(57)【要約】【課題】  ポリシランを用いて複屈折機能を有する回折格子を得る。【解決手段】  本発明の複屈折機能を有する回折格子素子は、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を有するポリシランからなることを特徴とするものであって、この回折格子素子は、ポリシランを含む感光性組成物を塗布して得られたポリシランに対して、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を形成させることにより得られるものであって、上記干渉縞の形成は、二光束干渉法によって行われるものであっても、位相マスクを用いて行われるものであってもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を有するポリシランからなる複屈折機能を有することを特徴とする回折格子素子。
【請求項２】
ポリシランを含む感光性組成物を塗布して得られた感光層に対して、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を形成させることを特徴とする回折格子素子の製造方法。
【請求項３】
前記干渉縞の形成が、二光束干渉法によって行われるものである請求項２記載の回折格子素子の製造方法。
【請求項４】
前記干渉縞の形成が、位相マスクを用いて行われるものである請求項２記載の回折格子素子の製造方法。
【請求項５】
請求項２〜４いずれか１つに記載の製造方法により得られる複屈折機能を有する回折格子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折格子素子、特に複屈折機能を有する回折格子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリシランは、Ｓｉ−Ｓｉ結合を骨格にもつ有機ケイ素ポリマーである。このＳｉ−Ｓｉ結合におけるσ電子は主鎖を通して非局在化するために、ポリシランはユニークな電子・光物性を示し、導電材料、発光材料、光導電材料、非線形光学材料への応用が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
最近では、光照射部の屈折率低下を利用して、ポリシランから、屈折率の異なる部位が周期的に変化してなる回折格子を形成することが開示されている（特許文献２参照）。しかし、この方法では複屈折機能を有する回折格子を得ることはできない。
【特許文献１】特開２００４−１２６３５号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、ポリシランを用いて複屈折機能を有する回折格子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の複屈折機能を有する回折格子素子は、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を有するポリシランからなることを特徴とするものである。
また、本発明の回折格子素子の製造方法は、ポリシランを含む感光性組成物を塗布して得られたポリシランに対して、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を形成させることを特徴としている。ここで、上記干渉縞の形成は、二光束干渉法によって行われるものであっても、位相マスクを用いて行われるものであってもよい。
本発明の複屈折機能を有する回折格子素子は、先の製造方法により得られるものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の回折格子の製造方法は、ポリシランの屈折率変調を利用しているので、エッチングを行うことなく、また樹脂コーティングなどによって表面を平面化する必要のない、複屈折機能を有する回折格子素子を得ることができる。
本発明の回折格子素子は、複屈折機能を有しているので、偏光変換素子として、光アイソレーター、光ピックアップ、液晶プロジェクター、光通信などへの応用が期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の複屈折機能を有する回折格子素子は、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を有するポリシランからなるものである。上記複屈折機能とは、光がその物質内を通過する際に、光の振動面の向きによって屈折率が異なる性質を意味する。すなわち、光の振動面の向きによって、進む速度が異なるために、偏光を取り出すことができる。また、複屈折機能を有する物質は光学的に異方性があると表現されることもある。
【０００７】
