(57)【要約】      （修正有）【課題】薄型化が可能で、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域のパターンを透明材料内部に形成した光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法を提供すること。【解決手段】透明材料１７０の内部に、屈折率変化領域１５０を有する光学部品１００であって、屈折率変化領域１５０は、当該屈折率変化領域１５０より体積が小さく且つ透明材料１７０の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１５０が透明材料１７０の内部に複数配置された領域である光学部品１００。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料の内部に、屈折率変化領域を有する光学部品であって、
前記屈折率変化領域は、当該屈折率変化領域より体積が小さく且つ前記透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相が前記透明材料の内部に複数配置された領域であることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記透明材料と前記屈折率変化領域との屈折率差は、前記異質相の体積、形状、数密度、もしくは前記異質相の屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布により形成されることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
【請求項３】
前記屈折率変化領域が、前記屈折率変化領域に対する前記異質相の体積比が３０％以上である領域を含む請求項１または２記載の光学部品。
【請求項４】
前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の最小幅は、３ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の光学部品。
【請求項５】
前記屈折率変化領域が、透明材料内部に連続して形成され、当該領域の屈折率が透過波面の面内で周期的に変化していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の光学部品。
【請求項６】
前記屈折率変化領域が、透明材料内部に連続して形成され、光の入射方向における当該領域の厚みが、透過波面の面内で周期的に変化していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の光学部品。
【請求項７】
前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、それらの複数形成された領域が２次元または３次元的に周期的に配列されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の光学部品。
【請求項８】
前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、当該複数の屈折率変化領域が互いに異なる２種以上の屈折率を有することを特徴とする請求項７記載の光学部品。
【請求項９】
前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、当該屈折率変化領域の同一領域における前記透明材料との屈折率差が領域内部で変化していることを特徴とする請求項７または８に記載の光学部品。
【請求項１０】
前記屈折率変化領域によって、透過波面の面内位相差分布を周期的に変化させることを特徴とする請求項４乃至８の何れか一に記載の光学部品。
【請求項１１】
前記屈折率変化領域によって形成される回折格子を有する請求項１乃至１０の何れか一に記載の光学部品。
【請求項１２】
請求項１乃至１０の何れか一に記載の光学部品を含む光学的ローパスフィルタ。
【請求項１３】
透明材料内部に屈折率変化領域を有する光学部品の製法であって、パルスレーザーを照射し、
前記屈折率変化領域より体積が小さく且つ前記透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の異質相を形成して、当該異質相の集合により前記透明材料に屈折率変化領域を形成することを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項１４】
前記透明材料に対する前記異質相が占める体積の割合、形状、数密度、もしくは前記異質相の透明材料に対する屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布によって前記透明材料と前記屈折率変化領域との屈折率差を制御することを特徴とする請求項１３記載の光学部品の製造方法。
【請求項１５】
前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の体積比を３０％以上にすることを特徴とする請求項１３または１４記載の光学部品の製造方法。
【請求項１６】
前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の最小幅を３ｎｍ以上にすることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一に記載の光学部品の製造方法。
【請求項１７】
前記パルスレーザーの照射を重複して行う、前記パルスレーザーの照射出力を調整する、および／または前記パルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、前記異質相の体積、形状、もしくは前記異質相の透明材料に対する屈折率変化量のいずれかを変化させることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか一に記載の光学部品の製造方法。
【請求項１８】
照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有することを特徴とする請求項１３乃至１７の何れか一に記載の光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品およびその製造方法に関する。特に、透明材料の内部に、屈折率変化領域を有する光学部品、回折格子、および光学的ローパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
