(57)【要約】  本発明は、透明基板内部に所望の光学デバイスを簡便に製作することができる技術を提供することを目的とする。本発明に係る光学デバイスは、透明基板内部の中空構造の近傍を変性させて前記中空構造の形状を変形させることにより製造されている（図２参照）。
2016194032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板を用いて光学デバイスを製造する方法であって、
前記透明基板に対して第１レーザ光を照射することにより前記透明基板の内部に中空構造を生成する第１ステップ、
前記中空構造の近傍に第２レーザ光を照射して被照射部分の物理特性を変化させることにより前記中空構造の形状を変化させる第２ステップ、
を有することを特徴とする光学デバイス製造方法。
【請求項２】
前記第２ステップにおいては、前記第１レーザ光を照射している期間の少なくとも一部で、前記第２レーザ光を同時に照射する
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス製造方法。
【請求項３】
前記第２ステップにおいては、前記第２レーザ光を前記中空構造の近傍の第１場所に対して、および前記中空構造の近傍の前記第１場所とは異なる第２場所に対して照射することにより、前記中空構造の互いに異なる複数の箇所の形状を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス製造方法。
【請求項４】
前記第２ステップにおいては、前記第１場所に対して前記第２レーザ光を照射した後、前記第２場所に対して前記第２レーザ光を照射する
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス製造方法。
【請求項５】
前記第２ステップにおいては、前記第１場所に対して前記第２レーザ光を照射すると同時に、前記第２場所に対して前記第２レーザ光を照射する
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス製造方法。
【請求項６】
光を透過する透明基板、 
前記透明基板の内部に非線形光学効果により形成された非球形の中空構造部、
を備えることを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
前記中空構造部は、前記非線形光学効果を生じさせるレーザ照射軸を中心として非対称となる形状を有する
ことを特徴とする請求項６記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記中空構造部は、前記非線形光学効果を生じさせるレーザ照射軸と直行する軸を中心として非対称となる形状を有する
ことを特徴とする請求項６記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記中空構造部の少なくとも一部は球面であり、他の部分が非球面である
ことを特徴とする請求項６記載の光学デバイス。
【請求項１０】
光を透過する透明基板、
前記透明基板の内部に形成された中空構造部、
を備え、
前記透明基板の屈折率と前記中空構造部の屈折率は互いに異なり、
前記中空構造部は、
第１球面領域、
前記中空構造部と前記透明基板との間の境界から前記中空構造部の内部に向かって凹んだ凹形状を有する第２球面領域、
を有する
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項１１】
前記第１球面領域は、前記中空構造の内部から前記中空構造部と前記透明基板との間の境界に向かって突出する凸形状を有する
ことを特徴とする請求項１０記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記第１球面領域の曲率半径と前記第２球面領域の曲率半径は、互いに異なっている
ことを特徴とする請求項１０記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記第２球面領域は、略平面である
ことを特徴とする請求項１０記載の光学デバイス
【請求項１４】
前記中空構造部は、前記第１球面領域と前記第２球面領域との間に第３球面領域を有する
ことを特徴とする請求項１０記載の光学デバイス。
【請求項１５】
前記中空構造部は、凸レンズまたは凹レンズとして形成されている
