JP7717826B2

JP7717826B2 - 光演算装置及び製造方法

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Publication number: JP7717826B2
Application number: JP2023554934A
Authority: JP
Inventors: 雄一朗九内; 正浩柏木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2025-08-04
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Description

本発明は、複数の光回折層を含む光演算装置、及び、そのような光演算装置の製造方法に関する。

屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルであって、行列状に設けられた複数のマイクロセルを用いた光回折層が知られている。信号光の光路上にこのような光回折層を重ねて配置し、各光回折層を透過した信号光を相互に干渉させることによって、予め定められた演算を光学的に実行するように設計された光回折層が知られている。光回折層を用いた光学的な演算（すなわち光演算）は、プロセッサを用いた電気的な演算と比べて高速且つ低消費電力である。特許文献１には、入力層、中間層、及び出力層を有する光ニューラルネットワークが開示されている。上述した光回折層は、例えば、このような光ニューラルネットワークの中間層として利用することが可能である。

このような技術を演算処理や、イメージング処理などに応用する場合、マイクロセルのセルサイズが信号光の波長λｓの半分から２倍程度になるように光回折層を構成することが好ましい。セルサイズが波長λｓの半分から２倍程度であることにより、信号光の制御性を高めることができる。例えば、信号光としてλｓ＝４００ｎｍである可視光を用いる場合、好ましいセルサイズは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下と考えられる。したがって、このような光回折層を含む光演算装置を製造する際には、ナノメートルオーダー（サブミクロン）サイズの解像度を実現可能な造形方法を採用することが好ましい。

近年、３Ｄプリンティングに代表されるような「付加加工（Additive manufacturing）」と呼ばれる造形方法が注目を浴びている。なかでも、光造形の一態様であるマイクロ構造を３次元的に自由に加工できる２光子３Ｄプリンティングの造形方法が着目を浴びている。しかしながら、２光子３Ｄプリンティングの造形方法を用いた場合、１００ｎｍを下回る解像度を達成することは、困難である。

付加加工を用いて造形された造形物の解像度を高めるための手法として、Implosion Fabrication法という造形方法が提案されている（非特許文献１及び特許文献２）。この造形方法では、溶媒の一例である水を多く含み膨潤した状態のゲル（この場合はハイドロゲル）の状態で光造形を行い、光造形後に脱水収縮を行う。この脱水収縮を行うことにより、光造形を実施されたゲルは、およそ相似形を保ったまま一軸に沿ったサイズがおよそ１／１０に収縮することにより乾燥ゲルとなる。このように、Implosion Fabrication法では、脱水収縮を実施することにより、最終的な解像度を光造形時の解像度の１０倍程度に高めることができる。したがって、Implosion Fabrication法は、自由度の高い３次元構造において、１００ｎｍを下回る解像度を達成することができる。

米国特許第７８４７２２５号明細書米国特許出願公開第２０１７／００８１４８９号明細書

Daniel Oran et. al.，Science 362, 1281-1285 (2018) 14 December 2018

本発明の発明者らは、光演算装置に含まれる複数の光回折層の各々としてImplosion Fabrication法を用いて製造された乾燥ゲルを用い、各々が乾燥ゲルからなる各光回折層を重ねることによって、１００ｎｍを下回る解像度を有する光演算装置を実現できると考えた。上述したように、Implosion Fabrication法において用いられるゲルは、脱水収縮を行うことにより、およそ相似形を保ったまま収縮するためである。しかしながら、複数のゲルを脱水収縮させた場合、各ゲルの収縮率、及び、収縮の均一性が異なることが分かった。

このことは、光演算装置に含まれる複数の光回折層の各々としてImplosion Fabrication法を用いて製造された乾燥ゲルを用い、各光回折層を重ねた場合、各光回折層におけるマイクロセルのセルサイズ及び位置がばらつきやすいことを意味する。セルサイズや位置がばらついた場合、光演算装置の計算誤差が大きくなり、精度の高い計算を行うことが困難になる場合がある。

