在光学领域(例如信息通信、信息记录、图像摄像和图像显示) 中使用各种光学薄膜来控制光。通常使用氧化物薄膜(例如SiO2和 TiO2)和氟化物薄膜(例如MgF2)作为光学薄膜材料，并且这些材 料用于减反射膜、反射镜、滤波器和其他装置。而且，使用光学薄膜 的衍射光学元件也用于各种应用中。
衍射光学元件主要分为浮雕型衍射光学元件和折射率调制型衍 射光学元件。浮雕型衍射光学元件是通过将厚度相对较大的局部区域 和厚度相对较小的局部区域交替排列而形成的。换句话说，由于通过 凸部(其对应于厚度相对较大的局部区域)的介质的光和通过凹部(其 对应于厚度相对较小的局部区域)中的空气的光之间的光路差引起光 的相位差，因此发生衍射现象。这种浮雕型衍射光学元件可以通过在 光学透明材料(例如石英)的表面上进行加工(例如光刻和蚀刻)来 形成。
折射率调制型衍射光学元件是通过将折射率相对较大的局部区 域和折射率相对较小的局部区域交替排列而形成的。由于分别通过折 射率不同的局部区域的光之间的光路差引起相位差，因此发生衍射现 象。折射率调制型衍射光学元件可以通过使用能量束(例如紫外线或 可见光)来照射诸如掺Ge的石英玻璃或感光性聚合物之类的材料以 改变(调制)该材料的折射率来形成。正如在专利文献1—日本专利 公开No.2004-163892中所披露的那样，近年来，有人提出了利用透 明的类金刚石碳(DLC)膜的折射率调制型衍射光学元件的例子。
与要求形成微细凹凸的浮雕型衍射光学元件相比，折射率调制 型衍射光学元件的优点在于其制备方法相对简单，并且其平坦的表面 可防止污染物粘附于其上，以及其他优点。然而，较大程度地改变常 规光学材料的折射率是困难的，例如掺Ge的石英玻璃可能的折射率 变化量Δn只有约0.001这样小，此外感光性聚合物可能的折射率变 化量Δn也只有约0.08这样小。
此处，折射率调制型衍射光学元件中的折射率变化量Δn直接影 响衍射效率。即，当折射率变化量Δn较大时，衍射效率可以增大。 因此，与浮雕型衍射光学元件相比，在使用Δn较小的光学材料的情 况下，折射率调制型衍射光学元件的设计受到极大地限制。
关于这一点，专利文献1披露了一种透明的DLC膜，其中Δn 可最大增至0.5，从而增加了光学装置设计的灵活性。通过能量束照 射可提高DLC膜的折射率。作为能量束，可以使用粒子束(例如离 子束、电子束或中子束)、或者电磁波(例如紫外线、X射线或γ 射线)。在考虑产业应用时，从产量、操作的难易程度、装置成本等 考虑，在这些能量束中使用紫外线是最优选的。
专利文献1：日本专利公开No.2004-163892
专利文献2：日本专利公开No.7-333404
专利文献3：日本专利公开No.2004-341541
专利文献4：日本专利公开No.8-72193
专利文献5：日本专利公开No.2005-202356
专利文献6：日本专利公开No.11-345419
专利文献7：日本专利公开No.2006-39303
专利文献8：日本专利公开No.2005-195919
专利文献9：日本专利公开No.8-313845
专利文献10：日本专利公开No.2005-326666
专利文献11：日本专利公开No.10-96807
专利文献12：日本专利公开No.2000-235179
专利文献13：WO2005/088364小册子
专利文献14：日本专利公开No.2003-66324
专利文献15：日本专利公开No.2006-53992
专利文献16：日本专利公开No.6-27398
专利文献17：日本专利公开No.2006-30840
非专利文献1：＂Technique of Ultraprecision Machining and Mass Production of Microlens(Array)＂，由TECHNICAL INFORMATION INSTITUTE CO.，LTD.出版，April 28，2003，第20-21页和第71-81页
非专利文献2：OPTRONICS，(2001)，No.11，第149-154页
非专利文献3：O plus E，Vol.25，No.4，2003，第385-390页
非专利文献4：OPTRONICS，(2001)，No.11，第143-148页
非专利文献5：Large Area Display，Nobuo Nishida编辑，由 KYORITSU SHUPPAN CO.，LTD.，于2002年出版
非专利文献6：Applied Optics，Vol.41，2002，第3558-3566页
非专利文献7：ITE Technical Report，Vol.20，1996，第69-72页

本发明要解决的问题
如果使用紫外光照射来增加DLC膜的折射率，在紫外光区中 DLC膜的消光系数不降低，并且随着折射率的增加，在紫外光区至 可见光区中DLC膜的消光系数会增加。因此，起到改性光(改变膜 的性能的光)作用的紫外光在靠近DLC膜的表面处被更多地吸收， 因此变得难以在膜的厚度方向上均匀地改变性能。这由下列两个因素 引起：(1)起到改性光作用的紫外光并未在膜的厚度方向上深深地 透入膜内；以及(2)膜表面的烧蚀使得在表面上产生凹凸，进而导 致紫外光的散射和衍射。
另外，当与使用玻璃或透明树脂材料而制备的常用的光学元件 相比时，如专利文献1中所述那样使用DLC膜制备的光学元件平均 来说具有更高的折射率。因此，使用DLC膜制备的光学元件在与常 用的光学元件的界面处更容易引起光的反射，因此，从与其他常用的 光学元件的适用性的观点考虑，这不是优选的。
因此，本发明的目的是提供一种折射率调制型衍射光学元件， 其具有大的折射率变化量Δn(即，高的衍射效率)、对于紫外光区 和可见光区都具有高的透明度、并且与通常使用的光学元件具有良好 的适用性。本发明还提供一种含有Si-O的氢化碳膜，其可用作适用 于衍射光学元件中的光学膜。需要注意的是，在本申请中，含有Si-O 的氢化碳膜是指含有Si和O的氢化碳膜。
本发明的另一个目的是提供通过使用这种含有Si-O的氢化碳膜 而制备的各种光学元件、以及包括这些光学元件的各种光学装置。
解决问题的手段
根据本发明，作为光学膜的含有Si-O的氢化碳膜，对于波长为 520nm的光的折射率为至少1.48到至多1.85，并且对于波长为248 nm的光的消光系数小于0.15，其中使用能量束照射来降低所述折射 率和所述消光系数。
注意，在能量束照射之前对于波长为248nm的光的消光系数更 优选小于0.12，并且在能量束照射之前对于波长为520nm的光的折 射率更优选为至少1.56到至多1.76。
通过能量束照射，对于波长为520nm的光的折射率可降低至少 0.03到至多0.40的变化量，并且降低后的折射率可为至少1.45。折 射率的变化量优选为至少0.10到至多0.30。
在能量束照射之前的含有Si-O的氢化碳膜中，硅含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于1.5×1022原子/厘米3，氢含量优选大于 4.0×1022原子/厘米3且小于8.0×1022原子/厘米3，氧含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于1.4×1022原子/厘米3，碳含量优选大于 1.5×1022原子/厘米3且小于2.3×1022原子/厘米3，O/Si的原子％比值 优选为大于0.5且小于1.5，并且C/Si的原子％比值优选为大于1.0 且小于3.0。
另外，在能量束照射之前的含有Si-O的氢化碳膜中，密度优选 为大于1.15g/cm3至小于1.60g/cm3，并且自旋密度优选为大于 1.0×1016转/厘米3至小于1.0×1020转/厘米3。
另一方面，在能量束照射之后的含有Si-O的氢化碳膜中，硅含 量可以大于0.80×1022原子/厘米3且小于1.5×1022原子/厘米3，氢含 量可以大于1.0×1022原子/厘米3且小于8.0×1022原子/厘米3，氧含量 可以大于0.80×1022原子/厘米3且小于3.0×1022原子/厘米3，碳含量 可以大于1.0×1022原子/厘米3且小于2.3×1022原子/厘米3，O/Si的原 子％比值可以大于0.5且小于2.0，并且C/Si的原子％比值可以大于 1.0且小于3.0。
另外，在能量束照射后的含有Si-O的氢化碳膜中，密度可以为 大于1.15g/cm3至小于1.80g/cm3，并且自旋密度可以小于1.0×1020 转/厘米3。
在上述制备含有Si-O的氢化碳膜的方法中，优选通过使用硅氧 烷作为原料并采用等离子体CVD法来形成所述膜，等离子体CVD 法的条件优选为：基板温度为至少80℃且至多100℃，高频电力为至 少0.5W/cm2且至多1.2W/cm2，压力为至少6.7Pa且至多40Pa，并 且在成膜开始后直至至少3分钟期间优选以至少1.3Pa/分钟到至多 2.7Pa/分钟的速度连续地增加压力。
另外，使用上述含有Si-O的氢化碳膜制备的光学元件可以包括 折射率相对较高的局部区域和折射率相对较低的局部区域。折射率相 对较高的局部区域可以是含有Si-O的氢化碳膜中未经历能量束照射 的区域。折射率相对较低的局部区域可以是含有Si-O的氢化碳膜中 经历了能量束照射的区域。
在这种光学元件的制备方法中，可以通过使用能量束(包括粒 子束(包括离子束、电子束或中子束)、或电磁波(包括紫外线、X射线 或γ射线))照射含有Si-O的氢化碳膜的局部区域来形成所述的折射 率相对较低的局部区域。在这种情况下，优选在能量密度为至少0.1 MJ/m2的条件下进行能量束照射。
在通过使用能量束照射含有Si-O的氢化碳膜的局部区域来形成 折射率相对较低的局部区域的情况下，优选在对含有Si-O的氢化碳 膜进行加热的状态下进行能量束照射。
优选的是，在空气气氛中、在将膜加热至高于室温且最高为90 ℃的温度的状态下对含有Si-O的氢化碳膜进行能量束照射。当在对 膜进行加热的状态下进行能量束照射时，更优选的是，在氧气浓度低 于空气气氛中的氧气浓度的气氛中进行照射。氧气浓度较低的气氛可 以是氮气气氛、稀有气体气氛和减压气氛中的一种。优选的是，在将 膜加热至高于室温且最高为200℃的温度的状态下、在氧气浓度低于 空气气氛中的氧气浓度的气氛中进行能量束照射。
在根据本发明的光学膜中，含有Si-O的氢化碳膜可以形成在基 板上，并且至少一层由氧化物膜、氮化物膜、氧氮化物膜、氟化物膜 以及含有碳和氢作为主要成分的膜中的任意一种膜形成的保护层可 以叠置在含有Si-O的氢化碳膜上。需要注意的是，可以在该保护层 上另外结合厚度至少为10μm的透明材料板。可选择地，含有Si-O 的氢化碳膜可以形成在基板上，并且厚度至少为10μm的透明材料 板可以直接结合于其上。当使用能量束照射这些光学膜以降低含有 Si-O的氢化碳膜中的被照射区域的折射率时，优选的是，在将所述 基板保持在高于80℃的温度的状态下进行能量束照射。
根据本发明的平板型微透镜是使用所述的含有Si-O的氢化碳膜 而形成的，其中该膜包括折射率被调制的区域，并且当光束通过所述 折射率被调制的区域时产生透镜效应。
微透镜可以是折射型微透镜。在这种情况下，折射率相对较低 或较高的折射型透镜区域可以形成在含有Si-O的氢化碳膜的一个主 表面侧上，并且所述透镜区域可以具有下列的形状：被含有Si-O的 氢化碳膜的一个主表面以及对应于近似球形表面的一部分的界面所 围绕形成的球形透镜状的形状；或被一个主表面以及对应于近似圆柱 形表面(其具有平行于主表面的中心轴)的一部分的界面所围绕形成 的柱形透镜状的形状。
另外，折射型透镜区域可以具有穿过含有Si-O的氢化碳膜的近 似圆柱形的形状。在这种情况下，圆柱形形状的中心轴与含有Si-O 的氢化碳膜正交，并且越接近中心轴，折射率被设定得越低或越高。 另外，折射型透镜区域可以是穿过含有Si-O的氢化碳膜的带状区域。 在这种情况下，越接近与含有Si-O的氢化碳膜正交并且延伸通过带 状区域的宽度方向的中心的平面，折射率被设定得越低或越高。
另外，根据本发明的微透镜还可以是衍射型微透镜。在这种情 况下，含有Si-O的氢化碳膜可以包括多个同心圆方式的带状环区域。 带状环区域的折射率被相对调制以起到衍射光栅的作用，并且，距离 同心圆的中心较远的带状环区域被设定为具有较小或较大的宽度。
在具有多个同心圆方式的带状环区域的衍射型微透镜中，含有 Si-O的氢化碳膜可以包括“m”个同心环带(ring zone)。每个环带 优选包括“n”个带状环区域，在每个环带中，与外侧的一个带状环 区域相比，内侧的一个带状环区域优选具有更低或更高的折射率，并 且在不同的环带中，彼此对应设置的带状环区域优选具有相同的折射 率。
另外，在根据本发明的衍射型微透镜中，含有Si-O的氢化碳膜 还可以包括多个彼此平行的带状区域，该带状区域的折射率被相对调 制以起到衍射光栅的作用，并且，距离指定的带状区域较远的带状区 域被设定为具有较小或较大的宽度。
在包括多个彼此平行的带状区域的衍射型微透镜中，含有Si-O 的氢化碳膜可以包括“m”个彼此平行的带区(band zone)。每个带 区优选包括“n”个带状区域，在每个环带中，与距离指定的带状区 域较远的带状区域相比，接近于指定的带状区域的带状区域优选具有 更低或更高的折射率，并且在不同的带区中，彼此对应设置的带状区 域优选具有相同的折射率。
上述根据本发明的微透镜对于波长为0.4μm至2.0μm的光可以 表现出透镜效应，并且可以应用于广泛的光学领域(例如光学通讯和 投影仪)中。
本发明的光学信息记录介质是具有沉积在基板上的含有Si-O的 氢化碳膜的光学信息记录介质，其中可以通过使用能量束来照射选自 多个记录光点区域中的记录光点区域、从而使所选择的记录光点区域 中的含有Si-O的氢化碳膜的折射率降低，以在光学信息记录介质上 记录信息。
需要注意的是，通过能量束照射，任意选择的记录光点区域中 的含有Si-O的氢化碳膜的折射率可以降低为任意数值，该数值被设 定为表示多个水平的折射率。
在用于在这种光学信息记录介质上记录信息的方法中，可以使 用能量束穿过金属膜的掩模图案(其具有对应于折射率应该被降低的 记录光点区域的开口)来照射含有Si-O的氢化碳膜，从而降低记录 光点区域中的膜的折射率。在这种记录方法中，还可以使用能量束穿 过另外的金属膜的掩模图案(其具有对应于选自折射率被降低的记录 光点区域中的部分记录光点区域的开口)来照射含有Si-O的氢化碳 膜，从而进一步降低所选择的部分记录光点区域中的膜的折射率。需 要注意的是，该步骤也可以至少重复一次。
一种在光学信息记录介质上记录信息的方法可包括如下步骤： 使用能量束穿过掩模(其由能量束吸收层制成，并且对应于记录光点 区域，该掩模的厚度在局部上发生多种水平的变化)照射含有Si-O 的氢化碳膜，从而降低记录光点区域中的膜的折射率。随着折射率水 平的降低，能量束吸收层可局部制得较薄。
本发明的光学信息记录介质包括形成于基板上的含有Si-O的氢 化碳膜。在光学信息记录介质上记录信息可以保留为通过全息图而在 含有Si-O的氢化碳膜中所形成的折射率已受调制的结构，所述全息 图是通过使用作为物体光(其包含待记录的信息)的紫外线和作为参 照光的紫外线来照射膜而产生的。
本发明的记录介质还可以是层叠波导型全息光学信息记录介 质，其中多个记录层均由含有Si-O的氢化碳膜和多个包层交替叠置 而制成。记录层中包括被记录的彼此不同的信息件，每个记录层均具 有形成于其中并对应于所述被记录的信息件的周期性光散射元件。每 个周期性光散射元件是折射率降低的微小区域。
一种制备层叠波导型全息光学信息记录介质的方法包括如下步 骤：(a)将含有Si-O的氢化碳膜沉积在起到一个包层作用的透明基板 上；(b)使用能量束穿过金属膜的掩模图案(其具有对应于周期性光 散射元件的开口)来照射含有Si-O的氢化碳膜，从而使各开口区域 中的含有Si-O的氢化碳膜的折射率降低，由此制得周期性光散射元 件；(c)将多对经历了上述步骤(a)和(b)的包层和含有Si-O的氢化碳膜 层叠；以及(d)将所述包层叠置在作为最上层曝光的含有Si-O的氢化 碳膜上。
根据本发明的偏振积分器包括：用于将来自光源的光分离为P 偏振光和S偏振光的偏振光分离器；第一微透镜；半波板；以及第 二微透镜，其中第一微透镜被设置使得被偏振光分离器分离后的P 偏振光和S偏振光会聚至彼此不同的位置；半波板被设置在P偏振 光或S偏振光被会聚的位置处，从而起到将P偏振光转化为S偏振 光或将S偏振光转化为P偏振光的作用；第二微透镜起到将通过半 波板并且发生了偏振光转化后的S偏振光或P偏振光与未通过半波 板的S偏振光或P偏振光整合的作用；并且，偏振光分离器、第一 微透镜、半波板和第二微透镜中的至少一者是通过使用含有Si-O的 氢化碳膜而形成的。
需要注意的是，偏振光分离器和半波板中的至少一者可以是由 在含有Si-O的氢化碳膜中所形成的折射率调制型衍射光栅形成的。 另外，第一微透镜和第二微透镜中的至少一者可以是在含有Si-O的 氢化碳膜中形成的折射型透镜和折射率调制型衍射型透镜中的任意 一者。另外，可以将多组偏振光分离器、第一微透镜、半波板和第二 微透镜周期性地设置在来自光源的光束的横截面中。这种偏振积分器 可优选用在液晶投影仪中。
根据本发明的投影仪包括：光源；以及使来自光源的光发生衍 射的衍射光学元件，其中所述衍射光学元件包括在透明基板上形成的 含有Si-O的氢化碳膜；对含有Si-O的氢化碳膜进行折射率调制，从 而使其包括用于引起光衍射的多个折射率相对较高的区域和多个折 射率相对较低的区域；并且，折射率调制引起了衍射效应，从而将在 光束(其被导向到含有Si-O的氢化碳膜中)的横截面中的强度分布 转化为在指定的照射表面上的均匀的强度分布。
需要注意的是，通过调节折射率已受调制的结构的设定，还可 以引起衍射效应，从而将导向到含有Si-O的氢化碳膜中的光束的横 截面形状转化为在指定的照射表面上的指定的横截面形状。另外，还 可以设定折射率已受调制的结构，从而使包括0.4μm至0.7μm的可 见波长的光产生衍射效应。对于用于投影仪的光源而言，可以使用激 光装置、发光二极管和灯中的任意一者。对于灯而言，可以使用超高 压汞灯、氙气灯和卤化物灯中的任意一者。
根据本发明的彩色液晶显示装置包括：光源；全息滤色器；以 及液晶面板，其中所述全息滤色器包括在透明基板上形成的含有Si-O 的氢化碳膜；该膜具有折射率已受调制的结构(其中折射率相对较高 的带状区域和折射率相对较低的带状区域交替设置)，并且具有通过 全息图使由光源提供的入射光发生衍射和分光、从而按照指定的空间 周期发射出不同波长的光的功能；并且，所述的空间周期对应于液晶 面板中所包括的多个像素的周期。
含有Si-O的氢化碳膜可以与附加的微透镜阵列结合。在该情况 中，折射率相对较高的带状区域的宽度和间隔被设定为恒定，并且所 述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜以其周期对应于液晶面板 中的像素的周期的方式设置。可选择地，含有Si-O的氢化碳膜中的 折射率相对较高的带状区域的宽度和间隔也可对应于液晶面板中的 像素的周期而周期性地变化，从而使全息滤色器不仅具有分光功能， 而且具有微透镜阵列的功能。
全息滤色器还可包括多个含有Si-O的氢化碳膜，这些膜对于波 长彼此不同的光可具有各自的衍射效率峰。多个含有Si-O的氢化碳 膜可包括第一含有Si-O的氢化碳膜和第二含有Si-O的氢化碳膜，其 中第一膜优选对于红色光具有衍射效率峰，第二膜优选对于蓝色光具 有衍射效率峰。
折射率优选在全息滤色器中的折射率较低的带状区域和折射率 较高的带状区域之间的边界区域处发生多个水平的改变。另外，还优 选的是，折射率在全息滤色器中的折射率较低的带状区域和折射率较 高的带状区域之间的边界区域处发生连续地改变。另外，在全息滤色 器中的折射率较低的带状区域和折射率较高的带状区域之间的边界 区域也可以相对于含有Si-O的氢化碳膜的厚度方向发生倾斜。
包含于液晶面板中的多个像素的每一者都可以具有红色显示区 域、绿色显示区域和蓝色显示区域，并且全息滤色器可使入射光分光， 从而使红色光、绿色光和蓝色光分别导向到红色显示区域、绿色显示 区域和蓝色显示区域。金属卤化物灯、超高压汞灯、冷阴极射线管、 氙气灯、发光二极管和激光中的任意一者可用于彩色液晶显示装置中 的光源。
彩色液晶显示装置中包含的含有Si-O的氢化碳膜中的折射率相 对较低的区域优选通过使用周期性紫外光强度分布进行曝光而形成， 其中所述紫外光强度分布是由于两种穿过相栅掩模的衍射光的干涉 而获得的。
根据本发明的光学摄像装置可用于在光学信息记录介质上记录 信息和再现信息中的至少任意一者，其包括：发射光束的光源；以及 用于控制光束的多个光学元件，其中这些光学元件中的至少一者包括 含有Si-O的氢化碳膜(其具有折射率相对较低的局部区域和折射率 相对较高的局部区域)。包括这种含有Si-O的氢化碳膜的光学元件 可以是偏振光分离器、1/4波长板、物镜透镜、调焦镜和准直仪物镜 中的任意一者。
根据本发明的光束扫描装置包括：发射光束的光源；对光束进 行整形的衍射光学元件；以及用于改变光束的前进方向的光束扫描器 件，其中所述的衍射光学元件包括在透明基板上形成的含有Si-O的 氢化碳膜，并且该膜包括多个折射率相对较高的区域和多个折射率相 对较低的区域。通过使用这种光束扫描装置，可以获得激光打印机、 扫描仪和条形码阅读器。
本发明的效果
如上所述，根据本发明可以提供：折射率调制型衍射光学元件， 其具有大的折射率变化量Δn(即，高的衍射效率)、对于紫外光区 和可见光区都具有高的透明度、并且与通常使用的光学元件具有良好 的适用性。本发明还提供含有Si-O的氢化碳膜，该氢化碳膜起到适 用于衍射光学元件的光学膜的作用。
