(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に光配向性の高分子膜を製膜し、この高分子膜に格子状パターンに、第一次の直線偏光性の光を照射し、次に、前記高分子膜に前記第一次の光照射と異なるパターンに、かつ、前記第一次の直線偏光性の光と異なる電界振動方向を有する第二次の直線偏光性の光を照射し、続いて、前記高分子膜を加熱・冷却することにより、少なくとも２つの偏光回折能の異なる領域を形成してなることを特徴とする偏光回折素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法によって製造された偏光回折素子であって、前記第一次の直線偏光性の光照射のみを受けた領域と、前記第二次の直線偏光性の光照射のみを受けた領域とが、それぞれ最大屈折率の方向が異なる複屈折誘起部として、格子状パターンに組み合わされてなることを特徴とする偏光回折素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光回折能の異なる領域を少なくとも２つ有する偏光回折素子または偏光ホログラム素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マスク露光や２光束の干渉縞を利用して偏光回折格子や偏光ホログラム（いわゆる偏光回折素子）を作製する材料としては、写真などにも使われているようなハロゲン化銀感光材料、ゼラチン膜を重クロム酸アンモニウム水溶液に浸して感光性を付与した重クロム酸ゼラチン、半導体集積回路などの作製に用いるフォトレジスト、モノマーの光重合による屈折率変調を利用したフォトポリマーなどが挙げられる。このような材料を用いた回折格子やホログラムは、光ディスク、ＣＤなどで各種の信号を取り出すための光ピックアップ素子、バーコードスキャナーなどのビームを走査するための素子、情報処理関連ではホログラフィックメモリー、光インターコネクトなどへの応用が検討され、実際に利用もされてきており、更に、このような回折格子やホログラム素子に偏光性を付与する、更には、同一素子内に格子をパターン化させることにより、光磁気ディスクヘッドにおける検光子機能の複合化などその応用範囲が拡大する可能性がある。
このような偏光回折格子の応用例として、Ｙ．Ｕｒｉｎｏ等，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＯＥＣ  ’８８，３Ｃ２−１，１６７−１６９（１９８８）に複屈折性を有するＬｉＮｂＯ ３ を用いた偏光回折格子の例が提案されている。この例では、ＬｉＮｂＯ３基板上にプロトン交換領域と誘電体膜からなる２層の格子を形成する手法がとられており、その製造法は、ＬｉＮｂＯ３基板上へのフォトリソグラフィによる金属のパターンの形成、プロトン交換領域形成工程、誘電体製膜およびパターン化など製造法が非常に煩雑である。更には、このような製造法では、ＬｉＮｂＯ ３ 基板の複屈折性を用いているため、同一素子内に屈折率が最大となる方向が異なる複屈折層を格子状に形成することは困難である。
偏光回折格子を作製する他の手法として、ＵＳ−５１６１０３９号には、対称的な側鎖を有するポリシラン重合体、例えばポリ（ジ−ｎ−ヘキシルシラン）やポリ（ジ−ｎ−ペンチルシラン）などのような非線形性の材料に２光子吸収を利用して複屈折性を発現させ複屈折性をパターン化させた事例が提案されている。このような２光子吸収のような手法を用いる方法では照射光源として大出力のレーザーを用いる必要があるなど製造上の問題点が残る。また、同材料を用いて直線偏光性の紫外光でも複屈折性が発現するデータが記載されているが複屈折値は０．００５以下であり実用性に乏しい。
【０００３】
光照射により複屈折性を発現しその複屈折性をマスク露光などの手法によりパターン化し、同一素子内に屈折率が最大となる方向が異なる複屈折層を格子状に形成することが可能な材料として、ネガ型のフォトレジストであるポリビニルシンナメート（ＰＶＣｉ）が知られている。ＰＶＣｉのフィルムに直線偏光性の紫外光を照射すると、この照射光の電界振動方向に対して平行方向となる配置のシンナモイル基の炭素−炭素２重結合が選択的に光２量化し複屈折を生じるようになる。これを利用すれば、光学的異方性を周期的に制御することは可能であるが、誘起される複屈折は０．０１以下と非常に小さく実用性に乏しい上、同材料にて偏光回折格子を作製できるかは不明である。
