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技術 光学素子の製造方法

出願人 株式会社島津製作所
発明者 牧野吉剛
出願日 2018年7月27日 (2年5ヶ月経過) 出願番号 2018-141615
公開日 2020年1月30日 (11ヶ月経過) 公開番号 2020-016854
状態 未査定
技術分野 回折格子、ホログラム光学素子 レンズ以外の光学要素
主要キーワード レーザ痕 一般財 基準ガラス 断面鋸歯形状 形状調整 レーザ照射前 パラボラミラー 光学素子基板
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年1月30日)のものです。
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図面 (10)

課題

高い面精度を有する光学素子を容易に得ることのできる光学素子の製造方法を提供する。

解決手段

光学素子の光学面となる第1面とその裏側に位置する第2面とを備えた板状の光学素子素材を用意し(ステップS11)、前記光学素子素材の前記第1面の表面形状を計測して該表面形状と目標形状との差を求め(ステップS12)、前記光学素子素材の前記第2面にレーザ照射して該第2面に凹部を形成することによって、前記第1面の表面形状を、前記目標形状との差が小さくなるように変化させる(ステップS14)。

概要

背景

近年、光通信分析医療等の分野において光学機器の高機能化が進み、これに伴って、光学機器に含まれるミラー回折格子などの光学素子にも高い寸法精度が要求されるようになっている。

概要

高い面精度を有する光学素子を容易に得ることのできる光学素子の製造方法を提供する。光学素子の光学面となる第1面とその裏側に位置する第2面とを備えた板状の光学素子素材を用意し(ステップS11)、前記光学素子素材の前記第1面の表面形状を計測して該表面形状と目標形状との差を求め(ステップS12)、前記光学素子素材の前記第2面にレーザ照射して該第2面に凹部を形成することによって、前記第1面の表面形状を、前記目標形状との差が小さくなるように変化させる(ステップS14)。

目的

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高い面精度を有する光学素子を容易に得ることのできる光学素子の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光学素子光学面となる第1面とその裏側に位置する第2面とを備えた板状の光学素子素材を用意する工程と、前記光学素子素材の前記第1面の表面形状を計測して該表面形状と目標形状との差を求める工程と、前記光学素子素材の前記第2面にレーザ照射して該第2面に凹部を形成することによって、前記第1面の表面形状を、前記目標形状との差が小さくなるように変化させる工程と、を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。

請求項2

請求項1に記載の方法により製造された光学素子の光学面の形状を転写することによって、レプリカ光学素子を製造することを特徴とするレプリカ光学素子の製造方法。

請求項3

光学系で生じる収差を測定する工程と、前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも1つについて、該光学素子の光学面の裏側に位置する面にレーザを照射して該面に凹部を形成することによって、前記光学面の表面形状を、前記収差が小さくなるように変化させる工程と、を含むことを特徴とする光学系の収差補正方法

技術分野

0001

本発明は、ミラー回折格子などの光学素子の製造方法に関する。

背景技術

0002

近年、光通信分析医療等の分野において光学機器の高機能化が進み、これに伴って、光学機器に含まれるミラーや回折格子などの光学素子にも高い寸法精度が要求されるようになっている。

先行技術

0003

山内一秀,他3名,"極めて平坦基準ガラス基板の開発",[online],一般財団法人機械振興協会,第13回(平成27年度)新機械振興賞受賞者業績概要,[平成30年7月17日検索],インターネット

発明が解決しようとする課題

0004

上記のような光学素子は、一般的に、該光学素子を構成する基板を概略的な形状に成形した後に、その表面を研磨することによって製造される。しかしながら、高精度な光学素子を得るためには、このような基板の研磨と、該基板の表面形状の測定を繰り返しながら徐々に面精度を高めていく必要があり、労力と時間が掛かるという問題があった(例えば非特許文献1を参照)。また、通常の研磨では、基板の外周にダレエッジが丸く研磨されること)が発生し、これを低減するためには高度な研磨技術が必要であった。

