JP4811032B2 - 反射型レプリカ光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、各種の光学機器や計測機器に使用される反射型レプリカ光学素子に関する。

カメラ、顕微鏡、望遠鏡等の光学機器や、分光器、分波器等の計測機器に広く使用されている各種のレンズ、ミラー、回折格子などの光学素子は、一般的に高い加工精度を必要とするものが多い。特に、放物面鏡や楕円面鏡などの非球面光学素子や各種の回折格子のように最高度の精度を要求される光学素子の製作には、極めて精巧な製造装置と複雑な作業工程が必要であり、従ってその製造コストは極めて高価となる。このため、これらの光学素子の量産には、１個のオリジナルの光学素子（マスター）から転写・複製によってレプリカ光学素子を製作し、これを市場に供給する方法が広く採用されている。

あらかじめ最適な方法で製作されたマスター光学素子から多数のレプリカ光学素子を作製する代表的な手法としては次のものがある。

第１段階で、オリジナルのマスター光学素子の凹凸形状を反転させたネガ・マスター光学素子を作製する。これにはまず、マスター光学素子の表面に離型材を塗布し、このマスター光学素子と別途準備されたネガ・マスター基板との間に所定の厚さの樹脂層を挟み込み、そのままの状態で樹脂層が完全に硬化するまで放置する。その後、離型材の面でマスター光学素子を分離すれば、表面にマスター光学素子の表面の凹凸が反転した形状で刻印されたネガ・マスター光学素子を得る。

第２段階では、前記のネガ・マスター光学素子の凹凸形状を反転・刻印して、マスター光学素子と同一の形状を持つレプリカ光学素子を作製する。まず、レプリカ基板を準備し、その表面に所定の厚さの樹脂層を塗着させる。表面に離型材を塗布したネガ・マスター光学素子を前記樹脂層上に押し当て、そのままの状態で樹脂層が完全に硬化するまで放置する。その後、離型材の面でネガ・マスター光学素子を分離する。樹脂層上に残留した離型材を洗浄除去した後、最後にこの光学素子の使用目的によって必要とされる金属反射膜を樹脂層表面に施して、反射型レプリカ光学素子が完成する。例えば、非球面鏡や反射型回折格子のレプリカであれば、表面にアルミニウムなど金属反射膜が蒸着される。（特許文献１参照）
特開平７−２６１０１０号公報

しかしながら、上記の方法で製作されたレプリカ光学素子には、以下に述べる問題点がある。

反射型レプリカ光学素子の精度を決定する要素の一つに、金属反射膜の表面粗さがある。表面粗さが大きくなれば、反射光の一部が正しい方向から逸脱し、不規則な方向に散乱されるため、光学素子の性能は大きく低下する。また、真空蒸着される金属反射膜の厚さが大きくなるに従って表面粗さが大きくなることが知られている。このため、表面粗さを抑えるためには、反射型レプリカ光学素子の表面に蒸着される金属反射膜の厚さを薄くすることが要求される。しかしながら、金属反射膜を薄くした場合には、この光学素子への入射光の一部が金属反射膜を透過して樹脂の層および基板内に侵入する。この侵入光の内で樹脂と基板の境界面、あるいは基板の底面などで反射・散乱した部分が再度金属反射膜を通して外部に出射され、金属反射膜の本来の反射光を擾乱する。この擾乱の惹起する結果は、反射型レプリカ光学素子の種類によって異なる。反射型回折格子においては、この擾乱は迷光となって現れる。また、結像光学系に使われる集光球面鏡や放物面鏡においては、上記の擾乱は結像の不鮮明さあるいは解像度の劣化となって現れる。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決して、反射型レプリカ光学素子内部からの反射光を除去することにより、金属反射膜の厚さを可能な限り小さくして表面粗さを小さくすることを目的としており、オリジナルの光学素子の形状を直接あるいはネガ・マスター光学素子を経由する刻印操作を介して別個の基板上の樹脂層に転写複製することによって製作される反射型レプリカ光学素子であって、前記樹脂層の入射面側に金属反射層が更に形成され、前記樹脂層が光を吸収する物質を含有する物であることを特徴とする。

金属反射膜の厚さを薄く蒸着することにより、表面粗さの小さい反射型レプリカ光学素子の製作が可能となる。また、たとえ入射光の一部が金属反射膜を透過しても、透過光は樹脂によって吸収されるため、樹脂層や基板内で反射・散乱されて再出射する光が存在しない。このため、迷光の少ない反射型回折格子や、高精度の結像を示す球面鏡や放物面鏡の製作が可能となる。

本発明の目的は、金属反射膜を透過した光を、再反射する前に除去する点にあり、このことは、ネガ・マスター光学素子の表面形状が刻印される樹脂に、光を吸収する物質を混在させることによって実現される。以下に本発明の１実施例として反射型凹面回折格子のレプリカの製作過程を、図１に従って説明する。

