JP2006510563A - ガラスまたはガラス系材料製の光学レンズの表面の輪郭を選択的に変更する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガラスまたはガラス系の材料からなり、外周線Ｕおよびこの外周線を囲む平坦部３に接する境界線によって境界が定められたレンズ凸面を備える少なくとも１つの光学レンズ、特にマイクロレンズ１の表面の輪郭を事後処理する方法および装置に関する。 本発明は、外周線の輪郭を正確に辿り、レンズ凸面を少なくとも側面方向に境界付ける手段４、６が光学レンズの外周線Ｕに沿って平坦部３上に配置され、光学レンズが少なくともガラスまたはガラス系の材料のガラス遷移温度まで加熱され、レンズ凸面とレンズの下面との間の圧力の平衡がなされるとともに、光学レンズが該温度処理にかけられている特定期間の後、およびその後のガラス遷移温度以下への対応する冷却の後、前記手段が光学レンズから取り除かれることを特徴とする。

Description

本発明は、少なくとも１つの光学レンズ、特にガラスまたはガラス系の材料から製造され、外周線によって隣接する周りの平坦部との境界が定められたレンズ凸面を有するマイクロレンズの表面の輪郭を事後処理する方法に関する。

WO 01/38240 A1号には、精密機械部品、特にガラス系材料から製造され、単一素子のサイズがサブマイクロメートルの範囲に入るマイクロレンズの形態の精密光学部品の製造方法が記載されている。このようなマイクロレンズのアレイ状の配列タイプを製造するため、好適には半導体材料製の、複数の窪みを有する事前組み立てされた凹面型が使用される。ガラス材料層が窪み上に被覆され、好適には陽極接合によって凹面型と接合される。 後続の焼戻し工程の一部として、凹面型とガラス材料層との複合物がガラス材料の軟化温度以上に加熱され、ガラス材料は局部的に窪み内に流入し始める。マイクロレンズを形成する単体の焦点距離は、いわゆるフロー工程によってガラス材料が個々の窪み内に局部的に沈下する深さによって決定可能であり、これは焼戻し工程中の温度、圧力および焼戻し時間によって正確に設定可能である。

注目すべきことに、「ガラスフロー工程」によって製造されたマイクロレンズは図２に示されているように各単体レンズのエッジ領域に極度に急な楕円勾配（「過度の勾配」）を有している。図２は二次元座標系で、各々がマイクロレンズの断面の半分を表す連続線群１〜４を示している。４本の連続線は全てＸ＝０で同じ平均曲率を有しているが、それぞれのレンズの輪郭のエッジ領域では異なっている。連続線１は前述のガラスフロー工程によって生じたレンズの断面に対応している。例えば断面線１を連続線３としてプロットされた球形と比較すると、連続線１のエッジ領域が、特にマイクロレンズのエッジ領域の球形３から明確に小さい曲率半径、とりわけいわゆる極度に急な楕円勾配へとずれていることが明らかになる。

エッジ領域におけるこの極度に急な楕円勾配は典型的なガラスフロー工程に特有の特性から起きるものであり、したがって確実に生ずる。さらに、いわゆる非接触ホットスタンプ工程によって熱可塑性プラスチックレンズから製造されたマイクロレンズにも同様の極度に急な楕円勾配が見られる。特に、光学イメージング用にこのようにして製造されたマイクロレンズが使用され、レンズ面全体がイメージング用に利用される場合は、回避されるべきイメージングエラーが極度に急な楕円勾配によって誘発される。

本発明の目的は、光学レンズ、特にレンズの断面形状がエッジ領域に製造に本来伴う極度に急な楕円勾配を有するマイクロレンズを処理して、これらの極度に急な楕円勾配に関連する不利な光学イメージング特性を完全になくするようにすることである。極度に急な楕円勾配をなくする手段は、技術的に複雑で高価な工程のステップを必要とせず、さらに、既に製造されたレンズにこれらを適用することが可能であろう。

