JP3886756B2 - レーザ割断方法およびその方法を使用したレンズまたはレンズ型を製造する方法ならびにその製造方法によって成形されたレンズ、レンズ型 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬脆材料のレーザ割断方法およびその方法を使用してレンズまたはレンズ型を製造する方法ならびにその製造方法によって成形されたレンズ、レンズ型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、硬脆材料のマイクロ加工方法は、切削や研削による手法、エッチングによる手法が主である。これには多くの工程を要し、コストがかかってしまう問題や、工程中に廃棄物が排出されることにより周囲の環境を汚染する等の問題があった。
こうした背景から、最近では硬脆材料をレーザで割断する加工方法が注目を集めている。レーザによる硬脆材料割断は、シリコンウェハやセラミック基板等の硬脆材料の加工に適用性が高い。
【０００３】
レーザ割断では、レーザ光線（レーザビーム）付近では熱膨張に伴う圧縮応力が発生し、レーザビーム外側周囲では引張り応力が発生する。この応力が材料の破壊靭性を上回ると亀裂が発生し、これによって切断が可能となる。
しかし、現在のレーザ割断法はマクロ領域の加工しか実現できておらず、マイクロ領域では加工が困難とされてきた。しかも三次元での割断など実現不可能とされていた。さらに、マイクロ領域の微細加工においては、ニーズが高いにも関わらずレーザ割断法では不可能とされている。その原因はマイクロ領域での精密な熱分布を形成できないところにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザビームを該物質に吸収させて硬脆材料の表面に熱分布を形成し、その熱分布によって硬脆材料を剥離することを特徴とするレーザ割断方法を提案し、上記問題点を解決することを目的とする。また本発明の他の目的は、前記レーザ割断方法を使用してレンズあるいはレンズ型を製造する方法ならびにその製造方法によって成形されたレンズ、レンズ型を提供することにある。
【０００５】
本発明では、硬脆材料に照射するレーザビームの強度分布を制御することによりスポット内の温度分布を精密にコントロールし、硬脆材料から所定形状の材料例えば凸レンズ、凹レンズ、非球面レンズ等、を剥離成形することができる。
レンズの形状はパルスレーザの強度分布によって決定されることから、レーザ（熱源）として急熱急冷が可能なパルスレーザを使用することで、瞬時に生じる加熱現象でマイクロ領域の温度分布を精密に制御することが可能となる。
また本発明では、レーザビームを被加工物上でスキャンしながら、またレーザビームの強度を制御しながら、凸レンズ、凹レンズ、非球面レンズ等、を剥離成形することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料を剥離することを特徴とするレーザ割断方法である。
また、前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザ（連続発振レーザ）であることを特徴とするレーザ割断方法である。
また、前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特徴とするレーザ割断方法である。
また、前記硬脆材料はガラス、水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とするレーザ割断方法である。
また、硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料からレンズを剥離成形することを特徴とするレンズ製造方法である。
また、前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザであることを特徴とするレンズ製造方法である。
また、前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特徴とするレンズ製造方法である。
また、前記硬脆材料はガラスあるいは水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とするレンズ製造方法である。
また、前記に記載したレンズ製造方法によって製造したことを特徴とするレンズである。
また、硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料から硬脆材料を剥離し、残った母材を加工型とすることを特徴とするレンズ型の製造方法である。
また、前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザであることを特徴とするレンズ型の製造方法である。
また、前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特とするレンズ型の製造方法である。
また、前記硬脆材料はガラスあるいは水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とするレンズ型の製造方法である。
また、前記に記載したレンズ型の製造方法によって製造したことを特徴とするレンズ型である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明すると、図１は本発明に使用するレーザ割断法に使用するレーザ割断装置、図２はレーザビーム断面の強度分布を説明する図、図３は図１中のＡ部拡大図、図４は実際にマイクロレンズを製造する方法の説明図である。
【０００８】
図１において、１は硬脆材料としての光学ガラス、２は集光レンズ、３はレーザ光線（レーザビーム）、４は光学ガラス１表面に塗布されるレーザ光吸収物質４であり、各部材は図示のような配置とする。なお硬脆材料としては光学ガラスに限定することなく、他の硬脆材料（例えば、水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等）を対象とすることもできる。
