(57)【要約】【課題】高面角度の球面又は非球面等の形状を有する曲面レンズの面形状測定装置や高ＮＡ光ピックアップ系などに使用する、光を高角度まで回折させることのできる高ＮＡの光機能素子を得る。【解決手段】共に回折パターンを備えた第１面１５ａと第２面１５ｂを持つ回折素子である光機能素子。所定波長の入射光が、第１面１５ａ、第２面１５ｂの順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面（被測定レンズ４０の被検面）で反射されて第２面１５ｂ、第１面１５ａの順に回折偏向されて出射する。入射光は第１面１５ａ及び第２面１５ｂで２回の回折偏向を受けることにより、高ＮＡが達成される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共に回折パターンを備えた第１面と第２面を持つ回折素子であって、
所定波長の入射光が、第１面、第２面の順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面で反射されて、第２面、第１面の順に回折偏向されて出射すること、
を特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記第１面と第２面の回折パターンは平面上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項３】
前記第１面及び第２面の回折パターンはそれぞれの加工径が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光機能素子。
【請求項４】
前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の光機能素子。
【請求項５】
前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の光機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光機能素子、特に、高面角度の球面又は非球面などの形状を有する曲面レンズの面形状測定装置や高ＮＡ光ピックアップ系などに使用される光機能素子に関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
特許文献１：特開平６−１１３２３号公報
特許文献２：特開平６−９４９１９号公報
特許文献３：特開２００１−２７２５１７号公報
【０００３】
特許文献１には、光の干渉を利用して球面あるいは非球面の面形状を測定するトワイマン−グリーン干渉計が開示されており、レンズアライメント用パターンとレンズ測定用パターンを設けた光機能素子を用いている。特許文献２には、回折効率分布が施されている位相変調型ホログラフィ素子が開示されている。また、特許文献３には、２種類の波長の光をそれぞれ別々の集光点に回折させるためのゾーンプレートが開示されている。
【０００４】
従来、作製された非球面レンズの面形状を評価するには、干渉計にゾーンプレートを透過原器として用い、形成された干渉縞を解析する方法が行われている（特許文献１，２参照）。干渉計としてはフィゾー干渉計、トワイマン−グリーン干渉計が知られている。
【０００５】
干渉計にゾーンプレートを透過原器として用いて面形状を測定する方法の主な利点は、非接触測定が可能であること、及び、全体の面形状を一括で取り込めるために測定時間が短くて済むこと、の２点である。
【０００６】
近年、高密度光ディスク（Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ規格等）に代表されるように、光スポットを微小化するために、短波長の青紫色レーザーに加え、高ＮＡの対物レンズが種々作製され、用いられている。そのような対物レンズの多くは、高面角度の球面又は非球面を有する曲面レンズである。この種の曲面レンズの面形状を測定するのに前記利点を有するゾーンプレートを用いる場合、高面角度まで回折させることが可能なゾーンプレートを作製する必要がある。
【０００７】
従来では、特許文献１，２に開示されているように、片面にゾーンプレートを形成した回折面が１面の光機能素子（ゾーンプレート）を用いるのが一般的であった。しかしながら、片面ゾーンプレートでは高面角度の球面又は非球面を有する曲面レンズを良好に測定することが困難であり、その理由は、以下の３点にある。
【０００８】
（１）例えば、波長６３２．８ｎｍにおける場合を考えると、図９に示すように、約３５°回折させるには、回折格子のピッチが約１μｍ（溝部はその半分の０．５μｍ）であり、約６０°回折させるには、回折格子のピッチが約０．７μｍ（溝部はその半分の０．３５μｍ）である。回折格子をレーザーで描画する際に、以下の表１に示すように、高ＮＡの対物レンズを用いてビームを絞ればそれ以下のピッチまで描画可能であるが、以下の表２に示すように、焦点深度が浅くなるため、レーザー描画時のゾーンプレート用基板への振れ対応が必要である。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