この複屈折機能を有するためには、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を有する必要がある。使用波長よりも大きなピッチの干渉縞である場合には、偏光を取り出すことができないために複屈折機能を得ることはできない。一般的に偏光変換素子が利用される場合における光の波長は、６００〜８５０ｎｍであるので、それより小さいピッチの干渉縞が必要とされる。すなわち、本発明の回折格子素子は、ポリシランからなる２種の屈折率を有する部分が、微少な単位で交互に存在している形態を有する。なお、上記ポリシランについては、下記の製造方法についての説明が適用される。
【０００８】
本発明の回折格子素子の製造方法は、ポリシランを含む感光性組成物を塗布して得られた感光層に対して、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を形成させることを特徴としている。この方法により、先の複屈折機能を有する回折格子素子を得ることができる。
【０００９】
本発明の回折格子素子の製造方法では、まずポリシランを含む感光性組成物を塗布して感光層を得る。
上記感光性組成物に含まれるポリシランは、直鎖型及び分岐型のいずれを用いてもよいが、分岐型が特に好ましく用いられる。分岐型と直鎖型は、ポリシラン中に含まれるＳｉ原子の結合状態によって区別される。分岐型ポリシランとは、隣接するＳｉ原子と結合している数（結合数）が、３または４であるＳｉ原子を含むポリシランである。これに対して、直鎖型のポリシランでは、Ｓｉ原子の、隣接するＳｉ原子との結合数は２である。通常Ｓｉ原子の原子価は４であるので、ポリシラン中に存在するＳｉ原子の中で結合数が３以下のものは、Ｓｉ原子以外に、炭化水素基、アルコキシ基または水素原子と結合している。このような炭化水素基としては、ハロゲンで置換されていてもよい炭素数１〜１０の脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１４の芳香族炭化水素基が好ましい。脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基およびノナフルオロヘキシル基などの鎖状のもの、およびシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環式のものなどが挙げられる。また、芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ｐ−トリル基、ビフェニル基およびアントラシル基などが挙げられる。アルコキシ基としては、炭素数１〜８のものが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基などが挙げられる。合成の容易さを考慮すると、これらの中でメチル基およびフェニル基が特に好ましい。また、ポリシランの構造で屈折率を調整する場合は、高屈折率が所望の場合はジフェニル基を導入し、低屈折率を所望の場合はジメチル基を多くすることで調整可能である。
【００１０】
本発明に使用される上記ポリシランは、ハロゲン化シラン化合物をナトリウムのようなアルカリ金属の存在下、ｎ−デカンやトルエンのような有機溶媒中において８０℃以上に加熱することによる重縮合反応によって製造することができる。また、電解重合法や、金属マグネシウムと金属塩化物を用いた方法でも合成可能である。
【００１１】
上記ハロゲン化シラン化合物としては、オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、およびジオルガノジハロシラン化合物が挙げられる。上記ハロゲン化シラン化合物が有するハロゲン原子は、塩素原子であることが好ましい。また、ハロゲン原子以外の置換基としては、上述の炭化水素基、アルコキシ基または水素原子が挙げられる。
【００１２】
上記オルガノトリハロシラン化合物は、これから得られるポリシランにおいて、隣接するＳｉ原子との結合数が３であるＳｉ原子源となり、また、テトラハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との結合数が４であるＳｉ原子源となる。
【００１３】
本発明において、好ましいポリシランである分岐型ポリシランは、オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、およびジオルガノジハロシラン化合物からなるハロシラン混合物を加熱して重縮合することにより得られる。上記分岐型ポリシランは、有機溶剤に可溶であり、塗布により透明な膜が成膜できるものであれば特に限定されないが、オルガノトリハロシラン化合物およびテトラハロシラン化合物が２モル％以上であるハロシラン混合物を用いて得られたものであることが特に好ましい。２モル％未満のハロシラン混合物から得られたものや直鎖状のポリシランは結晶性が高く、膜中で微結晶が生成しやすいことにより散乱の原因となり、透明性が低下するため好ましくない。なお、オルガノトリハロシラン化合物およびテトラハロシラン化合物を２モル％以上含むハロシラン混合物を用いて得られた分岐状ポリシランでは、ネットワーク構造が形成されていると考えられる。この確認は、紫外線吸収スペクトルやＳｉ原子核磁気共鳴スペクトルの測定により確認することができる。
