(57)【要約】【課題】単一の高さのサブ波長構造と同様の透過光の位相変調をアスペクトの低い構造により実現し、光利用効率の高い位相変調型の光学素子を提供する。【解決手段】本発明の光学素子は、少なくとも一部の構造体２の高さを空間的に変調させることにより透過光の位相を変化せしめるものであり、使用する光の波長よりも微細な構造を有するので、高さの異なる入射波長よりも周期の狭い微細構造により、透過光の位相変調を実現することができる。また、使用する光の波長をλ、入射角をθ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体２の屈折率をｎ2とした場合、構造体の周期がλ／(ｎ1sinθ＋ｎ2)以下であることにより、高次の回折による透過光の発生がなくなり、光利用効率の高い光学素子を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造を有する光学素子であって、
少なくとも一部の構造体の高さを空間的に変調させることにより透過光の位相を変化せしめることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
使用する光の波長よりも微細な構造を有することを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項２記載の光学素子において、
使用する光の波長をλ、入射角をθ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、前記構造体の周期が、λ／(ｎ1sinθ＋ｎ2)以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項２または３記載の光学素子において、
使用する光の波長をλ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、構造体の高さの差Δｈが、
Δｈ＝２√２λ×√(ｎ1＾2＋ｎ2＾2)／(ｎ1＋ｎ2)＾2
の近傍とすることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学素子において、
前記微細構造が同一周期の概矩形格子あるいは柱状構造もしくは多段構造であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一つに記載の光学素子において、
使用する波長以下の微細構造が複数の領域に分割されており、該領域内の構造が同一ピッチ、同一高さであることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の光学素子において、
前記微細構造が素子の両面に形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載の光学素子において、
前記微細構造が曲面上に形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか一つに記載の光学素子において、
波長以下の構造体により入射光の位相が変調され、該入射光の少なくとも一部が集光されることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
請求項２〜８のいずれか一つに記載の光学素子において、
波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光のビームを整形することを特徴とする光学素子。
【請求項１１】
請求項２〜９のいずれか一つに記載の光学素子において、
少なくとも一面に設けられた波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光の収差を補正することを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際の製造方法において、
レーザの干渉により構造を形成するレーザ干渉露光法を用い、干渉光強度変調手段により干渉光強度を変調することにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際の製造方法において、
レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光を干渉させ、さらに干渉光強度変調手段により干渉強度を変調するとにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際の製造方法において、
レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光に対して透過性を示す薄膜と吸収性を示す薄膜を積層した構造体に対して加工用レーザ光を照射し、薄膜を空間選択的に除去することにより、微細構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際の製造方法において、
光を集光して集光点近傍において材料を硬化して構造を形成する光硬化方式を用い、照射レーザ光の多光子吸収により構造を形成し、かつ構造体の高さを変調することにより、微細構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、
加工用のレーザ光は、パルス幅が１０ピコ秒以下である超短パルスレーザであることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際の製造方法において、
基板上に光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の光学素子の製造方法において、
前記レーザ光を照射中、レーザ光のパワーおよび、集光点を走査するスピードは略一定とすることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の光学素子の製造方法において、
前記レーザ光を照射中、基板と集光点との位置は常にモニタリングされており、モニタリングの結果から集光点の位置を調整することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、
前記レーザ光が超短パルスレーザ光であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１７〜２０のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、
前記光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１７〜２１のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、
平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の光学素子の製造方法において、
光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１７〜２３のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法において、
前記構造物を、少なくとも一部に曲面を有している構造体の上に形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２５】
請求項１２〜２４のいずれか一つに記載の光学素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする光学素子。
【請求項２６】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、
レーザの干渉により構造を形成するレーザ干渉露光法を用い、干渉光強度変調手段により干渉光強度を変調することにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項２７】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、
レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光を干渉させ、さらに干渉光強度変調手段により干渉強度を変調するとにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項２８】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、
レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光に対して透過性を示す薄膜と吸収性を示す薄膜を積層した構造体に対して加工用レーザ光を照射し、薄膜を空間選択的に除去することにより、微細構造を形成することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項２９】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、
光を集光して集光点近傍において材料を硬化して構造を形成する光硬化方式を用い、照射レーザ光の多光子吸収により構造を形成し、かつ構造体の高さを変調することにより、微細構造を形成することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３０】
請求項２６〜２９のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
加工用のレーザ光は、パルス幅が１０ピコ秒以下である極短パルスレーザであることを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３１】
請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、
基板上に光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
前記レーザ光を照射中、レーザ光のパワーおよび、集光点を走査するスピードは略一定とすることを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３３】
請求項３１または３２記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
前記レーザ光を照射中、基板と集光点との位置は常にモニタリングされており、モニタリングの結果から集光点の位置を調整することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３４】
請求項３１〜３３のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
前記レーザ光が超短パルスレーザ光であることを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３５】
請求項３１〜３４のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
前記光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３６】
請求項３１〜３５のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されることを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３８】
請求項３１〜３７のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法において、
前記構造物を、少なくとも一部に曲面を有している構造体の上に形成することを特徴とする光学素子用形状転写型の製造方法。
【請求項３９】
請求項２６〜３８のいずれか一つに記載の光学素子用形状転写型の製造方法によって製造されたことを特徴とする光学素子用形状転写型。
【請求項４０】
請求項３９記載の光学素子用形状転写型を用いて光学材料に微細構造を転写し、製造したことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ記録装置、表示装置、画像形成装置、光通信、光情報処理等に用いられる薄型の光学素子に関し、特に、集光、分岐、回折、ホログラム等の機能を有する光学素子や、レンズ機能、分波／合波機能、光強度分布変換機能、偏光分離機能、あるいはこれらの複合機能を有する光学素子に関し、さらには、多段階あるいは連続的な構造を有しており、高い回折効率を示す表面レリーフ型の回折光学素子に関する。さらに本発明は、その光学素子の製造方法に関し、さらには、その光学素子を作製する際に用いられる光学素子用形状転写型の製造方法及び、その製造方法で作製した光学素子用形状転写型に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、屈折率の異なる２つの媒質（例えば一方が空気で、もう一方が等方性媒質）が光の波長よりも小さい周期構造を持つような構造（ＳＷＳ＝Subwavelength Structure；サブ波長構造）を利用した光学素子が広く開発されている。これらの構造は回折理論における共鳴回折領域から等価屈折率領域にあたり、従来のスカラー回折理論による波長以上の構造体での回折光学素子とは原理的に大きく異なる特性を示す。
【０００３】
このように周期が波長よりも短い回折格子はサブ波長格子と呼ばれ、その中でもさらに周期が短く透過・反射ともに０次回折光しか存在しない周期をもつ格子が０次格子と呼ばれる。これら０次回折素子は高次の回折光が存在しないことから、従来の波長以上の構造による回折光学素子での高次回折光によるエネルギー損失を生じない、光利用効率の高い素子の実現が可能であると考えられる。
【０００４】
これらサブ波長構造を透過した０次回折光は、格子構造に起因する屈折率変化により位相変調を起こすことが知られており、図３５に示すように、同一の高さ・ピッチで構造体の幅のみを変調（フィルファクター変調）することで、光を集光する素子が実現されている（例えば、非特許文献１（Journal of the Optical Society of America A,Vol14(4),901-906(1997)）参照）。