【表２】
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【００１１】
（２）図９に示すように、回折格子のピッチが小さくなるほど、回折格子の描画ピッチ誤差に対する回折角度誤差が大きくなり、良好な波面精度が得られない。
【００１２】
（３）図１０に示すように、回折格子のピッチが約１μｍ以下になると、回折効率が大きく低下し、一様な干渉縞コントラストが得られなくなり、測定が困難となる。
【００１３】
そこで、本発明の第１の目的は、光を高角度まで回折させることのできる高ＮＡの光機能素子を提供することにある。
【００１４】
本発明の第２の目的は、前記第１の目的に加えて、作製が容易で、薄型の光機能素子を提供することにある。
【００１５】
本発明の第３の目的は、前記第１の目的に加えて、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能な光機能素子を提供することにある。
【００１６】
本発明の第４の目的は、前記第１の目的に加えて、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能な光機能素子を提供することにある。
【００１７】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明に係る光機能素子は、共に回折パターンを備えた第１面と第２面を持つ回折素子であって、所定波長の入射光が、第１面、第２面の順に回折偏向されて出射した後、外部の反射面で反射されて、第２面、第１面の順に回折偏向されて出射することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る光機能素子において、入射光はまず第１面で回折偏向され、さらに第２面で回折偏向される。第１面と第２面とで順に回折偏向されることで高ＮＡを達成することができる。従って、この光機能素子を干渉計の透過原器として用いることで、高面角度の曲面であってもその面形状を非接触で効率よく測定することができる。また、高密度光ディスク（Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ規格等）用対物レンズ等として光ヒップアップ系に用いることもできる。
【００１９】
本発明に係る光機能素子において、前記第１面と第２面の回折パターンは平面上に形成されていることが好ましい。即ち、両面ゾーンプレートとして構成すれば、作製が容易であり、かつ、薄型となり、小型の光機能素子を得ることができる。
【００２０】
また、前記第１面及び第２面の回折パターンはそれぞれの加工径が異なるように形成してもよい。この場合、第２面の回折パターンの加工径を第１面の回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きくすれば、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能である。
【００２１】
本発明に係る光機能素子において、前記第１面及び第２面の少なくとも一方に、面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けてもよい。この場合も、干渉縞が面内で一様なコントラストとなるように測定に不要な光の影響を低減することが可能である。
【００２２】
あるいは、前記第１面に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けてもよい。この場合、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能である。また、第２面に、回折効率が向上するような光学機能膜を設けてもよい。この場合も、干渉縞のコントラストが良好となるように、入射光と出射光のバランスを調整することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光機能素子の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２４】
（フィゾー干渉計、図１参照）
まず、図１を参照して、本発明に係る光機能素子を透過原器（ゾーンプレート）として使用するフィゾー干渉計について説明する。
【００２５】
この干渉計は、光源ユニット１、発散レンズ１０、コリメータレンズ１１、ゾーンプレート１５、ビームスプリッタ２１、結像レンズ３０、干渉縞観察用撮像素子（ＣＣＤカメラ）３１、及び、モニタ３２を備えている。４０は曲面を有する被測定レンズであり、該曲面は高面角度を有する非球面とされている。光源ユニット１は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーが用いられている。
【００２６】
