(57)【要約】【課題】マイクロアレーレンズなどで代表される一つの面上に多数の微細なレンズ形状が配された微細光学非球面レンズを、短時間で能率よく作成することができる方法を提供する。【解決手段】微細な光学非球面レンズを作成するにあたり、立体レンズ形状にしたマスクを被加工材上に複数個配置し、この状態でエッチングを行うことによりマスク自体を徐々に削って一次レンズ形状品を作り、次いで各レンズ形状部に対してビーム加工法により修正・仕上げ加工を行う。【選択図】図２
2007003921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な光学非球面レンズを作成するにあたり、立体レンズ形状にしたマスクを被加工材上に複数個配置し、この状態でエッチングを行うことによりマスク自体を徐々に削って一次レンズ形状品を作り、次いで各レンズ形状部に対してビーム加工法により加工を行うことを特徴とする微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項２】
前記レンズ形状のマスクは、金属の平面マスクを溶融させ，表面張力によりその表面をレンズ形状に成形し，冷却・固化させることで作成されたものである請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項３】
前記レンズ形状のマスクは、マイクロレンズアレー等を転写して反転型を作成し，その型にマスク用金属を充填してレンズ形状の金属体を作り，被加工材に金属体部分のみを貼り付けたものである請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項４】
前記レンズ形状のマスクは、光造形樹脂を多点光造形装置により多点で造形されたレンズ形状の光造形品である請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項５】
一次レンズ形状品に対するビーム加工を次の方法で行う請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
１）ビーム照射装置本体と、照射ビーム近傍に２個所以上に配された２次電子検出器を用い、
２）照射ビームによる加工の途中に、加工点から放出される２次電子または２次イオンを前記２カ所以上の２次電子検出器で同時に取り込むことにより加工面の３次元形状の情報を計測し，前記加工面の形状計測情報から各加工座標におけるビームの加工加速度を計測し、これから残された加工距離に対する加工時間を算出して所望の深さ方向位置までビーム加工する。
【請求項６】
一次レンズ形状品にビーム加工を行うに当たり、加工すべきレンズ形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項７】
一次レンズ形状品にビーム加工を行うにあたり、加工すべきレンズ形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【請求項８】
ビーム加工がＦＩＢ加工である請求項１、５〜７のいずれかに記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロレンズアレーなど微細な寸法の光学非球面レンズ群を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細な寸法の光学部品、たとえば、光を利用して微小な記録を行い、記録されたデータを読み出すためのＤＶＤなどの高密度化対応マイクロ凸レンズアレーや個々的なレンズを工業的に製作する要望が高まっている。
従来、微細形状を製作する方法としては、微細に絞ったイオンビームを用いて試料をスパッタリング加工する集束イオンビーム加工方法が知られている。しかし、この方法ではブロック状あるいは板状の試料から一つ一つレンズ形状を除去加工することになるため、多数個の加工には多大な時間がかかり、製作コストが高くなるという問題があった。また、実際上は３次元形状とならず、せいぜい２．５次元の加工を行えるにとどまり、さらに、エッチングマスクの形状が平面(平板)で、かかる平面マスクによる加工となるため、エッチングされたものは２．５次元となる問題があった。
【特許文献１】特開平６-３４９７８２号公報
【特許文献２】特開２００２−２２６２９０号公報
【特許文献３】特開２００３-６８７２０号公報
【特許文献４】特開２００２-７５９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、一つの面上に凸曲面や凹曲面の多数の微細なレンズが配列した光学非球面レンズ製品を、短時間で能率よく作成できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため本発明は、微細な光学非球面レンズを作成するにあたり、立体レンズ形状にしたマスクを被加工材上に複数個配置し、この状態でエッチングを行うことによりマスク自体を徐々に削って一次レンズ形状品を作り、次いでレンズ形状部に対してビーム加工を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によるときには、エッチングを行う前にマスクの形状を平板状でなく立体レンズ形状としておき，これに対してイオンエッチングを行うことにより，マスクと被加工材のエッチングレート（被加工材とマスクの除去される比率）が異なる事を利用して，被加工材に多数個の立体化したレンズ形状を作成するので、次のビーム加工での加工時間を短縮することが可能となり、精度のよい微細な光学非球面レンズの製造コスト低減を図ることができる。このため、たとえば、ＤＶＤ用などの高密度化対応結晶質系マイクロ凸レンズアレーやレンズを簡単に低コストで製作することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
