JPH10213702A - 回折格子の形成方法，形成装置，および回折格子パターン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回折効率の微妙な制御が可能であると共に、ド
ット内での回折効率の分布を均一にすることが可能な回
折格子の形成方法・装置を提供し、回折格子からなる前
記ドットの集まりから構成される回折格子パターンを提
供する。 【解決手段】準コヒーレント光を利用した２光束干渉に
よって回折格子を形成し、感光材料に入射する２光束の
光路差を変えることにより、２光束の光路差に依存する
干渉縞のビジビリティ（可視度，鮮明度）の変化に基づ
き、感光材料に形成される回折格子の特性を変化させ
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、回折格子からなる
ドットを形成する方法・装置の改良に関し、さらには、
前記ドットを基板上に所望に配置してなるパターンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光などの２本のコヒーレント光
を感光材料上で干渉させ、回折格子を形成する方法（２
光束干渉）が周知であり、微小なドット状の回折格子を
基板上に所望に配置してパターンを構成する方法が、本
出願人による特開昭59−166913号公報，特開昭60−1560
04号公報，特開平２− 72319号公報などにより公知であ
る。

【０００３】回折格子（格子縞）のパラメータには、 回折格子の方向 回折格子のピッチ 回折効率 などがあり、によって回折光が観察される方向が、
によって周波数（定点で見える色）が、によって回折
光の明るさがそれぞれ決定される。

【０００４】公知の従来技術による２光束干渉において
は、回折格子の明るさを変化させたい場合、入射光の
強度あるいは露光時間の増減を調整することによって、
露光量（強度×時間）を変えている。

【０００５】上記方法では、微妙な露光量の制御が難し
く、正確に回折格子の明るさを制御することが困難であ
る。特に、短い露光時間で回折効率の低いドットを形成
する場合、所望とする回折効率を精密に調整することは
極めて難しい。

【０００６】また、レーザー光を用いた２光束干渉で
は、レーザー光の強度分布（ガウシアン分布）に依存し
て、ドット内での空間的な露光量分布も変わってしま
い、均一な回折格子を形成することが必然的に困難であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、回折効率の
微妙な制御が可能であると共に、ドット内での回折効率
の分布を均一にすることが可能な回折格子の形成方法・
装置を提供し、回折格子からなる前記ドットの集まりか
ら構成される回折格子パターンを提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、準コヒーレ
ント光を利用した２光束干渉によって回折格子を形成す
る。請求項１の発明は、コヒーレント光の代わりに準コ
ヒーレント光を用い、感光材料に入射する２光束の光路
差を変えることにより、２光束の光路差に依存する干渉
縞のビジビリティ（可視度，鮮明度）の変化に基づき、
感光材料に形成される回折格子の特性を変化させること
を特徴とする。

【０００９】請求項２の発明は、変化させる回折格子の
特性として、回折格子（干渉縞）の濃度を変えることに
より、回折効率（回折光の明るさ）を変化させる。

【００１０】請求項３の発明は、準コヒーレント光とし
て、波長の異なる２つの単色光を重ねて使用することを
特徴とする回折格子の形成方法である。

【００１１】請求項４の発明は、２光束の光路差を変え
る手段として、空間的な距離を変えることを特徴とする
回折格子の形成方法である。

【００１２】請求項５の発明は、２光束の光路差を変え
る手段として、屈折率変調素子を用いることを特徴とす
る回折格子の形成方法である。

【００１３】回折格子の形成装置に係る請求項６の発明
は、準コヒーレントなビームを出射する光源と、前記ビ
ームの通過／遮断を選択することにより、露光時間を制
御することが可能なシャッターと、前記シャッターから
のビームを２本に分岐するビームスプリッターと、分岐
された一方のビームの光路長を一定範囲内で可変できる
光路長制御手段、とを有し、前記光路長制御手段を経由
するビームともう一方のビームとを感光材料上で交わら
せ、前記感光材料に２本のビームによる干渉縞を記録す
ることにより、ドット状の回折格子を形成する。

【００１４】請求項７の発明は、感光材料を載置したテ
ーブルと、テーブルの移動に伴う２本のビームの入射位
置，前記光路長制御手段の制御に伴う２本のビームの光
路長差，前記シャッターの開閉，を制御するコントロー
ラー、とを有し、前記コントローラーの制御により、ド
ット毎に回折格子の特性を適宜に変化させることを特徴
とする。

