JPH08502368A - 光学レンズ等の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学的作用を有する構造体、特にレンズ、レンズアレイ、プリズム等の製造方法であつて、少なくとも１つのマスキング工程（ＭＳ）とそれに続くエツチング工程（ＡＳ）において光学的に作用を有する段差付基本構造体（１０）が基板（１）の表面に構成され、この基本構造体が引き続き溶融工程（ＳＳ）において溶融するまで加熱されることによつて溶融基板の表面毛細管引力によつて平滑化され、このために基板が真空室（３）のなかに運ばれ、そのなかで基板が電子線（４）によつて同時に連続的に相対運動しながら段差付基本構造体（１０）の少なくとも１つの段差部高さに一致した深さを有する溶融部を発生するようなエネルギー密度で帯状に照射される。この方法を実施するための装置及びこれにより製造される新規な製品が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】 光学レンズ等の製造方法及び装置 本発明は、光学的作用を有する構造体、特にレンズ、レンズアレイ、プリズム 等の製造方法であつて、少なくとも１つのマスキング工程とそれに続くエツチン グ工程において光学的作用を有する段差付状基本構造体が基板の表面に構成され 、この基本構造体が引き続き溶融工程において溶融するまで加熱されることによ つて溶融基板の表面毛細管引力によつて平滑化されるものに関する。 このような方法が、雑誌「レーザ・フオーカス・ワールド」、1991、93〜99頁 により公知である。マイクロレンズ及びマイクロレンズアレイを製造するための ６種類の一般的方法の概要がこの論文のなかに述べられている．本発明の方法に 最も近い方法では、ホトリソグラフイツクマスキングとそれに続くエツチングと によつて基板表面にほぼレンズ状の構造体が製造され、この構造体の熱処理によ つて小規模の物質移動が発生し、この移動により、特定の材料の場合、良質のレ ンズが得られる。リソグラフイーは複数のマスクを使つて実施され、これらのマ スクがそれぞれ整列し、順次エツチングされる段差付構造の全体が近似的にレン ズを形成する。熱処理によりレンズ材料が支持体の基板全体を含めて完全に溶融 する。その際表面張力によつて表面全体、レンズ物質及び周辺基板の変形が生じ る。これにより段差付構造が減少するのではあるが、しかしレンズの光学パラメ ータが大きく変化し、そのために光学誤差や所定の各特性に関してレンズ特性の 著しいばらつき及び偏差が生じる。 更に雑誌「スペクトルム・デア・ヴイツセンシヤフト」、1992、44〜50頁に掲 載されたヴエルトカンプ他、の論文「ビネーレ・ オプテイーク」により、平凸屈折レンズの平面側に平面回折レンズをエツチング することが公知であり、屈折光学素子と回折光学素子との正反対の色収差が相互 に補償し合い、広いスペクトル域にわたつて色忠実度がもたらされる。しかしエ ツチングされた屈折レンズはそのエツチングされた段差部の正面によつて結像コ ントラストを低減する散乱光を発生する。広い波長域にわたつてこの誤差を除去 するために、きわめて多くの例えば（１２工程に達する）マスキング及びエツチ ングが必要となり、段差部高さが減少するのに伴つてエツチングしなければなら ない。このことは製造費増大を意味し、かなりの不良品率をもたらす。 本発明の課題は、高い精度の光学データの狭い公差とで、構造化された光学装 置、特にレンズアレイの工業的製造を可能とする方法及び装置を開示し、又これ によつて製造された新規な光学構造体を開示することである。 この課題の解決は、溶融工程において基本構造体を担持する基板が真空室のな かに運ばれ、次に基本構造体が高電圧加速電子線によつて帯状に照射されるが、 その際のエネルギー密度は当該電子線によつて基本構造体上に形成される溶融部 の帯状伸長方向に対して垂直に基板上を電子線が同時に連続的に相対運動しなが ら段差付基本構造体の少なくとも１つの段高さに一致した深さを溶融部が有する ようなエネルギー密度とする。 