CN113167944A - 凹面衍射光栅的制造方法、制造装置以及凹面衍射光栅 - Google Patents

凹面衍射光栅的制造方法、制造装置以及凹面衍射光栅 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种凹面衍射光栅的制造方法，包括如下步骤：使在推压面具有衍射光栅的槽图案的平面金属模具的上述推压面与在凹面涂布有树脂的凹面基板的上述凹面对置，配置上述平面金属模具及上述凹面基板；利用流体对上述平面金属模具进行加压，将上述推压面推压到涂布于上述凹面的上述树脂；以及使通过上述推压面被推压而转印有上述槽图案的上述树脂固化。由此，能够改善载荷不均匀性，能够制造具有高的面精度的凹面衍射光栅。

Description

凹面衍射光栅的制造方法、制造装置以及凹面衍射光栅
技术领域
本发明涉及一种凹面衍射光栅的制造方法、制造装置以及凹面衍射光栅。
背景技术
衍射光栅用于分析装置的分光仪等，是将各种波长混杂的光(白色光)分到每个窄带的波长的光学元件。衍射光栅是在表面蒸镀有反射膜的光学材料表面刻有微小的槽的元件。
衍射光栅的种类具有光栅面为平面状的平面衍射光栅和光栅面为球面状或圆环面状的凹面衍射光栅。与平面衍射光栅不同，凹面衍射光栅具有分光的作用和使光成像的作用这两个作用。
以往，通过在曲面基板形成金属膜并利用刻线机等机械刻画槽图案的方法来制作母版，将槽图案转印于树脂或金属，从而制造凹面衍射光栅。
作为凹面衍射光栅的制造方法，在日本特开2014－182301号公报中记载了如下制造方法：将硅制的平面衍射光栅转印于非晶态介质，使非晶态材料基板曲面化并安装于曲面固定基板。
另外，作为衍射光学元件的制造方法，在日本特开2017－211466号公报中记载了如下方法：通过将玻璃基板推压到金属模具，使涂布于金属模具上的树脂延展，使金属模具的形状转印于树脂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－182301号公报
专利文献2：日本特开2017－211466号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在日本特开2014－182301号公报记载的衍射光栅的制造方法中，在施加载荷时装置、夹具倾斜的情况下，凹凸基板产生部分接触，因此难以使载荷分布均匀，存在难以实现具有高的面精度的曲面衍射光栅的问题。因此，产生凹面衍射光栅的成像性能的降低、产生的杂散光量的增加等。
另外，在日本特开2014－182301号公报记载的衍射光栅的制造方法中，利用凹凸基板夹着平面金属模具，提高了面精度，但在该方法中，需要考虑平面金属模具的厚度，将凹面基板的曲率半径设为(凹面基板的曲率半径)＝(凸面基板的曲率半径)+(平面金属模具的厚度)，以使在将平面金属模具安装于凸面基板的状态下成为所希望的曲率半径。因此，在制造在正交的两个轴(水平方向和垂直方向)上曲率半径不同的圆环面衍射光栅的情况下，难以制作具有所希望的曲率半径的凹凸基板。
在日本特开2017－211466号公报记载的衍射光学元件的制造方法中，金属模具由平坦的面和锥形部构成，是制造平面光学元件的方法，因此未考虑使平面金属模具效仿曲面而弯曲。另外，锥形部的深度为0.200mm～0.250mm左右，但与之相对地，用于凹面衍射光栅的制造的曲面基板的曲率半径为10mm～3000mm左右，作为对象的凹部的形状明显不同，因此，难以应用于球面或圆环面。
本发明为了解决这样的课题而作成，主要目的在于提供一种凹面衍射光栅的制造方法及制造装置，其能够改善载荷不均匀性，且能够制造具有高的面精度的凹面衍射光栅。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题，本发明为凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：使在推压面具有衍射光栅的槽图案的平面金属模具的上述推压面与在凹面涂布有树脂的凹面基板的上述凹面对置，配置上述平面金属模具及上述凹面基板；利用流体对上述平面金属模具进行加压，将上述推压面推压到涂布于上述凹面的上述树脂；以及使通过上述推压面被推压而转印有上述槽图案的上述树脂固化。
发明效果
根据本发明，能够提供一种凹面衍射光栅的制造方法及制造装置，能够改善载荷不均匀性，且能够制造具有高的面精度的凹面衍射光栅。
通过以下的实施例的说明来阐明上述以外的本发明的课题、结构、作用以及效果。
附图说明
