非球面光学部品及びその製造装置並びにそれに用いるマスクの設計方法
【課題】 従来非球面レンズ或いは反射鏡は、型によるプレス加工又は研磨加工で製造していた。しかしながら加工精度を上げるには問題が多くあった。そこでスパッタ蒸着を用いて、時間がかかるが人手の必要としない高精度の加工により非球面光学部品を提供することを目的とする。
【解決手段】 従来のスパッタ蒸着流により堆積膜を形成させる方法は均一な膜厚の多層膜を形成して、それを研磨して製造する方法であったが、本発明はターゲットと堆積基板との間に回転するマスクを外周から駆動して、中心対称の補正収差が行える光学系の堆積膜厚変化に対応するマスキング羽根の形状を設計し、そのマスクを用いて所望の非球面膜をスパッタ蒸着で形成する製造装置により各種非球面光学部品を提供する。
【解決手段】 従来のスパッタ蒸着流により堆積膜を形成させる方法は均一な膜厚の多層膜を形成して、それを研磨して製造する方法であったが、本発明はターゲットと堆積基板との間に回転するマスクを外周から駆動して、中心対称の補正収差が行える光学系の堆積膜厚変化に対応するマスキング羽根の形状を設計し、そのマスクを用いて所望の非球面膜をスパッタ蒸着で形成する製造装置により各種非球面光学部品を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光用球面レンズにおける光束の収差の補正、凹状球面反射鏡における光束の収差の補正、又は完全な平行光線の出力などができる非球面光学部品に関し、またそれらの製造装置としてスパッタ蒸着により前記集光用球面レンズ光路に配置する平面或いは凹状球面反射鏡表面上にターゲットから蒸着材を堆積させた非球面レンズ系を形成させる非球面光学部品の製造装置に関する。また、非球面堆積膜を形成させるための基板とターゲットの間に回転するマスク形状の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の球面レンズ系、非球面レンズ系などに関する加工方法は切削＋研磨加工、或いはプレス加工、又はプレス加工＋研磨加工で製造していた。また、特許文献１は研磨行程をなくし、一度で成形する成形型を用いた非球面レンズ系の製造方法が公開されている。
【０００３】
このような型にはめて成形するプレス加工においては、ｎｍ（１０−９ｍ）の微細な変化での加工は難しく、製品精度を１μｍ以下にするためには多くの労力を要した。また、１μｍ以下の精度の加工では温度の変化によっても形状寸法も変化するなど再現性を保つための大きな設備を必要とした。
【０００４】
特に、性能の高い非球面光学部品はその形状寸法精度を高くする必要があるが、プレス加工ではその型を作る際に切削跡が残らぬよう相当量の研磨を行なわねばならない。高い形状精度で非球面性能を落とすことなく研磨を行なうには高い技術が必要とされ、成形型は高価なものであった。
【０００５】
一方、スパッタにより基板上の所定の領域範囲内に均一な薄膜状にターゲットからのスパッタ粒子を堆積させて円板状基板に記録媒体を形成させる技術がある。特許文献２には中心穴部分のインナーマスクと外周部分のアウターマスクに囲まれたドーナツ状の所定の領域範囲の全面を均一性のある薄膜で記録媒体層を製造することが公開されている。
【０００６】
特許文献３には、球面形状に加工された基板上に種類以上の物質を交互に積層する工程と、積層された多層膜表面の一部を除去して非球面形状を創生する行程と、除去された多層膜表面の模様から非球面形状を測定する行程からなる非球面ミラー製造方法が提案されている。
【０００７】
この発明は、イオンビームスパッタ装置により２種類のターゲットを用いて交互に基板上に均一な厚さの多層膜を形成し、その後、スモールツール研磨装置を用いて多層膜表面を研磨し、研磨により現れる縞模様の形から所望の非球面形状を作製する方法である。
【０００８】
スパッタによる薄膜の厚さ制御は高精度であり、１μｍ以下から１ｎｍ精度まで適用できる。しかしながら、スパッタの蒸着により基板上に所定の非球面となる膜厚変化形状の膜を直接形成し非球面レンズ系などに製作することは考えられていなかった。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−２０８８３３号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００３−１９３１３１号公報（第２頁、第１図）
【特許文献３】特開平７−８４０９８号公報（第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズ系として以下のような非球面光学部品とその製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
すなわち、真空気密チャンバー内において高電界により気体を電離し生じた正イオンがターゲットに衝突して原子が飛出し、それを平面基板上に堆積させるスパッタ蒸着空間を使用して、その基板上に回転マスクを備えてスパッタ蒸着流を制御し所定膜厚変化形状の非球面膜を形成させた非球面光学部品とその製造装置を提供することである。
【００１２】
また、集光用或いは平行光線出力用の凹球面反射鏡の集光の収差などを補正するため、その凹球面表面上に所定膜厚変化形状の非球面膜をスパッタ蒸着流の回転マスクによる制御により形成させ、放物面鏡として収差を少なくした非球面光学部品とその製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明の非球面光学部品は、集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズであって、
前記非球面レンズは平行平面形状の基板と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記基板上に円形状でその中心対称に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記ターゲットの材質を透明な材質にすることにより、堆積膜が基板に一体化したレンズ系を形成させ、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする。
【００１４】
また、集光用又は平行光線出力用凹状球面反射鏡表面上に、その球面反射鏡の収差を補正する非球面膜を形成させ、さらに表面上に反射用金属薄膜を蒸着して収差が補正された非球面の放物面反射鏡であって、
前記放物面反射鏡は、凹面球状反射鏡と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、
遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記凹状球面反射鏡表面上に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記堆積膜の材質が透明である場合は堆積膜上に前記反射用金属薄膜を備え、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスクのマスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の非球面光学部品の製造装置は、非球面光学部品（非球面レンズ）及び非球面光学部品（放物面反射鏡）の製造装置であって、
その製造装置は、気密チャンバー内でターゲットからのスパッタ蒸着流を堆積させて前記非球面レンズを形成させる平行平面基板或いは凹状球面鏡をＭ枚（１以上）セットできる保持機構と、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡と前記ターゲットの間に配置して各平行平面基板或いは凹状球面鏡毎に一定の角速度で回転させ、収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状がその回転中心からの距離毎の各円周上の遮断部分と開口部分の比を定め、その比の値からスパッタ蒸着流を制御するマスキング羽根が設計されたマスクと、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡の中心部分の堆積膜を含めて前記膜厚変化形状とする非球面膜にするため、前記マスクには中心軸を用いずマスク外周に設けたマスク自転用歯車で駆動させるマスク外周駆動機構と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、非球面部品の製造装置に用いるマスクのマスキング羽根の設計方法であって、
