レリーフ型回折光学素子とその製造方法
【課題】赤外、近赤外、および可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高い屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供する。
【解決手段】 レリーフ型回折光学素子は、光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有し、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴としている。なお、そのダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することが好ましい。
【解決手段】 レリーフ型回折光学素子は、光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有し、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴としている。なお、そのダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用され得る回折光学素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学素子が使用されている。現在実用化されているほとんどの光学素子は、レンズ、プリズム、ミラーなどのように光の屈折や反射を利用している。しかし、近年では光の回折を利用する回折光学素子に対する関心が非常に高まってきており、そのような回折光学素子は種々の光学用途に適用され得る（例えば、非特許文献１の「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁参照）。
【０００３】
回折光学素子はレリーフ型と屈折率変調型に大別されるが、現在ではレリーフ型回折光学素子の方が広く用いられている。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と相対的に小さな厚さを有する局所的領域とが所定のパターンで配列されたレリーフ構造を有している。相対的に大きな厚さを有する局所的領域（凸部）の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域（凹部）の大気を通過する光との間には、媒質と大気との屈折率差に起因して光路差が生じる。この光路差に基づいて生じた光の位相差に起因して、回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィやエッチングなどのプロセスを施して形成することができ、波長フィルタ、偏光分離素子、ビームホモジナイザ、光の集束または発散の機能を有する回折レンズ、ビーム整形素子、反射防止膜、ミラーなどに利用され得る。
【０００４】
レリーフ型回折光学素子に用いられる材料は、回折させるべき光の波長に関して透光性であることが必要不可欠である。また、前述のように屈折率差による光路差を利用して回折を生じさせる原理からして、レリーフ型回折光学素子に用いられる材料は、屈折率が大気の値（１．０）に比べてできるだけ高いことが好ましい。さらに、レリーフ型回折光学素子が機能するためには、回折させるべき光の波長の数分の一から数倍程度の寸法の表面凹凸構造が必要である。したがって、レリーフ型回折光学素子を形成するための材料としては、微細加工または微細構造の作製に適していることも不可欠である。以上のような条件を満足して実際に用いられている材料としては、前述の石英のほかに、ＢＫ７などの光学用ガラス材料、フォトレジストのような種々の光学用樹脂などが知られている。
【非特許文献１】「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁
【特許文献１】米国特許第５，６５２，６８１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６２５，４９９号明細書
【特許文献３】国際公開第０１／２０３７２号パンフレット
【特許文献４】特開２００６−３６６１１号公報
【特許文献５】国際公開第２００７／０２９５２２号パンフレット
【特許文献６】特開２００２−２４１１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のような種々の慣用的光学材料の多くは、可視領域、近赤外領域、および赤外領域で使用され得るが、紫外領域では透光性が低くて使用することができない。
【０００６】
また、レリーフ型回折光学素子に用いられる慣用的材料においては、その屈折率が高々１．５程度であるので、回折光学素子に関する設計の自由度が低い。さらに、慣用的光学材料で作製された回折光学素子がそのレリーフ面を他の光学部品と接合した状態で使用される場合には、光回折の機能がほとんど失われることになる。その理由は、以下のとおりである。すなわち、他の光学部品との接合に必要な接着剤は、レリーフ面の凹部を満たしていた大気に代替する。ここで、接着剤の屈折率は一般に１．４〜１．６程度あって、大気の屈折率１．０よりもレリーフ面の凸部の媒質の屈折率に近く、凹部と凸部とにおける屈折率差が極端に小さくなる。その結果、凹部と凸部とにおける屈折率差による光の位相差がほとんどなくなって、回折現象がほとんど生じなくなる。
【０００７】
また、両面が平坦なレリーフ型回折光学素子が望まれる場合や、レリーフ面の凹部に塵や埃が付着する汚染を防止するためにレリーフ面を平坦化する場合などにおいて、光学用樹脂やスピンオングラスなどの透明材料でレリーフ面の凹部を埋め込んでも、上述と同じ理由からほとんど回折作用が失われることになる。
【０００８】
さらに、レリーフ型回折光学素子に用いられる前述の慣用的材料は、その熱伝導性が低いために熱を蓄積して温度上昇を生じやすい。特にハイパワーレーザ用途では、回折光学素子の使用中の温度上昇に伴って回折特性が変化しやすく、その安定的な使用が困難である。より根本的な問題として、慣用的光学材料はもともと耐熱性がそれほど高くないものがほとんどであり、ハイパワーレーザ用途ではその光学材料自体が劣化しやすいということもある。
【０００９】
上述のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、種々の点で改善された新規なレリーフ型回折光学素子を提供することを目的としている。より具体的には、赤外、近赤外、および可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高い屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるレリーフ型回折光学素子は、光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有し、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴としている。なお、そのダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することが好ましい。
【００１１】
レリーフ面は、自立し得るダイヤモンド層に形成することができる。回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に形成されたダイヤモンド層とを含むことができ、このダイヤモンド層にレリーフ面が形成されていてもよい。回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に分布させられた複数のダイヤモンド領域を含むこともでき、これらのダイヤモンド領域がレリーフ面の凸部に対応し、それらのダイヤモンド領域間で露出されている基板の表面がレリーフ面の凹部に対応していてもよい。
【００１２】
レリーフ面は、回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料で凹部が埋め込まれることによって平坦化されていてもよい。レリーフ型回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料からなる接着剤によって付加的光学部品に接合されていてもよい。
【００１３】
上述のようなレリーフ型回折光学素子を製造するための方法においては、ダイヤモンド層を形成し、アルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかを含む第一被覆層をダイヤモンド層上に形成し、ダイヤモンド以外の材料でかつ第一被覆層と異なる材料からなる第二被覆層を第一被覆層上に形成し、第二被覆層を所定のパターンに加工し、第一被覆層と第二被覆層にドライエッチングを施して第二被覆層のパターンを第一被覆層に転写するとともに前記第二被覆層を除去し、第一被覆層とダイヤモンド層にドライエッチングを施して第一被覆層のパターンをダイヤモンド層に転写するとともに第一被覆層を除去することを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、赤外、近赤外、可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本願の図面において長さ、幅、厚さなどは図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さが任意的に顕著に拡大されて示されている。また、図面における同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表している。
【００１６】
図１（ａ）〜（ｅ）の模式的断面図は、本発明の一実施形態によるレリーフ型回折光学素子の製造方法を図解している。まず図１（ａ）に示されているように、自立し得る膜状または薄板状のダイヤモンド基体１の一主面上に、ダイヤモンドと異なる材料からなる第一被覆層２を形成する。このダイヤモンド基体１としては、多結晶ダイヤモンド、多結晶ナノダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、高温高圧法や気相合成法などで製造される人工ダイヤモンドなどのいずれもが利用され得る。
【００１７】
第一被覆層２の材料としてはダイヤモンドと異なるものであればよいが、後で行われるドライエッチングに際してダイヤモンドに比べてエッチング速度が同じかまたは遅くかつ横方向のエッチング（サイドエッチ）が生じにくい材料が適している。この条件を満たす材料として酸化物、窒化物、珪化物、または金属などを利用し得るが、成膜の容易性やダイヤモンドとの密着性の観点からアルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、もしくは窒化珪素の膜、またはこれらの複合膜が好ましい。これらの膜は、公知の成膜法を用いてダイヤモンド基体１上に形成することができる。
【００１８】
図１（ｂ）では、第一被覆層２上において、第二被覆層３として感光性材料層をスピンコート（回転塗布）する。そして、図１（ｃ）に示されているように、アライナまたはステッパなどと所定のフォトマスクとを用いたフォトリソグラフィプロセスによって、感光性材料パターン（第二被覆層パターン）３ａを形成する。
【００１９】
なお、感光性材料パターン３ａを形成するためのフォトリソグラフィは、ネガとポジいずれのプロセスであってもよい。また、フォトリソグラフィの代わりに電子線露光装置を用いた電子線リソグラフィなどの他のリソグラフィによって感光性材料パターン３ａを形成することも可能である。感光性材料としては、フォトレジスト、感光性ポリイミド、電子線露光用レジストなどを利用することができる。
【００２０】
図１（ｄ）と（ｅ）においては、第二被覆層パターン３ａと第一被覆層２にドライエッチングを施し、第二被覆層パターン３ａを除去するとともに、そのパターン形状を第一被覆層２に転写する。なお、このドライエッチングによるパターン転写においては、第二被覆層パターン３ａが消失すると同時に、図１（ｅ）に示すように第二被覆層パターン３ａの開口部に相当する領域において第一被覆層２も消失して、第一被覆層パターン２ａのみが残存することが好ましい。しかし、図１（ｄ）に示すように、第二被覆層パターン３ａの消失時にそのパターン３ａの開口部に相当する領域において第一被覆層の残留薄層２ｂが存在していてもよい。この場合でも、その後のドライエッチングによって残留薄層２ｂを除去することができる。
【００２１】
なお、ドライエッチングとしては、プラズマエッチング、イオンエッチング、集束イオンビームエッチングなどの公知の様々な方法を利用することができる。ただし、垂直エッチングが可能で形状転写の容易な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が、パターン転写の精度の観点から特に好ましい。ＲＩＥを行う装置としては容量結合型（ＣＣＰ）と誘導結合型（ＩＣＰ）のいずれを用いてもよい。ただし、パターン転写の良好な精度のためには、基体ホルダ（電極）に電圧を印可する形式のＲＩＥ装置が好ましい。
【００２２】
なお、あまり高いエッチング精度を必要としない長波長光用途の回折光学素子を作製する場合には、ドライエッチングの代わりにウェットエッチングを利用してもよい。ウェットエッチングの方法としては、第一被覆層２をエッチングし得るものであればよく、公知の様々な方法を利用することができる。
【００２３】
図１（ｄ）または（ｅ）の状態において、第一被覆層パターン２ａ（領域２ｂを含んでいてもよい）とダイヤモンド基体１とにドライエッチングを施し、第一被覆層パターン２ａ（および領域２ｂ）を除去するとともに、第一被覆層パターン２ａの形状をダイヤモンド基体１に転写する。これにより、図２の模式的な断面図に示されているようなレリーフ型回折光学素子が得られる。
【００２４】
すなわち、図２に示されたレリーフ型回折光学素子１００は、自立し得る膜状または薄板状のダイヤモンド基体１の上面に形成された凸部４と凹部５を含む表面レリーフを有している。ここで、図２においては表面レリーフに含まれる２つの凸部４と一つの凹部５のみが代表的に示されているが、実際のレリーフ型回折光学素子の表面レリーフはより多くの凸部と凹部を含んでいることは言うまでもない。
【００２５】
なお、第一被覆層パターン２ａ（および領域２ｂ）とダイヤモンド基体１とに施すドライエッチングとしては、第二被覆層パターン３ａと第一被覆層２とに施すドライエッチングと同様の方法を利用することができるが、通常は異なるエッチング条件が採用される。これらのドライエッチング用のガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＦ4、ＣＨＦ3、ＳＦ6、ＢＣｌ3、ＣＨＣｌ3、Ｏ2、Ｎ2などを単独でまたは任意に混合して用いることができる。特に、第一被覆層２の材料としてアルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、または窒化珪素を用いる場合には、垂直エッチングによる良好な精度の形状転写を実現するために、Ａｒ、ＣＦ4、ＣＨＦ3、もしくはＯ2、またはこれらを任意に混合したガスを用いることが好ましい。
【００２６】
