、回折格子部２０の上面に保護膜２４を形成する点が第１実施形態と異なっている。

図７に示すように本実施形態の光学素子１００は、導光部１０上に板状部２１と凸部２２を有する回折格子部２０が形成されており、回折格子部２０全体を覆って保護膜２４が形成されている。保護膜２４は、透光性の材料で構成された薄膜である。保護膜２４を構成する材料は限定されず、例えばＳｉＯ_２を用いることができる。保護膜２４の膜厚は限定されないが、回折格子部２０の光学特性に影響を与えない程度の厚さが好ましく、可視光の波長よりも小さい数ｎｍの膜厚が好ましい。保護膜２４の形成方法が限定されず、蒸着法やスパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｏｐｓｉｔｉｏｎ）法、スピンコート法等の公知の方法を用いることができる。

保護膜２４で回折格子部２０を覆うことで、回折格子部２０の形状変化を抑制して光学特性を維持することや、回折格子部２０に空気中や溶媒４１中で異物が付着して光学特性が劣化することを抑制することができる。回折格子部２０上に保護膜２４を形成する保護膜形成工程は、図５（ｉ）で示した分離工程後や、図５（ｋ）で示した接着工程後に実施してもよい。しかし、回折格子部２０の形状変化抑制や異物付着防止の観点からは、図４（ｈ）の回折格子部２０を形成した直後に実施することが好ましい。

本実施形態においても、ベース部材３０上に回折格子部２０を形成した後にベース部材３０を溶媒４１に溶解させ、導光部１０に回折格子部２０を貼り合わせているため、導光部１０の構造やサイズを自由に選択でき、様々な構造の光学素子１００を簡便に形成することが可能となる。また、保護膜２４を回折格子部２０上に形成しているため、分離工程や接着工程、および光学素子１００の完成後において回折格子部２０の形状変形や異物付着による光学特性劣化を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図８は、本実施形態における光学素子１００の構造を示す模式断面図である。本実施形態では、導光部１０が曲面を有しており、曲面上に回折格子部２０が形成されている点が第１実施形態と異なっている。

図８に示すように本実施形態の光学素子１００は、導光部１０の上面が曲面で構成されており、曲面上に沿って板状部２１が設けられ、板状部２１上に凸部２２と凹部２３が形成されている。本実施形態の光学素子１００の製造方法は、図３〜図５で示した第１実施形態と同様である。図５（ｊ）で導光部１０として上面が曲面のものを用意し、図５（ｋ）の接着工程で曲面上に回折格子部２０を貼り合わせることで、図８に示した光学素子１００を得ることができる。

本実施形態においても、ベース部材３０上に回折格子部２０を形成した後にベース部材３０を溶媒４１に溶解させ、導光部１０に回折格子部２０を貼り合わせているため、導光部１０の構造やサイズを自由に選択でき、様々な構造の光学素子１００を簡便に形成することが可能となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１００…光学素子
１０…導光部
２０…回折格子部
２１…板状部
２２…凸部
２３…凹部
２４…保護膜
３０…ベース部材
３１…マスク
３２…レジスト
４０…容器
４１…溶媒

Claims (7)

1. 溶媒に溶解する材料で構成されたベース部材を用意する準備工程と、
   前記ベース部材上に前記溶媒に溶解しない材料で回折格子部を形成する回折格子形成工程と、
   前記溶媒で前記ベース部材を溶解して前記回折格子部を分離する分離工程と、
   透光性の材料で構成された導光部に前記回折格子部を貼り合わせる接着工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学素子の製造方法であって、
   前記溶媒は水であることを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 請求項２に記載の光学素子の製造方法であって、
   前記ベース部材はＮａＣｌで構成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の光学素子の製造方法であって、
   前記接着工程は、前記分離工程で用いた前記溶媒中で実施されることを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子の製造方法であって、
   前記回折格子部上に保護膜を形成する保護膜形成工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子の製造方法であって、
   前記回折格子形成工程は、反応性イオンビームエッチング法を用い、
   前記回折格子部はスランテッドグレーティングであることを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 透光性の材料で構成された導光部と、
   前記導光部上に形成された回折格子部とを有し、
   前記導光部の厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする光学素子。