(57)【要約】【課題】複屈折を示すガラス材を備える光学素子であって、大きなリタデーション値を有する光学素子を提供する。【解決手段】光学素子１は、ガラス材１０を備える。ガラス材１０の内部には、光学的異相領域１１が設けられている。光学的異相領域１１のガラス材１０の厚み方向に沿った断面が長軸と短軸を有する細長形状を有する。光学的異相領域１１のガラス材１０の厚み方向に沿った断面の長軸がガラス材１０の主面１０ａに対して傾斜している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に光学的異相領域が設けられたガラス材を備え、
前記光学的異相領域の前記ガラス材の厚み方向に沿った断面が長軸と短軸を有する細長形状を有し、前記長軸が前記ガラス材の主面に対して傾斜している光学素子。
【請求項２】
前記ガラス材の厚み方向に沿った断面における前記光学的異相領域のアスペクト比が１．５以上である、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光学的異相領域が、前記ガラス材の主面に対して平行な方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられている、請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学的異相領域が前記ガラス材の主面の面方向に沿って延びる線状に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
平面視において、前記光学的異相領域がドット状に設けられており、
平面視において、複数の前記光学的異相領域が、一の方向及び他の方向のそれぞれにおいて前記光学的異相領域と前記光学的異相領域ではない領域とが交互に位置するようにマトリクス状に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学的異相領域が、前記ガラス材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学的異相領域が、前記ガラス材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられており、
平面視において、一の前記光学的異相領域の延びる方向と、前記一の光学的異相領域とは前記ガラス材の厚み方向において異なる位置に設けられた他の前記光学的異相領域の延びる方向とが異なる、請求項４に記載の光学素子。
【請求項８】
前記ガラス材が特定の波長域の光を吸収するガラスにより構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記ガラス材が赤外光を吸収するガラスにより構成されている、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記ガラス材は、前記光学的異相領域よりも外側に位置し、形状異方性を有する金属粒子が配向して分散されているガラス層を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
偏光子、複屈折板又は光学ローパスフィルタである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法であって、
前記ガラス材に対して、自己集束効果によってフィラメント領域が生じる条件でレーザー光を照射することにより前記光学的異相領域を形成する、光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ガラス材に対してピコ秒レーザー光又はフェムト秒レーザー光を照射する、請求項１２に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びその製造方法に関する。特に、本発明は、複屈折を示すガラス材を備える光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位相差板として、水晶板、雲母板、一軸配向された高分子板などが使用されている。なかでも、水晶板、雲母板は、無機材であるため、熱的耐久性、光学的耐久性、化学的耐久性に優れている。このため、水晶板、雲母板は、優れた耐久性が要求される用途に好適である。
【０００３】
しかしながら、水晶板や雲母板は、加工が困難であり、かつ、高価である。このため、水晶板や雲母板よりも加工が容易で、安価な無機位相差板が求められている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、無機材位相差板として、帯状の複屈折領域を複数有するガラス板が提案されている。具体的には、特許文献１には、以下のことが記載されている。ナノ秒レーザー光をガラス板内に合焦させた状態で走査することにより、ガラス板内に、帯状の複屈折領域を形成することができる。ガラス板内に、複数の複屈折領域を厚さ方向に沿って複数設けることにより、リタデーション値を大きくできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／１２６８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
