JPH06102406A - ヤング縞回折格子を用いた回折格子の製作法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３つの回折格子の格子縞が直線からはずれて
いても格子縞の歪みを正確にバランスさせることで、写
真乾板上の格子縞のひずみを小さくすることができる回
折格子の製作方法を提供すること。 【構成】 ２つの点光源からの球面光波の干渉縞（ヤン
グ縞）を記録した回折格子３個と写真乾板を等距離に配
置し、第１の回折格子１を準単色の球面波で照明し、第
１の回折格子１からの＋１次及び−１次の回折光を発生
させる。この＋１次回折光を第２の回折格子２で−１次
回折させ、また第１の回折格子１の−１次回折光を第３
の回折格子３で＋１次回折させたものを、写真乾板７の
上で重ねて干渉させ、干渉縞を記録して回折格子を製作
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、３個のヤング縞回折
格子を使用して写真乾板に干渉縞を記録して回折格子を
制作する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】第１の回折格子、第２の回折格子、第３
の回折格子の３個の回折格子と写真乾板を用い、第１の
回折格子１（縞の空間周波数ｆ／２）を準単色の球面波
で照明し、第１の回折格子１からの＋１次及び−１次の
回折光を発生させる。この＋１次回折光を第２の回折格
子で−１次回折させ、また第１の回折格子の−１次回折
光を第３の回折格子で＋１次回折させたものを、写真乾
板の上で重ねて干渉させ、干渉縞を記録して回折格子を
製作する方法において、すべての回折格子が等間隔の直
線の格子縞からなる完全な格子であれば、写真乾板上に
直線の格子縞が記録されることが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現実に
は、完全な格子を用意するのは困難である。いずれかの
回折格子が等間隔の直線からずれた格子縞を持つとき
は、写真乾板上には、それらの歪みの和と差で表される
歪みを持つ格子縞が記録され、一般に歪みは、もとの回
折格子よりも増加してしまい、低歪みの格子を作製する
のは困難である。この発明は、３つの回折格子の格子縞
が直線からはずれていても格子縞の歪みを正確にバラン
スさせることで、写真乾板上の格子縞のひずみを小さく
することができる回折格子の製作方法を提供することを
目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明のヤング縞回折格子を用いた回折格子の製作法
は、縞の空間周波数ｆ／２（本／ｍｍ）の第１のヤング
縞回折格子と縞の空間周波数ｆ（本／ｍｍ）の第２のヤ
ング縞回折格子と縞の空間周波数ｆ（本／ｍｍ）の第３
のヤング縞回折格子と写真乾板を備え、第１のヤング縞
回折格子をピンホールを通過した準単色の発散球面波で
照明して回折光を発生させ、第１のヤング縞回折格子か
らの回折光を第２のヤング縞回折格子で回折し、かつ第
１のヤング縞回折格子からの回折光を第３のヤング縞回
折格子で回折し、第２のヤング縞回折格子からの回折光
と第３のヤング縞回折格子からの回折光とを重ねて干渉
させた干渉縞を写真乾板上に記録して回折格子を製作す
る場合において、第１のヤング縞回折格子を記録すると
きの点光源Ｓ₁ と写真乾板の中心Ｏとの距離をｒ₁ 、第
２のヤング縞回折格子と第３のヤング縞回折格子とを記
録するときの点光源Ｓ₂ と写真乾板の中心Ｏとの距離を
ｒ₂ とするとき、λを用いる準単色光の中心となる波長
として次の数式１を満す比となるようにとること、

【数１】及び写真乾板を照明するときの点光源Ｓと第１
のヤング縞回折格子との距離をｄ、第１のヤング縞回折
格子と第２のヤング縞回折格子及び第３のヤング縞回折
格子との距離をｃ、第２のヤング縞回折格子及び第３の
ヤング縞回折格子と写真乾板との距離をｃとして、かつ
距離ｃ、ｄを点光源Ｓと写真乾板を結ぶ直線の方向の距
離としてｃ／ｄの比が次の数式２を満すように距離ｃ及
びｄが定められている

