WO2022176555A1 - 光回折素子、光演算装置、及び光回折素子の製造方法 - Google Patents

光回折素子、光演算装置、及び光回折素子の製造方法 Download PDF

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WO2022176555A1
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WO
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optical diffraction
diffraction element
segment
segments
refractive index
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PCT/JP2022/003036
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English (en)
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Inventor
雄一朗 九内
Original Assignee
株式会社フジクラ
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06E—OPTICAL COMPUTING DEVICES; COMPUTING DEVICES USING OTHER RADIATIONS WITH SIMILAR PROPERTIES
    • G06E3/00—Devices not provided for in group G06E1/00, e.g. for processing analogue or hybrid data

Definitions

  • the present invention relates to an optical diffraction element including a plurality of microcells, an optical arithmetic device including a plurality of such optical diffraction elements, and a method for manufacturing such an optical diffraction element.
  • a light diffraction structure that has a plurality of microcells with individually set thicknesses or refractive indices and that optically performs a predetermined operation by causing mutual interference of light transmitted through each microcell is provided on the substrate.
  • An optical diffraction element formed on one principal surface is known.
  • microcell means, for example, a cell with a cell size of less than 10 ⁇ m.
  • cell size refers to the square root of the area of a cell.
  • Patent Document 1 discloses an optical neural network having an input layer, an intermediate layer, and an output layer.
  • the optical diffraction element described above can be used, for example, as an intermediate layer of such an optical neural network.
  • the configuration as shown in FIG. 15 can be adopted.
  • the optical diffraction element 110 shown in FIG. 15 includes a substrate 111 made of a translucent layered member and an optical diffraction structure 112 .
  • the optical diffraction structure 112 is composed of a plurality of microcells A formed on one main surface 1111 of the substrate 111 .
  • the bottom surface of microcell A is square. Therefore, the cell size of the light diffraction structure 112 matches the length L of one side of the bottom surface.
  • the phase change amount of each signal light LS passing through each microcell A is set by setting the thickness of each microcell A individually.
  • the optical diffraction structure 112 causes the signal lights LS whose phases are changed according to the thickness of each microcell A to interfere with each other. Thereby, the optical diffraction element 112 optically performs a predetermined calculation.
  • the signal light LS is illustrated only for the microcell A which is enlarged and illustrated.
  • an optical diffraction element that individually sets the thickness of a plurality of microcells is known
  • an optical diffraction element that individually sets the refractive index of a plurality of microcells is not known. .
  • An object of the present invention is to provide an optical diffraction element in which the refractive indices of a plurality of microcells are individually set.
  • an optical diffraction element includes a plurality of microcells arranged along a specific plane, each microcell including a plurality of subcells. and each subcell has a refractive index with respect to at least one in-plane direction of the specific plane, which is one of n predetermined refractive indices (n is an integer equal to or greater than 2). , configuration is adopted.
  • an optical arithmetic device includes N (N is an integer equal to or greater than 2) optical diffraction elements according to the aspect described above, and each optical diffraction element A configuration is adopted in which the regions in which the plurality of microcells are provided overlap.
  • a method for manufacturing an optical diffraction element is a method for manufacturing an optical diffraction element having a plurality of microcells each including a plurality of subcells.
  • first segments composed of a block polymer containing a mesogenic group having liquid crystallinity and second segments composed of a block polymer containing no mesogenic group are alternately connected. and a multiblock copolymer having at least a total number of segments of 2 or more; providing the guide on the major surface of the substrate so as to be in one of the alignment directions; and forming the multi-block copolymer so as to cover the guide.
  • an optical diffraction element and an optical arithmetic device in which the refractive indices of a plurality of microcells are individually set.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the arrangement of a plurality of microcells in the optical diffraction element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of a plurality of sub-cells in each micro-cell of the optical diffraction element shown in FIG. 1; 3A is a schematic diagram of a sub-cell shown in FIG. 2;
  • FIG. (b) is a schematic diagram showing a diblock copolymer contained in the subcell shown in (a).
  • (a) is the structural formula of the diblock copolymer shown in (b) of FIG.
  • (b) is a structural formula of a mesogenic group contained in the first segment of the diblock copolymer shown in (a).
  • (a) to (d) are schematic diagrams showing a first modification of the sub-cell shown in (a) of FIG. (a) to (d) are schematic diagrams showing a second modification of the sub-cell shown in (a) of FIG. It is a schematic diagram showing a cross section of an optical arithmetic device according to a second embodiment of the present invention.
  • (a) is a perspective view of a structure according to a first reference embodiment
  • (b) is a schematic diagram enlarging a part of the structure shown in (a)
  • (c) is ( Schematic representation of two triblock copolymers contained in the structure shown in a).
  • FIG. 8 is a perspective view of an optical diffraction element according to a third embodiment of the invention
  • 11 is a perspective view of a microcell included in the optical diffraction element shown in FIG. 10
  • FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of a gel according to a second embodiment of the present invention
  • It is a flowchart of a manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 14(a) to 14(e) are schematic diagrams of the gel or structure in each step included in the production method shown in FIG. 13;
  • FIG. FIG. 10 is a perspective view showing a conventional optical diffraction element;
  • FIG. 1(a) is a schematic diagram showing the arrangement of a plurality of microcells 11- ij in the optical diffraction element 10.
  • FIG. 1(b) is a schematic diagram showing the AA′ section of the optical diffraction element 10 (see FIG. 1(a)).
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of a plurality of subcells in the microcell 11- ij .
  • FIG. 3(a) is a schematic diagram of the subcell 1231.
  • FIG. 3(b) is a schematic diagram showing the diblock copolymer 12P 31 contained in the subcell 12 31.
  • FIG. FIG. 4(a) is the structural formula of the diblock copolymer 12P.
  • (b) of FIG. 4 is a structural formula of an example of a mesogenic group contained in the segment S1 of the diblock copolymer.
  • the main surfaces of the substrates 101 and 102 constituting the optical diffraction element 10 are perpendicular to the xy plane, and the normal direction of the substrates 101 and 102 is the z-axis direction. It defines a coordinate system. Further, in the xy plane, the directions parallel to the rows and the directions parallel to the columns of the microcells 11- ij arranged in a matrix are defined as the x-axis direction and the y-axis direction, respectively.
  • the direction of propagation of the signal lights LS i and LS o is defined as the z-axis positive direction, and the direction in which the column number and matrix number increase in each microcell 11 ij is defined as are defined as the positive x-axis direction and the positive y-axis direction.
  • FIGS. 2 and 3 The coordinate system shown in FIGS. 2 and 3 is the same as the coordinate system shown in FIG.
  • the optical diffraction element 10 is configured to individually set the refractive index of each microcell 11ij to set the phase change amount of each signal light passing through each microcell 11ij .
  • the wavelength ⁇ can be appropriately determined within a band of 360 nm or more and 1000 ⁇ m or less depending on the application etc. at the stage of designing the optical diffraction element.
  • This band consists of a visible region (360 nm or more and less than 830 nm), a near infrared region (830 nm or more and less than 2 ⁇ m), a mid-infrared region (2 ⁇ m or more and less than 4 ⁇ m), and a far infrared region (4 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less).
  • the wavelength ⁇ may be at least part of the wavelengths included in the band of 360 nm or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the signal lights incident on the optical diffraction element 10 are collectively referred to as signal light LS i
  • the signal lights emitted from the optical diffraction element 10 are collectively referred to as signal light LS o .
  • the optical diffraction element 10 When the signal light incident on the optical diffraction element 10 is transmitted through each microcell 11ij , its phase is changed according to the refractive index of each microcell 11ij .
  • the optical diffraction element 10 mutually interferes the signal lights LS o emitted from the microcells 11 ij whose phases are changed. Thereby, the optical diffraction element 10 optically executes a predetermined calculation.
  • the optical diffraction element 10 includes microcells 11 11 to 11 13 , 11 21 to 11 23 , which are nine microcell groups 11 arranged in a matrix of 3 rows and 3 columns. 11 31 to 11 33 .
  • the optical diffraction element 10 comprises a pair of substrates 101, 102, a spacer 103, and a diblock copolymer 12P.
  • Microcell group 11 is realized using substrates 101, 102, spacers 103, and diblock copolymer 12P.
  • the substrate 101 is a layered member having a pair of main surfaces 1011 and 1012 .
  • the substrate 102 is a layered member and has the same structure as the substrate 101 .
  • the substrate 102 also has main surfaces 1021 and 1022 which are a pair of main surfaces.
  • the substrates 101 and 102 are arranged such that the principal surfaces 1012 and 1021, which are adjacent principal surfaces, face each other.
  • the substrate 101 is arranged on the z-axis negative direction side
  • the substrate 102 is arranged on the z-axis positive direction side.
  • an acrylic resin is used as the material forming the substrates 101 and 102 .
  • the material forming the substrates 101 and 102 may be a glass material typified by quartz glass.
  • the main surface 1011 constitutes an incident surface on which the signal light LS i is incident on the optical diffraction element 10
  • the main surface 1022 constitutes a main slope from which the signal light LS o is emitted from the optical diffraction element 10 .
  • a spacer 103 having a predetermined thickness is provided between the substrates 101 and 102 .
  • the thickness of the spacer 103 defines the distance between the substrates 101 and 102 facing each other.
  • the substrates 101 and 102 and the spacer 103 are joined together to form a closed space (see (b) of FIG. 1). This closed space is filled with the diblock copolymer 12P. Therefore, the substrates 101 and 102 and the spacer 103 constitute a container containing the diblock copolymer 12P. Diblock copolymer 12P will be described later with reference to FIGS.
  • a guide 12g is provided on the main surface 1012 of the pair of main surfaces of the substrate 101, which is the main surface in contact with the diblock copolymer 12P.
  • the guide 12g is made of a material that transmits light having a wavelength of ⁇ .
  • the guide 12g can be patterned into a desired pattern by curing a photoresist using, for example, electron beam lithography.
  • the thickness of the guide 12g may match the thickness of the spacer 103 or may be thinner than the thickness of the spacer 103.
  • the diblock copolymer 12P is oriented by self-organization triggered by the guides 12g. Therefore, even if the thickness of the guide 12g is thinner than the thickness of the spacer 103, almost all diblock copolymers 12P can be self-assembled.
  • the diblock copolymer 12P contains a mesogenic group MG having liquid crystallinity.
  • the mesogenic groups MG are oriented along either the x-axis direction or the y-axis direction depending on the shape of the guide 12g.
  • the structure of the diblock copolymer 12P and the orientation of the mesogenic groups MG will be described later with reference to FIG.
  • each area obtained by dividing the effective area through which the signal light is transmitted into 3 rows and 3 columns (that is, 9 cells) is called a microcell 11 ij .
  • FIG. 1(b) shows the microcells 11 21 to 11 23 in the second row among the microcells 11 ij .
  • Each region obtained by dividing each micro-cell 11 ij into 4 rows and 4 columns (that is, 16 cells) is called a sub-cell 12 kl .
  • Each of k and l is an integer that satisfies 1 ⁇ k and l ⁇ 4, respectively.
  • all sub-cells 12 kl are collectively referred to as a sub-cell group 12 .
  • the microcells 11ij are arranged in a matrix along the main surface 1012, which is an example of a specific plane.
  • Each micro-cell 11 ij includes a plurality of sub-cells 12 kl .
  • microcell refers to a cell with a cell size of less than 10 ⁇ m, for example.
  • cell size refers to the square root of the area of a cell. For example, when the microcell has a square shape in plan view, the cell size is the length of one side of the cell.
  • the lower limit of the cell size is not particularly limited, it is, for example, 1 nm.
  • the thickness of each microcell 11ij and the thickness of each subcell 12kl constituting each microcell 11ij are both defined by the distance between the substrate 101 and the substrate 102 (that is, the thickness of the spacer 103). be done. Therefore, the thickness of each microcell 11 ij and the thickness of each subcell 12 kl are substantially equal.
  • the guides 12g are provided in a grid pattern so as to partition the square-shaped sub-cells 12kl when the main surface 1012 is viewed in plan along the z-axis direction (see FIG. 2). However, a notch g is provided in a part of the guide 12g surrounding each subcell 12kl .
  • the notch g and the alignment direction of the mesogenic group MG will be described using the subcell 12-31 as an example of the subcell 12kl .
  • the length L is not limited to this, and is determined according to the wavelength ⁇ (400 nm in this embodiment) of the signal lights L i and L o and the number of gradations of the refractive index in each microcell 11 ij . Just do it.
  • the length of one side of each microcell 11 ij is preferably ⁇ or less, more preferably ⁇ /2 or less, in order to increase the amount of phase change that can occur when transmitting through each microcell 11 ij .
  • the length of one side of each microcell 11 ij is 200 nm, which is ⁇ /2.
  • each microcell 11 ij is divided into 16 subcells 12 kl .
  • the number of gradations of each microcell 11 ij is 17 gradations.
  • each microcell 11 ij is divided into sub-cell groups 12 of N rows and N columns (N is an integer equal to or greater than 2), the number of gradations of each microcell 11 ij is N 2 +1 gradations.
  • the guide 12g31 defining the subcell 1231 is provided with two cutouts g. Both of these two cutouts g are provided near the midpoint of the side parallel to the x-axis direction.
  • the length of each side of the square subcell 1231 is defined as length L
  • the length of notch g is defined as length Lg.
  • the length of the guide 12g 31 parallel to the y-axis direction is 2L
  • the length of the guide 12g 31 parallel to the x-axis direction is 2(L ⁇ L g ). Therefore, in subcell 12 31 , the length of guide 12g 31 parallel to the y-axis direction exceeds the length of guide 12g 31 parallel to the x-axis direction.
  • each subcell 12kl at least one of the four sides is cut so that the length of the guide 12g31 parallel to the x-axis direction is different from the length of the guide 12g31 parallel to the y-axis direction.
  • a notch g is provided.
  • each subcell 12 kl (subcell 12 31 in FIG. 3(a)) contains a diblock copolymer 12P kl (diblock copolymer 12P kl in FIG. 3(a)).
  • block copolymer 12P 31 a diblock copolymer 12P kl
  • the diblock copolymer 12P kl will be described using the diblock copolymer 12P 31 as an example.
  • the diblock copolymer 12P typified by the diblock copolymer 12P 31 has segments S1 and S2 connected and the total number of segments is two. is a diblock copolymer.
  • the diblock copolymer 12P may be a multi-block copolymer in which segments S1 and S2 are alternately connected and the total number of segments is 3 or more.
  • Segments S1 and S2 are examples of a first segment and a second segment, respectively.
  • the block polymer constituting the segment S1 contains a mesogenic group MG having liquid crystallinity (see (a) and (b) of FIG. 4).
  • These mesogenic groups MG comprise two linearly connected benzene rings.
  • the side chain direction which is the direction in which the benzene rings of the mesogenic group MG are linearly connected, is substantially relative to the main chain direction, which is the direction in which the main chains of the segments S1 and S2 are stretched. shall be orthogonal.
  • arrow D1 is used to indicate this side chain direction.
  • the angle formed by the main chain direction and the side chain direction in the diblock copolymer 12P is not limited.
  • the block polymer constituting segment S2 does not contain mesogenic group MG.
  • the mesogenic group MG containing two benzene rings connected in a straight chain has an anisotropic refractive index. Specifically, it exhibits a high refractive index for linearly polarized light whose polarization direction is parallel to the side chain direction in which benzene rings are linearly connected, and the polarization direction is parallel to the direction orthogonal to the side chain direction. It exhibits a low refractive index for linearly polarized light.
  • an ellipse is used as the shape representing the mesogenic group MG.
  • the major axis direction corresponds to the polarization direction exhibiting a high refractive index and the minor axis direction corresponds to the polarization direction exhibiting a low refractive index.
  • the block polymer forming the segment S1 is hydrophilic, and the block polymer forming the segment S2 is hydrophobic. Further, the surface of the guide 12g described above is treated so as to be hydrophobic.
