(57)【要約】【課題】数〜数百μｍのサイズを有する球面の一部と基板より転写された表面、たとえば平面、との組合わせによる形状を有する微小光学素子を容易に、形状再現性良好に作製する。【解決手段】光学素子を形成するためのガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成される液滴を基板上に載置し、ついで冷却することにより、球面の一部と基板より転写された表面とを含む形状を有するガラスもしくはプラスチック微小光学素子を得る。光学素子としてはレンズが挙げられる。好適には、粉末の粘性が１０８Ｐａ．ｓ以下になる温度まで加熱して液滴を形成させる。球面の一部と基板より転写された表面、たとえば平面、とを含む形状は好適には超半球である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を形成するためのガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成される液滴を基板上に載置し、ついで冷却することにより、球面の一部と基板より転写された表面とを含む形状を有するガラスもしくはプラスチック微小光学素子を得ることを特徴とする微小光学素子の作製方法。
【請求項２】
ガラスもしくはプラスチック粉末を基板上に載置し、該粉末を加熱して液滴を形成させる請求項１記載の微小光学素子の作製方法。
【請求項３】
ガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して部分的に液滴が形成されたガラスもしくはプラスチック粉末を基板上に移置して戴置し、該粉末を加熱して全面的に液滴を形成させる請求項１記載の微小光学素子の作製方法。
【請求項４】
ガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成された液滴を基板上に移置して戴置する請求項１記載の微小光学素子の作製方法。
【請求項５】
光学素子がレンズである請求項１記載の作製方法。
【請求項６】
粉末の粒径が１μｍ〜１ｍｍである請求項１記載の作製方法。
【請求項７】
粉末の粘性が１０８Ｐａ．ｓ以下になる温度まで加熱して液滴を形成させる請求項１記載の作製方法。
【請求項８】
基板より転写された表面が平面である請求項１記載の作製方法。
【請求項９】
球面の一部と平面とを含む形状が超半球である請求項８記載の作製方法。
【請求項１０】
ガラスもしくはプラスチックが、紫外域から赤外域までの間の波長範囲において光学的透明性を示す波長域を有する請求項１〜９のいずれかに記載の作成方法。
【請求項１１】
ガラスがクラウン系、フリント系、バリウム系、ランタン系リン酸塩系もしくはフッ素含有系の光学ガラス、またはカルコゲンガラスもしくはテルライトガラスから選ばれる請求項１記載の作成方法。
【請求項１２】
プラスチックがポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ４−メチルペンテン−１、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニルもしくはポリフェニル酢酸ビニルから選ばれる請求項１記載の作製方法。
【請求項１３】
基板が炭素質基板である請求項１記載の作製方法。
【請求項１４】
基板の中心線平均粗さが１〜１００ｎｍである請求項１記載の作製方法。
【請求項１５】
球面部分の曲率半径が２〜７００μｍである請求項１記載の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光学素子の作製方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、数μｍから数百μｍまでの大きさを有し球面の一部と基板より転写された表面、たとえば平面、との組合わせによる形状を有するレンズ等の微小光学素子の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスを液滴化する方法には、ガス燃料あるいは液体燃料を燃焼させたフレーム（火炎）中にガラス微粉を投入することによって空中にて液滴化し、それらを捕集する方法がある。この場合、球形とすることが可能なサイズに限界がある。数μｍといった微小なものを投入すると、火炎によって生成する気流によって吹き飛ばされ、火炎中にガラス微粉を導入することが難しい。そのため、現在作製することができるガラス球（ビーズ）は数百μｍから数ｍｍである。また、この方法では一部を平面とするガラス、たとえば球の一部分を平面的に切り取った形状である超半球ガラスを作成することは原理的に不可能である。
【０００３】
球面と平面とを併せ持つ微小レンズ等の微小光学素子の作製方法としては、上記のような手法を用いて作製された球状のガラスを固定し、その一部を研磨によって平坦化する方法があり、工業的にも生産に用いられている。しかし、この方法で作製可能なガラス素子は、大きさとして１ｍｍ程度のものが下限であり、数μｍあるいは数十μｍサイズの場合には、研磨に用いられる研磨剤のサイズと同等となるため、技術的には不可能である。
