JP2004046093A

JP2004046093A - 回折光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004046093A
Application number: JP2003119880A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nakabayashi; 中林　正明
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-02-12
Also published as: US7294293B2; US20030218803A1

Abstract

【課題】形状精度の高い回折光学素子を製造する。
【解決手段】波長の短い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射した後、波長の長い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射して樹脂を硬化させる。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学系の色収差を補正する方法としては、分散の異なる硝材から成る光学素子を組み合わせる方法が知られていた。一方、非特許文献１には、回折光学素子を用いて色収差を補正する技術が記載されている。
【０００３】
上記のような回折光学素子を製造する方法としては、回折格子に対応するパターンが形成された成形型から成形材料にパターンを転写した後、成形材料を成形型から分離する方法が用いられる。このような成形材料としては、光硬化型樹脂が広く用いられている。
【０００４】
一方、成形型の表面にパターンを形成する方法としては、従来、半導体製造プロセスである光リソグラフィーあるいはダイヤモンドバイトによる精密切削技術等の代表的な微細加工技術を用いた方法が知られている。
【０００５】
しかしながら、成形材料として光硬化型樹脂を用いた場合、硬化に伴う収縮率が大きいため、回折格子を構成する凹凸部の転写性が悪く、十分な形状精度が得られないという問題があった。また、光硬化型樹脂は内部応力が残り易く、素子が変形する恐れもあった。
【０００６】
上記形状精度の問題を解決するため、例えば特許文献１には、光の照射範囲をシャッターによって調整し、光学素子の中心部から照射範囲が徐々に外側に広がるようにして光硬化型樹脂を硬化させる方法が記載されている。この方法は、回折光学素子を製造するためのものではないが、樹脂を部分的に硬化させながら、収縮部分を未硬化の樹脂で補うことによって、形状精度の低下を防止するものである。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｗ．ファーン（Ｍ．Ｗ．Ｆａｒｎ），Ｊ．Ｗ．グッドマン（Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ），「ディフラクティブ・ダブレット・コレクティッド・オン−アクシス・アット・ツー・ウェブレングス（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　ｄｏｕｂｌｅｔ　ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ　ｏｎ−ａｘｉｓ　ａｔ　ｔｗｏ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ）」，エス・ピー・アイ・イー・インターナショナル・レンズ・デザイン・コンファレンス（ＳＰＩＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌｅｎｓ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ），１９９０年，ｖｏｌ．１３４５，ｐ．２４−２９
【特許文献１】
特開平６−５９１０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法は、表面に微細なパターンが形成された回折光学素子を製造する場合には、十分な効果が得られなかった。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、高い形状精度を有し、変形の恐れが小さい回折光学素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、透光性の成形型の格子パターンが形成された成形面上に光硬化型樹脂を供給する工程と、第１の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の一部を硬化させる工程と、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の少なくとも一部を硬化させる工程と、硬化した光硬化型樹脂を成形型から分離する工程とから成る回折光学素子の製造方法によって達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の方法によって製造される回折光学素子の一例を示す概略断面図である。