JPWO2019189225A1 - 拡散素子、照明モジュールおよび非球面レンズの加工方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガラス基板に前処理を施す前処理工程と、前記前処理が施された前記ガラス基板にウェットエッチングを施すエッチング工程とを含み、前記前処理工程は、パルスレーザー光を前記ガラス基板のある位置に照射して前記ガラス基板内部の一部領域を改質させて、少なくとも前記パルスレーザー光を照射した位置において厚さ方向に密度分布を発生させる工程、または、化学的もしくは物理的な工法を利用して前記ガラス基板の表面に所定の楔形状の凹み部を形成する工程を含む、非球面レンズの加工方法に関する。

Description

本発明は、非球面レンズの加工方法に関する。また、本発明は、拡散素子およびそれを用いた照明モジュールに関する。

拡散素子は様々な光学装置に用いられている。一例として、照明装置や、３次元計測を行う計測装置が挙げられる。

このような光学装置の中には、近赤外光や紫外光などの目に見えない光を使用するものがある。例えば、スマートフォン等において顔認証やカメラ装置の焦点合わせに用いられるリモートセンシング装置、ゲーム機等と接続されてユーザの動きを捉えるために用いられるリモートセンシング装置、車両等において周辺物体を検知するために用いられるＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）装置などが挙げられる。また、植物の育成や除菌の目的で、紫外光や青紫光や青色光などの高エネルギー光を照射する照明装置などが挙げられる。

近年、このような光学装置において、入射光の進行方向に対して大きく異なる出射角で光を照射させることが求められている。一例として、スマートフォンなどにおいてカメラ装置の焦点合わせ用途や、屋内外に設置される近赤外監視カメラにおいて周辺物体を検知する計測装置や、ＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）のヘッドセットにおいて障害物や指などの周辺物体を検知する用途等に用いられる照明装置や計測装置では、カメラ装置の画角や人間の視野角に応じて、拡散角（全角）が３０°以上や、５０°以上といった広い角度範囲への光照射が望まれている。

レンズの屈折作用を利用すると、入射した光をある範囲に広げて照射できる。さらに、レンズアレイを用いることで、入射光束内の光量分布を均一化して出射できる。

非特許文献１には、マイクロレンズアレイを利用した拡散素子の一例として、波長６３３ｎｍのレーザー光源に対して１００°以上の発散角を実現した拡散素子の例が記載されている。非特許文献１では、ガラス基板上に均一な厚さでフォトレジスト（感光性ポリマー）を積層した上で、レーザービームの強度を走査中に変調しながら該レジストを小さな集束ビームでポイントごとに露光することにより、フォトレジストへの露光度を変化させている。その結果、深さのある連続した凹凸構造を有する表面を得ることができる。なお、特許文献１には、このような拡散素子の製造に利用されるレーザーの書き込みシステムの一例が記載されている。

また、特許文献２には、実施例の拡散角は１０°程度であるが、放物面形状のマイクロレンズが隙間なく配置されたマイクロレンズアレイを有する拡散素子の例が記載されている。

また、特許文献３には、無機材料の拡散板およびその製造方法の一例として、透明基板上に積層されたレジストをグレースケールマスクにより露光し、その後現像して、ドライエッチングにより該レジストのパターンを透明基板の表面に転写する方法が記載されている。

また、特許文献４には、非球面のマイクロレンズのレンズ曲面の作製方法の一例として、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせた方法が記載されている。当該文献に記載の方法は、レジストとマスクを介した基板にパターニングを施して初期穴を開孔し、その後レジストを介してマスクに等方性エッチング処理を施してマスクの開口部を広げる。その後、レジストを除去した上で、開口部が広げられたマスクを介して基板に対して異方性エッチング処理を施して掘り込み穴を開孔する。その後、掘り込み穴が設けられた基板に対して等方性エッチングを施し、凹部を形成する。

米国特許第６４１０２１３号明細書 日本国特表２００６−５００６２１号公報 日本国特開２０１７−８３８１５号公報 日本国特開２００７−１７１８５８号公報

Ｍｉｃｈａｅｌ Ｍｏｒｒｉｓ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ ｆｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｄｅｓｉｇｎ， ｆａｂｒｉｖａｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"

課題は、耐熱性や、紫外線を含む高エネルギー光耐性（すなわち、紫外光耐性や青紫光耐性や青色光耐性）が高いガラスで広角（例えば、全角で３０％以上）の光照射を実現しようとした場合、加工の困難性から実現が困難であるか、加工精度の低さから所望の光学特性（特に、照射平面における光強度の均一性）が得られない点にある。

レンズ面の形状が球面である球面レンズを用いて拡散角（全角）が３０°以上の広角の拡散素子を作製した場合、出射光束の光量分布は中心が強く周辺が弱い不均一の光量分布となる（図１９の（ａ）参照）。一方、レンズ面の形状が放物面などの非球面である非球面レンズを用いて同様の広角拡散素子を作製した場合、出射光束の光量分布を均一にできる（図１９の（ｂ）参照）。

なお、マイクロレンズアレイを用いれば、アレイ構造によって入射光束内の光量の均一化が可能であるが、個々のレンズの出射光束の光量分布に不均一が生じていると、各レンズの出射光束の重ね合わせである素子からの出射光束の光量分布にも不均一が生じてしまう。この問題は、照射範囲が広角の場合はより顕著に現れる。

このように、広い角度範囲に均一照射が可能な拡散素子を考えた場合、個々のレンズ形状は非球面が好ましい。しかし、一般に出射角の広角化に伴い、境界部分（最外周部）の傾斜が鋭角になるとともにサグ量も増加する。一例として、拡散角が３０°以上となる非球面レンズを考えると、少なくとも２０μｍ以上のサグ量が必要となる。

なお、ドライエッチングを利用すれば、異方性エッチングが可能であることから、基材表面を非球面形状に加工できる。加工方法としては、前述のグレースケールマスクを用いてフォトレジストの非球面レンズアレイを形成した後ドライエッチングする方法や、金型を用いて樹脂インプリントを行った後ドライエッチングする方法があげられる。

しかし、ドライエッチングは、レンズのサグ量が増加して（例えば、５μｍ以上）、境界部分が鋭角化すると、精度良く加工することが困難になる。一例として、ドライエッチングを利用してサグ量の大きいレンズ形状を加工した場合、鋭角でなければいけない境界部分が削れて鈍角化してしまう問題がある（図２０参照）。これはレンズアレイの境界の鋭角部分においてエッチングガスによる加工レートが局所的に大きくなることによるものである。図２０の（ａ）は所望の非球面形状を表し、図２０の（ｂ）は加工後の非球面レンズの形状を表している。なお、この場合はレンズアレイの材料は石英ガラスである。また、図２０の（ｂ）は凹レンズアレイであるが、凸レンズアレイの場合は、レンズアレイの境界の鋭角部までエッチングガスの加工が及ばないので加工レートが局所的に小さくなる。いずれの場合も、ドライエッチングは鋭角の境界部分（図２０の（ｂ）のα参照）を精度良く加工するのが困難である。

一方、ウェットエッチングでは、エッチングが等方的に進行するため、そのまま施すだけでは球面レンズしか加工できない。

このような加工の困難性から、個々のレンズのサグ量が２０μｍ以上となるようなマイクロレンズアレイを作製する場合、金型を用いる方法や、屈折マイクロレンズを等価回折マイクロレンズに転換するなどのアプローチなどが多くとられている（例えば、特許文献２参照）。

