(57)【要約】【課題】広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる光学位相差素子を提供すること。【解決手段】断面視略矩形状の凸部１１が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有し、且つ凸部１１の周期方向の幅ｔと凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっている基板部１０の凹凸構造上に、少なくとも基板部１０のうち凸部１１の上面に第１被覆膜が形成されるように凸部１１より高い屈折率ｎ２を有する被覆膜２０を設ける。【選択図】  図１
2005010377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、
前記被覆膜が、少なくとも前記基板部のうち前記凸部の上面に形成された第１被覆膜を有し、
前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする光学位相差素子。
【請求項２】
前記被覆膜が、前記基板部のうち、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第２被覆膜を有し、
該第２被覆膜の前記凹部の底面からの高さＤ２と前記凸部の高さＤ１との差である被覆高差Ｄ２−Ｄ１が、設計波長をλ、前記第２被覆膜の屈折率をｎ２、０以上の任意の整数をＮとしたとき、数式１で示される範囲内のいずれかの値となっていることを特徴とする請求項１記載の光学位相差素子。
２Ｎλ／４ｎ２  ＜Ｄ２−Ｄ１＜（２Ｎ＋１）λ／４ｎ２  …  数式１
【請求項３】
断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、
前記被覆膜が、前記凸部の上面に形成された第１被覆膜と、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第２被覆膜と、前記凸部の側面に形成された第３被覆膜とを有し、
前記第２被覆膜及び前記第３被覆膜の膜厚が、前記第１被覆膜の膜厚より薄くなっており、
前記第１被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅ｔより広い最大幅ｔ１を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第１被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっており、
前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．４から０．６までのいずれかの値となっており、
前記最大幅ｔ１と前記凹凸構造の周期Ｔとの比である第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする光学位相差素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複屈折波長板又は光学位相板と呼ばれる光学位相差素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学位相差素子は、入射光の偏光成分毎に異なる位相遅延を与える光学素子であって、光ディスクのピックアップ、光通信における光アイソレータ、偏光解析による表面分析装置、偏光の合成・分離を行う液晶表示素子など様々な分野に応用されており、これらの分野において、必要且つ不可欠なデバイスとなってきている。
【０００３】
特に、光ディスクのピックアップなどに備えられる光学位相差素子においては、偏光ビームスプリッタと共に用いられることにより、光エネルギーの利用効率を高めることができ、同時に光アイソレータとしても機能する。ＣＤやＤＶＤでは、異なる波長（７８０ｎｍ及び６５０ｎｍ）のレーザー光が用いられるが、近年では、これらを１つの光学システムで実現する装置が提案されている。また、光通信における光アイソレータにおいても、光信号の多重化のため広い波長域の光を通し得る。したがって、光学位相差素子としては、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させるものが求められてきている。
【０００４】
光学位相差素子には、方解石、雲母、水晶のような自然界に存在する複屈折率結晶により形成されたものや、複屈折ポリマーにより形成されたもの、使用波長より短い人工的に周期構造を設けて形成されたものなどがある。
【０００５】
複屈折率結晶のものとしては、結晶軸と平行にカットされた平板状のものがある。このカット面に対し垂直に入射した光は、常光線と呼ばれる光成分と、異常光線と呼ばれる光成分とに分けられる。常光線と異常光線とでは、伝播速度が異なるので、両光線が光学位相差素子内を伝播するにつれて、両光線間で位相遅延量に差が生じる。この位相遅延の差は光学位相差素子内の伝播距離に比例するので、光学位相差素子の厚さを制御することで、目標値となる位相遅延量の差が得られる。しかし、複屈折率結晶の光学位相差素子は、結晶を用いるため非常に高価であるという欠点がある。
【０００６】
複屈折ポリマーのものでも、原理的には上述した複屈折率結晶のものと同じである。この場合は、光学位相差素子を構成するポリマーの平均的な分子方向とそれに垂直な方向との間で表れる複屈折率を利用する。このようなポリマーの偏った配列は、プラスティック材料に特定方向の力をかけながら薄板にするだけで製造することができるので、大きなサイズのものであっても安価に得ることができる。しかし、複屈折ポリマーのものは、光学的性質や耐久性が複屈折率結晶のものに比べて劣っており、高性能な光学素子への応用には不十分なものとなっている。
