JP2006071787A - Ｄｌｃ膜およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子として機能する小型化または集積化が容易なＤＬＣ膜およびその形成方法を提供する。
【解決手段】 膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。より具体的には、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜。膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜。膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。また、エネルギビームの照射により、ＤＬＣ膜の屈折率を、膜の中心から少なくとも１つの幅方向および膜厚方向の少なくとも１つの方向に連続的に変化させるＤＬＣ膜の形成方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子として利用可能な屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜に関し、より詳しくは、屈折率が連続的に低くまたは高くなることにより、凸レンズまたは凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜に関する。

近年、光軸の中心から径方向にかけてその屈折率を連続的に低くまたは高くすることにより凸レンズまたは凹レンズの機能を持たせた光学素子が提案されている（たとえば、特許文献１および特許文献２を参照）。

しかし、上記光学素子は、特許文献２に示すように、たとえばガラス中のＮａイオンを溶融塩中のＡｇイオンで置換することにより径方向に屈折率分布を形成するレンズの場合、プロセス上、最小直径が１ｍｍ程度、径方向の最大屈折率差が０．１程度であるため、十分な集光または散光機能を持たせるためには、十分な厚さ（たとえば、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度）が必要であり、小型化または集積化を制限するものであった。

また、光軸の中心から径方向ではなく、光軸方向に屈折率を変化させた材料が提案され、この材料を光軸の中心から径方向にかけてその厚さを連続的に薄くまたは厚くすることによって、集光または散光の際の収差を低減する光学素子が提案されている（たとえば特許文献３および非特許文献１を参照）。

しかし、上記光学素子は、非特許文献１に示すように、たとえば屈折率の異なるガラス層を積層化して加熱することにより、膜厚方向に０．１程度の屈折率分布を形成するレンズの場合、プロセス上十分な厚さ（たとえば、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度）が必要であり、小型化または集積化が困難であった。
特開昭５４−１０９４５６号公報 特開２００１−１５９７０２号公報 特開２００１−２８１４１７号公報 外山章二，「光軸方向分布屈折率光学材料ＧＲＡＤＩＵＭＵ」，O plus E，（株）新技術コミュニケーションズ，１９９８年３月，ｐ３３０−３３６

本発明は、光学素子として機能する小型化または集積化が容易なＤＬＣ膜およびその形成方法を提供することを目的とする。

本発明は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜である。本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。

本発明は、膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜である。本ＤＬＣ膜は、膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることができる。さらに、本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。さらに、本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより、凸レンズとしての機能を有することができる。また、本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることにより、凹レンズとしての機能を有することができる。

また、上記膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜を、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められているＤＬＣ膜とすることができる。さらに、このＤＬＣ膜は、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凸レンズとしての機能を有することができる。また、このＤＬＣ膜は、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凹レンズとしての機能を有することができる。

本発明は、エネルギビームの照射により、ＤＬＣ膜の屈折率を、膜の中心から少なくとも１つの幅方向および膜厚方向の少なくとも１つの方向に連続的に変化させるＤＬＣ膜の形成方法である。本発明にかかるＤＬＣ膜の形成方法において、上記エネルギビームを、光線、Ｘ線、イオンビームおよび電子線からなる群から選ばれる少なくともいずれかとすることができる。

上記のように、本発明によれば、光学素子として機能する小型化または集積化が容易なＤＬＣ膜およびその形成方法を提供することができる。

まず、本発明をなすに際して、本発明者らは、透光性のＤＬＣ（diamond like carbon:ダイアモンド状カーボン）膜にエネルギビームを照射することによってその屈折率を高めることができることを確認している。このＤＬＣ膜は、シリコン基板、ガラス基板、その他の種々の基体上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そのようなプラズマＣＶＤによって得られる本ＤＬＣ膜は、比較的低い硬度（たとえば、ヌープ硬度が１０００未満）と比較的低い屈折率（たとえば、１．５５程度）を有している点で、比較的高い硬度（たとえば、ヌープ硬度が２０００以上）と比較的高い屈折率（たとえば、２．０程度）を有する従来のＤＬＣ膜（主に工具用に用いられる）と異なる。

