JP3767016B2

JP3767016B2 - マイクロレンズアレイの製造方法および圧子押圧装置

Info

Publication number: JP3767016B2
Application number: JP14440296A
Authority: JP
Inventors: 泰央冨田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JPH09323353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロレンズアレイの製造方法およびその製造方法で用いられる圧子押圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレンズアレイを用いた一般的な例として、一眼レフカメラの焦点板があげられる。図６は一眼レフカメラの基本的な構成を示す断面図である。焦点板３０はマイクロレンズアレイからなるマット面３０ａと、輪帯構造をしたフレネルレンズ面３０ｂとで構成されている。マイクロレンズアレイは多数のマイクロレンズから成り、撮影レンズ３１を通過した後に主ミラー３２で反射された光束はマット面３０ａにより拡散された後、フレネルレンズ面３０ｂにより撮影レンズ３１の光軸外の結像光束が光軸方向へ偏向される。焦点板３０で拡散された光束はコンデンサレンズ３３，ペンタプリズム３４を通過してファインダ光学系３５に達し、ファインダを覗いている撮影者によって観察される。
【０００３】
ところで、マイクロレンズアレイの製造方法としては、圧痕法を利用したものが知られている。圧痕法では、金型に対して圧子を所定の荷重で押圧して圧痕（凹面）を所定の間隔で多数形成し、この金型を用いて射出成形，圧縮成形，注型成形等によりマイクロレンズアレイが作製される。この際に、圧子を鉛直方向に上下動させるとともに金型を水平方向に移動させることによって、多数の圧痕が金型に形成される。圧子としては一般的にダイヤモンドが用いられ、圧子先端形状によりマイクロレンズ形状が決定される。通常、光学設計上必要とされるマイクロレンズの曲率半径に転写係数を乗じたものが、圧子の曲率半径として用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、圧子の先端形状は理想的な球面となっておらず、実際には歪んでいる。その結果、マイクロレンズ形状の歪みの方向が揃い、このようにして作製されたマイクロレンズアレイにあっては、マイクロレンズアレイを透過した光が方向性を有し、焦点板を見づらくしてしまうという欠点があった。また、撮影者がファインダ光学系を通して見た被写体像の状態（明暗等）と、実際にフィルムに露光された映像との間にずれが生じるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、方向性がなく拡散性の良いマイクロレンズアレイを製作することができる製造方法およびその製造方法で用いられる製造装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、マイクロレンズアレイを透過した光の方向性の原因を鋭意検討したところ、次の点にあることが判明した。
【０００７】
図７は圧子１の先端部分を示す図であり、光干渉を用いた非接触形状測定装置により測定したものである。図７では、圧子１の軸方向（すなわち圧子の押圧方向）をｚ軸とし、曲線１０１は圧子先端部分の等高線を表している。なお、等高線の間隔はλ／２（λは光源光の波長）である。圧子１の先端部分の最終的な形状創成は全て研磨にて行われるが、完全な球面とはならず結晶方位の影響で部分的な硬度差により歪んだ形状を示す場合が多い。圧子先端形状が完全な球面であれば、ｚ軸を含む面（紙面に垂直な面）で断面したときの曲率半径は断面の方向によらず同一となる。しかし、圧子先端形状が歪んでいる場合には、図７のＸ−Ｘ’断面およびＹ−Ｙ’断面の図からもわかるように、断面の方向によって曲率半径が異なる。
【０００８】
図８、このような歪んだ圧子１を用いて製作したマイクロレンズアレイを説明する図である。図８（ａ）はマイクロレンズアレイの平面図であり、金型の圧痕形状が転写されて形成されたひとつひとつのマイクロレンズ４０の形状には、圧子先端形状の歪みが転写される。等高線４０１の様子からも分かるように、マイクロレンズ４０の中心より図示左側は曲率半径が大きく右側は小さい。さらに、各マイクロレンズ４０は、歪みの方向が同一方向に揃っている。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すマイクロレンズアレイが形成された焦点板を使用し、点光源を撮影した場合にファインダ光学系から観察される明暗を模式的に示した図である。マイクロレンズ４０の曲率半径の大きい部分では光の屈折が抑えられ、逆に曲率半径が小さい部分ではより強く屈折を生じさせるため、ファインダの中心より左側に一番明るい部分があり、そこから遠ざかるにつれて徐々に暗くなり、右上隅および右下隅に極端に暗い部分が生じる。
