JPH03290601A - 微小集光素子の作成方法及び受光・発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 肢豊分更 本発明は、微小集光素子の作成方法及び受光・発光素子
に関し、より詳細には、発光素子や受光素子等の光の集
光機能に用いられる微小集光機能を有する微小集光素子
の作成方法及びその作成方法により作成された発光素子
・受光素子に関する。

例えば、Ｊ７に稿読み取り装置における光学系、照明系
、読み取り系あるいは光ファイバーのカップリングや光
スィッチ等の光学系に適用されるものである。

従」ｑ【４ 従来、複写機やファクシミリ等で用いられる発光素子や
受光素子としては微小なレンズ、いわゆるマイクロレン
ズがある。例えば、特開昭５５−１３５０８６号公報に
は、平板マイクロレンズアレイを作成するために、ＣＶ
Ｄ法を用いて高屈折率部材を堆積する方法が開示されて
いる６また、Ｊｐｎ、　Ｊ、　　ｒＡｐｐｌ、　Ｐｈｙ
ｓ、　Ｊ　（２０，Ｌ２９６．１９８１）には、平板マ
イクロレンズをイオン交換法を用いて作成することが開
示されている。しかしながら、ＣＶＤ法を用いて高屈折
率材料を堆積することにより平板マイクロレンズを作成
する方法や、ガラス基盤中にイオン交換を行って分布屈
折率をもたせ微小レンズを作成する方法では、イオン交
換に費やす時間がかかり、大量生産に適しておらず、し
かも、その基盤内の屈折率の変化によって屈折力を持た
せているため、複製等で作成することも困難である。

また、「応用物理Ｊ　（８８，春３１ｐ−ｚｈ−６）に
は高分子マイクロレンズのイメージセンサ−への応用が
示されているが、センサーとレンズの位置合わせが必要
である。

さらに、「電気学会光応用視覚研究会資料Ｊ（ｖｏｌ。

ＬＡＶ−８４，Ｎ０２９−３３）　４ｍは、個体撮像素
子ニ付加シタマイクロレンズが、レジストを使ったレン
ズであることが開示されているが、フォトマスクによる
露光現像によって形成するため、球形上の集光素子を均
一に作成することはできない。

さらに、先に提案した「微小集光素子の作成方法」には
、光感光性樹脂排斥部材をレンズ形状に見合ってパター
ニングし、光感光性樹脂部材の表面張力によって曲率面
形状を作成する点が開示されている。しかしながら、バ
ターニング工程が入るためにパターニングの境界部分の
精度確保が困難であるという欠点があった。

この他に、ＰＭＭＡ十桂皮酸シンナミルのＵＶ露光によ
る体積膨張を利用した球面レンズ作成方法があるが、こ
れはあらかじめレンズ形状にあわせた穴の空いたマスク
部材を必要とし、この部材もレンズ部材の一部となるた
め大量生産には適さない。

このように、上記微小レンズは、いずれも他の構成部品
との位置あわせが必要であり、また、環境変化に対して
も膨張率の差などから位置すれが生じるという欠点があ
った。

且−一部 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
大量で安価に生産でき、また１曲率面形状が均一かつ高
精度で、より光利用効率の高い、高Ｎ、Ａの微小レンズ
を作成すること、また、光センサなどとの位置あわせを
不要とし、環境変化などで位置ずれの生じない読み取り
装置を提供すること、さらに、微小発光素子などとの位
置あわせを不要とし、組合せによる位置ずれや環境変化
による位置ずれの生じない発光素子あるいは照明装置を
提供することを目的とする。

盈−一双 本発明は、上記目的を達成するために、（１）透明基板
上に一定量の光感光性樹脂を一部ピッチで滴下し、該光
感光性樹脂の表面張力によって曲率面形状をした微小集
光素子アレイを形成し、該形成時の環境温度を変化させ
ることによって、前記光感光性樹脂と前記透明基板との
表面張力を変化させ、形状面の曲率を制御して微小集光
素子を作成すること、或いは、（２）受光素子が形成さ
れた基板上に一定量の光感光性樹脂を滴下し、該光感光
性樹脂の表面張力によって曲率面形状をした微小集光素
子を形成し、該形成時の環境温度を変化させることによ
って、前記光感光性樹脂と前記透明基板との表面張力を
変化させ、形状面の曲率を制御して受光素子を作成する
こと、或いは、（３）発光素子が形成された基板上に一
定量の光感光性樹脂を滴下し、該光感光性樹脂の表面張
力によって、曲率面形状をした微小集光素子を形成し、
該形成時の環境温度を変化させることによって、前記光
感光性樹脂と、前記透明基板との表面張力を変化させ、
形状面の曲率を制御して発光素子を作成することを特徴
としたものである。すなわち、本発明の微小集光素子は
、数ミリから数十ミクロンの大きさを対象としており、
その材料のもつ固有の分子間力によってあられれる表面
張力により、限られた体積内に集合しようとする物理現
象を利用したものである。従って、得られたい曲率面形
状にするには、基板に接触する部分の反全力１休積、材
料の質量等を定量化する必要がある。また、作成される
環境も一定のものとする必要がある。このうち、基板に
接触する部分の反発力、硬化性樹脂部材の質量、さらに
環境の変化については、基板の材質管理、洗浄管理、樹
脂部材の均質化、保存管理、環境管理を十分に行なえる
ような環境、例えば、クリーンルームなどの温度、湿度
を一定に管理され、同時に多数個を作成するような場合
、はとんど作成条件を一定にすることが可能である。

