JP3506773B2 - 光学デバイス及びその製造方法および光学デバイス製造方法に用いる転写用の型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光学デバイス及びその
製造方法および光学デバイス製造方法に用いる転写用の
型に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズやミラーに、非球面に代表される
特殊な面形状が使用されるようになってきている。非球
面のような特殊な面形状は、機械的な研磨で創成するこ
とが容易ではなく、通常は型を用いた成形加工により作
製が行われる場合が多い。

【０００３】このため、例えば、非球面の屈折面を持つ
レンズなどは、その殆どがプラスチック材料を用いたプ
ラスチック成形品として作製されており、材料選択の余
地が少ない点が問題となっている。

【０００４】所望の面形状を、型を用いてガラス表面に
創成する技術としては「ガラスプレス法」が知られてい
るが、使用される型は、ガラスに成形する際の高温（６
５０度以上）・高圧に耐えねばならず、高温下での酸化
に対する耐性も必要である。このため、型の材料は特殊
な金属やセラミックスに限定される。

【０００５】しかしこのような特殊な材料は型の加工が
非常に難しく、その上、耐酸化性を付加するためには、
型の表面にＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ，Ａｕ，Ｐｔ等の薄膜を形
成する必要がある。

【０００６】このため、ガラスプレス法に用いられる
「型」は、コストが高く、しかも高温・高圧下で使用さ
れるため、材料を選択するにも拘らず、「型としての寿
命」はさほど長くない。

【０００７】一方、屈折面や反射面を型成形や研磨によ
らずに創成する方法として、光学材料の表面にフォトレ
ジストの層を形成し、この層を例えば、円形や楕円形に
パターニングし、その後、上記層を加熱して、フォトレ
ジストの熱流動によりフォトレジストの表面を曲面形状
化し、しかるのちにフォトレジストと光学材料とに対し
てエッチングを行い、フォトレジスト表面の曲面形状を
光学材料に彫り写すという方法が提案されている（例え
ば、特開平５−１７３００３号公報：請求項１６）。

【０００８】この方法は、マイクロレンズの屈折面形成
方法として適しているが、加熱に依りフォトレジスト表
面に生成する表面形状の制御が必ずしも容易でなく、意
図した通りの曲面を正確に形成することが難しい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、所望の表面形状を正
確に有する新規な光学デバイスの提供を目的とする（請
求項７）。

【００１０】この発明の別の目的は、上記光学デバイス
を容易且つ確実に製造でき、光学デバイスの材料に対す
る制限が少ない、新規な光学デバイス製造方法の提供に
ある（請求項１〜５）。

【００１１】この発明の他の目的は、上記光学デバイス
製造方法に用いる転写型の提供にある（請求項６）。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の「光学デバイ
ス製造方法」は、「所定の凸曲面形状を有する回転対称
形状のデバイス材料の上記凸曲面形状の上に、所定の表
面形状を参照面形状として持つ転写材料層を、転写型に
よる面形状転写により形成し、転写材料層表面の参照面
形状を出発形状とし、転写材料層とデバイス材料とに対
して物理的エッチングを行い、所望の面形状をデバイス
材料に形成する光学デバイス製造方法」であって、以下
の点を特徴とする。

【００１３】即ち、「鉛直方向の軸の回りに回転可能な
第１のベルホルダー」のベルの中央部に、転写型を、そ
の転写面形状の対称軸が上記鉛直方向の軸と合致するよ
う設け、転写面部分に転写材料を保持させ、転写材料を
介して転写型と逆の側にデバイス材料をセットする。

【００１４】「第１のベルホルダーの回転軸と共通の軸
の回りに回転可能な第２のベルホルダー」のベル部によ
り、デバイス材料を半クランプ状態で緩く規制し、第１
および第２のベルホルダーを上記共通の軸の回りに回転
させつつ、第１および第２のベルホルダーの間隔を狭め
ることにより、転写型の対称軸とデバイス材料の回転対
称軸とを合致させる。

【００１５】しかるのちに転写型とデバイス材料とを完
全にクランプさせ、その状態において転写材料を固化さ
せて面形状転写を行うのである。

【００１６】「デバイス材料」は、形状的には回転対称
形状であり、回転対称形状としては「球形状」や「レン
ズ形状」等、種々の形状が可能である。また、デバイス
材料は、材質的には、物理的エッチングが可能な物であ
れば特に制限無く用いることができる。

【００１７】また、上記「転写材料」は、転写型を用い
た面形状転写が可能で、且つ物理的エッチングを行うこ
とができるものであればよい。例えば「光硬化性材料も
しくは熱硬化性材料」は特に好適である。

【００１８】「光硬化性材料」としては、エポキシ系樹
脂やアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、変形シリコーン
系樹脂、あるいは、これらをベースとした配合により構
成されるものを利用できる。特に、エポキシ系樹脂とア
クリル系樹脂を組み合わせて配合したものは、転写材と
して好適である。勿論、市販の紫外線硬化樹脂等は転写
材として好適に使用できる。

