WO2008056577A1

WO2008056577A1 - Film de carbone hydrogéné contenant si-o, dispositif optique incluant celui-ci, et procédé de fabrication du film hydrogéné contenant si-o et du dispositif optique

Info

Publication number: WO2008056577A1
Application number: PCT/JP2007/071191
Authority: WO
Inventors: Yoshihiro Akahane; Takahiro Imai; Takashi Matsuura; Tetsuya Katayama; Toshihiko Ushiro
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20100039707A1; JP5293186B2; US8047653B2; EP2088123A1; JPWO2008056577A1

Description

明細書

Si— o含有水素化炭素膜とそれを含む光学デバイスおよびそれらの製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用される光学デバイスとそのための材料に関し、特にエネルギビーム照射によって屈折率が変化し得る透光性薄膜に関する。

背景技術

[0002] 情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学薄膜が使用されている。代表的な光学薄膜材料として、 SiOや TiO などの酸化物薄膜、 MgFなどのフッ化物薄膜などがあげられ、これらは反射防止膜、ミラー、フィルタなどに利用されている。また、光学薄膜を応用した回折光学素子も、種々の用途に適用されている。

[0003] 回折光学素子は、レリーフ型と屈折率変調型に大別される。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と、相対的に小さな厚さを有する局所的領域が交互に配列して形成されている。すなわち、相対的に大きな厚さを有する局所的領域に対応する凸部の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域に対応する凹部の大気を通過する光との光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィゃエッチングなどのプロセスを施して形成すること力できる。

[0004] 屈折率変調型回折光学素子は、相対的に屈折率が大きい局所的領域と相対的に屈折率が小さい局所的領域とが交互に配列されて形成されている。そして、屈折率が異なる局所的領域をそれぞれ通過する光の光路差に基づいて生じる位相差に起因して回折現象が生じる。屈折率変調型回折光学素子は、 Geをドープした石英ガラスゃフォトポリマなどの材料に紫外線や可視光などのエネルギビームを照射して屈折率を変化（変調）させることによって形成することができる。最近では、特許文献 1の特開 2004— 163892号公報に開示されているように、透光性ダイヤモンド状カーボン（ DLC)膜を利用した屈折率変調型回折光学素子の例も提案されている。

[0005] 微細な凹凸を形成する必要があるレリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、作製プロセスが比較的簡便であり、また表面が平坦であって汚染物が付着しにくいなどの利点がある。しかし、従来の光学材料では屈折率を大きく変化させることが困難である。例えば、 Geをドープした石英ガラスにおいては屈折率変化 Δ ηが 0. 001程度であり、フォトポリマにおいても Δ ηが 0. 08程度である。

[0006] ここで、屈折率変調型回折光学素子における屈折率変化量 Δ ηは回折効率に直接的に影響し、 Δ ηが大きいほど回折効率を高めることができる。したがって、レリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、 Δ ηが小さい光学材料を用いる場合にその設計にぉレ、て大きな制約がある。

[0007] この点に関して、特許文献 1においては、 Δ ηが最大で 0. 5になり得る透光性 DLC 膜が開示されており、光学素子の設計の自由度を大きくすることができる。その DLC 膜は、エネルギビームを照射することで屈折率を高めることができる。そのエネルギビームとしては、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線などの電磁波が用いられ得る。これらのエネルギビームの中で紫外線を用いることは、産業的応用を考える場合に、スループット、取り极レ、やすさ、装置コストなどの観点から最も好ましレ、。

特許文献 1 :特開 2004— 163892号公報

特許文献 2：特開平 7— 333404号公報

特許文献 3：特開 2004 _ 341541号公報

特許文献 4：特開平 8— 72193号公報

特許文献 5：特開 2005— 202356号公報

特許文献 6：特開平 11 345419号公報

特許文献 7：特開 2006— 39303号公報

特許文献 8 :特開 2005— 195919号公報

特許文献 9：特開平 8— 313845号公報

特許文献 10 :特開 2005— 326666号公報特許文献 11 :特開平 10— 96807号公報

特許文献 12 :特開 2000— 235179号公報

特許文献 13：国際公開第 2005/088364号パンフレット

特許文献 14 :特開 2003— 66324号公報

特許文献 15：特開 2006— 53992号公報

特許文献 16 :特開平 6— 27398号公報

特許文献 17：特開 2006— 30840号公報

非特許文献 1：「マイクロレンズ (アレイ)の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、 2003年 4月 28曰、第 20— 21頁、および第 71— 81頁

非特許文献 2 : OPTRONICS, (2001)， No. l l, pp.149-154

非特許文献 3 : 0 plus E， Vol.25, No.4, 2003， pp.385-390

非特許文献 4 : OPTRONICS, (2001)， No. l l, pp.143-148

非特許文献 5 :西田信夫編、「大画面ディスプレイ」、共立出版、 2002年刊行非特許文献 6 : Applied Optics, Vol.41, 2002， pp.3558-3566

非特許文献 7 : ITE Technical Report, Vol.20, 1996， pp.69-72

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] しかし、紫外光照射によって DLC膜の屈折率を高める場合、 DLC膜は紫外光領域において消衰係数が低くなぐさらには屈折率上昇に伴って紫外光領域から可視光領域の範囲内において消衰係数が上昇する。それゆえ、改質光 (膜の性質を変化させる光）である紫外光が DLC膜の表面付近で多く吸収され、膜の厚み方向に均一に改質すること力 S難しくなる。これは、（1)改質光である紫外光が膜厚方向に深くまで通らないことや、（2)膜表面のアブレーシヨンが進んで表面凹凸が生じるために紫外光の散乱や回折を生じることの 2つの要因による。

[0009] また、特許文献 1におけるように DLC膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に比べて、平均的に高い屈折率を有している。したがって、 DLC膜を用いて作製された光学素子は、一般的な光学素子との界面において光反射を生じやすぐ他の一般的光学素子との適合性の観点からは好ましくない。

[0010] そこで、本発明は、屈折率変化量 Δ ηが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光だけでなく紫外光領域での透明度が高ぐかつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それに用いるに適した光学膜としての Si— ο含有水素化炭素膜を提供することを目的としている。なお、本願において、 Si— o含有水素化炭素膜とは、 Siと oを含有する水素化炭素膜を意味する。

[0011] 本発明はまた、そのような Si— o含有水素化炭素膜を利用して作製される種々の光学素子およびそれらの光学素子を含む種々の光学装置を提供することをも目的としている。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明による光学膜としての Si— O含有水素化炭素膜は、波長 520nmの光に関して 1. 48以上で 1. 85以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長 248nmの光に関して 0. 15未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによってその屈折率と消衰係数が低下することを特徴としている。

[0013] なお、波長 248nmの光に関する消衰係数は、エネルギビーム照射を受ける前において 0. 12未満であることがより好ましい。また、波長 520nmの光に関する屈折率は、エネルギビーム照射を受ける前において 1. 56以上で 1. 76以下の範囲内にあることがより好ましい。

[0014] 波長 520nmの光に関する屈折率はエネルギビーム照射を受けて 0. 03以上で 0.

40以下の範囲内の変化量で低下し、その低下後の屈折率は 1. 45以上であり得る。その屈折率の変化量は、 0. 10以上で 0. 30以下の範囲にあることが好ましい。

[0015] エネルギビーム照射を受ける前の Si— O含有水素化炭素膜において、シリコン含有量が 0. 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 4. O X 10²²atoms/cm³より大きくて 8. 0 X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0. 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 4 X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1. 5 X 10²²atoms/cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 1. 5未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3 . 0未満の範囲内にあることが好ましい。 [0016] また、エネルギビーム照射を受ける前の Si— O含有水素化炭素膜において、密度力 S I . 15g/cm³より大きくて 1. 60g/cm³未満の範囲内にあり、スピン密度が 1. 0 X 10¹⁶spins/cm³より大きくて 1. 0 X 10²°spins/cm³未満の範囲内にあることが好ましい。

[0017] 他方、エネルギビーム照射を受けた後の Si— O含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が 0· 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 1. O X 10²²atoms/cm³より大きくて 8. 0 X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0. 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 3. 0 X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1. O X 10²²atoms/cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O /Siの原子％比が 0. 5より大きくて 2. 0未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3. 0未満の範囲内であり得る。

[0018] また、エネルギビーム照射を受けた後の Si— O含有水素化炭素膜においては、密度が 1. 15g/cm³より大きくて 1. 80g/cm³未満の範囲内にあり、スピン密度が 1. 0 X 10²°spins/cm³未満であり得る。

[0019] 上述のような Si— O含有水素化炭素膜を製造する方法においては、その膜は原料としてシロキサン類を用いるプラズマ CVDによって形成され、そのプラズマ CVD条件として、基板温度が 80°C以上で 100°C以下、高周波電力が 0. 5W/cm²以上で 1. 2W/cm²以下、そして圧力が 6. 7Pa以上で 40Pa以下の範囲内にあり、成膜開始力、ら少なくとも 3分経過するまでの間の圧力は 1. 3Pa/分以上で 2. 7Pa/分以下の範囲内の割合で連続的に上昇させられることが好ましい。

[0020] また、上述のような Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子は、相対的に高い屈折率の局所的領域と相対的に低い屈折率の局所的領域とを含み得る。その相対的に高い屈折率の局所的領域は、 Si— O含有水素化炭素膜のうちでェネルギビーム照射を受けていない領域であり得る。また、その相対的に低い屈折率の局所的領域は、 Si— O含有水素化炭素膜のうちでエネルギビーム照射を受けた後の領域であり得る。

[0021] そのような光学素子を製造する方法においては、エネルギビームとしてのイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波を Si— o含有水素化炭素膜の局所領域に照射することによって相対的に低い屈折率の局所的領域を形成することができる。この場合に、エネルギビームは 0. lMj/m²以上のエネルギ密度で照射されることが好ましい。

[0022] Si— O含有水素化炭素膜の局所領域にエネルギビームを照射することによって相対的に低い屈折率の局所的領域を形成する場合、その Si— O含有水素化炭素膜を加熱した状態でエネルギビームを照射することが好ましい。

[0023] Si— O含有水素化炭素膜に対するエネルギビーム照射は、大気雰囲気中においては、室温より高温で 90°C以下の温度にその薄膜を加熱した状態で行われることが好ましい。薄膜を加熱した状態でエネルギビーム照射を行なう場合、その照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中で行われることがより好ましい。その酸素濃度を低下させた雰囲気は、窒素雰囲気、希ガス雰囲気、または減圧雰囲気であり得る。そして、エネルギビーム照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中においては、室温より高温で 200°C以下の温度に薄膜を加熱した状態で行われることが好ましレ、。

[0024] 発明による光学膜においては、基板上に Si— O含有水素化炭素膜が形成されて、その上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、および炭素と水素とを主要成分として含む膜のいずれ力、からなる保護層が少なくとも一層以上積層されていてもよい。なお、その保護層上に、厚さ 10 m以上の透明材料板が付加的に接合されていてもよい。他方、基板上において、 Si— O含有水素化炭素膜が形成されていて、その上に直接に厚さ 10 πι以上の透明材料板が接合されていてもよい。これらの光学膜に対してエネルギビームを照射して、その照射領域における Si— Ο含有水素化炭素膜の屈折率を低める場合、基板が 80°Cより高!/、温度に保持された状態でエネルギビームを照射することが好ましい。

[0025] 本発明による平板型マイクロレンズは、 Si— O含有水素化炭素膜を用いて形成されており、その Si— O含有水素化炭素膜は屈折率が変調させられた領域を含み、屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときにレンズ作用が生じることを特徴としている。

[0026] そのマイクロレンズは屈折型マイクロレンズであり得て、その場合には、 Si— O含有水素化炭素膜の一主面側において相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、そのレンズ領域は Si— o含有水素化炭素膜のその一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた球面レンズ状の形状を有する、、またはその一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状レンズ状の形状を有して!/、て!/、てもよレ、。

[0027] また、屈折型レンズ領域は Si— O含有水素化炭素膜を貫通する概略円柱形状を有していてもよく、この場合には、円柱形状の中心軸は Si— O含有水素化炭素膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が低くまたは高くされている。さらに、屈折型レンズ領域は Si— O含有水素化炭素膜を貫通する帯状領域であってもよぐこの場合には、その帯状領域の幅方向の中央を通りかつ Si— O含有水素化炭素膜に直交する面に近レ、ほど屈折率が低くまたは高くされて!/、る。

[0028] さらに、本発明によるマイクロレンズは回折型マイクロレンズでもあり得て、その場合には、 Si— O含有水素化炭素膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含むことができ、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、帯状リング領域の幅は同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められて V、るかまたは広げられて!/、る。

[0029] 同心円状の複数の帯状リング領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、 Si— O含有水素化炭素膜は同心円状の m個のリングゾーンを含むことができ、それらのリングゾーンの各々は n個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低!/、かまたは高レ、屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していること力 S好ましい。

[0030] また、本発明による回折型マイクロレンズにおいて、 Si— O含有水素化炭素膜は互いに平行な複数の帯状領域を含むこともでき、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、それらの帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠レ、帯状領域ほど狭められてレ、る力、または広げられて!/、る。

[0031] 互いに平行な複数の帯状領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、 Si— O含有水素化炭素膜は互いに平行な m個の帯ゾーンを含むことができ、それらの帯ゾーンの各々は n個の帯状領域を含み、帯ゾーンの各々において所定の帯状領域に近い帯状領域は遠レ、帯状領域に比べて低!/、かまたは高レ、屈折率を有し、帯ゾーンのそれぞれにお!/、て互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有して!/、ること力 S好ましい。

[0032] 上述のような本発明によるマイクロレンズは、 0· 4 111力、ら 2. 0 mの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮することができ、光通信分野やプロジェクタのような広い光学分野で利用可能である。

[0033] 本発明による光情報記録媒体は、基板上に堆積された Si— O含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによつて行なわれ得ることを特徴として!/、る。

[0034] なお、任意の選択された記録スポット領域における Si— O含有水素化炭素膜は、ェネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定された!/、ずれかの値まで下げられ得る。

[0035] このような光情報記録媒体に情報を記録するための方法にお!/、ては、屈折率が下げられるべき記録スポット領域に対応する開口を含む金属膜マスクパターンを介して、 Si— O含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、記録スポット領域における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げればよい。この記録方法において、屈折率が下げられた記録スポット領域から選択された記録スポット領域に対応する開口を含むさらなる金属膜マスクパターンを介して、 Si— O含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、それらの選択された記録スポット領域における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率をさらに下げることもできる。なお、このステップは一回以上繰り返されてもよ!/、。

[0036] また、光情報記録媒体に情報を記録するための方法にお!/、て、記録スポット領域に対応して局所的に厚さが多段階に変化させられているエネルギビーム吸収層のマスクを介して、 Si— O含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、それらの記録スポット領域における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げるステツプを含み、エネルギビーム吸収層は記録スポット領域の屈折率段階が低くなるにした力つて局所的に薄くされてレ、てもよレ、。

[0037] 本発明による光情報記録媒体は、基板上に形成された Si— O含有水素化炭素膜を含み、この光情報記録媒体への情報の記録は、記録されるべき情報を含む物体光としての紫外線および参照光としての紫外線を Si— O含有水素化炭素膜に照射して生じるホログラムによって、その Si— O含有水素化炭素膜中に形成される屈折率変調構造として保存されてもょレ、。

[0038] 本発明による記録媒体は、複数のクラッド層と複数の Si— O含有水素化炭素膜の記録層とが交互に積層された積層導波路型のホログラム光情報記録媒体でもあり得て、各記録層には互いに異なる情報が記録されていてその記録情報に対応した周期的光散乱要素が生成されており、それらの周期的光散乱要素の各々は屈折率が下げられた微小領域であることを特徴としている。

[0039] この積層導波路型のホログラム光情報記録媒体を製造する方法では、（a)クラッド層として作用する透光性基板上に Si— Ο含有水素化炭素膜を堆積し、（b)周期的光散乱要素に対応した開口を含む金属膜マスクパターンを介して、 Si— O含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射して、それらの開口領域における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって周期的光散乱要素を生成させ、（c)上記のステツプ (a)および (b)を経たクラッド層と Si— O含有水素化炭素膜のペアの複数を積層し、（d)最上層として露出している Si— O含有水素化炭素膜上にクラッド層を重ねるステップを含むことを特 ί毁として!/、る。

[0040] 本発明による偏光インテグレータは、光源からの光を Ρ偏光と S偏光とに分離するための偏光ビームスプリッタと、第 1のマイクロレンズと、 1/2波長板と、第 2のマイクロレンズとを含み、第 1マイクロレンズは偏光ビームスプリッタによって分離された Ρ偏光と S偏光を互いに異なる位置に集光するように配置されており、 1/2波長板は Ρ偏光または S偏光が集光される位置に配置されていて Ρ偏光または S偏光を S偏光または Ρ 偏光に変換するように作用し、第 2マイクロレンズは 1/2波長板を通過して偏光変換された後の S偏光または Ρ偏光と 1/2波長板を通過しなかった S偏光または Ρ偏光とを統合するように作用し、偏光ビームスプリッタ、第 1マイクロレンズ、 1/2波長板、および第 2マイクロレンズの少なくとも一つが Si— O含有水素化炭素膜を利用して形成されて!/、ることを特 ί毁として!/、る。

[0041] なお、偏光ビームスプリッタと 1/2波長板の少なくとも一方は Si— Ο含有水素化炭素膜中に形成された屈折率変調型回折格子で形成され得る。また、第 1マイクロレンズと第 2マイクロレンズの少なくとも一方は Si— O含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズと屈折率変調型の回折型レンズとのいずれかであり得る。さらに、偏光ビームスプリッタ、第 1マイクロレンズ、 1/2波長板、および第 2マイクロレンズの組の複数が、光源からの光束の断面内で周期的に配列され得る。そして、そのような偏光インテグレータは、液晶プロジェクタにおいて好ましく用いられ得る。

[0042] 本発明によるプロジェクタは、光源とその光源からの光を回折させる回折光学素子とを含み、その回折光学素子は透光性基板上に形成された Si— O含有水素化炭素膜を含み、この Si— O含有水素化炭素膜は光の回折を生じさせるように相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域を含むように屈折率変調されており、その屈折率変調は Si— O含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面における強度分布を所定の照射面上において均一な強度分布に変換するように回折作用を生じることを特徴としている。

[0043] なお、屈折率変調構造の設定を調整することによって、 Si— O含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面形状を所定の照射面上において所定の断面形状に変換するようにも回折作用を生じさせること力できる。また、屈折率変調構造は、 0. 4〜0. 7 inの可視域の波長を含む光に対して回折作用を生じるように設定することもできる。プロジェクタの光源としてはレーザ装置、発光ダイオード、およびランプのいずれをも利用することができ、またランプとしては超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、およびハライドランプのいずれをも利用することができる。

[0044] 本発明によるカラー液晶表示装置は、光源とホログラムカラーフィルタと液晶パネルとを含み、ホログラムカラーフィルタは透光性基板上に形成された Si— O含有水素化炭素膜を含み、この Si— O含有水素化炭素膜は相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置された屈折率変調構造を有していて、光源から供給される入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を所定の空間的周期で出射する機能を有し、その空間的周期は液晶パネルに含まれる複数の画素の周期に対応してレ、ることを特徴として!/、る。

[0045] その Si— O含有水素化炭素膜は付加的なマイクロレンズアレイと組み合すことができ、その場合には高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定され、マイクロレンズアレイは液晶パネル中の画素の周期で配置された複数のマイクロレンズを含む。他方、 Si— O含有水素化炭素膜中の高屈折率帯状領域の幅および間隔が液晶パネル中の画素の周期に対応して周期的に変化させられることによって、ホログラム力ラーフィルタは分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えることもできる。

[0046] ホログラムカラーフィルタは複数の Si— O含有水素化炭素膜を含むこともでき、これらの Si— O含有水素化炭素膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有すること力できる。それら複数の Si— O含有水素化炭素膜は第 1と第 2の Si— O 含有水素化炭素膜を含むことができ、第 1の Si— O含有水素化炭素膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、第 2の Si— O含有水素化炭素膜は青色の光に対して回折効率のピークを有してレ、ることが好ましレ、。

[0047] ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において、屈折率が多段階に変化させられていることが好ましい。また、ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において、屈折率が連続的に変化させられていることも好ましい。さらに、ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域と高屈折率帯状領域との間の境界領域は、 Si— O含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜させることもできる。

[0048] 液晶パネルに含まれる複数の画素は赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域を含み、ホログラムカラーフィルタは入射光を赤色光、緑色光、および青色光に分光してそれぞれ赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域へ向けて出射すること力 Sできる。カラー液晶表示装置の光源としては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、およびレーザのいずれかを含み得る。

[0049] カラー液晶表示装置に含まれる Si— O含有水素化炭素膜中において相対的に低 V、屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した 2種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成されることが好ましい。

[0050] 本発明による光ピックアップ装置は、光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくとも一方に使用され得て、光ビームを射出する光源と、その光ビームを制御する複数の光学素子とを含み、これらの光学素子の少なくとも一つは相対的に低屈折率の局所的領域と相対的に高屈折率の局所的領域とを含む Si— o含有水素化炭素膜を含ことを特徴としている。そのような Si— o含有水素化炭素膜を含む光学素子は、偏光ビームスプリッタ、 1/4波長板、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメートレンズのいずれかであり得る。

[0051] 本発明による光ビーム走査装置は、光ビームを出射する光源と、光ビームを整形する回折光学素子と、光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含み、その回折光学素子は透光性基板上に形成された Si— O含有水素化炭素膜を含み、これは相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域とを含むことを特徴としている。このような光ビーム走査装置を利用することによって、レーザプリンタ、スキャナ、およびバーコードリーダを得ることができる。

発明の効果

[0052] 以上のような本発明によれば、屈折率変化量 Δ ηが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光領域だけでなく紫外光領域での透明度が高ぐかつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それに用いるに適した光学膜としての Si— Ο含有水素化炭素膜を提供することができる。

[0053] また、そのような Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製される種々の光学素子およびそれらの光学素子を含む種々の光学装置を提供することもできる。

図面の簡単な説明

[0054] [図 1]本発明による光学素子を作製する方法を図解する模式的断面図である。

[図 2]紫外光を光学薄膜に照射する時間と屈折率変化との関係に及ぼす基板温度

[図 3]光学薄膜に紫外光を照射して得られる光学素子の厚さとその回折効率との関係に及ぼす紫外光照射時の基板温度の影響を示すグラフである。

[図 4]光学薄膜に紫外光を照射して得られる光学素子の回折効率とその紫外光照射時の基板温度との関係を示すグラフである。

園 5]本発明による屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。

園 6]図 5の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法において使用し得る刻印型の形成方法を図解する模式的断面図である。

園 7]本発明による他の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。

園 8] (a)は本発明による回折型マイクロレンズを図解する模式的な平面図であり、 (b )はそれに対応する断面図である。

園 9]図 8の回折型マイクロレンズの作製方法の一例を図解する模式的な断面図であ園 10]従来のレリーフ型の回折型マイクロレンズの作製方法を図解する模式的な断面図である。

園 11]図 10のレリーフ型マイクロレンズの作製方法に使用されるマスクを示す模式的な平面図である。

園 12]本発明による光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である園 13]本発明による他の光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である。

園 14]本発明によるさらに他の光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である。

園 15]多値化光ディスクにおいて複数の異なる深さのピットからの反射率の相違を示す模式的グラフである。

園 16]ホログラム記録媒体にデータを書き込む動作を図解する模式的な斜視図であ園 17]ホログラム記録媒体からデータを読み出す動作を図解する模式的斜視図であ園 18]積層導波路ホログラムメモリの一例を図解する模式的断面図である。園 19]図 18の積層導波路ホログラムメモリの作製方法の一例を図解する模式的断面図である。

園 20]本発明による偏光インテグレータの一例を模式的に図解する断面図である。園 21]図 20の偏光インテグレータに含まれる Si— O含有水素化炭素膜の偏光ビームスプリツタを模式的に図解する断面図である。

園 22]従来の液晶プロジェクタを図解する模式的断面図である。

園 23]従来の偏光インテグレータの基本原理を模式的に図解する断面図である。

[図 24]本発明による屈折率変調型回折光学素子における高屈折率領域と低屈折率領域の分布状況の一例を示す平面図である。

園 25]本発明による回折型ビーム整形素子を含むカラープロジェクタの一例を示す模式的なブロック図である。

園 26]回折型ビーム整形素子の作用を図解する模式的斜視図である。

園 27]本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。

園 28]本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法の他の例を図解する模式的断面図である。

園 29]本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法のさらに他の例を図解する模式的断面図である。

園 30]本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法のさらに他の例を図解する模式的断面図である。

[図 31]高屈折率領域と低屈折率領域との境界が Si— O含有水素化炭素膜の厚さ方向に関して傾斜させられているホログラムカラーフィルタにおけるブラッグ反射による回折の一例を示す模式的断面図である。

園 32]本発明によるカラー液晶プロジェクタの一例を図解する模式的断面図である。園 33]先行技術による単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を図解する模式的断面図である。

園 34]波長分離機能とマイクロレンズ機能とを併有する回折格子の一例を示す模式的平面図である。 [図 35]先行技術によるカラー液晶表示装置を示す模式的断面図である。

[図 36]先行技術によるホログラムカラーフィルタを図解する模式的断面図である。

[図 37]図 36のホログラムカラーフィルタにおける回折効率の波長依存性を模式的に

[図 38]先行技術によるカラー液晶プロジェクタを図解する模式的断面図である。

[図 39]本発明による光ピックアップ装置の一例を示す模式的ブロック図である。

[図 40]本発明による光ピックアップ装置において使用される偏光ビームスプリッタと 1 /4波長板との複合体の一例を示す模式的斜視図である。

[図 41]従来の光ピックアップ装置において使用されるレリーフ型レンズの一例を示す模式的断面図である。

[図 42]本発明による光ビーム走査装置における光ビーム照射の一例を示す模式的ブロック図である。

[図 43]本発明によるレーザプリンタの一例を示す模式的ブロック図である。

[図 44]本発明におけるスキャナの一例を示す模式的ブロック図である。

[図 45]Si— O含有水素化炭素膜におけるエネルギビーム照射量と屈折率変化量との

[図 46]Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製された回折光学素子におけるエネルギビーム照射量と回折効率との関係を示すグラフである。

