(57)【要約】【課題】所望形状のレンズを容易且つ確実に製造可能なマイクロレンズ製造装置を提供する。【解決手段】マイクロレンズ製造装置において、光硬化樹脂の液滴を吐出する吐出手段と、該液滴に所定波長の光を照射する光照射手段と、前記液滴が基体に吐出された際の着弾の様子を高速度撮影する撮影手段と、該撮影手段によって得られた撮影画像から、前記液滴が基体に着弾した後の液滴形状を時間軸に従って記憶したデータベース２６を作成するデータベース作成手段２５と、操作者に所望のレンズ形状を指定させる形状指定手段３２と、前記所望のレンズ形状を得るための光照射のタイミングを、データベース２６を参照して決定するタイミング決定手段２７と、決定されたタイミングで光照射が行われるように前記吐出手段及び光照射手段を制御する制御手段２１、２８とを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射することにより、該液滴を硬化させてマイクロレンズを製造する方法であって、
予め、光硬化樹脂から成る液滴を基体に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影し、得られた撮影画像に基づいて、前記液滴が基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成しておき、
マイクロレンズの製造に際して、前記データベースを参照して所望の液滴形状が得られるタイミングを特定し、該タイミングに基づいて前記照射タイミングを決定することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射して該液滴を硬化させることによってマイクロレンズを製造するにあたり、前記照射タイミングを決定するためのマイクロレンズの製造支援システムであって、
a)光硬化樹脂から成る液滴を基体上に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影する撮影手段と、
b)前記撮影手段によって得られた撮影画像に基づき、前記液滴が前記基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成するデータベース作成手段と、
c)操作者に所望のレンズ形状を指定させる形状指定手段と、
d)前記所望のレンズ形状を得るための前記照射タイミングを、前記データベースを参照して決定するタイミング決定手段と、
を有することを特徴とするマイクロレンズの製造支援システム。
【請求項３】
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射することにより、該液滴を硬化させてマイクロレンズを製造する装置であって、
a)光硬化樹脂の液滴を吐出する吐出手段と、
b)該液滴に所定波長の光を照射する光照射手段と、
c)前記液滴を基体に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影する撮影手段と、
d)前記撮影手段によって得られた撮影画像から、前記液滴が基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成するデータベース作成手段と、
e)操作者に所望のレンズ形状を指定させる形状指定手段と、
f)前記所望のレンズ形状を得るための前記照射タイミングを、前記データベースを参照して決定するタイミング決定手段と、
g)前記タイミング決定手段で決定された照射タイミングで光照射が行われるように前記吐出手段及び光照射手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴するマイクロレンズの製造装置。
【請求項４】
コンピュータを請求項３に記載のデータベース作成手段、形状指定手段、及びタイミング決定手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズの製造方法、製造支援システム、製造装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子や液晶表示装置、光通信用デバイス等の幅広い分野において、集光効率を高める目的でマイクロレンズと呼ばれる微小レンズが用いられている。マイクロレンズは直径数μm〜数百μm程度の略半球状のレンズであり、通常、固体撮像素子や液晶表示装置等を構成する画素毎に設けられ、多数のレンズを集積させたマイクロレンズアレイの形で使用される。
【０００３】