【０００７】
人工的に周期構造を設けて形成されたものとしては、透明の誘電体基板上に周期的な凹凸構造が設けられたものがある。該凹凸構造の周期は使用波長より短くなっている。該凹凸構造に対し垂直に入射した光の伝播速度は、凹凸構造の溝方向に平行な偏光成分と、それに垂直な偏光成分との間で異なるので、両成分間で位相遅延差が生じる。この場合、この位相遅延差は凹凸構造の深さに比例する。したがって、この深さを制御することで、所望の位相遅延差が得られる。このような微細な周期的凹凸構造が設けられた光学位相差素子は、１９８３年にＤ．Ｃ．  Ｆｌａｎｄｅｒｓによって実現されている（非特許文献１参照）。
【０００８】
上記凹凸構造（表面レリーフ格子）は、フォトレジストにより形成された格子パターンを用いて、電気鋳造により金型を製造しておき、該金型に熱可塑性樹脂を注入することにより製造される。即ち、成形による量産化が可能である。さらに、成形により製造される光学素子であれば、レンズのように曲面状に湾曲した表面を有するものであっても、該素子を構成する表面に上記のような周期的凹凸構造を組み込み、一つの光学位相差素子として製造することができる。
【０００９】
しかしながら、上記凹凸構造を有する光学位相差素子においては、位相遅延差が凹凸構造の深さの他、材料の屈折率等に強く依存し、特に、材料の屈折率が高いほど複屈折が強くなる。ガラスやプラスティックなどの光学材料の屈折率は１．５程度なので、これらを用いて実用的な光学位相差素子を実現するには、非常に深い凹凸構造が必要となる。例えば、ガラス基板を使ってＨｅ−Ｎｅレーザー光（波長λ＝６３２．８  ｎｍ）に対応する位相遅延差１／４λの光学位相差素子を実現する場合、凹凸構造の周期を４００ｎｍ、凸部の線幅を２００ｎｍとすると、深さが約１８００  ｎｍとなる。このような構造を射出成形やプレス成形によって製造すると、熱可塑性樹脂がうまく剥離されず、金型内に残留してしまうなどの問題が発生した。
【００１０】
また、このような光学位相差素子を製造する方法として、誘電体基板に直接フォトレジストの格子パターンを形成し、これをマスクとしてエッチングする方法もある。しかしながら、この方法には、エッチングに耐えうる厚みを備えたレジストパターンの形成が困難である、紫外線露光装置や電子ビーム描画装置及びプラズマエッチング装置など高価な装置が必要となる、製造に長時間を要するなどの問題があった。
【００１１】
また、屈折率の高い光学材料に凹凸構造を形成することにより、浅い凹凸構造でも大きな位相遅れを実現し得る光学位相差素子も考案されている。しかし、高屈折率の光学材料は成形加工に適さないため、生産性が悪く、コストが高くなるという欠点があった。
【００１２】
この問題に対処すべく、基板誘電体に溝の深さを浅くした表面レリーフ格子を設け、前記基板誘電体より屈折率の高い誘電体材料を、表面レリーフ格子上に被覆或いは充填して形成された光学位相差素子が提案されている（特許文献１参照）。
【００１３】
【非特許文献１】
ディー．シー．フランダース（Ｄ．Ｃ．  Ｆｌａｎｄｅｒｓ）著，「人工的な異方性を有する誘電体としてのサブマイクロメーター周期のグレーティング（”Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ  ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ａｓ  ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ”）」，第４２巻第６号、アプライド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ），１９８３年３月１５日，ｐ．４９２〜４９４
【００１４】
【特許文献１】
特公平７−９９４０２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の光学位相差素子では、複屈折の強さが入射する波長に殆ど依存しないという問題があった。位相遅延差は複屈折の強さと波長の比に比例するので、その光学位相差素子に対して設計時に使用を想定した光の波長（以下、設計波長という）の近傍において十分な位相遅延差が生じるように構成されていても、設計波長の近傍から離れた他の波長域では十分な位相遅延差が得られないのが通常であった。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる光学位相差素子を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る光学位相差素子は、断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、前記被覆膜が、少なくとも前記基板部のうち前記凸部の上面に形成された第１被覆膜を有し、前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【００１８】
上記光学位相差素子によれば、凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっているので、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる、いわゆるアクロマティックな光学位相差素子を実現することができる。