電子線は、好ましくはその陽極電圧が数キロボルトである直線電子銃で生成さ れ、基板に衝突する放射線は、それぞれ基板の連続的充電が起きて、基板が電子 源に対して電子線の電子エネルギーよりも低い電圧に充電されるほどに多くの二 次電子をこの基板から放出させる。こうして電圧を介して、又は電子源 のなかで発生される電子の数を介して、基板の溶融部内での電子線エネルギーの 負荷の程度を精確に測定することができる。溶融部の伸長方向を横切る基板の送 り速度と合わせて、溶融部が基板に浸透する深さは厳密に制御することができる 。そのことから、既存の各基板についてその溶融及び表面張力の状況に合わせて 基本構造体の作製における１つ以上の先行工程において発生した段差部に対して 完全に規定された均等化をもたらす好適な溶融部の幅及び溶融部の深さを選定す ることが可能となる。 陽極電圧と基板が充電される電圧との間の電圧比は、有利には基板よりも少な くとも１桁低い電気伝導率を有する支持体上に基板が設けられることによつて安 定させることができる。 溶融部の深さを段差部高さの約１〜５倍の大きさに選定すること、更に多くの 場合には１倍前後にするのが好ましいことが判明した．溶融部の幅は一般に段差 部高さの数倍の大きさに設計され、特に少なくとも２〜２０倍とされる。 プロセスの更なる可変性は、表面の溶融が起きる前に基板がサーモスタツトが 加熱される予熱マツフル炉を真空室のなかに配置することで得られる。加熱温度 が基本構造体の材料の溶融温度又は軟化温度よりも約５０〜１００゜K低い方が好 ましいことが判明した。これによつて、例えば高級レンズ及びレンズ配置を製造 することのできる石英を充分に溶かすことができる。例えば光学鏡として使用さ れる金属も電子線によつて溶融することができ、この場合にも予熱を行うのが望 ましい。 表面を溶融して段差構造を除去するこの方法によつてきわめて価値の高い光学 素子を作製することができるので、エツチングのとき及び漸進的帯域溶融のとき に発生する理想形状からの 偏差をマスク作製時にその都度考慮して補正するのが有利であることが判明した 。輪郭に沿つてアンダカツト代が設けられ、方向を配向された予備歪がマスクの なかに持ち込まれ、溶融のときにこの予備歪が製造に起因した誤差を除去する。 マスキング工程及びエツチング工程又はそれらのさまざまな帰結は、通常のホ トリソグラフイー法、マスク材料のレーザ露光法、又はマスク材料の電子線露光 法によつて実行することができ、次にエツチング工程は基板の種類及び所要の精 度に応じて液状又は気状エツチング剤を使つて、特にプラズマエツチング及びイ オンエツチングによつても行うことができる。基本構造体は基本的には機械加工 によつても製造することができる。 この方法は、特に段差部正面の悪影響、場合によつてはアンダカツト障害の悪 影響が除去されるように、その段差部が溶融工程によつて限定的に斜めにかれか つ稜側及び底側が丸くされる共焦点平面レンズ配置を作製するのにも適している 。 作製されたレンズアレイ用レンズの光学データの高い均一性がこの方法によつ て保証され、この高い均一性によつて個々のレンズがこれに関連して非球面状に 構成され、溶融工程において光学誤差が補正されることによつて、あらゆるレン ズに対してこのような共焦点を形成することが可能となる。これにより、従来製 造された単一レンズではきわめて困難である口径比ほぼ１の光学系を作り出すこ とができる。 この新規なレンズ又はレンズ構造は、有利には補償レンズ又は補正レンズとし て、周知の如くに屈折レンズの平面に被着することができる。本発明による平滑 溶融法によつてエツチングされた段差付構造体のコントラストを低減する性質が 除去され又は充分に低減され、同じ品質を達成するのにかなり少ない数 の段差部で間に合う。一般に単一の段差都で充分である。 補正レンズは、屈折レンズの前又は後で別の板上に設けることもできる。補正 レンズの使用は、有利にはその製造後に測定される高級単一レンズと合わせても 設けることができ、このために例えばその結像誤差が系統的に評価されるレーザ スキヤナを利用することができる。