图1A是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图1B是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图1C是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图1D是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图1E是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图2是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的流程图。
图3A是表示本发明的实施例1的平面金属模具的制造方法的图。
图3B是表示本发明的实施例1的平面金属模具的制造方法的图。
图3C是表示本发明的实施例1的平面金属模具的制造方法的图。
图3D是表示本发明的实施例1的平面金属模具的制造方法的图。
图4A是表示本发明的实施例1的平面金属模具与夹具的固定方法的图。
图4B是表示本发明的实施例1的平面金属模具与夹具的固定方法的图。
图5是表示设于平面金属模具的固定用开口部的位置的图。
图6是表示球面衍射光栅的图。
图7是表示圆环面衍射光栅的图。
图8A是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图8B是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图8C是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图8D是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图8E是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。
图9是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的流程图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式详细地进行说明，但本发明不限于以下的实施方式，在本发明的技术概念中各种变形例或应用例也包含在该范围内。
实施例1
以下，使用图1A～图1E对本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法进行说明。图1A～图1E是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的图。
在本实施例中，首先，将平面金属模具101和凹面基板104设置于夹具102(参照图1A)，上述凹面基板104在凹面104a涂布有通过照射紫外线而固化的紫外线固化树脂103。此时，使平面金属模具101的推压面101b与凹面基板104的凹面104a对置配置。
接下来，通过从设于夹具102的排气口105排气(例如，利用未图示的吸引装置吸引)，减小夹具102内部的压力，通过大气压使平面金属模具101弯曲并且被推压到凹面基板104(参照图1B)。在平面金属模具101的推压面101b设有作为衍射光栅的槽图案的槽图案101c，通过使平面金属模具101弯曲并且被推压到凹面基板104，槽图案101c转印到紫外线固化树脂103。
此外，在图1B中，将平面金属模具101的推压面101b侧设为真空，将推压面101b的背面即背面101a侧设为大气压，但也可以不对推压面101b侧进行减压，而对平面金属模具101的背面101a侧进行加压。另外，该加压也可以利用包括空气或其它气体等气体及水或油等液体的流体来加压。
接着，在通过平面金属模具101的推压面101b使紫外线固化树脂103成为所希望的形状的时刻，使用紫外线照射装置106从夹具102的底面照射紫外线(参照图1C)，利用该紫外线使紫外线固化树脂103固化。根据本实施例，使用大气压将具有平面衍射光栅母版的槽图案101c的平面金属模具101推压到在表面涂布有紫外线固化树脂103的凹面基板104，并在推压的状态下向凹面基板104照射紫外线使紫外线固化树脂103固化。
接着，剥离平面金属模具101和凹面基板104(参照图1D)。
最后，在转印有槽图案101c并进行了固化的紫外线固化树脂103上例如通过蒸镀形成Al(铝)等的反射膜107，制作凹面衍射光栅108(参照图1E)。
此外，图1A所示的凹面基板104使用紫外线的透过率高的材质(例如合成石英玻璃、氟化钙)。
根据本实施例，如图1B所示，通过平面金属模具101的推压面101b侧与其背面101a侧的压力差，使平面金属模具101弯曲而效仿凹面基板104，从而能够使载荷分布均匀，因此能够提供具有高的面精度的凹面衍射光栅108。
另外，根据本实施例，不需要日本特开2014－182301号公报示出的凸面基板，因此也能够进行衍射光栅图案向圆环面衍射光栅、自由曲面的转印。
另外，根据本实施例，在对夹具102的内部减压时，同时能够去除紫外线固化树脂103内部的气泡，因此能够改善制造时的成品率。
