(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アゾベンゼン骨格を有する高分子層と、
前記高分子層の表面に形成され、屈折機能を有する第１凹凸と、
前記第１凹凸の表面に前記第１凹凸より狭い間隔で形成され、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する第２凹凸と、
を備えた光学素子。
【請求項２】
屈折機能を有する第１凹凸を備え、前記第１凹凸の表面にアゾベンゼン骨格を有する高分子層が形成された屈折光学素子と、
前記高分子層の表面に前記第１凹凸より狭い間隔で形成され、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する第２凹凸と、
を備えた光学素子。
【請求項３】
前記屈折機能を有する凹凸が５〜１００μｍの間隔で形成された請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記回折機能を有する凹凸が０．２〜５μｍの間隔で形成された請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記高分子のガラス転移点が、２０℃〜５０℃の範囲である請求項１〜４の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記高分子層の厚さを１〜１０μｍとした請求項１〜５の何れか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記高分子は、下記一般式（１）で表されるポリエステルである請求項１〜６の何れか１項に記載の光学素子。
【化１】
0004081995.tif 000014
（式中、Ｘはシアノ基、メチル基、メトキシ基、またはニトロ基を示し、Ｙはエーテル結合、ケトン結合、またはスルホン結合による２価の連結基を示す。ｌおよびｍは２〜１８の整数を示し、ｎは５〜５００の整数を示す。）
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
前記高分子層の表面に、計算機ホログラム、キノフォーム、及び拡散体から得られたスペックルパターンの何れかに対応した強度分布を有する光を照射し、該強度分布に応じた凹凸を形成して、光学素子を製造する光学素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７の何れか１項に記載の光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
前記高分子層の表面に、物体光及び参照光を照射し、該物体光及び参照光の干渉光による強度分布に応じた凹凸を形成して、光学素子を製造する光学素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜７の何れか１項に記載の光学素子を用い、該光学素子の表面に形成された凹凸が転写された複製物を製造する光学素子の製造方法であって、
前記光学素子の表面に形成された凹凸を利用して、該凹凸を転写するためのスタンパを作製し、
該スタンパを用いた熱圧着または射出成形により、樹脂材料の表面に前記凹凸と同じ形状の凹凸を形成して、
前記光学素子の複製物を製造する光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及び光学素子の製造方法に関し、特に、アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備え、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する光学素子、及びその光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学機器の分野では、凸レンズ、凹レンズ、プリズム等の光の屈折を利用した光学素子（屈折光学素子）が広く用いられてきた。最近では、微細加工技術の発展によりマイクロレンズアレイやレンチキュラーレンズ等の作製も可能となり、照明から光通信まで多様な用途において屈折光学素子が使用されている。
【０００３】
例えば、特開平１０−２８２３７１号公報には、レンチキュラーレンズを備えた光データバスとこの光データバスを用いた信号処理装置が開示されている。この光データバス１０は、図３５（ａ）及び（ｂ）に示すように、信号光入射部１１の一方の端縁１１ａに、入射した信号光１５を光データバス１０内部に拡散させる、端縁１１ａに沿って配列された複数のシリンドリカル面（レンチキュラーレンズ）１２を形成している。光データバス１０に入射された信号光１５は、シリンドリカル面１２が複数配列されてなる拡散手段により信号光出射部１４側の端縁１４ａの全面にわたって拡散されるので、信号光のうち光伝送層１３の外に出て行く信号光が最小限に抑えられる。これにより信号光１５の伝送効率が高くなり、信号光出射部１４側の端縁１４ａにおける出射量のばらつきが少なくなる。このため、光データバス１０を用いた信号処理装置では、低消費電量化を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レンズ等の屈折光学素子は、比較的単純な集光や光拡散の機能しか備えていない。例えば、上述の光データバスにおいては、単に信号光をレンチキュラーレンズにより拡散させているだけである。これに対し、屈折光学素子の代わりに光の回折を利用した回折光学素子やホログラムを利用した回折光学素子であるHolographic Optical Element（ＨＯＥ）を用いた場合には、複雑な光波を生成することができる。
【０００５】
例えば、上記の光データバス１０において、図３５（ｃ）に示すように、信号光入射部１１の一方の端縁１１ａに、レンチキュラーレンズの代わりに回折光学素子として拡散板２０を配置すると、光データバス１０に入射された信号光１５は、拡散板２０により回折され、信号光出射部１４側の端縁１４ａに設けられた所定の出力ポート（例えば、出力ポート１４ｂ、１４ｃ）に集光するように、分岐されると共に拡散される。
【０００６】
この通り、回折光学素子によれば、入射波面を任意に設計した波面に変換することができる。また、回折光学素子は、屈折型レンズと逆の分散値を有し、実質的には厚みを持たないので光学系がコンパクトになるなど、屈折光学素子には無い利点を備えている。その一方、光の回折を利用するために、屈折光学素子と比べて本質的にアライメントの制約が大きい、波長分散が大きい、０次光の発生により回折効率が低下する等の問題点がある。
【０００７】
また、ホログラムを利用した回折光学素子の作製方法としては、Photofabrication of surfaces for holograms, Sukant Tripathy, Dong-Yu Kim, Lian Li, and Jayant Kumar, CHEMTECH MAY (1998) pp. 34-40.に記載されているように、アゾベンゼン骨格を有する高分子（アゾポリマー）からなる記録媒体を用い、この記録媒体にホログラムを記録することで、媒体表面に微細な凹凸が誘起された表面レリーフホログラムを形成する方法が知られている。
【０００８】
具体的には、アゾポリマーに感度のある波長のレーザ光源を用い、二光波を干渉させて、記録媒体の表面にサブミクロンピッチの表面レリーフホログラムを形成する。通常の半導体プロセスを利用するＨＯＥ作製過程は、パターン設計、露光、現像を複数回繰り返すため多くの工程を必要とするが、上記の方法では多くの工程が省略でき、製造コストを大幅に低減することができる。また、形成される表面レリーフホログラムのレリーフ深さは、露光エネルギーに比例して増加するので、緩やかに凹凸が変化した理想的な回折光学素子の作製が可能である。
【０００９】
しかしながら、通常、上記の方法で得られるレリーフ深さは数１００ｎｍ程度であり、表面レリーフホログラムを形成して回折光学素子として使用する場合には、十分なレリーフ深さが得られず、回折されない０次光が発生して回折効率が低下するという実用上の問題が発生する。
【００１０】
以上述べた通り、ＨＯＥを含む回折光学素子には、設計の自由度が大きいという利点があるが、光の回折を利用するために本質的にアライメントの制約が大きく、波長分散が大きい等の問題がある。一方、レンズなどの屈折光学素子には、設計の自由度は小さいが、アライメントの制約は少なく、波長分散は小さく、０次光による問題は発生しないという利点（屈折光学素子のロバスト性）がある。
【００１１】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、本発明の第１の目的は、屈折機能を有する凹凸の表面に、十分な深さの凹凸（レリーフ構造）を形成することにより、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び優れた回折効果の少なくとも一方を得ることができる光学素子を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に製造することができる光学素子の製造方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、本発明の製造方法により製造され、表面に凹凸が形成された光学素子を用いて、同じ表面形状の光学素子を容易に複製でき、大量生産に好適な光学素子の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の第１の目的を達成するために、請求項１に記載の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高分子層と、前記高分子層の表面に形成され、屈折機能を有する第１凹凸と、前記第１凹凸の表面に前記第１凹凸より狭い間隔で形成され、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する第２凹凸と、備えたことを特徴とする。