こうしたマイクロレンズは、一般に、マイクロレンズを形成しようとする基体の表面にインクジェット技術によって熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂の液滴を吐出し、その後、該基体上の液滴を加熱や紫外線照射によって硬化させることによって製造される（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-140382号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような製造方法では、得られるマイクロレンズの形状が樹脂液滴の表面張力と吐出量によってほぼ決定されるために所望する形状のレンズを得ることが難しく、曲率半径の小さいレンズや大型のレンズを製造することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、曲率半径の小さいレンズや大型のレンズの製造が可能であり、且つ所望形状のレンズを容易に製造することのできるマイクロレンズの製造方法、製造支援システム、製造装置、及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係るマイクロレンズの製造方法は、
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射することにより、該液滴を硬化させてマイクロレンズを製造する方法であって、
予め、光硬化樹脂から成る液滴を基体に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影し、得られた撮影画像に基づいて、前記液滴が基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成しておき、
マイクロレンズの製造に際して、前記データベースを参照して所望の液滴形状が得られるタイミングを特定し、該タイミングに基づいて前記照射タイミングを決定することを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明において「高速度撮影」とは10万フレーム／秒以上のフレームレートで撮影を行うことを意味しており、より望ましくは25万〜100万フレーム／秒で撮影を行うことが好ましい。また、上記「液滴の形状情報」としては、高速度撮影によって得られた液滴の画像そのものを用いてもよく、これに代えて又は加えて、画像解析により各画像中の液滴形状を所定の数値（例えば曲率半径）で表したものを用いてもよい。また、本発明に係る「光硬化樹脂」は、特に限定されるものではないが、紫外線硬化樹脂を用いることが望ましい。
【０００９】
上記本発明に係るマイクロレンズの製造方法によれば、樹脂液滴に光を照射するタイミングによってマイクロレンズの形状を制御することができるため、樹脂の粘性や基体の材質に制限されることなく所望形状のレンズを製造することができる。また、樹脂液滴が基体に着弾してからどのように形状変化するかを予めデータベース化しておき、該データベースに基づいて光照射のタイミングを決定する構成となっているため、所望形状のレンズを得るための条件設定を容易に行うことができる。
【００１０】
なお、液滴が基体に着弾してからその形状が安定するまでの間、該液滴の形状は直線的に変化するのでなく、衝突の衝撃により基体表面での液滴の広がりや高さが大きくなったり小さくなったりする振動を一定時間繰り返した後に安定化する。そのため、着弾時における液滴形状の時間変化を理論的に求めることは困難である。そこで、本発明では、高速度ビデオカメラ等を用いて樹脂液滴が基体に着弾する様子を実際に撮影し、この撮影画像に基づいて前記データベースを作成する構成としている。これにより、所望の液滴形状が得られるタイミングを正確に特定することができる。
【００１１】
また、本発明に係るマイクロレンズの製造支援システムは、
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射して該液滴を硬化させることによってマイクロレンズを製造するにあたり、前記照射タイミングを決定するためのマイクロレンズの製造支援システムであって、
a)光硬化樹脂から成る液滴を基体上に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影する撮影手段と、
b)前記撮影手段によって得られた撮影画像に基づき、前記液滴が前記基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成するデータベース作成手段と、
c)操作者に所望のレンズ形状を指定させる形状指定手段と、
d)前記所望のレンズ形状を得るための前記照射タイミングを、前記データベースを参照して決定するタイミング決定手段と、
を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係るマイクロレンズの製造装置は、
基体に向けて光硬化樹脂の液滴を吐出した後、所定の照射タイミングで該液滴に所定波長の光を照射することにより、該液滴を硬化させてマイクロレンズを製造する装置であって、
a)光硬化樹脂の液滴を吐出する吐出手段と、
b)該液滴に所定波長の光を照射する光照射手段と、
