(57)【要約】【課題】ガラス基板上に適当な窪みを作っておくことにより、自然と高精度な凹面レンズ形状が形成される凹面レンズ形状作成方法を提供する。【解決手段】ガラス表面にパルスレーザなどで回転対称の窪みを形成し、その窪みを中心にエッチングによってガラス除去を行うことで、高糖度な凹面レンズ形状を形成する方法である。この方法によって所望の位置に所望の窪み深さを形成すれぱ、所望の位置に所望の凹レンズ形状をエッチング後に形成することができる。窪みをパルスレーザなどで形成すれば、数千の窪みを形成することが技術的に可能であり、出力を変えて窪みを形成すれば、様々なマイクロレンズアレーやアレー型が形成できる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法。
【請求項２】
ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングを行って途中で、再度その窪み中に窪みを形成し、再びエッチングを行うことによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法。
【請求項３】
前記窪みは回転対称の窪みであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凹面レンズ形状作成方法。
【請求項４】
前記回転対称の窪をレーザ加工により形成することを特徴とする請求項３に記載の凹面レンズ形状作成方法。
【請求項５】
前記エッチングの時間を制御することにより凹面を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の凹面レンズ形状作成方法。
【請求項６】
ガラス基板表面に所定の窪みを形成し、その後、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、ガラス基板に所定形状を形成することを特徴とするガラス形状作成方法。
【請求項７】
前記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の凹面レンズ形状作成方法を用いて形成したことを特徴とするマイクロレンズアレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面凹レンズ形状をガラス基板上に形成する凹面レンズ形状作成方法および光学素子に関するものであり、さらに詳細にはガラス基板上に適当な窪みを作っておくことにより、自然と高精度な凹面レンズ形状が形成される凹面レンズ形状作成方法（精度自己収束型レンズ製造法）およびその方法によって形成された光学素子（例えば、マイクロレンズアレー）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガラス面に凹面形状を創成する場合、機械加工、リソグラフィー法などが現在用いられている（特許文献１）。しかし、機械加工では１００μｍサイズのレンズ形状は工具の大きさからして不可能である。また、リソグラフィー法では、マスクを必要としているため多品種少量生産には不向きである。さらに、機械加工では高精度加工装置が必要であり、リソグラフィーでも高精度な装置を用いるため、大変高価な加工になってしまう。また、機械加工では研磨工程を後工程として必要となる点も問題となっている。さらに、数１０μｍのマイクロレンズはメゾスコピック領域であり、現在製造方法として適当なものが存在しないことが問題となっている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３６４６０号公報
【０００４】
本発明者らは、ガラス基板表面に回転対称でなめらかな窪みを形成すれば、後はエッチングで正確な球面をもつ数１０μｍレベルの凹面形状が形成できることを見いだした。
即ち、ガラスをフッ酸でエッチングした際、ガラス表面に凹レンズのような微小くぼみが観察される。文献によれば表面にある微小なキズや割れ目などのダメージにエッチング液が侵入した場合、このような形状のくぼみを作るとされている。このようなくぼみを所定の場所に所望の形状で作ることが出来れば、新たなマイクロ凹レンズ製作法として適用できるのではないかと考えた。
本発明者らは、レーザ加工を用いた新たなマイクロ凹レンズの研究を重ねてきており、これまでに、レーザ照射による熱応力を利用した３次元割断法を利用し、直径２００μｍ程度のマイクロ凹レンズ製作の可能性を確認している。