【００１９】
また、前記被覆膜が、前記基板部のうち、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第２被覆膜を有し、該第２被覆膜の前記凹部の底面からの高さＤ２と前記凸部の高さＤ１との差である被覆高差Ｄ２−Ｄ１が、設計波長をλ、前記第２被覆膜の屈折率をｎ２、０以上の任意の整数をＮとしたとき、数式１で示される範囲内のいずれかの値となっていることが望ましい。
【００２０】
２Ｎλ／４ｎ２  ＜Ｄ２−Ｄ１＜（２Ｎ＋１）λ／４ｎ２  …  数式１
上記光学位相差素子によれば、上記被覆高差Ｄ２−Ｄ１が上記数式１の範囲内となっているので、設計波長λに対して凹凸構造での反射を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明に係る他の光学位相差素子は、断面視略矩形状の凸部が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有する基板部と、前記凸部より高い屈折率を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜とを備えた光学位相差素子であって、前記被覆膜が、前記凸部の上面に形成された第１被覆膜と、前記凹凸構造の凹部の底面に形成された第２被覆膜と、前記凸部の側面に形成された第３被覆膜とを有し、前記第２被覆膜及び前記第３被覆膜の膜厚が、前記第１被覆膜の膜厚より薄くなっており、前記第１被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅ｔより広い最大幅ｔ１を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第１被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっており、前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．４から０．６までのいずれかの値となっており、前記最大幅ｔ１と前記凹凸構造の周期Ｔとの比である第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【００２２】
上記光学位相差素子によれば、凹凸構造における凸部占有率ｔ／Ｔが製造し易い０．４から０．６の値であっても、第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔを０．６から０．９までのいずれかの値とすることにより、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。
【００２３】
また、前記被覆膜各部の幅が高さ方向で滑らかに変化した形状となるので、有効屈折率が徐々に変化する構造となり、反射光を抑制することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態について、光学位相差素子として入射光λに対してλ／４の位相遅延差を発生させる１／４波長板を例に、添付図面を参照しつつ詳細に説明をする。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。図示した断面構造は、紙面垂直方向に連続しており、畝状の表面形状が形成されている。
【００２６】
図示のように、本発明の第１の実施形態に係る光学位相差素子１００は、断面視略矩形状の凸部１１が、設計波長より短い周期Ｔで配列された凹凸構造を上面に有する基板部１０と、凸部１１の屈折率ｎ１より高い屈折率ｎ２を有し、前記凹凸構造上に形成された被覆膜２０とを備えている。
【００２７】
基板部１０は、本実施形態では、石英ガラス（屈折率１．４６）により構成されているが、プラスティックや光硬化性樹脂など透過率の高い他の誘電体基板で構成することもできる。
【００２８】
基板部１０の上面に形成された凹凸構造の周期Ｔは、使用する光の波長λより短くなっており、本実施形態では、凸部１１の周期方向の幅ｔと凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっている。また、周期Ｔは３００ｎｍ、又は１８０ｎｍに設定し、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光（波長６３３ｎｍ）及びＧａＡｌＡｓ半導体レーザー光（波長７８０ｎｍ）を設計波長として、これらの近傍の波長域を使用光として想定しているが、設計波長及び周期Ｔの値はこれに制限されない。
【００２９】
このような凹凸構造は、コスト面及び生産性を考慮すると、射出成形やプレス成型などの量産技術により形成されることが望ましいが、格子パターンを形成したフォトレジストをマスクとしたエッチング処理によっても形成可能である。また、図１では、凸部１１が基板部１０の本体と同じ材質に形成されているが、基板上に誘電体層を形成し、これをエッチングによりパターニングするなどして、凸部１１を基板部１０の本体と異なる材質としてもよい。
【００３０】
被覆膜２０は、基板部１０のうち凸部１１の上面に形成された第１被覆膜２１と、凹部１２の上面に形成された第２被覆膜２２とを有している。本実施形態では、第１被覆膜２１と第２被覆膜２２とを同じ条件で同時に形成しており、第１被覆膜２１と第２被覆膜２２とが同じ高さＤ２となっているが、凹凸の形状効果等により成膜条件に差が生じ、異なる高さとなっていてもよい。ただし、本実施形態では、凹部の底面からの高さである第２被覆膜２２の高さＤ２は、凸部１１の高さＤ１より低くなっている。
