(57)【要約】【課題】  非球面形状物を複数、高い間隔精度、小さいバラツキで基板上に作製する方法を提供する。またこの非球面形状物を成形型として用い、収差が小さく、特性が揃った非球面レンズアレイを提供する。【解決手段】  表面に複数の球面状または略球面状の凹部２０を設けた平板状基板１０を、真空中でその表面に垂直な回転軸１４の周りを回転させながら、基板の表面に対して傾斜した方向から所定材料の粒子３０を入射させて成膜を行い、球面状または略球面状の凹部の形状を所望の非球面形状へ加工調整する。この非球面凹部を成形型とし、凹部に流動性を有する透明材料を充填し、硬化させたのち離型することにより、非球面レンズアレイを作製することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の球面状の凹部または凸部もしくはその双方を配列して設けた平板状基板を、真空中でその表面に垂直な回転軸の周りを回転させながら、前記基板の表面に対して傾斜した方向から物質粒子を入射させることにより、前記球面状の凹部または凸部の形状が所望の非球面形状となるように加工調整することを特徴とする非球面形状物の製造方法。
【請求項２】
前記物質粒子を入射させて前記基板の表面に堆積させることを特徴とする請求項１に記載の非球面形状物の製造方法。
【請求項３】
前記物質粒子はイオンであり、該イオンを入射させて前記基板をエッチングすることを特徴とする請求項１に記載の非球面形状物の製造方法。
【請求項４】
前記球面状の凹部は、前記基板の表面に設けられた複数の円形開口を有するマスクを介して液相エッチングにより形成されたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の非球面形状物の製造方法。
【請求項５】
前記球面状の凸部は、基板の表面に設けられた複数の円形開口を有するマスクを介して液相エッチングにより形成された球面状の凹部に流動性を有する材料を充填し硬化させた後、前記基板から引きはがすことにより前記球面状の凹部を転写して形成したことを特徴とする請求項１、２または３に記載の非球面形状物の製造方法。
【請求項６】
請求項１、２または３に記載の製造方法により製造された非球面形状物の表面凹部に流動性を有する透明材料を充填し硬化させた後、引きはがすことによって前記表面凹部の形状が転写されたことを特徴とする非球面レンズアレイ。
【請求項７】
請求項１、２または３に記載の製造方法により製造された非球面形状物の表面凸部を流動性を有する材料によって覆い硬化させた後、引きはがすことによって前記表面凸部の形状が転写された非球面状凹部に流動性を有する透明材料を充填し硬化させた後、引きはがすことによって前記非球面状凹部の形状が転写されたことを特徴とする非球面レンズアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、情報記録等の光学技術分野で使用される非球面レンズアレイに関し、とくにこの非球面レンズアレイを成形法によって作製する際、使用する転写型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野では近年の通信容量の増大に伴って、複数の伝送路をもちいて並列的に光信号を伝送する必要が生じている。また、光を用いた情報記録分野でも大量の情報を並列的に記録再生する必要がある。このような技術においては、複数の光ビームを同時に集光したりコリメートする必要があり、収差が小さく、特性の揃ったレンズが求められる。非球面レンズはこのような要求に応えるレンズであり、そのアレイ化が求められている。
【０００３】
非球面レンズの製造方法は各種知られているが、複数のレンズを配列したレンズアレイの作製は、成形法によって行うのが効率的である。従来、レンズ成形用の転写型は、金属基板の切削加工（例えば、特許文献１参照）やガラス基板の湿式エッチング（例えば、特許文献２参照）によって作製されてきた。
