JP2012189784A - 回折格子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子の入射光を最も多く受光する面を精度良く切削加工すること
【解決手段】Ｙ方向に平行に延びる複数の格子溝１７を有する回折格子１０を製造する方法は、バイト２２と被加工物ＷをＹ方向に相対移動することによってバイト２２の切刃２３によって被加工物にカウンタ面１５を切削加工する第１の切削加工ステップ（Ｓ１２０）と、第１の切削加工ステップの後でＸＺ断面において切刃２３が第１の切削加工ステップで形成されたカウンタ面に接触しないようにバイトと被加工物を相対移動させる第１の移動ステップ（Ｓ１３０）と、第１の移動ステップの後でバイトと被加工物をＹ方向に相対移動することによってバイトの切刃２４によって被加工物にブレーズ面を切削加工する第２の切削加工ステップ（Ｓ１４０）と、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、回折格子の製造方法に関する。

ブレーズ型回折格子は鋸歯形状の断面形状を有する格子パターンを有し、各格子は、入射光を最も多く受光するブレーズ面と、それに隣り合う面（カウンタ面）を有する。良好な光学特性を得るためには入射光を最も多く受光するブレーズ面を精度良く形成することが重要となる。ここで、特許文献１は、その図６において、ある格子のブレーズ面を隣の格子のカウンタ面と同時に形成する切削加工を提案している。

特開２０１０−２８６８２９号公報

より高い面精度を有するブレーズ面を形成するために、各格子溝を２段階の切削加工で形成することを考える。この場合、第１の切削加工では、バイトを移動してバイトの２つの切刃で被加工物を切削加工する。次に、バイトのカウンタ面を形成する切刃をカウンタ面に沿って格子平面側に若干移動する。第２の切削加工では、その位置で、バイトを移動して切削加工を行う。しかしながら、この２段階切削加工では、ブレーズ面上にダレや面粗さが生じ易いという課題があった。

そこで、本発明は、入射光を最も多く受光する面を精度良く切削加工する回折格子の製造方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の回折格子の製造方法は、第１の方向に平行に延びる複数の格子溝を有する回折格子を製造する方法であって、第１の切刃と第２の切刃を有するバイトと被加工物を前記第１の方向に相対移動することによって前記バイトの前記第１の切刃によって被加工物に第１の面を切削加工する第１の切削加工ステップと、前記第１の切削加工ステップの後で前記第１の方向に垂直な断面において、前記第１の切刃が前記第１の切削加工ステップで形成された前記第１の面に接触しないように前記バイトと前記被加工物を相対移動させる第１の移動ステップと、前記第１の移動ステップの後で前記バイトと前記被加工物を前記第１の方向に相対移動することによって前記バイトの前記第２の切刃によって前記被加工物に第２の面を切削加工する第２の切削加工ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、入射光を最も多く受光する面を精度良く切削加工する回折格子の製造方法を提供することができる。

図１（ａ）は本実施形態の回折格子の部分拡大断面図であり、図１（ｂ）は従来の回折格子の部分拡大断面図である。 本実施形態の加工機の概略斜視図である。 図２に示す加工機のバイトの使用方法を説明するための概略図である。 図１（ｂ）に示す回折格子を製造する製造方法を説明するためのフローチャートである。（実施例１） 図４の各ステップにおける被加工物の断面図である。(実施例１) 他の製造方法を説明するための断面図である。(実施例４)

図１（ｂ）は、従来のエシェル型回折格子（ブレーズ型回折格子）６０の部分拡大断面図である。ブレーズ型回折格子は、図１（ｂ）に示す紙面に垂直な方向に平行に延びる複数の格子溝６７を有し、各格子が鋸歯（ブレーズ型）である回折格子であり、特定の次数と波長に対して高い回折効率を有する。

図１（ｂ）に示す紙面は不図示のブレーズ方向（図１（ｂ）に示す格子平面Ｍに平行な左右方向）とこれに垂直な不図示の格子法線（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ）（格子平面Ｍに垂直な方向）を含む断面に平行な平面である。

エシェル型回折格子６０の各格子は、短辺と長辺で構成される非対称の三角形形状を有し、図１（ｂ）の紙面に垂直な方向に短辺と長辺はそれぞれ延びている。短辺と長辺がなす角度θは頂角６３と呼ばれ、エシェル型回折格子６０は、入射光を最も多く受光するブレーズ面６６と、これに隣接するカウンタ面６５を有する。カウンタ面６５とブレーズ面６６は頂角６３を挟んで交差し、交線は格子平面Ｍから最も離れた最外稜線である。