まず、本明細書「背景技術」の項で説明した方法によって製作された、表面にオリジナルの回折格子の表面の凹凸が反転した形状で刻印されたネガ・マスター１を準備し、その表面に離型材２を塗布する。離型材２としては、飽和蒸気圧が低くて、薄い油膜状に展延できるシリコングリースやグリセリンやフタル酸ブチルなどを波長の１０分の１のオーダーの厚みに蒸着したもの、あるいは親和力の弱い金や白金の蒸着膜が一般的に使用される。本実施例では離型材２にはシリコングリースを用い、真空蒸着装置内で、薄い油膜として塗布する。同時に、レプリカ用の基板４を準備し、その表面上に樹脂３を塗布する（図１（ａ））。基板４の材料は光学ガラスが一般的に用いられ、その表面は鏡面研磨される。樹脂３にはエポキシ系の接着剤や、尿素系、メラニン系、フェノール系などの耐熱性熱硬化樹脂、あるいは光硬化樹脂などを基材とし、これに光吸収性物質を混合した物が利用できる。本実施例においては、エポキシ樹脂に光吸収性物質としてタールピッチおよび膨潤炭を混合して製造されるタールエポキシ樹脂を用いたが、これに限定されるものではなく、上記各種の樹脂基材に黒色塗料あるいはカーボンブラックなどの光吸収性物質を均一に混和したものを用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、ネガ・マスター１を離型材２を挟んで樹脂３に押し当てた状態で保持し、樹脂３が完全に凝固するまで放置する。この時、熱硬化性樹脂を樹脂３の基材とした場合は全体を加熱し、光硬化性樹脂を樹脂３の基材とした場合は適当な光源からの光を樹脂３に照射して、樹脂３の硬化を促進する。

樹脂３が完全に凝固し、基板４に固着した後、離型材２の層において上下を分離させ、樹脂３上の離型材２の残渣を洗浄・除去する（図１（ｃ））。最後に、樹脂３上に金属反射膜を、その表面粗さが所定の値を超えない最小の厚さで蒸着する。本実施例においては、金属反射膜としてアルミニウム膜５を、約１００ｎｍの厚さに蒸着する。これによってレプリカ回折格子６が完成する（図１（ｃ））。１個のネガ・マスター１を用いて上に述べた手順を繰り返すことによって、多数のレプリカ回折格子６が製作される。

上記の製作過程に従って製作されたレプリカ回折格子６においては、アルミニウム膜５の厚さが、表面粗さを十分小さくするべく、約１００ｎｍに抑えられているため、表面粗さによる迷光は可能なかぎり少なくなる。また、アルミニウム膜５を透過して樹脂３の層に新入した光は樹脂３中に混和されたタールピッチおよび膨潤炭によって吸収されるため、樹脂３内あるいは基板４内で反射・散乱される光は存在せず、従ってこれが迷光を増加させる原因にはなり得ない。

製作過程は上記の例に限定される物ではない。変形例として、図１（ａ）に示した離型材２の更に外側に予めにアルミニウム膜を蒸着し、これを樹脂３に押し付けて固着させる方法のように、直接あるいは間接に樹脂層に回折格子の溝形状を刻印する方法には、本発明が適用可能である。また、上記実施例においては、図１（ｂ）に示したように光学ガラス製の基板４の上に樹脂３を塗布しているが、この方法以外に、光学ガラスの基板４を用いず、樹脂３のみでレプリカ回折格子を作製する方法も使用されており、これにも本発明が適用できる。また、図１のネガ・マスター１の溝形状と同様の形状を持った金型をダイヤモンド・ターニング等の技術で製作し、この金型を用いて射出成形あるいはプレス成形によって樹脂を成形し、これに金属反射膜を蒸着してレプリカ回折格子を製作する方法も利用されているが、この方法に対しても本発明を適用することができる。さらに、本発明の適用範囲は反射型凹面回折格子に限定される物では無く、球面鏡、放物面鏡、楕円面鏡など表面に金属反射膜を持つ反射型レプリカ光学素子の全てに適用される物である。

本発明は、各種の光学機器や計測機器に使用される反射型レプリカ光学素子に関する

本発明の反射型レプリカ回折格子の製作手順を段階的に示した図である。

符号の説明

１ ネガ・マスター
２ 離型材
３ 樹脂
４ 基板
５ アルミニウム膜
６ レプリカ回折格子

Claims (1)

1. オリジナルの光学素子の形状を直接あるいはネガ・マスター光学素子を経由する刻印操作を介して別個の基板上の樹脂層に転写複製することによって製作される反射型レプリカ光学素子であって、前記樹脂層の入射面側に入射光の一部が透過する程度の厚みの金属反射層が更に形成され、前記樹脂層が光を吸収する物質を含有するものであることを特徴とする反射型レプリカ光学素子。

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