JP2009500667A - 凸面を有する単結晶ダイヤモンド素子及びその加工方法 - Google Patents

Abstract

凸面を有する単結晶ダイヤモンド素子が開示され、その凸面は完全球面からの最高−最低間の最大のずれが約５μｍ未満である球セグメントを含む。それとは別に、又はそれに加えて、完全球面からのＲＭＳずれを約５００ｎｍ未満とすることができるか、又はＲＭＳ粗さを約３０ｎｍ未満とすることができる。曲率半径が約２０ｍｍ未満である単結晶ダイヤモンド素子も開示される。一態様では、約１０°よりも大きな円錐半角を有する単結晶ダイヤモンド素子について説明されている。本発明は、さらに、単結晶ダイヤモンド素子上に回転対称面を形成する方法を提供し、この方法は、第１の軸を中心として素子を回転することと、第１の軸に垂直な方向でレーザー光線を素子に当てることと、光線の方向に垂直な平面の２次元内でレーザー光線を平行移動することとを含む。２次元経路が円弧を辿る場合、球面が形成されうる。本発明は、さらに、高速回転しているカップを低速回転している素子上に押し付けることにより単結晶ダイヤモンド素子上の球面を改善することも提供する。素子は、レンズ、特に固体油浸レンズとすることができる。

Description

本発明は、単結晶ダイヤモンド素子上に凸面を形成することに関する。特に、もっぱらというわけではないが、本発明は、情報記録及び／又は再生装置及び光学ピックアップ・デバイスで使用される固体油浸レンズなどのレンズとして使用するようにダイヤモンド素子の球面を研磨することに関する。このようなレンズは、顕微鏡及びリソグラフィ、並びに医療用途における診断及び侵襲性の少ない外科手術において使用される内視鏡プローブなどのプローブで使用することもできる。本発明は、さらに、計測チップとして使用するダイヤモンド球面を研磨することにも関係する。本発明は、さらに、穴径を測定するか、又はキャリパーなどの計測装置を較正する基準として使用する、また基準スペーサー及び平面を定義する基準として使用する、ダイヤモンド球面を研磨することに関する。

レンズは、数世紀の間、結像系、集束光学素子などにおいて使用されてきた。通常、これらは、使用される波長範囲内において透明である材料から作られ、ある種の規定形状に従って研磨された表面を有する。大半のレンズは、上下に研磨された表面を持つディスクの形状で形成される。典型的には、研磨された表面の一方面又は両方の面は、そのディスクの半径以上の曲率半径を持つ球の一部分の形態をとる。表面の一方の面のみが球面である場合、反対側の表面は、通常平面である。レンズを製造するために使用される一般材料は、ガラス、サファイアなどの可視光線を透過する結晶、及びシリコン、セレン化亜鉛、及びゲルマニウムなどの赤外線透過材料である。

レンズの特定の材料特性を必要とする用途がいくつかある。高強度レーザー光を操作するときに使用されるレンズは、高い光損傷閾値を有する必要がある。高熱伝導性も、レンズ内の温度変動を小さくし、したがって歪みを低減するため有利な特性である。いくつかの用途では、使用される材料は、同時に、レンズによって集束される光の波長において高透過率及び高屈折率を示すことが重要である。

ダイヤモンドは、このような用途のレンズで使用すると都合のよい材料特性を示し、したがって、厳密な仕様に合わせてダイヤモンド・レンズを製造することができることが望ましい。ダイヤモンドから形成されるレンズは、以前に作られたことがあるが、必要な光学特性を持つようにそのようなレンズを研磨する技術にはいくつもの難題が伴うためまれである。

ダイヤモンドで形成されるという利点を特に有するであろう種類のレンズとして、ＤＶＤなどのデジタル媒体から情報を読み取るための光学ピックアップ・デバイスで使用される種類の固体油浸レンズ（ＳＩＬ）がある。ＵＳ−Ａ−２００４／００４７２７０では、光ディスク上の記録及び再生能力を改善することを目的とする情報記録及び／又は再生装置を説明している。この装置は、収束レンズ・ユニットの一部として半球又は超半球ＳＩＬを備える（「超半球」面とは、球の中心を含まない平面により分割される球の大きな方の部分の形状のことである）。ＳＩＬは、高屈折、高透過性の材料で形成されなければならず、ダイヤモンドは、そのようなＳＩＬが形成されうる材料候補として推奨されている。しかし、ダイヤモンドＳＩＬをどのように製造するかについての情報は得られていない。

Ｊ．Ｔｏｍｉｎａｇａ及びＴ．Ｎａｋａｎｏ著「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，２００５，ＩＳＢＮ ３−５４０−２２１２８−Ｘ）で説明されているように、ＳＩＬは、球面と反対の平坦側が研磨されている半球又は超半球の形状を有していなければならない。その厚さｔは、半球ＳＩＬの場合にはＳＩＬの半径ｒに等しいか
ｔ＝ｒ （１）、
又は超半球ＳＩＬの場合には、
ｔ＝ｒ（１＋１／ｎ） （２）
となると決定され、ただし、ｎは、使用される放射線の波長におけるＳＩＬが作られる材料の屈折率である。厚さが式１及び２で与えられている値からわずかに修正されたＳＩＬを使用した他の設計も、考察された。このような場合、ＤＶＤは、比較的厚い（数マイクロメートル）最上層の下に情報ビットが埋め込まれた層を備えることができる。光学系全体の回折限界性能を得るために、ＳＩＬの厚さは、減らされなければならず、ピンぼけ及びこの最上層の球面収差を補正するために、ＳＩＬの前の光学系の収束及び球面収差は、調節されなければならない。

このような用途に使用されるＳＩＬは、理想球面からのずれと研磨された表面の粗さに関して球面の正確さに関する非常に高い要求条件に適合する必要がある。それに加えて、ＳＩＬの厚さは、数分の１マイクロメートルの細かさで制御される必要がある。このような厳格な要求条件がある理由は、可能な限り最高の記録密度を実現するためにいわゆる回折限界スポット・サイズを持つ光学系が必要であることにある。これまで、ＳＩＬとして使用するために、十分に小さな曲率半径を持つ、又は必要な光学特性を持つダイヤモンド・レンズを研磨することが可能でなかった。

レンズ研磨は、従来、以下の２つの異なる原理のうちの１つを使用して行われている。

１）単一点回転：このかなり最近の方法では、レンズは、プラスチックなどの柔らかい材料、又はゲルマニウム又はセレン化亜鉛などの赤外線透過材料から形成することができる。材料は、非常に鋭く、非常に硬いバイト、ほとんどの場合、ダイヤモンド・チップで除去される。加工物に関するツール先端の運動を規定することにより、規定形状の加工物上に表面を形成することができる。この表面は、球面である必要はないが、放物面形状又は楕円面形状などの非球面形状をとることができる。この形状の正確さは、主に、バイトが取り付けられているステージの正確さと安定性により決まる。空気ベアリングは、通常、加工物及びバイトを環境内の振動から絶縁するために使用される。このシステムは、ダイヤモンド表面の整形に使用するのに適していないが、それというのも、バイトの磨耗が、加工物の表面積とツール先端の面積との比が大きいため加工物から材料を取り除く速度よりもかなり速く進行することが避けられないからである。

２）ガラス光学素子の研磨技術が伝統的なものであるほど、軸を中心に回転する磨き粉充填ピッチ又はフェルト・カップ若しくはホイールに依存する。ガラス加工物は、このカップ上に押し付けられ、カップに関してランダムな運動により研磨される。このような研磨で粉体として使用される従来の材料としては、コランダム、炭化ケイ素、及びダイヤモンドがある。加工物に関するカップ又はホイールの運動がランダムであるため、加工物の表面は、最終的には、球状になり、この方法で、非常に正確なレンズを形成することができる。ダイヤモンドは、従来、この方法の修正バージョンを使用して研磨されるが、以下で詳しく説明するように、この方法で製造できるレンズには限界がある。

ダイヤモンドは、天然に存在する最も硬い物質であることはよく知られている。したがって、ダイヤモンドは、従来から、急速回転する鋳鉄又は青銅製ホイール又は細かいダイヤモンド粉末を含浸させた「スケイフ」を使用して研磨されている。スケイフ技術を使用することで、微細研磨ダイヤモンド表面を製造することができる。等方性非晶質物質（液体の短距離秩序を持つが、長距離秩序を持たない）である、ガラスとは異なり、ダイヤモンドは、立方結晶である。このことは、結晶軸に関する特定の平面内で、ダイヤモンドを研磨することは比較的容易であるが、他の方向では、従来の方法で研磨することはほとんど不可能であることを意味している。特に、「柔らかい」（容易に研磨される）平面は、（例えば）結晶学の術語では｛１１０｝及び｛１００｝と呼ばれる、いわゆる２点及び４点平面と一致するが、いわゆる３点平面（｛１１１｝平面）は、「硬い」又は非常に研磨しにくい平面と一致する。

最近の方法では、ダイヤモンド粉末を充填された樹脂ポリマーを含み、金属製キャリア・ホイール又はカップ上に載せられた研磨ホイールを使用することを伴い、このため、任意の方向でダイヤモンドを研磨することができる。しかし、方向が異なると硬さが変わるという効果は、厳然として存在し、したがって、研磨速度は、依然として、結晶の配向とともに変化する。最も伝統的なダイヤモンド研磨では、平坦な平面のみが研磨され、その場合、研磨速度は平面の領域全体にわたって均一であり、その結果、材料が均一に取り除かれる。

レンズでは必要なことであるが、球面を研磨する場合、研磨ホイール又はカップは、結晶軸に関して研磨ホイールのある範囲の配向にわたってレンズから材料を取り除かなければならない。そのため、樹脂接着研磨ホイール又はカップを使用する場合でも、除去率は、その表面上で均一でない。この結果、表面は、意図された理想球状からの大きなずれを有し、特に半球の実質的一部が必要な場合にはそうである。

ダイヤモンド・レンズは、単結晶材と多結晶材の両方から製造されてきた。化学気相成長（ＣＶＤ）法により加工された多結晶材が使用される場合、ダイヤモンドを事前整形面上に成長させることが可能である。次いで、ａｓ−ｇｒｏｗｎダイヤモンド・ディスクは、樹脂接着ホイール研磨の標準的技術を使用して平坦になるまで研磨されるか、又は湾曲研磨ホイール若しくはカップで湾曲仕上げされることができる。しかし、この技術は、天然の単結晶ダイヤモンド、又は高圧高温（ＨＰＨＴ）技術を使用する合成結晶成長には使用されえない。さらに、これは、ＣＶＤ成長単結晶物質にも適していない。これは、単結晶ＣＶＤダイヤモンドが、ダイヤモンドからそれ自体形成される基板上に成長させられ、それに対し、事前整形は、ＣＶＤ成長材料を整形するのと同じくらいの難しさである。それに加えて、ダイヤモンド基板からＣＶＤ成長ダイヤモンドを取り除く作業は、鋸引き、又はレーザー・カットでしか実行できず、いずれの場合も、湾曲した基板上にダイヤモンドを成長させると、カットされた最終的な石が得られる。

現在までに製造された単結晶ダイヤモンド・レンズは、上述の技術を使用して研磨しダイヤモンド上に湾曲面を形成することでしか得られていない。このようなレンズの球面の曲率半径は、レンズの直径の半分よりもかなり大きく、したがって、ＳＩＬ（曲率半径がレンズの直径の半分に等しい）で使用するのには適さない。以前の単結晶ダイヤモンド・レンズは、さらに、研磨される球の一部分に応じて、理想球面から大きくずれる。

