(57)【要約】高い集光効率を有するマイクロレンズアレイ（１０５）が提供される。高い集光効率は、高いフィルファクタをもってアレイを構成する個々のマイクロレンズを正確に作成することによって得られる。凹の表面レリーフパターン（１０１）を備えた原版を、直接レーザー書込みを用いてポジ型フォトレジスト（２１）中に形成することによって、凸マイクロレンズのアレイが作成される。この方法によって、マイクロレンズのための所望のプロファイルを備えた有限のレーザービームのたたみこみ積分に付随する問題が克服された。本発明のマイクロレンズのアレイは、少なくとも７５％の集光効率を有する。
2004505307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
山と谷を備えた表面形状を有し、複数の単位セルと複数のマイクロレンズとを、各単位セル毎に１個のマイクロレンズが存在する関係で備えたマイクロレンズアレイの製造方法であって、
（ａ）ポジ型フォトレジストを提供し、
（ｂ）該ポジ型フォトレジストを、有限のビーム幅を有するレーザービームで露光して、前記マイクロレンズアレイの表面形状の実質的に陰画である表面形状を備えた原版を形成し、
（ｃ）該原板を用いて、
（イ）前記マイクロレンズアレイを作成し、および／または、
（ロ）前記マイクロレンズアレイの形成に使用されるさらなる原版を作成し、
および／または、
（ハ）前記マイクロレンズアレイの形成に使用される一連のさらなる原版のうちの最初の原版を作成し、
該原版が、隣接する単位セルに少なくとも２個の凹面を備えていることにより、前記マイクロレンズアレイが、隣接する単位セルに少なくとも２個の凸マイクロレンズを備えていることを特徴とするマイクロレンズアレイの作成方法。
【請求項２】
前記原版が複数の凹面のみを備えているために、前記マイクロレンズアレイが複数の凸マイクロレンズのみを備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記原版が、第１平面と第２平面との間に存在し、前記凹面が、前記第１平面から前記第２平面に向かう方向に前記原版内に延び、各凹面の最大サグが前記第１平面にあることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記原版が、第１平面と第２平面との間に存在し、前記凹面が、前記第１平面から前記第２平面に向かう方向に前記原版内に延び、前記マイクロレンズアレイの集光効率が７５％未満に低下しないように、各凹面の前記第１平面に対する最大サグの位置が、隣接する少なくともいくつかの単位セル間で、十分に緩慢な度合で変動していることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記原版が、第１平面と第２平面との間に存在し、少なくとも２個の凹面が、前記第１平面から前記第２平面に向かう方向に前記原版内に延び、少なくとも２個の凹面の頂点と前記第１平面との間の距離が異っていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記距離がランダムに分布していることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも２個の凹面のうちの少なくとも１個がアナモフィックであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロレンズアレイが、少なくとも７５％の集光効率を有するとことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロレンズアレイが、少なくとも８５％の集光効率を有するとことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロレンズアレイが、少なくとも９５％の集光効率を有するとことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記マイクロレンズアレイのフィルファクタが、少なくとも９０％であるとことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記マイクロレンズアレイのフィルファクタが、少なくとも９５％であるとことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記マイクロレンズアレイのフィルファクタが、１００％に略等しいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
複数の単位セルと複数のマイクロレンズとを、各単位セル毎に１個のマイクロレンズが存在する関係で備え、前記アレイが少なくとも７５％の集光効率を有するとことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１５】