超短パルスレーザー光を利用した透明材料の加工技術が向上し、特にパルス幅がフェムト秒レベルのレーザー光を利用した透明材料内部の３次元的な加工について様々な報告がなされ、例えば、特許文献１ではレーザー光照射によりガラス内部に高屈折率領域を形成し、光導波路を立体的に構成する方法が開示されている。また特許文献２にはレーザー光照射によりガラス内部に屈折率変化を３次元的に分布させ、回折光学素子を作製する方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献３には、パルスビームをレンズで集光し、焦点を走査するフェムト秒レーザー光を用いた加工が開示され、特許文献４にはレーザビームの照射に走査機構を用いずに、ガラスなどの透明材料内部に２次元、或いは３次元形状をした屈折率変化部位を一括で形成する方法が開示されている。これらの技術を利用して、光導波路、回折格子、ＧＲＩＮレンズ、マイクロレンズアレイを形成する可能であり、本発明者らは、これらの超短パルスレーザー光の加工技術を利用した光学ローパスフィルタを報告した（特許文献５）。
【０００４】
光学ローパスフィルタは、規則正しく画素が配列された固体撮像素子を備えたデジタルカメラ等において、画像サンプリングで起こるモアレを防ぐために入射光のカットオフ周波数より高い空間周波数をカットする（細かな画像をぼかす）ために、撮像光学系に設置される光学素子である。
【０００５】
上記光学的ローパスフィルタとして、水晶の複屈折を利用してカットオフ周波数より高周波をカットするものが広く知られている。従来の水晶の複屈折を利用した光学ローパスフィルタは、水晶の原料コストが高く、特に固体撮像素子を用いるカラービデオカメラでは複数枚の水晶が必要となり厚みが増すため、光学系の小型化を制限するという問題がある。また、撮像素子の高画素化に伴う水晶の薄型化により、ハンドリング性が悪化し、光学軸合わせや貼り合わせ等、製造上の難易度が高くなってきている。
【０００６】
また、ガラスや樹脂などの透明基材表面に位相型回折格子を形成した光学ローパスフィルタも知られているが（特許文献６）、表面加工が煩雑であるため、表面の２次元加工に限定され、３次元加工や位相レベルを内部加工によって多値化することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３１１２３７号公報
【特許文献２】特開２０００−５６１１２号公報
【特許文献３】特表２００３−５０６７３１号公報
【特許文献４】特開２００４−１９６５８５号公報
【特許文献５】特開２００６−１８４８９０号公報
【特許文献６】特開平６−２４２４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らが報告した特許文献５の光学ローパスフィルタは、パルスレーザー光により透明材料内部に２次元的または３次元的に形成された屈折率変化領域を利用した光学ローパスフィルタである。この透明材料内部に屈折率変化領域を有する光学ローパスフィルタは、屈折率の異なる領域を形成し、位相的・光学的な段差を形成するもので、従来の光学ローパスフィルタの問題点を改善するものである。
【０００９】
本発明は上述の透明材料内部に屈折率変化領域を有する光学ローパスフィルタをさらに発展させたもので、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域のパターンを透明材料内部に形成した光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態によると、透明材料の内部に、屈折率変化領域を有する光学部品であって、前記屈折率変化領域は、当該屈折率変化領域より体積が小さく且つ前記透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相が前記透明材料の内部に複数配置された領域であることを特徴とする光学部品が提供される。
【００１１】
前記光学部品において、前記透明材料と前記屈折率変化領域との屈折率差は、前記異質相の体積、形状、数密度、もしくは前記異質相の屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布により形成されてもよい。
【００１２】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、前記屈折率変化領域に対する前記異質相の体積比が３０％以上である領域を含んでもよい。
【００１３】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の最小幅は、３ｎｍ以上であってもよい。
【００１４】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、透明材料内部に連続して形成され、当該領域の屈折率が透過波面の面内で周期的に変化してもよい。
【００１５】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、透明材料内部に連続して形成され、光の入射方向における当該領域の厚みが、透過波面の面内で周期的に変化してもよい。
【００１６】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、それらの複数形成された領域が２次元または３次元的に周期的に配列されてもよい。
【００１７】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、当該複数の屈折率変化領域が互いに異なる２種以上の屈折率を有してもよい。
【００１８】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域が、透明材料内部に不連続に複数形成され、当該屈折率変化領域の同一領域における前記透明材料との屈折率差が領域内部で変化してもよい。
【００１９】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域によって、透過波面の面内位相差分布を周期的に変化させてもよい。
