(57)【要約】【課題】  機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供する。【解決手段】  マイクロレンズは、透光性ＤＬＣ膜（４１）を用いて形成されており、そのＤＬＣ膜（４１）は屈折率が変調された領域（Ｒｍｎ）を含み、その屈折率が変調された領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴としている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズであって、前記マイクロレンズは透光性ＤＬＣ膜を用いて形成されており、前記ＤＬＣ膜は屈折率が変調させられた領域を含み、前記屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴とする平板型マイクロレンズ。
【請求項２】
前記ＤＬＣ膜の一主面側において相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項３】
前記ＤＬＣ膜の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項４】
前記ＤＬＣ膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状を有していて、前記円柱形状の中心軸は前記ＤＬＣ膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項５】
前記ＤＬＣ膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する帯状領域であって、前記帯状領域の幅方向の中央を通りかつ前記ＤＬＣ膜に直交する面に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項６】
前記ＤＬＣ膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項７】
前記ＤＬＣ膜は同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項６に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項８】
前記ＤＬＣ膜は互いに平行な複数の帯状領域を含み、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、前記帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項９】
前記ＤＬＣ膜は互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含み、前記帯ゾーンの各々はｎ個の前記帯状領域を含み、前記帯ゾーンの各々において前記所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、前記帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項８に記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項１０】
前記マイクロレンズは０．４μｍから２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮し得ることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の平板型マイクロレンズ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載された平板型マイクロレンズを製造するための方法であって、前記ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤで形成されることを特徴とする製造方法。
【請求項１２】
前記ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、そのＤＬＣ膜にエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記エネルギビーム照射として、紫外線照射、Ｘ線照射、シンクロトロン放射光照射、イオンビーム照射、および電子線照射の少なくともいずれかが選択されることを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
一つのＤＬＣ膜中にアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを同時のエネルギビーム照射によって形成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の光学分野で利用され得る平板型マイクロレンズとその製造方法の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型マイクロレンズは、種々の光学分野において利用され得る。例えば、光通信分野において、ＬＤ（レーザダイオード）と光ファイバとの間の光結合のための集光レンズとして好ましく用いられ得る。また、プロジェクタ中の集光用レンズアレイとして、平板型マイクロレンズアレイが好ましく用いられ得る。
【０００３】
