JPH0453901A - マイクロレンズアレイ及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、共通の基板に多数の微小レンズ部分を平面的
に配列形成したマイクロレンズアレイに関する。

［従来の技術］ 上記のようなマイクロレンズアレイは、液晶表示パネル
における画素単位での照明光集光、パターン認識におけ
るマルチイメージ形成など広い用途において非常に有用
な光学素子である。

かかるマイクロレンズアレイの製法として従来、Ａ、ガ
ラス基板表面を、レンズアレイパターンの開口を設けた
マスク膜で被覆し、これを基板ガラスの屈折率を増大さ
せる陽イオンを含む溶融塩と接触させ、溶融塩中の陽イ
オンとガラス中のアルカリイオンとを交換させることに
より、上記マスク開口を通して屈折率増大イオンを基板
ガラス中に拡散させて基板の肉厚内にレンズ部分を形成
する方法。

Ｂ、ガラスやプラスチックの基板面上に、微小な球面レ
ンズ部分を突出して形成する方法。

Ｃ９表面平坦な基板の面に多数の微小凹部を設け、この
中に基板よりも屈折率の大な樹脂材を充填する方法。

がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来技術のうち、Ａの方法は、得られるレンズ
アレイがオールガラスのため、耐熱性、耐候性に優れて
いるという利点がある半面、イオン交換処理に長時間か
かり、且つ製造設備が大がかりになってコスト高になる
という欠点がある。

Ｂの方法は、プレス成形で比較的簡単に製造できるとい
う利点がある半面、レンズの配列精度に高い精度が得ら
れず、また表面に凹凸があるため他の部品との積層集積
化が難しいといった欠点がある。

Ｃの方法で得られるレンズアレイは、有機樹脂材を含む
ため、耐熱性が低いとともに膨張係数が大きく、このた
め高温下で使用した場合に変形、変質を起こし易く、ま
た他の部品と貼り合わせた場合ニ両者パターンの間でズ
レを生じるという問題がある。また、洗浄のための酸・
アルカリ処理、高温処理、真空成膜といった後処理に耐
えられない問題がある。

［問題点を解決するための手段］ 上記従来の問題点を解決する本発明のマイクロレンズア
レイは、透明なガラス基板の少なくとも片面側に、底壁
が略球面を成す凹部を多数配列形成し、この凹部内を基
板よりも屈折率が大な透明ガラス体で埋め、表面を平坦
化して構成される。

このように全体がガラス材で構成されたマイクロレンズ
アレイを製作するには、 透明なガラス基板の少なくとも片面側に、底壁が略球面
を成す凹部を多数配列形成し、この凹部内に、マイクロ
ウェーブの周波数に感応する成分と、ガラスを形成する
成分と、前記基板ガラスよりも高い屈折率を与える成分
とを含有するガラス材料の原料となる粉末又は溶解ガラ
ス化した後に得たガラス粉末を充填し、これをマイクロ
ウェーブオーブン内に入れ、前記凹部内に充填した原料
粉末又はガラス粉末が溶解し得る温度に加熱する方法が
好適である。

［作用］ 本発明に係るマイクロレンズアレイでは、凹部を埋めて
いるガラスが周辺ガラスよりも高い屈折率を有し、且つ
基板の肉厚内における両者間界面が曲面を成しているの
で、基板面に入射した光線は上記界面で屈折し、凸レン
ズとして機能する。

そして、全体がガラスのみで構成されているので、高温
下での使用、製造工程での高温処理、薬品処理等に対し
て優れた耐久性、光学的安定性を発揮する。

また表面が平坦であるので、他の部品との積層集積化、
アライメントが容易である。

［実施例コ 以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

策１図に断面視で示すマイクロレンズアレイｌは、両面
が平坦な透明ガラス基板２の片面に、所望のレンズ平面
形状、配列ピッチで多数の球面凹部２Ａを、例えば弗酸
液等による化学的エツチングにより形成し、この凹部２
Ａ内を、屈折率が基板２よりも高い透明なガラス材３で
埋めてレンズ部分４とし、表面を平坦化して構成されて
いる。

