JP2011215267A - Achromatic lens, method for manufacturing the same, and optical device equipped with achromatic lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、真空紫外線領域で利用可能な色消しレンズとその製造方法に関し、この色消しレンズを備えた光源、分光計測装置、ラジカル計測装置等の光学装置に関する。 The present invention relates to an achromatic lens that can be used in the vacuum ultraviolet region and a manufacturing method thereof, and relates to an optical device such as a light source, a spectroscopic measuring device, and a radical measuring device equipped with the achromatic lens.
光学材料は、一般に、屈折率の波長依存性、すなわち波長分散特性を有するため、例えば、レンズ系に異なる波長の光を通すと、結像位置のずれが発生する。このずれが色収差であり、色収差を補正することを色消しという。色消しは、複数のレンズを適当な間隔を開けて配置したレンズ系や、複数のレンズを貼り合わせて1つのレンズとしたレンズ系によって行うことができる。色収差を補正したレンズ系を色消しレンズという。 Since optical materials generally have a wavelength dependency of refractive index, that is, wavelength dispersion characteristics, for example, when light of different wavelengths is passed through a lens system, an imaging position shift occurs. This shift is chromatic aberration, and correcting chromatic aberration is called achromatic. Achromatization can be performed by a lens system in which a plurality of lenses are arranged at appropriate intervals, or a lens system in which a plurality of lenses are bonded to form one lens. A lens system in which chromatic aberration is corrected is called an achromatic lens.
複数のレンズを貼り合わせて1つのレンズとした色消しレンズとしては、例えば、正の屈折力を有する凸形状のクラウンレンズと、負の屈折力を有する凹形状のフリントレンズとを貼り合わせて、2波長の色収差を補正したアクロマートレンズが提案されている。また、光軸について同心円状に配置された複数の格子を有し、各格子に矩形形状が形成されている回折レンズと屈折レンズとを組み合わせた色消しレンズが提案されている。このような色消しレンズは、例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献1に開示されている。特許文献1、特許文献2に開示されている色消しレンズは、400nm程度以上の波長領域での色収差を補正可能であると記載されている。特許文献2に記載されているように、回折レンズの矩形形状は、切削によって形成される。 As an achromatic lens in which a plurality of lenses are bonded to form a single lens, for example, a convex crown lens having a positive refractive power and a concave flint lens having a negative refractive power are bonded, An achromatic lens in which chromatic aberration of two wavelengths is corrected has been proposed. Further, there has been proposed an achromatic lens in which a diffractive lens and a refractive lens, each having a plurality of gratings arranged concentrically with respect to the optical axis and having a rectangular shape formed on each grating, are combined. Such an achromatic lens is disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1, for example. The achromatic lens disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 is described as being capable of correcting chromatic aberration in a wavelength region of about 400 nm or more. As described in Patent Document 2, the rectangular shape of the diffractive lens is formed by cutting.
真空紫外線領域(10〜200nm)では好適な色消しレンズを実現することが困難であり、光源の集光や分光器のコリメータ等に表面反射鏡が多く用いられている。しかし、表面反射鏡を用いる場合に他の光学素子に表面反射鏡を近接することができない上、表面反射鏡によって光学系が屈曲するために光学装置が大型になってしまう場合が多い。 In the vacuum ultraviolet region (10 to 200 nm), it is difficult to realize a suitable achromatic lens, and surface reflectors are often used for condensing a light source, a collimator for a spectroscope, and the like. However, when a surface reflecting mirror is used, the surface reflecting mirror cannot be brought close to other optical elements, and the optical system is bent by the surface reflecting mirror, so that the optical device is often large.
波長が200nm以下となる真空紫外線領域での色収差を補正可能な色消しレンズが求められている。真空紫外線領域において多くの光学材料は吸収が大きくなり、光が完全に透過しなくなる波長(吸収端)近傍において屈折率が急激に増大する。また、一般に吸収端の波長が近い光学材料は、屈折率の波長分散特性が類似してしまう。このため、吸収端の波長が近い光学材料同士は波長に対して屈折率差の変化が少なく、アクロマートレンズのように正の屈折力を有する屈折レンズと負の屈折力を有する屈折レンズとを貼り合わせた色消しレンズを用いる場合には、それぞれの屈折レンズの曲率を大きくする必要があり、色消しレンズの厚みが厚くなる。 There is a need for an achromatic lens capable of correcting chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region where the wavelength is 200 nm or less. Many optical materials have a large absorption in the vacuum ultraviolet region, and the refractive index increases rapidly in the vicinity of a wavelength (absorption edge) where light is not completely transmitted. In general, an optical material having a wavelength near the absorption edge has a similar wavelength dispersion characteristic of the refractive index. For this reason, optical materials having absorption wavelengths close to each other have little change in the refractive index difference with respect to the wavelength, and a refractive lens having a positive refractive power and a refractive lens having a negative refractive power, such as an achromatic lens, are attached. When using a combined achromatic lens, it is necessary to increase the curvature of each refractive lens, which increases the thickness of the achromatic lens.
一方、回折レンズは、屈折レンズとは波長分散特性が逆であり、真空紫外線を透過する光学材料を用いた回折レンズを、同様に真空紫外線を透過する光学材料を用いた屈折レンズと組み合わせ、色消しレンズとして利用すれば、厚みの小さい色消しレンズを実現することができる。 On the other hand, a diffractive lens has a wavelength dispersion characteristic opposite to that of a refractive lens, and a diffractive lens using an optical material that transmits vacuum ultraviolet rays is combined with a refractive lens using an optical material that transmits vacuum ultraviolet rays in the same manner. If used as an achromatic lens, an achromatic lens with a small thickness can be realized.
しかしながら、波長が短くなるほど、散乱によって光の損失が大きくなる。このため、波長の短い真空紫外線領域で高い効率を確保するためには、回折レンズの表面を滑らかにして散乱を抑制する必要がある。従来、回折レンズは、レンズ材料を機械的に切削や研削する方法、あるいはレンズ材料のエッチング処理を行う方法によって、回折レンズの材料を削り取ることによって加工されており、これらの方法によって真空紫外線を透過する光学材料を加工する場合には、回折レンズの効率を確保するために必要な表面粗さを得ることができなかった。 However, the shorter the wavelength, the greater the loss of light due to scattering. For this reason, in order to ensure high efficiency in the vacuum ultraviolet region having a short wavelength, it is necessary to suppress scattering by smoothing the surface of the diffractive lens. Conventionally, a diffractive lens is processed by scraping the material of the diffractive lens by a method of mechanically cutting or grinding the lens material or a method of etching the lens material, and these methods transmit vacuum ultraviolet rays. When processing an optical material, the surface roughness required to ensure the efficiency of the diffractive lens cannot be obtained.
一方、回折レンズの材料として、樹脂材料を用いれば、回折レンズの加工精度を確保することが比較的容易だが、樹脂材料は、280nm以下の紫外線を透過することはできないため、樹脂の回折レンズを屈折レンズと組み合わせた色消しレンズは、真空紫外線領域での色収差を補正することはできない。 On the other hand, if a resin material is used as the material of the diffractive lens, it is relatively easy to ensure the processing accuracy of the diffractive lens. However, since the resin material cannot transmit ultraviolet rays of 280 nm or less, a resin diffractive lens is used. An achromatic lens combined with a refractive lens cannot correct chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region.
上記の課題に鑑み、本願では、吸収損失および散乱損失が少なく、真空紫外線領域で好適に用いることができる色消しレンズを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present application is to provide an achromatic lens that has little absorption loss and scattering loss and can be suitably used in the vacuum ultraviolet region.
本発明は、屈折レンズと、複数のバイナリ形状の格子を有する回折レンズとを備えている色消しレンズであって、前記屈折レンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて形成されており、前記回折レンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて形成されており、前記回折レンズの格子の表面粗さの平均二乗偏差値(rms値)は、5nm以下であり、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する短波長側の吸収端より長い波長の真空紫外線領域の色収差を補正する、色消しレンズを提供する。尚、本明細書では、屈折レンズの材料として用いたレンズ材料を特に屈折レンズ材料と呼び、回折レンズの材料として用いたレンズ材料を特に回折レンズ材料と呼ぶ。 The present invention is an achromatic lens comprising a refractive lens and a diffractive lens having a plurality of binary-shaped gratings, wherein the refractive lens is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride The diffractive lens is formed using a diffractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride. The mean square deviation value (rms value) of the surface roughness of the grating is 5 nm or less, and the chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region having a wavelength longer than the absorption edge on the short wavelength side where the refractive indexes of lithium fluoride and magnesium fluoride change greatly. An achromatic lens that corrects for the above is provided. In this specification, a lens material used as a refractive lens material is particularly referred to as a refractive lens material, and a lens material used as a diffractive lens material is particularly referred to as a diffractive lens material.