図５（ａ）は従来の平板型マイクロレンズアレイの一例を模式的な一部破断斜視図で示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）のレンズアレイの光学的機能を模式的な断面図で図解している（非特許文献１参照）。この平板型マイクロレンズアレイ１は、均質な薄板ガラス１ａの一方の主面に沿って、アレイ状に配列された複数の高屈折率領域１ｂを含んでいる。それらの高屈折率領域１ｂの各々は、薄板ガラス１ａ内において概略半球状の形状（例えば、２００μｍ径で、深さが８０μｍ）を有している。したがって、図５（ｂ）に図解されているように、各高屈折率領域１ｂは一つの小さな凸レンズとして作用し、そこに入射する平行光２は焦点Ｆに集光される。
【０００４】
図６（ａ）から（ｃ）は、図５の平板型マイクロレンズアレイの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している。図６（ａ）において、ガラス基板１ａ上にアレイ状に配列された小孔３ａを有する金属レジスト層３が、フォトリソグラフィとエッチングによって形成される。図６（ｂ）において、周知のイオン交換法によって、すなわち対向する複数の矢印４によって表されているようなイオン交換によって、レジスト層３の小孔３ａを介して高屈折率領域１ｂが形成される。このとき、イオン交換はイオンの等方的熱拡散によって進行するので、高屈折率領域１ｂは、ガラス基板１ａ内において自然に概略半球状に形成される。もちろん、金属レジスト層３は、熱拡散温度に耐える耐熱性を有するとともに、イオンの通過を阻止する機能を有していなければならない。そして、図６（ｃ）において、レジスト層３が除去されて、平板型マイクロレンズアレイ１が得られる。
【０００５】
なお、このようなマイクロレンズは光の屈折現象を利用しており、屈折型マイクロレンズである。また、このように透光性基板内に屈折率分布を有するレンズは、ＧＲＩＮ（ＧＲａｄｅｄ  ＩＮｄｅｘ）レンズと呼ばれることもある。
【０００６】
ところで、従来からマイクロレンズとして屈折型マイクロレンズがおもに用いられているが、近年では光学システムのサイズ、重量、コストなどを低減させる観点から、回折型のマイクロレンズが注目されている。回折型マイクロレンズは、光の回折現象を利用してレンズ機能を生じさせるものである。回折型マイクロレンズは、主としてレリーフ型（または膜厚変調型）マイクロレンズと屈折率変調型マイクロレンズに大別される。レリーフ型マイクロレンズでは、典型的には透光性基板の表面に同心円状の複数の微細なリング状溝が形成されており、それらの溝の深さ（すなわち基板の厚さ）が周期的に変化させられた構造を有している。他方屈折率変調型マイクロレンズは、典型的には平板状基板が同心円状の複数の微細な帯状リング領域に分けられており、それらの領域の屈折率が周期的に変化させられた構造を有している。
【０００７】
透光性基板の厚さの周期的変化や屈折率の周期的変化は、その基板を通過する光の位相を周期的に変化させ、回折格子と同様に光の回折効果を生じさせる。そして、回折格子の格子ピッチが小さくなるにしたがって、回折格子を通過する光の回折角が大きくなる。したがって、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを減少させることによって、その回折格子を通過する光を凸レンズのように集光することができる。
【０００８】
図７は、従来のレリーフ型マイクロレンズの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している。また、図８は、図７の作製方法において用いられる露光マスクを模式的な平面図で示している。
【０００９】
図７（ａ）において、Ｓｉ基板１１上にポジ型フォトレジスト層１２を形成し、第１のフォトマスク１３を介して紫外光１４ａが照射される。この第１のフォトマスク１３は、図８（ａ）に示されているような同心円状の帯状リングパターンを有し、リング間のピッチは同心円の中心から周縁に向かうにつれて減少させられている。なお、図８（ａ）においては図面の明瞭化と簡略化のためにわずかに２つの透光リングが示されているが、実際にはさらに多くのリングが含まれ得ることは言うまでもない。
【００１０】
図７（ｂ）において、露光されたレジスト層１２を現像して第１のレジストパターン１２ａが形成される。そして、その第１レジストパターン１２ａをマスクとして、矢印１４ｂで表された反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、所定深さの帯状溝リングが形成される。
【００１１】
図７（ｃ）において、第１レジストパターン１２ａを除去することによって、バイナリレベル（光の位相を２段階に変調）のレリーフ型マイクロレンズ１１ａが得られる。なお、帯状溝リングの幅と深さは、２レベルまたは多レベルのレリーフ型マイクロレンズのそれぞれに応じて最も良好な回折効率が得られるように設定される。
【００１２】
図７（ｄ）から（ｆ）は、図７（ａ）から（ｃ）と同様な工程に続いて４レベルのレリーフ型マイクロレンズを作製する工程を図解している。
【００１３】
図７（ｄ）において、図７（ｃ）までと同様の工程で形成されたＳｉ基板１１ａの上面にさらに第２のレジスト層１５を形成し、第２のマスク１６を介して紫外光１４ｃを照射する。図８（ｂ）は、この第２マスク１６を模式的平面図で示している。図８（ａ）と（ｂ）から分かるように、第２マスク１６は第１マスク１３に比べて２倍の本数の帯状透光リングを有している。換言すれば、第２マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングは、第１マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングに比べて約１／２の幅を有している。
