JPH08335026A - 回折格子プロッター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型・軽量であり、簡便な構成の回折格子プロ
ッターの提供。 【構成】分岐された２本のレーザービームを乾板上で同
一位置に交叉させる光学素子が、少なくとも１本のレー
ザービームを透過回折させる機能を有する回折光学素子
であると共に、光分岐手段と前記素子が１つのユニット
内に収められており、ユニット全体が、制御手段によっ
て、乾板が載置されたＸ−Ｙステージに垂直な軸を中心
に回動される構成の回折格子プロッター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板の表面に微細な回
折格子（グレーティング）をセル（ドット）毎に配置す
ることにより形成される回折格子パターンを作製する装
置に関し、レーザービームの２光束干渉によって、略ド
ット状の回折格子からなるパターンを作製する装置（プ
ロッター）に関する。

【０００２】

【従来の技術】コヒーレント光（レーザービーム）の２
光束干渉によって、基板の表面に回折格子からなる複数
の微少なドットを所望に配置し、回折格子パターンから
なるディスプレイを得る方法として、本出願人による特
開昭６０−１５６００４号公報・特開平２−７２３１９
号公報・特開平５−７２４０６号公報などに代表される
方法が公知である。

【０００３】これらの方法は、２本のレーザービームを
感光材料上で交叉させ、ドット単位で露光することによ
り双方のレーザービームを干渉させて、各ドットに形成
される微少な干渉縞（回折格子）を、そのピッチ・方向
・光強度を適宜変化させて、次々と露光記録し、回折格
子ドット（セル）の集まりからなるパターンを作製する
方法である。

【０００４】干渉縞（回折格子）は、感光材料に入射す
る２光束の角度によって、そのピッチ（空間周波数の逆
数）が変わり、干渉縞（回折格子）の方向は２光束の入
射する方向によって変わる。作製されたパターンの観察
時には、前記ピッチは見える色に、前記方向は見える方
向に、それぞれ関係する。また、露光の際の光強度は、
干渉縞の深さを変更することになり、観察時には見える
明るさとして関係することになる。

【０００５】上記の作製方法においては、それぞれ以下
に示すような問題がある。 (1) 特開昭６０−１５６００４号公報 回折格子のピッチ・方向を適宜変化させる場合に、その
都度、光学系（露光ヘッド）を適宜移動する必要があ
る。本方法では、乾板がシリンダ表面に装着されてお
り、露光箇所の変更にあたっては、前記シリンダの回転
と露光ヘッドの水平移動（シリンダの軸方向）の双方に
よることになる。露光ヘッドの移動は、水平移動以外に
回転移動も必要とし、回転移動によって２本のレーザー
ビームの交叉する角度（回折格子の方向）を変更するこ
とになる。露光ヘッドは、その内部に比較的複雑な構成
の光学系（複数枚の光学レンズの集まりからなる、２本
のレーザービームを結像させる結像系）を具備してお
り、比較的大きく重い構成である。従って、露光ヘッド
の移動後には振動減衰のために長い待ち時間が必要とな
るだけでなく、外部からの振動の影響を受けやすい。こ
のため、パターンの作製に長時間を要するだけでなく、
安定性も良好でなく、均一な（精度がよい）回折格子が
作製しづらいという問題を有している。

【０００６】(2) 特開平２−７２３１９号公報 本方法では、レーザービームを、１本の参照光と複数本
の物体光とに分岐し、参照光と選択された１本の物体光
とを交叉させ、作製する回折格子のピッチを決めている
ことから、光の利用効率が低い（選択されない物体光は
損失分となる）という問題がある。加えて、それぞれの
物体光の光強度を均一にするのが難しいと共に、レーザ
ービーム（複数本の物体光それぞれと、参照光）を同位
置に交叉させるための調整作業が困難であるという問題
も有している。また、光学系が複雑であるため、露光ヘ
ッドとして１つのユニットにまとめた光学系全体を自由
に制御することはできず、露光箇所（および２本のレー
ザービームの交叉する角度）の変更にあたっては、感光
性フィルム（乾板）を載置したＸ−Ｙステージをコンピ
ューター制御で移動させている。さらに、レーザービー
ムを分岐する本数も、光学系の空間的な配置や光の利用
効率の問題から３本程度が限界である。そのため、回折
格子のピッチの種類は３種類程度に制限され、パターン
の多様化の上で制限を受けることになる。

