JP7427878B2 - 光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導波モード共鳴現象を利用した光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法に関する。

物体の微細な構造に起因した光学現象を利用して光を選別するデバイスとして、導波モード共鳴現象を利用した光学デバイスが提案されている。この光学デバイスは、光の波長よりも小さい周期の回折格子であるサブ波長格子を有する。当該サブ波長格子に光が入射すると、入射側空間への回折光の射出が抑えられる一方で、周囲との屈折率差等に起因して、特定の波長域の光が多重反射しながら伝播することにより共鳴を起こし、反射光として強く射出される。

例えば、特許文献１に記載のカラーフィルタは、基板上にサブ波長格子を構成する複数の凸部が配置された構造を有する。しかしながら、こうした構造において、取り出される光の強度を高めるためには、特許文献１に記載のように、基板を合成石英から形成し、かつ、凸部をシリコンから形成することにより、基板と凸部との屈折率差を大きく確保して、光の多重反射による損失を小さくすることが望ましい。そのためには、合成石英からなる基板上に単結晶のＳｉが形成されたＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）基板を用いる必要があるため、製造コストの増大が生じる。

これに対し、特許文献２に記載の波長選択素子は、基板と、サブ波長格子を構成する凸部との間に、基板を構成する材料よりも屈折率の高い材料から構成された導波層を有している。こうした構造によれば、凸部と導波層とが樹脂から形成されている場合でも、多重反射する光を導波層内に伝播させることにより、反射光の強度が高められる。また、凸部と導波層とを樹脂から形成する方法として、ナノインプリント法を用いることが可能であるため、材料費を低減しつつ簡便に製造が可能であり、製造コストの削減もできる。

特許第５０２３３２４号明細書 特開２００９－２５５５８号公報

ところで、導波モード共鳴現象を利用した光学デバイスの波長選択性を高めるためには、導波モード共鳴現象による反射光の強度を高めることのみならず、導波モード共鳴現象による反射光とは異なる波長域の光が当該反射光とともに射出されることを抑えることが望ましい。こうした観点においては、導波モード共鳴現象を利用した光学デバイスにおいて波長選択性を高めるための構造には、なお改善の余地がある。

本発明は、波長選択性を高めることのできる光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する光学デバイスは、凸部または凹部である凹凸要素であって、サブ波長周期で並ぶ複数の前記凹凸要素が構成する凹凸構造を表面に有する凹凸構造層と、前記凹凸構造上に位置して当該凹凸構造に追従した表面形状を有する高屈折率層であって、前記凹凸構造の底部に位置してサブ波長格子を構成する第１格子高屈折率部、および、前記凹凸構造の頂部に位置してサブ波長格子を構成する第２格子高屈折率部を含む前記高屈折率層と、前記高屈折率層上に位置して当該高屈折率層の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層と、を備え、前記高屈折率層は、前記凹凸構造層および前記低屈折率層の各々よりも、屈折率の高い材料から構成される。

上記構成によれば、厚さ方向と直交する断面に沿う領域であって、第１格子高屈折率部を含む格子領域と、第２格子高屈折率部を含む格子領域とにおいて、導波モード共鳴現象が起こる。したがって、２つの格子領域の各々で強められた光が反射光として得られるため、１つの格子領域のみを有する光学デバイスと比較して、反射光として取り出される光の強度が高められる。また、高屈折率層の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層が設けられているため、低屈折率層の厚さおよび屈折率の調整により、各格子領域で強められた反射光とは異なる波長域の光を打ち消して、こうした光が上記反射光とともに射出されることを抑えることができる。したがって、光学デバイスの波長選択性が高められる。

上記構成において、前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層の各々は、可視領域の光に対して透明な材料から構成されており、前記凹凸構造層は、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、および、熱可塑性樹脂のいずれかから構成され、前記低屈折率層は、無機化合物材料から構成されてもよい。

上記構成によれば、凹凸構造層の製造方法として、表面の微細な凹凸の形成に適した方法の採用が可能であり、低屈折率層の製造方法として、低屈折率層を下層の凹凸に沿った形状に形成することに適した方法の採用が可能である。このように、低屈折率材料の使い分けによって、凹凸構造層と低屈折率層とを好適に形成できる。

上記構成において、前記第１格子高屈折率部の厚さをＴ１、前記第２格子高屈折率部の厚さをＴ２、前記高屈折率層の材料の屈折率をｎ１、前記凹凸構造層の材料の屈折率をｎ２、前記低屈折率層の材料の屈折率をｎ３、前記第１格子高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該第１格子高屈折率部が占める面積比率をＲ１、前記第２格子高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該第２格子高屈折率部が占める面積比率をＲ２、とするとき、ｎ１＞ｎ２、ｎ１＞ｎ３、かつ、Ｒ１＋Ｒ２＞１であって、Ｔ１×｛ｎ１×Ｒ１＋ｎ２×（１－Ｒ１）｝で表される第１パラメータに対する、Ｔ２×｛ｎ１×Ｒ２＋ｎ３×（１－Ｒ２）｝で表される第２パラメータの比が、０．５以上２．０以下であってもよい。

上記構成によれば、第１格子高屈折率部を含む格子領域と、第２格子高屈折率部を含む格子領域とにおいて、導波モード共鳴現象によって共鳴を起こす光の波長域が近くなる。したがって、２つの格子領域の各々で強められた近しい波長域の光が反射光として得られるため、波長選択性がより高められる。

上記構成において、前記高屈折率層は、前記第１格子高屈折率部と前記第２格子高屈折率部との間で前記凹凸要素の側面に沿って延びる中間高屈折率部を含み、前記中間高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該中間高屈折率部が占める面積比率をＲ３とするとき、Ｒ３≦Ｒ１＋Ｒ２－１が満たされてもよい。

上記構成によれば、中間高屈折率部の幅が小さく抑えられるため、２つの格子領域の間の領域の平均屈折率が過度に大きくなることが抑えられる。したがって、格子領域とその隣接領域との平均屈折率の差が良好に確保されるため、導波モード共鳴現象によって得られる各格子領域からの反射光の強度が良好になる。

上記構成において、前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層を有する部分が共鳴構造部であり、前記光学デバイスは、前記共鳴構造部の厚さ方向に沿って並ぶ複数の前記共鳴構造部を備えてもよい。

上記構成によれば、光学デバイスが４つ以上の格子領域を備えるため、反射光として取り出される光の強度をさらに高めることや、反射光と透過光とに含まれる波長域の調整の自由度を高めることが可能である。

上記構成において、前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期とは、一致していてもよい。

上記構成によれば、第１共鳴構造部が含む格子領域と第２共鳴構造部が含む格子領域とにおいて、導波モード共鳴現象によって共鳴を起こす光の波長域のばらつきが抑えられる。したがって、反射光として取り出される特定の波長域の光の強度がより高められる。

上記構成において、前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期とは、互いに異なってもよい。

上記構成によれば、第１共鳴構造部が含む格子領域と第２共鳴構造部が含む格子領域とにおいて、導波モード共鳴現象によって共鳴を起こす光の波長域が互いに異なる。したがって、反射光の強度を高めつつ反射光に含まれる波長域を拡げること、および、透過光に含まれる波長域を狭めることが可能である。

上記構成において、前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の方向と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の方向とは、互いに異なってもよい。

上記構成によれば、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とで偏光への応答性を異ならせ、各共鳴構造部にて互いに異なる方向へ偏光した光を共鳴させて射出させることができる。したがって、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、効率的に反射光が出射されるため、反射光の強度がより高められる。

上記課題を解決する光学デバイスの製造方法は、サブ波長周期で並ぶ複数の凸部または凹部である凹凸要素を表面に有し、第１低屈折率材料から構成される凹凸構造層を形成する第１工程と、前記第１低屈折率材料よりも高い屈折率を有する高屈折率材料を用いて、前記凹凸構造層の表面に沿って、当該凹凸構造層が有する凹凸構造の底部に位置してサブ波長格子を構成する第１格子高屈折率部と、前記凹凸構造の頂部に位置してサブ波長格子を構成する第２格子高屈折率部とを含む高屈折率層を形成する第２工程と、前記高屈折率材料よりも低い屈折率を有する第２低屈折率材料を用いて、前記高屈折率層の表面に沿って、当該高屈折率層の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層を形成する第３工程と、を含む。

上記製法によれば、格子領域に接する層を導波層として利用する形態と比較して、格子領域に接する層の精密な膜厚の制御を要さずに、波長選択性の高い光学デバイスを製造することができる。したがって、こうした光学デバイスを容易に製造することができる。

上記製法において、前記第１工程では、前記第１低屈折率材料である樹脂からなる塗工層に凹版を押し付け、前記樹脂を硬化させた後に前記凹版を離型して前記凹版の有する凹凸を前記樹脂に転写することにより、前記凹凸構造層を形成し、前記第２工程では、前記第１格子高屈折率部と前記第２格子高屈折率部との間で前記凹凸要素の側面に沿って延びる中間高屈折率部を含み、前記高屈折率層の厚さ方向に沿った方向から見て、前記第２格子高屈折率部が前記中間高屈折率部の外側まで広がるように、物理気相成長法を用いて前記高屈折率層を形成し、前記第３工程では、物理気相成長法を用いて前記低屈折率層を形成してもよい。

上記製法によれば、ナノインプリント法を用いて凹凸構造層が形成されるため、微細な凹凸を有する凹凸構造層を好適に、かつ、簡便に形成することができる。また、物理気相成長法を用いて低屈折率層が形成されるため、高屈折率層の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層を好適に形成することができる。また、第２格子高屈折率部が中間高屈折率部の外側まで広がるように、高屈折率層が形成されるため、凹凸要素の側面に中間高屈折率部が形成される方法を採用しながらも、中間高屈折率部の幅が小さく抑えられる。したがって、各格子領域からの反射光の強度が良好になる。

上記製法において、前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層を有する構造体が凹凸構造体であり、２つの前記凹凸構造体を、前記低屈折率層同士が向かい合うように対向させ、２つの前記凹凸構造体の間の領域を、前記高屈折率材料よりも低い屈折率を有する第３低屈折率材料で埋めることによって、埋込層を形成する第４工程をさらに備えてもよい。

上記製法によれば、複数の共鳴構造部を備える光学デバイスを容易に形成することができる。

本発明によれば、光学デバイスにおいて、波長選択性を高めることができる。

光学デバイスの第１実施形態について、（ａ）は、光学デバイスの断面構造を示す図、（ｂ）は、第１格子領域の断面構造を示す図、（ｃ）は、中間領域の断面構造を示す図、（ｄ）は、第２格子領域の断面構造を示す図。 第１実施形態の光学デバイスの製造方法について、凹凸構造層の形成工程を示す図。 第１実施形態の光学デバイスの製造方法について、高屈折率層の形成工程を示す図。 第１実施形態の光学デバイスの製造方法について、低屈折率層の形成工程を示す図。 第１実施形態の光学デバイスにおける変形例の断面構造を示す図。 第１実施形態の光学デバイスにおける変形例の断面構造を示す図。 第１実施形態の光学デバイスの適用例である表示体の平面構造を示す図。 第１実施形態の光学デバイスの適用例である表示体の作用を示す図。 光学デバイスの第２実施形態について、光学デバイスの断面構造の一例を示す図。 光学デバイスの第２実施形態について、光学デバイスの断面構造の一例を示す図。 第２実施形態の光学デバイスの製造方法について、凹凸構造体が向かい合わされた状態を示す図。 第２実施形態の光学デバイスの製造方法について、埋込層の形成工程を示す図。 光学デバイスの第３実施形態について、光学デバイスの断面構造の一部を示す図。 光学デバイスの第４実施形態について、（ａ）は、光学デバイスの断面構造を示す図、（ｂ）は、第１格子領域の断面構造を示す図、（ｃ）は、中間領域の断面構造を示す図、（ｄ）は、第２格子領域の断面構造を示す図。

