JP6050618B2 - 偏光解消素子及びその素子を用いた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学機器に用いられる偏光解消素子とその素子を用いた光学機器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迷光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、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。

スペックルには、「Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」と「Ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」の次の２つの成分がある。
「Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」は、液晶やＤＭＤ（Digital Mirror Device）などのマイクロデバイス上に発生するスペックルである。
「Ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」は、人間の眼を通して見た時に、眼のレンズ系と瞳の関係で発生するスペックル、つまり人間の眼球内で干渉縞が発生する現象である。
従来のスペックルの解消対策は、次のものが挙げられる。

従来の「Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」低減方法は、マイクロデバイス通過光に対して、（１）拡散板を通過させて光拡散させる方法、（２）光ファイバ束を通過させて光拡散させる方法、（３）マイクロレンズを回転させて干渉発生位置を平均化する方法（例えば特許文献１を参照。）、（４）位相差の異なる波長板を回転させる方法、などがある。

従来の「Ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｋｌｅ」低減方法はスクリーン側に対策している。例えば、（１）レーザ光源の複数化して、干渉防止する方法（例えば特許文献２を参照。）、（２）レーザ光波長を時間変調する方法、（３）ホログラム法（画面への入射光角度を時間変更する）を採用する方法（例えば特許文献３を参照。）、（４）表示画像のデジタルスキャン方式（時間変調して、干渉防止する）を採用する方法、などが挙げられる。なお、（３）ホログラム法を採用する方法は動画を表示できない。

また、スペックルを解消する手法として、例えば非特許文献１に８つの方法が開示されている。

特開平０６−２０８０８９号公報 特開２００７−０４７２４５号公報 特開２０１２−０５８７０９号公報 特開２００４−３４１４５３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報 ＷＯ２００４／００８１９６号 特開２００７−２６３５９３号公報 特開２００５−２７９７６１号公報 特願平５−３１３２３３号公報 特開２００１−３５６４７１号公報

黒田和男、山本和久、栗村直 編，「解説 レーザーディスプレイ−基礎から応用まで−」，株式会社オプトロニクス社，２０１０年２月８日，ｐ.１８４

従来のスペックル解消方法は、光学的な効果が十分ではない。また、装置が大掛かりであること、高額であること、機能・効果を大きく発現するには複数の方式を組み合わせる必要があること、など、多くの課題を有している。

本発明の第１の目的は、安価に省スペースでスペックルを解消できる偏光解消素子を提供することである。

本発明の第２の目的は、そのような偏光解消素子を光学系に備えることによりスペックルを解消した光学機器を提供することである。

本発明にかかる偏光解消素子は、光透過領域を有する光偏光器と、上記光偏光器を並進振動させるために上記光偏光器に連結された弾性体と、上記弾性体を介して上記光偏光器を支持する支持体と、上記光偏光器を並進振動させるための振動子と、上記支持体と上記振動子とを位置固定するための台座と、を備え、上記光偏光器、上記弾性体及び上記支持体は１つのシリコン基板が加工されて形成されたものであり、上記光偏光器の上記光透過領域は上記シリコン基板の一部分が熱酸化されて形成された二酸化珪素で形成され、上記光透過領域の一表面に、上記二酸化珪素で形成され、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をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体からなる光偏光素子が形成されていることを特徴とする。

この光偏光素子は、特性の異なるサブ波長構造体（ＳＷＳ）が基板表面にいくつも設けられることで、基板を光が通過する際に各周期構造体に応じた偏光を持たせることで偏光を解消する（例えば特許文献４，５を参照。）。

サブ波長構造体と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をもつ周期構造体のことである。使用する光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造は構造性複屈折作用をもつ。

本発明の偏光解消素子において、光偏光素子は、複数のサブ波長構造体領域が互いに隣接して配置されたものであってもよいし、サブ波長構造体を明確な領域に分割しないものであってもよい（例えば特許文献５を参照。）。

サブ波長構造体が領域分割されている場合、サブ波長構造体領域を構成する溝の配列方向である光学軸方向が隣接するサブ波長構造体領域間で異なる部分をもつように配置される。
また、サブ波長構造体が明確な領域に分割されていない場合、サブ波長構造体はサブ波長構造体を構成する溝の配列方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるようにその溝が同心円状に配列される。

サブ波長構造体の複屈折作用について、図１を参照して説明する。図１に示す構造は一般的なサブ波長構造体を示したものであり、使用する光の波長よりも短い凹凸周期（ピッチ）Ｐを有するサブ波長凹凸構造が形成されている。サブ波長凹凸構造の媒質として空気と屈折率ｎの媒質を想定する。屈折率ｎの凸条のランドの幅がＬ、空気層からなる凹条の溝の幅がＳであり、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。また、Ｌ／Ｐはフィリングファクタ（Ｆ）と呼ばれる。ｄは溝の深さである。

周期Ｐの目安としては、使用する最も短い入射光の波長より短い周期で、より望ましくは使用波長の半分以下の周期とする。周期Ｐが入射光の波長よりも短い周期構造は入射光を回折することはないため入射光はそのまま透過し、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。その結果、構造に関するパラメータを調整することにより位相差を任意に設定することができるため各種波長板を実現できる。

構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。

サブ波長構造体の周期よりも２倍以上の波長をもつ光が垂直入射したと仮定する。このときの入射光の偏光方向がサブ波長構造体の溝に平行（ＴＥ方向）であるか垂直（ＴＭ方向）であるかによって、サブ波長構造体の有効屈折率は次の式で与えられる。
ｎ（ＴＥ）＝（Ｆ×ｎ²＋（１−Ｆ））^1/2
ｎ（ＴＭ）＝（Ｆ／ｎ²＋（１−Ｆ））^1/2