それに加えて、従来の技術を使用して平坦なダイヤモンド表面を研磨した場合、ダイヤモンド物体は、典型的には、「タング」と呼ばれるデバイスで掴まれ、次いで、手でかなりの力を加えて高速回転研磨スケイフの表面に押し付けられる。しかし、基底の厚さを有するダイヤモンドの層の除去を可能にする正確な制御は、行えない。したがって、ＳＩＬを加工するときに必要な許容誤差内でレンズの厚さを制御することは容易なことで可能にならない。

ＳＩＬがＤＶＤ用途に使われる場合、短い紫外線領域波長、例えば、４０５ｎｍ及び２６６ｎｍのダイヤモンドＳＩＬを備える光学系には回折限界性能が必要である。そのような短い波長の透過を許す天然ダイヤモンド物質は、ＩＩａ型のダイヤモンドのみであり、これは、非常に低い濃度、典型的には２５ｐｐｍ未満の窒素不純物を有する。しかし、ＩＩａ型天然ダイヤモンドは、転位及び積層欠陥などの拡張結晶不完全性の密度が高いため、材料中に大きな応力が生じ、問題になることが多い。そのため、ダイヤモンド材料自体のバルク内に屈折率及び応力誘導複屈折の応力誘導変動が生じるので、ＩＩａ型天然ダイヤモンドは、一般に、回折限界性能を持つそのような高品質ＳＩＬを作るのには適していない。せいぜい、ＩＩａ型ダイヤモンドから好適な部分を選択することで原料歩留まりが非常に小さくなるくらいである。このように結晶品質にバラツキがあり、また自然変動による材料特性の相違があるため、このようなＳＩＬは、個別に検査されなければならず、また材料のバラツキを補正するために個別に異なる寸法及び形状を持つことになり、大量生産及び大量使用には不向きである。

計測では、金属、ガラス、セラミック、クリスタライン、及び他の物質から作られる表面の形状及び粗さをきちんと決めるために、球状チップが使用され、その表面形状は、高い精度で測定される必要がある。チップは、通常、部分的に柔軟なアーム上に取り付けられ、このアームには、アームの曲がりを感知する高感度検出器が装着される。典型的には、数ナノメートルのオーダーの移動が検出可能である。測定が始まると、チップは測定すべき物体に接触させられる。通常、アームは、チップ又は測定すべき物体自体とともに、ＸＹＺ平行移動ステージ及び／又は回転ステージ上に取り付けられ、チップ又は物体は、事前にプログラムされた動作に従って変位又は回転される。次いで、事前にプログラムされた動作により規定される形状からの物体の形状のずれが、チップが取り付けられているアームの曲がりにより検出される。

典型的な計測用途において、測定すべき物体は一般に非球状であるため、チップの異なる部分が、測定物体と接触する。物体と接触している、チップ上の位置に無関係に測定アームの曲がりを有するためには、測定の精度がチップの形状の悪影響を受けないように、チップ自体が運動の精度よりも高い精度の球である必要がある。現在入手可能なチップは、チップが物体の表面と連続的にスライドする形で接触するため、磨耗するという問題を抱えている。特に、硬い及び／又は粗い材料が測定される場合に、チップが磨耗すると、チップの球状形状が急速に劣化する。このため、これらのチップを使用した場合に測定誤差が生じる。このような場合、そのチップを、新しい、無傷のチップと交換しなければならない。そのため、チップが高価であり、またそれぞれの新しいチップを再較正する必要があることから、測定のコストが高くつく。アルミニウムなどの柔らかい材料によくある問題としては他に、たとえ１回の測定であっても、測定誤差につながる、測定物体をチップの表面上に作る際の材料のビルドアップが挙げられる。

さらに、計測では、異なる直径のボールを穴に通し、その穴を通る最大サイズのボールを決定することにより材料内の穴のサイズを測定したい場合がある。その場合、ボールは、正確に球状であり、変形せず、磨耗特性が低いことが重要である。この用途では、完全球状のボールは、必ずしも必要でなく、代わりに、超半球面で十分な場合がある。

計測ツール・チップ及びボールは、現在、炭化タングステン、ルビー、及びサファイアなどの硬い物質から作られているが、これらの物質であっても磨耗する。ダイヤモンドは、非常に低い磨耗特性を示し、計測チップ及び／又は計測ボールを製造する際の理想的原材料となるであろう。ダイヤモンドを使用するさらなる利点は、ダイヤモンド自体を含む、大半の硬い材料及び柔らかい材料と接触する場合の、その硬さと非常に低い摩擦係数とにある。このため、ダイヤモンドは、計測チップ又は測定ボールで使用するのに好ましい材料となるであろう。しかし、ダイヤモンド・チップを必要な精度で球又は超半球に整形するという問題があるため、現在まで、この用途には使われていない。

当業者であれば、例えば、キャリパーの較正において、及び一般に３つ一組で、基準球及び超半球の用途が他にもあり、例えば、干渉分光法設定において、平坦な板を測定のため置くことができる平面を定義することを理解するであろう。

そこで、本発明の目的は、高品質及び低曲率半径の球面を有する単結晶ダイヤモンド・レンズを製造することに関連する問題に対処する方法を提供することである。特に、本発明の目的は、固体油浸レンズ（ＳＩＬ）に適している単結晶ダイヤモンド上に半球又は超半球面を形成することである。本発明の他の目的は、単結晶ダイヤモンド・レンズ又はＳＩＬを高い精度範囲内で必要な厚さまで研磨する問題に対処する方法を提供することである。本発明の他の目的は、好適な光学系内に取り付けた場合に、回折限界性能を達成することを可能にするダイヤモンドＳＩＬを実現することである。本発明の他の目的は、高密度デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）のデータ読み出しのためのＤＶＤ読み出しシステムで使用できるダイヤモンドＳＩＬを実現することである。本発明の他の目的は、計測システムにおいてツール・チップとして使用するのに適した物理特性を持つダイヤモンド素子を実現することである。

本発明の一態様によれば、以下で述べる複数の特性のうちの少なくとも１つ、好ましくは２つ、より好ましくは３つ、より好ましくはさらに４つ、最も好ましくは５つの特性を有する凸面が形成されている単結晶ダイヤモンド材料の素子が実現される。

（ｉ）凸面は、完全球セグメントからの最高−最低間の最大のずれが、約５μｍ以下、より好ましくは約３μｍ以下、さらにより好ましくは約２μｍ以下、より好ましくは約１．５μｍ以下、より好ましくは約１μｍ以下、より好ましくは約５００ｎｍ以下、さらにより好ましくは約３００ｎｍ以下、より好ましくは約２００ｎｍ以下、さらにより好ましくは約１００ｎｍ以下、最も好ましくは約５０ｎｍ以下である球セグメントを含む。

（ｉｉ）凸面は、理想球からの球セグメント上のずれの平方の平均をとることにより測定される球セグメントの二乗平均平方根（ＲＭＳ）のずれは、約５００ｎｍ以下、より好ましくは約２５０ｎｍ以下、より好ましくはさらに約１００ｎｍ以下、さらにより好ましくは約６０ｎｍ以下、なおいっそうより好ましくは約４０ｎｍ以下、より好ましくは約２０ｎｍ以下、最も好ましくは約１０ｎｍ以下である球セグメントを含む。

（ｉｉｉ）凸面は、約３０ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは５ｎｍ未満、さらにより好ましくは３ｎｍ未満、より好ましくは１．５ｎｍ未満の二乗平均平方根表面粗さ（Ｒ_ｑ、「Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ」（Ｉ Ｍ Ｈｕｔｃｈｉｎｇｓ、Ｅｄｗａｒｄ Ａｒｎｏｌｄ発行、１９９２年、８〜９頁）で定義されている）を有する。

（ｉｖ）凸面の曲率半径は、約２０ｍｍ未満、好ましくは約１０ｍｍ未満、より好ましくは約５ｍｍ未満、さらにより好ましくは約２ｍｍ未満、さらにより好ましくは約１ｍｍ未満、さらにより好ましくは約０．５ｍｍ未満である。

（ｖ）凸面は、円錐半角が約１０°よりも大きい、好ましくは約２０°よりも大きい、より好ましくは約４０°よりも大きい、さらにより好ましくは約６０°よりも大きい、より好ましくは約８０°よりも大きい、より好ましくは約９０°よりもさらに大きい、さらにより好ましくは約１１０°よりも大きい、より好ましくは約１３０°よりも大きい、最も好ましくは約１５０°よりも大きい、球セグメントを含む。

円錐半角が９０°よりも大きい球セグメントは、超半球セグメントの基礎となりうることがわかる。

本発明の他の態様によれば、上述のような凸面を有する単結晶ダイヤモンド素子を含む単結晶ダイヤモンド・レンズが実現される。一実施例では、レンズは、固体油浸レンズ（ＳＩＬ）とすることができる。

素子から上述の凸面までの反対側に他の凸面を設けることができる。さらなる凸面は、第１の凸面と同じ曲率半径を持つことができ、完全球を形成する特別な場合に使用されるか、又はそれとは別に、より大きな曲率半径を持たせることができる。凸球面と凸非球面とを組み合わせること、及び凸面と凹面とを組み合わせることを含む、他の組み合わせも可能である。

それとは別に、凸面に対する素子の反対側に平坦な表面を設けることができる。これは、素子がＳＩＬの場合に特に適している。平坦な表面は、好ましくは、少なくとも凸面と同じくらい小さい粗さを有する。このような素子の厚さ（平坦な表面の法線方向で）は、好ましくは、式（２）が適用される固体油浸レンズの用途における理想的厚さと比較して少なくとも０．２μｍ、より好ましくは０．１μｍの精度で決定される。他の用途では、厚さ限界は、わずかに緩和されうるが、厚さは、それでも好ましくは、少なくとも２μｍ、より好ましくは１μｍ、より好ましくは０．５μｍの精度で決定されなければならない。他のいくつかの用途では、さらに、式（２）が適用されない場合でも、０．２μｍ又は０．１μｍのさらに高い精度を必要とすることがある。

レンズで使用するためには、ダイヤモンド材料は、特に高い品質のものである必要があり、レンズで使用するのに最も適している合成材料の種類は、一般に、その光学特性からＩＩａ型ダイヤモンドであり、特に、不純物関連吸収を最小にする十分に低いレベルの不純物を含む合成ダイヤモンドである。しかし、特定の状況において、ＩＩｂ型ダイヤモンド、さらにはＩ型ダイヤモンドも、使用できることは理解されるであろう。天然ダイヤモンドは、十分に高い均一性と低い内部応力を持つものを見付けられる限り使用できる。それとは別に、高圧高温（ＨＰＨＴ）法又は化学気相成長法により成長させた合成ダイヤモンドを使用できる。本発明の他の態様によれば、単結晶のＩＩａ型ＨＰＨＴダイヤモンド材料から形成されたレンズが実現される。

しかし、ダイヤモンド材料は、化学気相成長法により成長させた合成単結晶ダイヤモンド（一般にＣＶＤダイヤモンドとして知られている）であるのが好ましい。

単結晶ダイヤモンドは、１０^１６ｃｍ^−３よりも高い濃度のホウ素を含有することができ、これは好ましくはダイヤモンド材料に実質的に均一に分散される。

本発明の他の態様によれば、好ましくは実質的に半球又は超半球の形状の単結晶ダイヤモンドから形成された固体油浸レンズが実現される。

このような固体油浸レンズは、記録媒体に極端に近い記録装置内に挿入されるように設計される。このような状況では、平坦な表面の外縁は、素子の光学機能にほとんど役立たず、機械的理由から、球面の反対側に−つまり、球面と平坦な表面との間に−テーパー付きセクションを設けると好都合であることが多い。

