JPH11314184A

JPH11314184A - 光学素子加工装置

Info

Publication number: JPH11314184A
Application number: JP10120913A
Authority: JP
Inventors: Keiu Tokumura; 啓雨徳村; Takahisa Jitsuno; 孝久實野; Hisashi Tamamura; 寿玉村
Original assignee: NARUKKUSU KK; Sony Tektronix Corp
Current assignee: NARUKKUSU KK; Tektronix Japan Corp
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな波面収差を持つ光学素子であっても被
加工面を容易かつ高精度に加工できるようにする。【解決手段】加工対象物１の被加工面２に短波長の紫
外線レーザＬを照射して被加工面２を加工するレーザ発
振器３と、多数のマイクロレンズを配置したレンズアレ
イを備え、所望特性の参照光をレンズアレイに入射させ
て各マイクロレンズから出射される参照光の結像位置と
測定光を被加工面２を介してレンズアレイに入射させて
各マイクロレンズから出射される測定光の結像位置との
差から波面を測定するシャックハルトマン波面計測器４
と、シャックハルトマン波面計測器４により得られた参
照光の結像位置を基準とした測定光の結像位置のずれに
基づいて、紫外線レーザＬの照射を最適制御すると共に
紫外線レーザＬと加工対象物１とを相対的に移動させる
駆動機構５を位置制御する制御器６とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学素子加工装置に
関し、詳しくは、高性能の光学レンズを必要とする応用
分野〔カメラ、計測装置、レーザプリンタ等〕や大口径
の光学素子を必要とするプロジェクタ、大型レーザ装置
及びリソグラフィー装置に必要とされるレンズ、ミラー
等を高精度で製作するための光学素子加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、精密加工用として使用される光
学素子加工装置などでは、微小なスポットにレーザを集
光させるために高精度の光学レンズや反射ミラー等が必
要である。一般に、この種の光学素子は、光学ガラスで
組成されるものと、光学プラスチックで組成されるもの
とに大別される。

【０００３】これらいずれか一方で組成される光学素子
では、その光学面の形状が、レーザ光の集光特性に大き
く影響する。即ち、光学素子に入射するレーザが平行波
面を具備していたとしても、その光学素子が波面収差を
有している場合、レーザ光の集光スポット径が増大し、
結果として集光強度が低下する。

【０００４】そのため、上述した光学素子では、ポイン
トに集光したレーザが最小のスポット径を持つような光
学面を形成する必要がある。そこで、本出願人は、短波
長の紫外線レーザを加工対象物の表面に照射することに
よりその表面を加工して高精度な非球面加工を実現した
光学面の形成方法を先に提案している（特開平８−２０
０７７号公報）。

【０００５】この光学面の形成方法は、光学ガラスから
なる母体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光
学素子の光学面の反射波面を干渉計により測定し、その
干渉計による反射波面をコンピュータシステムによりモ
ニタリングしながら、そのコンピュータシステムからの
モニタリング情報に基づいて光学面に対して短波長紫外
線レーザを走査させることにより、その光学面を短波長
紫外線レーザにより非接触で加工して最適な反射波面と
なる形状に表面加工するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従
来の場合、光学素子の光学面の透過又は反射波面を干渉
計により測定しているが、この干渉計を用いた波面測定
では、波面収差が１０λ以上になると波面測定が困難に
なるという問題があった。

【０００７】そこで、本発明は前述した問題点に鑑みて
提案されたもので、その目的とするところは、大きな波
面収差を持つ光学素子であっても被加工面を容易かつ高
精度に加工し得る光学素子加工装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めの技術的手段として、本発明は、加工対象物の被加工
面に短波長の紫外線レーザを照射して被加工面を加工す
るレーザ発振器と、多数のマイクロレンズを配置したレ
ンズアレイを備え、測定光を被加工面を介してレンズア
レイに入射させて各マイクロレンズから出射される測定
光から波面を測定するシャックハルトマン波面計測器
と、シャックハルトマン波面計測器により得られた測定
光の測定結果に基づいて、紫外線レーザの照射を最適制
御すると共に紫外線レーザと加工対象物とを相対的に移
動させる駆動機構を位置制御する制御器とを具備したこ
とを特徴とする。

