(57)【要約】  光学素子は、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む透光性薄膜において、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含むことを特徴としている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む透光性薄膜において、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む光学素子。
【請求項２】
前記光学素子の透光性薄膜において、屈折率が高い領域から低い領域まで含めた平均組成に関し、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であ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】
前記光学素子の透光性薄膜において、屈折率が高い領域から低い領域まで含めた平均組成に関し、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく２．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が１．０より大きく４．０未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
請求項１の光学素子の製造方法であって、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む薄膜に対して、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線などの電磁波を局所領域に照射することによって屈折率を変調させることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項５】
酸素を含んだ雰囲気中で屈折率を変調させることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含み、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満である薄膜の屈折率を変調させることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含み、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が０．８より大きく４．０未満である薄膜の屈折率を変調させることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用される光学素子に関し、特に透光性薄膜を利用した光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学薄膜が使用されている。代表的な光学薄膜材料として、ＳｉＯ2やＴｉＯ2などの酸化物薄膜、ＭｇＦ2などのフッ化物薄膜などがあげられ、これらは反射防止膜、ミラー、フィルタなどに利用されている。また、光学薄膜を応用した回折光学素子も、種々の用途に適用されている。【０００３】
回折光学素子は、レリーフ型と屈折率変調型に大別される。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と、相対的に小さな厚さを有する局所的領域が交互に配列して形成されている。すなわち、相対的に大きな厚さを有する局所的領域に対応する凸部の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域に対応する凹部の大気を通過する光との光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィやエッチングなどのプロセスを施して形成することができる。【０００４】
屈折率変調型回折光学素子は、相対的に屈折率が大きい局所的領域と相対的に屈折率が小さい局所的領域とが交互に配列されて形成されている。そして、屈折率が異なる局所的領域をそれぞれ通過する光の光路差に基づいて生じる位相差に起因して回折現象が生じる。屈折率変調型回折光学素子は、Ｇｅをドープした石英ガラスやフォトポリマなどの材料に紫外線や可視光などのエネルギビームを照射して屈折率を変調させることによって形成することができる。最近では、特許文献１の特開２００４−１６３８９２号公報に開示されているように、透光性炭素膜を利用した屈折率変調型回折光学素子の例も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１６３８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
微細な凹凸を形成する必要があるレリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、作製プロセスが比較的簡便であり、また表面が平坦であって汚染物が付着しにくいなどの利点がある。しかし、従来の光学材料では屈折率を大きく変化させることが困難であって、たとえばＳｉＯ2においては屈折率変化Δｎが０．００１程度であり、フォトポリマにおいてもΔｎが０．００４程度である。ここで、屈折率変調型回折光学素子における屈折率変化Δｎは回折効率に直接的に影響し、Δｎが大きいほど回折効率を高めることができる。したがって、レリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、Δｎが小さい光学材料を用いる場合にその設計において大きな制約があった。【０００６】
この点に関して、特許文献１においては、Δｎが最大で０．５になり得る炭素膜が開示されており、光学素子の設計の自由度を大きくすることができる。しかし、炭素膜は可視光領域の光のもとで着色しやすいという問題を有している。【０００７】
そこで、本発明は、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）かつ透明度が高い屈折率変調型回折光学素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による光学素子は、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む透光性薄膜において、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含むことを特徴としている。【０００９】