（第１実施形態）
図１～図８を参照して、光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法の第１実施形態を説明する。光学デバイスは、光学デバイスに入射した光のなかから特定の波長域の光を取り出す機能を有する。光学デバイスの選択対象の波長域は特に限定されないが、例えば、光学デバイスは、人間の肉眼で視認可能な光、すなわち、可視領域の光のなかから特定の波長域の光を取り出す。以下において、可視領域の光の波長は、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下とする。

［光学デバイスの全体構成］
図１（ａ）が示すように、光学デバイス１０は、基材１１、第１低屈折率領域１２、第１格子領域１３、中間領域１４、第２格子領域１５、第２低屈折率領域１６、および、頂部領域１７を備えている。これらの各領域は、層状に広がっており、基材１１に近い位置から、第１低屈折率領域１２、第１格子領域１３、中間領域１４、第２格子領域１５、第２低屈折率領域１６、および、頂部領域１７がこの順に並んでいる。各領域の並ぶ方向が第１方向であり、第１方向は、すなわち、各領域および光学デバイス１０の厚さ方向である。また、基材１１に対して頂部領域１７の位置する側が光学デバイス１０の表面側であり、頂部領域１７に対して基材１１の位置する側が、光学デバイス１０の裏面側である。図１（ｂ）は、第１格子領域１３における第１方向と直交する断面を示し、図１（ｃ）は、中間領域１４における第１方向と直交する断面を示し、図１（ｄ）は、第２格子領域１５における第１方向と直交する断面を示す。

基材１１は板状を有し、基材１１が有する面のうち、光学デバイス１０の表面側に位置する面が基材１１の表面である。光学デバイス１０の選択対象が可視領域の光である場合には、基材１１としては、例えば、合成石英基板や、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート等の樹脂からなる透明なフィルムが用いられる。

第１低屈折率領域１２は、基材１１の表面に接し、基材１１の表面に沿って一様に広がっている。第１格子領域１３は、第１格子高屈折率部１３ａと第１格子低屈折率部１３ｂとを有する。基材１１の表面と対向する位置から見て、すなわち、第１方向に沿った方向から見て、第１格子高屈折率部１３ａと第１格子低屈折率部１３ｂとは、共通の方向である第２方向に沿って帯状に延び、第２方向と直交する第３方向に沿って交互に並んでいる。第２方向と第３方向との各々は、第１方向に直交する。

中間領域１４は、中間高屈折率部１４ａと第１中間低屈折率部１４ｂと第２中間低屈折率部１４ｃとを有する。これらの各部は、第１方向に沿った方向から見て、第２方向に沿って延び、第１中間低屈折率部１４ｂと第２中間低屈折率部１４ｃとは、その間に中間高屈折率部１４ａを挟みつつ、第３方向に沿って交互に並んでいる。すなわち、第３方向に沿って、第１中間低屈折率部１４ｂ、中間高屈折率部１４ａ、第２中間低屈折率部１４ｃ、中間高屈折率部１４ａが、この順に繰り返し並んでいる。第１中間低屈折率部１４ｂは、第１格子低屈折率部１３ｂ上に位置する。中間高屈折率部１４ａは、第１格子高屈折率部１３ａの幅方向における端部上に位置し、第２中間低屈折率部１４ｃは、第１格子高屈折率部１３ａの幅方向における中央部上に位置する。

第２格子領域１５は、第２格子高屈折率部１５ａと第２格子低屈折率部１５ｂとを有する。第１方向に沿った方向から見て、第２格子高屈折率部１５ａと第２格子低屈折率部１５ｂとは、第２方向に沿って帯状に延び、第３方向に沿って交互に並んでいる。すなわち、２つの格子領域１３，１５において、高屈折率部および低屈折率部の配列方向は一致している。第２格子高屈折率部１５ａは、第１中間低屈折率部１４ｂ上および中間高屈折率部１４ａ上に位置し、第２格子低屈折率部１５ｂは、第２中間低屈折率部１４ｃ上に位置する。

第２低屈折率領域１６は、第２格子領域１５に対して中間領域１４とは反対側で第２格子領域１５に沿って一様に広がっている。頂部領域１７は、第１頂部低屈折率部１７ａと第２頂部低屈折率部１７ｂとを有する。第１方向に沿った方向から見て、第１頂部低屈折率部１７ａと第２頂部低屈折率部１７ｂとは、第２方向に沿って帯状に延び、第３方向に沿って交互に並んでいる。第１頂部低屈折率部１７ａは、第２低屈折率領域１６を挟んで第２格子高屈折率部１５ａ上に位置し、第２頂部低屈折率部１７ｂは、第２低屈折率領域１６を挟んで第２格子低屈折率部１５ｂ上に位置する。

光学デバイス１０を構成する上記の各領域において、第１方向に沿って互いに隣接する領域は、その一部において互いに連続している。具体的には、第１低屈折率領域１２と第１格子低屈折率部１３ｂとは互いに連続し、さらに、第１格子低屈折率部１３ｂと第１中間低屈折率部１４ｂとは互いに連続しており、これらは互いに同一の材料から構成される。また、第１格子高屈折率部１３ａと中間高屈折率部１４ａとは互いに連続し、さらに、中間高屈折率部１４ａと第２格子高屈折率部１５ａとは互いに連続しており、これらは互いに同一の材料から構成される。また、第２中間低屈折率部１４ｃと第２格子低屈折率部１５ｂとは互いに連続し、第２格子低屈折率部１５ｂと第２低屈折率領域１６とは互いに連続し、さらに、第２低屈折率領域１６と第１頂部低屈折率部１７ａとは互いに連続しており、これらは互いに同一の材料から構成される。また、第２頂部低屈折率部１７ｂは空気で充填されている。

すなわち、光学デバイス１０は、基材１１と、基材１１上に位置し、複数の凸部２１ａが構成する凹凸構造を表面に有する凹凸構造層２１と、凹凸構造層２１の表面に沿って配置された高屈折率層２２と、高屈折率層２２の表面に沿って配置された低屈折率層２３とを備える構造体であるとも捉えられる。複数の凸部２１ａは、第２方向に沿って延び、第３方向に沿って並ぶ。高屈折率層２２は、凹凸構造層２１の凹凸に追従した表面形状を有し、低屈折率層２３は、高屈折率層２２の凹凸に追従した表面形状を有する。

凹凸構造層２１は、第１低屈折率領域１２と第１格子低屈折率部１３ｂと第１中間低屈折率部１４ｂとから構成され、凸部２１ａは、第１格子低屈折率部１３ｂと第１中間低屈折率部１４ｂとから構成される。

高屈折率層２２は、第１格子高屈折率部１３ａと中間高屈折率部１４ａと第２格子高屈折率部１５ａとから構成される。第１格子高屈折率部１３ａは、複数の凸部２１ａの間、すなわち、凹凸構造層２１が有する凹凸構造の底部に位置する。中間高屈折率部１４ａは、凸部２１ａの側面に接し、第１方向に沿った方向から見て互いに隣り合う第１格子高屈折率部１３ａと第２格子高屈折率部１５ａとの端部間を繋ぐように、中間領域１４の厚さ方向に延びている。第２格子高屈折率部１５ａは、凸部２１ａの頂面を覆い、すなわち、凹凸構造層２１が有する凹凸構造の頂部に位置する。

低屈折率層２３は、第２中間低屈折率部１４ｃと第２格子低屈折率部１５ｂと第２低屈折率領域１６と第１頂部低屈折率部１７ａとから構成される。低屈折率層２３は、第２低屈折率領域１６から基材１１に向けて第２中間低屈折率部１４ｃおよび第２格子低屈折率部１５ｂが突出し、第２低屈折率領域１６から基材１１とは反対側に向けて第１頂部低屈折率部１７ａが突出した形状を有する。低屈折率層２３の表面は凹凸を有し、その凹部に第２頂部低屈折率部１７ｂが対応する。

高屈折率層２２の材料の屈折率は、空気の屈折率よりも大きく、かつ、凹凸構造層２１および低屈折率層２３の各々の材料の屈折率よりも大きい。すなわち、第１格子高屈折率部１３ａ、中間高屈折率部１４ａ、第２格子高屈折率部１５ａの各々の屈折率は、第１低屈折率領域１２、第１格子低屈折率部１３ｂ、第１中間低屈折率部１４ｂ、第２中間低屈折率部１４ｃ、第２格子低屈折率部１５ｂ、第２低屈折率領域１６、第１頂部低屈折率部１７ａ、第２頂部低屈折率部１７ｂの各々の屈折率よりも大きい。

凹凸構造層２１を構成する材料、および、低屈折率層２３を構成する材料の屈折率は、空気の屈折率よりも大きい。導波モード共鳴現象を好適に生じさせるためには、凹凸構造層２１を構成する材料、および、低屈折率層２３を構成する材料の各々と、高屈折率層２２を構成する材料との屈折率差が大きいことが好ましく、凹凸構造層２１を構成する材料と低屈折率層２３を構成する材料との屈折率差よりも、これらの各材料と高屈折率層２２を構成する材料との屈折率差の方が大きいことが好ましい。また、空気層と隣接する低屈折率層２３を構成する材料の屈折率は、凹凸構造層２１を構成する材料の屈折率以下であることが好ましい。

光学デバイス１０の選択対象が可視領域の光である場合、凹凸構造層２１、高屈折率層２２、および、低屈折率層２３の各々は、可視領域に吸収波長を有さない材料、すなわち、可視領域の光に対して透明な材料から構成される。具体的には、凹凸構造層２１を構成する低屈折率材料としては、合成石英等の無機物や、紫外線硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂材料を用いることが好ましく、低屈折率層２３を構成する低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２（酸化ケイ素）等の無機化合物材料を用いることが好ましい。この場合、高屈折率層２２を構成する高屈折率材料としては、ＴｉＯ_２（酸化チタン）、Ｎｂ_２Ｏ_５（酸化ニオブ）、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の無機化合物材料を用いることができる。

［光学デバイスの作用］
第１格子領域１３における格子構造の周期、すなわち、第１格子高屈折率部１３ａの配列の周期が、第１周期Ｐ１であり、第１周期Ｐ１は、可視領域の光の波長よりも小さい。同様に、第２格子領域１５における格子構造の周期、すなわち、第２格子高屈折率部１５ａの配列の周期が、第２周期Ｐ２であり、第２周期Ｐ２は、可視領域の光の波長よりも小さい。すなわち、第１周期Ｐ１および第２周期Ｐ２はサブ波長周期であり、第１格子領域１３および第２格子領域１５の各々はサブ波長格子を含む。

光学デバイス１０において、領域ごとの平均屈折率は、各領域における高屈折率部と低屈折率部との体積比率に応じて、高屈折率部の屈折率と低屈折率部の屈折率とを均した値に近似される。第１格子領域１３における第１格子高屈折率部１３ａの割合、および、第２格子領域１５における第２格子高屈折率部１５ａの割合の各々よりも、中間領域１４における中間高屈折率部１４ａの割合は小さい。したがって、中間領域１４の平均屈折率は、第１格子領域１３の平均屈折率、および、第２格子領域１５の平均屈折率の各々よりも小さい。すなわち、光学デバイス１０は、第１格子領域１３および第２格子領域１５の各々に位置するサブ波長格子が、低屈折率の領域に埋め込まれた構造を有している。