ことを特徴とする請求項１０記載の光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的な機能を持つ系を構築する際、多くの場合には各種の光学的機能を持つ光学デバイスを配置し、それらの光学デバイスによって空間を伝搬する光を操作する、いわゆる空間光学系の形式をとる。これに対し近年、透明基板内部に各種の光学デバイスを形成することにより、光学的機能を持つ系を実現する技術が検討されている。【０００３】
透明基板内部に光学デバイスを形成する手法として、非線形光学効果による透明材料の屈折率変化を利用することができる。透明基板に対して短パルスレーザを照射すると、レーザ光の集光点において透明基板の化学的／物理的構造が変化し、材料の屈折率が変化する。この現象は非線形光学効果によって生じ、集光点においてのみ基板屈折率が変化する。したがって光学デバイスを基板内部の任意の位置に配置し、３次元的な光学系を形成できるので、光学系を小型化することができる。また１つの基板内部にデバイスが集積しているので、振動や汚れといった外乱に対して安定な光学系となるという利点もある。【０００４】
透明媒体の内部に空洞を作ることにより光学的な機能を実現する技術としては、下記特許文献１〜３に記載されているものが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ  ２００９１２２４０７  Ａ１
【特許文献２】特開２００７−０３４００４号公報
【特許文献３】特開２００３−１３１０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
短パルスレーザ照射による屈折率変化を利用して光学デバイスを形成する場合、屈折率の変化量が小さいことが課題となる。例えば光学デバイスの材料としてよく使用される石英ガラスの場合、短パルスレーザ照射による屈折率の変化量は、光照射条件にも大きく依存するが概ね１％未満である。このため空間光学系で使われる一部の光学デバイス、具体的にはレンズ等のように、界面における光屈折効果によって光学的機能を生じさせるデバイスは、製造が困難である。【０００７】
一方で小さな屈折率変化で機能を実現する方法として、周期的な構造による回折を利用する方法がある。例えば、同心円状の構造を作ることによりレンズの機能を実現することができる。しかしこの方法は、同心円状の構造をレーザ加工により形成しなければならないので、形成に時間を要する。また実用に適する回折効率を得るためには、多層構造を形成するなどの対策が必要となり、デバイス形成に要する時間はさらに長くなる。さらには単純な同心円構造を採用すると、焦点距離が波長に反比例するので色収差が大きくなってしまう。【０００８】
ガラスなどの透明基板に対してエッチングを施して界面を形成することにより、光学デバイスを製造することも考えられる。この場合、レーザ加工における屈折率差が小さい点についての課題は解消される。しかし界面は必ず基板の外部表面から形成しなければならない制約がある。またエッチング後の表面を滑らかにする処理が必要である。【０００９】
上記特許文献１記載の技術は、微細な略球形の空洞構造を連続的に配置することにより光学的機能を実現するものである。したがって、透明媒体内部に空洞構造を複数形成することが前提になっており、その個数などに応じて相応の加工時間が必要である。【００１０】
上記特許文献２記載の技術は、変性領域４の内部に偏平状の空洞５を複数不規則に形成することにより、光学的機能を実現するものである（要約参照）。したがってその光学的機能は、変性領域４の配置や空洞５の個数などに依拠し、加工プロセスが複雑となりあるいは相応の加工時間が必要であると考えられる。【００１１】
上記特許文献３においては、導波路の変曲点に気泡（空洞）を形成し、これを反射ミラーとして利用している。この構成においては、気泡と導波路の接点が重要であるため、気泡の形状としては平板形状が前提となっている。したがって、空洞の形状を制御することにより様々な光学的機能を付与することについては明確に言及されていない。【００１２】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、透明基板内部に所望の光学デバイスを簡便に製作することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光学デバイスは、透明基板内部の中空構造の近傍を変性させて前記中空構造の形状を変形させることにより製造されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、透明基板内部に光学デバイスを短時間かつ容易に製造することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光学系の種類の違いを説明する図である。