入射光の偏光方向がサブ波長構造体の溝に平行である場合の有効屈折率をｎ（ＴＥ）、垂直である場合の有効屈折率をｎ（ＴＭ）と表す。式中の符号Ｆは前述のフィリングファクタである。

このようなサブ波長構造体を透過した光のＴＥ波とＴＭ波の間の位相差（リタデーション）Δは、
Δ＝Δｎ・ｄ
である。ここで、Δｎはｎ（ＴＥ）とｎ（ＴＭ）の差、ｄは前述の溝の深さである。

サブ波長構造体領域に直線偏光の光が入射すると、この位相差によってその透過光は楕円偏光に変わる。光学軸の異なるサブ波長構造体領域が隣接する本発明の偏光解消素子を直線偏光の光が透過すると、隣接するサブ波長構造体領域間で楕円率が異なるとともに、サブ波長構造体を構成する溝の深さの異なる部分を透過した直線偏光間でも位相差の相違によって楕円率が異なる。

本発明の偏光解消素子において、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内にそれらの深さの異なる溝をもっているようにすることができる。さらに、サブ波長構造体領域は隣接するサブ波長構造体領域間でサブ波長構造体領域を構成する溝の深さが異なっているようにしてもよい。また、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に複数の光学軸方向をもっているようにすることもできる。その場合、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に互いに直交する２つの光学軸方向をもっているようにしてもよい。
このような偏光解消素子は、例えば特許文献５に開示されている。

この偏光解消素子において、サブ波長構造体を構成する溝の深さが光学軸方向に沿って連続的に変化しているようにしてもよい。そのような連続的な変化を実現する１つの方法として、三角関数、指数関数又は他の任意の数式で表される関数に従うように変化させることができる。溝の深さの連続的な変化に伴って、このサブ波長構造体領域を通過する光の位相差（後述）が連続的に変化し、偏光状態が連続的に変化して種々の偏光状態を作成するのに一層寄与する。

この偏光解消素子で発生する位相差Δは使用する波長λに対して、
λ／４≦Δ≦λ
となるようにサブ波長構造体が設計されていることが好ましい。これにより、この偏光解消素子の異なる場所を通過した光束同士であってもその干渉を防止することができる。

また、本発明の偏光解消素子は、該偏光解消素子の上記光偏光素子に替えて光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成された光量均一化素子をさらに備えているようにしてもよい。この場合、上記光量均一化素子の上記光透過領域は該偏光解消素子の上記光透過領域を透過する光の光路上に配置されている。そのような上記光量均一化用光学素子としては、マイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイなどを挙げることができる。

本発明はまた、レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器も対象としている。そのような光学機器としてはレーザプリンタ、露光装置、レーザ光源を用いる分光器、及びレーザ計測装置などを挙げることができる。そのような光学機器において、本発明はそれらの光学機器の光源からのレーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために本発明の偏光解消素子をそれらの光学機器の光学系の光路上に配置したものである。

本発明の偏光解消素子は、安価かつ省スペースでスペックルの解消を実現できる。
機器。

この偏光解消素子をそれぞれの光学系に配置した露光装置、レーザプリンタその他の光学機器では光学系でのスペックルの発生を低減させることができる。

サブ波長構造体を説明するための概略断面図である。 偏光解消素子の一実施例を説明するための概略的な斜視図である。 図２のＡ−Ａ’位置での概念的な断面図である。 同実施例の光偏光器を拡大して示した概略的な断面図である。 同実施例の偏光解消素子における弾性体の幅と共振周波数の関係を示す図である。 同実施例の光偏光器の光偏光素子の一例を概略的に示した平面図である。 同実施例の光偏光器の光偏光素子の他の例を概略的に示した平面図である。 偏光解消素子の他の実施例を説明するための概念的な断面図である 偏光解消素子のさらに他の実施例を説明するための概念的な断面図である 光偏光器、弾性体及び支持体の作成手順の一例を説明するための概略的な工程断面図である。 図１０の続きの工程を説明するための概略的な工程断面図である。 光量均一化素子を備えた偏光解消素子の実施例を説明するための概略的な斜視図である。 図１２の光量均一化素子のＢ−Ｂ’位置での概念的な断面図である。 偏光解消素子を使用した一実施例としてのレーザプリンタの光学系を示す概略斜視図である。 偏光解消素子を使用した他の実施例としての露光装置の光学系を示す概略構成図である。 偏光解消素子を使用したさらに他の実施例としての光ファイバ増幅器の光学系を示す概略構成図である。

本発明の偏光解消素子は、並進振動される光偏光器の光透過領域の一表面に複数のサブ波長構造体領域が配置されたものである。

図２は、偏光解消素子の一実施例を説明するための概略的な斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ’位置での概念的な断面図である。

この実施例を作成するにあたって、０.５２５ｍｍ（ミリメートル）のシリコンウエハ（シリコン基板）を貫通加工することによって図２及び図３に示されるようなバネ構造を形成した。

偏光解消素子１は、光偏光器３と、弾性体５と、支持体７と、振動子９と、台座１１とを備えている。光偏光器３、弾性体５及び支持体７は、例えば、後述するシリコンプロセス法（フォトリソグラフィ加工、ナノインプリント加工、ウエットエッチング加工、ドライエッチング加工するなど）により、１つのシリコン基板１３が半導体熱酸化プロセスを含んで加工されて形成されたものである。