【００１４】
この光学素子では、高分子層の表面に形成された第１凹凸により屈折効果が得られると共に、この第１凹凸の表面に形成された第２凹凸の形状に応じて、屈折効果及び回折効果の少なくとも一方を得ることができる。これにより、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【００１５】
請求項２に記載の光学素子は、屈折機能を有する第１凹凸を備え、前記第１凹凸の表面にアゾベンゼン骨格を有する高分子層が形成された屈折光学素子と、前記高分子層の表面に前記第１凹凸より狭い間隔で形成され、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する第２凹凸と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この光学素子では、屈折光学素子の表面に在る第１凹凸により屈折効果が得られると共に、この第１凹凸の表面に形成された第２凹凸の形状に応じて、屈折効果及び回折効果の少なくとも一方を得ることができる。これにより、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【００１７】
上記の光学素子において、屈折機能を有する凹凸が５〜１００μｍの間隔で形成されることが好ましく、回折機能を有する凹凸が０．２〜５μｍの間隔で形成されることが好ましい。
【００１８】
上記の光学素子において、高分子のガラス転移点は、室温より高温、室温近傍、または２０℃〜５０℃の範囲のいずれかであることが好ましい。
【００１９】
深いレリーフ構造が容易且つ安定に得られる点で、室温より少し高いＴｇ、好ましくは２０℃〜５０℃の範囲のＴｇを示すアゾポリマーが本発明には好適である。
【００２０】
例えば、上記の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が室温より高温であり、前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成されていてもよい。
【００２１】
高分子のガラス転移点が室温より高温である場合には、光を照射して凹凸を誘起する場合に、十分な深さの凹凸を誘起できると共に、誘起された凹凸を安定に維持することができる。この結果、光学素子の表面に十分な深さの凹凸を容易且つ安定に形成することができ、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【００２２】
また、上記の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が室温近傍であり、前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成されていてもよい。
【００２３】
高分子のガラス転移点が室温近傍である場合には、光を照射して凹凸を誘起する場合に、十分な深さの凹凸を誘起できる。この結果、光学素子の表面に十分な深さの凹凸を容易に形成することができ、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【００２４】
また、上記の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備え、該高分子のガラス転移点が２０℃〜５０℃の範囲であり、前記高分子層の表面に屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する凹凸が形成されていてもよい。
【００２５】
高分子のガラス転移点が２０℃〜５０℃の範囲である場合には、光を照射して凹凸を誘起する場合に、十分な深さの凹凸を誘起できると共に、誘起された凹凸を安定に維持することができる。この結果、光学素子の表面に十分な深さの凹凸を容易且つ安定に形成することができ、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【００２６】
これらの場合においても、高分子層の表面に形成される凹凸のうち屈折機能を有する部分に係る凹凸は、５〜１００μｍの間隔で形成することができる。また、高分子層の表面に形成される凹凸のうち回折機能を有する部分に係る凹凸は、０．２〜５μｍの間隔で形成することができ、回折機能を有する部分に係る凹凸は、深さ１μｍ以上で形成されることが好ましい。更に、高分子層の表面に形成される凹凸として、高分子層の表面に形成され屈折機能を有する第１凹凸と、該第１凹凸の表面に形成され屈折機能または回折機能を有する第２凹凸とを備えることができる。また、高分子層が屈折光学素子の表面に形成されていてもよい。
【００２７】
上記の光学素子において、高分子層の内部にホログラムが記録されていてもよい。この場合は、内部に記録されたホログラムにより回折機能を得ることができる。
【００２８】
高分子層の厚さは、より深い凹凸の形成を可能とするために、１〜１０μｍとするのが好ましい。また、高分子は、側鎖にアゾベンゼン骨格を有するものが好ましく、主鎖に芳香族炭化水素基を含むものがより好ましい。これらの高分子の中でも、下記一般式（１）で表されるポリエステルが特に好ましい。
【００２９】
【化２】
0004081995.tif 000002
【００３０】
（式中、Ｘはシアノ基、メチル基、メトキシ基、またはニトロ基を示し、Ｙはエーテル結合、ケトン結合、またはスルホン結合による２価の連結基を示す。ｌおよびｍは２〜１８の整数を示し、ｎは５〜５００の整数を示す。）
【００３１】
上記の第２の目的を達成するために、本発明の光学素子の製造方法は、光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、光学素子に設けられた高分子層の表面に所定の強度分布を有する光を照射し、該強度分布に応じた凹凸を形成して、光学素子を製造することを特徴とする。この場合、照射する光が円偏光であることが好ましい。また、所定の強度分布を、計算機ホログラムまたはキノフォームに対応した強度分布や、拡散体から得られたスペックルパターンに対応した強度分布とすることができる。
【００３２】
この製造方法では、計算機ホログラムまたはキノフォームに対応した強度分布を有する光や、拡散体から得られたスペックルパターンに対応した強度分布を有する光など、任意の光パターンを照射することにより、高分子層の表面に所望形状の凹凸を形成することができ、高分子層の表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
【００３３】
また、上記の第２の目的を達成するために、本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、光学素子に設けられた高分子層の表面に物体光及び参照光を照射し、該物体光及び参照光の干渉光による強度分布に応じた凹凸を形成して、光学素子を製造することを特徴とする。この場合、物体光と参照光は互いに逆周りの円偏光であることが好ましい。
【００３４】
この製造方法では、例えば光の干渉縞など、任意の光パターンを照射することにより、高分子層の表面に所望形状の凹凸を形成することができ、高分子層の表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
【００３５】
上記の第３の目的を達成するために、本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子の表面に形成された凹凸が転写された複製物を製造する光学素子の製造方法であって、前記光学素子の表面に形成された凹凸を利用して、該凹凸を転写するためのスタンパを作製し、該スタンパを用いた熱圧着または射出成形により、樹脂材料の表面に前記凹凸と同じ形状の凹凸を形成して、前記光学素子（複製物）を製造することを特徴とする。
【００３６】
上記の光学素子（複製物）の製造方法では、例えば、本発明の光学素子を用いてマスタリングを行ってメタルマスタを作製し、このメタルマスタに基づいてスタンパを作製する等、本発明の光学素子の表面に形成された凹凸を利用して、この凹凸を転写するためのスタンパを作製することができる。そして、このスタンパを用いた熱圧着または射出成形など大量生産に適した方法により、樹脂材料の表面に光学素子の表面に形成された凹凸と同じ形状の凹凸を形成して、同じ表面形状の光学素子を容易に複製することができる。このため、複雑な表面形状の光学素子も容易に大量生産することができる。また、得られた光学素子の複製物は、本発明の光学素子と同様に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を発揮する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
