JP5706169B2 - 偏光解消素子及びその素子を用いた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は光学機器に用いられる偏光解消素子とその素子を用いた光学機器に関するものである。

偏光解消素子は、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。

レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っており、光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ迷光の原因となって光学系の途中で光が強めあう点（スペックル）が生じる場合がある。スペックルは、いろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。

スペックルを解消する方法のひとつとしては、偏光状態が様々になったいわゆるランダム偏光状態になっていることが望ましい。偏光が不揃いであると、光の干渉が起こりにくいからである。

偏光を解消する手法の1つとして、特性の異なるサブ波長構造体領域（ＳＷＳ）を基板表面にいくつも設けることで、基板を光が通過する際に各周期構造体に応じた偏光を持たせることで偏光を解消する偏光解消素子が提案されている（特許文献１参照。）。

サブ波長構造体領域とは使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもつ周期構造体のことである。使用する光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造は構造性複屈折作用をもつ。

特開２００４−３４１４５３号公報 特開平７−２３０１５９号公報 特表平８−５０４５１５号公報 ＷＯ２００４／００８１９６号 特開２００７−２６３５９３号公報 特開２００５−２７９７６１号公報

提案の偏光解消素子では、各サブ波長構造体領域を構成する溝の深さは一定であるため、1つの基板上で発生させることのできる偏光状態が限られてしまい、スペックルを解消するに足りるランダム偏光を発生させるのには十分ではない。スペックルを解消するためには様々な偏光状態を作り出せることが求められる。

本発明の第１の目的は、サブ波長構造体領域を用いた偏光解消素子を実現するにあたり、様々な偏光状態を作り出せる構造をもった偏光解消素子を提供することである。

本発明の第２の目的は、そのような偏光解消素子を光学系に備えることによりスペックルを解消した光学機器を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明は、基板表層部にサブ波長構造体を形成し、サブ波長構造体の溝の配列方向である光学軸方向を複数にするだけでなく、深さ方向も複数にすることにより発生させる偏光状態を一層多様化させる機能を有するようにしたものである。

すなわち、本発明の偏光解消素子の第１の形態は、基板表層部に構造性複屈折をもつ複数のサブ波長構造体領域が互いに隣接して配置された偏光解消素子であって、それらのサブ波長構造体領域は使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち、サブ波長構造体領域を構成する溝の配列方向である光学軸方向が隣接するサブ波長構造体領域間で異なる部分をもつように配置されており、かつ、この偏光解消素子はそれらの溝として深さの異なるものを含んでいる。

本発明の偏光解消素子の第２の形態は、基板表層部に形成したサブ波長構造体を第１の形態のように明確な領域に分割しないものである。すなわち、基板表層部に使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体が形成され、そのサブ波長構造体はサブ波長構造体を構成する溝の配列方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるようにその溝が同心円状に配列されたものであり、かつ、その溝として深さの異なるものを含んでいる偏光解消素子である。

サブ波長構造体の複屈折作用について、図１を参照して説明する。図１に示す構造は一般的なサブ波長構造体を示したものであり、使用する光の波長よりも短い凹凸周期（ピッチ）Ｐを有するサブ波長凹凸構造が形成されている。サブ波長凹凸構造は屈折率の異なる２種類の媒質からなり、それらの媒質として空気と屈折率ｎの媒質を想定する。屈折率ｎの凸条のランドの幅がＬ、空気層からなる凹条の溝の幅がＳであり、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。また、Ｌ／Ｐはフィリングファクタ（Ｆ）と呼ばれる。ｄは溝の深さである。

周期Ｐの目安としては、使用する最も短い入射光の波長より短い周期で、より望ましくは使用波長の半分以下の周期とする。周期Ｐが入射光の波長よりも短い周期構造は入射光を回折することはないため入射光はそのまま透過し、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。その結果、構造に関するパラメータを調整することにより位相差を任意に設定することができるため各種波長板を実現できる。

構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率（有効屈折率と呼ぶ）が異なり、複屈折作用が生じることをいう。

サブ波長構造体の周期よりも２倍以上の波長をもつ光が垂直入射したと仮定する。このときの入射光の偏光方向がサブ波長構造体の溝に平行（ＴＥ方向）であるか垂直（ＴＭ方向）であるかによって、サブ波長構造体の有効屈折率は次の式で与えられる。
ｎ（ＴＥ）＝（Ｆ×ｎ²＋（１−Ｆ））^1/2
ｎ（ＴＭ）＝（ｎ ² ／｛Ｆ＋（１−Ｆ）ｎ ² ｝） ^1/2

入射光の偏光方向がサブ波長構造体の溝に平行である場合の有効屈折率をｎ（ＴＥ）、垂直である場合の有効屈折率をｎ（ＴＭ）と表す。式中の符号Ｆは前述のフィリングファクタである。

このようなサブ波長構造体を透過した光のＴＥ波とＴＭ波の間の位相差（リタデーション）Δは、
Δ＝Δｎ・ｄ
である。ここで、Δｎはｎ（ＴＥ）とｎ（ＴＭ）の差、ｄは前述の溝の深さである。

サブ波長構造体領域に直線偏光の光が入射すると、この位相差によってその透過光は楕円偏光に変わる。光学軸の異なるサブ波長構造体領域が隣接する本発明の偏光解消素子を直線偏光の光が透過すると、隣接するサブ波長構造体領域間で楕円率が異なるとともに、サブ波長構造体を構成する溝の深さの異なる部分を透過した直線偏光間でも位相差の相違によって楕円率が異なる。

第１の形態の偏光解消素子においては、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内にそれらの深さの異なる溝をもっているようにすることができる。さらに、サブ波長構造体領域は隣接するサブ波長構造体領域間でサブ波長構造体領域を構成する溝の深さが異なっているようにしてもよい。

また、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に複数の光学軸方向をもっているようにすることもできる。その場合、サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に互いに直交する２つの光学軸方向をもっているようにしてもよい。

第１及び第２の形態の偏光解消素子において、サブ波長構造体を構成する溝の深さが光学軸方向に沿って連続的に変化しているようにしてもよい。そのような連続的な変化を実現する１つの方法として、三角関数、指数関数又は他の任意の数式で表される関数に従うように変化させることができる。溝の深さの連続的な変化に伴って、このサブ波長構造体領域を通過する光の位相差（後述）が連続的に変化し、偏光状態が連続的に変化して種々の偏光状態を作成するのに一層寄与する。

この偏光解消素子で発生する位相差Δは使用する波長λに対して、
λ／８≦Δ≦λ
となるようにサブ波長構造体が設計されていることが好ましい。これにより、この偏光解消素子の異なる場所を通過した光束同士であってもその干渉を防止することができる。

サブ波長構造体は、誘電体の薄膜材料、合成石英もしくは光学ガラス材料からなる構造材料、光学結晶材料又はプラスチック材料からなる光透過性材料で構成することができる。

そのような誘電体材料としては、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｉｎ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｒＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＦ₂、ＭｇＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、ＩＴＯ、ハイコム（メルク社の商品名：ＺｒＯ₂＋ＴｉＯ₂）、ＯＭ−１０（メルク社の商品名：Ｔａ₂Ｏ₅＋ＴｉＯｎ（ｎは酸素数であり、この化合物はＴｉが欠損状態にあるものを表わす。））、ＯＭ−４（メルク社の商品名）、Ｈ−４（メルク社の商品名）、Ｍ−４（メルク社の商品名）などを用いることができる。

