JP2005070667A - 結像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結像特性が良好な結像素子を高精度に製造できる結像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 透光性を有する平板状の基板２３の厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズ２４から成るレンズアレイ２１を形成するレンズアレイ形成工程と、基板２３の厚み方向他方側の表面部に、紫外線硬化樹脂から成る感光層３５を形成する感光層形成工程と、基板２３の厚み方向一方側から、レンズアレイ２１を透過させ、このときレンズアレイ２１に入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させて、感光層３５に紫外光の平行光である処理光を照射して、複数のルーフプリズム２５から成るルーフプリズムアレイ２２を形成するプリズム形成工程とを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、たとえばファクシミリ装置、プリンタおよびイメージスキャナなどに搭載される光学系における結像素子およびその製造方法に関する。

ファクシミリ装置、プリンタおよびイメージスキャナなどの小形化および薄形化の要求が高まっており、このためには、読取光学系および書込光学系の小形化が必須となる。このための小形の結像光学系として、レンズアレイと、ルーフプリズムアレイまたはルーフミラーアレイとを一体構成とした等倍実像結像用素子が用いられている。

図１３は、従来の結像素子１を示す断面図である。図１４は、結像素子１を示す正面図である。結像素子１は、読取るべき原稿などの物体に臨んで配置される複数のレンズ２が１列に並んで形成される物体側レンズアレイ３と、電荷結合素子（Charge-Coupled
Devices；略称：ＣＣＤ）に臨んで配置されるレンズ４が１列に並んで形成される結像側レンズアレイ５と、物体側レンズアレイ３のレンズ（以後「物体側レンズ」と表記することがある）２と結像側レンズアレイ５のレンズ（以後「結像側レンズ」と表記することがある）４との間に配置される複数のルーフプリズム６が１列に並んで形成されるルーフプリズムアレイ７とを有する（たとえば特許文献１参照）。ルーフプリズムアレイ７においてルーフプリズム６は、各ルーフプリズム６の稜線８が、物体側レンズ２および結像側レンズ４の並列方向に垂直な方向に延びるように配置される。またルーフプリズムアレイ７においてルーフプリズム６は、各ルーフプリズム６の稜線８が、隣接する物体側レンズ２の軸線および結像側レンズ４の軸線に対して４５度の角度を成すように配置される。物体側レンズ２の間隔と、結像側レンズ４の間隔と、ルーフプリズムアレイ７のルーフプリズム６の間隔とは、同じである。

たとえば原稿などの物体表面９の点Ｐ１から出射された光束は、物体側レンズアレイ３の各レンズ２に入射してほぼ平行光束になった後、ルーフプリズムアレイ７のルーフプリズム６において２回反射して、ルーフプリズム６に入射した光束に対して垂直な方向に光路が変化して、結像側レンズアレイ５のレンズ４に入射して、たとえばＣＣＤラインセンサの受光面などの結像面１０の点Ｐ２で結像する。このようにルーフプリズム６の再帰反射機能によって、結像面において正立等倍実像が得られる。

また結像素子１には、物体側レンズアレイ３における隣接するレンズ２間および結像側レンズアレイ５における隣接するレンズ４間を遮光するアパーチャ１１が設けられる。このアパーチャ１１によって、結像素子１の結像特性を向上させる。

図１５は、結像素子１による結像を説明するための図である。図１５では、理解を容易にするために、物体側レンズアレイ３のうちの１つの物体側レンズ２、結像側レンズアレイ５のうちの１つの結像側レンズ４およびルーフプリズムアレイ７のうちの１つのルーフプリズム６だけを示している。ルーフプリズム６は、物体側レンズ２からの光束を結像側レンズ４に向けて反射する第１ルーフ面１２および第２ルーフ面１３を有する。第１ルーフ面１２と第２ルーフ面１３とは、互いに垂直に延びて連通し、第１ルーフ面１２と第２ルーフ面１３との境界線が稜線８となる。

物体表面の点からの光は、円錐状に拡散して物体側レンズ２に入射して平行光束となってルーフプリズム６に入射する。このときの平行光束の断面を、図１５に示すように、平行光束断面１４ａとし、結像方向を明確にするため「Ｆ」の文字を記載する。ルーフプリズム６に入射した平行光束は、第１ルーフ面１２および第２ルーフ面１３において１回ずつ反射して、物体側レンズ２からルーフプリズム６に入射する平行光束に対して垂直な方向に光路が変化する。このように各ルーフ面１２，１３で反射されるときに、第１ルーフ面１２に入射した平行光束は、第１ルーフ面１２および第２ルーフ面１３の順に反射されて、左右反転して第２ルーフ面１３から出射する。また第２ルーフ面１３に入射した平行光束は、第２ルーフ面１３および第１ルーフ面１２の順に反射されて、左右反転して第１ルーフ面１２から出射する。したがって物体側レンズ２からルーフプリズム６に入射した平行光束は、ルーフプリズム６によって左右反転されてルーフプリズム６から出射するので、左右反転像が得られる。その後、結像側レンズ４に入射して、図１５の参照符号１４ｂに示すように、正立実像として結像される。

