JP2505447B2

JP2505447B2 - 光学要素の製法

Info

Publication number: JP2505447B2
Application number: JP6242687A
Authority: JP
Inventors: 敏弘鈴木; 泰之外處; 和成米納
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-07-26
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPS63146001A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕例えばレンズのような光学要素を製造するに当って、
特定の光反応性物質を有する感光性膜に選択的な露光を
施してレンズ体を形成する方法が開示される。本発明方
法によれば、いろいろなタイプの微小な光学要素を安価
に量産することが可能である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えばレンズのような光学要素の製造方法
に関する。本発明は、さらに詳しく述べれば、特にプラ
スチック製の微小光学レンズアレイの製造方法に関す
る。

微小光学レンズは、光ファイバ通信における光の分
岐、結合、合波、分波等への応用、光エレクトロルミネ
ッセンス素子の集光や発光ダイオード集光センサアレイ
への集光、光集積回路における導波路レンズへの応用な
ど、アレイ化及び微小化の要求が高まっている。このた
め、アレイ化が容易で安価なレンズアレイの製造方法が
必要とされている。

〔従来の技術〕

従来、無機材料やプラスチック製の微小光学レンズア
レイを製造するため、次のような方法が用いられてい
る。

イオン交換法：平板マイクロレンズの製造を例にとって説明すると、
第４図に示すように、ガラス基板10の屈折率を増大させ
るためのドーパント12を、基板10上のマスク11の窓から
拡散させる。注入されたドーパントは、図示の如く、基
板表面のマスク中心で最も濃度が高く、深さ方向及び半
径方向に向って次第に濃度を減少していく。屈折率がド
ーパントの濃度に比例するため、レンズが形成される。

懸濁重合法：この方法では、分布屈折率球レンズが製造されてい
る。分布屈折率球レンズとは、屈折率が中心方向に連続
的に変化するように形成した球状重合体のレンズであ
る。

電子ビーム描画法：この方法を使用して、例えばフレネルレンズアレイを
製造することができる。第５図を参照しながら説明する
と、先ず斜視図（Ａ）に示すように、ガラス基板15上に
描画中の電荷蓄積防止のための透明導電膜16、及び電子
ビームレジスト17を順次被覆する。形成されたレジスト
17の膜に電子ビーム18で露光を施す。電子ビーム露光
は、第５図（Ｂ）に示すように、フレネルレンズの断面
に対応させて濃淡を付す。露光後、現像液で現像する
と、第５図（Ｃ）の断面図に示す如くレリーフ状とな
り、フレネルレンズアレイが形成される。

キャスト法：レンズ形成材料を型に注入して成形する方法で、平凸
レンズ、フレネルレンズ等を製造することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記したような従来の微小光学レンズアレイの製造方
法には、しかし、解決されなければならない問題点があ
る。例えば、イオン交換法には、レンズ径を小さくでき
ない、焦点距離を自由に変えられない、他の光学素子と
積層できない、等の欠点がある。さらに、懸濁重合法に
は、レンズを個別に作らなければならないので、アレイ
化が高価になるという欠点がある。さらに、電子ビーム
描画法では、色収差が大きい、集光率が小さい、量産性
に乏しく高価である、等の欠点がある。さらにまた、キ
ャスト法では、微小化が困難である、他の光学素子との
集積化が難しいという欠点がある。

したがって、現在、これらの問題点を解決して、微小
化及び他の光学素子との集積化が可能であり、かつ量産
性に富み安価に製造できる、例えばレンズのような光学
要素の製造方法を提供することが望まれている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した問題点は、本発明によれば、露光の結果とし
て非露光域から露光域への未反応物質の移動及びそれに
伴う露光域の膜形状の変化を惹起可能な光反応性物質を
少くとも有する感光性膜に選択的な露光を施して該感光
性膜の露光域にレンズ体を形成することを特徴とする光
学要素の製法によって解決することができる。

さらに詳しく述べると、本発明は、非露光部から露光
部に向かって未反応物質が移動して露光領域の膜厚が大
きくなる光反応性物質の膜を有する基板上に、光透過部
内が実質的に一様な光透過性を有するマスクを介して選
択的露光を行い、前記光反応性物質膜の露光領域にレン
ズ体を形成することを特徴とする光学要素の製法にあ
る。

本発明では、レンズ体の形成のため、露光に対して特
別な挙動を示す光反応性物質を使用する。かかる光反応
性物質は、露光時、露光域と非露光域との間で融点、拡
散性、流動性、溶解度、蒸気圧、分子サイズ等に差を生
じ、したがって、非露光域から非露光域への未反応の光
反応物質の移動と、それに伴う露光域の膜形状の変化が
起こるとともに、表面張力等の作用により、レンズ体が
形成される。