【０００７】(3) 特開平５−７２４０６号公報 本公報に記載された回折格子プロッターは、パターン
（回折格子のピッチの種類）を多様化するために、２本
に分岐したレーザービームのうち１本を物体光として機
能させる際、乾板に入射する角度を任意に変更させるた
めに、所定方向に移動可能なミラーを用いて物体光の光
路を変調している。本方法においても、露光系の構成上
の理由より、露光箇所の変更にあたっては、乾板を載置
したＸ−Ｙステージをコンピューター制御で移動させて
いる。２本のレーザービームの交叉する角度（回折格子
の方向）は、乾板を載置したθステージをコンピュータ
ー制御で回転移動させて変更している。すなわち、本方
法では、乾板を載置したＸ−Ｙ−θステージの移動によ
って、露光箇所および回折格子の方向を変更している。
本方法では、θステージの回転中心とレーザービームの
交叉位置とが一致するように調整しなければならず、そ
の負担が増えることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、それ
ぞれの従来技術にはそれぞれ固有な問題を有しており、
それと共に、光学系に用いられるレンズとして、装置
（プロッター）をコンパクトにするためには、焦点距離
の短いレンズが必要であり、重量が増すばかりでなく、
収差によって回折格子の輪郭が所望とならないという問
題を有している。本発明は、 １）露光ヘッド部分が小型・軽量であり、簡便な装置構
成であり、 ２）２光束の交叉角度を任意に変更でき、パターンの多
様化が自在であり、 ３）調整作業の負担が少なく、高精度であり、 ４）個々の輪郭が所望な回折格子を連続的に作製できる
ような、 回折格子プロッターを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の請求
項１に記載の回折格子プロッターは、（ａ）感光材料を
塗布した乾板が載置され、回折格子の配置データに基づ
いて当該乾板を移動させるＸ−Ｙステージと、（ｂ）レ
ーザービームを発生するレーザー光源と、（ｃ）レーザ
ー光源からのレーザービームを受け、その開閉によって
露光・非露光を制御するシャッターと、（ｄ）シャッタ
ーを通過したレーザービームを２本に分岐する光分岐手
段と、（ｅ）光分岐手段からの２本のレーザービームを
前記乾板上で同一位置に入射させる光学素子と、（ｆ）
Ｘ−Ｙステージの移動およびシャッターの開閉をそれぞ
れ制御する制御手段、などを備え、レーザービームの２
光束干渉によって、略ドット状の回折格子を乾板表面に
露光作製し、所望に配置する回折格子プロッターにおい
て、光学素子（ｅ）が、分岐された少なくとも１本のレ
ーザービームを透過回折させる機能を有する回折光学素
子であると共に、上記（ｄ）（ｅ）が１つのユニット内
に収められており、前記ユニット全体が、制御手段
（ｆ）によって、Ｘ−Ｙステージ（ａ）に垂直な軸を中
心に回動される構成であることを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の回折格子プロッターは、
光分岐手段（ｄ）が、透過するレーザービームと反射す
るレーザービームとの２本に分岐するビーム・スプリッ
ターであり、前記ユニット内で移動する可動ステージ
に、ビーム・スプリッターまたはミラーを搭載し、反射
する側のレーザービームの光路を変調することにより、
乾板表面でのレーザービームの交叉角度を任意に変化さ
せることを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の回折格子プロッターは、
光分岐手段（ｄ）として、格子縞のピッチがセル毎に任
意に異なる回折格子セルが配置された回折格子を用い、
前記ユニット内で移動する可動ステージに前記光分岐手
段を搭載し、前記ステージの移動によって、レーザービ
ームの入射する回折格子セルを任意に変更することによ
って、分岐される２本のレーザービームの光路を変調
し、乾板表面でのレーザービームの交叉角度を任意に変
化させることを特徴とする。