【０００９】
そのため、本発明のマイクロレンズアレイは次のように構成した。
発明の実施の形態を示す図１に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、圧子１を型母材５の表面に押圧して複数の圧痕を形成し、圧痕の形状を光学部材に転写して複数の微小凸曲面を形成するマイクロレンズアレイの製造方法に適用され、圧痕を形成する際に、圧子１の押圧方向の軸に関して圧子１を所定角度回転させてから型母材５の表面に押圧する工程を含むことにより上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、圧子１を光学材料からなる被加工部材の表面に押圧し、複数の微小凹曲面を形成するマイクロレンズアレイの製造方法に適用され、微小凹曲面を形成する際に、圧子１の押圧方向の軸に関して圧子１を所定角度回転させてから被加工部材の表面に押圧する工程を含むことにより上述の目的を達成する。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の製造方法に適用され、１回の圧子押圧操作毎に圧子１を所定角度回転する。
（４）請求項４の発明による圧子押圧装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法に用いられる圧子押圧装置であって、圧子１を型母材５に押圧する圧子駆動装置２と、圧子１の押圧方向の軸に関して圧子１を回動する圧子回動装置３と、各圧痕を形成する際、圧子１を所定角度回動させた後に型母材５に押圧させるように圧子回動装置３および圧子駆動装置２を制御する制御手段２０，２２，２３，２４とを備えて上述の目的を達成する。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の圧子押圧装置において、型母材５が載置され、型母材５を圧子駆動装置２による圧子１の移動方向（Ｚ方向）と直交する面（ｘｙ面）内で駆動するステージ６を備え、制御手段２０，２１，２２，２３，２４が、ステージ６による型母材５の駆動と連動して圧子回動装置３および圧子駆動装置２を制御する。
【００１０】
（１）請求項１〜４の発明では、圧子１を型母材５または被加工部材の表面に押圧する際に、圧子１を所定角度回転させてから型母材５に押圧する工程を含み、圧痕の歪みの方向がばらつく。
（２）請求項５の発明では、ステージ６の移動と連動して、圧子１が回転および押圧される。
【００１１】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、金型母材５にマイクロレンズアレイの型となる圧痕を形成するための圧子押圧装置の概略図である。金型母材５は機械式あるいは接着等の固定方法によりＸＹステージ６上に載置される。７Ｘ，７ＹはＸＹステージ６を駆動するステージ移動用モータであり、ステージ駆動回路２０により制御される。８Ｘ，８ＹはＸＹステージ６の位置を検出するデジタルマイクロメータであり、デジタルマイクロメータ８Ｘ，８Ｙの出力に基づいてＸＹステージ６の移動量がステージ移動量検知回路２１により検出される。
【００１３】
２は圧子押圧装置の臥体４に固定されたムービングコイル装置であり、図２にその詳細な断面を示す。ムービングコイル装置２のシャフト１１には、先端部分が円錐形をした圧子１が取り付けられている。ムービングコイル装置２は、圧子１が取り付けられたシャフト１１を回転するためのモータ３を備えている。モータ３はステッピングモータであり、回転角割り出し回路２３からのパルス数により回転角が制御される。２２はムービングコイル装置２のシャフトを上下方向に駆動するためのムービングコイル駆動回路、２４は各回路２０，２１，２２，２３に対して所定の指示を与えるコンピュータである。コンピュータ２４には入力装置により、作業条件（回転角度や圧痕ピッチ等）を入力することができる。
【００１４】
図２において、１２はシャフト１１に外挿するように設けられた円筒状の永久磁石であり、ベース板１０ｃに固定されている。１３はシャフト１１に取り付けられ、永久磁石１２に外挿するように設けられたコイル支持枠であり、コイル１４が環状に巻き付けられている。１５はコイル１４に外挿するように設けられた環状の永久磁石であり、ベース板１０ａに固定されている。
【００１５】
９ａ，９ｂは板バネであり、板バネ９ａの基端は、ベース板１０ｃに固定されたブロック１７に押さえ板１７ａとボルトにより固定されている。板バネ９ａの先端は、ピン１８ａによりシャフト１１と一体となっている連結リング１８とともに押え板１６ａとブロック１６とで挟み込むことによりシャフト１１と連結されている。一方、板バネ９ｂの基端は、ベース板１０ａに固定されたブロック１７に押え板１７ａとボルトにより固定されている。板バネ９ｂの先端は、連結リング１８とともに押さえ板１３ａと支持枠１３とで挟み込むことにより、シャフト１１と連結されている。したがって、シャフト１１は板バネ９ａ，９ｂによって鉛直線上を往復移動可能に弾性支持されているが、シャフト１１自体は回転できるようになっている。シャフト１１の上端はジョイント１９を介して圧子回転用モータ３に接続されている。ジョイント１９は回転（ラジアル）方向に対して剛性をもち、上下（スラスト）方向に関してはフレキシブルな構造になっているため、モータ３の回転はシャフト１１に伝わるが、シャフト１１の上下方向の動きはモータ３に伝わることはない。
