JPH01183610A - 同心円状回折格子の位置調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 複数枚の同心円状回折格子を、特にその基板面どうしを
向き合わせた状態で、所定の間隔で正確に同一の光軸上
に配置せしめる回折格子の位置調整方法に関し、 従来、顕微鏡を用いただけでは出来なかった複数枚の同
心円状回折格子の間隔並びに光軸合わせに関する精密な
位置調整方法を実現することを目的とし、 同心円状の回折格子を有する複数枚のグレーティングレ
ンズを光学顕微鏡で観察しながら３次元変位用ステージ
系により所定の間隔で軸合わせするに際し、ビーム収束
機能及び該収束ビームスポットのトラックエラー並びに
フォーカスエラー検知機能を備えた光ヘッドを用意し、
予めグレーティングレンズの中心部の回折格子のみをそ
の溝深さが上記光ヘッドからの位置調整用ビーム波長λ
に対しλ／８となるように設定しておき、該中心部の回
折格子にふける光ヘッドからの収束ビームスポットを利
用して位置調整を行うことを含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は同心円状回折格子の位置合わせ方法、特に、複
数枚の同心円状回折格子を、その基板面どうしを向き合
わせた状態で、所定の間隔で正確に同一の光軸上に配置
せしめる回折格子の位置調整方法に関する。

平板状のグレーティングレンズは、それ自体の簡素、小
型、軽量性という利点からコヒーレント光源を用いた光
学系（例えば光ヘッド）への応用が積極的に試みられて
いる。

しかしその一方で、複数枚のグレーティングレンズを用
いた光学装置の場合、その先軸調整は、従来の光学レン
ズより許容誤差マージンが小さいという難点がある。こ
れが回折型レンズ（グレーティングレンズ）が一般の屈
折型レンズに比べて劣る点である。一般に、高精度を要
する光学系においてはミクロン（Ｊ−）オーダーの精度
で光軸を調整する必要がある。また光軸方向のレンズ間
隔も同様にミクロン（−）オーダーの精度を要求される
場合がしばしばある。

〔従来の技術〕 第１０図に示す如き同心円状回折格子を基板１３上に有
する２枚のグレーティングレンズＧ１１Ｇ２を第１１図
に示す如く中心軸を光軸０に合わせて所定の間隔ｄで配
置する場合を想定する。

まず、第１２Ａ図に示す如く、グレーティングレンズＧ
、、Ｇ２をその向きを同一にして、即ち、グレーティン
グ（回折格子）１１が基板１３に対して同一側（第１２
Ａ図においては上側）に位置するようにして固定する場
合は、従来から顕微鏡を用いることによって調整可能で
ある。

つまり、第１２Ｂ図に示す如く、まず１番目のグレーテ
ィングレンズＧ１の中心を顕微鏡１７で観察し、その中
心を視野の中心に設置し、視野内の位置を直交する十字
印２１　（接眼レンズに予じめ組み入れるのが一般的で
ある）等でマーキングする。尚、１９は顕微鏡対物レン
ズである。

第１２Ｄ図に十字印２１の中心に一致した状態での顕微
鏡視野像を示す。

視野像の中心位置合わせは顕微鏡筒あるいはグレーティ
ングレンズＧ、をステージ系により光軸方向に微少変位
させることにより行われるが、その微少変位ステージ系
の位置目盛を読んでおく。

次にレンズＧ＋あるいは顕微鏡筒を前記ステージ系によ
り上記目盛を基準に所定距離ｄだけ光軸方向に移動させ
る（第１２ｃ図）。その後、第２のグレーティングレン
ズＧ２を対物レンズ１９と０１との間に挿入し、Ｇ２の
相対位置調整をＧＩと同様に行い、Ｇ２の中心を前記十
字印２１　（第１２Ｄ図）に合わせる。なお、Ｇ、、Ｇ
２の中心軸が直交する３軸（Ｘ・ｙ、ｚ）に関して微動
可能なステージ系の一移動方向（例えばＺ方向）に一致
するようにあらかじめ調整される。

以上の如き公知方法により、Ｇ２の焦点合わせが正確に
行われれば理論的にはＧ１と０２とが間隔ｄで同一光軸
０上に位置合わせされることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、グレーティングレンズｃ、、Ｇ２を第１１図
に示す如く互いにそのグレーティング１１が基板１３に
対して反対側に位置するように固定する場合には上記の
方法では次のような不都合が生じる。

