光学素子および光学素子製造方法
【課題】クリーニングが容易で、かつ、クリーニングによるサブ波長構造破壊の恐れが無い新規な光学素子および光学素子製造方法を提供する。
【解決手段】光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料による透明基材１０Ａに、所望の光学機能に応じて、使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化した、サブ波長構造の屈折率変化領域が形成されており、表面が滑らかである光学素子。
【解決手段】光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料による透明基材１０Ａに、所望の光学機能に応じて、使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化した、サブ波長構造の屈折率変化領域が形成されており、表面が滑らかである光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光学素子および光学素子製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる２つの媒質（例えば、一方が空気で他方がガラス）の境界面部分に「光の波長よりも小さい周期の周期構造（ＳＷＳ＝Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：サブ波長構造）」を形成すると、反射低減作用、位相変調作用、構造複屈折作用等の特殊な光学作用が発現することが知られ、近来、サブ波長構造による光学作用を応用した光学素子の開発が広く行われている。
【０００３】
サブ波長構造の構造形態を適宜に構成することにより、レンズ機能、分波／合波機能、光強度分布変換機能、偏光分離機能、あるいはこれらの複合機能を有する光学素子を実現することができることが知られている。
【０００４】
光学素子が周期構造をもつ場合、周期構造の周期が使用波長と同程度以上であると回折が生じ、高次回折光によるエネルギ損失が問題となるが、サブ波長構造の場合は、高次の回折光が生じることが無く、このため、光利用効率の高い光学素子の実現が可能である。
【０００５】
サブ波長構造により光学機能を実現した光学素子としては、反射低減機能を実現するものとして特許文献１、位相変調機能を実現するものとして特許文献２、構造複屈折機能を実現するものとして非特許文献１が知られている。
【０００６】
サブ波長構造を有する光学素子の作製方法としては、フォトリソグラフィを利用したもの（特許文献３）や、レーザアブレーションを利用するもの（特許文献４）等が知られている。
【０００７】
ところで、従来の「微細な凹凸構造のない光学素子」では、光学素子表面に塵埃が付着した場合、塵埃による乱反射やホットスポットの発生を防ぐため、アルコールなどの溶剤を含ませたクリーニングペーパなどで塵埃を拭き取る等のクリーニング処理を行うのが一般的である。
【０００８】
表面にサブ波長構造を有する光学素子は、表面が微細な凹凸構造となっているため上記従来の光学素子に比して塵や埃が付着し易いが、上記クリーニング方法では塵埃を十分に除去することができず、拭き取りの際の「外力の作用」により微細な凹凸が破壊される恐れがある。
【０００９】
このような問題を有効に回避する方法として、微細な凹凸構造の上に「ＭｇＦ２などの無機質」を蒸着して保護層とすることが提案されている（特許文献５）が、保護層の形成のために蒸着などを行う必要があり、コストアップを将来する。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１４５０６４公報
【特許文献２】特開２００４− ６１９０５公報
【特許文献３】特開２００２−１８２００３号公報
【特許文献４】特開２００３−１８１６７８号公報
【特許文献５】特開２００２−１８２００３号公報
【非特許文献１】光学 ２７巻 第１号 ｐ．１２−１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、上述したところに鑑み、クリーニングが容易で、かつ、クリーニングによるサブ波長構造破壊の恐れが無い新規な光学素子の実現および、かかる光学素子を製造する製造方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の光学素子は以下の如きものである。
即ち、光学素子は「光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料」による透明基材に、所望の光学機能に応じて「使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化したサブ波長構造の屈折率変化領域」が形成されており、表面が滑らかである（請求項１）。
【００１３】
光反応性材料は、固形状態において光を照射されると、光照射された部分の屈折率が変化する材料であり、後述するもののほか種々のものが知られている。したがって、光反応性材料による透明基材に光パターンを照射することにより、透明基材に、屈折率が「照射された光パターンに従って他の部分の屈折率と異なる屈折率変化領域」を形成することができる。
【００１４】
この発明の光学素子は、このような屈折率変化領域が「使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化したサブ波長構造」として形成されている。「サブ波長構造の屈折率変化領域」は、光学素子が果たすべき光学機能に応じてその形態が定められているのである。透明基材における「光照射による屈折率変化」は、光照射により屈折率が高くなる変化でも、逆に光照射により屈折率が低くなる変化でもよい。
【００１５】
上の説明から明らかなように、光Ｌ１は「光反応性材料に屈折率変化を惹起する光」であり、使用光Ｌ２は「光学素子を使用するときの光」である。光Ｌ１と光Ｌ２とは「互いに波長が異なる」光であることができる。この場合には、光Ｌ１の照射によって「光反応性材料における屈折率変化」が生じるが、光Ｌ２の照射によっては「光反応性材料における屈折率変化」は生じない。
【００１６】
光Ｌ１と光Ｌ２とは「同一波長で光強度が異なるもの」であることもできる。光反応性材料には一般に、光反応により屈折率変化を生じる光強度の閾値：ＰＴＨがあり、光Ｌ１、Ｌ２の光強度：ＰＬ１、ＰＬ２と閾値：ＰＴＨの大小関係が、
ＰＬ１＞ＰＴＨ＞ＰＬ２
のようになっていれば、透明基材に光Ｌ１を照射するときには屈折率変化が生じるが、光Ｌ１と同一波長の使用光Ｌ２を照射しても光強度が閾値：ＰＴＨを越えないので屈折率変化は生じない。従って、屈折率変化領域を形成するための光Ｌ１と同一波長の使用光Ｌ２を用いても、透明基材に屈折率変化を生じることなく光学素子として使用することができる。
【００１７】
請求項１記載の光学素子における「サブ波長構造の屈折率変化領域」は、使用光Ｌ２の入射方向から見て１次元もしくは２次元の周期的な微細パターンをなし、この微細パターンの「１次元的もしくは２次元的なプロファイル」が鋸歯状もしくは矩形波状であることができる（請求項２）。
【００１８】
１次元の周期的な微細パターンは、サブ波長構造をなす屈折率変化領域における屈折率が１方向に周期的に変化している場合であり、この屈折率変化を横方向（使用光Ｌ２の入射方向と屈折率の変化する方向とに直交する方向）から見たときの「屈折率変化領域の状態」が１次元的なプロファイルである。
【００１９】
２次元の周期的な微細パターンは、サブ波長構造をなす屈折率変化領域における屈折率が２次元的に周期的に変化している場合であり、この屈折率変化を使用光Ｌ２の入射方向に直交する２方向から見たときの「屈折率変化領域の状態」が２次元的なプロファイルである。
【００２０】
１次元の周期的な微細パターンの例としては、周知の回折格子の格子パターンの格子間隔をサブ波長領域にしたもの等をあげることができる。また、２次元の周期的な微細パターンの例としては、同心円や同心楕円、あるいは２次元格子等を挙げることができる。
【００２１】
なお、上記の「鋸歯状」は、鋸歯形状の頂部を平坦化した「台形形状」も含むものであり、「矩形波状」はその近似的な形状も含むものとする。
後述するように、サブ波長構造の屈折率変化領域をなす周期的な微細パターンは、その周期、高さ（プロファイルにおける凸部の高さ）、フィルファクタにより特徴付けられ、これらにより屈折率変化領域の光学作用が定まる。従って、請求項２記載の光学素子において、サブ波長構造の屈折率変化領域をなす微細パターンの、周期（ピッチ）、高さ、フィルファクタの少なくとも１つを「屈折率変化領域内の位置に応じて変化」させる（請求項３）ことにより、屈折率変化領域内で光学機能を異ならせることができる。このようにして光学機能として、例えば位相変調機能としてのレンズ機能を実現することができる。