ゾーンプレート１５は、以下に詳述するように、第１面１５ａ及び第２面１５ｂに所定波長（例えば、波長６３２．８ｎｍ）に対する回折格子を形成した、いわゆる両面ゾーンプレートであり、第１面１５ａの０次反射光を参照面として使用している。
【００２７】
ビームスプリッタ２１は前記所定波長の光に対してハーフミラーとして機能する。光源ユニット１から所定波長の光が放射されると、この光はビームスプリッタ２１で反射光と透過光に分割される。このうち透過光はコリメータレンズ１１を経てゾーンプレート１５の第１面１５ａ及び第２面１５ｂで順次回折偏向され、被測定レンズ４０の面形状に対応した形状測定用波面となる。
【００２８】
被測定レンズ４０の非球面が設計値どおりに作製されていれば、形状測定波面は非球面（被検面）で反射された後、入射してきた光路を逆に進行してビームスプリッタ２１に入射する。ビームスプリッタ２１に再入射した光の一部は反射され、結像レンズ３０を経て撮像素子３１に至る。一方、ゾーンプレート１５の参照面（第１面１５ａ）で反射した光は参照光となり、同様にビームスプリッタ２１に再入射して反射され、結像レンズ３０を経て撮像素子３１に至る。
【００２９】
ここで、撮像素子３１において被検面からの面反射光と参照光とは相互に干渉し、干渉縞を形成する。この干渉縞を解析することにより被検面の形状誤差を判定することができる。
【００３０】
（凹面の測定、図２参照）
図１はゾーンプレート１５を用いてレンズ４０の凸面形状を測定する場合を示している。ゾーンプレート１５は、図２に示すように、レンズ４１の凹面形状を測定することもできる。この場合、ゾーンプレート１５の第１面１５ａ及び第２面１５ｂで順次回折偏向させた光を拡散させて被測定レンズ４１の凹面に照射させる。
【００３１】
（両面ゾーンプレートの作製）
前記ゾーンプレート１５は、入射光を高面角度まで回折させる機能を達成するため、第１面１５ａ及び第２面１５ｂに回折パターンを有する一対若しくは１枚の両面ゾーンプレートとして作製した。
【００３２】
なお、この両面ゾーンプレートはレーザー描画によりパターニングされたバイナリの位相型ゾーンプレートを想定しており、回折次数としては主に１次の回折光を用いる。
【００３３】
前記干渉計において被検面の面形状を評価する際には、両面の回折パターンどうしが偏心調整されていることが必要である。偏心調整は平行偏心及び傾き偏心の両方について行う必要がある。この偏心調整を行う方法は二つある。
【００３４】
第１の方法：１枚の平行平面基板を用いて、両面同時、若しくは、基板を取り外さずに連続して表裏面の描画を行う。同じ回転軸で描画を行うために平行偏心及び傾き偏心を解消できる。
【００３５】
第２の方法：平行平面基板に片面ゾーンプレート（回折パターン）をそれぞれ２枚描画し、それらの偏心調整を行って一体化する。
【００３６】
第１の方法において、片面から両面描画するには、以下の３点が必要となる。
（１）描画は２種類の波長の光を用いて行う。
（２）互いの波長の光に感度を有しないレジストを用いる。
（３）基板厚み分の球面収差補正をした対物レンズが必要である。
【００３７】
しかし、２種類の波長の光を用いるために描画装置にレーザーを追加する必要があること、互いの波長で感度を有しないレジストを作製することは容易ではないこと、また、球面収差補正用の対物レンズを新規に制作する必要がある。
【００３８】
また、第１の方法において、両面から描画するにも、前記（３）の対物レンズが不要となっても、前記（１）及び（２）は必要である。
【００３９】
さらに、前記（１）及び（２）を解消する方法として二光子吸収を用いることも考えられるが、そのようなレジストを作製することは容易ではない。
【００４０】
そこで、第２の方法によって両面ゾーンプレートを作製することにした。傾き偏心は高精度の平行平面基板を用いることで解決した。平行偏心は、２枚の基板を光学密着させて片面から平行光を入射させ、その点像を顕微鏡で観察することで調整を行った。例えば、１次回折光×１次回折光の点像と、０次透過光×１次回折光の点像とが一つになるようにすればよい。片方の基板を固定し、他方の基板をマイクロメータヘッド等の送り機構により平行偏心させて調整を行う。
【００４１】
（ゾーンプレートの第１例、図３参照）
図３に両面ゾーンプレートの第１例を示す。このゾーンプレート１５Ａは、実際にレンズ４０の反射波面を測定する際に必要な部分（有効径）にのみ回折格子を作製したものである。被測定レンズは凸面を想定しており、従って、第２面１５ｂの回折パターンの加工径（＝有効径）は第１面１５ａの回折パターンの加工径よりも小さく形成されている。
【００４２】
この第１例では、第１面１５ａでの０次透過光が第２面１５ｂでの回折パターンが形成されていない基板のままの部分１５ｂ’で反射され、観察したい干渉縞（被測定レンズ４０の反射波面と第１面１５ａの０次反射波面との干渉縞）に重なってしまい（図３（Ａ）参照）、干渉縞のコントラストが低下する。
【００４３】