【００２０】
前記光学部品において、前記屈折率変化領域によって形成される回折格子を有してもよい。
【００２１】
また、本発明の一実施形態によると、前記何れか一に記載の光学部品を含む光学的ローパスフィルタが提供される。
【００２２】
また、本発明の一実施形態によると、透明材料内部に屈折率変化領域を有する光学部品の製法であって、パルスレーザーを照射し、前記屈折率変化領域より体積が小さく且つ前記透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の異質相を形成して、当該異質相の集合により前記透明材料に屈折率変化領域を形成することを特徴とする光学部品の製造方法が提供される。
【００２３】
前記光学部品の製造方法において、前記透明材料に対する前記異質相が占める体積の割合、形状、数密度、もしくは前記異質相の透明材料に対する屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布によって前記透明材料と前記屈折率変化領域との屈折率差を制御してもよい。
【００２４】
前記光学部品の製造方法において、前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の体積比を３０％以上にしてもよい。
【００２５】
前記光学部品の製造方法において、前記屈折率変化領域に含まれる前記異質相の最小幅を３ｎｍ以上にしてもよい。
【００２６】
前記光学部品の製造方法において、前記パルスレーザーの照射を重複して行う、前記パルスレーザーの照射出力を調整する、および／または前記パルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、前記異質相の体積、形状、もしくは前記異質相の透明材料に対する屈折率変化量のいずれかを変化させてもよい。
【００２７】
前記光学部品の製造方法において、照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有してもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域のパターンを透明材料内部に形成した光学部品、光学的ローパスフィルタおよび光学部品の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学部品１００の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の一部領域Ｘの模式図である。
【図１Ｂ】従来の光学部品９００の断面の一部領域の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光学部品の断面の一部領域を示す模式図であり、（ａ）は光学部品２００を、（ｂ）は光学部品３００を示す。
【図３】本発明の一実施形態に係る光学部品の断面の一部領域を示す模式図であり、（ａ）は光学部品４００を、（ｂ）は光学部品５００を示す。
【図４】本発明の一実施形態に係る光学部品を示す模式図であり、（ａ）は光学部品６００の一部領域の上面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’における光学部品６００の断面の一部領域を示し、（ｃ）は光学部品７００の断面の一部領域を示す。
【図５】本発明の一実施形態に係る光学部品の模式図であり、（ａ）は光学部品１０００を、（ｂ）は光学部品１０００の断面を示す。
【図６】本発明の一実施形態に係る光学部品の模式図であり、（ａ）は光学部品２０００を、（ｂ）は光学部品３０００を、（ｃ）は光学部品４０００を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係る光学部品の模式図であり、（ａ）は光学部品５０００を、（ｂ）は光学部品６０００を示す。
【図８】本発明の一実施形態に係る多値化回折格子の模式図であり、（ａ）は多値化回折格子１００００を、（ｂ）は多値化回折格子２００００を示す。
【図９】本発明の一実施形態に係る多値化回折格子３００００の模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る多光学的ローパスフィルタ１０の作用を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に本発明の光学部品、光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の光学部品、光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
上述した従来のような透明材料の内部に屈折率の異なる領域（以下、屈折率変化領域という）全体を一様に加工して、屈折率を変化させた光学的な段差を形成する工程は、その体積に比例してパルスレーザー加工時のエネルギー消費量、製造時間やコストが大きくなる。本発明者らは、鋭意検討した結果、少ない加工エネルギーで内部を一様に加工したのと同じ効果を得られることを見出し、本願発明に至った。この技術は、透明材料内部を加工する光学部品全般に用いることができる。本発明は、屈折率変化領域全体が一様に加工されるのではなく、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相が、透明材料の内部に複数配置された光学部品を提供する。本発明は、透明材料の内部に異質相を複数配置することにより、屈折率変化領域全体を一様に加工するのに比して加工領域が少なく、パルスレーザー加工時のエネルギー消費量、製造時間やコストを抑制するものである。
【００３２】
本発明において、内部加工とは透明材料の表面から離れた位置に異質相が形成されてなり、材料表面でレーザーエネルギーが吸収される波長を利用したレーザー照射による表面改質とは異なるものである。
【００３３】
図１Ａ（ａ）は本実施形態に係る光学部品１００の斜視図であり、図１Ａ（ｂ）は図１Ａ（ａ）の断面の一部領域Ｘを示す。また、図１Ｂは、従来の光学部品９００の断面の一部領域の模式図である。本実施形態に係る光学部品１００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０が複数配置され、屈折率変化領域１５０を形成する。一方、従来の光学部品９００において、屈折率変化領域９５０は、透明材料１７０に対して一様に屈折率が異なる。光学部品１００において、異質相１１０は透明材料１７０の内部に２次元または３次元的に配置される。
