(57)【要約】【課題】サブ波長複屈折光学素子であって、光学素子面内で直交する偏光成分間の位相差が変化するようにすることが可能な光学素子を提供する。【解決手段】波長以下のスケールの、局所的にみてほぼ周期的な凹凸構造によって生じる構造性複屈折効果を用いて、入射光の偏光方向による位相差を制御する光学素子であって、前記凹凸構造の高さ又は深さが素子の面内において一様でないことを特徴とする光学素子。【選択図】  図２
2008014993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長以下のスケールの、局所的にみてほぼ周期的な凹凸構造によって生じる構造性複屈折効果を用いて、入射光の偏光方向による位相差を制御する光学素子であって、前記凹凸構造の高さ又は深さが素子の面内において一様でないことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記周期的な凹凸構造のピッチ又はデューティ比が面内で変化することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光学素子と波長板を組み合わせたことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
以下の工程を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
（１）使用する光に対して透明な基板を用意し、前記基板上にドライエッチングマスク材を形成する工程
（２）前記ドライエッチングマスク材の上にレジストを塗布する工程
（３）フォトリソグラフィにより、露光部と非露光部の幅の合計であるピッチ、又は露光部と非露光部の幅の比が変化したパターンを前記レジスト上に露光し、その後前記レジストを現像する工程
（４）残った前記レジストをマスクとして前記ドライエッチングマスク材をエッチングする工程
（５）残った前記ドライエッチングマスク材をエッチングマスクとして前記基板をドライエッチングする工程
（６）残った前記レジストと前記ドライエッチングマスクを除去し、前記基板からなる光学素子を形成する工程
【請求項５】
以下の工程を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
（１）基板を用意し、前記基板上にドライエッチングマスク材を形成する工程
（２）前記ドライエッチングマスク材の上にレジストを塗布する工程
（３）フォトリソグラフィにより、露光部と非露光部の幅の合計であるピッチ、又は露光部と非露光部の幅の比が変化したパターンを前記レジスト上に露光し、その後前記レジストを現像する工程
（４）残った前記レジストをマスクとして前記ドライエッチングマスク材をエッチングする工程
（５）残った前記ドライエッチングマスク材をエッチングマスクとして前記基板をドライエッチングする工程
（６）残った前記レジストと前記ドライエッチングマスクを除去する工程
（７）前記基板の表面を型として、使用する光に対して透明な樹脂を型取りし、前記透明な樹脂からなる光学素子を形成する工程
【請求項６】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項の光学素子を用いたことを特徴とするレクティファイア。
【請求項７】
請求項６に記載のレクティファイアを有することを特徴とする偏光顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学素子の製造方法、レクティファイア、及び偏光顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直交する偏光成分間に特定の位相差を与える位相板・波長板は古くから偏光状態を変換する目的などに利用されている。例えば1/4波長板を用いれば、円偏光と直線偏光の変換を行うことができ、1/2波長板を用いれば直線偏光の偏光方向を任意の軸に対して反転させることができる。
【０００３】
これらの波長板は、従来は水晶などの複屈折材料により作成されていたが、近年、サブ波長構造によってこれらを構成しようという検討がなされている。サブ波長構造を用いた位相板は、波長以下のサイズの1次元周期構造を作成することにより、構造性複屈折による異方性を利用するものである。サブ波長構造による素子は、複屈折材料を使ったものと比べて、加工可能な任意の材料を使用できる、また、パターンの向きを面内で自由に配置可能であるといった優れた特徴を有している。
【０００４】
このような特性を用いれば、面内で入射位置により異なる偏光状態にあるような入射光に対して補正を行って、出射偏光状態を均一にすることが可能となる。あるいは逆に均一な入射偏光に位置ごとに異なる偏光を与えることもできる。
【０００５】
