JPS62191445A - マイクロレンズの製造方法 - 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１ 本発明は、平板ガラス上に多数の微小なレンズを配列し
たマイクロレンズの製造方法に関する。

［従来の技術］ マイクロレンズは、最近光通信用の各種光部品構成材料
として注目を集め、特にこのレンズを多数配列したマイ
クロレンズアレーは、複写器やミニファックス用光学系
の転写用レンズとして使用され、装置の小形化に寄与し
ている。マイクロレンズの作製法は、最近では、一枚の
平板ガラス上に金属膜を蒸着し、フォトリングラフイー
技術を利用して、この金属膜に多数個の円形の開口部を
配列した後、ガラス基板をＴ！などの高屈折率イオンを
含む溶融塩中に浸漬して、開口部を通してイオンを拡散
させ、ガラス板上に半円球状の高屈折率イオン拡散部か
らなるマイクロレンズを配列する方法で作成した平板マ
イクロレンズが注目を集めている。この方法によれば、
多数のロッドレンズを配列したり、接着したり、固定し
たりする複雑な工程を必要としないばかりか、集積回路
作成工程と同じフォトリングラフイー技術を用いて精度
良く一辺にレンズをアレー化することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この平板マイクロレンズは、例えば収差
の少ないレンズを作成するためには、イオン拡散部の形
状とイオン濃度分布を厳密に制御する必要があり、時に
は電圧を印加して、強制的にイオンを拡散移入すること
も必要となってくる。

また開口数の大きなレンズを作成するには、ガラス中の
イオンと拡散させるイオンとの間に大きな屈折率差を必
要とし、必然的に拡散イオンはＴβやＡｇなどの高屈折
率イオンに限られる。しかも大きな屈折率差を生ずるわ
りには、開口数を大きくすることができない。ちなみに
文献によれば（伊賀健−等　Ｏｐｌａｓ　Ｅ、１９８２
年１１月５３頁、１９８４年１月８２頁）、ガラス部と
拡散部の最大屈折率差は０、０７８でＮ、△＝　０．１
５　、最大屈折率差０．１３でＮ、Ａ＝　０．２３と開
口数は極めて小さい。

本発明の目的は、上記の如き従来の平板マイクロレンズ
アレーの作成法の問題点を改良し、しがも間口数の大き
なレンズおよびこれを多数配列したマイクロレンズを提
供することにある。

［問題点を解決するための手段］ このため、本発明はガラス基板に、円形の開口を有する
イオン拡散防止マスクを配置し、これを化学的耐久性ま
たは屈折率を変化させるイオンを含有する溶融塩などの
イオン源と接触させて、マスクの開口部を通して上記イ
オンをガラス中に拡散させた後、前記マスクを除去して
基板を適当な酸溶液で処理して、上記のイオンの拡散部
内の化学的耐久性の差を利用して、ガラス基板表面に球
面状の凸または凹レンズ部を形成させるものである。

ガラス基板に対しガラスの化学的耐久性を高めるイオン
を用いたのち、酸処理することにより基板表面に凸レン
ズを形成させたマイクロレンズを作成できる。また、化
学的耐久性を減少させるイオンを用いたのち酸処理する
ことにより基板表面に凹レンズを形成させることができ
る。更に基板表面に凹レンズを形成させたうえ、レンズ
凹部に高屈折率媒体を充填することにより凸レンズを作
製することもできる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の構成並びにその特徴を具
体的に説明する。

第１図ないし第８図は、円形の開口部３を右するイオン
拡散防止マスク２の開口部３を通してガラス基板１に化
学的耐久性を増強させるイオンを拡散させたのち、ガラ
ス基板１を酸処理することにより、基板表面に凸レンズ
５を形成する場合を示している。

凸レンズの作製第１法 更に詳しく説明すると、まず第１図のように第１のイオ
ンを含有するガラス基板１の表面に所定の半径を有する
円形の開口部３を具備したイオン拡散防止マスク２を設
置し、これを第２のイオンを含有する溶融塩に浸漬する
か又は接触させて、マスクの開口部３を通して前記第２
のイオンをガラス中に拡散させ、第２のイオンを部分的
に含有する拡散部４を形成する。この工程において、第
１のイオンとしてＮａを用いる場合には第２のイオンと
してにイオンを、または第１のイオンとしてにイオンを
用いる場合には第２のイオンとしてＮａイオンを選ぶと
いうように、異種のアルカリイオンを組合せて用いる。

第２のイオンを拡散させた後、マスクを除去すると第２
図に示す如く、第２のイオンを含有するガラス１の表面
に第２のイオンを部分的に含有する半円球状の拡散部４
が形成されているが、第２のイオンの濃度は、半円球の
中心でしかもガラス表面６が最も高く、半円球の周辺に
向うに従ってその濃度は減少している。