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、行列状に設けられた複数のマイクロセルを重ねて配置した光演算装置において、脱水収縮に起因して生じるセルサイズ及び位置のばらつきを抑制することにより、誤差が少なく計算精度が高い光演算装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光演算装置は、互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置であって、各光回折層は、屈折率が個別に設定され、且つ、行列状に設けられた複数のマイクロセルを含んでおり、複数層の光回折層は乾燥ゲルにより包含されている。

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る製造方法は、互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置の製造方法である。本製造方法は、溶媒を含有しているゲル中に色素を分散させる第１の工程と、２光子吸収法を用いて、色素が分散されたゲルを露光することにより前記複数層の光回折層に対応するパターンをパターニングする第２の工程と、パターニング後のゲルから色素を除去する第３の工程と、色素が除去されたゲルから前記溶媒を除去することにより収縮された乾燥ゲルであって、複数層の光回折層を包含する乾燥ゲルを得る第４の工程と、を含んでいる。

本発明の一態様によれば、行列状に設けられた複数のマイクロセルを重ねて配置した光演算装置において、脱水収縮に起因して生じるセルサイズ及び位置がばらつきを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光演算装置の三面図である。図１に示した光演算装置の第１の変形例の断面図である。図１に示した光演算装置の第２の変形例の断面図である。図１に示した光演算装置の第３の変形例の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る製造方法のフローチャートである。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る光演算装置１０について、図１を参照して説明する。図１は、光演算装置１０の三面図である。図１の正面図は、光演算装置１０の一対の主面である上面及び下面のうち上面を平面視したものである。図１の前面図及び左側面図の各々は、それぞれ、光演算装置１０の前面及び左側面を平面視したものである。

＜光演算装置の構成＞
図１に示すように、光演算装置１０は、乾燥ゲル１１を備えている。乾燥ゲル１１は、互いに重ねられたｎ層（ｎは２以上の整数、本実施形態においてはｎ＝３とする）の光回折層Ｌｉ（ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）を包含している。本実施形態においては、乾燥ゲル１１の下面に近接するように光回折層Ｌ１が設けられており、光回折層Ｌ１の上に光回折層Ｌ２及び光回折層Ｌ３がこの順番で積層されている。

各光回折層Ｌｉは、ｍ行ｌ列の行列状に設けられた複数のマイクロセルＣｉｊｋを含んでいる。ここで、ｍ及びｌの各々は、２以上の整数であり、本実施形態においてはｍ＝４，ｌ＝４とする。また、ｊは、１≦ｊ≦ｍの整数であり、ｋは、１≦ｋ≦ｌの整数である。このように、光回折層Ｌｉに含まれる各マイクロセルＣｉｊｋは、正方行列状に設けられている。各マイクロセルＣｉｊｋは、少なくとも屈折率が個別に、且つ、互いに独立に設定されている。また、各マイクロセルＣｉｊｋは、屈折率に加えて厚みＴｃが個別に、且つ、互いに独立に設定されていてもよい。均一の厚みの範囲内において実現できないほど、各マイクロセルＣｉｊｋの屈折率の分布をワイドレンジにしたい場合に、マイクロセルＣｉｊｋの厚みをより厚くすればよい。この構成によれば、信号光が透過した場合に変化する位相変化量を厚みＴｃが薄いマイクロセルＣｉｊｋよりも大きくすることができる。本実施形態において、各マイクロセルＣｉｊｋは、屈折率のみが個別に、且つ、互いに独立に設定されており、厚みＴｃは均一である。厚みＴｃは、適宜定めることができるが、典型的には、信号光の波長λｓ程度である。

ここで、マイクロセルとは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、セルサイズとは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状がマイクロセルＣｉｊｋのように正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さＬｃである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。

光演算装置１０において、光回折層Ｌｉの層数ｎと、複数のマイクロセルＣｉｊｋの行数ｍ及び列数ｌは、上述した例に限定されず適宜さだめることができる。層数ｎは、例えば、２であってもよいし１０であってもよい。また、行数ｍ及び列数ｌは、例えば、２００であってもよし４０００であってもよい。層数ｎ、行数ｍ、及び列数ｌは、光演算装置１０を用いて実行したい光演算の内容に応じて適宜定めることができる。