【００１２】

【作用】２本のレーザービームを結像（交叉）させる光
学素子が、回折光学素子であるため、従来のレンズに比
べて軽量・小型である。

【００１３】前記光学素子が分岐されたレーザービーム
の１本だけを透過回折させ、他方のレーザービームは直
接乾板に入射する構成であると、露光ヘッド（ユニッ
ト）の構造が一層簡便になる。

【００１４】露光ヘッド（ユニット）が軽量・簡便な構
造であるため、乾板に対して回動させた後に、振動減衰
のために長い待ち時間が必要となることはなく、外部か
らの振動の影響も受けにくい。

【００１５】露光ヘッド（ユニット）内で移動する可動
ステージによってレーザービームの光路を変調するた
め、２光束の交叉角度を任意に変更できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。図１は、本発明による回折格子プ
ロッターの構成例を示す概要図である。すなわち、回折
格子を形成するための感光材料を塗布した乾板１が載置
され、当該乾板１を移動させるＸ−Ｙステージ２と、レ
ーザービーム３を発生するレーザー光源４と、レーザー
光源４からのレーザービーム３を受け、その開閉によっ
て露光／非露光を制御するシャッター５と、シャッター
５を通過したレーザービーム３を反射するミラー６と、
ミラー６で反射したレーザービーム３を２本に分岐した
後、分岐されたレーザービームを任意の角度で乾板１上
で同一位置に入射させる機能を有する露光ヘッド７と、
露光ヘッド７を乾板に垂直な軸を中心に回転させる回転
駆動装置８と、パターンの作製データに基づいて、Ｘ−
Ｙステージ２の移動・シャッター５の開閉・露光ヘッド
７の回転駆動装置８、などをそれぞれ制御する制御手段
であるコントローラ９とから構成されている。

【００１７】＜実施例１＞図２・図３は、レーザービー
ム３の光軸を含む露光ヘッド７の周辺を示す断面説明図
である。すなわち、露光ヘッド７に入射したレーザービ
ーム３は、光分岐手段であるハーフミラー１０によっ
て、透過するレーザービーム３１と反射するレーザービ
ーム３２に分けられ、レーザービーム３１は直接乾板１
に入射し、レーザービーム３２はミラー１２を経由し
て、２光束を結像（交叉）させる光学素子である回折光
学素子１３に入射し、回折光学素子１３での透過回折に
よって乾板１上のレーザービーム３１と同位置に入射す
る。

【００１８】ここで、ハーフミラー１０は、露光ヘッド
７内を移動する可動ステージ１１に載置されており、コ
ントローラ９によって、前記ステージ１１を光軸方向に
移動制御することにより、レーザービーム３２の回折光
学素子１３への入射位置（入射角度）を変えることがで
きる。

【００１９】回折光学素子１３は、入射したレーザービ
ーム３２を、常に乾板１上の同位置に入射させるように
透過回折させる機能を有している。

【００２０】従って、図２〜図３に示すように、可動ス
テージ１１の駆動により、レーザービーム３２の光路を
変調でき、乾板１上での２光束の交叉角度を任意に変更
することができる。

【００２１】レーザービームの２光束の入射角と形成さ
れる回折格子には、下記式のような関係がある。 λ＝ｄ（ｓｉｎα−ｓｉｎθ） ここで、λはレーザービームの波長、ｄは形成される回
折格子のピッチ（空間周波数の逆数）、αはレーザービ
ーム３１の乾板１への入射角度、θはレーザービーム３
２の乾板１への入射角度である。

