JP7647481B2 - イマージョン回折素子 - Google Patents

Description

本発明は、イマージョン回折素子に関する。

従来、波長分解能の向上及び小型化の両立が可能な、イマージョン回折素子が提案されていた。近年の微細加工技術や材料技術の進展により、イマージョン回折素子の実現が可能となり、イマージョン回折素子が注目されている。

イマージョン回折素子は、例えば、プリズムに回折部が設けられた構成を有する。回折部においては、複数の回折溝が周期的に設けられている。イマージョン回折素子による分光に際し、光はプリズムを通り、回折部において反射及び分光される。その後、分光された光がプリズムから出射される。

プリズムの屈折率をｎとした場合、光がプリズムを通るときには、光の波長は１／ｎとなる。よって、分光するために必要な回折溝のピッチは１／ｎとなる。そのため、イマージョン回折素子を小型にしても、多数の回折溝を設けることができ、波長分解能を高めることができる。

下記の特許文献１には、イマージョン回折素子の一例としての回折格子が開示されている。この回折格子においては、ＩｎＰまたはＩｎＡｓの結晶材料に、格子溝が設けられている。格子溝は、結晶材料の結晶方位（１１０）面である面を含んでいる。

特開２０１５－１２１６０５号公報

イマージョン回折素子が用いられた光学デバイスを使用する際、実際には、イマージョン回折素子の回折部の表面に異物が付着することがある。この場合、イマージョン回折素子による光の回折に不具合が生じるおそれがある。さらに、イマージョン回折素子の表面から異物を除去する際に、回折部が破損するおそれもある。

本発明の目的は、回折の不具合を抑制することができ、かつ回折部が破損し難い、イマージョン回折素子を提供することにある。

本発明に係るイマージョン回折素子は、回折部と、回折部を囲むように設けられているリブとを有する本体部と、リブ上に設けられている蓋部とを備えることを特徴とする。

リブを構成する材料と蓋部を構成する材料との熱膨張係数の差の絶対値が１７０×１０^－７／℃以下であることが好ましい。

回折部が非晶質ガラスからなることが好ましい。

リブがガラスからなることが好ましい。

蓋部がガラス、セラミック、金属または樹脂からなることが好ましい。

本体部において、回折部及びリブが一体として設けられていることが好ましい。

本体部が、プリズム部を含み、プリズム部及び回折部が一体として設けられていることが好ましい。または、本体部が、主面を有するプリズム部を含み、回折部がプリズム部の主面上に設けられていることが好ましい。

本発明によれば、回折の不具合を抑制することができ、かつ回折部が破損し難い、イマージョン回折素子を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係るイマージョン回折素子の本体部を、プリズム部の第１の面の法線方向から見た図である。 図３は、本発明のイマージョン回折素子の本体部における分光を説明するための、リブを省略した模式的断面図である。 図４は、図３における回折部の拡大図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の変形例に係るイマージョン回折素子の断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。なお、図１は、イマージョン回折素子の、後述する図２中のＩ－Ｉ線に沿う断面を示す図である。

イマージョン回折素子１は本体部２を有する。本体部２は、プリズム部３と、回折部４と、リブ５とを含む。本実施形態の本体部２においては、プリズム部３、回折部４及びリブ５が一体として設けられている。もっとも、プリズム部３、回折部４及びリブ５は、それぞれ別体として設けられていてもよい。

プリズム部３は三角柱状の形状を有する。プリズム部３は、第１の面３ａと、第２の面３ｂと、第３の面３ｃとを有する。これらの面は、三角柱状の形状における側面に相当する。プリズム部３の第１の面３ａには、複数の回折溝４ｄが周期的に設けられている。これにより、回折部４が構成されている。より具体的には、複数の回折溝４ｄは、回折部４の形状が階段状となるように設けられている。各回折溝４ｄは、第４の面４ａ及び第５の面４ｂを有する。本実施形態では、第４の面４ａ及び第５の面４ｂは直交している。

図２は、第１の実施形態に係るイマージョン回折素子の本体部を、プリズム部の第１の面の法線方向から見た図である。

プリズム部３の第１の面３ａにおいて、回折部４を囲むように、リブ５が設けられている。リブ５は、第１の面３ａの法線方向から見たときに、枠状の形状を有する。より具体的には、リブ５は開口部５ａと、開口端面部５ｂとを有する。開口部５ａ内に回折部４が配置されている。