エシェル型回折格子６０は、図１（ｂ）に矢印で示す方向から入射する入射光Ｌをできるだけ多く分割するために短辺側に光の入射方向Ｌが正対するような配置で使用され易く、回折効率はブレーズ面６６の面精度（表面粗さ）に依存する。そこで、ブレーズ面６６を高精度に切削加工することが求められる。

一方、図１（ａ）は、本実施形態の回折格子１０の部分拡大断面図である。回折格子１０は、カウンタ面６５に対応するカウンタ面１５とブレーズ面６６に対応するブレーズ面１６との間に段差部１２を有する点でエシェル型回折格子６０と相違する。また、後述する本実施形態の製造方法によってブレーズ面１６の面精度はブレーズ面６６の面精度よりも高い。本実施形態では段差部１２は鋸形状であるが、これに限定されない。

回折格子１０もエシェル型回折格子６０と同様の機能を有する。即ち、回折格子１０は、図１（ａ）に示す紙面に垂直な方向（第１の方向）に平行に延びる複数の格子溝１７を有する回折格子であり、特定の次数と波長に対して高い回折効率を有する。本実施形態の格子溝１７の本数は、例えば、１μｍあたり０．０７７本から０．１４３本である。

回折格子１０は、段差部１２を除くと短辺と長辺で構成される非対称の三角形形状を有し、図１（ａ）の紙面に垂直な方向に短辺と長辺はそれぞれ延びている。短辺と長辺がなす角度θは頂角１３と呼ばれ、本実施形態では７５°〜９５°であるがこれに限定されるものでない。回折格子１０は、ＸＺ断面において長辺を有するカウンタ面（第１の面）１５と短辺を有するブレーズ面（第２の面）１６を有する。本実施形態の回折格子１０は、反射型回折素子であるが、透過型回折素子として構成されてもよい。

回折格子１０はレーザ放射光に対して特定の高次伝播回折次数の光が各波長でブレーズされるが、このブレーズされる次数は５０より大きい。レーザ放射光が、アルゴン‐フッ素エキシマレーザによって放射される場合には前記次数は９０よりも大きくなり、クリプトン−フッ素エキシマレーザによって放射される場合には前記次数は６０よりも大きくなる。

図２は、本実施形態の加工機２０の概略斜視図であり、直交する３軸方向にＸＹＺを設定している。加工機２０は、被加工物（ワーク）Ｗに複数の格子溝１７を形成して回折格子１０を製造する製造装置である。

加工機２０は、数十ｎｍオーダーで切込みの数値制御（ＮＣ制御）が可能な超精密切削加工機であり、先端が鋭利で高精度な加工転写性が得られるダイヤモンドバイト２２を工具として利用し、シェーパー方式によって格子溝１７を形成する。被加工物Ｗの材質はダイヤモンドバイト２２での切削性が良い銅系、アルミ系、無電解ニッケル系を加工層として有することが好ましい。なお、工具（バイト）の材質と被加工物Ｗの材質はこれらに限定されない。

加工機２０は、外部振動に強い高剛性の筺体２１内に、Ｘ方向に移動可能なＸステージ２５とＹ方向に移動可能なＹステージ２６からなるＸＹステージに被加工物Ｗを搭載している。ダイヤモンドバイト２２は、Ｚ方向に移動可能なＺステージ２７に搭載されている。なお、本実施形態では、ダイヤモンドバイト２２は回転しないが、ダイヤモンドバイト２２が回転する加工機を使用してもよい。

図３（ａ）は、切削加工時のダイヤモンドバイト２２の概略断面図である。ダイヤモンドバイト２２は、図３（ａ）に示すように、格子溝１７として機能する多角形溝断面形状を転写する少なくとも２つの切刃２３、２４を有する。切刃２３は第１の面であるカウンタ面１５を形成するための第１の切刃、切刃２４は第２の面であるブレーズ面１６を形成するための第２の切刃として機能する。

切刃２３、２４の先端がなす角度θ１は格子溝１７の開き角θとほぼ等しく、本実施形態では８５°である。切刃２３、２４の先端部の丸みは極力少なく、稜線の直線精度は先端部で非常に高いため、回折格子１０の格子溝の壁面精度を高精度に維持することができる。各格子のカウンタ面１５とブレーズ面１６の交線は回折格子１０の最外稜線を構成する。

ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗが対向する位置でＺ方向への切込み量が、例えば、５μｍとなるようにダイヤモンドバイト２２を被加工物側に下ろした状態でＸまたはＹ方向に直線または曲線状的にＸＹステージを移動する。ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗとの相対移動により切削速度を得て切刃２３、２４で被加工物Ｗを切削加工する。

もちろん、機械加工において移動対象はバイト側でも被加工物側でもよい。また、バイトへの過負荷を避けるためにＺ方向への必要な切込み量を分割して分割された切り込み量だけを形成する工程を複数回繰り返してもよい。加工の際にはオイルミストをバイトすくい面の裏側から噴射させ加工熱を除去しながら切り屑を潤滑に流す。

本実施例においては、図３(ｂ)に示すように、切削加工時にダイヤモンドバイト２２が−Ｘ方向に移動して位置決めを行い、＋Ｙ方向に直線的に移動することで被加工物Ｗの被加工面Ｗ１を切削加工する。この時、Ｘ軸に関して位置決めを行った後、同じＸ座標に関してＹ方向（第１の方向）に所定の長さ、例えば、３０ｍｍだけ切削すると１回の切削加工が終了する。

以下、本実施形態の回折格子１０の製造方法について説明する。

実施例１では、被加工物Ｗは回折格子１０の材料（例えば、結晶材料）から構成される。図４は、回折格子の製造方法を説明するためのフローチャートであり、Ｓは「ステップ」の略である。また、図５は、図４の各ステップにおける被加工物Ｗの概略断面図である。

まず前提として、図３（ｂ）に示す被加工物Ｗを用意する。被加工物Ｗは、結晶製造装置によって製造された結晶体を適当な形状（例えば、図３（ｂ）に示す直方体形状）に切削して図３（ｂ）に示す被加工面Ｗ１を研磨することによって作成される。必要があれば、被加工物Ｗを治具に取り付けてもよい。

図５（ａ）は前回の切削加工によって格子溝１７が形成された後で今回の格子溝１７を形成する直前の被加工物Ｗを示す断面図であり、Ｍは格子平面である。

まず、Ｘステージ２５、Ｙステージ２６、Ｚステージ２７を介して、ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗを相対移動することによってＸＺ断面においてダイヤモンドバイト２２を被加工物Ｗに対して第１の位置に移動する（第２の移動ステップ）（Ｓ１１０）。

図５（ｂ）はダイヤモンドバイト２２の第１の位置を示している。第１の位置は、ＸＺ断面において前回の第１の切削加工ステップにおけるダイヤモンドバイト２２の位置からダイヤモンドバイト２２を−Ｘ方向（格子パターン方向）に格子溝１７の繰り返し幅、例えば、１０μｍだけ移動させた位置である。

その際に、切刃２３が格子平面Ｍに対して所定の角度、例えば、１０度傾斜するようにＸＺ平面上でのダイヤモンドバイト２２の回転角が設定される。このバイト角度において切刃２３が被加工物Ｗに所定の長さ、例えば、９μｍの長さで接するようにＺ方向の切り込み深さを決定する。

次に、Ｙステージ２６を介してダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗを相対移動することによってダイヤモンドバイト２２の切刃２３によって被加工物Ｗにカウンタ面１５（第１の面）を切削加工する（第１の切削加工ステップ）（Ｓ１２０）。

次に、Ｓ１２０（第１の切削加工ステップ）の後でダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗを相対移動することによってＸＺ断面においてダイヤモンドバイト２２を被加工物Ｗに対して第２の位置の移動する（第１の移動ステップ）（Ｓ１３０）。図５（ｃ）において、点線は第１の位置、実線は第２の位置を示している。図５（ｃ）に示すように、第２の位置においては切刃２３が第１の切削加工ステップで形成されたカウンタ面１５に接触していない。

例えば、Ｓ１３０はＳ１２０の第１の位置に対してダイヤモンドバイト２２を−Ｘ方向に１．１７μｍだけ移動させた第２の位置に移動する。また、位置決めの際にＸＹ平面上でのバイト回転角は前回の加工と同様に、切刃２３が格子平面Ｍに対して所定の角度、例えば、１０度傾斜するように行う。

