JPS6368801A - グレ−テイング・レンズ装置 - 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】 発明の背景 この発明はグレーティング・レンズ装置に関する。ここ
でグレーティング惨レンズと□はグレーティングによる
光の回折現象を利用しそ光を集光、平行化または発散さ
せるもので、いわゆるフレネル・レンズを含むものであ
る。

マイクロ０オブテイクスまたはマイクロ・□オプトエレ
クトロニクスの進展にともなってマイクロ・レンズの研
究が盛んに行なわれており、電子ビーム描画法を利用し
□た透過形グレーティング・レンズの作製も試みられて
いる。これは、基板上に電子ビーム・レジストを塗布し
、その上にレンズ・パターンを描画する。その後、電子
ビーム・レジストを現象すると、レンズ・パターンの残
膜レジストが基板上に形成される。これがグレーティン
グ・レンズである。場合によっては、残膜レジスト・レ
ンズ・パターン上からドライ・エツチングによって基板
をエツチングし、レンズ・パターンを基板に転写してレ
ンズとすることもある。

このようなブレ“−ティング・レンズ；に要求される特
性には種々のものがあるが、その代表的なものに集光し
たときのスポット径をできるだけ小さくする。焦点距離
をできるだけ短くするといったものがある。

第１図は、レンズの焦点距離を短くしようとすれば位相
シフト量を大きくしなければならないこと、およびレン
ズの焦点距離が短はど集光スポットのスポット径が小さ
くなることを示している。

グレーティング・レンズ等の位相゛変調素子１０の一面
に平面波が入射すると、″素子１ｏの各位置で位相変調
される結果、素子１ｏの他面がらは球面波に変換されて
出射する。これらの平面波および球面波の波面をＷＦで
示す。光軸Ｎ上のある点０　およびこれよりも素子１ｏ
に近い点ｏ１に集光する２つの球面波を考える。点ｏ１
に集光する球面波において２位相変調索子１０の光軸Ｎ
がら遠く離れた点Ａに入射した光の波面の位相は、光軸
Ｎ」二に入射した光のそれよりもδまたけ進んでいる。

点０２に集光する球面波においては２点Ａの光の波面は
光軸Ｎ上のそれよりも位相が６２だけ進んでいる。そし
て、より短い焦点距離の光の方がこの位相の進相の程度
は大きい。すなわち１点０　に■ 集光する点Ａの光の位相δ１よりも、素子１ｏにより近
い点０２に集光する点Ａの光の位相δ２の方が位相が進
んでいる。これによって、焦点距離を短くしようとすれ
ば１位相変調素子１０における位相シフト量を大きくし
なければならないことが分るであろう。

一方、焦点面」二における光ビームのスポット径は光の
波長λによって定まる最小スポット径２ω　、　より小
さくすることはできないことか分１ｎ っている。この最小スポット径２ω　、　は次式でｍ１
口 与えられる。

２ω　、　＝λ／（π　ｔａｎα）　　　　　　・・（
１）１ｎ ここでαは第１図に示すように最大回折角である。焦点
距離が短ければ角度αか大きくなり。

ｔａｎαも大きくなるので、レンズ径が同じな場合には
、焦点距離か短いほど最小スポット径２ω　、　は小さ
くなる。

＋１１１ｎ 次に、電子ビーム描画法によって透過形グレーティング
・レンズを作製する場合の問題点について考察してみよ
う。第２図はいわゆるバイナリイ・タイプの透過形グレ
ーティング・レンズの断面を示している。基板２０上に
」二連した残膜レジストによるレンズ・パターン２１が
形成されている。

グレーティング間隔（周期）ａと回折角θとの間には次
のように表現できる関係がある。ｋは比例定数である。

θ＝　ｋ　／　ａ　　　　　　　　　　　　　　・・・
（２）したがって２回折角を大きくするためにはグレー
ティング間隔ａを小さくする必要がある。

このグレーティング間隔ａの最小値は電子ビーム描画装
置における電子ビーム径２ω　によって定まってしまう
。その様子が第３図に示されている。同図（Ａ）におい
て、基板２０上に塗布された電子ビーム・レジスト２１
ａが電子ビームＥＢによって描画される。最小描画領域
は電子ビーム径２ω　を径とする円となる。電子ビーム
描画された部分が残膜パターン２１として残るとすると
、第３図（Ｂ）に示すように、この電子ビーム径２ω。

よりも間隔ａの小さなレンズ・パターンは得られないこ
とになる。すなわち。

ａ＞２ω。　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３
）となる。

以上の事項を次のようにまとめることができる。

透過形グレーティング・レンズでは作製できるレンズの
焦点距離に限度がある。すなわち、一定程度以下に短い
焦点距離をもつレンズを作製することはできない。焦点
距離を短くするためには回折角θを大きくしなければな
らない。回折角θは第（２）式から分るようにグレーテ
ィングの間隔ａで定まる。グレーティング間隔ａの最小
値は第（３）式からも明らかなように電子ビームの径２
ω　によって定まるからである。現実問題としでは電子
ビーム・レジストの解像度も影響を与え、この解像度以
下に小さい間隔のグレーティングを得ることはできない
。