符号の説明

1 基板、 2 Si— O含有水素化炭素膜、 3 ホットプレートなどのヒータ、 4 紫外光、 11 シリコン基板、 12 第 1レジスト層、 13 第 1マスク、 14a 露光、 14b RIE、 11 a 2レベルのレリーフ型マイクロレンズ、 15 第 2レジスト層、 16 第 2マスク、 14c 露光、 14d RIE、 l lb 4レベルのレリーフ型マイクロレンズ、 21 Si— O含有水素化炭素膜、 21a 相対的低屈折率領域、 21b 屈折率変調領域、 21c 中心軸（中心面 )、 21d 相対的高屈折率領域、 21e 屈折率変調領域、 22 マスク層、 22a 凹部、 22b 凸部、 23 エネルギビーム、 31 シリカ基板、 32 レジストパターン、 32a 溶融されたレジスト、 32b エッチングされつつあるレジスト、 31a エッチングされつつあるシリカ基板、 31b 凸部、 31c 刻印型、 40 屈折率変調型の回折型マイクロレンズ、 41 Si— O含有水素化炭素膜、 Rmn 帯状リング領域、 f 焦点距離、 42 Ni導電層、 43 レジストパターン、 44 金マスク層、 45 エネルギビーム、 41a 低屈折率領域、 41b 高屈折率領域、 101 ガラス基板、 102 Si— O含有水素化炭素膜記録層、 103 ガラス基板、 104, 104a, 104b 金属膜マスタノターン、 105 エネノレギヒ、、一 l l l - 1— l l l -n クラッド層、 112—；!〜 112— n— 1 コア層、 113 再生用レ一ザ光、 114 レンズ、 115 反射面、 116 導波光、 119 光散乱要素（ホログラム）、 120 再生ホログラム像、 121 ガラス基板、 122 紫外線硬化樹脂層、 123 紫外線、 124 PMMA (ポリメタクリル酸メチル)層、 125 光散乱要素形成用ローラ、 131 ホログラム記録媒体、 132 2次元デジタルデータ、 133 物体光、 134 レンズ、 1 35 参照光、 136 再生光、 137 レンズ、 138 再生 2次元デジタルデータ、 201 光源、 202 ドーム状またはパラボラ状の反射ミラー、 203 コリメータレンズ、 Ml , M 2, M3, M4 全反射ミラー、 DM1 , DM2 ダイクロイツクミラー、 B 青色光、 G 緑色光、 R 赤色光、 CL1 , CL2, CL3 集光レンズ、 LCI , LC2, LC3 液晶パネル、 204 プリズム、 205 投影レンズ、 211 偏光分離プリズム、 212 PBS膜、 213 1 /2波長板、 214 全反射ミラー、 P P偏光、 S S偏光、 251 偏光ビームスプリッタ、251A Si— O含有水素化炭素膜、 251a 高屈折率領域、 251b 低屈折率領域、 252 第 1マイクロレンズアレイ、 253 1/2波長板、 254 第 2マイクロレンズアレイ、 255 レンズ、 CL 集光レンズ、 LC 液晶パネル、 301 ビーム整形素子、 302 レンズ、 303 照射面、 311a 赤色レーザ装置、 311b 緑色レーザ装置、 311c 青色レ一ザ装置、 312a, 312b, 312c 回折型ビーム整形素子、 313a, 313b, 313c 偏向ヒ、、一ムスプリッタ、 314a, 314b, 314c ί夜曰曰日ノネノレ、 315 カラー合成プリズム、 3 16 投影レンズ、 401 ガラス基板、 402 ホログラム膜、 403 液晶層、 404 反射型電極層、 411 ガラス基板、 412 Cr膜の回折格子、 413 —つのマイクロレンズ領域、 421 シリカガラス基板、 422 Si— O含有水素化炭素膜、 422a 高屈折率領域、 422b 低屈折率領域、 422c 屈折率の境界領域、 423a, 423b シリカガラス基板、 424a, 424b 金マスク、 424c レリーフ型位相格子マスク、 425a, 425b, 425 c UV光、 426 スぺーサ、 434 金マスク、 435 Heイオンビーム、 L1 入射光、 L2 屈折光、 L3 回折光、 440 液晶パネル、 441 液晶表示層、 442 ブラック ·マトリッタス、 450 ホログラムカラーフィルタ、 451 ホログラム板、 452 マイクロレンズ、 46 0 バックライト、 461 赤色光、 462 緑色光、 463 青色光、 471 第 1のホログラム膜、 472 第 2のホログラム膜、 a 緑色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、 b 赤色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、 c 青色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、 d 赤色光と青色光に対して回折効率のピークを有するホログラムカラーフィルタ、 481 白色光源、 482 ダイクロイツクミラー、 484, 48 4a ホログラムレンズ層、 485 薄板ガラス層、 486 透明電極、 487 液晶層、 488 画素電極、 489 アクティブマトリックス駆動回路、 490 投射レンズ、 491B 青色発光素子、 491G 緑色発光素子、 491R 赤色発光素子、 501 基板、 511 光源、 5 13 偏光ビームスプリッタ、 514 1/4波長板、 515 対物レンズ、 516 光情報記録媒体、 516a 情報記録面、 517 集束レンズ、 518 受光素子、 519 コリメータレンズ、 561 第 1の Si— O含有水素化炭素膜、 562 第 2の Si— O含有水素化炭素膜、 500 回折レンズ、 520 0次回折光、 521 1次回折光、 522 2次回折光、 602 光源、 603 回折光学素子、 604 ポリゴンミラー、 605 照射対象物、 606 球面レンズ、 607 トロイダルレンズ、 608 感光ドラム、 610 原稿、 611 検出器、 631 透光性基板、 632 Si— O含有水素化炭素膜。

発明を実施するための最良の形態

[0056] 以下において、本発明による光学膜としての Si— O含有水素化炭素膜とその製法について説明し、引き続いて Si— O含有水素化炭素膜の屈折率変調構造の作製、およびそれを用いた光学素子の機能と応用につ!/、て説明する。

[0057] (1) Si— O含有水素化炭素膜とその製法

本発明者らは、エネルギビーム照射による屈折率変化量 Δ ηが大きくかつ可視光領域での透明度が高い Si— Ο含有水素化炭素膜を開発した。したがって、まずその Si— O含有水素化炭素膜とその製法について説明する。

[0058] 本発明者らが開発した Si— O含有水素化炭素膜においては、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 1. 5未満の範囲内にあり、 C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 1 3. 0未満の範囲内にある。この Si— O含有水素化炭素膜は、可視光領域において消衰係数が小さいので、その可視光領域において使用する光学素子用材用として好ましい。ここで、炭素、酸素、シリコンなどの含有量は、 RBS (ラザフォード後方散乱 )や熱分解法、 ICP (誘導結合プラズマ)発光分析、 NDIR (非分散型赤外)分析などにより求めることができる。

[0059] そのような Si— O含有水素化炭素膜は、例えば比較的低分子量のシロキサンを原料とするプラズマ CVD (化学気相堆積）法などによって得ることができる。特許文献 2 の特開平 7— 333404号公報、特許文献 3の特開 2004— 341541号公報、および特許文献 4の特開平 8— 72193号公報などにおいて、シロキサンを原料として合成される SiOx膜および炭素を含む酸化珪素膜が開示されている。

[0060] シロキサンは、その化学構造において— Si— O—の周期構造を骨格に有し、シリコン原子の側鎖に水素または炭化水素系の基が付帯した構造を有している。そのようなシロキサンの具体例としては、ポリジメチルシロキサン [ (CH ) SiO]、ポリジフエ二

3 2 n

ルシロキサン [ (C H ) SiO] 、ポリメチルフエニルシロキサン [ (CH ) (C H ) SiO] 、

6 5 2 n 3 6 5 n ポリ水素メチルシロキサン [ (H) (CH ) SiO]などがある。

3 n

[0061] プラズマ CVD法の原料としてシロキサンを用いることには、 2つの大きな長所がある。まず、一つの長所として、シロキサンをもとにプラズマ CVD法で膜を合成すれば、特許文献 1の DLC膜で見られるような着色の原因となる炭素の不飽和結合が長鎖を形成しにくぐ透明性の高い膜が得られると考えられる。なお、その合成された膜は非晶質に近い構造を有し、その内部に CH、 CH、 SiO、 SiC、 COなどの結合を含むと

3 2

考えられる。

[0062] もう一つの長所としては、シロキサンのように酸素を予め多く含む原料を用いて合成された膜は、その後のエネルギビーム照射による改質工程における酸化や水素脱離力つても体積変化が生じにくいことから、変形、剥離、表面凹凸などが発生しにくくて光学素子に応用する際に好ましい。なお、 DLC膜のように実質的に酸素を含まな V、膜では、その後の改質工程で酸化や水素脱離に起因した比較的大きな体積変化が生じ、変形、剥離、表面凹凸などが発生することがしばしば見られる。

[0063] 合成された Si— O含有水素化炭素膜の可視光領域での高い透明性およびエネルギビーム照射による十分大きな屈折率変化量を得るためには、成膜方法におけるさらなる工夫が必要である。本発明者らが様々な条件探索を行なった結果、例えば次のような条件で成膜することによって、可視光領域での高い透明性、およびエネルギビーム照射による十分大きな屈折率変化量を確保することに成功した。具体的には、比較的低分子量のシロキサン類を原料とするプラズマ CVDによる成膜を行なう際に、基板温度を 80°C以上でかつ 100°C以下にし、高周波電力を 0. OlW/cm²以上でかつ 1 · 2W/cm²以下にして、圧力を 6· 7Pa (0. 05Torr)以上でかつ 67Pa (0· 5Τ orr)以下に設定する。

[0064] このようにして得られた Si— O含有水素化炭素膜においては、可視光領域での消衰係数 kが 0. 005以下であり、可視光領域での透明性が確保されている。また、エネルギビームを照射することによって、 0. 05以上で 0. 4未満の範囲内でその膜の屈折率を変化（低下）させること力 Sできる。

[0065] しかしながら、上述の成膜条件の範囲内で得られた Si— O含有水素化炭素膜においては、紫外光領域での透明性が十分高い (すなわち、紫外光領域での消衰係数 k が十分低い）とは言えないものであった。そこで、本発明者らは、紫外光領域での消衰係数 kが十分低い Si— O含有水素化炭素膜を作製するために、その成膜条件をさらに見直した。本発明者らが Si— O含有水素化炭素膜に関して様々な成膜条件の検討を行なった結果、エネルギビーム照射による屈折率変化量 Δ ηを十分大きくすることができ、かつ可視光領域の消衰係数 kを十分低く維持したままで紫外光領域の消衰係数 kまでも十分に下げることに成功した。

[0066] その新たに開発された成膜条件によって以下のような特性を有する Si— O含有水素化炭素膜を得ることができ、その開発された成膜条件は後で詳細に説明される。

[0067] すなわち、本発明による Si— O含有水素化炭素膜の屈折率は、波長 520nmの光に関して 1. 48以上で 1. 85以下の範囲内に設定することができる。これ以外の範囲の屈折率を有する Si— O含有水素化炭素膜でも光学的には利用可能である力 S、屈折率が 1. 48より小さい膜の場合には、エネルギビーム照射を受けても屈折率がほとんど変化しない。他方、 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が 1. 85より大きければ、紫外光領域から可視光領域の範囲においてその膜の消衰係数が高くなり過ぎるので好ましくない。

[0068] また、本発明による Si— O含有水素化炭素膜の消衰係数は、波長 248nmの光に関して 0. 15未満であり得る。 Si— O含有水素化炭素膜の消衰係数がこの値より大きければ、紫外光照射によってその膜の屈折率を変化させる場合に、紫外光領域での消衰係数が高過ぎるために、改質光である紫外光が膜の表面近傍で多く吸収されてしまう。その結果、紫外光が膜厚方向に深くまでは通りに《なる。また、膜表面のァブレーシヨンが進んでその表面に凹凸が生じるので、意図せぬ散乱光や回折光が発生する。その結果、膜厚方向における均一な改質が困難となる。

[0069] さらに、本発明による Si— O含有水素化炭素膜においては、波長 520nmの光に関する屈折率と波長 248nmの光に関する消衰係数力 S、その膜に対するエネルギビーム照射によって低下することも特徴的である。本発明による Si— O含有水素化炭素膜の屈折率ゃ消衰係数が変化するメカニズムは、後で考察される。なお、波長 248η mの光に関する消衰係数が紫外光照射によって上昇する場合には、その紫外光照射による膜の改質が進むにつれて、改質光である紫外光が膜の表面近傍でより多く吸収されるようになり、膜厚方向に均一に改質することがさらに困難になる。

[0070] 波長 248nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の消衰係数は、エネルギビーム照射前において 0. 12未満であることがより好ましい。この理由は、エネルギビーム照射によって膜厚方向に均一に改質するためにより有効だからである。

[0071] 波長 520nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の屈折率は、エネルギビーム照射前において 1. 56以上で 1. 76以下の範囲内にあることがより好ましい。ェネルギビーム照射前の Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が 1. 56以上の場合には、ェネルギビーム照射による屈折率変化量 Δ ηとして 0. 10以上を確保することができる。したがって、そのような Si— Ο含有水素化炭素膜を用いて作製される屈折率変調型回折型光学素子において、その特性 (例えば回折効率など)や設計自由度が高まる。他方、エネルギビーム照射前の Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が 1. 76以下の場合には、波長 248nmの光に関する消衰係数が 0. 12未満であり得るので、前述のように膜厚方向の均一な膜の改質の観点から好ましい。

[0072] エネルギビーム照射前の Si— O含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が 0. 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 4. O X 10²²atoms/cm³より大きくて 8. 0 X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0 . 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 4 X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1 . 5 X 10²²atoms/cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 1. 5未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3. 0未満の範囲内にあることが好ましい。

[0073] ここで、炭素、酸素、シリコン、水素などの含有量は、 RBS (ラザフォード後方散乱）、熱分解法、 ICP (誘導結合プラズマ)発光分析、 NDIR (非分散型赤外)分析などにより求めること力 Sできる。また、水素の含有量は、 HFS (水素前方散乱）と RBSの組み合わせによって求めることもできる。例えば、ヘリウムイオンを分析対象の薄膜に照射して後方に散乱したイオンと前方に散乱した水素を検出器によって検出して、各種構成元素の組成比を算出することができる。

[0074] 前述の組成範囲内の Si— O含有水素化炭素膜は、紫外光領域から可視光領域において小さい消衰係数を有するので、紫外光領域の改質光を利用して作製して可視光領域において使用する光学素子用の材料として好ましい。他方、その組成範囲外の Si— O含有水素化炭素膜は、屈折率、消衰係数、屈折率変化量、材料強度などの少なくともレ、ずれかの観点にお!/、て好ましくなレ、。

[0075] また、消衰係数や屈折率などを考慮すれば、 Si— O含有水素化炭素膜の密度が 1 . 15g/cm³より大きくて 1. 60g/cm³未満の範囲内にあって、そのスピン密度が 1. O X 10¹⁶spins/cm³より大きくて 1. 0 X 10²°spins/cm³未満の範囲内にあることが好ましい。密度が 1 · 15g/cm³以下またはスピン密度が 1 · O X 10¹⁶spins/cm³以下の場合には、波長 520nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が 1. 48を下回るので、その必要な屈折率変化量を確保することができない。密度が 1. 6 Og/cm³以上またはスピン密度が 1 · O X 10²°spins/cm³以上の場合には、波長 24 8nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の消衰係数が 0. 15を上回るので、その膜厚方向の均一な改質が困難になる。

[0076] なお、 Si— O含有水素化炭素膜の密度は、 X線反射率 (GIXR)法などにより算出すること力 Sできる。これは、分析対象の薄膜に照射された X線の反射率などから薄膜の密度を算出する方法である。スピン密度は、電子スピン共鳴 (ESR)法によって算出され得る。また、スピン密度は不対電子密度と同義であり、スピン密度が大きいほど薄膜中における未結合手、すなわち欠陥が多いことを表す。

[0077] 以上のような本発明による Si— O含有水素化炭素膜は、例えば次に示すような新たに開発した製法を取り入れることによって初めて実現することができる。具体的には、本発明による Si— O含有水素化炭素膜は、比較的低分子量のシロキサン類を原料とするプラズマ CVDによって形成される。その成膜時におけるプラズマ CVD条件として、基板温度は 80°C以上で 100°C以下、高周波電力は 0. 5W/cm²以上で 1. 2W /cm²以下、そして圧力は 6· 7Pa (0. 05Torr)以上で 40Pa (0· 3Torr)以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも 3分経過するまでの間の圧力は 1. 3Pa/分（0. OlTorr/分）以上で 2. 7Pa/分（0. 02Torr/分）以下範囲内の割合で連続的に上昇させられる。これらの成膜条件が必要とされるのは、以下のような理由による。

[0078] 基板温度が 80°C未満の場合には、成膜時の物質移動反応（マイグレーション）が不十分となって Si— O含有水素化炭素膜が白濁化し、可視光領域に関する膜の透明度が悪くなる。他方、基板温度が 100°Cより高い場合には、逆に成膜時の反応が速過ぎるために膜が基板から剥離することがある。また、剥離が生じなくとも合成反応が進み過ぎて膜が安定化するために、エネルギビーム照射による波長 520nmの光に関する膜の屈折率変化量が 0. 03以下になり、このことは屈折率変調型回折光学素子などへの膜の用途の観点から好ましくなレ、。

[0079] 高周波電力が 0. 5W/cm²未満の場合には、プラズマ中の活性種密度が低いために原料のシロキサン類に近い堆積膜しかできず、可視光領域 (波長 520nm)において 1. 48以下の低過ぎる屈折率を有する膜しかできない。他方、高周波電力が 1. 2W/cm²より大きい場合には、プラズマ中の活性種密度が高過ぎるために合成膜中のスピン密度が高まり、紫外光領域 (波長 248nm)において 0. 15以上の高過ぎる消衰係数を有する膜しかできなレ、。

[0080] 圧力が 6. 7Pa (0. 05Torr)より低い場合には、プラズマ中の活性種の平均自由ェ程が長過ぎるために合成膜中のスピン密度が高まり、紫外光領域 (波長 248nm)において 0. 15以上の高過ぎる消衰係数を有する膜しかできない。他方、圧力が 40Pa (0. 3Torr)より高い場合には、プラズマ中の活性種の平均自由工程が短過ぎるために原料のシロキサン類に近い堆積膜しかできず、可視光領域 (波長 520nm)において 1. 48以下の低過ぎる屈折率を有する膜しかできない。

[0081] ここで、成膜開始から少なくとも 3分経過するまでの間において、 1. 3Pa/分（0. 0 lTorr/分）以上で 2· 7Pa/分（0· 02Torr/分）以下の範囲内の割合で連続的に圧力を上昇させることが、紫外光領域 (波長 248nm)に関する膜の消衰係数を 0. 15 未満に下げるために不可欠である。その消衰係数を低下させるメカニズムの詳細は分かって!/、な!/、が、次のように考えることができる。

[0082] すなわち、原料ガスの分解開始時の微妙な内圧制御がプラズマ発生初期にできる活性種の種類を決め、その初期の活性種の存在がその後のプラズマ状態を決める大きな支配因子となり、そしてその活性種が合成膜の紫外光領域 (波長 248nm)に関する消衰係数を下げるために必要不可欠だからであると思われる。実際、成膜開始から圧力を一定に保った場合や圧力連続上昇を 3分未満にした場合や、圧力上昇割合を 1 · 3Pa/分（0. OlTorr/分）未満または 2· 7Pa/分（0. 02Torr/分）より大きくした場合には、紫外光領域 (波長 248nm)において 0. 15より高い消衰係数を有する膜しかできなかった。

[0083] なお、本発明における Si— O含有水素化炭素膜は分散相などを含まない均質な単一相（単一組成）力、らなって!/、るが、このことも紫外光領域 (波長 248nm)にお!/、て膜の消衰係数を 0. 15未満に下げるために必要不可欠である。なぜならば、分散相などの不純物が散乱因子となるからであり、そのような散乱は特に紫外光領域で顕著になる力、らである。本発明者らは、紫外光領域に関する膜の消衰係数を下げるベぐ単一相からなる Si— O含有水素化炭素膜を開発するため、以下のような工夫を行なつた。

[0084] まず、一般的には光学膜中に分散相を含める理由の一つには、補強材としての効果がある。例えば、エネルギビーム照射による改質工程を経る際に、完全に分解してしまうような成分からなる膜では、膜としての強度を確保できずに、粉々になったり基板から剥離したりする。また、改質工程を経る際に、体積の膨張や収縮の変化が大きい膜は内部応力によって脆くなり、やはりその膜が粉々になったり剥離したりする。これらの 2つの原因による膜の劣化を防ぐために、例えば原料としてシロキサンのように酸素を予め多く含む原料を用いて Si— O含有水素化炭素膜の合成を行なった。このようにして合成した膜は、その後のエネルギビーム照射による改質工程において、酸化や水素脱離があっても体積変化が生じにくぐまた完全に分解してしまうことがないので、補強材を使わずに単一相からなる Si— o含有水素化炭素膜を実現することができる。

[0085] また、一般的には光学膜中に分散相を含める他の理由には、分散相が改質工程に不可欠な場合が考えられる。例えば、エネルギビーム照射を受けても母相（分散相の周りを囲むマトリックス）だけでは何も反応が起こらないが、分散相がそのエネルギビーム照射で反応を生じ、その反応から生じた生成物が母相と反応することによって改質が進む場合が考えられる。

[0086] 他方、本発明では、エネルギビーム照射によって反応を生じる単一相からなる Si— O含有水素化炭素膜を開発することに成功した。これによつて、紫外光領域に関する光学膜の消衰係数を下げることが、初めて可能になったのである。

[0087] (2) 屈折率変調構造の作製

本発明による Si— O含有水素化炭素膜では、エネルギビームを照射することによつて、可視光領域に関する屈折率のみならず紫外光領域から可視光領域の範囲内における消衰係数を下げること力できる。より具体的には、イオンビーム、電子ビーム、中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、 X線、ガンマ線などの電磁波を Si— O含有水素化炭素膜に照射することによって、その膜の屈折率ゃ消衰係数を下げることができる。

[0088] 例えば、 Heイオンを 800keVの加速電圧の下で 5 X 10¹⁷/cm²のドース量で注入することによって、屈折率ゃ消衰係数を下げることができる。なお、 H、 Li、 B、じなどのイオンの注入や、 0. l〜130nmのスペクトルを有する SR (シンクロトロン放射）光を照射することによつても、同様に屈折率ゃ消衰係数を下げることができる。紫外光照射では、例えば波長 248nmの KrFエキシマレーザ光を 3〜40mW/mm²の照射パヮー密度にてノルス照射すれば、屈折率ゃ消衰係数を下げることができる。なお、 A rF (波長 193nm)、 XeCl (波長 308nm)、 XeF (波長 351nm)などのエキシマレーザ光や、 YAG (イットリウム ·アルミニウム ·ガーネット）レーザ光の 3倍高調波（波長 355 nm)や 4倍高調波（波長 266nm)の照射によっても、 3〜40mW/mm²のパワー密度にてノルス照射すれば同様に屈折率ゃ消衰係数を下げることができる。また、水銀ランプ光（例えば、波長 365nmの i線、波長 248nmまたは 193nmの DUV (深紫外)線など）を 0. lmW/mm²以上のパワー密度で照射しても同様に屈折率ゃ消衰係数を下げることカできる。このようなエネノレギビームの照射量としては、 0. lMj/m 2以上であることが好ましい。

[0089] このような Si— O含有水素化炭素膜の改質可能な特性を生かしてその局所的領域にエネルギビームを照射することによって、その膜に光学物性のパターユングを施すこと力 Sでさる。すなわち、 Si— O含有水素化炭素膜内で所定のパターンに従って屈折率を下げて、導波路、回折光学素子などを作製することができる。そして、そのような屈折率の変化のパターユングには、各種マスクの使用や干渉露光などのような公知の方法を適用することができる。

[0090] 本発明による Si— O含有水素化炭素膜の屈折率ゃ消衰係数がエネルギビーム照射によって低下するメカニズムの詳細は明らかではないが、以下のように推定すること力 Sできる。

[0091] 特許文献 1における DLC膜は水素を含み、エネルギビーム照射によって水素が脱離する。したがって、 DLC膜においては、その水素脱離による密度の上昇および/ または誘電率の低い水素の減少によって屈折率が上昇すると考えられる。また、 DL C膜におレ、ては、エネルギビーム照射による水素の脱離によって炭素の不対電子が増加し、これに伴って消衰係数が増大すると考えられる。

[0092] 他方、本発明による Si— O含有水素化炭素膜においては、エネルギビーム照射によって酸化が進んで Si— O結合が増加するので、部分的に SiO構造に近づいて屈折率が低下すると考えられる。また、 Si— O含有水素化炭素膜においては、紫外光領域で光吸収の大きい c = oや C = Cなどの二重結合ゃ不対電子がエネルギビーム照射によって反応して減少し、これに伴って消衰係数が減少すると考えられる。

[0093] 上述のように、特許文献 1における DLC膜はエネルギビーム照射によって紫外光領域から可視光領域の範囲内において屈折率ゃ消衰係数が増大するのに対して、本発明による Si— O含有水素化炭素膜はエネルギビーム照射によってその屈折率ゃ消衰係数が減少する点において顕著に相違する。 [0094] DLC膜にエネルギビーム照射して屈折率を高める場合には消衰係数も同時に上昇するので、その膜の厚み方向における光学的特性の改質の均一性を維持することが困難である。他方、 Si— O含有水素化炭素膜においてはエネルギビーム照射による屈折率低下に伴って消衰係数も低下するので、より厚い膜でも厚さ方向における光学的特性の改質の均一性を維持しうるという点でも非常に好ましい。

[0095] なお、本発明による Si— O含有水素化炭素膜の屈折率は、照射したエネルギビームの照射量に応じて低下する。その屈折率を低下させる場合、波長 520nmの光に関してその値は最低でも 1. 45〜； 1. 46以上であり、それ以下には下がらない。これは、波長 520nmの光に関する石英ガラスの屈折率が 1. 46程度であることと一致す

[0096] 改質前の Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が波長 520nmの光に関して 1. 48〜

1. 85の範囲内にあることを考え合わせれば、屈折率の低下量 Δ ηに換算して最大でも 0. 40以下の範囲内であり、その範囲中でエネルギビーム照射量に応じて屈折率を任意に変化させることができる。しかしな力、 Δ ηが小さい膜による光学素子の特性 (例えば、回折効率など）はあまり良くなぐその光学素子の設計の自由度も低くなるので、 A nが 0· 03より/ J、さいことはあまり好ましくない。以上のこと力、ら、波長 520 nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の屈折率変化量 Δ ηは 0. 03以上で 0. 4 0以下の範囲にあることが好ましい。

[0097] なお、波長 520nmの光に関する Si— Ο含有水素化炭素膜の屈折率変化量 Δ ηは、 0. 10以上で 0. 30以下の範囲にあることがより好ましい。なぜならば、 0. 10以上の屈折率変化量 Δ ηを確保し得る膜であれば、その膜を用いて作製される屈折率変調型回折型光学素子の特性や設計自由度が高まるからである。他方、屈折率変化量 Δ ηを 0. 30より大きくするには、エネルギビーム照射を受ける前の Si— Ο含有水素化炭素膜の屈折率を 1. 76より大きくする必要がある。この場合には、前述したように波長 248nmの光に関する Si— O含有水素化炭素膜の消衰係数が 0. 12以上となり、膜厚方向に均一に改質させる観点からは比較的不利となるので、 Δ ηは 0. 30以下であることがより好ましい。

