JP2007017686A

JP2007017686A - マイクロ構造体及びそれを有する光学機器装置

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Publication number: JP2007017686A
Application number: JP2005198853A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Omura; 祐介大村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】粒状感や、規則配列特有の回折光の影響、モアレ縞の発生といった問題が無く、明るくクリーンで、個々のマイクロレンズ形状の再現性もよく、非常に優れた観察ができるマイクロ構造体が得ること。
【解決手段】複数のマイクロレンズを隣接するマイクロレンズの各頂点間隔が等距離Ｌとなるように配列したマイクロ構造体であって、該マイクロレンズは互いに異なる曲率半径と異なる面積をもつ３種類以上の形状のマイクロレンズを含み、同じ形状のマイクロレンズは一方向にピッチ３×Ｌをもって配列されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像投写装置において画像を投写するためのスクリーンや、一眼レフカメラなどの焦点板（ピント板）として用いられる拡散板やマイクロレンズアレイ等に好適なマイクロ構造体に関するものである。

従来、スクリーンや拡散板などには、多数のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイが用いられている。マイクロレンズアレイを用いたスクリーンは、金型の砂掛け面から微細凹凸を転写したスクリーンに比べて粒状感がなく、見えが明るいという利点がある。しかしながらマイクロレンズを周期的と配列した場合には、回折光がマイクロレンズの周期に応じて離散的に生じボケ味が不自然になったり、波長による回折角の違いから色の滲んだモアレ縞が発生することがある。このときの周期的な配列による問題を解決するためマイクロレンズの高さ方向を規則的に変えることにより同一条件のレンズピッチを事実上大きくし、回折の影響を低減する方法が知られている（特許文献１）。又、圧痕法によりマイクロレンズを制作するとき規則的な配列を工夫することにより均一な拡散を得る方法が知られている（特許文献２）。

従来、マイクロレンズアレイの製造方法として、多成分ガラスからなる基板上の複数の箇所を分布状態で高屈折率化して複数のレンズを形成するといったイオン交換法（非特許文献１）や、感光性ガラスの熱処理において未感光部が結晶化して表面を膨張させる方法などが知られている。

他の方法としては、マイクロレンズアレイの原版を作製し、原版にレンズ材料を塗布し、塗布したレンズ材料を剥離して作製する方法がある。原版となる鋳型の作成にあたっては、電子ビームを用いて描画する方法（特許文献３）、金属板の一部をエッチングして形成する方法（特許文献４）、金属板に圧子を用いて圧痕法により形状を作製する（特許文献５）等がある。
特開平４−１１９３３９号公報特開２０００−３４３５３１号公報特開平１−２３１６０１号公報特開平５−３０３００９号公報特開平１１−１４２６０９号公報 M. Oikawa, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 20(4) L51-54, 1918

特許文献１，２に開示されている方法は複数形状のマイクロレンズを規則的に並べる事により基本的な配列ピッチよりも回折周期の短い特性を得ることができ、離散的なボケの改善には効果がある。しかしながら個々のマイクロレンズのＦｎｏ（Ｆナンバー）については考慮されておらず、マイクロレンズによる拡散角度が個々のマイクロレンズにより異なる為、規則的ではあるが、細かな粒状感を伴う傾向があった。

非特許文献１に開示されている方法では、レンズ同士の間隔に比べレンズの開口径を大きくすることができず、レンズ面の曲率半径も小さくなり、開口数の大きなレンズ設計が困難であった。また、大面積のマイクロレンズアレイを作製するには大規模な製造装置が必要とされ、製造が容易ではないという問題もあった。

特許文献３〜５に開示されている方法はモールディングにてマイクロレンズを複製することができ、ロット毎のばらつきが発生しにくく、また容易に作製することが可能である。また、イオン交換法に比べて、熱膨張係数や反り等の問題を回避できる。しかしながら、特許文献３の電子ビームを用いる方法では、電子ビーム描画装置が大型であり、多額の設備が必要になることと、描画面積が制限されている為に、１００ｃｍ角以上の大面積の原版を作製することが困難である等の問題がある。また、特許文献４のエッチングする方法では、主に化学反応を利用した等方性エッチングを用いる為、金属板の組成や結晶構造が僅かでも変化すると所望の形状にエッチングできなくなるという問題がある。また、エッチングする方法では、所望の形状が得られた時点で直ちに水洗しないとエッチングが継続する。微小なマイクロレンズを形成する場合には、このような所望の形状が得られた時点から水洗に至るまでの時間に進行するエッチングにより、所望の形状から逸脱する場合がある。

