JP4419537B2

JP4419537B2 - 回折光学素子

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Publication number: JP4419537B2
Application number: JP2003396767A
Authority: JP
Inventors: 真弘村川
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005157041A

Description

本発明は、回折光学素子に関する。

従来、レーザ光などの光線を分離するために、ハーフミラーや回折光学素子が用いられている。とくに、動的に光線を分離するために、ハーフミラーを機械的に駆動する方法や、液晶を用いて回折光学素子内部の周期的な位相分布すなわち屈折率分布を発現する方法が採られてきた。

しかしながら、ハーフミラーを機械的に駆動する方法は、ハーフミラーを駆動する機構が必要となり、小型軽量化に対して不利であった。

また、液晶を用いた回折光学素子の場合は、液晶の複屈折による偏光依存性が大きいため、素子に入射する偏光を揃える必要があった。

このような液晶を用いた回折光学素子は、たとえば、ＤＶＤやＣＤ等の異なる規格の光記録媒体を再生・記録する互換ヘッド装置において、ＤＶＤ再生・記録時には液晶素子に回折格子を発現させ、ＣＤ再生・記録時には液晶素子による回折格子を消失させるといった使い方ができる。この場合、光源から光記録媒体への光路中に液晶素子が配設されており、光源からの光波を直線偏光として維持する必要がある。

そこで、光学系の簡素化のためには、偏光状態に依存せずに、回折光学素子内部に周期的な屈折率分布を動的に変調する回折光学素子が望まれている。

一方、液体中に分散した帯電微粒子が電気的に動く現象、すなわち電気泳動を使った表示装置が提案されている（たとえば、特許文献１または特許文献２参照）。電気泳動表示装置は、１対の電極間に満たされた液体中に帯電微粒子が分散しており、その帯電微粒子を電気的に動かして密集状態を作り出し、密集した帯電微粒子による外光の反射を利用した表示装置である。
特開平９−１８５０８７号公報特開平１１−２１９１３５号公報

しかしながら、電気泳動表示装置用に開発されてきた帯電微粒子は、反射光を利用するため、帯電微粒子の大きさが２００ｎｍ程度あり、光散乱による光損失が大きくて透過型のデバイスに応用するには不向きであった。

昨今、帯電微粒子の大きさが数ｎｍ〜数十ｎｍという、とくに可視光の波長に対して１０分の１以下の微粒子が作られるようになっており、透過型の光学素子として、帯電微粒子の電気泳動を利用しても光散乱による光損失が少ない光学素子が期待できる。また、電気泳動を利用するので、偏光状態に依存しない回折光学素子としても期待できるが、このような回折光学素子は提案されていないのが現状であった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、素子に入射する偏光状態に依存することなく、素子内部に周期的な屈折率分布を動的に発現させて制御でき、応用範囲が広い回折光学素子を提供するものである。

本発明は、第１透明電極群を有する第１透明基板と、第２透明電極群を有する第２透明基板と、第１透明電極群内、または第２透明電極群内、または第１透明電極群と第２透明電極群間を移動する帯電微粒子と、第１透明基板と第２透明基板の間に満たされ、かつ前記帯電微粒子を保持する透明絶縁性液体とを備えたセル構造の回折光学素子であって、
前記帯電微粒子の平均粒径が該回折光学素子を透過する光波の波長の１０分の１以下であり、かつ前記第１透明電極群、および／または前記第２透明電極群が周期的格子状の平面パターンを有し、
前記第１透明電極群が、平坦で一様な透明導電膜、絶縁性保護膜、パターニングされた透明導電膜を順に積層した構造を有していることを特徴とする回折光学素子を提供する。

本発明の回折光学素子によれば、回折光学素子に入射する偏光状態に依存することなく、回折光学素子内部に周期的な屈折率分布を動的に発現させて制御でき、応用範囲が広いという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