光学ガラス材料としては、テンパックス（商標）やネオセラム（商標）などを用いることができる。

本発明の偏光解消素子は、基板の一方の側の表層部に形成されたものに限らず、基板の表面側と裏面側の両方の表層部にこの偏光解消素子が形成されているものも含んでいる。この場合、基板の表面側と裏面側に同じ偏光解消素子を背中合わせの関係に配置したり、基板の面内方向をＸ，Ｙ方向とすると、Ｘ，Ｙ方向のいずれか一方向又は両方にずらして配置したり、又は一方の偏光解消素子を他方の偏光解消素子に対して面内で回転させて配置するなど、種々の配置方法をとることができる。また基板の表面側の偏光解消素子と裏面側の偏光解消素子を異なる光学軸方向をもったものにしたり、サブ波長構造を構成する凹凸の溝の深さの異なるものにするなど、偏光解消素子の構造も種々のものを組み合わせることができる。このように基板の両面の偏光解消素子を種々に配置したり組み合わせたりすることにより、透過光の偏光状態を一層ランダムにすることができる。

また、本発明の偏光解消素子は、該偏光解消素子が形成されている層とは別に光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成された層を備えているものも含んでいる。そのような光量均一化用光学素子としては、マイクロレンズアレイ、インテグレータ及びフライアイレンズアレイなどを挙げることができる。

このように、偏光解消素子と光量均一化用光学素子を一体化したものを、レーザ露光装置やレーザ加工装置などの光学系に適用することにより、これらの素子の透過光の偏光状態をランダムにするとともに、光量を均一化することができる。

光量均一化用光学素子はそれぞれの光学有効領域が複数のサブ波長構造体領域を含むように形成されていてもよいし、光量均一化用光学素子のそれぞれの光学有効領域がサブ波長構造体領域の１つずつと一致するように形成されていてもよい。

本発明はまた、レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器も対象としている。そのような光学機器としてはレーザプリンタ、露光装置、レーザ光源を用いる分光器、及びレーザ計測装置などを挙げることができる。そのような光学機器において、本発明はそれらの光学機器の光源からのレーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために本発明の偏光解消素子をそれらの光学機器の光学系の光路上に配置したものである。

上記の光学機器においては、偏光解消素子を前記光路上において光線方向の軸を中心として回転させたり、又は光路上において光線方向に対して平行又は垂直な方向に振動させたりする駆動機構を備えるようにしてもよい。そのような駆動機構を備えるようにすれば、偏光解消素子による偏光解消機能に時間分解能を追加、すなわち時間軸に対しても偏光解消の機能を付加することができる。

本発明の偏光解消素子は、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもつサブ波長構造体からなるものであるが、それらのサブ波長構造体を構成する溝の配列方向である光学軸方向が複数あるだけでなく、サブ波長構造体を構成する溝として深さの異なるものを含むようにしたので、多種の偏光状態を作り出すことが可能になった。

この偏光解消素子をそれぞれの光学系に配置した露光装置、レーザプリンタその他の光学機器では光学系でのスペックルの発生を低減させることができる。

サブ波長構造体を説明するための概略断面図である。 本発明におけるサブ波長構造体の２つの形態を示す概略断面図である。 一実施例を示す概略平面図である。 同実施例におけるサブ波長構造体領域の一形態を示す概略断面図である。 同実施例におけるサブ波長構造体領域の他の形態を示す概略断面図である。 同実施例におけるサブ波長構造体領域のさらに他の形態を示す概略断面図である。 他の実施例を示す概略平面図である。 本発明の偏光解消素子を製造する一方法で使用する金型を製作する方法の一例を示す工程断面図である。 一実施例の偏光解消素子を製造する方法を示す工程断面図である。 他の実施例の偏光解消素子を製造する第１の方法を示す工程断面図である。 他の実施例の偏光解消素子を製造する第２の方法を示す工程断面図である。 ドライエッチング加工により形成されるサブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝幅と溝深さの関係を示すグラフである。 サブ波長構造体の断面形状と位相差及び溝の深さの関係を示す図表である。 基板の両面にサブ波長構造体を形成した偏光解消素子の実施例を示す概略断面図である。 同実施例の表面側と裏面側のサブ波長構造体の光学軸方向を示す平面図であり、それぞれの下側の図はそれぞれの１つのサブ波長構造体領域の光学軸方向を示す拡大平面図である。 基板の一方の面側にサブ波長構造体が形成された層をもち、他方の面側に光量均一化用素子が形成された層をもつ偏光解消素子の実施例を示す概略断面図である。 同実施例の構造の一例を示す概略断面図であり、（Ａ）は光量均一化用素子が形成された層をサブ波長構造体が形成された層の上に接着して形成した場合、（Ｂ）は１つの基板の一方の面に光量均一化用素子を形成し他方の面にサブ波長構造体を形成することにより形成した場合である。 同実施例の構造の他の例を示す概略断面図であり、（Ａ）は光量均一化用素子が形成された層をサブ波長構造体が形成された層の上に接着して形成した場合、（Ｂ）は１つの基板の一方の面に光量均一化用素子を形成し他方の面にサブ波長構造体を形成することにより形成した場合である。 同実施例における光量均一化用素子の光学有効領域とサブ波長構造体との関係を示す偏光解消素子の平面図であり、（Ａ）は図１７の例、（Ｂ）図１８の例をそれぞれ示したものである。 偏光解消素子を使用した一実施例としてのレーザプリンタの光学系を示す概略斜視図である。 偏光解消素子を使用した他の実施例としての露光装置の光学系を示す概略構成図である。 偏光解消素子を使用したさらに他の実施例としての光ファイバ増幅器の光学系を示す概略構成図である。

本発明の偏光解消素子は基板表層部に複数のサブ波長構造体領域を隙間なく配置したものである。

それらのサブ波長構造体領域を構成するサブ波長構造体の第１の形態は、図２（Ａ）に示されるように、使用する光の波長に対して光透過性をもつ誘電体の基板２自体によりサブ波長構造体２ａを形成したものである。そのようなサブ波長構造体を形成する一方法は、基板２上にレジスト層を形成した後、電子ビーム描画やフォトリソグラフィーによりサブ波長構造体とは凹凸が逆になったレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクにして基板をエッチングして基板と同一材料からなるサブ波長構造体２ａを形成する方法である。

それらのサブ波長構造体領域を構成するサブ波長構造体の第２の形態は、図２(Ｂ）に示されるように、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基板３の表面に形成された誘電体層４にサブ波長構造体４ａを形成したものである。そのような第２の形態のサブ波長構造体を形成する一方法は、基板３上にスパッタリング法やＣＶＤ（化学気相成長）法などの成膜法によって使用する光の波長に対して光透過性をもつ誘電体層４を堆積し、その誘電体層４上にレジスト層を形成した後、電子ビーム描画やフォトリソグラフィーによりサブ波長構造とは凹凸が逆になったレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクにして誘電体層４をエッチングして基板３とは異なる材料からなるサブ波長構造体層を形成する方法である。

第２の形態のサブ波長構造体を形成する他の方法は、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基板上に樹脂層を塗布し、その樹脂層に微細凹凸構造の金型を押し当てるインプリント工法により、基板上に配列された樹脂の凸条によってサブ波長構造とは凹凸が逆のパターンを形成し、ドライエッチング法などによって凹凸パターン形状を基板に転写し、サブ波長構造体を得る方法である。