本発明において使用する光反応性物質は、上記のよう
な機能を奏する限りにおいて特に限定されるものではな
い。有用な光反応性物質は、光の照射によって重合、架
橋、異性化、その他の光反応を生じるような物質であ
る。なお、本願明細書では、“重合”あるいは“光重
合”なる語を用いた場合、それらは、例えば二量体、三
量体等のオリゴマー（低重合物）形成のための低次重
合、単独重合、共重合など、広義での重合を指すものと
する。

本発明において有利に使用することのできる光反応性
物質の例を列挙すると、次の通りである：（１）ケイ皮酸（２）ケイ皮酸メチル（３）ケイ皮酸エチル（４）ケイ皮酸ベンジル（５）α−メチルケイ皮酸（６）ｐ−メチルケイ皮酸（７）塩化シンナモイル（８）メタクリル酸シンナモイル（９）ビニルシンナメート（10）アリルシンナメート（11）シンナモイルシンナメート（12）グリコールシンナメート（13）ｍ−フェニレンジアクリル酸エステル（14）ジカルボン酸シンナモイル（15）光硬化性樹脂エステル系、アクリル系などの光硬化性樹脂。

（16）オリゴマーメタクリル酸メチル、ビニルカルバゾール、スチレン
などのオリゴマー。

これらの光反応性物質は、単独で使用してもよく、但
し、好ましくは、その他の物質と組み合わせて用いられ
る。光反応性物質と組み合わせて使用し得る物質は、例
えば、結合剤として使用するバインディングポリマー、
例えばポリメタクリル酸メチルエステル、ポリビニルカ
ルバゾール、ポリカーボネート、ポリスチレン、メタク
リル酸メチル−メタクリル酸グリシジル共重合体など、
そして溶剤、例えば1,4−ジオキサン、アセトンなどで
ある。

感光性膜形成のための有用な組み合わせは、例えば、
光反応性物質、特に光重合性材料（オリゴマ形成材料）
とバインディングポリマー及び溶剤の組み合わせ、光反
応性物質、特に光重合性材料と溶剤の組み合わせ、光反
応性流動性物質とバインディングポリマーの組み合わ
せ、その他である。このような組み合わせにおいて、光
反応性物質の量は、光反応性物質及びバインディングポ
リマーの合計量を基準にして、約40〜100％であること
が好ましい。溶剤の量は、もしもそれを使用するなら
ば、得ようとする感光性膜形成用塗布液の粘度等を考慮
して適宜に決めることができる。

得られた塗布液は、例えばガラスのような基板上に適
当な技法によって塗布し、感光性膜とすることができ
る。この製膜のため、スピンコート法、はけ塗り法を有
利に使用することができる。

感光性膜の製膜後、レンズ体形成のための選択露光を
行う。この選択露光は、レンズ体形成部位に窓をあけた
フォトマスクを使用して、感光性膜の組成等のファクタ
ーに依存するいろいろな露光源で行なうことができる。
一般に、約280〜450nmの波長を有する紫外線光を露光源
として有利に使用することができるけれども、必要に応
じて、可視光や赤外線（熱線）も使用可能である。露光
強度は、好ましくは、約40〜400mW/cm²である。露光時
の温度は、使用する光反応性物質によって任意に変える
ことができる。例えば、シンナモイルシンナメート／ポ
リメクリル酸メチル（PMMA;重合度2,000）を光反応性物
質として使用する場合には、約30〜50℃の温度が適当で
ある。この場合に、温度が低すぎると、露光域の膜の盛
り上がりがおこらないのでレンズ体とならず、反対に温
度が高すぎると、膜の盛り上がりはあるというものの、
直径が広がって扁平になり、同様にレンズ体とならな
い。