本例は、積層型回折光学素子の例を示したものである。この回折光学素子は、第１の光学部材１３と第２の光学部材１４とを接着することによって形成されている。第１の光学部材１３は、第１の基板１と、第１の基板１上に形成され、表面に第１のブレーズド回折格子が形成された第１の樹脂層２とから成る。第２の光学部材１４は、第２の基板４と、第２の基板４上に形成され、表面に第２のブレーズド回折格子が形成された第２の樹脂層３とから成る。これらの光学部材は第１及び第２の樹脂層を内側にして、不図示の接着剤によって互いに貼り合わされている。
【００１２】
図１の回折光学素子において、第１の基板１及び第２の基板４はガラス基板から成る。第１の樹脂層２は、高屈折率で分散の大きい変性ウレタンアクレリートを主成分とする光硬化型樹脂から形成されている。また、第２の樹脂層３は、低分散のアクレリート系紫外線硬化型樹脂から成る。これらの樹脂層の材料は、用途に応じた光学設計によって、最適なコンビネーションとなるように任意に選択される。また、重ねる順序も任意に選択できる。表１に上記それぞれの樹脂層の材料と光学特性を示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
回折光学素子を、カメラなどの光学機器に用いる場合、使用波長領域の光束が特定次数に集中する形状に回折格子を形成する必要がある。本実施例においては、ｃ線波長（５６５．２７ｎｍ）とｇ線波長（４３５．８３ｎｍ）において、積層回折光学素子が高い回折効率を得るようにそれぞれの樹脂層の格子形状を決定した。ここで、第１の樹脂層２に形成されたブレーズド回折格子の格子高さは６．７４μｍ、第２の樹脂層３に形成されたブレーズド回折格子の格子高さは９．５０μｍである。これらのブレーズド回折格子は入射光に対してレンズ作用を生ずるように構成されている。このため、格子ピッチは回折格子の中心から離れるにしたがって小さくなっており、最小ピッチは４０μｍ弱である。また、両ブレーズド回折格子において、格子ピッチは同一である。
【００１５】
図２及び図３はそれぞれ図１の回折光学素子を構成する第１及び第２の光学部材の貼り合わせ前の様子を示す概略断面図である。図２及び図３において、図１と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００１６】
図２において、第１の樹脂層２の表面には、ブレーズド回折格子１５が形成されている。このブレーズド回折格子１５の外周部には円環上の凹部１６が形成されている。一方、図３において、第２の樹脂層３の表面には、ブレーズド回折格子１７が形成されている。このブレーズド回折格子１７の外周部には円環上の凸部１８が形成されている。第１の光学部材１３と第２の光学部材１４とを貼り合わせる際には、凹部１６と凸部１８とが嵌合することによって位置合わせが行われる。したがって、凹部１６と凸部１８のそれぞれの光学部材の中心からの位置は等しく、誤差は１μｍ以下に形成されている。
【００１７】
図２及び図３に示す第１及び第２の光学部材は、互いに貼り合わせることなく、それぞれ単独で単層回折光学素子として用いることもできる。
【００１８】
以上、積層型回折光学素子を例としたが、本発明の方法は、単層回折光学素子を製造する場合にも適用できるものである。また、図１〜図３では、回折格子部分をなめらかな傾斜面と垂直面とから成るように描いているが、実際には図４に拡大部分断面図を示すように、凸部５はステップ形状を有している。但し、本発明は、ステップ形状の凸部を有する回折光学素子に限らず、なめらかな傾斜面から成る回折光学素子を製造する場合にも好適に用いることができる。また、本発明は、ブレーズド回折格子に限らず、対象形状の凹凸面から成る回折光学素子を製造する場合にも同様の効果が得られるものである。
【００１９】
図５は、本発明の方法に用いられる成形装置の構成の一例を示す概略断面図である。図５において、成形型２０の成形面には、回折格子パターンが形成されている。この成形型２０は透光性を有する石英ガラスから形成され、保持枠２１によって支持されている。成形型２０の成形面上には、光硬化型樹脂２２が供給され、この光硬化型樹脂２２の上にはガラス基板２３が置かれる。保持枠２１には波長選択フィルタ２５が取り付けられている。不図示の超高圧水銀ランプから発した光２６は、波長選択フィルタ２５に入射し、所定の波長域の光だけが透過する。波長選択フィルタ２５を透過した光は、成形型２０を通して光硬化型樹脂２２に照射され、光硬化型樹脂２２を硬化する。保持枠２１には、イジェクタ２４が設けられており、このイジェクタ２４によってガラス基板２３を押し上げることによって、硬化した光硬化型樹脂２２がガラス基板２３と共に成形型から分離される。
【００２０】