即ち、第１３図に示す如く、基板１３側からグレーティ
ング１１を観察すると、球面収差が発生し、Ｇ１．０２
間の距離を正確に設定することが困難となる。この収差
は周知の如くＧｌ　（またはＧ２　）の基板の板厚が増
す程顕著となる。

本発明の目的は複数枚のグレーティングレンズをその向
きには関係なく常に実質上無収差で正確かつ簡単に位置
合わせができる方法を実現することにある。

特に、本発明は複数枚の同心円状グレーティングレンズ
を所定の間隔で同一光軸上に正確に軸合わせする方法を
提供することを目的とする。

上述の如く、従来方法ではグレーティングレンズのグレ
ーティングが互いに基板に対して反対方向に向いている
場合における正確な軸合わせはできなかったので、本発
明は特にそのような場合に適用するのが有利であるが、
何らそれに限定されるものではない。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するべく、本発明によれば、同心円状
の回折格子を有する複数枚のグレーティングレンズを光
学顕微鏡で観察しながら３次元変位用ステージ系により
所定の間隔で軸合わせするに際し、ビーム収束機能及び
該収束ビームスポットのトラックエラー並びにフォーカ
スエラー検知機能を備えた光ヘッドを用意し、予めグレ
ーティングレンズの中心部の回折格子のみをその溝深さ
が上記光ヘッドからの位置調整用ビーム波長λに対しλ
／８となるように設定しておき、該中心部の回折格子に
おける光ヘッドからの収束ビームスポットを利用して位
置調整を行うことを構成上の特徴とする。

〔作　用〕

光ヘッドによる収束ビームスポットを顕微鏡で観察し、
観測面中央に設定する。次いで、第１のグレーティング
レンズの中心に上記ビームスポットがあたるようにステ
ージ系により相対位置を調整する。この時の合焦状況は
光ヘッドの合焦検知機能（フォーカスエラー信号）によ
り達成できる。

また、グレーティングレンズの中心にビームスポットが
当たっているか否かは、同心円状回折格子の中心部（溝
深さλ／８）からの反射信号光の強度分布の対称性によ
り判断出来る。最後に、顕微鏡とビームスポットの相対
距離を所定間隔に相当する量だけ変えてから第２のグレ
ーティングレンズを挿入し、その中心が顕微鏡視野内の
上記スポット中心と一致するように第２グレーテイング
レンズの相対位置をステージ系により調整する。顕微鏡
の視野内のスポット中心を視覚的に確認するために十字
マーク等を顕微鏡に施すことが出来る。

〔実施例〕

第１Ａ−ＩＤ図に本発明において用いられる光学系の一
実施例を示す。

この光学系は基本的−には対物レンズ１９を有する光学
顕微鏡１７（第１２Ｂ、第１２Ｃ図のものと同様）、無
収差でビームを収束する対物レンズ３３を有しかつ収束
スポットのフォーカスエラー、トラックエラーを検知可
能なそれ自体公知の光へラド３１、及び顕微鏡１７、光
ヘッド３１、個々のグレーティングレンズ間の相対位置
を自由に調整でき、中心軸方向（顕微鏡の光軸方向）の
移動距離を読み取ることができるステージ系５０　（第
３図）を有する。対物レンズ３３は光ヘッド３１に内蔵
してもよい。尚、光ヘッド３１には半導体レーザ等の光
源が組み込まれている。

また、一般に中心軸調整に用いられるグレーティング１
１の最内周（中心）の格子１１Ａの溝深さを第２図に示
す如くλ／８　（λは光へラド３１の使用波長）に設定
する。

本発明の調整方法を説明する。

まず、第１Ａ図に示す如く、光へラド３１による集束ビ
ームスポットを顕微鏡１７で観察し、顕微鏡による観測
点の位置Ｐをビームスボッ）Ｑの位置で表わす。即ち、
第１Ｄ図に示す如くビームスポットＱ中心を直交十字印
２１　（顕微鏡の観測面中央）でマークする。