なお、非特許文献１の記載によれば、レーザーの書き込みシステムを用いると個々のレンズのサグ量が２０μｍ以上となるような非球面のマイクロレンズアレイであっても高精度に作製できるとある。しかし、特許文献１等に記載のレーザーの書き込みシステムは、ガラス基板上に樹脂性の凹凸構造が形成されるＰｏＧ（ｐｏｌｙｍｅｒ ｏｎ ｇｌａｓｓ）構成の拡散素子にしか適用できず、ガラス基板に直接マイクロレンズアレイを加工することはできない。なお、特許文献２にもガラス基板に直接加工する方法などは開示されておらず、やはりＰｏＧ構成を前提としていると考えられる。

ＰｏＧ構成の場合、使用環境によって耐熱性や紫外線を含む高エネルギー光耐性が問題となる。

例えば、光学装置に対する小型化や薄型化の要望に伴い、光学装置に含まれる照明モジュールの薄型化が要求される場合がある。照明モジュールの薄型化が進むと、光源と照明モジュール内で該光源からの光を拡散させる拡散素子との距離が近くなり、拡散素子の周囲環境が高温になることが考えられる。また、光源と拡散素子との距離に関わらず、光源の高出力化に伴い、拡散素子の周囲環境が高温になることも考えられる。また、動作時の周囲環境に限らず、拡散素子と光源とを一体化したモジュールを電子基板にリフローなどで実装する場合など、装置の実装過程で拡散素子の周囲環境が高温になることも考えられる。

また、このような照明モジュールが自動車に搭載される場合には、非常に厳しい耐環境性能が要求される。例えば、高温試験として１５０℃１０００時間、高温高湿試験として８５℃８５％ＲＨ１０００時間、ヒートサイクル試験として−５５℃から１２５℃５００サイクルなどが挙げられる。この場合、レンズには耐熱性のみならず、低吸湿性や照明モジュール材料との熱膨張率が略等しいことも求められる。

さらに、使用される光は近赤外光・可視光に限られない。例えば、紫外光や青紫光や青色光を用いる場合には、それら高エネルギー光の照射に伴う光学部材の劣化による光学特性の劣化も考慮する必要がある。

一般に、樹脂材料はガラス材料に比べて耐熱性および高エネルギー光耐性に劣り、また吸湿性も大きい。一般的なＰｏＧ構成の拡散素子の耐熱温度（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）は１２０℃程度であるが、熱膨張率の小さい材料として知られるホウケイ酸ガラスなどであれば、耐熱温度は２００℃以上にもなる。この場合の耐熱温度とは、常用使用温度のことを指す。したがって、そのような周囲環境に置かれる可能性がある場合には、樹脂材料を用いずに耐熱性や高エネルギー光耐性の高いガラス材料のみで素子が構成されることが好ましい。

しかし、ガラス基板の表面に対して、非球面でかつサグ量の深いマイクロレンズアレイを直接加工しようとすると、次のような問題がある。すなわち、ガラス基板は、ドライエッチングレートが非常に遅く、また結晶ではないため結晶異方性エッチングが利用できない問題がある。

例えば、特許文献３には、グレースケールマスクを利用することでガラス基板の表面を、球面以外のレンズ形状に加工する方法が記載されているが、拡散素子の拡散角（全角）に相当する半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）が最大でも１０°しかない。これはレンズアレイの境界の鋭角部分においてエッチングガスによる加工レートが局所的に大きくなることによるものと思われる。また、大きい拡散角を得ようとすると、レンズの深さが深くなるため、ドライエッチング工程における加工時間が長くなり生産性の観点からも好ましくない。

なお、特許文献４に記載の方法によれば、工程数は増えるが、ガラス基板の表面を非球面のレンズ形状に加工できる。しかし、特許文献４に記載の方法は、異方性エッチングを利用しており、材料が石英に限定されるなどの問題がある。

さらに、ドライエッチング工程で形成した階段状の形状を、なめらかな非球面形状にするためには、ウェットエッチングの加工量を大きくする必要があり、結果として拡散角が小さくなってしまう問題がある。

また、石英のウェットエッチング工程における加工レートは、ホウケイ酸ガラス、クラウンガラスと比較して、かなり小さいため、生産性の観点からも好ましくない。

本発明は、そのような課題に鑑みて、ガラス基板の表面に直接、広角（例えば、拡散角（全角）が３０°以上）への照射が可能な非球面レンズを精度良く加工できる非球面レンズの加工方法を提供することを目的とする。また、本発明は、広角への照射が可能で、かつ耐熱性や紫外光耐性の優れた拡散素子およびそのような拡散素子を備える照明モジュールを、高精度かつ生産性高く提供することを目的とする。

本発明による非球面レンズの加工方法は、ガラス基板に前処理を施す前処理工程と、前記前処理が施された前記ガラス基板にウェットエッチングを施すエッチング工程とを備え、前記前処理工程は、パルスレーザー光を前記ガラス基板のある位置に照射して前記ガラス基板内部の一部領域を改質させて、少なくとも前記パルスレーザー光を照射した位置において厚さ方向に密度分布を発生させる工程、または、化学的もしくは物理的な工法を利用して前記ガラス基板の表面に所定の楔形状の凹み部を形成する工程を含むことを特徴とする。

また、本発明による拡散素子は、ガラス基板と、前記ガラス基板の一方表面に直接加工された複数の凹型の非球面レンズとを備え、前記非球面レンズは前記ガラス基板の表面の少なくとも有効領域において隙間なく配置されており、前記非球面レンズの最大サイズが２５０μｍ以下であり、平行光をレンズが加工された面から前記有効領域に対して入射したときの出射光束の広がり角である拡散角が全角で３０°以上であることを特徴とする。

また、本発明による照明モジュールは、光源と、前記光源を実装する実装基板と、前記光源の上方に備えられる拡散機能を有する窓部材とを備え、前記窓部材が、本発明による拡散素子を有することを特徴とする。

本発明によれば、ガラス基板の表面に直接、広角拡散可能な非球面レンズを精度良く加工できる非球面レンズの加工方法を提供できる。また、本発明によれば、広角への照射が可能で、かつ耐熱性や紫外光耐性の優れた拡散素子およびそのような拡散素子を備える照明モジュールを、高精度かつ生産性高く提供できる。

図１は、第１の実施形態にかかる非球面レンズの加工方法の例を示す説明図である。 図２は、エッチング工程後に得られた非球面レンズ２の断面図および上面図である。 図３は、エッチング過程におけるプロセス依存性を示す説明図である。 図４は、エッチング過程におけるプロセス依存性を示す説明図である。 図５は、第１の実施形態の加工方法により得られた複数の非球面レンズ２を備える拡散素子１０の例Ａ−２〜Ａ−６における配光特性の測定結果を示すグラフである。 図６は、第１の実施形態の加工方法により得られた複数の非球面レンズ２を備える拡散素子１０の例Ｂ−１〜Ｂ−６における配光特性の測定結果を示すグラフである。 図７の（ａ）は、表１で示した各例におけるレーザー焦点位置Ｌ_ｆと拡散角および中心強度の関係を示すグラフである。図７の（ｂ）は、表２で示した各例におけるレーザー焦点位置Ｌ_ｆと拡散角および中心強度の関係を示すグラフである。 図８は、第１の実施形態の加工方法により得られた非球面レンズ２の断面形状を示すグラフである。 図９は、第１の実施形態の加工方法により得られた拡散素子１０を用いた照明モジュール１００の例を示す構成図である。 図１０は、第２の実施形態の設計思想の概略を示す説明図である。 図１１は、第２の実施形態にかかる非球面レンズの加工方法の例を示す説明図である。 図１２の（ａ）はサンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程における加工結果の例を示すグラフ、図１２の（ｂ）はサンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程後にウェットエッチングを行って得た非球面レンズ２の断面形状を示すグラフである。 図１３は、サンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程後にウェットエッチングを行って得た拡散素子１０によって照射される光のある照射平面の光強度分布を示すグラフである。 図１４は、例１−１の拡散素子１０の上面図である。 図１５は、例１−１のレーザー顕微鏡による観察画像である。 図１６は、例１−５、例１−２３に対する光線追跡シミュレーションによって計算された光強度分布を示すグラフである。 図１７は、比較例１、比較例２に対する光線追跡シミュレーションによって計算された光強度分布を示すグラフである。 図１８は、例１−５の拡散素子１０を照射モジュール１００に適用した場合の配光シミュレーションの計算結果を示すグラフである。 図１９は、球面レンズと非球面レンズの出射光束の光量分布の例を示す説明図である。 図２０は、非球面レンズの形状精度の例を示す説明図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態の例について説明する。図１は、本実施形態にかかる非球面レンズの加工方法の例を示す説明図である。当該方法は、例えば、拡散素子を作製するために使用される。