【００２２】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子における「光反応性材料による透明基材」は「少なくとも１種の無機の光反応性材料」を分散させた高分子樹脂材料として構成することもできるし（請求項４）、「少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料」として構成することもできる（請求項５）。この請求項５記載の光学素子の場合、光反応性材料として「フォトクロミック材料」を用いることも（請求項６）、「フォトリフラクティブ材料」を用いることもできる（請求項７）。
【００２３】
光反応性を示す材料では、紫外線レーザ照射等による光励起によって、屈折率変化を誘起できることが知られている。このような光照射によって屈折率変化を誘起できる材料としては、高分子樹脂材料にＧｅ、Ｂ、Ｂｉ、Ｔｉ等の「無機の光反応性材料」を分散させたものが好適である。
【００２４】
光照射によって屈折率変化を誘起できる「高分子樹脂材料」としては、フッ素含有光反応性高分子化合物が好適である。フッ素含有光反応性化合物は、分子構造中にフッ素原子を有していることから概して非常に小さい屈折率を有しており、干渉露光時にフッ素原子が拡散移動によって強露光部又は弱露光部に高い濃度で偏在し、重合反応によって固定される結果、上記「フッ素原子が高い濃度で偏在した部分」の屈折率を大きく低下させる。
【００２５】
上記「フォトクロミック材料」は、光の照射により照射部に「大きな屈折率変化」を誘起できる材料であり、具体的には、スピロピラン系、フルギド系、ジアリールエテン系等の材料を適宜に用いることができ、低分子系のフォトクロミック材料を高分子樹脂材料中に分散させたものを透明基材の材料として用いるか、または「フォトクロミック性を示す官能基を側鎖に有する高分子樹脂材料」を透明基材の材料として用いることができる。
【００２６】
上記「フォトリフラクティブ材料」としては、有機光導電性化合物であるポリビニルカルバゾールに、非線形光学化合物である「２，５−ジメチル−４−（ｐ−ニトロフェニルアゾ）アニソールのような低分子化合物」を分散したものや、側鎖にフォトリフラクティブ性を示す官能基を有する高分子樹脂材料を用いることができる。
【００２７】
上記請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子における透明基材は「所定の表面形状を有する光学基体」の表面形状の上に形成支持されていることができる（請求項８）。
所定の表面形状は、例えば、平面や球面、非球面、シリンダ面等であることができる。
【００２８】
例えば、光学基材として「所定の曲率の球面を有するガラスレンズ」を用い、その球面上に光反応性材料による透明基材を「球面に従う層構造」として形成し、この透明基材に光学機能として「位相変調機能を実現するサブ波長構造」を屈折率変化領域として２次元的に形成すると、上記位相変調機能を調整することにより、ガラスレンズに非球面レンズの機能等を付与することができる。
なお、光反応性材料による透明基材自体を「十分な機械強度を持つ形態」として構成すれば、屈折率変化領域を形成された透明基材単独で光学素子として用いることもできる。
【００２９】
請求項９、１０記載の製造方法は、上記請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、以下の如き特徴を有する。
即ち、請求項９記載の方法では「透明基材に対してレーザ光を集光させ、形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じて上記レーザ光を強度変調させつつ、透明基材を２次元的に走査して露光し、露光された部分で透明基材の屈折率を変化させる」ことにより屈折率変化領域を形成する。
また、請求項１０記載の方法では「透明基材に対して、形成するべき屈折率変化領域のパターンに応じた干渉縞パターンを照射」して露光を行う。
【００３０】
ここで、以下の説明のために「サブ波長構造」を説明する。
図７（ａ）において、符号１で示す部分は透明な「第１の媒質」、符号２で示す部分は第１の媒質１の表面構造として形成された「サブ波長構造」を示す。第１の媒質１の上部における「サブ波長構造２以外の部分」は第２の媒質である。
【００３１】
説明の簡単のために第１の媒質１は「屈折率：ｎをもった透明材料」例えばガラスであるとし、第２の媒質は「空気（屈折率：１．０）」であるとする。
【００３２】
サブ波長構造２は、図の如く、断面矩形状の凸部が、一定のピッチ：Ｐで図の左右方向へ形成されている。図の如く、上記凸部の高さを「Ｄ」、凸部の幅を「ｗ」とする。ピッチ：Ｐは光の波長よりも小さい。
【００３３】
例えば、図７（ａ）において、サブ波長構造２が「図面に直交する方向へ均一な断面形状を保って形成されている」とすれば、この場合のサブ波長構造は先に説明した「１次元の周期的な微細パターン」をなし、図７（ａ）はその「１次元的なプロファイル」を示しており、このプロファイルは「矩形波状」である。
【００３４】
このとき、上記ピッチ：Ｐと幅：ｗとの比：ｗ／Ｐを「フィルファクタ」と呼び「ｆ」で表す。フィルファクタ：ｆは、サブ波長構造において「周期構造のピッチ：Ｐに対して第１の媒質が充填されている割合」を表し、フィルファクタが大きくなるに従い、サブ波長構造における第２の媒質の閉める割合（サブ波長構造２の凹部の幅）が小さくなる。
【００３５】
上記ピッチ：Ｐと高さ：Ｄの比：Ｄ／Ｐを「アスペクト比」と呼ぶ。
【００３６】
図７（ａ）において、光が第２の媒質から第１の媒質１へ、上方から下方へ向ってサブ波長構造２の部分を介して入射するものとし、このとき、電場が図の左右方向（サブ波長構造２の周期方向）に振動する成分をＴＭ成分、電場が図面に直交する方向（サブ波長構造２における周期方向と入射方向とに直交する方向）に振動する成分をＴＥ成分とする。
【００３７】
このとき、サブ波長構造２の部分における有効屈折率を、ＴＭ成分につきｎ（ＴＭ）、ＴＥ成分についてｎ（ＴＥ）とすると、これらの有効屈折率は、第１の材質１の屈折率：ｎ、第２の媒質（空気）の屈折率（１．０）、フィルファクタ：ｆにより以下のように表される。
ｎ(ＴＥ)＝√{ｆｎ２＋(１−ｆ)} （１）
ｎ(ＴＭ)＝√［ｎ２／｛ｆ＋(１−ｆ)ｎ２｝］ （２）
ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）は式（１）、（２）から明らかなように、フィルファクタ：ｆの関数である。フィルファクタ：ｆの変化に対する有効屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）が変化する様子を図７（ｃ）に示す。
【００３８】
第２の媒質（空気）の側からサブ波長構造２を介して第１の媒質１に入射する光のＴＭ成分は、屈折率：１．０の第２の媒質から、屈折率：ｎ（ＴＭ）の媒質を介して屈折率：ｎの第１の媒質１へと「屈折率が変化する領域」を伝播することになる。またＴＥ成分は、屈折率：１．０の第２の媒質から、屈折率：ｎ（ＴＥ）の媒質を介して屈折率：ｎの第１の媒質１へと「屈折率が変化する領域」を伝播することになる。
【００３９】
換言すると、サブ波長構造２の形成されている領域では、ＴＭ成分とＴＥ成分とに異なる屈折率が作用することになり、第１の媒質１に伝播したＴＭ成分とＴＥ成分との間に位相差が発生することになる（構造複屈折機能）。このような位相差発生を利用すれば１／４波長板等の「位相差板の機能」をもった光学素子を実現できることになる。
【００４０】
また、ＴＥ成分とＴＭ成分とで屈折率が異なることを利用して、ＴＭ偏光とＴＥ偏光とを分離する「偏光ビームスプリッタ」の機能（分波／合波機能）をもった光学素子を実現することができる。
【００４１】
図７（ａ）に示したサブ波長構造では「フィルファクタ：ｆが一定」であるが、フィルファクタ：ｆをサブ波長構造内において位置的に変化させることもできる。この場合のサブ波長構造を図７（ｂ）に示す。繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図７（ａ）におけると同一の符号を付した。符号２Ａで示す部分がサブ波長構造であって「第１の媒質１の表面構造」として形成されており、第２の媒質である空気との境界面の一部を構成する。
【００４２】
図７（ｂ）におけるサブ波長構造２Ａにおいては、ピッチ：Ｐは一定であるがフィルファクタ：ｆ（＝ｗ／Ｐ）は、図の右方から左方へ向かって次第に減少している。
上記の式（１）、（２）により明らかなように、フィルファクタ：ｆの変化は屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）を変化させるから、図７（ｂ）の例のようにフィルファクタ：ｆがサブ波長構造２Ａ内における位置に応じて異なるとは、サブ波長構造２Ａの屈折率が位置に応じて変化することを意味し、このことを利用すると位相変調機能、例えばレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
