JP2011017748A - 回折光学素子の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子などの回折光学素子を成形型で成形する際に、所望の光学性能を有する回折光学素子を製造する。
【解決手段】複数の凹部３が形成された成形型２に未硬化状態の光硬化型樹脂８を供給する。光硬化型樹脂８に光線を照射して硬化させることにより、成形型２の複数の凹部３を転写した回折面１０ａを有する回折光学素子１０を成形する。未硬化状態の光硬化型樹脂８に照射される光線の照射方向を成形型２の各凹部３の形状に応じて調整することにより、光線をその強度分布が光硬化型樹脂８全体において均一になるように照射する。これにより、光硬化型樹脂８に対する光線の照射が均一になるため、所望の光学性能を有する回折光学素子１０を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、とりわけ高性能な回折格子などの回折光学素子を成形型で成形する際に適用するに好適な回折光学素子の製造方法および製造装置に関するものである。

従来、この種の回折光学素子を成形型で成形する際には、金属製の成形型と光学素子の基材（基板）との間に紫外線硬化型樹脂を挟んだ状態で、基材側から紫外線を照射して硬化させている。

ところが、成形型の表面がミラーの役割を果たしたり、成形型が影の部分を作ったりするため、紫外線硬化型樹脂の硬化プロセスが不均一になる恐れがある。

そこで、紫外線の光源と紫外線硬化型樹脂との間（紫外線の光源と成形型との間または紫外線の光源と光学素子の基材との間）の光路中に拡散板を介在させることにより、紫外線の照射均一性を巨視的（マクロ）な意味で高める技術（以下、公知技術１という。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７３０５７号公報

しかしながら、公知技術１では、光源からの光を理想的に拡散させても、格子構造の一周期の内側で見られる局所的（ミクロ）な照射不均一性を解消することはできない。それは、拡散板が、硬化すべき紫外線硬化型樹脂からある程度離れて、すなわち回折構造のサイズに比べてかなり遠方に配置されるからである。したがって、基材や成形型などの対象物に入射する紫外線の角度を十分に大きく分布させることができず、紫外線の局所的な照射不均一が発生してしまう。その結果、紫外線硬化樹脂の硬化順序が部位によって区々となり、屈折率などの光学特性が所望のものにならないという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑み、所望の光学性能を有する回折光学素子を製造することが可能な回折光学素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の回折光学素子の製造方法は、複数の凹部（３）が形成された成形型（２）に未硬化状態の光硬化型樹脂（８）を供給する樹脂供給工程と、この光硬化型樹脂に光線を照射して硬化させることにより、前記成形型の複数の凹部を転写した回折面（１０ａ）を有する回折光学素子（１０）を成形する素子成形工程とを含む回折光学素子の製造方法であって、前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線の照射方向を前記成形型の各凹部の形状に応じて調整することにより、当該光線をその強度分布が当該光硬化型樹脂全体において均一になるように照射する回折光学素子の製造方法としたことを特徴とする。

本発明に係る第１の回折光学素子の製造装置は、回折光学素子（１０）の回折面（１０ａ）に対応する複数の凹部（３）が形成された成形型（２）と、この成形型に供給された未硬化状態の光硬化型樹脂（８）に光線を照射する光源（５）とを有する回折光学素子の製造装置（１）であって、前記光源から前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線の強度分布が当該光硬化型樹脂全体において均一になるように、この光線の照射方向を前記成形型の各凹部の形状に応じて調整しうる照射方向最適化手段（６）が設けられている回折光学素子の製造装置としたことを特徴とする。

なお、ここでは、本発明をわかりやすく説明するため、実施の形態を表す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明が実施の形態に限定されるものでないことは言及するまでもない。