尚、本願では、「色消しレンズ」は、光軸を共有する複数のレンズを有するレンズ系であってもよく、単一のレンズであってもよい。 In the present application, the “achromatic lens” may be a lens system having a plurality of lenses sharing the optical axis, or may be a single lens.
本願に係る色消しレンズによれば、屈折レンズと回折レンズとを備えており、回折レンズの格子の表面粗さの平均二乗偏差値(rms値)は、5nm以下であるため、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する短波長側の吸収端より長い波長の真空紫外線領域での光の吸収損失および散乱損失が少ない、真空紫外線領域の色収差を補正するための色消しレンズを提供することができる。この色消しレンズは、真空紫外線領域、特に波長が120〜200nmの真空紫外線領域での色収差を補正する目的に用いる場合にも、光の吸収損失および散乱損失を少なくすることができる。 The achromatic lens according to the present application includes a refractive lens and a diffractive lens. Since the mean square deviation value (rms value) of the surface roughness of the grating of the diffractive lens is 5 nm or less, lithium fluoride and Provides an achromatic lens for correcting chromatic aberrations in the vacuum ultraviolet region with less light absorption and scattering loss in the vacuum ultraviolet region of wavelengths longer than the absorption edge on the short wavelength side where the refractive index of magnesium fluoride changes greatly can do. This achromatic lens can reduce light absorption loss and scattering loss even when used for the purpose of correcting chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region, particularly in the vacuum ultraviolet region having a wavelength of 120 to 200 nm.
前記複数のバイナリ形状の格子の格子間隔は、前記色消しレンズの光軸に近い側で広く、前記色消しレンズの光軸に遠い側で狭くなっており、前記複数のバイナリ形状の格子は、前記色消しレンズの光軸に垂直な平面と光軸に平行な曲面によって区画される2x段の階段形状を有していてもよい。 The lattice spacing of the plurality of binary-shaped gratings is wide on the side close to the optical axis of the achromatic lens and narrow on the side far from the optical axis of the achromatic lens, and the plurality of binary-shaped gratings are it may have a stepped shape of 2 x stages partitioned by a vertical plane parallel to the curved surface to the optical axis to the optical axis of the achromatic lens.
前記回折レンズの格子の表面粗さの平均二乗偏差値(rms値)は、3nm以下であることが好ましい。色消しレンズの散乱損失をより小さくすることができる。 The mean square deviation value (rms value) of the surface roughness of the grating of the diffractive lens is preferably 3 nm or less. The scattering loss of the achromatic lens can be further reduced.
前記回折レンズのバイナリ形状は、前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に、樹脂を主成分とする有機材料の鋳型を形成し、前記鋳型を用いて前記基板を常温または100℃以下の基板温度で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層し、前記鋳型を除去することによって形成されることが好ましい。回折レンズの表面粗さのrms値を3nm以下にすることができ、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が異常分散を起こす波長領域を含む真空紫外線領域で、散乱損失が少ない回折レンズを提供することができる。 The binary shape of the diffractive lens is obtained by forming a mold made of an organic material mainly composed of a resin on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material, and using the mold to place the substrate at room temperature. Alternatively, it is preferably formed by laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate while heating at a substrate temperature of 100 ° C. or less and removing the mold. Provides a diffractive lens with low scattering loss in the vacuum ultraviolet region including the wavelength region where the refractive index of lithium fluoride and magnesium fluoride causes anomalous dispersion, with the rms value of the surface roughness of the diffractive lens being 3 nm or less can do.
前記回折レンズのバイナリ形状は、前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面にシリコンまたはシリカ(シリコン酸化物)を主成分とする無機材料の鋳型としての犠牲層を形成し、前記鋳型を用いて前記基板を200℃以上1200℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層し、前記犠牲層を除去することによって形成されることが好ましい。回折レンズの表面粗さのrms値を3nm以下にすることができ、散乱損失が少ない回折レンズの格子が実現できる。これによって、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が異常分散を起こす波長領域を含む真空紫外線領域での損失がより少ない色消しレンズを提供することができる。 The binary shape of the diffractive lens forms a sacrificial layer as a template of an inorganic material mainly composed of silicon or silica (silicon oxide) on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material. The substrate is preferably formed by laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate while heating the substrate at 200 ° C. or more and 1200 ° C. or less using the mold and removing the sacrificial layer. The rms value of the surface roughness of the diffractive lens can be reduced to 3 nm or less, and a diffractive lens grating with little scattering loss can be realized. Accordingly, it is possible to provide an achromatic lens with less loss in a vacuum ultraviolet region including a wavelength region in which the refractive indexes of lithium fluoride and magnesium fluoride cause anomalous dispersion.
本願に係る色消しレンズでは、屈折レンズの表面と裏面の少なくともいずれか一方に、バイナリ形状の回折格子が形成されていてもよい。 In the achromatic lens according to the present application, a binary diffraction grating may be formed on at least one of the front surface and the back surface of the refractive lens.
本願に係る色消しレンズは、真空紫外線光源、分光計測装置、ラジカル計測装置に好適に用いることができる。これによって、光学装置の真空紫外線領域での吸収損失及び散乱損失を軽減することによる効率の向上、計測装置等の光学装置の小型化を両立することが可能となる。 The achromatic lens according to the present application can be suitably used for a vacuum ultraviolet light source, a spectroscopic measurement device, and a radical measurement device. This makes it possible to achieve both improvement in efficiency by reducing absorption loss and scattering loss in the vacuum ultraviolet region of the optical device, and downsizing of the optical device such as a measuring device.
本発明は、屈折レンズと、回折レンズとを備えている色消しレンズの製造方法を提供することもできる。本発明に係る色消しレンズの第1の製造方法は、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて屈折レンズを形成する屈折レンズ形成工程と、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて回折レンズを形成する回折レンズ形成工程と、を含んでいる。前記回折レンズ形成工程は、前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に、樹脂を主成分とする有機材料の鋳型を形成する鋳型形成工程と、前記鋳型を用いて前記基板を常温あるいは100℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料をスパッタ法により積層する積層工程と、前記熱処理工程後に鋳型を除去する鋳型除去工程とを含む。 The present invention can also provide a method of manufacturing an achromatic lens including a refractive lens and a diffractive lens. A first method for producing an achromatic lens according to the present invention includes a refractive lens forming step of forming a refractive lens using a refractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride, A diffractive lens forming step of forming a diffractive lens by using at least one diffractive lens material selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride. The diffractive lens forming step includes a mold forming step of forming a mold of an organic material mainly composed of a resin on a surface of a substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material, and the mold using the mold. A lamination step of laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate by sputtering while heating the substrate at room temperature or 100 ° C. or less; and a mold removal step of removing the mold after the heat treatment step.
本発明に係る色消しレンズは、第2の製造方法を用いることによっても製造できる。本発明に係る色消しレンズの第2の製造方法は、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて屈折レンズを形成する屈折レンズ形成工程と、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて回折レンズを形成する回折レンズ形成工程と、を含んでいる。前記回折レンズ形成工程は、前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面にシリコンまたはシリカ(シリコン酸化物)を主成分とする無機材料の鋳型としての犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記鋳型を用いて前記基板を200℃以上1200℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層する積層工程と、前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程とを含む。 The achromatic lens according to the present invention can also be manufactured by using the second manufacturing method. A second method for producing an achromatic lens according to the present invention includes a refractive lens forming step of forming a refractive lens using a refractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride, A diffractive lens forming step of forming a diffractive lens by using at least one diffractive lens material selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride. The diffractive lens forming step is a sacrifice that forms a sacrificial layer as a template of an inorganic material mainly composed of silicon or silica (silicon oxide) on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material. A layer forming step, a laminating step of laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate while heating the substrate at 200 ° C. to 1200 ° C. using the mold, and a sacrificial layer removing step of removing the sacrificial layer including.