【００１６】
次に、図３を用いてムービングコイル装置２のシャフト駆動部の詳細を説明する。図３に示すように、永久磁石１５は下部がＳ極、上部がＮ極に、一方、永久磁石１２は下部がＮ極、上部がＳ極に着磁されており、シャフト１１の中心軸では矢印Ｂで示すように磁力線の向きは鉛直下方である。ここで、コイル１４で発生する磁力線がシャフト１１の中心軸で矢印Ｂのように鉛直下向きとなるように電流を与えると、コイル１４に対して鉛直下向きの力が働いてシャフト１１が鉛直下方へ移動する。一方、逆向きの電流をコイル１４に与えると、鉛直上方の力が働いてシャフト１１が鉛直上方へ移動する。ムービングコイル駆動回路２２は可変パルス電流発生器を有しており、周期的に極性が変化するパルス波形状の電流をコイル１４へ出力することにより圧子１を高速で上下動させることができる。この上下動の周期は０．１〜５０Ｈｚにすることができる。なお、上下のストロークは５０μｍ程度である。また、コイル１４に供給する電流の大きさ変えることにより、圧子１の押し付け力を変えることができる。なお、ＸＹステージ６，ムービングコイル装置２およびモータ３は、コンピュータ２４の指令に基づいて、回路２０〜２３により制御される。
【００１７】
図４は金型の製造工程の一例を示すフローチャートであり、図４および図１を用いて圧子押圧装置によるマイクロレンズアレイの金型の製造方法を説明する。図４のフローチャートは圧痕の大きさαが２０μｍの場合を想定して説明している。まず、金型母材５をＸＹステージ６に固定し装置のスタートボタンを押すことによってスタートする。ステップＳ１でモータ３により圧子１を所定角度（本実施の形態では、１．８度だけ時計回りに回転する）回転したら、ステップＳ２に進んで圧子１を金型母材５に所定の力で押圧する。ステップＳ３は、図１に示すｘ方向の一列分の圧痕が全て形成されたか否かを判断するステップであり、終了していない場合にはステップＳ５へ進む。ステップＳ５は、ステップＳ２で形成した圧痕がｙ方向に関して奇数列目か否かを判断するステップであり、奇数列の場合にはステップＳ６でｄ＝２０とした後、ステップＳ８でＸＹステージ６をｘ方向にｄμｍ（すなわち２０μｍ）移動する。一方、ステップＳ５で偶数列と判断された場合には、ステップＳ７に進んでｄ＝−２０とした後、ステップＳ８に進んでＸＹステージ６をｘ方向にｄμｍ、すなわち−ｘ方向に２０μｍだけＸＹステージ６を移動する。
【００１８】
一方、ステップＳ３で一列分の圧痕の形成が終了したと判断されたならば、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４は全ての圧痕の形成が終了したか否かを判断するステップであり、終了していない場合にはステップＳ９へ進んでＸＹステージ６をｙ方向に圧痕を大きさαのおよそ３^1/2／２倍（約１７．３２μｍ）だけ移動して、さらにｘ方向に圧痕の大きさαの−１／２倍（１０μｍ）だけ移動する。そして、ステップＳ１へ戻り上述した動作を繰り返し、全ての圧痕の形成が終了したならば一連の動作を終了する。このようにして、間隔２０μｍで形成された多数の圧痕を有する金型が作製される。なお、マイクロレンズアレイ用の金型材料としては、結晶質の材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられ、圧痕加工面は予め金属研磨により鏡面とされる。また、圧子材料にはダイヤモンドが適している。
【００１９】
なお、本実施の形態では回転角を１．８度と設定したが、例えば、１行に２００個のマイクロレンズ４０を形成する場合には、１．８度×２００＝３６０度となるので１行目，２行目，３行目…の配列が全て同じになる。そのため、行ごと、あるいは列ごとに周期性をもって全体の方向性が生じないように、回転角をマイクロレンズ４０の縦横の数に応じて決定する。また、各圧痕ごとに一定の角度ずつ回転するようにしたが、方向性が生じない範囲であれば、２つおき、３つおき等、複数の圧痕ごとに圧子を回転させても良い。また、圧子を一定の角度ずつ回転するのではなく、各押圧ごとにランダムな角度だけ回転するようにしてもよい。
【００２０】