【００３４】
（透明材料）
本実施形態に係る光学部品１００において、透明材料１７０には、光学部品に用いる公知の材料を用いることができ、特に、パルスレーザー照射により透明材料１７０の内部に異質相１１０を形成可能な材料を用いる。このような材料としては、例えば、ＳｉＯ２系ガラス、Ｂ２Ｏ３系、Ｐ２Ｏ５系ガラス等が挙げられる。また、パルスレーザー照射により異質相１１０を形成可能であれば、透明材料１７０には樹脂等の有機材料を用いることもできる。このような有機材料としては、アクリル樹脂、ＰＥＴ樹脂、塩化ビニル樹脂等が挙げられる。
【００３５】
本実施形態に係る透明材料１７０には、表面を研磨したガラスや、表面が平坦に加工処理された有機材料を用いる。本実施形態においては、透明材料１７０の内部にパルスレーザーを照射するため、表面でレーザー光が乱反射するのを防ぐ必要があり、透明材料１７０の表面は可能な限り平坦であることが好ましい。近年の、撮像素子の高画素化に伴い、画素ピッチが狭くなっており、回折光の入射位置のズレを低減する観点から、具体的には、平坦度は１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。また、表面粗さは、点平均粗さＲｚで１５０Å以下であることが好ましい。
【００３６】
（異質相）
本明細書において、「異質」とは、パルスレーザー照射により透明材料の一部がパルスレーザー照射前とは異なる材料の構造上の変化、元素の結合状態の変化、空孔生成、組成分布等を生じた状態を意味し、「異質相」とは、透明材料の一部を異質化することにより生じた、透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する部位を意味する。異質相の屈折率変化は、密度変化、組成変化、空洞形成、結晶化、イオンの価数変動などにより起こる。またそれらは、散乱の原因となるクラックの発生を伴わない。本実施形態に係る光学部品１００において、異質相１１０は３ｎｍ以上の最小幅を有することが好ましい。異質相の幅が、光学部品の利用波長の１／１００よりも小さい場合は、透明材料の内部に存在しても透過光に影響を与えられず、屈折率変化や位相差を実現するのが困難になるからである。
【００３７】
なお、本明細書において、「可視光」は３６０ｎｍ〜８３０ｎｍの範囲の波長を有する電磁波を意味する。また、「屈折率」は可視光、赤外光等の、本発明に係る光学ガラス部材又は光学部品等の利用光線に対する屈折率を意味する。
【００３８】
異質相の最小幅は、用途によって好適なサイズが異なるが、使用する波長より小さい場合、偏光特性に悪い影響が出ることがある。本発明の光学部品を、例えば位相型光学的ローパスフィルタに用いる場合、可視光領域の偏光への影響を抑えるためには、可視光領域の長波長サイズより大きい、例えば８３０ｎｍより大きいことが好ましい。一方、異質相の幅の上限は後述の屈折率変化領域より小さいものであり、屈折率変化領域の幅によって適宜変更され得る。
【００３９】
異質相の屈折率の変化量（Δｎ）は、材料によって負もしくは正の値になる。例えば、透明材料の内部に空孔が生成される場合、当該空孔は周りより屈折率が低下した部分になる。また、多成分ガラスの場合、照射部位に形成される異質相の屈折率は、ガラスの組成によって、周りのガラスより高くなることもあれば、低くなることもある。本発明の光学部品において、所望の特性を得るための異質相の屈折率の変化量の絶対値は（｜Δｎ｜）は０．０００１以上、好ましくは０．００１以上、最も好ましくは０．００５以上である。
【００４０】
異質相１１０は線状、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造を用いることができ、これらの形状の複数を組合せて用いることもできる。異質相１１０の最小幅は、線状の構造である場合には線の断面の径で定義され、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造である場合には、その異質相の最大長が同じ球体の球相当径で定義される。
【００４１】
（屈折率変化領域）
本発明の屈折率変化領域１５０は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０を複数配置した領域である。透明材料１７０と屈折率変化領域１５０との屈折率差は、屈折率変化領域１５０に配置された異質相１１０の体積、形状、数密度、もしくは異質相１１０の屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布により形成することができる。
【００４２】
一般的に、位相(Φ；rad.)は、Φ＝（ΔL×2π）／λで表される。ここで、屈折率変化領域の光路長差はΔＬ＝Δｎ×Ｄであり、Δｎは異質相の屈折率差、Ｄは屈折率変化領域の厚みである。従って、位相差はΔｎあるいは屈折率変化領域の厚みを変えることで変化する。透過波面方向においては、位相の変化量は、透過してきた光路のΔｎの変化と厚みの積算である。
【００４３】
一方、屈折率変化領域を透過する面内での位相分布は、使用する光の波長サイズと位相分布のサイズによって、回折格子の回折光の振る舞いが変化する。即ち、例えば、屈折率変化領域の屈折率差を例に取ると、屈折率変化領域を構成する透明材料中の異質相が、そのサイズや個数において、使用する光の波長に対して十分緻密な場合には、屈折率変化領域は各異質相と異質相間の部位（透明材料）の体積比に基づいた平均的な屈折率差を有する領域として機能する。
【００４４】
そのような平均的な屈折率差は、屈折率変化領域を構成する異質相の体積の割合、形状、数密度、もしくはレーザー照射前の透明材料に対する屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせによって変えられる。異質相の数密度は、一般的には単位体積あたりの異質相の個数という意味であり、仮に、同様の形状、体積、屈折率差の異質相が、一定の体積内に複数個存在するとき、数密度を変化させることで屈折率変化領域を透過する光の位相波面を変化させる。
【００４５】