本発明によれば、真空紫外線領域での吸収損失および散乱損失が少ないことにより効率が高い、真空紫外線領域の色収差を補正するための色消しレンズを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an achromatic lens for correcting chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region, which has high efficiency due to low absorption loss and scattering loss in the vacuum ultraviolet region.
(色消しレンズ)
図1は、実施形態に係る色消しレンズ10を回折レンズ11側から見た図であり、図2は、図1のII−II線断面図である。図1、図2に示すように、色消しレンズ10は、回折レンズ11と屈折レンズ12とを有している。回折レンズ11は、表面側は平面上に形成されたバイナリ形状であり、裏面側は平面である回折レンズである。屈折レンズ12は、表面側は凸レンズ形状であり、裏面側は平面である屈折レンズである。回折レンズ11の裏面と屈折レンズ12の裏面は、接触面13において接するように配置されている。色消しレンズ10では、回折レンズ11と屈折レンズ12とは、フッ化リチウム(LiF)、フッ化マグネシウム(MgF2)からなる群から選ばれる少なくとも一種である、同一のレンズ材料によって形成されている。フッ化リチウム、フッ化マグネシウムは、120nmより長波長の真空紫外線透過率に優れた材料であるため、色消しレンズ10は、120nmより長波長の真空紫外線透過率に優れている。レンズ材料としてフッ化リチウムを用いる場合、吸収短波長は105nm近傍であり、屈折率が大きく変化する屈折率変化領域(短波長側の吸収端波長から吸収端波長の2倍近傍における屈折率が急激に変化する波長領域)は110〜200nmである。レンズ材料としてフッ化マグネシウムを用いる場合、吸収短波長は110nm近傍であり、屈折率が大きく変化する屈折率変化領域は115〜200nmである。ただし、どちらの物質も吸収端の波長から120nm未満までは吸収が大きく、実用性が低い。
(Achromatic lens)
FIG. 1 is a view of the
色消しレンズ10を構成する回折レンズ11と屈折レンズ12は、図1および図2に示す軸Zを中心とする円形状のレンズであり、図2に斜線で示す断面図の図形を、軸Zを中心に回転させた形状を有している。回折レンズ11は、バイナリ形状(階段形状)の格子が軸Zを中心に同心円状に形成されている回折レンズである。図1に示す1つの同心円が1つの格子を示しており、格子間隔は、軸Zから遠ざかるにつれて狭くなっている。この格子間隔は、隣り合う格子の最も高い部分同士の距離(例えば、図2に図示する距離D)である。回折光学素子では、格子間隔が大きいほど、回折角度が小さくなることから、回折レンズ11に入射する光線は、軸Zに近い側(格子間隔が大きい側)ほど回折角度が小さくなり、軸Zに遠い側(格子間隔が小さい側)ほど回折角度が大きくなる。その結果、回折レンズ11は、軸Zを光軸とするレンズとして機能する。回折レンズ11では、複数の格子のそれぞれにおいて、色消しレンズ10の光軸(軸Z)から周縁部に向けて下降しており、光軸に垂直な平面と光軸に平行な曲面によって区画される2x段の階段形状を有している。このように、階段形状が光軸から周縁部に向かって下降している場合、回折レンズは、正の屈折力を有する。各格子の格子高さ(階段形状の最も高い段の上面から、最も低い段までの距離)はHであり、全て同じである。格子高さHは、波長の整数倍となるように設計されている。各格子において、複数の段の幅は同じであり、隣接する段の高低差は同じである。
The
本実施形態に係る色消しレンズ10は、正の屈折力を有する回折レンズ11と、正の屈折力を有する屈折レンズ12とを組み合わせた、正の屈折力を有する色消しレンズである。尚、色消しレンズは、負の屈折力を有する色消しレンズであってもよい。この場合、回折レンズとして、バイナリ形状が、回折レンズ11とは逆に光軸から周縁部に向けて上昇している回折レンズを用い、屈折レンズとして、例えば凹レンズ形状の屈折レンズを用いればよい。
The
図2では、各格子の段数が4段である場合を図示しているが、これに限定されない。段数は、2のx乗(2x、但しx≧1)であればよく、例えば、2段、4段、8段、16段としてもよい。各格子の段数が多いほど回折効率が高くなるが、段数が16段以上となると、滑らかな斜面のノコギリ型形状の格子の回折効率に漸近する。非特許文献1によれば、ノコギリ型形状の格子の回折効率を100%とした場合、段数が2段の場合の回折効率の最大値は41%であり、4段の場合には81%、8段の場合には95%、16段の場合には99%である。また、ノコギリ形状の格子において、格子間隔が波長の10倍である場合には回折効率の最大値は85%程度となり、格子間隔が波長の5倍である場合には回折効率の最大値は80%程度となり、格子間隔が波長の4倍である場合には、回折効率の最大値は75%程度となり、格子間隔が波長の3倍である場合には、回折効率の最大値は60%程度となる(Proc. SPIE 5005, 8-19, (2003), “Optimization of a Volume Phase Holographic Grism for Astronomical Observation using the Photopolymer” を参照)。バイナリ形状の格子を有する回折レンズ11の回折効率は、上記に説明したノコギリ型形状の格子の回折効率に、ノコギリ形状の格子を100%とした場合のバイナリ形状の段数による回折効率の割合を乗じることによって求めることができる。例えば、格子間隔が波長の5倍であり、バイナリ形状の段数が8段の場合には、80%と95%とを乗じた76%程度の回折効率を得ることができる。尚、全ての格子の段数を同じにする必要は無い。回折レンズ11は、例えば、4段、8段、16段の段数を有する格子を少なくとも1つずつ備えていてもよい。この場合、軸Zに近い格子(格子間隔の大きい格子)ほど段数が多くなるように設計することが好ましい。例えば、軸Zに最も近い側に位置する1つまたは複数の格子を16段とし、これよりも外側に位置する1つまたは複数の格子を8段とし、最も軸Zから遠い側(最外周)に位置する1つまたは複数の格子を4段とすることができる。
Although FIG. 2 illustrates a case where the number of stages of each lattice is four, the present invention is not limited to this. The number of stages may be 2 to the power of x (2 x , where x ≧ 1). For example, the number of stages may be 2, 4, 8, or 16. The diffraction efficiency increases as the number of stages of each grating increases. However, when the number of stages is 16 or more, the diffraction efficiency of a grating having a saw-tooth shape with a smooth slope gradually approaches. According to Non-Patent Document 1, when the diffraction efficiency of the saw-shaped grating is 100%, the maximum value of the diffraction efficiency when the number of stages is two is 41%, and when the number of stages is four, 81%, In the case of 8 stages, it is 95%, and in the case of 16 stages, it is 99%. In the saw-shaped grating, the maximum value of the diffraction efficiency is about 85% when the grating interval is 10 times the wavelength, and the maximum value of the diffraction efficiency is 80 when the grating interval is 5 times the wavelength. When the grating interval is four times the wavelength, the maximum value of the diffraction efficiency is about 75%, and when the grating interval is three times the wavelength, the maximum value of the diffraction efficiency is about 60%. (See Proc. SPIE 5005, 8-19, (2003), “Optimization of a Volume Phase Holographic Grism for Astronomical Observation using the Photopolymer”). The diffraction efficiency of the
散乱は光学系の効率を低下させるばかりではなく、迷光の一因にもなるため、散乱損失が少ないほど望ましい。散乱が大きくなると測定値に誤差が生じてしまうことがあり、実用的には目的に応じて光学素子の散乱損失が1%以下から24%以下であることが求められる場合が多い。特に強い背景光がある場合の分光計測等においては、より散乱損失が少ない色消しレンズが求められる。一方、単色光源を用いた吸光度測定等においては散乱損失が50%程度の色消しレンズであっても実用的に使用できる。 Scattering not only lowers the efficiency of the optical system, but also contributes to stray light, so it is desirable that the scattering loss be smaller. When the scattering increases, an error may occur in the measured value, and in practice, the scattering loss of the optical element is often required to be 1% or less to 24% or less depending on the purpose. In spectroscopic measurement or the like when there is particularly strong background light, an achromatic lens with less scattering loss is required. On the other hand, in the absorbance measurement using a monochromatic light source, even an achromatic lens having a scattering loss of about 50% can be used practically.
