JP5082421B2

JP5082421B2 - 回折格子

Info

Publication number: JP5082421B2
Application number: JP2006335215A
Authority: JP
Inventors: 哲也長野; 裕次田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP2008145898A

Description

本発明は回折格子に関し、特に、ブレーズド型の回折格子溝を有し、光の分光と集光の双方の機能を有する凹面回折格子に関する。

現在市販されている凹面回折格子には、凹面を上から見たときの形状（平面形状）が円形である「丸形」と、正方形又は長方形である「角形」の２種類がある。このうち角形凹面回折格子は、肉眼では確認することができない回折格子溝の方向を、平面形状から容易に確認することができるという利点を有する。

また、回折格子溝の形状には、鋸歯状の断面形状を有する「ブレーズド型」と、矩形状の断面形状を有する「ラミナー型」の、大きく分けて２種類がある。ブレーズド型の溝を有する回折格子は主に、波長が約200nm以上である（可視領域に近い）紫外領域から近赤外領域までの波長領域において用いられる。

以下に、図１を用いて、ブレーズド型回折格子溝を持つ凹面回折格子の製造方法の一例を説明する。
まず基板１１の上面１１１を機械研磨により凹面に加工し(a)、感光剤を塗布することにより感光層１２を形成する(b)。次に、感光層１２に２方向からコヒーレント光１３１、１３２を照射する(c)。これにより、両コヒーレント光による干渉縞が感光層１２上に形成され、干渉縞内の光の強弱に応じて感光層１２が感光する。その後、現像液で処理すると、干渉縞１５のパターンに応じて基板１１が露出する部分と感光剤が残る部分がそれぞれ縞状に形成される(d)。このようにコヒーレント光の干渉縞を用いて感光層に縞状のパターンを形成する方法は一般に「ホログラフィック露光法」と呼ばれている。

次に、残された縞状の感光剤をマスク（１２Ａ）として、その表面にイオンビームを照射することにより、基板１１上面に縞状の凹凸パターンを形成する(e)。その際、イオンビームは、基板１１の上面の各点において縞に垂直に、且つ、その接面に対して同一の入射角で入射させる（特許文献１参照）。これにより、全て同じブレーズ角を持つ多数の回折格子溝から成るブレーズド型の凹面回折格子１４を形成することができる(f)。

特開昭55-131730号公報（第3頁右上欄9行目〜左下欄2行目, 第7図）

従来、蛍光分析装置において用いられるブレーズド型凹面回折格子は、400-470nm程度の波長の光に対して最適化、即ち最も回折効率が高くなるように設計されていた。近年、蛍光分析装置においてより短波長側の光に対する分析の要求が高まりつつあるが、このような従来のブレーズド型凹面回折格子では、波長200-250nmでの回折効率が非常に低くなる（例えば、波長200nmの時の回折効率は10%未満）という問題がある。

短波長側まで高い回折効率で使用するためには、一般にブレーズ角を小さくする必要がある。ブレーズ角はイオンビームの入射角等を調整することにより制御することができる。しかし、ブレーズ角を小さくすると、以下の問題が生じる。

図２(a)及び(b)に、平面形状が正方形の角形凹面回折格子２０と、平面形状が円形であってその円の面積が前記正方形の面積と等しい丸形凹面回折格子２５について、それぞれ溝形成面の等高線を示す。丸形凹面回折格子２５の溝形成面では外縁は全て同じ高さである。それに対して角形凹面回折格子２０の溝形成面では、外縁の各辺は中点において最も低く、各角部２３１〜２３４に近づくにつれ高くなると共に勾配も大きくなる。また、角部２３１〜２３４の高さは丸形凹面回折格子２５の外縁よりも高くなる。
このような角形凹面回折格子２０の溝形成面に対して、４辺のうちの１辺に平行なイオンビームを照射して回折格子溝を形成する場合、次のような問題が生じる。図２(c）は、図２(a)のA-A’断面上の点２１１，２１２，２１３に照射されるイオンビーム２２１，２２２，２２３を示している。図２(c)に示すように、イオンビームの上流側の角部２３１付近であって、角部２３１までの勾配が大きくなる点２１２では、従来よりもブレーズ角を小さくする（即ちイオンビームの入射角を大きくする）と、イオンビーム２２２が角部２３１付近の基板１１に遮られるようになるため、イオンビーム２２２を入射させることができなくなる。また、イオンビームの下流側の角部２３２近傍の勾配が大きい部位にある点２１３では、基板１１の下方からイオンビーム２２３を入射させる必要が生じ、やはり、基板１１により遮られてしまう。このため、従来よりもブレーズ角を小さくすると、角形凹面回折格子の溝形成面には、回折格子溝が形成されない部分が生じる、という問題がある。