本発明の目的の解決手段は請求項１に開示されている。請求項１１の対象はマイクロレンズアレイのエッジ領域内の極度に急な楕円勾配が除去される、本発明による装置である。さらに、発明的構想をさらに発展させる有利な特徴は従属請求項の対象であり、好適な実施形態を参照した本発明の要約に記載されている。

例えばWO 01/38240 A1号に記載の方法を用いてガラスフロー工程により得られた先行技術によって製造された光学レンズ、好適にはマイクロレンズに基づいて、レンズの極度に急な楕円の断面形状を有するレンズには、少なくとも各単体マイクロレンズのエッジ領域内の極度に急な楕円勾配が制御されて除去される、本発明により設計された事後処理ステップが施される。

ガラスまたはガラス系の材料から製造され、外周線によって隣接する周りの平坦部との境界が定められたレンズ凸面を有する少なくとも１つの光学レンズ、特にマイクロレンズの表面の輪郭を事後処理する本発明による方法は、少なくとも下記の２つの工程ステップを含んでいる。すなわち、
第１に、外周線と正確に一致し、レンズ凸面を少なくとも側面方向に境界付ける手段が、外周線の周りの平坦部上の処理される光学レンズの外周線に沿って配置される。最も簡単な実施形態のバリエーションでは、好適には処理されるレンズの材料の熱膨張特性と熱膨張特性が同一であるかごく類似の材料から製造されたテンプレート状の手段が、単純に、孔の切り欠き部が外周線の形状およびサイズと正確に一致する孔を有するテンプレートとして設計される。このようにして、この手段はレンズ凸面を側面、もしくは横方向に境界付けるが、それ以外ではレンズ凸面と接触状態にならない。引き続き、光学レンズは少なくともガラスまたはガラス系材料の変態温度まで加熱されることによってレンズ材料が軟化し、これがレンズ面の長手方向にかかる表面張力により局部的に変位して、レンズ体内部のマテリアルフローが開始される。レンズの上面と底面との間で圧力を平衡にすることが重要である。

このようにして、レンズ材料の軟化状態で、レンズ凸面に沿って作用する表面張力は傾向としてレンズ面を縮小させることが可能であり、レンズ材料は過度の急な楕円勾配のレンズ凸面の領域から変位し、それぞれレンズ体の他の領域へと再流入する。リフロー工程と呼ばれるこの焼戻し工程により、エッジ領域内の過度に急な楕円勾配は低減し、それぞれ完全になくなる。圧力、温度および焼戻し時間のような焼戻し工程を決定するある種の工程パラメータを適正にプリセットすることによって、以下に詳細に記載するように、処理されるマイクロレンズの特にエッジ領域は、球形の、放物線の、または双曲線のエッジ輪郭形状すらも呈することが可能である。

所望のエッジ形状が得られた後、焼戻し工程は終了し、その後の対応する変態温度以下への冷却後、光学レンズは使用されたテンプレート状の手段から分離される。

本発明は発明的構想全般の範囲または趣旨を限定する意図なく、添付図面を参照して例示した好適な実施形態を用いて下記によりさらに明解になる。

図１ａは前後に一列に配置され、好適にはガラスフロー工程によって製造された７個のマイクロレンズ１を有するマイクロレンズアレイの断面の定形化された図面を示している。個々のマイクロレンズ１は、個々のマイクロレンズ１を結合する例えばパイレック（pyrex(商標登録)）スガラスのようなほう珪酸ガラス（boric silicate glass）製のガラスレンズ基板２の平面から隆起している。個々のマイクロレンズ２は、各々、直に隣接する２個のマイクロレンズ１を空間的に分離する平坦部３に接する円周線Ｕによって境界付けされている。 既に前述したように、個々のマイクロレンズ１のエッジ領域は製造工程に起因して極度に急な楕円勾配を有している。すなわち、各々の単体マイクロレンズの表面輪郭はエッジ領域で理想的な球形からより小さいレンズ半径へとずれている。特に各々の単体レンズのエッジ領域でのこのような種類の輪郭の設計は、図２の線図を参照して詳細に示されており、この図面は輪郭線１が示すように、レンズのエッジ領域で球形のレンズ輪郭（連続線３を参照）と比較して極度に急な楕円勾配を有している。このような極度に急な楕円勾配が生ずる理由は、レンズ製造でのガラスフロー工程の過程で生ずる、粘性のレンズ材料が構成されたマスク内のテンプレートにより付与される窪み内に流入する性質である。

