(57)【要約】  光学膜としてのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、波長５２０ｎｍの光に関して１．４８以上で１．８５以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長２４８ｎｍの光に関して０．１５未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによってその屈折率と消衰係数が低下することを特徴としている。このようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用することによって種々の光学素子およびそれを含む光学装置を提供することができる。
2008056577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長５２０ｎｍの光に関して１．４８以上で１．８５以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長２４８ｎｍの光に関して０．１５未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによって前記屈折率と前記消衰係数が低下することを特徴とするＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項２】
前記波長２４８ｎｍの光に関する前記消衰係数が、前記エネルギビーム照射を受ける前において０．１２未満であることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項３】
前記波長５２０ｎｍの光に関する前記屈折率が、前記エネルギビーム照射を受ける前において１．５６以上で１．７６以下の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項４】
前記波長５２０ｎｍの光に関する前記屈折率は前記エネルギビーム照射を受けて０．０３以上で０．４０以下の範囲内の変化量で低下し、その低下後の屈折率が１．４５以上であることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項５】
前記屈折率の前記変化量が０．１０以上で０．３０以下の範囲にあることを特徴とする請求の範囲４に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項６】
前記エネルギビーム照射を受ける前において、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が４．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．４×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項７】
前記エネルギビーム照射を受ける前において、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．６０ｇ／ｃｍ3未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０16ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3より大きくて１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項８】
前記エネルギビーム照射を受けた後において、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて３．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項９】
前記エネルギビーム照射を受けた後において、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．８０ｇ／ｃｍ３未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求の範囲１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項１０】
請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を製造する方法であって、前記膜は原料としてシロキサン類を用いるプラズマＣＶＤによって形成され、そのプラズマＣＶＤ条件として、基板温度が８０℃以上で１００℃以下、高周波電力が０．５Ｗ／ｃｍ2以上で１．２Ｗ／ｃｍ2以下、そして圧力が６．７Ｐａ以上で４０Ｐａ以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間の圧力は１．３Ｐａ／分以上で２．７Ｐａ／分以下の範囲内の割合で連続的に上昇させられることを特徴とするＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の製造方法。
【請求項１１】
請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子であって、相対的に高い屈折率の局所的領域と相対的に低い屈折率の局所的領域とを含むことを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
前記相対的に高い屈折率の局所的領域は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けていない領域であることを特徴とする請求の範囲１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けた後の領域であることを特徴とする請求の範囲１１に記載の光学素子。
【請求項１４】
請求の範囲１１の光学素子を製造するための方法であって、前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記エネルギビームとしてのイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波の照射によって形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記エネルギビームは、０．１ＭＪ／ｍ2以上のエネルギ密度で照射されることを特徴とする請求の範囲１４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記エネルギビームの照射は、大気雰囲気中において、室温より高温で９０℃以下の温度に前記薄膜を加熱した状態で行われることを特徴とする請求の範囲１４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１７】
前記エネルギビームの照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中で行われることを特徴とする請求の範囲１６に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１８】
前記酸素濃度を低下させた雰囲気は、窒素雰囲気、希ガス雰囲気、または減圧雰囲気であることを特徴とする請求の範囲１７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１９】
前記エネルギビーム照射は、前記大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中において、室温より高温で２００℃以下の温度に前記薄膜を加熱した状態で行われることを特徴とする請求の範囲１７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２０】
前記エネルギビームとして紫外線を用いることを特徴とする請求の範囲１６に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２１】
基板上において、請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されており、その上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、および炭素と水素とを主要成分として含む膜のいずれかからなる保護層が少なくとも一層以上積層されていることを特徴とする光学膜。
【請求項２２】
基板上において、請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されており、その上に厚さ１０μｍ以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする光学膜。
【請求項２３】
前記保護層上に厚さ１０μｍ以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする請求の範囲２１に記載の光学膜。
【請求項２４】
請求の範囲２１の光学膜を含み、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が屈折率の変調構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２５】
請求の範囲２４の光学素子を製造するための方法であって、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の局所的領域に対して電磁波または粒子線のいずれかを含むエネルギビームを照射し、前記局所的領域における屈折率を低めることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２６】
前記基板が８０℃より高い温度に保持された状態で前記エネルギビームを照射することを特徴とする請求の範囲２５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２７】
請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて形成されたマイクロレンズであって、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は屈折率が変調させられた領域を含み、前記屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときにレンズ作用が生じることを特徴とする平板型マイクロレンズ。
【請求項２８】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の一主面側において相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた球面レンズ状の形状を有していることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項２９】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状レンズ状の形状を有していていることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３０】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を貫通する概略円柱形状を有していて、前記円柱形状の中心軸は前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が低くまたは高くされていることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３１】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を貫通する帯状領域であって、前記帯状領域の幅方向の中央を通りかつ前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に直交する面に近いほど屈折率が低くまたは高くされていることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３２】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められているかまたは広げられていることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３３】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低いかまたは高い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求の範囲３２に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３４】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに平行な複数の帯状領域を含み、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められているかまたは広げられていることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３５】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含み、前記帯ゾーンの各々はｎ個の前記帯状領域を含み、前記帯ゾーンの各々において前記所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて低いかまたは高い屈折率を有し、前記帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求の範囲３４に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３６】
前記マイクロレンズは０．４μｍから２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮し得ることを特徴とする請求の範囲２７に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３７】
請求の範囲２７の平板型マイクロレンズを製造するための方法であって、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中において相対的に低い屈折率を有する領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする製造方法。
【請求項３８】
一つの前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中にアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを同時のエネルギビーム照射によって形成することを特徴とする請求の範囲３７に記載の製造方法。
【請求項３９】
基板上に堆積された請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって行われ得ることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項４０】
任意の選択された前記記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、前記エネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定されたいずれかの値まで下げられ得ることを特徴とする請求の範囲３９に記載の光情報記録媒体。
【請求項４１】
請求の範囲３９の光情報記録媒体に情報を記録するための方法であって、屈折率が下げられるべき前記記録スポット領域に対応する開口を含む金属膜マスクパターンを介して、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射することによって、前記記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることを特徴とする光情報記録媒体の記録方法。
【請求項４２】
屈折率が下げられた前記記録スポット領域から選択された記録スポット領域に対応する開口を含むさらなる金属膜マスクパターンを介して、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームを照射することによって、前記選択された記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率をさらに下げるステップを含み、このステップが一回以上繰り返されることを特徴とする請求の範囲４１に記載の光情報記録媒体の記録方法。
【請求項４３】
請求の範囲４０の光情報記録媒体に情報を記録するための方法であって、前記記録スポット領域に対応して局所的に厚さが多段階に変化させられているエネルギビーム吸収層のマスクを介して前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へ前記エネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射することによって、前記記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げるステップを含み、前記エネルギビーム吸収層は前記記録スポット領域の前記屈折率段階が低くなるにしたがって局所的に薄くされていることを特徴とする光情報記録媒体の記録方法。
【請求項４４】
基板上に形成された請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は、記録されるべき情報を含む物体光としての紫外線および参照光としての紫外線を前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に照射して生じるホログラムによってそのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成される屈折率変調構造として保存され得ることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項４５】
クラッド層の複数と請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の記録層の複数とが交互に積層された積層導波路型のホログラム光情報記録媒体であって、各前記記録層には互いに異なる情報が記録されていてその記録情報に対応した周期的光散乱要素が生成されており、前記周期的光散乱要素の各々は屈折率が下げられた微小領域であることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項４６】
請求の範囲４５の光情報記録媒体を製造するための方法であって、
（ａ）前記クラッド層として作用する透光性基板上に前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を堆積し、
（ｂ）前記周期的光散乱要素に対応した開口を含む金属膜マスクパターンを介して前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へエネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射して前記開口領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって前記周期的光散乱要素を生成させ、
（ｃ）前記ステップ（ａ）および（ｂ）を経た前記クラッド層と前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のペアの複数を積層し、
（ｄ）最上層として露出している前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に前記クラッド層を重ねるステップを含むことを特徴とする光情報記録媒体の製造方法。
【請求項４７】
光源からの光をＰ偏光とＳ偏光とに分離するための偏光ビームスプリッタと、第１のマイクロレンズと、１／２波長板と、第２のマイクロレンズとを含み、
前記第１マイクロレンズは前記偏光ビームスプリッタによって分離されたＰ偏光とＳ偏光を互いに異なる位置に集光するように配置されており、
前記１／２波長板は前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光が集光される位置に配置されていてＰ偏光またはＳ偏光をＳ偏光またはＰ偏光に変換するように作用し、
前記第２マイクロレンズは前記１／２波長板を通過して偏光変換された後のＳ偏光またはＰ偏光と前記１／２波長板を通過しなかったＳ偏光またはＰ偏光とを統合するように作用し、
前記偏光ビームスプリッタ、前記第１マイクロレンズ、前記１／２波長板、および前記第２マイクロレンズの少なくとも一つが請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して形成されていることを特徴とする偏光インテグレータ。
【請求項４８】
前記偏光ビームスプリッタと前記１／２波長板の少なくとも一方は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折率変調型回折格子で形成されていることを特徴とする請求の範囲４７に記載の偏光インテグレータ。
【請求項４９】
前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズの少なくとも一方は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズと屈折率変調型の回折型レンズとのいずれかであることを特徴とする請求の範囲４７に記載の偏光インテグレータ。
【請求項５０】
前記偏光ビームスプリッタ、前記第１マイクロレンズ、前記１／２波長板、および前記第２マイクロレンズの組の複数が、前記光源からの光束の断面内で周期的に配列されていることを特徴とする請求の範囲４７に記載の偏光インテグレータ。
【請求項５１】
請求の範囲４７の偏光インテグレータを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項５２】
光源とその光源からの光を回折させる回折光学素子とを含むプロジェクタであって、
前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、光の回折を生じさせるように、相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域を含むように屈折率変調されており、
前記屈折率変調は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面における強度分布を所定の照射面上において均一な強度分布に変換するように回折作用を生じることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項５３】
前記屈折率変調は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面形状を前記所定の照射面上において所定の断面形状に変換するようにも回折作用を生じることを特徴とする請求の範囲５２に記載のプロジェクタ。
【請求項５４】
前記屈折率変調は、０．４〜０．７μｍの可視域の波長を含む光に対して前記回折作用を生じることを特徴とする請求の範囲５２に記載のプロジェクタ。
【請求項５５】
前記光源はレーザ装置、発光ダイオード、およびランプのいずれかであって、前記ランプは超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、およびハライドランプのいずれかであることを特徴とする請求の範囲５２に記載のプロジェクタ。
【請求項５６】
請求の範囲５２のプロジェクタを製造するための方法であって、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中において前記相対的に低い屈折率を有する領域は、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の局所的領域にエネルギビームとしてイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを照射することによって形成されることを特徴とするプロジェクタの製造方法。
【請求項５７】
光源とホログラムカラーフィルタと液晶パネルとを含み、
前記ホログラムカラーフィルタは透光性基板上に形成された請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置された屈折率変調構造を有していて、前記光源から供給される入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を所定の空間的周期で出射する機能を有し、
前記空間的周期は前記液晶パネルに含まれる複数の画素の周期に対応していることを特徴とするカラー液晶表示装置。
【請求項５８】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は付加的なマイクロレンズアレイと組み合わされており、前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定されており、前記マイクロレンズアレイは前記空間的周期に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むことを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項５９】
前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が前記空間的周期に対応して周期的に変化させられており、それによって前記ホログラムカラーフィルタは分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えていることを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６０】
前記ホログラムカラーフィルタは複数の前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これらのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６１】
前記複数のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は第１と第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、前記第１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、前記第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は青色の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求の範囲６０に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６２】
前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が多段階に変化させられていることを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６３】
前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が連続的に変化させられていることを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６４】
前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域と前記高屈折率帯状領域との間の境界領域は前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜されていることを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６５】
前記液晶パネルに含まれる複数の画素は赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域を含み、前記ホログラムカラーフィルタは前記入射光を赤色光、緑色光、および青色光に分光してそれぞれ前記赤色表示領域、前記緑色表示領域、および前記青色表示領域へ向けて出射することを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６６】
前記光源としてメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、およびレーザのいずれかを含むことを特徴とする請求の範囲５７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項６７】
請求の範囲５７のカラー液晶表示装置を製造するための方法であって、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中において相対的に低い屈折率を有する領域は、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とするカラー液晶表示装置の製造方法。
【請求項６８】
前記相対的に低い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した２種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成されることを特徴とする請求の範囲６７に記載のカラー液晶表示装置の製造方法。
【請求項６９】
光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくともいずれかのための光ピックアップ装置であって、
光ビームを射出する光源と、前記光ビームを制御する複数の光学素子とを含み、
これらの光学素子の少なくとも一つは、請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含んでいることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項７０】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光学素子は、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメートレンズのいずれかであることを特徴とする請求の範囲６９に記載の光ピックアップ装置。
【請求項７１】
請求の範囲６９の光ピックアップ装置を製造するための方法であって、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜における前記相対的に低屈折率の領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする光ピックアップ装置の製造方法。
【請求項７２】
光ビームを出射する光源と、前記光ビームを整形する回折光学素子と、前記光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含む光ビーム走査装置であって、前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求の範囲１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域とを含むことを特徴とする光ビーム走査装置。
【請求項７３】
請求の範囲７２の光ビーム走査装置を含むレーザプリンタ、スキャナ、およびバーコードリーダのいずれかであることを特徴とする光学装置。
【請求項７４】
請求の範囲７２の光ビーム走査装置を製造するための方法であって、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜における前記相対的に低屈折率の複数の領域は、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波のいずれかを含むエネルギビームを照射することによって形成されることを特徴とする光ビーム走査装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用される光学デバイスとそのための材料に関し、特にエネルギビーム照射によって屈折率が変化し得る透光性薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学薄膜が使用されている。代表的な光学薄膜材料として、ＳｉＯ2やＴｉＯ2などの酸化物薄膜、ＭｇＦ2などのフッ化物薄膜などがあげられ、これらは反射防止膜、ミラー、フィルタなどに利用されている。また、光学薄膜を応用した回折光学素子も、種々の用途に適用されている。【０００３】
回折光学素子は、レリーフ型と屈折率変調型に大別される。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と、相対的に小さな厚さを有する局所的領域が交互に配列して形成されている。すなわち、相対的に大きな厚さを有する局所的領域に対応する凸部の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域に対応する凹部の大気を通過する光との光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィやエッチングなどのプロセスを施して形成することができる。【０００４】
屈折率変調型回折光学素子は、相対的に屈折率が大きい局所的領域と相対的に屈折率が小さい局所的領域とが交互に配列されて形成されている。そして、屈折率が異なる局所的領域をそれぞれ通過する光の光路差に基づいて生じる位相差に起因して回折現象が生じる。屈折率変調型回折光学素子は、Ｇｅをドープした石英ガラスやフォトポリマなどの材料に紫外線や可視光などのエネルギビームを照射して屈折率を変化（変調）させることによって形成することができる。最近では、特許文献１の特開２００４−１６３８９２号公報に開示されているように、透光性ダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）膜を利用した屈折率変調型回折光学素子の例も提案されている。【０００５】
微細な凹凸を形成する必要があるレリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、作製プロセスが比較的簡便であり、また表面が平坦であって汚染物が付着しにくいなどの利点がある。しかし、従来の光学材料では屈折率を大きく変化させることが困難である。例えば、Ｇｅをドープした石英ガラスにおいては屈折率変化Δｎが０．００１程度であり、フォトポリマにおいてもΔｎが０．０８程度である。【０００６】
ここで、屈折率変調型回折光学素子における屈折率変化量Δｎは回折効率に直接的に影響し、Δｎが大きいほど回折効率を高めることができる。したがって、レリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、Δｎが小さい光学材料を用いる場合にその設計において大きな制約がある。【０００７】
この点に関して、特許文献１においては、Δｎが最大で０．５になり得る透光性ＤＬＣ膜が開示されており、光学素子の設計の自由度を大きくすることができる。そのＤＬＣ膜は、エネルギビームを照射することで屈折率を高めることができる。そのエネルギビームとしては、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線などの電磁波が用いられ得る。これらのエネルギビームの中で紫外線を用いることは、産業的応用を考える場合に、スループット、取り扱いやすさ、装置コストなどの観点から最も好ましい。
【特許文献１】特開２００４−１６３８９２号公報
【特許文献２】特開平７−３３３４０４号公報
【特許文献３】特開２００４−３４１５４１号公報
【特許文献４】特開平８−７２１９３号公報
【特許文献５】特開２００５−２０２３５６号公報
【特許文献６】特開平１１−３４５４１９号公報
【特許文献７】特開２００６−３９３０３号公報
【特許文献８】特開２００５−１９５９１９号公報
【特許文献９】特開平８−３１３８４５号公報
【特許文献１０】特開２００５−３２６６６６号公報
【特許文献１１】特開平１０−９６８０７号公報
【特許文献１２】特開２０００−２３５１７９号公報
【特許文献１３】国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレット
【特許文献１４】特開２００３−６６３２４号公報
【特許文献１５】特開２００６−５３９９２号公報
【特許文献１６】特開平６−２７３９８号公報
【特許文献１７】特開２００６−３０８４０号公報
【非特許文献１】「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁
【非特許文献２】OPTRONICS, (2001), No.11, pp.149-154