【００１９】「熱硬化性材料」としては、エポキシ樹脂
やフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等、ある
いは、市販の各種レジスト材料を利用することができ
る。これらは２００度以下という低温で硬化するので、
転写型として、特殊な耐熱性のものを用いる必要が無
い。

【００２０】「物理的エッチング」としては、ＲＩＢ
Ｅ、ＲＩＥまたはＥＣＲプラズマエッチング等のドライ
エッチングが好ましい。

【００２１】面形状転写により転写材の表面形状として
形成される「参照面」の形状は、デバイス材料の表面形
状と曲率の異なる球面形状としてもよいし、参照面形状
自体を非球面としてもよい。

【００２２】参照面として非球面形状を形成し、転写材
料層とデバイス材料とに対して、選択比を一定として物
理的エッチングを行うことができる（請求項２）。

【００２３】この場合、選択比を１とすると、参照面の
非球面形状を合同的にデバイス材料表面に彫り写すこと
ができるし、選択比を１から異ならせることにより、参
照面の非球面形状をさらに変形してデバイス材料表面に
彫り写すことが可能である。

【００２４】あるいはまた、参照面として「球面」を形
成し、転写材料層とデバイス材料とに対して行われる物
理的エッチングにおける選択比を、１から異ならせる
か、もしくは段階的および／または連続的に変化させる
ことができる（請求項３）。

【００２５】この場合、選択比を段階的および／または
連続的に変化させることにより、デバイス材料の表面形
状として「非球面形状」を形成できる。

【００２６】デバイス材料の表面形状と、参照面形状で
ある球面との関係に応じて、選択比の変化を制御するこ
とにより、デバイス材料に所望の表面形状を形成でき
る。

【００２７】前述の如く、デバイス材料の回転対称形状
としては、「球形状」や「レンズ形状」等、種々の形状
が可能である。これら球形状やレンズ形状のデバイス材
料は、作製するべき光学デバイスに応じて透明もしくは
不透明でありうるが、デバイス材料を、透明な材料によ
る「透明球体」とすることができ（請求項４）、あるい
は「レンズ形状の透明体」とすることができる（請求項
５）。

【００２８】この発明の「光学デバイス」は、上記請求
項１〜５記載の方法の任意の１により製造される光学デ
バイスである（請求項７）。デバイス材料として、請求
項４，５記載の発明のように「透明な材料」を用いれ
ば、光学デバイスを、球面および／または非球面を屈折
面として有する「レンズ」として実現できる。

【００２９】また、金属やセラミックスのような「不透
明なデバイス材料」を用いる場合には、球面や非球面を
反射面（必要に応じて、反射膜として成膜形成される）
として持つ反射光学素子として実現することもできる。

【００３０】この発明の「転写型」は、上記請求項１〜
５記載の光学デバイス製造方法の任意の１において用い
られる転写用の型であって、「凸球面もしくは凸の非球
面を有する原型に電鋳を行って作成された、凹の球面も
しくは非球面を転写面形状として有する転写型」である
（請求項６）。

【００３１】

【作用】図１は、この発明の光学デバイス製造方法にお
ける特徴部分、即ち、「転写材料を保持した転写型とデ
バイス材料とを、第１および第２のベルホルダーで緩く
クランプした状態において、これらを、転写型の対称軸
と第１および第２のベルホルダーの共通の回転軸とを一
致させて回転させ、クランプの度合いを強めることによ
り、転写型の対称軸とデバイス材料の回転対称軸とを合
致させ、しかるのちに転写型とデバイス材料とを完全に
クランプさせ、その状態において転写材料を固化させて
面形状転写を行う」プロセスを、説明図的に示してい
る。

【００３２】図１（ａ）において、符号１はデバイス材
料を示している。説明の具体性のため、デバイス材料１
は例えばガラス材料等の透明な材料で形成されているも
のとする。

【００３３】デバイス材料１は、軸ＳＡに関して回転対
称である。軸ＳＡは、デバイス材料１が光学デバイスに
形成された状態における「光軸」と合致している。

【００３４】図１（ａ）において、符号２で示す転写型
は、鉛直方向の軸ＬＡの回りに回転可能な第１のベルホ
ルダーのベル１１の中央部に埋設されている。ベル１１
に保持された転写型２は回転対称な転写面形状２Ａを持
ち、その回転対称軸は上記鉛直方向の軸ＬＡと合致して
いる。

【００３５】図１（ａ）は、転写型２の転写面部分に転
写材料３を保持させ、転写材料３を介して転写型２と逆
の側に、デバイス材料１をセットしようとしている状態
を示している。

【００３６】図１（ｂ）は、デバイス材料１を転写材料
３の上にセットし、第１のベルホルダーの回転軸ＬＡと
共通の軸の回りに回転可能な第２のベルホルダー１３の
ベル部により、デバイス材料１を半クランプ状態で緩く
規制した状態を示している。この状態では、転写型２に
おける転写面形状２Ａの対称軸（回転軸ＬＡ合致してい
る）と、デバイス材料１の回転対称軸ＳＡとは合致して
いない。