次に、ダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗを相対移動することによってダイヤモンドバイト２２の切刃２４によって被加工物Ｗにブレーズ面１６（第２の面）を切削加工する（第２の切削加工ステップ）（Ｓ１４０）。

本実施例において改良される前の２段階の切削加工においては、Ｓ１１０、Ｓ１２０を行った後でＳ１３０においてバイトを図５（ｃ）の点線で示す第１の位置から切刃２４をカウンタ面１５に沿って格子平面Ｍ側に移動していた。この場合、切刃２３、２４の間の先端２２ａは段差部１２のカウンタ面１５とブレーズ面１６を延長した線の交点１３に一致し、この結果、段差部１２が切削される。

この位置においてＳ１４０を行うと、切刃２３がカウンタ面１５を擦り、図５（ｃ）においては右側において隣接するブレーズ面（図１（ｂ）に示すブレーズ面６６）の上部にダレが発生する。また、切刃２３がカウンタ面１５の上を接触しながら移動するためにバイトがＹ方向に移動する際に振動し、それが切刃２４にも伝達し、ブレーズ面６６の面精度が低下する。

これに対して、本実施例によれば、第１の移動ステップ（Ｓ１３０）は、切刃２３が第１の切削加工ステップ（Ｓ１２０）で形成されたカウンタ面１５に接触しないようにバイトと被加工物Ｗを相対移動する。このため、Ｓ１４０において切刃２３がカウンタ面１５を擦らないのでブレーズ面１６の上部にダレは発生しない。また、ＸＺ断面において切刃２３が接触する被加工物Ｗの長さはカウンタ面１５の辺の長さよりも小さく、切刃２３が振動が抑えられるのでブレーズ面１６の面精度がブレーズ面６６の面精度よりも向上する。

なお、移動量は実施形態の移動量に限定されず、Ｘ方向、Ｚ方向、ＸＺ平面における回転角は、この切削加工で切刃２３以外の切刃が隣接する他のブレーズ面などの高効率実現する上で平坦さが必要となる面に接触しない限り任意に設定することができる。

次に、第１の切削加工ステップ（Ｓ１２０）と第２の切削加工ステップ（Ｓ１４０）の組が所定回数、例えば、２００００回繰り返されていなければ（Ｓ１５０のＮｏ）、Ｓ１１０に戻る。

この結果、第２の切削加工ステップ（Ｓ１４０）の後でダイヤモンドバイト２２と被加工物Ｗを相対移動し、ダイヤモンドバイト２２を格子平面Ｍに対してＸＺ断面において第１の位置に移動する。この時の第１の位置は、上述したように、ＸＺ断面において前回の第１の切削加工ステップにおけるダイヤモンドバイト２２の位置からダイヤモンドバイト２２を−Ｘ方向（格子パターン方向）に格子溝１７の繰り返し幅だけ移動させた位置である。

一方、第１の切削加工ステップ（Ｓ１２０）と第２の切削加工ステップ（Ｓ１４０）の組が所定回数繰り返されていれば（Ｓ１５０のＹｅｓ）処理は終了する。これにより、図５（ｄ）に示すような、回折格子１０が作製される。

また、図１（ａ）に示すように、回折格子１０が使用される際にブレーズ面１６に光が入射し、段差部１２に入射光Ｌが到達しないように第１の移動ステップ（Ｓ１３０）はダイヤモンドバイト２２を移動する。これによって段差部１２を形成したことによるブレーズ面１６の回折効率の減少を抑えることができる。

本実施例では、被加工物Ｗは金型の材料（例えば、金属材料）から構成され、回折格子の製造方法は、この金型を利用して回折格子を成形するステップを更に有する。より具体的には、成形ステップは、金型内に回折格子の材料（例えば、樹脂）を充填する射出成形によって金型とは格子パターンが反転した回折格子を形成する。即ち、この場合の回折格子は頂角１３に相当する部分が段差部１２に相当する部分だけ欠けた形状となり、カウンタ面とブレーズ面との間には段差部は形成されない。

本実施例では、被加工物Ｗは金型の材料（例えば、金属材料）から構成され、回折格子の製造方法は、この金型に反射膜（例えば、アルミニウム）を被覆して回折格子（反射型回折格子）を形成するステップを更に有する。また、反射膜にさらに保護膜としての誘電体膜の単層膜あるいは多層膜を形成してもよい。誘電体膜としては、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＬａＦ_３膜、ＭｇＦ_２膜、ＡｌＦ_３等を挙げることができる。