【００１４】
上記ポリシランを溶解するための有機溶媒として好ましいものは、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン化炭化水素系、エーテル系である。炭化水素系有機溶媒の例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベンゼンなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素系有機溶媒の例としては、四塩化炭素、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロベンゼンなどが挙げられる。エーテル系有機溶媒の例としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラハイドロフランなどが挙げられる。
【００１５】
また、上記原料となるハロシラン混合物中のオルガノトリハロシラン化合物およびテトラハロシラン化合物の割合が高くすることによって、光透過率を高めることができる。また、重水素化、あるいは一部またはすべてをハロゲン化、特にフッ素化したものも用いることもできる。このように原料を選択することによって、特定の波長での吸収を抑え、かつ広い波長域にわたって光透過率が高く、また紫外線照射に対して高感度、高精度で屈折率変化を起こさせることができ、また屈折率の熱安定性も向上させることが可能となる。
【００１６】
上記感光性組成物は、上記ポリシラン以外にシリコーン化合物を含んでいてもよい。このシリコーン化合物は感光層を構成するポリシラン膜に可とう性を付与する目的で含有されるものである。上記シリコーン化合物としては、ポリメチルフェニルシロキサンやポリジメチルシロキサンなどを用いることができる。上記シリコーン化合物を含む場合、上記ポリシランとの比率は、質量比でポリシラン／シリコーン化合物＝８０／２０〜５０／５０に設定されているのが好ましい。シリコーン化合物が少なすぎると、感光層にクラックが発生するおそれがあり、一方、多すぎると、露光時にタックが残るおそれがある。
また、上記感光性組成物は上記成分以外に表面調整剤などの各種添加剤や溶剤を含むことができる。
【００１７】
上記ポリシランを含む感光性組成物の塗布による感光層の形成は、通常、基材に対して行われる。基材としては、半導体、ガラス、磁性体、プラスチックス、あるいはこれらの複合体からなる基板またはシートが挙げられる。上記基材に対する感光層の形成は、先の感光性組成物を塗布するのに適した濃度に調整した後、スピンコーター、ロールコーター、バーコーター、スプレーなどの塗装機に加え、ディッピングによって行うことができる。上記塗布は膜厚が２〜１０μｍとなるように行われ、１２０〜３００℃で１０〜６０分加熱して感光層が得られる。上記感光層の厚みは、通常１〜５μｍである。
【００１８】
本発明の回折格子素子の製造方法では、このようにして得られた感光層に対して、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を形成させる。
上記干渉縞を形成するためには２つの方法が存在する。１つは二光束干渉法と呼ばれるもので、ビームスプリッタにより分けられた紫外光をミラーで反射させることにより、交差部に干渉縞を形成するものである。この方法では、例えば、波長３２５ｎｍまたは４４２ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーや、波長４８８ｎｍまたは４５８ｎｍのＡｒレーザーが光源として使用される。以下の図１は、二光束干渉法における露光について簡易的に示したものである。
【００１９】
ここでは、基材１上にあるポリシランからなる感光層２に対して、Ｈｅ−Ｃｄレーザーをビームスプリッタ（図示せず）で分割し、ミラー（図示せず）によって入射角を調節した波長λを有する２つの光３および光４が照射されている。ここで、感光層２への入射角をそれぞれθ１およびθ２とすると、光３および光４によって生じる干渉縞は、
Λ＝λ／（ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２）の周期を有する。
ここで、θ１＝θ２＝θの場合には、
Λ＝λ／２ｓｉｎθ  となる。
【００２０】