[0098] Si— Ο含有水素化炭素膜の改質された領域は、一般に水素量と炭素量が減少し、酸素量が増加する傾向にある。 Si— o含有水素化炭素膜を用いて作製された実際の光学素子にぉレ、ては、その膜の微小改質領域の組成や特性を領域ごとに測定することはほとんど不可能である。しかし、その光学素子の作製時と同じ条件のェネルギビームを Si— o含有水素化炭素膜の全面に照射することによって、その光学素子の改質された領域の組成や特性を求めることができる。

[0099] 本発明者らが測定したところ、次の組成範囲が好ましいことが判明した。すなわち、エネルギビーム照射後の Si— O含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が 0 . 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 1 . O X 10²²atoms/cm³より大きくて 8. 0 X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0. 80 X 10²²atoms/cm³より大きくて 3. 0 X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1. O X 10²²atoms/cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 2. 0未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3. 0未満の範囲内にあることが好ましい。

[0100] また、 Si— o含有水素化炭素膜の改質された領域は、一般に密度が高くなつてスピン密度が低下する傾向にある。エネルギビーム照射後の Si— o含有水素化炭素膜の密度とスピン密度についても本発明者らが測定したところ、密度が 1. 15g/cm³より大きくて 1. 80g/cm³未満の範囲内にあって、スピン密度が 1. 0 X 10²°spins/c m³未満であることが好まし!/、と!/、える。

[0101] さらに、 DLC膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子に較べて、 Si— O 含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子は相対的に低い屈折率を有している。すなわち、 DLC膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明性樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に比べて平均的に高い屈折率を有して!/、るので、一般的な光学素子との界面におレ、て光反射を生じやす!/、。それに対して、 Si— O含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子は、一般的な光学素子に近い平均的に屈折率を有しているので、一般的な光学素子との界面における反射が少なくて適合性の観点からも非常に好ましい。

[0102] (3) 屈折率変調構造を用いた光学素子の機能と応用

上述のように本発明における Si— O含有水素化炭素膜に屈折率変調構造を造り込むことによって、様々な光制御機能を発現させることができる。より具体的には、波長合分岐機能、パワー合分岐機能、偏光合分岐機能、集光機能、さらにはビーム整形機能を有する光学素子を得ることができる。また、微小な屈折率変調領域を光の波長程度の大きさで周期的に配置することによって、フォトニック結晶としても利用すること力 Sでさる。

[0103] 本発明による Si— O含有水素化炭素膜を利用した光学素子は、赤外線領域、可視領域、および近紫外領域までの広範囲において適用し得るので、幅広い応用が可能である。また、本発明による光学素子は薄膜を利用した屈折率変調型であるので、その小型化や薄型化などが容易である。具体的には、 Si— O含有水素化炭素膜の光学素子は、光通信用の各種光学素子、レーザなどの光加工装置中の光学素子、各種画像表示装置や光記録装置中の光学素子、さらには光計測機器中の光学素子などとして適用可能である。

[0104] 例えば、本発明による Si— O含有水素化炭素膜の光学素子は、波長合分波機能に関しては、光通信における波長合分波器、画像表示装置の RGB (赤緑青）合分光用素子などに適用できる。本発明の光学素子は、パワー合分岐機能に関しては、レ一ザ加工機のマルチビーム加工、光通信用光力ブラなどに適用できる。本発明の光学素子は、偏光合分岐機能に関しては、光通信の TE、 TM波の分光や、偏光子、検光子、液晶用偏光板などに適用できる。本発明の光学素子は、集光機能に関しては、表示装置や記録装置の各種レンズ、マイクロレンズアレイなどへの応用が可能である。さらに、本発明の光学素子は、ビーム整形機能に関しては、加工機や表示装置のホモジナイザなどへの応用が可能である。

[0105] さらにまた、本発明の Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製されるフォトニック結晶に関しては、 2次元フォトニック結晶導波路と波長合分波器 (S. Noda,

A. Chutinan, and M. Imada, Nature 407， 608 (2000)参照）、 2次元フォトニック結晶微小共振器 (Y.

Akahane, T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, Nature 425， 944 (2003)参照)、 2次元フォトニック結晶微小共振器レーザ（0.

Painter, R. K. Lee, A. ^cnerer, A. Yanv, J. D. O Brien， P. D. D pkus, and丄. Kim, Science 284， 1819 (1999)参照）、 2次元フォトニック結晶面発光レーザ（S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada,

A. Chutinan, and M. Mochizuki, Science 293， 1123 (2001)参照）、 LEDの光取り出し効率向上（巿川弘之、馬場俊彦:応用物理学会春季講演会、 28p-ZF-8

(2002)参照）などへの応用が考えられる。

[0106] 例えば、巿川弘之、馬場俊彦:応用物理学会春季講演会、 28p-ZF-8 (2002)によれば、 LED (発光ダイオード）の光取り出し側の面にフォトニック結晶を作製することによつて、半導体内の光が全反射を回避して空気中に取り出されるので、光取り出し効率の向上することが示されている。ただし、この場合には、半導体部分を直接加工してフォトニック結晶を作製するので、 LED中の活性層ゃクラッド層に欠陥を導入することになる。すなわち、そのフォトニック結晶は、必ずしも発光素子として好ましい効果ば力、りを生じるわけではなレ、。

[0107] 他方、本発明による Si— O含有炭化水素膜を LEDの光取り出し側の面上に堆積した後に、エネルギビーム照射によってその膜中に屈折率変調構造を設けることによつて、 2次元フォトニック結晶を作製することができる。この 2次元フォトニック結晶中の屈折率変調部のサイズや周期を適正に設計することによって、半導体内の光が全反射することを回避し得るので、 LEDからの光取り出し効率を上げることができる。そして、この場合には、半導体部分を加工しないので、活性層ゃクラッド層に欠陥は導入されず、フォトニック結晶は発光素子にとって好ましい効果のみを生じ得る。

[0108] 以下において、表 1から表 4を参照しつつ本発明の種々の実施例が種々の比較例とともに説明される力、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されないことは言うまでもない。

[0109] 表 1においては、 Si— O含有水素化炭素膜に関して、プラズマ CVDによる種々の成膜条件が示されている。表 2においては、表 1中の種々の成膜条件によって形成された種々の Si— O含有水素化炭素膜に関して、種々の組成と特性が示されている。なお、表 2においては、いくつかの DLC膜に関する光学特性も参考のために含められている。表 3においては、表 1と表 2に示された種々の光学膜に関して、室温におけるエネルギビーム照射条件、それによつて屈折率変調型回折光学素子が作製された場合の回折効率と表面凹凸、および他の特記事項が示されている。表 4においては、表 3中のエネルギビーム照射後における種々の膜に関して、種々の組成と特性が示されている。なお、これらの表中において少なくとも括弧で囲まれている数値は、本発明の条件範囲から外れてレ、る数値であることを表して!/、る。

[表 1]

成は RBS/HFS法、密度は GIXR法、スピン密度は ES R法、そして屈折率と消衰係数は分光エリプソメトリを用いて求められた。また、屈折率変調型回折光学素子の回折効率は、可視光の波長 532nmを有するレーザ光を用いて、入射光強度に対する 1次回折光強度の比として求められた。ただし、屈折率変調型回折光学素子としての回折効率を正しく評価するためには、表面凹凸の影響を除去する必要がある。すなわち、表面凹凸における空気と膜の屈折率差に起因した回折効率増加分を除外する必要がある。そこで、合成膜とほぼ同一の屈折率を有するマッチングオイルをその合成膜上に載せて上からガラス板で挟み、表面凹凸を同程度の屈折率のオイルで埋めることによって、表面凹凸の影響を除去して回折効率の測定を実施した。なお、表面凹凸の大きさ（高低差）は、 AFM (表面原子間カ顕微鏡）による測定から求められた。

[0115] 種々の Si— O含有水素化炭素膜の合成においては、排気した反応容器内にへキサメチルジシロキサン（CH ) SiOSi (CH )を表 1中の圧力条件で導入し、表 1中の高周波電力を印加することによって、表 1中の温度に設定されたガラス基板上に約 2 mの厚さの膜として堆積された。なお、表 3におけるエネルギビームの照射時間は、 1時間に統一して行なわれた。以下では、表 1から表 4を参照しつつ、本発明における種々の条件や効果などが考察される。

[0116] <比較例 1、 2〉

まず、比較例 1としての DLC膜は、エネルギビーム（KrFエキシマレーザ）照射による屈折率変化に関して、十分大きい値 Δ η = 0. 33が得られている点では好ましい（表 4参照）。しかし、比較例 1の DLC膜では、紫外光領域 (波長 248nm)での消衰係数が成膜直後の状態で 0. 15以上である 0. 16と高く（表 2参照）、 KrFエキシマレーザ照射後にはその消衰係数がさらに 0. 25に上昇している（表 4参照）。その結果、比較例 2に示されているように、比較例 1と同じ条件で成膜された DLC膜を用いて KrF エキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子を作製した場合に、 320nmという非常に大きい表面凹凸が生成して、回折効率としても非常に低い 0. 2%の値しか得られなかった (表 3参照）。この低い回折効率は、消衰係数が高レ、ために改質光である紫外光が膜深くまで入らないこと、表面凹凸が意図せぬ散乱-回折因子となることなどの影響によって、膜厚方向に均一な改質パターンが形成できな力、つたことによると考えられる。

[0117] <実施例 1 3〉

実施例 1、 2としては、本発明による Si O含有水素化炭素膜の好適な代表的例が示されている。これらの実施例 1、 2の Si O含有水素化炭素膜においては、波長 52 Onmの光に関して成膜直後の屈折率が本願発明条件の 1. 56以上で 1. 76以下の範囲内にあって、波長 248nmの光に関する消衰係数がより好ましい 0. 12未満であり（表 2参照）、エネルギビーム（KrFエキシマレーザ）照射によって屈折率と消衰係数が下がっていることが分かる（表 4参照）。また、実施例 1、 2の膜では、可視光領域に関して、屈折率変化量は 0. 10以上で 0. 30以下のより好ましい範囲内にあり、そして消衰係数は 0. 005以下であって十分に透明である（表 4参照）。さらに、実施例 1、 2の場合には、エネルギビーム照射の前後のいずれにおいても、膜の組成、密度、およびスピン密度も、すべて前述の本発明の好ましい条件範囲内にあることも分かる（表 2、表 4参照）。

[0118] 実施例 1と同じ条件で成膜された Si O含有水素化炭素膜 (表 1参照）を用いて Kr Fエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子を作製した実施例 3においては、十分に高い回折効率の値 22%が得られている（表 3参照）。これは、実施例 3における膜の消衰係数が波長 248nmのレーザ光に関して十分低いので、膜厚方向に均一に改質されたことによる。また、実施例 3では、紫外光照射後における膜の表面凹凸も 10nm未満と小さくて良好である（表 3参照）。

[0119] なお、以上の実施例 1 3における Si O含有水素化炭素膜に関して、紫外光領域 (波長 248nm)の消衰係数として十分低い値が得られたのは、前述した本発明で開発した成膜方法の条件を満たしていることによる (表 1参照）。

[0120] <比較例 3— 9〉

比較例 3、 4における Si O含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇を 0にして!/、ることのみにお!/、て実施例 1と 2の場合と異なって!/、た (表 1参照）。これらの比較例 3、 4と実施例 1、 2との比較から分かるように、本発明では、成膜開始力、ら少なくとも 3分経過するまでの間に 0· OlTorr/分以上で 0· 02Torr/分以下の範囲内の割合で連続的に圧力を上昇させることによって (表 1参照）、紫外光領域に関する消衰係数を低減させることに初めて成功した（表 2参照）。なお、比較例 3、 4 の Si O含有水素化炭素膜は、紫外光領域に関する消衰係数が高いことを除けば、屈折率、屈折率変化量、可視光領域での透明性などに関して良好な特性を有していることが分かる（表 2、表 4参照）。

[0121] 比較例 5においては、比較例 4と同じ条件で成膜された Si O含有水素化炭素膜（表 1参照）を用いて、 KrFエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合、紫外光領域に関する膜の消衰係数が高いために、得られた屈折率変調型回折光学素子において回折効率が 5%で低ぐまたその表面凹凸が 60nmでやや大き!/、（表 3参照）。

[0122] 比較例 6、 7の Si O含有水素化炭素膜の堆積においては、成膜時の圧力不変である比較例 3、 4に比べて、他の成膜条件である基板温度や高周波電力が変更された (表 1参照）。これらの比較例 6、 7の Si O含有水素化炭素膜も、紫外光領域に関する消衰係数が高いことを除けば、屈折率、屈折率変化量、可視光領域での透明性などに関して、良好な特性を有していることが分かる（表 2、表 4参照）。

[0123] 比較例 8における Si O含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇割合が 0. 008Torr/分に低減されていることのみにおいて実施例 2の場合と異なつていた (表 1参照）。この比較例 8の場合にも、紫外光領域に関する膜の消衰係数が 0. 15以上である 0. 16と高いことが分かる（表 2参照）。

[0124] 比較例 9における Si O含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇の時間が 2分に低減されてレ、ることのみにお!/、て実施例 2の場合と異なって!/、た（表 1参照）。この比較例 9の場合にも、紫外光領域に関する膜の消衰係数が 0. 15で高いことが分かる（表 2参照）。

[0125] <実施例 4 7〉

実施例 4、 5は、エネルギビーム照射の条件（照射レーザの種類）が変更されたことのみにおいて実施例 3の場合と異なっていた（表 3参照）。これらの実施例 4、 5においても、実施例 3の場合と同様に、高い回折効率が得られており、形成された表面凹凸も小さ!/、ことが分力、る（表 3参照）。

[0126] 実施例 6においては、実施例 1と同じ堆積条件 (表 1参照）で得られた Si O含有水素化炭素膜上にリフトオフ法で金マスクをパターユングし、シンクロトロン放射光（エネルギ 50〜3000eV)による露光によってその膜の屈折率を変調させた（表 3参照）。その後に金マスクをエッチングで除去することによって、可視光の集光機能を有する屈折率変調型回折レンズを得ることができた。

[0127] 実施例 7においては、比較的高い屈折率変化量 Δ η = 0. 20が得られる実施例 2の Si— Ο含有水素化炭素膜 (表 4参照）と同じ成膜条件で得られた膜 (表 1参照）を用いて、屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合に、成膜後 3日以内に公知の干渉露光法によって XeClエキシマレーザ (波長 308nm)を膜に照射し (表 3参照）、屈折率パターユングを行なって回折光学素子を作製した。その結果、 62%という非常に高い回折効率が得られ、この場合にも表面凹凸は 10nm未満と非常に小さくて良好であった（表 3参照）。

[0128] <比較例 10、 11〉

比較例 10は、エネルギビーム照射前の Si— O含有水素化炭素膜において、紫外光領域 (波長 248nm)の消衰係数が 0. 15以上の場合の一例を示している（表 2参照）。この比較例 10では、成膜条件の内で高周波電力が本発明の好ましい範囲より高過ぎる場合を示しており、エネルギビーム照射前の Si— O含有水素化炭素膜において、密度が 1. 60g/cm³以上、スピン密度が 1. O X 10²°/cm³以上、可視光領域 (波長 520nm)に関する屈折率が 1. 85以上、そして可視光領域に関する消衰係数が 0. 005以上であって、これらのいずれの数値も本発明の好ましい範囲より高くなつている。

[0129] 比較例 11においては、比較例 10の Si— O含有水素化炭素膜の堆積条件と同じ条件で得られた膜 (表 1参照）を用いて、 KrFエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合、紫外光領域に関する膜の消衰係数が高いために、回折効率は 6%で低ぐ表面凹凸も 50nmでやや大きくなつている (表 3参照)。

[0130] <実施例 8、 9と比較例 12、 13〉

実施例 8、 9は、本発明で望まれる成膜条件や諸特性の範囲の上下限に相当する場合を示している。すなわち、実施例 8はエネルギビーム照射前における Si— O含有水素化炭素膜の屈折率が望まれる上限値 1. 85に近い 1. 84の場合であり、実施例 9はその屈折率が望まれる下限値 1. 48に近い 1. 49の場合である（表 2参照）。そして、これらの実施例 8、 9のいずれの場合でも、膜の組成や諸特性は本発明の望まれる条件範囲内にある（表 2、表 4参照）。

[0131] 他方、比較例 12は紫外光領域に関する膜の消衰係数が本発明の条件範囲の上限である 0. 15未満を超える 0. 15の場合であり（表 2参照）、比較例 13は可視光に関する膜の屈折率が本発明の下限値 1. 48に未満の 1. 47の場合である。比較例 1 2、 13の膜におけるこれらの特性値が本発明の条件範囲の上限と下限を少し超えた理由は、成膜条件が本発明の条件を逸脱しているからである（表 1参照）。具体的には、比較例 12では圧力上昇割合が条件範囲の上限を超えているからであって、比較例 13では高周波電力が条件範囲の下限を下回っているからであり（表 1参照）、それらの成膜条件の逸脱に応じて膜の密度やスピン密度も本発明の条件範囲の外にあることが分かる（表 2参照）。

[0132] <実施例 10〉

実施例 10の成膜条件 (表 1参照）で堆積された Si O含有水素化炭素膜は、その可視光領域 (波長 520nm)に関する屈折率や紫外光領域 (波長 248nm)に関する消衰係数として本発明のより好ましい範囲の上限近傍の値を有している。より具体的には、エネルギビーム照射前の Si O含有水素化炭素膜において、屈折率は 1. 76 、紫外光領域に関する消衰係数は 0. 11、そして屈折率変化量は 0. 30である（表 2 、表 4参照)。

[0133] <比較例 14 16〉

比較例 14 16は、基板温度が本発明の好まし!/、範囲を逸脱して!/、る場合に相当している。比較例 14は基板温度が低い 70°Cの場合であるが（表 1参照）、この場合には表 3中の特記事項の欄に示すように、堆積膜に白濁が発生していた。この白濁に起因した光散乱によって、比較例 14の膜の消衰係数は見かけ上で高い 0. 21になつている。比較例 15は基板温度が高い 110°Cの場合であるが（表 1参照）、この場合には表 3中の特記事項の欄に示すように、堆積膜が基板から剥離した。このことは、基板温度が高過ぎるために、膜の酸化が進み過ぎるなどの理由で膜が劣化して剥離したと思われる。比較例 16は比較例 15と同様に基板温度が高い 110°Cの場合である 1S 比較例 15に比べて比較例 16では高周波電力と圧力上昇割合が低下させられている。この比較例 16の場合には、 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率変化量 Δ ηが 0 . 02と小さい。このことは、基板温度が高過ぎるために、物質移動（マイグレーション）が進んで膜が安定化したためと思われる。

[0134] <実施例 11〉

本発明の実施例 11にお!/、ては、実施例 1と同じ条件で石英基板上に堆積された Si —O含有水素化炭素膜 (表 1参照）を用いて、 YAGレーザの 4倍高調波 (波長 266η m)光のビーム走査によって屈折率変調型回折光学素子が室温にて作製された。より具体的には、レンズを用いてビーム径が 0. 3〃 mに絞られ、 35. OmW/mm²の照射パワー密度と 0. 5mm/sの速度の条件でビーム走査が行なわれた。ここで、ビーム径は、ビーム断面の中央における最大光強度の 1/e以上の強度を有する領域の直径であり、ビーム走査は 0. 5 m間隔の平行なラインに沿って行なわれた。こうして作製された回折光学素子の回折効率を測定したところ、 3. 1 %の値が得られた。

[0135] <実施例 12〉

本発明の実施例 12においては、実施例 2と同じ条件で石英基板上に堆積された Si —O含有水素化炭素膜 (表 1参照）において、水銀ランプ光（波長 248nmの DUV線 (深紫外線)）を室温で照射した場合の屈折率変化が測定された。この場合に、照射パワー密度は 0. 34mW/mm²に設定され、照射時間を変化させることによって照射エネルギ密度が 0. 01-1. 8Mj/m²の範囲内で種々に変化させられた。測定された屈折率変化が、図 45のグラフに示されている。

[0136] 図 45のグラフにおいて、横軸はエネルギビーム照射量を面積当たりのエネルギ密度（Mj/m²)で表し、縦軸は測定された屈折率を表している。このグラフから分力、るように、水銀ランプ光の照射によっても Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を変化 (低下）させること力できる。ここで、エネルギビーム照射量が 0. 01Mj/m²のときには屈折率が 0. 01だけしか低下していないが、エネルギビーム照射量が 0. lMj/m²以上の場合には屈折率が 0. 04以上の変化量で低下している。このように大きな屈折率変化量を利用して、良好な特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製しうることが期待され得る。

[0137] そこで、本実施例 12において、 Si— O含有水素化炭素膜に水銀ランプ光を照射することによって屈折率変調型回折光学素子が作製された。具体的には、幅 1. 2 ,i m のライン（遮光部）と幅 1. 2 mのスペース（透過部）の繰返しを含む L& S (ライン'ァンド.スペース）パターンを有するフォトマスクと DUV線（波長 248nm)ァライナとを用いて、実施例 2と同じ条件で堆積された Si— O含有水素化炭素膜に対して水銀ランプ光照射によるマスクパターンの等倍転写を行なった。この場合に、照射パワー密度が 0. 34mW/mm²に設定され、照射時間を変化させてエネルギビーム照射量を 0. 01〜； 1. 8Mj/m²の範囲内で種々に変化させて複数の屈折率変調型回折光学素子が作製された。こうして得られた回折光学素子における回折効率を評価した結果力 S、図 46のグラフに示されている。

[0138] 図 46のグラフにおいて、横軸はエネルギビーム照射量（Mj/m²)で表し、縦軸は測定された回折効率を表している。このグラフから分かるように、 Si— O含有水素化炭素膜に対する水銀ランプ光の照射によっても屈折率変調型回折光学素子を作製するること力 Sできる。ここで、エネルギビーム照射量が 0. 01 Mj/m²のときには高々 0 . 2%の回折効率しか得られていないが、エネルギビーム照射量が 0. lMj/m²以上の場合には 2. 0%以上の回折効率を有する実用的な屈折率変調型回折光学素子が得られている。以上から、 Si— O含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して屈折率変調型回折光学素子を作製する場合には、エネルギビーム照射量は 0. 1MJ/ m²以上であることが好まし!/、。

[0139] 以上の種々の実施例において作製された Si— O含有水素化炭素膜、およびそれを利用した回折光学素子においては、 Geをドープした石英ガラスやフォトポリマなどの従来の屈折率変化材料では得られな!/、屈折率変化量を実現することができる。そして、そのような Si— O含有水素化炭素膜を用いて形成される回折光学素子では、従来の回折光学素子では得られない高い回折効率を実現することができる。

[0140] <実施例 13〉

本発明の実施例 13においては、実施例 2と同じ条件で石英基板上に Si— O含有水素化炭素膜が 2 ίηの厚さに合成された。 [0141] 図 1は、こうして得られた光学薄膜の温度を制御しながら紫外光照射して屈折率を変化させる方法の一例を模式的な断面図で示している。すなわち、基板 1上において合成された Si— O含有水素化炭素膜 2が例えばホットプレートなどのヒータ 3上に載置されて、無加熱または加熱された状態において紫外光 4がその薄膜 2に照射される。

[0142] より具体的には、 YAGレーザの 4倍高調波（波長 266nm)光を照射光 4として用いて、大気中で薄膜 2の全面を露光することによってその薄膜 2の全面の屈折率を変化させた。そのときの紫外光 4の照射パワー密度は 12. 5mW/mm²であった。この紫外光照射時において、基板 1上の薄膜 2はホットプレート 3上で種々の温度に制御された。その温度制御の条件として、無加熱、 60°C加熱、および 90°C加熱の 3条件が実施された。

[0143] 図 2のグラフは、これら 3通りの基板温度において紫外光 4の照射時間を種々に変更した場合における薄膜 2の屈折率変化を示している。すなわち、このグラフの横軸は紫外光 4の照射時間（分)を表し、縦軸は紫外光照射された薄膜 2の屈折率を表している。また、グラフ中において黒丸印は無加熱の場合を表し、黒三角印は 60°C加熱の場合を表し、そしてクロス印は 90°C加熱の場合を表している。

[0144] 図 2から分かるように、ホットプレート 3で加熱しない場合に比べて、加熱した場合の方が薄膜 2の屈折率変化が速くなつている。さらに、加熱温度が 60°Cと 90°Cの場合を比較すれば、紫外光 4の照射時間が 1分までは、加熱温度の高い 90°Cの場合の方が薄膜 2の屈折率変化が速!/、ことも分かる。

[0145] なお、図 2中で 90°C加熱において紫外光 4の照射時間が 5分以上の場合についてデータが存在していないのは、薄膜 2が基板 1から剥離したために屈折率の評価をすることができなかったからである。このことから分かるように、大気中においては加熱温度が高すぎれば薄膜 2が基板 1から剥離するので、加熱温度は 90°Cを超えな!/、ことが好ましい。

[0146] <実施例 14〉

実施例 14では、実施例 1と同じ条件で石英基板上に Si— O含水素化炭素膜が 1 ,i mおよび 2 μ mの厚さに合成された。 [0147] これらの薄膜に対して、 KrFエキシマレーザ（波長 248nm)を照射光源として用いて、公知の干渉露光法によって屈折率変調のパターユングを行った。すなわち、図 1 にお!/、て、図示されてレ、な!/、公知の位相格子マスクを通過した干渉光 4が薄膜 2に照射された。そうして、可視光に関して分光機能を有する屈折率変調型回折光学素子が形成された。その干渉露光の際に、薄膜 2はホットプレート 3上で温度制御された。その温度制御の条件としては、無加熱と 200°C加熱の 2通りの条件が実施された。なお、照射されたエキシマレーザ光 4のパワー密度は 12. 5mW/mm²であり、照射時間は 120分であって、窒素雰囲気中で照射が行われた。

[0148] このような干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の分光機能を評価するために、可視光の波長 532nmを有するレーザ光を用いて、入射光強度に対する 1次回折光強度の比、すなわち回折効率の測定を行った。その結果が図 3のグラフにお!/ヽて示されて!/、る。

[0149] すなわち図 3のグラフにおいて、横軸は薄膜の厚さ m)を表し、縦軸は干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の回折効率（％)を表している。また、このグラフ中において、黒丸印は無加熱において干渉露光された場合を表し、白丸印は 200°C加熱にお!/、て干渉露光された場合を表して!/、る。

[0150] 図 3のグラフから、膜厚が l〃mと 2〃111のいずれの場合においても、 200°Cカロ熱にお!/、て干渉露光された薄膜の方が、無加熱におレ、て干渉露光された薄膜に比べて高い回折効率を有していることが分かる。これは、薄膜の加熱によって、屈折率変調すなわち薄膜の改質が促進されて!/、るからである。