前記レンズ形状のマスクは、次のいずれかが適当である。
１）金属の平面マスクを溶融させ，表面張力によりその表面をレンズ形状に成形し，冷却・固化させることで作成されたもの。
２）マイクロレンズアレー等を転写して反転型を作成し，その型にマスク用金属を充填してレンズ形状の金属体を作り，被加工材に金属体部分のみを貼り付けたものである。
３）光造形樹脂を多点光造形装置により多点で造形されたレンズ形状の光造形品である。
これらによれば、微細な光学非球面レンズの作成に適した立体レンズ形状のマスクを簡単に製作することができる。
【０００７】
一次レンズ形状品に対するビーム加工法としては、たとえば次の態様が挙げられる。
第１の態様：
ビーム照射装置本体と、照射ビーム近傍に２個所以上に配された２次電子検出器を用い、照射ビームによる加工の途中に、加工点から放出される２次電子または２次イオンを前記２カ所以上の２次電子検出器で同時に取り込むことにより加工面の３次元形状の情報を計測し，前記加工面の形状計測情報から各加工座標におけるビームの加工加速度を計測し、これから残された加工距離に対する加工時間を算出して所望の深さ方向位置までビーム加工する。
第２の態様：
一次レンズ形状品にビーム加工を行うにあたり、加工すべきレンズ形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する。
第３の態様：
一次レンズ形状品にビーム加工を行うにあたり、加工すべきレンズ形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する請求項１に記載の微細光学非球面レンズの製造法。
【実施例１】
【０００８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明すると、図１ないし図３は、一次レンズ形状品を得る工程を示している。
図１において、３は被加工材であり、溶融軟化材料であるガラスなどの非晶質のものは金型で転写加工を行えるので、通常は結晶質、たとえば単結晶ダイヤモンド，単結晶ルビー，単結晶シリコン、単結晶サファイアなどである。材料形態はブロック、板、シート、膜など任意であり、平面的な大きさも任意であるが、通常は直径１５ｃｍ以下である。
本発明は、この工程において、前記被加工材３におけるレンズ加工予定箇所に立体レンズ形状にしたマスクＭを配設する。この例では凸レンズであるため、所要の曲率を有する表面ｍ1と平らな底面ｍ２を有しており、平らな底面ｍ２が被加工材３の加工予定面に位置固定されている。
【０００９】
前記立体レンズ形状マスクＭは、材質的にアルミニウムやその合金で代表される金属が好適であるが、光造形樹脂類も使用できる。かかる立体レンズ形状マスクＭの製作法は任意であるが、幾つかの例を挙げると下記のとおりである。
第１の方法：金属平面マスクを加熱処理で溶融させ，金属の持つ表面張力を利用してその表面をレンズ形状に成形し，冷却・固化させることでレンズ形状の金属マスクを作成する方法。
詳述すると、被加工材３たとえばダイヤモンドの表面に金属たとえばアルミニウムを蒸着，スパッタリング，張り合わせなどの方法で所定の一定厚さになるように付け，その後、フォトリソグラフィーなど（フォトリソ膜の塗布，描画，エッチング行程の説明は省略）により、図５(ａ)のように、円形状マスクＭ´を被加工材３に点在するように作成する。
【００１０】
その後，被加工材３および円形状マスクＭ´を真空状態で加熱し，各マスク構成金属を同時に溶融させる。マスク構成金属（この例ではアルミニウム）は溶融すると同時に表面張力により中心部を凸とするレンズ形状となる。これが図５(ｂ)の状態である。
被加工材がダイヤモンドの場合に酸素プラズマエッチングが多く採用されている点からアルミニウムをマスク材として用いることは、高いエッチングレートが得られる利点がある。また、アルミニウム薄膜をコーティングし、あるいはフォトリソグラフィーなどで微細加工することは容易であり、その後、溶融して表面張力を利用してレンズ形状にすることも簡単に実施できる。
【００１１】
溶融金属の接触角θはダイヤモンドと溶融アルミニウムの界面の性質により決定されるが，ダイヤモンド表面をプラズマ処理することにより、図５(ｃ)のように材料表面の接触角θを大きくしたり、小さくしたりすることができる。
また、接触角の制御はプラズマ発生用のガスを変えることで対応でき、また混合ガスを使用することでガスの流量比を変えることによっても接触角を広い範囲で変化することが可能である。
【００１２】
ただ、実際のマスクの厚さは，エッチングレートに夜が、エッチングレートを１０とすれば，所望のレンズ厚さの十分の一程度でよい。すなわち、マスクの厚さの計算方法は，最大として半球状のマスクを製作する場合，その体積は２πｒ3／３となる（球の体積の半分）。この体積を作製するための円柱の高さを計算すると，２r／３となるが、前述したようにマスクの厚さはエッチングレートにより代わるものの１０分の１程度でよいため，マスクの厚さは所望のレンズ厚さをrとすれば、２r／３０程度と小さい。したがって前記接触角θはさほど大きくする必要はなく、０．１〜９度で足りるため、製作は容易である。
【００１３】
第２の方法：転写によりレンズ形状金属マスクを作製する方法。
その工程を説明すると、図６(ａ)のように既存のマイクロレンズアレーＭＬ（樹脂，ガラスなど材質は問わない）をモデルとし、電鋳転写法などで図６(ｂ)のようにレンズ形状を反転した金型１２を製作し，図６(ｃ)のように離型し、この金型１２に対して，図６(ｄ)のように、キャビティー部分１２０にアルミニウムなどのマスク用金属ｍｔを蒸着，スパッタリング，鋳造など任意の手法で充填し，図６(e)(ｆ)のように、ダイヤモンド等の被加工材３の表面に移し替えるのである。