つまり、光ヘッド３１の焦点Ｐに結像するビームスボッ
）Ｑが顕微鏡１７の焦点に合わされたことになる。

次いで、第１Ｂ図に示す如く、第１のグレーティングレ
ンズＧ、を顕微鏡・１７の対物レンズ１９とビーム集束
用の対物レンズ３３との間に挿入し、Ｇ１の中心にビー
ムスポットが当たるようにステージ系により調整する。

この時の合焦状況は光ヘッド３１のフォーカスエラー信
号により検知可能である。即ち、公知の如く光ヘッドで
はフォトダイオード等の分割型光検知器によりフォーカ
シングを行うことができるので、フォーカスエラー信号
によりフォーカシングを容易に検知できる。また、Ｇｌ
の中心にビームスポットが当たっているか否かは、段差
λ／８の格子溝１１Ａからの反射光の光強度分布の対称
性より判断できる。このλ／８の格子溝深さによりビー
ムスポットの有無を確実に検出できること自体は光ヘッ
ドにふけるビットの有無の検出において公知である。

即ち、第１グレーティングレンズＧ、の位置ｍ整にふい
ては、顕微鏡１７は不要であり、光ヘッド３１により行
われる。従って、第１Ｂ図に示す如く、グレーティング
１１が光ヘツド側に向いた第１グレーティングレンズＧ
、を基板側から顕微鏡１７により観察することは必要な
い〈実際上は粗調整をするために顕微鏡でビームスポッ
トを観測しながら行うことになるが理論的にはこの第１
グレーテイングレンズＧＩの位置調整には顕微鏡は不要
である〉ので第１３図に示す如き収差の問題は発生しな
い。

次いで、第１Ｃ図に示す如く、前述の従来方法と同様に
顕微鏡１７とビームスポットＰの相対距離を所定量ｄだ
け変え、第２のグレーティングレンズＧ２を挿入し、Ｇ
、の中心が顕微鏡視野内の十字印２１と重なるようにス
テージ系によりＧ２の位置調整を行う。

以上が本発明における位置調整法の概略であるが、以下
に更に詳述する。

第３図は顕微鏡１７を固定した場合の同心円状回折格子
中心軸調整系の一例である。顕微鏡１７による観察像は
ＴＶカメラ５３によりモニタ５５上に写し出される。光
ヘッド３１、グレーティングレンズＧ、、Ｇ、はそれぞ
れ３軸のそれ自体公知の微動ステージ系５０Ａ・５０Ｂ
、５０Ｃにより位置調整ができるようになっている。調
整法は前述の通りである。

第４図は光へラド３１の構成の一例を示したものである
。光源として半導体レーザ（ＬＤ）　６０を用い、同発
散光をコリメータレンズ６１で平行光にする偏光ビーム
スプリッタ（ＰＢＳ）　６３とλ／４板６５とによりア
イソレータを構成し、ＬＤ６０からの平行光を反射させ
、λ／４板６５により円偏光にし、対物レンズ３３によ
りグレーティングレンズｂ グレーティングレンズＧ１からの反射信号光１００は往
路を戻り、λ／４板６５により、入射信号光とは直交方
向の直線偏光にされ、偏向ビームスプリッタ６３を透過
し、ビームスプリッタ（ＢＳ＞６７で分離される。

分離された一方の反射信号光は従来の光ヘッドに用いら
れている方式（例えば非点収差法）でフォーカスエラー
検知系７０によりフォーカス状態をモニタする。フォー
カスエラー検知光学系７０は収束レンズ７１．分割検知
器７３（ビンフォト・ダイオードｅｔｃ）等を含むもの
で、そのフォーカシング作用自体は公知であるので詳述
しない。

Ｂ５６７による他方の分離光は収束レンズ８１で集束さ
せ、その像を第２の顕微鏡８３で観察する。像はＴＶ左
カメラ５を用いモニタテレビ８７に写し出す。収束レン
ズ８１からモニタテレビ８７までの光学要素はレンズ中
心軸調整系９０を構成する。

尚、ＴＶ左カメラ５及びモニタテレビ８７は省略しても
よい。第１のグレーティングレンズＧ１の調整時は、フ
ォーカスエラーが無いようにする。

また、第２の顕微鏡８３による反射光の光強度分布が中
心対称になるようにする。光ヘッドの集束スポットの極
近傍にＧ、の中心を移動させるにあたっでは、第１Ｂ図
に示した如き作動距離の長い顕微鏡対物レンズ１９を用
いることにより、Ｇ。