図５は、上述のように作製された金型を用いて周知の方法で作製したマイクロレンズアレイを説明する図であって、従来の技術で説明した図７と同様の図であり、圧子の回転角がランダムな場合について示した。図５（ａ）からもわかるように、圧痕形成毎に圧子１を所定角度回転しているため、ひとつひとつのマイクロレンズ４０の歪みの方向が一定方向に揃うこと無くランダムである。その結果、マイクロレンズアレイからの拡散光は方向性が無いため、このマイクロレンズアレイを焦点板として用いた場合には、図５（ｂ）に示すようにファインダの中心部に明部が位置し、中心から遠ざかるにつれて暗くなるという対称性が得られる。すなわち、中心に対して上下左右ともムラの無い焦点板が得られる。また、従来は歪が非常に小さな圧子を選んで用いる必要があったが、本実施の形態によればそのような必要がないため、製造コストを低減することができる。さらに、作業条件（回転角度や圧痕のピッチ等）を変更する場合、コンピュータ２４に入力するデータを変更するだけでよい。
【００２１】
上述した実施の形態では、金型母材５に形成された圧痕の形状を光学部材に転写してマイクロレンズアレイを作製したが、上述した圧子押圧装置を用いて光学部材に圧痕を直接形成するようにしてもよい。この場合、マイクロレンズアレイは多数の微小凹曲面から成るが、金型を用いて製作された微小凸曲面から成るマイクロレンズアレイと同様の拡散性を有する。
【００２２】
上述した発明の実施の形態と特許請求の範囲の事項との対応において、ムービングコイル装置２は圧子駆動装置を、モータ３は圧子回動装置をそれぞれ構成し、請求項４における制御手段はステージ駆動回路２０，ムービングコイル駆動回路２２，回転角割出し回路２３およびコンピュータ２４により構成され、請求項５における制御手段はステージ駆動回路２０，ステージ移動量検知回路２１，ムービングコイル駆動回路２２，回転角割出し回路２３およびコンピュータ２４により構成される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧子を型母材または被加工部材の表面に押圧する前に、その都度、圧子を所定角度回転させるので圧痕の歪みの方向がばらつくため、型母材を型にして作製されたマイクロレンズアレイ、または被加工部材から形成されるマイクロレンズアレイは透過光の方向性が小さく拡散性が向上する。また、従来のように歪が無く形状精度の良い圧子を必要としないため、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧子押圧装置の概略を示す斜視図。
【図２】ムービングコイル装置２の詳細を示す断面図。
【図３】ムービングコイル装置２の動作を説明する図。
【図４】金型の製造工程を示すフローチャート。
【図５】マイクロレンズアレイを説明する図であり、（ａ）はマイクロレンズアレイの平面図、（ｂ）はファインダ光学系から観察される明暗を模式的に示した図。
【図６】カメラの断面図。
【図７】圧子の先端形状を説明する図。
【図８】従来のマイクロレンズアレイを説明する図であり、（ａ）はマイクロレンズアレイの平面図、（ｂ）はファインダ光学系から観察される明暗を模式的に示した図。
【符号の説明】
１圧子
２ムービングコイル装置
３モータ
５金型母材
６ＸＹステージ
２０ステージ駆動回路
２１ステージ移動量検知回路
２２ムービングコイル駆動回路
２３回転角割出し回路
２４コンピュータ

Claims

圧子を型母材の表面に押圧して複数の圧痕を形成し、前記圧痕の形状を光学部材に転写して複数の微小凸曲面を形成するマイクロレンズアレイの製造方法において、
前記圧痕を形成する際に、前記圧子の押圧方向の軸に関して前記圧子を所定角度回転させてから前記型母材の表面に押圧する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
圧子を光学材料からなる被加工部材の表面に押圧し、複数の微小凹曲面を形成するマイクロレンズアレイの製造方法において、
前記微小凹曲面を形成する際に、前記圧子の押圧方向の軸に関して前記圧子を所定角度回転させてから前記被加工部材の表面に押圧する工程を含むことを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
請求項１または２に記載の製造方法において、
１回の圧子押圧操作毎に前記圧子を所定角度回転することを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法に用いられる圧子押圧装置であって、
前記圧子を前記型母材または被加工部材に押圧する圧子駆動装置と、
前記圧子の押圧方向の軸に関して前記圧子を回動する圧子回動装置と、
前記各圧痕または各微小凹曲面を形成する際、前記圧子を所定角度回動させた後に前記型母材または被加工部材に押圧させるように前記圧子回動装置および圧子駆動装置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする圧子押圧装置。
請求項４に記載の圧子押圧装置において、
前記型母材または被加工部材が載置され、前記型母材または被加工部材を前記圧子駆動装置による前記圧子の移動方向と直交する面内で駆動するステージを備え、
前記制御手段が、前記ステージによる前記型母材または被加工部材の駆動と連動して前記圧子回動装置および圧子駆動装置を制御することを特徴とする圧子押圧装置。