【００３７】この状態において、第１および第２のベル
ホルダーを、共通の軸ＬＡの回りに毎分数１００回転程
度で低速回転させつつ、第２のベルホルダー１３を次第
に降下させ、第１および第２のベルホルダーの間隔を狭
めていく。

【００３８】第１および第２のベルホルダーが上記の如
く回転すると、セットされたデバイス材料１も一緒に回
転し、回転に伴う遠心力の作用により変位しようとす
る。

【００３９】しかし、デバイス材料１は第１のベルホル
ダーのベル１１内の転写型２の転写面形状２Ａ上に転写
材料３を介してセットされ、反対側の面は第２のベルホ
ルダー１３に緩く規制されているので、上記遠心力によ
る変位も規制される。

【００４０】第１および第２のベルホルダーが次第に間
隔を狭めるに従い、デバイス材料１の態位は、その回転
対称軸ＳＡが次第に軸ＬＡに近づくように変化し、終に
はデバイス材料１の回転対称軸ＳＡと転写型２の転写面
形状の回転対称軸ＬＡとが合致するに到る（図１
（ｃ））。

【００４１】また、軸ＬＡが鉛直方向であるため重力は
回転軸方向に作用し、転写材料３は、重力および遠心力
と、転写面２Ａとデバイス材料１の表面エネルギーとに
より、回転軸ＬＡの回りに回転対称的に分布する。

【００４２】この状態において、第２のベルホルダー１
３をさらに降下させ、転写型２とデバイス材料１とを完
全にクランプさせる（図１（ｄ））。なお、ベル１１に
切欠き部を設け、余剰の転写材量がベル１１の外側へオ
ーバーフローするようにしてもよいし、予め計量した一
定料の転写材料を保持させて、上記オーバーフローが生
じないようにしてもよい。

【００４３】この状態で転写材料３を固化させ、「面形
状転写」を行う。図に示されているのは転写材料３が
「紫外線硬化樹脂」の場合であり、第２のベルホルダー
１３を取り除けて、デバイス材料１（透明である）を介
して紫外光Ｕ．Ｖを照射して転写材料３の固化を行って
いる。

【００４４】転写材料３が「熱硬化性材料」の場合に
は、高周波誘導加熱や赤外線ランプまたはオ−ブンで加
熱して硬化させればよい。

【００４５】次に、転写材料３と転写型２との間を分離
する。

【００４６】なお、第１，第２のベルホルダーの上下関
係は、図１の例では第１のベルホルダーが下方である
が、転写材料３の粘度が高い場合には、第１のベルホル
ダーを上にしても良い。

【００４７】転写型２に形成する転写面形状２Ａは「球
面」でも良いし、「非球面形状」でも良い。第１のベル
ホルダーのベル１１と転写型２の転写面形状２Ａとは、
予め計算で求めた位置関係を有している。従って、転写
型２と第１のベルホルダーとは始めから一体で加工する
のが望ましい。

【００４８】また、転写型２の転写面形状２Ａの表面に
は、固化後の転写材料３との離型を容易ならしむるた
め、撥水処理等の離型処理を施すのが良い。

【００４９】図２は、デバイス材料の所定の凸曲面上
に、所定の表面形状を参照面形状として持つ転写材料３
の層を、図１に即して説明した「転写型による面形状転
写」により形成した代表的な例を、２例示している。

【００５０】図２（ａ）は、「両凸レンズ形状」の透明
なデバイス材料１Ａ（請求項５）に「非球面形状」の参
照面を持つ転写材料３の層を形成した例を示し、（ｂ）
は、透明球体１Ｂ（請求項４）に、球体自体の曲率半径
よりも大きい曲率半径を持つ「凸球面形状」を参照面と
して持つ転写材料３の層を形成した例を示している。

【００５１】重要なことは、転写材料３の層を形成する
際に、転写型に於ける転写面形状の軸と、デバイス材料
の回転対称軸とが合わせられているため、参照面形状に
おける回転対称軸とデバイス材料の回転対称軸とが一致
していることである。

【００５２】図２（ａ），（ｂ）の状態を出発状態とし
て、転写材料３とデバイス材料１Ａ，１Ｂとに対し、物
理的エッチングを行うと、それぞれ図３（ａ），（ｂ）
に示すように、デバイス材料１Ａ，１Ｂの表面に、参照
面形状に対応した表面形状を形成することができる。

【００５３】図３（ａ），（ｂ）に示す例は、図２
（ａ），（ｂ）を出発状態とし、「選択比：１」で異方
性の物理的エッチングを行った場合を示しており、デバ
イス材料１Ａ，１Ｂには、転写材料３の層の有していた
参照面形状が、そのまま合同的に彫り写されている。

【００５４】しかし、図２（ａ），（ｂ）の参照面形状
を出発状態としても、選択比を１から異ならせれば、デ
バイス材料１Ａ，１Ｂの表面に形状される形状は、上記
参照面形状とは異なった形状となることは言うまでもな
い。

