JP3589486B2 - マイクロレンズの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マイクロレンズの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレンズは、小さな径（厳密な限定ではないが、例えばほぼ１ｍｍ以下）のレンズである。このようなマイクロレンズは、次の２つの方法により製造されていた。
第１の方法では、マトリックス状に多数の円形遮蔽部を形成してなるマスク部材を介して、感光性ガラス材料の平板に紫外線を照射する。紫外線が照射された部分は、次の熱処理工程で結晶化して体積収縮を起こす。その結果、紫外線を受けなかった部分が圧縮力を受けて膨張してガラス板の表面から突出し、凸曲面を形成する。この凸曲面を有する部分がマイクロレンズとなる。このようにして多数のマイクロレンズが２次元マトリックス状にガラス板に形成される。
第２の方法では、ガラス材料で形成された平板に、マトリックス状に多数の円形開口部を形成してなるマスクをコーティングする。このガラス板を、高屈折率を与えるイオンを含む溶液中に浸漬し、マスク開口部に対応するガラス板の表面でのみイオン交換を行わせ、局所的に屈折率の分布を持たせる。この屈折率の分布を持つ部位がマイクロレンズとなる。このようにして多数のマイクロレンズが２次元マトリックス状にガラス板に形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法では、感光性を有する特殊なガラス材料しか用いることができない欠点があった。また、紫外線照射後に結晶化のための熱処理工程を必要とし、製造コストが高かった。
第２の方法では、イオン交換工程が高温で長時間行われるため煩雑であり、製造コストが高かった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１は、マイクロレンズの製造方法であって、レーザービームをガラス板からなるワークの平坦な表面に当てることにより、ワークの表面の一部分を局所的に加熱し溶融させ、その溶融時のガラス材料に生じる表面張力により、ワークの平坦な表面から盛り上がる凸曲面を有する盛り上がり部分を形成し、上記盛り上がり部分の硬化により当該凸曲面を有するマイクロレンズを形成し、上記ガラス材料は、耐熱性を有し、表面張力により上記凸曲面を形成する程に高い粘性と、硬化の際の熱応力による割れを防ぐ程に低い熱膨張性とを有することを特徴とする。
請求項２は、平行レーザービームを出力し、この平行レーザービームをレンズで収束させて上記ワークの表面に供給することにより、上記局所加熱を行うことを特徴とする。
請求項３は、上記ワークの上面が水平になるようにワークを支持し、上記収束レーザービームをワークの上面と直交する方向から供給することを特徴とする。
請求項４は、上記ワークを間欠的に水平移動させ、停止の度に上記収束レーザービームをワークの上面に供給することにより、マトリックス状に多数のマイクロレンズを形成することを特徴とする。
請求項５は、無アルカリガラスやホウケイ酸ガラスを上記ワークのガラス材料として用いることを特徴とする。
請求項６は、上記盛り上がり部分が半球形状をなすことを特徴とする。
【０００５】
【作用】
請求項１では、レーザービームを用い、局所加熱による溶融時の表面張力を利用して、マイクロレンズを製造するので、製造が非常に簡単であり、多くの工程を必要とせず、また煩雑な工程を必要とせず、製造コストを下げることができる。
請求項２では、収束レーザービームを用いるため、ガラス材の表面近傍にエネルギーを集中させることができ、比較的小さなエネルギーレベルのレーザービームであっても、マイクロレンズの製造が可能となる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。図１に示すマイクロレンズ製造装置は、ガラス板５０（ガラス材）のための支持手段１０を備えている。この支持手段１０は、ベース１１と、Ｙステージ１２と、Ｘステージ１３とを有している。Ｙステージは、ベース１１の上面に形成されたレール１１ａにより紙面と直交する方向に水平移動可能である。Ｘステージ１３は、このＹステージ１２の上面に形成されたレール１１ｂにより図中左右方向（すなわちＹステージ１２の移動方向と直交する方向）に水平移動可能である。これらステージ１２，１３は、例えば小型の精密モータ１４，１５と図示しないねじ機構等によりそれぞれ移動される。これらステージ１２，１３，モータ１４，１５により、ガラス板５０のための移動機構１６が構成される。これらモータ１４，１５は、制御装置３０により間欠的に駆動される。
【０００７】
上記支持手段１０の真上には、垂直をなす光軸Ｃに沿って上から順に銅製の鏡２１，アルミ製のシャッター２２，アルミ製の絞り２３，セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）製の凸レンズ２４（ビーム収束手段）が配置されている。鏡２１は、４５°傾いており、その横にはレーザー発生装置２５（エネルギービーム発生手段）が配置されている。これらシャッター２２，レーザー発生装置２５は、上記制御装置３０により制御される。絞り２３は板形状をなし、中央に真円の開口２３ａを有している。
