JP2811864B2 - 平板レンズの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、両表面が平坦面の透明基板中に球面レンズ
を一体に形成した平板レンズの製造方法に関する。

［従来の技術］ ガラス、プラスチック等の透明基板に、多数のレンズ
を配列形成したレンズアレイは、画像の読みとり、記
録、表示など広い分野で急速に利用されるようになって
きている。

特に、光屈折曲面を基板表面に突出形成するかわり
に、レンズ部分の屈折率を基板の屈折率とは異ならせ、
基板表面側のレンズ面は基板と面一の平坦面とするとと
もに、光屈折曲面側を基板の肉厚内に位置させた平板レ
ンズは、表面が平面であるため他の光学部品との結合や
組立が容易であるという大きな利点がある。

上記のような平板レンズを製作するに当たっては、従
来以下に述べるような方法がとられていた。まずガラス
基板表面に蒸着、スパッタリング、メッキなどでNi,Au,
Cr等の耐蝕性保護被膜（マスク膜）を形成し、このマス
ク膜のレンズ位置に、周知のフォトリソグラフィ技術を
用いて円形あるいは直線スリット状の開口を設け、この
マスク面に弗酸、硫酸、硝酸の混合溶液等のガラスエッ
チング液を接触させて、上記開口を通してガラスを等方
的にエッチングする。

適当時間のエッチング処理の後、得られた断面が半円
状の凹部に、ガラス基板とは屈折率の異なる一般には基
板よりも屈折率の大きな透明材料を堆積もしくは充填し
て凹部を埋める。この充填凹部分がレンズとして機能す
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来の構造では、第４図に示すように、ガラ
ス基板１に形成しようとするレンズ部（凹部）４の大き
さに比して非常に小さいマスク開口３から等方性エッチ
ングをしているため、大部４の開口周辺の底壁は急峻に
立ち上がりほとんど垂直になっている。

このような形状の凹部４に透明材料を充填して形成し
たレンズは、周辺部での収差が大きいという問題があっ
た。

また、隣接レンズ間間隔を可及的に小さくしようとす
ると、マスク被膜２の開口３周縁から凹部４の周縁まで
の間の支持のない被膜部分、いわゆるオーバーハング部
分が相当大きくなって、エッチング途中でここから被膜
が剥離してしまい、均一なエッチングができないという
問題があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明方法では、ガラス基板のエッチング処理を二段
階に分けて行う。

第一エッチング工程は、前述した従来方法と同じくパ
ターン開口マスクを用いた等方性エッチングである。但
し、エッチングで得られる凹部の径が目的とするレンズ
径よりも小さい段階でこの第一エッチング処理を終え
る。

次いでマスク被膜を除去した後、基板表面全体に対し
てエッチング処理を行う。

この第二エッチング処理によって、凹部の周縁近傍の
底壁を緩やかなカーブに仕上げるとともに、凹部径を拡
大して所望のレンズ径とする。すなわちレンズアレイで
あれば隣接するレンズ同士を近接させる。

［作用］ 本発明によれば、マスク被膜を用いるパターンエッチ
ング（第一段エッチング）では、マスク開口の径に対す
る凹部の径は従来方法よりも相対的に小さくてよく、従
ってマスク被膜のオーバーハングに起因する剥離が生じ
難い。

また第二段エッチングではマスク膜を用いないため、
隣接凹部間の間隔を可及的に小さくすることができる。

さらに、凹部の周縁近傍の底壁形状が従来方法による
よりも緩やかなカーブとなるため、得られるレンズの周
辺の収差が小さくなる。

以上のように本発明によれば、特性の揃った均一なレ
ンズ群を高集積度の配列で基板に形成することができ
る。

［実施例］ 以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図において11はガラス基板であり、本実施例では
ソーダライムガラスと無アルカリガラスを使用した。

12は耐蝕性保護被膜（マスク膜）で、本実施例ではス
パッタあるいは蒸着でガラス面上に成膜したCr膜12A
と、この上に積層した感光性樹脂層12Bとの二層から成
っている。

まず第１図（イ）のように、ガラス基板11面上のレン
ズを形成すべき位置に、感光性樹脂層12Bを用いて周知
のフォトリソグラフィにより、Cr膜12Aに円形の開口13
を設ける。