本来測定したいレンズ４０の反射波面の効率は、１次回折効率を３７％、レンズ４０での反射率を４％とすると、０．３７４×０．０４＝０．０００７５である。これに対して、基板のままの部分１５ｂ’で発生する０次反射光の効率は、０次透過効率を７％、基板（第２面部分１５ｂ’）での反射率を４％とすると、０．０７２×０．０４＝０．０００２０である。この０次反射光は、干渉縞の観察（被測定レンズ４０の反射波面と第１面１５ａ０次反射波面との干渉縞）に不要であるが、基板のままの部分１５ｂ’で発生する０次反射光は比較的大きく、実際上干渉縞がその部分だけ明るくなってしまう。
【００４４】
（ゾーンプレートの第２例、図４参照）
図４に両面ゾーンプレートの第２例を示す。このゾーンプレート１５Ｂは、前記第１例のゾーンプレート１５Ａでの不具合点（コントラストの低下）を解消したもので、第２面１５ｂの回折パターンの加工径を、第１面１５ａの回折パターンの有効径（測定する際に必要な部分）と同じか、それよりも大きく形成した。
【００４５】
この第２例では、第１例での基板のままの部分１５ｂ’にも回折パターンが形成されていることにより、０次反射光の効率が小さくなる。そのため、干渉縞の観察（被測定レンズ４０の反射波面と第１面１５ａ０次反射波面との干渉縞）への不要な０次反射光の及ぼす影響は小さく、第１面１５ａの面内での干渉縞のコントラストがほぼ一様になり（図４（Ａ）参照）、干渉縞を良好に観察することが可能になる。
【００４６】
（ゾーンプレートの第３例、図５参照）
図５に両面ゾーンプレートの第３例を示す。このゾーンプレート１５Ｃは、前記第１例のゾーンプレート１５Ａと同様に、実際にレンズ４０の反射波面を測定する際に必要な部分（有効径）にのみ回折格子を形成したものである。
【００４７】
被測定レンズは凸面であることを想定して、第２面１５ｂの回折パターンの加工径（＝有効径）は第１面１５ａの回折パターンの加工径よりも小さく形成されている。そして、第２面１５ｂでのパターンが形成されていない基板のままの部分に反射防止膜１６を設けた。即ち、第２面１５ｂの面内の反射率に分布を施すための光学機能膜を設けた。
【００４８】
この第３例では、反射防止膜１６によって第２面１５ｂでの０次反射光が小さくなり、前記第２例のゾーンプレート１５Ｂと同様に、干渉縞の観察（被測定レンズ４０の反射波面と第１面１５ａ０次反射波面との干渉縞）への不要な０次反射光の及ぼす影響は小さく、第１面１５ａの面内での干渉縞のコントラストがほぼ一様になり（図５（Ａ）参照）、干渉縞を良好に観察することが可能になる。
【００４９】
（ゾーンプレートの第４例、図６参照）
両面ゾーンプレート１５としては、第１面１５ａ及び第２面１５ｂの少なくとも一方に、面全体の反射率を調整する光学機能膜を設けてもよい。このような両面ゾーンプレートを第４例として説明する。
【００５０】
図６は、第１面１５ａのゾーンプレート用基板１７と光学機能膜１８と回折格子を形成しているレジスト１９を示している。第１面１５ａの０次反射光の波面を前記フィゾー干渉計に用いる参照面としている。
【００５１】
光学機能膜１８はそれを設けないときの０次反射光の効率に比べて、設けたときの０次反射光の効率が低くなるように設計されている。つまり、被測定レンズ４０からの反射光量に対し、参照面の光量が大きい場合、参照面の光量を小さくすることで、参照面の光量と被測定レンズ４０からの反射光量とのバランスを調整する。バランスを調整する（光量比を１：１に近づける）ことにより、干渉縞のコントラスト（面内の一様さではなく、全体のコントラスト）が改善され、干渉縞を良好に観察することが可能となる。
【００５２】
ここで、ゾーンプレート用基板に形成する光学機能膜として反射防止膜を用いた場合について、その反射面と参照面との光量比を考察する。図７に反射防止膜を設けない場合、図８に反射防止膜を設けた場合の光量をシミュレーションした結果を示す。評価する面角度は６３°を想定している。レジスト膜厚をパラメータとして面角度６３°（回折格子のピッチ：１．４２μｍ）での光量をシミュレーションした。基板の屈折率は１．４５８、レジストの屈折率は１．６８で計算を行っている。
【００５３】
図７及び図８において、それぞれ、（Ａ）は、第１面及び第２面に形成された回折格子での１次回折光の効率に、被測定レンズでの反射率を５．５％として乗じたものを反射面光量としてプロットしたものである。なお、ゾーンプレートに入射した光は、第１面（１次回折光）、第２面（１次回折光）、被測定レンズ（正反射光）、第２面（１次回折光）、第１面（１次回折光）の光路を通る。
【００５４】
同じく、（Ｂ）は参照面である第１面での０次反射光の効率を、（Ｃ）は前記両者（参照面／反射面）の光量比を示す。反射防止膜を設けない場合（図７（Ｃ）参照）その光量比が最小となるのはレジスト膜厚５５０ｎｍにおいて１１：１である。反射防止膜を設けた場合（図８（Ｃ）参照）、その光量比は最小となるのはレジスト膜厚４００ｎｍにおいて１．７：１である。光量比が１：１に近いほど干渉縞のコントラストは向上し、高精度に被検面の曲面形状の測定を行うことが可能となる。