ここで、本ＤＬＣ膜の屈折率を高めるためのエネルギビームとしては、イオンビーム、電子ビーム、シンクロトロン放射（ＳＲ）光線、紫外（ＵＶ）光線などを用いることができる。これらのエネルギビーム照射の中でもＨｅイオン照射によって、ＤＬＣ膜の最大の屈折率変化量をΔｎ＝０．６５程度まで高め得ることを現状において確認できている。また、ＳＲ光線照射によっても、ＤＬＣ膜の最大の屈折率変化量をΔｎ＝０．５０程度まで現状において高めることができる。さらに、ＵＶ光線照射によっても、ＤＬＣ膜の最大の屈折率変化量をΔｎ＝０．２０程度まで現状において高めることができる。これらの、ＤＬＣ膜のエネルギビーム照射による屈折率変化量は、従来のガラスのイオン交換による屈折率変化量（最大でもΔｎ＝０．１７）または石英系ガラスのＵＶ光線照射による屈折率変化量（Δｎ＝０．０１以下程度）に比べて顕著に大きいことが分かる。

本発明にかかる一のＤＬＣ膜は、図１および図２を参照して、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向Ｗ₁に屈折率が変化するＤＬＣ膜である。本ＤＬＣ膜は、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に変化することにより、光学素子としての機能を有する。本発明にかかる一のＤＬＣ膜について、実施形態１〜実施形態４として以下にさらに詳しく説明する。

（実施形態１）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向Ｗ₁に屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図１（ｂ）において、屈折率増大方向１１１が膜の中心Ｏに向かっており）、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｐである。

本ＤＬＣ膜は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、膜の中心Ｏから、１つの幅方向Ｗ₁のみではなく、任意の幅方向Ｗ₂，Ｗ₃，Ｗ₄，・・・、すなわち半径方向に、屈折率が連続的に低くなるという屈折率分布を有するため、膜の中心Ｏ軸上に焦点を有する凸レンズとしての機能を有する。なお、良好な凸レンズ機能を有するためには、屈折率は半径方向に半径の２乗に比例して低くなるように設計することが好ましい。

本ＤＬＣ膜の形成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、直径５ｍｍの主面を有する屈折率１．４４のＳｉＯ₂ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法により厚さ２μｍのＤＬＣ膜１を形成する。

次に、図３（ａ）を参照して、上記ＤＬＣ膜１上に、スパッタ法により金マスク１１を形成する。ここで、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により表面が凸球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず）を金マスク１１に押しつけることにより、金マスク１１の厚さを、ＤＬＣ膜１の中心Ｏ上に位置する部分を薄く、ＤＬＣ膜１の中心から半径方向に離れるに従って同心円上に位置する部分を厚くする。

次に、図３（ｂ）を参照して、金マスク１１の上から、強いＨｅイオンビーム１２（加速電圧：８００ｋｅＶ）を上記ＤＬＣ膜に直交する方向に注入する。次いで、この金マスク１１をエッチングにより除去することにより、膜の中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図３（ｂ）において、屈折率増大方向１１１が膜の中心Ｏに向かい）、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｐが形成される。なお、半径方向の屈折率分布は、まず半径方向のＤＬＣ膜中の水素濃度をＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy；２次イオン質量分析）法で測定した後、ＤＬＣ膜中の水素濃度と屈折率との関係式から屈折率を算出することにより求めた。

ここで、ＤＬＣ膜上に形成する金マスク１１の厚さを、ＤＬＣ膜の中心から半径方向に半径の２乗に比例して厚くすることにより、ＤＬＣ膜の屈折率をその中心から半径方向に半径の２乗に比例して低くすることができ、良好な凸レンズ機能を有するＤＬＣ膜が得られる。

（実施形態２）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図１（ａ）および図１（ｃ）を参照して、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向Ｗ₁に屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図１（ｃ）において、屈折率増大方向１１１が膜の外周に向かっており）、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｖである。

本ＤＬＣ膜は、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、膜の中心Ｏから、１つの幅方向Ｗ₁のみではなく、任意の幅方向Ｗ₂，Ｗ₃，Ｗ₄，・・・、すなわち半径方向に、屈折率が連続的に高くなるという屈折率分布を有するため、膜の中心Ｏ軸を中心として散光する凹レンズとしての機能を有する。なお、良好な凹レンズ機能を有するためには、屈折率は半径方向に半径の２乗に比例して高くなるように設計することが好ましい。

本ＤＬＣ膜の形成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、直径５ｍｍの主面を有する屈折率１．４４のＳｉＯ₂ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法により厚さ２μｍのＤＬＣ膜１を形成する。