より大きなリタデーション値を有するガラス材を得たいという要望がある。
【０００７】
本発明の主な目的は、複屈折を示すガラス材を備える光学素子であって、大きなリタデーション値を有する光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学素子は、ガラス材を備える。ガラス材の内部には、光学的異相領域が設けられている。光学的異相領域のガラス材の厚み方向に沿った断面が長軸と短軸を有する細長形状を有する。光学的異相領域のガラス材の厚み方向に沿った断面の長軸がガラス材の主面に対して傾斜している。
【０００９】
ガラス材の厚み方向に沿った断面における光学的異相領域のアスペクト比が１．５以上であることが好ましい。
【００１０】
光学的異相領域が、ガラス材の主面に対して平行な方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられていてもよい。
【００１１】
光学的異相領域がガラス材の主面の面方向に沿って延びる線状に設けられていてもよい。
【００１２】
平面視において、光学的異相領域がドット状に設けられていてもよい。その場合、平面視において、複数の光学的異相領域が、一の方向及び他の方向のそれぞれにおいて光学的異相領域と光学的異相領域ではない領域とが交互に位置するようにマトリクス状に設けられていてもよい。
【００１３】
光学的異相領域が、ガラス材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられていてもよい。
【００１４】
光学的異相領域がガラス材の主面の面方向に沿って延びる線状に設けられており、かつ、光学的異相領域が、ガラス材の厚み方向に沿って相互に間隔をおいて複数設けられていてもよい。その場合、平面視において、一の光学的異相領域の延びる方向と、一の光学的異相領域とはガラス材の厚み方向において異なる位置に設けられた他の光学的異相領域の延びる方向とが異なっていてもよい。
【００１５】
ガラス材が特定の波長域の光を吸収するガラスにより構成されていてもよい。例えば、ガラス材が赤外光を吸収するガラスにより構成されていてもよい。
【００１６】
ガラス材は、光学的異相領域よりも外側に位置し、形状異方性を有する金属粒子が配向して分散されているガラス層を有していてもよい。
【００１７】
本発明に係る光学素子は、偏光子、複屈折板又は光学ローパスフィルタであってもよい。
【００１８】
本発明に係る光学素子の製造方法は、上記光学素子の製造方法に関する。本発明に係る光学素子の製造方法では、ガラス材に対して、自己集束効果によってフィラメント領域が生じる条件でレーザー光を照射することにより光学的異相領域を形成する。
【００１９】
ガラス材に対してピコ秒レーザー光又はフェムト秒レーザー光を照射することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複屈折を示すガラス材を備える光学素子であって、大きなリタデーション値を有する光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る光学素子の模式的斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学素子の模式的平面図である。
【図３】第２の実施形態に係る光学素子の模式的斜視図である。
【図４】第３の実施形態に係る光学素子の模式的斜視図である。
【図５】第４の実施形態に係る光学素子の模式的平面図である。
【図６】第５の実施形態に係る光学素子の模式的側面図である。
【図７】第６の実施形態に係る光学素子の模式的側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２３】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学素子１の模式的斜視図である。図２は、第１の実施形態に係る光学素子１の模式的平面図である。
【００２５】
図１及び図２に示されるように、光学素子１は、ガラス材１０を備えている。光学素子１は、ガラス材１０のみを備えている。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明に係る光学素子は、ガラス材に加えて他の部材を備えていてもよい。例えば、本発明に係る光学素子は、ガラス材と、ガラス材の上に配された光学膜等とを備えていてもよい。
【００２６】