特許第３１２９９９１号公報

前述のように結像素子１のルーフプリズム６において、光束の分割および合成が行なわれるので、物体側レンズ２の軸線と、ルーフプリズムの稜線８と、結像側レンズ４の軸線とが互いに交差していない場合、結像される像が歪むといった現象が生じる。結像素子１において、物体側レンズアレイ３と、ルーフプリズムアレイ７と、結像側レンズアレイ５との間には、精度の高いアライメントが必要であり、アライメントにずれが生じた場合、結像性能の低下などの問題が生じる。しかしアレイ状に配置される微小なレンズおよびプリズムを全て高精度にアライメントすることは非常に困難である。

前述の結像素子１において、ルーフプリズムアレイ７は金型を用いた一体成型で製造されているけれども、ルーフプリズムアレイ７と、物体側レンズアレイ３と、結像側レンズアレイ５との間でアライメントされた金型を使ったとしても、アレイ状のルーフプリズム全体での特性の均一化は困難であり、加工誤差などによって、充分なアライメント精度が得られない。さらに、金型自体にアライメントを必要とするために、金型の設計も複雑であるので、金型の製作コストが高くなる。

また結像素子１には、物体側レンズアレイ３および結像側レンズアレイ５における隣接するレンズ２，４からの光を遮断して結像特性を向上させるためのアパーチャ１１を設けられているけれども、このアパーチャ１１によって、物体側レンズアレイ３に入射する光量が減少して、光利用効率が低下するといった問題もある。

本発明の目的は、結像特性が良好な結像素子を高精度に製造できる結像素子の製造方法および前記製造方法によって製造される結像素子を提供することである。

本発明は、透光性を有する平板状の基板の厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズから成るレンズアレイを形成するレンズアレイ形成工程と、
基板の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料から成る感光層を形成する感光層形成工程と、
基板の厚み方向一方側から、レンズアレイを透過させて感光層に処理光を照射して、複数のルーフプリズムから成るルーフプリズムアレイを形成するプリズム形成工程とを含むことを特徴とする結像素子の製造方法である。

また本発明は、プリズム形成工程において、レンズアレイに入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させることによって、ルーフプリズムアレイを形成することを特徴とする。

また本発明は、感光層形成工程において感光性材料は、紫外線硬化樹脂であり、
プリズム形成工程において、処理光を紫外光として、感光層を硬化させることを特徴とする。

また本発明は、感光層形成工程において感光性材料は、感光性レジストであり、
プリズム形成工程において、処理光を紫外光として、感光層にルーフプリズムアレイの形状を露光し、現像によって感光層の未硬化部分を除去してルーフプリズムアレイの形状を形成し、基板の厚み方向他方側からエッチングすることによって、感光層のルーフプリズムアレイの形状を基板に転写して、基板の一部にルーフプリズムを形成することを特徴とする。

また本発明は、前述の製造方法によって製造される結像素子である。
また本発明は、レンズアレイにおける予め定める方向に並列する複数のレンズは、稠密して配置されることを特徴とする。

また本発明は、ルーフプリズムアレイにおける隣接するルーフプリズムの間には、遮光性を有する遮光部が設けられることを特徴とする。

また本発明は、１つのレンズアレイと１つのルーフプリズムから成り、レンズアレイにおけるレンズと、ルーフプリズムアレイにおけるルーフプリズムとは、個別に対応していることを特徴とする。

本発明によれば、レンズアレイ形成工程では、透光性を有する平板状の基板の厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズから成るレンズアレイが形成される。続く感光層形成工程では、基板の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料から成る感光層が形成される。プリズム形成工程では、基板の厚み方向一方側から、レンズアレイを透過させて感光層に処理光を照射して、複数のルーフプリズムから成るルーフプリズムアレイが形成される。このようにルーフプリズムアレイは、レンズアレイによる処理光の焦点位置に形成されるので、レンズアレイと、ルーフプリズムアレイとの光学的な位置決め精度を極めて高くすることができる。このようにして製造された結像素子では、レンズアレイとルーフプリズムアレイとを個別に成型した場合に比べて、基板の厚み方向一方側から光を照射したときに、レンズアレイを透過する光の光軸と、ルーフプリズムを透過する光の光軸とを可及的に一致させることができ、結像素子の結像特性が良好となる。

また本発明によれば、プリズム形成工程では、レンズアレイに入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させることによって、ルーフプリズムアレイが形成される。これによってレンズアレイと、ルーフプリズムアレイとの光学的な位置決め精度を極めて高くすることが実現できる。さらに、たとえば処理光の感光層における強度分布を先端の鋭い円錐形状となるよう処理光の入射角度および強度を調整することによって、形成されるルーフプリズムの稜線を鋭くすることができ、良好な結像性能を得ることができる。またたとえば金型による成型でレンズアレイだけを形成しておき、このように形成されたレンズアレイを用いてルーフプリズムアレイを形成するので、高精度のアライメントが必要とされる複雑な金型を用いてレンズアレイとルーフプリズムアレイとを一体成型で製造する場合に比べて、金型の設計が簡略化できる。これによって結像素子の製造コストを低くすることができる。

