(57)【要約】【課題】本発明は、偏光性回折格子を合理的な製造方法で提供しようとするものである。【構成】本発明では、透光性の基材に複数の平行な溝線が形成されており、その溝線に複屈折性の材料を充填した構成によって偏光性回折格子を製造できる。複屈折の材料としては、偏光照射する工程と加熱冷却する工程によって複屈折を生じる材料（光配向材）が好適に用いられる。透光性基材は、光学的等方性の材料であり、その屈折率を光配向材の常光屈折率または異常光屈折率と等しくする。【選択図】図１
2010281998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光材からなる基材の一表面に、複数の平行な溝線を形成し、これらの溝線に偏光照射と加熱・冷却によって複屈折性を生じた光配向材を充填してなることを特徴とする、偏光回折格子。
【請求項２】
前記透光材からなる基材の一表面に形成される溝線は、前記基材の厚さ方向断面が矩形の溝線であることを特徴とする、請求項１に記載の偏光回折格子。
【請求項３】
前記基材を構成する透光材は、光学的に等方性であり、その屈折率は、前記光配向材に複屈折を生じたときの常光屈折率または異常光屈折率と等しいことを特徴する請求項１に記載の偏光性回折格子。
【請求項４】
前記光配向材に生じる複屈折は、光配向軸方向が異なる領域が少なくとも２つ以上ある複屈折であることを特徴とする、請求項１に記載の偏光性回折格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光回折能をする偏光性回折格子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マスク露光や２光束の干渉縞を利用して回折格子やホログラフィーを作製する材料としては、写真などにも使われているようなハロゲン化銀感光材料、ゼラチン膜を重クロム酸アンモニウム水溶液に浸して感光性を付与した重クロム酸ゼラチン、半導体集積回路などの作製に用いるフォトレジスト、モノマーの光重合による屈折率変調を利用したフォトポリマーなどが挙げられる。このような材料を用いた回折格子やホログラムは、光ディスク、ＣＤなどで各種の信号を取り出すための光ピックアップ素子、バーコードスキャナーなどのビームを走査するための素子、情報処理関連ではホログラフィックメモリー、光インターコネクトなどへの応用が検討され、実際に利用もされてきており、更に、このような回折格子やホログラム素子に偏光性を付与する、更には、同一素子内に格子をパターン化させることにより、光磁気ディスクヘッドにおける検光子機能の複合化などその応用範囲が拡大する可能性がある。
このような偏光性回折格子の応用例として、Ｙ．Ｕｒｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＯＥＣ  ’８８，３Ｃ２−１，１６７−１６９（１９８８）に複屈折性を有するＬｉＮｂＯ3を用いた偏光性回折格子の例が提案されている。この例では、ＬｉＮｂＯ3基材上にプロトン交換領域と誘電体膜からなる２層の格子を形成する手法がとられており、その製造法は、ＬｉＮｂＯ3基材上へのフォトリソグラフィによる金属のパターンの形成、プロトン交換領域形成工程、誘電体製膜およびパターン化など製造法が非常に煩雑である。更には、このような製造法では、ＬｉＮｂＯ3基材の複屈折性を用いているため、同一素子内に屈折率が最大となる方向が異なる複屈折領域を同一格子状に形成することは困難である。
偏光性回折格子を作製する他の手法として、ＵＳ−５１６１０３９号には、対称的な側鎖を有するポリシラン重合体、例えばポリ（ジ−ｎ−ヘキシルシラン）やポリ（ジ−ｎ−ペンチルシラン）などのような非線形性の材料に２光子吸収を利用して複屈折性を発現させ複屈折性をパターン化させた事例が提案されている。このような２光子吸収のような手法を用いる方法では照射光源として大出力のレーザーを用いる必要があるなど製造上の問題点が残る。また、同材料を用いて直線偏光性の紫外線でも複屈折性が発現するデータが記載されているが複屈折値は０．００５以下であり実用性に乏しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ−５１６１０３９号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｙ．Ｕｒｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＯＥＣ  ’８８，３Ｃ２−１，１６７−１６９（１９８８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術の課題に鑑みて、従来技術に比して実用性が高く、量産性にすぐれる偏光性回折格子の構成を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下に、本発明の詳細を説明する。
