構造性複屈折を用いた広帯域 1/4 波長板の最適設計
Optimum Design of Wide-band Quarter Wave Plates (QWPs) Utilizing Form Birefringence

今榮真紀子＊Imae, Makiko

宮越博

史＊

Miyakoshi, Hiroshi

要旨
1/4波長板は，光ピックアップの主要な光学部品のひと増田修＊

Masuda, Osamu

古田

和

三＊

Furuta, Kazumi

１ はじめにつである。青色光を利用する次世代光ディスクの登場に1/4波長板は，通過する光のTE−TM偏波の間に1/4波長より，DVD，CDとの３波長互換の波長板が求められてい＝ 90˚の位相差を生じさせ，直線偏光を円偏光に，円偏光る。今回我々は，構造性複屈折を利用して広帯域1/4波長を直線偏光に変換する光学素子である。現在，波長板と板の実現を目指した。

して液晶や位相差フィルム，水晶波長板が多く使われて構造性複屈折は，サブ波長オーダーの周期構造によりいる。一般的な波長板は，特定の波長に対して作製され発現する。この周期構造の寸法選択により，光学性能をる。言い換えれば，ある波長のために作製された1/4波長制御できる。そこで我々は，広い波長帯域で一定の位相板は，他の波長では1/4波長板として機能しない。広範囲差特性を持ち，且つ高透過率を両立できる構造設計手法

にわたる波長帯域において一定の性能を保つことのできを開発した。設計においては，光学性能のみならず加工る波長板は，複数波長の光を使用する分野で有効なデバ容易性も考慮した。

イスとなる。

その結果，すべての目標性能を満たし，加えて高い加サブ波長オーダーの周期構造により発現する構造性複工性が期待できる最適設計解を導くことができた。さら屈折を利用した波長板は，ある波長帯域に対してアクロに我々の持つナノインプリント技術を用いて，実際に所マチックな位相差性能を持たせることができる１）。有効媒望の広帯域1/4波長板が作製可能であることを確認した。

質理論（Effective Medium Theory; EMT）で言えば，光の波長より短いピッチを持つ構造は，周期を持つ方向とAbstract

持たない方向で異なる有効屈折率 nTE，nTM を持ち，あたQuarter wave plates (QWPs) are one of the principal

かも複屈折材料であるかのように振舞う。この有効屈折

components of an optical pickup. Soon, QWPs will have率差により各偏波方向の光の伝播速度に差ができるた

to accommodate not only the different wavelengths utilized

め，通過する光が位相差を生じる。こうして波長板としby CDs and DVDs, but also the blue laser light of next-ての機能を発現する。

generation optical disks. This paper reports the develop-

構造性複屈折波長板は，複屈折が材料のみに依存してment of wide-band QWPs which utilize form birefringence

いた従来の波長板と異なり，サブ波長構造の寸法選択でto provide that capability.

複屈折の大きさを制御できるという特徴を持つ。例えばForm birefringence is induced by subwavelength periodic structures, allowing optical performance to be controlled through the selection of periodic structural dimensions. Recognizing this, we developed a systematized

Fig.１に示すサブ波長構造（SubWavelength Structure;SWS）の有効屈折率 nTE，nTM を

nTE =｛ f・n1exp2＋（1−f ）・n2 exp2 ｝exp（1/2）
1nTM =｛ f・n1exp（−2）＋（1−f ）・n2 exp（−2）｝exp（−1/2）2

structure design method that obtains both constant retardation properties and high transmittance with wide-band
QWPs.
Because both optical performance and feasibility of fabrication were targeted, an optimum design has beenachieved that satisfies target performance and provides
high productivity, including the confirmed feasibility of using nanoimprint lithography to fabricate these wide-band
QWPs.
＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱デバイス技術研究所 ナノ加工開発室

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Fig.1 Schematic of subwavelength structure (SWS) model

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と見積もることができる。さらに入射光の波長λに対して位相差δが３．２

