JP5424154B2 - 光学部品 - Google Patents
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Description
本発明は光学部品に関する。より詳しくは、炭酸ガスレーザ光を加工対象物の加工に適した偏光状態に変換するのに有用な炭酸ガスレーザ用の光学部品に関する。
炭酸ガスレーザ光は、金属製の部材等の被加工物の加工、例えば切断に必要なレーザ出力を容易に安定して得られるため、被加工物の加工に広く用いられている。炭酸ガスレーザ加工装置の発振器から発生する炭酸ガスレーザ光は、通常、直線偏光である。ところが、この直線偏光の炭酸ガスレーザ光を被加工物に照射した場合、炭酸ガスレーザ光の偏光方向によって加工の幅が異なるため、加工品質上問題になることがある。
そこで、炭酸ガスレーザ加工装置では、炭酸ガスレーザ光の偏光方向による加工品質への影響をなくすため、反射型の光学部品である円偏光ミラーを設けることにより、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を、直線偏光から円偏光に変換している（例えば、特許文献１参照）。
そこで、炭酸ガスレーザ加工装置では、炭酸ガスレーザ光の偏光方向による加工品質への影響をなくすため、反射型の光学部品である円偏光ミラーを設けることにより、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を、直線偏光から円偏光に変換している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、前記円偏光ミラーを備えた炭酸ガスレーザ加工装置では、炭酸ガスレーザ光の折り返し等のために、大きな空間が必要であり、装置の大型化を招く。また、かかる炭酸ガスレーザ加工装置では、折り返し光学系が複雑なものとなるため、光学系の光軸の調整が困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、炭酸ガスレーザ加工装置の小型化を図ることができ、且つ使用時において、容易に光軸の調整を行なうことができる光学部品を提供することを目的とする。
本発明の光学部品は、炭酸ガスレーザ光を透過させて、当該炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換する光学部品であって、ＺｎＳｅ製の板状部材からなり、当該部材の少なくとも一方の表面に、炭酸ガスレーザ光の波長以下の周期で突出部と溝部とが配列された凹凸構造を有する基板本体と、前記凹凸構造の表面に積層されており、炭酸ガスレーザ光に対してＺｎＳｅよりも低い屈折率を有する材料からなる反射防止膜とを備えていることを特徴としている。
前記構成を備えた光学部品によれば、炭酸ガスレーザ光を透過するＺｎＳｅが基板本体の材料として用いられ、前記部材の少なくとも一方の表面に凹凸構造が形成され、さらに、この凹凸構造の表面にＺｎＳｅよりも低い屈折率の反射防止膜が積層されているため、高出力の炭酸ガスレーザ光であっても、当該レーザ光を高い透過率で透過させ、その偏光状態を直線偏光から円偏光等に変換することができる。
そのため、従来の円偏光ミラーを用いた場合のように当該円偏光ミラーを反射した炭酸ガスレーザ光の折り返し等を行なわなくてもよいため、前記折り返しのための空間が不要となり、また、光学系を簡単な構造とすることができる。
したがって、本発明の光学部品を用いた炭酸ガスレーザ加工装置によれば、装置の小型化を図ることができ、且つ光軸の調整が容易になる。
そのため、従来の円偏光ミラーを用いた場合のように当該円偏光ミラーを反射した炭酸ガスレーザ光の折り返し等を行なわなくてもよいため、前記折り返しのための空間が不要となり、また、光学系を簡単な構造とすることができる。
したがって、本発明の光学部品を用いた炭酸ガスレーザ加工装置によれば、装置の小型化を図ることができ、且つ光軸の調整が容易になる。
本発明では、前記基板本体の両表面に互いに同一の凹凸構造が形成されていてもよい。
これにより、基板本体の一方の面のみに凹凸構造が形成されたものに比べて、溝の深さを浅くしても、基板本体の一方の面のみに凹凸構造が形成されたものと同等の位相差を発生させることができる。かかる構成を備えた光学部品は、その製造時において、エッチング加工により形成される溝の深さを浅くすることができるので、容易に製造することができる。
これにより、基板本体の一方の面のみに凹凸構造が形成されたものに比べて、溝の深さを浅くしても、基板本体の一方の面のみに凹凸構造が形成されたものと同等の位相差を発生させることができる。かかる構成を備えた光学部品は、その製造時において、エッチング加工により形成される溝の深さを浅くすることができるので、容易に製造することができる。
また、本発明の光学部品は、互いに同一の凹凸構造が表面に形成された２つの基板本体を備えており、
これら２つの基板本体が一定の間隔をあけて対向するように配置されたものであってもよい。
かかる構成を備えた光学部品によれば、前記と同様、エッチング加工により形成される溝の深さを浅くすることができるとともに、使用時に、２つの基板本体それぞれの溝部の長手方向軸により形成される相対角度θを適宜調整することで、位相差を変えることができ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を容易に変更することができる。
これら２つの基板本体が一定の間隔をあけて対向するように配置されたものであってもよい。
かかる構成を備えた光学部品によれば、前記と同様、エッチング加工により形成される溝の深さを浅くすることができるとともに、使用時に、２つの基板本体それぞれの溝部の長手方向軸により形成される相対角度θを適宜調整することで、位相差を変えることができ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を容易に変更することができる。
さらに、本発明では、前記基板本体が円板状部材からなり、且つ前記突出部及び溝部の形成方向が互いに異なる複数の扇形領域に区分されており、
前記複数の扇形領域は、前記突出部及び溝部の形成方向が隣接する扇形領域間において連続的に変化するように配列されていてもよい。
また、かかる構成を備えた光学部品では、前記円板状部材が１つの基材からなり、且つ複数の扇形領域が前記１つの基材上に形成されていてもよい。
