JP2004136402A

JP2004136402A - 凹部形成方法およびその方法により製造されたレンズアレイ用成形型並びにレンズアレイ

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Publication number: JP2004136402A
Application number: JP2002303200A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Hashimoto; 橋本　隆寛; Terufusa Kunisada; 國定　照房; Toshiaki Anzaki; 安崎　利明; Kenjiro Hamanaka; 浜中　賢二郎; Keiji Tsunetomo; 常友　啓司; Hideshi Nagata; 永田　秀史
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】非球面レンズアレイの各レンズ素子はそれぞれ球面からずれた面形状を有し、かつ互いに高い精度で形状が一致している必要がある。このような非球面レンズアレイを成形によって作製するための成形型の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明の方法は、（ａ）等方性基板１０の表面にマスク１６を形成し、（ｂ）この基板をマスクを介して液相エッチングしてまず球面状凹部１８を形成する。次いで（ｃ）マスクを除去し、（ｄ）形成された凹部内に厚みが分布した犠牲層２０を形成する。（ｅ）この犠牲層を形成した基板を再度液相エッチングにより予め定めた時間だけエッチングすることにより、非球面状凹部２８をもつ成形型が形成できる。この成形型を用いて透明な樹脂等を成形することにより、高い精度で非球面レンズアレイが形成できる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液相エッチングによる形状加工方法に関し、特に光学分野における非球面レンズの製造に適用される凹部形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野においては、通信容量の増大に伴い、光信号処理の高速化、高度化が求められている。光信号を並列的に処理するため、光学要素をアレイ化し、その間の光結合をより高い効率で行うことが要求されている。レンズアレイはこのような光結合に重要な役割を果たす光学要素である。
【０００３】
例えば、光源あるいは光ファイバ端面等から出射する発散光を平行光に変換し、光機能素子による信号処理を行ったのち、光検出器あるいは光ファイバ端面等に収束、結合させるために、一対のコリメータレンズが用いられる。このコリメータのレンズ間に挿入する光機能素子によっては、レンズ間距離を大きくすることが要求される。その場合、レンズ径を大きくする必要があるが、均質材料からなる球面レンズでは、光軸から離れた光線に対して必然的に収差が発生するため、レンズ間距離をある程度以上長くすることができない。
【０００４】
このような問題を解決するために、非球面レンズが用いられる。レンズの面形状を適切に設計することにより、レンズ周辺部の収差を補正することができる。このような非球面レンズは一般的には精密な機械加工によって形成した金型を用いてプレス成形によって量産される。したがって非球面レンズの生産には金型の作製技術が極めて重要となる。
【０００５】
しかし、レンズアレイ用の金型を機械加工によって作製すると、切削工具の摩耗が生じるため、多数のレンズ素子から構成されるレンズアレイの場合、各レンズ素子に対応する金型の寸法にばらつきが生じてしまうという問題点がある。
【０００６】
機械加工以外によって成形型を作製する方法としては、エッチングが考えられる。ガラス等の等方性物質に円形開口を介して液相エッチングを施すと、球面状凹部が形成される（例えば特許文献１、参照）。実際に樹脂レンズ用の成形型がエッチングによって作製されている。例えば、石英ガラス表面に円形開口をもつマスクを形成し、フッ酸系エッチング液を用いて石英ガラスをエッチングすることにより、石英ガラス表面に半球形の凹部を形成することができる。マスク開口部はフォトリソグラフィー技術によって高い精度で作製できるので、機械加工による寸法ばらつきの問題は解決できる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平３−２３２７４３号公報（第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような液相エッチングで石英ガラスのような等方性材料を加工する場合には、エッチングが等方的に進むため、得られる凹部の形状は限定される。例えば円形開口をもつマスクを用いてエッチングする場合、凹部の形状は球面となり、非球面を得ることはできない。