次に、図４（ａ）を参照して、上記ＤＬＣ膜１上に、スパッタ法により金マスク１１を形成する。ここで、ＲＩＥにより表面が凹球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず）を金マスク１１に押しつけることにより、金マスク１１の厚さを、ＤＬＣ膜１の中心Ｏ上に位置する部分を厚く、ＤＬＣ膜１の中心から半径方向に離れるに従って同心円上に位置する部分を薄くする。

次に、図４（ｂ）を参照して、金マスク１１上から、強いＨｅイオンビーム１２（加速電圧：８００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜に直交する方向に注入する。次いで、この金マスク１１をエッチングにより除去することにより、図４（ｂ）を参照して、膜の中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図４（ｂ）において、屈折率増大方向１１１が膜の外周に向かい）、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｖが形成される。

ここで、ＤＬＣ膜上に形成する金マスクの厚さを、ＤＬＣ膜の中心から半径方向に半径の２乗に比例して薄くすることにより、ＤＬＣ膜の屈折率をその中心から半径方向に半径の２乗に比例して高くすることができ、良好な凹レンズ機能を有するＤＬＣ膜が得られる。

（実施形態３）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向Ｗ₁に屈折率が連続的に低くなり（すなわち、図２（ｂ）において、屈折率増大方向１１１が膜の中心に向かっており）、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｐである。

本ＤＬＣ膜は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、膜の中心Ｏから、１つの幅方向Ｗ₁のみに、屈折率が連続的に低くなるという屈折率分布を有するため、幅方向Ｗ₁に直交する幅方向に焦線を有する凸レンズ（シリンドリカルレンズ）としての機能を有する。なお、良好な凸レンズ機能を有するためには、屈折率は幅方向Ｗ₁に幅（膜の中心からの距離）の２乗に比例して低くなるように設計することが好ましい。

なお、本ＤＬＣ膜は、金マスクの厚さをＤＬＣ膜の中心上に位置する部分では薄く中心から１つの幅方向に離れるに従って厚くする他は、実施形態１と同様の方法によって形成することができる。

（実施形態４）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図２（ａ）および図２（ｃ）を参照して、膜の中心Ｏから少なくとも１つの幅方向Ｗ₁に屈折率が連続的に高くなり（すなわち、図２（ｃ）において、屈折率増大方向１１１が外周に向かっており）、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｖである。

本ＤＬＣ膜は、図２（ａ）および図２（ｃ）に示すように、膜の中心Ｏから、１つの幅方向Ｗ₁のみに、屈折率が連続的に高くなるという屈折率分布を有するため、幅方向Ｗ₁に直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ（シリンドリカルレンズ）としての機能を有する。なお、好適な凹レンズ機能を有するためには、屈折率は幅方向Ｗ₁に幅（膜の中心からの距離）の２乗に比例して高くなるように設計することが好ましい。

なお、本ＤＬＣ膜は、金マスクの厚さをＤＬＣ膜の中心上に位置する部分では厚く中心から１つの幅方向に離れるに従って薄くする他は、実施形態１と同様の方法によって形成することができる。

（実施形態５）
本発明にかかる他のＤＬＣ膜は、図５を参照して、膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜１ａであり、より具体的には、ＤＬＣ膜の内面または表面であってＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。ここで、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓが、ＤＬＣ膜の他方の主面１ｇに一致する場合は、ＤＬＣ膜の他方の主面１ｇから一方の主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。本ＤＬＣ膜は、膜厚方向に屈折率が連続的に高くすることにより、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光を膜厚方向に平行な方向にそろえる光学素子としての機能を発現することが期待される。

膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜は、図５を参照して、たとえばＤＬＣ膜の一方の主面１ｈ側から、弱いＨｅイオンビーム１３（加速電圧：１００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜に直交する方向に注入すると、ＨｅイオンがＤＬＣ膜の一方の主面１ｈから膜厚方向に垂直な面１ｓ（このとき、主面１ｈと膜厚方向に垂直な面１ｓとの距離は２μｍとなる）にかけて注入され、Ｈｅイオンのドーズ量が主面１ｈから膜厚方向に垂直な面１ｓにかけて膜厚方向に連続的に減少するため、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜１ａが形成される。なお、膜厚方向の屈折率分布は、まず膜厚方向のＤＬＣ膜中の水素濃度をＳＩＭＳ法で測定した後、ＤＬＣ膜中の水素濃度と屈折率との関係式から屈折率を算出することにより求めた。