以上のようにして作製されたレリーフ型回折光学素子１００においては、凸部（ダイヤモンド）４を通過する光と凹部（大気）５を通過する光との間に屈折率差による光路差が生じる。この光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して、レリーフ型回折光学素子１００の回折作用が生じる。ここで、ダイヤモンドは、屈折率１の大気および高々１．５程度の屈折率の慣用的光学材料に比べて遥かに高い２．４前後の屈折率を有している。したがって、そのダイヤモンドの屈折率が高いことに起因して、レリーフ型回折光学素子１００は優れた回折の機能と効率を発揮することができる。
【００２７】
さらに、ダイヤモンドは、赤外領域の一部を除いて紫外領域からマイクロ波領域までの広い波長範囲で優れた光透過性を示し、かつ高硬度、高耐圧、高熱伝導、高耐熱、低熱膨張、および低誘電損失の諸特性を有している。したがって、ダイヤモンドは、耐熱性、耐久性、および信頼性が求められる光学部品として、主に赤外線用やマイクロ波用の窓材に利用されている。以上のようなダイヤモンドの特性から分かるように、ダイヤモンドからなるレリーフ型回折光学素子１００は、赤外、近赤外、および可視領域だけでなくて紫外領域でも使用でき、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用することもできる。
【００２８】
図２に示されているようなダイヤモンドの単一材料からなるレリーフ型回折光学素子は、上述のようなダイヤモンドの全ての特長を享受し得る観点から好ましい。他方、レリーフ型回折光学素子の製造コストなどの観点からは、ダイヤモンドの単一材料からなる回折光学素子は決して好ましくない。なぜならば、自立し得る膜状または薄板上のダイヤモンド基体１はそれなりに十分な厚さを要し、高価なダイヤモンドの相当量を必要とするからである。
【００２９】
図３の模式的な断面図は、図２のレリーフ型回折光学素子１００の一変形例を示しており、すなわち上述のような製造コストの観点から好ましいレリーフ型回折光学素子２００を示している。このレリーフ型回折光学素子２００においては、基板１０上にダイヤモンド層１１が合成されて形成されている。この基板１０上のダイヤモンド層１１は自立し得る厚さに形成されてもよいことはもちろんであるが、製造コストの観点からは自立し得ない薄い層であることが好ましい。他方、基板１０としては、ダイヤモンド以外の安価で回折されるべき光を透過し得る材料を用いることができる。
【００３０】
なお、図３のレリーフ型回折光学素子２００に含まれるダイヤモンド層１１における凸部１４と凹部１５を含む表面レリーフは、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。
【００３１】
図４の模式的な断面図は、図３のレリーフ型回折光学素子２００の一変形例を示している。このレリーフ型回折光学素子３００においても、基板１０上にダイヤモンド層２１が形成されている。図４のレリーフ型回折光学素子３００に含まれるダイヤモンド層２１における凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフも、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。ただし、図４のレリーフ型回折光学素子３００の作製では、凹部２５においてダイヤモンド層２１が残存しないようにドライエッチングされる。
【００３２】
なお、凹部２５においてダイヤモンド層２１が残存しないようにドライエッチングするためには、ダイヤモンド層２１を当初から薄く形成していてもよいし、エッチング時間を長くしてもよい。この場合、ダイヤモンド層２１にドライエッチングを施す際に、基板１０がエッチングされない条件を選ぶか、またはエッチングされない材料の基板を選ぶことが好ましい。
【００３３】
上述の図３および図４に示されたレリーフ型回折光学素子２００、３００は、図２に示されたレリーフ型回折光学素子１００と同様の回折作用を生じることが容易に理解されよう。より具体的には、レリーフ型回折光学素子２００、３００においても、凸部（ダイヤモンド）１４、２４を通過する光と凹部（大気）１５、２５を通過する光との間に屈折率差による光路差が生じる。そして、この光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して、レリーフ型回折光学素子２００、３００の回折作用が生じる。すなわち、ダイヤモンド層１１、２１を支持している基板１０は、単に光を透過させるだけであって光回折には影響を及ぼさず、屈折率の低い材料であっても回折効率に影響を及ぼすことがない。
【００３４】
したがって、基板１０の材料として屈折率を考慮する必要がなく、基板として選択される材料の特性として透過し得る光の波長を優先させれば、ダイヤモンド以外の材料の基板を用いても、可視領域だけでなくて紫外領域でも使用可能なレリーフ型回折光学素子を得ることができる。同様に、基板として選択される材料の特性として耐熱性を優先させれば、ダイヤモンド以外の材料の基板を用いても、ハイパワーレーザ用途でも使用し得るレリーフ型回折光学素子を得ることができる。
【００３５】
図５の模式的な断面図は、図２のレリーフ型回折光学素子１００の他の変形例を示している。このレリーフ型回折光学素子１００ａは、ダイヤモンド基体１の上面に凸部４と凹部５を含む表面レリーフを有するとともに、その下面に凸部４ａと凹部５ａを含む表面レリーフをも有している。図５のレリーフ型回折光学素子１００ａのダイヤモンド基体１の上下両面の表面レリーフのいずれもが、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。また、図５に示されているようなレリーフ型回折光学素子においても、光が通過するダイヤモンド領域と大気領域との屈折率差に起因する位相差によって回折作用が生じることが明らかであろう。
【００３６】
図６の模式的な断面図は、図５のレリーフ型回折光学素子１００ａの一変形例を示している。この図６のレリーフ型回折光学素子２００ａにおいては、図３の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層１１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層１１ａが形成されている。この上側のダイヤモンド層１１は凸部１４と凹部１５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層１１ａは凸部１４ａと凹部１５ａを含む表面レリーフを有している。
【００３７】
図７の模式的な断面図は、図６のレリーフ型回折光学素子１００ａの一変形例を示している。この図７のレリーフ型回折光学素子３００ａにおいては、図６の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層２１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層２１ａが形成されている。この上側のダイヤモンド層２１は凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層２１ａは凸部２４ａと凹部２５ａを含む表面レリーフを有している。
【００３８】
図８の模式的な断面図は、図６のレリーフ型回折光学素子１００ａの他の変形例を示している。この図８のレリーフ型回折光学素子３００ｂにおいても、図６の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層２１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層１１ｂが形成されている。この上側のダイヤモンド層２１は凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層１１ｂは凸部１４ｂと凹部１５ｂを含む表面レリーフを有している。
【００３９】
以上の図６、図７、および図８に示されたレリーフ型回折光学素子２００ａ、３００ａ、３００ｂは図５のレリーフ型回折光学素子１００ａと同様の回折作用を生じ、それらに含まれるいずれの表面レリーフも図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成することができる。
【００４０】
以上のようなレリーフ型回折光学素子は回折されるべき光に関して透光性であることが必要であり、その透光性は高いほど好ましく、すなわちその消衰係数は低いほど好ましい。しかしながら、ダイヤモンド層の合成方法次第では、得られるダイヤモンド層の透光性が低い場合もある。ダイヤモンド層において最低限必要な透光性は、ダイヤモンド層を最も薄くし得る場合、すなわち図３や図４のレリーフ型回折光学素子２００、３００の場合に使用に耐え得るか否かで決まることになる。ここで、基板上のダイヤモンド層の厚みは、最も薄くするとしても、合成や研磨の制御性を考慮すればせいぜい１μｍの薄さまでである。この場合に、可視領域と紫外領域との代表的な波長５２０ｎｍと２５０ｎｍのそれぞれにおいて、光が５０％以上透過するための透明度、すなわち消衰係数を計算すれば、それぞれ０．０２１以下と０．０１０以下になる。したがって、レリーフ型回折光学素子に使用するダイヤモンド層の消衰係数は、少なくともこれらの値以下であることが好ましい。
【００４１】
ところで、両面が平坦なレリーフ型回折光学素子が望まれる場合や、レリーフ面の凹部に塵や埃が付着する汚染を防止するためにレリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子が望まれる場合などにおいて、そのようなレリーフ型回折光学素子は、図９の模式的断面図に図解されている方法で作製することができる。
【００４２】
図９は、図２のレリーフ型回折光学素子１００を平坦化する方法を図解している。すなわち、レリーフ型回折光学素子１００のダイヤモンド基体１において、凸部４と凹部５を含むレリーフ面が、光学用樹脂やスピンオングラスなどの透明液体材料でスピンコート（回転塗布）される。このとき、透明液体材料は、凸部４の上にも載るよりも凹部５を埋めやすい。この透明液体材料の塗布後に、ホットプレート上や焼成炉中で熱処理することによって平坦化透明膜６を形成することができ、レリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子１０１が得られる。なお、１回のスピンコートで完全に平坦化するためには、透明液体材料の粘度およびスピンコートの回転数と回転時間を適当な値に設定する必要があるが、それらの設定における困難性を緩和するためにスピンコートと熱処理を複数回実施してもよい。
【００４３】
以上のように表裏両面とも平坦なレリーフ型回折光学素子１０１においてはその両表面に凸部と凹部は存在しないが、その上表面下に埋め込まれている凸部４の屈折率はダイヤモンドの２．４であり、埋め込まれている凹部５の屈折率は平坦化透明膜６の屈折率であって約１．４〜１．５の範囲内である。したがって、凸部４と凹部５との両者間には依然として大きな屈折率差が存在しており、両者を通過する光の間でも屈折率差による大きな位相差が生じる。この光の位相差によって回折現象が生じるので、ダイヤモンドを利用したレリーフ型回折光学素子は、レリーフ面を平坦化した状態でも回折光学素子として十分に機能させることができる。
【００４４】
図１０と図１１の模式的な断面図は、図３と図４のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を平坦化した回折光学素子２０１、３０１をそれぞれ示している。これらの両面平坦なレリーフ型回折光学素子２０１、３０１も、図９の場合と同様に、透明膜１６、２６によってそれぞれ平坦化され得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型の回折光学素子においても、それらの両面が透明膜によって平坦化され得ることが理解されよう。
【００４５】
また、付加的な光学部品にレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を接合させた回折光学装置を作製する場合には、エポキシ系樹脂などの公知の透明な接着剤によって接合させることができる。そのような付加的な光学部品は、例えば偏光板、１／２波長板、１／４波長板、レンズ、プリズム、他の回折光学素子などであり得る。
【００４６】
図１２の模式的断面図は、付加的な光学部品にレリーフ型回折光学素子が接合された回折光学装置の一例を示している。この回折光学装置１０２においては、図２の回折光学素子が接着剤７を介して付加的光学部品８に接合されている。この場合、接着剤７がレリーフ面の凹部５を埋めることなる。しかし、レリーフ面の凸部４の屈折率はダイヤモンドの２．４であり、埋め込まれている凹部５の屈折率は接着剤７の屈折率であって約１．４〜１．６の範囲内である。したがって、凸部４と凹部５との両者間には依然として大きな屈折率差が存在しており、両者を通過する光の間でも屈折率差による大きな位相差が生じる。この光の位相差によって回折現象が生じるので、ダイヤモンドを利用したレリーフ型回折光学素子はレリーフ面を付加的光学部品に接合させた状態でも回折光学素子として十分に機能させることができる。なお、付加的光学部品は、図２の回折光学素子のレリーフ面および／またはその反対側の平坦面に貼り付けられてもよいことは言うまでもない。
【００４７】
図１３と図１４の模式的な断面図は、図３と図４のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面に付加的光学部品１８、２８がそれぞれ接合された回折光学装置２０２、３０２をそれぞれ示している。これらの付加的光学部品を含むレリーフ型回折光学装置２０２、３０２も、図１２の場合と同様に、接着剤１７、２７を利用して作製され得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型の回折光学素子に関しても、それらの片面または両面に付加的光学部品が接合されてもよいことが理解されよう。
【００４８】
以上のように、図９〜図１４においてはレリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子が図解されているが、それらに含まれている平坦化透明膜は、ダイヤモンドと空気との間の大きな屈折率差に起因して生じる反射を抑制する効果をも生じ得る。高屈折率材料からなる光学素子の短所の一つとして、入射側の媒質（一般的には大気）と光学素子との界面で生じる反射率が大きくなることがある。異なる媒質の界面で生じる平面波のフレネル反射は、入射光の偏光方向、入射側と出射側の両媒質の屈折率、および入射角で決まり、反射率すなわちエネルギー反射係数は以下に示す式で表される。
【００４９】
すなわち、Ｓ波（入射面に対して垂直な偏光方向）の反射率Ｒsは次式（１）で表され、Ｐ波（入射面に対して並行な偏光方向）の反射率ＲPは次式（２）で表される。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｎ1とｎ2はそれぞれ入射側媒質と出射側媒質の屈折率を表し、θ1とθ2はそれぞれ入射角と出射角を表している。屈折率差（ｎ1とｎ2の差）が大きければθ1とθ2の差が大きくなるので、式（１）と式（２）から分かるように、Ｓ波とＰ波のいずれにおいても反射率が大きくなる傾向になる。例えば、Ｓ波を入射角５０度で入射させる場合、大気とダイヤモンドの界面で発生する反射率は式（１）から３１％となり、すなわち透過率は６９％の低さになる。