【００２２】本実施例では、αは一定であるため、形成
される回折格子のピッチはθに依存して任意に変更され
る。

【００２３】図４は、本実施例における、露光ヘッド７
から乾板１に到るレーザービームの光路を示す斜視説明
図である。入射したレーザービーム３、分岐後のレーザ
ービーム３１・３２が全て面６０上にあり、形成される
回折格子は、面６０と乾板１の表面とが交わる線と垂直
な方向の格子縞となる。

【００２４】このとき、レーザービーム３（および３
１）の光路を回転軸にこの系を回転しても、図示された
系の相対関係は維持されており、乾板１上に形成される
回折格子の方向は、面６０の回転に依存して決まること
になる。

【００２５】従って、回転駆動装置８を制御することに
より、面６０、すなわち露光ヘッドを回転させ、レーザ
ービーム３１・３２の乾板１への入射面を変えることが
でき、形成される回折格子の向きは、面６０に垂直な向
きになるため、任意の方向の回折格子が作製可能であ
る。

【００２６】以上のように、本発明の回折格子プロッタ
ーでは、１回のシャッター５の開閉により、レーザービ
ーム３１・３２の２光束干渉が行われ、乾板１上に１つ
のドット状の回折格子が作製される。

【００２７】従って、１ドット毎に予め用意されたデー
タを読み込みながら、そのデータに基づき、回折格子の
ピッチや方向を決定し、これを実現するようにＸ−Ｙス
テージ２や回転駆動装置８、ステージ１１を移動もしく
は回転させてから、シャッター５の開閉を行い、これら
の操作をコントローラ９により自動で連続して行うこと
により、回折格子から成る物品が作製できる。

【００２８】図５に、回折光学素子１３の一例を示す。
同図では、回折光学素子１３は、徐々にピッチが変化し
ている直線状の回折格子からなり、前記ピッチは、分岐
後のレーザービーム３２の回折光学素子１３への入射位
置（入射角度）、および透過回折して出射する角度に依
存している。

【００２９】図６に、回折光学素子１３の他例を示す。
同図では、回折光学素子は、回折格子セル１４が複数個
並べて配置された構成である。各セル１４では、それぞ
れの位置に対応して、分岐後のレーザービーム３２の回
折光学素子１３への入射角度および透過回折して出射す
る角度に依存して、回折格子のピッチが決められている
が、各セル１４内では一定のピッチである。

【００３０】上記のような回折光学素子１３では、回折
光学素子１３への分岐後のレーザービーム３２の入射位
置（入射角度）が変化しても、乾板１上での入射位置は
変わらないように設計されているため、前記の入射位置
（入射角度）の変化は乾板１への入射角度（２光束の交
叉角度）の変化となる。

【００３１】回折光学素子１３として、ブレーズド型を
含む位相変調型のホログラフィック光学素子などの、高
い回折効率のものを使用することで、レーザー光の損失
が少なくなる。

【００３２】＜実施例２＞図７・図８は、本発明の別の
実施例における、レーザービーム３の光軸を含む露光ヘ
ッド７の周辺を示す断面説明図である。すなわち、露光
ヘッド７に入射したレーザービーム３は、光分岐手段で
あるビームスプリッター４０によって、透過するレーザ
ービーム３１と反射するレーザービーム３２に分けら
れ、レーザービーム３１は直接乾板１に入射し、レーザ
ービーム３２はミラー１２を経由して、２光束を結像
（交叉）させる光学素子である回折光学素子１３に入射
し、回折光学素子１３での透過回折によって乾板１上の
レーザービーム３１と同位置に入射する。

【００３３】ここで、ミラー１２は、露光ヘッド７内を
移動する可動ステージ１１に載置されており、コントロ
ーラ９によって、前記ステージ１１を光軸方向に移動制
御することにより、レーザービーム３２の回折光学素子
１３への入射位置（入射角度）を変えることができる。