上記光学デバイス１０の表面側から光学デバイス１０に光が入射すると、第２格子領域１５のサブ波長格子が低屈折率の領域に埋め込まれていることから、第２格子領域１５では、表面側への回折光の射出が抑えられ、導波モード共鳴現象が発生する。すなわち、特定の波長域の光が第２格子領域１５を多重反射しつつ伝播して共鳴を起こし、この特定の波長域の光が、光学デバイス１０の表面側に反射光として射出される。

第２格子領域１５を透過し、さらに中間領域１４を透過した光は、第１格子領域１３に入る。第１格子領域１３に光が入射すると、第１格子領域１３のサブ波長格子が低屈折率の領域に埋め込まれていることから、第１格子領域１３でも、導波モード共鳴現象が発生する。すなわち、特定の波長域の光が第１格子領域１３を多重反射しつつ伝播して共鳴を起こし、この特定の波長域の光が、光学デバイス１０の表面側に反射光として射出される。

第１格子領域１３を透過した光は、第１低屈折率領域１２および基材１１を透過して、光学デバイス１０の裏面側に出る。
結果として、光学デバイス１０の表面側には、第２格子領域１５で強められた波長域の光と、第１格子領域１３で強められた波長域の光とが射出される。そして、光学デバイス１０を構成する各領域を透過した光が、透過光として光学デバイス１０の裏面側に射出される。以上のように、光学デバイス１０によれば、反射光として、各格子領域１３，１５で強められた波長域の光を取り出すことができる。したがって、格子領域が１つである形態と比較して、取り出される反射光の強度が高められる。また、透過光として、各格子領域１３，１５で強められた波長域とは異なる波長域の光を取り出すことができる。

ここで、光学デバイス１０の表面側には、各格子領域１３，１５で強められた波長域の光に加えて、光学デバイス１０を構成する各領域での反射や干渉に起因した光が射出され得る。そして、こうした光には、各格子領域１３，１５で強められた波長域とは異なる波長域が含まれる。そのため、光学デバイス１０の表面側に射出される上記異なる波長域の光の強度が大きいと、光学デバイス１０の表面側に取り出される光の波長選択性が低くなり、その結果、表面側に射出される光の色の鮮やかさが低くなる。

これに対し、本実施形態の光学デバイス１０における頂部領域１７は、各格子領域１３，１５で強められた波長域とは異なる波長域の光が、光学デバイス１０の表面側に射出されることを抑える機能を有する。言い換えれば、頂部領域１７は、上記異なる波長域の光を打ち消すように構成されている。具体的には、頂部領域１７は、上記異なる波長域の光を干渉によって弱めることや、裏面側に反射することによって、表面側に射出される上記異なる波長域の光の強度を低くする。頂部領域１７によって打ち消される光の波長域は、頂部領域１７の厚さおよび平均屈折率によって調整可能であり、言い換えれば、低屈折率層２３の厚さおよび材料によって調整できる。すなわち、各格子領域１３，１５で強められた波長域以外の光が頂部領域１７から表面側に射出されることを抑えられるように、低屈折率層２３の厚さおよび材料が選択される。

また、光学デバイス１０の最表面である低屈折率層２３の表面が凹凸を有しているため、光学デバイス１０の最表面が平坦である形態と比較して、光学デバイス１０の表面反射を抑えることができる。これによっても、光学デバイス１０の表面側に、各格子領域１３，１５で強められた波長域の光とは異なる波長域の光が射出されることが抑えられるため、光学デバイス１０の表面側に取り出される光の波長選択性が高められる。

サブ波長格子が、１つの方向に帯状に延びる格子高屈折率部１３ａ，１５ａから構成されている場合、各格子領域１３，１５では、サブ波長格子の配列方向に依存する特定の方向へ偏光した光が多重反射して共鳴を起こし、反射光として射出される。したがって、第１実施形態の光学デバイス１０によれば、特定の方向へ偏光した反射光として、波長選択性が高められた反射光を取り出すことができる。

［光学デバイスの詳細構成］
上述の光学デバイス１０において、第１格子領域１３で共鳴を起こす光の波長域と、第２格子領域１５で共鳴を起こす光の波長域とは、取り出したい光の波長域に応じて設定されればよい。例えば、より狭域で高い強度の反射光を得たい場合、すなわち、反射光の波長選択性をより高めたい場合には、第１格子領域１３で共鳴を起こす光の波長域と、第２格子領域１５で共鳴を起こす光の波長域とが近いほど好ましい。

例えば、第２格子領域１５で特定の波長域の光が共鳴を起こしたとき、第２格子領域１５と中間領域１４との屈折率の差が小さい場合等には、上記特定の波長域の光の一部が、第２格子領域１５内での反射ごとに、中間領域１４に漏れ出る。こうした場合にも、第１格子領域１３と第２格子領域１５とで共鳴を起こす光の波長域が一致していれば、中間領域１４に漏れ出た上記特定の波長域の光が第１格子領域１３に入って共鳴を起こし、反射光として射出される。したがって、光学デバイス１０から射出される反射光の波長選択性が高められる。

第１格子領域１３と第２格子領域１５とで共鳴を起こす光の波長域を一致させるためには、第１格子領域１３と第２格子領域１５とにおいて、平均屈折率と膜厚とを乗じた値として表されるパラメータである光学膜厚を一致させればよい。つまり、第１格子領域１３と第２格子領域１５とにおいて、光学膜厚が近いほど、共鳴を起こす光の波長域が近くなり、波長選択性が高められる。本願の発明者は、シミュレーションによって、反射光についての良好な波長選択性を得られる第１格子領域１３と第２格子領域１５との光学膜厚の比の範囲を見出した。以下、この内容について詳細に説明する。

第１格子領域１３の全体に対する第１格子高屈折率部１３ａの体積比率は、第１方向に沿った方向から見た平面視での第１格子領域１３の全体に対する第１格子高屈折率部１３ａの面積比率に等しい。当該面積比率は、言い換えれば、第１格子高屈折率部１３ａを含みその厚さ方向と直交する断面にて第１格子高屈折率部１３ａが占める面積比率である。断面の位置によって第１格子高屈折率部１３ａの面積が変化する場合には、第１格子高屈折率部１３ａの面積が最大となる断面での第１格子高屈折率部１３ａの面積比率が採用される。

第１格子高屈折率部１３ａの上記面積比率をＲ１とするとき、上記断面における第１格子低屈折率部１３ｂの面積比率は１－Ｒ１で表される。
高屈折率層２２の材料の屈折率をｎ１、凹凸構造層２１の材料の屈折率をｎ２とするとき（ｎ１＞ｎ２）、第１格子領域１３の平均屈折率ＮＡ１は、下記式（１）によって表される。
ＮＡ１＝ｎ１×Ｒ１＋ｎ２×（１－Ｒ１） ・・・（１）

そして、第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１は、第１格子領域１３の平均屈折率ＮＡ１および厚さＴ１を用いて、下記式（２）によって表される。
ＯＴ１＝Ｔ１×ＮＡ１
＝Ｔ１×｛ｎ１×Ｒ１＋ｎ２×（１－Ｒ１）｝ ・・・（２）

第２格子領域１５において、格子構造の周期である第２周期Ｐ２は、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致している。

ただし、第１方向に沿った方向から見て、第２格子領域１５における第２格子高屈折率部１５ａの幅は、第１格子領域１３における第１格子低屈折率部１３ｂの幅よりも大きい。そして、第２格子低屈折率部１５ｂの幅は、第１格子高屈折率部１３ａの幅よりも小さい。

第２格子領域１５の全体に対する第２格子高屈折率部１５ａの体積比率は、第１方向に沿った方向から見た平面視での第２格子領域１５の全体に対する第２格子高屈折率部１５ａの面積比率に等しい。当該面積比率は、言い換えれば、第２格子高屈折率部１５ａを含みその厚さ方向と直交する断面にて第２格子高屈折率部１５ａが占める面積比率である。断面の位置によって第２格子高屈折率部１５ａの面積が変化する場合には、第２格子高屈折率部１５ａの面積が最大となる断面での第２格子高屈折率部１５ａの面積比率が採用される。

第２格子高屈折率部１５ａの上記面積比率をＲ２とするとき、上記断面における第２格子低屈折率部１５ｂの面積比率は１－Ｒ２で表される。
高屈折率層２２の材料の屈折率をｎ１、低屈折率層２３の材料の屈折率をｎ３とするとき（ｎ１＞ｎ３）、第２格子領域１５の平均屈折率ＮＡ２は、下記式（３）によって表される。
ＮＡ２＝ｎ１×Ｒ２＋ｎ３×（１－Ｒ２） ・・・（３）

そして、第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２は、第２格子領域１５の平均屈折率ＮＡ２および厚さＴ２を用いて、下記式（４）によって表される。
ＯＴ２＝Ｔ２×ＮＡ２
＝Ｔ２×｛ｎ１×Ｒ２＋ｎ３×（１－Ｒ２）｝ ・・・（４）

第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１に対する第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２の比（ＯＴ２／ＯＴ１）が１に近いほど、第１格子領域１３と第２格子領域１５とのそれぞれにおいて共鳴を起こす光の波長域が近くなる。一方で、上記比が１から離れるにつれ、第１格子領域１３と第２格子領域１５とで共鳴を起こす光の波長域が異なるようになる。第１格子領域１３と第２格子領域１５とで意図的に共鳴する光の波長域を変える場合は、上記比は例えば２．０より大きい、あるいは０．５より小さくてもよい。しかしながら、第１格子領域１３と第２格子領域１５とで共鳴する光の波長域が異なっていると、第１格子領域１３および第２格子領域１５の一方において所望の波長域の光を共鳴させた場合に、他方において共鳴する波長域の光の影響により、光学デバイス１０の波長選択性が低下することが懸念される。
本願の発明者によって、高い波長選択性を得るためには、ＯＴ２／ＯＴ１の値は０．５以上２．０以下であることが好ましく、より高い波長選択性を得るためには、ＯＴ２／ＯＴ１の値は０．６２５以上１．６以下であることが好ましいことが確認された。

ＯＴ２／ＯＴ１の値が１．０、すなわち、光学膜厚ＯＴ１と光学膜厚ＯＴ２とが一致すると、第１格子領域１３で共鳴を起こす光の波長域と、第２格子領域１５で共鳴を起こす光の波長域とが一致し、波長選択性が特に高められる。したがって、光学膜厚ＯＴ１と光学膜厚ＯＴ２とが一致するように、各層の材料が選択されるとともに、厚さＴ１，Ｔ２、および、凹凸構造層２１における凸部２１ａの幅が設定されていることが好ましい。凹凸構造層２１の材料と低屈折率層２３の材料との屈折率差が小さいほど、光学膜厚ＯＴ１に対する光学膜厚ＯＴ２の比を１．０に近づけることが容易である。

例えば、第１格子高屈折率部１３ａの面積比率Ｒ１と第２格子高屈折率部１５ａの面積比率Ｒ２とを近づけるために、第１格子領域１３にて第１格子低屈折率部１３ｂの面積比率が第１格子高屈折率部１３ａの面積比率よりも小さくなり、第２格子領域１５にて第２格子高屈折率部１５ａの面積比率が第２格子低屈折率部１５ｂの面積比率よりも大きくなるように、凸部２１ａの幅を設定してもよい。この場合、第１格子高屈折率部１３ａの面積比率Ｒ１と第２格子高屈折率部１５ａの面積比率Ｒ２との各々は、０．５よりも大きく、Ｒ１＋Ｒ２は１よりも大きくなる。