【数２】ことを特徴としている。

【０００５】

【作用】２つの点光源からの球面光波の干渉縞（ヤング
縞）を記録した回折格子｛縞の空間周波数ｆ／２（本／
ｍｍ）及びｆ（本／ｍｍ）｝３個と写真乾板を等距離に
配置し、第１の回折格子（縞の空間周波数ｆ／２）を準
単色の球面波で照明し、第１の回折格子１からの＋１次
（上方に向かう光）及び−１次（下方に向かう光）の回
折光を発生させる。この＋１次回折光を第２の回折格子
｛縞の空間周波数ｆ（本／ｍｍ）｝で−１次回折させ、
また第１の回折格子の−１次回折光を第３の回折格子３
｛縞の空間周波数ｆ（本／ｍｍ）｝で＋１次回折させた
光を、写真乾板の上で重ねて干渉させ、干渉縞を記録し
て回折格子を製作する。

【０００６】

【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。まず、第１の回折格子１、第２の回
折格子２及び第３の回折格子３を準備する。レーザ光な
どの干渉性のよい光ビームをハーフミラー１１で２つに
分割し、またミラー１２で光路変更し、それぞれ顕微鏡
対物レンズ１３で集光してピンホール１４を通して点光
源とし、写真乾板１５を照明する。第１の回折格子１は
図１に示すように距離ｒ₁ で２つの点光源Ｓ₁ 、Ｓ₂ か
らの球面光波の干渉縞（ヤング縞）を記録したもので、
縞の空間周波数はｆ／２（本／ｍｍ）である。第２の回
折格子２及び第３の回折格子３は距離ｒ₂ で２つの点光
源Ｓ₁ 、Ｓ₂ からの球面光波の干渉縞（ヤング縞）を記
録したもので、縞の空間周波数はｆ（本／ｍｍ）であ
る。

【０００７】これらの３つの回折格子は次のように配置
されて回折格子作成光学系４を構成する。すなわち、回
折格子作成光学系４では図２に示すように、ピンホール
６の後方の光源レンズ５を一直線上に第１の回折格子１
と対向させて配置し、その後方に写真乾板７を配置す
る。第１の回折格子１と写真乾板７との間に第２の回折
格子２及び第３の回折格子３が位置する。第２の回折格
子２は第１の回折格子１の＋１次回折光が入射する位置
にある。第３の回折格子は第１の回折格子１の−１次回
折光が入射する位置にある。ただし、第２の回折格子２
と第３の回折格子３とは光源レンズ５と写真乾板７を結
ぶ直線方向の位置は同じであって、ともに第１の回折格
子１からはＣの距離にある。光源レンズ５と写真乾板７
を結ぶ直線上において、回折格子１と写真乾板７との間
において回折格子１からＣの距離に遮蔽板８が設けら
れ、回折格子１からの他次（高次または低次）の回折光
を遮断し、回折格子１からの他次の回折光が写真乾板７
に入射することを防止している。また写真乾板７は第２
の回折格子２の−１次回折光と第３の回折格子３の＋１
次回折光が重なる位置に配置されている。

【０００８】図２に示す構成において、第１の回折格子
１（縞の空間周波数ｆ／２）を準単色の球面波で照明
し、第１の回折格子１からの＋１次（上方に向かう光）
及び−１次（下方に向かう光）の回折光を発生させる。
この＋１次回折光を第２の回折格子２｛縞の空間周波数
ｆ（本／ｍｍ）｝で−１次回折させ、また第１の回折格
子１の−１次回折光を第３の回折格子３｛縞の空間周波
数ｆ（本／ｍｍ）｝で＋１次回折させたものを、写真乾
板７の上で重ねて干渉させ、干渉縞を記録して回折格子
を製作する。これにより、空間周波数ｆの回折格子が製
作される。