【０００５】
また、特許文献１（特開２００１−３１８２１７号公報）では、同様に構造体のフィルファクターのみを変調し、かつ構造体の領域を分割することで空間的に位相を変調した回折光学素子を実現している。
さらに、特許文献２（特開２００４−６１９０５号公報）では円柱状のサブ波長構造体を用い、同様に構造体の幅（面積）のみを変調することにより位相変調光学素子を実現している。
【０００６】
［サブ波長構造の製造方法］
入射光の波長以下の構造の製造方法は、利用する波長により大きく異なる。波長が１ミクロン（μｍ）よりもかなり長い領域に関しては光リソグラフィーや機械加工、エッチング等の多くの製造方法が利用可能である。
しかしながら、可視光程度の波長領域では構造体の周期はサブミクロンオーダとなり、製造方法も限定される。特に数百ｎｍ程度の構造の製造方法としては、レーザ光の干渉を利用した干渉露光法と電子ビーム露光法が主に用いられてきた。
【０００７】
レーザ干渉露光法では、通常、青から紫外のレーザ光を干渉させて、感光性の高分子材料（レジスト）に照射し、その干渉ピッチの構造を形成する。このとき構造はレジストに形成され、高さはレジスト厚で規定される。
また、電子ビーム露光法では、電子ビームを集光・走査してレジスト材料に照射し、レジスト材料の微細な構造を作製する。このときも同様に、高さはレジスト厚みで規定される。
これらの手法によりレジスト以外の材料に微細構造を作製する場合は、このレジスト構造を利用して、反応性ドライエッチングや金属蒸着等の手法を用いて構造を作製していた。
【０００８】
［積層薄膜を利用した微細構造の製造方法］
特許文献３（特開２００３−１８１６７８号公報）に記載の光学素子の製造方法では、多層に配置した透過・吸収薄膜にレーザ光を照射することで、高さの異なる平坦面を有する微細構造を形成する。このとき微細構造の加工位置を制御することで、バイナリー型構造の回折光学素子を形成している。
【０００９】
これら従来のサブ波長構造を有する光学素子では、構造の高さを一定にし、構造の幅あるいは面積により透過光の位相を変調していた。図３５は従来の位相変調型サブ波長素子であり、このようにピッチが一定の微細な構造のフィルファクターのみを変調して透過０次光の位相制御を行っていた。
このサブ波長領域での材料の屈折率は多くの場合、以下の有効屈折率法（式１）によって近似されることが知られている。
【００１０】
（式１）
ｎTE＝√{ｆｎ22＋(１−ｆ)ｎ12}
ｎTM＝√{[ｎ12ｎ22]／[ｆｎ12＋(１−ｆ)ｎ22]}
ｆ＝ｗ／ｐ
【００１１】
ここで、ｎTEは図３６において電場が構造に平行に振動する垂直な偏光成分に対する屈折率、ｎTMは電場が構造に垂直な方向に振動する成分に対する屈折率を示す。ｆは構造体の幅ｗと周期（ピッチ）ｐとの比であるフィルファクターを示す。
【００１２】
図３７にはｎ1＝１，ｎ2＝１．５とした場合のフィルファクターによる有効屈折率（ｎ）を示す。このようにＴＥ波、ＴＭ波ともｎ1からｎ2までフィルファクターによって制御可能であることが分かる。このとき偏光の異なる入射光での有効屈折率は、偏光成分によりこのＴＥ波、ＴＭ波による有効屈折率の中間の値となる。
このとき、透過０次光の位相変調は、この有効屈折率ｎを用いて入射光波長をλ、透過光路長をｄとすると、位相変調量φは、
φ＝２πｎｄ／λ      （式２）
で与えられる。
【００１３】
このとき、例えば図３８の構造体を考える。入射する光の波長λを８００ｎｍ、構造体のピッチｐを４００ｎｍ、屈折率をｎ1＝１，ｎ2＝１．５とし、フィルファクターｆが１と０．２の間で２πの位相変調を与えるとした場合、高さｄは約２ミクロンとなる。フィルファクターが０．２の時の構造体の幅は８０ｎｍであり、非常にアスペクトの高い構造が要求されることになる。このような構造を作製することは非常に困難であり、従来のフィルファクターによる変調のみでは、透過光の大きな位相変調を得ることは困難であった。サブ波長領域の位相変調光学素子では、このように微細かつ高い構造を要求される場合が多く、大きな問題となっていた。
さらに、このような高いアスペクトを有する構造体は機械的強度が弱く、外力に対して弱い問題があった。
【００１４】
［製造方法の課題］
これら高さの異なる微細構造を有する素子を実現するために、従来のレーザ干渉を利用した微細構造の製造方法は、干渉強度の高い領域と低い領域の２値の構造を形成する手法であり、通常、加工高さがレジスト厚みで規定されるため、高さの制御が困難であるという問題があった。
従来の電子ビーム露光法では、露光量で高さを制御することは可能ではあるが、基本的に点描画による加工であるため加工速度が非常に遅く、数ｍｍ角の構造形成に何日もかかるなど製造上大きな問題となっていた。
また、これらの手法では構造体をレジストにしか作製することができず、他の材料で構造を作製する場合は、さらに反応性ドライエッチング等の他のプロセスを利用する必要があり、複雑でコストが高くなり、かつ形状の変化が起きることが問題となっていた。
【００１５】
［回折光学素子及びその製造方法と、従来の製造方法における問題点］
回折光学素子は、素子に入射されるレーザ光の空間的な位相分布をコントロールすることにより、ビームの集光機能、強度分布変換機能、ビーム分波／合波機能など、様々な形態の光制御を行うことが可能な素子のことである。本発明に係る製造方法では、高い回折効率を得ることが可能な多段階構造あるいは連続的でなめらかな構造を有する表面レリーフ型回折光学素子を対象としている。以下では、これを単に回折光学素子と言う。
【００１６】
本発明に係る多段階の構造を持つ回折光学素子の例を図２５に示す。多段階の回折光学素子の構造は図２５（ａ）のように回折格子を元にしたものや、図２５（ｂ）のように段差が２次元的にランダムに配置されたものなどがある。回折光学素子は一般的に、高さ数百ｎｍ〜数μｍの構造が数百ｎｍ〜数十μｍのピッチで形成されており、この作製に必要な分解能は、用途によって異なるが、水平方向に数十ｎｍ〜１μｍ、高さ方向に数十ｎｍである。
【００１７】
回折光学素子及びその製造方法に関しては、非特許文献２（最新  回折光学素子技術全集  技術情報協会（2004）pp107−160）などに詳細に記されている。
製造方法及び、それぞれの製造方法における問題点に関して、以下に簡単に記す。
【００１８】
回折光学素子の製造方法として、最も一般的にはダイヤモンドバイトなどを利用した機械加工によって成されてきた。しかし、機械加工による手法では、面内の分解能がバイト先端部の大きさで規定されるため、高分解能とすることが難しい。また、ガラスのような脆性材料や、樹脂のようなやわらかい材料を高精度に機械加工することは困難である。
【００１９】
それに対して、近年、面内の分解能が高い手法として、半導体製造技術であるリソグラフィによる手法がとられている。リソグラフィによる手法としては以下のようなものが挙げられる。
【００２０】
(1)フォトリソグラフィによる製造方法
レジストの塗布、フォトリソグラフィによるマスクパターンの転写、パターン現像、エッチング、レジスト除去、といった一連のプロセスを複数回繰り返すことで、多段階の構造を作製する手法である。
しかし、この製造方法では、工程が非常に多く、コストが高い。また、複数回リソグラフィを繰り返す際に精密な位置合わせが必要となり、位置合わせの誤差が素子の性能劣化の原因となる。
【００２１】
(2)グレースケールマスクを用いた製造方法
(1)の手法に対して、１回のフォトリソグラフィ工程で回折光学素子を作製する方法として、グレースケールマスクを用いる方法がある。グレースケールマスクは光の透過率が階調を持って空間的に異なっており、これによって１度のマスクパターン転写で立体形状を有するレジストを作製することができる。
【００２２】
(3)電子線露光による作製手法
電子線を集光しレジストに照射し、集光点を移動させることでパターンを形成する方法であり、電子線の強度を変調させながら作製を行うことで、深さ方向が場所によって異なる立体形状を作製することができる。
【００２３】
(4)レーザ光の集光走査による作製手法
上記電子線の変わりにレーザ光（主に紫外線領域のレーザ光）を用いることで、より簡易に形状を作製することが可能である。
【００２４】
上記の(1)、(2)の手法に関しては、マスクが必要であり、特にグレースケールマスクはコストが高く、半導体素子と比較して同種のものを大量に生産することが少ない回折光学素子の生産には適していなかった。
また、(2)〜(4)の製造方法に関しては、レーザ光あるいは電子線の強度に対してレジストの感度が一般的には線形ではなく、高さを精密に制御することが非常に困難であった。
【００２５】
これらの手法のように面内の高い分解能を維持しつつ、高さ方向を精密に制御する方法として、多層構造を利用する手法が以下のように提案されている。
例えば、複数種類のレジストを多層に塗布した後に複数回露光を行う手法が特許文献４（特開平５−３３３２０４号公報）に示されている。
また、あらかじめ多層構造を用意し、これらをレーザブレーションによって選択的に除去することで、多段形状を作製する方法が前述の特許文献３（特開２００３−１８１６７８号公報）に示されている。
これら多層構造を利用する方法では、構造体の深さを精密に制御することが可能であるが、多層膜を作製するのに工程が必要である、多層構造の層数に限りがある、高さ分解能が多層膜作製時の精度に依存するため限界がある、などの問題点がある。
【００２６】
【特許文献１】特開２００１−３１８２１７号公報
【特許文献２】特開２００４−６１９０５号公報
【特許文献３】特開２００３−１８１６７８号公報
【特許文献４】特開平５−３３３２０４号公報
【特許文献５】特表２００４−５０３４１３号公報
【特許文献６】特開２００１−１５８０５０号公報
【非特許文献１】Journal of the Optical Society of America A,Vol14(4),901-906(1997)
【非特許文献２】最新  回折光学素子技術全集  技術情報協会（2004）pp107−160
【非特許文献３】Appl.Phys.Lett.83, 819-821 (2003)
【非特許文献４】Opt.Lett.22,132-134(1997)
【非特許文献５】Appl.Phys.Lett.74, 786-788 (1999)
【非特許文献６】Appl.Opt. 33,863-867 (1994)
【非特許文献７】Opt.Eng. 19, 297-305 (1980)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は以上の背景技術の問題点に鑑みなされたものであり、その第１の課題は、前述の素子構造の問題を解決し、単一の高さのサブ波長構造と同様の透過光の位相変調をアスペクトの低い構造により実現する光学素子を提供することである。
第２の課題は、第１の課題に加え、光利用効率の高い光学素子の提供を行うことである。
第３の課題は、第１、第２の課題に加え、設計が簡便で製造が容易な位相変調型の光学素子構造を提供することである。
第４の課題は、第１〜３の課題に加え、入射角変化に柔軟で設計、製造が容易な光学素子を提供することである。
第５の課題は、第１〜４の課題に加え、透過光の位相変調による回折型光学素子、ホログラム光学素子の提供を行うことである。
第６の課題は、第１〜５の課題に加え、安定な構造で大きい位相変調の実現及び２つの位相変調によるより複雑な変調を可能とする光学素子の提供を行うことである。
第７の課題は、第１〜６の課題に加え、集光レンズ、投影レンズとしての利用を容易とする光学素子の提供を行うことである。
第８の課題は、第１〜７の課題に加え、位相変調機能を利用して、平板あるいは薄型の集光レンズ、投影レンズ等の集光光学素子の提供を行うことである。
第９の課題は、第１〜７の課題に加え、位相変調機能を利用して、入射光の分割、整形等を行う平板あるいは薄型の回折光学素子の提供を行うことである。
第１０の課題は、第１〜７の課題に加え、位相変調機能を利用して、薄型の収差補正用光学素子の提供を行うことである。
【００２８】
第１１の課題は、高速で高精度な複数の高さを有する微細構造体からなる光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
第１２の課題は、高速で高精度な複数の高さを有する微細構造体からなる光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することであり、さらには、付加加工を施すことなく、直接光学素子あるいは光学素子用形状転写型の製造が可能な製造方法を提供することである。
第１３の課題は、高速で高精度な複数の高さを有する微細構造体からなる光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することであり、さらには、高さの制御性が高く、平坦な加工面を有する光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
第１４の課題は、高速で高精度な複数の高さを有する微細構造体からなる光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することであり、さらには、アスペクトの高い微細構造を有する光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
第１５の課題は、高速で高精度な複数の高さを有する微細構造体からなる光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することであり、さらには、高精度で微細化が容易で構造の制御性の高い光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
【００２９】
ところで、近年、３次元の空間分解能を有する加工法として、２光子または多光子プロセスを用いた工法が種々提案されている。