光演算装置１０において、信号光は、乾燥ゲル１１の一方の主面（例えば下面）に入射し、乾燥ゲル１１の他方の主面（例えば上面）から出射する。図１の正面図において、マイクロセルＣｉｊｋが形成されている領域を光演算装置１０における有効領域と呼ぶ。

層間ピッチＰＬ、及び、マイクロセルＣｉｊｋのセルサイズである長さＬｃは、信号光の波長λｓに関連して定められている。

層間ピッチＰＬは、信号光の波長λｓの整数倍であることが好ましい。本実施形態では、層間ピッチＰＬとして４０λｓを採用している。例えば、λｓ＝４００ｎｍである信号光を用いる場合、ＰＬ＝１６μｍとなる。層間ピッチＰＬは、互いに隣接する光回折層Ｌｉ及び光回折層Ｌｉ＋１におけるピッチである。

マイクロセルのセルサイズは、λｓ／２以上２λｓ以下の範囲内で定められていることが好ましい。すなわち、マイクロセルＣｉｊｋにおいて、長さＬｃは、λｓ／２以上２λｓ以下の範囲内で定められていることが好ましい。例えば、λｓ＝４００ｎｍである信号光を用いる場合、長さＬｃは、２００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲内で定められていることが好ましい。これにより、信号光の制御性を高めることができる。

また、単一の光回折層Ｌｉ内において互いに隣接するマイクロセル同士（例えばマイクロセルＣｉｊｋ及びマイクロセルＣｉｊｋ＋１）におけるピッチであるセル間ピッチＰｃは、長さＬｃを上回る範囲内で適宜定めることができる。

（乾燥ゲル）
乾燥ゲル１１は、信号光に対して透光性を有する材料により構成されている。乾燥ゲル１１を構成するゲルは、Implosion Fabrication法において用いられるゲルの中から適宜選択することができる（例えば、非特許文献１、特許文献２、及び、特願２０２１－０２５６８０号の明細書参照）。

乾燥ゲル１１は、ゲルを乾燥することによって得られる。ゲルは、分散質が繋がることによりネットワークを作った固体状のものの総称である。分散質同士が繋がっている点は、架橋点と呼ばれる。ゲルは、ネットワーク中に溶媒を吸収することができ、膨潤したゲルとなることができる。また、ゲルは、含有していた溶媒を乾燥されることによって、溶媒を放出しながら収縮し、乾燥ゲルとなる。また、乾燥ゲルとなる際に、乾燥ゲルの寸法を安定化させるためにさらに架橋などの処理を施して構造をある程度、固定化することもできる。ゲルと乾燥ゲルとを比較した場合の収縮率は、分散質の組成などにより異なるが、後述するImplosion Fabrication法において用いられるゲルの場合、典型的な収縮率は、１／１０～１／１００程度である。光演算装置１０では、単一の乾燥ゲル１１中に、複数の光回折層Ｌｉであって、各々が複数のマイクロセルＣｉｊｋを含んでいる光回折層Ｌｉが設けられている。単一の乾燥ゲル１１の内部に複数の光回折層Ｌｉを形成する場合、各光回折層Ｌｉ間に生じ得る収縮率のばらつきを抑制することができる。したがって、複数の乾燥ゲルを用いて複数層の光回折層を構成する場合に生じ得るセルサイズ及び位置のばらつきを抑制することができる。また、別個に設けられた複数の光回折層を重ねる必要がないので、複数の光回折層におけるアライメント調整を省略することができる。

また、ゲルから乾燥ゲルに収縮するときの精度を求める場合、前記収縮率を１／１０程度に抑えるようにゲルを構成することが好ましい。すなわち、乾燥ゲルの体積は、ゲルの体積の１／１０００程度が好ましい。収縮の精度は、ゲルにおける収縮の均一性とも言い替えられる。ゲルにおける収縮の均一性を高めることにより、各光回折層Ｌｉに生じ得るセルサイズ及び位置のばらつきを更に抑制することができる。