図３は複数のサブ波長構造体領域８からなる第１の形態の偏光解消素子の一実施例の平面図を概略的に示している。偏光解消素子６の表層部には、複数のサブ波長構造体領域８が配置されている。サブ波長構造体領域８は互いに隙間のない状態に配置されている。ここでは８×８＝６４個のサブ波長構造体領域８が配置されたものを示しているが、これは概略図であり、その個数に限定されるものではなく、サブ波長構造体領域８の数は多いほどよい。例えば、偏光解消素子６が５ｍｍ×５ｍｍの正方形で、サブ波長構造体領域８が５０μｍ×５０μｍであるとすると、１００×１００＝１００００個のサブ波長構造体領域８が配置された偏光解消素子６となる。

サブ波長構造体領域８は使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝により構成されるストライプ状の凹凸構造をもっている。そのストライプ状の凹凸の配列方向が光学軸であり、図では光学軸は矢印で示されている。この実施例では各サブ波長構造体領域８は１つずつの光学軸をもっている。光学軸方向は隣接するサブ波長構造体領域８間では異なる部分をもつように、ここでは隣接するサブ波長構造体領域８間で光学軸方向が異なるようにサブ波長構造体領域８が配置されている。サブ波長構造体領域８の光学軸方向は３６０度を１５分割した方向のいずれかの方向をもつように形成されており、偏光解消素子６としては光学軸方向がランダムになるようにサブ波長構造体領域８が配置されている。

サブ波長構造体領域８内における光学軸は１つである必要はなく、互いに直交する２つの方向の光学軸をもつようにサブ波長構造体領域８を形成することもできる。また、さらに複数個の光学軸をもつようなサブ波長構造体領域８であってもよく、後述のように光学軸方向が中心から放射状に広がるようにサブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝が同心円状に配列されているようなサブ波長構造体領域８であってもよい。

この偏光解消素子６は、サブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝の深さに関し、深さの異なるものを含んでいる。

１つの形態は、各サブ波長構造体領域８内ではその溝の深さを均一にし、その溝の深さの異なるサブ波長構造体領域８をランダムに配置したものである。

他の形態は、各サブ波長構造体領域８内においてその溝の深さを変化させたものである。以下に、そのような各サブ波長構造体領域８内においてその溝の深さを変化させた実施例をいくつか説明する。以下に示す図４〜図６は１つのサブ波長構造体領域８を光軸に沿って切断した状態の断面図として示す。サブ波長構造体は図２に示したように２つの形態があるが、いずれの形態であってもよい。

図４のサブ波長構造体はピッチＰ１，Ｐ２が異なり、溝の深さｄ１，ｄ２も異なるように形成された例である。ピッチの大きい部分では溝の幅も大きく、溝の深さも深くなっている。

図５のサブ波長構造体はピッチＰ１，Ｐ２が等しく、溝の深さｄ１，ｄ２と、凸部であるランドの幅Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２も異なるように形成された例である。

図６のサブ波長構造体はサブ波長構造体の底部をつないだ線が関数で表わされるように、溝の深さが変化させられている例である。ここでは、その関数として三角関数の例を示しているが、他の関数でもよい。溝の深さが連続的に変化していればよい。

図７は複数のサブ波長構造体領域に分割されることなく、全体として１つのサブ波長構造体領域からなる第２の形態の偏光解消素子の一実施例の平面図を概略的に示している。

この実施例では、基板表層部の全面にわたって、使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体が形成されている。そのサブ波長構造体はサブ波長構造体を構成する溝の配列方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるようにその溝が同心円状に配列されている。したがって、図中に矢印で示される光学軸方向は３６０度にわたって分布している。さらに、サブ波長構造体を構成する溝の深さは、この偏光解消素子の中心（Ａ１）から半径方向の一点（Ａ２）に至る位置での断面図が、例えば図６に示されるようになるように、三角関数その他の任意の関数に従って連続して変化するように形成されている。

この実施例では入射光の中心が偏光解消素子の中心（Ａ１）にくるように光学系を配置するのが最も効果的な使用方法である。

次に、偏光解消素子の作製手順を説明する。ここで、素子の作製の説明に先立って型の作製方法を説明する。

図８（ａ）〜（ｄ）は石英を基材とした型の作製方法を説明するための図である。
（ａ）石英材料を基板１０とし、その表面に電子線描画用のレジスト１２を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光解消素子の諸元に対応したピッチ（周期）と線幅に描画する。

この時、描画する光学素子のパターンレイアウトは、図３〜７に示したように光学軸方向がそれぞれ異なった方向、及び描画するライン幅がそれぞれ異なった状態で描画する。このことによって以下の３つの利点が得られる。

（１）描画されたパターンの光学軸方向が異なる。
（２）描画されたパターンの線幅が異なるパターンが得られる。
（３）線幅が異なると、ドライエッチングで表面加工する際に、加工深さが異なる。
つまり、（３）は、プラズマエッチング加工の際、エッチングに有効に働くプラズマエッチング種（反応種）が、開口部が狭い場合は内部に侵入しにくくなる（加工深さが深くなるにつれさらに入りにくくなる）ためである。

この性質を活用して、描画する光学軸方向は一定のまま、描画線幅を変更させることだけで各分割領域で発生する位相差を変更することが可能になる。このことは、各領域で発生する位相差を異ならせるので、合成される光の位相差はランダム位相差光の集合となる。

（ｂ）レジスト１２に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト１２にサブ波長凹凸構造が形成される。レジストパターン１２の溝の底は基板１０の石英基材が露出している。

（ｃ）サブ波長凹凸構造のレジストパターン１２をマスクとして石英基板１０のドライエッチングを行う。エッチングには、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、ＮＬＤ（磁気中性子放電）プラズマ処理装置、ＴＣＰ（誘導結合型プラズマ）等のエッチング装置にて、ＣＦ₄ガスやＣＦ₃ガスを用いる。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。具体的な加工条件の一例を示すと、次のとおりである。
加工ガス：ＣＨＦ₃ガス（２５ｓｃｃｍ）＋ＣＦ₄ガス（２５ｓｃｃｍ）
放電パワー：１０００Ｗ
バイアスパワー：１００Ｗ
チャンバー内圧力：１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
チラー（冷却器）温度：−２０℃
エッチング速度：約６ｎｍ／秒

（ｄ）レジスト１２を剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で、酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してＣＡＲＯＳ洗浄（硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄）で除去する方法とがある。完成したものを石英型として用いる。

また、ここでは図示しないが、シリコン基板を使用することも可能である。シリコンを基材とした型の作製方法を以下に説明する。この方法は、必ずしもシリコン基板に限定されることはなく、石英基板上にスパッタリング、ＣＶＤ方式等で形成されたシリコン膜に対しても同様の方法で型の製作が可能である。

シリコンを基板とし、その表面に電子線描画用のレジストを所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、波長板の諸元に対応したピッチ（周期）と線幅に描画する。

レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造が形成される。溝の底はシリコン基材が露出している。

サブ波長凹凸構造のレジストパターンをマスクとしてシリコンのアルカリウェットエッチング（ＫＯＨ溶液使用）を行う。シリコン基板はシリコン面の壁として、ピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。なお、前述した石英基板上にスパッタリング、ＣＶＤ方式等と同様の方法で形成されたシリコン膜に対しても型の製作が可能である。シリコンのエッチングは、ボッシュプロセス用いたドライエッチングでも同様の構造を制作できる。ボッシュプロセスとは、ＳＦ₆ガスによりエッチングを行い、その後Ｃ₄Ｆ₈ガスに切り替えて、シリコン基板の加工壁面に保護膜の形成を行う。これらＳＦ₆ガスによるエッチング及びＣ₄Ｆ₈ガスによる保護膜形成を交互に繰り返すプロセスである。

