(57)【要約】【課題】  小型化が可能で、かつ、光損失を少なくすることが可能なレンズ、マイクロレンズアレイおよびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  レンズ１００の屈折率を、屈折率中心１０２からレンズ半径方向外側へ向かい連続的あるいは略連続的に変化させる。また、屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３は、異なる位置に配置する。これによって、光損失を少なくすることができ、さらに、レンズ１００の小型化が可能である。【選択図】図１
2006030376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率中心からレンズ半径方向外側へ連続的あるいは略連続的に変化する屈折率分布を有するレンズであって、
前記屈折率中心はレンズ領域中心とは異なる位置に存在するレンズ。
【請求項２】
前記レンズは、レンズ厚み方向の屈折率が略一定であることを特徴とする
請求項１記載のレンズ。
【請求項３】
前記レンズのレンズ領域は、前記屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線が長軸である形状を有することを特徴とする
請求項１又は２記載のレンズ。
【請求項４】
前記レンズのレンズ領域の形状は、長方形、角丸長方形、略楕円形、円を半分に分割し、その間を円の直径と同じ長さの辺を有する長方形で接続した長円形のいずれかであることを特徴とする
請求項３記載のレンズ。
【請求項５】
前記レンズの屈折率分布は略次式
【数１】
2006030376.tif 000009
を有し、条件、
【数２】
2006030376.tif 000010
を満たすことを特徴とする
請求項１から４のいずれか１項に記載のレンズ。
ただし、ｒは屈折率中心からの半径方向の距離（ｍｍ）、Ａは２次の屈折率分布係数（１／ｍｍ）、Ｌはレンズ有効領域の長軸の長さ（ｍｍ）、Ｚはレンズ厚さ（ｍｍ）、ｗは屈折率中心とレンズ領域中心の半径方向距離（ｍｍ）
【請求項６】
前記レンズは、特定の波長の光を露光した部分のみ光の露光量に対応して屈折率が変化する材質からなることを特徴とする
請求項１から５のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項７】
前記レンズの材質は、光分解性材質または光重合性材質であることを特徴とする
請求項１から５のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項８】
前記レンズの材質は、ポリシランであることを特徴とする
請求項１から５のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項９】
前記レンズは平板状であることを特徴とする
請求項１から８に記載のレンズ。
【請求項１０】
請求項１から８のレンズが1次元または2次元に複数個配列されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１１】
前記マイクロレンズアレイ中に配列された、前記レンズの屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線の向きが同じであるものが複数個存在することを特徴とする
請求項１０に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のマイクロレンズアレイ中に配列された、前記レンズの屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線の向きが同じレンズにおいて、レンズの屈折率中心間距離がレンズ領域中心間距離よりも短い部分が少なくとも１箇所存在することを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１３】
前記マイクロレンズアレイは、平板マイクロレンズアレイであることを特徴とする
請求項１０から１２のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１４】
前記レンズは、それぞれの露光位置に対して露光強度を変調する手段を利用した露光を行うことによって製造されることを特徴とする
請求項１から９のいずれか１項に記載のレンズの製造方法。
【請求項１５】
前記露光は、レーザー描画を用いた露光であることを特徴とする
請求項１４記載のレンズの製造方法。
【請求項１６】
前記露光は、マスクを利用した露光であることを特徴とする
請求項１４記載のレンズの製造方法。
【請求項１７】
前記マスクは、４５０ｎｍ以下の階調線分解能であることを特徴とする
請求項１６記載のレンズの製造方法。
【請求項１８】
前記マスクは、微細ドット群からなることを特徴とする
請求項１６記載のレンズの製造方法。
【請求項１９】
前記マイクロレンズアレイは、それぞれの露光位置に対して露光強度を変調する手段を利用した露光を行うことによって製造されることを特徴とする
請求項１０から１３のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２０】
前記露光は、レーザー描画を用いた露光であることを特徴とする