図１に示す例では、まず、非球面レンズ２を加工したいガラス基板１に対して高出力のパルスレーザー光３を照射して、ガラス基板１内部の一部の領域を改質させる（図１の（ａ）：レーザー改質工程）。パルスレーザーは短い時間の中にエネルギーを集中させることができるため、連続発振のレーザーと比較して高いピーク出力を得ることができる。

レーザー改質工程では、レーザーから照射される強力な光による電場を利用して、ガラス基板１の媒質中に高次の非線形分極（多光子吸収、自己収束、自己位相変調等の非線形光学効果）を誘起させる。以下の式（１）は、非線形光学効果としての屈折率ηの光強度Ｉ［Ｗ／ｍ^２］依存性を表す。ここで、η_０は線形屈折率、γは非線形屈折率、ｎは非線形分極の次数を表す。また、以下では、光強度Ｉの単位を［Ｗ／ｍ^２］とするが、より具体的には単位面積あたりのポインティングベクトルの時間平均値で与えられるものとする。

強い入射光が媒質に入射されると、媒質中には入射光の電場により、線形分極に加えて、光と媒質が強く相互作用する非線形分極が誘起される。誘起される非線形分極は電場の高次の項に比例するとされている。一般に、ガラス材料のような等方的媒質中では偶数次の項は中心対称性により消滅するため、ガラス材料が内因的に有する最低次の項は三次の非線形分極となる。なお、３次の非線形分極による屈折率変化は光Ｋｅｒｒ効果とも呼ばれる。ここで、式（１）の係数γが正のとき、ビーム中心部分の光強度が強いために、屈折率は中心部分で高くなり、凸レンズとして作用する。このような作用は、自己収束（Ｓｅｌｆ−Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）と呼ばれる。媒質中でレーザービームが自己収束により絞り込まれると、その部分（高密度領域）において強度がさらに高くなる。強度が閾値を超えるとダメージとなるが、強度を調整することでガラス基板１内部の一部領域（例えば、図中の点線で囲んだ領域（改質領域）１１等）を改質（密度変化もしくはクラックの発生）させることができる。

密度変化が起こる原理は厳密には解明されていないが、実験を繰り返し得られたデータ、特に当該工程後のウェットエッチング工程において発現する現象（すなわち、異方性）を解析した結果、おそらく媒質中の上記高密度領域での多光子吸収過程において、密度分布が発生したものと考えられる。一般に、屈折率や吸収係数等の光学定数は、入射される光の電場強度が弱いときは定数とみなすことができるが、パルスレーザー光３を集光するケースのように、光強度が高くなる場合は、光強度に依存して変化する。このような現象は非線形光学現象と呼ばれる。非線形光学現象を利用することにより、従来の弱い光に対して透明であった物質でも、光の強度が高くなる領域において局所的に吸収を発生させることができる。光吸収が発生する箇所では、励起状態での電子衝突により生じる高圧プラズマなどの影響により局所的に高温となってガラス転移点を超え、その後（パルス光照射であるため）急冷される。このような過程により、ガラス基板１内部に密度分布が発生すると考えられる。

本工程では、そのようなガラス基板１内部に密度分布を生じさせることができる強度および周波数をもつレーザー光をガラス基板１に照射することにより、ガラス基板１内部の一部領域を改質させる。より具体的には、ガラス基板１の厚み方向の特定の部分でレーザー強度が所定の閾値以上となるように、レーザーのパワーおよびパルス幅を調整して照射する。レーザーのパワーは、例えば、注入電力により調整すればよく、５．０Ｗ以上が好ましい。なお、パルス幅は、照射後急冷させる必要があることから、２０ｐｓ以下が好ましく、１０ｐｓ以下がより好ましい。また、パルス幅の下限は、特に限定されないが、例えば、１ｐｓ以上であってもよい。

参考までに示すと、ｓｉｍｐｈｏｔｅｋ社が公開しているシミュレーションソフト（ＳｉｍｐｈｏＳＯＦＴ（登録商標））のデータによれば、シリカ中で自己収束が得られる最小パワーＰ_ｃｒは１．８３６λ^２／（４ηη_０γ）、約３ＭＷとされている。図１の（ａ）に示すように、本実施形態では、対物レンズ３１を用いて、パルスレーザー光３から高強度電場を作り出す。以下、説明のため、このようなレーザー照射により密度変化が生じた領域を、改質領域１１と呼ぶ場合がある。

本加工方法においてターゲットとして用いられるガラス基板１は、入射するパルスレーザー光３の波長に対して高い光透過性を有する必要がある。例えば、厚さ１０ｍｍにおける内部透過率が好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．５％以上である。パルスレーザー光３の波長において吸収係数の大きい材料（例えば、０．００００１以上）を用いると、熱吸収に伴うガラスアブレーション過程が発生してしまい、上述したような改質効果が期待できないためである。また、非線形感受率については特に限定されないが、加工後のレンズにおいて要求される特性（例えば、使用波長に対する光透過性や耐熱性や高エネルギー光耐性等）を有することを前提とする。レーザー光３の波長は、特に限定されないが、１０２６ｎｍ、１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍ等が挙げられる。

レーザー改質工程では、このようなパルスレーザー光３を、ガラス基板１面内において非球面レンズを加工したい位置（ｘｙ平面上の位置）に合わせて照射する。例えば、パルスレーザーを非球面レンズの光軸位置と重なるように位置合わせした上で、レーザー照射を行う。なお、本実施形態では、このようなパルスレーザー光３を、非球面レンズを形成したい面ｆ_１とは反対側の面ｆ_２（対向面）側から照射している。

図１の（ａ）の吹き出しに、加工したい非球面レンズ２のレンズ面２１と改質領域１１との位置関係の概略イメージを示す。なお、当イメージはあくまで概略的なものであり、実際に加工される非球面レンズ２のレンズ面２１の形状は、ガラス基板１の材質の非線形感受率、レーザー光の強度および焦点位置、並びに後段のエッチング工程におけるエッチング時間といった複合的な要素により決定される。

このとき、レーザー光の焦点位置（線形光学により計算される焦点位置）は、レーザー光の入射面とは対向側の面ｆ_１よりも外側であってもよい。すなわちガラス基板１の厚さをｈ、レーザー光の入射面（図中のｆ_２）と線形光学により計算されるレーザー焦点位置との距離をＬ_ｆ（以下、単に“レーザー焦点位置Ｌ_ｆ”という）とした場合、Ｌ_ｆ＞ｈであってもよい。そのような場合であっても実験の結果、ガラス基板１内に改質の効果（すなわち、ウェットエッチングの異方性）が認められた。なお、レーザー照射を行う基板の向きは上記に限定されず、凹型の非球面レンズの凹部に相当する領域内に少なくとも改質領域１１を生じさせることができればよい。