レジストを剥離する。完成したものをシリコン型として用いる。このようにして作られた石英型又はシリコン型を便宜上、金型（モールド）と呼ぶ。

次にそのような金型を用いて実施例の偏光解消素子を製造する方法を説明する。

［製造方法１］
図９は製造方法の第１の例である。

（ａ）石英ガラス基板２０を用意する。

（ｂ）その石英ガラス基板２０上にＵＶ（紫外線）硬化樹脂２２を塗布し、上からモールド型２４で押圧する。モールド型２４としてはシリコン型でも石英型でも、ともに使用しうるが、微細構造を形成するナノインプリントにおいては、石英金型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂２２としては、例えばＰＡＣ−０１（東洋合成（株）製）を用いる。また、熱硬化性転写材料を使用する場合はシリコン製型も利用できる。

（ｃ）モールド型２４の背面から紫外線を照射し、樹脂２２を硬化させる。この工程で、モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶを石英ガラス基板２０側から与える。

（ｄ）モールド型２４を離型する。ＵＶ硬化樹脂２２に凸状の微細構造のマスクパターンが形成されている。

（ｅ）材料基板２０が露出するまでＵＶ硬化樹脂２２をドライエッチングする。このドライエッチング工程は、ＵＶ硬化樹脂２２のパターンの凹部の最下部に樹脂層がない状態でマスクパターンの型形状を転写できれば、省くことが可能である。
このドライエッチング工程（ｅ）の条件の一例は以下のとおりである。
ガス種：酸素ガス（Ｏ₂）
ガス流入量：２０ｓｃｃｍ
圧力：０．４Ｐａ
樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／秒
上部バイアス電力：１ＫＷ
下部バイアス電力：１００Ｗ

（ｆ）そのＵＶ硬化樹脂２２のパターン２２をマスクにして石英ガラス基板２０をドライエッチングする。このときのエッチングは、石英ガラス基板２０に形成される凹凸構造の溝が所望の深さになるまで行う。

このドライエッチング工程（ｆ）はＩＣＰ、ＮＬＤプラズマ処理装置、ＴＣＰ等のエッチング装置にて、ＣＦ₄ガスやＣＦ₃ガスを用いて行う。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。具体的な加工条件の一例は次のとおりである。
上部電極パワー：２００Ｗ
下部電極パワー：２００Ｗ
電極間隔：９．５ｍｍ
上部電極温度：１０℃
下部電極温度：１０℃
ガス種：次の４種類の混合ガス
ＣＦ₄＝３０ｓｃｃｍ、
ＣＨＦ₃＝６０ｓｃｃｍ、
Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ、
Ｈｅ＝５ｓｃｃｍ
反応室内圧力：３０Ｐａ
石英ガラス基板のエッチング速度：８ｎｍ／秒

このとき、石英ガラス基板２０上の樹脂パターン２２の凹凸の谷部は、完全にエッチングされずに僅かに樹脂が残っていてもよい。この谷部の残膜量は位相差に影響するが、予め残膜量と位相差に与える影響の関係はシミュレーションによって算出可能である。したがって、石英ガラス基板２０の屈折率、フィリングファクタ、ピッチ（周期）、深さ等を最適化することによって、目的とする波長板の位相差を確保することができる。

（ｇ）最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガス（プラズマ）中でドライエッチングによる剥離処理により除去すると、偏光解消素子が完成する。

［製造方法２］
図１０は、基板上に基板とは異なる材質の別の誘電体薄膜層を形成し、その誘電体薄膜層にサブ波長構造体を形成する第１の例を示している。

（ａ）ガラス基板３０上にＳｉＯ₂下地膜３２を介して密着性補強膜３４を形成し、その上にＴａ₂Ｏ₅薄膜３６を形成する。密着性補強膜３４としては、ＴｉＯ_2-x，Ｔａ₂Ｏ_5-y，ＳｉＯ_2-zなどを使用することができる。ここで、ＴｉＯ_2-xの「−ｘ」などは化学量論的な組成から多少外れたものであってもよいことを示している。

（ｂ）そのＴａ₂Ｏ₅薄膜３６上にＵＶ硬化樹脂２２を塗布し、上からモールド型２４で押圧する。モールド型２４としてはシリコン型でも石英型でも、ともに使用しうる。ＵＶ硬化樹脂２２としては、例えばＰＡＣ−０１（東洋合成（株）製）を用いる。また、熱硬化性転写材料を使用する場合はシリコン製型も利用できる。

（ｃ）モールド型２４の背面から紫外線を照射し、樹脂２２を硬化させる。この工程で、モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板３０側から与える。

（ｄ）モールド型２４を離型する。ＵＶ硬化樹脂２２に凸状の微細構造のマスクパターンが形成されている。

（ｅ）Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６が露出するまでＵＶ硬化樹脂２２をドライエッチングする。このドライエッチング工程は、ＵＶ硬化樹脂２２のパターンの凹部の最下部に樹脂層がない状態でマスクパターンの型形状を転写できれば、省くことが可能である。

このドライエッチング工程（ｅ）の条件の一例は以下のとおりである。
ガス種：酸素ガス（Ｏ₂）
ガス流入量：２０ｓｃｃｍ
圧力：０．４Ｐａ
樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／秒
上部バイアス電力：１ＫＷ
下部バイアス電力：１００Ｗ

（ｆ）そのＵＶ硬化樹脂２２のパターン２２をマスクにしてＴａ₂Ｏ₅薄膜３６をドライエッチングする。このときのエッチングは、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６に形成される凹凸構造の溝が所望の深さになるまで行う。

このドライエッチング工程（ｆ）はＩＣＰ、ＮＬＤプラズマ処理装置、ＴＣＰ等のエッチング装置にて、ＣＦ₄ガスやＣＦ₃ガスを用いて行う。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。具体的な加工条件の一例は次のとおりである。
上部電極パワー：１８００Ｗ〜２０００Ｗ
下部電極パワー：２００Ｗ〜３００Ｗ
ＣＢ（真空槽）内温度：８０℃
電極温度：１５℃〜２０℃
ガス種：次の４種類の混合ガス
Ｃ₃Ｆ₈＝１４０ｓｃｃｍ、
ＣＦ₄＝４０ｓｃｃｍ、
ＢＣｌ₃＝３ｓｃｃｍ、
Ａｒ＝５ｓｃｃｍ、
反応室内圧力：１０ｍＴｏｒｒ
Ｔａ₂Ｏ₅薄膜のエッチング速度：３ｎｍ／秒

（ｇ）最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガス（プラズマ）中でドライエッチングによる剥離処理により除去すると、偏光解消素子が完成する。

この場合、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６の厚さによっては、（ｇ）のようにＴａ₂Ｏ₅薄膜３６によるサブ波長構造体の凹凸の谷部にＴａ₂Ｏ₅が残っているようになったり、（ｈ）のようにＴａ₂Ｏ₅薄膜３６によるサブ波長構造体の凹凸の谷部にＴａ₂Ｏ₅が残らず、その下の密着性補強膜３４又はさらにその下のガラス基板３０が露出するようになる。

［製造方法３］
図１１は、基板上に基板とは異なる材質の別の誘電体薄膜層を形成し、その誘電体薄膜層にサブ波長構造体を形成する第２の例を示している。

（ａ）ガラス基板３０上にＳｉＯ₂下地膜３２を介して密着性補強膜３４を形成し、その上にＴａ₂Ｏ₅薄膜３６を形成する。密着性補強膜３４としては、ＴｉＯ_2-x，Ｔａ₂Ｏ_5-y，ＳｉＯ_2-zなどを使用することができる。

Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６上にさらにＣｒ膜４０を形成する。Ｃｒ膜４０はスパッタ法により膜厚が約５０ｎｍになるように形成する。Ｃｒ膜４０はＴａ₂Ｏ₅薄膜３６を加工する際のメタルマスクとするためのものである。

（ｂ）そのＣｒ膜４０上に電子線描画用のレジスト４０を所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、偏光解消素子の諸元に対応したピッチ（周期）と線幅に描画する。

この時、描画する光学素子のパターンレイアウトは、図３〜７に示したように光学軸方向がそれぞれ異なった方向、及び描画するライン幅がそれぞれ異なった状態で描画する。

（ｃ）レジスト４２に対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト４２にサブ波長凹凸構造が形成される。レジストパターン４２の溝の底はＣｒ膜４０が露出している。

（ｄ）サブ波長凹凸構造のレジストパターン４２をマスクとしてＣｒ膜のドライエッチングを行い、Ｃｒマスクを形成する。エッチングには、ＩＣＰ、ＮＬＤプラズマ処理装置、ＴＣＰ等のエッチング装置にて行う。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。具体的な加工条件の一例を示すと、次のとおりである。
加工ガス：以下の３種の混合ガス
Ａｒガス（１０ｓｃｃｍ）
Ｏ₂ガス（１０ｓｃｃｍ）
Ｃｌ₂ガス（５５ｓｃｃｍ）
放電パワー：５００Ｗ
バイアスパワー：３０Ｗ
チャンバー内圧力：２Ｐａ
チラー（冷却器）温度：５０℃
エッチング速度：約０.６ｎｍ／秒

（ｅ）レジスト４２を剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で、酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してＣＡＲＯＳ洗浄（硫酸と過酸化水素水の混合液による洗浄）で除去する方法とがある。

（ｆ）そのＣｒマスク４２のパターンをマスクにしてＴａ₂Ｏ₅薄膜３６をドライエッチングする。このときのエッチングは、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６に形成される凹凸構造の溝が所望の深さになるまで行う。

このドライエッチング工程（ｆ）はＩＣＰ、ＮＬＤプラズマ処理装置、ＴＣＰ等のエッチング装置にて、ＣＦ₄ガスやＣＦ₃ガスを用いて行う。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。具体的な加工条件の一例は次のとおりである。
上部電極パワー：１８００Ｗ〜２０００Ｗ
下部電極パワー：２００Ｗ〜３００Ｗ
ＣＢ（真空槽）内温度：８０℃
電極温度：１５℃〜２０℃
ガス種：次の４種類の混合ガス
Ｃ₃Ｆ₈＝１４０ｓｃｃｍ、
ＣＦ₄＝４０ｓｃｃｍ、
ＢＣｌ₃＝３ｓｃｃｍ、
Ａｒ＝５ｓｃｃｍ、
反応室内圧力：１０ｍＴｏｒｒ
Ｔａ₂Ｏ₅薄膜のエッチング速度：３ｎｍ／秒

（ｇ）最後に、最上部に残ったＣｒマスク４２を硝酸第二セリウムアンモニウム溶液又はＣｒウエットエッチング液による剥離処理により除去すると、偏光解消素子が完成する。

この場合、Ｔａ₂Ｏ₅薄膜３６の厚さによっては、（ｇ）のようにＴａ₂Ｏ₅薄膜３６によるサブ波長構造体の凹凸の谷部にＴａ₂Ｏ₅が残っているようになったり、図１０（ｈ）のようにＴａ₂Ｏ₅薄膜３６によるサブ波長構造体の凹凸の谷部にＴａ₂Ｏ₅が残らず、その下の密着性補強膜３４又はさらにその下のガラス基板３０が露出するようになる。

サブ波長構造体を構成する凹凸構造の溝の深さは溝幅を設定することによりプラズマエッチング工程を通じて制御することができる。プラズマエッチング加工では、エッチングに有効に働くプラズマエッチング種（反応種）が、開口部が狭い場合は内部に侵入しにくくなって加工深さが深くなるにつれさらに入りにくくなるために、溝の深さは溝幅に依存する。

図１２に凹凸構造の溝幅（スペース幅）と溝の深さ（エッチング深さ）の測定結果を示す。この測定結果は次のように得た。基板上のＴａ₂Ｏ₅薄膜上に、電子線レジスト層を形成し、電子線により種々のスペース幅をもつライン・アンド・スペースパターンに描画し、現像をした後、リンスをしてライン・アンド・スペースのレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクにしてＴａ₂Ｏ₅薄膜をドライエッチングした。Ｔａ₂Ｏ₅薄膜のドライエッチングは前述の製造方法２の工程にしたがって行った。その結果、レジストのライン・アンド・スペースパターンによりＴａ₂Ｏ₅薄膜にサブ波長構造体を構成する凹凸構造が形成され、そのスペース部分が溝となる。そのできあがった凹凸構造の断面を電子顕微鏡で観察して溝幅と深さを測定して、図１２の結果を得た。

図１２の結果は、凹凸構造を形成する誘電体の材質とドライエッチング条件により異なるので、製品を製造するための製造条件として誘電体の材質とドライエッチング条件が定まると、その製造条件のもとで図１２のような溝幅と溝の深さの関係を予め実験により求めて置き、その関係にしたがって溝の深さが所定の深さになるように溝幅を設定する。図４から図６のサブ波長構造体だけでなく、任意の溝深さをもつサブ波長構造体はそのようにして製作することができる。

上記の実施例では、サブ波長構造体の凹凸の凸部の断面が矩形であるものを示しているが、凸部の断面形状は他の形状とすることもできる。例えば、表１のパターンモデル形状として示したようなトップフラット形状（１−１及び１−２）やトップ頂点形状（２−１及び２−２）のサブ波長構造体も製作した。

このような断面形状の凹凸構造を石英材料上に製作する方法について説明する。
（１）トップフラップ形状（１−１、１−２）の作り方：
（ａ）石英ガラス基板上にＣｒ膜（図示していない）を形成する。
（ｂ）そのＣｒ膜上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、図９（ｂ）と同様に、その上からモールド型で押圧する。
（ｃ）図９（ｃ）と同様に、樹脂を紫外線露光して硬化させる。
（ｄ）モールド型を離型した後、モールド型の形状が転写された樹脂パターンをマスクとしてＣｒ膜をドライエッチングでパターニングする。

（ｅ）得られたＣｒ膜パターンをマスクとして、下記条件で石英ガラス基板をドライエッチングする。ドライエッチング装置はＩＣＰ、ＮＬＤプラズマ処理装置、ＴＣＰ等である。
ａ）トップフラップ形状（１−１）のドライエッチング条件
圧力： １０．０ｍＴｏｏｒ
反応ガス： ＣＨＦ₃ ５０ｓｃｃｍ
アンテナバイアス： １０００Ｗ
バイアス電力： ２００Ｗ
チラー温度： １０℃
加工時間： ６０秒
この加工条件で、ボトムが尖った形状で、トップが矩形の形状ができる。
b）トップフラップ形状（１−２）のドライエッチング条件
圧力： １０．０ｍＴｏｏｒ
反応ガス： ＣＨＦ₃ １００ｓｃｃｍ
アンテナバイアス： １３００Ｗ
バイアス電力： １００Ｗ
チラー温度： ０℃
加工時間： ６０秒
この加工条件で、ボトムが矩形で、トップが矩形の形状ができる。

