(57)【要約】【課題】機器内のさまざまな電子部品の動作温度上昇により雰囲気温度が上昇する傾向があるような過酷な温度環境においても、安定した光学特性を得ることができる偏光光学素子を提供すること。【解決手段】石英１の平面基板に複数の平行した溝の微細周期構造を設け、該並行した溝にシリコーン樹脂２を埋め込んだ構成となっている。石英１は温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ１）が１×１０−５であるのに対して、シリコーン樹脂２の温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ２）は−３７×１０−５と逆の特性であり、両者が相殺しあうことにより温度変化によらず一定の偏光特性を得ている。【選択図】      図１
2004246130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用する光の波長に比べて短い周期の平行な溝からなる微細構造を有し、該微細構造に方向性がある偏光光学素子であって、
前記溝を形成する第１の材料とは異なる屈折率の温度特性を有する第２の材料を前記溝に埋め込んだことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光光学素子において、
前記第１の材料と第２の材料の屈折率の温度特性が正負逆であることを特徴とする偏光光学素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光光学素子において、
前記第２の材料が前記微細構造の上面に層として形成された構造であることを特徴とする偏光光学素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、
前記第１の材料の前記溝を形成するための凸部の幅と前記溝の幅の比が次の式を満たすようにしたことを特徴とする偏光光学素子。
【数１】
2004246130.tif 000015
ここで、
ｎ１：微細周期構造が形成された物質の屈折率、
Δｎ１：屈折率ｎ１の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、
ｎ２：微細周期構造が形成されたもう一方の物質の屈折率、
Δｎ２：屈折率ｎ２の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、
ｔ１：屈折率ｎ１の微細周期構造の幅、
ｔ２：屈折率ｎ２の微細周期構造の幅。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子は、外界から遮断する構成を有することを特徴とする偏光光学素子。
【請求項６】
請求項５記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子自身を一定温度に保つ断熱構造を備えたことを特徴とする偏光光学素子。
【請求項７】
請求項５記載の偏光光学素子において、
前記偏光光学素子自身を一定温度に保つための温度制御手段を備えたことを特徴とする偏光光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光特性を有する偏光光学素子に係り、特に波長板，偏光ビームスプリッタ，偏光ミラー，光ディスク用ピックアップ，光通信用モジュールに利用する場合に好適な偏光光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造の周期が波長より十分に短い場合は、微細構造は光波に対して平均的な屈折率（等価屈折率）をもつ媒質として取り扱うことができる。また、微細構造に方向性があると「構造複屈折」と呼ばれる強い光学異方性があらわれることが知られている。（Ｍ．Ｂｏｒｎ  ａｎｄ  Ｅ．Ｗｏｌｆ，  ”Ｆｏｒｍ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ”  ｉｎ  Ｐｒｉｃｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ（Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｏｘｆｏｒｄ，１９８０））
【０００３】
図８は、「構造複屈折」の原理を説明するための図である。
以下、図８に示す原理図を用いて構造複屈折を説明する。
【０００４】
偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎ／／と、垂直な光の屈折率ｎ⊥はそれぞれ、
【数２】
2004246130.tif 000003
【数３】
2004246130.tif 000004
となる。ここで、ｎ１は微細周期構造が形成された物質の屈折率であり、ｎ２は周期構造の溝を埋める物質の屈折率である。
【０００５】
また、ｔは微細周期構造のデューティー（ｄｕｔｙ）比であり、
【数４】
2004246130.tif 000005
で示される。ここで、ｔ１は屈折率ｎ１の微細周期構造格子の幅（凸部の幅）、ｔ２は屈折率ｎ２の微細周期構造の凸部の幅（屈折率ｎ１の微細周期構造の凹部すなわち溝の幅）である。
【０００６】