本発明にかかる他のＤＬＣ膜について、実施形態６〜実施形態１０として以下にさらに詳しく説明する。

（実施形態６）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図６（ｃ）を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｃである。

ここで、膜の中心Ｏから１つの幅方向に膜厚を連続的に薄くすることにより焦線を有する凸レンズ（シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心Ｏから任意の幅方向すなわち半径方向に膜厚を連続的に薄くすることにより焦点を有する凸レンズが得られる。

また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

本ＤＬＣ膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図６（ａ）を参照して、実施形態５のＤＬＣ膜１ａ（ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜）の一方の主面１ｈ上に、ＤＬＣ膜１ａの中心上の部分が厚く任意の幅方向（半径方向）に離れるにしたがって薄くなるレジストパターン２１ａを形成する。すなわち、ＤＬＣ膜１ａの主面１ｈ上に、スピンコータなどでレジストを塗布し、半硬化させた後、ＲＩＥにより表面が凹球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず）を半硬化レジストに押しつけ、さらに半硬化レジストを完全硬化させることにより、ＤＬＣ膜１ａの中心Ｏ上に位置する部分が厚く、ＤＬＣ膜１の中心から半径方向に離れるにしたがって薄くなるレジストパターン２１ａが形成される。

次に、図６（ｂ）を参照して、レジストパターン２１ａとともにＤＬＣ膜１ａをＯ₂プラズマ２２によりエッチングを行なう。レジストパターン２１ｂの外径が縮小しながらＤＬＣ膜１ｂがエッチングされて、図６（ｃ）を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなり、膜の中心から任意の幅方向（半径方向）に膜厚が連続的に薄くなり、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｃが得られる。なお、レジストパターン２１ｂのエッチング速度とＤＬＣ膜１ｂのエッチング速度との比率を調節することにより、ＤＬＣ膜１ｃの中心と外周との膜厚差を調節することができる。

（実施形態７）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図７（ｃ）を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることにより、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｃである。

ここで、膜の中心Ｏから１つの幅方向に膜厚を連続的に厚くすることによりその１つの幅方向に直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ（シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心Ｏから任意の幅方向すなわち半径方向に膜厚を連続的に厚くすることにより膜の中心Ｏ軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、散光による収差が少ない凹レンズが得られる。

本ＤＬＣ膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図７（ａ）を参照して、実施形態５のＤＬＣ膜１ａ（ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜）の一方の主面１ｈ上に、ＤＬＣ膜１ａの中心上の部分が薄く任意の幅方向（半径方向）に離れるにしたがって厚くなるレジストパターン２１ｄを形成する。すなわち、ＤＬＣ膜１ａの主面１ｈ上に、スピンコータなどでレジストを塗布し、半硬化させた後、ＲＩＥにより表面が凸球面状に形成されたシリコン刻印型（図示せず）を半硬化レジストに押しつけ、さらに半硬化レジストを完全硬化させることにより、ＤＬＣ膜１ａの中心Ｏ上に位置する部分が薄く、ＤＬＣ膜１ａの中心から半径方向に離れるにしたがって厚くなるレジストパターン２１ｄが形成される。

次に、図７（ｂ）を参照して、レジストパターン２１ｄとともにＤＬＣ膜１ａをＯ₂プラズマ２２によりエッチングを行なう。レジストパターン２１ｅの内径が拡大しながらＤＬＣ膜１ｅがエッチングされて、図７（ｃ）を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなり、膜の中心から任意の幅方向（半径方向）に膜厚が連続的に厚くなり、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｆが得られる。なお、レジストパターン２１ｅのエッチング速度とＤＬＣ膜１ｅのエッチング速度との比率を調節することにより、ＤＬＣ膜１ｆの中心と外周との膜厚差を調節することができる。

（実施形態８）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図８を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に低くする（すなわち、図８の屈折率増大方向１１１を膜の中心Ｏに向ける）ことにより、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｑである。

ここで、膜の中心Ｏから１つの幅方向に屈折率を連続的に低くすることにより焦線を有する凸レンズ（シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心Ｏから任意の幅方向すなわち半径方向に屈折率を連続的に低くすることにより焦点を有する凸レンズが得られる。

