JPH0799402B2

JPH0799402B2 - 波長板

Info

Publication number: JPH0799402B2
Application number: JP61112882A
Authority: JP
Inventors: 靖夫木村; 雄三小野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1995-10-25
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: JPS62269104A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、直交する２つの直線偏光の間に位相差を生
ぜしめる、1/4波長板、1/2波長板、全波長板等の波長板
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、波長板は水晶の結晶を研磨して、常光と異常光の
位相差が、1/4波長板では（Ｎ＋1/4）波長（Ｎは整
数）、1/2波長板では（Ｎ＋1/2）波長、全波長板ではＮ
波長になるような厚さに調整して製作されている。この
ような結晶研磨による方法以外に誘電体に形成した高密
度の表面レリーフ格子が複屈折を示すことから格子を用
いる方法も提案されている。表面レリーフ格子を用いた
波長板の提案と実験はアプライド・フィジックス・レタ
ー（Applied Physics Letter）誌第42巻第６号（1983年
３月15日発行）第492〜494頁掲載のD.C.Flanders著の論
文、及び、アプライド・オプティクス（Applied-Optic
s）誌第22巻第20号（1983年・10月15日発行）第3220〜3
228頁掲載のR.C.EngerとS.K.Case著の論文に述べられて
いる。

格子を用いた波長板は、格子のピッチをd₁使用波長をλ
とすると、λがｄに比べて十分大きい領域では格子の溝
に平行な方向の屈折率n_IIと格子の溝に直交する方向の
屈折率n_⊥が異なることを利用しており、前述のD.C.Fla
nders著の論文によると格子が矩形状の場合、n_II，n_⊥
は次式で与えられる。

n_II＝〔n₁ ²ｑ＋n₂ ²（１−ｑ）〕^1/2……（１） n_⊥＝〔（1/n₁）²ｑ＋（1/n₂）²（１−ｑ）〕^-1/2……
（２）ここでn₁は媒質１の屈折率、n₂は媒質２の屈折率、ｑは
格子の１周期中に媒質１の占める割合で１ｑ０であ
る。複屈折の大きさΔｎは次式で与えられる。

Δｎ＝｜n_II−n_⊥｜……（３）また、複屈折の大きさはΔｎを有する格子に入射した光
が受ける位相差ΔΦは次式で与えられる。

ここでＤは格子の溝深さである。（４）式から、大きな
位相差ΔΦを得るには溝深さＤを大きくするか、または
複屈折の大きさΔｎを大きくすればよい。この関係は格
子形状が矩形である場合に限らず、正弦波状、三角波状
等の場合でも成り立つ。

表面レリーフ格子による波長板は主に次の２つの方法に
より製造できる。

第１の方法は干渉露光法によりホトレジストに表面レリ
ーフ格子を形成し、その格子からニッケル電鋳法で金型
を製作し、熱可塑性樹脂にホットプレス法や射出成形法
で転写する、あるいは光硬化性樹脂に転写する方法であ
る。

第２の方法は誘電体基板上に第１の方法と同様の方法で
ホトレジスト格子を形成し、ホトレジストをマスクとし
て誘電体基板をイオンエッチング法、または反応性イオ
ンエッチング法、またはイオンビームエッチング法また
は反応性イオンエッチング法によりエッチングし、表面
レリーフ格子を得る方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来の技術には格子の溝幅に対して溝深さが極端
に大きくなる問題点がある。たとえば、使用波長λをHe
-Neレーザの632.8mmとする。この波長に対して前述の第
１の製造方法で用いられる熱可塑性樹脂、たとえばアク
リル樹脂、光硬化性樹脂たとえばスリーボンド社製のUV
X-SS-89-1および第２の製造方法において主に用いられ
る石英ガラスの屈折率はおよそ1.5〜1.6である。以下で
は熱可塑性樹脂、光硬化製造樹脂および石英ガラスを媒
質１とし、その屈折率n₁を1.55とする。また、媒質２を
空気としその屈折率n₂を1.00とする。格子形状が矩形の
場合は、媒質１が格子の１周期中に占める割合ｑを0.5
とすれば、複屈折の大きさΔｎは（１），（２），
（３）式より0.116となる。したがって（４）式より1/4
波長板、1/2波長板、全波長板に必要な溝深さＤはそれ
ぞれ1.36μｍ、2.73μm,5.46μｍになる。また、格子ピ
ッチｄに関して、高密度性に基づく複屈折を得るにはλ
/d1.475である必要があるので、ｄμｍなる条件を
満足しなければならない。ｑ＝0.5であるから格子の溝
幅ＷはＷ0.21μｍとなる。したがって、溝幅0.21μｍ
以下、溝深さ1.36μｍ〜5.46μｍの格子を作製しなれば
ならない。