例えば、非特許文献３（Appl.Phys.Lett.83, 819-821 (2003)）において示されるように、多光子プロセスを用いることによって、通常のレーザ加工における回折限界よりも微小な構造体を作製することが可能である。また、一回の集光照射で形成される構造体は基板垂直方向に長く、基板水平方向には短い、アスペクト比の高い構造が作製される。
また、非特許文献４（Opt.Lett.22,132-134(1997)）や、特許文献５（特表２００４−５０３４１３号公報）では、ステージを移動させることで焦点位置を変化させ、一筆書きで構造物、特に導波路を作製する方法が示されている。
さらに、非特許文献５（Appl.Phys.Lett.74, 786-788 (1999)）では、基板水平方向のステージ移動で構造物を作製した後に，基板垂直方向にステージを移動させ，再び水平方向で構造物を作成する、といった工程を繰り返す、積層型の立体形状製造方法が示されている。
また、ミラースキャナーとステージとを組み合わせることで、より高速に構造物を作製する手法が特許文献６（特開２００１−１５８０５０号公報）に示されている．
【００３０】
これらの手法において、作製される構造物の高さを制御する手法としては、作製する構造体を積層することで実現されている。この手法では、積層させる必要があるため作製に時間がかかり、また、構造物の高さは積層時の送りで限定されるため、高さ方向に高い分解能を有する構造を作製するためにはさらに時間がかかることになる。
そこで、以下の課題では、これらの問題を解決し、多光子吸収を利用して簡単にかつ高精度で高さが制御された構造の製造方法を提供することである。ここで、多光子吸収とは２光子以上の吸収過程のことを指すものである。
【００３１】
より具体的には、本発明の第１６の課題は、多光子吸収を利用して高さが精密に制御された多段階あるいは連続的な表面レリーフ型の回折光学素子あるいは光学素子用形状転写型を、少ない工程数で作製可能とする製造方法を提供することである。
第１７の課題は、第１６の課題に加え、より精度の高い回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
【００３２】
ところで、多光子吸収過程は非線形過程であるため、通常起こりにくく高いパワーのレーザが必要である。しかし、高パワーのレーザを局所的に集光することによって、光反応性材料中にバブルが発生する、アブレーションによって材料が破壊される、などの現象が生じ、作製される構造体に悪影響を及ぼす。
【００３３】
そこで、第１８の課題は、第１６、１７の課題に加え、より効率的に多光子吸収過程を生じせしめ、高いパワーを必要としない回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することであり、さらには、水平方向により細かい構造を有する回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
【００３４】
ところで、レーザ光の集光点を水平方向に走査する際に、集光点の水平方向移動量と１回の走査で形成される構造の幅との関係が最適になっていないと、構造体の間に溝ができ、作製された構造体は例えば図３１（ｂ）のような構造となる。図３１（ａ）のように所望の回折光のみを得る構造に対して、この構造では図３１（ｂ）に示すように不要な回折光を生じ、光学素子の性能に悪影響を及ぼす。
また、製造方法によっては、図３２に示すように、作製条件によってはこのような溝がなくとも構造体の頂部に微細な凹凸が形成されることがありうる。これによっても、不要な回折光が生じる。
【００３５】
そこで第１９の課題は、このような溝が存在していても作製された光学素子の光学性能に影響を及ぼさないような構造とし、より性能の高い回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
さらに第２０の課題は、第１９の課題に加え、より高い光学性能を有する回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
また、第２１の課題は、第１９，２０の課題に加え、より複合的な機能を有する光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
さらに第２２の課題は、第１９〜２１の課題に加え、回折効率の高い、高性能な回折光学素子の製造方法あるいは光学素子用形状転写型の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記の課題を解決するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、微細構造を有する光学素子であって、少なくとも一部の構造体の高さを空間的に変調させることにより透過光の位相を変化せしめることを特徴とする（請求項１）。
また、本発明の第２の手段は、第１の手段の光学素子において、使用する光の波長よりも微細な構造を有することを特徴とする（請求項２）。
【００３７】
本発明の第３の手段は、第２の手段の光学素子において、使用する光の波長をλ、入射角をθ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、前記構造体の周期が、λ／(ｎ1sinθ＋ｎ2)以下であることを特徴とする（請求項３）。
また、本発明の第４の手段は、第２または第３の手段の光学素子において、使用する光の波長をλ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、構造体の高さの差Δｈが、
Δｈ＝２√２λ×√(ｎ1＾2＋ｎ2＾2)／(ｎ1＋ｎ2)＾2
の近傍とすることを特徴とする（請求項４）。
【００３８】
本発明の第５の手段は、第１〜第４のいずれか一つの手段の光学素子において、前記微細構造が同一周期の概矩形格子あるいは柱状構造もしくは多段構造であることを特徴とする（請求項５）。
また、本発明の第６の手段は、第２〜第５のいずれか一つの手段の光学素子において、使用する波長以下の微細構造が複数の領域に分割されており、該領域内の構造が同一ピッチ、同一高さであることを特徴とする（請求項６）。
【００３９】
本発明の第７の手段は、第１〜第６のいずれか一つの手段の光学素子において、前記微細構造が素子の両面に形成されていることを特徴とする（請求項７）。
また、本発明の第８の手段は、第１〜第７のいずれか一つの手段の光学素子において、前記微細構造が曲面上（例えばレンズ上等）に形成されていることを特徴とする（請求項８）。
【００４０】
本発明の第９の手段は、第２〜第８のいずれか一つの手段の光学素子において、波長以下の構造体により入射光の位相が変調され、該入射光の少なくとも一部が集光されることを特徴とする（請求項９）。
また、本発明の第１０の手段は、第２〜第８のいずれか一つの手段の光学素子において、波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光のビームを整形することを特徴とする（請求項１０）。
さらに本発明の第１１の手段は、第２〜第９のいずれか一つの手段の光学素子において、少なくとも一面に設けられた波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光の収差を補正することを特徴とする（請求項１１）。
【００４１】
本発明の第１２の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際の製造方法において、レーザの干渉により構造を形成するレーザ干渉露光法を用い、干渉光強度変調手段により干渉光強度を変調することにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする（請求項１２）。
【００４２】
本発明の第１３の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際の製造方法において、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光を干渉させ、さらに干渉光強度変調手段により干渉強度を変調するとにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする（請求項１３）。
【００４３】
本発明の第１４の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際の製造方法において、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光に対して透過性を示す薄膜と吸収性を示す薄膜を積層した構造体に対して加工用レーザ光を照射し、薄膜を空間選択的に除去することにより、微細構造を形成することを特徴とする（請求項１４）。
【００４４】
本発明の第１５の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際の製造方法において、光を集光して集光点近傍において材料を硬化して構造を形成する光硬化方式を用い、照射レーザ光の多光子吸収により構造を形成し、かつ構造体の高さを変調することにより、微細構造を形成することを特徴とする（請求項１５）。
【００４５】
本発明の第１６の手段は、第１３〜第１５のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法において、加工用のレーザ光は、パルス幅が１０ピコ秒以下である超短パルスレーザであることを特徴とする（請求項１６）。
【００４６】
本発明の第１７の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際の製造方法において、基板上に光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製することを特徴とする（請求項１７）。
【００４７】
本発明の第１８の手段は、第１７の手段の光学素子の製造方法において、前記レーザ光を照射中、レーザ光のパワーおよび、集光点を走査するスピードは略一定とすることを特徴とする（請求項１８）。
また、本発明の第１９の手段は、第１７または第１８の手段の光学素子の製造方法において、前記レーザ光を照射中、基板と集光点との位置は常にモニタリングされており、モニタリングの結果から集光点の位置を調整することを特徴とする（請求項１９）。
【００４８】
本発明の第２０の手段は、第１７〜第１９のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法において、前記レーザ光が超短パルスレーザ光であることを特徴とする（請求項２０）。
また、本発明の第２１の手段は、第１７〜第２０のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法において、前記光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用することを特徴とする（請求項２１）。
【００４９】
本発明の第２２の手段は、第１７〜第２１のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法において、平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことを特徴とする（請求項２２）。
また、本発明の第２３の手段は、第２２の手段の光学素子の製造方法において、光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されることを特徴とする（請求項２３）。
さらに本発明の第２４の手段は、第１７〜第２３のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法において、前記構造物を、少なくとも一部に曲面を有している構造体の上に形成することを特徴とする（請求項２４）。
【００５０】
本発明の第２５の手段は、光学素子であって、第１２〜第２４のいずれか一つの手段の光学素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする（請求項２５）。
【００５１】
本発明の第２６の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、レーザの干渉により構造を形成するレーザ干渉露光法を用い、干渉光強度変調手段により干渉光強度を変調することにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする（請求項２６）。
【００５２】
本発明の第２７の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光を干渉させ、さらに干渉光強度変調手段により干渉強度を変調するとにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成することを特徴とする（請求項２７）。
【００５３】
本発明の第２８の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光に対して透過性を示す薄膜と吸収性を示す薄膜を積層した構造体に対して加工用レーザ光を照射し、薄膜を空間選択的に除去することにより、微細構造を形成することを特徴とする（請求項２８）。
【００５４】
本発明の第２９の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、光を集光して集光点近傍において材料を硬化して構造を形成する光硬化方式を用い、照射レーザ光の多光子吸収により構造を形成し、かつ構造体の高さを変調することにより、微細構造を形成することを特徴とする（請求項２９）。
【００５５】
本発明の第３０の手段は、第２７〜第２９のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、加工用のレーザ光は、パルス幅が１０ピコ秒以下である極短パルスレーザであることを特徴とする（請求項３０）。
【００５６】
本発明の第３１の手段は、第１〜第１１のいずれか一つの手段の光学素子を製造する際に用いられ、前記微細構造を転写する光学素子用形状転写型の製造方法において、基板上に光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製することを特徴とする（請求項３１）。