【００１４】
図７（ｅ）において、露光された第２レジスト層１５を現像して同図に示されているような第２のレジストパターン１５ａが形成される。そして、その第２レジストパターン１５ａをマスクとして、矢印１４ｄで表されているＲＩＥによって、さらに所定深さまでのエッチングが行われる。
【００１５】
図７（ｆ）において、第２レジストパターン１５ａを除去して、４レベルの位相変化を生じ得るレリーフ型マイクロレンズ１１ｂが得られる。なお、２レベルの回折型レンズに比べて、多レベルの回折型レンズでは高い回折効率が得られ、より高い集光効率が得られる。また、上述のようなフォトリソグラフィとＲＩＥの工程をＮ回繰り返すことによって、２Ｎレベルのレリーフ型マイクロレンズを作製することができる。ただし、理論上は無限数レベルの回折レンズで１００％の回折効率が得られることになるが、作製工程数と費用が増大するので、実際上は９５％の回折効率が得られる８レベルの回折型レンズで十分であろう（上述の工程をＮ＝３回繰り返すことで作製可能）。
【非特許文献１】「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図６に図解されているようにガラス基板内のイオン交換によって形成される屈折型マイクロレンズアレイにおいては、そのイオン交換によって高められ得る屈折率変化Δｎは約０．１７程度に過ぎない。したがって、そのような比較的小さな屈折率差に起因して、短い焦点距離のレンズを作製することが困難である。また、イオンの交換領域１ｂは等方的熱拡散によって形成されるので、そのレンズ領域１ｂは必ず概略半球状に形成され、レンズ厚さを変更して焦点距離を調節することも困難である。
【００１７】
回折型マイクロレンズに関しては、レリーフ型マイクロレンズでは、透光性基板にエッチングで溝を彫らなければならないので、その基板はそれなりの厚さを要する。また、エッチングによって彫る溝の深さを正確に調節することが容易ではない。さらに、レリーフ型マイクロレンズはその表面に微細な凹凸を有するので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。
【００１８】
他方、回折型マイクロレンズを屈折率変調型マイクロレンズとして作製することは困難である。なぜならば、前述のようにガラス板のイオン交換によって得られる屈折率変化は最大でもΔｎ＝０．１７程度であって、効果的な屈折率変調型回折格子を形成することが困難だからである。また、例えば石英系ガラスに紫外光のようなエネルギビームを照射することによっても屈折率を高め得ることが知られているが、その場合の屈折率変化はイオン交換の場合に比べてさらに小さい（Δｎ＝０．０１以下程度）。
【００１９】
上述のような先行技術によるマイクロレンズにおける状況に鑑み、本発明は、機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、マイクロレンズは透光性ＤＬＣ（diamond-like carbon:ダイヤモンド状カーボン）膜を用いて形成されており、そのＤＬＣ膜は屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率があ変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴としている。
【００２１】
なお、そのマイクロレンズは屈折型マイクロレンズであり得て、その場合には、ＤＬＣ膜の一主面側において相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、そのレンズ領域はＤＬＣ膜のその一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有するか、またはその一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有していてもよい。
【００２２】
また、レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状を有していてもよく、この場合には、円柱形状の中心軸はＤＬＣ膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が高められている。さらに、レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する帯状領域であってもよく、この場合には、その帯状領域の幅方向の中央を通りかつＤＬＣ膜に直交する面に近いほど屈折率が高められている。
【００２３】
さらに、本発明のマイクロレンズは回折型マイクロレンズでもあり得て、その場合には、ＤＬＣ膜は同心円状の複数の帯状リング領域を含むことができ、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、それらの帯状リング領域の幅は同心円の中心から遠い帯状リング領域ほど狭められている。
【００２４】