例えば、偏光顕微鏡においては、照明光を偏光子に通して直線偏光にして物体を照明する。このような偏光顕微鏡の模式図を図1に示す。入射光を偏光子１により直線偏光に変換し、コンデンサレンズ２を介して被検体３を照明する。被検体３からの射出光を、対物レンズ４、５を介して拡大結像させて観察するが、その際、対物レンズ４と対物レンズ５の間に検光子６を配置し、入射方向と直交する偏光成分のみの光を取り出すことにより、物体において偏光方向が変化した成分のみを取り出すことが可能であり、物体による偏光状態の変化を明暗として観察することができる。
【０００６】
しかしながら、顕微鏡のレンズを入射光や反射光が透過する際にもある程度偏光状態は変化してしまう。これは主としてレンズ表面での屈折時に生じる効果であり、例えば反射防止膜のついたレンズを透過する際には直線偏光は楕円偏光になってしまう。レンズにより生じた入射光に直交する偏光成分は検出の際のバックグラウンドノイズとなってしまうため、高精度測定の際には、レクティファイア７を設けることによりこれを補正する。（本明細書及び特許請求の範囲で「レクティファイア」というのは、このように偏光状態の変化を補正して元に戻す機能を有する光学素子のことである）。
【０００７】
偏光変化の度合いは対物レンズの瞳を通過する位置に依存するため、レクティファイアを光学系の開口絞り位置近辺に置くことにより、偏光状態を補正することができる。ここで、レクティファイア中での入射位置により偏光状態が異なるため、位置により任意の異なる補正がかけられる素子をレクティファイアとして使用することが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一枚のレクティファイア素子で任意の偏光状態の変換を行うことは困難である。大面積のレクティファイア素子を作成する場合、リソグラフィによりパターンを作成した後、エッチングにより溝構造を作成するというのが通常の方法である。しかし、この方法を用いて面内で変化させられるのは、パターンの向きのみであり、入射偏光方向により与えられる位相差を素子内での位置により変えたいという場合には対応は困難である。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、サブ波長複屈折光学素子であって、光学素子面内で直交する偏光成分間の位相差が変化するようにすることが可能な光学素子とその製造方法、およびそれを用いたレクティファイア、さらにはこのレクティファイアを用いた偏光顕微鏡を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための第１の手段は、波長以下のスケールの、局所的にみてほぼ周期的な凹凸構造によって生じる構造性複屈折効果を用いて、入射光の偏光方向による位相差を制御する光学素子であって、前記凹凸構造の高さ又は深さが素子の面内において一様でないことを特徴とする光学素子である。
【００１１】
「局所的に見てほぼ周期的」とは、光学素子全体としてみれば周期のピッチが異なっているが、ある微小部分に着目してみれば、光学特性上、実質的に同一周期とみなせるような状態を言う。
【００１２】
「波長以下のスケールの、局所的にみてほぼ周期的な凹凸構造によって生じる構造性複屈折効果を用いて、入射光の偏光方向による位相差を制御する光学素子」そのものは公知のものであるが、本手段は、凹凸構造の高さ又は深さが素子の面内において一様でないことを特徴としている。後に詳しく説明するように、凹凸構造の高さ又は深さに応じて、構造性複屈折効果によって生じる、この光学素子を透過する光の直交する偏光成分間の位相差が変化する。よって、凹凸構造の高さが素子の面内において一様でないようにすることにより、直交する偏光成分間の位相差が変化するようにすることができる。
【００１３】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記周期的な凹凸構造のピッチ又はデューティ比が面内で変化することを特徴とするものである。
【００１４】
後に詳しく説明するように、周期的な凹凸構造のピッチ又はデューティ比が面内で変化するようにすることによって、前記第１の手段である光学素子を製造するとき、エッチンブプロセスを使用することにより、容易に、凹凸構造の高さ又は深さが素子の面内において一様でないようにすることができる。
【００１５】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、請求項１または請求項２に記載の光学素子と波長板を組み合わせたことを特徴とするものである。
【００１６】
本手段によれば、直交する偏光成分間の位相差を変化させることにより、偏光状態を変化させることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための第４の手段は、以下の工程を有することを特徴とする前記第２の手段である光学素子の製造方法である。
【００１８】
（１）使用する光に対して透明な基板を用意し、前記基板上にドライエッチングマスク材を形成する工程
（２）前記ドライエッチングマスク材の上にレジストを塗布する工程
（３）フォトリソグラフィにより、露光部と非露光部の幅の合計であるピッチ、又は露光部と非露光部の幅の比が変化したパターンを前記レジスト上に露光し、その後前記レジストを現像する工程