【図２】実施形態１に係る光学デバイスとその製造方法を説明する概念図である。
【図３】実施形態１に係る光学デバイス製造装置１００の構成例を示す図である。
【図４】光学デバイス製造装置１００の動作を説明するタイムチャートである。
【図５】中空構造２１の顕微鏡写真である。短パルスレーザとしてはチタンサファイアレーザを使用した。
【図６】ＬＡＳＥＲ２の照射位置を図５と比較してＬＡＳＥＲ１の照射位置に近付けた場合の顕微鏡写真である。
【図７】実施形態２に係る光学デバイス製造装置１００の別の構成例を示す図である。
【図８】実施形態２における光学デバイス製造装置１００の動作を説明するタイムチャートである。
【図９】実施形態２において光学デバイスを製造する手順を説明するフローチャートである。
【図１０】実施形態１〜２に係る光学デバイス製造方法によって形成される中空構造２１の形状例を示す図である。
【図１１】図１０（ａ）に示す中空構造２１の光学応答を示す図である。
【図１２】図１０（ｂ）に示す中空構造２１の光学応答を示す図である。
【図１３】中空構造２１によって凹面ミラーを形成した例を示す。
【図１４】図１０（ｂ）の光デバイスを用いる光学系の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜従来の光学デバイスについて＞
以下では本発明の理解を容易にするため、始めに従来の光学デバイスおよびその製造方法について説明し、その後に本発明に係る光学デバイスおよびその製造方法について説明する。
【００１７】
図１は、光学系の種類の違いを説明する図である。図１（ａ）は空間光学系の構成例を示し、図１（ｂ）は透明基板内部に形成した光学系の例を示す。空間光学系においては多くの場合、固定器具を用いて光学デバイスを土台に固定し構築する。光源１２から出た光は、空気中を伝搬して測定対象１１に到達する過程において、ビームスプリッタ１３、ミラー１４、レンズ１５などによって操作され、検出器１６によって検出される。一方で透明基板内部に形成した光学系においては、透明基板内部に光学デバイスが集積され、基板内部に形成された導波路１７が光を伝搬する。
【００１８】
透明基板内部に光学デバイスを形成する具体例としては、例えば以下のようなものがある：（ａ）線状に変性領域を設けることにより導波路を製造する。（ｂ）同心円状の構造を形成することにより回折型レンズを形成する。（ｃ）透明基板の内部に空気等との界面を形成し、その界面における光の屈折／反射を利用する。例えば感光性ガラスのエッチングによりミラーを形成する。（ｄ）ブラッググレーティングとマイクロ流路を組みあわせ、液体の屈折率を測定するデバイスを製造する。
【００１９】
透明基板内に空洞を複数形成する手法や、エッチングにより界面を形成する手法は、上述のような課題がある。そこで本発明は、透明基板内部に形成する空洞の形状を変化させることにより、当該空洞に対して所望の光学的機能を付与する。
【００２０】
＜実施の形態１＞
本発明の実施形態１に係る光学デバイスの製造方法は、（ａ）パルス幅が１ｎｓ以下である短パルスレーザによって透明基板内部に中空構造を形成し、（ｂ）中空構造の界面形状を制御する別レーザの空間的パターンに応じて中空構造の界面形状を変形させる。これにより、任意の形状を持つ中空構造を有する光学デバイスを製造する。石英ガラス等の透明材料に対して繰り返し周波数が１ＭＨｚを超える高繰り返しパルスレーザを照射することにより、中空構造が生じることが知られている。上記の方法で形成される中空構造は、照射条件を調整すると球形状を取る。
【００２１】
図２は、本実施形態１に係る光学デバイスとその製造方法を説明する概念図である。ＬＡＳＥＲ１は、透明基板２０の内部に中空構造を形成するためのレーザ光である。ＬＡＳＥＲ２は、透明基板２０内部の物理特性を変性させるためのレーザ光である。対物レンズＬＥＮＳは、これらレーザ光を透明基板２０内部に集光するように配置されている。
【００２２】
まずＬＡＳＥＲ１により、中空構造２１が透明基板２０内部に形成される。次にＬＡＳＥＲ２により、透明基板２０内部の中空構造２１とは別の箇所に変性領域２２を形成する。変性領域２２に押されるようにして、中空構造２１が変形する。ここで言う変性領域とは、ＬＡＳＥＲ２の照射によって透明基板２０の化学的／物理的特性が変化した領域を言う。変化の種類は透明基板２０の材料種類とレーザ光の照射条件に依存するが、例えば材料が一度溶解した領域である。この変性領域はレーザ照射後に残留しないことが望ましいが、光学的影響が小さい場合は残留してもよい。当初球形であった中空構造は、ＬＡＳＥＲ２を照射することによって変形され、所望の形状に成型される。