前記アレイが少なくとも８５％の集光効率を有するとことを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１６】
前記アレイが少なくとも９５％の集光効率を有するとことを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１７】
前記アレイが少なくとも９０％のフィルファクタを有することを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１８】
前記アレイが少なくとも９５％のフィルファクタを有することを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１９】
前記アレイが１００％に略等しいフィルファクタを有することを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項２０】
前記複数のマイクロレンズが凸マイクロレンズであることを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項２１】
前記複数のマイクロレンズのうちの少なくともいくつかがアナモフィックであることを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項２２】
前記複数のマイクロレンズの少なくとも２個が互いにランダムに異なることを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項２３】
前記単位セルが密なパッキング状態にされていることを特徴とする請求項１４記載のマイクロレンズアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、高い集光効率を備えたマイクロレンズアレイに関するものである。本発明はまた、上記アレイの作成方法に関するものである。
【０００２】
本発明は、種々の用途の中で、光ファイバ内へのレーザー光の効率的な集光、光拡散、ならびに、投射および透過式ディスプレイのためのコーヒレントなまたはインコーヒレントな光の管理された散乱に適用可能である。
【０００３】
２．用語の定義
ここで用いられる用語の定義は下記の通りである。
【０００４】
「マイクロレンズアレイ」とは、複数のマイクロレンズからなるアレイと複数の単位セルとからなるアレイであり、１個のマイクロレンズは各単位セルに付随している。本発明のマイクロレンズは、いかなる所望の形状を有するものでもよく、例えば、Ｇ．Ｍｉｃｈａｅｌ ＭｏｒｒｉｓおよびＴａｓｓｏ Ｒ．Ｍ．Ｓａｌｅｓ の名前で「光の管理された拡散のための構築されたスクリーン」と題して共同で譲渡されて２０００年７月３１日付けで出願され、かつその内容全体が引例として本明細書に組み入れられる米国仮特許出願第６０／２２２，０３３号に開示されているような、支持「ピストン」上に形成されたものであってもよい。したがって、ここに用いられている「マイクロレンズ」とは、光を集光させることが可能な微小構造のすべてをも意味する。
【０００５】
マイクロレンズアレイの「フィルファクタ」とは、単位セルの面積の総和に対する単位セル内部でマイクロレンズが占める面積の総和の比である。
【０００６】
マイクロレンズアレイの「集光効率」とは、実質的に空間的にコーヒレントな光源、すなわち視準された白色光源によって光軸に沿って照射された１個のアレイに関し、マイクロレンズの焦点において測定された光の強度の総和を、アレイの単位セル上に入射する光の強度の総和で除算した値である。当業者に認識されているように、これは「シュトレール形式（Ｓｔｒｅｈｌ−ｔｙｐｅ ）」の集光効率の定義である。
【０００７】
凹マイクロレンズは、一般に仮想焦点（例えば空気中の平凹マイクロレンズは、負の度、したがって視準された光に対し仮想焦点を有する）を有するから、そのような場合に強度を測定可能な実焦点を生じさせるのに用いられる補助的光学システムを必要とする。この補助的光学システムは、少なくともいくぶんかは実焦点における光の強度を低下させるので、仮想焦点における強度値の決定においては、上記低下分を考慮しなければならない。
【０００８】
アナモフィックマイクロレンズの場合、マイクロレンズの各焦点における光の強度は、測定された光の強度の総和に含まれる。
【０００９】
３．発明の背景
マイクロレンズは、複数の単一レンズまたはレンズアレイ形態で、複数のレーザーからの複数本のファイバに対する光の結合のような多くの用途に必要とされ、これにより、複数本のビームが複数本のファイバに集光される。他の重要な用途としては、光の拡散およびスクリーンを含む。
【００１０】