【００５５】さらに、図２（ｂ）のように、参照面形状
が凸球面である場合にも、物理的エッチングの過程にお
いて選択比を「段階的および／または連続的に変化させ
る」ことによって、デバイス材料の表面に「所望の非球
面形状」を形成することが可能である。

【００５６】なお、選択比を変化させることは、ドライ
エッチングにおいては、反応室内圧力、導入ガス種、被
エッチング材の温度等の変更により容易に可能である。

【００５７】ここで、「１と異なる選択比」で物理的エ
ッチングを行う場合のエッチングの作用を、図２（ｂ）
の参照面形状（凸球面形状）を出発状態とする例に就い
て、簡単に説明する。

【００５８】図２（ｂ）の場合の参照面形状を出発形状
として物理的エッチングを行うと、透明球体１Ｂの表面
には転写材料３が積設されているので、当初は選択比に
関係無く転写材料３のみに侵刻が進行し、しばらくする
と転写材料３の侵刻により、透明球体１Ｂの表面が露呈
された状態になる。図４（ａ）は、上記のように、透明
球体１の頂部が露呈した状態を模式的に示している。

【００５９】説明を分かり易くするために、透明球体１
Ｂの表面および転写材料３の表面の球面形状を「階段
状」に示している。この「表面形状を表す階段」の段差
の大小が表面形状の曲率の大小に対応する。

【００６０】図４（ａ）において、転写材料３の表面形
状の連続した傾きを表す「階段」の段差が、透明球体１
の表面の連続した傾きを表す「階段」の段差よりも小さ
いことは、転写材料３の表面の曲率が、透明球体１の表
面の曲率よりも小さいことを示している。

【００６１】図４は、選択比を０．５として、異方性の
物理的エッチングを行ったときの侵刻の進行状況を経時
的に示したものであり、時間の進行と共に、エッチング
による侵刻状況は、図４の（ａ）から（ｄ）へと順次進
行する。

【００６２】なお、図４における符号２０は、物理的エ
ッチングが行われる際、デバイス材料を支持する治具を
示す。

【００６３】選択比が０．５であるため、転写材料３は
透明球体１Ｂの２倍の速さで侵刻され、透明球体１の頂
部と、図の右端における転写材料３の表面との「高さの
差」は、当初：ΔＨ（図４（ａ））であったものが、時
間と共に次第に拡大し、図４（ｄ）の状態においては当
初の１．３倍に拡大している。

【００６４】このことは、物理的エッチングにより透明
球体１Ｂに形成された曲面形状の曲率が、当初、透明球
体１Ｂの表面を覆っていた転写材料３の表面の曲率より
も大きくなることを意味する。

【００６５】即ち、「１より小さい選択比」は、透明球
体１Ｂに形成される曲面の曲率を、「参照面形状の曲
率」よりも大きくするように作用する。

【００６６】図５は、選択比を１．５として、異方性エ
ッチングを行ったときの侵刻の進行状況を図４に倣って
経時的に示したものであり、エッチングによる侵刻状況
は、時間の進行と共に図５の（ａ）から（ｄ）へと順次
進行する。

【００６７】透明球体１Ｂは転写材料３の１．５倍の速
さで侵刻されるから、透明球体１Ｂの頂部と、図の右端
における転写材料３の表面との「高さの差」は、当初：
ΔＨであったものが、時間と共に次第に縮小し、図５
（ｄ）の状態においては、当初の０．７倍に縮小してい
る。

【００６８】このことは、物理的エッチングにより透明
球体１Ｂに形成された曲面形状の曲率が、当初、透明球
体１Ｂの表面を覆っていた固化した転写材料３の表面の
曲率よりも小さくなることを意味する。

【００６９】即ち、「１より大きい選択比」は、透明球
体１Ｂに形成される曲面の曲率を、「参照面形状の曲
率」よりも小さくするように作用する。

【００７０】上には、デバイス材料の凸球面の曲率半径
よりも、参照面形状の曲率半径が大きい場合を説明した
が、曲率半径の大小が逆の場合も同様である。

【００７１】従って、選択比を経時的に段階的および／
または連続的に変化させると、出発形状である参照面形
状が凸球面形状であっても、デバイス材料に非球面を形
成でき、選択比の制御により、形成される表面形状を所
望の非球面形状とすることができるのである。

【００７２】参照面形状を出発形状として、所望の曲面
形状を得るように「選択比を制御する」ことは「コンピ
ュータ制御」で実現することができる。

【００７３】例えば、図２（ｂ）おける転写材料３の表
面形状を「出発形状」として、所望の非球面形状を「目
的形状」として実現したい場合であれば、１例として以
下のような手順で進むのである。

【００７４】先ず、選択比を制御するためのパラメータ
を定め、上記出発形状から目的形状を得るために、上記
パラメータをどのように制御すべきかを「コンピュータ
シミュレーション」する。

【００７５】即ち、上記パラメータの種々の時間的変化
に応じて、デバイス材料の面形状がどのように変化する
かを調べ、出発形状から目的形状に到る面形状変化を、
シミュレーションにより追跡しつつ、どのような選択比
制御が最も適しているかを調べる。

