(57)【要約】【課題】高いアスペクト比の周期構造を有し且つ寸法余裕度の大きい、広帯域な１／４波長板を提供する。【解決手段】透明性材料が周期的な周期構造にパターニングされ、該周期構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍにおいて、７５°乃至１０５°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、且つ波長６５０ｎｍにおいて、８４°乃至９６°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、さらに波長４０５ｎｍにおいて、８７°乃至９３°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率とを有し、さらに前記周期構造部分の断面形状が台形の周期構造からなり前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下である１／４波長板とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明性材料が、柱状部が周期的に形成される周期構造にパターニングされ、該周期構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍにおいて、７５°乃至１０５°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、且つ波長６５０ｎｍにおいて、８４°乃至９６°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、さらに波長４０５ｎｍにおいて、８７°乃至９３°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率とを有し、
前記柱状部の断面形状が台形であり、前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下であることを特徴とする広帯域１／４波長板。
【請求項２】
前記柱状部の断面形状は台形であり、前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下であって、
さらに、前記柱状部の高さは２１８０ｎｍ以上２２２０ｎｍ以下であり、前記周期構造の周期の長さは３３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であって、さらに前記柱状部の平均線幅は２７０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の広帯域１／４波長板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造複屈折を用いた広帯域１／４波長板に関する。
特にＣＤ、ＤＶＤ、青色光（ブルーレイ）ディスクの３波長（例えば７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍ）に共通して対応する光ディスク装置に用いる、広帯域対応の１／４波長板に関する。
【背景技術】
【０００２】
１／４波長板は、光ディスク装置などの光ピックアップ機能において、レーザの投光路と受光路を効率良く分離するための光学素子であり、波長板を透過した光のＴＥ偏光とＴＭ偏光の間に９０°（＝１／４波長）の位相差を生じさせ、円偏光を直線偏光に、直線偏光を円偏光に変換するものである。
特に近年、青色光を利用する光ディスクの登場により、ＤＶＤ、ＣＤと合わせ、３波長（例えば４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）に共通して使える、広帯域対応の１／４波長板が求められている。
【０００３】
１／４波長板は通常、構造複屈折を利用して作製される。
すなわち、透明材料の表面に微細な周期構造（例えば図７のような格子構造）を作り込み、周期構造を透過するＴＥ偏光（電場ベクトルの方向が周期方向に直交）とＴＭ偏光（電場ベクトルの方向が周期方向に一致）とに屈折率差を与えることで、両偏光間に位相差を生じさせている。構造複屈折による位相差は、周期構造の寸法（周期、線幅、高さなど）によって変化させることができる。
【０００４】
このような波長板としては、柱状部と溝部とが周期的に繰り返して構成される凹凸周期構造において、柱状部を台形状に形成することで、０次光透過率を向上させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、１／４波長板の作製法としては、コスト的に有利であることから、近年、モールドと呼ばれる雛型を用いた、インプリント法の適用が提案されている。インプリント法は、塗布した高分子樹脂（ＰＭＭＡやポリカーボネイトなど）にモールドを押し当て、光や熱によって樹脂を硬化させ、その後モールドを分離して転写成形する方法である。（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２３０５９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】森川雅弘、「ナノインプリント技術の光学デバイスへの応用」、表面技術、一般社団法人  表面技術協会、２００８年、第５９巻、第１０号、ｐ．１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