色消しレンズ10の回折レンズ11における散乱損失Lsは、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy:AFM)によって1nm間隔で測定した場合に表面粗さの平均二乗偏差の値(rms値)が大きくなるほど大きくなる。表面粗さのrms値をσとし、波長λを与えると、散乱損失Ls(%)は、下記の式(1)によって求めることができる。
Ls=[1−exp{−(4πnσcosθ/λ)2}]×100 …… (1)
ここでθは光束の入射角であり、nは媒質の屈折率である。
The scattering loss Ls in the
Ls = [1-exp {-(4πnσcos θ / λ) 2 }] × 100 (1)
Here, θ is the incident angle of the light beam, and n is the refractive index of the medium.
式(1)を用いて回折レンズの散乱損失Lsを計算すると、波長120nmにおいて、垂直入射(θ=0)、屈折率n=1、表面粗さのrms値σが1nmである場合の散乱損失Lsは1%、表面粗さのrms値σが3nmである場合の散乱損失Lsは10%、表面粗さのrms値σが5nmである場合の散乱損失Lsは24%、表面粗さのrms値σが10nmである場合の散乱損失Lsは67%である。波長が短い真空紫外線領域で色消しレンズを用いる場合には、表面粗さが大きくなるほど、散乱の影響によって真空紫外線の透過率が低減する割合が多くなる。回折レンズ11をAFMによって1nm間隔で測定した場合に表面粗さのrms値は5nm以下であるため、波長120nmにおける散乱損失が24%以下である。波長が短いほど、散乱損失は大きくなることから、回折レンズ11は、波長120nm以上200nm以下の真空紫外線において散乱損失が24%以下であり、用途によって波長120nm以上200nm以下の真空紫外線において実用的に使用することができる。回折レンズ11の表面粗さのrms値は、3nm以下であればより好ましく、1nm以下であれば、特に好ましい。回折レンズ11の表面粗さのrms値を3nm以下とすれば、波長120nm以上200nm以下の真空紫外線における散乱損失は10%以下に低減でき、その表面粗さのrms値が1nm以下とすれば、散乱損失は1%以下に低減することができる。
When the scattering loss Ls of the diffractive lens is calculated using the equation (1), the scattering loss in the case where the normal incidence (θ = 0), the refractive index n = 1, and the rms value σ of the surface roughness is 1 nm at a wavelength of 120 nm. Ls is 1%, the scattering loss Ls is 10% when the surface roughness rms value σ is 3 nm, the scattering loss Ls is 24% when the surface roughness rms value σ is 5 nm, and the surface roughness rms. The scattering loss Ls when the value σ is 10 nm is 67%. When an achromatic lens is used in the vacuum ultraviolet region where the wavelength is short, the rate at which the transmittance of vacuum ultraviolet light decreases due to the influence of scattering increases as the surface roughness increases. When the
次に、実施形態に係る色消しレンズをさらに具現化した実施例1について説明する。
図3は、実施形態に係る色消しレンズ10の一実施例について、シミュレーションを行い、その光学特性を調べた結果を示している。横軸は色消しレンズ等に透過させる光線の波長を示しており、縦軸は、焦点距離を示している。シミュレーションを行った色消しレンズ10は、材質がフッ化マグネシウムであり、屈折レンズ12の曲率半径が28mmであり、回折レンズ11の半径6.25mmにおける格子間隔が696nmであり、図3に参照番号101として示している。また、比較のため、回折レンズを用いた場合のシミュレーション結果を参照番号151として示しており、屈折レンズを用いた場合のシミュレーション結果を参照番号152として示している。比較例として用いた回折レンズは、半径6.25mmにおける格子間隔が420nmの回折レンズであり、屈折レンズは、曲率半径が11.6mmの平凸レンズであり、いずれのレンズも125nmにおける焦点距離が20mmになるように設計されている
Next, Example 1 that further embodies the achromatic lens according to the embodiment will be described.
FIG. 3 shows a result of conducting a simulation and examining the optical characteristics of an example of the
尚、回折レンズまたは回折レンズは、回折格子から出てきた光が波長の整数倍の行路差を持つように設計されている。すなわち、回折次数m、波長をλ、格子間隔をd、入射角をθ1、回折角をθ2とすると、下記の式(2)によって表される回折格子の式を満たしている。
mλ=d(sinθ1+sinθ2) …… (2)
ここでm=1、θ1=0(垂直入射)とすると、
λ=dsinθ2 …… (3)
になる。一方、回折レンズの半径rの格子による回折角θ2は焦点距離fから
r/f=tanθ2 …… (4)
によって与えられる。波長λ、回折レンズの半径rの格子による回折角θ2が与えられると式(3)と式(4)より、格子間隔dは
d=λ/sin{tan−1(r/f)} ……(5)
より求めることができる。すなわち、式(5)を用いれば、回折レンズまたは回折レンズの特定の半径における格子間隔から、波長と焦点距離との関係を求めることができる。
Note that the diffractive lens or the diffractive lens is designed so that light emitted from the diffraction grating has a path difference that is an integral multiple of the wavelength. That is, when the diffraction order is m, the wavelength is λ, the grating interval is d, the incident angle is θ1, and the diffraction angle is θ2, the equation of the diffraction grating represented by the following equation (2) is satisfied.
mλ = d (sin θ1 + sin θ2) (2)
If m = 1 and θ1 = 0 (normal incidence),
λ = dsinθ2 (3)
become. On the other hand, the diffraction angle θ2 by the grating having the radius r of the diffractive lens is calculated from the focal length f as follows: r / f = tan θ2 (4)
Given by. Given a diffraction angle θ2 due to a grating having a wavelength λ and a radius r of the diffractive lens, from equation (3) and equation (4), the grating interval d is d = λ / sin {tan −1 (r / f)}. (5)
It can be obtained more. That is, by using Expression (5), the relationship between the wavelength and the focal length can be obtained from the diffraction lens or the lattice spacing at a specific radius of the diffraction lens.
尚、屈折レンズ(屈折レンズ)の焦点距離をf1、回折レンズ(回折レンズ)の焦点距離をf2とすると屈折レンズと回折レンズを密着させた場合の色消しレンズの焦点距離f0は下記の式(6)によって求めることができる。
1/f0=1/f1+1/f2} ……(6)
また、最外周の半径をrとすると平行光束が入射した場合に結像側の開口数N.A.は、下記の式(7)によって求めることができる。
N.A.=sin {tan−1 (r/f)} ……(7)
When the focal length of the refractive lens (refractive lens) is f 1 and the focal length of the diffractive lens (diffractive lens) is f 2 , the focal length f 0 of the achromatic lens when the refractive lens and the diffractive lens are in close contact is as follows. (6).
1 / f 0 = 1 / f 1 + 1 / f 2} ...... (6)
Further, when the outermost radius is r, the numerical aperture on the imaging side when the parallel light beam is incident is N.P. A. Can be obtained by the following equation (7).
N. A. = Sin {tan -1 (r / f)} (7)
図3に示すように、比較例(151,152)では、いずれも焦点距離の波長依存性が大きくなっている。屈折レンズ(151)を用いた場合には、波長が短いほど焦点距離が短くなっており、回折レンズ(152)を用いた場合には、波長が短いほど焦点距離が長くなっている。これに対して、実施例に係る色消しレンズを用いた場合には、焦点距離の波長依存性が小さくなっており、色収差が補正されている。 As shown in FIG. 3, in the comparative examples (151 and 152), the wavelength dependence of the focal length is large. When the refracting lens (151) is used, the shorter the wavelength, the shorter the focal length. When the diffractive lens (152) is used, the shorter the wavelength, the longer the focal length. On the other hand, when the achromatic lens according to the example is used, the wavelength dependency of the focal length is small, and the chromatic aberration is corrected.
