JP3885631B2

JP3885631B2 - 非球面レンズ成形型の製造方法およびその方法により製造された非球面レンズアレイ成形型並びに非球面レンズアレイ

Info

Publication number: JP3885631B2
Application number: JP2002087039A
Authority: JP
Inventors: 隆寛橋本; 啓司常友; 秀史永田; 重雄橘高; 賢二郎浜中
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003276030A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非球面レンズ成形型の製造方法およびその方法により製造された非球面レンズアレイ成形型並びに非球面レンズアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野においては、通信容量の増大に伴い、光信号処理の高速化、高度化が求められている。光信号を並列的に処理するため、光学要素をアレイ化し、その間の光結合をより高い効率で行うことが要求されている。レンズアレイはこのような光結合に重要な役割を果たす光学要素である。例えば、光源あるいは光ファイバ端面等から出射する発散光を平行光に変換し、光機能素子による信号処理を行ったのち、光検出器あるいは光ファイバ端面等に収束、結合させるために、一対のコリメータレンズが用いられる。
【０００３】
このコリメータのレンズ間に挿入する光機能素子によっては、レンズ間距離を大きくすることが要求される。その場合、レンズ径を大きくする必要があるが、均質材料からなる球面レンズでは、光軸から離れた光線に対して必然的に収差が発生するため、レンズ間距離をある程度以上長くすることができない。このような問題を解決するために、非球面レンズが用いられる。レンズの面形状を適切に設計することにより、レンズ周辺部の収差を補正することができる。このような非球面レンズは一般的には精密な機械加工によって形成した金型を用いてプレス成形によって量産される。したがって非球面レンズの生産には金型の作製技術が極めて重要となる。
【０００４】
一方、球面レンズ成形型の作製方法として、開口部を有するマスクを設けたガラス基板を、マスク開口部から略等方的に湿式エッチングして、球面状または円筒面状をなす凹部を作製する方法が知られている。
【０００５】
上記の球面レンズ成形型を製造する一例として、図８に基づき説明する。成形型となる石英ガラス基板１の表面に開口を有するマスク３を形成する（図８（ａ））。マスク開口部から略等方的に湿式エッチングを行うことで、半球面状または半円筒面状をなす凹部が石英ガラス基板１に形成される（図８（ｂ））。凹部が形成された成形型となる石英ガラス基板１のマスク３を除去する（図８（ｃ））。再度湿式エッチングを行うことで、凹部は略球面状または略円筒面状に形成される（図８（ｄ））。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のエッチング方法にて作製したレンズ成形型の凹部は、図９のようにＡ１，Ａ２，Ａ３の各部で曲率がほぼ一定の略球面状または略円筒状になる。すなわち、図２のように凹部の最深部Ｂ１からＢ２，Ｂ３へと端部に向かって連続的に曲率が変化する非球面レンズの成形型は作製できなかった。
【０００７】
一方、レンズアレイ用の金型を機械加工によって作製する場合、切削工具の摩耗が生じるため、多数のレンズ素子から構成されるレンズアレイの場合、各レンズ素子に対応する金型の寸法にばらつきが生じてしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、各レンズ素子が均一に形成できる非球面レンズ成形型の製造方法およびその方法により製造された非球面レンズアレイ成形型並びに非球面レンズアレイを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、基板表面に基板とはエッチング速度の異なる均質な層を１層形成し、開口形状を有するマスクを形成後、マスクを介して所定時間エッチングし、マスクを除去し少なくとも層を除去するまで再度エッチングし凹部を形成することで非球面レンズ成形型を製造した。
【００１０】
また、このように層を除去するまで再度エッチングするようにしたので、得られた非球面レンズ成形型は基板の材料で構成されており、層の材料と成型時に充填する材料との化学反応やぬれ性を考慮する必要がなくなる。さらに、非球面レンズ成型時において基板と層との吸着度の差異を考慮する必要もなくなる。
【００１１】
層を構成する材料は、基板よりもエッチング速度が速いものを選定した。
層の厚みの採りうる範囲の上限は１０００μｍ、下限は１μｍ、望ましい範囲の上限は５００μｍ、下限は１０μｍ、さらに望ましい範囲の上限は３００μｍ、下限は２０μｍである。
非球面レンズ成形型の凹部の形状は、凹部の最深部の深さが幅の１／２未満になるようにした。また、凹部の端部に向かうほど曲率半径が大きくなるようにした。
【００１２】
このように構成してあるので、このレンズ成形型から得られたレンズは、レンズ半径に比べてレンズ厚みが小さく、レンズ頂点部に比べてレンズ周辺部の曲率半径が大きい。即ち、球面収差の小さなレンズを作製することができる。
【００１３】
前記凹部を形成した後、凹部に流動性物質を充填し固化させて非球面レンズを形成する。
また、前記凹部を形成した後、凹部に流動性物質を充填し固化させて、固化した物質を前記凹部から取り外すことで非球面レンズを形成する。
【００１４】
複数個の凹部を設けた非球面レンズアレイ成形型にこの成形型よりも高屈折率の透明な樹脂を充填し固化させることで非球面レンズアレイが得られる。
複数個の凹部を設けた非球面レンズアレイ成形型に空気よりも高屈折率の透明な樹脂を充填し固化させて取り外すことで非球面レンズアレイが得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明にかかる非球面レンズ成形型の製造方法を工程順に説明した図である。先ず、図１（ａ）に示すように、石英ガラス基板１の表面に石英ガラス基板１とはエッチング速度の異なる均質な層２を形成した。
【００１６】
ここで、この層２の形成方法の一例について説明する。化学的気相成長（ＣＶＤ）法によりＳｉＯ₂薄膜が形成できるが、この膜にフッ素（Ｆ）を添加することによりフッ酸水溶液によるエッチング速度を変化させることができる。Ｆは成長中にＣＦ₄ガスを混入することにより添加でき、その流量を変化させることにより添加量を変えることができる。図３はＣＦ₄の流量によるフッ酸水溶液によるエッチング速度の変化を示している。ＣＦ₄の流量を０〜６０ｓｃｃｍの範囲で変えることによりエッチング速度を約３倍変化できることがわかる。また本発明は、エッチング速度の比を基板とエッチング速度の異なる均質な層のエッチング速度比として用いることを特徴としており、層形成のための成膜を１回だけで行うことができる。
