JP4598564B2 - 干渉露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子（ホログラム）作製のための光モニター制御部を備えた干渉露光装置に関する。

干渉露光装置を用いて回折格子（ホログラム）を作製するとき、露光状態をモニターすることが行われる。
干渉露光装置を用いないホログラムの作製方法として、露光用光源と、モニター用光源の発振波長域を異ならせる方法が提案されている（例えば、非特許文献 １参照。）。この方法のホログラフィックＰＤＬＣ素子は、ｐ偏光のみを回折する回折格子（ホログラム）素子である。モニター用光源は露光用光源と異なる発振波長であり、かつ、モニター光源の波長では記録材料は感度が無いためモニター光源で記録材料は露光されない。露光波長とモニター波長が異なっていても問題が無ければ、非常に有効なモニター付き露光光学系である。
露光に用いる光の波長とモニター光の波長を同波長帯域としなければならない場合、モニター光によって記録材料が露光されるためモニター光を短パルス光にしたり、低パワー密度に減衰させてから記録材料に照射する必要があった。このために、モニターの感度（モニターレベル）が低下し適切な露光量で露光を終了させることが困難であった。そこで、露光ビームによって回折格子からの回折光のうち、０次と+１次以外の次数のわずかに発生する回折光をモニター光としてみた。しかし、この方法では、非特許文献１に記載のホログラムのように、ｐ偏光で回折し、ｓ偏光では回折しない素子の場合は、干渉露光法の露光ビームがｓ偏光を用いるためにモニターできない。この問題を解決する方法として、モニター用光源を露光用光源と別に用意するか、あるいは共通にする場合には出射光を分岐してモニター光のみ偏光を９０°回転させる。

露光用のレーザ光の一部をモニター光に利用する場合には２つ問題がある。ひとつは露光のための光強度が低下してしまうこと。２つめは、分岐させるためにレーザ光の波面ｆが劣化してしまうこと。露光光強度が低下すると同じ露光量を得るには露光時間を長くする必要があり、製造コストを上昇させる。レーザ波面の劣化はスペイシャルフィルタを用いることで良好な波面を得ることができるが、波面の乱れが大きいほどスペイシャルフィルタからの光強度は低下する。

荻原 他、"Property of Polarization Dependent Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal Device and its Application for Information Display"、Ｐ．１６１、Ｆｉｇ．１、International Display Workshops、２００２ Ｄｉｇｅｓｔ

本発明は露光光強度を犠牲にせずに１台のレーザ光源で干渉露光とモニターリングを可能にすることを目的とする。
上記目的に加えて光源波長を変えたときでも波長変換素子部を流用できることを目的とする。
また、モニター光を簡便に受光できる光学系の実現を目的とする。
また、露光波長を変えてもモニター光学系を変える必要のない光学系の実現を目的とする。
さらに、モニター光の光強度を大きくすることを目的とする。

請求項１に記載の発明では、可干渉性の光束を出射する光源と、前記光束を複数の光束に分岐する光束分岐手段と、前記複数の光束を記録材料に所定の方位、所定の入射角で照射する偏向手段とを有し、前記記録材料に所望の回折格子を作製する干渉露光装置において、前記複数の光束のうち、前記記録材料を透過した所定の１光束のみ偏光振動面を９０°変換して再度前記記録材料に戻り入射させる偏光変換部と、前記戻り入射した光束が前記記録材料で回折された光束をモニターするための受光素子とを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の干渉露光装置において、前記偏光変換部がλ／４の位相を与える位相差板と、ミラーで構成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の干渉露光装置において、前記１光束とその戻り光が共に前記位相差板を通過することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の干渉露光装置において、前記位相差板はλ／４板であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項３に記載の干渉露光装置において、前記位相差板は１個のフレネルの菱面体であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の干渉露光装置において、前記１光束とその戻り光の一方のみが前記位相差板を通過することを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の干渉露光装置において、前記位相差板はλ／２板であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の干渉露光装置において、前記位相差板は２個のフレネルの菱面体の組み合わせであることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８に記載の干渉露光装置において、前記モニターをするための光束の前記記録材料への入射角は、すべての露光光束の入射角のいずれとも異なることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項１に記載の干渉露光装置において、前記偏光変換部は３枚のミラーからなることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の干渉露光装置において、前記偏向手段の１つは偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。