光偏光器３は光透過領域３ａを有する。光透過領域３ａはシリコン基板１３の一部分が熱酸化されて形成された二酸化珪素１５で形成されている。光偏光器３の光透過領域３ａよりも厚みが厚い部分は、表面が二酸化珪素１５で形成されており、内部がシリコン基板１３で形成されている。
機器。

光透過領域３ａの一表面に、二酸化珪素１５で形成され、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をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体からなる光偏光素子３ｂが形成されている。

弾性体５は、光偏光器３を並進振動させるために光偏光器３に連結されている。この実施例では、一対の弾性体５が設けられている。
支持体７は、弾性体５を介して光偏光器３を支持している。弾性体５及び支持体７は、表面が二酸化珪素１５で形成されており、内部がシリコン基板１３で形成されている。
機器。

振動子９は、光偏光器３を並進振動させるためのものである。この実施例では、振動子９は弾性体５を介して光偏光器３を並進振動させる。振動子９は例えば圧電振動子である。ただし、振動子９は圧電振動子に限定されない。振動子９は光偏光器３を所定の周波数で並進振動させることができるものであればどのような構造のものであってもよい。

台座１１は支持体７と振動子９とを位置固定するためのものである。台座１１は、例えば金属製であり、矩形形状を有する。ただし、台座１１の材料及び形状はこれらに限定されない。

光偏光器３に対して、その一方の向かい合う両辺（図２では、長辺）に、１対の弾性体５（左右）の基端部がそれぞれ連結されている。一方の弾性体５の先端には振動子９の先端部が連結されている。他方の弾性体５の先端は支持体７に連結されている。光偏光器３の他方の向かい合う両辺（図１では、短辺）はフリーの状態である。

支持体７及び振動子９は、支持体７及び振動子９を包囲する形状に形成された枠状の台座１１に固定されている。この実施例では、支持体７と振動子９は互いに間隔をもって配置されている。ただし、支持体７と振動子９は接触していてもよい。
台座１１は、光偏光器３、弾性体５及び支持体７とは別の加工により作製される。ここではこの製作方法は述べない。

台座１１と支持体７との固定、及び台座１１と振動子９との接合には、接着樹脂、ＡｕＳｎ共晶接合、Ａｕ−Ａｕ固相拡散接合、ハンダ接合、バンプ接合等、産業上可能なあらゆる接合方式を用いることができる。

図４は、光偏光器３を拡大して示した概略的な断面図である。
例えば、サブ波長構造体からなる光偏光素子３ｂにおいて、凹凸周期（ピッチ）Ｐは１５０〜２５０ｎｍ（ナノメートル）、凸条のランドの幅Ｌは７５〜１２５ｎｍ、空気層からなる凹条の溝の幅Ｓは７５〜１２５ｎｍであり、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。また、溝の深さｄは２〜５μｍ（マイクロメートル）、光透過領域３ａの厚みｔは７〜１５μｍである。
機器。

光偏光器３において、光透過領域３ａは厚みが１０μｍ程度の薄肉となっているため、外周に０.５２５厚の枠を残し、強度を確保した。

例えば、使用する光の波長は「紫外光（ＹＡＧレーザーの第３高調波：３５５ｎｍ）〜近赤外光（ＹＡＧレーザーの基本波：１０６４ｎｍ）」である。もちろん、可視光（３５０〜７００ｎｍ）用に使用することも可能である。また、ある一例の設計によって設計及び製作される光偏光素子３ｂが、「狙いの光波長帯域を広く設定し」かつ対応可能な場合には、光偏光素子３ｂは、「狙いの光波長帯域」で使用することができる。通常は、使用する「狙いの光波長」を設定しその波長に合致するように光学設計を行なう。

下記に一例を述べる。「紫外光（ＹＡＧレーザーの第２高調波：５３２ｎｍ）」用に設計すると、シリコンを熱酸化してＳｉ→ＳｉＯ₂と組成を変化させて光偏光素子３ｂを形成する。設計の基本材料はＳｉＯ₂である。設計結果（試作品実測結果）を下記に示す。
（１）Δ＝λ／４の場合：ピッチ（Ｐ）＝２５０ｎｍ、ランドの幅（Ｌ）：１２５ｎｍ、溝の幅（Ｓ）：１２５ｎｍ、深さ（ｄ）＝２.５μｍ、このときの設計位相差：９０°
（２）Δ＝λ／２の場合：ピッチ（Ｐ）＝２５０ｎｍ、ランドの幅（Ｌ）：１２５ｎｍ、溝の幅（Ｓ）：１２５ｎｍ、深さ（ｄ）＝５.０μｍ、このときの設計位相差：１８０°

光偏光器３、弾性体５及び支持体７板は、例えば５２５μｍ程度のシリコン基板を加工して作製されている。すなわち、薄いシリコン基板を両面から順次加工するプロセスであり、このプロセスで製作された構造そのものが弾性梁の機能を有している。そのため、光偏光器３と連結する弾性体材を別途設けることなく、機械的な共振現象を利用しなくても、スペックルパターンの平均化に必要な１００μｍ程度の並進変位を得ることが可能となっている。

次に振動設計について説明する。振動設計はＣＡＤ（Computer Aided Design）及び構造解析ソフトを用いて共振周波数を求めた。弾性体５の太さ（幅）を変化させながら、共振周波数が例えば１８ｋＨｚ（キロヘルツ）になるように調整した。本件設計結果では弾性体５の幅０.１３ｍｍが得られた。