非球面部品の収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状に堆積させたいマスクの一定の角速度で回転するマスキング羽根の形状を定めるに際して、
その角速度で一回相対回転させたい時間に、回転中心からｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とすれば、同時間でマスクが無い（遮断部分が無い）円周上における堆積をＤとし、各円周上における膜厚ｄ（ｒ）に対する開口部分区間の弧の長さＬの見る開口角をθで表すは、マスキング羽根の形状を開口領域を座標Ｘ、Ｙとの間に成立する関係式
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）、Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
式（１）〜（３）を用いて予め定めてある膜厚ｄ（ｒ）から開口角θと座標Ｘ、Ｙが計算され、総てのｒの変化に対して計算すれば座標Ｘ、Ｙの軌跡からマスクの開口領域の形状が定まり堆積させたい膜厚に対応したマスキング羽根が定まることを特徴とする。
【００１７】
また、半径ｒの円周上における開口部の弧の長さＬはｒ・θから算出し、更にその弧の長さＬをｎ（整数）分割して、複数に分離した開口部を配置し、マスクの回転時の安定度を向上させる複数枚マスキング羽根のマスク形状とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の非球面光学部品並びにその製造装置及びそれに用いるマスク設計方法は以下の効果を奏する。
【００１９】
基板面或いは球面形状表面に堆積させて形成する膜厚層はｎｍの微細な変化の加工が行なえる。従来のプレス加工、研磨加工などのμｍ程度の精度に較べ格段と精度が高い加工が行なえる。
【００２０】
よって、高い精度を必要とする非球面形状、特に堆積膜が中心位置まで所定の膜厚変化形状に形成し製造するので適した装置となる。
【００２１】
温度の変化によって形状も変化するなどの再現性を保つための大きな設備も必要としない。
【００２２】
従来のプレス加工、研磨加工では精度の良い製品を作るため、型に対する前処理など前述した多くの工程が必要であったが、本装置によるスパッタ空間を用いれば前述の工程を踏む必要がない。そのような人の手による作業は不用となる。
【００２３】
集光用球面レンズの光束の収差補正においては、従来の補正レンズ系は集光能力を決める曲率と収差を取り除く非球面形状を一体にして設計されており、使い方が限定されていた。
すなわち、一体となっているので非球面レンズを分離して任意に組み合わせて使うことができなかった。
【００２４】
本発明の集光用球面レンズの光束の収差補正は、その球面レンズの光路上に配置した平行平面基板上に堆積した非球面レンズで補正する。
【００２５】
すなわち、集光レンズ部分と補正レンズ部分と分離しているので、集光系は製造の楽な球面レンズとして、収差のみを基板に非球面膜を堆積した部品を加えて取り除く構成である。
【００２６】
よって、球面レンズを多様に利用することができる。つまり収差が発生している球面光学系に集光力の値を変えずに収差のみを取り除くことができるので、この構成は非常に有効となる。
【００２７】
例えば、レーザ光を集光させるのに収差の大きい球面レンズ一枚と、基板上に形成した非球面光学部品とを組み合わせれば、回析限界まで集光可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の非球面光学部品並びにその製造装置及びそれに用いるマスクの設計方法の実施の形態を、以下図を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図１（ａ）は非球面光学部品の一例を示す。この例は集光用球面レンズの収差補正用に使える非球面レンズである。
【００３０】
図１（ｂ）は、その非球面光学部品を使用して集光用の球面レンズ７の焦点７ａの収差を補正した状態を示す。
【００３１】
ここで、１は非球面光学部品の平行平面基板（平面基板）を示し、２はその基板上にスパッタ蒸着流をマスクを介して堆積した収差補正用の堆積物（非球面レンズ）を示す。尚、平面基板１の材質とターゲット３の材質を同じ素材（例えば、石英）とすることが望ましいが、石英基板上に耐熱ガラスや多成分ガラスをスパッタしても、密着強度は高く、一体化したレンズ系となる。
【００３２】
図２は図１の堆積物（非球面レンズ）２の実際の形状例を示す。すなわち非球面レンズの中心位置２ａからの距離ｒとその膜厚ｄ（ｒ）の関係を示してある。
【００３３】
図２における横軸０の位置は、図１の堆積物（非球面レンズ）２の中心位置２ａに相当する。中心位置２ａ付近はその膜厚ｄ（ｒ）は薄く、中心位置２ａから径方向に距離ｒの位置の膜厚ｄ（ｒ）の変化形状は次第に厚くなる。その非球面形状は高次多項式で表すことができる。式の形は光学用途によって異なるが、例えば以下のように表されている。
ｄ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ２ｒ２｝１／２］＋α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋α４ｒ８−−−−−−（Ａ）
ｄ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ２ｒ２｝１／２］＋β１ｒ１＋β２ｒ２＋β３ｒ３＋β４ｒ４−−−−−−（Ｂ）
【００３４】
但し、Ｋ：コーニック定数、ｃ：曲率半径の逆数、αｉ、βｉは定数
【００３５】
以上の式（Ａ）、（Ｂ）によって殆どの非球面形状を表すことができるが、ある特定の球面レンズの収差補正のための非球面レンズを式（Ａ）又は（Ｂ）によって設計できた場合、この式によって表される中心位置２ａからの膜厚ｄ（ｒ）の変化形状に合わせるようにスパッタ蒸着流を制御するマスク２０を製造装置に設ける必要がある。尚、図２の例は６次式で表された非球面形状である。
【００３６】
そのマスク２０は、スパッタ蒸着流を制御するため堆積させたい平面基板或いは球面表面上に配置され、遮断部分と開口部分を有するマスキング羽根２０ａを、一定の角速度ωで回転する。マスク２０が整数回転する時間にその開口部分を通過して基板或いは球面表面に堆積する膜厚ｄ（ｒ）の径方向ｒによる変化形状を式（Ａ）、（Ｂ）のようにするマスキング羽根の設計方法は後述する。
【００３７】
図３は、非球面光学部品（非球面レンズ系、放物面反射鏡）の製造装置の一実施例を示す。ここでは前記マスキング羽根を用い所定膜厚変化形状ｄ（ｒ）に堆積させる非球面光学部品製造装置スパッタ概念図を示す。
【００３８】
ここで、１０は真空気密チャンバーを示し、この内部に堆積させたい平面基板１又は凹状球面鏡８などをセットする穴のある基板用ベースプレート３３がある。
【００３９】
また、回転するマスク２０をセットする穴のあるマスク用ベースプレート３２がある。ここで３０ａはマスクを回転させるマスク回転用歯車を示し、真空気密チャンバー外部からの駆動伝達機構によりマスク２０の外周を回転させる。すなわち、回転の中心位置２０ａには軸はなく、この中心位置に対向する平面基板１の堆積物の中心位置２ａにも所定の膜厚ｄ（０）を堆積させることができる。
【００４０】
３はターゲットを示し、周辺に対して負電位になるようにして、真空気密チャンバー内は高電界のフィールドにする。
【００４１】
４はその高電界により電離された気体の正イオンを示し、そのイオンはターゲット３に衝突する。尚、気体はアルゴンＡｒなどであり、Ａｒ＋イオンが生ずる。
【００４２】
５はターゲット３から飛出したスパッタ原子であり、これが多数生成され、これらの粒子は一様なスパッタ蒸着流６となってマスク２０全面へ流れ込む。
【００４３】
そのスパッタ蒸着流は回転するマスク２０のマスキング羽根２０ａを通り、堆積物の対称中心位置２ａを中心として堆積し、図示のような堆積物（非球面レンズ）２が形成される。
【００４４】
そのマスキング羽根２０ａの形状が４枚羽根の場合の一実施例を図４に示す。図から解かるようにマスク回転中心付近、すなわち基板の堆積物の中心位置２ａ付近にも所定の膜厚を堆積させるようにそのマスク２０の回転の駆動はその外周にある歯車を介して駆動する。尚マスキング羽根２０ａの作成方法についても後述する。