とろこで、構造複屈折により、９０°程度のＴＥ−ＴＭ間位相差と高い透過率を、しかも広い波長領域（４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）にわたって実現するには、数百ｎｍの構造周期に対して、高いアスペクト比の周期構造を寸法精度良く作ることが必要である。特にインプリント法においては、モールドを樹脂から分離するときの変形や形状劣化、すなわち離型性の問題があり、微細な構造を必要とする広帯域１／４波長板の作製には困難が伴っていた。
【０００８】
柱状部を、断面形状が台形形状となるように形成することで離型性よく波長板を作製することが可能である。しかしながら、広い波長領域にわたって、高い透過率を実現するためには、高いアスペクト比の周期構造を厳しい寸法精度で適切に設定する必要がある。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、高いアスペクト比の周期構造を有しつつ、寸法精度を緩和し寸法余裕度の大きい、広帯域な１／４波長板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】
【０００９】
上述の課題を解決するために、請求項１にかかる広帯域１／４波長板は、透明性材料が、柱状部が周期的に形成される周期構造にパターニングされ、該周期構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍにおいて、７５°乃至１０５°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、且つ波長６５０ｎｍにおいて、８４°乃至９６°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、さらに波長４０５ｎｍにおいて、８７°乃至９３°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率とを有し、前記柱状部の断面形状が台形であり、前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下であることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２にかかる広帯域１／４波長板は、前記柱状部の断面形状は台形であり、前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下であって、さらに、前記柱状部の高さは２１８０ｎｍ以上２２２０ｎｍ以下であり、前記周期構造の周期の長さは３３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であって、さらに前記柱状部の平均線幅は２７０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、周期構造部分の断面形状が台形の周期構造からなり、各台形の底辺の長さが構造周期の長さに等しい。そのため、周期構造の凹んだ部分の断面形状は、三角形状となり、その結果、インプリントで作製する場合のモールドの断面形状も三角形状となるので、モールドを樹脂から分離するときの変形や形状劣化が生じにくい。これにより、微細な、高いアスペクト比構造であっても、コスト的に有利なインプリント法によって、精度よく広帯域１／４波長板を作製することができ、また、位相差と透過率の目標を達成するための広帯域１／４波長板の周期精度、線幅精度を緩和できる効果もある。
【００１２】
さらに、周期構造を透過した後のＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に、波長７８０ｎｍにおいて、７５°乃至１０５°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、且つ波長６５０ｎｍにおいて、８４°乃至９６°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の平均透過率とを有し、さらに波長４０５ｎｍにおいて、８７°乃至９３°の位相差と９０％以上のＴＥ偏光とＴＭ偏光の平均透過率とを有し、前記周期構造部分の断面形状が台形の周期構造からなり前記台形の底辺の長さが前記周期構造の周期の長さに等しく、且つ前記台形の片側のテーパー部分の幅が６０ｎｍ以下となるように、周期構造を作製するため、広帯域の１／４波長板を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の広帯域１／４波長板の実施形態の構造を示す断面模式図である。
【図２】広帯域１／４波長板の目標性能を示す説明図である。
【図３】典型的なポリカーボネイトの光学定数を示す説明図である。
【図４】本発明の広帯域１／４波長板の位相差と透過率を計算するときのパラメータを示す断面模式図である。
【図５】本発明の広帯域１／４波長板を、ポリカーボネイト膜を透明膜材料として、位相差と透過率を計算した結果の一例を示す特性図である。
【図６】本発明の広帯域１／４波長板を、ポリカーボネイト膜を透明膜材料として、位相差と透過率を計算し、設計した結果をまとめた表である。
【図７】従来構造の広帯域１／４波長板の構造を示す断面模式図である。
【図８】従来構造の広帯域１／４波長板の位相差と透過率を計算するときのパラメータを示す断面模式図である。