本発明においてレンズ部分４の形状、配列パターンに特
に制限はな（、策２ｒＩ！Ｊのように円形の各レンズ部
分４が間隔をおいて分離独立して配列されているもの、
箆３図のようにレンズ部分４の形状を六角形としていわ
ゆるハニカム状にｌｌ！密配列配列もの、正方ＩＲ密な
ど種々のパターンをとることができる。

第３図にような稠密充填パターンは、面に入射するほと
んど全ての光線がいずれかのレンズ部分に入射して集光
されるので、第２図のような間隔配列に比べて光の集光
効率が高い。

また、凹部充填ガラス材３は、必要に応じて着色しても
良い。これにより、カラーフィルターを兼ねたマイクロ
レンズアレイが得られる。

例えば、レンズ部分４の配列ピッチを液晶パネルの画素
ピッチに合わせたマイクロレンズアレイを、液晶パネル
と組み合わせて用いる場合に、各レンズ部分４をなす充
填ガラス材３として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の
三原色に着色したガラスを交互に配してカラー液晶パネ
ルを構成することができる。

また、第１図に示した基本構成のまま使用する以外に、
第４図に示すようにレンズ形成面側を覆うカバーガラス
板６をガラス質接着層を介して接合した形態で使用して
もよい。

さらに、図示はしていないが、凹部２Ａすなわちレンズ
部分４を基板２の両面にそれぞれ設けてもよい。

次に、本発明のマイクロレンズアレイを製造する好適な
方法について、第５図に基づき説明する。

まず、第５図（イ）に示すように、ガラス基板２の表面
に金属薄膜を形成し、これに周知のフォトリングラフィ
技術を用いて、所望のレンズ配列パターンの開ロア群を
設けてエツチングマスク膜８とする。また必要に応じて
基板の裏面全体をマスク膜で保護被覆する。

次に、マスク膜付きガラス基板２を弗酸等のガラスエツ
チング液９中に浸漬し、所定時間の工・、チング処理を
行う。

これにより、マスク膜８の開ロアを始点としてガラスが
等方的にエツチングされ、底壁が滑らかな曲面を成す凹
部２Ａが各開口部７に形成される。

所定時間の処理の後、基板２をエツチング液９から取り
出し、マスク膜８を除去する。

次に、上記のようにしてガラス基板表面に形成さｈた凹
［２Ａ内に、以下のようにして高屈折率ガラスを充填す
る。

すなわち、ＬｉＯ，ＦｅａＯ−のようなマイクロウェー
ブの周波数に感応する成分と、５ｉ０２．Ａｌ２Ｏ３、
８２０３等のガラスを形成する成分と、ＴｉＯ２、Ｚｒ
Ｏ２，ＰｂＯ等の基板ガラスよりも高い屈折率を与える
ための成分とを含むガラスの原料粉末１０、又は溶解ガ
ラス化した後粉砕して得たガラス粉末１０を準備し、こ
の粉末を、上記ガラス基板２の凹部２Ａ形成側面全体に
散布する。

次いで、この散布状態でガラス基板２をマイクロウェー
ブオーブンｌｌ内に入れ、短時間の加熱を行うと、基板
ガラスの昇温は殆どなく、ガラス粉（又はガラス原料粉
）のみがマイクロウェーブのエネルギーを吸収して低粘
度の溶融状態になる。

この状態で、オーブン内またはオーブン外において、基
板ガラスと同一組成のガラスから成るカバーガラス板６
を貼り合わせるか、または基板表面をスキーズし余分な
溶融ガラスを除去して表面を平坦化する。

上記方法により、第１図あるいは第４図に示したマイク
ロレンズアレイが得られる。

次に具体的な数値例を示す。

５１０２７０％、Ｆｅ２　０ｎｌＯ％、ＬＩ２０１０％
、Ｔｌ０２１０％の組成　のガラスバッチを製作し、均
一に攪拌した。

この組成のうち、５１０２はガラス構造を構成し、Ｆｅ
ｚＯａ及びＬｉ２Ｏはマイクロ波に感応して発熱核とな
り、またＴｌＯ２は全体の屈折率を高めるのに貢献する
。

一方、コーニング社製７０５９ガラスから成る１０ｃｍ
角の大きさの基板の表面上に、外径１００μｍ、中心間
隔１５０μｍで凹部を多数形成し、この面に上記ガラス
バッチの粉末を全面に散布した。