このマスク作製法は、マスクの形状を所望の形状に転写加工で得ることができるので、エッチング後の被加工材のレンズ形状部の形状精度を高くすることができ、修正・仕上げのためのビーム加工を軽減できる利点がある。
【００１４】
第３の方法：光硬化性樹脂やフォトレジスト膜のなどの光造形樹脂を多点光造形装置により多点で造形したレンズ形状の光造形品を用いる。すなわち、光硬化性樹脂やフォトレジスト膜の樹脂を用い，この樹脂の形状を立体レンズ形状に加工し，マスクとして利用する。
詳述すると、この方法としては、光硬化性樹脂をインクジェット方式で多点に散布し，散布された光造形樹脂は表面張力によりレンズ形状になるので、その後，この樹脂に光りを照射させ，レンズ形状が固化したレンズ形状マスクを得る態様が挙げられる。
【００１５】
また，光造形でレンズ形状マスクを作製することも可能である．ただし，一般の光造形装置ではレーザー光のスポット径の寸法が大きい（約１００ミクロンメートル程度）ため，積層造形で直径がスポット径以下の小さなレンズ形状を造形することは不可能となるので、スポット径の小さな薄膜光造形装置を使用し、マイクロサイズのレンズ形状体の光造形マスクを作製する．これら光造形品では積層ピッチがあるため，その表面は段差が生じるが，このマスクを用いてエッチング加工したものは荒加工であり，その後にイオンビーム加工を行い精度の高いレンズに仕上げ加工するため，段差の影響は問題とならない．
ただし，光造形およびフォトリソグラフィーの樹脂の薄膜では酸素プラズマエッチング時にすぐにダメージを受け消滅してしまうので、ドライエッチングにおいて，主エッチング種として酸素ラジカルを用いない方法を採用すれればよい。こうすれば、レジストマスクをエッチングマスクとしてダイヤモンドのドライエッチングに使用できる。
【００１６】
レンズ形状マスクの作製方法は，先に述べたインクジェット方式およびディスペンサー方式（針の先に光硬化性樹脂を１滴ずつ所望の場所に滴下する方式）のほか、円柱形状のフォトレジスト膜を加熱溶融させて，樹脂の持つ表面張力を利用してレンズ形状に成形する方法、および光造形で積層してレンズ形状を造形する方法を選択できる。
【００１７】
本発明は、前記のように作製された立体レンズ形状マスクＭを被加工材３上に多点配置した状態で、図２（ａ）（ｂ）のように立体レンズ形状マスクＭとそれ以外の部分の露出した被加工材３をエッチング要素Ｅによりエッチングし、立体レンズ形状マスクＭが消滅するまでエッチングすることにより、図４のように、製作目的とするレンズの厚さに近似した高さ（厚さ）Ｈをもち、製作目的とするレンズの曲率に近似した曲面３００のレンズ形状部３０を有する一次レンズ形状品３´を作成する。
【００１８】
詳述すると、エッチングには、反応試薬によるウエットエッチング法と、ガスによるドライエッチング法つまり低真空のプラズマを利用したドライエッチング法があるが、好ましくは後者を用いる。それは、プラズマ中にて反応性ガス（ＣＦ４、ＣＣｌ４等）の活性種を被加工材料の表面に反応させて揮発性を有する反応生成物（ＣＦ４、ＣＣｌ４等のハロゲンガスを用いた場合にはハロゲン化合物）を生成させ、これを被加工材表面から脱離させることによりエッチングするため、加工精度、プラズマの方向性による等方性加工の実現、マスクと被加工材料の密着性等がすぐれているので推奨されるからである。
【００１９】
ドライエッチングが反応性イオンエッチングの場合、チャンバー内に図１の被加工材３を入れ、真空に減圧した状態で必要な反応ガスを導入する。チャンバー外側の電極に高周波電界をかけるとプラズマが発生し、活性化の高い反応種（ラジカル）が生成される。被加工材３がダイヤモンドの場合には、反応ガスとして酸素を使うと酸素ラジカルができ、エッチングができる。すなわち、ガスはプラズマ化され、プラズマ中では正・負のイオンや電子などの電荷粒子、中性活性種などがバラバラな状態で存在している。エッチング種が被加工材に吸着されると、表面で化学反応が起こり、生成物は表面から離脱して外部へ排気され、エッチングが進行するのである。
このようなエッチングは早い速度で一度に大面積の除去加工が行えるので、多数個の２.５次元形状の曲面状レンズ形状部３０を有する一次レンズ形状品３´を能率よく製作できる。
【００２０】
前記エッチングのメカニズムを説明すると、ダイヤモンドからなる被加工材に対し酸素プラズマエッチングを行う場合、マスクの材質にアルミニウムを用いることで加工中にアルミニウムがアルミナ等に変質し，酸素プラズマエッチングに対するエッチングレートが向上する。
この場合のマスクの形状が平坦である場合，ダイヤモンドとマスクのエッチングレートは最大２０程度となる。ダイヤモンドのエッチング速度は，ガスの条件にもよるが１マイクロメートル／時間程度である。これは、アルミニウムのマスク厚さ１マイクロメートルの場合であれば，ダイヤモンドを約２０マイクロメートルエッチングすることが可能となる事を示している。そして、マスクがエッチングにより完全に消滅した場合には，エッチングを継続しても相対的に被加工材全体が薄くなるものの被加工材に形状された形状は同一形状を保つ。本発明は、こうした特性を利用するのである。
【００２１】
本発明においては、マスクＭが平たい膜状ではなく、立体的なレンズ形状をなしている。これの一部をミクロ的に模試すると図３のごとくである。すなわち、図３（ａ）のようにマスクの厚さが１マイクロメートルで直径が１００マイクロメートルのマスクＭ１および直径が５０マイクロメートルのマスクＭ２の中心を合わせてダイヤモンド表面に重ねて配置しエッチングした場合に相当する。エッチングの進行により、図３(ｂ)のようにマスクＭ１がエッチングにより消滅し，マスクＭ１の下のマスクＭ２がマスクＭ１と同一形状でダイヤモンド上に残留する。