【００３１】
被覆膜２０は、本実施形態では、Ｓｉ３Ｎ４（屈折率２．１）又はシリコン（Ｓｉ）（屈折率３．５）により構成されているが、ＺＴＯ、ＴｉＯ２など屈折率の高い他の誘電体基板で構成することもできる。被覆膜２０は、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法などにより形成される。
【００３２】
このように基板部１０の凹凸構造上に基板部１０とは屈折率の異なる膜を設けることにより、図１に示すような第１〜３の実効層からなる三層構造が形成される。第１の実効層（ｊ＝１）は、第１被覆膜２１（屈折率ｎ２）及び空気（屈折率１．０）、第２の実効層（ｊ＝２）は、凸部１１（屈折率ｎ１）及び空気（屈折率１．０）、第３の実効層（ｊ＝３）は、凸部１１（屈折率ｎ１）及び第２被覆膜２２（屈折率ｎ２）によってそれぞれ構成される。
【００３３】
凹凸構造の周期Ｔは、上述のように入射光に対する回折波を発生させないくらいに短いので、第１〜３の実効層のそれぞれは、人工的な複屈折による光学的異方性を具備した薄膜と見なすことができる。凹凸構造の溝と平行な方向に振動する光波（ＴＥ波）と溝に垂直な方向に振動する光波（ＴＭ波）とを含む光が各実効層に入射すると、ＴＥ波とＴＭ波とは、それぞれ異なる有効屈折率（実効屈折率）を有する。以下では、ｊ（＝１〜３）を第１〜３の実効層に対応させて、第１〜３の実効層におけるＴＥ波、ＴＭ波の有効屈折率を、ｎＴＥ（ｊ），  ｎＴＭ（ｊ）と表し、各実効層の光学的異方性により、透過光に対して、偏光方向とそれに垂直な方向とで異なる位相遅延が発生する詳細を説明する。
【００３４】
まず、周期Ｔは、各実効層に垂直に入射した光の各実効層における光の波長λより短くなっており、この垂直入射時に０次光以外の回折光が発生しない。このような周期Ｔの条件は、凸部１１の屈折率ｎ１、被覆膜２０の有効屈折率ｎＴＥ（ｊ），  ｎＴＭ（ｊ）を用いて下記の数式１１で与えられる。
【００３５】
Ｔ    ＜  λ／ｍａｘ［ｎ１，ｎＴＥ（ｊ），  ｎＴＭ（ｊ）］  …  数式１１
被覆膜２０の屈折率ｎ２の値が大きい場合、必要な位相遅延差を発生させるための凹凸構造の深さは浅くするが、有効屈折率ｎＴＥ（ｊ），  ｎＴＭ（ｊ）の値も大きくなるため、数式１１に示すように、必要な周期Ｔは短くなるのがわかる。
【００３６】
本実施形態では、周期Ｔが数式１１を満足するので、凹凸構造に垂直に入射した光は高次の回折光を発生させず、透過した光は入射光と同じ方向に向けられる。凹凸構造内では、ＴＥ波の有効屈折率ｎＴＥ（ｊ）の値がＴＭ波の有効屈折率  ｎＴＭ（ｊ）の値よりも大きくなっているので、ＴＥ波はＴＭ波よりも遅い速度で凹凸構造を通過する。これにより、同位相で入射した光波は凹凸構造を通過する際に偏光方向とそれに垂直な方向とで異なる位相遅延を生じる。この際、ＴＥ波とＴＭ波間との間で発生した位相遅延差δφは、数式１３に示すようにＴＥ波とＴＭ波に対する２つの有効屈折率ｎＴＥ（ｊ）及び  ｎＴＭ（ｊ）の差をδｎ（ｊ）として、数式１２で与えられる。１／４波長板では、その値は、０．５πラジアン、１／２波長板ではπラジアンとなる。
【００３７】
δφ  ＝  ２π／λ（δｎ（１）Ｄ２＋δｎ（２）（Ｄ１−Ｄ２）＋δｎ（３）Ｄ２）  …  数式１２
δｎ（ｊ）  ＝  ｎＴＥ（ｊ）−  ｎＴＭ（ｊ）    …  数式１３
本実施形態のように、凹凸構造上に高屈折率の被覆膜２０を形成して、δｎ（１）及びδｎ（３）の値が大きい三層構造とすることにより、数式１２に示すように、凹凸構造の深さＤ１を深くしなくても大きな位相遅延差を得ることができる。
【００３８】
実効層全体におけるＴＥ波及びＴＭ波に対する有効屈折率ｎＴＥ（ｊ）及び  ｎＴＭ（ｊ）は、各実効層における有効屈折率ｎＴＥ０（ｊ）及び  ｎＴＭ０（ｊ）を用いて、次式で表される。式中ｆは、凸部１１の周期方向の幅ｔと凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔを略記したものである。
第１の実効層（ｊ＝１）
【００３９】
【数１４】
2005010377.tif 000003
【００４０】
【数１５】
2005010377.tif 000004
【００４１】
第２の実効層（ｊ＝２）
【００４２】
【数１６】
2005010377.tif 000005
【００４３】
【数１７】
2005010377.tif 000006
【００４４】
第３の実効層（ｊ＝３）
【００４５】
【数１８】
2005010377.tif 000007
【００４６】
【数１９】
2005010377.tif 000008
【００４７】
数式１４〜数式１９を「Ｒｙｔｏｖの２次近似式」と呼ばれる式に適用することにより、数式２０及び２１に示す有効屈折ｎＴＥ（ｊ）及び  ｎＴＭ（ｊ）を得ることができる（参考文献：Ｓ．  Ｍ．  Ｒｙｔｏｖ，  ”Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｆｉｎｅｌｙ  Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ  Ｍｅｄｉｕｍ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ａｎｄ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ＵＳＳＲ，  ｖｏｌ．２９  （１９５５）  ６０５−６１６）。