なお、上記光学素子の透光性薄膜において、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含む平均的な組成は、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であることが好ましい。また、その平均的な組成は、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく２．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が１．０より大きく４．０未満であることがさらに好ましい。【００１０】
本光学素子は、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む薄膜を出発材料として、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線などの電磁波を局所領域に照射して屈折率を変調させることによって製造することができる。本光学素子は、上記の薄膜を出発材料として、酸素を含む雰囲気中で、粒子線または電磁波を局所領域に照射して屈折率を変調させることによって製造することもできる。【００１１】
前記出発材料は、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満であることが好ましい。また、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が０．８より大きく４．０未満であることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
このような本発明によれば、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）かつ透明度が高い屈折率変調型回折光学素子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】
【００１３】
以下において、本発明による光学素子の出発材料とその製法について説明し、引き続いて屈折率変調構造の作製、および光学素子の機能と応用について説明する。【００１４】
（１）  出発材料とその製法
本発明による光学素子を作製するための出発材料としては、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む透光性薄膜であって、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満である薄膜を好ましく利用することができる。すなわち、このような薄膜は可視光領域において消衰係数が小さく、可視光領域において使用する光学素子用材料として好ましい。ここで、Ｃ、Ｏ、Ｓｉなどの組成は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）やＡＥＳ（オージェ電子分光）、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）などで求めることが出来る。【００１５】
そのような薄膜は、たとえば比較的低分子量のシロキサンを原料とするプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法などによって得ることができる。特開平７−３３３４０４号公報、特開２００４−３４１５４１号公報、および特開平８−７２１９３号公報などにおいて、シロキサンを原料として合成されるＳｉＯx膜および炭素を含む酸化珪素膜が開示されている。【００１６】
シロキサンは、その化学構造において−Ｓｉ−Ｏ−の周期構造を骨格に有し、シリコン原子の側鎖に水素または炭化水素系の基が付帯した構造を有している。そのようなシロキサンの具体例としては、ポリジメチルシロキサン［（ＣＨ3）2ＳｉＯ］n、ポリジフェニルシロキサン［（Ｃ6Ｈ5）2ＳｉＯ］n、ポリメチルフェニルシロキサン［（ＣＨ3）（Ｃ6Ｈ5）ＳｉＯ］n、ポリ水素メチルシロキサン［（Ｈ）（ＣＨ3）ＳｉＯ］nなどがある。【００１７】
プラズマＣＶＤ法でシロキサンを合成させれば、着色の原因となる炭素の不飽和結合が長鎖を形成しにくく、透明性の高い膜が得られると考えられる。合成された膜は非晶質に近い構造を有すると考えられ、その内部にＣＨ3、ＣＨ2、ＳｉＯ、ＳｉＨなどの結合を含んでいる。また、合成された膜には、ＳｉＣ、ＯＨ、ＣＯなどの結合を含むものもある。なお、合成された膜に含まれる水素は、Ｈ／Ｃの原子％比で０．７より大きくて４．０より小さい範囲にあることが好ましい。ここで、Ｈの組成はＨＦＳ（水素前方散乱）で求めることができ、ＲＢＳとの組み合わせで他の元素との比も求めることが出来る。すなわち、たとえばヘリウムイオンを分析する薄膜に照射して後方に散乱したヘリウムイオンと前方に散乱した水素を検出器によって検出して各種構成元素の組成を算出することができる。【００１８】
なお、合成膜の透明性や光学物性の改質のし易さなどをさらに考慮すれば、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて８未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満であり、そしてＨ／Ｃの原子％比が０．８より大きく４．０未満の範囲にある場合が好ましく、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満であり、そしてＨ／Ｃの原子％比が０．８より大きくて４．０未満の範囲にある場合がさらに好ましい。【００１９】
出発材料薄膜の硬さに関しては、たとえばＥｒｉｏｎｉｘ社製ナノインデンタＥＮＴ−１１００ａにより測定されるインデンテーション硬さが５００Ｎ／ｍｍ2より大きくて１００００Ｎ／ｍｍ2より小さい範囲にある場合に、その薄膜の耐久性や透明度が高くなる傾向にあって好ましい。この範囲より硬度が低くければ、薄膜に容易に傷が入り、薄膜光学素子のアセンブリ時のハンドリングに注意が必要となる。他方、この範囲より硬度が高ければ薄膜の透明度が低くなる傾向にあり、その薄膜の光学素子としての用途が限定される。特に好ましい硬度範囲として、インデンテーション硬さが２０００Ｎ／ｍｍ2より大きくて５０００Ｎ／ｍｍ2より小さい範囲内である場合に、薄膜の光学物性を後述のエネルギビームの照射によって改質することが容易になる。【００２０】
薄膜の光学物性としての消衰係数ｋが０．００５より大きい場合、可視光による薄膜の着色が大きくなって、その薄膜の光学素子としての用途が限定される。薄膜の屈折率は、１．３５より大きくて１．８０より小さい範囲内にあることが好ましい。これ以外の範囲内の屈折率を有する薄膜でも光学的には利用可能であるが、屈折率が１．３５より小さい場合には、薄膜が柔らかくなって耐久性が低くなる傾向にある。他方、屈折率が１．８０より大きければ、可視光による薄膜の着色が強くなる。可視光による着色が少ないという観点からは、屈折率が１．７５未満であることがより好ましく、１．６５未満であることがさらに好ましい。【００２１】