ダイヤモンドのマスクされていない部分はイオンエッチングにより一定厚さ除去され，マスクＭ２でおおわれた部分はエッチングされないで残留している．さらにイオンエッチングを継続することにより，図３(ｃ)のようにマスクＭ２の残留していたものがエッチング除去されるが，その間にマスクで覆われていない部分はエッチングにより除去が進む。エッチングレートにより形状は異なってくるものの，マスクの形状がダイヤモンドに転写され、また，この段を増やし，マスクの厚さを薄くすることでレンズ形状が作成され、立体レンズ形状マスクＭのマスクエッジ部はエッチングにより徐々に小さくなっていくものの，ダイヤモンドのエッチングも進行し，被加工材３はレンズ形状にエッチングされ、図４の一次レンズ形状品３´となるのである。
【００２２】
ただし，このエッチングで所期の形状精度で加工を行うことは，被加工材の結晶方位に起因する傾斜面に対する除去量の違いがあるため困難である。
そこで、本発明は、次の工程として、一次レンズ形状品３´を目的レンズ形状にビーム加工で修正して仕上げる。図７はこの仕上げ状態を模式的に示しており、点線で示すエッチングによる一次レンズ形状品３´の高さ(厚さ)、面粗度および曲率の全部あるいは一部を修正・仕上げ加工して、実線に示す仕上げ曲率３００Sを有する曲面状レンズ形状部３０Ｓを点在させたレンズ製品３Ｓを得るのである。図８(ａ)は製品全体を示し、図８(ｂ)のように個々の製品３Ｓたとえばマイクロ凸レンズとしたい場合には、図８（ａ）の点線で示す箇所で製品を切断すればよい。
【００２３】
このビーム加工法としては３つの態様があり、それらについて以下詳細に説明する。
〔ビーム加工第１方法〕
図９ないし図１２はこの方法を示しており、２個の電子検出器を使用して、エッチングにより作成された個々のレンズ形状部３０に対して３次元ビーム仕上げ加工を実施することが特徴であり、２個の電子検出器を使用することで、同時に検出器に到達する２次電子や２次イオンの速度の差分を算出することで加工深さを求めることができるため、精度を高めることができる。
【００２４】
図９と図１０は装置と方法の概要を示しており、１は真空チャンバーで、バルブ１１を介して真空ポンプ１０に接続されている。２は前記真空チャンバー１に配置されたビーム照射装置本体であり、集束イオンビーム装置または電子ビーム加工装置が用いられる。前記工程で得られた一次レンズ形状品３´は、ビーム照射装置本体２と対峙する関係位置にあるステージ４に配置される。
【００２５】
前記ビーム照射装置本体２は、鏡筒内に、図９（ｂ）のように、ガリウムイオン源２０と、集束レンズ２１と、ブランキング電極２２と、絞り２３と、８極収差補正電極２４と、対物レンズ２５と、走査偏向器２６を備え、先端から前記一次レンズ形状品３´のレンズ形状部３０にイオンビーム（または電子ビーム、以下ビームという）５が照射され、それにより除去加工が行われるようになっている。
【００２６】
ビーム照射装置本体２は、前記走査偏向器２６によってビーム５がＸ、Ｙの両座標で自由に移動され、一次レンズ形状品３´のレンズ形状部３０でのビーム５の走査で、目的とする曲面形状が加工されるようになっている。
ステージ４は、一次レンズ形状品３´を傾けてもビーム加工点５０を中心として傾斜され、また一次レンズ形状品３´の回転を行っても加工点が同じ位置を維持するようにするため、好適にはユーセントリック機構からなっている。
【００２７】
６、６´はビーム加工中に放出される２次電子（または２次イオン）を捕えて検出し、仕上げ加工面(加工された面)の深さを監視するための複数個の２次電子検出器である。
前記各２次電子検出器６，６´は、ビーム照射装置本体２のビーム照射位置すなわちレンズ形状部３０に対する加工点５０に常に検出面が臨むように、ビーム照射装置本体２の鏡筒２ａあるいは真空チャンバー１のフレームに固定されている。信号出力側は後述するコンピュータに接続されている。
【００２８】
２次電子検出器６，６´が２個である場合、通常相互に９０度変位した位置あるいは１８０度対称位置に配される。２次電子検出器６，６´でそれぞれの方向に発生した電子またはイオンの差を取ることにより、照射イオンまたは電子線に対する加工面の傾斜角が計算され、それを積分することにより形状測定が行なわれる。すなわち、原理的には、表面傾斜角θにおける２つの検出器Ｌ，Ｒからの２次イオン強度ないし２次電子強度をa、b、垂直照射における２次イオン強度ないし２次電子強度をそれぞれｌｎ、ｒｎとし、ｋを比例定数とすると、tanθ=k(Ｌ2−Ｒ2)／（Ｌｎ2＋Ｒｎ2）が成り立つことを利用するのである。
【００２９】
７はビーム照射装置本体２に付属するコントローラとしてのコンピュータであり、制御装置７ａとモニター７ｂを備え、制御装置７ａは、図１０のように、希望するレンズ形状データを作成するＣＡＤ機能部と、このＣＡＤデータをもとに加工データ、すなわち荒加工形状データ、仕上げ加工形状データおよびビーム軌跡を作成するＣＡＭ機能部を有する。
【００３０】
また、制御装置７ａは前記ＣＡＭ機能部で作成された加工データと前記２次検出器６，６´からの検出信号に基いて、実際のビーム照射装置本体２を駆動制御するために、形状測定機能部および加工速度算出機能部と、ビーム制御機能部およびワーク制御機能部を有している。これらはハードウエアおよび／またはソフトウエアの形式で構築されている。
【００３１】
形状測定機能部および加工速度算出機能部は前記２次検出器６，６´からの３次元レンズ形状情報の信号を受けて、ビーム座標、その座標でのビーム滞在時間、残存する加工距離に対する加工時間の算出などの各種計算を行う。