【０００４】
一方、プラスチック微小光学素子については、ノズルにより液滴状に原料を噴霧し固化させる方法があるが、それに平面形状を付与するためにはガラスと同様に研摩する方法が必要であり、その大きさの下限についてはガラスと同様な技術的困難さがある。
【０００５】
以上のように、これまでの超半球に代表され球面の一部と平面とによって構成される形状を有する微小光学素子は、大きさ数百μ以上の直径を有する球状ガラス等を研磨して一部を平面とすることによって作製されている。これらは、作製可能な光学素子の大きさの下限が大きいことに加え、所望の形状の素子を得るのに複数の工程を経なければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、現状では作製することが難しい数〜数百μｍのサイズを有する球面の一部と基板より転写された表面、たとえば平面、との組合わせによる形状を有する微小光学素子を容易に、形状再現性良好に作製し得る方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、光学素子を形成するためのガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成される液滴を基板上に載置し、ついで冷却することにより、球面の一部と基板より転写された表面とを含む形状を有するガラスもしくはプラスチック微小光学素子を得ることを特徴とする微小光学素子の作製方法にある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の微小光学素子の作製方法においては、光学素子を形成するためのガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成される液滴を基板上に載置し、ついで冷却することにより、球面の一部と基板より転写された表面とを含む形状を有するガラスもしくはプラスチック微小光学素子を得ることができる。このような液滴を得る態様としては、（１）ガラスもしくはプラスチック粉末を基板上に載置し、該粉末を加熱して液滴を形成させる方法、（２）ガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して部分的に液滴が形成されたガラスもしくはプラスチック粉末を基板上に移置して戴置し、該粉末を加熱して全面的に液滴を形成させる方法、または（３）ガラスもしくはプラスチック粉末を加熱して形成された液滴を基板上に移置して戴置する方法が挙げられる。このうち、（２）もしくは（３）、特に（３）、の態様においては、液滴を移動させて基板上に移置するという工学的な操作（たとえば、形状のコントロールに影響しない態様で、基板への移動中に加熱しながら液滴を形成させる）が要求されるのに対し、（１）の態様が最も簡易に液滴を得ることができるので好適である。
【０００９】
光学素子としてはレンズ、微小光源等が挙げられる。上記の粉末の粒径は、好適には１μｍ〜１ｍｍであり、粉砕、篩分けにより粒度調整されるのが好ましい。本発明において用いられるガラスもしくはプラスチック粉末は熱溶融し、光学素子になりうるものであれば特に制限されず、目的により適宜選択されうる。好適には、これらのガラスもしくはプラスチックは、紫外域から赤外域までの間の波長範囲において光学的透明性を示す波長域を有するものが選択される。
【００１０】
たとえば、ガラスとしてはクラウン系、フリント系、バリウム系、ランタン系リン酸塩系もしくはフッ素含有系の光学ガラス、またはカルコゲンガラスもしくはテルライトガラス等から選ばれる。
【００１１】
プラスチックとしては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ４−メチルペンテン−１、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニルもしくはポリフェニル酢酸ビニル等から選ばれる。
【００１２】
ガラスもしくはプラスチック粉末を載置する基板としては、加熱により形成される液滴との間に反応による化学的結合を形成せず、適切な濡れ性を保持しうるものが望ましく、好適にはガラスとの反応不活性の観点から炭素質基板が挙げられる。さらに具体的には、グラファイトもしくはガラス質カーボン基板、または炭素化合物（たとえば高分子化合物または炭化ケイ素等の無機化合物）基板上にグラファイトもしくはガラス質カーボンの炭素質膜を形成させた基板等が挙げられる。
【００１３】
この基板の中心線平均粗さは、素子に形成される平面の性状（平坦性等）の観点から１〜１００ｎｍであるのが好ましい。
【００１４】
