JP2002022906A

JP2002022906A - レンズアレイ製造方法

Info

Publication number: JP2002022906A
Application number: JP2000210238A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Morihiro Matsuda; 守弘松田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】複雑な調整する手間を省いて、レンズアレイ
基板に容易にレンズを形成する。【解決手段】レーザスタック１０は、レンズアレイ基
板２０にレーザビームを照射して露光を行う（Ａ）。こ
の結果、高分子膜２２に穴が形成される（Ｂ）。その
後、エッチングを行うと、高分子膜２２は除去され、穴
パターンが金属膜２１に転写される（Ｃ）。さらに、溶
解塩にレンズアレイ基板２０を浸し、金属膜２１の穴パ
ターンから現れているレンズアレイ基板２０を拡散する
（Ｄ）。そして、レンズアレイ基板２０から金属膜２１
を除去するとマイクロレンズ２３が形成される（Ｅ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズアレイ製造
方法に係り、例えば、レーザスタックから出射されたレ
ーザビームを平行化するレンズを形成するためのレンズ
アレイ製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レーザ
アレイは、一般に、レーザバーが高さ方向に積み上げら
れることで構成されるので、高さ方向の位置合わせが完
全ではない。そこで、レーザアレイが出射するレーザビ
ームを平行にするために、レンズアレイが用いられる。

【０００３】レンズアレイを精度よく形成する方法とし
て、例えば特開平１１−１２５７０２号公報でマイクロ
レンズアレイ形成方法が提案されている。このマイクロ
レンズアレイ形成方法は、図１２に示すように、半導体
レーザーアレイ１０９にマイクロレンズアレイ１１０を
取り付けた後に、波面測定器１１４でマイクロレンズア
レイ１１０の特性を観測しながら紫外線レーザ１１５で
加工することによりマイクロレンズアレイ１１０の特性
を微調整していた。また、波面を観測することを繰り返
して、光学軸や焦点を調整していた。

【０００４】しかし、このようなマイクロレンズアレイ
形成方法を実施するためには、大がかりな装置が必要に
なる。また、マイクロレンズアレイ１１０の１つ１つの
レンズを個別に調整する必要があることからその調整に
手間がかかってしまい、大量生産には向かないという問
題がある。

【０００５】本発明は、上述した問題点を解決するため
に提案されたものであり、複雑な調整をする手間を省い
て、レンズアレイ基板に容易にレンズを形成することが
できるレンズアレイ製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複数のレーザビームを出射するレーザスタックに対応す
るようにレンズアレイ基板にレンズを形成するレンズア
レイ製造方法において、前記レーザスタックとレンズア
レイ基板とを組み合わせて固定した状態で、前記レーザ
スタックから前記レンズアレイ基板に複数のレーザビー
ムを照射して露光し、前記レンズアレイ基板上のレーザ
ビームが照射された位置にパターンを形成するパターン
形成工程と、前記レンズアレイ基板上の前記パターンが
形成された位置にレンズを形成するレンズ形成工程と、
を備えた。ものである。

【０００７】レーザスタックは、一般に、レーザバーが
高さ方向に積み上げられて構成されるので、高さ方向の
位置合わせが完全ではなく、また、完全に平行なレーザ
ビームを出力するとも限らない。そこで、このレーザス
タックからレンズアレイ基板にレーザビームを照射して
露光を行う。そして、その照射位置にレンズ形成のため
のパターンを形成し、このパターンに基づいてレンズを
形成する。このレンズは、それぞれのレーザビームの光
軸上に精度よく合致している。

【０００８】また、請求項２記載の発明のように、前記
パターン形成工程は、金属膜、高分子膜の順に積層した
レンズアレイ基板を用いて、前記レーザスタックから前
記高分子膜にレーザビームを照射し、エッチングにより
前記高分子膜を除去すると共にレーザビームが照射され
た位置に前記金属膜のパターンを形成し、前記レンズ形
成工程は、イオンを拡散して前記金属膜を除去すること
で前記レンズを形成してもよい。

【０００９】請求項３記載のように、前記パターン形成
工程は、金属膜が被膜されたレンズアレイ基板を用い
て、前記レーザスタックから前記金属膜にレーザビーム
を照射することで前記金属膜のパターンを直接形成し、
前記レンズ形成工程は、拡散して前記金属膜を除去する
ことで前記レンズを形成してもよい。