レーザー改質工程では、加工したい非球面レンズ２の数だけ、ガラス基板１の面内における当該非球面レンズ２を形成したい位置に対応させて、レーザー照射を行えばよい。このとき、非球面レンズごとにレーザー照射のプロファイル（例えば、レーザー焦点位置Ｌ_ｆや照射時間（パルス幅やショット数）、パワー）を変化させてもよい。

レーザーの照射位置は、ガラス基板１を可動ステージに乗せ駆動することによって調整可能であるが、この方式に限定するものではない。他の方式の例として、レーザーの光路を調整する方法があり、光路中にガルバノミラーとテレセントリックｆθレンズを設置することによっても実現できる。

レーザー改質工程が完了した後、ウェットエッチングを行う（図１の（ｂ）〜（ｃ）：エッチング工程）。エッチング工程では、所望の非球面形状となるよう予め定めておいた所定のエッチング時間分、等方性エッチング処理を行ってよい。エッチング工程では、非球面レンズ２を加工したい位置に合わせて開口を有するレジストパターンを有するマスク（レジストマスク）を形成する工程が含まれていてもよいが、仮にそのようなマスクを形成しなくても良好な非球面形状を得ることが可能である。なお、マスクは上記のような開口を有するもの以外に、有効領域外を覆うようなマスク等を形成することも可能である。

本実施形態のエッチング工程では、等方性のエッチング処理を行うが、事前のレーザー改質工程における改質効果により、エッチングに異方性（具体的には、厚み方向のエッチング量の増加）が生じる。その結果、ガラス基板１表面を非球面形状に加工できる。図１の（ｄ）では、エッチング工程後に得られる非球面レンズ２の例とともに、本加工方法によって得られる拡散素子１０の例を示している。本例の拡散素子１０は、ガラス基板１の一方の面内の少なくとも有効領域内において複数の非球面レンズ２が隙間なく加工されている。

図２に、エッチング工程後に実際にガラス基板１表面に加工された非球面レンズ２の断面図および上面図を示す。図２に示すように、本実施形態の加工方法によれば、様々な形状の非球面レンズ２を、ガラス基板１の表面に直接加工できる。

また、図３および図４に、エッチング過程におけるプロセス依存性（特に、レーザー焦点位置Ｌ_ｆに対するエッチング挙動）を示す。なお、図３では、１ｍｍ厚のガラス基板１に対して、５倍の対物レンズ３１を介して、パルス幅１０ｐｓ、周波数７５ｋＨｚ、波長１０２６ｎｍ、パワー５．２５Ｗのパルスレーザー光３を非球面レンズ２の形成位置に対して１ｓｈｏｔ照射してレーザー改質を行った３つの例（例Ａ−１〜Ａ−３）に対するエッチング結果を示している。なお、例Ａ−１〜Ａ−３では、各非球面レンズに対応する位置でのレーザー焦点位置Ｌ_ｆをそれぞれ、＋１．０２５、＋１．０５０、＋１．０７５ｍｍとした。また、図４は、１ｍｍ厚のガラス基板１に対して、同様のパルスレーザー光を１０倍の対物レンズ３１を介して照射してレーザー改質を行った３つの例（例Ｂ−１〜Ｂ−３）に対するエッチング結果を示している。なお、例Ｂ−１〜Ｂ−３では、各非球面レンズに対応する位置でのレーザー焦点位置Ｌ_ｆをそれぞれ、＋０．７５、＋０．７６、＋０．７７ｍｍとした。なお、いずれの例も拡散角（全角）が７０°近傍となるような非球面レンズを、Ｘ方向のピッチＰｘ＝１００μｍ、Ｙ方向のピッチＰｙ＝８０μｍで並べた拡散素子を設計例としている。また、ガラス基板１として、ショット社製ホウケイ酸ガラスＤ２６３Ｔｅｃｏを用いた。なお、当該ガラス材料の技術データは、以下の通りである。

・面粗さ：１ｎｍＲＭＳ未満
・視感透過率 ＴｖＤ６５（ｔ＝１．１ｍｍ）：９１．７％
・平均線形熱膨張係数：７．２×１０^−６Ｋ^−１
・ガラス転移温度Ｔｇ：５５７℃
・誘電定数ε_ｒ（１ＭＨｚ時）：６．７
・Ｄ線屈折率ｎ_Ｄ：１．５２３０
・密度ρ（４０℃／ｈ アニール条件）：２．５１ｇ／ｃｍ^３

なお、ガラス基板１に用いられるガラス材料は、上記のホウケイ酸ガラスに限定されるものではなく、例えば、耐熱性を備えたテンパックス、パイレックス（登録商標）や、Ｂ２７０ｉなどのクラウンガラスや、石英などでもよい。

図３に示すように、例えば、例Ａ−１では、約３００分間の等方性エッチングで非球面レンズ２が得られた。また、例Ａ−２，Ａ−３では、約２４０〜３００分間の等方性エッチングで非球面レンズ２が得られた。また図４に示すように、例Ｂ−１〜Ｂ−３では、約２４０〜３００分間の等方性エッチングで非球面レンズ２が得られた。

ところで、図２〜図４に示す例からもわかるように、本実施形態の加工方法により得られる非球面レンズ２のレンズ面には、正面視において同心円状の多段の波紋模様を形成するわずかな段差が確認されたが、いずれも問題ないレベルであった。

以下に、本実施形態の加工方法により得られた非球面レンズによる配光特性の測定結果をいくつか示す。

図５の（ａ）〜（ｅ）は、上記の加工方法により得られた複数の非球面レンズ２を備える拡散素子１０の例Ａ−２〜例Ａ−６における配光特性の測定結果を示すグラフである。例Ａ−２〜例Ａ−６はそれぞれ、５倍の対物レンズを介してパルスレーザー光を照射してレーザー改質させた後にエッチングをして得られた拡散素子１０の例である。なお、例Ａ−４〜Ａ−６では、各非球面レンズに対応する位置でのレーザー焦点位置Ｌ_ｆをそれぞれ、＋１．１００、＋１．１２５、＋１．１５０ｍｍとした。なお、他の点は例Ｂ−１〜Ｂ−３と同じである。なお、図５の（ａ）〜（ｅ）では、所定の照射平面において、ｘ＝０の位置（中心）におけるｙ軸方向断面視の光強度分布を実線で示し、ｙ＝０の位置（中心）におけるｘ軸方向断面視の光強度分布を破線で示している。

表１に、例Ａ−２〜例Ａ−６の拡散角および照射面での中心強度の測定結果を示す。なお、ここで中心強度は、所定の照射面での光強度分布における最強強度（ｍａｘ強度）で規格化している。なお、表１には、上記の例Ａ−２〜Ａ−６に加えてそれらと同じプロファイルのパルスレーザー光を同一箇所に２ｓｈｏｔ照射した例である例Ａ−２’〜Ａ−６’の測定結果も併せて示している。なお、いずれの例もエッチング時間は３００分とした。

また、図６の（ａ）〜（ｆ）は、上記の加工方法により得られた複数の非球面レンズ２を備える拡散素子１０の例Ｂ−１〜Ｂ−６における配光特性の測定結果を示すグラフである。なお、例Ｂ−１’〜Ｂ−６’はそれぞれ、１０倍の対物レンズを介してパルスレーザー光を同一箇所に２ｓｈｏｔ（２パルス分）照射してレーザー改質させた後にエッチングをして得られた拡散素子１０の例である。例Ｂ−１’〜Ｂ−６’では、各非球面レンズに対応する位置でのレーザー焦点位置Ｌ_ｆをそれぞれ、＋０．７５０、＋０．７６０、＋０．７７０、＋０．７８０、＋０．７９０、＋０．８００ｍｍとした。なお、他の点は例Ｂ−１〜Ｂ−３と同じである。なお、図６の（ａ）〜（ｆ）でも、所定の照射平面において、所定の照射平面において、ｘ＝０の位置（中心）におけるｙ軸方向断面視の光強度分布を実線で示し、ｙ＝０の位置（中心）におけるｘ軸方向断面視の光強度分布を破線で示している。

