專利名稱：衍射光柵及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種光學儀器，特別是光信號拾取裝置所用的衍射光柵及其制造方法。更具體涉及由聚二乙炔薄膜制成的衍射光柵。
作為用于光盤裝置等各種光學儀器的衍射光柵，現(xiàn)在正被廣泛應用的是一種在其表面周期性地形成凹凸部分，因而形成了構(gòu)成凹凸狀周期柵格圖紋，使通過凸出部分和凹入部分的光產(chǎn)生相位差的光學元件。
作為應用于光拾取裝置的偏振光性衍射光柵，日本專利公開公報平7-325217號提出了由聚二乙炔定向膜制得的雙折射材料層按照周期性柵格狀形成于玻璃基板上，該材料層僅對尋常光及異常光中的一種具有衍射光柵的功能，而使另一種能夠照樣透過。
該制造方法是半導體的制造過程中所采用的公知的方法，具體來講，為了在形成的聚二乙炔定向膜上形成凹凸狀周期柵格，在其上涂布了保護膜，露光、進行顯象處理后，再進行防腐處理直到玻璃基板的凹部的深度達到規(guī)定值，然后，除去保護膜，就制得凹凸狀周期柵格。
但是，這種在聚二乙炔定向膜上形成凹凸狀周期柵格的制作方法需要幾個步驟，很難進行適當?shù)墓に嚬芾恚?，還存在制作成本高的問題。
另外，也有使用對應于凹凸狀周期柵格圖紋而形成的金屬圖紋模具，通過注塑成型形成衍射光柵的制造方法。在這種情況下，制造具備精密周期柵格圖紋的金屬模具一般是比較困難的，所以，不適合通過注塑成型的方法來制造精密圖紋的衍射光柵。
鑒于以上問題，本發(fā)明的課題提出了能夠簡單地，且精度良好地形成微細凹凸狀周期柵格的衍射光柵。
而且，本發(fā)明的課題還提出了能夠簡單地、且精度良好地形成微細凹凸狀周期柵格的衍射光柵的制作方法。
本發(fā)明者等對上述公開公報中記載的聚二乙炔衍生物的特性、物性等進行了多次實驗后發(fā)現(xiàn)，如果對聚二乙炔衍生物進行紫外光照射，則被照射部分會發(fā)生物理收縮，形成凹狀。
本發(fā)明以上述發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，通過對聚二乙炔衍生物形成的薄膜進行選擇性照射后發(fā)現(xiàn)，能夠簡單地，且精度良好地形成微細的凹凸狀周期柵格，因而該收縮能夠適用于衍射光柵的制造。
即，本發(fā)明的衍射光柵由玻璃基板等光學各向同性基板、在該光學各向同性基板的光入射面及出射面中的至少一面上形成的由聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜、通過選擇性地照射紫外線而在該薄膜的表面形成的凹凸狀周期柵格構(gòu)成。
這樣構(gòu)成的衍射光柵是通過先在玻璃基板等光學各向同性基板上形成前述由聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜，然后，用紫外線穿透部分形成的周期柵格狀遮光膜覆蓋薄膜表面，再通過該遮光膜對前述薄膜進行紫外線照射，使前述薄膜表面的被紫外線照射部分按照定量收縮，形成前述凹凸狀周期柵格而制得的。
本發(fā)明的衍射光柵表面形成的凹凸狀周期柵格是通過對聚二乙炔衍生物薄膜進行紫外線照射這樣簡單的工藝制得的。而且，由于利用了紫外線照射來形成周期柵格圖紋，所以，能夠精確地形成精密的圖紋。此外，與為了形成周期性柵格圖紋而使SiO2膜形成圖紋的傳統(tǒng)方法不同，本方法能夠用構(gòu)造簡單的蒸鍍機來形成聚二乙炔衍生物薄膜。


圖1表示利用本發(fā)明制得的偏振光無依賴性衍射光柵的制作步驟。這里，所謂的偏振光無依賴性衍射光柵是指不依賴于光的偏轉(zhuǎn)，而是按照一定的分頻比產(chǎn)生衍射光的衍射光柵。