一方、丸形凹面回折格子ではそのような問題は生じないが、その平面形状からは溝の方向を容易に確認することができないという欠点を有する。

本発明が解決しようとする課題は、溝形成面（上面、凹面）全体に回折格子溝を形成することができ、且つ溝の方向を容易に確認することができるブレーズド型凹面回折格子を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、ブレーズド型の回折格子溝を有し、溝形成面が凹面であるブレーズド型凹面回折格子において、
前記溝形成面の平面形状が前記回折格子溝に平行な１辺を含み、
前記１辺の両端にある角部の角度が鈍角であり、
前記溝形成面の全面に前記回折格子溝が形成されている
ことを特徴とする。

前記平面形状には五角形以上の多角形を用いることができる。そのような多角形のうち八角形のものを用いることが望ましい。

また、前記平面形状には、前記溝に平行な弦を有する円形を用いることができる。

本発明に係るブレーズド型凹面回折格子では、回折格子溝に平行な１辺の両端の角部の角度が鈍角であることにより、それらの角部において、従来の角形（四角形）凹面回折格子よりも高さを低くすることができると共に、角部付近での勾配を小さくすることができる。そのため、ブレーズド型の回折格子溝を作製する際に回折格子溝に垂直（即ち上記１辺に垂直）であって、且つ溝形成面に対して大きい入射角（表面の法線からの角度）でイオンビームを溝形成面に入射させたとしても、そのイオンビームがそれらの角部付近の基板により遮られることを防ぐことができる。それにより、ブレーズ角が従来よりも小さくとも回折格子溝を形成することができる。

また、本発明のブレーズド型凹面回折格子は、平面形状の１辺が回折格子溝に平行であることにより、作製後の検査時や使用時にその１辺の方向から回折格子溝の方向を容易に確認することができる。

即ち、本発明により、イオンビームが遮られることなく回折格子溝を形成することができるという丸形凹面回折格子の利点と、溝方向の確認が容易であるという角形凹面回折格子の利点を併せ持つブレーズド型凹面回折格子を得ることができる。

従来の四角形の角形平面形状と比較すると、多角形を五角形以上とすることにより本発明の効果を得ることができるが、望ましくは八角形とする。これは、図３に示すように、従来の四角形の各角部を切り落とすだけでその形状を得ることができ、製造が容易であるためである。

前記溝に平行な弦を有する円形ブレーズド型凹面回折格子では、平面形状が基本的には円形であるため、イオンビームが遮られることなく回折格子溝を形成することができるという従来の丸形凹面回折格子の利点をそのまま得ることができると共に、その弦により回折格子溝の方向を確認することができるため、溝方向の設定を容易に行うことができる。

本発明に係るブレーズド型凹面回折格子の一実施形態を、図４を用いて説明する。
図４は本実施形態のブレーズド型凹面回折格子３０の斜視図(a)及び上面図(b)である。このブレーズド型凹面回折格子３０は、平面形状が正八角形であり、その８辺のうち１辺３３１（及び、辺３３１に平行な辺３３２）は、図４(b)中に示した直線（符号３２）の方向に延びる回折格子溝に平行である。本実施例の凹面回折格子３０では平面形状が正八角形であるため、辺３３１の両端にある角部３４１及び３４２の角度は鈍角（135°）である。

図５を用いて、八角形ブレーズド型凹面回折格子３０の製造方法の一例を示す。まず、従来の角形凹面回折格子に用いられるものと同じ正方形の平板状BK7光学ガラス基板４１（縦54mm×横54mm×厚さ10mm）を用意し(a)、平面研削盤を用いてその四隅を切断（(a)の斜線）することにより平面形状を正八角形とする（(b)、光学ガラス基板４１Ａ）。上面の各辺及び各角部の面取りをした後、曲率半径が134.85mmの基準皿４２を用いて光学ガラス基板４１Ａの上面４１１を研磨（砂かけ研磨及びピッチ研磨）する(c)ことにより、上面４１１を凹形に成形する（(d)、光学ガラス基板４１Ｂ）。次に、上面４１１にフォトレジスト４３を塗布し、波長441.6nmのレーザ光を用いた球面波ホログラフィック露光法により(e)、フォトレジスト４３に900本/mmの間隔で辺３３１に平行な溝４４を形成する(f)。