また本発明によれば、感光層形成工程における感光性材料は、紫外線硬化樹脂であり、プリズム形成工程では、処理光を紫外光として、感光層を硬化させる。このように紫外線硬化樹脂である感光層を硬化させて、ルーフプリズムアレイを形成するので、高精度の機械加工および位置決めが必要な複雑な金型を用いることなく結像素子を製造することができる。これによって結像素子の製造コストを低くすることができる。

また本発明によれば、感光層形成工程における感光性材料は、感光性レジストであり、プリズム形成工程では、処理光を紫外光として、感光層にルーフプリズムアレイの形状を露光し、現像によって感光層の未硬化部分を除去してルーフプリズムアレイの形状を形成し、基板の厚み方向他方側からエッチングすることによって、感光層のルーフプリズムアレイの形状を基板に転写して、基板の一部にルーフプリズムが形成される。このように基板の厚み方向他方側からエッチングして、感光層のルーフプリズムアレイの形状を基板に転写することによって、基板の厚み方向の寸法が小さくなる。これによってルーフプリズムアレイの出射面から結像面までの距離が長くなるので、レンズアレイにおいてマイクロレンズのような焦点距離の短い微小なレンズを用いても結像させることができる。したがって小形の結像素子を製造することができる。

また本発明によれば、前述の製造方法で結像素子を製造することによって、製造された結像素子は、前述の作用および効果を達成することができる。

また本発明によれば、レンズアレイにおける予め定める方向に並列する複数のレンズは、稠密して配置されるので、レンズアレイに入射する光を有効に用いることができ、光の利用効率を高めることができる。

また本発明によれば、ルーフプリズムアレイにおける隣接するルーフプリズムの間には、遮光性を有する遮光部が設けられるので、レンズアレイにおけるレンズが稠密して配置されて光利用効率を向上できるとともに、結像特性を高めることができる。

また本発明によれば、１つのレンズアレイと１つのルーフプリズムで構成されるので、部品点数を減らすことができ、製造コストを低くすることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態の結像素子２０を示す斜視図である。図２は、結像素子２０を示す側面図である。図３は、結像素子２０を示す平面図である。結像素子２０は、レンズアレイ２１、ルーフプリズムアレイ２２および基板２３を含む。レンズアレイ２１、光学的に等価な複数のレンズ２４から成り、複数のレンズ２４が予め定める方向に直線状に並列して、透光性を有する基板２３の厚み方向一方側の表面部に接続されている。ルーフプリズムアレイ２２は、光学的に等価な複数のルーフプリズム２５を含み、複数のルーフプリズム２５が、前記予め定める方向に直線状に並列して、基板２３の厚み方向他方側の表面部に接続されている。ルーフプリズム２５は、屋根形プリズム、ダハプリズムおよびアミシプリズムとも呼ばれる光学部品である。

レンズアレイ２１におけるレンズ２４と、ルーフプリズムアレイ２２におけるルーフプリズム２５とは、１対１に個別に対応して設けられる。ルーフプリズムアレイ２２における隣接する２つのルーフプリズム２５の間には、遮光性を有する遮光部２６が設けられる。これによって隣接する２つのルーフプリズム２５のうちの一方のルーフプリズム２５からの迷光が、他方のルーフプリズム２５に入射することを防止することができる。ルーフプリズム２５は、その稜線２７と当該ルーフプリズム２５に対応するレンズ２４の軸線とが交差するように、また前記稜線２７とルーフプリズム２５の並列する方向とが垂直になるように配置される。前記稜線２７とレンズ２４の軸線との成す角度ψは４５度である。ルーフプリズム２５において、稜線２７を挟む２つのルーフ面（「ダハ面」とも呼ばれる）２８，２９は、互いに垂直である。

たとえば原稿などの物体表面３０の点Ｐ１から出射された光束は、レンズアレイ２１の各レンズ２４に入射して平行光束になった後、基板２３を透過してルーフプリズムアレイ２２のルーフプリズム２５の２つのルーフ面２８，２９で１回ずつ合計２回反射することで、ルーフプリズム２５に入射した光束に対して垂直な方向に光路が変化してルーフプリズムアレイ２２から出射して、たとえばＣＣＤラインセンサの受光面などの結像面３１の点Ｐ２で結像する。このようにルーフプリズム２５の再帰反射機能によって、結像面において正立等倍実像が得られる。