【００４５】
図４は、中心対称なマスキング羽根と平面基板の関係を示す図である。図４では製造装置１００の真空気密チャンバー１０の中にターゲット３からのスパッタ粒子５によるスパッタ蒸着流を堆積させる平面基板１とその基板面上で堆積を制御するマスク２０からなる一組がある場合が概念図として示されているが、実際の場合は前記の平面基板１とマスク２０からなる組が複数組収容した真空気密チャンバー１０を備えることが望ましい。
【００４６】
なぜならば、スパッタ蒸着流による膜厚の制御量は前述したように数ｎｍが可能であるので、精度の高い非球面光学部品の製作に適応できるが、一方、その膜厚を所定の厚さ、例えば図２のように１００μｍ程度まで堆積させるのに長時間必要とする。その時間は人手を要せず、製造装置１００を必要な時間稼動させれば良い。
【００４７】
従って製造装置１００の真空気密チャンバー１０の中で複数組同時に平面基板１上に堆積膜２を堆積させることは効率的な装置となる。
【００４８】
以上のような製造装置１００のマスク・基板の取り付け治具の一実施例を図５に示す。図５では平面基板１とその基板面上で堆積を制御するマスク２０からなる組が４組とした場合である。
【００４９】
図５において、マスク２０と平面基板１とをそれぞれ４枚ずつ取付ける取付治具を示してある。
【００５０】
ここで３０は、気密チャンバー外部からの駆動により４個のマスク２０をその外周に沿って歯車で回転させるマスク回転駆動機構の全体を示す。
【００５１】
３１は治具全体を載せるベースプレートを示し、スパッタ蒸着流はベースプレートの下から上方へ流れる。
【００５２】
３２はマスク用ベースプレートであり９０度間隔の４箇所にマスクセット穴３２ａがある。マスク２０のマスキング羽根２０ａの形状は図４に示したマスキング羽根２０ａと同形のものである。
【００５３】
３３は基板用ベースプレートであり、９０度間隔の４箇所に基板セット穴３３ａがある。基板セット穴３３ａの中心は丁度マスクセット穴３２ａの中心に一致し、各平面基板１下側面にそれぞれマスク２０が配列する。
【００５４】
マスクセット穴３２ａの外周に沿ってそれぞれマスク回転用歯車３０ａがある。その４個のマスク回転用歯車３０ａに同時にかみ合う公転用内歯車３７があり、その外周には公転用外歯車３８を備え、その公転用外歯車３８の外周（図５では最上端）はこの歯車と噛合う駆動歯車３９ａを介して回転駆動シャフト３９で駆動する。尚、回転駆動シャフト３９は真空気密チャンバー１０の外部から駆動伝達機構により駆動される。
【００５５】
図５ではマスク２０を４個取り付けた例であるが、更にそれ以上の枚数を取付けるセット穴を設けるようにしても良い。
【００５６】
次に、マスク２０のマスキング羽根２０ａの形状の設計方法について述べる。
【００５７】
すなわち、中心からの距離ｒとその膜厚ｄ（ｒ）との関係が与えられれば、それを満たすマスクのマスキング羽根の形状を設定することができる。
【００５８】
図６、図７、図８は、中心からの距離ｒの変化に対して膜厚ｄ（ｒ）が一定の場合、膜厚ｄ（ｒ）が比例して増加する場合、膜厚ｄ（ｒ）が複雑に変化する場合についてそれぞれのマスキング羽根の形状を示してある。
【００５９】
以下、その方法を図９に基づいて説明する。図９は堆積したい形状の膜厚ｄ（ｒ）が与えられているとき、その膜厚ｄ（ｒ）の変化形状に堆積させるマスキング羽根２０ａの形状座標Ｘ、Ｙ及び各円周上毎の開口角θと膜厚ｄ（ｒ）との関係を説明する図である。
【００６０】
図９（ａ）はマスク平面図を示す。（ｂ）は堆積したい形状の膜厚ｄ（ｒ）を示す。この膜厚形状は図８に相当する。
【００６１】
マスク２０のマスキング羽根２０ａは平面基板１に対して一定の角速度ωで一回相対回転させた場合とし、作成するマスク２０の半径をＲとし、径方向にｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とする。
【００６２】
尚、ここでは一回相対回転させた場合とし、以下にその設計法を述べてあるが、整数回相対回転させた場合としても良い。
【００６３】
平面基板１全面にマスク２０がない状態で、前記一回相対回転させた時間２π／ωの間にその平面基板１に一様に堆積される膜厚をＤとすれば、マスク２０のマスキング羽根２０ａの或る径方向位置ｒにおいてマスキング羽根２０ａの遮断部分がなく、開口部分のみであればその径位置ｒの円周上の膜厚はＤとなる。
【００６４】
図９の堆積膜厚ｄ（ｒ）の例では、ｒ＝Ｒの最外周位置ではｄ（ｒ）＝Ｄであり、その円周上位置は開口部分のみであり、ｒ＝０の中心ではｄ（ｒ）＝０として、その位置は遮断部分のみとなり、径方向０〜Ｒ間における各径ｒの円周上毎の遮断部分と開口部分の比率或いはそれらの弧の長さを以下のようにして求められる。
【００６５】
半径ｒの円周上で、堆積が膜厚ｄ（ｒ）に対応する開口区間を図９に示すように点Ａ（ｒ、０）〜点Ｂ（Ｘ、Ｙ）で表し、その間の弧の長さＬが中心を見るときの開口角をθとすると以下の関係式が成り立つ。
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）
Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
【００６６】
そこで与えられた、或いは形成させたい膜厚ｄ（ｒ）に対して径方向Ｒを０≦ｒ≦Ｒの範囲に変化させて、式（１）〜（３）より開口角θと座標（Ｘ、Ｙ）の軌跡を求める。
【００６７】
その座標（Ｘ、Ｙ）の軌跡曲線と径方向線分（０、０）−（Ｒ、０）と円Ｒの円周とに囲まれた領域が開口した形状のマスク２０が設計できる。
【００６８】
図８（ｂ）に以上の開口したマスク形状の一例を示す。尚、図６（ｂ）、図７（ｂ）にはそれぞれ膜厚ｄ（ｒ）が中心からの距離ｒに対して一定の場合、直線的に比例する場合のそれぞれのマスク形状を示す。
【００６９】
さらに、マスク回転時の不安定な角速度の影響を少なくして安定度を向上させるために、各円周ｒ毎に計算された開口区間Ａ〜Ｂ間の弧の長さＬはｒとθの積で求められるが、その開口区間弧の長さＬを複数に分割してその円周上の遮断区間と入れ替えて配置しても良い。
【００７０】
図８（ｃ）には、その一例を示す。各円周上の弧の長さＬを４等分して、それぞれ図示するように、円Ｒを４分円或いは４象限に分割して、それぞれ４等分した開口区間弧の長さＬの１／４（又は遮断区間弧の長さの１／４）を割り当てて作成したマスキング羽根２０ａである。
【００７１】
尚、図６（ｃ）、図７（ｃ）には、同様の方法で膜厚ｄ（ｒ）が距離ｒに対して一定の場合、直線的に比例する場合のそれぞれのマスク形状を示す。
【００７２】
図１０は、式（１）、（２）、（３）により設計されたマスク２０のマスキング羽根２０ａの各種例を示してある。
【００７３】
図１０（ａ）は、式（１）〜（３）を満たすＸ、Ｙの軌跡曲線により設計されたマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７４】
図１０（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に計算された弧の長さＬを１／２に分割し組合せ作成したマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７５】
図１０（ｄ）、（ｅ）は、（ａ）に計算された弧の長さＬを１／４に分割し組合せ作成したマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７６】
以上述べた非球面光学部品の堆積によるレンズ系などは総て中心位置に堆積した中心対称な部品であり、平面基板１の中心とマスク２０の回転中心が一致する部品である。
【００７７】
中心対称部品に対して中心対称軸が部品の外部にある軸外部品の製造装置について述べる。尚、軸外部品を使用して径の大きい大型の収差補正レンズ系を形成する場合は、それらの軸外部品を所定の円周上に複数個配置して組み合わせれば良い。
【００７８】
そのような軸外部品を製造する場合の真空気密チャンバー１０内の構成について図１１に示す。
【００７９】
図１１（ａ）では軸外部品を４個同時に製造する場合を示す。
【００８０】