［参考例］
図１は、本発明の参考例となる回折光学素子の概念的断面図であり、表面に第１透明電極群１１と絶縁性保護膜５と電極引き出し部８とが形成された第１透明基板１と、表面に第２透明電極群２１と絶縁性保護膜６が成膜された第２透明基板２とを、絶縁性保護膜５と絶縁性保護膜６が所要間隔をあけて対向するよう、隔壁７により支持してセルが形成されており、該セル内部には、帯電微粒子３と、該帯電微粒子３を保持する透明絶縁性液体（以下、分散媒と表記する）４とが充填されている。

第１透明基板１および第２透明基板２としては、ガラスや石英ガラスなどの光学的に等方である透明な平行基板を用いることができる。また、可撓性を得るためにポリエステルやポリオレフィンなどのプラスチックフィルムを用いても良い。

帯電微粒子３としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、石英などの微粒子を使うことができ、その粒径を透過する光波の波長の１０分の１以下にすることで、光の散乱による損失を減らすことができる。また、帯電微粒子３の帯電量の指標であるゼータ電位は、大きい方が好ましい。

分散媒４としては、シリコーンオイル、流動パラフィン、キシレン、トルエンなどの液体を用いることができる。また、分散媒４の粘度は小さい方が好ましく、揮発性の少ない方が好ましい。

また、帯電微粒子３と分散媒４は、おのおのの屈折率の差が大きくなるように選定するのが好ましい。

第１透明電極群１１（第２透明電極群２１）としては、前記第１透明基板１（第２透明基板２）に、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化スズなどの透明導電膜を、スパッタリングや真空蒸着によって成膜したものを用いることができる。

図２は、第１透明電極群１１の平面パターンの１例を示す図である。

第１透明電極群１１は、図２に示すように、たとえば、等間隔に多数の平行なスリット４０を形成した周期的格子状の電極（図中では、１２本の直線状に延びる帯で描画）と、最外周部の電極と、電極引き出し部８とからなる。最外周部の電極は、図１における第２透明基板２上の第２透明電極群２１と結線するためにある。なお、図２では、周期的な格子状の電極を直線状に延びる帯で描画しているが、曲線状に延びる帯であってもよい。

第２透明電極群２１は、第１透明電極群１１と同様の構造を取っても良いが、１層のフラットで一様な低抵抗の透明導電膜からなる電極の構造を取るほうが、単純かつセル化時の位置合わせが必要無いので好ましい。

また、図１の絶縁性保護膜５および絶縁性保護膜６は、帯電微粒子３の電極への固着を防ぐためにあり、石英などの低屈折率材料からなる薄膜である。

隔壁７としては、第１透明電極群１１の最外周部の電極と、第２透明電極群２１を結線するために導電性ビーズを含ませた熱硬化型の接着剤を用いることができる。

つぎに、参考例の回折光学素子の作製方法を説明する。

まず、第１透明基板１、第２透明基板２の空気側の表面に、真空蒸着などで反射防止膜を成膜する。つぎに、第１透明基板１のセル内側の表面に透明導電膜を成膜して、その上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィの技術で図２のようなパターンになるように露光する。さらに、フォトレジストが除去された部分の前記透明導電膜をウエットエッチング処理し、フォトレジストのパターンを転写する。残ったフォトレジストをリフトオフして、第１透明電極群１１を形成する。さらに、第１透明電極群１１の表面を保護するために絶縁性保護膜５を、電極引き出し部８、および第１透明電極群１１の最外周部の電極と、第２透明電極群２１を結線するための部分以外に成膜する。

一方、第２透明基板２のセル内側の表面には、１層のフラットで一様な透明導電膜を成膜して第２透明電極群２１とし、該第２透明電極群２１の表面を保護するために絶縁性保護膜６を、第１透明電極群１１の最外周部の電極と、第２透明電極群２１を結線するための部分以外に成膜する。

つぎに、第１透明基板１と第２透明基板２が、平行にかつ一定のギャップをもつように、シール材からなる隔壁７を設けてセル化する。さらに、前記セルのギャップ間に、帯電微粒子３を分散させた分散媒４を、真空注入などで充填したのち、注入口を接着剤で封止する。