【非特許文献３】O plus E, Vol.25、No.4, 2003, pp.385-390
【非特許文献４】OPTRONICS, (2001), No.11, pp.143-148
【非特許文献５】西田信夫編、「大画面ディスプレイ」、共立出版、２００２年刊行
【非特許文献６】Applied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566
【非特許文献７】ITE Technical Report, Vol.20, 1996, pp.69-72
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、紫外光照射によってＤＬＣ膜の屈折率を高める場合、ＤＬＣ膜は紫外光領域において消衰係数が低くなく、さらには屈折率上昇に伴って紫外光領域から可視光領域の範囲内において消衰係数が上昇する。それゆえ、改質光（膜の性質を変化させる光）である紫外光がＤＬＣ膜の表面付近で多く吸収され、膜の厚み方向に均一に改質することが難しくなる。これは、（１）改質光である紫外光が膜厚方向に深くまで通らないことや、（２）膜表面のアブレーションが進んで表面凹凸が生じるために紫外光の散乱や回折を生じることの２つの要因による。【０００９】
また、特許文献１におけるようにＤＬＣ膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に比べて、平均的に高い屈折率を有している。したがって、ＤＬＣ膜を用いて作製された光学素子は、一般的な光学素子との界面において光反射を生じやすく、他の一般的光学素子との適合性の観点からは好ましくない。【００１０】
そこで、本発明は、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光だけでなく紫外光領域での透明度が高く、かつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それに用いるに適した光学膜としてのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を提供することを目的としている。なお、本願において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜とは、ＳｉとＯを含有する水素化炭素膜を意味する。【００１１】
本発明はまた、そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製される種々の光学素子およびそれらの光学素子を含む種々の光学装置を提供することをも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光学膜としてのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、波長５２０ｎｍの光に関して１．４８以上で１．８５以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長２４８ｎｍの光に関して０．１５未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによってその屈折率と消衰係数が低下することを特徴としている。【００１３】
なお、波長２４８ｎｍの光に関する消衰係数は、エネルギビーム照射を受ける前において０．１２未満であることがより好ましい。また、波長５２０ｎｍの光に関する屈折率は、エネルギビーム照射を受ける前において１．５６以上で１．７６以下の範囲内にあることがより好ましい。【００１４】
波長５２０ｎｍの光に関する屈折率はエネルギビーム照射を受けて０．０３以上で０．４０以下の範囲内の変化量で低下し、その低下後の屈折率は１．４５以上であり得る。その屈折率の変化量は、０．１０以上で０．３０以下の範囲にあることが好ましい。【００１５】
エネルギビーム照射を受ける前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜において、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が４．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．４×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることが好ましい。【００１６】
また、エネルギビーム照射を受ける前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜において、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．６０ｇ／ｃｍ3未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０16ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3より大きくて１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3未満の範囲内にあることが好ましい。【００１７】
他方、エネルギビーム照射を受けた後のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて３．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内であり得る。【００１８】
また、エネルギビーム照射を受けた後のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．８０ｇ／ｃｍ３未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であり得る。【００１９】
上述のようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を製造する方法においては、その膜は原料としてシロキサン類を用いるプラズマＣＶＤによって形成され、そのプラズマＣＶＤ条件として、基板温度が８０℃以上で１００℃以下、高周波電力が０．５Ｗ／ｃｍ2以上で１．２Ｗ／ｃｍ2以下、そして圧力が６．７Ｐａ以上で４０Ｐａ以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間の圧力は１．３Ｐａ／分以上で２．７Ｐａ／分以下の範囲内の割合で連続的に上昇させられることが好ましい。【００２０】
また、上述のようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子は、相対的に高い屈折率の局所的領域と相対的に低い屈折率の局所的領域とを含み得る。その相対的に高い屈折率の局所的領域は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちでエネルギビーム照射を受けていない領域であり得る。また、その相対的に低い屈折率の局所的領域は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちでエネルギビーム照射を受けた後の領域であり得る。【００２１】
そのような光学素子を製造する方法においては、エネルギビームとしてのイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波をＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の局所領域に照射することによって相対的に低い屈折率の局所的領域を形成することができる。この場合に、エネルギビームは０．１ＭＪ／ｍ2以上のエネルギ密度で照射されることが好ましい。【００２２】
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の局所領域にエネルギビームを照射することによって相対的に低い屈折率の局所的領域を形成する場合、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を加熱した状態でエネルギビームを照射することが好ましい。【００２３】
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に対するエネルギビーム照射は、大気雰囲気中においては、室温より高温で９０℃以下の温度にその薄膜を加熱した状態で行われることが好ましい。薄膜を加熱した状態でエネルギビーム照射を行なう場合、その照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中で行われることがより好ましい。その酸素濃度を低下させた雰囲気は、窒素雰囲気、希ガス雰囲気、または減圧雰囲気であり得る。そして、エネルギビーム照射は、大気雰囲気に比べて酸素濃度を低下させた雰囲気中においては、室温より高温で２００℃以下の温度に薄膜を加熱した状態で行われることが好ましい。【００２４】
発明による光学膜においては、基板上にＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されて、その上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、および炭素と水素とを主要成分として含む膜のいずれかからなる保護層が少なくとも一層以上積層されていてもよい。なお、その保護層上に、厚さ１０μｍ以上の透明材料板が付加的に接合されていてもよい。他方、基板上において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されていて、その上に直接に厚さ１０μｍ以上の透明材料板が接合されていてもよい。これらの光学膜に対してエネルギビームを照射して、その照射領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を低める場合、基板が８０℃より高い温度に保持された状態でエネルギビームを照射することが好ましい。【００２５】
本発明による平板型マイクロレンズは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて形成されており、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は屈折率が変調させられた領域を含み、屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときにレンズ作用が生じることを特徴としている。【００２６】
そのマイクロレンズは屈折型マイクロレンズであり得て、その場合には、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の一主面側において相対的に低いかまたは高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、そのレンズ領域はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のその一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた球面レンズ状の形状を有するか、またはその一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状レンズ状の形状を有していていてもよい。【００２７】
また、屈折型レンズ領域はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を貫通する概略円柱形状を有していてもよく、この場合には、円柱形状の中心軸はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が低くまたは高くされている。さらに、屈折型レンズ領域はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を貫通する帯状領域であってもよく、この場合には、その帯状領域の幅方向の中央を通りかつＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に直交する面に近いほど屈折率が低くまたは高くされている。【００２８】
さらに、本発明によるマイクロレンズは回折型マイクロレンズでもあり得て、その場合には、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含むことができ、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、帯状リング領域の幅は同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められているかまたは広げられている。【００２９】
同心円状の複数の帯状リング領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は同心円状のｍ個のリングゾーンを含むことができ、それらのリングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低いかまたは高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。【００３０】
また、本発明による回折型マイクロレンズにおいて、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに平行な複数の帯状領域を含むこともでき、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、それらの帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められているかまたは広げられている。【００３１】
互いに平行な複数の帯状領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含むことができ、それらの帯ゾーンの各々はｎ個の帯状領域を含み、帯ゾーンの各々において所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて低いかまたは高い屈折率を有し、帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。【００３２】
上述のような本発明によるマイクロレンズは、０．４μｍから２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮することができ、光通信分野やプロジェクタのような広い光学分野で利用可能である。【００３３】
本発明による光情報記録媒体は、基板上に堆積されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって行なわれ得ることを特徴としている。【００３４】
なお、任意の選択された記録スポット領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、エネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定されたいずれかの値まで下げられ得る。【００３５】
このような光情報記録媒体に情報を記録するための方法においては、屈折率が下げられるべき記録スポット領域に対応する開口を含む金属膜マスクパターンを介して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、記録スポット領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げればよい。この記録方法において、屈折率が下げられた記録スポット領域から選択された記録スポット領域に対応する開口を含むさらなる金属膜マスクパターンを介して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、それらの選択された記録スポット領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率をさらに下げることもできる。なお、このステップは一回以上繰り返されてもよい。【００３６】
また、光情報記録媒体に情報を記録するための方法において、記録スポット領域に対応して局所的に厚さが多段階に変化させられているエネルギビーム吸収層のマスクを介して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射することによって、それらの記録スポット領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げるステップを含み、エネルギビーム吸収層は記録スポット領域の屈折率段階が低くなるにしたがって局所的に薄くされていてもよい。【００３７】
本発明による光情報記録媒体は、基板上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、この光情報記録媒体への情報の記録は、記録されるべき情報を含む物体光としての紫外線および参照光としての紫外線をＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に照射して生じるホログラムによって、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成される屈折率変調構造として保存されてもよい。【００３８】
本発明による記録媒体は、複数のクラッド層と複数のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の記録層とが交互に積層された積層導波路型のホログラム光情報記録媒体でもあり得て、各記録層には互いに異なる情報が記録されていてその記録情報に対応した周期的光散乱要素が生成されており、それらの周期的光散乱要素の各々は屈折率が下げられた微小領域であることを特徴としている。【００３９】
この積層導波路型のホログラム光情報記録媒体を製造する方法では、（ａ）クラッド層として作用する透光性基板上にＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を堆積し、（ｂ）周期的光散乱要素に対応した開口を含む金属膜マスクパターンを介して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜へエネルギビームを照射して、それらの開口領域におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって周期的光散乱要素を生成させ、（ｃ）上記のステップ（ａ）および（ｂ）を経たクラッド層とＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のペアの複数を積層し、（ｄ）最上層として露出しているＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上にクラッド層を重ねるステップを含むことを特徴としている。【００４０】
本発明による偏光インテグレータは、光源からの光をＰ偏光とＳ偏光とに分離するための偏光ビームスプリッタと、第１のマイクロレンズと、１／２波長板と、第２のマイクロレンズとを含み、第１マイクロレンズは偏光ビームスプリッタによって分離されたＰ偏光とＳ偏光を互いに異なる位置に集光するように配置されており、１／２波長板はＰ偏光またはＳ偏光が集光される位置に配置されていてＰ偏光またはＳ偏光をＳ偏光またはＰ偏光に変換するように作用し、第２マイクロレンズは１／２波長板を通過して偏光変換された後のＳ偏光またはＰ偏光と１／２波長板を通過しなかったＳ偏光またはＰ偏光とを統合するように作用し、偏光ビームスプリッタ、第１マイクロレンズ、１／２波長板、および第２マイクロレンズの少なくとも一つがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して形成されていることを特徴としている。【００４１】
なお、偏光ビームスプリッタと１／２波長板の少なくとも一方はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折率変調型回折格子で形成され得る。また、第１マイクロレンズと第２マイクロレンズの少なくとも一方はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズと屈折率変調型の回折型レンズとのいずれかであり得る。さらに、偏光ビームスプリッタ、第１マイクロレンズ、１／２波長板、および第２マイクロレンズの組の複数が、光源からの光束の断面内で周期的に配列され得る。そして、そのような偏光インテグレータは、液晶プロジェクタにおいて好ましく用いられ得る。【００４２】
本発明によるプロジェクタは、光源とその光源からの光を回折させる回折光学素子とを含み、その回折光学素子は透光性基板上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、このＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は光の回折を生じさせるように相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域を含むように屈折率変調されており、その屈折率変調はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面における強度分布を所定の照射面上において均一な強度分布に変換するように回折作用を生じることを特徴としている。【００４３】
なお、屈折率変調構造の設定を調整することによって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面形状を所定の照射面上において所定の断面形状に変換するようにも回折作用を生じさせることができる。また、屈折率変調構造は、０．４〜０．７μｍの可視域の波長を含む光に対して回折作用を生じるように設定することもできる。プロジェクタの光源としてはレーザ装置、発光ダイオード、およびランプのいずれをも利用することができ、またランプとしては超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、およびハライドランプのいずれをも利用することができる。【００４４】
本発明によるカラー液晶表示装置は、光源とホログラムカラーフィルタと液晶パネルとを含み、ホログラムカラーフィルタは透光性基板上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、このＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置された屈折率変調構造を有していて、光源から供給される入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を所定の空間的周期で出射する機能を有し、その空間的周期は液晶パネルに含まれる複数の画素の周期に対応していることを特徴としている。【００４５】
そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は付加的なマイクロレンズアレイと組み合すことができ、その場合には高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定され、マイクロレンズアレイは液晶パネル中の画素の周期で配置された複数のマイクロレンズを含む。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中の高屈折率帯状領域の幅および間隔が液晶パネル中の画素の周期に対応して周期的に変化させられることによって、ホログラムカラーフィルタは分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えることもできる。【００４６】
ホログラムカラーフィルタは複数のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含むこともでき、これらのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有することができる。それら複数のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は第１と第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含むことができ、第１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は青色の光に対して回折効率のピークを有していることが好ましい。【００４７】
ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において、屈折率が多段階に変化させられていることが好ましい。また、ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において、屈折率が連続的に変化させられていることも好ましい。さらに、ホログラムカラーフィルタの低屈折率帯状領域と高屈折率帯状領域との間の境界領域は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜させることもできる。【００４８】
液晶パネルに含まれる複数の画素は赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域を含み、ホログラムカラーフィルタは入射光を赤色光、緑色光、および青色光に分光してそれぞれ赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域へ向けて出射することができる。カラー液晶表示装置の光源としては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、およびレーザのいずれかを含み得る。【００４９】
カラー液晶表示装置に含まれるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中において相対的に低い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した２種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成されることが好ましい。【００５０】
本発明による光ピックアップ装置は、光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくとも一方に使用され得て、光ビームを射出する光源と、その光ビームを制御する複数の光学素子とを含み、これらの光学素子の少なくとも一つは相対的に低屈折率の局所的領域と相対的に高屈折率の局所的領域とを含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含ことを特徴としている。そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光学素子は、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメートレンズのいずれかであり得る。【００５１】
本発明による光ビーム走査装置は、光ビームを出射する光源と、光ビームを整形する回折光学素子と、光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含み、その回折光学素子は透光性基板上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これは相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域とを含むことを特徴としている。このような光ビーム走査装置を利用することによって、レーザプリンタ、スキャナ、およびバーコードリーダを得ることができる。
【発明の効果】
【００５２】
以上のような本発明によれば、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光領域だけでなく紫外光領域での透明度が高く、かつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それに用いるに適した光学膜としてのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を提供することができる。【００５３】
また、そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製される種々の光学素子およびそれらの光学素子を含む種々の光学装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明による光学素子を作製する方法を図解する模式的断面図である。
【図２】紫外光を光学薄膜に照射する時間と屈折率変化との関係に及ぼす基板温度の影響を示すグラフである。
【図３】光学薄膜に紫外光を照射して得られる光学素子の厚さとその回折効率との関係に及ぼす紫外光照射時の基板温度の影響を示すグラフである。
【図４】光学薄膜に紫外光を照射して得られる光学素子の回折効率とその紫外光照射時の基板温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明による屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図６】図５の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法において使用し得る刻印型の形成方法を図解する模式的断面図である。
【図７】本発明による他の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図８】（ａ）は本発明による回折型マイクロレンズを図解する模式的な平面図であり、（ｂ）はそれに対応する断面図である。
【図９】図８の回折型マイクロレンズの作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図１０】従来のレリーフ型の回折型マイクロレンズの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図１１】図１０のレリーフ型マイクロレンズの作製方法に使用されるマスクを示す模式的な平面図である。
【図１２】本発明による光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図１３】本発明による他の光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図１４】本発明によるさらに他の光情報記録媒体の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図１５】多値化光ディスクにおいて複数の異なる深さのピットからの反射率の相違を示す模式的グラフである。
【図１６】ホログラム記録媒体にデータを書き込む動作を図解する模式的な斜視図である。
【図１７】ホログラム記録媒体からデータを読み出す動作を図解する模式的斜視図である。
【図１８】積層導波路ホログラムメモリの一例を図解する模式的断面図である。
【図１９】図１８の積層導波路ホログラムメモリの作製方法の一例を図解する模式的断面図である。
【図２０】本発明による偏光インテグレータの一例を模式的に図解する断面図である。
【図２１】図２０の偏光インテグレータに含まれるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の偏光ビームスプリッタを模式的に図解する断面図である。
【図２２】従来の液晶プロジェクタを図解する模式的断面図である。
【図２３】従来の偏光インテグレータの基本原理を模式的に図解する断面図である。
【図２４】本発明による屈折率変調型回折光学素子における高屈折率領域と低屈折率領域の分布状況の一例を示す平面図である。
【図２５】本発明による回折型ビーム整形素子を含むカラープロジェクタの一例を示す模式的なブロック図である。
【図２６】回折型ビーム整形素子の作用を図解する模式的斜視図である。
【図２７】本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。
【図２８】本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法の他の例を図解する模式的断面図である。
【図２９】本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法のさらに他の例を図解する模式的断面図である。
【図３０】本発明のカラー液晶表示装置に含まれるホログラム膜の作製方法のさらに他の例を図解する模式的断面図である。
【図３１】高屈折率領域と低屈折率領域との境界がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の厚さ方向に関して傾斜させられているホログラムカラーフィルタにおけるブラッグ反射による回折の一例を示す模式的断面図である。
【図３２】本発明によるカラー液晶プロジェクタの一例を図解する模式的断面図である。
【図３３】先行技術による単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を図解する模式的断面図である。
【図３４】波長分離機能とマイクロレンズ機能とを併有する回折格子の一例を示す模式的平面図である。
【図３５】先行技術によるカラー液晶表示装置を示す模式的断面図である。
【図３６】先行技術によるホログラムカラーフィルタを図解する模式的断面図である。
【図３７】図３６のホログラムカラーフィルタにおける回折効率の波長依存性を模式的に示すグラフである。
【図３８】先行技術によるカラー液晶プロジェクタを図解する模式的断面図である。
【図３９】本発明による光ピックアップ装置の一例を示す模式的ブロック図である。
【図４０】本発明による光ピックアップ装置において使用される偏光ビームスプリッタと１／４波長板との複合体の一例を示す模式的斜視図である。
【図４１】従来の光ピックアップ装置において使用されるレリーフ型レンズの一例を示す模式的断面図である。
【図４２】本発明による光ビーム走査装置における光ビーム照射の一例を示す模式的ブロック図である。
【図４３】本発明によるレーザプリンタの一例を示す模式的ブロック図である。
【図４４】本発明におけるスキャナの一例を示す模式的ブロック図である。
【図４５】Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜におけるエネルギビーム照射量と屈折率変化量との関係を示すグラフである。
