CN104094140A - 衍射光栅及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于：提供一种面精度优良、小型、能够轻量化的衍射光栅、及其制造方法。本发明的衍射光栅的特征在于：具备厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板(20)、形成在玻璃基板(20)的一个面上的具有凹凸图案的由树脂构成的细微构造体(10)、形成在玻璃基板(20)的另一个面上的平坦的树脂层(30)。在玻璃基板(20)的面精度大于λ/2的情况下，由于树脂层(30)的平坦性，细微构造体(10)也不受到玻璃基板(20)的面精度的影响，能够制作面精度优良的衍射光栅的复制品。另外，能够减薄玻璃基板，因此能够谋求衍射光栅的小型、轻量化。

Description

衍射光栅及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种衍射光栅及其制造方法。
背景技术
分光器是对某采样发出的光的光谱进行分析的设备。衍射光栅是分光器的基础部件之一。分光器的性能由衍射光栅的性能决定。决定衍射光栅的性能的是与所分析的光的波长一致的纹路的间隔和该间隔的精度、所分析的光的反射率、以及表示衍射光栅的面的凹凸的大小的面精度。
使用刻线机、电子束照射装置对金属片进行切削，来制作在分光器中使用的衍射光栅。利用了这样的装置的衍射光栅的制作牵涉这些装置的导入成本和维持成本，因此并不适于衍射光栅的量产。
对于在通用品的分光器中使用的衍射光栅，使用将通过上述制作方法制作的衍射光栅作为母型而制作的复制品。从母型取得复制品的制作方法能够削减刻线机、电子束照射装置的导入成本和维持成本，因此其适合于在通用品的分光器中使用的衍射光栅的制作方法。
近年来，纳米印制技术发展，开始应用于各种产品。纳米印制技术是指将从数纳米大小到数微米的大小的细微构造从母型转印到复制品、或从复制品转印到复制品的技术。纳米印制技术在能够应用于各种产品的意义上通用性高。另外，纳米印制技术也包含能够通过自动化进行低成本/大量生产的技术。通过应用这样的纳米印制技术，能够低成本并且大量地制作衍射光栅的复制品(例如专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-323762号公报
发明内容
在玻璃基板的表面形成树脂层，将原版(母型)按压在该树脂层上而将原版的反转图案转印到树脂层上，从树脂层剥离原版，由此进行使用了纳米印制技术的衍射光栅的复制品制作。在此，衍射光栅的性能很大地受到面精度的影响。一般，作为衍射光栅，以He-Ne激光的光的波长(λ＝632.8nm)为基准的面精度必须为λ/2以下，要求制作满足这样的面精度的复制品。在衍射光栅的复制品制作中，所制作的复制品的面精度受到玻璃基板的面精度的影响，因此必须使用面精度优良的玻璃基板。但是，面精度优良的玻璃基板从加工上的问题出发是具有某种程度的厚度的玻璃，另外，由于研磨加工的作业，存在成本高的问题。
如果能够将面精度差的薄的玻璃基板应用为衍射光栅的复制品，则从衍射光栅的小型化、轻量化、低成本化的观点出发是理想的。另外，为了容易进行转印处理中的剥离处理，使用能够容易地弯曲的薄的玻璃基板也是理想的。但是，在使用这样的面精度差的薄的玻璃基板制作衍射光栅的复制品的情况下，衍射光栅的面精度也降低，无法得到希望的器件特性。
本发明的目的在于：提供一种面精度优良、小型、能够轻量化的衍射光栅、及其制造方法。