[0151] ところで、本実施例 14においては、 200°Cという高温で 120分もの長時間の干渉露光が行われたにもかかわらず、実施例 13の場合におけるような薄膜の剥離は起きなかった。これは、エキシマレーザ照射時に窒素雰囲気中の酸素濃度が低かったので薄膜の酸化反応が進みにくぐ結果として薄膜の劣化が抑制されたと考えられる。

[0152] なお、薄膜の紫外光照射時において、窒素雰囲気の代わりに、アルゴンなどの希ガスの雰囲気を用いてもよ!/、ことは言うまでもなレ、。

[0153] <実施例 15〉

実施例 15では、実施例 2と同じ条件で石英基板上に Si— O含有水素化炭素膜が 2 β mの厚さに合成された。

[0154] 得られた薄膜に対して、 XeClエキシマレーザ (波長 308nm)光を照射光 4として用いて、実施例 14の場合と同様の干渉露光法によって屈折率変調のパターユングを行った。こうして、可視光に関して分光機能を有する屈折率変調型回折光学素子が形成された。このとき、レーザ光照射中において薄膜 2はホットプレート 3上で温度制御された。その条件としては、無加熱、 120°C加熱、 200°C加熱の 3通り条件が実施された。なお、エキシマレーザ光照射の際に、そのパワー密度は 19. 8mW/mm²であって、照射時間は 30分であり、レーザ光照射は真空中で行われた。以上のようにして得られた屈折率変調型回折光学素子の分光機能について、実施例 14と同一方法で評価された結果が図 4に示されている。

[0155] すなわち、図 4のグラフにおいて、横軸はヒータの加熱温度を表し、縦軸は干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の回折効率（％)を表している。このグラフから、加熱しながら紫外光照射した場合の光学素子の回折効率は、無加熱の場合に比べて高いことが分かる。さらに、加熱温度が高いほど、回折効率が高いことも分かる。これは、紫外光照射に際しての薄膜の加熱によって、その薄膜の屈折率変調すなわち改質が促進されているからである。なお、本実施例 15においても、実施例 14の場合と同様に、 200°Cという高温にもかかわらず薄膜の剥離は起きなかつた。これは、エキシマレーザ光照射時における真空雰囲気中の酸素濃度が低力、つたので、薄膜の酸化反応が進みにくぐ結果として薄膜の劣化が進まな力、つたからであると考えられる。

[0156] <実施例 16〉

本発明の実施例 16においては、基板上に形成された Si— O含有水素化炭素膜上に保護層または/および透明材料板が付与される。

[0157] (保護層）

この保護層は、 Si— O含有水素化炭素膜の光学的改質時やその使用時に酸素や水がその膜と反応することを防止するためのものであり、酸素や水に対するバリア膜として機能すると同時に、 Si— O含有水素化炭素膜表面からの元素の脱離やアブレーシヨンを抑制する効果が期待される。ただし、この保護層は、分子サイズが小さい水素分子や原子サイズが小さい水素原子に対してのバリア性は相対的に低いと考えられる。

[0158] より具体的には、保護層として、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、酸化ァルミ膜、酸化チタン膜、酸化タンタル膜、フッ化マグネシウム膜、またはポリマ（主要成分として炭素と水素を含む）膜などが好ましい。これらの膜は、酸素や水に対するバリァ性が高いと同時に、光学素子に含める場合に透明性が高い点で優れる。なお、保護膜にはピンホールやクラックがな!/、か極めて少な!/、ことが望まし!/、。

[0159] 保護膜の形成には、プラズマ CVD、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などの気相合成法を適用することができる。また、一部のポリマに関しては、スピンコートによって保護膜を形成することができる。

[0160] より具体的には、酸化珪素保護膜、酸化アルミ保護膜などは、プラズマ CVD、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などのいずれによっても合成すること力できる。酸窒化珪素保護膜、窒化珪素保護膜などは、主にプラズマ CVD法などで合成することカできる。酸化チタン保護膜、酸化タンタル保護膜、フッ化マグネシウム保護膜などは、主にスパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着法などで合成すること力 Sでさる。

[0161] 保護膜は、 Si— O含有水素化炭素膜の光学的改質前に形成することによって、その改質時および光学素子としての使用時の両方に保護効果を発揮させることができる。しかし、改質時には保護膜を使用せずに、改質後に保護膜を形成して光学素子として使用するときの耐久性のみを向上させてもよい。改質前に保護膜を形成する場合はその改質の障害にならないように保護膜の材質や厚さに制約が生じる力改質後に保護膜を形成する場合はそのような制約が生じない。なお、 Si— O含有水素化炭素膜の改質前に保護膜を形成する場合のその保護膜厚に関しては、後で詳細に説明される。

[0162] なお、改質前に保護膜を形成する場合、一般的には、下層の Si— O含有水素化炭素膜を大気に取り出すことなく連続して保護膜を形成することが好ましい。これは、下層の Si— O含有水素化炭素膜を大気中に取り出すことによって、保護膜にピンホールなどの欠陥が形成されやすくなるからである。ただし、ポリマなどをスピンコートなどで被覆する場合はこの限りではない。

[0163] (透明材料板）

Si— O含有水素化炭素膜上に接合される透明材料板としては、酸素や水を遮蔽できて光を透過するものであれば特に制約はない。一般には、透明材料板として、ガラス系の材料が好ましい。なぜならば、ガラス系の材料は比較的安価であって酸素や水に対する遮蔽性が優れているからである。また、無機透明材料を被覆した樹脂シートなども、透明材料板として利用することができる。

[0164] 透明材料板の厚さは、 10 m以上であることが好ましい。なぜならば、そのような厚さであれば酸素や水に対する遮蔽性が高ぐまたハンドリングがし易いからである。

[0165] 透明材料板は、熱硬化型、紫外線硬化型、または可視光硬化型の接着剤などによつて、 Si— O含有水素化炭素膜上に直接にまたは Si— O含有水素化炭素膜の上の保護膜上に張り合わせられる。この接合に用いられる接着剤も酸素や水を通しにくいものが好ましぐ接着層の厚さは薄くし得ることが好ましい。

[0166] 透明材料板は、保護膜と同様に、 Si— O含有水素化炭素膜の改質前に接合することによって、その改質時および光学素子としての使用時の両方において効果を発揮すること力 Sできる。し力、し、改質時にエネルギビームを通さないと力、、エネルギビームで透明材料板そのものが変質することもあり、一般には改質後に接合して光学素子として使用するときの耐久性のみを向上させる使われ方が好ましい。なお、このような透明材料板を保護膜とともに使用することによって、より保護効果を高めることができる

〇

[0167] Si— O含有水素化炭素膜にエネルギビームとして電磁波を照射してその膜を改質する場合の保護膜の厚さは、 0. 02 πιより厚くて 10 πιより薄いことが望ましい。なぜならば、 0. 02 m以下の厚さでは酸素や水に対するバリア性が十分でなぐ 10 μ m以上の厚さでは保護層にクラックが入り易いからである。なお、厚さの下限としては、 0. 05〃mより厚いこと力 Sより好ましく、 0. l〃mより厚いこと力 Sさらに好ましい。厚さの上限としては、 5 m未満であること力り好ましく、 3 m未満であることがさらに好ましい。

[0168] 他方、 Si— O含有水素化炭素膜にエネルギビームとして粒子線を照射して改質する場合、電子ビーム、イオンビーム、または中性子ビームのいずれも適用することができる。ただし、電子ビームは固体内で散乱されて拡がり易いので、幅が狭くて深いパターンの光学的改質を電子ビームで行なうことは容易ではな!/、。中性子ビームは、そのエネルギゃ密度の制御性が低ぐその取り扱いが容易ではない。イオンビームはそのエネルギゃ密度の制御性に優れ、水素やヘリウムなどの比較的軽い元素のィォンを用いることは幅が狭くて深!/、パターンの改質に適してレ、る。

[0169] 粒子線による改質の場合の保護膜の厚さは、 0. 02 mより厚くて 1 mより薄いことが望ましい。なぜならば、厚さが 0. 02 in以下では酸素や水に対するバリア性が十分でなぐ厚さが 1 μ m以上では粒子線が Si— Ο含有水素化炭素膜に到達しにくい力、らである。厚さの下限としては、 0. 05〃 mより厚いこと力 Sより好ましく、 0. l〃 mより厚いことがさらに好ましい。厚さの上限としては、 0. 5 m未満であること力り好ましぐ 0. 2 m未満であることがさらに好ましい。

[0170] また、保護膜の厚さは、光学素子が使用される波長帯域における保護膜の消衰係数との関係からも好ましい範囲がある。なぜならば、膜の光透過率はその厚さと消衰係数に依存するからである。保護膜の消衰係数としては、 5 X 10— ³未満であることが好ましく、 1 X 10— ³未満であることがより好ましぐ 5 X 10— ⁴未満であることがさらに好ましい。そして、一般的には、保護膜の内部透過率との関係では、 80%より大きい内部透過率が得られる膜厚であることが好ましぐ 95%より大きい内部透過率が得られる膜厚であること力り好ましく、 99%より大きい内部透過率が得られる膜厚であること力 Sさらに好ましい。

[0171] 他方、 Si— O含有水素化炭素膜の光学的改質の際に可視から紫外の光（電磁波）の照射が利用される場合には、その波長における保護膜の透過率との関係では、 40 %より大きい透過率が得られる膜厚であることが好ましぐ 60%より大きい透過率が得られる膜厚であること力り好ましく、 80%より大きい透過率が得られる膜厚であること力 Sさらに好ましい。

[0172] (改質温度）

エネルギビームを照射して Si— O含有水素化炭素膜を改質する際の基板温度としては、任意の温度を適用することができる。例えば、室温状態の基板温度における改質は、温度制御装置を必要とせず、そのプロセスの単純化と低コスト化の観点から好ましい。ただし、実際には、エネルギビームの照射によって、改質部近傍の基板温度は室温より高くなるようである。エネルギビーム照射時の基板温度は Si— o含有水素化炭素膜の物性に影響するので、積極的に基板温度を調節して改質の制御性を高めることが好ましい。

[0173] より具体的には、前述のように、 Si— O含有水素化炭素膜は改質時に高い温度に保持されるほどその改質速度が速くなる。他方、本実施例 16におけるように Si— O含有水素化炭素膜表面に保護層が設けられている場合には、その Si— O含有水素化炭素膜の改質速度が遅くなる傾向にある。したがって、そのような保護層が設けられている場合には、基板温度を上げることによって改質速度を高める方法が有効である。具体的には、基板温度は 80°Cより高く 400°C未満であることが好ましぐ 100°Cより高く 250°C未満であることがより好ましぐ 120°Cより高く 220°C未満であることがさらに好ましい。

[0174] ただし、基板温度が高いことは改質速度が高まる観点から好ましいが、基板温度が高すぎれば、 Si— O含有水素化炭素膜の着色ゃ改質の制御性などの観点から弊害が出てくる。なお、基板の加熱には、通常のヒータ加熱以外にも、波長 3 m以上の光を含む赤外線による加熱が有効である。

[0175] 本実施例 16では、より具体的には、石英基板上において、実施例 2と同じ条件で厚さが 1. 5 mの Si— O含有水素化炭素膜を形成することによってサンプル 1Aが準備された。

[0176] サンプル 1Bは、マグネトロンスパッタ法によってサンプル 1A上に厚さ 0. l ^ nK Si O保護膜を形成することによって準備された。

[0177] さらに、サンプル 1B上に厚さ 0. 05mmのガラス板を可視光硬化型接着剤で接合することによって、サンプル 1Cが準備された。

[0178] サンプル 1A〜1Cに対して、 100Wのキセノンランプ光から波長 400nm以下の光を抽出集光して 500時間照射した。その後、サンプル 1A〜； 1Cに関して、波長 460η mの青色光の透過率変化量を調査した。その結果、サンプル 1Aでは透過率変化量力 7%の増大であつたが、サンプノレ 1Bと 1Cではそれぞれ約 2%と約 0. 5%の増大であった。このことは、 Si〇₂保護膜を付与したサンプル 1B、さらに薄いガラス板をも接合したサンプル 1Cでは、透過率の変化が少ないことを意味している。

[0179] <実施例 17〉

実施例 17では、実施例 2と同じ条件で石英基板上に膜厚 2 mの Si— O含有水素化炭素膜を含むサンプル 2Aが準備された。

[0180] そして 1 μ m周期の凹凸を有する石英マスクを用いたエキシマレーザ（XeCl)による大気中での干渉露光によって、サンプル 2Aにおいて屈折率変調構造をパターニングした。

[0181] その後、サンプル 2Bは、サンプル 2A上に厚さ 0. 1 μ mの SiO保護膜をマグネトロンスパッタ法によって形成することによって準備された。

[0182] 他方、サンプル 2Cは、そのようなサンプル 2B上にさらに 0. 1mmの石英板を可視光硬化型接着剤で貼り付ける事によって準備された。

[0183] 以上のようにして得られサンプル 2Aは、回折格子として機能するものの、 1年間の使用後にその回折効率が 5%低下した。他方、サンプル 2Bと 2Cは回折格子として機能し、 1年間の使用後にサンプル 2Bでは回折効率が 2%低下し、サンプル 2Cでは回折効率に変化がないことが確認された。

[0184] <実施例 18〉

本発明の実施例 18は、平板型マイクロレンズに関する。平板型マイクロレンズは、種々の光学分野において利用され得る。例えば、光通信分野において、 LD (レーザダイオード）と光ファイバとの間の光結合のための集光レンズとして好ましく用いられ得る。また、プロジェクタ中の集光用レンズアレイとして、平板型マイクロレンズアレイが好ましく用いられ得る。

[0185] ところで、従来からマイクロレンズとして屈折型マイクロレンズがおもに用いられている力近年では光学システムのサイズ、重量、コストなどを低減させる観点から、回折型のマイクロレンズが注目されている。回折型マイクロレンズは、光の回折現象を利用してレンズ機能を生じさせるものである。回折型マイクロレンズは、主としてレリーフ型（または膜厚変調型）マイクロレンズと屈折率変調型マイクロレンズに大別される。レリーフ型マイクロレンズでは、典型的には透光性基板の表面に同心円状の複数の微細なリング状溝が形成されており、それらの溝の深さ（すなわち基板の厚さ）が周期的に変化させられた構造を有している。他方屈折率変調型マイクロレンズは、典型的には平板状基板が同心円状の複数の微細な帯状リング領域に分けられており、それらの領域の屈折率が周期的に変化させられた構造を有している。

[0186] 透光性基板の厚さの周期的変化や屈折率の周期的変化は、その基板を通過する光の位相を周期的に変化させ、回折格子と同様に光の回折効果を生じさせる。そして、回折格子の格子ピッチが小さくなるにしたがって、回折格子を通過する光の回折角が大きくなる。したがって、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを減少させることによって、その回折格子を通過する光を凸レンズのように集光すること力できる。逆に、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを増大させることによって、その回折格子を通過する光を凹レンズのように発散させること力 Sできる。

[0187] 図 10は、従来のレリーフ型マイクロレンズの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している（非特許文献 1の「マイクロレンズ (アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、 2003年 4月 28日、第 20— 21頁、および第 71— 81頁参照）。また、図 11は、図 10のレリーフ型マイクロレンズの作製方法において用いられる露光マスクを模式的な平面図で示して!/、る。

[0188] 図 10 (a)において、 Si基板 11上にポジ型フォトレジスト層 12を形成し、第 1のフォトマスク 13を介して紫外光 14aが照射される。この第 1のフォトマスク 13は、図 11 (a)に示されているような同心円状の帯状リングパターンを有し、リング間のピッチは同心円の中心力、ら周縁に向力、うにつれて減少させられている。なお、図 11 (a)においては図面の明瞭化と簡略化のためにわずかに 2つの透光リングが示されている力実際にはさらに多くのリングが含まれ得ることは言うまでもない。

[0189] 図 10 (b)において、露光されたレジスト層 12を現像して第 1のレジストパターン 12a が形成される。そして、その第 1レジストパターン 12aをマスクとして、矢印 14bで表わされた反応性イオンエッチング (RIE)によって、所定深さの帯状溝リングが形成され

[0190] 図 10 (c)において、第 1レジストパターン 12aを除去することによって、バイナリレべノレ (光の位相を 2段階に変調）のレリーフ型マイクロレンズ 1 1aが得られる。なお、帯状溝リングの幅と深さは、 2レベルまたは多レベルのレリーフ型マイクロレンズのそれぞれに応じて最も良好な回折効率が得られるように設定される。

[0191] 図 10 (d)から（f)は、図 10 (a)から（c)と同様な工程に続いて 4レベルのレリーフ型マイクロレンズを作製する工程を図解してレ、る。

[0192] 図 10 (d)において、図 10 (c)までと同様の工程で形成された Si基板 11 aの上面にさらに第 2のレジスト層 15を形成し、第 2のマスク 16を介して紫外光 14cを照射する。図 11 (b)は、この第 2マスク 16を模式的平面図で示して!/、る。図 11 (a)と（b)力、ら分かるように、第 2マスク 16は第 1マスク 13に比べて 2倍の本数の帯状透光リングを有している。換言すれば、第 2マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングは、第 1マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングに比べて約 1/2の幅を有している。

[0193] 図 10 (e)において、露光された第 2レジスト層 15を現像して同図に示されているような第 2のレジストパターン 15aが形成される。そして、その第 2レジストパターン 15aをマスクとして、矢印 14dで表わされている RIEによって、さらに所定深さまでのエッチングが fiなわれる。

[0194] 図 10 (f)において、第 2レジストパターン 15aを除去して、 4レベルの位相変化を生じ得るレリーフ型マイクロレンズ l ibが得られる。なお、 2レベルの回折型レンズに比ベて、多レベルの回折型レンズでは高い回折効率が得られ、より高い集光効率が得られる。また、上述のようなフォトリソグラフィと RIEの工程を N回繰り返すことによって、 2^Nレベルのレリーフ型マイクロレンズを作製することができる。ただし、理論上は無限数レベルの回折レンズで 100 %の回折効率が得られることになるが、作製工程数と費用が増大するので、実際上は 95%の回折効率が得られる 8レベルの回折型レンズで十分であろう（上述の工程を N = 3回繰り返すことで作製可能）。

[0195] ところで、レリーフ型マイクロレンズでは、透光性基板にエッチングで溝を彫らなければならないので、その基板はそれなりの厚さを要する。また、エッチングによって彫る溝の深さを正確に調節することが容易ではない。さらに、レリーフ型マイクロレンズはその表面に微細な凹凸を有するので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。

[0196] このようなレリーフ型マイクロレンズにおける問題に鑑み、特許文献 5の特開 2005 202356号公報は、紫外線やイオンビームのようなエネルギビームの照射によって屈折率を高め得る DLC膜を利用することによって、機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供することを提案している。

[0197] しかし、紫外線などの照射によって DLC膜の屈折率を高めることができる力 S、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、 D LC膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折型光学素子や屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高レ、ことはその領域にお!、て光が透過しにくいことを意味し、光の利用効率や回折効率の観点からも好ましくなレ、。

[0198] そこで、本実施例 18では、 DLC膜に比べて優れた特性を有する Si O含有水素化炭素膜を用いて作製された平板型マイクロレンズを提供する。

[0199] 図 5においては、本実施例 18による屈折型マイクロレンズアレイの作製方法が模式的な断面図で図解されてレ、る。

[0200] 図 5 (a)において、 Si O含有水素化炭素膜 21上にマスク層 22が形成されている。マスク層 22としては、エネルギビーム 23の透過を制限し得る機能を有する種々の材料を用いることができる。例えば、マスク層に対するエネルギビームの透過量の設計に応じて最適化されるように、金、クロム、ニッケル、アルミ、タングステンなどから選択すること力 Sできる。このマスク層 22はアレイ状に配列された微小な凹部 22aを有している。それらの凹部 22aの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる底面を有している。それらの凹部 22 aのアレイを含むマスク層 22を介して、エネルギビーム 23が Si O含有水素化炭素膜 21に照射される。

[0201] 図 5 (b)において、エネルギビーム 23の照射後にマスク層 22を除去することによつて、 Si O含有水素化炭素膜 21中に形成されたマイクロレンズアレイ 21 aが得られる。すなわち、エネルギビーム 23の照射によって、マスク層 22の凹部 22aのアレイに対応して、 Si O含有水素化炭素膜 21内において低屈折率領域 2 laのアレイが形成されている。このとき、マスク層 22の凹部 22aは球面状または円柱面状の底面を有しているので、凹部 22aの中央から周縁に向力、うにしたがってマスク層の厚さが増大している。すなわち、エネルギビーム 23は、凹部 22aの周縁部に比べて中央部において透過しやすいことになる。したがって、低屈折率領域 21aの深さは、その中央部において深くて周縁部において浅い球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有している。その結果、それらの低屈折率領域 21aの各々力そのまま一つのマイク口レンズとして作用し得る。ただし、凸状形状のマイクロレンズ 21aは低屈折率を有して!/、るので、それは光を発散させるレンズとして作用する。

[0202] なお、図 5 (a)に示されているようなエネルギビーム 23によってマイクロレンズアレイを作製する場合、概略球面状または概略円柱面状の凹部 22aの深さを調節することによって、マイクロレンズ 21aの厚さを調節することができ、すなわちその焦点距離を調節すること力 Sできる。また、凹部 22aの深さを変化させなくても、照射するエネルギビーム 23の透過能を変化させることによつてもマイクロレンズ 21aの焦点距離を調節すること力 Sできる。例えば、エネルギビーム 23として Heイオンビームを用いる場合、そのイオンの加速エネルギを高めて透過能を高めることによって、マイクロレンズ 21aの焦点距離を短くすることができる。また、 Si— O含有水素化炭素膜に対するエネルギビーム 23のドース量が高いほど屈折率変化 Δ ηが大きくなるので、そのドース量を調節することによつてもマイクロレンズ 21aの焦点距離を調節することも可能である。

[0203] 図 5 (c)は、他の形態のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ 21bは、 Si— O含有水素化炭素膜 21を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ 21bが円柱状である場合、その中心軸 21cは Si— O 含有水素化炭素膜 21の厚さ方向に平行であり、中心軸 21cに近いほど屈折率が低くされている。マイクロレンズ 21bが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交） 21cは Si— O含有水素化炭素膜 21の厚さ方向に平行であり、中心面 21cに近いほど屈折率が低くされている。

[0204] 図 5 (c)のマイクロレンズアレイも、図 5 (a)に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層 22の薄い領域および Si— O含有水素化炭素膜 21を貫通し得る高いエネルギのビーム 23を照射することによって、中心線または中心面 21cに近い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになつて屈折率がより低められることになる。

[0205] 図 5 (a)に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部

22aを含むマスク層 22は、種々の方法によって作製することができる。例えば、 Si— O含有水素化炭素膜 21上に均一な厚さのマスク層 22を形成し、その上にアレイ状に配列された微小な穴または平行に配列された線状の開口を有するレジスト層を形成する。そして、そのレジスト層の微小な穴または線状の開口から等方的エッチングを行なうことによって、その微小な穴の下のマスク層 22内に概略半球状または概略半円柱状の凹部 22aを形成することができる。

[0206] 図 5 (a)に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部

22aを含むマスク層 22は、図 6の模式的な断面図に図解されているような方法で作製され得る刻印型を用いて簡便に作製することもできる。

[0207] 図 6 (a)において、例えばシリカの基板 31上にレジストパターン 32が形成される。このレジストパターン 32は、基板 31上でアレイ状に配列された複数の微小な円形領域上または平行に配列された複数の細!/、帯状領域上に形成されてレ、る。

[0208] 図 6 (b)において、レジストパターン 32が加熱溶融させられ、各微小円形領域上または細い帯状領域上で溶融したレジスト 32は、その表面張力によって概略球面状または概略円柱面状の凸レンズ形状 32aになる。

[0209] 図 6 (c)において、概略凸レンズ状のレジスト 32bとともにシリカ基板 31aを RIEすれば、レジスト 32bの径または幅が RIEで縮小しながらシリカ基板 31aがエッチングされ

[0210] その結果、図 6 (d)に示されているように、概略球面状または概略円柱面状の凸部

31bが配列されたシリカの刻印型 31cが最終的に得られる。なお、凸部 31bの高さは、図 6 (c)におけるレジスト 32bのエッチング速度とシリカ基板 31aのエッチング速度との比率を調節することによって調節することができる。

[0211] こうして得られた刻印型 31cは、図 5 (a)に示されているような凹部 22aを含むマスク層 22の作製に好ましく用いられ得る。すなわち、例えばマスク層 22が金材料で形成されている場合、金は展延性に富んでいるので、その金マスク層 22に刻印型 31cで刻印することによって、簡便に凹部 22aを形成することができる。また、刻印型 31cは一度作製すれば繰り返し使用可能であるので、エッチングによってマスク層 22中の凹部 22aを形成する場合に比べて遥かに簡便かつ低コストで凹部 22aを形成することを可能にする。

[0212] 図 7において、本実施例 18による他の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法が、模式的な断面図で図解されてレ、る。

[0213] 図 7 (a)においても、図 5 (a)の場合に類似して、 Si— O含有水素化炭素膜 21上にマスク層 22が形成されている。ただし、このマスク層 22は、図 5 (a)における凹部 22a とは異なって、逆に凸部 22bを有している。それらの凸部 22bの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる上面を有している。それらの凸部 22bのアレイを含むマスク層 22を介して、エネルギビーム 23が Si— O含有水素化炭素膜 21に照射される。

[0214] 図 7 (b)において、エネルギビーム 23の照射後にマスク層 22を除去することによつて、 Si— O含有水素化炭素膜 21中に形成されたマイクロレンズアレイ 21dが得られる。すなわち、エネルギビーム 23の照射によって、マスク層 22の凸部 22bのアレイに対応して、 Si— O含有水素化炭素膜 21内において低屈折率領域 2 laが形成されている。このとき、マスク層 22の凸部 22bは球面状または円柱面状の上面を有しているので、凸部 22bの中央から周縁に向力、うにしたがってマスク層の厚さが減少している。すなわち、エネルギビーム 23は、凸部 22bの中央部に比べて周縁部において透過しやすいことになる。したがって、低屈折率領域 21aの深さは、その中央部において浅くて周縁部において深くなつている。そして、レンズ領域 21dは、成膜当初の Si— O 含有水素化炭素膜 21の屈折率をそのまま維持している。すなわち、レンズ領域 21d は球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有しおり、相対的に高い屈折率を有するそれらの領域 21dの各々力そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。ただし、マイクロレンズ 21dは相対的に高い屈折率を有しているので、それは集光レンズとして作用する。

[0215] 図 7 (c)は、本実施例 18によるさらに他のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ 21eは、 Si— O含有水素化炭素膜 21を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ 21 eが円柱状である場合、その中心軸 21cは Si— O含有水素化炭素膜 21の厚さ方向に平行であり、中心軸 21cに近いほど屈折率が高く維持されている。マイクロレンズ 21eが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交） 21cは Si— O含有水素化炭素膜 21の厚さ方向に平行であり、中心面 21cに近いほど屈折率が高く維持されている。