【００５２】
他方、図９〜図１４に示された回折光学素子の場合のように、ダイヤモンドに比べて小さくかつ大気に比べて大きな屈折率を有する媒質（平坦化透明膜）を介在させることによって反射が抑制され、最終的にダイヤモンド中への透過率が大きくなる。この場合、界面が１つ増えるので、すなわち大気と平坦化透明膜との界面および平坦化透明膜とダイヤモンドとの界面でそれぞれフレネル反射が生じるので、一見透過率が低下すると思われるが、実際には平坦化透明膜がない場合に比較して透過率が増大する。
【００５３】
例えば、Ｓ波が入射角５０度で入射する場合、平坦化透明膜の屈折率を１．５とすれば、大気と平坦化透明膜との界面および平坦化透明膜とダイヤモンドとの界面での反射率はそれぞれ１１％および８％であり、換言すれば透過率はそれぞれ８９％および９２％である。その結果として、ダイヤモンド中への透過率は８９％×９２％＝８２％となり、前述の平坦化透明膜がない場合の透過率６９％に比べて顕著に高くなることが分かる。
【００５４】
さらに、図２１に示された回折光学素子１０３におけるように、平坦化透明膜６と略同じ屈折率を有する材料のプリズム３６を接合すれば、まず大気からプリズムへ入射する光の反射率を抑制することが可能である。この理由は、入射角に対してプリズムの頂角を適切に調整することによって、反射率が最も低い入射角になるように設定することができるからである。より具体的には、Ｓ波に関しては入射角が０度において最も反射率が低く、Ｐ波に関して入射角がブリュースター角である場合に最も反射率が低くなる。
【００５５】
例えば、上述の場合と同様にＳ波がプリズムのないときの入射角５０度に相当する角度で入射する場合に、プリズム３６の斜面が平坦化透明膜６となす頂角αを５０度に設定すれば、光はその斜面に対して入射角０度で入射することになる。この場合、大気とプリズム３６との界面および平坦化透明膜６とダイヤモンド層１との界面において、反射率はそれぞれ４％および１４％になり、透過率はそれぞれ９６％および８６％となる。その結果として、ダイヤモンド中への透過率は９６％×８６％＝８３％となり、前述のプリズムがないときの透過率８２％に比べて少し高くなることが分かる。なお、プリズム３６は平坦化透明膜６と同等の屈折率を有する材料で形成されているので、それらの間の界面では反射が生じない。
【００５６】
ところで、図２１の回折光学素子が回折格子（グレーティング）である場合、そのような回折格子とプリズムが接合した構造は一般にグリズムと呼ばれている。グリズムにおいては、特許文献１に示されているように、プリズム材料や回折格子構造を適切に選択することによって、プリズム単体や回折格子単体に比べてスペクトル角度分散を大きくすることができ、所望の角度分散に微調整することができる。また、特許文献２から類推できるように、グリズムにおいては、色収差を低減すなわち波長依存性を低減させることができる。さらに、グリズムを反射型の光学素子として利用する場合には、特許文献３から分かるように、アサーマル化すなわち温度依存性を低減させることができる。
【００５７】
なお、プリズム材料としては、溶融石英のほかにＢＫ７（合成石英）などのように、利用する光の波長域に関して透明でかつ各種の波長分散特性を有する材料を用いることができる。また、図２１は図９の回折光学素子にプリズムを接合した例を示しているが、図１０や図１１の回折光学素子にもプリズムを接合し得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型回折光学素子の少なくとも光入射側を透明膜によって平坦化させて、その平坦面にプリズムを接合することによって、上述のような反射抑制やグリズムとしての特性を十分機能させることができる。
【００５８】
他方、反射率を低減させる別の手段として反射防止膜があり、これを本発明のレリーフ型回折光学素子に利用することも有効である。反射防止膜は、光学部品の反射防止のために広く用いられる薄膜である。例えば、光学部品の屈折率がｎであって、反射防止膜の屈折率がｎ１で厚さがｄであるとすれば、ｎ１＝√ｎかつｄ＝λ／４のときに、波長λの光は大気と光学部品との間で反射されない。
【００５９】
図２２は、そのような反射防止膜を利用した回折光学素子の一例を示している。図２２の回折光学素子１０４においては、レリーフ面に対向する下面の反射を抑制するように反射防止膜９が付与されている。反射防止膜９の屈折率と厚さを上述の関係に近づけることによって、素子下面における反射が低減され得る。具体的には、ダイヤモンド層１の屈折率が２．４であることを考慮すれば、反射防止膜９の屈折率は略１．５５であることが望ましい。そのような反射防止膜９の材料としては、例えば石英やスピンオングラス、特許文献４におけるような水素含有炭素膜、特許文献５におけるようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜などが挙げられるが、屈折率、透明性、および膜厚の条件を満たせば、これらの材料に限定されない。また、反射防止膜９は、一般的に反射防止膜として用いられる多層膜として形成されてもよい。
【００６０】
図２３は、図２２の回折光学素子の一部変形例を示している。すなわち、図２３の回折光学素子１０５においては、ダイヤモンド層１の下面上の反射防止膜９のみならず、レリーフ面上にも反射防止膜１９が付与されている。レリーフ面上の反射防止膜１９としては、ダイヤモンド層１の下面上の反射防止膜９と同質で同厚の膜が形成され得るが、レリーフ面の凸部４上と凹部５上に均一に堆積させるためにはスパッタ法にて成膜されることが好ましい。
【００６１】
図２４は、図２２のレリーフ型回折光学素子における反射防止膜９の代わりに微小突起による反射防止層２９が付加された変形例を示している。図２４の回折光学素子１０６において、反射防止膜９に代替する反射防止層２９に望まれる屈折率や層厚を実現する方法として、ダイヤモンド層１の表面にエッチングなどによって多数の微小突起を含む層を形成することができる。光の波長に対して十分細かい間隔の微小突起を含む層を設けることによって、その層の実効的な屈折率がダイヤモンドと大気に比べて中間の値を取り得る。したがって、微小突起構造を適切に選択することによって、その微小突起構造を含む薄層が反射防止層として機能することができる。
【００６２】
なお、微小突起構造に含まれる各突起は、特許文献６で述べられているように、円柱状、角柱状、円錐状、または角錐状であることが好ましい。微小突起構造の形成には種々の方法が適用され得る。例えば、レリーフ型回折光学素子を作製する前のダイヤモンド層の表面に、あらかじめダイヤモンド微小突起層を形成することが可能である。まず、ダイヤモンド微小突起層を形成すべき領域に各微小突起に対応したマスクを形成し、そのマスクが形成されたダイヤモンド層の表面をエッチングする。その後に、マスクを除去することによって、マスクで覆われていた各微小突起領域が各ダイヤモンド微小突起として残され得る。より詳しくは、特許文献６で述べられている方法を参考にすることができる。片面側に微小突起層２９を有するダイヤモンド層１の他面側に凸部４と凹部５を含むレリーフ面を形成することによって、図２４に示されているような反射防止層２９を含む回折光学素子１０６を得ることができる。
【００６３】
図２５は、図２４のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示している。すなわち、図２５の回折光学素子１０７においては、その下面側のみならず、レリーフ面側においても微小突起による反射防止層２９が形成されている。
【００６４】
図２５のレリーフ型回折光学素子も、図２４の素子と同様に作製することができる。まず、ダイヤモンド層１の両面に、図２４の場合と同様にして、微小突起層２９が形成される。その後に、ダイヤモンド層１に対して図１を参照して説明されたような異方性ドライエッチングを施すことによって、図２５に示されているようなレリーフ型回折光学素子１０７を作製することができる。すなわち、上方からの異方性ドライエッチングにおいては微小突起構造を維持したままで深さ方向にエッチングが進行するので、レリーフ面の凹部５が形成されたその底面においても微小突起層２９が残され得るのである。
【００６５】
上述のような本発明によるレリーフ型回折光学素子においては、レリーフ面の凸部と凹部の寸法や配置を所望の回折機能に適した所定のパターンに設定することによって、様々な光制御機能を発現させることができる。より具体的には、波長合分岐機能、パワー合分岐機能、偏光合分岐機能、集光機能、散光機能、さらにはビーム整形機能を有する回折光学素子を得ることができる。また、レリーフ型回折光学素子におけるレリーフ面の凸部と凹部を光の波長程度の大きさで周期的に配置することによって、その回折光学素子はフォトニック結晶としても利用することができる。
【００６６】
本発明によるレリーフ型回折光学素子は、上述の様々な光制御機能を利用することによって幅広い応用が可能となる。例えば、本発明によるレリーフ型回折光学素子は、光通信用の各種光学素子、ハイパワーレーザを用いたレーザ加工装置中の光学素子、各種画像表示装置や光記録装置中の光学素子、さらには光計測機器中の光学素子などとして適用可能である。
【００６７】
より具体的には、本発明によるレリーフ型回折光学素子は、波長合分波機能に関しては、光通信における波長合分波器、画像表示装置のＲＧＢ（赤緑青）合分光用素子などに適用できる。パワー合分岐機能に関しては、レーザ加工機のマルチビーム加工、光通信用光カプラなどに適用できる。偏光合分岐機能に関しては、光通信のＴＥ波とＴＭ波の分光器、偏光子、検光子、液晶用偏光板などに適用できる。集光機能に関しては、表示装置や記録装置の各種レンズ、マイクロレンズアレイなどへの応用が可能である。さらに、ビーム整形機能に関しては、レーザ加工機や表示装置のホモジナイザ、レーザ光による表示を利用した看板やデモンストレーション、２次元バーコードスキャナ装置の読み取り部表示枠などへの応用が可能である。
【００６８】
また、本発明によるレリーフ型回折光学素子を利用したフォトニック結晶に関しては、２次元フォトニック結晶導波路と波長合分波器（S. Noda, A. Chutinan, and M. Imada, Nature 407, 608 (2000)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器（Y. Akahane, T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, Nature 425, 944 (2003)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器レーザ（O. Painter, R. K. Lee, A. Scherer, A. Yariv, J. D. O’Brien, P. D. Dapkus, and I. Kim, Science 284, 1819 (1999)参照）、２次元フォトニック結晶面発光レーザ（S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada, A. Chutinan, and M. Mochizuki, Science 293, 1123 (2001)参照）、ＬＥＤの光取り出し効率向上（市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8 (2002)参照）などへの応用が可能である。
【００６９】
より具体的には、市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8 (2002)によれば、ＬＥＤ（発光ダイオード）の光取り出し面にフォトニック結晶を作製することによって、半導体内の光が全反射を回避して空気中に取り出されるので、光取り出し効率が向上することが示されている。ただし、この場合には、半導体部分を直接加工してフォトニック結晶を作製するので、ＬＥＤ中の活性層やクラッド層に欠陥を導入する可能性が高い。すなわち、半導体部分を直接加工して作製されるフォトニック結晶は、必ずしも発光素子として好ましい効果ばかりを生じるわけではない。
【００７０】
他方、レリーフ面が２次元フォトニック結晶の構造を有する本発明のレリーフ型回折光学素子は、ＬＥＤの光取り出し面上に接合することができる。すなわち、このレリーフ型回折光学素子は、凸部と凹部が光の波長程度の大きさで周期的に２次元配置されたレリーフ面を有している。ここで、レリーフ型回折光学素子の接合面は、２次元フォトニック結晶の構造を有するレリーフ面とは反対側の平坦面とする。このとき、半導体部分の屈折率は３以上であるのに対してダイヤモンドの屈折率が約２．４であるので、ダイヤモンドと空気との屈折率差が半導体と空気との屈折率差より小さくなり、空気との界面で生じる全反射が低減され得る。さらに、レリーフ型回折光学素子の２次元フォトニック結晶構造における凸部と凹部のサイズや周期を適正に設計することによっても、半導体内からダイヤモンド層内へ移動した光が空気との界面で全反射することを回避し得るので、ＬＥＤからの光取り出し効率をさらに改善することができる。そして、この場合には、半導体部分を加工しないので、活性層やクラッド層に欠陥が導入される恐れがなく、フォトニック結晶として作用するレリーフ型回折光学素子は発光素子にとって好ましい効果のみを生じ得る。
【実施例１】
【００７１】
本発明による実施例１においては、図２に示されているようなレリーフ型回折光学素子１００が、気相合成法で得られた多結晶ダイヤモンド基体１を用いて作製された。このレリーフ型回折光学素子１００の作製過程は、図１（ａ）から（ｅ）を参照して説明された方法に対応している。
【００７２】
図１５の模式的平面図は、本実施例で作製されたレリーフ型回折光学素子１００の表面レリーフを示しており、これはライン（凸部）４４とスペース（凹部）４５の繰り返しからなるライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）のパターン４００を有している。このＬ＆Ｓパターン４００の全体寸法は１．５ｍｍ×１．５ｍｍであり、凸部４４と凹部４５の各々の幅は約１．２μｍであり、それらの高低差は０．２μｍである。
【００７３】
本実施例で用いたダイヤモンド基体１は５ｍｍ×２ｍｍ×０．２ｍｍの薄板であり、面積５ｍｍ×２ｍｍの成長面は機械的に研磨されている。このダイヤモンド基体１の消衰係数を測定したところ、波長５２０ｎｍと２５０ｎｍのいずれにおいても０．００１未満であり、ダイヤモンド基体１は光学部品として十分使用に耐え得ることが確認された。
【００７４】
図１（ａ）に示されているように、公知のマグネトロンスパッタ装置を用いて、ダイヤモンド基体１の面積５ｍｍ×２ｍｍの一主面上に厚さ６０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜２が堆積された。
【００７５】
そして、図１（ｂ）に示されているように、Ｔｉ膜２上にポジ型フォトレジストをスピンコートによって塗布し、厚さ７００ｎｍのフォトレジスト層３を形成した。
