(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、透過率が高く、光の利用効率の高い光学位相差素子を提供する。【解決手段】光学位相差素子１００は、基板１０と、第１被覆膜１１と、第２被覆膜１２とを備える。基板１０は、設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する。第１被覆膜１１は、基板１０の凹凸構造部の凸部１０ａの材料よりも高い屈折率を有し、凹凸構造部の凸部１０ａ上に形成される。第２被覆膜１２は、第１被覆膜１２と、凹凸構造部の凹部を覆うように形成される。凹部には空気層が形成される。第２被覆膜１２は透過率を改善する層として機能する。【選択図】図１
2007101856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子であって、
前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板と、
前記凹凸構造部の凸部の材料よりも高い屈折率を有し、前記凹凸構造部の凸部上に形成される第１被覆膜と、
前記第１被覆膜及び前記凹凸構造部の凹部を覆う第２被覆膜とを有する光学位相差素子。
【請求項２】
更に、前記凹凸構造部の凹部の底面に第３被覆膜を有し、前記第２被覆膜と前記第３被覆膜との間に空気層が形成されている請求項１に記載の光学位相差素子。
【請求項３】
前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが、０．２≦ｔ／Ｔ≦０．９を満たす請求項１又は２に記載の光学位相差素子。
【請求項４】
設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子であって、
前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板と、
前記凹凸構造部の凸部よりも高い屈折率を有し、前記凹凸構造部上に形成された被覆膜とを備え、
前記被覆膜は、前記凸部の上面に形成される第１被覆部と、前記第１被覆部上に形成される第２被覆部と、前記凹凸構造部の凹部に形成される第３被覆部と、前記凸部の側面に形成される第４被覆部とを有し、
隣接する凸部上に形成される前記第２被覆部同士が互いに接触していることを特徴とする光学位相差素子。
【請求項５】
前記第１被覆部、前記第２被覆部、前記第３被覆部及び前記第４被覆部が同一の材料から構成されている請求項４に記載の光学位相差素子。
【請求項６】
前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが、０．２≦ｔ／Ｔ≦０．９を満たす請求項４又は５に記載の光学位相差素子。
【請求項７】
設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子を製造するための製造方法であって、
前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板を用意し、
前記基板の凹凸構造部の少なくとも凸部上に、前記凸部よりも屈折率の高い第１被覆膜を成膜し、
前記第１被覆膜及び前記凹凸構造部の凹部を覆うように第２被覆膜を形成することを含む光学位相差素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２被覆膜を塗布法により形成することを特徴とする請求項７に記載の光学位相差素子の製造方法。
【請求項９】
設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子を製造するための製造方法であって、
前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板を用意し、
前記凹凸構造部の凸部よりも高い屈折率を有する被覆膜を、前記凹凸構造部上に形成すると共に、隣接する凸部に形成される前記被覆膜が互いに接触するように前記被覆膜を形成する光学位相差素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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いる。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。
【０００３】
光学位相差素子としては、方解石、雲母、水晶のような自然界に存在する複屈折結晶により形成された光学位相差素子や、複屈折ポリマーにより形成された光学位相差素子、使用波長より短い周期構造を設けることによって人工的に複屈折を発生させる構造とした光学位相差素子などが知られている。
【０００４】
複屈折結晶の光学位相差素子としては、結晶軸と平行にカットされた平板状の光学位相素子が知られている。この平板状の光学位相差素子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の２つの光線に分けられる。常光線と異常光線とでは、伝播速度が異なるので、この２つの光線が光学位相差素子内を伝播するにつれて、２つの光線間で位相遅延量に差が生じ、そ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。したがって、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、光学位相板として機能する。
【０００５】
複屈折ポリマーの光学位相差素子は、原理的には上述した複屈折結晶の光学位相差素子と同じである。複屈折ポリマーの光学位相差素子は、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している。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、大きなサイズの光学位相差素子を安価に得ることができるという利点がある。
【０００６】
