KR100561861B1 - 하이브리드 렌즈 어레이 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 굴절 렌즈 및 회절 렌즈를 포함하는 하이브리드 렌즈에 있어서, 구면으로 이루어진 제 1면과 평면으로 이루어진 제 2면을 포함하는 하프 볼 렌즈 형태의 굴절 렌즈; 상기 굴절 렌즈의 제 1면에 접합되며, 구면 수차 보정을 위한 비구면을 포함하는 회절 렌즈; 및 상기 굴절 렌즈의 제 1면의 외주부에 형성된 렌즈 홀더;를 포함하는 하이브리드 렌즈를 제공하여, 고온으로 가열 및 냉각을 하거나 고압을 가하는 공정이 불필요하고, 제조 공정이 상온 및 저압에서 이루어지므로 공정시간이 짧고 공정이 단순하여 대량 생산에 유리하다.

Description

하이브리드 렌즈 어레이 및 그 제조 방법{Hybrid lens array and manufacturing method thereof}
도 1은 종래 기술에 의한 홀로그램 일체형 대물 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 기계 가공법에 의한 단일 마이크로 렌즈의 제조를 위한 방법을 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 홀로그램 일체형 대물 렌즈를 위한 금형의 제작 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 홀로그램 일체형 대물렌즈를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조 방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조 방법의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조를 위한 금형 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 작동 방법을 나타내기 위한 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11a, 11b... 입사 빔 12... 렌즈
12a... 외주부 12b... 내주부
13a, 13b... 기록면
21... 상부 금형 22... 하부 금형
31... 모재 32... Ni 도금막
33... 바이트 34... 보호막
40... 기하 광학부 41... 회절 광학부
40a... 입사면 40b... 출사면
41a... 입사측 회절 광학부 41b... 출사측 회절 광학부
51... 구면 렌즈 52... 회절 렌즈
53... 홀더 54... 홀더 기판
55a, 55b... 입사 빔 56... 기록면
57... 광 디스크 58... 콜리매이터 렌즈
61... 금형 61a... 캐버티
62... 제 1 UV 경화성 폴리머 63a... 볼 렌즈
63b... 하프 볼 렌즈 64, 66... 글래스 플레이트
65... 제 2 UV 경화성 폴리머
81... 기판 82... 포토 레지스트
83... 홈 84... 캐버티
85, 88... 회절 렌즈 패턴 86... 몰드
87... 절삭 바이트
본 발명은 하이브리드 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광정보 저장 장치의 광픽업에 사용되는 수차가 보정된 하이브리드 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광정보 저장 장치의 광픽업에 사용되는 대물 렌즈는 광원으로 사용되는 반도체 레이저에서 출사된 레이저 빔을 집광하여 디스크의 기록 면에 초점을 맺히게 함으로써 정보를 기록하거나, 디스크에서 반사된 빛을 다시 집광하여 광검출기로 향하게 함으로써 기록된 정보를 재생하는 역할을 한다. 광정보 매체의 직경은 약 12cm이며, 그 저장 용량은 650MB인 CD(compact disk)에서 4.7GB인 DVD(digital versatile disk)로 발전하였고, 현재 저장 용량이 25GB로 DVD보다 훨씬 큰 블루 레이 디스크(blue-ray disk)로 발전하고 있다.
동일한 광디스크 크기를 지닌 정보 저장매체의 정보 저장용량을 증가시키기 위해서는 광에너지를 보다 작은 스팟(spot)으로 집속시켜, 기록 밀도를 높일 필요가 있다. 집속되는 스팟의 크기는 사용되는 빛의 파장에 비례하고 렌즈의 개구수(NA ; Numerical Aperture)에 반비례하므로 이러한 추세로 개발이 진행되어 왔다. 예를 들어, CD에서는 780nm의 광원과 0.45의 개구수를 가지는 렌즈를 사용하고 있으며, DVD에서는 650nm의 광원과 0.6의 NA를 가지는 렌즈를 사용하고 있다. 그리고, 블루 레이 디스크에서는 405nm의 광원과 0.85의 NA를 가지는 렌즈가 사용될 예정이다.