而且，根据本实施例，通过应用使用了紫外线固化树脂103的光固化反应，相比现有的使用粘接剂(树脂)的方法，还能够缩短固化时间。此外，也可以使用通过紫外线以外的方法固化的光固化树脂。
图2是表示本发明的实施例1的凹面衍射光栅的制造方法的流程图。
首先，使在推压面101b具有衍射光栅的槽图案101c的平面金属模具101的推压面101b与在凹面104a涂布有紫外线固化树脂103的凹面基板104的凹面104a对置，配置平面金属模具101及凹面基板104(步骤S210)。
接下来，利用大气压对平面金属模具101进行加压，将推压面101b推压到涂布于凹面104a的紫外线固化树脂103(步骤S211)。
接下来，向通过推压面101b被推压而转印有槽图案101c的紫外线固化树脂103照射紫外线，使其固化(步骤S212)。
根据本实施例，能够改善载荷不均匀性，能够制造具有高的面精度的凹面衍射光栅。
此外，在步骤S211中，例如，通过平面金属模具101的推压面101b侧与推压面101b的背面101a侧的压力差将推压面101b推压到紫外线固化树脂103。据此，能够以简单的结构使推压面101b靠近紫外线固化树脂103侧。
此外，在步骤S211中，例如，在推压面101b侧进行排气，利用背面101a侧的大气压将推压面101b推压到紫外线固化树脂103。据此，能够以简单的结构使推压面101b靠近紫外线固化树脂103侧。
此外，在步骤S212中，通过紫外线照射装置106照射紫外线，使紫外线固化树脂103固化。据此，能够缩短树脂的固化时间。
此外，凹面104a为球面或圆环面。据此，能够制造具有球面或圆环面的凹面衍射光栅。
此外，平面金属模具101具备具有推压面101b的金属膜203(参照图3A～图3D)和支撑金属膜203的基座部件205(参照图3A～图3D)而成。据此，能够可靠地支撑具有槽图案101c的金属膜203，能够将槽图案101c准确地转印于紫外线固化树脂103。
接下来，使用图3A～图3D对图1所示的平面金属模具101的制造方法进行说明。图3A～图3D是表示本发明的实施例1的平面金属模具的制造方法的图。
首先，在平面衍射光栅母版201形成剥离层202及金属膜203(参照图3A)。
接下来，从在图3A中所形成的金属膜203之上涂布粘接剂204(参照图3B)。
接着，在平面衍射光栅母版201的涂布有粘接剂204的面载置基座部件205，将金属膜203和基座部件205粘接(参照图3C)。基座部件205支撑具有推压面101b的金属膜203。基座部件205是能够效仿涂布于凹面基板104的凹面104a的紫外线固化树脂103弯曲的例如箔状的部件，在本实施例中，为了使紫外线固化树脂103固化，作为基座部件205的材质，期望是反射紫外线的材质，具体来说，能够使用铝、镍等金属或者硅等。另外，基座部件205由于需要能够弯曲，因此能够使用铝、镍等金属，如果硅处于未达到屈服点的范围内，则也能够使用。基座部件205可以是弯曲后具有复原的弹力的部件，也可以是维持弯曲的形状的部件。
接着，通过剥离层202从平面衍射光栅母版201剥离金属膜203，制作平面金属模具101(参照图3D)。
此外，在图3A中使用的平面衍射光栅母版201只要作为平面衍射光栅具有充分的光学性能即可，对于该平面衍射光栅的加工方法没有限制(例如，机械刻线方式、照相平版印刷方式、全息曝光方式等)。
在本实施例中，剥离层202为了防止金属膜203与平面衍射光栅母版201的接触且易于剥离而设置。
接下来，使用图4A及图4B对平面金属模具101与夹具102的固定方法进行说明。图4A及图4B是表示本发明的实施例1的平面金属模具与夹具的固定方法的图，图4A是表示将平面金属模具101固定于夹具102的状态的立体图，图4B是图4A的A－A’剖视图。
如图4B所示，在将凹面基板104安装于夹具102的状态下，将平面金属模具101设置于夹具102。在平面金属模具101设有多个固定用的开口部102a，向开口部102a***固定用螺钉301，再使固定用螺钉301贯穿平面金属模具101的固定用开口部401，从而将平面金属模具101固定于夹具102。夹具侧面部303的材质只要是能够固定平面金属模具101且不会由于夹具102的内部与外部的压力差而变形的材质即可，例如使用不锈钢。另外，对于夹具底面部304，只要是使紫外线透过的材质即可，例如使用合成石英玻璃、氟化钙。
接下来，使用图5对设于平面金属模具101的固定用开口部401的位置进行说明。图5是表示设于平面金属模具101的固定用开口部401的位置的图，是从上方观察平面金属模具101的俯视图。
在图5的例子中，在作为四边形的板状部件的平面金属模具101的四个边分别设置有固定用开口部401，示出了将固定用开口部401设于四个部位的情况。