【００７６】
続いて、幅１．２μｍのライン（遮光部）とスペース（透過部）の繰り返しによるＬ＆Ｓパターンを有するフォトマスクとＤＵＶ（深紫外）線アライナとを用いて、フォトレジスト層３の表面にマスクパターンを等倍転写して現像を行なった。この結果、図１（ｃ）に示すようなレジストパターン３ａが形成された。
【００７７】
次に、公知の高周波電極間放電型（ＣＣＰ）の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いてレジストパターン３ａとＴｉ膜２をエッチングした。なお、エッチングガスとしてはＣＦ4を用いた。
【００７８】
このエッチングの結果、図１（ｅ）に示されているように、ダイヤモンド基体１上のＴｉパターン２ａを得ることができた。
【００７９】
この後、同じＲＩＥ装置を用いて、Ｔｉパターン２ａとダイヤモンド基体１にエッチング処理を施した。このエッチング条件は、下記の通りである。
高周波周波数： １３．５６ＭＨｚ
高周波電力： ２００Ｗ
チャンバ内圧力： ３Ｐａ
ＣＦ4ガス流量： １ｓｃｃｍ
Ｏ2ガス流量： ５０ｓｃｃｍ
このエッチング後に、ダイヤモンド基体１をフッ化水素酸溶液中に浸漬して残存Ｔｉを除去した結果、図２に示すようなレリーフ型回折光学素子１００が得られた。
【００８０】
図１６の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、こうして得られた本実施例のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示している。このＳＥＭ写真の底部に示されている白線のスケールは、２．４μｍの長さを表している。凸部４４と凹部４５の各々の幅は、約１．２μｍであった。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて表面凹凸状態を測定したところ、凸部４４と凹部４５の高低差は０．２μｍであった。
【００８１】
以上のようにして得られた図１６のＬ＆Ｓパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００について、可視光の波長５３２ｎｍを有する単一レーザビーム光を用いて回折像の観察を行なった。その観察結果が、図１７の回折パターンとして示されている。
【００８２】
図１７の回折パターンに示されているように、左端の透過光スポットとして現れている０次光が見られるだけでなく、その右側に順に１次光、２次光、３次光、および４次光などの多くの回折光が観測された。なお、他の高次数の回折光も存在していたが、図１７では一部の回折光のみを示している。
【００８３】
ここで、レーザ光の入射角が０度、すなわち図１６のＬ＆Ｓパターン面に垂直にレーザ光を入射した場合の回折効率が測定された。入射光強度と（０次光＋１次回折光）とのそれぞれに対する１次回折光の強度の比として回折効率を求めたところ、それぞれ１８％と７０％という高い値が得られた。以上の結果から、本実施例で得られたレリーフ型回折光学素子１００は、ビームパワー分岐機能を生じていることが分かる。この結果は、逆方向から複数のビームを入射させたときには、ビームパワーを合波できることを意味している。すなわち、本実施例のレリーフ型回折光学素子は、ビームパワー合分岐素子として利用できることが明らかである。
【実施例２】
【００８４】
本発明の実施例２においては、実施例１とは異なりＴｉ膜に変えて別の材料を第一被覆層２として用いて、実施例１とほぼ同様のレリーフパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００が形成された。
【００８５】
基本的には実施例１と同じであるが、レジスト厚や第一被覆層厚、さらにエッチングガスなどのエッチング条件は適宜変えて実施した。なお、実施例１でＲＩＥ装置を用いてＴｉ膜をエッチングする際には、エッチングガスとしてＣＦ4を用いたが、アルミニウム膜ではＣｌ2とＳｉＣｌ4の混合ガス、モリブデン膜ではＳＦ6、酸化珪素膜および窒化珪素膜ではＣＦ4を用いた。
【００８６】
得られた回折光学素子１００の凸部４４と凹部４５の各々の幅をＳＥＭ写真やＡＦＭ像から算出した。モリブデン膜ではＴｉ膜と同様に凸部凹部ともに約１．２μｍであったが、一方、アルミニウム膜と酸化珪素膜では凸部が１．１μｍで凹部が１．３μｍ、窒化珪素膜では凸部が１．０μｍで凹部が１．４μｍであった。このことから、第一被覆層２としては、チタンやモリブデンの膜がより好ましいといえる。
【実施例３】
【００８７】
本発明の実施例３においては、実施例１と同様のダイヤモンド基体１と方法を用いて、実施例１とは異なるレリーフパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００が形成された。
【００８８】
図１８の平面図は、本実施例３のレリーフ型回折光学素子１００のレリーフパターンを示している。このレリーフパターン５００は、Ｌ＆Ｓパターンではなくて、黒点の集合で表された凸部５４と白点の集合で表された凹部５５で構成された複雑なパターンである。このレリーフパターン５００の全体領域は０．３０７２ｍｍ×０．３０７２ｍｍであり、凸部５４および凹部５５は一辺が約１．２μｍの正方形を一単位する黒点および白点の１以上の集合であり、すなわちそれらの黒点および白点が孤立している箇所もあるしそれらの複数が隣り合って連続している領域もある。そして、凸部５４と凹部５５の高低差は０．２μｍである。
【００８９】
図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施例３においても、実施例１の場合と同様にダイヤモンド基体１上に厚さ６０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜２と厚さ７００ｎｍのフォトレジスト層３が順次積層された。
【００９０】
その後、図１８のレリーフパターン５００の凸部５４と凹部５５にそれぞれ対応する遮光部と透過部のパターンを有するフォトマスクを用いて、ＤＵＶ線アライナによってフォトレジスト層３の表面にマスクパターンを等倍転写して現像を行なった。その結果、図１（ｃ）に示すようなレジストパターン３ａが形成された。
【００９１】
さらに、本実施例３においても、実施例１と同様の条件のドライエッチングを行なうことによって、図２に示すようなレリーフ型回折光学素子１００が得られた。
【００９２】
図１９のＳＥＭ写真は、こうして得られた本実施例３のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示している。このＳＥＭ写真の底部に示されている白線のスケールは、５μｍの長さを表している。図１９において、凸部５４と凹部５５が、一辺が１．２μｍの正方形を一単位とする凸点と凹点の複数がそれぞれ連続して構成されていることが分かる。また、ＡＦＭを用いて凸部５４と凹部５５の高低差を測定した結果は０．２μｍであった。
【００９３】
以上のようにして得られた図１９のレリーフパターンを有する本実施例３のレリーフ型回折光学素子１００について、可視光の波長５３２ｎｍを有する単一レーザビーム光を用いて回折像の観察を行なった。その観察結果が、図２０の回折パターンとして示されている。
【００９４】
入射レーザビーム光は単峰性であったが、図２０の回折像は、単峰性の像ではなくて、中心の十字と外周の枠形状のパターンを示していることが分かる。これは図１８のレリーフパターン５００から得られる回折像として設計通りの回折パターンであり、図１９のレリーフパターンを有する回折光学素子はビーム整形素子としての機能を有していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明によれば、赤外、近赤外、可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供することができる。そして、そのようなレリーフ型回折光学素子は、種々の光学的制御機能を有する光学素子として作製され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の一実施形態によるレリーフ型回折光学素子の製造過程を示す模式的断面図である。
【図２】図１の製造過程を経て作製され得るレリーフ型回折光学素子を示す模式的断面図である。
【図３】図２のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図４】図３のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図５】図２のレリーフ型回折光学素子の他の変形例を示す模式的断面図である。
【図６】図５のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図７】図６のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図８】図６のレリーフ型回折光学素子の他の変形例を示す模式的断面図である。
【図９】図２のレリーフ型回折光学素子のさらに他の変形例を示す模式的断面図である。
【図１０】図９のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図１１】図１０のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図１２】図２のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１３】図３のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１４】図４のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１５】本発明の実施例１によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面におけるＬ＆Ｓパターンを示す模式的平面図である。
【図１６】実施例１によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示すＳＥＭ写真である。
【図１７】実施例１のレリーフ型回折光学素子によるレーザビームの回折パターンを示す写真である。
【図１８】本発明の実施例３によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面における凹凸領域分布パターンを示す模式的平面図である。
【図１９】実施例３によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示すＳＥＭ写真である。
【図２０】実施例３のレリーフ型回折光学素子によるレーザビームの回折パターンを示す写真である。
【図２１】図９のレリーフ型回折光学素子にプリズムが接合付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２２】図２のレリーフ型回折光学素子に反射防止膜が付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２３】図２２のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示す模式的断面図である。
【図２４】図２２のレリーフ型回折光学素子の反射防止膜の代わりに微小突起による反射防止層が付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２５】図２４のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１１、１１ａ、１１ｂ、２１、２１ａ ダイヤモンド層、２、１２ 第一被覆層、２ａ、１２ａ 第一被覆層パターン、３、１３ 第二被覆層（感光性材料層）、３ａ、１３ａ 感光性材料パターン、４、４ａ、１４、１４ａ、１４ｂ、２４、２４ａ、４４、５４ 凸部、５、５ａ、１５、１５ａ、１５ｂ、２５、２５ａ、４５、５５ 凹部、６、１６、２６ 平坦化透明膜、３６ プリズム、７、１７、２７ 接着剤、８、１８、２８ 付加的光学部品、９、１９ 反射防止膜、２９ 微小突起による反射防止層、１０ 基板、１００、１００ａ、１００ｂ、２００、２００ａ、２００ｂ レリーフ型回折光学素子、１０１、２０１、３０１ レリーフ面を平坦化させた回折光学素子、１０２、２０２、３０２ レリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置、１０３ レリーフ面を平坦化させた回折光学素子の上にプリズムを接合させた回折光学装置、１０４、１０５ 反射防止膜が付加されたレリーフ型回折光学素子、１０６、１０７ ダイヤモンド微小突起による反射防止層が付加されたレリーフ型回折光学素子、４００、５００ 凹凸領域分布パターン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの種々の光学分野で使用され得る回折光学素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信、情報記録、画像撮影、画像表示などの光学分野では、光を制御するために種々の光学素子が使用されている。現在実用化されているほとんどの光学素子は、レンズ、プリズム、ミラーなどのように光の屈折や反射を利用している。しかし、近年では光の回折を利用する回折光学素子に対する関心が非常に高まってきており、そのような回折光学素子は種々の光学用途に適用され得る（例えば、非特許文献１の「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁参照）。
【０００３】
回折光学素子はレリーフ型と屈折率変調型に大別されるが、現在ではレリーフ型回折光学素子の方が広く用いられている。レリーフ型回折光学素子は、相対的に大きな厚さを有する局所的領域と相対的に小さな厚さを有する局所的領域とが所定のパターンで配列されたレリーフ構造を有している。相対的に大きな厚さを有する局所的領域（凸部）の媒質を通過する光と相対的に小さな厚さを有する局所的領域（凹部）の大気を通過する光との間には、媒質と大気との屈折率差に起因して光路差が生じる。この光路差に基づいて生じた光の位相差に起因して、回折現象が生じる。このようなレリーフ型回折光学素子は、光学的に透明な石英などの材料の表面にフォトリソグラフィやエッチングなどのプロセスを施して形成することができ、波長フィルタ、偏光分離素子、ビームホモジナイザ、光の集束または発散の機能を有する回折レンズ、ビーム整形素子、反射防止膜、ミラーなどに利用され得る。
【０００４】
レリーフ型回折光学素子に用いられる材料は、回折させるべき光の波長に関して透光性であることが必要不可欠である。また、前述のように屈折率差による光路差を利用して回折を生じさせる原理からして、レリーフ型回折光学素子に用いられる材料は、屈折率が大気の値（１．０）に比べてできるだけ高いことが好ましい。さらに、レリーフ型回折光学素子が機能するためには、回折させるべき光の波長の数分の一から数倍程度の寸法の表面凹凸構造が必要である。したがって、レリーフ型回折光学素子を形成するための材料としては、微細加工または微細構造の作製に適していることも不可欠である。以上のような条件を満足して実際に用いられている材料としては、前述の石英のほかに、ＢＫ７などの光学用ガラス材料、フォトレジストのような種々の光学用樹脂などが知られている。