本発明の他の態様によれば、光学的情報記録及び／又は再生装置、或いは光学ピックアップ・デバイスが実現され、これは、
記録媒体と、
レーザー光源と、
記録媒体に隣接して配置されている上述のような固体油浸レンズを備える収束レンズ・ユニットとを備える。

本発明は、さらに、上述のような単結晶ダイヤモンド・レンズを備える、顕微鏡装置、リソグラフィ装置、及び内視鏡プローブなどのプローブも実現する。

当業者であれば、本発明により可能となる形状で形成されるダイヤモンドについて、さまざまな他の用途、特に光学的用途及び機械的用途があることを理解するであろう。このような用途の１つは、計測装置における測定チップ又はスタイラスとしての使用である。このような用途では、ダイヤモンドの光学特性は、あまり重要でなく、実際、見やすいようにダイヤモンドは不透明であるのが好ましい場合すらある。ダイヤモンドが信頼度の高い磨耗特性を有することを保証することがさらに重要である。したがって、好適な材料としては、天然のＩａ型ダイヤモンド、天然又は合成Ｉｂ型ダイヤモンド、及び天然又は合成ＩＩｂ型ダイヤモンドがある。好ましい材料は、ここでもまた、ＣＶＤダイヤモンドである。

ＩＩｂ型ダイヤモンドは、ホウ素を含有し、これは、磨耗率を低減することが知られている。これは、ホウ素が材料中に均一に分散される場合に特に有用な特性である。ホウ素が不均一に分散している場合、磨耗率は均一でない。またこれにより、必要な程度の制御を行いながら凸面を形成することはさらに困難になる。均一なホウ素分散を実現するために、素子は、ＷＯ０３１０５２１７４で示されているように、ＣＶＤホウ素ドープ・ダイヤモンドから形成される。

したがって、本発明の他の態様によれば、計測装置が実現され、これは、
少なくとも部分的に曲げやすいアームと、
部分的に曲げやすいアームに動作可能なように関連付けられている動きセンサと、
部分的に曲げやすいアームの一端に配置された、上述のようなダイヤモンド素子を備えるツール・チップとを備える。

単結晶ダイヤモンド素子の他の用途としては、穴の直径を測定する場合、キャリパーなどの測定装置を較正する場合に使用する、また平面を定める基準と使用する基準球がある。一般に、平坦な基準面を３点で定めることが可能であり、実際、表面は、３つのボールの上に配置されるが、これらは完全球でなくてもよい。本発明による単結晶ダイヤモンド素子は、硬く、低磨耗であり、非常に正確な寸法公差で製造できるため、この用途に適している。

実質的に球状の単結晶ダイヤモンド素子の他の用途としては、ベアリングがある。ダイヤモンドの磨耗率が例外的に低いため、このような使用に特に適した材料となる。

単結晶ダイヤモンド材料は、好ましくは、原産地が識別可能なように、商標などの原産地表示、又は「指紋」を組み込むことができる。原産地表示をＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料内に組み込む好適な方法は、ＷＯ２００５／０６１４００で説明されている。素子がレンズとして使用される場合、必ず原産地表示が材料の光学特性に悪影響を及ぼすことのないようにことが重要である。

本発明の他の態様によれば、単結晶ダイヤモンド素子上に回転対称面を形成する方法が提供され、この方法は、
単結晶ダイヤモンド材料から形成されたブランクを第１の軸を中心に回転させることと、
ブランクをカットする十分な光度を持つレーザー光線をブランクに当てることと、
ブランクに関してレーザー光線を２次元経路にそって平行移動することとを含み、
これにより、ブランクの同時回転及びブランクに関するレーザー光線の平行移動が行われた結果、ブランク内で回転対称面がカットされる。

ブランクに関するレーザー光線の平行移動は、ブランクを平行移動し、レーザーを静止状態に保つことにより達成できることは理解されるであろう。

回転対称面は、好ましくは、球面であり、この場合、ブランクに関するレーザー光線の平行移動は、中心軸が球面の曲率中心を通る円弧によって実質的に表される経路を辿ることができ、ブランクの同時回転及びブランクに関するレーザー光線の平行移動が行われる結果、実質的に球状の表面がブランク内でカットされる。ブランクに関してレーザー光線が辿る経路は、レーザー光線がブランクの回転軸に近い場合に正確な円弧から所定の量だけずれうる。

上述の方法は、さらに、球と異なる他の形状を形成するように適合できることも理解されるであろう。この方法により、さまざまな用途、例えば、高圧セル内で使用するダイヤモンド・アンビルで使用可能な回転対称ダイヤモンド素子を生産することができる。このような回転対称形状は、物体の最終形状であるか、又は次いでさらに処理される中間形状であるとしてよい。好ましい実施例では（また、特に球面の製造において）、レーザー光線を第１の軸に実質的に垂直な方向でブランクに当てなければならず、またレーザーは、レーザー光線に垂直な平面内でブランクに関して平行移動されなければならない。

好ましい一実施例では、ブランクは、レーザーを使用してダイヤモンド・プレートからディスクを切り出すことにより形成される。ディスクは、形成される素子の厚さよりもわずかに大きい厚さを持たなければならない。本明細書で使用されているような「ディスク」という用語は、高さが直径よりも小さいか、等しいか、又は大きいシリンダーを含むことが意図されている。また、ディスクの曲線縁は、いずれかの側の平坦な表面に正確に垂直でなくてもよいことは理解されるであろうし、この曲線縁は、レーザー・カットの制約条件の結果として円錐の断面を形成しうる。ブランクは、好ましくは、第１の軸を中心として回転しうるキャリア上に取り付けられる。このキャリアは、シリンダー金属棒でよく、ブランクは、好ましくは、単純に取り外せるように棒に鑞付けされる。それとは別に、ブランクは、棒に残すこともでき、これは完成品をも形成しうる。これは、例えば、計測装置の製作でも役立ちうる。

上述の方法を用いると、準半球、半球、又は超半球の球面を有する単結晶ダイヤモンド素子が得られる。この方法では、完全な球面及び表面粗さからのずれが低い球面を形成する。しかし、特定の用途については、この素子をさらに研磨して、真球及び表面仕上げを改善する必要が生じることがある。

したがって、本発明の他の態様によれば、単結晶ダイヤモンド素子上の球面を研磨する方法が提供され、この方法は、
第１の回転速度で第１の軸を中心として素子を回転させることと、
研磨面を持つカップを球面に押し付けることと、研磨カップは第１の速度よりもかなり速い第２の回転速度で第２の軸を中心として回転することとを含む。

一実施例では、カップは、さらに、第１の速度よりも遅い第３の速度で第３の軸を中心として回転し、第３の軸は第１の軸に垂直であり、球面の曲率中心のところで第１の軸を通り、第３の軸を中心とする回転は３６０°未満、好ましくは１８０°未満を示す振動運動である。第３の軸を中心とする回転の速度は、表面全体にわたる平均化を改善するために、好ましくはランダムに変化しうる。

好ましい一実施例では、第１の軸は、結晶軸＜１００＞方向にそって揃えられる。これにより、素子は、すべての結晶方向にわたって等しく研磨され、その結果、４回対称性を持つ欠陥が生じる。他の実施例では、第１の軸は、結晶軸＜１１１＞方向にそって揃えられる。この結果、素子の「硬い」研磨面は球面の頂点に配置され、素子の回転の結果として研磨度最も高いものを当然受け入れる。

カップの研磨面は、好ましくは、球面の研磨をゆっくりと、しかも制御可能な形で必ず行えるように硬い材料である。一実施例では、研磨面は、樹脂又はリン青銅などの形成剤中に埋め込まれたダイヤモンド粉末の層を含むことができる。しかし、研磨面は、焼結ダイヤモンド粒子の層を含むことが好ましい。

好適な一研磨面は、コバルトを豊富に含有する第２相が存在している中、高温及び高圧下で一緒に焼結された多結晶ダイヤモンド粒の層を含む。これにより、ダイヤモンド粒の焼結が促進され、凝集多結晶塊が形成され、その中の粒同士の間のスペースは、コバルトを豊富に含有する第２相により充填される。そのような材料の一実施例は、ＰＣＤ Ｓｙｎｄｉｔｅ（登録商標）である。

他の好適な研磨面は、第２相が存在している中、高温及び高圧下で一緒に焼結された多結晶ダイヤモンドの層を含む。第２相は、セラミックであり、材料が完全密状態となるようにダイヤモンド粒間のすべてのスペースを充填する。そのような材料の一実施例は、ＰＣＤ Ｓｙｎｄａｘ（登録商標）である。

研磨面に対するさらなる代替えは、反応結合プロセスにより作られるダイヤモンド炭化ケイ素系複合材料により実現される。材料は、もっぱら炭化ケイ素マトリックス中にダイヤモンド粒子を含み、そのような材料の一実施例は、Ｓｋｅｌｅｔｏｎ（登録商標）セメント・ダイヤモンドである。

さらなる代替えにおいて、研磨面は、多結晶ＣＶＤダイヤモンドの層を含むことができる。

研磨面は、凹面としてよく、そのため、実質的に、研磨される球面の形状と一致する。それとは別に、研磨面は、最初は、実質的に平坦であってよく、研磨面は素子の球面を研磨する動作により磨耗して必要な凹形状になる。

ダイヤモンド素子は、レンズであってよく、本発明の方法は、さらに、第１の球面を形成又は研磨するために使用されるのと同じ技術を使用して球面の反対側の素子上に第２の研磨面を形成又は研磨することを含むことができる。２つの球面の曲率半径が、同じでない場合、第２の球面は、好ましくは、第１の球面よりも大きな曲率半径を有し、曲率半径の小さい球面が最初に形成される。

それとは別に、球面に対する素子の反対側に平坦な表面を研磨することができる。これは、ダイヤモンド素子を研磨ホイールに押し付けることにより実行することができる。ダイヤモンド素子は、研磨ホイールに押し付けられるときに球面カップを備えるホルダー内に配置することができる。素子の厚さは、好ましくは、２μｍ以内、より好ましくは１μｍ以内、より好ましくはさらに０．５μｍ以内、より好ましくは０．２μｍ以内、最も好ましくは０．１μｍ以内で制御可能である。

この方法により形成される素子は、ＳＩＬであってよく、上述のように、特定の用途では、このようなデバイスから平坦な表面の外側部分を除去すると都合がよい。したがって、この方法は、さらに、球面と素子の平坦な表面との間のテーパー付きセクションを形成することを含むことができる。これは、好ましくは、複数の平坦な切子面を研磨することにより行うことができる。

本発明は、さらに、上述の方法により形成された、単結晶ダイヤモンド素子、好ましくはレンズ、好ましくは固体油浸レンズも実現する。ＳＩＬは、実質的に準半球、半球、又は超半球としてよい。素子は、好ましくは、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料から形成される。

この方法は、さらに、凸面の反対側に形成された取付穴又は円錐を有する素子を形成することを含むことができる。例えば、素子が計測ツール・チップとして使用される場合、これにより、チップを部分的に曲げやすいアーム上に取り付けやすくなる。

本発明は、さらに、上述の方法を実行するための装置も実現する。したがって、本発明の他の態様によれば、単結晶ダイヤモンド素子上に球面を形成するための装置が実現され、この装置は、
第１の軸を中心として回転可能であり、単結晶ダイヤモンド・ブランクを受け入れるように適合されたスピンドルと、
スピンドルに取り付けられたときにダイヤモンド・ブランクに向けてレーザー光線を放射し、レーザー光線は第１の軸に実質的に垂直な方向に向けられる、レーザー光線源と、
レーザー光線に垂直な平面内の２次元経路上のスピンドルに関してレーザー光線源を平行移動するための平行移動手段とを備える。