固定用开口部401的加工使用机械加工、蚀刻或激光加工。固定用开口部401优选以使平面金属模具101和夹具102能够固定，且不会因螺钉的紧固而产生夹具102的变形的方式，例如在将平面金属模具101的中心设为对称的中心时，将某固定用开口部401设于与另一固定用开口部401点对称的位置。
根据本实施例，能够制造球面衍射光栅、圆环面衍射光栅作为凹面衍射光栅108。在此，对凹面衍射光栅108的具体的形状的例子进行说明。
图6是表示球面衍射光栅的图。图6的凹面衍射光栅108a是球面衍射光栅。球面衍射光栅是在轴向上具有相同的曲率半径的球面状的衍射光栅。
图7是表示圆环面衍射光栅的图。图7的凹面衍射光栅108b是圆环面衍射光栅。与球面衍射光栅不同，圆环面衍射光栅具有在正交的两个轴上曲率半径不同的圆环面。在图7所示的A－A方向和B－B方向上，曲率半径不同。
因此，关于圆环面，在日本特开2014－182301号公报中，利用凹凸面的基板夹着来制作曲面衍射光栅，因此需要制作具有能够均匀地按压的凹凸面的圆环面的基板。另一方面，在本实施例的图1所示的方法中，使平面金属模具101的平面衍射光栅效仿凹面基板104而转印，因此不需要制作凸面基板。
此外，凹面衍射光栅的制造装置包括：配置部(例如，夹具102)，其以使在推压面101b具有衍射光栅的槽图案101c的平面金属模具101的推压面101b与在凹面104a涂布有紫外线固化树脂103的凹面基板104的凹面104a对置的方式配置平面金属模具101及凹面基板104；推压部(例如，排气口105及未图示的吸引装置)，其通过大气压对平面金属模具101进行加压，将推压面101b推压到涂布于凹面104a的紫外线固化树脂103；以及固化部(例如，紫外线照射装置106)，其向通过推压面101b被推压而转印有槽图案101c的紫外线固化树脂103照射紫外线使其固化。
此外，凹面衍射光栅108通过上述的制造方法制造。
实施例2
以下，使用图8A～图8E对本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法进行说明。图8A～图8E是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的图。与实施例1不同，在本实施例中，表示使用通过加热而固化的热固化树脂701作为将平面金属模具101的槽图案101c转印于凹面基板104时使用的树脂的例子。
首先，在本实施例中，将平面金属模具101和在凹面104a涂布有热固化树脂701的凹面基板104设置于夹具102(参照图8A)。此时，使平面金属模具101的推压面101b与凹面基板104的凹面104a对置而配置。
接下来，通过从设于夹具102的排气口105排气，减小夹具102内部的压力，利用大气压使平面金属模具101弯曲，并且被推压到凹面基板104(参照图8B)。在平面金属模具101的推压面101b设有作为衍射光栅的槽图案的槽图案101c，通过使平面金属模具101弯曲，并且被推压到凹面基板104，槽图案101c转印于热固化树脂701。
此外，在图8B中，将平面金属模具101的推压面101b侧设为真空，将其背面101a侧设为大气压，但也可以不对推压面101b侧进行减压，而对平面金属模具101的背面101a侧进行加压。另外，该加压可以利用空气或其它气体等气体来加压，也可以利用水或油等液体来加压。
接着，在通过平面金属模具101的推压面101b使热固化树脂701成为所希望的形状的时刻，使用热发生装置702从夹具102的上表面加热平面金属模具101(参照图8C)，通过该加热使热固化树脂701固化。
接着，剥离平面金属模具101和凹面基板104(参照图8D)。
最后，在转印有槽图案101c并进行了固化的热固化树脂701上例如通过蒸镀形成Al(铝)等的反射膜107，制作凹面衍射光栅108′(参照图8E)。
在本实施例中，作为平面金属模具101的基座部件205的材料，期望为如下材料：不需要反射紫外线，但在加热时变形小(线膨胀系数小)，具体来说，能够使用铝、镍、铜等金属。
此外，根据本实施例，通过使用热固化树脂701来代替紫外线固化树脂103，不需要对凹面基板104使用紫外线的透过率高的材料，因此能够以低价的材料制作凹面基板104，从而能够降低制造成本。
在如本实施例这样使用了热固化树脂701的情况下，也通过平面金属模具101的推压面101b侧与背面101a侧的压力差使平面金属模具101弯曲而效仿凹面基板104，从而能够使载荷分布均匀，因此能够提供具有高的面精度的凹面衍射光栅108′。
另外，根据本实施例，因为不需要日本特开2014－182301号公报所示的凸面基板，所以也能够进行衍射光栅图案向圆环面衍射光栅、自由曲面的转印。
另外，根据本实施例，在将夹具102的内部减压时，同时能够去除热固化树脂701内部的气泡，因此能够改善制造时的成品率。
图9是表示本发明的实施例2的凹面衍射光栅的制造方法的流程图。