次ぎに第１図（ロ）のように、弗酸、硫酸、塩酸等か
ら成るガラスエッチング液中にガラス基板11を浸し、第
一段の化学エッチングを行う。

マスク膜の開口13の径ｄを十分小さくしておけば、こ
の開口部を始点として基板ガラスが等方的にエッチング
され、半径ｒの略半球状の凹部14Aが形成される。この
半径ｒはエッチング条件によって制御される。つまり、
エッチング液の濃度と処理時間である。本実施例ではマ
スク開口13の径ｄを５μｍとし、弗酸の濃度が10％のエ
ッチング液を用いて６分間エッチングして、径D₁が60μ
ｍの凹部14Aを得た。

以上が第１段のエッチング処理である。

次ぎに基板11の表面からマスク膜12を除去した後、第
１図（ニ）に示すように基板11をエッチング液中に浸し
て全面エッチング（第二段エッチング）を行う。

前述のようにガラスの化学エッチングは等方性エッチ
ングであるので、当初の凹部14Aは一様に大きくなって
いき、同時に凹部周縁の角部15もエッチングされて、周
辺部でなだらかなカーブを描く底壁をもつ凹部14が得ら
れる。

この凹部14の曲率半径Ｒは簡単には、 Ｒ＝（１回目のエッチング深さ）＋（２回目の エッチング深さ） と考えてよい。

凹部14の径D₂は簡単には、 と考えてよい。

ここで当然１回目のエッチング深さは１回目の凹部半
径ｒとほぼ等しい。

このように基板を全面エッチングすることにより、所
望のレンズ径D₂の緩やかなカーブを有する凹部14が得ら
れる。

本実施例では２回目のエッチング時間８分で、径が約
100μｍ、曲率半径Ｒ＝60μｍの凹部14が得られた。

この後、第２図のように凹部14に屈折率が基板（ソー
ダライムガラス）の1.51よりも高い1.57である透明樹脂
16を充填して平板レンズ10を製作したところ、その焦点
距離は約900μｍであった。光線追跡による計算結果で
は焦点距離は約700μｍであり、ほぼ実験結果と一致し
ており、レンズの収差が小さいことが確認できた。第３
図は、多数の凹部14をレンズ径以下に近接させて形成す
る例を示している。

まず第３図（イ）のように、径D₁が60μｍで曲率半径
ｒの凹部14Aを前述と同等の条件でガラス基板に形成し
た。凹部14AはピッチＰが125μｍで等間隔に配置されて
いる。第３図（ロ）のように第２図の全面エッチングを
50分行うと、半径Ｒが180μｍの凹部14が得られた。当
初凹部間に存在していた表面平坦な部分17は一様にエッ
チングされて無くなり、凹部同士が近接したところは鋭
利な突起部18となる。この凹部14に屈折率が1.67の透明
樹脂を充填して平板レンズ10を製作したところ、焦点距
離は約1100μｍであった。光線追跡による計算結果では
焦点距離は約990μｍであった。実験結果とほぼ一致し
ており、レンズの収差が小さいことが確認できた。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来方法では製作が不可能であった
光屈折面の急峻な分布がない平板レンズ、あるいはレン
ズ同士が密着した高集積度のレンズアレイが実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）ないし（ニ）は本発明の一実施例を段階的
に示す断面図、第２図は本発明方法で得られる平板レン
ズを示す断面図、第３図（イ）（ロ）は本発明方法の他
の実施例を示す断面図、第４図は従来方法における問題
を説明する断面図である。 10……平板レンズ 11……ガラス基板 12……エッチングマスク膜 13……開口 14A……第一段エッチングによる凹部 14……第二段エッチングによる凹部 16……高屈折率充填材（レンズ部分）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラス基板の表面を耐蝕性被膜で被覆する
   とともに、この被膜に所望のレンズパターンで開口を設
   ける工程と、この面にガラスエッチング液を接触させて
   前記開口を通してガラス基板を等方的にエッチングする
   ことにより、ガラス基板面に断面が略半円形状の凹部を
   形成する第一エッチング工程と、前記被膜を除去した後
   基板面全面をエッチングする第二エッチング工程と、第
   二エッチング工程で得られた凹部を基板ガラスとは屈折
   率の異なる透明材料で埋める工程とを備えた平板レンズ
   の製造方法。