本発明では、透光材からなる基材の一表面に複数の平行な溝線が形成されており、これらの溝線に複屈折性の材料を充填した構成によって偏光性回折格子を得ており、特には、前記の複屈折性の材料を、偏光照射と加熱・冷却によって複屈折性を生じる光配向材とすることによって、実用性（複屈折値）が高く、量産性にすぐれる回折格子を得るものである。
まず、本願の構成によって偏光回折格子が得られる仕組みと、その作用について説明する。
光学的に等方性の基材の一表面に、前記基材の厚さ方向の深さがｔの矩形断面の複数の平行な溝線が形成され、これら溝線には光配向材が充填されており、ここで溝線に充填された光配向材の前記溝線の長手向と平行方向の屈折率がｎ／／であり、光配向材の前記溝線の長手向と直交する方向の屈折率がｎ⊥であり、また、基材の屈折率はｎ⊥と等しいものとする。
このような位相格子の光の透過率Ｔは、式（１）で表される。ここで、位相格子とは、入射光に対し、その位相を変化させる特性を持つ回折格子を意味する。
（式）
Ｔ＝ｃｏｓ2（φ／２）・・・式（１）
ここで、φは、溝線内部と溝線間部（基材内部）を通過する光の位相差である。
本願の構成では、溝線に直交する向きの偏光に対しては、φ＝０となるため透過率は１となる。これに対し、溝線と平行方向の偏光に対しては、φ＝２π（ｎ／／−ｎ⊥）ｔ／λ（λは入射光の波長）となるため、φ＝πとなるようにｔを設定すれば透過率は０となり入射光は完全に回折されるので、偏光性回折格子を作製することができる。
【０００７】
以下、図面をもとに、本発明の偏光回折格子について詳細を説明する。
本発明の偏光性回折格子は、図1の本発明の偏光回折格子の断面図に示すように透光材からなる基材（１１）の一表面に複数の等間隔で平行な溝線が形成されており、これらの溝線に複屈折性の材料（１２）を充填してなる構成である。
透光性の基材（１１）の材料としては光学的に等方性であるものが好ましく、たとえば、溶媒キャストで得られるプラスチック材料、無機ガラスなどが用いられる。
溝線の形状としては、断面が矩形であるものが本発明に適し、その深さは、使用する波長と光配向材の複屈折の大きさで決まる。溝線の幅は回折させる光の回折角の大きさで決まるが、一般的に１ｍｍ以下であれば回折格子として機能し得る。
溝線の断面形状としては矩形以外では、三角波状、サイン波状も可能である。
溝線の長手方向の形態としては、等間隔で平行な直線状のものが本発明に適するが、平行な曲線状のものや、同心円状のものも可能である。溝線が周期的に配置されていればよい。
複屈折性の材料としては、本発明者が特開２００２−２０２４０９号、特開２００４−１７０５９５号などに提案している光配向材を用いることができる。
該光配向材は、偏光照射する工程と加熱冷却する工程により複屈折性を誘起する材料（以降、複屈折誘起材料と呼ぶ）に、偏光照射、加熱・冷却の処理をして、複屈折性をさせた材料である。複屈折誘起材料の例として、ポリ｛〔４−シンナモイルオキシエチルオキシ−４´−（６−メタクリロイルオキシヘキシルオキシ）ビフェニル〕0.85−ｃｏ−（メチルメタクリレート）0.15｝が挙げられる。光配向材の分子構造はメソゲン成分として多用されているビフェニル、ターフェニル、フェニルベンゾエートなどの置換基とシンナモイル基（または、その誘導体基）などの感光性基を結合した構造を含む側鎖を有し、該側鎖が単炭化、アルキルエーテルなどの屈曲性部分を介して、炭化水素、アクリレート、メタクリレート、シロキサンなど主鎖に結合した構造からなる繰り返し単位を少なくとも有する液晶性を有する重合体が挙げられる。更に、本発明者は、複屈折性を増強するために、４，４´−ビス（６−メタクリロイルオキシヘキシルオキシ）ビフェニルのような低分子化合物を混合添加する手法も提案している。