0005

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高い面精度を有する光学素子を容易に得ることのできる光学素子の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するために成された本発明に係る光学素子の製造方法は、
光学素子の光学面となる第1面とその裏側に位置する第2面とを備えた板状の光学素子素材を用意する工程と、
前記光学素子素材の前記第1面の表面形状を計測して該表面形状と目標形状との差を求める工程と、
前記光学素子素材の前記第2面にレーザ照射して該第2面に凹部を形成することによって、前記第1面の表面形状を、前記目標形状との差が小さくなるように変化させる工程と、
を含むことを特徴としている。

0007

上記本発明では、光学面となる第1面と、その裏側に位置する第2面とを備えた板状の光学素子素材(例えばガラス基板)の前記第2面にレーザを照射することによって該第2面の表面を部分的に溶融若しくは研削して(又は剥離させたり、焦がしたりして)該第2面に凹部を形成し、これによって前記第1面の表面形状を変化させる。ここで、前記第2面へのレーザ照射によって前記第1面の表面形状が変化するのは、該レーザ照射によって前記第2面に凹部が形成されることで該光学素子素材の内部応力解放されるためと考えられる。上記のようなレーザ照射は数秒で完了し、作業者熟練も不要であるため、従来に比べて容易且つ短時間に面精度の高い(すなわち目標形状と実際の表面形状との差が小さい)光学素子を製造することが可能となる。

0008

本発明における光学素子は、ミラー(平面鏡パラボラミラーなど)や、反射型回折格子などの反射型光学素子であることが望ましいが、透過型回折格子プリズム、又はレンズなどの透過型光学素子であってもよい。また、該光学素子の材質は、レーザによる加工が可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ガラスシリコンセラミックサファイア、金属等を用いることができる。

0009

なお、本発明において光学面とは、設計上、光学機能(光の反射入射、又は出射等)を担う面として定められた面を意味する。すなわち、前記光学素子が反射型の光学素子である場合には、その反射面となる面が前記光学素子素材における第1面に相当する。また、前記光学素子が透過型の光学素子であって、前記光学素子素材の光入射面(光が入射する面)となる面の表面形状を変化させたい場合は、該光入射面となる面を第1面とし、光出射面(光が出射する面)となる面を第2面とする。逆に光出射面となる面の表面形状を変化させたい場合は、該光出射面となる面を第1面とし、光入射面となる面を第2面とする。更に、前記光学素子が透過型の光学素子である場合には、レーザは前記光入射面又は前記光出射面における有効領域、すなわち設計上、光学機能(ここでは光の入射又は出射)を担う領域として定められた領域の外側に照射することが望ましい。

0010

なお、前記光学素子が、回折格子である場合、前記レーザの照射は、前記光学素子素材(ここでは回折格子を構成する基板)に格子溝を形成した後に行ってもよいが、該格子溝を形成する前に行うことが望ましい。また、光学素子が、その光学面に金属等から成る薄膜を備えたものである場合、前記レーザの照射は、前記光学素子素材に前記薄膜を形成した後に行ってもよいが、該薄膜を形成する前に行うことが望ましい。

0011

前記光学素子の光学面の形状は、平面であっても曲面(球面又は放物面)であってもよい。なお、前記光学素子基板の第1面は、前記レーザ照射を行う前に、予め研削加工研磨加工等によって概略的な形状に成形しておくことが望ましい。

0012

また、前記本発明に係るレプリカ光学素子の製造方法は、前記方法により製造された光学素子の光学面の形状を転写することによってレプリカ光学素子を製造することを特徴としている。

0013

このような方法によれば、面精度の高い光学面を有し、なお且つレーザ痕(レーザ照射により形成された凹部)の無い光学素子を容易に量産することができる。

0014

なお、上記のようなレーザ照射による光学素子の表面形状の調整は、光学系の収差補正にも適用することができる。

0015

すなわち、本発明に係る光学系の収差補正方法は、
光学系で生じる収差を測定する工程と、
前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも1つについて、該光学素子の光学面の裏側に位置する面にレーザを照射して該面に凹部を形成することによって、前記光学面の表面形状を、前記収差が小さくなるように変化させる工程と、
を含むことを特徴としている。