【０００９】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、各レンズ素子が均一に形成できる非球面レンズアレイ等の構造体の製造方法を提供することを目的とする。さらには非球面レンズアレイ用成形型および非球面レンズアレイを提供することをも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の凹部形成方法は、
１．等方性基板表面にマスクを形成する工程
２．この基板をマスクを介して液相エッチングして凹部を形成する工程
３．マスクを除去する工程
４．形成された凹部内に厚みが分布した犠牲層を形成する工程
５．犠牲層を形成した基板を再度液相エッチングにより予め定めた時間だけエッチングする工程
からなる。
【００１１】
上記１〜３の工程で得られる凹部形状は球面状など等方性の形状に限定される。そこで、一旦形成した凹部に厚みの分布した犠牲層を形成し、この犠牲層を加えた状態で基板を再度液相エッチングすることにより、形成される凹部の形状を犠牲層の厚みの分布状態により制御することができる。
【００１２】
また第２の凹部形成方法は、
１．等方性基板表面にマスクを形成する工程
２，この基板を前記マスクを介して液相エッチングして凹部を形成する工程
３．マスクを除去する工程
４．マスクを除去した基板を再度液相エッチングする工程
５．凹部内に厚みが分布した犠牲層を形成する工程
６．犠牲層を形成した基板を再再度液相エッチングにより予め定めた時間だけエッチングする工程
からなる。
【００１３】
上記１〜３の工程に加えて４の工程を経ても得られる凹部形状は球面状など等方性の形状に限定されている。そこで、一旦形成した凹部に厚みの分布した犠牲層を形成し、この犠牲層を加えた状態で基板を再再度液相エッチングすることにより、形成される凹部の形状を犠牲層の厚みの分布状態により制御することができる。
【００１４】
ここで、マスクの開口形状を円形、または所定の幅をもった直線状スリットとする。円形開口の場合は、球面状凹部を基準にした非球面凹部が形成でき、スリットの場合は、円筒状凹部を基準にした非円筒面凹部が形成できる。これらはレンズ成形用成形型として適用するのに好ましい形態である。
【００１５】
半球状に形成された凹部の場合、上記の犠牲層の厚みの分布を、凹部のもっとも深い点から外周にむかって連続的に薄くなるようにすることが望ましい。これによって凹部の底部では外周部に比べて基板がエッチングされるのが遅れるため、凹部形状を球面より扁平な非球面状に変化させることができる。
【００１６】
また半円筒状に形成された凹部の場合、上記の犠牲層の厚みの分布が、凹部のもっとも深い点からその両側にむかって連続的に薄くなるようにすることが望ましい。これによって凹部の底部はその両側に比べて基板がエッチングされるのが遅れるため、凹部形状を円筒面より扁平な非円筒面状に変化させることができる。
さらに本発明においては、上記第１、第２の製造方法を用いて形成した凹部に流動性物質を充填、固化させる、さらには固化した物質を凹部から取り外した構造体をも提供する。
【００１７】
このような方法において、マスクの開口形状を複数の円形開口とすることにより非球面レンズアレイ用成形型を作製することができる。
【００１８】
また、マスクの開口形状を複数の円形開口とし、犠牲層の厚みの分布を、凹部のもっとも深い点から外周にむかって連続的に薄くなるようにする。さらに基板および厚みが分布した犠牲層を透明部材とする。このような条件で加工した凹部に、固化後透明である流動性物質を充填、固化することにより非球面レンズアレイを製造できる。また固化後の流動性物質を凹部を形成した基板から離型することによっても非球面レンズアレイを製造できる。
【００１９】
また、同方法において、マスクの開口を複数の平行な直線状スリットとすることにより非円筒面レンズアレイ用成形型を作製することができる。
【００２０】
また、マスクの開口を複数の平行な直線状スリットとし、犠牲層の厚みの分布を、凹部のもっとも深い点から両側にむかって連続的に薄くなるようにする。さらに基板および厚みが分布した犠牲層を透明部材とする。このような条件で加工した凹部に、固化後透明である流動性物質を充填、固化することにより非円筒面レンズアレイを製造できる。また固化後の流動性物質を凹部を形成した基板から離型することによっても非円筒面レンズアレイを製造できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の重要な点は、非球面を得るため、球面状にエッチングされた凹部に、厚みの分布をもった膜を成膜し、これを再度エッチングする点にある。
以下に本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１〜図５は本発明の工程を説明する図である。なお、各図共通の部材は同一符号によって示す。
【００２２】
まず第１の工程を図１にしたがって説明する。石英ガラス基板１０表面にクロム（Ｃｒ）層１２を成膜し、これをパターニングして円形開口部１４を形成しマスク１６とする（図１（ａ））。つぎにこのマスク１６を介して石英ガラス基板１０を、濃度４９ｗｔ％のフッ酸水溶液の液温を３０℃に保って液相エッチングする（図１（ｂ））。マスク１６を剥離すると図１（ｃ）のような略半球状の凹部１８が得られる。