かかる構成を備えた光学部品によれば、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を直線偏光からラジアル偏光に変換することができる。ラジアル偏光されたレーザ光は、円偏光されたものよりも、さらに加工効率を向上させることができる。
前記複数の扇形領域は、前記突出部及び溝部の形成方向が隣接する扇形領域間において連続的に変化するように配列されていてもよい。
また、かかる構成を備えた光学部品では、前記円板状部材が１つの基材からなり、且つ複数の扇形領域が前記１つの基材上に形成されていてもよい。
かかる構成を備えた光学部品によれば、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を直線偏光からラジアル偏光に変換することができる。ラジアル偏光されたレーザ光は、円偏光されたものよりも、さらに加工効率を向上させることができる。
本発明では、前記突出部の側壁が、前記部材の表面に垂直な面に対して傾斜した傾斜側壁であるのが好ましい。
このような傾斜側壁を有する突出部は、エッチング加工により容易に形成することができるため、かかる構成を備えた光学部品によれば、製造の容易化を図ることができる。
このような傾斜側壁を有する突出部は、エッチング加工により容易に形成することができるため、かかる構成を備えた光学部品によれば、製造の容易化を図ることができる。
本発明の光学部品によれば、炭酸ガスレーザ加工装置の小型化を図ることができ、且つ使用時において、容易に光軸の調整を行なうことができる。
［実施形態１に係る光学部品］
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の光学部品の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、本発明の光学部品として、炭酸ガスレーザの偏光状態を変換する光学素子（透過型偏光フィルタ）を例にとって説明する。また、以下の図では、光学部品の表面に形成した凹凸構造をわかりやすく説明するために、寸法を適宜誇張して描いている。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態（実施形態１）に係る光学部品を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、実施形態１に係る光学部品における凹凸構造を示す要部斜視説明図である。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の光学部品の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、本発明の光学部品として、炭酸ガスレーザの偏光状態を変換する光学素子（透過型偏光フィルタ）を例にとって説明する。また、以下の図では、光学部品の表面に形成した凹凸構造をわかりやすく説明するために、寸法を適宜誇張して描いている。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態（実施形態１）に係る光学部品を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、実施形態１に係る光学部品における凹凸構造を示す要部斜視説明図である。
図１に示される光学部品１は、炭酸ガスレーザ光を透過させて、当該炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変更する透過型偏光フィルタである。この光学部品１は、円形の板状部材の一方の表面に凹凸構造１０を有する基板本体２と、凹凸構造１０の表面に積層された反射防止膜３とから構成されている（図１（ｂ）参照）。
基板本体２はＺｎＳｅ製の円板状部材であり、この基板本体２の表面には、炭酸ガスレーザ光の波長以下の周期で突出部１１と溝部１２とが配列された凹凸構造１０が形成されている。
この凹凸構造１０を有する基板本体２は、周期を有する方向と周期を有しない方向とで異なる有効屈折率を有する複屈折材料として機能する。これらの有効屈折率の差により、例えば、凹凸構造１０の周期方向に対して垂直に入射した偏光成分と、当該凹凸構造１０の溝方向に平行に入射した偏光成分との間に伝播速度に差が生じ、両偏光成分間に位相遅延差が生じる。その結果、光学部品１に入射した炭酸ガスレーザ光に対して、位相差を生じさせることができる。
このように、本実施形態１に係る光学部品１では、基板本体２の材料として、ＺｎＳｅが用いられ、基板本体２を構成する部材の少なくとも一方の表面に凹凸構造１０が形成されているため、高出力の炭酸ガスレーザ光であっても、当該基板本体２を透過させることができ、且つ凹凸構造１０に基づく構造性複屈折によって、透過した炭酸ガスレーザ光に位相差を生じさせ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変更することができる。
この凹凸構造１０を有する基板本体２は、周期を有する方向と周期を有しない方向とで異なる有効屈折率を有する複屈折材料として機能する。これらの有効屈折率の差により、例えば、凹凸構造１０の周期方向に対して垂直に入射した偏光成分と、当該凹凸構造１０の溝方向に平行に入射した偏光成分との間に伝播速度に差が生じ、両偏光成分間に位相遅延差が生じる。その結果、光学部品１に入射した炭酸ガスレーザ光に対して、位相差を生じさせることができる。
このように、本実施形態１に係る光学部品１では、基板本体２の材料として、ＺｎＳｅが用いられ、基板本体２を構成する部材の少なくとも一方の表面に凹凸構造１０が形成されているため、高出力の炭酸ガスレーザ光であっても、当該基板本体２を透過させることができ、且つ凹凸構造１０に基づく構造性複屈折によって、透過した炭酸ガスレーザ光に位相差を生じさせ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変更することができる。
基板本体２の厚さは、最厚部分（突出部１１部分）において、通常、１〜１０ｍｍ程度である。また、基板本体２の直径は、所望の用途に応じて適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、例えば５０ｍｍとすることができる。
