JP2004279588A

JP2004279588A - 光学素子及びその製造方法

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Publication number: JP2004279588A
Application number: JP2003068623A
Authority: JP
Inventors: Reio Mochida; 励雄持田; Naoki Hanajima; 直樹花島
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】本発明は、光集積回路、電子複写機の光学系等で用いられる光学素子及び光学素子の製造方法に関し、設計の自由度が高く、小型・高性能な光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ガラス基板２上に、ガラス基板２の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率制御膜３を形成する。次いで、屈折率制御膜３上に塗布したレジスト層をパターニングして樹脂層４を形成し、樹脂層４を熱処理して外表面が曲面状の樹脂層５を形成する。樹脂層５をマスクに屈折率制御膜３をドライエッチングして外表面が曲面状のマイクロレンズ６が配列されたマイクロレンズアレイ１を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光集積回路、電子複写機の光学系等で用いられる光学素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上にフォトリソグラフィ法等で形成された、光を集光又は拡散する微小なレンズが規則的に配列している光学素子（以下、マイクロレンズアレイという）が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
図５は、従来のマイクロレンズアレイ１５の製造方法を示している。まず、ガラス基板１６上にスピンコート法を用いてフォトレジストを塗布して全面にフォトレジスト層を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法を用いて当該フォトレジスト層をパターニングし、図５（ａ）に示すように、複数の柱状の樹脂層１７を形成する。
【０００４】
次に、ガラス基板１６をホットプレート上に載置して熱処理し、図５（ｂ）に示すように、ガラス基板１６上の各樹脂層１７を流動させてそれぞれレンズ形状（半球状）の樹脂層１８を形成する。
【０００５】
次に、樹脂層１８をエッチングマスクとして用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の異方性エッチングによりガラス基板１６をエッチングする。このエッチングの際、エッチングマスクの樹脂層１８も周辺部から徐々にエッチング除去され、これにより図５（ｃ）に示すように、ガラス基板１６上部にはエッチング前の樹脂層１８の３次元形状と同様の半球状のマイクロレンズ１９が形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０７−１７４９０３号公報
【特許文献２】
特開２００２−８０２４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す従来方法で製造したマイクロレンズアレイ１５では、マイクロレンズ１９及びガラス基板１６は同一の屈折率を有している。また、図５（ｂ）に示す熱処理後の樹脂層１８の３次元形状は、樹脂層１８の形成材料の粘性や表面張力、及びガラス基板１６との濡れ性等の熱処理温度に依存して変化する樹脂材料固有の特性で一義的に決まってしまう。このため、図５に示す従来のマイクロレンズ製造方法では、マイクロレンズ１９の設計の自由度は大幅に制限されてしまう。例えば、上記方法ではマイクロレンズ１９は概ね半球状に形成されるので、収差の少ない非球面レンズを有するマイクロレンズアレイ１６を製造するのは極めて困難であるという問題を有している。
【０００８】
本発明の目的は、設計の自由度が高く、小型・高性能な光学素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、光学材料からなる基板と、前記基板上に外表面が曲面状に形成され、前記基板の屈折率と異なる屈折率を有する光学薄膜とを有することを特徴とする光学素子によって達成される。
【００１０】