另外，还可以提供通过使用这种含有Si-O的氢化碳膜而制备的 各种光学元件、以及包括这些光学元件的各种光学装置。
附图简要说明
图1是说明本发明的光学元件的制备方法的示意性剖视图。
图2是示出基板温度对于使用紫外光照射光学薄膜的时间与折 射率变化量之间的关系的影响的图。
图3是示出在紫外光照射过程中基板温度对于通过使用紫外光 照射光学薄膜而获得的光学元件的厚度与其衍射效率之间的关系的 影响的图。
图4是示出通过使用紫外光照射光学薄膜而获得的光学元件的 衍射效率与在紫外光照射过程中基板温度之间的关系的图。
图5是说明本发明的折射型微透镜阵列的制备方法的示意性剖 视图。
图6是示出用于形成可用在制备图5所示的折射型微透镜阵列 的方法中的冲压模具的方法的示意性剖视图。
图7是说明本发明的另一折射型微透镜阵列的制备方法的示意 性剖视图。
图8(a)是说明本发明的衍射型微透镜的示意性平面图，图8(b) 是对应于图8(a)的剖视图。
图9是示出制备图8所示的衍射型微透镜的示例性方法的示意 性剖视图。
图10是示出制备常规的浮雕型衍射型微透镜的方法的示意性 剖视图。
图11是示出在制备图10所示的浮雕型微透镜的方法中使用的 掩模的示意性平面图。
图12是示出制备本发明的光学信息记录介质的方法的示意性剖 视图。
图13是示出制备本发明的另一光学信息记录介质的方法的示意 性剖视图。
图14是示出制备本发明的又一光学信息记录介质的方法的示意 性剖视图。
图15是示出关于多值化光盘中包含的具有不同深度的多个凹陷 的反射率差异的示意性图。
图16是示出在全息记录介质上进行写入数据的操作的示意性透 视图。
图17是示出从全息记录介质中进行读取数据的操作的示意性 透视图。
图18是示出层叠型波导型全息存储器的例子的示意性剖视图。
图19是示出制备图18所示的层叠型波导型全息存储器的示例 性方法的示意性剖视图。
图20是示意性地示出本发明的示例性偏振积分器的剖视图。
图21是示意性地示出包含在图20所示的偏振积分器中的由含 有Si-O的氢化碳膜制成的偏振光分离器的剖视图。
图22是示出常规的液晶投影仪的示意性剖视图。
图23是示意性地示出常规的偏振积分器的基本原理的剖视图。
图24是示出在本发明的折射率调制型衍射光学元件中高折射率 区域和低折射率区域如何分布的例子的平面图。
图25是示出本发明的具有衍射型光束整形元件的示例性彩色投 影仪的示意性结构图。
图26是示出衍射型光束整形元件的作用的示意性透视图。
图27是示出制备本发明的包含在彩色液晶显示装置中的全息膜 的示例性方法的示意性剖视图。
图28是示出制备本发明的包含在彩色液晶显示装置中的全息膜 的方法的另一个例子的示意性剖视图。
图29是示出制备本发明的包含在彩色液晶显示装置中的全息膜 的方法的又一个例子的示意性剖视图。
图30是示出制备本发明的包含在彩色液晶显示装置中的全息膜 的方法的进一步的例子的示意性剖视图。
图31是示出在全息滤色器中由布拉格反射而引起的衍射的例子 的示意性剖视图，其中在所述全息滤色器中，高折射率区域和低折射 率区域之间的边界相对于含有Si-O的氢化碳膜的厚度方向发生倾 斜。
图32是示出本发明的示例性彩色液晶投影仪的示意性剖视图。
图33是示出根据现有技术的单面板型彩色液晶投影仪的光学 基本原理的示意性剖视图。
图34是示出不仅具有波长分离功能、而且具有微透镜功能的示 例性衍射光栅的示意性平面图。
图35是示出根据现有技术的彩色液晶显示装置的示意性剖视 图。
图36是示出根据现有技术的全息滤色器的示意性剖视图。
图37是示意性地示出在图36所示的全息滤色器中衍射效率对 于波长的依赖性的图。
图38是示出根据现有技术的彩色液晶投影仪的示意性剖视图。
图39是示出本发明的示例性光学摄像装置的示意性结构图。
图40是示出本发明的光学摄像装置中使用的偏振光分离器和 1/4波长板的示例性复合体的示意性透视图。
图41是示出常规的光学摄像装置中使用的示例性浮雕型透镜的 示意性剖视图。
图42是示出在本发明的光束扫描装置中的示例性光束照射的 示意性结构图。
图43是示出本发明的示例性激光打印机的示意性结构图。
图44是示出本发明的示例性扫描仪的示意性结构图。
图45是示出能量束照射量与含有Si-O的氢化碳膜的折射率变 化量之间的关系的图。
图46是示出能量束照射量与通过使用含有Si-O的氢化碳膜而 制备的衍射光学元件的衍射效率之间的关系的图。
附图标记说明
1：基板，2：含有Si-O的氢化碳膜，3：加热器，例如热板，4：紫 外光，11：硅基板，12：第一抗蚀剂层，13：第一掩模，14a：曝光， 14b：RIE，11a：2水平的浮雕型微透镜，15：第二抗蚀剂层，16：第 二掩模，14c：曝光，14d：RIE，11b：4水平的浮雕型微透镜，21：含 有Si-O的氢化碳膜，21a：折射率相对较低的区域，21b：折射率调制 的区域，21c：中心轴(中心面)，21d：折射率相对较高的区域，21e：折 射率调制的区域，22：掩模层，22a：凹部，22b：凸部，23：能量束， 31：二氧化硅基板，32：抗蚀剂图案，32a：熔融的抗蚀剂，32b：正 被蚀刻的抗蚀剂，31a：正被蚀刻的二氧化硅基板，31b：凸部，31c：冲 压模具，40：折射率调制型衍射型微透镜，41：含有Si-O的氢化碳 膜，Rmn：带状环区域，f：焦距，42：Ni导电层，43：抗蚀剂图案， 44：金掩模层，45：能量束，41a：低折射率区域，41b：高折射率区 域，101：玻璃基板，102：含有Si-O的氢化碳膜记录层，103：玻璃 基板，104、104a、104b：金属膜的掩模图案，105：能量束，111-1 至111-n：包层，112-1至112-n-1：核心层，113：再现用激光，114：透 镜，115：反射表面，116：导波光，119：光散射元件(全息图)，120：再 现后的全息图图像，121：玻璃基板，122：紫外线固化性树脂层，123： 紫外线，124：PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)层，125：形成光散射元件用 的辊，131：全息记录介质，132：二维数字数据，133：物体光，134： 透镜，135：参照光，136：再现光，137：透镜，138：再现后的二维 数字数据，201：光源，202：穹顶状或抛物线状反射镜，203：准直仪 物镜，M1、M2、M3、M4：全反射镜，DM1、DM2：分色镜，B：蓝 色光，G：绿色光，R：红色光，CL1、CL2、CL3：聚光镜，LC1、LC2、 LC3：液晶面板，204：棱镜，205：投影透镜，211：偏振分色棱镜， 212：PBS膜，213：半波板，214：全反射镜，P：P偏振光，S：S偏振 光，251：偏振光分离器，251A：含有Si-O的氢化碳膜，251a：高折 射率区域，251b：低折射率区域，252：第一微透镜阵列，253：半波 板，254：第二微透镜阵列，255：透镜，CL：聚光镜，LC：液晶面板， 301：光束整形元件，302：透镜，303：照射表面，311a：红色激光装 置，311b：绿色激光装置，311c：蓝色激光装置，312a、312b、312c： 衍射型光束整形元件，313a、313b、313c：偏振光分离器，314a、314b、 314c：液晶面板，315：双彩组合棱镜，316：投影透镜，401：玻璃基 板，402：全息膜，403：液晶层，404：反射型电极层，411：玻璃基 板，412：由Cr膜制成的衍射光栅，413：一种微透镜区域，421：二 氧化硅玻璃基板，422：含有Si-O的氢化碳膜，422a：高折射率区域， 422b：低折射率区域，422c：折射率边界区域，423a、423b：二氧化 硅玻璃基板，424a、424b：金掩模，424c：浮雕型相栅掩模，425a、 425b、425c：UV光，426：间隔，434：金掩模，435：He离子束，L1： 入射光，L2：折射光，L3：衍射光，440：液晶面板，441：液晶显示 层，442：黑矩阵，450：全息滤色器，451：全息底版，452：微透镜， 460：背光，461：红色光，462：绿色光，463：蓝色光，471：第一全 息膜，472：第二全息膜，a：对于绿色光具有最大衍射效率的全息膜， b：对于红色光具有最大衍射效率的全息膜，c：对于蓝色光具有最大 衍射效率的全息膜，d：对于红色光和蓝色光具有衍射效率峰的全息 滤色器，481：白色光源，482：分色镜，484、484a：全息透镜层，485： 薄玻璃板层，486：透明电极，487：液晶层，488：像素电极，489：活 性矩阵驱动电路，490：投影透镜，491B：发射蓝色光的元件，491G： 发射绿色光的元件，491R：发射红色光的元件，501：基板，511：光 源，513：偏振光分离器，514：1/4波长板，515：物镜透镜，516：光 学信息记录介质，516a：信息记录表面，517：调焦镜，518：接受光的 元件，519：准直仪物镜，561：第一含有Si-O的氢化碳膜，562：第 二含有Si-O的氢化碳膜，500：衍射透镜，520：0次衍射光，521：1 次衍射光，522：2次衍射光，602：光源，603：衍射光学元件，604：多 面镜，605：待照射的物体，606：球面透镜，607：超环面透镜，608： 光电导滚筒，610：源文件，611：检测器，631：透明基板，632：含 有Si-O的氢化碳膜。
实施本发明的最佳方式
下面，将对起到光学膜作用的本发明的含有Si-O的氢化碳膜及 其制备方法进行说明，然后将对由含有Si-O的氢化碳膜制成的折射 率已受调制的结构的制备、以及使用该折射率已受调制的结构的光学 元件的功能和应用进行说明。
(1)含有Si-O的氢化碳膜及其制备方法
本发明的发明人研制了这样的含有Si-O的氢化碳膜，可以通过 能量束照射使得该氢化碳膜具有较大的折射率变化量Δn、并且对于 可见光区具有高的透明度。因此，首先将对含有Si-O的氢化碳膜及 其制备方法进行说明。
在本发明人研制的含有Si-O的氢化碳膜中，O/Si的原子％比值 大于0.5且小于1.5，C/Si的原子％比值大于1.0且小于13.0。含有 Si-O的氢化碳膜对于可见光区具有较小的消光系数，因此其优选作 为用于可见光区的光学元件的材料。此处，碳、氧、硅和其他成分的 含量可以通过使用RBS法(卢瑟福背散射法)、热解法、ICP(电感 耦合等离子体)发射光谱法、NDIR(非分散型红外)光谱法等来测 定。
这种含有Si-O的氢化碳膜可以通过(例如)使用分子量相对较小 的硅氧烷作为原材料、采用等离子体CVD法(化学气相沉积法)来获 得。通过使用硅氧烷作为原材料而合成的SiOx膜以及含有碳的氧化硅 膜在专利文献2—日本专利公开No.7-333404、专利文献3—日本专利 公开No.2004-341541和专利文献4—日本专利公开No.8-72193等中有 所公开。
硅氧烷在其化学结构中包括：在其骨架中的重复性-Si-O-结构，氢 原子或烃基与硅原子的侧链连接。聚二甲基硅氧烷[(CH3)2SiO]n，聚二 苯基硅氧烷[(C6H5)2SiO]n，聚甲基苯基硅氧烷[(CH3)(C6H5)SiO]n，聚 甲基氢硅氧烷[(H)(CH3)SiO]n等为这种硅氧烷的特定例子。
使用硅氧烷作为原材料的等离子体CVD法具有两个主要的优点。 一个优点为：如果采用等离子体CVD法并使用硅氧烷来合成膜，那么 碳原子的不饱和键(如专利文献1中的DLC膜中所看到的那样，该不 饱和键是造成着色的原因)很难形成长链，因而可以提供高透明度的 膜。据认为这种合成的膜具有接近于无定形结构的结构，并且膜内包 括例如CH3、CH2、SiO、SiC和CO之类的键。
另一个优点为：使用最初含有大量的氧的原材料(例如硅氧烷) 而合成的膜，即使在随后的使用能量束照射来进行的改性过程中发生 氧化或氢的脱离，也难以引起体积的改变，因此不容易引起变形、剥 离、表面不平坦等，从而使得在应用于光学元件时，这种膜是优选的。 相反，经常观察到：基本上不含有氧的膜(例如DLC膜)由于在随后 的改性过程中发生氧化或氢的脱离而引起相对较大的体积变化，从而 引起变形、剥离、表面不平坦等。
为了在所合成的含有Si-O的氢化碳膜中获得对于可见光区的高 透明度和通过使用能量束照射而引起的足够大的折射率变化量，在成 膜方法中还需要技巧。本发明人进行多种试验以探索优选的条件，结 果，他们通过在下列示例性条件下成膜，从而成功地确保了对于可见 光区的高透明度和通过使用能量束照射而引起的足够大的折射率变化 量。具体而言，当使用分子量相对较低的硅氧烷作为原材料并采用等 离子体CVD法来形成膜时，基板温度被设定为至少80℃且最高100℃， 高频电力被设定为至少0.01W/cm2且至多1.2W/cm2，压力被设定为至 少6.7Pa(0.05托)且至多67Pa(0.5托)。
在这样获得的含有Si-O的氢化碳膜中，对于可见光区的消光系数 k至多为0.005，从而确保对于可见光区的透明度。另外，通过能量束 照射，该膜的折射率可以改变(降低)至少0.05至小于0.4。
然而，在上述成膜条件下获得的含有Si-O的氢化碳膜中，对于紫 外光区的透明度并不足够高(即，对于紫外光区的消光系数k并不足 够低)。因此，为了形成对于紫外光区的消光系数k足够低的含有Si-O 的氢化碳膜，本发明人进一步重新考虑了成膜条件。本发明人考察了 多种含有Si-O的氢化碳膜的成膜条件，结果，他们成功地提供了通过 使用能量束照射而引起的足够大的折射率变化量Δn以及对于紫外光区 的足够低的消光系数k，同时保持了对于可见光区的足够低的消光系数 k。
在最近研制的成膜条件下，可以获得具有下述性能的含有Si-O的 氢化碳膜。下面将详细描述所研制的成膜条件。
具体而言，本发明的含有Si-O的氢化碳膜对于波长为520nm的 光的折射率可以设定为至少1.48到至多1.85。折射率在其它范围内的 含有Si-O的氢化碳膜也可以在光学上使用。然而，如果膜的折射率小 于1.48，那么即使使用能量束照射膜，折射率也难以发生变化。另一 方面，折射率大于1.85的含有Si-O的氢化碳膜不是优选的，原因在于 该膜的消光系数对于紫外光区至可见光区而言变得太大。
另外，本发明的含有Si-O的氢化碳膜对于波长为248nm的光的 消光系数可以小于0.15。如果含有Si-O的氢化碳膜的消光系数大于该 值，那么膜的折射率通过紫外光照射而改变，对于紫外光区的消光系 数太大，使得起到改性光作用的紫外光在膜的表面附近被更多地吸收。 结果，紫外光难以在膜的厚度方向上深深地透入膜内。另外，对膜表 面的烧蚀引起表面不平坦，从而引起不期望的散射光和衍射光。结果， 难以在膜的厚度方向上进行均匀的改性。
另外，根据本发明的含有Si-O的氢化碳膜的特征还在于：通过使 用能量束照射膜，其对于波长为520nm的光的折射率和对于波长为248 nm的光的消光系数都降低。后面将考察本发明的含有Si-O的氢化碳 膜的折射率和消光系数发生改变的机理。如果通过紫外光照射使对于 波长为248nm的光的消光系数增加，那么在通过紫外光照射改变膜的 性能时，起到改性光作用的紫外光在膜的表面附近被更多地吸收，使 得更难以在膜的厚度方向上进行均匀的改性。
含有Si-O的氢化碳膜对于波长为248nm的光的消光系数在能量 束照射之前更优选为小于0.12，原因在于这更有效地在膜的厚度方向 上进行由能量束照射而引起的均匀改性。
含有Si-O的氢化碳膜对于波长为520nm的光的折射率在能量束 照射之前更优选为至少1.56到至多1.76。如果含有Si-O的氢化碳膜 的折射率在能量束照射之前为至少1.56，可以确保通过能量束照射而 引起的折射率变化量Δn为至少0.10。因此，在通过使用这种含有Si-O 的氢化碳膜而制备的折射率调制型衍射型光学元件中，其性能(例如 衍射效率等)和设计灵活性都增加。另一方面，在含有Si-O的氢化碳 膜的折射率在能量束照射之前为至多1.76的情况下，对于波长为248 nm的光的消光系数可以小于0.12，因此，如上所述，从在膜的厚度方 向上对其进行均匀改性的观点考虑，这是优选的。
在能量束照射之前的含有Si-O的氢化碳膜中，硅含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于1.5×1022原子/厘米3，氢含量优选大于 4.0×1022原子/厘米3且小于8.0×1022原子/厘米3，氧含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于1.4×1022原子/厘米3，碳含量优选大于 1.5×1022原子/厘米3且小于2.3×1022原子/厘米3，O/Si的原子％比值 优选为大于0.5且小于1.5，并且C/Si的原子％比值优选为大于1.0 且小于3.0。
此处，碳、氧、硅、氢等的含量可以通过使用RBS法(卢瑟福 背散射法)、热解法、ICP(电感耦合等离子体)发射光谱法、NDIR (非分散型红外)光谱法等来测定。氢含量还可以通过HFS(氢的 前散射法)与RBS的组合来测定。例如，使用氦离子照射待分析的 薄膜，然后通过检测器可以检测向后散射的氦离子和向前散射的氢原 子，从而确定各种组成元素的相对比例。
在上述相对比例范围内的含有Si-O的氢化碳膜对于紫外光区至 可见光区具有小的消光系数，因此优选用作这样的光学元件的材料， 该光学元件是使用紫外光区中的改性光而制备的并且用于可见光区。 相反，从(例如)折射率、消光系数、折射率变化量、材料强度等中 至少任意一者的方面考虑，在上述相对比例范围之外的含有Si-O的 氢化碳膜不是优选的。
在考虑消光系数、折射率等时，含有Si-O的氢化碳膜的密度优 选为大于1.15g/cm3至小于1.60g/cm3，自旋密度优选为大于1.0×1016 转/厘米3至小于1.0×1020转/厘米3。如果密度至多为1.15g/cm3或自 旋密度至多为1.0×1016转/厘米3，那么含有Si-O的氢化碳膜对于波 长为520nm的光的折射率小于1.48，从而不能确保必需的折射率变 化量。如果密度为至少1.60g/cm3或自旋密度为至少1.0×1020转/厘米 3，那么含有Si-O的氢化碳膜对于波长为248nm的光的消光系数大 于0.15，从而难以在膜的厚度方向上进行均匀的改性。
含有Si-O的氢化碳膜的密度可以通过X射线反射率(GIXR) 法等来测定。这是一种根据施加到薄膜上的X射线的反射率等来计 算待分析的薄膜的密度的方法。自旋密度可以通过电子自旋共振 (ESR)法来计算。自旋密度与不成对的电子密度同义，自旋密度高 表示薄膜中存在大量的悬键(即，缺陷)。
例如通过采用下述新研制的制备方法，首次获得上述本发明的 含有Si-O的氢化碳膜。具体而言，根据本发明的含有Si-O的氢化碳 膜是通过使用分子量相对较低的硅氧烷作为原材料并采用等离子体 CVD法而形成的。作为成膜过程中用于等离子体CVD法的条件，基 板温度为至少80℃且至多100℃，高频电力为至少0.5W/cm2且至多 1.2W/cm2，压力为至少6.7Pa(0.05托)且至多40Pa(0.3托)， 并且在成膜开始后直到至少3分钟的期间内优选以至少1.3Pa/分钟 (0.01托/分钟)到至多2.7Pa/分钟(0.02托/分钟)的速度连续地 增加压力。之所以要求这些成膜条件，是因为下列的原因。
如果基板温度低于80℃，那么在成膜时发生不充分的传质反应 (移动)，因此含有Si-O的氢化碳膜变得浑浊，并且膜对于可见光 区的透明度劣化。另一方面，如果基板温度大于100℃，那么在成膜 时的反应进行地太快，使得膜可能从基板上剥离。即使未发生剥离， 过度地进行合成反应以使膜稳定，因此对于波长为520nm的光而言， 通过能量束照射而引起的折射率变化量至多为0.03。从将该膜应用于 折射率调制型衍射光学元件等的观点考虑，这不是优选的。
在高频电力小于0.5W/cm2的情况下，等离子体中的活性物质的 密度变得较低，仅仅可能获得接近于作为原料的硅氧烷的沉积膜，即， 对于可见光区(波长为520nm)而言，该膜的折射率太低，至多为 1.48。另一方面，在高频电力大于1.2W/cm2的情况下，等离子体中 的活性物质的密度变得过高，仅仅可能获得这样的合成膜，该膜的自 旋密度增强，因此该膜对于紫外光区(波长为248nm)的消光系数 太大，至少为0.15。
在压力小于6.7Pa(0.05托)的情况下，等离子体中的活性物质的 平均自由程变得太长，仅仅可能获得这样的合成膜，该膜的自旋密度 增强，因此该膜对于紫外光区(波长为248nm)的消光系数太大， 至少为0.15。另一方面，在压力大于40Pa(0.3托)的情况下，等离子 体中的活性物质的平均自由程变得太短，仅仅可能获得接近于作为原 料的硅氧烷的沉积膜，即，对于可见光区(波长为520nm)而言， 该膜的折射率太低，至多为1.48。
此处，为了将膜对于紫外光区(波长为248nm)的消光系数降至 小于0.15，需要在成膜开始后直到至少3分钟的期间内以至少1.3Pa/ 分钟(0.01托/分钟)到至多2.7Pa/分钟(0.02托/分钟)的速度连续 地增加压力。尽管消光系数降低的机理的细节尚未阐明，但是可考虑 有下列方面。
即，看起来在原料气体开始分解时精密地控制内部的压力决定 了在产生等离子体的早期阶段中所产生的活性物质的类型，早期阶段 中活性物质的存在成为决定等离子体的随后状态的重要控制因素，并 且，活性物质对于降低合成膜对于紫外光区(波长为248nm)的消光系 数而言是必不可少的。实际上，在压力从成膜开始就保持不变的情况 下、在连续加压少于3分钟的情况下、或者在将加压速度设定为小于 1.3Pa/分钟(0.01托/分钟)或大于2.7Pa/分钟(0.02托/分钟)的情况 下，仅仅可能产生对于紫外光区(波长为248nm)而言消光系数大于 0.15的膜。