【００５５】
（他の光機能素子の作製方法）
なお、以上に説明した両面に回折格子を設けた光機能素子以外にも、回折面が１面で、もう１面を屈折面（レンズ面）とした光機能素子を用いることで、最終的に高面角度まで光を曲げることが可能である。しかし、面形状を評価する際には、回折面と屈折面が偏心調整されていることが必要である。偏心調整は平行偏心及び傾き偏心の両方について行う必要がある。この偏心調整を行う方法は二つある。
【００５６】
第１の方法：平凸レンズをゾーンプレート用基板として用い、描画回転中心とゾーンプレート用基板とを偏心調整したうえで描画を行う。なお、屈折面は球面レンズを用いれば、平行偏心調整のみでよい。
【００５７】
第２の方法：平行平面基板にゾーンプレートを描画し、該ゾーンプレートと別途用意した平凸レンズの偏心調整を行う。なお、平凸レンズでなくても使用可能であるが、接合させる面が平面のほうが容易であり、また、第１の方法と同様に球面レンズを用いれば、平行偏心調整のみでよい。
【００５８】
第１の方法は、例えば、まず、玉枠にゾーンプレート用基板である平凸レンズを偏心調整して取り付ける。次に、ゾーンプレート描画用のレジストを塗布する。さらに、ゾーンプレート描画装置に前記玉枠を基準として前記平凸レンズを取り付ける。つまり、玉枠を介して、ゾーンプレート用基板である平凸レンズが描画装置に偏心調整された状態で取り付けられた状態となる。
【００５９】
しかし、玉枠への平凸レンズの取り付けはオートコリメータ等の光学的手法により高精度に行うことが可能であっても、その次にゾーンプレート描画装置に取り付ける基準となるのは玉枠の外径である。機械加工された外径を基準として用いて、平行偏心１μｍ以下の精度を達成することは、機械加工の精度から考えると必ずしも容易ではない。
【００６０】
また、第１の方法の別法として、前記平凸レンズを描画装置に取り付けた状態で、オートコリメータ等の光学的手法により偏心調整を行う方法も考えられる。但し、ゾーンプレート描画用のレジストを塗布する方法が問題となる。レジストを塗布した状態でオートコリメータ等の光を当てると、レジストが感光してしまう。オートコリメータ等の光源の波長を、レジストの感度がない波長の光を使うことで原理的には可能である。さらに、オートコリメータ等で偏心調整をした後、レジストを塗布する方法も考えられる。
【００６１】
第２の方法は、前述の両面ゾーンプレートの偏心調整と同様に、片側から平行光を入射させて、その点像を顕微鏡で観察することで偏心調整ができる可能性がある。例えば、回折面での１次回折光が屈折面に入射して集光した点像と、回折面での０次透過光が屈折面に入射して集光した点像とが一つに重なるようにすればよい。
【００６２】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る光機能素子は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００６３】
例えば、本発明に係る光機能素子を透過原器として用いる干渉計は、前記フィゾー干渉計のみならずトワイマン−グリーン干渉計であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光機能素子を用いたフィゾー干渉計の概略構成図。
【図２】前記フィゾー干渉計を用いて被測定レンズの凹面を測定する場合を示す立面図。
【図３】本発明に係る光機能素子の第１例を示す説明図、（Ａ）は干渉縞を示し、（Ｂ）は光路を示す。
【図４】本発明に係る光機能素子の第２例を示す説明図、（Ａ）は干渉縞を示し、（Ｂ）は光路を示す。
【図５】本発明に係る光機能素子の第３例を示す説明図、（Ａ）は干渉縞を示し、（Ｂ）は光路を示す。
【図６】本発明に係る光機能素子の第４例を示す断面図、光学機能膜を設けた場合を示す。
【図７】本発明に係る光機能素子において、反射防止膜を設けない場合の、反射面と参照面の光量比（干渉縞のコントラストに相当）を示すグラフ。
【図８】本発明に係る光機能素子において、反射防止膜を設けた場合の、反射面と参照面の光量比（干渉縞のコントラストに相当）を示すグラフ。
【図９】波長６３２．８ｎｍにおける、回折格子ピッチと１次回折光の回折角度との関係を示すグラフ。
【図１０】波長６３２．８ｎｍにおける、回折格子ピッチと０次反射光及び１次回折光の効率との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１５，１５Ａ〜１５Ｃ…両面ゾーンプレート
１５ａ…第１面
１５ｂ…第２面
１６，１８…反射防止膜
４０，４１…被測定レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004294520.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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