【００２３】
図２においてはＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２を分離して表現しているが、ＬＡＳＥＲ２はＬＡＳＥＲ１から分岐したレーザ光であってもよい。また、ＬＡＳＥＲ２はＬＡＳＥＲ１から分離されている必要は必ずしもなく、同一のレーザ光が別々のタイミングで照射される場合に始めの一回の照射をＬＡＳＥＲ１として用い、残りをＬＡＳＥＲ２として用いてもよい。ＬＡＳＥＲ２はＬＡＳＥＲ１とほぼ同時に照射してもよいし、ＬＡＳＥＲ１の照射後にＬＡＳＥＲ２を照射してもよい。中空構造の形状制御は１回のレーザ照射で実施する必要はなく、ＬＡＳＥＲ２を複数回照射することによって段階的に形状制御してもよい。ＬＡＳＥＲ２の空間的パターンを空間光変調器などによって変化させ、例えば複数個の光スポットにより形状制御を実施してもよい。
【００２４】
本実施形態１における光学デバイスの製造方法は、非線形光学効果による３次元加工を利用するものであるため、上記透明基板２０によるレーザ光の線形吸収は十分に小さくなければならない。中空構造を形成するレーザ光の波長において、透明基板２０の材料の吸収係数は１ｃｍ−１以下であることが望ましい。
【００２５】
本実施形態１における中空構造２１を利用した光学デバイスは、基本的に透明基板２０と中空部分との間の界面における光の反射もしくは屈折によって機能する。特に上記現象を利用して光の伝搬方向や強度分布などの空間的パターンを変化させる光学デバイスとして機能する。したがって、中空構造２１の界面形状によりそのデバイスの機能が決定される。特に重要な形状は、球面と略平面（曲率半径が非常に大きい球面として実現される）である。球面形状は、屈折／反射した光に対してレンズとして機能する。光学デバイスの形状は、１つの球面や１つの略平面のみを有するものに限られるものではない。例えば１以上の球面と略平面を組み合わせてもよいし、略平面の集合として実現される任意形状でもよい。
【００２６】
図３は、本実施形態１に係る光学デバイス製造装置１００の構成例を示す図である。ここでは、ＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２が同一のビームである構成例を示した。光学デバイス製造装置１００は、加工光学系（１０２〜１０６）と制御装置１０１を備える。短パルスレーザ１０２は、レーザ光１０３を出射する。光シャッタ１０４は、レーザ光１０３の照射時間を調整する。アッテネータ１０５は、レーザ光１０３のパワーを調整する。対物レンズ１０６は、レーザ光１０３を透明基板２０内部に集光する。自動ステージ１０７は、透明基板２０の位置を制御する。
【００２７】
図４は、光学デバイス製造装置１００の動作を説明するタイムチャートである。自動ステージ１０７は、中空構造２１を形成する位置にＬＡＳＥＲ１が照射されるように透明基板２０を移動させる。次に光シャッタ１０４が開いてＬＡＳＥＲ１が照射され、中空構造２１が形成される。次に自動ステージ１０７は透明基板２０の位置を移動させるが、この際同時にアッテネータ１０５の光パワー減衰率を変更してもよい。透明基板２０の位置を移動させた後、再度光シャッタ１０４が開いてＬＡＳＥＲ２が照射される。ＬＡＳＥＲ２により変性領域２２が形成され、中空構造２１の形状が変化する。
【００２８】
図５は、中空構造２１の顕微鏡写真である。短パルスレーザとしてはチタンサファイアレーザを使用した。射出されるレーザ光のパルスエネルギーは２４ｎＪ、パルスの繰り返し周波数は７６ＭＨｚである。透明基板２０としては石英ガラスを使用した。図５に示す例において、アッテネータ１０５による減衰率は一定であり、同一パワーのレーザ光を２回それぞれＬＡＳＥＲ１およびＬＡＳＥＲ２として照射することにより、中空構造２１ａを形成した後に変性領域２２によって中空構造２１ａの形状を制御した。ＬＡＳＲＥ１とＬＡＳＥＲ２ともに照射時間は１００ｍｓである。
【００２９】
図５（ａ）は、ＬＡＳＥＲ１を照射することによって中空構造２１ａを形成した状態を示す。図５（ｂ）は、その後にＬＡＳＥＲ２によって中空構造２１ａの形状を制御した状態を示す。図５から明らかなように、形状を制御しない状態においては球形であった中空構造２１ａが、ＬＡＳＥＲ２の照射によって形成された変性領域２２により半球型に成型されている。なお上記のような照射条件の場合、変性領域２２は、レーザ照射によって透明基板２０内部に熱が蓄積して基板媒材料が溶解した領域であると言われている。