実施形態１に係る光学部品１では、図２に示される凹凸構造１０の溝部１２における溝の深さＤは、用いられる炭酸ガスレーザ光の波長及び所望の位相差に応じて設定することができる。なお、実施形態１に係る光学部品１では、偏光成分間の位相遅延差は前記深さＤに比例するため、所望の位相差に応じて深さＤの値を設定すればよい。波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光について、位相差９０度とする場合、前記深さＤは、前記位相差を許容誤差±６度以下とする観点から、好ましくは５．９７μｍ〜６．６７μｍ以下である。
凹凸構造１０において、突出部１１の幅Ｌ1と溝部１２の幅Ｌ2との合計からなるピッチ寸法（周期）Ｐは、用いられる炭酸ガスレーザ光の波長（９．３〜１０．６μｍ）以下の短い周期となるように設定されている。これにより、回折光の発生を抑制することができる。
凹凸構造１０の突出部１１のアスペクト比（溝の深さＤ（＝突出部の高さ）／突出部１１の幅Ｌ1）は、用いられる炭酸ガスレーザ光の波長及び所望の位相差に応じて設定することができる。波長１０．６μmの炭酸ガスレーザ光について、位相差９０度とする場合、前記アスペクト比は、前記位相差を許容誤差±６度以下とする観点から、好ましくは２．７６〜２．９６である。
凹凸構造１０のフィルファクタ（突出部１１の幅Ｌ1／ピッチ寸法Ｐ）は、位相差を９０度±６度以下にする観点から、好ましくは０．４８９〜０．５７９以下である。
反射防止膜３は、ＺｎＳｅよりも低い屈折率を有する材料からなる膜であり、かかる材料としては、例えば、ＹＦ3、ＴｈＦ4、ＹｂＦ3、ＢａＦ2、ＨｆＦ4、ＡｌＦ3、ＬａＦ3、ＺｒＦ4等が挙げられる。
本実施形態１に係る光学部品１では、凹凸構造１０の表面に反射防止膜３が積層されているため、光学部品１に入射する炭酸ガスレーザ光の反射を抑制することができ、炭酸ガスレーザ光の透過率を高めることができる。したがって、本実施形態１に係る光学部品１は、高出力の炭酸ガスレーザ光を要する用途に好適である。
本実施形態１に係る光学部品１では、凹凸構造１０の表面に反射防止膜３が積層されているため、光学部品１に入射する炭酸ガスレーザ光の反射を抑制することができ、炭酸ガスレーザ光の透過率を高めることができる。したがって、本実施形態１に係る光学部品１は、高出力の炭酸ガスレーザ光を要する用途に好適である。
本実施形態１に係る光学部品１は、基板本体２を構成する部材の表面に、凹凸構造１０を形成し、さらに、当該凹凸構造１０の表面に反射防止膜３を積層することにより製造することができる。前記凹凸構造１０は、基板本体２を構成する部材に対して、例えば、エッチング加工等を施すことにより形成させることができる。また、前記反射防止膜３は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法等により凹凸構造１０の表面に積層させることができる。
［実施形態２に係る光学部品］
図３は、本発明の他の実施形態（実施形態２）に係る光学部品における凹凸構造を示す要部断面説明図である。図３に示される光学部品１では、基板本体２の両表面に互いに同一の凹凸構造１０ａ，１０ｂが形成されている点で前記実施形態１に係る光学部品１と異なっている。
図３は、本発明の他の実施形態（実施形態２）に係る光学部品における凹凸構造を示す要部断面説明図である。図３に示される光学部品１では、基板本体２の両表面に互いに同一の凹凸構造１０ａ，１０ｂが形成されている点で前記実施形態１に係る光学部品１と異なっている。
実施形態２に係る光学部品１では、炭酸ガスレーザ光の偏光成分間の位相遅延差は、２つの凹凸構造１０ａ，１０ｂそれぞれの溝部１２ａ，１２ｂの溝の深さを合わせた深さに比例することになる。
そのため、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させるためには、製造に際して、前記実施形態１に係る光学部品１における溝の深さＤ（ｄ）に対して１／２（ｄ／２）の溝の深さの凹凸構造１０を形成すればよい。
したがって、実施形態２に係る光学部品１によれば、前記実施形態１に係る光学部品１に比べて、エッチング加工等が容易になり、製造の容易化を図ることができる。
そのため、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させるためには、製造に際して、前記実施形態１に係る光学部品１における溝の深さＤ（ｄ）に対して１／２（ｄ／２）の溝の深さの凹凸構造１０を形成すればよい。
したがって、実施形態２に係る光学部品１によれば、前記実施形態１に係る光学部品１に比べて、エッチング加工等が容易になり、製造の容易化を図ることができる。
また、実施形態２に係る光学部品１では、製造時に、凹凸構造１０ａ，１０ｂそれぞれの溝部１２ａ，１２ｂの長手方向軸により形成される角度θを調整して凹凸構造１０ａ，１０ｂを基板本体２に形成することにより、炭酸ガスレーザ光に生じさせる位相差を適宜設定することが可能である（図５参照）。
本実施形態２に係る光学部品１では、上述した点以外は、前記実施形態１に係る光学部品１と同様である。
本実施形態２に係る光学部品１では、上述した点以外は、前記実施形態１に係る光学部品１と同様である。
［実施形態３に係る光学部品］
図４は、本発明のさらに他の実施形態（実施形態３）に係る光学部品を示す説明図である。図４に示される実施形態３の光学部品１は、互いに同一の凹凸構造１０ａ，１０ｂが形成された２つの基板本体２ａ，２ｂを備えている点で前記実施形態１に係る光学部品１と異なっている。
図４は、本発明のさらに他の実施形態（実施形態３）に係る光学部品を示す説明図である。図４に示される実施形態３の光学部品１は、互いに同一の凹凸構造１０ａ，１０ｂが形成された２つの基板本体２ａ，２ｂを備えている点で前記実施形態１に係る光学部品１と異なっている。
実施形態３に係る光学部品１は、凹凸構造１０ａが形成された基板本体２ａを備えた部材１ａと、凹凸構造１０ｂが形成された基板本体２ｂを備えた部材１ｂとから構成されている。本実施形態３に係る光学部品１では、基板本体２ａ，２ｂは、表面同士が、一定の間隔をあけて配置されており、且つそれぞれの凹凸構造１０ａ，１０ｂが同一方向を向くように配置されている。
実施形態３に係る光学部品１においても、炭酸ガスレーザ光の偏光成分間の位相遅延差は、２つの凹凸構造１０ａ，１０ｂそれぞれの溝部１２ａ，１２ｂの溝の深さを合わせた深さに比例する。