【００７６】次に、このようにして得られた選択比の時
間的な変化を、実際にパラメータの変化で実現しつつ実
験を行い、制御の様子を補正して、実際に出発形状から
目的形状を得られるような制御条件を決定する。

【００７７】このようにして決定された制御条件をプロ
グラム化し、実際のエッチング装置における「選択比制
御」をプログラム制御すれば良いのである。

【００７８】物理的エッチングは、化学エッチングに比
して制御が容易であり、しかも同一の出発形状に対し、
選択比の制御を同一にすれば、常に同一の目的形状が得
られる。即ち、物理的エッチングは再現性に優れてい
る。

【００７９】なお、デバイス材料に目的の曲面形状が得
られた状態において、デバイス材料表面の、光学デバイ
スとしての有効径の外側の表面部分に、転写材料が残っ
ている場合もある。

【００８０】この場合の残留転写材料は、洗浄等の手段
で除去しても良いし、あるいは、予め遮光性の材料を転
写材料として選択して用いれば、残留転写材料自体を、
光学デバイスに対するアパーチュア手段として利用する
こともできる。

【００８１】場合によっては、転写材に転写された凹曲
面の形状が、成形型の凹球面と正確に対応しない場合も
考えられる。例えば、正確に転写されるべき凸球面の曲
率半径がｒであるべきものが、実際に転写された凸球面
の曲率半径がｒ’であるような場合である。

【００８２】このような場合であっても、もし転写材に
転写された凸球面の曲率半径が常にｒ’となるのであれ
ば、加工「出発形状」として参照面形状の曲率半径を
ｒ’とすることにより、物理的エッチングにおける選択
比制御を行い、やはり所望の曲面形状をデバイス材料の
表面に形成することが可能である。

【００８３】

【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。

【００８４】実施例１ 光学デバイスとして、光通信用カプラ−レンズ（ＬＤと
光ファイバ−の高効率結合モジュ−ル用のレンズ）を設
計した。

【００８５】第１面（光源側）：球面、第２面：非球
面、結合効率：５８％、使用波長：０．８３μｍ、最大
光線有効径（第２面側）：φ１．６ミリ。

【００８６】上記第２面の非球面形状は、周知の非球面
式： Ｚ＝（１/Ｒ）ｈ²／｛１＋√［１−（Ｋ＋１）（１/
Ｒ）²ｈ²］｝＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸ Ｒ：光軸上の曲率半径 ｈ：光軸からの距離 Ｋ：円錐定数 Ａ：４次の非球面係数 Ｂ：６次の非球面係数 Ｃ：８次の非球面係数 Ｚ：レンズ頂点からの距離 において、 Ｒ＝−１．５００２５ Ｋ＝−０．９９９５３０６ Ａ＝−０．８４０３６１２×１０~² Ｂ＝ ０．２４８８８８０×１０~¹ Ｃ＝ ０．０ とした形状である。

【００８７】デバイス材料として、材質：ＳＦ６０（波
長：０．８３μｍの光に対する屈折率：１．７８２７
８），直径：３．０ｍｍ（曲率半径：１．５ｍｍ）のボ
ールレンズ（透明球体）１０を用意した（図６
（ａ））。

【００８８】このボールレンズ１０を、図６（ｂ）に示
すように、材質：ＳＵＳ３１６による中空シリンダー状
のセル（内径：３．０ミリ）３０に圧入した。

【００８９】一方、セル３０に保持されたボールレンズ
１０を、転写型に、転写材料を介してセットするとき
に、第１のベルホルダーのベルの先端部が、セル３０の
底端面に接するように、ベル先端形状と先端高さとを予
め計算で決定し、第２面側の目的形状とする非球面形状
を凹凸反転した転写面形状を予め製作した転写型を、第
１のベルホルダーのベルと一体加工で超精密加工機によ
って製作した。

【００９０】セル３０の底端面はセル３０の軸に対して
直交しており、セル３０の軸は、ボールレンズ１０の中
心を通る。

【００９１】図６（ｃ）において、符号１１Ａは第１の
ベルホルダーのベルを示し、符号２０はベル１１Ａと一
体加工された転写型、符号２０Ａは、上記転写面形状を
持つ転写面部分を示す。第１のベルホルダーは、その回
転軸が鉛直方向であり、転写面形状の回転対称軸は上記
回転軸に合致している。

【００９２】転写型２０の転写面部分２０Ａには、固化
した転写材料層との離型性を高めるため、プラズマフッ
素処理（Ａｒ，ＣＦ₄を導入して用いたプラズマ処理）
を施し、ボ−ルレンズ１０の第２面側となる部分の表面
（転写材料層を形成される部分）にはプライマ−処理を
施した。

【００９３】図６（ｃ）に示す転写材料３として、エポ
キシ材料：１に対してアクリル材料：９の割合で配合し
た嫌気性の紫外線硬化材料（接着剤）を使用し、第１の
ベルホルダーのベル１１Ａと一体化した転写型２０の転
写面部分２０Ａに、精密容積計量ポンプを用いて定量的
に滴下した。

