JP2010060779A

JP2010060779A - 赤外光用の光学結晶レンズの製造方法

Info

Publication number: JP2010060779A
Application number: JP2008225655A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakajima; 一雄中嶋; Nobuhiko Sarukura; 信彦猿倉
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】安価な高温加圧加工法を用いて、赤外用光学素子に用いる高精度の結晶レンズを、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム結晶ウェハーを用いて簡便に、安価に製造することができる赤外光用の光学結晶レンズの製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの半導体結晶ウェハーを用い、当該結晶の任意の塑性変形を可能とする温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して赤外光用の光学結晶レンズを製造する工程において、半導体結晶ウェハーに高温加圧加工を施す前または後に、高温加圧加工後適切な結晶レンズの形状になるように、半導体結晶ウェハーに研磨加工または切削加工を施す工程を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、赤外線センサー、赤外画像処理装置、赤外レーザーなど、赤外光を利用する光学装置に用いる赤外光用の光学結晶レンズの簡便で高精度な製造方法に関するものである。

赤外線は、大気、生体、結晶材料、熱に対して感度を持つため、極めて多種多様の用途があり、多くの異なる分野で使用されている。例えば、近・中赤外イメージングの利用に関しては、a)金属材料の中に存在するクラックなどの結晶欠陥や歪み・応力分布の検出、b)熱画像の測定による非破壊検査、c)医学分野におけるがんの検診、d)セキュリティー利用としてのヒューマンセンサー、e)新型肺炎SARSの保有者を、空港などでチェックする目的の感熱センサー、など極めて広い分野で実用化され用いられている。さらには、ｆ）熱画像を用いることで、夜間における人間や車両、航空機の同定も行われている。

このように赤外イメージングやそれを用いた光学システムは、産業分野で広く応用されており、それを支える光学素子や検出器などの基礎技術の研究開発が精力的に進められている。このような赤外線センサー、赤外画像処理装置、赤外レーザーなどの赤外用光学素子は、単結晶シリコン（シリコン）、単結晶ゲルマニウム（ゲルマニウム）、CVD法で作製された多結晶セレン化亜鉛（ZnSe）、多結晶硫化亜鉛（ZnS）、サファイア（Al₂O₃）、フッ化カルシウム（CaF₂）などの結晶材料で作製されている。これらの結晶材料は、それぞれ異なった特徴を持ち、使用する目的に応じて使い分けられている。

これらの結晶材料の中でも、ZnSeおよびゲルマニウムは、広い波長範囲で透明な結晶材料であり、しかもそれらの透過率が一定であるため、大変使いやすい結晶材料である。すなわち、ZnSeは、波長0.6〜20μmの範囲で使用可能であり、可視光の一部が透過するためHe-Neレーザーを用いて光学系の調整が可能である。しかも、ZnSeは、非吸湿性で安定であるという有利な特徴を持つ。しかしながら、ZnSeは、毒性ガスを原料として用いており、毒劇物に指定されているため一般廃棄ができず、高価であることが欠点である。

一方、ゲルマニウムは、波長2〜20μmで使用可能であり、化学変化がなく安定な結晶材料であるが、希少な材料であるため、大変に高価である。また、ゲルマニウム結晶は重くまた使用体積が大きいため、何枚ものゲルマニウムレンズを用いた光学系は、金額的にも高価であるだけでなく、重量的にもシステムへの負担が大きくなる。

これに対して、シリコンは、安価で大量に利用が可能な結晶材料ではあるが、結晶中のOH基により、9μm波長帯を中心として強い吸収があるため、実質的には6μm波長帯程度までしか利用できない。このため、赤外用光学素子としては、シリコン結晶はその用途が限定されている。このように、ゲルマニウムやシリコンは、それぞれの特徴があり、それを生かした赤外用光学素子としての用途があり、またその中間的な性質を有するシリコンゲルマニウムの価値も高い。

このような結晶材料を用いて光学素子が作製されているが、シリコンやゲルマニウム結晶は、極めて硬度が高く、脆い材料であるため、可視光領域におけるガラス材料の加工・研摩に比べて、結晶レンズの作製がはるかに難しいのが現状である。シリコンやゲルマニウム結晶では、プラスチックレンズのような加圧成形は不可能なため、これらのバルク単結晶から精密NC旋盤を用いて削り出し研摩する方法が取られていた。このため、作製には極めて高い技術が必要とされ、さらに原材料が無駄に使用されることになり、赤外線用レンズの価格を押し上げる大きな原因となっていた。

高温加圧加工法を用い、シリコン系結晶体やゲルマニウム系結晶体、化合物・酸化物結晶体を、焦点を有する凸面状または凹面状に形成し、Ｘ線用、ガンマー線用又は光用のレンズとして用いることが報告されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１は、シリコンやゲルマニウムの結晶板を高温度で加工変形するだけで、レンズの最終形状を鑑みて、高温加工変形以前に結晶体に機械加工を施すことは、なんら記載されていない。また、レンズの光学設計に関するレンズの形状、焦点距離、曲率半径、レンズ径等についての記載もない。

特開２００５−１４２３７０号公報

本発明は、安価な高温加圧加工法を用いて、赤外用光学素子に用いる高精度の結晶レンズを、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム結晶ウェハーを用いて簡便に、安価に製造することができる赤外光用の光学結晶レンズの製造方法を提供するものである。

本発明によれば、シリコン、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの半導体結晶ウェハーを用い、当該結晶の任意の塑性変形を可能とする温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して赤外光用の光学結晶レンズを製造する工程において、前記半導体結晶ウェハーに高温加圧加工を施す前または後に、高温加圧加工後適切な結晶レンズの形状になるように、前記半導体結晶ウェハーに研磨加工または切削加工を施す工程を有することを特徴とする赤外光用の光学結晶レンズの製造方法が得られる。