  • the hydrophobic block polymer segment S2 tends to aggregate near the guide 12g31 , and the hydrophilic block polymer segment S1 moves away from the guide 12g31 .
  • the diblock copolymer 12P 31 exerts a force to self-assemble by arranging.
  • the polarity of the segment S1, the polarity of the segment S2, and the polarity of the guide 12g are not limited to the combinations described above.
  • the surface of the guide 12g has either hydrophobic or hydrophilic polarity, and one of the segments S1 and S2 is hydrophobic and the other segment is hydrophilic.
  • the diblock copolymer 12P can self-assemble.
  • the length of guide 12g 31 parallel to the y-axis direction exceeds the length of guide 12g 31 parallel to the x-axis direction. Therefore, the segment S2 is aggregated in the portion of the guide 12g31 parallel to the y-axis direction.
  • the diblock copolymer 12P 31 is oriented as shown in FIGS. 3(a) and 3(b). In FIG. 3(a), only the right half region R of the subcell 1231 is enlarged and shown in FIG. 3(b). However, the diblock copolymer 12P 31 is similarly oriented in the left half region of the subcell 12 31 as well.
  • the subcell 12 31 exhibits a high refractive index when incident with linearly polarized light whose polarization direction is parallel to the side chain direction of the diblock copolymer 12P 31 (direction of arrow D 1 ).
  • subcells 12 14 , 12 21 , 12 23 , 12 24 , 12 32 , 12 34 , 12 41 in addition to the subcell 12 31 have lengths of the guide 12g parallel to the y-axis direction. is configured to exceed the length of the guide 12g parallel to the x-axis direction. Therefore, in these eight subcells, the direction of the side chains is substantially parallel to the arrow D1, and a high refractive index is exhibited when linearly polarized light parallel to the direction of the arrow D1 is incident.
  • subcells 12 11 , 12 12 , 12 13 , 12 22 , 12 33 , 12 42 , 12 43 , 12 44 have guides 12 g parallel to the x-axis direction and y-axis directions. It is configured to exceed the length of the parallel guides 12g. Therefore, in these eight subcells , the direction of the side chains is almost parallel to the arrow D0 orthogonal to the arrow D1, and the refractive index is low when linearly polarized light parallel to the direction of the arrow D1 is incident. .
  • each of the 16 sub-cells 12 kl has a high refractive index state " 1 " and It can take either state "0", which is a state with a low refractive index.
  • the orientation direction of the mesogenic groups MG in each subcell 12 kl is one of two predetermined orientation directions (the direction of arrow D0 and the direction of arrow D1).
  • 12 kl has one of two types of refractive index with respect to one of the in-plane directions of the xy plane (for example, the direction of arrow D1). Therefore, each microcell 11 ij can express 17 gradations from 0 to 16 inclusive.
  • each microcell 11 ij (that is, Each subcell 12 kl ) preferably has a thickness of 3 ⁇ m or more.
  • each microcell 11 ij (that is, each subcell 12 kl ) is 6 ⁇ m or more. is preferably
  • the manufacturing method includes the steps of providing the guide 12g and filling the diblock copolymer 12P.
  • the main surface 1012 of the substrate 101 forming a specific plane is arranged such that the orientation direction of the mesogenic groups MG in each subcell 12kl is one of the predetermined n types of orientation directions. It is a step of providing a guide 12g in the .
  • FIG. 2 shows an example of the guide 12g provided on the main surface 1012. As shown in FIG. As described above, the guide 12g can be patterned into a desired pattern by curing the photoresist using, for example, electron beam lithography.
  • a layer of diblock copolymer 12P is formed over major surface 1012 and guide 12g.
  • the method for forming the layer of the diblock copolymer 12P is not particularly limited.
  • a diblock copolymer solution dissolved in a solvent is formed into a uniform layer using a simple method such as spin coating or spray coating. can do.
  • the main surface 1012 provided with the guide 12g is covered with the diblock copolymer 12P.
  • the diblock copolymers 12P constituting each subcell 12kl and containing the mesogenic groups MG are self-assembled by the guides 12g. Therefore, the orientation direction of the mesogenic groups MG in each sub-cell 12 kl is one of the predetermined n kinds of orientation directions.
  • a cavity can be formed between the substrates 101 and 102 by sandwiching the spacers 103 between the substrates 101 and 102 .
  • the direction of the substrate 101 is determined so that the main surface 1012 on which the guide 12g is provided faces the cavity.
  • This spacer 103 can also be used as an alignment mark.
  • the spacer 103 preferably has a uniform thickness. Since the spacers 103 have a uniform thickness, the distance between the substrates 101 and 102 can be made uniform.
  • the spacer 103 can be omitted.
  • the substrate 101, the spacer 103, and the substrate 102 may be stacked such that the spacer 103 is directly interposed between the substrates 101 and 102.
  • each subcell 12 kl has two predetermined orientation directions of the mesogenic group MG (direction of arrow D0 and direction of arrow D1).
  • the refractive index in one of the in-plane directions of the xy plane is any of the predetermined n kinds of refractive indices may be configured to take
  • each sub-cell 12 kl has the orientation direction of the mesogenic groups MG in one of four predetermined orientation directions (directions of arrows D 0 , D 1 , D 2 and D 3 ). That is, the refractive index for one of the in-plane directions of the xy plane (for example, the direction of the polarization direction Lp) is any one of four predetermined refractive indices. ing.
  • the above configuration is realized by selecting the orientation of each sub-cell 12 kl from among the four orientations shown in FIGS. 5(a) to 5(d).
  • the state of the sub-cell 12- kl shown in FIG. 5(a) is the same as the state of the sub-cell 12-31 shown in FIG. 3(a).
  • 5(b) to (d) are obtained by rotating the subcell 12-31 shown in FIG. 3(a) clockwise by 30 degrees.
  • the arrows shown in (a) to (d) of FIG. 5 represent the orientation directions of the mesogenic groups MG.
  • each subcell 12 kl uses pin-like or dot-like guides 12 g kl instead of grid-like guides 12 g kl as shown in FIGS. It may be configured to orient the MG.
  • orient the MG For example, as described in A. Tavakkoli K. G. et. al., "Templating Three-Dimensional Self-Assembled Structures in Bilayer Block Copolymer Films", Science 08 Jun 2012, Vol. 336, Issue 6086, pp. 1294-1298.
  • pin-shaped or dot-shaped guides 12gkl in a matrix, the mesogenic groups MG can be oriented.
  • the outline of the subcell 12kl is indicated by a chain double-dashed line.
  • the guide 12gkl is configured such that the side chain direction of the mesogenic group MG is parallel to the direction of the polarization direction Lp.
  • the states of the subcell 12 kl shown in (b) to (d) of FIG. 6 are obtained by rotating the subcell 12 kl shown in (a) of FIG. 6 clockwise by 30 degrees.
  • the arrows shown in (a) to (d) of FIG. 6 represent the orientation directions of the mesogenic groups MG.
  • FIGS. 6B and 6C in order to clearly show that the guides 12gkl arranged in a matrix are rotated in the row direction and the column direction, a square shape is shown in both the row direction and the column direction.
  • the outline of the sub-cell 12 kl double-dot chain line
  • the row and column directions of the guides 12gkl can be rotated without rotating the contours of the subcells 12gkl , as indicated by the dotted lines.
  • the sub-cells 12kl can be arranged in close contact with each other. That is, gaps that may occur in each subcell 12 kl can be eliminated.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross section of the optical arithmetic device 1.
  • the optical arithmetic device 1 has three optical diffraction elements 10a, 10b, and 10c.
  • the optical diffraction elements 10a, 10b, and 10c are configured in the same manner as the optical diffraction element 10 shown in FIG. 1, and are denoted by suffixes a, b, and c to distinguish them from each other.
  • the optical diffraction elements 10c, 10b, and 10a are stacked in this order in a state in which the regions in which the plurality of microcells 11ij are provided are stacked.
  • FIG. 7 shows only microcells 11 21 , 11 22 , 11 23 among the plurality of microcells 11 ij of each of the optical diffraction elements 10c, 10b, 10a.
  • the substrate 102a of the optical diffraction element 10a and the substrate 101b of the optical diffraction element 10b are fixed to each other.
  • the substrate 102b of the optical diffraction element 10b and the substrate 101c of the optical diffraction element 10c are fixed to each other.
  • Each of the optical diffraction elements 10a, 10b, 10c optically performs predetermined calculations. Therefore, the optical arithmetic device 1 outputs the signal light LS o representing the results of sequentially executing predetermined arithmetic operations on the signal light LS i .
  • the number N (N is an integer equal to or greater than 2) of the optical diffraction elements 10a, 10b, and 10c provided in the optical arithmetic device 1 is three.
  • N is not limited to 3, and can be determined appropriately according to the purpose of the calculation.
  • FIG. 8(a) is a perspective view of the structure 20
  • FIG. 8(b) is a schematic diagram enlarging a part of the structure 20
  • FIG. 2 is a schematic diagram of two triblock copolymers 21 containing .
  • FIG. 9(a) is a structural formula of one specific example of the triblock copolymer 21
  • FIG. 9(b) is a structural formula of one specific example of the dye 22 contained in the structure 20.
  • FIG. (c) is a structural formula of one specific example of the cross-linking material 23 contained in the structure 20 .
  • the structure 20 has a cubic shape (see FIG. 8(a)).
  • the shape of the structure 20 is not limited to this.
  • the shape of the structure 20 can be appropriately determined according to the pattern of exposure performed in the exposure process (see (b) of FIGS. 12 and 13) included in the manufacturing method described later in the fifth embodiment.
  • the structure 20 is not limited to a three-dimensional structure as shown in FIG. 8A, and may be a two-dimensional structure.
  • structure 20 has a nanostructure, which is a nanometer-scale structure.
  • the structure of the structure 20 is not limited to a nanostructure, and may be a microstructure, which is a microscale structure.
  • the effect obtained by the structure 20 and the manufacturing method M20 becomes more remarkable as the size of the structure 20 becomes smaller.
  • the structure 20 and the manufacturing method M20 can be preferably used when the minimum width of the pattern is less than 10 ⁇ m, and more preferably when the minimum width of the pattern is less than 1 ⁇ m.
  • the nanometer-scale structure refers to a structure with a minimum pattern width of less than 1 ⁇ m
  • the micrometer-scale structure refers to a structure with a minimum pattern width of less than 1 mm.
  • the structure 20 contains a triblock copolymer 21, a dye 22, and a cross-linking material 23 (see (b) of FIG. 8).
  • a triblock copolymer 21 contained in the structure 20 are enlarged and schematically illustrated.
  • triblock copolymer 21 which is an example of a multiblock copolymer, is composed of alternately binding segments 211 having hydrophobic properties and segments 212 having hydrophilic properties (see FIG. 8(c)). Segment 211 is an example of a first segment, and segment 212 is an example of a second segment.
  • each of the segments 211 and 212 is composed of one block polymer.
  • the block polymer forming the segment 211 is hydrophobic, and the block polymer forming the segment 212 is hydrophilic.
  • An example of the segment 211 and the segment 212 will be described later with reference to FIG. 9(a).
  • the segment 211 may be composed of a plurality of hydrophobic block polymers, and the segment 212 may be composed of a plurality of hydrophilic block polymers.
  • triblock copolymer 21 in triblock copolymer 21, segment 211, segment 212, and segment 211 are bonded in this order.
  • triblock copolymer 21 is composed of two segments 211 and segment 212 interposed between these two segments 211 . Therefore, the total number of segments of triblock copolymer 21 is three.
  • the total number of segments is not limited to 3, and can be appropriately determined as long as it is 3 or more.
  • structure 20 may be a multiblock copolymer rather than a triblock copolymer.
  • the total number of segments is preferably an odd number, more preferably 3.
  • the triblock copolymer 21 is swollen in a solvent (water in the production method M20) as an intermediate (hereinafter also referred to as a microstructure-producing gel) for producing the structure 20.
  • a polymer gel obtained by (hydrogel in manufacturing method M20) is used.
  • the odd total number of segments places block polymers with the same polarity at both ends of the triblock copolymer 21 . Therefore, when forming a polymer gel, the ends of a plurality of triblock copolymers 21 can be easily aggregated.
  • the total number of segments is 3, it is possible to prevent portions other than the end portions of the plurality of triblock copolymers 21 from aggregating. Therefore, it becomes easy to make the pitch of the polymer matrix forming the polymer gel uniform.
  • the triblock copolymer 21 of the present embodiment assumes that water, which is an example of a hydrophilic solvent, is used as a solvent when preparing a microstructure-producing gel. Therefore, as the triblock copolymer 21, a triblock copolymer having segments 211 positioned at both ends is employed. However, when a hydrophobic solvent is used to prepare a microstructure-producing gel, a triblock copolymer having segments 212 positioned at both ends may be employed as the triblock copolymer 21 .
  • the pigment 22 may be bound to the segment 211 interposed between the two segments 212.
  • PBMA poly(butyl methacrylate)
  • PMMA poly(methacrylic acid)
  • the block polymers constituting each of the segments 211 and 212 are not limited to PBMA and PMMA, respectively.
  • methacrylates having an alkyl chain such as poly(hexyl methacrylate) and poly(octyl methacrylate), acrylates, and the like are preferably used, but are not limited thereto.
  • Polymers having hydrophobic side chains, such as functional groups of the formula and fluorinated alkyls can be suitably used.
  • Other block polymers that make up the segment 212 include, but are not limited to, methacrylates and acrylates having a carboxylic acid group such as poly(acrylic acid), and functional groups capable of reacting with the desired dye are added. It can be a contained polymer.
  • the segment 212 which is a segment to which the dye 22 is bound, has a ratio ( M W / M n ) is preferably 3 or less, more preferably 2 or less, and most preferably 1.2 or less.
  • a narrower molecular weight distribution means that the chain length distribution of the block polymer falls within a narrower range, so that a hydrogel having a more uniform network structure can be formed.
  • the molecular weight distribution of the segments 212 may be appropriately determined according to the size of the minimum width of the pattern in the microstructure or nanostructure of the structure 20 to be manufactured. Preferably, the smaller the minimum width of the pattern, the smaller the molecular weight distribution of the segments 212 . As with the segment 212, it is preferable that the molecular weight distribution of the segment 211 is also small. Segments 211 and 212 can be produced using a precise polymerization method such as living radical polymerization, so that the molecular weight distribution can be reduced.
  • the proportion of the block component in the segment 212 is preferably 80% or more and 100% or less, more preferably 90% or more, when measured by 13C-NMR.
  • the block polymer consists of a plurality of monomers, if all the Triad components are the same, they are counted as the numerator in the above formula.
  • the "AAA” fraction and “BBB” fraction molecules are counted, but other fractions containing different units such as "BAB” and "ABA” does not count in the numerator of the above formula.
  • Examples of the dye 22 include fluorescein, which is one of fluorescent dyes, and a fluorescein in which the carboxyl group of fluorescein is substituted with a substituent R (see (b) in FIG. 9).
  • a substituent R a cross-linking material 23, which will be described later, is used.
  • an amino group (NH 2 ), a thiol group (SH), biotin, or the like may be used as the substituent R. can be done.
  • the cross-linking material 23 is a water-based resin cross-linking material, and an example thereof includes 1,11-diazide-3,6,9-trioxaundecane, which is a diazide having a water-soluble skeleton (FIG. 9). (c)).
  • a diazide or the like is used as a cross-linking agent for the cross-linking reaction, it is preferable to introduce a functional group having a double bond or a triple bond, which is an unsaturated bond, as a substituent to be introduced into the dye 22 .
  • FIG. 10 is a perspective view of the optical diffraction element 20A.
  • FIG. 11 is a perspective view of a microcell 202 included in the optical diffraction element 20A.
  • the optical diffraction element 20A can also be said to be a modification of the structure 20 shown in FIG.