このような溝幅に対し溝深さが極めて大きい格子を第１
の製造方法で製造する場合、媒質１と電鋳金型との実効
的な接触表面積が著しく増大するために金型面からはく
離する時の引張りせん断力が大きくなる。このために、
はく離時に硬化した媒質１が基板からはがれ、金型面に
残留してしまい、表面レリーフ格子の転写が困難になる
という問題点がある。

また、第２の製造方法では、エッチングに要する時間が
数時間にも及び、エッチングに耐え得るホトレジストマ
スクは、厚さ数μｍになることから、ホトレジストマス
クの形成が困難である。また、ホトレジストに形成した
格子をエッチング耐性の強い物質、たとえばクロムに転
写し、その物質をマスクとしてエッチングを行う場合に
おいても、格子溝深さの増加に伴い、一度エッチングさ
れた誘電体の基板表面への再付着や、溝底部への活性
種、イオン、中性粒子の到達粒子数の減少などによりエ
ッチングの進行が阻止され、所望の格子の形成が困難で
ある。このような問題は格子の形状によらず生じる。

以上述べたように従来技術による表面レリーフ格子型の
波長板は製造が困難であるという欠点を有している。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決
し、製造が容易な位相格子型の波長板を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の波長板は、使用波長λと格子ピッチｄとの関係
がλ/d1.472なる基板レリーフ格子が表面に設けられ
た基板誘電体と、前記基板レリーフ格子上に被覆あるい
は充てんされ表面に前記基板レリーフ格子と等しい位相
で等しいピッチｄの表面レリーフ格子が形成され前記基
板誘電体の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘
電体媒質とを含んで構成される。

〔作用〕

本発明の作用を図面を参照しながら詳細に説明する。

格子に入射する光が受ける位相差ΔΦは、格子の溝深さ
Ｄと複屈折の大きさΔｎに比例する。

本発明は溝深さＤを大きくせずに、複屈折の大きさΔｎ
を大きくすることにより、前述の問題点を解決しようと
するものである。

屈折率n₁を有する誘電体基板に矩形格子が形成されてい
る場合を考える。第２図は屈折率n₁を有する誘電体基板
１の表面に設けられた矩形格子４が屈折率n₁よりも大き
い屈折率n₂を有する誘電体媒質３で被覆された場合を示
す断面図である。この状態の格子は断面にそって格子頂
部から、誘電体媒質３と空気より成る第１領域５、誘電
体基板１と誘電体媒質２と空気より成る第２領域６およ
び誘電体基板１と誘電体媒質３より成る第３領域７の３
つの領域に分けて考えられる。格子の１周期中に誘電体
媒質１が占める割合をq₁、誘電体媒質３が占める割合を
q₂、空気が占める割合をq airとする。ここで q₁+q₂+q air=1……（５）である。空気の屈折率を1.00とすると（１），（２），
（３）式から第１領域５の複屈折の大きさΔn₁は、 Δn₁＝〔▲n² ₂▼q₂+q air〕^1/2-〔(1/n₂)²q₂+q air〕
^-1/2……（６）となる。（１），（２）式を拡張することにより第２領
域６の複屈折の大きさΔn₂は Δn₂＝〔n₁ ²q₁+n₂ ²q₂+q air〕^1/2-〔(1/n₁)²q₁+(1/n₂)²
+q air〕^-1/2……（７）となる。第３領域７の複屈折の大きさΔn₃は、 Δn₃＝〔n₁ ²q₁+n₂ ²q₂〕^1/2-〔(1/n₁)²q₁+(1/n₂)²+q₂〕
^-1/2……（８）となる。複屈折の大きさΔｎは隣接する媒質の屈折率差
に大きく依存し、Δn₁＞Δn₂＞Δn₃となる。第１領域
５、第２領域６、第３領域７の各層厚をそれぞれD₁,D₂,
D₃とすれば、格子を通過する波長λが受ける位相差ΔΦ
は（３）式よりとなる。第３図は（９）式から位相差ΔΦと誘電体媒質
３の厚さの関係を誘電体媒質の屈折率をパラメータとし
て求めた結果を示している。このとき、誘電体基板１に
形成された格子はピッチｄ＝λ/2、溝深さＤ＝λ、屈折
率n₁＝1.55とし、誘電体媒質３の厚さは格子の頂部、底
部、側面部とも等しいとした。図の左端は誘電体媒質３
がなく誘電体基板１に形成された格子だけの場合であ
り、右端は格子の溝が誘電体媒質で完全に埋められた場
合に対応している。