（ｆ）その後、Ｃｒ膜をウエットエッチングで剥離する。

（ｇ）ついで、Ａｒガスで追加のドライエッチングを行う。
加工条件は、下記のとおりであり、この条件はトップフラップ形状の１−１と１−２で同じである。
圧力： １０．０ｍＴｏｏｒ
エッチングガス： Ａｒ ２０ｓｃｃｍ（Ａｒのみ）
アンテナバイアス： １２００Ｗ
バイアス電力： ２００Ｗ
チラー温度： −１５℃
加工時間： ７０秒
この追加のドライエッチングにより、パターンの凸部のトップ部にのみエッチングの効果が生じ、トップの形状がわずかにテーパ形状となる。斜面やボトムにはエッチングの効果は及びない。

（２）トップ頂点形状（２−１、２−２）の作り方：
上述のトップフラップ形状（１−１、１−２）の作り方と同様であるが、Ａｒによる追加のドライエッチング加工時間を長くする。
（ａ）〜（ｄ）はトップフラップ形状（１−１、１−２）の作り方と同じである。

（ｅ）トップフラップ形状（１−１、１−２）の作り方と同様に、得られたＣｒ膜パターンをマスクとして石英ガラス基板をドライエッチングする。ドライエッチング条件は以下のようにする。
圧力： １０．０ｍＴｏｏｒ
反応ガス： ＣＨＦ₃ １００ｓｃｃｍ
アンテナバイアス： １２００Ｗ
バイアス電力： １００Ｗ
チラー温度： ２０℃
加工時間： ６０秒
このドライエッチング加工を行うと、サイド方向からＣｒもすこしずつエッチングされる。

（ｆ）ついで、Ｃｒ膜を剥離せずに、Ａｒガスで追加のドライエッチングを行う。このドライエッチング工程の時間を長くすることにより、エッチング途中でＣｒ膜がなくなり、メタルマスクがない状態でドライエッチング加工を続ける。この加工条件は、下記のとおりである。
圧力： ５．０ｍＴｏｏｒ
エッチングガス： Ａｒ ２０ｓｃｃｍ
Ｈｅ圧力： １ｍＴｏｏｒ
アンテナバイアス： １２００Ｗ
バイアス電力： ２００Ｗ
チラー温度： −１５℃
加工時間： １００秒
この条件で加工すると、パターンの凸部のトップ部もエッチングされ、全体の形状がテーパ形状となる。

ここで、トップ頂点形状２−１と２−２はＣｒ膜パターンにより作り分けることができる。Ｃｒ膜パターンはライン・アンド・スペースパターンであり、ラインパターン間のスペース幅を大きくすると底部に平坦部が形成されてトップ頂点形状２−２となる。ライン・アンド・スペースパターンのライン幅とスペース幅の寸法を設定することによりトップ頂点形状２−１と２−２を作り分けることができる。トップ頂点形状２−１形成用のＣｒ膜パターンのライン幅をａ、スペース幅をＡとし、トップ頂点形状２−２形成用のＣｒ膜パターンのライン幅をｂ、スペース幅をＢとすると、ａ＞ｂ、Ａ＜Ｂの関係がある。

図１３の図表のパターンモデル形状のいずれの場合も、位相差と波長の関係、位相差とサブ波長構造体の凹凸のパターン深さ（溝の深さ）の関係は図１３の図表に示した関係をとるため、溝の深さを領域分割された中で変更することにより、又は偏光解消素子の位置によって変更することにより、偏光解消素子中での位置による位相差量の差異を発現することができた。図１３の図表中で、位相差と波長の関係を示すグラフ（２段目）の結果を得た試料のパターン深さｄは、トップフラット形状（１−１）ではｄ＝８００ｎｍ、トップフラット形状（１−２）ではｄ＝１５００ｎｍ、トップ頂点形状（２−１）ではｄ１＝７００ｎｍ、ｄ２＝８００ｎｍ、トップ頂点形状（２−２）ではｄ１＝７００ｎｍ、ｄ２＝９００ｎｍである。また、位相差とパターン深さの関係を示すグラフ（３段目）の結果を得た透過光波長は４０５ｎｍである。

またサブ波長構造体領域で発生した位相差量は、λ／８〜５λ／８（２０°〜１００°）であった。これにサブ波長構造体用のパターン加工を施さない領域の位相差量０°を組み合わせると、発生位相差量の範囲は０〜５λ／８（０°〜１００°）となった。表１には示していないが、サブ波長構造体の加工深さと位相差を比例の関係にあるため、加工するパターンの溝の深さを２倍に深くすることで最終的な発生位相差量は、０〜１０λ／８（０°〜２００°）まで達成することができた。

表１に示したサブ波長構造体を、図１４に示すように、共通の基板の表面側と裏面側の両面に５ａ，５ｂとして加工することにより、加工するパターンの溝の深さを２倍に深くすることと同じ効果を発現することができた。

またこのとき、表面に形成したサブ波長構造体５ａのパターンと、裏面に形成したサブ波長構造体５ｂのパターンの組合わせにより種々の特性の位相差解消光学素子を製作できた。図１５はそのように共通の基板の両面にサブ波長構造体を形成したものの一例である。表面側のサブ波長構造体５ａと裏面側のサブ波長構造体５ｂはともに例えば８×８個の領域に分割されている。両サブ波長構造体はともに表面側からみた状態で示している。各サブ波長構造体領域の矢印は光学軸方向を示している。サブ波長構造体５ａ，５ｂの下部の図は、それぞれの左上の角に配置されたサブ波長構造体領域を示している。この例では表裏の対応する位置のサブ波長構造体領域の光学軸方向が異なるように形成されている。

表裏のサブ波長構造体の組合わせ方法は種々に可能であり、例えば下記のとおりである。
事例１：表裏の領域分割数を同じとし、形成したパターンも同じ場合。
事例２：表裏の領域分割数を同じとし、形成したパターンも同じだが、位置あわせをＸ方向にサブ波長構造体領域の半ピッチずらしたもの（又は、Ｙ方向に半ピッチずらしたもの）。ここで、図１５の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向としている。
事例３：表裏の領域分割数を同じとし、形成したパターンも同じだが、位置あわせをＸ方向にサブ波長構造体領域の１ピッチずらしたもの（又は、Ｙ方向に１ピッチずらしたもの）。
事例４：表裏の領域分割数を同じとし、形成したパターンも同じだが、位置あわせをＸ、Ｙ方向にサブ波長構造体領域の半ピッチずらしたもの。

事例５：上記１〜４において、光学軸方向が異なるように、表裏の光学軸方向を回転させたもの。表裏の光学軸方向の回転角Δθは、０°≦Δθ≦９０°である。図１５はこの事例に含まれる。図１５では、表面側の光学軸方向をθＡとし、裏面側の光学軸方向をθＢとすると、表裏の光学軸方向の回転角ΔθはΔθ＝θＡ−θＢと定義されるものである。
以上から、所望の面内位相差解消素子を製作することができた。

図１６の偏光解消素子は、偏光解消素子が形成された層７aと、裏面側に光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成された層7ｂを組み合わせたものである。光量均一化用光学素子として、マイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイなどが挙げられる。

