JP4197799B2 - Diffraction grating type polarization element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種光学装置に使用される回折格子型偏光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光の回折を利用した偏光素子としては、例えば特開昭63−55501号公報に示されているようにLiNb03 にプロトン交換を利用して製造された回折格子型偏光素子が使用されている。この偏光素子は薄型で量産性を有するが、LiNb03 と高価な単結晶基板を用いる必要があった。これに対して例えば特開平5−289027号公報に示された偏光素子は基板上に格子状の複屈折性誘電体膜を斜め蒸着法により形成し、この複屈折性誘電体膜の格子の溝内に等方性を有する誘電体材料をスパッタ法や蒸着法あるいは塗布法により充填して等方性誘電体膜を形成し、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とを同一基板上に交互に備えた回折格子構造としている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
特開平5−289027号公報に示された偏光素子は高価な単結晶基板を用いる必要はないが、基板上に格子状の複屈折性誘電体膜を形成後、複屈折性誘電体膜の格子の溝内に等方性を有する誘電体材料を充填して等方性誘電体膜を形成するときに、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の界面に空隙や欠陥が生じ易く、格子の間隙を良好な状態で形成することが極めて困難であった。また、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の構造や組成の違いから複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の界面に残留応力やひずみが生じ、その結果、形成した等方性誘電体膜が剥離するという現象も生じていた。さらに、等方性誘電体膜として樹脂等を液相系を用いて塗布し、それを固化して形成する場合には、基板と複屈折性誘電体膜に対する樹脂との濡れ性を良好にするのが困難であり、濡れ性を良好にできた場合でも、その屈折率が所望の値に調整できない等の問題があった。
【0004】
この発明はかかる問題を解消し、複屈折性誘電体材料にオーバーコート材料である誘電体材料を充填する際に生じる残留応力やひずみを緩和し、充填した誘電体材料の剥離をも防止できる回折格子型偏光素子を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回折格子型偏光素子は、基板上の同一面上に交互に設けた二種類の誘電体領域で回折格子構造をなし、少なくとも一方の領域が複屈折性を有する誘電体材料で形成された回折格子型偏光素子において、基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入したことを特徴とする。
【0009】
上記複屈折性を有する誘電体材料は高分子材料を使用する。
【0011】
【発明の実施の形態】
この発明の偏光素子はガラス等光学的に等方性を有する基板と、基板上に格子状に設けられた複屈折性誘電体膜と、複屈折性誘電体膜の側面界面に設けられた中間層及び中間層を挟んだ間の格子状の複屈折性誘電体膜の溝に設けられた等方性誘電体膜を有する。複屈折性誘電体膜を構成する複屈折を有する誘電体材料は例えばTa,W,Bi,Ti,Sn等の金属酸化物からなる。中間層は複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とは組成あるいは構造が異なっている組成物で形成されている。
【0012】
このように複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜との界面に、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とは組成あるいは構造が異なる中間層を形成することにより、等方性誘電体膜を形成するときに、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜との界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐとともに複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した等方性誘電体膜が剥離することを防止する。
【0013】
【実施例】
図1はこの発明の一実施例の回折格子型偏光素子の構成を示す断面図である。図に示す用に、偏光素子1はガラス等光学的に等方性を有する基板2と、基板2上に格子状に設けられた複屈折性誘電体膜3と複屈折性誘電体膜3の側面界面に設けられた中間層4及び中間層4を挟んだ間の格子状の複屈折性誘電体膜3の溝に設けられた等方性誘電体膜5を有する。
【0014】
複屈折性誘電体膜3を構成する複屈折を有する誘電体材料は有機物,無機物を問わず複屈折性を有するもので有れば良いが、安定性と量産性を考慮すると金属酸化物あるいは高分子材料が好ましい。金属酸化物としては、例えばTa,W,Bi,Ti,Sn等の酸化物を用いることができるが、特にこれらに限定されるものではなく、複屈折性を有するものであれば良く、複数の金属の酸化物(化合物)であっても良い。このような金属酸化物を用い斜め蒸着法により複屈折性誘電体膜3を形成することにより複屈折性を付与することができる。また、高分子材料としては、特にその分子量が限定されるわけでなく、複屈折性を有していれば良い。もちろん、延伸やラビング等を用いて複屈折性を付与した材料を使用しても良い。中間層4は複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5とは組成あるいは構造が異なっている組成物又は複数の組成物の混合物あるいは複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5と組成及び構造の両方が異なっている組成物又は複数の組成物の混合物により形成される。
【0015】
上記のように構成された偏光素子1を作製する方法を図2の処理工程図を参照して説明する。
【0016】
まず、図2(a)に示すように、一定厚さの基板2上に例えば金属酸化物を斜め蒸着法を用いて積層して一定膜厚の複屈折性誘電体膜3を形成する。その後、形成した複屈折性誘電体膜3の表面にフォトリゾグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチング等により複屈折性誘電体膜3を、図2(b)に示すように、格子状に加工する。この格子状に加工された複屈折性誘電体膜3の側面に、図2(c)に示すように、中間層4を形成し、中間層4を両側に有する複屈折性誘電体膜3の溝内に等方性を有する誘電体材料をスパッタ法や蒸着法あるいは塗布法により充填して、図2(d)に示すように、等方性誘電体膜5を形成して偏光素子1を作製する。