首先，如圖1(A)所示，準備一定厚度的玻璃基板1作為光學各向同性基板。在該玻璃基板1上，例如可將編號為1a的基板表面(底部)作為光的入射面，而將編號為1b的基板表面(上部)作為光的出射面。圖中所示的例子中，如后面所述，僅在光出射面1b一側(cè)形成凹凸狀周期柵格。
首先，在玻璃基板1的光出射面1b上涂上一定厚度的作為例子的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)。該PET涂膜2帶有粘著性，具有提高光出射面1b和形成于光出射面1b一側(cè)的聚二乙炔衍生物薄膜之間的粘著性的效果。作為能夠提高粘著性的材料，還可使用除PET之外的其他有機高分子材料，一般可使用聚酯類高分子材料和聚酰胺類高分子材料。
然后，如圖1(B)所示，在具有PET涂膜2的玻璃基板1的光出射面1b一側(cè)利用真空蒸鍍二乙炔單體，再用紫外線照射該二乙炔單體，使其發(fā)生聚合，就形成了具有一定厚度的由以下化學式(1)表示的聚二乙炔衍生物薄膜3。
作為聚二乙炔，可使用化學式(化1)中的側(cè)鏈R、R′由以下化學式(化2)～(化9)表示的物質(zhì)。而且由化學式(化2)～(化9)構(gòu)成的聚二乙炔衍生物中的任何一種都是由二乙炔單體聚合而成的。慣用名CmU Cn (CH2)mOCONHCnH2n+1…(2)[化學式(化3)]慣用名PTS 慣用名PTS-12 慣用名DCHD 慣用名HDU 慣用名DFMDP 慣用名TCDU 慣用名nBCMU (CH2)nOCONHCH2COOC4H9…(9)然后，在用上述方法形成的聚二乙炔衍生物薄膜3的表面設置圖1(C)所示的遮光膜4。這種遮光膜4由具有紫外線掩蔽特性的材料制成，對應于所希望形成的凹凸狀微細周期柵格圖紋，在遮光膜4上形成了多周期的紫外線穿透部分4a。設置了遮光膜4之后，在其表面進行紫外線5的照射。由于照射到遮光膜4上的紫外線穿透部分4a的紫外線透過了該部分4a，所以，聚二乙炔衍生物薄膜3的表面3a就在形成于遮光膜4上的微細周期柵格圖紋對應的區(qū)域被光照射。
聚二乙炔衍生物薄膜3的表面3a被紫外線5照射后，其被照射部分發(fā)生收縮，形成凹部3b。而未被紫外線照射的部分保持原狀，所以，如圖(1)D所示，整體上就形成了凹凸狀的周期性柵格。
此外，聚二乙炔衍生物中，由于紫外線照射部分的折射率比未照射部分小，所以，在聚二乙炔衍生物薄膜的表面3a上形成的凹凸狀周期性柵格中，通過紫外線照射發(fā)生了收縮而形成的凹部3b的折射率就要比未照射部分的凸部3c小。
因此，制得的衍射光柵6具有以下的衍射特性。圖2中，在衍射光柵6的各部分上標有表示厚度及折射率的符號。它們所表示的內(nèi)容如下d1聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外線照射部分(凹部3b)的厚度d2聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外線未照射部分(凸部3c)的厚度ne聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外線照射部分(凹部3b)的折射率no聚二乙炔衍生物薄膜3上紫外線未照射部分(凸部3c)的折射率為了能夠按照規(guī)定的光學特性形成衍射光柵6，有必要對應于上述凹部3b和凸部3c的折射率，根據(jù)規(guī)定值來設定各自的膜厚。所以，在衍射光柵6的制作中，需要先求出作為目標的相位差φ，然后通過下式求得凹部3b和凸部3c的膜厚，即厚度。