選択露光の結果、感光性膜の露光域の光反応性物質
は、その物質に特有の光反応、例えば二量化、異性化、
重合、単量体と高分子の反応、架橋、その他の光反応を
被ることにより、蒸気圧、融点、膜中での溶解度、流動
性、拡散速度が変化する。例えば、塩化シンナモイル、
ケイ皮酸等を光反応性物質として使用した例をとった場
合、それらの物質は光二量化反応を被るが、1,4−ジオ
キサン（溶剤）中では単量体も二量体（光反応生成物）
もよく流動する。しかし、これにポリメタクリル酸メチ
ル（PMMA）などをバインディングポリマーとして加えた
感光性膜では、単量体はよく拡散流動するが、二量体は
拡散流動しにくくなる。それ故、非露光域から露光域に
単量体が流動し、流動しにくい二量体が露光域で増加す
ることになる。このとき、二量体が生成された露光域は
非露光域に対して盛り上がり、しかも表面張力によって
丸みをもった凸部となり、この部分がレンズ体となる。
単量体の拡散速度を大きくし、二量体のそれを小さくす
るには、前述のようにバインディングポリマーを加える
ことのほかに、感光性膜に1,4−ジオキサン等の溶剤を
含ませ、かつその量を調整する、感光性膜を構成するポ
リマーの分子量を調整する、二種以上の光反応性物質の
混合物を用い、それらの量比を調整する、等の方法があ
る。

本発明においては、レンズ体形成後の感光性膜、すな
わち、レンズ体保有膜を安定化処理する。この安定化処
理は、光反応が光重合反応などのように分子サイズ、蒸
気圧とも大きくなる反応の場合に、とりわけ有用であ
る。使用し得る安定化処理方法としては、膜の熱処理が
ある。これは、未反応の光反応性物質を蒸発等により除
去して膜を安定化しようとするものである。例えば、レ
ンズ体保有膜が単量体と二量体とからなる場合、両者の
蒸気圧が異なることに原因して単量体のみが蒸発せしめ
られるであろう。別の安定化処理方法としては膜の全面
露光がある。この方法は、未反応の光反応性物質すべて
を光反応させて安定な光反応生成物となし、膜を安定化
しようとするものである。例えば、蒸気した単量体と二
量体とからなるレンズ体保有膜に本方法を適用した場
合、すべての単量体を安定な二量体とすることができ
る。また、別法によれば、例えば、熱処理によって架橋
可能なポリマーまたは熱処理により二量体と反応可能な
ポリマー（例えば、エポキシ基を有するメタクリル酸グ
リシジルを含むポリマー）をバインディングポリマーと
して用い、熱処理によりバインディングポリマー間で架
橋させて二量体を閉じ込めて動かないようにするかある
いは熱処理により二量体をポリマーに結合させることが
できる。

〔作用〕

光反応性物質を有する感光性膜に選択露光を施すと、
露光による光エネルギーによってその光反応性物質に特
有の光反応、例えば二量化等の低次の重合、その他の重
合、異性化、架橋などの光反応が惹起され、この反応の
生成物と未反応の光反応物質との間に融点、拡散性、流
動性、溶解度、蒸気圧、分子サイズ等に差が生じ、よっ
て、非露光域から露光域への未反応の光反応性物質の移
動が起こるとともに、表面張力等の作用により、レンズ
体が形成される。

本発明による光学要素、特に微小光学レンズアレイの
製造方法を第１図〜第３図を参照しながら説明する。

先ず、第１図（Ａ）に示すように、光反応性物質を含
有する塗布液をスピンコート法などによりガラス基板１
上に塗布して、感光性膜２を形成する。次いで、形成さ
れるべきレンズ体にみあった形状の窓13をそれに対応す
る位置に有するフォトマスク３を使用して、第１図
（Ｂ）に示すように感光性膜２の露光を行なう。この選
択露光には、紫外線露光等を使用することが可能であ
る。この露光の結果として、第１図（Ｃ）に示すよう
に、未反応の光反応性物質が非露光域４から露光域へと
移動して、レンズ体14が形成される。レンズ体を保有す
る膜は、ここでは図示しないけれども、必要に応じて、
全面露光、熱処理等により安定化することができる。

露光の段階におけるレンズ体の形成は、膜形状の変化
を段階的に示す第２図（Ａ）〜（Ｅ）からより明らかと
なるであろう。なお、図（Ｂ）〜（Ｅ）ではマスクが省
略されているが、これは露光により多少とも光反応性物
質が露光域に存在すると形状変化は進行するので、これ
らの段階で露光を行わなくてもよいことを示している。

先ず第２図（Ａ）で露光を開始した後、初期の段階で
は、第２図（Ｂ）に示すように、感光膜２の露光域のう
ち非露光域に隣れる部分において膜のもり上がりが発生
する。これは、両領域間において特性の差が生じ、非露
光域から露光域への未反応の光反応性物質の浸透が開始
したためである。未反応の光反応性物質の浸透がさらに
進行すると、第２図（Ｃ）に示すようにリング状の膜の
もり上がりが発生する。したがって、もしもフォトマス
ク３の窓が円形である場合、この段階かその前の（Ｂ）
の段階で未反応物質の浸透を停止させた場合、リング状
レンズ体を得ることができる。さらに選択露光を続けて
いくと、表面張力等による球面化効果により第２図
（Ｄ）に示すように膜の露光域の中央部が最も膨張した
形状となり、最後には第２図（Ｅ）に示すような所望の
レンズ体14を得ることができる。