一方、異質相の体積比は、本願では、屈折率変化が認められる一定領域の体積における異質相の体積の割合を意味し、同じ体積比であっても異質相の形状、体積、屈折率差が異なり得る。また、屈折率変化が認められる一定領域とは領域全体として観察される透明材料に対する屈折率変化量｜Δｎ｜が０．００００５以上である領域ということができ、好ましくは０．００００８以上、より好ましくは０．０００１以上である。
【００４６】
屈折率変化領域１５０は、屈折率変化領域に対する異質相１１０の体積比が３０％以上の領域を含むことが好ましい。このような体積比を有することにより、本実施形態に係る光学部品１００は、要求される光の屈折率の変化をもたらすことができる。また、屈折率変化領域に対する異質相１１０の体積比は、加工領域を少なくし加工エネルギーを減らせるため、９５％以下であることが好ましく、８５％以下であることが好ましく、７５％以下であることが最も好ましい。  
【００４７】
本実施形態に係る光学部品１００は、異質相１１０を屈折率変化領域１５０に複数配置することにより、屈折率変化領域１５０全体として、従来の光学部品９００の屈折率変化領域９５０のように屈折率を変化させるものである。本実施形態に係る光学部品１００は、従来のように屈折率変化領域９５０全体を異質化するものではないため、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域１５０のパターンを透明材料１７０内部に形成することができる。
【００４８】
（屈折率変化領域の形成方法）
本実施形態に係る屈折率変化領域１５０は、透明材料１７０の一部にパルスレーザーを照射することにより形成することができる。したがって、本実施形態に係る屈折率変化領域１５０は、配置される異質相１１０の体積、形状、数密度、もしくは異質相１１０の屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせの分布により、透明材料１７０と屈折率変化領域１５０との屈折率差を制御することができる。
【００４９】
また、屈折率変化領域１５０においては、パルスレーザーの照射を同じ個所に重複して行う、パルスレーザーの照射出力を調整する、および／またはパルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、異質相１１０の透明材料１７０に対する屈折率変化量を変化させて、屈折率変化領域全体として、透明材料１７０との屈折率差を制御することができる。
【００５０】
上述したように、本実施形態において、屈折率変化領域１５０に含まれる異質相１１０の体積比を３０％以上にすることが好ましい。また、異質相１１０の最小幅を３ｎｍ以上とする。
【００５１】
（パルスレーザー）
本実施形態において、パルスレーザーは、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のレーザーを好適に用いることができる。透明材料１７０がガラスである場合には、中心波長約８００ｎｍ、［パルス幅１００〜４００ｆｓ（１０−１５ｓ）］、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ、０．１〜４．０μＪ程度のパルスエネルギーのフェムト秒パルスレーザーが好ましい。このようなパルスレーザー光を、例えば、倍率２０倍（開口率０．４５）の対物レンズ等を介して、１０〜５０００μｍのスキャン深さ、０．００５〜１００ｍｍ／秒程度のスキャン速度の条件で透明材料１７０の内部に集光照射することにより、透明材料１７０と分子構造や組成分布が異なることにより屈折率差の異なる異質相１１０を生成できる。
【００５２】
レーザー照射条件は所望する異質相の形状、屈折率変化量などによって変えることができる。例えば、１本のレーザビームをレンズで集光し、焦点位置で形成されるスポット状の異質相をステージの走査などを併用して加工する場合、パルスエネルギーは１０ｎＪ以上、好ましくは１μＪ以上のイオン移動が起こせるパルスエネルギーを確保できれば特に上限はないが、繰り返し周波数は、上限が１００ＭＨｚ以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みや望ましくないクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。繰り返し周波数の下限は、パルス間の加工の影響や加工時間を考慮して１０Ｈｚ以上が好ましく、１ｋＨｚ以上が最も好ましい。
【００５３】
一方、パルス幅はレーザー照射により圧力波（衝撃波）が発生できる程度に短い必要があり、１ｐｓ以下が好ましく、５００ｆｓ以下がより好ましく、３００ｆｓ以下が最も好ましい。しかしパルス幅が短すぎると、レンズや各種光学部品の分散材料を透過あるいは反射する過程で、パルス幅が容易に広がるため取り扱いが難しくなるという問題が生じるので、１０ｆｓ以上が好ましく、５０ｆｓ以上がより好ましく、１００ｆｓ以上が最も好ましい。
【００５４】
照射するレーザーの波長は、透明材料１７０に吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射するガラスの透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約２００ｎｍ〜２１００ｎｍ、より好ましくは、４００〜１１００ｎｍ、最も好ましくは、５００〜９００ｎｍである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。
【００５５】
このようなパルスレーザーは、レーザー光を集光照射することにより、透明材料の内部に局所的に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を形成することができる。また、本実施形態におけるパルス幅は短いため、透明材料に対する熱的な影響が少ない。このため、加工時の熱の蓄積による熱歪みやクラックの発生も抑制でき、滑らかな形状の異質相を形成することもできる。
【００５６】