【００５７】
本発明の第３２の手段は、第３１の手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、前記レーザ光を照射中、レーザ光のパワーおよび、集光点を走査するスピードは略一定とすることを特徴とする（請求項３２）。
また、本発明の第３３の手段は、第３１または第３２の手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、前記レーザ光を照射中、基板と集光点との位置は常にモニタリングされており、モニタリングの結果から集光点の位置を調整することを特徴とする（請求項３３）。
【００５８】
本発明の第３４の手段は、第３１〜第３３のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、前記レーザ光が超短パルスレーザ光であることを特徴とする（請求項３４）。
また、本発明の第３５の手段は、第３１〜第３４のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、前記光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用することを特徴とする（請求項３５）。
【００５９】
本発明の第３６の手段は、第３１〜第３５のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことを特徴とする（請求項３６）。
また、本発明の第３７の手段は、第３６の手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されることを特徴とする（請求項３７）。
さらに本発明の第３８の手段は、第３１〜第３７のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法において、前記構造物を、少なくとも一部に曲面を有している構造体の上に形成することを特徴とする（第３８の手段）。
【００６０】
本発明の第３９の手段は、光学素子用形状転写型であって、第２６〜第３８のいずれか一つの手段の光学素子用形状転写型の製造方法によって製造されたことを特徴とする（請求項３９）。
また、本発明の第４０の手段は、光学素子であって、第３９の手段の光学素子用形状転写型を用いて光学材料に微細構造を転写し、製造したことを特徴とする（請求項４０）。
【発明の効果】
【００６１】
第１、第２の手段の光学素子では、高さの異なる入射波長よりも周期の狭い構造により、透過光の位相変調を実現することができる。
ここで、高さが異なる周期構造では、前述したように、有効屈折率ｎを用いて入射光波長をλ、透過光路長をｄとすると、位相変調量φは、
φ＝２πｎｄ／λ      （式２）
で与えられるので、ピッチ、フィルファクターが同一の場合、高さにのみ依存した位相変調が可能となる。これにより同一ピッチで同一フィルファクターの構造においても位相の変調が可能となる。これは例えば高さを１／２とすることで、透過光の位相差をπとすることに対応する。これは例えば等ピッチのフィルファクター０．２の構造を、高さ１／２、フィルファクター約０．６の構造にすることと同等の位相変調が可能で、アスペクトを大幅に低下させることが可能となる。これによりアスペクトの低い構造においても大きな位相変調が可能となり、安定した構造を有する光学素子を実現することができる。
【００６２】
また、第１、第２の手段の光学素子の構成に加え、使用する波長と入射角、媒体の屈折率を第３の手段の条件とすることにより、高次の回折による透過光の発生がなくなり、光利用効率の高い光学素子を実現することができる。
【００６３】
さらに第４の手段の光学素子では、第２または第３の手段の構成に加え、使用する光の波長をλ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、構造体の高さの差Δｈが、
Δｈ＝２√２λ×√(ｎ1＾2＋ｎ2＾2)／(ｎ1＋ｎ2)＾2
の近傍とする。すなわち、サブ波長構造体の最大高さと最小高さの差を上記の関係としている。
【００６４】
図３７からわかるように、構造体に対して平行な入射光であるＴＥ偏光の有効屈折率は同一のフィルファクターを持つ垂直なＴＭ偏光に対しての有効屈折率よりも高くなる。この平均の屈折率を有し、０．５のフィルファクターを持つ構造で位相変調を定義する。
この条件は、前述の（式１）から下記の（式３）の(b)に示される値となる。これにより円偏光あるいはランダム偏光の入射光を用いる場合、あるいは中心対称な構造である場合、フィルファクター０．５の構造で２πの位相変調を実現できる。これによりアスペクトが低く安定な構造で、設計および作製のもっとも容易な構造を有する光学素子の実現が可能となる。
【００６５】
（式３）
ｎ1sinθi＋ｎ2sinθo＝ｍ(λ／ｐ)            (a)
ｐ≦λ／(ｎ1sinθi＋ｎ2)                    (b)
θi：構造体への光の入射角
ｎ1：入射媒体の屈折率
ｎ2：構造体の屈折率
ｐ：構造体のピッチ
ｍ：回折次数
θo：回折角
【００６６】
第５の手段の光学素子では、第１〜第４の手段の構成に加え、構造体を概矩形の同一周期の格子構造あるいは同一周期の柱状構造もしくは同一周期の多段構造とする。これにより製造が容易で安定的製造が可能な素子を実現することができる。さらに前述の（式１）に記載の有効屈折率の式を満足する位相変調が実現できる。さらに対称構造のため入射方向による変化が少なく、安定な光学素子を実現することができる。
【００６７】
第６の手段の光学素子では、第２〜第５のいずれか一つの手段の構造を、任意な位置に任意な位相変調領域を作製する。このように位相変調を空間的に分割して行うことで、それぞれの領域ごとの位相変調が可能となる。この領域ごとの位相変調を利用することで、現在一般的に利用されているバイナリー型の回折光学素子と同様の機能を果たすことが可能となる。これは単一の素子のみでなく、他のレンズ等と組み合わせて回折光学素子として利用することも可能である。
【００６８】
第７の手段の光学素子では、透過性基板の両面に第１〜第６のいずれか一つの手段の構造を形成する。これは同一の構造でも異なる構造でもかまわない。透過０次光を用いるため、その両面での位相変調は透過光路中の各面での位相変調量の足し合わせとすることができる。これにより片面での位相変調量の拡大が可能で、それによりよりフィルファクターの低い安定した構造での位相変調の実現及び、位相変調の足し合わせによる複雑な位相変調の実現が可能となる。
【００６９】
第８の手段の光学素子では、第１〜第７のいずれか一つの手段の構成に加え、微細構造を曲面上（例えばレンズ上）に形成することにより、レンズのもつパワーに加えて微細構造による位相変調を利用した透過光の位相変調が可能となる。これは位相の足し合わせと同様の効果をもつ。これにより、例えば微細構造をレンズと組み合わせた一体の回折光学素子として利用することも可能である。
【００７０】
第９の手段の光学素子では、第２〜第８のいずれか一つの手段の構成に加え、透過光の位相を空間的に変調し、或る一点あるいは線状に等位相面を形成するように位相変調量を調整することにより、透過光の集光を行うことが可能となる。これにより波長オーダーの高さの構造体により、薄型で集光可能な光学素子を実現することができる。
【００７１】
第１０の手段の光学素子では、第２〜第８のいずれか一つの手段の構成に加え、透過光の位相を空間的に変調し、ある平面上の複数の点あるいは任意形状に等位相面を形成するように位相変調量を調整することにより、透過光のビーム形状を整形することが可能となる。これにより波長オーダーの高さの構造体により、薄型の回折光学素子を実現することができる。
【００７２】
第１１の手段では、第２〜第９の手段の構成に加え、透過光の位相を空間的に変調し、任意空間位置の位相を変調する。これにより波長オーダーの高さの構造体により、光の位相を制御することができ、伝播光の波面を制御した収差補正用の光学素子を実現することができる。
【００７３】
第１２の手段の光学素子の製造方法、あるいは第２６の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、レーザ光の干渉を行う際、レーザ光の干渉強度の変調を行い、望ましくはポジ型レジスト用い、空間選択的に露光する。ここで、干渉強度とは図３９の干渉最大強度と干渉最小強度と非干渉強度との割合を示し、干渉具合によって変化させることが可能な値である。これによりレジスト厚み以下の微細な構造を製造することが可能となる。
【００７４】
第１３の手段の光学素子の製造方法、あるいは第２７の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、ピーク強度の強いレーザを干渉させ、レーザブレーション法によって微細構造を形成する。これにより、微細な構造を高速に大面積に作製することが可能となる。また、プロセスがシンプルであり、直接多くの材料に作成可能なことから大幅なコストの低下につながる。さらに本手法は、電子ビーム露光法にくらべ大幅に高速に加工を行うことが可能であり、溶液処理やガスを必要としないクリーンなプロセスである利点を有する。
【００７５】
第１４の手段の光学素子の製造方法、あるいは第２８の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、多層膜構造材料に対して選択的なレーザ照射を行う。多層膜中に加工用レーザ光に対して吸収性を示す層と透過性を示す層を交互に配置することにより、選択的に除去層を選択して加工を行うことが可能となる。また、照射位置を制御しながらレーザ照射を繰り返すことで、空間的に高さの異なる微細な構造体を製造することが可能となる。このとき、通常のアブレーション法に比較して高さの制御性が高く、平坦な加工形状を得ることができる。さらには、レーザ光１パルスで層を除去するため、高速な加工が実現できる。また、各層の厚みを初期に調整することで、多段の構造を形成することが可能となる。
【００７６】
第１５の手段の光学素子の製造方法、あるいは第２９の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、高さの異なる微細構造をレーザ光の集光点における多光子吸収過程を利用した光硬化法によって作成する。これにより高さの高精度制御が可能な微細構造を高速に製造することが可能となる。
【００７７】
第１６の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３０の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１３〜１５の手段あるいは第２７〜２９の手段における加工用レーザに、１０ｐｓ以下の超短パルスレーザを用いる。これにより低エネルギー光源による加工やエネルギー利用効率の高い加工が可能であり、高い精度を有する微細構造の形成が可能となる。
【００７８】
第１７の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３１の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、図２０に示すように、基板上に光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製するので、非特許文献３において示されるように、多光子プロセスを用いることによって、通常のレーザ加工における回折限界よりも微小な構造体を作製することが可能である。また、一回の集光照射で形成される構造体は基板垂直方向に長く、基板水平方向には短い、アスペクト比の高い構造が作製される。さらに、本発明の製造方法では、図２１（ａ），（ｂ）に示すような従来の手法に比べて、少ない工程数で空間的に高さの異なる構造体を作製することができる。
【００７９】
本発明者らの研究では、開口数（ＮＡ）０．８の対物レンズによって波長８００ｎｍのレーザ光を集光することにより、水平方向の幅が４００ｎｍ、垂直方向２μｍ程度の構造を作製することが可能である。構造物の高さは下記の（式４）によって規定されるため、例えば回折光学素子の使用対象となる波長が６５０ｎｍであれば、高さは１．３μｍあれば２πの位相変調を出すことができるため、本発明の手法で作製される構造は十分であると言える。
【００８０】
（式４）
ｈ(ｘ，ｙ)＝［λ／(ｎ−１)］×［φ(ｘ，ｙ)／２π］
ｈ(ｘ，ｙ)：任意の位置ｘ，ｙにおける回折光学素子の高さ
φ(ｘ，ｙ)：制御される光の任意の位置ｘ，ｙにおける位相変調量
ｎ：材質の屈折率
λ：回折光学素子として使用する際に対象となる光の波長
【００８１】
作製される構造物の高さは、レーザの集光点と基板との距離によって決定される。このため、例えばピエゾステージを用いれば、ステージの位置分解能は数ｎｍであるため、作製される構造の高さも数ｎｍの精度で形成することが可能である。
これによって、高い性能を有する回折光学素子あるいは光学素子用形状転写型の作製が可能となる。
【００８２】
第１８の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３２の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１７の手段あるいは第３１の手段の製造方法に加え、レーザ光の強度及び走査スピードを一定に保つことで、同じ高さの構造物を正確に作製することが可能となる。これによって集光点と基板との距離が作製する構造物の高さと正確に対応することになる。この対応関係は以下のようにして表すことができる。
一回の走査で作製される構造物の高さの最大値がＨであるとき、集光点と基板との距離はＨ／２である。集光点と基板との距離をｄとしたとき、形成される構造物の高さｈは、
ｈ＝Ｈ／２＋ｄ  （ただし、−Ｈ／２＜ｄ＜Ｈ／２であるとき）
となる。
【００８３】
ここで、回折光学素子は面内で相対的な高さのみが特性に影響をおよぼすので、本発明の方法で作製する際には、集光点と基板との距離ｄの場所による変化のみが特性に影響をおよぼす。