図５は、この実施例の偏光解消素子における弾性体５の幅と共振周波数の関係を示す図である。図５において、縦軸は共振周波数（ｋＨｚ）、横軸は弾性体幅（ｍｍ）を示す。

図６は、光偏光器３の光偏光素子３ｂの一例を概略的に示した平面図である。
光偏光素子３ｂに複数のサブ波長構造体領域３ｃが配置されている。サブ波長構造体領域３ｃは互いに隙間のない状態に配置されている。ここでは８×８＝６４個のサブ波長構造体領域３ｃが配置されたものを示しているが、これは概略図であり、その個数に限定されるものではなく、サブ波長構造体領域３ｃの数は多いほどよい。例えば、光偏光素子３ｂが５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、サブ波長構造体領域３ｃが５０μｍ×５０μｍであるとすると、１００×１００＝１００００個のサブ波長構造体領域３ｃが配置された光偏光素子３ｂとなる。

サブ波長構造体領域３ｃ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により構成されるストライプ状の凹凸構造をもっている。そのストライプ状の凹凸の配列方向が光学軸であり、図では光学軸は矢印で示されている。この実施例では各サブ波長構造体領域３ｃは１つずつの光学軸をもっている。光学軸方向は隣接するサブ波長構造体領域３ｃ間では異なる部分をもつように、ここでは隣接するサブ波長構造体領域３ｃ間で光学軸方向が異なるようにサブ波長構造体領域３ｃが配置されている。サブ波長構造体領域３ｃの光学軸方向は３６０度を１５分割した方向のいずれかの方向をもつように形成されており、光偏光素子３ｂとしては光学軸方向がランダムになるようにサブ波長構造体領域３ｃが配置されている。

サブ波長構造体領域３ｃ内における光学軸は１つである必要はなく、互いに直交する２つの方向の光学軸をもつようにサブ波長構造体領域３ｃを形成することもできる。また、さらに複数個の光学軸をもつようなサブ波長構造体領域３ｃであってもよく、後述のように光学軸方向が中心から放射状に広がるようにサブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝が同心円状に配列されているようなサブ波長構造体領域３ｃであってもよい。

光偏光素子３ｂは、サブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝の深さに関し、光偏光素子３ｂ全体で溝の深さが同じであってもよいし、深さの異なるものを含んでいてもよい。
深さの異なるものを含んでいる場合、１つの形態は、各サブ波長構造体領域３ｃ内ではその溝の深さを均一にし、その溝の深さの異なるサブ波長構造体領域３ｃをランダムに配置したものである。他の形態は、各サブ波長構造体領域３ｃ内においてその溝の深さを変化させたものである。このような形態は例えば特許文献５に開示されている。

図７は、光偏光素子３ｂの他の例を概略的に示した平面図である。図７の光偏光素子３ｂは、複数のサブ波長構造体領域に分割されることなく、全体として１つのサブ波長構造体領域からなる。

図７の光偏光素子３ｂでは、光偏光素子３ｂの全面にわたって、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をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体が形成されている。そのサブ波長構造体はサブ波長構造体を構成する溝の配列方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるようにその溝が同心円状に配列されている。したがって、図中に矢印で示される光学軸方向は３６０度にわたって分布している。さらに、サブ波長構造体を構成する溝の深さは、この偏光解消素子の中心（Ａ１）から半径方向の一点（Ａ２）に至る位置での断面図が、例えば、三角関数その他の任意の関数に従って連続して変化するように形成されている。

この実施例では入射光の中心が偏光解消素子の中心（Ａ１）にくるように光学系を配置するのが最も効果的な使用方法である。

なお、本発明の偏光解消素子において、光偏光素子は、図６又は図７に示したものに限定されない。本発明の偏光解消素子において、光偏光素子は、二酸化珪素で形成され、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をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体からなるものであれば、どのような構成であってもよい。

偏光解消素子１において、光偏光器３における光透過領域３ａとは異なる部分（周囲部分）の厚みは支持体７の厚みと同じ寸法でなくてもよい。また、弾性体５の厚みは支持体７の厚みと同じ寸法でなくてもよい。これらの部分の厚みは、支持体７の厚みよりも小さい寸法であってもよい。その一例を図８及び図９に示す。
機器。

図８は、偏光解消素子の他の実施例を説明するための概念的な断面図である。図９は、偏光解消素子のさらに他の実施例を説明するための概念的な断面図である。図８及び図９において、図２及び図３と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

図８及び図９に示されるように、光偏光器３における光透過領域３ａとは異なる部分の厚みは、光透過領域３ａの厚みと同じであってもよい。なお、光偏光器３における光透過領域３ａとは異なる部分の厚みは、光透過領域３ａの厚み及び支持体７の厚みとは異なっていてもよい。このように、光偏光器３における光透過領域３ａとは異なる部分の厚みは任意の厚み寸法に形成可能である。
機器。

また、図８に示されるように、弾性体５の厚みは、光透過領域３ａの厚み及び支持体７の厚みとは異なっていてもよい。なお、支持体７の厚みは均一でなくてもよい。また、図９に示されるように、弾性体５の厚みは、光透過領域３ａの厚みと同じであってもよい。このように、弾性体５の厚みは任意の厚み寸法に形成可能である。
機器。

次に、偏光解消素子１の作製手順を説明する。まず、図１０及び図１１を参照して、１つのシリコン基板から加工される光偏光器３、弾性体５及び支持体７の作成手順について説明する。
機器。

図１０及び図１１は、光偏光器３、弾性体５及び支持体７の作成手順の一例を説明するための概略的な工程断面図である。この製造工程では、図９に示された光偏光器３、弾性体５及び支持体７の断面形状の作成手順を説明する。なお、図２又は図８に示された断面形状は、以下に説明する作成手順と同様にして作成できる。