このため、第２のイオンとして化学的耐久性を向上ざぼ
るイオンを用いれば、ガラス表面上で半円球状拡散部４
の中心が最も化学的耐久性が高く、拡散部の周囲に向う
に従って化学的耐久性は減少することになる。

ここで、基板ガラスを塩酸、硝酸又は弗酸などの水溶液
を用いて酸処理すれば、拡散部４の表面の化学的耐久性
のちがいから、第３図に示すように半球状４の中心部が
残り、周辺部に行くに従って、次第に侵蝕が大きくなる
ので、半球状の凸部５を形成することができる。例えば
ＣＳイオンとＮａイオンの如く、明らかに化学的耐久性
の異なるイオンを用い、あらかじめ第１のイオンとして
ＣＳイオンを含有するガラス基板に、化学的耐久性を良
くする第２のイオンとしてＮａイオン又はにイオンを拡
散移入して、第２図に示すような化学的耐久性に富んだ
拡散部４を形成ずれば、Ｎａイオン又はにイオンの濃度
は拡散部４の表面で、半球の中心が最も高く、周囲に向
って減少するため、これを酸処理すれば、第３図に示す
如き、球面状の凸部５を形成することができる。ここで
点線６は酸処理前の基板を示している。

ちなみに化学的耐久性のデータを示せば、表１の表１ 久性に増加し、ガラス表面の拡散半球部の中心が最も化
学的耐久性が高く、周辺に従って化学的耐久性が減少す
るような拡散部を作ることができる。

以上のようにして得られたマイクロレンズは、拡散移入
する第２のイオンが第１のイオンに比較して屈折率の高
いＴ！イオンあるいはＡＱイオンなどのイオンである場
合には、半球状の拡散部４のみでも、レンズ効果を有す
ることはすでに従来技術として知られているが、これの
みでは開口数が小さい。これに対して、本発明の如く酸
処理工程を経てエツチングを行ない、表面に球面状の凸
レンズ部を形成すると、開口数は著しく増加するので、
従来技術で製造したレンズの特徴を改良することにもな
る。ちなみにアルカリ成分としてＮ８２０３０モル％、
Ｋ２Ｏ１０モル％を含有するＴｉＦ６なる光学ガラスを
、ＡＣＪＮＯ３を含有する溶融塩中に３５０℃で１００
時間浸漬して、２００μの直径を有する開口を通してＡ
ｇをＴｉＦ６ガラス中に拡散させたところ、拡散部の半
球状の直径が１．２８ｍｍのマイクロレンズを作成する
ことができた。このレンズの開口数は、Ｎ、　Ａ＝　０
．１６であった。これを１００ｃｃの水に対してＮＨ４
Ｆ・ＨＦ２ｇ、ＨＮＯ３８０Ｃの割で混合した溶液を用
い４０℃で１時間エツチングしたところ、第８図に示す
ような形状で拡散部の表面を凸状に成形することができ
た。この形状から計算して形成されたレンズの開口数は
約０．４であり、拡散部のみで作ったレンズに比べて著
しく開口数が増加することがわかる。またこの例かられ
かることは、拡散部に高屈折率の生ずるイオンを拡散さ
せなくても化学的耐久性のちがいを利用したエツチング
によって形成される第８図に示す如き凸状の球面からな
るレンズで充分に大きな開口数のレンズを作ることが可
能なことがわかる。

凸レンズの作製第２法 次に第４〜６図について説明する。上記の工程で形成す
る球面状の突部の曲率を大きくして、さらに開口数の大
ぎなレンズを作る場合には、第４図に示すように、すで
に述べた方法を用いて作成した第２のイオンの拡散部４
にほぼ等しい大きさのフォ１−レジストアをフォトリン
グラフイー技術を用いて設置し、適当な酸でガラス表面
をエツチングして拡散部以外のガラス表面を点線８で示
す如く拡散部よりも低くし、拡散部を円柱状の突部とし
た後、フＡトレジストを除去しく第５図）、再び酸でエ
ツチングを行なえば、第２イオンの拡散部４は、上述の
第２図より第３図に至る原理と同じ原理で拡散部の第２
イオンの濃度差に従ってエツチングｍに差を生じ、表面
をほぼ球面状に形成することができる（第６図）、ここ
で第３図および第６図に示したような球面状の凸部を有
するガラスをパフ研磨等により、表面研磨すれば、第７
図に示すように多数の球面状のレンズを配列したマイク
ロレンズアレーを作ることができる。

