(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理により体積が増加する厚さが１０〜１５０μｍのガラス材料の薄板にレーザー光線を照射することにより、薄板の一面および他の一面の両側にそれぞれ凸部を形成させるか、或いは一面に凸部を形成させ、かつ他の一面に凹部を形成させることを特徴とするガラス基板の製造方法であって、波長１〜２５μｍのレーザー光線に対する吸収係数［α：ｃｍ−１］が１００〜４００ｃｍ−１である厚さが１０〜１５０μｍのガラス材料の薄板を基板として使用し、所定のレーザー光線波長における当該ガラス材料の吸収係数［α：ｃｍ−１］とガラス基板の厚さ［ｔ：ｃｍ］との積（α×ｔ）が０．０１〜１．５の範囲内となる条件下にレーザー照射を行う方法（ただし、ガラス材料の内部透過率をＴとしたとき、αおよびｔは、Ｔ＝ｅ−α・ｔで表される関係式を充足する。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小光学素子、光学機器などの基板などとして有用な微細表面形状を有するガラス材料基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、屈折率分布を有する光学素子(レンズ素子)の形成方法としては、(1) ガラス材料基材とは屈折率の異なる微小な半凸レンズ或いは球状レンズを予め製造し、これをガラス材料基材に接着もしくは埋設する方法、(2)ガラス材料基材に対するイオン拡散によって
屈折率分布を形成させる方法、(3)光誘起吸収によってガラス材料基材に屈折率分布を形
成させる方法、(4)CVD、蒸着などの気相法或いはゾルゲル法などの液相法により、ガラス材料基材上に製膜する方法などが知られている。しかしながら、これらの方法には、(a)
化学的成分または電子状態の異なる誘起欠陥構造を分布させることによって、ガラス材料基材に異なる屈折率を付与する場合には、レンズ素子の所望の場所において均一な光透過特性・波長分散を得ることができない、(b)光照射により、ガラス材料の光学的性質が劣
化しやすい、(c)半凸レンズ或いは球状レンズとガラス材料基材との接合部での耐久性が
不十分である、(d)使用環境下でのガラス材料の耐久性が低いなどの問題点がある。
【０００３】
本発明者らは、「レーザービーム照射により、密度変化を生じない温度までガラス材料基材表面を部分的に加熱し、一旦冷却した後、加熱部分を前回よりも高い温度で加熱するという操作を繰り返し行うことにより、同部分を密度変化が生じる温度以上にまで加熱する」技術を開発した(特許文献１および特許文献２、非特許文献１)。この技術によれば、ガラス材料基材表面の加熱部分の密度変化を利用して、同一化学組成のガラス材料に屈折率分布を形成することができる。得られたガラス材料は、加熱部分の形状および／または屈折率を制御した条件下に変化させることができるので、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどにおける微小光学素子に適用可能である。
【０００４】
ガラス材料基材の所定部分にレーザービーム照射を行う上記の方法は、精密に微小領域に素子形成を行うことができるという大きな利点を備えている。
【０００５】
さらに、結晶化ガラスに対してレーザー照射を行い、結晶化ガラス基板上に隆起構造(
凸部)を形成させる方法（特許文献３）、レーザー光を干渉させて、周期的な隆起形状を
製造する方法（特許文献４）がある。
【０００６】
しかしながら、公知の方法は、処理を施す基板材料の片面に対する形状操作手法であり、反対面への同様の操作を同時に行うことは、困難である。このような片面隆起構造を持つガラス材料をマイクロレンズに適用する場合には、開口数が小さく、集光特性が低い。基板両面に所望の隆起構造を作製することが可能になれば、微小光学素子としての性能は、著しく向上する。上記の（２）および（４）の方法では、基板製造時にパターニングを行うことにより、表と裏の両面を同時に加工することは可能であるが、実用的には、表面と裏面とに形成される素子の位置合わせが困難であるという問題がある。
【特許文献１】特開2002-255579号公報
【特許文献２】特開2003-207605号公報
【非特許文献１】N. Kitamura, K. Fukumi, J. Nishii, T. Kinoshita, N. Ohno, Jpn. J. Appl. Phys. 42(2003)L712-L714.