블루 레이 디스크의 405nm 파장 영역에서는 대물 렌즈의 굴절율이 파장의 변화에 따라 매우 크게 변화한다. 이는 LD의 mode hopping에 따른 파장의 순시적 변화로 인하여 광디스크 상에 맺히는 대물렌즈의 초점 거리가 달라지게 되는 현상이다. 이를 색수차(chromatic aberration)라 하며, 색수차를 감소시키기 위하여 굴절 렌즈와 회절 렌즈가 결합된 하이브리드 렌즈가 제안되었다.
광정보 저장 장치에서는 그 보다 낮은 저장 용량을 지닌 광디스크도 재생할 수 있는 이른바 하위 호환성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, DVD 재생기는 CD도 재생할 수 있어야 하며, 블루 레이 재생 장치는 DVD와 CD를 동시에 재생할 수 있는 것이 바람직하다. 하나의 장치로 DVD와 CD를 재생할 수 있게 하기 위하여 초점 거리를 변화시킬 수 있는 홀로그램 일체형의 듀얼 포커스 렌즈(dual focus lens)가 개발되었다. 이는 굴절 렌즈와 회절 렌즈가 하나의 렌즈에 결합된 하이브리드 렌즈의 일종이라고 할 수 있다.
종래 기술에 의한 홀로그램 일체형 대물 렌즈의 구조를 1도에 나타내었다. 이는 CD와 DVD를 동시에 재생할 수 있는 듀얼 포커스 렌즈(Dual Focus Lens)이다. 도 1을 참조하면, DVD를 재생할 때는 실선으로 표시된 입사 빔(11a)을 이용하여 두께 0.6mm의 광디스크 기록면(13a)에 초점을 맺게 하며, CD를 재생할 때는 점선으로 표시된 입사 빔(11b)을 이용하여 두께 1.2mm의 광디스크 기록면(13b)에 초점을 맺게 한다. 즉, DVD의 NA=0.6에서는 렌즈(12)의 외주부(12a)에서의 빛의 굴절과 내주부(12b)의 회절 렌즈의 0차 회절광을 이용하며 CD의 NA=0.45에서는 렌즈(12)의 내주부(12b)의 회절 렌즈의 +1차 회절광을 이용하여 정보의 기록 및 재생을 한다.
종래 기술에 의한 마이크로 렌즈의 제작 방법은 글라스나 플라스틱 재료를 직접 연마하거나 절삭하여 가공하는 것이다. 그리고, 대물렌즈의 양산을 위해서는 절삭이나 연삭 등의 기계 가공으로 제작된 금형을 이용해 용융 또는 반용융 상태의 플라스틱 또는 글래스로부터 렌즈를 제작하는 사출성형(injection molding) 또는 압축성형(press molding)을 하는 방법이 있다. 이러한 기계 가공법에 의한 종래의 단일 마이크로 렌즈의 제조 장치를 개략적으로 나타낸 것이 도 2이다.
도 2을 참조하여 종래의 압축성형에 의해 글라스 단렌즈를 제작하는 방법을 설명한다. 우선, 초경합금 재료 등으로 된 상부 금형(21) 및 하부 금형(23)을 렌즈의 표면에 대응하는 형상으로 초정밀 연삭 가공하고, 볼(BL)이나 덩어리(G : gob) 형태의 글래스 프리폼(preform : 예비 형성품)(22)을 상부 및 하부 금형(21, 23) 사이에 삽입하고 500~600℃의 고온으로 가열하면서 압축하여 렌즈를 성형한다.