首先，使在推压面101b具有衍射光栅的槽图案101c的平面金属模具101的推压面101b与在凹面104a涂布有紫外线固化树脂103的凹面基板104的凹面104a对置，配置平面金属模具101及凹面基板104(步骤S910)。
接下来，利用大气压对平面金属模具101进行加压，将推压面101b推压到涂布于凹面104a的热固化树脂701(步骤S911)。
接下来，加热通过推压面101b被推压而转印有槽图案101c的热固化树脂701，使其固化(步骤S912)。
此外，在步骤S912中，利用热发生装置702加热热固化树脂701使其固化。据此，不需要将凹面基板104的材料设为紫外线透过部件，能够使用低价的材料，降低制造成本。
如上所述，根据本发明，在将平面金属模具推压到凹面基板时，由于使用平面金属模具的推压面与背面之间的压力差，因此能够使平面金属模具弯曲，并以均匀的载荷按压凹面基板及涂布于凹面基板上的紫外线固化树脂。因此，能够改善作为现有的课题的因部分接触而引起的载荷不均匀性，能够制作具有高的面精度的凹面衍射光栅。而且，能够不制作具有难以制作的圆环面、自由曲面的凹凸基板，将平面金属模具的槽图案直接转印到具有圆环面或自由曲面的凹面基板及涂布于凹面基板上的紫外线固化树脂。另外，通过使用紫外线固化树脂，与现有的使用了粘接剂(树脂)的方法相比，固化时间缩短，从而能够缩短制造时间。
此外，本发明不限于上述的实施方式，包括各种变形例。例如，上述的实施方式是为了易于理解地说明本发明而详细地说明的例子，并非限定于必须具备说明的所有结构。另外，能够将某实施方式的结构的一部分置换成另一实施方式的结构，另外，也能够对某实施方式的结构添加另一实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。
符号说明
101—平面金属模具，102—夹具，103—紫外线固化树脂，104—凹面基板，105—排气口，106—紫外线照射装置，107—反射膜，108—凹面衍射光栅，201—平面衍射光栅母版，202—剥离层，203—金属膜，204—粘接剂，205—基座部件，301—固定用螺钉，302—夹具上表面开口部，303—夹具侧面部，304—夹具底面部，401—固定用开口部，701—热固化树脂，702—热发生装置。

Claims (9)

1.一种凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
使在推压面具有衍射光栅的槽图案的平面金属模具的上述推压面与在凹面涂布有树脂的凹面基板的上述凹面对置，配置上述平面金属模具及上述凹面基板；
利用流体对上述平面金属模具进行加压，将上述推压面推压到涂布于上述凹面的上述树脂；以及
使通过上述推压面被推压而转印有上述槽图案的上述树脂固化。
2.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
在上述推压的步骤中，通过上述平面金属模具的上述推压面侧与上述推压面的背面侧的压力差将上述推压面推压到上述树脂。
3.根据权利要求2所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
在上述推压的步骤中，在上述推压面侧进行排气，利用上述背面侧的大气压将上述推压面推压到上述树脂。
4.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
上述树脂是紫外线固化树脂，
在上述固化的步骤中，通过向上述树脂照射紫外线使该树脂固化。
5.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
上述树脂是热固化树脂，
在上述固化的步骤中，通过加热上述树脂使该树脂固化。
6.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
上述凹面是球面或圆环面。
7.根据权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法，其特征在于，
上述平面金属模具具备具有上述推压面的金属膜和支撑上述金属膜的基座部件而成。
8.一种凹面衍射光栅的制造装置，其特征在于，包括：
配置部，其使在推压面具有衍射光栅的槽图案的平面金属模具的上述推压面与在凹面涂布有树脂的凹面基板的上述凹面对置，配置上述平面金属模具及上述凹面基板；
推压部，其利用流体对上述平面金属模具进行加压，将上述推压面推压到涂布于上述凹面的上述树脂；以及
固化部，其使通过上述推压面被推压而转印有上述槽图案的上述树脂固化。
9.一种凹面衍射光栅，其特征在于，
通过权利要求1所述的凹面衍射光栅的制造方法制造。
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