JP2005258233A - マイクロレンズ作成方法およびその装置、その方法によって作成した光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】透過の比較的大きなレンズ基板（ガラス）でもレンズを創成できる新たなマイクロレンズ作成方法を提供する。
【解決手段】レンズ基板４のレーザ入射面とは反対のガラス裏面に反射率の高い板５を敷き、レンズ基板への吸収エネルギーを増大し凸マイクロレンズの作成を行う。レーザを透過するレンズ基板では、照射されたレーザをできる限り有効に利用することが重要である。すなわち、照射され透過してしまったレーザ光を再度、レンズ基板に戻してやればバルス幅内で往路と復路のレーザ光が重複し、レンズ基板への吸収エネルギーが増大する。この吸収増大効果によってレンズ基板内部の温度が転移温度に達し、レンズ基板は急激に膨張し、凸マイクロレンズを作成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロレンズ作成方法およびその装置、その方法によって作成した光学素子に関するものである。

携帯カメラや液晶プロジェクター、デジカメなどＩＴ製品の普及に伴い、マイクロレンズの需要は年々増してきている。また、レンズの生産においては、ニーズの多様化に伴い様々な規格のものを少量生産する必要性や、機械加工では不可能な微小な規格のものを生産する必要性が出てきている。特に、マイクロ凸レンズは、光通信のファイバー先端のレンズやＣＣＤ、液晶などとともに使用される光学素子として欠かせないものである。
マイクロ凸レンズは、従来は金型で作製しているが、最近はマイクロレンズのサイズが徐々に小さくなり、金型を作製できないくらい微小になりつつありレンズ作成が困難となってきている。また、リソグラフィー技術によるレンズアレーではマスクが必要であった。近年は、レンズの大きさを個々の製品に合わせて自在に変えることが要求されるようになり、多品種少量生産が望まれている。このようにマイクロレンズの作製では微小化に伴う作製手法、多品種少量生産手法に課題が残されている。
こうした中、レーザ光を熱源として用い、ガラス基板表面を局所加熱することにより凸状の膨らみを形成するレンズ形成方法が開発されている（特許文献１）。
特開平１５−３０７６０２号公報

しかし、上記公報に記載のものを含めて、今までの手法ではＹＡＧレーザを比較的吸収するガラスに限りレンズ創成が可能であり、透過率の大きなガラスでは困難であった。

本発明は、透過の比較的大きなガラスでもレンズを創成できる新たなマイクロレンズ作成方法およびその装置、その方法によって作成した光学素子を提供することを目的とする。
本発明によれば、パルスレーザを用いて機械加工では小さすぎて作製不可能な数μｍから数百μｍまでの直径を有するマイクロレンズを様々なスペックでアレー状にもまた単体としても自在に作製することが可能である。

このため、本発明が採用した技術解決手段は、
レンズ基板のレーザ入射面とは反対のレンズ基板裏面に反射率の高い板を敷き、レンズ基板面にパルスレーザを照射し、レンズ基板への吸収エネルギーを増大し、レンズ基板に凸マイクロレンズの作成を行うことを特徴とするマイクロレンズ作成方法である。
前記パルスレーザは１ショットのパルス幅で１個のマイクロレンズを作製することを特徴とするマイクロレンズ作成方法である。
また、前記反射率の高い板は銅板であることを特徴とするマイクロレンズ作成方法である。
また、パルスレーザ源と、前記レーザ源からのレーザ光を伝達する光ファイバと、光ファイバから出射されるレーザを照射するレンズ基板と、前記レンズ基板の裏面に配置する反射率の高い板とを備え、パルスレーザ源からのレーザ光によりレンズ基板にレンズを作成することを特徴とするマイクロレンズ作成装置である。
また、前記マイクロレンズ作成法により作成したマイクロレンズアレーである。
また、前記マイクロレンズ作成法により作成した導光板である。