【図９】従来構造の広帯域１／４波長板を、ポリカーボネイト膜を透明膜材料として、位相差と透過率を計算し、設計した結果をまとめた表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態に係る広帯域１／４波長板について説明する。
図１は、本発明の実施の形態における１／４波長板１の概略構成を示す構成図である。
図１において、２は周期構造、３は透明性基板である。周期構造２は、同一形状を有する柱状部２ａが複数隣接して配置されて構成される。柱状部２ａは、断面形状が、上辺が細い台形形状を有し、台形の底辺部分で柱状部２ａどうしが接するように形成される。そして、この周期構造２が透明性基板３上に形成されて１／４波長板１を構成している。
【００１５】
この１／４波長板１は、入射光４が周期構造２と透明性基板３を透過した後のＴＥ偏光５とＴＭ偏光６との間に、波長７８０ｎｍにおいて７５°乃至１０５°の位相差があるともに、ＴＥ偏光５とＴＭ偏光６の平均の透過率が９０％以上となるように形成される。
また、波長６５０ｎｍにおいて、入射光４が周期構造２と透明性基板３を透過した後のＴＥ偏光５とＴＭ偏光６との間に、８４°乃至９６°の位相差があるともに、平均の透過率が９０％以上となっている。さらに波長４０５ｎｍにおいて、入射光４が周期構造２と透明性基板３を透過した後のＴＥ偏光５とＴＭ偏光６との間に、８７°乃至９３°の位相差があるともに、平均の透過率が９０％以上となっている。
【００１６】
また、周期構造２の、断面形状における台形形状において、各台形の底辺の長さは構造周期の長さに等しくなっている。同時に、周期構造２を決める周期Λ（底辺の線幅ｗｂに等しい）、上辺の線幅ｗａ、高さｈは、波長７８０ｎｍ、６５０ｎｍ、４０５ｎｍにおける位相差と透過率の条件を満たすように決定されている。
【００１７】
以下、本発明の１／４波長板１を設計した実施例、すなわち周期構造２の形状（寸法）の選択について、図面を用いて詳細に説明する。
周期構造２となる透明性材料はポリカーボネイト(以下、ＰＣと略記する）を例として説明する。透明性基板３としては、周期構造２と同じ材料の他に、合成ガラス、石英、アルミナなどがありうるが、波長４００ｎｍから７８０ｎｍにわたって、光の吸収度をあらわす指標である消衰係数が実用上０（ゼロ）であるものであればよい。ここでは周期構造２と同じＰＣを透明性基板３とする設計例について説明する。
【００１８】
図２に、広帯域１／４波長板の一般的な目標性能を示す。図２のように、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍの広い波長域において、高い透過率と９０°前後の位相差が要求される。
ＴＥ偏光５とＴＭ偏光６間の位相差は、入射光４が透明性基板３上に形成された周期構造２を透過することによって、ＴＥ成分に対する屈折率とＴＭ成分に対する屈折率に差ができることによって生じる。ここで、ＴＥ成分に対する屈折率をｎＴＥ、ＴＭ成分に対する屈折率をｎＴＭとすると、屈折率差Δｎは、
Δｎ＝｜ｎＴＥ−ｎＴＭ｜          ……（１）
であり、周期構造２の高さをｈ、対象となる波長をλとすると、位相差ＰＳは、
ＰＳ（°）≒３６０°・Δｎ・ｈ／λ          ……（２）
で表わされる。
【００１９】
屈折率差Δｎは、周期構造２となる、もともとの透明性材料の光学定数（屈折率ｎ、消衰係数ｋ）、周期構造２の周期Λ、線幅ｗ、及び入射光４の波長λに依存して決まる。
したがって、広帯域１／４波長板１においては、それぞれ必要とする波長（例えば４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）において同時にＰＳ＝９０°前後となるように、周期構造２の周期Λ、線幅ｗ、及び高さｈを選定する必要がある。
【００２０】
ここで、周期構造２となる透明性材料の光学定数について考えると、周期構造２を透過後の屈折率差Δｎは、もともとの透明性材料の屈折率が大きいほど屈折率差Δｎも大きくなる。屈折率差Δｎが大きくなると、前記（２）式より、９０°の位相差を得るための周期構造の高さｈが小さくてすむようになる。
つまり、周期構造２のアスペクト比を小さく抑えるには、なるべく屈折率の大きい透明性材料を使うことが望ましい。しかしあまりに屈折率が大きいと、空間の屈折率（＝１）との差が大きくなって、反射率が大きくなり、透過率が低下するようになるので、適度に屈折率の大きい透明性材料を使うことが望ましい。
【００２１】
次に、透明性材料の消衰係数について考えると、周期構造２のアスペクト比を抑えても、少なくとも数百ｎｍ以上の高さｈが必要であるので、透過率＞９０％を満たすには、透明性材料の消衰係数は、必要な波長領域において、実用上０（ゼロ）である必要がある。
ＰＣ膜は、透明性高分子樹脂の中で比較的に屈折率が大きく、インプリント用樹脂としても使えることから、本発明に用いる透明性材料として適している。
【００２２】
図３に代表的なＰＣ膜の、波長λが４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍの場合の光学定数を示す。
図３の特性を有するＰＣ膜を透明性材料として、本発明の、断面の台形形状の底辺の長さが構造周期の長さに等しい周期構造２の、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍにおける位相差、透過率を計算し、広帯域１／４波長板１の設計を行った。
【００２３】