根据本发明的含有Si-O的氢化碳膜是由不含分散相等的均匀单 一相(单一组成)制成的。这也是使膜对于紫外光区(波长为248nm) 的消光系数降低至小于0.15的必要因素。这是因为杂质(例如分散 相)可成为引起光散射的因素，并且这种散射对于紫外光区而言显得 特别显著。本发明人已经采取了下列措施来研制单一相的含有Si-O 的氢化碳膜，从而降低了膜对于紫外光区的消光系数。
通常来说，在光学膜中含有分散相的一个原因是分散相起到增 强材料的作用。例如，在膜是由在使用能量束照射进行改性的过程中 发生完全分解的成分制成的情况下，膜可能会破裂成片或从基板上剥 离，从而不能够确保膜所要求的强度。另外，当膜在改性过程中表现 出显著的体积膨胀或缩小的变化时，由于内部应力的作用，膜可能变 得较脆，并且还可能破裂成片或剥离。为了防止由于这两种原因而引 起的膜的劣化，通过使用最初含有氧的原料(例如硅氧烷)来合成含 有Si-O的氢化碳膜。这样合成的膜，即使在随后的使用能量束照射 来进行改性过程中发生氧化或氢的脱离，也难以引起体积的改变，并 且该膜并不会完全分解。因此，可以在不使用增强材料的条件下获得 单一相的含有Si-O的氢化碳膜。
通常，据认为在光学膜中含有分散相的另一个原因是分散相可 能对于改性过程是必须的。例如，可能存在下列情况：虽然使用能量 束照射不会引起母相(包围着分散相的基质)本身发生反应，但是使 用能量束照射会引起分散相的反应，然后由反应产生的产物与母相反 应，从而促进改性。
另一方面，本发明成功地研制出单一相的含有Si-O的氢化碳膜， 其中使用能量束照射引起该氢化碳膜反应。因而可以首次降低光学膜 对于紫外光区的消光系数。
(2)折射率已受调制的结构的制备
在根据本发明的含有Si-O的氢化碳膜中，通过能量束照射可以 降低该氢化碳膜对于紫外光区至可见光区的消光系数以及对于可见 光区的折射率。更具体而言，通过使用粒子束(例如离子束、电子束 或中子束)或电磁波(例如紫外线、X射线或γ射线))来照射膜， 可以降低含有Si-O的氢化碳膜的折射率和消光系数。
例如，在加速电压为800keV的条件下以5×1017/cm2的剂量率 注入He离子可以降低折射率和消光系数。注入诸如H、Li、B、或C 之类的离子、或者光谱为0.1nm至130nm的SR(同步辐射)也可 以降低折射率和消光系数。在紫外光照射时，例如在照射功率密度为 3-40mW/mm2/脉冲的条件下使用波长为248nm的KrF准分子激光进 行照射可以降低折射率和消光系数。在照射功率密度为3-40 mW/mm2/脉冲的条件下使用诸如ArF(波长为193nm)、XeCl(波长 为308nm)、XeF(波长为351nm)等的准分子激光进行照射、或者使 用YAG(钇铝石榴石)激光的3倍谐波(波长为355nm)或4倍谐波 (波长为266nm)进行照射也可以降低折射率和消光系数。另外，在功 率密度为至少0.1mW/mm2的条件下使用汞灯光线(例如波长为365 nm的i-射线、波长为248nm、193nm的DUV(远紫外)射线等)进行 照射也可以降低折射率和消光系数。这种能量束的照射量优选为至少 0.1MJ/m2。
通过使用这种含有Si-O的氢化碳膜的可以改变的特性，可以通 过使用能量束照射膜的局部区域而在膜中形成光学性能图案。换句话 说，可以在含有Si-O的氢化碳膜中按照指定的图案来使折射率降低， 从而制备波导、衍射光学元件等。为了形成这种折射率发生改变的图 案，可以使用利用各种掩模或干涉曝光等已知的方法。
尽管通过使用能量束照射来降低本发明的含有Si-O的氢化碳膜 的折射率和消光系数的机理的细节尚未阐明，但是可以做出下列假 定。
专利文献1中的DLC膜含有氢原子，能量束照射引起氢原子的 脱离。因此，据认为，由于氢的脱离而引起密度的增加和/或介电常 数小的氢原子的减少，所以DLC膜的折射率增加。另外，据认为在 DLC膜中，由于通过能量束照射引起氢的脱离，所以碳原子的不成 对电子增多，因此消光系数随之增加。
另一方面，在根据本发明的含有Si-O的氢化碳膜中，据认为通 过能量束照射促进了氧化，从而使Si-O键增多，使得膜部分地变得 接近于SiO2结构，并且其折射率降低。另外，在含有Si-O的氢化碳 膜中，据认为对于紫外光区均具有较大的光学吸收的双键(例如C＝O 和C＝C)和不成对电子在使用能量束照射时发生了反应并且减少了， 使得消光系数降低。
如上所示，专利文献1中的DLC膜与根据本发明的含有Si-O 的氢化碳膜在下列方面显著不同：通过能量束照射，DLC膜对于紫 外光区至可见光区的折射率和消光系数都增加，而通过能量束照射， 含有Si-O的氢化碳膜的折射率和消光系数都降低。
如果通过使用能量束照射DLC膜来使折射率增加，那么其消光 系数同时也会增加，从而难以在膜的厚度方向上维持光学性能的均匀 改变。相反，在含有Si-O的氢化碳膜中，通过能量束照射引起折射 率的降低也可以使消光系数降低。因此，含有Si-O的氢化碳膜是非 常优选的，原因在于即使膜具有较大的厚度，其也可以在膜的厚度方 向上维持光学性能的均匀改变。
本发明的含有Si-O的氢化碳膜的折射率的降低取决于所施加的 能量束的照射量。如果其折射率降低，那么其对于波长为520nm的 光的最小值为至少1.45-1.46，并且不再降低。这与下列事实一致： 石英玻璃对于波长为520nm的光的折射率为约1.46。
进一步考虑到这样的事实：含有Si-O的氢化碳膜在改性之前对 于波长为520nm的光的折射率为1.48至1.85，因此折射率发生降低 的折射率变化量Δn至多可以为0.40。在该范围内，取决于能量束照 射的量，折射率可以任意地改变。然而，使用具有较小的Δn的膜所 形成的光学元件的性能(例如衍射效率等)并不是很好，并且光学元 件的设计灵活性降低，因此Δn小于0.03不是优选的。考虑到上述方 面，含有Si-O的氢化碳膜对于波长为520nm的光的折射率变化量 Δn优选为至少0.03到至多0.40。
含有Si-O的氢化碳膜对于波长为520nm的光的折射率变化量 Δn更优选为至少0.10到至多0.30。这是因为如果膜可以确保折射率 变化量Δn为至少0.10，那么使用该膜制备的折射率调制型衍射型光 学元件可以提高其光学性能和设计灵活性。另一方面，如果折射率变 化量Δn大于0.30，那么需要在能量束照射之前将含有Si-O的氢化碳 膜的折射率增加至大于1.76。如上所述，在这种情况下，含有Si-O 的氢化碳膜对于波长为248nm的光的消光系数为至少0.12，从在膜 的厚度方向上进行均匀改性的观点考虑这是相对不利的。因此，优选 Δn不大于0.30。
通常，含有Si-O的氢化碳膜的改性区域中的氢含量和碳含量往 往降低而氧含量往往增加。在使用含有Si-O的氢化碳膜而制备的实 际的光学元件中，几乎不可能测定在膜的每个微小的改性区域中的组 成和比例。然而，通过在与制备光学元件时的条件相同的条件下使用 能量束来照射含有Si-O的氢化碳膜的整个表面，可以确定光学元件 的改性区域的组成和比例。
本发明人进行了测定并发现下列组成是优选的。具体而言，在 能量束照射之后的含有Si-O的氢化碳膜中，硅含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于1.5×1022原子/厘米3，氢含量优选大于 1.0×1022原子/厘米3且小于8.0×1022原子/厘米3，氧含量优选大于 0.80×1022原子/厘米3且小于3.0×1022原子/厘米3，碳含量优选大于 1.0×1022原子/厘米3且小于2.3×1022原子/厘米3，O/Si的原子％比值 优选大于0.5且小于2.0，并且C/Si的原子％比值优选大于1.0且小 于3.0。
另外，通常来说，含有Si-O的氢化碳膜中的改性区域的密度往 往增加而自旋密度往往降低。本发明人也测定了在能量束照射之后的 含有Si-O的氢化碳膜的密度和自旋密度。可以说密度优选为大于 1.15g/cm3至小于1.80g/cm3，自旋密度优选小于1.0×1020转/厘米3。
另外，与通过使用能量束照射DLC膜而制备的光学元件相比， 通过使用能量束照射含有Si-O的氢化碳膜而制备的光学元件具有相 对较低的折射率。换句话说，与使用玻璃或透明树脂材料而制备的通 常使用的光学元件相比，使用DLC膜制备的光学元件平均来说具有 较高的折射率，因此在与通常使用的光学元件的界面处更可能引起光 的反射。相反，通过使用能量束照射含有Si-O的氢化碳膜而制备的 光学元件的平均折射率接近于通常使用的光学元件的平均折射率，因 此在与通常使用的光学元件的界面处引起较少的反射，所以从适用性 的观点考虑是十分优选的。
(3)使用折射率已受调制的结构的光学元件的功能和应用
如上所述，通过在本发明的含有Si-O的氢化碳膜中形成折射率 已受调制的结构，可以获得各种光学控制功能。更具体而言，可以获 得具有波长合/分功能、功率合/分功能、偏振光合/分功能、光会聚功 能、或者甚至光束整形功能的光学元件。另外，通过以与光的波长几 乎相等的距离来周期性地设置微小的折射率已受调制的区域，该光学 元件还可以用作光子晶体。
由于使用本发明的含有Si-O的氢化碳膜的光学元件可适用于涵 盖从红外区至可见光区和近紫外光区的广泛范围的光，因此其可适用 于更广泛的应用。另外，本发明的光学元件是使用薄膜的折射率调制 型光学元件，因此易于降低尺寸和厚度。具体而言，使用含有Si-O 的氢化碳膜的光学元件可适用于下列各种光学元件：用于光学通讯的 光学元件、在使用激光等的光加工装置中的光学元件、各种图像显示 装置和光学记录装置中的光学元件、光学测量设备中的光学元件，等。
例如，关于波长合/分功能，使用本发明的含有Si-O的氢化碳膜 的光学元件可适用于光学通讯中的波长合/分滤波器、图像显示装置 中的RGB(红色、绿色和蓝色)合/分光用元件等。关于功率合/分功能， 本发明的光学元件可用作激光加工设备的多激光束加工、用于光学通 信中的光学耦合器等。关于偏振光合/分功能，本发明的光学元件可 用作光学通信中的TE波和TM波分光装置、偏振片、分析器、用于 液晶的偏振板等。关于光会聚功能，本发明的光学元件可用作显示装 置和记录装置中的各种透镜、微透镜阵列等。关于光束整形功能，本 发明的光学元件可用作加工设备或显示装置中的均化器等。
此外，据认为通过使用本发明的含有Si-O的氢化碳膜而制备的 光子晶体可适用于二维光子晶体波导和波长合/分滤波器(参见S. Noda，A.Chutinan，and M.Imada，Nature 407，608(2000))、二维光子 晶体微腔(参见Y.Akahane，T.Asano，B.S.Song，and S.Noda，Nature 425，944(2003))、二维光子晶体微腔激光器(参见O.Painter，R.K.Lee， A.Scherer，A.Yariv，J.D.O′Brien，P.D.Dapkus，and I.Kim，Science 284，1819(1999))、二维光子晶体面发射激光器(参见S.Noda，M. Yokoyama，M.Imada，A.Chutinan，and M.Mochizuki，Science293， 1123(2001))、LED光提取效率的改善(参见Hiroyuki Ichikawa， Toshihiko Baba，Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics，28p-ZF-8(2002))，等。
例如，根据Hiroyuki Ichikawa，Toshihiko Baba；Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics，28p-Z F-8(2002)，通过在LED (发光二极管)的光提取侧的表面上制备光子晶体，半导体中的光通过 避免全反射而被提取到空气中，从而使光的提取效率得到改善。然而， 在这种情况下，半导体部分被直接加工以制备光子晶体，结果，在 LED的活性层和包层中引入了缺陷。换句话说，光子晶体在发光元 件中并不总是产生优选的效果。
相反，通过在LED的光提取一侧上沉积本发明的含有Si-O的烃 膜，然后通过能量束照射在膜中设置折射率已受调制的结构，从而可 以在膜中制备二维光子晶体。通过合适地设计二维光子晶体中的折射 率已受调制的部分的尺寸和周期，可以避免从半导体中出来的光发生 全反射，因此可以改善LED的光提取效率。在这种情况下，由于未 对半导体部分进行加工，所以不会将缺陷引入到活性层和包层中，使 得光子晶体对于发光元件可以只产生优选的效果。
下面将参照表1至表4来描述本发明的各种实施例和各种对比 例。然而，本发明的范围当然不局限于这些例子。
表1示出了关于含有Si-O的氢化碳膜，采用等离子体CVD法 的各种成膜条件。表2示出了关于在表1中所示的各种成膜条件下 所形成的各种含有Si-O的氢化碳膜的各种组成和性能。表2还包括 用于对照的一些DLC膜的光学性能。表3示出了关于在表1和表2 中示出的各种光学膜，在室温下进行能量束照射的条件、当在各个条 件下制备折射率调制型衍射光学元件时的衍射效率和表面不平坦度、 以及其他的特别事项。表4示出了关于表3中示出的各种膜在能量 束照射之后的各种组成和性能。这些表中至少加括号的数值表示它们 超出了本发明的条件的范围。




在这些表中，通过RBS/HFS法来测定膜的组成，通过GIXR法 来测定密度，通过ESR法来测定自旋密度，通过椭圆偏振光谱测量 法来测定折射率和消光系数。另外，通过使用可见光波长为532nm 的激光，测定折射率调制型衍射光学元件的衍射效率，将其作为1 次衍射光强度与入射光强度的比值。然而，需要消除表面不平坦产生 的影响以便正确地评价折射率调制型衍射光学元件的衍射效率。换句 话说，需要消除由于膜与表面不平坦处的空气之间的折射率差异而引 起的衍射效率增加量。因此，将折射率约等于合成膜的折射率的匹配 油施加到合成膜上，然后在其上放置玻璃板。通过使用折射率约等于 合成膜的折射率的匹配油来覆盖表面的不平坦处，在不受到表面不平 坦的影响的条件下测定衍射效率。通过在AFM(表面原子力显微镜) 下进行测量来确定表面不平坦的尺寸(高度差异)。
在各种含有Si-O的氢化碳膜的合成中，通过在表1所示的压力 条件下将六甲基二硅氧烷(CH3)3SiOSi(CH3)3加入到抽空的反应室 中，并施加表1中示出的高频电力，在温度设定为表1所示温度的 玻璃基板上沉积厚度为约2μm的各个膜。表3中的能量束照射时间 均设定为1小时。下面将参照表1至表4来考察本发明中的各种条件、 效果等。
<对比例1、2>
首先，作为对比例1的DLC膜是优选的，因为其可以获得由能 量束(KrF准分子激光器)照射引起的折射率变化量Δn＝0.33这样 足够大的值(参见表4)。然而，在对比例1的DLC膜中，对于紫外光 区(波长为248nm)的消光系数在刚刚成膜后的状态下高达0.16，其不 小于0.15(参见表2)，并且在KrF准分子激光器照射后消光系数进一 步增加至0.25(参见表4)。结果，当使用在与对比例1相同的条件下 形成的DLC膜、并通过使用对比例2示出的KrF准分子激光器进行 干涉曝光来制备折射率调制型衍射光学元件时，在膜表面上产生320 nm这样非常大的不平坦度，并且，作为衍射效率，只可以获得非常 小的值(0.2％)(参见表3)。据认为，这种低的衍射效率是由于在下 列事实的影响下不能在膜的厚度方向上形成均匀的改性图案而引起 的，所述事实为：由于高的消光系数，起到改性光作用的紫外光无法 深深地透入膜中，并且表面不平坦成为不期望的散射和衍射的因素， 以及其他因素。
<实施例1-3>
实施例1和2示出了本发明的典型的和优选的含有Si-O的氢化 碳膜。在实施例1、2的各个含有Si-O的氢化碳膜中，发现对于波长 为520nm的光，刚刚成膜后的折射率落在本发明条件的范围内(即， 至少1.56到至多1.76)，对于波长为248nm的光的消光系数在更 优选的范围内(即小于0.12)(参见表2)，并且通过能量束(KrF准分 子激光器)照射后折射率和消光系数都降低(参见表4)。另外，在实施 例1和2的各膜中，对于可见光区的折射率变化量在至少0.10且至 多0.30的更优选范围内，并且消光系数不大于0.005，从而导致足够 的透明度(参见表4)。另外，在实施例1和2中，均发现在能量束照 射前和在能量束照射后膜的组成、密度和自旋密度都分别落在本发明 的上述优选条件的范围内(参见表2、表4)。
在实施例3(其中使用在与实施例1相同的条件下形成的含有 Si-O的氢化碳膜(参见表1)、并通过使用KrF准分子激光器进行干涉 曝光而制备折射率调制型衍射光学元件)中，衍射效率的值足够高 (22％)(参见表3)。这是因为实施例3中的膜对于波长为248nm的 激光的消光系数足够低，因此在膜的厚度方向上均匀地改变膜的性 能。另外在实施例3中，在紫外光照射后膜的表面不平坦度为有利的 较小的值(小于10nm)(参见表3)。
实施例1-3中的各个含有Si-O的氢化碳膜之所以对于紫外光区 (波长为248nm)能够具有足够低的消光系数值，是因为它们满足本发 明中开发的上述成膜方法的条件(参见表1)。
<对比例3-9>
在对比例3和4中含有Si-O的氢化碳膜的沉积条件与实施例1 和2中的条件类似，不同之处在于在成膜开始后不增加压力(参见表 1)。由对比例3、4与实施例1、2的比较可清晰地看出，通过在成膜 开始后直到至少3分钟的期间内以至少0.01托/分钟且至多0.02托/ 分钟的速度连续地增加压力(参见表1)，本发明首次成功地使对于紫 外光区的消光系数降低(参见表2)。发现除了对于紫外光区的消光系 数较高以外，对比例3和4中的各个含有Si-O的氢化碳膜具有良好 的性能，例如折射率、折射率变化量、对于可见光区的透明度(参见 表2、表4)。
在对比例5中，使用在与对比例4相同的条件下形成的含有Si-O 的氢化碳膜(参见表1)、并通过使用KrF准分子激光器进行干涉曝 光来制备折射率调制型衍射光学元件。在这种情况下，由于膜对于紫 外光区的消光系数较高，因此所获得的折射率调制型衍射光学元件的 衍射效率较低(5％)，并且在表面上具有60nm这样稍微较大的不 平坦度(参见表3)。
与在成膜过程中压力不发生改变的对比例3和4相比，对比例6 和7的各个含有Si-O的氢化碳膜在沉积时，其他的成膜条件(即， 基板温度和高频电力)均发生了改变(参见表1)。发现对比例6和7 中的各个含有Si-O的氢化碳膜除了对紫外光区的消光系数较高以 外，具有良好的性能，例如折射率、折射率变化量、对于可见光区的 透明度(参见表2、表4)。
对比例8的含有Si-O的氢化碳膜的沉积条件与实施例2中的条 件类似，不同之处在于在成膜开始之后压力增加的速度降低为0.008 托/分钟(参见表1)。发现在对比例8中，膜对于紫外光区的消光系数 也高达0.16，该值不小于0.15(参见表2)。
对比例9的含有Si-O的氢化碳膜的沉积条件与实施例2中的条 件类似，不同之处在于在成膜开始之后压力增加的时间降低为2分钟 (参见表1)。发现在对比例9中，膜对于紫外光区的消光系数也高达 0.15(参见表2)。
<实施例4-7>
实施例4、5与实施例3类似，不同之处在于能量束照射的条件 (所用的激光器的类型)发生改变(参见表3)。发现在实施例4和5 中，与实施例3一样，衍射效率均较高并且膜的不平坦度均较小(参 见表3)。
在实施例6中，在按照与实施例1的条件(参见表1)相同的沉积 条件所获得的含有Si-O的氢化碳膜上，通过拔起法(lift-off method) 使金掩模图案化，并且通过使用同步辐射(能量为50eV至3000 eV)(参见表3)进行曝光来调制膜的折射率。然后通过蚀刻法除去金掩 模，由此形成具有会聚可见光功能的折射率调制型衍射透镜。
在实施例7中，使用按照与实施例2中的含有Si-O的氢化碳膜 的成膜条件(参见表1)相同的成膜条件所获得的膜来制备折射率调制 型衍射光学元件，其中在实施例2中获得了相对较大的折射率变化量 Δn＝0.20(参见表4)。在这种情况下，在成膜后的三天内通过已知的 干涉曝光法并使用XeCl准分子激光器(波长为308nm)来照射膜(参见 表3)，然后进行折射率图案化，从而制得衍射光学元件。结果，获 得了62％这样非常高的衍射效率。在这种情况下，表面不平坦度也 为小于10nm这样非常小的值，这是有利的(参见表3)。
<对比例10、11>
对比例10涉及在能量束照射之前的含有Si-O的氢化碳膜，其 对于紫外光区(波长为248nm)的消光系数不小于0.15(参见表2)。对 比例10示出了成膜条件中的高频电力过于高于本发明的优选范围的 情况。在能量束照射前的含有Si-O的氢化碳膜中，密度不小于1.60 g/cm3，自旋密度不小于1.0×1020/cm3，对于可见光区(波长为520nm) 的折射率不小于1.85，并且对于可见光区的消光系数不小于0.005。 它们的所有数值均高于本发明的优选范围。
在对比例11中，使用按照与对比例10的含有Si-O的氢化碳膜 的成膜条件(参见表1)相同的成膜条件所获得的膜、并通过使用KrF 准分子激光器进行干涉曝光来制备折射率调制型衍射光学元件。在这 种情况下，由于膜对于紫外光区的消光系数较高，因此衍射效率低至 6％，并且表面不平坦度为50nm这样稍大的值(参见表3)。
<实施例8、9和对比例12、13>
实施例8、9示出了对应于本发明所需的成膜条件和各种性能的 范围的上限和下限时的情况。换句话说，实施例8表示在能量束照射 前的含有Si-O的氢化碳膜的折射率为1.84(其接近于所需要的上限 值1.85)时的情况，实施例9表示折射率为1.49(其接近于所需要的 下限值1.48)时的情况(参见表2)。在实施例8、9两种情况中，膜的 组成和各种性能均在本发明的所需条件的范围内(参见表2、表4)。
