JP2008304622A

JP2008304622A - レーザ用マイクロレンズ

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Publication number: JP2008304622A
Application number: JP2007150527A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fuse; 敬司布施
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: JP4927646B2

Abstract

【課題】簡単な構成によりマイクロレンズ透過光と周辺領域透過光との干渉を調整して、ピーク強度の低下やスポット形状の歪みを防止することができるレーザ用マイクロレンズを提供する。
【解決手段】レーザ光が透過し得る材質からなる基板１上に少なくとも１つのマイクロレンズ２が形成されている。マイクロレンズ２を透過するレーザ光と、当該マイクロレンズ２周辺を透過するレーザ光との干渉を調整するために、前記マイクロレンズ２の領域とその周辺領域との間に光軸方向に沿った段差ｓ、又は位相段差が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ用マイクロレンズに関する。さらに詳しくは、高出力のレーザ光を利用したレーザ加工装置において好適に用いることができるレーザ用マイクロレンズに関する。

レーザ光を利用してプリント基板などの被加工物に複数の孔を穿設するに際し、従来、マスクに形成された所定の孔パターンを被加工物に転写することが行なわれていたが、この方法では、実際に加工に利用されるレーザ光はマスクの孔を通過する部分だけであり、マスクに照射されるレーザ光に比べて非常に少なく、エネルギーロスが大きかった。

そこで、このエネルギーロスを低減させるために、光透過性の基板上に複数のマイクロレンズ（マイクロレンズアレイ）を形成し、このマイクロレンズによりレーザ光を集光して被加工物に照射することが試みられている。この方法では、基板上に照射されるレーザ光をマイクロレンズで集めているので、前記マスクを用いた方法に比べてレーザ光の利用効率を大幅に向上させることができる。

ところで、かかるマイクロレンズアレイを用いる方法では、マイクロレンズの周辺領域（マイクロレンズが形成されていない基板部分）に入射し透過したレーザ光の一部が、当該マイクロレンズとその周辺領域との境界で回折し、回折したレーザ光がマイクロレンズを透過したレーザ光と干渉して、レーザ光のピーク強度を下げたり、レーザ光のスポット形状を歪めたりするという問題がある。

この問題を解決するために、マイクロレンズが形成される領域以外の基板上に遮光膜を形成することが考えられる。特許文献１には、レーザ光に係る技術ではないが、感光材料を露光するための光を集光するマイクロレンズアレイが形成された基板において、マイクロレンズの周辺領域に遮光膜を形成することが、従来技術としてあげられている。そして、この特許文献１記載のマイクロレンズアレイでは、前記遮光膜に代わる技術として、マイクロレンズ以外の光透過領域に回折機構を形成して、当該領域を透過した光を複数の方向に分散させることが提案されている。

特開２００７−７２０２６号公報

しかしながら、マイクロレンズ以外の領域に遮光膜を形成する方法は、かかる遮光膜を形成するプロセスが煩雑であり、コスト的にも高くつくという問題がある。また、高出力のレーザ光の場合、当該遮光膜によりレーザ光を吸収することでレーザ光の透過を防止しようとすると、熱により遮光膜が損傷する惧れがあり、一方、反射によりレーザ光の透過を防止しようとすると、レーザ装置側の機構が反射したレーザ光により損傷する惧れがあることから、高出力のレーザ光には遮光膜方式を適用することができない。

また、マイクロレンズ以外の光透過領域に回折機構を形成する方法の場合、マイクロレンズが密集して配置されると、特にその中央部付近において、透過光を焦点以外の場所に逃がしきることはできず、その効果は限られたものである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によりマイクロレンズ透過光と周辺領域透過光との干渉を調整して、ピーク強度の低下やスポット形状の歪みを防止することができるレーザ用マイクロレンズを提供することを目的としている。

本発明の第１の観点に係るレーザ用マイクロレンズは、レーザ光が透過し得る材質からなる基板上に少なくとも１つのマイクロレンズが形成されており、マイクロレンズを透過するレーザ光と、当該マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整するために、前記マイクロレンズの領域とその周辺領域との間に光軸方向に沿った段差が形成されていることを特徴としている。