人工的に複屈折を生じさせる構造の光学位相差素子は、例えば、透明の誘電体基板上に使用波長よりも短い周期で凹凸構造部を形成することによって得られる。使用波長よりも十分に短い周期を有する凹凸構造部に垂直に光が入射すると、その凹凸構造部の凹部の延在する方向（溝方向）に平行な偏光成分と、溝方向に垂直に振動する偏光成分との間で伝播速度が異なるため、凹凸構造部部分を透過した２つの偏光成分の間に位相遅延量の差が生じる。また、この位相遅延量の差は凹凸の深さに比例しているため、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。このような位相遅延量の差を利用して光学位相差素子を製造する。
【０００７】
微細構造を用いた初めての光学位相差素子（以下、波長板ともいう）が、１９８３年にＤ．Ｃ．Ｆｌａｎｄｅｒｓによって実現されており（非特許文献１参照）、微細構造を用いた光学位相差素子として、種々のものが知られている（非特許文献２、特許文献１、特許文献２）。
非特許文献２には、微細構造を用いた波長板として、石英基板上に、Ｓｉ３Ｎ４層とＳｉＯ２層とＳｉ３Ｎ４層の３つの層をこの順で積層し、この３層の積層体に、低い凹凸を形成した位相差板が記載されている。
【０００８】
また、特許文献１には、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、この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位相差板が提案されている。また、特許文献２には、断面視略矩形状の凸部が、設計波長よりも短い周期Ｔで配列された凹凸構造部を上面に有する基板と、凸部よりも高い屈折率を有し、基板の凹凸構造部が形成されている面上に形成された被覆膜とを備える光学位相差素子が開示されている。特許文献２の光学位相差素子では、凸部の周期方向の幅と凹凸構造部の周期Ｔの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．６〜０．９までのいずれかの値となっている。
【０００９】
【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
【非特許文献２】エー．ジー．ロペス、エッチ．ジー．クライヘッド（A. G. Lopez and H. G. Craighead）、「構造性複屈折多層格子に基づく波長板偏光ビームスプリッタ」（Wave-plate polarizing beam splitter based on a form-birefringent multilayer grating）、オプティックス  レター（Optics Letters） 第２３巻第２０号ｐ．１６２７−１６２９（１９９８年）
【特許文献１】特公平７−９９４０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、複屈折結晶の光学位相差素子は非常に高価であるため、量産される製品等に用いるには不向きであった。これに対し、複屈折ポリマーの光学位相差素子は、安価に製造できるという利点を有している。しかしながら、複屈折ポリマーの光学位相差素子は、その光学的性質及び耐久性が、複屈折結晶の光学位相差素子に比べて劣るという問題があった。また、複屈折結晶の光学位相差素子や複屈折ポリマーの光学位相差素子は、曲面構造にすることが困難であるという問題があった。
【００１１】
特許文献１及び２に記載の光学位相差素子は、基板の上に形成される膜に、基板よりも屈折率の高い材料を用いている。しかしながら、これらの光学位相差素子は透過率が低く、また、基板と、その基板上に形成される膜に関して、特定の屈折率の組み合わせ以外では、光の利用効率の高い光学位相差素子を得ることができず、基板上に形成される膜として使用できる材料が制限されていた。
【００１２】
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、本発明の目的は、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ことができ、光利用効率の高い光学位相差素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子であって、前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板と、前記凹凸構造部の凸部の材料よりも高い屈折率を有し、前記凹凸構造部の凸部上に形成される第１被覆膜と、前記第１被覆膜及び前記凹凸構造部の凹部を覆う第２被覆膜とを有する光学位相差素子を提供する。
本発明において、設計波長とは、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を意味する。
【００１４】
本発明の第１の態様の光学素子は、更に、前記凹凸構造部の凹部の底面に第３被覆膜を有し、前記第２被覆膜と前記第３被覆膜との間に空気層が形成されていることが好ましい。また、前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが、０．２≦ｔ／Ｔ≦０．９を満たすことが好ましい。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子であって、前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板と、前記凹凸構造部の凸部よりも高い屈折率を有し、前記凹凸構造部上に形成された被覆膜とを備え、前記被覆膜は、前記凸部の上面に形成される第１被覆部と、前記第１被覆部上に形成される第２被覆部と、前記凹凸構造部の凹部に形成される第３被覆部と、前記凸部の側面に形成される第４被覆部とを有し、隣接する凸部上に形成される前記第２被覆部同士が互いに接触している光学位相差素子を提供する。
【００１６】