同心円状の複数の帯状リング領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、ＤＬＣ膜は同心円状のｍ個のリングゾーンを含むことができ、それらのリングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の回折型マイクロレンズにおいて、ＤＬＣ膜は互いに平行な複数の帯状領域を含むこともでき、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が相対的に変調されており、それら帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められている。
【００２６】
互いに平行な複数の帯状領域を含む回折型マイクロレンズにおいて、ＤＬＣ膜は互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含むことができ、それらの帯ゾーンの各々はｎ個の帯状領域を含み、帯ゾーンの各々において所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。
【００２７】
上述のような本発明によるマイクロレンズは、０．４μｍから２．０μｍの範囲内の波長を含む光に対してレンズ作用を発揮し得る。したがって、本発明によるマイクロレンズは、光通信分野やプロジェクタのように広い光学分野で利用可能である。
【００２８】
本発明によるマイクロレンズを作製する場合に、ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）で形成されることが好ましい。このプラズマＣＶＤによれば、比較的低温において、シリコン基板、ガラス基板、ポリマ基板、その他の種々の基体上に透光性ＤＬＣ膜を形成することができる。
【００２９】
ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、そのＤＬＣ膜にエネルギビームを照射して屈折率を高めることによって簡便に形成され得る。そして、そのエネルギビーム照射として、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線、シンクロトロン放射（ＳＲ）光、イオンビーム、電子ビームなどを用いることができる。また、一つのＤＬＣ膜中にアレイ状に配列された複数のマイクロレンズが、同時のエネルギビーム照射によって簡便に形成され得る。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供することができる。また、本発明による回折型マイクロレンズは屈折率変調型であって、従来のレリーフ型マイクロレンズと異なって平坦な表面を有しているので、反射防止コーティングを容易に形成することができ、また埃などがつきにくくてレンズ機能の低下が防止され得る。さらに、ＤＬＣ膜は種々の基体表面上に形成し得るので、本発明のマイクロレンズは他の光学部品と一体形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
まず、本願発明をなすに際して、本発明者らは、透光性ＤＬＣ（diamond like carbon:ダイヤモンド状カーボン）膜にエネルギビームを照射することによってその屈折率を高めることができることを確認している。そのようなＤＬＣ膜は、シリコン基板、ガラス基板、その他の種々の基体上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そのようなプラズマＣＶＤによって得られる透光性ＤＬＣ膜は、通常は１．５５程度の屈折率を有している。
【００３２】
ＤＬＣ膜の屈折率を高めるためのエネルギビームとしては、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線、シンクロトロン放射（ＳＲ）光、イオンビーム、電子ビームなどを用いることができる。なお、ＳＲ光は、一般に紫外光からＸ線までの広い波長範囲の電磁波を含んでいる。
【００３３】
たとえば、Ｈｅイオンを８００ｋｅＶの加速電圧の下で５×１０17／ｃｍ2のドース量で注入することによって、屈折率変化量をΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。なお、Ｈ、Ｌｉ、Ｂ、Ｃなどのイオンの注入によっても、同様に屈折率を高めることができる。また、０．１〜１３０ｎｍのスペクトルを有するＳＲ光を照射することによっても、屈折率変化量を最大でΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。さらに、ＵＶ光照射では、たとえば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光をパルス当たり１６０ｍＷ／ｍｍ2の照射密度にて１００Ｈｚの周期でパルス照射すれば、屈折率変化量をΔｎ＝０．２２程度まで高めることができる。なお、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）などのエキシマレーザ光やＡｒレーザ光（４８８ｎｍ）の照射によっても、同様に屈折率を高めることができる。これらのＤＬＣ膜のエネルギビーム照射による屈折率変化量は、従来のガラスのイオン交換による屈折率変化量（最大でもΔｎ＝０．１７）または石英系ガラスのＵＶ光照射による屈折率変化量（Δｎ＝０．０１以下程度）に比べて顕著に大きいことが分かる。
【００３４】
図１において、本発明の一実施形態による屈折型マイクロレンズアレイの作製方法が、模式的な断面図で図解されている。
【００３５】