〔高分子担体または高分子層の材料〕
本発明の光学素子に使用する高分子材料は、アゾベンゼン骨格を有する高分子（以下、「アゾポリマー」と称する）である。このアゾベンゼン骨格は、トランス−シス−トランスの光異性化サイクルを示す。
【００３８】
本発明においては、これらアゾポリマーの中でも、ガラス転移点Ｔｇが室温近傍、好ましくは室温より少し高温のアゾポリマーが特に好ましい。従来、Photofabrication of surfaces for holograms, Sukant Tripathy, Dong-Yu Kim, Lian Li, and Jayant Kumar, CHEMTECH MAY (1998) pp. 34-40.に記載されているように、表面レリーフ形成には、ガラス転移点Ｔｇが１００℃以上のアゾポリマーが使用されていたが、本発明者等は、ガラス転移点Ｔｇが室温近傍のアゾポリマーを記録媒体に用いることで、深いレリーフ構造が容易且つ安定に得られることを見出し、光学素子の設計の自由度を大幅に向上させた。
【００３９】
また、分子構造の観点から、側鎖にアゾベンゼン骨格を含む高分子が好ましく、主鎖に芳香族炭化水素基を含む高分子がより好ましい。これらの中でも、上記一般式（１）で表されるポリエステルが特に好ましい。
【００４０】
本発明で使用することができるアゾポリマーの具体例を以下に示す。
【００４１】
【化３】
0004081995.tif 000003
【００４２】
上記の側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（アゾポリマー（１））は、M.Satoらの”Synthesis and properties of polyesters having cyanoazobenzene units in the side chain", Macromol. Rapid Commun. 15, 21-29 (1994)に報告されており、この文献に記載されている方法により合成することができる。次に、このアゾポリマー（１）の合成手順を説明する。
【００４３】
（４−ヒドロキシ−４'−シアノアゾベンゼンの合成）  ４−アミノベンゾニトリル２モル（２３６．３ｇ）、ＨＣｌ（１２Ｎ）６００ミリリットル、及び純水６００ミリリットルを氷浴中で攪拌しながら、ＮａＮＯ2水溶液（ＮａＮＯ2１５０ｇ、純水７５０ミリリットル）を滴下した（ステップ１）。フェノール２モル（１９１．８ｇ）とＫＯＨ２モル（１１２．３ｇ）を約２リットルの純水にすばやく溶解し、ステップ１の生成物を滴下して反応させた。反応終了後、生成物を吸引ろ過によりろ取した後、純水で洗浄して減圧乾燥した。得られた生成物をメタノールで再結晶させ、４−ヒドロキシ−４'−シアノアゾベンゼン１．３モル（２９２．３ｇ、収率６５．５％）の結晶を得た。
【００４４】
（４−（６−ブロモヘキシルオキシ）−４'−シアノアゾベンゼンの合成）  ４−ヒドロキシ−４'−シアノアゾベンゼン０．２モル（４４．６ｇ）、１，６−ジブロモヘキサン２モル（４８８．１ｇ）、Ｋ2ＣＯ3１．４５モル（２００．４ｇ）、及びアセトン８００ミリリットルを２リットルの三つ口フラスコに入れ、ウォータバスを用いて２０時間還流し反応させた。室温まで冷却した後、副生成物と過剰のＫ2ＣＯ3をろ過して取り除いた。得られたろ液をロータリエバポレータを用いて約１／２程度まで濃縮した後に冷凍庫に放置して結晶化させた。析出した結晶を吸引ろ過によりろ取した後、ｎ−ヘキサンで洗浄して減圧乾燥した（０．１１７モル（４５．３ｇ、収率５８．６％））。更に、得られた粗結晶をエタノールで再結晶させ、４−（６−ブロモヘキシルオキシ）−４'−シアノアゾベンゼン０．０９４モル（３６．３ｇ、収率４７．０％）を得た。
【００４５】
（５−ヒドロキシイソフタル酸ジエチルエステルの合成）  ５−ヒドロキシイソフタル酸１モル（１８２．４ｇ）、エタノール１５００ミリリットル、及び濃硫酸１０ミリリットルを２リットルの三つ口フラスコに入れ、ウォータバスを用いて２４時間還流し反応させた。反応液をロータリエバポレータを用いて濃縮し、濃縮液をＮａＨＣＯ3水溶液に注いだ後、生成物をろ取し、減圧乾燥して、５−ヒドロキシイソフタル酸ジエチルエステル０．０９６モル（２２８．８ｇ、収率９６．０％）を得た。更に、得られた生成物をエタノールで再結晶させ、加熱（５０〜６０℃）下で減圧乾燥した。
【００４６】
（側鎖部モノマー：５−（４−シアノベンゼンアゾフェノキシヘキシルオキシ）−イソフタル酸エチルエステルの合成）  ４−（６−ブロモヘキシルオキシ）−４'−シアノアゾベンゼン０．０８モル（３０．９ｇ）、５−ヒドロキシイソフタル酸ジエチルエステル０．０８モル、Ｋ2ＣＯ3０．１２モル（１６．５８ｇ）、及びアセトン４００ミリリットルを１リットルの三つ口フラスコに入れ、ウォータバスを用いて２４時間還流し反応させた。放冷後、反応液を約４リットルの純水に注ぎ、沈殿物をろ過して取り出し、減圧乾燥した（０．０７１モル（３８．８ｇ、収率８９．２％））。その後アセトンで再結晶させ、側鎖部モノマーとなる５−（４−シアノベンゼンアゾフェノキシヘキシルオキシ）−イソフタル酸エチルエステル０．０５８モル（３１．４ｇ、収率７２．２％）の結晶を得た。得られた結晶の融点は９９．０℃であり、３６４．２ｎｍに吸収ピークを有していた。
【００４７】
側鎖部モノマーの同定は、ＦＴＩＲスペクトルと1Ｈ−ＮＭＲとによって行った。ＦＴＩＲの測定結果を次に示す。
ＦＴＩＲ（KBr）：2947.7cm-1（CH伸縮），2227.4cm-1（CN），1713.4cm-1（エステルC=O），1599.7cm-1（C=C），1580cm-1（N=N），1244.8cm-1（C-O-C）
また、下記表１に1Ｈ−ＮＭＲスペクトル分析の結果を示す。
【００４８】
【表１】
0004081995.tif 000004
【００４９】
（主鎖部モノマー：ビス（４−ヒドロヘキシルオキシフェニル）エーテルの合成）  ４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテル０．３モル（６０．６６ｇ）、６−クロロ−１−ヘキサノール０．６６モル（９０．１６ｇ）、Ｋ2ＣＯ3０．７モル（９７ｇ）、及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド２５０ミリリットルを混合し、オイルバスを用いて１６０℃に加熱し２４時間反応させた。その後、反応液を少量の塩酸を含む水に注いで、生成物を吸引ろ過によりろ取し、減圧乾燥して、ビス（４−ヒドロヘキシルオキシフェニル）エーテルを得た。更に、得られた生成物を水−Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド系混合溶剤より再結晶させて、ビス（４−ヒドロヘキシルオキシフェニル）エーテルの結晶がほぼ定量的に得られた。得られた結晶の融点は１１９℃であった。
【００５０】
主鎖部モノマーの同定は、ＦＴＩＲスペクトルと1Ｈ−ＮＭＲとによって行った。ＦＴＩＲの測定結果を次に示す。
ＦＴＩＲ（KBr、JASCO FT/IR-230）：3312.1cm-1（OH），2936.1cm-1（CH伸縮），1505.2cm-1（芳香族），1241.9cm-1（C-O-C）
また、下記表２に1Ｈ−ＮＭＲスペクトル分析の結果を示す。
【００５１】
【表２】
0004081995.tif 000005
【００５２】
（アゾベンゼンを側鎖に持つポリエステルの溶融重縮合）  側鎖部モノマー：５−（４−シアノベンゼンアゾフェノキシヘキシノキシ）−イソフタル酸エチルエステル０．０１モル（５．４３６１ｇ）、主鎖部モノマー：ビス（４−ヒドロヘキシルオキシフェニル）エーテル０．０１モル（４．０２５３ｇ）、及び無水酢酸亜鉛０．１ｇを３００ミリリットルの三つ口フラスコに入れ、窒素雰囲気下で、次の１）〜４）のステップに従い反応させた。
１）約１６０℃で２時間反応
２）１０Ｔｏｒｒ（１．３３×１０3Ｐａ）に減圧して２０分反応
３）３０分かけて１８０℃、２〜５Ｔｏｒｒ（０．２７×１０3〜０．６７×１０3Ｐａ）に昇温・減圧
４）１８０℃、２〜５Ｔｏｒｒ（０．２７×１０3〜０．６７×１０3Ｐａ）で２時間反応
上記反応終了後、反応液をクロロホルムに溶解させてメタノール中に注いだ。沈殿物をろ過して取り出し、純水で加熱洗浄した後にメタノールで加熱洗浄し、減圧乾燥して、シアノアゾベンゼンを側鎖に持つポリエステルをほぼ定量的に得た。
【００５３】
図１に上記方法で合成したアゾポリマー（１）のＤＳＣ（示差走査熱量計）曲線を示す。ガラス転移温度Ｔｇは３８℃、融点Ｔｍは６５℃であった。また、偏光顕微鏡観察によると、液晶相は存在せず固体状態において複屈折を有する高分子であった。
【００５４】
次に、基板上にアゾポリマー（１）からなる高分子層を有する記録媒体を作成した。まず、上記方法で合成したアゾポリマー（１）をクロロホルムに０．８ｇ／ミリリットルの濃度で溶かし、洗浄したガラス基板上にスピンコートした（１０００ｒｐｍ，２０秒）。乾燥させた後、等方相になる温度まで加熱し、急冷して、アゾポリマー（１）からなる高分子層を形成した。偏光顕微鏡観察により形成された高分子層は等方的なアモルファス膜であることを確認した。また、触針式の表面粗さ計を用いて膜厚を測定したところ１．５μｍであった。