本発明の第１の観点に係るレーザ用マイクロレンズでは、マイクロレンズの領域とその周辺領域との間に光軸方向に沿った段差が形成されており、この段差の大きさを変化させることにより、マイクロレンズを透過するレーザ光の焦点における当該レーザ光と、前記マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整することができる。これにより、レーザ光のピーク強度を強くしたり、弱くしたりすることができる。また、レーザ光のスポット形状の歪みを小さくすることができ、加工精度を上げることができる。前記段差の形成は、例えば、マイクロレンズを形成するための切削工具の、基板に対する進退位置を調整することにより簡単に行なうことができる。あるいは、フォトリソグラフィーとエッチングの技術を用いても形成することができ、この場合は、マイクロレンズとその周辺とでエッチング深さに差をもたせるようにする。

また、本発明の第２の観点に係るレーザ用マイクロレンズは、レーザ光が透過し得る材質からなる基板上に少なくとも１つの回折型マイクロレンズが形成されており、マイクロレンズを透過するレーザ光と、当該マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整するために、前記マイクロレンズの領域とその周辺領域との間に位相段差が形成されていることを特徴としている。

本発明の第２の観点に係るレーザ用マイクロレンズでは、回折型のマイクロレンズを用いる場合において、前記段差に代えて位相段差の大きさを変化させることにより、マイクロレンズを透過するレーザ光の焦点における当該レーザ光と、前記マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整することができる。レーザ光の波長をλ、基板の屈折率をｎ、段差をｓとすると、位相段差（Φ）＝２π×（ｎ−１）×ｓ／λ（単位：ラジアン）で表され、この位相段差（Φ）を変えることにより、前記段差（s）を変えるのと同じ効果を奏することができる。
具体的には、位相段差（Φ）を変えることにより、レーザ光のピーク強度を強くしたり、弱くしたりすることができる。また、レーザ光のスポット形状の歪みを小さくすることができ、加工精度を上げることができる。

本発明のレーザ用マイクロレンズによれば、簡単な構成によりマイクロレンズ透過光と周辺領域透過光との干渉を調整して、ピーク強度の低下やスポット形状の歪みを防止することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のレーザ用マイクロレンズの実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る屈折型マイクロレンズの断面説明図であり、このマイクロレンズは、ガラス、石英、アルミナ、ダイヤモンドなどのレーザ光が透過し得る材料からなる基板１上にマイクロレンズ２が形成されている。このマイクロレンズ２と、その周辺の基板領域との間には、当該マイクロレンズ２の光軸方向に沿った段差ｓが形成されている。図１の（ａ）に示される例では、マイクロレンズ２の平坦なレンズ面２ａと、当該マイクロレンズ２が形成される側の基板表面１ａとの間に凸部３を設けることにより前記段差ｓが形成されている。一方、図１の（ｂ）に示される例では、マイクロレンズ２が形成される側の基板表面１ａに設けられた凹部４の底面にマイクロレンズ２の平坦なレンズ面２ａが位置するように当該マイクロレンズ２を形成することにより、前記段差ｓが形成されている。

図２は、本発明の一実施の形態に係る回折型マイクロレンズの断面説明図であり、図１に示される屈折型マイクロレンズと同様に、（ａ）に示される例では、マイクロレンズ１２の平坦なレンズ面１２ａと、当該マイクロレンズ１２が形成される側の基板１１の表面１１ａとの間に凸部１３を設けることにより段差ｓが形成されている。一方、（ｂ）に示される例では、マイクロレンズ１２が形成される側の基板１１の表面１１ａに設けられた凹部１４の底面にマイクロレンズ１２の平坦なレンズ面１２ａが位置するように当該マイクロレンズ１２を形成することにより、段差ｓが形成されている。