c)前記液滴を基体に吐出した際の着弾の様子を高速度撮影する撮影手段と、
d)前記撮影手段によって得られた撮影画像から、前記液滴が基体に接触してから該液滴の形状が安定するまでの各時点における該液滴の形状情報を記憶したデータベースを作成するデータベース作成手段と、
e)操作者に所望のレンズ形状を指定させる形状指定手段と、
f)前記所望のレンズ形状を得るための前記照射タイミングを、前記データベースを参照して決定するタイミング決定手段と、
g)前記タイミング決定手段で決定された照射タイミングで光照射が行われるように前記吐出手段及び光照射手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係るプログラムは、コンピュータを上記データベース作成手段、形状指定手段、及びタイミング決定手段として機能させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
以上で説明したように、本発明に係るマイクロレンズの製造方法、製造支援システム、製造装置、及びプログラムによれば、樹脂液滴に対する光照射のタイミングによってレンズ形状を制御することができるため、曲率半径の小さいレンズや大型のレンズを容易に製造することができる。また、予め高速度撮影で得られた画像に基づいて基体に着弾した樹脂液滴がどのように形状変化するかをデータベース化しておき、該データベースを利用して光照射のタイミングを決定することにより、所望のレンズ形状を得るための条件設定を容易かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例に係るマイクロレンズ製造装置の全体構成を示す模式図。
【図２】同実施例のマイクロレンズ製造装置におけるコンピュータの機能ブロック図。
【図３】同実施例におけるデータベース作成時のコンピュータの動作を説明するフローチャート。
【図４】同実施例におけるデータベースの収録内容の一例を示す模式図。
【図５】同実施例におけるマイクロレンズ製造時のコンピュータの動作を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施例に係るマイクロレンズ製造装置（以下、単に製造装置と呼ぶ）の全体構成を示す模式図である。この製造装置は、インクジェット技術を利用してマイクロレンズを製造する装置であって、基体４０に向けて紫外線硬化樹脂から成る液滴５０を吐出する吐出ノズル１１と、該液滴５０に紫外線を照射するＵＶ照明１３と、基体４０を支持して二次元的に走査するＸ−Ｙステージ１５とを備えている。
【００１８】
ＵＶ照明１３としては、応答速度の速い紫外線ＬＥＤを光源とするものを用いることが望ましい。吐出ノズル１１は、樹脂液滴を１滴ずつ吐出するものであってもよいが、製造効率を鑑みると、一度に多数の液滴を吐出できるものとすることが望ましい。なお、本実施例では、吐出ノズル１１とＵＶ照明１３の位置を固定とし、Ｘ−Ｙステージ１５によって基体４０を二次元的に移動させることで吐出ノズル１１及びＵＶ照明１３と基体４０との相対位置を変化させる構成としたが、これとは逆に、基体４０の位置を固定として、吐出ノズル１１及びＵＶ照明１３を移動させる構成としてもよい。
【００１９】
上記の吐出ノズル１１、ＵＶ照明１３、Ｘ−Ｙステージ１５は、それぞれ液滴吐出制御部１２、照明制御部１４、及びＸ−Ｙステージ制御部１６を介して制御用のコンピュータ２０に接続されている。また、コンピュータ２０には、更に、モニタから成る表示部３１、キーボードやマウス等から成る入力部３２、及び樹脂液滴が基体に着弾する様子を撮影するための高速度ビデオカメラ１７が接続されている。
【００２０】
コンピュータ２０は、上記各部の動作を統括的に制御する制御機能に加えて、高速度ビデオカメラ１７及び液滴吐出制御部１２から送出されるデータ及び信号に基づいて所定のデータベースを作成・記憶するデータベース作成機能、及びマイクロレンズの製造に際し、前記データベースに基づいて適切な紫外線照射のタイミングを決定する照射タイミング決定機能を有している。なお、コンピュータ２０は汎用のパーソナル・コンピュータであり、これに専用の制御・データ処理用ソフトウェアがインストールされ、そのソフトウェアが実行されることによって前記制御機能、データベース作成機能、及び照射タイミング決定機能が実現される。
【００２１】
図２に、本実施例におけるコンピュータ２０の機能ブロックを示す。主制御部２１は、本実施例の製造装置における制御の中心であり、コンピュータ２０の各部、表示部３１、液滴吐出制御部１２、照明制御部１４、Ｘ−Ｙステージ制御部１６、及び高速度ビデオカメラ１７の動作を制御する。また、主制御部２１には、入力部３２を介して操作者の指示が入力される。
【００２２】