이와 같은 초정밀 금형을 이용한 성형 방법은 매우 정밀한 면가공이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 렌즈의 크기가 작아질수록 가공 tool의 곡률반경의 한계상 높은 개구수의 렌즈, 즉 곡률이 큰 비구면에 대한 금형을 제작하기 어려워진다. 또한 이러한 글래스 성형 방법은 프리폼 재료를 내부까지 균일하게 가열하기 위해 장시간을 필요로 하기 때문에 사이클 타임(cycle time)이 매우 길어서 생산성이 낮다는 단점이 있다.
홀로그램이 일체화된 글래스 성형 렌즈를 제작하기 위해서는 도 2에 나타낸 방법과 본질적으로 동일한 방법을 사용하나, 홀로그램이 형성되는 곡면에 대응하는 금형을 제작하는 방법에 차이가 있다. 즉, 렌즈의 비구면에 대응하는 곡면을 가공하기 위해서는 diamond wheel에 의한 연삭 가공으로 초경합금제 금형의 비구면을 가공하고, 다시 홀로그램 형상에 대응하는 동심원 형태를 바이트에 의해 절삭가공하여 형성한다. 그러나, 이 경우에 바이트의 마모가 극심한 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 홀로그램 일체형 대물 렌즈를 위한 금형의 제작방법, 도 2의 상부 금형(21)을 제작하는 방법을 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 먼저 모재(31)에 렌즈의 곡면에 대응하는 비구면을 대략 가공하고, 절삭성이 좋은 금속, 예를 들어 무전해 Ni 도금막(32)을 형성시킨다. 그리고, 다이아몬드 바이트(33)로 NI 도금막(32)을 절삭 가공하여 비구면의 곡면 및 홀로그램 형상을 가공하고, 보호막(34)을 코팅한다. 이와 같이 홀로그램 형상이 새겨진 금형을 사용하여 글래스 렌즈를 성형하는 경우, 글래스 재료의 유동성이 높지 못하므로 형상의 전사를 양호하게 하기 위해서는 높은 온도와 압력을 가하여야 한다. 따라서 금형의 수명은 매우 낮게 되며 렌즈의 제작 효율이 낮아 비용이 증가하는 문제점이 있다. 이로 인하여 글래스 성형 렌즈의 경우 홀로그램의 핏치(pitch)는 최소 수십 um 정도로 제한되며, 글래스의 낮은 유동성으로 인한 형상 전사의 한계로 인하여 광학 수차를 개선하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 플라스틱(plastic) 재료로 홀로그램 일체형 성형렌즈를 제작하는 경 우, 절삭성이 좋은 Ni 등의 금속제 금형을 절삭가공하여 금형을 제작할 수 있으며, 정밀한 홀로그램 형상을 용이하게 제작할 수 있다. 플라스틱 성형은 성형온도가 300℃ 이하이며 플라스틱 재료의 높은 유동성에 의하여 낮은 최소 피치(pitch)를 갖는 홀로그램 일체형 대물렌즈도 용이하게 정밀 가공할 수 있는 장점이 있다. 또한, 플라스틱 렌즈는 가볍고 가공성이 좋으며 염가로 제작 가능하므로 CD와 DVD의 픽업 렌즈로 유용하다.