【０００９】
この装置では、図示せぬレーザビーム発振源（熱源）から発射されたレーザ光線（レーザビーム）３は集光レンズ２で集光され、光学ガラス１に照射される。この時、本例の場合には、レーザビームとして図２（イ）または図２（ロ）に示すような強度分布をもったレーザを使用し、この強度分布をもったレーザビーム３をガラス面に１ショット、あるいは複数ショット照射する。この結果、ガラス面に塗布したレーザ光吸収物質４で吸収されるレーザ光の量が変化し光学ガラス１の表面にレーザビームの強度分布と同様な温度分布が発生し、この温度分布によって光学ガラス１にクラックが発生し光学ガラス１の一部が図３に示すように剥離され、精密な光学レンズが成形される。なお、レーザビーム断面の強度分布は、作成するレンズ形状に合わせて成形することになるが、この強度分布は公知のビーム整形器によって容易に成形することができる。
【００１０】
また、レンズの形状は、ビーム断面の強度分布に限らず、塗料を塗布した試料に対し図４に示すようにデフォ−カス量を制御したり、あるいはレーザビームの出力を制御したり、さらには上記の条件を組み合わせながら所望のレンズを作製することが可能である。なお、レーザビームとしてパルスレーザを用いることにより急熱急冷が可能となり、熱歪みによって表面近傍の加熱部が母材と剥離し凸レンズ、凹レンズを形成することができる。こうして成形されたレンズは表面が鏡面を保持している。
【００１１】
上記実施形態では、強度分布をもったパルスレーザを光学ガラス１に照射して、その強度分布と同様な形状のレンズを作製するものであるが、それ以外に、たとえば、ＣＷレーザ、Ｑスイッチレーザ等を使用しながらレーザスポットを光学ガラス１上でスキャンすることによって所望のレンズ形状を作製することもできる。 図面を参照してこの例について説明すると図５はレーザビームをスキャンしながら３次元レーザ割断する装置の光学系の説明図である。
【００１２】
レーザ光線はＸ方向にビームを振らすミラー（ガルバノミラー）、Ｙ方向にビームを振らすミラー（ガルバノミラー）で反射され集光レンズを介して被加工物表面に照射される。この時前記ミラーの振り角を高速で制御することでレーザビームスポットを光学ガラス上でスキャンし、エネルギー分布を作り出すことができる。このスキャンの様子を図６に示す。レーザビームスポットは始めは形成しようとするレンズの直径（外形）に合わせて走査され、ついでレンズの中心に向かって少しずつ径を小さくしながら、略外径と同心形状に走査される。このとき、各走査を行うレーザスポットの強さを制御することで、ガラス面に塗布したレーザ光吸収物質４で吸収されるレーザ光の量が変化し光学ガラス１の表面に温度分布が発生し、その温度分布によってクラックが発生し光学ガラス１の一部が剥離され前述したと同様に精密な光学レンズが成形される。なお、光学ガラス上のスキャンの状況は、必ずしも円形ではなく、異形形状とすることもでき、またスキャンするピッチも自由に制御することが可能である。こうして、マイクロ領域でも温度分布を自在にコントロールすることができ、非球面レンズなどあらゆる形状のレンズの創成が可能となる。
【００１３】
また本発明では、レーザを表面で吸収させて熱伝導によって三次元クラックを発生させ、三次元割断によってレンズもしくは型を作るため、硬脆材料（光学ガラス）の表面に塗布するレーザ光吸収物質（塗料、三ツ星ベルト製の「ハイカラＴ」（登録商標）等）の物性が重要になってくる。
【００１４】
そこで本発明者らは、金属微粒子を含む塗料を塗布して実験を行った結果、良好なクラック進展が確認され、今までよりも容易にレンズ型を作成することが容易になった。このメカニズムは次のように考えられる。
即ち、金属微粒子をわずかに含む塗料にレーザが照射されると被加工物と融合し金属微粒子がガラス内部で凝集する。これにより熱の放出が顕著になり、クラックが進展しやすくなる。さらにレーザを走査させることで、入熱量を局部で異なるようにすれば、非軸対照な非球面レンズでも蒲鉾状の細長いレンズでも容易に製作することができる。
【００１５】
つづいて本発明の実験例を説明する。
〔実験装置〕実験装置には、パルスＹＡＧレ−ザ加工機（東芝ＬＡＹ−５０４Ａ）を使用した。主な仕様は、発振波長λ：１０６４ｎｍ，ビ−ムモ−ド：ＴＥＭ00，パルス幅０．２ｍｓ, ０．４ｍｓ，レ−ザ出力：０〜３Ｊ／Ｐ，発振ビ−ム径：３ｍｍφ，集光径：１２０μｍ，焦点距離：５０ｍｍである。図４に示すようにパルスレーザを光学ガラス（ＢＫ７）表面に照射し、表面で光エネルギーを熱エネルギーに変換する。これによりスポット径に相当する局所で急熱、急冷現象が生じることになる。この時、ガラス表面から内面にむけて放射状に熱拡散が生じ、レーザ割断が行われる。
〔レ−ザ吸収物質の選定〕レ−ザ吸収物質として、３次元穴あけ加工で実績のある合成インキ（ピ−ス、三菱鉛筆社製）と、コロイド粒子を分散させた塗料（ハイカラＴ（登録商標）、三ツ星ベルト社製）を検討した。まず、吸収物質によるガラスへのダメ−ジを調査するために、照射条件を様々変えて加工実験を行った。その結果、いずれの条件でも合成インキでは照射部にチッピングが発生した。一方、コロイドを分散した塗料では、パルス幅が０．４ｍｓ以下でチッピングの発生は確認できなかった。そこで本実験では、レ−ザ吸収物質として後者の塗料を用いることにした。
〔実験条件および割断の評価基準〕塗料を塗布した試料に対し、レ−ザ照射実験を行い３次元割断の可能性を調査した。実験ではパルス幅毎に、デフォ−カス量（図４参照）と出力を変化させ、その際の割断状態を観察により定性的に評価した。ちなみに、特に割断良好なもの：◎、割断良好：○、割断可能であるが形状が不良：△、割断不良（割断のためのクラックが中途半端に発生）：▲、溶融物が飛散した穴あけ状態となり割断不能：×とした。なお、マイクロレンズの製造の可能性を調査するため、ここではデフォ−カス量を±１．０ｍｍまでとした。