本発明によれば、１台のレーザ光源で露光とモニターを可能にし、露光光強度を犠牲にすることなく、かつ、モニターによって記録材料面で不要な干渉縞を発生させず良好な回折格子を作製できる。
上記効果に加えて、位相差板をフレネルの菱面体とするため、露光波長を変えた場合でも偏光変換素子部を流用することができる。
また、モニター光の入射角が全ての露光光の入射角とは異なるように設定するため、回折されたモニター光と露光光の分離が簡便にできる。
さらに、３枚のミラーで偏光変換素子部を構成するため、露光波長を変更しても偏光変換素子部を変更する必要が全く無い。
さらに、モニター光の記録材料への入射角を一つの露光光の入射角と同じにするため、モニター光強度を大きくすることができて、露光光とモニター光は偏光ビームスプリッタで容易に分離することができる。

図１は本発明の第１の実施例を説明するための図である。
同図において符号１１はレーザ光源、１２はスペイシャルフィルタ、１３はコリメートレンズ、１４はハーフミラー、１５ａ、１５ｂはミラー、１６は記録材料、１７は位相差板としてのλ／４板、１８はミラー、１９は受光素子、２０は制御装置、２１は電磁シャッタをそれぞれ示す。
レーザ１１からの出射光をスペイシャルフィルタ１２でビームの横モードを０次とし、スペイシャルフィルタ１２からの発散光をコリメートレンズ１３で平行光束にする。この平行光をハーフミラー１４で二分し、各々のビームを偏向手段であるミラー１５ａ、１５ｂを用いて所定の入射角で記録材料１６に照射する。スペイシャルフィルタ１２は対物レンズとピンホール（図示せず）で構成される。記録材料はｐ偏光で高効率に回折するものが望ましい。レーザ光源１１の出射光の偏光は記録材料に対してｓ偏光（紙面に垂直）とする。

図２はホログラフィックＰＤＬＣの構成を説明するための図である。
同図において符号２２はポリマー層、２３は液晶層、２４はｐ偏光、２５はポリマー分散型液晶（以下ホログラフィックＰＤＬＣと称す）、２６はガラス基板をそれぞれ示す。
記録材料１６としては、非特許文献１に記載されるようなホログラフィックＰＤＬＣを用いることができる。このホログラフィックＰＤＬＣ２５は、同図に示すようにポリマー層２２と液晶層２３が周期的に形成されており、ポリマーの屈折率と液晶の常光屈折率がほぼ等しい。液晶はポリマー層２２の壁に垂直となるように配向している。したがって、ｓ偏光はポリマー層２２と液晶層２３の屈折率差を感じることがなく、回折しない。しかし、ｐ偏光２４はポリマー層２２と液晶層２３の異常光屈折率との差を感じるために、回折格子の機能を発現し回折される。このようなホログラフィックＰＤＬＣ２５は、光重合性モノマーと光非重合性液晶との混合液をガラス基板２６間に挟み、干渉露光することにより作製される。

二つの露光ビームのうち、ミラー１５ｂで反射されるビームの記録材料透過光をモニター光に利用する。透過光はλ／４板１７とミラー１８によって入射光（ｓ偏光）と直交するｐ偏光の戻り光に変換され、再度記録材料１６に入射される。λ／４板１７とミラー１８の組み合わせは偏光変換部として機能する。λ／４板１７は図１のように所定の入射角に対してλ／４の位相が発生するもので、好ましくは、モニター光（ｐ偏光）の記録材料への入射角は露光ビームの入射角と異ならせる。モニター光は記録材料で回折され受光素子１９でモニターされる。受光信号が所定の値に達したときに制御装置２０を介して電磁シャッタ２１が閉じられ露光ビームが遮断される。
本発明では露光ビームの一方の記録材料からの透過光をモニター光に流用しているため、露光光強度を犠牲にすることがない。また、モニター光と露光ビームの偏光は直交しているため、モニター光による不要な干渉縞は発生しない。このため、モニターによって記録材料部に不必要な構造が作製されることがない。
本実施例では２光束干渉露光であるが、露光ビームの本数と本発明の効果には相関は無く、３光束以上の多光束干渉露光でも本発明を用いることが可能である。

