最新の超精密加工装置による光学素子の製作
理化学研究所 光量子工学研究領域
先端光学素子開発チーム
チームリーダー 山形 豊
第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウス

1

講演の概要
1.
2.
3.
4.
5.
6.

回折格子の加工手法
超精密加工装置の歴史・超精密加工装置の要素
回折格子加工による超精密加工装置の精度評価
曲線・曲面上への回折格子加工事例
Geイマージョンングレーティングの加工
まとめと今後の展望

第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウス2イマージョングレーティングの加工■イマージョングレーティングとは…
＝ 光路中を透明媒質で満たされた反射型回折格子■イマージョングレーティングの角度分散＝ 媒質の屈折率に比例（ゲルマニウムの屈折率） = 4 （λ=1.6～20μm）→通常の回折格子の1/4のサイズで同一の分解能を得ることができる。

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各種グレーティングの構成ス

3

ゲルマニウムイマージョングレーティング形状

723093.2

1003068.75°

28[μm]

nGe = 4.0

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材質：単結晶ゲルマニウム
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ス

4

加工条件
ワーク
加工装置
砥石電解ドレッシン
グ条件

加工条件(#20000 のとき)ゲルマニウム単結晶 (30×30×72mm)
超精密 5 軸 CNC 加工機
ULG-100CH3(東芝機械(株))鋳鉄ボンドダイヤモンド砥石
(冨士ダイス(株))(SD4000N100M: 60φ×5W×5x×6H)(SD20000N100M: 60φ×5W×5x×6H)
ELID 電源 ED-1503T(冨士ダイス(株))電圧 Vp = 60V, 最大電流 Ip = 5A
パルス間隔 on= 5 s
パルス波形 矩形波
砥石回転数 5000rpm
送り速度 600mm/min (X 方向)
切込量 1 m／回

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ス

5

加工の様子

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ス

6

加工されたゲルマニウムイマージョングレーティング

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ス

7加工結果の評価■格子形状の測定

非接触三次元形状測定装置 NH-3（三鷹光器㈱）－ダイヤモンド砥石の摩耗により先端が丸まっている－格子面が理想形状に比べて傾いている→ 2μm帯用の回折格子を加工するためには、砥石の摩耗を低減する必要がある。
→ 10μm帯用の回折格子であれば、実用的なImmersion Gratingの加工が可能[μm]
16800255075■表面粗さの測定

100

[μm]

125150175200225

表面粗さ測定器 サーフテスト701（ミツトヨ㈱）－rms表面粗さ（回折効率に比例）・・・30.7nmRq→ 2μm帯用の回折格子としては、散乱が大きすぎる。
→ 10μm帯においては、2.4%の散乱
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ス8光学特性評価結果
Far field image

加工されたGIG

オプティカルフラット

強度分布633nm

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3.9mm
9イマージョングレーティングのまとめ
１． 天体観測用の中間赤外線高分散分光器の分散素子としてゲルマニウム
Immersion Gratingを、ELID研削を用いたマイクロ研削加工により試作し、各種評価を行った。
２．試作したImmersion Gratingは2.2mm帯で使用するためには、格子形状、表面粗さともに改善が必要。
３．現状の加工方法によれば、10mm帯用のImmersion Gratingであれば、製作は可能である。
４．砥石の改質（砥粒粒度、集中度、ボンド材）や加工方法の改善により、表面粗さ・格子形状とも向上が見込まれる。

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ス10回折格子の加工•••••

機械刻線式（ルーリングエンジン）– 金などの軟質金属上に、バニシングと呼ばれる手法で刻線を行う方法。（塑性加工）– ４０年以上前からレーザー測長器と高精度機械送り機構の組み合わせにより実現されている。
– ブレーズ化された回折格子の製作が可能– 迷光（表面粗さなどのランダムな形状誤差による散乱光）はやや大きい– 限定された曲線加工が可能
ホログラフィックグレーティング– 光の干渉を用いたフォトリソグラフィ（写真露光）により格子を生成– ピッチ精度が非常に高い（特に、周期的誤差が少ない）– イオンエッチングによりブレーズ形状を生成することも可能（角度は制約あり）– 迷光のレベルを非常に低くできる
イオンビーム加工– イオンビームの滞留時間を制御することにより格子を加工– 微細な格子を高精度に加工可能– 加工速度が遅い
フォトリソグラフィ– 半導体製造に用いられるフォトリソグラフィ＋エッチングにより格子を生成– 精度は高いが、階段状の構造となる
超精密切削（研削）– 自由な曲線、ブレーズ形状、曲面形状の加工が可能– 迷光、ピッチ精度の向上が課題
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ス