【００１５】請求項８の発明は、準コヒーレントなビー
ムを出射する光源として、レーザー光源を用いることを
特徴とする。

【００１６】請求項９の発明は、光路長制御手段とし
て、屈折率変調素子を用いることを特徴とする。

【００１７】請求項１０の発明は、光路長制御手段とし
て、一方のビームの反射光路を変化させるミラーの搭載
された移動ステージを用いることを特徴とする。

【００１８】上記の形成方法／形成装置を利用して作製
される回折格子パターンに係る請求項１１の発明は、回
折格子の濃度および／または回折効率が、ドット内では
均一であり、ドット単位で任意に変化した複数のドット
から構成される回折格子パターンである。

【００１９】請求項２では、回折格子の特性として「回
折効率」を変化させるが、その他の特性としては、回折
格子の深さを制御させることより、回折光の偏光特性や
照明光の入射角依存特性などを変化させることも考えら
れる。

【００２０】２光束の光路差を変える手段として、 機械的（空間的に距離を変える） 電気的（屈折率変調素子を制御して光学的距離を変え
る） があり、精密かつ正確な特性の制御が可能である。特
に、電気的に制御する場合、機械的な動作は必要なく、
高速な光路差の変更が可能である。

【００２１】なお、光路差とは光学的な距離の差であ
り、真空中で光が伝播する距離に相当する距離の差を示
す。

【００２２】＜作用＞露光時間が極めて短い場合でも、
露光時間の増減などの必要なく、回折格子の特性の制御
が可能である。

【００２３】２光束干渉による干渉縞の濃度は、光のビ
ジビリティと２光束の光路差に依存する。すなわち、２
光束の光路差によってそれぞれの光束が感光材料に到達
する時間的なずれが生じ、これにより干渉縞のビジビリ
ティが変化する。

【００２４】ビジビリティは干渉縞の濃度に相当するの
で、感光材料に記録される回折格子の濃度となる。本発
明では、光が入射している感光材料上の領域内では干渉
縞の濃度は均一に変化するので、均一な回折格子が記録
される。

【００２５】回折格子の濃度は、感光材料（回折格子の
種類）に応じて、文字通りの回折格子の記録濃度（振幅
型回折格子）である場合と、回折格子の深さ（表面レリ
ーフ型回折格子）、あるいは屈折率変調度（位相型回折
格子）として記録される場合などがある。

【００２６】

【発明の実施の形態】干渉縞のビジビリティの例を、図
１〜図４に示す。横軸が二光束の時間的なずれτ（光路
差に比例）であり、縦軸がビジビリティである。

【００２７】完全なコヒーレント光のビジビリティ特性
を、図１に示す。完全なコヒーレント光同士（同一光源
から発したものでなくても）は、時間的なずれτ（２光
束の光路差）に依存せず、ビジビリティは常に１（＝１
００％）であるため、干渉によって高いコントラストの
格子縞が記録される。

【００２８】一般に干渉光とされるレーザー光であって
も、実際には完全なコヒーレント光ではなく、ビジビリ
ティは、光路差に依存して１から０の間で変化する。

【００２９】レーザー光のビジビリティの周期は、数ｍ
ｍ程度の光路差を問題にしない程度に長いため、同一光
源から発したレーザー光による２光束干渉では、感光材
料で干渉縞は安定して記録される。

【００３０】本発明では、ビジビリティの周期が、数ｍ
ｍ程度の光路差による影響を受ける程度の準コヒーレン
ト光を用いた二光束干渉を採用する。波長の異なる２つ
の単色光（レーザー光）を重ねて使用することによっ
て、上記の準コヒーレント光による２光束干渉とするこ
とができる。

【００３１】準コヒーレント光として波長の異なる２つ
の単色光を用いると、周期的なビジビリティを持つた
め、周期的な光路差の取り扱いが可能になり、光学系の
自由度が増し、実現が容易になる。

【００３２】本発明での準コヒーレントのビジビリティ
特性を、図２，図３に示す。図４は、水銀灯のビジビリ
ティ特性を示す説明図である。

【００３３】図２〜図４では、光路差に応じて、ビジビ
リティが１から０の間で変化する。従って、光路差を適
切に設定することにより、その光による干渉縞のビジビ
リティを任意に制御できる。

【００３４】２光束干渉による干渉縞のビジビリティ
は、２光束が交わっている領域内での干渉縞の濃度を表
す。本発明では、２光束が交わる位置で感光材料に干渉
縞を記録するので、任意の濃度の干渉縞が記録できる。