ビーム制御機能部は、加工データに基いてビーム照射装置本体２のＸ軸方向移動装置８とＹ軸方向移動装置９に信号を送ってビーム位置と滞在時間を制御するとともに、ビーム照射装置本体２のイオン銃または電子銃に信号を送ってビーム強度(加速電圧)の制御を行い、かつ形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号で前記ビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整する。滞在時間とビーム強度は加工深さに関係するパラメータであり、通常は、一連の加工途中でのビーム強度(加速電圧)は一定として行なう。
アンダーカット部は、加工データあるいは形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号に応じてステージ４に信号を送って一次レンズ形状品３´３の位置と傾斜角を制御するためのものである。
【００３２】
なお、図示するものは本発明の単なる例であり、これに限定されるものではない。
１）ビーム照射装置本体２のビーム５と一次加工品３は相対移動させることが必要であり、加工精度上、通常、ビーム照射装置本体２のビームをＸ，Ｙ軸方向に移動させるが、機械精度がよい場合などにおいては、一次加工品側（ステージ）をＸ，Ｙ軸方向あるいは更にＺ軸方向、チルト方向などに移動させるようにしてもよい。
２）２次検出器６，６´は２個に限らず、３個あるいは４個でもよい。
【００３３】
３）本発明はＣＡＤおよびＣＡＭとリンクし、加工用データを作成するが、それらは必ずしもビーム照射装置本体２に付属するコンピュータ７の内部で行なわれる場合に限定されず、図１０６の仮想線のように、別のコンピュータで作成し、ネット上または他の媒体を介してデータ（ＣＡＤデータ、ＣＡＤ変換データ、ＣＡＭデータ、点群データなど）の受け渡しを行ってもよい。
【００３４】
次に、ビーム加工工程を説明すると、基本的には、ビーム照射装置本体２によりビーム５を一次レンズ形状品３´の粗い形状精度であるレンズ形状部３０に照射しつつ、ビーム５をＸ、Ｙの両座標で走査させ、必要に応じてステージ４を動かして一次レンズ形状品３´の位置と傾斜角等を制御する。
【００３５】
このときには，加工ビーム５がレンズ形状部３０に照射されている時間を制御する。その原理は、レンズ形状部３０に対するある加工ビームの滞在時間をＴ１とし、次の加工ビームのそれをＴ2とし、Ｔ１に比べてＴ２が長い場合は，後者の加工ビームの除去量が多くなる。本発明は、この加工量の差を利用してレンズ形状部３０の曲面の修正加工を行う。 
【００３６】
加工面のビーム照射回数は，形状が比較的浅い加工であれば、１回の走査でよく，深い場合には、除去加工された「かす」が１度の加工では加工部位から除去されずに残る傾向が強いため、複数回に分けて加工する方が加工面に加工かすが残らず良好な面となる。走査は、ジグザグ状でもよいし、スパイラル状でもよい。後者はステージ４を動かして一次レンズ形状品３´を回転させることで実現できる。
【００３７】
本発明は、通常、図１１に示すプログラムによって遂行されるもので、ＣＡＤ／ＣＡＭにより作成されたデータにより、はじめは強度の強いビームによる荒加工を想定してＣＡＤ／ＣＡＭにより荒加工データを作成し，それに基いてビーム制御機能部により強いビームによる高速度の除去加工を行い，その後スポット径の小さな弱いが精度の良いビームに切り替え，加工面の微細な仕上げ加工を行う。さらに，ＣＡＤ／ＣＡＭとリンクさせることにより，設計変更に対応することが可能になる。
【００３８】
しかも、本発明は、ビーム照射装置本体２に２個以上の２次検出器６，６´を付属させており、ビーム加工と同時に加工中に放出される２次イオンあるいは２次電子を検出し、加工面の加工深さを監視するとともに、その検出結果に基いてビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整し、また、ステージ４に信号を送って一次レンズ形状品３´の位置と傾斜角を制御する。
【００３９】
詳述すると、ビーム加工においてビーム先端の座標を計測しながら加工を行うことができれば高精度な加工が実現する。このビーム加工位置を検出するためには，ビームを走査させて２個以上の２次電子検出器により形状データの差分から３次元形状データを算出しなければならないため，原理的に停止しているビーム加工位置を検出することはできない。
機械加工では工具の先端位置は機械を移動させない限り一定位置を保つが、ビーム５により除去加工を行う場合には、ビーム５を移動させなくともビーム５が照射される時間によって除去が進行する。さらにビームを平面に照射した場合と傾斜面に照射した場合では除去能率が異なる。これらが高精度に３次元形状に加工することが困難な要因であった。
【００４０】
そこで、本発明は、ビーム加工において，傾斜面を含む目的の形状を加工するために，加工途中において、加工に使用しているビームから放出される２次電子，２次イオンなどを複数個の検出器６，６´により面形状として計測し，その差分から各座標での深さを計測する。しかも、かかる面形状の計測を２回以上行い、これら２回の面形状計測により，傾斜面を含む各座標における加工加速度を求め，最終目的形状に加工するための各座標の加工エネルギー，すなわち各座標の滞在時間を予測して加工を行うのである。
【００４１】
詳細に説明すると、前記図７に示す３００Ｓを加工目標の形状とする。この形状はＣＡＤによる荒加工の目的の形状としてもよいし，荒加工を必要としない場合は最終的な形状としてもよい。
いま、破線で示す加工前の曲面形状から，加工ビームの滞在時間またはビーム強度を変化させて３００Ｓの形状まで深さを加工したとする。まず、この時点で加工面のビームスキャンを行い，位置に対する加工深さを計測するために、２次検出器６，６´により面全体の加工形状を計測する。この時には、形状計測ビームによる加工を避けるためビーム強度を弱めるとよい。