本发明在玻璃基板的表面形成了具有凹凸图案的细微构造体的衍射光栅的制造方法中，其特征在于包括：在面精度小于等于λ/2的平板上，配置向两面供给了光硬化性树脂的厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板的工序；用上述平板和具有凹凸图案的原盘夹住向两面涂膜了光硬化性树脂的上述玻璃基板并加压，向上述原盘的凹凸图案填充与上述原盘相对的光硬化性树脂的工序；使上述光硬化性树脂硬化的工序；通过从上述玻璃基板上的光硬化性树脂剥离，而在上述玻璃基板的一个面上形成具有凹凸图案的微细构造体、在另一个面上形成平坦的树脂层的工序。
另外，在玻璃基板的表面形成了具有凹凸图案的细微构造体的衍射光栅的制造方法中，其特征在于包括：在面精度小于等于λ/2的一对平板上夹住向两面供给了第一光硬化性树脂的厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板并加压，使上述第一光硬化性树脂硬化，在上述玻璃基板的两面形成树脂层的工序；向上述玻璃基板的一个树脂层的表面供给第二光硬化性树脂，将具有凹凸图案的原盘按压到上述第二光硬化性树脂上，向上述原盘的凹凸图案填充上述第二光硬化性树脂的工序；使上述第二光硬化性树脂硬化的工序；通过从上述第二光硬化性树脂剥离，而在上述玻璃基板的一个面上形成具有凹凸图案的细微构造体的工序。
另外，本发明的衍射光栅的特征在于：具备厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板、形成在上述玻璃基板的一个面上的具有凹凸图案的由树脂构成的细微构造体、形成在上述玻璃基板的另一个面上的平坦的树脂层。
此外，在本说明书中，在没有特别限定的情况下，面精度表示以He-Ne激光的光的波长(λ＝632.8nm)为基准求出的面精度。
发明效果
根据本发明提供一种面精度优良、小型、能够轻量化的衍射光栅、及其制造方法。
附图说明
图1是表示第一实施方式的衍射光栅的复制品的结构的说明图。
图2是表示第一实施方式的制作工序的说明图。
图3是表示第二实施方式的衍射光栅的复制品的结构的说明图。
图4是表示现有的复制品的结构的说明图。
具体实施方式
首先，说明现有的衍射光栅的复制品。在图4中表示现有的衍射光栅的复制品的截面的概念图。如图4所示，现有的衍射光栅的复制品在玻璃基板21的表面具有由树脂构成的细微构造体10。细微构造体10例如具有以下的形状，即凹凸面的底部和上部的高度为0.1μm左右，以0.1μm～10μm的间隔周期或随机地配置了凹凸部。与衍射光栅的要求特性等对应地适当地设定细微构造体10的凹凸图案的形状、大小。作为玻璃基板21，使用以He-Ne激光的光的波长(λ＝632.8nm)为基准的面精度满足λ/2以下的玻璃基板，玻璃基板21的厚度是10mm以上。
在现有的结构中，在要应用厚度比10mm薄的玻璃基板的情况下，难以将衍射光栅的面精度设为λ/2以下。这是因为在厚度比10mm薄的玻璃基板中面精度比λ/2大。这是因为形成在玻璃基板上的细微构造体10很大地受到玻璃基板21的面精度的影响，因此如果玻璃基板21的面精度比λ/2大，则其结果是衍射光栅的面精度也比λ/2大。
与此相对，在本发明中，发现了在衍射光栅的复制品制作中，在玻璃基板的与形成细微构造体的面相反一侧的面(背面)形成平坦的树脂层，由此在使用厚度比10mm薄、面精度比λ/2大的玻璃基板的情况下，能够实现λ/2以下的衍射光栅，而完成了发明。
此外，在本发明中，以He-Ne激光的光的波长(λ＝632.8nm)为基准测定面精度，通过使测定面和光学平板配合，根据向该面照射He-Ne激光的光而观测到的牛顿环进行估计，来求出面精度。
以下，说明本发明的衍射光栅的实施方式。
(第一实施方式)