用途によっては、管理された集光特性を備えた正確なプロファイルを持つマイクロレンズが要求され、あるいはアレイの場合、アレイ内の大部分のレンズに亘って高品質が要求される。光を効率的に集光させるためには、レンズプロファイル（すなわちサグ関数）を、正確に形成しなければならず、光源の光の波長をλとするとき、一般に例えばλ／４に等しいかそれより大きくなるように正確に作成しなければならない。
【００１１】
さらに、高密度結合、または拡散、またはスクリーンの用途に対しては、マイクロレンズの全表面を集光に利用することが重要になることが多い。有用な全表面領域が集光に供されたとき、そのアレイは１００％のフィルファクタを有すると言う。
【００１２】
密なパッキング状態にされたマイクロレンズは１００％に等しいフィルファクタを有し、それは隣接するマイクロレンズ間の内部境界が密接していることを意味する。密なパッキング状態の単純な例は六角形アレイである。正方形アレイのような他の配列でも、密なパッキング状態にすることが可能である。
【００１３】
科学文献においても特許文献においても、記載されているマイクロレンズアレイのフィルファクタは１００％よりも小さい。図１は、マイクロレンズ１２が、各マイクロレンズ間に空間を残した状態で規則的に配置されているこの種のアレイを示す。アレイの単位セルの一つが破線１３で示されている。このアレイに関するフィルファクタは４４％に過ぎない。
【００１４】
境界が密接するのを避けるようにエッジ同士が離れている独立したマイクロレンズユニットまたはマイクロレンズアレイを作成するのにはいくつかの方法がある。隣接するレンズの内部境界間には一定の距離があるために、そのアレイのフィルファクタは必然的に１（すなわち１００％）よりも小さくなる。
【００１５】
従来の製造方法を用いた場合、これらの方法が、特に小さいレンズおよび度の強いレンズに関しては、マイクロレンズの境界を正確に保存することが不可能なため、効率的に密なパッキング状態のレンズアレイを得るのが困難である。
【００１６】
米国特許第５，３２４，６２３号に記載されているような、熱変形を用いた方法は、容積緩和（ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ）によっているために、マイクロレンズ間の内部境界における材料の溶融を制御することができない。溶融は集光能力を低下させる歪みを生じさせる。熱変形法は、装置は簡単であるが、個々のマイクロレンズ構造の制御を制限する。
【００１７】
米国特許第５，３００，６２３号に記載された別の方法は、硬化可能な液体のための複数の容器を画成する機械的な型の作成を含む。液体は容器に注入され、自然に発生する表面張力が、マイクロレンズの作用をする湾曲面を作り出す。多数の容器を備えた型がアレイ構造を画成する。マイクロレンズユニットの形状管理におけるこの方法には限界があるため、それの効率を一般の用途に対して理想的にすることは不可能である。ダイアモンド加工のような個々のマイクロレンズを直接罫書くことによる別の機械的方法は、アレイよりもむしろ個々のマイクロレンズの作成に適している。
【００１８】
米国特許第５，８６７，３２１号に記載されているような、勾配屈折率を有するアレイを提供するイオン拡散法は、隣接する２個のマイクロレンズ間の領域が、一般にマイクロレンズの反復間隔の２０％を占めるために、１００％のフィルファクタを提供することは不可能である。勾配屈折率を有するアレイは、本来的にゆっくりとした拡散工程のために、多量生産には厳しい限界がある。
【００１９】
フォトレジストに対し直接レーザー書込みを用いてマイクロレンズアレイを作成する方法が当業者には知られている。共同で譲渡されたＧａｌｅ外の国際特許出願公開第９９／６４９２９号、米国特許第４，４６４，０３０号およびペンシルヴェニア州ブリストル所在の Ｔａｙｌｏｒ ＆ Ｆｒａｎｃｉｓ 社から１９９７年に出版された　Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓの５３頁〜１５２頁「素子、システム、および用途」著者 Ｈａｎｓ Ｐ．Ｈｅｒｚｉｇを参照されたい。このような方法において選択されるフォトレジストは、ネガ型に比べて適用範囲が広いポジ型のフォトレジストであり、このポジ型フォトレジストは、フォトレジスト製造者によって、より集中的に研究され開発されてきており、より高い解像度を有する。しかしながら、下記に詳述するように、本発明以前では、ポジ型フォトレジストを用いて、高いフィルファクタにおいて高い集光効率を有する凸レンズのアレイを作成することは不可能であった。
【００２０】
本発明は、高いフィルファクタを有する正確なマイクロレンズを作成することを通じて、高い集光効率を備えたマイクロレンズアレイを作成する方法を提供することによって、従来技術に伴う困難を克服したものである。アレイは、正方形、六角形、または不定形のような任意の態様で構成することができる。さらに、この方法は、任意の形状のマイクロレンズのみでなく、異なる方向に対して異なる集光度を有するマイクロレンズ（アナモフィックレンズ）を作成することができる。