本発明の他の態様によれば、単結晶ダイヤモンド素子上に形成された球面を研磨するための装置が実現され、この装置は、
素子を受け入れるように適合され、第１の軸を中心として回転可能である回転ステージと、
高速回転スピンドル上に取り付けられた研磨カップと、
研磨カップを素子上に押し付けるための手段とを備える。

高速回転スピンドルは、好ましくは、回転アーム上に取り付けられ、回転アームは第１の軸に垂直な軸を中心として回転可能であり、球面の曲率中心を通る。

本発明のいくつかの好ましい実施例は、例のみを使って、付属の図面を参照しつつ説明される。

図１は、球面を形成できるブランクとして使用するダイヤモンド・プレート３からシリンダー状セクション２を切り出すための装置１の略図である。装置は、ダイヤモンド・プレート３が取り付けられるＸ−Ｙ平行移動ステージ（図に示されていない）を備える。カッティング・レーザー４、例えば、パルスＮｄ：ＹＡＧレーザーは、光線５を発生し、この光線５はダイヤモンド・プレート３上に集束され、またプレートのダイヤモンドをカットする十分なエネルギーを有する。

ダイヤモンド・プレート３を載せる平行移動ステージは、レーザー光線の焦点６の位置に関して実質的に円をなす運動を実行し、その結果、ダイヤモンド・プレートからシリンダーが切り出される。プレートの幅は、最終的に形成されるダイヤモンド素子のサイズよりも大きくなるように選択される。

実際、レーザー光は、最初はプレート３の表面上の、スポット６に集束される。このことは、プレート３内へのカットは、一般に、焦点がカットの下に低く維持できるようにするために「Ｖ」字型断面でなければならないということを意味する。その結果、プレートからカットされたシリンダー２は、多くの場合、完全なシリンダー・セクションではないが、通常、狭く傾斜している曲面を有する、つまり、プレート３からカットされた形状は、実際に、円錐のスライスである。本明細書で使用されているような「シリンダー」及び「ディスク」という単語は、そのような形状を包含することが意図されており、又はさらに、直径と長さ（シリンダーの）又は幅（ディスクの）との関係を包含しなければならないことは理解されるであろう。

図２Ａから２Ｃは、球面１０をカットしてダイヤモンド・シリンダー２にする装置の略図である。図２Ｂに示されているように、ダイヤモンド・シリンダー２は、その平坦な側の一方が、例えば炭化モリブデン又は炭化タングステンから作られたシリンダー状棒１１上に鑞付けされる。硬さの点で、炭化タングステンが、好ましい。鑞付け材料は、銅、銀、及びチタンの合金、又は金及びタンタルの合金でなければならないが、他の材料を使用できることは理解されるであろう。鑞付けの前に、ダイヤモンド・シリンダー２は、その対称軸１２が棒１１の対称軸とできる限り正確に一致するように位置決めされる。

棒１１は、高速回転スピンドル（図に示されていない）内に取り付けられる。棒１１上に取り付けられたダイヤモンド・シリンダー２は、スピンドルの回転軸１２が、入射レーザー光１５の方向に垂直になるように大出力レーザー１４の焦点１３に近い位置に置かれる。スピンドルは、ダイヤモンド・シリンダー２が、図２Ｃに示されているように、入射光の方向に垂直な平面内の２次元で平行移動できるように平行移動ステージ（図に示されていない）上に取り付けられる。（図２Ｃでは、レーザー光線は、この紙の平面の法線方向である。）回転するときにレーザー１４に関してシリンダーを平行移動することにより、スピンドルの回転軸１２に関して回転対称であるダイヤモンドから形状を切り出すことができる。平行移動が円１６の円弧を辿る場合、シリンダー２内にカットされた表面１０は、球面である。この装置は、ダイヤモンド・シリンダー２から他の回転対称形状を切り出すために使用することができ、また球面に限定されないことは理解されるであろう。例えば、装置は、高圧セルで使用する単結晶ダイヤモンド・アンビルを用意するために使用することが可能である。それとは別に、放物面又は楕円形状などの非球面が形成できる。

スピンドルから最も遠いシリンダー上（つまり、「ポール」の回転軸上）の点１７において、素子表面の線速度は、回転軸から遠い点１８（つまり、「赤道」上の）と比較して低速であることは理解されるであろう。したがって、レーザーは、いつでも実質的に同じ点でカッティングしているのでポール１７のところではより高速にカッティングを行う。したがって、レーザー光１５がシリンダー２に関して円弧を正確に辿る場合、球面１０のポール１７は、さらにカッティングを行った結果、わずかに扁平になるという危険がある。この問題は、レーザーの経路１６が、完全な円弧から少しずれ、したがって、ポール１７では、完全な円弧の場合に比べて、スピンドルからわずかに遠くへ移動するようにすることで、解消することができる。

球面が形成される場合、理想球面からのずれは、典型的には、２０μｍ未満であり、１５μｍ、１０μｍ、さらには５μｍである場合もある。このステージにおける表面それ自体は、典型的には、１ミクロンのオーダーのＲＭＳ粗さを有するが、２００〜３００ｎｍのＲＭＳ粗さが達成可能である。用途によっては、これで十分であり、この場合、さらに処理する必要はない。しかし、他の用途では、素子の真球度と粗さについて高い条件を指定する必要がある。このような場合は、さらに研磨する必要がある。

図３は、特性を改善するためにダイヤモンド素子２上で球面を研磨するための装置の略図である。素子２は、さらに棒１１に鑞付けされているが、回転ステージ２０内に取り付けられ、回転ステージ２０は、棒１１の軸１２の周りを典型的には０．１〜１００ｒｐｍの低速で回転する。

研磨カップ２２を取り付けた高速回転スピンドル２１は、回転するダイヤモンド素子２に押し付けられる。このカップ２２を球に押し付ける力は、スプリング（図に示されていない）により調節することができ、研磨される素子２のサイズに依存する。典型的に、０．２０から６Ｎまでの力が使用される。回転スピンドルは、５，０００〜６０，０００ｒｐｍのオーダーの速度で回転する。使用される速度は、球面１０の曲率に依存する。

研磨カップ２２は、ダイヤモンドを研磨するのに好適な硬い材料から形成された研磨面を有する。一実施例では、研磨面は、リン青銅又は樹脂などの形成剤中に埋め込まれたダイヤモンド粒子を含む。リン青銅カップは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）回転旋盤で製作できる。樹脂接着カップは、ダイヤモンド充填樹脂をダイヤモンド素子の球面の所望の曲率半径に等しい適切な曲率半径を持つ金型に入れて成型することにより製造できる。それとは別に、特に非常に小さな半径の場合（典型的には、約２ｍｍ未満の所望の半径）、カップ２２は、所望の形状が研磨プロセス自体においてカップ内に形成されるように中心孔を持つ樹脂接着材料の小さなシリンダーから作ることができる。研磨工程の終わりに、ダイヤモンド球面が仕上げられると、樹脂カップは、ダイヤモンド素子の凸球面とマッチする凹球面形状を有する。

高速回転スピンドル２１それ自体は、回転アーム２３上に取り付けられ、回転アーム２３は、回転ステージの軸１２に垂直である軸２５の周りをゆっくり回転し、球面１０の曲率中心２４のところで軸を通る。回転アームの回転軸２５は、さらに、高速回転スピンドルの軸２６にも垂直である。この軸２５の周りの回転運動は、一周せず、その代わりに、円弧２７が、双方向振動運動において示され、円弧２７の角度はダイヤモンド素子上の球面の範囲に依存する。超半球面１０については、円弧は、約９０°の角度の範囲を定めることができる。この振動運動の周期は、回転ステージ２０の周期よりも大きく、典型的には、回転ステージ２０の周期の３〜１０倍程度である。好ましい一実施例では、回転アーム２３の周期は、一定ではなく、球面１０全体にわたる平均化を改善する。この周期は、ランダムに変化しうる。

カップ２２が、球面のサイズと比較して十分に大きい場合、カップは、素子２に関して固定位置に保持され、自軸２６の周りのみで回転されるようにできることは理解される。この配列では、カップ２２は、ダイヤモンド球面１０の頂点を含み、球面の縁に至る領域上で素子２と接触するように固定される。

この工程では、研磨方向が異なると硬さが異なるため、さらに、ダイヤモンド球面は理想球面からずれる。このずれは、同じ曲率半径を持つ完全球に関する球面１０の面積、さらに表面に関するダイヤモンドの硬い（研磨しにくい）結晶方向と柔らかい（研磨しやすい）結晶方向の方向性に依存する。頂点が＜１００＞結晶方向にある半球又は超半球面は、すべての結晶方向にわたって研磨される。理想超半球からの０．５ｍｍと２．５ｍｍとの間の範囲の曲率半径を持つそのような表面のずれは、５μｍ以下にすることができるが、３μｍ、２μｍ、さらには１．５μｍ未満のずれにすることも可能である。このようなずれは、干渉計を使用する光学的方法で、又は計測装置を使用する機械的方法で測定することができる。ＲＭＳ表面粗さは、３０ｎｍ未満に小さくすることができるが、１０ｎｍ、５ｎｍ、３ｎｍ、さらには１．５ｎｍ未満のＲＭＳ粗さにすることも可能である。

ダイヤモンド素子２がレンズとして使用される場合、材料は好適な光学的品質のものである必要がある。例えば、ＤＶＤ用途で使用するＳＩＬは、４０５ｎｍ及び２６６ｎｍのＵＶ波長で透過性を示さなければならない。このような透過性を示す考えられる材料の１つは、天然ＩＩａ型ダイヤモンドである。しかし、最高の表面精度は、このような材料を使用したのでは達成が非常に困難であることがわかった。一般に、多数の変位及び積層欠陥により引き起こされる内部に存在する応力により、表面の最高品質の研磨が妨げられる。したがって、天然ＩＩａ型ダイヤモンドの内部応力による異質性と複屈折性の知られている問題に加えて、内部応力も、天然ＩＩａ材料から製造した場合にダイヤモンド球の最終的形状に悪影響を及ぼすことが判明した。

代わりに、単結晶合成材料を使用することができ、これは、一貫性のある設計材料であるという利点を有する。単結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンド基板上への化学気相成長により成長させることができ、好適な材料は、例えば、ＷＯ２００４／０４６４２７で説明されている。この材料は、窒素不純物含有量を非常に低く抑えて製造することができ、したがって、天然ＩＩａ型ダイヤモンドに類似の光透過特性を有する。特に、上述の４０５ｎｍ及び２６６ｎｍのＵＶ波長で透過的である。さらに、内部応力及び関連する複屈折性及び屈折率のバラツキは、ＤＶＤ用途で使用するのに十分低いものとなっている。

さらに代替えとして、高圧高温プレス（ＨＰＨＴ）で製造される合成ＩＩａ型ダイヤモンドを使用することができる。好適な材料は、住友電気工業（日本）又はＥｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘ（英国）から購入できる。この材料は、ＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンドの有益な特性のうちのいくつかを備える。

ダイヤモンド素子に使用される高品質合成材料を使用した場合、樹脂接着研磨カップ２２を、単結晶ダイヤモンド、又はＥｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘ Ｌｔｄ（アイルランド、シャノン）によって製造されているＰＣＤ Ｓｙｎｄｉｔｅ（登録商標）、ＰＣＤ Ｓｙｎｄａｘ（登録商標）、Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ Ｔｅｒｍｏｂｅｈａｎｄｌｉｎｇ ＡＢ（スウェーデン、ストックホルム）により製造されているＳｋｅｌｅｔｏｎ（登録商標）セメント・ダイヤモンドなどの焼結多結晶ダイヤモンド、又は化学気相成長により成長させた多結晶ダイヤモンドから作られたカップで置き換えることにより、表面精度をさらに改善できる。カップ２２は、列挙された材料のうちの１つの材料のプレートからディスクを切り出すことにより製造できる。次いで、ディスクは、キャリア上に載せられ、次いで、高速回転スピンドル２１上に載せられる。ディスクは、鑞付け、ハンダ付け、又は接着剤による接着でキャリアに取り付けることができる。