上記のとおり、本実施形態に係る色消しレンズ10は、真空紫外線の透過率に優れており、真空紫外線領域での色収差を補正可能な色消しレンズとして好適に利用することができる。本実施形態に係る色消しレンズは、例えば、真空紫外線を用いた光学装置に利用可能であり、真空紫外線を用いて測定を行う分光計測装置に好適に用いることができる。
As described above, the
本実施形態に係る色消しレンズ10は、特に、プラズマ中に存在する水素ラジカル(H),窒素ラジカル(N)、酸素ラジカル(O)、炭素ラジカル(C)等の絶対数を計測するラジカル計測装置に好適に用いることができる。これらのラジカルの基底状態の電子遷移吸収線が観測可能な波長は、窒素ラジカルが120nm、水素ラジカルが121.6nm、酸素ラジカルが130.4nm、炭素ラジカルが165.7nmである。かかるラジカル計測装置では、窒素ラジカル、水素ラジカル、酸素ラジカルを測定する場合には120nm〜130.4nmの真空紫外線領域における電子遷移吸収線を測定する。さらに、炭素ラジカルも測定したい場合には、120nm〜165.7nmの真空紫外線波長領域における電子遷移吸収線を測定する。このような波長領域の真空紫外線を透過する材料としては、フッ化マグネシウムとフッ化リチウムが挙げられるが、従来、これらの材料を用いて、屈折レンズと回折レンズとを組み合わせ、これによって真空紫外線領域での色収差を補正可能な色消しレンズを提供することはできなかった。これは、従来提案されていたレンズ材料を切削や研削する方法や、エッチング加工する方法によって製作された格子の表面粗さでは真空紫外線の散乱損失が大きくて実用的ではなく、良好な表面粗さが得られる回折レンズの実現方法が提案されていなかったことが一因であると考えられる。
The
本実施形態に係る色消しレンズ10のように、回折レンズ11の階段形状が光軸から周縁部に向けて下降しており、光軸に垂直な平面と光軸に平行な曲面によって区画される2x段の階段形状を有する、複数のバイナリ形状の格子を有していれば、回折レンズ11の平面部分に用いられるレンズ材料からなる基板の表面に鋳型を形成し、この鋳型を用いて基板の表面に回折レンズ11の階段形状として用いられるレンズ材料を積層し、鋳型を取り除くリフトオフ工程を行うことによって、容易に精度よく加工することができる。この鋳型を用いて回折レンズを成形し、その後、鋳型を除去すれば、回折レンズの形状を十分に確保し、回折レンズのバイナリ形状の表面粗さを小さくすることができる。回折レンズ11をAFMによって1nm間隔で測定した場合に表面粗さのrms値が5nm以下である色消しレンズ10を実現することができるため、光の散乱損失を小さくすることができ、真空紫外線の透過率を向上させることができる。また、基板を熱処理してもよい。熱処理は、基板温度が200℃以上1200℃以下となる条件で行うことが好ましく、これによって、真空紫外線の透過率をさらに向上させることが可能となる。
Like the
本実施形態に係る色消しレンズを、真空紫外線を用いる光学装置や真空紫外線の光源、真空紫外線を含む波長領域において測定を行う分光計測装置に用いれば、これらの装置を小型化することが可能となる。例えば、上記において説明したラジカル計測装置に適用すれば、真空紫外線の光源部と分光計測装置部を手の平サイズに納めて小型化されたラジカル計測装置を実現することも可能である。このように小型化されたラジカル計測装置は、様々な製造装置に組み込むことができる。例えば、半導体製造装置にラジカル計測装置を組み込んで、製造プロセスを実行しながら、実行中の製造プロセスで現に発生しているラジカル計測を行うことができる。ラジカルの計測値に基づいて半導体装置の製造プロセスの条件を制御できるため、製造における歩留まりを向上させることができる。 If the achromatic lens according to the present embodiment is used in an optical device using vacuum ultraviolet light, a light source of vacuum ultraviolet light, or a spectroscopic measurement device that performs measurement in a wavelength region including vacuum ultraviolet light, these devices can be miniaturized. Become. For example, when applied to the radical measurement apparatus described above, it is possible to realize a miniaturized radical measurement apparatus by placing the vacuum ultraviolet light source unit and the spectroscopic measurement unit in the palm size. The radical measuring device thus miniaturized can be incorporated into various manufacturing apparatuses. For example, a radical measuring device can be incorporated into a semiconductor manufacturing apparatus, and radicals that are actually generated in the manufacturing process being executed can be measured while executing the manufacturing process. Since the manufacturing process conditions of the semiconductor device can be controlled based on the measured value of the radical, the manufacturing yield can be improved.
図4は、本実施形態に係る色消しレンズ10を設置したラジカル計測装置30を模式的に示す図である。ラジカル計測装置30は、真空紫外線光源310と、真空紫外線分光器320と、真空チャンバ330とを備えている。真空紫外線光源310のレンズ312と真空紫外線分光器320のレンズ322とは、真空チャンバ330内に発生するプラズマ340の内部に設置されている。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the
本実施形態に係る色消しレンズ10を、レンズ312とレンズ322として用いれば、測定する波長ごとにレンズの焦点位置を調整する必要が無くなり、真空紫外線光源310と真空紫外線分光器320とを手の平サイズに納めて小型化することができる。このように、本実施形態に係る色消しレンズ10によれば、ラジカル計測装置30を小型化することが可能となり、波長を変えても計測を速やかに能率よく行うことができるようになる。
When the
(色消しレンズの第1の製造方法)
次に、実施形態に係る色消しレンズ10の第1の製造方法について説明する。
本実施形態に係る第1の製造方法は、屈折レンズ12を形成する屈折レンズ形成工程と、回折レンズ11を形成する回折レンズ形成工程と、を含んでいる。
本実施形態に係る屈折レンズ12は、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて形成され、一般的な凸形状のレンズの製造方法を用いて容易に形成することができるため、詳細な説明を省略する。以下、本実施形態に係る回折レンズ11を形成する回折光学素子形成工程について、図5〜図12を参照しながら説明する。
(First manufacturing method of achromatic lens)
Next, a first manufacturing method of the
The first manufacturing method according to the present embodiment includes a refractive lens forming step for forming the
The
第1の製造方法に係る回折光学素子形成工程では、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種であるレンズ材料を用いて、回折レンズ11を形成する。尚、本明細書では、屈折レンズの材料として用いたレンズ材料を特に屈折レンズ材料と呼び、回折レンズの材料として用いたレンズ材料を特に回折レンズ材料と呼ぶ。
In the diffractive optical element forming step according to the first manufacturing method, the
回折レンズ形成工程では、第1のリフトオフ工程をx回繰返す。x回行われるそれぞれの第1のリフトオフ工程を「i回目のリフトオフ工程」(i=1,2,…,x)と呼ぶ。i回目の第1のリフトオフ工程は、鋳型形成工程と、積層工程と、鋳型除去工程とを含んでいる。必要に応じて、鋳型除去工程の後あるいは最終工程において熱処理工程を追加することもできる。 In the diffractive lens forming step, the first lift-off step is repeated x times. Each first lift-off process performed x times is referred to as “i-th lift-off process” (i = 1, 2,..., x). The i-th first lift-off process includes a mold forming process, a stacking process, and a mold removing process. If necessary, a heat treatment step can be added after the template removal step or in the final step.
i回目の第1のリフトオフ工程において、鋳型形成工程では、レジストとして一般に用いられている、樹脂を主成分とする有機材料を用いて鋳型を基板(回折レンズ11の材料となる回折レンズ材料によって形成されている基板)の表面に形成する。この鋳型形成工程では、バイナリ形状の格子間隔をDとした場合に、D/(2i−1)の間隔で鋳型が配置される。積層工程では、樹脂の鋳型を用いて基板の表面に回折レンズ材料をスパッタリング法等によって積層する。積層工程では、基板温度は常温であってもよく、基板温度が100℃以下となるように基板を加熱してもよい。鋳型除去工程では、有機溶剤等によって有機材料の鋳型を取り除く。必要に応じて、熱処理工程を行ってもよい。熱処理工程では、回折レンズ材料を積層した後の基板を、200℃以上1200℃以下の基板温度で焼結する。熱処理工程は、リフトオフ工程中に行ってもよいし、x回のリフトオフ工程が全て完了した後に行ってもよい。鋳型形成工程、積層工程、鋳型除去工程、(熱処理工程)は、同様の手順によって繰返して実行してもよい。
以下、x=2の場合、すなわち4段のバイナリ形状を例示して、回折レンズ形成工程について具体的に説明する。
In the i-th first lift-off process, in the mold forming process, a mold is formed of a substrate (a diffractive lens material that is a material of the diffractive lens 11) using an organic material that is generally used as a resist and is mainly composed of a resin. Formed on the surface of the substrate). In this template forming step, when the binary lattice spacing is D, the templates are arranged at an interval of D / (2 i-1 ). In the laminating step, a diffractive lens material is laminated on the surface of the substrate by a sputtering method or the like using a resin mold. In the stacking step, the substrate temperature may be room temperature, or the substrate may be heated so that the substrate temperature becomes 100 ° C. or lower. In the mold removal step, the organic material mold is removed with an organic solvent or the like. You may perform a heat processing process as needed. In the heat treatment step, the substrate after the diffractive lens material is laminated is sintered at a substrate temperature of 200 ° C. or more and 1200 ° C. or less. The heat treatment process may be performed during the lift-off process or after all the x lift-off processes are completed. The mold forming process, the stacking process, the mold removing process, and the (heat treatment process) may be repeatedly performed by the same procedure.