本発明は、以下のような特有の効果を達成することができる。
微細で所望のスペックを有すマイクロ凸レンズを単数、複数個、所望の位置に容易に創成することができる。このように、多品種少量生産が必要なマイクロレンズもしくはアレーが容易に作れるようになると、様々な光学部品（例えば導入板等）を作成する手法としても利用できる。
レンズ基板（ガラス基板）を透過し、わずかに吸収のあるレーザ光線でも、マイクロレンズを作製することができる。
パルスレーザで１ショットのパルス幅（数ｍｓ間）で１個のマイクロレンズを作製できる。
反射率の高い板をレンズ基板の裏面（ガラス基板裏面）に配置することでレンズ基板の両面に同時にレンズを創成できる。
出力によっては、レンズ基板（ガラス基板）の片面にのみレンズを創成することもできる。
レーザ照射条件によって、レンズの直径や高さなどスペックを制御することができる。 ガラスの裏面に銅板など反射板を配置し、パルス幅内のレーザ重複によって効率よく凸レンズを創成することができる。
本法を使用することによりレンズアレーを容易に作ることができる。
アレーは様々なスペックのレンズで構成することができる。
アレーは、導光板としての適用が可能である。

本発明は、レンズ基板（ガラス基板）のレーザ入射面（以後、レンズ基板上面という）とは反対のガラス裏面（以後、レンズ基板下面という）に反射率の高い板（たとえば銅板など）を敷くことで、レンズ基板（ガラス基板）への吸収エネルギーを増大し凸マイクロレンズの作成を行う。
レーザを透過するガラスでは、照射されたレーザをできる限り有効に利用することが重要である。すなわち、照射され透過してしまったレーザ光を再度、ガラスに戻してやればバルス幅内で往路と復路のレーザ光が重複し、ガラスへの吸収エネルギーが増大する。この吸収増大効果によってガラス内部の温度が転移温度に達し、ガラスは急激に膨張し、凸マイクロレンズを作成することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
図１は、本発明に係るマイクロレンズ作成装置の概略構成図であり、図中、１はレーザ源（本例ではＹＡＧレーザ）、２は光ファイバー、３はロボットアーム、４はレンズ作成用のレンズ基板（本例ではスライドガラス）、５はスライドガラスの下面に配置する反射率の高い板（例えば銅板など）である。ロボットアームはレーザ光線をスライドガラス４上で移動させるために、図中矢印で示すようにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動できる構成となっており、この移動機構は従来周知の機構を使用している。また反射率の高い板５は、スライドガラス４に密着して配置したり、あるいは離して配置することもできる。

上記装置からなる装置を使用して、マイクロ凸レンズを作成する方法を説明する。
まず、レーザ光線の下方にスライドガラス４を配置し、さらにその下方に反射率の高い板５を配置する。反射率の高い板はスライドガラス４に密着させたり、適宜離して配置する。
このような設定が成された後、レーザ光をスライドガラス４に向けて１ショットのパルス幅（数ｍｓ）照射する。この１ショットパルス照射により、スライドガラス内を透過したレーザ光は再度、反射率の高い板５で反射されガラスに戻ってくる。こうしてバルス幅内で往路と復路のレーザ光が重複し、ガラスへの吸収エネルギーが増大する。この結果、ガラスは急激に膨張し、スライドガラスの上、下面にレンズが創成される。また、このようなレンズをガラス基板に多数形成することにより、マイクロレンズアレーを作成することができる。

つづいて本発明者が行った実験例を説明する。
実験は、図１に示す構成からなる装置でおこなった。使用したレーザはノーマルパルスＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、発振されたレーザ光は光ファイバーによって精密３軸直交型アームロボットに伝送される。伝送されたレーザはロボットアーム先端に固定された光学系によってφ４００μｍに集光され、ガラス上面から照射される。
ここでは、今までレンズ創成が困難であったスライドガラス（ソーダガラス）を用い、ガラス裏面に厚み０．３ｍｍのタフチッピ銅板（Ｃ１１１０）を配置した。また、ガラスと銅板を密着、もしくは所望の隙間に位置決めできるよう加工テーブルには試料取付治具を設置し、必要に応じて使用できるようにした。

