(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の同一面上に交互に設けた二種類の誘電体領域で回折格子構造をなし、少なくとも一方の領域が複屈折性を有する誘電体材料で形成された回折格子型偏光素子において、
基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入したことを特徴とする回折格子型偏光素子。
【請求項２】
上記複屈折性を有する誘電体材料が高分子材料である請求項１記載の回折格子型偏光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種光学装置に使用される回折格子型偏光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光の回折を利用した偏光素子としては、例えば特開昭６３−５５５０１号公報に示されているようにＬｉＮｂ０3 にプロトン交換を利用して製造された回折格子型偏光素子が使用されている。この偏光素子は薄型で量産性を有するが、ＬｉＮｂ０3 と高価な単結晶基板を用いる必要があった。これに対して例えば特開平５−２８９０２７号公報に示された偏光素子は基板上に格子状の複屈折性誘電体膜を斜め蒸着法により形成し、この複屈折性誘電体膜の格子の溝内に等方性を有する誘電体材料をスパッタ法や蒸着法あるいは塗布法により充填して等方性誘電体膜を形成し、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とを同一基板上に交互に備えた回折格子構造としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−２８９０２７号公報に示された偏光素子は高価な単結晶基板を用いる必要はないが、基板上に格子状の複屈折性誘電体膜を形成後、複屈折性誘電体膜の格子の溝内に等方性を有する誘電体材料を充填して等方性誘電体膜を形成するときに、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の界面に空隙や欠陥が生じ易く、格子の間隙を良好な状態で形成することが極めて困難であった。また、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の構造や組成の違いから複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の界面に残留応力やひずみが生じ、その結果、形成した等方性誘電体膜が剥離するという現象も生じていた。さらに、等方性誘電体膜として樹脂等を液相系を用いて塗布し、それを固化して形成する場合には、基板と複屈折性誘電体膜に対する樹脂との濡れ性を良好にするのが困難であり、濡れ性を良好にできた場合でも、その屈折率が所望の値に調整できない等の問題があった。
【０００４】
この発明はかかる問題を解消し、複屈折性誘電体材料にオーバーコート材料である誘電体材料を充填する際に生じる残留応力やひずみを緩和し、充填した誘電体材料の剥離をも防止できる回折格子型偏光素子を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回折格子型偏光素子は、基板上の同一面上に交互に設けた二種類の誘電体領域で回折格子構造をなし、少なくとも一方の領域が複屈折性を有する誘電体材料で形成された回折格子型偏光素子において、基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入したことを特徴とする。
【０００９】
上記複屈折性を有する誘電体材料は高分子材料を使用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の偏光素子はガラス等光学的に等方性を有する基板と、基板上に格子状に設けられた複屈折性誘電体膜と、複屈折性誘電体膜の側面界面に設けられた中間層及び中間層を挟んだ間の格子状の複屈折性誘電体膜の溝に設けられた等方性誘電体膜を有する。複屈折性誘電体膜を構成する複屈折を有する誘電体材料は例えばＴａ，Ｗ，Ｂｉ，Ｔｉ，Ｓｎ等の金属酸化物からなる。中間層は複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とは組成あるいは構造が異なっている組成物で形成されている。
【００１２】
このように複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜との界面に、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜とは組成あるいは構造が異なる中間層を形成することにより、等方性誘電体膜を形成するときに、複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜との界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐとともに複屈折性誘電体膜と等方性誘電体膜の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した等方性誘電体膜が剥離することを防止する。
【００１３】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例の回折格子型偏光素子の構成を示す断面図である。図に示す用に、偏光素子１はガラス等光学的に等方性を有する基板２と、基板２上に格子状に設けられた複屈折性誘電体膜３と複屈折性誘電体膜３の側面界面に設けられた中間層４及び中間層４を挟んだ間の格子状の複屈折性誘電体膜３の溝に設けられた等方性誘電体膜５を有する。