また、上記偏光分離機能、構造複屈折機能、レンズ機能のほかにも、光強度分布変換機能や、これらの複合機能を有するようにサブ波長構造を構成することができる。
【発明の効果】
【００４３】
以上に説明したように、この発明によれば、サブ波長構造を持った新規な光学素子およびその製造方法を提供できる。この発明の光学素子は、反射低減、位相変調、構造複屈折等の光学機能を実現できる。
【００４４】
この発明の光学素子はサブ波長構造が「光学素子表面における機械的な微細凹凸構造」として形成されるのではなく、透明基材内部における屈折率の微細な変化による屈折率変化領域として形成されるので、光学素子表面は滑らかで塵埃が付着しにくく、塵埃が付着した場合にも、従来の方法と同様、アルコールなどの溶剤を含ませたクリーニングペーパなどで拭き取る等のクリーニング処理を実行しても、サブ波長構造が破壊されることがない。
【００４５】
光Ｌ１の照射により透明基材表面近傍の屈折率を変化させた場合も、後述する実施の形態のように透明基材の内部において屈折率を変化させた場合も、サブ波長構造は透明基材の表面より内部側に形成されるので、透明基材の表面部分がサブ波長構造に対する保護層として有効に機能し、透明基材の表面に独立した別個の保護層を形成する必要が無い。
【００４６】
この発明の光学素子製造方法は、透明基材に対して光照射を行うことにより「光反応により屈折率分布領域を形成する」ので製造が極めて容易であり、光学素子の安価な製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、実施の形態を説明する。
図１に、光学素子の構成の例を３例示す。
【００４８】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この発明の光学素子における「屈折率変化領域のプロファイル」を３例示している。図１（ａ）〜（ｃ）において、符号１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは「透明基材」を示す。これら透明基材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは「光学素子として使用される際の使用光（Ｌ２）とは波長もしくは強度が異なる光（Ｌ１）」の照射により屈折率が変化する光反応性材料により構成されている。
【００４９】
光反応性材料は「少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料」や、フォトクロミック材料、フォトリフラクティブ材料等、先に挙げたものを適宜に用いることができるが、図１の実施の形態における透明基材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに用いられている光反応性材料は「光照射により屈折率が低下する材料」である。
【００５０】
図１（ａ）〜（ｃ）において符号１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃで示す部分はそれぞれ「光照射により屈折率が低下した部分」であり、符号１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで示す部分は「高い屈折率を保っている部分」である。高い屈折率を保っている部分と屈折率を低下させられた部分との混在する部分が「サブ波長構造の屈折率変化領域」を構成する。
【００５１】
屈折率変化領域は、透明基材１０Ａにおいては「鋸歯状のプロファイル」を持ち、透明基材１０Ｂにおいては「台形形状（鋸歯状の１種である。）のプロファイル」を持ち、また、透明基材１０Ｃにおいては「矩形波状のプロファイル」を持つ。
これら透明基材１０Ａ〜１０Ｃにおいて、図示されない使用光（Ｌ２）は、図の上方から入射させられる。
【００５２】
図１（ｄ）、（ｅ）は、図１（ｂ）、（ｃ）の透明基材１０Ｂ、１０Ｃを上方から見た状態を説明図的に示している。図１（ｄ）は、図１（ｂ）、（ｃ）に示す透明基材１０Ｂ、１０Ｃの屈折率変化領域を上方から見たときの微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」である場合の例であり、透明基板表面（使用光の入射面）に露呈している屈折率の高い部分１２Ｂあるいは１２Ｃが「縦縞格子状」に現れている。
この場合、図１（ｂ）、（ｃ）は「屈折率変化領域の１次元的なプロファイル」である。
【００５３】
図１（ｅ）は、図１（ｂ）、（ｃ）に示す透明基材１０Ｂ、１０Ｃの屈折率変化領域を除法から見たときの微細パターンが「２次元の周期的な微細パターン」である場合の例であり、透明基板表面に露呈している屈折率の高い部分１２Ｂあるいは１２Ｃが「格子状」に現れている。
この場合、図１（ｂ）、（ｃ）は「屈折率変化領域の２次元的なプロファイル」の１例である。
【００５４】
図２（ａ）は、図１（ａ）に示す透明基材１０Ａにおける屈折率変化領域の微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、図１（ｂ）に示す透明基材１０Ｂにおける屈折率変化領域の微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。
【００５５】
図２（ｃ）は、図１（ｂ）に示す透明基材１０Ｂにおける屈折率変化領域の微細パターンが「２次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。図２（ｃ）に示す場合においては、屈折率変化領域における高屈折率部分１２Ｂの３次元形状は「截頭４角錐状」である。
【００５６】
なお、図１に示す透明基材１０Ａ〜１０Ｃは、単独で、あるいは「適宜の光学基体の表面に形成支持された状態」で光学素子として使用される。
【００５７】
先に述べたように、透明基材１０Ａ〜１０Ｃは「光照射により屈折率が低下する光反応性材料によるもの」である。このような材料を用いると、透明基材の入射面側から、屈折率変化領域の微細パターンに応じた光照射を行い、光照射方向の屈折率変化領域の形状を変えることによって、透明基材の表面部位に「屈折率が低下した領域」を形成できる。この領域は、屈折率変化領域をなすサブ波長構造に対する保護層として機能する。
【００５８】
屈折率変化領域をなす微細パターンの形成は、加工の容易さ・設計の容易さの観点から「等ピッチ・等幅の構造」が好ましく、上に図１、図２に即して説明した実施の形態は、このような場合の例になっている。
【００５９】
また、先に図７（ａ）に即して説明したように、サブ波長構造におけるピッチ：Ｐと高さ：Ｄの比：Ｄ／Ｐとして「アスペクト比」を定義したが、サブ波長構造を持つ光学素子の反射率はアスペクト比に依存し、アスペクト比が高い（大きい）ほど反射率が小さくなる。従って、アスペクト比の高いサブ波長構造を形成することにより「反射防止機能」をもった光学素子を実現できる。しかし、アスペクト比の高いサブ波長構造による屈折率変化領域を形成することは必ずしも容易ではない。
【００６０】
図２に示したような鋸歯状のプロフィールを持つサブ波長構造の場合「アスペクト比は低くても、反射率を小さく抑える」ことができ、アスペクト比の低い鋸歯状プロフィールの屈折率変化領域の形成は比較的容易であるので、このようなプロフィールの屈折率分布領域を持つ「反射防止機能」に優れた光学素子を容易に実現できる。
【００６１】
図３は、発明の実施の別形態を説明図的に示している。
符号１０Ｄは透明基材、符号１１Ｄは光照射により屈折率が変化（低屈折率化したものとする。）した部分、符号１２Ｄは高屈折率部分を示す。サブ波長構造の屈折率変化領域のプロフィールは「一定ピッチの矩形波状」であるが、凸部の高さ：Ｄは図の如く、図の左方から右方へ向かって次第に減少している。
このようにサブ波長構造における凸部の高さ：Ｄが変化すると、屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）をもった領域の厚さが変化するので、高さ：Ｄの変化がレンズの面形状と同様の機能を持つことになり、Ｄの変化を調整することによりレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
【００６２】
このようなレンズ機能を持つ光学素子に入射する使用光が「ランダム偏光あるいは円偏光」であれば、屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）の差異に起因する異方性は発現せず、有効屈折率としてｎ（ＴＭ）とｎ（ＴＥ）の算術平均：｛ｎ（ＴＭ）＋ｎ（ＴＥ）｝／２を用いることができる。
【００６３】
従って、図３に示すタイプの屈折率変化領域の微細パターンを１次元のパターンとすることにより「シリンダレンズ機能を持った光学素子」を実現でき、また、上記微細パターンを同心円パターンとすることにより通常のレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