그러나, 플라스틱 재료는 굴절율이 1.5 정도로 낮아서 광의 굴절력이 충분치 못하므로 블루 레이 디스크(Blu-ray disc)의 NA 0.85 렌즈를 제작하기 위해서는 2개의 렌즈를 겹쳐서 사용해야 한다. 두 개의 렌즈의 위치를 조정하여 조립하는 것은 단렌즈로 사용하는 것에 비해 비용이 높아진다. 또한, 플라스틱은 열에 약한 재료로서 온도 변화에 따른 광학특성(굴절율, 열팽창율 등)의 변화가 심하며, 특히 청색 파장의 빛을 흡수하여 장시간에 걸쳐서는 황변(yellowing) 현상을 일으켜 재료특성이 변하는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 도 4와 같은 홀로그램 일체형 대물렌즈가 제안되었다. 이 대물 렌즈는 입사면(40a) 및 출사면(40b)의 양면 비구면을 갖는 글래스 성형 렌즈(40)에 홀로그램을 형성하는 입사측 회절 광학부(41a) 및 출사측 회절 광학부(41b) 등의 회절 광학부(41)를 지닌 플라스틱 렌즈가 접합되어 있는 구조이다. 이 글래스/플라스틱 접합렌즈의 제작 방법은 다음과 같다. 즉, 상기 도 2에서 나타낸 일반적인 압축 성형으로 양면 비구면을 갖는 글래스 성형렌즈를 제작하고, 홀로그램 형상이 새겨져 있는 금속제 금형 내에 UV 경화성 수지를 도포하고, 상기 글래스 성형 렌즈를 삽입한다. 그리고, 다른 금형으로 가압하면서 UV를 조사하여 글래스 곡면 위에 플라스틱 홀로그램 형상을 접합한다. 이러한 제작 방법에서는 종래의 글래스 렌즈 성형 방법을 그대로 사용하며, 그에 부가하여 2P(Photo-polymerization)법에 의하여 플라스틱 홀로그램 구조를 접합하는 것이다.
그러나, 이 경우에는 글래스 렌즈와 홀로그램 형상 간의 decenter 및 렌즈의 tilt가 발생하지 않도록 금형과 글래스 렌즈의 상대적 위치 및 평행도를 정밀하게 조정해야 하므로 제작에 난점이 있다. 또한, 수 mm 정도의 직경을 갖는 대물 렌즈를 이 방법으로 제작하는 것은 비교적 용이하나, 직경 1mm 이하의 초소형 렌즈를 제작하는 경우, 글래스 성형용 금형 및 2P용 금형을 각각 초정밀 제작하는 것은 어려우며, 2P 프로세스를 위하여 글래스 렌즈를 정렬 및 조정하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고개구수를 가지며, 색수차를 감소시킨 하이브리드 렌즈 및 이를 간단하며 저비용의 공정으로 제조할 수 있는 하이브리드 렌즈의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 405nm의 청색 파장, NA 0.85 및 초소형의 광디스크 뿐만 아니라 모든 종류, 크기의 광정보 저장 장치의 광픽업에 적용할 수 있는 하이브리드 렌즈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
구면으로 이루어진 제 1면과 평면으로 이루어진 제 2면을 포함하는 하프 볼 렌즈 형태의 굴절 렌즈;
상기 굴절 렌즈의 제 1면에 접합되며, 구면 수차 보정을 위한 비구면을 포함하는 회절 렌즈; 및
상기 굴절 렌즈의 제 1면의 외주부에 부착된 렌즈 홀더;를 포함하는 하이브리드 렌즈를 제공한다.
삭제
삭제
본 발명에 있어서, 상기 렌즈 홀더는 상기 굴절 렌즈의 제 1면 및 제 2면의 경계 영역에 부착된 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 있어서, 상기 굴절 렌즈는 글래스로 이루어지며, 상기 회절 렌즈는 UV에 의해 경화되는 특성을 지닌 폴리머 또는 졸-겔 무기물을 포함하며, 상기 홀더는 UV 경화성 폴리머 또는 열경화성 폴리머를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 굴절 렌즈의 제 2면 및 상기 홀더 하부에 형성된 기판 홀더를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는
(가) 한 개 이상의 회절 렌즈 패턴이 형성된 캐버티를 포함하는 금형의 상기 캐버티 내에 제 1물질을 도포한 다음, 상기 제 1물질의 상면에 볼 렌즈를 위치시키는 단계;
(나) 상기 볼 렌즈를 투명판으로 가압하고 상기 제 1물질을 경화시키는 단 계;
(다) 상기 금형 및 상기 볼 렌즈 상부에 제 2물질을 도포하고 투명판으로 가압하고 제 2물질을 경화시키는 단계; 및