【００４２】
なお、さらに同じ加工条件（ビーム滞在時間および加工時間Ｔ）で加工を進めて加工する必要が生じた場合には、同様に２回加工後の状態での面全体の加工形状を計測する。
これら数回の除去加工による加工速度（ｖ１＝ｄＡ／ｄｔ）および（ｖ２＝ｄＤ／ｄｔ）の差に基づき、加工速度算出機能部で、各座標に対して，加工加速度｛（ｖ２−ｖ１）／ｄｔ｝を算出する。求めた加工加速度をもとに，残りの加工代に対する加工時間を予測し，ビーム制御機能部によりこの後のビーム滞在時間を変化させて目標の加工量となるように制御を行う。
【００４３】
特にビーム加工において、平坦部と傾斜部では，同じ強度のビームでも除去速度が異なり，傾斜部では除去量が多くなるため，傾斜部を含む除去加工において，形状を計測することが必須となる．
上記の加工が荒加工の場合には，仕上げ代分Δｔに対して，さらにビームの強度を弱くして，すなわちビーム５のスポット径を小さくして仕上げ加工を行う。ただし、このΔｔに対しても，ビームが変化したため，上述した２回以上の加工を行い，同様に各座標に対する加工加速度を算出して仕上げ加工を行う。
【００４４】
なお、２次検出器６，６´による計測時には、ビームによる除去加工が行われない程度までビーム強度を弱くしてスキャンを行なうことが好ましい。
加工された面を計測する回数は２回以上の加工として記述したが，これは、初期の曲面に対して１回の加工を行い，その差から加工加速度を予測することは可能であるが、精度が悪いと考えられるからである。したがって、本発明は、１回の加工を含めないわけではない。
【００４５】
以上のように、エッチングにより作成された一つの立体状レンズ形状部３０に対して照射ビームによる加工の途中で加工点から放出される２次電子または２次イオンを前記２カ所以上の２次電子検出器で同時に取り込むことにより加工面の３次元形状の情報を計測し，さらに前記加工面の形状計測情報から各加工座標におけるビームの加工加速度を計測し、これから残された加工距離に対する加工時間を算出して所望の深さ方向位置までビーム加工するので、平面的な柱状にエッチングした場合に比べてはるかに加工時間は短くなる。
【００４６】
以下、図１２のように各レンズ形状部３０に対して、前記手法により修正加工する。これで、図８（ａ）に示すような、平面上に所定の曲率３００Ｓを有する多数の精度のよい曲面状レンズ形状部３０Ｓを点在させたレンズ製品３Ｓが完成する。
なお、加工形状の観察はビーム加工装置そのもので行う場合に限らず、加工試料たる一次レンズ形状品３´を観察用の別の装置に移置して形状を測定し、その後、ビーム加工装置に試料を戻して追加工を行ってもよい。
【００４７】
〔ビーム加工第２方法〕
この第２方法は、エッチングにより作成された個々のレンズ形状部３０に対して１個の検出器を使用して３次元ビーム加工を行うことを特徴としている。
図１３ないし図１９はこの方法を示している。図１３(ａ)は装置の概要を示しており、基本的には加工第１方法の場合と同様であるが、ビーム加工中に放出される２次電子またはイオンを捕えて検出し、加工面(加工された面)の形状を画像として観察するために２次検出器６が一つだけ用いられ、ビーム照射装置本体２のビーム照射位置すなわち加工点５０に常に検出面が臨むように、ビーム照射装置本体２の鏡筒あるいは真空チャンバー１のフレームに固定されている。信号出力側は後述するコンピュータに接続されている。もちろん、２個以上の２次検出器を使用することを妨げない。
【００４８】
７はビーム照射装置本体２に付属するコントローラとしてのコンピュータであり、本体７ａとモニター７ｂを備えている。７´は外部のコントローラとしてのコンピュータであり、本体７ａは、図１４のように、加工を希望する３次元レンズ形状データを作成するＣＡＤ機能部７０と、このＣＡＤデータをもとにＣＬデータ（Ｃｕｔｔｅｒ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｄａｔａ）すなわち、ビーム移動軌跡とビーム移動速度さらには機械への指令を含んだデータを作成するＣＡＭ機能部７１を有する。
【００４９】
さらに、前記ＣＡＭ機能部７１で作成されたＣＬデータを点群データに変換する点群データ変換機能部７２を備えている。かかる点群データ変換機能部７２はハードウエアでもよいが、通常、ソフトウエアの形で構築され、ネット上または他の媒体を介して本体７ａとデータの受け渡しを行うようになっている。
【００５０】
前記本体７ａは、前記点群データ変換機能部７２で作成された点群データからなるレンズ形状加工データ情報を受け、これらによりビーム座標、その座標でのビーム滞在時間、残存する加工距離に対する加工時間の算出などの各種計算を行う。また、本体７ａは、ビーム制御機能部およびワーク制御機能部を有している。これらはハードウエアおよび／またはソフトウエアの形式で構築されている。
【００５１】
ビーム制御機能部は、加工データベースに基いてビーム照射装置本体２のＸ軸方向移動装置とＹ軸方向移動装置に信号を送ってビーム位置と滞在時間を制御するとともに、ビーム照射装置本体２のイオン銃に信号を送ってビーム強度(加速電圧)の制御を行い、かつ形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号で、前記ビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整する。滞在時間とビーム強度は加工深さに関係するパラメータであり、通常は、一連の加工途中でのビーム強度(加速電圧)は一定として行なう。
なお、ＣＡＤ機能部７０、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２は、外部コンピュータでなしに、ビーム照射装置本体２に付属するコンピュータ７の内部に設けられてもよい。
