JP4725845B2

JP4725845B2 - 回折光学素子の製造方法

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Publication number: JP4725845B2
Application number: JP2006000575A
Authority: JP
Inventors: 円西山; 直樹福武
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2007183336A

Description

本発明は、回折光学素子の製造方法に関する。

従来から光学素子として、光の反射、屈折を利用したレンズやプリズムのほか、レンズ面に光の回折作用を有する回折光学素子（Diffractive Optical Element,DOE）を設けたものが知られている。

回折光学素子は、微小間隔（約１ｍｍ）当たり数百本程度の細い等間隔のスリット状もしくは溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されるとスリットや溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせて回折パターン（回折像）が形成される性質を有している。このような回折光学素子は種々の光学系に用いられており、例えば、色収差を低減させるため、特定次数の回折光を一点に集めてレンズとして使用するものなどが知られている。

ところで回折光学素子には、鋸歯状の断面を持つレンズを階段形状に位相近似した構造を有するものがあり、このような回折光学素子は、電子集積回路と同様な方法で作製でき、基板のエッチングあるいは基板へのスパッタにより、基板表面に階段を形成するプロセスをＮ回繰り返すことで、２のＮ乗レベルの階段が形成される。例えば、リソグラフィーとエッチングを４回繰り返すことで、１６段の階段を有する回折光学素子を作製することができる。このような回折光学素子は、階段の段数がエッチング等のプロセスを繰り返すことで２倍ずつ増加する構造となっているため、バイナリ光学素子（Binary Optical Element,BOE）と称される（例えば、非特許文献１を参照）。
「回折光学素子入門」株式会社オプトニクス社２００２年

ところで、上記のようなバイナリ光学素子は、その階段状の回折面の形状（位相パターン）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせて回折パターンが形成される性質を有しているため、ある波長の光を入射させた場合には特定の方向に回折光を集光させて回折パターンを形成させることができるが、異なった波長の光を入射させた場合には集光させることができず回折パターンを形成させることができない（集光効率が低下する）といったように、集光させることのできる（集光効率が所定以上高い）回折光学素子の入射光としての使用波長が限定されていた。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、回折面に入射する特定の複数の波長の入射光に対して各波長毎に異なる回折像を形成させる回折光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る回折光学素子の製造方法は、回折光学素子の回折面の形状を決定する回折面形状決定ステップと、決定された前記回折面の形状を基板に形成する回折面形成ステップとを有し、前記回折面形状決定ステップは、前記回折面の初期位相パターンに関して入射光の波長ごとに位相回復アルゴリズムを実行して、前記波長ごとに前記回折面の位相パターンを取得し、取得した前記波長ごとの前記位相パターンから最小自乗法により一つの最適位相パターンを求め、求めた前記最適位相パターンを新たな前記初期位相パターンとして用い、前記位相回復アルゴリズムによる前記波長ごとの前記位相パターンの取得および前記最小自乗法による前記最適位相パターンの算出を繰り返し、所望の状態に収束された前記位相パターンを前記回折面の形状として決定することを特徴とする。

また、上記構成の回折光学素子の製造方法において、回折面が２段以上の段数からなる、もしくは４段以上の段数からなる階段を有して断面階段状をなすことが好ましい。

さらに、上記構成の回折光学素子の製造方法において、入射光の波長をλとしたとき、階段の少なくとも１段の高さがλ以下であることが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子の製造方法において、回折面の回折溝の深さが２μｍ以上、もしくは４μｍ以上であることが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子の製造方法において、回折面の回折溝のピッチ幅が４μｍ以下もしくは２μｍ以下、または、入射光の波長をλとしたとき、回折面の回折溝のピッチ幅がλ以下もしくはλ×２／３以下であることが好ましい。

本発明に係る回折光学素子の製造方法によれば、回折面に入射する特定の複数の波長の入射光に対して各波長毎に異なる回折像を得ることが可能な回折光学素子を製造することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図１乃至図５を参照して説明する。ここではまず、本発明に係る回折光学素子の回折面の１ピッチ内の位相分布を表す位相パターン（回折面の形状）の設計方法について説明する。本実施例においては、回折光学素子の回折面の形状の算出のために位相回復法による計算機合成ホログラム（ＣＧＨ（Computer Generated Hologram））を用いるが、必ずしも位相回復法によるものに限られず、他の方法によるＣＧＨを用いて設計を行ってもよい。