次いで、レンズ体の形成メカニズムを、光反応が光重
合である場合を例にとって、第３図を参照しながら以下
に説明する。なお、以下では、２種類またはそれ以上の
物質の混合系において、蒸気圧及び分子サイズが大きい
物質を“溶質”、それらが小さい物質を“溶媒”と定義
する。したがって、光反応性物質が光重合性物質である
場合、そのモノマーとそのポリマーの混合物において、
モノマーは溶媒的性質を、ポリマーは溶質的性質を、そ
れぞれ示すことができる。

レンズ体の形成メカニズムを説明するため、露光前、
露光中、そして露光後の膜組成を露光域及び非露光域に
ついて比較して示すと、次表の通りである。

露光前、感光性膜２には、光重合性物質Ｍ（モノマ
ー）、バインディングポリマーBP、そして必要に応じて
溶剤Ｓが含まれる。

露光中、膜２の非露光域のモノマーＭが露光域に浸透
する一方、露光域では、光重合の結果として、低重合度
のポリマーLMW−Ｍ^＊、そして高重合度のポリマーHMW−
Ｍ^＊の形成が進行する。この段階を第３図を参照しなが
ら説明すると、感光性膜２の露光域と非露光域の界面領
域５にバインディングポリマーBPのリッチな部分（モノ
マーＭの希薄領域）が出来、また、この部分は他の部分
よりも固くなり、したがって、一種の半透膜として作用
する。モノマーＭは、露光域及び非露光域のそれぞれに
おいて拡散する一方、図中矢印で示されるように、半透
膜５を介して非露光域から露光域へと浸透する（浸透圧
による）。露光域内では、モノマーＭの重合が進む一方
で、凝固点降下の作用により、ポリマー量が増加するに
もかかわらず膜の液性が保たれる。さらに、この液体の
膜に表面張力が働くことの結果、レンズ体の形成に不可
欠な表面の丸味が導びかれる。

露光後には、非露光域にバインディングポリマーBPと
多少のＭが残り、一方、露光域にはバインディングポリ
マーBPに加えて高重合度ポリマーHMW−Ｍ^＊が生成す
る。また、露光域には、未反応のＭも含まれており、こ
のＭは、熱処理によってなくなり、全面露光すればHMW
−Ｍ^＊となる。

ここで、光重合に際して、モノマーＭ、そしてポリマ
ーLMW−Ｍ^＊及びHMW−Ｍ^＊がそれぞれ膜中で果す役割は
次の通りである：モノマーＭ…露光域、非露光域を拡散。

ポリマーLMW−Ｍ^＊…モノマーＭ及び溶剤（Ｓ）の混合
体中で拡散。

ポリマーHMW−Ｍ^＊…モノマーＭ及び溶剤（Ｓ）に有限
膨張。

また、体積膨張であるが、これには浸透及び膨潤が関
与する。

浸透…モノマーＭが溶媒として、ポリマーLMW−Ｍ^＊が
溶質として、それぞれ作用する。露光により、溶質濃度
の増加が起こり、露光域と非露光域の界面に浸透圧が発
生する。その結果、非露光域から露光域へとモノマーＭ
が流れる。

膨潤…モノマーＭが溶媒として、ポリマーHMW−Ｍ^＊及
びバインディングポリマーBPが溶質として、それぞれ作
用する。露光前、膜は膨潤状態にあると考えることがで
きる。露光が進み、ポリマーHMW−Ｍ^＊が生成される
と、その部分は膨潤状態でなくなり、周辺領域から溶媒
であるモノマーＭを吸収して膨潤する。

さらにまた、球面化であるが、これには混合系の凝固
点降下と表面張力が関与する。先ず、モノマーＭに光エ
ネルギーが作用すると、次のような反応が進行する：すなわち、Ｍ及びLMW−Ｍ^＊の混合系が生成し、凝固
点降下が発生することによって膜の液性が保たれる。さ
らにまた、この膜の液性等のため、表面張力も発生し、
膜の球面化が保証される。