（２）  屈折率変調構造の作製
本発明における薄膜材料においては、エネルギビームを照射することによって、その光学物性を改質することができる。より具体的には、イオンビーム、電子ビーム、中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、ガンマ線などの電磁波を薄膜に照射することによって、その薄膜の光学物性を改質することができる。このような改質可能な特性を生かして、エネルギビームを薄膜の局所的領域に照射することによって、その薄膜に光学物性のパターニングを施すことができる。すなわち、薄膜内で所定のパターンに従って屈折率を変化（変調）させ、導波路、回折光学素子などを作製することができる。【００２２】
本発明における薄膜の光学物性がエネルギビームの照射によって変化するメカニズムの詳細は明らかではないが、電子、イオン、中性子線、アルファ線などの粒子線や、紫外光、Ｘ線、ガンマ線などの電磁波を照射することによって薄膜の局所的組成や化学結合状態などが変化し、その結果として光との相互作用が変化して薄膜の光学物性が変化すると考えられる。【００２３】
本発明における薄膜の光学物性のうちで屈折率の変化量Δｎとしては、０．０５以上で０．４未満の範囲内で変化させることができる。そして、そのような屈折率の変化のパターニングには、各種マスクの使用や干渉露光などのような公知の方法を適用することができる。【００２４】
改質された領域は、一般に水素量が減少する傾向にあり、外部から酸素を取り込んで酸素量が微増する例もある。実際の素子においては、微小領域の組成を領域ごとに測定することはほとんど不可能であるが、平均的な組成は求めることが出来る。その平均的な組成は、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であることが好ましい。また、水素は、Ｈ／Ｃの原子％比で０．４より大きくて４．０より小さい範囲にあることが好ましい。【００２５】
なお、改質後の透明性や屈折率変化量をさらに考慮すれば、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて８未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満であり、そしてＨ／Ｃの原子％比が０．４より大きく４．０未満の範囲にある場合が好ましく、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて３未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満であり、そしてＨ／Ｃの原子％比が０．４より大きくて４．０未満の範囲にある場合がさらに好ましい。さらには、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて２．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて２．０未満であり、そしてＨ／Ｃの原子％比が１．０より大きくて４．０未満の範囲にある場合がさらに好ましい。【００２６】
（３）  光学素子の機能と応用
上述のように本発明における光学薄膜内に屈折率変調構造を造り込むことによって、様々な光制御機能を発現させることができる。より具体的には、波長合分岐機能、パワー合分岐機能、偏光合分岐機能、集光機能、さらにはビーム整形機能を有する光学素子を得ることができる。【００２７】
本光学素子は、赤外線領域から可視、近紫外領域まで広くカバーすることが出来るため、幅広い応用が可能である。薄膜で屈折率変調型であるため、素子の小型化、薄型化に有効である。具体的には、光通信用の各種光学素子、レーザなどの光加工装置の素子、各種画像表示装置や光記録装置の光学系、光計測機器などに適用可能である。【００２８】
例えば、波長合分波機能においては、光通信における波長合分波器、画像表示装置のＲＧＢ合分光用素子などに適用できる。パワー合分岐機能に関しては、レーザ加工機のマルチビーム加工、光通信用光カプラなどに適用できる。偏光合分岐機能に関しては、光通信のＴＥ、ＴＭ波の分光や、偏光子、検光子、液晶用偏光板などに適用できる。集光機能に関しては、表示装置や記録装置の各種レンズ、マイクロレンズアレイなどへの応用が考えられる。ビーム整形機能に関しては、加工機や表示装置のホモジナイザなどへの応用が考えられる。
【実施例１】
【００２９】
排気した反応容器内にヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ3）3ＳｉＯＳｉ（ＣＨ3）3を６７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）の圧力まで導入し、基板温度８０℃に設定された石英基板に高周波電力を０．０１ｗ／ｃｍ2のパワー密度で印加することによって、膜厚２μｍのＳｉ−Ｏ−Ｃ−Ｈ膜が合成された。得られたその薄膜の原子組成比は、ＲＢＳ／ＨＦＳ法で求めると、Ｃ：Ｈ：Ｏ：Ｓｉが約２．２：２．３：０．９：１であった。【００３０】
その薄膜上にリフトオフ法で金マスクをパターニングし、シンクロトロン放射光（エネルギ５０〜３０００ｅＶ）による露光によって屈折率を変調させ、その後に金マスクがエッチングによって除去された。こうして、可視光の集光機能を有する屈折率変調型回折レンズが形成された。
【実施例２】
【００３１】
排気した反応容器にヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ3）3ＳｉＯＳｉ（ＣＨ3）3を１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の圧力まで導入し、基板温度８０℃に設定された石英基板に高周波電力を０．００５ｗ／ｃｍ2のパワー密度で印加することによって、膜厚３μｍのＳｉ−Ｏ−Ｃ−Ｈ膜が合成された。【００３２】
得られた薄膜に対して、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を光源として用いて、干渉露光法によって屈折率変調のパターニングを行った。こうして、可視光の分光機能を有する屈折率変調型回折光学素子が形成された。
【実施例３】
【００３３】