【００４８】
【数２０】
2005010377.tif 000009
【００４９】
【数２１】
2005010377.tif 000010
【００５０】
ここで、ｎ３及びｎ４は、ｊ＝１の場合、ｎ３＝１、ｎ４＝ｎ２、ｊ＝２の場合、ｎ３＝１．０、ｎ４＝ｎ１、ｊ＝３の場合、ｎ３＝ｎ２、ｎ４＝ｎ１となる。
【００５１】
図２（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した光学位相差素子において、凸部占有率ｔ／Ｔを変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。光学位相差素子としては、凸部占有率ｔ／Ｔの値が上述した０．６〜０．９の範囲を越える０．４及び０．５のものも比較のために示している。
【００５２】
これらのグラフにおいて、凸部１１の屈折率ｎ１は、上述のように石英ガラスの屈折率の１．４６である。また、図２（ａ）においては、周期Ｔを３００ｎｍとし、被覆膜２０の屈折率ｎ２が２．１となっており、図２（ｂ）においては、周期Ｔを１８０ｎｍとし、被覆膜２０の屈折率ｎ２が３．５となっている。
【００５３】
図示のように、ここに示した光学位相差素子は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光の波長である６３３ｎｍの入射光に対して９０°（０．５πラジアン）の位相遅延差δφを発生させる１／４波長板となっているが、凸部占有率ｔ／Ｔの値が小さいものでは、入射光の波長λが長くなるにつれて位相遅延差δφが減少している。
【００５４】
凸部１１の周期方向の幅ｔは凹部１２の周期方向の幅と同じ幅に形成され、凸部占有率ｔ／Ｔは０．５とされるのが一般的であるが、凸部占有率ｔ／Ｔが０．５を越えるものではこの位相遅延差低下の傾向が改善されており、位相遅延差δφが入射光の波長に依存しない、又は、ほぼ依存しないようになっている。例えば、ｔ／Ｔが０．５の場合、位相変調量は入射光の波長に強く依存しているが、ｔ／Ｔ＞０．７になると、位相遅延差δφは入射光の波長λの変化に対して余り変化しなくなっている。
【００５５】
第１の実施形態に係る光学位相差素子１００においては、凸部占有率ｔ／Ｔが、０．６から０．９までのいずれかの値となっており、上記効果を奏する。したがって、位相遅延差δφの入射光の波長λに対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができ、１つの光学位相差素子を広い波長域の用途に適用することができる。
【００５６】
尚、図２に示されているように、凸部占有率ｔ／Ｔは、０．７から０．９までのいずれかの値となっていることがより望ましく、０．８から０．９までのいずれかの値となっていることがさらに望ましい。これにより、位相遅延差δφを入射光の波長λの変換に対してより変動しないものとすることができ、広い波長域の光に対してより安定した位相遅延差を発生させることができる。
【００５７】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【００５８】
図示のように、本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子１００Ａは、基板部１０と、被覆膜２０Ａとを備えているが、基板部１０については、第１の実施形態に示したものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００５９】
本実施形態においても、被覆膜２０Ａは、基板部１０のうち凸部１１の上面に形成された第１被覆膜２１Ａと、凹部１２の上面に形成された第２被覆膜２２Ａとを有し、第１の実施形態に示したものと同様に形成される。しかし、本実施形態では、凹部の底面からの高さである第２被覆膜２２Ａの高さＤ２は、凸部１１の高さＤ１より高くなっている。
【００６０】
本実施形態では、第２被覆膜２２Ａの凹部１２の底面からの高さＤ２と凸部１１の高さＤ１との差である被覆高差Ｄ２−Ｄ１が、設計波長をλ、第２被覆膜２２Ａの屈折率をｎ２、０以上の任意の整数をＮとしたとき、数式１で示される範囲内のいずれかの値となっている。
【００６１】
２Ｎλ／４ｎ２  ＜Ｄ２−Ｄ１＜（２Ｎ＋１）λ／４ｎ２  …  数式１
本実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、図３に示すような第１〜３の実効層からなる三層構造が形成される。第１の実効層（ｊ＝１）が、第１被覆膜２１Ａ（屈折率ｎ２）及び空気（屈折率１．０）、第３の実効層（ｊ＝３）が、凸部１１（屈折率ｎ１）及び第２被覆膜２２Ａ（屈折率ｎ２）によって構成されているのは同様である。しかし、第２の実効層（ｊ＝２）は、第１被覆膜２１Ａ（屈折率ｎ２）及び第２被覆膜２２Ａ（屈折率ｎ２）、即ち被覆膜２０Ａだけで構成された均一な層となる。
【００６２】
この第２の実効層には光学的異方性がなく、層の厚さが偏光成分間の位相遅延差に影響を与えないので、被覆高差Ｄ２−Ｄ１の値を調整しても１／４波長の位相遅延差を保持することができる。被覆高差Ｄ２−Ｄ１が数式１で示される範囲のいずれかの値となっているので、ＴＥ波及びＴＭ波に対して界面での反射を打ち消すことができる。したがって、本実施形態に係る光学位相差素子１００Ａによれば、設計波長λに対して凹凸構造での反射を抑制することができる。以下、これについて説明する。
【００６３】