[0216] 図 7 (c)のマイクロレンズアレイも、図 7 (a)に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層 22の薄い領域および Si— O含有水素化炭素膜 21を貫通し得る高いエネルギのビーム 23を照射することによって、中心線または中心面 21cに遠い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになつて屈折率がより低められることになる。

[0217] 図 8 (a)の模式的な平面図と図 8 (b)の模式的な断面図において、本実施例 18によるさらに他のマイクロレンズが図解されており、これは回折型のマイクロレンズである。回折型マイクロレンズは屈折型マイクロレンズに比べて薄く作製することが可能であり、 1〜2 m程度の厚さの Si— O含有水素化炭素膜中に回折型マイクロレンズを作製すること力 Sできる。すなわち、この回折型マイクロレンズ 40も、 Si— O含有水素化炭素膜 41を用いて作製されており、同心円状の複数の帯状リング領域 Rmnを含んでいる。ここで、符号 Rmnは、第 m番目のリングゾーン中の第 n番目の帯状リング領域を表わすとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表わすものとする。それらの帯状リング領域 Rmnは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。すなわち、図 8の回折型マイクロレンズは集光レンズとして作用する。しかし、それらの帯状リング領域 Rmnが同心円の中心から遠いものほど拡大させられた幅を有する場合には、その回折型マイクロレンズが発散レンズとして作用し得ることが理解されよう。

[0218] 互いに隣接する帯状リング領域 Rmnは、互いに異なる屈折率を有している。図 8の回折型マイクロレンズは、それが 2レベルの回折型レンズである場合には、 n = 2番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンを m = 3番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。

[0219] このこと力、ら類推されるであろうように、 4レベルの回折型レンズでは、一つのリングゾーン力 ¾ = 4番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって 4段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような 4段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとに m回繰り返されることになる。

[0220] なお、帯状リング領域 Rmnの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式 (

1)にしたがって設定することができる。この式（1)において、 Lはレンズの回折レベルを表わし、 λは光の波長を表わし、そして fはレンズの焦点距離を表わしている。また、最大の屈折率変化量 Δ ηは、最大の位相変調振幅 Δ φ = 2 π (L— 1) /Lを生じさせ得るものでなければならなレ、。

[0221] [数 1]

[0222] 図 9の模式的な断面図において、図 8に示されているような 2レベルの回折型マイク口レンズの作製方法の一例が図解されている。

[0223] 図 9 (a)において、 Si— O含有水素化炭素膜 41上に、例えば Niの導電層 42が周知の EB (電子ビーム）蒸着法によって形成される。この Ni導電層 42上には図 4中の n = 1に対応する帯状リング領域 Rmn (m= 1〜3)を覆うようにレジストパターン 43が形成される。そのレジストパターン 43の開口部に、電気めつきによって金マスク 44が形成される。

[0224] 図 9 (b)において、レジストパターン 43が除去されて、金マスク 44が残される。そして、その金マスク 44の開口部を通して、エネルギビーム 45が Si— O含有水素化炭素膜 41に照射される。その結果、エネルギビーム 45が照射された帯状リング領域 Rml の屈折率が低められ、エネルギビーム 45がマスクされた帯状リング領域 Rm2は当初の Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を維持している。すなわち、図 8に示されているような 2レベルの回折型マイクロレンズが得られる。なお、エネルギビーム照射後の金マスクは、シアン系のエッチング液に室温で数分程度浸漬することによって溶解されて除去される。

[0225] なお、図 9の例では Si O含有水素化炭素膜ごとにその上にマスク層が形成される

1S 図 11 (a)に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いて Si O含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射してもよい。また、図 l l (b )に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いて Si O含有水素化炭素膜にさらにエネルギビーム照射することによって、 4レベルの回折型マイクロレンズが形成され得ることが理解されよう。この場合に、 Si O含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して回折型マイクロレンズを形成する方法は、図 10 に図解されたレリーフ型マイクロレンズの作製方法にくらべて、顕著に簡略であることも理解されよう。

[0226] さらに、図 6 (d)に示されているような刻印型の代わりに、図 10 (f)に示めされているような形状を有する刻印型を用いて Si O含有水素化炭素膜上の金マスク層に刻印し、その刻印された金マスク層を介してエネルギビーム照射することによって、一回のエネルギビーム照射で多レベルの回折型マイクロレンズを作製することも可能である

[0227] さらにまた、回折型マイクロレンズに関する上述の実施例では屈折型レンズの球面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが説明された力 S、本発明は屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズにも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、例えば図 8 (b)の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図 9 (b)中の金マスク 44もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。

[0228] なお、本 Si O含有水素化炭素膜は単なる基板のみならずレーザダイオードゃレンズなどの他の部品上に直接形成することも可能であり、その場合はレーザ光の光路制御やレンズの収差補正などのために、他の部品と一体化して機能する屈折率変調型素子として利用可能である。

[0229] <実施例 19〉本発明の実施例 19は、光情報記録媒体に関する。現在では、実用化されている光情報記録媒体の典型例として、 CD (コンパ外ディスク)や DVD (デジタル汎用ディスク）が知られている。しかし、今日の高度情報化社会において、光情報記録媒体においてもさらなる記録密度の向上が望まれている。光情報記録媒体においては、その記録と再生に用いられる光ビームの波長を短くすることによって、記録密度を高めること力 Sできる。この観点から、近年では青色レーザを用いて記録するブルーレイディスクの開発が進められて実用化されている。しかし、記録用のレーザ光の波長を短くすることには限界があり、光情報記録媒体の記録密度を高めるために、他の種々の記録方式が試みられて!/、る (非特許文献 2の

OPTRONICS, (2001)， No. l l, pp.149- 154参照）。

[0230] 現在使用されている再生専用の音楽 CDでは、周知のように、スタンパを使ってブラスチック基板にピット (微小窪み)パターンを加工することによって情報を記録している。そして、一つのピットには 1か 0の 1ビットのデータがピットの有無として記録されている。そのピット情報が 1か 0であるかは、再生レーザ光の反射光強度の差として判断される。すなわち、通常の CDのように 0力、 1かの 2値の記録をする場合には、ピットの深さはピットのな!/、0の深さをも含めて 2種類しか存在して!/、な!/、。

[0231] そこで、ピットの深さを多段階に変化させることによって、多値化光ディスクを実用化することが試みられている。例えば、ピットの深さを 0をも含めて 4種類にすれば、ピットの深さに依存して再生光ビームの反射率が異なるので、図 15の模式的グラフに示されているように、再生光ビームの走査方向に並んだ複数のピットから 4種類の反射率が得られる。すなわち、一つのピットで 0、 1、 2、および 3のいずれかの値を表わすことができ、これは 1つのピットで 2ビットの情報を記録できることに相当する。

[0232] また、ホログラムメモリを実用化することが試みられて!/、る（非特許文献 3の 0 plus E ， Vol.25, No.4, 2003， ρρ·385_390参照）。ホログラムメモリは、原理的には 3次元の記録媒体中に 3次元の情報を記録し得るものである。このようなホログラムメモリを利用すれば、 2次元データの多数ページを重ねて記録することができる。そして、その 2次元データは 1ページ単位で記録および再生することが可能である。

[0233] 図 16と図 17の模式的斜視図では、ホログラム記録媒体に情報を記録する方法とその記録された情報を再生する方法の一例がそれぞれ図解されて!/、る。このようなホログラム記録媒体の材料としては、光照射によって屈折率が高められ得る鉄ドープのニォブ酸リチウム（Fe： LiNbO )やフォトポリマなどが利用されて!/、る。

[0234] 情報を記録する場合、図 16に示されているように、例えば 2次元デジタルデータ 13 2の情報を含む物体光 133が、レンズ 134を介してホログラム記録媒体 131に投射される。これと同時に、物体光 133に対して所定の角度を有する参照光 135がホロダラム記録媒体 131に投射される。そして、ホログラム記録媒体 131に投射された物体光 133と参照光 135との干渉によって形成されるホログラム力 S、そのホログラム記録媒体 131内の屈折率変化として記録される。すなわち、 1ページ分のデジタルデータ 132 が、一度にホログラム記録媒体 131内に記録され得る。

[0235] 記録されたデータを再生する場合には、図 17に示されているように、記録時に使用された参照光 135のみがホログラム記録媒体 131に照射される。そして、その記録媒体 131中のホログラムの回折による再生光 136が投影レンズ 137によって再生パターン 138として CCD (電荷結合素子）などの 2次元撮像素子に投影される。

[0236] このようなホログラム記録媒体 131においては、参照光 135の照射角度または波長を変えることによって、異なるページのデータを重ねて記録することができる。そして、その記録に使用された参照光と同じ条件の参照光を読み出し光として使用することによって、それぞれのページの記録データを個別に再生することができる。なお、上述のようなホログラムメモリでは、ページデータとして図形や写真などの 2次元の映像を記録再生することも可能である。

[0237] さらに、特許文献 6の特開平 11— 345419号公報および非特許文献 4の OPTROM CS, (2001)， No. l l, pp.143-148は、シングルモードの平面型導波路が積層された構造を有する積層導波路ホログラムメモリを開示している。

[0238] 図 18は、特許文献 6に開示された積層導波路ホログラムメモリの一例を模式的な断面図で図解している。この積層導波路ホログラムメモリは、複数のクラッド層 111— 1、 111— 2、 · · ·、 111— nの間に挟まれた複数のコア層 112— 1、 112— 2、 · · ·、 112 — n— 1を含んでいる。そして、クラッド層/コア層/クラッド層の各積層単位は、使用するレーザ光 113の波長に関して平面型シングルモード導波路として作用する。そして、一つの平面導波路には、 2次元データの 1ページ分を記録することができる。レンズ 114を介してレーザ光 113が導入される平面導波路の端面は、導波路平面に対して 45度の角度を有する反射面 115にされて!/、る。

[0239] 任意の特定の平面導波路に記録されているページ情報を読み出す場合、再生レ一ザ光 113が（シリンドリカル)レンズ 114によってその特定の平面導波路の反射線 1 18 (図 18の紙面に直交する方向に延在）に焦点合わせされる。この反射線 118から平面導波路内に導入された導波光 116は、その導波路内で平面的に伝播し、光散乱要素（ホログラム） 119によって部分的に散乱される。この場合に、光散乱要素が周期性を有していれば、各光散乱要素からの散乱光の位相が一致する方向が存在し、その方向に回折光 117となって平面導波路外に進行してホログラム像 120を形成する。このホログラム像 120を CCDなどで取り込むことによって情報読み出しをすることができる。このとき、ホログラム像 120は、導波路面に対して特定の角度を有する回折光 117として現れるので、投影レンズを必要とすることなく CCDに投射され得る。

[0240] そして、レンズ 114によってレーザ光 113の焦点位置を調節して、光を伝播させる平面導波路を変え、それぞれの平面導波路に記録されたページ情報を個別に読み出すこと力 Sできる。なお、所望の情報に対応する光散乱要素 119のパターンは、計算機によって求めることができる（非特許文献 4参照）。

[0241] 図 19は、図 18に示されているような積層導波路ホログラムメモリの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している。この作製方法においては、ガラス基板 121上に紫外線硬化樹脂層 122が例えば 8 a mの厚さにスピンコートされ、紫外線 123の照射によって硬化させられる。この紫外線硬化樹脂層 122は、クラッド層として作用させるものである。

[0242] 紫外線硬化樹脂層 122上には、 PMMA (ポリメタクリル酸メチル)層 124が例えば 1 . 7〃mの厚さにスピンコートされる。この PMMA層 124上で例えば周期 0. 46〃m で線分状の凹凸模様のついたローラ 125が走らされ、 PMMA層 124にその凹凸模様が転写される。この PMMA層 124は、コア層として作用させるものである。また、このコア層の表面に形成される凹凸模様が、周期的光散乱要素として作用し、そのパターンは記録されるべき情報に対応して予め計算機にて求められている。 [0243] そして、上述の紫外線硬化樹脂層コート/紫外線露光/ PMMA層コート/ローラの 4工程を 10回繰り返し、最後に紫外線樹脂層コートと紫外線露光をもう 1回行なう。こうして、 10層の平面型導波路が積層された積層導波路ホログラムメモリが作製され得る。

[0244] 上述の多値化光ディスクでは、微小なピットの多段階の深さをスタンパで正確に調整することが容易ではない。すなわち、微小なピットの多段階の深さの変化に基づく反射率が正確に多段階に検知し得る多値化光ディスクの製造が容易ではない。

[0245] 上述のホログラムメモリでは、その記録材料として主にニオブ酸リチウムやフォトポリマなどが用いられる。しかし、ニオブ酸リチウムのホログラムメモリは光の感度が弱ぐ記録のダイナミックレンジが狭い。また、ニオブ酸リチウムのホログラムメモリは高コストであり、読み出しの繰り返しによって記録が消えていく再生劣化も生じて低寿命である。他方、フォトポリマでは、記録前後の体積収縮の問題がある。すなわち、記録材料が膨張または収縮すれば、ホログラム中の回折格子のピッチが変化して回折条件が変わってしまい、記録時の参照光を用いても読み出しができなくなる。また、フォトポリマにおいても、前述のように光照射による屈折率変化 Δ ηが 0. 08以下程度に小さぐ記録のダイナミックレンジを大きくすることができない。

[0246] 上述の積層導波路ホログラムメモリでは、 ΡΜΜΑのコア層と紫外線硬化樹脂のクラッド層が用いられている。そして、光散乱要素は、 ΡΜΜΑコア層の表面における微細な凹部を満たす紫外線硬化樹脂で形成されている。すなわち、光散乱は、 ΡΜΜ Αと紫外線硬化樹脂との間の屈折率差 Δ ηによって生ぜられる。このとき、 ΡΜΜΑの屈折率は 1. 492で、紫外線硬化樹脂の屈折率は 1. 480である。すなわち、 ΡΜΜ Αと紫外泉硬化樹脂との間の屈折率差 Δ ηは 0. 012に過ぎない。このように小さな屈折率差 Δ ηは、光散乱要素を形成するために十分に大きいとはいえない。また、紫外線硬化樹脂層も、経時変化による変質が危惧される。

[0247] 上述のような従来の光情報記録媒体の状況に鑑みて、特許文献 7の特開 2006— 39303号公報においては、簡便に高い情報密度で記録できかつ耐久性にも優れた光情報記録媒体を低コストで提供することを目的として、 DLC層を利用した光情報記録媒体およびその記録方法と製造方法が開示されている。 [0248] その DLC層を利用した光情報記録媒体では、基板上に堆積された DLC層を基本構成要素としている。そして、 DLC層への情報の記録は、複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域における DLC層の屈折率を高めることによって行なわれる。なお、任意の選択された記録スポット領域における DLC層は、エネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定されたいずれかの値まで高めることもできる。また、その DLC層の屈折率変化量としては最大で Δ η = 0. 5程度まで高めることができる。このような DLC 層の特徴を利用することによって、多値化光ディスクやホログラムメモリ、さらには積層導波路ホログラムメモリを実現することができ、簡便に高い情報密度で記録できかつ耐久性にも優れた光情報記録媒体を低コストで提供することができる。

[0249] しかし、紫外線などの照射によって DLC膜の屈折率を顕著に高めることができるが、前述のように、その屈折率の上昇に伴って可視光領域から紫外光領域において消衰係数も上昇する傾向にある。

[0250] この場合、例えば記録光としての紫外光を用いて DLC層の屈折率を高めようとする際に、それに伴って消衰係数も上昇するので、紫外光が層厚方向に深くまで通り難くなる。したがって、 DLC層が厚くなるほど深くまで均一に屈折率を高めることが困難になり、例えば情報の記録が不完全になったり、多値記録が困難になるという問題が生じ得る。

[0251] また、 DLC層の消衰係数が上昇すれば、光情報記録媒体にお!/、て参照光や再生光が吸収されて通りにくくなるので、再生される情報が不完全になったり、ノイズを多く含む傾向になるという問題も生じ得る。

[0252] そこで、本実施例 19では、 DLC膜に比べて優れた光学特性を有する Si— Ο含有水素化炭素膜を用いて、簡便に高い情報密度でより確実に記録できかつ耐久性にも優れさらに再生光の強度低下の少ない光情報記録媒体を低コストで提供する。

[0253] すなわち、 Si— O含有水素化炭素膜の記録層においては、エネルギビーム照射による屈折率の低下に伴って消衰係数も低下するので、より厚い膜でも厚さ方向における光学的改質の均一性を維持することができ、情報記録の確実性を高めることができる。また、 Si— O含有水素化炭素膜の記録層は、参照光や再生光に対する吸収が少な!/、ので、再生光の強度低下が少な!/、と!/、う点で非常に好まし!/、。

[0254] 前述のように、 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率変化のパターユングには、各種マスクの使用や干渉露光などのような公知の方法を適用することができる。

[0255] 図 9に類似した図 12の模式的な断面図は、本実施例 19による光情報記録媒体の作製と情報記録の方法を図解している。この例においては、プラズマ CVDによって、ガラス基板 101上に Si— O含有水素化炭素膜 102を例えば厚さ 1 μ mに堆積する。他方、ガラス基板 103上にはクロム膜が例えば蒸着によって堆積され、ステツパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン 104が作製され得る。この金属膜マスクパターン 104は、複数の記録スポット領域に対応した複数の微小開口を含んで!/、る。

[0256] 作製された金属膜マスクパターン 104は、 Si-O含有水素化炭素膜 102上に重ねられる。そして、例えば 250nmの波長と 20mW/mm²の照射パワー密度とを有する紫外線 105が、金属膜マスクパターン 104を介して Si— O含有水素化炭素膜 102へ約 30秒間照射される。その結果、 Si— O含有水素化炭素膜 102のうちで、紫外線 10 5が金属膜マスクパターン 104によって遮蔽された記録スポット領域は、その Si— O 含有水素化炭素膜が堆積された当初の屈折率である例えば n = 1. 68を維持して

0

いる。他方、 Si— O含有水素化炭素膜 102のうちで、紫外線 105が金属膜マスクバターン 104の開口を通して照射された記録スポット領域は、その屈折率が例えば n = 1

1

. 58程度まで下げられ得る。

[0257] これによつて、 Si— O含有水素化炭素膜 102において、 nまたは nの 2種類の屈折

0 1

率を有する記録スポット領域が形成され、 2値記録が行なわれたことになる。そして、再生光ビームをこの光情報記録媒体に照射すれば、その記録スポット領域にお!/、て反射または透過する光量が屈折率 nと nに依存して変化するので、その 2値記録の

0 1

情報を読み出すことができる。

[0258] <実施例 20〉

実施例 20おいては、 Si— O含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体において多値記録が行なわれる。本実施例 20では、まず図 12に図解された実施例 19の場合と同様に 2値記録が行なわれる。 [0259] その後、図 13の模式的な断面図に図解されているように、第 2の金属膜マスクバターン 104aが Si— O含有水素化炭素膜 102上に重ねられる。この第 2の金属膜マスクパターン 104aは、図 12において屈折率が nに下げられた記録スポット領域から選択

1

された記録スポット領域に対応する微小な開口を含んでいる。そして、この第 2の金属膜マスクパターン 104aを介して、再度 Si— O含有水素化炭素膜 102へ紫外線 10 5が照射される。

[0260] その結果、第 2の金属膜マスクパターン 104aの開口を通して紫外線 105が照射された記録スポット領域は屈折率が n力 nへさらに低下させられる。そして、これによ

1 2

つて 3値記録が行なわれることになる。以上からわ力、るように、さらなる金属膜マスクパターンを用いて紫外線照射を繰り返すことによって、さらに多値の記録が可能となる。

[0261] <実施例 21〉

図 14の模式的な断面図は、実施例 21による光情報記録媒体の作製と情報記録の方法を図解している。この実施例 21においても、ガラス基板 1上にプラズマ CVDによつて Si— O含有水素化炭素膜 102が堆積される。

[0262] しかし、この Si— O含有水素化炭素膜 102上にはクロム膜が堆積され、ステツパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン 104bが作製される。この場合、ステツパ露光とエッチングは複数段階に行なわれ、図 14の例では金属膜マスクパターン 104bは、複数の記録スポット領域に対応する複数の微小領域において厚さが 0をも含めて 3段階に変化させられている。そして、この金属膜マスクパターン 104bを介して、 Si— O含有水素化炭素膜 102へ紫外線 105が照射される。

[0263] 紫外線 105は、金属膜マスクパターン 104bの最も厚い領域は透過することができないが、薄い領域は部分的に透過することができる。例えば、波長 250nmの紫外線は、厚さ約 60nm以下のクロム膜を部分的に透過することができる。すなわち、金属膜マスクパターン 104bは、記録スポット領域に対応する微小領域ごとに段階的に変化させられた厚さに応じてエネルギビームを吸収するエネルギビーム吸収層として作用する。したがって、金属膜マスクパターン 104bを介して Si— O含有水素化炭素膜 102へ紫外線 105を照射することによって、 3段階に屈折率が変化させられた記録スポット領域が Si— O含有水素化炭素膜 102中に形成され、これによつて 3値記録が fiなわれることになる。

[0264] もちろん、紫外線に比べて透過能が高い X線、イオンビーム、または電子線を用いれば、金属膜がかなり厚くても部分的に透過することができ、多段階の厚さを含む金属膜マスクパターン 104bにも適用可能であって、多値記録を行なうことが容易となる。なお、この金属マスクとしては、エネルギビーム透過量の設計によっては、クロム以外に金、ニッケル、タングステンなどをも好ましく用いることができる。

[0265] <実施例 22〉

本発明の実施例 22による光情報記録媒体においては、図 16と図 17を参照して説明された場合と同様にして、 2次元デジタルデータが Si— O含有水素化炭素膜にホログラム記録される。すなわち、プラズマ CVDによってガラス基板上に堆積された厚さ 1 μ m程度の Si— Ο含有水素化炭素膜が、図 16におけるホログラム記録媒体 131 として用いられる。また、ガラス基板上に蒸着されたクロム膜力ステツパ露光とエッチングによって 2次元デジタルデータを表わす金属膜マスクパターンに加工され、この金属膜マスクパターンが図 16中の 2次元デジタルデータ 132として用いられる。

[0266] クロム膜の 2次元デジタルデータ 132を通過する物体光 133として例えば 250nm の波長と 10mW/mm²のエネルギ密度とを有する紫外線が用いられ、この物体光が Si— O含有水素化炭素膜のホログラム記録媒体 131へレンズ 134によって投射される。これと同時に、参照光 135としての紫外線も Si— O含有水素化炭素膜のホロダラム記録媒体 131へ照射され、それらの物体光 133と参照光 135との干渉によるホログラムが Si— O含有水素化炭素膜の記録媒体 131中の屈折率変化として記録される。

[0267] こうして記録されたデータを再生する場合には、図 17に示されているように、記録時に使用された参照光 135としての紫外線のみが Si— O含有水素化炭素膜のホロダラム記録媒体 131に照射される。そして、その記録媒体 131中のホログラムの回折による紫外線の再生光 136が投影レンズ 137によって再生パターン 138として CCDなどの 2次元撮像素子に投影される。

[0268] <実施例 23〉

実施例 23においては、積層導波路ホログラムメモリが作製される。この実施例 23では、図 12の場合に類似して、例えば 100 mの厚さを有するガラス基板 101上に、プラズマ CVDによって Si— O含有水素化炭素膜 102が、例えば厚さ lOOnmに堆積される。他方、ガラス基板 103上にはクロム膜が蒸着され、ステツパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン 104が作製される。この金属膜マスクパターン 104は 1ページ分のデータに対応し、図 18に示されているような周期的光散乱要素 (ホログラム） 119に対応する周期的で微小な複数の線分状開口を含んでいる。それらの微小線分状開口は、図 12においてはその紙面に直交する方向に延在してレ、ると考えればょレ、。

[0269] 作製された金属膜マスクパターン 104は、 Si-O含有水素化炭素膜 102上に重ねられる。そして、例えば 308nmの波長と 20mW/mm²のエネルギ密度とを有する紫外線 105が、金属膜マスクパターン 104を介して Si— O含有水素化炭素膜 102へ約 30分間照射される。その結果、 Si— O含有水素化炭素膜 102のうちで、紫外線 105 が金属膜マスクパターン 104によって遮蔽されたスペース領域は、その Si— O含有水素化炭素膜が堆積された当初の屈折率である例えば n = 1. 70を維持している。

0

他方、 Si— O含有水素化炭素膜 102のうちで、紫外線 105が金属膜マスクパターン 4の開口を通して照射された周期的な微小線分領域は、その屈折率が例えば n = 1

1

. 48程度まで下げられ得る。

[0270] こうして 1ページ分のデータに対応するホログラムが記録された Si— O含有水素化炭素膜 102とガラス基板 101との例えば 40ペアを積層し、その最上の Si— O含有水素化炭素膜 102の表面上に厚さ 100 mのガラス基板 101が積層される。こうして、約 4mmの厚さの積層導波路ホログラムメモリが作製され得る。本実施例 23において作製された積層導波路ホログラムメモリの読み出しは、図 18を参照して説明された方法と同様にして行ない得る。

[0271] <実施例 24〉

本発明の実施例 24は、 Si— O含有水素化炭素膜を利用した作製される偏光インテグレータに関する。このような偏光インテグレータは、例えば液晶プロジェクタにおいて利用され得る。

[0272] 図 22は、従来の液晶プロジェクタの一例を模式的なブロック図で図解している。この液晶プロジェクタは光源 201を含んでおり、その光源 201は光の利用効率を高めるためにドーム状またはパラボラ状の反射ミラー 202内に配置されている。光源 201 力、ら放射された光は、コリメータレンズ 203によって平行光にされて、第 1の全反射ミラー Mlによって第 1のダイクロイツクミラー DM1に向けられる。第 1ダイクロイツクミラ一 DM1は、青色光 Bのみを透過して他の色の光を反射する。第 1ダイクロイツクミラー DM1を透過した青色光 Bは、第 2の全反射ミラー M2と第 1の集光レンズ CL1を介して、第 1の液晶パネル LC1上に集光される。

[0273] 第 1ダイクロイツクミラー DM1によって反射された光は、第 2のダイクロイツクミラー D M2に向けられる。第 2ダイクロイツクミラー DM2は、緑色光 Gのみを反射して残りの赤色光 Rを透過させる。第 2ダイクロイツクミラー DM2によって反射された緑色光 Gは、第 2の集光レンズ CL2によって第 2の液晶パネル LC2上に集光される。第 2ダイク口イツクミラーを透過した赤色 Rは、第 3の全反射ミラー M3、第 4の全反射ミラー M4、および第 3の集光レンズ CL3を介して、第 3の液晶パネル LC3上に集光される。

[0274] 第 1液晶パネル LC1、第 2液晶パネル LC2、および第 3液晶パネル LC3に向けて集光された青色光 B、緑色光 G、および赤色光 Rは、それぞれに対応する液晶パネルを透過した後にプリズム 204によって統合される。そして、プリズム 204によって統合された 3原色光は、投射レンズ 205によってスクリーン（図示せず）上に投影される