ゲルは、化学ゲルと物理ゲルとに分類することができる。化学ゲルは、分散質同士の結合が共有結合からなる。一方、物理ゲルは、分散質同士が共有結合以外の結合（例えば分子間力など）からなる。また、化学ゲルのうち分散質が高分子化合物であるゲルのことを高分子ゲルと呼ぶ。本実施形態では、溶媒を乾燥させることによって乾燥ゲル１１となるゲルとして高分子ゲルを用いる。

また、ゲルは、吸収することができる溶媒の極性に応じて、親水性ゲル、疎水性ゲル、及び中間的なゲルに分類することができる。親水性ゲルは、極性が高い溶媒（例えば水や低級アルコール類など）を吸収する。疎水性ゲルは、極性が低い溶媒（例えばシクロヘキサンやノルマルヘキサンなど）を吸収する。中間的なゲルは、極性が中間的な溶媒（例えばジエチルエーテルや酢酸エチルなど）を吸収する。本実施形態では、溶媒を乾燥させることによって乾燥ゲル１１となるゲルとして親水性ゲルを用いる。親水性ゲルは、ハイドロゲルとも呼ばれる。

乾燥ゲル１１における溶媒の含有率（ハイドロゲルにおいては含水率）は、３０％以下の範囲内で適宜定めることができる。なお、乾燥ゲル１１における溶媒の含有率は、乾燥ゲル１１の総質量に対する含有している溶媒の質量の比で定義することができる。含有率が低ければ低い程、乾燥ゲル１１のサイズが小さくなるので、各光回折層Ｌｉにおけるセルサイズを小さくすることができる。

＜第１の変形例＞
光演算装置１０の第１の変形例である光演算装置１０Ａについて、図２を参照して説明する。図２は、光演算装置１０Ａの断面図である。なお、図２においては、乾燥ゲル１１に包含されている各光回折層Ｌｉの図示を省略している。

図２に示すように、光演算装置１０Ａは、乾燥ゲル１１と、透明基板１２Ａと、樹脂層１３Ａと、を備えている。光演算装置１０Ａの乾燥ゲル１１は、光演算装置１０の乾燥ゲル１１と同一である。したがって、本変形例では、乾燥ゲル１１の説明を省略する。

透明基板１２Ａは、信号光に対して透光性を有する基板である。本実施形態においては、石英ガラス製のガラス基板を透明基板１２Ａとして用いる。ただし、透明基板１２Ａを構成する材料は、石英ガラスに限定されず、適宜定めることができる。例えば、透明基板１２Ａを構成する材料として、信号光に対して透光性を有する樹脂を用いることもできる。また、透明基板１２Ａは、剛直な基板であってもよいし、柔軟な基板であってもよい。なお、透明基板１２Ａが柔軟な基板である場合には、乾燥ゲル１１を取り囲むように枠体が透明基板１２Ａに取り付けられていることが好ましい。これにより、透明基板１２Ａは、変形せずに平面性を保つことができる。

透明基板１２Ａの一方の主面（図２においては上側の主面）には、乾燥ゲル１１が載置されている。

透明基板１２Ａは、乾燥ゲル１１を支持するとともに、乾燥ゲル１１と空気との接触を防ぐために設けられている。透明基板１２Ａは、乾燥ゲル１１の下側の主面を覆っている。

樹脂層１３Ａは、信号光に対して透光性を有する樹脂により構成されている。樹脂層１３Ａは、乾燥ゲル１１と空気との接触を防ぐために設けられている。樹脂層１３Ａは、防湿層の一例である。樹脂層１３Ａは、透湿度が１５０ｇ/ｍ^２/２４ｈｒ以下になるように構成されていることが好ましく、５０ｇ/ｍ^２/２４ｈｒ以下であることがより好ましく、１０ｇ/ｍ^２/２４ｈｒ以下であることが最も好ましい。透湿度を規定するためには、ＪＩＳＺ０２０８で規定されるカップ法試験における試験条件４０℃・９０％ＲＨ下での評価指数を用いることができる。この構成によれば、樹脂層１３Ａは、乾燥ゲル１１が空気中の水分を吸収することを抑制することができるので、乾燥ゲル１１のサイズを一定に保つことができる。樹脂層１３Ａは、透明基板１２Ａの一方の主面と、乾燥ゲル１１の上側の主面及び側面とを覆っている。