本発明の光学素子において、前記光学薄膜の外表面は前記基板面に対して凸に形成されていることを特徴とする。あるいは、前記光学薄膜の外表面の一部が前記基板面に対して凹に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の光学素子において、前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする。あるいは、前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向にステップ状に変化していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光学素子において、前記基板と前記光学薄膜との間に誘電体多層膜をさらに有していることを特徴とする。
【００１３】
上記目的は、光学材料からなる基板上に光学薄膜を形成し、前記光学薄膜をドライエッチングして外表面を曲面状に形成することを特徴とする光学素子の製造方法によって達成される。
【００１４】
本発明の光学素子において、前記光学薄膜の屈折率を前記基板の屈折率と異ならせることを特徴とする。前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向に連続的に変化させることを特徴とする。あるいは、前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向にステップ状に変化させることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による光学素子及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。まず、本実施の形態による光学素子の製造方法について図１を用いて説明する。以下、光学素子として微小なレンズが規則的にマトリクス状に配列されたマイクロレンズアレイ１を例にとって説明する。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示すように、光学研磨された３インチの表面を有し屈折率が例えば１．４６の光学材料からなる基板（ガラス基板）２上に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、Ｇｅ（ゲルマニウム）がドープされた厚さ３μｍの光学薄膜であるＧｅドープガラス薄膜（屈折率制御膜）３を成膜する。屈折率制御膜３は、ガラス基板２とは異なる屈折率を有している。
【００１７】
次に、屈折率制御膜３上にスピンコート法を用いてフォトレジストを塗布して厚さ１．５μｍのフォトレジスト層を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法を用いて当該フォトレジスト層をパターニングし、図１（ｂ）に示すように、直径５μｍ〜２０μｍの柱状の樹脂層４を形成する。
【００１８】
次に、屈折率制御膜３及び樹脂層４が積層されたガラス基板２をホットプレート上に載置して１５０℃、５分間の加熱処理を施し、図１（ｃ）に示すように、各樹脂層４を流動させてそれぞれ外表面が曲面状（例えばレンズ形状のような半球状等）の樹脂層５を形成する。
【００１９】
次に、樹脂層５をエッチングマスクとして用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の異方性エッチングにより屈折率制御膜３をエッチングする。このエッチングの際、エッチングマスクの樹脂層５も周辺部から徐々にエッチング除去され、これにより図１（ｄ）に示すように、ガラス基板２上部にはエッチング前の樹脂層５の３次元形状と同様の外表面が曲面状のマイクロレンズ６が形成される。このように本実施の形態によれば、ガラス基板２上にガラス基板２とは異なる屈折率のマイクロレンズ６が形成されたマイクロレンズアレイ１を形成することができる。
【００２０】
ところで、スパッタ法やＣＶＤ法、あるいは蒸着法で屈折率制御膜３を成膜する際には、原料ガス濃度、圧力、高周波出力等の成膜条件を調整することで薄膜の屈折率を容易に且つ正確に制御することができる。従って、成膜中にＧｅドープ量を適宜変化させて屈折率制御膜３を形成すれば任意の屈折率分布を有するマイクロレンズ６を備えたマイクロレンズアレイ１を製造することができる。マイクロレンズ６の開口数（ＮＡ）はマイクロレンズ６の形成材料の屈折率に依存する。例えば、Ｇｅドープ量を変えてマイクロレンズ６の屈折率をそれぞれ１．４６、１．５０、１．５４とすると、開口数がそれぞれ０．４１、０．４５、０．４９となるマイクロレンズ６を備えたマイクロレンズアレイ１を再現性よく作製することができる。
【００２１】
このように本実施の形態による光学素子及びその製造方法によれば、ガラス基板２上に成膜する屈折率制御膜３の屈折率を制御するだけで、特性の異なるマイクロレンズアレイ１を容易に且つ再現性良く作製することができる。このように、マイクロレンズを形成する基板上にあらかじめ正確に屈折率を制御した膜を形成することにより、レンズ設計の自由度を向上することができる。