【特許文献３】特開2005-62832
【特許文献４】特開平11-216578
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ガラス材料薄板からなる基板の両面に、基板表面の垂直方向の同軸方向に少なくとも一対の隆起部を備えたガラス基板とその製造方法を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上述の技術の現状に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定波長領域のレーザー光線に対するガラス材料の吸収係数α[cm-1]とガラス材料薄板の厚さｔ[cm]の間で、一定の条件が満たされる場合には、ガラス材料薄板の表面と裏面とが効果的に加熱されることを見出した。本発明者は、この様な知見に基づいてさらに研究を進めた結果、レーザービームの照射軸上に沿って、薄板の一面と他の一面の同位置に両面隆起構造或いは片面隆起/片面陥没構造を形成することに成功した。
【０００９】
より詳しくは、加熱により体積膨張を示し、かつ加熱終了後にもそのまま体積膨張状態を維持するガラス材料の薄板に対して、レーザービームを照射することにより、微小な領域を熱的に膨張させて、ガラス基板のレーザービーム照射表面側と裏面側とに、両面の垂直軸方向に位置が合致した隆起部(凸部)と隆起部(凸部)との少なくとも一対からなる“両面隆起構造”或いは隆起部(凸部)と陥没部(凹部)との少なくとも一対からなる“片面隆起/片面陥没構造”を同時に形成させることに成功した。
本発明は、この様な新しい知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、下記の隆起構造を持ったガラス材料およびその新規な製造方法を提供する。
１．（１）熱処理により体積が増加するガラス材料の薄板からなり、
（２）その両面に垂直な方向の同軸上に少なくとも一対の凸部を備えたガラス基板であって、
（３）ガラス材料の密度(ρ１)とその凸部の密度(ρ２)とが、0.01≦Δρ/ρ２≦0.2(た
だし、Δρ＝ρ１−ρ２)で示される関係にある
ことを特徴とするガラス基板。
２．薄板の厚さが、10〜150μｍの範囲にある上記項１に記載のガラス基板。
３．上記項１または２に記載のガラス基板からなる微小光学素子。
４．（１）熱処理により体積が増加するガラス材料の薄板からなり、
（２）その両面に垂直な方向の同軸上に少なくとも一対の凸部と凹部とを備えたガラス基板であって、
（３）ガラス材料の密度(ρ１)とその凸部の密度(ρ２)とが、0.01≦Δρ/ρ２≦0.2(た
だし、Δρ＝ρ１−ρ２)で示される関係にある
ことを特徴とするガラス基板。
５．薄板の厚さが、10〜150μｍの範囲にある上記項４に記載のガラス基板。
６．上記項４または５に記載のガラス基板からなる微小光学素子。
７．（１）熱処理により体積が増加するガラス材料の薄板からなり、
（２）その両面に垂直な方向の同軸上に少なくとも一対の凸部(一面側)と凹部(他の一面
側) および少なくとも一対の凹部(一面側)と凸部(他の一面側)を備えたガラス基板であって、
（３）ガラス材料の密度(ρ１)とその凸部の密度(ρ２)とが、0.01≦Δρ/ρ２≦0.2(た
だし、Δρ＝ρ１−ρ２)で示される関係にある
ことを特徴とするガラス基板。
８．薄板の厚さが、10〜150μｍの範囲にある上記項７に記載のガラス基板。
９．上記項７または８に記載のガラス基板からなる微小光学素子。
１０．（１）熱処理により体積が増加するガラス材料の薄板からなり、
（２）その両面に垂直な方向の同軸上に少なくとも一対の凸部(一面側)と凸部(他の一面
側) および少なくとも一対の凹部(一面側)と凸部(他の一面側)を備えたガラス基板であって、
（３）ガラス材料の密度(ρ１)とその凸部の密度(ρ２)とが、0.01≦Δρ/ρ２≦0.2(た
だし、Δρ＝ρ１−ρ２)で示される関係にある
ことを特徴とするガラス基板。
１１．薄板の厚さが、10〜150μｍの範囲にある上記項１０に記載のガラス基板。
１２．上記項１０または１１に記載のガラス基板からなる微小光学素子。
１３．熱処理により体積が増加するガラス材料の薄板にレーザー光線を照射することにより、薄板の一面および他の一面の両側にそれぞれ凸部を形成させるか、或いは一面に凸部を形成させ、かつ他の一面に凹部を形成させることを特徴とするガラス基板の製造方法。１４．上記項１３に記載のガラス基板の製造方法であって、波長１〜25μｍのレーザー光線に対する吸収係数[α:cm-1]が100〜400cm-1であるガラス材料の薄板を基板として使用
し、所定のレーザー光線波長における当該ガラス材料の吸収係数[α:cm-1]とガラス基板