〇

[0275] 周知のように、液晶パネルはマトリックス状に配置された多数の画素を含んでおり、画素ごとに電気信号を与えることによって光の透過と遮断を制御することができる。そして、光の透過と遮断を可能にするために、液晶層は 2枚の偏光板に挟まれている。すなわち、液晶パネルが受け入れる光は、所定の直線方向に平行に偏光された光だけである。しかし、液晶プロジェクタにおいて通常用いられる光源から放射される光は無偏光光ほたはランダム偏光光）である。したがって、光源から放射された光が液晶パネルを透過して投影光として利用され得る光の利用効率は、その光源光の 1/ 2以下である。そこで、液晶プロジェクタにおいて、無偏光の光源光に起因する低い光の利用効率を改善するために、近年では偏光インテグレータが利用されている。

[0276] 図 23は、偏光インテグレータの基本的原理を図解する模式的断面図である（非特許文献 5の西田信夫編、「大画面ディスプレイ」、共立出版、 2002年刊行を参照）。この偏光インテグレータにおいて、ドーム状反射ミラー 202に覆われた光源 201から放射された光は、コリメータレンズ（図示せず）によって平行光にされて、偏光分離プリズム 211に照射される。このプリズム 211は、 PBS (偏光ビームスプリッタ）膜 212を含んでいる。すなわち、 PBS膜 212は、光源光のうちで P偏光を透過して S偏光を反射するように作用する。そのような PBS膜は、誘電多層膜で形成することができる。

[0277] PBS膜 212を透過した P偏光は、 1/2波長板 213によって偏光方向が回転させられ、 S偏光に変換される。他方、 PBS膜 212によって反射された S偏光は、全反射ミラ一 214によって反射されて、 1/2波長板 213を通過した S偏光と平行にされる。そして、全反射ミラー 214で反射された S偏光と 1/2波長板 213を通過した後の S偏光とがレンズ（図示せず）で統合され、その統合された S偏光が液晶パネル上に照射され

[0278] なお、図 23の例では PBS膜 212を透過した P偏光に対して 1/2波長板 213が適用されているが、逆に PBS膜 212で反射された S偏光に対して 1/2波長板 213を適用してもよいこと力 S理解されよう。その場合には、光源光束が P偏光束と S偏光束に分離されて、その S偏光束が P偏光束に変換された後に、それら 2つの P偏光束が統合されて液晶パネル上に照射されることになる。

[0279] 図 23に示されているような偏光インテグレータは、偏光分離プリズム 211を含んでいる。そのようなプリズムは、液晶プロジェクタの小型化にとって好ましくない。また、プリズムをガラスで作製する場合には、その重量が比較的重くなるし、その加工が容易ではない。他方、プリズムを樹脂で作製することも行なわれている力 S、プロジェクタの高輝度化に伴って、樹脂の耐熱性が問題になるであろう。さらに、 PBS膜 212は誘電多層膜による数十層もの偏光分離コーティングが必要なことから、高コストになるという問題がある。

[0280] このような従来の偏光インテグレータにおける状況に鑑みて、特許文献 8の特開 20 05— 195919号公報は、軽量化と小型化が可能でかつ耐熱性に優れた偏光インテグレータを簡便にかつ低コストで提供するために DLC膜を利用することを教示してい [0281] しかし、紫外線などの照射によって DLC膜の屈折率を高めることができる力 S、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、 D LC膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折型光学素子や屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことは、その領域において光が透過しにくいことを意味し、光の利用効率や回折効率の観点からも好ましくなレ、。

[0282] そこで、本実施例 24では、 DLC膜に比べて優れた光学特性を有する Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子を含む偏光インテグレータを提供する。

[0283] すなわち、本実施例 24の偏光インテグレータに含まれる屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子に使用される Si— O含有水素化炭素膜では、 DLC膜に比べて、消衰係数が低減されて、膜厚方向における屈折率の均一性が改善され、そして改善された光の利用効率や回折効率が得られる。さらに、 Si— O含有水素化炭素膜では上述のようにエネルギビーム照射によって屈折率が低下する。そして、屈折率変調された DLC膜に比べて、屈折率変調された Si— O含有水素化炭素膜は低い平均屈折率を有することができる。

[0284] すなわち、 Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に近い平均屈折率を有している。したがって、高い平均屈折率を有する DLC膜による光学素子比べて、 Si— O 含有水素化炭素膜による光学素子は、一般的光学素子との界面において光反射を生じに《、それらの一般的光学素子との適合性の観点からも非常に好ましい。このことからも、光の利用効率の改善された偏光インテグレータを得ることができる。

[0285] 図 20は、本実施例 24による偏光インテグレータを模式的な断面図で図解している。この偏光インテグレータにおいて、光源 201はドーム状またはパラボラ状の反射ミラ一 202内に配置されている。光源 201から放射された光はコリメータレンズ（図せず）によって平行光にされ、偏光ビームスプリッタ 251に照射される。すなわち、偏光ビームスプリッタ 251は、光源光を P偏光と S偏光に分離する。第 1のマイクロレンズ 252は、 P偏光束を 1/2波長板 253上に集光するとともに、 S偏光束を 1/2波長板 253の配置されて!/、な!/、領域に集光する。

[0286] 1/2波長板 253は、 P偏光を S偏光に変換する。 1/2波長板 253を透過した後の S偏光束と 1/2波長板 253が配置されていない領域を通過した S偏光束とは、第 2 のマイクロレンズ 254とレンズ 255の作用によって統合されて、集光レンズ CLによつて液晶パネル LC上に照射される。もちろん、その液晶パネル LCに含まれる偏光板は、 S偏光を受け入れるように設定されている。

[0287] なお、図 20の例では P偏光に対して 1/2波長板 253が適用されている力逆に S 偏光に対して 1/2波長板 253を適用してもよいことが理解されよう。すなわち、その場合には、光源光束が偏光ビームスプリッタ 251によって P偏光束と S偏光束に分離されて、その S偏光束が 1/2波長板 253で P偏光束に変換された後に、それら 2つの P偏光束が統合されて液晶パネル LC上に照射されることになる。もちろん、その液晶パネル LCに含まれる偏光板は、 P偏光を受け入れるように設定される。

[0288] 以上のように、無偏光の光源光を偏光インテグレータによって S偏光または P偏光のいずれか一方に統合することによって、液晶プロジェクタにおける光源光の利用効率を改善することができる。

[0289] ここで、本実施例 24においては、偏光インテグレータに含まれる偏光ビームスプリツタ、第 1マイクロレンズ、 1/2波長板、および第 2マイクロレンズの少なくとも一つが Si O含有水素化炭素膜を利用して形成される。もちろん、 Si O含有水素化炭素膜は薄いものであり、軽くかつ優れた耐熱性を有している。したがって、偏光ビームスプリツタ、第 1マイクロレンズ、 1/2波長板、および第 2マイクロレンズの少なくとも一つ力 i O含有水素化炭素膜を利用して作製可能になれば、偏光インテグレータの小型化、軽量化、および低コスト化が可能になり、ひいては液晶プロジェクタの小型化、軽量化、および低コスト化が可能になる。

[0290] 本実施例 24による偏光インテグレータに含まれ得る屈折型レンズとしては、図 7に関連して詳述されたようなレンズを利用することができる。本実施例 24による偏光インテグレータは、回折型マイクロレンズを利用して作製することもできることは言うまでない。この回折型マイクロレンズとしては、図 8に関連して詳述されたようなレンズを利用すること力 Sでさる。 [0291] さらに、本実施例 24においては、図 20中の偏光ビームスプリッタ 251が、 Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製され得る。すなわち、この偏光ビームスプリッタ 251 は、 Si— O含有水素化炭素膜に形成された屈折率変調型回折格子を含んでいる。なお、回折格子によって偏光分離し得ることは、例えば非特許文献 6の

Applied Optics, Vol.41, 2002， pp.3558-3566において説明されている。

[0292] 図 21は、屈折率変調型回折格子を含む Si— O含有水素化炭素膜からなる偏光ビ一ムスプリッタ 251Aを模式的な断面図で表わしている。すなわち、この Si— O含有水素化炭素膜 251Aは、相対的に高屈折率の領域 251aと相対的に低屈折率の領域 251bとを含んでいる。高屈折率領域 251aはエネルギビーム照射されなかった領域であり、例えば 1. 65の屈折率を有している。他方、低屈折率領域 251bは例えば 620 (mA/min/mm²)のシンクロトロン条件で SR (シンクロトロン放射光）照射されて、その屈折率が例えば 1. 45に低められている。また、低屈折率領域 251bと高屈折率領域 251aとの界面は、 Si— O含有水素化炭素膜 251Aの表面に対して例えば 40度だけ傾斜させられて!/、る。

[0293] このような偏光ビームスプリッタ 251Aは、以下のように作製することができる。例えば、 Si— O含有水素化炭素膜上に、幅 0. 5 mの金ストライプが周期 1 mで繰り返し配列されたライン'アンド 'スペースのパターンを有する金マスクが形成される。その後、 Si— O含有水素化炭素膜の表面に対して 40度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交する方向に SR照射すればよい。

[0294] 図 21に示されているような Si— O含有水素化炭素膜の偏光ビームスプリッタ 251A に S偏光と P偏光を含む光が入射すれば、 S偏光は 0次回折光として透過し (TE波に相当）、 P偏光は 1次回折光として回折される (TM波に相当）。すなわち、 P偏光と S 偏光が、互いに分離されることになる。

[0295] さらに、本実施例 24においては、図 20中の 1/2波長板 253も、 Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製され得る。すなわち、図 21に示されている屈折率変調型回折格子に類似の回折格子を含む Si— O含有水素化炭素膜によって、 1/2波長板の作用を生じさせること力できる。そのような 1/2波長板 253は、以下のように作製すること力 Sできる。例えば、 Si— O含有水素化炭素膜上に、幅 0. 5 111の金ストライプが周期 1 μ mで繰り返し配列されたライン'アンド 'スペースのパターンを有する金マスクが形成される。その後、 Si— O含有水素化炭素膜の表面に対して垂直な方向に SR 照射すればよい。こうして得られる屈折率変調型回折格子を含む Si— O含有水素化炭素膜の 1/2波長板 253に対して、例えば P偏光を通過させれば、その直線偏光面が 90度回転されて S偏光に変換される。もちろん、そのような 1/2波長板によって、 S偏光を P偏光に変換することも可能である。

[0296] なお、図 22においては透過型の液晶プロジェクタが示されている力本実施例 24 による偏光インテグレータは反射型の液晶プロジェクタ（非特許文献 5参照）にもそのまま適用し得ることは言うまでもない。

[0297] <実施例 25〉

本発明の実施例 25は、光ビーム断面中の光強度分布の均一化さらにはそのビーム断面形状の整形をも行ない得る回折光学素子を含むプロジェクタ関する。

[0298] 近年、大型の画像表示装置として、 LCD (液晶表示装置)や PDP (プラズマ表示パネル)などが開発されている。しかし、表示装置のさらなる大型化の要請に鑑みて、プロジェクタ（投射型表示装置）が注目されている。なお、プロジェクタには、スクリーンの正面から映像を投影するもの以外に、スクリーンの背面から映像を投射するリアプ口ジェクション TVなどもある。

[0299] プロジェクタとしては、高精度で高輝度の CRT (陰極線管）に表示された画像を投射表示する投射型 CRT表示装置が従来から利用されている。近年では、光源からの光ビームを液晶パネルに照射して、その液晶パネルに表示された画像を投射表示する投射型液晶表示装置も開発されている。また、微小な鏡を毎秒数千回の速度で動かすことによって画像を描く DLP (Digital

Light Processing)プロジェクタも開発されている。これらの投射型液晶表示装置や D LPプロジェクタなどは、小型化や軽量化に適し、一般家庭にも容易に導入され得るという利点がある。

[0300] し力、し、プロジェクタにおいて一般に用いられる光源からの光ビームは、その断面において不均一な光強度分布を有している。例えば、ビーム断面の中央部において光強度が高くて、周縁部に向力、うにしたがってガウシアン分布状に強度が低下する傾向にある。そのような光ビームを用いて液晶パネル上の画像をスクリーン上に投射する場合、そのスクリーンの中央部に比べて周縁部において喑くなり、スクリーン全領域に均一な明るさを表示することができない。

[0301] また、光源からの光ビームは、一般に円形の断面形状を有している。しかし、プロジェクタからの画像を投影するスクリーンは、一般に矩形 (正方形または長方形）の形状を有していることが多い。したがって、光エネルギの効率的利用のために、開口（ァパチヤ一）などでビーム断面の周縁を部分的に遮蔽してその断面形状を整形するのではなくて、ビーム断面形状を例えば円形から矩形へ回折によって変換する機能を有する回折光学素子を用いることが望まれる。

[0302] そこで、例えば特許文献 9の特開平 8— 313845号公報は、光ビーム断面中の強度分布を均一化させかつその断面形状を変換し得る回折光学素子を開示している。このような回折光学素子は、回折型ビーム整形素子とも呼ばれる。

[0303] 図 26において、回折型ビーム整形素子の作用の一例が模式的斜視図で図解されている。図 26 (a)に示されたビーム整形素子 301に入射する光ビーム L1は、図 26 (b )に示されているように円形断面を有し、その断面内においてガウシアン強度分布を有して!/、る（図 26 (b)にお!/、て、走査線の高さが光強度に比例して示されて!/、る)。すなわち、ビーム L1は、その断面の中央部において最も高い強度を有し、周縁部に向力、うにしたがってなだらかに強度が低下している。ビーム整形素子 301を通過した光ビーム L2はレンズ 302によって所定の照射面 303上に照射される。このとき、照射面 303上に照射されたビーム L2は、図 26 (c)に示されているように、ビーム整形素子 301の回折作用によってビーム断面形状が正方形に変換されるとともに、その断面内における強度分布が均一化されている（図 26 (c)においても、走査線の高さが光強度に比例して示されて!/、る)。

[0304] 特許文献 10の特開 2005— 326666号公報は、従来のレリーフ型回折光学素子の不利な点に鑑みて、 DLC膜を利用して作製された屈折率変調型回折光学素子を含むプロジェクタを開示してレ、る。

[0305] しかし、紫外線などの照射によって DLC膜の屈折率を高めることができる力 S、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、 D LC膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域にお!/、て光が透過しにくいことを意味し、回折効率の観点からも好ましくない。そこで、本実施例 25では、 DLC膜に比べて優れた特性を有する Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された屈折率変調型回折光学素子を含むプロジェクタを提供する。

[0306] (屈折率変調パターン）

本発明者らは、 Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製されるビーム整形素子の回折効果のシミュレーションを行なった。このシミュレーションには、ドイツ国のライトトランス社から入手可能な計算ソフトである「バーチャルラボ」が利用された。この計算ソフトを利用すれば、フーリエ変換を利用する繰り返し計算によって、回折格子とその回折効果をシミュレーションすることができる。

[0307] 図 24は、バーチャルラボを用いて求められた屈折率変調型回折光学素子の屈折率分布を示す平面図である。この回折光学素子は厚さ 4. 4 111の Si— O含有水素化炭素膜で作製されていると仮定されており、その回折格子パターンは 4mm X 4m mの正方开乡領域を示している。シミュレーションにおいて、この 4mm X 4mmの正方形領域は、 800 X 800個の微小正方形領域 (以下ピクセルと称す）に分割されて計算された。すなわち、 1つのピクセルは 5 μ ΐη Χ δ μ mの正方形領域に設定された。

[0308] 図 24の回折格子パターンにおいて、黒い帯状領域は高屈折率領域を表し、白い帯状領域は低屈折率領域を表している。より具体的には、白い帯状領域は 1. 48の低い屈折率を有し、黒い帯状領域は 1. 65の高い屈折率を有している。すなわち、それらの領域の屈折率差は Δ η = 0· 17である。

[0309] このように設定された図 24の 2レベル回折光学素子を用いて、ビーム整形のシミュレーシヨンが行われた。そのシミュレーションにおいて、回折光学素子への入射光として、波長 630nmの赤色光ビームが用いられ、そのビームは円形断面においてガウシアン強度分布を有するものと仮定された。その結果、所定の照射面上において、 0. 5mm X O. 25mmの矩形の照射領域が形成され、その照射領域内で均一な光強度が得られた。この場合に、その照射領域内の光強度の均一性における変動は 5. 8 % 以下であり、回折効率は 37. 6%であった。

[0310] なお、前述のように、屈折率変調型回折光学素子における回折効率はその屈折率変調における屈折率差 Δ ηが大きいほど高められ得ることが知られており、 2レベルの回折光学素子では最大で 40%まで高められ得ることが理論的に予想されている。また、回折光学素子の屈折率変調レベル数を増大させることによって回折効率を高めることができ、例えば 8レベルの回折光学素子によって 95%の回折効率が理論的に予想されている。

[0311] 図 24に示されているようなビーム整形素子は、例えば前述のように適当なマスクを利用して Si— Ο含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射することによって作製すること力 Sでさる。

[0312] 以上にして得られる回折型ビーム整形素子は、例えば微小ミラーを高速駆動して投影する DLPプロジェクタや、投射型液晶表示装置のようなプロジェクタなどにお!/、て好ましく用いられ得る。

[0313] 図 25は本実施例 25による回折型ビーム整形素子を含むカラープロジェクタの一例を模式的なブロック図で示している。このプロジェクタにおいて、赤、緑、および青の光を放射するレーザ装置 31 la、 311b, 311cから射出された円形断面のそれぞれのビームは、本発明による回折型ビーム整形素子 312a、 312b, 312cによって矩形断面で均一な強度分布を有するビームに変換され、偏光ビームスプリッタ 313a、 31 3b、 313cを介して、矩形の表示面を有する反射型 LCDパネル 314a、 314b, 314c に照射される。それぞれの LCDパネルによって反射されたビームは、それぞれ偏光ビームスフ。!；ッタ 313a、 313b, 313cを通過した後に、カラー合成プリズム 315によつて合体させられて、投影レンズ 316によってスクリーン（図示せず）上に投影される。

[0314] すなわち、レーザ装置 311a、 311b, 31 lcから射出されたそれぞれのビームは、本実施例 25による回折型ビーム整形素子 312a、 312b, 312cによって、矩形断面で均一な強度分布を有するビームへ効率的に変換され、その変換された矩形断面のビームは矩形の LCDパネルの全領域を均一な光強度で照射することができる。そして、最終的に、光源からの光エネルギの利用効率を改善しつつ矩形のスクリーン上の全域に均一な明るさの表示をすることができ、すなわち高画質の映像を投影することができる。

[0315] なお、屈折率変調型回折光学素子において、その屈折率変調中の屈折率差 Δ η が大きいほど回折効率に対する光波長依存性が小さいことが、本発明者らによるシミユレーシヨンによって確認されている。すなわち、本実施例 25におけるように Si— Ο 含有水素化炭素膜を用いて屈折率変調型ビーム整形素子を作製すれば高い屈折率差 Δ ηを得ることができるので、赤色、緑色、および青色のように互いに波長の異なる光をビーム整形する必要のあるカラープロジェクタ用として好ましいビーム整形素子を提供すること力できる。より具体的には、本発明による好ましいビーム整形素子は、 0. 4〜0. 7 mの広い波長範囲の可視光に対してビーム整形作用を生じ得る。

[0316] ところで、図 25のプロジェクタにおいては光源としてレーザ装置が使用されている

1S その代わりに、発光ダイオードまたはランプを用いてもよいことは言うまでもない。そのようなランプとしては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ノ、ライドランプなどを好ましく用いること力できる。

[0317] <実施例 26〉

本発明の実施例 26は、分光機能とマイクロレンズ機能の少なくとも一方を有するホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置に関する。

[0318] 近年、種々のタイプのカラー液晶表示装置が実用化されている。それらのカラー液晶表示装置の一種として、カラー液晶プロジェクタがある。そして、多くのタイプのカラ一液晶プロジェクタが、 3枚の液晶パネルを含んでいる。すなわち、 3枚の液晶パネルの各々が赤色（R)の光映像、緑色（G)の光映像、および青色（B)の光映像の!/、ずれかを表示し、それら 3色の光映像が光学システムによって合成されてスクリーン上にフルカラー映像として投射される。

[0319] このような 3パネル型のカラー液晶プロジェクタは、高価な液晶パネルを 3枚必要とするとともに、 3色光の分離と合成のために多くの光学部品を必要とする。すなわち、 3パネル型のカラー液晶プロジェクタは、高価でありかつ小型化することが困難である

〇

[0320] 他方、単一パネル型のカラー液晶プロジェクタは、低コスト化と小型化が可能である。実用化された単一パネル型のカラー液晶プロジェクタの例として、日本ビクター（株 )のリアプロジェクシヨンテレビ（HV— D50LA1)がある。

[0321] 図 33は、日本ビクター（株）の HV—D50LA1が採用している単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を模式的断面図で示している。このカラー液晶プロジェクタは、ガラス基板 401の上面上に形成されたホログラム膜 402のホログラムカラーフィルタを含んでいる。ガラス基板 401の下面上には液晶層 403が設けられ、その液晶層 403の下面には反射型電極層 404が設けられている。反射型電極層 404は R、 G、および Bのそれぞれの光を反射するための反射型画素電極を含んでおり、一組の G、および Bの反射型電極が一つの画素を構成している。図 33において、複数の R電極が図面に直交する方向に整列されており、同様に複数の G電極および複数の B電極のそれぞれも図面に直交する方向に整列されている。なお、ガラス基板 401と液晶層 403との間には、 R、 G、および Bの電極に対向して透明電極（図示せず）が設けられて!/、る。

[0322] 図 33のカラー液晶プロジェクタにおいて、光源（図示せず）からの白色光 Wが所定の入射角でホログラム膜 402に照射される。ホログラム膜 402は、回折作用によって、白色光 Wを赤色 R、緑色 G、および青色 Bの光に波長分離 (分光）するとともに、それらの光を対応する R電極、 G電極、および B電極上に集光するマイクロレンズアレイとしての機能を併有している。そして、 R電極、 G電極、および B電極のそれぞれによつて反射された赤色 R、緑色 G、および青 Bの光は、ホログラム膜 402の回折条件からずれていてその膜を透過し、投射レンズ（図示せず）によってスクリーン上に投影され

[0323] 図 34は、分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを併有するホログラム（回折格子）の一例を示す模式的平面図である。この回折格子は、ガラス基板 411上に形成された格子パターンを含んで!/、る。その格子パターンは互いに平行な複数の帯状領域 4 12を含み、それらの帯状領域 412は例えば金属クロム（Cr)膜で形成することができる。もちろん Cr膜 412は非透光性であって、光は複数の帯状 Cr膜 412の間のみを透過する。

[0324] すなわち、複数の平行な帯状 Cr膜領域 412が回折格子として作用し、光は帯状 Cr 膜 412の長手方向に直交する方向に回折される。その際に、周知のように回折角には波長依存性があるので、 R、 G、および Bの光は互いに異なる回折角で回折されることになり、白色光 Wをカラー分離することできる。

[0325] さらに、図 34の回折格子において特徴的なことは、帯状 Cr膜領域 412の幅と間隔が周期的に変化させられていることである。これは、回折格子にマイクロレンズアレイ作用を生じさせるためである。すなわち、波長が同じである場合に、周知のように回折格子の間隔が小さくなるにしたがって回折角が大きくなるので、回折格子の間隔を徐々に変化させることによってレンズ作用を生じさせることができるのである。

[0326] なお、図 34の回折格子においては、前述のように光は帯状 Cr膜 412の長手方向に直交する方向のみに回折されるので、レンズ作用もその方向のみにおいて生じ、すなわち線状のフォーカスを有する柱状レンズのように作用する。ただし、望まれる場合には、周知のフレネルゾーンプレートに類似の回折格子を利用することによって、点状のフォーカスを有する円形状レンズまたは正方形状レンズの作用を生じさせ得ることは言うまでもない。

[0327] 図 34の回折格子は互いに平行な複数の柱状マイクロレンズを含んでいるかのように作用し、矢印 413で示された領域が一つの柱状マイクロレンズとして作用する。一つの柱状マイクロレンズ領域 413内では、右側に比べて左側にお!/、て帯状 Cr膜 412 の幅と間隔が減少させられている。すなわち、図 34の回折格子においては、帯状 Cr 膜 412の幅と間隔力 S、柱状マイクロレンズ領域 413ごとに周期的に変化させられてい

[0328] ところで、図 33のカラー液晶プロジェクタにおけるホログラム膜 402の代わりに図 34 のような回折格子をそのまま適用した場合、帯状 Cr膜 412は光を透過しないので、光源からの白色光 Wの利用効率が低くなる。また、図 34の回折格子においては、帯状 Cr膜領域 412のピッチが非常に小さい。例えば領域 413内の中央部において、そのピッチは約 0. 5 m以下である。したがって、図 34のような回折格子は電子ビーム描画を利用して作製しなければならず、工業的量産には適していない。

[0329] そこで、図 33のカラー液晶プロジェクタにおいては、マスタ回折格子を介して光がガラス基板上のフォトポリマ膜へ照射され、その光照射されたフォトポリマ膜を熱処理することによってホログラム膜 402が作製される。その際に、強度の高い光照射を受けた領域ほど屈折率 nが高まる。すなわち、フォトポリマからなるホログラム膜 402においては、屈折率 nが変調されており、屈折率変調型の回折格子として作用する。

[0330] 図 35は、特許文献 11の特開平 10— 96807号公報に開示されたカラー液晶表示装置を示す模式的断面図である。このカラー液晶表示装置は、周知の光透過型液晶パネル 440を含んでいる。液晶ノネノレ 440は、液晶表示層 441とブラック 'マトリツタス 442を含んでいる。液晶表示層 441は複数の画素を含み、各画素は一組の赤色表示領域 R、緑色表示領域 G、および青色表示領域 Bを含んでいる。各色表示領域の境界は、ブラック 'マトリックス 442によって覆われている。

[0331] 液晶パネル 440の背面側には、ホログラムカラーフィルタ 450が配置されている。このホログラムカラーフィルタ 450は、ホログラム板 451と複数のマイクロレンズ 452のァレイとを含んでいる。各マイクロレンズ 452は、液晶パネル 440中の画素の周期に対応する周期でアレイ状に配置されている。また、ホログラム板 451は、回折格子の作用をする平行で一様な溝を含む石英ガラス板で形成されている。

[0332] 図 35のカラー液晶表示装置においてバックライト 460をホログラムカラーフィルタ 45 0に入射させれば、その光は波長に依存して異なる角度で回折され、ホログラム板 45 1の射出側において赤色光 461、緑色光 462、および青色光 463に分光されて現れる。これらの分光された光は、ホログラム板 451に隣接して配置されたマイクロレンズ 4 52によって、その焦点面に波長毎に分離されて集光させられる。すなわち、赤色光 4 61は画素中の赤色表示領域 Rに、緑色光 462は緑色表示領域 Gに、そして青色光は青色表示領域 Bにそれぞれ回折集光するように、カラーフィルタ 450が構成配置される。これによつて、それぞれの色成分の光はブラック 'マトリックス 442でほとんど減衰されずに各液晶セルを通過し、その液晶セルの色表示を行なうことができる。