ここで、８は凹状球面基板を示す。この凹状球面基板８を図示するように破線で示す球面上に配置し、且つ回転させるマスク２０の軸中心から一定径の円周上に複数個（図１１では４個）並べる。
【００８１】
それらの凹状球面基板８の表面側には回転するマスク２０がありスパッタ蒸着流を制御して軸外部品を製作する。この軸外部品である非球面光学部品は同一円周状に配置して使用する。大きな基板上に堆積膜を非球面状に形成させて、端の部分を切出した物と同じ機能となる。
【００８２】
マスクの回転中心から同心円上に複数個の軸外部品を配置すれば良いので、大型の製造装置を必要としない。
【００８３】
図１１（ｂ）は軸外部品を中心軸から離れた同一円周上に複数個配列させ、焦点から出力する光線を放物面鏡９により反射させて平行光線を発生させた状態を示す。尚放物面鏡９の表面には金属蒸着薄膜９ａがある。尚、ターゲットを反射材となる金属とした場合は金属蒸着薄膜９ａに代えることができる。
【００８４】
図１２、図１３は中心対称の球面鏡８とその表面に非球面の放物面鏡９を堆積させ、収差補正をした光集束例を示してある。尚、図１３の放物面鏡９の表面には金属蒸着薄膜９ａがあり完全反射させる。
【００８５】
図１２は、収差があり平行入力光線は焦点に集まらない。従ってその結像の文字は判読できない。
【００８６】
図１３は球面鏡の収差は補正され、平行入力光線は焦点に集束する。従ってその結像の文字は容易に判読できる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】非球面光学部品の一例で、（ａ）は非球面レンズの断面図、（ｂ）はそれを利用した収差補正状態を示す図である。
【図２】非球面レンズ堆積物の膜厚具体例を示す図である。
【図３】非球面光学部品製造装置スパッタ概念図である。
【図４】中心対称なマスキング羽根と平面基板の関係を示す図である。
【図５】マスク・基板の取り付け治具の実施例である。
【図６】膜厚が中心からの距離に対して一定の場合を示し（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図７】膜厚が中心からの距離に比例する場合を示し、（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図８】膜厚が中心からの距離に対して複雑に変化する場合を示し、（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図９】堆積膜厚とマスキング羽根の形状、座標Ｘ、Ｙ、開口角θとの関係図である。
【図１０】マスク形状各種例で、（ａ）はＸ、Ｙ軌跡曲線により設計されたマスキング羽根、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）の弧の長さを１／２に分割し組合せた形状例、（ｄ）、（ｅ）は弧の長さを１／４に分割し組合せた形状例である。
【図１１】軸外部品への堆積例を示し、（ａ）は軸外部品を４個同時に製造する例、（ｂ）は軸外部品の利用例を示す図である。
【図１２】球面鏡の収差のある光集束例を示し、（ａ）はスポットダイアグラム、（ｂ）は結像、（ｃ）は光学配置を示す図である。
【図１３】非球面鏡による光集束収差補正例を示し、（ａ）はスポットダイアグラム、（ｂ）は結像、（ｃ）は光学配置を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 平行平面基板（平面基板）
２ 堆積物（非球面レンズ）
２ａ 堆積物（非球面レンズ）の中心位置
３ ターゲット
４ 気体、正イオン
５ スパッタ粒子、原子
６ スパッタ蒸着流
７ 球面レンズ
７ａ 焦点
８ 凹状球面鏡、球面基板
９ 凹状非球面鏡、放物面鏡
９ａ 金属蒸着薄膜
１０ 真空気密チャンバー
２０ マスク
２０ａ マスキング羽根
３０ マスク回転駆動機構
３０ａ マスク回転用歯車
３１ ベースプレート
３２ マスク用ベースプレート
３２ａ マスクセット穴
３３ 基板用ベースプレート
３３ａ 基板セット穴
３７ 公転用内歯車
３８ 公転用外歯車
３９ 回転駆動シャフト
３９ａ 駆動歯車
１００ 非球面光学部品の製造装置（製造装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光用球面レンズにおける光束の収差の補正、凹状球面反射鏡における光束の収差の補正、又は完全な平行光線の出力などができる非球面光学部品に関し、またそれらの製造装置としてスパッタ蒸着により前記集光用球面レンズ光路に配置する平面或いは凹状球面反射鏡表面上にターゲットから蒸着材を堆積させた非球面レンズ系を形成させる非球面光学部品の製造装置に関する。また、非球面堆積膜を形成させるための基板とターゲットの間に回転するマスク形状の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の球面レンズ系、非球面レンズ系などに関する加工方法は切削＋研磨加工、或いはプレス加工、又はプレス加工＋研磨加工で製造していた。また、特許文献１は研磨行程をなくし、一度で成形する成形型を用いた非球面レンズ系の製造方法が公開されている。
【０００３】
このような型にはめて成形するプレス加工においては、ｎｍ（１０−９ｍ）の微細な変化での加工は難しく、製品精度を１μｍ以下にするためには多くの労力を要した。また、１μｍ以下の精度の加工では温度の変化によっても形状寸法も変化するなど再現性を保つための大きな設備を必要とした。
【０００４】
特に、性能の高い非球面光学部品はその形状寸法精度を高くする必要があるが、プレス加工ではその型を作る際に切削跡が残らぬよう相当量の研磨を行なわねばならない。高い形状精度で非球面性能を落とすことなく研磨を行なうには高い技術が必要とされ、成形型は高価なものであった。
【０００５】
一方、スパッタにより基板上の所定の領域範囲内に均一な薄膜状にターゲットからのスパッタ粒子を堆積させて円板状基板に記録媒体を形成させる技術がある。特許文献２には中心穴部分のインナーマスクと外周部分のアウターマスクに囲まれたドーナツ状の所定の領域範囲の全面を均一性のある薄膜で記録媒体層を製造することが公開されている。
【０００６】
特許文献３には、球面形状に加工された基板上に種類以上の物質を交互に積層する工程と、積層された多層膜表面の一部を除去して非球面形状を創生する行程と、除去された多層膜表面の模様から非球面形状を測定する行程からなる非球面ミラー製造方法が提案されている。
【０００７】
この発明は、イオンビームスパッタ装置により２種類のターゲットを用いて交互に基板上に均一な厚さの多層膜を形成し、その後、スモールツール研磨装置を用いて多層膜表面を研磨し、研磨により現れる縞模様の形から所望の非球面形状を作製する方法である。
【０００８】
スパッタによる薄膜の厚さ制御は高精度であり、１μｍ以下から１ｎｍ精度まで適用できる。しかしながら、スパッタの蒸着により基板上に所定の非球面となる膜厚変化形状の膜を直接形成し非球面レンズ系などに製作することは考えられていなかった。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−２０８８３３号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００３−１９３１３１号公報（第２頁、第１図）
【特許文献３】特開平７−８４０９８号公報（第２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズ系として以下のような非球面光学部品とその製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
すなわち、真空気密チャンバー内において高電界により気体を電離し生じた正イオンがターゲットに衝突して原子が飛出し、それを平面基板上に堆積させるスパッタ蒸着空間を使用して、その基板上に回転マスクを備えてスパッタ蒸着流を制御し所定膜厚変化形状の非球面膜を形成させた非球面光学部品とその製造装置を提供することである。
【００１２】
また、集光用或いは平行光線出力用の凹球面反射鏡の集光の収差などを補正するため、その凹球面表面上に所定膜厚変化形状の非球面膜をスパッタ蒸着流の回転マスクによる制御により形成させ、放物面鏡として収差を少なくした非球面光学部品とその製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明の非球面光学部品は、集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズであって、