の厚さ[ｔ:cm]との積(α×ｔ)が0.01〜１.5の範囲内となる条件下にレーザー照射を行う
方法（ただし、ガラス材料の内部透過率をＴとしたとき、αおよびｔは、Ｔ＝ｅ−α・ｔで表される関係式を充足する。）
１５．薄板の厚さが、10〜150μｍの範囲にある上記項１３または１４に記載のガラス基
板の製造方法。
【００１０】
本発明のガラス基板の製造方法における出発材料は、熱線レーザーからの光線を照射することにより、体積変化を生じ、照射停止後の冷却状態においても、その体積変化を維持するガラス材料である。
【００１１】
この様なガラス材料は、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られる同一組成のガラス材料（以下、「通常のガラス」ということがある）と比べると、高密度のガラス材料からなる。この様な高密度のガラス材料は、ガラスの種類に応じて決まる一定温度以上に加熱すると、密度が低下して、通常のガラスの密度に近づき、かつ冷却後においても、変化した密度状態を維持する性質を有するものである。
【００１２】
上記した高密度のガラス材料は、種々の手法により、調製することができる。例えば、通常のガラスを高温中で加圧して得られる高密度のガラス材料、溶融した通常のガラスを高温から急激に冷却することによって得られる高密度のガラス材料などを挙げることができる。
【００１３】
本発明方法で用いるガラス材料の密度自体は、特に限定されないが、光学素子として適した隆起構造を生じさせるためには、一般的には、通常のガラスよりも１％程度以上密度が高いガラス材料が好ましい。なお、前述した通り、通常のガラスとは、溶融したガラス原料を大気圧下で徐冷することによって得られるものであり、加熱によっては密度変化を生じることはない。
【００１４】
本発明方法において出発材料として使用する高密度ガラス材料は、微小領域を加熱するための波長1〜25μmのレーザー光線に対する吸収係数(α：cm-1)が、100〜400 cm-1程度
であることが好ましい。ガラス材料の材質は、特に限定されないが、レーザービーム照射による大きな密度変化(すなわち、体積変化)を実現するために、二酸化珪素(SiO2)を20モル％以上含有するガラス、B2O3を20モル％以上含有するガラス、P2O5を20モル％以上含有するガラスなどのガラス網目構造を形成する成分(ガラスネットワークフォーマー)を20モル％程度以上含有するガラスが、より好ましい。
【００１５】
ガラス材料基板の厚さは、波長１〜25μｍ程度のレーザー光線に対する吸収係数[α:cm-1]が100〜400cm-1程度であるガラス材料において、所定のレーザー光線波長における当
該ガラス材料の吸収係数[α:cm-1]とガラス基板の厚さ[ｔ:cm]との積(α×ｔ)が1.5以下
となる様に、選択すればよい。
【００１６】
ガラス材料基板の厚さは、より実用的には、10〜150μm程度とすることが好ましい。本発明で使用する高密度ガラス材料基板の厚さが、この範囲内であれば、後述するレーザー光線の照射により、薄板の両面にほぼ同形状の隆起部(凸部)が形成される。これに対し、10μm未満の基板は、加工が極めて困難となり、また熱処理による体積増加がサブミクロ
ン程度と小さいので、凸部或いは凹部の形成による光学的効果が十分に発揮されない。
【００１７】
ガラス材料基板に照射するレーザー光線の波長は、上述の通り、1〜25μm程度とすることが好ましい。
【００１８】
使用するレーザービーム源としては、多くのガラス材料において光の吸収効率の高い10μm帯の熱線を放出する炭酸ガスレーザー(9.6-10.6μm)や一酸化炭素ガスレーザー(5.2-5.8μm)が好適である。特に、出発材料がシリカガラスである場合には、その吸収係数が129cm-1であるので、α×ｔ＝1.5から求めた基板厚さ(t)は、約116μmとなり、微細光学素
子として、好適なガラス基板となる。他のガラスについての赤外領域の光学定数の報告は不明であるが、レーザー光が裏面まで到達する条件が合致している場合には、α×ｔ≦1.5が裏面を十分に加熱できる条件となる。
【００１９】
上述のガラス材料基板に対するレーザー光線の照射により、ガラス材料の密度変化とともに、屈折率も変化する。しかしながら、本発明の諸条件を充足する限り、レーザービーム照射領域においては、ガラス材料基板の表面から裏面まで十分に加熱が行われるので、同領域内での屈折率の変化は、処理後の基板の光学特性に実質的に影響しない程度に小さい。
【００２０】
本発明によるガラス材料基板においては、ガラス材料の密度(ρ１)とその凸部の密度(
ρ２)とが、0.01≦Δρ/ρ２≦0.2(ただし、Δρ＝ρ１−ρ２)で示される関係にあるこ
とが好ましい。Δρ/ρ２で示される密度変化率(＝体積変化率)が、この範囲内にある場
合には、所望形状の凸部或いは凹部の形成が可能となる。