複屈折誘起材料は、基板上に塗布（スピンコート）製膜することが可能であり、製膜した膜は複屈折を有していないが、続く偏光照射する工程の前に、必要であれば加熱急冷処理により等方性となり、この等方性の膜に直線偏光性の紫外線を照射すると、照射した直線偏光性の紫外線の電界振動方向に沿って配置されている感光性基の２量化が選択的に起こり、続く加熱による分子運動により光２量化しなかった側鎖も光２量化した側鎖と同じ方向に配列し、塗布膜全体において側鎖が配列し、大きな複屈折を発現するという、特異な性質を有する材料である。
光配向材を、基材に形成された溝線に充填する方法としては、複屈折誘起材料を溶媒に溶解し、この溶液を溝線の形成された基材に塗布する方法が挙げられる。塗布後乾燥すると溝線に複屈折誘起材料が充填される。続く偏光照射する工程の前に、必要であれば加熱急冷処理により複屈折誘起材料を等方性とし、直線偏光性の紫外線を照射する。
次に、複屈折誘起材料の等方相転移温度以上に加熱した後、徐冷する。これにより、溝線に充填した複屈折誘起材料に配向が生じ複屈折を誘起する。このようにして光配向材を充填することができる。更に、紫外線を照射することにより、配向を固定することができる。
【０００８】
基材に形成される溝線には、基材表面にダイヤモンドバイトにより直接凹凸形状を切削加工で作製したもの、フォトリソグラフィの技術を用いてフォトレジストを塗布した基材にフォトマスクや干渉法によって周期的に強度変調した紫外線によって露光し表面に凹凸を形成して作製したもの、更には、金属表面にダイヤモンドバイトで凹凸形状を切削加工した型、フォトレジストを塗布した基材に、フォトマスクや干渉法によって周期的に強度変調した紫外線によって露光し、表面に凹凸を有する回折格子を形成した型を母型として、高分子材料の溶液を塗布し乾燥し塗膜を剥離することにより転写したもの、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を塗布して硬化させ転写したもの、射出成形や熱スタンプ成形などのプラスチック成形により複製したものなどを用いることができる。
図２には、本発明における回折格子を製造する方法の例を、図を用いて説明する。
まず、片面に所定間隔の複数の凸条が形成された母型（２１）を準備し、この母型（２１）に対して透光材をあらかじめ溶媒に溶解しておき、母型（２１）の凸条を形成した面を覆うように塗布して乾燥し、所定の厚さに付与して、透光材が固化した後、母型（２１）から脱型することにより、凸条に対応する溝線を転写した透光材からなる基材（２２）を作製する。
次に、この基材（２２）に形成された溝線にあらかじめ溶媒に溶解しておいた複屈折誘起材料（２３）を塗布するなどして充填する。その後、溝線に充填された複屈折誘起材料に前述のような偏光照射する工程と加熱冷却する工程により複屈折性を誘起させた光配向材とする。必要により光配向材の配向を固定した後、透光材からなる基材の一表面に形成した複数の平行な溝線に光配向材を充填してなる偏光性回折格子を製造できる。
【０００９】
本発明において、ＴＭ光、ＴＥ光（ここで、ＴＭ光は、基材の溝線方向と入射光の電界振動方向が垂直である光、ＴＥ光は、基材の溝線方向と入射光の電界振動方向が平行である光である）のどちらか一方を回折させる場合、溝線凸条部の屈折率は、光配向材の常光屈折率または異常光屈折率と実質的に等しくすることが望ましい。また、溝線を形成する基材が実質的に光学的等方性の材料からなることが望ましい。しかしながら、基材に形成された格子が光学的異方性の材料からなっていても、その常光屈折率または異常光屈折率のどちらか一方において、光配向材の常光屈折率または異常光屈折率のどちらかと実質的に一致していれば、ＴＭ光、ＴＥ光のどちらか一方のみを回折させる偏光性回折格子を作製することができる。
【００１０】
更には、溝線を形成する基材の屈折率と光配向材の常光屈折率または異常光屈折率と実質的に一致していなくとも、ＴＭ光またはＴＥ光のどちらか一方において、予め基材に形成された凸条部を透過する光と溝線内に光配向材が充填された領域を透過する光との間に位相差が生じなければ、ＴＭ光、ＴＥ光のどちらか一方のみを回折させる偏光性回折格子を作製することができる。