図３は本発明の第２の実施例を説明するための図である。
図４は偏光変換素子部の構成を示す図である。
両図において符号３０は偏光変換部、３１、３２、３３はミラーを示す。その他第１の実施例と同じ部分は同じ符号で示している。
偏光変換部３０は３枚のミラー３１、３２、３３で構成される。偏光変換部３０に入射する光の進行方向をｚ軸とし、偏光ｐ１振動方向にｙ軸をとる。第１のミラー３１は入射光を−ｙ軸方向に反射させる。このとき反射光の偏光ｐ２はｚ軸に平行となる。第２のミラー３２で光は＋ｘ方向に反射される。この偏光方向はｚ軸に平行である。第３のミラー３３で光は−ｚ方向に反射される。このとき偏光はｘ軸に平行となる。したがって、３枚のミラーによって偏光状態を直交させることができる。ただし、偏光変換部３０における入射光束と出射光束は上下（ｙ方向）、左右（ｘ方向）共に若干ずれΔｙ、Δｘが生ずる。
これに対し、第３のミラーの角度を調整すれば偏光振動面はｘｚ面内を維持してｚ軸からの角度を変えることができる。複屈折板を用いた偏光変換部では入射角が異なれば光の感じる位相差が異なるため、任意に出射方向を変えることが出来ない。所定の方向からずれると出射光の偏光が楕円偏光となり、入射光の振動方向と同じ方向の電界振幅成分が残ってしまい、モニター光と露光光とで干渉が起こり、不要な光干渉縞を発生させ、結果的にゴーストを含む回折格子を作製することになる。ところが、本構成では第３のミラー３３の回転調整だけで出射光の方向を変えることができ、かつ、所望の偏光状態に変換できる。したがって、少なくともｘｚ平面内のずれ分は補正することができる。

図５は本発明の第３の実施例を説明するための図である。同図は偏光変換部のみを示している。
同図において符号５０は偏光変換部、５１はフレネルの菱面体をそれぞれ示す。
偏光変換部５０のみ図示している。偏光変換部以外は図１と同じで良い。
偏光変換部５０は位相差板としての作用をする「フレネルの菱面体」５１とミラー１８で構成される。入射偏光ｐ１がｙ軸に平行としたときには「フレネルの菱面体」の端面の対角方向がｙ軸（またはｘ軸）となるように配置する。フレネルの菱面体で２回全反射したのち出射される光は円偏光ｐ２となる。ミラー１８で折り返され円偏光ｐ３（ｐ２とは逆周りの円偏光）が再度フレネルの菱面体に入射するとさらに位相差が加算され、出射光の偏光ｐ４はｘ軸に平行となる。「フレネルの菱面体」については、例えば、コロナ社出版「光学の基礎」（左貝潤一著）１４９〜１５１ページに記載されている。

フレネルの菱面体は反射で偏光の位相を与えるため、分散による波長依存性をもつだけで、複屈折材料による位相差板に比べて非常に広い波長範囲で利用できる。このため、レーザ光源を変えた場合でも偏光変換素子は共通で利用することができる。
なお、本発明は第１の実施例と同様に、露光ビームの一方の記録材料からの透過光をモニター光に流用しているため露光光強度を犠牲にすることがない。また、モニター光と露光ビームの偏光は直交しているため、モニター光による不要な干渉縞は発生しない。このため、モニターによって記録材料部に不必要な構造が作製されることがない。本実施例では２光束干渉露光であるが、露光ビームの本数と本発明の効果には相関は無く、３光束以上の多光束干渉露光でも本発明を用いることが可能である。

図６は第３の実施例の変型例を説明するための図である。同図は偏光変換部のみを示している。
同図において符号５２は組み合わせ菱面体、５３、５４はミラーをそれぞれ示す。
フレネルの菱面体を組み合わせた組み合わせ菱面体５２と２枚のミラー５３、５４で構成される。組み合わせ菱面体５２は前述のフレネルの菱面体５１を２個組み合わせたものであり、４回の全反射によってλ／２の位相差が発生する。このため、組み合わせ菱面体５２を通過した光の偏光振動面は入射光と直交する。ミラー２枚で折り返され所定の入射角で記録材料にモニター光として入射される。本構成によれば、入射光の偏光方向を９０°変換させた後で２枚のミラーによって出射光の方向を決める。偏光変換された光はミラーのみで折り返されるため、ミラー５３、５４への入射面がｐ２に平行（または垂直）であれば出射光ｐ３はｘ軸に平行な偏光成分のみとなる。
なお、組み合わせ菱面体５２を通す光束は記録材料透過直後でも良いし、ミラー５３、５４による反射後であっても構わない。