【００２１】
図１は、レーザービームをガラス材料薄板の一面に照射した場合において、基板の加熱の概要を示す模式図である(なお、以下においては、レーザービームを照射した薄板の一
面を「表面」といい、他の一面を「裏面」ということがある)。ガラス材料の吸収係数[α:cm-1]とその基板厚さ[ｔ:cm]との積(α×ｔ)は１.5以下であり、ガラス材料の内部透過
率をＴとしたとき、αおよびｔは、Ｔ＝ｅ−α・ｔで表される関係式を充足する。α×ｔ≦1.5の下限値は、0.01程度とすることが好ましい。下限値が0.01未満の場合には、レー
ザー光が十分に吸収されないので、レンズが形成されなくなる。
【００２２】
レーザービーム強度(熱入力量)は、ガラス基板表面からの深さ方向(図１において、右
方向)に対して指数関数的に低下するので、ガラス基板の裏面でのレーザー強度は、上記
関係式から明らかな様に、吸収係数×厚さｔの指数関数に比例して低下している。ガラス基板裏面でのレーザーのエネルギー量は減少しているものの、α×ｔ≦1.5の条件下では
、そこまでの経路で吸収されたレーザーエネルギーが熱となって伝熱し、裏面での温度上昇を助けるものと考えられる。十分な温度上昇が得られれば、図１からも明らかなように、ガラス基板の裏面においても体積膨張が生じて、基板に両凸レンズが形成される。
【００２３】
隆起形状は、レーザービームの強度分布にも依存するが、これとともにガラス材料の内部透過率(ガラス材料の光吸収の程度を示す)、熱拡散係数、比熱などの熱特性のすべてが
ガラス基板内部での温度分布を決定し、これによって体積膨張の程度、すなわち、隆起形状が決定される。例えば、後記実施例１と図２から明らかな様に、表面と裏面の両凸部がほぼ同じ断面形状を有する場合もあり、或いは後記実施例２と図３から明らかな様に、表面の凸部が裏面の凸部よりも大きな断面形状を有する場合もある。
【００２４】
ガラス材料に対するレーザービームの強度が大きい場合には、表面が過熱状態となり、アブレーションや蒸発により、隆起構造ではなく陥没構造が形成されるのに対し、裏面には、伝熱により隆起構造が形成される(後記実施例３と図４参照)。この場合、表裏両面において同軸上にある光学素子として、両凸レンズではなくメニスカスレンズが形成される。この場合の実施形態も、光学素子として有用である。
本発明によるガラス基板は、微小な隆起領域(両凸のマイクロレンズもしくはメニスカス
のマイクロレンズ)を1個備えたマイクロレンズの形態であっても良く、或いは微小な隆起領域(両凸もしくはメニスカスのマイクロレンズ)を2個以上備えたレンズアレイの形態で
あっても良い。すなわち、本発明のガラス基板は、例えば、図１〜３のいずれかに示す形状の単一のマイクロレンズが、アレイ状に多数配置された形態とすることが出来る。この場合、必要ならば、異なる形状のマイクロレンズを組み合わせたマイクロレンズアレイを形成することも可能である。
或いは、ガラス材料薄板に対するレーザー照射の方向を適宜逆転されることにより、両凸のマイクロレンズとメニスカスのマイクロレンズとを備えた構造を形成させることも可能である。
本発明によるガラス基板は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどにおける微小光学素子として有用である。
【００２５】
本発明によるガラス基板は、さらに、光通信や光情報処理において、光ファイバー端から広がる信号光を平行光に変換する光ファイバーコリメータ；光通信や光情報処理において、VCSELなどの面発光レーザー光をコリメートするか、または、マイクロレンズに近接
して配置された光ファイバー端へ集光させる光接合素子；画像処理や光を利用したセンサ部品において、フォトダイオードやCCDなどの微小受光素子の表面に配置し、受光効率を
増大させるための光接合素子；液晶ディスプレイ或いはプラズマディスプレイの単一素子の前面に配置して、輝度の向上や指向性の調整に用いる微細発光素子などとしても、有用である。
【００２６】
さらにまた、本発明によるガラス基板は、ディスプレイ表面に対する照明などの映り込みを減少させるノングレア処理基板としても、有用である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、レーザービームが透過した領域に沿って、ガラス基板の表面および裏面の両方に隆起構造が形成されるので、レンズとしての効果が増大され、高い開口数を有する両凸レンズを得ることができる。この際、レーザービームと隆起構造の軸とが一致しているので、片面ずつレーザービームを照射して、両凸レンズを製造するときに必要な軸あわせのためのアライメントが不要となり、プロセス数が少なくなるので、高精度の微小光学素子を簡便な操作でかつ低コストで製造することが出来る。