そのため、実施形態３に係る光学部品１によれば、凹凸構造１０ａ，１０ｂそれぞれの溝の深さが、前記実施形態１に係る光学部品１における溝の深さＤ（ｄ）に対して１／２（ｄ／２）の溝の深さとされていることで、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させることができる。
したがって、実施形態３に係る光学部品１は、前記実施形態２に係る光学部品と同様に、その製造が容易であり、しかも、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させることができる。
そのため、実施形態３に係る光学部品１によれば、凹凸構造１０ａ，１０ｂそれぞれの溝の深さが、前記実施形態１に係る光学部品１における溝の深さＤ（ｄ）に対して１／２（ｄ／２）の溝の深さとされていることで、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させることができる。
したがって、実施形態３に係る光学部品１は、前記実施形態２に係る光学部品と同様に、その製造が容易であり、しかも、前記実施形態１に係る光学部品１と同等の位相差を発生させることができる。
さらに、本実施形態３に係る光学部品１は、前記部材１ａ，１ｂより構成されているため、使用時において、両部材１ａ，１ｂそれぞれの溝部１２ａ，１２ｂの長手方向軸により形成される相対角度θを適宜調整して、両部材１ａ，１ｂを配置することができる。
したがって、実施形態３に係る光学部品１によれば、炭酸ガスレーザ光に生じさせる位相差を容易に調整することができ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を容易に変更することができる（図５参照）。
したがって、実施形態３に係る光学部品１によれば、炭酸ガスレーザ光に生じさせる位相差を容易に調整することができ、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を容易に変更することができる（図５参照）。
［実施形態３に係る光学部品の変形例］
図６は、本発明の実施形態３に係る光学部品の変形例を示す説明図である。本変形例に係る光学部品１は、基板本体２ａ，２ｂが、一定の間隔をあけて、凹凸構造１０ａ，１０ｂの表面が、互いに向かい合うように配置されている点が、前記実施形態３に係る光学部品１と異なっている。
本変形例に係る光学部品１も、前記実施形態３に係る光学部品と同様の作用効果を奏する。
図６は、本発明の実施形態３に係る光学部品の変形例を示す説明図である。本変形例に係る光学部品１は、基板本体２ａ，２ｂが、一定の間隔をあけて、凹凸構造１０ａ，１０ｂの表面が、互いに向かい合うように配置されている点が、前記実施形態３に係る光学部品１と異なっている。
本変形例に係る光学部品１も、前記実施形態３に係る光学部品と同様の作用効果を奏する。
［実施形態４に係る光学部品］
図７（ａ）は、本発明の他の実施形態（実施形態４）に係る光学部品の平面説明図である。
本実施形態４に係る光学部品１では、基板本体２は、１つの基材からなる円板状部材からなる。
そして、この基板本体２は、突出部１１及び溝部１２の形成方向が互いに異なる複数（１２個）の扇形領域２１ａ〜２１ｌに区分されている。複数の扇形領域２１ａ〜２１ｌは、突出部１１及び溝部１２の形成方向が隣接する扇形領域間において連続的に変化するように配列されている。具体的に、扇形領域２１ｂにおける前記形成方向は、扇形領域２１ａにおける形成方向よりも図７（ａ）においてやや左側に傾斜しており、また、扇形領域２１ｃにおける前記形成方向は、この扇形領域２１ｂの形成方向よりもさらに左側に傾斜している。以下、順次、傾斜の程度が大きくなっている。
実施形態４に係る光学部品では、各扇形領域の凹凸構造１０において、各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の伝播速度を変えることができ、円周方向に沿って連続的に位相差を変化させることができる。したがって、本実施形態４に係る光学部品１によれば、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を、直線偏光からラジアル偏光に変換することができる（図７（ｂ）参照）。
このように発生したラジアル偏光の炭酸ガスレーザ光によれば、炭酸ガスレーザ光による被加工物の加工に際して、安定した加工面が得られる。
本実施形態４に係る光学部品では、上述した点以外は、前記実施形態１に係る光学部品１と同様である。
図７（ａ）は、本発明の他の実施形態（実施形態４）に係る光学部品の平面説明図である。
本実施形態４に係る光学部品１では、基板本体２は、１つの基材からなる円板状部材からなる。
そして、この基板本体２は、突出部１１及び溝部１２の形成方向が互いに異なる複数（１２個）の扇形領域２１ａ〜２１ｌに区分されている。複数の扇形領域２１ａ〜２１ｌは、突出部１１及び溝部１２の形成方向が隣接する扇形領域間において連続的に変化するように配列されている。具体的に、扇形領域２１ｂにおける前記形成方向は、扇形領域２１ａにおける形成方向よりも図７（ａ）においてやや左側に傾斜しており、また、扇形領域２１ｃにおける前記形成方向は、この扇形領域２１ｂの形成方向よりもさらに左側に傾斜している。以下、順次、傾斜の程度が大きくなっている。
実施形態４に係る光学部品では、各扇形領域の凹凸構造１０において、各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の伝播速度を変えることができ、円周方向に沿って連続的に位相差を変化させることができる。したがって、本実施形態４に係る光学部品１によれば、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を、直線偏光からラジアル偏光に変換することができる（図７（ｂ）参照）。
このように発生したラジアル偏光の炭酸ガスレーザ光によれば、炭酸ガスレーザ光による被加工物の加工に際して、安定した加工面が得られる。
本実施形態４に係る光学部品では、上述した点以外は、前記実施形態１に係る光学部品１と同様である。
なお、前記円板状部材は、凹凸構造１０を有し、且つ前記凹凸構造１０の突出部１１及び溝部１２の形成方向が互いに異なる複数の扇形基材を貼り合わせることによって、突出部１１及び溝部１２の形成方向が当該円板状部材の周方向に連続的に変化するように配列されたものであってもよい。
［その他の変形例］
前記実施形態１に係る炭酸ガスレーザ加工用光学部品１においては、凹凸構造１０の突出部１１の側壁を、基板本体２を構成する板状部材の表面に垂直な方向に対して傾斜した傾斜側壁とすることができる（図８参照）。