光偏光器３、弾性体５及び支持体７の製造基本のプロセスは、図１０（ａ）から図１１（ｊ）に示すように、シリコン基板１３の表面及び裏面を熱酸化炉（拡散炉）によって酸化し、二酸化珪素１５（熱酸化シリコン膜）を形成する（熱酸化膜形成ステップ）。二酸化珪素１５の厚みは、例えば５０μｍとする。
機器。

まず、図１０に沿って基本製作プロセスを示す。
図１０（ａ）に示すように、両面研磨加工されたシリコン基板１３（通常の５２５μｍ厚さ）を準備し、光偏光器機能を発現させる面（図１０及び図１１では上面）の表面に、メタル膜１７を膜厚０.１から１μｍ程度、スパッタリング法で成膜する。メタル膜１７は、後工程で述べるアルカリウエットエッチング時に上面を保護するための保護膜である。メタル膜１７は、例えばクロムやニッケル等である。ただし、メタル膜１７は、アルカリウエットエッチングに耐久性があり、かつ後述する工程でパターニング可能な材料であれば、金属以外の材料であってもよい。

図１０（ｂ）に示すように、シリコン基板１３の裏面（光偏光器機能を発現させない面（図では下面））の表面に、通常のフォトリソグラフィ法（レジスト塗布、プリベーク、ステッパー露光、現像、リンス、形状評価）によって弾性体５の一部分及び支持体７（図１及び図９を参照。）を構成する部分を覆うレジスト材料１９を形成する。

図１０（Ｃ）に示すように、シリコン基板１３の裏面側からアルカリ（ＫＯＨ）ウエットエッチング液でシリコン基板１３をエッチングする。なお、シリコン基板１３の結晶構造によって、ウエットエッチング後に現れる結晶面が異なる。ここでは、大まかなプロセスを述べているので、結晶面は述べない。シリコン基板１３のエッチングされる部分が所定の厚さ（例えば残り厚さ：２５〜４５μｍ程度）になるまでウエットエッチングを時間管理して実施する。エッチング後に、シリコン基板１３を洗浄する。

図１０（ｄ）に示すように、光偏光器機能を発現させる面（図では上面）の表面に予め光学設計（シミュレーション）で解を得ているサブ波長構造体のピッチとライン／スペースの構造を製作するＮＩＰ（ナノインプリント）金型を準備する。この金型の製作方法は、例えば、石英基板上にシリコン膜を形成し、その上に電子線レジストを塗布し、このレジストに専用のＥＢ描画装置でパターンを形成する。形成するパターンは、Δ＝λ／４狙いの場合でも、Δ＝λ／２狙いの場合でも、ピッチ（Ｐ）＝２５０ｎｍ、ランドの幅（Ｌ）：８５ｎｍ、溝の幅（Ｓ）：１６５ｎｍである。このパターンをマスクにして形状をドライエッチング法で石英基板に刻印する方法で製作する。

メタル膜１７上にＮＩＰ転写用樹脂を適量塗布する。この樹脂に上記で準備していた石英金型を押し当てて、メタル膜１７／樹脂材料層２１／金型（図示は省略）の構成とする。石英金型の上方から紫外線を照射して、樹脂を硬化させる。金型を剥離すると、金型の凹凸と反転した形状がメタル膜１７上の樹脂材料層２１に転写される。この具体的な工程は特許文献５に開示されている。なお、所定のパターンを有する樹脂材料層２１（マスクパターン）を形成する方法は、ＮＩＰ法に限定されず、どのような方法であってもよい。

図１０（ｅ）に示すように、樹脂材料層２１をマスクとして（ＢＣＬ₃、ＣＬ₂、Ｏ₂ガスを導入して）ドライエッチング法でメタル膜１７をエッチングする。これにより、メタル膜１７をパターニングする。

図１１（ｆ）に示すように、樹脂材料層２１及びメタル膜１７をマスクとしてボッシュプロセスでシリコン基板１３を深彫りする。ここでエッチングする深さは、
（１）Δ＝λ／４の場合：深さ（ｄ）＝２.５μｍ、
（２）Δ＝λ／２の場合：深さ（ｄ）＝５.０μｍである。

レジストをマスクとしてアスペクト比：≧２０を実現するボッシュプロセスの具体的な加工条件の一例を示すと、次のとおりである。

（ａ）エッチングされたシリコン基板１３の壁に保護膜を成膜する条件
ガス：Ｃ₄Ｆ₈
ガス流量：１００〜２００ｓｃｃｍ
圧力：２０〜３０ｍＴｏｏｒ
加工時間：３〜４秒
バイアス：〜２０Ｗ
上部電力：１.８〜２.２ＫＷ

（ｂ）シリコンをエッチングするプロセス条件
ガス：ＳＦ₆
ガス流量：２００〜３００ｓｃｃｍ
圧力：２５〜７０ｍＴｏｏｒ
加工時間：４.５〜８.５秒
バイアス：５０〜７０Ｗ
上部電力：１.７〜２.０ＫＷ
エッチングレート：２〜７μｍ／分

図１１（ｇ）に示すように、シリコン基板１３の裏面（光偏光器機能を発現させない面（図では下面））の表面に、通常のフォトリソグラフィ法（レジスト塗布、プリベーク、ステッパー露光、現像、リンス、形状評価）によって、光偏光器３及び弾性体５を構成する部分を保護するレジスト材料２３を形成する。