図１（ａ）において、ＤＬＣ膜２１上にマスク層２２が形成されている。マスク層２２としては、エネルギビーム２３の透過を制限し得る機能を有する種々の材料を用いることができる。たとえば、マスク層に対するエネルギビームの透過量の設計に応じて最適化されるように、金、クロム、ニッケル、アルミ、タングステンなどから選択することができる。このマスク層２２はアレイ状に配列された微小な凹部２２ａを有している。それらの凹部２２ａの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる底面を有している。それらの凹部２２ａのアレイを含むマスク層２２を介して、エネルギビーム２３がＤＬＣ膜２１に照射される。
【００３６】
図１（ｂ）において、エネルギビーム２３の照射後にマスク層２２を除去することによって、ＤＬＣ膜２１中に形成されたマイクロレンズアレイ２１ａが得られる。すなわち、エネルギビーム２３の照射によって、マスク層２２の凹部２２ａのアレイに対応して、ＤＬＣ膜２１内において高屈折率領域２１ａのアレイが形成されている。このとき、マスク層２２の凹部２２ａは球面状または円柱面状の底面を有しているので、凹部２１ａの中央から周縁に向かうにしたがってマスク層の厚さが増大している。すなわち、エネルギビーム２３は、凹部２２ａの周縁部に比べて中央部において透過しやすいことになる。したがって、高屈折率領域２１ａの深さは、その中央部において深くて周縁部において浅い球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有している。その結果、それらの高屈折率領域２１ａの各々が、そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。
【００３７】
なお、図１に示されているようなエネルギビーム２３によってマイクロレンズアレイを作製する場合、概略球面状または概略円柱面状の凹部２２ａの深さを調節することによって、マイクロレンズ２１ａの厚さを調節することができ、すなわちその焦点距離を調節することができる。また、凹部２２ａの深さを変化させなくても、照射するエネルギビーム２３の透過能を変化させることによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することができる。たとえば、エネルギビーム２３としてＨｅイオンビームを用いる場合、そのイオンの加速エネルギを高めて透過能を高めることによって、マイクロレンズ２１ａの焦点距離を短くすることができる。また、ＤＬＣ膜に対するエネルギビーム２３のドース量が高いほど屈折率変化Δｎが大きくなるので、そのドース量を調節することによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することも可能である。
【００３８】
図１（ｃ）は、他の形態のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ２１ｂは、ＤＬＣ膜２１を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ２１ｂが円柱状である場合、その中心軸２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心軸２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。マイクロレンズ２１ｂが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交）２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心面２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。
【００３９】
図１（ｃ）のマイクロレンズアレイも、図１（ａ）に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層２２の薄い領域およびＤＬＣ膜２１を貫通し得る高いエネルギのビーム２３を照射することによって、中心線または中心面２１ｃに近い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになって屈折率がより高められることになる。
【００４０】
図１（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、種々の方法によって作製することができる。たとえば、ＤＬＣ膜２１上に均一な厚さのマスク層２２を形成し、その上にアレイ状に配列された微小な穴または平行に配列された線状の開口を有するレジスト層を形成する。そして、そのレジスト層の微小な穴または線状の開口から等方的エッチングを行うことによって、その微小な穴の下のマスク層２２内に概略半球状または概略半円柱状の凹部２２ａを形成することができる。
【００４１】
図１（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、図２の模式的な断面図に図解されているような方法で作製され得る刻印型を用いて簡便に作製することもできる。
【００４２】
図２（ａ）において、例えばシリカの基板３１上にレジストパターン３２が形成される。このレジストパターン３２は、基板３１上でアレイ状に配列された複数の微小な円形領域上または平行に配列された複数の細い帯状領域上に形成されている。
【００４３】