波長１０．６μmの炭酸ガスレーザ光について、位相差９０度とする場合、前記傾斜側壁の傾斜角度αは、前記位相差を許容誤差±６度以下とする観点から、好ましくは１８度以下である。
この場合、ピッチ寸法Ｐやアスペクト比は、基板本体２における溝の深さＤ（ｄ）の１／２（ｄ／２）の深さにおける突出部１１及び溝部１２の幅を突出部１１の幅Ｌ1及び溝部１２の幅Ｌ2として算出することができる。
なお、前記実施形態２〜４においても、凹凸構造１０の突出部１１の側壁を本変形例と同様の傾斜側壁とすることができる。
かかる傾斜側壁を有する突出部は、エッチング加工等により、容易に形成することができる。したがって、光学部品の製造の容易化を図ることができる。
前記実施形態１に係る炭酸ガスレーザ加工用光学部品１においては、凹凸構造１０の突出部１１の側壁を、基板本体２を構成する板状部材の表面に垂直な方向に対して傾斜した傾斜側壁とすることができる（図８参照）。
波長１０．６μmの炭酸ガスレーザ光について、位相差９０度とする場合、前記傾斜側壁の傾斜角度αは、前記位相差を許容誤差±６度以下とする観点から、好ましくは１８度以下である。
この場合、ピッチ寸法Ｐやアスペクト比は、基板本体２における溝の深さＤ（ｄ）の１／２（ｄ／２）の深さにおける突出部１１及び溝部１２の幅を突出部１１の幅Ｌ1及び溝部１２の幅Ｌ2として算出することができる。
なお、前記実施形態２〜４においても、凹凸構造１０の突出部１１の側壁を本変形例と同様の傾斜側壁とすることができる。
かかる傾斜側壁を有する突出部は、エッチング加工等により、容易に形成することができる。したがって、光学部品の製造の容易化を図ることができる。
また、本発明においては、反射防止膜３の表面に当該反射防止膜３を構成する材料よりも高い屈折率を有する材料からなる膜をさらに積層してもよい。かかる膜としては、ＺｎＳｅからなる膜等が挙げられる。
［光学部品の製造方法］
つぎに、添付図面を参照しつつ、本発明の光学部品の製造方法の実施形態をより詳細に説明する。以下、実施形態４に係る光学部品に用いられる基板本体２の製造方法を例に挙げて説明する。図９は、本発明の実施形態４に係る光学部品に用いられる基板本体の製造方法の手順を示す概略説明図である。なお、図９では、凹凸構造の形成を分かりやすく説明するために、凹凸構造の一部のみを誇張して描いている。
つぎに、添付図面を参照しつつ、本発明の光学部品の製造方法の実施形態をより詳細に説明する。以下、実施形態４に係る光学部品に用いられる基板本体２の製造方法を例に挙げて説明する。図９は、本発明の実施形態４に係る光学部品に用いられる基板本体の製造方法の手順を示す概略説明図である。なお、図９では、凹凸構造の形成を分かりやすく説明するために、凹凸構造の一部のみを誇張して描いている。
まず、ＺｎＳｅ等の透明体からなる基板３１の一方の表面上に、紫外線等の光によって感光するフォトレジストを塗布し、基板３１の表面上にフォトレジスト層３２を形成して、素形材３３を得る（図９（ａ））。
フォトレジストとして、ネガ型フォトレジストやポジ型フォトレジストを用いることができるが、扇形のパターンを高い精度で形成させる観点から、ポジ型フォトレジストを用いるのが好ましい。かかるポジ型フォトレジストとしては、例えば、ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺＰ４６２０等を用いることができる。
フォトレジストの塗布は、例えば、スピンコート法、スプレー法、ディップコート法等により行われる。これらのなかでは、厚さの制御が容易であることから、スピンコート法が好ましい。このスピンコート法では、スピンコーター等を用いて遠心力（例えば、４０００ｒｐｍで２５秒間の回転）によりフォトレジストを基板３１の表面に塗布することができる。フォトレジスト層３２の厚さは、特に限定されないが、通常、０．５〜５μｍ程度とすることができる。
つぎに、レジスト塗布後の素形材３３をヒータ４１等によって加熱（プリベーク）して、フォトレジスト層３２を構成するフォトレジストの溶媒成分を蒸発させ、フォトレジスト層３２を固化する（図９（ｂ））。
加熱温度は、フォトレジストに含まれる溶媒の種類等に応じて、適宜設定することができるが、通常、８０〜１２０℃である。また、加熱時間は、加熱温度やフォトレジストに含まれる溶媒の種類等に応じて、適宜設定することができるが、通常、ベーク炉を用いる場合には、３０分〜１時間程度である。また、かかる加熱（プリベーク）は、ベーク炉のような密閉炉内で行う場合はレジストの発火による急激な圧力増大を防ぐために窒素雰囲気下で行なうのが好ましい。
加熱温度は、フォトレジストに含まれる溶媒の種類等に応じて、適宜設定することができるが、通常、８０〜１２０℃である。また、加熱時間は、加熱温度やフォトレジストに含まれる溶媒の種類等に応じて、適宜設定することができるが、通常、ベーク炉を用いる場合には、３０分〜１時間程度である。また、かかる加熱（プリベーク）は、ベーク炉のような密閉炉内で行う場合はレジストの発火による急激な圧力増大を防ぐために窒素雰囲気下で行なうのが好ましい。
つぎに、素形材３３のフォトレジスト層３２の表面に、マスク３４を密着させ、当該マスク３４を通してフォトレジスト層３２を露光する（図９（ｃ））。
マスク３４は、複数の扇形領域を有する平面パターンを有している（図１０（ａ）参照）。図１０（ａ）において、矢印は、突出部と溝部の形成方向を示している。前記マスク３４は、露光光を遮蔽する遮蔽部３４ａと露光光を透過する開口部３４ｂとから構成されている（図１０（ｂ）参照）。図１０（ｂ）において、遮蔽部３４ａの幅Ａおよび開口部３４ｂの幅Ｂは、用いられる炭酸ガスレーザ光の波長、所望の位相差等に応じて適宜設定することができるが、例えば、Ａ＝１．６μｍ、Ｂ＝２．４μｍとすることができる。
このマスク３４と密着させたフォトレジスト層３２においては、図９（ｃ）に示されるように、露光光を遮蔽する遮蔽部３４ａが密着している部分が感光されず（非露光部３２ａ）、開口部３４ｂを透過した部分が感光される（露光部３２ｂ）。
このマスク３４と密着させたフォトレジスト層３２においては、図９（ｃ）に示されるように、露光光を遮蔽する遮蔽部３４ａが密着している部分が感光されず（非露光部３２ａ）、開口部３４ｂを透過した部分が感光される（露光部３２ｂ）。