光学位相差素子１００Ａに光が入射すると、第１〜３の実効層の上面となる界面１〜３、及び第３の実効層の下面となる界面４の４つの界面において反射が起こる。被覆膜２０Ａの屈折率ｎ２の値が大きい程、この反射が強くなり、透過率が低下する。以下では、界面１に入射する光（電場）の振幅をＡ０、界面１からの反射光の振幅をＢ０とし、第１〜３の各実効層内を伝播する入射光の振幅をＡ１〜３、反射光の振幅をＢ  １〜３とし、界面４に入射する光の振幅をＡ４とする。
【００６４】
界面１からの反射光の振幅Ｂ０は、各界面での反射の総和として生じるものであり、その値は各界面での反射率と界面間の光学距離とで決まる。特に、界面間の光学距離は光波の干渉効果に関係するので、各実効層の膜厚を調節することにより、干渉効果を制御して反射光を抑制することができる。反射光の強さを示す振幅Ｂ０は、多層膜干渉理論を用いて概算される。
【００６５】
まず、界面１より上方では、入射と反射との光波が存在するので、界面１より上方における電場Ｅ０は数式２２で表すことができる。各実効層における電場Ｅｊは、同様に数式２３で表すことができる。ここで、ｎｊの値はその実効層における屈折率であり、数式２０及び数式２１に示した有効屈折率ｎＴＥ（ｊ）及びｎＴＭ（ｊ）となる。ただし、第２の実効層においてはｎ２となる。また、式中のｚは、図３において基板部１０の上面に対して垂直上向きに示されたｚ軸上の変位を表す。
【００６６】
【数２２】
2005010377.tif 000011
【００６７】
【数２３】
2005010377.tif 000012
【００６８】
一方、各界面における電場Ｅｊ（ｚｊ）、及びその伝播方向の微分は連続でなければならないので、ｚ＝ｚｊにおいて数式２４及び２５の境界条件が満足される。
【００６９】
Ｅｊ（ｚｊ）    ＝  Ｅｊ−１（ｚｊ）    …  数式２４
ｄＥｊ−１（ｚ）／ｄｚ  ＝  ｄＥｊ（ｚ）／ｄｚ  （ｚ＝ｚｊ）…  数式２５
上記の数式２２〜数式２５を用いて、界面１からの反射光の振幅Ｂ０を、ＴＥ波に対しては数式２６〜３０、ＴＭ波に対しては数式３１〜３５のように計算することができる。通常、両者の振幅Ｂ０は異なる値となっている。
【００７０】
【数２６】
2005010377.tif 000013
【００７１】
【数２７】
2005010377.tif 000014
【００７２】
【数２８】
2005010377.tif 000015
【００７３】
【数２９】
2005010377.tif 000016
【００７４】
【数３０】
2005010377.tif 000017
【００７５】
【数３１】
2005010377.tif 000018
【００７６】
【数３２】
2005010377.tif 000019
【００７７】
【数３３】
2005010377.tif 000020
【００７８】
【数３４】
2005010377.tif 000021
【００７９】
【数３５】
2005010377.tif 000022
【００８０】
上記数式２６〜３０、及び数式３１〜３５を用い、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光（波長６３３ｎｍ）に適した１／４波長板である本実施形態に係る光学位相差素子１００Ａの場合を計算する。基板部１０の屈折率ｎ１は１．４６、凹凸構造の周期Ｔは３２０  ｎｍ、凸部占有率ｔ／Ｔは０．６、凸部１１の高さＤ１は３２５  ｎｍである。
【００８１】
被覆膜２０Ａの屈折率ｎ２が２．２の場合、１／４波長板とするためには、第１被覆膜２１Ａ及び第２被覆膜２２Ａの高さＤ２は３２５  ｎｍであればよい。しかしながら、この場合、上述した界面での反射のために、ＴＥ波の透過率は８７％、ＴＭ波の透過率は９０％になってしまう。これに対し、本実施形態では、Ｄ１が３２５  ｎｍであるのに対し、上記数式１を満足するようにＤ２は３４５  ｎｍとしている。
【００８２】
図４は、第２被覆膜２２Ａの高さＤ２を変化させたときの界面１からの反射光のＴＥ波及びＴＭ波に対する振幅Ｂ０の依存性を示したグラフである。
【００８３】
図示のように、第２被覆膜２２Ａの高さＤ２が本実施形態である３４５  ｎｍの場合、ＴＥ波とＴＭ波の透過率が共に９５％以上となり、反射を５％以下に抑制することができるのがわかる。
【００８４】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【００８５】
図示のように、本発明の第３の実施形態に係る光学位相差素子１００Ｂは、基板部１０Ｂと、被覆膜２０Ｂとを備えている。
【００８６】
基板部１０Ｂについては、凸部１１Ｂの周期方向の幅ｔと凹凸構造の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．４から０．６までのいずれかの値となっている。その他の点では第１の実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００８７】
被覆膜２０Ｂは、第１の実施形態の場合と同様に、凸部１１Ｂより高い屈折率を有して凹凸構造上に形成されており、凸部１１Ｂの上面に形成された第１被覆膜２１Ｂと、凹凸構造の凹部１２Ｂの底面に形成された第２被覆膜２２Ｂとを有する。本実施形態では、さらに凸部１１Ｂの側面に形成された第３被覆膜２３Ｂを有する。
【００８８】