典り囚射１ 次に第９図ないし第１１図に基づき凹レンズを形成させ
る場合について説明する。まず、ガラス基板１の表面に
第１図に示したものと同様のイオン拡散防止マスク２を
設置し、これを化学的耐久性を減少させるイオンを含有
する溶融塩に浸漬するか、又は接触させて、マスクの開
口部を通して上記イオンをガラス中に拡散さ１１上記イ
オンを部分的に含有する拡散部を形成させる。

上記イオンを拡散させたのち、マスクを除去すると第９
図に示すごとく、ガラス基板１の表面に上記イオンを部
分的に含有する半円球状の拡散部４が形成されているが
、上記イオンの濃度は、半円球の中心でしかもガラス表
面６が最も高く、半円球の周辺に向うに従って、その濃
度は減少している。このため、アルカリイオンの濃度の
変化によって、ガラス表面上で半円球状拡散部４の中心
の化学的耐久性に対して、拡散部の周辺に向うに従って
化学的耐久性に徐々に増加することになる。

ここで、基板ガラスを塩酸、硝酸又は弗酸などの水溶液
を用いて酸処理すれば、基板表面も符号１０まで侵蝕さ
れるが、拡散部４の表面の化学的耐久性のちがいから、
第１０図、第１１図に示すように、拡散部の表面１１は
半球状の凹状となり、凹レンズを形成することができる
。ちなみに、アルカリ成分としてＮａ２Ｏ３０モル％、
Ｋ　２０　１０Ｅ　／Ｌ／　％を含有するＴｉＦ６なる
光学ガラスを、ＫＮＯ：１を含有する溶融塩中で３５０
℃で１５０時間浸漬して、１００μｍの直径を有する金
属膜の開口を通してにイオンをガラス中に拡散させたと
ころ、半球状の直径が２９０μの拡散部と形成すること
ができた。

これを１００ｃｃの水に対して、ＮＨ＋Ｆ−ＨＦ２（Ｊ
・ＨＮＯ３１０ＣＣの割で混合した溶液を用い、４５℃
で２０分エツチングしたところ、第１２図に示すような
形状で、拡散部の表面を凹状にすることができた。この
レンズをテストパターンを用いて評価したところ、２０
本／ｌの解像度を有する凹レンズであることがわかった
。

一凸ｋＺ々四３捌迭 上記第９図〜第１１図に示ず方法で得られたマイクロレ
ンズは、半球状の凹部のみでも充分に凹レンズとしての
効果を有するが、これのみにては光を集光したり、実像
を形成することが出来ず、凹レンズとして作用しても、
応用範囲が狭い。そこで、本発明は、さらに上記の工程
に加えて第１３図〜第１５図に示す工程を付加ザること
によって凸レンズをも提供するものである。以下、第１
３図〜第１５図について説明する。

上記の工程で形成した拡散部の表面の凹部に対し、第１
３図に示す如くプラズマＣ，Ｖ、Ｏ法あるいは低融点ガ
ラスをＦｌ！！ルするなどの方法で拡散部４よりも屈折
率の高い物質１２を充填する。例えば基板ガラスを３０
０℃以下の温度に加熱し、プラズマＣＶＤ法を用いて、
基板上に３ｉ３Ｎ＋を生成積層させる。拡散部４の凹部
１１の深さを越えて充分な厚さまで高屈折媒質８を積層
した後、高屈折媒質１２の上部を研磨すれば、第１４図
および第１５図に示すように高屈折率媒質による凸レン
ズを形成することができる。ちなみに、前記ＴｉＦ６な
る光学ガラスをＫＮＯ３を含有する溶融塩中で３５０℃
で１５０時間浸漬して、２００μｍの直径を有する金属
膜の開口を通してにイオンをガラス中に拡散させ、さら
にこれを１００ｃｃの水に対してＮＨ４ＨＦ２Ｑ、ＨＮ
Ｏ３１０ＣＣの割で混合した溶液を用い、４５℃で２０
分間エツチングしたところ、基板表面に直径４００μ、
曲率２２０μの凹部を形成することができた。この凹部
に第１８図〜第１５図に説明した方法で、５ｉｘＮ４を
積層充填した結果焦点距１１！ｌ　６００μの凸レンズ
を形成することができた。

［発明の効果］ 以上述べたように、第１番目の発明によれば、あらかじ
めガラス中に含有させる第１のイオンと後に拡散移入す
る第２のイオンの屈折率差が殆んどないか又は非常に小
さい場合であっても開口数の大きなレンズを容易に作製
することができる。

また第１のイオンに対して化学的耐久性または屈折率を
変化させるイオンを第２のイオンとして拡散移入するこ
とによって第２のイオンによる拡散部をそのままレンズ
とする場合であっても、本発明の工程を用いれば、拡散
部の表面に凸または凹レンズを形成することにより、半
球状の拡散部よりなるレンズに加えて開口数は著しく増
加することになり、レンズの特性の補充も可能となる。