次に、市販のマイクロオーブン（周波数２．４５Ｇ　Ｈ
ｚ、　　パフ−ｓｏｏｗ）の中にガラス基板を入れ、約
１分間加熱した。

これで散布されたガラスバッチ粉末だけが完全に溶解し
たので、オーブンから取り出し後直ちに、別に用意した
ガラス棒でガラス基板表面に沿ってスキーズし、余分な
溶融ガラスを掻き取り、放冷した。

この結果、ガラス基板表面に予め形成してあった凹部群
に高屈折率ガラスが充填され、全ガラス製のマイクロレ
ンズアレイが得られた。

なお、上述した方法を実施するにあたり、基板ガラスを
予めその軟化温度よりやや低めに加熱しておいてから粉
末散布を行うと、形成されるレンズ内部に泡や歪の発生
が少なく、優れた光学性能を得ることができる。

［発明の効果コ 本発明によれば、マイクロレンズアレイ全体力（ガラス
のみで構成されているので、清浄な表面を得るための酸
、アルカリ、熱処理等の厳ししＸ洗浄条件に耐え、且つ
その上に真空成膜をする場合１こも耐熱性が高いために
、付着力の高い、性能の良い膜を付着できる。

従って、本発明のマイクロレンズアレイの片面又１１両
面にＩＴｏ、・インジウム錫酸化物のような透明電気伝
導膜をコーティングして、液晶セルの片側又は両側のセ
ル基板として用いることができる。

これにより、マイクロレンズアレイの各レンズ部分で各
画素単位に照明光を液晶層の透過窓部分番こ集光透過さ
せることができ、従来の液晶セルで６１配線部分等の不
透光部で遮光されていた照明光も有効に利用されるので
、極めて明るい画像を実現できる。

また、他のパーツを固定するときに、無機材料系の接着
剤（例えばガラスハンダ）や金属ノ＼ンダなどが使用で
き、耐久性、信頼性に優れた部品の組立が可能となる。

さらに、表面が平坦であるために、光学的軸出しが容易
となり、ファイバーオブティクス部品として、光源、検
出器、或いはファイバーなどのパーツを多数−括して調
芯でき、光部品の製作コストを大幅に低減できる。

また、有機樹脂成分を含んでいないため、表面硬度が高
く耐摩耗性に優れ、従ってイメージセンサ−の受光用光
学系レンズアレイとしても耐擦傷性の優れたものが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は本発
明レンズアレイのレンズパターンの一例を示す正面図、
第３図は本発明の別のレンズパターン例を示す正面図、
第４図は本発明の他の実施例を示す断面図、第５図（イ
）ないしく二）は本発明のマイクロレンズアレイを製造
する方法の好適例を示す断面図である。 ・マイクロレンズアレイ ・ガラス基板 ・凹部 ・高屈折率ガラス 、レンズ部分 ・ガラス接着層 、カバーガラス板 ・開口 ・マスク膜 ・ガラスエツチング液 ・・高屈折率ガラスの粉末 ・・マイクロウェーブオーブン 第１図 Ａ 第２図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）透明なガラス基板の少なくとも片面側に底壁が曲面
   を成す凹部を多数配列形成し、この凹部内を前記基板よ
   りも屈折率が大な透明ガラス体で埋め、表面を平坦化し
   てなるマイクロレンズアレイ。 ２）請求項第１項において、高屈折率ガラスの充填され
   た基板の凹部形成面に、該充填ガラスを接着層としてカ
   バーガラス板を接合したマイクロレンズアレイ。 ３）透明なガラス基板の少なくとも片面側に、底壁が曲
   面を成す凹部を多数配列形成し、この凹部内に、マイク
   ロウェーブの周波数に感応する成分と、ガラスを形成す
   る成分と、前記基板ガラスよりも高い屈折率を与える成
   分とを含有するガラス材料の原料となる粉末又は溶解ガ
   ラス化した後に得たガラス粉末を充填し、これをマイク
   ロウェーブオーブン内に入れ、前記凹部内に充填した原
   料粉末又はガラス粉末が溶解し得る温度に加熱すること
   を特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。