次いで、ディスク内に中心孔が、例えば、レーザーを使ってあけられる。カップ２２は、高速旋盤上でほぼ同じ直径のダイヤモンド球を使用した研磨により凹球面で事前整形できる。したがって、ダイヤモンド球面の半径にほぼ合うカップ上の研磨された表面が、形成される。それとは別に、ディスクは平坦なままにすることができ、したがって、研磨されたカップ形状は、単結晶ダイヤモンド素子上に球面を研磨する動作により形成されるが、ただし曲率半径は球面１０と一致する。

上述のようにダイヤモンド素子及び硬い研磨材料に合成材料を使用することにより、理想球面形状からのずれが１．５μｍ以下である準半球、半球、又は超半球面を形成することが可能であることが判明し、また最高−最低のずれが１μｍ、５００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、さらには５０ｎｍ未満である表面が得られた。この技術を使用することで、理想球からの研磨された表面全体にわたるずれの平方について平均することにより測定される形状のＲＭＳ偏差は５００ｎｍ以下であり、２５０ｎｍ、１００ｎｍ、６０ｎｍ、４０ｎｍ、２０ｎｍ、さらには１０ｎｍ未満のＲＭＳ偏差が達成された球面を形成することが可能である。

多くの用途において、説明したばかりの球面１０に対向する表面は、同じ精度で研磨されなければならない。ＳＩＬは、一般に、球面に対向する平坦な平面を必要とする。さらに、多くの場合に、非常に正確に定義された厚さを持つダイヤモンド素子を製造する必要がある。例えば、適切な光学系内に取り付けたときに回折限界性能を示す超半球ダイヤモンドＳＩＬは、上の式（２）で定義されている理論的厚さの０．２μｍの範囲内、好ましくは０．１μｍの範囲内の厚さとなるように製造されなければならない。半球ダイヤモンドＳＩＬの場合、厚さは、式（１）で定義されている理論的厚さの２μｍ以内、好ましくは１μｍの範囲内でなければならない。

図４は、球状の表面１０に対向する平坦な表面３２を研磨するために自動研磨アーム３１を使ってダイヤモンド素子２を押し付けることができる高速研磨スケイフ３０の略図を示している。

ダイヤモンド素子２は、図１及び２に示されている工程でこの素子を取り付けた棒１１から取り外される。これは、アセンブリをダイヤモンドが取り付けられているハンダ又は鑞付け合金の溶融温度以上に加熱するか、又はそれとは別に、例えば、硝酸と硫酸の混合水溶液中で棒１１を溶かすことにより行うことができる。次いで、素子２は、素子の球面の曲率半径と一致する球状カップを備えるホルダー３３内に取り付けられる。素子は、素子とカップとの間を真空状態にすることによりカップ内の適所に保持することができる。それとは別に、超半球素子は、素子が貫通する、適切なサイズの穴を持つ薄い金属プレートによりカップ内に押し込むことができる。

次いで、ホルダー３３は、研磨アーム３１内に配置され、研磨スケイフ３０の方へ下げられる。スケイフ３０は、鋳鉄又はリン青銅から作られるか、又は樹脂接着研磨ホイールとすることができる。研磨アーム３１は、再現可能な速度を用い、スケイフの表面に対し直角に、空気圧式ピストン及びシリンダーを使ってスケイフ３０ホイールに向けて下げられる。空気圧を調節することにより、ダイヤモンド素子２をスケイフに押し付ける力を調節できる。それに加えて、研磨アーム３１は、空気圧式ピストン及びシリンダーによりスケイフから移動して離すことができる。

他の実施例では、ダイヤモンド素子２を保持する研磨アーム３３を研磨スケイフ上に押し付ける力は、送りネジにより張力を制御できるスプリングを使って調節することができる。研磨は、複数の工程に分けて実施することができ、それぞれの研磨工程は、制御された期間に適用される（例えば、１０秒おきに調節可能）。次いで、厚さは、０．１μｍの精度で測定する内部ガラス・ルーラーを備えるハイデンハイン社製変位計を使って工程と工程との間に測定することができる。したがって、繰り返し可能な方法でダイヤモンド層を磨き、０．１〜０．２μｍの範囲内で素子２の厚さを調節することが可能である。

超半球ＳＩＬの場合、ＳＩＬの平坦な表面は、球面と直接交差せず、むしろ、テーパー付きセクションにより２つの面が接続することが望ましいことが多い。ＳＩＬの平坦な側の中心セクションのみが、光学式読み出し及び記録システム内で光学的に使用され、縁は、光学的には重要でない。さらに、ＳＩＬは、ＤＶＤの表面のごく近く（典型的には、２５ｎｍ）に配置され、ＳＩＬの側面がＤＶＤに干渉したり、さらには衝突したりする可能性を低減するために、側面を取り除くのが好ましい。

平坦な中心セクション（典型的には、直径約３０μｍ）を球面と接続する円錐面は、ブルティング又はレーザー・カッティングにより作ることができるが、ブリリアント・カット・ダイヤモンド又は高圧ダイヤモンド・アンビル上のパビリオンと類似の平坦な切子面を研磨することが好ましい。このシステムが使用される場合、元の平坦な表面の中心八角形セクションが残され、８つのパビリオン面がそれを球面に接続する。製造可能性を改善する他の強化点として、ＳＩＬの平坦な先端をパビリオンに接続する高圧アンビル上のベベルに類似の中間切子面が形成されうる。

また、上記の方法を使用して、両凸レンズを製造することが可能である。反対側の凸面が異なる曲率半径を持つ場合、曲率半径が最小の面１０は、上述の方法により最初に研磨されなければならない。次いで、ダイヤモンド素子２は、ダイヤモンドが取り付けられているアセンブリをハンダ又は鑞付け用合金の溶融温度以上に加熱するか、又は酸浴槽内で棒を溶かすことにより棒１１から取り外される。第２の面の曲率半径がレンズの直径よりもかなり大きい場合、第２の凸面は、従来技術により曲率半径が大きい樹脂接着ホイール又はスケイフを使用して研磨できる。

第２の面に対し曲率半径を小さくする必要がある場合、素子２は、第１の球面１０の曲率半径と一致する球状カップを備える金属製ホルダー内に取り付けられ、適所にハンダ付け又は鑞付けされる。好ましい実施例において、金とタンタルの合金又は銅、銀、及びチタンの合金が使用され、ホルダーは、炭化モリブデン又は炭化タングステンから作られる。次いで、実質的に球状の表面は、図２を参照しつつ上で説明されているのと類似の方法を使用してダイヤモンド素子にレーザー・カッティングされ、球面は、図３を参照しつつ説明されているのと類似の方法を使用して改善される。次いで、ダイヤモンド素子２は、アセンブリをハンダ又は鑞付け用合金の溶融温度以上に加熱するか、又は金属を化学的に溶かすことにより金属製ホルダーから取り外され、両凸レンズが形成される。

上述の方法で工程を適宜組み合わせることにより、完全な球体を形成することも可能である。

上述の実施例は、一般に、レンズとして使用する単結晶ダイヤモンド素子の製造に関係しているが、他の用途も可能であることは理解されるであろう。例えば、球全体の有意な部分である球面を持つ素子は、計測装置においてツール・チップとして使用できる。素子を形成する方法は、広い意味で類似しているが、使用される材料は、異なっていてもよい。特に、レンズにおいて使用される材料の必要な光学特性は、もはや適用されず、機械特性が、より重要である。耐磨耗性は、重要な因子である。

計測装置においてツール・チップとして使用するダイヤモンド素子を形成するのに特に適している材料としては、Ｉａ型天然ダイヤモンド、Ｉｂ型天然又は合成ダイヤモンド、及びＩＩｂ天然又は合成ダイヤモンドが挙げられる。単結晶ＣＶＤダイヤモンドは、計測ツール・チップとして使用するのに特に適している材料である。上述のように、真球度及び表面粗さは、非常に条件の厳しい仕様に合わせて制御することができる。

それに加えて、ダイヤモンドのホウ素ドーピングにより、磨耗率が低減され、これは、測定用途における有用な特性である。しかし、ホウ素ドーピングは、ダイヤモンド素子全体にわたって均一であり、そうでなければ、球面カッティング及び研磨プロセスの結果、表面が凸凹になる可能性がある。それに加えて、不均一なホウ素ドーピングにより高まる不均等な磨耗率は、ツール・チップそれ自体においては望ましくない。したがって、計測ツール・チップとして使用するダイヤモンド素子は、例えば、ＷＯ０３／０５２１７４で説明されているように、ホウ素を均一にドープされたＣＶＤダイヤモンドから形成されるのが好ましい。

さらに、球面が形成される単結晶ダイヤモンド素子は、さらに、前の方で説明されているものを含む、多数の他の用途においても有用であることは理解されるであろう。

「実施例１」
８面パビリオンを有する超半球合成ＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンドＳＩＬ
超半球ＳＩＬは、ＣＶＤ成長合成単結晶ダイヤモンドから作られた。ＣＶＤ成長ダイヤモンドは、サイズが約４．５×４．５×３ｍｍであり、最初に、鋸引きされ厚さ約１．２ｍｍの複数のプレートを得た。次いで、１枚のプレートが片面を平坦に研磨され、グラファイト・キャリア・プレート上に載せられ、パルスＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点に当たるＸＹ平行移動ステージ内に置かれた。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓ（パルス／秒）であった。次いで、ＸＹステージは、シリンダー状ディスクが直径１．３ｍｍのプレートから切り出されるように、直径１．３ｍｍの円運動を実行した。

その後、ディスクはきれいにされてレーザー残留物が除去され、研磨側が金とタンタルの共晶合金を使って長さ２０ｍｍ、直径３ｍｍのモリブデン棒に鑞付けされた。軸は、テーパー付き端部を有し、ダイヤモンドがハンダ付けされた先端において、その直径は０．７ｍｍであった。鑞付けする前に、ダイヤモンド・ディスクが、モリブデン棒の先端に置かれ、モリブデン棒の対称軸に関して０．０７ｍｍの精度で中心に位置決めされた。

その後、棒は、高速回転スピンドル内に取り付けられ、このスピンドルは、軸が入射光線に垂直となるようにＸＹ平行移動ステージ上のＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点の近くに配置された。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓであった。スピンドルは、５５０ｒｐｍの速度で回転した。ＸＹステージは、５ｍｍ／分の線速度で入射集束レーザー光線に垂直な平面内で双方向に移動する円の円周の約３／８にわたって円運動を実行した。回転軸の近くでカッティングするときに、この円運動にわずかの補正を加えたが、そうしないと、回転軸に近い回転運動が低速であるため、わずかに扁平な表面が切り出されることになる。そこで、理想球面からのずれが５μｍである半径が０．４７ｍｍの超半球面がディスクから切り出された。ＲＭＳ表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、約１．４μｍであった。

次いで、モリブデン棒上のダイヤモンド超半球が、回転ステージ上に載せられ、回転ステージは２０ｒｐｍの速度で回転した。高速回転スピンドル上に載せられた樹脂接着カップは、２００００ｒｐｍで回転し、４Ｎの力で押し付けられた。樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２０から４０μｍであるダイヤモンド樹脂材料のディスクから作られ、そこに直径３００μｍの中心孔が形成された。ディスクは、事前カットされたダイヤモンド球に押し付けられ、研磨プロセスにおいて、ディスクはダイヤモンド球の半径と一致する球形になった。高速スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、このアームは、ダイヤモンド球の曲率中心でモリブデン棒上のダイヤモンド球の対称軸と交差する回転軸に周りに回転することが可能であった。このステージでは、このアームは、移動せず、固定位置にそのまま留められており、樹脂接着ディスクがダイヤモンド超半球の頂点から超半球面の縁までを覆う領域上で接触するようにアームの角度を慎重に調節した。この方法で、超半球ダイヤモンド面は、理想球面からのずれが２μｍ未満となるように研磨された。ＲＭＳ表面粗さは、１．５ｎｍ未満であった。