【０００９】第１の回折格子１の中心を通る光線が、回
折後に第２の回折格子２および第３の回折格子３のそれ
ぞれの中心を通り、写真乾板の中心で交わるように、回
折格子１，２，３を配置する。第１の回折格子１を照明
する光は、必ずしも格子面に垂直に入射する必要はな
い。

【００１０】図２の方法で、回折格子１，２，３が直線
の格子縞からなる完全な格子であれば、写真乾板上に直
線の格子縞が記録されることが知られていることは前述
の通りである。しかしながら、現実には、完全な格子を
用意するのは困難である。回折格子１，２，３が直線か
らずれた格子縞を持つときは、写真乾板７上には、それ
らの歪みの和と差で表される歪みを持つ格子縞が記録さ
れ、一般に歪みは、１，２，３よりも増加してしまい、
低歪みの格子を作製するのは困難であることも前述の通
りである。

【００１１】２つの球面光波の干渉縞を記録した回折格
子１，２，３は、直線の格子縞でなく、双曲線の形の縞
を持つため、これらの格子からの回折光は、球面波を直
線の格子縞で回折した波面とはならず、図４のように格
子の歪を反映した歪んだ波面となる。しかしながら、＋
１次回折の場合の波面と−１次回折の場合の波面は、波
面の歪の向きが正反対となるため、例えば、回折格子１
で＋１次回折した波面を回折格子２で−１次回折するこ
とにより、波面の歪を打ち消すことが可能となる。この
性質を利用して、第１の回折格子１と第２の回折格子２
及び第３の回折格子３の格子縞の歪を同じ大きさとなる
ように記録時のパラメータを調整することで、この波面
歪の打ち消しによる整形作用を効果的に働かせ、第２の
回折格子２，第３の回折格子３から出射する波面を歪み
のない波面にすることが可能である。この整形作用によ
り、第２の回折格子２，第３の回折格子３からの出射光
は、ほぼ球面波を直線の格子縞で回折した波面となり、
写真乾板７上には、従来の２つの平行光束を用いた方法
と同様の結果である直線の干渉縞が格子縞として記録さ
れる。

【００１２】異なる波長の光波成分を照明光として用い
る場合は、分光器でよく知られているように図５のよう
に、第１の回折格子１で異なる角度に回析されるが、第
２の回折格子２，第３の回折格子３の回析がそれと反対
符号の角度の回折作用を持つため、写真乾板上には、同
じ位置に集光する。このため、単色でない光を入射光と
して用いても、この方法は機能をする。回折格子１，
２，３が直線でない格子縞を持つために、波長により光
が写真乾板に到着する位置は、わずかにずれるが、準単
色光であれば、この誤差は無視できるほど小さい。

【００１３】ここで準単色波とは、光波に含まれる光の
波長成分の波長の拡がりの幅Δλが、波長λに比べて１
％以下（Δλ／λ＜１／１００）程度あるいはそれ以下
であることをいう。

【００１４】この方法の実施例として、円形あるいは正
方形の開口部を持つ回折格子を作製する場合を例にと
る。図２で示す回折格子作成光学系で作製される最終的
な回折格子の縞の直線からの歪誤差を最小化するために
は、次の２つの条件を満たすように、撮影系を構成す
る。第１の回折格子１及び第２、第３の回折格子２，３
（第２、第３の回折格子２，３は同一の回折格子）を記
録する時の点光源（Ｓ₁およびＳ₂ ）と写真乾板の中心
Ｏとの距離ｒ₁ （回折格子１の記録時）ｒ₂ （回折格子
２の記録時）は、記録すべき縞の空間周波数を回折格子
１：ｆ／２（本／ｍｍ）回折格子２及び３：ｆ（本／ｍ
ｍ）とするとき、次の数式１を満たす比となるようにと
る。

【００１５】

【数１】

【００１６】数式１で、λは用いる準単色光の中心とな
る波長である。

【００１７】また、図２において、照明の点光源Ｓと回
折格子１との距離をｄ，第１の回折格子１と第２、第３
の回折格子２，３及び第２、第３の回折格子２，３と写
真乾板７の距離をｃとするとき、ｃ／ｄの比が次の数式
２を満たすように、ｄ，ｃをとる。