【図４６】Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製された回折光学素子におけるエネルギビーム照射量と回折効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１  基板、２  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、３  ホットプレートなどのヒータ、４  紫外光、１１  シリコン基板、１２  第１レジスト層、１３  第１マスク、１４ａ  露光、１４ｂ  ＲＩＥ、１１ａ  ２レベルのレリーフ型マイクロレンズ、１５  第２レジスト層、１６  第２マスク、１４ｃ  露光、１４ｄ  ＲＩＥ、１１ｂ  ４レベルのレリーフ型マイクロレンズ、２１  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、２１ａ  相対的低屈折率領域、２１ｂ  屈折率変調領域、２１ｃ  中心軸（中心面）、２１ｄ  相対的高屈折率領域、２１ｅ  屈折率変調領域、２２  マスク層、２２ａ  凹部、２２ｂ  凸部、２３  エネルギビーム、３１  シリカ基板、３２  レジストパターン、３２ａ  溶融されたレジスト、３２ｂ  エッチングされつつあるレジスト、３１ａ  エッチングされつつあるシリカ基板、３１ｂ  凸部、３１ｃ  刻印型、４０  屈折率変調型の回折型マイクロレンズ、４１  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、Ｒｍｎ  帯状リング領域、ｆ  焦点距離、４２  Ｎｉ導電層、４３  レジストパターン、４４  金マスク層、４５  エネルギビーム、４１ａ  低屈折率領域、４１ｂ  高屈折率領域、１０１  ガラス基板、１０２  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜記録層、１０３  ガラス基板、１０４，１０４ａ，１０４ｂ  金属膜マスクパターン、１０５  エネルギビーム、１１１−１〜１１１−ｎ  クラッド層、１１２−１〜１１２−ｎ−１  コア層、１１３  再生用レーザ光、１１４  レンズ、１１５  反射面、１１６  導波光、１１９  光散乱要素（ホログラム）、１２０  再生ホログラム像、１２１  ガラス基板、１２２  紫外線硬化樹脂層、１２３  紫外線、１２４  ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）層、１２５  光散乱要素形成用ローラ、１３１  ホログラム記録媒体、１３２  ２次元デジタルデータ、１３３  物体光、１３４  レンズ、１３５  参照光、１３６  再生光、１３７  レンズ、１３８  再生２次元デジタルデータ、２０１  光源、２０２  ドーム状またはパラボラ状の反射ミラー、２０３  コリメータレンズ、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４  全反射ミラー、ＤＭ１，ＤＭ２  ダイクロイックミラー、Ｂ  青色光、Ｇ  緑色光、Ｒ  赤色光、ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３  集光レンズ、ＬＣ１，ＬＣ２，ＬＣ３  液晶パネル、２０４  プリズム、２０５  投影レンズ、２１１  偏光分離プリズム、２１２  ＰＢＳ膜、２１３  １／２波長板、２１４  全反射ミラー、Ｐ  Ｐ偏光、Ｓ  Ｓ偏光、２５１  偏光ビームスプリッタ、２５１Ａ  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、２５１ａ  高屈折率領域、２５１ｂ  低屈折率領域、２５２  第１マイクロレンズアレイ、２５３  １／２波長板、２５４  第２マイクロレンズアレイ、２５５  レンズ、ＣＬ  集光レンズ、ＬＣ  液晶パネル、３０１  ビーム整形素子、３０２  レンズ、３０３  照射面、３１１ａ  赤色レーザ装置、３１１ｂ  緑色レーザ装置、３１１ｃ  青色レーザ装置、３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃ  回折型ビーム整形素子、３１３ａ，３１３ｂ，３１３ｃ  偏向ビームスプリッタ、３１４ａ，３１４ｂ，３１４ｃ  液晶パネル、３１５  カラー合成プリズム、３１６  投影レンズ、４０１  ガラス基板、４０２  ホログラム膜、４０３  液晶層、４０４  反射型電極層、４１１  ガラス基板、４１２  Ｃｒ膜の回折格子、４１３  一つのマイクロレンズ領域、４２１  シリカガラス基板、４２２  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、４２２ａ  高屈折率領域、４２２ｂ  低屈折率領域、４２２ｃ  屈折率の境界領域、４２３ａ，４２３ｂ  シリカガラス基板、４２４ａ，４２４ｂ  金マスク、４２４ｃ  レリーフ型位相格子マスク、４２５ａ，４２５ｂ，４２５ｃ  ＵＶ光、４２６  スペーサ、４３４  金マスク、４３５  Ｈｅイオンビーム、Ｌ１  入射光、Ｌ２  屈折光、Ｌ３  回折光、４４０  液晶パネル、４４１  液晶表示層、４４２  ブラック・マトリックス、４５０  ホログラムカラーフィルタ、４５１  ホログラム板、４５２  マイクロレンズ、４６０  バックライト、４６１  赤色光、４６２  緑色光、４６３  青色光、４７１  第１のホログラム膜、４７２  第２のホログラム膜、ａ  緑色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、ｂ  赤色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、ｃ  青色光に対して最大回折効率を有するホログラム膜、ｄ  赤色光と青色光に対して回折効率のピークを有するホログラムカラーフィルタ、４８１  白色光源、４８２  ダイクロイックミラー、４８４，４８４ａ  ホログラムレンズ層、４８５  薄板ガラス層、４８６  透明電極、４８７  液晶層、４８８  画素電極、４８９  アクティブマトリックス駆動回路、４９０  投射レンズ、４９１Ｂ  青色発光素子、４９１Ｇ  緑色発光素子、４９１Ｒ  赤色発光素子、５０１  基板、５１１  光源、５１３  偏光ビームスプリッタ、５１４  １／４波長板、５１５  対物レンズ、５１６  光情報記録媒体、５１６ａ  情報記録面、５１７  集束レンズ、５１８  受光素子、５１９  コリメータレンズ、５６１  第１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、５６２  第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、５００  回折レンズ、５２０  ０次回折光、５２１  １次回折光、５２２  ２次回折光、６０２  光源、６０３  回折光学素子、６０４  ポリゴンミラー、６０５  照射対象物、６０６  球面レンズ、６０７  トロイダルレンズ、６０８  感光ドラム、６１０  原稿、６１１  検出器、６３１  透光性基板、６３２  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下において、本発明による光学膜としてのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜とその製法について説明し、引き続いてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率変調構造の作製、およびそれを用いた光学素子の機能と応用について説明する。【００５７】
（１）  Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜とその製法
本発明者らは、エネルギビーム照射による屈折率変化量Δｎが大きくかつ可視光領域での透明度が高いＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を開発した。したがって、まずそのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜とその製法について説明する。【００５８】
本発明者らが開発したＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満の範囲内にあり、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて１３．０未満の範囲内にある。このＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、可視光領域において消衰係数が小さいので、その可視光領域において使用する光学素子用材用として好ましい。ここで、炭素、酸素、シリコンなどの含有量は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）や熱分解法、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析、ＮＤＩＲ（非分散型赤外）分析などにより求めることができる。【００５９】
そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、例えば比較的低分子量のシロキサンを原料とするプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法などによって得ることができる。特許文献２の特開平７−３３３４０４号公報、特許文献３の特開２００４−３４１５４１号公報、および特許文献４の特開平８−７２１９３号公報などにおいて、シロキサンを原料として合成されるＳｉＯx膜および炭素を含む酸化珪素膜が開示されている。【００６０】
シロキサンは、その化学構造において−Ｓｉ−Ｏ−の周期構造を骨格に有し、シリコン原子の側鎖に水素または炭化水素系の基が付帯した構造を有している。そのようなシロキサンの具体例としては、ポリジメチルシロキサン［（ＣＨ3）2ＳｉＯ］n、ポリジフェニルシロキサン［（Ｃ6Ｈ5）2ＳｉＯ］n、ポリメチルフェニルシロキサン［（ＣＨ3）（Ｃ6Ｈ5）ＳｉＯ］n、ポリ水素メチルシロキサン［（Ｈ）（ＣＨ3）ＳｉＯ］nなどがある。【００６１】
プラズマＣＶＤ法の原料としてシロキサンを用いることには、２つの大きな長所がある。まず、一つの長所として、シロキサンをもとにプラズマＣＶＤ法で膜を合成すれば、特許文献１のＤＬＣ膜で見られるような着色の原因となる炭素の不飽和結合が長鎖を形成しにくく、透明性の高い膜が得られると考えられる。なお、その合成された膜は非晶質に近い構造を有し、その内部にＣＨ3、ＣＨ2、ＳｉＯ、ＳｉＣ、ＣＯなどの結合を含むと考えられる。【００６２】
もう一つの長所としては、シロキサンのように酸素を予め多く含む原料を用いて合成された膜は、その後のエネルギビーム照射による改質工程における酸化や水素脱離があっても体積変化が生じにくいことから、変形、剥離、表面凹凸などが発生しにくくて光学素子に応用する際に好ましい。なお、ＤＬＣ膜のように実質的に酸素を含まない膜では、その後の改質工程で酸化や水素脱離に起因した比較的大きな体積変化が生じ、変形、剥離、表面凹凸などが発生することがしばしば見られる。【００６３】
合成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の可視光領域での高い透明性およびエネルギビーム照射による十分大きな屈折率変化量を得るためには、成膜方法におけるさらなる工夫が必要である。本発明者らが様々な条件探索を行なった結果、例えば次のような条件で成膜することによって、可視光領域での高い透明性、およびエネルギビーム照射による十分大きな屈折率変化量を確保することに成功した。具体的には、比較的低分子量のシロキサン類を原料とするプラズマＣＶＤによる成膜を行なう際に、基板温度を８０℃以上でかつ１００℃以下にし、高周波電力を０．０１Ｗ／ｃｍ2以上でかつ１．２Ｗ／ｃｍ2以下にして、圧力を６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上でかつ６７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下に設定する。【００６４】
このようにして得られたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、可視光領域での消衰係数ｋが０．００５以下であり、可視光領域での透明性が確保されている。また、エネルギビームを照射することによって、０．０５以上で０．４未満の範囲内でその膜の屈折率を変化（低下）させることができる。【００６５】
しかしながら、上述の成膜条件の範囲内で得られたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、紫外光領域での透明性が十分高い（すなわち、紫外光領域での消衰係数ｋが十分低い）とは言えないものであった。そこで、本発明者らは、紫外光領域での消衰係数ｋが十分低いＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を作製するために、その成膜条件をさらに見直した。本発明者らがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に関して様々な成膜条件の検討を行なった結果、エネルギビーム照射による屈折率変化量Δｎを十分大きくすることができ、かつ可視光領域の消衰係数ｋを十分低く維持したままで紫外光領域の消衰係数ｋまでも十分に下げることに成功した。【００６６】
その新たに開発された成膜条件によって以下のような特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を得ることができ、その開発された成膜条件は後で詳細に説明される。【００６７】
すなわち、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率は、波長５２０ｎｍの光に関して１．４８以上で１．８５以下の範囲内に設定することができる。これ以外の範囲の屈折率を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜でも光学的には利用可能であるが、屈折率が１．４８より小さい膜の場合には、エネルギビーム照射を受けても屈折率がほとんど変化しない。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が１．８５より大きければ、紫外光領域から可視光領域の範囲においてその膜の消衰係数が高くなり過ぎるので好ましくない。【００６８】
また、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の消衰係数は、波長２４８ｎｍの光に関して０．１５未満であり得る。Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の消衰係数がこの値より大きければ、紫外光照射によってその膜の屈折率を変化させる場合に、紫外光領域での消衰係数が高過ぎるために、改質光である紫外光が膜の表面近傍で多く吸収されてしまう。その結果、紫外光が膜厚方向に深くまでは通りにくくなる。また、膜表面のアブレーションが進んでその表面に凹凸が生じるので、意図せぬ散乱光や回折光が発生する。その結果、膜厚方向における均一な改質が困難となる。【００６９】
さらに、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、波長５２０ｎｍの光に関する屈折率と波長２４８ｎｍの光に関する消衰係数が、その膜に対するエネルギビーム照射によって低下することも特徴的である。本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率や消衰係数が変化するメカニズムは、後で考察される。なお、波長２４８ｎｍの光に関する消衰係数が紫外光照射によって上昇する場合には、その紫外光照射による膜の改質が進むにつれて、改質光である紫外光が膜の表面近傍でより多く吸収されるようになり、膜厚方向に均一に改質することがさらに困難になる。【００７０】
波長２４８ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の消衰係数は、エネルギビーム照射前において０．１２未満であることがより好ましい。この理由は、エネルギビーム照射によって膜厚方向に均一に改質するためにより有効だからである。【００７１】
波長５２０ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率は、エネルギビーム照射前において１．５６以上で１．７６以下の範囲内にあることがより好ましい。エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が１．５６以上の場合には、エネルギビーム照射による屈折率変化量Δｎとして０．１０以上を確保することができる。したがって、そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製される屈折率変調型回折型光学素子において、その特性（例えば回折効率など）や設計自由度が高まる。他方、エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が１．７６以下の場合には、波長２４８ｎｍの光に関する消衰係数が０．１２未満であり得るので、前述のように膜厚方向の均一な膜の改質の観点から好ましい。【００７２】
エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が４．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．４×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることが好ましい。【００７３】
ここで、炭素、酸素、シリコン、水素などの含有量は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）、熱分解法、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析、ＮＤＩＲ（非分散型赤外）分析などにより求めることができる。また、水素の含有量は、ＨＦＳ（水素前方散乱）とＲＢＳの組み合わせによって求めることもできる。例えば、ヘリウムイオンを分析対象の薄膜に照射して後方に散乱したイオンと前方に散乱した水素を検出器によって検出して、各種構成元素の組成比を算出することができる。【００７４】
前述の組成範囲内のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、紫外光領域から可視光領域において小さい消衰係数を有するので、紫外光領域の改質光を利用して作製して可視光領域において使用する光学素子用の材料として好ましい。他方、その組成範囲外のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、屈折率、消衰係数、屈折率変化量、材料強度などの少なくともいずれかの観点において好ましくない。【００７５】
また、消衰係数や屈折率などを考慮すれば、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．６０ｇ／ｃｍ3未満の範囲内にあって、そのスピン密度が１．０×１０16ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3より大きくて１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満の範囲内にあることが好ましい。密度が１．１５ｇ／ｃｍ3以下またはスピン密度が１．０×１０16ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3以下の場合には、波長５２０ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が１．４８を下回るので、その必要な屈折率変化量を確保することができない。密度が１．６０ｇ／ｃｍ3以上またはスピン密度が１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3以上の場合には、波長２４８ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の消衰係数が０．１５を上回るので、その膜厚方向の均一な改質が困難になる。【００７６】
なお、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の密度は、Ｘ線反射率（ＧＩＸＲ）法などにより算出することができる。これは、分析対象の薄膜に照射されたＸ線の反射率などから薄膜の密度を算出する方法である。スピン密度は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）法によって算出され得る。また、スピン密度は不対電子密度と同義であり、スピン密度が大きいほど薄膜中における未結合手、すなわち欠陥が多いことを表す。【００７７】
以上のような本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、例えば次に示すような新たに開発した製法を取り入れることによって初めて実現することができる。具体的には、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、比較的低分子量のシロキサン類を原料とするプラズマＣＶＤによって形成される。その成膜時におけるプラズマＣＶＤ条件として、基板温度は８０℃以上で１００℃以下、高周波電力は０．５Ｗ／ｃｍ2以上で１．２Ｗ／ｃｍ2以下、そして圧力は６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上で４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間の圧力は１．３Ｐａ／分（０．０１Ｔｏｒｒ／分）以上で２．７Ｐａ／分（０．０２Ｔｏｒｒ／分）以下範囲内の割合で連続的に上昇させられる。これらの成膜条件が必要とされるのは、以下のような理由による。【００７８】
基板温度が８０℃未満の場合には、成膜時の物質移動反応（マイグレーション）が不十分となってＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が白濁化し、可視光領域に関する膜の透明度が悪くなる。他方、基板温度が１００℃より高い場合には、逆に成膜時の反応が速過ぎるために膜が基板から剥離することがある。また、剥離が生じなくとも合成反応が進み過ぎて膜が安定化するために、エネルギビーム照射による波長５２０ｎｍの光に関する膜の屈折率変化量が０．０３以下になり、このことは屈折率変調型回折光学素子などへの膜の用途の観点から好ましくない。【００７９】
高周波電力が０．５Ｗ／ｃｍ2未満の場合には、プラズマ中の活性種密度が低いために原料のシロキサン類に近い堆積膜しかできず、可視光領域（波長５２０ｎｍ）において１．４８以下の低過ぎる屈折率を有する膜しかできない。他方、高周波電力が１．２Ｗ／ｃｍ2より大きい場合には、プラズマ中の活性種密度が高過ぎるために合成膜中のスピン密度が高まり、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）において０．１５以上の高過ぎる消衰係数を有する膜しかできない。【００８０】
圧力が６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）より低い場合には、プラズマ中の活性種の平均自由工程が長過ぎるために合成膜中のスピン密度が高まり、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）において０．１５以上の高過ぎる消衰係数を有する膜しかできない。他方、圧力が４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）より高い場合には、プラズマ中の活性種の平均自由工程が短過ぎるために原料のシロキサン類に近い堆積膜しかできず、可視光領域（波長５２０ｎｍ）において１．４８以下の低過ぎる屈折率を有する膜しかできない。【００８１】
ここで、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間において、１．３Ｐａ／分（０．０１Ｔｏｒｒ／分）以上で２．７Ｐａ／分（０．０２Ｔｏｒｒ／分）以下の範囲内の割合で連続的に圧力を上昇させることが、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）に関する膜の消衰係数を０．１５未満に下げるために不可欠である。その消衰係数を低下させるメカニズムの詳細は分かっていないが、次のように考えることができる。【００８２】
すなわち、原料ガスの分解開始時の微妙な内圧制御がプラズマ発生初期にできる活性種の種類を決め、その初期の活性種の存在がその後のプラズマ状態を決める大きな支配因子となり、そしてその活性種が合成膜の紫外光領域（波長２４８ｎｍ）に関する消衰係数を下げるために必要不可欠だからであると思われる。実際、成膜開始から圧力を一定に保った場合や圧力連続上昇を３分未満にした場合や、圧力上昇割合を１．３Ｐａ／分（０．０１Ｔｏｒｒ／分）未満または２．７Ｐａ／分（０．０２Ｔｏｒｒ／分）より大きくした場合には、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）において０．１５より高い消衰係数を有する膜しかできなかった。【００８３】
なお、本発明におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は分散相などを含まない均質な単一相（単一組成）からなっているが、このことも紫外光領域（波長２４８ｎｍ）において膜の消衰係数を０．１５未満に下げるために必要不可欠である。なぜならば、分散相などの不純物が散乱因子となるからであり、そのような散乱は特に紫外光領域で顕著になるからである。本発明者らは、紫外光領域に関する膜の消衰係数を下げるべく、単一相からなるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を開発するため、以下のような工夫を行なった。【００８４】
まず、一般的には光学膜中に分散相を含める理由の一つには、補強材としての効果がある。例えば、エネルギビーム照射による改質工程を経る際に、完全に分解してしまうような成分からなる膜では、膜としての強度を確保できずに、粉々になったり基板から剥離したりする。また、改質工程を経る際に、体積の膨張や収縮の変化が大きい膜は内部応力によって脆くなり、やはりその膜が粉々になったり剥離したりする。これらの２つの原因による膜の劣化を防ぐために、例えば原料としてシロキサンのように酸素を予め多く含む原料を用いてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の合成を行なった。このようにして合成した膜は、その後のエネルギビーム照射による改質工程において、酸化や水素脱離があっても体積変化が生じにくく、また完全に分解してしまうことがないので、補強材を使わずに単一相からなるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を実現することができる。【００８５】
また、一般的には光学膜中に分散相を含める他の理由には、分散相が改質工程に不可欠な場合が考えられる。例えば、エネルギビーム照射を受けても母相（分散相の周りを囲むマトリックス）だけでは何も反応が起こらないが、分散相がそのエネルギビーム照射で反応を生じ、その反応から生じた生成物が母相と反応することによって改質が進む場合が考えられる。【００８６】
他方、本発明では、エネルギビーム照射によって反応を生じる単一相からなるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を開発することに成功した。これによって、紫外光領域に関する光学膜の消衰係数を下げることが、初めて可能になったのである。【００８７】
（２）  屈折率変調構造の作製
本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜では、エネルギビームを照射することによって、可視光領域に関する屈折率のみならず紫外光領域から可視光領域の範囲内における消衰係数を下げることができる。より具体的には、イオンビーム、電子ビーム、中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、ガンマ線などの電磁波をＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に照射することによって、その膜の屈折率や消衰係数を下げることができる。【００８８】
例えば、Ｈｅイオンを８００ｋｅＶの加速電圧の下で５×１０17／ｃｍ2のドース量で注入することによって、屈折率や消衰係数を下げることができる。なお、Ｈ、Ｌｉ、Ｂ、Ｃなどのイオンの注入や、０．１〜１３０ｎｍのスペクトルを有するＳＲ（シンクロトロン放射）光を照射することによっても、同様に屈折率や消衰係数を下げることができる。紫外光照射では、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を３〜４０ｍＷ／ｍｍ2の照射パワー密度にてパルス照射すれば、屈折率や消衰係数を下げることができる。なお、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ）などのエキシマレーザ光や、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ光の３倍高調波（波長３５５ｎｍ）や４倍高調波（波長２６６ｎｍ）の照射によっても、３〜４０ｍＷ／ｍｍ2のパワー密度にてパルス照射すれば同様に屈折率や消衰係数を下げることができる。また、水銀ランプ光（例えば、波長３６５ｎｍのｉ線、波長２４８ｎｍまたは１９３ｎｍのＤＵＶ（深紫外）線など）を０．１ｍＷ／ｍｍ2以上のパワー密度で照射しても同様に屈折率や消衰係数を下げることができる。このようなエネルギビームの照射量としては、０．１ＭＪ／ｍ2以上であることが好ましい。【００８９】
このようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質可能な特性を生かしてその局所的領域にエネルギビームを照射することによって、その膜に光学物性のパターニングを施すことができる。すなわち、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜内で所定のパターンに従って屈折率を下げて、導波路、回折光学素子などを作製することができる。そして、そのような屈折率の変化のパターニングには、各種マスクの使用や干渉露光などのような公知の方法を適用することができる。【００９０】
本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率や消衰係数がエネルギビーム照射によって低下するメカニズムの詳細は明らかではないが、以下のように推定することができる。【００９１】
特許文献１におけるＤＬＣ膜は水素を含み、エネルギビーム照射によって水素が脱離する。したがって、ＤＬＣ膜においては、その水素脱離による密度の上昇および／または誘電率の低い水素の減少によって屈折率が上昇すると考えられる。また、ＤＬＣ膜においては、エネルギビーム照射による水素の脱離によって炭素の不対電子が増加し、これに伴って消衰係数が増大すると考えられる。【００９２】
他方、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、エネルギビーム照射によって酸化が進んでＳｉ−Ｏ結合が増加するので、部分的にＳｉＯ2構造に近づいて屈折率が低下すると考えられる。また、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、紫外光領域で光吸収の大きいＣ＝ＯやＣ＝Ｃなどの二重結合や不対電子がエネルギビーム照射によって反応して減少し、これに伴って消衰係数が減少すると考えられる。【００９３】
上述のように、特許文献１におけるＤＬＣ膜はエネルギビーム照射によって紫外光領域から可視光領域の範囲内において屈折率や消衰係数が増大するのに対して、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜はエネルギビーム照射によってその屈折率や消衰係数が減少する点において顕著に相違する。【００９４】
ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して屈折率を高める場合には消衰係数も同時に上昇するので、その膜の厚み方向における光学的特性の改質の均一性を維持することが困難である。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においてはエネルギビーム照射による屈折率低下に伴って消衰係数も低下するので、より厚い膜でも厚さ方向における光学的特性の改質の均一性を維持しうるという点でも非常に好ましい。【００９５】
なお、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率は、照射したエネルギビームの照射量に応じて低下する。その屈折率を低下させる場合、波長５２０ｎｍの光に関してその値は最低でも１．４５〜１．４６以上であり、それ以下には下がらない。これは、波長５２０ｎｍの光に関する石英ガラスの屈折率が１．４６程度であることと一致する。【００９６】
改質前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が波長５２０ｎｍの光に関して１．４８〜１．８５の範囲内にあることを考え合わせれば、屈折率の低下量Δｎに換算して最大でも０．４０以下の範囲内であり、その範囲中でエネルギビーム照射量に応じて屈折率を任意に変化させることができる。しかしながら、Δｎが小さい膜による光学素子の特性（例えば、回折効率など）はあまり良くなく、その光学素子の設計の自由度も低くなるので、Δｎが０．０３より小さいことはあまり好ましくない。以上のことから、波長５２０ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率変化量Δｎは０．０３以上で０．４０以下の範囲にあることが好ましい。【００９７】
なお、波長５２０ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率変化量Δｎは、０．１０以上で０．３０以下の範囲にあることがより好ましい。なぜならば、０．１０以上の屈折率変化量Δｎを確保し得る膜であれば、その膜を用いて作製される屈折率変調型回折型光学素子の特性や設計自由度が高まるからである。他方、屈折率変化量Δｎを０．３０より大きくするには、エネルギビーム照射を受ける前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を１．７６より大きくする必要がある。この場合には、前述したように波長２４８ｎｍの光に関するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の消衰係数が０．１２以上となり、膜厚方向に均一に改質させる観点からは比較的不利となるので、Δｎは０．３０以下であることがより好ましい。【００９８】
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質された領域は、一般に水素量と炭素量が減少し、酸素量が増加する傾向にある。Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された実際の光学素子においては、その膜の微小改質領域の組成や特性を領域ごとに測定することはほとんど不可能である。しかし、その光学素子の作製時と同じ条件のエネルギビームをＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の全面に照射することによって、その光学素子の改質された領域の組成や特性を求めることができる。【００９９】
本発明者らが測定したところ、次の組成範囲が好ましいことが判明した。すなわち、エネルギビーム照射後のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて３．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることが好ましい。【０１００】
また、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質された領域は、一般に密度が高くなってスピン密度が低下する傾向にある。エネルギビーム照射後のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の密度とスピン密度についても本発明者らが測定したところ、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．８０ｇ／ｃｍ3未満の範囲内にあって、スピン密度が１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3未満であることが好ましいといえる。【０１０１】
さらに、ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子に較べて、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子は相対的に低い屈折率を有している。すなわち、ＤＬＣ膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明性樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に比べて平均的に高い屈折率を有しているので、一般的な光学素子との界面において光反射を生じやすい。それに対して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して作製された光学素子は、一般的な光学素子に近い平均的に屈折率を有しているので、一般的な光学素子との界面における反射が少なくて適合性の観点からも非常に好ましい。【０１０２】
（３）  屈折率変調構造を用いた光学素子の機能と応用
上述のように本発明におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に屈折率変調構造を造り込むことによって、様々な光制御機能を発現させることができる。より具体的には、波長合分岐機能、パワー合分岐機能、偏光合分岐機能、集光機能、さらにはビーム整形機能を有する光学素子を得ることができる。また、微小な屈折率変調領域を光の波長程度の大きさで周期的に配置することによって、フォトニック結晶としても利用することができる。【０１０３】
本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用した光学素子は、赤外線領域、可視領域、および近紫外領域までの広範囲において適用し得るので、幅広い応用が可能である。また、本発明による光学素子は薄膜を利用した屈折率変調型であるので、その小型化や薄型化などが容易である。具体的には、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の光学素子は、光通信用の各種光学素子、レーザなどの光加工装置中の光学素子、各種画像表示装置や光記録装置中の光学素子、さらには光計測機器中の光学素子などとして適用可能である。【０１０４】