発明の効果

0016

以上で説明したとおり、本発明に係る光学素子の製造方法によれば、面精度の高い光学素子を容易に得ることが可能となる。また、上記本発明に係る光学系の収差補正方法によれば、収差の少ない光学系を容易に得ることが可能となる。

図面の簡単な説明

0017

本発明の一実施形態に係る反射型の平面回折格子の製造方法を説明するフローチャート
レーザ照射による前記回折格子の表面形状調整の一例を示す模式図。
レーザ照射による前記回折格子の表面形状調整の別の例を示す模式図。
本発明の一実施形態に係るレプリカ回折格子の製造工程を説明する模式図。
本発明の一実施形態に係る光学系の収差補正方法の手順を示すフローチャート。
前記光学系の収差補正方法における補正前の光学系を示す概念図。
前記光学系の収差補正方法における補正後の光学系を示す概念図。
レーザの照射前におけるガラス板の表面形状の計測結果を示す表示画面の図。
レーザの照射後におけるガラス板の表面形状の計測結果を示す表示画面の図。

0018

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明を行う。

0019

図1は本発明の一実施形態による反射型の平面回折格子の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る製造方法では、まず、回折格子を構成する基板として、平板状のガラス板(本発明における「光学素子素材」に相当)を用意する(ステップS11)。なお、前記基板は、薄いほど裏面からのレーザ照射によっておもて面の表面形状を変化させやすいため、大幅な調整を行いたい場合は相対的に薄い基板を使用することが望ましく、表面形状をより高精度に制御したい場合は相対的に厚い基板を使用することが望ましい。

0020

続いて、前記基板のうち、回折格子の反射面となる側の面(以下、「第1面」とよぶ)の表面形状を計測して目標形状(設計形状)との差を求め(ステップS12)、その結果に基づいて、該基板に対するレーザの照射条件(例えば、レーザの出力、線幅、及び繰り返し照射回数)及び、該レーザの照射範囲を決定する(ステップS13)。ここで、レーザの照射範囲とは、前記第1面とは逆側の面(以下、「第2面」とよぶ)における、レーザ照射を受ける領域の形状及び位置を意味する。

0021

具体的には、例えば、干渉計等によって前記基板の第1面の表面形状を測定し、該表面の面精度が所定値よりも低かった場合には、該表面形状が目標形状に対して凸状又は凹状に歪んでいる領域の位置及び該歪みの程度を特定し、該歪みを補正するように前記レーザの照射条件及び照射範囲を決定する。

0022

例えば図2のように、平面であるべき基板11の第1面11aが、全体として凹状に歪んでいた場合、該基板11の第2面11bの中央部にレーザ光20を照射して該中央部を溶融させる(又は削る)ことによって凹部11cを形成し、これにより該基板11の第1面11aの中央部を凸状に歪ませて、該第1面11aを平面に近づけることができる。逆に、図3のように、基板11の第1面11aが全体として凸状に歪んでいた場合、該基板11の第2面11bの外周部にレーザ光20を照射して外周部を溶融させる(又は削る)ことによって凹部11cを形成し、これにより該基板11の第1面11aの外周部を凸方向に歪ませて、該第1面11aを平面に近づけることができる。

0023

前記第2面11bへのレーザ光20の照射による第1面11aの歪み量は、前記照射条件(レーザの出力、線幅、及び繰り返し照射回数など)によって調整することができる。このとき、該歪み量と照射条件との関係は、基板11の材質及び使用するレーザの波長等によって異なってくる。そのため、基板11の材質及び使用するレーザの波長に応じて、前記関係を予め実測又は計算によって求めておき、ステップS13では、前記関係と所望の歪み量に基づいて、前記照射条件を決定することが望ましい。

0024

その後、基板11の第2面11bにおける、ステップS13で決定した照射範囲に対して、同ステップで決定した照射条件でレーザ照射を行うことにより、前記基板11の第1面11aの表面形状を補正する(ステップS14)。