本発明の第２の態様の光学素子は、前記第１被覆部、前記第２被覆部、前記第３被覆部及び前記第４被覆部が同一の材料から構成されていることが好ましい。また、前記凸部の周期方向の幅ｔと前記凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが、０．２≦ｔ／Ｔ≦０．９を満たすことが好ましい。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の第３の態様は、設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子を製造するための製造方法であって、前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板を用意し、前記基板の凹凸構造部の少なくとも凸部上に、前記凸部よりも屈折率の高い第１被覆膜を成膜し、前記第１被覆膜及び前記凹凸構造部の凹部を覆うように第２被覆膜を形成することを含む光学位相差素子の製造方法を提供する。
【００１８】
本発明の第２の態様の光学位相差素子の製造方法は、前記第２被覆膜を塗布法により形成することが好ましい。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の第４の態様は、設計波長の光に対して位相遅延差を生じさせるための光学位相差素子を製造するための製造方法であって、前記設計波長より短い周期の凹凸構造部を表面に有する基板を用意し、前記凹凸構造部の凸部よりも高い屈折率を有する被覆膜を、前記凹凸構造部上に形成すると共に、隣接する凸部に形成される前記被覆膜が互いに接触するように前記被覆膜を形成する光学位相差素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の態様の光学位相差素子は、基板の凹凸構造部上に、凹凸構造の凸部よりも屈折率の高い第１被覆膜を形成しているので、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、更に、凹凸構造を覆うように第２被覆膜を設けているので、従来の光学位相差素子よりも透過率が高く、光の利用効率が高められている。
また、本発明の第２の態様の光学位相差素子は、基板の凹凸構造部上に、凹凸構造の凸部よりも屈折率の高い被覆膜を形成しているので、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、更に、凹凸構造の凸部上に形成される被覆膜が互いに接触するように形成されているので、従来の光学位相差素子よりも透過率が高く、光の利用効率が高められている。
【００２１】
また、本発明の第３及び第４の態様の光学位相差素子の製造方法によれば、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とともに、従来の光学位相差素子よりも透過率が高く、光の利用効率が高められている光学位相差素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に従う光学位相差素子の第１の実施形態について、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。
【００２３】
図１は、本発明に係る光学位相差素子の一部を模式的に示した部分断面図である。光学位相差素子１００は、図１に示した断面構造が紙面垂直方向に連続した構造を有している。
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、一定周期Ｔの凹凸構造部が一方の面（上面）に形成された基板１０と、第１被覆膜１１と、第２被覆膜１２と、第３被覆膜１３とを有する。以下、光学位相差素子１００を構成する基板１０、第１被覆膜１１、第２被覆膜１２及び第３被覆膜１３について詳細に説明する。
【００２４】
まず、基板１０について説明する。
基板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。基板１０を構成する材料はこれに限定されず、プラスティックや光硬化性樹脂など透過率の高い誘電体を用いることもできる。
基板１０の上面には凹凸構造部が形成されている。図示例では、凹凸構造部の凸部１０ａは、矩形の断面で形成されている。ここでは、凸部の断面形状を矩形状としたが、これに限定されず、台形形状であってもよい。凹凸構造部は、その周期Ｔが、光学位相差素子１００を使用する光の波長λよりも短くなるように形成されている。また、本実施形態では、凹凸構造部の凸部１０ａの周期方向の幅ｔと、凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．２以上０．９以下の範囲に含まれるように、凸部１０ａの幅ｔが設計されている。
本実施形態では、周期Ｔは３００ｎｍ、又は３８０ｎｍ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。
凹凸構造部の周期Ｔは、使用する光の波長λよりも短ければ、特に限定されないが、製造、量産の容易性という理由から、Ｔの値はλ／ｎ２（ｎ２：第１被覆膜材料の屈折率）の近傍であることが好ましい。
【００２５】
基板１０の表面の凹凸構造部は、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、凹凸構造部に対応した格子パターンのフォトレジストを平坦な基板上に形成し、このフォトレジストをマスクとして、エッチング処理する方法を利用することも可能である。
また、図１では、基板１０の凹凸構造部の凸部１０ａは、本体部１０ｂと一体に形成され、互いに同じ材料で形成されているが、凸部１０が、本体部１０ｂと異なる材料で形成されていてもよい。この場合は、例えば、平坦な基板の表面上に、その基板と異なる材料の誘電体層を形成し、これをエッチングによりパターニングするなどして、誘電体の凸部１０ａを基板１０の本体部１０ｂに形成すればよい。
このように、凸部１０ａを本体部１０ｂと異なる材料で構成する場合は、凸部１０ａの材料としては、熱、ＵＶ可塑性およびエッチングの容易性という理由からアクリル、ポリカーボネット、ＵＶ固化樹脂、ＳｉＯ２等が好適である。
【００２６】
つぎに、第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３について説明する。