例えば、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の光学素子は、波長合分波機能に関しては、光通信における波長合分波器、画像表示装置のＲＧＢ（赤緑青）合分光用素子などに適用できる。本発明の光学素子は、パワー合分岐機能に関しては、レーザ加工機のマルチビーム加工、光通信用光カプラなどに適用できる。本発明の光学素子は、偏光合分岐機能に関しては、光通信のＴＥ、ＴＭ波の分光や、偏光子、検光子、液晶用偏光板などに適用できる。本発明の光学素子は、集光機能に関しては、表示装置や記録装置の各種レンズ、マイクロレンズアレイなどへの応用が可能である。さらに、本発明の光学素子は、ビーム整形機能に関しては、加工機や表示装置のホモジナイザなどへの応用が可能である。【０１０５】
さらにまた、本発明のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製されるフォトニック結晶に関しては、２次元フォトニック結晶導波路と波長合分波器（S. Noda,
A. Chutinan, and M. Imada, Nature 407, 608 (2000)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器（Y.
Akahane, T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, Nature 425, 944 (2003)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器レーザ（O.
Painter, R. K. Lee, A. Scherer, A. Yariv, J. D. O’Brien, P. D. Dapkus, and I.
Kim, Science 284, 1819 (1999)参照）、２次元フォトニック結晶面発光レーザ（S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada,
A. Chutinan, and M. Mochizuki, Science 293, 1123 (2001)参照）、ＬＥＤの光取り出し効率向上（市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8
(2002)参照）などへの応用が考えられる。【０１０６】
例えば、市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8 (2002)によれば、ＬＥＤ（発光ダイオード）の光取り出し側の面にフォトニック結晶を作製することによって、半導体内の光が全反射を回避して空気中に取り出されるので、光取り出し効率の向上することが示されている。ただし、この場合には、半導体部分を直接加工してフォトニック結晶を作製するので、ＬＥＤ中の活性層やクラッド層に欠陥を導入することになる。すなわち、そのフォトニック結晶は、必ずしも発光素子として好ましい効果ばかりを生じるわけではない。【０１０７】
他方、本発明によるＳｉ−Ｏ含有炭化水素膜をＬＥＤの光取り出し側の面上に堆積した後に、エネルギビーム照射によってその膜中に屈折率変調構造を設けることによって、２次元フォトニック結晶を作製することができる。この２次元フォトニック結晶中の屈折率変調部のサイズや周期を適正に設計することによって、半導体内の光が全反射することを回避し得るので、ＬＥＤからの光取り出し効率を上げることができる。そして、この場合には、半導体部分を加工しないので、活性層やクラッド層に欠陥は導入されず、フォトニック結晶は発光素子にとって好ましい効果のみを生じ得る。【０１０８】
以下において、表１から表４を参照しつつ本発明の種々の実施例が種々の比較例とともに説明されるが、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されないことは言うまでもない。【０１０９】
表１においては、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に関して、プラズマＣＶＤによる種々の成膜条件が示されている。表２においては、表１中の種々の成膜条件によって形成された種々のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に関して、種々の組成と特性が示されている。なお、表２においては、いくつかのＤＬＣ膜に関する光学特性も参考のために含められている。表３においては、表１と表２に示された種々の光学膜に関して、室温におけるエネルギビーム照射条件、それによって屈折率変調型回折光学素子が作製された場合の回折効率と表面凹凸、および他の特記事項が示されている。表４においては、表３中のエネルギビーム照射後における種々の膜に関して、種々の組成と特性が示されている。なお、これらの表中において少なくとも括弧で囲まれている数値は、本発明の条件範囲から外れている数値であることを表している。【０１１０】
【表１】
2008056577.tif 000003
【０１１１】
【表２】
2008056577.tif 000004
【０１１２】
【表３】
2008056577.tif 000005
【０１１３】
【表４】
2008056577.tif 000006
【０１１４】
これらの表において、膜組成はＲＢＳ／ＨＦＳ法、密度はＧＩＸＲ法、スピン密度はＥＳＲ法、そして屈折率と消衰係数は分光エリプソメトリを用いて求められた。また、屈折率変調型回折光学素子の回折効率は、可視光の波長５３２ｎｍを有するレーザ光を用いて、入射光強度に対する１次回折光強度の比として求められた。ただし、屈折率変調型回折光学素子としての回折効率を正しく評価するためには、表面凹凸の影響を除去する必要がある。すなわち、表面凹凸における空気と膜の屈折率差に起因した回折効率増加分を除外する必要がある。そこで、合成膜とほぼ同一の屈折率を有するマッチングオイルをその合成膜上に載せて上からガラス板で挟み、表面凹凸を同程度の屈折率のオイルで埋めることによって、表面凹凸の影響を除去して回折効率の測定を実施した。なお、表面凹凸の大きさ（高低差）は、ＡＦＭ（表面原子間力顕微鏡）による測定から求められた。【０１１５】
種々のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の合成においては、排気した反応容器内にヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ3）3ＳｉＯＳｉ（ＣＨ3）3を表１中の圧力条件で導入し、表１中の高周波電力を印加することによって、表１中の温度に設定されたガラス基板上に約２μｍの厚さの膜として堆積された。なお、表３におけるエネルギビームの照射時間は、１時間に統一して行なわれた。以下では、表１から表４を参照しつつ、本発明における種々の条件や効果などが考察される。【０１１６】
＜比較例１、２＞
まず、比較例１としてのＤＬＣ膜は、エネルギビーム（ＫｒＦエキシマレーザ）照射による屈折率変化に関して、十分大きい値Δｎ＝０．３３が得られている点では好ましい（表４参照）。しかし、比較例１のＤＬＣ膜では、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）での消衰係数が成膜直後の状態で０．１５以上である０．１６と高く（表２参照）、ＫｒＦエキシマレーザ照射後にはその消衰係数がさらに０．２５に上昇している（表４参照）。その結果、比較例２に示されているように、比較例１と同じ条件で成膜されたＤＬＣ膜を用いてＫｒＦエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子を作製した場合に、３２０ｎｍという非常に大きい表面凹凸が生成して、回折効率としても非常に低い０．２％の値しか得られなかった（表３参照）。この低い回折効率は、消衰係数が高いために改質光である紫外光が膜深くまで入らないこと、表面凹凸が意図せぬ散乱・回折因子となることなどの影響によって、膜厚方向に均一な改質パターンが形成できなかったことによると考えられる。【０１１７】
＜実施例１−３＞
実施例１、２としては、本発明によるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の好適な代表的例が示されている。これらの実施例１、２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜においては、波長５２０ｎｍの光に関して成膜直後の屈折率が本願発明条件の１．５６以上で１．７６以下の範囲内にあって、波長２４８ｎｍの光に関する消衰係数がより好ましい０．１２未満であり（表２参照）、エネルギビーム（ＫｒＦエキシマレーザ）照射によって屈折率と消衰係数が下がっていることが分かる（表４参照）。また、実施例１、２の膜では、可視光領域に関して、屈折率変化量は０．１０以上で０．３０以下のより好ましい範囲内にあり、そして消衰係数は０．００５以下であって十分に透明である（表４参照）。さらに、実施例１、２の場合には、エネルギビーム照射の前後のいずれにおいても、膜の組成、密度、およびスピン密度も、すべて前述の本発明の好ましい条件範囲内にあることも分かる（表２、表４参照）。【０１１８】
実施例１と同じ条件で成膜されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜（表１参照）を用いてＫｒＦエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子を作製した実施例３においては、十分に高い回折効率の値２２％が得られている（表３参照）。これは、実施例３における膜の消衰係数が波長２４８ｎｍのレーザ光に関して十分低いので、膜厚方向に均一に改質されたことによる。また、実施例３では、紫外光照射後における膜の表面凹凸も１０ｎｍ未満と小さくて良好である（表３参照）。【０１１９】
なお、以上の実施例１−３におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に関して、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）の消衰係数として十分低い値が得られたのは、前述した本発明で開発した成膜方法の条件を満たしていることによる（表１参照）。【０１２０】
＜比較例３−９＞
比較例３、４におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇を０にしていることのみにおいて実施例１と２の場合と異なっていた（表１参照）。これらの比較例３、４と実施例１、２との比較から分かるように、本発明では、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間に０．０１Ｔｏｒｒ／分以上で０．０２Ｔｏｒｒ／分以下の範囲内の割合で連続的に圧力を上昇させることによって（表１参照）、紫外光領域に関する消衰係数を低減させることに初めて成功した（表２参照）。なお、比較例３、４のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、紫外光領域に関する消衰係数が高いことを除けば、屈折率、屈折率変化量、可視光領域での透明性などに関して良好な特性を有していることが分かる（表２、表４参照）。【０１２１】
比較例５においては、比較例４と同じ条件で成膜されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜（表１参照）を用いて、ＫｒＦエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合、紫外光領域に関する膜の消衰係数が高いために、得られた屈折率変調型回折光学素子において回折効率が５％で低く、またその表面凹凸が６０ｎｍでやや大きい（表３参照）。【０１２２】
比較例６、７のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の堆積においては、成膜時の圧力不変である比較例３、４に比べて、他の成膜条件である基板温度や高周波電力が変更された（表１参照）。これらの比較例６、７のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜も、紫外光領域に関する消衰係数が高いことを除けば、屈折率、屈折率変化量、可視光領域での透明性などに関して、良好な特性を有していることが分かる（表２、表４参照）。【０１２３】
比較例８におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇割合が０．００８Ｔｏｒｒ／分に低減されていることのみにおいて実施例２の場合と異なっていた（表１参照）。この比較例８の場合にも、紫外光領域に関する膜の消衰係数が０．１５以上である０．１６と高いことが分かる（表２参照）。【０１２４】
比較例９におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の堆積条件は、成膜開始後の圧力上昇の時間が２分に低減されていることのみにおいて実施例２の場合と異なっていた（表１参照）。この比較例９の場合にも、紫外光領域に関する膜の消衰係数が０．１５で高いことが分かる（表２参照）。【０１２５】
＜実施例４−７＞
実施例４、５は、エネルギビーム照射の条件（照射レーザの種類）が変更されたことのみにおいて実施例３の場合と異なっていた（表３参照）。これらの実施例４、５においても、実施例３の場合と同様に、高い回折効率が得られており、形成された表面凹凸も小さいことが分かる（表３参照）。【０１２６】
実施例６においては、実施例１と同じ堆積条件（表１参照）で得られたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上にリフトオフ法で金マスクをパターニングし、シンクロトロン放射光（エネルギ５０〜３０００ｅＶ）による露光によってその膜の屈折率を変調させた（表３参照）。その後に金マスクをエッチングで除去することによって、可視光の集光機能を有する屈折率変調型回折レンズを得ることができた。【０１２７】
実施例７においては、比較的高い屈折率変化量Δｎ＝０．２０が得られる実施例２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜（表４参照）と同じ成膜条件で得られた膜（表１参照）を用いて、屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合に、成膜後３日以内に公知の干渉露光法によってＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を膜に照射し（表３参照）、屈折率パターニングを行なって回折光学素子を作製した。その結果、６２％という非常に高い回折効率が得られ、この場合にも表面凹凸は１０ｎｍ未満と非常に小さくて良好であった（表３参照）。【０１２８】
＜比較例１０、１１＞
比較例１０は、エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜において、紫外光領域（波長２４８ｎｍ）の消衰係数が０．１５以上の場合の一例を示している（表２参照）。この比較例１０では、成膜条件の内で高周波電力が本発明の好ましい範囲より高過ぎる場合を示しており、エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜において、密度が１．６０ｇ／ｃｍ3以上、スピン密度が１．０×１０20／ｃｍ3以上、可視光領域（波長５２０ｎｍ）に関する屈折率が１．８５以上、そして可視光領域に関する消衰係数が０．００５以上であって、これらのいずれの数値も本発明の好ましい範囲より高くなっている。【０１２９】
比較例１１においては、比較例１０のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の堆積条件と同じ条件で得られた膜（表１参照）を用いて、ＫｒＦエキシマレーザの干渉露光によって屈折率変調型回折光学素子が作製された。この場合、紫外光領域に関する膜の消衰係数が高いために、回折効率は６％で低く、表面凹凸も５０ｎｍでやや大きくなっている（表３参照）。【０１３０】
＜実施例８、９と比較例１２、１３＞
実施例８、９は、本発明で望まれる成膜条件や諸特性の範囲の上下限に相当する場合を示している。すなわち、実施例８はエネルギビーム照射前におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率が望まれる上限値１．８５に近い１．８４の場合であり、実施例９はその屈折率が望まれる下限値１．４８に近い１．４９の場合である（表２参照）。そして、これらの実施例８、９のいずれの場合でも、膜の組成や諸特性は本発明の望まれる条件範囲内にある（表２、表４参照）。【０１３１】
他方、比較例１２は紫外光領域に関する膜の消衰係数が本発明の条件範囲の上限である０．１５未満を超える０．１５の場合であり（表２参照）、比較例１３は可視光に関する膜の屈折率が本発明の下限値１．４８に未満の１．４７の場合である。比較例１２、１３の膜におけるこれらの特性値が本発明の条件範囲の上限と下限を少し超えた理由は、成膜条件が本発明の条件を逸脱しているからである（表１参照）。具体的には、比較例１２では圧力上昇割合が条件範囲の上限を超えているからであって、比較例１３では高周波電力が条件範囲の下限を下回っているからであり（表１参照）、それらの成膜条件の逸脱に応じて膜の密度やスピン密度も本発明の条件範囲の外にあることが分かる（表２参照）。【０１３２】
＜実施例１０＞
実施例１０の成膜条件（表１参照）で堆積されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、その可視光領域（波長５２０ｎｍ）に関する屈折率や紫外光領域（波長２４８ｎｍ）に関する消衰係数として本発明のより好ましい範囲の上限近傍の値を有している。より具体的には、エネルギビーム照射前のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜において、屈折率は１．７６、紫外光領域に関する消衰係数は０．１１、そして屈折率変化量は０．３０である（表２、表４参照）。【０１３３】
＜比較例１４−１６＞
比較例１４−１６は、基板温度が本発明の好ましい範囲を逸脱している場合に相当している。比較例１４は基板温度が低い７０℃の場合であるが（表１参照）、この場合には表３中の特記事項の欄に示すように、堆積膜に白濁が発生していた。この白濁に起因した光散乱によって、比較例１４の膜の消衰係数は見かけ上で高い０．２１になっている。比較例１５は基板温度が高い１１０℃の場合であるが（表１参照）、この場合には表３中の特記事項の欄に示すように、堆積膜が基板から剥離した。このことは、基板温度が高過ぎるために、膜の酸化が進み過ぎるなどの理由で膜が劣化して剥離したと思われる。比較例１６は比較例１５と同様に基板温度が高い１１０℃の場合であるが、比較例１５に比べて比較例１６では高周波電力と圧力上昇割合が低下させられている。この比較例１６の場合には、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率変化量Δｎが０．０２と小さい。このことは、基板温度が高過ぎるために、物質移動（マイグレーション）が進んで膜が安定化したためと思われる。【０１３４】
＜実施例１１＞
本発明の実施例１１においては、実施例１と同じ条件で石英基板上に堆積されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜（表１参照）を用いて、ＹＡＧレーザの４倍高調波（波長２６６ｎｍ）光のビーム走査によって屈折率変調型回折光学素子が室温にて作製された。より具体的には、レンズを用いてビーム径が０．３μｍに絞られ、３５．０ｍＷ／ｍｍ2の照射パワー密度と０．５ｍｍ／ｓの速度の条件でビーム走査が行なわれた。ここで、ビーム径は、ビーム断面の中央における最大光強度の１／ｅ以上の強度を有する領域の直径であり、ビーム走査は０．５μｍ間隔の平行なラインに沿って行なわれた。こうして作製された回折光学素子の回折効率を測定したところ、３．１％の値が得られた。【０１３５】
＜実施例１２＞
本発明の実施例１２においては、実施例２と同じ条件で石英基板上に堆積されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜（表１参照）において、水銀ランプ光（波長２４８ｎｍのＤＵＶ線（深紫外線））を室温で照射した場合の屈折率変化が測定された。この場合に、照射パワー密度は０．３４ｍＷ/ｍｍ2に設定され、照射時間を変化させることによって照射エネルギ密度が０．０１〜１．８ＭＪ／ｍ2の範囲内で種々に変化させられた。測定された屈折率変化が、図４５のグラフに示されている。【０１３６】
図４５のグラフにおいて、横軸はエネルギビーム照射量を面積当たりのエネルギ密度（ＭＪ／ｍ2）で表し、縦軸は測定された屈折率を表している。このグラフから分かるように、水銀ランプ光の照射によってもＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を変化（低下）させることができる。ここで、エネルギビーム照射量が０．０１ＭＪ／ｍ2のときには屈折率が０．０１だけしか低下していないが、エネルギビーム照射量が０．１ＭＪ／ｍ2以上の場合には屈折率が０．０４以上の変化量で低下している。このように大きな屈折率変化量を利用して、良好な特性を有する屈折率変調型回折光学素子を作製しうることが期待され得る。【０１３７】
そこで、本実施例１２において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に水銀ランプ光を照射することによって屈折率変調型回折光学素子が作製された。具体的には、幅１．２μｍのライン（遮光部）と幅１．２μｍのスペース（透過部）の繰返しを含むＬ＆Ｓ（ライン・アンド・スペース）パターンを有するフォトマスクとＤＵＶ線（波長２４８ｎｍ）アライナとを用いて、実施例２と同じ条件で堆積されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に対して水銀ランプ光照射によるマスクパターンの等倍転写を行なった。この場合に、照射パワー密度が０．３４ｍＷ／ｍｍ2に設定され、照射時間を変化させてエネルギビーム照射量を０．０１〜１．８ＭＪ／ｍ2の範囲内で種々に変化させて複数の屈折率変調型回折光学素子が作製された。こうして得られた回折光学素子における回折効率を評価した結果が、図４６のグラフに示されている。【０１３８】
図４６のグラフにおいて、横軸はエネルギビーム照射量（ＭＪ／ｍ2）で表し、縦軸は測定された回折効率を表している。このグラフから分かるように、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に対する水銀ランプ光の照射によっても屈折率変調型回折光学素子を作製するることができる。ここで、エネルギビーム照射量が０．０１ＭＪ／ｍ2のときには高々０．２％の回折効率しか得られていないが、エネルギビーム照射量が０．１ＭＪ／ｍ2以上の場合には２．０％以上の回折効率を有する実用的な屈折率変調型回折光学素子が得られている。以上から、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して屈折率変調型回折光学素子を作製する場合には、エネルギビーム照射量は０．１ＭＪ／ｍ2以上であることが好ましい。【０１３９】
以上の種々の実施例において作製されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜、およびそれを利用した回折光学素子においては、Ｇｅをドープした石英ガラスやフォトポリマなどの従来の屈折率変化材料では得られない屈折率変化量を実現することができる。そして、そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて形成される回折光学素子では、従来の回折光学素子では得られない高い回折効率を実現することができる。【０１４０】
＜実施例１３＞
本発明の実施例１３においては、実施例２と同じ条件で石英基板上にＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が２μｍの厚さに合成された。【０１４１】
図１は、こうして得られた光学薄膜の温度を制御しながら紫外光照射して屈折率を変化させる方法の一例を模式的な断面図で示している。すなわち、基板１上において合成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２が例えばホットプレートなどのヒータ３上に載置されて、無加熱または加熱された状態において紫外光４がその薄膜２に照射される。【０１４２】
より具体的には、ＹＡＧレーザの４倍高調波（波長２６６ｎｍ）光を照射光４として用いて、大気中で薄膜２の全面を露光することによってその薄膜２の全面の屈折率を変化させた。そのときの紫外光４の照射パワー密度は１２．５ｍＷ／ｍｍ2であった。この紫外光照射時において、基板１上の薄膜２はホットプレート３上で種々の温度に制御された。その温度制御の条件として、無加熱、６０℃加熱、および９０℃加熱の３条件が実施された。【０１４３】
図２のグラフは、これら３通りの基板温度において紫外光４の照射時間を種々に変更した場合における薄膜２の屈折率変化を示している。すなわち、このグラフの横軸は紫外光４の照射時間（分）を表し、縦軸は紫外光照射された薄膜２の屈折率を表している。また、グラフ中において黒丸印は無加熱の場合を表し、黒三角印は６０℃加熱の場合を表し、そしてクロス印は９０℃加熱の場合を表している。【０１４４】
図２から分かるように、ホットプレート３で加熱しない場合に比べて、加熱した場合の方が薄膜２の屈折率変化が速くなっている。さらに、加熱温度が６０℃と９０℃の場合を比較すれば、紫外光４の照射時間が１分までは、加熱温度の高い９０℃の場合の方が薄膜２の屈折率変化が速いことも分かる。【０１４５】
なお、図２中で９０℃加熱において紫外光４の照射時間が５分以上の場合についてデータが存在していないのは、薄膜２が基板１から剥離したために屈折率の評価をすることができなかったからである。このことから分かるように、大気中においては加熱温度が高すぎれば薄膜２が基板１から剥離するので、加熱温度は９０℃を超えないことが好ましい。【０１４６】
＜実施例１４＞
実施例１４では、実施例１と同じ条件で石英基板上にＳｉ−Ｏ含水素化炭素膜が１μｍおよび２μｍの厚さに合成された。【０１４７】
これらの薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を照射光源として用いて、公知の干渉露光法によって屈折率変調のパターニングを行った。すなわち、図１において、図示されていない公知の位相格子マスクを通過した干渉光４が薄膜２に照射された。そうして、可視光に関して分光機能を有する屈折率変調型回折光学素子が形成された。その干渉露光の際に、薄膜２はホットプレート３上で温度制御された。その温度制御の条件としては、無加熱と２００℃加熱の２通りの条件が実施された。なお、照射されたエキシマレーザ光４のパワー密度は１２．５ｍＷ／ｍｍ2であり、照射時間は１２０分であって、窒素雰囲気中で照射が行われた。【０１４８】
このような干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の分光機能を評価するために、可視光の波長５３２ｎｍを有するレーザ光を用いて、入射光強度に対する１次回折光強度の比、すなわち回折効率の測定を行った。その結果が図３のグラフにおいて示されている。【０１４９】
すなわち図３のグラフにおいて、横軸は薄膜の厚さ（μｍ）を表し、縦軸は干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の回折効率（％）を表している。また、このグラフ中において、黒丸印は無加熱において干渉露光された場合を表し、白丸印は２００℃加熱において干渉露光された場合を表している。【０１５０】
図３のグラフから、膜厚が１μｍと２μｍのいずれの場合においても、２００℃加熱において干渉露光された薄膜の方が、無加熱において干渉露光された薄膜に比べて高い回折効率を有していることが分かる。これは、薄膜の加熱によって、屈折率変調すなわち薄膜の改質が促進されているからである。【０１５１】
ところで、本実施例１４においては、２００℃という高温で１２０分もの長時間の干渉露光が行われたにもかかわらず、実施例１３の場合におけるような薄膜の剥離は起きなかった。これは、エキシマレーザ照射時に窒素雰囲気中の酸素濃度が低かったので薄膜の酸化反応が進みにくく、結果として薄膜の劣化が抑制されたと考えられる。【０１５２】
なお、薄膜の紫外光照射時において、窒素雰囲気の代わりに、アルゴンなどの希ガスの雰囲気を用いてもよいことは言うまでもない。【０１５３】
＜実施例１５＞
実施例１５では、実施例２と同じ条件で石英基板上にＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が２μｍの厚さに合成された。【０１５４】
得られた薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）光を照射光４として用いて、実施例１４の場合と同様の干渉露光法によって屈折率変調のパターニングを行った。こうして、可視光に関して分光機能を有する屈折率変調型回折光学素子が形成された。このとき、レーザ光照射中において薄膜２はホットプレート３上で温度制御された。その条件としては、無加熱、１２０℃加熱、２００℃加熱の３通り条件が実施された。なお、エキシマレーザ光照射の際に、そのパワー密度は１９．８ｍＷ／ｍｍ2であって、照射時間は３０分であり、レーザ光照射は真空中で行われた。以上のようにして得られた屈折率変調型回折光学素子の分光機能について、実施例１４と同一方法で評価された結果が図４に示されている。【０１５５】
すなわち、図４のグラフにおいて、横軸はヒータの加熱温度を表し、縦軸は干渉露光法によって得られた屈折率変調型回折光学素子の回折効率（％）を表している。このグラフから、加熱しながら紫外光照射した場合の光学素子の回折効率は、無加熱の場合に比べて高いことが分かる。さらに、加熱温度が高いほど、回折効率が高いことも分かる。これは、紫外光照射に際しての薄膜の加熱によって、その薄膜の屈折率変調すなわち改質が促進されているからである。なお、本実施例１５においても、実施例１４の場合と同様に、２００℃という高温にもかかわらず薄膜の剥離は起きなかった。これは、エキシマレーザ光照射時における真空雰囲気中の酸素濃度が低かったので、薄膜の酸化反応が進みにくく、結果として薄膜の劣化が進まなかったからであると考えられる。【０１５６】
＜実施例１６＞
本発明の実施例１６においては、基板上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に保護層または／および透明材料板が付与される。【０１５７】
（保護層）
この保護層は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の光学的改質時やその使用時に酸素や水がその膜と反応することを防止するためのものであり、酸素や水に対するバリア膜として機能すると同時に、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜表面からの元素の脱離やアブレーションを抑制する効果が期待される。ただし、この保護層は、分子サイズが小さい水素分子や原子サイズが小さい水素原子に対してのバリア性は相対的に低いと考えられる。【０１５８】
より具体的には、保護層として、酸化珪素膜、酸窒化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミ膜、酸化チタン膜、酸化タンタル膜、フッ化マグネシウム膜、またはポリマ（主要成分として炭素と水素を含む）膜などが好ましい。これらの膜は、酸素や水に対するバリア性が高いと同時に、光学素子に含める場合に透明性が高い点で優れる。なお、保護膜にはピンホールやクラックがないか極めて少ないことが望ましい。【０１５９】
保護膜の形成には、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などの気相合成法を適用することができる。また、一部のポリマに関しては、スピンコートによって保護膜を形成することができる。【０１６０】
より具体的には、酸化珪素保護膜、酸化アルミ保護膜などは、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着などのいずれによっても合成することができる。酸窒化珪素保護膜、窒化珪素保護膜などは、主にプラズマＣＶＤ法などで合成することができる。酸化チタン保護膜、酸化タンタル保護膜、フッ化マグネシウム保護膜などは、主にスパッタリング、真空蒸着、イオンビームアシスト蒸着法などで合成することができる。【０１６１】
保護膜は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の光学的改質前に形成することによって、その改質時および光学素子としての使用時の両方に保護効果を発揮させることができる。しかし、改質時には保護膜を使用せずに、改質後に保護膜を形成して光学素子として使用するときの耐久性のみを向上させてもよい。改質前に保護膜を形成する場合はその改質の障害にならないように保護膜の材質や厚さに制約が生じるが、改質後に保護膜を形成する場合はそのような制約が生じない。なお、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質前に保護膜を形成する場合のその保護膜厚に関しては、後で詳細に説明される。【０１６２】
なお、改質前に保護膜を形成する場合、一般的には、下層のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を大気に取り出すことなく連続して保護膜を形成することが好ましい。これは、下層のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を大気中に取り出すことによって、保護膜にピンホールなどの欠陥が形成されやすくなるからである。ただし、ポリマなどをスピンコートなどで被覆する場合はこの限りではない。【０１６３】
（透明材料板）
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に接合される透明材料板としては、酸素や水を遮蔽できて光を透過するものであれば特に制約はない。一般には、透明材料板として、ガラス系の材料が好ましい。なぜならば、ガラス系の材料は比較的安価であって酸素や水に対する遮蔽性が優れているからである。また、無機透明材料を被覆した樹脂シートなども、透明材料板として利用することができる。【０１６４】
透明材料板の厚さは、１０μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、そのような厚さであれば酸素や水に対する遮蔽性が高く、またハンドリングがし易いからである。【０１６５】
透明材料板は、熱硬化型、紫外線硬化型、または可視光硬化型の接着剤などによって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に直接にまたはＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の上の保護膜上に張り合わせられる。この接合に用いられる接着剤も酸素や水を通しにくいものが好ましく、接着層の厚さは薄くし得ることが好ましい。【０１６６】
透明材料板は、保護膜と同様に、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質前に接合することによって、その改質時および光学素子としての使用時の両方において効果を発揮することができる。しかし、改質時にエネルギビームを通さないとか、エネルギビームで透明材料板そのものが変質することもあり、一般には改質後に接合して光学素子として使用するときの耐久性のみを向上させる使われ方が好ましい。なお、このような透明材料板を保護膜とともに使用することによって、より保護効果を高めることができる。【０１６７】
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビームとして電磁波を照射してその膜を改質する場合の保護膜の厚さは、０．０２μｍより厚くて１０μｍより薄いことが望ましい。なぜならば、０．０２μｍ以下の厚さでは酸素や水に対するバリア性が十分でなく、１０μｍ以上の厚さでは保護層にクラックが入り易いからである。なお、厚さの下限としては、０．０５μｍより厚いことがより好ましく、０．１μｍより厚いことがさらに好ましい。厚さの上限としては、５μｍ未満であることがより好ましく、３μｍ未満であることがさらに好ましい。【０１６８】
他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビームとして粒子線を照射して改質する場合、電子ビーム、イオンビーム、または中性子ビームのいずれも適用することができる。ただし、電子ビームは固体内で散乱されて拡がり易いので、幅が狭くて深いパターンの光学的改質を電子ビームで行なうことは容易ではない。中性子ビームは、そのエネルギや密度の制御性が低く、その取り扱いが容易ではない。イオンビームはそのエネルギや密度の制御性に優れ、水素やヘリウムなどの比較的軽い元素のイオンを用いることは幅が狭くて深いパターンの改質に適している。【０１６９】