設計パラメータ

構造性複屈折波長板の性能を決める主なパラメータを
3・Ｈ＝λ/4
δ=（nTE−nTM ）を満たす構造高さＨを選ぶことで，1/4波長板となる２）。
今回我々は，光ピックアップの小型化・低コスト化の以下に示す。
・ 波長（λ）
・ 波長λにおける屈折率（n1λ，n2λ）ために，次世代光ディスク，DVD，CDの３波長（405nm，・ ピッチ（P）650nm，780nm）をカバーする広帯域1/4波長板の構造設

・ フィリングファクター（ f ）計検討を行った。これだけ広範囲の波長帯域で一定の位・ 高さ（Ｈ）相差性能を発現する構造性複屈折波長板の設計先例は少今回は，n1＝１（Air），n2≒1.55（ポリオレフィン系樹脂）ない。

を用いることにした。波長帯域は前述した通り，405nm〜

またピッチ寸法が光の波長に対して十分小さくない場780nmである。よって，ピッチP，フィリングファクター f ，合，構造により回折光が発生してしまう。このため，ど高さＨの３つのパラメータから波長板性能が決定される。の寸法でも必ず高い透過率を得られるわけではない。この透過率低下は光学部品として無視できない大きさであり，透過率を考慮した設計が必要となる。

３．３

２枚構成

3式で位相差δが高さHにおおよそ比例することを示し加えて，これまで構造性複屈折を利用した光学素子のた。RCWAで計算してみると，位相差δが90˚得られる広製品化例が少なかった理由は，構造が微細なため加工が帯域波長板を得るためには，構造高さHが2000nm以上，非常に難しいことにあった。そこで，我々の持つナノイアスペクト比10程度の構造が必要となる。この寸法の構ンプリント技術での加工性を視野に入れた設計を目指す。

造を加工することは、ナノインプリント技術を用いても以上，今回我々は前述したすべてを適えることを目標
として広帯域1/4波長板の設計検討を行った。

困難である。
そこで我々は，Fig.２に示すように２枚貼り合わせ構成で波長板を作製することにした。

２ 理論解析手法
設計に先立ち，構造性複屈折波長板の光波の振る舞いを知るための理論解析手法について述べる。
周期構造を持つ回折光学素子の特性を知るために，多くの場合，計算が容易で計算時間を短縮できるという理由から，光波の振動方向を考えずスカラー量として扱うスカラー回折理論が用いられている。しかし今回作製するサブ波長構造のように，ピッチが波長程度に小さい場
合，スカラー理論ではその特性を正確に知ることができFig.2 Two-piece composition wave plate

なくなる３）。そのため，光波をベクトル的に扱うベクトル回折理論を用いなければならない。そこで今回は，ベク

この構成は１枚あたりの高さH を半分程度にできるた

トル回折理論の中でも，電場と磁場の振る舞いを一切のめ，ナノインプリントでの加工性や生産性の向上が期待近似を行わずに厳密解として求めることができる厳密結できる。今回我々が開発したのは，構造寸法が同じで，合波解析（Rigorous Coupled Wave Analysis；以降，１枚あたりの位相差が45˚以上の素子を２枚組み合わせるRCWAと略記する）を用いて波長板設計を行った。

方法である。この２枚の波長板を光学軸が非平行になるように配置することで，位相差を90˚に合わせ込む。詳細３ 設計背景

な原理説明は主題から逸れるので割愛するが，こうすれ３．１

さらに素子単体の性能を評価してから主軸をずらす角度

ば型が１種類で済むため生産コスト的にも有利となる。

目標性能

目指す広帯域1/4波長板の目標性能をTable １に示す。
Table 1 Target performance of QWP

を最適に決定すれば，加工による寸法誤差から生じる性能ずれを調整することができる。この光学軸方向ずらし配置の採用により，２枚の位相差の合計が90˚になる設計解を探す必要がなくなり，設計自由度は大幅に向上した。
以上の背景を踏まえ，実際に行った設計検討について次節で述べる。