【００２１】
４．発明の概要
上述の点に鑑み、本発明の目的は、下記のうちのいくつか、好ましくは全部を含む。すなわち、
（１）高い集光効率を有する凸マイクロレンズのアレイを生成させるための作成方法の提供。
（２）７５％を超える集光効率、好ましくは８５％を超える集光効率、最も好ましくは９５％を超える集光効率を備えた凸マイクロレンズおよび／または凹マイクロレンズのアレイの提供。
（３）凸マイクロレンズのアレイを正確に作成するための方法の提供。
（４）基板の利用可能な領域の全てを入射光の集光に、またはより一般的に散乱に使用できるように、９０％を超える、好ましくは９５％を超える、最も好ましくは略１００％のフィルファクタを備えた正確に作成された凸マイクロレンズおよび／または凹マイクロレンズのアレイの提供。
【００２２】
これらの目的に関連して、本発明の目的はまた、マイクロレンズのアレイが、アレイ内部でランダムに変動し得る任意の形状（サグ関数）を有することを可能にすることにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、ポジ型フォトレジストを用いて凸マイクロレンズのアレイを高いフィルファクタにおいて生成させるための改良された方法を提供することにある。
【００２４】
上述およびその他の目的を達成するために、本発明は、直接レーザー書込みを用いて、所望とする凸マイクロレンズのアレイの陰画（相補体）である表面構造を有する最初の原版（最初の型）をポジ型フォトレジスト中に生成させる作成方法を提供するものである。すなわち、最初の原版は凸でなく凹の表面構造を有する。この方法により、下記に詳述するように、有限サイズのレーザービームと、凸マイクロレンズの所望とするプロファイルをもってこのビームのたたみこみ積分を行なうこととに起因する問題が克服される。これらの問題を克服することによって、高い集光効率を有する凸マイクロレンズアレイが得られる。
【００２５】
一般に、マイクロレンズのアレイに関する高い集光効率は、二つの要素に依存する。すなわち、（１）高いフィルファクタ、および（２）所望とするレンズプロファイルの正確な再現である。双方の要素が必要であり、一方の要素だけでは不十分である。
【００２６】
したがって、レジストスフィルムのすべての部分を変化させる処理によって高いフィルファクタが得られるが、もし上記変化が所望とするレンズプロファイルに対応していなければ、レジストスフィルムが不正確なプロファイルを有していた部分は入射光を正しく集光させないために、アレイの集光効率は依然として低い。一方、個々のマイクロレンズが互いに遠く離れている場合は、所望とするレンズプロファイルが正確に再現されても、この場合はマイクロレンズ間の空間を光が通過する結果として、低い集光効率しか得られない。
【００２７】
本発明によれば、ポジ型レジスト中に最初に凸レンズを書き込んだ凹形式を用いることによって、双方の要素が提供されることが判明した。このようにすれば、所望とするレンズプロファイルを高いフィルファクタにおいて形成することを通じて高い集光効率が得られる。
【００２８】
好ましい実施の形態によれば、本発明は、一般にガラスで作成される基板を用いて最初の媒体を支持して、最初の原版（最初の型）を生成させることによって実行され、上記最初の原版は、後に所望とするマイクロレンズアレイを費用効率よく正確に複製するのに用いられる。より詳細に述べると、上記基板上に、感光性のポジ型レジストフィルムが、最終的なマイクロレンズアレイについて所望とする厚さに一致する適当な厚さに沈積される。ポジ型レジストは、露光されたときに平滑に変化する表面レリーフプロファイルが形成されるように低コントラストのものが好ましい。
【００２９】
基板上に堆積された後、上記ポジ型レジストは、優れた特性プロファイルを有するレーザービームにさらされる。レジストフィルムの所定の領域は、予め決定されたサンプリング率でレーザービームで露光される。レーザービームの強度を変えることによって、アレイ内の各マイクロレンズに対し相補性を有する形状がレジスト中にエンコードされる。特に、レーザー露光は、感光性フィルムの物理的および化学的特性を変えることによって、感光性フィルム中に潜像を生成させる。
【００３０】
次に、フィルムが現像されて、表面レリーフ構造が生成される。ポジ型のレジストフィルムについては、露光された領域が現像により除去され、露光されなかった領域が残る。
【００３１】
最初の原版のための表面レリーフ構造とフォトレジストタイプとの組合せは、本発明の重要な面であり、何故ならば、上記組合せによってのみ、高いフィルファクタと有限のレーザービームのたたみこみ積分作用を最少にすることを通じて高い集光効率が得られるからである。