粒子線による改質の場合の保護膜の厚さは、０．０２μｍより厚くて１μｍより薄いことが望ましい。なぜならば、厚さが０．０２μｍ以下では酸素や水に対するバリア性が十分でなく、厚さが１μｍ以上では粒子線がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に到達しにくいからである。厚さの下限としては、０．０５μｍより厚いことがより好ましく、０．１μｍより厚いことがさらに好ましい。厚さの上限としては、０．５μｍ未満であることがより好ましく、０．２μｍ未満であることがさらに好ましい。【０１７０】
また、保護膜の厚さは、光学素子が使用される波長帯域における保護膜の消衰係数との関係からも好ましい範囲がある。なぜならば、膜の光透過率はその厚さと消衰係数に依存するからである。保護膜の消衰係数としては、５×１０-3未満であることが好ましく、１×１０-3未満であることがより好ましく、５×１０-4未満であることがさらに好ましい。そして、一般的には、保護膜の内部透過率との関係では、８０％より大きい内部透過率が得られる膜厚であることが好ましく、９５％より大きい内部透過率が得られる膜厚であることがより好ましく、９９％より大きい内部透過率が得られる膜厚であることがさらに好ましい。【０１７１】
他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の光学的改質の際に可視から紫外の光（電磁波）の照射が利用される場合には、その波長における保護膜の透過率との関係では、４０％より大きい透過率が得られる膜厚であることが好ましく、６０％より大きい透過率が得られる膜厚であることがより好ましく、８０％より大きい透過率が得られる膜厚であることがさらに好ましい。【０１７２】
（改質温度）
エネルギビームを照射してＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を改質する際の基板温度としては、任意の温度を適用することができる。例えば、室温状態の基板温度における改質は、温度制御装置を必要とせず、そのプロセスの単純化と低コスト化の観点から好ましい。ただし、実際には、エネルギビームの照射によって、改質部近傍の基板温度は室温より高くなるようである。エネルギビーム照射時の基板温度はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の物性に影響するので、積極的に基板温度を調節して改質の制御性を高めることが好ましい。【０１７３】
より具体的には、前述のように、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は改質時に高い温度に保持されるほどその改質速度が速くなる。他方、本実施例１６におけるようにＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜表面に保護層が設けられている場合には、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の改質速度が遅くなる傾向にある。したがって、そのような保護層が設けられている場合には、基板温度を上げることによって改質速度を高める方法が有効である。具体的には、基板温度は８０℃より高く４００℃未満であることが好ましく、１００℃より高く２５０℃未満であることがより好ましく、１２０℃より高く２２０℃未満であることがさらに好ましい。【０１７４】
ただし、基板温度が高いことは改質速度が高まる観点から好ましいが、基板温度が高すぎれば、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の着色や改質の制御性などの観点から弊害が出てくる。なお、基板の加熱には、通常のヒータ加熱以外にも、波長３μｍ以上の光を含む赤外線による加熱が有効である。【０１７５】
本実施例１６では、より具体的には、石英基板上において、実施例２と同じ条件で厚さが１．５μｍのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を形成することによってサンプル１Ａが準備された。【０１７６】
サンプル１Ｂは、マグネトロンスパッタ法によってサンプル１Ａ上に厚さ０．１μｍのＳｉＯ2保護膜を形成することによって準備された。【０１７７】
さらに、サンプル１Ｂ上に厚さ０．０５ｍｍのガラス板を可視光硬化型接着剤で接合することによって、サンプル１Ｃが準備された。【０１７８】
サンプル１Ａ〜１Ｃに対して、１００Ｗのキセノンランプ光から波長４００ｎｍ以下の光を抽出集光して５００時間照射した。その後、サンプル１Ａ〜１Ｃに関して、波長４６０ｎｍの青色光の透過率変化量を調査した。その結果、サンプル１Ａでは透過率変化量が７％の増大であったが、サンプル１Ｂと１Ｃではそれぞれ約２％と約０．５％の増大であった。このことは、ＳｉＯ2保護膜を付与したサンプル１Ｂ、さらに薄いガラス板をも接
合したサンプル１Ｃでは、透過率の変化が少ないことを意味している。【０１７９】
＜実施例１７＞
実施例１７では、実施例２と同じ条件で石英基板上に膜厚２μｍのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含むサンプル２Ａが準備された。【０１８０】
そして１μｍ周期の凹凸を有する石英マスクを用いたエキシマレーザ（ＸｅＣｌ）による大気中での干渉露光によって、サンプル２Ａにおいて屈折率変調構造をパターニングした。【０１８１】
その後、サンプル２Ｂは、サンプル２Ａ上に厚さ０．１μｍのＳｉＯ2保護膜をマグネトロンスパッタ法によって形成することによって準備された。【０１８２】
他方、サンプル２Ｃは、そのようなサンプル２Ｂ上にさらに０．１ｍｍの石英板を可視光硬化型接着剤で貼り付ける事によって準備された。【０１８３】
以上のようにして得られサンプル２Ａは、回折格子として機能するものの、１年間の使用後にその回折効率が５％低下した。他方、サンプル２Ｂと２Ｃは回折格子として機能し、１年間の使用後にサンプル２Ｂでは回折効率が２％低下し、サンプル２Ｃでは回折効率に変化がないことが確認された。【０１８４】
＜実施例１８＞
本発明の実施例１８は、平板型マイクロレンズに関する。平板型マイクロレンズは、種々の光学分野において利用され得る。例えば、光通信分野において、ＬＤ（レーザダイオード）と光ファイバとの間の光結合のための集光レンズとして好ましく用いられ得る。また、プロジェクタ中の集光用レンズアレイとして、平板型マイクロレンズアレイが好ましく用いられ得る。【０１８５】
ところで、従来からマイクロレンズとして屈折型マイクロレンズがおもに用いられているが、近年では光学システムのサイズ、重量、コストなどを低減させる観点から、回折型のマイクロレンズが注目されている。回折型マイクロレンズは、光の回折現象を利用してレンズ機能を生じさせるものである。回折型マイクロレンズは、主としてレリーフ型（または膜厚変調型）マイクロレンズと屈折率変調型マイクロレンズに大別される。レリーフ型マイクロレンズでは、典型的には透光性基板の表面に同心円状の複数の微細なリング状溝が形成されており、それらの溝の深さ（すなわち基板の厚さ）が周期的に変化させられた構造を有している。他方屈折率変調型マイクロレンズは、典型的には平板状基板が同心円状の複数の微細な帯状リング領域に分けられており、それらの領域の屈折率が周期的に変化させられた構造を有している。【０１８６】
透光性基板の厚さの周期的変化や屈折率の周期的変化は、その基板を通過する光の位相を周期的に変化させ、回折格子と同様に光の回折効果を生じさせる。そして、回折格子の格子ピッチが小さくなるにしたがって、回折格子を通過する光の回折角が大きくなる。したがって、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを減少させることによって、その回折格子を通過する光を凸レンズのように集光することができる。逆に、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを増大させることによって、その回折格子を通過する光を凹レンズのように発散させることができる。【０１８７】
図１０は、従来のレリーフ型マイクロレンズの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している（非特許文献１の「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁参照）。また、図１１は、図１０のレリーフ型マイクロレンズの作製方法において用いられる露光マスクを模式的な平面図で示している。【０１８８】
図１０（ａ）において、Ｓｉ基板１１上にポジ型フォトレジスト層１２を形成し、第１のフォトマスク１３を介して紫外光１４ａが照射される。この第１のフォトマスク１３は、図１１（ａ）に示されているような同心円状の帯状リングパターンを有し、リング間のピッチは同心円の中心から周縁に向かうにつれて減少させられている。なお、図１１（ａ）においては図面の明瞭化と簡略化のためにわずかに２つの透光リングが示されているが、実際にはさらに多くのリングが含まれ得ることは言うまでもない。【０１８９】
図１０（ｂ）において、露光されたレジスト層１２を現像して第１のレジストパターン１２ａが形成される。そして、その第１レジストパターン１２ａをマスクとして、矢印１４ｂで表わされた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、所定深さの帯状溝リングが形成される。【０１９０】
図１０（ｃ）において、第１レジストパターン１２ａを除去することによって、バイナリレベル（光の位相を２段階に変調）のレリーフ型マイクロレンズ１１ａが得られる。なお、帯状溝リングの幅と深さは、２レベルまたは多レベルのレリーフ型マイクロレンズのそれぞれに応じて最も良好な回折効率が得られるように設定される。【０１９１】
図１０（ｄ）から（ｆ）は、図１０（ａ）から（ｃ）と同様な工程に続いて４レベルのレリーフ型マイクロレンズを作製する工程を図解している。【０１９２】
図１０（ｄ）において、図１０（ｃ）までと同様の工程で形成されたＳｉ基板１１ａの上面にさらに第２のレジスト層１５を形成し、第２のマスク１６を介して紫外光１４ｃを照射する。図１１（ｂ）は、この第２マスク１６を模式的平面図で示している。図１１（ａ）と（ｂ）から分かるように、第２マスク１６は第１マスク１３に比べて２倍の本数の帯状透光リングを有している。換言すれば、第２マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングは、第１マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングに比べて約１／２の幅を有している。【０１９３】
図１０（ｅ）において、露光された第２レジスト層１５を現像して同図に示されているような第２のレジストパターン１５ａが形成される。そして、その第２レジストパターン１５ａをマスクとして、矢印１４ｄで表わされているＲＩＥによって、さらに所定深さまでのエッチングが行なわれる。【０１９４】
図１０（ｆ）において、第２レジストパターン１５ａを除去して、４レベルの位相変化を生じ得るレリーフ型マイクロレンズ１１ｂが得られる。なお、２レベルの回折型レンズに比べて、多レベルの回折型レンズでは高い回折効率が得られ、より高い集光効率が得られる。また、上述のようなフォトリソグラフィとＲＩＥの工程をＮ回繰り返すことによって、２Ｎレベルのレリーフ型マイクロレンズを作製することができる。ただし、理論上は無限数レベルの回折レンズで１００％の回折効率が得られることになるが、作製工程数と費用が増大するので、実際上は９５％の回折効率が得られる８レベルの回折型レンズで十分であろう（上述の工程をＮ＝３回繰り返すことで作製可能）。【０１９５】
ところで、レリーフ型マイクロレンズでは、透光性基板にエッチングで溝を彫らなければならないので、その基板はそれなりの厚さを要する。また、エッチングによって彫る溝の深さを正確に調節することが容易ではない。さらに、レリーフ型マイクロレンズはその表面に微細な凹凸を有するので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。【０１９６】
このようなレリーフ型マイクロレンズにおける問題に鑑み、特許文献５の特開２００５−２０２３５６号公報は、紫外線やイオンビームのようなエネルギビームの照射によって屈折率を高め得るＤＬＣ膜を利用することによって、機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供することを提案している。【０１９７】
しかし、紫外線などの照射によってＤＬＣ膜の屈折率を高めることができるが、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、ＤＬＣ膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折型光学素子や屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域において光が透過しにくいことを意味し、光の利用効率や回折効率の観点からも好ましくない。【０１９８】
そこで、本実施例１８では、ＤＬＣ膜に比べて優れた特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された平板型マイクロレンズを提供する。【０１９９】
図５においては、本実施例１８による屈折型マイクロレンズアレイの作製方法が模式的な断面図で図解されている。【０２００】
図５（ａ）において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１上にマスク層２２が形成されている。マスク層２２としては、エネルギビーム２３の透過を制限し得る機能を有する種々の材料を用いることができる。例えば、マスク層に対するエネルギビームの透過量の設計に応じて最適化されるように、金、クロム、ニッケル、アルミ、タングステンなどから選択することができる。このマスク層２２はアレイ状に配列された微小な凹部２２ａを有している。それらの凹部２２ａの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる底面を有している。それらの凹部２２ａのアレイを含むマスク層２２を介して、エネルギビーム２３がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１に照射される。【０２０１】
図５（ｂ）において、エネルギビーム２３の照射後にマスク層２２を除去することによって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１中に形成されたマイクロレンズアレイ２１ａが得られる。すなわち、エネルギビーム２３の照射によって、マスク層２２の凹部２２ａのアレイに対応して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１内において低屈折率領域２１ａのアレイが形成されている。このとき、マスク層２２の凹部２２ａは球面状または円柱面状の底面を有しているので、凹部２２ａの中央から周縁に向かうにしたがってマスク層の厚さが増大している。すなわち、エネルギビーム２３は、凹部２２ａの周縁部に比べて中央部において透過しやすいことになる。したがって、低屈折率領域２１ａの深さは、その中央部において深くて周縁部において浅い球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有している。その結果、それらの低屈折率領域２１ａの各々が、そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。ただし、凸状形状のマイクロレンズ２１ａは低屈折率を有しているので、それは光を発散させるレンズとして作用する。【０２０２】
なお、図５（ａ）に示されているようなエネルギビーム２３によってマイクロレンズアレイを作製する場合、概略球面状または概略円柱面状の凹部２２ａの深さを調節することによって、マイクロレンズ２１ａの厚さを調節することができ、すなわちその焦点距離を調節することができる。また、凹部２２ａの深さを変化させなくても、照射するエネルギビーム２３の透過能を変化させることによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することができる。例えば、エネルギビーム２３としてＨｅイオンビームを用いる場合、そのイオンの加速エネルギを高めて透過能を高めることによって、マイクロレンズ２１ａの焦点距離を短くすることができる。また、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に対するエネルギビーム２３のドース量が高いほど屈折率変化Δｎが大きくなるので、そのドース量を調節することによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することも可能である。【０２０３】
図５（ｃ）は、他の形態のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ２１ｂは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ２１ｂが円柱状である場合、その中心軸２１ｃはＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１の厚さ方向に平行であり、中心軸２１ｃに近いほど屈折率が低くされている。マイクロレンズ２１ｂが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交）２１ｃはＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１の厚さ方向に平行であり、中心面２１ｃに近いほど屈折率が低くされている。【０２０４】
図５（ｃ）のマイクロレンズアレイも、図５（ａ）に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層２２の薄い領域およびＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１を貫通し得る高いエネルギのビーム２３を照射することによって、中心線または中心面２１ｃに近い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになって屈折率がより低められることになる。【０２０５】
図５（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、種々の方法によって作製することができる。例えば、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１上に均一な厚さのマスク層２２を形成し、その上にアレイ状に配列された微小な穴または平行に配列された線状の開口を有するレジスト層を形成する。そして、そのレジスト層の微小な穴または線状の開口から等方的エッチングを行なうことによって、その微小な穴の下のマスク層２２内に概略半球状または概略半円柱状の凹部２２ａを形成することができる。【０２０６】
図５（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、図６の模式的な断面図に図解されているような方法で作製され得る刻印型を用いて簡便に作製することもできる。【０２０７】
図６（ａ）において、例えばシリカの基板３１上にレジストパターン３２が形成される。このレジストパターン３２は、基板３１上でアレイ状に配列された複数の微小な円形領域上または平行に配列された複数の細い帯状領域上に形成されている。【０２０８】
図６（ｂ）において、レジストパターン３２が加熱溶融させられ、各微小円形領域上または細い帯状領域上で溶融したレジスト３２は、その表面張力によって概略球面状または概略円柱面状の凸レンズ形状３２ａになる。【０２０９】
図６（ｃ）において、概略凸レンズ状のレジスト３２ｂとともにシリカ基板３１ａをＲＩＥすれば、レジスト３２ｂの径または幅がＲＩＥで縮小しながらシリカ基板３１ａがエッチングされる。【０２１０】
その結果、図６（ｄ）に示されているように、概略球面状または概略円柱面状の凸部３１ｂが配列されたシリカの刻印型３１ｃが最終的に得られる。なお、凸部３１ｂの高さは、図６（ｃ）におけるレジスト３２ｂのエッチング速度とシリカ基板３１ａのエッチング速度との比率を調節することによって調節することができる。【０２１１】
こうして得られた刻印型３１ｃは、図５（ａ）に示されているような凹部２２ａを含むマスク層２２の作製に好ましく用いられ得る。すなわち、例えばマスク層２２が金材料で形成されている場合、金は展延性に富んでいるので、その金マスク層２２に刻印型３１ｃで刻印することによって、簡便に凹部２２ａを形成することができる。また、刻印型３１ｃは一度作製すれば繰り返し使用可能であるので、エッチングによってマスク層２２中の凹部２２ａを形成する場合に比べて遥かに簡便かつ低コストで凹部２２ａを形成することを可能にする。【０２１２】
図７において、本実施例１８による他の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法が、模式的な断面図で図解されている。【０２１３】
図７（ａ）においても、図５（ａ）の場合に類似して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１上にマスク層２２が形成されている。ただし、このマスク層２２は、図５（ａ）における凹部２２ａとは異なって、逆に凸部２２ｂを有している。それらの凸部２２ｂの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる上面を有している。それらの凸部２２ｂのアレイを含むマスク層２２を介して、エネルギビーム２３がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１に照射される。【０２１４】
図７（ｂ）において、エネルギビーム２３の照射後にマスク層２２を除去することによって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１中に形成されたマイクロレンズアレイ２１ｄが得られる。すなわち、エネルギビーム２３の照射によって、マスク層２２の凸部２２ｂのアレイに対応して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１内において低屈折率領域２１ａが形成されている。このとき、マスク層２２の凸部２２ｂは球面状または円柱面状の上面を有しているので、凸部２２ｂの中央から周縁に向かうにしたがってマスク層の厚さが減少している。すなわち、エネルギビーム２３は、凸部２２ｂの中央部に比べて周縁部において透過しやすいことになる。したがって、低屈折率領域２１ａの深さは、その中央部において浅くて周縁部において深くなっている。そして、レンズ領域２１ｄは、成膜当初のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１の屈折率をそのまま維持している。すなわち、レンズ領域２１ｄは球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有しおり、相対的に高い屈折率を有するそれらの領域２１ｄの各々が、そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。ただし、マイクロレンズ２１ｄは相対的に高い屈折率を有しているので、それは集光レンズとして作用する。【０２１５】
図７（ｃ）は、本実施例１８によるさらに他のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ２１ｅは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ２１ｅが円柱状である場合、その中心軸２１ｃはＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１の厚さ方向に平行であり、中心軸２１ｃに近いほど屈折率が高く維持されている。マイクロレンズ２１ｅが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交）２１ｃはＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１の厚さ方向に平行であり、中心面２１ｃに近いほど屈折率が高く維持されている。【０２１６】
図７（ｃ）のマイクロレンズアレイも、図７（ａ）に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層２２の薄い領域およびＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２１を貫通し得る高いエネルギのビーム２３を照射することによって、中心線または中心面２１ｃに遠い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになって屈折率がより低められることになる。【０２１７】
図８（ａ）の模式的な平面図と図８（ｂ）の模式的な断面図において、本実施例１８によるさらに他のマイクロレンズが図解されており、これは回折型のマイクロレンズである。回折型マイクロレンズは屈折型マイクロレンズに比べて薄く作製することが可能であり、１〜２μｍ程度の厚さのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に回折型マイクロレンズを作製することができる。すなわち、この回折型マイクロレンズ４０も、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４１を用いて作製されており、同心円状の複数の帯状リング領域Ｒｍｎを含んでいる。ここで、符号Ｒｍｎは、第ｍ番目のリングゾーン中の第ｎ番目の帯状リング領域を表わすとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表わすものとする。それらの帯状リング領域Ｒｍｎは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。すなわち、図８の回折型マイクロレンズは集光レンズとして作用する。しかし、それらの帯状リング領域Ｒｍｎが同心円の中心から遠いものほど拡大させられた幅を有する場合には、その回折型マイクロレンズが発散レンズとして作用し得ることが理解されよう。【０２１８】
互いに隣接する帯状リング領域Ｒｍｎは、互いに異なる屈折率を有している。図８の回折型マイクロレンズは、それが２レベルの回折型レンズである場合には、ｎ＝２番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンをｍ＝３番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。【０２１９】
このことから類推されるであろうように、４レベルの回折型レンズでは、一つのリングゾーンがｎ＝４番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって４段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような４段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとにｍ回繰り返されることになる。【０２２０】
なお、帯状リング領域Ｒｍｎの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式（１）にしたがって設定することができる。この式（１）において、Ｌはレンズの回折レベルを表わし、λは光の波長を表わし、そしてｆはレンズの焦点距離を表わしている。また、最大の屈折率変化量Δｎは、最大の位相変調振幅Δφ＝２π（Ｌ−１）／Ｌを生じさせ得るものでなければならない。【０２２１】
【数１】
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【０２２２】
図９の模式的な断面図において、図８に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズの作製方法の一例が図解されている。【０２２３】
図９（ａ）において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４１上に、例えばＮｉの導電層４２が周知のＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成される。このＮｉ導電層４２上には図４中のｎ＝１に対応する帯状リング領域Ｒｍｎ（ｍ＝１〜３）を覆うようにレジストパターン４３が形成される。そのレジストパターン４３の開口部に、電気めっきによって金マスク４４が形成される。【０２２４】
図９（ｂ）において、レジストパターン４３が除去されて、金マスク４４が残される。そして、その金マスク４４の開口部を通して、エネルギビーム４５がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４１に照射される。その結果、エネルギビーム４５が照射された帯状リング領域Ｒｍ１の屈折率が低められ、エネルギビーム４５がマスクされた帯状リング領域Ｒｍ２は当初のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を維持している。すなわち、図８に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズが得られる。なお、エネルギビーム照射後の金マスクは、シアン系のエッチング液に室温で数分程度浸漬することによって溶解されて除去される。【０２２５】
なお、図９の例ではＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、図１１（ａ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射してもよい。また、図１１（ｂ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にさらにエネルギビーム照射することによって、４レベルの回折型マイクロレンズが形成され得ることが理解されよう。この場合に、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射して回折型マイクロレンズを形成する方法は、図１０に図解されたレリーフ型マイクロレンズの作製方法にくらべて、顕著に簡略であることも理解されよう。【０２２６】
さらに、図６（ｄ）に示されているような刻印型の代わりに、図１０（ｆ）に示めされているような形状を有する刻印型を用いてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上の金マスク層に刻印し、その刻印された金マスク層を介してエネルギビーム照射することによって、一回のエネルギビーム照射で多レベルの回折型マイクロレンズを作製することも可能である。【０２２７】
さらにまた、回折型マイクロレンズに関する上述の実施例では屈折型レンズの球面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが説明されたが、本発明は屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズにも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、例えば図８（ｂ）の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図９（ｂ）中の金マスク４４もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。【０２２８】
なお、本Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は単なる基板のみならずレーザダイオードやレンズなどの他の部品上に直接形成することも可能であり、その場合はレーザ光の光路制御やレンズの収差補正などのために、他の部品と一体化して機能する屈折率変調型素子として利用可能である。【０２２９】
＜実施例１９＞
本発明の実施例１９は、光情報記録媒体に関する。現在では、実用化されている光情報記録媒体の典型例として、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（デジタル汎用ディスク）が知られている。しかし、今日の高度情報化社会において、光情報記録媒体においてもさらなる記録密度の向上が望まれている。光情報記録媒体においては、その記録と再生に用いられる光ビームの波長を短くすることによって、記録密度を高めることができる。この観点から、近年では青色レーザを用いて記録するブルーレイディスクの開発が進められて実用化されている。しかし、記録用のレーザ光の波長を短くすることには限界があり、光情報記録媒体の記録密度を高めるために、他の種々の記録方式が試みられている（非特許文献２の
OPTRONICS, (2001), No.11, pp.149-154 参照）。【０２３０】
現在使用されている再生専用の音楽ＣＤでは、周知のように、スタンパを使ってプラスチック基板にピット（微小窪み）パターンを加工することによって情報を記録している。そして、一つのピットには１か０の１ビットのデータがピットの有無として記録されている。そのピット情報が１か０であるかは、再生レーザ光の反射光強度の差として判断される。すなわち、通常のＣＤのように０か１かの２値の記録をする場合には、ピットの深さはピットのない０の深さをも含めて２種類しか存在していない。【０２３１】
そこで、ピットの深さを多段階に変化させることによって、多値化光ディスクを実用化することが試みられている。例えば、ピットの深さを０をも含めて４種類にすれば、ピットの深さに依存して再生光ビームの反射率が異なるので、図１５の模式的グラフに示されているように、再生光ビームの走査方向に並んだ複数のピットから４種類の反射率が得られる。すなわち、一つのピットで０、１、２、および３のいずれかの値を表わすことができ、これは１つのピットで２ビットの情報を記録できることに相当する。【０２３２】
また、ホログラムメモリを実用化することが試みられている（非特許文献３の O plus E, Vol.25, No.4, 2003, pp.385-390参照）。ホログラムメモリは、原理的には３次元の記録媒体中に３次元の情報を記録し得るものである。このようなホログラムメモリを利用すれば、２次元データの多数ページを重ねて記録することができる。そして、その２次元データは１ページ単位で記録および再生することが可能である。【０２３３】
図１６と図１７の模式的斜視図では、ホログラム記録媒体に情報を記録する方法とその記録された情報を再生する方法の一例がそれぞれ図解されている。このようなホログラム記録媒体の材料としては、光照射によって屈折率が高められ得る鉄ドープのニオブ酸リチウム（Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ3）やフォトポリマなどが利用されている。【０２３４】
情報を記録する場合、図１６に示されているように、例えば２次元デジタルデータ１３２の情報を含む物体光１３３が、レンズ１３４を介してホログラム記録媒体１３１に投射される。これと同時に、物体光１３３に対して所定の角度を有する参照光１３５がホログラム記録媒体１３１に投射される。そして、ホログラム記録媒体１３１に投射された物体光１３３と参照光１３５との干渉によって形成されるホログラムが、そのホログラム記録媒体１３１内の屈折率変化として記録される。すなわち、１ページ分のデジタルデータ１３２が、一度にホログラム記録媒体１３１内に記録され得る。【０２３５】
記録されたデータを再生する場合には、図１７に示されているように、記録時に使用された参照光１３５のみがホログラム記録媒体１３１に照射される。そして、その記録媒体１３１中のホログラムの回折による再生光１３６が投影レンズ１３７によって再生パターン１３８としてＣＣＤ（電荷結合素子）などの２次元撮像素子に投影される。【０２３６】
このようなホログラム記録媒体１３１においては、参照光１３５の照射角度または波長を変えることによって、異なるページのデータを重ねて記録することができる。そして、その記録に使用された参照光と同じ条件の参照光を読み出し光として使用することによって、それぞれのページの記録データを個別に再生することができる。なお、上述のようなホログラムメモリでは、ページデータとして図形や写真などの２次元の映像を記録再生することも可能である。【０２３７】
さらに、特許文献６の特開平１１−３４５４１９号公報および非特許文献４のOPTRONICS, (2001), No.11, pp.143-148は、シングルモードの平面型導波路が積層された構造を有する積層導波路ホログラムメモリを開示している。【０２３８】
図１８は、特許文献６に開示された積層導波路ホログラムメモリの一例を模式的な断面図で図解している。この積層導波路ホログラムメモリは、複数のクラッド層１１１−１、１１１−２、・・・、１１１−ｎの間に挟まれた複数のコア層１１２−１、１１２−２、・・・、１１２−ｎ−１を含んでいる。そして、クラッド層／コア層／クラッド層の各積層単位は、使用するレーザ光１１３の波長に関して平面型シングルモード導波路として作用する。そして、一つの平面導波路には、２次元データの１ページ分を記録することができる。レンズ１１４を介してレーザ光１１３が導入される平面導波路の端面は、導波路平面に対して４５度の角度を有する反射面１１５にされている。【０２３９】