すなわち、一回の走査で作製される構造物の高さの最大値Ｈに関係なく所望の特性を有する回折光学素子を作製することが可能となる。
Ｈの値は周辺の温度や湿度など環境要因によって変化するため再現しにくい値であるが、本発明の方法では、Ｈの値の影響を受けないためより環境変化に対して有利な製造方法である。
【００８４】
第１９の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３３の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１７または１８の手段の製造方法、あるいは第３１または３２の手段の製造方法に加え、基板と集光点との距離を測定しながら、基板垂直方向への集光点移動量へその結果をフィードバックすることにより、基板の反りやうねりの影響を受けず、より精度の高い回折光学素子、あるいは光学素子用形状転写型の作製が可能となる。
【００８５】
第２０の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３４の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１７〜１９のいずれかの手段の製造方法、あるいは第３１〜３３のいずれかの手段の製造方法に加え、パルス幅が１ｐｓ以下である、いわゆる超短パルスレーザを光源として用いることにより、より低いパワーで構造を作製することが可能となる。これによって、高強度のレーザ光を集光することによって生じる、バブルの発生や、構造のアブレーションによる破壊を避けることができる。
【００８６】
第２１の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３５の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１７〜２０のいずれかの手段の製造方法、あるいは第３１〜３４のいずれかの手段の製造方法に加え、光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用することにより、水平方向分解能がより細かい構造を作製することができる。
【００８７】
ところで、第１７〜２１の手段の製造方法、あるいは第３１〜３５の手段の製造方法においては、レーザ光の集光点を水平方向に走査する際に、集光点の水平方向移動量に対して、１回の走査で形成される構造の幅が小さいとき、構造体の間に溝ができ図３１（ｂ）に示すような構造となる。このような溝が存在することにより、不要な回折光が生じ、回折効率が低下する不具合が生じる。
これに対して、第２２の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３６の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことにより、作製する構造のピッチが使用する波長より細かい構造となっている。
このような構造では周期的なピッチ構造が存在していても回折光は生じないが、入射光の位相分布を変化させることが可能である（なお、サブ波長構造を利用した、空間位相分布制御に関しては、特許文献１に示されている）。
すなわち、本発明の製造方法では、作製される構造のピッチが波長より細かい構造となっており、これによって作製時に構造体の間に溝が存在しても、不要な回折光が生じることなく所望の機能を得ることが可能な回折光学素子あるいは光学素子用形状転写型を作製することができる。
【００８８】
なお、上記の製造方法では、特に集光するレーザ光の強度が等しく、走査スピードが等しいとき、作製される構造体の幅は常に一定となるため、ピッチが異なるいわゆるデューティー比が変化する。デューティー比が変化することによって、有効屈折率が変化するため作製する構造の高さに補正が必要となる。
そこで、より簡易に高さのみによって回折光学素子の機能を制御するために、第２３の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３７の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第２２の手段の製造方法、あるいは第３６手段の製造方法に加え、光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されるようにしている。
【００８９】
第２４の手段の光学素子の製造方法、あるいは第３８の手段の光学素子用形状転写型の製造方法においては、第１７〜２３のいずれかの手段の製造方法、あるいは第３１〜３７のいずれかの手段の製造方法に加え、集光点を曲面上に沿って変化させることで、曲面上に構造体を作製することができる。これにより、球面レンズ上に構造体を作製して非球面化をしたり、回折格子を作製してレンズの色収差補正機能を追加したり、などの複合機能を有する光学素子、あるいはその形状転写型を作製することが可能となる。
【００９０】
第２５の手段の光学素子においては、第１２〜第２４のいずれか一つの手段の製造方法によって製造されたことにより、使用する光の波長よりも微細で空間的に高さの異なる微細構造を有する光学素子を容易に得ることができ、高性能な光学素子を提供することができる。
【００９１】
第３９の手段の光学素子用形状転写型においては、第２６〜第３８のいずれか一つの手段の製造方法によって製造されたことにより、使用する光の波長よりも微細で空間的に高さの異なる微細構造を有する光学素子用形状転写型を容易に得ることができる。
また、第４０の手段の光学素子においては、第３９の手段の光学素子用形状転写型を用いて光学材料に微細構造を転写し、製造したことにより、使用する光の波長よりも微細で空間的に高さの異なる微細構造を有する光学素子を容易に且つ低コストに複製することが可能となり、高性能な光学素子を安価に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】
【００９２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００９３】
［実施例１］
第１、第２の手段の光学素子の一実施例を図１を用いて説明する。この光学素子は、使用する光の波長よりも微細な構造を有し、少なくとも一部の構造体２の高さを空間的に変調させることにより透過光の位相を変化せしめるものである。
具体的には、図１に示すように、使用する波長以下の高さの異なる微細構造体２をガラスや透明高分子からなる基板１上に形成する。この微細構造体２は基板１と異なる材料でも、基板１と同一の材料を用いてもよい。この構造体２に光を入射することで、透過光は通常の高次の回折光ではなく、主に０次の回折光を発生させる。このとき空間的に０次回折光（透過光）の位相を変調することで、レンズや回折格子と同様の作用をする。入射する光が偏光を有する場合には、前述の（式１）から偏光に合わせた有効屈折率ｎとなるように構造体２の高さを決定することで、集光や回折を行うことができる。また、ここでは構造体２は高さのみを変調しているが、従来技術（例えば非特許文献１、特許文献１，２等）と同様に幅を合わせて変調することもできる。これにより、加工や複製が容易な０次回折光を利用した光学素子を実現することができる。
【００９４】
［実施例２］
第３の手段の光学素子の一実施例を図２を用いて説明する。本実施例では、図１に示すような微細構造体２を有する光学素子において、使用する光の波長をλ、入射角をθ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、構造体の周期が、λ／(ｎ1sinθ＋ｎ2)以下となるように構成したものである。
ここで、図２に示すように、基板１上に形成された構造体２への光の入射角をθiとしたとき、回折公式から回折角は媒体の屈折率をｎ1、構造体２の屈折率をｎ2とし、回折次数をｍ、構造ピッチをｐとしたとき、下記の（式５）の(a) で示される角度に伝播する。このとき＋１次の回折光が発生しない条件は、θiが正で、ｍ＝＋１での回折角θoが９０度以上となることであり、これから下記の（式５）の(b) の条件が導かれる。このように第３の手段の構造とすることで、高次の回折による入射光のロスなしに、透過０次光での位相変調光学素子を実現することができる。
【００９５】
（式５）
ｎ1sinθi＋ｎ2sinθo＝ｍ(λ／ｐ)            (a)
ｐ≦λ／(ｎ1sinθi＋ｎ2)                    (b)
θi：構造体への光の入射角
ｎ1：入射媒体の屈折率
ｎ2：構造体の屈折率
ｐ：構造体のピッチ
ｍ：回折次数
θo：回折角
【００９６】
［実施例３］
第４の手段の光学素子の一実施例を図３を用いて説明する。本実施例では、実施例１または実施例２の光学素子において、使用する光の波長をλ、入射媒体の屈折率をｎ1、構造体の屈折率をｎ2とした場合、構造体の高さの差Δｈを、
Δｈ＝２√２λ×√(ｎ1＾2＋ｎ2＾2)／(ｎ1＋ｎ2)＾2
の近傍となるように構成したものである。
加工の容易さ、設計の容易さから、微細構造を作成する場合、等ピッチで等幅の構造が望ましい。この条件で高さの変調を行うと、光の有効屈折率をｎとしたとき、位相差は上記の高さの差Δｈにより、２πｎΔｈ／λで与えられる。作成された構造の最小高さと最大高さをこの値とすることで、位相変調の必要量である２πの変調が可能となる。
【００９７】
この値をサブ波長素子で実現する際、入射光がランダム偏光であるいは円偏光であれば、異方性は発現せず、その屈折率の平均値を用いればよい。また、構造が該中心対象の場合も同様に平均値を利用することが可能となる。このような構造では、前述の（式１）から求めれる２πの位相変調を本実施例の値とすることで実現することができる。これにより必要な位相変調をもった構造体を単純な構造で実現することができる。
【００９８】
［実施例４］
第５の手段の光学素子の一実施例を図４を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜３のいずれかの光学素子の構成に加えて、前記微細構造が同一周期の概矩形格子あるいは柱状構造もしくは多段構造であることを特徴としている。
図４は微細構造体の形状例を示しており、位相変調のための波長以下の微細構造体２は、図４（Ａ）のような矩形が代表的であるが、矩形である必要はなく、図４（Ｂ）に示すような幅が上下で異なる構造や、図４（Ｃ）〜（Ｅ）に示すような四角柱に近い構造、あるいは図示しない円柱構造、あるいは図示しない階段状等の多段構造等を利用することができる。
これらの構造体２を高さを変えて空間的に配置することで、透過０次光の位相を変調することが可能となる。また、このような構造体２はレーザ干渉加工法等で作成が比較的容易であり、大面積加工に適した構造として優位である。
【００９９】
［実施例５］
第６の手段の光学素子の一実施例を図５を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜４のいずれかの光学素子の構成に加えて、使用する波長以下の微細構造が複数の領域（セル）３に分割されており、該領域（セル）内の構造体２が同一ピッチ、同一高さとなるように構成したものである。
位相変調型の回折光学素子では、位相変調は構造体で個々に制御する必要はなく、それらの集合構造で制御することが可能である。図５（ａ），（ｂ）はその構造の一例を示したものであり、同一構造の構造体２をセル３内に複数作成し、構造体２の高さやピッチ、方向等を変化させてそれぞれのセル３毎に透過光の位相変調を起こす。これにより通常の波長以上の構造を有する回折光学素子と同様の機能を果たし、それぞれの位相変調を精密に制御することが可能な回折型光学素子とすることができる。
【０１００】
［実施例６］
第７の手段の光学素子の一実施例を図６を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜５のいずれかの光学素子の構成に加えて、微細構造が素子（基板）１の両面に形成されている構成としたものである。
図６に示すように、微細な構造体２を基板１の両面に作成することにより、一面のみの加工では困難な微細構造と同様の効果を二面の構造を利用することで実現することができる。このとき二面の微細構造は透過光の進行方向に対して同一である必要はなく、異なる構造で、異なる位相変調の重ね合わせとすることも可能である。これにより、より高度な位相の変調が可能となる。
【０１０１】
［実施例７］
第８の手段の光学素子の一実施例を図７を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜６のいずれかの光学素子の構成に加えて、微細構造が曲面（例えばレンズ４上）に形成されている構成としたものである。
図７に示すように、微細な構造体２をレンズ４上に形成することにより、レンズ４のパワーに加えて位相の変調を透過光に付加することが可能となる。また、図７のように、この微細な構造体２はレンズ４の全面に形成する必要はなく、レンズ４の一部に形成して一部の位相を変化させることも可能である。
【０１０２】
次に図７のような構造の光学素子の作製方法の一例を図８を参照して説明する。
まず、レンズ４上に感光性のレジスト５を回転塗布し（図８（１））、次にレーザ干渉光６を照射する（図８（２））。このとき照射部がレーザの可干渉領域となるように、照射範囲を調整する。必要があれば、その操作を位置を移動して繰り返すことで、任意の位置に微細構造を形成することが可能となる。
レーザ干渉露光後、レジスト５を現像することにより微細構造が得られ（図８（３））、この微細構造は、そのまま光学素子として用いることとが可能であるが、このレジスト５の構造体をエッチングマスクとして、ドライエッチング法等を利用し、レンズ側の凹構造として微細構造体２を形成することも可能である（図８（４））。
【０１０３】
［実施例８］
第９の手段の光学素子の一実施例を図９を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜７のいずれかの光学素子の構成に加えて、波長以下の微細構造体２により入射光の位相が変調され、該入射光の少なくとも一部が集光される構成としたものである。