図１１（ｈ）に示すように、レジスト材料２３をマスクにして、シリコン基板１３をウエットエッチングでエッチングして、光偏光器３、弾性体５及び支持体７を形成する。

図１１（ｉ）に示すように、基板表裏面のレジスト材料１９，２３、樹脂材料層２１、メタル膜１７を剥離する。これにより、パターニングされたシリコン基板１３が完成する。
機器。

図１１（ｊ）に示すように、パターニングされたシリコン基板１３を熱酸化炉で熱酸化して、シリコン基板１３の表面に二酸化珪素１５を形成する。シリコン基板１３表面から５〜１０μｍの厚さまで、シリコンが熱酸化されて二酸化珪素１５に組成変化する。組成変化した後のパターン形状は、初期の設計の値と同じであった。これにより、二酸化珪素１５からなる光透過領域３ａ及び光偏光素子３ｂが形成される。
機器。

作成された光偏光素子３ｂの特性を調べた。
（１）Δ＝λ／４の場合：ピッチ（Ｐ）＝２５０ｎｍ、ランドの幅（Ｌ）：１２５ｎｍ、溝の幅（Ｓ）：１２５ｎｍ、深さ（ｄ）＝２.５μｍ。このときの実際に製作試作した結果は、入射光と出射光の位相差８５°、光透過率９４％であった。また、裏面に反射防止膜を成膜した場合は、光透過率９７％であった。

（２）Δ＝λ／２の場合：ピッチ（Ｐ）＝２５０ｎｍ、ランドの幅（Ｌ）：１２５ｎｍ、溝の幅（Ｓ）：１２５ｎｍ、深さ（ｄ）＝５.０μｍ。このときの実際に製作試作した結果は、入射光と出射光の位相差１７２°、光透過率９４％であった。また、裏面に反射防止膜を成膜した場合は、９７％であった。

次に、台座１１の製造工程について説明する。
台座１１の製造工程は、上記シリコンプロセスとは全く異なる。金属製の形状加工ステップである。

台座１１の製造工程では、例えば、プレスで打ち抜いた金属板（厚さ：１.０ｍｍ）を使用するか、機械加工した金属板（厚さ：１.０〜２.０ｍｍ）を使用する。これにより、支持体７及び振動子９を固定するための台座１１が形成される。

台座１１と支持体７との固定を接着樹脂で行なう場合には、シリコン基板１３上のすべて金属材料、レジスト材料を除去し、表面熱酸化された後に、表面熱酸化されたシリコン基板１３を所定の外形にダイサーで切断する。なお、ダイサーによって切断された切断面には二酸化珪素１５は形成されていない。この状態で、共振構造を有する光学偏光器チップが完成する。
機器。

また、台座１１と支持体７及び振動子９（市販の振動子）の固定は、市販の接着剤でよい。なお、当該固定をＡｕＳｎ共晶接合、Ａｕ−Ａｕ固相拡散接合、ハンダ接合などの金属を介する接合で行なう場合には、振動子９の上部に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕの順にスパッタ成膜を実施する。また、台座１１上に支持体７を接合するために必要な金属パッドを形成する。

なお、光偏光器３、弾性体５、支持体７及び台座１１の製造方法は、上記で説明した製造工程に限定されず、他の製造方法であってもよい。

このようにして作成した偏光解消素子１の駆動特性の試験について説明する。
本実施例では、シリコン基板１３（二酸化珪素１５の厚みを含む）の厚みは、５２５μｍ、光透過領域３ａを構成する二酸化珪素１５の厚みは１０μｍとした。
機器。

また、本実施例では、光偏光器３の共振周波数が１８ｋＨｚとなるように設計した。振動子９に振幅電圧Ｖｐｐ＝２０Ｖ、周波数１８ｋＨｚの交流電圧を駆動信号として印加し、交流電圧を駆動信号として印加した。振動子９は水平軸走査用で共振駆動とし、振幅５０μｍを得た。
機器。

光偏光器３が並進振動されることにより、光偏光素子３ｂが形成された光透過領域３ａを透過する光は、光偏光素子３ｂのサブ波長構造体に従って位相差の異なる光がサブ波長構造体領域毎に出射されるとともに、サブ波長構造体領域毎に位相差の異なる光が時間分割されて出射される。この光を用いることによって、スペックル成分の内で、『オブジェクティブスペックルを解消する』ことができる。
機器。

このようにして、スクリーンに画像を表示する際に、偏光解消素子１を動作させる前後、すなわち、振動子９に電圧成分を駆動信号として印加する前後で、スクリーン上の画像のスペックルノイズを計測した。スクリーン上の画像をＣＣＤカメラで捉え、ＣＣＤ画素毎の輝度を分析処理することよりスペックルコントラストＣを求めた。
Ｃ＝σ／Ｉ （σ：輝度ばらつきの標準偏差、Ｉ：輝度平均）
その結果、振動子９の駆動前後でスペックルコントラストＣは３０％低減された。
機器。

また、偏光解消素子１の振動子９を動作させる前後で、フリッカーノイズの違いは認識されなかった。これは、偏光解消素子１の振動子９が、周波数１８ｋＨｚという人間の目では追随できない速度で振動しているためにフリッカーノイズの違いが認識されなかったものと推測される。
機器。

このように、偏光解消素子１は安価に省スペースでスペックル解消の機能発現が可能となる。
また、偏光解消素子１において、弾性体５を構成する材料はシリコン材料である。一方、振動子９は市販の振動子を使用している。したがって、目的の特性に合致した市販の振動子を購入して使用することができる。換言すれば、狙いとする振動数、振幅に応じた振動子を用いることで、偏光解消素子１の目的特性を変更することができる。
機器。