【００１０】請求項４記載の発明のように、前記パター
ン形成工程は、金属膜、ポジ型フォトレジストの順に積
層したレンズアレイ基板を用いて、前記レーザスタック
から前記ポジ型フォトレジストに、フィルタで基本波の
除去された高調波のレーザビームを照射し、エッチング
により前記ポジ型フォトレジストを除去すると共にレー
ザビームが照射された位置に前記金属膜のパターンを形
成し、前記レンズ形成工程は、拡散して前記金属膜を除
去することで前記レンズを形成してもよい。なお、前記
ポジ型レジストとしてレーザビームの波長に感度をもた
せたフォトレジストを用いてもよい。

【００１１】さらに、請求項６記載のように、前記パタ
ーン形成工程は、ネガ型フォトレジストに被膜されたレ
ンズアレイ基板を用いて、前記レーザスタックから前記
ネガ型フォトレジストにフィルタで基本波の除去された
高調波のレーザビームを照射し、前記レーザビームが照
射されてない部分の前記ネガ型フォトレジストを除去す
ると共に前記ネガ型フォトレジストのパターンを形成
し、前記レンズ形成工程は、パターン形成されたネガ型
フォトレジストを加熱し、反応性イオンエッチングをす
ることで、前記レンズアレイ基板に凸型レンズを形成し
てもよい。

【００１２】ところで、レーザスタックから出射される
レーザビームは、水平方向及び垂直方向の広がり角が相
違し、出射部からの距離によって、出射方向に垂直な断
面のアスペクト比も変化する。このようなレーザビーム
の特性を無視すると、レーザビームを正確に集光するこ
とができないので、レーザスタックとレンズアレイ基板
との距離を調整する必要がある。そこで、請求項１から
６記載の発明において、前記パターン形成工程では、前
記レーザスタックが前記レンズアレイ基板にレーザビー
ムを照射したときのレーザビームのアスペクト比に基づ
いて、前記レーザスタックと前記レンズアレイ基板の距
離を調整してから露光を行うのが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
レンズアレイ製造方法について図面を参照しながら詳細
に説明する。本発明は、図１に示すように、レーザスタ
ック１０から出射される複数のレーザビームを平行化す
るためのマイクロレンズを、レンズアレイ基板２０に形
成するものである。

【００１４】レーザスタック１０は、図２に示すよう
に、レーザバー１１が積み上げられて構成されている。
このレーザバー１１は、直線上に形成された複数のレー
ザ出射部１２を備え、各レーザ出射部１２からレーザビ
ームを同一の方向に出射する。なお、レーザバー１１は
フォトプロセスにより製造されるものであり、各レーザ
出射部１２の間隔は精密に製造され、また再現性も高
い。しかし、レーザバー１１とレーザバー１１は半田等
により接合されるため、レーザバー１１の積み上げ方向
（高さ方向）は精密に位置合わせされていない。

【００１５】レンズアレイ基板２０は、例えばSchott B
K7 やCorning 0211 等の光学ガラスで構成され、後述の
処理によりレーザビームをコリメートするマイクロレン
ズが形成される。

【００１６】最初に、図３に示すように、レーザスタッ
ク１０とレンズアレイ基板２０とを固定ジグ３０上に固
定する。固定時のレーザスタック１０とレンズアレイ基
板２０の相対的な位置関係は、マイクロレンズ形成後に
レーザスタック１０とレンズアレイ基板２０とを組み合
わせるときの相対的な位置に対応させるのが好ましい。

【００１７】マイクロレンズを形成してレンズアレイを
製造する方法については、以下に説明するように、例え
ば第１の製造方法から第４の製造方法までの４つがあ
る。なお、第２の製造方法以降の説明においては、同じ
部位には同じ符号を付し、さらに、重複する箇所につい
てはその説明を省略する。

【００１８】（第１の製造方法）第１の製造方法では、
図４（Ａ）に示すように、レンズアレイ基板２０には、
予め金属マスク（Ａｌ，Ｔｉ，Ｔａ等）２１が形成さ
れ、さらにその上に高分子膜２２が成膜されている。レ
ーザスタック１０は、レンズアレイ基板２０にレーザビ
ームを照射して露光を行う。この結果、図４（Ｂ）に示
すように、レンズアレイ基板２０の最上位層に成膜され
た高分子膜２２に穴が形成される。すなわち、レンズア
レイ基板２０上には、レーザスタック１０からの各レー
ザビームの光軸に対応した穴パターンが形成される。

【００１９】穴のパターン形成後、レンズアレイ基板２
０を固定ジグ３０から取り外し、例えばリン酸等の酸で
エッチングを行う。この結果、図４（Ｃ）に示すよう
に、高分子膜２２は除去され、穴パターンが金属膜２１
に転写される。なお、このような穴パターンが形成され
た金属マスク２１は、レンズ作成用マスクとして用いら
れる。