【００３２】
従来技術においては、レーザービームの露光によって凸の表面レリーフ構造が生成されようと、はたまた凹の表面レリーフ構造が生成されようと、有限のレーザービームのたたみこみ積分作用は本質的に同一であると一般に信じられてきた。本発明によれば、この考えは真実でなく、事実凸マイクロレンズアレイのための最初の原版を凹の表面レリーフ構造として作成することによって、高いフィルファクタ（例えば本質的に１００％に等しいフィルファクタ）と高い集光効率（例えば少なくとも７５％を超える集光効率）が得られることが判明した。上記組合せにより、いかにしてたたみこみ積分の問題が処理されたかの詳細な論議は後述する。
【００３３】
レジストフィルムは通常大量の複製を作成するのに適していないので、大量の複製に使用可能な型を作成するためには、一般に中間複製工程が必要になる。例えば、凹の表面レリーフ構造は、凸形式の中間原版（中間型）を準備するのに用いることができる。次に中間原版は再度複製されて、今度は凹形式の最終原版（最終型）を提供することができる。これで最終原版を用いた大量複製が可能になり、これによって、最終アレイが凸形式になって、高いフィルファクタおよび高い集光効率を提供する。
【００３４】
このアレイは、正方形または六角形のような規則的、周期的な配置に限定される必要はなく、設計の要求に応じて一般的な任意の形式を想定してよい。さらに、すべてのレンズの形状が同じである必要もなく、実際に、アレイ中のレンズ毎に異なっていてもよい。例えば、本発明の手法は、前述の「光の管理された拡散のための構築されたスクリーン」と題して共同で譲渡された米国特許出願に記載された形状および分布の作成に用いることができる。
【００３５】
本発明における重要な事実は、ポジ型フィルム中に形成された凹の表面レリーフ構造の凹面の最上点が、隣接する素子のいずれに対してもなるべく整列し、あるいは変動が少ないということである。もしこの指針が満足されない場合には、正確なプロファイルはアレイの一部分にのみ生成されることになり、そのアレイのフィルファクタおよび集光効率の双方を低下させる。
【００３６】
５．発明の詳細な説明
図面を参照すると、図２は一般にガラスからなる基板２２上に堆積された低コントラストの感光性レジストフィルム２１を示す。このフィルムの厚さは、レンズアレイによって画成される全体の深さ寸法に等しいかそれよりも大きくされるべきである。アレイ全体の厚さによっては、レジストに硬化のような前処理を施す必要があるかも知れない。
【００３７】
レジストに最初の処理を施した後、レーザービームをレジストフィルムに集光させ、かつ図３に示すように、レジストの全表面が露光されるようにレーザービームをレジストの表面に沿って走査する。レーザービームの強度は、所望の凸マイクロレンズの負の潜像がレジスト材料の化学的転移の形式でレジスト内に刷り込まれるように刻々変化する。表面レリーフ構造を得るために、化学的に変質されたレジストに対し、例えば標準的なアルカリ現像液のような溶液にさらすことからなる現像処理を或る時間の間施して、アレイ全体の厚さを変化させる。より深いアレイはより長い現像時間が必要である。ポジ型のレジストに関しては、露光された領域が現像処理により除去され、露光されない領域が残る。
【００３８】
ここに記載された本発明に方法によれば、アレイ内の各マイクロレンズは、ポジ型レジスト中で凹形式で生成される必要がある。この方法のみが、マイクロレンズが凸形式で作成されたときに観察される丸まり作用を著しく低減することができる。この丸まり作用は、製造工程自体において望ましくない形状を表面レリーフ構造に導入するからである。
【００３９】
所望の表面レリーフ構造およびレーザービームによる書込みを数学的に表すとすれば、レジストフィルムの露光によって得られる表面レリーフ構造は、レーザービーム関数とともに所望の表面関数の「たたみこみ積分」（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ）として一般に表される。たたみこみ積分の演算は下式によって数学的に表すことができる。
【００４０】
【数１】
2004505307.tif 000003
ここで、ｆは所望の表面レリーフを表す数学的関数を表し、ｇは書込み用レーザービームの数学的表現形式を表し、Ｓは製造された表面領域を表し、（ｘ，ｙ）は感光性フィルムの表面上の点を示し、Ｆは最終的な表面形状を表す。
【００４１】
フィルムの応答特性がレーザーの露光強度に直接的に比例し、かつ数本のビームの重ね合わせが単純な加算作用を有するという意味で、（１）式の正当性は、レーザービームと感光性フィルムとの交互作用が線形であるとの仮定に依存している。うまく近似させれば、上記仮定は正しく、凸形状に作成された表面レリーフ構造、すなわち図４Ａおよび図４Ｂに示されているようにレジスト表面から突出する構造において観察することができる。