本発明によれば、光硬化型樹脂に対する光線の照射が均一になることから、所望の光学性能を有する回折光学素子を製造することができる。

本発明の実施の形態１に係る回折光学素子の製造方法を示す模式図である。 同実施の形態１に係る回折光学素子の製造方法における紫外線の入射の様子を示す模式図である。 紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射した場合における紫外線硬化型樹脂内部の電磁界分布を示す図であって、（ａ）は紫外線の入射角を４５°とした場合の図、（ｂ）は紫外線の入射角を０°とした場合の図、（ｃ）は紫外線の入射角を−４５°とした場合の図である。 本発明の実施の形態２に係る回折光学素子の製造方法を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る回折光学素子の製造方法を示す模式図である。 本発明の実施の形態４に係る回折光学素子の製造方法を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１乃至図３は、本発明の実施の形態１に係る図である。この実施の形態１では、光硬化型樹脂として紫外線硬化型樹脂８を用い、光線として紫外線を用いている。

まず、構成を説明する。

この実施の形態１に係る回折光学素子の製造装置１は、図１に示すように、紫外線透過性を有する平板状の石英ガラス基板などの基材９にフレネル凹レンズ形状の紫外線硬化型樹脂８が積層されたハイブリッド型の回折格子１０を製造するためのものである。

この製造装置１は、図１に示すように、ニッケルなどの金属からなる成形型２を有しており、この成形型２には、複数の円環状のＶ溝形状の凹部３が、製造すべき回折格子１０の回折面１０ａに対応する形で同心円上に形成されている。また、成形型２の上方には光源５が、成形型２に向けて紫外線を照射しうるように配置されている。さらに、成形型２と光源５との間には、凹レンズ形状の照射方向最適化手段６が配置されている。

次に、この製造装置１を用いて回折格子１０を製造する方法について説明する。

まず、樹脂供給工程で、成形型２に未硬化状態の紫外線硬化型樹脂８を供給する。

その後、基材載置工程に移行し、この紫外線硬化型樹脂８の上側に、石英ガラス基板などの紫外線透過性の基材９を載置する。

次いで、素子成形工程に移行し、基材９および紫外線硬化型樹脂８からなる回折格子１０を成形する。それには、光源５から成形型２に向けて紫外線を照射する。すると、この紫外線は、照射方向最適化手段６および基材９を透過した後、紫外線硬化型樹脂８に到達する。その結果、紫外線硬化型樹脂８が硬化し、基材９上に紫外線硬化型樹脂８が硬化したハイブリッド型の回折格子１０が得られる。

この際、光源５からの紫外線は、図１に示すように、照射方向最適化手段６を透過するときに、成形型２の各凹部３の形状に応じて適宜屈折するため、図２に示すように、成形型２の凹部３を形成する２つの面、つまり傾斜面３ａおよび垂直面３ｂがなす角の二等分線にほぼ平行に入射する（図２のＡ部分）。その結果、紫外線の強度分布は紫外線硬化型樹脂８全体において均一になる。したがって、紫外線硬化型樹脂８は、成形型２の凹部３に位置する部位も含めて各部位がほぼ同時に硬化する。

最後に、離型工程に移行し、こうして硬化した紫外線硬化型樹脂８を成形型２から離型する。すると、基材９上に紫外線硬化型樹脂８が硬化したハイブリッド型の回折格子１０が得られる。

ここで、回折格子１０の製造が終了する。

このように、素子成形工程においては、紫外線硬化型樹脂８の各部位がほぼ同時に硬化するので、紫外線硬化型樹脂８の内部応力が均一になる。その結果、設計どおりの屈折率を有する回折格子１０を得ることができる。

上述した効果を検証するため、紫外線の入射角を４５°、０°、−４５°と３段階に変えて紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂の内部で電磁界分布がどのように変化するかをＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis：厳密結合波解析）法による解析で求めた。ここで、成形型は、その材料をニッケル（Ｎｉ）とした。また、成形型の凹部は、深さ２０μｍ、傾斜面の勾配１／２、ピッチ４０μｍの鋸歯断面状とした。また、紫外線は波長３６５ｎｍとし、紫外線硬化型樹脂は屈折率１．５９とした。

なお、ＲＣＷＡ法とは、周期構造の厳密的な電磁界解析方法の一つであり、誘電率分布をフーリエ級数展開で表現し、電磁場との結合方程式を求め、これを境界条件の下で数値的に解くことにより、回折効率を算出する計算手法である。周期構造を高さ方向に多層分割して、各層の電磁界はマクスウェル方程式の固有モードで展開して取り扱う。電磁場を３次元で解析するので、使用するパラメータは電界Ｅ、磁界Ｈの各次元成分（Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚ，Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）である。