【０００９】尚、前述の加工対象物は、光学素子用樹脂
又は光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用樹脂を
コーティングした光学面、或いは、光学ガラス、石英ガ
ラス又は光学素子用樹脂からなる母体の光学面を被加工
面とし、前記光学面を最適な波面となる形状に加工する
ことを特徴とする。

【００１０】シャックハルトマン波面計測器による波面
の測定は、例えば、次のように行う。即ち、所望特性の
参照光をレンズアレイに入射させて各マイクロレンズか
ら出射される測定光の結像位置と、測定光を被加工面を
介してレンズアレイに入射させて各マイクロレンズから
出射される測定光の結像位置との差から波面を測定す
る。

【００１１】本発明では、前述の加工対象物として、半
導体レーザの集光レンズ、光ファイバカプリングの前面
レンズ、或いは一方の面をフレネルレンズ、バイナリオ
プティクス又は回折格子等とし、他方の面を連続面とし
た光学素子が適用可能である。

【００１２】また、前述のシャックハルトマン波面計測
器は、測定光を被加工面に入射させ、被加工面からの反
射光又は透過光に基づいて波面を測定するものとしても
良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を以下に詳述す
る。

【００１４】図１に示す実施形態の加工装置は、加工対
象物１の被加工面２に短波長の紫外線レーザＬを照射す
るレーザ発振器３と、多数のマイクロレンズ１１を配置
したレンズアレイ１２（図２参照）を備え、測定光（後
述）を加工対象物１の被加工面２を介してレンズアレイ
１１に入射させて各マイクロレンズ１１から出射される
測定光から波面を測定するシャックハルトマン波面計測
器４と、シャックハルトマン波面計測器４により得られ
た測定光の測定結果に基づいて、紫外線レーザＬの照射
を最適制御すると共に、位置決め固定された加工対象物
１をモータ等の駆動源（図示せず）によりＸＹ方向に移
動可能とした、例えばＸＹテーブル等の駆動機構５を位
置制御する制御器６とを具備する。

【００１５】尚、前述したレーザ発振器３の前面には、
紫外線レーザＬを加工対象物１の被加工面２上でスポッ
ト状に集光させるための集束レンズ７が配置される。ま
た、その前方で加工対象物１の上方に、紫外線レーザＬ
を被加工面２上に方向転換させるためのミラー８を配置
する。更に、シャックハルトマン波面計測器４の前方で
ミラー８の上方に、加工対象物１の被加工面２での紫外
線レーザＬの反射光を方向転換させるためのミラー９を
配置する。

【００１６】この実施形態で適用する加工対象物１の被
加工面２は、光学素子用樹脂又は光学ガラスからなる母
体の表面に光学素子用樹脂をコーティングした光学面、
或いは、光学ガラス、石英ガラス又は光学素子用樹脂か
らなる母体の光学面が好適である。具体的に、加工対象
物１としては、例えばＢＫ７等の光学ガラスからなる母
体の表面に、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポ
リカーボネート等の光学素子用樹脂を例えばその膜厚が
数ミクロンから数ミリ程度となるようにコーティングし
た光学素子がある。その他、ポリメタクリル酸メチル
（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート等の光学素子用樹脂、
又は光学ガラスや石英ガラスからなる母体自体の光学素
子であってもよい。

【００１７】短波長の紫外線レーザＬを照射するレーザ
発振器３は、例えば１１０〜２２０ｎｍの短波長を有す
る紫外線レーザを光源とするもので、その紫外線レーザ
Ｌとしては、光学素子用樹脂をコーティングした場合に
は１９３ｎｍの短波長のＡｒＦからなるエキシマレーザ
が好適であり、また、石英ガラスの場合には、１５８ｎ
ｍの短波長のフッ素レーザが好適であり、その他水素レ
ーザ等が使用可能である。

【００１８】この加工装置では、レーザ発振器３から紫
外線レーザＬを集束レンズ７及びミラー８を介して駆動
機構５上の加工対象物１に向けて照射する。この時、制
御器６により、後述するシャックハルトマン波面計測器
４による波面測定結果に基づいて、被加工面２上での紫
外線レーザＬの照射状態を最適制御すると共に、紫外線
レーザＬが被加工面２の全面に移動するように駆動機構
５を位置制御する。この短波長の紫外線レーザＬの照射
により被加工面２を非接触で加工する。被加工面２が光
学素子用樹脂の場合には高分子材料のＣ−Ｃ結合が破壊
されてポリマーからモノマーへの分解が生じ、また、石
英ガラスの場合にはＳｉＯ₂が飛散し、加工後の表面が
スムーズな加工が実現される。