【００１８】

【数２】

【００１９】ＯＳ₁ ，ＯＳ₂ のなす角２θは、次の数式
３を満足するように選ぶことが、知られている。

【００２０】

【数３】

【００２１】ここで言う写真乾板とは、光の強度分布を
透過率の変化や屈折率の変化として記録できる材料のこ
とで、ハロゲン化銀剤、ホトレジスト剤、光有機高分子
剤などを含む。

【００２２】

【発明の効果】従来の光波の干渉縞を記録することによ
る回折格子の製作法には、２種類ある。第１の方法は、
レンズや放物面鏡を用いて平行光を作り、分割して２方
向から写真乾板を露光する方法であり、第２の方法は、
光波を２つのピンホールを通して点光源とした後、この
２つの光源からの発散する球面波で写真乾板を露光して
干渉縞（ヤング縞）を記録する方法である。第１の方法
と比較すると、この発明のの方法は、必ずしも平行光を
必要としないので、レンズや放物面鏡を必要としない利
点がある。また、入射光として、ピンホールを通過した
発散球面光波を用いるので、光線上でピンホールより以
前に存在する対物レンズ、ミラー、レーザー光源等から
発生する散乱光を、ほぼ完全にピンホールのフィルター
で除去することが可能なので、迷光の少ない低ノイズの
回折格子を作製する方法として適している。従来の方法
では、平行光を作るために用いるレンズの内部反射光を
除去することは困難であった。

【００２３】また、レンズや放物面鏡が不要なことか
ら、大口径の回折格子の作製にも適している。発散光波
を照明光として用いているので、作製される回折格子の
口径は、要素回折格子のそれよりも大きくなる利点があ
る。

【００２４】第２の方法と比較すると、この発明の方法
は、作製される格子縞の形の直線からずれが、より小さ
くなる利点を持つ。従来の２つの点光源の方法では、
（この発明の方法の要素回折格子を作るのに用いられて
いるように）形成される干渉縞が直線ではなく、双曲線
の集合体となるため、縞の曲がりが実用となるくらい小
さい回折格子を作製するためには、点光源を十分に遠方
に持って行く必要があった。

【００２５】しかしながら、光源と写真乾板の間にある
空気の揺らぎにより、光波が乱されるので、光源を遠方
へ持ってゆくには限界がある。この理由で、第２の方法
は、大きい口径の回折格子の作製には、不向きで、あま
り用いられてなかった。この発明の方法は、この第２の
方法で作られた大きい歪を持つ３個の回折格子が、お互
いの格子の歪を打ち消すように回折光に作用すること
で、最終的に記録される格子縞のゆがみを極めて小さく
する。この効果の大きさを示すために、縞の直線からの
ずれが縞間隔１本以内となる口径１００ｍｍの回折格子
を波長６３３ｎｍ付近の光で作る場合を例にとる。

【００２６】従来の点光源の方法を用いた場合に必要な
写真乾板と点光源の距離、及びこの発明の方法で要素と
なる回折格子を記録するために必要な写真乾板と点光源
の距離（ｒ₁ とｒ₂ の大きい方の距離）とを比較すると
図３のようになる。

【００２７】図で横軸は記録する回折格子の縞の空間周
波数である。例えば、１０００本／ｍｍの回折格子を作
るには、従来の方法で７．５ｍが必要であったのに対し
て、今回では、０．９ｍで十分であり、実験室のスペー
スの大きな節約になっている。また、この発明の方法で
は、３個の回折格子を照明する光源として従来技術のよ
うに干渉性の良い単色光は必要でないので、発光ダイオ
ード等の干渉性の劣る準単色な光源も利用できる利点が
ある。