特許文献５の圧子を用いる圧痕法では圧子をレンズ個々の数だけ型に押し付けるため大面積を得ようとすれば膨大な時間がかかりまた微細な精度を得るにも機械的な限界がありμｍのオーダーの制御性を得るのは難しい。
このような従来のマイクロレンズ製作方法の多くはマイクロレンズの主要パラメータであるレンズ半径、レンズの面積、形状などを変化させることは難しく、その配列位置の精度には不確実な要素が多く、量産時の品質管理は非常に困難なものであった。

本発明は、粒状感や、規則配列特有の回折光の影響、モアレ縞の発生といった問題が無く、明るくクリーンで、個々のマイクロレンズ形状の再現性もよく、非常に優れた観察ができるマイクロ構造体の提供を目的とする。

本発明は、複数のマイクロレンズを基板上に隣接するマイクロレンズの各頂点間隔が等距離Ｌとなるように配列したマイクロ構造体であって、該マイクロレンズは互いに異なる曲率半径と異なる面積をもつ３種類以上のマイクロレンズを含み、同じ種類のマイクロレンズは一方向にピッチ３×Ｌをもって配列されていることを特徴としている。

本発明によれば、粒状感や、規則配列特有の回折光の影響、モアレ縞の発生といった問題が少なく、明るくクリーンで、個々のマイクロレンズ形状の再現性もよく、非常に優れた観察ができるマイクロ構造体が得られる。

図１は本発明のマイクロ構造体の実施例１の要部概略図である。図１のマイクロ構造体は、３種類以上（図１では３種類）の形状が異なるがＦｎｏ（Ｆナンバー）の略等しい外形状が６角形状のマイクロレンズＡ、Ｂ、Ｃを平面又は曲面の基板上に規則的に配列して構成されている。実施例１ではマイクロレンズＡ，Ｂ、Ｃの頂点Ａｐ、Ｂｐ、Ｃｐ並びがハニカム形状に横方向ＨへピッチＰ１、縦方向ＶへピッチＰ２で規則正しく並んでいる。個々のマイクロレンズの形状は図１のようにマイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃで示す３種類のものから構成され、同一の形状（種類）のマイクロレンズは横配列方向にピッチＰ１の３倍、縦配列方向にピッチＰ２の２倍で並んでいる。個々のマイクロレンズＡ，Ｂ、Ｃの有効面内において占める面積は異なるものの、マイクロレンズのＦｎｏ（Ｆナンバー）が等しく構成されている。これにより個々のマイクロレンズに入射した光の拡散角度が略等しくなり、局所的な拡散角度の違いによる粒状感の無い拡散面としている。基本的なピッチはピッチＰ１，Ｐ２で示されるものであるが同一の形状に着目した場合のピッチは横方向には３倍、縦方向には２倍のピッチとなっているため、回折角度はそれぞれ横方向で１／３，縦方向で１／２の角度となり回折による離散的な拡散光となることが防止できる。ピッチを大きくすると回折による離散的な拡散光になることを防止することができるが、その表面を観察した場合、マイクロレンズの形状が認識できるほど大きくなると、観察用のピント板として用いるときには好ましくない。

図２は３種類のマイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃとそれらの破線Ｌでの切断面の概略図である。３種類のマイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれ光入射側と光出射側の面積が異なる。線分ａｂはマイクロレンズＡ，Ｂの頂点Ａｐ、Ｂｐ間を一定の比率で内分する線である。線分ｂｃはマイクロレンズＢＣの頂点Ｂｐ、Ｃｐ間を、線分ｃａもマイクロレンズＣ,Ａの頂点Ｃｐ、Ａｐ間を一定比率で内分する直線である。図１、図２ともに線分ａｂは7：6でマイクロレンズＡ，Ｂの頂点Ａｐ、Ｂｐ間隔を内分する線、線分ｂｃは6：5でマイクロレンズＢ，Ｃの頂点Ｂｐ、Ｃｐ間隔を内分する線，線分ｃａは5：7でマイクロレンズＣ，Ａの頂点Ｃｐ、Ａｐ間隔を内分する線として描かれている。個々のマイクロレンズは種類毎に曲率半径も異なり、面積の最も大きなマイクロレンズＡは大きな曲率半径、最も小さな面積のマイクロレンズＣは小さな曲率半径、中位の面積のマイクロレンズＢは中位の曲率半径より成っている。
（以下、長さの数値はμｍ、面積はμｍ^２の単位で統一し説明する）図１、図２ともにピッチＰ１＝１９．５、