また、本実施形態に係るパルスレーザー照射において、照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有することが好ましい。パルスレーザー光を複数に分割する工程とは、例えば、パルスレーザー照射装置と、透明材料１７０との間に所定形状の異質相１１０を形成するためのホログラムを配置して、透明材料１７０にパルスレーザー光を照射する工程である。従来は異質相１１０を形成する場合は、異質相１１０の１つ１つを加工する必要があり、加工時間が長く、異質相１１０の１つ１つの精度にばらつきが生じた。一方、ホログラムを利用してパルスレーザー光を複数に分割する本実施形態においては、異質相１１０のパターンを一括形成することが可能であるため、加工時間を短くし、且つ、高精度の異質相１１０のパターンを形成することができる。
【００５７】
また、ホログラムを利用する加工では、異質相の形状、異質相間の間隔、場所毎の屈折率の変化量などの所望の状態になるような回折パターンが得られるようにホログラムを設計し、そのホログラムを介してレーザー照射することで実現される。そのとき、投入するパワーの調整のみで一定サイズの屈折率変化領域をステージの走査を使わずに一括で形成できる。また、前記のように設計されたホログラムを利用してステージ走査を併用する場合、異質相の間隔はあらかじめ設定されているので、異質相の間隔はステージの解像度やその送り精度に依らない、精度の高い加工を実現することができる。また、走査回数は大幅に減らすことが可能になり効率の良い加工が実現できる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態に係る本発明の光学部品は、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域のパターンを透明材料内部に形成することができる。
【００５９】
（異質相の変形例）
以下に、上述の実施形態で説明した異質相の変形例について説明する。図２および図３は、本発明の他の実施形態に係る光学部品の断面の一部領域の模式図である。図２（ａ）は光学部品２００を、図２（ｂ）は光学部品３００を、図３（ａ）は光学部品４００を、図３（ｂ）は光学部品５００を示す模式図である。
【００６０】
光学部品２００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０が複数配置された第１の屈折率変化領域２５１と、異質相１１０と同じ屈折率が同じで、体積が異なる異質相２１０が複数配置された第２の屈折率変化領域２５３とを含む。このような２つの屈折率変化領域を備える光学部品２００は、第１の屈折率変化領域２５１と第２の屈折率変化領域２５３とにおいて、それぞれの領域全体として、異なる屈折率を備えることができる。
【００６１】
光学部品３００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０が複数配置された第１の屈折率変化領域３５１と、異質相１１０と屈折率が同じで、形状が異なる異質相３１０が複数配置された第２の屈折率変化領域３５３とを含む。本変形例においては、異質相１１０を球形の構造、異質相３１０を立方体として示したが、異質相１１０及び異質相３１０に限定されるものではない。このような２つの屈折率変化領域を備える光学部品３００は、第１の屈折率変化領域３５１と第２の屈折率変化領域３５３とにおいて、それぞれの領域全体として、異なる屈折率を備えることができる。
【００６２】
光学部品４００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０が複数配置された第１の屈折率変化領域４５１と、第１の屈折率変化領域４５１とは異質相１１０の数密度が異なる第２の屈折率変化領域４５３とを含む。このような２つの屈折率変化領域を備える光学部品４００は、第１の屈折率変化領域４５１と第２の屈折率変化領域４５３とにおいて、それぞれの領域全体として、異なる屈折率を備えることができる。
【００６３】
光学部品５００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相１１０が複数配置された第１の屈折率変化領域５５１と、異質相１１０とは屈折率が異なる異質相５１０が複数配置された第２の屈折率変化領域５５３とを含む。このような２つの屈折率変化領域を備える光学部品５００は、第１の屈折率変化領域５５１と第２の屈折率変化領域５５３とにおいて、それぞれの領域全体として、異なる屈折率を備えることができる。
【００６４】
異質相のさらなる変形例を図４に示す。図４（ａ）は光学部品６００の一部領域の上面図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡＡ’における光学部品６００の断面の一部領域を示す。光学部品６００は、透明材料１７０の内部に透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する線状の異質相６１０が平行に複数配置された第１の屈折率変化領域６５１と、異質相６１０と、異質相６１０と配向方向が異なる異質相６３０とがそれぞれ平行に複数配置された第２の屈折率変化領域６５３とを含む。図４（ａ）においては、異質相６３０は異質相６１０と直交する方法に配置しているが、必ずしも直行させる必要はない。
【００６５】
図４（ｃ）は光学部品６００の変形例である光学部品７００の断面の一部領域を示し、図４（ａ）のＡＡ’における光学部品７００の断面図を示す。図４（ｂ）に示したように、光学部品６００においては、第２の屈折率変化領域６５３は、異質相６１０と異質相６３０とを、透明材料１７０の同じ深度に配置している。一方、図４（ｃ）に示したように、光学部品７００においては、第２の屈折率変化領域７５３は、異質相７１０と異質相６３０とを、透明材料１７０の異なる深度に配置している。
【００６６】
本実施形態に係る光学部品６００及び光学部品７００は、パルスレーザー光を用いて形成した第１の異質相を平行に複数配置し、さらに、第１の異質相とは異なる配向方向にパルスレーザー光を走査して形成した第２の異質相を平行に複数配置して第２の屈折率変化領域を形成することにより、第１の異質相のみから構成される第１の屈折率変化領域とは、領域全体として異なる屈折率を備える領域を備えることができる。
【００６７】
なお、上述したように、本実施形態に係る異質相は、パルスレーザーの照射を重複して行う、パルスレーザーの照射出力を調整する、および／またはパルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、異質相１１０に対して組成分布を異ならせて屈折率差を調整することができる。また、ホログラムを用いてあらかじめレーザビームの強度プロファイルを調整することで、一定領域の屈折率差の分布を調整することもできる。また、便宜的に異質相を断面が円形の線状の構造として示したが、上述した異質相は、断面が楕円形、多角形又は不定形状の構造であってもよい。