[0333] このようなカラー液晶表示装置においては、ホログラム板 451として、集光性を有しなくて回折効率の波長依存性が少ない透過型ホログラム板を用いるので、ホログラム板 451をマイクロレンズ 452の配列周期と位置合わせする必要がない。また、各色表示領域ごとに対応して 1個のマイクロレンズを配置する場合に比べて、画素ごとに対応して 1個のマイクロレンズ 452を配置するのでその配列周期力 ¾倍になり、マイクロレンズアレイが作りやすくかつ整列させやすくなる。 [0334] 図 36は、非特許文献 7の ITE Technical Report Vol.20, 1996， ρρ·69_72に開示されたホログラムカラーフィルタを模式的に図解する断面図である。このホログラムカラーフィルタは、赤色光、緑色光、および青色光における強度バランスを改善するために、 2つのホログラム膜 471、 472を含んでいる。

[0335] 一般に、ホログラム膜においては、そのホログラム膜によって最も回折されやすい光の波長が存在する。すなわち、ホログラム膜は特定波長の光に対して最も高い回折効率を有し、その特定波長からの波長差が大きくなるにしたがって回折効率が低下する傾向にある。特に、屈折率変調型のホログラム膜中の屈折率差 Δ ηが小さい場合に、このような回折効率の波長依存性が顕著になる傾向にある。例えば、フォトポリマのホログラム膜におけるように屈折率差が Δ η = 0. 08以下に小さい場合には、回折効率の波長依存性が小さなホログラム膜を得ることが困難である。

[0336] したがって、ホログラム膜によって白色光から赤色光、緑色光、および青色光を分光する場合、そのホログラム膜は、赤色光、緑色光、および青色光のうちで中間の波長域に相当する緑色光にぉレ、て最も高!/、回折効率が得られるように設計される。このように設計されたホログラム膜は緑色光に比べて赤色光と青色光に対して低い回折効率を有し、そのホログラム膜によって分光された赤色光と青色光は緑色光に比ベて低い強度を有することになる。したがって、それらの分光された赤色光、緑色光、および青色光を再合成して白色光を得ようとしても、その合成光は緑色がかった白色光になる #1向にある。

[0337] また、カラー液晶表示装置のバックライトとして利用されるメタルハライドランプや超高圧水銀ランプは、緑色光の波長範囲内に強い輝線を含んでいる。したがって、緑色光に対して最も高い回折効率が得られるように設計されたホログラム膜によってメタノレハライドランプや超高圧水銀ランプからの光を分光すれば、分光された赤色光、緑色光、および青色光の中で緑色光の強度がより顕著になる傾向にある。

[0338] 図 36のホログラムカラーフィルタは、このような波長に依存する回折効率の不均一性の問題を改善してカラー液晶表示装置の色バランスを改善するために、 2つのホログラム膜 471、 472を含んでいる。第 1のホログラム膜 471は或る特定波長えの光に対して η の回折効率を有し、第 2のホログラム膜 472はその波長 λの光に対して η の回折効率を有している。ここで、入射光の全てが回折される場合に回折効率 1とし、入射光の全てが回折されずに透過する場合に回折効率 0とする。

[0339] 特定波長 λを有する強度 1の入射光が第 1ホログラム膜 471を通過すれば、その透過光と回折光との強度比率は（1 7] ) : 7] となる。第 1ホログラム膜 471を通過した

1 1

透過光が第 2ホログラム膜 472を通過すれば、透過光（元の入射光の方向に平行）とその回折光（第 1ホログラム膜 471による回折方向に平行）との強度比率は（1— V )

1

(1 - 7] ) : 7] (1 - 7] )となる。第 1ホログラム膜 471を通過した回折光が第 2ホロダラム膜 472を通過すれば、その回折光（元の入射光の方向に平行）と透過光（第 1ホログラム膜 471による回折方向に平行）との強度比率は 7] V ： V (1— 7] )となる。し

1 2 1 2 たがって、 2枚のホログラム膜 471、 472を通過した回折方向の光の強度は、 ?! (1 - V ) + V { 1— V ) ⁼ V + V 2？] 7] となる。

1 1 2 1 2 1 2

[0340] 図 37は、図 36に示されているような 2枚のホログラム膜を含むホログラムカラーフィルタに関する計算機シミュレーション結果の一例を示している。すなわち、図 37のグラフにおいて、横軸は光の波長 (nm)を表し、縦軸はホログラム膜の回折効率を表わしている。

[0341] 曲線 aは、単一のホログラム膜からなるホログラムカラーフィルタの回折効率の一例を示している。この単一のホログラム膜 aは、赤色光と青色光との中間の波長に相当する緑色光において回折効率が最大になるように設計されている。したがって、白色光がホログラム膜 _aによって分光された後においては、緑色光に比べて赤色光と青色光の強度が低くなる傾向にある。

[0342] 他方、ホログラム膜 bは赤色光において回折効率が最大になるように設計されており、ホログラム膜 cは青色光において回折効率が最大になるように設計されている。そして、これらの 2枚のホログラム膜 b、 cを含むホログラムカラーフィルタは、曲線 dで示されているような合成回折効率を有することになる。すなわち、ホログラムカラーフィルタ dは緑色光に比べて赤色光と青色光において高い回折効率を有しており、回折効率の 2つのピークを有することから 2ピークホログラムカラーフィルタと称されることもあ

[0343] 図 38は、特許文献 12の特開 2000— 235179号公報に開示されたカラー液晶プロジェクタを示す模式的断面図である。このカラー液晶表示装置は、白色光源 481、 3 枚のダイクロイツクミラー 482、ガラス基板 483、フォトポリマからなるホログラムレンズ層 484、薄板ガラス層 485、透明電極 486、液晶層 487、画素電極 488、アクティブマトリックス駆動回路 489、および投射レンズ 490を含んでいる。

[0344] 図 38のカラー液晶プロジェクタにおいては、白色光源 481から放射された白色光力 ¾枚のダイクロイツクミラー 482によって R、 G、および Bの三原色光に分光される。分光された R光、 G光、および B光は、それぞれが最も高い回折効率で集光されるように、互いに異なる入射角でホログラムレンズ層 484へ投射される。

[0345] 前述のように、フォトポリマからなるホログラム膜において、光照射によって高めることができる屈折率変化 Δ ηは、前述のように約 0. 08程度までである。周知のように、屈折率変調型回折格子では、その屈折率変調における屈折率差 Δ ηが大きいほど回折効率（光の利用効率）を高めることができる。また、屈折率差 Δ ηが大きいほど、回折効率の波長依存性を小さくすることができる。ここで、約 0. 08程度の屈折率差 Δ ηは十分とはいえず、フォトポリマのホログラム膜の回折効率を高めることは困難である。

[0346] また、近年ではカラー液晶プロジェクタの高輝度化が求められており、それに伴つてプロジェクタに含まれる光学部品には 80〜； 100°C程度以上の耐熱性が求められる。しかし、フォトポリマの耐熱性は十分とはいえず、室温と 100°C程度の温度との間における繰り返し熱履歴が与えられれば、フォトポリマのホログラム膜自体が劣化したりガラス基板から剥離したりする恐れがある。

[0347] さらに、特許文献 11に開示されているように複数の微細な溝を有するシリカガラスのホログラム板は、 1枚ごとに電子リソグラフィとエッチングを行なって作製しなければならず、工業的大量生産に適していない。

[0348] このような状況に鑑みて、特許文献 13の国際公開第 2005/088364号パンフレツトは、光の利用効率と耐熱性が改善されたホログラムカラーフィルタを含みかつ高輝度で色バランスも改善されたカラー液晶表示装置を提供するために、 DLC膜を利用したホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置を開示している。

[0349] しかし、前述のように、 DLC膜にエネルギビーム照射して屈折率を高めれば、それに伴って消衰係数も増大する。 DLC膜に例えば紫外光を照射して屈折率を高める場合に、屈折率の増大とともに消衰係数が増大すれば、膜厚方向において均一に屈折率を高めることが困難となる。そして、そのような膜厚方向に不均一な屈折率分布を有するホログラム膜では、回折効率が低下するなどの好ましくな!/、影響を生じる。また、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域において光が透過しにくいことを意味し、このことも回折効率の観点から好ましくない。

[0350] そこで、本実施例 26では、 DLC膜に比べて優れた特性を有する Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製されたホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置を提供する。

[0351] 図 12に類似した図 27は、本実施例 26における Si— O含有水素化炭素膜を利用したホログラム膜の作製方法の一例を示している。そのような Si— O含有水素化炭素膜のホログラム膜は、図 33のカラー液晶プロジェクタにおけるフォトポリマのホログラム膜 402、図 35におけるカラー液晶表示装置におけるシリカガラスのホログラム板 451 、図 36におけるフォトポリマのホログラム膜 471、 472、および図 38のカラー液晶プロジェクタにおけるフォトポリマのホログラム膜 484のいずれかの代わりに好ましく使用し得るものである。

[0352] 図 27のホログラム膜の作製方法においては、図 12の場合と同様に、例えばシリカ（ SiO )ガラス基板 421上にプラズマ CVDによって Si— O含有水素化炭素膜 422が形成される。そして、シリカガラス基板 423a上に形成されたマスク 424aがその Si— O含有水素化炭素膜 422上に重ねられる。マスク 24aは種々の材料で形成され得るが、金 (Au)膜がより好ましく用いられ得る。なぜならば、金は高精度に加工しやすぐェネルギビームの遮蔽性にも優れ、酸化や腐食による問題を生じることもないからである。この金マスク 424aは、例えば以下のようにして作製され得る。

[0353] まず、周知のスパッタリング法または EB (電子ビーム）蒸着法によって、ガラス基板上に厚さ約 0. 5 mの金膜が堆積され、その上にレジスト層が塗布される。このレジスト層は、ステツパ露光を利用してパターン化される。そのレジストパターンを介してドライエッチングすることによって、金膜がパターン化される。そして、レジストパターンを除去することによって、金マスクパターンが得られる。 [0354] これに代わり得る他の方法においては、まずスパッタリング法または EB蒸着法によつて、ガラス基板上に約 50nm以下の厚さの Ni導電層が堆積され、その上にレジストパターンが形成される。このレジストパターンを介して Ni層上に厚さ約 0. 5 111の金膜を電気めつきによって堆積してレジストを除去することによって、金マスクが形成され得る。

[0355] 以上のいずれの方法で形成される金マスクも、ホログラム作用のための回折格子パターンに対応したパターンを有している。なお、図 27においては、図面の簡略化と明瞭化のために、帯状金膜 424aの幅と間隔は一定にして示されている。

[0356] 図 27に示されているように、金膜のマスク 424aが Si— O含有水素化炭素膜 422上に重ねられた状態で、上方から UV光 425aがその Si— O含有水素化炭素膜 422に照射される。その結果、 Si— O含有水素化炭素膜 422中で、金マスク 424aによって覆われて UV光 425aの照射を受けなかった領域は屈折率の変化を生じなくて、ブラズマ CVDによって堆積されたままの屈折率 nを維持している。他方、 Si— O含有水

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素化炭素膜 422中で、金マスク 424aによって覆われていなくて UV光 425aの照射を受けた領域は屈折率変化を生じて、その屈折率が nへ低下させられる。 UV光照射後には、シリカガラス基板 423aと金マスク 424aをホログラム膜 422から取り外す。こうして得られたホログラム膜 422は、 nと nとの 2値の屈折率を含んでおり、 2レベルの

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屈折率変調型回折格子として作用する。

[0357] ここで、図 27のホログラム膜 422と図 34の回折格子とを比較すれば、図 34の回折格子においては Cr膜 412によって遮蔽された光は回折光として利用することができなくて光の利用効率が低くなるのに対して、図 27のホログラム膜 422においては高屈折率 nと低屈折率 nのいずれの領域を通過する光も回折光として利用することがで

1 2

きて光の利用効率が高くなる。

[0358] 他方、図 33、図 36、および図 38におけるフォトポリマのホログラム膜 42、 471、 472 、 484は、図 27の Si— O含有水素化炭素膜のホログラム膜 422に類似して、低屈折率領域と高屈折率領域とを含む屈折率変調型回折格子として作用する。したがって、フォトポリマのホログラム膜においても、低屈折率と高屈折率のいずれの領域を通過する光も回折光として利用することができる。しかし、前述のようにフォトポリマ膜の光照射によって実現し得る屈折率差 Δ ηはせいぜい 0. 08程度であるのに対して、 Si O含有水素化炭素膜の UV光照射によって実現し得る屈折率差 Δ ηは 0. 2程度に達し得る。したがって、図 27の Si Ο含有水素化炭素膜のホログラム膜 422においては、フォトポリマのホログラム膜に比べて遥かに高い回折効率を実現することができ、光の利用効率を高めることができる。また、屈折率差 Δ ηを大きくし得る Si O含有水素化炭素膜のホログラム膜にお!/、ては、回折効率の波長依存性を小さくすることができる。

[0359] 図 28では、本実施例 26において Si O含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製する他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この図 28においては、図 27と同様な方法で形成された nと nとの 2レベルの屈折率変調を含むホログラム

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膜 422上に、シリカガラス基板 423a上の第 2の金マスク 424bがさらに重ねられる。そして、その状態において再度の UV光照射 425bが行われる。

[0360] このとき、第 2の金マスク 424bは、図 27の過程で形成されたホログラム膜中の低屈折率 nの領域内の選択された領域のみに UV光を照射するための開口を有している。したがって、 UV光 425bの照射後においては、 Si O含有水素化炭素膜 422の比較的低い屈折率 nの領域内の選択された領域の屈折率がさらに低い nに低下させ

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られる。すなわち、図 28において作製されたホログラム膜 422は、 n、 n、および nの

1 2 3

3レベルの屈折率変調を含む回折格子として作用する。

[0361] このように、部分的に修正されたパターンを有するマスクを順次用いながら Si O 含有水素化炭素膜に UV光照射を繰り返して行なうことによって、所望の多レベルの屈折率変調を含むホログラム膜を得ることができる。そして、周知のように 2レベルの屈折率変調型回折格子に比べて多レベルの屈折率変調型回折格子は高い回折効率を生じ得るので、光の利用効率がさらに改善され得る。

[0362] 図 29では、本実施例 26において Si O含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この作製方法においては、シリカガラス基板（図示せず）上の Si O含有水素化炭素膜 422上に金マスク 434が形成される。この金マスク 424aも電子ビーム描画で形成することができ、所定のホログラム（回折格子）パターンを有している。なお、図 29においても、図面の簡略化と明瞭化のために、帯状金膜 434の幅と間隔は一定にして示されている。

[0363] ここで、帯状金膜 434に特徴的なことは、その上面が半円柱状面に形成されていることである。このような半円柱状面は、例えばエッチングまたはナノインプリント（型転写）にて形成することができる。

[0364] そのように形成された金マスク 434を介して、例えば Heのイオン 435が Si O含有水素化炭素膜 422に照射される。このとき、各帯状金膜 434が半円柱状の上面を有して!/、るので、各帯状金膜 434の側面近傍では一部の Heイオンがそのマスクを透過することができ、その透過 Heイオンが Si O含有水素化炭素膜 422内に侵入し得る。その結果、図 29の Si O含有水素化炭素膜 422中においては、高屈折率領域 42 2aと低屈折率領域 422bとの界面近傍において、屈折率が連続的に変化することになる。なお、イオンビーム照射によって Si O含有水素化炭素膜の屈折率を変調した後に、金用のシアン系エッチング液に室温で数分程度浸漬することによって、金マスク 434が溶解除去され得る。

[0365] 前述のように、多レベルの屈折率変調型回折格子においては、そのレベル数を高めるほど回折効率が改善される。そして、屈折率が連続的に変化させられている屈折率変調型回折格子は、屈折率変調レベルを無限大にしたことに相当している。すなわち、図 29において得られるホログラム膜は、図 28の場合に比べて、さらに改善された回折効率を有し、光の利用効率をさらに改善することができる。

[0366] 図 30では、本実施例 26において Si O含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この作製方法においては、例えば厚さ 100 mのスぺーサ 426を介して、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子） 424cが Si O含有水素化炭素膜 422に対して近接配置される。この状態で、例えば KrFレーザ光（波長 248nm) 425cを 16mW/mm²のェネルギ密度で 1時間照射することによって、ホログラム膜を作製することができる。このとき、位相格子マスク 424cからの + 1次回折光と 1次回折光との干渉光に露光される領域 422bの屈折率が低下させられる。他方、その干渉光よつて露光されない領域 4 22aの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。

[0367] この場合、 + 1次回折光と 1次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク 4 24cの凹凸周期の 1/2の周期で現れる。したがって、 Si O含有水素化炭素膜中の所望の低屈折率領域 422bの周期に比べて 2倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク 424cを用いることができる。また、低屈折率領域 422bの幅の中央おけるほど、干渉光の強度が高くなる。したがって、図 29の場合に類似して、図 30の Si O含有水素化炭素膜 422においても、高屈折率領域 422aと低屈折率領域 422 bとの界面近傍において屈折率が連続的に変化し、高い回折効率を得ることができる。なお、望まれる場合には、レリーフ型位相格子マスク 424cの代わりに、クロム膜、酸化クロム膜、アルミ膜などをパターユングして得られる振幅型位相格子マスクを用いることあでさる。

[0368] また、図 27から図 30におけるホログラム膜の作製方法では高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されている力望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよいことは言うまでもない。そのためには、例えば図 27から図 29の作製方法に関しては、エネルギビームを Si— O含有水素化炭素膜面に対して斜め方向に入射させればよい。また、図 30の作製方法に関しても、紫外光 425cを Si O含有水素化炭素膜面に対して斜め方向に入射させて、 0次回折光と + 1次回折光または 1次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、 0次回折光と + 1次回折光または 1次回折光との干渉光は、位相格子マスク 424cの凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、 Si O含有水素化炭素膜中の所望の低屈折率領域 422bの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク 424cを用いなければならない。

[0369] 図 31の模式的な断面図は、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に対して傾斜していることが好ましい場合の一例を示している。すなわち、ガラス基板 421上のホログラム膜 422においては、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域 422cが膜厚方向に対して傾斜させられている。この場合、例えば入射光 L1は Si O含有水素化炭素膜 422内に入射するときに屈折して光 L2になり、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域 422cで所定のブラッグ反射角 Θにおいて高い効率で回折された光 L3となる。この回折光 L3は、境界領域 422cが Si— O含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜させられているので、 Si O含有水素化炭素膜に対して直交する方向に放射させることが可能である。すなわち、回折光 L 3は、例えば液晶パネルの表面に対して直行するように効率よく入射させられ得る。

[0370] 図 32の模式的断面図は、図 38に類似しているが、本実施例 26によるカラー液晶プロジェクタの一例を示している。図 38の場合に比べて、図 32のカラー液晶プロジェクタでは、フォトポリマ膜によるホログラム膜 484が Si— O含有水素化炭素膜によるホログラム膜 484aに変更されるとともに、白色光源 481とダイクロイツクミラー 482が青色発光素子 491B、緑色発光素子 491G、および赤色発光素子 491Rに変更されて V、ることのみにお!/、て異なって!/、る。それらの 3原色光の各々を発光する素子として、発光ダイオード (LED)または半導体レーザ (LD)を好ましく用いることができる。この場合、各色は、それぞれの波長に応じた回折角で分光される。

[0371] 半導体発光素子は、白色光からダイクロイツクミラーによって分光された 3原色光に比べて、純度の高い 3原色光を放射することができる。そして、それらの 3原色光の波長において最も高い回折効率が得られる個別の角度でホログラム膜 484aへ各色光を入射させるように、それらの半導体発光素子を配置することが可能である。したがつて、図 32のカラー液晶プロジェクタでは、高い色純度で演色性の優れた明るいフルカラー投射映像を得ることが可能になる。

[0372] なお、以上の説明において図 32、図 33、および図 38において反射型カラー液晶プロジェクタが例示された力 S、本実施例 26における Si— O含有水素化炭素膜のホログラム膜は透過型カラー液晶プロジェクタにも適用し得ることは言うまでもない。例えば、図 33の反射型カラー液晶プロジェクタと透過型カラー液晶プロジェクタとの間の部分的相違を説明すれば、まず、反射型電極層 404を透明電極層で置き換えることによって透過型に変更され得ることが理解されよう。その場合にはホログラム膜を介して投影光を取り出す必要がないので、光源からの光はそのホログラム膜の真後ろから照射することもできる。その場合には、図 34に示された回折格子パターン中の一つのマイクロレンズ領域 413に対応するホログラム膜中の屈折率変調領域内において、中央部に比べて両側部における高ほたは低）屈折率領域の幅と間隔を小さくすればよい。また、本発明における Si— O含有水素化炭素膜のホログラム膜は、プロジェクタ型でなくて図 35に示されているような通常のカラー液晶表示装置にも好ましく適用し得ることも言うまでもない。さらに、本発明を適用し得るカラー液晶プロジェクタまたはカラー液晶表示装置用の光源としては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、半導体レーザ、 Arレーザ、 He-Ne レーザ、および YAG (イットリウム ·アルミ二ユウム'ガーネット）レーザなどを好ましく用いること力 Sでさる。

[0373] <実施例 27〉

本発明の実施例 27は、光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくとも一方のための光ピックアップ装置に関する。 CDや DVDのような光情報記録媒体上の情報の記録および/または再生に使用される光ピックアップ装置においては、光源からの光ビームを光情報記録媒体の記録面に集光させ、この情報記録面で反射された光を受光部に集光させる。そのために、光ピックアップ装置では、発光素子、偏光ビ一ムスプリッタ、 1/4波長板、対物レンズ、集束レンズ、受光素子などの種々の光学素子が用いられている（例えば、特許文献 14の特開 2003— 66324号公報参照）。

[0374] 特許文献 14に開示された光ピックアップ装置では、偏光ビームスプリッタ、 1/4波長板、対物レンズ、集束レンズなどの光学素子として、レリーフ型 (膜厚変調型）の回折格子が用いられている。その対物レンズとして、図 41の模式的断面図に示すようなレリーフ型回折レンズが用いられている。

[0375] 図 41のレリーフ型回折レンズは、ピッチ pで高さ dのノコ歯状のレリーフを含んでいる。すなわち、このレンズでは同心円状に規則的にレンズ膜厚が変調されており、入射光 520を (例えば 1次回折光 521や 2次回折光 522などに）回折して凸レンズのように集光させるものである。したがって、レリーフ型回折レンズは作製プロセスが難しぐまたそのレンズ上に他の部材を積層できないなどの問題がある。

[0376] また、従来の偏光ビームスプリッタは、 2つのマイクロプリズムで構成されていて厚さ力 ¾mm以上であり、それ以上の小型化が困難である。さらに、従来の 1/4波長板には、厚さが 0. 5mm以上の水晶板が用いられており、それ以上の小型化が困難である。すなわち、光ピックアップ装置を構成する従来の光学素子の小型化および/または集積化には制限があり、光ピックアップ装置の小型化が困難である。

[0377] そのような従来の光ピックアップ装置における問題に鑑みて、特許文献 15の特開 2 006— 53992号公報は、 DLC膜を利用した屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子を含む光ピックアップ装置を開示している。

[0378] しかし、前述のように、紫外線などの照射によって DLC膜の屈折率を高めることができる力その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、 DLC膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域にお!/、て光が透過しにくいことを意味し、回折効率の観点からも好ましくない。そこで、本実施例 27では、 DLC膜に比べて優れた特性を有する Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された種々の光学素子を含む光ピックアップ装置を提供す

[0379] (光ピックアップ装置）

図 39は、本実施例 27による光ピックアップ装置の一例を模式的なブロック図で示している。この光ピックアップ装置においては、光源 511からのビーム光が偏光ビームスプリッタ 513を通過して第 1の直線偏光となり、その後に 1/4波長板 514によって円偏光にされ、そして対物レンズ 515によって光情報記録媒体 516の記録面 516a 上に集光される。情報記録面 516aで反射された戻り光は、対物レンズ 515および 1 /4波長板 514を通過することによって、第 1の直線偏光の偏光方向に対して 90度回転した第 2の直線偏光となる。そして、偏光ビームスプリッタ 513により反射された第 2の直線偏光は、集束レンズ 517によって受光素子 518上に集光される。

[0380] ここで、図 39の光ピックアップ装置に含まれる光学素子の少なくとも一つは、相対的に低屈折率の局所的領域と相対的に高屈折率の局所的領域とを含む Si— O含有水素化炭素膜を利用して形成され得る。

[0381] 本実施例 27に係る光ピックアップ装置においては、図 39に示されているように、光を平行光線化するためのコリメータレンズ 519を光学素子として加えることができる。コリメータレンズ 519は、その配置位置には特に制限がなぐ図 39においては 1/4 波長板 514と対物レンズ 515との間に配置されている力例えば光源 511と偏光ビームスプリッタ 513との間に配置されてもよい。

[0382] 本発明に係る光ピックアップ装置において、まず、偏光ビームスプリッタ 513と 1/4 波長板 514の少なくともいずれ力、を Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製することができる。すなわち、偏光ズームスプリッタと 1/4波長板の少なくとも一つは、 Si— O含有水素化炭素膜に形成された屈折率変調型の回折格子を含むことができる。

[0383] (偏光ビームスプリッタ）

偏光ビームスプリッタとしては、図 21に関連して詳述されたような屈折率変調型回折格子を含む Si— O含有水素化炭素膜を利用することができる。

[0384] (1/4波長板）

屈折率変調型回折格子を含む 1/4波長板は、偏光ビームスプリッタと同様の構造を有し得る。例えば、光ビームの P偏光を 1/4波長板 (このとき、低高屈折率領域のライン ·アンド 'スペースの方向力偏光の偏光方向に対して 45度回転して!/、るように、 1/4波長板を配置する）に入射させると、この 1/4波長板を通過した光は進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光となる。

[0385] 図 39の光ピックアップ装置において、偏光ビームスプリッタ 513と 1/4波長板 514 とを組み合わせた複合体は、以下のように作用する。すなわち、光源 511からの光ビームは、偏光ビームスプリッタ 513により第 1の直線偏光（S偏光）のみが透過して、 1 /4波長板 514により光の進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光となり、コリメータレンズ 519および対物レンズ 515を経て光情報記録媒体 516の記録面 51 6a上に集光される。次いで、情報記録面 516aで反射された戻り光（反射により円偏光の回転方向が反転している）は、対物レンズ 515およびコリメータレンズ 519を経て、 1/4波長板 514に対して逆方向に入射することにより、第 1の直線偏光の偏光方向に対して 90度回転した第 2の直線偏光（P偏光）となる。したがって、その第 2の直線偏光が、偏光ビームスップリッタ 513により回折されて、集束レンズ 517を経て受光素子 518に集光され得る。