表２に、例Ｂ−１’〜例Ｂ−６’の拡散角および照射面での中心強度の測定結果を示す。なお、ここで中心強度は、所定の照射面での光強度分布における最強強度（ｍａｘ強度）で規格化している。なお、表２には、上記の例Ｂ−１’〜Ｂ−６’に加えてそれらと同じプロファイルのパルスレーザー光を１ｓｈｏｔのみ照射した例である例Ｂ−１〜Ｂ−６の測定結果も併せて示している。なお、いずれの例もエッチング時間は１８０分とした。

また、図７の（ａ）、（ｂ）に、表１および表２に示した各例におけるレーザー焦点位置Ｌ_ｆと拡散角および中心強度の関係を示す。図７の（ａ）は、表１で示した各例におけるレーザー焦点位置Ｌ_ｆと拡散角および中心強度の関係を示すグラフである。なお、図７の（ａ）において、点線は１ｓｈｏｔのパルス照射によるレーザー改質を行った例Ａ−２〜Ａ−６の測定結果であり、実線は２ｓｈｏｔのパルス照射によるレーザー改質を行った。
例Ａ−２’〜Ａ−６’の測定結果である。図７の（ａ）に示すように、レーザー焦点位置Ｌ_ｆが大きくなる程、拡散角が狭くなる傾向がわかる。また、レーザー焦点位置Ｌ_ｆが大きくなる程、中心強度が高くなる（すなわち図５のグラフにおける中心の窪みが浅くなる）傾向がわかる。なお、同一箇所にパルスを照射した効果は見られなかった。

図７の（ｂ）は、表２で示した各例におけるレーザー焦点位置Ｌ_ｆと拡散角および中心強度の関係を示すグラフである。なお、図７の（ｂ）において、点線は１回のパルス照射によるレーザー改質を行った例Ｂ−１〜Ｂ−６の測定結果であり、実線は２回のパルス照射によるレーザー改質を行った例Ｂ−１’〜Ｂ−６’の測定結果である。図７の（ｂ）に示す例では、拡散角及び中心強度に関して、レーザー焦点位置Ｌ_ｆ依存性は見られなかった。なお、本例では、同一箇所にパルスを２ｓｈｏｔ照射した効果として、中心強度においてレーザー焦点位置Ｌ_ｆのシフト性（１ｓｈｏｔのパルス照射の場合と比較して、より小さい値でのレーザー焦点位置Ｌ_ｆの特性を示す傾向）が見られた。

また、上記の加工方法により得られる複数の非球面レンズ２から構成されるマイクロレンズアレイの特徴として、ドライエッチング等の異方性エッチング処理を施して得られる複数の非球面レンズから構成されるマイクロレンズアレイと比較して、境界部（図１の（ｄ）のα参照）の鋭角性が維持される点が挙げられる（図３、４、８等参照）。図８は、上記の加工方法により得られたある非球面レンズ２の断面形状を示すグラフである。例えば、実際のガラス基板に対して行った実験結果によれば、ドライエッチングの場合、設計時の境界部分における傾斜角（最大傾斜角）が２９．１°以上になると、実際の加工後に得られたレンズの境界部分において鈍角化がみられた。一方、本加工方法によれば、最大傾斜角４０〜６０°であっても高精度に加工できた。このように、本加工方法によれば、ウェットエッチングを用いることで、最大傾斜角が３０°以上の非球面レンズも加工可能である。なお、これらの最大傾斜角は、例えば、レンズの最大サイズが２５０μｍ以下のマイクロレンズに対しても有効な数字である。例えば、図８に示す例では、各レンズのサイズが１００μｍ程度のマイクロレンズアレイにおいて、最大傾斜角６８°を実現できている。最大傾斜角は、特に限定されるものではないが、７０°以下が望ましい。これは、傾斜角が７０°を超えると、マイクロレンズアレイ上の反射防止膜の設計が難しくなるからである。また、マイクロレンズアレイの非球面形状の製造公差も厳しくなる。また、各レンズのサイズは、ウェットエッチングの加工公差の観点から２０μｍ以上が望ましい。

また、上記の加工方法により得られる非球面レンズ２の他の特徴として、階段状の初期穴等を形成した上でウェットエッチング等の等方性エッチング処理を施して得られる非球面レンズと比較して、底辺部（図１の（ｄ）のβ参照）に平坦部が形成されないもしくは形成されても当該領域が小さい点が挙げられる（図３、図４等参照）。

このような特徴を有することから、本実施形態の加工方法を利用すれば、広範囲（例えば、拡散角が３０°以上）への照射が可能であるとともに、周囲の光強度に比べて中心強度が突出して高くなるような不均一な光量分布ではなく、中心強度が比較的抑えられた拡散素子１０を得ることも可能である。

また、図９は、本実施形態の加工方法により得られた拡散素子１０を用いた照明モジュール１００の例を示す構成図である。本実施形態の加工方法によれば、ガラス基板１の表面に直接、放物面に近い形状で、かつ拡散角３０°以上を実現可能な曲率半径Ｒを有する複数の非球面レンズ２を少なくとも有効領域内において隙間なく加工することができる。そのため、例えば、図９に示すような照明モジュール１００の窓部材に適用すれば耐熱性に優れた窓部材とできる。窓部材が高い耐熱性を有していれば、例えば、光源５と窓部材としての拡散素子１０との距離を近づけることができ、照明モジュールの低背化が可能になる。例えば、図に示す構成で、ｈ_１＝０．３ｍｍ、ｈ_２＝０．３ｍｍ、ｈ_３＝１ｍｍ程度であっても実現可能である。また、窓部材が高い耐熱性を有することにより、供給先で照明モジュール１００をリフローでアセンブリしたい等の要望にも応えられる。

一例として、光源５として３．５ｍｍ角のＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）アレイを有する照明モジュール１００を考える。このような照明モジュール１００において、拡散素子１０としては、拡散角３０°以上、レンズアレイのピッチが１００μｍ程度以下（入射ビーム径１ｍｍ程度を想定）で、かつリフロー耐熱性を有することが望まれる。なお、拡散素子１０は、強度分布均一化のために、コーニック係数が−１近傍であることが好ましい。本実施形態の加工方法によれば、そのような拡散素子１０を容易にかつ高い加工精度で得ることができる。なお、リフロー耐熱性は通常のガラス材料であれば十分備えている。

このとき、拡散素子１０は、ガラス基板１の表面に直接、放物面形状の非球面レンズ２が複数、隙間なく加工された構成であってもよい。その場合において、各々の非球面レンズ２のレンズ形状は、以下の式（２）で示す式において、ｋ＝−１となる形状に対してフィッティングした際、形状差のＲＭＳ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）値が０．１μｍ以下であるとより好ましい。以下、この形状、すなわちｋ＝−１となる形状との形状差のＲＭＳ値が０．１μｍ以下である形状も放物面と呼ぶ。また、以下では、このような所望の形状の非球面式との形状差のＲＭＳ値を、非球面レンズの面精度と呼ぶ場合がある。

式（２）において、ｚはレンズのサグ量、ｒは光軸からの動径距離、Ｒは曲率半径、ｋはコーニック係数を表している。なお、式（２）は一般の非球面式における全ての非球面高次係数を０にしたものに相当する。この場合、コーニック係数ｋ＜−１の場合に双曲面、ｋ＝−１の場合に放物面、−１＜ｋ＜０、ｋ＞０の場合に楕円面、ｋ＝０の場合に球面となる。放物面形状が所望形状の場合、各々の非球面レンズ２のレンズ形状が、式（２）において、コーニック係数がｋ＝−１となるようなレンズ形状であればよい。