図１２は、偏光解消素子の他の実施例を説明するための概略的な斜視図である。この実施例は、偏光解消素子１及び光量均一化素子２５を備えている。図１３は、図１２の光量均一化素子のＢ−Ｂ’位置での概念的な断面図である。

この実施例において、偏光解消素子１の構成は図２及び図３と同じである。
光量均一化素子２５は、偏光解消素子１の光偏光素子３ｂに替えて光量を均一化するための光量均一化用光学素子２７ｂが形成されたものである。光量均一化素子２５は、光量均一化用光学器２７を備えている。光量均一化素子２５において、光量均一化用光学器２７以外の構成は偏光解消素子１と同じである。

光量均一化用光学器２７は光透過領域２７ａを有する。光透過領域２７ａはシリコン基板１３の一部分が熱酸化されて形成された二酸化珪素１５で形成されている。光量均一化用光学器２７の光透過領域２７ａよりも厚みが厚い部分は、表面が二酸化珪素１５で形成されており、内部がシリコン基板１３で形成されている。この部分の構成は偏光解消素子１の光偏光器３と同様である。
機器。

光透過領域２７ａの一表面に、二酸化珪素１５で形成され、光量を均一化するための光量均一化用光学素子２７ｂが形成されている。光量均一化用光学素子２７ｂは、例えばマイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイである。

光量均一化素子２５の光透過領域２７ａは偏光解消素子１の光透過領域３ａを透過する光の光路上に配置されている。この実施例では、光量均一化素子２５は偏光解消素子１に対して入射光側に配置されている。なお、光量均一化素子２５は偏光解消素子１に対して出射光側に配置されていてもよい。

光量均一化素子２５においても、偏光解消素子１の光偏光器３と同様に、振動子９によって光量均一化用光学器２７は並進振動される。
これにより、空間コヒーレンス性の高い入射光は、光量均一化素子２５及び偏光解消素子１を通過すると、空間コヒーレンス性の極めて低い光（出射光）になる。

このように、偏光解消素子１と光量均一化素子２５を一体化又は同一光路上に配置したものを、レーザ露光装置やレーザ加工装置などの光学系に適用することにより、これらの素子の透過光の偏光状態をランダムにするとともに、光量を均一化することができる。

本発明の応用例としては、レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器も対象としている。そのような光学機器としてはレーザプリンタ、露光装置、レーザ光源を用いる分光器、及びレーザ計測装置などを挙げることができる。そのような光学機器において、本発明はそれらの光学機器の光源からのレーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために本発明の偏光解消素子をそれらの光学機器の光学系の光路上に配置したものである。

光量均一化素子２５の製造方法の一例を説明すると、上記で説明された光偏光器３、弾性体５、支持体７及び台座１１の製造工程において、光偏光素子３ｂに替えて光量均一化用光学素子２７ｂを形成することによって光量均一化素子２５を作製できる。光量均一化用光学素子２７ｂは例えばマイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイであるが、これらのレンズは、例えば、いわゆるリフロー法やイオン交換法、機械加工法、転写法（例えば特許文献９，１０を参照。）などによって作製できる。ただし、光量均一化素子２５の製造方法はこれに限定されるものではない。

（偏光解消素子の適用例）
（レーザプリンタへの適用）
図１４はレーザプリンタの光学系を示したものである。レーザダイオード・ユニット５１内部には、光源としてのレーザダイオードと、レーザダイオードから射出されるレーザビームは平行光線にするコリメートレンズが設けられている。レーザダイオード・ユニット５１から平行光線となって射出されるレーザビームは、ポリゴンミラー（回転多面鏡）５２によって偏向走査され、Ｆ−θレンズ５３等から構成される結像レンズ系によってドラム状の感光体ドラム５５の帯電した表面に画像を結像する。

この実施例では、レーザダイオード・ユニット５１から射出されるレーザビームをランダムな偏光状態をもったレーザビームとするために、レーザダイオード・ユニット５１とポリゴンミラー５２の間の光路上に偏光解消素子５７が配置されている。

（露光装置への適用）
図１５は露光装置の光学系を概略的に示したものである。ＫｒＦエキシマレーザ又はＡｒＦエキシマレーザからなる光源６０からの紫外線のレーザ光は、光束整形光学系６１により所定の光束形状に変換され、照明光学系６３，６４により原版であるマスク６６に照射される。マスク６６のパターンはマスク６６を透過した紫外線が投影光学系６７によりウエハ６８に照射されることにより投影露光される。ウエハ６８はウエハステージ６９に保持され、ウエハステージ６９によってウエハ６８が投影光学系６７の光軸と直交する平面に沿って２次元的に移動することにより投影露光が繰り返されていく。

光源６０がレーザであることから、発生するレーザ光は直線偏光である。そこで、この実施例では、光源６０から射出されるレーザ光をランダムな偏光状態をもったレーザ光とするために、光束整形光学系６１と照明光学系６３の間の光路上に光偏光素子６２が配置されている。

（光ファイバ増幅器への適用）
図１６は偏光解消素子を光ファイバ増幅器に適用した例を示したものである。
ファイバ増幅器は、希土類元素添加光ファイバ７４に光源７０からの励起光７１を入射して光ファイバ７４中の希土類元素を活性化しておき、そこに入射光７２を入射させることにより、その入射光７２を増幅して出射させるものである。励起光７１と入射光７２をともに光ファイバ７４に入射させるために、励起光７１と入射光７２とを結合する光カプラ７３が設けられている。