在图1中表示本发明的实施方式的衍射光栅的复制品的截面图。本实施方式的衍射光栅具备厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板20、由具有形成在玻璃基板的一个面上的凹凸图案的树脂构成的细微构造体10、形成在玻璃基板的另一个面上的平坦的树脂层30。在此，通过设置形成在玻璃基板的另一个面上的平坦的树脂层30，即使玻璃基板20的面精度比λ/2大，由于树脂层30的平坦性，细微构造体10也不受到玻璃基板20的面精度的影响，能够成为面精度优良的衍射光栅。由此，作为所使用的玻璃基板，能够使用面精度比λ/2大的玻璃基板，因此能够使用厚度比现有技术薄的8mm以下的玻璃基板。另外，从小型、轻量化的观点出发玻璃基板的厚度优选更薄，从赋予柔软性的观点出发设为3mm以下是理想的。另一方面，细微构造体10对于其单体来说无法维持面的形状，因此玻璃基板具有支持它的作用。因此，玻璃基板必须具有至少不会由于自重而弯曲的程度的刚性，优选厚于0.5mm。由此，作为玻璃基板20的厚度，理想的是0.5mm～8mm的范围，更理想的是1mm～3mm的范围。另外，作为玻璃基板20的面精度，能够使用比λ/2大的玻璃基板，能够使用被称为浮法玻璃的通用的玻璃板、实施了研磨加工的玻璃板等。另外，为了谋求提高树脂的细微构造体10、树脂层30的密接性，也能够使用对表面实施了喷砂加工的玻璃板。作为细微构造体10的厚度，具有能够形成规定的凹凸图案的厚度即可，例如具有100nm～300μm左右的厚度即可。另外，作为树脂层30的厚度，具有能够确保平坦性的厚度即可，例如具有100nm～300μm左右的厚度即可。作为衍射光栅的大小，一般使用正方形、长方形的形状、一边为20mm～140mm左右的衍射光栅。
接着，使用图2，说明图1所示的衍射光栅的制作方法。图2是使用纳米印制技术制作衍射光栅的复制品的例子。在此，是通过光纳米印制法形成细微构造体10的例子。首先，如图2(a)所示，向玻璃基板20的一个面供给用于形成细微构造体10的光硬化性树脂40，向另一个面供给用于形成平坦的树脂层30的光硬化性树脂41。接着，如图2(b)所示，用具有凹凸图案的原盘1和光学平板5夹住光硬化性树脂40/玻璃基板20/光硬化性树脂41并加压。在该工序中，光硬化性树脂在玻璃基板20和原盘1、光学平板4之间的间隙流动，光硬化性树脂40填充到原盘1的凹凸图案，光硬化性树脂41形成沿着光学平板的面的平坦层。在该状态下，如图2(c)所示，通过UV灯50同时向硬化前的光硬化性树脂40、41照射UV光，由此使光硬化性树脂40、41硬化。然后，如图2(d)所示，将原盘1、光学平板5分别从硬化了的光硬化性树脂剥离，由此能够制作在玻璃基板20的一个面上形成了细微构造体10、在另一个面上形成了平坦的树脂层30的衍射光栅。
在图2所示的复制品制作中，光学平板5具有非常优良的面精度(例如λ/10以下)，因此用光学平板5进行加压，硬化了的光硬化性树脂41(树脂层30)具有与光学平板5对应的优良的面精度。其结果是也能够提高形成在玻璃基板20上的细微构造体10的面精度，实现λ/2以下的衍射光栅。即，通过在光学平板和玻璃基板20之间隔着树脂层，能够与光学平板同样地再现细微构造体10的面精度，能够实现优良的面精度的衍射光栅。对此，除了不会限制玻璃基板20的面精度的优点以外，还具有能够使制作的衍射光栅的面精度成为与光学平板的面精度同等的值的优点。即，也能够将衍射光栅的面精度设为λ/10以下。由此，能够提供分辨率高的衍射光栅。在图1所示的现有的结构中，为了实现面精度λ/10以下，必须使用与之对应的玻璃基板，复制品的成本非常高。另一方面，在本实施方式中，光学平板不是直接用于复制品的构件，因此对复制品的成本的影响小，能够低成本地得到面精度优良的衍射光栅。此外，在此表示了使用光学平板作为加压用的板的例子，但只要面精度是λ/2以下，则也能够使用光学平板以外的板。