【0017】
このように複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5との界面に、複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5とは組成あるいは構造が異なる中間層4を形成することにより、等方性誘電体膜5を形成するとき、複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5との界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐことができるとともに複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した等方性誘電体膜5が剥離することを防止できる。したがって、複屈折性誘電体膜3の格子の間隙を良好な状態で形成することができる。
【0018】
この複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5との界面を形成する中間層4に複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5のどちらか一方の構成元素を一種類以上含有したり、複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5の両方の構成元素を一種類以上ずつ含有する場合、中間層4としての機能をより有効に発揮することができ、高特性の偏光素子を形成することができる。また、中間層4を複屈折性誘電体膜3側から複屈折性誘電体膜3を形成する誘電体材料から等方性誘電体膜5を形成する誘電体材料に連続的に組成を変化させると、中間層4としてさらに高い機能を発揮することができ、より高特性の偏光素子を形成することができる。
【0019】
また、偏光素子1を作製する場合に、複屈折性誘電体膜3の常光線と異常光線に対する屈折率と膜厚及び等方性誘電体膜5の屈折率を適切に調整する必要がある。そこで中間層4の屈折率を複屈折性誘電体膜3の常光線の屈折率あるいは異常光線の屈折率のいずれかに等しくすることにより、偏光素子1としての特性を向上することができる。なお、基板2と複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5にどのような材料を選択するかによっても異なるが、中間層4を複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5の界面ばかりでなく、基板2と両方の誘電体膜3,5の界面に設けた方が効果が得られる場合もある。
【0020】
上記実施例は等方性誘電体膜5を複屈折性誘電体膜3の格子の溝にだけ設けた場合について説明したが、図3の断面図に示す偏光素子1aのように、複屈折性誘電体膜3の上面と側面及び複屈折性誘電体膜3の格子の溝の基板2の上面を中間層4で被覆し、この中間層4の上に等方性誘電体膜5を形成し、複屈折性誘電体膜3と基板2を等方性誘電体膜5で覆うようにしても良い。
【0021】
また、上記各実施例は複屈折性誘電体膜3を格子状に形成して、複屈折性誘電体膜3の格子間の溝の深さを複屈折性誘電体膜3の膜厚と同じにしたっ場合について説明したが、図4の断面図に示す偏光素子1bのように、複屈折性誘電体膜3に一定深さの凹溝を設けて格子を形成し、この複屈折性誘電体膜3の下面全体が基板2の上面を覆うようにしても良い。
【0022】
〔具体例〕 例えば厚さ1mmのガラス基板(コーニング7059)2上に複屈折性を有するTa2O5を斜め蒸着法を用いて厚さ5μmの複屈折性誘電体膜3を積層した。この複屈折性誘電体膜3の表面にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチングによりTa2O5の複屈折性誘電体膜3を格子状に加工した。この格子状の複屈折性誘電体膜3にTa2O3を被覆して中間層4を形成した後、アクリル系樹脂をスピンコート法を用いて塗布し、さらに紫外線照射によって樹脂を硬化させて複屈折性誘電体膜3の格子の溝を充填して等方性誘電体膜5を形成して、図3に示す偏光素子1aを試料Aとして作製した。この偏光素子1aの試料Aの断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等はなかった。また、偏光素子としての特性も良好であった。
【0023】
〔具体例2〕 厚さ1mmのガラス基板2上に複屈折性を有するTa2O5を斜め蒸着法を用いて厚さ10μmの複屈折性誘電体膜3を積層した。この複屈折性誘電体膜3の表面にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチングにより図4に示すように複屈折性誘電体膜3に凹溝を加工して格子状にした。この複屈折性誘電体膜3の表面にTa2O5−TaC−Ta2 C組成物で中間層4を形成した後、アクリル系樹脂で等方性誘電体膜5を形成して、図4に示す偏光素子1bを試料Bとして作製した。この偏光素子1の断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等は生じていなかった。比較例として中間層4を含まない試料Cを作製した。中間層4を含まない試料Cの断面を電子顕微鏡により観察したところ複屈折性誘電体膜3と等方性誘電体膜5の界面に空隙等が観察された。さらに、偏光素子としての特性は中間層4を有する偏光素子1bの試料B方が比較例の試料Cより良好であった。
【0024】
〔具体例3〕 具体例2と全く同じ構成で中間層4だけをTa2O5−(C5H5)2TaH3−Ta(OC2H5)5−C組成物に換えて図4に示す偏光素子1bを試料Dとして作製した。この偏光素子1bの試料Dの断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等は生じていなかく、偏光素子としての特性も中間層4を含まない試料Cと比べて良好であった。また、作製した偏光素子1bの試料Dと比較例の試料Cを恒温槽に入れ、温度を−20℃〜+50℃で繰り返し変化させた。その結果、中間層を含まない試料Cは等方性誘電体膜5の一部が剥離したが、偏光素子1bの試料Dにおいては等方性誘電体膜5の剥離は確認されなかった。
【0025】
〔具体例4〕 厚さ1mmのガラス基板2上に複屈折性を有するポリイミド系樹脂の延伸材を膜厚10μmで接着して複屈折性誘電体膜3を形成した。この複屈折性誘電体膜3にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層して、エッチングにより複屈折性誘電体膜3を凹溝を有する格子状に加工した。この複屈折性誘電体膜3の表面にポリイミド系樹脂とアクリル系樹脂の混合物を、ポリイミド系樹脂側からアクリル系樹脂側まで連続的に組成を変化させて被覆して中間層4を形成した後、中間層4の表面にアクリル系樹脂をスピンコート法を用いて塗布して紫外線照射によってアクリル系樹脂を硬化させて等方性誘電体膜5を形成して、図4に示す偏光素子1bを試料Eとして作製した。この偏光素子1bの試料Eの断面を電子顕微鏡により観察した結果、空隙等は生じていなかった。また、比較例である中間層4を有しない試料Cと共に偏光素子としての特性を測定したところ、偏光素子1bの試料Eの方が良好であった。また、試料Eと比較例の試料Cを恒温槽に入れ、温度を−20℃〜+50℃で繰り返し変化させ結果、中間層を含まない試料Cは等方性誘電体膜5の一部が剥離したが、偏光素子1bの試料Eにおいては等方性誘電体膜5の剥離は確認されなかった。