第３図から、誘電体基板１の格子表面を基板１の屈折率
より十分高い屈折率を有する誘電体媒質３で被覆するこ
とにより入射光が受ける位相差を被覆が無い場合、ある
いは格子の溝部が完全に誘電体媒質３で埋められた場合
に比べて大きくすることができるわかる。

第４図は誘電体媒質３の膜厚を大きくして第２図で示し
た第２領域６が消失した場合の格子形状を示す断面図で
ある。格子の溝部は誘電体媒質３で充てんされている。
第１領域５と第３領域７から成るので、格子に入射する
波長λの光が受ける位相差ΔΦはで与えられる。この場合、D₃は誘電体基板１に形成され
た表面レリーフ格子の溝深さＤと等しい。誘電体媒質３
と空気との界面を平坦とする場合に比べて厚さD₁で発生
する位相差分だけ位相差をさらに大きくすることができ
る。基板１の屈折率n₁＝1.55、溝深さＤ＝λ、D₁＝λ/
5、誘電体媒質の屈折率n₂を2.0,2.2,2.4とすると、ΔΦ
はそれぞれ0.753,1.227,1.793〔rad〕となり、このよう
な構成の場合でも誘電体媒質が存在しない場合のΔΦ＝
0.728〔rad〕よりも大きくなる。

したがって、誘電体基板に製作する格子の溝深さを小さ
くすることができ、製作が容易な位相格子型の波長板が
得られる。

格子が矩形状でなく、正弦波状、三角波状等の場合も同
様で、誘電体基板の屈折率に対して十分大きい屈折率を
有する誘電体媒質で格子表面を被覆することにより大き
な複屈折が得られ、製作の容易な波長板が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図で、わかり
やすくするために格子を実際よりもはるかに拡大してあ
る。誘電体基板１に正弦波状格子２が形成されており、
格子２の表面が高屈折率誘電体媒質３で被覆されて複屈
折の大きさを大きくしている。実際の製作には、基板誘
電体１として光硬化性樹脂であるスリーボンド社製のUV
X-SS89-1を、高屈折率誘電体媒質３として新日曹化工社
製のポリシラスチレンPSS75を用いた。前者の屈折率は
1.52、後者の屈折率は約2.5である。使用波長はHe-Neレ
ーザの632.8mmである。光硬化性樹脂への格子パターン
の転写は、まずHe-Cdレーザの波長441.6mmの光ビームを
用いて干渉計を構成し、ホログラフィックにλ/d21.472
を満足するピッチｄが0.3μｍの格子をホトレジストに
形成し、ホトレジスト現象後の正弦波状表面レリーフ格
子からニッケル電鋳法で金型を製作し、この金型を用い
て行った。光硬化性樹脂である基板誘電体１に形成され
た格子上に液状ポリシラスチレンを塗布し、溶剤を乾燥
させることにより第１図に示す波長板を形成した。

第５図は本発明の第２の実施例を示す断面図で、格子を
実際よりもはるかに拡大してある。実際の製作は、第１
図に示した第１の実施例の場合と同様の手法で光硬化性
樹脂上に格子を形成した後、第１の実施例よりもポリシ
ラスチレン膜厚を増加させることにより行う。複屈折の
大きさが最も大きい第１領域の層厚さD₁が大きくなるた
め、位相差ΔΦは第１の実施例に比べて大きくすること
ができる。

〔発明の効果〕本発明によれば、誘電体基板に製作する格子の溝深さを
小さくできるので格子の製作が容易となり、したがって
製作が容易、安価で量産性に富む波長板が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を模式的に示す断面図、第２
図および第４図は、本発明の原理を説明するための誘電
体媒質が被覆あるいは充填された誘電体基板の模式的な
断面図、第３図は第２図に示す誘電体媒質３の厚さと入
射する光が受ける位相差の関係を示すグラフ、第５図は
本発明の他の実施例を模式的に示す断面図である。図において、１は誘電体基板、２は格子部、３は誘電体
媒質、４は矩形格子、５は格子の第１領域、６は格子の
第２領域、７は格子の第３領域である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】使用波長λと格子ピッチｄとの関係がλ/d
1.472なる基板レリーフ格子が表面に設けられた基板
誘電体と、前記基板レリーフ格子上に被覆あるいは充て
んされ表面に前記基板レリーフ格子と等しい位相で等し
いピッチｄの表面レリーフ格子が形成され前記基板誘電
体の屈折率に比べて十分大きい屈折率を有する誘電体媒
質とを含むことを特徴とする波長板。