なお、実際のレンズ形状を測定した結果、非球面係数が０でない場合には、レンズ面の形状を式（２）で示す式でフィッティングする。

さらに、拡散素子１０は、熱膨張係数が、実装基板４や枠材６と大きく異ならないのが好ましく、例えば、０〜３００℃で（７０±１０）×１０^−７［／Ｋ］程度が好ましい。したがって、照明モジュール１００の窓部材に適用される拡散素子１０のガラス基板１を選ぶ際は、上記の条件に加えて、熱膨張係数が上記範囲にあるものがより好ましい。また、照明モジュール１００において、凹レンズのレンズアレイを有する拡散素子１０を窓部材とする場合であって特に広角拡散板として作用させる場合は、レンズ形成面（図１でいうｆ_１）が下向き（すなわち、光入射側）になるように実装するとより好ましい。

実施形態２
次に、本発明の第２の実施形態の例について説明する。第１の実施形態で図３および図４によりエッチング過程の一部を示したが、エッチングの結果、特に放物面に近い非球面レンズ２が得られる際には、エッチング過程中（例えば、例Ａ−１〜Ａ−３のエッチング時間が１２０〜１８０分の時点付近や、例Ｂ−１〜Ｂ−３のエッチング時間が６０〜１２０分時点付近等）にエッチングによる加工形状が楔型になっているのが確認された。

図１０は、本実施形態の設計思想の概略を示す説明図である。図１０の（ａ）には、所望の非球面形状としての放物面形状の例が示されている。今、図１０の（ａ）に示す所望の非球面形状から等方性のエッチング加工を逆行させることを考える。図１０の（ｂ）には、そのような所望の非球面形状から等方性のエッチング加工を逆行させていく様子が示されている。すると、図１０の（ｃ）に示すように楔形の凹み部２２が出来上がる。図１０の（ａ）〜（ｃ）は、ガラス基板１の表面を、そのような楔形の凹み部２２に加工することができれば、所望の非球面形状を得ることができることを表している。

図１１は、本実施形態にかかる非球面レンズの加工方法の例を示す説明図である。本実施形態の加工方法は、上述の設計思想に基づいて、ガラス基板１の表面に対して、まず所望の非球面形状から等方性のエッチング過程を逆行して得られる楔形状を有する凹み部２２を加工する（図１１の（ａ）：楔形状加工工程）。ここで、凹み部２２の楔形状は、Ｖ字形状のように先端が尖った形状が好ましいが、ガラス基板１の表面において開口部をなす上端が広く、下方に向かってだんだん狭くなるような形状であればいずれの形状でもよい。このとき、図１１の（ａ）に吹き出しで示すように、凹み部２２の下端をなす先端部において、基板面と略平行となる平坦部が含まれていてもよい。ただし、平坦部の幅Ｗｂは２μｍ以下が好ましい。

また、凹み部２２は、その形状を式（２）でフィッティングしたときのコーニック係数ｋ’が、最終的に加工したい非球面レンズ２のコーニック係数ｋの値よりも小さい値となる楔形状とするのが好ましい。ここで、非球面レンズ２のコーニック係数ｋは、所望の非球面レンズ２のレンズ面２１の面形状を式（２）でフィッティングした後の値でもよい。一例として、所望の非球面レンズ２のレンズ面２１の形状が放物面（コーニック係数ｋ＝−１）であれば、凹み部２２の形状を式（２）でフィッティングしたときのコーニック係数ｋ’が、ｋ’＜−１となるような楔形状とするのが好ましい。後段のウェットエッチングによって楔形状の傾斜よりも加工後の非球面レンズ２の傾斜が滑らかになる（鈍角化する）ためである。

楔形状加工工程でも、ガラス基板１の表面上に加工したい非球面レンズ２の数だけ、ガラス基板１の面内において非球面レンズ２を形成したい位置に凹み部２２を加工する。このとき、形成位置ごとに、対応する非球面レンズ２のレンズ面２１の形状に合わせて楔形状加工時のプロファイルを変化させてもよい。

楔形状加工工程が完了した後、ウェットエッチングを行う（図１１の（ｂ）：エッチング工程）。エッチング工程では、所望の非球面形状となるよう予め定めておいた所定のエッチング時間分、等方性エッチング処理を行えばよい。

図１１の（ｃ）では、本実施形態のエッチング工程後に得られる非球面レンズ２の例とともに、ガラス基板１の一方の面上に複数の非球面レンズ２が隙間なく加工された拡散素子１０の例を示している。

このように、本実施形態によっても様々な形状の非球面レンズ２が得られる。特に、凹み部２２において所望の楔形状が得られれば、最終的に得られる非球面レンズ２についても高い形状精度が得られる。

ガラス基板１に対する楔形状の加工方法としては、例えば、次のようなものが挙げられる。

・サンドブラスト加工（マイクロブラスト加工）
・ダイサーハーフカット加工
・ドライエッチング
・ドリル加工

サンドブラスト加工を利用すると、砥粒の吹き付けによる脆性破壊原理により、微細な立体加工が可能になる。例えば、楔形状の凹み部２２を形成したい位置に合わせて開口を有するレジストパターンマスクをガラス基板１の表面上に形成した後、砥粒を圧縮エアーを使用して高速で被加工物であるガラス基板１表面に噴射することにより、微細加工を行う。

このとき、砥粒の大きさ（粒径）は、楔形状の尖度向上（先端の鋭角化）のため、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましいが、ガラス基板１の材料によってはこの限りではない。また、砥粒は小さいほど好ましいが、１μｍ以上が入手容易であり好ましい。

サンドブラスト加工を利用した楔加工工程では、砥粒の大きさ以外に、加工時間（吹き付け時間）、エアー圧力、レジスト穴径、吹き付け位置（例えば、先端に集中させる等）等を調整して、所望の楔形状を得る。

図１２の（ａ）は、サンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程における加工結果の例を示すグラフである。図１２の（ａ）では、ブラスト加工の加工条件を変えた５つの例Ｃ−１〜Ｃ−５によるブラスト加工の結果得られた凹み部２２の断面形状を表している。なお、各例の加工条件は表３の通りである。

また、図１２の（ｂ）は、サンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程後にウェットエッチングを行って得た非球面レンズ２（より具体的には、ガラス基板１上で凹レンズアレイを構成する複数の非球面レンズ２）の断面形状を示すグラフである。図１２の（ｂ）に示す例では、レンズ底部で傾斜が緩くなる領域がみられるが、境界部の鋭角性は良好に保たれているのがわかる。なお、レンズ底部での傾斜が鈍角化すると、その部分に照射した光が拡散されにくいため、照射平面における中心領域の強度が他の領域と比べて高くなることが考えられる（後述の図１３の（ｂ）参照）。このような中心強度が問題となる場合には、該鈍角化を防ぐ対策として、凹み部２２を形成する際に先端部の尖りが鈍らないようにすればよい。一例として、先端部に向けて噴射させる砥粒を多くするなど、砥粒の集中度を高めてもよい。

また、図１３の（ａ）は、サンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程後にウェットエッチングを行って得た拡散素子１０に平行光を入射したときの、ある照射平面での光強度分布図であり、図１３の（ｂ）は当該照射平面における一軸方向（Ｙ軸方向）での光強度の測定結果を示すグラフである。ここで、拡散素子１０は、より具体的には、サンドブラスト加工を利用した楔形状加工工程後にウェットエッチングを行って得た複数の非球面レンズ２を有するガラス製の拡散素子１０である。なお、図１３の（ｂ）に示すように、本例の拡散素子１０は、中心強度が他の領域に比べて高くなってはいるが、拡散角はほぼ５０°となっており、広角拡散を実現している。