【００１７】
図４はフッ酸水溶液濃度ごとのＣＦ₄の流量によるＣＶＤ膜と石英ガラス基板とのエッチング速度比の変化を示している。ＣＶＤ膜と石英ガラス基板とのエッチング速度比は、エッチングに用いるフッ酸（ＨＦ）水溶液の濃度を変化させることによってもエッチング速度比を変化させることができることがわかる。
【００１８】
この結果をもとに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を形成する際、ＣＦ₄の流量を一定としてＦの添加量が一定の膜を形成するとともにフッ酸水溶液の濃度を選択することで、基板とのエッチング速度の比を選択したＳｉＯ₂層を形成することができる。
【００１９】
ＣＶＤ法で成膜する層２は例えば厚みが３０μｍのとき５ｗｔ％フッ酸水溶液でエッチングしたときの石英ガラス基板１と層２とのエッチング速度の比が２．５、厚みが１００μｍのとき２０ｗｔ％フッ酸水溶液でエッチングしたときの石英ガラス基板１と層２とのエッチング速度の比が２．０、厚みが２００μｍのとき４９ｗｔ％フッ酸水溶液でエッチングしたときの石英ガラス基板１と層２とのエッチング速度の比が１．７となるように成膜した。
【００２０】
図４に示したように、エッチング速度の比は本実施の形態に限定されず１．１〜１１．０で可変であり、１〜１０００μｍの中で膜厚を設定することができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では層２の形成をＣＶＤ法で行ったが、イオンプレーティング法又は真空蒸着法を用いても良い。
【００２２】
次に、図１（ａ）に示すように、Ｃｒ膜を堆積した後、フォトリソグラフィ法により直径５μｍの円形の開口を持つＣｒ製のマスク３を形成する。本実施の形態ではマスクの材料としてＣｒを用いたが、Ｔｉ、ＩＴＯ、Ａｌを基とする材料を用いてもよい。
【００２３】
次いでフッ酸水溶液を用いて湿式エッチングを施す。図１（ｂ）に示すように、層２と石英ガラス基板１との界面までは等方的にエッチングが進行する。その後、層２と石英ガラス基板１との界面までエッチングが進行すると、石英ガラス基板１は層２よりもエッチング速度が遅いので図１（ｃ）に示すような連続的に異方性となるエッチングが進行する。湿式エッチング後にマスクを除去すると図１（ｄ）に示すような非球面の部分を持つ溝が得られる。
【００２４】
次いで、非球面の部分を持つ溝が形成された石英ガラス基板１の表面にマスクを形成しないで再度フッ酸水溶液で少なくとも層２が完全に除去されるまで湿式エッチングを施す。このように２段階でエッチングすることにより、１段目エッチング終了時より曲率半径が大きな凹部１Ａを形成することができた（図１（ｅ））。この凹部１Ａの形状は、最深部の深さが幅の１／２未満である。また、曲率が一定になる層２を除去してあるので、図２に示すようにＢ１，Ｂ２，Ｂ３の曲率が凹部の端部に向かうほど連続的に大きくなるような非球面形状を有する凹部が形成された。
【００２５】
また、図５（ａ）に示すように、複数の円形の開口を有するマスク４（Ｃｒ製）を形成して、前述の方法で２段階のエッチングを行うことで図５（ｂ）に示すような複数の凹部５Ａを備えた非球面レンズアレイ成形型５が得られる。
【００２６】
以上の如く得られた図６（ａ）に示すような複数の凹部５Ａを備えた非球面レンズアレイ成形型５に、図６（ｂ）に示すように紫外線硬化型の透明なエポキシ系樹脂７を非球面レンズアレイ成形型５に滴下し、レンズ用基板６を被せて非球面レンズアレイ成形型５に充填し、紫外線照射により硬化させることで、図６（ｃ）に示すような平板状の非球面レンズアレイ８が形成できる。非球面レンズアレイ成形型５およびレンズ用基板６よりも高屈折率のエポキシ系樹脂を選定することで、エポキシ系樹脂７と非球面レンズアレイ成形型５との間でレンズ効果が得られる。エポキシ系樹脂７の屈折率は、１．６５以上になるものを用いることが望ましい。
【００２７】
前記と同様にして得られた図７（ａ）に示すような複数の凹部５Ａを備えた非球面レンズアレイ成形型５に離型剤９を塗布し、図７（ｂ）に示すように紫外線硬化型の透明なエポキシ系樹脂１０を非球面レンズアレイ成形型５に滴下し、レンズ用基板６を被せて図７（ｃ）に示すように充填し、エポキシ系樹脂１０を紫外線照射により硬化させる。エポキシ系樹脂１０には非球面レンズアレイ成形型５の複数の凹部５Ａが転写されているので、エポキシ系樹脂１０を非球面レンズアレイ成形型５から離型させることで、図７（ｄ）に示すようなエポキシ系樹脂１０とレンズ用基板６とからなる非球面レンズアレイ１１が形成できる。
【００２８】
エポキシ系樹脂１０は、空気より高屈折率で、レンズ用基板６と同等の屈折率になるものを用いることが望ましい。
【００２９】
本実施の形態ではエポキシ系の樹脂を用いたがアクリル系の樹脂を用いてもよい。また、紫外線硬化型の樹脂に代えて熱硬化型あるいは光硬化型の透明材料を用いてもよい。
【００３０】
また、本実施の形態では、円形の開口を有するマスクを用いたが、円形の開口に代えて長方形の開口を有するマスクを用いて断面が非球面の凹部を形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基板表面に基板とはエッチング速度の異なる均質な層を形成し、マスクを介して湿式エッチングしているので、非球面形状の凹部を有する成形型および非球面レンズアレイが形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の非球面レンズ成形型の製造方法を説明する断面図。
【図２】本実施形態の非球面レンズ成形型の断面図。
【図３】フッ素添加ＳｉＯ₂膜のフッ酸水溶液によるエッチング特性を示す図。
【図４】フッ酸水溶液の濃度ごとのフッ素添加ＳｉＯ₂膜と石英ガラスとのエッチング速度比を示す図。
【図５】本実施形態の非球面レンズアレイ成形型の製造方法を説明する断面図。
【図６】本実施形態の非球面レンズアレイの製造方法を説明する断面図。
【図７】本実施形態の非球面レンズアレイの製造方法を説明する断面図。
【図８】従来のレンズ成形型の製造方法を説明する断面図。
【図９】従来のレンズ成形型の断面図。
【符号の説明】
１石英ガラス基板
２均質な層
３、４マスク
５非球面レンズアレイ成形型
６レンズ用基板
７、１０樹脂
８、１１非球面レンズアレイ
９離型剤