【００６４】
図４は、実施の他の形態を説明するための図である。
符号１０Ｅは透明基材を示す。符号１１Ｅは光照射によって低屈折率化された部分、符号１２Ｅは高屈折率部分である。この透明基材１０Ｅにおいては、サブ波長構造による屈折率変化領域が２重周期的である。
【００６５】
即ち、屈折率変化領域のプロフィールにおいては、フィルファクタ：ｆ、ピッチ：Λ、凸部の幅：ｆ・Λであるような第１種のサブ波長構造が形成されるとともに、このサブ波長構造をなす個々の凸部が、フィルファクタ：ｆ’、ピッチ：Λ’、凸部の幅：ｆ’・Λ’であるような第２種のサブ波長構造が形成されている。
【００６６】
フィルファクタ：ｆ、ｆ’が互いに異なることから、これら第１種及び第２種のサブ波長構造の有効屈折率が異なる。第１種のサブ波長構造は、ＴＭ偏光に対して有効屈折率：ｎ（ＴＭ）の等方性媒質のように作用するように形成され、第２種のサブ波長構造は、ＴＥ偏光に対して有効屈折率：ｎ（ＴＥ）の等方性媒質のように作用するように形成されている。
【００６７】
このため、透明基材１０Ｅは、ＴＥ偏光に対しては「周期：Λの屈折率：ｎ（ＴＥ）の媒質からなる回折格子」のように機能し、ＴＭ偏光に対しては「周期：Λ’の屈折率：ｎ（ＴＭ）からなる回折格子」のように機能し、透明基材１０Ｅは、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対して異なった振る舞いを示す。このことを利用して「一方の直線偏光は透過するが、それに直交する直線偏光は反射するような偏光分離ミラー」の機能を持った光学素子を実現することができる。
【００６８】
図５は請求項１０記載の光学素子製造方法の実施の１形態を説明するための図である。
【００６９】
光学素子となるべき材料は、透明平行平板ガラスによる光学基体１００の上に、先に説明した「光反応性材料」による薄層状の透明基材１１０を形成されたものである。
【００７０】
紫外レーザ光源５１からの干渉性の高いレーザ光を空間フィルタ５２で整形し、１／２波長板５３を通して無偏光ビームスプリッタ５４で１：１の強度となるようにビーム分割し、分割されたビームをミラー５５、５６で折り返して透明基材１１０の表面上において干渉させ、干渉縞による光強度分布１２０により透明基材１１０の露光を行い、光照射部の屈折率を変化させることにより、サブ波長構造の屈折率変化領域を形成することができる。干渉縞の光強度分布１２０が「一定振幅の変化」であれば、図２（ａ）、（ｂ）に示したような１次元的なプロフィールをもった屈折率変化領域を形成できる。レーザ光の光強度はコントローラ５７により調整する。
【００７１】
また、レーザ光の干渉に対して、干渉強度を変調することで、図３に示したような凸部の高さが変化する屈折率変化領域を形成できる。具体的には、例えば、１／２波長板５２の角度を調整する回転ステージ５８を、コントローラ５７により制御することで干渉光のＳ、Ｐ偏光成分に差をもたせて干渉縞の光強度を変調し、中心値から強度を変調する。これは、分割されたレーザ光の強度比を変調することによっても可能である。
【００７２】
図６は請求項９記載の光学素子製造方法の実施の１形態を説明するための図である。
【００７３】
この実施の形態は「２光子吸収を用いた屈折率変化領域の形成法」である。
図６（ｂ）に示すように、光学素子となるべき材料は、透明平行平板ガラスによる光学基体１００の上に、先に説明した「光反応性材料」による薄層状の透明基材１１０を形成されたものである。この材料を移動ステージ６５上に設置する。
【００７４】
レーザ光源６１からのレーザ光を空間フィルタ６２で整形し、ガルバノミラー６３を介して集光レンズ６４に入射させ、集光レンズ６４により集光させつつ透明基材１１０に照射する。このとき、図６（ａ）に示すように、収束するレーザ光Ｌ１０が、透明基材１１０の厚み方向の内部において集光するようにする。レーザ光の集光点では「光子密度」が極端に高くなるため、光反応性材料による２光子吸収の誘起が活発化する。
【００７５】
このため、透明基材１１０の内部においてレーザ光Ｌ１０が集光した集光点のみで２光子吸収による励起が生じ、透明基材１１０の内部に屈折率変化を生じさせる。このようにして屈折率変化を生じさせつつ、ガルバノミラー６４によるレーザ光の平行変位と、移動ステージ６５による光学基体１００の平行変位（図６（ａ）の矢印６Ａ）とを直交的に組み合わせて、レーザ光Ｌ１０と透明基材１１０の位置関係を相対的に２次元的に変位させて、透明基材１１０をレーザ光Ｌ１０により２次元的に走査する。
【００７６】
このとき、移動ステージ６５により透明基材１１０を「厚み方向」にも変位させてレーザ光Ｌ１０の集光位置を、透明基材１１０の厚さ方向にも変位させる。
この走査の際に、コントローラ６６によりレーザ光Ｌ１０の強度を変調することにより透明基板１１０内における屈折率変化を調整できるので、レーザ光Ｌ１０の強度を「形成すべき屈折率変化領域のパターン」に応じて強度変調することにより、透明基材１１０の内部に所望の「屈折率変化領域（例えば、図３や図４に示すような屈折率変化領域）」をサブ波長構造として形成することができる。
【００７７】
請求項９における「透明基材に対してレーザ光を集光させ、形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じてレーザ光を強度変調させつつ、透明基材を２次元的に走査して露光」するとは、このように、レーザ光Ｌ１０の集光位置を、透明基材１１０の厚さ方向にも変位する場合を含む。
【００７８】
レーザ光源６１として、パルス幅が１ｐｓ以下である所謂「超短パルスレーザ」用いることにより、より低いパワーでサブ波長構造を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】光学素子の構成の例を３例示す図である。
【図２】屈折率変化領域の３次元的な形態の例を３例示す図である。
【図３】光学素子の別例を説明するための図である。
【図４】光学素子の他の例を説明するための図である。
【図５】請求項１０記載の光学素子製造方法を説明するための図である。
【図６】請求項９記載の光学素子製造方法を説明するための図である。
【図７】サブ波長構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０Ａ 透明基材
１１Ａ 光照射により屈折率が変化した領域
１２Ａ 光屈折率の領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は光学素子および光学素子製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率の異なる２つの媒質（例えば、一方が空気で他方がガラス）の境界面部分に「光の波長よりも小さい周期の周期構造（ＳＷＳ＝Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：サブ波長構造）」を形成すると、反射低減作用、位相変調作用、構造複屈折作用等の特殊な光学作用が発現することが知られ、近来、サブ波長構造による光学作用を応用した光学素子の開発が広く行われている。
【０００３】
サブ波長構造の構造形態を適宜に構成することにより、レンズ機能、分波／合波機能、光強度分布変換機能、偏光分離機能、あるいはこれらの複合機能を有する光学素子を実現することができることが知られている。
【０００４】
光学素子が周期構造をもつ場合、周期構造の周期が使用波長と同程度以上であると回折が生じ、高次回折光によるエネルギ損失が問題となるが、サブ波長構造の場合は、高次の回折光が生じることが無く、このため、光利用効率の高い光学素子の実現が可能である。
【０００５】
サブ波長構造により光学機能を実現した光学素子としては、反射低減機能を実現するものとして特許文献１、位相変調機能を実現するものとして特許文献２、構造複屈折機能を実現するものとして非特許文献１が知られている。
【０００６】
サブ波長構造を有する光学素子の作製方法としては、フォトリソグラフィを利用したもの（特許文献３）や、レーザアブレーションを利用するもの（特許文献４）等が知られている。
【０００７】
ところで、従来の「微細な凹凸構造のない光学素子」では、光学素子表面に塵埃が付着した場合、塵埃による乱反射やホットスポットの発生を防ぐため、アルコールなどの溶剤を含ませたクリーニングペーパなどで塵埃を拭き取る等のクリーニング処理を行うのが一般的である。
【０００８】
表面にサブ波長構造を有する光学素子は、表面が微細な凹凸構造となっているため上記従来の光学素子に比して塵や埃が付着し易いが、上記クリーニング方法では塵埃を十分に除去することができず、拭き取りの際の「外力の作用」により微細な凹凸が破壊される恐れがある。
【０００９】