【００２２】
以下、実施例を用いてより具体的に説明する。
［実施例１］
図２は本実施例によるマイクロレンズアレイ７及びその製造方法を示している。本実施例のマイクロレンズアレイ７は屈折率制御膜８内の屈折率が膜厚方向に連続的に変化している点に特徴を有している。本実施例において図１に示したマイクロレンズアレイ１と同一の作用機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、光学研磨された直径３インチのガラス基板２上にプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ５μｍの屈折率制御膜８を成膜する過程で、Ｇｅ原料とＳｉ（シリコン）原料のドープ量の比を連続的に変化させる。こうすることにより、屈折率制御膜８の屈折率をＧｅ原料とＳｉ原料のドープ量比にほぼ比例させて変化させることができる。したがって、屈折率制御膜８の成膜中に各ドーパント量の比率を連続的に変化させて、屈折率制御膜８の屈折率を膜厚方向に連続的に変化させることが可能となる。これにより、屈折率制御膜８のガラス基板２との界面側の屈折率を例えば１．４６にして、成膜終了時の屈折率制御膜８外表面側の屈折率を例えば１．５４にすることができる。
【００２４】
ガラス基板２上に屈折率制御膜８を成膜した後、図２（ｂ）〜（ｄ）の工程を経ることにより、屈折率が膜厚方向に連続的に変化したマイクロレンズ９をガラス基板２上に複数配列したマイクロレンズアレイ７が完成する。なお、図２（ｂ）〜（ｄ）の製造工程は図１（ｂ）〜（ｄ）の製造工程と実質的に同一なのでその説明は省略する。作製されたマイクロレンズ９の開口数は例えば０．４４となり、Ｇｅドープ量を変化させない図１に示したマイクロレンズ１の開口数０．４１、０．４５、０．４９とは異ならせることができる。
【００２５】
また、マイクロレンズアレイ７に形成されたマイクロレンズ９は、屈折率が膜厚方向に連続的に変化しているため、例えば半球面形状でありながら非球面レンズとしての機能を発揮することができる。従って、本実施例によれば収差の少ないマイクロレンズアレイ７を実現できる。
【００２６】
［実施例２］
図３は本実施例によるマイクロレンズアレイ１０及びその製造方法を示している。本実施例のマイクロレンズアレイ１０は屈折率制御膜１１内で屈折率の異なる薄膜が順次積層されている点に特徴を有している。本実施例において図１に示したマイクロレンズアレイ１と同一の作用機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。
【００２７】
まず、図３（ａ）に示すように、光学研磨された直径３インチのガラス基板２上にプラズマＣＶＤ装置を用いて厚さ２０μｍの屈折率制御膜１１を成膜する過程で、Ｇｅ原料とＳｉ原料のドープ量の比を一定時間毎に変化させる。こうすることにより、屈折率が厚さ方向にステップ状に変化した屈折率制御膜１１を形成することができる。例えば、２種類のドーパントを異なるドープ量比で所定の時間間隔で交互に繰り返して供給することにより、屈折率の異なる層を所定の膜厚で交互に積層した屈折率制御膜１１を形成することもできる。
【００２８】
ガラス基板２上に屈折率制御膜１１を成膜した後、図３（ｂ）〜（ｄ）の工程を経ることにより、屈折率が膜厚方向にステップ状に変化したマイクロレンズ１２をガラス基板２上に複数配列したマイクロレンズアレイ１０が完成する。なお、図３（ｂ）〜（ｄ）の製造工程は図１（ｂ）〜（ｄ）の製造工程と実質的に同一なのでその説明は省略する。
【００２９】
マイクロレンズアレイ１０に形成されたマイクロレンズ１２は、屈折率の異なる薄膜が所定膜厚で積層されているので、集光作用だけでなく、所定波長だけを透過させる波長選択フィルタとして機能させることもできる。
【００３０】
［実施例３］
図４は本実施例によるマイクロレンズアレイ１３及びその製造方法を示している。本実施例のマイクロレンズアレイ１３は、ガラス基板２と屈折率制御膜３との間に光フィル多機能を有する誘電体多層膜１４が成膜されている点に特徴を有している。本実施例において図１に示したマイクロレンズアレイ１と同一の作用機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。
【００３１】
まず、図４（ａ）に示すように、光学研磨された直径３インチのガラス基板２上に誘電体多層膜１４を蒸着する。次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、図４（ｂ）に示すように、誘電体多層膜１４上に厚さ５μｍの屈折率制御膜３を成膜する。誘電体多層膜１４上に屈折率制御膜３を成膜した後、図４（ｃ）〜（ｅ）の工程を経ることにより、屈折率がガラス基板２と異なるマイクロレンズ６を誘電体多層膜１４上に複数配列したマイクロレンズアレイ１３が完成する。なお、図４（ｃ）〜（ｅ）の製造工程は図１（ｂ）〜（ｄ）の製造工程と実質的に同一なのでその説明は省略する。