另一方面，对比例12表示膜对于紫外光区的消光系数为0.15(其 超出了本发明中所要求的条件范围的上限，即小于0.15)时的情况(参 见表2)，对比例13表示膜对于可见光的折射率为1.47(其小于本发 明所要求的下限值1.48)时的情况。对比例12、13的膜的这些性能 的值之所以分别稍微超出本发明所要求的条件范围的上限和下限，是 因为成膜条件偏离了本发明所需要的条件(参见表1)。具体而言，这 是因为在对比例12中，压力的增加速度超过了条件范围的上限，而 在对比例13中，高频电力低于条件范围的下限(参见表1)。发现，由 于偏离了成膜条件，膜的密度和自旋密度也落在了本发明所要求的条 件范围之外(参见表2)。
<实施例10>
在实施例10的成膜条件(参见表1)下沉积的含有Si-O的氢化碳 膜的数值，即，对于可见光区(波长为520nm)的折射率和对于紫外光 区(波长为248nm)的消光系数，接近于本发明的更优选范围的上限。 更具体而言，在能量束照射前的含有Si-O的氢化碳膜中，折射率为 1.76，对紫外光区的消光系数为0.11，折射率变化量为0.30(参见表 2，表4)。
<对比例14-16>
对比例14-16对应于基板温度偏离本发明的优选范围时的情况。 对比例14表示基板温度低至70℃时的情况(参见表1)。在这种情况 下，如表3中的特别事项栏中所示，沉积后的膜浑浊。由于浑浊引起 光的散射，因此对比例14的膜的表观消光系数高达0.21。对比例15 表示基板温度高达110℃时的情况(参见表1)。在这种情况下，如表3 中的特别事项栏中所示，沉积后的膜从基板上剥离。因此，可以认为， 过高的基板温度会引起膜的过度氧化，因此膜发生劣化并且剥离。对 比例16表示与对比例15类似基板温度也高达110℃时的情况。然而 与对比例15相比，对比例16使用的高频电力以及压力的增加速度均 降低。在对比例16中，含有Si-O的氢化碳膜的折射率变化量Δn小 至0.02。因此，可以认为，过高的基板温度会促进传质反应(移动) 并因此使膜稳定。
<实施例11>
在本发明的实施例11中，在与实施例1相同的条件(参见表1) 下、通过使用YAG激光器的4倍谐波(波长为266nm)光进行光束扫 描，在室温下，使用沉积在石英基板上的含有Si-O的氢化碳膜来制 备折射率调制型衍射光学元件。更具体而言，使用透镜将光束的直径 降低为0.3μm，在照射功率密度为35.0mW/mm2并且速度为0.5mm/s 的条件下进行光束扫描。此处，光束的直径是指在光束横截面的中心 处，其光强度不小于最大光强度的1/e的区域的直径，并且，沿着间 隔为0.5μm的平行线进行光束扫描。对这样制备的衍射光学元件的 衍射效率进行测定，测定结果示为3.1％的值。
<实施例12>
在本发明的实施例12中，对在与实施例2相同的条件(参见表 1)下沉积在石英基板上、并在室温下使用汞灯的光(波长为248nm， DUV射线(远紫外线))进行照射的含有Si-O的氢化碳膜的折射率变 化量进行测定。在这种情况下，照射功率密度设定为0.34mW/mm2， 通过改变照射时间来使照射能量密度在0.01MJ/m2至1.8MJ/m2的范 围内不同地变化。所测定的折射率变化量示于图45的图中。
在图45的图中，横轴表示由能量密度/面积(MJ/m2)表示的能量 束照射量，竖轴表示测得的折射率。由图中清晰可见，通过使用汞灯 的光线进行照射也可以改变(降低)含有Si-O的氢化碳膜的折射率。 此处，0.01MJ/m2的能量束照射使折射率仅仅降低0.01，而至少0.1 MJ/m2的能量束照射使折射率降低的变化量为至少0.04。可以预计， 利用这种较大的折射率变化量，以制备具有良好的性能的折射率调制 型衍射光学元件。
因此，在实施例12中，通过使用汞灯的光线照射含有Si-O的 氢化碳膜来制备折射率调制型衍射光学元件。具体而言，使用具有L &S(线条和空间)图案的光掩模以及DUV射线(波长为248nm)校准 器，通过使用汞灯的光线进行照射，从而按照相同的倍数将掩模图案 转印到在与实施例2相同的条件下沉积的含有Si-O的氢化碳膜上， 其中所述L&S图案包括宽度均为1.2μm的重复的线条(遮光部)和宽 度均为1.2μm的重复的空间(透光部)。在这种情况下，使用被设定 为0.34mW/mm2的照射功率密度、并且使用能量束照射量(通过改 变照射时间，该照射量在0.01MJ/m2至1.8MJ/m2的范围内不同地变 化)，来制备多个折射率调制型衍射光学元件。图46的图示出了由 此获得的衍射光学元件的衍射效率的评价结果。
在图46的图中，横轴表示能量束照射量(MJ/m2)，竖轴表示测 得的折射率。由图中清晰可见，也可以通过使用汞灯的光线照射含有 Si-O的氢化碳膜来制备折射率调制型衍射光学元件。此处，0.01 MJ/m2的能量束照射量仅仅提供至多0.2％的衍射效率。然而，至少 0.1MJ/m2的能量束照射量提供了衍射效率为至少2.0％并适于实用的 折射率调制型衍射光学元件。考虑到上述方面，当使用能量束照射含 有Si-O的氢化碳膜以制备折射率调制型衍射光学元件时，能量束照 射量优选为至少0.1MJ/m2。
在上述各实施例中制备的含有Si-O的氢化碳膜以及利用该含有 Si-O的氢化碳膜的衍射光学元件中，可以获得在常规的折射率变化 材料(例如掺Ge的石英玻璃或感光性聚合物)中不能获得的折射率 变化量。使用这种含有Si-O的氢化碳膜形成的衍射光学元件可以获 得在常规的衍射光学元件中不能获得的衍射效率。
<实施例13>
在根据本发明的实施例13中，在与实施例2相同的条件下，在 石英基板上合成厚度为2μm的含有Si-O的氢化碳膜。
图1示出了通过进行紫外线照射并且同时控制膜的温度来改变 这样获得的光学薄膜的折射率的方法的例子的示意性剖视图。具体而 言，将在基板1上合成的含有Si-O的氢化碳膜2放置在加热器3(例 如热板)上，然后在加热状态或非加热状态下使用紫外光4照射薄膜 2。
更具体而言，使用YAG激光器的4倍谐波(波长为266nm)光作 为照射光4以在空气中对薄膜2的整个面积进行曝光，从而改变薄膜 2的整个面积的折射率。同时，紫外光4的照射功率密度为12.5 mW/mm2。当进行紫外光照射时，将基板1上的薄膜2在热板3上控 制为各种温度。为了控制温度，设置这些条件：不加热；加热至60 ℃；以及加热至90℃。
图2中的图示出了当紫外光4的照射时间在三种基板温度下不 同地发生变化时，薄膜2的折射率变化。即，图的水平轴表示在用紫 外光4进行照射的过程中的时间(分钟)，垂直轴表示被紫外光照射后 的薄膜2的折射率。在图中，黑圈表示不加热时的情况，黑三角表示 加热至60℃时的情况，叉号表示加热至90℃。
由图2可见，与不使用热板3进行加热的情况相比，在进行加 热的情况下薄膜2的折射率更容易发生变化。另外，当加热温度为 60℃的情况与加热温度为90℃的情况相比时，发现直到紫外光4照 射的时间达到1分钟为止，在加热温度较高的90℃的情况下薄膜2 的折射率更容易发生变化。
图2中之所以不包括在加热至90℃下使用紫外光4进行照射的 时间达到或超过5分钟时的数据，是因为薄膜2从基板1上剥离，从 而不能评价折射率。由此清晰可见，在空气中过高的加热温度会导致 薄膜2从基板1上剥离，因此加热温度优选最高为90℃。
<实施例14>
在实施例14中，在与实施例1相同的条件下在石英基板上分别 合成厚度为1μm和2μm的含有Si-O的氢化碳膜。
对这些薄膜的每一者，使用KrF准分子激光器(波长为248nm) 作为照射光源通过已知的干涉曝光法来形成折射率调制的图案。换句 话说，在图1中，使用已穿过已知的相栅掩模(未示出)的干涉光4 来照射薄膜2。这样，形成了对于可见光具有分光功能的折射率调制 型衍射光学元件。在干涉曝光的过程中，在热板3上控制薄膜2的温 度。对于温度控制，设置两种条件：不加热；以及加热至200℃。在 功率密度为12.5mW/mm2、照射时间为120分钟的条件下在氮气气 氛中施加准分子激光4。
为了评价通过这种干涉曝光法而获得的折射率调制型衍射光学 元件的分光功能，通过使用具有波长为532nm的可见光的激光来测 定衍射效率(即1次衍射光强度与入射光强度的比值)。图3的图示 出了结果。
在图3的图中，水平轴表示薄膜的厚度(μm)，垂直轴表示通过 干涉曝光法而获得的折射率调制型衍射光学元件的衍射效率(％)。在 图中，黑圈表示在不加热的条件下进行干涉曝光的情况，白圈表示在 加热至200℃的条件下进行干涉曝光的情况。
在图3的图示出了在膜的厚度为1μm和膜的厚度为2μm这两 种情况下，与在不加热的条件下进行干涉曝光的薄膜相比，在加热至 200℃的条件下进行干涉曝光的薄膜具有更高的衍射效率。这是因为 对薄膜进行加热促进了折射率调制(即促进了薄膜的改性)。
在实施例14中，即使在高达200℃的温度下干涉曝光长达120 分钟也不会发生实施例13那样的薄膜剥离。这可以想到是因为在准 分子激光器照射的过程中，氮气气氛中的氧浓度较低，使得在薄膜中 难以进行氧化反应，从而抑制了薄膜的劣化。
当使用紫外光照射薄膜时，当然也可以使用稀有气体(例如氩 气)气氛来代替氮气气氛。
<实施例15>
在实施例15中，在与实施例2相同的条件下在石英基板上合成 厚度为2μm的含有Si-O的氢化碳膜。
使用XeCl准分子激光器(波长为308nm)光作为照射光4，通过 与实施例14类似的干涉曝光法在所获得的膜上形成折射率调制的图 案。这样，形成了对于可见光具有分光功能的折射率调制型衍射光学 元件。同时，在激光照射的过程中，在热板3上控制薄膜2的温度。 设置三种条件作为条件：不加热；加热至120℃；以及加热至200℃。 在功率密度为19.8mW/mm2、照射时间为30分钟的条件下在真空中 进行准分子激光照射。关于这样获得的折射率调制型衍射光学元件的 分光功能，图4示出了采用与实施例14相同的方法进行评价的结果。
在图4的图中，水平轴表示通过加热器的加热温度，垂直轴表 示通过干涉曝光法获得的折射率调制型衍射光学元件的衍射效率 (％)。由图可见，被加热并使用紫外光照射的光学元件的衍射效率高 于未被加热的光学元件的衍射效率。另外，发现，较高的加热温度会 引起较高的衍射效率。这是因为在紫外光照射过程中加热薄膜促进了 折射率调制(即薄膜的改性)。在实施例15中，与实施例14类似， 即使在高达200℃的温度下也未发生薄膜的剥离。这可以想到是因为 在准分子激光器照射的过程中，真空气氛中的氧浓度较低，因此在薄 膜中难以进行氧化反应，从而导致薄膜不发生劣化。
<实施例16>
在根据本发明的实施例16中，将保护层或/和透明材料板贴合在 形成于基板上的含有Si-O的氢化碳膜上。
(保护层)
该保护层是用于防止含有Si-O的氢化碳膜在光学改性时或在使 用该膜时与氧气或水反应。期望该保护层表现出这样的效果：能够起 到对于氧气和水的屏蔽膜的作用，并且防止元件从含有Si-O的氢化 碳膜的表面分离而且防止含有Si-O的氢化碳膜的表面发生烧蚀。然 而，据认为，该保护膜对于分子尺寸较小的氢气分子或原子尺寸较小 的氢原子具有相对较低的屏蔽作用。
更具体而言，氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜、 氧化钛膜、氧化钽膜、氟化镁膜或聚合物膜(含有碳和氢作为主要成 分)优选作为保护层。当在光学元件中包括这些膜时，这些膜中的每 一种均具有优异的对于氧气和水的高的屏蔽作用以及高的透明度。有 利的是，保护膜中不存在或存在很少的小孔和裂纹。
诸如等离子体CVD法、溅射法、真空蒸镀法或离子束辅助真空 蒸镀法之类的气相合成法可适用于形成保护膜。而且，对于一些聚合 物而言，保护膜可以通过旋涂法来形成。
更具体而言，氧化硅保护膜、氧化铝保护膜等可以通过等离子 体CVD法、溅射法、真空蒸镀法或离子束辅助真空蒸镀法等中的任 意一种方法来合成。氧氮化硅保护膜、氮化硅保护膜等可以主要通过 等离子体CVD法等来合成。氧化钛保护膜、氧化钽保护膜、氟化镁 保护膜等可以主要通过溅射法、真空蒸镀法、离子束辅助真空蒸镀法 等来合成。
当在含有Si-O的氢化碳膜进行改性之前形成保护膜时，可以在 改性时和在将氢化碳膜用于光学元件时都提供保护作用。然而，为了 仅提高在用作光学元件时的耐久性，也可以在改性时不使用保护膜而 在改性后形成保护膜。在改性前形成保护膜的情况下，为了不妨碍改 性，对保护膜的材料和厚度有一些限制。另一方面，在改性后形成保 护膜的情况下，则不存在这种限制。注意后面将详细地描述在含有 Si-O的氢化碳膜进行改性之前形成保护膜的情况下保护膜的厚度。
在改性之前形成保护膜的情况下，通常优选的是，在不将下面 的含有Si-O的氢化碳膜取出到空气中的条件下连续地形成保护膜。 这是因为如果将下面的含有Si-O的氢化碳膜取出到空气中，那么保 护膜中易于形成缺陷(例如小孔)。然而，这不适用于使用旋涂法等 形成聚合物等的涂层的情况。
(透明材料板)
结合在含有Si-O的氢化碳膜上的透明材料板可以不受任何特别 的限定，只要其可以阻挡氧气和水并且允许光透过即可。通常，玻璃 类材料优选用于透明材料板。这是因为玻璃类材料相对廉价并且对于 氧气和水具有优异的阻挡作用。另外，涂敷有无机透明材料的树脂板 也可以用作透明材料板。
透明材料板的厚度优选为至少10μm。这是因为这种厚度的透 明材料板对于氧气和水具有高的阻挡作用并且易于处理。
使用粘合剂(例如，热固性粘合剂、紫外光固化型粘合剂、可 见光固化型粘合剂等)将透明材料板直接固定在含有Si-O的氢化碳 膜上或者固定在含有Si-O的氢化碳膜的保护膜上。优选的是，这种 用于结合的粘合剂对氧气和水也具有低的渗透性，并且还优选的是粘 合剂层的厚度可以制得较小。
与保护膜一样，如果在含有Si-O的氢化碳膜进行改性之前结合 透明材料板，那么透明材料板可以在改性时和在用作光学元件时都提 供保护作用。然而，为了只提高在用作光学元件时的耐久性，通常优 选在改性之后才结合透明材料板，这是因为在改性时透明材料板可能 不允许能量束穿过或者透明材料板本身可能被能量束降解。需要注意 的是，将这种透明材料板和保护膜一起使用可以进一步增强保护作 用。
在使用电磁波作为能量束照射含有Si-O的氢化碳膜以改变膜的 性能的情况下，保护膜的厚度优选大于0.02μm且小于10μm。这是 因为如果厚度至多为0.02μm，那么对于氧气和水的屏蔽作用不充分， 并且如果厚度至少为10μm，那么保护层中往往出现裂纹。最小厚度 更优选为大于0.05μm，甚至更优选为大于0.1μm。最大厚度更优选 为小于5μm，甚至更优选为小于3μm。
另外，在使用粒子束作为能量束照射含有Si-O的氢化碳膜以改 变膜的性能的情况下，可以施加电子束、离子束和中子束中的任一种。 然而，由于电子束往往在固体中发生散射和扩散，所以不易通过电子 束以窄而深的图案进行光学改性。由于中子束的能量水平和密度无法 高度控制，所以其不易处理。离子束的能量水平和密度具有优异的可 控性，并且其适合于使用相对轻质的元素(例如氢或氦)以窄而深的 图案进行改性。
在通过粒子束进行的改性中，保护膜的厚度优选大于0.02μm 且小于1μm。这是因为如果厚度至多为0.02μm，那么对于氧气和水 的屏蔽作用不充分，并且如果厚度至少为1μm，那么粒子束难以到 达含有Si-O的氢化碳膜。最小厚度更优选为大于0.05μm，甚至更优 选为大于0.1μm。最大厚度更优选为小于0.5μm，甚至更优选为小 于0.2μm。
另外，从保护膜的消光系数相对于波段(在该波段内使用光学 元件)的关系考虑，保护膜的厚度也应该具有一定的优选范围。这是 因为膜的透光率取决于膜的厚度和消光系数。保护膜的消光系数优选 小于5×10-3，更优选小于1×10-3，甚至更优选小于5×10-4。通常，在 与保护膜的内部透射率的关系方面，膜的厚度优选为使得可以获得大 于80％的内部透射率，更优选为使得可以获得大于95％的内部透射 率，甚至更优选为使得可以获得大于99％的内部透射率。
另一方面，在使用可见区至紫外光区的光(电磁波)进行照射以对 含有Si-O的氢化碳膜进行光学改性的情况下，在保护膜的透射率对 于波长的关系方面，膜的厚度优选为使得可以获得大于40％的透射 率，更优选为使得可以获得大于60％的透射率，甚至更优选为使得 可以获得大于80％的透射率。
(改性温度)
在使用能量束照射含有Si-O的氢化碳膜以进行改性时，基板温 度可以是任意温度。例如，在基板温度处于室温的状态下进行改性时 不需要控温装置，因此从工序的简便性和降低成本的观点考虑是优选 的。然而，实际上，由于能量束照射，看起来改性部分附近的基板温 度往往高于室温。由于在能量束照射时，基板温度会影响含有Si-O 的氢化碳膜的物理性能，因此优选的是，积极地调节基板温度以提高 改性的可控性。
更具体而言，如上所述，当在改性时将含有Si-O的氢化碳膜保 持在较高温度下时，改性速率变高。另一方面，如实施例16那样在 含有Si-O的氢化碳膜的表面设置保护层的情况下，含有Si-O的氢化 碳膜的改性速率往往变得较低。因此，当设置有这种保护层时，使用 通过提高基板温度来提高改性速率的方法是有效的。具体而言，基板 温度优选高于80℃且低于400℃，更优选高于100℃且低于250℃， 甚至更优选高于120℃且低于220℃。
注意，尽管从提高改性速率的观点考虑，高的基板温度是优选 的，但是从含有Si-O的氢化碳膜的变色、改性的可控制性等观点考 虑，过高的基板温度会引起不利的影响。顺便提及，在加热基板时， 除了采用通常的加热器来加热之外，采用包括波长为至少3μm的光 的红外线来加热也是有效的。
更具体而言，在实施例16中，在与实施例2相同的条件下在石 英基板上形成厚度为1.5μm的含有Si-O的氢化碳膜，从而制得样品 1A。
采用磁控管溅射法在样品1A上形成厚度为0.1μm的SiO2保护 膜，从而制得样品1B。
另外，使用可见光固化型粘合剂将厚度为0.05mm的玻璃板结 合在样品1B上，从而制得样品1C。
使用波长为至多400nm的光将样品1A-1C照射500小时，其中 所述光从100W的氙气灯的光中提取并会聚。此后，检查样品1A-1C 对于波长为460nm的蓝色光的透过量的变化。结果，样品1A的透 过量增加了7％，样品1B和1C的透过量分别增加了约2％和约0.5％。 这意味着其上贴合有SiO2保护膜的样品1B以及进一步结合有薄的玻 璃板的样品1C的透过量的变化较小。
<实施例17>
在实施例17中，在与实施例2相同的条件下在石英基板上形成 膜厚度为2μm的含有Si-O的氢化碳膜，从而制得样品2A。
使用凹凸的周期为1μm的石英掩模，利用准分子激光器(XeCl)， 通过在空气中干涉曝光，由样品2A的图案形成折射率已受调制的结 构。
随后，通过磁控管溅射法在样品2A上形成厚度为0.1μm的SiO2 保护膜，从而制得样品2B。
另外，使用可见光固化型粘合剂将厚度为0.1mm的石英板结合 在样品2B上，从而制得样品2C。
已经证实，尽管这样获得的样品2A起到衍射光栅的作用，但是 在使用1年后其衍射效率下降5％。另外，已经证实，样品2B和2C 起到衍射光栅的作用，在使用1年后样品2B的衍射效率下降2％， 在使用1年后样品2C的衍射效率未改变。
<实施例18>
本发明的实施例18涉及一种平板型微透镜。平板型微透镜可用 于各种光学领域。例如，在光学通信领域中其可优选用作在LD(激光 二极管)和光纤之间的用于光学耦合的聚光镜。另外，平板型微透镜 阵列可优选用作投影仪中的聚光镜阵列。
常规来说，作为微透镜，主要使用折射型微透镜。然而，近年 来，从降低光学系统的尺寸、重量、成本等的观点考虑，衍射型微透 镜受到关注。衍射型微透镜利用光的衍射现象来发挥透镜功能。衍射 型微透镜可大致分为浮雕型(或膜厚度调制型)微透镜和折射率调制 型微透镜。浮雕型微透镜通常具有这样的结构：在透明基板的表面上 形成多个微细的同心环状凹槽，并且这些凹槽的深度(即基板的厚度) 周期性地改变。相反，折射率调制型微透镜通常具有这样的结构：平 板状基板被分为多个微细的同心带状环区域，并且这些区域的折射率 周期性地改变。
透明基板的厚度或折射率周期性地改变导致穿过基板的光的相 位周期性地改变，从而引起与衍射光栅类似的光衍射效应。随着衍射 光栅的栅距的减小，穿过衍射光栅的光的衍射角增大。因此，与凸透 镜的情况类似，随着同心圆的中心到外周的距离的增加，使同心衍射 光栅的栅距减小，由此可以使穿过衍射光栅的光会聚。相反，与凹透 镜的情况类似，随着同心圆的中心到外周的距离的增加，使同心衍射 光栅的栅距增加，由此可以使穿过衍射光栅的光扩散。
图10示出了制备常规的浮雕型微透镜的方法的例子的示意性剖 视图(非专利文献1＂Technique of Ultraprecision Machining and Mass Production of Microlens(Array)＂，由TECHNICAL INFORMATION INSTITUTE CO.，LTD.出版，April 28，2003，第20-21页和第71-81页)。 图11的示意性平面图中示出了在图10所示的制备浮雕型微透镜的方 法中使用的曝光掩模。
在图10(a)中，在Si基板11上形成正型光抗蚀剂层12，并使用 紫外光14a穿过第一光掩模13进行照射。如图11(a)所示，第一光掩 模13具有同心带状环图案，随着同心圆的中心到外周的距离的增加， 环之间的栅距减小。为了图的清楚和简洁，尽管在图11(a)中只示出 了两个透明环，但是毫无疑问实际上可以包括更多的环。