【００３４】回折光学素子１３は、入射したレーザービ
ーム３２を、常に乾板１上の同位置に入射させるように
透過回折させる機能を有している。

【００３５】従って、図７〜図８に示すように、可動ス
テージ１１の駆動により、レーザービーム３２の光路を
変調でき、乾板１上での２光束の交叉角度を任意に変更
することができる。

【００３６】＜実施例３＞図９・図１０は、本発明の別
の実施例における、レーザービーム３の光軸を含む露光
ヘッド７の周辺を示す断面説明図である。すなわち、レ
ーザービーム３は、光分岐手段である回折格子アレイ５
１に形成された回折格子５０に入射し、０次の回折光
（透過光）であるレーザービーム３０と、±１次の回折
光であるレーザービーム３１・３２に分岐され、露光干
渉に用いないレーザービーム３０は遮光板５２で遮光さ
れ、レーザービーム３１・３２は、それぞれ回折光学素
子１３・１４を経由して、乾板１上の同位置に入射す
る。

【００３７】ここで、回折光学素子１３・１４は、同一
の素子をレーザービーム３の光軸に対し、対称に配置し
たものである。

【００３８】回折格子アレイ５１は、図６に示されるよ
うに、空間周波数（ピッチ）の異なる回折格子５０が複
数配置された構成である。

【００３９】回折格子アレイ５１は、露光ヘッド７内を
移動する可動ステージ１１に載置されており、コントロ
ーラ９によって位置制御される。それによって、レーザ
ービーム３が入射する回折格子５０を変更することがで
き、空間周波数（ピッチ）の異なる回折格子は５０は、
入射するレーザービーム３を異なる角度で光を回折する
（±１次の２本ずつの回折光）ため、レーザービーム３
１・３２の回折光学素子１３・１４への入射位置（入射
角度）を変えることができ、回折光学素子１３・１４に
より回折したレーザービーム３１・３２は、常に乾板１
上の同位置に入射し、交叉するようになる。

【００４０】従って、図９〜図１０に示すように、可動
ステージ１１の駆動により、レーザービーム３１・３２
の光路を変調でき、乾板１上での２光束の交叉角度を任
意に変更することができる。

【００４１】尚、本発明は、上述した実施例に限定され
るものではなく、以下に例示するようにしても同様に実
施することができる。 （ａ）光分岐手段として、ハーフミラー１０・ビームス
プリッター４０・回折格子５０を使用する例に限らず、
光を２本以上に効率よく分岐するものであればよい。 （ｂ）光分岐手段を、ステージ１１により直線的に移動
させる場合に限らず、入射するレーザービーム３に対し
て、相対的な角度変化として制御が可能なステージに載
置してもよい。この場合、光分岐手段として図２のよう
なハーフミラーを用いるとき、ハーフミラーの角度変化
によって、反射するレーザービーム３２の反射角度が変
わり、それに依存して回折光学素子１３への入射位置
（入射角度が変わることになり、上述した実施例と同様
に、乾板１への２光束の入射角度の制御が可能となる。 （ｃ）光分岐手段として、音響光学素子中に音波（超音
波を含む）を伝搬させて回折格子として用い、この音波
の周波数をコントローラで制御することによって、回折
格子の空間周波数を変えて用いてもよい。この場合、可
動部分が少なくなるため系が一層安定し、さらに音波の
周波数を連続的に変化させれば、レーザービーム３１・
３２の交叉角度を連続的に変化させる（１ドット内で
も）ことも可能である。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、以下に挙げるような利点を有
する。 （ａ）レーザービームを光分岐手段で分岐した後、ほと
んど損失なく、２光束干渉に利用できるため、光の利用
効率が高く、従って、露光時間も短くてすみ、振動など
の影響に強い。 （ｂ）安定した系である露光ヘッドを回転させること
で、回折格子の方向を任意にできる。 （ｃ）レンズ類を使用していないため、レンズ類の収差
などの影響を避けることができる。 （ｄ）装置の小型化・軽量化・および自動化を図ること
が可能となり、特に露光ヘッドは、非常に小型・軽量に
でき、装置の安定性が高く、高精度な回折格子の作製が
できる。