また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

本ＤＬＣ膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。図３および図８を参照して、まず、所定の金マスク１１を設けたＤＬＣ膜に強いＨｅイオンビーム１２（加速電圧：８００ｋｅＶ）を注入することにより、中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に低くなり凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｐを形成する。

次に、上記ＤＬＣ膜１ｐの一方の主面１ｈ側から、弱いＨｅイオンビーム１３（加速電圧：１００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜に直交する方向に注入すると、Ｈｅイオンのドーズ量が主面１ｈから膜厚方向に垂直な面１ｓ（このとき、主面１ｈと膜厚方向に垂直な面１ｓとの距離は１μｍとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に低くなり、かつ、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜１ｑが形成される。

ここで、強いエネルギビームを用いて中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に低くなる屈折率分布を形成した後、それより弱いエネルギビームを用いて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成することにより、両方の屈折率分布を有するＤＬＣ膜が得られる。順序を逆にすると、弱いエネルギビームにより形成された屈折率分布が、それより強いエネルギビームによって破壊される問題が生じる。

（実施形態９）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図９を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くし、膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率を連続的に高くする（すなわち、図９の屈折率増大方向１１１を外周に向ける）ことにより、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｗである。

ここで、膜の中心Ｏから１つの幅方向に屈折率を連続的に高くすることによりその１つの幅方向に直交する幅方向を含む面を対称面として散光する凹レンズ（シリンドリカルレンズ）が得られ、膜の中心Ｏから任意の幅方向すなわち半径方向に屈折率を連続的に高くすることにより膜の中心Ｏ軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、散光による収差が少ない凹レンズが得られる。

本ＤＬＣ膜の作成方法は、たとえば以下のとおりである。図４および図９を参照して、まず、所定の金マスク１１を設けたＤＬＣ膜に強いＨｅイオンビーム１２（加速電圧：８００ｋｅＶ）を注入することにより、中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に高くなり凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｖを形成する。

次に、上記ＤＬＣ膜１ｖの一方の主面１ｈ側から、弱いＨｅイオンビーム１３（加速電圧：１００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜に直交する方向に注入すると、Ｈｅイオンのドーズ量が主面１ｈから膜厚方向に垂直な面１ｓ（このとき、主面１ｈと膜厚方向に垂直な面１ｓとの距離は１μｍとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に高くなり、かつ、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率が連続的に高くなるＤＬＣ膜１ｗが形成される。

ここで、強いエネルギビームを用いて中心Ｏから半径方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成した後、それより弱いエネルギビームを用いて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる屈折率分布を形成することが必要なのは、実施形態８と同様である。

本発明にかかるさらに他のＤＬＣ膜は、図１０を参照して、膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率が高くなり、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められているＤＬＣ膜１ｙである。本発明にかかるさらに他のＤＬＣ膜について、実施形態１０、実施形態１１として以下にさらに詳しく説明する。

(実施形態１０)
本実施形態のＤＬＣ膜は、図１０を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くするとともに、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域Ｒｍｎを含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有することにより、凸レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜１ｙである。

ここで、帯状リング領域Ｒｍｎにおいて内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率より高くすることにより、光の回折作用により焦点を有する凸レンズが得られる。

また、この凸レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸の中心に集束した平行光線に変換されるため、集光による収差が少ない凸レンズが得られる。

図１０を参照して、本ＤＬＣ膜１ｙは、同心円状の複数の帯状リング領域Ｒｍｎを含んでいる。ここで、符号Ｒｍｎは、第ｍ番目のリングゾーン中の第ｎ番目の帯状リング領域を表すとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表すものとする。それらの帯状リング領域Ｒｍｎは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。

ここで、互いに隣接する帯状リング領域Ｒｍｎは、互いに異なる屈折率を有している。図１０に示される凸レンズの機能を有するＤＬＣ膜１ｑは、それが２レベルの回折膜である場合には、ｎ＝２番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンをｍ＝３番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。

このことから類推されるであろうように、４レベルの回折型膜では、一つのリングゾーンがｎ＝４番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって４段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような４段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとにｍ回繰り返されることになる。

なお、帯状リング領域Ｒｍｎの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式（１）にしたがって設定することができる。この式（１）において、Ｌはレンズの回折レベルを表し、λは光の波長を表し、そしてｆはレンズの焦点距離を表している。また、最大の屈折率変化量Δｎは、最大の位相変調振幅Δφ＝２π（Ｌ−１）／Ｌを生じさせ得るものでなければならない。