このような問題を有効に回避する方法として、微細な凹凸構造の上に「ＭｇＦ２などの無機質」を蒸着して保護層とすることが提案されている（特許文献５）が、保護層の形成のために蒸着などを行う必要があり、コストアップを将来する。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１４５０６４公報
【特許文献２】特開２００４− ６１９０５公報
【特許文献３】特開２００２−１８２００３号公報
【特許文献４】特開２００３−１８１６７８号公報
【特許文献５】特開２００２−１８２００３号公報
【非特許文献１】光学 ２７巻 第１号 ｐ．１２−１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、上述したところに鑑み、クリーニングが容易で、かつ、クリーニングによるサブ波長構造破壊の恐れが無い新規な光学素子の実現および、かかる光学素子を製造する製造方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の光学素子は以下の如きものである。
即ち、光学素子は「光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料」による透明基材に、所望の光学機能に応じて「使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化したサブ波長構造の屈折率変化領域」が形成されており、表面が滑らかである（請求項１）。
【００１３】
光反応性材料は、固形状態において光を照射されると、光照射された部分の屈折率が変化する材料であり、後述するもののほか種々のものが知られている。したがって、光反応性材料による透明基材に光パターンを照射することにより、透明基材に、屈折率が「照射された光パターンに従って他の部分の屈折率と異なる屈折率変化領域」を形成することができる。
【００１４】
この発明の光学素子は、このような屈折率変化領域が「使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化したサブ波長構造」として形成されている。「サブ波長構造の屈折率変化領域」は、光学素子が果たすべき光学機能に応じてその形態が定められているのである。透明基材における「光照射による屈折率変化」は、光照射により屈折率が高くなる変化でも、逆に光照射により屈折率が低くなる変化でもよい。
【００１５】
上の説明から明らかなように、光Ｌ１は「光反応性材料に屈折率変化を惹起する光」であり、使用光Ｌ２は「光学素子を使用するときの光」である。光Ｌ１と光Ｌ２とは「互いに波長が異なる」光であることができる。この場合には、光Ｌ１の照射によって「光反応性材料における屈折率変化」が生じるが、光Ｌ２の照射によっては「光反応性材料における屈折率変化」は生じない。
【００１６】
光Ｌ１と光Ｌ２とは「同一波長で光強度が異なるもの」であることもできる。光反応性材料には一般に、光反応により屈折率変化を生じる光強度の閾値：ＰＴＨがあり、光Ｌ１、Ｌ２の光強度：ＰＬ１、ＰＬ２と閾値：ＰＴＨの大小関係が、
ＰＬ１＞ＰＴＨ＞ＰＬ２
のようになっていれば、透明基材に光Ｌ１を照射するときには屈折率変化が生じるが、光Ｌ１と同一波長の使用光Ｌ２を照射しても光強度が閾値：ＰＴＨを越えないので屈折率変化は生じない。従って、屈折率変化領域を形成するための光Ｌ１と同一波長の使用光Ｌ２を用いても、透明基材に屈折率変化を生じることなく光学素子として使用することができる。
【００１７】
請求項１記載の光学素子における「サブ波長構造の屈折率変化領域」は、使用光Ｌ２の入射方向から見て１次元もしくは２次元の周期的な微細パターンをなし、この微細パターンの「１次元的もしくは２次元的なプロファイル」が鋸歯状もしくは矩形波状であることができる（請求項２）。
【００１８】
１次元の周期的な微細パターンは、サブ波長構造をなす屈折率変化領域における屈折率が１方向に周期的に変化している場合であり、この屈折率変化を横方向（使用光Ｌ２の入射方向と屈折率の変化する方向とに直交する方向）から見たときの「屈折率変化領域の状態」が１次元的なプロファイルである。
【００１９】
２次元の周期的な微細パターンは、サブ波長構造をなす屈折率変化領域における屈折率が２次元的に周期的に変化している場合であり、この屈折率変化を使用光Ｌ２の入射方向に直交する２方向から見たときの「屈折率変化領域の状態」が２次元的なプロファイルである。
【００２０】
１次元の周期的な微細パターンの例としては、周知の回折格子の格子パターンの格子間隔をサブ波長領域にしたもの等をあげることができる。また、２次元の周期的な微細パターンの例としては、同心円や同心楕円、あるいは２次元格子等を挙げることができる。
【００２１】
なお、上記の「鋸歯状」は、鋸歯形状の頂部を平坦化した「台形形状」も含むものであり、「矩形波状」はその近似的な形状も含むものとする。
後述するように、サブ波長構造の屈折率変化領域をなす周期的な微細パターンは、その周期、高さ（プロファイルにおける凸部の高さ）、フィルファクタにより特徴付けられ、これらにより屈折率変化領域の光学作用が定まる。従って、請求項２記載の光学素子において、サブ波長構造の屈折率変化領域をなす微細パターンの、周期（ピッチ）、高さ、フィルファクタの少なくとも１つを「屈折率変化領域内の位置に応じて変化」させる（請求項３）ことにより、屈折率変化領域内で光学機能を異ならせることができる。このようにして光学機能として、例えば位相変調機能としてのレンズ機能を実現することができる。
【００２２】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子における「光反応性材料による透明基材」は「少なくとも１種の無機の光反応性材料」を分散させた高分子樹脂材料として構成することもできるし（請求項４）、「少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料」として構成することもできる（請求項５）。この請求項５記載の光学素子の場合、光反応性材料として「フォトクロミック材料」を用いることも（請求項６）、「フォトリフラクティブ材料」を用いることもできる（請求項７）。
【００２３】
光反応性を示す材料では、紫外線レーザ照射等による光励起によって、屈折率変化を誘起できることが知られている。このような光照射によって屈折率変化を誘起できる材料としては、高分子樹脂材料にＧｅ、Ｂ、Ｂｉ、Ｔｉ等の「無機の光反応性材料」を分散させたものが好適である。
【００２４】
光照射によって屈折率変化を誘起できる「高分子樹脂材料」としては、フッ素含有光反応性高分子化合物が好適である。フッ素含有光反応性化合物は、分子構造中にフッ素原子を有していることから概して非常に小さい屈折率を有しており、干渉露光時にフッ素原子が拡散移動によって強露光部又は弱露光部に高い濃度で偏在し、重合反応によって固定される結果、上記「フッ素原子が高い濃度で偏在した部分」の屈折率を大きく低下させる。
【００２５】
上記「フォトクロミック材料」は、光の照射により照射部に「大きな屈折率変化」を誘起できる材料であり、具体的には、スピロピラン系、フルギド系、ジアリールエテン系等の材料を適宜に用いることができ、低分子系のフォトクロミック材料を高分子樹脂材料中に分散させたものを透明基材の材料として用いるか、または「フォトクロミック性を示す官能基を側鎖に有する高分子樹脂材料」を透明基材の材料として用いることができる。
【００２６】
上記「フォトリフラクティブ材料」としては、有機光導電性化合物であるポリビニルカルバゾールに、非線形光学化合物である「２，５−ジメチル−４−（ｐ−ニトロフェニルアゾ）アニソールのような低分子化合物」を分散したものや、側鎖にフォトリフラクティブ性を示す官能基を有する高分子樹脂材料を用いることができる。
【００２７】
上記請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子における透明基材は「所定の表面形状を有する光学基体」の表面形状の上に形成支持されていることができる（請求項８）。
所定の表面形状は、例えば、平面や球面、非球面、シリンダ面等であることができる。
【００２８】
例えば、光学基材として「所定の曲率の球面を有するガラスレンズ」を用い、その球面上に光反応性材料による透明基材を「球面に従う層構造」として形成し、この透明基材に光学機能として「位相変調機能を実現するサブ波長構造」を屈折率変化領域として２次元的に形成すると、上記位相変調機能を調整することにより、ガラスレンズに非球面レンズの機能等を付与することができる。
なお、光反応性材料による透明基材自体を「十分な機械強度を持つ形態」として構成すれば、屈折率変化領域を形成された透明基材単独で光学素子として用いることもできる。
【００２９】
請求項９、１０記載の製造方法は、上記請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、以下の如き特徴を有する。