【００５５】
この記録媒体を用いて表面レリーフホログラムを形成し、凹凸深さ（レリーフ深さ）と露光エネルギーとの関係を調べた。表面レリーフホログラムの形成に当っては、アルゴンイオンレーザの５１５ｎｍの発振線を用い、これを２光波に分岐して物体光及び参照光とすると共に、それぞれの偏光を互いに逆周りの円偏光とした。露光強度は０．５Ｗ／ｃｍ2とした。形成されるグレーティングの間隔が１μｍ及び１０μｍの２通りとなるように２光波の交差角を調整して、レリーフ発達の様子を調べた。結果を図２に示す。
【００５６】
図２から分かるように、露光エネルギーが増加するとレリーフ深さも増加した。また、間隔が１０μｍのグレーティングでは１μｍを超える深さの凹凸が形成できた。また、１μｍ間隔のグレーティングはそれより小さい０．２５μｍ程度の深さの凹凸が形成できた。
【００５７】
このように、アゾポリマー（１）を用いた記録媒体では、従来より深いレリーフを誘起することができる。これはアゾポリマーのＴｇが室温近傍であるために、光照射による分子移動が容易に起こるためであると推測される。一方、室温より低いＴｇのアゾポリマーを用いると、光照射時には深いレリーフが誘起されるものの、光遮断後にその形状は維持されず、結果として深い凹凸を持つ光学素子は実現できない。従って、前記した通り、深いレリーフ構造が容易且つ安定に得られる点で、室温より少し高いＴｇ、好ましくは２０℃〜５０℃の範囲のＴｇを示すアゾポリマーが本発明には好適である。
【００５８】
次に、アゾポリマー（１）からなる高分子層の厚みを種々変えて記録媒体を複数作製し、各々の記録媒体について表面レリーフホログラムを形成して、レリーフ深さと露光エネルギーとの関係を調べたところ、アゾポリマーの厚みが１μｍ〜１０μｍの範囲で、図２に示す場合と同様の大きさの凹凸が誘起されることが確認された。
【００５９】
従来、厚み数百ｎｍのアゾポリマー層に数十から百μｍ程度の薄い膜で、凹凸が誘起された例は複数報告されているが、数μｍを超える厚いアゾポリマー層に深いレリーフ構造を誘起した例は報告されていない。本発明においては、アゾポリマー層の厚みを１μ〜１０μｍと厚くした場合にも、効果的に数百ｎｍから数μｍの凹凸が誘起できることを明らかにした。即ち、上記した通り、適切なＴｇを有するアゾポリマーを記録媒体に用い、その厚みを比較的厚くしてホログラムを記録することで、非常に大きな表面レリーフ構造を生成できることを見出した。そして、これを光学素子に応用することにより、光学素子の設計の自由度を大幅に向上させることができた。
【００６０】
本発明で使用することができる他のアゾポリマーの例（化学構造式とそのＴｇ）を以下に示す。これらのアゾポリマーは、アゾポリマー（１）と同様の方法で合成することができる。
【００６１】
【化４】
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【００６２】
【化５】
0004081995.tif 000007
【００６３】
【化６】
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【００６４】
【化７】
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【００６５】
【化８】
0004081995.tif 000010
【００６６】
【化９】
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【００６７】
【化１０】
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【００６８】
上記の通り、例示したアゾポリマーのＴｇは２０℃から５０℃の範囲内にあり、レリーフ形成実験においても、アゾポリマー（１）と同様に深い凹凸を誘起できることが確認された。
【００６９】
〔光学素子の形態〕
本発明の光学素子は、図３（ａ）に示すように、アゾポリマー担体１０を備えるように構成することができる。なお、アゾポリマー担体は、アゾポリマー層のみで構成されている。アゾポリマー担体１０の表面１０ａには、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する所定形状の凹凸が形成されている。この凹凸は、記録媒体であるアゾポリマー担体１０の表面１０ａに、アゾポリマーの異性化を誘起する所定波長の光を所定の強度分布で照射することにより形成することができる。
【００７０】
また、本発明の光学素子は、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板やプラスチック基板等の基体１２と、この基体１２表面に形成されたアゾポリマー層１４とで構成されていてもよい。同様に、アゾポリマー層１４の表面１４ａには、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する所定形状の凹凸が形成されている。これらの凹凸は、この記録媒体のアゾポリマー層１４の表面１４ａに、アゾポリマーの異性化を誘起する所定波長の光を所定の強度分布で照射することにより、表面１４ａに所定形状の凹凸が形成される。
【００７１】
上記のアゾポリマー層１４を備えた記録媒体は、例えば、アゾポリマーのクロロホルム溶液を、洗浄した基体１２上にキャストし乾燥することにより作製することができる。また、アゾポリマー溶液を基体１２上にスピンコートしてアゾポリマー層１４を形成してもよい。また、フィルム状の基体１２を用いる場合は、基体１２にアゾポリマー材料をホットプレスにより接着してアゾポリマー層１４を形成することもできる。
【００７２】
上記の凹凸は、凹凸が形成される間隔（凹凸ピッチ）により、回折機能または屈折機能のいずれかを有する。回折機能について考察する場合、凹凸ピッチは格子間隔Λに相当する。入射光の波長をλ、媒体の屈折率をｎ、回折角（ホログラム記録の２光波交差角）をθとすると、格子間隔Λは下記式で与えられる。
【００７３】
【数１】
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【００７４】
例えば、入射光の波長λ＝６００ｎｍ、媒体（アゾポリマー）の屈折率ｎ＝１．５とすると、格子間隔Λが５μｍ以上では回折角θは０°〜７°と小さくなり、格子間隔Λが０．５μｍでは回折角θは９０°と大きくなる。即ち、凹凸ピッチがある程度広い場合には、回折角は小さく主に屈折による作用を有し、凹凸ピッチが狭くなるに従い、効果的な（回折角の大きい）回折機能を有するようになる。この通り、回折機能及び屈折機能の程度は、厳密には、入射光の波長λ、アゾポリマーの屈折率によっても多少変化するが、概略的には、凹凸ピッチが５〜１００μｍの間隔で形成された場合に、その凹凸は屈折機能を有し、凹凸ピッチが０．２〜５μｍの間隔で形成された場合に、その凹凸は回折機能を有すると考えて良い。また、上記の凹凸は、凹凸が形成される深さ（凹凸深さ）により、回折効率が変化する。前記の通り、凹凸深さが深くなるに従い０次光の発生が少なくなり、回折効率が向上する。
【００７５】
なお、凹凸ピッチは隣接する凸部と凸部との間隔であり、凹凸深さは最大凸部と最大凹部とのギャップである。これら凹凸ピッチ及び凹凸深さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による観察像から測定することができる。スペックルパターンのように凹凸ピッチが一定でない場合には、平均値または分散範囲を求めればよい。また、凹凸ピッチは上記の関係式に基づき、入射光の波長λ、アゾポリマーの屈折率ｎ、及び回折角θから求めることもできる。
【００７６】
〔第１の実施の形態〕
本実施の形態の光学素子は、アゾポリマー担体の表面に、レンチキュラーレンズとして機能する凹凸（第１凹凸）を形成し、この凹凸の表面にこの凹凸より狭い間隔で回折機能を有する凹凸（第２凹凸）を形成したものである。なお、レンチキュラーレンズは、図４（ａ）に示す構造を有している。
【００７７】
まず、図５に示すように、空間光変調器１６によりレンチキュラーレンズの形状に対応した明暗（図６に示す光強度分布）を有する光波１８を生成し、この光波１８をレンズ２０及び２２によってアゾポリマー担体１０の表面１０ａに結像させる。これにより、図７（ａ）に示すように、レンチキュラーレンズの作用を持つようにアゾポリマー担体１０の表面１０ａに凹凸２４が形成される。
【００７８】
図７（ａ）に示すように、この凹凸２４が形成されたアゾポリマー担体１０に、凹凸２４が形成された側から光（入射光）２６を入射させると、凹凸２４の屈折機能により拡散光２８を得ることができる。拡散光２８のビームプロファイルを図７（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すレンチキュラーレンズの拡散特性と略同じ拡散特性を有していることが分かる。
【００７９】
次に、図８に示すように、アゾポリマー担体１０の凹凸２４が形成された表面１０ａに、レーザ光を二光波に分岐し、それぞれ物体光３０及び参照光３２として照射する。物体光３０及び参照光３２は互いに逆周りの円偏光とする。これにより効率よく表面レリーフホログラムが記録されて、アゾポリマー担体１０の凹凸２４の表面に微細な凹凸が形成される。
【００８０】