露光には、例えば、紫外線等を用いることができる。かかる露光は、例えば、マスクをフォトレジストへ圧着させる単純な密着露光、マスクとフォトレジストとを圧着後、圧着部を減圧することにより密着度を上げたバキュームコンタクト露光等により行なうことができる。露光の際の光の照射量は、用いる光およびフォトレジストの種類、厚み等に応じて、適宜設定することができる。
つぎに、露光後の素形材３３を現像液３６に浸漬して、現像を行ない、素形材３５を得る（図９（ｄ））。
本工程では、フォトレジストとしてポジ型フォトレジストを用いた場合には、現像によって非露光部３２ａが残り、露光部３２ｂが除去される（図９（ｄ））。一方、フォトレジストとしてネガ型フォトレジストを用いた場合には、非露光部３２ａが除去され、露光部３２ｂが残る（図示せず）。なお、図９に示される以下の工程は、フォトレジストとして、ポジ型フォトレジストを用いた場合について示している。
本工程では、フォトレジストとしてポジ型フォトレジストを用いた場合には、現像によって非露光部３２ａが残り、露光部３２ｂが除去される（図９（ｄ））。一方、フォトレジストとしてネガ型フォトレジストを用いた場合には、非露光部３２ａが除去され、露光部３２ｂが残る（図示せず）。なお、図９に示される以下の工程は、フォトレジストとして、ポジ型フォトレジストを用いた場合について示している。
現像液３６としては、例えば、アルカリ現像液を用いることができる。かかるアルカリ現像液としては、例えば、ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺ ＤＥＶＥＲＯＰＰＥＲ等の現像液が挙げられる。
現像条件は、フォトレジストおよび現像液３６の種類に応じて、適宜設定することができる。例えば、フォトレジストとしてポジ型フォトレジスト（ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺＰ４６２０）を用い、現像液３６としてアルカリ現像液（ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺ ＤＥＶＥＲＯＰＰＥＲ）を用いる場合、現像条件としては、例えば、液温が２３℃に保たれた現像液３６中、素形材３５を２４０秒間揺動させる条件等が挙げられる。
現像条件は、フォトレジストおよび現像液３６の種類に応じて、適宜設定することができる。例えば、フォトレジストとしてポジ型フォトレジスト（ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺＰ４６２０）を用い、現像液３６としてアルカリ現像液（ＡＺクラリアント社製、商品名：ＡＺ ＤＥＶＥＲＯＰＰＥＲ）を用いる場合、現像条件としては、例えば、液温が２３℃に保たれた現像液３６中、素形材３５を２４０秒間揺動させる条件等が挙げられる。
つぎに、現像後の素形材３５を洗浄して、この素形材３５上に残存した現像液を除去する（図９（ｅ））。
この洗浄工程では、例えば、抵抗率１８．０ＭΩ以上の超純水を、流量４Ｌ／ｍｉｎで２分間素形材の表面上に流すことにより素形材３５上の残存した現像液を除去することができる。
この洗浄工程では、例えば、抵抗率１８．０ＭΩ以上の超純水を、流量４Ｌ／ｍｉｎで２分間素形材の表面上に流すことにより素形材３５上の残存した現像液を除去することができる。
つぎに、洗浄後の素形材３５をヒータ４１で加熱（ポストベーク）して、この素形材３５上に残存した水分を除去する（図９（ｆ））。加熱温度、加熱時間等の加熱条件は、前記プリベークを行なう場合と同様の条件であればよい。
その後、基板３１の露出部分を除去して、素形材３７を得る（図９（ｇ））。かかる工程では、前工程において高い精度で形成された非露光部３２ａがマスクとして働くので、前記平面パターンに対応して、パターンを高い精度で形成することができる。
基板３１の露出部分の除去は、ドライエッチング、ウェットエッチング等により行なうことができる。なかでも、基板３５の露出部分を正確に除去して微細なパターンを正確に形成する観点から、ドライエッチングが好ましい。ドライエッチングを行なった場合、基板３１における露出部分ではエッチングが進行するのに対して、非露光部３２ａが重層されている基板３１の非露出部分（突出部３１ａ）では、非露光部３２ａがマスクとして働き、エッチングの進行が阻害される。これにより、基板３１の表面にパターンを形成する。
ドライエッチングは、量産性や装置のコストの観点から、ＲＩＥが好ましく、その中でも異方性の高い垂直なエッチングが可能な誘導結合型プラズマによる反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）が好ましい。ＩＣＰ−ＲＩＥでは、エッチングガスとして、例えば、三塩化ホウ素等を用いることができる。また、エッチングガスの流量、圧力、エッチング時間等のエッチング条件は、エッチングガスの種類、露出部分のエッチング深さ等に応じて異なるので一概には決定することができない。例えば、エッチングガスとして、三塩化ホウ素を用い、ＺｎＳｅ製の基板に対してエッチング深さが６．３μｍとなるようにエッチングする場合、エッチング条件としては、流量を１０ｓｃｃｍ、圧力を３Ｐａ、エッチング時間を５０分間とする条件等が挙げられる。
つぎに、基板３１上に残った非露光部３２ａを除去して、凹凸構造１０を有する基板本体２を得る（図９（ｈ））。
非露光部３２ａの除去は、例えば、非露光部３２ａを構成するフォトレジストを溶解する溶媒３８に、エッチング後の素形材３７を浸漬することにより行なうことができる。このとき、溶媒３８に浸漬した前記素形材３７に対して超音波を照射することにより、フォトレジストの溶解を促進する。
前記フォトレジストを溶解する溶媒３８は、フォトレジストの種類に応じて、適宜選定することができる。前記溶媒３８としては、例えば、アセトン等が挙げられる。
非露光部３２ａの除去は、例えば、非露光部３２ａを構成するフォトレジストを溶解する溶媒３８に、エッチング後の素形材３７を浸漬することにより行なうことができる。このとき、溶媒３８に浸漬した前記素形材３７に対して超音波を照射することにより、フォトレジストの溶解を促進する。
前記フォトレジストを溶解する溶媒３８は、フォトレジストの種類に応じて、適宜選定することができる。前記溶媒３８としては、例えば、アセトン等が挙げられる。
その後、基板本体２の凹凸構造１０上に反射防止膜３を形成させ、光学部品１を得る（図９（ｉ））。