このように、水晶や方解石の複屈折特性は、その物質固有のものであってほとんど変えることができないものであるのに対して、「構造複屈折」は、材料（屈折率ｎ１，ｎ２）や形状（ｄｕｔｙ比ｔ）を変えることで複屈折特性を容易に制御することが可能である。
【０００７】
偏光方向が溝に平行な光と垂直な光との位相差（遅延量）Ｒｅは、構造複屈折の高さ（溝の深さ）をｄとすると、
【数５】
2004246130.tif 000006
となる。
【０００８】
図９は、１／４波長板の例を示す図である。１次元周期の構造は強い複屈折性を示すので、この性質を用いて位相板を作ることができる。図９に示すように、円偏光の入射光を直線偏光の出射光にすることができる。これは、例えばシリコン基板に矩形形状をエッチングで作成するなどして作成することができる。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｂｏｒｎ  ａｎｄ  Ｅ．Ｗｏｌｆ，  ”Ｆｏｒｍ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ”  ｉｎ  Ｐｒｉｃｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ（Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｏｘｆｏｒｄ，１９８０）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
構造複屈折を利用した偏光光学素子は、上記の式に示したように、２つの材料の屈折率、格子のｄｕｔｙ比ｔ、格子の溝の深さｄによりその特性が決まる。従って、素子の置かれている周囲の温度変化により媒質の屈折率が変化すると当然偏光特性も変化する。
【００１１】
例えば、石英（ＳｉＯ２）では１度の温度変化により屈折率が１×１０−５程度変化する。この変化量はごくわずかではあるが、高精度な偏光特性をもつ必要がある場合はこの変化量でさえ無視できなくなる。従って、温度変化に対して偏光特性が変わらない偏光光学素子が強く要望されている。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解消し、機器内のさまざまな電子部品の動作温度上昇により雰囲気温度が上昇する傾向があるような過酷な温度環境においても、安定した光学特性を得ることができる偏光光学素子を提供することを目的とする。
【００１３】
以下、請求項毎の目的を述べる。
請求項１記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する温度変化による屈折率変化をキャンセルし、偏光特性が温度によらず一定である偏光光学素子を提供することであり、さらに周期構造間にある空気層を埋め込んでなくすことにより、温度変化に対して安定にすることである。
【００１４】
請求項２記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する屈折率変化をキャンセルし、温度変化に対して一定である偏光光学素子を提供することである。
【００１５】
請求項３記載の発明の目的は、偏光光学素子自身が断熱効果を有し、かつ周期構造（構造複屈折）部分が温度分布を受けにくい素子を提供することである。
【００１６】
請求項４記載の発明の目的は、構成される複数の材料で発生する温度による屈折率変化を全てキャンセルするような特性をもち、素子自身が温度変化に対して一定である偏光光学素子を提供することである。
【００１７】
請求項５記載の発明の目的は、外界に直接接しない偏光光学素子を提供することである。
【００１８】
請求項６記載の発明の目的は、外界から受ける温度変化を小さくすることが可能な偏光光学素子を提供することである。
【００１９】
請求項７記載の発明の目的は、一定温度に制御することが可能な偏光光学素子を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を有している。
ａ）請求項１記載の発明は、使用する光の波長に比べて短い周期の平行な溝からなる微細構造を有し、該微細構造に方向性がある偏光光学素子であって、溝を形成する第１の材料とは異なる屈折率の温度特性を有する第２の材料を溝に埋め込んだことを特徴としている。
【００２１】
ｂ）請求項２記載の偏光光学素子は、請求項１記載の偏光光学素子において、第１の材料と第２の材料の屈折率の温度特性を正負逆にしたことを特徴としている。
【００２２】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の偏光光学素子において、第２の材料が微細構造の上面に層として形成された構造であることを特徴としている。
【００２３】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、第１の材料の溝を形成するための凸部の幅と溝の幅の比を次の式を満たすようにしたことを特徴としている。
ｔ１／ｔ２≒−〔（ｎ２Δｎ２）／（ｎ１Δｎ１）〕
ここで、ｎ１：微細周期構造が形成された物質の屈折率、Δｎ１：屈折率ｎ１の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、ｎ２：微細周期構造が形成されたもう一方の物質の屈折率、Δｎ２：屈折率ｎ２の物質の温度変化１度あたりの屈折率変化、ｔ１：屈折率ｎ１の微細周期構造の幅、ｔ２：屈折率ｎ２の微細周期構造の幅。