【非特許文献１】「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁
【特許文献１】米国特許第５，６５２，６８１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６２５，４９９号明細書
【特許文献３】国際公開第０１／２０３７２号パンフレット
【特許文献４】特開２００６−３６６１１号公報
【特許文献５】国際公開第２００７／０２９５２２号パンフレット
【特許文献６】特開２００２−２４１１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のような種々の慣用的光学材料の多くは、可視領域、近赤外領域、および赤外領域で使用され得るが、紫外領域では透光性が低くて使用することができない。
【０００６】
また、レリーフ型回折光学素子に用いられる慣用的材料においては、その屈折率が高々１．５程度であるので、回折光学素子に関する設計の自由度が低い。さらに、慣用的光学材料で作製された回折光学素子がそのレリーフ面を他の光学部品と接合した状態で使用される場合には、光回折の機能がほとんど失われることになる。その理由は、以下のとおりである。すなわち、他の光学部品との接合に必要な接着剤は、レリーフ面の凹部を満たしていた大気に代替する。ここで、接着剤の屈折率は一般に１．４〜１．６程度あって、大気の屈折率１．０よりもレリーフ面の凸部の媒質の屈折率に近く、凹部と凸部とにおける屈折率差が極端に小さくなる。その結果、凹部と凸部とにおける屈折率差による光の位相差がほとんどなくなって、回折現象がほとんど生じなくなる。
【０００７】
また、両面が平坦なレリーフ型回折光学素子が望まれる場合や、レリーフ面の凹部に塵や埃が付着する汚染を防止するためにレリーフ面を平坦化する場合などにおいて、光学用樹脂やスピンオングラスなどの透明材料でレリーフ面の凹部を埋め込んでも、上述と同じ理由からほとんど回折作用が失われることになる。
【０００８】
さらに、レリーフ型回折光学素子に用いられる前述の慣用的材料は、その熱伝導性が低いために熱を蓄積して温度上昇を生じやすい。特にハイパワーレーザ用途では、回折光学素子の使用中の温度上昇に伴って回折特性が変化しやすく、その安定的な使用が困難である。より根本的な問題として、慣用的光学材料はもともと耐熱性がそれほど高くないものがほとんどであり、ハイパワーレーザ用途ではその光学材料自体が劣化しやすいということもある。
【０００９】
上述のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、種々の点で改善された新規なレリーフ型回折光学素子を提供することを目的としている。より具体的には、赤外、近赤外、および可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高い屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるレリーフ型回折光学素子は、光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有し、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴としている。なお、そのダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することが好ましい。
【００１１】
レリーフ面は、自立し得るダイヤモンド層に形成することができる。回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に形成されたダイヤモンド層とを含むことができ、このダイヤモンド層にレリーフ面が形成されていてもよい。回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に分布させられた複数のダイヤモンド領域を含むこともでき、これらのダイヤモンド領域がレリーフ面の凸部に対応し、それらのダイヤモンド領域間で露出されている基板の表面がレリーフ面の凹部に対応していてもよい。
【００１２】
レリーフ面は、回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料で凹部が埋め込まれることによって平坦化されていてもよい。レリーフ型回折光学素子は、回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料からなる接着剤によって付加的光学部品に接合されていてもよい。
【００１３】
上述のようなレリーフ型回折光学素子を製造するための方法においては、ダイヤモンド層を形成し、アルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかを含む第一被覆層をダイヤモンド層上に形成し、ダイヤモンド以外の材料でかつ第一被覆層と異なる材料からなる第二被覆層を第一被覆層上に形成し、第二被覆層を所定のパターンに加工し、第一被覆層と第二被覆層にドライエッチングを施して第二被覆層のパターンを第一被覆層に転写するとともに前記第二被覆層を除去し、第一被覆層とダイヤモンド層にドライエッチングを施して第一被覆層のパターンをダイヤモンド層に転写するとともに第一被覆層を除去することを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、赤外、近赤外、可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本願の図面において長さ、幅、厚さなどは図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さが任意的に顕著に拡大されて示されている。また、図面における同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表している。
【００１６】
図１（ａ）〜（ｅ）の模式的断面図は、本発明の一実施形態によるレリーフ型回折光学素子の製造方法を図解している。まず図１（ａ）に示されているように、自立し得る膜状または薄板状のダイヤモンド基体１の一主面上に、ダイヤモンドと異なる材料からなる第一被覆層２を形成する。このダイヤモンド基体１としては、多結晶ダイヤモンド、多結晶ナノダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、高温高圧法や気相合成法などで製造される人工ダイヤモンドなどのいずれもが利用され得る。
【００１７】
第一被覆層２の材料としてはダイヤモンドと異なるものであればよいが、後で行われるドライエッチングに際してダイヤモンドに比べてエッチング速度が同じかまたは遅くかつ横方向のエッチング（サイドエッチ）が生じにくい材料が適している。この条件を満たす材料として酸化物、窒化物、珪化物、または金属などを利用し得るが、成膜の容易性やダイヤモンドとの密着性の観点からアルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、もしくは窒化珪素の膜、またはこれらの複合膜が好ましい。これらの膜は、公知の成膜法を用いてダイヤモンド基体１上に形成することができる。
【００１８】
図１（ｂ）では、第一被覆層２上において、第二被覆層３として感光性材料層をスピンコート（回転塗布）する。そして、図１（ｃ）に示されているように、アライナまたはステッパなどと所定のフォトマスクとを用いたフォトリソグラフィプロセスによって、感光性材料パターン（第二被覆層パターン）３ａを形成する。
【００１９】
なお、感光性材料パターン３ａを形成するためのフォトリソグラフィは、ネガとポジいずれのプロセスであってもよい。また、フォトリソグラフィの代わりに電子線露光装置を用いた電子線リソグラフィなどの他のリソグラフィによって感光性材料パターン３ａを形成することも可能である。感光性材料としては、フォトレジスト、感光性ポリイミド、電子線露光用レジストなどを利用することができる。
【００２０】
図１（ｄ）と（ｅ）においては、第二被覆層パターン３ａと第一被覆層２にドライエッチングを施し、第二被覆層パターン３ａを除去するとともに、そのパターン形状を第一被覆層２に転写する。なお、このドライエッチングによるパターン転写においては、第二被覆層パターン３ａが消失すると同時に、図１（ｅ）に示すように第二被覆層パターン３ａの開口部に相当する領域において第一被覆層２も消失して、第一被覆層パターン２ａのみが残存することが好ましい。しかし、図１（ｄ）に示すように、第二被覆層パターン３ａの消失時にそのパターン３ａの開口部に相当する領域において第一被覆層の残留薄層２ｂが存在していてもよい。この場合でも、その後のドライエッチングによって残留薄層２ｂを除去することができる。
【００２１】
なお、ドライエッチングとしては、プラズマエッチング、イオンエッチング、集束イオンビームエッチングなどの公知の様々な方法を利用することができる。ただし、垂直エッチングが可能で形状転写の容易な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が、パターン転写の精度の観点から特に好ましい。ＲＩＥを行う装置としては容量結合型（ＣＣＰ）と誘導結合型（ＩＣＰ）のいずれを用いてもよい。ただし、パターン転写の良好な精度のためには、基体ホルダ（電極）に電圧を印可する形式のＲＩＥ装置が好ましい。
【００２２】
なお、あまり高いエッチング精度を必要としない長波長光用途の回折光学素子を作製する場合には、ドライエッチングの代わりにウェットエッチングを利用してもよい。ウェットエッチングの方法としては、第一被覆層２をエッチングし得るものであればよく、公知の様々な方法を利用することができる。
【００２３】
図１（ｄ）または（ｅ）の状態において、第一被覆層パターン２ａ（領域２ｂを含んでいてもよい）とダイヤモンド基体１とにドライエッチングを施し、第一被覆層パターン２ａ（および領域２ｂ）を除去するとともに、第一被覆層パターン２ａの形状をダイヤモンド基体１に転写する。これにより、図２の模式的な断面図に示されているようなレリーフ型回折光学素子が得られる。
【００２４】
すなわち、図２に示されたレリーフ型回折光学素子１００は、自立し得る膜状または薄板状のダイヤモンド基体１の上面に形成された凸部４と凹部５を含む表面レリーフを有している。ここで、図２においては表面レリーフに含まれる２つの凸部４と一つの凹部５のみが代表的に示されているが、実際のレリーフ型回折光学素子の表面レリーフはより多くの凸部と凹部を含んでいることは言うまでもない。
【００２５】
なお、第一被覆層パターン２ａ（および領域２ｂ）とダイヤモンド基体１とに施すドライエッチングとしては、第二被覆層パターン３ａと第一被覆層２とに施すドライエッチングと同様の方法を利用することができるが、通常は異なるエッチング条件が採用される。これらのドライエッチング用のガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＦ4、ＣＨＦ3、ＳＦ6、ＢＣｌ3、ＣＨＣｌ3、Ｏ2、Ｎ2などを単独でまたは任意に混合して用いることができる。特に、第一被覆層２の材料としてアルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、または窒化珪素を用いる場合には、垂直エッチングによる良好な精度の形状転写を実現するために、Ａｒ、ＣＦ4、ＣＨＦ3、もしくはＯ2、またはこれらを任意に混合したガスを用いることが好ましい。
【００２６】
以上のようにして作製されたレリーフ型回折光学素子１００においては、凸部（ダイヤモンド）４を通過する光と凹部（大気）５を通過する光との間に屈折率差による光路差が生じる。この光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して、レリーフ型回折光学素子１００の回折作用が生じる。ここで、ダイヤモンドは、屈折率１の大気および高々１．５程度の屈折率の慣用的光学材料に比べて遥かに高い２．４前後の屈折率を有している。したがって、そのダイヤモンドの屈折率が高いことに起因して、レリーフ型回折光学素子１００は優れた回折の機能と効率を発揮することができる。
【００２７】
さらに、ダイヤモンドは、赤外領域の一部を除いて紫外領域からマイクロ波領域までの広い波長範囲で優れた光透過性を示し、かつ高硬度、高耐圧、高熱伝導、高耐熱、低熱膨張、および低誘電損失の諸特性を有している。したがって、ダイヤモンドは、耐熱性、耐久性、および信頼性が求められる光学部品として、主に赤外線用やマイクロ波用の窓材に利用されている。以上のようなダイヤモンドの特性から分かるように、ダイヤモンドからなるレリーフ型回折光学素子１００は、赤外、近赤外、および可視領域だけでなくて紫外領域でも使用でき、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用することもできる。
【００２８】
図２に示されているようなダイヤモンドの単一材料からなるレリーフ型回折光学素子は、上述のようなダイヤモンドの全ての特長を享受し得る観点から好ましい。他方、レリーフ型回折光学素子の製造コストなどの観点からは、ダイヤモンドの単一材料からなる回折光学素子は決して好ましくない。なぜならば、自立し得る膜状または薄板上のダイヤモンド基体１はそれなりに十分な厚さを要し、高価なダイヤモンドの相当量を必要とするからである。
【００２９】
図３の模式的な断面図は、図２のレリーフ型回折光学素子１００の一変形例を示しており、すなわち上述のような製造コストの観点から好ましいレリーフ型回折光学素子２００を示している。このレリーフ型回折光学素子２００においては、基板１０上にダイヤモンド層１１が合成されて形成されている。この基板１０上のダイヤモンド層１１は自立し得る厚さに形成されてもよいことはもちろんであるが、製造コストの観点からは自立し得ない薄い層であることが好ましい。他方、基板１０としては、ダイヤモンド以外の安価で回折されるべき光を透過し得る材料を用いることができる。
【００３０】
なお、図３のレリーフ型回折光学素子２００に含まれるダイヤモンド層１１における凸部１４と凹部１５を含む表面レリーフは、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。
【００３１】
図４の模式的な断面図は、図３のレリーフ型回折光学素子２００の一変形例を示している。このレリーフ型回折光学素子３００においても、基板１０上にダイヤモンド層２１が形成されている。図４のレリーフ型回折光学素子３００に含まれるダイヤモンド層２１における凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフも、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。ただし、図４のレリーフ型回折光学素子３００の作製では、凹部２５においてダイヤモンド層２１が残存しないようにドライエッチングされる。
【００３２】