面積比率Ｒ１，Ｒ２が０．５よりも大きいことにより、面積比率Ｒ１，Ｒ２が０．５以下である形態と比較して、格子領域１３，１５の平均屈折率が高くなるため、各格子領域１３，１５と、隣接する領域１２，１４，１６との平均屈折率の差が大きくなる。その結果、各格子領域１３，１５にて生じる多重反射での損失が小さくなるため、格子領域１３，１５から射出される反射光の強度が高められる。

中間領域１４における第１中間低屈折率部１４ｂの配列の周期である第３周期Ｐ３は、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致している。第１方向に沿った方向から見て、第１中間低屈折率部１４ｂの幅は、第１格子低屈折率部１３ｂの幅と一致する。

第１方向に沿った方向から見た平面視での中間領域１４の全体に対する中間高屈折率部１４ａの面積比率は、第２格子高屈折率部１５ａの上記面積比率と第１格子低屈折率部１３ｂの上記面積比率との差以下であることが好ましい。すなわち、上記中間高屈折率部１４ａの面積比率をＲ３とするとき、Ｒ３は、下記式（５）を満たすことが好ましい。なお、当該面積比率は、言い換えれば、中間高屈折率部１４ａを含みその厚さ方向と直交する断面にて中間高屈折率部１４ａが占める面積比率である。断面の位置によって中間高屈折率部１４ａの面積が変化する場合には、中間高屈折率部１４ａの面積が最大となる断面での中間高屈折率部１４ａの面積比率が採用される。
Ｒ３≦Ｒ２－（１－Ｒ１）＝Ｒ１＋Ｒ２－１ ・・・（５）

第１方向に沿った方向から見て、第２格子高屈折率部１５ａが位置する領域が、第１中間低屈折率部１４ｂおよび中間高屈折率部１４ａが位置する領域と一致するとき、中間高屈折率部１４ａの上記面積比率Ｒ３は、右辺と一致し、Ｒ１＋Ｒ２－１となる。そして、第１方向に沿った方向から見て、第２格子高屈折率部１５ａが位置する領域が、第１中間低屈折率部１４ｂおよび中間高屈折率部１４ａが位置する領域よりも大きいとき、言い換えれば、中間高屈折率部１４ａが第２格子高屈折率部１５ａの外縁よりも内側の領域に位置するとき、上記面積比率Ｒ３は、Ｒ１＋Ｒ２－１よりも小さくなる。

上述のように、導波モード共鳴現象によって格子領域１３，１５から射出される反射光の強度を高めるためには、各格子領域１３，１５について、格子領域１３，１５の平均屈折率と、格子領域１３，１５を挟む領域１２，１４，１６の平均屈折率との差が大きいことが望ましい。したがって、中間領域１４の平均屈折率は小さいほど好ましく、すなわち、中間高屈折率部１４ａの面積比率が小さいほど好ましい。上記式（５）が満たされている構成であれば、中間高屈折率部１４ａの幅が、第２格子高屈折率部１５ａよりも外側まで広がらない程度に抑えられるため、中間高屈折率部１４ａの面積比率が大きくなりすぎない。したがって、各格子領域１３，１５からの反射光の強度が良好になる。

上記反射光の強度を高めるためには、第１格子領域１３の平均屈折率と、第１低屈折率領域１２および中間領域１４の各々の平均屈折率との差は、いずれも０．１よりも大きいことが好ましい。同様に、第２格子領域１５の平均屈折率と、中間領域１４および第２低屈折率領域１６の各々の平均屈折率との差は、いずれも０．１よりも大きいことが好ましい。

なお、頂部領域１７における第１頂部低屈折率部１７ａの配列の周期も、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致する。

［光学デバイスの製造方法］
図２～図４を参照して、光学デバイス１０の製造方法について説明する。
図２が示すように、まず、基材１１の表面に、低屈折率材料からなる層を形成し、この層の表面に凹凸構造を形成することによって、凹凸構造層２１を形成する。凹凸構造層２１は、基材１１に沿って広がる平坦部２１ｃと、平坦部２１ｃから突き出た複数の凸部２１ａとを有するとともに、凸部２１ａ間に位置する部分である複数の凹部２１ｂを有する。凸部２１ａおよび凹部２１ｂは、第２方向に沿って帯状に延びる。

凹凸構造の形成には、ナノインプリント法やドライエッチング法等の公知の微細加工技術が用いられる。なかでも、ナノインプリント法は、微細な凸部２１ａおよび凹部２１ｂを簡便に形成できるため好ましい。

例えば、低屈折率材料として紫外線硬化性樹脂を用い、光ナノインプリント法によって凹凸構造層２１を形成する場合、まず、基材１１の表面に、紫外線硬化性樹脂を塗工する。次いで、紫外線硬化性樹脂からなる塗工層の表面に、形成対象の凸部２１ａおよび凹部２１ｂからなる凹凸の反転された凹凸を有する凹版である合成石英モールドを押し当て、塗工層および凹版に紫外線を照射する。続いて、硬化した紫外線硬化性樹脂から凹版を離型する。これによって、凹版の有する凹凸が紫外線硬化性樹脂に転写されて凸部２１ａおよび凹部２１ｂが形成されるとともに、凸部２１ａおよび凹部２１ｂと基材１１との間には、紫外線硬化性樹脂からなる残膜として、平坦部２１ｃが形成される。

次に、図３が示すように、凹凸構造層２１の表面に、高屈折率材料からなる高屈折率層２２を形成する。高屈折率層２２の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法等の公知の成膜技術が用いられる。高屈折率層２２の厚さは、凸部２１ａの高さよりも小さく、所望の厚さＴ１および厚さＴ２に応じて設定される。高屈折率層２２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

真空蒸着法やスパッタリング法を含む物理気相成長法を用いて高屈折率層２２を形成する場合、凹凸構造層２１の凸部２１ａ上には、凸部２１ａよりも広がるように膜が形成される。すなわち、第２格子高屈折率部１５ａの幅が、凸部２１ａである第１格子低屈折率部１３ｂおよび第１中間低屈折率部１４ｂの幅よりも大きく形成される。したがって、物理気相成長法が採用される場合に、凹凸構造層２１の表面における凸部２１ａと凹部２１ｂとの面積比率を１対１に設定したとしても、第１格子高屈折率部１３ａと第２格子高屈折率部１５ａとの面積比率にはずれが生じてしまう。

また、成膜中に第２格子高屈折率部１５ａの幅が拡大していくと、凹部２１ｂ上に蒸着材料の粒子が付着し難くなるため、第１格子高屈折率部１３ａの厚さＴ１と第２格子高屈折率部１５ａの厚さＴ２とにずれが生じる場合がある。

光学デバイス１０の波長選択性を高めるためには、こうした第２格子高屈折率部１５ａの幅の拡大に起因した面積比率や厚さのずれを補填しつつ、上記光学膜厚ＯＴ１に対する光学膜厚ＯＴ２の比が、０．５以上２．０以下、より好ましくは０．６２５以上１．６以下となるように、凸部２１ａの幅、すなわち、凸部２１ａと凹部２１ｂとの面積比率を設定することが望ましい。

また、物理気相成長法を用いて高屈折率層２２を形成する場合、凹凸構造層２１の凸部２１ａの側面にも高屈折率材料が付着する場合が多く、中間高屈折率部１４ａの形成は避け難い。そこで、上述のように、上記式（５）が満たされるように、中間高屈折率部１４ａの幅を制御することで、中間高屈折率部１４ａが形成される製造方法を採用しながらも、各格子領域１３，１５からの反射光の強度を良好に得ることができる。

中間高屈折率部１４ａの幅は、成膜方法や成膜の条件によって制御することが可能である。例えば、真空蒸着法とスパッタリング法とでは、粒子の飛来方向についての角度依存性が異なるため、いずれの方法を用いるかによって、中間高屈折率部１４ａの幅を変えることができる。また、高屈折率層２２の形成後にエッチングを行うことによって、中間高屈折率部１４ａの幅を縮小させてもよい。

次に、図４が示すように、高屈折率層２２の表面に、低屈折率材料からなる低屈折率層２３を形成する。低屈折率層２３の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法等の公知の成膜技術が用いられる。低屈折率層２３の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

上述のように、光学デバイス１０では、第１格子領域１３で強められた波長域の光と、第２格子領域１５で強められた波長域の光とが射出されることにより、反射光の波長選択性が高められる。そのため、格子領域に接する層を導波層として用いる形態と比較して、格子領域に接する層の精密な膜厚の制御を要さずに、具体的には、ナノインプリント法を用いて光学デバイス１０を形成する場合には、残膜の膜厚の精密な制御を要さずに、波長選択性の高められた光学デバイス１０を製造することができる。したがって、光学デバイス１０の製造が容易である。

また、光学デバイス１０は、光ナノインプリント法と真空蒸着法等とを組み合わせた製造方法によって形成可能であるため、ロール・トゥ・ロール法による製造に適している。したがって、光学デバイス１０の構成は、大量生産にも適している。

なお、上述の製造方法において、紫外線硬化性樹脂に代えて熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いて、ナノインプリント法により凹凸構造層２１を形成してもよい。熱硬化性樹脂を用いる場合、紫外線の照射を加熱に変更すればよく、熱可塑性樹脂を用いる場合、紫外線の照射を、加熱および冷却に変更すればよい。

［変形例］
上記実施形態の光学デバイス１０は以下のように変更してもよい。
図５が示すように、光学デバイス１０は、基材１１を備えていなくてもよい。この場合、低屈折率材料からなる板状体の表面に凹凸構造を形成することによって、凹凸構造層２１を形成する。例えば、熱可塑性樹脂からなるシートを用いて、当該シートの表面に凹凸構造を形成してもよいし、合成石英からなる基板を用いて、当該基板の表面に凹凸構造を形成してもよい。合成石英基板に対する凹凸構造の形成には、ドライエッチング法等の公知の技術が用いられればよい。

また、図６が示すように、基材１１の表面に凸部２１ａが直接に形成されていてもよい。すなわち、凹凸構造層２１は、凸部２１ａに連続する平坦部２１ｃを有さなくてもよい。この場合、凸部２１ａと基材１１とが凹凸構造層２１を構成し、基材１１のなかで凸部２１ａに接する領域が、第１低屈折率領域１２として機能する。こうした凹凸構造層２１は、例えば、フォトリソグラフィの利用によって形成できる。

また、低屈折率層２３は、各種の塗布法を用いて、樹脂材料から形成されてもよい。ただし、低屈折率層２３を高屈折率層２２に追従した形状に形成するため、言い換えれば、低屈折率層２３の表面に好適に凹凸を形成するためには、低屈折率層２３は無機化合物材料から構成されて、物理気相成長法によって形成されることが好ましい。

また、光学デバイス１０は、第２低屈折率領域１６を有さず、第２格子領域１５の直上に頂部領域１７が位置してもよい。言い換えれば、低屈折率層２３の表面の凹部の底部が、第２方向において、高屈折率層２２の頂部、すなわち、第２格子高屈折率部１５ａの頂部と一致する位置に配置されていてもよい。さらには、第２格子低屈折率部１５ｂの一部もしくは全部は、第２頂部低屈折率部１７ｂから連続し、空気が充填されていてもよい。この場合、低屈折率層２３の表面の凹部の底部は、第２格子領域１５に位置する。さらには、第２中間低屈折率部１４ｃの一部は、第２頂部低屈折率部１７ｂから連続し、空気が充填されていてもよい。この場合、低屈折率層２３の表面の凹部の底部は、中間領域１４に位置する。各領域の平均屈折率は、空気も含めて、各領域を構成する物質の屈折率を、各物質の占める部分の体積比率に応じて均した値となる。