【００９４】図６（ｄ）に示すように、ボールレンズ１
０を転写材料３の上に、セル３０ごとセットした。ま
た、ボールレンズ１０に、第２のベルホルダー１３Ａの
ベル部を上方から臨ましめ、ベル部によりボールレンズ
１０を上方から緩く規制した。この状態で、ボールレン
ズ１０は第１および第２のベルホルダーにより半クラン
プ状態となっているが、勿論、転写面形状の回転対称軸
と、ボールレンズ１０の光軸（セル３０の中心軸）とは
合致せず、互いに略平行にずれている。

【００９５】次に、第１および第２のベルホルダーを同
じ速度で同方向へ、ゆっくり回転させながら、第２のベ
ルホルダー１３Ａを下降させる。

【００９６】転写型２０とボールレンズ１０とが半クラ
ンプの状態で、第１，第２のベルホルダーを回転させる
と、ボ−ルレンズ１０は重力と遠心力によって移動する
が、この変位が、第１，第２のベルホルダーにより規制
される。

【００９７】即ち、第１のベルホルダーのベル１１Ａの
先端部が、セル３０の底端面に接しているので、セル３
０の軸（ボールレンズ１０の光軸）は、鉛直軸に対して
傾くことができず、ボールレンズ１０の水平面内での変
位は、第２のベルホルダー１３Ａのベル部により規制さ
れる。

【００９８】このようにして規制された変位により、ボ
ールレンズ１０は、その光軸が、第１，第２のベルホル
ダーの共通の回転軸、即ち、転写面形状の回転対称軸に
合致するように変位する。

【００９９】ボ−ルレンズ１０の光軸と第１，第２のベ
ルホルダーの回転軸が一致した段階で、第２のベルホル
ダー１３Ａを更に下降させて、ボールレンズ１０を完全
にクランプする。

【０１００】この状態で回転速度を低下させ、回転が停
止したら、第２のベルホルダー１３Ａを上方へ外し、上
方から、転写材料３の硬化に必要な２５００ｍＪ／ｃｍ
²の紫外光を照射して転写材料３を硬化させる。

【０１０１】転写材料３の硬化に際しては、上記紫外光
の照射後、必要に応じ、上記状態で１２０℃の温度で３
０分間ポストベ−クしても良い。

【０１０２】その後、転写型２０と接着材料３の層の間
を分離する。このとき、ボ−ルレンズ１０と固化した転
写材料３とは、カップリング処理の効果で十分な密着性
をもって接着している。前記表面処理の効果により、転
写型２０と固化した転写材料３は容易に分離できる。

【０１０３】このようにして、ボールレンズ１０の第２
面側の球面上に、前記の非球面形状を「参照面形状」と
して有する転写材料３の層が形成された（図６
（ｅ））。

【０１０４】なお、ボ−ルレンズ１０と転写面部分２０
Ａとは直接には接触していなかったため、転写材料層が
ボ−ルレンズ１０の頂部に厚さ：１μｍの薄膜層として
存在していた。

【０１０５】続いて、図６（ｅ）の状態、即ちセル３０
と一体のままのボールレンズ１０を専用治具に保持さ
せ、さらに、この治具をＥＣＲプラズマエッチング装置
にセットし、Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、２〜
３×１０~⁴Ｔｏｏｒの条件下で、選択比：１で４５０分
間異方性エッチングを行い、転写材料表面の形状をその
ままボ−ルレンズに合同的に彫り写し、参照面形状と同
一形状の非球面をボールレンズ１０に形成して光通信用
カプラーレンズ１０Ａとした（図６（ｆ））。

【０１０６】図７に示すように、光通信用カプラーレン
ズ１０Ａの第１面を、半値全角３２度の発散レーザー光
を放射するＬＤ５０の側に第１面の球面を向け、レーザ
ー光束を光ファイバー６０のコア部へ集光させた。光通
信用カプラーレンズ１０Ａは、セル３０によりカプラー
の鏡胴に固定した。

【０１０７】ＬＤ５０とレンズ第１面（球面）との間
隔：０．５５ｍｍ，レンズ第１面とレンズ第２面（非球
面）との間隔：２．９７９ｍｍ，レンズ第２面と光ファ
イバ−６０の入射端面との間隔：８．７４９ｍｍであ
る。

【０１０８】光軸調整しながら、光結合測定装置で結合
効率を測定したところ、略設計通りの結合効率：５７％
を実現できた。

【０１０９】実施例２ 光学デバイスとして、別の光通信用カプラ−レンズ（Ｌ
Ｄと光ファイバ−の高効率結合モジュ−ル用のレンズ）
を設計した。

【０１１０】第１面（光源側）：球面、第２面：非球
面、結合効率：５８％、使用波長：１．３μｍ、最小光
線有効径（第１面側）：φ０．４８ミリ、最大光線有効
径（第２面側）：φ１．１０ミリ。

【０１１１】上記第２面の非球面形状は、前記「非球面
式」において、 Ｒ＝−１．００ Ｋ＝−１．０７１１６６ Ａ＝ ０．４８１８６８×１０~² Ｂ＝−０．３０８７５９４×１０￣^１ Ｃ＝ ０．３８２１５７５ とした形状である。