上述のように作製される参考例の回折光学素子において、第１透明電極群１１を陽極、第２透明電極群２１を陰極（第１透明電極群１１の最外周の電極も陰極）として用いた場合、帯電微粒子３が負に帯電している場合、帯電微粒子３は、その濃度が第１透明電極群１１の周期的格子状の電極部分において密になるように移動する。したがって、該回折光学素子内部において帯電微粒子３の粗密が周期的にできるので、該回折光学素子内部に周期的な屈折率の分布が生じる。この場合、透過する光波を回折させることができる。また、透過する光波の偏光に依存しない利点もある。

［実施形態］
本発明の実施形態の回折光学素子は、第１透明電極群の構造を変えて、参考例の回折光学素子にくらべ、帯電微粒子３の移動特性を高めたものである。図３に実施形態の回折光学素子の概念的断面図を示す（図中、図１と同じ要素のものには、同じ符号を付してある）。

実施形態の回折光学素子の特徴となる第１透明電極群３１は、平坦で一様な透明導電膜３２、絶縁性保護膜３３、パターニングされた透明導電膜３４が順に積層された構造を有している。

つぎに、第１透明電極群３１の作製方法を説明する。

第１透明基板１上に、透明導電膜３２、絶縁性保護膜３３、透明導電膜３４を順に成膜したものに、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィの技術でパターニングを施して、フォトレジストが除去された部分の透明導電膜３４をエッチング処理にて除去する。このとき、透明導電膜３４は、図２に示すように、等間隔に多数の平行なスリット４０を形成した周期的格子状にパターニングされる。残ったフォトレジストを除去して、第１透明電極群３１は、透明導電膜３２、絶縁性保護膜３３、透明導電膜３４が、第１透明基板１上に積層された構造として作製される。

さらに、第１透明電極群３１に絶縁性保護膜５を成膜した後、参考例の回折光学素子と同様の方法で、セル化して、帯電微粒子３を分散させた分散媒４を充たして、実施形態の光学素子を作製する。

上述のように作製される実施形態の回折光学素子において、第１透明電極群３１の周期的格子状の電極（透明導電膜３４）を陽極、透明導電膜３２を陰極、第２透明電極群２１を陰極（第１透明電極群３１の透明導電膜３４の最外周の電極も陰極）として用いて、かつ帯電微粒子３が負に帯電している場合は、帯電微粒子３が第１透明電極群３１の周期的格子状の電極の部分に引力が、その他の部分に斥力が働き、帯電微粒子３は第１透明電極群３１の周期的格子状の電極部分に集中する。すなわち、参考例の回折光学素子に比べ帯電微粒子３を移動させるために働く力が増すことになる。

上述したように、実施形態の回折光学素子内部において、帯電微粒子３の濃度の粗密が周期的にできるので、該回折光学素子内部に周期的な屈折率の分布が生じる。この場合、参考例の回折光学素子と同様に、透過する光波を回折させることができる。また、透過する光波の偏光状態に依存しない利点もある。

本実施例は図１、図２に示す構造を持つ参考例の回折光学素子の具体例であり、以下のように作製する。

まず、ガラス製の第１透明基板１、第２透明基板２の空気側の表面に、真空蒸着で可視光域用の反射防止膜を成膜する。つぎに、第１透明基板１のセル内側の表面に、第１透明電極群１１となる透明導電膜として、シート抵抗値が１００Ω／□、厚さが約１０ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタ成膜する。その上にポジ型のフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィの技術で、図２に示すような等間隔に多数の平行なスリット４０を形成した周期的格子状のパターニングを施して、感光した部分のフォトレジストを除去する。さらに、塩化第３鉄系のエッチング液で、フォトレジストが除去された部分の透明導電膜を除去する。残ったフォトレジストを除去して第１透明電極群３１を作製する。さらに、石英を主成分とする絶縁性保護膜用のコート液をスピンコートで厚さが５０ｎｍになるように成膜し、熱焼成して絶縁性保護膜５とし、電極引き出し部８と、第１透明電極群１１の最外周部の電極と、第２透明電極群２１を結線するための部分の絶縁性保護膜をドライエッチングで除去する。