第１被覆膜１１は、基板１０の凸部１０ａ上に所定の膜厚で形成され、第３被覆膜１３は、基板１０の凹凸構造部の凹部１０ｃに第１被覆膜１１と同じ膜厚で形成されている。本実施形態では、第１被覆膜１１と第３被覆膜１３は同じ材料で形成されている。第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３は、光学位相差素子の位相差を増強させるための層として機能する。
第１被覆膜１１と第３被覆膜１３は、凹凸構造部が形成された基板の凹凸構造部上に同じ材料を同じ条件で同時に成膜することによって形成されることができる。本実施形態では、第１被覆膜１１と第３被覆膜１３とが同じ高さ（膜厚）になるように形成しているが、基板１０の凹凸構造部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。また、本実施形態では、基板１０の凹部１０ｃの底面からの高さである第３被覆膜１３の高さ（膜厚）Ｄ３が、凸部１０ａの高さＤ１より低くなるように形成されている。
第１被覆膜１１の膜厚は、特に制限されず、凸部１０ａの高さＤ１と同じであってもよいし、Ｄ１よりも低くても高くても良い。第１被覆膜１１の膜厚は、製造の容易性を考慮して低い凹凸構造で最大の位相差を得るという理由から凹凸構造の深さＤ１と略同一であることが好ましい。
また、第２被覆膜１２の膜厚は、特に制限されないが、設計波長λの近傍の波長に対しても透過率の改善に有効であり、第１被覆膜１１等の保護に有効であるという理由から、第２被覆膜１２の屈折率をｎ２としたときに、４ｎ２／λからλの範囲であることが好ましい。０からλであることが好ましい。
【００２７】
第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を構成する材料は、設計波長に対して透明で、基板を構成する材料よりも高い屈折率を有する材料であれば特に制限されない。第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を構成する材料の屈折率は、位相差増強の機能を高めるために、１．５以上であることが好ましい。光学位相差素子を可視光用の光学位相差素子として設計する場合、第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を構成する材料としては、例えば、ＨｆＯ２（屈折率約１．９）、Ｓｉ３Ｎ４（屈折率約２．１）、Ｚｎ２ＳｎＯ４（屈折率２．０）、Ｎｂ２Ｏ５（屈折率約２．５）などの屈折率が高い材料が好適である。また、光学位相差素子を赤外光用の光学位相差素子として設計する場合、第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を構成する材料としては、シリコン（Ｓｉ）（屈折率３．５）、ＧａＡｓ（屈折率３．４）、ＩｎＴｉＯ（屈折率２．１）などが好適である。
第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３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の成膜法により形成されることができる。
【００２８】
つぎに、第２被覆膜１２について説明する。
第２被覆膜１２は、図１に示されるように、第１被覆膜１１と第３被覆膜１３とから構成される凹凸構造を覆うように形成されている。第２被覆膜１２は、第１被覆膜１１の上面と接して設けられており、これにより、第２被覆膜１２と、基板１０の凹部１０ｃに形成されている第３被覆膜１３との間には、空気層１４が形成されている。このような第２被覆膜１２は、位相差に寄与せず、透過率を制御し改善する機能を有している。
第２被覆膜１２の屈折率は、広範囲に透過率を制御することと被覆膜の厚みの誤差に対して敏感に変化しないという理由から１．５から２．５であることが好ましい。
【００２９】
第２被覆膜１２は、上述した第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３と同様の成膜法、すなわち、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、イオンビーム蒸着法などの成膜法により形成してもよいし、塗布法により形成してもよい。
第２被覆膜１２を塗布法により形成する場合、塗布用材料の屈折率は１．４以上、２．０以下が望ましく、塗布用材料としては、溶解、塗布できる樹脂であれば、特に限定されない。塗布用材料としては、例えば、ポリビニルイソブチルエーテル、ポリエチルアクリレート、ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネット等の樹脂を利用することができる。
【００３０】
ところで、本発明の光学位相差素子１００は、基板１０の凹凸構造部の凸部１０ａと凹部１０ｃに、それぞれ、基板１０とは屈折率の異なる第１被覆膜１１と第３被覆膜１３を設けることにより、図１に示すように第１実効層３１〜第３実効層３３からなる三層構造が形成される。第１実効層３１は、第１被覆膜１（屈折率ｎ２）及び空気（屈折率１．０）によって構成されている。また、第２実効層３２は、基板１０の凸部１０ａ（屈折率ｎ１）及び空気（屈折率１．０）によって構成されている。また、第３実効層３３は、凸部１０ａ（屈折率ｎ１）及び第２被覆膜１２（屈折率ｎ２）によって構成されている。そして、この三層構造体の上に第２被覆膜１２が形成されている。
【００３１】
基板１０の凹凸構造部の周期Ｔは、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実効層３１〜第３実効層３３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。基板１０の凹凸構造部の凹部（溝）１０ｃと平行な方向に振動する光波（ＴＥ波）と、凹部（溝）１０ｃ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）の媒質を進行することになる。第１実効層３１〜第３実効層３３で構成される３層構造体は、入射光に位相差を生じさせる機能を有し、その３層構造体上に形成される第２被覆膜は透過率を改善する機能を有する。以下の説明では、第１実効層３１〜第３実効層３３で構成される３層構造体が、入射光に位相差を生じさせる機能を有することから、３層構造体を適宜、位相差層とも呼び、その位相差層上に形成される第２被覆膜１２を透過率改善層とも呼ぶことにする。