すなわち、図９（ａ）に示す光学素子では、微細構造による位相変調を集光機能として利用した集光光学素子を実現している。これは微細構造による位相変調により、図９（ｂ）に示すように位相変化量が素子上の位置によって異なるようにし、透過光をある一点、あるいはラインになるような球面波に変換することで実現することができる。また、図９に示す光学素子の例では、このような集光のために、素子の中心部で位相が大きく遅れるような位相変調型サブ波長素子を示している。
【０１０４】
［実施例９］
第１０の手段の光学素子の一実施例を図１０を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜７のいずれかの光学素子の構成に加えて、波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光のビームを整形するように構成したものである。
回折光学素子、ホログラフィック素子と呼ばれる素子は、透過光の波面を変調することによりレーザの形状整形、分離などの機能を果たすことができる。例えば図１０の（ａ）に示すような、反復フーリエ変換法（非特許文献６参照）によって計算した位相変調を上記の微細構造により実現することで、フラウンホーファー回折領域（ファーフィールド）では図１０（ｂ）に示すような構造が再生されることを確認している。このように透過光の位相を変調することで、任意の形状を作成可能な回折光学素子を実現することができる。
【０１０５】
［実施例１０］
第１１の手段の光学素子の一実施例を図１１を用いて説明する。本実施例では、実施例１〜８のいずれかの光学素子の構成に加えて、少なくとも一面に設けられた波長以下の構造体により入射光の位相が変調されることにより、透過光の収差を補正するような構成としたものである。
一例として、本実施例では図１１（ａ），（ｂ）に示すような微細構造の構造体２を有する位相変調型の光学素子を収差補正素子として用いる。例えば単一の球面レンズで発生する収差を、微細構造体２の位相変調によって低減することが可能であり、図のようなリング状の微細構造体２を設けた位相変調素子を光路中に配置する、あるいはレンズと一体に作成することで、波面収差を低減した素子を安価に提供することが可能となる。
【０１０６】
以上の実施例１〜１０では、本発明に係る光学素子の構成例について説明したが、以下の実施例では、本発明に係る光学素子の製造方法及び、光学素子用形状転写型の製造方法について説明する。また、これらの製造方法で製造される光学素子及び形状転写型、さらには形状転写型を用いた光学素子の複製方法についても説明する。
【０１０７】
［実施例１１］
第１２の手段の光学素子の製造方法及び、第２６の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を図１２を用いて説明する。
この製造方法では、レーザの干渉により構造を形成するレーザ干渉露光法を用い、干渉光強度変調手段により干渉光強度を変調することにより空間的に構造の高さを変調させ、高さの異なる微細構造を形成するものである。
図１２は、レーザ干渉露光に用いる装置の一例を示しており、このレーザ干渉露光装置は、光源であるレーザ装置（例えば紫外レーザ）１１と、空間フィルター１２、１／２波長板（λ／２位相板）１３、無偏光ビームスプリッタ１４、ミラー１５ａ，１５ｂ、コントローラ１６、１／２波長板１３を回転する回転ステージ１７などで構成されている。
【０１０８】
この装置を用いたレーザ干渉露光法では、レーザ装置（例えば紫外レーザ）１１からの干渉性の高いレーザ光を空間フィルター１２等で整形し、１／２波長板１３を通して無偏光ビームスプリッタ１４で１：１の強度となるようにビームを分割する。その後、分割されたレーザ光をミラー１５ａ，１５ｂで偏向し、基板１上のレジスト５に照射し、レジスト上でレーザ光を干渉させ、加工位置に干渉強度を作成する。このとき、例えばコントローラ１６で回転ステージ１７を回転し、回転ステージ１７に保持された１／２波長板１３の角度を調整することにより、干渉光のＳ，Ｐ偏光成分の違いから干渉強度が変調され、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、ある中心値から強度が変調される。
【０１０９】
干渉強度の変調は，上記分岐したレーザ光の偏光方向を制御する手段や分岐したレーザ光の強度比を制御する手段、可干渉距離内で分岐したレーザ光の照射遅延を制御する手段等を利用して行うことができる。これにより図３９に示すように、レーザ強度が干渉により強度変調された部分と非干渉部分との足し合わせとなり、このような強度分布を有する光によりポジ型レジストを露光し、さらに照射位置を変え干渉強度を変化させることで空間的に高さの異なる微細な構造を形成することが可能となる。
【０１１０】
レーザ干渉は２本のレーザのみでなく、複数のレーザ光の干渉を利用することも可能であり、その場合は格子形状のみでなく、円柱形状や複雑な干渉縞構造を有する微細構造体を製造することも可能となる。このとき一度の干渉領域を制御規定して露光することが望ましく、領域が重ならないように露光を繰り返すことで干渉領域の重なりなしに、空間的に選択された高さの異なる微細構造を形成することが可能となる。
【０１１１】
本手法は一度の露光で複数の格子あるいは円柱状構造体を形成することが可能であり、電子ビーム露光法に比べ大幅に高速に加工を行うことが可能となる。
また、このような強度分布でポジ型レジストを露光した場合、露光量、現像時間等を制御することで、高さの異なる構造体を作製することが可能となる。
このように形成された微細構造は、そのまま光学素子として利用することが可能であるが、この構造を金属構造に転写することで金型として利用することが可能である。また、このような構造を用いて、図１４に示すように、基板１上に形成したレジスト５の微細構造をマスクとして用いるか、あるいはレジスト上に蒸着した金属をリフトオフ法等でパターン形成させたものをマスクとして用い、ドライエッチング法等でドライエッチングを行い、石英ガラス等の基板１へ微細構造を転写することで、光学素子用形状転写型として利用することも可能となる。
【０１１２】
［実施例１２］
次に第１３の手段の光学素子の製造方法及び、第２７の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を図１５を用いて説明する。
この製造方法では、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光を干渉させ、さらに干渉光強度変調手段により干渉強度を変調するとにより空間的に構造の高さを変調させ、微細構造を形成するものである。
図１５は、レーザブレーション加工に用いる装置の一例を示しており、この加工装置は、光源であるレーザ装置（例えばパルスレーザ）２１と、１／２波長板（λ／２位相板）２２、グランレーザプリズム２３、空間フィルター２４、ミラー２５、マスク２６、回折格子２７、レンズ２８、コントローラ２９、１／２波長板を回転する回転ステージ３０、基板１を移動する移動ステージ３１などで構成されている。
【０１１３】
本実施例では、レーザブレーションを利用して微細構造を作製するが、レーザブレーション法は透明高分子、金属、セラミクス等、多くの材料に対して、直接加工が可能な工法として知られている。図に示すようにレーザ装置（例えばパルスレーザ）２１からのレーザ光を、１／２波長板（λ／２位相板）２２とグランレーザプリズム２３を介して空間フィルター２４で整形した後、ミラー２５で光路を偏向し、回折格子２７で２光束に分割してレンズ２８により干渉させる。このとき加工領域をマスク２６等で制限することが望ましい。この加工時のレーザ照射強度を図に示した１／２波長板２２とグランレーザプリズム２３等で高速に変調する。レーザの入射光強度による加工形状変化を図１６に示す。レーザブレーション法では加工にしきい強度があるため、ある強度以下では基板１の変化は実質的にない。強度を上げることで基板１に穴が形成される。このように空間選択的に強度を変調して干渉型のレーザブレーションを行うことで、加工ピッチの揃った高さの異なる微細構造を簡便に安価に製造することが可能となる。
【０１１４】
このように照射レーザ光の強度あるいは照射数、照射パルス幅等を制御することで、空間選択的に高さの異なる微細構造を基板１に直接形成することが可能となる。また、実施例１１に示したレーザ干渉露光の制御手法を用い、レーザブレーション法によって同様に高さの異なる微細構造を形成することも可能である。レーザブレーション法では、金属、ガラス、光学素子に用いられる透明有機高分子材料などを含む多くの材料の直接加工が可能であり、蒸着やドライエッチング等の付加加工を施すことなく、直接光学素子あるいは形状転写型の製造が可能となる。これにより、高速で安価な素子及び形状転写型の製造が可能となる。
このとき一度のレーザ照射領域を規定して加工することが望ましく、領域が重ならないように加工を繰り返すことで、空間的に選択された高さの異なる微細構造を形成することが可能となる。
【０１１５】
［実施例１３］
次に第１４の手段の光学素子の製造方法及び、第２８の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を図１７を用いて説明する。
この製造方法では、レーザブレーション法により微細な構造を形成するレーザブレーション加工法を用い、加工用レーザ光に対して透過性を示す薄膜と吸収性を示す薄膜を積層した構造体に対して加工用レーザ光を照射し、薄膜を空間選択的に除去することにより、微細構造を形成するものである。
【０１１６】
具体的には図１５と同様な装置を用い、基板１上には図１７に示すように、加工用レーザ光に対して吸収を示す薄膜からなる吸収層４１と透過する薄膜からなる透過層４２を交互に積層する。このような積層薄膜構造体４０に対して、二光束干渉光を加工しきい値以上の照射フルエンスで入射することで、一度の照射で吸収層４１と透過層４２を各一層のみ選択的に加工することができる。さらに移動ステージ３１で加工位置を移動させる、あるいは加工領域を変化させることで、さらなる加工を行う。このとき同一位置へのレーザ照射数を制御することにより加工高さを制御することが可能となる。また、このときの加工幅はレーザ照射幅でほぼ規定されるため、干渉露光等を用いることで加工用レーザ光の波長以下の微細構造を作成することが可能である。このとき加工用のレーザ光と、光学素子に利用される波長は同一である必要はなく、使用波長以下の微細な構造の加工が可能なレーザを利用できる。
レーザ光の照射はこのように微細な構造を形成するために利用されるものであり、干渉以外に集光、投影法を利用することができる。
【０１１７】
積層薄膜構造体４０の吸収層４１は、特に加工用レーザ光を吸収する材料であればよく、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリイミドや、吸収材料を付加したゾル・ゲル材料等を利用できる。透過層４２に関しては、加工用レーザ光に対して吸収の少ない材料で、シリコン酸化物、金属酸化物、これらを主成分とするゾル・ゲル材料、アクリル等の透明高分子材料などが利用できる。
また、加工用レーザとしては、エキシマレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザや、その高調波等の高出力レーザが利用できる。
【０１１８】
なお、積層薄膜構造体４０の薄膜が、全てレーザ光を透過する材料の場合は、これを微細構造体２として直接光学素子として利用することが可能である。また、それ以外の材料に構造体を形成することで、その複製を作製することも可能である。図１８は複製方法の一例を示したものであり、図１７に示したような積層薄膜構造体４０を利用して（図１８（１））、レーザ加工した後（図１８（２））、必要であればその表面に金属膜４３からなる導電層を蒸着やスパッタ等により付加する（図１８（３））。その後、電鋳処理を行うことで、素子の反転形状４４を有する金型４４を作製する（図１８（４））。この素子の反転形状を有する金型４４を光学素子用形状転写型として利用し（図１８（５）、透明高分子材料（例えばポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂）などの光学材料を用いた射出成形、熱プレス、２Ｐ法等の複製（転写）技術により複製することで（図１８（６））、微細構造を有する光学素子４５を作製することが可能となる（図１８（７））。
なお、このように、レーザ加工等により作製した微細構造体を用いて形状転写型を作製し、その形状転写型を用いて光学素子を複製する方法は、前述の実施例１１，１２に記載の微細構造体や、後述の実施例に示す微細構造体に対しても同様に用いることができる。
【０１１９】
［実施例１４］
次に第１５の手段の光学素子の製造方法及び、第２９の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を図１９を用いて説明する。
この製造方法では、光を集光して集光点近傍において材料を硬化して構造を形成する光硬化方式を用い、照射レーザ光の多光子吸収により構造を形成し、かつ構造体の高さを変調することにより、微細構造を形成するものである。
図１９は、光硬化方式に用いる装置の一例を示しており、この装置は、光源であるレーザ装置（例えばフェムト秒レーザ）５１と、空間フィルター５２、ガルバノミラー５３ａ，５３ｂ、レンズ５４、基板１を移動する移動ステージ５５、コントローラ５６などで構成されており、微細構造体を形成する基板１上には光硬化樹脂５７が積層されている。
【０１２０】
本実施例では、微細な構造を多光子吸収を利用した光硬化法により実現するものであり、レーザ装置（例えばフェムト秒レーザ）５１から出た光は空間フィルター５２で整形され、ガルバノミラー５３ａ，５３ｂ等の光制御手段と集光用のレンズ５４により、空間選択的に光硬化樹脂５７にレーザ光を照射する。このときレーザ光の波長を光硬化樹脂５７の感光波長以上とすることで、樹脂内部にまで光を浸透させることができる。また、このときに、レンズ５４による集光点近傍で多光子吸収が可能な光強度とすることで、集光点近傍で照射レーザ波長以下の構造を形成することが可能である。さらに、硬化点を基板表面から移動させることで、微細かつアスペクトの高い構造を形成することが可能となる。