［光学デバイスの適用例］
上述した光学デバイス１０の具体的な適用例について説明する。光学デバイス１０は、光の色の変換や色分解を行う装置に用いられる波長選択フィルタや、表示体に適用される。以下、光学デバイス１０を表示体に用いる形態について説明する。

表示体は、物品の偽造の困難性を高める目的で用いられてもよいし、物品の意匠性を高める目的で用いられてもよいし、これらの目的を兼ねて用いられてもよい。物品の偽造の困難性を高める目的としては、表示体は、例えば、パスポートや免許証等の認証書類、商品券や小切手等の有価証券類、クレジットカードやキャッシュカード等のカード類、紙幣等に貼り付けられる。また、物品の意匠性を高める目的としては、表示体は、例えば、身に着けられる装飾品や、使用者に携帯される物品、家具や家電等のように据え置かれる物品、壁や扉等の構造物等に取り付けられる。

図７が示すように、表示体６０は、表面６０Ｆと、表面６０Ｆとは反対側の面である裏面６０Ｒとを有し、表面６０Ｆと対向する位置から見て、表示体６０は、第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとを含んでいる。第１表示領域６１Ａは、複数の第１画素６２Ａが配置されている領域であり、第２表示領域６１Ｂは、複数の第２画素６２Ｂが配置されている領域であり、第３表示領域６１Ｃは、複数の第３画素６２Ｃが配置されている領域である。換言すれば、第１表示領域６１Ａは、複数の第１画素６２Ａの集合から構成されており、第２表示領域６１Ｂは、複数の第２画素６２Ｂの集合から構成されており、第３表示領域６１Ｃは、複数の第３画素６２Ｃの集合から構成されている。

第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとの各々は、これらの領域単独、もしくは、これらの領域の２以上の組み合わせによって、文字、記号、図形、模様、絵柄、これらの背景等を表現する。一例として、図７に示す構成では、第１表示領域６１Ａによって円形の図形が表現され、第２表示領域６１Ｂによって三角形の図形が表現され、第３表示領域６１Ｃによって背景が表現されている。

第１画素６２Ａと、第２画素６２Ｂと、第３画素６２Ｃとの各々には、光学デバイス１０の構成が適用されている。これらの画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃは、各画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃの第２方向と第３方向とが表示体６０の表面６０Ｆに沿った方向になるように、光学デバイス１０の表面側が表示体６０の表面側となる向きに配置されている。

第１画素６２Ａと、第２画素６２Ｂと、第３画素６２Ｃとにおいて、導波モード共鳴現象による共鳴が起こる波長域は互いに異なる。各画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃにおける共鳴が起こる波長域は、画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃごとに、第１格子領域１３および第２格子領域１５が有するサブ波長格子の周期の調整等によって、所望の波長域に設定されている。したがって、複数の波長の光を含む入射光を受けたとき、第１画素６２Ａから射出される反射光の波長域と、第２画素６２Ｂから射出される反射光の波長域と、第３画素６２Ｃから射出される光の波長域とは、互いに異なる。また、上記入射光を受けたとき、第１画素６２Ａから射出される透過光の波長域と、第２画素６２Ｂから射出される透過光の波長域と、第３画素６２Ｃから射出される透過光の波長域とは、互いに異なる。

すなわち、図８が示すように、表示体６０の外側から表示体６０の表面６０Ｆに向けて入射光Ｉ１が照射されているとき、表示体６０の表面側には、第１画素６２Ａから反射光Ｉ２が射出され、第２画素６２Ｂから反射光Ｉ３が射出され、第３画素６２Ｃから反射光Ｉ４が射出される。したがって、表面側から表示体６０の表面６０Ｆを見ると、第１表示領域６１Ａには反射光Ｉ２の波長域に応じた色相の色が視認され、第２表示領域６１Ｂには反射光Ｉ３の波長域に応じた色相の色が視認され、第３表示領域６１Ｃには反射光Ｉ４の波長域に応じた色相の色が視認される。反射光Ｉ２の波長域と、反射光Ｉ３の波長域と、反射光Ｉ４の波長域とは互いに異なるため、第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとは互いに異なる色相の色に見える。

その結果、表示体６０の外側から表面６０Ｆに向けて入射光Ｉ１が照射されている状態で、表示体６０の表面側から表面６０Ｆを観察する表面反射観察によれば、互いに異なる色の第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとから構成される像が視認される。

また、表示体６０の外側から表示体６０の表面６０Ｆに向けて入射光Ｉ１が照射されているとき、表示体６０の裏面側には、第１画素６２Ａから透過光Ｉ５が射出され、第２画素６２Ｂから透過光Ｉ６が射出され、第３画素６２Ｃから透過光Ｉ７が射出される。したがって、裏面側から表示体６０の裏面６０Ｒを見ると、第１表示領域６１Ａには透過光Ｉ５の波長域に応じた色相の色が視認され、第２表示領域６１Ｂには透過光Ｉ６の波長域に応じた色相の色が視認され、第３表示領域６１Ｃには透過光Ｉ７の波長域に応じた色相の色が視認される。透過光Ｉ５の波長域と、透過光Ｉ６の波長域と、透過光Ｉ７の波長域とは互いに異なるため、第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとは互いに異なる色相の色に見える。

その結果、表示体６０の外側から表面６０Ｆに向けて入射光Ｉ１が照射されている状態で、表示体６０の裏面側から裏面６０Ｒを観察する裏面透過観察によっても、互いに異なる色の第１表示領域６１Ａと第２表示領域６１Ｂと第３表示領域６１Ｃとから構成される像が視認される。

さらに、反射光Ｉ２の波長域と透過光Ｉ５の波長域とは異なるため、表面側から表示体６０を見たときと、裏面側から表示体６０を見たときとで、第１表示領域６１Ａに視認される色の色相は異なる。裏面側から見える色は、表面側から見える色の補色に相当する色である。同様に、表面側から表示体６０を見たときと、裏面側から表示体６０を見たときとで、第２表示領域６１Ｂに視認される色の色相は異なり、第３表示領域６１Ｃに視認される色の色相も異なる。

したがって、表面反射観察と裏面透過観察とで、表示体６０には互いに異なる色彩の像が視認される。それゆえ、表示体６０を備える物品にて、偽造の困難性や意匠性がより高められる。また、表示体６０の表裏の識別も容易である。

そして、上述のように、第１実施形態の光学デバイス１０においては波長選択性が高められているため、光学デバイス１０の構成が各画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃに適用されることによって、各表示領域６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに視認される色の鮮明さや明るさが高められる。それゆえ、表示体６０が形成する像の視認性が高められる。また、第１実施形態の光学デバイス１０では、樹脂フィルムのように可撓性のある基材１１を用いることが可能であるため、形状の変形についての自由度が高い表示体６０の実現も可能である。

第１画素６２Ａと第２画素６２Ｂと第３画素６２Ｃとの間で、基材１１、第１低屈折率領域１２、第１格子領域１３、中間領域１４、第２格子領域１５、第２低屈折率領域１６、頂部領域１７の各々は連続している。すなわち、第１画素６２Ａと第２画素６２Ｂと第３画素６２Ｃとは、共通した１つの基材１１と、これらの画素間で相互に連続した凹凸構造層２１と、これらの画素間で相互に連続した高屈折率層２２と、これらの画素間で相互に連続した低屈折率層２３とを有している。

第１画素６２Ａと第２画素６２Ｂと第３画素６２Ｃとの各々における凹凸構造層２１は、例えば、ナノインプリント法を利用して、各画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃに対応する部分で凹凸の周期を変えた合成石英モールドを用いることによって、同時に形成することができる。また、高屈折率層２２および低屈折率層２３も、各画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃに対応する部分を同時に形成することができる。したがって、互いに異なる色を呈する画素６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃを容易に形成することができる。

なお、表示体６０が含む表示領域の数、すなわち、光学デバイス１０の構成が適用された画素が配置されて、互いに異なる色相の色を呈する表示領域の数は特に限定されず、表示領域の数は、１つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、表示体６０は、光学デバイス１０の構成とは異なる構成を有する領域、例えば、基材１１に低屈折率材料からなる平坦な層のみが積層された構造を有する領域等を有していてもよい。

さらに、表示領域には、光学デバイス１０の構成が適用された表示要素が含まれればよく、表示要素は、ラスタ画像を形成するための繰返しの最小単位である画素に限らず、ベクタ画像を形成するためのアンカを結んだ領域であってもよい。

以上、第１実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）第１格子領域１３と第２格子領域１５とにおいて、導波モード共鳴現象が起こり、２つの格子領域１３，１５の各々で強められた光が反射光として得られるため、１つの格子領域のみを有する光学デバイスと比較して、反射光として取り出される光の強度が高められる。また、高屈折率層２２の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層２３が設けられているため、低屈折率層２３の厚さおよび屈折率の調整により、各格子領域１３，１５で強められた反射光とは異なる波長域の光を打ち消して、こうした光が上記反射光とともに射出されることを抑えることができる。したがって、光学デバイス１０の波長選択性が高められる。

（２）凹凸構造層２１が、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、および、熱可塑性樹脂のいずれかから構成され、低屈折率層２３が、無機化合物材料から構成される。これにより、凹凸構造層２１の製造方法として、表面の微細な凹凸の形成に適した方法の採用が可能であり、低屈折率層２３の製造方法として、低屈折率層２３を、下層の凹凸に沿った形状に形成することに適した方法の採用が可能である。このように、低屈折率材料の使い分けによって、凹凸構造層２１と低屈折率層２３とを好適に形成できる。

（３）第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１に対する第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２の比が、０．５以上２．０以下、より好ましくは０．６２５以上１．６以下であることにより、２つの格子領域１３，１５の各々で強められた近しい波長域の光が反射光として得られる。それゆえ、波長選択性がより高められる。

（４）中間領域１４における中間高屈折率部１４ａの面積比率Ｒ３について、Ｒ３≦Ｒ１＋Ｒ２－１が満たされることにより、中間高屈折率部１４ａの幅が小さく抑えられるため、中間領域１４の平均屈折率が過度に大きくなることが抑えられる。したがって、格子領域１３，１５とその隣接領域との平均屈折率の差が良好に確保されるため、導波モード共鳴現象によって得られる各格子領域１３，１５からの反射光の強度が良好になる。

また、第１方向に沿った方向から見て、第２格子高屈折率部１５ａが中間高屈折率部１４ａの外側まで広がる構成であれば、中間高屈折率部１４ａの幅が小さく抑えられるため、上記と同様に、各格子領域１３，１５からの反射光の強度が良好になる。

（５）低屈折率材料からなる凹凸構造層２１を形成する工程と、凹凸構造層２１の表面に高屈折率層２２を形成する工程と、高屈折率層２２の表面に低屈折率層２３を形成する工程とによって、上記光学デバイス１０が形成される。こうした製法によれば、サブ波長格子に接する層の精密な膜厚の制御を要さずに、光学デバイス１０の波長選択性が高められるため、光学デバイス１０を容易に製造することができる。

（６）低屈折率材料として樹脂を用い、樹脂からなる塗工層に凹版を押し付けて樹脂の硬化によって凹凸構造層２１を形成する製法では、ナノインプリント法を用いて凹凸構造層２１の形成が行われるため、微細な凹凸を有する凹凸構造層２１を好適に、かつ、簡便に形成することができる。また、物理気相成長法を用いて低屈折率層２３を形成する方法であれば、高屈折率層２２の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層２３を好適に形成することができる。