這里，作為衍射光柵6的穿透光，用的是波長為λ的半導體激光。
φ＝(2π/λ){(no-1)(d2-d1)+(no-ne)d1}＝(2π/λ){(no-1)d2-(ne-1)d1}用η1表示1次光的衍射效率，η0表示0次光的衍射效率，當η1/η0＝0.2時，φ＝1.22478(rad)。
這種情況下，聚二乙炔衍生物薄膜3未被紫外線照射的部分的折射率no為2.0，而超過規(guī)定的照射時間后，紫外線照射部分的折射率ne為一個基本穩(wěn)定的值ne＝1.5。而且，如果所用的半導體激光的波長為光拾取裝置通常所用激光的波長λ＝780nm，那么，為了使聚二乙炔衍生物薄膜3的紫外線照射部分成為一半膜厚的凹部3b，d1和d2應該具備d1＝0.5d2的關(guān)系，因此，將這些值代入式(1)，就能夠求出凸部3c及凹部3b的厚度，分別是d1＝101.4nm，d2＝202.8nm。
下面對具體的實施例進行說明。
本發(fā)明者們在折射率為1.513、厚為0.7mm的玻璃基板的表面形成了折射率為1.537、厚為100nm的PET涂膜，在涂膜表面，在壓力為10-3～10-2Pa的氛圍中，以10nm/s以下的速度進行二乙炔單體的真空蒸鍍。然后，以5mW/cm2的照射強度，用波長為250nm的紫外線對蒸鍍膜進行照射，歷時30秒。使該蒸鍍膜發(fā)生聚合，形成聚二乙炔衍生物薄膜3。該薄膜3的折射率(no)為2.0。
使用遮光膜，以5mW/cm2的照射強度，用波長為250nm的紫外線對薄膜3進行選擇性照射以形成周期柵格，歷時4000秒，該照射圖紋為格子狀，照射部分與未照射部分的比(功能比)為0.5，即照射部分與未照射部分的幅度相同。這時，被照射部分形成凹部，該凹部的折射率為1.5。
通過紫外線照射形成的凹部的深度可根據(jù)聚二乙炔衍生物薄膜的聚合條件、照射(露光)條件等進行調(diào)整，一般認為可在原來膜厚的30～80％的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。此外，可使用超高壓水銀燈作為此時的光源，照射強度和露光時間可適當設定。例如，其他條件與上述相同的情況下，即使照射強度為1.5mW/cm2，照射時間約為2000秒，也能夠獲得與上述同樣的凹凸狀周期柵格。
為了減少本發(fā)明的衍射光柵的光損失，較好的是在其光出射面及光入射面兩面或其中的一面上形成防反射膜。而且，為了保護衍射光柵的表面，還可形成機械強度高的保護膜。
此外，上述衍射光柵6中，只在其光出射面一側(cè)形成了凹凸狀周期柵格，事實上，也可在光入射面一側(cè)形成凹凸狀周期柵格。而且，還可在兩面都形成凹凸狀周期柵格。
上述實施例中，例舉了本發(fā)明適用于偏振光無依賴性衍射光柵的例子，本發(fā)明也適用于依賴光的偏轉(zhuǎn)，根據(jù)不同的分頻比產(chǎn)生衍射光的偏振光性衍射光柵。
如上所述，本發(fā)明中，用紫外線對聚二乙炔衍生物薄膜進行照射，發(fā)現(xiàn)照射部分發(fā)生了收縮，在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對形成于玻璃基板上的聚二乙炔衍生物薄膜進行紫外線照射，使該薄膜表面選擇性地進行收縮，形成凹凸狀周期柵格，可將該凹凸狀周期柵格作為衍射光柵使用。所以，與以往的使SiO2膜形成凹凸狀圖紋的方法，以及通過注塑成型的方法，用形成了凹凸狀圖紋的金屬模具制得凹凸狀圖紋的方法相比，本發(fā)明的方法能夠通過簡單的工藝，且精度良好地形成微細的凹凸狀周期柵格。而且，由于制作方法簡單，所以，還能夠降低制作成本。