光ファイバ７４に添加される希土類元素は増幅すべき入射光の波長に応じて選択される。例えば、入射光の波長が１５５０ｎｍ波長帯域である場合にはエルビウム（Ｅｒ）を初めとするランタノイド希土類元素、入射光の波長が１０６０ｎｍ波長帯域又は１３００ｎｍ波長帯域の場合はネオジム（Ｎｄ）、入射光の波長が１３００ｎｍ波長帯域の場合はプラセオジウム（Ｐｒ）、入射光の波長が１４５０ｎｍ波長帯域の場合はツリウム（Ｔｍ）などが用いられる。

希土類元素添加光ファイバ７４は、増幅特性について偏光依存性をもっているので、この実施例では光ファイバ７４に入射する光を無偏光状態にするために、光カプラ７３と光ファイバ７４の間の光路上に本発明の偏光解消素子７６が配置されている。

本発明の偏光解消素子は、上記に例示したレーザプリンタ、露光装置及び光ファイバ増幅器のほかにも、偏光に起因してスペックルが生じる光学系に適用することができる。そのような光学系として、レーザ光源を用いる分光器、レーザ計測装置、光ピックアップ装置、プロジェクタ、特許文献６に記載されているような偏光解析装置、偏波モード分散補償（ＰＭＤＣ）システム、ＣＣＤ及びＣＭＯＳセンサー、特許文献７に記載されているような位相差測定装置、並びに特許文献８に記載されているようなレーザ加工装置等を挙げることができる。

以上、本発明の実施例が説明されたが本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例で説明した偏光解消素子１において、弾性体５の形状は上記実施例に示されたものに限定されない。本発明の偏光解消素子において、弾性体５の形状、個数及び光偏光器に連結される位置は、振動子の駆動によって光偏光器を並進振動させることができる形状、個数、連結位置であれば、どのような構成であってもよい。光量均一化素子を備えた本発明の態様における光量均一化素子についても同様である。

また、上記実施例で説明した偏光解消素子１において、振動子９は弾性体５を介して光偏光器３を並進振動させているが、本発明の偏光解消素子はこれに限定されない。本発明の偏光解消素子において、振動子は光偏光器を直接並進振動させる構成であってもよい。光量均一化素子を備えた本発明の態様における光量均一化素子についても同様である。

また、本発明の偏光解消素子において、光偏光器及び光透過領域の平面形状は、矩形に限定されず、任意である。光量均一化素子を備えた本発明の態様における光量均一化素子についても同様である。

また、本発明の偏光解消素子において、支持体及び台座の形状も任意である。光量均一化素子を備えた本発明の態様における光量均一化素子についても同様である。

また、上記実施例で説明した偏光解消素子１において、弾性体５の一部分はシリコン基板１３によって形成されているが、本発明の偏光解消素子はこれに限定されない。本発明の偏光解消素子において、弾性体はシリコン基板が熱酸化されて形成された二酸化珪素のみで形成されていてもよい。また、シリコン基板を熱酸化する際に、弾性体及び支持体について、上面及び下面を熱酸化防止膜によって覆っておけば、上面及び下面に二酸化珪素を備えていない弾性体及び支持体を形成することも可能である。これらの構成は、光量均一化素子を備えた本発明の態様における光量均一化素子についても同様である。

１，５７，６２，７６ 偏光解消素子
３ 光偏光器
３ａ，２７ａ 光透過領域
３ｂ 光偏光素子
５ 弾性体
７ 支持体
９ 振動子
１１ 台座
１３ シリコン基板
１５ 二酸化珪素
２５ 光量均一化素子
２７ 光量均一化用光学器
２７ｂ 光量均一化用光学素子

Claims (4)

1. 光透過領域を有する光透過型の光偏光器と、
   前記光偏光器を並進振動させるために前記光偏光器に連結された弾性体と、
   前記弾性体を介して前記光偏光器を支持する支持体と、
   前記光偏光器を並進振動させるための振動子と、
   前記支持体と前記振動子とを位置固定するための台座と、を備え、
   前記光偏光器、前記弾性体及び前記支持体は一体構造をもったものであり、前記振動子は前記光偏光器、前記弾性体及び前記支持体とは別体として構成されたものであり、
   前記光偏光器の前記光透過領域は二酸化珪素で形成され、
   前記光透過領域の一表面に、前記二酸化珪素で形成され、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をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体からなる光偏光素子が形成されていることを特徴とする偏光解消素子。
2. 光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成された光量均一化素子をさらに備え、
   前記光量均一化素子は、光透過領域を有する光透過型の光量均一化用光学器と、前記光量均一化用光学器を並進振動させるために前記光量均一化用光学器に連結された弾性体と、前記弾性体を介して前記光量均一化用光学器を支持する支持体と、前記光量均一化用光学器を並進振動させるための振動子と、前記支持体と前記振動子とを位置固定するための台座と、を備え、前記光量均一化用光学器、前記弾性体及び前記支持体は一体構造をもったものであり、前記振動子は前記光量均一化用光学器、前記弾性体及び前記支持体とは別体として構成されたものであり、前記光量均一化用光学器の前記光透過領域は二酸化珪素で形成されたものであり、
   前記光量均一化素子の前記光透過領域は該偏光解消素子の前記光透過領域を透過する光の光路上に配置されている請求項１に記載の偏光解消素子。
3. 前記光量均一化用光学素子はマイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイである請求項２に記載の偏光解消素子。
4. レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器において、
   前記レーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために請求項１から３のいずれか一項に記載の偏光解消素子を前記光学系の光路上に配置したことを特徴とする光学機器。

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