【００１４】
複屈折性誘電体膜３を構成する複屈折を有する誘電体材料は有機物，無機物を問わず複屈折性を有するもので有れば良いが、安定性と量産性を考慮すると金属酸化物あるいは高分子材料が好ましい。金属酸化物としては、例えばＴａ，Ｗ，Ｂｉ，Ｔｉ，Ｓｎ等の酸化物を用いることができるが、特にこれらに限定されるものではなく、複屈折性を有するものであれば良く、複数の金属の酸化物（化合物）であっても良い。このような金属酸化物を用い斜め蒸着法により複屈折性誘電体膜３を形成することにより複屈折性を付与することができる。また、高分子材料としては、特にその分子量が限定されるわけでなく、複屈折性を有していれば良い。もちろん、延伸やラビング等を用いて複屈折性を付与した材料を使用しても良い。中間層４は複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５とは組成あるいは構造が異なっている組成物又は複数の組成物の混合物あるいは複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５と組成及び構造の両方が異なっている組成物又は複数の組成物の混合物により形成される。
【００１５】
上記のように構成された偏光素子１を作製する方法を図２の処理工程図を参照して説明する。
【００１６】
まず、図２（ａ）に示すように、一定厚さの基板２上に例えば金属酸化物を斜め蒸着法を用いて積層して一定膜厚の複屈折性誘電体膜３を形成する。その後、形成した複屈折性誘電体膜３の表面にフォトリゾグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチング等により複屈折性誘電体膜３を、図２（ｂ）に示すように、格子状に加工する。この格子状に加工された複屈折性誘電体膜３の側面に、図２（ｃ）に示すように、中間層４を形成し、中間層４を両側に有する複屈折性誘電体膜３の溝内に等方性を有する誘電体材料をスパッタ法や蒸着法あるいは塗布法により充填して、図２（ｄ）に示すように、等方性誘電体膜５を形成して偏光素子１を作製する。
【００１７】
このように複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５との界面に、複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５とは組成あるいは構造が異なる中間層４を形成することにより、等方性誘電体膜５を形成するとき、複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５との界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐことができるとともに複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した等方性誘電体膜５が剥離することを防止できる。したがって、複屈折性誘電体膜３の格子の間隙を良好な状態で形成することができる。
【００１８】
この複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５との界面を形成する中間層４に複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５のどちらか一方の構成元素を一種類以上含有したり、複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５の両方の構成元素を一種類以上ずつ含有する場合、中間層４としての機能をより有効に発揮することができ、高特性の偏光素子を形成することができる。また、中間層４を複屈折性誘電体膜３側から複屈折性誘電体膜３を形成する誘電体材料から等方性誘電体膜５を形成する誘電体材料に連続的に組成を変化させると、中間層４としてさらに高い機能を発揮することができ、より高特性の偏光素子を形成することができる。
【００１９】
また、偏光素子１を作製する場合に、複屈折性誘電体膜３の常光線と異常光線に対する屈折率と膜厚及び等方性誘電体膜５の屈折率を適切に調整する必要がある。そこで中間層４の屈折率を複屈折性誘電体膜３の常光線の屈折率あるいは異常光線の屈折率のいずれかに等しくすることにより、偏光素子１としての特性を向上することができる。なお、基板２と複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５にどのような材料を選択するかによっても異なるが、中間層４を複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５の界面ばかりでなく、基板２と両方の誘電体膜３，５の界面に設けた方が効果が得られる場合もある。
【００２０】
上記実施例は等方性誘電体膜５を複屈折性誘電体膜３の格子の溝にだけ設けた場合について説明したが、図３の断面図に示す偏光素子１ａのように、複屈折性誘電体膜３の上面と側面及び複屈折性誘電体膜３の格子の溝の基板２の上面を中間層４で被覆し、この中間層４の上に等方性誘電体膜５を形成し、複屈折性誘電体膜３と基板２を等方性誘電体膜５で覆うようにしても良い。
【００２１】
また、上記各実施例は複屈折性誘電体膜３を格子状に形成して、複屈折性誘電体膜３の格子間の溝の深さを複屈折性誘電体膜３の膜厚と同じにしたっ場合について説明したが、図４の断面図に示す偏光素子１ｂのように、複屈折性誘電体膜３に一定深さの凹溝を設けて格子を形成し、この複屈折性誘電体膜３の下面全体が基板２の上面を覆うようにしても良い。
【００２２】