（４）残った前記レジストをマスクとして前記ドライエッチングマスク材をエッチングする工程
（５）残った前記ドライエッチングマスク材をエッチングマスクとして前記基板をドライエッチングする工程
（６）残った前記レジストと前記ドライエッチングマスクを除去し、前記基板からなる光学素子を形成する工程
【００１９】
前記課題を解決するための第５の手段は、以下の工程を有することを特徴とする前記第２の手段である光学素子の製造方法である。
【００２０】
（１）基板を用意し、前記基板上にドライエッチングマスク材を形成する工程
（２）前記ドライエッチングマスク材の上にレジストを塗布する工程
（３）フォトリソグラフィにより、露光部と非露光部の幅の合計であるピッチ、又は露光部と非露光部の幅の比が変化したパターンを前記レジスト上に露光し、その後前記レジストを現像する工程
（４）残った前記レジストをマスクとして前記ドライエッチングマスク材をエッチングする工程
（５）残った前記ドライエッチングマスク材をエッチングマスクとして前記基板をドライエッチングする工程
（６）残った前記レジストと前記ドライエッチングマスクを除去する工程
（７）前記基板の表面を型として、使用する光に対して透明な樹脂を型取りし、前記透明な樹脂からなる光学素子を形成する工程
【００２１】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかの光学素子を用いたことを特徴とするレクティファイアである。
【００２２】
本手段においては、入射偏光方向により決定される位相差を光学素子内での位置により変えたいという要望を満たすことができる。
【００２３】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段のレクティファイアを有することを特徴とする偏光顕微鏡である。
【００２４】
本手段においては、レンズによって生じる偏光変化を精密に打ち消すことができ、バックグラウンドの少ない装置とすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、サブ波長複屈折光学素子であって、光学素子面内で直交する偏光成分間の位相差が変化するようにすることが可能な光学素子とその製造方法、およびそれを用いたレクティファイア、さらにはこのレクティファイアを用いた偏光顕微鏡を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。本発明はサブ波長複屈折素子を用いて、素子面内で直交する偏光成分間での位相差が変化するようにすることを目的とする。この目的のためには、微小周期構造の高さ又は深さが位置によって変化するようにすれば、高さ又は深さの差に比例して与えられる位相差を面内で変化させることができる。これを実現するためには、例えば、素子をいくつかの小領域に分割し、他の部分をマスクしつつ何回かに分けてエッチングをする方法が考えられる。
【００２７】
しかし、この方法では領域の数、必要な高さの種類が増えると長いプロセスが必要となるうえに、各小領域の境界の扱いが困難となる。そこで、本実施の形態では、以下に述べるマイクロローディング効果を使用する。
【００２８】
基板上に、高いアスペクト比のサブ波長構造の素子を作成する場合、通常は以下のようなプロセスが使われる。まず、基板上にレジストを塗布し、リソグラフィによりレジスト上にパターンを作成する。その後、残ったレジストをエッチングマスクとしてドライエッチングにより基板上に深い溝や穴を掘り、パターンを作成する。作成したパターンをマスターとして、樹脂などにパターンを転写する場合もある。
【００２９】
このプロセスにおけるエッチングの際、いわゆるマイクロローディング効果という現象が知られている。これは、パターンのサイズにより、エッチングレートが変化し、パターンが大きい場合にはエッチングが早く進行して穴の深さが深くなり、パターンが小さい場合にはエッチングが遅く進行して穴の深さが浅くなるというものである。この効果により、素子面内に異なる大きさのパターンが混在している場合は、パターンの大小により、エッチングにより形成される穴の深さが変化する。これは反応の際に、反応物質の構造内への入り込みやすさがパターンにより変化することに起因するものと考えられる。
【００３０】
このようにしてエッチングされた基板を、樹脂等に転写したパターンの模式図を図２に示す。パターンピッチ（ｐ１）が小さい場所では、基板に形成された穴の深さが浅いため、そのパターンを樹脂等に転写した場合、山の高さ（ｈ１）が低くなり、パターンピッチ（ｐ２）が大きい場所では、基板に形成された穴の深さが深いため、そのパターンを樹脂等に転写した場合、山の高さ（ｈ２）が高くなっている。このようにして、レジストパターンのピッチを変えることにより、転写された樹脂を光学素子として用いる場合、凹凸構造の高さの差を場所により変えることができ、光路長の差ができるので、直交する偏光成分間に、凹凸構造の高さの差に比例した位相差を与えることができる。