即ち、請求項９記載の方法では「透明基材に対してレーザ光を集光させ、形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じて上記レーザ光を強度変調させつつ、透明基材を２次元的に走査して露光し、露光された部分で透明基材の屈折率を変化させる」ことにより屈折率変化領域を形成する。
また、請求項１０記載の方法では「透明基材に対して、形成するべき屈折率変化領域のパターンに応じた干渉縞パターンを照射」して露光を行う。
【００３０】
ここで、以下の説明のために「サブ波長構造」を説明する。
図７（ａ）において、符号１で示す部分は透明な「第１の媒質」、符号２で示す部分は第１の媒質１の表面構造として形成された「サブ波長構造」を示す。第１の媒質１の上部における「サブ波長構造２以外の部分」は第２の媒質である。
【００３１】
説明の簡単のために第１の媒質１は「屈折率：ｎをもった透明材料」例えばガラスであるとし、第２の媒質は「空気（屈折率：１．０）」であるとする。
【００３２】
サブ波長構造２は、図の如く、断面矩形状の凸部が、一定のピッチ：Ｐで図の左右方向へ形成されている。図の如く、上記凸部の高さを「Ｄ」、凸部の幅を「ｗ」とする。ピッチ：Ｐは光の波長よりも小さい。
【００３３】
例えば、図７（ａ）において、サブ波長構造２が「図面に直交する方向へ均一な断面形状を保って形成されている」とすれば、この場合のサブ波長構造は先に説明した「１次元の周期的な微細パターン」をなし、図７（ａ）はその「１次元的なプロファイル」を示しており、このプロファイルは「矩形波状」である。
【００３４】
このとき、上記ピッチ：Ｐと幅：ｗとの比：ｗ／Ｐを「フィルファクタ」と呼び「ｆ」で表す。フィルファクタ：ｆは、サブ波長構造において「周期構造のピッチ：Ｐに対して第１の媒質が充填されている割合」を表し、フィルファクタが大きくなるに従い、サブ波長構造における第２の媒質の閉める割合（サブ波長構造２の凹部の幅）が小さくなる。
【００３５】
上記ピッチ：Ｐと高さ：Ｄの比：Ｄ／Ｐを「アスペクト比」と呼ぶ。
【００３６】
図７（ａ）において、光が第２の媒質から第１の媒質１へ、上方から下方へ向ってサブ波長構造２の部分を介して入射するものとし、このとき、電場が図の左右方向（サブ波長構造２の周期方向）に振動する成分をＴＭ成分、電場が図面に直交する方向（サブ波長構造２における周期方向と入射方向とに直交する方向）に振動する成分をＴＥ成分とする。
【００３７】
このとき、サブ波長構造２の部分における有効屈折率を、ＴＭ成分につきｎ（ＴＭ）、ＴＥ成分についてｎ（ＴＥ）とすると、これらの有効屈折率は、第１の材質１の屈折率：ｎ、第２の媒質（空気）の屈折率（１．０）、フィルファクタ：ｆにより以下のように表される。
ｎ(ＴＥ)＝√{ｆｎ２＋(１−ｆ)} （１）
ｎ(ＴＭ)＝√［ｎ２／｛ｆ＋(１−ｆ)ｎ２｝］ （２）
ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）は式（１）、（２）から明らかなように、フィルファクタ：ｆの関数である。フィルファクタ：ｆの変化に対する有効屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）が変化する様子を図７（ｃ）に示す。
【００３８】
第２の媒質（空気）の側からサブ波長構造２を介して第１の媒質１に入射する光のＴＭ成分は、屈折率：１．０の第２の媒質から、屈折率：ｎ（ＴＭ）の媒質を介して屈折率：ｎの第１の媒質１へと「屈折率が変化する領域」を伝播することになる。またＴＥ成分は、屈折率：１．０の第２の媒質から、屈折率：ｎ（ＴＥ）の媒質を介して屈折率：ｎの第１の媒質１へと「屈折率が変化する領域」を伝播することになる。
【００３９】
換言すると、サブ波長構造２の形成されている領域では、ＴＭ成分とＴＥ成分とに異なる屈折率が作用することになり、第１の媒質１に伝播したＴＭ成分とＴＥ成分との間に位相差が発生することになる（構造複屈折機能）。このような位相差発生を利用すれば１／４波長板等の「位相差板の機能」をもった光学素子を実現できることになる。
【００４０】
また、ＴＥ成分とＴＭ成分とで屈折率が異なることを利用して、ＴＭ偏光とＴＥ偏光とを分離する「偏光ビームスプリッタ」の機能（分波／合波機能）をもった光学素子を実現することができる。
【００４１】
図７（ａ）に示したサブ波長構造では「フィルファクタ：ｆが一定」であるが、フィルファクタ：ｆをサブ波長構造内において位置的に変化させることもできる。この場合のサブ波長構造を図７（ｂ）に示す。繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図７（ａ）におけると同一の符号を付した。符号２Ａで示す部分がサブ波長構造であって「第１の媒質１の表面構造」として形成されており、第２の媒質である空気との境界面の一部を構成する。
【００４２】
図７（ｂ）におけるサブ波長構造２Ａにおいては、ピッチ：Ｐは一定であるがフィルファクタ：ｆ（＝ｗ／Ｐ）は、図の右方から左方へ向かって次第に減少している。
上記の式（１）、（２）により明らかなように、フィルファクタ：ｆの変化は屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）を変化させるから、図７（ｂ）の例のようにフィルファクタ：ｆがサブ波長構造２Ａ内における位置に応じて異なるとは、サブ波長構造２Ａの屈折率が位置に応じて変化することを意味し、このことを利用すると位相変調機能、例えばレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
また、上記偏光分離機能、構造複屈折機能、レンズ機能のほかにも、光強度分布変換機能や、これらの複合機能を有するようにサブ波長構造を構成することができる。
【発明の効果】
【００４３】
以上に説明したように、この発明によれば、サブ波長構造を持った新規な光学素子およびその製造方法を提供できる。この発明の光学素子は、反射低減、位相変調、構造複屈折等の光学機能を実現できる。
【００４４】
この発明の光学素子はサブ波長構造が「光学素子表面における機械的な微細凹凸構造」として形成されるのではなく、透明基材内部における屈折率の微細な変化による屈折率変化領域として形成されるので、光学素子表面は滑らかで塵埃が付着しにくく、塵埃が付着した場合にも、従来の方法と同様、アルコールなどの溶剤を含ませたクリーニングペーパなどで拭き取る等のクリーニング処理を実行しても、サブ波長構造が破壊されることがない。
【００４５】
光Ｌ１の照射により透明基材表面近傍の屈折率を変化させた場合も、後述する実施の形態のように透明基材の内部において屈折率を変化させた場合も、サブ波長構造は透明基材の表面より内部側に形成されるので、透明基材の表面部分がサブ波長構造に対する保護層として有効に機能し、透明基材の表面に独立した別個の保護層を形成する必要が無い。
【００４６】
この発明の光学素子製造方法は、透明基材に対して光照射を行うことにより「光反応により屈折率分布領域を形成する」ので製造が極めて容易であり、光学素子の安価な製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、実施の形態を説明する。
図１に、光学素子の構成の例を３例示す。
【００４８】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この発明の光学素子における「屈折率変化領域のプロファイル」を３例示している。図１（ａ）〜（ｃ）において、符号１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは「透明基材」を示す。これら透明基材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは「光学素子として使用される際の使用光（Ｌ２）とは波長もしくは強度が異なる光（Ｌ１）」の照射により屈折率が変化する光反応性材料により構成されている。
【００４９】
光反応性材料は「少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料」や、フォトクロミック材料、フォトリフラクティブ材料等、先に挙げたものを適宜に用いることができるが、図１の実施の形態における透明基材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに用いられている光反応性材料は「光照射により屈折率が低下する材料」である。
【００５０】
図１（ａ）〜（ｃ）において符号１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃで示す部分はそれぞれ「光照射により屈折率が低下した部分」であり、符号１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで示す部分は「高い屈折率を保っている部分」である。高い屈折率を保っている部分と屈折率を低下させられた部分との混在する部分が「サブ波長構造の屈折率変化領域」を構成する。