位相型グレーティングにおいて１回折角を大きくする手
段として、グレーティング２１の膜厚を厚くすることが
考えられるが、膜厚を厚くすると膜厚の均一性が悪くな
り、グレーティングの性能劣化につながるという問題が
ある。

組レンズと同じ考え方に基づいて、同じ特性の２枚のグ
レーティング・レンズを重ね合わせて大きな回折角を得
、これによって焦点距離をｌ／２にすることもできない
ことはない。しかしながら。

この場合には２枚のレンズの光軸を非常に高精度に調整
しなければならないので、実際上は実現が非常に難しい
。

発明の概要 この発明は、比較的簡単な構造で焦点距離を短くするこ
とができるようにすることにある。

この発明によるグレーティング・レンズ装置は１反射鏡
面をもつ基板を用い、または基板上に反射鏡面を形成し
、この反射鏡面上にグレーティング・レンズを装荷した
ことを特徴とする。このグレーティング・レンズ装置で
は、出射光の集光位置が入射光側にあることになる。

グレーティングΦレンズに入射した光は反射鏡で反射し
て再び同じグレーティングΦレンズを通って出射する。

グレーティング・レンズを光が２回通過することになる
。したがって、従来の透過形グレーティング・レンズと
同じ厚さのグレーティング・レンズを用いても、実質的
にグレーティングの厚さが２倍になったのと等価である
から１位相差を大きくとれ１回折角を大きくすることが
できる。これによって、焦点距離を短くすることができ
るとともに、第（１）式からも明らかなように、集光し
た光ビームのスポット径を小さくすることが可能となる
。同じパターンの２枚のグレーティング・レンズを厚さ
が零で重ね合わせたのと同じ効果があるとともに、２枚
のグレーティング・レンズを実際に重ね合わすときに生
じる光軸調整の問題を完全に回避することができる。

実施例の説明 第４図および第５図はこの発明の実施例を示している。

基板３０上に反射膜３１が形成され、この反射膜３１上
にグレーティング・レンズ３２が装荷されている。図示
されたグレーティング・レンズ３２は、いわゆるブレー
ズド・タイプのもので、上述した電子ビーム描画法によ
って作製することができる。

グレーティング・レンズ３２が形成された面に垂直に入
射した光は、レンズ３２によって集光されかつ反射膜３
１で反射して、入射側の焦点距離ｆの位置（焦点Ｏ）に
スポットを結ぶ。レンズ３２の山の頂部に入射した光Ｐ
　と谷に入射した光Ｐ２との間の位相差は、従来のグレ
ーティング・レンズでは２π×（ｄ／λ）で与えられる
が、この発明によるグレーティングψレンズ装置による
と、これらの光Ｐ　　、Ｐ　　はレンズ３２を往復する
ので、それらの間の位相差は２×２π×（ｄ／λ）とな
る。この結果、集魚距離ｆは従来のものに比べてそのｌ
／２となる。ｄはグレーティング３２の厚さである。

第６図および第７図は、この発明によるグレーティング
・レンズ装置の応用例の１つであるイメージ・ディバイ
スを示している。このイメージ・ディバイスは実像Ｏ１
の正立像（破線で示す）を得ることができるという特徴
をもち、たとえばコピー装置に応用される。

２つのパネル４０ａ、　４０ｂが横断面く字形ないしは
Ｌ字型に組合された基材４０の外表面に反射膜４１が形
成されている。この基材４０の一方のパネル４０ａの反
射膜４１上には多数のグレーティング・レンズ３２がそ
の長さ方向に配列されて形成されている。

この基月４０の頂部に対向するように、屋根型反射鏡４
３が配置されている。この反射鏡４３はその反射面が断
面波型に屈曲されたもので、各屋根の稜の＝　　８　一 方向は基材４０の稜の方向に対して垂直である。

実像Ｏ９の像は各グレーティング・レンズ３２で反射さ
れ、集光されながら屋根型反射鏡４３に向い、そこで反
射して基材４０の他方のパネル４０ｂの反射膜４１で反
射したのち正立像を結ぶ。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相変調素子によって位相シフトされた光が集
光される様子を示す図、第２図は従来のバイナリイ・タ
イプ透過形グレーティング・レンズを示す断面図、第３
図（Ａ）　（Ｂ）１よこのグレーティング・レンズを電
子ビーム描画法を用いて作製する様子を示す一部の断面
図である。 第４図および第５図はこの発明の実施例を示し、第４図
は斜視図、第５図は断面図である。 第６図および第７図はこの発明によるグレーティング・
レンズ装置の応用例であるイメージ・ディバイスを示し
、第６図は斜視図、第７図は断面図である。 ３０・・・基板。 ３１・・・反射膜。 ３２・・・グレーティング・レンズ。 以　　上 特許出願人　　　立石電機株式会社 代　理　人　　　弁理士　牛久健司 （外１名） 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 反射鏡面上にグレーティング・レンズが装荷されている
   ことを特徴とするグレーティング・レンズ装置。