その結果、紫外線硬化型樹脂の内部で電磁界分布は、図３に示すように、成形型の構造および紫外線の入射角に依存し、成形型に凹部があると、紫外線の入射角によっては、紫外線の強度が局所的に弱まり、電磁界分布が不均一になることが判明した。

すなわち、紫外線の入射角が４５°の場合、図３（ａ）に示すように、紫外線が紫外線硬化型樹脂内をほぼ直進し、幾何学的に成形型の影となる部位が他の部位と比べて紫外線の強度が弱まるため、紫外線硬化型樹脂の内部においては、電磁界分布にむらが生じ、電磁界分布が均一にならない。また、紫外線の入射角が０°の場合、図３（ｂ）に示すように、成形型のエッジ部の近傍で紫外線の強度が弱まることと、成形型の傾斜面からの反射光が手前側の紫外線硬化型樹脂に影響を及ぼすことから、紫外線硬化型樹脂の内部においては、成形型の凹部のピッチと同じ周期で電磁界分布に縞状のむらが生じ、電磁界分布が均一にならない。これらに対して、紫外線の入射角が−４５°の場合、図３（ｃ）に示すように、紫外線硬化型樹脂の内部において、幾何学的に成形型の影となる部位が発生しないため、電磁界分布が均一となる。
［発明の実施の形態２］

図４は、本発明の実施の形態２に係る図である。

この実施の形態２に係る回折光学素子の製造装置１は、図４に示すように、紫外線透過性を有する平板状の石英ガラス基板などの基材９にフレネル凸レンズ形状の紫外線硬化型樹脂８が積層されたハイブリッド型の回折格子１０を製造するためのものである。

この製造装置１は、図４に示すように、ニッケルなどの金属からなる成形型２を有しており、この成形型２には、複数の円環状のＶ溝形状の凹部３が、製造すべき回折格子１０の回折面１０ａに対応する形で同心円上に形成されている。また、成形型２の上方には光源５が、成形型２に向けて紫外線を照射しうるように配置されている。さらに、成形型２と光源５との間には、凸レンズ形状の照射方向最適化手段６が配置されている。

つまり、この実施の形態２に係る回折光学素子の製造装置１では、製造すべき回折格子１０の形状の違いに応じて、成形型２および照射方向最適化手段６が変更されている。その他の構成については、上述した実施の形態１と同様である。

したがって、この製造装置１を用いて回折格子１０を製造する際は、上述した実施の形態１と同様の手順に従う。

このときも、上述した実施の形態１の作用効果と同様、紫外線硬化型樹脂８の各部位がほぼ同時に硬化するので、紫外線硬化型樹脂８の内部応力が均一になる。その結果、設計どおりの屈折率を有する回折格子１０を得ることができる。
［発明の実施の形態３］

図５は、本発明の実施の形態３に係る図である。

この実施の形態３に係る回折光学素子の製造装置１では、照射方向最適化手段６が回折光学素子形状である点を除き、上述した実施の形態１と同じ構成を有している。なお、実施の形態１と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

したがって、この実施の形態３では、上述した実施の形態１と同じ作用効果を奏する。
［発明の実施の形態４］

図６は、本発明の実施の形態４に係る図である。

この実施の形態４に係る回折光学素子の製造装置１は、図６に示すように、紫外線透過性を有する平板状の石英ガラス基板などの基材９にリニアフレネル凹レンズ形状の紫外線硬化型樹脂８が積層されたハイブリッド型の回折格子１０を製造するためのものである。

この製造装置１は、図６に示すように、ニッケルなどの金属からなる成形型２を有しており、この成形型２には、複数の直線状のＶ溝形状の凹部３が、製造すべき回折格子１０の回折面１０ａに対応する形で互いに平行に形成されている。また、成形型２の上方には光源５が、成形型２に向けて紫外線を照射しうるように配置されている。さらに、成形型２と光源５との間には、一次元の回折光学素子形状（シリンドリカルレンズ形状）の照射方向最適化手段６が配置されている。