0025

なお、前記レーザ照射には、一般的に工業製品文字や図形などを刻印又は印字する際に用いられるレーザマーカレーザマーキング装置)などを用いることができる。レーザマーカは、樹脂、金属、ガラス、木材、紙などにレーザ光を照射して被照射面をわずかに溶融又は剥離させる(若しくは酸化させたり、焦がしたり、削ったりする)ことによって該被照射面にマーキングを施すものであり、ミラーによってレーザ光の照射位置走査可能な「走査方式」のものと、マスクによって被照射面におけるレーザ光の照射範囲を規定する「マスク方式」のものが存在する。本発明においては、前記いずれの方式を用いてもよいが、照射範囲の変更が容易であることから走査方式のレーザマーカを用いることが望ましい。

0026

また、レーザとしては、CO2レーザ(波長10600nm)、YVO4レーザ(波長1064nm)、YAGレーザ(波長1064nm)、ファイバレーザ(波長1090nm)、グリーンレーザ(波長532nm)、又はUVレーザ(波長355nm)等を用いることができ、対象とする光学素子の材質に応じた波長のレーザを使用する。例えば、対象とする光学素子が透明素材(ガラス、樹脂、サファイア等)から成る場合は、CO2レーザ、UVレーザ、又はグリーンレーザを使用することが望ましく、非透明素材(金属、樹脂、セラミック、シリコンなど)から成るものである場合は、YVO4レーザ、YAGレーザ、又はファイバレーザを使用することが望ましい。

0027

以上により、第1面11aの表面形状の補正が完了した後は、該第1面11aに機械刻線フォトリソグラフィによって多数の溝(格子溝)を形成し(ステップS15)、更に、該第1面11aにアルミニウム等から成る金属膜を形成(ステップS16)することによって回折格子が完成する。

0028

なお、ここでは、基板11にレーザ照射を施した後に、前記格子溝及び金属膜の作成を行うものとしたが、これに代えて、基板11に格子溝及び金属薄膜を形成した後に、前記レーザ照射による表面形状の調整を行ってもよい。

0029

また、以上により表面形状を補正した回折格子をマスターとし、樹脂でレプリカを取ることによって、格子面(反射面)の面精度が高く、なお且つ該格子面とは逆側の面にレーザ痕の無い回折格子を量産することもできる。この場合の手順について図4を参照しつつ説明する。

0030

まず、型となる回折格子12(以下これを「マスター回折格子」とよぶ)の格子面に薄い油膜からなる離型剤層13を形成し(図4(a))、その上にアルミニウム等から成る金属薄膜14を形成する(図4(b))。ここで、前記マスター回折格子12としては、図1のフローチャートに示す手順で作成された回折格子を使用する(ただし、ステップS16における金属膜の形成は省略することができる)。

0031

続いて、マスター回折格子12と同サイズの平面ガラス板から成るレプリカ基板16を用意し、その一方の面(反射面となる側の面)を洗浄した後に接着剤15を厚みがほぼ均一となるように塗布する。そして、この接着剤15を介してレプリカ基板16とマスター回折格子12とを貼り合わせ(図4(c))、適度な圧力で押しつける。これにより、接着剤15は、マスター回折格子12の格子面の断面鋸歯形状の溝を埋めるように広がる(図4(d))。そして、接着剤15を充分に硬化させた後、離型剤層13を境にしてレプリカ基板16をマスター回折格子12から引き剥がす(図4(e))。これによりマスター回折格子12の格子面が転写された格子面を有するレプリカ回折格子17を得ることができる。

0032

なお、以上により製造されるレプリカ回折格子17の格子面は、マスター回折格子12の格子面が反転された形状となる。そのため、マスター回折格子12と同一形状の(すなわち反転されていない)格子面を有するレプリカ回折格子を製造する場合には、前記レプリカ回折格子17をマスターとして、再び図4(a)〜(e)の工程を実行する。これにより、該レプリカ回折格子17の格子面を反転した形状の格子面、すなわち図1のフローチャートに示す手順で作成された回折格子12の格子面と同一形状の格子面を有するレプリカ回折格子を得ることができる。