【００２３】
このようにして作製した開口径約３０５μｍ、深さ約１５０μｍの略球面状凹部１８の表面にスパッタリング法によりＳｉＯ_２薄膜２０を形成する。このとき指向性の高い成膜方法を用い、ほぼ一方向からスパッタリング粒子を入射させると、球面のような曲面に対しては、粒子の到達位置によって基板に対する粒子の入射方向が分布するため、図１（ｄ）のようにその膜厚を位置によって分布させることができる。上記寸法の凹部に対しては、もっとも深い点２２の膜厚約５μｍとなるように成膜すると、周辺部２４に向かって表面の曲率半径が連続的に大きくすることができ、最周辺部の膜厚は約０．０１μｍとなった。
【００２４】
このように厚みが分布したＳｉＯ_２薄膜２０を形成した基板１０を液相エッチングすることで図１（ｅ）のように非球面凹部２８が得られる。液温３０℃、濃度４９ｗｔ％のフッ酸水溶液で３６０分エッチングを行った結果、球面からのズレ量は最周辺部で約２．５μｍであった。ここでＳｉＯ_２薄膜２０は、非球面凹部の形成のために効果を有するがエッチングにより最終的には除去されてしまうという意味で、「犠牲層」と呼ぶことにする。
【００２５】
また、本実施例では石英ガラスとＳｉＯ_２膜のエッチング速度の比が１：２であったが、エッチング速度の遅い膜を犠牲膜とすることで、得られる形状は、最底部から周辺部に向かうにしたがって球面からのズレ量をさらに大きくすることができる。
【００２６】
つぎに第２の工程を図２にしたがって説明する。石英ガラス基板１０表面にマスク１６を形成し、基板１０を液相エッチングして略半球状の凹部１８を得るまでの工程（図２（ａ）〜（ｃ））は第１の工程と同様である。つぎに成膜を行う前に、図２（ｄ）に示すように、マスクがない状態で液相エッチングを行うことで半球面を曲率半径の大きい球面１９へと変形することができる。これにより、つぎの成膜工程で、スパッタリング粒子の入射角度を変更でき、第１の工程の場合と異なった犠牲層２１の膜厚分布を実現できる（図２（ｅ））。この犠牲層２１を液相エッチングすることで、第１の工程とは異なる非球面形状をもつ凹部２９を得ることができる（図２（ｆ））。
【００２７】
図３は第１の工程を非球面レンズアレイの作製に応用する場合の工程を示す図である。目標とする形状によって第２の工程を利用してもよい。石英ガラス基板１０表面にＣｒ層１２を成膜し、フォトリソグラフィー法により開口径５μｍの円形開口部１５を碁盤の目状に複数形成した（図３（ａ））。このＣｒ層１２をマスクとしフッ酸水溶液により石英ガラス基板１０をエッチングした。この結果、図３（ｂ）のような複数の半球状の断面形状を有する凹部１８が形成された。次にマスク１６を除去し（図３（ｃ））、スパッタリング法によって犠牲層としてのＳｉＯ_２膜２０を成膜した（図３（ｄ））。さらに、このＳｉＯ_２膜２０の堆積した基板１０をフッ酸水溶液によってエッチングした。この結果、図３（ｅ）のような複数の非球面の断面形状を有する凹部１９が形成された。
【００２８】
この凹部１９表面に図４に示すように高屈折率紫外線硬化樹脂３２を滴下し（図４（ｂ））、平板状石英基板１１を押し当てて充填した後（図４（ｃ））、紫外線照射により硬化させることにより、実質的に上記の非球面形状をもつレンズアレイ３０が形成できる。
【００２９】
また紫外線硬化樹脂を充填する前に、凹部１９に離型剤を塗布し（図５（ａ））、充填した樹脂を硬化させた後、図５（ｄ）に示すように離型すれば、凸状の非球面樹脂レンズアレイ４０を形成できる。この場合、最初に形成した非球面凹部１９を有する図５（ａ）に示す部材は非球面成形型としてのはたらきをもつことになる。
【００３０】
このようにして作製したレンズの結合効率を測定した結果、０．７８ｄＢが得られた。従来の方法で作製した成形型を用いて作製したレンズの結合損失は１．３３ｄＢであったので、これと比較して結合損失が０．５５ｄＢ改善された。
【００３１】
上記の実施形態においては、レンズの作製を例に、円形開口部をもつマスクを用い、球面を基礎とする凹部の非球面化を図る方法について述べた。しかし加工できる凹部形状は、上記に限られない。マスクの開口形状を変え、かつ犠牲層の材料、成膜条件を変えて膜厚分布、基板とのエッチング速度比を変えることにより、種々の形状の凹部を基板上に形成することができる。
【００３２】
例えば、等方性物質に一定の幅をもった直線状のスリット開口部をもつマスクを設け、液相エッチングを施すと、図６（ａ）に示すような半円筒状の溝状凹部５２が形成できる。これに上記と同様に犠牲層を設けて再エッチングすると、溝の長手方向に垂直な断面形状を円形からずらすことができる。この方法により、円筒レンズを変形したレンズ（これを非円筒面レンズと呼ぶことにする）が作製できる。スリット開口を平行に複数設ければ図６（ｂ）に示すような非円筒面レンズアレイ５０が形成できる。
【００３３】
