JPH11109117A - 回折光学素子の製造方法及び製造装置 - Google Patents

回折光学素子の製造方法及び製造装置

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JPH11109117A
JPH11109117A JP28791197A JP28791197A JPH11109117A JP H11109117 A JPH11109117 A JP H11109117A JP 28791197 A JP28791197 A JP 28791197A JP 28791197 A JP28791197 A JP 28791197A JP H11109117 A JPH11109117 A JP H11109117A
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JP
Japan
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workpiece
mask
optical element
laser beam
processing
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Masayuki Kono
公志 河野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い回折効率で所望の分光特性を有する回折
光学素子を得る 【解決手段】 レーザー発振器1からArFレーザービ
ームが発光し、ビーム整形機構3において必要なビーム
形状とビームの強度分布が均一に整形され、マスク4の
正三角形の部分を通過した後に、縮小光学系5において
1/8に縮小投影され、回転中の被加工物S上に、マス
ク4と相似形の正三角形の像が結像する。ここで、被加
工物S上のエネルギ密度が2J/cm2 となるようにビ
ームを絞り、照射面における被加工物の回転速度を2.
5mm/sに設定し、100Hzでパルスを発生して加
工すると、格子の高さが1023nmの鋸歯状の同心円
の形状を得ることができ、マスクの形状やレーザービー
ムの出力を変えて上述の加工を繰り返すことにより、鋸
歯形状の回折光学素子8を作成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、写真用カメラ、ビ
デオカメラ、双眼鏡、プロジェクタ、望遠鏡、顕微鏡、
複写機等の各種の光学機器の光学系に使用する回折光学
素子の製造方法及び製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、回折光学素子は従来の硝子等の
レンズと異なり平板状に形成することができ、小型化が
容易でかつ一度に多数個が製作できるという利点を有
し、CDプレーヤの光ピックアップや光コネクタ等の光
学素子に応用されており、その用途範囲は広く、今後益
々展開が広がるものと期待されている。この回折光学素
子の製造方法については、マスクを用いたフォトリソグ
ラフィにより形成する方法、マイクロモールドにより形
成する方法、電子ビームで直接描画する方法等があり、
最近ではレーザービームで直接加工する方法が提案され
ている。
【0003】このレーザービームの加工への応用展開
は、炭酸ガスレーザービームやYAGレーザービームを
中心に近年盛んに行われており、特に金属加工分野では
1つの加工方法として確立している。更に、最近では紫
外領域の発振波長を有するエキシマレーザービームの加
工応用が検討されており、エキシマレーザービームは炭
酸ガスレーザーやYAGレーザービーム等と比較して波
長が短いので、特に微細加工に適している。その加工メ
カニズムは熱加工ではなく、高いフォトンエネルギを利
用した非熱加工であるアブレーション加工なので加工形
状が美しく、またパルス発振による加工量の制御が容易
なので、任意の深さの加工が可能である。従って、微細
な溝加工等を必要とする回折光学素子には、このレーザ
ービームによる加工が好適である。
【0004】このようなレーザー加工装置は、一般的に
はレーザー装置からレーザービームを発振し、所定形状
のマスクを透過させ、直接ないしレンズ系で縮小又は拡
大した後に、マスク形状のレーザービームを被加工物に
照射して加工する方法及び構成である。例えば、レーザ
ービームを使用して回折光学素子を加工する方法は、特
開平4−158998号公報や特開平8−179108
号公報に開示されており、特開平4−158998号公
報の加工方法では、マスクを何度か交換して位置合わせ
を行い、それぞれを重ね合わせて加工することによっ
て、深さ方向の異なる複雑な階段形状を形成している。
また、特開平8−179108号公報の加工方法では、
被加工物への結像位置を変えることによって、深さ方向
の異なる複雑な階段形状の加工を行っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例の特開平4−158998号公報の加工方法では
鋸歯状の加工は不可能であり、またマスク位置と加工位
置関係を含めた位置合わせに高い精度が要求され、特に
微細加工における高精度の実現は実際上困難である。ま
た、特開平8−179108号公報の加工方法でも同様
に鋸歯状の加工が不可能であり、また結像の位置が変わ
ることにより、微妙な出力の調整が必要となるために、
高精度の加工に相当の時間を要するという問題がある。
【0006】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
高い回折効率で所望の分光特性を有する回折光学素子を
作成する回折光学素子の製造方法及び製造装置を提供す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る回折光学素子の製造方法は、被加工物の
目的パターンに応じたパターンを有するマスクと前記被