図１に示すように、実験ではガラス上面からレーザを照射し、銅板５（反射率の高い板）で反射し、再びガラス内部にレーザが戻るよう実験を行った。レーザ照射条件としては、出力を０．４Ｊ／Ｐ〜２．４Ｊ／Ｐ、パルス幅を１ｍｓ〜５ｍｓまで変化させた。なお、断りのない限り焦点位置は銅板表面とし、照射回数は１回とする。試料（ガラス）と銅板の位置関係は、以下の４通りとした。すなわち、
（１）治具で締め付けて密着させる。
（２）治具で締め付けず両者を接触させる。
（３）両者の隙間を０．３ｍｍとする。
（４）隙間を０．６ｍｍとする。

凸部高さの調査
上記（１）〜（４）の条件において、各照射条件により実験を行った結果、凸レンズが形成できることが分かった。創成された凸マイクロレンズの加工例を図２に示す。これにより、比較的形状精度のよい凸マイクロレンズであることが分かった。
（１）〜（４）の条件で照射実験を行った時の凸部高さと出力の関係を図３（レーザ出力、パルス幅と凸部の高さの関係）に示す。各図中では、加工可能であったパルス幅ごとにデータをプロットした。なお、形状測定には非接触３次元測定装置を用いた。
これにより、出力が大きくなるほど高さは大きくなる傾向があり、最大高さで５０μｍ程度に達することが分かった。また、（１）〜（３）の条件では照射条件が異なるもののガラス上下両面で凸マイクロレンズの創成が可能であった（図中、（ａ）〜（ｃ）参照）。ただし、上面よりも下面で凸部は大きい傾向を示した。この原因としては、下面で最もレーザの重複が生じやすいためと考えられる。

銅板を接触させる（１）、（２）の条件ではガラス下面の凸部は銅板と接触し、高さはサチレートしてしまう傾向が見られた。図４に示す凸部の観察結果より、銅板面が転写された平面が形成されていることが確認できた。このことは、レーザ照射中ガラスが軟化していることを証明するものであり、型の転写など塑性加工への適用が可能である。
銅板の接触していない（３）、（４）の条件では上面にレンズを創成することは困難であった。（４）の条件に至っては、下面への加工も出力を大きくしないと困難であった。図３中右側の領域（濃いグレー部）では凸部は創成しない。一方、下面の図中左側の領域（薄いグレー部）ではガラスに穴があいて、クラックが発生してしまった。

凸部直径の調査
同様に直径の調査を行った結果を図５に示す。これにより、出力の増加に伴って、レンズ直径も増大していくことが認められた。ただし、ある出力以上ではサチレートする傾向も見られた。また、銅板とガラスの隙間がとられる（３）、（４）の条件では上面のレンズ直径の方が大きくなる傾向が認められた。これは反射によってレーザが上方に拡散していくためレンズの直径が大きくなったと考えられる。すなわち、この事実は反射光があってレンズ創成が初めて可能であるというメカニズムを裏付けている。

焦点位置の影響
（１）の条件において焦点位置がレンズ創成に与える影響を調査した。銅表面から焦点を下方に移動した場合をマイナスとし、逆に上方（ガラス内面側）に移動させた場合をプラスとした。結果を図 に示す。これにより、銅表面に焦点がある場合、最も凸部高さが大きいことが分かった。一方、凸部直径は焦点を上方に移動させると大きくなる傾向が確認された。高さに関しては、高いエネルギー密度近傍で光が重複することが原因であると考えられる。また、直径に関しては、焦点を下方に移動させると、反射光はガラス内部で集東するが、上方に移す時は逆に反射光は拡散していぐことが原因であると考えられる。