また、本発明の微小集光素子は、環境温度で表面張力が
変化することを利用して、環境温度変化によって表面張
力を制御することで、均一な、所望の曲率を得ることを
特徴としている。以下、本発明の実施例に基づいて説明
する。

本発明の微小集光素子は、所望の一定量の樹脂部材を抽
出するために、例えば、以下の方法を用いることで作成
される。

まず、樹脂部材を蓄積するための容器と、この容器の下
部あるいは横側に、先端部が微小な穴形状になった、例
えばピンホールや毛細管などと接続する。該先端部は樹
脂部材が蓄えられている容器から樹脂部材が抽出できる
ような構造となっている。容器に樹脂部材が満たされて
いれば、ピンホールや毛細管の先端部まで流出していく
。この時、樹脂部材が十分に容器に満たされていなけれ
ば、樹脂部材の分子間力によって、先端部からは樹脂部
材は流れ出ない。しかし、この分子間力よりも大きい圧
力で容器に満たされた樹脂部材を押すと、先端部から樹
脂部材を押しださせようとする。すなわち、容器側の樹
脂部材への圧力を制御することで、先端部から、樹脂部
材が水滴状となって外部に押し出される。押し出された
樹脂部材の自重による滴下しようとする力をＦｌとし、
先端部内にある樹脂部材と先端部外の樹脂部材との分子
間力をＦ２とした時、初めは、Ｆｌ＜Ｆ２であったもの
が、さらに、容器側の樹脂部材への圧力をかけることで
樹脂部材は押し出され、Ｆｌ−Ｆ２となった瞬間に先端
部の外部の樹脂部材は離脱して滴下する。先端部の形状
が一定で、容器側の樹脂部材への圧力を一定にすれば１
次々に先端部から樹脂部材が滴下する。この時、樹脂部
材の自重による滴下しようとする力Ｆ１は、先端部の外
部の樹脂部材の質量と重力の積であり、先端部内にある
樹脂部材と先端部外の樹脂部材との分子間力Ｆ２は、樹
脂部材固有の単位面積あたりの分子間力と先端部の開口
部面積の積であるので、先端部の穴の径を変化すること
で、Ｆ１＝Ｆ２あるいは、Ｆｌ＞Ｆ２の関係を保ちなが
ら、先端部の外部の樹脂部材の質量を制御することがで
きる。

つまり、より少量の樹脂部材を得ようとすると。

先端部の開口形状を小さくして、Ｆ２の値を小さいもの
とすれば、Ｆｌの値もより小さい値で滴下するようにな
る。このようにして、一定量の樹脂部材を均一に形成す
ることができる。

こうして得られた均一な量の樹脂部材を、透明基板上に
直接接触させ、樹脂部材の表面張力によって曲率面形状
を形成することができる。

以上のように透明基板上に表面張力によって、球形状を
なしている光感光性樹脂部材の環境温度を変化させるこ
とで、透明基板との表面張力、及び空気との表面張力が
変化し、その際の環境温度に対する表面張力でつりあう
曲率となる。そこで、形成された球面形状を保ちながら
、感光性樹脂の吸収波長で照射して固化させて形状を安
定させればよい。一般に温度が高くなるほど、表面張力
は小さくなるので、たとえば９曲率を小さくしようと思
えば、感光性樹脂の表面張力を小さくすれば良いので、
環境温度を低く設定すれば良い。逆に曲率を大きくする
ためには環境温度を高く設定すれば良い。

第１図（ａ）〜（ｅ）は１本発明による微小集光素子の
作成方法の一実施例を説明するための図で、図中、１は
ノズル、２は感光性樹脂部材、３は液滴、４ａはレンズ
ａ（体積Ｖ工）、４ｂはレンズｂ（体積Ｖ□）、５は基
板、６は吸収波長（λ）である。図（ａ）は、ノズルの
先端より感光性樹脂部材２が出ようとしているところで
ある。図（ｂ）はノズル１の先端より出た感光性樹脂部
材２が、その重力により一定の体積（Ｖ□）だけ滴下し
ようとするところである。図（ｃ）は、基板５上に滴下
した感光性樹脂部材２が５表面張力によって球形状にな
り、レンズ４ａが形成された様子を示しているところで
ある。図（ｄ）は、基板５上に滴下した感光性樹脂部材
２が１周囲の環境温度の変化により（図の状態は温度を
下げた場合）所望の曲率のレンズ４ｂが形成された様子
を示したところである。図（ｅ）は、吸収波長（λ）で
感光性樹脂部材２を照射して、安定化したレンズが形成
された様子を示しているところである。