得られた測定データでもつて、個保事例につ いて補正するレンズ構造が算出され、その後補正レンズを作製するのに役立つマ スクセツトが製造される。この場合にも、段差部の追加溶融によつて、表面的溶 融のときばらつきの少ない補正レンズが、僅かなマスキング工程及びエツチング 工程で製造することができる。溶融によつて浅い構造の波形輪郭が得られる。こ うした構造の光学特性は数学的に充分に説明することができ、従つてこれらの段 差部の溶融によつて構造変化を予め算定することができ、又計算のなかで考慮す ることができるので、高い精度でマスク計算を実行することができる。 測定された系と補正板又は補正構造体との組合せは、レンズに適用することが できる他、別の光学系にも、例えばプリズム又はプリズムアレイに適用すること ができる。 有利なことに本発明方法でもつて平面光導波路の光学素子を構成することもで きる。平面光導波路の基板のなかに共焦点扇形構造を、又はレンズ状凹部も設け ることができ、それらの焦点は平面光導波路のなかにあり、かつ例えば糸状又は 条片状の細い光導波路又は光導波路部分に配向している。 中空ミラー、中空ミラーアレイ、光学格子等の鏡面も、この方法で作製するこ とができる。この構造は、例えば銀又はクロム製の高級反射金属表面に直接に設 けることができ、又は後から金属被覆することのできる材料上に作製することが できる。 有利には溶融操作の終了後に基板を真空室内の蒸着装置に送ることによつて表面 の真空蒸着を行うことができる。 この方法を実施するための装置は、好ましくは複数の基板用に設計されており 、これらの基板は、予熱を行うマツフル炉に順次通され、次に電子銃の脇を通さ れる。基板の輸送は制御されて駆動され、同様にさまざまな電極及び電子源は制 御装置によつて制御されて供給される。この制御のために溶融部に向けられる放 射センサの測定信号を所定の放射値と比較して、両方の値の差ができるだけ零と なるように制御を行うことが有利であることが判明した。 有利な構成が図１〜図５に示されている。 図１は操作手順の略示図である。 図２はこの方法を実施するための装置の横断面図である。 図３は基板の横断面図である。 図４は光学構造体を有する平面光導波路の斜視図である。 図５は補正板を含む光学系を示す。 図１は操作手順の図式を示す。基板１が第１マスキング工程ＭＳにおいて被覆 され、露光され、開かれ、それに続くエツチング工程ＡＳにおいて段状にエツチ ングされる。平板構造体の場合には１つのマスキング工程と１つのエツチング工 程で間に合う。多次元構造体の場合にはこれら２つの工程を適切なマスクで数回 繰り返さねばならない。こうして作製された基本構造体１０を有する基板１が、 それに続く溶融工程ＳＳにおいて平滑化される。溶融工程ＳＳの前に設けておく ことのできる予熱工程ＨＳにおいて基板１は基本構造体１０とともに、基本構造 体の溶融温度又は軟化温度近傍の予熱温度ＶＴに加熱される。 溶融工程は、電子線のエネルギー密度と溶融部の伸長方向に 対して垂直な基板１の送り速度とを制御しながら行われる。放射センサ４５によ つて溶融部の温度が制御量として測定されて、実際量として制御装置ＳＴに送ら れる。溶融工程ＳＳは真空室３のなかで実行される。この真空室は電子銃と基板 移送装置２０の送り駆動装置とを制御する。光学構造体がミラー素子で構成され る限り、溶融工程ＳＳに金属被覆工程ＶＳが続き、この金属被覆工程は好ましく は真空室のなかで金属蒸着によつて行われる。 最終製品ＥＰの光学データの光学測定ＯＭに基づいて、理想形状からの各偏差 が算定され、演算工程ＲＳを介して補正されて、マスク６を製造するためのマス ク製造工程ＭＥにおいて考慮される。 図２は溶融工程を実施するための装置を示す。この装置は移送装置２０を取り 囲む真空室３からなり、この移送装置が１つの基板平面で支持体２を移送し、こ れらの支持体の上に基板１が設けられている。支持体２は好ましくは高絶縁性ア ルミナからなる。支持体と基板は開口状態で示されたマツフル炉３０によつて取 り囲まれている。