そのような光量均一化用光学素子はよく知られたものであり、その製造方法もよく知られている。その製造方法の一例を示すと、光学基板の表面にフォトレジスト（感光性材料の代表例）の層を形成し、このフォトレジスト層に対して２次元的な透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現像によりフォトレジストの表面形状として凸面形状もしくは凹面形状を得、しかる後にフォトレジストと光学基板とに対して異方性エッチングを行ない、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写することにより、光学基板の表面に所望の３次元構造の屈折面や反射面の形状を得る方法である（特許文献２，３を参照）。

図１７（Ａ），（Ｂ）は偏光解消素子が形成された層７ａと光量均一化用光学素子が形成された層７ｂとを組み合わせた光学素子の一例を示す断面図である。（Ａ）は、偏光解消素子と光量均一化用光学素子とを別体として形成した後、サブ波長構造体４ａが形成されている面の上部に偏光解消素子の裏面側を使用する光の波長に対して光透過性をもつ接着剤によって一体化されたものである。接着剤としては、例えばエポキシ系樹脂であるＤＩＣ株式会社製の商品名GRANDIC RCC-8790Rや、アクリル系樹脂である協立化学産業株式会社製の商品名ワールドロック７７10、７７20及び７７30などが挙げられる。（Ｂ）は一方の面に複数のマイクロレンズアレイ４２をもつ光量均一化用光学素子の層７ｂが形成された基板の他方の面に偏光解消素子７ａを形成したものである。複数のサブ波長構造体４ａが偏光解消素子を構成するマイクロレンズアレイ４２の１つの光学有効領域４２ａに含まれるように形成されている。この偏光解消素子の平面図を概略的に示したものが図１９（Ａ）である。

この例では、４つのサブ波長構造体４ａが偏光解消素子を構成するマイクロレンズアレイ４２の１つの光学有効領域４２ａに含まれているが、１つのマイクロレンズアレイ４２の光学有効領域４２ａに含まれるサブ波長構造体４ａの数はそれよりも少なくても多くてもよい。また、この例では、１つのサブ波長構造体４ａにおけるピッチや溝の深さが均一に形成されているが、光学軸をランダムにするためにピッチや溝の深さを１つのサブ波長構造体４ａ内で不均一や不連続にしてもよいし、溝の深さを一定の関数で表わされる周期に沿ったものにしてもよい。

図１７（Ａ）及び（Ｂ）のサブ波長構造体４ａは、基板３上にスパッタリング法やＣＶＤ（化学気相成長）法などの成膜法によって使用する光の波長に対して光透過性をもつ誘電体層４を堆積し、その誘電体層４上にレジスト層、または樹脂層を形成した後、電子ビーム描画やフォトリソグラフィーによりサブ金型とは凹凸が逆になったレジスト、または樹脂パターンを形成し、そのレジストパターンをマスクにして誘電体層４をエッチングして基板３とは異なる材料からなるサブ波長構造体層を形成する方法によって形成することができる。

また、上記のサブ波長構造体４ａは、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基板上に樹脂層を塗布し、その樹脂層に微細凹凸構造の金型を押し当てるインプリント工法により、基板上に配列された樹脂の凸条によって金型は凹凸が逆のパターンを形成し、ドライエッチング法などによって凹凸パターン形状を基板に転写する方法によっても形成することができる。

図１８（Ａ），（Ｂ）は偏光解消素子が形成された層７ａと光量均一化用光学素子が形成された層７ｂとを組み合わせた光学素子の他の例を示す断面図である。（Ａ）は、偏光解消素子と光量均一化用光学素子とを別体として形成した後、サブ波長構造体４ａが形成されている面の上部に、使用する光の波長に対して光透過性をもつ接着剤によって偏光解消素子が接着されて一体化されたものである。（Ｂ）は一方の面に複数のマイクロレンズアレイ４２をもつ光量均一化用光学素子の層７ｂが形成された基板の他方の面に偏光解消素子７ａを形成したものである。偏光解消素子を構成するマイクロレンズアレイ４２の１つの光学有効領域４２ａにサブ波長構造体４ａが１つのみ含まれるように形成されている。この偏光解消素子の平面図を概略的に示したものが図１９（Ｂ）である。

この例でも１つのサブ波長構造体４ａにおけるピッチや溝の深さが均一に形成されているが、光学軸をランダムにするために１つのサブ波長構造体４ａ内でピッチや溝の深さを不均一や不連続にしてもよいし、溝の深さを一定の関数で表わされる周期に沿ったものにしてもよい。これらの偏光解消素子のサブ波長構造体４ａの形成方法は図１７の偏光解消素子のものと同じである。

（偏光解消素子の適用例）
（レーザプリンタへの適用）
図２０（Ａ）はレーザプリンタの光学系を示したものである。レーザダイオード・ユニット５１内部には、光源としてのレーザダイオードと、レーザダイオードから射出されるレーザビームは平行光線にするコリメートレンズが設けられている。レーザダイオード・ユニット５１から平行光線となって射出されるレーザビームは、ポリゴンミラー（回転多面鏡）５２によって偏向走査され、Ｆ−θレンズ５３等から構成される結像レンズ系によってドラム状の感光体ドラム５５の帯電した表面に画像を結像する。

この実施例では、レーザダイオード・ユニット５１から射出されるレーザビームをランダムな偏光状態をもったレーザビームとするために、レーザダイオード・ユニット５１とポリゴンミラー５２の間の光路上に偏光解消素子５７が配置されている。

図２０（Ｂ）は、偏光解消素子５７の機能を高めるために、偏光解消素子５７をレーザビームの光軸方向に平行な軸を回転中心として回転させ、又は偏光解消素子５７をレーザビームの光軸に平行に若しくは垂直に振動させる機能を備えた駆動機構５７ａを設けた例である。このような駆動機構５７ａを設けることにより、偏光解消素子５７の偏光解消機能に時間分解能を追加することができる。すなわち、時間軸に対しても偏光解消機能を付加することができる。

偏光解消素子５７を回転させる場合には、偏光解消素子５７を中心に回転中心を有するように形成する。そして、偏光解消素子５７の回転中心にモータによって駆動される回転機構を装着して偏光解消素子５７を回転させるようにしてもよいし、偏光解消素子５７の中心を回転可能に保持しておいて偏光解消素子５７の外周部に偏光解消素子５７を回転させる機構を設けるようにしてもよい。偏光解消素子５７の回転速度は、使用する光源や使用する表示デバイスの振動数によって異なるが、１０ｒｐｍ以上の回転速度があれば偏光解消機能を向上させる効果が十分に得られる。

偏光解消素子５７を振動させる場合には、偏光解消素子５７の外周を保持するセルを設け、そのセルをピエゾ素子によってレーザビームの光線方向に対して平行に又は垂直に振動させるようにする。偏光解消素子５７の振動速度は、使用する光源や使用する表示デバイスの周波数によって異なるが、使用するデバイスの表示振動周波数（例えば、１０ｍｓｅｃ）の１０分の１以上の振動数があれば偏光解消機能を向上させる効果が十分に得られる。

（露光装置への適用）
図２１は露光装置の光学系を概略的に示したものである。ＫｒＦエキシマレーザ又はＡｒＦエキシマレーザからなる光源６０からの紫外線のレーザ光は、光束整形光学系６１により所定の光束形状に変換され、照明光学系６３，６４により原版であるマスク６６に照射される。マスク６６のパターンはマスク６６を透過した紫外線が投影光学系６７によりウエハ６８に照射されることにより投影露光される。ウエハ６８はウエハステージ６９に保持され、ウエハステージ６９によってウエハ６８が投影光学系６７の光軸と直交する平面に沿って２次元的に移動することにより投影露光が繰り返されていく。