その後さらなる研究により、レーザ加工等によりガラス面に形成した窪みを利用してとエッチングを複合した新たなマイクロレンズ製作法を考案した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、ガラス基板表面にパルスレーザなどで回転対称の窪みを形成し、その窪みを中心にエッチングによってガラス除去を行うことで、高精度な凹面レンズ形状を形成する方法およびその方法によって形成したマイクロレンズアレーである。この方法によって所望の位置に所望の窪み深さを形成すれぱ、所望の位置に所望の凹レンズ形状がエッチング後に形成できる。窪みをパルスレーザなどで形成すれば、数千の窪みを形成することが技術的に可能であり、出力を変えて窪みを形成すれば、様々なマイクロレンズアレーやアレー型が形成できることになり、上記従来の問題点は解消される。また、本加工法は精度自己収束型であり、高い精度のレンズ形状を形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングを行って途中で、再度その窪み中に窪みを形成し、再びエッチングを行うことによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記窪みは回転対称の窪みであることを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記回転対称の窪をレーザ加工により形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記エッチングの時間を制御することにより凹面を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記いずれかに記載の凹面レンズ形状作成方法を用いて形成したことを特徴とするマイクロレンズアレーである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以下のような特有の効果を達成することができる。
マイクロ凹レンズを作成するにあたり、高価な装置が不要である。
適当な回転対称の窪みをガラス基板面に形成し、それをエッチングするだけで高精度な球面をもつ凹面レンズ形状が創成できる。
数１０μｍの小さな凹面レンズ形状が高精度に創成できる。
複数の形状の異なる凹面レンズ形状を所望の位置に配列させてアレーを形成できる。
窪みの深さ、エッチング時間の制御によって、曲率を容易に制御できる。              エッチングによって除去するため、鏡面状態で形状が創成できるため、研磨など後工程が不要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、パルスレーザなどで回転対称の窪みをガラス表面に形成して、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、高精度な凹面レンズ形状を形成する方法である。またその方法を使用して形成した光学素子（マイクロレンズアレーなど）である。
【実施例】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
本実施例は、先ず、レーザ加工によって微小ダメージをガラス表面に付与し、その後エッチングを行うことで、マイクロ凹レンズを作成する。
作成方法の１例
ＱスイッチＹＡＧレーザを用いて、下記条件で光学ガラスＢＫ７に凹レンズ形状を形成した。
レーザ照射条件・・・波長：１０６４ｍｍ、Ｑ−スイッチ周波数：５ｋＨｚ
照射時間：０．１秒、  集光レンズ：Ｎ．Ａ．＝Ｏ．８
ピーク出力：２８ｋＷ
エッチング条件・・・フッ酸１ｗｔ％、４０°Ｃ、攪拌あり
【００１０】
上記レーザ照射条件によって深さ５．３μｍ、最大直径６μｍの窪みを形成した。その後、上記エッチング条件によって凹面レンズ形状に仕上げていったところ、４時間後には、焦点距離３５．１μｍ、曲率半径は１６．５μｍ、誤差０．１１μｍの高精度マイクロレンズ形状が形成できた。焦点位置の光強度分布を計測したところ、ＸＹともに同様のパターンを示し、ピークは各一点であったことからスポットの絞れた高精度レンズであることが分かった。
なお、上記は窪みを一個形成した例について説明したが、ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングを行って途中で、再度その窪み中に窪みを形成し、再びエッチングを行うことによってガラス材の除去を行うことで、球面が重なった非球面の創成ができる。
【００１１】
つづいて本発明者が行った実験例を説明する。
滑らかな球状のダメージを付与するために、ＴＥＭ00モードのレーザを対物レンズで精度良く集光させ、微小スポットで加工を行った。実験ではガラス材としてＢＫ７やソーダ石灰ガラス等を用いた。ＢＫ７ではＹＡＧレーザ基本波の吸収率が低く加工が困難であるため、金スパッタ（膜圧約８オングストローム）を施した。レーザはＱ−ＳＷ発振のＹＡＧレーザを使用した。加工条件は、対物レンズ：×５０（Ｎ．Ａ＝０．８）、Ｑ−ＳＷ周波数：５ｋＨｚ、ピーク出力：２８ｋＷ、レーザ照射時間０．１秒とした。レーザ加工実験により付与したダメージのＳＥＭ像を図１に示す。このことから付与したダメージは滑らかで球状に近いものであることが分かった。
【００１２】
上記ダメージをエッチングし、凹面形状の創成を試みた。エッチングは電磁式ホットスターラーを使用し、液温を約４０°Ｃに保ち、攪拌しながら行った。
４時間後のエッチングした試料の様子を図２に示す。これにより、非常に滑らかな面を持ち凹面が形成できることがわかった。エッチング時間と凹面の直径、深さとの関係を図３に示す。直径は約６μｍから４時間後で２３μｍ増加し、２９μｍとなった。また、凹面の深さの変化は見られず、約５．３μｍと一定であった。