【０００４】
また、その他の光照射により複屈折性を発現する材料として、アゾベンゼンを含む高分子材料を用いることが検討されている。アゾベンゼン分子は光や熱のような外部からの刺激によってシス体とトランス体の間で光異性化が起こり、このことを利用して分子配向を制御することができ周期的な分子配向制御も光照射によって行うことが可能である。しかしながら、従来検討されてきた、アゾベンゼンを含む高分子材料では、光学的異方性の発現があまり大きくないだけでなく、熱や光などの外場の影響によって特性が変化し、高い安定性を要求される光デバイスへの応用が困難である。
【０００５】
また、本発明者も特開２００３−１６７１２４号や特開２００３−１６７１２７号では、複屈折誘起材料に２光束干渉を用いることにより偏光性を有するホログラム素子およびその製造法を提案しているが、該ホログラム素子は体積ホログラムを用いており素子に用いる複屈折誘起材料の膜厚を厚くする必要があることから材料の使用量が多くなるなどの問題がある。
【特許文献１】ＵＳ−５１６１０３９号
【特許文献２】特開２００３−１６７１２４号
【特許文献３】特開２００３−１６７１２７号
【非特許文献１】Ｙ．Ｕｒｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＯＥＣ  ’８８，３Ｃ２−１，１６７−１６９（１９８８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような問題に鑑みて、本発明は、偏光回折能の異なる領域を少なくとも２つ有する偏光回折素子ないしは偏光ホログラム素子を簡素な製造方法で提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に、本発明の詳細を説明する。
本発明者等が、鋭意研究を行った結果、複屈折誘起材料を用いることによって偏光回折能の異なる領域を少なくとも２つ有する偏光回折素子ないしは偏光ホログラム素子およびその製造法を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。
先ず、複屈折性を利用した偏光回折格子について説明する。複屈折性の領域と複屈折を有さない領域が厚さｔで格子状に形成されているとする。ここで複屈折性の領域の格子と平行方向の屈折率をｎ//、垂直方向の屈折率をｎ⊥とする。このような位相格子の光の透過率は、複屈折性の領域と複屈折を有さない領域を通過する光の位相差をφとすると、ｃｏｓ２（φ／２）で表される。このとき格子に垂直な偏光に対しては、φ＝０となるため透過率は１となる。すなわち、回折光は格子と平行方向の直線偏光のみとなる。また、格子と平行方向の偏光に対しては、φ＝２π（ｎ//−ｎ⊥）ｔ／λ（λは入射光の波長）となるため、φ＝π（＝１／２波長）となるようにｔを設定すれば透過率は０となり入射光は完全に回折され、０次光も直線偏光となった偏光回折格子を作製することもできる。
【０００８】
本発明では、本発明者が特開２００２−２０２４０９号、特開２００４−１７０５９５号などに提案している複屈折誘起材料を用い、光照射により複屈折性を誘起させることにより作製した偏光回折格子およびその製造法を提供する。該材料はメソゲン成分として多用されているビフェニル、ターフェニル、フェニルベンゾエートなどの置換基と感光性基を結合した構造を含む側鎖を有し、該側鎖が単炭化、アルキルエーテルなどの屈曲性部分を介して、炭化水素、アクリレート、メタクリレート、シロキサンなど主鎖に結合した構造の繰り返し単位とする単一重合体を提案している。更には、複屈折性を増強するために結晶性ないしは液晶性を有する低分子化合物を混合添加する手法も提案している。このような材料では、基板上に塗布（スピンコート）して製膜した後、この膜に直線偏光の紫外線を照射すると、照射直線偏光の電界振動方向に沿って配置されているシンナモイル基（または、その誘導体基）などの感光性基の２量化が選択的に起こり、続く加熱による分子運動により光２量化しなかった側鎖も光２量化した側鎖と同じ方向に配列し、高分子塗布膜全体において照射した直線偏光の電界振動方向に側鎖が配列する材料である。
【発明の効果】
【０００９】