ガラス材１０の形状は、特に限定されない。ガラス材１０は、例えば、板状、柱状、直方体状等であってもよい。以下、ガラス材１０が、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂを有するガラス板により構成されている例について説明する。第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂは、それぞれ、ｘ軸方向及びｙ軸方向に沿って延びている。ｘ軸方向とｙ軸方向とは直交している。ガラス材１０の厚み方向は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に対して垂直なｚ軸方向と平行である。
【００２７】
ガラス材１０を構成するガラスの種類は、特に限定されない。ガラス材１０は、例えば、ケイ酸塩系ガラス、硼酸塩系ガラス、ホウケイ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどにより構成することができる。
【００２８】
ガラス材１０の内部には、光学的異相領域１１が設けられている。ここで、「光学的異相領域」とは、他の部分と光学的に異なる部分であり、具体的には、他の部分と屈折率が異なる部分である。一般的に、光学的異相領域と他の部分とでは、屈折率が０．１％以上異なる。
【００２９】
本実施形態において、光学的異相領域１１は、残留応力を有する部分であり、その残留応力に起因して光学的異相領域１１の屈折率が他の部分の屈折率と異なっている。このような光学的異相領域１１は、例えば、レーザーをガラス材１０の内部に合焦させることにより形成することができる。レーザーをガラス材１０の内部に合焦させると、レーザーが合焦した部分が瞬時に加熱され、局所的に溶融状態となる。その後、溶融状態となった部分は、すぐに冷却され、固化する。これにより、ガラス材１０の内部に残留応力が発生する。その結果、光学的異相領域１１が形成される。
【００３０】
光学素子１では、光学的異相領域１１が複数設けられている。図２に示されるように、複数の光学的異相領域１１のそれぞれは、主面１０ａの面方向に沿って延びる線状に設けられている。具体的には、複数の光学的異相領域１１のそれぞれは、ｙ軸方向に沿って延びる線状に設けられている。各光学的異相領域１１は、ガラス材１０のｙ軸方向の一方側端部から他方側端部に跨がって設けられていてもよい。各光学的異相領域１１は、ガラス材１０のｙ軸方向における一部にのみ設けられていてもよい。
【００３１】
複数の光学的異相領域１１は、ガラス材１０の主面１０ａに対して平行な方向に沿って相互に間隔をおいて設けられている。具体的には、複数の光学的異相領域１１は、ｘ軸方向に沿って相互に間隔をおいて設けられている。この複数の光学的異相領域１１によって複屈折を示す複屈折層１２がガラス材１０の内部に形成されている。
【００３２】
ｘ軸方向において隣り合う光学的異相領域１１の間隔、光学的異相領域１１のｘ軸方向における幅は、光学素子１に要求される特性等によって適宜設定することができる。例えば、ｘ軸方向において隣り合う光学的異相領域１１の間隔は、１μｍ〜数十μｍ程度とすることができる。光学的異相領域１１のｘ軸方向における幅は、１μｍ〜数十μｍ程度とすることができる。ｘ軸方向において隣り合う光学的異相領域１１の間隔と光学的異相領域１１のｘ軸方向における幅との比（（光学的異相領域１１のｘ軸方向における幅）／（ｘ軸方向において隣り合う光学的異相領域１１の間隔））は、０．１〜１０程度とすることができる。
【００３３】
光学素子１には、光学的異相領域１１が設けられている。このため、光学素子１は、複屈折を示す。具体的には、光学素子１のｘ軸方向に沿った光成分に対する屈折率と、光学素子１のｙ軸方向に沿った光成分に対する屈折率とが異なる。よって、例えば、光学素子１は、偏光子、複屈折板、光学ローパスフィルタ等として機能し得る。
【００３４】
なお、「光学ローパスフィルタ」とは、空間周波数の高周波成分を除去するフィルタのことである。光学ローパスフィルタは、例えば、カラー撮像素子を使用したデジタルスチルカメラやカムコーダなどの光学擬似信号を除去するためなどに使用される。
【００３５】
「複屈折板」は、例えば、入射した光線を互いに振動方向が異なる常光線と異常光線との２つの直線偏光に分離させる素子のことである。
【００３６】
ガラス材１０は、特定の波長域の光を吸収するガラスにより構成されていてもよい。例えば、ガラス材１０が赤外光を吸収するガラスにより構成されていてもよい。その場合は、光学素子１に赤外光カットフィルタとしての機能を付与することができる。例えば、ガラス材１０が紫外光を吸収するガラスにより構成されていてもよい。その場合は、光学素子１に紫外光カットフィルタとしての機能を付与することができる。
【００３７】