計算は、図４に示すように、周期Λ、断面の中間の高さにあたる平均線幅ｗ、柱状部２ａの高さｈをパラメータとした。なお、図４から分かるように、平均線幅ｗと台形形状の上辺の幅（図１ではｗａ）との片側あたりの差、および平均線幅ｗと台形形状の底辺の幅（図１ではｗｂ）との片側あたりの差をそれぞれａとすると、台形形状の片側あたりのテーパー幅は２ａであり、
Λ＝ｗ＋２ａ
という関係が成り立つ。また、透明性材料の屈折率ｎは図３の値、広帯域１／４波長板１の周囲の屈折率ｎ0は１．０として計算した。
【００２４】
良好な計算結果が得られた例を図５に示す。
図５は、構造の周期Λ＝３３０ｎｍ、平均線幅ｗ＝２７０ｎｍ、したがって、片側あたりのテーパー幅６０ｎｍの場合の広帯域１／４波長板１において、高さｈを横軸として、３つの波長での位相差を計算したものである。図５（ａ）は波長４０５ｎｍ、図５（ｂ）は６５０ｎｍ、図５（ｃ）は７８０ｎｍの場合を表す。
【００２５】
図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、上部および右端部に記載された帯状部分は、図２の一般的な目標性能における位相差の許容範囲とそれに伴う高さｈの許容範囲を表わしている。
さらに、上記の構造のときの高さｈに対する、波長４０５ｎｍにおける透過率を計算すると図５（ｄ）に示すように９０％以上となる。
【００２６】
なお、波長４０５ｎｍで透過率が９０％以上であると、波長６５０ｎｍ、および７８０ｎｍにおいては、波長が長くなることと、屈折率が小さくなることとによる効果で、波長４０５ｎｍで可能な範囲を含む、広い高さ範囲で透過率が９０％となるので、図を省略している。
このように図５の結果より、このときの本発明の構造においては、ほぼ高さｈが２１８０ｎｍから２２２０ｎｍの範囲で、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍに対する位相差と、透過率の目標を達成することができ、本発明の実施の形態に関わる１／４波長板１を作製できることが分かる。
【００２７】
図５と同様に、ＰＣ膜を透明性材料として用い、周期Λ、断面の中間の高さにあたる平均線幅ｗ、柱状部２ａの高さｈをパラメータとして、本発明の構造の、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍにおける位相差、透過率を計算した結果をまとめた表を図６に示す。
なお、図６中の「○」、「×」の判定は、位相差においては、それぞれ波長４０５ｎｍと６５０ｎｍ、または４０５ｎｍと７８０ｎｍにおいて、図２の位相差の目標範囲を満たす高さｈが重なる部分が存在すれば「○」としている。また、透過率は目標の９０％以上を「○」としている。さらに、図６中の「最適高さ」とは、「位相差仕様を満たす高さ（ｈ）範囲」の中央値を表す。
【００２８】
（比較例）
比較例として、図７に示す、柱状部が、垂直な断面を持つ周期構造についても、本発明の場合と同様の計算を行った。すなわち、ＰＣ膜を透明性材料として、図８のように、周期Λ、線幅ｗ、周期部の高さｈをパラメータとして、波長４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍにおける位相差、透過率を計算した。その結果をまとめた表を図９に示す。
【００２９】
本発明の図６の結果と、従来構造の図９の結果とを比較すると、以下のことが分かる。
すなわち、従来の垂直な断面を持つ周期構造においては、スペース幅（Λ−ｗ）が７７ｎｍ程度以下であれば、広帯域１／４波長板の目標性能を満たすことができる。しかしながら、同じ周期（線幅）であっても、線幅（周期）が５ｎｍ違えば、位相差若しくは透過率の目標仕様を満たさなくなる。したがって、従来構造の周期または線幅の必要精度は厳しく、５ｎｍ程度である。
【００３０】
これに対し、本発明の底辺が周期長に等しい台形の周期構造２においては、ほぼテーパー幅（２ａ）６０ｎｍ以下が必要なものの、周期で３３０ｎｍから４００ｎｍ、平均線幅では２７０ｎｍから３５０ｎｍの広い範囲で広帯域１／４波長板の目標をクリアすることができる。
これは微細な加工における最大の課題である寸法精度を緩和できること、すなわち寸法余裕度を大きくできることを意味している。これはひとつには、断面が台形形状になることで加工部分の垂直方向の屈折率変化がより緩やかになり、反射率が低下する効果が生まれることによる。また、アスペクト比については、従来構造も本発明の構造も大きな差はなく、本発明の方法が、アスペクト比において特に不利になるということはない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、光ディスク装置などの光ピックアップ機能において、レーザの投光路と受光路を効率良く分離し、光利用効率を高める広帯域１／４位相板としての利用が期待される。特に近年、青色光を利用する次世代光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤと合わせ、３波長（４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍ）に共通して使える、広帯域対応の１／４波長板としての利用が期待される。
【符号の説明】
【００３２】
１  広帯域１／４波長板
２  周期構造
２ａ  柱状部
３  透明基板
４  入射光
５  ＴＥ偏光
６  ＴＭ偏光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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