前記非球面レンズは平行平面形状の基板と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記基板上に円形状でその中心対称に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記ターゲットの材質を透明な材質にすることにより、堆積膜が基板に一体化したレンズ系を形成させ、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする。
【００１４】
また、集光用又は平行光線出力用凹状球面反射鏡表面上に、その球面反射鏡の収差を補正する非球面膜を形成させ、さらに表面上に反射用金属薄膜を蒸着して収差が補正された非球面の放物面反射鏡であって、
前記放物面反射鏡は、凹面球状反射鏡と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、
遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記凹状球面反射鏡表面上に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記堆積膜の材質が透明である場合は堆積膜上に前記反射用金属薄膜を備え、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスクのマスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の非球面光学部品の製造装置は、非球面光学部品（非球面レンズ）及び非球面光学部品（放物面反射鏡）の製造装置であって、
その製造装置は、気密チャンバー内でターゲットからのスパッタ蒸着流を堆積させて前記非球面レンズを形成させる平行平面基板或いは凹状球面鏡をＭ枚（１以上）セットできる保持機構と、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡と前記ターゲットの間に配置して各平行平面基板或いは凹状球面鏡毎に一定の角速度で回転させ、収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状がその回転中心からの距離毎の各円周上の遮断部分と開口部分の比を定め、その比の値からスパッタ蒸着流を制御するマスキング羽根が設計されたマスクと、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡の中心部分の堆積膜を含めて前記膜厚変化形状とする非球面膜にするため、前記マスクには中心軸を用いずマスク外周に設けたマスク自転用歯車で駆動させるマスク外周駆動機構と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、非球面部品の製造装置に用いるマスクのマスキング羽根の設計方法であって、
非球面部品の収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状に堆積させたいマスクの一定の角速度で回転するマスキング羽根の形状を定めるに際して、
その角速度で一回相対回転させたい時間に、回転中心からｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とすれば、同時間でマスクが無い（遮断部分が無い）円周上における堆積をＤとし、各円周上における膜厚ｄ（ｒ）に対する開口部分区間の弧の長さＬの見る開口角をθで表すは、マスキング羽根の形状を開口領域を座標Ｘ、Ｙとの間に成立する関係式
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）、Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
式（１）〜（３）を用いて予め定めてある膜厚ｄ（ｒ）から開口角θと座標Ｘ、Ｙが計算され、総てのｒの変化に対して計算すれば座標Ｘ、Ｙの軌跡からマスクの開口領域の形状が定まり堆積させたい膜厚に対応したマスキング羽根が定まることを特徴とする。
【００１７】
また、半径ｒの円周上における開口部の弧の長さＬはｒ・θから算出し、更にその弧の長さＬをｎ（整数）分割して、複数に分離した開口部を配置し、マスクの回転時の安定度を向上させる複数枚マスキング羽根のマスク形状とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の非球面光学部品並びにその製造装置及びそれに用いるマスク設計方法は以下の効果を奏する。
【００１９】
基板面或いは球面形状表面に堆積させて形成する膜厚層はｎｍの微細な変化の加工が行なえる。従来のプレス加工、研磨加工などのμｍ程度の精度に較べ格段と精度が高い加工が行なえる。
【００２０】
よって、高い精度を必要とする非球面形状、特に堆積膜が中心位置まで所定の膜厚変化形状に形成し製造するので適した装置となる。
【００２１】
温度の変化によって形状も変化するなどの再現性を保つための大きな設備も必要としない。
【００２２】
従来のプレス加工、研磨加工では精度の良い製品を作るため、型に対する前処理など前述した多くの工程が必要であったが、本装置によるスパッタ空間を用いれば前述の工程を踏む必要がない。そのような人の手による作業は不用となる。
【００２３】
集光用球面レンズの光束の収差補正においては、従来の補正レンズ系は集光能力を決める曲率と収差を取り除く非球面形状を一体にして設計されており、使い方が限定されていた。
すなわち、一体となっているので非球面レンズを分離して任意に組み合わせて使うことができなかった。
【００２４】
本発明の集光用球面レンズの光束の収差補正は、その球面レンズの光路上に配置した平行平面基板上に堆積した非球面レンズで補正する。
【００２５】
すなわち、集光レンズ部分と補正レンズ部分と分離しているので、集光系は製造の楽な球面レンズとして、収差のみを基板に非球面膜を堆積した部品を加えて取り除く構成である。
【００２６】
よって、球面レンズを多様に利用することができる。つまり収差が発生している球面光学系に集光力の値を変えずに収差のみを取り除くことができるので、この構成は非常に有効となる。
【００２７】
例えば、レーザ光を集光させるのに収差の大きい球面レンズ一枚と、基板上に形成した非球面光学部品とを組み合わせれば、回析限界まで集光可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の非球面光学部品並びにその製造装置及びそれに用いるマスクの設計方法の実施の形態を、以下図を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図１（ａ）は非球面光学部品の一例を示す。この例は集光用球面レンズの収差補正用に使える非球面レンズである。
【００３０】
図１（ｂ）は、その非球面光学部品を使用して集光用の球面レンズ７の焦点７ａの収差を補正した状態を示す。
【００３１】
ここで、１は非球面光学部品の平行平面基板（平面基板）を示し、２はその基板上にスパッタ蒸着流をマスクを介して堆積した収差補正用の堆積物（非球面レンズ）を示す。尚、平面基板１の材質とターゲット３の材質を同じ素材（例えば、石英）とすることが望ましいが、石英基板上に耐熱ガラスや多成分ガラスをスパッタしても、密着強度は高く、一体化したレンズ系となる。
【００３２】
図２は図１の堆積物（非球面レンズ）２の実際の形状例を示す。すなわち非球面レンズの中心位置２ａからの距離ｒとその膜厚ｄ（ｒ）の関係を示してある。
【００３３】
図２における横軸０の位置は、図１の堆積物（非球面レンズ）２の中心位置２ａに相当する。中心位置２ａ付近はその膜厚ｄ（ｒ）は薄く、中心位置２ａから径方向に距離ｒの位置の膜厚ｄ（ｒ）の変化形状は次第に厚くなる。その非球面形状は高次多項式で表すことができる。式の形は光学用途によって異なるが、例えば以下のように表されている。
ｄ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ２ｒ２｝１／２］＋α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋α４ｒ８−−−−−−（Ａ）