【0026】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入することにより、両誘電体材料の界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐことができる。また、両誘電体材料の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した誘電体膜が剥離することを防止できる。したがって、特性の良好な偏光素子を得ることができる。
【0028】
また、複屈折性を有する誘電体材料として高分子材料を使用して適切に選択することにより、空隙や欠陥が生じにくくできると共に誘電体の剥離等も生じない、優れた特性を有する偏光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の回折格子型偏光素子の構成を示す断面図である。
【図2】上記実施例の偏光素子を作製するときの処理工程図であ。
【図3】第2の実施例の構成を示す断面図である。
【図4】第3の実施例の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1;偏光素子、2;基板、3;複屈折性誘電体膜、4;中間層、
5;等方性誘電体膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diffraction grating type polarizing element used in various optical devices.
[0002]
[Prior art]
The polarizing element utilizing light diffraction, the diffraction grating type polarizing element is used which is prepared by using a proton exchange LiNbO 3 as shown in JP-Sho 63-55501. This polarizing element has a mass production thin, it is necessary to use an expensive single crystal substrate and LiNbO 3. On the other hand, for example, in the polarizing element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-289027, a grating-like birefringent dielectric film is formed on a substrate by an oblique deposition method, and the grating grooves of the birefringent dielectric film are formed. An isotropic dielectric film is formed by filling an isotropic dielectric material in the inside by sputtering, vapor deposition or coating, and the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film are formed on the same substrate. The diffraction grating structure is provided alternately above.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The polarizing element disclosed in JP-A-5-289027 does not need to use an expensive single crystal substrate, but after forming a lattice-like birefringent dielectric film on the substrate, the lattice of the birefringent dielectric film is formed. When forming an isotropic dielectric film by filling the groove with isotropic dielectric material, voids and defects are likely to occur at the interface between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film. It was extremely difficult to form the lattice gap in a good state. Also, due to the difference in structure and composition between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film, residual stress and strain occur at the interface between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film, resulting in the formation. There was also a phenomenon that the isotropic dielectric film peeled off. Further, when the resin is applied as an isotropic dielectric film using a liquid phase system and solidified, the wettability between the substrate and the resin with respect to the birefringent dielectric film is improved. However, even when the wettability can be improved, there is a problem that the refractive index cannot be adjusted to a desired value.