また、高屈折率層２２の形成に物理気相成長法を用いる場合において、第１方向に沿った方向から見て第２格子高屈折率部１５ａが中間高屈折率部１４ａの外側まで広がるように、高屈折率層２２を形成する。こうした製法によれば、凸部２１ａの側面に中間高屈折率部１４ａが形成される方法を採用しながらも、中間高屈折率部１４ａの幅が小さく抑えられるため、各格子領域１３，１５からの反射光の強度が良好になる。

（第２実施形態）
図９～図１２を参照して、光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法の第２実施形態を説明する。以下では、第２実施形態と第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

［光学デバイスの構成］
図９および図１０を参照して、第２実施形態の光学デバイスの構成について説明する。図９が示すように、第２実施形態の光学デバイス３０は、第１実施形態にて説明した第１低屈折率領域１２、第１格子領域１３、中間領域１４、第２格子領域１５、第２低屈折率領域１６、および、頂部領域１７からなる構造体である共鳴構造部３１を、２つ備えている。ただし、頂部領域１７における第２頂部低屈折率部１７ｂは、低屈折率材料で充填されている。

２つの共鳴構造部３１である第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとは、第１方向に隣り合っており、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂは、２つの基材１１で挟まれている。換言すれば、第２実施形態の光学デバイス３０は、第１実施形態の構成を有する２つの光学デバイス１０が、頂部領域１７同士が向かい合うように接合された構造を有する。すなわち、第２実施形態の光学デバイス３０は、第１方向に間をあけて並ぶ４つのサブ波長格子を有し、これらのサブ波長格子が低屈折率材料に埋め込まれた構造を有している。なお、一方の基材１１に対する他方の基材１１の側が光学デバイス３０の表面側であり、他方の基材１１に対する一方の基材１１の側が光学デバイス３０の裏面側である。

光学デバイス３０において、第１共鳴構造部３１Ａにおける格子要素である格子高屈折率部１３ａ，１５ａおよび格子低屈折率部１３ｂ，１５ｂの延びる方向と、第２共鳴構造部３１Ｂにおける格子要素である格子高屈折率部１３ａ，１５ａおよび格子低屈折率部１３ｂ，１５ｂの延びる方向とは、一致している。言い換えれば、第１共鳴構造部３１Ａが有するサブ波長格子の配列方向と、第２共鳴構造部３１Ｂが有するサブ波長格子の配列方向とは、一致している。また、各共鳴構造部３１の中間領域１４および頂部領域１７における各低屈折率部および高屈折率部も、格子要素と同一の方向に延びている。

第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとの間には、第１共鳴構造部３１Ａの頂部領域１７と第１共鳴構造部３１Ａの頂部領域１７とに沿って一様に広がる境界低屈折率領域１８が位置する。境界低屈折率領域１８は、第１共鳴構造部３１Ａの頂部領域１７における第２頂部低屈折率部１７ｂ、および、第２共鳴構造部３１Ｂの頂部領域１７における第２頂部低屈折率部１７ｂの各々と連続しており、境界低屈折率領域１８と各共鳴構造部３１の第２頂部低屈折率部１７ｂとは、互いに同一の材料から構成される。

第１共鳴構造部３１Ａにおける凸部２１ａの配列の周期である構造周期Ｐｋと、第２共鳴構造部３１Ｂにおける凸部２１ａの配列の周期である構造周期Ｐｋとは、図９が示すように同一であってもよいし、図１０が示すように互いに異なっていてもよい。構造周期Ｐｋは、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致する。

第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとの各々において、波長選択性を高めるためには、第１実施形態と同様に、第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１に対する第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２の比は、０．５以上２．０以下であることが好ましく、０．６２５以上１．６以下であることがより好ましい。

［光学デバイスの作用］
２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが同一の構造周期Ｐｋを有する構成では、光学デバイス３０が有する４つの格子領域１３，１５において、共鳴を起こす光の波長域のばらつきが小さくなる。４つの格子領域１３，１５の各々で強められた波長域の反射光が光学デバイス３０の表面側に射出されることにより、第１実施形態の光学デバイス１０と比較して、反射光における特定の範囲の波長域の強度がより大きくなり、反射光の波長選択性がより高められる。このとき、第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとで、光学膜厚ＯＴ１に対する光学膜厚ＯＴ２の比が一致している構成であれば、４つの格子領域１３，１５における光学膜厚のばらつきが小さくなり、各格子領域１３，１５で共鳴を起こす光の波長域がより近くなるため好ましい。

一方、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが互いに異なる構造周期Ｐｋを有する構成では、第１共鳴構造部３１Ａの格子領域１３，１５にて共鳴を起こす光の波長域と、第２共鳴構造部３１Ｂの格子領域１３，１５にて共鳴を起こす光の波長域とは、互いに異なる。その結果、光学デバイス３０の表面側には、第１共鳴構造部３１Ａの格子領域１３，１５にて強められた波長域の光と、第２共鳴構造部３１Ｂの格子領域１３，１５にて強められた波長域の光とを含む反射光が射出される。

２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂの構造周期Ｐｋが同一であるか否かに関わらず、第１実施形態と同様に、頂部領域１７は、頂部領域１７よりも裏面側での反射や干渉による光のうち、取り出したい波長域の光とは異なる波長域の光を打ち消すことで上記異なる波長域の光が光学デバイス３０の表面側に射出されることを抑える。すなわち、各格子領域１３，１５で強められた波長域以外の光を頂部領域１７が打ち消すように、低屈折率層２３の厚さおよび材料と、境界低屈折率領域１８の材料とが選択される。

また、光学デバイス３０の裏面側には、光学デバイス３０への入射光のうち、各領域を透過した光が射出される。第２実施形態の光学デバイス３０は、２つの格子領域１３，１５を備える共鳴構造部３１を複数有するため、反射光や透過光として観察される色相の調整の自由度が高められる。

［光学デバイスの適用例］
第２実施形態の光学デバイス３０の構成は、第１実施形態で示した適用例と同様に、波長選択フィルタに適用されてもよいし、表示体６０が備える表示要素に適用されてもよい。

例えば、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが同一の構造周期Ｐｋを有する構成が適用された場合、表示体６０においては、表面反射観察にて各表示領域６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃに視認される色の鮮明さや明るさが高められることにより、像の視認性が高められる。

また例えば、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが互いに異なる構造周期Ｐｋを有する構成が適用された場合、表示体６０においては、表面反射観察と裏面透過観察とにおいて視認される像の色相の調整の自由度が高められる。具体的には、第１画素６２Ａと第２画素６２Ｂと第３画素６２Ｃとにおいて、第１共鳴構造部３１Ａの構造周期Ｐｋと、第２共鳴構造部３１Ｂの構造周期Ｐｋとの組み合わせを互いに異ならせることで、上記色相の調整が可能である。

［光学デバイスの製造方法］
図１１および図１２を参照して、第２実施形態の光学デバイス３０の製造方法について説明する。まず、第２実施形態の光学デバイス３０の製造に際しては、第１実施形態と同様に、基材１１上に凹凸構造層２１と高屈折率層２２と低屈折率層２３とが順に形成される。

続いて、図１１が示すように、基材１１と凹凸構造層２１と高屈折率層２２と低屈折率層２３とからなる構造体である２つの凹凸構造体３２を、低屈折率層２３同士が向かい合うように対向させ、図１２が示すように、２つの凹凸構造体３２の間の領域を低屈折率材料で埋めることによってこれらの凹凸構造体３２を接合する。これにより、光学デバイス３０が形成される。

図１２が示すように、低屈折率材料による埋め込みによって、２つの凹凸構造体３２の間に形成される部分が埋込層２４である。埋込層２４は、第１共鳴構造部３１Ａの頂部領域１７における第２頂部低屈折率部１７ｂと、第２共鳴構造部３１Ｂの頂部領域１７における第２頂部低屈折率部１７ｂと、境界低屈折率領域１８とから構成される。

埋込層２４を構成する低屈折率材料は、高屈折率層２２を構成する高屈折率材料よりも屈折率の低い材料であって、紫外線硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂材料が用いられることが好ましい。例えば、埋込層２４は、凹凸構造層２１と同一の材料から構成されればよい。埋込層２４の形成方法としては、各種の塗布法等が用いられればよい。

なお、２つの凹凸構造体３２を対向させた状態において、第１頂部低屈折率部１７ａ同士が向かい合ってもよいし、一方の凹凸構造体３２における第１頂部低屈折率部１７ａと、他方の凹凸構造体３２における第２頂部低屈折率部１７ｂとが向かい合ってもよい。あるいは、一方の凹凸構造体３２における第１頂部低屈折率部１７ａは、他方の凹凸構造体３２における第１頂部低屈折率部１７ａの一部および第２頂部低屈折率部１７ｂの一部と向かい合っていてもよい。

例えば、２つの凹凸構造体３２として、凸部２１ａの周期が同一である凹凸構造体３２を接合することによって、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが同一の構造周期Ｐｋを有する光学デバイス３０が形成できる。また例えば、２つの凹凸構造体３２として、凸部２１ａの周期が互いに異なる凹凸構造体３２を接合することによって、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂが互いに異なる構造周期Ｐｋを有する光学デバイス３０が形成できる。

なお、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂは、頂部領域１７同士が向かい合うように配置されることに代えて、頂部領域１７を外側に向けて配置されてもよい。すなわち、２つの凹凸構造体３２は、基材１１同士が向かい合うように低屈折率材料によって接合されていてもよい。

また、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂは、各共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂの頂部領域１７が、いずれも表面側を向くように配置されてもよい。すなわち、２つの凹凸構造体３２は、一方の凹凸構造体３２の頂部領域１７と、他方の凹凸構造体３２の基材１１とが向かい合うように低屈折率材料によって接合されていてもよい。

頂部領域１７が光学デバイス３０の最表面に位置する構成であれば、頂部領域１７によって表面反射を抑える効果が、第１実施形態と同様に得られる。
また、光学デバイス３０は、第１方向に並ぶ３以上の共鳴構造部３１を備えていてもよい。光学デバイス３０が複数の共鳴構造部３１を備える形態において、これらの共鳴構造部３１における構造周期Ｐｋが同一であれば、共鳴構造部３１の数が多いほど、反射光の強度は高められる。また、複数の共鳴構造部３１に、構造周期Ｐｋが同一である共鳴構造部３１と、構造周期Ｐｋが互いに異なる共鳴構造部３１とが含まれてもよい。こうした構成によれば、光学デバイス３０から出射される反射光や透過光の色の細かな調整も可能となる。

３以上の共鳴構造部３１を備える光学デバイス３０の製造に際しては、基材１１と凹凸構造層２１とが、凹凸構造層２１から基材１１を剥離可能な材料から形成され、凹凸構造体３２の積層に際して基材１１が剥離されてもよい。例えば、２つの凹凸構造体３２が、頂部領域１７同士が向かい合うように低屈折率材料によって接合されたのち、一方の基材１１が剥離され、露出された凹凸構造層２１と他の凹凸構造体３２とがさらに低屈折率材料を挟んで接合されることが繰り返されることによって、６以上のサブ波長格子を有する光学デバイス３０が形成される。

以上、第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（６）の効果に加えて、下記の効果が得られる。
（７）光学デバイス３０が、第１方向に並ぶ複数の共鳴構造部３１を備える構成によれば、光学デバイス１０が４つ以上の格子領域１３，１５を備えるため、光学デバイス３０の波長選択性をさらに高めることや、反射光と透過光とに含まれる波長域の調整の自由度を高めることが可能である。

（８）複数の共鳴構造部３１において構造周期Ｐｋが等しい構成によれば、各共鳴構造部３１の格子領域１３，１５で共鳴を起こす光の波長域のばらつきが小さくなる。したがって、反射光の波長選択性がより高められる。