従来においては位相回復法により単色光用の回折光学素子の回折面の形状の設計が行われており、以下のような位相回復アルゴリズムが用いられている（図１（ａ）参照）。まず、初期位相パターン（回折光学素子の初期回折面形状）を決定し（Ｓ１１）、それをフーリエ変換して回折パターン（回折像として投影されるパターン）を取得する（Ｓ１３）。このとき、初期位相パターンとして、ランダムパターンがよい。そして、得られた回折パターンの位相をそのまま維持し、その強度のみ所望のパターンに置換する（Ｓ１４）。この置換された回折パターンを逆フーリエ変換することにより回折光学素子の位相パターン（回折面の形状）を取得できるが（Ｓ１５）、これを離散化された位相パターンに強制的に合わせる（Ｓ１２）。ここまでが一つのループとなる。そして、このようなループを繰り返すことで、すなわち、位相パターンのフーリエ変換による回折パターンの取得と、回折パターンの逆フーリエ変換による位相パターンの取得とを繰り返すことで、回折光学素子の回折面の形状がある所定の形状に収束する。

以上は、単色光用の位相回復アルゴリズムであるが、本実施例においては、この位相回復アルゴリズムを応用し、入射波長毎に回折パターンが変化する多色用回折光学素子の設計を行う（図１（ｂ）参照）。本実施例では、上記の従来の場合と同様に、まず最初に回折光学素子の初期回折面形状を与える。そして、入射光の波長ごと（λ₁〜λ_N）に、上記位相回復アルゴリズムを１ループ分だけ実行し（Ｓ２１，Ｓ２３，Ｓ２５）、各波長ごとに回折光学素子の位相パターン（回折面の形状）を取得する（Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）。しかしながら、上記アルゴリズムにより取得された位相パターンは、波長ごとに相違しているため、本実施例では最小自乗法により波長による位相パターンの違いを考慮した一つの最適な位相パターンを求める（Ｓ２７）。そして、当該最小自乗法に基づく位相パターンを次のループの初期位相パターンとして用い、各波長ごとに位相パターンを取得したのち、最小自乗法により最適な位相パターンを求める。このようなことを繰り返すことで、回折光学素子の回折面の形状は、ある所定の状態に収束していく。ここで、回折光学素子の予測される集光効率が例えば約８０％になった場合に回折面の形状の算出を停止させ、すなわち位相回復アルゴリズムを停止させ、その時点で取得されている位相パターンを、入射光の波長の違いを考慮した回折光学素子の回折面の形状として決定する。

次に、上記のようにして回折面の形状が求められた多段の回折光学素子の実際の作製方法について、図２を参照して説明する。多段の回折光学素子は、以下のようにフォトリソグラフィーとエッチングとのプロセスを繰り返すことで作製される。まず、シリコン基板（シリコンに限らず、ＧａＡｓなどの半導体材料の基板であればよい）２上にレジスト膜３を塗布し、上記の計算により決定された回折面の形状に応じたレチクルマスクを通して露光を行う（図２（ａ）参照）。露光に使用する光線は、ｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）、電子線のほか、Ｘ線等の放射線であってもよい。また、レーザ光を使用した直接描画による露光方法であってもよい。さらに、２光束干渉させて露光を行ってもよい。露光に続いて現像がなされ、続くエッチングのプロセスが行われる。

エッチングは、エッチング装置を用いることでドライエッチングにより行われる。このときにエッチングガスは、基板（シリコン、ＧａＡｓ等）２の種類に応じて任意に選択するが、一例として四フッ化カーボンガスといったものが用いられる。このようにして、一回のフォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスが終了すると、図２（ｂ）のように、所望の深さの回折溝を有し、所望のパターンに応じた２段レンズ（２ＢＯＥ素子）が作製される。

この２段レンズに、さらに、フォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを繰り返すことで４段レンズが作製され（図２（ｃ）および（ｄ）参照）、この４段レンズに、さらにフォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを繰り返すことで８段レンズが作製される（図２（ｅ）および（ｆ）参照）。この８段レンズから、１６段レンズ、３２段レンズ、…といったように、フォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを複数繰り返すと、回折面の形状が多段のバイナリ形状からなる回折光学素子を得ることが可能である。