本実施の形態において、レンズアレイ２１の各レンズ２４は、物体表面３０に臨む厚み方向一方側の表面が凸球面状の平凸レンズであって、焦点距離が５．０ミリメートル、厚み方向他方側の表面が一辺の長さ１．０ミリメートルの正方形状、厚みが０．２ミリメートルであってもよい。レンズアレイ２１においてレンズ２４は、前述の予め定める方向に稠密に並列して配置される。ルーフプリズムアレイ２２の各ルーフプリズム２５は、屈折率が１．５９の紫外線硬化樹脂で形成されている。ルーフプリズムアレイ２２の各ルーフプリズム２５の光が入射する面に垂直な方向の寸法は、１，５ミリメートルであってもよい。

一般的に光学の結像関係として、凸形の理想レンズの結像では、その焦点距離をｆ、物体表面３０の点Ｐ１からレンズまでの距離をａ、レンズからレンズの結像面の点Ｐ２までの距離をｂとし、ａ、ｂ共に空気中換算の距離とした場合、これらのｆ，ａ，ｂの間には、次式（１）の結像関係が成立する。
１／ｆ ＝ １／ａ ＋ １／ｂ …（１）

このときレンズの倍率は、ｂ／ａである。したがってａおよびｂの値をそれぞれレンズの焦点距離ｆの２倍の２ｆとすることで、等倍の像を得ることができる。

結像素子２０は、物体表面３０側のレンズアレイ２１だけで結像する。レンズアレイ２１のレンズ２４の焦点距離をｆ、物体表面３０の点Ｐ１からレンズ２４までの距離をａ、レンズ２４から結像面３１の点Ｐ２までの距離をｂ（＝ｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３）とすると、前述のようにａ＝２ｆ，ｂ＝２ｆとすると、等倍の像を得ることができる。ここでｂは、屈折率ｎのレンズ２４およびルーフプリズム２５を透過した距離ｂ_１２＝ｂ_１＋ｂ_２と、ｂ_３の空気中を通過した距離とを足し合わせたものであるので、屈折率ｎ中の距離ｂ_１２を空気中の距離に換算した距離ｂ_１２／ｎとｂ_３とを合わせたｂ_１２／ｎ＋ｂ_３で表される。したがってｂ＝ｂ_１２／ｎ＋ｂ_３＝２ｆのとき、正立等倍像を得ることができる。

本実施の形態では、レンズアレイ２１の各レンズ２４の焦点距離ｆは５．０ミリメートルであるので、正立等倍像を得るためには、物体表面３０からレンズ２４までの距離ａを１０ミリメートルとすればよい。レンズアレイ２１においてレンズ２４は、前述の予め定める方向に稠密に並列して配置されるので、隣接する２つのレンズ２４が、物体表面３０においてそれぞれ１／２（０．５ミリメートル）ずつ像高ｈを重ねるとすると、各レンズ２４の像高ｈは１．０ミリメートルとなり、レンズ２４には軸線を中心として、θ_１＝−５．７度以上、＋５．７度以下の広がり角度をもった光束が入射する。レンズ２４およびルーフプリズム２５の屈折率ｎを１．５９とすると、ルーフプリズム２５における広がり角度θ_２は、−３．６度以上、＋３．６度以下となる。ルーフプリズム２５の稜線２７はレンズ２４の軸線に対して４５度を成すように配置されているので、稜線２７に対しては、４１．４度以上、４８．６度以下の広がり角度θを持つ光束が入射する。

ここで屈折率ｎ_２のルーフプリズム２５の屈折率ｎ_１の空気に対する全反射条件の臨界角θ_Ｃは、次式（２）で表される。
θ_Ｃ ＝ ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２） …（２）

前式（２）に、空気の屈折率ｎ_１＝１ルーフプリズム２５の屈折率ｎ_２＝１．５９を代入すると、臨界角θ_Ｃ＝３８．９度となり、前記拡がり角θが前記臨界角θ_Ｃよりも大きくなるので、ルーフプリズム２５での光束は全反射条件を満たす。したがって物体表面３０の点Ｐ１からの全ての光束がルーフプリズム２５によって直角に光路を曲げられて、結像面３１上の点Ｐ２として結像する。

以上のように本実施の形態の結像素子２０によれば、レンズアレイ２１における予め定める方向に並列する複数のレンズ２４は、稠密して配置されるので、レンズアレイ２１に入射する光を有効に用いることができ、光の利用効率を高めることができる。

また本実施の形態の結像素子２０によれば、ルーフプリズムアレイ２２における隣接するルーフプリズム２５の間には、遮光性を有する遮光部が設けられるので、レンズアレイ２１におけるレンズ２４が稠密して配置されて光利用効率を向上できるとともに、結像特性を高めることができる。

また本実施の形態の結像素子２０によれば、レンズアレイ２１におけるレンズ２４と、ルーフプリズムアレイ２２におけるルーフプリズム２５とは、個別に対応しているので、部品点数を減らすことができ、製造コストを低くすることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態の結像素子２０の製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向に垂直な方向から見た断面図である。図５は、結像素子２０の製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向から見た断面図である。