反射防止膜３は、凹凸構造１０の表面に反射防止膜３を積層することにより形成させることができる。前記凹凸構造１０の表面への反射防止膜３の積層は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法等により行なうことができる。
反射防止膜３は、凹凸構造１０の表面に反射防止膜３を積層することにより形成させることができる。前記凹凸構造１０の表面への反射防止膜３の積層は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法等により行なうことができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、かかる実施例に限定されるものではない。
（試験例１）
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、種々の溝の深さを有するようにエッチング加工を施して、前記表面に断面矩形の突出部２ａと溝部２ｂとからなる凹凸構造を形成した基板本体２を得た（図１１）。なお、かかる突出部の幅は、１．６μｍとし、溝部の幅は、２．４μｍとした。溝の深さの異なる種々の基板本体２に、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を照射して、透過後の炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）間の位相差を測定した。試験例１において、光学部品における溝の深さＤと炭酸ガスレーザ光の各偏光成分間の位相差との関係を図１２に示す。
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、種々の溝の深さを有するようにエッチング加工を施して、前記表面に断面矩形の突出部２ａと溝部２ｂとからなる凹凸構造を形成した基板本体２を得た（図１１）。なお、かかる突出部の幅は、１．６μｍとし、溝部の幅は、２．４μｍとした。溝の深さの異なる種々の基板本体２に、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を照射して、透過後の炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）間の位相差を測定した。試験例１において、光学部品における溝の深さＤと炭酸ガスレーザ光の各偏光成分間の位相差との関係を図１２に示す。
図１２に示される結果から、溝の深さＤは、位相差と略比例していることがわかる。また、例えば、突出部の幅が１．６μｍ、溝部の幅が２．４μｍである前記凹凸構造の場合、溝の深さを５．２μｍとすることにより、透過後の炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の位相差を９０度とすることができることがわかる。したがって、このように凹凸構造を設計することにより、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を直線偏光から円偏光に変換することができることがわかる。
以上のように、溝の深さＤを適宜設定することにより、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の位相差を所望の位相差とし、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換することができることがわかる。
以上のように、溝の深さＤを適宜設定することにより、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の位相差を所望の位相差とし、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換することができることがわかる。
（試験例２）
試験例１で製造した溝の深さの異なる各基板本体２を用いて、溝の深さＤと波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の透過率との関係を調べた。試験例２において、光学部品における溝の深さＤと炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の透過率との関係を調べた結果を図１３に示す。
試験例１で製造した溝の深さの異なる各基板本体２を用いて、溝の深さＤと波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の透過率との関係を調べた。試験例２において、光学部品における溝の深さＤと炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の透過率との関係を調べた結果を図１３に示す。
図１３に示される結果から、溝の深さＤの大きさによって、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）それぞれの透過率が異なることがわかる。例えば、突出部の幅が１．６μｍ、溝部の幅が２．４μｍである凹凸構造において、溝の深さが５．２μｍである場合、ＴＥ波の透過率は８５％であり、ＴＭ波の透過率は９６％である。
しかしながら、被加工物のレーザ加工では、高出力の炭酸ガスレーザ光を得るために、９６％以上の高い透過率を得ることが好ましい。そこで、より高い透過率を得るための手段を検討する。
しかしながら、被加工物のレーザ加工では、高出力の炭酸ガスレーザ光を得るために、９６％以上の高い透過率を得ることが好ましい。そこで、より高い透過率を得るための手段を検討する。
（実施例１）
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、種々の溝の深さを有するように、異なる条件のエッチング加工を施して、前記表面に幅２．１４４μｍの突出部と幅１．８５６μｍの溝部とからなる凹凸構造を形成した基板本体を得た。つぎに、各基板本体の凹凸構造の表面にＹＦ3からなる厚さ１．７７μｍの反射防止膜を積層し、光学部品を得た。
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、種々の溝の深さを有するように、異なる条件のエッチング加工を施して、前記表面に幅２．１４４μｍの突出部と幅１．８５６μｍの溝部とからなる凹凸構造を形成した基板本体を得た。つぎに、各基板本体の凹凸構造の表面にＹＦ3からなる厚さ１．７７μｍの反射防止膜を積層し、光学部品を得た。