【特許文献１】特開２００１−２４６６７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２７７２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記の切削加工によるマイクロレンズ用成形型の作製は、自在に凹部の形状を制御できるが個々の凹部は独立して加工されるため、多数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイの金型を作製する場合、レンズ間でレンズ径、レンズ間隔にばらつきが生じ易いという問題点があった。また、一度、加工した金型の形状を修正することは実質的に不可能であった。
【０００５】
また、湿式エッチング工程では基板は一般に等方的にエッチングされるため、球面状の凹部は作製できるが、非球面形状を形成することは困難であった。また、一度、加工した凹部の修正は追加エッチングによって行うことができるが、球面の半径を大きく調整すること以外は不可能であった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、非球面形状物、とくに複数の表面凹部を、高い間隔精度、小さいバラツキで作製する方法を提供することにある。また他の目的は、上記の方法で作製した非球面形状物を用いて、収差が小さく、特性が揃った非球面レンズアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の非球面形状物の製造方法では、表面に複数の球面状の凹部または凸部もしくはその双方を配列して設けた平板状基板を、真空中でその表面に垂直な回転軸の周りを回転させながら、基板の表面に対して傾斜した方向から物質粒子を入射させることにより、球面状の凹部または凸部の形状が所望の非球面形状となるように加工調整する。
物質粒子を入射して基板表面に堆積させるか、または物質粒子をイオンとし、これを入射して基板をエッチングすることにより、球面状の凹部または凸部の形状を加工調整するのが望ましい。
【０００８】
球面状凹部または凸部を回転させ、かつ斜め方向から粒子を入射させることにより、異方性を有する成膜またはエッチングを行うことができ、球面から非球面への加工調整を行うことができる。
【０００９】
上記の球面状凹部は、基板の表面に設けた複数の円形開口を有するマスクを介して液相エッチングにより形成するのが望ましい。
フォトリソグラフィー技術でマスクを形成し、これを用いて液相エッチングを行えば、等方性材料の基板であれば容易に球面状凹部が得られ、かつ複数の凹部を形成してもその間隔精度が高く、また凹部の寸法ばらつきが低く抑えられる。ただしエッチング加工では必ずしも理想的な意味での球面が得られるとは限らない。本発明における球面とはこのような理想的な球面に対していくらか誤差をもつ略球面をも含むものとする。
【００１０】
一方、球面状凸部は、上記のように形成された球面状凹部に流動性を有する材料を充填し硬化させた後、基板から引きはがすことにより球面状凹部を転写することによって作製することが望ましい。上記球面状凹部をそのまま転写するため、凹部における利点を凸部もそのまま有する。
【００１１】
本発明の非球面レンズアレイは上記の方法で形成した非球面形状物の表面凹部に流動性を有する透明材料を充填し、硬化させた後、引きはがすことにより作製する。非球面状凸部を一度転写して非球面状凹部を準備してから同様に作製してもよい。
【００１２】
非球面レンズは球面レンズにおける収差を低減するように設計できるが、本発明においては転写型となる凹部の形状が精密にかつ一括して修正できるため、複数のレンズからなるレンズアレイを作製しても個々のレンズの特性にばらつきが少なく、またアレイの配列精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、球面状凹部または凸部を回転させながら異方性を有する成膜またはエッチングを行うことにより、球面から非球面への加工調整を行うため、非球面形状の微調整を行うことができる。またこの非球面状凹部または凸部を転写型として使用することにより、非球面レンズを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明による非球面状凹部または凸部を製造する方法の原理を説明する。