  • the optical diffraction element 20A has a nanostructure like the structure 20. Further, the optical diffraction element 20A is a triangular structure in which hydrophobic first segments 211 and hydrophilic second segments 212 are alternately coupled, and the total number of segments is three, as in the structure 20. Contains block copolymers.
  • micro cell compared with the triblock copolymer 21 contained in the structural body 20 ((b) and (c) in FIG. 8), the triblock copolymer contained in the optical diffraction element 20A is not the crosslinker 23 but the nano The difference is that the particles are bound together.
  • a microcell 202 containing nanoparticles will be described.
  • the microcell 202 is a portion of the triblock copolymer and is the area where the pigment 22 is attached to the diamond nanoparticles.
  • the segment 212 which is one of the segments 211 and 212 and is interposed between the two segments 211 at both ends, contains the dye 22 and , and nanoparticles are bound in this order.
  • the nanoparticles are configured to have a refractive index greater than that of the polymer matrix containing segments 211 and 212 .
  • diamond nanoparticles are used as the nanoparticles.
  • the material constituting the nanoparticles is not limited to diamond, and may be gold, silver, copper, and platinum, carbon nanotubes, fullerene, titanium oxide, and silica. Moreover, it is not necessary to use these alone, and a blend or alloy thereof may be used.
  • the refractive index of the region of the triblock copolymer in which the pigment 22 and nanoparticles are bound to the segment 212 is higher than the refractive index of the region in which the segment 212 is not bound to the pigment 22 and nanoparticles.
  • the region where the pigment 22 and the nanoparticles are not bound to the segment 212 is referred to as the low refractive index portion 201
  • the region having a higher refractive index than the low refractive index portion 201 due to the nanoparticles is referred to as the microcell 202.
  • the refractive index of the triblock copolymer 21 forming the low refractive index portion 201 is, for example, 1.4.
  • the refractive index of diamond which is used as the nanoparticle material
  • the refractive index of microcells 202 depends on the density of nanoparticles in microcells 202 .
  • the density of the nanoparticles depends on the density of the dye 22 bound to the segment 212 and the particle size of the nanoparticles bound to the dye 22 .
  • the higher the density of dyes 22 bound to segments 212 the greater the number of nanoparticles that microcell 202 can contain.
  • the larger the particle size of the nanoparticles the more the volume per nanoparticle can be increased. As will be described later with reference to FIG.
  • the density of the dye 22 is controlled so that the refractive index should be controlled.
  • the density of the dye 22 can be controlled by the exposure amount in the exposure step S13 shown in FIGS. 13 and 14. FIG. The higher the exposure dose in the exposure step S13, the higher the density of the dye 22.
  • the refractive index of the microcell 202 can be appropriately determined within the range of 1 or more and less than 2.42.
  • the refractive index difference .DELTA in the optical diffraction element 20A, the refractive index difference .DELTA.
  • the thickness of the microcells 202 can be made thinner than in the optical diffraction element 110.
  • the shape of the low refractive index portion 201 is a rectangular block.
  • the length of each side of the pair of bottom walls is 4.5 ⁇ m, and the thickness is 1.5 ⁇ m.
  • each microcell 202 is a columnar pillar.
  • the length L of each side of the pair of bottom surfaces is 500 nm, and the thickness is 550 nm.
  • the microcells 202 are embedded in a matrix of 4 rows and 4 columns along the main surface of the low refractive index portion 201 inside the low refractive index portion 201 .
  • the main surface of the low refractive index portion 201 is an example of a specific plane. 10, only one microcell 202 out of 16 microcells 202 is labeled.
  • each micro-cell 202 is composed of four sub-cells 202 11 , 202 12 , 202 21 and 202 22 arranged in two rows and two columns.
  • the number of sub-cells forming each micro-cell 202 is not limited to four, and can be appropriately determined according to the desired number of gradations.
  • Each of the sub-cells 202 11 , 202 12 , 202 21 , 202 22 is configured to have one of two predetermined refractive indices, 1.4 and 2.42.
  • the refractive index is controlled according to the density of the nanoparticles. Therefore, the refractive index of each subcell 202 11 , 202 12 , 202 21 , 202 22 is isotropic, 1.4 or 2.42 for all directions.
  • the number of gradations of the microcell 202 configured in this way is 5 gradations.
  • each of the sub-cells 202 11 , 202 12 , 202 21 , 202 22 can take is not limited to two types and can be appropriately set from a plurality of types.
  • the shape and size of the low refractive index portion 201 and the microcells 202 are not limited to this modified example, and can be determined as appropriate.
  • the microcells 202 may be embedded inside the low refractive index portion 201 as shown in FIG. When the microcell 202 is exposed on the main surface of the low refractive index portion 201 , the thickness of the microcell 202 is equal to the thickness of the low refractive index portion 201 .
  • ⁇ Optical computing device> As shown in FIG. 10, in the optical diffraction element 20A, a plurality of microcells 202 arranged in a matrix are embedded in a single layer in the low refractive index portion 201 .
  • a configuration in which a plurality of microcells 202 arranged in a matrix are embedded in each layer of a plurality of layers in the low refractive index portion 201 can be employed. In this case, the regions in each layer where the plurality of microcells 202 are provided overlap.
  • an optical computing device similar to the optical computing device shown in FIG. it is possible to realize an optical computing device similar to the optical computing device shown in FIG. Also, according to this configuration, an optical arithmetic device can be manufactured without exposing the plurality of microcells 202 to the air.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the gel 20G.
  • members having the same functions as those of the members described in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
  • the gel 20G is an example of a fine structure manufacturing gel for manufacturing the structure 20 or the optical diffraction element 20A described above.
  • the gel 20G has first segments 211 and second segments 212 each composed of one or more block polymers, and the first segments 211 and second segments 212 each having hydrophobicity and hydrophilicity alternately It contains a bound triblock copolymer with a total number of segments of 3 and water.
  • the triblock copolymer may be a multiblock copolymer as described above.
  • the gel 20G is obtained by dispersing the triblock copolymer 21, which includes segments 211 and 212 and the pigment 22 is not bound to the segment 212, in water, which is an example of a solvent having hydrophilicity, and thereby swelling the copolymer. be done.
  • the triblock copolymer 21 is composed of segments 211 having hydrophobicity at both ends, and is configured such that segments 212 having hydrophilicity are interposed between the segments 211 .
  • a polymer matrix 24 is formed as shown in FIG.
  • the polymer matrix 24 is composed of water as a solvent, pseudo cross-linking points 241 formed by aggregation of segments 211 , and segments 212 interposed between two cross-linking points 241 .
  • the polymer matrix 24 is illustrated as having a two-dimensional structure in order to facilitate understanding of the structure of the polymer matrix, but the actual polymer matrix 24 has a three-dimensional structure.
  • the segments 211 and 212 that make up the triblock copolymer 21 can be produced using precision polymerization as described above. Therefore, the block polymers that make up segment 211 and segment 212 have a small molecular weight distribution.
  • the molecular weight distribution of the block polymer of segment 211 and segment 212 is, for example, preferably 2 or less, more preferably 1.2 or less.
  • a hydrophilic solvent is used as the solvent.
  • Water is used as an example.
  • hydrophilic solvents other than water include dimethylsulfoxide (DMSO) and dimethylformamide (DMF).
  • hydrophobic solvent examples include normal-hexane and cyclohexane.
  • FIG. 13 is a flow chart of the manufacturing method M20.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the gel 20G or the optical diffraction element 20A in each step included in the manufacturing method M20. (a) of FIG. 14 is a schematic diagram of the gel 20G after performing the pigment dispersion step S12, (b) of FIG. 14 is a schematic diagram of the gel 20G in the exposure step S13, and (c) of FIG.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the gel 20G after performing the nanoparticle addition step S15
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the gel 20G after performing the nanoparticle growth step S17
  • (e) is a schematic diagram of the optical diffraction element 20A obtained by performing the dehydration/sintering step S18.
  • the manufacturing method M20 is based on the InpFab method described in Non-Patent Document 1, and uses a gel 20G containing the triblock copolymer 21.
  • the manufacturing method M20 includes a gelation step S11, a pigment dispersion step S12, an exposure step S13, a pigment washing step S14, a nanoparticle addition step S15, a nanoparticle washing step S16, and a nanoparticle washing step S16. It includes a particle growth step S17 and a dehydration/sintering step S18.
  • the gelation step S11 is a step of obtaining a swollen gel 20G in which the triblock copolymer 21, in which the first segments 211 and the second segments 212 are alternately bonded and the total number of segments is 3, is in water.
  • the triblock copolymer 21 is used to prepare the gel 20G, but instead of the triblock copolymer 21, a multi-block copolymer having a total number of segments of 4 or more may be used.
  • the triblock copolymer 21 containing segment 211 and segment 212 can be appropriately purchased from commercially available products in consideration of the degree of polymerization of segment 211 and segment 212.
  • the segment 211 and the segment 212 having a desired degree of polymerization may be produced using a precise polymerization method, and then the triblock copolymer 21 may be produced using them.
  • an N,N-dimethylformamide (DMF) solution of triblock copolymer 21 is prepared.
  • concentration of the triblock copolymer 21 is not particularly limited, it is, for example, 20% by weight.
  • the solution is filled in a mold having a predetermined shape (rectangular parallelepiped in this embodiment).
  • a weak gel of triblock copolymer 21 is then obtained by exposing the surface of the solution to water vapor for several minutes. Gel 20G is then obtained by soaking this weak gel in water for 3 days.
  • the gel 20G containing the desired triblock copolymer 21 is commercially available, it can be purchased and the gelation step S11 can be omitted.
  • the pigment dispersion step S12 is one aspect of the first step, and is a step of dispersing the pigment 22 in the gel 20G (see (a) of FIG. 14).
  • the segments 211 constituting the triblock copolymer 21 are indicated by double lines, and the segments 212 are indicated by solid lines. Further, illustration of reference numerals 111 and 112 is omitted.
  • the dye 22 used in this embodiment is obtained by substituting the carboxyl group of fluorescein shown in FIG. 9B with an aminomethyl group.
  • the exposure step S13 is one aspect of the second step, and is a step of patterning by exposing a predetermined region of the triblock copolymer 21 constituting the gel 20G in which the pigment 22 is dispersed ((b )reference).
  • the two-dot chain line illustrated in FIG. 14(b) schematically represents the area to be exposed.
  • the dye 22 bonds to the block polymer constituting the segment 212 (see FIG. 9(b)).
  • a two-photon absorption exposure process is suitable for three-dimensionally exposing a desired region in the rectangular parallelepiped gel 20G.
  • the exposure should be set low.
  • the exposure step S13, the nanoparticle addition step S15, the nanoparticle washing step S16, the nanoparticle growth step S17, and the dehydration/sintering step S18, which will be described later, are steps known as the InpFab method. Therefore, in this embodiment, these steps are only briefly described.
  • the dye washing step S14 is one aspect of the third step, and is a step of removing the unreacted dye 22 remaining in the gel 20G by washing the gel 20G after patterning. . By performing this step, only the dye 22 bound to the segments 212 in the exposed areas remains inside the structure 20 . That is, the dye 22 remains only in the regions patterned by exposure.
  • the nanoparticle addition step S15 is a step of modifying the pigment 22 with nanoparticles 25 (for example, made of gold) (see (c) of FIG. 14).
  • the nanoparticle washing step S16 is a step of removing nanoparticles that are not bound to the dye 22 and remain in the gel 20G by washing the gel 20G after modifying the dye 22 with the nanoparticles 25. be.
  • the nanoparticle growth step S17 is a step of increasing the content of the high refractive index material in the gel 20G by further growing the nanoparticles 25 modified with the dye 22 (see (d) of FIG. 14).
  • the nanoparticles 25 are indicated by dashed lines, and the grown particles 26 are indicated by solid lines.
  • the dehydration/sintering step S18 is one aspect of the fourth step, and removes water from the triblock copolymer 21 from which the dye 22 has been removed, thereby shrinking the triblock copolymer 21 to obtain the optical diffraction element 20A. (see FIG. 14(e)).
  • the gel 20G is reduced while maintaining a similar shape to the gel 20G before dehydration.
  • the reduction ratio is set for convenience so that the size of the gel 20G is reduced to 1/2 by dehydration.
  • the actual contraction rate of the gel 20G due to dehydration is determined depending on the structure of the triblock copolymer 21 and the water content (in other words, degree of swelling) of the gel 20G. For example, when the content of water in the gel 20G of the triblock copolymer 21 of the present embodiment (see (a) of FIG. 9) is about 83%, the shrinkage ratio due to dehydration is about 1/10.
  • the variation that can occur in the pitch p between the cross-linking points 241 in the polymer matrix 24 that constitutes the gel 20G is small. .
  • the area patterned in the exposure step S13 (the area indicated by the two-dot chain line in (e) of FIG. 14) is also reduced while maintaining a shape similar to the patterned area before dehydration. Therefore, in the optical diffraction element 20A manufactured using the manufacturing method M20, distortion can be suppressed as compared with a structure manufactured using the conventional InpFab method.
  • the dehydration/sintering step S18 is performed by heating the gel 20G after performing the nanoparticle growth step S17 in an oven.
  • the temperature in the dehydration step is preferably set lower than the heat resistance temperature of the polymer used and the boiling point of the solvent in order to maintain a good shape. It is preferable to dry at a temperature of about 30 minutes to 120 minutes. It is also efficient to perform vacuum drying after drying and shrinkage have progressed to some extent.
  • the sintering temperature is slightly lower than the melting point of the nanoparticles, and it is preferable to heat the nanoparticles as short as possible so as to melt only the surface of the nanoparticles.
  • the dehydration/sintering step may be a combination of a plurality of heating conditions. After removing most of the water from the block copolymer 21, it is further dried for 30 minutes while vacuuming with a vacuum pump at the same temperature setting. In the subsequent sintering step, the heating temperature of the oven is switched to 400° C. and the heating time is switched to 3 minutes while vacuuming is continued, whereby the particles 26 contained in the triblock copolymer 21 are sintered.
  • the particles 26 contained in the triblock copolymer 21 adhere to each other, so that the strength of the microcells 202 (see FIG. 10) in the optical diffraction element 20A can be increased.
  • the sintering process is not limited to the melting of nanoparticles by a heating method, and an instantaneous sintering method by irradiation with a laser, a flash xenon lamp, or the like may be employed.
  • the optical diffraction element according to the first aspect of the present invention comprises a plurality of microcells arranged along a specific plane, each microcell including a plurality of subcells, each subcell comprising: A configuration is adopted in which the refractive index in at least one of the in-plane directions of the specific plane is one of n predetermined refractive indices (n is an integer equal to or greater than 2). .
  • each microcell Since each microcell is composed of a plurality of subcells, the refractive index of each microcell is determined by the average value of the refractive indices of the subcells. Then, by selecting the refractive index of each subcell from among the predetermined n types of refractive indices, the refractive index of each microcell can be appropriately determined.
  • Each microcell retards the phase of light transmitted through the interior according to its refractive index, so that the phase-delayed light according to each microcell's refractive index is caused to interfere with each other to obtain a predetermined Computations can be performed optically. Therefore, this optical diffraction element can provide an optical diffraction element of a system in which the refractive indices of a plurality of microcells are individually set.
  • each sub-cell has a substantially uniform thickness. ing.
  • the thickness of each subcell is substantially uniform, the thickness of each microcell is also substantially uniform. Therefore, the aspect ratio of each microcell can be made substantially uniform compared to an optical diffraction element in which the thicknesses of a plurality of microcells are individually set. Therefore, the present optical diffraction element is a deformation of the microcell that can occur when stereolithographically forming an optical diffraction element in which the thickness of a plurality of microcells is individually set, and the aspect ratio of each microcell varies. It is possible to suppress deformation of the microcells caused by this.
  • each sub-cell means, for example, the case where the thickness of all sub-cells is within ⁇ 10% of the average thickness.