つまり、この実施の形態４に係る回折光学素子の製造装置１では、製造すべき回折格子１０の形状の違いに応じて、成形型２および照射方向最適化手段６が変更されている。その他の構成については、上述した実施の形態１と同様である。

したがって、この製造装置１を用いて回折格子１０を製造する際は、上述した実施の形態１と同様の手順に従う。

このときも、上述した実施の形態１の作用効果と同様、紫外線硬化型樹脂８の各部位がほぼ同時に硬化するので、紫外線硬化型樹脂８の内部応力が均一になる。その結果、設計どおりの屈折率を有する回折格子１０を得ることができる。
［発明のその他の実施の形態］

なお、上述した実施の形態１〜４では、光硬化型樹脂として紫外線硬化型樹脂８を用いる場合について説明したが、紫外線硬化型樹脂８以外の光硬化型樹脂（例えば、可視光硬化型樹脂、赤外線硬化型樹脂、近赤外線硬化型樹脂など）を代用することもできる。

また、上述した実施の形態１〜４では、回折格子１０を製造する場合について説明したが、回折格子１０以外の回折光学素子（例えば、回折光学面を含む複数の光学面を有する複合光学素子など）を成形する際に本発明を同様に適用することも可能である。

本発明は、特に、均一な屈折率が要求される高性能な回折格子などの回折光学素子の成形に適している。

１……回折光学素子の製造装置
２……成形型
３……凹部
３ａ……傾斜面（面）
３ｂ……垂直面（面）
５……光源
６……照射方向最適化手段
８……紫外線硬化型樹脂（光硬化型樹脂）
９……基材
１０……回折格子（回折光学素子）
１０ａ……回折面

Claims (9)

1. 複数の凹部が形成された成形型に未硬化状態の光硬化型樹脂を供給する樹脂供給工程と、
   この光硬化型樹脂に光線を照射して硬化させることにより、前記成形型の複数の凹部を転写した回折面を有する回折光学素子を成形する素子成形工程と
   を含む回折光学素子の製造方法であって、
   前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線の照射方向を前記成形型の各凹部の形状に応じて調整することにより、当該光線をその強度分布が当該光硬化型樹脂全体において均一になるように照射することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
2. 前記素子成形工程において、前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線は、前記成形型に遮られることを避けつつ当該成形型の各凹部の最深部まで到達することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
3. 前記成形型の凹部がＶ溝形状であり、
   前記素子成形工程において、前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線は、前記成形型の凹部を形成する２つの面がなす角の二等分線にほぼ平行に入射することを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子の製造方法。
4. 前記光硬化型樹脂が紫外線硬化型樹脂であるとともに、前記光線が紫外線であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
5. 回折光学素子の回折面に対応する複数の凹部が形成された成形型と、この成形型に供給された未硬化状態の光硬化型樹脂に光線を照射する光源とを有する回折光学素子の製造装置であって、
   前記光源から前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線の強度分布が当該光硬化型樹脂全体において均一になるように、この光線の照射方向を前記成形型の各凹部の形状に応じて調整しうる照射方向最適化手段が設けられていることを特徴とする回折光学素子の製造装置。
6. 前記照射方向最適化手段は、前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線が、前記成形型に遮られることを避けつつ当該成形型の各凹部の最深部まで到達するように、この光線の照射方向を調整することを特徴とする請求項５に記載の回折光学素子の製造装置。
7. 前記成形型の凹部がＶ溝形状であり、
   前記照射方向最適化手段は、前記未硬化状態の光硬化型樹脂に照射される光線が、前記成形型の凹部を形成する２つの面がなす角の二等分線にほぼ平行に入射するように、この光線の照射方向を調整することを特徴とする請求項５または６に記載の回折光学素子の製造装置。
8. 前記照射方向最適化手段は、凹レンズ形状、凸レンズ形状または回折光学素子形状であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の回折光学素子の製造装置。
9. 前記光硬化型樹脂が紫外線硬化型樹脂であるとともに、前記光線が紫外線であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の回折光学素子の製造装置。