表面レリーフホログラムを、入射光２６が入射した場合にプラス１次光３４、マイナス１次光３６、及び０次光３８を均等に回折するように設計しておくと、図９（ａ）に示すように、アゾポリマー担体１０に、凹凸２４が形成された側から入射光２６を入射させた場合に、３分岐の拡散光（プラス１次光３４、マイナス１次光３６、及び０次光３８）が生成され、図９（ｂ）に示す拡散角のビームを得ることができる。
【００８１】
以上の通り、本実施の形態の光学素子では、アゾポリマー担体の表面に形成された凹凸によりレンチキュラーレンズと同じ屈折効果が得られると共に、この凹凸の表面に形成された微細な凹凸により回折効果を得ることができる。また、屈折効果及び回折効果の両方が得られるので、用途に応じて複雑なビームプロファイルを得ることができる。更に、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表面に凹凸を形成することができ、光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
【００８２】
〔第２の実施の形態〕
本実施の形態の光学素子は、基体として屈折光学素子であるレンチキュラーレンズを用いると共に、レンチキュラーレンズの凹凸（第１凹凸）面にアゾポリマー層を形成し、更にこのアゾポリマー層の表面にレンズの凹凸より狭い間隔で回折機能を有する凹凸（第２凹凸）を形成したものである。
【００８３】
まず、図１０に示すように、石英のレンチキュラーレンズ１２Ａの凹凸面にアゾポリマーを均一にコートしてアゾポリマー層１４を形成する。アゾポリマー層１４はレンチキュラーレンズ１２Ａ表面の凹凸に沿って形成される。このレンチキュラーレンズは、図４（ａ）に示す構造を有しており、図４（ｂ）に示すように、入射光を半値全角が１０°となるように拡散させる。
【００８４】
次に、図１１に示すように、アゾポリマー層１４の表面１４ａに、レーザ光を二光波に分岐し、それぞれ物体光３０及び参照光３２として照射する。物体光３０及び参照光３２は互いに逆周りの円偏光とする。これにより効率よく表面レリーフホログラムが記録されて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに微細な凹凸が形成される。
【００８５】
表面レリーフホログラムを、入射光２６が入射した場合にプラス１次光３４、マイナス１次光３６、及び０次光３８を均等に回折するように設計しておくと、図１２（ａ）に示すように、アゾポリマー層１４に、凹凸２４が形成された側から入射光２６を入射させた場合に、３分岐の拡散光（プラス１次光３４、マイナス１次光３６、及び０次光３８）が生成され、図１２（ｂ）に示す拡散角のビームを得ることができる。
【００８６】
以上の通り、本実施の形態の光学素子では、レンチキュラーレンズにより屈折効果が得られると共に、アゾポリマー層の表面に形成された微細な凹凸により回折効果を得ることができる。また、屈折効果及び回折効果の両方が得られるので、用途に応じて複雑なビームプロファイルを得ることができる。更に、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表面に凹凸を形成することができ、光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
【００８７】
なお、上記では石英のレンチキュラーレンズを用いる例について説明したが、屈折光学素子としては、上記アゾポリマーを溶解する溶剤に不溶であれば、どのような媒質のものでも良く、その形状も球面、非球面、凹レンズ等どのような形でも良い。
【００８８】
〔第３の実施の形態〕
本実施の形態の光学素子は、基体として屈折光学素子であるレンチキュラーレンズを用いると共に、レンチキュラーレンズの凹凸（第１凹凸）面にアゾポリマー層を形成し、更にこのアゾポリマー層の表面にレンズの凹凸より狭い間隔で屈折機能を有する凹凸（第２凹凸）を形成したものである。
【００８９】
まず、第２の実施の形態と同様にして、石英のレンチキュラーレンズ１２Ａの凹凸面にアゾポリマーを均一にコートしてアゾポリマー層１４を形成する。アゾポリマー層１４はレンチキュラーレンズ１２Ａ表面の凹凸に沿って形成される。このレンチキュラーレンズは、図４（ａ）に示す構造を有しており、図４（ｂ）に示すように、入射光を半値全角が１０°となるように拡散させる。
【００９０】
次に、図１３に示すスペックル転写光学系を用いて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに拡散体からのスペックルパターンを転写する。即ち、光源４０からのレーザ光４２を１／４波長板４４により円偏光４６として拡散体４８に入射させ、拡散体４８の後方に出射される拡散光５０をアゾポリマー層１４の表面１４ａに照射する。これにより、図１４に示すように、アゾポリマー層１４にスペックルパターンに応じた凹凸５２が形成される。
【００９１】
図１５にこの光学素子の水平方向及び垂直方向の拡散特性を示す。ここで水平方向とはレンチキュラーレンズのシリンドリカル面が並ぶ方向であり、垂直方向とはこれに直交する方向である。スペックルパターン転写後の拡散特性を実線で示し、スペックルパターン転写前の拡散特性を点線で示す。図１５から分かるように、アゾポリマー層１４にスペックルパターンに応じた凹凸５２を形成した光学素子の方が拡散角度が大きく拡散特性に優れている。
【００９２】
以上の通り、本実施の形態の光学素子では、レンチキュラーレンズにより屈折効果が得られると共に、アゾポリマー層の表面に形成された微細な凹凸によっても屈折効果を得ることができ、素子の厚みを押さえつつ、より優れた屈折効果を得ることができる。また、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表面に凹凸を形成することができ、光学素子を簡便且つ安価に製造することができる。
【００９３】
なお、上記では石英のレンチキュラーレンズを用いる例について説明したが、第２の実施の形態と同様に、他の屈折光学素子を用いてもよい。
【００９４】
また、上記では拡散体から得られたスペックルパターンを転写する例について説明したが、計算機ホログラムまたはキノフォームに対応した強度分布の光を照射して、これらの強度分布に応じた凹凸を形成することもできる。計算機ホログラムとは、物体光と参照光とにより生じる干渉縞を計算し、計算結果に相当する強度分布の光で記録したホログラムである。計算機ホログラムについては、実施例において詳述する。キノフォームとは、強度や偏光方向ではなく、位相分布を記録したホログラムである。
【００９５】
［大量生産に適した製造方法］
次に、本発明の光学素子の複製物を大量生産する場合に好適な製造方法について説明する。本発明の光学素子は、上記の通り、アゾポリマー担体またはアゾポリマー層の表面に、屈折機能及び回折機能の少なくとも一方を有する所定形状の凹凸が形成されていることを特徴とするものである。従って、表面に形成された凹凸を転写することで、同じ凹凸形状を備えた光学素子を複製することができる。
【００９６】
例えば、任意の光パターンを照射してアゾポリマー担体またはアゾポリマー層の表面に所望形状の凹凸を誘起した光学素子を用い、コンパクトディスクの製造工程と同様にして、光学素子に金蒸着や無電解メッキにより導電処理を施し、ニッケルなどの電鋳を行うことにより、この光学素子のネガの金型（メタルマスタ）を作製できる。この金型に基づいて、アクリル、ポリカーネイト、ポリエステルなどの樹脂材料に、熱圧着や射出成形加工などによってパターンを転写して、複製物（光学素子）を得ることができる。
【００９７】
以下に、複製物の製造工程を説明する。まず、図１６（Ａ）に示すように、例えば、第１の実施の形態と同様にして、アゾポリマー担体１０の表面１０ａに凹凸２４が形成されると共に、凹凸２４の表面に微細な凹凸が形成された光学素子を作製する。次に、図１６（Ｂ）に示すように、この光学素子の凹凸２４及び微細な凹凸が形成された表面１０ａに、金を蒸着して薄膜メッキ層５４を形成する（マスタリング工程）。
【００９８】
次に、図１６（Ｃ）で、薄膜メッキ層５４上にニッケル電鋳により所定厚さのメタルマスタ５６を形成し、図１６（Ｄ）で、形成されたメタルマスタ５６を薄膜メッキ層５４から剥離する。図１６（Ｅ）で、この剥離したメタルマスタ５６上にニッケル電鋳によりマザー５８を形成し、図１７（Ａ）で、マザー５８をメタルマスタ５６から剥離する。図１７（Ｂ）で、剥離したマザー５８上にニッケル電鋳によりスタンパ６０を形成し、図１７（Ｃ）で、スタンパ６０をマザー５８から剥離して、スタンパ６０が完成する（スタンパ作製工程）。このスタンパ６０は、アゾポリマー担体１０の表面１０ａに形成された凹凸２４及び微細な凹凸に対応する凹凸を備えている。
【００９９】
次に、図１７（Ｄ）に示すように、このスタンパ６０を固定型６２及び移動型６４からなる射出成形機に取り付けて熱溶融したポリエステル樹脂６５を注入口（図示せず）から高圧力で注入して射出成形を行う。最後に、図１７（Ｅ）に示すように、射出成形機の温度が下がり、樹脂が硬化したところでポリエステル樹脂製の光学素子６６を取り出す。取り出された光学素子６６の表面６６ａには、アゾポリマー担体１０の表面１０ａに形成された凹凸２４及び微細な凹凸と同じ形状の凹凸が形成される（転写成形工程）。
【０１００】