Hereinafter, in the case of x = 2, that is, a four-stage binary shape is illustrated as an example, the diffractive lens forming step will be specifically described.
(1回目の第1のリフトオフ工程)
(1回目の鋳型形成工程)
まず、図5に示すように、回折レンズ材料からなる基板800(例えばMgF2基板)の表面に、樹脂を主成分とする有機材料であるレジスト820を形成し、マスク830を介して、レジスト820に露光を行う。マスク830は、開口部831と遮光部832とを有しているため、レジスト820の開口部831の下方に位置する部分にのみ光が照射される。マスク830を平面視すると、遮光部832は同心円状に形成されており、遮光部832の同心軸が回折レンズ12の格子の同心軸である軸Zに一致するように、マスク830は配置される。バイナリ形状の格子間隔をDとした場合に、開口部831と遮光部832のピッチは、Dとなっている。
(First first lift-off process)
(First mold forming process)
First, as shown in FIG. 5, a resist 820 which is an organic material mainly composed of a resin is formed on the surface of a
露光を行った後、現像すると、図6に示すように、レジスト820をパターニングすることができる。レジスト820は、回折レンズ12の軸Zを同心軸とする環状にパターニングされている。
When development is performed after exposure, the resist 820 can be patterned as shown in FIG. The resist 820 is patterned in an annular shape having the axis Z of the
(1回目の積層工程)
図6の状態の基板に対して、回折レンズ材料を積層すると、図7に示すように、基板800の表面に回折レンズ材料802が積層され、レジスト820の表面に回折レンズ材料803が積層される。積層工程では、回折レンズが有する階段形状の2段分の高さまで、回折レンズ材料が積層される。尚、1回目の積層工程において、レジスト820の表面に形成された回折レンズ材料層803が、基板800の表面に積層された回折レンズ材料層802と接触しないように、上述の1回目のレジスト形成工程で形成するレジスト820の厚さが調整されている。回折レンズ材料は、例えば、スパッタリング法によって積層することができる。スパッタリング法によるレンズ材料の積層に際しては、基板800の温度は常温であってもよく、100℃以下となるように基板800を加熱してもよい。
(First lamination process)
When the diffractive lens material is laminated on the substrate in the state of FIG. 6, as shown in FIG. 7, the
(1回目の鋳型除去工程)
次に、回折レンズ材料803をレジスト820とともに有機溶剤によって除去すると、図8に示す状態となる。
(First mold removal process)
Next, when the
必要に応じて図8の状態の基板の熱処理を行う。熱処理は、基板800の温度が200℃以上1200℃以下となる条件で行うことが好ましい。200℃以上1200℃以下の基板温度でレンズ材料の熱処理を行うことにより、レンズ材料の真空紫外線透過率をより高くすることが可能となる場合がある。
If necessary, the substrate in the state of FIG. 8 is heat-treated. The heat treatment is preferably performed under a condition where the temperature of the
以上で、1回目の第1のリフトオフ工程を終了し、次に、2回目の第1のリフトオフ工程を実施する。 Thus, the first first lift-off process is completed, and then the second first lift-off process is performed.
(2回目の第1のリフトオフ工程)
(2回目の鋳型形成工程)
次に、2回目の鋳型形成工程を行う。図8に示す状態の基板の表面に、図9に示すように、樹脂を主成分とする有機材料であるレジスト822を形成し、マスク840を介して、レジスト822に露光を行う。マスク840は、開口部841と遮光部842とを有しているため、レジスト820の開口部841の下方に位置する部分にのみ光が照射される。マスク840を平面視すると、遮光部842は同心円状に形成されており、遮光部842の同心軸が回折レンズ12の格子の同心軸である軸Zに一致するように、マスク840は配置される。バイナリ形状の格子間隔をDとした場合に、開口部841と遮光部842のピッチは、D/2となっている。開口部841の幅は開口部831の半分であり、遮光部842の幅は遮光部832の幅の半分である。
(Second first lift-off process)
(Second mold forming process)
Next, a second template forming step is performed. A resist 822 which is an organic material containing a resin as a main component is formed on the surface of the substrate in the state shown in FIG. 8, and the resist 822 is exposed through a
露光を行った後、現像すると、図10に示すように、レジスト822をパターニングすることができる。レジスト822は、回折レンズ12の軸Zを同心軸とする環状にパターニングされている。
When development is performed after exposure, the resist 822 can be patterned as shown in FIG. The resist 822 is patterned in an annular shape having the axis Z of the
(2回目の積層工程)
図10の状態の基板に対して、回折レンズの材料となる回折レンズ材料を積層すると、図11に示すように、基板800と回折レンズ材料802の表面に回折レンズ材料804が積層され、レジスト822の表面に回折レンズ材料805が積層される。積層工程では、回折レンズが有する階段形状の1段分の高さまで、回折レンズ材料がスパッタリング法等により積層される。尚、2回目の積層工程において、レジスト822の表面に形成された回折レンズ材料層805が、回折レンズ材料802の表面に積層された回折レンズ材料804と接触しないように、上述の2回目のレジスト形成工程で形成するレジスト822の厚さが調整されている。
(Second lamination process)
When a diffractive lens material as a diffractive lens material is laminated on the substrate in the state of FIG. 10, the
(2回目の鋳型除去工程)
1回目の鋳型除去工程と同様に、2回目の鋳型除去工程を行って、回折レンズ材料805をレジスト822とともに有機溶剤によって除去すると、図12に示す状態となる。必要に応じて図12の状態の基板の熱処理を行ってもよい。
(Second mold removal step)
As in the first mold removal step, the second mold removal step is performed, and when the
以上で、2回目の第1のリフトオフ工程を終了し、回折レンズのバイナリ形状を形成する第2工程が完了する。図12に示すように、4段のバイナリ形状を有する回折レンズを形成することができる。 Thus, the second first lift-off process is completed, and the second process of forming the binary shape of the diffractive lens is completed. As shown in FIG. 12, a diffractive lens having a four-stage binary shape can be formed.
上記のとおり、回折レンズの2x段の階段形状を有するバイナリ形状は、回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に、樹脂を主成分とする有機材料の鋳型を形成し、この鋳型を用いて、基板を常温あるいは100℃以下で加熱しながら基板の表面に回折レンズ材料をスパッタリング法等により積層し、回折レンズ材料を積層した後の基板から鋳型を取り除き、必要に応じて、鋳型を取り除いた後の基板を200℃以上1200℃以下の基板温度で熱処理する、第1のリフトオフ工程をx回繰返すことによって形成することができる。x回繰返される第1のリフトオフ工程のうち、i回目の第1のリフトオフ工程では、バイナリ形状の格子間隔をDとした場合に、D/(2i−1)の間隔で鋳型が配置される。必要に応じて、第1のリフトオフ工程をx回繰返した後の基板を熱処理してもよい。 As described above, the binary shape having a 2 x stepped shape of the diffractive lens is formed by forming an organic material mold mainly composed of resin on the surface of the substrate formed of the diffractive lens material. Then, while heating the substrate at room temperature or below 100 ° C., the diffractive lens material is laminated on the surface of the substrate by sputtering, etc., and the mold is removed from the substrate after the diffractive lens material is laminated, and the mold is removed if necessary. After that, the first lift-off process in which the substrate is heat-treated at a substrate temperature of 200 ° C. or more and 1200 ° C. or less can be formed by repeating x times. Of the first lift-off processes repeated x times, in the i-th first lift-off process, the mold is arranged at an interval of D / (2 i-1 ), where D is the binary lattice spacing. . If necessary, the substrate after repeating the first lift-off step x times may be heat-treated.