図１〜２に示される段差ｓの大きさを変化させることにより、マイクロレンズ２を透過したレーザ光と、当該マイクロレンズ２の周辺領域を透過したレーザ光の一部の回折光との干渉作用ないしは干渉効果を調整することができる。これにより、レーザ光のピーク強度を強くしたり、弱くしたりすることができる。また、レーザ光のスポット形状の歪みを小さくすることができ、加工精度を上げることができる。前記段差の形成は、例えば、マイクロレンズを形成するための、切削工具の基板に対する進退位置を調整することにより簡単に行なうことができる。あるいは、フォトリソグラフィーとエッチングの技術を用いても形成することができ、この場合は、マイクロレンズとその周辺とでエッチング深さに差をもたせるようにする。

回折型マイクロレンズの場合、前記段差ｓに代えて、位相段差を設けることができる。レーザ光の波長をλ、基板の屈折率をｎ、段差をｓとすると、位相段差（Φ）＝２π×（ｎ−１）×ｓ／λ（単位：ラジアン）で表され、この位相段差（Φ）を変えることにより、前記段差（s）を変えるのと同じ効果を奏することができる。図３の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ位相段差（Φ）を０ラジアン、０．５πラジアン、πラジアン及び１．５πラジアンとした場合の回折型マイクロレンズのレンズ部分の断面説明図である。かかる位相段差（Φ）を変化させることにより、レーザ光のピーク強度を強くしたり、弱くしたりすることができる。また、レーザ光のスポット形状の歪みを小さくすることができ、加工精度を上げることができる。

図４は、回折型マイクロレンズにおいて、位相段差を変えた場合のスポットの強度分布を示す図である。マイクロレンズの直径は１ｍｍであり、焦点距離は１４０ｍｍであった。また、使用したレーザ光の波長は５３２ｎｍであり、マイクロレンズ周辺からの透過光がない場合（例えば、フォトリソグラフィーによりレンズの周囲に遮光膜を形成することによりマイクロレンズ周辺からのレーザ光の透過を遮断した）の強度を１としている。位相段差は、ピーク強度の高いものから順に１．７５π、０π、１．５π、０．２５π、０．５π、π及び０．７５πである。図４より、位相段差によってピーク強度が大きく変化していることが分かる。具体的には、マイクロレンズ周辺からの透過光がない場合のピーク強度に対して、約０．８倍から１．２倍の範囲で変化している。

図５は、焦点距離が異なる回折型マイクロレンズにおける、位相段差とピーク強度との関係を示す図である。マイクロレンズの直径は１ｍｍであり、焦点距離は２０ｍｍから１６０ｍｍの間で変化させた。また、使用したレーザ光の波長は５３２ｎｍであり、各焦点距離についてマイクロレンズ周辺からの透過光がない場合の強度を１としている。図５より、焦点距離により異なるが、位相段差によってピーク強度が最大で±３０％程度変化していることが分かる。また、焦点距離が長いほど、干渉によるピーク強度の変化が大きいことが分かる。特に、焦点距離が１２０ｍｍ（Ｆナンバーで１２０）を超えると、ピーク強度の変化が大きくなっている。

さらに、焦点距離の長さによって、ピーク強度が最大となる位相段差が異なることが分かる。具体的には、焦点距離が２０〜１２０ｍｍの範囲では、位相段差０〜０．５πラジアンの範囲でピーク強度が最大となり、焦点距離１４０ｍｍでは、位相段差１．７５πラジアンでピーク強度が最大となり、また、焦点距離１６０ｍｍでは、位相段差１．５πラジアンでピーク強度が最大となっている。

このように、どの位相段差でピーク強度が最大となるかは、マイクロレンズの仕様（焦点距離、レンズ径）、レーザ光の波長に依存しており、所与の条件下において、当該位相段差（又は段差）を変化させることにより、ピーク強度を最大とする位相段差（又は段差）を求めることができる。ここでは、回折型マイクロレンズの例を示したが、屈折型マイクロレンズでも同様の効果が得られる。