(라) 상기 금형을 분리하고 상기 제 2물질 및 상기 볼 렌즈의 일부를 연마하는 단계;를 포함하는 하이브리드 렌즈 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 물질은 UV에 의해 경화되는 특성을 지닌 폴리머 또는 졸-겔 무기물을 포함하며, 상기 (나) 단계는, 상기 투명판 측으로부터 UV를 조사하여 상기 제 1 물질을 경화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2물질은 UV 경화성 폴리머 또는 열경화성 폴리머를 포함하며, 상기 (다) 단계는, 상기 볼 렌즈 및 제 2물질을 투명판으로 가압하고, 상기 투명판으로부터 UV를 조사하거나, 가열함으로써 제 2물질을 경화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는,
(가) 한 개 이상의 회절 렌즈 패턴이 형성된 캐버티를 포함하는 금형의 상기 캐버티 내에 제 1물질을 도포한 다음, 상기 제 1물질의 상면에 하프 볼 렌즈를 위치시키는 단계;
(나) 상기 금형 및 상기 하프 볼 렌즈 상부에 제 2물질을 도포하고 투명판으로 가압하고 제 2물질을 경화시키는 단계; 및
(다) 상기 금형을 분리하는 단계;를 포함하는 하이브리드 렌즈 제조 방법을 제공한다.
그리고, 본 발명에서는 하이브리드 렌즈 제조용 금형을 제조하는 방법에 있어서,
(가) 기판 상에 포토 레지스트를 도포하고 소정 부위의 포토 레지스트를 제거하여 홈을 형성시키는 단계;
(나) 상기 홈을 통하여 상기 기판 표면 일부를 등방성 식각에 의해 제거하고, 상기 포토 레지스트를 제거하여 상기 기판 상에 반구형 캐버티를 형성하는 단계; 및
(다) 상기 캐버티 내부를 회절 렌즈 형상을 지닌 몰드로 가압하여 상기 캐버티 내에 회절 렌즈 패턴을 형성시키는 단계;를 포함하는 하이브리드 렌즈 제조용 금형 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 및 그 제조 방법을 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 구조를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈는 구면으로 이루어진 제 1면과 평면으로 이루어진 제 2면을 포함하는 구면 렌즈(51)와 구면 렌즈(51)의 상기 제 1면에 접합된 회절 렌즈(52) 및 상기 구면 렌즈(51)의 하단 외주부에 부착된 렌즈 홀더(53)를 포함한다. 여기서 회절 렌즈(52)는 구면 렌즈(51)의 구면 수차를 보정하기 위한 비구면 곡면과 비구면 곡면의 표면에 형성된 회절 렌즈 패턴(pattern)을 포함하고 있다. 여기서, 구면 렌즈(51)는 글래스(glass)로 형성되며, 회절 렌즈(52)는 UV(ultra violet ray) 경화성 폴리머로 형성할 수 있다. 그리고, 구면 렌즈(51)의 렌즈 홀더(53)는 도넛 또는 이와 유사한 형태를 지니며, 이는 플라스틱 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 플라스틱 재료는 UV 경화성 폴리머가 될 수 있으며, 상기 회절 렌즈(52)를 구성하는 UV 경화성 폴리머와 다른 재료로 형성되어도 무방하다.
도 5에 나타낸 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 제조 방법의 실시예들을 도 6a 내지 도 6g 및 도 7a 내지 도 7g에 나타내었다. 이들을 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 6a 내지 도 6g를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 제조 방법의 일실시예를 설명한다.
먼저, 도 6a에 나타낸 바와 같이 제조하고자 하는 패턴들이 형성된 금형(61)을 마련한다. 금형(61)의 표면에는 도 5의 회절 렌즈(52)에 대응되는 형상의 패턴을 지닌 캐버티(cavity)(61a)가 형성되어 있다. 이때, 금형(61)은 단일 렌즈 뿐만 아니라, 다수의 렌즈를 어레이 형태로 제작할 수 있도록 캐버티(61a)가 원하는 개수 및 간격을 두고 형성된 것이 바람직하다. 다음으로 도 6b를 참조하면, 캐버티(61a) 내에 UV의 조사에 의해 경화되는 특성을 지닌 액체 상태의 제 1폴리머(photopolymer)(62)를 스핀 코팅(spin-coating) 또는 디스펜스(dispense)하여 도포한다.