図６は、結像素子２０のレンズアレイ２１を形成するためのスタンパ３２の一部を示す断面図である。図７は、スタンパ３２の一部を示す平面図である。スタンパ３２には、予め定める方向に並列する複数の凹所３３が形成される。この凹所３３は、レンズアレイ２１の形状に対応して形成され、１．０ミリメートル角、深さ０．２ミリメートルである。図４（１）および図５（１）に示す第１工程では、スタンパ３２となる石英基板の厚み方向一方側の表面にポジ型電子線レジストを塗布し、電子線露光によって凹形状を形成し、ドライエッチングによって石英基板に凹形状を転写して凹所３３を形成して、図６および図７に示すスタンパ３２を形成し、第２工程に進む。

図４（２）および図５（２）に示す第２工程では、スタンパ３２の凹所３３に透光性を有し高屈折率の紫外線硬化樹脂３４を滴下して、第３工程に進む。

図４（３）および図５（３）に示す第３工程では、スタンパ３２と基板２３の厚み方向一方側の表面部とによって、紫外線硬化樹脂３４を挟み込み加圧して、第４工程に進む。前記基板２３の材質は、透光性を有する石英であってもよく、厚みは、たとえば４ミリメートルであってもよい。基板２３とスタンパ３２によって紫外線硬化樹脂３４を挟み込む前に、基板２３の厚み方向一方側の表面部に、紫外線硬化樹脂３４との密着性を強めるカップリング剤を塗布しておくことが望ましい。

図４（４）および図５（４）に示す第４工程では、スタンパ３２と協働して紫外線硬化樹脂３４を挟みこんでいる基板２３の厚み方向他方側の表面部から紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂３４を硬化させて、第５工程に進む。

図４（５）および図５（５）に示す第５工程では、基板２３からスタンパ３２を離脱させることによって、基板３２の厚み方向一方側の表面部に予め定める方向に並列する複数のレンズ２４から成るレンズアレイ２１が形成され、第６工程に進む。レンズアレイ形成工程である第２工程〜第５工程におけるレンズアレイ２１の形成は、２Ｐ（Photo-
Polymerization）法と呼ばれる方法である。

図４（６）および図５（６）に示す感光層形成工程である第６工程では、基板２３の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料、本実施の形態では紫外線硬化樹脂をスピンコートによって塗布して感光層３５を形成して、第７工程に進む。感光層３５の厚みは、たとえば１．５ミリメートルであってもよい。第６工程において塗布される紫外線硬化樹脂は、露光量によって着色濃度が変わり、過露光すると濃く着色して可視光域の透過率が低くなる特性を有する。

図４（７）および図５（７）に示すプリズム形成工程である第７工程では、感光層３５を形成する紫外線硬化樹脂が感度を有する、波長３６５ナノメートル付近の紫外光の平行光束を処理光として、基板２３の厚み方向一方側からレンズアレイ２１を透過させて、感光層３５に処理光を照射して、第８工程に進む。

図８は、図４（７）を拡大して示す断面図である。図９は、図５（７）を拡大して示す断面図である。図８および図９では、理解を容易にするために、レンズアレイ２１のレンズ２４のうち１つだけを示している。レンズ２４を透過した処理光の焦点は、感光層３５のほぼ中央にある。レンズ２４に入射する処理光の入射角度を変化させると、焦点は１点鎖線Ｌ１で示したような軌跡を描く。焦点近傍の強度分布は、焦点を最大値とするガウシアン形状となっているので、焦点近傍から感光層３５の硬化が促進する。このとき処理光の強度を強めることで、処理光の光軸Ｌ２に沿う楕円状に露光強度分布範囲を広げることができる。したがって焦点位置よりも深く露光したいとき、強度を強めることで、所望の形状を形成する。また、感光層３５の硬化度合いは、露光強度と露光時間との積で決定されるので、露光時間を長くすることでも同じ効果を得ることができる。また、このとき感光層３５における露光強度分布に一致する硬化の形状は、先端の鋭い円錐形状になるので、その先端を用いることでルーフプリズム２５の稜線２７近傍を先鋭に形成することができる。したがって、ルーフプリズム２５を形成するためには、レンズ２４に入射する処理光の入射角度を変化させて焦点位置を移動させてルーフ面２８，２９の幅方向を設定し、また露光強度および露光時間の少なくともいずれか一方を変化させて露光量を変えて、硬化深さを変化させることでルーフ面２８，２９の基板厚み方向を設定する。

図４（８）および図５（８）に示す第８工程では、感光層３５の未硬化部分をエタノールなどの有機溶剤中に適当な時間浸漬することで除去してルーフプリズム２５を形成し、隣接する２つのルーフプリズム２５の間に遮光性を有する遮光部２６を形成して、ルーフプリズム２５および遮光部２６から成るルーフプリズムアレイ２２を形成する。