図５に示したような構造は、スパッタリング法などの指向性の弱い成膜方法により、基板部１０Ｂの凹凸構造上に被覆膜２０Ｂを成長させることによって得られる。このような成膜方法では、凹部１２Ｂの底面及び凸部１１Ｂの側面に比べて、凸部の上面の方が膜が成長し易いので、第２被覆膜２２Ｂ及び第３被覆膜２３Ｂの膜厚は、第１被覆膜２１Ｂの膜厚より薄くなっている。また、凸部の上面に形成される膜は成長と共に、その周期方向の幅が広くなり、最大幅ｔ１を越えると狭くなって縮小している。したがって第１被覆膜２１Ｂは、凸部の周期方向の幅ｔより広い最大幅ｔ１を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て第１被覆膜２１Ｂの上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに変化した形状となっている。最大幅ｔ１と凹凸構造の周期Ｔとの比である第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔは、０．６から０．９までのいずれかの値となっている。
【００８９】
本実施形態では、被覆膜２０Ｂが曲面状に形成されているため厳密ではないが、第１の実施形態の場合と同様に、図５に示すような第１〜３の実効層からなる三層構造が形成されると近似することができる。即ち、第１の実効層（ｊ＝１）は、第１被覆膜２１Ｂ（屈折率ｎ２）及び空気（屈折率１．０）、第２の実効層（ｊ＝２）は、凸部１１Ｂ（屈折率ｎ１）及び空気（屈折率１．０）、第３の実効層（ｊ＝３）は、凸部１１Ｂ（屈折率ｎ１）及び第２被覆膜２２Ｂ（屈折率ｎ２）によって概ね構成される。
【００９０】
したがって、位相遅延差δφについても、第１〜３の実効層に基づき、数式１２の場合と同様に数式３６で求めることができる。ここで、Ｄ２は、第１被覆膜２１の高さ、Ｄ４は、第２被覆膜２２Ｂの高さ、Ｄ３は、凸部１１の高さＤ１と第２被覆膜２２Ｂの高さＤ４との差をそれぞれ示している。
【００９１】
【数３６】
2005010377.tif 000023
【００９２】
本実施形態に係る光学位相差素子１０Ｂにおいては、第１及び第３の実効層における位相遅延差δｎ（１）及びδｎ（３）に比べて、第２の実効層における位相遅延差δｎ（２）の値は小さい。また、第１被覆膜２１の高さＤ２及び凸部１１の高さＤ１と第２被覆膜２２Ｂの高さＤ４との差Ｄ３と比べて、第２被覆膜２２Ｂの高さＤ４の値は小さい。したがって、本実施形態に係る光学位相差素子１０Ｂにおける位相遅延差においては、第１の実効層による複屈折効果が支配的となる。
【００９３】
本実施形態に係る光学位相差素子１００Ｂによれば、基板部１０が屈折率の低い誘電体基板であっても、また、その上面に形成された凹凸構造における凸部占有率ｔ／Ｔが製造し易い０．４から０．６の値であっても、第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となるように、屈折率の高い第１被覆膜２１Ｂを凹凸構造上に形成することができる。したがって、第１の実施形態の場合と同様に、位相遅延差δφの入射光の波長λに対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。さらに、基板部１０の凸部占有率ｔ／Ｔを０．５前後とすることができるので、製造が容易となり、成型などに有利である。
【００９４】
また、被覆膜２０Ｂ各部の幅が高さ方向で滑らかに変化する形状となるので、有効屈折率が徐々に変化する構造となり、反射光を抑制することができる。
【００９５】
図６は、図５に示した光学位相差素子を近似的に示した光学位相差素子の断面図であり、図７は、図６に示した光学位相差素子において、被覆膜の屈折率を変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【００９６】
図６に示した光学位相差素子１００Ｃは、位相遅延差δφの計算を容易にするために、図５に示した光学位相差素子１００Ｂにおける被覆膜２０Ｂを被覆膜２０Ｃに近似したものとなっている。詳細には、第１被覆膜２１Ｂを５つの第１被覆膜部２２Ｃ１〜２２Ｃ５に分割し、第２被覆膜２２Ｂを第２被覆膜２２Ｃに、第３被覆膜２３Ｂを第３被覆膜２３Ｃにそれぞれ近似している。
【００９７】
尚、凸部占有率ｔ／Ｔは０．５とし、第１被覆膜部２２Ｃ１及び２２Ｃ５の幅は０．７Ｔ、第１被覆膜部２２Ｃ２及び２２Ｃ４の幅は０．７５Ｔ、第１被覆膜部２２Ｃ３の幅は０．８Ｔとして、第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔを０．７から０．８まで変化させた。また、第３被覆膜２３Ｃの幅は０．１Ｔとした。さらに、第２被覆膜２２Ｃの高さＤ４を０．２Ｄ２とし、被覆膜２０Ｃの屈折率には２．０、２．５及び３．０を適用し、凹凸構造の周期Ｔは３２０ｎｍ、２５０ｎｍ及び２１０ｎｍとしている。
【００９８】
図示のように、図２に示した第１の実施形態の場合と同様に、入射光の波長λが長くなるにつれて位相遅延差δφが減少する傾向が見られる。図中黒丸で示した水晶の位相板は従来の技術を示しており、本実施形態に係る光学位相差素子１００Ｃによれば、これと比べて位相遅延差低下の傾向が改善されており、位相遅延差δφが入射光の波長に依存し難くなっている。
【００９９】
以上本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく種々の変更が可能である。例えば、本発明は、入射光λに対してλ、λ／２など、λ／４以外の位相遅延差を発生させる波長板にも適用可能である。また、設計波長、周期Ｔ等についても種々の変更が可能である。
【０１００】
【実施例】