【００３２】
本実施例によるマイクロレンズアレイ１３は誘電体多層膜１４上にマイクロレンズ６が形成されている。誘電体多層膜１４は波長選択フィルタとして機能しマイクロレンズ６は集光素子として機能する。従って、本実施例のマイクロレンズアレイ１３は光フィルタ機能付集光素子として用いることが可能である。
【００３３】
このように本実施の形態によれば、集光性に優れたマイクロレンズ及びその製造方法を実現でき、特に、光集積回路、光ファイバアレイの光結合器、固体撮像素子、電子複写機の光学系、液晶表示装置等に用いられる微小なマイクロレンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイに好適である。
【００３４】
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、実施例３のマイクロレンズアレイ１３では屈折率が膜厚方向に一定の屈折率制御膜３を用いたが、本発明はこれに限られない。例えば、屈折率が膜厚方向に連続的あるいはステップ状に変化する屈折率制御膜８や屈折率制御膜１１を用いても収差の小さい光フィルタ機能付マイクロレンズアレイを実現することができる。
【００３５】
また、上記実施の形態では、マイクロレンズ６、９、１２の外表面はガラス基板２面に対して凸の曲面状に形成しているが、本発明はこれに限られない。ガラス基板２面に対して屈折率制御膜の一部が凹の曲面状のマイクロレンズ６、９、１２を型を使うなどして形成して、ガラス基板２からマイクロレンズ６、９、１２を透過した光が発散光線束となるようにしてももちろんよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、設計の自由度が高く、小型・高性能な光学素子及びその製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による光学素子及びその製造方法を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における実施例１による光学素子及びその製造方法を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態における実施例２による光学素子及びその製造方法を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態における実施例３による光学素子及びその製造方法を示す図である。
【図５】従来の光学素子の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１、７、１０、１３、１５マイクロレンズアレイ
２、１６ガラス基板
３、８、１１屈折率制御膜
４、１７樹脂層
５、１８樹脂パターン
６、９、１２、１９マイクロレンズ
１４誘電体多層膜

Claims

光学材料からなる基板と、
前記基板上に外表面が曲面状に形成され、前記基板の屈折率と異なる屈折率を有する光学薄膜と
を有することを特徴とする光学素子。
請求項１記載の光学素子において、
前記光学薄膜の外表面は前記基板面に対して凸に形成されていること
を特徴とする光学素子。
請求項１記載の光学素子において、
前記光学薄膜の外表面の一部が前記基板面に対して凹に形成されていること
を特徴とする光学素子。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向に連続的に変化していること
を特徴とする光学素子。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向にステップ状に変化していること
を特徴とする光学素子。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記基板と前記光学薄膜との間に誘電体多層膜をさらに有していること
を特徴とする光学素子。
光学材料からなる基板上に光学薄膜を形成し、
前記光学薄膜をドライエッチングして外表面を曲面状に形成すること
を特徴とする光学素子の製造方法。
請求項７記載の光学素子の製造方法において、
前記光学薄膜の屈折率を前記基板の屈折率と異ならせること
を特徴とする光学素子の製造方法。
請求項８記載の光学素子の製造方法において、
前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向に連続的に変化させること
を特徴とする光学素子の製造方法。
請求項８記載の光学素子の製造方法において、
前記光学薄膜の屈折率は、膜厚方向にステップ状に変化させること
を特徴とする光学素子の製造方法。