の基板１３側からビームスポットと同心円の格子パター
ンを観察することができる。基板１３の厚みにより球面
収差が発生するが、これは前述の如＜Ｇ＋の位置の粗調
整のためであるので差しつかえない。

第５Ａ図は第３図の系による調整に先がけて予じめ準備
段階で必要な調整を行う方法を示す。即ち、グレーティ
ングレンズどうしの中心軸を合わせるためには、当然の
ことながらステージ系の中心軸方向の移動方向（Ｚ軸）
がグレーティングレンズの中心軸方向（光軸）と一致し
ていなければならない。

仮に、レンズ中心軸Ｏとステージ移動方向Ｚ′に角度ず
れψが存在すると、ステージの目盛でｄだけ並進操作を
行うとレンズの中心軸にずれδが生じてしまう（第６図
）。従って、固定レーザビーム（例えばＨｅＮｅレーザ
）Ｂを方向の基準とし、ステージ系をＺ方向に移動した
際にグレーティングレンズがＺ方向と直交する方向に全
く移動しないように調整する。具体的には変位検出系８
０（第５Ａ図）を用いる。

この変位検出系８０は第５Ｂ、５Ｃ図に示す如く、基本
的には例えばピラミッド状の５面体の４つの側面をミラ
ー加工したプリズムミラー８５と、夫々の側面に対応し
た光検知器（例、ビンオートダイオ−））Ｄ＋　−Ｄ４
　とから構成される。プリズムミラーの頂点にレーザビ
ームを当て、各ミラー面により４分割されたビームをそ
れぞれの光検知器Ｄ１〜Ｄ４で受ける。もしもレーザビ
ーム已に対して直交方向に変位検出系が移動すると、４
つの光検知器ＤＩ−Ｄ４の出力のバランスが変化し、位
置ずれを検出することができる。斯（して、ステージ系
をＺ方向に移動させても、グレーティングレンズ保持部
に設置した変位検出器８０の出力バランスが変化しない
ようにステージ系の固定方向を調整すればよい。

最後に、グレーティングレンズの中心軸を基準レーザビ
ームの方向と正確に一致させるため、レーザビームのレ
ンズ面による反射光（第５Ａ図の破線）が入射ビームと
重なるようにあおり調整を行う。

以上の如く、Ｇ＋の中心軸とステージ移動方向を一致さ
せておけば、それが顕微鏡の光軸Ａ−Ａ’と角度をなし
ていても問題とならない。向となれば、第７図に示す如
く、ステージ移動方向Ｂ−Ｂ’と顕微鏡光軸Ａ−Ａ’が
角度θをなしていても、観測点Ｐが固定されているため
、レンズ中心位置合わせ、間隔ｄの調整に影響しないか
らである。

第２のグレーティングレンズＧ２はレーザビームＢを用
いて簡単にＧ、と平行になるようあおり調整することが
できる。

光ヘッドによる集束ビームスポットでグレーティングレ
ンズ中心の位置決めをする際、信号検知感度は、ビーム
スポットの大きさ、グレーティング１１の最内周の円形
グループ１１Ａ（格子溝）の径及び溝深さに依存する。

グループ溝深さは前述の光ディスクのトラッキングエラ
ー検知と同様の原理でλ／８が最適である。グループの
径はビームスポットの大きさと同等にすることにより感
度を最大にすることができる。

その場合、第８Ａ、８Ｂ図に示す如く、ビームスポット
が例えば１／ｅ２幅でちょうど入射するドーナッツ状（
第８Ａ図）またはそれと凹凸が逆の円板状（第８Ｂ図）
のいずれでもよい。

同心円状回折格子の格子ピッチはまちまちなので、レン
ズ中心のグループ１１Ａのみ、中心軸合わせ用にビーム
スポットの大きさに合わせて作成するのが望ましい。

溝深さに関して通常、高い先便用効率を得るためには溝
深さはλ／８より大きい深さに形成される。従って、レ
ンズ中心の格子溝１１Ａのみ深さをλ／８にすればよい
。尚、グレーティングレンズ中心の１つのグループのみ
形状を変えても、レンズ全体としての性能は損なわれな
い。

このように、グレーティングレンズの中心グループ１１
Ａのみ溝深さを変える方法としては、グレーティングレ
ンズを電子ビーム描画法で作成し、レンズ中心のグルー
プ描画時のドーズ量を変えることにより、あるいは多重
露光により制御できる。