【００３５】記録された干渉縞の濃度は、即ち回折格子
の濃度であるので、一般的に、回折格子の回折効率とは
比例関係にある。以上から、光路差の制御により、形成
される回折格子の特性を変化できることは明らかであ
る。

【００３６】例えば、光路差がなくなるようにして２本
のビームを干渉させると（図５(a)参照）、ビジビリテ
ィ＝１であり、最も高いコントラストで干渉縞が記録さ
れ、回折格子の回折効率は高くなる。一方、ビジビリテ
ィ＝０．５になるように光路差を変えて干渉縞を記録す
ると（図５(b) 参照）、半分のコントラストの干渉縞が
記録され、回折効率は低くなる。

【００３７】実際には、表面レリーフ型あるいは位相型
の回折格子などの場合には、干渉縞の濃淡がどれくらい
の深さあるいは位相変調度に相当するかにより、回折効
率が決定するので、ビジビリティ＝１が最大回折効率と
は限らない。すなわち、回折効率とビジビリティとは、
回折格子の深さに応じて０〜100 ％の間で同様に変動す
るものではないためである。図５(a) (b) での説明は、
ビジビリティ＝１の時に最大回折効率になるように露光
量を設定した例ということになる。

【００３８】図６は、回折格子形成装置の１実施形態を
示す説明図である。上記装置は、準コヒーレントなビー
ムを発するレーザー光源と、前記光源からのレーザービ
ームの透過／遮光を選択するシャッターと、シャッター
を透過したレーザービームを２本に分けるビームスプリ
ッターとして機能するハーフミラーと、ハーフミラーを
経由した一方のレーザービームの光路差を変化する屈折
率変調素子と、屈折率変調素子を経由するレーザービー
ムと他方のレーザービームとを干渉させて、回折格子
（干渉縞）により構成されるドットを記録する感光材料
と、感光材料を２次元に移動させて、任意の位置に回折
格子を形成するためのＸＺステージと、複数の回折格子
（ドット）を形成するために、ステージ，屈折率変調素
子，シャッターを制御するコントローラー、とから成
る。

【００３９】コントローラーは、形成する回折格子の感
光材料上の座標と特性（明るさ）などの（予め準備し
た）データに従い、各要素（ステージ，屈折率変調素
子，シャッター）を制御する。

【００４０】屈折率変調素子は、レーザービームの通過
する光学的距離を変調できるため、他方のレーザービー
ムとの光路差を制御できる。屈折率の変調によって、レ
ーザービームが屈折率変調素子中を通過する際の光学的
距離Ｌopt は以下のように変化する。 Ｌ_opt ＝Ｌ_real × ｎ Ｌ_realは、レーザービームが屈折率変調素子に、直進し
て入射〜出射する距離（屈折率変調素子の厚み）であ
り、ｎは屈折率である。

【００４１】従って、屈折率変調素子による屈折率の変
化が光路差の変化になり、ビジビリティに基づいて記録
される干渉縞濃度の変化に相当する。

【００４２】屈折率変調素子には、音響光学変調素子
（ＡＯＭ）や液晶素子などがあり、特に後者ではホモジ
ニアス配向のものが好適である。それらは、電気的に制
御可能であるため、高速な屈折率変化の制御が可能であ
り、回折格子の作製時間の短縮の上で有効である。ま
た、光学系における可動部分を減らせるため、振動など
の発生がなく、安定した回折格子の形成が実現できる。

【００４３】図７は、回折格子形成装置の他の実施形態
を示す説明図である。上記装置は、図６の装置における
屈折率変調素子の代わりに、機械的に２光束の空間的距
離を変える手段を採用している。すなわち、移動ステー
ジ上にミラーを載置して（同図では、両者を合わせて移
動ミラーと称している）、移動ミラーの位置を上下に変
化させることによって、光路差を任意に制御できるよう
にしている。

【００４４】図７の場合には、光路差＝０の条件は実現
できない（移動ミラーの位置に関わらず、２光束の光路
長は必然的に異なるため）が、ビジビリティの周期性を
利用すれば、回折格子の特性を変化させることは可能で
ある。また、図７の装置に若干の変更を加えることで、
０を含む光路差を実現するような光学系とすることも可
能である。

【００４５】光学的な距離を変える手段として、空間的
に距離を変えることは非常に容易であり、また距離の可
変範囲を自由に設定でき、準コヒーレント光の特性に合
わせた光学系の設計が可能であるばかりでなく、必要に
応じた精度の制御が容易である。