本ＤＬＣ膜１ｙの作成方法は、たとえば以下のとおりである。まず、図１１（ａ）を参照して、ＤＬＣ膜１の一方の主面１ｈ上に、たとえばＮｉの導電層１０を周知のＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成する。このＮｉ導電層１０上に、図１０中のｎ＝１に対応する帯状リング領域Ｒｍｎ（ｍ＝１〜３）を覆うようにレジストパターン３１を形成する。そのレジストパターン３１の開口部に、電気めっきによって金マスク１１を形成する。

次に、図１１（ｂ）を参照して、レジストパターン３１が除去されて、金マスク１１が残される。そして、その金マスク１１の開口部を通して、強いＨｅイオンビーム１２（加速電圧：８００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜１に照射する。その結果、Ｈｅイオンビーム１２に照射された帯状リング領域Ｒｍ１の屈折率が高められて高屈折率領域１ｊが形成され、Ｈｅイオンビーム１２がマスクされた帯状リング領域Ｒｍ２は当初のＤＬＣ膜１の屈折率を維持して低屈折率領域１ｋとなる。すなわち、図１１（ｂ）に示されているような２レベルの回折領域を含むＤＬＣ膜１ｘが得られる。

なお、図１１の例ではＤＬＣ膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、別個に作製された独立のマスクを用いてＤＬＣ膜にＨｅイオンビーム照射してもよいことは言うまでもない。また、順次パターンが調整されたマスクを用いてＤＬＣ膜にＨｅイオンビーム照射を繰り返すことによって、多レベルの回折型レンズが形成され得ることが理解されよう。

さらに、多段階に厚さが変化させられた同心円状の帯状リング領域を含む刻印型を用いてＤＬＣ膜上の金マスクに刻印し、その刻印された金マスクを介してＨｅイオンビーム照射することによって、１回のＨｅイオンビーム照射で多レベルの回折膜を作製することも可能である。

さらにまた、上記においては焦点を有する凸レンズ機能を有する回折ＤＬＣ膜が説明されたが、本発明は焦線を有する凸レンズ機能を有する回折ＤＬＣ膜にも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、たとえば図１０（ｂ）の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図１１（ｂ）中の金マスク１１もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。

次に、図１１（ｃ）を参照して、金マスク１１をエッチングにより除去したＤＬＣ膜１ｘの一方の主面１ｈ側から、弱いＨｅイオンビーム１３（加速電圧：１００ｋｅＶ）をＤＬＣ膜に直交する方向に注入すると、Ｈｅイオンのドーズ量はＤＬＣ膜の一方の主面１ｈから膜厚方向に垂直な面１ｓ（このとき、主面１ｈと膜厚方向に垂直な面１ｓとの距離は１μｍとなる）にかけて膜厚方向に連続的に減少するため、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから主面１ｈにかけて、膜厚方向に屈折率が連続的に高くなる。こうして、内側の帯状リング領域の屈折率が外側の帯状リング領域の屈折率より高い複数の帯状リング領域により凸レンズとしての機能を有し、膜厚方向に屈折率が連続的に高くすることにより集光による収差が少ないＤＬＣ膜１ｙが得られる。

（実施形態１１）
本実施形態のＤＬＣ膜は、図１０を参照して、ＤＬＣ膜の膜厚方向に垂直な面１ｓから一方の主面１ｈにかけて膜厚方向に屈折率を連続的に高くするとともに、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域Ｒｍｎを含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有することにより、凹レンズとしての機能を有するＤＬＣ膜である。

ここで、帯状リング領域Ｒｍｎにおいて内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率より低くすることにより、光の回折作用により膜の中心Ｏ軸を中心として散光する凹レンズが得られる。

また、この凹レンズにおいて膜厚方向に屈折率を連続的に高くすることにより、光軸を膜厚方向と一致させて、屈折率が連続的に高くなる方向に光を入射させると、入射光は、光軸に平行な光線に変換されるため、集光による収差が少ない凹レンズが得られる。