【００２０】レンズ作成用マスクの形成後、例えば硝酸
タリウム（TlNO₃）、硝酸ナトリウム（NaNO₃）、硝酸カ
リウム（KNO₃）、硝酸銀（AgNO₃）等の溶解塩にレンズ
アレイ基板２０を浸し、図４（Ｄ）に示すように、金属
膜２１の穴パターンから現れているレンズアレイ基板２
０のイオンを拡散する。そして、レンズアレイ基板２０
から金属膜２１を除去すると、図４（Ｅ）に示すように
レンズアレイ基板２０にマイクロレンズ２３が形成され
る。

【００２１】マイクロレンズ２３の形成後、再びレーザ
スタック１０とレンズアレイ基板２０とを固定ジグ３０
上に固定する。これらの固定位置は、上述した位置と同
様である。そして、レーザスタック１０から出射される
各レーザビームを用いて、レンズアレイ基板２０に形成
された各マイクロレンズ２３の光軸方向の位置調整を行
う。なお、このような光軸方向の調整は、以下に説明す
る第２乃至第４の製造方法でも同様にして行われる。

【００２２】以上の処理により、レンズアレイ基板２０
に形成された各マイクロレンズ２３は、レーザスタック
１０からの各レーザビームの光軸上に形成され、それぞ
れ平行なレーザビームを出力することができる。すなわ
ち、レーザスタック１０から出射されるレーザビームの
光軸にそれぞれ対応するように、レンズアレイ基板２０
にマイクロレンズ２３を形成することができる。これに
より、レーザスタック１０とレンズアレイ基板２０とを
一体化した光源を得ることができる。

【００２３】（第２の製造方法）第１の製造方法では、
レーザスタック１０からのレーザビームで露光を行い、
さらにエッチングすることで、穴パターンを形成してい
た。これに対して、第２の製造方法は、レーザスタック
１０のレーザビームでレンズアレイ基板２０に直接穴パ
ターンを形成する。

【００２４】図５（Ａ）に示すように、レンズアレイ基
板２０には金属膜２１のみが被膜されている。レーザス
タック１０は、レンズアレイ基板２０上の金属膜２１に
レーザビームを照射して露光を行う。この結果、図５
（Ｂ）に示すように、レンズアレイ基板２０上に被膜さ
れた金属膜２１に穴パターンが形成される。すなわち、
レンズアレイ基板２０上には、レーザスタック１０から
の各レーザビームの光軸に対応した穴のパターンが形成
される。

【００２５】その後の工程については第１の製造方法と
同様である。すなわち、図５（Ｃ）に示すように拡散処
理を行い、そして図５（Ｄ）に示すようにレンズアレイ
基板２０から金属膜２１を除去する。

【００２６】以上のように、第２の製造方法によると、
レーザスタック１０からのレーザビームを用いて直接レ
ンズアレイ基板２０上の金属膜２１に穴パターンを形成
するので、第１の製造方法に比べてエッチング処理の工
程を省略し、マイクロレンズ２３の形成のための手間を
簡素化することができる。

【００２７】（第３の製造方法）第３の製造方法におい
ては、図６（Ａ）に示すように、レンズアレイ基板２０
には金属膜２１が被膜され、さらにその上にフォトレジ
スト２４が成膜されている。なお、このフォトレジスト
２４は、露光された部分が薬品によって可溶性になるポ
ジ型である。

【００２８】レーザスタック１０は、フィルタ２５を介
して、レンズアレイ基板２０の最上位層であるフォトレ
ジスト２４にレーザビームを照射して露光を行う。ここ
で、フィルタ２５は、レーザビームの基本波を除去し、
非線形性を有する第２高調波を通過させる。すなわち、
ここではフォトレジスト２４の特性に応じて、短波長の
レーザビームで露光を行っている。なお、フォトレジス
ト２４の特性によってはフィルタ２５を設けなくてもよ
い。このような処理により、図６（Ｂ）に示すように、
フォトレジスト２４に、レーザビームによる穴パターン
が形成される。

【００２９】穴のパターン形成後、レンズアレイ基板２
０を固定ジグ３０から取り外し、例えばリン酸等の酸で
エッチングを行う。この結果、図６（Ｃ）に示すよう
に、フォトレジスト２４は除去され、穴のパターンが金
属膜２１に転写される。なお、このようにして形成され
た金属マスク２１は、レンズ作成用マスクとして用いら
れる。レンズ作成用マスクの形成後、第１の製造方法と
同様にして、図６（Ｄ）に示すように拡散処理を行い、
そして図６（Ｅ）に示すように金属膜２１を除去する。
なお、ノボラック樹脂にレーザの波長に感度のある光重
合開始剤と増感材を添加したものをレジストとして用い
ることにより、穴パターンを形成することもできる。