図１に戻り、本体部２におけるリブ５上に、蓋部６が設けられている。より具体的には、蓋部６は、リブ５の開口部５ａを塞ぐように、リブ５の開口端面部５ｂ上に設けられている。本実施形態においては、蓋部６はリブ５の開口端面部５ｂの全面に接合されている。もっとも、リブ５の開口端面部５ｂは、蓋部６に接合されていない部分を有していてもよい。リブ５の開口部５ａが蓋部６により塞がれていればよい。

蓋部６は板状の形状を有する。蓋部６の厚み方向から見たときに、蓋部６の形状は矩形である。もっとも、蓋部６の上記方向から見た形状は、矩形には限定されず、円形、楕円形または矩形以外の多角形等であってもよい。蓋部６は、リブ５の開口部５ａを塞ぐように構成されていればよい。

図３は、イマージョン回折素子の本体部における分光を説明するための、リブを省略した模式的断面図である。図４は、図３における回折部の拡大図である。図３及び図４においてはハッチングを付していない。

図３に示すように、プリズム部３の第２の面３ｂは、イマージョン回折素子１の入射部である。なお、回折部４は、図４に示す底点部４ｃを含む。より具体的には、回折部４は複数の底点部４ｃを含む。図３に示すように、光Ａは第２の面３ｂから入射し、プリズム部３内を通り、回折部４に至る。そして、光Ａは、回折部４における各第４の面４ａ、各底点部４ｃにおいて反射及び回折されることで分光される。図３中における破線の矢印及び一点鎖線の矢印は、分光された光の例を示す。分光された光は、プリズム部３から出射される。なお、図３中の波状の線により示すように、プリズム部３外における光Ａの波長よりも、プリズム部３内における光Ａの波長は短くなっている。そのため、分光に必要な回折溝４ｄのピッチを短くすることができる。従って、イマージョン回折素子１においては、波長分解能の向上及び小型化を両立させることができる。

図１に戻り、本実施形態の特徴は、回折部４を囲むようにリブ５が設けられており、かつリブ５上に蓋部６が設けられていることにある。蓋部６及びリブ５によって回折部４が保護されているため、回折部４の表面に異物が付着し難い。よって、長期の使用にわたっても、イマージョン回折素子１による回折に不具合が生じ難い。さらに、回折部４の表面に異物が付着し難いことから、異物を除去するための部材が回折部４に接触することや、回折部４から異物が剥離すること等も生じ難い。従って、回折部４が破損し難い。加えて、イマージョン回折素子１が光学デバイス等に用いられた際、リブ５及び蓋部６によって、回折部４を他の素子との接触から保護することもできる。このように、回折部４はより一層破損し難い。

以下において、イマージョン回折素子１における各部材の材料の例を示す。

プリズム部３には、例えば、Ｓｉまたはガラスを用いることができる。プリズム部３にガラスを用いる場合、非晶質ガラスを用いてもよい。なお、本明細書において、「非晶質ガラス」とは、粉末Ｘ線回折による測定で、結晶ピークが認められず、ガラス特有のハローパターンが認められるものをいう。非晶質ガラスとして、例えばカルコゲナイドガラスを用いてもよい。非晶質ガラスの組成としては、モル百分率で、Ｔｅ ４％～８０％、Ｇｅ ０％～５０％（但し０％を含まない）、Ｇａ ０～２０％を含有することが好ましい。あるいは、非晶質ガラスの組成としては、モル百分率で、Ｓ ５０％～８０％、Ｓｂ ０％～４０％（但し０％を含まない）、Ｇｅ ０％～１８％（但し０％を含まない）、Ｓｎ ０％～２０％、Ｂｉ ０％～２０％を含有することが好ましい。

回折部４には、例えば、プリズム部３の材料の例として挙げたガラスと同様のガラスを用いることができる。なお、回折部４には、プリズム部３の材料の例として挙げた非晶質ガラスと同様の非晶質ガラスを用いることが好ましい。

リブ５には、例えば、ガラス、セラミック、金属または樹脂を用いることができる。なお、リブ５には、ガラスを用いることが好ましく、プリズム部３の材料の例として挙げた非晶質ガラスと同様の非晶質ガラスを用いることがより好ましい。

蓋部６には、例えば、ガラス、セラミック、金属または樹脂を用いることができる。

リブ５を構成する材料と蓋部６を構成する材料との熱膨張係数の差の絶対値が、１７０×１０^－７／℃以下であることが好ましく、１５０×１０^－７／℃以下であることがより好ましい。これにより、温度変化が生じた際に、熱膨張量や熱収縮量の違いにより、リブ５から蓋部６が剥離し難くなる。