【００２４】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光光学素子において、外界から遮断する構成を有することを特徴としている。
【００２５】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項５記載の偏光光学素子において、偏光光学素子自身を一定温度に保つ断熱構造を備えたことを特徴とし、請求項７記載の発明は、請求項５記載の偏光光学素子において、偏光光学素子自身を一定温度に保つための温度制御手段を備えたことを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の原理を説明する。
【００２７】
構造複屈折を構成する物質の屈折率がそれぞれΔｎ１ΔＴ，Δｎ２ΔＴだけ変化した場合（温度がΔＴだけ変化）、偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎ／／’と、垂直な光の屈折率ｎ⊥’は次のように書ける。
【数６】
2004246130.tif 000007
【数７】
2004246130.tif 000008
ここで、Δｎ１ΔＴ，Δｎ２ΔＴは非常に小さく、Δｎ１ΔＴ，Δｎ２ΔＴの２乗は無視できるとして計算し、ｎ／／＝ｎ／／’  が成り立つ条件を求めると以下のようになる。
【００２８】
式（５）に式（３）を代入すると、
【数８】
2004246130.tif 000009
【００２９】
（Δｎ１ΔＴ）２および（Δｎ２ΔＴ）２は無視できるので、
【数９】
2004246130.tif 000010
【００３０】
ｎ／／＝ｎ／／’より、
【数１０】
2004246130.tif 000011
【００３１】
ルートの中が等しいので、
【数１１】
2004246130.tif 000012
従って、
【数１２】
2004246130.tif 000013
この結果から、
【数１３】
2004246130.tif 000014
【００３２】
この式（１２）からもわかるように、温度に対する屈折率変化は２つの物質で正負逆である必要がある。このような物質の組み合わせとして、石英（温度１度あたりの屈折率変化が１×１０−５）とシリコーン樹脂（−３７×１０−５）がある。
【００３３】
以下、本発明に係る偏光光学素子の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。（実施例１）
図１および図２は、実施例１を説明するための図である。
【００３４】
本実施例における偏光光学素子は、図１に示すように、石英１の平面基板に複数の平行した溝の微細周期構造を設け、該並行した溝にシリコーン樹脂２を埋め込んだ構成となっている。
【００３５】
先に述べたように、石英１は温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ１）が１×１０−５であるのに対して、シリコーン樹脂２の温度１度あたりの屈折率変化（Δｎ２）は−３７×１０−５と逆の特性を示している。従って、このシリコーン樹脂２の屈折率（ｎ２）がほぼ石英１の屈折率（ｎ１）と等しい場合は石英１とシリコーン樹脂２の周期の比（石英１の凸部の幅と凹部（溝）の幅の比）は式（１２）より３７：１となり、また、このシリコーン樹脂２の屈折率（ｎ２）が石英１の屈折率（ｎ１）の０．８倍程度の場合は各物質の周期の比は同様に３０：１となる。
【００３６】
図２は図１の偏光光学素子の一部を拡大した断面図であり、石英１の平面基板に微細周期構造を設け、微細周期構造の溝を埋めるようにシリコーン樹脂２を設けた様子を示している。微細周期構造は、上述したように、式（１２）を満たすような周期となっている。なお、微細周期構造は光が透過する領域にあればよい。
【００３７】
このような微細周期構造に光が入射すると、光は偏光方向によって屈折率が異なるので、偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間に位相差が生じ、その結果、上記構成の微細周期構造は偏光光学素子として働く。
【００３８】
偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間の位相差Ｒｅは、式（４）に示した関係で溝の深さｄと関連しているので、所望の位相差Ｒｅを得るには溝の深さｄを式（４）により決まる値にすればよい。
【００３９】
次に、上述した如き実施例１に係る偏光光学素子の作成方法を説明する。
まず、石英基板にフォトリソグラフィプロセスとドライエッチングプロセスにより、複数の平行な溝を有する微細周期構造を作成する。フォトリソグラフィプロセスでは電子線描画装置あるいはステッパーなどを用いてレジストをパターニングする。
【００４０】
パターニングされたレジストの微細周期構造をドライエッチングして石英基板に微細周期構造を作成するか、または、パターニングされたレジストの微細周期構造上に金属膜を蒸着しレジストを除去し金属膜の微細周期構造を作成後、ドライエッチングするというリフトオフ法で作成する。