【０１２１】
このような多光子吸収を利用した光硬化法では、硬化用の照射レーザ光の波長より微細な構造を作製できることが知られており、本実施例の方法を用いることで微細な構造を製造することが可能である。このとき、特に照射レーザ光を走査し、集光点を空間選択的に移動させながら硬化させることで、さらに任意位置に任意高さの構造を形成することができる。集光点の移動は、移動ステージ５５による基板１の移動や、ガルバノミラー５３ａ，５３ｂを利用することで容易に実現でき、他の露光法に比べ高さを制御した立体形状の形成が容易となる。このとき光硬化材料を透明高分子材料や光硬化型ゾル・ゲル材料等にすることで、直接光学素子の形成が可能である。また、例えばレジスト材料で微細構造体を形成することで、微細構造体を形成した形状転写型を製造することも可能となる。
【０１２２】
本実施例の製造方法は、多光子吸収を利用した光硬化であるため、硬化用レーザ光に対して透明な材料中の任意の位置での光硬化が可能であり、非常にアスペクトの高い構造を作成することが可能である。
また、高さの制御は露光量や照射時間等で制御することが可能であり、これにより高精度な高さ制御が可能となる。
【０１２３】
［実施例１５］
次に第１６の手段の光学素子の製造方法及び、第３０の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
この製造方法では、実施例１２〜１４のいずれかの製造方法において、加工用のレーザ光は、パルス幅が１０ピコ秒（ｐｓ）以下の超短パルスレーザとするものである。
例えば超短パルスレーザを実施例１２、１３に記載のレーザブレーション加工に用いた場合、光照射時の材料内部の熱伝導幅は片側で下記の（式６）に示される量となる。
Ｌ＝√Ｄτ              （式６）
ここで、Ｌは拡散距離、Ｄは熱拡散率、τは時間を示す。
また、下記の表１には代表的な材料と、その熱拡散率（Ｄ）を示し、表２には、その材料の上記（式６）で求めた片側熱拡散距離（熱拡散範囲）Ｌを示す。
【０１２４】
【表１】
2007057622.tif 000003
【０１２５】
【表２】
2007057622.tif 000004
【０１２６】
本実施例では、光学素子あるいは形状転写型の微細構造体の製造に超短パルスレーザを用いることで、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ステンレススチール（ＳＵＳ）等の金属材料加工を行った場合、熱伝導率が１０６オーダであり、１０ｐｓで伝播範囲がｎｍ程度となる金属以外の材料での熱伝播距離はほとんどそれ以下であることから、１０ｐｓ以下とすることでｎｍオーダの精度での加工の実現が可能となる。これは可視光の波長である４００〜８００ｎｍに対して十分に狭い熱影響範囲であり、サブ波長領域の加工に効果的であると言える。これがナノ秒（ｎｓ）オーダとなると拡散が大きく、加工形状変化により光学素子の機能低下につながる。
【０１２７】
なお、実施例１４の多光子吸収での光硬化の場合、単位時間当りのレーザ強度が高いことが望ましく（ピーク出力の高いレーザが望ましい）、その実現には、現在簡便に利用可能なレーザ光源としてＴｉ：Sapphireレーザや短パルス出力可能な固体レーザが上げられる。これらレーザの代表的パルス幅は１０ピコ秒以下程度であり、これらレーザ光を１０ピコ秒以下とすることで、高精度な微細構造の光学素子や形状転写型を作製することが可能となる。この場合も熱伝播が少ないことから、高精度な構造を形成することが可能となる。
以上のように、本実施例では、実施例１２〜１４の手法の利点に加え、より高精度化した製造方法とすることができる。
【０１２８】
［実施例１６］
次に第１７の手段の光学素子の製造方法及び、第３１の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法は、前述の実施例１４の手法を改良して、より高精度に所望の形状の微細構造を形成できるようにしたものであり、基本的には図２０に示すように、基板上に光硬化樹脂等の光反応性材料を塗布し、前記材料中にレーザ光を集光して集光点近傍でのみ多光子吸収を起こし、集光点を基板面上で走査することで基板面上に微細構造を形成せしめる方法であり、走査中に集光点中心と基板表面との距離を変化させることで、形成される構造体の高さを変化させ、空間的に高さの異なる構造体を作製するものである。
【０１２９】
具体的な製造方法の実施例を、図２２〜２４を用いて説明する。図２２に示すように、レーザ光は、対物レンズ７０によって集光し、基板１上に塗布されている光反応性材料６０中にスポットを形成する。さらに、スポットを基板１に対して水平方向に走査することで、基板上の光反応性材料６０の全面に渡って構造を作製する。この走査中に、構造物が所望の高さとなるように、スポットの基板表面からの距離を変化させる。これによって、例えば図２３（ａ）のように集光点を基板１から遠ざけながら水平方向に移動させれば、図２３（ｂ）のように階段形状の構造体を作製することができる。
作製される構造物の高さの最大値がＨであるとすると、集光点と基板との距離ｄは、
−Ｈ／２＜ｄ＜Ｈ／２
の範囲でなければならない。なお、集光点が基板より下の位置に来ることも有りえる。
【０１３０】
図２４を用いて本実施例のより具体的な製造方法を説明する。図２４は本実施例の製造方法で用いる加工装置の一例を示しており、この装置は、光源であるレーザ装置６１と、１／２波長板６２、グラントムソンプリズム６３、ミラー６４、空間フィルター６５、ガルバノミラー６６、リレーレンズ６７、ビームサンプラー６８、結像レンズ６９、対物レンズ７０、ピエゾステージ７１、基板１を載置する移動ステージ７２、モニター用のＣＣＤ７３などで構成されており、微細構造体を形成する基板１上には光反応性材料６０が塗布されている。
【０１３１】
レーザ装置６１より出されたレーザ光は１／２波長板６２とグラントムソンプリズム６３によって強度を最適に調整した後に、ミラー６４を介して空間フィルター６５によって強度分布の均一化、及びビーム径の調整がなされる。
レーザ装置６１としては、瞬間的なピークパワーの強いパルスレーザが好ましく、Ｎｄ：ＹＡＧレーザや、Ｔｉ：Sapphireレーザなどを用いることが可能である。波長に関しては、光反応性材料６０は紫外線によって反応する材料が多く、近赤外領域の波長を持つレーザ光が適している。レーザの強度調整には他に、偏光板を使用する方法や可変ＮＤフィルターによって為す方法がある。また、レーザ光の強度調整や、空間フィルタ−６５は有ったほうが好ましいが、必ず無くてはならないというわけではない。
【０１３２】
その後、レーザ光は、ガルバノミラー６６からなるスキャナーによって光路を変えられた後に、リレーレンズ６７、ビームサンプラー６８、結像レンズ６９、対物レンズ７０を通して基板１上の光反応性材料６０中に集光される。集光点は、ピエゾステージ７１によって基板垂直方向に位置を調整しながら、ガルバノミラー６６の角度を変えることによって基板水平方向で走査される。
【０１３３】
対物レンズ７０は、形成される構造物の水平方向分解能を上げるために、開口数（ＮＡ）が高いものを用いることが望ましい。
リレーレンズ６７には、いわゆるｆθレンズを用いることが好ましい。ｆθレンズを用いることによって、ガルバノミラー６６だけを動かして基板水平内で走査したときに、基板垂直方向に集光位置がずれる現象を防ぐことができる。ただし、ｆθレンズを用いなくても、基板垂直方向の位置ずれをピエゾステージ７１によって補正することも可能である。
【０１３４】
水平・垂直方向の移動には、基板１を移動ステージ７２によって移動する方法でも良い。特に水平方向の移動として、移動ステージ７２に、回転ステージと並進ステージを組み合わせた、いわゆるｘ・θステージを用いることもできる。ｘ・θステージを用いることにより、連続的な動きにより基板面全体を走査することができるようになり、作製時間の短縮を図ることができる。
また、図２４に示すように、光路にビームサンプラー６８を設置することによって、ＣＣＤ７３に作製中の画像を取り込みモニタリングすることも可能である。
【０１３５】
以上のようにして、材料中にレーザ光を集光し、集光点中心と基板表面との距離を変化させながら、集光点を基板水平方向に走査することがなされる。
これによって、図２５（ａ）に示すような、基板１上に階段状の構造体２を周期的に配置した回折格子や、図２５（ｂ）に示すように、高さの異なる構造体２を空間的に配置して、２次元的に位相変調を行うことが可能な回折光学素子が作製される。
【０１３６】
回折光学素子の高さｈ(ｘ，ｙ)は、回折光学素子として使用する際に対象となる光の空間位相分布を変調するものであり、所望の位相変調量φ(ｘ，ｙ)に対応して以下のような関係式で決定される。
【０１３７】
（式７）
ｈ(ｘ，ｙ)＝［λ／(ｎ−１)］×［φ(ｘ，ｙ)／２π］
ｈ(ｘ，ｙ)：任意の位置ｘ，ｙにおける回折光学素子の高さ
φ(ｘ，ｙ)：制御される光の任意の位置ｘ，ｙにおける位相変調量
ｎ：材質の屈折率
λ：回折光学素子として使用する際に対象となる光の波長
【０１３８】
位相変調量φ(ｘ，ｙ)は、いわゆる計算機合成ホログラムといった手法を用いることによって計算することが可能である。計算方法としては、反復フーリエ変換法やシミュレーテッドアニーリング法などがある。これらの計算方法に関してはそれぞれ非特許文献６、非特許文献７に詳しく記載されている。
【０１３９】
反復フーリエ変換法は大きな画素数のホログラムもシミュレーテッドアニーリング法に対して短時間で計算できるため、より好ましい。反復フーリエ変換法によって計算した結果の一例を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）は計算によって算出された高さの２次元データを表しており、白い部分ほど高さが高いことを表している。このような構造を本実施例の製造方法によって作製することで、この構造に所定の波長を有するレーザ光を入射するとフラウンホーファー回折領域で図１０（ｂ）に示すようなレーザ光パターンを得ることができる。
【０１４０】
構造体の作製に用いる光反応性材料６０とは、光硬化性樹脂、レジスト材料、光硬化性を有する有機・無機ハイブリッド材料、などを指す。光反応性材料６０として、所定の波長範囲に対して透明であることが望まれる。また、２光子または多光子吸収を利用するため、作製に用いるレーザ光の波長に対しては透明、あるいはほぼ透明であることが好ましい。また、レーザ光の照射後、光反応性材料の種類によっては、特定の後処理を実行することで所望の構造を得る。例えば、光硬化性樹脂を光反応性材料として用いる際には、レーザ光照射後に未硬化部分の樹脂を溶液で洗い流す、あるいは、レジスト材料を用いる際には、いわゆる現像と呼ばれる工程が必要となる。本実施例では、これら後処理工程も含めた回折光学素子の製造方法、あるいは回折光学素子用形状転写型の製造方法と考えることができるものである。
【０１４１】
作製された構造体は、それ自体を回折光学素子として用いても良いし、その構造を形状転写のための型として用いても良い。形状転写型として用いて複製を作製する方法としては、以下の（Ａ）〜（Ｃ）のような方法が考えられる。
【０１４２】
（Ａ）図２６に示す工程例のように、まず基板１上の光反応性材料６０に前述の方法で微細構造体を作製する。次に、これを形状転写型として用い、作製された型をエッチングして削ることにより、基板１上に微細構造を転写して光学素子とする。このとき、エッチングはウェットエッチングでもドライエッチングでも可能であるが、より垂直にエッチングを行うためにはドライエッチングのほうが好ましい。
【０１４３】
（Ｂ）図２７に示す工程例のように、まず基板１上の光反応性材料６０に前述の方法で微細構造体を作製する。次に、これを形状転写型として用い、作製された型に、樹脂８０などの光学材料を流し込み成形し、離型することで微細構造を有する光学素子の複製品を作り出す。
【０１４４】
（Ｃ）図２８に示す工程例のように、まず基板１上の光反応性材料６０に前述の方法で微細構造体を作製する。次に、これを形状転写型として用い、作製された型に金属膜８１を蒸着する。次に金属膜８１を蒸着した型を電鋳し、微細構造を転写した金属の型８２を新たに作り出す。さらに、この金属型８２を新たな形状転写型として用い、この型８２に樹脂８０などの光学材料を流し込み成形し、離型することで微細構造を有する光学素子の複製品を作り出す。
【０１４５】
以上の（Ａ）〜（Ｃ）のような方法で微細構造を転写した光学素子を得ることができるが、形状転写型としての用い方はこれらに限定されるわけではない。
【０１４６】
［実施例１７］
次に第１８の手段の光学素子の製造方法及び、第３２の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６の製造方法に加え、レーザ光を照射中、レーザ光のパワー及び、集光点を走査するスピードは略一定とするものである。
すなわち、実施例１６で述べた構造体の作製時には、レーザ光の強度は精密に一定に保たれていることが好ましく、レーザ光の強度は常にモニタリングされていることが望ましい。このため、本実施例で用いる加工装置では、図２９に示すように、図２４の加工装置を改良し、レーザ光の一部をハーフミラー７５等で取り出して光量をフォトダイオード７６でモニタリングし、その結果を１／２波長板６２の回転ステージ・コントローラ７４へフィードバックすることで、光量の調整を行いながら素子の作製を行うことができるようにした。
【０１４７】
このように、本実施例では、実施例１６の製造方法に加え、レーザ光の強度及び走査スピードを一定に保つことで、同じ高さの構造物を正確に作製することが可能となる。これによって集光点と基板との距離が作製する構造物の高さと正確に対応することになる。この対応関係は以下のようにして表すことができる。
一回の走査で作製される構造物の高さの最大値がＨであるとき、集光点と基板との距離はＨ／２である。集光点と基板との距離をｄとしたとき、形成される構造物の高さｈは、
ｈ＝Ｈ／２＋ｄ  （ただし、−Ｈ／２＜ｄ＜Ｈ／２であるとき）
となる。
【０１４８】