なお、凹部２５においてダイヤモンド層２１が残存しないようにドライエッチングするためには、ダイヤモンド層２１を当初から薄く形成していてもよいし、エッチング時間を長くしてもよい。この場合、ダイヤモンド層２１にドライエッチングを施す際に、基板１０がエッチングされない条件を選ぶか、またはエッチングされない材料の基板を選ぶことが好ましい。
【００３３】
上述の図３および図４に示されたレリーフ型回折光学素子２００、３００は、図２に示されたレリーフ型回折光学素子１００と同様の回折作用を生じることが容易に理解されよう。より具体的には、レリーフ型回折光学素子２００、３００においても、凸部（ダイヤモンド）１４、２４を通過する光と凹部（大気）１５、２５を通過する光との間に屈折率差による光路差が生じる。そして、この光路差に基づいて生じる光の位相差に起因して、レリーフ型回折光学素子２００、３００の回折作用が生じる。すなわち、ダイヤモンド層１１、２１を支持している基板１０は、単に光を透過させるだけであって光回折には影響を及ぼさず、屈折率の低い材料であっても回折効率に影響を及ぼすことがない。
【００３４】
したがって、基板１０の材料として屈折率を考慮する必要がなく、基板として選択される材料の特性として透過し得る光の波長を優先させれば、ダイヤモンド以外の材料の基板を用いても、可視領域だけでなくて紫外領域でも使用可能なレリーフ型回折光学素子を得ることができる。同様に、基板として選択される材料の特性として耐熱性を優先させれば、ダイヤモンド以外の材料の基板を用いても、ハイパワーレーザ用途でも使用し得るレリーフ型回折光学素子を得ることができる。
【００３５】
図５の模式的な断面図は、図２のレリーフ型回折光学素子１００の他の変形例を示している。このレリーフ型回折光学素子１００ａは、ダイヤモンド基体１の上面に凸部４と凹部５を含む表面レリーフを有するとともに、その下面に凸部４ａと凹部５ａを含む表面レリーフをも有している。図５のレリーフ型回折光学素子１００ａのダイヤモンド基体１の上下両面の表面レリーフのいずれもが、図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成され得ることが明らかであろう。また、図５に示されているようなレリーフ型回折光学素子においても、光が通過するダイヤモンド領域と大気領域との屈折率差に起因する位相差によって回折作用が生じることが明らかであろう。
【００３６】
図６の模式的な断面図は、図５のレリーフ型回折光学素子１００ａの一変形例を示している。この図６のレリーフ型回折光学素子２００ａにおいては、図３の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層１１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層１１ａが形成されている。この上側のダイヤモンド層１１は凸部１４と凹部１５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層１１ａは凸部１４ａと凹部１５ａを含む表面レリーフを有している。
【００３７】
図７の模式的な断面図は、図６のレリーフ型回折光学素子１００ａの一変形例を示している。この図７のレリーフ型回折光学素子３００ａにおいては、図６の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層２１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層２１ａが形成されている。この上側のダイヤモンド層２１は凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層２１ａは凸部２４ａと凹部２５ａを含む表面レリーフを有している。
【００３８】
図８の模式的な断面図は、図６のレリーフ型回折光学素子１００ａの他の変形例を示している。この図８のレリーフ型回折光学素子３００ｂにおいても、図６の場合に類似して基板１０の上面上にダイヤモンド層２１が形成されるとともに、基板１０の下面上にもダイヤモンド層１１ｂが形成されている。この上側のダイヤモンド層２１は凸部２４と凹部２５を含む表面レリーフを有し、下側のダイヤモンド層１１ｂは凸部１４ｂと凹部１５ｂを含む表面レリーフを有している。
【００３９】
以上の図６、図７、および図８に示されたレリーフ型回折光学素子２００ａ、３００ａ、３００ｂは図５のレリーフ型回折光学素子１００ａと同様の回折作用を生じ、それらに含まれるいずれの表面レリーフも図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明された方法と同様の方法によって形成することができる。
【００４０】
以上のようなレリーフ型回折光学素子は回折されるべき光に関して透光性であることが必要であり、その透光性は高いほど好ましく、すなわちその消衰係数は低いほど好ましい。しかしながら、ダイヤモンド層の合成方法次第では、得られるダイヤモンド層の透光性が低い場合もある。ダイヤモンド層において最低限必要な透光性は、ダイヤモンド層を最も薄くし得る場合、すなわち図３や図４のレリーフ型回折光学素子２００、３００の場合に使用に耐え得るか否かで決まることになる。ここで、基板上のダイヤモンド層の厚みは、最も薄くするとしても、合成や研磨の制御性を考慮すればせいぜい１μｍの薄さまでである。この場合に、可視領域と紫外領域との代表的な波長５２０ｎｍと２５０ｎｍのそれぞれにおいて、光が５０％以上透過するための透明度、すなわち消衰係数を計算すれば、それぞれ０．０２１以下と０．０１０以下になる。したがって、レリーフ型回折光学素子に使用するダイヤモンド層の消衰係数は、少なくともこれらの値以下であることが好ましい。
【００４１】
ところで、両面が平坦なレリーフ型回折光学素子が望まれる場合や、レリーフ面の凹部に塵や埃が付着する汚染を防止するためにレリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子が望まれる場合などにおいて、そのようなレリーフ型回折光学素子は、図９の模式的断面図に図解されている方法で作製することができる。
【００４２】
図９は、図２のレリーフ型回折光学素子１００を平坦化する方法を図解している。すなわち、レリーフ型回折光学素子１００のダイヤモンド基体１において、凸部４と凹部５を含むレリーフ面が、光学用樹脂やスピンオングラスなどの透明液体材料でスピンコート（回転塗布）される。このとき、透明液体材料は、凸部４の上にも載るよりも凹部５を埋めやすい。この透明液体材料の塗布後に、ホットプレート上や焼成炉中で熱処理することによって平坦化透明膜６を形成することができ、レリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子１０１が得られる。なお、１回のスピンコートで完全に平坦化するためには、透明液体材料の粘度およびスピンコートの回転数と回転時間を適当な値に設定する必要があるが、それらの設定における困難性を緩和するためにスピンコートと熱処理を複数回実施してもよい。
【００４３】
以上のように表裏両面とも平坦なレリーフ型回折光学素子１０１においてはその両表面に凸部と凹部は存在しないが、その上表面下に埋め込まれている凸部４の屈折率はダイヤモンドの２．４であり、埋め込まれている凹部５の屈折率は平坦化透明膜６の屈折率であって約１．４〜１．５の範囲内である。したがって、凸部４と凹部５との両者間には依然として大きな屈折率差が存在しており、両者を通過する光の間でも屈折率差による大きな位相差が生じる。この光の位相差によって回折現象が生じるので、ダイヤモンドを利用したレリーフ型回折光学素子は、レリーフ面を平坦化した状態でも回折光学素子として十分に機能させることができる。
【００４４】
図１０と図１１の模式的な断面図は、図３と図４のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を平坦化した回折光学素子２０１、３０１をそれぞれ示している。これらの両面平坦なレリーフ型回折光学素子２０１、３０１も、図９の場合と同様に、透明膜１６、２６によってそれぞれ平坦化され得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型の回折光学素子においても、それらの両面が透明膜によって平坦化され得ることが理解されよう。
【００４５】
また、付加的な光学部品にレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を接合させた回折光学装置を作製する場合には、エポキシ系樹脂などの公知の透明な接着剤によって接合させることができる。そのような付加的な光学部品は、例えば偏光板、１／２波長板、１／４波長板、レンズ、プリズム、他の回折光学素子などであり得る。
【００４６】
図１２の模式的断面図は、付加的な光学部品にレリーフ型回折光学素子が接合された回折光学装置の一例を示している。この回折光学装置１０２においては、図２の回折光学素子が接着剤７を介して付加的光学部品８に接合されている。この場合、接着剤７がレリーフ面の凹部５を埋めることなる。しかし、レリーフ面の凸部４の屈折率はダイヤモンドの２．４であり、埋め込まれている凹部５の屈折率は接着剤７の屈折率であって約１．４〜１．６の範囲内である。したがって、凸部４と凹部５との両者間には依然として大きな屈折率差が存在しており、両者を通過する光の間でも屈折率差による大きな位相差が生じる。この光の位相差によって回折現象が生じるので、ダイヤモンドを利用したレリーフ型回折光学素子はレリーフ面を付加的光学部品に接合させた状態でも回折光学素子として十分に機能させることができる。なお、付加的光学部品は、図２の回折光学素子のレリーフ面および／またはその反対側の平坦面に貼り付けられてもよいことは言うまでもない。
【００４７】
図１３と図１４の模式的な断面図は、図３と図４のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面に付加的光学部品１８、２８がそれぞれ接合された回折光学装置２０２、３０２をそれぞれ示している。これらの付加的光学部品を含むレリーフ型回折光学装置２０２、３０２も、図１２の場合と同様に、接着剤１７、２７を利用して作製され得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型の回折光学素子に関しても、それらの片面または両面に付加的光学部品が接合されてもよいことが理解されよう。
【００４８】
以上のように、図９〜図１４においてはレリーフ面が平坦化されたレリーフ型回折光学素子が図解されているが、それらに含まれている平坦化透明膜は、ダイヤモンドと空気との間の大きな屈折率差に起因して生じる反射を抑制する効果をも生じ得る。高屈折率材料からなる光学素子の短所の一つとして、入射側の媒質（一般的には大気）と光学素子との界面で生じる反射率が大きくなることがある。異なる媒質の界面で生じる平面波のフレネル反射は、入射光の偏光方向、入射側と出射側の両媒質の屈折率、および入射角で決まり、反射率すなわちエネルギー反射係数は以下に示す式で表される。
【００４９】
すなわち、Ｓ波（入射面に対して垂直な偏光方向）の反射率Ｒsは次式（１）で表され、Ｐ波（入射面に対して並行な偏光方向）の反射率ＲPは次式（２）で表される。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｎ1とｎ2はそれぞれ入射側媒質と出射側媒質の屈折率を表し、θ1とθ2はそれぞれ入射角と出射角を表している。屈折率差（ｎ1とｎ2の差）が大きければθ1とθ2の差が大きくなるので、式（１）と式（２）から分かるように、Ｓ波とＰ波のいずれにおいても反射率が大きくなる傾向になる。例えば、Ｓ波を入射角５０度で入射させる場合、大気とダイヤモンドの界面で発生する反射率は式（１）から３１％となり、すなわち透過率は６９％の低さになる。
【００５２】
他方、図９〜図１４に示された回折光学素子の場合のように、ダイヤモンドに比べて小さくかつ大気に比べて大きな屈折率を有する媒質（平坦化透明膜）を介在させることによって反射が抑制され、最終的にダイヤモンド中への透過率が大きくなる。この場合、界面が１つ増えるので、すなわち大気と平坦化透明膜との界面および平坦化透明膜とダイヤモンドとの界面でそれぞれフレネル反射が生じるので、一見透過率が低下すると思われるが、実際には平坦化透明膜がない場合に比較して透過率が増大する。
【００５３】
例えば、Ｓ波が入射角５０度で入射する場合、平坦化透明膜の屈折率を１．５とすれば、大気と平坦化透明膜との界面および平坦化透明膜とダイヤモンドとの界面での反射率はそれぞれ１１％および８％であり、換言すれば透過率はそれぞれ８９％および９２％である。その結果として、ダイヤモンド中への透過率は８９％×９２％＝８２％となり、前述の平坦化透明膜がない場合の透過率６９％に比べて顕著に高くなることが分かる。
【００５４】
さらに、図２１に示された回折光学素子１０３におけるように、平坦化透明膜６と略同じ屈折率を有する材料のプリズム３６を接合すれば、まず大気からプリズムへ入射する光の反射率を抑制することが可能である。この理由は、入射角に対してプリズムの頂角を適切に調整することによって、反射率が最も低い入射角になるように設定することができるからである。より具体的には、Ｓ波に関しては入射角が０度において最も反射率が低く、Ｐ波に関して入射角がブリュースター角である場合に最も反射率が低くなる。
【００５５】
例えば、上述の場合と同様にＳ波がプリズムのないときの入射角５０度に相当する角度で入射する場合に、プリズム３６の斜面が平坦化透明膜６となす頂角αを５０度に設定すれば、光はその斜面に対して入射角０度で入射することになる。この場合、大気とプリズム３６との界面および平坦化透明膜６とダイヤモンド層１との界面において、反射率はそれぞれ４％および１４％になり、透過率はそれぞれ９６％および８６％となる。その結果として、ダイヤモンド中への透過率は９６％×８６％＝８３％となり、前述のプリズムがないときの透過率８２％に比べて少し高くなることが分かる。なお、プリズム３６は平坦化透明膜６と同等の屈折率を有する材料で形成されているので、それらの間の界面では反射が生じない。
【００５６】
ところで、図２１の回折光学素子が回折格子（グレーティング）である場合、そのような回折格子とプリズムが接合した構造は一般にグリズムと呼ばれている。グリズムにおいては、特許文献１に示されているように、プリズム材料や回折格子構造を適切に選択することによって、プリズム単体や回折格子単体に比べてスペクトル角度分散を大きくすることができ、所望の角度分散に微調整することができる。また、特許文献２から類推できるように、グリズムにおいては、色収差を低減すなわち波長依存性を低減させることができる。さらに、グリズムを反射型の光学素子として利用する場合には、特許文献３から分かるように、アサーマル化すなわち温度依存性を低減させることができる。
【００５７】
なお、プリズム材料としては、溶融石英のほかにＢＫ７（合成石英）などのように、利用する光の波長域に関して透明でかつ各種の波長分散特性を有する材料を用いることができる。また、図２１は図９の回折光学素子にプリズムを接合した例を示しているが、図１０や図１１の回折光学素子にもプリズムを接合し得ることが理解されよう。さらに、図５から図８に示された両面レリーフ型回折光学素子の少なくとも光入射側を透明膜によって平坦化させて、その平坦面にプリズムを接合することによって、上述のような反射抑制やグリズムとしての特性を十分機能させることができる。