【００４３】従って、本発明によって、 １）露光ヘッド部分が小型・軽量であり、簡便な装置構
成であり、 ２）２光束の交叉角度を任意に変更でき、パターンの多
様化が自在であり、 ３）調整作業の負担が少なく、高精度であり、 ４）個々の輪郭が所望な回折格子を連続的に作製できる
ような、 上記の全てを満足する回折格子プロッターが提供され
る。

【００４４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回折格子プロッターの概要を示す
全体構成図。

【図２】実施例１にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【図３】実施例１にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【図４】露光ヘッドから乾板に到るレーザービームの光
路を示す斜視説明図。

【図５】回折光学素子の一例を示す説明図。

【図６】回折光学素子の他例を示す説明図。

【図７】実施例２にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【図８】実施例２にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【図９】実施例３にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【図１０】実施例３にかかる露光ヘッドを示す断面説明
図。

【符号の説明】

１…乾板 ２…Ｘ−Ｙステージ ３…レーザービーム ４…レーザー光源 ５…シャッター ６…ミラー ７…露光ヘッド ８…回転駆動装置 ９…コントローラ １０…ハーフミラー １１…ステージ １２…ミラー １３，１４…回折光学素子 ３０，３１，３２…レーザービーム ４０…ビームスプリッター ５０…回折格子 ５１…回折格子アレイ ５２…遮光板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）感光材料を塗布した乾板が載置さ
   れ、回折格子の配置データに基づいて当該乾板を移動さ
   せるＸ−Ｙステージと、 （ｂ）レーザービームを発生するレーザー光源と、 （ｃ）レーザー光源からのレーザービームを受け、その
   開閉によって露光・非露光を制御するシャッターと、 （ｄ）シャッターを通過したレーザービームを２本に分
   岐する光分岐手段と、 （ｅ）光分岐手段からの２本のレーザービームを前記乾
   板上で同一位置に入射させる光学素子と、 （ｆ）Ｘ−Ｙステージの移動およびシャッターの開閉を
   それぞれ制御する制御手段、 などを備え、レーザービームの２光束干渉によって、略
   ドット状の回折格子を乾板表面に露光作製し、所望に配
   置する回折格子プロッターにおいて、 光学素子（ｅ）が、分岐された少なくとも１本のレーザ
   ービームを透過回折させる機能を有する回折光学素子で
   あると共に、上記（ｄ）（ｅ）が１つのユニット内に収
   められており、前記ユニット全体が、制御手段（ｆ）に
   よって、Ｘ−Ｙステージ（ａ）に垂直な軸を中心に回動
   される構成であることを特徴とする回折格子プロッタ
   ー。
2. 【請求項２】光分岐手段（ｄ）が、透過するレーザービ
   ームと反射するレーザービームとの２本に分岐するビー
   ム・スプリッターであり、 前記ユニット内で移動する可動ステージに、ビーム・ス
   プリッターまたはミラーを搭載し、 反射する側のレーザービームの光路を変調することによ
   り、乾板表面でのレーザービームの交叉角度を任意に変
   化させることを特徴とする請求項１記載の回折格子プロ
   ッター。
3. 【請求項３】光分岐手段（ｄ）として、格子縞のピッチ
   がセル毎に任意に異なる回折格子セルが配置された回折
   格子を用い、 前記ユニット内で移動する可動ステージに前記光分岐手
   段を搭載し、前記ステージの移動によって、レーザービ
   ームの入射する回折格子セルを任意に変更することによ
   って、 分岐される２本のレーザービームの光路を変調し、乾板
   表面でのレーザービームの交叉角度を任意に変化させる
   ことを特徴とする請求項１記載の回折格子プロッター。