樹脂層１３Ａとしては、表示パネルにおいてパネル表面を保護するために用いられるハードコート層を好適に用いることができる。すなわち、樹脂層１３Ａを構成する樹脂の好適な例としては、光硬化性のメタアクリル系樹脂が挙げられる。ハードコート層は、所定の硬度を上回るように構成されており、耐擦傷性を有する。所定の硬度は、適宜定めることができる。所定の硬度を規定するためには、ＪＩＳＫ５６００などに規定される鉛筆硬度試験における評価指数を用いてもよいし、表面硬度摩耗試験機などに適切な過重を加えたスチールウール等を用いて測定される耐擦傷性の評価指数を用いてもよい。樹脂層１３Ａとしてハードコート層を用いることにより、乾燥ゲル１１のサイズを一定に保てることに加えて、乾燥ゲル１１が外力により変形したり破損したりするのを防ぐこともできる。

このように、透明基板１２Ａ及び樹脂層１３Ａは、乾燥ゲル１１を包含するように構成されている。透明基板１２Ａ及び樹脂層１３Ａは、防湿層として機能する。本実施形態において、透明基板１２Ａ及び樹脂層１３Ａの各々は、それぞれの屈折率が、乾燥ゲル１１の屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高くなるように構成されている。

＜第２の変形例＞
光演算装置１０の第２の変形例であり、且つ、光演算装置１０Ａの変形例でもある光演算装置１０Ｂについて、図３を参照して説明する。図３は、光演算装置１０Ｂの断面図である。

光演算装置１０Ｂは、乾燥ゲル１１と、透明基板１２Ａ（図３には不図示）と、樹脂層１３Ａと、樹脂層１４Ｂと、を備えている。光演算装置１０Ｂは、光演算装置１０Ａに対して樹脂層１４Ｂを追加することによって得られる。したがって、本変形例では、樹脂層１４Ｂについて説明し、乾燥ゲル１１、透明基板１２Ａ、及び樹脂層１３Ａの説明を省略する。

樹脂層１４Ｂは、一方の防湿層である樹脂層１３Ａの有効領域（すなわち、乾燥ゲル１１の上面を覆っている領域）を覆っている。樹脂層１４Ｂは、信号光に対して透光性を有する樹脂であって、屈折率が樹脂層１３Ａの屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高くなるように構成されている。樹脂層１４Ｂは、低屈折率層として機能する。

樹脂層１４Ｂを構成する材料は、特に限定されず、既存の材料の中から屈折率に応じて適宜選択することができる。樹脂層１４Ｂは、フッ素を添加したアクリレート樹脂により構成されていてもよいし、内部に微細な空気泡を分散させた樹脂により構成されていてもよい。空気泡を樹脂の内部に分散させる場合、空気泡のサイズは、信号光の波長λｓ未満であることが好ましい。

なお、光演算装置１０Ｂの一態様は、もう一方の防湿層である透明基板１２Ａの有効領域（すなわち、乾燥ゲル１１の下面を覆っている領域）を覆う樹脂層を更に備えていてもよい。この樹脂層は、樹脂層１４Ｂと同様に構成されていればよい。