【００２８】
また、レーザービーム強度が大きい場合には、ガラス基材の照射表面には、アブレーション（蒸発）による陥没構造が形成され、裏面には、伝熱による隆起構造が形成される。得られたメニスカスレンズは、収差補正のためのレンズとして有用である。
【００２９】
さらに、レーザービームの動径方向の強度分布を調整することにより、レンズの形状を操作できるので、より性能の高い両凸非球面レンズを製造することも可能となる。
さらにまた、基板に吸収されず透過するレーザービームのエネルギーはわずかであり、目
的とする対象物にガラス基板を所定の機器内に設置した後であっても、レーザービームを照射して、その設置箇所において素子を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、実施例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明らかにする。
［実施例１］
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス薄板（シリカ純度99.99％、厚さt=40μm、密度2.279g/cm3、高密度化率3.59％）に対して、COガスレーザー（波長約5.5μｍ）の光を直径40μmの円形ビームスポット状に集光し、照射した(照射時間10ms)。レーザー
出力は0.6Wであった。照射後の薄板表面および裏面の形状を原子間力顕微鏡により計測した。シリカガラスのレーザー波長5.5μmにおける吸収係数αは129cm-1であり、α×ｔ=0.516である。
【００３１】
図２は、得られたガラス基板の表面（図の上側）と裏面（図の下側）の形状を示している。40μmの基板に対しては、0.6W-10msのレーザー照射により、表面と裏面にほぼ同一形状の隆起構造が形成されていることが明らかである。
［実施例２］
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス薄板（シリカ純度99.99％、厚さt=70μm、密度2.279g/cm3、高密度化率3.59％）に対して、COガスレーザー（波長約5.5μm）
の光を直径70μmの円形ビームスポット状に集光し、照射した(照射時間10ms)。レーザー
出力は0.6Wであった。照射後の薄板表面および裏面の形状を原子間力顕微鏡により計測した。シリカガラスのレーザー波長5.5μmにおける吸収係数αは129cm-1であり、α×ｔ=0.903である。
【００３２】
図３は、得られたガラス基板の表面（図の上側）と裏面（図の下側）の形状を示している。裏面の隆起構造は表面に比べて、半分程度となっている。
［実施例３］
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス（シリカ純度99.99％、厚さt=50μm
、密度2.279g/cm3、高密度化率3.59％）に対して、COガスレーザー（波長約5.5μｍ）の
光を直径50μmの円形ビームスポット状に集光し、照射した(照射時間50ms)。レーザー出
力は0.6Wであった。照射後の薄板の表面および裏面の形状を原子間力顕微鏡により計測した。シリカガラスのレーザー波長5.5μmにおける吸収係数αは129cm-1であり、α×ｔ=0.645である。
【００３３】
図４は、得られたガラス基板の表面（図の上側）と裏面（図の下側）の形状を示している。照射時間の増加により、基板表面が過昇温となり、表面で蒸発やアブレーションが生じた。その結果、照射表面は、陥没した。しかしながら、裏面ではアブレーションや蒸発が生じるほどの昇温は起こらず、隆起構造が形成された。
【００３４】
本実施例においては、基板表面には負の焦点距離を持つレンズが、基板裏面には正の焦点距離を持つレンズが形成され、全体として同軸上にメニスカスレンズが形成された光学素子用基板が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ガラス基板に対し、熱線レーザービームをα×ｔ≦1.5となる条件下、及び、それ以上の十分な厚さを持つ条件下で照射した場合において、ガラス材料中でのレーザーエネルギーの減少の様子と表面・裏面に隆起構造が形成される機構の概要を示す模式図である。
【図２】実施例１において得られたガラス基板の表面および裏面の隆起構造を示す断面図である。
【図３】実施例２において得られたガラス基板の表面および裏面の隆起構造を示す断面図である。
【図４】実施例３において得られたガラス基板の表面の陥没構造および裏面の隆起構造を示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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