【０００８】
次に、上記装置を用いたマイクロレンズの製造方法について説明する。まず、Ｘステージ１３の上面中央に、図示しない固定具を用いてガラス板５０を着脱可能にセットする。このガラス板５０は、図２に示すように平面形状が正方形（矩形）をなし、全域にわたって一定厚さを有している。なお、図１ではガラス板５０は誇張して示している。上記セット状態で、このガラス板５０の上面５０ａ（表面）は水平をなし、光軸Ｃと直交している。
【０００９】
ガラス板５０のセット後に、制御装置３０により、モータ１４，１５を駆動させて、ガラス板５０の一隅の点Ａ（図２）を上記光軸Ｃに一致させる。他方、制御装置３０からの作動指令信号に応答してレーザー発生装置２５から平行レーザービームＬ（エネルギービーム）を水平に出力させる。このレーザービームＬは鏡２１に向かい、ここで反射される。反射されたレーザービームＬは、制御装置３０の制御によりシャッター２２が所定時間開いている期間において、このシャッター２２を通り光軸Ｃに沿って下方に向かい、絞り２３を通り、凸レンズ２４で収束されてガラス板５０の上面５０ａに供給される。ここで、収束されたレーザービームＬ’（収束エネルギービーム）の焦点位置は、この上面５０ａから上下いずれか一方に偏らせるが、上面５０ａと一致させてもよい。
【００１０】
ガラス板５０の上面５０ａにおいて、上記収束レーザービームＬ’を受けた部位は溶融し、この溶融したガラス材料はその表面張力により図３に示すように盛り上がり、この盛り上がり部分５１の周囲には環状の溝５２が形成される。この盛り上がり部分５１はほぼ半球形状をなし、凸曲面５１ａを有している。この盛り上がり部分５１が冷えて硬化することにより、マイクロレンズとなる。なお、表面張力による盛り上がりを容易にするために、ガラス材料としては粘性抵抗の比較的高いものが好ましい。また、硬化の際の熱応力による割れを防止するために、ガラス板の材料としては比較的熱膨張率の低いものが好ましい。勿論、ガラス材料にはある程度の耐熱性も要求される。
【００１１】
上記のようにして、図２において左上隅のＡ点にマイクロレンズ５１が形成される。以後、移動機構１６によりガラス板５０を水平面上を間欠移動させながら、その停止の度に収束レーザービームを照射することにより、次々とマイクロレンズ５１を形成する。詳述すると、平行レーザービームＬは、ガラス板５０の全域にマイクロレンズ５１を形成するまで出力され続ける。上記Ａ点でのマイクロレンズ５１の形成が終了した後、Ｘステージ１３を所定量だけ図２において左方向に移動させる。その後で、シャッターＣを所定時間開くことにより、上記と同様にして収束レーザービームＬ’をガラス板５０の上面５０ａに照射し、Ａ点の右隣にマイクロレンズ５１を新たに形成する。さらに、Ｘステージ１３を間欠的に移動させ、その停止の度に収束レーザービームＬ’の供給を行うことにより、マイクロレンズ５１を一列分形成する。右上隅のマイクロレンズ５１が形成された後、Ｙステージ１２を上記所定量移動させ、右上隅の下隣に、新たにマイクロレンズ５１を形成する。その後、Ｘステージ１３を右方向に移動させながら、２列目のマイクロレンズ５１を次々と形成する。そして、最終列，右下隅の最後のマイクロレンズ５１が形成された後、ガラス板５０をＸステージ１３から取り外す。
【００１２】
上記製造方法では、レーザービーム照射によりマイクロレンズ５１を形成するので、生産が比較的簡単であり、しかも後の熱処理，マスクのコーティングとその除去等を必要とせず、製造工程を大幅に簡略化することができる。
【００１３】
上記のように２次元マトリックス状で配列された多数のマイクロレンズ５１を有するガラス板５０はレンズアレイとして用いることができる。また、各マイクロレンズ５１はそれぞれ切り出して別個に用いることもできる。
【００１４】
一例をより具体的に述べると、ガラス板５０としては、耐熱，低膨張ガラスとして、無アルカリガラス（商品名コーニング７０５９）や、ホウケイ酸ガラス（商品名パイレックス）等を用いる。レーザー発生装置２５として、ＣＯ_２レーザー（波長１０．６μｍ）の発生装置を用いる。収束レーザービームＬ’の焦点はガラス板５０の上面５０ａから上下いずれかにずれており、この収束レーザービームＬ’の上面５０ａでのスポット径は、約２５０μｍである。この場合、得られるマイクロレンズ５１の直径も約２５０μｍである。
【００１５】
上記のようにして製造されたマイクロレンズ５１の性能試験を、図４に示す試験システムにより行った。すなわち、ＨｅーＮｅレーザー発生装置１００からの波長６３３ｎｍの平行ビームを上記レンズアレイ５０のマイクロレンズ５１形成面とは反対側の面に、この面と直交する方向から照射したところ、このレーザービームは各マイクロレンズ５１で収束され、その焦点位置での集光スポットを顕微鏡１０１で拡大し、この拡大像をＣＣＤカメラ１０２で撮り、その撮像信号を強度分布測定器１０３に送り、その強度分布を見たところ、図５に示すように、スポット径が約１．８μｍであった。このようにして、極めて高精度のマイクロレンズ５１が得られたことを確認できた。なお、上記ＨｅーＮｅレーザーは、ガラス材にあまり吸収されないので、マイクロレンズ５１の性能試験に用いることができるのである。
【００１６】