以上のように本実施の形態の結像素子２０の製造方法によれば、レンズアレイ形成工程である第２工程〜第５工程では、透光性を有する平板状の基板２３の厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズ２４から成るレンズアレイ２１が形成される。続く感光層形成工程である第６工程では、基板２３の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料から成る感光層３５が形成される。プリズム形成工程である第７工程では、基板２３の厚み方向一方側から、レンズアレイ２１を透過させて感光層３５に処理光である紫外光の平行光束を照射して、複数のルーフプリズム２５から成るルーフプリズムアレイ２２が形成される。このようにルーフプリズムアレイ２２は、レンズアレイ２１による処理光の焦点位置に形成されるので、レンズアレイ２１と、ルーフプリズムアレイ２２との光学的な位置決め精度を極めて高くすることができる。また結像素子２０の第１ルーフ面２８と第２ルーフ面２９との成す角度を、可及的確実に９０度とすることができる。このようにして製造された結像素子２０では、レンズアレイ２１とルーフプリズムアレイ２２とを個別に成型した場合に比べて、基板２３の厚み方向一方側から光を照射したときに、レンズアレイ２１を透過する光の光軸と、ルーフプリズム２５を透過する光の光軸とを可及的に一致させることができ、結像素子２０の結像特性が良好となる。また前述のように光学的な位置決め精度を極めて高くできるので、物体側に１つのレンズアレイを用いるだけでも良好な結像特性が得られる。したがって１つのレンズアレイと１つのルーフプリズムアレイとだけで結像素子２０を構成できるので、製造コストを低くすることができる。

また本実施の形態の結像素子２０の製造方法によれば、プリズム形成工程である第７工程では、レンズアレイ２１に入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させることによって、ルーフプリズムアレイ２２が形成される。これによってレンズアレイ２１と、ルーフプリズムアレイ２２との光学的な位置決め精度を極めて高くすることが実現できる。さらに、たとえば処理光の感光層３５における強度分布を先端の鋭い円錐形状となるよう処理光の入射角度および強度を調整することによって、形成されるルーフプリズム２５の稜線２７近傍を鋭くすることができ、良好な結像性能を得ることができる。またたとえば金型による成型でレンズアレイ２１だけを形成しておき、このように形成されたレンズアレイ２１を用いてルーフプリズムアレイ２５を形成するので、高精度のアライメントが必要とされる複雑な金型を用いてレンズアレイとルーフプリズムアレイとを一体成型で製造する場合に比べて、金型の設計が簡略化できる。これによって結像素子２０の製造コストを低くすることができる。

また本実施の形態の結像素子２０の製造方法によれば、感光層形成工程である第６工程における感光性材料は、紫外線硬化樹脂であり、プリズム形成工程である第７工程では、処理光を紫外光として、感光層３５を硬化させる。このように紫外線硬化樹脂である感光層３５を硬化させて、ルーフプリズムアレイ２２を形成するので、高精度の機械加工および位置決めが必要な複雑な金型を用いることなく結像素子２０を製造することができる。これによって結像素子２０の製造コストを低くすることができる。

図１０は、本発明の第３の実施形態の結像素子２０Ａの製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向に垂直な方向から見た断面図である。図１１は、結像素子２０Ａの製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向から見た断面図である。

図１０（１）および図１１（１）に示す第１工程では、スタンパ３２となる石英基板の厚み方向一方側の表面にポジ型電子線レジストを塗布し、電子線露光によって凹形状を形成し、ドライエッチングによって石英基板に凹形状を転写して凹所３３を形成して、図６および図７に示すスタンパ３２を形成し、第２工程に進む。

図１０（２）および図１１（２）に示す第２工程では、スタンパ３２の凹所３３に透光性を有し高屈折率の紫外線硬化樹脂３４を滴下して、第３工程に進む。

図１０（３）および図１１（３）に示す第３工程では、スタンパ３２と基板２３Ａの厚み方向一方側の表面部とによって、紫外線硬化樹脂３４を挟み込み加圧して、第４工程に進む。前記基板２３Ａの材質は、透光性を有する樹脂、たとえばポリイミド、ポリカーボネイトおよびアクリルであってもよく、厚みは、たとえば４ミリメートルであってもよい。基板２３Ａとスタンパ３２によって紫外線硬化樹脂３４を挟み込む前に、基板２３Ａの厚み方向一方側の表面部に、紫外線硬化樹脂３４との密着性を強めるカップリング剤を塗布しておくことが望ましい。

図１０（４）および図１１（４）に示す第４工程では、スタンパ３２と協働して紫外線硬化樹脂３４を挟みこんでいる基板２３Ａの厚み方向他方側の表面部から紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂３４を硬化させて、第５工程に進む。

図１０（５）および図１１（５）に示す第５工程では、基板２３Ａからスタンパ３２を離脱させることによって、基板３２の厚み方向一方側の表面部に予め定める方向に並列する複数のレンズ２４から成るレンズアレイ２１が形成され、第６工程に進む。レンズアレイ形成工程である第２工程〜第５工程におけるレンズアレイ２１の形成は、２Ｐ（Photo-Polymerization）法と呼ばれる方法である。