であり、マイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃの面積はそれぞれＳＡ＝469、ＳＢ＝307、ＳＣ＝217となっている。これらの面積になるような円を考えるとマイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれの直径ＡＤ、ＢＤ、ＣＤはＡＤ＝24.4、ＢＤ＝19.8、ＣＤ＝16.6となる。ここでマイクロレンズのＦｎｏを４でそろえようとした場合、焦点距離ｆとＦｎｏの関係はマイクロレンズの直径をＤとすればＦｎｏ＝ｆ／Ｄとなる。ここでＦｎｏ＝４にマイクロレンズＡ，Ｂ，ＣをそろえるためにはマイクロレンズＡ，Ｂ，Ｃの焦点距離をそれぞれＡｆ＝97.6、Ｂｆ＝79.2、Ｃｆ＝66.4、とすればよい。マイクロレンズの材質をアクリル（屈折率１．４９１７）とすれば、マイクロレンズＡ，Ｂ、Ｃの曲率半径Ａｒ、Ｂｒ、Ｃｒを各々Ａｒ＝48.0、Ｂｒ＝38.9、Ｃｒ＝32.７とすればよい。これらの値はマイクロレンズのピッチと面積比により適時決定すればよい。この様な構成により個々のマイクロレンズに入射した光束はマイクロレンズの面積によらずＦｎｏに応じた同様の変向作用を受け、拡散角度は均質なものとなる。通常のレンズの明るさを示すＦｎｏはレンズの焦点距離をレンズ直径（有効径）で割ることにより得られるが、本実施例ではマイクロレンズの外周形状が円形で無いためレンズ直径を厳密に定義することはできないが、多角形形状の外周部とレンズ中心部との平均的な距離をレンズ概略の直径と定義しＦｎｏを算出してもよい。この他マイクロレンズの面積から同等の面積となる円を定義しその直径からＦｎｏを計算してもよい。本実施例の特徴は個々のマイクロレンズによる変向角、拡散角度が略等しく構成することである。これにより粒状感の無い拡散板を得ることができる。

本実施例においてマイクロレンズの種類は３以上あっても良い。

各マイクロレンズのＦｎｏは全く同一でなくても、±１０％の範囲内であれば本発明の目的を略達成することができる。

本実施例のマイクロレンズアレイの製造方法としては、例えば本出願人が特開２０００−４３０５４号公報で開示している「マイクロ構造体、マイクロレンズ及びその作製方法」にあるマイクロレンズの作製方法を用いることができる。

本実施例のマイクロ構造体の作製方法の原理を図３、図４を用いて説明する。

図３（ａ）に、使用する基板の構成を示す。基板１１に電極層１２を形成し、さらにマスク層１３を形成する。この基板１１上にマイクロレンズを形成するのである。基板材料としては、透明な材料である。

電極層１２としては電着液に耐性のある材料より選択される。マスク層１３としては絶縁性を有することが必要であり、電着時に電極層１２と電着液との絶縁を保つ役目をする。マスク層１３は絶縁性を有する材料であればよく、無機絶縁体、有機絶縁体のいずれも使用することが出来る。但し、マスク層１３も電着液に耐性のある材料より選択される。

次に、図３（ｂ）に示すように、マスク層１３に開口部１４を形成する。開口部１４の形状は、ここでは図１に示す形状にしてあるが、場合に応じて適当な形状にすればよい。開口部１４を通じて電着層１５を形成し、マスク層１３上にも電着層１５が成長する。この開口部１４の場合、開口部径を小さくすることにより、より小径のマイクロレンズの作製が可能である。この開口部１４の形成にあたっては、微小な開口を形成することが可能な半導体フォトリソグラフィープロセスとエッチングによりマスク層１３に開口部１４を形成する。マスク層１３として、直接、フォトレジストを用いると、エッチングの工程を省略できる。