上記に説明した手順の回折レンズ形成工程により、回折レンズ11を形成することができ、さらに、回折レンズ11を原子間力顕微鏡(AFM)によって1nm間隔で測定した場合に、表面粗さのrms値を3nm以下とすることができる。従来提案されていた、レンズ材料を切削や研削する方法や、エッチング加工する方法を用いた場合には、原子間力顕微鏡によって1nm間隔で測定した場合の表面粗さのrms値が5nm以下(真空紫外線領域で実用的に利用可能なrms値)である回折レンズを有する色消しレンズを製造することは非常に困難であり、実質不可能であったが、上記の第1の製造方法によれば、それよりもさらに小さいrms値(3nm以下)を有する色消しレンズを、簡易な製造方法によって製造することができる。さらに、200℃以上1200℃以下の基板温度での熱処理によって回折レンズの材料となる材質が緻密化し、内部散乱がより少なく(透過率が高く)なるため、より散乱損失が少ない色消しレンズを製造することができる。
The
(色消しレンズの第2の製造方法)
本実施形態に係る色消しレンズ10は、以下に説明する第2の製造方法によっても製造することができる。色消しレンズ10の第2の製造方法は、回折レンズ11を形成する回折レンズ形成工程において上記に説明した第1の製造方法と異なっている。
(Second manufacturing method of achromatic lens)
The
第2の製造方法に係る回折レンズ形成工程では、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて、第2のリフトオフ工程をx回繰返すことによって、回折レンズ11を形成する。x回行われるそれぞれの第2のリフトオフ工程を「i回目の第2のリフトオフ工程」(i=1,2,…,x)と呼ぶ。i回目の第2のリフトオフ工程は、有機材料の鋳型を形成する鋳型形成工程と、無機材料の鋳型としての犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、有機材料の鋳型を除去する鋳型除去工程と、積層工程と、犠牲層除去工程とを含んでいる。
In the diffractive lens forming step according to the second manufacturing method, diffraction is performed by repeating the second lift-off step x times using at least one diffractive lens material selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride. The
有機材料の鋳型形成工程では、回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に有機材料であるレジストの鋳型を形成する。 In the organic material mold forming step, a resist mold, which is an organic material, is formed on the surface of the substrate formed of the diffractive lens material.
第2の製造方法では、第1の製造方法と異なり、有機材料の鋳型を用いて、リフトオフ法によってシリコンまたはシリコン化合物を主成分とする犠牲層を形成し、この犠牲層を回折レンズ材料を積層するための鋳型として用いる。この犠牲層を形成する犠牲層形成工程においては、バイナリ形状の格子間隔をDとした場合に、D/(2i−1)の間隔で犠牲層が配置される。犠牲層形成工程の後で、有機材料の鋳型を除去する鋳型除去工程を実施する。その後、積層工程を行う。積層工程では、この犠牲層を用いて基板を200℃から1200℃で加熱しながら表面に回折レンズ材料を抵抗加熱蒸着法や電子ビーム蒸着法等により積層する。犠牲層除去工程では、回折レンズ材料を積層した後の基板から等方性エッチングにより余分に積層した回折レンズ材料を犠牲層とともに取り除く。 In the second manufacturing method, unlike the first manufacturing method, a sacrificial layer mainly composed of silicon or a silicon compound is formed by a lift-off method using an organic material mold, and this sacrificial layer is laminated with a diffractive lens material. It is used as a casting mold. In the sacrificial layer forming step for forming the sacrificial layer, when the binary lattice spacing is D, the sacrificial layers are arranged at a distance of D / (2 i-1 ). After the sacrificial layer forming step, a template removing step for removing the organic material template is performed. Then, a lamination process is performed. In the laminating step, the diffractive lens material is laminated on the surface by resistance heating vapor deposition or electron beam vapor deposition while heating the substrate at 200 ° C. to 1200 ° C. using this sacrificial layer. In the sacrificial layer removal step, the diffractive lens material that is excessively laminated is removed from the substrate after the diffractive lens material is laminated by isotropic etching together with the sacrificial layer.
例えば、図13、図14に示すように、基板900の表面に有機材料の鋳型としてレジスト920を形成し、開口部931と遮光部932とを有するマスク930を用いて間隔Dでレジスト920をパターニングする(1回目の有機材料の鋳型形成工程)。その後、図15に示すように、スパッタリング法等によってシリコンあるいはシリカを積層して、犠牲層950,951を形成する(1回目の犠牲層形成工程)。これによって、基板900の表面に犠牲層950が積層され、レジスト920の表面に犠牲層951が積層される。その後、犠牲層951をレジスト920とともに有機溶剤によって除去すると、図16に示す状態となる(1回目の有機材料の鋳型除去工程)。
For example, as shown in FIGS. 13 and 14, a resist 920 is formed as a template of an organic material on the surface of the
図16に示すように、基板900の表面に形成された犠牲層950を鋳型にして、図17に示すように、回折レンズが有する階段形状の2段分の高さまで、回折レンズ材料層902および903を積層する。これによって、基板900の表面に回折レンズ材料層902が積層され、犠牲層950の表面に回折レンズ材料層903が積層される。等方性エッチングにより犠牲層950を除去すると、図18に示すように、犠牲層950とともにその表面に形成された回折レンズ材料層903が除去される(1回目の犠牲層除去工程)。
As shown in FIG. 16, the
次に、図19,図20に示すように、基板900の表面にレジスト922を形成し、開口部941と遮光部942とを有するマスク940を用いて間隔D/2でレジスト922をパターニングする(2回目の有機材料の鋳型形成工程)。その後、2回目の犠牲層形成工程によって、図21に示すように、回折レンズ材料層902の表面に犠牲層952が積層され、レジスト922の表面に犠牲層953を積層する(2回目の犠牲層形成工程)。その後、レジスト922を除去すると、図22に示すように、レジスト922とともにその表面に形成された犠牲層953が除去される(2回目の有機材料の鋳型除去工程)。その後、犠牲層952を鋳型にして2回目の回折レンズ材料の積層工程によって回折レンズ材料を積層すると、基板900および回折レンズ材料層902の表面に回折レンズ材料層904が積層され、犠牲層952の表面に回折レンズ材料層905が積層される。その後、犠牲層952を除去すると、図23,図24に示すように、犠牲層952とその表面に形成された回折レンズ材料層905が除去される(2回目の犠牲層除去工程)。上記の第2の製造方法によっても、回折レンズ11を原子間力顕微鏡(AFM)によって1nm間隔で測定した場合に、表面粗さのrms値を3nm以下とすることができる。表面粗さのrms値が、真空紫外線領域で実用的に利用可能なrms値(5nm以下)よりもさらに小さい回折レンズを実現することができる。
Next, as shown in FIGS. 19 and 20, a resist 922 is formed on the surface of the
尚、上記に説明した第1の製造方法と第2の製造方法では、色消しレンズ10の回折レンズ11と屈折レンズ12が同一の材料であるために、回折レンズ材料と屈折レンズ材料には、同一の材料を用いることができる。屈折レンズ材料と回折レンズ材料とは、同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
In the first manufacturing method and the second manufacturing method described above, since the
上記の実施形態では、回折レンズと屈折レンズが別々のレンズであり、平行平面の回折レンズ11と平凸形状の屈折レンズ12の平面状の裏面同士が接触している、色消しレンズ10を例示して説明したが、これに限定されない。例えば、下記の(a)〜(e)に示すような形態を備えた色消しレンズであってもよい。
(a)回折レンズと屈折レンズとは、光軸を共有するように配置されていれば、表面と裏面を逆にして配置してもよい。また、回折レンズと屈折レンズとは、密着して配置されていてもよいし、離間して配置されていてもよい。回折レンズと屈折レンズとの間隔を調整することによって、色収差や焦点距離を調整することができる。
(b)屈折レンズは、平凸形状の屈折レンズに限定されず、例えば、両凸レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズ等であってもよい。
(c)回折レンズは、平行平面の回折レンズに限定されない。例えば、回折レンズが凸面や凹面上に形成されていてもよい。
(d)回折レンズの裏面が凸面や凹面であってもよい。
(e)色消しレンズは、回折光学素子と屈折光学素子が一体に形成された1つのレンズであってもよい。
(f)色消しレンズは、回折光学素子と屈折光学素子が一体に形成された1つのレンズであって、屈折レンズの表面と裏面の両方に、バイナリ形状の回折格子が形成されていてもよい。
In the above embodiment, the diffractive lens and the refracting lens are separate lenses, and the
(A) If the diffractive lens and the refractive lens are arranged so as to share the optical axis, they may be arranged with the front surface and the back surface reversed. Further, the diffractive lens and the refractive lens may be disposed in close contact with each other or may be disposed apart from each other. By adjusting the distance between the diffractive lens and the refractive lens, chromatic aberration and focal length can be adjusted.