図１０（６）および図１１（６）に示す感光層形成工程である第６工程では、基板２３の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料、本実施の形態ではネガレジストをスピンコートによって塗布して感光層３５Ａを形成して、第７工程に進む。感光層３５Ａの厚みは、たとえば１ミリメートルであってもよい。

図１０（７）および図１１（７）に示す第７工程では、感光層３５Ａを形成する紫外線硬化樹脂が感度を有する、波長３６５ナノメートル付近の紫外光の平行光束を処理光として、基板２３Ａの厚み方向一方側からレンズアレイ２１を透過させて、感光層３５に処理光を照射して、第８工程に進む。

図１０（８）および図１１（８）に示す第８工程では、感光層３５Ａの未硬化部分をエタノールなどの有機溶剤中に適当な時間浸漬することで除去してルーフプリズム転写体３６を形成する。

図１０（９）および図１１（９）に示す第９工程では、ドライエッチングによって、ルーフプリズム転写体３６の形状を基板２３Ａに転写する。このとき感光層３５Ａと基盤２４Ａとの選択比、換言すれば、基盤２４Ａのエッチングレートと感光層３５Ａのエッチングレートとの比を大きくすることで、基板２３Ａには感光層３５Ａのルーフプリズム転写体３６の形状が、基盤２３Ａの厚み方向に平行な転写方向に選択比倍拡大される。このときルーフプリズム転写体３６におけるルーフプリズム２５Ａの出射面に相当する部分は、露光時の強度分布の関係から斜面となっており、上部が突き出た形状となる。この形状を基板２３Ａにエッチングで転写する場合、上部の突き出した部分がマスクとなり、転写後の形状は図１１（９）に示すように垂直な面となるけれども、光学的には影響ない。本実施の形態において、プリズム形成工程は、第７工程〜第９工程で構成される。

図１２は、前述の製造方法によって製造された結像素子２０Ａを示す側面図である。図１０および図１１に示す製造方法によって製造された結像素子２０Ａは、図４および図５に示す製造方法によって製造された結像素子２０と光学的には大略的に同様であるので、詳細な説明は省略する。図１２に示す結像素子２０Ａは、レンズアレイ２１の各レンズ２４の焦点位置にある感光層３５Ａをルーフプリズムの形状となるルーフプリズム転写体３６を形成して露光し、基板２３Ａの厚み方向他方側の表面部にドライエッチングによってルーフプリズムの形状を転写するため、レンズ２４からルーフプリズム２５Ａまでの距離ｂ_１が、図４に示す製造方法で製造された結像素子２０よりも短くなる。またレンズ２４から結像面３１の点Ｐ２までの距離ｂ（＝ｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３）は、等倍結像の関係から２ｆであるので、ルーフプリズム２５Ａから結像面３１の点Ｐ２までの距離ｂ_２＋ｂ_３は、レンズ２４の焦点距離ｆとｂ_１とで決定される。したがってｂ_１を短くすることで、ｂ_２＋ｂ_３が長くなり、焦点距離ｆが短くても、結像面３１までの距離を確保することができる。

以上のように本実施の形態の結像素子２０Ａの製造方法によれば、レンズアレイ形成工程である第２工程〜第５工程では、透光性を有する平板状の基板２３Ａの厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズ２４から成るレンズアレイ２１が形成される。続く感光層形成工程である第６工程では、基板２３Ａの厚み方向他方側の表面部に、感光性材料から成る感光層３５Ａが形成される。プリズム形成工程である第７工程〜第９工程では、基板２３Ａの厚み方向一方側から、レンズアレイ２１を透過させて感光層３５Ａに処理光である紫外光の平行光束を照射して、ルーフプリズム転写体３６が形成される。このようにルーフプリズム転写体３６は、レンズアレイ２１による処理光の焦点位置に形成されるので、レンズアレイ２１と、ルーフプリズム転写体３６との光学的な位置決め精度を極めて高くすることができる。このようにして製造された結像素子２０Ａでは、レンズアレイ２１とルーフプリズムアレイ２２Ａとを個別に成型した場合に比べて、基板２３Ａの厚み方向一方側から光を照射したときに、レンズアレイ２１を透過する光の光軸と、ルーフプリズム２５Ａを透過する光の光軸とを可及的に一致させることができ、結像素子２０Ａの結像特性が良好となる。