【００４６】以上の２つの実施形態に係る回折格子形成
装置において、２光束の干渉によるビジビリティは光路
差によって容易に正確に制御できるので、任意に明るさ
などの特性を設定した回折格子を高精度に作製できる。

【００４７】また、光路差に依存するビジビリティは、
干渉縞内では一様に変化するので、干渉縞のビジビリテ
ィも一様であり、ドット内での回折効率が均一な回折格
子の作製が可能である。

【００４８】さらに、露光時間が極めて短い場合でも、
シャッターの開閉時間を厳密に制御する必要はなく、２
光束の光路差の制御のみで、高精度な制御が可能であ
る。

【００４９】

【発明の効果】回折効率の微妙な制御が可能であると共
に、ドットを構成単位とする場合、ドット内での回折効
率の分布を均一にすることが可能な回折格子の形成方法
・装置が提供され、回折格子からなる前記ドットの集ま
りから構成される回折格子パターンが提供される。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】完全なコヒーレント光のビジビリティ特性を示
す説明図。

【図２】準コヒーレントのビジビリティ特性を示す説明
図。

【図３】準コヒーレントのビジビリティ特性を示す説明
図。

【図４】水銀灯のビジビリティ特性を示す説明図。

【図５】ビジビリティを変えて干渉縞を記録する状態
を、(a) はビジビリティ＝１，(b) はビジビリティ＝
０．５について示す説明図。

【図６】回折格子形成装置の１実施形態を示す説明図。

【図７】回折格子形成装置の他の実施形態を示す説明
図。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コヒーレント光の２光束干渉により干渉縞
   を感光材料に記録して、回折格子を形成する方法におい
   て、 コヒーレント光の代わりに準コヒーレント光を用い、 感光材料に入射する２光束の光路差を変えることによ
   り、 ２光束の光路差に依存する干渉縞のビジビリティの変化
   に基づき、 感光材料に形成される回折格子の特性を変化させること
   を特徴とする回折格子の形成方法。
2. 【請求項２】回折格子の特性として、回折効率を変化さ
   せることを特徴とする請求項１記載の回折格子の形成方
   法。
3. 【請求項３】準コヒーレント光として、波長の異なる２
   つの単色光を重ねて使用することを特徴とする請求項１
   または２に記載の回折格子の形成方法。
4. 【請求項４】２光束の光路差を変える手段として、空間
   的な距離を変えることを特徴とする請求項１〜３の何れ
   かに記載の回折格子の形成方法。
5. 【請求項５】２光束の光路差を変える手段として、屈折
   率変調素子を用いることを特徴とする請求項１〜３の何
   れかに記載の回折格子の形成方法。
6. 【請求項６】準コヒーレントなビームを出射する光源
   と、 前記ビームの通過／遮断を選択することにより、露光時
   間を制御することが可能なシャッターと、 前記シャッターからのビームを２本に分岐するビームス
   プリッターと、 分岐された一方のビームの光路長を一定範囲内で可変で
   きる光路長制御手段、 とを有し、 前記光路長制御手段を経由するビームともう一方のビー
   ムとを感光材料上で交わらせ、前記感光材料に２本のビ
   ームによる干渉縞を記録することにより、ドット状の回
   折格子を形成する回折格子形成装置。
7. 【請求項７】感光材料を載置したテーブルと、 テーブルの移動に伴う２本のビームの入射位置，前記光
   路長制御手段の制御に伴う２本のビームの光路長差，前
   記シャッターの開閉，を制御するコントローラー、とを
   有し、 前記コントローラーの制御により、ドット毎に回折格子
   の特性を適宜に変化させることを特徴とする請求項６記
   載の回折格子形成装置。
8. 【請求項８】準コヒーレントなビームを出射する光源と
   して、レーザー光源を用いることを特徴とする請求項６
   または７に記載の回折格子の形成装置。
9. 【請求項９】光路長制御手段として、屈折率変調素子を
   用いることを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の
   回折格子の形成装置。
10. 【請求項１０】光路長制御手段として、一方のビームの
    反射光路を変化させるミラーの搭載された移動ステージ
    を用いることを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載
    の回折格子の形成装置。
11. 【請求項１１】請求項１〜５の何れかに記載の回折格子
    の形成方法および請求項６〜１０の何れかに記載の回折
    格子の形成装置を利用して作製される回折格子パターン
    であって、 回折格子の濃度および／または回折効率が、ドット内で
    は均一であり、ドット単位で任意に変化した複数のドッ
    トから構成される回折格子パターン。