11回折格子による超精密加工装置の精度評価

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ス12使用した超精密加工装置の仕様
Grinding
SpindleMain
SpindleY axisC axisULG-100D(SH3)２００３年

リニアモーター
Ｖ－Ｖローラー
ボールネジ
Ｖ－Ｖエアーバックア
ップ
ボールネジ
リニアモーター
Z軸
Ｖ－Ｖローラー Ｖ－Ｖローラー
主軸
自成絞り 空気 多孔質絞り
軸受け
空気軸受け
制 御 ＦＡＮＵＣ １ ＦＡＮＵＣ １５ｉ
装置
５ＭＢ
防 振 積層ゴム
エアーバネ＋位置制御
装置

ULG-100DH3
２００４年
リニアモーター
Ｖ－Ｖローラー
リニアモータ
Ｖ－Ｖエアーバックアップ
リニアモーター
Ｖ－Ｖローラー
多孔質絞り
空気軸受け
ＦＡＮＵＣ １５ｉ

X axisZ axis0.9m

Y軸バランサー
Ｃ軸／旋盤主軸
Ｚ軸

エアーバネ＋位置制御

ULG-100CH3：Y軸構造を改善（１９９８）
ULG-100D5A：大型、5軸（２００６）
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Workpiece

0.6m

ULG-100A
装置
製 造 １９９４年
年
X軸
ボールネジ
V－V ローラー
Y軸
ボールネジ
Ｖ－Ｖ対向

研削スピンドル

Ｙ軸
Ｘ軸

ダンパー付き
空気バネ位置制御式
除振台

13加工試験の方法
回折格子加工試験– 加工条件• 被加工物：無電解Ni-Pメッキ、工具：単結晶ダイヤモンドバイト（剣先８４度）、送り速度：25mm/min、加工ピッチ３μｍ、切り込み５μｍ、加工面積１０ｘ１０ｍｍ、約３３００本– 試験項目• 断面形状（全体）、回折パターン検証（定性的、定量的）

回折格子パターン３μｍ

φ30mm

約１０ｘ１０ｍｍ

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ス

14加工した回折格子の外観イメージ
ULG-100A

ULG-100D（SH3)

ULG-100DH3

回折格子外観（デジタルカメラによる写真）

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回折格子拡大写真（１０００倍微分干渉顕微鏡）
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15

回折パターンの比較
100D
（H3)
100D
（SH3)

100A

スクリーン

． ． ．

平面ミラー

２次光

レーザー射出口

１次光
撮影方向

He-Neレーザー光源

He-Neレーザー（波長632.8nm）を第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ照射し回折パターンを撮影
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回折格子-1次光
１５０ｍｍ

16回折パターンの定性的意味
Ｘ軸方向

主回折スポット

Ｙ軸方向
周期的送り誤差

Ｙ軸方向のＸ軸方向のランダムな ＋ 周期的送り
送り誤差
誤差

Ｙ軸方向
回折パターンの形から回折格子の加工誤差要因が推測できる

１００Aは、X軸方向に主に周期的誤差が、Y軸方向にランダム、周期的双方の誤差が含まれていると予測される第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
より定量的な解析が必要
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ス

17回折格子による回折パターンの計算• 回折光の強度はFraunhofer積分により求められる
Nu (l l0 ) Cm2N

exp j2m(l l0 ) d2d2d2

exp j2cossin() sin(i) d

ただし、Ｃ：定数、ｊ：虚数単位、λ：波長、Ｎ：格子本数、ｌ、l０：入射光、出射光の方向余弦、
ｄ：格子ピッチ、ε：ブレーズ角

回折光強度： Iu (l l0 )Ｚ2

入射光•周期的ピッチ誤差の影響を計算するために、ｄ に誤差成分を加算したｄNを用いて計算を行う
NdN

Nd 0A sin( 2d0 N出射光iθブレーズ角ε)