つぎに、第２透明基板２のセル内側の表面に、第２透明電極群２１として、フラットで一様な、かつシート抵抗値が１００Ω／□、厚さが約１０ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタ成膜する。さらに、石英を主成分とする絶縁性保護膜用のコート液をスピンコートで厚さが５０ｎｍになるように成膜し、熱焼成して絶縁性保護膜６とする。さらに、第１透明電極群１１の最外周部の電極と、第２透明電極群２１を結線するための部分の絶縁性保護膜をドライエッチングで除去する。

つぎに、図１に示すごとく、セルギャップが一様に４．２μｍになるよう、第２透明基板２に径が４．２μｍの石英製の微小球を散布し、導電性ビーズを混合した熱硬化型の接着剤を用いて隔壁７として、熱圧着をしてセル化する。上述のセルギャップ間に、平均粒径が３０ｎｍの酸化チタン製の帯電微粒子３を分散させたシリコーンオイルからなる分散媒４を、毛細管現象を利用して注入したのち、注入口をエポキシ接着剤で封止して、本発明の回折光学素子を作製する。

フレキシブル回路基板を電極引き出し部８に接着して、本発明の回折光学素子の動作を確認する。第１透明電極群１１と第２透明電極群２１に、±５Ｖ、１０Ｈｚの交流電圧を印加すると、透過する光波が回折するのが確認できる。なお、帯電微粒子３が各電極群への固着を防ぐことを主目的として交流電圧を印加する。本実施例では、電圧印加開始後約５分で変化が飽和する。変化が飽和するまでの速さ、すなわち応答速度は帯電微粒子３のゼータ電位の大きさ、および印加する電場の大きさに依存するので、より大きなゼータ電位をもつ帯電微粒子３を用いることと、電場の大きさを増すことで、高速化できる。なお、本実施例で用いた帯電微粒子３のゼータ電位は数ｍＶであり、ゼータ電位の大きさとしては小さい部類に入る。

また、変化した波面の量は、約２５ｎｍであり、屈折率の変化量に換算すると約０．００８である。本実施例における変化した波面の量、屈折率の変化量を増すためには、セルギャップの間隔を拡げること、帯電微粒子３と分散媒４の材料を変えて屈折率差を拡げることで対応できる。

以上、本実施例によると、素子内部に周期的な屈折率分布を動的に発現させて制御できることを確認できる。また、本発明の回折光学素子の原理上、透過する偏光状態に依存しないと考える。

本発明の回折光学素子は、偏光状態に依存せずに素子内部に周期的な屈折率を動的に発現させて制御できるので、光通信のように偏光依存性を嫌う分野、またはカメラのように自然光を扱う分野、またはプロジェクタのように無偏光光源を扱う用途にも応用できる。

本発明の参考例の回折光学素子の断面を示す概念的断面図である。本発明の参考例の回折光学素子の構成要素である第１透明電極群のパターンを示す平面図である。本発明の実施形態の回折光学素子の断面を示す概念的断面図である。

１第１透明基板
２第２透明基板
３帯電微粒子
４分散媒（透明絶縁性液体）
５絶縁性保護膜
６絶縁性保護膜
７隔壁
８電極引き出し部
１１第１透明電極群
２１第２透明電極群
３１第１透明電極群
３２透明導電膜
３３絶縁性保護膜
３４透明導電膜
４０スリット

Claims

第１透明電極群を有する第１透明基板と、第２透明電極群を有する第２透明基板と、第１透明電極群内、または第２透明電極群内、または第１透明電極群と第２透明電極群間を移動する帯電微粒子と、第１透明基板と第２透明基板の間に満たされ、かつ前記帯電微粒子を保持する透明絶縁性液体とを備えたセル構造の回折光学素子であって、
前記帯電微粒子の平均粒径が該回折光学素子を透過する光波の波長の１０分の１以下であり、かつ前記第１透明電極群、および／または前記第２透明電極群が周期的格子状の平面パターンを有し、
前記第１透明電極群が、平坦で一様な透明導電膜、絶縁性保護膜、パターニングされた透明導電膜を順に積層した構造を有していることを特徴とする回折光学素子。