一般に、サンドブラスト加工は、加工形状の自由度が高く、拡散角の設計自由度を高くできる。例えば、サンドブラスト加工によって凹み部２２を加工した場合、エッチング後の非球面レンズ２においてＸ方向およびＹ方向の拡散角（全角）が５０°以上といった広角のレンズ面形状も容易に加工できる。また、例えば、縦横比（開口部の直径ｗ_ｔに対する深さｈ_ｔｂの比ｈ_ｔｂ／ｗ_ｔ）が２以上といったような鋭利な楔形状の凹み部２２も加工できる。また、サンドブラスト加工は、擦る・削るといった物理的な工法による加工のため、加工対象物の素材が限定されないという利点がある。

ダイサーハーフカット加工は、ダイシングブレードを利用して、ガラス基板１表面を切削する際、ガラス基板１を下面までカットせずに切れ目を入れる加工である。このようなダイシングブレードによるハーフカット技術を利用しても、楔形状の凹み部２２を加工できる。

ドライエッチングを利用した楔形状の加工方法は、例えば、グレースケールマスクを用いたドライエッチングを行うことで、楔形状を加工できる。なお、ドライエッチングで非球面レンズ２を加工すると、基板面または隣り合う非球面レンズ２との境界部付近の傾斜が鈍角になるなど形状精度が良くない。しかし、楔形状の凹み部２２をまずドライエッチングで加工した上で、ウェットエッチングにより非球面レンズ２に加工することで、高い形状精度で非球面レンズ２を加工できる。

ドリル加工は、先端が鋭利なドリルを用いてガラス基板１の表面を切削する方法である。非球面レンズの大きさによっては、ドリル加工でも楔形状の凹み部２２を加工できる。

このように、本実施形態の加工方法によっても、ガラス基板１の表面に直接、広範囲（例えば、拡散角が３０°以上）への照射が可能な拡散素子１０を得ることができる。また、得られた拡散素子１０を、例えば、上記の図９に示すような照明モジュール１００の窓部材に適用すれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態では、レーザー改質工程を含む方法と、楔形状加工工程を含む方法とを別々の加工方法として示したが、上記２つの工程を、いずれもウェットエッチングの最中もしくは前段階でガラス基板１の表面に楔形状の凹み部２２を発現させるための工程とみなすことも可能である。

すなわち、本発明の非球面レンズの加工方法は、前処理工程とその後のエッチング工程の主に２つの工程を有し、前処理工程で、その後のエッチング工程の最中またはエッチング工程が始まる前にガラス基板１の表面に所定の楔形状の凹みを発生させるために、ガラス基板に対してレーザー改質を行うか、またはガラス基板の表面に対して化学的もしくは物理的な工法を利用して所定の楔形状の凹み部を形成することを特徴とする。また、ガラス基板の面内に複数の非球面レンズを加工する場合、前処理は、ガラス基板の面内の複数の非球面レンズの形成位置に対応する複数の位置において行われてもよい。

次に、実施例を用いて上記の実施形態についてより具体的に説明する。以下に示す例１−１〜１−２５はそれぞれ、上記の第１の実施形態の加工方法を用いて得られた拡散素子１０の例である。各例の拡散素子１０は、図１の（ｄ）に示すように、ガラス基板１の一方表面に直接、複数の凹型の非球面レンズ２から構成される凹レンズアレイが加工される構成である。

表４に、各例で異なる加工条件および作製された拡散素子１０が備える１つの非球面レンズ２に対して行ったフィッティング結果を示す。

各例の拡散素子１０はそれぞれ、次のようにして作製した。まず、ガラス基板１として、およそ３ｃｍ角のショット社製ホウケイ酸ガラスＤ２６３Ｔｅｃｏで形成される厚さ１ｍｍｔの両面研磨基板を準備した。次いで、当該ガラス基板１を、ＸＹＺ方向に駆動できるステージにセットする。このとき、レーザーは、ステージに対して上側から任意の位置に照射可能である。ステージ上のガラス基板１に対して、Ｘ方向およびＹ方向の格子状に等間隔ピッチで照射を行った。照射に用いたレーザー光のプロファイルは、次の通りである。すなわち、波長１０２６ｎｍのパルスレーザーであり、パルス幅は１０ｐｓ、繰り返し周波数は７５ｋＨｚである。

上記のレーザー光を、対物レンズに入射して、ガラスの厚み方向の特定の部分のみでレーザー光の電場強度が高くなるようにした。対物レンズは、５倍または１０倍のレンズを採用した。本例では、レーザー光のパワーについて、多光子吸収過程（より具体的にはそれに伴って基板１内部に密度分布が形成される過程）が発生するように、注入電力を調整した。本例のプロファイルではレーザー光の出力は５．２５Ｗであった。各例における他の照射条件（焦点位置Ｌ_ｆおよびレンズ倍率）は上記の表４に示すとおりである。

このようなパルスレーザー光による照射を、ガラス基板１の非球面レンズ２の各形成位置に対して１ｓｈｏｔ照射した後、当該ガラス基板１を、５％フッ化水素酸溶液中に投入してウェットエッチングを実施した。このとき、フッ化水素酸は２５℃とし、エッチング溶液の濃度分布を最小限に抑制すべく、マグネットスターラーで撹拌を行った。なお、改質前のガラス基板１に対する加工レートは、０．３９μｍ／ｍｉｎであった。

所定のエッチング時間経過後、ガラス基板１を取り出し、各例の拡散素子１０を得た。レーザーが照射された箇所はガラス材料の密度が薄くなると考えられるため、ウェットエッチングの加工レートが、照射されていない箇所に比べて大きくなる。そのため、上記のような工程、すなわちガラス基板１の厚さ方向の一部領域に対して上述したような超短パルスレーザーの高密度電場を形成するレーザー改質工程を経ることで、ガラス基板１の表面に直接凹レンズアレイを作製することができる。このようにして、ガラス基板１上に直接、複数の凹型の非球面レンズ２から構成される凹レンズアレイが形成された各例の拡散素子１０を得た。

図１４は、上記方法で作製された例１−１の拡散素子１０の上面図である。なお、図１４は、拡散素子１０の凹レンズアレイが形成された面の対向面（上記の面ｆ_２に相当）側から見た図である。

得られた各例の拡散素子１０の凹レンズアレイに対してレーザー顕微鏡を用いて形状測定を行った。その上で、ある１つの非球面レンズ２の対角方向（図１５参照）に対して、中心を通るようにプロファイルを切り出し、上記の式（２）にてフィッティングを行った。フィッティングパラメータには、曲率半径Ｒとコーニック係数ｋの２つを用いた。また、フィッティングには最小二乗法を用いた。

上記の表４には、加工条件とともに、各例で得られた非球面レンズ２の形状を示すフィッティング結果である曲率半径Ｒとコーニック係数ｋも併せて示している。表４に示すように、例えば、例１−５や例１−２３では、コーニック係数ｋ＝−１に近い非球面レンズ２を得ることができている。

次に、例１−５および例１−２３に対して光線追跡シミュレーションを実施した。なお、比較例として、同じサイズのガラス基板１に同じ加工ピッチＰｘおよびＰｙ、並びに同じ曲率半径Ｒをもつ球面形状（コーニック係数ｋ＝０）の凹レンズアレイを有する拡散素子を想定した。各例の設定条件およびコーニック係数は表５の通りである。