作为图2所示的处理的优点，能够列举可以同时向硬化前的光硬化性树脂40、41进行基于UV照射的硬化处理。一般光硬化树脂具有被称为硬化收缩的在硬化前后体积收缩的特性。如果在时间上分别对光硬化性树脂40和41进行图2(c)所示的硬化处理，则先进行硬化处理的光硬化性树脂容易受到后进行硬化处理的光硬化性树脂的硬化收缩的影响。通过同时进行硬化处理，能够使施加到玻璃基板20的表面和背面的应力均等而抵消。其结果是能够抑制玻璃基板20的翘曲。
在图2(d)所示的剥离工序中，如果使用薄的玻璃基板20，则由于使玻璃基板20弯曲而在原盘1和光硬化性树脂之间产生剥离起点，能够降低两者的剥离所需要的力。剥离的步骤在图2(d)中，同时进行原盘1和光学平板5的剥离，但根据需要也可以分别剥离原盘1和光学平板5。另外，为了容易进行剥离，理想的是在图2(a)所示的工序之前，预先向原盘1和光学平板5涂膜被称为脱离剂的由氟系材料构成溶液。
在图2所示的制作例子中，表示了使用利用了光硬化性树脂的光纳米印制法的例子，但也可以通过热纳米印制法形成细微构造体10和树脂层30。在该情况下，在玻璃基板的两面配置由热可塑性树脂构成的薄膜，通过加热使薄膜软化，通过原盘和光学平板进行加压，由此沿着原盘和光学平板的形状使薄膜变形后，冷却薄膜，从薄膜剥离原盘和光学平板，由此能够制作衍射光栅的复制品。另外，在热纳米印制法中，通过加热、冷却工序，容易在各构件产生因热应力造成的残留应力，从这样的观点出发，理想的是使用光纳米印制法形成细微构造体10和树脂层30。
在本实施方式的衍射光栅中，通过在玻璃基板20的两面配置由树脂构成的层，与图1所示的只在单面上形成了树脂层(细微构造体10)的情况相比，能够减少翘曲。在通过光纳米印制而形成了细微构造体10的情况下，如上述那样由于光硬化性树脂的硬化收缩而部分地产生应力，容易产生翘曲。与此相对，通过在两面具有树脂层，硬化收缩的应力在玻璃基板的上下面对称，能够减少翘曲。另外，在通过热纳米印制而形成了细微构造体10的情况下，通过加热、冷却工序，产生因树脂和玻璃基板之间的热膨胀率差造成的应力，容易产生翘曲。在该情况下，也同样在两面具有树脂层，由此因热膨胀率差造成的应力在玻璃基板的上下面对称，能够减少翘曲。因此，从减少翘曲的观点出发，理想的是构成细微构造体10和树脂层30的树脂的硬化收缩量和热膨胀率相同。另外，这时，通过将玻璃基板20的两面的树脂的厚度设为相同，能够提高抑制翘曲的效果。
作为衍射光栅的复制品，说明了在玻璃基板20的表面形成了由树脂构成的细微构造体10的构造，但作为衍射光栅，在细微构造体10的表面通过蒸镀等形成了铝、银、或金等的金属膜的状态下使用。理想的是形成的膜的厚度是测定对象的光进行全反射、并且不损失细微构造体的形状的程度的厚度即100nm～500nm。
(第二实施方式)
说明本发明的实施方式的衍射光栅的复制品的变形例子。在图3中表示本实施方式的衍射光栅的复制品的截面图。与第一实施方式的不同点在于：将形成在玻璃基板20的凹凸图案形成面一侧的树脂层设为细微构造体10和树脂层31的2层构造。作为本实施方式的特征在于：在面精度比λ/2大的玻璃基板20的两面形成面精度为λ/2以下的平坦的树脂层30、31，在其表面形成细微构造体10。在这样的结构中，也能够与玻璃基板20的面精度无关地，制作具有优良的面精度的衍射光栅的复制品。
能够应用图2所示的处理制作本实施方式的衍射光栅的复制品。首先，说明在玻璃基板20的两面形成树脂层30、31的工序。在图2所示的处理中，将原盘1置换为光学平板来进行该工序。即，用一对光学平板夹住向两面供给了光硬化性树脂的玻璃基板20并加压，通过UV光使两面的光硬化性树脂硬化，从树脂层剥离一对光学平板，由此能够在玻璃基板20的两面形成了平坦的树脂层30、31的层叠构造体。然后，在光学平板上配置向树脂层31的表面供给了光硬化性树脂的层叠构造体，将原盘1按压到光硬化性树脂的表面，在将光硬化性树脂填充到原盘1的凹凸图案后，通过UV光使光硬化性树脂硬化，从光硬化性树脂剥离原盘1，由此能够制作图3所示的衍射光栅的复制品。