【００６８】
（屈折率変化領域の変形例）
上述した異質相を用いた屈折率変化領域の変形例について以下に説明する。図５および図６は、本発明の他の実施形態に係る光学部品の模式図である。図５（ａ）は光学部品１０００の上面図（光の入射面）を、図５（ｂ）は光学部品１０００の断面図を示す模式図である。図６（ａ）は光学部品２０００を、図６（ｂ）は光学部品３０００を、図６（ｃ）は光学部品４０００を示す模式図である。また、図７（ａ）は光学部品５０００を、図７（ｂ）は光学部品６０００を示す模式図である。
【００６９】
光学部品１０００は、透明材料１７０の内部に連続して形成され、屈折率が透過波面の面内で周期的に変化する屈折率変化領域１０５１を備える。このような屈折率変化領域１１５１は、線状の異質相１１０の間隔を徐々に狭め、また徐々に広げて配置した屈折率変化領域を順次配置することにより形成することができる。したがって、所望の周期的な屈折率の変化を得られるように、屈折率変化領域１１５１を構成する異質相１１０の間隔を調整する。
【００７０】
光学部品２０００は、透明材料１７０の内部に連続して形成され、光の入射方向における厚みが、透過波面の面内で周期的に変化する屈折率変化領域２０５０を備える。屈折率変化領域２０５０は、パルスレーザー照射により形成する異質相を配置する領域を調整することにより形成することができる。したがって、光の入射方向に直交する方向に対しても、パルスレーザー照射により形成する異質相を配置する領域を調整することにより、屈折率変化領域の幅を調整することができる。
【００７１】
光学部品３０００は、透明材料１７０の内部に不連続に複数形成され、それらの複数形成された領域が２次元または３次元的に周期的に配列する屈折率変化領域３０５１を備える。本実施形態において、屈折率変化領域３０５１は、透明材料１７０の内部に２次元または３次元的に配置することは、パルスレーザー照射の照射位置や深度を調整することにより任意に設定可能である。
【００７２】
光学部品４０００は、透明材料１７０の内部に不連続に複数形成され、互いに異なる２種以上の屈折率を有する屈折率変化領域４０５１及び屈折率変化領域４０５３を備える。このような屈折率変化領域４０５１及び屈折率変化領域４０５３は、上述した２つ以上の異なる屈折率を備える屈折率変化領域を所定の間隔で順次配置することにより形成することができる。したがって、所望の屈折率の変化をそれぞれの屈折率変化領域に付与するように、屈折率変化領域４０５１及び屈折率変化領域４０５３の屈折率変化領域の屈折率を調整する。
【００７３】
光学部品５０００は、透明材料１７０の内部に不連続に複数形成され、の同一領域における透明材料１７０との屈折率差が領域内部で変化する屈折率変化領域５０５１を備える。屈折率変化領域５０５１は、上述した２つ以上の異なる屈折率を備える屈折率変化領域を１つの屈折率変化領域の外側と内側の領域に配置するものである。したがって、屈折率変化領域５０５１は、所望の屈折率の変化をそれぞれの外側と内側の領域に付与するように調整する。
【００７４】
光学部品６０００は、透明材料１７０の内部に透過波面の面内位相差分布を周期的に変化させた屈折率変化領域６０５１及び６０５３を備える。屈折率変化領域６０５１及び６０５３は、上述した２つ以上の異なる屈折率を備える屈折率変化領域を１つの屈折率変化領域の外側と内側の領域に配置するものである。また、屈折率変化領域６０５１と屈折率変化領域６０５３とは、互いに面内位相差分布が異なる。したがって、屈折率変化領域６０５１及び６０５３は、所望の屈折率の変化をそれぞれの外側と内側の領域に付与するようにそれぞれ調整する。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態に係る光学部品は多様な形態で実施可能であって、従来のような屈折率変化領域全体を一様に加工するのではなく、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を、透明材料の内部に複数配置して形成するため、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能な屈折率変化領域のパターンを透明材料内部に形成することができる。
【００７６】
（光学部品の用途）
上述した本発明に係る光学部品として、屈折率変化領域によって構成される回折格子を形成することができる。回折格子は、透明材料の内部に３次元的に周期配列された複数の屈折率変化領域を備える。このような回折格子として機能する光学部品に、光を入射して得られる出射光は、回折光を含む。従来は、屈折率変化領域全体を一様に加工していたが、本発明に係る回折格子は、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を、透明材料の内部に複数配置して形成して回折格子を形成するため、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能である。
【００７７】
（回折格子の多値化）
上述した屈折率変化領域を用いて回折格子の位相レベルの多値化を実現することができる。図８及び図９は、本実施形態に係る多値化回折格子の模式図である。図８（ａ）に示した多値化回折格子１００００は、透明材料１７０の内部に第１の屈折率変化領域１０５１０と第２の屈折率変化領域１０５３０とが交互に配置した市松模様の回折格子である。第１の屈折率変化領域１０５１０は、第３の屈折率変化領域１０５１１の内部に第４の屈折率変化領域１０５１３を配置した構造を有する。第３の屈折率変化領域１０５１１と第４の屈折率変化領域１０５１３とは異なる屈折率を備える。また、第２の屈折率変化領域１０５３０は、第５の屈折率変化領域１０５３１の内部に第６の屈折率変化領域１０５３３を配置した構造を有する。第５の屈折率変化領域１０５３１と第６の屈折率変化領域１０５３３とは異なる屈折率を備える。このように面内位相差分布が異なる２つ以上の屈折率変化領域を交互に配置することにより、回折格子の多値化を実現することができる。また、本願の屈折率変化領域の形成法であれば加工部位の厚み(透過波面に対して垂直方向の断面の厚み)を一定に保つことや、部品の厚みの変化に対して柔軟に対応できる。