上記装置において、異なる大きさの開口２３ａを有する絞り２３と交換することにより、収束レーザービームＬ’の上面５０ａでのスポット径を調節することができ、ひいては、マイクロレンズ５１の直径を調節することができる。また、開口２３ａが真円でなく他の形状例えば楕円等の絞り２３を用いてもよい。この場合、レーザービームＬ’のガラス板５０の表面５０ａでのスポット形状が楕円等になるため、製造されるマイクロレンズ５１の形状も楕円等になる。
【００１７】
本発明は上記実施例に制約されず、種々の態様が可能である。レーザーとしては、ＣＯ_２レーザーの他に，ＣＯレーザー（波長５．５μｍ），ＥｒーＹＡＧレーザー（波長３μｍ），エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）等、ガラスに特に良く吸収される波長（３５０ｎｍ以下、１０００ｎｍ以上）のレーザーを用いることができる。勿論、エネルギーの効率性を無視するのであれば、より多くのレーザを用いることができる。
立方体または直方体のガラス材のそれぞれの面にマイクロレンズを形成して３次元マトリックスのマイクロレンズアレイを得てもよい。
レーザービームのエネルギーレベルが高い場合には、収束させず、平行レーザービームをガラス板に照射してもよい。
また、レーザービームのエネルギーレベルが高い場合には、ガラス板の表面にマトリックス状に配置した多数の開口を有するアルミ等のレーザー反射材料からなるマスクを張り付けまたはコーティングし、ガラス板の表面の略全域にレーザービームを照射してもよい。この場合には、マスクの開口に対応するガラス板の表面にマトリックス状に配置されたマイクロレンズが形成され、移動機構なしにマイクロレンズアレイを製造することができる。
エネルギービームとしては、電子ビームやプラズマビームを用いることができる。これらの場合には、電磁コイル等からなる周知のビーム収束手段によりビームを収束してガラス材に供給してもよい。
エネルギービームは、ガラスの表面の法線に対して傾いた方向から照射してもよい。
シャッターや絞りは、反射板とレーザー発生装置との間に配置してもよい。また、反射板と凸レンズとの間に配置してもよい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では、煩雑な工程を必要とせず、マイクロレンズの製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるマイクロレンズ製造装置の概略図である。
【図２】製造されたマイクロレンズアレイの平面図である。
【図３】同マイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズの拡大横断面図である。
【図４】マイクロレンズの性能試験システムを示す概略図である。
【図５】マイクロレンズによる集光スポットの強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０ … 支持手段
１６ … 移動機構
２３ … 絞り
２３ａ … 開口
２４ … 凸レンズ（ビーム収束手段）
２５ … レーザー発生装置（エネルギービーム発生手段）
５０ … ガラス板（ガラス材，マイクロレンズアレイ）
５０ａ … ガラス板の上面（表面）
５１ … マイクロレンズ

Claims (6)

1. レーザービームをガラス板からなるワークの平坦な表面に当てることにより、ワークの表面の一部分を局所的に加熱し溶融させ、
   その溶融時のガラス材料に生じる表面張力により、ワークの平坦な表面から盛り上がる凸曲面を有する盛り上がり部分を形成し、
   上記盛り上がり部分の硬化により当該凸曲面を有するマイクロレンズを形成し、
   上記ガラス材料は、耐熱性を有し、表面張力により上記凸曲面を形成する程に高い粘性と、硬化の際の熱応力による割れを防ぐ程に低い熱膨張性とを有することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
2. 平行レーザービームを出力し、この平行レーザービームをレンズで収束させて上記ワークの表面に供給することにより、上記局所加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
3. 上記ワークの上面が水平になるようにワークを支持し、上記収束レーザービームをワークの上面と直交する方向から供給することを特徴とする請求項２に記載のマイクロレンズの製造方法。
4. 上記ワークを間欠的に水平移動させ、停止の度に上記収束レーザービームをワークの上面に供給することにより、マトリックス状に多数のマイクロレンズを形成することを特徴とする請求項３に記載のマイクロレンズの製造方法。
5. 無アルカリガラスやホウケイ酸ガラスを上記ワークのガラス材料として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法。
6. 上記盛り上がり部分が半球形状をなすことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法。

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