また、上記のようにして作製された多段の回折光学素子の回折面の形状を、電気鋳造法により電着を行って金型に転写することも可能である。そして、基板ガラス上に十分に加熱され可塑性を有した紫外線硬化樹脂を滴下する。この後、滴下した紫外線硬化樹脂に所望の表面の反転形状が形成された上記金型を押し当てる。さらに、基板ガラス側から紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂を硬化させ、硬化させた紫外線硬化樹脂を金型および基板ガラスから取り外す。これにより、金型に形成されていた表面の形状が紫外線硬化樹脂に転写され、この紫外線硬化樹脂を回折光学素子の複製物として使用できる。

次に、上記の位相回復法によって設計された、回折光学素子の回折面の形状の一例を示す。図３に一例として示す回折光学素子１は所定の深さを有する複数の回折溝５が所定のピッチで形成されたいわゆるバイナリ光学素子であり、その入射面は所定の段数を有して階段状（いわゆるバイナリ形状）に形成されている。図３に示すように、この回折光学素子１は８段の階段を有する８段レンズで構成されているが、必ずしも８段レンズである必要はなく、４段レンズや２段レンズであってもよく、あるいは、８段よりも段数が多い１６段レンズや３２段レンズ等で構成してもよい。この回折光学素子１の階段の１段の高さＨは、例えば入射光の波長λｎｍ以下になるように設計されている。また、回折光学素子１の回折溝５の深さＤは２μｍ以上もしくは４μｍ以上であるのが好ましい。さらに、回折溝５のピッチ幅Ｐは４μｍ以下であるのが好ましいが、２μｍ以下であってもよい。さらに、ピッチ幅Ｐは入射光の波長λｎｍ以下であってもよく、また、入射光の波長λｎｍの２／３以下であってもよい。

次に、上記のようにして設計された回折光学素子に、所定の波長の光を照射した場合に投影される回折パターンのＣＧＨによるシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は１６段レンズからなる回折光学素子の回折面の形状であり、１６段の段差をグレースケールで表示している。このような、回折面の形状を有する回折光学素子に紙面垂直方向に光を照射した場合における回折パターンの投影図が図４（ｂ）および図４（ｃ）である。ここで、図４（ｂ）は回折光学素子に赤色光（６３３ｎｍ）を照射した場合の回折パターンの投影図であり、この場合の集光効率を全回折光のうち矩形状のエリアＡ１に集光される回折光の割合とすると、集光効率は８２％である。一方、図４（ｃ）は回折光学素子に緑色光（５３２ｎｍ）を照射した場合の投影図で、この場合の集光効率を全回折光のうち円形状のエリアＡ２に集光される回折光の割合とすると、集光効率は７８％である。このように、本発明に係る回折光学素子は、照射する光の波長に拘らず集光効率を高めることで、入射光の波長ごとに回折パターンを投影することが可能である。

また、回折光学素子１への入射光の光源として白色光を用いることも可能であり、例えば、本発明に係る回折光学素子１を有する回折光学系６を用いて以下のようにして任意の回折パターンを投影することが可能である。図５に示すように、この回折光学系６は、回折光学素子１とＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)フィルタ素子４（以下、「ＭＥＭＳ素子４」と称する）とを有して構成される。

このＭＥＭＳ素子４は、例えば圧電駆動型であり、印加する電圧の大きさを制御することで、回折光学素子１の略法線方向に入射光が入射するような状態から回折光学素子１の略法線方向に対して傾いた角度から入射光が入射するように揺動させることが可能である。このようなＭＥＭＳ素子４を光源（図示せず）と回折光学素子１との間に設置することで、光源から出射された白色光を所定の角度に揺動したＭＥＭＳ素子４に入射させ、ＭＥＭＳ素子４に設けられ所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタによって赤色光、緑色光および青色光のうちいずれかを選択透過させ、これらを回折光学素子１に入射させることにより、入射光の波長毎に異なる回折パターンを投影させることが可能である。

ＭＥＭＳ素子４による選択透過は、ＭＥＭＳ素子４を白色光の入射方向に対して傾斜させることで行われる。例えば、図５に示すように、赤色光を透過させる場合には、白色光がＭＥＭＳ素子４に対して略法線方向に入射するようにＭＥＭＳ素子４を配置させ、緑色光を透過させる場合にはＭＥＭＳ素子４を赤色光を透過させる場合に対して所定の角度傾斜させ、青色光を透過させる場合にはＭＥＭＳ素子４を緑色光を透過させる場合よりもさらに大きく傾斜させるようにする。