次に、光学ガラス基板４１Ｂの上面に、辺３３１側から、フォトレジスト４３の溝４４に垂直であって80°の入射角でイオンビームを照射し(g)、フォトレジスト４３がちょうど消失するまで光学ガラス基板４１Ｂの表面をエッチングする。これによりフォトレジスト４３の溝４４の部分のみがエッチングされ、光学ガラス基板４１Ｂの表面に7°のブレーズ角を持つ鋸歯状の回折格子溝４５が形成される。

この時、平面形状が正八角形であるため、光学ガラス基板４１Ｂの各角部の高さ及び各角部付近の勾配は平面形状が四角形である場合よりも小さくなる（図３）。これにより（特に、イオンビーム入射側の辺の両側の角部３４１及び３４２の高さ及びその付近の勾配が小さいことにより）、イオンビームが光学ガラス基板４１Ｂにより遮られることがなく、上面（溝形成面）にイオンビームを入射させることができる。

次に、光学ガラス基板４１Ｂの表面に0.2μmの厚さでAl４６を蒸着することにより、八角形凹面マスタ回折格子４７を得る(i)。その後、基準皿４２と同じ曲率半径を持つ凸型のフロートガラス４８１の上に塗布されたエポキシ樹脂から成る樹脂膜４８２を八角形凹面マスタ回折格子４７の上に押し付け、そのエポキシ樹脂を硬化させたうえで八角形凹面マスタ回折格子４７と分離することにより、平面形状が正八角形のネガ回折格子４８を得る(j)。更に、基準皿４２と同じ曲率半径を持つ凹型のフロートガラス４９１の上に塗布されたエポキシ樹脂から成る樹脂膜４９２をネガ回折格子４８の上に押し付け(k)、そのエポキシ樹脂を硬化させたうえで八角形凹面ネガ回折格子４８と分離することにより、八角形凹面レプリカ回折格子４９を得る(l)。

図６に、上記方法により作製された八角形凹面レプリカ回折格子４９の相対回折効率を測定した結果を示す。ここでは、実験の再現性を示すため、同じ方法で作製された２個の八角形凹面マスタ回折格子４７からそれぞれ１個ずつ作製した２個の八角形凹面レプリカ回折格子４９（「本実施例」、ブレーズ角：7°）について、それぞれ測定を行った。併せて、八角形凹面レプリカ回折格子４９と表面積及び凹面の曲率が同じである従来の角形（四角形）凹面回折格子（「比較例」、ブレーズ角：10°）の相対回折効率の測定結果を示す。相対回折効率は、入射光の強度に対するある次数の回折光の強度の比（絶対回折効率）を回折格子の表面の反射率で除した値で定義される。図６(a)の横軸は回折光の波長である。
なお、本実施例と同じ曲率及びブレーズ角で従来の四角形凹面回折格子を作製すると、イオンビームの一部が上面の角部に遮られてしまい、上面に回折格子溝が形成されない部分が生じてしまう。そのため、比較例では上述のようにブレーズ角を本実施例のものよりも大きくすることにより、上面全体に回折格子溝を形成した。

図６に示されるように、相対回折効率は、比較例の四角形凹面回折格子では測定範囲（最大360nm）よりも長波長側の波長400nm付近でピークを持つような波長依存性を示すのに対して、本実施例では波長300nm付近でピークを持つ波長依存性を示す。これは、本実施例ではブレーズ角を比較例よりも小さくすることができたことによる。そして、このように本実施例の方が相対回折効率のピークを短波長側にすることができたことにより、波長250nm以下において、本実施例は比較例の2倍以上（波長250nmにおいて約２倍、波長215nmにおいて約3倍）の回折効率を得ることができる。