（９）第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとで、光学膜厚ＯＴ１に対する光学膜厚ＯＴ２の比が一致する構成によれば、４つの格子領域１３，１５において、光学膜厚のばらつきが小さくなり、すなわち、各格子領域１３，１５において共鳴を起こす光の波長域がより近くなる。したがって、反射光の波長選択性がより高められる。

（１０）第１共鳴構造部３１Ａの構造周期Ｐｋと、第２共鳴構造部３１Ｂの構造周期Ｐｋとが互いに異なる構成によれば、第１共鳴構造部３１Ａの各格子領域１３，１５にて共鳴を起こす光の波長域と、第２共鳴構造部３１Ｂの各格子領域１３，１５にて共鳴を起こす光の波長域とは、互いに異なる。したがって、光学デバイス３０にて、反射光の強度を高めつつ反射光に含まれる波長域を拡げること、および、透過光に含まれる波長域を狭めることが可能である。それゆえ、反射光や透過光として観察される色相の調整の自由度を高めることができる。

（１１）光学デバイス３０は、２つの凹凸構造体３２を向かい合わせ、２つの凹凸構造体３２の間の領域を低屈折率材料で埋めることによって形成される。これによれば、複数の共鳴構造部３１を備える光学デバイス３０を容易に形成することができる。

（第３実施形態）
図１３を参照して、光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法の第３実施形態を説明する。第３実施形態は、第２実施形態と比較して、２つの共鳴構造部におけるサブ波長格子の配列方向が異なる。以下では、第３実施形態と第２実施形態との相違点を中心に説明し、第２実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。なお、図１３は、光学デバイスの一部分を示す図であり、光学デバイスの構造を理解しやすくするために、凹凸構造層２１、高屈折率層２２、低屈折率層２３、埋込層２４の各々に、互いに異なる濃度のドットを付して示している。

［光学デバイスの構成］
図１３が示すように、第３実施形態の光学デバイス４０は、第２実施形態と同様に、第１方向に隣り合う２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂを備えている。ただし、第３実施形態においては、第１共鳴構造部３１Ａの格子領域１３，１５が有する格子要素、すなわち、格子高屈折率部１３ａ，１５ａおよび格子低屈折率部１３ｂ，１５ｂの延びる方向と、第２共鳴構造部３１Ｂの格子領域１３，１５が有する各格子要素の延びる方向とは互いに異なる。言い換えれば、第１共鳴構造部３１Ａが有するサブ波長格子の配列方向と、第２共鳴構造部３１Ｂが有するサブ波長格子の配列方向とが互いに異なっている。

第１共鳴構造部３１Ａにおける凸部２１ａの配列の周期である構造周期Ｐｋと、第２共鳴構造部３１Ｂにおける凸部２１ａの配列の周期である構造周期Ｐｋとは、同一である。反射光の波長選択性を高めるためには、第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとの各々において、第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１に対する第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２の比は、０．５以上２．０以下であることが好ましく、０．６２５以上１．６以下であることがより好ましい。さらに、第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとで、上記比は一致していることが好ましい。

第１共鳴構造部３１Ａの格子高屈折率部１３ａ，１５ａおよび格子低屈折率部１３ｂ，１５ｂは、第２方向に沿って延び、第３方向に沿って並ぶ。一方、第２共鳴構造部３１Ｂの格子高屈折率部１３ａ，１５ａおよび格子低屈折率部１３ｂ，１５ｂは、第３方向に沿って延び、第２方向に沿って並ぶ。すなわち、第１共鳴構造部３１Ａが有する格子要素の延びる方向と、第２共鳴構造部３１Ｂが有する格子要素の延びる方向とは直交している。換言すれば、第１共鳴構造部３１Ａが有するサブ波長格子の配列方向と、第２共鳴構造部３１Ｂが有するサブ波長格子の配列方向とのなす角は９０°である。

［光学デバイスの作用］
上述のように、サブ波長格子が、１つの方向に帯状に延びる格子高屈折率部１３ａ，１５ａから構成されている場合、各格子領域１３，１５では、特定の方向へ偏光した光が多重反射して共鳴を起こし、反射光として射出される。上記特定の方向は、サブ波長格子の配列方向に依存する。第１共鳴構造部３１Ａと第２共鳴構造部３１Ｂとでサブ波長格子の配列方向が異なることにより、第１共鳴構造部３１Ａの格子領域１３，１５と第２共鳴構造部３１Ｂの格子領域１３，１５とでは、多重反射する光の偏光方向は互いに異なる。したがって、第３実施形態の光学デバイス４０によれば、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、効率的に反射光が出射されるため、反射光の強度がより高められる。

第３実施形態の光学デバイス４０の構成は、第１実施形態で示した適用例と同様に、波長選択フィルタに適用されてもよいし、表示体６０が備える表示要素に適用されてもよい。表示体６０への入射光は、一般的な照明や太陽光のように、様々な方向への偏光成分を含む光である場合が多い。したがって、表示体６０に第３実施形態の光学デバイス４０の構成が適用されると、偏光に関して効率的に反射光が出射される効果を高く得られる。一方、偏光方向の揃った入射光を対象とする場合には、第２実施形態の光学デバイス３０の構成が適用されることが好ましい。

［光学デバイスの製造方法］
第３実施形態の光学デバイス４０は、第２実施形態と同様に、２つの凹凸構造体３２を、頂部領域１７同士が向かい合うように対向させ、２つの凹凸構造体３２の間の領域を低屈折率材料で埋めることによって形成される。ここで、第３実施形態では、一方の凹凸構造体３２における凸部２１ａの延びる方向と、他方の凹凸構造体３２における凸部２１ａの延びる方向とが直交するように、これらの凹凸構造体３２を向かい合わせて低屈折率材料により接合する。

なお、第２実施形態と同様に、２つの共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂは、頂部領域１７を外側に向けて配置されてもよいし、各共鳴構造部３１Ａ，３１Ｂの頂部領域１７が、いずれも表面側を向くように配置されてもよい。

また、光学デバイス４０は、第１方向に並ぶ３以上の共鳴構造部３１を備えていてもよく、複数の共鳴構造部３１に、格子要素の延びる方向が互いに異なる共鳴構造部３１が含まれていればよい。こうした光学デバイス４０は、偶数、すなわち２ｎ（ｎは３以上の整数）個のサブ波長格子を備え、表面側もしくは裏面側から２ｍ－１番目（ｍは１以上ｎ以下の整数）のサブ波長格子と２ｍ番目のサブ波長格子とにおいて、配列方向は互いに同一であり、格子の配列周期は互いに同一である。換言すれば、光学デバイス４０は、配列方向および配列周期が同一であるサブ波長格子の対が、第１方向に並び、これらのサブ波長格子が低屈折率材料に埋め込まれた構造を有している。

こうした構成によれば、共鳴構造部３１ごとのサブ波長格子の配列方向の設定や、サブ波長格子の配列方向が同一である共鳴構造部３１の数の設定等によって、光学デバイス４０の偏光応答性を調整することもできる。なお、複数の共鳴構造部３１には、サブ波長格子の配列周期が互いに異なる共鳴構造部３１が含まれていてもよい。

以上、第３実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（６）、第２実施形態の（７）～（９），（１１）の効果に加えて、下記の効果が得られる。
（１２）第１共鳴構造部３１Ａの格子要素の延びる方向と、第２共鳴構造部３１Ｂの格子要素の延びる方向とが、互いに異なるため、第１共鳴構造部３１Ａの格子領域１３，１５と第２共鳴構造部３１Ｂの格子領域１３，１５とでは、入射光に含まれる光のうち、互いに異なる方向へ偏光した光が共鳴を起こして、それぞれの共鳴構造部３１から射出される。したがって、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、効率的に反射光が出射されるため、反射光の強度がより高められる。

（第４実施形態）
図１４を参照して、光学デバイス、および、光学デバイスの製造方法の第４実施形態を説明する。第４実施形態は、第１実施形態と比較して、サブ波長格子の配列が異なる。以下では、第４実施形態と第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

図１４（ａ）～（ｄ）が示すように、第４実施形態の光学デバイス５０において、サブ波長格子は、二次元格子状の配列を有する。
詳細には、図１４（ｂ）が示すように、第１格子領域１３において、複数の第１格子低屈折率部１３ｂは、二次元格子状に配置されている。二次元格子の種類は特に限定されず、互いに異なる方向に延びる２つの平行線群が交差することによって構成される格子の格子点に第１格子低屈折率部１３ｂが位置していればよい。例えば、第１格子低屈折率部１３ｂが構成する二次元格子は、正方格子であってもよいし、六方格子であってもよい。第１格子領域１３における格子構造の周期である第１周期Ｐ１は、二次元格子が延びる各方向において一致している。第１格子高屈折率部１３ａは、複数の第１格子低屈折率部１３ｂの間を埋めており、連続する１つの高屈折率部を構成している。

第１方向に沿った方向から見て、第１格子低屈折率部１３ｂの形状は特に限定されないが、例えば第１格子低屈折率部１３ｂが正方形であると、第１格子領域１３の平均屈折率を規定する面積比率の設定が容易である。

図１４（ｃ）が示すように、中間領域１４において、複数の第１中間低屈折率部１４ｂは、第１格子低屈折率部１３ｂと一致した二次元格子状に配置されている。中間領域１４における第１中間低屈折率部１４ｂの配列の周期である第３周期Ｐ３は、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致している。第１方向に沿った方向から見て、第１中間低屈折率部１４ｂの大きさは、第１格子低屈折率部１３ｂと一致する。

第１方向に沿った方向から見て、中間高屈折率部１４ａは枠形状を有し、第１中間低屈折率部１４ｂを１つずつ取り囲んでいる。第２中間低屈折率部１４ｃは、互いに隣接する中間高屈折率部１４ａの間を埋めており、連続する１つの低屈折率部を構成している。

図１４（ｄ）が示すように、第２格子領域１５において、複数の第２格子高屈折率部１５ａは、第１格子低屈折率部１３ｂと一致した二次元格子状に配置されている。第２格子低屈折率部１５ｂは、複数の第２格子高屈折率部１５ａの間を埋めており、連続する１つの低屈折率部を構成している。第２格子領域１５における格子構造の周期である第２周期Ｐ２は、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致している。

ただし、第１方向に沿った方向から見て、第２格子領域１５において点在する第２格子高屈折率部１５ａは、第１格子領域１３において点在する第１格子低屈折率部１３ｂよりも大きい。言い換えれば、第２方向および第３方向の各々において、第２格子高屈折率部１５ａの幅は、第１格子低屈折率部１３ｂの幅よりも大きい。したがって、第２格子低屈折率部１５ｂの幅は、第１格子高屈折率部１３ａの幅よりも小さい。第１方向に沿った方向から見て、第２格子高屈折率部１５ａは、第１格子低屈折率部１３ｂの形状に準じた形状を有する。

また、頂部領域１７においても、複数の第１頂部低屈折率部１７ａは、第１格子低屈折率部１３ｂと一致した二次元格子状に配置されている。そして、第２頂部低屈折率部１７ｂは、複数の第１頂部低屈折率部１７ａの間を埋めており、連続する１つの低屈折率部を構成している。頂部領域１７における第１頂部低屈折率部１７ａの配列の周期は、第１格子領域１３における第１周期Ｐ１と一致している。

第４実施形態の光学デバイス５０においても、第１実施形態と同様の原理によって導波モード共鳴現象が起こり、第１格子領域１３で強められた波長域の光と、第２格子領域１５で強められた波長域の光とが、反射光として取り出される。第４実施形態においても、第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１は、第１実施形態で示した式（２）によって求められ、第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２は、第１実施形態で示した式（４）によって求められる。そして、第１格子領域１３の光学膜厚ＯＴ１に対する第２格子領域１５の光学膜厚ＯＴ２の比が、０．５以上２．０以下、より好ましくは０．６２５以上１．６以下であれば、光学デバイス５０において、反射光についての良好な波長選択性が得られる。