よって、波長λおよび入射角θを適宜選択することによって、使用する波長に対して小さなピッチの干渉縞を得ることができる。例えば、使用する光の波長を３２５ｎｍとしたときに、波長３２５ｎｍの光を用いて、入射角を８０°に設定して二光束干渉法を行うことができる。本発明で使用されるポリシランは、光が照射した部分でＳｉ−Ｓｉ結合が解裂することにより屈折率が低下するため、上記干渉縞が記録される。こうして得られた感光層をさらに加熱することによって上記干渉縞が定着される。その結果、周期１６５ｎｍの干渉縞を有する回折格子を得ることができる。
【００２１】
上記干渉縞を形成するためのもう１つの方法として、位相マスクを用いて行う方法が挙げられる。上記位相マスクとは、石英などの基板上に電子ビーム露光等により凹凸による細かいスリットを形成したものである。この位相マスクに紫外光を入射すると、±１次回折光が発生し、回折光がそれぞれ干渉する点が存在する。この点に感光層表面を設置することで、先の二光束干渉法と同様に干渉縞が屈折率の違う部分として記録される。なお、生じる干渉縞のピッチは位相マスクのパターンを設計により決定することができる。このようにして、干渉縞が記録された感光層は先の方法と同様にして加熱され、複屈折機能を有する回折格子素子が得られる。なお、上記露光後の加熱は、熱風循環乾燥機やホットプレートなどによって行うことができる。
【００２２】
このようにして得られる本発明の複屈折機能を有する回折格子素子を図２に簡易的に示した。回折格子素子１０では、基材１としてのガラス基板の上に、ポリシランを含む感光性組成物から形成された感光層２が存在している。この感光層において、干渉縞が形成されている露光部２ａと未露光部２ｂとが規則正しく配列された状態になっている。例えば、周期１６５ｎｍの干渉縞を有する回折格子素子に対し、８５０ｎｍといった大きな波長の光を入射すると、透過光（０次光）と回折光（±１次光）に分離でき、かつ回折波により偏光を分離できる。このように複屈折能を有する回折格子素子として動作することが確認される。
【実施例１】
【００２３】
ポリシランの製造
攪拌機を備えた１０００ｍｌフラスコに、トルエン４００ｍｌおよびナトリウム１３．３ｇを充填した。紫外線を遮断したイエロールーム中でフラスコの内容物を１１０℃に昇温し、高速攪拌することによりナトリウムをトルエン中に微細に分散した。ここにフェニルメチルジクロロシラン４２．１ｇおよびテトラクロロシラン４．１ｇを添加し、３時間攪拌することにより重合を行った。その後、得られた反応混合物にエタノールを添加することにより、過剰のナトリウムを失活させた。水洗後、分離した有機層をエタノール中に投入することにより、ポリシランを沈澱させた。さらに、このようにして得られたポリシラン粗生成物をエタノールから３回再沈殿させることにより、ポリシランを得た。このポリシランの質量平均分子量１１６００であり、下記の構造を有するものと推定される。
【００２４】
【化１】
2005331849.tif 000002
【００２５】
ポリシランを含む感光性組成物の製造
先に製造したポリシラン４０ｇ、ＣＦ−４０５２（東レ・ダウ・コーニング・シリコーン社製、ポリメチルフェニルシロキサン）２０ｇ、Ｒ−０８（大日本インキ化学社製、表面調整剤、固形分５０質量％）０．５ｇをアニソール３９．５ｇに溶解して、ポリシランを含む感光性組成物を得た。
【００２６】
回折格子素子の製造と評価
この感光性樹脂組成物を、ガラス基板の上にスピンコーターを用いて、厚さ２μｍとなるように塗布した後、オーブン中で１２０℃で２０分間プレヒートした後、さらに２５０℃で３０分間加熱して、感光層を形成した。
【００２７】
得られた感光層に対し、表面の法線に関して対称に、Ｈｅ−Ｃｄレーザを用い、コヒーレントな二光束を入射させて、露光を行った。このとき、波長３２５ｎｍの光を用い、入射角を８０°に設定することにより、干渉縞のピッチは１６５ｎｍとなった。
露光済みの基板を、オーブン中で１２０℃で１０分間プレヒートした後、さらに３００℃で３０分間加熱して回折格子素子を得た。
【００２８】
次いで、この回折格子素子の光学特性を評価した。その結果、この回折格子素子は８５０ｎｍの光を透過光（０次光）と回折光（±１次光）に分離でき、かつ回折波により偏光を分離できることを確認した。すなわち複屈折能を有する回折格子素子として動作することを確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の複屈折機能を有する回折格子素子は、偏光変換素子として種々の光学機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】二光束干渉法における露光について簡易的に示した図である。
【図２】本発明の複屈折機能を有する回折格子素子を簡易的に示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…基材、２…感光層、３，４…光、１０…回折格子素子
【図１】
2005331849.tif 000003
【図２】
2005331849.tif 000004