【００４１】
石英基板に微細周期構造を作成後、液状のシリコーン樹脂を微細周期構造が作成された石英基板上に塗布・均一化し、シリコーン樹脂を固めることにより作成する。塗布する際には気泡が入らないように脱泡などの処理を行なう。シリコーン樹脂を塗布する際にはスピンコーターを利用することができる。
【００４２】
（実施例２）
図３および図４は、実施例２を説明するための図である。
本実施例における偏光光学素子は、図３に示すように、石英１の平面基板に複数の平行した溝の微細周期構造を設け、該並行した溝およびその上にシリコーン樹脂３を設けたものである。
【００４３】
実施例１でも述べたように、石英は温度１度あたりの屈折率変化が１×１０−５であるのに対して、シリコーン樹脂は−３７×１０−５と逆の特性を示している。従って、このシリコーン樹脂３の屈折率（ｎ２）がほぼ石英の屈折率（ｎ１）と等しい場合は石英とシリコーン樹脂の周期の比は式（１２）より３７：１となり、また、このシリコーン樹脂の屈折率が石英のの屈折率の０．８倍程度の場合は各物質の周期の比は同様に３０：１となる。
【００４４】
図４は図３の偏光光学素子の一部を拡大した断面図であり、石英１の平面基板に微細周期構造を設け、微細周期構造の溝を埋め、さらにこれらを覆うようにシリコーン樹脂３が設けられている。微細周期構造は、上述したように、式（１２）を満たすような周期となっている。なお、微細周期構造は光が透過する領域にあればよい。
【００４５】
このような微細周期構造に光が入射すると、光は偏光方向によって屈折率が異なるので、偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間に位相差が生じ、その結果、上記構成の微細周期構造は偏光光学素子として働く。
【００４６】
偏光方向が微細周期構造の溝に平行な光と垂直な光との間の位相差Ｒｅは、式（４）に示した関係で溝の深さｄと関連しているので、所望の位相差Ｒｅを得るには溝の深さｄを式（４）により決まる値にすればよい。
【００４７】
このとき、微細周期構造の上に覆われるシリコーン樹脂の層の厚さ自体は位相差には寄与しないので任意の厚さでよい。ただし、その表面は収差の影響を及ぼさないよう平坦にしておく必要がある。なお、偏光光学素子の両面に、使用する波長に対して反射防止コートを設ければ光の効率化を図れる。
【００４８】
次に、上述した如き実施例１に係る偏光光学素子の作成方法を説明する。
まず、石英基板にフォトリソグラフィプロセスとドライエッチングプロセスにより、複数の平行な溝を有する微細周期構造を作成する。フォトリソグラフィプロセスでは電子線描画装置あるいはステッパーなどを用いてレジストをパターニングする。
【００４９】
パターニングされたレジストの微細周期構造をドライエッチングして石英基板に微細周期構造を作成するか、または、パターニングされたレジストの微細周期構造上に金属膜を蒸着しレジストを除去し金属膜の微細周期構造を作成後、ドライエッチングするというリフトオフ法で作成する。
【００５０】
石英基板に微細周期構造を作成後、液状のシリコーン樹脂を微細周期構造が作成された石英基板上に塗布・均一化し、シリコーン樹脂を固めることにより作成する。塗布する際には気泡が入らないように脱泡などの処理を行なう。
【００５１】
シリコーン樹脂を塗布する際にはスピンコーターを利用して、微細周期構造の深さよりも十分な厚さを塗布しておき、印刷や液晶作成で利用するようなスキージの利用あるいは硬化後研磨を行い平坦な面を作成する。
【００５２】
（実施例３）
図５および図６は、実施例３を説明するための図である。
本実施例の構成は、実施例１あるいは２の偏光光学素子と、偏光光学素子の全体を断熱材で覆う構造からなっている。
【００５３】
ただし、光の通過する部分（図５中のＡ）にはガラスを用い、断熱材は光の通過しない部分だけとなっている。このガラスには使用する波長に対する反射防止コートが設けてある。偏光光学素子１０とガラス１２の間には空気層があってもよく、また偏光光学素子１０とガラス１２が直接接していても構わない。
【００５４】
なお、断熱材としては発泡スチレン、発泡ウレタン、ガラス繊維などがあり、光の入射領域と出射領域を除いて素子全体を覆うような構造中に断熱材を入れている。
【００５５】
図６は図５のＢ−Ｂの断面図であり、偏光光学素子１０の全体が断熱材１１（一部ガラス１２）で覆われていることを示している。光の通過する部分に使用するガラス１２としてはできるだけ断熱効果が得られるようなものを選択する。特に、ガラスだけでも断熱効果が十分であれば、ガラスだけで偏光光学素子を覆うような構造としても構わない。
【００５６】
本実施例における偏光光学素子１０は断熱材１１で覆われているので、外の温度変化に対して内部の温度変化を非常に小さくすることができる。断熱部を十分に取ることにより、断熱の効果を大きくすることができる。光はガラス１２を通して偏光光学素子１０に入射し、偏光光学素子１０で偏光され、反対側のガラス１２を通って出射される。
【００５７】
（実施例４）
図７は、実施例４を説明するための図であり、断面図を示している。
本実施例は、図７に示したように、上述した実施例３の構成に加えて、構造複屈折を構成する偏光光学素子１０の光が透過しない部分にペルチェ素子（熱電冷却素子）１３を設けた点を特徴としている。