[0004]
This invention eliminates such problems, relaxes residual stress and strain generated when filling a birefringent dielectric material with a dielectric material, which is an overcoat material, and prevents diffraction of the filled dielectric material. An object of the present invention is to provide a grating-type polarizing element.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The diffraction grating type polarizing element according to the present invention has a diffraction grating structure composed of two types of dielectric regions alternately provided on the same surface on the substrate, and at least one region is formed of a dielectric material having birefringence. In the diffraction grating type polarizing element, the other dielectric material is formed on the interface between the birefringent dielectric material provided on the substrate and the other dielectric material from the constituent element of the birefringent dielectric material. At least one intermediate layer formed by continuously changing the composition up to the constituent elements is inserted.
[0009]
A polymer material is used as the dielectric material having birefringence .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The polarizing element of the present invention includes an optically isotropic substrate such as glass, a birefringent dielectric film provided in a lattice shape on the substrate, and an intermediate provided at a side interface of the birefringent dielectric film. An isotropic dielectric film provided in the groove of the lattice-like birefringent dielectric film between the layer and the intermediate layer. The dielectric material having birefringence constituting the birefringent dielectric film is made of a metal oxide such as Ta, W, Bi, Ti, or Sn. The intermediate layer is formed of a composition having a different composition or structure between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film.
[0012]
Thus, by forming an intermediate layer having a different composition or structure between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film at the interface between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film, etc. When forming an isotropic dielectric film, a void or a defect is prevented from being generated at the interface between the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric film, and the birefringent dielectric film and the isotropic dielectric are formed. The effect of residual stress and strain resulting from the difference in film structure and composition is alleviated to prevent the formed isotropic dielectric film from peeling off.
[0013]
【Example】
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a diffraction grating type polarizing element according to one embodiment of the present invention. As shown in the figure, the polarizing
[0014]
The birefringent
[0015]
A method of manufacturing the polarizing
[0016]
First, as shown in FIG. 2A, a birefringent
[0017]
Thus, the
[0018]
One constituent element of either the
[0019]
Further, when the
[0020]
In the above embodiment, the case where the
[0021]
In each of the above embodiments, the
[0022]
Specific Example For example, a
[0023]
Specific Example 2 A
[0024]
[Specific Example 3] With the same configuration as that of Specific Example 2, only the
[0025]
[Specific Example 4] A
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a dielectric material having a birefringence provided on a substrate and an interface between the other dielectric material and a dielectric material having the birefringence are used as the other dielectric material. By inserting at least one intermediate layer formed by continuously changing the composition up to the constituent elements, it is possible to prevent voids, defects, and the like from occurring at the interface between the two dielectric materials. In addition, it is possible to reduce the influence of residual stress and strain caused by the difference in structure and composition of both dielectric materials, and prevent the formed dielectric film from peeling off. Therefore, a polarizing element with good characteristics can be obtained.
[0028]
In addition, by appropriately selecting a polymer material as a dielectric material having birefringence, a polarizing element having excellent characteristics that can hardly cause voids and defects and does not cause peeling of the dielectric, etc. Obtainable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a diffraction grating type polarizing element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram when manufacturing the polarizing element of the above embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1; polarizing element, 2; substrate, 3; birefringent dielectric film, 4; intermediate layer,
5: Isotropic dielectric film.
Claims (2)
基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入したことを特徴とする回折格子型偏光素子。In a diffraction grating type polarization element in which a diffraction grating structure is formed by two types of dielectric regions alternately provided on the same surface on a substrate, and at least one region is formed of a dielectric material having birefringence.
A composition is continuously formed from the constituent element of the birefringent dielectric material to the constituent element of the other dielectric material at the interface between the dielectric material having birefringence provided on the substrate and the other dielectric material. A diffraction grating type polarizing element , wherein at least one intermediate layer formed by changing is inserted.
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