また本実施の形態の結像素子２０Ａの製造方法によれば、プリズム形成工程である第７工程〜第９工程では、レンズアレイ２１に入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させることによって、ルーフプリズム転写体３６が形成される。これによってレンズアレイ２１と、ルーフプリズム転写体３６との光学的な位置決め精度を極めて高くすることが実現できる。さらに、たとえば処理光の感光層３５における強度分布を先端の鋭い円錐形状となるよう処理光の入射角度および強度を調整することによって、形成されるルーフプリズム転写体３６の稜線近傍を鋭くすることができ、良好な結像性能を得ることができる。またたとえば金型による成型でレンズアレイ２１だけを形成しておき、このように形成されたレンズアレイ２１を用いてルーフプリズム転写体３６を形成するので、高精度のアライメントが必要とされる複雑な金型を用いてレンズアレイとルーフプリズムアレイとを一体成型で製造する場合に比べて、金型の設計が簡略化できる。これによって結像素子２０Ａの製造コストを低くすることができる。

また本実施の形態の結像素子２０Ａの製造方法によれば、感光層形成工程である第６工程における感光性材料は、感光性レジストであり、プリズム形成工程である第７工程〜第９工程では、処理光を紫外光として、感光層３５Ａにルーフプリズムアレイ２２Ａの形状を露光し、現像によって感光層３５Ａの未硬化部分を除去してルーフプリズム転写体３６を形成し、基板２３Ａの厚み方向他方側からドライエッチングすることによって、感光層３５Ａのルーフプリズム転写体３６の形状を基板２３Ａに転写して、基板２３Ａの一部にルーフプリズム２５Ａが形成される。このように基板２３Ａの厚み方向他方側からエッチングして、感光層３５Ａのルーフプリズム転写体３６の形状を基板２３に転写することによって、基板２３の厚み方向の寸法が小さくなる。これによってルーフプリズムアレイ２２Ａの出射面から結像面までの距離が長くなるので、レンズアレイ２１においてマイクロレンズのような焦点距離の短い微小なレンズを用いても結像させることができる。したがって小形の結像素子２０Ａを製造することができる。

本発明の第１の実施形態の結像素子２０を示す斜視図である。 結像素子２０を示す側面図である。 結像素子２０を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態の結像素子２０の製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向に垂直な方向から見た断面図である。 結像素子２０の製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向から見た断面図である。 結像素子２０のレンズアレイ２１を形成するためのスタンパ３２の一部を示す断面図である。 スタンパ３２の一部を示す平面図である。 図４（７）を拡大して示す断面図である。 図５（７）を拡大して示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の結像素子２０Ａの製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向に垂直な方向から見た断面図である。 結像素子２０Ａの製造方法の各工程を示すレンズアレイ２１およびルーフプリズムアレイ２２の並列方向から見た断面図である。 前述の製造方法によって製造された結像素子２０Ａを示す側面図である。 従来の結像素子１を示す断面図である。 結像素子１を示す正面図である。 結像素子１による結像を説明するための図である。

符号の説明

２０，２０Ａ 結像素子
２１ レンズアレイ
２２，２２Ａ ルーフプリズムアレイ
２３，２３Ａ 基板
２４ レンズ
２５，２５Ａ ルーフプリズム
２６ 遮光部
３５ 感光層
３６ ルーフプリズム転写体

Claims (8)

1. 透光性を有する平板状の基板の厚み方向一方側の表面部に、予め定める方向に並列する複数のレンズから成るレンズアレイを形成するレンズアレイ形成工程と、
   基板の厚み方向他方側の表面部に、感光性材料から成る感光層を形成する感光層形成工程と、
   基板の厚み方向一方側から、レンズアレイを透過させて感光層に処理光を照射して、複数のルーフプリズムから成るルーフプリズムアレイを形成するプリズム形成工程とを含むことを特徴とする結像素子の製造方法。
2. プリズム形成工程において、レンズアレイに入射する処理光の入射角度、強度および照射時間のうち少なくともいずれか１つを変化させることによって、ルーフプリズムアレイを形成することを特徴とする請求項１記載の結像素子の製造方法。
3. 感光層形成工程において感光性材料は、紫外線硬化樹脂であり、
   プリズム形成工程において、処理光を紫外光として、感光層を硬化させることを特徴とする請求項１または２記載の結像素子の製造方法。
4. 感光層形成工程において感光性材料は、感光性レジストであり、
   プリズム形成工程において、処理光を紫外光として、感光層にルーフプリズムアレイの形状を露光し、現像によって感光層の未硬化部分を除去してルーフプリズムアレイの形状を形成し、基板の厚み方向他方側からエッチングすることによって、感光層のルーフプリズムアレイの形状を基板に転写して、基板の一部にルーフプリズムを形成することを特徴とする請求項１または２記載の結像素子の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法によって製造される結像素子。
6. レンズアレイにおける予め定める方向に並列する複数のレンズは、稠密して配置されることを特徴とする請求項５記載の結像素子。
7. ルーフプリズムアレイにおける隣接するルーフプリズムの間には、遮光性を有する遮光部が設けられることを特徴とする請求項５または６記載の結像素子。
8. １つのレンズアレイと１つのルーフプリズムアレイから成り、レンズアレイにおけるレンズと、ルーフプリズムアレイにおけるルーフプリズムとは、個別に対応していることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の結像素子。

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