在图10(b)中，曝光后的抗蚀剂层12被显影，从而形成第一抗 蚀剂图案12a。使用第一抗蚀剂图案12a作为掩模，通过由箭头14b 所表示的反应性离子蚀刻(RIE)来形成带状凹槽环，其中每个环均具 有指定的深度。
在图10(c)中，除去第一抗蚀剂图案12a，从而获得二元水平(光 的相位被调制为两个水平)的浮雕型微透镜11a。设定每个带状凹槽 环的宽度和深度，使得在两水平或多水平的浮雕型微透镜中获得最优 选的衍射效率。
图10(d)-(f)示出了在与图10(a)-(c)类似的方法之后，制备四水平 的浮雕型微透镜的方法。
在图10(d)中，在Si基板11a(其是通过采用与直到图10(c)的 方法类似的方法而形成的)的上表面上进一步形成第二抗蚀剂层15， 使用紫外光14c穿过第二掩模16进行照射。图11(b)示出了第二掩模 16的示意性平面图。由图11(a)和(b)可见，第二掩模16的带状透明 环为第一掩模13的带状透明环的两倍。换句话说，第二掩模中的带 状透明环和带状非透明环的宽度分别约为第一掩模中的带状透明环 和带状非透明环的宽度的二分之一。
在图10(e)中，曝光后的第二抗蚀剂层15被显影，从而形成图 中所示的第二抗蚀剂图案15a。使用第二抗蚀剂图案15a作为掩模， 通过由箭头14d所表示的RIE来进一步蚀刻至指定的深度。
在图10(f)中，除去第二抗蚀剂图案15a，从而获得可引起四水 平相变的浮雕型微透镜11b。在多水平的衍射型透镜中获得的衍射效 率和聚光效率均比两水平的衍射型透镜中获得的衍射效率和聚光效 率高。重复N次上述的光刻法和RIE法，可以制备2N-水平的浮雕型 微透镜。理论上，使用具有无限次水平的衍射透镜可以获得100％的 衍射效率。然而，这种透镜需要增加制备工序的次数并增加成本，因 此实际上，可引起95％的衍射效率的8水平的衍射型透镜就足够了(这 可以通过重复上述过程N＝3次来制备)。
在浮雕型微透镜的情况中，凹槽必须通过在透明基板中进行蚀 刻来雕刻，因此基板应该具有足以允许凹槽雕刻的较大厚度。此外， 不易精确地调节由蚀刻法所雕刻的凹槽的深度。另外，浮雕型微透镜 在其表面上具有微小的凹凸，因此也存在着灰尘和污染物易于附着在 透镜上的问题。
考虑到这种浮雕型微透镜中存在的问题，日本专利公开No. 2005-202356(专利文献5)提出了使用这样的DLC膜，其中该膜的 折射率可以通过使用能量束(例如紫外线或离子束)照射来增加，从 而可以以更容易的方式和更低的成本来提供机械上和热学上稳定的 并可适用于各种光学领域的平板型微透镜。
尽管通过使用紫外线等照射可以增加DLC膜的折射率，但是如 上所示，折射率的增加容易引起消光系数的增加，从而难以在DLC 膜的厚度方向上均匀地增加折射率。另外，在所制备的折射型光学元 件和折射率调制型衍射光学元件中，高折射率区域中的高消光系数意 味着光难以透过相关的区域，从光的利用效率和衍射效率的观点考 虑，这不是优选的。
因此，实施例18提供了这样的平板型微透镜，该平板型微透镜 是使用与DLC膜相比性能更优异的含有Si-O的氢化碳膜而制备的。
图5示出了制备实施例18中的折射型微透镜阵列的方法的示意 性剖视图。
在图5(a)中，在含有Si-O的氢化碳膜21上形成掩模层22。对 于掩模层22，可以使用各种具有能够限制能量束23的透射的功能的 材料。例如，掩模层的材料可以选自金、铬、镍、铝、钨等，从而可 以相对于掩模层来设计能量束的透射量，由此进行优化。掩模层22 具有设置为阵列的微小凹部22a。每个凹部22a的下表面均由约呈球 形表面的一部分构成或由约呈圆柱形表面(圆柱形表面的中心轴与图 的纸平面正交)的一部分构成。穿过具有凹部22a的阵列的掩模层 22，能量束23被施加到含有Si-O的氢化碳膜21。
在图5(b)中，在使用能量束23照射后除去掩模层22，从而获得 在含有Si-O的氢化碳膜21中形成的微透镜阵列21a。具体而言，通 过使用能量束23照射，在含有Si-O的氢化碳膜21中形成对应于掩 模层22中的凹部22a阵列的低折射率区域的阵列21a。同时，掩模 层22中的每个凹部22a的下表面均由球形表面或圆柱形表面构成， 因此从每个凹部22a的中心向外周，掩模层的厚度增加。换句话说， 与每个凹部22a的外周部相比，能量束23更可能透过其中心部分。 因此，低折射率区域21a具有球形或圆柱形凸透镜的形状，其中中心 部分的深度较大而外周部分的深度较小。因此，每个低折射率区域 21a本身可起到单一一个微透镜的作用。然而，具有凸起形状的微透 镜21a具有低的折射率，因此起到光漫射透镜的作用。
当如图5(a)中所示通过能量束23来制备微透镜阵列时，可以通 过调节由约呈球形或圆柱形表面构成的凹部22a的深度来调节厚度 并由此可以调节微透镜21a的焦距。即使当凹部22a的深度未改变时， 也可以通过改变所施加的能量束23的透射能力来调节微透镜21a的 焦距。例如，当使用He离子束作为能量束23时，可以通过增加He 离子的加速能量(即增加He离子的透射能力)来减小微透镜21a的 焦距。此外，照射含有Si-O的氢化碳膜的能量束23的剂量越高，引 起的折射率变化量Δn越大，因此也可以通过调节剂量来调节微透镜 21a的焦距。
图5(c)示出了另一形式的微透镜阵列的示意性剖视图。微透镜 21b具有穿透含有Si-O的氢化碳膜21的圆柱形区域或带状区域。在 微透镜21b为圆柱形时，其中心轴21c与含有Si-O的氢化碳膜21的 厚度方向平行，并且越接近于中心轴21c折射率被设定得越低。在微 透镜21b为带状时，延伸并穿过微透镜的宽度方向的中心的中心面 21c(其与图的纸平面正交)与含有Si-O的氢化碳膜21的厚度方向 平行，并且越接近于中心面21c折射率被设定得越低。
图5(c)中的微透镜阵列也可以通过与图5(a)中的方法类似的方 法来形成。换句话说，通过施加可以透入到掩模层22的薄区域和含 有Si-O的氢化碳膜21中的高能量束23，在接近于中心线或中心面 21c的区域中施加高剂量的能量束，从而使得折射率大大降低。
可以使用各种方法来制备如图5(a)所示的掩模层22(其包括下 表面由约呈球形或圆柱形的表面构成的凹部22a)。例如，在含有Si-O 的氢化碳膜21上形成具有均匀厚度的掩模层22，从而在其上形成抗 蚀剂层，所述抗蚀剂层具有以阵列方式设置的微小小孔或者彼此平行 设置的线性开口。通过穿过抗蚀剂层中的微小小孔或线性开口进行各 向同性蚀刻，可以在微小小孔下面的掩模层22中形成约呈半球形或 约呈半圆柱形的凹部22a。
还可以使用冲压模具来容易地制备如图5(a)所示的掩模层22 (其包括下表面由约呈球形或圆柱形的表面构成的凹部22a)，其中 所述冲压模具可以通过图6的示意性剖视图中示出的方法来制备。
在图6(a)中，在(例如)二氧化硅基板31上形成抗蚀剂图案32。 抗蚀剂图案32形成在基板31上的以阵列方式设置的多个微小圆形区 域上、或者形成在基板31上的彼此平行设置的多个薄的带状区域上。
在图6(b)中，将抗蚀剂图案32加热并熔融。由于表面张力，在 微小的圆形区域或薄的带状区域上已熔融的抗蚀剂32转化为由约呈 球形或圆柱形表面构成的凸透镜形状32a。
在图6(c)中，当对二氧化硅基板31a和约呈凸透镜形状的抗蚀 剂32进行RIE时，通过RIE，二氧化硅基板31a被蚀刻，同时抗蚀 剂32b的直径或宽度减小。
结果，如图6(d)中所示，最后获得这样的二氧化硅冲压模具31c， 其上设置有由约呈球形或圆柱形表面构成的凸部31b。可以通过调节 图6(c)中的抗蚀剂32b的蚀刻速率和二氧化硅基板31a的蚀刻速率的 比例来调节凸部31b的高度。
这样获得的冲压模具31c可优选用于制备如图5(a)所示的具有 凹部22a的掩模层22。具体而言，如果掩模层22由金材料形成，例 如，由于金具有优异的延展性，因此使用冲压模具31c来冲压金掩模 层22，从而可以容易地形成凹部22a。另外，一旦制得冲压模具31c， 其可以重复使用，因此，与通过蚀刻法在掩模层22中形成凹部22a 时的情况相比，可以以更容易的方式和更低的成本来形成凹部22a。
图7示出了制备实施例18中的另一种折射型微透镜阵列的方法 的示意性剖视图。
在图7(a)中，与图5(a)的情况类似，在含有Si-O的氢化碳膜21 上形成掩模层22。然而，该掩模层22具有凸部22b而不是图5(a)中 的凹部22a。各凸部22b的上表面均由约呈球形表面的一部分或约呈 圆柱形表面(圆柱形表面的中心轴正交于图的纸平面)的一部分构 成。穿过具有凸部22b阵列的掩模层22，能量束23被施加到含有 Si-O的氢化碳膜21上。
在图7(b)中，在使用能量束23照射之后除去掩模层22，从而获 得在含有Si-O的氢化碳膜21中形成的微透镜阵列21b。具体而言， 通过使用能量束23照射在含有Si-O的氢化碳膜21中形成对应于掩 模层22中的凸部22b阵列的低折射率区域21a。同时，掩模层22中 的每个凸部22b的上表面均由球形表面或圆柱形表面构成，因此从每 个凸部22b的中心向外周，掩模层的厚度降低。换句话说，与每个凸 部22b的外周部相比，能量束23更可能透过其中心部分。因此，中 心部分的低折射率区域21a的深度较小而外周部分的深度较大。透镜 区域21d保持着含有Si-O的氢化碳膜21在其形成时的初始折射率。 换句话说，透镜区域21d具有球形或圆柱形凸透镜的形状，并且折射 率相对较高的各个区域21d本身可以起到单一一个微透镜的作用。注 意的是，微透镜21d具有相对较高的折射率，因此起到聚光镜的作用。
图7(c)示出了实施例18中的又一种微透镜阵列的示意性剖视 图。该微透镜21e具有穿透过含有Si-O的氢化碳膜21的圆柱形或带 状区域。在微透镜21e为圆柱形形状时，其中心轴21c与含有Si-O 的氢化碳膜21的厚度方向平行，并且越接近于中心轴21c折射率被 设定得越高。在微透镜21e为带状形状时，穿过宽度方向的中心的中 心面(其与图的纸平面正交)21c与含有Si-O的氢化碳膜21的厚度 方向平行，并且越接近于中心面21c的位置处的折射率越高。
图7(c)中的微透镜阵列也可以按照与图7(a)类似的方式来形成。 具体而言，通过使用能够透入掩模层22的薄区域和含有Si-O的氢化 碳膜21的高能量束23进行照射，距离中心轴或中心面21c越远的区 域，越使用剂量更高的能量束来照射，因此其折射率进一步降低。
图8(a)的示意性平面图和图8(b)的示意性剖视图示出了实施例 18中的又一个微透镜(其为衍射型微透镜)。与折射型微透镜相比， 衍射型微透镜可被制得更薄。可以在厚度为约1-2μm的含有Si-O的 氢化碳膜中制备衍射型微透镜。换句话说，该衍射型微透镜40也是 使用含有Si-O的氢化碳膜41制备的，并且包括多个同心带状环区域 Rmn。此处，参考标记Rmn表示第m个环带中的第n个带状环区域， 也表示从同心圆的中心到相关的带状环区域的外周的半径。与另一个 更接近于中心的带状环区域Rmn相比，一个更远离同心圆的中心的 带状环区域Rmn具有更窄的宽度。换句话说，图8的衍射型微透镜 起到聚合透镜的作用。然而，可以理解到，如果与另一个更接近于中 心的带状环区域Rmn相比，一个更远离同心圆的中心的带状环区域 Rmn具有更大的宽度的话，该衍射型微透镜可以起到发散透镜的作 用。
彼此相邻的带状环区域Rmn具有彼此不同的折射率。如果图8 中的衍射型微透镜为两水平的衍射型透镜，那么其包括第1至第m＝3 个环带，每个环带均包括第1至第n＝2个带状环区域。在相同的环 带中，内侧的带状环区域的折射率高于外侧的另一个带状环区域的折 射率。
从上面的内容可以预计到，四水平的衍射型透镜在一个环带中 包括第1至第n＝4个带状环区域，在这种情况下，在相同的环带中 更接近于同心圆的中心的带状环区域具有更高的折射率。即，在单一 一个环带中，形成了从内侧向外侧四个水平变化的折射率。每个环带 的这种四水平的折射率改变的周期总共重复m次。
可以由衍射理论(包括标量近似)根据下列表达式(1)来设定带 状环区域Rmn的外周半径。在表达式(1)中，L表示透镜的衍射水平， λ表示光的波长，并且f表示透镜的焦距。最大折射率变化量Δn应该 是可以引起最大的相位调制幅度Δφ＝2π(L-1)/L的量。
[表达式1]
$\mathrm{Rmn}=\sqrt{\frac{2\mathrm{mnf\lambda }}{L}+{\left(\frac{\mathrm{mn\lambda }}{L}\right)}^2}---\left(1\right)$
图9示出了制备图8所示的两水平的衍射型微透镜的方法的例 子的示意性剖视图。
在图9(a)中，例如，通过已知的EB(电子束)蒸镀法在含有Si-O 的氢化碳膜41上形成Ni导电层42。在该Ni导电层42上形成抗蚀 剂图案43，从而覆盖对应于图4中的n＝1的带状环区域Rmn(m＝1 至3)。通过电镀法在抗蚀剂图案43的各开口中形成金掩模44。
在图9(b)中，除去抗蚀剂图案43以留下金掩模44。使用能量束 45通过金掩模44的开口来照射含有Si-O的氢化碳膜41。结果，使 用能量束45照射后的带状环区域Rm1的折射率降低，而能量束45 被掩蔽了的带状环区域Rm2保持着含有Si-O的氢化碳膜的初始折射 率。换句话说，可以获得如图8所示的两水平的衍射型微透镜。将使 用能量束照射后的金掩模在室温下在氰类蚀刻剂中浸渍约数分钟，从 而掩模被重新溶解而除去。
尽管在图9所示的实施例中，掩模层形成在各个含有Si-O的氢 化碳膜上，但是也可以使用独立的掩模并使用能量束照射含有Si-O 的氢化碳膜，其中所述独立的掩模具有与图11(a)中所示的掩模的开 口和阻挡部分相反的开口和阻挡部分。另外，可以理解到，通过使用 独立的掩模(其具有与图11(b)中所示的掩模的开口和阻挡部分相反 的开口和阻挡部分)并使用能量束来进一步照射含有Si-O的氢化碳 膜，可以形成四水平的衍射型微透镜。在这种情况下，也可以理解到， 与图10中示出的制备浮雕型微透镜的方法相比，通过使用能量束照 射含有Si-O的氢化碳膜来形成衍射型微透镜的方式十分简便。
另外，通过使用具有图10(f)中所示形状的冲压模具而不是图6(d) 中所示的冲压模具，将金掩模层压在含有Si-O的氢化碳膜上，然后 穿过压制后的金掩模层进行能量束照射，可以使用一次能量束照射来 制备多水平的衍射型微透镜。
尽管在上述衍射型微透镜的例子中已经描述了对应于折射型透 镜的球形凸透镜的衍射型微透镜，但是可以理解到，本发明也适用于 对应于折射型透镜的柱形凸透镜的衍射型微透镜。在这种情况下，可 以形成多个彼此平行的折射率调制的带状区域，而不是多个折射率调 制的同心带状环区域。在这种情况下，例如在图8(b)的剖视图中，多 个彼此平行的折射率调制的带状区域垂直于图的纸平面而延伸。另外 在这种情况下，图9(b)中的金掩模44也可以垂直于图的纸平面而延 伸。
注意的是，也可以不仅只在基板上、而且在其它部件(例如激 光二极管或透镜)上直接形成含有Si-O的氢化碳膜。在这种情况下， 含有Si-O的氢化碳膜可被用作折射率调制型元件，其与其它部件整 体发挥功能以控制激光的光路、校正透镜的偏差等。
<实施例19>
本发明的实施例19涉及一种光学信息记录介质。目前，已知 CD(紧凑式光盘)和DVD(多功能数码光盘)为市售的光学信息记录介 质的典型例子。然而，在今天的高度信息化社会中，仍需要进一步增 加光学信息记录介质的记录密度。在光学信息记录介质中，可以通过 降低用于记录和再现的光束的波长来增加记录密度。从该观点考虑， 近年来开发了使用蓝色激光进行记录的蓝色光盘并投入实用中。然 而，用于记录的激光的波长只能在有限的范围内降低，因此人们尝试 了其他各种记录方式来增加光学信息记录介质的记录密度(参见非专 利文献2：OPTRONICS，(2001)，No.11，第149-154页)。
众所周知，在目前使用的只能用于再现的音乐CD中，通过使 用压模在塑料基板上形成凹坑(微小凹痕)图案来在其上记录信息。对 于一个凹坑而言，表示1或0的1比特数据被记录为存在或不存在凹 坑。基于读取激光的反射光强度的差异来确定凹坑信息为1或0。换 句话说，如在通常使用的CD中那样，当使用0或1进行二进位记录 时，仅有两种凹坑深度存在，包括表示没有凹坑形成的0深度。
因此，人们试图通过在多个水平下改变凹坑的深度来使多值化 光盘商品化。例如，如果提供包括0深度在内的四种凹坑深度，那么 读取光束的反射率取决于凹坑的深度而发生变化，因此，如图15中 的图所示，可以从在读取光的扫描方向上排列的多个凹坑中获得四种 反射率。换句话说，一个凹坑可以表示0、1、2和3中的任一数值， 这与一个凹坑中可以记录2比特信息的特征等同。
另外，人们尝试使全息存储器商品化(参见非专利文献3：O plus E，Vol.25，No.4，2003，第385-390页)。全息存储器理论上可以在三 维记录介质中记录三维信息。在使用这种全息存储器时，可以以叠置 的方式记录许多页的二维数据。二维数据可以以单页为基础来记录和 再现。
图16和图17中的示意性透视图分别示出了在全息记录介质上 记录信息的方法的例子以及使所记录的信息再现的方法的例子。作为 用于这种全息记录介质的材料，使用通过光照射其折射率可以得到提 高的掺杂铁的铌酸锂(Fe：LiNbO3)、感光性聚合物等。
如图16中所示，在记录信息时，例如，包含二维数字数据132 的信息的物体光133通过透镜134被投射到全息记录介质131上。同 时，相对于物体光133成指定角度的对照光135被投射到全息记录介 质131上。通过均投射到全息记录介质131上的物体光133和对照光 135之间的干涉而形成的全息图作为全息记录介质131中的折射率变 化而被记录。换句话说，每次全息记录介质131中可以记录一页数字 数据132。
如图17所示，在所记录的数据被再现时，只有在记录时所用的 对照光135被施加到全息记录介质131。由记录介质131中的全息图 的衍射而引起的再现光136通过投影透镜137被投射到二维成像元件 (例如CCD(电荷耦合器件))上作为再现的图案138。
在这种全息记录介质131中，可以通过改变对照光135的照射 角度或波长而以叠置的方式来记录不同页的数据。通过使用条件与用 于记录的对照光的条件相同的对照光作为读取光，可以单独地使记录 在各页上的数据再现。在上述全息存储器中，还可以记录和再现二维 图像(例如作为页数据的图或照片)。
另外，日本专利公开No.11-345419(专利文献6)和 OPTRONICS，(2001)，No.11，第143-148页(非专利文献4)均公开了 具有下列结构的层叠波导全息存储器，在所述结构中，单模式平面型 波导被堆叠在一起。
图18示出了专利文献6中公开的层叠波导全息存储器的例子的 示意性剖视图。该层叠波导全息存储器包括夹置于多个包层111-1、 111-2、...、111-n之间的多个核心层112-1、112-2、...、112-n-1。每 个由包层/核心层/包层构成的叠置单元对于使用的激光113的波长起 到单模式平面型波导的作用。在单平面波导上，可以记录一页二维数 据。通过透镜114引入激光113的平面波导的端面被制成反射表面 115，该反射表面与波导的平面表面成45度角。
如果要读出记录在特定的平面波导中的页信息，再现用的激光 113借助于(柱形)透镜114而聚焦在特定平面波导的反射线118(在与 图18的页平面正交的方向上延伸)上。从反射线118导出并导入到平 面波导中的光116以平面的方式在波导中传播，并且被光散射元件 (全息图)119部分地散射。在这种情况下，如果光散射元件具有周期， 那么存在这样的方向，沿着该方向从各光散射元件中散射的光的相位 一致，使得导波光116沿着相关的方向前进，并离开了作为衍射光 117的平面波导，从而形成全息图像120。通过由CCD等来捕获全息 图像120，可以读取信息。此时，全息图像120以衍射光117(其与 波导平面成特定角)的形式出现，因此可以在不需要投影透镜的条件 下投射到CCD上。
通过使用透镜114来调节激光113的焦点位置，从而改变平面 波导(光通过该平面波导进行传播)，可以单独地读出记录在各平面 波导中的页信息。对应于所需的信息的光散射元件119的图案可以通 过计算机来确定(参见非专利文献4)。
图19示出了制备图18所示的层叠波导全息存储器的方法的例 子的示意性剖视图。在该制备方法中，例如，厚度为8μm的紫外线 固化型树脂层122被旋涂在玻璃基板121上，然后通过使用紫外线 123照射来固化。紫外线固化性树脂层122起到包层的作用。
例如，厚度为1.7μm的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)层124被旋 涂在紫外线固化性树脂层122上。例如，使周期为0.46μm、呈线条 分割形式的并且具有凹凸图案的辊125在PMMA层124上滚动，使 得凹凸图案被转印到PMMA层124上。PMMA层124起到核心层的 作用。在核心层的表面上形成的凹凸图案起到周期性光散射元件的作 用，它们的图案主要由计算机根据待记录的信息来确定。
重复上述四个步骤(包括：涂敷紫外线固化性树脂层/使用紫外 线曝光/涂敷PMMA层/使用辊)10次，然后，最后再进行一次涂敷 紫外线树脂层和使用紫外线曝光。这样，可以制备层叠波导全息存储 器，其中堆叠了10个平面型波导。
在上述多值化光盘中，不容易使用压模来精确地调节微小凹坑 的多水平深度。换句话说，不容易制备这样的多值化光盘，在该光盘 中，基于微小凹坑的多水平深度的变化而产生的反射率可以在多水平 上精确地被感知。