図２（ｂ）において、レジストパターン３２が加熱溶融させられ、各微小円形領域上または細い帯状領域上で溶融したレジスト３２は、その表面張力によって概略球面状または概略円柱面状の凸レンズ形状になる。
【００４４】
図２（ｃ）において、概略凸レンズ状のレジスト３２ｂとともにシリカ基板３１ａをＲＩＥすれば、レジスト３２ｂの径または幅がＲＩＥで縮小しながらシリカ基板３１ａがエッチングされる。
【００４５】
その結果、図２（ｄ）に示されているように、概略球面状または概略円柱面状の凸部３１ｂが配列されたシリカの刻印型３１ｃが最終的に得られる。なお、凸部３１ｂの高さは、図２（ｃ）におけるレジスト３２ｂのエッチング速度とシリカ基板３１ａのエッチング速度との比率を調節することによって調節することができる。
【００４６】
こうして得られた刻印型３１ｃは、図１（ａ）に示されているような凹部２２ａを含むマスク層２２の作製に好ましく用いられ得る。すなわち、例えばマスク層２２が金材料で形成されている場合、金は展延性に富んでいるので、その金マスク層２２に刻印型３１ｃで刻印することによって、簡便に凹部２２ａを形成することができる。また、刻印型３１ｃは一度作製すれば繰り返し使用可能であるので、エッチングによってマスク層２２中の凹部２２ａを形成する場合に比べて遥かに簡便かつ低コストで凹部２２ａを形成することを可能にする。
【００４７】
なお、本発明におけるようにＤＬＣ膜を用いた屈折型マイクロレンズアレイは、従来のガラス基板を用いる場合にくらべて、エネルギビーム照射によって高屈折率のレンズを形成することができるので、ガラス基板に比べて遥かに薄いＤＬＣ膜中に屈折型マイクロレンズアレイを形成することができる。しかし、ＤＬＣ膜を用いた屈折型マイクロレンズであっても、次に述べる回折型マイクロレンズに比べれば厚いＤＬＣ膜を要し、１０μｍから２０μｍ程度以上の厚さを要する。
【００４８】
図３（ａ）の模式的な平面図と図３（ｂ）の模式的な断面図において、本発明の他の実施形態による回折型マイクロレンズが図解されている。回折型マイクロレンズは屈折型マイクロレンズに比べて薄く作製することが可能であり、１〜２μｍ程度の厚さのＤＬＣ薄膜中に回折型マイクロレンズを作製することができる。すなわち、この回折型マイクロレンズ４０も、ＤＬＣ膜４１を用いて作製されており、同心円状の複数の帯状リング領域Ｒｍｎを含んでいる。ここで、符号Ｒｍｎは、第ｍ番目のリングゾーン中の第ｎ番目の帯状リング領域を表すとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表すものとする。それらの帯状リング領域Ｒｍｎは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。
【００４９】
互いに隣接する帯状リング領域Ｒｍｎは、互いに異なる屈折率を有している。図３の回折型マイクロレンズは、それが２レベルの回折型レンズである場合には、ｎ＝２番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンをｍ＝３番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。
【００５０】
このことから類推されるであろうように、４レベルの回折型レンズでは、一つのリングゾーンがｎ＝４番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって４段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような４段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとにｍ回繰り返されることになる。
【００５１】
なお、帯状リング領域Ｒｍｎの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式（１）にしたがって設定することができる。この式（１）において、Ｌはレンズの回折レベルを表し、λは光の波長を表し、そしてｆはレンズの焦点距離を表している。また、最大の屈折率変化量Δｎは、最大の位相変調振幅Δφ＝２π（Ｌ−１）／Ｌを生じさせ得るものでなければならない。
【００５２】
【数１】
2005202356.tif 000003
【００５３】
図４の模式的な断面図において、図３に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズの作製方法の一例が図解されている。
【００５４】
図４（ａ）において、ＤＬＣ膜４１上に、例えばＮｉの導電層４２が周知のＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成される。このＮｉ導電層４２上には図３中のｎ＝１に対応する帯状リング領域Ｒｍｎ（ｍ＝１〜３）を覆うようにレジストパターン４３が形成される。そのレジストパターン４３の開口部に、電気めっきによって金マスク４４が形成される。
【００５５】
図４（ｂ）において、レジストパターン４３が除去されて、金マスク４４が残される。そして、その金マスク４４の開口部を通して、エネルギビーム４５がＤＬＣ膜４１に照射される。その結果、エネルギビーム４５に照射された帯状リング領域Ｒｍ１の屈折率が高められ、エネルギビーム４５がマスクされた帯状リング領域Ｒｍ２は当初のＤＬＣ膜の屈折率を維持している。すなわち、図３に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズが得られる。なお、エネルギビーム照射後の金マスクは、シアン系のエッチング液に室温で数分程度浸漬することによって溶解されて除去される。