  • each of the sub-cells includes a mesogenic group having liquid crystallinity. and a second segment composed of a block polymer containing no mesogenic group are alternately connected, and the total number of segments is at least 2 or more. and a guide for self-organizing the multiblock copolymer, wherein the orientation direction of the mesogenic groups in each of the subcells is any one of n predetermined orientation directions.
  • the mesogenic groups contained in the block polymer that constitutes the first segment are oriented in one of n predetermined orientation directions.
  • the refractive index of the mesogenic group changes according to the angle between the long axis direction of the mesogenic group and the polarization direction of linearly polarized light incident on the subcell. Therefore, when linearly polarized light is incident on the present optical diffraction element, the refractive index of each subcell is one of the predetermined n types of refractive indices.
  • a subcell can be realized by using a multi-block polymer containing a mesogenic group in one segment and a guide.
  • the surface of the guide is either hydrophobic or hydrophilic. and in the multiblock copolymer, one of the first segment and the second segment is hydrophobic and the other segment is hydrophilic.
  • the segment having the same polarity as the surface of the guide is close to the guide side, and the segment having the different polarity from the surface of the guide is away from the guide side.
  • Multiblock copolymers are ordered. Therefore, the orientation directions of the mesogenic groups can be reliably aligned, so that the refractive index in each subcell can be reliably controlled.
  • each subcell is composed of a polymer matrix and a portion of the polymer has a bound dye, a dye, and nanoparticles bonded in that order, wherein the nanoparticles have a refractive index greater than that of the polymer matrix. , configuration is adopted.
  • the amount or concentration of the dye and nanoparticles to be bound to the polymer is determined in n types, and the amount or concentration of the dye and nanoparticles is selected from n types for each subcell.
  • a subcell can be realized by using a polymer matrix composed of a polymer in which dyes and nanoparticles are bonded.
  • each of the polymer matrices is composed of one or a plurality of block polymers.
  • a multi-block copolymer is adopted as the polymer that constitutes the polymer matrix.
  • the block polymer that constitutes each of the first segment and the second segment has a linear form, but the segments having hydrophobicity and hydrophilicity are alternately bonded, and the total number of segments is 3 or more. Therefore, when dispersed in a hydrophilic or hydrophobic solvent, the segments that are opposite in polarity to the solvent aggregate in the solvent, and this site becomes a physical cross-linking point, resulting in a swollen gel form.
  • the hydrophobic segments at both ends of a plurality of block polymers aggregate and aggregate, resulting in physical cross-linking.
  • a gel-like form can be obtained by forming dots.
  • the block polymer constituting each of the first segment and the second segment can be produced using a precision polymerization method, the molecular weight distribution of each of the first segment and the second segment can be reduced. Therefore, in the gel obtained by swelling the multiblock copolymer with a solvent, it is possible to suppress variations in the pitch between crosslink points in the polymer matrix. Therefore, the present optical diffraction element can suppress distortion that may occur in the subcells, compared to an optical diffraction element manufactured using the conventional InpFab method.
  • the multidimensional block copolymer is a triblock copolymer having a total number of segments of 3. and is composed of two first segments and a second segment interposed between the two first segments.
  • a hydrophilic solvent for example, water
  • a solvent for swelling the multiblock copolymer can be used as a solvent for swelling the multiblock copolymer.
  • each microcell has a predetermined When light having a wavelength ⁇ of is incident, the phase of the light is changed according to the refractive index of the microcell, and the cell size of each microcell is the wavelength ⁇ or less.
  • each microcell can delay the phase of light having a wavelength ⁇ .
  • the cell size of each microcell is equal to or smaller than the wavelength ⁇ . is adopted.
  • each microcell can efficiently delay the phase of light having the wavelength ⁇ .
  • An optical arithmetic device includes N (N is an integer of 2 or more) optical diffraction elements according to any one of the first to ninth aspects. , the regions in which the plurality of microcells of each optical diffraction element are provided overlap each other.
  • a method for manufacturing an optical diffraction element according to an eleventh aspect of the present invention is a method for manufacturing an optical diffraction element having a plurality of microcells each including a plurality of subcells.
  • first segments composed of a block polymer containing a mesogenic group having liquid crystallinity and second segments composed of a block polymer containing no mesogenic group are alternately connected. and a multiblock copolymer having at least a total number of segments of 2 or more; providing the guide on the major surface of the substrate so as to be in one of the alignment directions; and forming the multi-block copolymer so as to cover the guide.
  • optical operation device 10 10a, 10b, 10c optical diffraction element 11 microcell group 11 ij microcell 12 subcell group 12 kl subcell 12g, 12g kl guide 12P, 12P kl diblock copolymer S1, S2 segment 20 structure 20A light diffraction Element 20G gel (an example of microstructure manufacturing gel) 201 low refractive index portion 202 microcell 202 11 , 202 12 , 202 21 , 202 22 subcell 21 triblock copolymer (an example of multi-block copolymer) 211, 212 segments (an example of the first segment and the second segment) 22 dye 23 cross-linking agent 24 polymer matrix 241 cross-linking point

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Abstract

複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子を提供するために、光回折素子は、特定の平面に沿って配置された複数のマイクロセルであって、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備えている。各サブセルは、前記特定の平面の面内方向のうち少なくとも１方向に対する屈折率が、所定のｎ種類（ｎは、２以上の整数）の屈折率のうち何れかの屈折率になるように構成されている。

Description

光回折素子、光演算装置、及び光回折素子の製造方法
　本発明は、複数のマイクロセルを含む光回折素子と、そのような光回折素子を複数備えた光演算装置と、そのような光回折素子の製造方法に関する。
　厚み又は屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行する光回折構造を基板の一方の主面に形成した光回折素子が知られている。ここで、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。
　複数の光回折素子を用いた光演算装置には、プロセッサを用いた電気的な演算装置と比べて高速且つ低消費電力であるという利点がある。特許文献１には、入力層、中間層、及び出力層を有する光ニューラルネットワークが開示されている。上述した光回折素子は、例えば、このような光ニューラルネットワークの中間層として利用することが可能である。
米国特許第７８４７２２５号明細書
　ところで、光回折素子において、複数（ここでは２００×２００）のマイクロセルＡの厚みを個別に設定する場合、図１５のような構成を採用することができる。
　図１５に示した光回折素子１１０は、透光性を有する層状部材からなる基板１１１と、光回折構造１１２とを備えている。光回折構造１１２は、基板１１１の一方の主面１１１１に形成された複数のマイクロセルＡにより構成されている。光回折構造１１２において、マイクロセルＡの底面は、正方形である。したがって、光回折構造１１２のセルサイズは、底面の一辺の長さＬと一致する。
　光回折構造１１２においては、複数のマイクロセルＡの厚みを個別に設定することによって、各マイクロセルＡを透過する各信号光ＬＳの位相変化量を設定する。光回折構造１１２は、各マイクロセルＡの厚みに応じて位相を変化させられる各信号光ＬＳを相互に干渉させる。これにより、光回折素子１１２は、予め定められた演算を光学的に実行する。なお、図１５においては、拡大して図示しているマイクロセルＡについてのみ信号光ＬＳを図示している。
　以上のように、複数のマイクロセルの厚みを個別に設定する方式の光回折素子は知られているものの、複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子は知られていない。
　本発明の目的は、複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光回折素子においては、特定の平面に沿って配置された複数のマイクロセルであって、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備え、各サブセルは、前記特定の平面の面内方向のうち少なくとも１方向に対する屈折率が、所定のｎ種類（ｎは、２以上の整数）の屈折率のうち何れかの屈折率である、構成が採用されている。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光演算装置においては、上述した一態様に係る光回折素子をＮ個（Ｎは、２以上の整数）備え、各光回折素子の前記複数のマイクロセルが設けられている領域は、重なっている、構成が採用されている。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光回折素子の製造方法は、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備えた光回折素子の製造方法である。本製造方法においては、各サブセルは、液晶性を有するメソゲン基を含むブロックポリマーにより構成された第１セグメントと、前記メソゲン基を含まないブロックポリマーにより構成された第２セグメントとが交互に接続されており、且つ、少なくとも総セグメント数が２以上である多元ブロックコポリマーと、前記多元ブロックコポリマーを自己組織化するガイドと、を含み、前記各サブセルにおける前記メソゲン基の配向方向が所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向になるように、基板の主面に前記ガイドを設ける工程と、前記ガイドを覆うように前記多元ブロックコポリマーを形成する工程と、を含んでいる、構成が採用されている。