在上述全息存储器中，铌酸锂或感光性聚合物被主要用作记录 材料。然而，由铌酸锂制备的全息存储器具有低的光学敏感度和窄的 动态记录范围。另外，由铌酸锂制备的全息存储器需要高的成本并且 存在再现质量劣化的问题(即，由于反复的读取操作而引起的记录消 失)，因此具有短的寿命。另一方面，感光性聚合物引起记录前后体 积缩小的问题。换句话说，当记录材料膨胀或缩小时，全息图中的衍 射光栅的栅距发生改变，从而衍射条件发生改变，使得即使使用在记 录时所用的对照光也不能进行读取操作。另外，使用感光性聚合物， 如上所述由光照射引起的折射率变化量Δn为约至多0.08这样较小的 值，使得动态记录范围不能增大。
上述层叠波导全息存储器使用PMMA核心层和紫外线固化性树 脂包层。光散射元件由紫外线固化性树脂(其填充在位于PMMA核 心层表面上的微小凹部中)形成。换句话说，由于PMMA与紫外线 固化性树脂之间的折射率差Δn引起了光散射。此时，PMMA的折射 率为1.492，而紫外线固化性树脂的折射率为1.480。换句话说，PMMA 与紫外线固化性树脂之间的折射率差Δn仅为0.012。不能够说这样 小的折射率差Δn大得足以形成光散射元件的程度。另外，还存在由 于随时间的变化紫外线固化性树脂层发生降解的问题。
如上所述，考虑到常规光学信息记录介质的情况，日本专利公 开No.2006-39303(专利文献7)公开了一种使用DLC层的光学信 息记录介质、一种在该光学信息记录介质上记录的方法以及一种制备 该光学信息记录介质的方法，从而以低成本提供这样的光学信息记录 介质，该光学信息记录介质能够在高信息密度下容易地记录并且具有 优异的耐久性。
在使用DLC层的光学信息记录介质中，在基板上所沉积的DLC 层被认为是基本成分。通过使用能量束来照射选自多个记录光点区域 中的记录光点区域并使相关的记录光点区域中的DLC层的折射率增 加，在DLC层上进行信息记录。注意的是，任意选择的记录光点区 域中的DLC层的折射率还可以通过能量束照射而增加至在多个折射 率水平中所设定的任意一值。DLC层的折射率变化量可以增加直至 Δn＝约0.5。通过利用DLC层的这种特性，可以实现多值化光盘、全 息存储器、甚至层叠波导全息存储器，因此可以以低成本提供这样的 光学信息记录介质，该光学信息记录介质能够在高信息密度下容易地 记录并且具有优异的耐久性。
尽管通过使用紫外线等照射可以显著地增加DLC膜的折射率， 但是如上所述，折射率的增加往往引起对于可见光区至紫外光区的消 光系数的增加。
在这种情况下，例如，如果使用紫外光作为记录光来增加DLC 层的折射率，那么消光系数也相应地增加，因此紫外光难以在层的厚 度方向上深深地透入。因此，随着DLC层的厚度增加，难以在更深 的位置处均匀地增加折射率，从而出现信息记录不完全、难以进行多 值记录等问题。
另外，在DLC层的消光系数增加时，对照光或读出光被吸收并 且难以穿过光学信息记录介质中的DLC层，从而也存在再现的信息 不完全和容易产生大量噪声的问题。
因此，与DLC膜相比，实施例19使用了具有优异的光学性能 的含有Si-O的氢化碳膜，从而以低成本提供这样的光学信息记录介 质，该光学信息记录介质能够容易地且更可靠地在高信息密度下进行 记录、具有优异的耐久性、并且使再现光的强度降低得较少。
换句话说，在由含有Si-O的氢化碳膜制成的记录层中，通过能 量束照射，其折射率降低，随之其消光系数也降低。因此，即使在较 厚的膜的情况下也可以在厚度方向上保持光学改性的均匀性、并增加 信息记录的可靠性。另外，含有Si-O的氢化碳膜的记录层吸收较少 的对照光和读出光，因此，由于读出光的强度降低得较少，所以这是 十分优选的。
如上所述，已知的方法(例如，利用各种掩模或干涉曝光)可 适用于在含有Si-O的氢化碳膜上形成折射率改变的图案。
与图9类似，图12的示意性剖视图示出了制备实施例19中的 光学信息记录介质的方法和在其上进行信息记录的方法。在该实施例 中，例如，通过等离子体CVD法在玻璃基板101上沉积厚度为1μm 的含有Si-O的氢化碳膜102。另外，例如，通过蒸镀法在玻璃基板 103上沉积铬膜，并且通过分步曝光和蚀刻来形成图案，从而可以形 成金属膜掩模图案104。金属膜掩模图案104具有对应于多个记录光 点区域的多个微小开口。
所形成的金属膜掩模图案104叠置在含有Si-O的氢化碳膜102 上。例如，使用波长为250nm、照射功率密度为20mW/mm2的紫外 线105通过金属膜掩模图案104来照射含有Si-O的氢化碳膜102约 30秒。结果，含有Si-O的氢化碳膜102中的记录光点区域(由于通 过金属膜掩模图案104，该记录光点区域屏蔽了紫外线105)保持(例 如)折射率n0＝1.68(其为在沉积含有Si-O的氢化碳膜时的初始折射 率)。另一方面，使用紫外线105穿过金属膜掩模图案104的开口来 照射含有Si-O的氢化碳膜102中的记录光点区域，该区域的折射率 (例如)可以降低至n1＝约1.58。
通过这样的操作，在含有Si-O的氢化碳膜102中形成具有两种 折射率n0和n1的记录光点区域，这意味着进行二进位记录。在将读 出光束施加到该光学信息记录介质上时，在各记录光点区域上被反射 的光的量或者透过各记录光点区域的光的量取决于折射率n0和n1而 变化，从而可以读取二进位记录的信息。
<实施例20>
在实施例20中，在具有含有Si-O的氢化碳膜的光学信息记录 介质上进行多值记录。在实施例20中，如图12中所示的实施例19 的情况那样，首先进行二进位记录。
随后，如图13的示意性剖视图所示出的那样，在含有Si-O的 氢化碳膜102上叠置第二金属膜掩模图案104a。第二金属膜掩模图 案104a包括对应于选自记录光点区域(其中在图12中其折射率降至 n1)中的记录光点区域的微小开口。再次使用紫外线105穿过第二金 属膜掩模图案104a照射含有Si-O的氢化碳膜102。
因此，使用紫外线105穿过第二金属膜掩模图案104a的开口照 射记录光点区域，该区域的折射率进一步由n1降至n2，因此进行三 值记录。由上可见，可以通过使用另外的金属膜掩模图案反复进行紫 外线照射来进行多值记录。
<实施例21>
图14的示意性剖视图示出一种制备实施例21中的光学信息记 录介质的方法、以及在其上进行信息记录的方法。在实施例21中， 通过等离子体CVD法在玻璃基板1上沉积含有Si-O的氢化碳膜102。
然而，通过分步曝光和蚀刻在含有Si-O的氢化碳膜102上沉积 铬膜并形成图案，从而形成金属膜掩模图案104b。在这种情况下， 在多个阶段进行分步曝光和蚀刻。在图14的例子中，金属膜掩模图 案104b在对应于多个记录光点区域的多个微小区域中的厚度在三个 水平(包括厚度为0)下改变。紫外线105穿过金属膜掩模图案104b 被施加到含有Si-O的氢化碳膜102。
尽管紫外线105不能够透过金属膜掩模图案104b的最厚区域， 但是其可以部分地透过较薄的区域。例如，波长为250nm的紫外线 可以部分地透过厚度为至多约60nm的铬膜。换句话说，金属膜掩模 图案104b起到吸收能量束的能量束吸收层的作用，根据对应于记录 光点区域的各微小区域，该能量束吸收层的厚度逐步地发生改变。因 此，通过将紫外线105穿过金属膜掩模图案104b而施加到含有Si-O 的氢化碳膜102，在含有Si-O的氢化碳膜102中形成折射率在三个 水平下改变的记录光点区域，从而导致进行三值记录。
如果使用透射能力强于紫外线的透射能力的X射线、离子束或 电子束，那么即使膜很厚也可以部分地透过金属膜，因此也适用于具 有多个水平的厚度的金属膜掩模图案104b、并有利于多值记录。对 于金属掩模，取决于能量束透射量的设计，除了铬以外，还可优选使 用金、镍、钨等。
<实施例22>
与图16和图17中所述的类似，在本发明的实施例22的光学信 息记录介质中，在含有Si-O的氢化碳膜上形成二维数字数据的全息 图。换句话说，通过等离子体CVD法在玻璃基板上沉积的厚度为约 1μm的含有Si-O的氢化碳膜被用作图16中的全息记录介质131。另 外，采用分步曝光和蚀刻法将已蒸镀到玻璃基板上的铬膜加工为表示 二维数字数据的金属膜掩模图案。该金属膜掩模图案被用作图16中 的二维数字数据132。
例如，波长为250nm、能量密度为10mW/mm2的紫外线被用作 透过铬膜中的二维数字数据132的物体光133。该物体光通过透镜134 被投射到含有Si-O的氢化碳膜的全息记录介质131上。同时，起到 对照光135作用的紫外线也被施加到含有Si-O的氢化碳膜的全息记 录介质131，并且由于物体光133和对照光135之间的干涉而产生的 全息图作为含有Si-O的氢化碳膜的记录介质131中的折射率变化而 被记录。
当这样记录的数据被再现时，如图17所示，只有在记录时用作 对照光135的紫外线被施加到含有Si-O的氢化碳膜的全息记录介质 131上。然后，由记录介质131中的全息图的衍射而产生的紫外线的 再现光136作为再现后的图案138通过投影透镜137而被投射到二维 成像元件(例如CCD)上。
<实施例23>
在实施例23中，制备层叠波导全息存储器。与图12的情况类 似，在该实施例23中，例如，通过等离子体CVD法在厚度为100μm 的玻璃基板101上沉积(例如)厚度为100nm的含有Si-O的氢化碳 膜102。另外，铬膜被蒸镀到玻璃基板103上、并通过分步曝光和蚀 刻形成图案，从而形成金属膜掩模图案104。这种金属膜掩模图案104 等同于一页数据，并且包括对应于图18中示出的周期性光散射元件 (全息图)119的多个线段形式的微小周期性开口。线段形式的微小开 口可以在与图12的纸平面正交的方向上延伸。
所形成的金属膜掩模图案104叠置在含有Si-O的氢化碳膜102 上。然后，例如，使用波长为308nm、能量密度为20mW/mm2的紫 外线105穿过金属膜掩模图案104来照射含有Si-O的氢化碳膜102 约30分钟。结果，例如，含有Si-O的氢化碳膜102中的空间区域(由 于金属膜掩模图案104，该空间区域屏蔽了紫外线105)保持折射率 n0＝1.70(其为在沉积含有Si-O的氢化碳膜时的初始折射率)。另一 方面，例如，使用紫外线105穿过金属膜掩模图案4的开口来照射含 有Si-O的氢化碳膜102中的线段形式的周期性微小区域，该区域的 折射率可以降至n1＝约1.48。
这样，堆叠40对玻璃基板101和含有Si-O的氢化碳膜102(其 中记录有等同于一页数据的全息图)，然后将厚度为100μm的玻璃 基板101叠置在最上面的含有Si-O的氢化碳膜102的表面上。通过 这样的操作，可以制备厚度为约4mm的层叠波导全息存储器。与图 18中所涉及的方法类似，可以对实施例23中制备的层叠波导全息存 储器进行读取。
<实施例24>
本发明的实施例24涉及通过使用含有Si-O的氢化碳膜而制备 的偏振积分器。例如，这种偏振积分器可用于液晶投影仪。
图22示出了常规的液晶投影仪的例子的示意性结构图。液晶投 影仪包括设置在穹顶状或抛物线状反射镜202中以增加光的利用效 率的光源201。从光源201发射出来的光通过准直仪物镜203而转化 为平行光，并且由于第一全反射镜M1而被导向至第一分色镜DM1。 第一分色镜DM1仅允许蓝色光B透过而反射其他颜色的光。透过第 一分色镜DM1的蓝色光B通过第二全反射镜M2和第一聚光镜CL1 而会聚在第一液晶面板LC1上。
被第一分色镜DM1反射的光被导向第二分色镜DM2。第二分 色镜DM2仅反射绿色光G而允许剩下的红色光R透过。被第二分色 镜DM2反射的绿色光G通过第二聚光镜CL2而会聚在第二液晶面板 LC2上。透过第二分色镜的红色光R通过第三全反射镜M3、第四全 反射镜M4和第三聚光镜CL3而会聚在第三液晶面板LC3上。
分别会聚在第一液晶面板LC1、第二液晶面板LC2和第三液晶 面板LC3上的蓝色光B、绿色光G和红色光R分别透过相应的液晶 面板，然后被棱镜204集成。被棱镜204集成的三种基本颜色的光通 过投影物镜205而投射到屏幕(未示出)上。
众所周知，液晶面板包括设置在矩阵中的多个像素，并且可以 通过给各个像素提供电信号来控制光的透射和阻挡。为了能够使光被 透射和阻挡，液晶层被夹置在两块偏振片之间。换句话说，液晶面板 仅仅接受按照指定的线性方向平行地发生偏振的光。然而，从通常用 于液晶投影仪的光源中发射出的光是非偏振光(或随机偏振的光)。 因此，作为从光源中发射出的光的利用效率，穿过液晶面板而可以用 作投射光的光低于从光源中发射出的光的一半。因此，为了改善由于 来自光源的非偏振光而造成的较低的光的利用效率，近年来偏振积分 器被用于液晶投影仪中。
图23是示出偏振积分器的基本原理的示意性剖视图(参见非专 利文献5Large-Screen Display，由Nobuo Nishida编著，KYORITSU SHUPPAN CO.，LTD.于2002年出版)。在该偏振积分器中，从被穹顶 状反射镜202覆盖的光源201中发射出的光由于准直仪物镜(未示出) 而转化为平行光，并且施加到偏振分色棱镜211。该棱镜211包括 PBS(偏振光分离器)膜212。PBS膜212起到允许P偏振光透过而反 射S偏振光的作用。这种PBS膜可由非传导性多层膜制成。
透过PBS膜212的P偏振光的偏振方向被半波板213反转，并 转化为S偏振光。另一方面，被PBS膜212反射的S偏振光被全反 射镜214反射并且与穿过半波板213的S偏振光平行。被全反射镜 214反射的S偏振光与穿过半波板213的S偏振光被透镜(未示出)集 成，并且集成后的S偏振光被施加到液晶面板。
在图23的例子中，将半波板213用于透过PBS膜212的P偏振 光。然而，可以理解到，半波板213也可用于被PBS膜212反射的S 偏振光。在该情况下，光源的光束被分离为P偏振光束和S偏振光 束，并且S偏振光束被转化为P偏振光束，然后这两束P偏振光束 被集成并施加到液晶面板。
图23中示出的偏振积分器包括偏振分色棱镜211。对于降低液 晶投影仪的尺寸而言，这种棱镜并不是优选的。另外，在使用玻璃来 制备该棱镜时，其重量变得相对较重，并且其不易加工。另一方面， 还可以使用树脂来制备该棱镜。然而，当投影仪具有高的亮度时，树 脂的耐热性将成为问题。另外，PBS膜212需要具有包括数十个非传 导性层的偏振分离涂层，因此产生高成本的问题。
考虑到常规的偏振积分器的情况，日本专利公开 No.2005-195919(专利文献8)教导利用DLC膜以提供这样的偏振积 分器，可以容易地和低成本地降低该偏振积分器的重量和成本、并具 有优异的耐热性。
可以通过使用紫外线等照射来增加DLC膜的折射率。然而如上 所述，随着折射率增加，消光系数往往增加。这使得难以在DLC膜 的厚度方向上均匀地增加折射率。另外，在所制备的折射型光学元件 和折射率调制型衍射光学元件中，高折射率区域中的高消光系数意味 着光难以透过相关区域，并且从光的利用效率和衍射效率的观点考 虑，这不是优选的。
因此，实施例24提供一种包含折射型光学元件或折射率调制型 衍射光学元件的偏振积分器，所述折射型光学元件或折射率调制型衍 射光学元件是使用光学性能优于DLC膜的含有Si-O的氢化碳膜制备 的。
换句话说，与DLC膜相比，在实施例24的偏振积分器中包含 的折射型光学元件或折射率调制型衍射光学元件中所使用的含有 Si-O的氢化碳膜中，消光系数进一步降低、膜厚度方向上的折射率 的均匀性进一步得到改善、并且光的利用效率和衍射效率得到改善。 此外，在含有Si-O的氢化碳膜中，如上所述通过能量束照射折射率 降低。与折射率调制的DLC膜相比，折射率调制的含有Si-O的氢化 碳膜可以获得较低的平均折射率。
换句话说，使用含有Si-O的氢化碳膜制备的光学元件的平均折 射率接近于使用玻璃或透明树脂材料制备的通常使用的光学元件的 平均折射率。因此，与由具有高的平均折射率的DLC膜制成的光学 元件相比，由含有Si-O的氢化碳膜制成的光学元件不易在与通常使 用的光学元件的界面处引起光的反射，因此从与那些通常使用的光学 元件的适用性方面考虑是十分优选的。从该观点考虑，可以获得光的 利用效率得到改善的偏振积分器。
图20示出了实施例24中的偏振积分器的示意性剖视图。在该 偏振积分器中，光源201设置在穹顶状或抛物线状反射镜202中。从 光源201中发射出的光通过准直仪物镜(未示出)而成为平行光、并施 加到偏振光分离器251。换句话说，偏振光分离器251将来自光源的 光分离为P偏振光和S偏振光。第一微透镜252将P偏振光束会聚 在半波板253上并且将S偏振光束会聚在其中未设置半波板253的 区域中。
半波板253将P偏振光转化为S偏振光。透过半波板253的S 偏振光束、以及穿过其中未设置半波板253的区域的S偏振光束由 于第二微透镜254和透镜255的作用而集成并通过聚光镜CL而施加 到液晶面板LC。液晶面板LC中包含的偏振片当然被设定为接收S 偏振光。
尽管在图20的例子中将半波板253用于P偏振光，但是半波板 253也可用于S偏振光。具体而言，在该情况下，来自光源的光束通 过偏振光分离器251而被分离为P偏振光束和S偏振光束，并且S 偏振光束通过半波板253而转化为P偏振光束，然后这两种P偏振 光束被集成并施加到液晶面板LC。液晶面板LC中包含的偏振片当 然被设定为接收P偏振光。
如上所述，通过偏振积分器将来自光源的非偏振光集成为S偏 振光或P偏振光，可以提高液晶投影仪中的来自光源的光的利用效 率。
此处，在实施例24中，偏振积分器中包含的偏振光分离器、第 一微透镜、半波板和第二微透镜中的至少一者是通过使用含有Si-O 的氢化碳膜而形成的。含有Si-O的氢化碳膜当然很薄并且很轻，并 且具有优异的耐热性。因此，如果可以使用含有Si-O的氢化碳膜来 制备偏振光分离器、第一微透镜、半波板和第二微透镜中的至少一者， 那么就可以降低偏振积分器和液晶投影仪的尺寸、重量和成本。
对于可包含在实施例24的偏振积分器中的折射型透镜，可以使 用图7中详细描述的透镜。不用说实施例24中的偏振积分器也可以 通过使用衍射型微透镜来制备。对于衍射型微透镜，可以使用图8 中详细描述的透镜。
另外，在实施例24中，图20中的偏振光分离器251可以通过 使用含有Si-O的氢化碳膜而制备。换句话说，偏振光分离器251包 括在含有Si-O的氢化碳膜中形成的折射率调制型衍射光栅。注意的 是，例如，Applied Optics，Vol.41，2002，第3558-3566页(非专利文 献6)描述了可通过衍射光栅来分离获得偏振状态。
图21示出了由含有Si-O的氢化碳膜(其包含折射率调制型衍 射光栅)制成的偏振光分离器251A的示意性剖视图。换句话说，含 有Si-O的氢化碳膜251A包括折射率相对较高的区域251a和折射率 相对较低的区域251b。高折射率区域251a是未使用能量束照射的区 域，其折射率例如为1.65。另一方面，例如，低折射率区域251b在 同步条件为620(mA/min/mm2)的条件下被SR(同步辐射)照射，并且 其折射率例如降至1.45。另外，例如，低折射率区域251b和高折射 率区域251a之间的界面相对于含有Si-O的氢化碳膜251A的表面倾 斜40度。
这种偏振光分离器251A可以按照下列方式制备。例如，在含有 Si-O的氢化碳膜上形成金掩模，所述金掩模具有线条和空间图案， 其中以1μm的周期重复地设置宽度为0.5μm的金条纹。随后，在与 金条纹的长度方向正交的方向上、以相对于含有Si-O的氢化碳膜的 表面倾斜40度的角度，进行SR照射。
当包含S偏振光和P偏振光的光被导入图21所示的由含有Si-O 的氢化碳膜制成的偏振光分离器251A中时，S偏振光作为0次衍射 光(对应于TE波)而透射，而P偏振光作为1次衍射光(对应于TM波) 发生衍射。换句话说，P偏振光和S偏振光彼此分离。
另外，在实施例24中，图20中的半波板253也可以通过使用 含有Si-O的氢化碳膜来制备。换句话说，使用含有Si-O的氢化碳膜 (其包含与图21中示出的折射率调制型衍射光栅类似的衍射光栅)， 可以提供半波板的功能。这种半波板253可以按照下列方式制备。例 如，在含有Si-O的氢化碳膜上形成金掩模，所述金掩模具有线条和 空间图案，其中以1μm的周期重复地形成宽度为0.5μm的金条纹。 随后，可以在与含有Si-O的氢化碳膜的表面正交的方向上进行SR 照射。例如，在使P偏振光穿过半波板253(其由包括这样获得的折 射率调制型衍射光栅的含有Si-O的氢化碳膜制成)时，P偏振光的 线性偏振面被反转90度而转化为S偏振光。通过使用这样的半波板， 当然也可以将S偏振光转化为P偏振光。
尽管图22示出了透射型液晶投影仪，但是，实施例24中的偏 振积分器本身当然也可用于反射型液晶投影仪(参见非专利文献5)。
<实施例25>
本发明的实施例25涉及包括这样的衍射光学元件的投影仪，所 述衍射光学元件可在光束的横截面中形成均匀的光强度分布并且可 以使光束的横截面形状整形。
近年来，人们开发了LCD(液晶显示器)、PDP(等离子显示器面 板)等用于大尺寸的图像显示装置。然而，考虑到要求进一步增加显 示装置的尺寸，目前投影仪(投射型显示装置)受到关注。作为投影仪 的种类，有用于将图像投射到屏幕的前侧上的投影仪、将来自屏幕后 面的图像投射到同一屏幕上的背投式TV等。
作为投影仪的种类，通常使用投射型CRT(阴极射线管)显示装 置，其将在高清晰度和高亮度CRT上产生的图像投射到显示屏幕上。 近年来已经开发了投射型液晶显示装置，其中来自光源的光束被施加 到液晶面板，从而将在液晶面板上产生的图像投射到显示屏幕上。另 外，还开发了DLP(数字光处理)投影仪，其以几千次/秒的速度显微 镜般地处理小镜子，从而描绘图像。这种投射型液晶显示装置和DLP 投影仪的优点在于它们适于降低尺寸和重量，因此它们可容易地进入 普通家庭。
然而，来自投影仪中通常使用的光源的光束在光束的横截面中 具有非均匀的光强度分布。例如，如高斯分布那样，光强度在光束截 面的中心部分往往较高而在外周部分较低。在使用这种光束将在液晶 面板上产生的图像投射到屏幕上时，不能够在屏幕的整个面积上都实 现均匀的亮度，屏幕的外周部分的投射图像比中心部分的投射图像更 暗。