光源６０がレーザであることから、発生するレーザ光は直線偏光である。そこで、この実施例では、光源６０から射出されるレーザ光をランダムな偏光状態をもったレーザ光とするために、光束整形光学系６１と照明光学系６３の間の光路上に偏光解消素子６２が配置されている。

なお、この露光装置の例においても、偏光解消素子６２を回転させたり振動させたりするための駆動機構を設けて、偏光解消素子６２の偏光解消機能を高めるようにしてもよい。そのような駆動機構は上記のレーザプリンタの例と同じであり、ここでの説明は省略する。

（光ファイバ増幅器への適用）
図２２は偏光解消素子を光ファイバ増幅器に適用した例を示したものである。
ファイバ増幅器は、希土類元素添加光ファイバ７４に光源７０からの励起光７１を入射して光ファイバ７４中の希土類元素を活性化しておき、そこに入射光７２を入射させることにより、その入射光７２を増幅して出射させるものである。励起光７１と入射光７２をともに光ファイバ７４に入射させるために、励起光７１と入射光７２とを結合する光カプラ７３が設けられている。

光ファイバ７４に添加される希土類元素は増幅すべき入射光の波長に応じて選択される。例えば、入射光の波長が１５５０ｎｍ波長帯域である場合にはエルビウム（Ｅｒ）を初めとするランタノイド希土類元素、入射光の波長が１０６０ｎｍ波長帯域又は１３００ｎｍ波長帯域の場合はネオジム（Ｎｄ）、入射光の波長が１３００ｎｍ波長帯域の場合はプラセオジウム（Ｐｒ）、入射光の波長が１４５０ｎｍ波長帯域の場合はツリウム（Ｔｍ）などが用いられる。

希土類元素添加光ファイバ７４は、増幅特性について偏光依存性をもっているので、この実施例では光ファイバ７４に入射する光を無偏光状態にするために、光カプラ７３と光ファイバ７４の間の光路上に本発明の偏光解消素子７６が配置されている。

なお、この光ファイバ増幅器の例においても、偏光解消素子７６を回転させたり振動させたりするための駆動機構を設けて、偏光解消素子７６の偏光解消機能を高めるようにしてもよい。そのような駆動機構は上記のレーザプリンタの例と同じであり、ここでの説明は省略する。

本発明の偏光解消素子は、上記に例示したレーザプリンタ、露光装置及び光ファイバ増幅器のほかにも、偏光に起因してスペックルが生じる光学系に適用することができる。そのような光学系として、レーザ光源を用いる分光器、レーザ計測装置、光ピックアップ装置、プロジェクタ、特許文献４に記載されているような偏光解析装置、偏波モード分散補償（ＰＭＤＣ）システム、ＣＣＤ及びＣＭＯＳセンサー、特許文献５に記載されているような位相差測定装置、並びに特許文献６に記載されているようなレーザ加工装置等を挙げることができる。

偏光解消素子を用いた効果及びその偏光解消素子を回転駆動及び振動駆動することによる効果の検証をレーザープロジェクタにおいて行なった。この検証では、表示画面の一部を拡大させてその拡大部分の面積当たりのスペックルの数をカウントし、そのカウント数を表示画面全体の面積におけるカウント数に換算して評価した。偏光解消素子を導入しなかった場合は、大小・濃淡を含めてスペックルのカウント数は約３万箇所にとなった。これに対し、偏光解消素子を導入した場合にはそのカウント数が１０００個程度に激減した。

その状態から偏光解消素子を５０ｒｐｍの速度で回転させた場合はスペックルがまったく観測されなかった。また、偏光解消素子をピエゾ素子を使用してレーザビームの光線方向に対して垂直に約５０μｍの振幅で振動させた場合にもスペックルがまったく観測されなかった。これらのことから、偏光解消素子を導入することによってスペックルの数を大幅に減少させる効果があることがわかり、さらに偏光解消素子を回転させたり振動させたりすることによってその効果を向上させることができることがわかる。

２，３ 基板
４ 誘電体層
２a，４a サブ波長構造体
６, ５７, ６２ 偏光解消素子
８ サブ波長構造体領域

Claims (19)

1. 基板の表層部に構造性複屈折をもつ複数のサブ波長構造体領域が互いに隣接して配置された偏光解消素子であって、
   前記サブ波長構造体領域は使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち、前記溝の配列方向である光学軸方向が隣接するサブ波長構造体領域間で異なる部分をもつように配置されており、かつ、
   該偏光解消素子は前記溝として深さと幅が異なることにより位相差の異なるものを含んでおり、深さが深くなるほど溝の幅が広くなっていることを特徴とする偏光解消素子。
2. 前記サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に前記深さの異なる溝をもっている請求項１に記載の偏光解消素子。
3. 前記サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に複数の光学軸方向をもっている請求項１又は２に記載の偏光解消素子。
4. 前記サブ波長構造体領域は各サブ波長構造体領域内に互いに直交する２つの光学軸方向をもっている請求項３に記載の偏光解消素子。
5. 前記サブ波長構造体領域は隣接するサブ波長構造体領域間で前記溝の深さの異なる部分が存在する請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
6. 基板表層部に使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもち構造性複屈折を呈するサブ波長構造体が形成され、
   前記サブ波長構造体は前記溝の配列方向である光学軸方向が中心から放射状に広がるように前記溝が同心円状に配列されたものであり、かつ、
   前記溝として深さと幅が異なることにより位相差の異なるものを含んでおり、深さが深くなるほど溝の幅が広くなっている偏光解消素子。
7. 前記溝の深さは、光学軸方向に沿って連続的に変化している請求項１から６のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
8. 前記サブ波長構造体領域における前記溝の深さは、光学軸方向に沿って三角関数、指数関数又は他の任意の数式で表される関数に従って連続的に変化している請求項７に記載の偏光解消素子。
9. 該偏光解消素子で発生する位相差Δは使用する波長λに対して、
   λ／８≦Δ≦λ
   となるようにサブ波長構造体が設計されている請求項１から８のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
10. 前記サブ波長構造体領域は、誘電体の薄膜材料、合成石英もしくは光学ガラス材料からなる構造材料、光学結晶材料又はプラスチック材料からなる光透過性材料で構成されている請求項１から９のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
11. 前記基板の表面側と裏面側の両方の表層部に該偏光解消素子が形成されている請求項１から１０のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
12. 該偏光解消素子が形成されている層とは別に光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成された層を備えている請求項１から１０のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
13. 前記光量均一化用光学素子はマイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイである請求項１２に記載の偏光解消素子。
14. 前記光量均一化用光学素子はそれぞれの光学有効領域が複数の前記サブ波長構造体領域を含むように形成されている請求項１２又は１３に記載の偏光解消素子。
15. 前記光量均一化用光学素子はそれぞれの光学有効領域が前記サブ波長構造体領域の１つと一致するように形成されている請求項１２又は１３に記載の偏光解消素子。
16. 前記サブ波長構造体は、その凹凸の凸部に傾斜面を含んでいる請求項１から１５のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
17. レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器において、
    前記レーザ光の偏光状態をランダムな偏光状態にするために請求項１から１６のいずれか一項に記載の偏光解消素子を前記光学系の光路上に配置したことを特徴とする光学機器。
18. 前記偏光解消素子を前記光路上において光線方向に平行な軸を中心として回転させる駆動機構を備えた請求項１７に記載の光学機器。
19. 前記偏光解消素子を前記光路上において光線方向に対して平行又は垂直の方向に振動させる駆動機構を備えた請求項１７に記載の光学機器。

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