図１（ａ）に示すように複数の球面状凹部２０を形成した基板１０の表面に真空蒸着あるいはスパッタリングなどの方法で、例えば金属膜を成膜する。このとき、図２に示すように堆積される粒子（成膜粒子）３０が基板表面の平坦部２２に立てた垂線に対し角度θだけ傾斜して入射するように基板ステージ１２を傾斜させる。
【００１５】
このような配置で成膜を行うと、成膜粒子が入射する方向と一致する方向に法線をもつ凹部表面にもっとも厚い膜厚が得られ、蒸着源に対して影になる部分にはほとんど成膜されない。このため飛来する成膜粒子の入射方向に対して傾斜した面に付着する膜の膜厚は分布することになる。
【００１６】
次に基板を基板面に垂直な回転軸１４の周りに一定角度回転させた後、同様に成膜すると、１回目と同様の膜厚分布を持った膜が１回目の成膜で形成された膜上に回転角分だけずれてさらに形成される。これを繰り返すと球面状凹部の最底部には単純に初回に形成された膜厚の成膜回数倍の膜厚が得られ、その他の部分では膜厚は回数毎に異なるので分布する。
【００１７】
回転角を変えて多数回成膜を繰り返すと、球面状凹部に成膜される膜の膜厚は最底部を中心に対称な分布に近づく。基板を連続的に回転しながら成膜しても同様である。したがって球面状凹部表面の膜厚分布は成膜時の基板傾斜角度、成膜速度、成膜時間、基板の回転角度刻みまたは回転速度、成膜粒子の指向性等の関係により決定され、これらのパラメータを変更することにより非球面形状を自在に制御可能である。なお、成膜粒子の指向性は成膜槽内の気圧の調整により制御できる。
【００１８】
また、ある入射角度で所定の膜厚まで回転させながら成膜した後、入射角を変更した後、再度所定の膜厚まで回転させながら成膜することも当然可能であり、これにより、より複雑な非球面形状を形成できる。
【００１９】
さらに図１（ｂ）に示すような基板１１表面に形成した球面状凸部２１に対しても一定の角度から粒子を入射させて成膜を行えば、膜厚は分布する。したがって非球面凸部を形成することもできる。また基板表面に対して球面状凹部と凸部の双方が配列された場合も対象とすることができる。
【００２０】
具体的な成膜条件の例を説明する。
球面状凹部を形成した基板表面に金（Ａｕ）膜を真空蒸着により成膜する。基板は成膜粒子の入射角度θが４５°となるように真空蒸着槽内に設置する。成膜は膜厚１０ｎｍを成膜するごとに基板を３０°ずつ回転して行う。槽内を高真空にして指向性を高めた状態で蒸着する場合を想定すると、１２回成膜後の各位置での法線方向の膜厚分布はおよそ以下のように算出される。
【００２１】
球面凹部最底部                （１０ｎｍ／√２）×１２回＝８５ｎｍ
基板表面（平坦部分）          （１０ｎｍ／√２）×１２回＝８５ｎｍ
球面凹部内（最底部から４５°の位置）
１０ｎｍ×１回＋（１０ｎｍ×√３／２）×２回＋（１０ｎｍ／２）×２回
＝３７ｎｍ
【００２２】
したがって本条件では、球面状凹部内において、最底部からそれより浅い部分に向かって膜厚が薄くなるように膜厚が分布したＡｕ膜が得られ、球面状凹部は非球面状凹部に変換される。
【００２３】
この非球面状凹部を型として転写成形すると当初の球面に対し、山が低く抑えられた凸部をもつ非球面形状物が作製できる。このようにして形成された形状物が、透明材料で形成されている場合は、そのまま非球面レンズとなる。
【００２４】
また作製した凸部をもつ非球面形状物を転写型として用いることにより、非球面凹レンズを作製することも可能である。
あるいは作製した凸部をもつ非球面形状物を転写して一旦、非球面凹部を形成し、これを再転写して非球面レンズを形成することも必要に応じて可能である。
【００２５】
以上は基板表面に膜厚の分布した膜を成膜することにより球面形状を微調整する方法について説明したが、基板表面を異方性をもったエッチングにより削る手段によっても同様に形状の微調整が可能である。電荷をもつイオンは電界により加速することにより、一定方向から基板に入射することができるので、これを用いた気相エッチングは本発明に好適である。