また、本発明によれば、前記光学結晶レンズとしての形状が、焦点距離を50〜200mmとしたとき、曲率半径が125〜500mm、レンズ径が10ｍｍ以上、300mm以下、レンズ厚さが2.1ｍｍ以上、5.6mm以下の平凸形状であることを特徴とする、赤外光用の光学結晶レンズの製造方法が得られる。

また、本発明によれば、前記光学結晶レンズは、レンズとしての形状が、両凸、平凹、両凹、メニスカスのいずれかで、曲率半径が100ｍｍ以上、1000mm以下、レンズの厚さが2.6mm以上、4.0ｍｍ以下であることを特徴とする、赤外光用の光学結晶レンズの製造方法が得られる。

本発明により、安価な高温加圧加工法を用いて、赤外用光学素子に用いる結晶レンズを、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム結晶ウェハーを用いて簡便に作製できるため、高精度の結晶レンズを安価に実現できる。しかも、実用的な高温加圧加工法をベースにしているため、事業化も容易であるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、高温加圧加工法により作成したシリコン平凸レンズおよびその事前研磨領域を示す。直径３０ｍｍ、厚さ０．９３ｍｍのシリコンウエハー円板の図１中の塗りつぶし部を事前に機械加工で研削することで、曲率半径が１２１ｍｍ、焦点距離５０ｍｍの赤外光用レンズが得られた。

図２は、同じ寸法形状（直径３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）のシリコン板とゲルマニウム板とを用いて、波長１０ミクロンの赤外光に対する焦点距離が１０１２ｍｍの赤外用レンズを作成する時の高温加工後の寸法を示す。シリコンとゲルマニウムとの屈折率の違いにより、同じ焦点距離であっても加工の際の曲率半径が異なることが明らかである。尚、図２の発散メニスカスレンズの場合には、事前研磨を必要としない工程上のメリットがある。

図３は、レンズの仕様ならびに最終形状および事前研磨領域を示す。赤外光の収束用には両凸型レンズ、平凸型レンズ、収束メニスカスレンズがあり、図３中の塗りつぶし部分が、高温加工の事前研磨削除部分を示す。また、赤外光の発散用には両凹型レンズ、平凹型レンズ、発散メニスカスレンズがあり、図３中の塗りつぶし部分が、高温加工の事前研磨削除部分を示す。この時、研磨プロセスの代わりに切削加工を施すことも可能である。

図４は、本発明により製造された結晶レンズを用いた中・遠赤外領域望遠鏡の光学系を示す。これは、中・遠赤外領域で使用される赤外線望遠鏡の光学系で、結晶レンズの材質はゲルマニウムであり、３群３枚の構成になっている。測定波長は、７〜１１μmである。ゲルマニウムは分散が小さく、４μmの波長幅における軸上色収差を無視することができるため、色消しレンズは必要ない。

本発明によって作製したシリコンやゲルマニウムの結晶レンズは、従来技術で作製した結晶レンズよりも、結晶性がよく、高精度に塑性加工されており、安価かつ高品質になっていることが判る。また、実用的な結晶レンズのサイズは、その加工可能な範囲から、平凸型レンズとしては、焦点距離を50〜200mmとしたとき、曲率半径が125〜500mm、レンズ径が10ｍｍ以上、300mm以下、レンズ厚さが2.1ｍｍ以上、5.6mm以下であることが好ましい。

また、実用的な結晶レンズのサイズは、その加工可能な範囲から、レンズとしての形状が、両凸型レンズ、平凹型レンズ、両凹型レンズ、メニスカスレンズのいずれかでは、曲率半径が100ｍｍ以上、1000mm以下、レンズの厚さが2.6mm以上、4.0mｍ以下であることが好ましい。

本発明の実施の形態の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法の、高温加圧加工法により作成したシリコン平凸レンズおよびその事前研磨領域を示す側面図である。本発明の実施の形態の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法の、同じ寸法形状（直径３０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）のシリコン板とゲルマニウム板とを用いて、波長１０ミクロンの赤外光に対する焦点距離が１０１２ｍｍの赤外光用レンズを作成する時の高温加工後の寸法を示す側面図である。本発明の実施の形態の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法により製造されるレンズの仕様ならびに最終形状および事前研磨領域を示す側面図である。本発明の実施の形態の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法により製造された結晶レンズを用いた中・遠赤外領域望遠鏡の光学系を示す斜視図（フレーム図）および断面図である。

Claims

シリコン、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの半導体結晶ウェハーを用い、当該結晶の任意の塑性変形を可能とする温度範囲内で高温加圧加工法により湾曲加工を施して赤外光用の光学結晶レンズを製造する工程において、前記半導体結晶ウェハーに高温加圧加工を施す前または後に、高温加圧加工後適切な結晶レンズの形状になるように、前記半導体結晶ウェハーに研磨加工または切削加工を施す工程を有することを特徴とする赤外光用の光学結晶レンズの製造方法。
前記光学結晶レンズとしての形状が、焦点距離を50〜200mmとしたとき、曲率半径が125〜500mm、レンズ径が10ｍｍ以上、300mm以下、レンズ厚さが2.1ｍｍ以上、5.6mm以下の平凸形状であることを特徴とする、請求項１記載の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法。
前記光学結晶レンズは、レンズとしての形状が、両凸、平凹、両凹、メニスカスのいずれかで、曲率半径が100ｍｍ以上、1000mm以下、レンズの厚さが2.6mm以上、4.0mｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の赤外光用の光学結晶レンズの製造方法。