【００３０】以上のように、第３の製造方法によれば、
レーザスタック１０から出射されるレーザビームの光軸
にそれぞれ対応したマイクロレンズ２３をレンズアレイ
基板２０に形成することができる。

【００３１】（第４の製造方法）第４の製造方法では、
図７（Ａ）に示すように、レンズアレイ基板２０にフォ
トレジスト２４Ａが被膜されている。なお、このフォト
レジスト２４Ａは、露光された部分が薬品によって不溶
性になるネガ型である。

【００３２】レーザスタック１０は、フィルタ２５を介
して、レンズアレイ基板２０上に被膜されたフォトレジ
スト２４Ａにレーザビームを照射して露光を行う。な
お、フィルタ２５の特性は、第３の製造方法と同様であ
る。

【００３３】フォトレジスト２４Ａの露光後、現像を行
う。この結果、図７（Ｂ）に示すように、露光されなか
ったフォトレジスト２４Ａは除去される。

【００３４】このパターンの形成後、フォトレジスト２
４Ａに熱処理を行って、図７（Ｃ）に示すように、フォ
トレジスト２４Ａを凸形状に形成する。そして、図７
（Ｄ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ：Reactive Ion Etching）を行う。この結果、図７
（Ｅ）に示すように、レンズアレイ基板２０上に凸レン
ズ２３Ａが形成される。

【００３５】以上のように、第４の製造方法によれば、
ネガ型のフォトレジスト２４Ａを用いて縞状のパターン
を形成し、これにＲＩＥを行うことによって、レーザビ
ームの光軸にそれぞれ対応した凸レンズ２３Ａを形成す
ることができる。

【００３６】（焦点距離の調整）上述した第１乃至第４
の製造方法では、最初に、固定ジグ３０上にレーザスタ
ック１０及びレンズアレイ基板２０を固定していた。こ
のときのレーザスタック１０とレンズアレイ基板２０の
距離は、レーザスタック１０が出射するレーザビームの
特性を考慮すると、以下のように調整するのが好まし
い。

【００３７】レーザスタック１０は、レーザビームの発
振状態において、図８に示すように、活性層の幅Ｗａで
活性層の厚さｄａの発振領域から、平行方向及び垂直方
向に異なる広がり角でレーザビームを出射する。レーザ
ビームの水平方向と垂直方向の強度分布は、図９に示す
ように、平行横モードＷ//及び垂直横モードＷ⊥で与え
られる。

【００３８】ここで、出射されたレーザビームの強度分
布は、出射距離が短い場合においては近視野像となり、
図１０（Ａ）に示すように一般に活性層の幅方向に広い
形状になっている。一方、出射距離が長い場合において
は遠視野像となり、図１０（Ｂ）に示すように垂直方向
に広がった強度分布（ビーム放射角（平行）θ//、ビー
ム放射角（垂直）⊥、θ⊥／θ//＝１．５〜３）になっ
ている。回折現象としてはフレネル領域からフラウンフ
ォーア領域への遷移として解釈される。その中間的な遷
移領域では、図１０（Ｃ）に示すように強度分布が円形
になる状態も存在する。このように水平方向と垂直方向
でレーザビームの広がり角が相違すると、マイクロレン
ズを通過しても、水平方向と垂直方向のレーザビームが
同時に並行にならないことがある。

【００３９】そこで、このような強度分布を有したレー
ザビームを用いてレンズアレイ基板２０に穴パターンを
形成する際には、レーザスタック１０とレンズアレイ基
板２０との距離を調整する必要がある。具体的には、レ
ンズアレイ基板２０上においてレーザビームの水平方向
と垂直方向の比率（アスペクト比）を所望の値に調整す
る。アスペクト比を変えるということは、水平方向と垂
直方向の各々のレンズの焦点距離を変えることである。
これにより、非点収差の特性を有するレーザビームや、
水平方向と垂直方向の回折広がり角が異なるレーザビー
ムを１つのマイクロレンズ２３で平行化することができ
る。レンズアレイ基板２０は、このように焦点距離の調
整した位置に再び配置されれば、レーザスタック１０か
らのレーザビームをそれぞれ平行化することができる。