【０１１２】デバイス材料として、材質：ＳＦ６０（波
長：１．３μｍの光に対する屈折率：１．７６８１
７）、直径：２．０ｍｍ（曲率半径：１ｍｍ）のボール
レンズを用意した。

【０１１３】実施例１と同様、材質：ＳＵＳ３１６によ
る内径：２．０ミリの中空シリンダー状のセルに、上記
ボールレンズを圧入し、第２面側となる面にはプライマ
−処理を施した。また、外形と底端面とを正確に直角出
ししたセルを使用した。

【０１１４】一方、転写型は、曲率半径：１．１１ｍｍ
の凹球面を転写面形状として有するものである。

【０１１５】この凹球面形状の曲率半径が小さいため、
超精密加工機でも実施例１のようにベル部と転写型を一
体加工することは難しい。

【０１１６】そこで、先ず、上記曲率半径：１．１１ｍ
ｍを有する凸球面を超精密加工機で製作し、この凸球面
を電鋳によって型取りすることにより、曲率半径：１．
１１ｍｍの凹球面形状を得、これを転写型とした（請求
項６）。

【０１１７】曲率半径：１．１１ｍｍは、光学設計で得
られた第２面の光線有効径範囲内での最大曲率半径値で
ある。

【０１１８】次に、セルの底端面にベル先端部が接する
ように、ベル先端部の形状、先端高さを予め算出した第
１のベルホルダーを製作し、そのベル内側に上記転写型
を装填し、光軸だし（転写型の転写面形状の回転対称軸
と第１のベルホルダーの回転軸の軸合わせ）を行い固定
する。

【０１１９】転写面部分には、有機物質によるフッ素撥
水処理（トリアジンチオ−ルのフッ素誘導体物質）を表
面処理として施した。

【０１２０】転写材料として、実施例１で用いたのと同
様の嫌気性の紫外線エポキシ硬化材料（接着剤）を、転
写型の転写面部分に定量的に塗布し、その上に上記ボー
ルレンズをセルごとセットした。

【０１２１】この状態で、実施例１と同様、第２のベル
ホルダーで第１面側を緩く規制し、前記実施例１と同様
にして、ボールレンズの光軸を転写面形状の回転対称軸
と合致させたのち、実施例１と同様に紫外線を照射して
転写材料を硬化させた。

【０１２２】転写型と転写材料層との間を分離すると、
ボ−ルレンズ表面に、曲率半径：１．１１ｍｍの凸球面
形状を参照面形状として有する転写材料層が形成され
た。

【０１２３】ボールレンズをセルごと専用治具に保持さ
せてＥＣＲプラズマエッチング装置にセットし、Ａｒ，
ＣＨＦ_３，Ｏ₂ガスを導入して、２〜４×１０~⁴Ｔｏｏ
ｒの条件下で異方性の物理的エッチングを行い、目的形
状である前述の非球面形状を実現するように、選択比を
コンピュータ制御により経時的に変化させながらボ−ル
レンズ表面に非球面形状を形成した。

【０１２４】即ち、エッチングス開始時から終了時ま
で、上記導入ガスの中のＯ₂ガスの導入量を僅かに減少
させつつ、選択比を２．０〜１．０の範囲で変化させて
４９０分間エッチングを行った。

【０１２５】このようにして光通信用カプラーレンズが
得られた、半値全角３２°の発散光束を放射するＬＤに
第１面の球面を向け、ＬＤと第１面の間隔を０．３８５
ｍｍとし、非球面である第２面を光ファイバ−の側に向
け、第２面と光ファイバー入射端面との間隔を５．９２
７ｍｍとし、セル外周部とセルの底端面を基準として光
ファイバー用カップリングユニットに組み付けたとこ
ろ、５７％の結合効率が得られた。レンズ第１面と第２
面の間隔は１．９８３ｍｍである。

【０１２６】なお、実施例１，２において、デバイス材
料として用いたボ−ルレンズは、そのままでもカプラー
レンズとして用いうるが、最適条件で使用しても結合効
率は１５％である。

【０１２７】実施例２において用いるような、極めて曲
率半径の小さい凹曲面を持った転写型は、超精密加工機
を用いてもバイト先端が材料に入り込めないので、加工
できない。曲率半径の小さなものは球面加工すらも難し
い。

【０１２８】このような場合には、凸の球面加工で原型
を製作し、必要に応じて非球面加工し、それを実施例２
のように電鋳によって凹面取りすることにより、転写型
を製作することができるのである（請求項６）。

【０１２９】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば新規な光学デバイスとその製造方法および転写型を提
供できる。

【０１３０】請求項１〜５記載の発明の光学デバイス製
造方法は、上記の如く構成されているので、デバイス材
料の回転対称軸と、デバイス材料上に形成される転写材
量層表面の参照面形状の回転対称軸を高精度に合致させ
ることができ、デバイス材料に精度の良い表面形状を形
成できる。