同様に、マスクの開口形状と犠牲層の膜厚分布の組合せにより、球面または円筒面を基礎とし、その面の形状を種々変形させた凹部をもつ構造体を形成できる。この凹部を成形型として応用すれば、種々の凸状構造体を作製できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の凹部形成方法によれば、等方性物質に対する液相エッチングによって、球面または円筒面からずれた非球面状または非円筒面状凹部を形成することができる。その凹部を成形型とすることにより、例えば非球面レンズアレイ等を精度よく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の凹部形成工程を示す図である。
【図２】本発明の第２の凹部形成工程を示す図である。
【図３】非球面レンズアレイの製造工程を示す図である。
【図４】非球面樹脂レンズアレイの製造工程を示す図である。
【図５】非球面樹脂レンズアレイの他の製造工程を示す図である。
【図６】（ａ）半円筒状凹部および（ｂ）非円筒面レンズアレイの斜視図である。
【符号の説明】
１０、１１　石英ガラス基板
１２　クロム層
１４　円形開口部
１６　マスク
１８、１９　半球状凹部
２０　ＳｉＯ_２薄膜
２８、２９　非球面凹部
３０、４０　非球面レンズアレイ
３２　樹脂
５０　非円筒面レンズアレイ
５２　半円筒状凹部

Claims

等方性基板表面にマスクを形成する工程と、前記基板を前記マスクを介して液相エッチングして凹部を形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、形成された凹部内に厚みが分布した犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を形成した基板を再度液相エッチングにより予め定めた時間だけエッチングする工程と、からなる凹部形成方法。
等方性基板表面にマスクを形成する工程と、前記基板を前記マスクを介して液相エッチングして凹部を形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、マスクを除去した基板を再度液相エッチングする工程と、凹部内に厚みが分布した犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層を形成した基板を再再度液相エッチングにより予め定めた時間だけエッチングする工程と、からなる凹部形成方法。
前記マスクの開口形状が円形であることを特徴とする請求項１または２に記載の凹部形成方法。
前記マスクの開口が所定幅を有する直線状スリットであることを特徴とする請求項１または２に記載の凹部形成方法。
前記犠牲層の厚みの分布が、半球状に形成された前記凹部のもっとも深い点から外周にむかって連続的に薄くなることを特徴とする請求項３に記載の凹部形成方法。
前記犠牲層の厚みの分布が、半円筒状に形成された前記凹部のもっとも深い点からその両側にむかって連続的に薄くなることを特徴とする請求項４に記載の凹部形成方法。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の凹部形成方法を用いて形成した凹部に流動性物質を充填、固化させたことを特徴とする構造体。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の凹部形成方法を用いて形成した凹部に流動性物質を充填、固化させ、固化した物質を前記凹部から取り外したことを特徴とする構造体。
請求項５に記載の凹部形成方法を用い、前記マスクの開口形状を複数の円形開口とすることにより製造された非球面レンズアレイ用成形型。
請求項７に記載の構造体であって、前記マスクの開口形状を複数の円形開口とし、前記犠牲層の厚みの分布が、半球状に形成された各凹部のもっとも深い点から外周にむかって連続的に薄くなるように形成され、前記基板、犠牲層および固化後の流動性物質を透明部材とすることにより製造された非球面レンズアレイ。
請求項８に記載の構造体であって、前記マスクの開口形状を複数の円形開口とし、前記犠牲層の厚みの分布が、半球状に形成された各凹部のもっとも深い点から外周にむかって連続的に薄くなるように形成され、固化後の流動性物質を透明部材とすることにより製造された非球面レンズアレイ。
請求項６に記載の凹部形成方法を用い、前記マスクの開口を複数の平行な直線状スリットとすることにより製造された非円筒面レンズアレイ用成形型。
請求項７に記載の構造体の製造方法を用い、前記マスクの開口を複数の平行な直線状スリットとし、前記犠牲層の厚みの分布が、半円筒状に形成された各凹部のもっとも深い点からその両側にむかって連続的に薄くなるように形成し、前記基板、犠牲層および固化後の流動性物質を透明部材とすることにより製造された非円筒面レンズアレイ。
請求項８に記載の構造体の製造方法を用い、前記マスクの開口を複数の平行な直線状スリットとし、前記犠牲層の厚みの分布が、半円筒状に形成された各凹部のもっとも深い点からその両側にむかって連続的に薄くなるように形成し、固化後の流動性物質を透明部材とすることにより製造された非円筒面レンズアレイ。