図３に示すように、予め基材（３１）に形成された凸部領域（３１ａ）と基材の溝線内に光配向材が充填された領域（３１ｂ）の光学距離〔屈折率ｎの媒質において、光の進む道筋の長さＬと、その道筋に沿った媒質の屈折率との積（＝ｎ×Ｌ）〕を同一にすることも有効である。
図３において、ＴＭ光またはＴＥ光のどちらか一方において、ｎ1×ｌ1＝ｎ2×ｌ2＋ｎ3×ｌ3であればＴＥ光またはＴＭ光のどちらか一方を回折させる偏光性回折格子を作製することができる。ここで、ｎ1は、溝線を形成する基材の屈折率、ｌ1は、溝線の深さ、ｎ2は、光配向材の常光屈折率または異常光屈折率、ｌ2は、溝線内に充填された光配向材の厚さ、ｎ3は、回折格子の置かれた雰囲気の屈折率、ｌ3は、溝線の深さと溝線内に充填された光配向材の厚さの差である。
【００１１】
更には、本発明の偏光性回折格子およびその製造方法では、基材の溝線に充填された複屈折誘起材料に直線偏光性の紫外線を照射する工程をとり、この際、照射する直線偏光性の紫外線の電界振動方向を領域によって変えれば、光配向材の配向軸方向が異なる領域を形成でき、同一の回折格子内で領域によって入射光の電界振動方向に対して異なる偏光回折性を有する回折格子を製造することも容易にできる。
【００１２】
以下は、本発明の偏光性回折格子を作製した例である。
（実施例１）
ポリビニルアルコール樹脂（ナカライテスク株式会社製、商品名：ポリビニルアルコール、重合度：約５００）を母材樹脂とし、母型を用いて、溝線の幅５．０μｍ、深さ２．８μｍの矩形断面の直線状の多数の平行な溝線を、溝線と溝線の間隔６．５μｍ （＝ピッチ１１．５μｍ）で母材の表面に転写形成して実施例１の基材（厚さ５０μｍ）を形成した。
次に複屈折誘起材料の母材として、ポリ｛〔４−シンナモイルオキシエチルオキシ−４´−（６−メタクリロイルオキシヘキシルオキシ）ビフェニル〕0.85−ｃｏ−（メチルメタクリレート）0.15｝７８．４重量％に４，４´−ビス（６−メタクリロイルオキシヘキシルオキシ）ビフェニル１９．６重量％の混合物を用い、ここに、光増感剤として４，４´−ビス（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン２重量％を添加した。該複屈折誘起材料の母材をｏ−ジクロロベンゼンに１５重量％の濃度で溶解し、前記基材の溝線を形成した表面を覆うようにスピンコーター（回転数：２０００ｒｐｍ）を用いて溝線が埋まるように塗布した。
次いで、前記のように複屈折誘起材料を溝線に充填した基材を透明なカバーガラス上に載置し、この基材にグランテーラープリズムを介して直線偏光性とした紫外線（電界振動方向は基材の溝線の長手方向と垂直方向のもの）を塗布面側から３００ｍＪ／ｃｍ2照射（２００秒間）し、次に基材の裏面側からも３００ｍＪ／ｃｍ2照射（２００秒間）した。
照射後、１００℃まで加熱後徐冷（１００℃から５０℃まで降温した。降温速度は、２℃／ｍｉｎである。）することにより複屈折誘起材料内に所定の配向を誘起し、最後に高圧水銀灯からの紫外線を、グランテーラープリズムを介さず１．０Ｊ／ｃｍ2照射（１５０秒間）して複屈折誘起材料に誘起させた配向を固定した。
このようにして作製した偏光性回折格子は、基材の溝線が複屈折を有する光配向材で充填されており、表面形状を測定したところ表面の凹凸は０．１μｍ以下であり、略平坦な表面形状を有していることが分った。この回折格子を偏光顕微鏡のクロスニコル下での観察した顕微鏡写真を図４に示す。図４に示されるとおり複屈折を有する領域（光が透過し明るい領域）と複屈折を有さない領域（光が透過せず暗い領域）が明暗の縞模様となって観察された。このように明暗の縞模様が観察されたということは、すなわち複屈折を有する領域が溝線部に形成されたことを意味しているので、実施例１では溝線部に光配向材を形成することができたことが確認できた。また、基材の溝線に充填された光配向材の位相差値は、セナルモン法によって測定した結果、２９０．２ｎｍであった。
ここで、溝線を形成する基材の屈折率が、光配向材の常光屈折率または異常光屈折率と一致した場合について考えると、段落０００５に記載した式（１）から、偏光性回折格子に入射した光の透過率が０となる条件は、φ＝πのときである。このことから、溝線に充填された光配向材の位相差値が、２９０．２ｎｍのとき光の透過率を０にする条件としては、入射光の波長が５８０．４ｎｍの場合である。 これを検証するための試験として、実施例１で作製した回折格子の偏光性特性を、分光光度計を用いて測定した結果を図５に示す。なお、この試験では入射光は偏光板を用いて直線偏光性とした。