【００３０】
図５に示す例においては、ＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２それぞれの照射条件を同等としたので、ＬＡＳＥＲ２の照射によって中空構造２１ｂが形成されている。中空構造２１ａを光学デバイスとして使用する際に、中空構造２１ｂが邪魔になる場合がある。そのような場合には、本発明の延長で中空構造２１ｂを消去することもできる。
【００３１】
図６は、ＬＡＳＥＲ２の照射位置を図５と比較してＬＡＳＥＲ１の照射位置に近付けた場合の顕微鏡写真である。図６においては、ＬＡＳＥＲ１によって形成された中空構造２１ａが完全に消滅していることが分かる。この方法により、不必要な中空構造を順次消去して別の位置に移し、他の光学機能を阻害しない位置に配置することができる。
【００３２】
図５に示す例においては、ＬＡＳＥＲ２によって基板材料が溶解して生じた変性領域２２が残留していることが分かる。変性領域２２は屈折率が非加工領域と比較して若干変化しているが、変化量は小さく光学応答への影響は少ない。少量の屈折率変化であっても光学応答に対する影響が問題となる場合は、導波路を用いて変性領域２２の内部まで光を導いくことにより、変性領域２２の界面による光学応答に対する影響を緩和できる。
【００３３】
図５〜図６で説明した例においては、変性領域２２を生成する際に中空構造２１ｂが生成されているが、中空構造２１ｂが生じないようにＬＡＳＥＲ２のパラメータを調整した上で照射することにより変性領域２２のみを生成するようにしてもよい。
【００３４】
本実施形態１で説明した光学デバイスの製造方法が持つ利点について以下に説明する。透明基板２０内部に３次元的な光学系を形成する場合、他の光学デバイスに対して影響を与えないよう、形成した光学デバイスの周辺は変化しないままであることが好ましい。フェムト秒レーザによる空洞形成は、光の非線形吸収効果を利用するため光の焦点付近以外では変化が生じない。このためエッチング等によって外側から透明基板２０を削る方法と比較して、透明基板２０の他の場所対して影響を与えにくい。また非線形吸収効果を利用しているので、透明基板２０内部の任意の位置に光学デバイスを形成することができる。
【００３５】
光学デバイスとしてレンズを形成する例を考える。レーザ照射による屈折率変化によりフレネルレンズを形成するためには、レーザスポットを同心円状に何度も走査する必要がある。これに対し本実施形態１に係る光学デバイスの製造方法は、中空構造２１の形成とその形状制御のための数回のレーザ照射によって光学デバイスの形成が完了する。したがって、短時間に光学デバイスを製造することができる。
【００３６】
＜実施の形態２＞
図７は、本発明の実施形態２に係る光学デバイス製造装置１００の別の構成例を示す図である。本構成例においては、ＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２を個別に制御することにより、図３と比較して制御自由度を増加させている。
【００３７】
短パルスレーザ１０２は、レーザ光１０３を出射する。光分岐装置１０８は、レーザ光１０３を実線で示されたレーザ光（ＬＡＳＥＲ１）と破線で示されたレーザ光（ＬＡＳＥＲ２）とに分岐する。ここでは単一のレーザ光を分岐することによってＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２を生成しているが、異なる２つのレーザから射出されたレーザ光を用いてもよい。光分岐装置１０８によって分岐された後、光シャッタ１０４はＬＡＳＥＲ１の照射時間を調整する。アッテネータ１０５は、ＬＡＳＥＲ１のパワーを調整する。ミラー１０９は、ＬＡＳＥＲ２を反射する。光シャッタ１１０は、ＬＡＳＥＲ２の照射時間を調整する。アッテネータ１１１は、ＬＡＳＥＲ２のパワーを調整する。照射タイミング制御装置１１２は、ＬＡＳＥＲ２のパルスと比較した照射タイミングを制御する。ＬＡＳＥＲ２の照射タイミングの調整は光シャッタ１１０によって実施してもよいが、ＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２の照射タイミング差が小さいときは照射タイミング制御装置１１２として例えば光学距離を調整するディレイラインを用いることが望ましい。空間パターン制御装置１１３は、透明基板２０に対して所望の光パターンを形成するようＬＡＳＥＲ２を変調する。空間パターン制御装置１１３としては、例えば空間光変調器を用いればよい。ミラー１１４は、ＬＡＳＥＲ２を反射する。合波装置１１５は、ＬＡＳＥＲ１とＬＡＳＥＲ２が同一方向に進むように合波する（照射位置を同軸上に調整する）。対物レンズ１０６は、合波された各レーザ光を透明基板２０内部に対して集光する。