任意の特定の平面導波路に記録されているページ情報を読み出す場合、再生レーザ光１１３が（シリンドリカル）レンズ１１４によってその特定の平面導波路の反射線１１８（図１８の紙面に直交する方向に延在）に焦点合わせされる。この反射線１１８から平面導波路内に導入された導波光１１６は、その導波路内で平面的に伝播し、光散乱要素（ホログラム）１１９によって部分的に散乱される。この場合に、光散乱要素が周期性を有していれば、各光散乱要素からの散乱光の位相が一致する方向が存在し、その方向に回折光１１７となって平面導波路外に進行してホログラム像１２０を形成する。このホログラム像１２０をＣＣＤなどで取り込むことによって情報読み出しをすることができる。このとき、ホログラム像１２０は、導波路面に対して特定の角度を有する回折光１１７として現れるので、投影レンズを必要とすることなくＣＣＤに投射され得る。【０２４０】
そして、レンズ１１４によってレーザ光１１３の焦点位置を調節して、光を伝播させる平面導波路を変え、それぞれの平面導波路に記録されたページ情報を個別に読み出すことができる。なお、所望の情報に対応する光散乱要素１１９のパターンは、計算機によって求めることができる（非特許文献４参照）。【０２４１】
図１９は、図１８に示されているような積層導波路ホログラムメモリの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している。この作製方法においては、ガラス基板１２１上に紫外線硬化樹脂層１２２が例えば８μｍの厚さにスピンコートされ、紫外線１２３の照射によって硬化させられる。この紫外線硬化樹脂層１２２は、クラッド層として作用させるものである。【０２４２】
紫外線硬化樹脂層１２２上には、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）層１２４が例えば１．７μｍの厚さにスピンコートされる。このＰＭＭＡ層１２４上で例えば周期０．４６μｍで線分状の凹凸模様のついたローラ１２５が走らされ、ＰＭＭＡ層１２４にその凹凸模様が転写される。このＰＭＭＡ層１２４は、コア層として作用させるものである。また、このコア層の表面に形成される凹凸模様が、周期的光散乱要素として作用し、そのパターンは記録されるべき情報に対応して予め計算機にて求められている。【０２４３】
そして、上述の紫外線硬化樹脂層コート／紫外線露光／ＰＭＭＡ層コート／ローラの４工程を１０回繰り返し、最後に紫外線樹脂層コートと紫外線露光をもう１回行なう。こうして、１０層の平面型導波路が積層された積層導波路ホログラムメモリが作製され得る。【０２４４】
上述の多値化光ディスクでは、微小なピットの多段階の深さをスタンパで正確に調整することが容易ではない。すなわち、微小なピットの多段階の深さの変化に基づく反射率が正確に多段階に検知し得る多値化光ディスクの製造が容易ではない。【０２４５】
上述のホログラムメモリでは、その記録材料として主にニオブ酸リチウムやフォトポリマなどが用いられる。しかし、ニオブ酸リチウムのホログラムメモリは光の感度が弱く、記録のダイナミックレンジが狭い。また、ニオブ酸リチウムのホログラムメモリは高コストであり、読み出しの繰り返しによって記録が消えていく再生劣化も生じて低寿命である。他方、フォトポリマでは、記録前後の体積収縮の問題がある。すなわち、記録材料が膨張または収縮すれば、ホログラム中の回折格子のピッチが変化して回折条件が変わってしまい、記録時の参照光を用いても読み出しができなくなる。また、フォトポリマにおいても、前述のように光照射による屈折率変化Δｎが０．０８以下程度に小さく、記録のダイナミックレンジを大きくすることができない。【０２４６】
上述の積層導波路ホログラムメモリでは、ＰＭＭＡのコア層と紫外線硬化樹脂のクラッド層が用いられている。そして、光散乱要素は、ＰＭＭＡコア層の表面における微細な凹部を満たす紫外線硬化樹脂で形成されている。すなわち、光散乱は、ＰＭＭＡと紫外線硬化樹脂との間の屈折率差Δｎによって生ぜられる。このとき、ＰＭＭＡの屈折率は１．４９２で、紫外線硬化樹脂の屈折率は１．４８０である。すなわち、ＰＭＭＡと紫外線硬化樹脂との間の屈折率差Δｎは０．０１２に過ぎない。このように小さな屈折率差Δｎは、光散乱要素を形成するために十分に大きいとはいえない。また、紫外線硬化樹脂層も、経時変化による変質が危惧される。【０２４７】
上述のような従来の光情報記録媒体の状況に鑑みて、特許文献７の特開２００６−３９３０３号公報においては、簡便に高い情報密度で記録できかつ耐久性にも優れた光情報記録媒体を低コストで提供することを目的として、ＤＬＣ層を利用した光情報記録媒体およびその記録方法と製造方法が開示されている。【０２４８】
そのＤＬＣ層を利用した光情報記録媒体では、基板上に堆積されたＤＬＣ層を基本構成要素としている。そして、ＤＬＣ層への情報の記録は、複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域におけるＤＬＣ層の屈折率を高めることによって行なわれる。なお、任意の選択された記録スポット領域におけるＤＬＣ層は、エネルギビームの照射によって、複数の屈折率段階に設定されたいずれかの値まで高めることもできる。また、そのＤＬＣ層の屈折率変化量としては最大でΔｎ＝０．５程度まで高めることができる。このようなＤＬＣ層の特徴を利用することによって、多値化光ディスクやホログラムメモリ、さらには積層導波路ホログラムメモリを実現することができ、簡便に高い情報密度で記録できかつ耐久性にも優れた光情報記録媒体を低コストで提供することができる。【０２４９】
しかし、紫外線などの照射によってＤＬＣ膜の屈折率を顕著に高めることができるが、前述のように、その屈折率の上昇に伴って可視光領域から紫外光領域において消衰係数も上昇する傾向にある。【０２５０】
この場合、例えば記録光としての紫外光を用いてＤＬＣ層の屈折率を高めようとする際に、それに伴って消衰係数も上昇するので、紫外光が層厚方向に深くまで通り難くなる。したがって、ＤＬＣ層が厚くなるほど深くまで均一に屈折率を高めることが困難になり、例えば情報の記録が不完全になったり、多値記録が困難になるという問題が生じ得る。【０２５１】
また、ＤＬＣ層の消衰係数が上昇すれば、光情報記録媒体において参照光や再生光が吸収されて通りにくくなるので、再生される情報が不完全になったり、ノイズを多く含む傾向になるという問題も生じ得る。【０２５２】
そこで、本実施例１９では、ＤＬＣ膜に比べて優れた光学特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて、簡便に高い情報密度でより確実に記録できかつ耐久性にも優れさらに再生光の強度低下の少ない光情報記録媒体を低コストで提供する。【０２５３】
すなわち、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の記録層においては、エネルギビーム照射による屈折率の低下に伴って消衰係数も低下するので、より厚い膜でも厚さ方向における光学的改質の均一性を維持することができ、情報記録の確実性を高めることができる。また、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の記録層は、参照光や再生光に対する吸収が少ないので、再生光の強度低下が少ないという点で非常に好ましい。【０２５４】
前述のように、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率変化のパターニングには、各種マスクの使用や干渉露光などのような公知の方法を適用することができる。【０２５５】
図９に類似した図１２の模式的な断面図は、本実施例１９による光情報記録媒体の作製と情報記録の方法を図解している。この例においては、プラズマＣＶＤによって、ガラス基板１０１上にＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２を例えば厚さ１μｍに堆積する。他方、ガラス基板１０３上にはクロム膜が例えば蒸着によって堆積され、ステッパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン１０４が作製され得る。この金属膜マスクパターン１０４は、複数の記録スポット領域に対応した複数の微小開口を含んでいる。【０２５６】
作製された金属膜マスクパターン１０４は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２上に重ねられる。そして、例えば２５０ｎｍの波長と２０ｍＷ／ｍｍ2の照射パワー密度とを有する紫外線１０５が、金属膜マスクパターン１０４を介してＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２へ約３０秒間照射される。その結果、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２のうちで、紫外線１０５が金属膜マスクパターン１０４によって遮蔽された記録スポット領域は、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が堆積された当初の屈折率である例えばｎ0＝１．６８を維持している。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２のうちで、紫外線１０５が金属膜マスクパターン１０４の開口を通して照射された記録スポット領域は、その屈折率が例えばｎ1＝１．５８程度まで下げられ得る。【０２５７】
これによって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２において、ｎ0またはｎ1の２種類の屈折率を有する記録スポット領域が形成され、２値記録が行なわれたことになる。そして、再生光ビームをこの光情報記録媒体に照射すれば、その記録スポット領域において反射または透過する光量が屈折率ｎ0とｎ1に依存して変化するので、その２値記録の情報を読み出すことができる。【０２５８】
＜実施例２０＞
実施例２０おいては、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体において多値記録が行なわれる。本実施例２０では、まず図１２に図解された実施例１９の場合と同様に２値記録が行なわれる。【０２５９】
その後、図１３の模式的な断面図に図解されているように、第２の金属膜マスクパターン１０４ａがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２上に重ねられる。この第２の金属膜マスクパターン１０４ａは、図１２において屈折率がｎ1に下げられた記録スポット領域から選択された記録スポット領域に対応する微小な開口を含んでいる。そして、この第２の金属膜マスクパターン１０４ａを介して、再度Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２へ紫外線１０５が照射される。【０２６０】
その結果、第２の金属膜マスクパターン１０４ａの開口を通して紫外線１０５が照射された記録スポット領域は屈折率がｎ1からｎ2へさらに低下させられる。そして、これによって３値記録が行なわれることになる。以上からわかるように、さらなる金属膜マスクパターンを用いて紫外線照射を繰り返すことによって、さらに多値の記録が可能となる。【０２６１】
＜実施例２１＞
図１４の模式的な断面図は、実施例２１による光情報記録媒体の作製と情報記録の方法を図解している。この実施例２１においても、ガラス基板１上にプラズマＣＶＤによってＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２が堆積される。【０２６２】
しかし、このＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２上にはクロム膜が堆積され、ステッパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン１０４ｂが作製される。この場合、ステッパ露光とエッチングは複数段階に行なわれ、図１４の例では金属膜マスクパターン１０４ｂは、複数の記録スポット領域に対応する複数の微小領域において厚さが０をも含めて３段階に変化させられている。そして、この金属膜マスクパターン１０４ｂを介して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２へ紫外線１０５が照射される。【０２６３】
紫外線１０５は、金属膜マスクパターン１０４ｂの最も厚い領域は透過することができないが、薄い領域は部分的に透過することができる。例えば、波長２５０ｎｍの紫外線は、厚さ約６０ｎｍ以下のクロム膜を部分的に透過することができる。すなわち、金属膜マスクパターン１０４ｂは、記録スポット領域に対応する微小領域ごとに段階的に変化させられた厚さに応じてエネルギビームを吸収するエネルギビーム吸収層として作用する。したがって、金属膜マスクパターン１０４ｂを介してＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２へ紫外線１０５を照射することによって、３段階に屈折率が変化させられた記録スポット領域がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２中に形成され、これによって３値記録が行なわれることになる。【０２６４】
もちろん、紫外線に比べて透過能が高いＸ線、イオンビーム、または電子線を用いれば、金属膜がかなり厚くても部分的に透過することができ、多段階の厚さを含む金属膜マスクパターン１０４ｂにも適用可能であって、多値記録を行なうことが容易となる。なお、この金属マスクとしては、エネルギビーム透過量の設計によっては、クロム以外に金、ニッケル、タングステンなどをも好ましく用いることができる。【０２６５】
＜実施例２２＞
本発明の実施例２２による光情報記録媒体においては、図１６と図１７を参照して説明された場合と同様にして、２次元デジタルデータがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にホログラム記録される。すなわち、プラズマＣＶＤによってガラス基板上に堆積された厚さ１μｍ程度のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が、図１６におけるホログラム記録媒体１３１として用いられる。また、ガラス基板上に蒸着されたクロム膜が、ステッパ露光とエッチングによって２次元デジタルデータを表わす金属膜マスクパターンに加工され、この金属膜マスクパターンが図１６中の２次元デジタルデータ１３２として用いられる。【０２６６】
クロム膜の２次元デジタルデータ１３２を通過する物体光１３３として例えば２５０ｎｍの波長と１０ｍＷ／ｍｍ2のエネルギ密度とを有する紫外線が用いられ、この物体光がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム記録媒体１３１へレンズ１３４によって投射される。これと同時に、参照光１３５としての紫外線もＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム記録媒体１３１へ照射され、それらの物体光１３３と参照光１３５との干渉によるホログラムがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の記録媒体１３１中の屈折率変化として記録される。【０２６７】
こうして記録されたデータを再生する場合には、図１７に示されているように、記録時に使用された参照光１３５としての紫外線のみがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム記録媒体１３１に照射される。そして、その記録媒体１３１中のホログラムの回折による紫外線の再生光１３６が投影レンズ１３７によって再生パターン１３８としてＣＣＤなどの２次元撮像素子に投影される。【０２６８】
＜実施例２３＞
実施例２３においては、積層導波路ホログラムメモリが作製される。この実施例２３では、図１２の場合に類似して、例えば１００μｍの厚さを有するガラス基板１０１上に、プラズマＣＶＤによってＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２が、例えば厚さ１００ｎｍに堆積される。他方、ガラス基板１０３上にはクロム膜が蒸着され、ステッパ露光とエッチングによってそのクロム膜をパターン化した金属膜マスクパターン１０４が作製される。この金属膜マスクパターン１０４は１ページ分のデータに対応し、図１８に示されているような周期的光散乱要素（ホログラム）１１９に対応する周期的で微小な複数の線分状開口を含んでいる。それらの微小線分状開口は、図１２においてはその紙面に直交する方向に延在していると考えればよい。【０２６９】
作製された金属膜マスクパターン１０４は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２上に重ねられる。そして、例えば３０８ｎｍの波長と２０ｍＷ／ｍｍ2のエネルギ密度とを有する紫外線１０５が、金属膜マスクパターン１０４を介してＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２へ約３０分間照射される。その結果、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２のうちで、紫外線１０５が金属膜マスクパターン１０４によって遮蔽されたスペース領域は、そのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が堆積された当初の屈折率である例えばｎ0＝１．７０を維持している。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２のうちで、紫外線１０５が金属膜マスクパターン４の開口を通して照射された周期的な微小線分領域は、その屈折率が例えばｎ1＝１．４８程度まで下げられ得る。【０２７０】
こうして１ページ分のデータに対応するホログラムが記録されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２とガラス基板１０１との例えば４０ペアを積層し、その最上のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜１０２の表面上に厚さ１００μｍのガラス基板１０１が積層される。こうして、約４ｍｍの厚さの積層導波路ホログラムメモリが作製され得る。本実施例２３において作製された積層導波路ホログラムメモリの読み出しは、図１８を参照して説明された方法と同様にして行ない得る。【０２７１】
＜実施例２４＞
本発明の実施例２４は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用した作製される偏光インテグレータに関する。このような偏光インテグレータは、例えば液晶プロジェクタにおいて利用され得る。【０２７２】
図２２は、従来の液晶プロジェクタの一例を模式的なブロック図で図解している。この液晶プロジェクタは光源２０１を含んでおり、その光源２０１は光の利用効率を高めるためにドーム状またはパラボラ状の反射ミラー２０２内に配置されている。光源２０１から放射された光は、コリメータレンズ２０３によって平行光にされて、第１の全反射ミラーＭ１によって第１のダイクロイックミラーＤＭ１に向けられる。第１ダイクロイックミラーＤＭ１は、青色光Ｂのみを透過して他の色の光を反射する。第１ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した青色光Ｂは、第２の全反射ミラーＭ２と第１の集光レンズＣＬ１を介して、第１の液晶パネルＬＣ１上に集光される。【０２７３】
第１ダイクロイックミラーＤＭ１によって反射された光は、第２のダイクロイックミラーＤＭ２に向けられる。第２ダイクロイックミラーＤＭ２は、緑色光Ｇのみを反射して残りの赤色光Ｒを透過させる。第２ダイクロイックミラーＤＭ２によって反射された緑色光Ｇは、第２の集光レンズＣＬ２によって第２の液晶パネルＬＣ２上に集光される。第２ダイクロイックミラーを透過した赤色Ｒは、第３の全反射ミラーＭ３、第４の全反射ミラーＭ４、および第３の集光レンズＣＬ３を介して、第３の液晶パネルＬＣ３上に集光される。【０２７４】
第１液晶パネルＬＣ１、第２液晶パネルＬＣ２、および第３液晶パネルＬＣ３に向けて集光された青色光Ｂ、緑色光Ｇ、および赤色光Ｒは、それぞれに対応する液晶パネルを透過した後にプリズム２０４によって統合される。そして、プリズム２０４によって統合された３原色光は、投射レンズ２０５によってスクリーン（図示せず）上に投影される。【０２７５】
周知のように、液晶パネルはマトリックス状に配置された多数の画素を含んでおり、画素ごとに電気信号を与えることによって光の透過と遮断を制御することができる。そして、光の透過と遮断を可能にするために、液晶層は２枚の偏光板に挟まれている。すなわち、液晶パネルが受け入れる光は、所定の直線方向に平行に偏光された光だけである。しかし、液晶プロジェクタにおいて通常用いられる光源から放射される光は無偏光光（またはランダム偏光光）である。したがって、光源から放射された光が液晶パネルを透過して投影光として利用され得る光の利用効率は、その光源光の１／２以下である。そこで、液晶プロジェクタにおいて、無偏光の光源光に起因する低い光の利用効率を改善するために、近年では偏光インテグレータが利用されている。【０２７６】
図２３は、偏光インテグレータの基本的原理を図解する模式的断面図である（非特許文献５の西田信夫編、「大画面ディスプレイ」、共立出版、２００２年刊行を参照）。この偏光インテグレータにおいて、ドーム状反射ミラー２０２に覆われた光源２０１から放射された光は、コリメータレンズ（図示せず）によって平行光にされて、偏光分離プリズム２１１に照射される。このプリズム２１１は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）膜２１２を含んでいる。すなわち、ＰＢＳ膜２１２は、光源光のうちでＰ偏光を透過してＳ偏光を反射するように作用する。そのようなＰＢＳ膜は、誘電多層膜で形成することができる。【０２７７】
ＰＢＳ膜２１２を透過したＰ偏光は、１／２波長板２１３によって偏光方向が回転させられ、Ｓ偏光に変換される。他方、ＰＢＳ膜２１２によって反射されたＳ偏光は、全反射ミラー２１４によって反射されて、１／２波長板２１３を通過したＳ偏光と平行にされる。そして、全反射ミラー２１４で反射されたＳ偏光と１／２波長板２１３を通過した後のＳ偏光とがレンズ（図示せず）で統合され、その統合されたＳ偏光が液晶パネル上に照射される。【０２７８】
なお、図２３の例ではＰＢＳ膜２１２を透過したＰ偏光に対して１／２波長板２１３が適用されているが、逆にＰＢＳ膜２１２で反射されたＳ偏光に対して１／２波長板２１３を適用してもよいことが理解されよう。その場合には、光源光束がＰ偏光束とＳ偏光束に分離されて、そのＳ偏光束がＰ偏光束に変換された後に、それら２つのＰ偏光束が統合されて液晶パネル上に照射されることになる。【０２７９】
図２３に示されているような偏光インテグレータは、偏光分離プリズム２１１を含んでいる。そのようなプリズムは、液晶プロジェクタの小型化にとって好ましくない。また、プリズムをガラスで作製する場合には、その重量が比較的重くなるし、その加工が容易ではない。他方、プリズムを樹脂で作製することも行なわれているが、プロジェクタの高輝度化に伴って、樹脂の耐熱性が問題になるであろう。さらに、ＰＢＳ膜２１２は誘電多層膜による数十層もの偏光分離コーティングが必要なことから、高コストになるという問題がある。【０２８０】
このような従来の偏光インテグレータにおける状況に鑑みて、特許文献８の特開２００５−１９５９１９号公報は、軽量化と小型化が可能でかつ耐熱性に優れた偏光インテグレータを簡便にかつ低コストで提供するためにＤＬＣ膜を利用することを教示している。【０２８１】
しかし、紫外線などの照射によってＤＬＣ膜の屈折率を高めることができるが、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、ＤＬＣ膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折型光学素子や屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことは、その領域において光が透過しにくいことを意味し、光の利用効率や回折効率の観点からも好ましくない。【０２８２】
そこで、本実施例２４では、ＤＬＣ膜に比べて優れた光学特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子を含む偏光インテグレータを提供する。【０２８３】
すなわち、本実施例２４の偏光インテグレータに含まれる屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子に使用されるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜では、ＤＬＣ膜に比べて、消衰係数が低減されて、膜厚方向における屈折率の均一性が改善され、そして改善された光の利用効率や回折効率が得られる。さらに、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜では上述のようにエネルギビーム照射によって屈折率が低下する。そして、屈折率変調されたＤＬＣ膜に比べて、屈折率変調されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は低い平均屈折率を有することができる。【０２８４】
すなわち、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子は、ガラスや透明樹脂材料などを用いて作製された一般的な光学素子に近い平均屈折率を有している。したがって、高い平均屈折率を有するＤＬＣ膜による光学素子比べて、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜による光学素子は、一般的光学素子との界面において光反射を生じにくく、それらの一般的光学素子との適合性の観点からも非常に好ましい。このことからも、光の利用効率の改善された偏光インテグレータを得ることができる。【０２８５】
図２０は、本実施例２４による偏光インテグレータを模式的な断面図で図解している。この偏光インテグレータにおいて、光源２０１はドーム状またはパラボラ状の反射ミラー２０２内に配置されている。光源２０１から放射された光はコリメータレンズ（図せず）によって平行光にされ、偏光ビームスプリッタ２５１に照射される。すなわち、偏光ビームスプリッタ２５１は、光源光をＰ偏光とＳ偏光に分離する。第１のマイクロレンズ２５２は、Ｐ偏光束を１／２波長板２５３上に集光するとともに、Ｓ偏光束を１／２波長板２５３の配置されていない領域に集光する。【０２８６】
１／２波長板２５３は、Ｐ偏光をＳ偏光に変換する。１／２波長板２５３を透過した後のＳ偏光束と１／２波長板２５３が配置されていない領域を通過したＳ偏光束とは、第２のマイクロレンズ２５４とレンズ２５５の作用によって統合されて、集光レンズＣＬによって液晶パネルＬＣ上に照射される。もちろん、その液晶パネルＬＣに含まれる偏光板は、Ｓ偏光を受け入れるように設定されている。【０２８７】
なお、図２０の例ではＰ偏光に対して１／２波長板２５３が適用されているが、逆にＳ偏光に対して１／２波長板２５３を適用してもよいことが理解されよう。すなわち、その場合には、光源光束が偏光ビームスプリッタ２５１によってＰ偏光束とＳ偏光束に分離されて、そのＳ偏光束が１／２波長板２５３でＰ偏光束に変換された後に、それら２つのＰ偏光束が統合されて液晶パネルＬＣ上に照射されることになる。もちろん、その液晶パネルＬＣに含まれる偏光板は、Ｐ偏光を受け入れるように設定される。【０２８８】
以上のように、無偏光の光源光を偏光インテグレータによってＳ偏光またはＰ偏光のいずれか一方に統合することによって、液晶プロジェクタにおける光源光の利用効率を改善することができる。【０２８９】
ここで、本実施例２４においては、偏光インテグレータに含まれる偏光ビームスプリッタ、第１マイクロレンズ、１／２波長板、および第２マイクロレンズの少なくとも一つがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して形成される。もちろん、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は薄いものであり、軽くかつ優れた耐熱性を有している。したがって、偏光ビームスプリッタ、第１マイクロレンズ、１／２波長板、および第２マイクロレンズの少なくとも一つがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製可能になれば、偏光インテグレータの小型化、軽量化、および低コスト化が可能になり、ひいては液晶プロジェクタの小型化、軽量化、および低コスト化が可能になる。【０２９０】
本実施例２４による偏光インテグレータに含まれ得る屈折型レンズとしては、図７に関連して詳述されたようなレンズを利用することができる。本実施例２４による偏光インテグレータは、回折型マイクロレンズを利用して作製することもできることは言うまでない。この回折型マイクロレンズとしては、図８に関連して詳述されたようなレンズを利用することができる。【０２９１】
さらに、本実施例２４においては、図２０中の偏光ビームスプリッタ２５１が、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製され得る。すなわち、この偏光ビームスプリッタ２５１は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に形成された屈折率変調型回折格子を含んでいる。なお、回折格子によって偏光分離し得ることは、例えば非特許文献６の
Applied Optics, Vol.41, 2002, pp.3558-3566 において説明されている。【０２９２】
図２１は、屈折率変調型回折格子を含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜からなる偏光ビームスプリッタ２５１Ａを模式的な断面図で表わしている。すなわち、このＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２５１Ａは、相対的に高屈折率の領域２５１ａと相対的に低屈折率の領域２５１ｂとを含んでいる。高屈折率領域２５１ａはエネルギビーム照射されなかった領域であり、例えば１．６５の屈折率を有している。他方、低屈折率領域２５１ｂは例えば６２０（ｍＡ／ｍｉｎ／ｍｍ2)のシンクロトロン条件でＳＲ（シンクロトロン放射光）照射されて、その屈折率が例えば１．４５に低められている。また、低屈折率領域２５１ｂと高屈折率領域２５１ａとの界面は、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜２５１Ａの表面に対して例えば４０度だけ傾斜させられている。【０２９３】
このような偏光ビームスプリッタ２５１Ａは、以下のように作製することができる。例えば、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に、幅０．５μｍの金ストライプが周期１μｍで繰り返し配列されたライン・アンド・スペースのパターンを有する金マスクが形成される。その後、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の表面に対して４０度の傾斜角でかつ金ストライプの長さ方向に直交する方向にＳＲ照射すればよい。【０２９４】
図２１に示されているようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の偏光ビームスプリッタ２５１ＡにＳ偏光とＰ偏光を含む光が入射すれば、Ｓ偏光は０次回折光として透過し（ＴＥ波に相当）、Ｐ偏光は１次回折光として回折される（ＴＭ波に相当）。すなわち、Ｐ偏光とＳ偏光が、互いに分離されることになる。【０２９５】
さらに、本実施例２４においては、図２０中の１／２波長板２５３も、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製され得る。すなわち、図２１に示されている屈折率変調型回折格子に類似の回折格子を含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜によって、１／２波長板の作用を生じさせることができる。そのような１／２波長板２５３は、以下のように作製することができる。例えば、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜上に、幅０．５μｍの金ストライプが周期１μｍで繰り返し配列されたライン・アンド・スペースのパターンを有する金マスクが形成される。その後、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の表面に対して垂直な方向にＳＲ照射すればよい。こうして得られる屈折率変調型回折格子を含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の１／２波長板２５３に対して、例えばＰ偏光を通過させれば、その直線偏光面が９０度回転されてＳ偏光に変換される。もちろん、そのような１／２波長板によって、Ｓ偏光をＰ偏光に変換することも可能である。【０２９６】
なお、図２２においては透過型の液晶プロジェクタが示されているが、本実施例２４による偏光インテグレータは反射型の液晶プロジェクタ（非特許文献５参照）にもそのまま適用し得ることは言うまでもない。【０２９７】
＜実施例２５＞
本発明の実施例２５は、光ビーム断面中の光強度分布の均一化さらにはそのビーム断面形状の整形をも行ない得る回折光学素子を含むプロジェクタ関する。【０２９８】
近年、大型の画像表示装置として、ＬＣＤ（液晶表示装置）やＰＤＰ（プラズマ表示パネル）などが開発されている。しかし、表示装置のさらなる大型化の要請に鑑みて、プロジェクタ（投射型表示装置）が注目されている。なお、プロジェクタには、スクリーンの正面から映像を投影するもの以外に、スクリーンの背面から映像を投射するリアプロジェクションＴＶなどもある。【０２９９】
プロジェクタとしては、高精度で高輝度のＣＲＴ（陰極線管）に表示された画像を投射表示する投射型ＣＲＴ表示装置が従来から利用されている。近年では、光源からの光ビームを液晶パネルに照射して、その液晶パネルに表示された画像を投射表示する投射型液晶表示装置も開発されている。また、微小な鏡を毎秒数千回の速度で動かすことによって画像を描くＤＬＰ（Digital
Light Processing）プロジェクタも開発されている。これらの投射型液晶表示装置やＤＬＰプロジェクタなどは、小型化や軽量化に適し、一般家庭にも容易に導入され得るという利点がある。【０３００】
しかし、プロジェクタにおいて一般に用いられる光源からの光ビームは、その断面において不均一な光強度分布を有している。例えば、ビーム断面の中央部において光強度が高くて、周縁部に向かうにしたがってガウシアン分布状に強度が低下する傾向にある。そのような光ビームを用いて液晶パネル上の画像をスクリーン上に投射する場合、そのスクリーンの中央部に比べて周縁部において暗くなり、スクリーン全領域に均一な明るさを表示することができない。【０３０１】
また、光源からの光ビームは、一般に円形の断面形状を有している。しかし、プロジェクタからの画像を投影するスクリーンは、一般に矩形（正方形または長方形）の形状を有していることが多い。したがって、光エネルギの効率的利用のために、開口（アパチャー）などでビーム断面の周縁を部分的に遮蔽してその断面形状を整形するのではなくて、ビーム断面形状を例えば円形から矩形へ回折によって変換する機能を有する回折光学素子を用いることが望まれる。【０３０２】
そこで、例えば特許文献９の特開平８−３１３８４５号公報は、光ビーム断面中の強度分布を均一化させかつその断面形状を変換し得る回折光学素子を開示している。このような回折光学素子は、回折型ビーム整形素子とも呼ばれる。【０３０３】
図２６において、回折型ビーム整形素子の作用の一例が模式的斜視図で図解されている。図２６（ａ）に示されたビーム整形素子３０１に入射する光ビームＬ１は、図２６（ｂ）に示されているように円形断面を有し、その断面内においてガウシアン強度分布を有している（図２６（ｂ）において、走査線の高さが光強度に比例して示されている）。すなわち、ビームＬ１は、その断面の中央部において最も高い強度を有し、周縁部に向かうにしたがってなだらかに強度が低下している。ビーム整形素子３０１を通過した光ビームＬ２はレンズ３０２によって所定の照射面３０３上に照射される。このとき、照射面３０３上に照射されたビームＬ２は、図２６（ｃ）に示されているように、ビーム整形素子３０１の回折作用によってビーム断面形状が正方形に変換されるとともに、その断面内における強度分布が均一化されている（図２６（ｃ）においても、走査線の高さが光強度に比例して示されている）。【０３０４】
特許文献１０の特開２００５−３２６６６６号公報は、従来のレリーフ型回折光学素子の不利な点に鑑みて、ＤＬＣ膜を利用して作製された屈折率変調型回折光学素子を含むプロジェクタを開示している。【０３０５】