請求項１９記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２１】
前記露光は、マスクを利用した露光であることを特徴とする
請求項１９記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２２】
前記マスクは、４５０ｎｍ以下の階調線分解能であることを特徴とする
請求項２１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２３】
前記マスクは、微細ドット群からなることを特徴とする
請求項２１記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布を有するレンズ、及びかかるレンズを配列してなるマイクロレンズアレイ、並びに前記レンズないしマイクロレンズアレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロレンズやマイクロレンズアレイの提供が強く要望されている。その用途としては、例えば光通信用の部品、複写機用の部品、液晶表示装置等の種々の光学利用装置における結像素子等の光学素子などがある。
【０００３】
光通信分野においては伝送容量の増大が求められており、その手段として、波長多重（ＷＤＭ）通信の開発が進められている。ＷＤＭとは、１本の光ファイバに波長の異なる複数の光信号を多重化して伝送する方法である。この技術により、光ファイバ上の情報伝送量を飛躍的に増大させることができる。波長の違う光信号は、波長ごとに分離され、夫々の波長に対して設置された受光素子に受光される。
【０００４】
光の多重化を合波と呼び、そして分離を分波と呼ぶが、それらを行う１つの方法として光学フィルタを用いる方法がある。光学フィルタを用いる方法として、例えば、光ファイバから出射された波長多重発散光をコリメートし、かつ偏向させ光学フィルタに入射し分光する方法が提案されている。そのコリメート及び偏向を一度に行う方法として、マイクロレンズを利用する方法がある。すなわち、マイクロレンズにレンズ光軸とファイバ光軸をずらして入射することにより、コリメートおよび偏向を一度に行っている。
【０００５】
マイクロレンズとしては、従来のイオン交換法で作製された屈折率分布型レンズ、屈折率均一型凸レンズ、回折レンズが利用されている。
【０００６】
従来、屈折率分布型の単レンズの製造方法として、クラッド形成管の内側に組成を変化させながらレンズ形成材を堆積させる方法、イオン交換法によりロッド状レンズコアの外周より屈折率を変化させる物質を含浸させる方法、異屈折率モノマー含有の樹脂母体の外周より当該モノマーを揮散させて残存モノマーを重合処理する方法などが知られている。
【０００７】
特許文献１では、イオン交換法によって製造される平板マイクロレンズアレイについて開示している。基板のレンズ形成面の反対側の面におけるイオン交換層の深さを制限することによって、反りを少なくしたフラットな平板マイクロレンズアレイを提供できる。
【特許文献１】特開平１１−２４８９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
通常、コリメートおよび偏向を行うレンズとして、イオン交換法で作製された屈折率分布ロッドレンズが利用されている。ところが、一般的なロッドレンズの径は１ｍｍ前後であり、より小型化が求められている。また、アレイ化が困難という難点も有する。
【０００９】
イオン交換法によって作製された平板屈折率分布型マイクロレンズおよびマイクロレンズアレイは、その作製原理により、屈折率分布、レンズ領域がともに屈折率中心から軸対称な形状となる。
【００１０】
屈折率分布、レンズ領域がともに屈折率中心から軸対称な屈折率分布マイクロレンズに、コリメート、偏向を同時に行うために屈折率中心から、光ファイバの光軸をずらした状態で、発散光をマイクロレンズに入射させた場合、レンズ領域において、光の屈折に利用しない領域が必ず存在する。つまりその領域の分だけ、レンズの大型化が必要になるという問題を有する。
【００１１】
また、ファイバアレイに対応するマイクロレンズアレイを利用する場合、光の屈折に利用しない領域が、隣接ファイバに対応するマイクロレンズと重ならないような設計が必要など、設計の自由度が小さくなるという問題を有する。
【００１２】
屈折率均一型凸マイクロレンズにおいても、作製方法により、レンズ領域が光軸から軸対称になり、イオン交換法によって作製された屈折率分布型マイクロレンズと同様の問題を有する。
【００１３】
この問題に対し、回折レンズの利用が提案されている。回折レンズはフォトグラフィおよびエッチングで作成することが可能であり、よってレンズ光軸とレンズ領域中心が異なる場合であっても、レンズ領域を必要最小限にすることができ、小型化が可能である。また、設計上の自由度も大きい。
【００１４】
しかしながら、回折レンズでは、フレア（迷光）が発生しやすく、その分が損失になり、利用光量が減少するという問題が存在する。
【００１５】