上記の方法では、光学素子からスタンパを作製し、このスタンパを用いて熱圧着または射出成形で複製物を製造するので、複製物を大量に生産するのに適している。
【０１０１】
以上説明したように、本発明の光学素子は、アゾポリマーからなる高分子層の表面に形成された凹凸により、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。特に屈折効果に加えて回折効果を得る場合には、回折素子と屈折素子の両方の機能を兼ね備えるため、任意の形状のビームを得るのに有効であり、光バスシステム以外にも、結像光学素子、超解像レンズ、分光器、など多岐に渡る応用が期待できる。
【０１０２】
また、室温近傍、好ましくは室温より高温のガラス転移点を有するアゾポリマーを用いる場合には、高分子層の表面に十分な深さの凹凸を容易且つ安定に形成することができ、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【０１０３】
また、本発明の光学素子の製造方法によれば、光の干渉縞、スペックルパターン、計算機ホログラムなど任意の光パターンを照射することによって、複雑な凹凸を簡単に誘起することができ、簡便で安価に光学素子を作製することができる。更に、本発明の光学素子複製物の製造方法によれば、この光学素子をもとにスタンパを作製し、スタンパを用いて大量に複製物を製造することも可能である。また、得られた光学素子複製物によれば、本発明の光学素子と同様に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる。
【０１０４】
なお、上記では、レンズ等の屈折光学素子に、屈折機能を有する凹凸や回折機能を有する凹凸を設ける例について説明したが、偏光板、波長板、反射板等の他の光学素子に、屈折機能を有する凹凸や回折機能を有する凹凸を設けることもできる。
【０１０５】
【実施例】
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例では、図１８及び図１９を参照して、特開平１０−２８２３７１号公報に開示されているような光データバス及び信号処理装置に使用する光拡散分岐素子として好適な光学素子を作製した例について説明する。
【０１０６】
アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（２））を用いた。このアゾポリマー（２）のガラス転移温度Ｔｇは２６．８℃であり本発明に好適である。透明ガラス基板１２Ｂに、このアゾポリマー（２）を１．５μｍの厚さで塗布して、アゾポリマー層１４を備えた記録媒体を作製した。
【０１０７】
図１８（ｂ）に示す光学系を用いて、空間光変調器１６により、水平方向に広がった光波（図１８（ａ）に示す光強度分布）を生成し、この光波をレンズ７０により集光しながら、物体光３０としてアゾポリマー層１４の表面１４ａに照射すると共に、ビームスプリッタ７２によって平行の参照光３２を同時に照射した。物体光３０及び参照光３２は互いに逆周りの円偏光に設定した。これにより効率よく表面レリーフホログラムが記録されて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに微細な凹凸が形成される。凹凸のピッチは０．８〜２．０μｍであった。
【０１０８】
図１９に表面１４ａの状態を拡大して示す。図１９に示すように、十分な露光エネルギーで記録することにより、凹凸の深さが１μｍ以上の表面レリーフホログラムが誘起された。その結果、得られた光学素子に光を入射させると、殆ど０次回折光が現れず、図１８（ａ）に示す光強度分布の拡散光を得ることができた。従って、この光学素子は上述の光データバス用の光拡散分岐素子として好適である。
【０１０９】
（実施例２）
本実施例では、図２０〜図２２を参照して、特開平１０−２８２３７１号公報に開示されているような光データバス及び信号処理装置に好適に使用される光拡散分岐素子とその作製方法とについて説明する。
【０１１０】
アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（３））を用いた。このアゾポリマー（３）のガラス転移温度Ｔｇは４８．５℃であり本発明に好適である。透明ガラス基板１２Ｂに、このアゾポリマー（３）を８．０μｍの厚さで塗布して、アゾポリマー層１４を備えた記録媒体を作製した。
【０１１１】
図２０は、アゾポリマー層の表面に５〜１００μｍの範囲でランダムなピッチのレンチキュラーレンズを誘起するための光強度分布である。図５に示す光学系を用いて、図２０に示す光強度分布の光波を生成し、アゾポリマー層の表面に照射した。このときの光波は円偏光に設定した。これにより上記レンチキュラーレンズの作用を持つように、アゾポリマー層の表面に凹凸が形成される。
【０１１２】
図２１にアゾポリマー層の表面状態を凹凸深さにより示す。十分な露光エネルギーで記録することにより、図２１に示すように、凹凸深さが最大１．２μｍの表面レリーフホログラムが誘起された。
【０１１３】
図２２にこの光学素子の水平方向及び垂直方向の拡散特性を示す。図２２から分かるように、水平方向に０次透過光はなく、均一にビームが拡散している。一方、垂直方向にビームは広がらないことから、この光学素子は良好な非等方拡散を示した。即ち、本実施例では、表面に任意の凹凸形状を備えた屈折光学素子を容易に作製することができ、所望の拡散特性を得ることができる。
【０１１４】
（実施例３）
本実施例では、アゾポリマー層の表面に拡散体からスペックルパターンを転写して凹凸を形成し、光学素子を作製した例について説明する。
【０１１５】
コヒーレント光を拡散体に透過させて拡散体の後方に生じるスペックルパターンを体積ホログラム記録した場合、そのホログラム自体が拡散特性を示すことが知られている。例えば、特開平４−２９９３０３号公報には、この効果を利用して屈折率がゆるやかに変化する拡散境界が記録されたホログラム拡散体が開示されている。これに対し、本実施例では、屈折率変化ではなく、スペックルパターンを直接アゾポリマー層の表面に凹凸として記録する方法について説明する。
【０１１６】
アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（５））を用いた。このアゾポリマー（５）のガラス転移温度Ｔｇは３７．８℃であり本発明に好適である。透明ガラス基板１２Ｂに、このアゾポリマー（５）を３．０μｍの厚さで塗布して、アゾポリマー層１４を備えた記録媒体を作製した。
【０１１７】
次に、図２３に示すスペックル転写光学系を用いて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに拡散体からのスペックルパターンを転写する。即ち、光源４０としてアルゴンイオンレーザの発振線４８８ｎｍを用い、光源４０からのレーザ光４２を１／４波長板４４により円偏光４６として拡散体４８に入射させた。拡散体４８としては楕円の拡散光を生成する非等方拡散体を用いた。拡散体４８の５ｍｍ後方に記録媒体を配置し、拡散体４８から出射される拡散光５０をアゾポリマー層１４の表面１４ａに照射した。アゾポリマー層１４に凹凸が十分に誘起されるように、光強度２．２Ｗ／ｃｍ2のスペックルパターンを８時間照射した。これによりアゾポリマー層１４の表面１４ａにスペックルパターンに応じた凹凸が形成された光学素子（拡散体）が得られた。
【０１１８】
図２４にアゾポリマー層１４の表面１４ａに誘起された凹凸パターンをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって観察した結果を示す。凹凸深さの最大値は１μｍ程度であり、凹凸のピッチは略５μｍ〜１００μｍの間を５０μｍを中心に分布した形状となった。このようにスペックルパターンが凹凸としてアゾポリマー層１４に転写された。
【０１１９】
次に、この拡散体の拡散特性を評価した。図２５にこの光学素子の水平方向及び垂直方向の拡散特性を示す。図２５から分かるように、アゾポリマー層１４の拡散は、０次透過光は無く非等方拡散であった。この光学素子の拡散特性は、表面に形成された凹凸による屈折効果によって生じるものである。
【０１２０】
このように本実施例では、屈折率分布ではなく表面の凹凸により屈折機能を有する光学素子（拡散体）を作製することができる。更に、この光学素子の凹凸を機械的に転写してスタンパを作製することができ、このスタンパを用いて同じ凹凸形状を備えた光学素子を大量生産することができる、というメリットを有する。
【０１２１】
（実施例４）
本実施例では、実施例２において作製された屈折型の光学素子に回折効果を付与するために、アゾポリマー層の表面に形成された凹凸の表面に更に微細な凹凸を形成し、光学素子を作製した例について説明する。
【０１２２】
光源としてはアルゴンイオンレーザの発振線４８８ｎｍを用い、実施例２で作製された光学素子のアゾポリマー層の凹凸が形成された表面に、レーザ光を二光波に分岐して物体光及び参照光として照射する。物体光及び参照光の偏光は１／４波長板によって互いに逆周りの円偏光とした。この偏光配置により効率よく表面レリーフホログラムを作製することができ、アゾポリマー層に形成された凹凸の表面に、凹凸のピッチが１μｍ以下、凹凸深さが２００ｎｍ以下の微細な凹凸を形成することができた。
【０１２３】