図１ｂに示すように、エッジ領域での極度に急な楕円勾配を低減し、それぞれ完全になくするために、対抗ツール４として設計された手段がマイクロレンズアレイ上に配置される。対抗ツール４は、マイクロレンズアレイと相補形であり、外周線Ｕに沿って個々の光学マイクロレンズ１を囲む形状で構成されている。最も単純な場合、対抗ツール４は、孔の輪郭が個々のマイクロレンズの外周線の形状およびサイズに適合する孔の切り欠き部を有するテンプレート状の有孔ダイアフラムとして形成されている。

図１ｂに示されている対抗ツール４は、マイクロレンズ１の凸レンズ型の形状と相補形に定形化された切り欠き部５が設けられており、マイクロレンズ１のレンズ凸面は切り欠き部５の空隙領域内にはみ出ている。対抗ツール４の、別にフィレット状に設計された中間部６は、マイクロレンズ１の間に位置する平坦部３の輪郭と正確に一致し、ガラス基板２と接触すると、輪郭が正確に適合して平坦部を覆う。

対抗ツール４とレンズ基板２とのできるだけ密接な接触がなされるようにするため、対抗ツール４はレンズ基板２の平坦部３上に押圧され、または陽極接合によってしっかりと接合されている。接触中にガラス基板４とレンズ基板２との間の空隙領域５に過圧が累積されることを防止するため、対抗ツール４の内部と外部の圧力を平衡するための開口部７が対抗ツール４内に設けられている。同様に、以下に記載するように、開口部７を介して調整可能な圧力状態は、選択的に単体マイクロレンズのレンズ凸面に直接作用することが可能である。

後述する温度処理が真空状態で行われる場合は、真空状態では圧力の問題が生じないので、個々の窪みが開口部を有していない対抗ツールを使用可能である。

工程の次のステップで、複合されたレンズ基板２と対抗ツール４はガラスの遷移温度、それぞれ変態温度よりもはるかに高い温度で処理され、それによって作用する表面張力は各単体マイクロレンズの輪郭形状を変化させて、各単体マイクロレンズのエッジ領域の過度に急な楕円勾配が完全に平坦化され、それぞれ逆曲線の輪郭形状に移行するようにさせる。図１ｃの図面によれば、対抗ツール４は単体マイクロレンズが側面方向に流出することを防止するので、各々の単体マイクロレンズの横の幾何寸法は温度処理中にも保持される。温度処理中のマイクロレンズアレイの水平な配置、およびレンズ表面を決定する表面張力の表面縮小効果によって、材料は各々の単体レンズ体からその下部の平坦な基板の方向に変位する。リフロー工程と呼ばれるこの材料の流れは根本的に各々の単体マイクロレンズの表面輪郭の全面的な変化を招くが、特に各々の単体マイクロレンズのエッジ領域の輪郭の平坦化を誘発する。温度レベルと焼戻し時間とに応じて、リフロー工程により図２の線図に示される所望のエッジ平坦化を生ずることが可能になる。連続線１に基づくエッジ形状の極度に急な楕円勾配によって、連続線３に基づく球形のエッジ輪郭を、また連続線２および４に基づく放物面、または双曲面のエッジ輪郭さえ選択的に作製可能である。