【００５１】
屈折率変化領域は、透明基材１０Ａにおいては「鋸歯状のプロファイル」を持ち、透明基材１０Ｂにおいては「台形形状（鋸歯状の１種である。）のプロファイル」を持ち、また、透明基材１０Ｃにおいては「矩形波状のプロファイル」を持つ。
これら透明基材１０Ａ〜１０Ｃにおいて、図示されない使用光（Ｌ２）は、図の上方から入射させられる。
【００５２】
図１（ｄ）、（ｅ）は、図１（ｂ）、（ｃ）の透明基材１０Ｂ、１０Ｃを上方から見た状態を説明図的に示している。図１（ｄ）は、図１（ｂ）、（ｃ）に示す透明基材１０Ｂ、１０Ｃの屈折率変化領域を上方から見たときの微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」である場合の例であり、透明基板表面（使用光の入射面）に露呈している屈折率の高い部分１２Ｂあるいは１２Ｃが「縦縞格子状」に現れている。
この場合、図１（ｂ）、（ｃ）は「屈折率変化領域の１次元的なプロファイル」である。
【００５３】
図１（ｅ）は、図１（ｂ）、（ｃ）に示す透明基材１０Ｂ、１０Ｃの屈折率変化領域を除法から見たときの微細パターンが「２次元の周期的な微細パターン」である場合の例であり、透明基板表面に露呈している屈折率の高い部分１２Ｂあるいは１２Ｃが「格子状」に現れている。
この場合、図１（ｂ）、（ｃ）は「屈折率変化領域の２次元的なプロファイル」の１例である。
【００５４】
図２（ａ）は、図１（ａ）に示す透明基材１０Ａにおける屈折率変化領域の微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、図１（ｂ）に示す透明基材１０Ｂにおける屈折率変化領域の微細パターンが「１次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。
【００５５】
図２（ｃ）は、図１（ｂ）に示す透明基材１０Ｂにおける屈折率変化領域の微細パターンが「２次元の周期的な微細パターン」であるとした場合の、屈折率変化領域の様子を３次元的に示す斜視図である。図２（ｃ）に示す場合においては、屈折率変化領域における高屈折率部分１２Ｂの３次元形状は「截頭４角錐状」である。
【００５６】
なお、図１に示す透明基材１０Ａ〜１０Ｃは、単独で、あるいは「適宜の光学基体の表面に形成支持された状態」で光学素子として使用される。
【００５７】
先に述べたように、透明基材１０Ａ〜１０Ｃは「光照射により屈折率が低下する光反応性材料によるもの」である。このような材料を用いると、透明基材の入射面側から、屈折率変化領域の微細パターンに応じた光照射を行い、光照射方向の屈折率変化領域の形状を変えることによって、透明基材の表面部位に「屈折率が低下した領域」を形成できる。この領域は、屈折率変化領域をなすサブ波長構造に対する保護層として機能する。
【００５８】
屈折率変化領域をなす微細パターンの形成は、加工の容易さ・設計の容易さの観点から「等ピッチ・等幅の構造」が好ましく、上に図１、図２に即して説明した実施の形態は、このような場合の例になっている。
【００５９】
また、先に図７（ａ）に即して説明したように、サブ波長構造におけるピッチ：Ｐと高さ：Ｄの比：Ｄ／Ｐとして「アスペクト比」を定義したが、サブ波長構造を持つ光学素子の反射率はアスペクト比に依存し、アスペクト比が高い（大きい）ほど反射率が小さくなる。従って、アスペクト比の高いサブ波長構造を形成することにより「反射防止機能」をもった光学素子を実現できる。しかし、アスペクト比の高いサブ波長構造による屈折率変化領域を形成することは必ずしも容易ではない。
【００６０】
図２に示したような鋸歯状のプロフィールを持つサブ波長構造の場合「アスペクト比は低くても、反射率を小さく抑える」ことができ、アスペクト比の低い鋸歯状プロフィールの屈折率変化領域の形成は比較的容易であるので、このようなプロフィールの屈折率分布領域を持つ「反射防止機能」に優れた光学素子を容易に実現できる。
【００６１】
図３は、発明の実施の別形態を説明図的に示している。
符号１０Ｄは透明基材、符号１１Ｄは光照射により屈折率が変化（低屈折率化したものとする。）した部分、符号１２Ｄは高屈折率部分を示す。サブ波長構造の屈折率変化領域のプロフィールは「一定ピッチの矩形波状」であるが、凸部の高さ：Ｄは図の如く、図の左方から右方へ向かって次第に減少している。
このようにサブ波長構造における凸部の高さ：Ｄが変化すると、屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）をもった領域の厚さが変化するので、高さ：Ｄの変化がレンズの面形状と同様の機能を持つことになり、Ｄの変化を調整することによりレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
【００６２】
このようなレンズ機能を持つ光学素子に入射する使用光が「ランダム偏光あるいは円偏光」であれば、屈折率：ｎ（ＴＭ）、ｎ（ＴＥ）の差異に起因する異方性は発現せず、有効屈折率としてｎ（ＴＭ）とｎ（ＴＥ）の算術平均：｛ｎ（ＴＭ）＋ｎ（ＴＥ）｝／２を用いることができる。
【００６３】
従って、図３に示すタイプの屈折率変化領域の微細パターンを１次元のパターンとすることにより「シリンダレンズ機能を持った光学素子」を実現でき、また、上記微細パターンを同心円パターンとすることにより通常のレンズ機能をもった光学素子を実現できる。
【００６４】
図４は、実施の他の形態を説明するための図である。
符号１０Ｅは透明基材を示す。符号１１Ｅは光照射によって低屈折率化された部分、符号１２Ｅは高屈折率部分である。この透明基材１０Ｅにおいては、サブ波長構造による屈折率変化領域が２重周期的である。
【００６５】
即ち、屈折率変化領域のプロフィールにおいては、フィルファクタ：ｆ、ピッチ：Λ、凸部の幅：ｆ・Λであるような第１種のサブ波長構造が形成されるとともに、このサブ波長構造をなす個々の凸部が、フィルファクタ：ｆ’、ピッチ：Λ’、凸部の幅：ｆ’・Λ’であるような第２種のサブ波長構造が形成されている。
【００６６】
フィルファクタ：ｆ、ｆ’が互いに異なることから、これら第１種及び第２種のサブ波長構造の有効屈折率が異なる。第１種のサブ波長構造は、ＴＭ偏光に対して有効屈折率：ｎ（ＴＭ）の等方性媒質のように作用するように形成され、第２種のサブ波長構造は、ＴＥ偏光に対して有効屈折率：ｎ（ＴＥ）の等方性媒質のように作用するように形成されている。
【００６７】
このため、透明基材１０Ｅは、ＴＥ偏光に対しては「周期：Λの屈折率：ｎ（ＴＥ）の媒質からなる回折格子」のように機能し、ＴＭ偏光に対しては「周期：Λ’の屈折率：ｎ（ＴＭ）からなる回折格子」のように機能し、透明基材１０Ｅは、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対して異なった振る舞いを示す。このことを利用して「一方の直線偏光は透過するが、それに直交する直線偏光は反射するような偏光分離ミラー」の機能を持った光学素子を実現することができる。
【００６８】
図５は請求項１０記載の光学素子製造方法の実施の１形態を説明するための図である。
【００６９】
光学素子となるべき材料は、透明平行平板ガラスによる光学基体１００の上に、先に説明した「光反応性材料」による薄層状の透明基材１１０を形成されたものである。
【００７０】
紫外レーザ光源５１からの干渉性の高いレーザ光を空間フィルタ５２で整形し、１／２波長板５３を通して無偏光ビームスプリッタ５４で１：１の強度となるようにビーム分割し、分割されたビームをミラー５５、５６で折り返して透明基材１１０の表面上において干渉させ、干渉縞による光強度分布１２０により透明基材１１０の露光を行い、光照射部の屈折率を変化させることにより、サブ波長構造の屈折率変化領域を形成することができる。干渉縞の光強度分布１２０が「一定振幅の変化」であれば、図２（ａ）、（ｂ）に示したような１次元的なプロフィールをもった屈折率変化領域を形成できる。レーザ光の光強度はコントローラ５７により調整する。
【００７１】
また、レーザ光の干渉に対して、干渉強度を変調することで、図３に示したような凸部の高さが変化する屈折率変化領域を形成できる。具体的には、例えば、１／２波長板５２の角度を調整する回転ステージ５８を、コントローラ５７により制御することで干渉光のＳ、Ｐ偏光成分に差をもたせて干渉縞の光強度を変調し、中心値から強度を変調する。これは、分割されたレーザ光の強度比を変調することによっても可能である。
【００７２】
図６は請求項９記載の光学素子製造方法の実施の１形態を説明するための図である。
【００７３】
この実施の形態は「２光子吸収を用いた屈折率変化領域の形成法」である。
図６（ｂ）に示すように、光学素子となるべき材料は、透明平行平板ガラスによる光学基体１００の上に、先に説明した「光反応性材料」による薄層状の透明基材１１０を形成されたものである。この材料を移動ステージ６５上に設置する。