Claims

基板表面に基板とはエッチング速度の異なる均質な層を形成する工程と、前記層の上に開口形状を有するマスクを形成する工程と、前記層を前記マスクを介してエッチングし、このエッチングが前記層と前記基板との界面まで進行した後は前記層と前記基板とを併せてエッチングする工程と、前記マスクを除去する工程と、少なくとも前記層が除去されるまで再度前記層と前記基板とをエッチングし、前記基板に凹部を形成する工程と、からなることを特徴とする非球面レンズ成形型の製造方法。
前記層を構成する材料は、前記基板よりもエッチング速度の速いものを選定することを特徴とする請求項１に記載の非球面レンズ成形型の製造方法。
前記基板と前記層とのエッチング速度の比が１．１〜１１．０であることを特徴とする請求項１に記載の非球面レンズ成形型の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の非球面レンズ成形型の製造方法にて製造された非球面レンズ成形型。
前記凹部の形状は、凹部の最深部の深さが幅の１／２未満であることを特徴とする請求項４に記載の非球面レンズ成形型。
前記凹部の形状は、凹部の端部に向かうほど曲率半径が大きくなっていることを特徴とする請求項４に記載の非球面レンズ成形型。
請求項４〜６のいずれかに記載の非球面レンズ成形型の凹部に、流動性物質を充填し固化させることを特徴とする非球面レンズの製造方法。
請求項４〜６のいずれかに記載の非球面レンズ成形型の凹部に、流動性物質を充填し固化させる工程と、固化した物質を前記凹部から取り外す工程と、からなることを特徴とする非球面レンズの製造方法。
請求項４〜６のいずれかに記載の非球面レンズ成形型に、前記凹部が複数個設けられていることを特徴とする非球面レンズアレイ成形型。
請求項７に記載の非球面レンズの製造方法にて製造された非球面レンズを複数個備え、前記固化させる流動性物質が前記成形型よりも高屈折率の透明な樹脂であることを特徴とする非球面レンズアレイ。
請求項８に記載の非球面レンズの製造方法にて製造された非球面レンズを複数個備え、前記固化させる流動性物質が空気よりも高屈折率の透明な樹脂であることを特徴とする非球面レンズアレイ。