また、第４実施形態においても、中間高屈折率部１４ａの面積比率Ｒ３について、第１実施形態で示した式（５）が満たされることが好ましい。式（５）が満たされていれば、中間高屈折率部１４ａの幅が、第２格子高屈折率部１５ａよりも外側まで広がらない程度に抑えられるため、中間高屈折率部１４ａの面積比率が大きくなりすぎない。したがって、各格子領域１３，１５からの反射光の強度が良好になる。

第４実施形態のように、サブ波長格子を構成する格子要素が二次元格子状に並ぶ形態であれば、互いに異なる方向へ偏光している光を格子要素が並ぶ方向ごとにそれぞれ共鳴させることができる。したがって、第１実施形態のように、格子要素が１つの方向のみに沿って並ぶ形態と比較して、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、効率的に反射光が出射される。そのため、反射光の強度がより高められる。

特に、格子要素が六方格子状に並ぶ形態であれば、格子要素が正方格子状に並ぶ形態と比較して、格子領域にて共鳴可能な偏光の方向が多くなるため、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、より効率的に反射光を出射することができる。

第４実施形態の光学デバイス５０は、第１実施形態の光学デバイス１０の製造方法において、凸部２１ａの配列態様を変更することによって製造できる。具体的には、複数の凸部２１ａが二次元格子状に配置された凹凸構造を形成することによって、凹凸構造層２１を形成する。複数の凸部２１ａは互いに離間しており、凸部２１ａ間に位置する凹部２１ｂは連続する１つの凹部を構成している。第４実施形態のように、凸部２１ａが二次元格子状に並ぶ形態であれば、凸部２１ａの大きさや配置についての自由度が高いため、凸部２１ａと凹部２１ｂとの面積比率の設定に際しての細かな調整が容易である。

第４実施形態の光学デバイス５０には、第１実施形態の光学デバイス１０の各変形例の構成が適用できる。また、第４実施形態の光学デバイス５０の構成は、第１実施形態で示した適用例と同様に、波長選択フィルタに適用されてもよいし、表示体６０が備える表示要素に適用されてもよい。

また、第２実施形態および第３実施形態の構成に第４実施形態の光学デバイス５０を適用してもよい。すなわち、複数の光学デバイス５０を第１方向に沿って積層することによって、４つ以上の格子領域を有する光学デバイスを構成してもよい。このとき、２以上の共鳴構造部３１において、サブ波長格子を構成する格子要素が並ぶ方向、言い換えれば、二次元格子の延びる方向は、一致していてもよいし、異なっていてもよい。２つの共鳴構造部３１における二次元格子の延びる方向が異なる構成では、偏光に関し、より多くの方向に対応して反射光を射出することができる。

なお、各格子領域１３，１５において、格子構造の周期は、二次元格子が延びる方向によって異なっていてもよい。こうした構成によれば、二次元格子が延びる方向によって共鳴を起こす波長域を異ならせて、反射光に含まれる波長域や偏光に対する応答性を調整することが可能である。

また、凹凸構造層２１の凹凸構造は、互いに離間した複数の凹部と、これらの凹部の間で連続している単一の凸部とから構成されてもよい。すなわち、凹凸構造層２１の凹凸構造は、凸部もしくは凹部である複数の凹凸要素が互いに離間しつつ二次元格子状に並ぶことにより形成されていればよい。

以上、第４実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（６）の効果に加えて、下記の効果が得られる。
（１３）サブ波長格子を構成する格子要素が二次元格子状に並ぶため、様々な方向への偏光成分を含む入射光に対して、効率的に反射光が出射される。そのため、反射光の強度がより高められる。

（変形例）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・上記各実施形態において、光学デバイスの中間領域１４は、中間高屈折率部１４ａを有していなくてもよい。すなわち、中間領域１４は、第１中間低屈折率部１４ｂと第２中間低屈折率部１４ｃとから構成されていてもよい。高屈折率層２２の製造条件によっては、中間高屈折率部１４ａを有さない光学デバイス、すなわち、凸部２１ａの側面への高屈折率層２２の成膜がない光学デバイスの製造が可能である。

・頂部領域１７が最表面に位置する形態において、頂部領域１７を覆う保護層が設けられてもよい。この場合、保護層は樹脂等の低屈折率材料から構成され、低屈折率層２３の凹部は保護層によって埋められる。すなわち、第２頂部低屈折率部１７ｂは、低屈折率材料によって充填される。

１０，３０，４０，５０…光学デバイス、１１…基材、１２…第１低屈折率領域、１３…第１格子領域、１３ａ…第１格子高屈折率部、１３ｂ…第１格子低屈折率部、１４…中間領域、１４ａ…中間高屈折率部、１４ｂ…第１中間低屈折率部、１４ｃ…第２中間低屈折率部、１５…第２格子領域、１５ａ…第２格子高屈折率部、１５ｂ…第２格子低屈折率部、１６…第２低屈折率領域、１７…頂部領域、１７ａ…第１頂部低屈折率部、１７ｂ…第２頂部低屈折率部、１８…境界低屈折率領域、２１…凹凸構造層、２１ａ…凸部、２１ｂ…凹部、２２…高屈折率層、２３…低屈折率層、２４…埋込層、３１，３１Ａ，３１Ｂ…共鳴構造部、３２…凹凸構造体、６０…表示体、６０Ｆ…表面、６０Ｒ…裏面、６１Ａ…第１表示領域、６１Ｂ…第２表示領域、６１Ｃ…第３表示領域、６２Ａ…第１画素、６２Ｂ…第２画素、６２Ｃ…第３画素。

Claims (11)

1. 凸部または凹部である凹凸要素であって、サブ波長周期で並ぶ複数の前記凹凸要素が構成する凹凸構造を表面に有する凹凸構造層と、
   前記凹凸構造上に位置して当該凹凸構造に追従した表面形状を有する高屈折率層であって、前記凹凸構造の底部に位置してサブ波長格子を構成する第１格子高屈折率部、および、前記凹凸構造の頂部に位置してサブ波長格子を構成する第２格子高屈折率部を含む前記高屈折率層と、
   前記高屈折率層上に位置して当該高屈折率層の表面の凹凸に追従した形状の表面および裏面を有する低屈折率層と、を備え、
   前記高屈折率層は、前記凹凸構造層および前記低屈折率層の各々よりも、屈折率の高い材料から構成され、
   前記凹凸構造層と前記高屈折率層と前記低屈折率層とから各サブ波長格子が低屈折率の領域に埋めこまれた構造が形成されており、この構造から、導波モード共鳴現象によって特定の波長域の反射光が射出され、
   前記低屈折率層は、前記特定の波長域とは異なる波長域の射出光を干渉によって弱めるように構成されている
   光学デバイス。
2. 前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層の各々は、可視領域の光に対して透明な材料から構成されており、
   前記凹凸構造層は、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、および、熱可塑性樹脂のいずれかから構成され、
   前記低屈折率層は、無機化合物材料から構成される
   請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記第１格子高屈折率部の厚さをＴ１、前記第２格子高屈折率部の厚さをＴ２、
   前記高屈折率層の材料の屈折率をｎ１、前記凹凸構造層の材料の屈折率をｎ２、前記低屈折率層の材料の屈折率をｎ３、
   前記第１格子高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該第１格子高屈折率部が占める面積比率をＲ１、前記第２格子高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該第２格子高屈折率部が占める面積比率をＲ２、とするとき、
   ｎ１＞ｎ２、ｎ１＞ｎ３、かつ、Ｒ１＋Ｒ２＞１であって、
   Ｔ１×｛ｎ１×Ｒ１＋ｎ２×（１－Ｒ１）｝で表される第１パラメータに対する、Ｔ２×｛ｎ１×Ｒ２＋ｎ３×（１－Ｒ２）｝で表される第２パラメータの比が、０．５以上２．０以下である
   請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記高屈折率層は、前記第１格子高屈折率部と前記第２格子高屈折率部との間で前記凹凸要素の側面に沿って延びる中間高屈折率部を含み、
   前記中間高屈折率部を含みその厚さ方向と直交する断面にて当該中間高屈折率部が占める面積比率をＲ３とするとき、Ｒ３≦Ｒ１＋Ｒ２－１が満たされる
   請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層を有する部分が共鳴構造部であり、
   前記光学デバイスは、前記共鳴構造部の厚さ方向に沿って並ぶ複数の前記共鳴構造部を備える
   請求項１～４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
6. 前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期とは、一致している
   請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の周期とは、互いに異なる
   請求項５に記載の光学デバイス。
8. 前記複数の共鳴構造部には、第１共鳴構造部と第２共鳴構造部とが含まれ、前記第１共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の方向と、前記第２共鳴構造部が有する前記凹凸要素の配列の方向とは、互いに異なる
   請求項５に記載の光学デバイス。
9. サブ波長周期で並ぶ複数の凸部または凹部である凹凸要素を表面に有し、第１低屈折率材料から構成される凹凸構造層を形成する第１工程と、
   前記第１低屈折率材料よりも高い屈折率を有する高屈折率材料を用いて、前記凹凸構造層の表面に沿って、当該凹凸構造層が有する凹凸構造の底部に位置してサブ波長格子を構成する第１格子高屈折率部と、前記凹凸構造の頂部に位置してサブ波長格子を構成する第２格子高屈折率部とを含む高屈折率層を形成する第２工程と、
   前記高屈折率材料よりも低い屈折率を有する第２低屈折率材料を用いて、前記高屈折率層の表面に沿って、当該高屈折率層の表面の凹凸に追従した形状の表面および裏面を有する低屈折率層を形成する第３工程と、を含み、
   前記凹凸構造層と前記高屈折率層と前記低屈折率層とから各サブ波長格子が低屈折率の領域に埋めこまれた構造が形成され、この構造から、導波モード共鳴現象によって特定の波長域の反射光が射出されるとともに、前記低屈折率層が、前記特定の波長域とは異なる波長域の射出光を干渉によって弱めるように、前記凹凸構造層と前記高屈折率層と前記低屈折率層とを形成する
   光学デバイスの製造方法。
10. 前記第１工程では、前記第１低屈折率材料である樹脂からなる塗工層に凹版を押し付け、前記樹脂を硬化させた後に前記凹版を離型して前記凹版の有する凹凸を前記樹脂に転写することにより、前記凹凸構造層を形成し、
    前記第２工程では、前記高屈折率層が、前記第１格子高屈折率部と前記第２格子高屈折率部との間で前記凹凸要素の側面に沿って延びる中間高屈折率部を含み、前記高屈折率層の厚さ方向に沿った方向から見て、前記第２格子高屈折率部が前記中間高屈折率部の外側まで広がるように、物理気相成長法を用いて前記高屈折率層を形成し、
    前記第３工程では、物理気相成長法を用いて前記低屈折率層を形成する
    請求項９に記載の光学デバイスの製造方法。
11. 前記凹凸構造層、前記高屈折率層、および、前記低屈折率層を有する構造体が凹凸構造体であり、
    ２つの前記凹凸構造体を、前記低屈折率層同士が向かい合うように対向させ、２つの前記凹凸構造体の間の領域を、前記高屈折率材料よりも低い屈折率を有する第３低屈折率材料で埋めることによって、埋込層を形成する第４工程をさらに備える
    請求項９または１０に記載の光学デバイスの製造方法。