下記に具体例を挙げて本発明をさらに説明する。

実施例１塗布膜用材料：成分／桂皮酸、桂皮酸メチル、ビニルシ
ンナメート（以上、光反応性物質）、ポリメタクリル酸
メチル（バインディングポリマー）組成／上記の順に重量比で1:1:1:3 この材料を1,4−ジオキサンの溶液として、スピンコ
ート法により、ガラス基板上にコートし、第２図に示す
ように、円形の窓を有するフォトマスクを介して露光
し、加熱処理した。

塗布膜厚:4μｍ（乾燥後）露光条件:45mW/cm² 150分 45℃（膜温度）フォトマスク：窓の直径 200μｍ膜の変形形状：直径235μｍ中央部厚さ32μｍ加熱処理条件:70〜80℃ 30分これにより、第２図（Ｅ）に示す形状の凸レンズが得
られた。

レンズ形状：直径240μｍ中央部厚さ28μｍ実施例２実施例１と同様にして、凸レンズを形成した。

塗布膜用材料：成分／桂皮酸、桂皮酸メチル、ビニルシ
ンナメート（以上、光反応性物質）、ポリメタクリル酸
メチル（バインディングポリマー）組成／上記の順に重量比で1:1:1:3 ここでは、露光後、加熱処理の代わりに全面露光処理
した。

塗布膜厚:4μｍ（乾燥後）露光条件:45mW/cm² 150分 45℃（膜温度）フォトマスク：窓の直径 200μｍ膜の変形形状：直径235μｍ中央部厚さ32μｍ全面露光処理条件:45mW/cm² 20分レンズ形状：直径235μｍ中央部厚さ32μｍ（焦点距
離390μｍ）実施例３実施例１と同様にして、凸レンズを形成した。

塗布膜用材料：成分／桂皮酸、桂皮酸メチル、ビニルシ
ンナメート（以上、光反応性物質）、ポリメタクリル酸
メチル（バインディングポリマー）、エポキシ基を有す
るメタクリル酸グリシジルを含むポリマー組成／上記の順に重量比で10:10:10:30:1 塗布膜厚:4μｍ（乾燥後）露光条件:45mW/cm² 150分 45℃（膜温度）フォトマスク：窓の直径 200μｍ膜の変形形状：直径235μｍ中央部厚さ32μｍ加熱処理条件:70〜100℃ 30分レンズ形状：直径236μｍ中央部厚さ31μｍ〔発明の効果〕以上述べてきたように、本発明によれば、マスクを用
いた光露光技術を用いるため、光学要素の微小化、アレ
イ化が容易であり、且つ作製された要素が膜状であるの
で他の光学素子への積層化が可能であり、さらに作製工
程が極めて簡単であるので量産性に富み、且つ安価にで
きる等の利点を有し、実用的に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるレンズアレイの製造を順を追っ
て示した断面図、第２図は、特にレンズ体の形成過程を順を追って示した
断面図、第３図は、レンズ体の形成メカニズムを説明した断面
図、第４図は、従来の平板マイクロレンズの製造方法を説明
した斜視図、そして第５図は、従来のフレネルレンズアレイの製造方法を順
を追って説明した略示図である。図中、１はガラス基板、２は感光性膜、３はフォトマス
ク、そして14はレンズ体である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米納和成川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭60−175001（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−72927（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非露光部から露光部に向かって未反応物質
が移動して露光領域の膜厚が大きくなる光反応性物質の
膜を有する基板上に、光透過部内が実質的に一様な光透
過性を有するマスクを介して選択的に露光を行うことに
より、一つの光透過部に対応して一つの断面レンズ状の
形状を得たのち、熱処理を施して未反応の光反応性物質
を蒸発させることを特徴とする光学要素の製法。
【請求項２】非露光部から露光部に向かって未反応物質
が移動して露光領域の膜厚が大きくなる光反応性物質の
膜を有する基板上に、光透過部内が実質的に一様な光透
過性を有するマスクを介して選択的に露光を行うことに
より、一つの光透過部に対応して一つの断面レンズ状の
形状を得たのち、全面を露光し、未反応の光反応性物質
を反応させて安定化することを特徴とする光学要素の製
法。
【請求項３】非露光部から露光部に向かって未反応物質
が移動して露光領域の膜厚が大きくなる光反応性物質
と、熱処理によって架橋可能なポリマーまたは熱処理に
よって二量体と反応するポリマーからなるバインディン
グポリマーとを含む膜が設けられた基板上に、光透過部
内が実質的に一様な光透過性を有するマスクを介して選
択的に露光を行うことにより、一つの光透過部に対応し
て一つの断面レンズ状の形状を得たのち、熱処理を行っ
て前記バインディングポリマーの架橋反応によって前記
膜を安定化することを特徴とする光学要素の製法。