排気した反応容器にヘキサメチルジシロキサン（ＣＨ3）3ＳｉＯＳｉ（ＣＨ3）3を１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）の圧力まで導入し、基板温度９０℃に設定された石英基板に、電極面積９５ｃｍ2に対して高周波電力を８０Ｗで印加することによって、膜厚２μｍのＳｉ−Ｏ−Ｃ−Ｈ膜が合成された。得られたその薄膜の原子組成は、ＲＢＳ／ＨＦＳ法で求めると、Ｃ＝１．８×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｈ＝６．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｏ＝１．１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｓｉ＝１．２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。【００３４】
得られた薄膜に対して、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を光源として用いて、大気中で薄膜全面を露光することでその薄膜全面の屈折率の変調を行った。こうして形成された薄膜の屈折率変調部の原子組成は、ＲＢＳ／ＨＦＳ法で求めると、Ｃ＝１．５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｈ＝２．４×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｏ＝１．７×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、Ｓｉ＝１．３×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。このことから、改質された領域は、水素量が減少する傾向にあり、外部から酸素を取り込んで酸素量が微増していることがわかる。【００３５】
また、その薄膜の屈折率変調前および屈折率変調後について、可視光での屈折率と消衰係数の変化について評価するため、分光エリプソ測定を実施し解析を行なった。その結果、屈折率変調前においては、屈折率は１．６８、消衰係数は０．００１６であった。一方、屈折率変調後においては、屈折率は１．４７、消衰係数は３．３×１０-5であった。このことから、屈折率の変化量としては０．２１であること、可視光における着色はともに少ないことがわかる。【００３６】
以上の実施例において作製された回折光学素子においては、石英やフォトポリマを用いて形成される従来の回折光学素子では得られない高い回折効率を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明によれば、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）かつ透明度が高い屈折率変調型回折光学素子を提供することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月22日(2007.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含み、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満であり、エネルギビーム照射を受けることによって屈折率が０．０５以上で０．４０未満の範囲内の変化量で変化可能であって、単一原料を用いて形成されていることを特徴とする透光性薄膜。
【請求項２】
Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく３．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が０．８より大きく４．０未満であることを特徴とする請求の範囲１に記載の透光性薄膜。
【請求項３】
前記単一原料がシロキサン類であることを特徴とする請求の範囲１に記載の透光性薄膜。
【請求項４】
請求の範囲１の透光性薄膜を製造するための方法であって、単一原料としてシロキサン類を用いるプラズマＣＶＤによって前記透光性薄膜を形成することを特徴とする透光性薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求の範囲１の透光性薄膜を用いて作製された光学素子であって、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含み、屈折率が高い領域から低い領域まで含めた平均組成に関し、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
前記屈折率が高い領域から低い領域まで含めた平均組成に関し、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく２．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が１．０より大きく４．０未満であることを特徴とする請求の範囲５に記載の光学素子。
【請求項７】
請求の範囲５の光学素子を製造するための方法であって、前記透光性薄膜に対してイオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームを含む粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線を含む電磁波を局所領域に照射することによって屈折率を変調させることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項８】
酸素を含む雰囲気中で屈折率を変調させることを特徴とする請求の範囲７に記載の光学素子の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用される光学素子に関し、特に透光性薄膜を利用した光学素子に関する。
背景技術
［０００２］
情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学薄膜が使用されている。代表的な光学薄膜材料として、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などの酸化物薄膜、ＭｇＦ２などのフッ化物薄膜などがあげられ、これらは反射防止膜、ミラー、フィルタなどに利用されている。また、光学薄膜を応用した回折光学素子も、種々の用途に適用されている。
［０００３］
回折光学素子は、レリーフ型と屈折率変調型に大別される。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と、相対的に小さな厚さを有する局所的領域が交互に配列して形成されている。すなわち、相対的に大きな厚さを有する局所的領域に対応する凸部の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域に対応する凹部の大気を通過する光との光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィやエッチングなどのプロセスを施して形成することができる。