図６〜８は、２つの回折型マイクロレンズ（焦点距離１４０ｍｍ、レンズ径１ｍｍ、間隔１ｍｍ）による焦点面の強度分布を示す２次元グレイスケールマップである。図６〜８では、非常に弱い強度レベルの光の状況が分かるように、明るさを強調して表示している。表示領域のサイズは２ｍｍ×１ｍｍであり、図より、マイクロレンズ透過光と、マイクロレンズの周辺領域の透過光との干渉の様子がよく分かる。なお、図６〜８において、中心から１本目の環は、当該環の中心のピーク強度が周辺（環の径方向外方）に向かうにつれ漸減して略ゼロになる部分であり、図４においてｒ１で示される部分に対応し、また中心から２本目の環は、強度が略ゼロになった後に漸増し、ついで再度略ゼロになる部分であり、図４においてｒ２で示される部分に対応している。

図６の（ａ）は、マイクロレンズ周辺領域からの透過光がない場合の強度分布を示している。各マイクロレンズからの光が集光し、多数の環状の強度分布を示している。中心から３本目の環位まではきれいな真円を示しているが、４本目の環位からは、２つのマイクロレンズを透過したレーザ光同士で干渉した結果、少し乱れているのが分かる。

これに対して、マイクロレンズの周辺領域からレーザ光が透過する場合において、回折型マイクロレンズの位相段差を種々変更（０ラジアン、０．２５πラジアン、０．５πラジアン、０．７５πラジアン、πラジアン、１．２５πラジアン、１，５πラジアン、１．７５πラジアン）したときの強度分布をそれぞれ図６の（ｂ）〜（ｃ）、及び図７〜８に示す。

図６の（ｂ）〜（ｃ）、及び図７〜８より、レンズ透過光と周辺透過光とが干渉しているのが分かる。また、位相段差によって干渉の様子が異なっているのが分かる。位相段差が０〜０．７５πラジアンの範囲では、干渉によって周辺の環の強度が乱れ、真円性が低下している。これに対し、位相段差がπ〜１．７５πラジアンの範囲では、強度の乱れが比較的少なく、真円性が高い。このことから、真円性の高さを優先させるならば、π〜１．７５πラジアンの範囲の位相段差を選択すればよいことが分かる。ここでは、回折型マイクロレンズの例を示したが、屈折型マイクロレンズでも同様の効果が得られる。

なお、前述した実施の形態では、マイクロレンズの数は１〜２であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、３以上のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイにおいても、前記と同様にして段差又は位相段差を変化させることで、マイクロレンズ透過光と周辺領域透過光との干渉を調整することができる。

また、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の一実施の形態に係る屈折型マイクロレンズの断面説明図である。本発明の一実施の形態に係る回折型マイクロレンズの断面説明図である。本発明の他の実施の形態に係る回折型マイクロレンズのレンズ部分の断面説明図である。回折型マイクロレンズにおいて、位相段差を変えた場合のスポットの強度分布を示す図である。焦点距離が異なる回折型マイクロレンズにおける、位相段差とピーク強度との関係を示す図である。２つの回折型マイクロレンズによる焦点面の強度分布を示す２次元グレイスケールマップである。２つの回折型マイクロレンズによる焦点面の強度分布を示す２次元グレイスケールマップである。２つの回折型マイクロレンズによる焦点面の強度分布を示す２次元グレイスケールマップである。

符号の説明

１基板
２マイクロレンズ
３凸部
４凹部
１１基板
１２マイクロレンズ
１３凸部
１４凹部
ｓ段差

Claims

レーザ光が透過し得る材質からなる基板上に少なくとも１つのマイクロレンズが形成されており、マイクロレンズを透過するレーザ光と、当該マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整するために、前記マイクロレンズの領域とその周辺領域との間に光軸方向に沿った段差が形成されていることを特徴とするレーザ用マイクロレンズ。
レーザ光が透過し得る材質からなる基板上に少なくとも１つの回折型マイクロレンズが形成されており、マイクロレンズを透過するレーザ光と、当該マイクロレンズ周辺を透過するレーザ光との干渉を調整するために、前記マイクロレンズの領域とその周辺領域との間に位相段差が形成されていることを特徴とするレーザ用マイクロレンズ。