【００５６】
なお、図４の例ではＤＬＣ膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、図８（ａ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＤＬＣ膜にエネルギビーム照射してもよい。また、図８（ｂ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＤＬＣ膜にさらにエネルギビーム照射することによって、４レベルの回折型マイクロレンズが形成され得ることが理解されよう。この場合に、ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して回折型マイクロレンズを形成する方法は、図７に図解されたレリーフ型マイクロレンズの作製方法にくらべて、顕著に簡略であることも理解されよう。
【００５７】
さらに、図２（ｄ）に示されているような刻印型の代わりに、図７（ｆ）に示めされているような形状を有する刻印型を用いてＤＬＣ膜上の金マスク層に刻印し、その刻印された金マスク層を介してエネルギビーム照射することによって、一回のエネルギビーム照射で多レベルの回折型マイクロレンズを作製することも可能である。
【００５８】
さらにまた、回折型マイクロレンズに関する上述の実施形態では屈折型レンズの球面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが説明されたが、本発明は屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズにも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、例えば図３（ｂ）の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図４（ｂ）中の金マスク４４もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
上述のように、本発明によれば、機械的かつ熱的に安定で種々の光学分野で利用可能な平板型マイクロレンズを簡便かつ低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態における屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図２】図１の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法において使用し得る刻印型の形成方法を図解する模式的断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の他の実施形態による回折型マイクロレンズを図解する模式的な平面図であり、（ｂ）はそれに対応する断面図である。
【図４】図３の回折型マイクロレンズの作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図５】（ａ）は従来の屈折型マイクロレンズアレイを示す模式的な一部破断斜視図であり、（ｂ）はその機能を図解する模式的な断面図である。
【図６】図５の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的断面図である。
【図７】従来のレリーフ型の回折型マイクロレンズの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図８】図７のレリーフ型マイクロレンズの作製方法に使用されるマスクを示す模式的な平面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  従来のマイクロレンズアレイ、１ａ  ガラス基板、１ｂ  マイクロレンズ、２  光、Ｆ  焦点、３  レジスト層、３ａ  小孔、１１  シリコン基板、１２  第１レジスト層、１３  第１マスク、１４ａ  露光、１４ｂ  ＲＩＥ、１１ａ  ２レベルのレリーフ型マイクロレンズ、１５  第２レジスト層、１６  第２マスク、１４ｃ  露光、１４ｄ  ＲＩＥ、１１ｂ  ２レベルのレリーフ型マイクロレンズ、２１  ＤＬＣ膜、２１ａ  高屈折率領域、２１ｂ  屈折率変調領域、２１ｃ  中心軸（中心面）、２２  マスク層、２２ａ  凹部、２３  エネルギビーム、３１  シリカ基板、３２  レジストパターン、３２ａ  溶融されたレジスト、３２ｂ  エッチングされつつあるレジスト、３１ａ  エッチングされつつあるシリカ基板、３１ｂ  凸部、３１ｃ  刻印型、４０  屈折率変調型の回折型マイクロレンズ、４１  ＤＬＣ膜、Ｒｍｎ  帯状リング領域、ｆ  焦点距離、４２  Ｎｉ導電層、４３  レジストパターン、４４  金マスク層、４５  エネルギビーム、４１ａ  高屈折率領域、４１ｂ  低屈折率領域。
【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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【図８】
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