本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、小型化が可能で、かつ、光損失を少なくすることが可能なレンズ、マイクロレンズアレイおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様にかかるレンズは、屈折率中心からレンズ半径方向外側へ連続的あるいは略連続的に変化する屈折率分布を有するレンズであって、前記屈折率中心はレンズ領域中心とは異なる位置に存在するものである。これによって、レンズの小型化が可能である。
【００１７】
前記レンズは、レンズ厚み方向の屈折率が略一定であることが望ましい。これによって、レンズの歩留まり低下を防止することができる。
【００１８】
前記レンズのレンズ領域は、前記屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線が長軸である形状を有することが望ましい。これによって、光の利用効率を落とすことなく、レンズの小型化が可能である。
【００１９】
前記レンズのレンズ領域の形状は、長方形、角丸長方形、略楕円形、円を半分に分割し、その間を円の直径と同じ長さの辺を有する長方形で接続した長円形のいずれかであることを特徴とすることが望ましい。これによって、光の利用効率を落とすことなく、レンズの小型化が可能である。
【００２０】
前記レンズの屈折率分布は略次式
【数３】
2006030376.tif 000003
を有し、条件、
【数４】
2006030376.tif 000004
を満たすことを特徴とすることが望ましい。
ただし、ｒは屈折率中心からの半径方向の距離（ｍｍ）、Ａは２次の屈折率分布係数（１／ｍｍ）、Ｌはレンズ有効領域の長軸の長さ（ｍｍ）、Ｚはレンズ厚さ（ｍｍ）、ｗは屈折率中心とレンズ領域中心の半径方向距離（ｍｍ）である。
【００２１】
これによって、光の利用効率を落とすことなく、レンズの小型化が可能である。
【００２２】
前記レンズは、特定の波長の光を露光した部分のみ光の露光量に対応して屈折率が変化する材質からなることが望ましい。また、前記レンズの材質は、光分解性材質または光重合性材質であることが望ましい。また、前記レンズの材質は、ポリシランであることが望ましい。これによって、レンズを容易に作製することができる。
【００２３】
前記レンズは平板状であることが望ましい。これによって、アセンブリーを容易にすることができる。
【００２４】
本発明の第２の態様にかかるマイクロレンズアレイは、前記レンズが1次元または2次元に複数個配列されているものである。
【００２５】
前記マイクロレンズアレイ中に配列された、前記レンズの屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線の向きが同じであるものが複数個存在することが望ましい。これによって、マイクロレンズアレイの小型化が可能である。
【００２６】
前記マイクロレンズアレイ中に配列された、前記レンズの屈折率中心とレンズ領域中心を通る直線の向きが同じレンズにおいて、レンズの屈折率中心間距離がレンズ領域中心間距離よりも短い部分が少なくとも１箇所存在することが望ましい。これによって、光の利用効率を落とすことなく、マイクロレンズアレイの小型が可能である。
【００２７】
前記マイクロレンズアレイは、平板マイクロレンズアレイであることが望ましい。これによって、アセンブリーを容易にすることができる。
【００２８】
また、前記レンズは、それぞれの露光位置に対して露光強度を変調する手段を利用した露光を行うことによって製造されることが望ましい。これによって、容易にレンズの製造を行うことができる。
【００２９】
前記露光は、レーザー描画を用いた露光であることが望ましい。これによって、露光強度を高精度に変調することが可能である。
【００３０】
前記露光は、マスクを利用した露光であることが望ましい。これによって、大面積を一括露光することが可能である。
【００３１】
前記マスクは、４５０ｎｍ以下の階調線分解能あるいは、微細ドット群からなることが望ましい。
【００３２】
前記マイクロレンズアレイは、それぞれの露光位置に対して露光強度を変調する手段を利用した露光を行うことによって製造されることが望ましい。これによって、容易にマイクロレンズアレイを製造することができる。
【００３３】
前記露光は、レーザー描画を用いた露光であることが望ましい。これによって、露光強度を高精度に変調することが可能である。
【００３４】
前記露光は、マスクを利用した露光であることが望ましい。これによって、大面積を一括露光することができる。
【００３５】
前記マスクは、４５０ｎｍ以下の階調線分解能あるいは、微細ドット群からなることが望ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、小型化が可能で、かつ、光損失を少なくすることが可能な、レンズ、マイクロレンズアレイおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に、本発明の実施の形態を図を使用して説明する。なお、これらの図および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明に合致する限り、他の実施の形態も本発明の範疇に属しえることは言うまでもない。
【００３８】
第１の実施形態．
図１に、本発明に係る第１の実施形態によるレンズ１００の概略図を示す。１０１はレンズ領域、１０２は屈折率中心、１０３はレンズ領域中心、１０４は屈折率等高線を示す。
【００３９】