[0386] ここで、図 40の模式的斜視図に示されているように、偏光ビームスプリッタと 1/4波長板との複合体は、例えば SiOで形成された基板 501の第 1主面上に偏光ビームスプリッタとして機能する第 1の Si— O含有水素化炭素膜 561を形成し、基板 501の第 2主面上に 1/4波長板として機能する第 2の Si— O含有水素化炭素膜 562を形成することによって得ること力 Sできる。 [0387] 本発明に係る光ピックアップ装置において、 Si O含有水素化炭素膜を含む光学素子は、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメータレンズの少なくとも一つとすることもできる。ここで、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメータレンズの少なくとも一つは、 Si O含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズおよび屈折率変調型回折レンズの!/、ずれかを含み得る。

[0388] (屈折型レンズ）

Si O含有水素化炭素膜を利用した屈折型レンズは、例えば前述の図 7を参照して詳述されたようにして作製すること力 Sでさる。

[0389] (屈折率変調型回折レンズ）

Si O含有水素化炭素膜を利用した屈折率変調型レンズは、例えば前述の図 8や図 9を参照して詳述されたようにして作製することができる。このような回折型レンズは通常の屈折型レンズに比べて薄く作製することが可能であり、 1〜2 111程度の厚さの Si O含有水素化炭素膜中に回折型レンズを作製することができる。したがって、この回折型レンズを、光ピックアップ装置の対物レンズ、集束レンズおよびコリメータレンズの少なくとも一つに用いることによって、光ピックアップ装置が小型化され得る。

[0390] <実施例 28〉

本発明の実施例 28は、光ビーム走査装置とこれを含む光学製品に関する。従来から、光ビーム走査装置は、レーザプリンタ、バーコードリーダまたはスキャナ等の光学製品に広く利用されている。し力、しながら、このような光ビーム走査装置を含む光学製品については、近年、製造コストの低減ゃ更なる小型化の要望が大きくなつてきている。

[0391] 例えば、従来のレーザビーム走査装置においては、半導体レーザから出射されたレーザビームについてピンホールアパーチャを用いて最大径の規制が行なわれるとともに、半導体レーザから出射されたレーザビームをコリメータレンズで受け、垂直振動方向と水平振動方向の各々のビームウェスト位置を所望の位置にするために複数のシリンドリカルレンズやプリズムを配置する必要があった（特許文献 16の特開平 6 27398号公報の段落 [0004]参照）。

[0392] しかしながら、この従来のレーザビーム走査装置においては、半導体レーザの出射端にコリメータレンズの他に複数のシリンドリカルレンズやプリズムを設けた場合には部品数が多くなることなどによって、レーザビーム走査装置の製造コストが増加し、さらに小型化も困難であるいう問題があった。

[0393] このような問題を解決することを目的として、特許文献 16には、半導体レーザから出射されたレーザビームが収束レンズとピンホールアパーチャとによって整形され（特許文献 16の段落 [0009]参照）、整形後のレーザビームがポリゴンミラー等を含むビーム走査手段に入射した後に照射対象物であるバーコードに照射するレーザビーム走査装置が開示されている（特許文献 16の段落 [0018]〜[0026]、図 2参照）。

[0394] しかしながら、このレーザビーム走査装置においては、レーザビームの整形のために収束レンズとピンホールアパーチャとが用いられており、さらに収束レンズには収束レンズの傾き角度を変化させるための傾き角度制御手段が設けられている（特許文献 16の段落 [0008]、図 1参照）。

[0395] したがって、このレーザビーム走査装置においても部品数によるレーザビーム走査装置の製造コストの低減が十分ではないという問題があった。また、このレーザビーム走査装置においては、上記の部品を組み合わせる必要があるため小型化も困難であるという問題があった。

[0396] そこで、収束レンズとピンホールアパーチャによってレーザビームを整形するのではなくて、レーザビームを回折によって整形するために回折光学素子を用いることが望まれている。そのような回折型ビーム整形素子の作用の一例として、前述の図 26とそれに関連する説明を参照することができる。

[0397] また、例えば特許文献 17の特開 2006— 30840号公報では、光ビームを出射する光源と、光ビームを整形する回折光学素子と、光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含む光ビーム走査装置において、その光ビームを整形する回折光学素子として、 DLC膜を利用して作製された屈折率変調型回折光学素子を用いることが開示されている。

[0398] しかし、特許文献 17に開示された光ビーム走査装置においては、 DLC膜にェネルギビームを照射して DLC膜の屈折率を局所的に上昇させる必要があるので、 DLC 膜の平均屈折率が大きくなつて、 DLC膜とそれに隣接する他の媒質との界面における光反射が多く発生し、光源からの光エネルギのロスが生じる傾向にある。

[0399] そこで、本実施例 28においては、光源からの光エネルギのロスを抑制することができる光ビーム走査装置およびこれを含む光学製品を提供する。

[0400] (屈折率変調パターン）

本実施例 28による光ビーム走査装置おいては、ビーム整形のための回折光学素子が Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製され、その屈折率変調パターンは図 2 4に関連して詳述されたようなシミュレーションによって求めることができる。

[0401] (光ビーム走査装置）

図 42の模式的なブロック図において、本実施例 28による光ビーム走査装置による光ビーム照射が図解されている。この光ビーム走査装置では、光源 602から出射された光ビームの整形手段として、透光性基板 631とこの上に形成された Si— O含有水素化炭素膜 632とからなる回折光学素子 603を含んでいる。

[0402] すなわち、この光ビーム走査装置では、光源 602から出射された光ビームを整形する回折光学素子 603において DLC膜の代わりに Si— O含有水素化炭素膜 632を用いているので、上述の理由によって、 DLC膜を用いた先行技術による光ビーム走査装置と比べて光源 602から出射された光ビームの光エネルギのロスを抑制することができる。

[0403] 図 42の光ビーム走査装置においては、光源 602から出射された光ビームが回折光学素子 603によって整形させられる。そして、回折光学素子 603によって整形させられた光ビームは、一定速度で回転運動をしているポリゴンミラー 604に入射し、そのポリゴンミラー 604によって進行方向を変化させられる。この進行方向を変化させられた光ビームが、照射対象物 605に照射される。ここで、光源 602としては、例えば半導体レーザなどのレーザ装置、発光ダイオードまたは超高圧水銀ランプ、キセノンランプ若しくはハライドランプなどのランプが用いられる。

[0404] なお、図 42において、屈折率変調型の回折光学素子 603をポリゴンミラー 604の後に配置することもできる。この場合には、光源 602から出射された光ビームがポリゴンミラー 604によってその進行方向を変化させられた後に回折光学素子 603に入射する。そして、この回折光学素子 603によって整形させられた光ビームが照射対象物 605に照射される。

[0405] (レーザプリンタ）

図 43の模式的ブロック図は、図 42の光ビーム走査装置を用いたレーザプリンタの一例を示している。このレーザプリンタにおいても、例えば半導体レーザからなる光源 602から出射されたレーザビームは、透光性基板 631とこの上の Si— O含有水素化炭素膜 632とからなる屈折率変調型回折光学素子 603によって整形された後にポリゴンミラー 604に入射する。そして、ポリゴンミラー 604によって進行方向を変化させられたレーザビームは、球面レンズ 606およびトロイダルレンズ 607によって整形させられた後に感光ドラム 608に照射される。このように本実施例 28によるレーザプリンタにおいては、多数の部品を用いることなく回折光学素子 603のみによってレーザビームが整形され、かつ光の利用効率が改善され得る。

[0406] なお、多角柱の側面をミラーとするポリゴンミラー 604の一つの側面によって反射されるレーザビームは、一定速度で感光ドラム 608上を走査し、感光ドラム 608上に横一列分の像を形成する。この像の形成が高速で連続して行なわれることによって感光ドラム 608上に 2次元の画像が描画される。その後は、感光ドラム 608上に描画された 2次元の画像にしたがって感光ドラム 608上にトナーが付着され、これが用紙に転写されることによって画像の印刷が行なわれる。

[0407] なお、本実施例 28においては、図 43に示す球面レンズ 606およびトロイダルレンズ 607の代わりに Si— O含有水素化炭素膜を利用して作製された第 2の屈折率変調型回折光学素子を用いることもできる。この場合には、更なる部品数の減少が可能となる。この場合、ポリゴンミラー 604によって進行方向を変化させられたレーザビームはその第 2の回折光学素子によって感光ドラム 608に照射されることになる。

[0408] (スキャナ）

図 44の模式的なブロック図は、本実施例 28によるスキャナの一例を示している。このスキャナにおいては、光源 602としての半導体レーザから出射されたレーザビームは、屈折率変調型回折光学素子 603によって整形させられた後にポリゴンミラー 604 に入射する。次いで、ポリゴンミラー 604によって進行方向を変化させられたレーザビームは画像が印刷された原稿 610に照射される。そして、レーザビームは原稿 610 にお!/、て反射され、その反射されたレーザビームの強弱がラインスキャナなどの検出器 611によって検出されて電気信号に変換される。このように本実施例 28によるスキャナにおいても、多数の部品を用いることなく回折光学素子 603のみによってレーザビームが整形され、かつ光の利用効率が改善され得る。なお、図 44に示す原稿 610 をバーコードに置き換えた場合には、このスキャナはバーコードリーダとなる。産業上の利用可能性

[0409] 以上のように、本発明によれば、屈折率変化量 Δ ηが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光だけでなく紫外光の領域で透明度が高ぐかつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それを実現させ得る Si— Ο含有水素化炭素膜を提供することができる。

[0410] また、このような Si— O含有水素化炭素膜を利用することによって種々の光学デバイスを提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 波長 520nmの光に関して 1. 48以上で 1. 85以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長 248nmの光に関して 0. 15未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによって前記屈折率と前記消衰係数が低下することを特徴とする Si O含有水素化炭素膜。

[2] 前記波長 248nmの光に関する前記消衰係数が、前記エネルギビーム照射を受ける前において 0. 12未満であることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[3] 前記波長 520nmの光に関する前記屈折率が、前記エネルギビーム照射を受ける前において 1. 56以上で 1. 76以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[4] 前記波長 520nmの光に関する前記屈折率は前記エネルギビーム照射を受けて 0 . 03以上で 0. 40以下の範囲内の変化量で低下し、その低下後の屈折率が 1. 45以上であることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[5] 前記屈折率の前記変化量が 0. 10以上で 0. 30以下の範囲にあることを特徴とする請求の範囲 4に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[6] 前記エネルギビーム照射を受ける前において、シリコン含有量が 0· 80 X 10²²ato ms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 4. O X 10²²atom s/cm³より大きくて 8. O X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0. 80 X 10²²atom s/cm³より大きくて 1. 4 X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1. 5 X 10²²atoms /cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 1. 5未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3. 0未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[7] 前記エネルギビーム照射を受ける前において、密度が 1. 15g/cm³より大きくて 1.

60g/cm³未満の範囲内にあり、スピン密度が 1. O X 10¹⁶spins/cm³より大きくて 1. 0 X 10²°spins/cm³未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si O含有水素化炭素膜。

[8] 前記エネルギビーム照射を受けた後において、シリコン含有量が 0. 80 X 10²²ato ms/cm³より大きくて 1. 5 X 10²²atoms/cm³未満、水素含有量が 1. O X 10²²atom s/cm³より大きくて 8. O X 10²²atoms/cm³未満、酸素含有量が 0. 80 X 10²²atom s/cm³より大きくて 3. O X 10²²atoms/cm³未満、炭素含有量が 1. O X 10²²atoms /cm³より大きくて 2. 3 X 10²²atoms/cm³未満、 O/Siの原子％比が 0. 5より大きくて 2. 0未満、そして C/Siの原子％比が 1. 0より大きくて 3. 0未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si— O含有水素化炭素膜。

前記エネルギビーム照射を受けた後において、密度が 1. 15g/cm³より大きくて 1 . 80g/cm³未満の範囲内にあり、スピン密度が 1. 0 X 10²°spins/cm³未満であることを特徴とする請求の範囲 1に記載の Si— O含有水素化炭素膜。

請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を製造する方法であって、前記膜は原料としてシロキサン類を用いるプラズマ CVDによって形成され、そのプラズマ CVD条件として、基板温度が 80°C以上で 100°C以下、高周波電力が 0. 5W/cm²以上で 1. 2W/cm²以下、そして圧力が 6. 7Pa以上で 40Pa以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも 3分経過するまでの間の圧力は 1. 3Pa/分以上で 2. 7Pa/分以下の範囲内の割合で連続的に上昇させられることを特徴とする Si— O含有水素化炭素膜の製造方法。

請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子であって、相対的に高レ、屈折率の局所的領域と相対的に低!/、屈折率の局所的領域とを含むことを特徴とする光学素子。

前記相対的に高い屈折率の局所的領域は、前記 Si— O含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けて!/、な!/、領域であることを特徴とする請求の範囲 1 1に記載の光学素子。

前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記 Si— O含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けた後の領域であることを特徴とする請求の範囲 11 に記載の光学素子。

請求の範囲 11の光学素子を製造するための方法であって、前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記エネルギビームとしてのイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波の照射によって形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。

[15] 前記エネルギビームは、 0. lMj/m²以上のエネルギ密度で照射されることを特徴とする請求の範囲 14に記載の光学素子の製造方法。

[16] 前記エネルギビームの照射は、大気雰囲気中において、室温より高温で 90°C以下の温度に前記薄膜を加熱した状態で行われることを特徴とする請求の範囲 14に記載の光学素子の製造方法。

[17] 前記エネルギビームの照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中で行われることを特徴とする請求の範囲 16に記載の光学素子の製造方法。

[18] 前記酸素濃度を低下させた雰囲気は、窒素雰囲気、希ガス雰囲気、または減圧雰囲気であることを特徴とする請求の範囲 17に記載の光学素子の製造方法。

[19] 前記エネルギビーム照射は、前記大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中において、室温より高温で 200°C以下の温度に前記薄膜を加熱した状態で行われることを特徴とする請求の範囲 17に記載の光学素子の製造方法。

[20] 前記エネルギビームとして紫外線を用いることを特徴とする請求の範囲 16に記載の光学素子の製造方法。

[21] 基板上において、請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜が形成されており、その上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、および炭素と水素とを主要成分として含む膜のいずれ力、からなる保護層が少なくとも一層以上積層されていることを特徴とする光学膜。

[22] 基板上において、請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜が形成されており、その上に厚さ 10 m以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする光学膜。

[23] 前記保護層上に厚さ 10 m以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする請求の範囲 21に記載の光学膜。

[24] 請求の範囲 21の光学膜を含み、前記 Si— O含有水素化炭素膜が屈折率の変調構造を有することを特徴とする光学素子。

[25] 請求の範囲 24の光学素子を製造するための方法であって、前記 Si— O含有水素化炭素膜の局所的領域に対して電磁波または粒子線のいずれかを含むエネルギビームを照射し、前記局所的領域における屈折率を低めることを特徴とする光学素子の製造方法。

[26] 前記基板が 80°Cより高い温度に保持された状態で前記エネルギビームを照射することを特徴とする請求の範囲 25に記載の光学素子の製造方法。

[27] 請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を用いて形成されたマイクロレンズであつて、

前記 Si— O含有水素化炭素膜は屈折率が変調させられた領域を含み、前記屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときにレンズ作用が生じることを特徴とする平板型マイクロレンズ。

[28] 前記 Si— O含有水素化炭素膜の一主面側において相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた球面レンズ状の形状を有していることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[29] 前記 Si— O含有水素化炭素膜の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状レンズ状の形状を有して!/、て!/、ることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[30] 前記 Si— O含有水素化炭素膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高!/、屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記 Si— O含有水素化炭素膜を貫通する概略円柱形状を有していて、前記円柱形状の中心軸は前記 Si— O含有水素化炭素膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が低くまたは高くされていることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[31] 前記 Si— O含有水素化炭素膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高!/、屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記 Si— O含有水素化炭素膜を貫通する帯状領域であって、前記帯状領域の幅方向の中央を通りかつ前記 Si— O含有水素化炭素膜に直交する面に近いほど屈折率が低くまたは高くされていることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイク口レンズ。

[32] 前記 Si— O含有水素化炭素膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められている力、または広げられていることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[33] 前記 Si— O含有水素化炭素膜は同心円状の m個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々は n個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低レ、かまたは高!/、屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求の範囲 32に記載の平板型マイクロレンズ。

[34] 前記 Si— O含有水素化炭素膜は互いに平行な複数の帯状領域を含み、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められている力、または広げられていることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[35] 前記 Si— O含有水素化炭素膜は互いに平行な m個の帯ゾーンを含み、前記帯ゾーンの各々は n個の前記帯状領域を含み、前記帯ゾーンの各々において前記所定の帯状領域に近レ、帯状領域は遠!、帯状領域に比べて低!/、かまたは高!/、屈折率を有し、前記帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求の範囲 34に記載の平板型マイクロレンズ。

[36] 前記マイクロレンズは 0· 4 H mから 2· 0 μ mの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮し得ることを特徴とする請求の範囲 27に記載の平板型マイクロレンズ。

[37] 請求の範囲 27の平板型マイクロレンズを製造するための方法であって、前記 Si— O含有水素化炭素膜中において相対的に低い屈折率を有する領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする製造方法。

[38] 一つの前記 Si— O含有水素化炭素膜中にアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを同時のエネルギビーム照射によって形成することを特徴とする請求の範囲 37 に記載の製造方法。

[39] 基板上に堆積された請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域における前記 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって行われ得ることを特徴とする光情報記録媒体。

[40] 任意の選択された前記記録スポット領域における前記 Si— O含有水素化炭素膜は、前記エネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定されたいずれかの値まで下げられ得ることを特徴とする請求の範囲 39に記載の光情報記録媒体。

[41] 請求の範囲 39の光情報記録媒体に情報を記録するための方法であって、屈折率が下げられるべき前記記録スポット領域に対応する開口を含む金属膜マスクパターンを介して、前記 Si— O含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波の!/、ずれかを照射することによって、前記記録スポット領域における前記 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げることを特徴とする光情報記録媒体の記録方法。

[42] 屈折率が下げられた前記記録スポット領域から選択された記録スポット領域に対応する開口を含むさらなる金属膜マスクパターンを介して、前記 Si— O含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームを照射することによって、前記選択された記録スポット領域における前記 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率をさらに下げるステップを含み、このステップが一回以上繰り返されることを特徴とする請求の範囲 41に記載の光情報記録媒体の記録方法。

[43] 請求の範囲 40の光情報記録媒体に情報を記録するための方法であって、前記記録スポット領域に対応して局所的に厚さが多段階に変化させられているエネルギビーム吸収層のマスクを介して前記 Si— O含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射することによって、前記記録スポット領域における前記 Si— o含有水素化炭素膜の屈折率を下げるステップを含み、前記ェネルギビーム吸収層は前記記録スポット領域の前記屈折率段階が低くなるにしたがつて局所的に薄くされていることを特徴とする光情報記録媒体の記録方法。

[44] 基板上に形成された請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は、記録されるべき情報を含む物体光としての紫外線および参照光としての紫外線を前記 Si— O含有水素化炭素膜に照射して生じるホログラムによってその Si— O含有水素化炭素膜中に形成される屈折率変調構造として保存され得ることを特徴とする光情報記録媒体。

[45] クラッド層の複数と請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜の記録層の複数とが交互に積層された積層導波路型のホログラム光情報記録媒体であって、各前記記録層には互いに異なる情報が記録されていてその記録情報に対応した周期的光散乱要素が生成されており、前記周期的光散乱要素の各々は屈折率が下げられた微小領域であることを特徴とする光情報記録媒体。

[46] 請求の範囲 45の光情報記録媒体を製造するための方法であって、

(a)前記クラッド層として作用する透光性基板上に前記 Si— O含有水素化炭素膜を堆積し、

(b)前記周期的光散乱要素に対応した開口を含む金属膜マスクパターンを介して前記 Si— O含有水素化炭素膜へエネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれカ、を照射して前記開口領域における前記 Si— O含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって前記周期的光散乱要素を生成させ、

(c)前記ステップ (a)および (b)を経た前記クラッド層と前記 Si— O含有水素化炭素膜のペアの複数を積層し、

(d)最上層として露出している前記 Si— O含有水素化炭素膜上に前記クラッド層を重ねるステップを含むことを特徴とする光情報記録媒体の製造方法。

[47] 光源からの光を P偏光と S偏光とに分離するための偏光ビームスプリッタと、第 1のマイクロレンズと、 1/2波長板と、第 2のマイクロレンズとを含み、前記第 1マイクロレンズは前記偏光ビームスプリッタによって分離された P偏光と s偏光を互いに異なる位置に集光するように配置されており、

前記 1/2波長板は前記 P偏光または前記 S偏光が集光される位置に配置されていて P偏光または S偏光を S偏光または P偏光に変換するように作用し、

前記第 2マイクロレンズは前記 1/2波長板を通過して偏光変換された後の S偏光または P偏光と前記 1/2波長板を通過しなかった S偏光または P偏光とを統合するように作用し、

前記偏光ビームスプリッタ、前記第 1マイクロレンズ、前記 1/2波長板、および前記第 2マイクロレンズの少なくとも一つが請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を利用して形成されていることを特徴とする偏光インテグレータ。

[48] 前記偏光ビームスプリッタと前記 1/2波長板の少なくとも一方は、前記 Si— O含有水素化炭素膜中に形成された屈折率変調型回折格子で形成されていることを特徴とする請求の範囲 47に記載の偏光インテグレータ。

[49] 前記第 1マイクロレンズと前記第 2マイクロレンズの少なくとも一方は、前記 Si— O含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズと屈折率変調型の回折型レンズとのいずれかであることを特徴とする請求の範囲 47に記載の偏光インテグレータ。

[50] 前記偏光ビームスプリッタ、前記第 1マイクロレンズ、前記 1/2波長板、および前記第 2マイクロレンズの組の複数力 S、前記光源からの光束の断面内で周期的に配列されていることを特徴とする請求の範囲 47に記載の偏光インテグレータ。

[51] 請求の範囲 47の偏光インテグレータを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。

[52] 光源とその光源からの光を回折させる回折光学素子とを含むプロジェクタであって前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求の範囲 1の Si— o含有水素化炭素膜を含み、

前記 Si— o含有水素化炭素膜は、光の回折を生じさせるように、相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域を含むように屈折率変調されており、

前記屈折率変調は、前記 Si— o含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面における強度分布を所定の照射面上において均一な強度分布に変換するように回折作用を生じることを特徴とするプロジェクタ。

[53] 前記屈折率変調は、前記 Si— O含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面形状を前記所定の照射面上において所定の断面形状に変換するようにも回折作用を生じることを特徴とする請求の範囲 52に記載のプロジェクタ。

[54] 前記屈折率変調は、 0. 4〜0. 7 mの可視域の波長を含む光に対して前記回折作用を生じることを特徴とする請求の範囲 52に記載のプロジェクタ。

[55] 前記光源はレーザ装置、発光ダイオード、およびランプの!/、ずれかであって、前記ランプは超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、およびノ、ライドランプのいずれかであることを特徴とする請求の範囲 52に記載のプロジェクタ。

[56] 請求の範囲 52のプロジェクタを製造するための方法であって、

前記 Si— O含有水素化炭素膜中において前記相対的に低い屈折率を有する領域は、その Si— O含有水素化炭素膜の局所的領域にエネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射することによって形成されることを特徴とするプロジェクタの製造方法。

[57] 光源とホログラムカラーフィルタと液晶パネルとを含み、

前記ホログラムカラーフィルタは透光性基板上に形成された請求の範囲 1の Si— o 含有水素化炭素膜を含み、

前記 Si— o含有水素化炭素膜は相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置された屈折率変調構造を有していて、前記光源から供給される入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を所定の空間的周期で出射する機能を有し、

前記空間的周期は前記液晶パネルに含まれる複数の画素の周期に対応していることを特徴とするカラー液晶表示装置。

[58] 前記 Si— O含有水素化炭素膜は付加的なマイクロレンズアレイと組み合わされており、前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定されており、前記マイク口レンズアレイは前記空間的周期に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むことを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[59] 前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が前記空間的周期に対応して周期的に変化させられており、それによつて前記ホログラムカラーフィルタは分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えていることを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液曰日不¾¾11_。

[60] 前記ホログラムカラーフィルタは複数の前記 Si— O含有水素化炭素膜を含み、これらの Si— O含有水素化炭素膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[61] 前記複数の Si— O含有水素化炭素膜は第 1と第 2の Si— O含有水素化炭素膜を含み、前記第 1の Si— O含有水素化炭素膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、前記第 2の Si— O含有水素化炭素膜は青色の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求の範囲 60に記載のカラー液晶表示装置。

[62] 前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域にお!/、て屈折率が多段階に変化させられて!/、ることを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[63] 前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が連続的に変化させられていることを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[64] 前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域と前記高屈折率帯状領域との間の境界領域は前記 Si— O含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜されていることを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[65] 前記液晶パネルに含まれる複数の画素は赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域を含み、前記ホログラムカラーフィルタは前記入射光を赤色光、緑色光、および青色光に分光してそれぞれ前記赤色表示領域、前記緑色表示領域、および前記青色表示領域へ向けて出射することを特徴とする請求の範囲 57に記載のカラー液晶表示装置。

[66] 前記光源としてメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、およびレーザのいずれかを含むことを特徴とする請求の範囲 57 に記載のカラー液晶表示装置。

[67] 請求の範囲 57のカラー液晶表示装置を製造するための方法であって、

前記 Si— O含有水素化炭素膜中において相対的に低い屈折率を有する領域は、その Si— O含有水素化炭素膜へイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とするカラー液晶表示装置の製造方法。

[68] 前記相対的に低い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した 2種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成されることを特徴とする請求の範囲 67に記載のカラー液晶表示装置の製造方法。

[69] 光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくともいずれかのための光ピックアツプ装置であって、

光ビームを射出する光源と、前記光ビームを制御する複数の光学素子とを含み、これらの光学素子の少なくとも一つは、請求の範囲 1の Si— O含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含んでレ、ることを特徴とする光ピックアップ装置。

[70] 前記 Si— O含有水素化炭素膜を含む光学素子は、偏光ビームスプリッタ、 1/4波長板、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメートレンズのいずれかであることを特徴とする請求の範囲 69に記載の光ピックアップ装置。

[71] 請求の範囲 69の光ピックアップ装置を製造するための方法であって、前記 Si— O 含有水素化炭素膜における前記相対的に低屈折率の領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする光ピックアップ装置の製造方法。

[72] 光ビームを出射する光源と、前記光ビームを整形する回折光学素子と、前記光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含む光ビーム走査装置であって

、前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求の範囲 1の Si— o含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域とを含むことを特徴とする光ビーム走査装置。

[73] 請求の範囲 72の光ビーム走査装置を含むレーザプリンタ、スキャナ、およびバーコ一ドリーダのいずれかであることを特徴とする光学装置。

[74] 請求の範囲 72の光ビーム走査装置を製造するための方法であって、前記 Si— O 含有水素化炭素膜における前記相対的に低屈折率の複数の領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、 X線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする光ビーム走査装置の製造方法。