另外，来自光源的光束的横截面通常是圆形的。然而，要将图 像从投影仪投射上去的屏幕通常是矩形(正方形或长方形)。因此，为 了高效使用光的能量，需要使用具有下列功能的衍射光学元件：例如 通过衍射使光束的圆形横截面转化为矩形横截面，而不是使用开口 (小孔)以部分地屏蔽光束的横截面的外周部分从而对横截面的形状 进行整形。
因此，例如，日本专利公开No.8-313845(专利文献9)公开了 这样的衍射光学元件，该衍射光学元件可以在光束的横截面中形成均 匀的强度分布并且可以转换光束的横截面形状。有时，这种衍射光学 元件被称为衍射型光束整形元件。
图26中示出了衍射型光束整形元件的效果的例子的示意性透视 图。被导向到图26(a)所示的光束整形元件301的光束L1具有圆形的 横截面，并且如图26(b)(在图26(b)中，示出了扫描线的高度相对于 光强度的比例)中所示，横截面中具有高斯强度分布。换句话说，光 束L1在其横截面的中心部分具有最高的强度，而强度朝着横截面的 外周逐渐降低。将穿过光束整形元件301的光束L2通过透镜302施 加到指定的照射表面303上。同时，施加到照射表面303上的光束 L2由于光束整形元件301的衍射效应而发生改变，从而如图26(c) (在图26(c)中，示出了扫描线的高度相对于光强度的比例)中所示， 具有正方形的横截面形状、从而在横截面中具有均匀的强度分布。
考虑到常规的浮雕型衍射光学元件的缺点，日本专利公开 No.2005-326666(专利文献10)公开了一种投影仪，其包括通过使 用DLC膜而制备的折射率调制型衍射光学元件。
可以通过使用紫外线等照射来增加DLC膜的折射率。然而如上 所述，随着折射率增加，消光系数往往也增加。这使得难以在DLC 膜的厚度方向上均匀地增加折射率。另外，在所制备的折射率调制型 衍射光学元件中，高折射率区域中的高消光系数意味着光难以透过相 关的区域，从衍射效率的观点考虑，这不是优选的。因此，实施例 25提供了一种包含折射率调制型衍射光学元件的投影仪，其中所述 折射率调制型衍射光学元件是使用性能优于DLC膜的含有Si-O的氢 化碳膜而制备的。
(折射率调制的图案)
本发明人对使用含有Si-O的氢化碳膜制备的光束整形元件的衍 射效应进行了模拟。对于这种模拟，使用“VirtualLab”(其为可购 自德国LightTrans GmbH的计算软件)。使用这种计算软件，可以通 过利用傅立叶转化反复计算来模拟衍射光栅和衍射效应
图24是示出折射率调制型衍射光学元件中的折射率分布的平面 图，其是通过使用VirtualLab而获得的。假设使用厚度为4.4μm的 含有Si-O的氢化碳膜制备该衍射光学元件，并且这些元件的衍射光 栅图案具有4mm×4mm的正方形区域。在这种模拟中，在将相关区 域分为800×800个小的正方形区域(下文中称为像素)后对4mm×4 mm的正方形区域进行计算。换句话说，一个像素被设定为5μm×5 μm的正方形区域。
在图24的衍射光栅图案中，黑色带状区域表示高折射率区域， 白色带状区域表示低折射率区域。更具体而言，白色带状区域具有低 的折射率，为1.48，黑色带状区域具有高的折射率，为1.65。即，这 些区域之间的折射率差Δn＝0.17。
使用如上所设定的图24中的两水平的衍射光学元件来进行光束 整形的模拟。在该模拟中，假设波长为630nm的红色光束被用作衍 射光学元件的入射光，并且该光束在其圆形横截面中具有高斯强度分 布。因此，在指定的照射表面上形成0.5mm×0.25mm的矩形照射 区域，并且在该照射区域中获得均匀的光强度。在这种情况下，在照 射区域中光强度的均匀度的变化为5.8％或更少，并且衍射效率为 37.6％。
如上所述，已知随着折射率调制的折射率差Δn的增大，可以增 加折射率调制型衍射光学元件的衍射效率，因此理论上预测在两水平 的衍射光学元件中衍射效率最高可增加40％。另外，通过增加衍射 光学元件中的折射率调制的水平的级数可以增加衍射效率。例如，理 论上预测八水平的衍射光学元件可以提供95％的衍射效率。
如上所述，例如，通过利用合适的掩模并使用能量束照射含有 Si-O的氢化碳膜，可以制备图24中所示的光束整形元件。
可按照上述方式获得的衍射型光束整形元件可优选用于(例如) DLP投影仪(其通过在显微水平上快速地操作小镜来投射图像)、 投影仪(例如投射型液晶显示装置)等。
图25示出了彩色投影仪的例子的示意性结构图，其中所述彩色 投影仪包括实施例25中的衍射型光束整形元件。在该投影仪中，具 有圆形横截面、并且从激光装置311a、311b、311c(它们分别发射 红色光、绿色光和蓝色光)发射出来的光束被本发明的衍射型光束整 形元件312a、312b、312c转化为分别在其矩形横截面中具有均匀的 强度分布的光束，并且所得光束通过偏振光分离器313a、313b、313c 施加到具有矩形显示表面的反射型LCD面板314a、314b、314c上。 从各LCD面板反射的光束通过偏振光分离器313a、313b、313c，然 后通过双彩组合棱镜315合并，从而通过投影透镜16投射在屏幕(未 示出)上。
换句话说，分别从激光装置311a、311b、311c中发射出的光束 被实施例25中的衍射型光束整形元件312a、312b、312c高效地转化 为分别在矩形横截面中具有均匀的强度分布的光束，并且转化为具有 矩形横截面的光束可以以均匀的光强度照射矩形LCD面板的整个区 域。最后，来自光源的光能量的利用效率可以改善，同时可以在矩形 屏幕的整个区域上获得具有均匀的亮度的显示。即，可以投射高质量 的图像。
关于折射率调制型衍射光学元件，已经通过本发明人的模拟证 实：折射率调制中的折射率差Δn越大，衍射效率对于光的波长的依 赖性越小。具体而言，由于含有Si-O的氢化碳膜可用于制备实施例 25中具有大的折射率差Δn的折射率调制型光束整形元件，因此可以 提供适用于彩色投影仪的光束整形元件，其中需要对光(例如波长彼 此不同的红色光、绿色光和蓝色光)进行光束整形。更具体而言，本 发明的优选的光束整形元件可以对0.4至0.7μm的宽的波长范围内 的可见光提供光束整形作用。
尽管在图25中激光装置被用作投影仪中的光源，但是不用说， 可以不用激光装置，而是用发光二极管或灯来取代它。作为这样的灯， 可以优选使用超高压汞灯、氙气灯、卤化物灯等。
<实施例26>
本发明的实施例26涉及包含全息滤色器的彩色液晶显示装置， 其中所述全息滤色器具有分光功能和微透镜功能中的至少一种。
近年来，各种彩色液晶显示装置已经商品化。这些彩色液晶显 示装置中的一种是彩色液晶投影仪。许多类型的彩色液晶投影仪包括 三个液晶面板。换句话说，所述三个液晶面板分别显示红色(R)光学 图像、绿色(G)光学图像和蓝色(B)光学图像，并且这三种颜色的这些 光学图像通过光学系统而合并，并且作为全色图像而投射在屏幕上。
这种三面板型彩色液晶投影仪需要三种昂贵的液晶面板，并且 还需要许多用于分离和合并这些颜色的光的光学部件。换句话说，三 面板型彩色液晶投影仪价格昂贵并且也难于减小其尺寸。
相反，单面板型彩色液晶投影仪可以降低成本和尺寸。市售的 单面板型彩色液晶投影仪的例子是可得自日本Victor Company的背 投TV(HV-D50LA1)。
图33示出了可得自日本Victor Company的HV-D50LA1所采用 的单面板型彩色液晶投影仪的基本光学原理的示意性剖视图。该彩色 液晶投影仪包括由在形成在玻璃基板401的上表面上形成的全息膜 402制成的全息滤色器。液晶层403设置在玻璃基板401的下表面上， 并且反射型电极层404设置在液晶层403的下表面上。反射型电极层 404包括用于反射R、G和B光的反射型像素电极，并且一组R、G 和B反射型电极层构成一个像素。在图33中，在与图正交的方向上 排列有多个R电极，并且在与图正交的方向上同样地排列有多个G 电极和多个B电极。注意的是，透明电极(未示出)设置在玻璃基板 401和液晶层403之间以面对R、G和B电极。
在图33的彩色液晶投影仪中，来自光源(未示出)的白色光W以 指定的入射角施加到全息膜402上。全息膜402具有下列的功能：通 过衍射效应将白色光W波长分离(分光)为红色R光、绿色G光和蓝 色B光、以及起到将这些光会聚到对应的R、G和B电极上的微透 镜阵列的作用。分别被R、G和B电极反射的红色R光、绿色G光 和蓝色B光透过全息膜402，这是因为这些光偏离了全息膜402的衍 射条件，并且通过投影物镜(未示出)投射到屏幕上。
图34是示出具有分光功能和微透镜阵列功能的全息图(衍射光 栅)的例子的示意性平面图。该衍射光栅包括在玻璃基板411上形成 的光栅图案。所述光栅图案包括彼此平行的多个带状区域412。例如 可以使用铬(Cr)的金属膜来形成带状区域412。Cr膜412当然是不透 明的，因此光线只能通过多个带状Cr膜412之间的间隙。
换句话说，多个平行的带状Cr膜区域412起到衍射光栅的功能， 并且光线在与带状Cr膜412的纵向正交的方向上衍射。已知的是， 由于衍射角取决于波长，因此R、G和B光以彼此不同的衍射角衍射， 这能够对白色光W进行颜色分离。
另外，图34的衍射光栅的特征在于带状Cr膜区域412的宽度 以及它们之间的间隔周期性地变化。这是为了提供具有微透镜阵列作 用的衍射光栅。即，众所周知，随着衍射光栅的间隔减小，在相同波 长下的衍射角增大。因此，可以通过逐渐改变衍射光栅的间隔来引起 透镜效应。
在图34的衍射光栅中，如上所述光线仅在与带状Cr膜412的 纵向正交的方向上发生衍射。这样，仅在该正交方向上引起透镜效应， 因此其起到像具有线聚焦的柱状透镜那样的作用。如果需要，当然可 以使用与已知的菲涅耳波带板类似的衍射光栅，从而引起具有点聚焦 的柱状透镜或正方形透镜的效应。
图34中的衍射光栅起到好像其包括多个彼此平行的柱状微透镜 的作用，箭头413所指出的区域起到单一柱状微透镜的作用。在单一 柱状微透镜区域413中，与右侧相比，左侧的带状Cr膜412的宽度 以及它们之间的间隔较小。即，在图34中的衍射光栅中，带状Cr 膜412的宽度和间隔与柱状微透镜区域413的周期一致性地发生周期 性地变化。
在直接使用图34中的衍射光栅来代替图33的彩色液晶投影仪 中的全息膜402的情况下，来自光源的白色光W的利用效率降低， 原因在于带状Cr膜412不允许光线透过。另外，在图34中的衍射光 栅中，带状Cr膜区域412的栅距非常小。例如，在区域413的中心 部分，栅距为约0.5μm或更小。因此，图34示出的衍射光栅需要通 过电子束绘制来制备，这不适于工业大量生产。
因此，在图33的彩色液晶投影仪中，光线穿过主衍射光栅施加 到玻璃基板上的感光性聚合物膜上，用光照射后的感光性聚合物膜进 行热处理，从而制备全息膜402。同时，被更高强度的光线照射后的 区域获得了更高的折射率n。换句话说，由感光性聚合物制成的全息 膜402的折射率n被调制、并且起到折射率调制型衍射光栅的作用。
图35是示出日本专利公开No.10-96807(专利文献11)中公开 的彩色液晶显示装置的示意性剖视图。该彩色液晶显示装置包括已知 的光透射型液晶面板440。液晶面板440包括液晶显示层441和黑矩 阵442。液晶显示层441包括多个像素，每个像素包括一组红色显示 区域R、绿色显示区域G和蓝色显示区域B。彩色显示区域中的任意 两者之间的边界被黑矩阵442覆盖。
全息滤色器450设置在液晶面板440的背表面侧。全息滤色器 450包括全息底版451和多个微透镜452的阵列。微透镜452以其周 期与液晶面板440中的像素的周期相对应的方式设置成阵列。另外， 全息底版451由石英玻璃板制成，所述石英玻璃板包括起到衍射光栅 作用的平行的均匀凹槽。
在图35的彩色液晶显示装置中，当背光460被导向全息滤色器 450时，取决于波长，光线以不同的角度发生衍射，并且分光为红色 光461、绿色光462和蓝色光463，它们显示在全息底版451的发射 侧。微透镜452与全息底版451邻近设置，分光后的光线针对各波长 而分离并会聚在微透镜452的焦点面上。更具体而言，滤色器450 被构造和设置为使得红色光461、绿色光462和蓝色光被分别衍射和 会聚到像素中的红色显示区域R、绿色显示区域G和蓝色显示区域B 上。因而，具有各颜色组分的光线在几乎不会被黑矩阵442消弱的条 件下通过各液晶室，使得可以分别显示液晶室的颜色。
在这种彩色液晶显示装置中，由于不会聚光线并且衍射效率较 少地依赖于波长的透射型全息底版被用作全息底版451，因此不必使 全息底版451与微透镜452的排列周期相一致。另外，与一个彩色显 示区域设置一个微透镜的情况相反的是，一个像素设置一个微透镜 452，使得排列周期变成了三倍，从而容易地制备和排列微透镜阵列。
图36是示意性示出非专利文献7(ITE Technical Report Vol.20， 1996，第69-72页)中公开的全息滤色器的剖视图。该全息滤色器包 括两个全息膜471、472，从而在红色光、绿色光和蓝色光中改善强 度平衡。
通常，使用全息膜，存在着最高效地被全息膜衍射的光线的波 长。即，对于特定波长的光线，全息膜具有最高的衍射效率，并且随 着与特定波长的波长差变大，衍射效率往往减小。特别地，在折射率 调制型全息膜中折射率差Δn很小的情况下，这种衍射效率对于波长 的依赖性往往很明显。例如，在感光性聚合物的全息膜中折射率差 Δn为0.08或更小时，难以获得衍射效率对于波长的依赖性较小的全 息膜。
因此，在使用全息膜将白色光分光为红色光、绿色光和蓝色光 时，全息膜被设计为使得使用绿色光可以获得最高的衍射效率，其中 所述绿色光对应于红色光、绿色光和蓝色光中的中间波长区域。与绿 色光相比，按照这种方式设计的全息膜对于红色光和蓝色光具有更低 的衍射效率，因此通过全息膜而分光后的红色光和蓝色光的强度比绿 色光的强度低。因此，即使将分光后的红色光、绿色光和蓝色光重新 合并以获得白色光，合并后的光也往往为白绿色光。
另外，用作彩色液晶显示装置的背光的金属卤化物灯或超高压 汞灯包括在绿色光的波长范围内具有强的发射谱线。因此，在使用被 设计为对于绿色光而言获得最高衍射效率的全息膜将来自金属卤化 物灯或超高压汞灯的光线分光时，在分光后的红色光、绿色光和蓝色 光中，绿色光的强度往往更明显。
图36中的全息滤色器包括两个全息膜471、472以解决衍射效 率依赖于波长的不均匀性的问题，从而改善彩色液晶显示装置的颜色 平衡。对于特定波长λ的光，第一全息膜471的衍射效率为η1，而对 于该波长λ的光，第二全息膜472的衍射效率为η2。本文中限定如下： 在所有的入射光被衍射时，衍射效率为1，在所有的入射光都透射而 没有被衍射时，衍射效率为0。
当具有特定波长λ的强度为1的入射光穿过第一全息膜471时， 透射光和衍射光的强度比为(1-η1):η1。当已穿过第一全息膜471的透 射光穿过第二全息膜472时，透射光(与初始入射光的方向平行)和衍 射光(与被第一全息膜471衍射的方向平行)的强度比为(1-η1)(1-η2)： η2(1-η1)。当已穿过第一全息膜471的衍射光穿过第二全息膜472 时，衍射光(与初始入射光的方向平行)和透射光(与被第一全息膜471 衍射的方向平行)的强度比为η1η2:η1(1-η2)。这样，在衍射方向上穿 过两个全息膜471和472的光线的强度为η2(1-η1)+η1(1-η2)＝η1 +η2-2η1η2。
图37示出了关于包括图36所示的这样两个全息膜的全息滤色 器的计算机模拟的结果的例子。具体而言，在图37的图中，水平轴 表示光线的波长(nm)，垂直轴表示全息膜的衍射效率。
曲线a示出了由单一全息膜制成的全息滤色器的衍射效率的例 子。该单一全息膜a被设计为使得对于绿色光(其对应于红色光和蓝 色光之间的中间波长)的衍射效率最大。因此，在白色光被全息膜a 而分光后，红色光和蓝色光的强度往往低于绿色光的强度。
相反，全息膜b被设计为使得对于红色光的衍射效率最大，全 息膜c被设计为使得对于蓝色光的衍射效率最大。具有这两种全息膜 b和c的全息滤色器具有曲线d所示的合并衍射效率。即，与绿色光 相比，全息滤色器d对于红色光和蓝色光具有更高的衍射效率，由于 其衍射效率具有两个峰，因此有时被称为双峰全息滤色器。
图38是示出日本专利公开No.2000-235179(专利文献12)中公 开的彩色液晶投影仪的示意性剖视图。该彩色液晶显示装置包括白色 光源481、三个分色镜482、玻璃基板483、感光性聚合物的全息透 镜层484、薄玻璃板层485、透明电极486、液晶层487、像素电极 488、活性矩阵驱动电路489和投影物镜490。
在图38的彩色液晶投影仪中，从白色光源481中发射出的白色 光被三个分色镜482分光为三种基本颜色R、G和B的光。分光后的 R、G和B光以彼此不同的入射角投射在全息透镜层484上，使得各 光在最高的衍射效率下被会聚。
如上所述，在感光性聚合物的全息膜中，通过光照射，折射率 变化量Δn可仅仅最大增加约0.08。已知在折射率调制型衍射光栅中， 折射率调制中的折射率差Δn越大，可引起的衍射效率(光的利用效率) 越高。另外，折射率差Δn越大，衍射效率对于波长的依赖性越小。 此处，约0.08的折射率差Δn不能够说是充分，因此难以增加感光性 聚合物全息膜的衍射效率。
近年来，人们要求彩色液晶投影仪具有高的亮度，因此，要求 投影仪中包含的光学部件在约80-100℃或更高的温度下具有耐热性。 然而，感光性聚合物的耐热性不能够说是充分的，如果感光性聚合物 在室温和约100℃的温度之间反复进行加热过程，感光性聚合物全息 膜本身可能劣化或从玻璃基板上剥离。
另外，如专利文献11中所公开的那样，由二氧化硅玻璃制成的、 具有多个微小凹槽的全息底版必须依次通过电子束光刻和蚀刻来制 备，因此不适于工业大量生产。
考虑到这种情况，WO2005/088364小册子(专利文献13)公开 了一种彩色液晶显示装置，其包括利用DLC膜的全息滤色器从而提 供具有全息滤色器的彩色液晶显示装置，其中所述全息滤色器的光利 用效率和耐热性得到改善、具有高的亮度并具有改善的颜色平衡。
然而，如上所述，在使用能量束照射DLC膜以增加折射率时， 消光系数也相应地增加。例如，在使用紫外光照射DLC膜以增加折 射率的情况下，如果随着折射率的增加消光系数也增加，那么难以在 膜的厚度方向上均匀地增加折射率。在膜的厚度方向上具有这种不均 匀的折射率分布的全息膜，可引起不可预料的效果，例如衍射效率降 低。另外，高折射率区域中的高消光系数意味着光难以透过相关的区 域，从衍射效率的观点考虑，这也不是优选的。
因此，实施例26提供一种彩色液晶显示装置，其包括通过使用 性能优于DLC膜的含有Si-O的氢化碳膜而制备的全息滤色器。
与图12类似，图27示出了制备实施例26中的使用含有Si-O 的氢化碳膜的全息膜的方法的例子。这种含有Si-O的氢化碳膜的全 息膜可优选用于替代图33的彩色液晶投影仪中的感光性聚合物全息 膜402、图35的彩色液晶显示装置中的二氧化硅玻璃全息底版451、 图36中的感光性聚合物全息膜471、472、以及图38中的彩色液晶 投影仪的感光性聚合物全息膜484中的任一者。
在图27中的全息膜的制备方法中，与图12中的情况类似，例 如，通过等离子体CVD法在二氧化硅(SiO2)玻璃基板421上形成含 有Si-O的氢化碳膜422。在二氧化硅玻璃基板423a上形成的掩模 424a叠置在含有Si-O的氢化碳膜422上。尽管掩模424a可由各种 材料形成，但是更优选使用金(Au)膜，原因在于金易于精确地加工并 且优异地阻挡能量束，以及不引起氧化和腐蚀的问题。例如可以按照 下列方式制备金掩模424a。
首先，通过已知的溅射法或EB(电子束)蒸镀法在玻璃基板上沉 积厚度为约0.5μm的金膜，其上施加抗蚀剂层。通过在分步曝光机 中曝光来使抗蚀剂层形成图案。通过抗蚀剂图案，使用干式蚀刻法来 使金膜形成图案。然后除去抗蚀剂图案，从而获得金掩模图案。
可选择地，通过溅射法或EB蒸镀法，可首先在玻璃基板上沉积 厚度为约50nm或更小的Ni导电层，其上可形成抗蚀剂层。通过抗 蚀剂图案，使用电镀法在Ni层上沉积厚度为约0.5μm的金膜，然后 除去抗蚀剂，从而获得金掩模。
以上述任何方式形成的金掩模均具有对应于用于全息效果的衍 射光栅图案的图案。注意的是，为了绘图的简便和清晰，图27示出 的带状金膜424a具有恒定的宽度和间隔。
如图27中所示，在金膜掩模424a被叠置在含有Si-O的氢化碳 膜422上的状态下，使用上述UV光425a照射含有Si-O的氢化碳膜 422。结果，在含有Si-O的氢化碳膜422中，被金掩模424a覆盖而 未被UV光425a照射的区域的折射率不变，保持着通过等离子体 CVD法沉积的膜的初始折射率n1。另一方面，在含有Si-O的氢化碳 膜422中，未被金掩模424a覆盖、并因此被UV光425a照射的其他 区域的折射率发生变化，其折射率降至n2。在使用UV光照射后，将 二氧化硅玻璃基板423a和金掩模424a从全息膜422除去。这样获得 的全息膜422包括两个折射率值n1和n2，起到两水平的折射率调制 型衍射光栅的作用。
现在对图27中示出的全息膜422和图34中示出的衍射光栅进 行比较。在图34的衍射光栅中，被Cr膜412阻挡的光不能被用作衍 射光，从而造成光的利用效率降低。另一方面，在图27中示出的全 息膜422中，穿过高折射率n1区域的光和穿过低折射率n2区域的光 都可以被用作衍射光，从而导致光的利用效率高。