【００３２】
つぎに、第１実効層３１〜第３実効層３３の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原理を詳細に説明する。以下の説明では、添字ｊ（＝１〜３）を第１〜３の実効層に対応させ、第１実効層３１〜第３実効層３３におけるＴＥ波、ＴＭ波の有効屈折率を、ｎＴＥ（ｊ），ｎＴＭ（ｊ）と表す。
【００３３】
まず、基板１０の凹凸構造部の周期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より短くなっているが、本実施形態では、各実効層における回折光が０次以外発生しないような周期にしている。各実効層に垂直に入射する光に対して０次以外の回折光を発生させないような凹凸構造部の周期は、次式（１）で与えられる。
【００３４】
【数１】
2007101856.tif 000003
【００３５】
ここで、λは入射光の真空中の波長、ｎ１は基板（凸部）の屈折率、ｎＴＥ（ｊ）、ｎＴＭ（ｊ）は第１実効層３１〜第３実効層３３（ｊ＝１〜３）におけるＴＥ波及びＴＭ波に対する構造の有効屈折率である。また、ｍａｘ［Ａ，Ｂ，Ｃ］は、数値Ａ，Ｂ，Ｃのうち最も値の大きい数値を用いることを意味する。
基板１０の凹凸構造部に堆積させる材料、すなわち、第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を構成する材料の屈折率が高い場合、必要な位相遅延差を発生させるためには凹凸構造部の深さを浅くすることができ、同時に必要な凹凸構造部の周期も短くすることができる。したがって、凹凸構造部の深さが浅く、周期も短い基板は、射出成形法やプレス成形などにより容易に製造できるため、生産性が高められ、コストを低減することが可能となる。
【００３６】
本実施形態では、基板１０の凹凸構造部の凹凸の周期Ｔが式（１）を満足するので、凹凸構造部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進行する。凹凸構造部では、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部を通過する。これにより、同位相で入射した光波は凹凸構造部を通過する際にＴＥ波とＴＭ波は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、式（１）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δｎ（ｊ）として、式（２）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】
【数２】
2007101856.tif 000004
【００３８】
本実施形態のように、基板１０の凹凸構造部上に高屈折率の第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３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、式（２）に示すように、凹凸構造部の深さ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。
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１０ａの周期方向の幅ｔと凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔを略記したものである。
【００３９】
【数３】
2007101856.tif 000005
【００４０】
ただし、式（４）から（９）において、ｆ＝ｔ／Ｔである。
図１に示す多層構造の周期Ｔが、前述した高次回折光を発生しない条件（式（１））を満足しつつも、使用光の波長λより十分短いという条件を満足しない場合は、有効屈折率は波長に依存し、式（４）から（９）を用いて位相差を見積もることはできない。厳密に有効屈折率を求めるには、格子厳密電磁界解析法であるベクトル方程式を数値計算で解けばよい。しかし、本発明の効果を示すためには、厳密な計算を行わなくても、式（４）から（９）よりも精度の高い「Ｒｙｔｏｖの２次近似式」と呼ばれる有効屈折率の式を用いれば十分である。参考文献（S. M. Rytov, “Electromagnetic Properties of Finely Stratified Medium, Sov. Phys. JETP 2, 466-475 (1956))に記載された２次近似式では、周期をＴとしてＴＥ波とＴＭ波に対する有効屈折率は下記の式で表される。
【００４１】
【数４】
2007101856.tif 000006
【００４２】
ここで、添え字ｊは、第１実効層３１〜第３実効層３３の層の番号を表し、ｎＴＥ０（ｊ）及びｎＴＭ０（ｊ）は式（４）から（９）で計算したそれぞれの実効層における有効屈折率である。また、式（１０）及び（１１）のｎ３とｎ４については、各実効層で異なる値をとり、第１実効層３１（ｊ＝１）においてはｎ３＝１、ｎ４＝ｎ２、第２実効層３２（ｊ＝２）においてはｎ３＝１．０、ｎ４＝ｎ１、第３実効層３３（ｊ＝３）においてはｎ３＝ｎ２、ｎ４＝ｎ１をとる。
したがって、凹凸形状と屈折率が与えられると、式（１０）と（１１）の結果を式（３）に代入することで、各実効層における有効屈折率の差が求められる。そして、基板の凹凸構造の凹凸高さＤ１および高屈折率薄膜（第１被覆膜及び第２被覆膜）の厚さＤ２を使って、式（２）より位相差δφを見積もることができる。
【００４３】