画像取得部２２は、高速度ビデオカメラ１７で撮影された画像データを受信するものであり、画像解析部２３は、画像取得部２２で受信された画像データに基づいて所定の解析を行うものである（詳細は後述する）。吐出タイミング信号取得部２４は、液滴吐出制御部１２から送出される吐出タイミング信号を受信する。データベース作成部２５は、前記吐出タイミング信号及び画像解析部２３での解析結果に基づいて液滴吐出後の各時点における液滴形状の情報を記憶した液滴形状データベース２６を作成し、これをコンピュータ２０内の所定の記憶装置に記憶させる。
【００２３】
照射タイミング決定部２７は、入力部３２からの指示に応じて液滴形状データベース２６を参照することにより、マイクロレンズの製造時における適切な紫外線照射のタイミングを決定する。照射タイミング信号発生部２８は、マイクロレンズの製造時において、前記照射タイミング決定部２７で決定された所定のタイミングで、照明制御部１４へ紫外線照射を指示する照射タイミング信号を送出する。
【００２４】
本実施例に係る製造装置では、マイクロレンズを製造する前に、予め高速度ビデオカメラ１７を用いて基体４０に対する樹脂液滴５０の着弾の様子を撮影し、その撮影画像に基づいて、着弾後に液滴がどのように形状変化するかを時間軸に従ってデータベース化する。なお、基体４０としては、例えば、イメージセンサ等の所定の光学デバイス上にシリコン系のコーティング（例えばＳｉＯ２等の透明酸化膜）を形成したものなどが用いられる。
【００２５】
以下、前記液滴形状データベースの作成手順について図３を参照しつつ説明する。図３は、液滴形状データベースの作成時におけるコンピュータ２０の動作を示すフローチャートである。
【００２６】
まず、操作者がＸ−Ｙステージ１５上に基体４０を載置し、入力部３２から所定の指示を入力する（ステップＳ１１）。該指示を受けた主制御部２１は、高速度ビデオカメラ１７に撮影を開始させると共に、液滴吐出制御部１２に液滴の吐出を指示する（ステップＳ１２）。これにより、吐出ノズル１１から所定量の樹脂液滴５０が基体４０に向けて吐出され、該液滴５０が高速度ビデオカメラ１７によって高速度撮影される。また、前記液滴の吐出と同時に液滴吐出制御部１２から吐出タイミング信号取得部２４へ吐出タイミング信号が送出される（ステップＳ１３）。
【００２７】
以上により、樹脂液滴５０が吐出ノズル１１から吐出されて基体４０の表面に着弾し、その形状が安定化するまでの様子が、例えば１μ秒間隔で連続的に撮影される。高速度ビデオカメラ１７で撮影された液滴画像は、コンピュータ２０に送出され、画像取得部２２を経て画像解析部２３に入力される（ステップＳ１４）。画像解析部２３は、従来既知の解析手法によって各画像中の液滴の輪郭を抽出し、該輪郭から液滴の曲率半径を導出してその値をデータベース作成部２５に送出する（ステップＳ１５）。
【００２８】
データベース作成部２５は、吐出タイミング信号取得部２４によって前記吐出タイミング信号が受信された時刻（即ち吐出ノズル１１から液滴が吐出された時刻）から前記各画像が撮影された時刻までの経過時間を導出する（ステップＳ１６）。そして、各画像について画像解析部２３で求められた液滴の曲率半径の値と、それに対応する前記経過時間の値とを関連付けたデータベースを作成し（ステップＳ１７）、所定の記憶装置に記憶させる。なお、前記データベースの作成には、必ずしも高速度ビデオカメラ１７によって撮影された全ての画像を使用する必要はなく、図４に示すように、少なくとも液滴５０が基体４０に接触してから液滴形状が安定化するまでの画像を使用すればよい。また、画像の撮影間隔が短い場合には時間的に隣接する画像間での液滴形状の変化が少なくなるため、適宜間引きした上でデータベース作成に使用するようにしてもよい。
【００２９】
なお、基体４０に樹脂液滴５０が着弾してからその形状が安定するまでの間の各時点における液滴形状は、前記紫外線硬化樹脂の粘性や基体表面の材質によって異なってくるため、上記のようなデータベースの作成は、マイクロレンズの製造に使用する紫外線硬化樹脂及び基体の組合せ毎に行う必要がある。
【００３０】
続いて、本実施例の製造装置を用いてマイクロレンズを製造する際の手順について図５を参照しつつ説明する。図５はマイクロレンズの製造時におけるコンピュータ２０の動作を示すフローチャートである。
【００３１】
まず、操作者がＸ−Ｙステージ１５上に基体４０を載置し、入力部３２を操作して所望のレンズ形状（曲率半径）を指定する（ステップＳ２１）。具体的には、入力部３２からの指示に応じて主制御部２１が上記液滴形状データベース２６に格納されている曲率半径の値の一覧を表示部３１に表示させ、その中から適当なものを操作者に選択させる。
【００３２】
曲率半径が指定されると、照射タイミング決定部２７が液滴形状データベース２６を参照し、その曲率半径に対応付けられた経過時間の値を特定して、これを紫外線照射を行うタイミングとして決定する（ステップＳ２２）。
【００３３】