【００５２】
この方法による３次元形状加工過程を説明すると、図１５に示すプログラムのように、まず、マイクロレンズの形状に応じてＣＡＤ機能部７０で形状データを作成し、これに基づいてＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成する。そして、点群データ変換機能部７２により、ＣＬデータを多分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。
【００５３】
この点群データを本体７ａ´から本体７ａに送り、位置測定機能部および加工速度算出機能部とビーム制御機能部およびワーク制御機能部によって、ビーム照射装置本体２を駆動し、ビーム５を一次レンズ形状品３´のレンズ形状部３０に照射しつつ、ビーム５をＸ、Ｙの両座標で走査させるとともに、必要に応じてステージ４を動かして一次レンズ形状品３´の位置と傾斜角等を制御して、ビームを走査し、加工を行う。走査は、ジグザグ状でもよいし、スパイラル状でもよい。後者はステージ４を動かして一次レンズ形状品３´を回転させることで実現できる。
【００５４】
そして、ビーム加工と同時に加工データベースと比較が行なわれ、各座標でのビーム滞在時間を制御する。すなわち、座標ごとにビームが設定された加工時間に達したかどうかによって加工深さを推定する。設定された加工時間に達していないと判断されたときには、加工を継続して深く切削し、設定された加工時間に達していたと判断されたときには加工完了として、ビームを移動する。
また、トータルのビーム滞在時間で除去量が決定されるため、ビームは加工領域前面を何度かに分割してスキャンし、各点の総トータル滞在時間が同じになるようにしてもよい。こうした加工を図１３（ｂ）に示す各レンズ形状部３０に対して行うことにより、図８のような平面上に多数の精度のよい曲面状レンズ形状部３０Ｓを点在させたレンズ製品３Ｓとするのである。
【００５５】
本発明の特徴である集束イオンビーム加工のための加工データ作成工程を、マイクロレンズを作成する場合を例にとって説明すると、第1工程として、図１６のようにＣＡＤ機能部７０でライン1を画成する。次いで、第2工程として、図１７（ａ）のようにライン1を３６０度回転させ、椀状面を画成し、ＣＡＤデータを得る。
【００５６】
次いで、第３工程として、ＣＡＭ機能部７１において、図１８のようにＣＡＤデータからＣＬデータ１〜ＣＬデータｎを作成する。図１８（ａ）はＸＹ平面、（ｂ）はＸＺ平面である。ＣＬデータのデータ出力ピッチは、使用するビーム照射装置の最大分解能に対応させるか、それ以上とするもので、たとえば１０００分割とするが、メモリーによって増加は自在である。
【００５７】
次いで、ＣＬデータを点群データ変換機能部７２に送り、第４工程として、図１９（ａ）（ｂ）のように、各ＣＬデータを交差方向で多分割たとえば１０００分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。図１９（ａ）はＸＹ平面、図１９（ｂ）はＸＺ平面において１個のＣＬデータで見た場合を示している。これでたとえば１０００×１０００の点群データが得られる。
【００５８】
なお、図１５において、「加工条件」とは、ビーム滞在時間（基本的にはＺの高さ）、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチ（座標と座標の距離）及び被加工材の材質であり、これを決めて加工した製品のレンズ形状を後に測定することで加工速度などが決まるので、各材質に対して、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチごとに加工深さのデータを集め、蓄積することで「加工データベース」とする。
そこで、これから加工を行おうとする加工条件と「加工データベース」を比較することにより、目的の深さまでのビーム滞在時間を予測することができるのである。
【００５９】
本発明では、ＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成し、さらに、そのＣＬデータを点群データ変換機能部７２により多分割し、データが長さを持たない、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求め、それを加工データとするので、加工ピッチとビーム滞在時間の的確な制御のための「加工データベース」を作り出すことができる。
【００６０】
この第２方法においては、ビームによるレンズ形状加工にとってもっとも重要な加工用データを、簡単、迅速かつ正確に作成することができ、ビーム照射装置本体とリンクしたＣＡＤ／ＣＡＭと、３次元座標データ作成のため前記ＣＡＭで作成されたＣＬデータを点群データに変換する手段とを使用してビーム照射装置本体で加工を行うので、加工条件とデータベース上に蓄積されている加工データを比較することにより、同一の加工条件での加工時間すなわち総ビーム滞在時間を比較して見出すことができるので、検出器が１個であっても、比較的高精度にレンズ形状を加工することが可能である。
【００６１】
〔ビーム加工第３方法〕
この方法も、エッチングにより作成された個々の粗い形状精度であるレンズ形状部３０に対して少なくとも１個の検出器を使用して３次元ビーム加工を実施するが、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２を用いずに、より簡単にビーム加工データの作成を行うことが特徴である。
すなわち、この実施例では、図２０のように、ＣＡＤ機能部７０で作成された画像の表面にメッシュを張り、各メッシュの交点のＸＹＺ座標を求めて加工データとする。それ以降は第１実施例と同様である。