与第一实施方式同样地，在所制作的复制品的细微构造体10的表面形成金属层的膜，作为衍射光栅使用。
根据以上说明的第一、第二实施方式，在要求面精度至少为λ/2以下的衍射光栅的复制品制作中，即使使用薄的玻璃基板也能够使面精度成为要求值以下。由此，能够使用以前困难的薄的玻璃基板，能够谋求衍射光栅的轻量化。进而，能够简化此前必需的对基板玻璃的研磨加工的作业，因此能够削减衍射光栅的成本。另外，通过应用薄的玻璃基板，能够容易地进行制作复制品时的剥离处理。
附图标记说明
1：原盘；5：光学平板；10：细微构造体；20、21：玻璃基板；30、31：树脂层；40、41：光硬化性树脂；50：UV灯。

Claims (10)

1.一种衍射光栅的制造方法，该衍射光栅在玻璃基板的表面形成了具有凹凸图案的细微构造体，该衍射光栅的制造方法的特征在于包括：
在面精度小于等于λ/2的平板上，配置向两面供给了光硬化性树脂的厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板的工序；
用上述平板和具有凹凸图案的原盘夹住向两面涂膜了光硬化性树脂的上述玻璃基板并加压，向上述原盘的凹凸图案填充与上述原盘相对的光硬化性树脂的工序；
使上述光硬化性树脂硬化的工序；
通过从上述玻璃基板上的光硬化性树脂剥离，而在上述玻璃基板的一个面上形成具有凹凸图案的微细构造体、在另一个面上形成平坦的树脂层的工序。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅的制造方法，其特征在于：上述玻璃基板的面精度大于λ/2。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅的制造方法，其特征在于包括：
在上述细微构造体的表面形成金属层的工序。
4.一种衍射光栅的制造方法，该衍射光栅在玻璃基板的表面形成了具有凹凸图案的细微构造体，该衍射光栅的制造方法的特征在于包括：
在面精度小于等于λ/2的一对平板上夹住向两面供给了第一光硬化性树脂的厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板并加压，使上述第一光硬化性树脂硬化，在上述玻璃基板的两面形成树脂层的工序；
向上述玻璃基板的一个树脂层的表面供给第二光硬化性树脂，将具有凹凸图案的原盘按压到上述第二光硬化性树脂上，向上述原盘的凹凸图案填充上述第二光硬化性树脂的工序；
使上述第二光硬化性树脂硬化的工序；
通过从上述第二光硬化性树脂剥离，而在上述玻璃基板的一个面上形成具有凹凸图案的细微构造体的工序。
5.根据权利要求4所述的衍射光栅的制造方法，其特征在于：上述玻璃基板的面精度大于λ/2。
6.根据权利要求5所述的衍射光栅的制造方法，其特征在于包括：
在上述细微构造体的表面形成金属层的工序。
7.一种衍射光栅，其特征在于包括：
厚度为0.5mm～8mm的玻璃基板；
形成在上述玻璃基板的一个面上的具有凹凸图案的由树脂构成的细微构造体；以及
形成在上述玻璃基板的另一个面上的平坦的树脂层。
8.根据权利要求7所述的衍射光栅，其特征在于：上述细微构造体的表面形成有金属层。
9.根据权利要求7所述的衍射光栅，其特征在于：上述玻璃基板的面精度大于λ/2，上述平坦的树脂层的面精度小于等于λ/2。
10.根据权利要求9所述的衍射光栅，其特征在于：上述细微构造体由2层构造的树脂层构成。
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