式（４）〜（１１）を用いて、計算した第１実効層〜第３実効層のＴＥ波およびＴＭ波に対する有効屈折率の差δｎ（ｊ）と、第１被覆膜（第３被覆膜）の屈折率ｎ２との関係を図２に示す。図２に示すグラフは、図１に示す光学位相差素子１００の凸部１０ａの屈折率ｎ１＝１．４６、凸部１０ａの占有率ｆ＝０．５、周期Ｔ＝λ／ｎ２の場合のグラフである。図２に示した結果により、第１被覆膜１１（第３被覆膜１３）の材料の屈折率が高ければ、特に、第１実効層３１および第３実効層３３において偏光成分の有効屈折率の差も大きくなる。その結果、第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３の材料として高い屈折率を有する材料を用いれば、所望の位相差に対して基板１０の凹凸構造部の深さを浅くすることができる。一方、第２実効層３２は、偏光成分に対して大きい有効屈折率の差が得られないため、位相差の生成に対して寄与度は小さいことがわかる。一般に、凸部１０ａ上に形成される第１被覆膜１１の厚みを、基板１０に形成した凹凸構造部の凸部１０ａの高さと同程度にしたほうが、最も低い凹凸構造部で特定の位相差を得られる。図１に示した構造の光学位相差素子１００を、１／４波長板として実現させるために、波長で規格した凹凸構造の深さ（凹凸構造部の深さと第１被覆膜の厚みの和）と、第１被覆膜の屈折率の関係を図３に示す。図３に示すグラフは、図１に示す構造の光学位相差素子１００の凸部１０ａの屈折率ｎ１＝１．４６、凸部１０ａの占有率ｆ＝０．５、周期Ｔ＝λ／ｎ２、Ｄ１＝Ｄ２である光学位相差素子の場合である。図３から、第１被覆膜１１の屈折率が高くなれば、同様の位相差を得るために必要な凹凸構造部の深さは浅くなることがわかる。
【００４４】
つぎに、上述したような位相差層（第１実効層〜第３実効層）の上に設けられる第２被覆膜の機能について説明する。
基板１０の凹凸構造部に高い屈折率の第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３を形成することによって第１実効層３１〜第３実効層３３（位相差層）の有効屈折率は大きくなる。しかしながら、各実効層の界面の反射によるすべての偏光成分に対して高い透過率を得ることが困難になる。図４に、光学位相差素子（１／４波長板）に対する透過率と、第１被覆膜１１（第３被覆膜１３）の屈折率の関係を示す。
図４に示したグラフは、図１に示す構造の光学位相差素子１００において、第２被覆膜１２を備えず、凸部１００の屈折率ｎ１＝１．４６、凸部の占有率ｆ＝０．５、凹凸の周期Ｔ＝λ／ｎ２、Ｄ１＝Ｄ２とした場合のグラフである。図４から、第１被覆膜１１の屈折率が２．０より高くなると、ＴＥ波およびＴＭ波の両方の光に対して同時に高い透過率を得ることは困難となることがわかる。このように第２被覆膜を備えない光学位相差素子においては、ＴＥ波およびＴＭ波の両方の光に対して同時に高い透過率を得るためには、凸部１０ａ上及び凹部１０ｃの底面にそれぞれ形成される第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３の材料が制限されてしまっていた。この透過率特性を改善するため、本発明の光学位相差素子１００では、位相差に寄与しない第２被覆膜１２を、第１実効層３１〜第３実効層３３から構成される３層構造体上、すなわち、凹凸構造を覆うように第１被覆膜１１上に設ける。本発明の第１実施形態においては、塗布法で第２被覆膜１２を第１被覆膜１１の上面に形成する。
【００４５】
図５に、第２被覆膜１２の厚みと透過率の関係を示す。図５に示したグラフは、光学位相差素子１００の凸部１０ａの屈折率ｎ１＝１．４６、第１被覆膜１１の屈折率ｎ２＝２．２、第２被覆膜１２の屈折率ｎ３＝１．５、凸部１０ａの占有率ｆ＝０．５、周期Ｔ＝λ／ｎ２、Ｄ１＝Ｄ２の場合あった。図５に示すように、第２被覆膜の厚みＤ４によってＴＥ波およびＴＭ波の透過率が周期的に変化している。図５では、第２被覆膜の厚みＤ４が１２０ｎｍおよび３２０ｎｍ前後において、ＴＥ波およびＴＭ波の平均した透過率は最大となる。実際の成膜では、第２被覆膜の膜厚Ｄ４の値は次式に満足すれば、最大の透過率を得ることができる。
【００４６】
【数５】
2007101856.tif 000007
【００４７】
式（１２）において、Ｄ０は、平均透過率が最大となる最小の膜厚であり、Ｎは任意の整数である。ここで、Ｄ０は格子厳密電磁界解析法を用いて求めることができる。格子厳密電磁界解析法としては、例えば、参考文献：F. Montiel and M. Neviere "Differential theory of gratings: extension to deep gratings of arbitrary profile and permittivity through the R-matrix propagation algorithm," Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, P3241-3252に詳しく記述されているものを用いることができる。Ｄ０の値は、上記の参考文献に記載された格子厳密電磁界解析法による計算法をプログラム化にして、各偏光成分（ＴＥ波、ＴＭ波）の透過率を求めて、両偏光成分の透過率平均値が最大になる時の第２被覆膜の最小の厚みである。
図５に示すように、第１実効層３１〜第３実効層３３から構成される位相差層の上に、透過率改善層である第２被覆膜を形成することによって、ＴＥ波およびＴＭ波の透過率が共に高められことがわかる。
【００４８】
以上、本発明の第１の実施形態に係る光学位相差素子１００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記実施形態では、基板１０の凹凸構造部の凹部１０ｃに第３被覆膜１３を形成したが、第３被覆膜１３を形成しないで光学位相差素子を構成してもよい。すなわち、基板の凸部上に第１被覆膜を形成するとともに、凹凸構造を覆うように第１被覆膜上に第２被覆膜を形成して光学位相差素子を構成してもよい。また、凸部上に形成される第１被覆膜上に更に誘電体層などを１層又は複数層積層し、それら積層体の上に、上述した第２被覆膜を、凹凸構造全体が覆われるように形成して光学位相差素子を構成することも可能である。本発明では、微細な凹凸構造が形成されている従来の光学位相差素子の凹凸構造面上に、位相差の生成に寄与しない第２被覆膜を、微細な凹凸構造全体が覆われるように形成することによって、光利用効率の向上した光学位相差素子を得ることができる。