【００６２】
なお、ビームの位置制御するための各Ｘ，Ｙ座標に対するＺ座標のデータの出力方法は任意であるが、たとえば下記のような態様があげられる。
１）原点を始発点としＸ方向に（１，０），（２，０）順次出力し、終端（ｎ，０）でＹ方向に１ピッチ分（ｎ，１）増やして逆方向に（ｎ−１，１），（ｎ−２，１）と出力する。
２）終端で（０，１）に飛び同様にＸ方向に順次出力する。
３）原点からはじめにＹ方向に出力する。
【００６３】
４）Ｚ座標の値が０のデータは加工には使用しないため、０以外のＺ座標のデータを出力する。この方が、扱うデータ数が少なくなるため好ましい。
５）データの出力する順番はＸ方向またはＹ方法または等高線を作成する要領で座標値が小さいものから右回りまたは左周りにデータを出力する。
６）データを出力する順番を現在地の次が隣のデータではなく、１個とばしなど、連続したＸＹ座標のデータでなくしてもよい。
【００６４】
この第３加工法においては、高価なＣＡＭを使わずに、ＣＡＤデータからビーム加工用の３次元加工データを作成するので、加工用データの作成を、簡易、安価に行うことが可能になり、データベースとの加工条件の比較により各座標を所望の深さに加工することができるので、高価なＣＡＭも用いずに比較的高精度なレンズ形状加工を行える。
【００６５】
ビーム加工によるレンズ加工において、平面内に凸レンズ形状を多数個作成することは、目的以外の部分を除去する必要があり、この部分をＦＩＢで除去加工するには除去面積が大きく長時間を要する。
これに対して、本発明は、目的とする凸レンズ形状以外の場所の除去加工をビーム加工法以外の方法、特に立体レンズ形状にしたマスクを被加工材上に複数個配置し、この状態でエッチングを行うことによりマスク自体を徐々に削って一次レンズ形状品を作る手法により短時間で除去加工を行い、その後、各粗いレンズ形状部分にビーム加工法により修正・仕上げ加工を施すので、多数個の微細で高い精度のレンズ形状部を有する製品を、短時間で能率よく作成することができるのである。
微細なレンズ形状部は、たとえば、大きさ０．１〜４００ミクロン、厚さ３０ナノメートル以上であり、２ｍｍ角の被加工材に、大きさ５０ミクロンのものを１０００個程度作ることができる。
【００６６】
なお本発明は、修正・仕上げ加工がビーム加工に限定されない微細光学非球面レンズ製造のための被加工材予備成形法を内包している。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による微細光学非球面レンズ製造スタート時の被加工材の状態を示す平面図である。
【図２】(ａ)はエッチング加工開始時の状態、(ｂ)はエッチング途中の状態を示す断面図である。
【図３】(ａ)(ｂ)（ｃ）はエッチング時の局部の状態変化を模式的に示す説明図である。
【図４】（ａ）はエッチング工程で得られた一次レンズ形状品の状態を示す断面図、（ｂ）はその部分拡大図である。
【図５】(ａ)は本発明におけるマスクを作製する第１の方法における工程初段階を示す斜視図、(ｂ)はマスク完成状態の斜視図、（ｃ）はその拡大図である。
【図６】(ａ)〜（ｆ）は本発明におけるマスクを作製する第２の方法を段階的にを示す断面図である。
【図７】一次レンズ形状とこれを修正・仕上げする２次加工形状を示す断面図である。
【図８】（ａ）本発明により製作された微細レンズ製品の一例を示す斜視図、（ｂ）は単体レンズ製品を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は本発明の第２工程をビーム加工第１方法で行っている状態の説明図、（ｂ）はビーム照射装置の構造説明図である。
【図１０】ビーム加工第１方法の制御系統図である。
【図１１】ビーム加工第１方法の加工工程を示すチャート図である。
【図１２】ビーム加工第１方法の加工状態を示す斜視図である。
【図１３】（ａ）はビーム加工第２方法の概要を示す正面図、（ｂ）は加工状態を示す斜視図である。
【図１４】ビーム加工第２方法の制御系統図である。
【図１５】ビーム加工第２方法の加工工程を示すチャート図である。
【図１６】加工データ作成の第１工程を示す説明図である。
【図１７】（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第２工程を示す説明図である。
【図１８】（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第３工程を示す説明図である。
【図１９】（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第４工程を示す説明図である。
【図２０】ビーム加工第３方法の加工工程を例示するチャート図である。
【符号の説明】
【００６８】
３  被加工材
３´  一次レンズ形状品
３Ｓ  製品
Ｍ  立体レンズ形状マスク
Ｅ  エッチング要素
５  ビーム  
３０  レンズ形状部
３０Ｓ  曲面状レンズ形状部
【図１】
2007003921.tif 000003
【図２】
2007003921.tif 000004
【図３】
2007003921.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2007003921.tif 000016
【図１５】
2007003921.tif 000017
【図１６】
2007003921.tif 000018
【図１７】
2007003921.tif 000019
【図１８】
2007003921.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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