図７は本発明の第４の実施例を説明するための図である。同図は記録材料と偏光変換部のみについて図示している。これら以外の構成は図１と同様である。
同図において符号２５はλ／２板を示す。
偏光変換部は位相差板であるλ／２板２５と２枚のミラー１８ａ、１８ｂで構成される。露光光束Ｂ１、Ｂ２のうちＢ１の記録材料透過光をモニタ光として利用している。λ／２板の光軸（遅相軸）と紙面とのなす角は４５°であり、このλ／２板によって紙面に平行な偏光状態に変換される。この偏光がミラー１８ａ、１８ｂによって所定の入射角で記録材料に再び入射される。このとき、入射角は露光光束の入射角とは異なるため、記録材料からの回折光を容易に受光素子に導くことが可能となる。位相差板を透過する光束は記録材料からの透過光直接でも良いし、ミラー１８ａ、１８ｂによって反射された後でも良い。
本構成では、λ／２板２５を偏光変換素子に用いるため、モニター光の記録材料への入射角を任意に変更できる。

図８は本発明の第５の実施例を説明するための図である。
同図において符号８１は偏光ビームスプリッタを示す。
本実施例では、図１に示した第１の実施例のミラー１５ａを偏光ビームスプリッタ８１に置き換える。この偏光ビームスプリッタ８１はｓ偏光（振動面が紙面に垂直）を反射させ、ｐ偏光（振動面が紙面に平行）を透過させる。露光光束はｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ８１で反射し記録材料に向かう。一方、モニター光はλ／４板１７とミラー１８からなる偏光変換部でｐ偏光に変換されているため、記録材料で回折された回折光は偏光ビームスプリッタを透過する。
本構成では、偏光変換部で折り返された光の記録材料への入射角は露光光束の入射角と同じである。このため、記録材料で回折された光はもう一方の露光ビームの光路を逆にたどるように進む。偏光ビームスプリッタを用いることによって露光光とモニター光を分離することができる。モニター光を一方の露光光と同じ入射角とすることによって、モニター光の光強度を大きくすることが可能になる。

本発明の第１の実施例を説明するための図である。 ホログラフィックＰＤＬＣの構成を説明するための図である。 本発明の第２の実施例を説明するための図である。 偏光変換素子部の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例を説明するための図である。 第３の実施例の変型例を説明するための図である。 本発明の第４の実施例を説明するための図である。 本発明の第５の実施例を説明するための図である。

符号の説明

１１ レーザ光源
１６ 記録材料
１７ λ／４板
１９ 受光素子
２０ 制御部
２２ ポリマー層
２３ 液晶層
２５ ホログラフィックＰＤＬＣ
３０、５０、５２ 偏光変換素子部

Claims (11)

1. 可干渉性の光束を出射する光源と、前記光束を複数の光束に分岐する光束分岐手段と、前記複数の光束を記録材料に所定の方位、所定の入射角で照射する偏向手段とを有し、前記記録材料に所望の回折格子を作製する干渉露光装置において、前記複数の光束のうち、前記記録材料を透過した所定の１光束のみ偏光振動面を９０°変換して再度前記記録材料に戻り入射させる偏光変換部と、前記戻り入射した光束が前記記録材料で回折された光束をモニターするための受光素子とを有することを特徴とする干渉露光装置。
2. 請求項１に記載の干渉露光装置において、前記偏光変換部がλ／４の位相を与える位相差板と、ミラーで構成されることを特徴とする干渉露光装置。
3. 請求項２に記載の干渉露光装置において、前記１光束とその戻り光が共に前記位相差板を通過することを特徴とする干渉露光装置。
4. 請求項３に記載の干渉露光装置において、前記位相差板はλ／４板であることを特徴とする干渉露光装置。
5. 請求項３に記載の干渉露光装置において、前記位相差板は１個のフレネルの菱面体であることを特徴とする干渉露光装置。
6. 請求項２に記載の干渉露光装置において、前記１光束とその戻り光の一方のみが前記位相差板を通過することを特徴とする干渉露光装置。
7. 請求項６に記載の干渉露光装置において、前記位相差板はλ／２板であることを特徴とする干渉露光装置。
8. 請求項６に記載の干渉露光装置において、前記位相差板は２個のフレネルの菱面体の組み合わせであることを特徴とする干渉露光装置。
9. 請求項１ないし８に記載の干渉露光装置において、前記モニターをするための光束の前記記録材料への入射角は、すべての露光光束の入射角のいずれとも異なることを特徴とする干渉露光装置。
10. 請求項１に記載の干渉露光装置において、前記偏光変換部は３枚のミラーからなることを特徴とする干渉露光装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の干渉露光装置において、前記偏向手段の１つは偏光ビームスプリッタであることを特徴とする干渉露光装置。

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