第２図（ａ）、（ｂ）は、第１図（、ｄ　）に示した場
合とは逆に、環境温度を上げた場合の感光性樹脂部材の
様子を示した図で、基板５上の感光性樹脂部材がレンズ
４Ｃを形成している。該レンズ４ｃの接触角θ′は、第
１図（ｄ）において示したレンズ４ｂの接触角θ′より
小さくなる。すなわち、温度を上げると曲率を大きくす
ることができる。

今、感光性樹脂部材の排斥部材との接触角をθ、感光性
樹脂部材の体積を■、微小集光素子の曲率半径をｒとす
る。この時の体積Ｖは以下の式で与えられる。

Ｖ＝　１／３　πｒ３（ｃｏｓ’θ−３ｃｏｓ２θ＋２
）ただし、０≦θ≦９０°とする。

■は曲率半径ｒと接触角θの関数であるため、体積Ｖ＝
一定のとき、排斥部材と感光性樹脂部材の表面張力が一
定で、接触角θの値が一定であれば、曲率半径ｒの値は
一意的に決定される。

ここで、接触面θは、温度の関数であるため、温度を変
化させることによって接触角θを変化させることができ
るので、樹脂部材の体積Ｖを一定に保った状態で曲率半
径ｒを任意に変化させることが可能である。

第３図は、接触角（θ）と曲率半径（ｒ）との関係を示
した図である。例えば、環境温度を２０度で表面張力が
非常に大きく、θが９０°に近い値で、■＝１０μΩで
あれば、ｒ＝１．６８ｍｎの半球状のレンズとなるが、
また、環境温度を６０度で表面張力が小さくシ１例えば
θが２０°であれば、ｒ＝３．７５ｍｏ＋になる。

第４図は、本発明による微小集光素子を設けた受光素子
の構成図で、図中、７は受光素子の基板、８は受光素子
、９は微小集光素子である。受光素の子基板７上に受光
素子８を形成し、その上に直接微小集光素子９を形成す
る。

第５図は、本発明による微小集光素子を設けた発光素子
の構成図で１図中、１０は発光素子の基板、１１は発光
素子、１２は微小集光素子である。

発光素子の基板１０に発光素子１１を形成し、その上に
直接微小集光素子１２を形成する。

夏−一末 以上の説明から明らかなように、本発明によると以下の
ような効果がある。

（１）請求項１に対応する作用効果；物質固有の表面張
力を利用し、かつ環境温度で表面張力が大きく変化する
ことを利用して球形状を作成するので、球面精度は従来
の機械的な加工精度では得られない高精度で、かつ微小
な集光素子を得ることができる。

（２）請求項２に対応する作用効果；受光素子上に直接
微小集光素子を形成するため、＊小集光素子のない状態
の受光効率より高い受光素子が得られる。

（３）請求項３に対応する作用効果；発光素子上に直接
微小集光素を形成するため、微小集光素子のない状態の
発光効率より高い発光素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による微小集光素子の作成方法の一実
施例を説明するための図、第２図は、環境温度を上げた
場合の感光性樹脂部材の様子を示す図、第３図は、接触
角と曲率半径との関係を示す図、第４図は、本発明によ
る微小集光素子を設けた受光素子の構成図、第５図は、
本発明による微小集光素子を設けた発光素子の構成図で
ある。 １・・・ノズル、２・・感光性樹脂部材、３・・・液滴
、４ａ・・・レンズａ（体積Ｖｚ）　、　４　ｂ・・・
レンズｂ（体積Ｖ工）、５・・・基板、６・・・吸収波
長（λ）。 第 １ 図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第 図 （ａ） （ｂ） （ 第 図 体積１０μ隻 第 図 光 ？ 第 図 光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明基板上に一定量の光感光性樹脂を一定ピッチで
   滴下し、該光感光性樹脂の表面張力によって曲率面形状
   をした微小集光素子アレイを形成し、該形成時の環境温
   度を変化させることによって、前記光感光性樹脂と前記
   透明基板との表面張力を変化させ、形状面の曲率を制御
   することを特徴とする微小集光素子の作成方法。 ２、受光素子が形成された基板上に一定量の光感光性樹
   脂を滴下し、該光感光性樹脂の表面張力によって曲率面
   形状をした微小集光素子を形成し、該形成時の環境温度
   を変化させることによって、前記光感光性樹脂と前記透
   明基板との表面張力を変化させ、形状面の曲率を制御す
   ることを特徴とする受光素子。 ３、発光素子が形成された基板上に一定量の光感光性樹
   脂を滴下し、該光感光性樹脂の表面張力によって、曲率
   面形状をした微小集光素子を形成し、該形成時の環境温
   度を変化させることによって、前記光感光性樹脂と、前
   記透明基板との表面張力を変化させ、形状面の曲率を制
   御することを特徴とする発光素子。