〔具体例〕  例えば厚さ１ｍｍのガラス基板（コーニング7059）２上に複屈折性を有するＴa2Ｏ5を斜め蒸着法を用いて厚さ５μｍの複屈折性誘電体膜３を積層した。この複屈折性誘電体膜３の表面にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチングによりＴａ2Ｏ5の複屈折性誘電体膜３を格子状に加工した。この格子状の複屈折性誘電体膜３にＴａ2Ｏ3を被覆して中間層４を形成した後、アクリル系樹脂をスピンコート法を用いて塗布し、さらに紫外線照射によって樹脂を硬化させて複屈折性誘電体膜３の格子の溝を充填して等方性誘電体膜５を形成して、図３に示す偏光素子１ａを試料Ａとして作製した。この偏光素子１ａの試料Ａの断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等はなかった。また、偏光素子としての特性も良好であった。
【００２３】
〔具体例２〕  厚さ１ｍｍのガラス基板２上に複屈折性を有するＴa2Ｏ5を斜め蒸着法を用いて厚さ１０μｍの複屈折性誘電体膜３を積層した。この複屈折性誘電体膜３の表面にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層し、エッチングにより図４に示すように複屈折性誘電体膜３に凹溝を加工して格子状にした。この複屈折性誘電体膜３の表面にＴａ2Ｏ5−ＴａＣ−Ｔａ2 Ｃ組成物で中間層４を形成した後、アクリル系樹脂で等方性誘電体膜５を形成して、図４に示す偏光素子１ｂを試料Ｂとして作製した。この偏光素子１の断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等は生じていなかった。比較例として中間層４を含まない試料Ｃを作製した。中間層４を含まない試料Ｃの断面を電子顕微鏡により観察したところ複屈折性誘電体膜３と等方性誘電体膜５の界面に空隙等が観察された。さらに、偏光素子としての特性は中間層４を有する偏光素子１ｂの試料Ｂ方が比較例の試料Ｃより良好であった。
【００２４】
〔具体例３〕  具体例２と全く同じ構成で中間層４だけをＴａ2Ｏ5−（Ｃ5Ｈ5）2ＴａＨ3−Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5−Ｃ組成物に換えて図４に示す偏光素子１ｂを試料Ｄとして作製した。この偏光素子１ｂの試料Ｄの断面を電子顕微鏡により観察したところ空隙等は生じていなかく、偏光素子としての特性も中間層４を含まない試料Ｃと比べて良好であった。また、作製した偏光素子１ｂの試料Ｄと比較例の試料Ｃを恒温槽に入れ、温度を−２０℃〜＋５０℃で繰り返し変化させた。その結果、中間層を含まない試料Ｃは等方性誘電体膜５の一部が剥離したが、偏光素子１ｂの試料Ｄにおいては等方性誘電体膜５の剥離は確認されなかった。
【００２５】
〔具体例４〕  厚さ１ｍｍのガラス基板２上に複屈折性を有するポリイミド系樹脂の延伸材を膜厚10μｍで接着して複屈折性誘電体膜３を形成した。この複屈折性誘電体膜３にフォトリソグラフィー技術等を用いて格子状のマスクを積層して、エッチングにより複屈折性誘電体膜３を凹溝を有する格子状に加工した。この複屈折性誘電体膜３の表面にポリイミド系樹脂とアクリル系樹脂の混合物を、ポリイミド系樹脂側からアクリル系樹脂側まで連続的に組成を変化させて被覆して中間層４を形成した後、中間層４の表面にアクリル系樹脂をスピンコート法を用いて塗布して紫外線照射によってアクリル系樹脂を硬化させて等方性誘電体膜５を形成して、図４に示す偏光素子１ｂを試料Ｅとして作製した。この偏光素子１ｂの試料Ｅの断面を電子顕微鏡により観察した結果、空隙等は生じていなかった。また、比較例である中間層４を有しない試料Ｃと共に偏光素子としての特性を測定したところ、偏光素子１ｂの試料Ｅの方が良好であった。また、試料Ｅと比較例の試料Ｃを恒温槽に入れ、温度を−２０℃〜＋５０℃で繰り返し変化させ結果、中間層を含まない試料Ｃは等方性誘電体膜５の一部が剥離したが、偏光素子１ｂの試料Ｅにおいては等方性誘電体膜５の剥離は確認されなかった。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、基板上に設けた複屈折性を有する誘電体材料と他方の誘電体材料との界面に、複屈折性を有する誘電体材料の構成元素から他方の誘電体材料の構成元素まで連続的に組成を変化させて形成した中間層を少なくとも一層挿入することにより、両誘電体材料の界面に空隙や欠陥等が生じることを防ぐことができる。また、両誘電体材料の構造や組成の違いから生じる残留応力やひずみの影響を緩和して、形成した誘電体膜が剥離することを防止できる。したがって、特性の良好な偏光素子を得ることができる。
【００２８】
また、複屈折性を有する誘電体材料として高分子材料を使用して適切に選択することにより、空隙や欠陥が生じにくくできると共に誘電体の剥離等も生じない、優れた特性を有する偏光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の回折格子型偏光素子の構成を示す断面図である。
【図２】上記実施例の偏光素子を作製するときの処理工程図であ。
【図３】第２の実施例の構成を示す断面図である。
【図４】第３の実施例の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１；偏光素子、２；基板、３；複屈折性誘電体膜、４；中間層、
５；等方性誘電体膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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