図５に示した成形型２０は、図６に示す方法によって形成される。図６は成形型の形成プロセスを説明するための概略断面図である。まず、図６（ａ）のように、石英ガラス６の上に、フォトレジスト膜を一面に塗布し、よく知られたフォトリソ工程によって、このフォトレジスト膜をパターニングしてマスク７を形成する。次に、図６（ｂ）のように、石英ガラス６にイオンビーム８を照射し、マスク７が形成されていない部分を反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングする。続いて、マスク７を除去した後、図６（ａ）と同様の方法で、石英ガラス６の上に図６（ｃ）のようなマスク９を形成する。そして、図６（ｄ）のように再びイオンビーム８を照射し、マスク９に被覆されていない石英ガラス６をエッチングする。最後にマスク９を除去すると、図５に示す透光性の成形型２０が形成される。
【００２１】
［実施形態１］
本発明の回折光学素子の製造方法の第１の実施形態を図５及び図８を用いて説明する。図８は、光硬化型樹脂の硬化過程を説明するために、図５からガラス基板、光硬化型樹脂及び成形型のみを取り出して示したものである。図８において、図５と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２２】
まず、図５に示す成形型２０を保持枠２１に取り付け、この成形型２０の成形面上に不図示のディスペンサーによって所定量の光硬化型樹脂２２を滴下する。この光硬化型樹脂２２が成形面全体に広がった後、図５の成形装置が置かれた真空装置内を約１０ｍｍＨｇに減圧し、脱泡を行う。格子形状が例えばピッチ４０μｍで格子高さ１０μｍのものでは、樹脂が広がる際に微細形状内に空気をためてしまう恐れがあるが、この脱泡によって、このように閉じ込められた空気によって形状欠陥を生ずることを防止できる。
【００２３】
次にガラス基板２３の中心にごく少量の光硬化型樹脂を滴下し、この樹脂滴と成形型２０上に広がった光硬化型樹脂２２とを最初に接触させる。そして、その後、ガラス基板２３をゆっくりと降下させ、イジェクタ２４に当接する所定の位置で保持する。これによって、光硬化型樹脂の膜厚を所望のものとすることができる。
【００２４】
続いて、保持枠２１に、第１の波長選択フィルタ２５を取り付け、不図示の超高圧水銀ランプから発した光２６を、第１の波長選択フィルタ２５及び成形型を通して光硬化型樹脂２２に照射する。第１の波長選択フィルタは、２３０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長域の光を透過するものである。一方、光硬化型樹脂２２は、図７に示すように波長３４０ｎｍを境界として短波長域で大きな吸収を有するものである。図７は光硬化型樹脂の透過スペクトルを示すグラフであり、縦軸は光硬化型樹脂の透過率を、横軸は光の波長を示している。光硬化型樹脂には、硬化開始剤が添加されている。この硬化開始剤は、２００ｎｍよりも波長が長い光であれば、吸収してラジカル反応を起すことが可能である。
【００２５】
上記のように、光硬化型樹脂２２は、短波長の光に対して大きな吸収を有しているため、第１の波長選択フィルタを透過した２３０ｎｍ〜２６０ｎｍの波長域の光は、ガラス基板２３側の樹脂には到達しない。そして、図８（ａ）に示すように、成形型に接している樹脂の一部のみが硬化して、残りの部分は未硬化のまま残る。図８において、２２ａは樹脂の未硬化部分、２２ｂは樹脂の硬化部分を示す。
【００２６】
次に、図５に示す波長選択フィルタを、波長２６０ｎｍ〜２９０ｎｍの光を透過する第２の波長選択フィルタに交換する。そして、不図示の超高圧水銀ランプから発した光２６を、この第２の波長選択フィルタ及び成形型を通して光硬化型樹脂２２に照射する。この光は第１の波長選択フィルタを透過した光よりも長い波長域を有しているため、光硬化型樹脂の深いところまで到達する。このため、図８（ｂ）のように硬化部分２２ｂが樹脂の厚さ方向に広がる。
【００２７】
続いて、図５に示す波長選択フィルタを、波長２９０ｎｍ〜３２０ｎｍの光を透過する第３の波長選択フィルタに交換する。そして、不図示の超高圧水銀ランプから発した光２６を、この第３の波長選択フィルタ及び成形型を通して光硬化型樹脂２２に照射する。この光は第２の波長選択フィルタを透過した光よりも更に長い波長域を有しているため、図８（ｃ）のように硬化部分２２ｂが樹脂の厚さ方向に更に広がる。
【００２８】
最後に、波長選択フィルタを外して、不図示の超高圧水銀ランプから発した光２６を、成形型を通して光硬化型樹脂２２に照射する。これによって、図８（ｄ）のように光硬化型樹脂全体が硬化する。
【００２９】
上記のように硬化した樹脂は、図５のイジェクタ２４でガラス基板２３を押し上げることでガラス基板２３と共に成形型２０から分離され、光学部材が形成される。
【００３０】
本実施形態で用いるガラス基板２３は、樹脂との密着性を高めるため、あらかじめ表面にシランカップリング剤をスピンナーで塗布した後、オーブンで乾燥させる処理が施されている。