加工物とを光軸上に並べ、前記マスクのパターンを通し
て前記被加工物にエキシマレーザービームを照射し、同
時に前記被加工物を回転することにより、鋸歯状又は階
段状又はキノフォーム状の表面形状を得ることを特徴と
する。
【0008】本発明に係る回折光学素子の製造方法は、
基板に形成した第1の回折格子上に前記基板と異なる屈
折率及びアッベ数を有する膜を形成し、第2の回折格子
をその条件に対応したマスクを使用して形成することを
特徴とする。
【0009】本発明に係る回折光学素子の製造装置は、
被加工物を加工するエキシマレーザービームを射出する
加工用光源と、該加工光源からのレーザービームに対し
て透明部分と不透明部分を有し、前記レーザービームの
一部を透過して前記被加工物の少なくとも一部に照射す
るマスクと、前記被加工物を回転する機構とを有するこ
とを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明を図示の実施例に基づいて
詳細に説明する。図1はレーザービームを使用した加工
装置の構成図を示す。レーザー発振器1の光路上に折り
返しミラー2が配置され、この折り返しミラー2の反射
方向には、ビーム整形機構3、図2に示すような形状で
1辺が4mmの三角形の部分を有するマスク4、縮小光
学系5が順次に配置されている。その下方には、被加工
物Sを載置するために、回転機構を有する架台6とこの
架台6を動かすためのXYステージ7が配置されてい
る。マスク4は任意の形状の蒸着パターンか又は任意の
形状を有する金属パターンを、石英基板間に挟着したも
のにより構成されている。
【0011】上述の加工装置の構成により、レーザー発
振器1からビーム形状が約8×25mmの長方形断面の
波長193nmのArFレーザービームが発光され、こ
のレーザービームは折り返しミラー2で方向を変え、ビ
ーム整形機構3に入射して必要なビーム形状とビーム強
度分布が均一に整形された後に、マスク4に入射する。
更に、マスク4の三角形部を通過したレーザービーム
は、縮小光学系5に入射して1/8に縮小投影され、回
転中の被加工物Sである光学硝子BK−7上に、マスク
4と相似形の三角形像を結像する。
【0012】このまま、被加工物Sである光学硝子BK
−7上のエネルギ密度が2J/cm2 となるようにビー
ムを絞り、照射面における被加工物の光学硝子BK−7
の回転速度を2.5mm/sに設定し、100Hzでパ
ルスを発生して加工すると、格子の高さが1023nm
の鋸歯状の同心円の形状を得ることができる。この格子
の角度は、マスクの形状及びレーザービームの出力を変
えることにより変化させることができ、上述の加工方法
を繰り返して、図3に示すような断面の鋸歯形状の回折
光学素子8を作成する。
【0013】また、図4、図5に示すような形状のマス
クを使用して、上述と同様の加工方法により、それぞれ
図6、図7に示すような鋸歯形状の回折光学素子8を作
成することができる。
【0014】また、基板材料をアクリル系樹脂に変更し
て、同様の方法及び装置で加工してもよい。この場合
に、被加工物Sであるアクリル系樹脂上のエネルギが7
0mJ/cm2 になるようにビームを絞り、照射面での
被加工物Sのアクリル系樹脂の回転速度を2.5mm/
sに設定して、100Hzでパルスを発生して加工する
と、格子の高さが1023nmの鋸歯状の同心円形状を
得ることができ、上述の加工方法を繰り返して鋸歯形状
の回折光学素子8を作成することができる。
【0015】光学硝子BK−7を基板とし、設計次数を
+1次、設計波長を530nm、段数を4段とすると、
このときのステップの高さは341nmである。図8に
示すような階段形状用のマスク4を使用して、スリット
幅を4mm、3.3mm、2.6mmとし、被加工物S
である光学硝子BK−7の回転速度を2.5mm/sに
設定して、200Hzでパルスを発生して、鋸歯形状の
場合と同様の加工方法で加工する。その結果、図9に示
すような格子高さが341nmの4段の階段形状の回折
光学素子8を作成することができる。
【0016】この場合のArFレーザービームの1パル
スによる除去量は、光学硝子BK−7で0.3μm以下
であり、樹脂では0.5μm以下であり、この値は出力
により変化する。深さ方向の除去量は照射したパルス量
で決まり、それぞれの段差はマスク4のスリット幅の差
で決まる。
【0017】また、波長による分散特性を補正する目的
で、図10に示すように第1の回折格子9に屈折率とア
ッベ数の異なる第2の材料から成る第2の回折光学格子
10を複合して、複合型回折光学素子11を作成するこ
とができる。この複合型回折光学素子11は、基板にB
K−7を使用し、2層目の材料にTiO2 を使用する。
設計波長として530nmと453nmを設定して、4
段の回折格子9を設計する。この回折格子9の形状は、
第1段の高さが488.15nmで、トップの高さが1
464.45nm、第2の回折格子10の段差は398
nmである。
【0018】この場合には、基板を図8の形状のマスク
4を使用して、スリット幅を4mm、3mm、2mmと
し、被加工物Sである光学硝子BK−7上のエネルギ密
度が2J/cm2 となるようにビームを絞り、照射面で
の被加工物の光学硝子BK−7の回転速度を2.5mm
/sに設定し、200Hzでパルスを発生して加工する
と、格子の高さが488.15nmの4段の階段形状の
回折格子9を得る。
【0019】次に、第1の回折格子9上に、TiO2
を1465nm以上真空蒸着又はスパッタリングで形成
した後に、図8のマスク4を使用して、スリット幅を4
mm、3.2mm、2.4mmとし、被加工物Sである
光学硝子BK−7上のエネルギ密度を2J/cm2 とな
るようにビームを絞り、照射面での被加工物の光学硝子
BK−7の回転速度を2.5mm/sに設定して、20
0Hzでパルスを発生して加工すると、第1の回折格子