【００４０】（応用例）なお、図１１に示すように、レ
ーザスタック１０から出射されたレーザビームを、レン
ズアレイ基板２０で平行化し、集光レンズ５０で１点に
集光してもよい。これは、高出力のレーザビームを用い
たレーザ加工機などに有効である。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、レーザスタックとレンズアレ
イ基板とを組み合わせて固定した状態で、レーザスタッ
クがレンズアレイ基板に複数のレーザビームを照射して
露光し、レーザビームの照射位置にパターンを形成して
レンズを形成することにより、複雑な調整を行うことな
く、レンズアレイ基板上にレーザビームの光軸に合致す
るようにレンズを精密に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザスタックとレンズアレイ基板を示す斜視
図である。

【図２】レーザスタックの構成を示す分解斜視図であ
る。

【図３】固定ジグにレーザスタックとレンズアレイ基板
を固定したときの状態を説明する斜視図である。

【図４】レンズアレイ基板にマイクロレンズを形成する
第１の製造方法を説明するための図である。

【図５】第２の製造方法を説明するための図である。

【図６】第３の製造方法を説明するための図である。

【図７】第４の製造方法を説明するための図である。

【図８】レーザスタックから出射されたレーザビームを
説明する図である。

【図９】レーザビームの平行横モードと垂直横モードを
説明する図である。

【図１０】光強度分布の遷移を示す図である。

【図１１】レンズアレイ基板のマイクロレンズを通過し
たレーザビームが集光される状態を説明する図である。

【図１２】従来のマイクロレンズアレイ形成方法の構成
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０レーザスタック２０レンズアレイ基板２１金属膜２２高分子膜２３マイクロレンズ２３Ａ凸レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田守弘愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4F213 AD03 AD05 AD20 AD33 AH74 WA36 WA53 WA85 WA86 WB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のレーザビームを出射するレーザス
タックに対応するようにレンズアレイ基板にレンズを形
成するレンズアレイ製造方法において、前記レーザスタックとレンズアレイ基板とを組み合わせ
て固定した状態で、前記レーザスタックから前記レンズ
アレイ基板に複数のレーザビームを照射して露光し、前
記レンズアレイ基板上のレーザビームが照射された位置
にパターンを形成するパターン形成工程と、前記レンズアレイ基板上の前記パターンが形成された位
置にレンズを形成するレンズ形成工程と、を備えたレンズアレイ製造方法。
【請求項２】前記パターン形成工程は、金属膜、高分
子膜の順に積層したレンズアレイ基板を用いて、前記レ
ーザスタックから前記高分子膜にレーザビームを照射
し、エッチングにより前記高分子膜を除去すると共にレ
ーザビームが照射された位置に前記金属膜のパターンを
形成し、前記レンズ形成工程は、イオンを拡散して前記金属膜を
除去することで前記レンズを形成する請求項１記載のレ
ンズアレイ製造方法。
【請求項３】前記パターン形成工程は、金属膜が被膜
されたレンズアレイ基板を用いて、前記レーザスタック
から前記金属膜にレーザビームを照射することで前記金
属膜のパターンを直接形成し、前記レンズ形成工程は、拡散して前記金属膜を除去する
ことで前記レンズを形成する請求項１記載のレンズアレ
イ製造方法。
【請求項４】前記パターン形成工程は、金属膜、ポジ
型フォトレジストの順に積層したレンズアレイ基板を用
いて、前記レーザスタックから前記ポジ型フォトレジス
トに、フィルタで基本波の除去された高調波のレーザビ
ームを照射し、エッチングにより前記ポジ型フォトレジ
ストを除去すると共にレーザビームが照射された位置に
前記金属膜のパターンを形成し、前記レンズ形成工程は、拡散して前記金属膜を除去する
ことで前記レンズを形成する請求項１記載のレンズアレ
イ製造方法。
【請求項５】前記パターン形成工程は、前記ポジ型レ
ジストとしてレーザビームの波長に感度をもたせたフォ
トレジストを用いて、前記金属膜のパターンを形成する
請求項４記載のレンズアレイ製造方法。
【請求項６】前記パターン形成工程は、ネガ型フォト
レジストに被膜されたレンズアレイ基板を用いて、前記
レーザスタックから前記ネガ型フォトレジストに、フィ
ルタで基本波の除去された高調波のレーザビームを照射
し、前記レーザビームが照射されてない部分の前記ネガ
型フォトレジストを除去すると共に前記ネガ型フォトレ
ジストのパターンを形成し、前記レンズ形成工程は、パターン形成されたネガ型フォ
トレジストを加熱し、反応性イオンエッチングをするこ
とで前記レンズアレイ基板に凸型レンズを形成する請求
項１記載のレンズアレイ製造方法。