【０１３１】また、物理的エッチングは再現性が良いの
で、同一の条件でエッチングを行うことにより同一の表
面形状を容易且つ確実に形成できる。

【０１３２】請求項２記載の光学デバイス材料では、目
的形状とする非球面形状を転写型により転写材料層に適
正に形成するので、精度の良い非球面をデバイス材料表
面に形成できる。

【０１３３】請求項３記載の光学デバイス製造方法で
は、凸球面形状を参照面形状として形成し、選択比の制
御により所望の非球面形状をデバイス材料の表面に形成
するので、転写面形状として作製しにくいような複雑な
非球面形状をも容易に形成できる。

【０１３４】請求項４または５記載の光学デバイス製造
方法では、デバイス材料の表面形状として、目的形状に
応じた曲率半径を予め設定した球体あるいは両凸レンズ
形状を用いるため、目的形状に到るエッチング時間を有
効に短縮できる。

【０１３５】請求項６記載の転写型は、凸球面もしくは
凸の非球面を有する原型に電鋳を行って、凹の球面もし
くは非球面を転写面形状として形成するので、超精密加
工でバイトの歯先が入り込めないような、曲率半径の小
さい凹の転写面形状をも容易に実現できる。

【０１３６】請求項７記載の光学デバイスは、上記請求
項１〜５記載の方法の何れかにより製造され、設計に忠
実な高精度を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学デバイス製造方法の特徴部分を
説明するための図である。

【図２】光学デバイスの表面に転写材料層を形成した状
態を２例示す図である。

【図３】図２の状態から、参照面形状を出発形状として
物理的エッチングを行い、デバイス材料に所望の表面形
状を形成した状態を説明するための図である。

【図４】１より小さい選択比による物理的エッチングの
作用を説明する図である。

【図５】１より大きい選択比による物理的エッチングの
作用を説明する図である。

【図６】実施例１を例示する図である。

【図７】実施例１の光通信用カップラーレンズの使用状
態を説明するための図である。

【符号の説明】 １ デバイス材料 ２ 転写型 ２Ａ 転写面形状 １１ 第１のベルホルダーのベル部 １３ 第２のベルホルダー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−234303（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−173003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−62716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−8237（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−235025（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−423（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−254862（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−27404（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 3/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の凸曲面形状を有する回転対称形状の
   デバイス材料の上記凸曲面形状の上に、所定の表面形状
   を参照面形状として持つ転写材料層を、転写型による面
   形状転写により形成し、上記転写材料層表面の参照面形
   状を出発形状とし、上記転写材料層とデバイス材料とに
   対して物理的エッチングを行い、所望の面形状をデバイ
   ス材料に形成する光学デバイス製造方法において、 鉛直方向の軸の回りに回転可能な第１のベルホルダーの
   ベルの中央部に、転写型を、その転写面形状の対称軸が
   上記鉛直方向の軸と合致するよう設け、転写面部分に転
   写材料を保持させ、 上記転写材料を介して転写型と逆の側にデバイス材料を
   セットし、 上記第１のベルホルダーの回転軸と共通の軸の回りに回
   転可能な第２のベルホルダーのベル部により、上記デバ
   イス材料を半クランプ状態で緩く規制し、 上記第１および第２のベルホルダーを上記共通の軸の回
   りに回転させつつ、上記第１および第２のベルホルダー
   の間隔を狭めることにより、上記転写型の対称軸とデバ
   イス材料の回転対称軸とを合致させ、 しかるのちに転写型とデバイス材料とを完全にクランプ
   させ、その状態において転写材料を固化させて面形状転
   写を行うことを特徴とする光学デバイス製造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の光学デバイス製造方法にお
   いて、 転写型による面形状転写により、非球面の参照面形状を
   転写材料層の表面に形成し、 転写材料層とデバイス材料とに対して、選択比を一定と
   して物理的エッチングを行うことを特徴とする光学デバ
   イス製造方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の光学デバイス製造方法にお
   いて、 転写型による面形状転写により、球面の参照面形状を転
   写材料層の表面に形成し、 転写材料層とデバイス材料とに対して行われる物理的エ
   ッチングにおける選択比を、所望の面形状を得るため
   に、１から異ならせるか、もしくは段階的および／また
   は連続的に変化させることを特徴とする光学デバイス製
   造方法。
4. 【請求項４】請求項１または２または３記載の光学デバ
   イス製造方法において、 デバイス材料が透明球体であることを特徴とする光学デ
   バイス製造方法。
5. 【請求項５】請求項１または２または３記載の光学デバ
   イス製造方法において、 デバイス材料が両凸レンズ形状の透明体であることを特
   徴とする光学デバイス製造方法。
6. 【請求項６】請求項１または２または３または４または
   ５記載の光学デバイス製造方法において用いられる転写
   用の型であって、 凸球面もしくは凸の非球面を有する原型に電鋳を行って
   作成された、凹球面もしくは凹非球面を転写面形状とし
   て有する転写型。
7. 【請求項７】請求項１または２または３または４または
   ５記載の光学デバイス製造方法により製造される光学デ
   バイス。