記録光（物体光及び参照光）の露光エネルギーを調節することで、プラス１次光、マイナス１次光、及び０次光を均等に回折するようした。これにより、図９（ａ）に示すように３分岐の拡散光が生成される。この場合の拡散光のビームプロファイルは図９（ｂ）に示す通りである。
【０１２４】
このように本実施例では、屈折機能を備える凹凸の表面に微細な凹凸を付加することにより、回折効果を付加することができる。また、本実施例の光学素子では、レンチキュラーレンズによる屈折効果とアゾポリマー層の表面に形成された微細な凹凸による回折効果の両方が得られるので、用途に応じて複雑なビームプロファイルを得ることができる。
【０１２５】
なお、実施例３において作製された屈折型の光学素子についても、同様の方法で回折効果を付与することができる。
【０１２６】
（実施例５）
本実施例では、図２６〜図２８を参照して、特開平１０−２８２３７１号公報に開示されているような光データバス及び信号処理装置に使用する光拡散分岐素子として好適な光学素子を作製した例について説明する。
【０１２７】
アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（６））を用いた。このアゾポリマー（６）のガラス転移温度Ｔｇは３３．１℃であり本発明に好適である。
【０１２８】
まず、アゾポリマー（６）のクロロホルム溶液をスピンコートによりレンチキュラーレンズ１２Ａの凹凸面に塗布した。このとき、アゾポリマー層１４の厚みは１μｍとした。アゾポリマー層１４はレンチキュラーレンズ１２Ａ表面の凹凸に沿って形成された。レンチキュラーレンズとしては、図４（ａ）に示す石英のレンチキュラーレンズを用いた。このレンズは、図４（ｂ）に示すように、入射光を半値全角が１０°拡散させる。また、レンチキュラーレンズの凹凸のピッチは１６６μｍであり、凹凸の深さは５０μｍである。
【０１２９】
次に、図４（ａ）に示す石英のレンチキュラーレンズの拡散角をトップハット状のビームに形成するために、図２７に示す光学系を用いて、表面レリーフホログラムを作製する。まず、空間光変調器１６により、図２６（ａ）に示す光強度分布の光波を生成した。この光波は、レンチキュラーレンズ１２Ａによる拡散光をトップハット状の光強度分布に変形するようにあらかじめ設計されている。
【０１３０】
生成した光波をレンズ７０により集光しながら物体光３０として照射すると共に、ビームスプリッタ７２によって平行の参照光３２を同時に照射した。物体光３０及び参照光３２は、略同軸でアゾポリマー層１４の表面１４ａとは反対側の表面１４ｂから入射した。物体光３０及び参照光３２は互いに逆周りの円偏光に設定した。また、レリーフホログラムの回折効率が略５０％となるように露光エネルギーを調整した。これにより表面レリーフホログラムが記録されて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに微細な凹凸が形成される。凹凸のピッチは０．５〜２．０μｍであり、凹凸の深さは２００ｎｍ以下であった。
【０１３１】
次に、アゾポリマー層１４の表面１４ａ側から光を入射させ、ホログラムを再生した。即ち、入射した光のうち半分の光は表面レリーフホログラムにより回折され、その後レンチキュラーレンズにより屈折されて拡散した。また、ホログラムにより回折されない残りの半分の光は、そのままレンチキュラーレンズによって拡散された。図２８に示すように、結果として、この二つの拡散光が合わさることによりトップハット状の拡散光を得ることができた。
【０１３２】
このように本実施例では、半分の光を屈折光学素子によって拡散させ、かつ、残り半分の光はその拡散光を補うように回折光学素子で生成される。従って、上述の光データバス用の光拡散分岐素子として好適である。
【０１３３】
（実施例６）
本実施例では、アゾポリマー層の表面に計算機ホログラムを転写して凹凸を形成し、光学素子を作製した例について説明する。
【０１３４】
まず、計算機ホログラムについて説明する。原理的には、計算機ホログラムの入力面での光の複素振幅、即ち位相と実振幅の両方を決めると、計算機ホログラムの出力面での複素振幅を決めることができる。この２つの複素振幅の関係は、解析的な変換関係で記述でき、両者があまり接近していない場合にはフーリエ変換の関係にある。しかし、位相と振幅をともに変調する素子の実現は難しく、振幅のみ、位相のみを変調するのが普通である。位相あるいは振幅のみの変調では、所望の出力と計算機ホログラムとの間には一意的な関係が無く、探索的な最適化手法に頼らざるを得ない。
【０１３５】
最適化の手法としては、収束するまで繰り返しフーリエ変換を行うGerchberg-Saxton法、シュミレーッテッド・アニーリング法などのニューラルネットの手法を用いる方法、遺伝的アルゴリズムを用いる方法などがある。ここではシンプルなパターンでは比較的収束が速いGerchberg-Saxton法を用い、計算機ホログラムを算出した。
【０１３６】
図２９（ｂ）は、出力面での光強度分布であり、図２９（ａ）は、それを形成するための入力面での計算機ホログラムである。計算機ホログラムは入力面での位相分布を表しており、白い部分が位相差πに対応し、黒い部分が位相差−πに対応している。この例では、位相差パターンを図２９（ｂ）に示すような濃淡画像としてアゾポリマーに照射し、明るい部分で表面を誘起させる。この誘起されたレリーフ構造によって入射光の位相を変調する。従って、計算機ホログラムに対応する位相差に等しい凹凸を誘起する必要がある。
【０１３７】
この計算機ホログラムを、図５に示した光学系によってアゾポリマー担体１０の表面１０ａに縮小して結像した。アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（７））を用いた。このアゾポリマー（７）のガラス転移温度Ｔｇは３８℃であり本発明に好適である。凹凸の深さの最大値は１μｍ程度であり、凹凸の最小ピッチは１μｍ程度であった。
【０１３８】
このように計算機ホログラムが凹凸としてアゾポリマー担体に転写された。アゾポリマー担体の表面をＡＦＭによって観察した結果を図３２に示す。また、得られた光学素子に光を入射させ、その出射光を評価した結果を図３０に示す。図３０より、計算機ホログラムは４分岐に設計したにもかかわらず、出射光は０次回折光のある５分岐の光波となった。これは、位相差πに相当する凹凸がアゾポリマー担体の表面に誘起されなかったため１００％の回折効率が得られなかったことに起因する。
【０１３９】
次に、得られた光学素子にレンズ特性を持たせるために、図６に示したレンチキュラーレンズの形状に対応した明暗画像を、計算機ホログラムが凹凸として転写されたアゾポリマー担体の表面に照射した。このとき、図５に示した光学系を使用した。これによってレンチキュラーレンズの作用を持つようにアゾポリマーに凹凸を誘起した。凹凸のピッチは１０μｍであった。得られた光学素子に光を入射させると、図３１に示すモードプロファイルの５分岐の拡散光を得ることができた。
【０１４０】
（実施例７）
本実施例では、実施例３、実施例６で作製した光学素子を用いて、光学素子を複製するためのメタルマスタを作製した例について説明する。
【０１４１】
光学素子の凹凸が形成された表面（正確にはアゾポリマー層またはアゾポリマー担体の表面）に、蒸着あるいは無電解メッキによって導電性処理を施す。次に、ニッケル電鋳などにより光学素子のネガの金型であるメタルマスタを作製することができる。凹凸が精密に転写されたメタルマスタを得ることができれば、後はこのメタルマスタを用いてスタンパを作製し、このスタンパを用いて、アクリル、ポリカーネイト、ポリエステルなどの樹脂材料に、熱圧着や射出成形加工などによって凹凸パターンを転写することにより、容易に複製物を得ることができる。
【０１４２】
図３３（ａ）及び（ｂ）は、実施例３で得られた光学素子を用いて作製したメタルマスタ表面のＡＦＭ像である。凹凸が誘起されたアゾポリマー層の表面に無電解メッキを施し、その後ニッケル電鋳により金型であるメタルマスタを作製した。図３３（ａ）及び（ｂ）と図２４とを比較することにより、アゾポリマー層の表面形状が正確にメタルマスタに転写されていることがわかる。
【０１４３】
図３４（ａ）及び（ｃ）は、実施例６で得られた光学素子のアゾポリマー層表面のＡＦＭ像であり、図３４（ｂ）及び（ｄ）は、これを用いて作製したメタルマスタ表面のＡＦＭ像である。凹凸が誘起されたアゾポリマー層の表面に金蒸着を施し、その後ニッケル電鋳によりメタルマスタを作製した。図３４（ａ）〜（ｄ）より、アゾポリマー層の表面形状が正確にメタルマスタに転写されていることがわかる。
【０１４４】
従って、このメタルマスタを用いて上記の方法で光学素子を製造することにより、複雑な凹凸を備えた光学素子であっても、その複製を簡便かつ低コストに大量生産することができる。
【０１４５】
（実施例８）
本実施例では、レンチキュラーレンズの表面に形成されたアゾポリマー層の表面に拡散体からのスペックルパターンを転写して凹凸を形成し光学素子を作製した例について説明する。
【０１４６】
アゾポリマーとしては、側鎖にシアノアゾベンゼンを持つポリエステル（例示化合物：アゾポリマー（４））を用いた。このアゾポリマー（４）のガラス転移温度Ｔｇは４８．５℃であり本発明に好適である。
【０１４７】