그리고 나서, 도 6c와 같이 캐버티(61a) 내에 볼 렌즈(ball lens)(63a)를 배치하고 글래스 플레이트(glass plate)(64)로 수평을 맞추면서 가압한다. 이와 동시에 투광성 글래스 플레이트(64) 상부에서 UV로 조사하여 제 1폴리머(62)를 경화한 다. 이와 같은 폴리머(62)는 UV 조사에 의해 경화되는 성질을 지니고 있으며, 이에 따라, 볼 렌즈(63a)는 캐버티(61a) 내에서 제 1폴리머(62)에 의해 고착된다.
그리고, 도 6d에 나타낸 바와 같이 금형(61) 및 볼 렌즈(63a) 상부에 UV 경화성을 지닌 액체 상의 제 2폴리머(65)를 도포한다. 이때, 볼 렌즈(63a) 상부에 도포하는 제 2폴리머(65)는 제 1폴리머(62)와 다른 재질을 사용할 수 있다. 그리고, 도 6e에 나타낸 바와 같이, 제 2폴리머(65) 상에 글래스 플레이트(66)을 부착하고 수평을 맞춘 뒤, 제 2폴리머(65) 및 볼 렌즈(63a)를 가압한다. 동시에 글래스 플레이트(66) 상부에서 UV를 조사하게되면 제 2폴리머(65)는 경화되면서, 볼렌즈(63a)에 고착된다. 결과적으로, 볼 렌즈(63a)는 비구면 보정 및 회절 렌즈 형성 역할을 하는 제 1폴리머(62)와 렌즈 홀더 역할을 하는 제 2폴리머(65)와 완전히 접합된 상태가 된다.
다음으로, 도 6f에 나타낸 바와 같이, 볼 렌즈(63a)와 UV 조사로 경화된 제 1폴리머를 금형(61)으로 부터 디몰딩(demolding)하면 비구면 곡면 및 회절 렌즈 패턴을 지닌 제 1폴리머(62)가 접합된 볼 렌즈(63a) 및 볼 렌즈(63a)들의 어레이 구조를 둘러싸며 부착된 제 2폴리머(65)를 얻을 수 있다.
마지막으로, 도 6g에 나타낸 바와 같이, 제 2폴리머(65)와 볼 렌즈(63a)의 일부를 소정 두께 만큼 연마하면 도 5에 나타낸 것과 같은 하이브리드 렌즈 어레이를 얻게 된다. 즉, 구면 렌즈(51)와 구면 렌즈(51)의 제 1면에 접합된 회절 렌즈(52) 및 상기 구면 렌즈(51)의 외주부에 부착된 렌즈 홀더(53)를 포함하는 구조가 된다.
다음으로, 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조 방법의 또 다른 실시예를 도 7a 내지 도 7g를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 7a에 나타낸 바와 같이 제조하고자 하는 패턴들이 형성된 금형(61)을 마련한다. 금형(61)의 표면에는 도 5의 회절 렌즈(52)에 대응되는 형상의 패턴을 지닌 캐버티(cavity)(61a)가 형성되어 있다. 이때, 금형(61)은 단일 렌즈 뿐만 아니라, 다수의 렌즈를 어레이 형태로 제작할 수 있도록 캐버티(61a)가 원하는 개수 및 간격을 두고 형성된 것이 바람직하다. 다음으로 도 7b를 참조하면, 캐버티(61a) 내에 UV의 조사에 의해 경화되는 특성을 지닌 액체 상태의 제 1폴리머(photopolymer)(62)를 스핀 코팅(spin-coating) 또는 디스펜스(dispense)하여 도포한다.