しかし、紫外線などの照射によってＤＬＣ膜の屈折率を高めることができるが、前述のように、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、ＤＬＣ膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域において光が透過しにくいことを意味し、回折効率の観点からも好ましくない。そこで、本実施例２５では、ＤＬＣ膜に比べて優れた特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された屈折率変調型回折光学素子を含むプロジェクタを提供する。【０３０６】
（屈折率変調パターン）
本発明者らは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製されるビーム整形素子の回折効果のシミュレーションを行なった。このシミュレーションには、ドイツ国のライトトランス社から入手可能な計算ソフトである「バーチャルラボ」が利用された。この計算ソフトを利用すれば、フーリエ変換を利用する繰り返し計算によって、回折格子とその回折効果をシミュレーションすることができる。【０３０７】
図２４は、バーチャルラボを用いて求められた屈折率変調型回折光学素子の屈折率分布を示す平面図である。この回折光学素子は厚さ４．４μｍのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜で作製されていると仮定されており、その回折格子パターンは４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域を示している。シミュレーションにおいて、この４ｍｍ×４ｍｍの正方形領域は、８００×８００個の微小正方形領域（以下ピクセルと称す）に分割されて計算された。すなわち、１つのピクセルは５μｍ×５μｍの正方形領域に設定された。【０３０８】
図２４の回折格子パターンにおいて、黒い帯状領域は高屈折率領域を表し、白い帯状領域は低屈折率領域を表している。より具体的には、白い帯状領域は１．４８の低い屈折率を有し、黒い帯状領域は１．６５の高い屈折率を有している。すなわち、それらの領域の屈折率差はΔｎ＝０．１７である。【０３０９】
このように設定された図２４の２レベル回折光学素子を用いて、ビーム整形のシミュレーションが行われた。そのシミュレーションにおいて、回折光学素子への入射光として、波長６３０ｎｍの赤色光ビームが用いられ、そのビームは円形断面においてガウシアン強度分布を有するものと仮定された。その結果、所定の照射面上において、０．５ｍｍ×０．２５ｍｍの矩形の照射領域が形成され、その照射領域内で均一な光強度が得られた。この場合に、その照射領域内の光強度の均一性における変動は５．８％以下であり、回折効率は３７．６％であった。【０３１０】
なお、前述のように、屈折率変調型回折光学素子における回折効率はその屈折率変調における屈折率差Δｎが大きいほど高められ得ることが知られており、２レベルの回折光学素子では最大で４０％まで高められ得ることが理論的に予想されている。また、回折光学素子の屈折率変調レベル数を増大させることによって回折効率を高めることができ、例えば８レベルの回折光学素子によって９５％の回折効率が理論的に予想されている。【０３１１】
図２４に示されているようなビーム整形素子は、例えば前述のように適当なマスクを利用してＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にエネルギビーム照射することによって作製することができる。【０３１２】
以上にして得られる回折型ビーム整形素子は、例えば微小ミラーを高速駆動して投影するＤＬＰプロジェクタや、投射型液晶表示装置のようなプロジェクタなどにおいて好ましく用いられ得る。【０３１３】
図２５は本実施例２５による回折型ビーム整形素子を含むカラープロジェクタの一例を模式的なブロック図で示している。このプロジェクタにおいて、赤、緑、および青の光を放射するレーザ装置３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃから射出された円形断面のそれぞれのビームは、本発明による回折型ビーム整形素子３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃによって矩形断面で均一な強度分布を有するビームに変換され、偏光ビームスプリッタ３１３ａ、３１３ｂ、３１３ｃを介して、矩形の表示面を有する反射型ＬＣＤパネル３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃに照射される。それぞれのＬＣＤパネルによって反射されたビームは、それぞれ偏光ビームスプリッタ３１３ａ、３１３ｂ、３１３ｃを通過した後に、カラー合成プリズム３１５によって合体させられて、投影レンズ３１６によってスクリーン（図示せず）上に投影される。【０３１４】
すなわち、レーザ装置３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃから射出されたそれぞれのビームは、本実施例２５による回折型ビーム整形素子３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃによって、矩形断面で均一な強度分布を有するビームへ効率的に変換され、その変換された矩形断面のビームは矩形のＬＣＤパネルの全領域を均一な光強度で照射することができる。そして、最終的に、光源からの光エネルギの利用効率を改善しつつ矩形のスクリーン上の全域に均一な明るさの表示をすることができ、すなわち高画質の映像を投影することができる。【０３１５】
なお、屈折率変調型回折光学素子において、その屈折率変調中の屈折率差Δｎが大きいほど回折効率に対する光波長依存性が小さいことが、本発明者らによるシミュレーションによって確認されている。すなわち、本実施例２５におけるようにＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて屈折率変調型ビーム整形素子を作製すれば高い屈折率差Δｎを得ることができるので、赤色、緑色、および青色のように互いに波長の異なる光をビーム整形する必要のあるカラープロジェクタ用として好ましいビーム整形素子を提供することができる。より具体的には、本発明による好ましいビーム整形素子は、０．４〜０．７μｍの広い波長範囲の可視光に対してビーム整形作用を生じ得る。【０３１６】
ところで、図２５のプロジェクタにおいては光源としてレーザ装置が使用されているが、その代わりに、発光ダイオードまたはランプを用いてもよいことは言うまでもない。そのようなランプとしては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハライドランプなどを好ましく用いることができる。【０３１７】
＜実施例２６＞
本発明の実施例２６は、分光機能とマイクロレンズ機能の少なくとも一方を有するホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置に関する。【０３１８】
近年、種々のタイプのカラー液晶表示装置が実用化されている。それらのカラー液晶表示装置の一種として、カラー液晶プロジェクタがある。そして、多くのタイプのカラー液晶プロジェクタが、３枚の液晶パネルを含んでいる。すなわち、３枚の液晶パネルの各々が赤色（Ｒ）の光映像、緑色（Ｇ）の光映像、および青色（Ｂ）の光映像のいずれかを表示し、それら３色の光映像が光学システムによって合成されてスクリーン上にフルカラー映像として投射される。【０３１９】
このような３パネル型のカラー液晶プロジェクタは、高価な液晶パネルを３枚必要とするとともに、３色光の分離と合成のために多くの光学部品を必要とする。すなわち、３パネル型のカラー液晶プロジェクタは、高価でありかつ小型化することが困難である。【０３２０】
他方、単一パネル型のカラー液晶プロジェクタは、低コスト化と小型化が可能である。実用化された単一パネル型のカラー液晶プロジェクタの例として、日本ビクター（株）のリアプロジェクションテレビ（ＨＶ−Ｄ５０ＬＡ１）がある。【０３２１】
図３３は、日本ビクター（株）のＨＶ−Ｄ５０ＬＡ１が採用している単一パネル型カラー液晶プロジェクタにおける光学的基本原理を模式的断面図で示している。このカラー液晶プロジェクタは、ガラス基板４０１の上面上に形成されたホログラム膜４０２のホログラムカラーフィルタを含んでいる。ガラス基板４０１の下面上には液晶層４０３が設けられ、その液晶層４０３の下面には反射型電極層４０４が設けられている。反射型電極層４０４はＲ、Ｇ、およびＢのそれぞれの光を反射するための反射型画素電極を含んでおり、一組のＲ、Ｇ、およびＢの反射型電極が一つの画素を構成している。図３３において、複数のＲ電極が図面に直交する方向に整列されており、同様に複数のＧ電極および複数のＢ電極のそれぞれも図面に直交する方向に整列されている。なお、ガラス基板４０１と液晶層４０３との間には、Ｒ、Ｇ、およびＢの電極に対向して透明電極（図示せず）が設けられている。【０３２２】
図３３のカラー液晶プロジェクタにおいて、光源（図示せず）からの白色光Ｗが所定の入射角でホログラム膜４０２に照射される。ホログラム膜４０２は、回折作用によって、白色光Ｗを赤色Ｒ、緑色Ｇ、および青色Ｂの光に波長分離（分光）するとともに、それらの光を対応するＲ電極、Ｇ電極、およびＢ電極上に集光するマイクロレンズアレイとしての機能を併有している。そして、Ｒ電極、Ｇ電極、およびＢ電極のそれぞれによって反射された赤色Ｒ、緑色Ｇ、および青Ｂの光は、ホログラム膜４０２の回折条件からずれていてその膜を透過し、投射レンズ（図示せず）によってスクリーン上に投影される。【０３２３】
図３４は、分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを併有するホログラム（回折格子）の一例を示す模式的平面図である。この回折格子は、ガラス基板４１１上に形成された格子パターンを含んでいる。その格子パターンは互いに平行な複数の帯状領域４１２を含み、それらの帯状領域４１２は例えば金属クロム（Ｃｒ）膜で形成することができる。もちろんＣｒ膜４１２は非透光性であって、光は複数の帯状Ｃｒ膜４１２の間のみを透過する。【０３２４】
すなわち、複数の平行な帯状Ｃｒ膜領域４１２が回折格子として作用し、光は帯状Ｃｒ膜４１２の長手方向に直交する方向に回折される。その際に、周知のように回折角には波長依存性があるので、Ｒ、Ｇ、およびＢの光は互いに異なる回折角で回折されることになり、白色光Ｗをカラー分離することできる。【０３２５】
さらに、図３４の回折格子において特徴的なことは、帯状Ｃｒ膜領域４１２の幅と間隔が周期的に変化させられていることである。これは、回折格子にマイクロレンズアレイ作用を生じさせるためである。すなわち、波長が同じである場合に、周知のように回折格子の間隔が小さくなるにしたがって回折角が大きくなるので、回折格子の間隔を徐々に変化させることによってレンズ作用を生じさせることができるのである。【０３２６】
なお、図３４の回折格子においては、前述のように光は帯状Ｃｒ膜４１２の長手方向に直交する方向のみに回折されるので、レンズ作用もその方向のみにおいて生じ、すなわち線状のフォーカスを有する柱状レンズのように作用する。ただし、望まれる場合には、周知のフレネルゾーンプレートに類似の回折格子を利用することによって、点状のフォーカスを有する円形状レンズまたは正方形状レンズの作用を生じさせ得ることは言うまでもない。【０３２７】
図３４の回折格子は互いに平行な複数の柱状マイクロレンズを含んでいるかのように作用し、矢印４１３で示された領域が一つの柱状マイクロレンズとして作用する。一つの柱状マイクロレンズ領域４１３内では、右側に比べて左側において帯状Ｃｒ膜４１２の幅と間隔が減少させられている。すなわち、図３４の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜４１２の幅と間隔が、柱状マイクロレンズ領域４１３ごとに周期的に変化させられている。【０３２８】
ところで、図３３のカラー液晶プロジェクタにおけるホログラム膜４０２の代わりに図３４のような回折格子をそのまま適用した場合、帯状Ｃｒ膜４１２は光を透過しないので、光源からの白色光Ｗの利用効率が低くなる。また、図３４の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜領域４１２のピッチが非常に小さい。例えば領域４１３内の中央部において、そのピッチは約０．５μｍ以下である。したがって、図３４のような回折格子は電子ビーム描画を利用して作製しなければならず、工業的量産には適していない。【０３２９】
そこで、図３３のカラー液晶プロジェクタにおいては、マスタ回折格子を介して光がガラス基板上のフォトポリマ膜へ照射され、その光照射されたフォトポリマ膜を熱処理することによってホログラム膜４０２が作製される。その際に、強度の高い光照射を受けた領域ほど屈折率ｎが高まる。すなわち、フォトポリマからなるホログラム膜４０２においては、屈折率ｎが変調されており、屈折率変調型の回折格子として作用する。【０３３０】
図３５は、特許文献１１の特開平１０−９６８０７号公報に開示されたカラー液晶表示装置を示す模式的断面図である。このカラー液晶表示装置は、周知の光透過型液晶パネル４４０を含んでいる。液晶パネル４４０は、液晶表示層４４１とブラック・マトリックス４４２を含んでいる。液晶表示層４４１は複数の画素を含み、各画素は一組の赤色表示領域Ｒ、緑色表示領域Ｇ、および青色表示領域Ｂを含んでいる。各色表示領域の境界は、ブラック・マトリックス４４２によって覆われている。【０３３１】
液晶パネル４４０の背面側には、ホログラムカラーフィルタ４５０が配置されている。このホログラムカラーフィルタ４５０は、ホログラム板４５１と複数のマイクロレンズ４５２のアレイとを含んでいる。各マイクロレンズ４５２は、液晶パネル４４０中の画素の周期に対応する周期でアレイ状に配置されている。また、ホログラム板４５１は、回折格子の作用をする平行で一様な溝を含む石英ガラス板で形成されている。【０３３２】
図３５のカラー液晶表示装置においてバックライト４６０をホログラムカラーフィルタ４５０に入射させれば、その光は波長に依存して異なる角度で回折され、ホログラム板４５１の射出側において赤色光４６１、緑色光４６２、および青色光４６３に分光されて現れる。これらの分光された光は、ホログラム板４５１に隣接して配置されたマイクロレンズ４５２によって、その焦点面に波長毎に分離されて集光させられる。すなわち、赤色光４６１は画素中の赤色表示領域Ｒに、緑色光４６２は緑色表示領域Ｇに、そして青色光は青色表示領域Ｂにそれぞれ回折集光するように、カラーフィルタ４５０が構成配置される。これによって、それぞれの色成分の光はブラック・マトリックス４４２でほとんど減衰されずに各液晶セルを通過し、その液晶セルの色表示を行なうことができる。【０３３３】
このようなカラー液晶表示装置においては、ホログラム板４５１として、集光性を有しなくて回折効率の波長依存性が少ない透過型ホログラム板を用いるので、ホログラム板４５１をマイクロレンズ４５２の配列周期と位置合わせする必要がない。また、各色表示領域ごとに対応して１個のマイクロレンズを配置する場合に比べて、画素ごとに対応して１個のマイクロレンズ４５２を配置するのでその配列周期が３倍になり、マイクロレンズアレイが作りやすくかつ整列させやすくなる。【０３３４】
図３６は、非特許文献７のITE Technical Report Vol.20, 1996, pp.69-72に開示されたホログラムカラーフィルタを模式的に図解する断面図である。このホログラムカラーフィルタは、赤色光、緑色光、および青色光における強度バランスを改善するために、２つのホログラム膜４７１、４７２を含んでいる。【０３３５】
一般に、ホログラム膜においては、そのホログラム膜によって最も回折されやすい光の波長が存在する。すなわち、ホログラム膜は特定波長の光に対して最も高い回折効率を有し、その特定波長からの波長差が大きくなるにしたがって回折効率が低下する傾向にある。特に、屈折率変調型のホログラム膜中の屈折率差Δｎが小さい場合に、このような回折効率の波長依存性が顕著になる傾向にある。例えば、フォトポリマのホログラム膜におけるように屈折率差がΔｎ＝０．０８以下に小さい場合には、回折効率の波長依存性が小さなホログラム膜を得ることが困難である。【０３３６】
したがって、ホログラム膜によって白色光から赤色光、緑色光、および青色光を分光する場合、そのホログラム膜は、赤色光、緑色光、および青色光のうちで中間の波長域に相当する緑色光において最も高い回折効率が得られるように設計される。このように設計されたホログラム膜は緑色光に比べて赤色光と青色光に対して低い回折効率を有し、そのホログラム膜によって分光された赤色光と青色光は緑色光に比べて低い強度を有することになる。したがって、それらの分光された赤色光、緑色光、および青色光を再合成して白色光を得ようとしても、その合成光は緑色がかった白色光になる傾向にある。【０３３７】
また、カラー液晶表示装置のバックライトとして利用されるメタルハライドランプや超高圧水銀ランプは、緑色光の波長範囲内に強い輝線を含んでいる。したがって、緑色光に対して最も高い回折効率が得られるように設計されたホログラム膜によってメタルハライドランプや超高圧水銀ランプからの光を分光すれば、分光された赤色光、緑色光、および青色光の中で緑色光の強度がより顕著になる傾向にある。【０３３８】
図３６のホログラムカラーフィルタは、このような波長に依存する回折効率の不均一性の問題を改善してカラー液晶表示装置の色バランスを改善するために、２つのホログラム膜４７１、４７２を含んでいる。第１のホログラム膜４７１は或る特定波長λの光に対してη1の回折効率を有し、第２のホログラム膜４７２はその波長λの光に対してη2の回折効率を有している。ここで、入射光の全てが回折される場合に回折効率１とし、入射光の全てが回折されずに透過する場合に回折効率０とする。【０３３９】
特定波長λを有する強度１の入射光が第１ホログラム膜４７１を通過すれば、その透過光と回折光との強度比率は（１−η1）：η1となる。第１ホログラム膜４７１を通過した透過光が第２ホログラム膜４７２を通過すれば、透過光（元の入射光の方向に平行）とその回折光（第１ホログラム膜４７１による回折方向に平行）との強度比率は（１−η1）（１−η2）：η2（１−η1）となる。第１ホログラム膜４７１を通過した回折光が第２ホログラム膜４７２を通過すれば、その回折光（元の入射光の方向に平行）と透過光（第１ホログラム膜４７１による回折方向に平行）との強度比率はη1η2：η1（１−η2）となる。したがって、２枚のホログラム膜４７１、４７２を通過した回折方向の光の強度は、η2（１−η1）＋η1（１−η2）＝η1＋η2−２η1η2となる。【０３４０】
図３７は、図３６に示されているような２枚のホログラム膜を含むホログラムカラーフィルタに関する計算機シミュレーション結果の一例を示している。すなわち、図３７のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸はホログラム膜の回折効率を表わしている。【０３４１】
曲線ａは、単一のホログラム膜からなるホログラムカラーフィルタの回折効率の一例を示している。この単一のホログラム膜ａは、赤色光と青色光との中間の波長に相当する緑色光において回折効率が最大になるように設計されている。したがって、白色光がホログラム膜ａによって分光された後においては、緑色光に比べて赤色光と青色光の強度が低くなる傾向にある。【０３４２】
他方、ホログラム膜ｂは赤色光において回折効率が最大になるように設計されており、ホログラム膜ｃは青色光において回折効率が最大になるように設計されている。そして、これらの２枚のホログラム膜ｂ、ｃを含むホログラムカラーフィルタは、曲線ｄで示されているような合成回折効率を有することになる。すなわち、ホログラムカラーフィルタｄは緑色光に比べて赤色光と青色光において高い回折効率を有しており、回折効率の２つのピークを有することから２ピークホログラムカラーフィルタと称されることもある。【０３４３】
図３８は、特許文献１２の特開２０００−２３５１７９号公報に開示されたカラー液晶プロジェクタを示す模式的断面図である。このカラー液晶表示装置は、白色光源４８１、３枚のダイクロイックミラー４８２、ガラス基板４８３、フォトポリマからなるホログラムレンズ層４８４、薄板ガラス層４８５、透明電極４８６、液晶層４８７、画素電極４８８、アクティブマトリックス駆動回路４８９、および投射レンズ４９０を含んでいる。【０３４４】
図３８のカラー液晶プロジェクタにおいては、白色光源４８１から放射された白色光が３枚のダイクロイックミラー４８２によってＲ、Ｇ、およびＢの三原色光に分光される。分光されたＲ光、Ｇ光、およびＢ光は、それぞれが最も高い回折効率で集光されるように、互いに異なる入射角でホログラムレンズ層４８４へ投射される。【０３４５】
前述のように、フォトポリマからなるホログラム膜において、光照射によって高めることができる屈折率変化Δｎは、前述のように約０．０８程度までである。周知のように、屈折率変調型回折格子では、その屈折率変調における屈折率差Δｎが大きいほど回折効率（光の利用効率）を高めることができる。また、屈折率差Δｎが大きいほど、回折効率の波長依存性を小さくすることができる。ここで、約０．０８程度の屈折率差Δｎは十分とはいえず、フォトポリマのホログラム膜の回折効率を高めることは困難である。【０３４６】
また、近年ではカラー液晶プロジェクタの高輝度化が求められており、それに伴ってプロジェクタに含まれる光学部品には８０〜１００℃程度以上の耐熱性が求められる。しかし、フォトポリマの耐熱性は十分とはいえず、室温と１００℃程度の温度との間における繰り返し熱履歴が与えられれば、フォトポリマのホログラム膜自体が劣化したりガラス基板から剥離したりする恐れがある。【０３４７】
さらに、特許文献１１に開示されているように複数の微細な溝を有するシリカガラスのホログラム板は、１枚ごとに電子リソグラフィとエッチングを行なって作製しなければならず、工業的大量生産に適していない。【０３４８】
このような状況に鑑みて、特許文献１３の国際公開第２００５／０８８３６４号パンフレットは、光の利用効率と耐熱性が改善されたホログラムカラーフィルタを含みかつ高輝度で色バランスも改善されたカラー液晶表示装置を提供するために、ＤＬＣ膜を利用したホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置を開示している。【０３４９】
しかし、前述のように、ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して屈折率を高めれば、それに伴って消衰係数も増大する。ＤＬＣ膜に例えば紫外光を照射して屈折率を高める場合に、屈折率の増大とともに消衰係数が増大すれば、膜厚方向において均一に屈折率を高めることが困難となる。そして、そのような膜厚方向に不均一な屈折率分布を有するホログラム膜では、回折効率が低下するなどの好ましくない影響を生じる。また、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域において光が透過しにくいことを意味し、このことも回折効率の観点から好ましくない。【０３５０】
そこで、本実施例２６では、ＤＬＣ膜に比べて優れた特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製されたホログラムカラーフィルタを含むカラー液晶表示装置を提供する。【０３５１】
図１２に類似した図２７は、本実施例２６におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用したホログラム膜の作製方法の一例を示している。そのようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜は、図３３のカラー液晶プロジェクタにおけるフォトポリマのホログラム膜４０２、図３５におけるカラー液晶表示装置におけるシリカガラスのホログラム板４５１、図３６におけるフォトポリマのホログラム膜４７１、４７２、および図３８のカラー液晶プロジェクタにおけるフォトポリマのホログラム膜４８４のいずれかの代わりに好ましく使用し得るものである。【０３５２】
図２７のホログラム膜の作製方法においては、図１２の場合と同様に、例えばシリカ（ＳｉＯ2）ガラス基板４２１上にプラズマＣＶＤによってＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２が形成される。そして、シリカガラス基板４２３ａ上に形成されたマスク４２４ａがそのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２上に重ねられる。マスク２４ａは種々の材料で形成され得るが、金（Ａｕ）膜がより好ましく用いられ得る。なぜならば、金は高精度に加工しやすく、エネルギビームの遮蔽性にも優れ、酸化や腐食による問題を生じることもないからである。この金マスク４２４ａは、例えば以下のようにして作製され得る。【０３５３】
まず、周知のスパッタリング法またはＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって、ガラス基板上に厚さ約０．５μｍの金膜が堆積され、その上にレジスト層が塗布される。このレジスト層は、ステッパ露光を利用してパターン化される。そのレジストパターンを介してドライエッチングすることによって、金膜がパターン化される。そして、レジストパターンを除去することによって、金マスクパターンが得られる。【０３５４】
これに代わり得る他の方法においては、まずスパッタリング法またはＥＢ蒸着法によって、ガラス基板上に約５０ｎｍ以下の厚さのＮｉ導電層が堆積され、その上にレジストパターンが形成される。このレジストパターンを介してＮｉ層上に厚さ約０．５μｍの金膜を電気めっきによって堆積してレジストを除去することによって、金マスクが形成され得る。【０３５５】
以上のいずれの方法で形成される金マスクも、ホログラム作用のための回折格子パターンに対応したパターンを有している。なお、図２７においては、図面の簡略化と明瞭化のために、帯状金膜４２４ａの幅と間隔は一定にして示されている。【０３５６】
図２７に示されているように、金膜のマスク４２４ａがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２上に重ねられた状態で、上方からＵＶ光４２５ａがそのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２に照射される。その結果、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２中で、金マスク４２４ａによって覆われてＵＶ光４２５ａの照射を受けなかった領域は屈折率の変化を生じなくて、プラズマＣＶＤによって堆積されたままの屈折率ｎ1を維持している。他方、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２中で、金マスク４２４ａによって覆われていなくてＵＶ光４２５ａの照射を受けた領域は屈折率変化を生じて、その屈折率がｎ2へ低下させられる。ＵＶ光照射後には、シリカガラス基板４２３ａと金マスク４２４ａをホログラム膜４２２から取り外す。こうして得られたホログラム膜４２２は、ｎ1とｎ2との２値の屈折率を含んでおり、２レベルの屈折率変調型回折格子として作用する。【０３５７】
ここで、図２７のホログラム膜４２２と図３４の回折格子とを比較すれば、図３４の回折格子においてはＣｒ膜４１２によって遮蔽された光は回折光として利用することができなくて光の利用効率が低くなるのに対して、図２７のホログラム膜４２２においては高屈折率ｎ1と低屈折率ｎ2のいずれの領域を通過する光も回折光として利用することができて光の利用効率が高くなる。【０３５８】
他方、図３３、図３６、および図３８におけるフォトポリマのホログラム膜４２、４７１、４７２、４８４は、図２７のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜４２２に類似して、低屈折率領域と高屈折率領域とを含む屈折率変調型回折格子として作用する。したがって、フォトポリマのホログラム膜においても、低屈折率と高屈折率のいずれの領域を通過する光も回折光として利用することができる。しかし、前述のようにフォトポリマ膜の光照射によって実現し得る屈折率差Δｎはせいぜい０．０８程度であるのに対して、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のＵＶ光照射によって実現し得る屈折率差Δｎは０．２程度に達し得る。したがって、図２７のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜４２２においては、フォトポリマのホログラム膜に比べて遥かに高い回折効率を実現することができ、光の利用効率を高めることができる。また、屈折率差Δｎを大きくし得るＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜においては、回折効率の波長依存性を小さくすることができる。【０３５９】
図２８では、本実施例２６においてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製する他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この図２８においては、図２７と同様な方法で形成されたｎ1とｎ2との２レベルの屈折率変調を含むホログラム膜４２２上に、シリカガラス基板４２３ａ上の第２の金マスク４２４ｂがさらに重ねられる。そして、その状態において再度のＵＶ光照射４２５ｂが行われる。【０３６０】
このとき、第２の金マスク４２４ｂは、図２７の過程で形成されたホログラム膜中の低屈折率ｎ2の領域内の選択された領域のみにＵＶ光を照射するための開口を有している。したがって、ＵＶ光４２５ｂの照射後においては、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２の比較的低い屈折率ｎ2の領域内の選択された領域の屈折率がさらに低いｎ3に低下させられる。すなわち、図２８において作製されたホログラム膜４２２は、ｎ1、ｎ2、およびｎ3の３レベルの屈折率変調を含む回折格子として作用する。【０３６１】
このように、部分的に修正されたパターンを有するマスクを順次用いながらＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜にＵＶ光照射を繰り返して行なうことによって、所望の多レベルの屈折率変調を含むホログラム膜を得ることができる。そして、周知のように２レベルの屈折率変調型回折格子に比べて多レベルの屈折率変調型回折格子は高い回折効率を生じ得るので、光の利用効率がさらに改善され得る。【０３６２】
図２９では、本実施例２６においてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この作製方法においては、シリカガラス基板（図示せず）上のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２上に金マスク４３４が形成される。この金マスク４２４ａも電子ビーム描画で形成することができ、所定のホログラム（回折格子）パターンを有している。なお、図２９においても、図面の簡略化と明瞭化のために、帯状金膜４３４の幅と間隔は一定にして示されている。【０３６３】
ここで、帯状金膜４３４に特徴的なことは、その上面が半円柱状面に形成されていることである。このような半円柱状面は、例えばエッチングまたはナノインプリント（型転写）にて形成することができる。【０３６４】
そのように形成された金マスク４３４を介して、例えばＨｅのイオン４３５がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２に照射される。このとき、各帯状金膜４３４が半円柱状の上面を有しているので、各帯状金膜４３４の側面近傍では一部のＨｅイオンがそのマスクを透過することができ、その透過ＨｅイオンがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２内に侵入し得る。その結果、図２９のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２中においては、高屈折率領域４２２ａと低屈折率領域４２２ｂとの界面近傍において、屈折率が連続的に変化することになる。なお、イオンビーム照射によってＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を変調した後に、金用のシアン系エッチング液に室温で数分程度浸漬することによって、金マスク４３４が溶解除去され得る。【０３６５】
前述のように、多レベルの屈折率変調型回折格子においては、そのレベル数を高めるほど回折効率が改善される。そして、屈折率が連続的に変化させられている屈折率変調型回折格子は、屈折率変調レベルを無限大にしたことに相当している。すなわち、図２９において得られるホログラム膜は、図２８の場合に比べて、さらに改善された回折効率を有し、光の利用効率をさらに改善することができる。【０３６６】
図３０では、本実施例２６においてＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いてホログラム膜を作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この作製方法においては、例えば厚さ１００μｍのスペーサ４２６を介して、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）４２４ｃがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２に対して近接配置される。この状態で、例えばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）４２５ｃを１６ｍＷ／ｍｍ2のエネルギ密度で１時間照射することによって、ホログラム膜を作製することができる。このとき、位相格子マスク４２４ｃからの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域４２２ｂの屈折率が低下させられる。他方、その干渉光よって露光されない領域４２２ａの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。【０３６７】
この場合、＋１次回折光と−１次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク４２４ｃの凹凸周期の１／２の周期で現れる。したがって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中の所望の低屈折率領域４２２ｂの周期に比べて２倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク４２４ｃを用いることができる。また、低屈折率領域４２２ｂの幅の中央おけるほど、干渉光の強度が高くなる。したがって、図２９の場合に類似して、図３０のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２においても、高屈折率領域４２２ａと低屈折率領域４２２ｂとの界面近傍において屈折率が連続的に変化し、高い回折効率を得ることができる。なお、望まれる場合には、レリーフ型位相格子マスク４２４ｃの代わりに、クロム膜、酸化クロム膜、アルミ膜などをパターニングして得られる振幅型位相格子マスクを用いることもできる。【０３６８】
また、図２７から図３０におけるホログラム膜の作製方法では高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されているが、望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよいことは言うまでもない。そのためには、例えば図２７から図２９の作製方法に関しては、エネルギビームをＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜面に対して斜め方向に入射させればよい。また、図３０の作製方法に関しても、紫外光４２５ｃをＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜面に対して斜め方向に入射させて、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光は、位相格子マスク４２４ｃの凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中の所望の低屈折率領域４２２ｂの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク４２４ｃを用いなければならない。【０３６９】