更に、第２番目の発明によれば、拡散移入するイオンと
して化学的耐久性と減少させるイオンを用いることによ
って、このイオンによる拡散部を凹レンズとすることが
可能なばかりか、さらに凹レンズ部に何らかの方法を用
いて、高屈折率媒体を充填することで凸レンズを作製す
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１〜８図は本発明によるマイクロレンズの作製工程を
示す図で、第１図はガラス基板にフォトマスクを配置し
てイオン拡散させる工程の断面図、第２図は半球状拡散
部を形成させた状態の断面図、第３図は拡散部の上面に
半球状凸部を形成させる工程を示す断面図、第４図〜第
６図は別の例を示すもので、第４図は半球状拡散部の上
に７オトレジス１〜を配置した状態の断面図、第５図は
拡散部以外のガラス表面をエツチングした状態の断面図
、第６図は拡散部の突出部を球面状にエツチングした状
態の断面図、第７図は第３図および第６図に示すマイク
ロレンズの斜視図、第８図は本発明によるレンズの形状
を示す線図、第９図ないし第１１図は凹レンズの作製工
程を示す図であって、第９図は化学的耐久性を減少させ
た半球状拡散部を形成させた状態の断面図、第１０図は
拡散部の上面に半球状凹部を形成させる工程を示す断面
図、第１１図は第１０図によって作製されたマイクロレ
ンズアレーの斜視図、第１２図は同じくレンズの形状を
示を示す線図、第１３図ないし第１５図は第２番目の発
明の実施例を示すものであって、第１３図は第１１図の
マイクロレンズアレーの凹部上面に拡散部より屈折率の
高い物質を充填した状態の断面図、第１４図は高屈折率
媒質の表面を研磨した状態の断面図、第１５図は凹部に
凸レンズを形成させたマイクロレンズアレーの断面図で
ある。 １・・・ガラス基板、２・・・拡散防止マスク、３およ
び４・・・異種イオンの拡散部、５・・・球面状凸部（
凸レンズ）、６・・・エツチング前のガラス表面、７・
・・フォトレジスト、９・・・円柱状凸部で異種イオン
拡散部の表面、１０・・・ガラス表面、１１・・・拡散
部表面（凹部）、１２・・・高屈折率媒質。 出　願　人　　ホーヤ株式会社 代　　理　　人　　　　朝　　倉　　正　　幸第１図　
　　　　　　第２図 第３図　　　　　　　第４１ 第５図 第８図 第９図　　　　　　　　第１０図 第１１図 レンス゛守種（Ｐ　） 第１３図 第１４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　円形の開口部を有するイオン拡散防止マスクの開口
   部を通してガラス基板に化学的耐久性を変化させるイオ
   ンを拡散させた後、ガラス基板を酸処理することにより
   、基板表面に凸または凹レンズを形成することを特徴と
   するマイクロレンズの製造方法。 ２　第１のイオンを含むガラス基板に、所定の半径を有
   し、あらかじめ定めた距離を置いて配列した円形の開口
   を有するイオン拡散防止マスクを設置する工程と、第２
   のイオンを含有する溶融塩に基板を浸漬又は接触させて
   、マスクの開口部を通して、前記第２のイオンをガラス
   中に拡散させる工程と、前記マスクを除去した後、基板
   を適当な酸溶液にて酸処理を行ない、第２のイオンの拡
   散部分の化学的耐久性の差を利用して、ガラス基板表面
   に多数の球面状凸部または凹部を形成する工程とを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマイクロ
   レンズの製造方法。 ３　第１のイオンを含有するガラス基板に対して第２の
   イオンとしてガラスの化学的耐久性を高めるイオンを用
   い、酸処理により、基板表面に凸レンズを形成させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のマイクロレ
   ンズの製造方法。 ４　第１のイオンを含有するガラス基板に対して、第２
   のイオンとしてガラスの屈折率を高めるイオンを用いる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のマイクロ
   レンズの製造方法。 ５　第１のイオンを含有するガラス基板に対して第２の
   イオンとしてガラスの化学的耐久性を減少させるイオン
   を用い、酸処理により基板表面に凹レンズを形成させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のマイクロ
   レンズの製造方法。 ６　円形の開口部を有するイオン拡散防止マスクの開口
   部を通してガラス基板に化学的耐久性を減少させるイオ
   ンを拡散させた後、基板を酸処理することにより、基板
   表面に凹レンズを形成したうえに、レンズ凹部に高屈折
   媒体を充填することを特徴とするマイクロレンズの製造
   方法。