こうして作成したレンズを原盤とし、レプリカをとれば
簡単に多量生産できる。

また、グレーティングレンズＧ、の中心軸合わせにおい
て、光ヘッドにおける反射信号光を強めるために、レン
ズＧ１中央付近に薄い金属蒸着膜を施してもよい。この
金属膜は中心軸調整完了後、レンズＧ、を固定したのち
にエツチングで除去すればよい。

第９図は以上の如き方法により作成した一体化グレーテ
ィングレンズ光学系の一例を示すもので、グレーティン
グレンズＧ１とＧ２の基板１３は光学接着剤８７により
接合一体化される。グレーティングレンズＧ１−Ｇ２の
グレーティングレンズ間隔は所定距離ｄとなっている。

なお、ステージ系としてはピエゾ素子を用いたものある
いは送りねじ機構等を用いたものが一般に用いられてい
る。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば同心円状回折格子の精密位置
調整が簡単かつ確実に行える。特に、同心円状回折格子
の基板面どうしを向かい合わせた場合の精密位置（レン
ズ間隔及びレンズ中心軸合わせ）調整は従来の顕微鏡を
用いただけでは収差が発生してしまいできなかったが、
本発明によれば無収差で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ〜ＩＤ図は本発明に係る位置調整方法を説明する
図、第２図は回折格子の溝形状を示す図解図、第３図は
本発明において用いられる調整系の一例を示す図解図、
第４図は本発明において用いられる光ヘッドの構成例を
示す図解図、第５Ａ図はグレーティングレンズとステー
ジ系の初期調整方法を示す図、第５Ｂ図及び第５Ｃ図は
第５Ａ図に示される変位検出系の平面図及び側面図、第
６図はグレーティングレンズの中心軸とステージ移動方
向とのずれを説明するための図、第７図は顕微鏡の光軸
とステージ移動方向との間にずれがあっても問題となら
ないことを説明する図、第８Ａ図及び第８Ｂ図はグレー
ティングレンズ中心の格子溝形状の２つの例を示す図、
第９図は本発明により得られる一体化グレーティングレ
ンズ系の構造の一例を示す図、第１０図は同心円状回折
格子を示す図、第１１図は２枚の同心円状回折格子の中
心軸合わせ方法を示す図、第１２Ａ図、第１２Ｂ図、第
１２Ｃ図、第１２Ｄ図は従来の同心円状回折格子の中心
軸合わせ方法を示す図、第１３図は従来の欠点（収差発
生）を示す図。 １１・・・グレーティング、 ｌｌＡ・・・中心グレーティング、 １７・・・顕微鏡、　　　　　３１・・・光ヘッド、Ｇ
Ｉ　ＩＯ２・・・グレーティングレンズ。 第１Ａロ　　　　シーｊＩＢ、。 第１Ｄ口 同心円状回折格子中心軸調整系の例 第３図 変位検出系（側面図） 第５Ｃぼ 第６５ 七− ビームスポツトの固定 帛７図 位置調整用中心格子の一例　　位置調整用中心格子の一
例第８Ａ図　　　　　　　　第８８図 グレーティングレンズ系の一体化例 第９２ 第１０図　　　　　　　　第１１２ 同心円状回折格子 ヲ示ス図　　　　　　従来の位置調整方法　　　従来の
位置調整方法第１２Ａ図　　　男１２Ｂ図　　　　＾１
２Ｃ図収差の発生

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 同心円状の回折格子を有する複数枚のグレーティングレ
   ンズ（Ｇ＿１、Ｇ＿２）を光学顕微鏡（１７）で観察し
   ながら３次元変位用ステージ系により所定の間隔で軸合
   わせするに際し、ビーム収束機能及び該収束ビームスポ
   ットのトラックエラー並びにフォーカスエラー検知機能
   を備えた光ヘッド（３１）を用意し、予めグレーティン
   グレンズの中心部の回折格子（１１Ａ）のみをその溝深
   さが上記光ヘッドからの位置調整用ビーム波長λに対し
   λ／８となるように設定しておき、該中心部の回折格子
   における光ヘッドからの収束ビームスポットを利用して
   位置調整を行うことを特徴とする同心円状回折格子の位
   置調整方法。