なお、操作者に所望の曲率半径を数値で入力させ、照射タイミング決定部２７が液滴形状データベース２６に格納されている曲率半径の値の中から、操作者が指定した値に最も近いものを選出して、それに対応する経過時間を紫外線照射を行うタイミングとして決定するようにしてもよい。
【００３４】
紫外線照射のタイミングが決定すると、主制御部２１が液滴吐出制御部１２に液滴の吐出を指示する（ステップＳ２３）。これにより、吐出ノズル１１から基体４０に向けて上記データベースの作成時と同量の樹脂液滴が吐出される。また、このとき、液滴の吐出と同時に液滴吐出制御部１２から吐出タイミング信号が送出され、吐出タイミング信号取得部２４によって受信される（ステップＳ２４）。
【００３５】
前記吐出タイミング信号は、照射タイミング信号発生部２８に送られて前記の照射タイミング決定部２７で決定された所定の経過時間分だけ遅延され、これが照射タイミング信号として照明制御部１４に送出される（ステップＳ２５）。照明制御部１４は、該照射タイミング信号を受信した時点でＵＶ照明１３への電力供給を開始する。これによりＵＶ照明が点灯し、基体４０上の液滴５０に紫外線が照射されて該液滴５０が硬化する。
【００３６】
紫外線照射の開始から予め定められた所定の時間が経過すると、ＵＶ照明１３が消灯し、Ｘ−Ｙステージ１５によって基体４０が所定の方向へ所定の距離だけ移動される。このようにして吐出ノズル１１と基体４０の相対位置を順次変化させながら、上記のような液滴の吐出と紫外線照射を繰り返し行うことで基体４０上の所定範囲に亘って多数のマイクロレンズが形成される。
【００３７】
このように、本実施例に係る製造装置によれば、紫外線照射のタイミングによってマイクロレンズの形状を制御することができるので、従来作製が困難だった曲率半径の小さいレンズや大型のレンズを容易に製造することができる。曲率半径の小さいレンズは集光率が高いため、このようなレンズをイメージセンサ等の光学デバイスの受光面に設けることにより、従来よりも高い開口率を達成し、感度を向上させることができる。また、予め紫外線硬化樹脂の着弾の様子を高速度撮影して該画像から液滴がどのように形状変化するかを時間軸を元にデータベース化しておき、該データベースを用いて紫外線照射のタイミングを決定するため、所望形状のレンズを形成するための製造条件を容易且つ確実に設定することができる。
【００３８】
以上、本発明に係るマイクロレンズの製造装置、及びそれを用いたマイクロレンズの製造方法について実施例を用いて説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。
【００３９】
例えば、上記の例では、液滴が所望の曲率半径となるタイミングで紫外線を照射するものとしたが、紫外線照射を開始してから樹脂液滴が硬化するまでの所要時間を考慮して紫外線照射のタイミングを決定するようにすることが望ましい。この場合、前記所要時間は予め実験的又は理論的に導出してコンピュータ２０内の所定の記憶装置に上記データベース２６とは別個に記憶させておく。そして、マイクロレンズの製造に際して操作者から所望のレンズ形状が指定されたときに、照射タイミング決定部２７が、該曲率半径に対応付けて液滴形状データベース２６に記憶された経過時間から前記所要時間を差し引いた時間を紫外線照射のタイミングとして決定する。或いは、液滴形状データベース２６を作成する際に、データベース作成部２５が、液滴が吐出されてから各画像が撮影されるまでの経過時間から前記の所要時間を差し引いた値と、各液滴画像について求められた曲率半径の値とを対応付けてデータベース化するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施例では、高速度ビデオカメラ１７で撮影された画像を解析して液滴の曲率半径を求め、これを用いて液滴形状データベース２６を作成する構成としたが、これに代えて又は加えて、撮影画像そのものを液滴形状データベース２６に格納するようにしてもよい。この場合、各撮影画像をそれに対応する経過時間の情報と対応付けてデータベース化しておき、マイクロレンズの製造に際して操作者が所望のレンズ形状を指定する際には、該データベース２６に格納された画像の一覧を表示部３１に表示させ、その中から適当なものを操作者に選択させる。
【符号の説明】
【００４１】
１１…吐出ノズル
１２…液滴吐出制御部
１３…ＵＶ照明
１４…照明制御部
１５…Ｘ−Ｙステージ
１６…Ｘ−Ｙステージ制御部
１７…高速度ビデオカメラ
２０…コンピュータ
２１…主制御部
２２…画像取得部
２３…画像解析部
２４…吐出タイミング信号取得部
２５…データベース作成部
２６…液滴形状データベース
２７…照射タイミング決定部
２８…照射タイミング信号発生部
３１…表示部
３２…入力部
４０…基体
５０…樹脂液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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