【００７４】
レーザ光源６１からのレーザ光を空間フィルタ６２で整形し、ガルバノミラー６３を介して集光レンズ６４に入射させ、集光レンズ６４により集光させつつ透明基材１１０に照射する。このとき、図６（ａ）に示すように、収束するレーザ光Ｌ１０が、透明基材１１０の厚み方向の内部において集光するようにする。レーザ光の集光点では「光子密度」が極端に高くなるため、光反応性材料による２光子吸収の誘起が活発化する。
【００７５】
このため、透明基材１１０の内部においてレーザ光Ｌ１０が集光した集光点のみで２光子吸収による励起が生じ、透明基材１１０の内部に屈折率変化を生じさせる。このようにして屈折率変化を生じさせつつ、ガルバノミラー６４によるレーザ光の平行変位と、移動ステージ６５による光学基体１００の平行変位（図６（ａ）の矢印６Ａ）とを直交的に組み合わせて、レーザ光Ｌ１０と透明基材１１０の位置関係を相対的に２次元的に変位させて、透明基材１１０をレーザ光Ｌ１０により２次元的に走査する。
【００７６】
このとき、移動ステージ６５により透明基材１１０を「厚み方向」にも変位させてレーザ光Ｌ１０の集光位置を、透明基材１１０の厚さ方向にも変位させる。
この走査の際に、コントローラ６６によりレーザ光Ｌ１０の強度を変調することにより透明基板１１０内における屈折率変化を調整できるので、レーザ光Ｌ１０の強度を「形成すべき屈折率変化領域のパターン」に応じて強度変調することにより、透明基材１１０の内部に所望の「屈折率変化領域（例えば、図３や図４に示すような屈折率変化領域）」をサブ波長構造として形成することができる。
【００７７】
請求項９における「透明基材に対してレーザ光を集光させ、形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じてレーザ光を強度変調させつつ、透明基材を２次元的に走査して露光」するとは、このように、レーザ光Ｌ１０の集光位置を、透明基材１１０の厚さ方向にも変位する場合を含む。
【００７８】
レーザ光源６１として、パルス幅が１ｐｓ以下である所謂「超短パルスレーザ」用いることにより、より低いパワーでサブ波長構造を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】光学素子の構成の例を３例示す図である。
【図２】屈折率変化領域の３次元的な形態の例を３例示す図である。
【図３】光学素子の別例を説明するための図である。
【図４】光学素子の他の例を説明するための図である。
【図５】請求項１０記載の光学素子製造方法を説明するための図である。
【図６】請求項９記載の光学素子製造方法を説明するための図である。
【図７】サブ波長構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０Ａ 透明基材
１１Ａ 光照射により屈折率が変化した領域
１２Ａ 光屈折率の領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料による透明基材に、所望の光学機能に応じて、使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化した、サブ波長構造の屈折率変化領域が形成されており、表面が滑らかであることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
サブ波長構造の屈折率変化領域が、使用光Ｌ２の入射方向から見て１次元もしくは２次元の周期的な微細パターンをなし、上記微細パターンの１次元的もしくは２次元的なプロファイルが鋸歯状もしくは矩形波状であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項２記載の光学素子において、
サブ波長構造の屈折率変化領域をなす微細パターンの、周期、高さ、フィルファクタの少なくとも１つが、上記屈折率変化領域内の位置に応じて変化していることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、少なくとも１種の無機の光反応性材料を分散させた高分子樹脂材料からなることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５記載の光学素子において、
光反応性材料が、フォトクロミック材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項５記載の光学素子において、
光反応性材料が、フォトリフラクティブ材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、所定の表面形状を有する光学基体の上記表面形状の上に形成支持されていることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、
透明基材に対してレーザ光を集光させ、
形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じて上記レーザ光を強度変調させつつ、上記透明基材を２次元的に走査して露光し、露光された部分で透明基材の屈折率を変化させることにより屈折率変化領域を形成することを特徴とする光学素子製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、
透明基材に対して、形成するべき屈折率変化領域のパターンに応じた干渉縞パターンを照射して露光を行うことを特徴とする光学素子製造方法。
【請求項１】
光Ｌ１の照射により屈折率が変化する光反応性材料による透明基材に、所望の光学機能に応じて、使用光Ｌ２の波長より小さいピッチで屈折率が変化した、サブ波長構造の屈折率変化領域が形成されており、表面が滑らかであることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
サブ波長構造の屈折率変化領域が、使用光Ｌ２の入射方向から見て１次元もしくは２次元の周期的な微細パターンをなし、上記微細パターンの１次元的もしくは２次元的なプロファイルが鋸歯状もしくは矩形波状であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項２記載の光学素子において、
サブ波長構造の屈折率変化領域をなす微細パターンの、周期、高さ、フィルファクタの少なくとも１つが、上記屈折率変化領域内の位置に応じて変化していることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、少なくとも１種の無機の光反応性材料を分散させた高分子樹脂材料からなることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１〜３の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、少なくとも１種の高分子樹脂材料からなる光反応性材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５記載の光学素子において、
光反応性材料が、フォトクロミック材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項５記載の光学素子において、
光反応性材料が、フォトリフラクティブ材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子において、
透明基材が、所定の表面形状を有する光学基体の上記表面形状の上に形成支持されていることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、
透明基材に対してレーザ光を集光させ、
形成すべき屈折率変化領域の微細パターンに応じて上記レーザ光を強度変調させつつ、上記透明基材を２次元的に走査して露光し、露光された部分で透明基材の屈折率を変化させることにより屈折率変化領域を形成することを特徴とする光学素子製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を製造する方法であって、
透明基材に対して、形成するべき屈折率変化領域のパターンに応じた干渉縞パターンを照射して露光を行うことを特徴とする光学素子製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−７２３９７（Ｐ２００７−７２３９７Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６２３２２（Ｐ２００５−２６２３２２）
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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