【００７８】
図８（ｂ）に示した多値化回折格子２００００は、透明材料１７０の内部に第１の屈折率変化領域２０５１１を格子状に配置し、第１の方向（図中の縦方向）に配置した第１の屈折率変化領域２０５１１と、第１の方向と直交する第２の方向（図中の横方向）に配置した第１の屈折率変化領域２０５１１との交差部に第２の屈折率変化領域２０５１３を配置した３位相値の回折格子である。ここで、第１の屈折率変化領域２０５１１と第２の屈折率変化領域２０５１３とは、互いに異なる屈折率を備える。多値化回折格子２００００は、例えば、図４で説明した線状の異質相６１０及び異質相６３０を用いて形成することができる。この場合、第２の屈折率変化領域２０５１３は、第２の屈折率変化領域６５３や第２の屈折率変化領域７５３のように異質相の体積比（存在比および／または存在頻度）が高くなるため、屈折率を異ならせることができる。なお、格子状に配置した第１の屈折率変化領域２０５１１の交差部に屈折率の異なる第２の屈折率変化領域２０５１３を配置する構造であれば、異質相の形状は先に述べた実施形態の何れであってもよい。また、縦方向の屈折率変化領域の屈折率と、横方向の屈折率変化領域の屈折率とを異なるように配置することもできる。
【００７９】
図９示した多値化回折格子３００００は、異質相３００１０を用いて、図５に示した光学部品１０００のような屈折率が透過波面の面内で周期的に変化する屈折率変化領域を第１の方向（図中の縦方向）と、第１の方向と直交する第２の方向（図中の横方向）とに配置した構造を有する回折格子である。以上説明したように、本実施形態に係る多値化回折格子は、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を、透明材料の内部に複数配置して形成することにより、少ない加工エネルギーで内部を一様に加工した屈折率変化領域と同じ効果を得ることができる。
【００８０】
このような回折格子を備える光学部品としては、例えば、空間周波数フィルターの一つでデジタルカメラなどの撮像素子のアンチエイリアシング対策として用いられる光学的ローパスフィルタがある。図１０は、本実施形態に係る光学的ローパスフィルタ１０の作用を説明する模式図である。光学的ローパスフィルタ１０に入射した入射光は、光学的ローパスフィルタ１０の内部に配置された回折格子により、回折光を含む出射光として、例えば、４つの撮像素子５０の中心部に入射する。光学的ローパスフィルタ１０を形成するには、屈折率変化領域それぞれの透明材料への光の入射方向に直交する方向に対する幅は、回折光の０次光（入射光）に対して１次光のなす角度からあらかじめ設定されることが好ましい。従来の水晶を用いたローパスフィルタは、基板の厚みが画素ピッチに依存し、且つ、複数枚の基板を必要とした。また、表面レリーフ型のローパスフィルタは、表面の２次元加工に限定されるが、本発明に係るローパスフィルタ１０は、透明材料の内部に屈折率変化領域を３次元加工することが可能であり、位相レベルを多値化することはもちろん、３次元的な積層も容易にできる。また、従来の屈折率変化領域全体を一様に加工する方法ではなく、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を、透明材料の内部に複数配置して回折格子を形成するため、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能である。
【００８１】
また、本発明に係る光学部品は、これに限定されるものではなく、透明材料の内部に屈折率変化領域を形成することにより、光学的な機能を得られる部品として利用することができ、例えば、回折レンズ、ビームスプリッター、ＧＲＩＮレンズ、マイクロレンズアレイ、光導波路等として用いることもできる。これらの光学部品においても、屈折率変化領域より体積が小さく且つ透明材料の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を、透明材料の内部に複数配置して形成して光導波路を形成するため、パルスレーザー加工時のエネルギー消費を抑制し、加工時間の短縮が可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１０：ローパスフィルタ、５０：撮像素子１００：光学部品、１１０：異質相、１５０：屈折率変化領域、１７０：透明材料、９００：従来の光学部品、９５０：屈折率変化領域、２００：光学部品、２１０：異質相、２５１：第１の屈折率変化領域、２５３：第２の屈折率変化領域、３００：光学部品、３１０：異質相、３５１：第１の屈折率変化領域、３５３：第２の屈折率変化領域、４００：光学部品、４５１：第１の屈折率変化領域、４５３：第２の屈折率変化領域、５００：光学部品、５１０：異質相、５５１：第１の屈折率変化領域、５５３：第２の屈折率変化領域、６００：光学部品、６１０：異質相、６３０：異質相、６５１：第１の屈折率変化領域、６５３：第２の屈折率変化領域、７００：光学部品、７１０：異質相、７３０：異質相、７５１：第１の屈折率変化領域、７５３：第２の屈折率変化領域、１０００：光学部品、１０５１：屈折率変化領域、２０００：光学部品、２０５０：屈折率変化領域、３０００：光学部品、３０５１：屈折率変化領域、４０００：光学部品、４０５１：屈折率変化領域、４０５３：屈折率変化領域、５０００：光学部品、５０５１：屈折率変化領域、６０００：光学部品、６０５１：屈折率変化領域、６０５３：屈折率変化領域、１００００：多値化回折格子、１０５１０：第１の屈折率変化領域、１０５３０：第２の屈折率変化領域、１０５１１：第３の屈折率変化領域、１０５１３：第４の屈折率変化領域、１０５３１：第５の屈折率変化領域、１０５３３：第６の屈折率変化領域、２００００：多値化回折格子、２０５１１：第１の屈折率変化領域、２０５１３：第２の屈折率変化領域、３００００：多値化回折格子、３００１０：異質相
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図５】
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【図７】
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