【００５８】
他方、反射率を低減させる別の手段として反射防止膜があり、これを本発明のレリーフ型回折光学素子に利用することも有効である。反射防止膜は、光学部品の反射防止のために広く用いられる薄膜である。例えば、光学部品の屈折率がｎであって、反射防止膜の屈折率がｎ１で厚さがｄであるとすれば、ｎ１＝√ｎかつｄ＝λ／４のときに、波長λの光は大気と光学部品との間で反射されない。
【００５９】
図２２は、そのような反射防止膜を利用した回折光学素子の一例を示している。図２２の回折光学素子１０４においては、レリーフ面に対向する下面の反射を抑制するように反射防止膜９が付与されている。反射防止膜９の屈折率と厚さを上述の関係に近づけることによって、素子下面における反射が低減され得る。具体的には、ダイヤモンド層１の屈折率が２．４であることを考慮すれば、反射防止膜９の屈折率は略１．５５であることが望ましい。そのような反射防止膜９の材料としては、例えば石英やスピンオングラス、特許文献４におけるような水素含有炭素膜、特許文献５におけるようなＳｉ−Ｏ含有水素化炭素膜などが挙げられるが、屈折率、透明性、および膜厚の条件を満たせば、これらの材料に限定されない。また、反射防止膜９は、一般的に反射防止膜として用いられる多層膜として形成されてもよい。
【００６０】
図２３は、図２２の回折光学素子の一部変形例を示している。すなわち、図２３の回折光学素子１０５においては、ダイヤモンド層１の下面上の反射防止膜９のみならず、レリーフ面上にも反射防止膜１９が付与されている。レリーフ面上の反射防止膜１９としては、ダイヤモンド層１の下面上の反射防止膜９と同質で同厚の膜が形成され得るが、レリーフ面の凸部４上と凹部５上に均一に堆積させるためにはスパッタ法にて成膜されることが好ましい。
【００６１】
図２４は、図２２のレリーフ型回折光学素子における反射防止膜９の代わりに微小突起による反射防止層２９が付加された変形例を示している。図２４の回折光学素子１０６において、反射防止膜９に代替する反射防止層２９に望まれる屈折率や層厚を実現する方法として、ダイヤモンド層１の表面にエッチングなどによって多数の微小突起を含む層を形成することができる。光の波長に対して十分細かい間隔の微小突起を含む層を設けることによって、その層の実効的な屈折率がダイヤモンドと大気に比べて中間の値を取り得る。したがって、微小突起構造を適切に選択することによって、その微小突起構造を含む薄層が反射防止層として機能することができる。
【００６２】
なお、微小突起構造に含まれる各突起は、特許文献６で述べられているように、円柱状、角柱状、円錐状、または角錐状であることが好ましい。微小突起構造の形成には種々の方法が適用され得る。例えば、レリーフ型回折光学素子を作製する前のダイヤモンド層の表面に、あらかじめダイヤモンド微小突起層を形成することが可能である。まず、ダイヤモンド微小突起層を形成すべき領域に各微小突起に対応したマスクを形成し、そのマスクが形成されたダイヤモンド層の表面をエッチングする。その後に、マスクを除去することによって、マスクで覆われていた各微小突起領域が各ダイヤモンド微小突起として残され得る。より詳しくは、特許文献６で述べられている方法を参考にすることができる。片面側に微小突起層２９を有するダイヤモンド層１の他面側に凸部４と凹部５を含むレリーフ面を形成することによって、図２４に示されているような反射防止層２９を含む回折光学素子１０６を得ることができる。
【００６３】
図２５は、図２４のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示している。すなわち、図２５の回折光学素子１０７においては、その下面側のみならず、レリーフ面側においても微小突起による反射防止層２９が形成されている。
【００６４】
図２５のレリーフ型回折光学素子も、図２４の素子と同様に作製することができる。まず、ダイヤモンド層１の両面に、図２４の場合と同様にして、微小突起層２９が形成される。その後に、ダイヤモンド層１に対して図１を参照して説明されたような異方性ドライエッチングを施すことによって、図２５に示されているようなレリーフ型回折光学素子１０７を作製することができる。すなわち、上方からの異方性ドライエッチングにおいては微小突起構造を維持したままで深さ方向にエッチングが進行するので、レリーフ面の凹部５が形成されたその底面においても微小突起層２９が残され得るのである。
【００６５】
上述のような本発明によるレリーフ型回折光学素子においては、レリーフ面の凸部と凹部の寸法や配置を所望の回折機能に適した所定のパターンに設定することによって、様々な光制御機能を発現させることができる。より具体的には、波長合分岐機能、パワー合分岐機能、偏光合分岐機能、集光機能、散光機能、さらにはビーム整形機能を有する回折光学素子を得ることができる。また、レリーフ型回折光学素子におけるレリーフ面の凸部と凹部を光の波長程度の大きさで周期的に配置することによって、その回折光学素子はフォトニック結晶としても利用することができる。
【００６６】
本発明によるレリーフ型回折光学素子は、上述の様々な光制御機能を利用することによって幅広い応用が可能となる。例えば、本発明によるレリーフ型回折光学素子は、光通信用の各種光学素子、ハイパワーレーザを用いたレーザ加工装置中の光学素子、各種画像表示装置や光記録装置中の光学素子、さらには光計測機器中の光学素子などとして適用可能である。
【００６７】
より具体的には、本発明によるレリーフ型回折光学素子は、波長合分波機能に関しては、光通信における波長合分波器、画像表示装置のＲＧＢ（赤緑青）合分光用素子などに適用できる。パワー合分岐機能に関しては、レーザ加工機のマルチビーム加工、光通信用光カプラなどに適用できる。偏光合分岐機能に関しては、光通信のＴＥ波とＴＭ波の分光器、偏光子、検光子、液晶用偏光板などに適用できる。集光機能に関しては、表示装置や記録装置の各種レンズ、マイクロレンズアレイなどへの応用が可能である。さらに、ビーム整形機能に関しては、レーザ加工機や表示装置のホモジナイザ、レーザ光による表示を利用した看板やデモンストレーション、２次元バーコードスキャナ装置の読み取り部表示枠などへの応用が可能である。
【００６８】
また、本発明によるレリーフ型回折光学素子を利用したフォトニック結晶に関しては、２次元フォトニック結晶導波路と波長合分波器（S. Noda, A. Chutinan, and M. Imada, Nature 407, 608 (2000)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器（Y. Akahane, T. Asano, B. S. Song, and S. Noda, Nature 425, 944 (2003)参照）、２次元フォトニック結晶微小共振器レーザ（O. Painter, R. K. Lee, A. Scherer, A. Yariv, J. D. O’Brien, P. D. Dapkus, and I. Kim, Science 284, 1819 (1999)参照）、２次元フォトニック結晶面発光レーザ（S. Noda, M. Yokoyama, M. Imada, A. Chutinan, and M. Mochizuki, Science 293, 1123 (2001)参照）、ＬＥＤの光取り出し効率向上（市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8 (2002)参照）などへの応用が可能である。
【００６９】
より具体的には、市川弘之、馬場俊彦：応用物理学会春季講演会、28p-ZF-8 (2002)によれば、ＬＥＤ（発光ダイオード）の光取り出し面にフォトニック結晶を作製することによって、半導体内の光が全反射を回避して空気中に取り出されるので、光取り出し効率が向上することが示されている。ただし、この場合には、半導体部分を直接加工してフォトニック結晶を作製するので、ＬＥＤ中の活性層やクラッド層に欠陥を導入する可能性が高い。すなわち、半導体部分を直接加工して作製されるフォトニック結晶は、必ずしも発光素子として好ましい効果ばかりを生じるわけではない。
【００７０】
他方、レリーフ面が２次元フォトニック結晶の構造を有する本発明のレリーフ型回折光学素子は、ＬＥＤの光取り出し面上に接合することができる。すなわち、このレリーフ型回折光学素子は、凸部と凹部が光の波長程度の大きさで周期的に２次元配置されたレリーフ面を有している。ここで、レリーフ型回折光学素子の接合面は、２次元フォトニック結晶の構造を有するレリーフ面とは反対側の平坦面とする。このとき、半導体部分の屈折率は３以上であるのに対してダイヤモンドの屈折率が約２．４であるので、ダイヤモンドと空気との屈折率差が半導体と空気との屈折率差より小さくなり、空気との界面で生じる全反射が低減され得る。さらに、レリーフ型回折光学素子の２次元フォトニック結晶構造における凸部と凹部のサイズや周期を適正に設計することによっても、半導体内からダイヤモンド層内へ移動した光が空気との界面で全反射することを回避し得るので、ＬＥＤからの光取り出し効率をさらに改善することができる。そして、この場合には、半導体部分を加工しないので、活性層やクラッド層に欠陥が導入される恐れがなく、フォトニック結晶として作用するレリーフ型回折光学素子は発光素子にとって好ましい効果のみを生じ得る。
【実施例１】
【００７１】
本発明による実施例１においては、図２に示されているようなレリーフ型回折光学素子１００が、気相合成法で得られた多結晶ダイヤモンド基体１を用いて作製された。このレリーフ型回折光学素子１００の作製過程は、図１（ａ）から（ｅ）を参照して説明された方法に対応している。
【００７２】
図１５の模式的平面図は、本実施例で作製されたレリーフ型回折光学素子１００の表面レリーフを示しており、これはライン（凸部）４４とスペース（凹部）４５の繰り返しからなるライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）のパターン４００を有している。このＬ＆Ｓパターン４００の全体寸法は１．５ｍｍ×１．５ｍｍであり、凸部４４と凹部４５の各々の幅は約１．２μｍであり、それらの高低差は０．２μｍである。
【００７３】
本実施例で用いたダイヤモンド基体１は５ｍｍ×２ｍｍ×０．２ｍｍの薄板であり、面積５ｍｍ×２ｍｍの成長面は機械的に研磨されている。このダイヤモンド基体１の消衰係数を測定したところ、波長５２０ｎｍと２５０ｎｍのいずれにおいても０．００１未満であり、ダイヤモンド基体１は光学部品として十分使用に耐え得ることが確認された。
【００７４】
図１（ａ）に示されているように、公知のマグネトロンスパッタ装置を用いて、ダイヤモンド基体１の面積５ｍｍ×２ｍｍの一主面上に厚さ６０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜２が堆積された。
【００７５】
そして、図１（ｂ）に示されているように、Ｔｉ膜２上にポジ型フォトレジストをスピンコートによって塗布し、厚さ７００ｎｍのフォトレジスト層３を形成した。
【００７６】
続いて、幅１．２μｍのライン（遮光部）とスペース（透過部）の繰り返しによるＬ＆Ｓパターンを有するフォトマスクとＤＵＶ（深紫外）線アライナとを用いて、フォトレジスト層３の表面にマスクパターンを等倍転写して現像を行なった。この結果、図１（ｃ）に示すようなレジストパターン３ａが形成された。
【００７７】
次に、公知の高周波電極間放電型（ＣＣＰ）の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を用いてレジストパターン３ａとＴｉ膜２をエッチングした。なお、エッチングガスとしてはＣＦ4を用いた。
【００７８】
このエッチングの結果、図１（ｅ）に示されているように、ダイヤモンド基体１上のＴｉパターン２ａを得ることができた。
【００７９】
この後、同じＲＩＥ装置を用いて、Ｔｉパターン２ａとダイヤモンド基体１にエッチング処理を施した。このエッチング条件は、下記の通りである。
高周波周波数： １３．５６ＭＨｚ
高周波電力： ２００Ｗ
チャンバ内圧力： ３Ｐａ
ＣＦ4ガス流量： １ｓｃｃｍ
Ｏ2ガス流量： ５０ｓｃｃｍ
このエッチング後に、ダイヤモンド基体１をフッ化水素酸溶液中に浸漬して残存Ｔｉを除去した結果、図２に示すようなレリーフ型回折光学素子１００が得られた。
【００８０】
図１６の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、こうして得られた本実施例のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示している。このＳＥＭ写真の底部に示されている白線のスケールは、２．４μｍの長さを表している。凸部４４と凹部４５の各々の幅は、約１．２μｍであった。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて表面凹凸状態を測定したところ、凸部４４と凹部４５の高低差は０．２μｍであった。
【００８１】
以上のようにして得られた図１６のＬ＆Ｓパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００について、可視光の波長５３２ｎｍを有する単一レーザビーム光を用いて回折像の観察を行なった。その観察結果が、図１７の回折パターンとして示されている。
【００８２】
図１７の回折パターンに示されているように、左端の透過光スポットとして現れている０次光が見られるだけでなく、その右側に順に１次光、２次光、３次光、および４次光などの多くの回折光が観測された。なお、他の高次数の回折光も存在していたが、図１７では一部の回折光のみを示している。
【００８３】
ここで、レーザ光の入射角が０度、すなわち図１６のＬ＆Ｓパターン面に垂直にレーザ光を入射した場合の回折効率が測定された。入射光強度と（０次光＋１次回折光）とのそれぞれに対する１次回折光の強度の比として回折効率を求めたところ、それぞれ１８％と７０％という高い値が得られた。以上の結果から、本実施例で得られたレリーフ型回折光学素子１００は、ビームパワー分岐機能を生じていることが分かる。この結果は、逆方向から複数のビームを入射させたときには、ビームパワーを合波できることを意味している。すなわち、本実施例のレリーフ型回折光学素子は、ビームパワー合分岐素子として利用できることが明らかである。
【実施例２】
【００８４】
本発明の実施例２においては、実施例１とは異なりＴｉ膜に変えて別の材料を第一被覆層２として用いて、実施例１とほぼ同様のレリーフパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００が形成された。
【００８５】
基本的には実施例１と同じであるが、レジスト厚や第一被覆層厚、さらにエッチングガスなどのエッチング条件は適宜変えて実施した。なお、実施例１でＲＩＥ装置を用いてＴｉ膜をエッチングする際には、エッチングガスとしてＣＦ4を用いたが、アルミニウム膜ではＣｌ2とＳｉＣｌ4の混合ガス、モリブデン膜ではＳＦ6、酸化珪素膜および窒化珪素膜ではＣＦ4を用いた。
【００８６】