9の2段目に段差が398nmの回折格子10が形成さ
れる。この加工を繰り返して第3段目、第4段目に第2
の回折格子10を形成し、4段の階段形状の複合型回折
光学素子11が得られる。このとき、第1の回折格子9
と第2の回折格子10の形状を測定すると、設計通りの
形状であることが分かる。
【0020】図11、図12はキノフォーム形状の成形
用マスク4の平面図を示し、これらのマスク4を使用し
てそれぞれ図13、図14に示すような断面のキノフォ
ーム形状の回折光学素子8を形成することができ、この
場合も上述の実施例と同様の効果が得られる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る回折光
学素子の製造方法は、被加工物の目的パターンに応じた
パターンを有するマスクを通して、被加工物にエキシマ
レーザービームを照射し、同時に被加工物を回転するこ
とにより、同心円上で深さ方向が異なる微細階段形状の
複雑な加工及び鋸歯形状の加工を簡便に精度良く行うこ
とができ、高い回折効率で所定の分光特性を有する回折
光学素子を容易に製造することができる。
【0022】また、本発明に係る回折光学素子の製造方
法は、基板に形成した第1の回折格子上に、基板と異な
る屈折率及びアッベ数を有する膜の第2の回折格子を形
成することにより、同心円上で深さ方向が異なる微細階
段形状の複雑な加工及び鋸歯形状の加工を簡便に精度良
く行うことができ、高い回折効率で所定の分光特性を有
する回折光学素子を容易に製造することができる。
【0023】本発明に係る回折光学素子の製造装置は、
被加工物を加工する加工用光源からのエキシマレーザー
ビームを、マスクを通して被加工物の少なくとも一部に
照射し、同時に被加工物を回転することにより、同心円
上で深さ方向が異なる微細階段形状の複雑な加工及び鋸
歯形状の加工を簡便に精度良く行うことができ、高い回
折効率で所定の分光特性を有する回折光学素子を容易に
製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザー加工装置の構成図である。
【図2】鋸歯形状用マスクの平面図である。
【図3】鋸歯形状回折光学素子の断面図である。
【図4】鋸歯形状用マスクの平面図である。
【図5】鋸歯形状用マスクの平面図である。
【図6】鋸歯形状回折光学素子の断面図である。
【図7】鋸歯形状回折光学素子の断面図である。
【図8】階段形状用マスクの平面図である。
【図9】階段形状回折光学素子の断面図である。
【図10】階段形状回折光学素子の拡大図である。
【図11】キノフォーム形状用マスクの平面図である。
【図12】キノフォーム形状用マスクの平面図である。
【図13】キノフォーム形状回折光学素子の断面図であ
る。
【図14】キノフォーム形状回折光学素子の断面図であ
る。
【符号の説明】
1 レーザー発振器 2 折り返しミラー 3 ビーム整形機構 4 マスク 5 縮小光学系 6 回転機構付き架台 7 XYステージ 8 回折光学素子 9 第1の回折格子 10 第2の回折格子 11 複合型回折光学素子

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工物の目的パターンに応じたパター
    ンを有するマスクと前記被加工物とを光軸上に並べ、前
    記マスクのパターンを通して前記被加工物にエキシマレ
    ーザービームを照射し、同時に前記被加工物を回転する
    ことにより、鋸歯状又は階段状又はキノフォーム状の表
    面形状を得ることを特徴とする回折光学素子の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 前記被加工物にエキシマレーザービーム
    を照射する投影光学系は縮小光学系とした請求項1に記
    載の回折光学素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 基板に形成した第1の回折格子上に前記
    基板と異なる屈折率及びアッベ数を有する膜を形成し、
    第2の回折格子をその条件に対応したマスクを使用して
    形成することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
  4. 【請求項4】 被加工物を加工するエキシマレーザービ
    ームを射出する加工用光源と、該加工光源からのレーザ
    ービームに対して透明部分と不透明部分を有し、前記レ
    ーザービームの一部を透過して前記被加工物の少なくと
    も一部に照射するマスクと、前記被加工物を回転する機
    構とを有することを特徴とする回折光学素子の製造装
    置。
  5. 【請求項5】 前記被加工物にエキシマレーザービーム
    を照射する投影光学系は縮小光学系とした請求項4に記
    載の回折光学素子の製造装置。
JP28791197A 1997-10-03 1997-10-03 回折光学素子の製造方法及び製造装置 Pending JPH11109117A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7518294B2 (en) 2004-05-21 2009-04-14 Seiko Epson Corporation Manufacturing method of quartz crystal resonator, apparatus therefor, and quartz crystal resonator manufactured thereby
JP2013514539A (ja) * 2009-12-18 2013-04-25 ボエグリ − グラビュル ソシエテ アノニム 回折格子を使用して色パターンを生成する方法及びデバイス

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