ｄ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ２ｒ２｝１／２］＋β１ｒ１＋β２ｒ２＋β３ｒ３＋β４ｒ４−−−−−−（Ｂ）
【００３４】
但し、Ｋ：コーニック定数、ｃ：曲率半径の逆数、αｉ、βｉは定数
【００３５】
以上の式（Ａ）、（Ｂ）によって殆どの非球面形状を表すことができるが、ある特定の球面レンズの収差補正のための非球面レンズを式（Ａ）又は（Ｂ）によって設計できた場合、この式によって表される中心位置２ａからの膜厚ｄ（ｒ）の変化形状に合わせるようにスパッタ蒸着流を制御するマスク２０を製造装置に設ける必要がある。尚、図２の例は６次式で表された非球面形状である。
【００３６】
そのマスク２０は、スパッタ蒸着流を制御するため堆積させたい平面基板或いは球面表面上に配置され、遮断部分と開口部分を有するマスキング羽根２０ａを、一定の角速度ωで回転する。マスク２０が整数回転する時間にその開口部分を通過して基板或いは球面表面に堆積する膜厚ｄ（ｒ）の径方向ｒによる変化形状を式（Ａ）、（Ｂ）のようにするマスキング羽根の設計方法は後述する。
【００３７】
図３は、非球面光学部品（非球面レンズ系、放物面反射鏡）の製造装置の一実施例を示す。ここでは前記マスキング羽根を用い所定膜厚変化形状ｄ（ｒ）に堆積させる非球面光学部品製造装置スパッタ概念図を示す。
【００３８】
ここで、１０は真空気密チャンバーを示し、この内部に堆積させたい平面基板１又は凹状球面鏡８などをセットする穴のある基板用ベースプレート３３がある。
【００３９】
また、回転するマスク２０をセットする穴のあるマスク用ベースプレート３２がある。ここで３０ａはマスクを回転させるマスク回転用歯車を示し、真空気密チャンバー外部からの駆動伝達機構によりマスク２０の外周を回転させる。すなわち、回転の中心位置２０ａには軸はなく、この中心位置に対向する平面基板１の堆積物の中心位置２ａにも所定の膜厚ｄ（０）を堆積させることができる。
【００４０】
３はターゲットを示し、周辺に対して負電位になるようにして、真空気密チャンバー内は高電界のフィールドにする。
【００４１】
４はその高電界により電離された気体の正イオンを示し、そのイオンはターゲット３に衝突する。尚、気体はアルゴンＡｒなどであり、Ａｒ＋イオンが生ずる。
【００４２】
５はターゲット３から飛出したスパッタ原子であり、これが多数生成され、これらの粒子は一様なスパッタ蒸着流６となってマスク２０全面へ流れ込む。
【００４３】
そのスパッタ蒸着流は回転するマスク２０のマスキング羽根２０ａを通り、堆積物の対称中心位置２ａを中心として堆積し、図示のような堆積物（非球面レンズ）２が形成される。
【００４４】
そのマスキング羽根２０ａの形状が４枚羽根の場合の一実施例を図４に示す。図から解かるようにマスク回転中心付近、すなわち基板の堆積物の中心位置２ａ付近にも所定の膜厚を堆積させるようにそのマスク２０の回転の駆動はその外周にある歯車を介して駆動する。尚マスキング羽根２０ａの作成方法についても後述する。
【００４５】
図４は、中心対称なマスキング羽根と平面基板の関係を示す図である。図４では製造装置１００の真空気密チャンバー１０の中にターゲット３からのスパッタ粒子５によるスパッタ蒸着流を堆積させる平面基板１とその基板面上で堆積を制御するマスク２０からなる一組がある場合が概念図として示されているが、実際の場合は前記の平面基板１とマスク２０からなる組が複数組収容した真空気密チャンバー１０を備えることが望ましい。
【００４６】
なぜならば、スパッタ蒸着流による膜厚の制御量は前述したように数ｎｍが可能であるので、精度の高い非球面光学部品の製作に適応できるが、一方、その膜厚を所定の厚さ、例えば図２のように１００μｍ程度まで堆積させるのに長時間必要とする。その時間は人手を要せず、製造装置１００を必要な時間稼動させれば良い。
【００４７】
従って製造装置１００の真空気密チャンバー１０の中で複数組同時に平面基板１上に堆積膜２を堆積させることは効率的な装置となる。
【００４８】
以上のような製造装置１００のマスク・基板の取り付け治具の一実施例を図５に示す。図５では平面基板１とその基板面上で堆積を制御するマスク２０からなる組が４組とした場合である。
【００４９】
図５において、マスク２０と平面基板１とをそれぞれ４枚ずつ取付ける取付治具を示してある。
【００５０】
ここで３０は、気密チャンバー外部からの駆動により４個のマスク２０をその外周に沿って歯車で回転させるマスク回転駆動機構の全体を示す。
【００５１】
３１は治具全体を載せるベースプレートを示し、スパッタ蒸着流はベースプレートの下から上方へ流れる。
【００５２】
３２はマスク用ベースプレートであり９０度間隔の４箇所にマスクセット穴３２ａがある。マスク２０のマスキング羽根２０ａの形状は図４に示したマスキング羽根２０ａと同形のものである。
【００５３】
３３は基板用ベースプレートであり、９０度間隔の４箇所に基板セット穴３３ａがある。基板セット穴３３ａの中心は丁度マスクセット穴３２ａの中心に一致し、各平面基板１下側面にそれぞれマスク２０が配列する。
【００５４】
マスクセット穴３２ａの外周に沿ってそれぞれマスク回転用歯車３０ａがある。その４個のマスク回転用歯車３０ａに同時にかみ合う公転用内歯車３７があり、その外周には公転用外歯車３８を備え、その公転用外歯車３８の外周（図５では最上端）はこの歯車と噛合う駆動歯車３９ａを介して回転駆動シャフト３９で駆動する。尚、回転駆動シャフト３９は真空気密チャンバー１０の外部から駆動伝達機構により駆動される。
【００５５】
図５ではマスク２０を４個取り付けた例であるが、更にそれ以上の枚数を取付けるセット穴を設けるようにしても良い。
【００５６】
次に、マスク２０のマスキング羽根２０ａの形状の設計方法について述べる。
【００５７】
すなわち、中心からの距離ｒとその膜厚ｄ（ｒ）との関係が与えられれば、それを満たすマスクのマスキング羽根の形状を設定することができる。
【００５８】
図６、図７、図８は、中心からの距離ｒの変化に対して膜厚ｄ（ｒ）が一定の場合、膜厚ｄ（ｒ）が比例して増加する場合、膜厚ｄ（ｒ）が複雑に変化する場合についてそれぞれのマスキング羽根の形状を示してある。
【００５９】
以下、その方法を図９に基づいて説明する。図９は堆積したい形状の膜厚ｄ（ｒ）が与えられているとき、その膜厚ｄ（ｒ）の変化形状に堆積させるマスキング羽根２０ａの形状座標Ｘ、Ｙ及び各円周上毎の開口角θと膜厚ｄ（ｒ）との関係を説明する図である。
【００６０】
図９（ａ）はマスク平面図を示す。（ｂ）は堆積したい形状の膜厚ｄ（ｒ）を示す。この膜厚形状は図８に相当する。
【００６１】
マスク２０のマスキング羽根２０ａは平面基板１に対して一定の角速度ωで一回相対回転させた場合とし、作成するマスク２０の半径をＲとし、径方向にｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とする。
【００６２】
尚、ここでは一回相対回転させた場合とし、以下にその設計法を述べてあるが、整数回相対回転させた場合としても良い。
【００６３】
平面基板１全面にマスク２０がない状態で、前記一回相対回転させた時間２π／ωの間にその平面基板１に一様に堆積される膜厚をＤとすれば、マスク２０のマスキング羽根２０ａの或る径方向位置ｒにおいてマスキング羽根２０ａの遮断部分がなく、開口部分のみであればその径位置ｒの円周上の膜厚はＤとなる。
【００６４】
図９の堆積膜厚ｄ（ｒ）の例では、ｒ＝Ｒの最外周位置ではｄ（ｒ）＝Ｄであり、その円周上位置は開口部分のみであり、ｒ＝０の中心ではｄ（ｒ）＝０として、その位置は遮断部分のみとなり、径方向０〜Ｒ間における各径ｒの円周上毎の遮断部分と開口部分の比率或いはそれらの弧の長さを以下のようにして求められる。
【００６５】
半径ｒの円周上で、堆積が膜厚ｄ（ｒ）に対応する開口区間を図９に示すように点Ａ（ｒ、０）〜点Ｂ（Ｘ、Ｙ）で表し、その間の弧の長さＬが中心を見るときの開口角をθとすると以下の関係式が成り立つ。
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）
Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
【００６６】
そこで与えられた、或いは形成させたい膜厚ｄ（ｒ）に対して径方向Ｒを０≦ｒ≦Ｒの範囲に変化させて、式（１）〜（３）より開口角θと座標（Ｘ、Ｙ）の軌跡を求める。