＜第３の変形例＞
光演算装置１０の第３の変形例である光演算装置１０Ｃについて、図４を参照して説明する。図４は、光演算装置１０Ｃの断面図である。

光演算装置１０Ｃは、乾燥ゲル１１と、一対の透明基板１２Ｃ１，１２Ｃ２と、樹脂層１３Ｃと、を備えている。

透明基板１２Ｃ１は、光演算装置１０Ａの透明基板１２Ａと同一に構成されている。すなわち、透明基板１２Ｃ１は、乾燥ゲル１１の下面を覆っている。

透明基板１２Ｃ２は、透明基板１２Ｃ１と同様に構成されたガラス基板である。透明基板１２Ｃ２は、透明基板１２Ｃ１とともに乾燥ゲル１１を挟み込むように、乾燥ゲル１１の上面に載置されている。したがって、透明基板１２Ｃ２は、乾燥ゲル１１の上面を覆っている。

樹脂層１３Ｃは、光演算装置１０Ａの樹脂層１３Ａを構成する樹脂と同じ樹脂により構成されている。ただし、樹脂層１３Ｃは、透明基板１２Ｃ１と透明基板１２Ｃ２との間に充填されており、乾燥ゲル１１の側面を覆っている。

透明基板１２Ｃ１、透明基板１２Ｃ２、及び樹脂層１３Ｃは、防湿層として機能する。

透明基板１２Ｃ１及び透明基板１２Ｃ２は、透明基板１２Ａと同様に、剛直な基板であってもよいし、柔軟な基板であってもよい。

本実施形態において、透明基板１２Ｃ１、透明基板１２Ｃ２、及び樹脂層１３Ｃの各々は、それぞれの屈折率が、乾燥ゲル１１の屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高くなるように構成されている。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係る製造方法Ｍ１について、図５を参照して説明する。図５は、製造方法Ｍ１のフローチャートである。本実施形態では、光演算装置１０Ａを製造する場合を例にして、製造方法Ｍ１について説明する。ただし、製造方法Ｍ１に含まれている第１の工程Ｓ１１～第４の工程Ｓ１４は、光演算装置１０、光演算装置１０Ｂ、及び光演算装置１０Ｃの何れを製造する場合にも適用することができる。

＜ゲル＞
本実施形態では、溶媒を含有したゲルが透明基板１２Ａの上面に載置されている状態を始状態として製造方法Ｍ１について説明する。

この始状態において用いるゲルとしては、Implosion Fabrication法において利用可能なゲルから適宜選択することができる。

始状態において用いるゲルについては、例えば、非特許文献１及び特許文献２に記載されている。また、特願２０２１－０２５６８０号の明細書に記載されている多元ブロックコポリマーを始状態において用いるゲルとして採用してもよい。この多元ブロックコポリマーにおいては、各々が１又は複数のブロックポリマーにより構成された第１セグメント及び第２セグメントが交互に結合されている。ここで、第１セグメントは、疎水性を有し、第２セグメントは、親水性を有する。そのうえで、この多元ブロックコポリマーは、総セグメント数が３以上になるように構成されている。

＜製造方法の構成＞
図５に示すように、製造方法Ｍ１は、第１の工程Ｓ１１、第２の工程Ｓ１２、第３の工程Ｓ１３、第４の工程Ｓ１４、及び第５の工程Ｓ１５を含んでいる。

第１の工程Ｓ１１は、溶媒を含有しているゲル中に色素を分散させる工程である。この色素は、始状態において用いるゲルの組成にあわせて適宜選択することができる（例えば、非特許文献１、特許文献２、及び、特願２０２１－０２５６８０号の明細書参照）。

第２の工程Ｓ１２は、２光子吸収法を用いて、色素が分散されたゲルを露光することにより複数層の各光回折層Ｌｉに対応するパターンをパターニングする工程である。すなわち、第２の工程Ｓ１２においては、各マイクロセルＣｉｊｋに対応する領域に対して、個別に、且つ、互いに独立に設定されている強度のレーザ光を照射する。分散質は、レーザ光の２光子を吸収することにより色素と結合する。したがって、各マイクロセルＣｉｊｋには、レーザ光の強度に応じた量の色素が結合することになる。このレーザ光の強度に応じて導入された色素には、さらに乾燥ゲルと屈折率の異なる微粒子を色素の量に応じて結合させることができ、これにより、各マイクロセルＣｉｊｋにおける屈折率を個別に、且つ、互いに独立に設定することができる。乾燥ゲルよりも屈折率が高い微粒子としては、酸化チタンのナノ粒子やナノダイアモンドなどが挙げられる。乾燥ゲルよりも屈折率が低い微粒子としてはフッ化物ナノ粒子などが挙げられる。