ここまでに述べた八角形ブレーズド型凹面回折格子の他にも、図７に上面図で示すように、平面形状が五角形である凹面回折格子５０１（図７(a)）や六角形である凹面回折格子５０２（図７(b)）等のように、平面形状は五角形以上の種々の多角形を採ることができる。いずれの場合も、多角形の１辺５１１又は５１２は溝の方向５３（図中に直線の延びる方向で示したもの）に平行とし、１辺の両側の角部の角度は鈍角とする。

平面形状は正五角形、正六角形、正八角形等の正多角形には限られず、例えば、長方形の４個の角部付近を切り落とした八角形（正八角形ではない）であってもよい。

また、図７(c)に示すような台形でもよい。この場合、短い方の底辺５１３の両端の角部５２３１、５２３２の角度が鈍角であるため、底辺５１３の方向からイオンビームを照射することにより、角部５２３１及び５２３２でイオンビームが遮られることを防ぐことができる。

本発明に係る回折格子は更に、弦を有する円形であってもよい。その例を図８に示す。本実施例の凹面回折格子６０は、円形回折格子に弦（オリエンテーションフラット）６１を設けたものである。この弦６１は、回折格子溝６２に平行に設ける。本実施例の凹面回折格子６０は、平面形状が基本的には円形であるため、イオンビームが遮られることを防ぐことができる。また、使用者は弦６１により回折格子溝の方向を知ることができるため、溝方向の設定を容易に行うことができる。
なお、ここでは弦６１を１つのみ設けた例を示したが、２つ平行に設けてもよい。

ホログラフィック露光法により凹面回折格子を作製する方法の一例を示す縦断面図。角形凹面回折格子２０(a)及び丸形凹面回折格子２５(b)の溝形成面（上面）の等高線を示す上面図、並びにホログラフィック露光法により角形凹面回折格子を作製する際の問題点を示す縦断面図(c)。八角形凹面回折格子と角形回折格子の平面形状の対応を示す上面図。本発明のブレーズド型凹面回折格子の一実施形態である八角形ブレーズド型凹面回折格子を示す斜視図(a)及び上面図(b)。本実施形態の八角形ブレーズド型凹面回折格子の製造方法の一例を示す斜視図及び縦断面図。本実施形態の八角形ブレーズド型凹面回折格子及び比較例の角形凹面回折格子の相対回折効率を測定した結果を示すグラフ。本発明のブレーズド型凹面回折格子の他の実施形態を示す上面図。本発明のブレーズド型凹面回折格子の他の実施形態である、弦を有する丸形凹面回折格子を示す斜視図(a)及び上面図(b)。

符号の説明

１１…基板
１１１、３１、４１１…基板の上面（溝形成面）
１２…感光層
１２Ａ…マスク
１３１、１３２…コヒーレント光
１４…回折格子
１５…干渉縞
２０…角形凹面回折格子
２２１〜２２３…イオンビーム
２３１〜２３４…四角形の角部
２５…丸形凹面回折格子
３０…八角形凹面回折格子
３２、５３、６２…回折格子溝の方向
３３１、３３２、５１１、５１２、５１３…回折格子溝に平行な辺
４１…光学ガラス基板
４１Ａ…平面形状が八角形に加工された後の光学ガラス基板
４１Ｂ…凹面加工後の光学ガラス基板
４２…基準皿
４３…フォトレジスト
４４…フォトレジストの溝
４５…回折格子溝
４６…Al層
４７…八角形凹面マスタ回折格子
４８…八角形凹面ネガ回折格子
４８１、４９１…フロートガラス
４８２、４９２…樹脂膜
４９…八角形凹面レプリカ回折格子
５０１…五角形凹面回折格子
５０２…六角形凹面回折格子
５０３…台形凹面回折格子
６０…弦を有する凹面回折格子
６１…弦

Claims

ブレーズド型の回折格子溝を有し、溝形成面が凹面であるブレーズド型凹面回折格子において、
前記溝形成面の平面形状が前記回折格子溝に平行な１辺を含み、
前記１辺の両端にある角部の角度が鈍角であり、
前記溝形成面の全面に前記回折格子溝が形成されている
ことを特徴とするブレーズド型凹面回折格子。
前記平面形状が五角形以上の多角形であることを特徴とする請求項１に記載のブレーズド型凹面回折格子。
前記平面形状が八角形であることを特徴とする請求項２に記載のブレーズド型凹面回折格子。
前記平面形状が、前記溝に平行な弦を有する円形であることを特徴とする請求項１に記載のブレーズド型凹面回折格子。