【００６７】
その座標（Ｘ、Ｙ）の軌跡曲線と径方向線分（０、０）−（Ｒ、０）と円Ｒの円周とに囲まれた領域が開口した形状のマスク２０が設計できる。
【００６８】
図８（ｂ）に以上の開口したマスク形状の一例を示す。尚、図６（ｂ）、図７（ｂ）にはそれぞれ膜厚ｄ（ｒ）が中心からの距離ｒに対して一定の場合、直線的に比例する場合のそれぞれのマスク形状を示す。
【００６９】
さらに、マスク回転時の不安定な角速度の影響を少なくして安定度を向上させるために、各円周ｒ毎に計算された開口区間Ａ〜Ｂ間の弧の長さＬはｒとθの積で求められるが、その開口区間弧の長さＬを複数に分割してその円周上の遮断区間と入れ替えて配置しても良い。
【００７０】
図８（ｃ）には、その一例を示す。各円周上の弧の長さＬを４等分して、それぞれ図示するように、円Ｒを４分円或いは４象限に分割して、それぞれ４等分した開口区間弧の長さＬの１／４（又は遮断区間弧の長さの１／４）を割り当てて作成したマスキング羽根２０ａである。
【００７１】
尚、図６（ｃ）、図７（ｃ）には、同様の方法で膜厚ｄ（ｒ）が距離ｒに対して一定の場合、直線的に比例する場合のそれぞれのマスク形状を示す。
【００７２】
図１０は、式（１）、（２）、（３）により設計されたマスク２０のマスキング羽根２０ａの各種例を示してある。
【００７３】
図１０（ａ）は、式（１）〜（３）を満たすＸ、Ｙの軌跡曲線により設計されたマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７４】
図１０（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に計算された弧の長さＬを１／２に分割し組合せ作成したマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７５】
図１０（ｄ）、（ｅ）は、（ａ）に計算された弧の長さＬを１／４に分割し組合せ作成したマスキング羽根２０ａの形状を示す。
【００７６】
以上述べた非球面光学部品の堆積によるレンズ系などは総て中心位置に堆積した中心対称な部品であり、平面基板１の中心とマスク２０の回転中心が一致する部品である。
【００７７】
中心対称部品に対して中心対称軸が部品の外部にある軸外部品の製造装置について述べる。尚、軸外部品を使用して径の大きい大型の収差補正レンズ系を形成する場合は、それらの軸外部品を所定の円周上に複数個配置して組み合わせれば良い。
【００７８】
そのような軸外部品を製造する場合の真空気密チャンバー１０内の構成について図１１に示す。
【００７９】
図１１（ａ）では軸外部品を４個同時に製造する場合を示す。
【００８０】
ここで、８は凹状球面基板を示す。この凹状球面基板８を図示するように破線で示す球面上に配置し、且つ回転させるマスク２０の軸中心から一定径の円周上に複数個（図１１では４個）並べる。
【００８１】
それらの凹状球面基板８の表面側には回転するマスク２０がありスパッタ蒸着流を制御して軸外部品を製作する。この軸外部品である非球面光学部品は同一円周状に配置して使用する。大きな基板上に堆積膜を非球面状に形成させて、端の部分を切出した物と同じ機能となる。
【００８２】
マスクの回転中心から同心円上に複数個の軸外部品を配置すれば良いので、大型の製造装置を必要としない。
【００８３】
図１１（ｂ）は軸外部品を中心軸から離れた同一円周上に複数個配列させ、焦点から出力する光線を放物面鏡９により反射させて平行光線を発生させた状態を示す。尚放物面鏡９の表面には金属蒸着薄膜９ａがある。尚、ターゲットを反射材となる金属とした場合は金属蒸着薄膜９ａに代えることができる。
【００８４】
図１２、図１３は中心対称の球面鏡８とその表面に非球面の放物面鏡９を堆積させ、収差補正をした光集束例を示してある。尚、図１３の放物面鏡９の表面には金属蒸着薄膜９ａがあり完全反射させる。
【００８５】
図１２は、収差があり平行入力光線は焦点に集まらない。従ってその結像の文字は判読できない。
【００８６】
図１３は球面鏡の収差は補正され、平行入力光線は焦点に集束する。従ってその結像の文字は容易に判読できる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】非球面光学部品の一例で、（ａ）は非球面レンズの断面図、（ｂ）はそれを利用した収差補正状態を示す図である。
【図２】非球面レンズ堆積物の膜厚具体例を示す図である。
【図３】非球面光学部品製造装置スパッタ概念図である。
【図４】中心対称なマスキング羽根と平面基板の関係を示す図である。
【図５】マスク・基板の取り付け治具の実施例である。
【図６】膜厚が中心からの距離に対して一定の場合を示し（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図７】膜厚が中心からの距離に比例する場合を示し、（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図８】膜厚が中心からの距離に対して複雑に変化する場合を示し、（ａ）は膜厚とマスクの関係、（ｂ）はＸ、Ｙの軌跡、（Ｃ）はマスク形状例である。
【図９】堆積膜厚とマスキング羽根の形状、座標Ｘ、Ｙ、開口角θとの関係図である。
【図１０】マスク形状各種例で、（ａ）はＸ、Ｙ軌跡曲線により設計されたマスキング羽根、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）の弧の長さを１／２に分割し組合せた形状例、（ｄ）、（ｅ）は弧の長さを１／４に分割し組合せた形状例である。
【図１１】軸外部品への堆積例を示し、（ａ）は軸外部品を４個同時に製造する例、（ｂ）は軸外部品の利用例を示す図である。
【図１２】球面鏡の収差のある光集束例を示し、（ａ）はスポットダイアグラム、（ｂ）は結像、（ｃ）は光学配置を示す図である。
【図１３】非球面鏡による光集束収差補正例を示し、（ａ）はスポットダイアグラム、（ｂ）は結像、（ｃ）は光学配置を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 平行平面基板（平面基板）
２ 堆積物（非球面レンズ）
２ａ 堆積物（非球面レンズ）の中心位置
３ ターゲット
４ 気体、正イオン
５ スパッタ粒子、原子
６ スパッタ蒸着流
７ 球面レンズ
７ａ 焦点
８ 凹状球面鏡、球面基板
９ 凹状非球面鏡、放物面鏡
９ａ 金属蒸着薄膜
１０ 真空気密チャンバー
２０ マスク
２０ａ マスキング羽根
３０ マスク回転駆動機構
３０ａ マスク回転用歯車
３１ ベースプレート
３２ マスク用ベースプレート
３２ａ マスクセット穴
３３ 基板用ベースプレート
３３ａ 基板セット穴
３７ 公転用内歯車
３８ 公転用外歯車
３９ 回転駆動シャフト
３９ａ 駆動歯車
１００ 非球面光学部品の製造装置（製造装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズであって、
前記非球面レンズは平行平面形状の基板と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記基板上に円形状でその中心対称に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記ターゲットの材質を透明な材質にすることにより、堆積膜が基板に一体化したレンズ系を形成させ、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする非球面光学部品。
【請求項２】
集光用又は平行光線出力用凹状球面反射鏡表面上に、その球面反射鏡の収差を補正する非球面膜を形成させ、さらに表面上に反射用金属薄膜を蒸着して収差が補正された非球面の放物面反射鏡であって、
前記放物面反射鏡は、凹面球状反射鏡と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、
遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記凹状球面反射鏡表面上に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記堆積膜の材質が透明である場合は堆積膜上に前記反射用金属薄膜を備え、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスクのマスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする非球面光学部品。