【００３１】
すなわち、サブ波長構造において、少なくともパターンが波長よりも十分に小さい場合は、偏光方向による実効屈折率差は波長にほとんど依存しないことが知られている。したがって、面内に複数の大きさのパターンがあり、各パターンで高さ又は深さが異なるような素子があった場合、透過時に与えられる偏光方向による位相差は概ね深さ又は高さに比例して変化することになる。この効果を積極的に利用することにより、素子面内での異なる位置において異なる位相差を与えるような素子を得ることができる。
【００３２】
図２は、転写された樹脂を図示したものであるが、基板が透明である場合、基板そのものを光学素子として用いることもできる。この場合には、凹凸構造の深さの差が場所によって変わっていることにより光路長の差ができるので、直交する偏光成分間に、凹凸構造の深さの差に比例した位相差を与えることができる。図２は、１次元的な図示を行っているが、２次元的なパターンの変化を与えることができることは説明の必要が無いであろう。
【００３３】
以上の例においては、レジストパターンの露光部と非露光部の幅の比であるデューティ比を一定とし、これらの幅の和であるレジストパターンのピッチを変えていたが、レジストパターンのピッチを一定に保ち、そのデューティ比を変えることによっても、ドライエッチングにより形成される穴の深さを変えることができることは、マイクロローディング効果の原理から明らかであるので、このような方法を採用してもよい。しかしながら、その場合は、実効屈折率自体が大きく変化するため、マイクロローディングの効果をそのまま使うことは困難である。よって、デューティ比を保ったうえで構造のピッチを変えるレジストパターンのピッチを変えるようにした方が好ましい。
【００３４】
図３に、このようにして製作した光学素子の模式図を示す。図３における光学素子は、以上述べたようにして、基板をドライエッチングし、それを樹脂に転写して形成されたものであり、半径方向に２区分、円周方向に４区分、合計８区分され、各部分内においては凹凸構造の高さが同一であり、異なる区分間においては凹凸構造の高さが異なっている。これにより、入射光の内、互いに直角な方向の偏光成分を持つ光の間の位相差を、入射光の通過部分に応じて変化させることができる。
【００３５】
ところで、マイクロローディング効果を積極的に使用する場合、複数のパターンの高さを同時にコントロールすることになるが、高さが大きくなると微妙な条件により相対的な高さが変化し、この制御が困難になる傾向がある。そこで、この効果を用いる際はパターンの高さを必要最小限にして、通常の波長板と組み合わせて使うことが精度を出す上で有利である。この際、当然ながらサブ波長構造による波長板を使うこともできる。
【００３６】
その例として、このような光学素子を組み合わせて使用することができる。例示するように、このような光学素子１枚によって直線偏光に変更できる偏光の楕円率は５％程度であるが、複数枚を重ねて用いることにより、これ以上の楕円率の偏光も直線偏光に変更することもできる。
【００３７】
他の例として、このような光学素子と通常の偏光素子を組み合わせて使用することにより、楕円率を修正すると共に偏光の方向を修正することができる。図４に、本発明の実施の形態である光学素子と1/2波長板を組み合わせて使用した場合の修正の模式図を示す。楕円率を有し、偏光方向が傾いている入射光を、本発明の実施の形態である光学素子を通すことによって修正し、直線偏光とする。その後、1/2波長板を通すことにより、直線偏光の向きを目的の方向とする。
【００３８】
以上のような本発明の実施の形態である光学素子を、レクティファイアとして用いることが可能であることは明らかである。このようなレクティファイアにより、偏光の軸方向および直角な偏光成分の位相差を面内で一定の範囲内でコントロールすることが可能となり、従来よりも高精度なレクティファイアを作成することができる。又、このレクティファイアを用いた偏光顕微鏡の例は、図１と同じであるのでその説明を省略する。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
マイクロローディング効果を使用して、円柱状の２次元ピラー構造を作成した。プロセスは以下の通りである。まず表面に熱酸化によりSiＯ２膜を形成したSi基板を用意し、ＢＡＲＣ(bottom anti-reflection coating)およびレジストを塗布した。そのレジスト上にＫｒＦ露光装置を用いてパターンを作成し、現像した。続いて、レジストをマスクとしてＢＡＲＣおよびSiＯ２のエッチングを行い、ＢＡＲＣおよびSiＯ２上にパターンを彫り、残ったＢＡＲＣおよびSiＯ２をエッチングマスクとしてSi内に、深いドライエッチングを行った。その後、これをマスターとして、紫外線硬化樹脂に作成したパターンを転写し、樹脂の表面に凹凸構造が形成された光学素子を得た。
【００４０】