図１に示されるように、光学素子１では、ガラス材１０の厚み方向（ｚ軸方向）に沿った断面（ｘ−ｚ断面）において、光学的異相領域１１が、長軸と短軸を有する細長形状を有し、光学的異相領域１１の長軸がガラス材１０の主面１０ａに対して傾斜している。具体的には、光学素子１では、ｘ−ｚ断面において、光学的異相領域１１の長軸が厚み方向（ｚ軸方向）に沿って延びる細長形状を有する。このため、例えば、ｘ−ｚ断面において略円形の光学的異相領域が設けられた場合と比較して、大きなリタデーション値を実現することができる。
【００３８】
より大きなリタデーション値を実現する観点からは、ガラス材１０の厚み方向（ｚ軸方向）に沿った断面（ｘ−ｚ断面）において、光学的異相領域１１のアスペクト比（（長径）／（短径））は、１．５以上であることが好ましく、２．０以上であることがより好ましい。但し、ガラス材１０の厚み方向（ｚ軸方向）に沿った断面（ｘ−ｚ断面）における光学的異相領域１１のアスペクト比が大きすぎると残留応力が大きくなりすぎて自己破壊が生じる場合がある。従って、ガラス材１０の厚み方向（ｚ軸方向）に沿った断面（ｘ−ｚ断面）において、光学的異相領域１１のアスペクト比（（長径）／（短径））は、１００以下であることが好ましく、１０以下であることがより好ましい。
【００３９】
光学的異相領域１１のｚ軸方向に沿った長さは、１μｍ〜数百μｍ程度であることが好ましく、１μｍ〜数十μｍであることがより好ましい。
【００４０】
ｘ−ｚ断面において、ガラス材１０の主面１０ａに対して傾斜した方向に沿って延びる細長形状を有する光学的異相領域１１は、例えば、ガラス材１０に対して、自己集束効果によってフィラメント領域が生じる条件でレーザー光を照射することにより形成することができる。ここで、「フィラメント領域」とは、レーザー光が最小ビーム径で伝搬する領域のことをいう。
【００４１】
フィラメント領域を好適に生成させる観点からは、ピコ秒レーザー又はフェムト秒レーザーを照射することが好ましく、なかでもフェムト秒レーザーを照射することがより好ましい。より高エネルギーのレーザーを照射することにより、より微細で、界面における屈折率変化が大きな光学的異相領域１１を形成することができるという効果も得られる。
【００４２】
また、フィラメント領域を好適に生成させる観点からは、レーザーのパルスエネルギーとガラス材１０のレーザー光の吸収係数によって、適宜、開口数（ＮＡ）を調整すればよい。例えば、ガラス材１０の表面でのアブレーションを防止するには、開口数を大きくすればよい。光学的異相領域１１のアスペクト比をより大きくするには、開口数（ＮＡ）を小さくすればよい。
【００４３】
ところで、例えば、横断面形状が円形である光学的異相領域を厚み方向に沿って複数形成することによりリタデーション値を大きくすることも考えられる。しかしながら、その場合は、平面視において同じ場所にレーザーを繰り返し合焦させる必要がある。よって、ガラス材が割れやすい。従って、リタデーション値の大きな光学素子を製造することは困難である。
【００４４】
一方、本実施形態では、自己集束効果によってフィラメント領域が生じる条件でレーザー光を照射することにより、横断面が細長形状である光学的異相領域１１を形成することができる。よって、平面視において同じ場所にレーザーを繰り返し合焦させる必要が必ずしもない。よって、製造工程においてガラス材１０が割れにくい。従って、リタデーション値の大きな光学素子１を容易に製造することができる。
【００４５】
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００４６】
（第２及び第３の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る光学素子１ａの模式的斜視図である。図４は、第３の実施形態に係る光学素子１ｂの模式的斜視図である。
【００４７】
第１の実施形態に係る光学素子１では、ガラス材１０がひとつの複屈折層１２を有する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、光学素子１ａ、１ｂのように、ガラス材１０は、複数の複屈折層１２ａ、１２ｂを有していてもよい。
【００４８】
図３に示される光学素子１ａでは、複屈折層１２ａを構成している光学的異相領域１１と、複屈折層１２ｂを構成している光学的異相領域１１との両方がｙ軸方向に沿って延びており、ｘ軸方向に沿って配列されている。この場合、例えば、ｘ軸方向に沿ったリタデーション値をより大きくすることができる。光学素子１ａが複屈折板である場合には、ｘ−ｚ断面における常光線と異常光線との分離角を大きくすることができる。
【００４９】
一方、図４に示される光学素子１ｂでは、複屈折層１２ａを構成している光学的異相領域１１がｙ軸方向に沿って延びており、ｘ軸方向に沿って配列されている。複屈折層１２ｂを構成している光学的異相領域１１がｘ軸方向に沿って延びており、ｙ軸方向に沿って配列されている。複屈折層１２ａを構成している光学的異相領域１１の延びる方向と、複屈折層１２ｂを構成している光学的異相領域１１の延びる方向とが傾斜（具体的には直交）している。このため、光学素子１ｂが複屈折板である場合には、ｘ軸方向とｙ軸方向との両方において常光線と異常光線とを分離させることができる。