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４ 設計手法
前節３．１に透過率と位相差の目標性能をあげたが，F i g . ３中の数式で示すように，透過率，位相差ともにRCWAシミュレーションからアウトプットされる電場ベクトルの値から計算できる。それぞれの性能を，横軸を構造高さＨとしてプロットした場合，Fig.３（a）のようにTE透過率とTM透過率のピークがちょうど重なり合うとき，位相差は高さＨ変化に対して一定の性能をとるようになる。これは，加工時に発生する高さ寸法誤差に対して強い設計と言え，特に今回のように成形性の制御が難しい素子を作製する場合には考慮しておかなければならないポイントである。
一方，Fig.３（b），（c）のようにTE−TM透過率のピーク位置がずれているとき，位相差性能は下に凸もしくは上に凸の挙動を示す。

Fig.4 Transmission vs. structural height of SWS
calculated via RCWA

TM平均透過率は最も高くなる。Fig.４の上図からわかる
ように，TEとTMの透過率の変動の挙動は異なっている。これを制御するためには，ピッチＰかフィリングファクター f を操作すればよい。この関係をFig.５に示す。

Fig.3 Relationship between transmission and retardation

以上に述べたように，透過率と位相差性能は独立ではなく，それぞれの目標性能を両立させた設計を行うのはFig.5 Pitch and filling factor dependency of transmission
fluctuation (P1<P2 or f1< f2)

容易ではないことがわかる。

Ｐ or f の変化に対する感度はTEとTMで異なるため，①透過率の目標を満たすための設計手法
構造高さに対する透過率性能のRCWAシミュレーション位置を合わせ込める。実際にＰと f を変え，ピークを合結果をFig.４に示す。
波長650nm，780nmではほぼ均一に高い透過率となるのに対し，波長405nmでは波打ち，透過率が大きく変動していることがわかる。本論文において我々はこれを率の変動寸法パラメータを最適に選択すれば，それぞれのピークわせ込んだ設計例をFig.６に示す。Target付近でのTE−TM平均透過率は，92.7％から 97.0％へと向上した。

透過と呼ぶことにする。

ここで，前節３．３で述べたように，今回作製する波長板は１枚で位相差が45˚以上得られなければならない。
これを踏まえると，Fig.４のδ（λ405nm）のプロットから，高さＨは少なくとも1000nm以上必要となることがわかる。そこで我々は，必要な位相差が得られ，且つ高さHをな る べ く 低 く で き る 設 計 解 を 目 指 す べ く ， 図中に「Target」と示したピーク部分に狙いを絞り，更なる透過率向上の検討を行った。
TE，TMそれぞれの透過率のピークが重なる時，TE−64

Fig.6 Transmission vs. structural height of SWS
after optimization calculated via RCWA

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②位相差広帯域性の目標を満たすための設計手法を近づける。 位相差の変動 はピッチＰで制御できる。

位相差性能のフィリングファクター依存性をFig.７に示

この関係をFig.10に示す。

す。

Fig.7 Filling factor dependency of retardationcalculated via RCWA

Fig.9 Filling factor dependency of retardation
fluctuation ( f1< f2)

このグラフより，短波長ほど大きい位相差を生じることがわかる。また，フィリングファクター f ＞0.6の領域で３波長の位相差量が近づく，つまり位相差広帯域性が良くなることがわかる。ただし加工の難しさから f ＜0.8と制限される。
透過率向上検討と同じように，横軸を構造高さにして位相差性能をプロットしたものをFig.８に示す。
Fig.10 Pitch dependency of retardation fluctuation (P1<P2)

Ｐと f の制御にて位相差の広帯域性を向上させた設計
例をFig.11に示す。この操作により，Target付近で波長405nmと780nmの間で17˚あった位相差バラツキを，9˚まで小さくすることができた。

Fig.8 Retardation vs. structural height of SWS
calculated via RCWA

透過率と同様に，位相差も構造高さの変化に伴い変動しながら増加していくことがわかる。この位相差の変動 は特に波長405nmで顕著に表れる。ここで，広帯域性を向上させるには２つの方法がある。第一に，フィリン
グファクターfの制御により，構造高さに伴う位相差変化量を変える方法である。波長が短いほどこの効果は大きいため， f を最適に制御すればそれぞれの波長の位相差

Fig.11 Retardation vs. structural height of SWS
after optimization calculated via RCWA