光学位相差素子の一例として、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに使用する１／４波長板を作成した。基板部１０を１．４６の低い屈折率を持つ石英ガラス基板で構成し、上面には周期Ｔが３２０ｎｍ、線幅ｔが１４０ｎｍ、深さＤ１が５００ｎｍの凹凸構造を作成した。次いで、スパッタ装置を用いて、被覆膜として屈折率ｎ２が２．０３のＺｎ２ＳｎＯ４（ＺＴＯ）を凹凸構造上に５００ｎｍの厚さで堆積した。
【０１０１】
図８（ａ）は、石英ガラス基板上に形成した凹凸構造の断面電子顕微鏡写真であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した凹凸構造上にＺＴＯ膜を被覆させて形成した光学位相差素子表面の畝状構造の断面電子顕微鏡写真である。
【０１０２】
上記のようにして製造した光学位相差素子にＨｅ−Ｎｅレーザー光（波長６３３ｎｍ）と
Ｔｉ：サファイアレーザー光（波長７８０ｎｍ）とを透過させて光学特性を測定した。ＴＥ波とＴＭ  波との間の位相遅延差は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光では約８６度であり、Ｔｉ：サファイアレーザー光では約７８度であった。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光でのＴＥ波、ＴＭ波の透過率は、それぞれ９０．６％及び８８．２％であった。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明に係る光学位相差素子は、上面に凹凸構造を有する基板部と、前記凹凸構造の凸部の上面に形成された屈折率の高い第１被覆膜を有し、凸部占有率ｔ／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【０１０４】
また、本発明に係る他の光学位相差素子は、上面に凹凸構造を有する基板部と、前記凹凸構造の凸部の上面に形成された第１被覆膜と、第１被覆膜より薄い凹部底面に形成された第２被覆膜と、前記凸部側面に形成された第３被覆膜とを有し、前記第１被覆膜が、前記凸部の周期方向の幅ｔより広い最大幅ｔ１を周期方向に有する拡張部を含み、前記凸部の上面から前記拡張部を経て前記第１被覆膜の上端に至るまで周期方向の幅が滑らかに縮小した形状となっており、凸部占有率ｔ／Ｔが０．４から０．６までのいずれかの値、第１被覆膜占有率ｔ１／Ｔが０．６から０．９までのいずれかの値となっていることを特徴とする。
【０１０５】
これらの構造に基づき、本発明に係る光学位相差素子によれば、位相遅延差の入射光の波長に対する変動を抑制して、広い波長域の光に対して安定した位相遅延差を発生させることができる。したがって、従来の光学位相差素子では実現できなかった広帯域の光学位相差素子を実現することができる。
【０１０６】
また、凹凸構造に被覆膜を形成した構造となっているので、製造が容易であり、特に凹凸構造に成形により製造することにより低価格を実現し量産性に優れている。また、成形製造により曲面状に湾曲したレンズや反射部材等の光学素子の表面に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した光学位相差素子において、凸部占有率ｔ／Ｔを変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図４】第２被覆膜の高さＤ２を変化させたときの界面１からの反射光のＴＥ波及びＴＭ波に対する振幅Ｂ０の依存性を示したグラフである。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る光学位相差素子を模式的に示した断面図である。
【図６】図５に示した光学位相差素子を近似的に示した断面図である。
【図７】図６に示した光学位相差素子において、被覆膜の屈折率を変化させたときの位相遅延差δφの入射光の波長λに対する依存性を示したグラフである。
【図８】（ａ）は、石英ガラス基板上に形成した凹凸構造の断面電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は、（ａ）に示した凹凸構造上にＺＴＯ膜を被覆させて形成した光学位相差素子表面の畝状構造の断面電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０、１０Ｂ  基板部
１１、１１Ｂ  凸部
１２、１２Ｂ  凹部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ  被覆膜
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ  第１被覆膜
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ  第２被覆膜
２３Ｂ、２３Ｃ  第３被覆膜
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ  光学位相差素子
【図１】
2005010377.tif 000024
【図２】
2005010377.tif 000025
【図３】
2005010377.tif 000026
【図４】
2005010377.tif 000027
【図５】
2005010377.tif 000028
【図６】
2005010377.tif 000029
【図７】
2005010377.tif 000030
【図８】
2005010377.tif 000031