【００２８】（実験例）具体的な実験例として、口径２
６ｍｍ×２６ｍｍで空間周波数がそれぞれ４００本／ｍ
ｍ（回折格子１）及び８００本／ｍｍ（回折格子２及び
３）の回折格子を図１に示す光学系で作製し、図２に示
す光学系の回折格子１，２，３として用いて、干渉計を
構成した。図１で、回折格子１，２，３を記録したとき
のパラメーターの値は、ｒ₁ ＝２８０ｍｍ，ｒ₂ ＝３９
６ｍｍ，θ₁ ＝７．２７ｄｅｇｒｅｅ，θ₂ ＝１４．６
ｄｅｇｒｅｅであり、記録に用いた光源の波長は６３３
ｎｍである。ｒ₂ ／ｒ₁ の比は、数式１を満たしてい
る。この条件で記録された回折格子１，２，３の格子縞
の歪みの測定値は、格子縞間隔を単位として２２．４本
になった。

【００２９】このようにして作製した回折格子１，２，
３を図２の光学系に配置し、波長６３３ｎｍの光で照明
し、写真乾板の位置に形成される干渉縞を写真乾板に記
録した。写真乾板に記録された干渉縞の直線縞からの歪
みを測定した結果、約２本となり、回折格子１，２，３
の歪み２２．４本に比べて１／１０以下に歪みが減少し
ていることが判った。実験に用いた写真乾板が、十分良
質なものでないため、その影響が見られて、歪みは２本
となったが、写真乾板として良質なものを用いればさら
に歪みは小さくなると予想される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヤング縞回折格子の記録方法を示す説明図。

【図２】回折格子作製光学系を示す説明図。

【図３】写真乾板と点光源との間の距離と干渉縞の空間
周波数との関係を示すグラフ。

【図４】それぞれの回折格子における干渉縞のゆがみを
示す説明図。

【図５】異なる波長の回折状態を示す説明図。

【符号の説明】

１ 第１の回折格子 ２ 第２の回折格子 ３ 第３の回折格子 ４ 回折格子作成光学系 ５ 光源レンズ ６ ピンホール ７ 写真乾板 １１ ハーフミラー １２ ミラー １３ 顕微鏡対物レンズ １４ ピンホール １５ 写真乾板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縞の空間周波数ｆ／２（本／ｍｍ）の第
   １のヤング縞回折格子と縞の空間周波数ｆ（本／ｍｍ）
   の第２のヤング縞回折格子と縞の空間周波数ｆ（本／ｍ
   ｍ）の第３のヤング縞回折格子と写真乾板を備え、第１
   のヤング縞回折格子をピンホールを通過した準単色の発
   散球面波で照明して回折光を発生させ、前記第１のヤン
   グ縞回折格子からの回折光を前記第２のヤング縞回折格
   子で回折し、かつ前記第１のヤング縞回折格子からの回
   折光を前記第３のヤング縞回折格子で回折し、前記第２
   のヤング縞回折格子からの回折光と前記第３のヤング縞
   回折格子からの回折光とを重ねて干渉させた干渉縞を前
   記写真乾板上に記録して回折格子を製作する場合におい
   て、第１のヤング縞回折格子を記録するときの点光源Ｓ
   ₁ と写真乾板の中心Ｏとの距離をｒ₁ 、第２のヤング縞
   回折格子と第３のヤング縞回折格子とを記録するときの
   点光源Ｓ₂ と写真乾板の中心Ｏとの距離をｒ₂ とすると
   き、λを用いる準単色光の中心となる波長として次の数
   式１を満す比となるようにとること、 【数１】 及び前記写真乾板を照明するときの点光源Ｓと第１のヤ
   ング縞回折格子との距離をｄ、第１のヤング縞回折格子
   と第２のヤング縞回折格子及び第３のヤング縞回折格子
   との距離をｃ、第２のヤング縞回折格子及び第３のヤン
   グ縞回折格子と写真乾板との距離をｃとして、かつ距離
   ｃ、ｄを前記点光源Ｓと前記写真乾板を結ぶ直線の方向
   の距離としてｃ／ｄの比が次の数式２を満すように距離
   ｃ及びｄが定められている 【数２】 ことを特徴とするヤング縞回折格子を用いた回折格子の
   製作法