本実施形態のように、プリズム部３及び回折部４が一体として設けられていることが好ましい。この場合には、イマージョン回折素子１は、プリズム部３及び回折部４の界面を有しない。よって、該界面における光の反射は生じないため、光の利用効率を効果的に高めることができる。

回折部４及びリブ５は一体として設けられていることが好ましい。それによって、回折部４及びリブ５を同時に形成することができ、生産性を高めることができる。具体的には、例えば、本体部２の母材としてのプリズムにおける、図１に示す第１の面３ａに相当する面にモールドプレス成型を行うことによって、回折部４及びリブ５を形成すればよい。特に、イマージョン回折素子１を小型にする場合には、回折部４及びリブ５の間の距離は狭くなる。そのため、回折部４及びリブ５を個別に設ける場合には、高精度の位置決めを要する。これに対して、上記のようにモールドプレス成型を用いる場合には、回折部４及びリブ５の間における位置ずれは生じ難い。このように、イマージョン回折素子１を容易に小型にすることができる。

リブ５及び蓋部６は、例えば、オプティカルコンタクトまたは表面活性化接合等の常温接合法により接合することが好ましい。それによって、リブ５及び蓋部６の接合部において残留応力が生じ難く、蓋部６の剥離が生じ難い。上記の場合には、リブ５及び蓋部６は、他の部材を介さずに接合されている。もっとも、リブ５及び蓋部６を接着剤等により接合してもよい。

上述したように、回折部４及びリブ５は別体として設けられていてもよい。この例を変形例として示す。

（変形例）
図５に示す第１の実施形態の変形例においては、プリズム部１３の第１の面１３ａ上にリブ１５が設けられている。リブ１５は、回折部４を囲むように設けられている。本変形例においても、第１の実施形態と同様に、イマージョン回折素子による回折に不具合が生じ難く、かつ回折部４が破損し難い。

プリズム部１３及びリブ１５は、オプティカルコンタクトまたは表面活性化接合等の常温接合法により接合することが好ましい。それによって、プリズム部１３及びリブ１５の接合部において残留応力が生じ難く、リブ１５の剥離が生じ難い。上記の場合には、プリズム部１３及びリブ１５は、他の部材を介さずに接合されている。もっとも、プリズム部１３及びリブ１５を接着剤等により接合してもよい。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。

本実施形態は、プリズム部２３と、回折部２４及びリブ５とが別体として設けられている点において、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態のイマージョン回折素子２１は第１の実施形態のイマージョン回折素子１と同様の構成を有する。

イマージョン回折素子２１の回折部２４は、板状部材２７を有する。板状部材２７は、回折部形成面２７ａと、接合面２７ｂとを有する。回折部形成面２７ａ及び接合面２７ｂは互いに対向している。回折部形成面２７ａに、複数の回折溝４ｄが周期的に設けられている。これにより、回折部２４が構成されている。回折溝４ｄの形状は、第１の実施形態と同様である。

なお、回折部２４及びリブ５は一体として設けられている。より具体的には、板状部材２７の回折部形成面２７ａ上における、複数の回折溝４ｄが設けられている部分を囲むように、リブ５が設けられている。本実施形態における回折部２４及びリブ５は、例えば、モールドプレス成型によって得ることができる。

一方で、プリズム部２３は、第１の面２３ａと、第２の面３ｂと、第３の面３ｃとを有する。第２の面３ｂ及び第３の面３ｃは第１の実施形態と同様に構成されている。第１の面２３ａは、本発明におけるプリズム部の主面である。第１の面２３ａ上に回折部２４が設けられている。より具体的には、第１の面２３ａ及び板状部材２７の接合面２７ｂが接合されている。

プリズム部２３及び回折部２４は、例えば、オプティカルコンタクトまたは表面活性化接合等の常温接合法により接合すればよい。なお、プリズム部２３及び回折部２４は、オプティカルコンタクトにより接合することが好ましい。これにより、プリズム部２３及び回折部２４の間において空隙が生じることをより確実に抑制することができる。よって、プリズム部２３及び回折部２４の間において反射が生じ難く、光の利用効率をより確実に高めることができる。