【請求項３】
請求項１記載の非球面光学部品（非球面レンズ）及び請求項２記載の非球面光学部品（放物面反射鏡）の製造装置であって、
その製造装置は、気密チャンバー内でターゲットからのスパッタ蒸着流を堆積させて前記非球面レンズを形成させる平行平面基板或いは凹状球面鏡をＭ枚（１以上）セットできる保持機構と、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡と前記ターゲットの間に配置して各平行平面基板或いは凹状球面鏡毎に一定の角速度で回転させ、収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状がその回転中心からの距離毎の各円周上の遮断部分と開口部分の比を定め、その比の値からスパッタ蒸着流を制御するマスキング羽根が設計されたマスクと、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡の中心部分の堆積膜を含めて前記膜厚変化形状とする非球面膜にするため、前記マスクには中心軸を用いずマスク外周に設けたマスク自転用歯車で駆動させるマスク外周駆動機構と、を少なくとも備えたことを特徴とする非球面光学部品の製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の非球面部品の製造装置に用いるマスクのマスキング羽根の設計方法であって、
非球面部品の収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状に堆積させたいマスクの一定の角速度で回転するマスキング羽根の形状を定めるに際して、
その角速度で一回相対回転させたい時間に、回転中心からｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とすれば、同時間でマスクが無い（遮断部分が無い）円周上における堆積をＤとし、各円周上における膜厚ｄ（ｒ）に対する開口部分区間の弧の長さＬの見る開口角をθで表すは、マスキング羽根の形状を開口領域を座標Ｘ、Ｙとの間に成立する関係式
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）、Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
式（１）〜（３）を用いて予め定めてある膜厚ｄ（ｒ） ｄ（ｒ）から開口角θと座標Ｘ、Ｙが計算され、総てのｒの変化に対して計算すれば座標Ｘ、Ｙの軌跡からマスクの開口領域の形状が定まり堆積させたい膜厚に対応したマスキング羽根が定まることを特徴とする非球面光学部品の製造装置に用いるマスクの設計方法。
【請求項５】
半径ｒの円周上における開口部の弧の長さＬはｒ・θから算出し、更にその弧の長さＬをｎ（整数）分割して、複数に分離した開口部を配置し、マスクの回転時の安定度を向上させる複数枚マスキング羽根のマスク形状とすることを特徴とする請求項４記載の非球面光学部品の製造装置に用いるマスクの設計方法。
【請求項１】
集光用球面レンズ光路上に配置し、その球面レンズの収差を補正する非球面レンズであって、
前記非球面レンズは平行平面形状の基板と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記基板上に円形状でその中心対称に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記ターゲットの材質を透明な材質にすることにより、堆積膜が基板に一体化したレンズ系を形成させ、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする非球面光学部品。
【請求項２】
集光用又は平行光線出力用凹状球面反射鏡表面上に、その球面反射鏡の収差を補正する非球面膜を形成させ、さらに表面上に反射用金属薄膜を蒸着して収差が補正された非球面の放物面反射鏡であって、
前記放物面反射鏡は、凹面球状反射鏡と、気密チャンバー内の高電界により気体を電離し生じた正イオンによりターゲットから原子を飛出させたスパッタ蒸着流を用いて、
遮断部分と開口部分を有してそれらの外周を駆動して一定の角速度で回転させたマスクによりその流れを制御し、前記凹状球面反射鏡表面上に堆積させた堆積膜とから構成され、
前記堆積膜の材質が透明である場合は堆積膜上に前記反射用金属薄膜を備え、
前記堆積膜の各円周上の膜厚はその円周毎の開口部分の長さによって定まり、従って、径方向の求めたい膜厚変化形状を決めれば円周毎の開口部分の長さが定まり、前記マスクのマスキング形状が設定され、
前記膜厚変化形状を少なくとも高次多項式で表す非球面レンズ系とすることを特徴とする非球面光学部品。
【請求項３】
請求項１記載の非球面光学部品（非球面レンズ）及び請求項２記載の非球面光学部品（放物面反射鏡）の製造装置であって、
その製造装置は、気密チャンバー内でターゲットからのスパッタ蒸着流を堆積させて前記非球面レンズを形成させる平行平面基板或いは凹状球面鏡をＭ枚（１以上）セットできる保持機構と、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡と前記ターゲットの間に配置して各平行平面基板或いは凹状球面鏡毎に一定の角速度で回転させ、収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状がその回転中心からの距離毎の各円周上の遮断部分と開口部分の比を定め、その比の値からスパッタ蒸着流を制御するマスキング羽根が設計されたマスクと、前記平行平面基板或いは凹状球面鏡の中心部分の堆積膜を含めて前記膜厚変化形状とする非球面膜にするため、前記マスクには中心軸を用いずマスク外周に設けたマスク自転用歯車で駆動させるマスク外周駆動機構と、を少なくとも備えたことを特徴とする非球面光学部品の製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の非球面部品の製造装置に用いるマスクのマスキング羽根の設計方法であって、
非球面部品の収差を補正する非球面光学系を形成する径方向の膜厚変化形状に堆積させたいマスクの一定の角速度で回転するマスキング羽根の形状を定めるに際して、
その角速度で一回相対回転させたい時間に、回転中心からｒだけ離れた位置に堆積させたい膜厚をｄ（ｒ）とすれば、同時間でマスクが無い（遮断部分が無い）円周上における堆積をＤとし、各円周上における膜厚ｄ（ｒ）に対する開口部分区間の弧の長さＬの見る開口角をθで表すは、マスキング羽根の形状を開口領域を座標Ｘ、Ｙとの間に成立する関係式
Ｘ＝ｒ ｃｏｓθ （１）、Ｙ＝ｒ ｓｉｎθ （２）
θ＝２πｄ（ｒ）／Ｄ （３）
式（１）〜（３）を用いて予め定めてある膜厚ｄ（ｒ） ｄ（ｒ）から開口角θと座標Ｘ、Ｙが計算され、総てのｒの変化に対して計算すれば座標Ｘ、Ｙの軌跡からマスクの開口領域の形状が定まり堆積させたい膜厚に対応したマスキング羽根が定まることを特徴とする非球面光学部品の製造装置に用いるマスクの設計方法。
【請求項５】
半径ｒの円周上における開口部の弧の長さＬはｒ・θから算出し、更にその弧の長さＬをｎ（整数）分割して、複数に分離した開口部を配置し、マスクの回転時の安定度を向上させる複数枚マスキング羽根のマスク形状とすることを特徴とする請求項４記載の非球面光学部品の製造装置に用いるマスクの設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１２２４６９（Ｐ２００９−１２２４６９Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９７４３４（Ｐ２００７−２９７４３４）
【出願日】平成１９年１１月１６日（２００７．１１．１６）
【出願人】（３０００２１６３３）朝日分光株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１６日（２００７．１１．１６）
【出願人】（３０００２１６３３）朝日分光株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
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