また、基板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、基板の製造が容易となり、成型などに有利である。したがって、超薄型の光学位相差素子を、量産技術を用いて低コストで生産することが可能となる。また、基板の製造に射出成形やプレス成形を利用することができるので、基板の形状が曲面形状であっても、容易に凹凸形状を形成することが可能となる。これにより、位相差板とレンズが一体となった機能集積型の光学素子を安価に提供することが可能となる。
【００４９】
つぎに、本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子について図面を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子の一部を模式的に示した部分断面図である。本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子２００は、図示した断面構造が、紙面垂直方向に連続した構造を有している。光学位相差素子２００は、凹凸構造を有する基板１０と、その基板１０の凹凸構造部に形成される被覆膜２０２とを有する。
基板１０については、凸部１０ａの周期方向の幅ｔと凹凸構造部の周期Ｔとの比である凸部占有率ｔ／Ｔが０．２から０．８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。
【００５０】
被覆膜２０２は、基板１０の凸部１０ａよりも高い屈折率を有する材料から構成されている。被覆膜２０２は、凸部の上面に形成される第１被覆部２１と、第１被覆部２１上で隣の凸部１０ａに形成される被覆膜と接触する第２被覆部２２と、基板１０の凹部１０ｃに形成される第３被覆部２３と、凸部１０ａの側面に形成される第４被覆部２４とから構成される。
図６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、基板の凹凸構造部上に被覆膜を成長させることによって得られる。
このような指向性の弱い成膜方法では、凹部１０ｃの底面及び凸部１０ａの側面に比べて、凸部１０ａの上面の方が、膜が成長し易い。それゆえ、凹部１０ｃに形成される第３被覆部２３の膜厚Ｄ３は、凸部１０ａ上面の第１被覆部２１の膜厚Ｄ２より薄くなっている。また、凸部１０ａの上面に形成される第１被覆部２１は、膜の成長と共に、その周期方向の幅が広くなっている。凸部１０ａの上面に形成される第１被覆膜２１の幅ｔ１が、周期Ｔと比べて０．９倍以上の幅になると、位相差の増強効果が小さくなる。ここでは、凸部１０ａの上面に形成される膜の幅ｔ１が、０．９５倍以下となる部分を第１被覆部２１としている。
【００５１】
第１被覆部２１の上面に形成される第２被覆部２２（膜厚Ｄ４）は位相差増強効果がなく、透過率を制御する層として働く。第２被覆部２２は、隣に位置する凸部１０ａから成長する第２被覆部と部分的に接触しており、その接触部から更に上方に向かうに従って徐々に幅が狭くなって縮小する。このように、第２被覆部２２が、隣の凸部から成長する第２被覆膜２２と接触するように、第２被覆部２２を形成させるには、例えば、スパッタリング法により成膜する場合は、真空度の低い条件（例えば、圧力≧０．５Ｐａ）で、酸素リッチ（酸素とアルゴンガスの流量比＞０．４）の成膜雰囲気にて成膜すればよい。
【００５２】
本実施形態では、第２被覆部２２は、第１被覆部２１の幅が次第に広がるように第１被覆部２１から連続して膜を成長させ続け、第１被覆部２１の幅ｔ１が周期Ｔの０．９５倍を越えて、隣の凸部上で成長する被覆膜と接触した後も成膜を続けることによって形成されているが、第１被覆部２１の幅ｔ１が周期Ｔの０．９５倍になるまで第１被覆部２１の成膜を続け、その後、成膜条件を変更し、第１被覆部２１上に第２被覆部２２を成膜してもよい。第１被覆部２１の幅ｔ１が周期Ｔの０．９５倍になったときに、例えば、ガス雰囲気を変更したり、基板にバイアス電圧を印加して第１被覆部２１上に第２被覆部２２を成膜してもよい。
また、本実施形態においては、第２被覆部２２を、第１被覆部２１と異なる材料で成膜させることも可能である。また、第２被覆部２２の形状も、図６に示したような、隣接する膜との接触部分から上方に向かうに従って幅が狭くなるような形状に限定されるものではない。
【００５３】
図７に、第２被覆部２２の膜厚（Ｄ４）と透過率の関係を示す。図７に示すグラフは、図６に示す光学位相差素子２００において、凸部の屈折率ｎ１＝１．４６、被覆部２００の屈折率ｎ２＝２．２、凹凸構造の周期Ｔ＝λ／ｎ２、基板上の凹凸構造の凸部の占有率ｆ＝０．５、Ｄ１＝２７０ｎｍの場合のグラフである。また、基板の凹凸構造の凹部に形成される第３被覆部２３の厚みＤ３は１８０ｎｍで、凸部１０ａに形成され、位相差増強効果を有する第１被覆部２１の厚みＤ２は３８０ｎｍであった。図７のグラフからわかるように、第２被覆部の膜厚を制御することによって、ＴＥ波とＴＭ波が共に高い透過率を有する光学位相差素子を得ることができる。
図６に示されるような構造の光学位相差素子においては、第２被覆部２２の膜厚は、設計波長λの近傍の波長に対しても透過率の改善に有効であり、第１被覆部２１等の保護に有効であるという理由から、第２被覆部２２の屈折率をｎ２としたときに、４ｎ２／λからλの範囲であることが好ましい。
【００５４】
本実施形態では、被覆膜２０２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１に示すような第１実効層３１〜第３実効層３３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実効層３１は、第１被覆部２１（屈折率ｎ２）及び空気（屈折率１．０）、第２実効層３２は、凸部１０ａ（屈折率ｎ１）及び空気（屈折率１．０）、第３実効層３３は、凸部１０ａ（屈折率ｎ１）及び第３被覆部２３（屈折率ｎ２）によって概ね構成される。