此外，由于聚二乙炔衍生物薄膜比SiO2膜等的折射率大，而被紫外線照射部分的折射率卻小，所以，凹凸狀周期柵格的凹部穿透光和凸部穿透光的相位差就大。因此，制作具備一定衍射特性的衍射光柵時所需的膜厚具有比以往構(gòu)造的衍射光柵薄的優(yōu)點。
圖1表示本發(fā)明的衍射光柵的制作步驟。
圖2對根據(jù)圖1所示的制作步驟制得的衍射光柵的衍射特性進行了說明。
權(quán)利要求
1.一種衍射光柵，其特征在于，具備光學各向同性基板、形成于該光學各向同性基板的光入射面及光出射面中的至少一面的由聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜、以及通過選擇性地對該薄膜表面進行紫外線照射而在該薄膜表面形成的凹凸狀周期柵格。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射光柵，其特征還在于，在前述光學各向同性基板和前述薄膜之間形成了對兩者都具有粘著性的有機高分子膜。
3.如權(quán)利要求2所述的衍射光柵，其特征還在于，前述有機高分子膜為聚酯類高分子材料或聚酰胺類高分子材料。
4.如權(quán)利要求3所述的衍射光柵，其特征還在于，在形成了前述凹凸狀周期柵格的前述薄膜的表面還形成了防反射膜。
5.如權(quán)利要求1所述的衍射光柵，其特征還在于，在形成了前述凹凸狀周期柵格的前述薄膜的表面還形成了防反射膜。
6.一種衍射光柵的制作方法，其特征在于，在光學各向同性基板的光入射面及光出射面中的至少一面上形成由聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜，然后，在該薄膜表面覆蓋紫外線穿透部分為周期柵格狀的遮光膜，通過該遮光膜對前述薄膜的表面進行紫外線照射，使前述薄膜表面發(fā)生選擇性收縮，形成前述凹凸狀周期柵格。
7.如權(quán)利要求6所述的衍射光柵的制作方法，其特征還在于，用二乙炔單體進行真空蒸鍍，然后，對該二乙炔單體進行紫外線照射，使其聚合而形成上述聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜。
8.如權(quán)利要求7所述的衍射光柵的制作方法，其特征還在于，在前述光學各向同性基板上形成聚酯類高分子材料或聚酰胺類高分子材料的有機高分子膜之后，再形成由聚二乙炔衍生物構(gòu)成的薄膜。
9.如權(quán)利要求6所述的衍射光柵的制作方法，其特征還在于，用波長為λ的半導體激光作為衍射光柵的穿透光時，先求出作為目標的相位差φ，再用下式求出前述凹凸狀周期柵格的凹部厚度d1和凸部厚度d2，式中no為紫外線未照射部分的折射率，ne為紫外線照射部分的折射率，φ＝(2π/λ){(no-1)(d2-d1)+(no-ne)d1}。
全文摘要
本發(fā)明涉及表面上形成了凹凸狀周期柵格結(jié)構(gòu)的衍射光柵,其凹凸狀周期柵格是通過簡單的工藝精密制得的。衍射光柵6具備玻璃基板1,并在其光出射面1b上通過PET涂料形成了聚二乙炔衍生物薄膜3。然后,通過紫外線穿透部分為微細周期柵格圖紋的遮光膜4,對薄膜3的表面進行紫外線5的照射,使其發(fā)生選擇性收縮,形成凹凸狀周期柵格(3b、3c)。本發(fā)明能夠簡單地,且精度良好地制得具備微細凹凸狀周期柵格圖紋的衍射光柵。
文檔編號G02B5/30GK1197929SQ98105470
公開日1998年11月4日 申請日期1998年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月14日
發(fā)明者林賢一, 小林一雄 申請人:株式會社三協(xié)精機制作所