【００１９】本発明では、この被加工面２をモニタリン
グ（波面測定）するために被加工面２に対してミラー
８，９を介してシャックハルトマン波面計測器４を配置
する。このシャックハルトマン波面計測器４は、原理的
に、図２に示すように多数のマイクロレンズ１１を配置
したレンズアレイ１２と、そのレンズアレイ１２の各マ
イクロレンズ１１による参照光及び測定光のそれぞれの
結像位置を記録するカメラ（図示せず）等で構成され
る。マイクロレンズ１１は、測定光線の形状にあわせて
空間分解能の高いものやダイナミックレンジの広いもの
を選定すればよい。

【００２０】このシャックハルトマン波面計測器４の動
作原理は以下の通りである。

【００２１】まず、図１に示すように光源１３（又は１
３' ）から照射される所望特性の参照光、例えば平行な
参照光をミラー９（又は１４）を介してシャックハルト
マン波面計測器４に入射させる。このシャックハルトマ
ン波面計測器４内のレンズアレイ１２では、それぞれの
マイクロレンズ１１の焦点位置が光軸上で点像を結び、
その参照光の結像位置を基準としてカメラにより記録す
る。

【００２２】次に、例えば駆動機構５内の光源１５から
照射される測定光を、その駆動機構５上の加工対象物１
の被加工面２を介してミラー８，９（１４）によりシャ
ックハルトマン波面計測器４に入射させる。このシャッ
クハルトマン波面計測器４内のレンズアレイ１２では、
被加工面２の波面ｍに応じてそれぞれのマイクロレンズ
１１の焦点位置が光軸上からずれて点像を結び、その測
定光の結像位置をカメラにより記録する。

【００２３】このシャックハルトマン波面計測器４で
は、前述した参照光の結像位置と被加工面を透過した測
定光の結像位置との差から波面を測定する。この時の参
照光の結像位置を基準とした測定光の結像位置のずれ
（ずれ量とずれ方向）は、被加工面２の波面の傾きに対
応している。

【００２４】尚、測定光の光源１５を前述したように駆
動機構５内に設けた場合には、被加工面２での測定光の
透過光をシャックハルトマン波面計測器４に入射するこ
とになる。また、この光源は、図示しないが、シャック
ハルトマン波面計測器４内に設けることも可能であり、
その場合、被加工面２での測定光の反射光をシャックハ
ルトマン波面計測器４に入射することになる。

【００２５】また、参照光の光源１３ａ（１３ｂ）及び
測定光の光源１５は、加工対象物１の用途に応じて、Ｌ
ＥＤや光ファイバ等を適宜選定して使用すればよく、例
えばビームの形状がきれいで取り扱いやすいＨｅ−Ｎｅ
レーザやスペーシャルフィルタによる点光源等が好適で
ある。

【００２６】制御器６（パソコン等の計算機）では、シ
ャックハルトマン波面計測器４からの出力により参照光
の結像位置を基準とした測定光の結像位置のずれ（ずれ
量及びずれ方向）を算出し、その算出結果に基づいて、
紫外線レーザＬの照射を最適制御すると共に駆動機構５
を位置制御する。

【００２７】尚、この場合、シャックハルトマン波面計
測器４では、参照光の結像位置及び測定光の結像位置の
それぞれのデータが出力されるが、これ以外にも、それ
ぞれの結像位置データから、参照光の結像位置を基準と
した測定光の結像位置のずれを算出した結果を出力する
ことができるシャックハルトマン波面計測器を使用する
ことも可能である。

【００２８】特に、精密加工用レーザ装置などで使用さ
れ、均等なレーザを集光させるための光学素子の光学面
を被加工面としてレーザ加工するに際しては、前述した
シャックハルトマン波面計測器４により被加工面２の波
面をモニタリングしながら、そのモニタリング情報に基
づいて被加工面２を紫外線レーザＬの照射により非接触
で加工して最適な波面となる形状に加工すれば、最適な
波面をリアルタイムで目標設定することができる。尚、
シャックハルトマン波面計測器４による波面測定では、
波面収差が数１００λに及ぶ程度まで測定可能である。