【００４２】
予想されるたたみこみ積分の作用が凸面構造で容易に観察されるという事実から、凹面形状に関しても同様の事態が生じる筈であるとの総体的な確信が導かれた。事実、（１）式を用いた場合、凹面形状を得るためには、単純に−１を乗算しかつ定数を加算する必要があり、最終的な形状は、凸面形状についても凹面形状についても、符号が異なることを除き、同じであるように見えることに注目されたい。
【００４３】
しかしながら、レーザービームと感光性フィルムとの間の相互作用は線形ではなく、したがって、たたみこみ積分の関係は、作成工程を近似的に描いているに過ぎない。実際に、本発明によれば、レーザー書込み工程は、ダイアモンド工具のようなハードの機械的工具を用いることによってデバイスを製作することに似ていることを発見した。
【００４４】
このような製作作成においても、たたみこみ積分作用はなおも存在するが、潜像形成は実在せず、かつ重ね合わせ効果も生じないから、レーザービームについて観察されたものとは性質が異なる。罫書かれるべき表面に機械的工具を接触させると、表面レリーフが生じる。しかしながら、凸面構造の機械的形成と、凹面構造の機械的形成とでは、本質的に非対称である。工具は有限のサイズを有するので、隣接する二つの構造の間の狭い領域に侵入させることは不可能であるが、二つの凹面構造の間に鋭い接点を生成させることは困難ではない。このことは図５Ａおよび図５Ｂに示されている。
【００４５】
本発明によれば、レーザー書込み工程は、凸面形状と凹面形状とを考慮したとき、類似の原理によって動作し、類似の非対称性を示すことを見出だした。この驚くべき結果は、密なパッキング状態に整列したアレイの開口の一部分のみが正確なプロファイルを保証できる従来の方法とは反対に、密なパッキング状態の凸マイクロレンズの作成を可能にした。
【００４６】
重要なのは、凹の表面レリーフ構造の作成にレーザー書込みが用いられた場合、凹面構造のための機械的罫書き工具の利点が得られるのみでなく、このような機械的罫書き法に勝るすばらしい能力をも提供することである。例えば、レーザー書込み工程で作られるマイクロレンズのサイズおよび形状に関して事実上制限がないことである。また、機械的工具のサイズ自体が、隣接するマイクロレンズ間の境界領域の範囲を決定してしまう。レーザー書込みによれば、この領域を任意に狭くすることができる。
【００４７】
凹の表面レリーフ形状をその頂点から隣接凹部の境界におけるエッジまで保存する能力により、高い集光効率を有する凸面マイクロレンズのアレイの作成が可能になった。最終的な凸マイクロレンズが密なパッキング状態に配列されることを可能にするのでそれが可能になったのである。これとは反対に、もしアレイが直接凸面形状に作られるとするならば、機械的工具、レーザー工具または他の処理の関係なく、隣接する２個のマイクロレンズの境界は集光には役にたたず、アレイの集光効率は低下するであろう。
【００４８】
機械的工具によってであれ、レーザー工具によってであれ、アレイを凸形式で作成することの欠点が図６に示されている。この図において、所望とするマイクロレンズ形状が、パラメータＡで表される集光に役立つ領域を備えた曲線６１で表されている。しかしながら、製作すると、実際のマイクロレンズ形状は、パラメータＢで表される集光に役立つ領域を備えた６２で表される曲線に変わってしまう。マイクロレンズ間の境界において観察される丸まり現象は、入射光をマイクロレンズの焦点以外の位置にそらしてしまう。したがって、領域Ｂのみが集光に役立つことになる。このようにして、推定されるマイクロレンズの集光効率ηは下式で表すことができる。
【００４９】
【数２】
2004505307.tif 000004
従来の方法をもってしては、Ｂは常にＡよりも小さいから、集光効率は１００％よりも小さくなる。本発明の方法によれば、最初の表面レリーフ構造が凹形式で書き込まれるので、最終的なマイクロレンズアレイに、シャープなレンズ間境界が生成される。凹面原版が複製された場合であっても、ＢがＡに略等しい凸面アレイが得られる。したがって、集光効率は略１００％になる。
【００５０】
実験によれば、特に、光が広角で集光される開口数の大きい凸マイクロレンズ（ファストレンズ）の場合に、上記分析が確認された。図７Ａは、凸モードで作成された直径が５０μｍに等しいマイクロレンズのアレイの場合を示す。マイクロレンズ間の境界は明瞭に丸められ、有効に集光に用いることができない。アレイ中の各マイクロレンズの推定される集光効率は５０％である。
【００５１】
一方、同じアレイが凹形式で作成された場合、図７Ｂに示されるように、遥かに良い結果が得られる。境界が保存されていることに注目されたい。このアレイの集光効率は１００％と推定される。さらに凹の表面レリーフ構造は、集光効率を損なうことなしに密なパッキング状態にすることができる。凸面アレイの直接書込みでは、集光効率の損失を伴うことなしにこのように密なパッキング状態にすることが不可能である。