まず、アゾポリマー（４）のクロロホルム溶液をスピンコートによりレンチキュラーレンズ１２Ａの凹凸面に塗布し、厚さ３μｍのアゾポリマー層１４を形成した。アゾポリマー層１４はレンチキュラーレンズ１２Ａ表面の凹凸に沿って形成された。レンチキュラーレンズとしては、図４（ａ）に示す石英のレンチキュラーレンズを用いた。このレンズは、図４（ｂ）に示すように、入射光を半値全角が１０°拡散させる。また、レンチキュラーレンズの凹凸のピッチは１６６μｍである。
【０１４８】
次に、図１３に示すスペックル転写光学系を用いて、アゾポリマー層１４の表面１４ａに拡散体からのスペックルパターンを転写する。即ち、光源としてアルゴンイオンレーザの発振線４８８ｎｍを用い、光源４０からのレーザ光４２を１／４波長板４４により円偏光４６として拡散体４８に入射させた。拡散体４８としては楕円の拡散光を生成する非等方拡散体を用いた。拡散体４８の５ｍｍ後方にアゾポリマー層１４を備えた記録媒体を配置し、拡散体４８の後方に出射される拡散光５０をアゾポリマー層１４の表面１４ａに照射した。アゾポリマー層１４の表面１４ａに凹凸が十分に誘起されるように、光強度２．２Ｗ／ｃｍ2のスペックルパターンを８時間照射した。これにより、図１４に示すように、アゾポリマー層１４にスペックルパターンに応じた凹凸５２が形成された光学素子（拡散体）が得られた。なお、凹凸５２の凹凸深さの最大値は１μｍ程度であり、凹凸ピッチは略５μｍ〜１００μｍの範囲に５０μｍを中心に分布した形状となった。
【０１４９】
図１５にこの光学素子の水平方向及び垂直方向の拡散特性を示す。スペックルパターン転写後の拡散特性を実線で示し、スペックルパターン転写前の拡散特性を点線で示す。図１５から分かるように、アゾポリマー層１４にスペックルパターンに応じた凹凸５２を形成した光学素子の方が拡散特性に優れている。即ち、アゾポリマー層１４の表面に形成された凹凸５２による２次的な屈折効果により拡散特性が向上した。
【０１５０】
また、本実施例では、屈折率分布ではなく表面の凹凸による拡散素子を作製することができる。従って、この光学素子表面の凹凸を機械的に転写してネガのマスター拡散体を作製し、このマスター拡散体に基づいて複製物を大量生産することができる、というメリットがある。
【０１５１】
【発明の効果】
本発明の光学素子は、アゾベンゼン骨格を有する高分子層を備えることで（所定範囲のガラス点移転を有する高分子材料を用いた場合）、表面に十分な深さの凹凸（レリーフ構造）を形成することにより、設計の自由度が向上すると共に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる、という効果を奏する。
【０１５２】
本発明の光学素子の製造方法は、任意の光パターンを照射して表面に所望形状の凹凸を誘起することにより、表面に凹凸が形成された光学素子を簡便且つ安価に製造することができる、という効果を奏する。
【０１５３】
本発明の光学素子（複製物）の製造方法は、表面に凹凸が形成された光学素子を用いてスタンパを作製するので、同じ表面形状の光学素子を容易に複製でき、大量生産が可能になる、という効果を奏する。また、得られた光学素子の複製物は、本発明の光学素子と同様に、優れた屈折効果及び／または優れた回折効果を得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】例示化合物のＤＳＣ曲線を示す線図である。
【図２】レリーフ深さと露光エネルギーとの関係を示す線図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の光学素子の積層構成を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）はレンチキュラーレンズの構造を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すレンズの拡散特性を示す線図である。
【図５】第１の実施の形態に係る光学素子の製造工程における露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
【図６】レンチキュラーレンズの形状に対応した光強度分布を示す図である。
【図７】（ａ）は第１の実施の形態に係る光学素子の製造工程において粗い凹凸が形成された段階を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光学素子の拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図８】第１の実施の形態に係る光学素子の製造工程において微細な凹凸が形成された段階を示す概略断面図である。
【図９】（ａ）は第１の実施の形態に係る光学素子から射出される拡散光を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る光学素子の製造工程においてレンズの凹凸面に高分子層が形成された段階を示す概略断面図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る光学素子の製造工程において高分子層に微細な凹凸が形成された段階を示す概略断面図である。
【図１２】（ａ）は第２の実施の形態に係る光学素子から射出される拡散光を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図１３】第３の実施の形態に係る光学素子の製造工程における露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
【図１４】第３の実施の形態に係る光学素子の製造工程において高分子層に微細な凹凸が形成された段階を示す概略断面図である。
【図１５】第３の実施の形態に係る光学素子の拡散特性を示す線図である。
【図１６】（Ａ）〜（Ｅ）は光学素子の製造工程を示す部分断面図である。
【図１７】（Ａ）〜（Ｅ）は光学素子の製造工程を示す部分断面図である。
【図１８】（ａ）は実施例１で用いる光強度分布を示す図であり、（ｂ）は実施例１の光学素子の製造工程における露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
【図１９】実施例１の光学素子の表面状態を示す拡大図である。
【図２０】実施例２で用いるランダムなピッチのレンチキュラーレンズの形状に対応した光強度分布を示す図である。
【図２１】実施例２の光学素子の表面状態を示す線図である。
【図２２】実施例２の光学素子の拡散特性を示す線図である。
【図２３】実施例３の光学素子の製造工程におけるスペックル転写光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
【図２４】実施例３の光学素子の表面状態をＡＦＭで観察した様子を示す斜視図である。
【図２５】実施例３の光学素子の拡散特性を示す線図である。
【図２６】（ａ）は実施例５で用いる光強度分布を示す図であり、（ｂ）は実施例５の光学素子の拡散特性を示す線図である。
【図２７】実施例５の光学素子の製造工程における露光光学系を示す光軸に沿った概略断面図である。
【図２８】実施例５の光学素子から射出される拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図２９】（ａ）は実施例６の光学素子の入力面での計算機ホログラムであり、（ｂ）は出力面での光強度分布である。
【図３０】実施例６の光学素子から射出される拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図３１】実施例６の光学素子（レンズ特性付与）から射出される拡散光のビームプロファイルを示す線図である。
【図３２】実施例６の光学素子の表面状態をＡＦＭで観察した様子を示す図である。
【図３３】（ａ）は実施例３の光学素子を用いて作製したメタルマスタの表面状態をＡＦＭで観察した様子を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のスケールに沿った部分断面図である。
【図３４】（ａ）は実施例６の光学素子の表面状態をＡＦＭで観察した様子を示す斜視図、（ｂ）は実施例６の光学素子を用いて作製したメタルマスタの表面状態をＡＦＭで観察した様子を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）のスケールに沿った部分断面図、（ｄ）は（ｂ）のスケールに沿った部分断面図である。
【図３５】（ａ）及び（ｂ）は、光データバスの従来技術を示す図であり、（ｃ）は光データバスの屈折光学素子に代えて回折光学素子を取り付けた場合の図である。
【符号の説明】
１０  アゾポリマー担体
１０ａ  表面
１２  基体
１２Ａ  レンチキュラーレンズ
１４  アゾポリマー層
１４ａ  表面
１６  空間光変調器
１８  光波
２０，２２  レンズ
２４  凹凸
２６  光（入射光）
２８  拡散光
３０  物体光
３２  参照光
３４  プラス１次光
３６  マイナス１次光
３８  ０次光
４０  光源
４４  １／４波長板
４６  円偏光
４８  拡散体
５０  拡散光
５２  凹凸
５６  メタルマスタ
５８  マザー
６０  スタンパ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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