　本発明の一態様によれば、複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子及び光演算装置を提供することができる。
（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光回折素子における複数のマイクロセルの配置を示す模式図である。（ｂ）は、（ａ）に示した光回折素子の断面を示す模式図である。 図１に示した光回折素子の各マイクロセルにおける複数のサブセルの配置を示す模式図である。 （ａ）は、図２に示したサブセルの模式図である。（ｂ）は、（ａ）に示したサブセルに含まれるジブロックコポリマーを示す模式図である。 （ａ）は、図３の（ｂ）に示したジブロックコポリマーの構造式である。（ｂ）は、（ａ）に示したジブロックコポリマーの第１セグメントに含まれるメソゲン基の構造式である。 （ａ）～（ｄ）は、図３の（ａ）に示すサブセルの第１の変形例を示す模式図である。 （ａ）～（ｄ）は、図３の（ａ）に示すサブセルの第２の変形例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光演算装置の断面を示す模式図である。 （ａ）は、第１の参考形態に係る構造体の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した構造体の一部を拡大した模式図であり、（ｃ）は、（ａ）に示した構造体が含有する２つのトリブロックコポリマーの模式図である。 （ａ）は、図８の（ｂ）及び（ｃ）に示したトリブロックコポリマーの構造式である。（ｂ）は、図８の（ｂ）及び（ｃ）に示した色素の構造式である。（ｃ）は、図８の（ｂ）及び（ｃ）に示した架橋材の構造式である。 本発明の第３の実施形態に係る光回折素子の斜視図である。 図１０に示した光回折素子に含まれるマイクロセルの斜視図である。 本発明の第２の参考形態に係るゲルの模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る製造方法のフローチャートである。 （ａ）～（ｅ）は、図１３に示した製造方法に含まれる各工程にけるゲル又は構造体の模式図である。 従来の光回折素子を示す斜視図である。
　〔第１の実施形態〕｀
　本発明の第１の実施形態に係る光回折素子１０について、図１～図５を参照して説明する。図１の（ａ）は、光回折素子１０における複数のマイクロセル１１ｉｊの配置を示す模式図である。なお、ｉ，ｊの各々は、それぞれ、１≦ｉ，ｊ≦３を満たす整数である。図１の（ｂ）は、光回折素子１０のＡ－Ａ’断面（図１の（ａ）参照）を示す模式図である。図２は、マイクロセル１１ｉｊにおける複数のサブセルの配置を示す模式図である。図３の（ａ）は、サブセル１２３１の模式図である。図３の（ｂ）は、サブセル１２３１に含まれるジブロックコポリマー１２Ｐ３１を示す模式図である。図４の（ａ）は、ジブロックコポリマー１２Ｐの構造式である。図４の（ｂ）は、ジブロックコポリマーのセグメントＳ１に含まれるメソゲン基の一例の構造式である。
　なお、図１においては、光回折素子１０を構成する基板１０１，１０２の主面がｘｙ平面と平行になるように、且つ、基板１０１，１０２の法線方向がｚ軸方向となるように直交座標系を定めている。また、ｘｙ平面内において、マトリクス状に配置されているマイクロセル１１ｉｊの行に平行な方向及び列に平行な方向の各々を、それぞれ、ｘ軸方向及びｙ軸方向と定めている。また、信号光ＬＳｉ，ＬＳｏ（図１の（ｂ）参照）の伝搬方向をｚ軸正方向と定め、各マイクロセル１１ｉｊにおいて列番号及び行列番号の各々が増える方向を、ぞれぞれ、ｘ軸正方向及びｙ軸正方向と定めている。
　図２及び図３に示す座標系は、図１に示す座標系と同様である。
　＜光回折素子の概要＞
　光回折素子１０は、各マイクロセル１１ｉｊの屈折率を個別に設定することによって、各マイクロセル１１ｉｊを透過する各信号光の位相変化量を設定するように構成されている。波長λは、光回折素子の設計段階において、その用途などに応じて、３６０ｎｍ以上１０００μｍ以下の帯域内において適宜定めることができる。この帯域は、可視域（３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ未満）、近赤外域（８３０ｎｍ以上２μｍ未満）、中赤外域（２μｍ以上４μｍ未満）、及び、遠赤外域（４μｍ以上１０００μｍ以下）により構成されている。本実施形態では、信号光ＬＳｉ，ＬＳｏの波長λとしてλ＝４００ｎｍを採用している。波長λは、３６０ｎｍ以上１０００μｍ以下の帯域内に含まれる波長のうち少なくとも一部の波長であってもよい。
　図１の（ｂ）においては、光回折素子１０に入射する信号光を一括して信号光ＬＳｉとし、光回折素子１０から出射する信号光を一括して信号光ＬＳｏとしている。
　光回折素子１０に入射した信号光は、各マイクロセル１１ｉｊを透過するときに、各マイクロセル１１ｉｊの屈折率に応じてその位相を変化させられる。光回折素子１０は、各マイクロセル１１ｉｊから出射された各信号光ＬＳｏであって、位相を変化させられた各信号光ＬＳｏを相互に干渉させる。これにより、光回折素子１０は、予め定められた演算を光学的に実行する。
　＜光回折素子の構成＞
　図１の（ｂ）に示すように、光回折素子１０は、３行３列のマトリクス状に配置された９つのマイクロセル群１１であるマイクロセル１１１１～１１１３，１１２１～１１２３，１１３１～１１３３により構成されている。本実施形態において、光回折素子１０は、一対の基板１０１，１０２と、スペーサ１０３と、ジブロックコポリマー１２Ｐとを備えている。マイクロセル群１１は、基板１０１，１０２、スペーサ１０３、及びジブロックコポリマー１２Ｐを用いて実現されている。
　（容器）
　基板１０１は、一対の主面である主面１０１１，１０１２を有する層状部材である。基板１０２は、層状部材であり、基板１０１の構成と同一である。基板１０２も、一対の主面である主面１０２１，１０２２を有する。基板１０１及び基板１０２は、近接する側の主面同士である主面１０１２と主面１０２１とが対向するように配置されている。図１の（ｂ）においては、基板１０１がｚ軸負方向側に配置されており、基板１０２がｚ軸正方向側に配置されている。
　本実施形態においては、基板１０１，１０２を構成する材料として、アクリル系樹脂を採用している。ただし、基板１０１，１０２を構成する材料は、λ＝４００ｎｍである信号光ＬＳｉ，ＬＳｏに対して透光性を有していればよく、アクリル系樹脂に代表される樹脂に限定されない。また、基板１０１，１０２を構成する材料は、石英ガラスに代表されるガラス材料であってもよい。
　主面１０１１は、光回折素子１０に対して信号光ＬＳｉが入射する入射面を構成し、主面１０２２は、光回折素子１０から信号光ＬＳｏを出射する主斜面を構成する。
　基板１０１と基板１０２との間には、所定の厚みを有するスペーサ１０３が設けられている。スペーサ１０３の厚みは、互いに対向する基板１０１と基板１０２との間隔を規定する。
　基板１０１，１０２と、スペーサ１０３とは、互いに接合されており、密閉空間を形成する（図１の（ｂ）参照）。この密閉空間には、ジブロックコポリマー１２Ｐが充填されている。したがって、基板１０１，１０２と、スペーサ１０３とは、ジブロックコポリマー１２Ｐを収容する容器を構成している。ジブロックコポリマー１２Ｐについては、図３及び図４を参照して後述する。
　（ガイド及びジブロックコポリマー）
　図１の（ｂ）には図示を省略しているものの、基板１０１の一対の主面のうちジブロックコポリマー１２Ｐが接する主面である主面１０１２には、ガイド１２ｇが設けられている。ガイド１２ｇは、波長λである光に対して透光性を有する材料により構成されている。ガイド１２ｇは、例えば、電子線リソグラフィ法を用いて、フォトレジストを硬化させることによって所望のパターンにパターニングすることができる。
　なお、ガイド１２ｇの厚みは、スペーサ１０３の厚みと一致していてもよいし、スペーサ１０３の厚みよりも薄くてもよい。後述するように、ジブロックコポリマー１２Ｐは、ガイド１２ｇをきっかけにして自己組織化することにより配向する。したがって、ガイド１２ｇの厚みがスペーサ１０３の厚みより薄い場合であっても、略全てのジブロックコポリマー１２Ｐを自己組織化することができる。
　ジブロックコポリマー１２Ｐは、液晶性を有するメソゲン基ＭＧを含む。メソゲン基ＭＧは、ガイド１２ｇの形状に応じてｘ軸方向及びｙ軸方向の何れかに沿うように配向する。なお、ジブロックコポリマー１２Ｐの構造及びメソゲン基ＭＧの配向については、図２を参照して後述する。
　光回折素子１０においては、図１の（ａ）に示すように、信号光が透過する有効領域を３行３列（すなわち９個）に分割した各領域をマイクロセル１１ｉｊと称する。図１の（ｂ）には、マイクロセル１１ｉｊのうち、２行目のマイクロセルであるマイクロセル１１２１～１１２３が図示されている。また、各マイクロセル１１ｉｊを４行４列（すなわち１６個）に分割した各領域をサブセル１２ｋｌと称する。なお、ｋ，ｌの各々は、それぞれ、１≦ｋ，ｌ≦４を満たす整数である。また、全てのサブセル１２ｋｌをまとめてサブセル群１２と称する。
　したがって、光回折素子１０において、各マイクロセル１１ｉｊは、特定の平面の一例である主面１０１２に沿ってマトリクス状に配置されている。各マイクロセル１１ｉｊは、複数のサブセル１２ｋｌを含む。
　ここで、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。
　本実施形態において、各マイクロセル１１ｉｊの厚み、及び、各マイクロセル１１ｉｊを構成する各サブセル１２ｋｌの厚みは、何れも基板１０１と基板１０２との間隔（すなわちスペーサ１０３の厚み）で規定される。したがって、各マイクロセル１１ｉｊの厚み及び各サブセル１２ｋｌの厚みは、略等しい。
　ガイド１２ｇは、主面１０１２をｚ軸方向に沿って平面視した場合に、各々が正方形状である各サブセル１２ｋｌを区切るように、格子状に設けられている（図２参照）。ただし、各サブセル１２ｋｌを取り囲むガイド１２ｇの一部には、切り欠きｇが設けられている。図３の（ａ）では、サブセル１２ｋｌの一例としてサブセル１２３１を用い、切り欠きｇとメソゲン基ＭＧの配向方向とについて説明する。なお、本実施形態においては、各サブセル１２ｋｌの一辺の長さＬとしてＬ＝１００ｎｍを採用する。ただし、長さＬは、これに限定されず、信号光Ｌｉ，Ｌｏの波長λ（本実施形態では４００ｎｍ）と、各マイクロセル１１ｉｊにおける屈折率の階調数とに応じて定めればよい。
　各マイクロセル１１ｉｊを透過する場合に生じえる位相変化量を大きくするために、各マイクロセル１１ｉｊの一辺の長さは、λ以下であることが好ましく、λ／２以下であることがより好ましい。本実施形態では、各マイクロセル１１ｉｊの一辺の長さとして、λ／２である２００ｎｍを採用している。
　また、本実施形態では、各マイクロセル１１ｉｊを１６個のサブセル１２ｋｌに分割している。この構成によれば、各マイクロセル１１ｉｊの階調数は、１７階調になる。このような構成を採用する場合、Ｌ＝５０ｎｍを採用すればよい。なお、各マイクロセル１１ｉｊをＮ行Ｎ列（Ｎは、２以上の整数）のサブセル群１２に分割する場合、各マイクロセル１１ｉｊの階調数は、Ｎ２＋１階調となる。
　サブセル１２３１を規定するガイド１２ｇ３１には、２箇所の切り欠きｇが設けられている。これら２つの切り欠きｇは、何れも、ｘ軸方向と平行な辺の中点近傍に設けられている。以下において、正方形状であるサブセル１２３１の各辺の長さを長さＬとし、切り欠きｇの長さを長さＬｇとする。この場合、ｙ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さは、２Ｌであり、ｘ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さは、２（Ｌ－Ｌｇ）である。したがって、サブセル１２３１においては、ｙ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さがｘ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さを上回る。
　このように、各サブセル１２ｋｌにおいては、ｘ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さと、ｙ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さとが異なるように、４辺のうち少なくとも１辺に切り欠きｇが設けられている。
　上述したように、基板１０１，１０２とスペーサ１０３とにより構成された容器内には、ジブロックコポリマー１２Ｐが充填されている。したがって、図３の（ａ）に示すように、各サブセル１２ｋｌ（図３の（ａ）においてはサブセル１２３１）の内部には、ジブロックコポリマー１２Ｐｋｌ（図３の（ａ）においてはジブロックコポリマー１２Ｐ３１）が充填されている。以下では、ジブロックコポリマー１２Ｐ３１を例として、ジブロックコポリマー１２Ｐｋｌについて説明する。なお、各サブセル１２ｋｌのうち何れのサブセルに含まれているかを区別しなくてよい場合には、単にジブロックコポリマー１２Ｐと記載する。
　図３の（ｂ）及び図４の（ａ）に示すように、ジブロックコポリマー１２Ｐ３１に代表されるジブロックコポリマー１２Ｐは、セグメントＳ１とセグメントＳ２とが接続され、且つ、総セグメント数が２であるジブロックコポリマーである。ただし、ジブロックコポリマー１２Ｐは、セグメントＳ１とセグメントＳ２とが交互に接続されており、総セグメント数が３以上である多元ブロックコポリマーであってもよい。
　セグメントＳ１，Ｓ２は、それぞれ、第１のセグメント及び第２のセグメントの一例である。セグメントＳ１を構成するブロックポリマーは、液晶性を有するメソゲン基ＭＧを含む（図４の（ａ）及び（ｂ）参照）。図４の（ｂ）に示すメソゲン基ＭＧは、最上段から順番に、５ＣＢ（4'-Pentyl-4-cyanobiphenyl）、4'-Hexoxy-4-cyanobiphenyl、4-Butoxyphenylbenzoate、及び4-Pnetanoylphenylbenzoateである。
　これらのメソゲン基ＭＧは、直鎖状に接続された２つのベンゼン環を含む。本実施形態においては、セグメントＳ１及びセグメントＳ２の主鎖が延伸されている方向である主鎖方向に対して、メソゲン基ＭＧのベンゼン環が直線状に接続された方向である側鎖方向が略直交するものとする。図３の（ｂ）においては、矢印Ｄ１を用いてこの側鎖方向を示している。
　ただし、ジブロックコポリマー１２Ｐにおける主鎖方向と側鎖方向とのなす角は、限定されない。一方、セグメントＳ２を構成するブロックポリマーは、メソゲン基ＭＧを含まない。
　直鎖状に接続された２つのベンゼン環を含むメソゲン基ＭＧは、その屈折率が異方性を有する。具体的には、ベンゼン環が直線状に接続された側鎖方向に対して偏光方向が平行な直線偏光に対して高い屈折率を示し、側鎖方向と直交する方向に対して偏光方向が平行な直線偏光に対して低い屈折率を示す。図３の（ｂ）においては、メソゲン基ＭＧを示す形状として楕円を用いている。メソゲン基ＭＧを示す楕円において、長軸方向は、高い屈折率を示す偏光方向に対応し、短軸方向は、低い屈折率を示す偏光方向に対応する。
　本実施形態において、セグメントＳ１を構成するブロックポリマーは、親水性を有し、セグメントＳ２を構成するブロックポリマーは、疎水性を有する。また、上述したガイド１２ｇは、疎水性を有するようにその表面が処理されている。
　そのため、疎水性を有するブロックポリマーからなるセグメントＳ２は、ガイド１２ｇ３１の近傍に凝集しようとし、親水性を有するブロックポリマーからなるセグメントＳ１は、ガイド１２ｇ３１の近傍から離れようとする。その結果、ジブロックコポリマー１２Ｐ３１は、配列することによって自己組織化しようとする力が作用する。
　ただし、セグメントＳ１の極性、セグメントＳ２の極性、及びガイド１２ｇの極性は、上述した組み合わせに限定されない。光回折素子１０において、ガイド１２ｇの表面は、疎水性及び親水性の何れかの極性を有し、セグメントＳ１及びセグメントＳ２のうち一方のセグメントが疎水性であり、他方のセグメントが親水性であれば、ジブロックコポリマー１２Ｐを自己組織化することができる。
　上述したように、サブセル１２３１においては、ｙ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さがｘ軸方向と平行なガイド１２ｇ３１の長さを上回る。したがって、セグメントＳ２は、ガイド１２ｇ３１のうちｙ軸方向と平行な部分に凝集する。その結果、サブセル１２３１においては、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すようにジブロックコポリマー１２Ｐ３１が配向する。なお、図３の（ａ）においては、サブセル１２３１の右側半分の領域Ｒのみを図３の（ｂ）に拡大して示している。ただし、サブセル１２３１の左側半分の領域にも同様にジブロックコポリマー１２Ｐ３１が配向している。
　その結果、サブセル１２３１は、偏光方向がジブロックコポリマー１２Ｐ３１の側鎖方向（矢印Ｄ１の方向）と平行な直線偏光を入射した場合に高い屈折率を示す。
　図２に示すマイクロセル１１ｉｊにおいて、サブセル１２３１に加えて、サブセル１２１４，１２２１，１２２３，１２２４，１２３２，１２３４，１２４１は、ｙ軸方向と平行なガイド１２ｇの長さがｘ軸方向と平行なガイド１２ｇの長さを上回るように構成されている。したがって、これらの８個のサブセルにおいては、側鎖方向が矢印Ｄ１と略平行になり、矢印Ｄ１の方向と平行な直線偏光を入射した場合に高い屈折率を示す。
　一方、マイクロセル１１ｉｊにおいて、サブセル１２１１，１２１２，１２１３，１２２２，１２３３，１２４２，１２４３，１２４４は、ｘ軸方向と平行なガイド１２ｇの長さがｙ軸方向と平行なガイド１２ｇの長さを上回るように構成されている。したがって、これらの８個のサブセルにおいては、側鎖方向が矢印Ｄ１に直交する矢印Ｄ０と略平行になり、矢印Ｄ１の方向と平行な直線偏光を入射した場合に低い屈折率を示す。