【００５２】
本発明の方法の別の重要な部分として、ポジ型レジスト内に形成された凹の表面レリーフ構造の凹面が、図８に示されているように、レジストの表面上に整列した先端を備えることがある。透過効率の低下を招くかも知れない過度の丸まりを避けるために、最終的なマイクロレンズ所望の配列からの変動は少なくしなければならない。隣接する凹面が、「光の管理された拡散のための構築されたスクリーン」と題して共同で譲渡された前述の特許出願の「ピストン」のような相対的垂直オフセットが存在すると、機械的罫書きとレーザー書込みとの相似性が失われる。或る種の形式のスクリーンに適用するときには、集光効率の低下は許容される。それ例外の場合には、集光効率の低下は許容できない。
【００５３】
図９に示されているように、凹の表面レリーフ構造の凹面の最上点を整列させる要求は、個々のマイクロレンズの集光特性が極めてランダムであるアレイの要求と完全に両立する。この場合、最上点を除き、凹面の頂点は整列していない。同様の原理が二次元アレイに適用される。
【００５４】
現像後、レーザー露光で得られた表面レリーフ構造は、複製に使用できる最初の型を提供する。もし感光性フィルムを構成する材料が複製に適している場合には、上記原版の複製を凸形式で直ちに作成することができる。もし凹面の複製が必要な場合には、中間複製工程が必要になり、これにより、凸の工具が形成され、この工具により直ちに凹アレイが作成される。一般に感光性フィルムは多くの複製を作るのに適していないので、実際には、型は例えばもっと強い合成樹脂で作られるのが好ましい。
【００５５】
代表的な複製工程が，図１０Ａから図１０Ｃに示された順序で説明されている。
【００５６】
図１０Ａは、最上点が整列している最初の凹形式の表面レリーフ構造１０１を示す。基板、例えばガラス基板は参照数字１０２で区別されている。図１０Ｂは、合成樹脂１０４が堆積された別の基板１０３を示す。この樹脂は、中間複製工具として使用するのにフォトレジストよりも適している。図１０Ｃは、図１０Ｂの中間複製工具の複製の結果、所望の凸のマイクロレンズアレイ１０５が生成したことおを示す。
【００５７】
ポジ型レジスト中に凹形式で形成された最初の表面レリーフ構造を再び使用して、高い集光効率、高いフィルファクタを有する凹マイクロレンズアレイを作成するのに、図１０に示されたのと類似の順序を用いることできる。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について記述および図示したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに変形、変更が可能なことは当業者であれば明らかであろう。請求の範囲は、上述の実施の形態のみでなく、そのような変形、変更および等価のものをもカバーすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】フィルファクタが１００％より小さいレンズアレイの上面図
【図２】表面上に感光性フィルムを堆積されたガラス基板を示す図
【図３】感光性フィルム上をレーザービームで走査して明確な化学的特性を有する領域（潜像）を作成することを示す図
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは凸面構造の作成におけるたたみこみ積分の作用を示す図
【図５Ａ】凸面アレイに対するハードの製作工具の相互作用を示す図
【図５Ｂ】凹面アレイに対するハードの製作工具の相互作用を示す図
【図６】凸形式に作成されたアレイのマイクロレンズユニットの集光効率を推定する手法を示す図
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ凸形式および凹形式に作成された同一のマイクロレンズプロファイルの実験的プロットを示す図
【図８】キャビティの境界エッジがフォトレジストの最上面に整列するようにポジ型フォトレジスト中に形成された凹キャビティを備えた表面レリーフ構造を示す図
【図９】キャビティの境界エッジがフォトレジストの最上面に整列するようにポジ型フォトレジスト中に形成された凹キャビティを備えた表面レリーフ構造を示す図
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｃは、最終的な凸マイクロレンズアレイを得るための凹キャビティを備えた最初の型の複製法を示す図
【図１】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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