このマツフル炉はサーモスタツトで制御されて電気的に加熱さ れている。マツフル炉３０の末端側で支持体２と基板１が電子線４の範囲に入る 。電子線発生器はその伸長方向に対して垂直に断面図で示されている。電子は電 子源４０として役立つ抵抗線において放出されて、溝付き陽極４１に向かつて加 速される。この陽脚は数キロボルトの制御された高電圧で負荷されている。陽極 ４１に至る途中で電子は、集束電圧によつて負荷された横方向集束電極４２を通 過する。加速された電子は直線電子線４として陽極溝から飛出して、その下にあ る基板とこの基板上にある基本構造体１０を照射する。 電子線４が基板１に衝突する範囲に生じる溶融部の上方に放射検出器４５が設 けられており、この検出部の出力信号が制御装質ＳＴに送られる。この制御装置 は高電圧と集束電圧と電子源の電流と移送装置２０の送り速度とを制御する。望 ましくはマツフル炉３０の電気加熱も制御装置ＳＴを介して制御することができ 、温度センサ３１の信号が実際信号として制御装置に送られる。 図３はレンズを担持する基板を拡大して示す垂直断面図である。レンズの基本 構造体１０は破線で示されており、高さＨの段差部を有する。更に溶融部１１が 示されており、この溶融部は基板が連続的に通過する間に電子線４で照射される ことによつて生じる。この溶融部１１は深さＴが段差部高さＨの約１．５倍であ り、幅Ｂはこの実施例の場合中間段差部幅ＢＳの３倍に相当する。光学素子の最 終的形状が実線で図示されている。この形状は表面材料を溶融するときに溶湯の 表面張力によつて生じる。表面張力は段差構造を均等化して除去し、ほぼ理想的 な光学表面をもたらす。これらの段で認められるように、これらの段は僅かなア ンダカツトを有するが、しかし溶融後このアンダカツトは完全に取り除かれてい る。 図４はニオブ酸リチウム結晶のなかの平板光学素子ＰＯを断面図と斜視図で示 しており、この結晶のなかに平面光導波路ＷＬが構成されている。この光学配置 は共焦点で焦点Ｆに整列している。この焦点はこの実施例の場合、細い光導波帯 ＬＬが接続されている結晶の縁にある。 図５は屈折平凸レンズＬを示し、その平面側に本方法により補償構造Ｋ^＊又は 補正構造が作製され、この構造は溶融によつてほぼ波形に構成されている。補償 レンズＫ^＊は屈折レンズＬ とは逆の色係数を有する平面レンズであり、散乱損失の少ない波形構造の故に広 帯域の色補正が達成されている。選択的に、補正構造Ｋ又は補償構造が補正板Ｋ Ｐ上に作製されて、この補正板が系のレンズＬ又は場合によつては復数のレンズ の前及び／又は後に設けられている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年９月９日 【補正内容】 請求の範囲（補正） １４ 光学素子の表面構造が多段基本構造体（１６）の段差部高さ（Ｈ）のわず か１〜５倍の大きさに相当する深さの表面部のみにおける溶融によつて生じる溶 湯の表面張力に応じて平滑化されて成形されており、これらの段が斜めにされ、 かつ稜側及び底側が丸くされていることを特徴とする、請求項１ないし１３のい ずれか１つに記載された方法によつて製造された光学素子。 １５ 光学素子が石英又はガラスからなり、かつ共焦点に整列した非球面レンズ からなるレンズアレイであることを特徴とする、請求項１３に記載の光学素子。 １６ 光学系が不正確なレンズ（Ｌ）又は光学素子からなり、本方法によつて製 造される補正光学素子（Ｋ）又は補償光学素子（Ｋ^＊）が補正光学板（ＫＰ）上 でその前方及び／又は後方、又はレンズ（Ｌ）の平面上に設けられており、補償 光学素子（Ｋ，Ｋ^＊）が溶融によつて生じる浅い波形輪郭を有することを特徴と する光学系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ) ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＳ，ＦＩ， ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＮＯ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＵＡ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学的作用を有する構造体、特にレンズ、レンズアレイ、プリズム等の製造 方法であつて、少なくとも１つのマスキング工程（ＭＳ）とそれに続くエツチン グ工程（ＡＳ）において光学的作用を有する段差付基本構造体（１０）が基板（ １）の表面に構成され、この基本構造体が引き続き溶融工程（ＳＳ）において溶 融するまで加熱されることによつて溶融基板の表面毛細管引力によつて平滑化さ れるものにおいて、溶融工程（ＳＳ）において基本構造体（１０）を担持する基 板（１）が真空室（３）のなかに運ばれ、次に基本構造体（１０）が高電圧加速 電子線（４）によつて帯状に照射され、その際のエネルギー密度は当該電子線（ ４）によつて基本構造体（１０）上に形成される溶融部（１１）の帯状伸長方向 に対して垂直に基板（１）上を電子線が同時に連続的に相対運動しながら、段差 付基本構造体（１０）の少なくとも１つの段差部高さ（Ｈ）に一致した深さ（Ｔ ）を溶融部（１１）が有するようなエネルギー密度とすることを特徴とする製造 方法。 ２ 電子線（４）が数キロボルト、例えば２〜５ＫＶの加速電圧で照射されてい ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３ 溶融部の深さ（Ｔ）が段差部高さ（Ｈ）の約１〜５倍、特に１〜２．５倍の 大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ４ 電子線（４）によつて照射される溶融部（１１）の幅（Ｂ）が中間段差部幅 （ＢＳ）の少なくとも２倍の大きさとなるように電子線が帯状に基本構造体（１ ０）に集束されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１つに記 載の方法。 ５ 真空室（３）のなかで支持体（２）上の基板（１）が予熱工程（ＨＳ）にお いて基本構造体（１０）の材料の溶融温度又は軟化温度より も１００゜K、特に５０゜K低い予熱温度（ＶＴ）に予熱されることを特徴とする、 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法． ６ マスキング工程（ＭＳ）において利用されるマスク（６）は、マスク作製（ ＭＥ）時に同じ配向で溶融部（１１）を通過して作製される予備歪付き基本構造 体（１０）が所定の基本形状に応じて歪補正されるのと同様に予備歪付きの所定 の基本形状と配向させて製造されていることを特徴とする、請求項１ないし５の いずれか１つに記載の方法。 ７ 各マスキング工程（ＭＳ）がホトリソグラフイー、レーザ露光又は電子線露 光によつて実行され、それに続くエツチング工程（ＡＳ）が液状又は気状エツチ ング剤で、特にプラズマエツチング又はイオンビームエツチングで行われること を特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。 ８ マスク作製（ＭＥ）時にマスク（６）が所定の理想形状に一致し、かつその 輪郭がアンダカツト代で周囲を補足されており、こうしてマスクされかつその後 にエツチングされた基本構造体（１０）を溶融すると理想形状に応じて構造化さ れた光学素子が得られることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１つに 記載の方法。 ９ 単一のマスキング工程（ＭＳ）とそれに続くエツチング工程において少なく とも１つの共焦点平面レンズ配置が作製され、この配置の段差部が後続の溶融工 程（ＳＳ）において斜めにされ、かつ稜側及び底側が丸くされることを特徴とす る、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。 １０ 既存のレンズ（Ｌ）又は別の光学系が測定され、その光学誤差、例えば色 収差に依存して補正光学素子（Ｋ）又は補償光学素子（Ｋ^＊）の構造に一致した １つのマスク又は１群のマスク（６０）が算出され、その後に作製され、次にこ れらのマスク （６０）でもつて補償光学素子（Ｋ^＊）がマスキング工程（ＭＳ）及びエツチン グ工程（ＡＳ）の操作工程でレンズ（ＬＬ）の平面上又は補正光学板（ＫＰ）上 に作製されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の方法 。 １１ マスキング工程（ＭＳ）及びエツチング工程（ＡＳ）においてレンズアレ イの基本構造体が作製され、その個々のレンズがそれぞれレンズアレイの共通焦 点の方に配向した非球面状に構成され、次に後続の溶融工程（ＳＳ）において各 非球面状理想形状とされることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１ つに記載の方法。 １２ 基本構造体が平面光導波路（ＷＬ）、例えばニオブ酸リチウムのなかにエ ツチングされて共焦点扇形状又はレンズ形状を有しており、基本構造体の焦点（ Ｆ）が平面光導波路（ＷＬ）のなかにあることを特徴とする、請求項１ないし９ のいずれか１つに記載の方法。 １３ 金属製基板（１）が例えば銀又はクロムからなり、又は溶融工程（ＳＳ） 後に金属被覆工程（ＶＳ）において好ましくは真空蒸着によつて金属被覆され、 この基板上に光学的作用を有する構造体が鏡面として作製されることを特徴とす る、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。 １４ 光学素子の表面構造が表面の溶融によつて生じる溶湯の表面張力に応じて 平滑化されて成形されていることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれか １つに記載された方法によつて製造された光学素子。 １５ 光学素子が石英又はガラスからなり、かつ共焦点に整列した非球面レンズ からなるレンズ又はレンズアレイであることを特徴とする、請求項１３に記載の 光学素子。 １６ 光学系が不正確なレンズ（Ｌ）又は光学素子からなり、本方法によつて製 造される補正光学素子（Ｋ）又は補償光学素子（Ｋ^＊）が補正光学板（ＫＰ）上 でその前方及び／又は後方、又はレンズ（Ｌ）の平面上に設けられていることを 特徴とする光学系。 １７ 真空室（３）のなかで溶融工程（ＳＳ）を実行するために、電子線（４） を生成するための帯状電子源（４０）が、その後段に高電圧を負荷される溝付き 陽極（４１）と集束電圧を負荷される横方向の集束電極（４２）とともに、基板 平面から離して垂直に設けられており、この電子源のなかに支持体（２）と少な くとも１つの基板（１）を設けることができ、かつこの電子源のなかで移送装置 （２０）によつて送りを制御されて移動可能であることを特徴とする、請求項１ ないし１３のいずれか１つに記載された方法を実施するための装置。 １８ サーモスタツトで制御されて電気的に加熱されるマツフル炉（３０）が真 空室（３）のなかに設けられており、少なくとも１つの基板（１）をこの炉のな かに設けることができることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。 １９ マツフル炉（３０）が移送装置（２０）を取り囲むことを特徴とする、請 求項１８に記載の装置。 ２０ 電子線（４）がマツフル炉（３０）のなかに照射され又はそのなかで生成 されることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の装置。 ２１ 溶融部（１１）に隣接して放射検出器（４５）が設けられており、この検 出器の放射信号が制御装置（ＳＴ）に送られ、この放射信号によつて制御装置が 陽極（４１）の高電圧、電子源（４０）の加熱電流（ＩＨ）及び／又は移送装置 （２０）の送り速度を所定の放射値（ＳＷ）を基準に制御して駆動することを特 徴とする、請求項１８ないし２０のいずれか１つに記載の装置。