　以上のように、１６個の各サブセル１２ｋｌは、偏光方向が所定の方向（例えば矢印Ｄ１と平行な方向）である直線偏光に対して、屈折率が高い状態である状態「１」及び屈折率が低い状態である状態「０」の何れかをとり得る。換言すれば、各サブセル１２ｋｌにおけるメソゲン基ＭＧの配向方向は、所定の２種類の配向方向（矢印Ｄ０の方向及び矢印Ｄ１の方向）のうち何れかの配向方向をとるため、各サブセル１２ｋｌは、ｘｙ平面の面内方向のうちの１方向（たとえば矢印Ｄ１の方向）に対する屈折率が２種類のうち何れかの屈折率をとる。そのため、各マイクロセル１１ｉｊは、０以上１６以下の１７階調を表現し得る。
　なお、各マイクロセル１１ｉｊを透過する信号光は、波長λ（＝４００ｎｍ）と同程度のサイズ領域にわたる平均的な屈折率の影響をうける。したがって、信号光からみた場合における各マイクロセル１１ｉｊの屈折率は、１６個の各サブセル１２ｋｌの屈折率の平均値となる。
　なお、メソゲン基ＭＧとして図４の（ｂ）の最上段に示す５ＣＢ（4-Cyano-4'-pentylbiphenyl）を用いた場合、偏光方向が矢印Ｄ１と平行な直線偏光に対する屈折率と、偏光方向が矢印Ｄ１と直交した直線偏光に対する屈折率との差Δが０．２程度である（λ＝５５０ｎｍである場合の例）。そのため、最大の階調値である１７階調であるマイクロセル１１ｉｊにおいて信号光の１波長分（本実施形態においては４００ｎｍ）だけ位相を遅らせることを想定した場合、各マイクロセル１１ｉｊ（すなわち各サブセル１２ｋｌ）の厚みは、３μｍ以上であることが好ましい。なお、ジブロックコポリマー１２Ｐを構成するセグメントＳ１及びセグメントＳ２のセグメントＳ１のみにメソゲン基ＭＧが結合されている点を考慮すると、各マイクロセル１１ｉｊ（すなわち各サブセル１２ｋｌ）の厚みは、６μｍ以上であることが好ましい。
　（製造方法）
　図１及び図２に示す光回折素子１０の製造方法について簡単に説明する。本製造方法は、ガイド１２ｇを設ける工程と、ジブロックコポリマー１２Ｐを充填する工程と、を含んでいる。
　ガイド１２ｇを設ける工程は、各サブセル１２ｋｌにおけるメソゲン基ＭＧの配向方向が所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向になるように、特定の平面を構成する基板１０１の主面１０１２にガイド１２ｇを設ける工程である。図２には、主面１０１２に設けられたガイド１２ｇの一例が図示されている。上述したように、ガイド１２ｇは、例えば、電子線リソグラフィ法を用いて、フォトレジストを硬化させることによって所望のパターンにパターニングすることができる。
　次に、主面１０１２及びガイド１２ｇを覆うようにジブロックコポリマー１２Ｐの層を形成する。ジブロックコポリマー１２Ｐの層の形成方法はとくに限定されるものではないが、例えば溶媒に溶解させたジブロックコポリマー溶液をスピンコート法やスプレーコート法のような簡便な方法を用いて均一な層とすることができる。この工程を実施することにより、ガイド１２ｇが設けられた主面１０１２は、ジブロックコポリマー１２Ｐにより覆われる。これにより、各サブセル１２ｋｌを構成するジブロックコポリマー１２Ｐであって、メソゲン基ＭＧを含むジブロックコポリマー１２Ｐは、ガイド１２ｇにより自己組織化される。したがって、各サブセル１２ｋｌにおけるメソゲン基ＭＧの配向方向は、所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向を取る。
　次に、基板１０１と基板１０２との間にスペーサ１０３を挟むことによって、基板１０１と基板１０２との間に空洞を形成することができる。このとき、ガイド１２ｇを設けた主面１０１２が空洞の側にくるように基板１０１の向きを定める。このスペーサ１０３は、アライメントマークとしても用いることもできる。
　なお、スペーサ１０３の厚みは均一であることが好ましい。スペーサ１０３の厚みが均一であることにより、基板１０１と基板１０２との間隔を均一にすることができる。
　また、基板１０１と基板１０２の間に空隙が必要ない場合には、スペーサ１０３を省略することができる。この場合、基板１０１と基板１０２との間にスペーサ１０３が直接介在するように、基板１０１と、スペーサ１０３と、基板１０２とを積層すればよい。
　＜サブセルの変形例＞
　上述した光回折素子１０においては、図２に示すように、各サブセル１２ｋｌは、メソゲン基ＭＧの配向方向が所定の２種類の配向方向（矢印Ｄ０の方向及び矢印Ｄ１の方向）のうち何れかの配向方向をとるように、すなわち、ｘｙ平面の面内方向のうちの１方向（たとえば矢印Ｄ１の方向）に対する屈折率が所定のｎ種類の屈折率のうち何れかの屈折率をとるように構成されていてもよい。
　図５の（ａ）～（ｄ）は、サブセル１２ｋｌの第１の変形例を示す模式図である。第１の変形例において、各サブセル１２ｋｌは、メソゲン基ＭＧの配向方向が所定の４種類の配向方向（矢印Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の方向）のうち何れかの配向方向をとるように、すなわち、ｘｙ平面の面内方向のうちの１方向（たとえば偏光方向Ｌｐの方向）に対する屈折率が所定の４種類の屈折率のうち何れかの屈折率をとるように構成されている。
　本変形例においては、各サブセル１２ｋｌの向きを、図５の（ａ）～（ｄ）に示した４種類の向きから選択することによって、上記の構成を実現する。なお、図５の（ａ）に示したサブセル１２ｋｌの状態は、図３の（ａ）に示したサブセル１２３１の状態と同じである。また、図５の（ｂ）～（ｄ）に示したサブセル１２ｋｌの状態は、図３の（ａ）に示したサブセル１２３１を３０度ずつ時計回りに回転させることによって得られる。なお、図５の（ａ）～（ｄ）に示す矢印は、メソゲン基ＭＧの配向方向を表す。
　また、各サブセル１２ｋｌは、図６の（ａ）～（ｄ）に示すように、格子状であるガイド１２ｇｋｌの代わりに、ピン状あるいはドット状であるガイド１２ｇｋｌを用いて、メソゲン基ＭＧを配向させるように構成されていてもよい。例えば、A. Tavakkoli K. G. et. al.，"Templating Three-Dimensional Self-Assembled Structures in Bilayer Block Copolymer Films", Science 08 Jun 2012, Vol. 336, Issue 6086, pp. 1294-1298に記載されているように、ピン状あるいはドット状であるガイド１２ｇｋｌをマトリクス状に配置することによって、メソゲン基ＭＧを配向させることができる。なお、図６の（ａ）～（ｄ）においては、サブセル１２ｋｌの輪郭を２点鎖線で図示している。
　図６の（ａ）に示した状態において、ガイド１２ｇｋｌは、メソゲン基ＭＧの側鎖方向が偏光方向Ｌｐの方向と平行になるように構成されている。また、図６の（ｂ）～（ｄ）に示したサブセル１２ｋｌの状態は、図６の（ａ）に示したサブセル１２ｋｌを３０度ずつ時計回りに回転させることによって得られる。なお、図６の（ａ）～（ｄ）に示す矢印は、メソゲン基ＭＧの配向方向を表す。
　なお、図６の（ｂ）及び（ｃ）においては、マトリクス状に配置されたガイド１２ｇｋｌの行方向及び列方向が回転していることを分かりやすく示すため、行方向及び列方向とともに正方形状であるサブセル１２ｋｌの輪郭（２点鎖線）も回転させている。ただし、ピン状あるいはドット状であるガイド１２ｇｋｌを採用する場合、点線で示すように、サブセル１２ｋｌの輪郭は回転させずに、ガイド１２ｇｋｌの行方向及び列方向を回転させることもできる。この構成によれば、各サブセル１２ｋｌを密着させた状態で配置させることができる。すなわち、各サブセル１２ｋｌに生じ得る隙間をなくすことができる。
　この構成によれば、マイクロセル１１ｉｊのとり得る階調数を増やすことができる。
　〔第２の実施形態〕
　本発明の第２の実施形態に係る光演算装置１について、図７を参照して説明する。図７は、光演算装置１の断面を示す模式図である。図７に示すように、光演算装置１は、３個の光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、図１に示す光回折素子１０と同一に構成されており、それぞれを区別するために符号の末尾にａ，ｂ，ｃを付したものである。
　光演算装置１において、光回折素子１０ｃ，１０ｂ，１０ａは、各々の複数のマイクロセル１１ｉｊが設けられている領域が重なった状態で、この順番で重ねられている。図７には、光回折素子１０ｃ，１０ｂ，１０ａの各々の複数のマイクロセル１１ｉｊのうち、マイクロセル１１２１，１１２２，１１２３のみが図示されている。
　光回折素子１０ａの基板１０２ａと、光回折素子１０ｂの基板１０１ｂとは、互いに固定されている。光回折素子１０ｂの基板１０２ｂと、光回折素子１０ｃの基板１０１ｃとは、互いに固定されている。
　各光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、あらかじめ定められた演算を光学的に実行する。したがって、光演算装置１は、信号光ＬＳｉに対してあらかじめ定められた演算を順番に実行した結果を表す信号光ＬＳｏを出力する。
　なお、本実施形態において、光演算装置１が備えている光回折素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃの数Ｎ（Ｎは、２以上の整数）は、３個である。ただし、Ｎは、３に限定されず、演算の目的などに応じて適宜定めることができる。
　〔第１の参考形態〕
　本発明の第１の参考形態に係る構造体２０について、図８及び図９を参照して説明する。図８の（ａ）は、構造体２０の斜視図であり、図８の（ｂ）は、構造体２０の一部を拡大した模式図であり、図８の（ｃ）は、構造体２０が含有する２つのトリブロックコポリマー２１の模式図である。図９の（ａ）は、トリブロックコポリマー２１の一具体例の構造式であり、図９の（ｂ）は、構造体２０が含有する色素２２の一具体例の構造式であり、図９の（ｃ）は、構造体２０が含有する架橋材２３の一具体例の構造式である。
　＜構造＞
　本実施形態において、構造体２０の形状は、立方体状である（図８の（ａ）参照）。ただし、構造体２０の形状は、これに限定されない。構造体２０の形状は、第５の実施形態において後述する製造方法が含む露光工程（図１２及び図１３の（ｂ）参照）において実施する露光のパターンに応じて、適宜定めることができる。また、構造体２０は、図８の（ａ）に示す様に３次元的な構造に限定されず、２次元的な構造であってもよい。
　本実施形態の構造体２０においては、１辺の長さＬとして、５００ｎｍを採用している。したがって、構造体２０は、ナノメートルスケールの構造であるナノ構造を有する。ただし、構造体２０が有する構造は、ナノ構造に限定されず、マイクロスケールの構造であるマイクロ構造であってもよい。ただし、既存のＩｍｐＦａｂ法を用いて構造体を製造する場合、構造体のサイズが小さくなればなるほど、脱水・焼結工程において生じる収縮に起因して、形状に歪みが生じやすい。したがって、構造体２０及び後述する製造方法Ｍ２０（図１３～図１４参照）により得られる効果は、構造体２０の大きさが小さくなればなるほど顕著になる。具体的には、構造体２０及び製造方法Ｍ２０は、パターンの最小幅が１０μｍ未満の場合に好適に用いることができ、パターンの最小幅が１μｍ未満の場合により好適に用いることができる。なお、ナノメートルスケールの構造とは、パターンの最小幅が１μｍ未満である構造を指し、マイクロメートルスケールの構造とは、パターンの最小幅が１ｍｍ未満である構造を指す。
　構造体２０は、トリブロックコポリマー２１と、色素２２と、架橋材２３とを含有している（図８の（ｂ）参照）。図８の（ｃ）においては、構造体２０が含有する２つのトリブロックコポリマー２１を拡大して、模式的に図示している。
　（トリブロックコポリマー）
　多元ブロックコポリマーの一例であるトリブロックコポリマー２１は、疎水性を有するセグメント２１１と親水性を有するセグメント２１２が交互に結合することによって構成されている（図８の（ｃ）参照）。セグメント２１１は、第１セグメントの一例であり、セグメント２１２は、第２セグメントの一例である。
　本実施形態において、セグメント２１１及びセグメント２１２の各々は、１つのブロックポリマーにより構成されている。ただし、セグメント２１１を構成するブロックポリマーは、疎水性を有し、セグメント２１２を構成するブロックポリマーは、親水性を有する。セグメント２１１及びセグメント２１２の一例については、図９の（ａ）を参照して後述する。ただし、セグメント２１１は、疎水性を有する複数のブロックポリマーにより構成されていてもよいし、セグメント２１２は、親水性を有する複数のブロックポリマーにより構成されていてもよい。
　また、本実施形態において、トリブロックコポリマー２１においては、セグメント２１１、セグメント２１２、及びセグメント２１１がこの順番で結合されている。換言すれば、トリブロックコポリマー２１は、２つのセグメント２１１と、これら２つのセグメント２１１の間に介在するセグメント２１２と、により構成されている。したがって、トリブロックコポリマー２１の総セグメント数は、３である。ただし、総セグメント数は、３に限定されず、３以上であれば適宜定めることができる。このように、構造体２０は、トリブロックコポリマーでなく多元ブロックコポリマーであってもよい。なお、総セグメント数は、奇数であることが好ましく、３であることがより好ましい。
　後述する製造方法Ｍ２０においては、構造体２０を製造するための中間体（以下において、微細構造製造用ゲルとも称する）としてトリブロックコポリマー２１を溶媒（製造方法Ｍ２０においては水）中において膨潤させることによって得られるポリマーゲル（製造方法Ｍ２０においてはハイドロゲル）を用いる。総セグメント数が奇数であることによって、トリブロックコポリマー２１の両端に同じ極性を有するブロックポリマーが位置する。したがって、ポリマーゲルを形成する場合に、複数のトリブロックコポリマー２１の端部同士を容易に凝集させることができる。また、総セグメント数が３であることによって、複数のトリブロックコポリマー２１の端部以外の部分が凝集することを防ぐことができる。したがって、ポリマーゲルを構成するポリマーマトリクスのピッチを均一にすることが容易になる。
　なお、本実施形態のトリブロックコポリマー２１は、微細構造製造用ゲルを調製する場合に、溶媒として親水性を有する溶媒の一例である水を用いることを想定している。そのため、トリブロックコポリマー２１として、両端にセグメント２１１が位置するトリブロックコポリマーを採用している。ただし、微細構造製造用ゲルを調製する場合に疎水性を有する溶媒を用いる場合には、トリブロックコポリマー２１として、両端にセグメント２１２が位置するトリブロックコポリマーを採用すればよい。
　（色素及び架橋材）
　図８の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、複数のトリブロックコポリマー２１のうち少なくとも何れかのトリブロックコポリマー２１においては、両端の２つのセグメント２１１の間に介在するセグメント２１２に色素２２が結合されている。そのうえで、色素２２同士は、架橋材２３により架橋されている。したがって、複数のトリブロックコポリマー２１のうち少なくとも一部のトリブロックコポリマー２１同士は、色素２２を介して架橋されている。
　なお、トリブロックコポリマー２１として、両端にセグメント２１２が位置するトリブロックコポリマーを採用する場合、色素２２は、２つのセグメント２１２の間に介在するセグメント２１１に色素２２が結合されていればよい。
　（ブロックポリマー、色素、及び架橋材の具体例）
　トリブロックコポリマー２１を構成するセグメント２１１及びセグメント２１２の各々を構成するブロックポリマーの一例としては、それぞれ、ポリ（ブチルメタクリレート）（ＰＢＭＡ）及びポリ（メタクリル酸）（ＰＭＭＡ）が挙げられる。図９の（ａ）に示す具体例においては、左側のセグメント２１１の重合度ｎは、ｎ＝１３４であり、セグメント２１２の重合度ｍは、ｍ＝２７３であり、右側のセグメント２１１の重合度ｋは、ｋ＝１９２である。
　ただし、セグメント２１１セグメント２１２の各々を構成するブロックポリマーは、それぞれ、ＰＢＭＡ及びＰＭＭＡに限定されない。セグメント２１１を構成する他のブロックポリマーとしては、ポリ（ヘキシルメタクリレート）、ポリ（オクチルメタクリレート）などのアルキル鎖を有するメタクリレート類、アクリレート類などが好適に用いられるが、これに限定されず、脂環式の官能基やフッ化アルキル等、疎水性の側鎖を有するポリマー類を好適に用いることができる。セグメント２１２を構成する他のブロックポリマーとしては、ポリ（アクリル酸）などカルボン酸基を有するメタクリレート、アクリレート類が挙げられるが、これらに限定されず、所望の色素と反応することができる官能基を含有したポリマーであることができる。
　色素２２が結合されているセグメントであるセグメント２１２は、ＧＰＣ測定によりより測定されるポリスチレン換算の数平均分子量（Ｍｎ）とポリスチレン換算の重量平均分子量（ＭＷ）の比（ＭＷ／Ｍｎ）である分子量分散が３以下であることが好ましく、２以下であることがより好ましく、さらには１．２以下であることが最も好ましい。分子量分散が狭いほど、ブロックポリマーの鎖長分布が狭い範囲に収まっていることを意味するため、より均一な編み目構造のハイドロゲルを形成することができる。
　なお、セグメント２１２の分子量分散は、製造する構造体２０が有するマイクロ構造又はナノ構造におけるパターンの最小幅の大小に応じて、適宜定めればよい。パターンの最小幅が小さければ小さいほど、セグメント２１２の分子量分散を小さくすることが好ましい。なお、セグメント２１２と同様に、セグメント２１１の分子量分散も小さいことが好ましい。セグメント２１１及びセグメント２１２は、例えばリビングラジカル重合などの精密重合法を用いて製造することができるので、分子量分散を小さくすることができる。
　また、セグメント２１２のブロック成分の割合は、１３Ｃ－ＮＭＲで測定した場合に、８０％以上１００％以下を満たすことが好ましいく、９０％以上であることがより好ましい。ブロック成分の割合は、１３Ｃ－ＮＭＲ測定におけるＴｒｉａｄでのシーケンス情報から算出することができる。ここで、ブロック成分の割合は以下のように定義されたものであるとする。
（ブロック成分の割合）
　＝（すべて同じユニットであるフラクション）／（全フラクション）×１００　（％）
　なお、ブロックポリマーが複数のモノマーから成る場合も、Ｔｒｉａｄ成分がすべて同じであれば上記式の分子にカウントするものとする。例えば、Ａ、Ｂの２種類のモノマーから成るブロックコポリマーの場合、“ＡＡＡ”のフラクションと“ＢＢＢ”のフラクション分子にカウントするが、それ以外の“ＢＡＢ”や“ＡＢＡ”など異なるユニットを含むフラクションは上記式の分子にはカウントしない。ブロック成分の割合が８０％以上であることによって、より構造が制御された編み目構造のゲルを構築することができる。