近似線を近づけることができる。この関係をFig.９に示す。

以上に目標性能を満たすための設計手法を示したが，第二は， 位相差の変動 を利用する方法である。前述

先に述べたように透過率と位相差は独立ではない。つましたように，変動が大きいということは加工による寸法り，透過率か位相差のどちらかを制御しようとしてある誤差が生じたときの性能変化が大きくなってしまうと言寸法パラメータを変えると，同時にもう一方の性能も変え，本来は小さくすべきである。しかしここでは意図的わってしまう。よって，①→②の操作を１度行っただけにでは最適設計解に導けず，これを何度も繰り返し，徐々位相差の変動を大きくし，各波長で生じる位相差

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に最適解へ収束させていかなければならない。
複数のトレードオフを考慮して導いた最適設計解を次節に示す。

５ 設計解及び素子作製結果
５．１

設計解

最適設計した２枚構成波長板の特性をTable ２に示す。
Fig.13 Fabrication process

位相差δは，波長405nmにおいてδ=90˚の位相差となるよ
うに２枚の素子の光学軸角度を調整した場合の各波長の位相差を示す。透過率と位相差広帯域性ともに，目標性能を満たしている。

離型動作を精密に制御することで，Fig.14のとおり良好な転写ができた。
加工した素子を２枚貼り合わせ，広帯域1/4波長板を作

Table 2 Design performance of QWP calculated via RCWA製した。

また，構造寸法を基にしてナノインプリントの加工容易性を表したグラフ上に，選定した設計解をプロットし(a) Contour viewたものをFig.12に示す。このグラフより，ナノインプリン

Fig.14 SEM images of nanoimprint fabricated SWS(b) Detailed view

トでの加工性が高い設計解を選定できていることがわかる。

５．３

光学評価

作製した波長板の光学評価結果をFig.15に示す。透過率Ｔ及び位相差δに関する実測性能は，RCWAから導いた設計性能と非常に良い一致となっている。この結果は，ほぼ設計寸法通りのサブ波長構造を持つ波長板が作製できていることを示す。

Fig.12 Feasibility of fabricating SWS using
nanoimprint lithography

５．２(a) Transmission

素子作製

Fig.13に素子作製のプロセスを示す。サブ波長構造はφ４mmの領域に加工した。
モールドはSi製で，電子線描画，ドライエッチング加工により製作した。金型の溝部側壁は，充填性，離型性向上のため平滑に仕上げた。
樹脂への転写は，超微細構造の型転写技術として高い生産性が期待できるナノインプリント技術で行った。熱式インプリント法の基本プロセスは，樹脂基材を把持し，Si型を樹脂のガラス転移点（Tg）以上に加熱，金型を所望の圧力で樹脂にプレスしたのち冷却，離型する４）。

66(b) Retardation
Fig.15 Measured and RCWA design values

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.3（2006）６ まとめ構造性複屈折を利用した1/4波長板の設計において，寸法パラメータと波長板性能の関係を体系化した最適設計手法を開発した。結果，位相差の広帯域性と高透過率を両立し，且つ高い加工性が期待できる設計解を導くことができた。
加えて，設計した最適設計解を基に実際に波長板作製を行い，その実測光学性能が設計性能と良い一致を示すことを確認した。これは，我々のナノインプリント技術を用いて広帯域1/4波長板が実現できたことを意味する。
今回開発した設計手法は，次世代光ディスク，DVD，CDの３波長をカバーする広帯域1/4波長板以外の光学素子設計にも応用できる。また設計時間の短縮にも大いに寄与するものと考えられる。今後，波長板作製へ向けて開発してきた我々の微細加工技術を生かし，他製品への応用を目指してゆく。
●参考文献
１）H.Kikuta, Y.Ohira and K.Iwata, Appl. Opt., 36（7）1556 − 1572
（1997）
２）市川裕之， 日本光学会主催 第 29 回冬季講習会 回折光学素子の設計・作製技術 ，2003，P.105− 117３）高木康博， 日本光学会主催 第 29 回冬季講習会 回折光学素子の設計・作製技術 ，2003，P.73− 89４）宮越博史他，KONICA MINOLTA Tech. Rep., Vol. 2，97 − 100（2005）KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.3（2006）

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