【００２９】本発明は、精密加工用レーザ装置などで使
用され、均等なレーザを集光させるための光学素子やそ
れ以外の各種の光学素子に適用可能である。例えば、図
３に示す実施形態は、加工対象物１として半導体レーザ
１ａ（半導体レーザアレーを含む）の集光レンズ１ｂに
適用したもので、また、図４に示す実施形態は、加工対
象物１として光ファイバカプリング１ｃの前面レンズ１
ｄに適用したものである。この光ファイバカプリング１
ｃは、光ファイバ１ｅの先端に設けられたもので、金属
製筒状部１ｆの内部に充填した樹脂材１ｇに光ファイバ
１ｅの先端を埋設し、その樹脂材１ｇの先端にガラス又
は樹脂製の前面レンズ１ｄを配設した構造を有する。

【００３０】尚、図３及び図４において、図１と同一部
分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。ま
た、図示しないが、加工対象物としては、このほかに
も、一方の面が、通常のレンズと同じ機能を有するフレ
ネルレンズ、リソグラフィ技術と加工技術で作られるバ
イナリオプティクス、又は、回折効果を有するバイナ
リ、ブレーズ、キノフォーム等の回折格子などであり、
他方の面が連続面である光学素子などが適用可能であ
る。尚、前述の回折格子のうち、バイナリは単なる凹凸
面、ブレーズはノコギリ歯状の面のみでそれぞれ形成さ
れたものである。

【００３１】図３及び図４の両実施形態では、加工対象
物１である半導体レーザ１ａ及び光ファイバカプリング
１ｃを駆動機構５に搭載し、紫外線レーザＬは、ミラー
８を介して半導体レーザ１ａの集光レンズ１ｂ又は光フ
ァイバカプリング１ｃの前面レンズ１ｄに照射される。

【００３２】この実施形態での半導体レーザ１ａの集光
レンズ１ｂ及び光ファイバ１ｅの前面レンズ１ｄの波面
測定は以下の通りである。

【００３３】まず、光源１６から照射される所望特性の
参照光、例えば平行な参照光をミラー８を介してシャッ
クハルトマン波面計測器４に入射させる。このシャック
ハルトマン波面計測器４内のレンズアレイ１２では、そ
れぞれのマイクロレンズ１１の焦点位置が光軸上で点像
を結び、その参照光の結像位置を基準としてカメラによ
り記録する。

【００３４】次に、半導体レーザ１ａ又は光ファイバ１
ｅを光源としてその半導体レーザ１ａ又は光ファイバ１
ｅから照射される測定光を集光レンズ１ｂ又は前面レン
ズ１ｄに入射させ、その集光レンズ１ｂ又は前面レンズ
１ｄから出射された透過光をミラー８を介してシャック
ハルトマン波面計測器４に入射させる。このシャックハ
ルトマン波面計測器４内のレンズアレイ１２では、集光
レンズ１ｂ又は前面レンズ１ｄの波面に応じてそれぞれ
のマイクロレンズ１１の焦点位置が光軸上からずれて点
像を結び、その測定光の結像位置をカメラにより記録す
る。

【００３５】このシャックハルトマン波面計測器４で
は、前述した参照光の結像位置と集光レンズ１ｂ又は前
面レンズ１ｄを透過した測定光の結像位置との差から波
面を測定する。このように集光レンズ１ｂ又は前面レン
ズ１ｄにおける波面をシャックハルトマン波面計測器４
で測定した上で、そのシャックハルトマン波面計測器４
からの出力により、参照光の結像位置を基準とした測定
光の結像位置のずれ（ずれ量及びずれ方向）を制御器６
で算出し、その算出結果に基づいて紫外線レーザＬの照
射を最適制御すると共に駆動機構５により半導体レーザ
１ａ及び光ファイバカプリング１ｃを最適位置に制御す
る。