焼戻し工程の持続時間が長いほど、各々の単体マイクロレンズのエッジ領域の平坦化は増強され、最終的には連続線４によって示される表面輪郭を呈することが可能である。前述のリフロー工程は通常の圧力状態で行われるので、マテリアルフローを誘発する力は各々の単体マイクロレンズに作用する表面張力からだけ発生する。さらに、圧力状態は焼戻し工程中に変更可能である。このように、各々の単体レンズ面に均等に作用する圧力を高めると、リフロー工程を補助する力の成分が生じ、それによってレンズの輪郭がさらに強力に平坦化される。一方、レンズ面に作用する圧力を低下させるとリフロー工程を抑制する力の成分が生じ、それが焼戻しステップ中に例えばレンズ凸面を安定化させる。このようにレンズ面に作用する温度、焼戻し時間、および圧力は、焼戻し工程の所望の結果に応じた個々に設定可能な重要な工程パラメータである。

前述したように、対抗ツール４は外周線に沿って、またマイクロレンズ間に位置している平坦部３上でのみマイクロレンズアレイと接触する。各々の単体マイクロレンズの外周線に接触する対抗ツールのエッジ領域は、この場合はエッジ領域内のレンズ面の輪郭に持続的な負の効果を生ずる可能性がある付加的なエッジ角作用が生ずることがあるので、各々の単体マイクロレンズのエッジを湿らせるようには接触しなくてもよい。対抗ツールが確実にエッジ領域内でレンズ材料によって濡れないようにするため、例えば黒鉛で対抗ツールを製造することが有利であることが実証されている。１つには、黒鉛は温度処理中に発生する約６００から８００℃の温度に安全に耐え、その上、軟化ガラスによって湿らない特性を有している。さらに、テストの結果、シリコン製の対抗ツールもレンズ材料としてのガラスの場合と同様に軟化したレンズ材料による湿り作用がなく、流動するガラスとシリコン製ツールとの間に中間層が形成されるので、ガラスはシリコン製ツールと直に接触することはないことが判明している。中間層もガラス製であるが、それでも実際のガラス基板よりも明らかに粘性が高く、したがってまったく、またはほとんど流動しない。

本発明の知識によれば、このような中間層が生ずる理由は、ガラスの粘性にとって決定的であるように思われるナトリウムイオンが局部的にガラスから漂遊する陽極接合によってシリコン表面と接触するガラスの成分が局部的に変化するからである。

温度処理およびレンズ材料の対応する冷却に引き続き、対抗ツール４はマイクロレンズアレイの表面から取り外される。好適にはシリコン製である対抗ツールは例えば、先行技術のエッチング技術を利用してマイクロレンズから取り除くことができる。温度処理中のリフロー工程によりレンズ基板の背面に生ずる可能性がある不規則性は、適宜の機械研磨または研削技術を利用して平坦化可能である。

図１ａは、加熱リフロー工程を実施するための概略的な工程のステップを示す図である。図１ｂは、加熱リフロー工程を実施するための概略的な工程のステップを示す図である。図１ｃは、加熱リフロー工程を実施するための概略的な工程のステップを示す図である。図１ｄは、加熱リフロー工程を実施するための概略的な工程のステップを示す図である。 レンズの断面の異なる形状を示す線図である。

符号の説明

１ マイクロレンズ
２ レンズ基板
３ 平坦部
４ 対抗ツール
５ 空隙領域
６ フィレット状部
７ 通路開口部

Claims (17)