レンズ１００の屈折率は、屈折率中心１０２からレンズ半径方向外側へ向かって連続的あるいは略連続的に変化している。また、屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３は、異なる位置に配置されており、偏向および集光あるいはコリメートを行う。
【００４０】
従来の、光軸とレンズ中心が一致した均一屈折率凸レンズ、あるいは屈折率中心とレンズ領域が一致した屈折率分布型レンズにおいて、入射発散光の光軸とレンズの光軸、あるいは、屈折率中心を一致させない条件にすれば、入射発散光の偏向および集光、あるいはコリメートを行うことができる。ところが、レンズ領域において、光の屈折に利用しない領域が必ず存在する。
【００４１】
対し、本発明に係るレンズ１００では、屈折率が、屈折率中心１０２からレンズ半径方向外側へ向かい連続的あるいは略連続的に変化し、その屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３が異なる位置に配置されているため、いわば、光軸とレンズ中心が一致した均一屈折率凸レンズ、屈折率中心とレンズ領域が一致した屈折率分布型レンズ領域における偏向集光、あるいは、コリメートを行う必要最小限の領域を抜き取ったレンズと同等となる。したがって、レンズの小型化が可能である。なお、屈折率中心がレンズ領域内に存在しなくてもよい。
【００４２】
このようなレンズ１００は、特定の波長の光を露光した場合のみ光の露光量に対応して屈折率が変化するフォトブリーチング現象を起こす材料に、レンズ半径方向に対し所望の屈折率分布を持たせるための露光強度を変調する手段を利用した露光を行うことによって得られる。露光強度を変調する手段を利用した露光は、例えば階調性パターンが形成されたグレースケールマスクを介し露光を行うことにより得られる。
【００４３】
フォトブリーチングを起こす材料としては、光分解性材料、光重合性材料などが用いられることが望ましい。光分解性材料であるポリシランであることが特に望ましい。
【００４４】
グレースケールマスクは、たとえば電子ビームの描画、レーザービームの描画により作製される。その濃淡において、濃あるいは淡の中心をレンズ領域中心からずらすことには容易であり、屈折率中心とレンズ領域中心がずれたレンズ形状を作製するのは容易である。
【００４５】
このグレースケールマスクは、４５０ｎｍ以下の階調線分解能であることが望ましい。また、露光についてはグレースケールマスクの利用した方法に限られず、微細ドット群からなるマスクを利用した露光、あるいはレーザー描画を用いた露光などを用いることもできる。
【００４６】
また、レンズ１００を利用して、偏向および集光あるいはコリメートを行う場合、偏向角度はレンズ厚さに関係するが、厚み方向に屈折率変化が存在すると、それも偏向角度に影響を与える。よって、厚み方向に屈折率変化が存在すると、偏向角度に影響を与えるパラメータが増え制御が困難であり、レンズ作製においては歩留まり低下の要因になるためレンズ厚み方向の屈折率は略一定であることが望ましい。
【００４７】
本発明に係るレンズ１００内において、光線は直進せず蛇行する。図２に示すように、円形の分布を持つ発散光である入射光２０１を、屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３がずれたレンズに、レンズ領域中心と入射光２０１の中心を一致させて入射すると、出射端からも略円形の分布の出射光２０２が出射されるが、その中心とレンズ領域中心１０３がずれる。そのずれの方向は、レンズ領域中心１０３から屈折率中心１０２への向きである。よって、レンズ領域１０１が円形で、かつ、小型化のために入射光２０１の分布と略同じ大きさの場合は、出射端において光の中心とレンズ領域中心１０３がずれた分だけケラレが発生し、利用効率が落ちる。
【００４８】
したがって、図３に示すように、本発明のレンズのレンズ領域１０１は、屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３を通る直線が長軸である長方形（図３（ａ））、あるいは角丸長方形（図３（ｂ））、あるいは略楕円形（図３（ｃ））、特に円を半分に分割し、その間を円の直径と同じ長さの辺を有する長方形で接続した長円形（図３（ｄ））であることが望ましい。このことにより、光の利用効率を落とすことなく、また、小型化を達成することができる。
【００４９】
また、本発明のレンズの半径方向の屈折率分布は、略次式、
【数５】
2006030376.tif 000005
を有することが望ましく、この場合条件、
【数６】
2006030376.tif 000006
を満たすことが望ましい。
ただし、ｒは屈折率中心１０２からの半径方向の距離（ｍｍ）、Ａは２次の屈折率分布係数（１／ｍｍ）、Ｌはレンズ有効領域の長軸の長さ（ｍｍ）、Ｚはレンズ厚さ（ｍｍ）、ｗは屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３の半径方向距離（ｍｍ）である。
【００５０】
ｗが、次のＰ以下であると、偏向角度を大きくとることができない。
【数７】
2006030376.tif 000007
【００５１】
また、ｗが、次のＱ以上であると、前記出射光のレンズ領域中心１０３からのずれが大きくなる。