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２６】
初めに、石英ガラス基板表面にクロム（Ｃｒ）膜を成膜し、フォトリソグラフィーによるパターニングにより、１０μｍ径の開口を２５０μｍ間隔で設けた。次にこのＣｒ膜マスクを介してフッ酸水溶液によりガラス基板をエッチングし、複数の球面状凹部を形成した。
【００２７】
次に真空蒸着によりＡｕ膜を成膜する。基板は蒸着源から成膜粒子が入射する方向に対して４５°の角度で傾斜させた基板ステージに固定する。基板ステージはその表面に垂直な回転軸に固定され、所定角度の回転が可能な機構を備えている。成膜は成膜粒子が垂直入射する面での膜厚が１０ｎｍとなる成膜時間を単位として行った。この単位成膜時間ごとに基板を３０°ずつ回転させて成膜を行ったところ、球面状凹部の底および凹部の形成されていない基板表面の平坦部分で厚く、凹部側面で薄い膜厚分布を得た。
【００２８】
元の球面状凹部を参照球面とし、得られた非球面状凹部の参照球面に対するズレを３次元形状測定機により評価したところ、半球面の底と縁の中間部分の側面に当たる部分が凹んだ非球面形状が得られていることが確認された。
【実施例２】
【００２９】
実施例１に示したのと同様の手順によりエッチングを行い、複数の球面状凹部を形成した。この凹部に紫外線硬化性の流動性樹脂を充填し、石英ガラス基板を張り合わせた後、硬化させ、硬化した樹脂を基板ごと引きはがして複数の球面状凸部を形成した。
【００３０】
次に得られた球面状凸部に真空蒸着によりＡｕ膜を成膜する。基板は実施例１と同様に蒸着源から成膜粒子が入射する方向に対して４５°の角度で傾斜させた基板ステージに固定する。実施例１と同様の条件で成膜を行ったところ、球面状凸部の頂上および凸部の形成されていない基板表面の平坦部分で厚く、凸部側面で薄い膜厚分布を得た。
【００３１】
参照球面に対するズレを評価したところ、半球面の頂上と縁の中間部分の側面に当たる部分が凹んだ非球面形状が得られていることが確認された。
【実施例３】
【００３２】
実施例１と同様に石英ガラス基板をエッチングし、複数の球面状凹部を形成した。
次に反応性イオンビームエッチングによりこの球面状凹部を追加工する。エッチングガスとしては４フッ化炭素ＣＦ4を用いた。プラズマを発生させるための高周波電源とは独立な電源により基板にも高周波を印加することにより、イオンの方向性を高めることができる。基板はイオン源からイオンが入射する方向に対して６０°の角度で傾斜させた基板ステージに固定する。基板ホルダーはその表面に垂直な回転軸に固定され、所定角度の回転が可能な機構を備えており、基板を３０°ずつ回転させながら、エッチング速度を２００ｎｍ／分になるように高周波電力を調整してエッチングを行った。
【００３３】
強い指向性をもつエッチングにより、球面状凹部の側面を凹ませせるように加工することができる。得られた形状と参照球面を比較すると非球面形状が得られていることを確認できた。
【実施例４】
【００３４】
つぎにコリメータレンズアレイとして使用する非球面レンズアレイの作製について説明する。
非球面レンズの非球面形状は、一般に次式で表される。
Ｚ＝Ｃｒ2／｛１＋（１−Ｃ2ｒ2）1/2｝＋ＡＤ・ｒ4＋ＡＥ・ｒ6＋・・
ここで、ｒはレンズの中心からの半径方向の距離で、Ｚはサグ量、すなわちｒの位置におけるレンズ表面の、レンズ頂点から光軸方向の距離を示している。また光軸上の曲率半径をＲDとすると、Ｃ＝１／ＲDであり、ＡＤ、ＡＥ、…は高次係数である。ここで、ＡＤ、ＡＥ、…の高次係数がすべて０の場合、すなわち上式右辺第１項のみで表されるＺは球面を示している。
【００３５】
本設計例では、石英ガラス基板（屈折率１．４５７）上に屈折率１．４１の樹脂でレンズを形成することを前提とする。高次項を６次の項まで考慮すると、コリメータとしてもっとも高い結合効率を得るためには、
ＲD＝１．０６１９ｍｍ
ＡＤ＝−０．０５６６５ｍｍ-3
ＡＥ＝−０．０５２６ｍｍ-5