1. ガラスまたはガラス系の材料から製造され、外周線を囲む平坦部に接する該外周線によって境界が定められたレンズ凸面を有し、かつレンズ凸面に面するレンズ下面を有する少なくとも１つの光学レンズ、特にマイクロレンズの表面の輪郭を事後処理する方法であって、
   該平坦部上の光学レンズの該外周線に沿って該外周線と一致し、該レンズ凸面を少なくとも側面方向に境界付ける手段が配置され、
   該光学レンズが少なくとも該ガラスまたはガラス系材料の変態温度である温度まで加熱され、
   該レンズ凸面と該レンズ下面との間で圧力平衡がなされるとともに、
   該光学レンズに該温度処理がなされ、引き続き該変体温度以下に冷却された一定期間の後に、該手段が該光学レンズから取り除かれる方法。
2. 前記温度処理の温度および期間は表面輪郭の変化の度合いに応じて選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記レンズ凸面に作用する圧力は前記温度処理中に変更される請求項１または２に記載の方法。
4. 前記圧力変更はガス圧、それぞれ気圧を変更することによってもたらされる請求項３に記載の方法。
5. 前記手段は前記外周線に対してしっかり押圧される請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記光学レンズはガラスフロー工程によって、または熱可塑性材料の非接触ホットスタンプによって製造され、該工程の結果、前記外周線の領域で極めて急な楕円勾配を有し、
   前記温度処理は、前記極度に急な楕円勾配が低減または完全になくなるように、前記外周線を境界付ける前記手段と連係して行われる請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記温度処理は、前記光学レンズの側面方向の幾何寸法が保持されるように、前記外周線を境界付ける前記手段と連係して行われる請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記光学レンズは前記温度処理中に水平に支えられており、すなわちレンズ凸面が水平面の上に隆起している請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記手段は表面を湿らせることなく前記光学レンズと接触せしめられる請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 平坦部によって好適には等間隔を隔てて離隔された複数個の単体光学マイクロレンズを有し、一体の連続アレイ形状のマイクロレンズ配置で設けられ、
    このマイクロレンズ配置および単一のマイクロレンズの周囲寸法に一致する手段が、前記平坦面上に少なくとも部分的に配置され、前記個々のマイクロレンズの前記外周線を囲む一種のテンプレートとして備えられるとともに、
    前記温度処理中に、前記マイクロレンズの全てが均一かつ均質に加熱される請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記温度処理は、前記レンズ凸面の縮小が前記レンズ凸面に沿って作用する表面張力によってのみ生ずるように行われ、レンズ材料は凸面の前記過度に急な楕円勾配の領域からレンズ体の他の領域へと押し出される請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ガラスまたはガラス系の材料から製造され、外周線を囲む平坦部に接する該外周線によって境界が定められたレンズ凸面を有する少なくとも１つの光学レンズ、特にマイクロレンズの表面の輪郭を事後処理する装置であって、
    一種のテンプレートとして設計され、前記光学レンズの前記外周線と同一平面にあるエッジによって境界付けられた切り欠き部を有する手段が備えられ、
    該切り欠き部は、該テンプレートを該レンズ凸面に接触せずに該外周線を囲む該平坦部上に配置可能であるように別途設計され、
    該手段は、該外周線を囲む該平坦部上に該手段を配置した後、該光学レンズと該手段との間に閉鎖容積が生じないように、該切り欠き部と対向する少なくとも１つの開口部を備える装置。
13. 前記手段は熱膨張特性が前記ガラスまたは前記ガラス系材料の熱膨張特性に対応する材料から製造される請求項１２に記載の装置。
14. 前記手段は、単一の輪郭の形状、サイズ、および配列がアレイ形の多重マイクロレンズ配列に基づいて選択される一種の多孔テンプレートが前記単一マイクロレンズを囲む前記多重マイクロレンズ配列の前記平坦面上に配置されると、該多孔テンプレートが該マイクロレンズの前記外周線と同一面で接触するように、前記多孔テンプレートとして設計される請求項１２または１３に記載の装置。
15. レンズのエッジ領域に存在する極度に急な楕円勾配をなくするために、ガラスまたはガラス系材料製の少なくとも１つの光学レンズの表面を修正するための装置の利用法。
16. テンプレート状の手段が位置する前記光学レンズの温度処理によって、球形または放物線の形状のレンズ断面が得られるようにリフロー工程を利用してエッジ領域が平坦化される請求項１５に記載の利用法。
17. 連続的なリフロー工程によって双曲線の形状のレンズ断面が得られる請求項１６に記載の利用法。

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