各拡散素子への入射光はＦＷＨＭが０．５ｍｍ径の光線とし、波長９４０ｎｍ、入射ビーム形状は円形ガウシアン形状とした。また、光入射面側を拡散面（すなわち、凹レンズアレイが形成される面）とした。なお、凹レンズアレイ加工後のガラス基板１の厚みは０．３ｍｍｔとした。入射面から、１００ｍｍ後方での光強度分布を、各例の曲率半径およびコーニック係数を用いて計算した。

図１６の（ａ）、（ｂ）、図１７の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ例１−５、例１−２３、比較例１、比較例２の光線追跡シミュレーションによって計算された光強度分布を示すグラフである。例１−５および例１−２３では、矩形の照射平面に対して均一照射が実現できているのがわかる。これに対して、比較例１は照射範囲が極端に狭く拡散性が発現していない。また、比較例２は、光強度分布が不均一であり、また照射範囲も４辺の中央部に対して４隅が突出した形状となっており矩形からずれている。なお、例１−５の拡散角は７２°（全角）、例１−２３の拡散角は５３．５°（全角）であった。

また、図１８は、例１−５の拡散素子１０を、面発光レーザーアレイを有する照射モジュール１００（図９参照）に適用した場合の配光シミュレーションの計算結果を示すグラフである。面発光レーザーアレイ（光源５）は、エミッターが１１×１１配置されており、エミッター間ピッチは５０μｍとした。エミッターと拡散素子１０との距離（図９のｈ_２に相当）は０．４ｍｍ、拡散素子１０の板厚（図９のｈ_１に相当）は０．４ｍｍｔとした。また、光源の発散角はＦＷＨＭで１０°とした。

図１８は、本例の照射モジュール１００によって照射される光のある照射平面上の強度分布の計算結果である。なお、図１８では、拡散素子１０の拡散面（拡散素子１０における光入射面）から１０ｍｍ後方にある照射平面での強度分布を計算した。図１８に示すように、強度分布のカットオフ性は平行光入射（図１６の（ａ））に対して悪化しているもののフラットトップ分布は維持できていることがわかる。本例において拡散素子１０から出射される光の発散角は７３．０°（全角）であった。

なお、上記の実施形態および実施例では、レーザー改質工程におけるレーザーの焦点位置Ｌ_ｆを、パルスレーザー光の入射面である面ｆ_２を０基準として示していたが、レーザーの焦点位置は、非球面レンズを加工する側の面ｆ_１を０基準として示すことも可能である。以下、面ｆ_１を０基準にすれば、ガラス基板１の厚みによらずに、形成したい非球面レンズのレンズ形状との関係を示すことができる。例えば、上記の例１−５のレーザー焦点距離Ｌ_ｆ＝１．０７５ｍｍは、面ｆ_１を基準にすれば、レーザー焦点距離＋０．０７５ｍｍということができる。また、例えば、上記の例１−２３のレーザー焦点距離Ｌ_ｆ＝０．７１０ｍｍは、面ｆ_１を基準にレーザー焦点距離−０．２９０ｍｍということができる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。本出願は、２０１８年３月２６日出願の日本特許出願２０１８−０５８８６７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、耐熱性や高エネルギー光耐性を必要とする環境において特に広範囲に光を照射したい用途に好適に適用可能である。

１ ガラス基板
１１ 改質領域
１０ 拡散素子
１００ 照明モジュール
２ 非球面レンズ
２１ レンズ面
２２ 凹み部
３ パルスレーザー光
３１ 対物レンズ
４ 実装基板
５ 光源
６ 枠材

Claims (20)

1. ガラス基板に前処理を施す前処理工程と、
   前記前処理が施された前記ガラス基板にウェットエッチングを施すエッチング工程とを備え、
   前記前処理工程は、パルスレーザー光を前記ガラス基板のある位置に照射して前記ガラス基板内部の一部領域を改質させて、少なくとも前記パルスレーザー光を照射した位置において厚さ方向に密度分布を発生させる工程、または、化学的もしくは物理的な工法を利用して前記ガラス基板の表面に所定の楔形状の凹み部を形成する工程を含む、
   非球面レンズの加工方法。
2. 前記前処理は、前記ガラス基板の面内の複数の位置において行われる、
   請求項１に記載の非球面レンズの加工方法。
3. 前記ウェットエッチングは、レジストマスクを用いずに行われる、
   請求項１または２に記載の非球面レンズの加工方法。
4. 前記パルスレーザー光は、対物レンズを介して前記ガラス基板に照射される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
5. 前記ガラス基板の前記非球面レンズが加工される側の面を第１面とし、前記第１面と反対側の面を第２面としたとき、
   前記パルスレーザー光は、前記ガラス基板の前記第２面側から照射される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
6. 前記ガラス基板の前記非球面レンズが加工される側の面を第１面とし、前記第１面を０基準、前記パルスレーザー光の進行方向を＋側としたとき、
   前記パルスレーザー光が、−０．２９０〜＋０．０７５ｍｍの範囲内に焦点位置を有する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
7. 前記パルスレーザー光は、パルス幅が１０ｐｓ以下であり、かつパワーが５．０Ｗ以上である、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
8. 前記前処理を行う位置に応じて、前記パルスレーザー光の焦点位置、照射時間およびパワーからなる群から選ばれる少なくとも一つのパラメータを変化させる、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
9. 前記凹み部の表面形状を、非球面高次係数を全て０にした非球面式でフィッティングしたときのコーニック係数をｋ’、形成される非球面レンズの非球面形状のコーニック係数をｋとしたとき、
   ｋ’＜ｋを満たす、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
10. 前記凹み部は、先端に平坦部を有しないまたは先端の平坦部の幅が２μｍ以下である、
    請求項１〜３、９のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
11. 前記ガラス基板の表面に対して、サンドブラスト加工、ダイサーハーフカット加工、ドライエッチング、またはドリル加工を施して、前記凹み部を形成する、
    請求項１〜３、９、１０のいずれか一項に記載の非球面レンズの加工方法。
12. 前記サンドブラスト加工における砥粒の大きさが、２０μｍ以下である、
    請求項１１に記載の非球面レンズの加工方法。
13. 前記前処理を行う位置に応じて、前記サンドブラスト加工における砥粒の大きさ、吹き付け時間および吹き付け圧力からなる群から選ばれる少なくとも一つのパラメータを変化させる、
    請求項１１または１２に記載の非球面レンズの加工方法。
14. ガラス基板と、
    前記ガラス基板の一方表面に直接加工された複数の凹型の非球面レンズとを備え、
    前記非球面レンズは前記ガラス基板の表面の少なくとも有効領域において隙間なく配置されており、
    前記非球面レンズの最大サイズが２５０μｍ以下であり、
    平行光をレンズが加工された面から前記有効領域に対して入射したときの出射光束の広がり角である拡散角が全角で３０°以上である、
    拡散素子。
15. 前記非球面レンズのレンズ形状が放物面形状であり、
    前記非球面レンズの面精度が０．１μｍ以下である、
    請求項１４に記載の拡散素子。
16. 前記非球面レンズの最大傾斜角が３０°以上である、
    請求項１４または１５に記載の拡散素子。
17. 前記非球面レンズの各々は、正面視において同心円状の波紋模様を有する、
    請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の拡散素子。
18. 光源と、
    前記光源を実装する実装基板と、
    前記光源の上方に配され、拡散機能を有する窓部材とを備え、
    前記窓部材が、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の拡散素子を有する、
    照明モジュール。
19. 前記窓部材は、拡散機能を発現する拡散面が下向きに備えられており、
    前記光源と前記窓部材の拡散面との距離が０．３ｍｍ以下である、
    請求項１８に記載の照明モジュール。
20. 前記光源から放射される光の波長が８００〜１０００ｎｍである、
    請求項１８または１９に記載の照明モジュール。

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