その後、樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２μｍのＰＣＤ Ｓｙｎｄｉｔｅ（登録商標）のディスクで置き換えられた。このディスクは、４００μｍの中心孔を備え、高速回転スピンドルに取り付けられたキャリア内に配置された。ＰＣＤディスクは、３Ｎの力でダイヤモンド超半球に押し付けられた。スピンドルは、最初に１００００ｒｐｍで回転し、４時間後、回転は６０００ｒｐｍに落とされた。スピンドルが取り付けられているアームは、双方向運動において約５０°にわたって回転するように設定された。さらに６時間研磨した後、曲率半径が０．４５ｍｍ、理想球面からの最大のずれが４５ｎｍ未満である超半球面が得られた。理想球面からの超半球面の表面で測定されたＲＭＳ偏差は、５．６ｎｍに等しかった。同じ方法で準備された、他の超半球ダイヤモンド面については、ＲＭＳ偏差は７．３ｎｍであったが、さらに他のサンプルについては、ＲＭＳ偏差は、５．４ｎｍであった。

次いで、ダイヤモンドは、硝酸と硫酸の混合水溶液中でモリブデンを溶解することによりモリブデン棒から取り除かれ、脱塩水ですすぎ乾燥させた後、真空状態でダイヤモンドを適所に保持しつつ、「真鍮ペン」（つまり、真空にする際に通る中心孔を持つ棒、及びダイヤモンド・レンズを保持する一端の凹型カップ）の形態にされた準半球カップ内に配置される。その後、ダイヤモンド付きのペンが、研磨アームに取り付けられ、線速度３ｍ／ｓで回転している２０〜４０μｍの平均粒子サイズの樹脂接着ホイール上に押し付けられた。ダイヤモンドを樹脂接着ホイールに押し付ける力は、２Ｎで一定に保たれた。最初に、ダイヤモンド・レンズが所望の厚さよりも２００μｍ以上厚かった場合、研磨は迅速に行われた。ダイヤモンド・レンズの厚さが、ターゲット厚さを約３μｍ上回っていた場合、ダイヤモンドは、約０．１μｍのステップで磨かれた。このダイヤモンド超半球ＳＩＬでは、曲率半径は、４４８．９μｍと測定され、ターゲット厚さは、６３１．６μｍであった。最終的な厚さは、ターゲット厚さの０．１μｍの範囲内であった。

その後、ダイヤモンド・レンズは、銅、銀、及びチタンの共晶合金を使用して、円錐形状の穴を持つモリブデン製ホルダー上にハンダ付けされた。次いで、このペンは、ダイヤモンド・アンビルを研磨するために使用されるタング内に取り付けられ、平坦な表面の法線方向に８５°の角度でダイヤモンド・レンズ上に８面パビリオン切子面が研磨された。中心の八角形領域は、触らずそのままにされ、中心厚さは、前の工程で研磨された厚さから変化していなかった。最後に、ダイヤモンドＳＩＬが、硝酸と硫酸の混合水溶液中でモリブデンを溶かすことによりモリブデン・ホルダーから取り除かれ、その後、脱塩水ですすぎ、乾燥させた。

「実施例２」
半球合成ＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンドＳＩＬ
半球ＳＩＬは、ＣＶＤ成長合成単結晶ダイヤモンドから作られた。ＣＶＤ成長ダイヤモンドは、サイズが約３×３×２．８ｍｍであり、最初に、鋸引きされ厚さ約０．８ｍｍの複数のプレートを得た。次いで、１枚のプレートが片面を研磨され、グラファイト・キャリア・プレート上に載せられ、パルスＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点に当たるＸＹ平行移動ステージ内に置かれた。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４，０００ｐｐｓであった。次いで、ＸＹステージは、シリンダー状ディスクが直径１．４ｍｍのプレートから切り出されるように、直径１．４ｍｍの円運動を実行した。

その後、ディスクはきれいにされてレーザー残留物が除去され、研磨側で金とタンタルの共晶合金を使って長さ３０ｍｍ、直径３ｍｍのモリブデン棒に鑞付けされた。棒は、テーパー付き端部を有し、ダイヤモンドがハンダ付けされた先端において、その直径は０．８ｍｍであった。鑞付けする前に、ダイヤモンド・ディスクが、０．１ｍｍの精度でモリブデン棒の対称軸に関して中心に位置するモリブデン棒の先端に置かれた。

その後、棒は、高速回転スピンドル内に取り付けられ、このスピンドルは、軸が入射光線に垂直となるようにＸＹ平行移動ステージ上のＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点の近くに配置された。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４，０００ｐｐｓであった。スピンドルは、５５０ｒｐｍの速度で回転した。ＸＹステージは、５ｍｍ／分の線速度で入射集束レーザー光線に垂直な平面内で双方向に移動する１／４円を少し超える円弧に対応する運動を実行した。回転軸の近くでカッティングするときに、この円運動にわずかの補正を加えたが、そうしないと、回転軸に近い回転運動が低速であるため、わずかに扁平な表面が切り出されることになる。そこで、理想球面からのずれが７μｍである半径が０．５２ｍｍの半球面がディスクから切り出された。ＲＭＳ表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、約２μｍであった。

次いで、モリブデン棒上のダイヤモンド半球が、回転ステージ上に載せられ、回転ステージは２０ｒｐｍの速度で回転した。高速回転スピンドル上に載せられた樹脂接着カップは、２０，０００ｒｐｍで回転し、４Ｎの力で押し付けられた。樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２０から４０μｍであるダイヤモンド樹脂材料のディスクから作られ、そこに直径４００μｍの中心孔が形成された。ディスクは、事前カットされたダイヤモンド球に押し付けられ、研磨プロセスにおいて、ディスクはダイヤモンド球の半径と一致する球形になった。高速スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、このアームは、ダイヤモンド球の曲率中心でモリブデン棒上のダイヤモンド球の対称軸と交差する回転軸に周りに回転することが可能であった。このステージでは、このアームは、移動せず、固定位置にそのまま留められており、樹脂接着ディスクがダイヤモンド半球の頂点から半球面の縁までを覆う領域上で接触するようにアームの角度を慎重に調節した。この方法で、半球ダイヤモンド面は、理想球面からのずれが２μｍ未満となるように研磨された。ＲＭＳ表面粗さは、１．５ｎｍ未満であった。

その後、樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２μｍのＰＣＤ Ｓｙｎｄｉｔｅ（登録商標）のディスクで置き換えられた。このディスクは、６００μｍの中心孔を備え、高速回転スピンドルに取り付けられたキャリア内に配置された。ＰＣＤディスクは、３Ｎの力でダイヤモンド半球に押し付けられた。スピンドルは、最初に１２，０００ｒｐｍで回転し、３時間後、これは６，０００ｒｐｍに落とされた。スピンドルが取り付けられているアームは、双方向運動において約５０°にわたって回転するように設定された。さらに４時間研磨した後、曲率半径が０．５０ｍｍ、理想球面からの最大のずれが７０ｎｍ未満である半球面が得られた。理想球面からの半球面の表面で測定されたＲＭＳ偏差は、１２ｎｍ未満であった。

次いで、ダイヤモンドは、アセンブリをダイヤモンドを取り付けたハンダの溶融温度以上に加熱することによりモリブデン棒から取り除かれ、脱塩水中ですすいで乾燥させた後、真空状態でダイヤモンドを適所に保持しつつ「真鍮ペン」の形態にされた準半球カップ内に取り付けられた。その後、ダイヤモンド付きのペンが、研磨アームに取り付けられ、線速度５ｍ／ｓで回転している２０〜４０μｍの平均粒子サイズの樹脂接着研磨スケイフ上に押し付けられた。ダイヤモンドを樹脂接着スケイフに押し付ける力は、２Ｎで一定に保たれた。最初に、ダイヤモンド・レンズが所望の厚さよりも２００μｍ以上厚かった場合、研磨は迅速に行われた。ダイヤモンド・レンズの厚さが、ターゲット厚さを約３μｍ上回っていた場合、ダイヤモンドは、約０．２μｍのステップで磨かれた。このダイヤモンド半球ＳＩＬでは、曲率半径は、５０２．１μｍと測定され、ターゲット厚さは、７０６．４μｍであった。最終的な厚さは、ターゲット厚さの０．５μｍの範囲内であった。

「実施例３」
１つの面が半球形状である両凸面天然ＩＩａ型単結晶ダイヤモンド・レンズ
半球ダイヤモンド面は、天然ＩＩａ型単結晶ダイヤモンドから作られた。ＩＩａ型ダイヤモンドは、サイズが約４ｃｔであり、最初に、鋸引きされ厚さ約０．９５ｍｍの複数のプレートを得た。次いで、１枚のプレートが片面を研磨され、グラファイト・キャリア・プレート上に載せられ、パルスＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点に当たるＸＹ平行移動ステージ内に置かれた。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４，０００ｐｐｓであった。次いで、ＸＹステージは、シリンダー状ディスクが直径１．６ｍｍのプレートから切り出されるように、直径１．６ｍｍの円運動を実行した。

その後、ディスクはきれいにされてレーザー残留物が除去され、研磨側が金とタンタルの共晶合金を使って長さ３０ｍｍ、直径３ｍｍのモリブデン棒に鑞付けされた。棒は、テーパー付き端部を有し、ダイヤモンドがハンダ付けされた先端において、その直径は１．２ｍｍであった。鑞付けする前に、ダイヤモンド・ディスクが、０．１ｍｍの精度でモリブデン棒の対称軸に関して中心に位置するモリブデン棒の先端に置かれた。

その後、棒は、高速回転スピンドル内に取り付けられ、このスピンドルは、軸が入射光線に垂直となるようにＸＹ平行移動ステージ上のＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点の近くに配置された。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓであった。スピンドルは、６００ｒｐｍの速度で回転した。ＸＹステージは、６ｍｍ／分の線速度で入射集束レーザー光線に垂直な平面内で双方向に移動する１／４円を少し超える円弧に対応する運動を実行した。そこで、理想球面からのずれが１０μｍである半径が０．７２ｍｍの半球面がディスクから切り出された。ＲＭＳ表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、約３μｍであった。

次いで、モリブデン棒上のダイヤモンド半球が、回転ステージ上に載せられ、回転ステージは１０ｒｐｍの速度で回転した。高速回転スピンドル上に載せられた樹脂接着カップは、２０，０００ｒｐｍで回転し、６Ｎの力で押し付けられた。樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２０から４０μｍであるダイヤモンド樹脂材料のディスクから作られ、そこに直径６００μｍの中心孔が形成された。ディスクは、事前カットされたダイヤモンド球に押し付けられ、研磨プロセスにおいて、ディスクはダイヤモンド球の半径と一致する球形になった。高速スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、このアームは、ダイヤモンド球の曲率中心でモリブデン棒上のダイヤモンド球の対称軸と交差する回転軸に周りに回転することが可能であった。このアームは、移動せず、固定位置にそのまま留められており、樹脂接着ディスクがダイヤモンド半球の頂点から半球面の縁までを覆う領域上で接触するようにアームの角度を慎重に調節した。この方法で、半球ダイヤモンド面は、理想球面からのずれが２μｍ未満となるように研磨された。ＲＭＳ表面粗さは、１．５ｎｍ未満であった。