【数８】
2006030376.tif 000008
たとえば、円形レンズの場合、光のケラレ量が大きくなり、それを防ぐために長方形、角丸長方形、楕円、あるいは長円形の形状に設定した場合は、その長軸方向の長さを長くしなければならず、よってレンズの小型化の弊害となる。
【００５２】
第２の実施形態．
図４に、本発明に係る第２の実施形態を示す。レンズ１００の屈折率が、屈折率中心１０２からレンズ半径方向外側へ向かい連続的あるいは略連続的に変化しており、また、屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３が、異なる位置に配置されているレンズ１００を、１次元あるいは２次元に複数個配列を行いアレイ化する。
【００５３】
図４（ａ）においては、レンズ１００の屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３を通る直線の向きが同じように配置されている。また、レンズの屈折率中心１０２間距離Ｘａはレンズ領域中心１０３間距離Ｙａと同じである。このようなマイクロレンズアレイは、特に光通信における光結合素子、液晶表示装置用としての利用に有用である。
【００５４】
また、図４（ｂ）においては、レンズ１００の屈折率中心１０２とレンズ領域中心１０３を通る直線の向きが同じように配置されており、さらに、レンズの屈折率中心１０３間距離Ｘｂがレンズ領域中心１０２間距離Ｘｂよりも短い部分が少なくとも１箇所以上存在する。このようなマイクロレンズアレイは、光通信において、３端子モジュールなど合波、分波を行うモジュールの部品としての利用が特に有用である。マイクロレンズアレイは、平板マイクロレンズアレイであることが好ましい。
【００５５】
以下に、本発明の実施例を示す。
光分解性材料であるポリシランには、日本ペイント製「グラシア（登録商標）」を用い、ポリシランを溶解させた有機溶剤を、厚さが１３８０μｍの溶融石英基板上にスピンコータを用い、その後オーブンで乾燥させ有機溶剤を蒸発させ、厚さ５０μｍのポリシランの層を形成した。
【００５６】
ポリシラン層の上に、マイクロレンズ用のグレースケールフォトマスクを濃淡段階部分が下になるように密着させて配置し、紫外線露光を行った。
【００５７】
マイクロレンズ用のフォトマスクに関しては、レンズ領域での形状は、長軸が１２１μｍ、短軸が１２０μｍの長円であり、屈折率中心は長軸上で、かつ、レンズ領域中心から１５μｍ離れた位置に存在するマイクロレンズを形成するためのフォトマスクである。
【００５８】
マイクロレンズ用のグレースケールフォトマスクの濃淡は、あらかじめ実験調査を行い得た露光量と屈折率変化の関係に基づいて、屈折率中心の屈折率が最大で、１．７００、そこからもっとも距離が離れた位置の屈折率が最も低く、１．６００になり、屈折率中心から半径方向に離れるとともに、２次曲線状に乗り低くなるような露光量を達成するように濃淡を作製した。
【００５９】
紫外線露光後、さらに加熱することにより、厚さが、５０μｍ、最大屈折率１．７００、屈折率差０．１００を有する、長軸が１２１μｍ、短軸が１２０μｍの長円であり、屈折率中心は長軸上で、かつ、レンズ領域中心から１５μｍ離れた位置に存在するマイクロレンズを形成した。
【００６０】
上記のマイクロレンズ基板の溶融石英基板側に、シングルモードファイバを接続し、シングルモードファイバからの発散光（開口数が略０．１２）が溶融石英基板を透過後、レンズに入射された場合の特性を計算機シミュレーションで調査した。
【００６１】
計算には、ＯＰＴＩＣＡＬ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＳ製の「ＣＯＤＥ−Ｖ」と呼ばれる光学ＣＡＤシミュレーションプログラムを利用した。結果、マイクロレンズから出射される光は、略平行光であり、つまりコリメートされており、かつ、空気中において、１．８０度の角度でレンズ中心から屈折率中心方向へ偏向されることを確認した。なお、１．８０度という偏向角は、光フィルタに入射し分波を行う場合、光フィルタの特性上から望ましい角度である。
【００６２】
なお、上述の例では、光通信用のレンズ、マイクロレンズアレイとして説明したが、これに限らず、ＣＣＤ用、液晶表示装置等の種々の光学利用装置における結像素子等の光学素子などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の形態に係るレンズの概略図である。
【図２】本発明の第１の形態に係るレンズを透過した光路を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の形態に係るレンズの形状を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の形態に係る概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００  レンズ
１０１  レンズ領域
１０２  屈折率中心
１０３  レンズ領域中心
２０１  入射光
２０２  透過光
【図１】
2006030376.tif 000011
【図２】
2006030376.tif 000012
【図３】
2006030376.tif 000013
【図４】
2006030376.tif 000014