【００５０】
このように、光学的異相領域１１により構成された複屈折層を厚み方向に沿って複数設けることにより、光学素子の特性を向上できたり、光学素子に新たな特性を付与できたりする。
【００５１】
（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態に係る光学素子１ｃの模式的平面図である。なお、図５において、ハッチングを附した領域は、光学的異相領域１１を示している。ハッチングを附した領域は断面を示していない。
【００５２】
図５に示されるように、光学素子１ｃでは、平面視において（ｚ軸方向から視た際に）、光学的異相領域１１が市松模様状に設けられている。平面視において、複数の光学的異相領域１１は、一の方向（具体的にはｘ軸方向）と他の方向（具体的にはｙ軸方向）とのそれぞれにおいて、光学的異相領域（図５においてハッチングが附された領域）１１と、光学的異相領域１１ではない領域（図５においてハッチングが附されていない領域）とが交互に位置するようにマトリクス状に設けられている。このため、光学素子１ｃが複屈折層１２をひとつのみ有するにも関わらず、光学素子１ｃによればｘ軸方向とｙ軸方向との両方において常光線と異常光線とを分離させることができる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図６は、第５の実施形態に係る光学素子１ｄの模式的側面図である。
【００５４】
図６に示されるように、光学素子１ｄでは、ガラス材１０は、第１の主面１０ａ側に位置するガラス層１３ａと、第２の主面１０ｂ側に位置するガラス層１３ｂとを有する。ガラス層１３ａとガラス層１３ｂとは、それぞれ複屈折層１２よりも外側に位置している。ガラス層１３ａ、１３ｂのそれぞれでは、形状異方性を有する金属粒子が配向して分散している。このため、ガラス層１３ａ、１３ｂは、それぞれ偏光機能を有する。
【００５５】
光学素子１ｄによれば、例えば、偏光機能と、常光線と異常光線とに分離する機能との両方を実現することができる。
【００５６】
（第６の実施形態）
図７は、第６の実施形態に係る光学素子１ｅの模式的側面図である。
【００５７】
図７に示されるように、光学素子１ｅは、２つのガラス材１０Ａ，１０Ｂを有する。ガラス材１０Ａは、光学的異相領域１１により構成された複屈折層１２ａを有する。また、ガラス材１０Ａにおいて、複屈折層１２ａの一方側には、形状異方性を有する金属粒子が配向して分散したがガラス層１３ａを有する。このガラス層１３ａによりガラス材１０Ａの一方側の主面１０ａが構成されている。
【００５８】
ガラス材１０Ｂは、光学的異相領域１１により構成された複屈折層１２ｂを有する。また、ガラス材１０Ｂにおいて、複屈折層１２ｂの一方側には、形状異方性を有する金属粒子が配向して分散したがガラス層１３ｂを有する。このガラス層１３ｂによりガラス材１０Ｂの一方側の主面１０ｂが構成されている。
【００５９】
ガラス材１０Ａのガラス層１３ａが設けられていない側の主面と、ガラス材１０Ｂのガラス層１３ｂが設けられていない側の主面とは接合されている。これにより、ガラス材１０Ａとガラス材１０Ｂとが一体化されている。
【００６０】
ガラス層１３ａ、１３ｂは、それぞれ偏光層である。ガラス層１３ａの偏光方向とガラス層１３ｂの偏光方向とは４５°異なる。
【００６１】
複屈折層１２ａと、複屈折層１２ｂとは、それぞれ、偏光方向を２２．５°回転させる。このため、ガラス層１３ａを透過した直線偏光Ｌ１は、複屈折層１２ａ、１２ｂにより４５°回転する。このため、直線偏光Ｌ１は、光学素子１ｅを通過する。光学素子１ｅを通過し、偏光方向を変化させずに反射する反射板２０で反射した反射光Ｌ２は、複屈折層１２ａ、１２ｂにより４５°回転する。このため、反射光Ｌ２は、ガラス層１３ａを透過しない。このような一方向にのみ直線偏光を透過させる光学素子１ｅは、例えばレーザー光源を保護するための光アイソレーター等に有効である。
【００６２】
また、複屈折層１２ａ、１２ｂを設けることにより、光学素子１ｅの消光比を調整することができる。複屈折層１２ａ、１２ｂを設けることにより、光学素子１ｅに波長選択性を付与し得る。
【符号の説明】
【００６３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ…光学素子
１０、１０Ａ、１０Ｂ…ガラス材
１０ａ…第１の主面
１０ｂ…第２の主面
１１…光学的異相領域
１２、１２ａ、１２ｂ…複屈折層
１３ａ、１３ｂ…ガラス層
２０…反射板
【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】
2015014740.tif 000008
【図７】
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