２光子吸収法を用いたパターニングは、光造形の一態様であり、以下においては２光子３Ｄプリンティングとも称する。２光子吸収法では、照射するレーザ光（励起光）の焦点の位置を、乾燥ゲル１１における主面の面内方向に移動させることができるだけでなく、当該主面の法線方向にも移動させることができる。したがって、２光子３Ｄプリンティングでは、マイクロ構造を３次元的に自由に加工できる。

第３の工程Ｓ１３は、第２の工程Ｓ１２においてパターニングされた後のゲルを洗浄することにより、ゲルから色素を除去する工程である。第３の工程Ｓ１３を実施することにより、分散質に結合された色素は、ゲル中の各マイクロセルＣｉｊｋに対応する領域に残存し、分散質に結合されなかった色素は、ゲル中から除去される。

第４の工程Ｓ１４は、第３の工程Ｓ１３において色素が除去されたゲルから溶媒を除去する工程である。第４の工程Ｓ１４を実施することにより、ゲルは、収縮し、乾燥ゲルとなる。乾燥ゲル１１における溶媒の含有率は、３０％以下の範囲内で適宜定めることができる。含有率が低ければ低い程、乾燥ゲル１１のサイズが小さくなるので、各光回折層Ｌｉにおけるセルサイズを小さくすることができる。

第５の工程Ｓ１５は、透明基板１２Ａの上面、及び、乾燥ゲル１１の表面に樹脂層１３Ａのもととなる液体樹脂を塗布し、この液体樹脂を硬化させる工程である。液体樹脂が硬化することにより、透明基板１２Ａの上面、及び、乾燥ゲル１１の表面に樹脂層１３Ａが形成され、乾燥ゲル１１は、透明基板１２Ａと樹脂層１３Ａとにより包含される。透明基板１２Ａ及び樹脂層１３Ａは、防湿層の一例である。

なお、光演算装置１０Ｂを製造する場合には、第５の工程Ｓ１５のあとに、樹脂層１３Ａの少なくとも乾燥ゲル１１を覆っている領域に、低屈折率層の一例である樹脂層１４Ｂを形成する工程を追加すればよい。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係る光演算装置は、互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置であって、各光回折層は、屈折率が個別に設定され、且つ、行列状に設けられた複数のマイクロセルを含んでおり、前記複数層の光回折層は乾燥ゲルにより包含されている。

上記の構成によれば、複数層の光回折層が１つの乾燥ゲルに包含されているため、複数の乾燥ゲルを用いることなく光演算装置を製造することができる。したがって、複数の乾燥ゲルを用いて複数層の光回折層を構成する場合に生じ得るセルサイズ及び位置のばらつきを抑制することができる。これを適用して作製したセルサイズ及び位置のばらつきが抑制された光演算装置では、誤差が少なく、より精度の高い演算を行うことが可能である。

また、複数の光回折層を信号光に順に作用させる光演算装置であって、各光回折層が別個の乾燥ゲル中に設けられた光演算装置においては、各光回折層の信号光に対する位置及び方向を予め定められた位置及び方向に調整することが重要である。なぜなら、光回折層の信号光に対する位置及び方向が予め定められた位置及び方向からずれると、所期の作用を信号光に対して及ぼすことが困難になるからである。以下では、この調整のことをアライメント調整と呼ぶ。上記の構成によれば、単一の乾燥ゲル中に複数の光回折層が設けられているので、製造時にアライメント調整を省略することができる。なお、このアライメント調整で調整出来るのは各光回折層間の位置ずれ、すなわち面内の水平移動による誤差のみである。アライメント調整では、たとえば各光回折層の収縮率が異なることに起因する各光回折層のセルサイズのずれを完全に調整することはできないが、単一の乾燥ゲル中に複数の光回折層が設けられている上記の構成によれば、このようなセルサイズのずれも抑制することができる。