［０００４］
屈折率変調型回折光学素子は、相対的に屈折率が大きい局所的領域と相対的に屈折率が小さい局所的領域とが交互に配列されて形成されている。そして、屈折率が異なる局所的領域をそれぞれ通過する光の光路差に基づいて生じる位相差に起因して回折現象が生じる。屈折率変調型回折光学素子は、Ｇｅをドープした石英ガラスやフォトポリマなどの材料に紫外線や可視光などのエネルギビームを照射して屈折率を変調させることによって形成することができる。最近では、特許文献１の特開２００４−１６３８９２号公報に開示されているように、透光性炭素膜を利用した屈折率変調型回折光学素子の例も提案されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
特許文献１：特開２００４−１６３８９２号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００５］
微細な凹凸を形成する必要があるレリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、作製プロセスが比較的簡便であり、また表面が平坦であって汚染物が付着しにくいなどの利点がある。しかし、従来の光学材料では屈折率を大きく変化させることが困難であって、たとえばＳｉＯ２においては屈折率変化Δｎが０．００１程度であり、フォトポリマにおいてもΔｎが０．００４程度である。ここで、屈折率変調型回折光学素子における屈折率変化Δｎは回折効率に直接的に影響し、Δｎが大きいほど回折効率を高めることができる。したがって、レリーフ型回折光学素子と比較して、屈折率変調型回折光学素子は、Δｎが小さい光学材料を用いる場合にその設計において大きな制約があった。
［０００６］
この点に関して、特許文献１においては、Δｎが最大で０．５になり得る炭素膜が開示されており、光学素子の設計の自由度を大きくすることができる。しかし、炭素膜は可視光領域の光のもとで着色しやすいという問題を有している。
［０００７］
そこで、本発明は、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）かつ透明度が高い屈折率変調型回折光学素子を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明の一つの態様による透光性薄膜は、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含み、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく１．５未満であり、エネルギビーム照射を受けることによって屈折率が０．０５以上で０．４０未満の範囲内の変化量で変化可能であって、単一原料を用いて形成されていることを特徴としている。
なお、その透光性薄膜において、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく３．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が０．８より大きく４．０未満であることがより好ましい。また、その透光性薄膜用の単一原料として、シロキサン類を利用することができる。そして、その透光性薄膜は、シロキサンを原料とするプラズマＣＶＤによって形成され得る。
［０００９］
本発明の他の態様によれば、上述の透光性薄膜を用いて作製された光学素子において、相対的に高屈折率の局所的領域と相対的に低屈折率の局所的領域とを含み、屈折率が高い領域から低い領域まで含めた平均的な組成に関し、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であることを特徴としている。なお、その平均的な組成は、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きく２．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きく２．０未満であり、Ｈ／Ｃの原子％比が１．０より大きく４．０未満であることがより好ましい。
［００１０］
このような光学素子は、上述の透光性薄膜を出
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
発材料として、イオンビーム、電子ビーム、もしくは中性子ビームなどの粒子線、または紫外線、Ｘ線、もしくはガンマ線などの電磁波を局所的領域に照射して屈折率を変調させることによって製造することができる。また、本光学素子は、上記の薄膜を出発材料として、酸素を含む雰囲気中で、粒子線または電磁波を局所的領域に照射して屈折率を変調させることによって製造することもできる。
［００１１］
発明の効果
［００１２］
このような本発明によれば、屈折率変化量Δｎが大きく（すなわち回折効率が高く）かつ透明度が高い屈折率変調型回折光学素子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
［００１３］
以下において、本発明による光学素子の出発材料とその製法について説明し、引き続いて屈折率変調構造の作製、および光学素子の機能と応用について説明する。
［００１４］
（１）出発材料とその製法
本発明による光学素子を作製するための出発材料としては、シリコン、酸素、炭素、および水素を主要成分として含む透光性薄膜であって、Ｃ／Ｓｉの原子％比が１．０より大きくて１３．０未満であり、Ｏ／Ｓｉの原子％比が０．５より大きくて１．５未満である薄膜を好ましく利用することができる。すなわち、このような薄膜は可視光領域において消衰係数が小さく、可視光領域において使用する光学素子用材料として好ましい。ここで、Ｃ、Ｏ、Ｓｉなどの組成は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）やＡＥＳ（オージェ電子分光）、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）などで求めることが出来る。
［００１５］
そのような薄膜は、たとえば比較的低分子量のシロキサンを原料とするプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法などによって得ることができる。特開平７−３３３４０４号公報、特開２００４−３４１５４１号公報、および特開平８−７２１９３号公報などにおいて、シロキサンを原料として合成されるＳｉＯｘ膜および炭素を含む酸化珪素膜が開示されている。
【国際調査報告】
2007029522.tif 000002
2007029522.tif 000003