とするのが適当である。この非球面形状を、球面（ＡＤ＝ＡＥ＝０）の場合と比較して図３に示す。両曲線の差分が球面から成膜によって調整する膜厚に相当する、直径０．４ｍｍのレンズを作製することを考えて必要な膜厚分布を求めると図４に示すようになる。球面状凹部の底部に約９０ｎｍの膜を成膜すればよいことがわかる。
【００３６】
そこでまず、実施例１と同様に石英ガラス基板をエッチングし、直径０．４ｍｍの球面状凹部を８個、１次元アレイ状を形成した。次にこの基板を真空蒸着装置の基板ステージに固定する。この基板ステージは蒸着源から成膜粒子が入射する方向に対して４５°の角度で傾斜させてその表面に垂直な回転軸に固定されている。Ａｕ膜の成膜は上記同様に成膜粒子が垂直入射する面での膜厚が１０ｎｍとなる成膜時間を単位として行い、単位成膜時間ごとに基板を３０°ずつ回転させて１３回行った。これにより、ほぼ図４に示す膜厚分布が得られる。
【００３７】
つぎに上記のように形成された非球面凹部を成形型として使用して非球面レンズを成形により作製した。まず、この成形型の凹部に離型剤を塗布したのち、硬化後の屈折率が１．４１となる紫外線硬化樹脂を充填する。つぎに厚さ１．０ｍｍの石英ガラス基板を成形型上方から押し当て、その状態のまま紫外線を照射する。樹脂が硬化したのち、石英ガラス基板ごと成形型から離型する。以上により図５に示すように実質的に上記の非球面形状をもつ非球面レンズ素子５０が石英ガラス基板５２上に配列された非球面レンズアレイ５５が形成できる。
【００３８】
得られた非球面レンズアレイを用いてコリメータを構成し、その特性を評価した。単一モード光ファイバと作製した非球面レンズからなるコリメータを一対、光ファイバの光軸が一致するように配置し、２つの非球面レンズ間をコリメート光が伝搬するように調整した。この状態で光ファイバ間の挿入損失を評価すると約０．２ｄＢと充分小さな値が得られた。
【００３９】
初めに球面状凸形状が準備されている場合には、これから出発してもよい。この凸形状に対して異方性を有する成膜またはエッチングを行うことにより、非球面状凸部を形成し、これを転写して非球面状凹部を形成する。この凹部を転写型とすれば非球面レンズを形成することが可能である。
【００４０】
また上記の非球面レンズの製造方法はいずれも凸レンズの形成について説明した。しかし非球面状凸部を転写型として凹レンズも同様に形成できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の方法により、球面状凹部または凸部の表面に成膜される膜の膜厚分布は、成膜時の基板傾斜角度、成膜速度、成膜時間、基板の回転角度刻みまたは回転速度、成膜粒子の指向性等の関係により決定されるので、これらのパラメータを変更することにより非球面形状を自在に制御可能なことは上述の通りである。
【００４２】
また、ある入射角度で所定の膜厚まで回転させながら成膜した後、入射角を変更した後、再度所定の膜厚まで回転させながら成膜することも可能であり、これにより、より複雑な非球面形状を形成できる。
したがって、本発明の方法は、回転対称な形状を容易に修正することができるので、精密な形状精度を必要とする加工において、形状の修正を行う場合に利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に使用する球面状凹部（ａ）または凸部（ｂ）を有する基板の断面模式図である。
【図２】本発明の非球面形状物を製造する装置の主要部を示す図である。
【図３】非球面レンズの曲面の一例を示す図である。
【図４】球面凹部をレンズ用非球面凹部に修正するために必要な膜厚分布の一例を示す図である。
【図５】非球面レンズアレイの一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０、１１  基板
１２  基板ステージ
１４  回転軸
２０  球面状凹部
２１  球面状凸部
２２  平坦部
３０  成膜粒子
５０  非球面レンズ素子
５５  非球面レンズアレイ
【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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