【００５８】
ペルチェ素子１３としては、異なった種類の金属の接触面を通して弱電流が流れた時に、熱が発生もしくは吸収される現象であるペルチェ効果を用いる。例えば、代表的なものとしてｐ型とｎ型の半導体で構成されたものがある。
【００５９】
偏光光学素子１０の光の通らない部分に、例えば金属膜を設けて熱伝導性を高める。これは金属膜でなくても樹脂材料例えばシリコングリースなど熱伝導性の高いものであればよい。この部分にペルチェ素子１３を配置し、さらに断熱材１１をその上に設けている。ペルチェ素子１３には、図７には示していないが、定電流駆動装置からの電流が流れるような配線が設けられることはいうまでもない。
【００６０】
このペルチェ素子１３に常に一定の電流を流すことにより、ペルチェ素子１３が一定の温度に保たれ、ペルチェ素子１３の温度を通して偏光光学素子１０が一定の温度になるように制御される。
【００６１】
なお、上記実施例の変形例として、偏光光学素子１０の温度を測定するために、熱電対などの温度計測手段を設けて、偏光光学素子１０の温度を計測し、この信号を定電流駆動装置にフィードバックさせることによって、設定する温度に一定に保つことができる。これによって、偏光光学素子１０の偏光特性をより正確に設定することが可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
以下、本発明の効果を請求項毎に述べる。
【００６３】
（１）請求項１に対応する効果
請求項１記載の発明によれば、温度特性の異なる材料を組み合わせることにより、温度変化によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６４】
（２）請求項２に対応する効果
請求項２記載の発明によれば、温度特性の異なる材料として、正負逆の屈折率変化をもつ材料を組み合わせることにより、温度変化による変化成分を打ち消し合いほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。
【００６５】
また、２つの材料からなる微細周期構造を１枚の基板上に加工できるため、コストを抑えることができる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６６】
（３）請求項３に対応する効果
請求項３記載の発明によれば、基板に対して微細周期構造を埋め込んだ材料の層を微細周期構造を作成した基板上に設けることにより、微細周期構造部分と外界が材料の層を介することになり、その断熱効果により急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６７】
（４）請求項４に対応する効果
請求項４記載の発明によれば、温度に対する屈折率の変化をほとんどキャンセルすることができ、急激な温度変化など外部環境温度によらずほぼ一定の偏光特性が得られる。さらに、微細周期構造に材料を埋めこむことにより、微細周期構造間の空気の影響も受けないのでより安定した偏光特性をもつ素子とすることができる。
【００６８】
（５）請求項５に対応する効果
請求項５記載の発明によれば、素子を外気から隔離することにより、温度によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【００６９】
（６）請求項６に対応する効果
請求項６記載の発明によれば、断熱材で素子を包み込むようにすることにより、外気の温度変化の影響が小さくなり外界温度によらずほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【００７０】
（７）請求項７に対応する効果
請求項７記載の発明によれば、素子自身の温度を制御することにより素子自身の温度を一定に保つことができ、ほぼ一定の偏光特性をもった素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図２】図１の偏光光学素子の一部の拡大断面図である。
【図３】実施例２に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図４】図３の偏光光学素子の一部の拡大断面図である。
【図５】実施例３に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図６】図５のＢ−Ｂの断面図である。
【図７】実施例４に係る偏光光学素子の構造を説明するための図である。
【図８】「構造複屈折」の原理を説明するための図である。
【図９】１／４波長板の例を示す図である。
【符号の説明】
１：石英、
２，３：シリコーン樹脂、
１０：偏光光学素子、
１１：断熱材、
１２：ガラス、
１３：ペルチェ素子。
【図１】
2004246130.tif 000016
【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】
2004246130.tif 000022
【図８】
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【図９】
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