【００３８】
図８は、本実施形態２における光学デバイス製造装置１００の動作を説明するタイムチャートである。自動ステージ１０７は、中空構造２１を形成する位置にＬＡＳＥＲ１が照射されるように透明基板２０を配置する。次に光シャッタ１０４が開きＬＡＳＥＲ１が照射され、中空構造２１が形成される。次に光シャッタ１１０が開き、ＬＡＳＥＲ２が照射される。図８においてはＬＡＳＥＲ１を照射した後にＬＡＳＥＲ２を照射しているが、この２つのレーザ光は同時（または略同時）に照射してもよい。ＬＡＳＥＲ２のビーム形状は空間パターン制御装置１１３によって成型されており、その形状に応じた変性領域２２が形成される。変性領域２２によって中空構造２１の形状が変化する。図８においてはＬＡＳＥＲ２を１回のみ照射しているが、ＬＡＳＥＲ２の空間的パターンを変化させながら複数回照射することにより複数の変性領域２２を形成してもよい。
【００３９】
図９は、本実施形態２において光学デバイスを製造する手順を説明するフローチャートである。まず透明基板２０を移動させ、光学デバイスを形成したい位置にレーザ光の焦点がくるように配置する（Ｓ１１）。次にＬＡＳＥＲ１を照射し、中空構造２１を透明基板２０内部に形成する（Ｓ１２）。次に、最終的に形成したい中空構造２１の形状に合わせＬＡＳＥＲ２の空間的パターンを決定する（Ｓ１３）。ＬＡＳＥＲ２を複数回照射する場合は、その照射手順もＳ１３において決定する。次にＬＡＳＥＲ２を照射する空間的パターンを空間パターン制御装置１１３に対して入力する（Ｓ１４）。その後、光シャッタ１１０を開けＬＡＳＥＲ２を照射する（Ｓ１５）。照射によって中空構造２１が目的の形状となった場合は動作を終了し、目的の形状に到達していない場合はＳ１４〜Ｓ１５を繰り返す（Ｓ１６）。
【００４０】
＜実施の形態３＞
図１０は、実施形態１〜２に係る光学デバイス製造方法によって形成される中空構造２１の形状例を示す図である。図１０（ａ）は、凸球面と略平面で構成された中空構造２１の例である。図１０（ａ）に示す中空構造２１をさらに成型することにより、図１０（ｂ）に示すように、略平面／凹球面／凸球面でかこまれた中空構造２１が形成される。あるいは図１０（ｃ）のように、凹凸球面で囲まれた中空構造２１を形成することもできる。図１０（ｄ）は、図１０（ａ）に示す中空構造２１の右面をさらに加工して複数個（図１０においては２個）の凹球面を形成した例である。中空構造２１および各球面部分は、図１０に示すものとは異なる向きに形成してもよい。中空構造２１の形状は図１０に示すものに限られず、用途によって他の形状をとってもよい。
【００４１】
図１１は、図１０（ａ）に示す中空構造２１の光学応答を示す図である。図１１（ａ）は、比較のため一般的なレンズの光学応答を示す。凸面と略平面を有する透明材料によって形成した一般的なレンズは凸レンズとして機能し、例えば平行光（ｌｉｇｈｔ）を集光する機能を有する。これに対し本発明に係る中空構造２１を利用した光デバイスは、透明材料３０によって形成された同一の形状を持つ一般的な光デバイスと比較して屈折率が反転しているので、異なる機能をもつ。例えば図１１に示す例においては、平行光を拡散させるいわゆる凹レンズとして機能する。
【００４２】
図１２は、図１０（ｂ）に示す中空構造２１の光学応答を示す図である。図１２に示すように、この中空構造２１は平行光（ｌｉｇｈｔ）を集光するいわゆる凸レンズとして機能する。
【００４３】
図１１〜図１２に例示したような中空構造２１を利用したレンズは、透明基板２０によって入射光が分散しなければ、光の波長によらず同じ光学応答を示す。したがって基板材料として分散の小さいものを選んでおくことにより、色収差が小さいレンズを実現することができる。
【００４４】
本発明に係る光学デバイス製造方法によれば、基板界面における全反射を利用した反射型デバイスを形成することもできる。一例として、透明基板２０が石英ガラスであると仮定すると、その屈折率は１．４６程度である。中空構造２１の屈折率を１とすると、全反射臨界角は約４３°である。入射光が界面に対し常にこの臨界角を上回るような構成とする場合、原理的には効率１００％の光デバイスを実現することができる。
【００４５】