その後、ダイヤモンドは、アセンブリをダイヤモンドを取り付けたハンダの溶融温度以上に加熱することによりモリブデン棒から取り除かれ、脱塩水中ですすいで乾燥させた後、「アルミニウム・ペン」の形態にされたダイヤモンド半球面の半径と一致する適切な半径の準半球カップ内にエポキシ樹脂により接着された。硬化時間を約２時間として、２成分樹脂型エポキシが使用された。硬化する前に、研磨された平坦な表面の法線が、真鍮ペンの回転対称軸と一致するように注意した。

この後、ペン及びダイヤモンドは、高速回転スピンドル内に取り付けられ、このスピンドルは、軸が入射光線に垂直となるようにＸＹ平行移動ステージ上のＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点の近くに配置された。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓであった。スピンドルは、５００ｒｐｍの速度で回転した。ＸＹステージは、５ｍｍ／分の線速度で入射集束レーザー光線に垂直な平面内で双方向に移動する、約１０°の範囲を定める、円の円弧を少し超える円弧に対応する運動を実行した。回転軸の近くでカッティングするときに、この円運動にわずかの補正を加えたが、そうしないと、回転軸に近い回転運動が低速であるため、わずかに扁平な表面が切り出されることになる。そこで、理想球面からのずれが５μｍである半径が１３．２ｍｍの球面がディスクから切り出された。ＲＭＳ表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、約１．５μｍであった。

その後、ダイヤモンド付きのアルミニウム・ペンが、回転ステージ上に載せられ、回転ステージは６ｒｐｍの速度で回転した。高速回転スピンドル上に載せられた樹脂接着カップは、２００００ｒｐｍで回転し、６Ｎの力で押し付けられた。樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２０から４０μｍであるダイヤモンド樹脂材料のディスクから作られ、そこにレーザー・カッティングで直径６００μｍの中心孔があけられた。ディスクは、事前カットされたダイヤモンド球に押し付けられ、研磨プロセスにおいて、ディスクはダイヤモンド球の半径と一致する球形になった。高速スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、このアームは、ダイヤモンド球の曲率中心でモリブデン棒上のダイヤモンド球の対称軸と交差する回転軸に周りに回転することが可能であった。このアームは、移動せず、固定位置にそのまま留められており、樹脂接着ディスクがダイヤモンド半球の頂点から半球面の縁までを覆う領域上で接触するようにアームの角度を慎重に調節した。この方法で、半球ダイヤモンド面は、理想球面からのずれが２μｍ未満となるように研磨された。ＲＭＳ表面粗さは、１．５ｎｍ未満であった。次いで、エポキシが柔らかくなり、ダイヤモンドが取り外せるようになるまで２５０℃以上に加熱することによりレンズをアルミニウム・ペンから外した。その後、化学薬品で洗浄して、エポキシの痕跡を取り除いた。

このレンズは、６３２ｎｍの平行光線を法線入射で照射されたときに、同一公称形状を持つ理想レンズについて予想される値と一致する球面収差を示した。したがって、レンズの性能は、理想に近かった。

「実施例４」
炭化タングステン棒上に取り付けられた合成ＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンド計測チップ
準半球ＳＩＬは、ＣＶＤ成長合成単結晶ダイヤモンドから作られた。サイズが約４．５×４．５×３ｍｍのＣＶＤ成長ダイヤモンドから、厚さ約１．７ｍｍのプレートが、まず最初に鋸で切り出された。次いで、そのプレートが片面を平坦に研磨され、グラファイト・キャリア・プレート上に載せられ、パルスＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点に当たるＸＹ平行移動ステージ内に置かれた。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓであった。次いで、ＸＹステージは、シリンダー状ディスクが直径３．３ｍｍのプレートから切り出されるように、直径３．３ｍｍの円運動を実行した。

その後、ディスクはきれいにされてレーザー残留物が除去され、研磨側が金とゲルマニウムの共晶合金を使って長さ５０ｍｍ、直径５ｍｍの炭化タングステン棒に鑞付けされた。棒は、テーパー付き端部を有し、ダイヤモンドがハンダ付けされた先端において、その直径は２．７ｍｍであった。鑞付けする前に、ダイヤモンド・ディスクが、０．１ｍｍの精度で炭化タングステン棒の対称軸に関して中心に位置する炭化タングステン棒の先端に置かれた。

その後、炭化タングステン棒は、高速回転スピンドル内に取り付けられ、このスピンドルは、軸が入射光線に垂直となるようにＸＹ平行移動ステージ上のＮｄ：ＹＡＧカッティング・レーザーの焦点の近くに配置された。パルス・エネルギーは、１．２ｍＪ、１５０ｎｓのパルスであり、パルス繰り返し数は４０００ｐｐｓであった。スピンドルは、３００ｒｐｍの速度で回転した。ＸＹステージは、５ｍｍ／分の線速度で入射集束レーザー光線に垂直な平面内で双方向に移動する円の円周の約３／１６にわたって円運動を実行した。回転軸の近くでカッティングするときに、この円運動にわずかの補正を加えたが、そうしないと、回転軸に近い回転運動が低速であるため、わずかに扁平な表面が切り出されることになる。そこで、理想球面からのずれが５μｍである半径が１．５２ｍｍの準半球面がディスクから切り出された。ＲＭＳ表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、約１．４μｍであった。

次いで、炭化タングステン棒上のダイヤモンド準半球が、回転ステージ上に載せられ、回転ステージは１０ｒｐｍの速度で回転した。高速回転スピンドル上に載せられた樹脂接着カップは、１５０００ｒｐｍで回転し、６Ｎの力で押し付けられた。樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２０から４０μｍであるダイヤモンド樹脂材料のディスクから作られ、そこに直径約１２００μｍの中心孔が形成された。ディスクは、事前カットされたダイヤモンド球に押し付けられ、研磨プロセスにおいて、ディスクはダイヤモンド球の半径と一致する球形になった。高速スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、このアームは、ダイヤモンド球の曲率中心でモリブデン棒上のダイヤモンド球の対称軸と交差する回転軸に周りに回転することが可能であった。このステージでは、このアームは、移動せず、固定位置にそのまま留められており、樹脂接着ディスクがダイヤモンド準半球の頂点から準半球面の縁までを覆う領域上で接触するようにアームの角度を慎重に調節した。この方法で、準半球ダイヤモンド面は、理想球面からのずれが２μｍ未満となるように研磨された。ＲＭＳ表面粗さは、１．５ｎｍ未満であった。

その後、樹脂接着カップは、平均ダイヤモンド粒子サイズが２μｍのＰＣＤ Ｓｙｎｄｉｔｅ（登録商標）のディスクで置き換えられた。このディスクは、１２００μｍの中心孔を備え、高速回転スピンドルに取り付けられたキャリア内に配置された。ＰＣＤディスクは、６Ｎの力でダイヤモンド準半球に押し付けられた。スピンドルは、最初に１００００ｒｐｍで回転し、４時間後、回転は４０００ｒｐｍに落とされた。スピンドルが取り付けられているアームは、双方向運動において約５０°にわたって回転するように設定された。さらに１０時間研磨した後、曲率半径が１．５ｍｍ、理想球面からの最大のずれが１００ｎｍ未満である準半球面が得られた。理想球面からの準半球面の表面で測定されたＲＭＳ偏差は、９．１ｎｍに等しかった。

このダイヤモンド計測チップは、チップが取り付けられている炭化タングステン棒から取り外されなかったが、それは、この棒は表面の形状及び粗さを測定するのに使用された場合にチップの取付具として使用することができるからである。曲率中心からダイヤモンド球面により範囲が定められた円錐半角は、約６０°であった。

上述の実施例と異なる形態も、そのまま本発明の範囲内にありうることは理解されるであろう。

ダイヤモンド・プレートからシリンダー状セクションを切り出すための装置の略図である。 実質的に球状の形態をカットしてダイヤモンド素子にするためのシステムの略図である。 研磨により素子の球面を改善するための研磨セットアップの略図である。 ダイヤモンド素子上に平坦な表面を研磨するための高速研磨スケイフの略図である。

Claims (91)