0033

なお、以上では、反射型の平面回折格子の製造を例に挙げて説明を行ったが、本発明に係る光学素子の製造方法は、その他の光学素子、例えば、反射型の凹面回折格子、ミラー(平面鏡やパラボラミラー等)、又は透過型の光学素子(例えば透過型の回折格子)の製造にも適用可能である。

0034

また、カメラ分析機器、又は光通信機器等の光学系に含まれる光学素子の少なくとも1つに、上記のようなレーザ照射を施すことによって、該光学系で生じる光の収差(波面の歪み)を補正することも可能である。このような収差補正の手順を図5のフローチャートに示す。また、該収差補正を説明するための概念図を図6及び図7に示す。

0035

ここでは、ミラー32を含んだ光学系30において、該ミラー32の裏面32bにレーザ照射を施すことにより、該ミラー32のおもて面(すなわち反射面)32aの形状を変化させ、これにより該光学系30で生じる光の収差を補正する例を示す。なお、図6はレーザ照射を行う前の光学系30を示し、図7は補正後の光学系30を示している。また、図中の符号33は、ミラー32に入射する光の波面(等位相面)を示し、符号34は、ミラー32で反射して光学系30から出射される光の波面を示している。

0036

まず、図6の光学系30において、ミラー32よりも前段の光学系31から該ミラー32へ向かう光の波面33を波面センサや干渉計等によって測定し、該波面と理想的な波面とのズレ(すなわち収差)を求める(ステップS21)。なお、このステップS21が本発明における「光学系で生じる収差を測定する工程」に相当する。そして、ミラー32のおもて面32aが前記波面33の歪みを打ち消すような形状となるよう、該ミラー32へのレーザの照射条件及び照射範囲を決定し(ステップS22)、ミラー32の裏面32bにレーザ照射を施す(ステップS23)。これにより、前記前段の光学系31から入射した光が該ミラー32のおもて面32aで反射される際に、前記波面33の歪みが打ち消され、光学系30から出射される光の波面34の歪みが低減される。なお、ここでは、対象とする光学素子(すなわちミラー32)よりも前段の光学系31で生じる波面の歪みを求め、それを打ち消すように該光学素子の表面形状を補正するものとしたが、これに限らず、対象とする光学素子よりも後段の光学系(又は該光学素子の前段及び後段の光学系)で生じる波面の歪みを求め、該波面の歪みを相殺するような形状の波面を生じるように該光学素子の表面形状を調整するものとしてもよい。

0037

レーザ照射による光学面の調整効果を確認するために行った実施例について説明する。本実施例では、30mm×30mm×10mmのソーダガラス板の中央裏面に、CO2レーザ(波長10600nm)を備えたレーザマーカによって直径10mmの円環状にレーザ照射を行った。なお、レーザの照射条件は、出力:75W、線幅:0.010mm、繰り返し照射回数:10回とした。

実施例

0038

レーザ干渉計(Zygo社製、GPI)によって前記ソーダガラス板の波面(すなわち該ソーダガラス板のおもて面で反射した光の等位相面)を測定した結果を図8及び図9に示す。なお、図8は前記レーザ照射を施す前における前記波面の測定結果であり、図9は前記レーザ照射を施した後における波面の測定結果である。これらの図において、表示欄41、42、43には、それぞれ前記波面の平面図、断面図、及び斜視図を示されており、表示欄44には、該波面のPV値設計値に対する最大誤差)が示されている。これらの図から明らかなように、ソーダガラス板の裏面へのレーザ照射によって波面の形状が変化し、PV値もレーザ照射前が0.298λであったのに対し、レーザ照射後には約半分の0.158λまで向上した。このことから、本発明の方法により、光学素子の光学面の形状調整が可能であることが確かめられた。

0039

11…基板
11a…第1面
11b…第2面
11c…凹部
12…マスター回折格子
13…離型剤層
14…金属薄膜
15…接着剤
16…レプリカ基板
17…レプリカ回折格子
20…レーザ光
30…光学系
31…ミラーより前段の光学系
32…ミラー
32a…おもて面
32b…裏面
33、34…波面
41〜44…表示欄

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