このようにして、回折光学素子１を透過した赤色光の回折光は、所定の投影面に回折パターンＰＡＴ１（模式的に矩形状で示す）として投影される。また、回折光学素子１を透過した緑色光の回折光は、当該投影面に回折パターンＰＡＴ２（模式的に円形状で示す）として投影され、回折光学素子１を透過した青色光の回折光は、当該投影面に回折パターンＰＡＴ３（模式的に三角形で示す）として投影される。このように、所定の波長の光を選択透過可能なＭＥＭＳ素子と本発明に係る回折光学素子１とを組み合わせることで、所定の投影面に入射光の波長毎に異なる回折パターンを投影させることが可能である。

なお、上記のように入射光としてある特定の波長を選択するのではなく、白色光をそのまま回折光学素子１に入射した場合には、各波長の入射光がこの回折光学素子１によって波長によって決まった方向に集光され、各波長による回折パターンを重ね合わせた白色光の回折パターンがフルカラー画像として投影される。

また、図５に基づく上記の説明では、回折光学素子１を透過した透過光により回折パターンＰＡＴ１〜ＰＡＴ３が投影される構成を示したが、投影される回折パターンは透過光に限られるわけではなく、回折光学素子１で反射した反射光により入射光の波長毎に異なる回折パターンを投影させるように構成してもよい。あるいは、回折光学素子１の一部分を透過した透過光による回折パターンの投影と、回折光学素子１の残りの部分で反射した反射光による回折パターンの投影とを組み合わせてもよい。

なお、これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施例においては、上記のようにして設計された回折面を入射光の入射面として回折パターンを投影させたが、バイナリ形状が形成された回折面を入射光の出射面として、回折パターンを投影させるようにしてもよい。

本発明に係る回折光学素子の回折パターンを計算機合成ホログラムにより取得するためのアルゴリズムを示すブロック図で、（ａ）は従来から用いられている単色光用の位相回復アルゴリズムで、（ｂ）は単色光用の位相回復アルゴリズムを応用して白色光を入射光とした場合の回折パターンを取得するためのアルゴリズムである。本発明に係る回折光学素子の製造工程を（ａ）から（ｆ）の順で示す図である。本発明に係る回折光学素子の回折面の形状を示す模式断面図である。（ａ）は本発明に係る回折光学素子（１６段）の回折面の形状を示す、上記計算機合成ホログラムによるシミュレーション結果を示す図で、（ｂ）は上記回折光学素子に回折面を透過した赤色光による回折パターンを示すシミュレーション結果を示す図で、（Ｃ）は上記回折光学素子の回折面を透過した緑色光による回折パターンを示すシミュレーション結果を示す図である。本発明に係る回折光学系による赤色光、緑色光および青色光の選択透過と、各透過光により投影される回折パターンの様子を示す模式図である。

符号の説明

１回折光学素子２基板３レジスト膜４ＭＥＭＳ素子（選択手段）５回折溝６回折光学系

Claims

回折面に入射する入射光の波長ごとに異なる回折像を形成させるように前記回折面が構成されている回折光学素子の製造方法であって、
前記回折面の形状を決定する回折面形状決定ステップと、
決定された前記回折面の形状を基板に形成する回折面形成ステップとを有し、
前記回折面形状決定ステップは、
前記回折面の初期位相パターンに関して入射光の波長ごとに位相回復アルゴリズムを実行して、前記波長ごとに前記回折面の位相パターンを取得し、
取得した前記波長ごとの前記位相パターンから最小自乗法により一つの最適位相パターンを求め、
求めた前記最適位相パターンを新たな前記初期位相パターンとして用い、前記位相回復アルゴリズムによる前記波長ごとの前記位相パターンの取得および前記最小自乗法による前記最適位相パターンの算出を繰り返し、所望の状態に収束された前記位相パターンを前記回折面の形状として決定することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
前記回折面が２段以上の段数からなる階段を有して断面階段状をなす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。
前記回折面が４段以上の段数からなる階段を有して断面階段状をなす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。
入射光の波長をλとしたとき、前記階段の少なくとも１段の高さがλ以下であることを特徴とする請求項２もしくは３に記載の回折光学素子の製造方法。
前記回折面の回折溝の深さが２μｍ以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
前記回折面の回折溝の深さが４μｍ以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
前記回折面の回折溝のピッチ幅が４μｍ以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
前記回折面の回折溝のピッチ幅が２μｍ以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
入射光の波長をλとしたとき、前記回折面の回折溝のピッチ幅がλ以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。
入射光の波長をλとしたとき、前記回折面の回折溝のピッチ幅がλ×２／３以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子の製造方法。