1. 凸面が形成された単結晶ダイヤモンド材料の素子であって、前記凸面は約３０ｎｍ未満の２乗平均平方根粗さを有し、前記素子は、
   前記凸面は完全球面からの最高−最低間の最大のずれが約５μｍ未満である球セグメントを含むという特性、
   前記凸面は球セグメント上のずれの平方について平均を求めることにより測定される前記球セグメントの前記ＲＭＳずれが約５００ｎｍ以下である前記球セグメントを含むという特性のうちの少なくとも１つを有する単結晶ダイヤモンド材料の素子。
2. 前記凸面は、さらに、
   曲率半径が約２０ｎｍ未満であるという特性、
   前記凸面が約１０°よりも大きな円錐半角を有する球セグメントを含むという特性のうちの少なくとも１つを有する請求項１に記載の素子。
3. 前記凸面の前記曲率半径は、約１０ｍｍ未満である請求項２に記載の素子。
4. 前記凸面の前記曲率半径は、約５ｍｍ未満である請求項２に記載の素子。
5. 前記球セグメントは、約２０°よりも大きい円錐半角を有する請求項１から４までのいずれかに記載の素子。
6. 前記球セグメントは、約８０°よりも大きい円錐半角を有する請求項１から５までのいずれかに記載の素子。
7. 完全球面からの前記球セグメントの最高−最低間の最大のずれは、３μｍ未満である請求項１から６までのいずれかに記載の素子。
8. 完全球面からの前記球セグメントの最高−最低間の最大のずれは、３００ｎｍ未満である請求項１から７までのいずれかに記載の素子。
9. 理想球からの前記球セグメント上のずれの平方について平均を求めることにより測定される前記球セグメントの前記ＲＭＳずれが、約２５０ｎｍ以下である請求項１から８までのいずれかに記載の素子。
10. 理想球からの前記球セグメント上のずれの平方について平均を求めることにより測定される前記球セグメントの前記ＲＭＳずれが、約４０ｎｍ以下である請求項１から９までのいずれかに記載の素子。
11. 前記凸面の前記２乗平均平方根粗さは、約１０ｎｍ未満である請求項１から１０までのいずれかに記載の素子。
12. 前記凸面の前記２乗平均平方根粗さは、約３ｎｍ未満である請求項１から１１までのいずれかに記載の素子。
13. 前記素子は、単結晶ダイヤモンド・レンズである請求項１から１２までのいずれかに記載の素子。
14. さらに、前記凸面に対する前記素子の反対側に他の凸面を備える請求項１から１３までのいずれかに記載の素子。
15. 前記他の凸面は、第１の凸面よりも大きな曲率半径を有する請求項１４に記載の素子。
16. 前記他の凸面は、前記第１の凸面と同じ曲率半径を有する請求項１４に記載の素子。
17. 実質的に球の形状で形成される請求項１６に記載の素子。
18. さらに、前記凸面に対する反対側の前記素子の側に平坦な面を備える請求項１から１４までのいずれかに記載の素子。
19. 前記平坦な面は、少なくとも前記凸面と同じくらい低い表面粗さを有する請求項１８に記載の素子。
20. さらに、前記凸面と前記平坦な面との間にテーパー付きセクションを備える請求項１８又は１９に記載の素子。
21. 前記テーパー付きセクションは、複数の研磨された切子面を備える請求項２０に記載の素子。
22. 前記素子は、理想的な厚さの少なくとも２μｍの範囲内で前記平坦な面の実質的法線方向に厚さを有する請求項１８から２１までのいずれかに記載の素子。
23. 前記素子は、理想的な厚さの少なくとも０．２μｍの範囲内で前記平坦な面の実質的法線方向に厚さを有する請求項１８から２１までのいずれかに記載の素子。
24. 前記素子は一般的に半球の形状を有し、理想的な厚さは前記半球の曲率半径に等しい請求項２２又は２３に記載の素子。
25. 前記素子は、一般的に超半球の形状を有し、理想的な厚さはｔ＝ｒ（１＋１／ｎ）で与えられ、ただし、ｔは、前記平坦な面の実質的法線方向の素子の厚さであり、ｒは、前記超半球の曲率半径であり、ｎは、前記素子が形成される前記ダイヤモンド材料の屈折率である請求項２２又は２３に記載の素子。
26. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、天然ダイヤモンドである請求項１から２５までのいずれかに記載の素子。
27. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、合成ダイヤモンドである請求項１から２５までのいずれかに記載の素子。
28. 前記合成ダイヤモンド材料は、高圧高温合成により形成される請求項２７に記載の素子。
29. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、ＣＶＤダイヤモンドである請求項２７に記載の素子。
30. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、ＩＩａ型ダイヤモンドである請求項１から２９までのいずれかに記載の素子。
31. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｃを超える濃度のホウ素を含有する請求項１から３０までのいずれかに記載の素子。
32. 前記ホウ素は、前記ダイヤモンド材料中に実質的に均一に分散される請求項３１に記載の素子。
33. 前記単結晶ダイヤモンド材料は、原産地表示を中に組み込んでいる請求項１から３２までのいずれかに記載の素子。
34. 請求項１から３３までのいずれかに記載のダイヤモンド素子を含む単結晶ダイヤモンド・レンズ。
35. 請求項１から３４までのいずれかに記載のダイヤモンド素子を含む単結晶ダイヤモンド固体油浸レンズ。
36. 光学的情報記録及び／又は再生装置であって、
    記録媒体と、
    レーザー光源と、
    前記記録媒体に隣接して配置されている請求項３５に記載の固体油浸レンズを備える収束レンズ・ユニットとを備える光学的情報記録及び／又は再生装置。
37. 光学ピックアップ・デバイスであって、
    記録媒体と、
    レーザー光源と、
    前記記録媒体に隣接して配置されている請求項３５に記載の固体油浸レンズを備える収束レンズ・ユニットとを備える光学ピックアップ・デバイス。
38. 請求項３４又は３５に記載のレンズを備える顕微鏡装置。
39. 請求項３４又は３５に記載のレンズを備えるリソグラフィ装置。
40. 請求項３４又は３５に記載のレンズを備えるプローブ。
41. 請求項３４又は３５に記載のレンズを備える内視鏡プローブ。
42. 請求項１から３３までのいずれかに記載のダイヤモンド素子を備える計測装置で使用するためのツール・チップ。
43. 計測装置であって、
    少なくとも部分的に曲げやすいアームと、
    前記曲げやすいアームに動作可能なように関連付けられている動きセンサと、
    前記曲げやすいアームの一端に配置された、請求項１から３３までのいずれかに記載のダイヤモンド素子を備えるツール・チップとを備える計測装置。
44. 請求項１から１７まで、又は２６から３３までのいずれかに記載の単結晶ダイヤモンド素子を備える穴径を測定する際に使用する基準球。
45. 請求項１から１７まで、又は２６から３３までのいずれかに記載の単結晶ダイヤモンド素子を備える測定装置を較正する際に使用する基準球。
46. 請求項１から１７まで、又は２６から３３までのいずれかに記載の単結晶ダイヤモンド素子を備える基準スペーサーとして、又は表面を定義するためのスペーサーとして使用する基準球。
47. 単結晶ダイヤモンド素子上に回転対称面を形成する方法であって、
    単結晶ダイヤモンド材料から形成されたブランクを第１の軸を中心に回転させることと、
    前記ブランクをカットする十分な光度を持つレーザー光線を前記ブランクに当てることと、
    ２次元経路にそって前記レーザー光線に関して前記ブランクを平行移動することとを含み、
    これにより、前記ブランクの同時回転及び前記レーザー光線に関する前記ブランクの平行移動が行われた結果、前記ブランク内で前記回転対称面がカットされる単結晶ダイヤモンド素子上に回転対称面を形成する方法。
48. 前記レーザー光線は、前記第１の軸に垂直な方向で前記ブランクに当てられ、前記レーザー光線に関する前記ブランクの前記平行移動は、前記レーザー光線に垂直な平面内で行われる請求項４７に記載の方法。
49. 前記ブランクに関する前記レーザー光線の前記平行移動は、前記ブランクを平行移動し、前記レーザーを静止状態に保つことにより達成される請求項４７又は４８に記載の方法。
50. 前記ブランクは、レーザーを使用してダイヤモンド・プレートからディスクを切り出すことにより形成される請求項４７、４８、又は４９に記載の方法。
51. 前記回転対称面は、球面であり、前記ブランクに関する前記レーザーの前記平行移動は前記球面の曲率中心を通る中心軸を有する円の円弧により実質的に表される経路を辿り、
    これにより、前記ブランクの同時回転及び前記ブランクに関する前記レーザー光線の平行移動が行われた結果、前記ブランク内で実質的球面がカットされる請求項４７から５０までのいずれかに記載の方法。
52. 前記ブランクに関して前記レーザー光線が辿る前記経路は、前記レーザー光線が前記ブランクの前記回転軸に近い場合に前記円の円弧から所定の方法でずれる請求項５１に記載の方法。
53. 前記ブランクは、前記第１の軸を中心として回転可能な棒上に取り付けられる請求項４７から５２までのいずれかに記載の方法。
54. 前記ブランクは、前記棒上に鑞付けされる請求項５３に記載の方法。
55. 前記ダイヤモンド素子は、最後に使用する際に前記棒に取り付けられたままである請求項５４に記載の方法。
56. 単結晶ダイヤモンド素子上に球面を研磨する方法であって、
    第１の回転速度で第１の軸を中心として素子を回転させることと、
    研磨面を有するカップを前記球面に押し付け、前記研磨カップは前記第１の速度よりもかなり速い第２の回転速度で第２の軸を中心として回転することとを含む単結晶ダイヤモンド素子上に球面を研磨する方法。
57. 前記カップは、さらに、前記第１の速度よりも遅い第３の速度で第３の軸を中心として回転し、前記第３の軸は前記第１の軸に垂直であり、前記球面の曲率中心のところで前記第１の軸を通り、前記第３の軸を中心とする前記回転は一周未満を表す振動運動である請求項５６に記載の方法。
58. 前記第３の軸を中心とする前記回転速度は、可変である請求項５７に記載の方法。
59. 前記第３の軸を中心とする前記回転速度は、ランダムに可変である請求項５８に記載の方法。
60. 前記第１の軸は、結晶軸＜１００＞方向にそって揃えられる請求項５６から５９までのいずれかに記載の方法。
61. 前記第１の軸は、結晶軸＜１１１＞方向にそって揃えられる請求項５６から５９までのいずれかに記載の方法。
62. 前記研磨面は、形成剤に埋め込まれたダイヤモンド粉末の層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
63. 前記形成剤は、樹脂である請求項６２に記載の方法。
64. 前記形成剤は、リン青銅である請求項６２に記載の方法。
65. 前記研磨面は、焼結ダイヤモンド粒子の層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
66. 前記研磨面は、焼結されてまとめられ中の粒同士の間のスペースがコバルトを豊富に含有する第２相により充填される凝集多結晶塊を形成する多結晶ダイヤモンド粒の層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
67. 前記研磨面は、焼結されてまとめられ中の粒同士の間のスペースがセラミック第２相により充填される凝集多結晶塊を形成する多結晶ダイヤモンド粒の層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
68. 前記研磨面は、もっぱら炭化ケイ素マトリックス中にダイヤモンド粒子を含み、反応結合プロセスにより形成される複合材料の層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
69. 前記研磨面は、多結晶ＣＶＤダイヤモンドの層を含む請求項５６から６１までのいずれかに記載の方法。
70. 前記研磨面は、凹面であり、前記球面の形状と実質的に一致する請求項５６から６９までのいずれかに記載の方法。
71. 前記研磨面は、最初は実質的に平坦であり、前記研磨面は球面に押し当てられ相補的凹形球状にされることにより磨耗される請求項５６から６９までのいずれかに記載の方法。
72. 前記球面は、最初に請求項５１から５５までのいずれかに記載の方法を使用して形成される請求項５６から７０までのいずれかに記載の方法。
73. 前記ダイヤモンド素子は、レンズである請求項５１から７２までのいずれかに記載の方法。
74. さらに、前記球面を形成又は研磨するために使用されるのと同じ技術を使用して、前記球面の反対側の前記素子上に第２の研磨面を形成又は研磨することを含む請求項５１から７３までのいずれかに記載の方法。
75. 前記第２の球面は、前記球面よりも大きな曲率半径を有する請求項７４に記載の方法。
76. 前記第２の球面は、前記球面と同じ曲率半径を有する請求項７４に記載の方法。
77. 前記球面及び第２の球面は、球が形成されるように合わさる請求項７６に記載の方法。
78. さらに、前記球面に対する前記素子の反対側に平坦な面を研磨することを含む請求項５６から７７までのいずれかに記載の方法。
79. 前記ダイヤモンド素子は、球状カップを備えるホルダー内に取り付けられ、研磨スケイフ又はホイールに押し付けられる請求項７８に記載の方法。
80. 前記素子の厚さは、０．２μｍの範囲内で制御可能である請求項７８又は７９に記載の方法。
81. さらに、前記球面と前記平坦な面との間にテーパー付きセクションを形成することを含む請求項７８から８０までのいずれかに記載の方法。
82. 前記テーパー付きセクションは、複数の平坦な切子面を研磨することにより形成される請求項８１に記載の方法。
83. 前記ダイヤモンド素子は、ダイヤモンド固体油浸レンズである請求項７８から８２までのいずれかに記載の方法。
84. 前記ダイヤモンド素子は、実質的半球固体油浸レンズである請求項８３に記載の方法。
85. 前記ダイヤモンド素子は、実質的超半球固体油浸レンズである請求項８３に記載の方法。
86. 前記ダイヤモンド素子は、中に組み込まれた原産地表示を含む請求項４７から８５までのいずれかに記載の方法。
87. 請求項５１から８６までのいずれかに記載の方法を使用して形成又は研磨される球面を有する単結晶ダイヤモンド素子。
88. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料から形成される請求項８６に記載の素子。
89. 単結晶ダイヤモンド素子上に球面を形成する装置であって、
    第１の軸を中心として回転可能であり、単結晶ダイヤモンド・ブランクを受け入れるように適合されたスピンドルと、
    前記スピンドルに取り付けられたときに前記ダイヤモンド・ブランクに向けてレーザー光線を放射し、前記レーザー光線は前記第１の軸に実質的に垂直な方向に向けられる、レーザー光線源と、
    前記レーザー光線に垂直な平面内の２次元経路にそって前記レーザー光線源に関して前記スピンドルを平行移動するための平行移動手段とを備える単結晶ダイヤモンド素子上に球面を形成する装置。
90. 単結晶ダイヤモンド素子上に形成された球面を研磨する装置であって、
    前記素子を受け入れるように適合され、第１の軸を中心として回転可能である回転ステージと、
    高速回転スピンドル上に取り付けられた研磨カップと、
    前記研磨カップを前記素子上に押し付けるための手段とを備える単結晶ダイヤモンド素子上に形成された球面を研磨する装置。
91. 前記高速回転スピンドルは、回転アーム上に取り付けられ、前記回転アームは前記第１の軸に垂直な軸を中心として回転可能であり、前記球面の曲率中心を通る請求項９０に記載の装置。

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