〔実験結果〕パルス幅０．２ｍｓ時の実験結果を図７に示す。これにより、焦点部では０．１Ｊ／Ｐで３次元割断が可能であることが判った。デフォ−カス部でも０．１３Ｊ／Ｐ以上でややマイナス領域で○となる部分が多くなった。０．４ｍｓ時の実験結果を図８に示す。これにより、焦点部で０．１７Ｊ／ｐの時○となり、マイナス領域にかけて右下がりの傾向で○もしくは◎領域があることが分かった。この領域よりも出力が大きい場合は×となった。これらから、０．２ｍｓの時の方が良好な３次元割断が可能になることが分かった。一方、０．４ｍｓ時では◎部分が存在する。この◎部分では割断によって剥離する凸部の様子が○部分と異なっていた。すなわち、○部では剥離する凸部はほとんど変質していない。ところが、◎部では剥離した凸部に小規模な穴あけ状態が確認でき、溶融したガラスがそっくり剥離し割断されていた。これらより、割断時には急熱急冷が重要であることを裏付ける実験結果が得られた。
【００１６】
以上本発明の実施形態について説明してきたが、硬脆材料としてはレンズを加工用としては光学ガラスを使用するが、他の硬脆材料を使用することも可能である（例えば、水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等）、またレーザビームとして、望ましいのは、ＣＷレーザ、パルスレーザであり、また硬脆材料の表面に塗布する材料は三ツ星ベルト製「ハイカラＴ」（登録商標）などが望ましい。さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、
硬脆材料に照射するレーザビームの強度分布を制御することによりスポット内の温度分布を精密にコントロールすることで凸レンズ、凹レンズ、非球面を高精度で成形可能である。凹面レンズを集積して複数マイクロレンズの集合体を形成可能である。
またレンズを剥離した後の母材をマイクロ凸レンズの型としても利用できる。
三次元割断であるため、発塵無く切り代が不要であり、切りくずがでないクリーンな加工法である。
また、ＣＣＤのマイクロレンズアレー、またはその型の製作法として利用可能である。さらに、多様されているマイクロ非球面レンズの製作を行うことも可能である。
また、レーザビームの強度分布を制御してやることによりスポット内の温度分布を精密に制御できマイクロレンズを精密に形成することができマイクロ非球面レンズも強度分布で容易に実現でき低コストの高精度マイクロレンズアレーが製作できる。
また、レーザビームを被加工物上でスキャンすることにより自由な形状のレンズを創成することができる、等々の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用するレーザ割断法に使用するレーザ割断装置である。
【図２】レーザビーム断面の強度分布を説明する図である。
【図３】図１中のＡ部拡大図である。
【図４】実験に用いたマイクロレンズ製造法の説明図である。
【図５】レーザ光線を走査しレーザ割断を行う装置の構成図である。
【図６】レーザ光線を走査する様子を説明する図である。
【図７】０．２ｍｓ時の加工結果を示す図である。
【図８】０．４ｍｓ時の加工結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 硬脆材料（たとえば光学ガラス等）
２ 集光レンズ
３ 光ファイバー
４ レーザ光吸収物質

Claims (14)

1. 硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料を剥離することを特徴とするレーザ割断方法。
2. 前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザ（連続発振レーザ）であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ割断方法。
3. 前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ割断方法。
4. 前記硬脆材料はガラス、水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ割断方法。
5. 硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料からレンズを剥離成形することを特徴とするレンズ製造方法。
6. 前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザであることを特徴とする請求項５に記載のレンズ製造方法。
7. 前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のレンズ製造方法。
8. 前記硬脆材料はガラスあるいは水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載のレンズ製造方法。
9. 前記請求項５〜請求項８に記載したレンズ製造方法によって製造したことを特徴とするレンズ。
10. 硬脆材料の表面にレーザ光吸収物質を塗布し、照射したレーザ光を該物質に吸収させて硬脆材料にレーザビームの強度分布と同様な温度分布を発生させ、さらにこの温度分布によって発生するクラックにより硬脆材料から硬脆材料を剥離し、残った母材を加工型とすることを特徴とするレンズ型の製造方法。
11. 前記レーザ光はパルスレーザあるいはＣＷレーザであることを特徴とする請求項１０に記載のレンズ型の製造方法。
12. 前記レーザ光吸収物質は、金属微粒子を含む塗料であることを特とする請求項１０または請求項１１に記載のレンズ型の製造方法。
13. 前記硬脆材料はガラスあるいは水晶、サファイア、シリコン、セラミックス等であることを特徴とする請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載のレンズ型の製造方法。
14. 前記請求項１０〜請求項１３に記載したレンズ型の製造方法によって製造したことを特徴とするレンズ型。

Images