また、本発明の第２の態様に係る光演算装置においては、上述した第１の態様に係る光演算装置の構成に加えて、信号光に対して透光性を有する防湿層であって、前記乾燥ゲルを包含する防湿層を更に備えている、構成が採用されている。

上記の構成によれば、乾燥ゲルと空気との接触を遮断することができるため、乾燥ゲルが空気中に含まれる水分を吸収することを抑制することができる。したがって、外部環境にかかわらず乾燥ゲルのサイズを一定に保つことができる。

また、本発明の第３の態様に係る光演算装置においては、上述した第２の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記防湿層の屈折率は、乾燥ゲルの屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高い、構成が採用されている。

上記の構成によれば、防湿層を備えていない場合に生じ得る反射であって、乾燥ゲルと空気との界面における反射を抑制することができる。

また、本発明の第４の態様に係る光演算装置においては、上述した第３の態様に係る光演算装置の構成に加えて、前記防湿層の有効領域を覆う低屈折率層であって、屈折率が前記防湿層の屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高い低屈折率層を更に備えている、構成が採用されている。

上記の構成によれば、低屈折率層を備えていない場合に生じ得る反射であって、防湿層と空気との界面における反射を抑制することができる。

本発明の第５の態様に係る製造方法は、互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置の製造方法である。本製造方法は、溶媒を含有しているゲル中に色素を分散させる第１の工程と、２光子吸収法を用いて、色素が分散されたゲルを露光することにより前記複数層の光回折層に対応するパターンをパターニングする第２の工程と、パターニング後のゲルから色素を除去する第３の工程と、色素が除去されたゲルから前記溶媒を除去することにより収縮された乾燥ゲルであって、複数層の光回折層を包含する乾燥ゲルを得る第４の工程と、を含んでいる。

上記の構成によれば、第１の態様に係る光演算装置と同様の効果を奏する。

また、本発明の第６の態様に係る製造方法においては、上述した第５の態様に係る製造方法の構成に加えて、信号光に対して透光性を有する防湿層を用いて、前記乾燥ゲルを包含する第５の工程を更に含む、構成が採用されている。

上記の構成によれば、第２の態様に係る光演算装置と同様の効果を奏する。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ光演算装置
１１乾燥ゲル
Ｌｉ光回折層
Ｃｉｊｋマイクロセル
１２Ａ，１２Ｃ１，１２Ｃ２透明基板
１３Ａ，１４Ｂ，１３Ｃ樹脂層

Claims

互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置であって、
各光回折層は、予め定められた演算を光学的に実行するように屈折率が個別に設定され、且つ、行列状に設けられた複数のマイクロセルを含んでおり、
前記複数層の光回折層は乾燥ゲルにより包含されている、
ことを特徴とする光演算装置。
信号光に対して透光性を有する防湿層であって、前記乾燥ゲルを包含する防湿層を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光演算装置。
前記防湿層の屈折率は、乾燥ゲルの屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高い、
ことを特徴とする請求項２に記載の光演算装置。
前記防湿層の有効領域を覆う低屈折率層であって、屈折率が前記防湿層の屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高い低屈折率層を更に備えている、
ことを特徴とする請求項３に記載の光演算装置。
予め定められた演算を光学的に実行するように屈折率が個別に設定され、互いに重ねられた複数層の光回折層を備えた光演算装置の製造方法であって、
溶媒を含有しているゲル中に色素を分散させる第１の工程と、
２光子吸収法を用いて、色素が分散されたゲルを露光することにより前記複数層の光回折層に対応するパターンをパターニングする第２の工程と、
パターニング後のゲルから色素を除去する第３の工程と、
色素が除去されたゲルから前記溶媒を除去することにより収縮された乾燥ゲルであって、複数層の光回折層を包含する乾燥ゲルを得る第４の工程と、を含む、
ことを特徴とする製造方法。
信号光に対して透光性を有する防湿層を用いて、前記乾燥ゲルを包含する第５の工程を更に含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。