図４にアニオン型電着装置の概略図を示す。開口部１４を形成した基板１１をワーク１７にして電着液１８に漬け、陰極板１９との間を外部電源２１と繋げて電着液１８に電流を流し、開口部１４に電着層１５を形成する。図１（ｃ）に示すように、開口部１４に電着層１５が形成され、さらにメッキを統けることで図１（ｄ）に示すようにマスク層１３面上にも電着層１５が広がり、半球状構造体１６が形成される。

電着液１８中で微小な開口部１４に電着を行うと、電着液中の電着剤が電着層１５に集中し、電着物の析出が、成長方向としては等方的に進行し、半球構造体１６が形成される。開口部１４の寸法が陰極板１９に比べて小さく、また電着物が電着液中に溶解しており、こうして電着層１５の成長が等方的となる。作製するマイクロレンズアレイとしては数μｍから数１００μｍの範囲である。

以上のように、実施例１によれば、隣り合う頂点間隔の互いに等しい複数のマイクロレンズが互いに異なる曲率半径と異なる面積をもつ３種類以上の形状からなり規則的な配列を取ることで粒状感や、規則配列特有の回折光の影響が少ない非常に優れたファインダー用の拡散板に好適なマイクロ構造体を実現することができる。

次に実施例１に示したマイクロ構造体を撮像装置の焦点板として適用した実施例を図５を用いて説明する。

図５は一眼レフカメラの要部概略図である。図３において、１００は光学系１を有する撮影レンズである。光学系１は保持部材である鏡筒２に保持されている。２００はカメラ本体であり、撮影レンズ１００からの光束を上方に反射するクイックリターンミラー３、撮影レンズ１００の像形成位置に配置された図１、図２に示す構成の焦点板４、焦点板４に形成された逆像を正立像に変換するペンタダハプリズム５、その正立像を観察するための接眼レンズ６等によって構成されている。７は感光面であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。撮影時にはクイックリターンミラー３が光路から退避して、感光面７上に撮影レンズ１００によって像が形成される。

尚、本実施例のマイクロ構造体は、その面上に投写レンズにより画像情報を形成して、該画像情報を観察するプロジェクター用のスクリーンとしても用いることができる。

本発明の実施例１の要部概略図本発明の実施例１の一部分の拡大説明図本発明のマイクロ構造体の製造方法の説明図本発明のマイクロ構造体の製造方法の説明図本発明の撮像装置の要部概略図

符号の説明

Ａ：マイクロレンズ
Ｂ：マイクロレンズ
Ｃ：マイクロレンズ
ａｂ：マイクロレンズＡとマイクロレンズＢを分ける線分
ｂｃ：マイクロレンズＢとマイクロレンズＣを分ける線分
ｃａ：マイクロレンズＣとマイクロレンズＡを分ける線分
Ａｒ：マイクロレンズＡのレンズ曲面
Ｂｒ：マイクロレンズＢのレンズ曲面
Ｃｒ：マイクロレンズＣのレンズ曲面
Ａｐ，Ｂｐ、Ｃｐ：レンズ面頂点
４：焦点板

Claims

複数のマイクロレンズを基板上に隣接するマイクロレンズの各頂点間隔が等距離Ｌとなるように配列したマイクロ構造体であって、該マイクロレンズは互いに異なる曲率半径と異なる面積をもつ３種類以上のマイクロレンズを含み、同じ種類のマイクロレンズは一方向にピッチ３×Ｌをもって配列されていることを特徴とするマイクロ構造体。
前記互いに曲率半径と面積が異なる３種類以上のマイクロレンズは、Ｆｎｏがいずれも略等しいことを特徴とする請求項１のマイクロ構造体。
前記３種類以上のマイクロレンズは、外形状が異なる６角形状より成ることを特徴とする請求項１又は２のマイクロ構造体。
前記同じ種類のマイクロレンズは、前記一方向と直交する方向にピッチ

で配列されていることを特徴とする請求項１、２又は３のマイクロ構造体。
請求項１から４のいずれか１項のマイクロ構造体と、該マイクロ構造体に画像情報を形成する光学系とを有していることを特徴とする光学機器。
請求項１から４のいずれか１項のマイクロ構造体と、該マイクロ構造体上に画像情報を形成する光学系と、該マイクロ構造体に形成した画像情報を観察する観察系とを有していることを特徴とする光学機器。