図３１の模式的な断面図は、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に対して傾斜していることが好ましい場合の一例を示している。すなわち、ガラス基板４２１上のホログラム膜４２２においては、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域４２２ｃが膜厚方向に対して傾斜させられている。この場合、例えば入射光Ｌ１はＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜４２２内に入射するときに屈折して光Ｌ２になり、高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域４２２ｃで所定のブラッグ反射角θにおいて高い効率で回折された光Ｌ３となる。この回折光Ｌ３は、境界領域４２２ｃがＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜させられているので、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に対して直交する方向に放射させることが可能である。すなわち、回折光Ｌ３は、例えば液晶パネルの表面に対して直行するように効率よく入射させられ得る。【０３７０】
図３２の模式的断面図は、図３８に類似しているが、本実施例２６によるカラー液晶プロジェクタの一例を示している。図３８の場合に比べて、図３２のカラー液晶プロジェクタでは、フォトポリマ膜によるホログラム膜４８４がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜によるホログラム膜４８４ａに変更されるとともに、白色光源４８１とダイクロイックミラー４８２が青色発光素子４９１Ｂ、緑色発光素子４９１Ｇ、および赤色発光素子４９１Ｒに変更されていることのみにおいて異なっている。それらの３原色光の各々を発光する素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザ（ＬＤ）を好ましく用いることができる。この場合、各色は、それぞれの波長に応じた回折角で分光される。【０３７１】
半導体発光素子は、白色光からダイクロイックミラーによって分光された３原色光に比べて、純度の高い３原色光を放射することができる。そして、それらの３原色光の波長において最も高い回折効率が得られる個別の角度でホログラム膜４８４ａへ各色光を入射させるように、それらの半導体発光素子を配置することが可能である。したがって、図３２のカラー液晶プロジェクタでは、高い色純度で演色性の優れた明るいフルカラー投射映像を得ることが可能になる。【０３７２】
なお、以上の説明において図３２、図３３、および図３８において反射型カラー液晶プロジェクタが例示されたが、本実施例２６におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜は透過型カラー液晶プロジェクタにも適用し得ることは言うまでもない。例えば、図３３の反射型カラー液晶プロジェクタと透過型カラー液晶プロジェクタとの間の部分的相違を説明すれば、まず、反射型電極層４０４を透明電極層で置き換えることによって透過型に変更され得ることが理解されよう。その場合にはホログラム膜を介して投影光を取り出す必要がないので、光源からの光はそのホログラム膜の真後ろから照射することもできる。その場合には、図３４に示された回折格子パターン中の一つのマイクロレンズ領域４１３に対応するホログラム膜中の屈折率変調領域内において、中央部に比べて両側部における高（または低）屈折率領域の幅と間隔を小さくすればよい。また、本発明におけるＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のホログラム膜は、プロジェクタ型でなくて図３５に示されているような通常のカラー液晶表示装置にも好ましく適用し得ることも言うまでもない。さらに、本発明を適用し得るカラー液晶プロジェクタまたはカラー液晶表示装置用の光源としては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、冷陰極線管、キセノンランプ、発光ダイオード、半導体レーザ、Ａｒレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、およびＹＡＧ(イットリウム・アルミニュウム・ガーネット）レーザなどを好ましく用いることができる。【０３７３】
＜実施例２７＞
本発明の実施例２７は、光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくとも一方のための光ピックアップ装置に関する。ＣＤやＤＶＤのような光情報記録媒体上の情報の記録および／または再生に使用される光ピックアップ装置においては、光源からの光ビームを光情報記録媒体の記録面に集光させ、この情報記録面で反射された光を受光部に集光させる。そのために、光ピックアップ装置では、発光素子、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対物レンズ、集束レンズ、受光素子などの種々の光学素子が用いられている（例えば、特許文献１４の特開２００３−６６３２４号公報参照）。【０３７４】
特許文献１４に開示された光ピックアップ装置では、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対物レンズ、集束レンズなどの光学素子として、レリーフ型（膜厚変調型）の回折格子が用いられている。その対物レンズとして、図４１の模式的断面図に示すようなレリーフ型回折レンズが用いられている。【０３７５】
図４１のレリーフ型回折レンズは、ピッチｐで高さｄのノコ歯状のレリーフを含んでいる。すなわち、このレンズでは同心円状に規則的にレンズ膜厚が変調されており、入射光５２０を（例えば１次回折光５２１や２次回折光５２２などに）回折して凸レンズのように集光させるものである。したがって、レリーフ型回折レンズは作製プロセスが難しく、またそのレンズ上に他の部材を積層できないなどの問題がある。【０３７６】
また、従来の偏光ビームスプリッタは、２つのマイクロプリズムで構成されていて厚さが３ｍｍ以上であり、それ以上の小型化が困難である。さらに、従来の１／４波長板には、厚さが０．５ｍｍ以上の水晶板が用いられており、それ以上の小型化が困難である。すなわち、光ピックアップ装置を構成する従来の光学素子の小型化および／または集積化には制限があり、光ピックアップ装置の小型化が困難である。【０３７７】
そのような従来の光ピックアップ装置における問題に鑑みて、特許文献１５の特開２００６−５３９９２号公報は、ＤＬＣ膜を利用した屈折型光学素子または屈折率変調型回折光学素子を含む光ピックアップ装置を開示している。【０３７８】
しかし、前述のように、紫外線などの照射によってＤＬＣ膜の屈折率を高めることができるが、その屈折率の上昇に伴って消衰係数も上昇する傾向にある。このことは、ＤＬＣ膜の厚さ方向において均一に屈折率を高めることを困難にさせる。また、作製された屈折率変調型回折光学素子において、高屈折率領域の消衰係数が高いことはその領域において光が透過しにくいことを意味し、回折効率の観点からも好ましくない。そこで、本実施例２７では、ＤＬＣ膜に比べて優れた特性を有するＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された種々の光学素子を含む光ピックアップ装置を提供する。【０３７９】
（光ピックアップ装置）
図３９は、本実施例２７による光ピックアップ装置の一例を模式的なブロック図で示している。この光ピックアップ装置においては、光源５１１からのビーム光が偏光ビームスプリッタ５１３を通過して第１の直線偏光となり、その後に１／４波長板５１４によって円偏光にされ、そして対物レンズ５１５によって光情報記録媒体５１６の記録面５１６ａ上に集光される。情報記録面５１６ａで反射された戻り光は、対物レンズ５１５および１／４波長板５１４を通過することによって、第１の直線偏光の偏光方向に対して９０度回転した第２の直線偏光となる。そして、偏光ビームスプリッタ５１３により反射された第２の直線偏光は、集束レンズ５１７によって受光素子５１８上に集光される。【０３８０】
ここで、図３９の光ピックアップ装置に含まれる光学素子の少なくとも一つは、相対的に低屈折率の局所的領域と相対的に高屈折率の局所的領域とを含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して形成され得る。【０３８１】
本実施例２７に係る光ピックアップ装置においては、図３９に示されているように、光を平行光線化するためのコリメータレンズ５１９を光学素子として加えることができる。コリメータレンズ５１９は、その配置位置には特に制限がなく、図３９においては１／４波長板５１４と対物レンズ５１５との間に配置されているが、例えば光源５１１と偏光ビームスプリッタ５１３との間に配置されてもよい。【０３８２】
本発明に係る光ピックアップ装置において、まず、偏光ビームスプリッタ５１３と１／４波長板５１４の少なくともいずれかをＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製することができる。すなわち、偏光ズームスプリッタと１／４波長板の少なくとも一つは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に形成された屈折率変調型の回折格子を含むことができる。【０３８３】
（偏光ビームスプリッタ）
偏光ビームスプリッタとしては、図２１に関連して詳述されたような屈折率変調型回折格子を含むＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用することができる。【０３８４】
（１／４波長板）
屈折率変調型回折格子を含む１／４波長板は、偏光ビームスプリッタと同様の構造を有し得る。例えば、光ビームのＰ偏光を１／４波長板（このとき、低高屈折率領域のライン・アンド・スペースの方向がＰ偏光の偏光方向に対して４５度回転しているように、１／４波長板を配置する）に入射させると、この１／４波長板を通過した光は進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光となる。【０３８５】
図３９の光ピックアップ装置において、偏光ビームスプリッタ５１３と１／４波長板５１４とを組み合わせた複合体は、以下のように作用する。すなわち、光源５１１からの光ビームは、偏光ビームスプリッタ５１３により第１の直線偏光（Ｓ偏光）のみが透過して、１／４波長板５１４により光の進行方向に向いて反時計方向に回転する円偏光となり、コリメータレンズ５１９および対物レンズ５１５を経て光情報記録媒体５１６の記録面５１６ａ上に集光される。次いで、情報記録面５１６ａで反射された戻り光（反射により円偏光の回転方向が反転している）は、対物レンズ５１５およびコリメータレンズ５１９を経て、１／４波長板５１４に対して逆方向に入射することにより、第１の直線偏光の偏光方向に対して９０度回転した第２の直線偏光（Ｐ偏光）となる。したがって、その第２の直線偏光が、偏光ビームスップリッタ５１３により回折されて、集束レンズ５１７を経て受光素子５１８に集光され得る。【０３８６】
ここで、図４０の模式的斜視図に示されているように、偏光ビームスプリッタと１／４波長板との複合体は、例えばＳｉＯ2で形成された基板５０１の第１主面上に偏光ビームスプリッタとして機能する第１のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜５６１を形成し、基板５０１の第２主面上に１／４波長板として機能する第２のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜５６２を形成することによって得ることができる。【０３８７】
本発明に係る光ピックアップ装置において、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光学素子は、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメータレンズの少なくとも一つとすることもできる。ここで、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメータレンズの少なくとも一つは、Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折型レンズおよび屈折率変調型回折レンズのいずれかを含み得る。【０３８８】
（屈折型レンズ）
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用した屈折型レンズは、例えば前述の図７を参照して詳述されたようにして作製することができる。【０３８９】
（屈折率変調型回折レンズ）
Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用した屈折率変調型レンズは、例えば前述の図８や図９を参照して詳述されたようにして作製することができる。このような回折型レンズは通常の屈折型レンズに比べて薄く作製することが可能であり、１〜２μｍ程度の厚さのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に回折型レンズを作製することができる。したがって、この回折型レンズを、光ピックアップ装置の対物レンズ、集束レンズおよびコリメータレンズの少なくとも一つに用いることによって、光ピックアップ装置が小型化され得る。【０３９０】
＜実施例２８＞
本発明の実施例２８は、光ビーム走査装置とこれを含む光学製品に関する。従来から、光ビーム走査装置は、レーザプリンタ、バーコードリーダまたはスキャナ等の光学製品に広く利用されている。しかしながら、このような光ビーム走査装置を含む光学製品については、近年、製造コストの低減や更なる小型化の要望が大きくなってきている。【０３９１】
例えば、従来のレーザビーム走査装置においては、半導体レーザから出射されたレーザビームについてピンホールアパーチャを用いて最大径の規制が行なわれるとともに、半導体レーザから出射されたレーザビームをコリメータレンズで受け、垂直振動方向と水平振動方向の各々のビームウェスト位置を所望の位置にするために複数のシリンドリカルレンズやプリズムを配置する必要があった（特許文献１６の特開平６−２７３９８号公報の段落[０００４]参照）。【０３９２】
しかしながら、この従来のレーザビーム走査装置においては、半導体レーザの出射端にコリメータレンズの他に複数のシリンドリカルレンズやプリズムを設けた場合には部品数が多くなることなどによって、レーザビーム走査装置の製造コストが増加し、さらに小型化も困難であるいう問題があった。【０３９３】
このような問題を解決することを目的として、特許文献１６には、半導体レーザから出射されたレーザビームが収束レンズとピンホールアパーチャとによって整形され（特許文献１６の段落[０００９]参照）、整形後のレーザビームがポリゴンミラー等を含むビーム走査手段に入射した後に照射対象物であるバーコードに照射するレーザビーム走査装置が開示されている（特許文献１６の段落[００１８]〜[００２６]、図２参照）。【０３９４】
しかしながら、このレーザビーム走査装置においては、レーザビームの整形のために収束レンズとピンホールアパーチャとが用いられており、さらに収束レンズには収束レンズの傾き角度を変化させるための傾き角度制御手段が設けられている（特許文献１６の段落[０００８]、図１参照）。【０３９５】
したがって、このレーザビーム走査装置においても部品数によるレーザビーム走査装置の製造コストの低減が十分ではないという問題があった。また、このレーザビーム走査装置においては、上記の部品を組み合わせる必要があるため小型化も困難であるという問題があった。【０３９６】
そこで、収束レンズとピンホールアパーチャによってレーザビームを整形するのではなくて、レーザビームを回折によって整形するために回折光学素子を用いることが望まれている。そのような回折型ビーム整形素子の作用の一例として、前述の図２６とそれに関連する説明を参照することができる。【０３９７】
また、例えば特許文献１７の特開２００６−３０８４０号公報では、光ビームを出射する光源と、光ビームを整形する回折光学素子と、光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含む光ビーム走査装置において、その光ビームを整形する回折光学素子として、ＤＬＣ膜を利用して作製された屈折率変調型回折光学素子を用いることが開示されている。【０３９８】
しかし、特許文献１７に開示された光ビーム走査装置においては、ＤＬＣ膜にエネルギビームを照射してＤＬＣ膜の屈折率を局所的に上昇させる必要があるので、ＤＬＣ膜の平均屈折率が大きくなって、ＤＬＣ膜とそれに隣接する他の媒質との界面における光反射が多く発生し、光源からの光エネルギのロスが生じる傾向にある。【０３９９】
そこで、本実施例２８においては、光源からの光エネルギのロスを抑制することができる光ビーム走査装置およびこれを含む光学製品を提供する。【０４００】
（屈折率変調パターン）
本実施例２８による光ビーム走査装置おいては、ビーム整形のための回折光学素子がＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製され、その屈折率変調パターンは図２４に関連して詳述されたようなシミュレーションによって求めることができる。【０４０１】
（光ビーム走査装置）
図４２の模式的なブロック図において、本実施例２８による光ビーム走査装置による光ビーム照射が図解されている。この光ビーム走査装置では、光源６０２から出射された光ビームの整形手段として、透光性基板６３１とこの上に形成されたＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜６３２とからなる回折光学素子６０３を含んでいる。【０４０２】
すなわち、この光ビーム走査装置では、光源６０２から出射された光ビームを整形する回折光学素子６０３においてＤＬＣ膜の代わりにＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜６３２を用いているので、上述の理由によって、ＤＬＣ膜を用いた先行技術による光ビーム走査装置と比べて光源６０２から出射された光ビームの光エネルギのロスを抑制することができる。【０４０３】
図４２の光ビーム走査装置においては、光源６０２から出射された光ビームが回折光学素子６０３によって整形させられる。そして、回折光学素子６０３によって整形させられた光ビームは、一定速度で回転運動をしているポリゴンミラー６０４に入射し、そのポリゴンミラー６０４によって進行方向を変化させられる。この進行方向を変化させられた光ビームが、照射対象物６０５に照射される。ここで、光源６０２としては、例えば半導体レーザなどのレーザ装置、発光ダイオードまたは超高圧水銀ランプ、キセノンランプ若しくはハライドランプなどのランプが用いられる。【０４０４】
なお、図４２において、屈折率変調型の回折光学素子６０３をポリゴンミラー６０４の後に配置することもできる。この場合には、光源６０２から出射された光ビームがポリゴンミラー６０４によってその進行方向を変化させられた後に回折光学素子６０３に入射する。そして、この回折光学素子６０３によって整形させられた光ビームが照射対象物６０５に照射される。【０４０５】
（レーザプリンタ）
図４３の模式的ブロック図は、図４２の光ビーム走査装置を用いたレーザプリンタの一例を示している。このレーザプリンタにおいても、例えば半導体レーザからなる光源６０２から出射されたレーザビームは、透光性基板６３１とこの上のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜６３２とからなる屈折率変調型回折光学素子６０３によって整形された後にポリゴンミラー６０４に入射する。そして、ポリゴンミラー６０４によって進行方向を変化させられたレーザビームは、球面レンズ６０６およびトロイダルレンズ６０７によって整形させられた後に感光ドラム６０８に照射される。このように本実施例２８によるレーザプリンタにおいては、多数の部品を用いることなく回折光学素子６０３のみによってレーザビームが整形され、かつ光の利用効率が改善され得る。【０４０６】
なお、多角柱の側面をミラーとするポリゴンミラー６０４の一つの側面によって反射されるレーザビームは、一定速度で感光ドラム６０８上を走査し、感光ドラム６０８上に横一列分の像を形成する。この像の形成が高速で連続して行なわれることによって感光ドラム６０８上に２次元の画像が描画される。その後は、感光ドラム６０８上に描画された２次元の画像にしたがって感光ドラム６０８上にトナーが付着され、これが用紙に転写されることによって画像の印刷が行なわれる。【０４０７】
なお、本実施例２８においては、図４３に示す球面レンズ６０６およびトロイダルレンズ６０７の代わりにＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して作製された第２の屈折率変調型回折光学素子を用いることもできる。この場合には、更なる部品数の減少が可能となる。この場合、ポリゴンミラー６０４によって進行方向を変化させられたレーザビームはその第２の回折光学素子によって感光ドラム６０８に照射されることになる。【０４０８】
（スキャナ）
図４４の模式的なブロック図は、本実施例２８によるスキャナの一例を示している。このスキャナにおいては、光源６０２としての半導体レーザから出射されたレーザビームは、屈折率変調型回折光学素子６０３によって整形させられた後にポリゴンミラー６０４に入射する。次いで、ポリゴンミラー６０４によって進行方向を変化させられたレーザビームは画像が印刷された原稿６１０に照射される。そして、レーザビームは原稿６１０において反射され、その反射されたレーザビームの強弱がラインスキャナなどの検出器６１１によって検出されて電気信号に変換される。このように本実施例２８によるスキャナにおいても、多数の部品を用いることなく回折光学素子６０３のみによってレーザビームが整形され、かつ光の利用効率が改善され得る。なお、図４４に示す原稿６１０をバーコードに置き換えた場合には、このスキャナはバーコードリーダとなる。
【産業上の利用可能性】
【０４０９】
以上のように、本発明によれば、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）、可視光だけでなく紫外光の領域で透明度が高く、かつ一般的光学素子との適合性が良好な屈折率変調型回折光学素子と、それを実現させ得るＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を提供することができる。【０４１０】
また、このようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用することによって種々の光学デバイスを提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長５２０ｎｍの光に関して１．４８以上で１．８５以下の範囲内の屈折率を有し、かつ波長２４８ｎｍの光に関して０．１５未満の消衰係数を有し、エネルギビーム照射を受けることによって前記屈折率と前記消衰係数が低下することを特徴とするＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項２】
前記波長２４８ｎｍの光に関する前記消衰係数が、前記エネルギビーム照射を受ける前において０．１２未満であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項３】
前記波長５２０ｎｍの光に関する前記屈折率が、前記エネルギビーム照射を受ける前において１．５６以上で１．７６以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項４】
前記波長５２０ｎｍの光に関する前記屈折率は前記エネルギビーム照射を受けて０．０３以上で０．４０以下の範囲内の変化量で低下し、その低下後の屈折率が１．４５以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項５】
前記屈折率の前記変化量が０．１０以上で０．３０以下の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項６】
前記エネルギビーム照射を受ける前において、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が４．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．４×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項７】
前記エネルギビーム照射を受ける前において、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．６０ｇ／ｃｍ3未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０16ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3より大きくて１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ3未満の範囲内にあることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項８】
前記エネルギビーム照射を受けた後において、シリコン含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、水素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて８．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、酸素含有量が０．８０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて３．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、炭素含有量が１．０×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より大きくて２．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満、そしてＣ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３．０未満の範囲内にあることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項９】
前記エネルギビーム照射を受けた後において、密度が１．１５ｇ／ｃｍ3より大きくて１．８０ｇ／ｃｍ３未満の範囲内にあり、スピン密度が１．０×１０20ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を製造する方法であって、前記膜は原料としてシロキサン類を用いるプラズマＣＶＤによって形成され、そのプラズマＣＶＤ条件として、基板温度が８０℃以上で１００℃以下、高周波電力が０．５Ｗ／ｃｍ2以上で１．２Ｗ／ｃｍ2以下、そして圧力が６．７Ｐａ以上で４０Ｐａ以下の範囲内にあり、成膜開始から少なくとも３分経過するまでの間の圧力は１．３Ｐａ／分以上で２．７Ｐａ／分以下の範囲内の割合で連続的に上昇させられることを特徴とするＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて作製された光学素子であって、相対的に高い屈折率の局所的領域と相対的に低い屈折率の局所的領域とを含むことを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
前記相対的に高い屈折率の局所的領域は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けていない領域であることを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜のうちで前記エネルギビーム照射を受けた後の領域であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれかの光学素子を製造するための方法であって、前記相対的に低い屈折率の局所的領域は、前記エネルギビームとしてのイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線の電磁波の照射によって形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１５】
基板上において、請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されており、その上に酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、フッ化膜、および炭素と水素とを主要成分として含む膜のいずれかからなる保護層が少なくとも一層以上積層されていることを特徴とする光学膜。
【請求項１６】
基板上において、請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が形成されており、その上に厚さ１０μｍ以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする光学膜。
【請求項１７】
前記保護層上に厚さ１０μｍ以上の透明材料板が接合されていることを特徴とする請求項１５に記載の光学膜。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれかの光学膜を含み、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜が屈折率の変調構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項１９】
請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を用いて形成されたマイクロレンズであって、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は屈折率が変調させられた領域を含み、前記屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときにレンズ作用が生じることを特徴とする平板型マイクロレンズ。
【請求項２０】
基板上に堆積された請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光情報記録媒体であって、この光情報記録媒体への情報の記録は複数の記録スポット領域のうちの選択された記録スポット領域にエネルギビームを照射して、その記録スポット領域における前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の屈折率を下げることによって行われ得ることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項２１】
光源からの光をＰ偏光とＳ偏光とに分離するための偏光ビームスプリッタと、第１のマイクロレンズと、１／２波長板と、第２のマイクロレンズとを含み、
前記第１マイクロレンズは前記偏光ビームスプリッタによって分離されたＰ偏光とＳ偏光を互いに異なる位置に集光するように配置されており、
前記１／２波長板は前記Ｐ偏光または前記Ｓ偏光が集光される位置に配置されていてＰ偏光またはＳ偏光をＳ偏光またはＰ偏光に変換するように作用し、
前記第２マイクロレンズは前記１／２波長板を通過して偏光変換された後のＳ偏光またはＰ偏光と前記１／２波長板を通過しなかったＳ偏光またはＰ偏光とを統合するように作用し、
前記偏光ビームスプリッタ、前記第１マイクロレンズ、前記１／２波長板、および前記第２マイクロレンズの少なくとも一つが請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を利用して形成されていることを特徴とする偏光インテグレータ。
【請求項２２】
前記偏光ビームスプリッタと前記１／２波長板の少なくとも一方は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜中に形成された屈折率変調型回折格子で形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の偏光インテグレータ。
【請求項２３】
請求項２１または２２の偏光インテグレータを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項２４】
光源とその光源からの光を回折させる回折光学素子とを含むプロジェクタであって、
前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は、光の回折を生じさせるように、相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域を含むように屈折率変調されており、
前記屈折率変調は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面における強度分布を所定の照射面上において均一な強度分布に変換するように回折作用を生じることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２５】
前記屈折率変調は、前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜に入射する光ビームの断面形状を前記所定の照射面上において所定の断面形状に変換するようにも回折作用を生じることを特徴とする請求項２４に記載のプロジェクタ。
【請求項２６】
光源とホログラムカラーフィルタと液晶パネルとを含み、
前記ホログラムカラーフィルタは透光性基板上に形成された請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜は相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置された屈折率変調構造を有していて、前記光源から供給される入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を所定の空間的周期で出射する機能を有し、
前記空間的周期は前記液晶パネルに含まれる複数の画素の周期に対応していることを特徴とするカラー液晶表示装置。
【請求項２７】
前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が前記空間的周期に対応して周期的に変化させられており、それによって前記ホログラムカラーフィルタは分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えていることを特徴とする請求項２６に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項２８】
前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が連続的に変化させられていることを特徴とする請求項２６または２７に記載のカラー液晶表示装置。
【請求項２９】
前記ホログラムカラーフィルタの前記低屈折率帯状領域と前記高屈折率帯状領域との間の境界領域は前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜の厚さ方向に対して傾斜されていることを特徴とする請求項２６から２８のいずれかに記載のカラー液晶表示装置。
【請求項３０】
前記液晶パネルに含まれる複数の画素は赤色表示領域、緑色表示領域、および青色表示領域を含み、前記ホログラムカラーフィルタは前記入射光を赤色光、緑色光、および青色光に分光してそれぞれ前記赤色表示領域、前記緑色表示領域、および前記青色表示領域へ向けて出射することを特徴とする請求項２６から２９のいずれかに記載のカラー液晶表示装置。
【請求項３１】
光情報記録媒体上の情報の記録と再生の少なくともいずれかのための光ピックアップ装置であって、
光ビームを射出する光源と、前記光ビームを制御する複数の光学素子とを含み、
これらの光学素子の少なくとも一つは、請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含んでいることを特徴とする光ピックアップ装置。
【請求項３２】
前記Ｓｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含む光学素子は、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、対物レンズ、集束レンズ、およびコリメートレンズのいずれかであることを特徴とする請求項３１に記載の光ピックアップ装置。
【請求項３３】
光ビームを出射する光源と、前記光ビームを整形する回折光学素子と、前記光ビームの進行方向を変化させる光ビーム走査手段とを含む光ビーム走査装置であって、前記回折光学素子は、透光性基板上に形成された請求項１から９のいずれかのＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜を含み、これが相対的に高屈折率の複数の領域と相対的に低屈折率の複数の領域とを含むことを特徴とする光ビーム走査装置。
【国際調査報告】
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2008056577.tif 000056
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