照射回数の影響
（２）の条件において照射回数の影響を調査した結果を図７に示す。ここでは、凸部高さと直径について調査した。これにより照射回数にはほとんど影響されず、１回の照射で加工が完了してしまうことが分かった。

導光板への適用
用例の一つに導光板への適用を検討した。ここでは１）両面に凸部がある場合（出力２．２Ｊ、０．３ｍｍの隙間有り）、２）下面のみに凸部がある場合（出力１．６Ｊ、０．３ｍｍ隙間有り）の２通りの試料で実験を行った。
導光板を試作するためにアレイを形成した。形成は凸部同士の間隔が、およそ直径と同間隔以下だとクラックが発生し困難であった。しかし、それ以上の間隔ではアレイの形成は容易にできた。また、銅板に傷や汚れが付着しているとその部分で銅板にダメージが加わり、同時にスライドガラスにもクラックが発生するため、清浄な銅板を使用する必要があつた。２）の場合はスラィドガラスの横から光を入射させても、凸部からの出射は確認できなかった。しかし１）の場合は、上面の凸部からのみ発光が確認できた。図８（ｂ）はスライドガラスを横から見た図であり、側面のみから入射した光は凸部が小さい上面から出射している。これを上面側から撮影したものが図８（ａ）である。これにより、導光板への応用もできることが確認できた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、反射率の高い板としては銅板にかぎることなく、反射率高い板いを使用することもできる。またレーザ光源もＹＡＧレーザに限ることなく、種々のレーザ光源を採用するこもできる。レンズ形成を行うガラスもスライドガラスに限定することなく他の種々のレンズ基板（レンズとして利用できる現在公知の種々のガラスなど）にも適用できる。さらに、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

マイクロ凸レンズは、光通信のファイバー先端のレンズやCCD、液晶などとともに使用される光学素子として欠かせないものである。とくに導光板では、マイクロレンズをガラス表面に創成し、光を各レンズで反射させて液晶パネルを均一に光らせる部品である。ライトの位置などによって、ガラスの各所でマイクロ凸レンズの大きさを変えて作られている。この導光板としての適用が有望である。

本発明に係るマイクロレンズ作成装置の概略構成図である。 凸マイクロレンズの加工例を示す図である。 照射実験を行った時の凸部の高さと出力の関係図である。 銅板面が転写された平面が形成されている凸レンズの図である。 レーザ出力、パルス幅と凸部の直径の関係図である。 焦点からの距離と上面凸部の高さ、直径の関係図である。 照射回数と上面凸部の高さ、直径の関係図である。 導光板への適用を説明する図である。

符号の説明

１ レーザ源（本例ではＹＡＧレーザ）
２ 光ファイバー
３ ロボットアーム
４ レンズ作成用のスライドガラス
５ スライドガラスの下面に配置する反射率の高い板

Claims (6)

1. レンズ基板のレーザ入射面とは反対のレンズ基板裏面に反射率の高い板を敷き、レンズ基板面にパルスレーザを照射し、レンズ基板への吸収エネルギーを増大し、レンズ基板に凸マイクロレンズの作成を行うことを特徴とするマイクロレンズ作成方法。
2. 前記パルスレーザは１ショットのパルス幅で１個のマイクロレンズを作製することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ作成方法。
3. 前記反射率の高い板は銅板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロレンズ作成方法。
4. パルスレーザ源と、前記レーザ源からのレーザ光を伝達する光ファイバと、光ファイバから出射されるレーザを照射するレンズ基板と、前記レンズ基板の裏面に配置する反射率の高い板とを備え、パルスレーザ源からのレーザ光によりレンズ基板にレンズを作成することを特徴とするマイクロレンズ作成装置。
5. 前記請求項１〜請求項３の何れかのマイクロレンズ作成法により作成したマイクロレンズアレー。
6. 前記請求項１〜請求項３の何れかのマイクロレンズ作成法により作成した導光板。
   

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