【００３６】上述してきたように、シャックハルトマン
波面計測器４は、その使用形態に応じて予め測定の基準
となるデータを用意した上で使用すると良い。即ち、光
学素子の様々な光学面を基準とすることができ、例え
ば、所望の曲面形状に既に加工されている光学素子の光
学面に参照光を入射させ、その光学面から出射された参
照光（透過光又は反射光）をシャックハルトマン波面計
測器４に入射させてその結像位置を基準とすることが可
能であり、実際に加工する段階において、加工対象物の
被加工面からの測定光により得られた結像位置のずれに
基づいて波面を測定することができる。また、被加工面
を平面に加工するのであれば、シャックハルトマン波面
計測器は単に平行光線による校正さえ行われていれば充
分であり、特別な基準データを必要としない。

【００３７】さらには、測定の基準となるデータには、
光学系設計プログラムをコンピュータ上で用いて予め算
出しておいたものを利用しても良い。この算出した基準
データと、加工対象物の被加工面からの測定光により得
られた結像位置のずれに基づいて波面を測定することが
できる。

【００３８】以上の実施形態では、加工対象物１を駆動
機構５により位置制御するようにしたが、本発明はこれ
に限定されることなく、加工対象物を固定した状態でミ
ラーを移動させて紫外線レーザを走査するようにしても
よい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、所望特性の参照光によ
る結像位置と測定光による結像位置との差から、参照光
の結像位置を基準とした測定光の結像位置のずれを算出
することにより被加工面の波面をシャックハルトマン波
面計測器により測定するようにしたから、波面収差が数
１００λに及ぶ場合でも測定可能となり、加工対象物の
被加工面を作成又は修正するに際して、大きな波面収
差、特に低次の波面収差のみに注目して加工することが
でき、高精度で良好な加工が実現でき、高品質の加工対
象物を製作することができて、その実用的価値は大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学素子加工装置の実施形態を示
す概略構成図

【図２】図１のシャックハルトマン波面計測器の原理を
示す概略構成図

【図３】本発明の他の実施形態で加工対象物が半導体レ
ーザの場合を示す概略構成図

【図４】本発明の他の実施形態で加工対象物が光ファイ
バカプリングの場合を示す概略構成図

【符号の説明】

１加工対象物２被加工面３レーザ発振器４シャックハルトマン波面計測器５駆動機構６制御器Ｌ紫外線レーザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者實野孝久大阪府吹田市山田丘２−６大阪大学レーザー核融合研究センター内 (72)発明者玉村寿東京都品川区北品川５丁目９番31号ソニー・テクトロニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工対象物の被加工面に短波長の紫外線
レーザを照射して被加工面を加工するレーザ発振器と、
多数のマイクロレンズを配置したレンズアレイを備え、
測定光を被加工面を介してレンズアレイに入射させて各
マイクロレンズから出射される測定光から波面を測定す
るシャックハルトマン波面計測器と、シャックハルトマ
ン波面計測器により得られた測定光の測定結果に基づい
て、紫外線レーザの照射を最適制御すると共に紫外線レ
ーザと加工対象物とを相対的に移動させる駆動機構を位
置制御する制御器とを具備したことを特徴とする光学素
子加工装置。
【請求項２】請求項１記載の加工対象物は、光学素子
用樹脂又は光学ガラスからなる母体の表面に光学素子用
樹脂をコーティングした光学面、或いは、光学ガラス、
石英ガラス又は光学素子用樹脂からなる母体の光学面を
被加工面とし、前記光学面を最適な波面となる形状に加
工することを特徴とする光学素子加工装置。
【請求項３】シャックハルトマン波面計測器は、所望
特性の参照光をレンズアレイに入射させて各マイクロレ
ンズから出射される測定光の結像位置と、測定光を被加
工面を介してレンズアレイに入射させて各マイクロレン
ズから出射される測定光の結像位置との差から波面を測
定することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子
加工装置。
【請求項４】前記加工対象物が半導体レーザの集光レ
ンズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
に記載の光学素子加工装置。
【請求項５】前記加工対象物が光ファイバカプリング
の前面レンズであることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれかに記載の光学素子加工装置。
【請求項６】前記加工対象物は、一方の面をフレネル
レンズ、バイナリオプティクス又は回折格子等とし、他
方の面を連続面とした光学素子であることを特徴とする
請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子加工装置。
【請求項７】前記シャックハルトマン波面計測器は、
測定光を被加工面に入射させ、被加工面からの反射光又
は透過光に基づいて波面を測定することを特徴とする請
求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子加工装置。