本実施形態においては、プリズム部２３及び回折部２４は他の部材を介さずに接合されている。なお、プリズム部２３及び回折部２４の間に下地膜が設けられていてもよい。下地膜が接合部材として用いられていてもよい。下地膜には、例えばＳｉを用いることができる。

図６に示すように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、回折部２４を囲むようにリブ５が設けられており、かつリブ５上に蓋部６が設けられている。蓋部６及びリブ５によって回折部２４が保護されているため、イマージョン回折素子２１による回折に不具合が生じ難く、かつ回折部２４が破損し難い。

プリズム部２３を構成する材料と、回折部２４を構成する材料との熱膨張係数の差の絶対値が、１７０×１０^－７／℃以下であることが好ましく、１５０×１０^－７／℃以下であることがより好ましい。それによって、温度変化が生じた際においても、プリズム部２３から回折部２４が剥離し難い。

プリズム部２３を構成する材料と、回折部２４を構成する材料との波長１０μｍにおける屈折率差の絶対値が、０．３以下であることが好ましく、０．２５以下であることがより好ましい。この場合には、プリズム部２３及び回折部２４の界面における光の反射が抑制されるため、光の利用効率を高めることができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るイマージョン回折素子の断面図である。

本実施形態は、プリズム部３の第２の面３ｂに反射防止膜３８が設けられている点、及び回折部４の表面が反射膜３９によって覆われている点において、第１の実施形態と異なる。具体的には、反射膜３９は、回折部４の第４の面４ａ及び第５の面４ｂを覆っている。上記の点以外においては、本実施形態のイマージョン回折素子３１は第１の実施形態のイマージョン回折素子１と同様の構成を有する。

プリズム部３の第２の面３ｂは、イマージョン回折素子３１における入射部である。該入射部に反射防止膜３８が設けられていることにより、入射光が反射され難い。よって、光の利用効率を高めることができる。なお、反射防止膜３８はＧｅ、Ｓｉ、フッ化物、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、及びダイヤモンドライクカーボンから選択される少なくとも１種以上からなることが好ましい。

上記のように、回折部４の表面は反射膜３９によって覆われている。これによって、プリズム部３に入射した光を、回折部４においてより確実に反射させることができ、より確実に分光させることができる。反射膜３９には、例えば、Ａｕ等の金属を用いることができ、Ａｕの下地膜としてＳｉを用いてもよい。この場合には、入射光の反射及び分光を容易に、かつより確実に行うことができる。

加えて、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、回折部４を囲むようにリブ５が設けられており、かつリブ５上に蓋部６が設けられている。蓋部６及びリブ５によって回折部４が保護されているため、イマージョン回折素子３１による回折に不具合が生じ難く、かつ回折部４が破損し難い。

１…イマージョン回折素子
２…本体部
３…プリズム部
３ａ～３ｃ…第１～第３の面
４…回折部
４ａ，４ｂ…第４，第５の面
４ｃ…底点部
４ｄ…回折溝
５…リブ
５ａ…開口部
５ｂ…開口端面部
６…蓋部
１３…プリズム部
１３ａ…第１の面
１５…リブ
２１…イマージョン回折素子
２３…プリズム部
２３ａ…第１の面
２４…回折部
２７…板状部材
２７ａ…回折部形成面
２７ｂ…接合面
３１…イマージョン回折素子
３８…反射防止膜
３９…反射膜

Claims (5)

1. 回折部と、前記回折部を囲むように設けられているリブと、を有する本体部と、
   前記リブとは別体であり、前記リブ上に設けられている蓋部と、
   を備え、
   前記本体部が、主面を有するプリズム部を含み、
   前記プリズム部の前記主面に、前記回折部及び前記リブが設けられており、
   前記プリズム部の前記主面の法線方向から見たときに、前記リブが前記主面の外周縁の内側に位置しており、
   前記プリズム部、前記回折部及び前記リブが一体として設けられている、イマージョン回折素子。
2. 前記リブを構成する材料と前記蓋部を構成する材料との熱膨張係数の差の絶対値が１７０×１０^－７／℃以下である、請求項１に記載のイマージョン回折素子。
3. 前記回折部が非晶質ガラスからなる、請求項１または２に記載のイマージョン回折素子。
4. 前記リブが非晶質ガラスからなる、請求項１～３のいずれか１項に記載のイマージョン回折素子。
5. 前記蓋部がガラス、セラミック、金属または樹脂からなる、請求項１～４のいずれか１項に記載のイマージョン回折素子。

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