図５に示されるように、ＴＭ光は回折され、すなわち、図５中のＴＭ曲線は透過率が低下しており、特に５９０ｎｍ近辺の波長において光の透過率が２％程度と低い。一方、ＴＥ光は回折されることなく、すなわち、図５中のＴＥ曲線は透過率が大きく低下しておらず、５９０ｎｍ近辺の波長における透過率は７０％程度である。このことから、入射光の偏光方向によって透過率が異なるという偏光回折格子に必要な特性が確認されたから、実施例１の偏光回折格子が実際に偏光回折性を有することが分った。また、その偏光特性は、先述した溝線内に充填した光配向材の位相差の測定値２９０．２ｎｍのとき理論上の数値である５８０．４ｎｍの波長の光が回折されことと良く一致することが確認された。このことからも、式（１）が成り立っていることがいえる。
【００１３】
（実施例２）
実施例１と同様に、ポリビニルアルコール樹脂（ナカライテスク株式会社製、商品名：ポリビニルアルコール、重合度：約５００）を母材樹脂とし、母型を用いて、溝線の幅５．０μｍ、深さ２．８μｍの矩形断面の直線状の多数の平行な溝線を、溝線と溝線の間隔６．５μｍ （＝ピッチ１１．５μｍ）で母材の表面に転写形成して実施例１の基材（厚さ５０μｍ）を形成し、実施例１と同じ複屈折誘起材料を（前記基材の溝線を形成した表面を覆うよう）にスピンコーター（回転数：２０００ｒｐｍ）を用いて溝線が埋まるように塗布した。
次に、上記のようにして形成した溝線に複屈折誘起材料を充填した基材の２つの領域にそれぞれの直線偏光性の紫外線の電界振動方向が互いに４５°異なるよう実施例１と同じ条件で直線偏光性の紫外線を照射し、照射後の加熱徐冷、配向の固定も実施例１と同条件で実施した。
このようにして作製した回折格子を偏光顕微鏡のクロスニコル下で観察したところ、図６（ａ）、図６（ｂ）のように、４５°異なる軸方向の観察において（図６（ａ）中のａ´、ａ´´、図６（ｂ）中のｂ´、ｂ´´は、偏光顕微鏡観察時の偏光板の吸収軸方向を示す。）、複屈折を有する領域と複屈折を有さない領域がそれぞれの領域で格子状となって形成され、且つ、照射した直線偏光性の紫外線の電界振動方向が互いに４５°異なる２つの領域において、複屈折を有する領域の配向方向が互いに４５°異なることが確認された。更に、この回折格子ではその偏光回折特性も、それぞれの領域において互いに電界振動方向が４５°異なる光が回折されることも確認した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、透光性（光学的に等方性）の基材の一表面に複数の平行な溝線が形成されており、その溝線に複屈折性の材料を充填した構成によって偏光性回折格子が比較的簡素な製造方法で提供できる。これにより従来技術の問題点を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の偏光性回折格子を説明する模式図
【図２】本発明の偏光性回折格子の製造法を説明する模式図
【図３】本発明の偏光性回折格子の形態の1例を説明する模式図
【図４】実施例１の偏光性回折格子を偏光顕微鏡のクロスニコル下で観察した偏光顕微鏡写真
【図５】実施例１の偏光性回折格子の偏光回折特性を示す図
【図６】実施例２の偏光性回折格子を偏光顕微鏡のクロスニコル下で観察した偏光顕微鏡写真
【符号の説明】
【００１６】
１１：  基材
１２：  複屈折性の材料
２１：  母型
２２：  基材
２３：  複屈折誘起材料
３１：  基材
３１ａ：  凸部領域
３１ｂ：  光配向材が充填された領域
ｌ1：  格子の溝深さ
ｌ2：  光配向材が充填された距離
ｌ3：  ｌ1とｌ2の差
ｎ1：  基材に形成された格子の屈折率
ｎ2：  光配向材の常光屈折率または異常光屈折率
ｎ3：  回折格子の置かれた雰囲気の屈折率
【図１】
2010281998.tif 000003
【図２】
2010281998.tif 000004
【図３】
2010281998.tif 000005
【図４】
2010281998.tif 000006
【図５】
2010281998.tif 000007
【図６】
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