このような複屈折誘起材料の特定の系において、製膜して格子状のマスクを用い偏光性の紫外光を照射して加熱冷却により照射部の配向を誘起させると、正面から観察した場合に複屈折誘起部と複屈折を有さない部分が格子状になった回折格子を作製することができ、格子に対して平行方向の屈折率または格子に対して垂直方向の屈折率の何れか一方で屈折率の周期構造が生じ、その垂直方向の屈折率は周期構造が発現しないことが見出された。即ち、この回折格子では、正面から観察した場合の複屈折誘起部の進相軸方向の屈折率と正面から観察した場合の複屈折を有さない部分の屈折率が一致していると考えられる。複屈折誘起材料は、元来液晶性を呈しているため、光照射されず光２量化が進まなかった比較的側鎖の動きやすい部分では面外配向しやすい傾向がある。このため正面から観察した場合に複屈折誘起部の進相軸方向の屈折率と複屈折を有さない部分の屈折率が一致し、偏光回折格子を実現できるものと考えられる。ここで、複屈折誘起部の進相軸方向の屈折率と複屈折を有さない部分の屈折率が完全に一致しない場合でも、屈折率周期構造の大きさに複屈折誘起部の遅相軸方向とは差異が生じることから、ある程度の偏光回折性が得られるのは言うまでもない。
更に、製膜して格子状のマスクを用い偏光性の紫外光を照射し、続いて電界振動方向が９０°異なる偏光性の紫外光を同じ照射量だけ全面に照射し、加熱冷却により配向を誘起させた場合を考える。この場合には、格子状のマスクにより照射されなかった部分は続く電界振動方向が９０°異なる偏光性の紫外光の照射によって配向が誘起される。一方、格子状のマスクで照射され、続く電界振動方向が９０°異なる偏光性の紫外光でも照射された部分は、双方の照射光の電界振動方向で光２量化が進行するため複屈折を誘起しない。このように作製した膜でも屈折率周期構造に差異が発現し、電界振動方向が９０°異なる偏光を強く回折する偏光回折性が得られる。照射条件によっては、複屈折誘起部の進相軸方向の屈折率と複屈折を有さない部分の屈折率を一致させ回折光を直線偏光とすることや、反対に偏光回折性を解消することも可能である。
このようにして作製された複屈折誘起部が複屈折非誘起部に対してミクロな間隔で交替に現れる偏光回折格子に光が入射した場合の偏光回折特性を図１によって模式的に示し説明する。図１は、偏光回折格子１１の格子に対して垂直方向の断面を表している。更に、この偏光回折格子１１では、複屈折誘起部１２ａは格子に対して平行方向に配向（＝複屈折誘起部１１の進相軸方向は格子に対して垂直方向）しており、格子に対して平行方向の屈折率で周期構造が生じ、格子に対して垂直方向の屈折率は周期構造が発現しないものとする。複屈折誘起部１２ａの位相差を入射光の１／２波長としておく。このような偏光回折格子１１に入射光Ｌが入射した場合、０次光Ｌ１は格子に対して垂直方向のみの直線偏光となり、回折光Ｌ２は格子に対して平行方向のみの直線偏光となり、偏光回折素子ないしは偏光ホログラム素子を作製できる。このような複屈折誘起材料を用いた偏光回折素子ないしは偏光ホログラム素子を作製する方法として、所望の周期ピッチを有する遮光性のマスクを用い、直線偏光性の光を照射する方法ないしは、レーザー光のような干渉性の良い偏光性の光束を用いた２光束干渉を用いて照射する方法が挙げられる。
本発明の偏光回折能の異なる領域を少なくとも２つ有する回折素子ないしはホログラム素子を作製する例としては、複屈折誘起材料を製膜して第一のマスク（格子状のマスク）を用い偏光性の紫外光を照射する。続いて、第二のマスク（所望のパターンのマスク）を用いて電界振動方向が異なる紫外光を照射する。該膜を加熱冷却により照射部の配向を誘起させると、正面から観察した場合に複屈折誘起部の最大屈折率方向が異なる２つの格子状の領域を同一膜内に作製することができる。