基板上に載置された該粉末は、好適には粘性が１０８Ｐａ．ｓ以下の流動性を有する温度まで加熱され、液滴を形成され、ついで冷却することにより球面の一部と平面とを含み、球面部分の曲率半径が２〜７００μｍである形状を有する微小光学素子、たとえば径が２〜７００μｍ程度である超半球レンズが得られる。
【００１５】
加熱手段はとくに限定されず、たとえば電気炉、二酸化炭素レーザー加熱等が好適に使用され得る。
【００１６】
本発明における球面の一部と基板より転写された表面とを含む形状は、目的に応じて作製条件を適宜選定することにより選定しうる。基板より転写された表面は、基板表面を選ぶことにより任意の形状とすることができるが、通常は平面であり、球の部分の比率も自由に選定することができる。
【００１７】
たとえば超半球形状の素子を作製する場合、たとえば適当な大きさのガラス粉を、表面粗さが制御された炭素質よりなる基板上において、ガラスが溶けて液滴を形成できる温度に昇温・保持し、ガラス液滴に作用する表面張力の関係を利用して超半球状とし、その後冷却することによって得られる。基板の表面粗さや処理条件を変えることによって、半球度を制御することができる。
【００１８】
以上のように、本発明においては、質量および／または体積を整えたガラスもしくはプラスチック粉末を用いることにより、１回の処理操作でたとえば超半球形状まで一度に加工することができ、かつ、基板の平坦さをコントロールするもので、所望の半球度を有するレンズを作成することが可能である。
【００１９】
ガラス等の融液の表面張力を利用し、研磨工程を経ないため、光学波長以下のナノメートルレベルで充分に滑らかな自由表面を付与できる。超半球レンズは、屈折率、用いる波長に応じて所望の半球度を付与しなければならないが、ガラス等の組成を変えることで屈折率を変えることができ、また炭素質基板の表面粗さをナノメートルオーダーで変化させることで、所望の半球度に制御して作製することができる（粗いと半球部分の比率が大きくなる）。また、作製できる大きさ（直径）の下限が研磨などでは作製することが不可能な数μｍまで下げることができる。
【００２０】
本発明において得られる超半球等の微小光学素子は、たとえば光ファイバー、発光ダイオード、レーザー発振の分野において用いられているマイクロレンズとして、さらにはたとえば波長限界以下の大きさの超解像観察を可能にする固形液浸レンズ（Ｓｏｌｉｄ  Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｌｅｎｓ（ＳＩＬ）  ）として利用しうる。たとえば、この固形液浸レンズとして用いると、軽量化、さらに光記録媒体における高密度化、光学顕微鏡における高分解能化、等を実現しうる。
【００２１】
【実施例】
以下に、実施例によりさらに本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
実施例１
２０Ｎａ２Ｏ−１０ＣａＯ−７０ＳｉＯ２（ｍｏｌ％）（Ｔｇ：５１５℃）の組成を有し、種々の粒径（３〜５０μｍ）を有するソーダ石灰ガラス粉末を中心線平均粗さ４〜５ｎｍに鏡面研磨したガラス質カーボンの炭素質基板上、ならびに中心線平均粗さ１０〜５０ｎｍとしたガラス質カーボンの炭素質基板上、に載せ、窒素／水素（５：１）混合ガス雰囲気下で８００℃、３０分間、熱処理した後、放冷した。得られた超半球ガラス試料を、光学顕微鏡または電子顕微鏡にて観察し、超半球ガラスと炭素質基板との接触角を測定して超半球度を評価した。図１はガラスと炭素質基板との接触角を模式的に示す。
【００２２】
得られた超半球状ガラスの粒径と接触角の関係を図２に示す。作製できた超半球の大きさは、もっとも小さいもので直径約５μｍであり、直径約４０μｍの超半球ガラスも作製できた。同じ平面粗さを有する基板を用いた場合、粒径によって接触角は系統的に変化した。また、平面粗さの異なる基板を用いると接触角が変化した。直径２５μｍの場合、接触角を約１０度変化させることができた。これにより、基板の表面粗さを変えることにより、同じガラスでも異なる接触角、すなわち超半球度を有するガラスを作製できることが分かった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、現状では作製することが難しい数〜数百μｍのサイズを有する球面の一部と基板より転写された表面、たとえば平面、との組合わせによる形状を有する微小光学素子を容易に、形状再現性良好に作製し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は超半球ガラスと炭素質基板との接触角を模式的に示す。
【図２】実施例１において得られた超半球状ガラスの粒径と接触角の関係を示す。
【図１】
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【図２】
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