本発明の製造方法は、図４、５に示すものに限定されない。例えば、第１の格子溝のために図５（ｂ）に示す加工を行った後で第１の格子溝のために図５（ｃ）に示す加工を行わずに隣の第２の格子溝のために図５（ｂ）の加工を行う。次いで、第１の格子溝のために図５（ｃ）に示す加工を行い、第３の格子溝のために図５（ｂ）に示す加工を行い、第２の格子溝のために図５（ｃ）に示す加工を行い、第４の格子溝のために図５（ｂ）に示す加工を行う。次に、第３の格子溝のために図５（ｃ）に示す加工を行う。この様子を図６に示す。図６の順番と矢印はこの動作を示している。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

回折格子の製造方法は回折格子を製造する用途に適用することができる。

Ｗ 被加工物
１０ 回折格子
１５ カウンタ面（第１の面）
１６ ブレーズ面（第２の面）
１７ 格子溝
２２ ダイヤモンドバイト

Claims (13)

1. 第１の方向に平行に延びる複数の格子溝を有する回折格子を製造する方法であって、
   第１の切刃と第２の切刃を有するバイトと被加工物を前記第１の方向に相対移動することによって前記バイトの前記第１の切刃によって被加工物に第１の面を切削加工する第１の切削加工ステップと、
   前記第１の切削加工ステップの後で、前記第１の方向に垂直な断面において、前記第１の切刃が前記第１の切削加工ステップで形成された前記第１の面に接触しないように前記バイトと前記被加工物を相対移動させる第１の移動ステップと、
   前記第１の移動ステップの後で前記バイトと前記被加工物を前記第１の方向に相対移動することによって前記バイトの前記第２の切刃によって前記被加工物に第２の面を切削加工する第２の切削加工ステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記断面において前記第２の面は前記第１の面よりも短い辺を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の切削加工ステップの後で、前記バイトと前記被加工物を相対移動することによって前記断面において前記バイトを前記第１の切削加工ステップにおける前記バイトの位置から前記格子溝の繰り返し幅だけ格子パターン方向に移動させる第２の移動ステップを更に有し、
   前記第１の切削加工ステップ、前記第１の移動ステップ、前記第２の切削加工ステップ、前記第２の移動ステップが所定回数繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記被加工物は前記回折格子の材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記被加工物は金型の材料から構成され、
   前記方法は、前記金型に反射膜を被覆して前記回折格子を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記回折格子が使用されるときに前記第２の面に光が入射し、前記第１の面と前記第２の面の間に形成される段差部に前記光が到達しないように、前記バイトを移動して前記第２の面を切削加工することを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 前記被加工物は金型の材料から構成され、
   前記方法は、前記金型を利用して前記回折格子を成形するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 複数の平行に延びる格子溝を有する回折格子であって、
   入射光を最も多く受光する面であるブレーズ面と、
   前記ブレーズ面の前記入射光が入射する側に隣接する段差部と、
   を有し、
   前記段差部の前記ブレーズ面に隣接する平面を前記入射光が入射する側に延長させた平面は格子を形成する全ての材質と交差しないことを特徴とする回折格子。
9. 前記回折格子はエシェル型回折格子であることを特徴とする請求項８に記載の回折格子。
10. レーザ放射光に対して特定の高次伝播回折次数の光が各波長でブレーズされ、前記ブレーズされる次数は５０より大きいことを特徴とする請求項８または９に記載の回折格子。
11. 前記レーザ放射光はアルゴン−フッ素エキシマレーザによって放射され、前記次数は９０より大きいことを特徴とする請求項１０に記載の回折格子。
12. 前記レーザ放射光はクリプトン−フッ素エキシマレーザによって放射され、前記次数は６０より大きいことを特徴とする請求項１０記載の回折格子。
13. 複数の平行に延びる格子溝を有する金型であって、
    入射光を最も多く受光する面であるブレーズ面と、
    前記ブレーズ面の前記入射光が入射する側に隣接する段差部と、
    を有し、
    前記段差部の前記ブレーズ面に隣接する平面を前記入射光が入射する側に延長させた平面は格子を形成する全ての材質と交差しないことを特徴とする金型。