図２を用いて、本発明の偏光回折素子の製造方法について模式的に説明する。本発明では、ガラス板等の基材１０の上に光配向性の高分子膜１１を制膜し、この高分子膜１１に対して、第一次、第二次の直線偏光性の光Ｅ１、Ｅ２を順に照射し、この際、それぞれ異なるパターンのマスク２１、２２を介しての照射とする。ここで第一のマスク２１と第二のマスク２２を用いたときの照射光の電界振動方向が９０°異なることとする。第一のマスク２１を用いた光照射では、照射部と非照射部が格子状に形成される。続く第二のマスク２２を用いた光照射によって照射部と非照射部が図柄状に照射される。膜面内２３では、第一のマスクでのみの照射部、第二のマスクでのみの照射部、その両方での照射部、非照射部の４つの領域が形成される。加熱処理することによりそれぞれ複屈折誘起部（領域２Ａ）、該部と屈折率が最大となる方向が９０°異なる複屈折誘起部（領域２Ｂ）、電界振動方向が９０°異なる２回の照射により配向が誘起されない複屈折を有さない部分（領域２ｂ）、光照射されず配向が誘起されない複屈折を有さない部分（領域２ａ）が形成され、ここで領域２Ａと領域２ａ、領域２Ｂと領域２ｂはそれぞれ格子状に配置されることになる。２つの格子で屈折率が最大となる方向が９０°異なる。このように作製された回折格子では、２つの格子による回折光の電界振動方向は９０°異なり、同一素子内に偏光回折能の異なる領域を２つ有する回折素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下は、本発明の偏光回折素子を作製した例である。
（実施例１）
複屈折誘起材料をｏ−ジクロロベンゼンに１４重量％の濃度で溶解し、ガラス基板上にスピンコーターを用いて約１．８μｍの厚みとなるよう塗布した。このフィルム上に４μｍピッチ（２μｍの透過部と２μｍの非透過部）の遮光性マスクを配置し、マスクの格子方向に対して電界振動方向が垂直方向である高圧水銀灯からの紫外光を、グランテーラープリズムを介して直線偏光性とした光を１．５Ｊ／ｃｍ２照射した。続いて、図がパターン化されたマスクを用いて、電界振動方向が９０°異なる直線偏光性の紫外光を１．５Ｊ／ｃｍ２照射した。照射後、１００℃でまで加熱後徐冷することにより配向を誘起した。最後に高圧水銀灯からの紫外光を、グランテーラープリズムを介さず３．０Ｊ／ｃｍ２照射して配向を固定し偏光回折素子を作製した。作製された偏光回折素子を偏光顕微鏡のクロスニコル下で観察したところ図３のように格子状の明暗が確認され複屈折誘起部３Ａ，３Ｂ（それぞれ、第一のマスクでのみの照射部，第二のマスクでのみの照射部である）と複屈折を生じていない部分３ａ，３ｂ（それぞれ、光照射されず配向が誘起されない部分，電界振動方向が９０°異なる２回の照射により配向が誘起されない部分である）が格子状となっている２つの領域１Ａ、１Ｂ（第二のマスクでの照射部）が形成されていることが確認された。
【００１１】
このように作製された偏光回折素子にＨｅ−Ｎｅレーザー光（波長：６３３ｎｍ）を非偏光性として入射して偏光回折特性を調べた。領域１では偏光回折素子の格子方向に対して平行である電界振動方向の光はほとんど回折されず、偏光回折素子の格子方向に対して垂直である電界振動方向の光の大部分が回折されることが確認された。一方、領域２では、電界振動方向は９０°異なる方向の光の回折強度が大きいことが確認された。この回折特性の測定結果を表１にまとめる。図４（ａ）、（ｂ）には、２つの領域をパターンとして形成した回折格子を、偏光板を介して観察した図を示す。図４の（ａ）と（ｂ）で偏光板を９０°回転して観察することによりパターンの明暗が反転することが分かる。
【表１】
0004697538.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】偏光回折格子を説明する模式図
【図２】本発明の偏光回折格子の製造法を説明する模式図
【図３】実施例1の偏光回折素子を偏光顕微鏡のクロスニコル下での観察図
【図４】パターンを形成した回折格子を偏光板を介して観察した図
【符号の説明】
【００１３】
１１  偏光回折素子（高分子膜）
１２ａ  複屈折誘起部、１２ｂ  複屈折非誘起部
Ｌ    入射光
Ｌ１  ０次光
Ｌ２  回折光（１次光）
２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ  複屈折誘起部
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ  複屈折非誘起部
２１  第一のマスク
２２  第二のマスク
２３  膜面内
【図１】
0004697538.tif 000003
【図２】
0004697538.tif 000004
【図３】
0004697538.tif 000005
【図４】
0004697538.tif 000006