凹凸構造のピッチは280nmとした。レジストパターンとして、直径160nmのピラー、直径260nmのピラー、280nmの構造でない十分に大きな樹脂のブロックの３種類のものを同一素子内に作成した。この場合では、以下のような高さの構造が得られた。
【００４１】
直径    160nm   260nm   ブロック
例１    715nm   800nm   900nm
例２    1170nm  1290nm  1500nm
【００４２】
例1と例2ではエッチング時間などのプロセス条件を変化させている。例１と例２の数字は、何れも凹凸構造の高さを示す。マイクロローディング効果により、構造のサイズによって高さが変化していることがわかる。例1の構造の断面ＳＥＭ写真を図５に示す。なお、このデータは一例であり、この効果の度合いはパターンの形状、サイズやプロセス条件に強く依存する。
【００４３】
なお、前述のようにマイクロローディング効果はプロセス条件に対する依存性が大きい。そこで、本発明を用いて光学素子を作成する場合は、あらかじめプロセス条件を決めておいてその場合での効果を測定し、それに合わせてパターンのサイズを決めるという手順を踏む必要がある。また、ここで説明した傾向は常に成り立つものであり、マイクロローディング効果の度合いに関わらず本発明を適用することは可能である。ただし当然ながら、効果が小さすぎる場合には十分な位相差を得ることはできなくなる。
【００４４】
（実施例２）
マイクロローディング効果を利用して、実施例１に示した方法と同一の方法により光学素子を製造した。ただし、凹凸構造として、１次元的な凹凸構造、すなわち溝構造を採用し、材質の屈折率は1.5とした。
【００４５】
この構造にて、まず、凹凸構造のピッチを変化させて高さを制御した。デューティ比はを２：１に固定した。この場合の実効屈折率は、溝が電場に平行な成分(ＴＥ偏光)に対しては1.354、溝が電場に平行な成分(ＴＭ偏光)に対しては1.260であり、その差は0.094である。
【００４６】
樹脂の山部分の幅を160nm〜260nmまで変化させた場合、凹凸構造のピッチは240nm〜390nmまで変化する。ピッチが局所的に一様、あるいは変化率が十分に小さい場合は、600nm以上の波長の入射光に対して回折光が発生することはない。これに対して、高さが715nmから800nmに85nm変化した場合、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の光路長差は8nm変化する。入射光の波長が633nmであるとした場合、これは波長の1.3％に相当する。
【００４７】
ここで、パターンの方向を適切に（楕円偏光の長軸と45°傾いた方向）設定した場合に、楕円率ε(楕円の短軸の長軸に対する比)の楕円偏光を直線偏光に変換するのに必要な偏光による光路長差をｌとすると、両者の関係は次式のように与えられる。
【数１】
2008014993.tif 000003
【００４８】
ここで、λは入射波長である。したがって、波長の1.3％の光路長差によって、楕円率５％の楕円偏光を直線偏光(偏光方向は楕円の長軸方向)に変えられることがわかる。したがって、このパターン(中間的なピッチのものを含む)、および偏光方向を軸方向に対して反転させることができる1/2波長板を組み合わせることにより、先に図４に示したような手順によって５％以内の楕円率の楕円偏光を望ましい方向の直線偏光に完全に戻すことができる。
【００４９】
また、楕円率がこれよりも大きい場合は、パターンの高さを増やすなどして、マイクロローディング効果による高さの差を大きくする、素子を複数枚数重ねるといった方法を使うことができる。また、1/2波長板をサブ波長構造で作成する場合、構造の高さがピッチの10倍程度と大きくなるが、こちらも、同一パターンの1/4波長板を２枚重ねるなどしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】偏光顕微鏡の模式図である。
【図２】エッチングされた基板を、樹脂等に転写したパターンの模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の１例である光学素子の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態である光学素子と1/2波長板を組み合わせて使用した場合の、偏光の修正の模式図である。
【図５】本発明の実施例である光学素子の断面ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００５１】
１…偏光子、２…コンデンサレンズ、３…被検体、４…対物レンズ、５…対物レンズ、６…検光子、７…レクティファイア
【図１】
2008014993.tif 000004
【図２】
2008014993.tif 000005
【図３】
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【図４】
2008014993.tif 000007
【図５】
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