ξm

N 1

N

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ス

18スポットアナライザーによる詳細分析
スペイシャルフィルター

He-Neレーザー

レンズ

回折格子

ビーム直径約１０ｍｍでの回折光を測定

スポット
アナライザー
集光レンズ

cm
３０

回折ピークとの強度比、分散角度を定量的に評価可能

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測定データ（全体）プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウス

19実験結果－回折パターン

Normalized intensity (a/u)

100

100A
100D(H3)
FLAT MIRROR
100D(SH3)

80

60

40

200-1600 -1200-800-4000400

800

1200

1600

Horizontal position ( m)
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20Normalized intensity (a/u)

実験結果－回折パターン拡大図100A
100D(H3)
FLAT MIRROR
100D(SH3)
200-600

0600

Horizontal position ( m)
ピーク1ピーク

ピーク２

離散距離（μｍ）

ピーク値（％）

平均値

離散距離（μｍ）

ピーク値（％）

離散距離（μｍ）

ピーク値（％）

離散角度（°）

１００Aその１-73.5

21.63

64.5

14.93

69

18.28

1.32E-02

１００Aその２-1153.5

1.91

1153.5

1.61

1153.5

1.76

2.20E-01

１００D（SH3)-348

34515.05

第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
18.2
34211.9
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6.59E-0221解析結果
• 観測されたピークの離散角度およびピークの高さから、変動量を計算した。
• １００Ｄ（Ｈ３）はほとんどピークが見られないため計算不能であった。

•サイドローブピーク強度と外乱振幅の関係

A:外乱振幅（nm o-p)、I:サイドローブ強度、Io：主回折光強度•

サイドローブ離散角と外乱変動ピッチの関係

p:変動ピッチ（mm)、Δθ：離散角（度）A 8.06 10 2p

平均値
ピーク
１００Aその１１００Aその２１００D（SH3)

3.7 10 2

II01

変動要因

離散距離（μｍ）
691153.5345

ピーク値（％）
18.28
1.76
15.05

離散角度（°）
1.32E-02
2.20E-01
6.59E-02

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周期(mm)
2.81
0.170.56

振幅(nm o-p)344.61106.91
312.6922

まとめ• 回折格子を加工し、その回折パターンを観測することにより加工装置の送り精度を検証する手法を提案した。
• シミュレーションにより、回折パターンと送り誤差との関係を明らかにした。
• ３種類の超精密加工装置を比較することにより、送り誤差の情報を得ることができた。
• 特に、リニアモータを採用した２台の比較では、Ｙ軸のボールネジ駆動による誤差のみを抽出することができたと考えられる。
• 現在の回折格子による試験法ではリニアモーター型超精密加工装置の送り精度を検証することは困難と考えられるため、更に分解能を高める工夫が必要と考えられる。
・こうした手法は、従来の測定方法では判別が困難な導光板の“むら”の定量的評価や、ナノメータの精度を持つ加工装置の評価に応用できると考えられる。

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23曲線・曲面上への回折格子加工

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ス24ホログラム光学素子の適応分野• 可視光・真空紫外光・Ｘ線分光素子• 光計測装置• 光ディスクピックアップ光学系• 光通信・光ファイバー光学系• 分光分析装置

ＬＤ

マルチセグメント
ＰＤ

マルチセグメント
ＨＯＥ

対物レンズ

Optical Disk

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ス

25

工具回転法によるＨＯＥの加工•••

４軸制御可能な超精密加工装置を使用
単結晶ダイヤモンド工具による超精密切削加工
工具を回転させることにより溝の幅を変化させる
Configuration of machine and workpiece
C-axis（Rotation）

Tool twisting method
Twist Angle

Cutting Tool
Tool

Tool movement

Tool

Tool
movement

Y-axis Stage
Z-axis Stage
Tool Holder
HOE
HOE
Tool
GrooveAngle

Work Piece

GrooveAngle

Tool

X-axis Stage

Machine tool specification
Linear Axis (Special Roller Guide)
Stroke x:200mm,y:150mm,z:220mm
Scale Resolution: 1nm,Straightness:0.1μm
Max. Speed: 1000mm/min
C Spindle (Precision Air Bearing)
Rotary Encoder:1/10000ﾟ,Max. Speed:3000rpm
Rotation Precision:0.05μm
Grinding Spindle (Precision Air Bearing)
Max. Speed:40,000rpm
Rotation Precision0.05μm
Controllable Axis
Four(X,Y,Z, and C)