図１３は、中空構造２１によって凹面ミラーを形成した例を示す。図１３に示す例においては、入射する平行光（ｌｉｇｈｔ）に対して斜めに傾いた凹面が形成されている。この凹面は入射光に対し界面が常に臨界角を上回る角度となるよう構成されており、界面において光が反射される。界面が凹面であることにより、入射した平行光はある点に集光される。このようなデバイスは、例えば入射光を入射方向とは異なる方向に伸びる導波路へ結合する際に利用できる。入射光に対する界面の角度が臨界角を下回るとデバイスとしての効率が低下するが、効率の低下が問題とならない用途であれば反射型デバイスとして使用してもよい。入射光の一部が透過することを利用し、ビームスプリッタなどのデバイスとして利用することもできる。
【００４６】
界面における全反射による光線の方向変化以外の効果を利用した光デバイスを形成することもできる。例えば空洞構造を複数個設けることにより、フレネルロム状の構造を形成した場合、フレネルロムと同様の広帯域な波長板を形成することができる。
【００４７】
図１４は、図１０（ｂ）の光デバイスを用いる光学系の構成例を示す図である。図１４において、光源から導波路２３へ光を結合する際に、図１０（ｂ）のレンズを使用している。例えば発散する光が光源から射出される場合、これらを集めて導波路２３へ結合する必要がある。光源が複数個の波長を含んでいると仮定し、それらの光を伝搬させることができる導波路２３に対して光を結合する場合を考える。この場合レンズの色収差は極力少ないほうが望ましい。本発明に係る製造方法により形成したレンズは、基板材料の分散が小さければ色収差が抑えられるので、このような用途における使用に適する。
【００４８】
＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
【００４９】
以上の実施形態において、単一の中空構造２１の形状を制御することにより光学的機能を実現することを説明した。中空構造２１のサイズは、当該光デバイスに対して入射される光の波長より十分に（望ましくは１０倍以上）大きいことが望ましい。
【００５０】
以上の実施形態においては、レーザ光の照射軸に対して直交する平面上にそれぞれ中空構造２１と変性領域２２を形成する例を説明したが、照射軸に沿った方向において互いに異なる位置にこれらを形成してもよい。これにより、照射軸に沿った方向において中空構造２１の形状を調整することができる。
【符号の説明】
【００５１】
２０：透明基板、２１：中空構造、２２：変性領域、１００：光学デバイス製造装置、１０１：制御装置、１０２：短パルスレーザ、１０３：レーザ光、１０４：光シャッタ、１０５：アッテネータ、１０６：対物レンズ、１０７：自動ステージ、１０８：光分岐装置、１０９：ミラー、１１０：光シャッタ、１１１：アッテネータ、１１２：照射タイミング制御装置、１１３：空間パターン制御装置、１１４：ミラー、１１５：合波装置。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年3月6日(2017.3.6)
【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】
光を透過する透明基板、
前記透明基板の内部に形成された中空構造部、
を備え、
前記透明基板の屈折率と前記中空構造部の屈折率は互いに異なり、
前記中空構造部は、
第１球面領域、
前記中空構造部と前記透明基板との間の境界から前記中空構造部の内部に向かって凹んだ凹形状を有する第２球面領域、
を有する
ことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記第１球面領域は、前記中空構造部の内部から前記中空構造部と前記透明基板との間の境界に向かって突出する凸形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記第１球面領域の曲率半径と前記第２球面領域の曲率半径は、互いに異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記第２球面領域は、略平面である
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記中空構造部は、前記第１球面領域と前記第２球面領域との間に第３球面領域を有する
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記中空構造部は、凸レンズまたは凹レンズとして形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
【国際調査報告】
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