得られた回折光学素子１００の凸部４４と凹部４５の各々の幅をＳＥＭ写真やＡＦＭ像から算出した。モリブデン膜ではＴｉ膜と同様に凸部凹部ともに約１．２μｍであったが、一方、アルミニウム膜と酸化珪素膜では凸部が１．１μｍで凹部が１．３μｍ、窒化珪素膜では凸部が１．０μｍで凹部が１．４μｍであった。このことから、第一被覆層２としては、チタンやモリブデンの膜がより好ましいといえる。
【実施例３】
【００８７】
本発明の実施例３においては、実施例１と同様のダイヤモンド基体１と方法を用いて、実施例１とは異なるレリーフパターンを有するレリーフ型回折光学素子１００が形成された。
【００８８】
図１８の平面図は、本実施例３のレリーフ型回折光学素子１００のレリーフパターンを示している。このレリーフパターン５００は、Ｌ＆Ｓパターンではなくて、黒点の集合で表された凸部５４と白点の集合で表された凹部５５で構成された複雑なパターンである。このレリーフパターン５００の全体領域は０．３０７２ｍｍ×０．３０７２ｍｍであり、凸部５４および凹部５５は一辺が約１．２μｍの正方形を一単位する黒点および白点の１以上の集合であり、すなわちそれらの黒点および白点が孤立している箇所もあるしそれらの複数が隣り合って連続している領域もある。そして、凸部５４と凹部５５の高低差は０．２μｍである。
【００８９】
図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施例３においても、実施例１の場合と同様にダイヤモンド基体１上に厚さ６０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜２と厚さ７００ｎｍのフォトレジスト層３が順次積層された。
【００９０】
その後、図１８のレリーフパターン５００の凸部５４と凹部５５にそれぞれ対応する遮光部と透過部のパターンを有するフォトマスクを用いて、ＤＵＶ線アライナによってフォトレジスト層３の表面にマスクパターンを等倍転写して現像を行なった。その結果、図１（ｃ）に示すようなレジストパターン３ａが形成された。
【００９１】
さらに、本実施例３においても、実施例１と同様の条件のドライエッチングを行なうことによって、図２に示すようなレリーフ型回折光学素子１００が得られた。
【００９２】
図１９のＳＥＭ写真は、こうして得られた本実施例３のレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示している。このＳＥＭ写真の底部に示されている白線のスケールは、５μｍの長さを表している。図１９において、凸部５４と凹部５５が、一辺が１．２μｍの正方形を一単位とする凸点と凹点の複数がそれぞれ連続して構成されていることが分かる。また、ＡＦＭを用いて凸部５４と凹部５５の高低差を測定した結果は０．２μｍであった。
【００９３】
以上のようにして得られた図１９のレリーフパターンを有する本実施例３のレリーフ型回折光学素子１００について、可視光の波長５３２ｎｍを有する単一レーザビーム光を用いて回折像の観察を行なった。その観察結果が、図２０の回折パターンとして示されている。
【００９４】
入射レーザビーム光は単峰性であったが、図２０の回折像は、単峰性の像ではなくて、中心の十字と外周の枠形状のパターンを示していることが分かる。これは図１８のレリーフパターン５００から得られる回折像として設計通りの回折パターンであり、図１９のレリーフパターンを有する回折光学素子はビーム整形素子としての機能を有していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明によれば、赤外、近赤外、可視の領域だけでなく紫外領域でも使用でき、高屈折率に起因して高い設計の自由度を有し、レリーフ面の凹部が他の材料で埋められても回折機能が失われず、さらにハイパワーレーザ用途でも安定して使用し得るレリーフ型回折光学素子を提供することができる。そして、そのようなレリーフ型回折光学素子は、種々の光学的制御機能を有する光学素子として作製され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の一実施形態によるレリーフ型回折光学素子の製造過程を示す模式的断面図である。
【図２】図１の製造過程を経て作製され得るレリーフ型回折光学素子を示す模式的断面図である。
【図３】図２のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図４】図３のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図５】図２のレリーフ型回折光学素子の他の変形例を示す模式的断面図である。
【図６】図５のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図７】図６のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図８】図６のレリーフ型回折光学素子の他の変形例を示す模式的断面図である。
【図９】図２のレリーフ型回折光学素子のさらに他の変形例を示す模式的断面図である。
【図１０】図９のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図１１】図１０のレリーフ型回折光学素子の一変形例を示す模式的断面図である。
【図１２】図２のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１３】図３のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１４】図４のレリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置を示す模式的断面図である。
【図１５】本発明の実施例１によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面におけるＬ＆Ｓパターンを示す模式的平面図である。
【図１６】実施例１によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示すＳＥＭ写真である。
【図１７】実施例１のレリーフ型回折光学素子によるレーザビームの回折パターンを示す写真である。
【図１８】本発明の実施例３によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面における凹凸領域分布パターンを示す模式的平面図である。
【図１９】実施例３によるレリーフ型回折光学素子のレリーフ面を示すＳＥＭ写真である。
【図２０】実施例３のレリーフ型回折光学素子によるレーザビームの回折パターンを示す写真である。
【図２１】図９のレリーフ型回折光学素子にプリズムが接合付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２２】図２のレリーフ型回折光学素子に反射防止膜が付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２３】図２２のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示す模式的断面図である。
【図２４】図２２のレリーフ型回折光学素子の反射防止膜の代わりに微小突起による反射防止層が付加された変形例を示す模式的断面図である。
【図２５】図２４のレリーフ型回折光学素子の一部変形例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１１、１１ａ、１１ｂ、２１、２１ａ ダイヤモンド層、２、１２ 第一被覆層、２ａ、１２ａ 第一被覆層パターン、３、１３ 第二被覆層（感光性材料層）、３ａ、１３ａ 感光性材料パターン、４、４ａ、１４、１４ａ、１４ｂ、２４、２４ａ、４４、５４ 凸部、５、５ａ、１５、１５ａ、１５ｂ、２５、２５ａ、４５、５５ 凹部、６、１６、２６ 平坦化透明膜、３６ プリズム、７、１７、２７ 接着剤、８、１８、２８ 付加的光学部品、９、１９ 反射防止膜、２９ 微小突起による反射防止層、１０ 基板、１００、１００ａ、１００ｂ、２００、２００ａ、２００ｂ レリーフ型回折光学素子、１０１、２０１、３０１ レリーフ面を平坦化させた回折光学素子、１０２、２０２、３０２ レリーフ型回折光学素子が付加的光学素子に接合された回折光学装置、１０３ レリーフ面を平坦化させた回折光学素子の上にプリズムを接合させた回折光学装置、１０４、１０５ 反射防止膜が付加されたレリーフ型回折光学素子、１０６、１０７ ダイヤモンド微小突起による反射防止層が付加されたレリーフ型回折光学素子、４００、５００ 凹凸領域分布パターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有するレリーフ型回折光学素子であって、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴とするレリーフ型回折光学素子。
【請求項２】
前記ダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することを特徴とする請求項１に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項３】
自立し得るダイヤモンド層に前記レリーフ面が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項４】
回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に形成されたダイヤモンド層とを含み、前記レリーフ面が前記ダイヤモンド層に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項５】
回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に分布させられた複数のダイヤモンド領域を含み、これらのダイヤモンド領域が前記レリーフ面の前記凸部に対応し、それらのダイヤモンド領域間で露出されている前記基板の表面が前記レリーフ面の前記凹部に対応していることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項６】
回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料で前記凹部が埋め込まれることによって前記レリーフ面が平坦化されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項７】
回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料からなる接着剤によって付加的光学部品に接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかのレリーフ型回折光学素子を製造するための方法であって、
ダイヤモンド層を形成し、
アルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかを含む第一被覆層を前記ダイヤモンド層上に形成し、
ダイヤモンド以外の材料でかつ前記第一被覆層と異なる材料からなる第二被覆層を前記第一被覆層上に形成し、
前記第二被覆層を所定のパターンに加工し、
前記第一被覆層と前記第二被覆層にドライエッチングを施して、前記第二被覆層の前記パターンを前記第一被覆層に転写するとともに前記第二被覆層を除去し、
前記第一被覆層と前記ダイヤモンド層にドライエッチングを施して、前記第一被覆層のパターンを前記ダイヤモンド層に転写するとともに前記第一被覆層を除去することを含むことを特徴とするレリーフ型回折光学素子の製造方法。
【請求項１】
光回折を生じさせる凸部と凹部を含むレリーフ面を有するレリーフ型回折光学素子であって、回折される光が通過すべき領域の少なくとも部分的領域の材質がダイヤモンドであることを特徴とするレリーフ型回折光学素子。
【請求項２】
前記ダイヤモンドの消衰係数は、波長５２０ｎｍの光に関して０．０２１以下の値を有し、波長２５０ｎｍの光に関して０．０１０以下の値を有することを特徴とする請求項１に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項３】
自立し得るダイヤモンド層に前記レリーフ面が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項４】
回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に形成されたダイヤモンド層とを含み、前記レリーフ面が前記ダイヤモンド層に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項５】
回折されるべき光を透過し得る材料からなる基板と、この基板上に分布させられた複数のダイヤモンド領域を含み、これらのダイヤモンド領域が前記レリーフ面の前記凸部に対応し、それらのダイヤモンド領域間で露出されている前記基板の表面が前記レリーフ面の前記凹部に対応していることを特徴とする請求項１または２に記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項６】
回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料で前記凹部が埋め込まれることによって前記レリーフ面が平坦化されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項７】
回折されるべき光を透過し得かつダイヤモンド以外である材料からなる接着剤によって付加的光学部品に接合されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレリーフ型回折光学素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかのレリーフ型回折光学素子を製造するための方法であって、
ダイヤモンド層を形成し、
アルミニウム、モリブデン、チタン、酸化珪素、および窒化珪素のいずれかを含む第一被覆層を前記ダイヤモンド層上に形成し、
ダイヤモンド以外の材料でかつ前記第一被覆層と異なる材料からなる第二被覆層を前記第一被覆層上に形成し、
前記第二被覆層を所定のパターンに加工し、
前記第一被覆層と前記第二被覆層にドライエッチングを施して、前記第二被覆層の前記パターンを前記第一被覆層に転写するとともに前記第二被覆層を除去し、
前記第一被覆層と前記ダイヤモンド層にドライエッチングを施して、前記第一被覆層のパターンを前記ダイヤモンド層に転写するとともに前記第一被覆層を除去することを含むことを特徴とするレリーフ型回折光学素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−８６６１３（Ｐ２００９−８６６１３Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１２３９８（Ｐ２００７−３１２３９８）
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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