なお、本ＤＬＣ膜は、各帯状リングにおいて内側の帯状リング領域の屈折率を外側の帯状リング領域の屈折率に比べて低くする以外は、実施形態１０と同様にして形成することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかる一のＤＬＣ膜を示す模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜の上面模式図であり、（ｂ）および（ｃ）はＤＬＣ膜の断面模式図である。 本発明にかかる別のＤＬＣ膜を示す模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜の平面模式図であり、（ｂ）および（ｃ）はＤＬＣ膜の断面模式図である。 本発明にかかる凸レンズ機能を有する一のＤＬＣ膜の形成方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜上への金マスクの形成を示し、（ｂ）はＤＬＣ膜の金マスク側からのＨｅイオンビーム照射を示す。 本発明にかかる凹レンズ機能を有する一のＤＬＣ膜の形成方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜上への金マスクの形成を示し、（ｂ）はＤＬＣ膜の金マスク側からのＨｅイオンビーム照射を示す。 本発明にかかる他のＤＬＣ膜の形成方法を示す断面模式図である。 本発明にかかる凸レンズ機能を有する他のＤＬＣ膜の一の形成方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜上へのレジストパターンの形成を示し、（ｂ）はＤＬＣ膜およびレジストパターンのエッチングを示し、（ｃ）はエッチング後のＤＬＣ膜を示す。 本発明にかかる凹レンズ機能を有する他のＤＬＣ膜の一の形成方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜上へのレジストパターンの形成を示し、（ｂ）はＤＬＣ膜およびレジストパターンのエッチングを示し、（ｃ）はエッチング後のＤＬＣ膜を示す。 本発明にかかる凸レンズ機能を有する他のＤＬＣ膜の別の形成方法を示す断面模式図である。 本発明にかかる凹レンズ機能を有する他のＤＬＣ膜の別の形成方法を示す断面模式図である。 本発明にかかるさらに他のＤＬＣ膜の模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜の平面模式図であり、（ｂ）は、ＤＬＣ膜の断面模式図である。 本発明にかかるさらに他のＤＬＣ膜の形成方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＤＬＣ膜上への金マスクおよびレジストパターンの形成を示し、（ｂ）はＤＬＣ膜の金マスク側からの強いＨｅイオンビーム照射を示し、（ｃ）はＤＬＣ膜の主面側からの弱いＨｅイオンビーム照射を示す。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｅ，１ｆ，１ｐ，１ｑ，１ｖ，１ｗ，１ｘ，１ｙ ＤＬＣ膜、１ｇ，１ｈ 主面、１ｊ 高屈折率領域、１ｋ 低屈折率領域、１ｓ 膜厚方向に垂直な面、１０ 導電層、１１ 金マスク、１２ 強いＨｅイオンビーム、１３ 弱いＨｅイオンビーム、２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅ，３１ レジストパターン、２２ Ｏ₂プラズマ、１１１ 屈折率増大方向。

Claims (14)

1. 膜の中心から少なくとも１つの幅方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。
2. 前記膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項１に記載のＤＬＣ膜。
3. 前記膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項１に記載のＤＬＣ膜。
4. 膜厚方向に屈折率が連続的に変化するＤＬＣ膜。
5. 前記膜厚方向に前記屈折率が連続的に高くなる請求項４に記載のＤＬＣ膜。
6. 膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚が連続的に薄くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項４に記載のＤＬＣ膜。
7. 膜の中心から少なくとも１つの幅方向に膜厚が連続的に厚くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項４に記載のＤＬＣ膜。
8. 膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に低くなり、凸レンズとしての機能を有する請求項４に記載のＤＬＣ膜。
9. 膜の中心から少なくとも１つの幅方向に前記屈折率が連続的に高くなり、凹レンズとしての機能を有する請求項４に記載のＤＬＣ膜。
10. 前記ＤＬＣ膜は、同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リングゾーンは回折格子としての機能を有するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められている請求項４に記載のＤＬＣ膜。
11. 前記ＤＬＣ膜は、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凸レンズとしての機能を有する請求項１０に記載のＤＬＣ膜。
12. 前記ＤＬＣ膜は、同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて低い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有し、凹レンズとしての機能を有する請求項１０に記載のＤＬＣ膜。
13. エネルギビームの照射により、ＤＬＣ膜の屈折率を、膜の中心から少なくとも１つの幅方向および膜厚方向の少なくとも１つの方向に連続的に変化させるＤＬＣ膜の形成方法。
14. 前記エネルギビームが、光線、Ｘ線、イオンビームおよび電子線からなる群から選ばれる少なくともいずれかである請求項１３に記載のＤＬＣ膜の形成方法。

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