【００１３】
凹面形状創成メカニズムを検証するために、次のようなメカニズムを想定してみた。すなわち、ガラスにおけるエヅチングは等方性エッチングであるため、除去される厚さは図４に示すように、どこも同じであると考えられる。よって、ガラス表面のエッチング速度と凹面底部のエッチング速度は等しくなるため、凹面の深さは一定となる。また、ダメージの直径はエッチングにより図に示すように変化するならば、計算上、図３に示すように丸印のような変化となる。これは、実測値とほぼ一致する値を示した。よって、エッチングはダメージ内でもガラス表面においても等方的に行われることが明らかになった。このことから凹面の深さはダメージの深さに依存し、直径はエッチング時間に依存することが明らかになった。このことは、付与するダメージとエッチング時間によって、所望する曲率の凹面の製作が可能であることを示すものである。
【００１４】
レンズ性能の評価
球面精度についての評価
原子間力プローブ式超高精度三次元測定機を用いて、ソーダ石灰ガラス上に製作した凹形状の断面測定を行った。その結果を図５に示す。本図は凹面断面と曲率１６．５μｍとの誤差を表しており、形状精度は約０．１１μｍＰ−Ｖであった。マイクロレンズとして要求される形状精度は０．１μｍＰ−Ｖであり、略形状精度を満足していることが分かった。
【００１５】
光学特性についての調査
凹面の光学特性の評価として、焦点距離と焦点位置における光強度分布測定を行った。測定には焦点距離測定装置を用いた。凹面であるため、ガラスより屈折率の高いマッチングオイルを使用し、凸レンズと仮定して測定を行った。図６（ａ）に焦点距離測定結果を示す。図中横軸はレンズ頂点からの距離、縦軸が光強度である。
光強度が一番高い位置が焦点であり、焦点距離は約３５μｍであった。この値は形状測定結果で得られた曲率から算出した焦点距離３５．１μｍとほぼ一致した。また、同図６（ｂ）に焦点位働こおける光強度分布測定結果を示す。図に示すように焦点スポットにおけるＸ、Ｙ方向ともに凹面中心で光強度が最も高くなっていることがわかった。以上のことから製作した凹面はマイクロ凹レンズとして十分機能することが分かった。
【００１６】
上記の加工が精度自己収束型であることを証明するデータ
回転可能な窪みをガラスに形成し、エッチングを行うと、等方性エッチングによってガラスが溶解する。窪みは球面から逸脱した形状であるため、この状態を誤差１００％とする。エッチングによって球面とのフィティングを行い、誤差％を求めると、図７のようなグラフとなり、この加工が精度自己収束型であることが分かる。
【００１７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、ガラス面に形成する窪みはレーザ照射以外の他の方法（例えばイオン照射、電子ビーム照射、微細放電、機械的刻印等）を使用することができる。またレーザ光源もＹＡＧレーザに限ることなく（例えばＹＶＯ4 レーザ、ＹＬＦレーザ、チタンサファイアレーザ等の超短パルスレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2 レーザ、ＵＶレーザ、半導体レーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ等）を採用するこもできる。またレンズを形成するガラス材料もレーザ光による加工ができるガラスであれば種々の材料を使用することができる。また本方法によって作成する光学素子もマイクロレンズアレーにかぎらず、種々の光学素子（例えば、導光板、マイクロレンズ等）も製作することができる。また、ガラス面にレーザ光をスキャンニングして、様々な形状の窪みを形成し、その窪みを前記レンズ処理と同様にエッチング処理することで、所望の複雑な形状を創成することもできる。さらに、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は、光通信分野、液晶ディスプレー分野、液晶プロジェクター分野、デジタル映像機器分野のマイクロ凹レンズとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】レーザ加工により付与したダメージの図である。
【図２】４時間エッチングした状態の図である。
【図３】エッチング時間と凹面の直径、深さとの関係を示す図である。
【図４】エッチングにより除去される厚さを示す図である。
【図５】ソーダ石灰ガラス上に製作した凹形状の断面測定結果のグラフである。
【図６】凹面の光学特性調査結果の図である。
【図７】上記の加工法が精度自己収束型であることを証明するデータである。
【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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【図６】
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【図７】
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