另外，在图33、36和38中由感光性聚合物制成的全息膜42、 471、472、484均起到折射率调制型衍射光栅的作用，所述折射率调 制型衍射光栅包括低折射率区域和高折射率区域，这与图27中的含 有Si-O的氢化碳膜的全息膜422类似。因此，在感光性聚合物全息 膜中，穿过低折射率区域的光和穿过高折射率的光都可以被用作衍射 光。然而，如上所述，通过使用光照射来照射感光性聚合物膜，可获 得的折射率差Δn至多为约0.08，而通过使用UV光照射来照射含有 Si-O的氢化碳膜，可获得的折射率差Δn可达到约0.2。因此，图27 中的含有Si-O的氢化碳膜的全息膜422可以获得显著高于感光性聚 合物全息膜的衍射效率，从而可以改善光的利用效率。另外，在可增 加折射率差Δn的含有Si-O的氢化碳膜的全息膜中，衍射效率对于波 长的依赖性可以降低。
图28示出了另一种制备实施例26的使用含有Si-O的氢化碳膜 的全息膜的方法的示意性剖视图。在图28中，在按照与图27类似的 方式形成的、包括两水平的折射率调制n1和n2的全息膜422上进一 步叠置形成于二氧化硅玻璃基板423a上的第二金掩模424b。在这种 状态下，再次进行UV光照射425b。
此时，第二金掩模424b具有开口，每个开口允许UV光仅施加 到全息膜(其按照图27中示出的方法形成)中的低折射率n2区域内 所选择的部分区域。因此，在使用UV光425b照射后，含有Si-O的 氢化碳膜422中的折射率n2相对较低的区域内所选择的部分区域的 折射率进一步降至n3。即，图28中制备的全息膜422起到衍射光栅 (其包含三水平的折射率调制n1、n2和n3)的作用。
如上所述，通过使用UV光重复地照射含有Si-O的氢化碳膜、 同时依次使用具有部分改变的图案的掩模，可以获得包含所需的多水 平折射率调制的全息膜。与两水平折射率调制型衍射光栅相比，已知 多水平折射率调制型衍射光栅可产生更高的衍射效率，因而可进一步 提高光的利用效率。
图29示出了又一种制备实施例26的使用含有Si-O的氢化碳膜 的全息膜的方法的示意性剖视图。在该制备方法中，在形成于二氧化 硅玻璃基板(未示出)上的含有Si-O的氢化碳膜422上形成金掩模 434。该金掩模424a也可以通过电子束绘制来形成，并且具有指定的 全息(衍射光栅)图案。注意的是，为了绘图的简便和清晰，图29也 是示出了具有恒定的宽度和间隔的带状金膜434。
此处，带状金膜434的特征在于其上表面形成为半圆柱形表面。 例如，这种半圆柱形表面可通过蚀刻或纳米压印(模具转印)来形成。
例如，使用He离子435穿过这样形成的金掩模434来照射含有 Si-O的氢化碳膜422。由于各带状金膜434均具有圆柱形形状的上表 面，所以一部分He离子可在各带状金膜434的侧面附近透入掩模中， 并且可以进入含有Si-O的氢化碳膜422中。结果，在图29示出的含 有Si-O的氢化碳膜422中，在高折射率区域422a和低折射率区域 422b之间的界面附近折射率连续地变化。在这种通过离子束照射来 调制含有Si-O的氢化碳膜的折射率之后，可以在室温下通过在用于 金的氰类蚀刻液中浸渍约数分钟来重新溶解并除去金掩模434。
如上所述，在多水平的折射率调制型衍射光栅中，级数越高， 衍射效率改善的越多。折射率连续地被调制的折射率调制型衍射光栅 对应于具有无限水平的折射率调制的光栅。即，图29中获得的全息 膜的衍射效率比图28中获得的全息膜的衍射效率进一步提高，因此 可以进一步提高光的利用效率。
图30示出了又一种制备实施例26的使用含有Si-O的氢化碳膜 的全息膜的方法的示意性剖视图。在该制备方法中，将由玻璃制成的 浮雕型相栅掩模(衍射光栅)424c设置在含有Si-O的氢化碳膜422的 周围，厚度为100μm的间隔物426置于它们之间。在这种状态下， 例如，使用KrF激光(波长为248nm)425c、在能量密度为16mW/mm2 的条件下照射1小时，可以制备全息膜。此时，被所得到的干涉光曝 光的区域422b的折射率降低，所述干涉光位于从相栅掩模424的第 +1次衍射光和第-1次衍射光之间。另一方面，在未曝光于所得到的 干涉光的区域422a，折射率保持为膜的初始状态。
在这种情况下，位于第+1次衍射光和第-1次衍射光之间的所得 干涉光以这样的方式出现：其周期对应于浮雕型相栅掩模424c的凹 凸的周期的一半。这样，可以使用这样形成的浮雕型相栅掩模424c： 其凹凸周期为含有Si-O的氢化碳膜中所需的低折射率区域422b的周 期的两倍。另外，在靠近低折射率区域422b的宽度的中心的位置处， 干涉光的强度较强。因此，在图30的含有Si-O的氢化碳膜422中， 在高折射率区域422a和低折射率区域422b之间的界面附近，折射率 连续地变化，从而可以获得较高的衍射效率，这与图29的情况类似。 如果需要，浮雕型相栅掩模424c可被振幅型相栅掩模取代，其中所 述振幅型相栅掩模可通过使铬膜、氧化铬膜、铝膜等形成图案来形成。
另外，尽管通过图27至30的全息膜的制备方法的例子示出了 高折射率区域和低折射率区域之间的边界区域与膜的厚度方向平行 的情况，但是如果需要，该边界区域当然也可以相对于膜的厚度方向 倾斜。为此，在图27至29的制备方法中，例如，可以以倾斜的角度 将能量束导向含有Si-O的氢化碳膜的表面。另外，在图30的制备方 法中，也可以以倾斜的角度将紫外光425c导向含有Si-O的氢化碳膜 的表面，以便使用位于第0次衍射光与第+1次衍射光或第-1次衍射 光之间所得到的干涉光的曝光。然而，位于第0次衍射光与第+1次 衍射光或第-1次衍射光之间所得到的干涉光按照与相栅掩模424c的 凹凸的周期相同的周期出现。因此，需要使用具有这样的凹凸的相栅 掩模424c，其中所述凹凸按照与含有Si-O的氢化碳膜的低折射率区 域422b的所需周期相同的周期的方式形成。
图31的示意性剖视图示出了高折射率区域和低折射率区域之间 的边界区域优选相对于膜的厚度方向倾斜时的情况的例子。具体而 言，在玻璃基板421上形成的全息膜422中，高折射率区域和低折射 率区域之间的边界区域422c相对于膜的厚度方向倾斜。在这种情况 下，例如，在入射光L1被导向含有Si-O的氢化碳膜422上并转化为 光线L2、然后进一步转化为光线L3时，入射光L1被折射，其中所 述光线L3在高折射率区域和低折射率区域之间的边界区域422c处 以指定的布拉格反射角θ被高效地衍射。由于边界区域422c相对于含 有Si-O的氢化碳膜的厚度方向倾斜，因此该衍射光L3可在与含有 Si-O的氢化碳膜正交的方向上被发射出。即，例如，衍射光L3可以 高效地被垂直地导向液晶面板的表面上。
与图38类似，图32的示意性剖视图示出了实施例26中的彩色 液晶投影仪的例子。图32的彩色液晶投影仪与图38的彩色液晶投影 仪类似，不同之处在于，感光性聚合物膜的全息膜484被含有Si-O 的氢化碳膜的全息膜484a代替，并且白色光源481和分色镜482被 发射蓝色光的元件491B、发射绿色光的元件491G和发射红色光的 元件491R代替。作为发射三种基本颜色中各颜色的光的元件，可以 优选使用发光二极管(LED)或半导体激光器(LD)。在这种情况下，各 颜色的光分别以对应于它们的波长的衍射角而被分光。
与通过使用分色镜将白色光分光而获得的三种基本颜色的光相 比，半导体发光元件可以发射出纯度更高的三种基本颜色的光。可以 设置这些半导体发光元件，使得三种基本颜色的光被分别以特定的角 度导向全息膜484a，所述特定的角度对于这些光线的波长分别可以 获得最高的衍射效率。因此，使用图32的彩色液晶投影仪，可以获 得具有高的色彩纯度和优异的色彩赋予性能的明亮的全彩色投射图 像。
尽管在上述说明中已经结合图32、33和38描述了反射型彩色 液晶投影仪，但是不用说实施例26中的由含有Si-O的氢化碳膜制成 的全息膜也可适用于透射型彩色液晶投影仪。例如，考虑到图33的 反射型彩色液晶投影仪与透射型彩色液晶投影仪之间的部分差异，可 以理解到，通过使用透明电极层取代反射型电极层404，反射型彩色 液晶投影仪就可以改变为透射型彩色液晶投影仪。在该情况下，不需 要通过全息膜提取待投射的光，使得来自光源的光也可直接从全息膜 的后面施加。在该情况下，在全息膜的折射率调制的区域(其在对应 于图34所示的衍射光栅图案中的单一微透镜区域413)中，与中心 部分相比，相对两侧部分中的高(或低)折射率区域的宽度和间隔可以 进一步降低。另外，在本发明中，当然可以优选将含有Si-O的氢化 碳膜的全息膜不仅用于投影仪型显示装置，而且用于图35所示的通 常使用的彩色液晶显示装置。此外，作为本发明可使用的用于彩色液 晶投影仪或彩色液晶显示装置的光源，可优选使用金属卤化物灯、超 高压汞灯、冷阴极射线管、氙气灯、发光二极管、半导体激光器、 Ar激光器、He-Ne激光器和YAG(钇铝石榴石)激光器等。
<实施例27>
本发明的实施例27涉及一种用于记录和/或再现光学信息记录 介质上的信息的光学摄像装置。在用于记录和/或再现光学信息记录 介质(例如CD或DVD)上的信息的光学摄像装置中，来自光源的 光束被会聚到光学信息记录介质的记录表面上，并且从信息记录表面 所反射的光被会聚到光接收单元。为此，该光学摄像装置使用各种光 学元件，例如发光元件、偏振光分离器、1/4波长板、物镜、调焦镜 和光接收元件(例如参见日本专利公开No.2003-66324(专利文献 14))。
在专利文献14公开的光学摄像装置中，使用浮雕型(膜的厚度 调制型)衍射光栅作为光学元件，例如偏振光分离器、1/4波长板、物 镜和调焦镜。对于物镜，可使用图41的示意性剖视图示出的浮雕型 衍射透镜。
图41的浮雕型衍射透镜包括栅距为p、高度为d的锯齿状浮雕。 具体而言，该透镜的透镜膜的厚度以同心的方式被规则地调制，并且 使得入射光520被衍射(例如衍射为1次衍射光521、2次衍射光522 等)和会聚，如凸透镜的情况一样。因此，浮雕型衍射透镜的制备方 法较难，并且存在着不能在透镜上叠置另一个元件的问题等。
另外，常规的偏振光分离器由两个微棱镜形成并且其厚度为至 少3mm，使得难以进一步减小尺寸。另外，常规的1/4波长板使用 厚度为至少0.5mm的石英板，因此难以进一步减小尺寸。换句话说， 形成光学摄像装置的常规光学元件的尺寸减小和/或集成受到限制， 因此难以减小光学摄像装置的尺寸。
考虑到常规光学摄像装置中存在的问题，日本专利公开 No.2006-53992(专利文献15)公开了一种光学摄像装置，其包括使 用DLC膜的折射型光学元件或折射率调制型衍射光学元件。
尽管可以通过使用紫外线等照射来增加DLC膜的折射率，但是 如上所述，随着折射率的增加，消光系数往往也增加。这使得难以在 DLC膜的厚度方向上均匀地增加折射率。另外，在所制备的折射率 调制型衍射光学元件中，高折射率区域中的高消光系数意味着光难以 透过相关的区域，从衍射效率的观点考虑，这不是优选的。因此，实 施例27提供这样的光学摄像装置，该光学摄像装置具有通过使用性 能优于DLC膜的含有Si-O的氢化碳膜而制备的各种光学元件。
(光学摄像装置)
图39示出了实施例27中的光学摄像装置的例子的示意性结构 图。在该光学摄像装置中，来自光源511中的光束穿过偏振光分离器 513，从而转化为第一线性偏振光，然后通过1/4波长板514而形成 圆偏振光，并且通过物镜透镜515而会聚到光学信息记录介质516 的记录表面516a上。从信息记录表面516a反射的回射光穿过物镜透 镜515和1/4波长板514，从而转化为第二线性偏振光，其相对于第 一线性偏振光的偏振方向旋转了90度。然后，被偏振光分离器513 反射的第二线性偏振光通过调焦镜517会聚到光接收元件518上。
此处，图39的光学摄像装置中所包含的光学元件中至少一种可 以通过使用含有Si-O的氢化碳膜而形成，所述含有Si-O的氢化碳膜 包括折射率相对较低的局部区域和折射率相对较高的局部区域。
在图39所示的根据实施例27的光学摄像装置中，可以增加用 于使光成为平行光束的准直仪物镜519作为光学元件。对于准直仪物 镜519的设置位置并不特别限定。尽管在图39中其设置在1/4波长 板514和物镜透镜515之间，但是(例如)其也可以设置在光源511 和偏振光分离器513之间。
在根据本发明的光学摄像装置中，偏振光分离器513和1/4波长 板514中的至少任意一种可以通过使用含有Si-O的氢化碳膜来制备。 换句话说，偏振光分离器和1/4波长板中至少一者可以包括在含有 Si-O的氢化碳膜中形成的折射率调制型衍射光栅。
(偏振光分离器)
对于偏振光分离器，可以使用含有Si-O的氢化碳膜(其包含图 21中详细描述的折射率调制型衍射光栅)。
(1/4波长板)
包含折射率调制型衍射光栅的1/4波长板可以具有类似于偏振 光分离器的结构的结构。例如，当光束的P偏振光被导向1/4波长板 时(此时，1/4波长板被设置为使得低折射率区域和高折射率区域的线 条和空间的方向相对于P偏振光的偏振方向旋转45度)，已穿过1/4 波长板的光转化为圆偏振光，其偏振方向在相对于光的前进方向逆时 针旋转的方向上。
在图39的光学摄像装置中，通过将偏振光分离器513和1/4波 长板514结合而获得的复合体起到下列作用。具体而言，关于来自光 源511的光束，只有第一线性偏振光(S偏振光)透过偏振光分离器513 并转化为圆偏振光(该圆偏振光在相对于光的前进方向逆时针旋转的 方向上被1/4波长板514旋转)，穿过准直仪物镜519，然后被物镜 透镜515会聚到光学信息记录介质516的记录表面516a上。接下来， 从信息记录表面516a反射的回射光(由于反射，圆偏振光的旋转方向 被反转)穿过物镜透镜515和准直仪物镜519，以相反的方向被导向 1/4波长板514，然后转化为第二线性偏振光(P偏振光)，其相对于第 一线性偏振光的偏振方向旋转了90度。因此，第二线性偏振光可被 偏振光分离器513衍射，穿过调焦镜517，被会聚到光接收元件518 上。
此处，如图40的示意性透视图所示，例如，偏振光分离器和1/4 波长板的复合体可以这样获得：在由SiO2制成的基板501的第一主 表面上形成起到偏振光分离器作用的第一含有Si-O的氢化碳膜561， 然后在基板501的第二主表面上形成起到1/4波长板作用的第二含有 Si-O的氢化碳膜562。
在根据本发明的光学摄像装置中，可以采用包含用于物镜透镜、 调焦镜和准直仪物镜中至少一者的含有Si-O的氢化碳膜的光学元 件。此处，物镜透镜、调焦镜和准直仪物镜中至少一者可以包含在含 有Si-O的氢化碳膜中形成的折射型透镜和折射率调制型衍射透镜中 的任意一种。
(折射型透镜)
例如，如图7中详细描述的那样，可以制备使用了含有Si-O的 氢化碳膜的折射型透镜。
(折射率调制型衍射透镜)
例如，如图8和9中详细描述的那样，可以制备使用了含有Si-O 的氢化碳膜的折射率调制型透镜。这种衍射型透镜可制得比通常的折 射型透镜薄一些，并且可以在厚度为约1-2μm的含有Si-O的氢化碳 膜中制备该衍射型透镜。因此，通过在光学摄像装置中使用用于物镜 透镜、调焦镜和准直仪物镜中至少一者的衍射型透镜，可以减小光学 摄像装置的尺寸。
<实施例28>
本发明的实施例28涉及一种光束扫描装置和使用该光束扫描装 置的光学产品。通常，光束扫描装置广泛用于光学产品(例如激光打 印机、条形码阅读器或扫描仪)中。然而，近年来，对于具有光束扫 描装置的这种光学产品，人们更加期望降低其生产成本和进一步减小 尺寸。
例如，在常规的激光束扫描装置中，需要使用针孔光阑来控制 从半导体激光器中发射出的激光光束的最大直径，并且设置多个圆柱 形透镜和棱镜以在准直仪物镜中接收从半导体激光器中发射出的激 光光束，并且在垂直振动方向和水平振动方向上均将束腰位置设定至 所需位置(参见日本专利公开No.6-27398的第[0004]段(专利文献 16))。
然而，在常规的激光束扫描装置中，例如，如果在半导体激光 器的发射端除了准直仪物镜外还设置多个圆柱形透镜和棱镜的话，部 件数量的增加，引起激光束扫描装置的生产成本增加的问题，并且还 存在难以减小尺寸的问题。
为了解决这些问题，专利文献16公开了这样的激光束扫描装置， 其中从半导体激光器中发射出的激光光束被常规的透镜和针孔光阑 整形(参见专利文献16的第[0009]段)，整形后的激光光束被导向包括 多面镜等的光束扫面器件，然后被施加到作为待照射物体的条形码上 (参见专利文献16的第[0018]-[0026]段和图2)。
然而，在这种激光束扫描装置中，聚焦透镜和针孔光阑被用于 使激光光束整形，并且，聚焦透镜设置有倾斜角控制器件以改变转换 透镜的倾斜角(参见专利文献16的第[0008]段和图1)。
因此，由于部件数量较多，该激光束扫描装置还存在无法充分 降低生产成本的问题。另外，因为需要将上述部件组合，所以该激光 束扫描装置还存在着难于减小尺寸的问题。
因此，人们要求使用衍射光学元件以便通过衍射使激光光束整 形，而不是使用转换透镜和针孔光阑来使激光光束整形。作为这种衍 射型光束整形元件的效果的例子，可以参考上述图26以及相关描述。
另外，例如，日本专利公开No.2006-30840(专利文献17)公开 了一种光束扫描装置，其包括：用于发射光束的光源；用于使光束整 形的衍射光学元件；以及用于改变光束的前进方向的光束扫描器件， 其中通过利用DLC膜而制备的折射率调制型衍射光学元件被用作用 于使光束整形的衍射光学元件。
然而，在专利文献17中公开的光束扫描装置中，需要使用能量 束照射DLC膜以局部地增加DLC膜的折射率。因此，容易引起DLC 膜的平均折射率增加，因此在DLC膜与另一种相邻介质之间的界面 处更易引起光反射，从而导致由光源供给的光能的损失。
因此，实施例28提供一种能够抑制由光源供给的光能的损失的 光束扫描装置、以及包含该光束扫描装置的光学产品。
(折射率调制图案)
在根据实施例28的光束扫描装置中，通过使用含有Si-O的氢 化碳膜来制备用于使光束整形的衍射光学元件。其折射率调制图案可 以由图24中详细描述的模拟来确定。
(光束扫描装置)
图42的示意性结构图示出了由实施例28的光束扫描装置而引 起的光束照射。该光束扫描装置包括由透明基板631和在透明基板 631上形成的含有Si-O的氢化碳膜632构成的衍射光学元件603作 为用于使从光源602中发射出的光束整形的器件。
换句话说，该光束扫描装置，在使从光源602发射出的光束整 形的衍射光学元件603中，使用了含有Si-O的氢化碳膜632而不是 DLC膜，由于上述原因，与使用DLC膜的现有技术的光束扫描装置 相比，可以进一步抑制从光源602发射出的光束的光能的损失。
在图42的光束扫描装置中，从光源602发射出的光束被衍射光 学元件603整形。然后，被衍射光学元件603整形后的光束被导向以 恒定的速度旋转运动的多面镜604，然后其前进方向被多面镜604改 变。前进方向被改变了的光束被施加到待照射物体605。此处，激光 装置(例如半导体激光器)、发光二极管、或灯(例如超高压汞灯、 氙气灯、或卤化物灯)被用于光源602。
注意的是，在图42中，折射率调制型衍射光学元件603也可设 置在多面镜604的后面。在这种情况下，从光源602发射出的光束的 前进方向被多面镜604改变，然后被导向衍射光学元件603。被衍射 光学元件603整形后的光束被施加到待照射物体605。
(激光打印机)
图43的示意性结构图示出了使用图42的光束扫描装置的激光 打印机的例子。在该激光打印机中，例如，从半导体激光器光源602 发射出的激光光束被折射率调制型衍射光学元件603(其由透明基板 631和在透明基板上形成的含有Si-O的氢化碳膜632构成)整形， 然后被导向多面镜604。前进方向被多面镜604改变了的激光光束被 球面透镜606和超环面透镜607整形，然后施加到光电导滚筒608。 如上所述，在根据实施例28的激光打印机中，激光光束仅被衍射光 学元件603整形而不需使用其他许多部件，因此可以提高光的利用效 率。
被多面镜604的一个侧面(该侧面作为多边形柱的侧面并且制 成镜子)反射的激光光束以恒定的速度在光电导滚筒608上扫描，从 而在光电导滚筒608上形成对应于单行的图像。通过连续地高速成 像，在光电导滚筒608上绘制二维图像。随后，根据在光电导滚筒 608所绘制的二维图像，将调色剂附着在光电导滚筒608上，然后转 印到一页纸上以打印图像。
在实施例28中，还可以使用通过利用含有Si-O的氢化碳膜而 制备的第二折射率调制型衍射光学元件，而不是使用图43中所示的 球面透镜60和超环面透镜607。在这种情况下，可以进一步减少部 件的数量。在这种情况下，前进方向被多面镜604改变了的激光光束 通过第二衍射光学元件被施加到光电导滚筒608上。
(扫描仪)
图44的示意性结构图示出了实施例28的扫描仪的例子。在该 扫描仪中，从起到光源602作用的半导体激光器中发射出的激光光束 被折射率调制型衍射光学元件603整形，然后被导向多面镜604。接 下来，前进方向被多面镜604改变了的激光光束被施加到源文件610 上，在源文件610上打印图像。然后，激光光束从源文件610被反射， 通过检测器611(例如线型扫描仪)检测反射激光光束的强弱，并转 化为电信号。如上所述，在根据实施例28的扫描仪中，激光光束可 以只被衍射光学元件603整形而不需使用其他许多部件，因此可以提 高光的利用效率。注意的是，如果图44中示出的源文件610被条形 码代替，那么该扫描仪就成为条形码阅读器。
工业实用性
如上所述，根据本发明，可以提供：折射率调制型衍射光学元 件，其具有大的折射率变化量Δn(即，高的衍射效率)、对于紫外 光区和可见光区具有高的透明度、并且与通常使用的光学元件具有良 好的适用性；以及可实现该折射率调制型衍射光学元件的含有Si-O 的氢化碳膜。
另外，通过使用这种含有Si-O的氢化碳膜，还可以提供各种光 学装置。