(B) The refractive lens is not limited to a plano-convex shaped refractive lens, and may be, for example, a biconvex lens, a biconcave lens, a meniscus lens, or the like.
(C) The diffraction lens is not limited to a parallel plane diffraction lens. For example, the diffractive lens may be formed on a convex surface or a concave surface.
(D) The back surface of the diffractive lens may be a convex surface or a concave surface.
(E) The achromatic lens may be a single lens in which a diffractive optical element and a refractive optical element are integrally formed.
(F) The achromatic lens is a single lens in which a diffractive optical element and a refractive optical element are integrally formed, and binary diffraction gratings may be formed on both the front and back surfaces of the refractive lens. .
上記(b)(c)(f)およびこれらを組み合わせることによって、より開口数N.A.が大きい色消しレンズや波長帯域が広い色消しレンズが実現できる。 By combining the above (b), (c), (f) and these, the numerical aperture N.I. A. A large achromatic lens and a wide wavelength band can be realized.
上記においては、回折レンズ11と屈折レンズ12が別々のレンズである色消しレンズ10を例示して、第1の製造方法と第2の製造方法を説明したが、上記の(a)〜(f)およびこれらを組み合わせた色消しレンズであっても、第1の製造方法、第2の製造方法を有効に利用することができ、回折レンズを原子間力顕微鏡(AFM)によって1nm間隔で測定した場合に、表面粗さのrms値を3nm以下とすることができる。尚、第1の製造方法と第2の製造方法においては、色消しレンズの形態によっては、回折レンズ材料の基板を用いて鋳型形成工程を行ったが、屈折レンズ材料によって形成されている基板を用いて1回目の鋳型形成工程を行ってもよいことは、当業者であれば当然に理解することができる。例えば、回折レンズと屈折レンズが一体となっている色消しレンズを製造する場合には、屈折レンズ材料によって形成されている基板を用いて1回目の鋳型形成工程を行い、その後、積層工程によって、屈折レンズ材料の基板上に、回折レンズ材料を積層してもよい。また、屈折レンズ材料と回折レンズ材料は、同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
In the above, the
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10 色消しレンズ
11 回折レンズ
12 屈折レンズ
13 接合面
800,900 基板
802,803,804,805,902,903,904,905 レンズ材料層
820,822,920,922 レジスト
830,840,930,940 マスク
831,841,931,941 開口部
832,842,932,942 遮光部
950,952,953 シリコン層
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記屈折レンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて形成されており、
前記回折レンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて形成されており、
前記回折レンズの格子の表面粗さの平均二乗偏差値(rms値)は、5nm以下であり、
フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する200nmから短波長側の吸収端波長までの真空紫外線領域の色収差を補正する、色消しレンズ。 An achromatic lens comprising a refractive lens and a diffractive lens having a plurality of binary-shaped gratings,
The refractive lens is formed using a refractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride,
The diffractive lens is formed using a diffractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride,
The mean square deviation value (rms value) of the surface roughness of the grating of the diffractive lens is 5 nm or less,
An achromatic lens that corrects chromatic aberration in the vacuum ultraviolet region from 200 nm where the refractive index of lithium fluoride and magnesium fluoride changes greatly to the absorption edge wavelength on the short wavelength side.
前記複数のバイナリ形状の格子は、前記色消しレンズの光軸に垂直な平面と光軸に平行な曲面によって区画される2x段の階段形状を有する、請求項1に記載の色消しレンズ。 The lattice spacing of the plurality of binary-shaped gratings is wide on the side close to the optical axis of the achromatic lens and narrow on the side far from the optical axis of the achromatic lens,
2. The achromatic lens according to claim 1, wherein the plurality of binary-shaped gratings have a 2 × stepped shape that is partitioned by a plane perpendicular to the optical axis of the achromatic lens and a curved surface parallel to the optical axis.
前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に、樹脂を主成分とする有機材料の鋳型を形成し、
前記鋳型を用いて前記基板を常温あるいは100℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層し、
前記鋳型を除去することによって形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の色消しレンズ。 The binary shape of the diffractive lens is
On the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material, an organic material mold mainly composed of a resin is formed,
Laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate while heating the substrate at room temperature or 100 ° C. or less using the mold,
The achromatic lens according to any one of claims 1 to 3, which is formed by removing the template.
前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面にシリコンまたはシリカ(シリコン酸化物)を主成分とする無機材料の鋳型としての犠牲層を形成し、
前記鋳型を用いて前記基板を200℃以上1200℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層し、
前記犠牲層を除去することによって形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の色消しレンズ。 The binary shape of the diffractive lens is
Forming a sacrificial layer as a template of an inorganic material mainly composed of silicon or silica (silicon oxide) on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material;
The diffractive lens material is laminated on the surface of the substrate while heating the substrate at 200 ° C. or more and 1200 ° C. or less using the mold,
The achromatic lens according to any one of claims 1 to 3, which is formed by removing the sacrificial layer.
フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて屈折レンズを形成する屈折レンズ形成工程と、
フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて回折レンズを形成する回折レンズ形成工程と、を含んでおり、
前記回折レンズ形成工程は、
前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面に、を主成分とする有機材料の鋳型を形成する鋳型形成工程と、
前記鋳型を用いて前記基板を常温あるいは100℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料をスパッタ法により積層する積層工程と、
前記熱処理工程後に鋳型を除去する鋳型除去工程とを含む、色消しレンズの製造方法。 A method of manufacturing an achromatic lens comprising a refractive lens and a diffractive lens,
A refractive lens forming step of forming a refractive lens using a refractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride;
A diffractive lens forming step of forming a diffractive lens using a diffractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride, and
The diffractive lens forming step includes:
A mold forming step of forming a mold of an organic material having as a main component on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material;
A lamination step of laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate by sputtering while heating the substrate at room temperature or 100 ° C. or less using the mold;
A method for producing an achromatic lens, comprising: a mold removing step of removing the mold after the heat treatment step.
フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である屈折レンズ材料を用いて屈折レンズを形成する屈折レンズ形成工程と、
フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である回折レンズ材料を用いて回折レンズを形成する回折レンズ形成工程と、を含んでおり、
前記回折レンズ形成工程は、
前記屈折レンズ材料あるいは前記回折レンズ材料によって形成されている基板の表面にシリコンまたはシリカ(シリコン酸化物)を主成分とする無機材料の鋳型としての犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記鋳型を用いて前記基板を200℃以上1200℃以下で加熱しながら前記基板の表面に前記回折レンズ材料を積層する積層工程と、
前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程とを含む、色消しレンズの製造方法。 A method of manufacturing an achromatic lens comprising a refractive lens and a diffractive lens,
A refractive lens forming step of forming a refractive lens using a refractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride;
A diffractive lens forming step of forming a diffractive lens using a diffractive lens material that is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride and magnesium fluoride, and
The diffractive lens forming step includes:
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer as a mold of an inorganic material mainly composed of silicon or silica (silicon oxide) on the surface of the substrate formed of the refractive lens material or the diffractive lens material;
A laminating step of laminating the diffractive lens material on the surface of the substrate while heating the substrate at 200 ° C. or more and 1200 ° C. or less using the mold;
And a sacrificial layer removing step of removing the sacrificial layer.
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