HOE

Nose Angle

HOE

00f can be described as follows:

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プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウスtan(2)

tantan26

Fabrication condition test -- material• OFC,ElectroplatedC1020
Ni, Al-alloy

NiA5086

A7075

20mm
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ス

27Fabrication condition test -- material• Surface Profile Data measured by AFM
Depth ( m)00

1.0
Depth ( m)

1.0

C1020

51015
Horizontal Position( m)

20

51015
Horizontal Position( m)51015
Horizontal Position( m)

1.0

Ni

0-1.0

A5086

0-1.0

Depth ( m)Depth ( m)

1.0

20

20

A7075

0-1.0

51015
Horizontal Position( m)

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反射型ホログラム光学素子の設計例••

Optical function: refractive convergence
Elliptical curves (interference fringes of incident and output rays)
Optical design of HOE

Designed hologram profile•Light source: laser
diode(l:780nm)•Incident angle: 15deg.
•Fical point: (0, 0, 40mm)•Position of element: (0, 30mm, 0)•Size: radius = 0.5mm(x,y,0)

Focal Point(0,0,f)IncidentAngle

ZHOEYX

YX

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ス

0.5mm
29

加工試験結果

Common HOE design data
Incident Angle : 30 deg.
Wavelength: He-Ne 635.8nm
Focal Point: (0,0,20) (mm)Elemet Position: (0,20,0) (mm)(x,y,0)

Focal Point(0,0,f)IncidentAngle

ZHOE

YX1mm

3mm

1mm HOE
pitch:2.94~3.2 mblaze angle:7.13~7.85deg.
depth: 0.406~0.401 mline # : 326

mm HOE
pitch:2.73~3.54 m
blaze angle:6.38~8.52deg.
depth: 0.39~0.41 mline # : 980

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30光学特性評価
Φ３ｍｍ
レーザー光を入射させ回折により形成されたスポットサイズを測定
He-Neレーザー光源

Φ１ｍｍ
集光レンズ

スポットアナライザー

スペイシャルフィルター
レンズ
ホログラム
光学素子

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ス

31

５軸加工による制御方式
座標の計算•被加工面はSRの球面+Y+X
A•スキューを加えるためにC軸を使用

θ→5軸制御φOxZ•工具旋回はY軸周りのみを考慮し、X軸周りは無視する.

+Z

SR cos siny SR sin
SR(1 cos cos )第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
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ス

式（２）
32

加工の手順• 球面切削用工具および、溝切削用工具の中心出しを行う.
（テストワーク）• B軸の角度を変化させて中心出しを行いRb,αｂを求める.
• 被加工物を正面旋削によりR=1000ｍｍに加工する。
• 5軸制御にて溝加工を行う.

第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウ
ス

33

加工の様子
溝切削工具

B軸

被加工物

C軸
球面切削用工具第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
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ス

34

加工結果

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35まとめと今後の展望• 超精密加工（切削、研削）による回折格子加工は、迷光・格子ピッチ精度の向上が課題であったが、近年の超精密加工装置は、ルーリングエンジンの精度を超えるレベルまで到達しつつある。
• これらのことから、超精密加工の自由度（ブレーズ角、材質、加工手法、曲面・曲線加工）を考慮すると、今後は超精密加工装置による回折格子加工が総合的性能として最も優れている可能性がある。
• 赤外分光素子において、用いられるSi、Geなどの加工に関しても研削のみならず切削工具による高精度な加工が実現できる可能性がある。

第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
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ス

36

謝

辞

本研究にご協力いただいた各氏に謝意を表します。
超精密加工全般
理研 先端光学素子開発チーム 森田晋也
中部大学 鈴木浩文
東京大学 樋口敏郎
長津製作所 牧野俊清 ならびに関係者
Geイマージョングレーティング
森田晋也 海老塚昇、 平原靖大、 大森整
曲面回折格子
森田晋也、守安精、大森整、滝澤慶之、清水裕彦（敬称略）

第3回可視赤外線観測装置子ワークショッ
プ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウ
ス

37

ご清聴ありがとうございました。

第3回可視赤外線観測装置子ワークショップ 2013Dec17 @ 京都大学セミナーハウス38