ここで、回折光学素子は面内で相対的な高さのみが特性に影響をおよぼすので、本実施例の方法で作製する際には、集光点と基板との距離ｄの場所による変化のみが特性に影響をおよぼす。
すなわち、一回の走査で作製される構造物の高さの最大値Ｈに関係なく所望の特性を有する回折光学素子を作製することが可能となる。
Ｈの値は周辺の温度や湿度など環境要因によって変化するため再現しにくい値であるが、本実施例の方法では、Ｈの値の影響を受けないためより環境変化に対して有利な製造方法である。
【０１４９】
［実施例１８］
次に第１９の手段の光学素子の製造方法及び、第３３の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６または１７の製造方法に加え、レーザ光を照射中、基板と集光点との位置は常にモニタリングされており、モニタリングの結果から集光点の位置を調整するようにしたものである。
基板１と集光点との距離を計測する手段としては、一般的に用いられているいわゆるオートフォーカスシステムを利用することができる。これには、例えば図３０に示すように、図２９の加工装置の対物レンズ７０にレーザ測距計７７等を取り付け、基板表面との距離を計測する方法などを用いることができる。
そして、レーザ測距計７７で基板１と集光点との距離を測定しながら、基板垂直方向への集光点移動量へその結果をフィードバックすることにより、基板１の反りやうねりの影響を受けず、より精度の高い回折光学素子、あるいは光学素子用形状転写型の作製が可能となる。
【０１５０】
［実施例１９］
次に第２０の手段の光学素子の製造方法及び、第３４の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６〜１８のいずれかの製造方法に加え、パルス幅が１ｐｓ以下である、いわゆる超短パルスレーザを光源として用いるものである。
すなわち、作製に用いるレーザ光としては、短いパルス幅を持つレーザ光が適しており、特に一般的に入手が比較的容易である、パルス幅が１ｐｓのいわゆるフェムト秒パルスレーザを用いることが望ましい。そして、このような超短パルスレーザを光源として用いることにより、より低いパワーで構造を作製することが可能となる。これによって、高強度のレーザ光を集光することによって生じる、バブルの発生や、構造のアブレーションによる破壊を避けることができる。
【０１５１】
［実施例２０］
次に第２１の手段の光学素子の製造方法及び、第３５の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６〜１９のいずれかの製造方法に加え、光反応性材料中にレーザ光を集光する手段として、液浸対物レンズを利用するものである。このように集光手段として液浸対物レンズを利用することにより、水平方向分解能がより細かい構造を作製することができる。
【０１５２】
［実施例２１］
次に第２２、第２３の手段の光学素子の製造方法及び、第３６、第３７の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６〜２０のいずれかの製造方法に加え、平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたものであり、さらには、光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されるようにしたものである。
【０１５３】
前述の実施例１６〜２０の製造方法においては、レーザ光の集光点を水平方向に走査する際に、集光点の水平方向移動量に対して、１回の走査で形成される構造の幅が小さいとき、構造体の間に溝ができ図３１（ｂ）に示すような構造となる。このような溝が存在することにより、不要な回折光が生じ、回折効率が低下する不具合が生じる。
これに対して、本実施例の製造方法においては、平面内の少なくとも一部において作製する構造物のピッチ（構造物と構造物の最小距離幅）を、波長以下としたことにより、作製する構造のピッチが使用する波長より細かい構造となっている。
このような構造では周期的なピッチ構造が存在していても回折光は生じないが、入射光の位相分布を変化させることが可能である。
すなわち、本実施例の製造方法では、作製される構造のピッチが波長より細かい構造となっており、これによって作製時に構造体の間に溝が存在しても、不要な回折光が生じることなく所望の機能を得ることが可能な回折光学素子あるいは光学素子用形状転写型を作製することができる。
【０１５４】
なお、上記の製造方法では、特に集光するレーザ光の強度が等しく、走査スピードが等しいとき、作製される構造体の幅は常に一定となるため、ピッチが異なるいわゆるデューティー比が変化する。デューティー比が変化することによって、有効屈折率が変化するため作製する構造の高さに補正が必要となる。
そこで、より簡易に高さのみによって回折光学素子の機能を制御するために、本実施例では、光学素子として機能する領域において前記構造物が等ピッチで作製されるようにしている。
【０１５５】
作製する構造の一例としては、例えば図３３に示すような構造とする。ここで、構造は面内のある方向に等ピッチで形成されており、そのピッチは対象となる波長より短く、望ましくは波長の半分以下である。
波長８００ｎｍの近赤外領域のレーザ光による２光子吸収の光硬化によって、幅２００ｎｍ以下の構造を作製することが可能であることが知られており、このような構造は本実施例の製造方法によって形成可能である。
【０１５６】
［実施例２２］
次に第２４の手段の光学素子の製造方法及び、第３８の手段の光学素子用形状転写型の製造方法に係る、微細構造体の製造方法の一実施例を説明する。
本実施例の製造方法では、前述の実施例１６〜２１のいずれかの製造方法において、前記構造物を、少なくとも一部に曲面を有している構造体の上に形成するようにしたものである。
【０１５７】
実施例１６〜２１の製造方法では、曲面上に構造体を作製することが可能であり、これは、あらかじめ基板の曲面データを測定するか、あるいは基板表面との距離を計測しながら作製を行うことで、基板面の情報を垂直方向に集光点を移動させる際に入力し、補正することで可能となる。曲面上の構造としては、例えば図３４のような構造が考えられるが、より具体的には、実施例７で述べたようなレンズ４上に微細構造体２を形成したものがあり、これは基板にレンズ４を用い、実施例１６〜２１の製造方法でレンズ４の曲面に微細構造体２を形成することにより実現することができる。
【０１５８】
このように、本実施例では曲面に微細構造体を形成することにより、球面レンズ上に構造体を作製して非球面化をしたり、回折格子を作製してレンズの色収差補正機能を追加したり、などの複合機能を有する光学素子、あるいはその形状転写型を作製することが可能となる。また、この形状転写型を用いて光学素子を複製することにより、複合機能を有する光学素子を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の一実施例を示す光学素子の要部斜視図である。
【図２】本発明に係る光学素子の微細構造による回折作用の説明図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す光学素子の要部断面図である。
【図４】本発明に係る光学素子の微細構造の形状例を示す図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す光学素子の構成説明図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す光学素子の要部断面図である。
【図７】本発明の別の実施例を示す光学素子の要部断面図である。
【図８】図７に示す光学素子の作製方法の一例を示す工程説明図である。
【図９】本発明の別の実施例を示す光学素子の説明図である。
【図１０】（ａ）は反復フーリエ変換法によって計算した微細構造の高さの２次元データを表す図、（ｂ）は（ａ）の構造を本発明の製造方法によって作製し、この構造に所定の波長を有するレーザ光を入射したときにフラウンホーファー回折領域（ファーフィールド）で得られるレーザ光パターンを表す図である。
【図１１】本発明の別の実施例を示す光学素子の説明図である。
【図１２】微細構造の作製に用いられる加工装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】（ａ）は図１２に示す装置における波長板回転角とレジストへの入射光強度の関係を示す図、（ｂ）はレーザ強度比とレジストへの入射光強度の関係を示す図である。
【図１４】レジストで形成した微細構造を基板に転写する方法の説明図である。
【図１５】微細構造の作製に用いられる加工装置の別の例を示す概略構成図である。
【図１６】レーザの入射光強度による加工形状変化を示す図である。
【図１７】レーザブレーション加工法を用いて微細構造を作製する方法の一例を示す図である。
【図１８】微細構造の形状転写型を作製して光学素子の複製を作製する製造方法の一例を示す工程説明図である。
【図１９】微細構造の作製に用いられる加工装置の別の例を示す概略構成図である。
【図２０】本発明に係る微細構造の作製方法の一例を示す図である。
【図２１】従来の作製方法の一例を示す図である。
【図２２】本発明に係る微細構造の作製方法の一例を示す図である。
【図２３】本発明に係る微細構造の作製方法の一例を示す図である。
【図２４】微細構造の作製に用いられる加工装置の別の例を示す概略構成図である。
【図２５】本発明に係る製造方法で作製される微細構造の一例を示す図である。
【図２６】本発明に係る方法で作製した微細構造を形状転写型として用いて複製を作製する方法の一例を示す工程説明図である。
【図２７】本発明に係る方法で作製した微細構造を形状転写型として用いて複製を作製する方法の別の例を示す工程説明図である。
【図２８】本発明に係る方法で作製した微細構造を形状転写型として用いて複製を作製する方法の別の例を示す工程説明図である。
【図２９】微細構造の作製に用いられる加工装置の別の例を示す概略構成図である。
【図３０】図２９の加工装置の対物レンズにレーザ測距計を取り付け、基板表面との距離を計測する方法の説明図である。
【図３１】本発明の作製方法で作製された回折光学素子による回折の様子を示す説明図である。
【図３２】不適切な形状の微細構造の例を示す図である。
【図３３】波長より短く等ピッチな微細構造体の一例を示す図である。
【図３４】曲面に形成された微細構造体の一例を示す図である。
【図３５】従来の位相変調型サブ波長素子の微細構造の一例を示す図である。
【図３６】従来の高さが同一で等ピッチの微細構造の説明図である。
【図３７】従来の微細構造におけるフィルファクターと有効屈折率の関係を示す図である。
【図３８】従来の高さが同一で幅が異なる微細構造の説明図である。
【図３９】干渉露光を行う場合の位置と光強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１：基板
２：微細構造体
３：セル（領域）
４：レンズ
５：レジスト
１１，２１，５１，６１：レーザ装置
１２，２４，５２，６５：空間フィルター
１３，２２，６２：１／２波長板
１４：無偏光ビームスプリッタ
１５ａ，１５ｂ：ミラー
１６，２９，５６：コントローラ
１７，３０：回転ステージ
２３：グランレーザプリズム
２５，６４：ミラー
２６：マスク
２７：回折格子
２８，５４：レンズ
３１，５５，７２：移動ステージ
４０：積層薄膜構造体
４１：吸収層
４２：透過層
４３：金属膜
４４：金型（形状転写型）
４５：光学素子
５３，６６：ガルバノミラー
５６：光硬化樹脂
６０：光反応性材料
６３：グラントムソンプリズム
６７：リレーレンズ
６８：ビームサンプラー
６９：結像レンズ
７０：対物レンズ
７１：ピエゾステージ
７３：ＣＣＤ
７４：回転ステージ・コントローラ
７５：ハーフミラー
７６：フォトダイオード
７７：レーザ測距計
８０：樹脂
８１：金属膜
８２：金型（形状転写型）
【図１】
2007057622.tif 000005
【図２】
2007057622.tif 000006
【図３】
2007057622.tif 000007
【図４】
2007057622.tif 000008
【図５】
2007057622.tif 000009
【図６】
2007057622.tif 000010
【図７】
2007057622.tif 000011
【図８】
2007057622.tif 000012
【図９】
2007057622.tif 000013
【図１０】
2007057622.tif 000014
【図１１】
2007057622.tif 000015
【図１２】
2007057622.tif 000016
【図１３】
2007057622.tif 000017
【図１４】
2007057622.tif 000018
【図１５】
2007057622.tif 000019
【図１６】
2007057622.tif 000020
【図１７】
2007057622.tif 000021
【図１８】
2007057622.tif 000022
【図１９】
2007057622.tif 000023
【図２０】
2007057622.tif 000024
【図２１】
2007057622.tif 000025
【図２２】
2007057622.tif 000026
【図２３】
2007057622.tif 000027
【図２４】
2007057622.tif 000028
【図２５】
2007057622.tif 000029
【図２６】
2007057622.tif 000030
【図２７】
2007057622.tif 000031
【図２８】
2007057622.tif 000032
【図２９】
2007057622.tif 000033
【図３０】
2007057622.tif 000034
【図３１】
2007057622.tif 000035
【図３２】
2007057622.tif 000036
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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