【００５５】
図６に示される光学位相差素子２００は、被覆膜２０２の各被覆部２１〜２４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。
【００５６】
本実施形態に係る光学位相差素子２００は、隣接する凸部上に形成されるそれぞれの被覆膜が、凸部の表面から所定の高さの位置で互いに接触するように形成させているので、被覆膜が互いに接触する部分よりも上方に位置する被覆膜が透過率を改善する層として機能し、被覆膜として高い屈折率の材料を用いた場合であっても、ＴＥ波とＴＭ波に対して高い透過率を得ることができる。また、基板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、基板の製造が容易となり、成型などに有利である。したがって、超薄型の光学位相差素子を、量産技術を用いて低コストで生産することが可能となる。また、基板の製造に射出成形やプレス成形を利用することができるので、基板の形状が曲面形状であっても、容易に凹凸形状を形成することが可能となる。これにより、位相差板とレンズが一体となった機能集積型の光学素子を安価に提供することが可能となる。
【００５７】
以上、本発明に従う光学位相差素子を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、入射光λに対してλ、λ／２など、λ／４以外の位相差を発生させるための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。以下、本発明に従う光学位相差素子の実施例を説明する。
【実施例１】
【００５８】
本発明の第１の実施例として、図１に示す構造を有し、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光に使用される１／４波長板を作製した。基板１０として、１．４５の低い屈折率を有し、厚さが０．５ｍｍの石英ガラス基板を用意した。ついで、石英ガラス基板の上面に周期Ｔが３２０ｎｍ、凸部の幅（線幅）ｔが１５０ｎｍ、溝深さＤ１が２７０ｎｍの凹凸構造部を作製した。次いで、スパッタ装置に、凹凸構造部を有する石英ガラス基板を装着し、凹凸構造部の凸部１０ａと凹部１０ｃにそれぞれ第１被覆膜１１と第３被覆膜１３として屈折率ｎ２が２．２のＴａ２Ｏ５を２７０ｎｍの厚さで成膜した。こうして、得られた光学部材に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光（波長６３３ｎｍ）を照射し、ＴＥ波およびＴＭ波間の位相差を測定した。垂直入射光に対して、位相差は約９０度であったが、ＴＥ波の透過率は６６％であり、ＴＭ波の透過率は８８％であった。
【００５９】
ついで、凹凸構造部上に第１被覆膜１１及び第３被覆膜１３が形成された石英ガラス基板の第１被覆膜１１上に、第２被覆膜１２として、屈折率ｎ３が１．５のアクリル膜を形成した。第２被覆膜１２の膜厚は約３２０ｎｍであった。こうして本発明に従う光学位相差素子を作製した。ついで、上記の方法と同様の方法により、作製した光学位相差素子の位相差および透過率を測定した。位相差は約９０度であり、ＴＥ波およびＴＭ波の透過率はそれぞれ９２％と９４％であった。このように、第２被覆膜１２を備える本発明の光学位相差素子は、ＴＥ波およびＴＭ波の透過率は共に向上している。
【実施例２】
【００６０】
実施例２では、図６に示す構造を有する光学位相差素子を作製した。基板として、上記実施例１と同様の基板を用いた。スパッタ装置に基板を装着し、基板の凹凸構造部上に被覆膜として屈折率ｎ２が２．２のＴａ２Ｏ５を４１０ｎｍの厚さで成膜した。本実施例では、実施例１と異なり、膜成長の指向性を弱めるため、酸素リッチの条件で成膜した。こうして、図６に示すような構造を有する光学位相差素子を作製した。作製した光学位相差素子の位相差および透過率を実施例１の方法と同様の方法で測定した。位相差は約８８度であり、ＴＥ波およびＴＭ波の透過率はそれぞれ９０％と９４％であった。
【００６１】
以上、本発明の光学位相差素子及びその製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施態様及び実施例に限定はされず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学位相差素子の一部を模式的に示した部分断面図である。
【図２】第１実効層〜第３実効層のＴＥ波およびＴＭ波に対する有効屈折率の差δｎ（ｊ）と、第１被覆膜の屈折率との関係を示すグラフである。
【図３】波長で規格した凹凸構造の深さと、第１被覆膜の屈折率の関係を示すグラフである。
【図４】第２被覆膜を備えない光学位相差素子に対するＴＥ波及びＴＭ波の透過率と、第１被覆膜の屈折率との関係を示すグラフである。
【図５】第２被覆膜の厚みと透過率の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光学位相差素子の一部を模式的に示した部分断面図である。
【図７】図６に示す構造の光学位相差素子の第２被覆部の膜厚と透過率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１０  基板
１０ａ  凸部
１０ｂ  本体部
１０ｃ  凹部
１１  第１被覆膜
１２  第２被覆膜
１３  第３被覆膜
２１  第１被覆部
２２  第２被覆部
２３  第３被覆部
２４  第４被覆部
３１  第１実効層
３２  第２実効層
３３  第３実効層
１００、２００  光学位相差素子
２０２  被覆膜
【図１】
2007101856.tif 000008
【図２】
2007101856.tif 000009
【図３】
2007101856.tif 000010
【図４】
2007101856.tif 000011
【図５】
2007101856.tif 000012
【図６】
2007101856.tif 000013
【図７】
2007101856.tif 000014