　色素２２の一例としては、蛍光色素の１つであるフルオレセイン、フルオレセインのカルボキシル基を置換基Ｒで置換したもの（図９の（ｂ）参照）が挙げられる。また、置換基Ｒとしては、後述する架橋材２３が用いられる。なお、後述する構造体２０の変形例のように、トリブロックコポリマー２１同士を架橋しない場合には、置換基Ｒとしてアミノ基（ＮＨ２）や、チオール基（ＳＨ）や、ビオチンなどを用いることができる。
　架橋材２３は、水性樹脂用架橋材であり、その一例としては、水溶性の骨格を持つジアジドである、１,１１-ジアジド-３,６,９-トリオキサウンデカンなどが挙げられる（図９の（ｃ）参照）。架橋剤としてジアジド類などを架橋反応に用いる場合は、色素２２に導入する置換基は不飽和結合である二重結合や三重結合を有する官能基を導入することが好ましい。
　＜光回折素子＞
　本発明の第３の実施形態に係る光回折素子２０Ａについて、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、光回折素子２０Ａの斜視図である。図１１は、光回折素子２０Ａに含まれるマイクロセル２０２の斜視図である。光回折素子２０Ａは、図８に示した構造体２０の変形例とも言える。
　光回折素子２０Ａは、構造体２０と同様に、ナノ構造を有する。また、光回折素子２０Ａは、構造体２０と同様に、疎水性を有する第１セグメント２１１及び親水性を有する第２セグメント２１２が交互に結合されており、且つ、総セグメント数が３であるトリブロックコポリマーを含有する。
　（マイクロセル）
　ただし、光回折素子２０Ａが含有するトリブロックコポリマーは、構造体２０が含有するトリブロックコポリマー２１（図８の（ｂ）及び（ｃ））と比較して、色素２２に架橋材２３ではなくナノ粒子が結合されている点が異なる。本変形例においては、ナノ粒子を含むマイクロセル２０２について説明する。マイクロセル２０２は、トリブロックコポリマーの一部であって、色素２２にダイヤモンド製のナノ粒子が結合されている領域である。
　上述したように、光回折素子２０Ａが含有するトリブロックコポリマーにおいて、セグメント２１１及びセグメント２１２のうち一方のセグメントであって、両端の２つのセグメント２１１の間に介在するセグメント２１２には、色素２２と、ナノ粒子とがこの順番で結合されている。
　ナノ粒子は、屈折率がセグメント２１１及びセグメント２１２を含むポリマーマトリクスの屈折率よりも大きくなるように構成されている。本変形例では、ナノ粒子として、ダイヤモンドのナノ粒子を採用している。ただし、ナノ粒子を構成する材料は、ダイヤモンドに限定されず、金、銀、銅、及び白金であってもよいし、カーボンナノチューブ、フラーレン、酸化チタン、及びシリカであってもよい。また、これらを単体で用いる必要はなく、これらのブレンドやアロイであってもよい。
　その結果、トリブロックコポリマーのうち、セグメント２１２に色素２２及びナノ粒子が結合された領域の屈折率は、セグメント２１２に色素２２及びナノ粒子が結合されていない領域の屈折率よりも高くなる。以下において、セグメント２１２に色素２２及びナノ粒子が結合されていない領域を低屈折率部２０１と称し、ナノ粒子に起因して屈折率が低屈折率部２０１よりも高い領域をマイクロセル２０２と称する。
　低屈折率部２０１を構成するトリブロックコポリマー２１の屈折率は、例えば、１．４である。
　一方、ナノ粒子の材料として採用しているダイヤモンドの屈折率は、２．４２である。マイクロセル２０２の屈折率は、マイクロセル２０２におけるナノ粒子の密度に依存する。なお、このナノ粒子の密度は、セグメント２１２に結合されている色素２２の密度と、色素２２に結合させるナノ粒子の粒径とに依存する。セグメント２１２に結合されている色素２２の密度が高ければ高いほど、マイクロセル２０２が包含するナノ粒子の数を増やすことができる。また、ナノ粒子の粒径が大きければ大きいほど、ナノ粒子１つ辺りの体積を増やすことができる。なお、図１１を参照して後述するように、マイクロセル２０２において、サブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２ごとに屈折率を異ならせる場合、色素２２の密度を制御することにより屈折率を制御すればよい。色素２２の密度は、図１３及び図１４に示す露光工程Ｓ１３における露光量により制御することができる。露光工程Ｓ１３における露光量が高ければ高いほど、色素２２の密度は高くなる。
　したがって、マイクロセル２０２の屈折率は、１以上２．４２未満である範囲内において適宜定めることができる。換言すれば、光回折素子２０Ａにおいて、低屈折率部２０１とマイクロセル２０２と屈折率差Δは、０≦Δ≦１．０２の範囲において適宜定めることができる。
　図１５に示す光回折素子１１０においては、マイクロセルＡを構成する樹脂の屈折率が１．５であるため、マイクロセルＡの周囲を取り囲む空気（屈折率１）との屈折率差は、およそ０．５となる。したがって、光回折素子２０Ａは、光回折素子１１０と比較して、マイクロセル２０２の厚みを薄くできる。
　本実施形態において、低屈折率部２０１の形状は、直方体状のブロックである。低屈折率部２０１のサイズは、一対の底壁の各辺の長さが４．５μｍであり、厚みが１．５μｍである。
　本実施形態において、各マイクロセル２０２の形状は、柱状のピラーである。各マイクロセル２０２のサイズは、一対の底面の各辺の長さＬが５００ｎｍであり、厚みが５５０ｎｍである。マイクロセル２０２は、低屈折率部２０１の内部に、低屈折率部２０１の主面に沿って４行４列のマトリクス状に埋設されている。低屈折率部２０１の主面は、特定の平面の一例である。なお、図１０においては、１６個のマイクロセル２０２のうち１つのマイクロセル２０２のみに符号を付している。
　（サブセル）
　図１１に示すように、各マイクロセル２０２は、２行２列の４つのサブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２により構成されている。ただし、各マイクロセル２０２を構成するサブセルの数は、４つに限定されず、所望の階調数に応じて適宜定めることができる。
　各サブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２は、屈折率が所定の２種類の屈折率である１．４及び２．４２の何れかになるように構成されている。なお、本実施形態においては、ナノ粒子の密度に応じて屈折率を制御している。そのため、各サブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２の屈折率は、等方的であり、すべての方向に対して１．４又は２．４２である。このように構成されたマイクロセル２０２の階調数は、５階調である。
　なお、各サブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２がとり得る所定の屈折率の種類は、２種類に限定されず複数種類のなかから適宜設定することができる。
　なお、低屈折率部２０１、マイクロセル２０２、及びの形状及びサイズは、本変形例に限定されず、適宜定めることができる。マイクロセル２０２は、図１０に示すように低屈折率部２０１の内部に埋設されていてもよいし、低屈折率部２０１の一対の主面から露出していてもよい。低屈折率部２０１の主面にマイクロセル２０２が露出している場合、マイクロセル２０２の厚みは、低屈折率部２０１の厚みと等しくなる。
　＜光演算装置＞
　図１０に示すように、光回折素子２０Ａでは、低屈折率部２０１における単一の層にマトリクス状に配置された複数のマイクロセル２０２を埋設している。ただし、本発明の一態様においては、低屈折率部２０１における複数の層の各層にマトリクス状に配置された複数のマイクロセル２０２を埋設する構成を採用することもできる。この場合、各層における複数のマイクロセル２０２が設けられている領域は、重なっている。
　この構成によれば、低屈折率部２０１の内部に複数のマイクロセル２０２を埋設する構成を用いて、図７に示した光演算装置と同様の光演算装置を実現することができる。また、この構成によれば、複数のマイクロセル２０２を空気にさらすことなく光演算装置を製造することができる。
　〔第２の参考形態〕
　本発明の第２の参考形態に係るゲル２０Ｇついて、図１２を参照して説明する。図１２は、ゲル２０Ｇの模式図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
　ゲル２０Ｇは、上述した構造体２０又は光回折素子２０Ａを製造するための微細構造製造用ゲルの一例である。ゲル２０Ｇは、各々が１又は複数のブロックポリマーにより構成された第１セグメント２１１及び第２セグメント２１２であって、各々が疎水性及び親水性を有する第１セグメント２１１及び第２セグメント２１２が交互に結合されており、且つ、総セグメント数が３であるトリブロックコポリマーと、水とを含有する。なお、トリブロックコポリマーは、上述したように多元ブロックコポリマーであってもよい。
　ゲル２０Ｇは、セグメント２１１及びセグメント２１２を含み、且つ、色素２２がセグメント２１２に結合していないトリブロックコポリマー２１を、親水性を有する溶媒の一例である水中に分散させることによって膨潤させることによって得られる。
　トリブロックコポリマー２１は、その両端が疎水性を有するセグメント２１１により構成されており、セグメント２１１同士の間に親水性を有するセグメント２１２が介在するように構成されている。このようなトリブロックコポリマー２１を水中に分散させることによって、図１２に示すようなポリマーマトリクス２４が形成される。ポリマーマトリクス２４は、溶媒である水と、セグメント２１１が凝集することによって形成される擬似的な架橋点２４１と、２つの架橋点２４１同士の間に介在するセグメント２１２と、により構成される。なお、図１２においては、ポリマーマトリクスの構成を分かりやすくするためにポリマーマトリクス２４を２次元的な構造として図示しているが、実際のポリマーマトリクス２４は、３次元的な構造である。
　トリブロックコポリマー２１を構成するセグメント２１１及びセグメント２１２は、上述したように、精密重合法を用いて製造可能である。そのため、セグメント２１１及びセグメント２１２を構成するブロックポリマーは、小さな分子量分散を有する。セグメント２１１及びセグメント２１２のブロックポリマーにおける分子量分散は、例えば、２以下であることが好ましく、１．２以下であることがより好ましい。このように、セグメント２１１及びセグメント２１２の各々の重合度が精密に制御されていることによって、ポリマーマトリクス２４における架橋点２４１同士のピッチｐにおいて生じ得るばらつきを抑制することができる。
　なお、本実施形態では、両端にセグメント２１１が位置し、セグメント２１１同士の間にセグメント２１２が介在するトリブロックコポリマーを用いてポリマーマトリクス２４を形成しているため、溶媒として親水性を有する溶媒の一例である水を採用している。親水性を有する溶媒の水以外の例としては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）及びジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）が挙げられる。
　また、両端にセグメント２１２が位置し、セグメント２１２同士の間にセグメント２１１が介在するトリブロックコポリマーを用いてポリマーマトリクス２４を形成する場合には、溶媒として疎水性を有する溶媒を採用すればよい。疎水性を有する溶媒の一例としては、ノルマルヘキサン及びシクロヘキサンが挙げられる。
　〔第４の実施形態〕
　本発明の第５の実施形態に係る製造方法Ｍ２０であって、図１０に示した光回折素子２０Ａの製造に好適な製造方法Ｍ２０について、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は、製造方法Ｍ２０のフローチャートである。図１４は、製造方法Ｍ２０に含まれる各工程におけるゲル２０Ｇ又は光回折素子２０Ａの模式図である。図１４の（ａ）は、色素分散工程Ｓ１２を実施したあとのゲル２０Ｇの模式図であり、図１４の（ｂ）は、露光工程Ｓ１３におけるゲル２０Ｇの模式図であり、図１４の（ｃ）は、ナノ粒子添加工程Ｓ１５を実施したあとのゲル２０Ｇの模式図であり、図１４の（ｄ）は、ナノ粒子成長工程Ｓ１７を実施したあとのゲル２０Ｇの模式図であり、図１４の（ｅ）は、脱水・焼結工程Ｓ１８を実施することによって得られた光回折素子２０Ａの模式図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。なお、製造方法Ｍ２０は、非特許文献１に記載されたＩｎｐＦａｂ法をベースにし、トリブロックコポリマー２１を含有するゲル２０Ｇを用いるものである。
　図１３に示すように、製造方法Ｍ２０は、ゲル化工程Ｓ１１と、色素分散工程Ｓ１２と、露光工程Ｓ１３と、色素洗浄工程Ｓ１４と、ナノ粒子添加工程Ｓ１５と、ナノ粒子洗浄工程Ｓ１６と、ナノ粒子成長工程Ｓ１７と、脱水・焼結工程Ｓ１８とを含んでいる。
　ゲル化工程Ｓ１１は、第１セグメント２１１及び第２セグメント２１２が交互に結合されており、且つ、総セグメント数が３であるトリブロックコポリマー２１が水中にいて膨潤したゲル２０Ｇを得る工程である。なお、本実施形態のゲル化工程Ｓ１１では、トリブロックコポリマー２１を用いてゲル２０Ｇを調製するが、トリブロックコポリマー２１の代わりに総セグメント数が４以上である多元ブロックコポリマーを用いてもよい。
　セグメント２１１及びセグメント２１２を含むトリブロックコポリマー２１（例えば図９の（ａ）参照）は、市販されているもののなかからセグメント２１１及びセグメント２１２の重合度を考慮して適宜購入することができる。また、精密重合法を用いて所望の重合度を有するセグメント２１１及びセグメント２１２を製造したうえで、それらを用いてトリブロックコポリマー２１を製造してもよい。
　まず、トリブロックコポリマー２１のＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液を調製する。トリブロックコポリマー２１の濃度は、特に限定されないが、例えば２０重量％である。その溶液を、所定の形状（本実施形態では直方体状）を有する型（モールド）に充填する。次に、数分間に亘って上記溶液の表面を水蒸気にさらすことによってトリブロックコポリマー２１の弱いゲルを得る。次に、この弱いゲルを３日間に亘って水中に浸すことによってゲル２０Ｇを得る。
　所望のトリブロックコポリマー２１を含有するゲル２０Ｇが市販されている場合には、それを購入し、ゲル化工程Ｓ１１を省略することもできる。
　色素分散工程Ｓ１２は、第１の工程の一態様であり、ゲル２０Ｇに色素２２を分散させる工程である（図１４の（ａ）参照）。なお、図１４においては、トリブロックコポリマー２１を構成するセグメント２１１を二重線で図示し、セグメント２１２を実線で図示している。また、符号１１１，１１２の図示は省略している。なお、本実施形態において用いる色素２２は、図９の（ｂ）に示したフルオレセインのカルボキシル基をアミノメチル基で置換したものである。
　露光工程Ｓ１３は、第２の工程の一態様であり、色素２２が分散されたゲル２０Ｇを構成するトリブロックコポリマー２１の所定の領域を露光することによりパターニングする工程である（図１４の（ｂ）参照）。図１４の（ｂ）に図示した２点鎖線は、露光する領域を模式的に表す。この露光により照射された光のエネルギーを吸収することにより、色素２２がセグメント２１２を構成するブロックポリマーに結合する（図９の（ｂ）参照）。直方体状であるゲル２０Ｇにおいて、３次元的に所望の領域を露光するために、２光子吸収法の露光プロセスが好適である。露光工程Ｓ１３における露光量を制御することにより、セグメント２１２に結合する色素２２の量を制御することができる。したがって、例えば、図１１に示したマイクロセル２０２のサブセル２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２のうち、高い屈折率を有するサブセルに対応する領域においては露光量を高く設定すればよいし、低い屈折率を有するサブセルに対応する領域においては露光量を低く設定すればよい。
　なお、露光工程Ｓ１３と、後述するナノ粒子添加工程Ｓ１５、ナノ粒子洗浄工程Ｓ１６、ナノ粒子成長工程Ｓ１７、及び脱水・焼結工程Ｓ１８とは、ＩｎｐＦａｂ法として知られている工程である。したがって、本実施形態では、これらの工程については、簡単な説明に留める。
　色素洗浄工程Ｓ１４は、第３の工程の一態様であり、パターニング後のゲル２０Ｇを洗浄することにより、未反応であり、且つ、ゲル２０Ｇ内に残存している色素２２を除去する工程である。この工程を実施することにより、露光された領域内においてセグメント２１２に結合した色素２２のみが構造体２０の内部に残存する。すなわち、露光によりパターニングされた領域内にのみ色素２２が残存する。
　ナノ粒子添加工程Ｓ１５は、色素２２にナノ粒子２５（例えば金製）を修飾する工程である（図１４の（ｃ）参照）。
　ナノ粒子洗浄工程Ｓ１６は、色素２２にナノ粒子２５を修飾したあとのゲル２０Ｇを洗浄することにより、色素２２に結合しておらず、ゲル２０Ｇ内に残存しているナノ粒子を除去する工程である。
　ナノ粒子成長工程Ｓ１７は、色素２２を修飾したナノ粒子２５を更に成長させることによって、ゲル２０Ｇにおける高屈折率材料の含有量を高める工程である（図１４の（ｄ）参照）。図１４の（ｄ）においては、ナノ粒子２５を破線で示し、成長後の粒子２６を実線で示している。
　脱水・焼結工程Ｓ１８は、第４の工程の一態様であり、色素２２が除去されたトリブロックコポリマー２１から水を除去することにより、トリブロックコポリマー２１を収縮させ、光回折素子２０Ａを得る工程である（図１４の（ｅ）参照）。この工程を実施することにより、ゲル２０Ｇは、脱水前のゲル２０Ｇと相似な形状を保ったまま縮小される。なお、図１４の（ｅ）においては、脱水によりゲル２０Ｇのサイズが１／２になるように縮小率を便宜的に定めている。ただし、実際のゲル２０Ｇにおける脱水に伴う縮小率は、トリブロックコポリマー２１の構造と、ゲル２０Ｇにおける水の含有率（換言すれば膨潤の程度）とに依存して定まる。例えば、本実施形態のトリブロックコポリマー２１（図９の（ａ）を参照）においてゲル２０Ｇにおける水の含有率が約８３％である場合、脱水に伴う縮小率は、１／１０程度になる。