【００３１】
本実施形態によれば、光硬化型樹脂は微細なパターンが形成された成形型側から徐々に硬化されるため、硬化に伴う急激な樹脂の収縮によって成形型と樹脂との間に隙間を生ずることがなく、形状精度の高い回折光学素子を製造することができる。
【００３２】
以上説明した工程によって、先に図２及び図３で示した光学部材の一方が形成される。もう一方の光学部材も同様の方法で形成される。このように形成された第１及び第２の光学部材の一方を固定治具にセットし、図２及び図３に示す凹部１６又は凸部１８より外側に、流動性の小さいチキソ系光硬化接着剤を周方向の複数箇所に滴下する。次に、もう一方の光学部材をブレーズド回折格子が形成された面が互いに向き合うように、かつ凡そ互いに中心が合うよう重ね合わせる。そのとき、ブレーズド回折格子が形成された領域には干渉縞が見られ、それを目安に中心への粗調整をしても良い。周辺部に施した凹部１６と凸部１８が嵌合するようにして組み込んだ後、紫外線を照射し接着剤を硬化させる。このようにして図１に示す積層型回折光学素子が製造される。
【００３３】
［実施形態２］
実施形態１で用いた光硬化型樹脂に代えて、短波長（３００ｎｍ）の光も比較的透過する光硬化型樹脂を用いて、実施形態１と同様の方法で回折光学素子を製造した。本実施形態においては、光硬化型樹脂の紫外線の吸収特性を改善するために紫外線吸収剤（安定剤）を添加した。本実施形態で用いた光硬化型樹脂はウレタンアクリレート系なので、トリアジン系の紫外線吸収剤である商品名チヌビン４００（登録商標、チバ・スペシャルティ・ケミカルス社製）を添加することによって、３４６ｎｍ以下の波長の光に対して大きな吸収を持たせることができた。本実施形態においても、実施形態１と同様に形状精度の高い回折光学素子を製造することができた。
【００３４】
以上説明した実施形態の他にも、本発明は種々の変形が可能である。例えば、実施形態においては光硬化型樹脂に照射する光の波長を段階的に変化させたが、光の波長を連続的に変化させながら樹脂に照射するようにしても良い。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、このような変形例を全て包含するものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、波長の短い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射した後、波長の長い光を透光性の成形型を通して光硬化型樹脂に照射して樹脂を硬化させるようにしたので、形状精度の高い回折光学素子を製造することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法によって製造される回折光学素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１の回折光学素子を構成する第１の光学部材の貼り合わせ前の様子を示す概略断面図である。
【図３】図１の回折光学素子を構成する第２の光学部材の貼り合わせ前の様子を示す概略断面図である。
【図４】図２及び図３に示す光学部材の回折格子部分の拡大部分断面図である。
【図５】本発明の方法に用いられる成形装置の構成の一例を示す概略断面図である。
【図６】成形型の形成プロセスを説明するための概略断面図である。
【図７】実施例１で用いた光硬化型樹脂の透過スペクトルを示すグラフである。
【図８】光硬化型樹脂の硬化過程を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
２０　成形型
２１　保持枠
２２　光硬化型樹脂
２２ａ　硬化部分
２２ｂ　未硬化部分
２３　ガラス基板
２４　イジェクタ
２５　波長選択フィルタ
２６　光

Claims

透光性の成形型の格子パターンが形成された成形面上に光硬化型樹脂を供給する工程と、第１の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の一部を硬化させる工程と、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の少なくとも一部を硬化させる工程と、硬化した光硬化型樹脂を成形型から分離する工程とから成る回折光学素子の製造方法。
更に、前記第２の波長の光を照射する前に、第１の波長よりも長く、第２の波長よりも短い第３の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の一部を硬化させる工程と、第３の波長よりも長く、第２の波長よりも短い第４の波長の光を成形型を通して光硬化型樹脂に照射し、光硬化型樹脂の一部を硬化させる工程とから成る請求項１記載の回折光学素子の製造方法。
前記第２の波長の光を照射することによって、光硬化型樹脂が全て硬化される請求項１記載の回折光学素子の製造方法。
前記光硬化型樹脂に紫外線吸収剤が添加されている請求項１記載の回折光学素子の製造方法。