得られた各光学部品を用いて、溝の深さＤと波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の透過率及び各偏光成分間の位相差との関係を調べた。その結果を図１４に示す。
図１４に示される結果から、突出部のアスペクト比が２．３３〜３．２６である場合、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）の透過率を９６％以上とすることができるとともに、各偏光成分間の位相差を一定の範囲内で任意の位相差に調整することができることがわかる。また、下記表１に示す光学部品により、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分について、９９％以上の高い透過率を達成するとともに、位相差を９０度とすることができ、直線偏光を円偏光に変換することができることがわかる。
以上のように、アスペクト比を適宜設定することにより、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の位相差を所望の位相差とし、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換することができるとともに、高い透過率を達成することができるので、被加工物のレーザ加工に好適な炭酸ガスレーザ光を得ることができることがわかる。
以上のように、アスペクト比を適宜設定することにより、炭酸ガスレーザ光の各偏光成分の位相差を所望の位相差とし、炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換することができるとともに、高い透過率を達成することができるので、被加工物のレーザ加工に好適な炭酸ガスレーザ光を得ることができることがわかる。
以上のように、凹凸構造を形成したＺｎＳｅ製の基板本体の凹凸構造の表面に反射防止膜を積層した光学部品によれば、被加工物のレーザ加工に好適な炭酸ガスレーザ光を得ることができることがわかる。
（試験例３）
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、エッチング加工を施して、前記板状部材の表面に垂直な方向に対する傾斜角度αが０度、１０度又は２０度である側壁を有する突出部と溝部とからなる種々の溝の深さを有する凹凸構造を形成した基板本体を得た。なお、傾斜角度αが０度の場合の突出部の幅は２．１４４μｍ、溝部の幅は１．８５６μｍとした。また、傾斜角度αが１０度又は２０度の場合の突出部及び溝部の幅は、溝の深さの１／２の深さの部分での幅として、それぞれ、１．６μｍ、２．４μｍとした。
ＺｎＳｅ製の板状部材（直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の表面に、エッチング加工を施して、前記板状部材の表面に垂直な方向に対する傾斜角度αが０度、１０度又は２０度である側壁を有する突出部と溝部とからなる種々の溝の深さを有する凹凸構造を形成した基板本体を得た。なお、傾斜角度αが０度の場合の突出部の幅は２．１４４μｍ、溝部の幅は１．８５６μｍとした。また、傾斜角度αが１０度又は２０度の場合の突出部及び溝部の幅は、溝の深さの１／２の深さの部分での幅として、それぞれ、１．６μｍ、２．４μｍとした。
得られた各基板本体に、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光を照射して、透過後の炭酸ガスレーザ光の各偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）間の位相差を測定した。試験例３において、光学部品の突出部の側壁の傾斜角度αと溝の深さＤと位相差との関係を調べた結果を示すグラフを図１５に示す。図中、白丸は、突出部の側壁の傾斜角度αが０度である場合の結果、黒三角は、突出部の側壁の傾斜角度αが１０度である場合の結果、黒四角は、突出部の側壁の傾斜角度αが２０度である場合の結果を示す。
図１５に示される結果から、例えば、突出部の側壁の傾斜角度αが１０度である場合、深さＤを５．６μｍとしたときに、透過した炭酸ガスレーザ光の各偏光成分間の位相差を９０度にすることができることがわかる。また、傾斜角度αが２０度である場合には、傾斜角度αが１０度である場合に比べて深さＤをより深くすることにより、透過した炭酸ガスレーザ光の各偏光成分間の位相差を９０度にすることができることがわかる。
以上のように、突出部の側壁を傾斜側壁とした場合であっても、突出部の側壁が傾斜していない場合と同様に、位相差を制御することができることがわかる。
以上のように、突出部の側壁を傾斜側壁とした場合であっても、突出部の側壁が傾斜していない場合と同様に、位相差を制御することができることがわかる。
１ 光学部品
２ 基板本体
３ 反射防止膜
１０ 凹凸構造
１１ 突出部
１２ 溝部
２ 基板本体
３ 反射防止膜
１０ 凹凸構造
１１ 突出部
１２ 溝部
Claims (6)
- 炭酸ガスレーザ光を透過させて、当該炭酸ガスレーザ光の偏光状態を変換する光学部品であって、
ＺｎＳｅ製の板状部材からなり、当該部材の少なくとも一方の表面に、炭酸ガスレーザ光の波長以下の周期で突出部と溝部とが配列された凹凸構造を有する基板本体と、
前記凹凸構造の表面に積層されており、炭酸ガスレーザ光に対してＺｎＳｅよりも低い屈折率を有する材料からなる反射防止膜と
を備えていることを特徴とする光学部品。 - 前記基板本体の両表面に互いに同一の凹凸構造が形成されている請求項１に記載の光学部品。
- 互いに同一の凹凸構造が表面に形成された２つの基板本体を備えており、
これら２つの基板本体が一定の間隔をあけて対向するように配置されている請求項１に記載の光学部品。 - 前記基板本体が円板状部材からなり、且つ前記突出部及び溝部の形成方向が互いに異なる複数の扇形領域に区分されており、
前記複数の扇形領域は、前記突出部及び溝部の形成方向が隣接する扇形領域間において連続的に変化するように配列されている請求項１に記載の光学部品。 - 前記円板状部材が１つの基材からなり、且つ複数の扇形領域が前記１つの基材上に形成されている請求項４に記載の光学部品。
- 前記突出部の側壁が、前記部材の表面に垂直な面に対して傾斜した傾斜側壁である請求項１〜５のいずれかに記載の光学部品。
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