　このとき、図１２に示すようにゲル２０Ｇを構成するポリマーマトリクス２４における架橋点２４１同士のピッチｐにおいて生じ得るばらつきが小さいため、ゲル２０Ｇの収縮にともあに生じ得る歪みを抑制することができる。その結果、露光工程Ｓ１３においてパターニングされた領域（図１４の（ｅ）において２点鎖線で図示する領域）も、脱水前のパターニングされた領域と相似な形状を保ったまま縮小される。したがって、製造方法Ｍ２０を用いて製造された光回折素子２０Ａにおいては、従来のＩｎｐＦａｂ法を用いて製造した構造体と比較して、歪みを抑制することができる。
　また、脱水・焼結工程Ｓ１８は、ナノ粒子成長工程Ｓ１７を実施したあとのゲル２０Ｇをオーブン中で加熱することによって実施される。脱水工程の温度は用いるポリマーの耐熱温度や溶媒の沸点よりも低めに設定することが良好な形状維持のためには好ましく、例えば水とアクリル酸系のハイドロゲルの場合は６０℃～９５℃の温度で３０分～１２０分程度乾燥させることが好ましい。また、ある程度、乾燥および収縮が進んでから真空乾燥させるのも効率的である。焼結温度はナノ粒子の融点よりもやや低い温度で、ナノ粒子の表面だけを溶かすように、できるだけ短時間で加熱するのが好ましい。長時間、高熱にさらすとゲルへのダメージや金属ナノ粒子の酸化などを引き起こす不具合を生じやすい。金属ナノ粒子の酸化を防ぐためには、不活性雰囲気下や真空中での焼結が好ましい。さらには、脱水・焼結工程は複数の加熱条件の組み合わせであってよく、例えば、脱水工程前半では大気圧下にてオーブンの加熱温度を９０℃、加熱時間を１時間に設定することによってトリブロックコポリマー２１からおおむねの脱水をし、ついで、同温度設定のまま真空ポンプにて真空引きをしながらさらに３０分間乾燥させる。続く焼結工程では真空引きを継続したまま、オーブンの加熱温度を４００℃、加熱時間を３分に切り替えることでトリブロックコポリマー２１に含まれる粒子２６同士が焼結される。その結果、トリブロックコポリマー２１に含まれる粒子２６同士が固着するので、光回折素子２０Ａにおけるマイクロセル２０２（図１０参照）の強度を高めることができる。また、焼結工程については、加熱方式によるナノ粒子の溶融に限らず、レーザーやフラッシュキセノンランプ等の照射による瞬間的な焼結方法を採用しても良い。
（まとめ）
　本発明の第１の態様に係る光回折素子においては、特定の平面に沿って配置された複数のマイクロセルであって、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備え、各サブセルは、前記特定の平面の面内方向のうち少なくとも１方向に対する屈折率が、所定のｎ種類（ｎは、２以上の整数）の屈折率のうち何れかの屈折率である、構成が採用されている。
　各マイクロセルが複数のサブセルにより構成されているため、各マイクロセルの屈折率は、各サブセルの屈折率の平均値により定められる。そのうえで、各サブセルの屈折率を所定のｎ種類の屈折率のなかから選択することによって、各マイクロセルの屈折率を適宜定めることができる。各マイクロセルは、その屈折率に応じて内部を透過する光の位相を遅らせるため、各マイクロセル屈折率に応じて位相を遅らされた各光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行することができる。したがって、本光回折素子は、複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子を提供することができる。
　また、本発明の第２の態様に係る光回折素子においては、上述した第１の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記各サブセルは、厚みが略均一である、構成が採用されている。
　本光回折素子においては、各サブセルの厚みが略均一であるため、各マイクロセルの厚みも略均一である。そのため、複数のマイクロセルの厚みを個別に設定する方式の光回折素子と比較して、各マイクロセルのアスペクト比を略均一にすることができる。したがって、本光回折素子は、複数のマイクロセルの厚みを個別に設定する方式の光回折素子を光造形する場合に生じ得るマイクロセルの変形であって、各マイクロセルのアスペクト比がばらついていることに起因するマイクロセルの変形を抑制することができる。
　なお、各サブセルの厚みが略均一とは、例えば、全てのサブセルの厚みが平均である厚みに対して±１０％の範囲内に収まっている場合を指す。
　また、本発明の第３の態様に係る光回折素子においては、上述した第１の態様又は第２の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記各サブセルは、液晶性を有するメソゲン基を含むブロックポリマーにより構成された第１セグメントと、前記メソゲン基を含まないブロックポリマーにより構成された第２セグメントとが交互に接続されており、且つ、少なくとも総セグメント数が２以上である多元ブロックコポリマーと、前記多元ブロックコポリマーを自己組織化するガイドと、を含み、前記各サブセルにおける前記メソゲン基の配向方向は、所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向である、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、各サブセルにおいて、第１セグメントを構成するブロックポリマーに含まれるメソゲン基は、所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向をとる。メソゲン基の屈折率は、メソゲン基の長軸方向と、サブセルに入射する直線偏光の偏光方向とのなす角に応じて変化する。したがって、本光回折素子に直線偏光を入射させる場合、各サブセルの屈折率は、所定のｎ種類の屈折率のうち何れかの屈折率をとる。このように、本光回折素子においては、メソゲン基を一方のセグメントに含む多元ブロックポリマーと、ガイドとを用いてサブセルを実現することができる。
　また、本発明の第４の態様に係る光回折素子においては、上述した第３の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記ガイドの表面は、疎水性及び親水性の何れかの極性を有し、前記多元ブロックコポリマーにおいて、前記第１セグメント及び前記第２セグメントのうち、一方のセグメントは疎水性であり、他方のセグメントは親水性である、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、第１セグメント及び第２セグメントのうち、ガイドの表面と同じ極性を有するセグメントがガイド側に近接し、ガイドの表面と異なる極性を有するセグメントがガイド側から遠ざかるように、多元ブロックコポリマーは、配列する。したがって、確実にメソゲン基の配向方向を揃えることができるので、各サブセルにおける屈折率を確実に制御することができる。
　また、本発明の第５の態様に係る光回折素子においては、上述した第１の態様又は第２の態様に係る光回折素子の構成に加えて、各サブセルは、ポリマーにより構成されたポリマーマトリクスを含有し、前記ポリマーの一部には、結合された色素と、色素と、ナノ粒子とがこの順番で結合されており、前記ナノ粒子の屈折率は、前記ポリマーマトリクスの屈折率よりも大きい、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、ポリマーに結合させる色素及びナノ粒子の量又は濃度をｎ種類定めておき、サブセル毎に当該色素及びナノ粒子の量又は濃度をｎ種類のうちから選択することによって、サブセルの屈折率を所定のｎ種類の屈折率の何れかに設定することができる。このように、本光回折素子においては、色素及びナノ粒子が結合されたポリマーにより構成されたポリマーマトリクスを用いてサブセルを実現することができる。
　また、本発明の第６の態様に係る光回折素子においては、上述した第５の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記ポリマーマトリクスは、各々が１又は複数のブロックポリマーにより構成された第１セグメント及び第２セグメントであって、各々が疎水性及び親水性を有する第１セグメント及び第２セグメントが交互に結合されており、且つ、総セグメント数が３以上である多元ブロックコポリマーにより構成されており、各多元ブロックコポリマーにおいて、前記第１セグメント又は前記第２セグメントには、色素と、ナノ粒子とがこの順番で結合されており、前記ナノ粒子の屈折率は、前記ポリマーマトリクスの屈折率よりも大きい、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、ポリマーマトリクスを構成するポリマーとして、多元ブロックコポリマーを採用している。第１セグメント及び第２セグメントの各々を構成するブロックポリマーは、直鎖状の形態を有するが、疎水性、親水性を有するセグメントが交互に結合され、且つ、総セグメント数が３以上であることによって、親水性、または、疎水性の溶媒中に分散させた際に、溶媒とは極性が反対となるセグメント同士が溶媒中で凝集するため、この部位が物理的な架橋点となり、膨潤ゲル形態とすることができる。例えば、疎水性セグメント／親水性セグメント／疎水性セグメントの３セグメントからなるブロックポリマーを水中に分散させた場合には、複数のブロックポリマーの両端にある疎水性のセグメントが集まって凝集し、物理架橋点となることでゲル状形態となることができる。ところで、第１セグメント及び第２セグメントの各々を構成するブロックポリマーは、精密重合法を用いて製造することができるので、第１セグメント及び第２セグメントの各々の分子量分散を小さくすることができる。そのため、溶媒を用いて多元ブロックコポリマーを膨潤させることによって得られるゲルにおいて、ポリマーマトリクスにおける架橋点同士のピッチにおいて生じ得るばらつきを抑制することができる。したがって、本光回折素子は、従来のＩｎｐＦａｂ法を用いて製造した光回折素子比較して、サブセルに生じ得る歪みを抑制することができる。
　また、本発明の第７の態様に係る光回折素子においては、上述した第６の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記多元ブロックコポリマーは、総セグメント数が３であるトリブロックコポリマーであり、２つの前記第１セグメントと、当該２つの前記第１セグメントの間に介在する第２セグメントと、により構成されている。
　上記の構成によれば、多元ブロックコポリマーを膨潤させるための溶媒として親水性を有する溶媒（例えば水）を用いることができる。
　また、本発明の第８の態様に係る光回折素子においては、上述した第１の態様～第７の態様の何れか一態様に係る光回折素子の構成に加えて、各マイクロセルは、所定の波長λを有する光が入射した場合に当該光の位相を当該マイクロセルの屈折率に応じて変化させ、且つ、前記各マイクロセルのセルサイズは、波長λ以下である、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、各マイクロセルは、波長λを有する光の位相を遅らせることができる。
　また、本発明の第９の態様に係る光回折素子においては、上述した第８の態様に係る光回折素子の構成に加えて、前記各マイクロセルのセルサイズは、波長λ以下である、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、各マイクロセルは、波長λを有する光の位相を効率良く遅らせることができる。
　本発明の第１０の態様に係る光演算装置においては、上述した第１の態様～第９の態様の何れか一態様に記載の光回折素子をＮ個（Ｎは、２以上の整数）備え、各光回折素子の前記複数のマイクロセルが設けられている領域は、重なっている、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、複数のマイクロセルの屈折率を個別に設定する方式の光回折素子を用いて光演算装置を実現することができる。
　本発明の第１１の態様に係る光回折素子の製造方法は、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備えた光回折素子の製造方法である。本製造方法においては、各サブセルは、液晶性を有するメソゲン基を含むブロックポリマーにより構成された第１セグメントと、前記メソゲン基を含まないブロックポリマーにより構成された第２セグメントとが交互に接続されており、且つ、少なくとも総セグメント数が２以上である多元ブロックコポリマーと、前記多元ブロックコポリマーを自己組織化するガイドと、を含み、前記各サブセルにおける前記メソゲン基の配向方向が所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向になるように、基板の主面に前記ガイドを設ける工程と、前記ガイドを覆うように前記多元ブロックコポリマーを形成する工程と、を含んでいる、構成が採用されている。
　上記の構成によれば、上述した第３の態様に係る光回折素子と同様の効果を奏する。
　〔付記事項〕
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　　１　光演算装置
　１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ　光回折素子
　１１　マイクロセル群
　１１ｉｊ　マイクロセル
　１２　サブセル群
　１２ｋｌ　サブセル
　１２ｇ，１２ｇｋｌ　ガイド
　１２Ｐ，１２Ｐｋｌ　ジブロックコポリマー
　Ｓ１，Ｓ２　セグメント
　２０　構造体
　２０Ａ　光回折素子
　２０Ｇ　ゲル（微細構造製造用ゲルの一例）
　２０１　低屈折率部
　２０２　マイクロセル
　２０２１１，２０２１２，２０２２１，２０２２２　サブセル
　２１　トリブロックコポリマー（多元ブロックコポリマーの一例）
２１１，２１２　セグメント（第１セグメント及び第２セグメントの一例）
　２２　色素
　２３　架橋材
　２４　ポリマーマトリクス
２４１　架橋点

Claims (11)

  1. 　特定の平面に沿って配置された複数のマイクロセルであって、各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備え、
    　各サブセルは、前記特定の平面の面内方向のうち少なくとも１方向に対する屈折率が、所定のｎ種類（ｎは、２以上の整数）の屈折率のうち何れかの屈折率である、
    ことを特徴とする光回折素子。
  2. 　前記各サブセルは、厚みが略均一である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光回折素子。
  3. 　前記各サブセルは、
    　液晶性を有するメソゲン基を含むブロックポリマーにより構成された第１セグメントと、前記メソゲン基を含まないブロックポリマーにより構成された第２セグメントとが交互に接続されており、且つ、少なくとも総セグメント数が２以上である多元ブロックコポリマーと、
    　前記多元ブロックコポリマーを自己組織化するガイドと、を含み、
    　前記各サブセルにおける前記メソゲン基の配向方向は、所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向である、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光回折素子。
  4. 　前記ガイドの表面は、疎水性及び親水性の何れかの極性を有し、
    　前記多元ブロックコポリマーにおいて、前記第１セグメント及び前記第２セグメントのうち、一方のセグメントは疎水性であり、他方のセグメントは親水性である、
    ことを特徴とする請求項３に記載の光回折素子。
  5. 　各サブセルは、ポリマーにより構成されたポリマーマトリクスを含有し、
    　前記ポリマーの一部には、結合された色素と、色素と、ナノ粒子とがこの順番で結合されており、
    　前記ナノ粒子の屈折率は、前記ポリマーマトリクスの屈折率よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光回折素子。
  6. 　前記ポリマーマトリクスは、各々が１又は複数のブロックポリマーにより構成された第１セグメント及び第２セグメントであって、各々が疎水性及び親水性を有する第１セグメント及び第２セグメントが交互に結合されており、且つ、総セグメント数が３以上である多元ブロックコポリマーにより構成されており、
    　各多元ブロックコポリマーにおいて、前記第１セグメント又は前記第２セグメントには、色素と、ナノ粒子とがこの順番で結合されており、
    　前記ナノ粒子の屈折率は、前記ポリマーマトリクスの屈折率よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光回折素子。
  7. 　前記多元ブロックコポリマーは、総セグメント数が３であるトリブロックコポリマーであり、２つの前記第１セグメントと、当該２つの前記第１セグメントの間に介在する第２セグメントと、により構成されている、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光回折素子。
  8. 　各マイクロセルは、所定の波長λを有する光が入射した場合に当該光の位相を当該マイクロセルの屈折率に応じて変化させる、
    ことを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の光回折素子。
  9. 　前記各マイクロセルのセルサイズは、波長λ以下である、
    ことを特徴とする請求項８に記載の光回折素子。
  10. 　請求項１～９の何れか１項に記載の光回折素子をＮ個（Ｎは、２以上の整数）備え、
    　各光回折素子の前記複数のマイクロセルが設けられている領域は、重なっている、
    ことを特徴とする光演算装置。
  11. 　各々が複数のサブセルを含む複数のマイクロセルを備えた光回折素子の製造方法であって、
    　各サブセルは、液晶性を有するメソゲン基を含むブロックポリマーにより構成された第１セグメントと、前記メソゲン基を含まないブロックポリマーにより構成された第２セグメントとが交互に接続されており、且つ、少なくとも総セグメント数が２以上である多元ブロックコポリマーと、前記多元ブロックコポリマーを自己組織化するガイドと、を含み、
    　前記各サブセルにおける前記メソゲン基の配向方向が所定のｎ種類の配向方向のうち何れかの配向方向になるように、基板の主面に前記ガイドを設ける工程と、
    　前記ガイドを覆うように前記多元ブロックコポリマーを形成する工程と、を含んでいる、
    ことを特徴とする光回折素子の製造方法。
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