그리고 나서, 도 7c와 같이 캐버티(61a) 내에 하프 볼 렌즈(ball lens)(63b)를 배치한다. 그리고, 도 7d에 나타낸 바와 같이 금형(61) 및 하프 볼 렌즈(63b) 상부에 UV 경화성을 지닌 액체 상의 제 2폴리머(65)를 도포한다. 이때, 하프 볼 렌즈(63b) 상부에 도포하는 제 2폴리머(65)는 제 1폴리머(62)와 다른 재질을 사용할 수 있다. 그리고, 도 7e에 나타낸 바와 같이, 제 2폴리머(65) 상에 글래스 플레이트(64)을 부착하고 수평을 맞춘 뒤, 제 2폴리머(65) 및 하프 볼 렌즈(63b)를 가압한다. 동시에 글래스 플레이트(64) 상부에서 UV를 조사하게 되면 제 2폴리머(65)는 경화되면서, 하프 볼 렌즈(63b)에 고착된다. 결과적으로, 하프 볼 렌즈(63b)는 비구면 보정 및 회절 렌즈 형성 역할을 하는 제 1폴리머(62)와 렌즈 홀더 역할을 하는 제 2폴리머(65)와 완전히 접합된 상태가 된다.
다음으로, 도 7f에 나타낸 바와 같이, 하프 볼 렌즈(63b)와 UV 조사로 경화된 제 1폴리머를 금형(61)으로 부터 디몰딩(demolding)하면 비구면 곡면 및 회절 렌즈 패턴을 지닌 제 1폴리머(62)가 접합된 하프 볼 렌즈(63b) 및 하프 볼 렌즈(63b)들의 어레이 구조를 둘러싸며 부착된 제 2폴리머(65)를 얻을 수 있다. 이와 같이 글래스 플레이트(64)가 부착된 상태로 하이브리드 렌즈를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 이를 제거한다. 즉, 도 7g에 나타낸 바와 같이, 제 2폴리머(65)와 하프 볼 렌즈(63a)에 부착된 글래스 플레이트(64)를 제거하면 도 5에 나타낸 것과 같은 하이브리드 렌즈 어레이를 얻게 된다. 즉, 구면 렌즈(51)와 구면 렌즈(51)의 제 1면에 접합된 회절 렌즈(52) 및 상기 구면 렌즈(51)의 외주부에 부착된 렌즈 홀더(53)를 포함하는 구조가 된다.
여기서, 상기 도 6a 내지 도 6g 및 도 7a 내지 도 7g에 걸쳐 나타낸 하이브리드 렌즈 제작 과정에서 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)는 고굴절율(바람직하게는 1.7 이상)을 지니며, 405 nm 전후의 파장대에서 빛을 거의 흡수하지 않는 고투과율(바람직하게는 90% 이상)을 지닌 재료로 형성된 것이 바람직하다.
볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼렌즈(63b)에 접합되는, 비구면 보정 및 회절 렌즈 형성용 UV 경화 물질(62)은 고굴절율 물질로 상기 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)와의 굴절율의 차가 크지 않고 405 nm 전후의 파장대에서 빛의 흡수율이 낮고 광투과율이 높은 재료인 것이 바람직하다. 이는 액상의 폴리머(Liquid Polymer) 또는 졸-겔 무기물로서 자외선(ultra-violet ray:UV)을 조사하면 경화되는 성질을 가진다. 그리고, 또 각 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)를 부착, 연결하는 역할을 하는 홀더(53)는 UV 경화성 폴리머 이외에 열경화성 폴리머 등을 사용해도 무방하며, 이 경우, UV를 조사하는 공정 대신 열을 가하는 공정으로 경화시키게 된다.
이러한 UV 경화 물질은 극히 정밀한 비구면의 렌즈를 구현할 수 있도록 높은 유동성을 가지는 액상인 것이 바람직하다. 이와 같은 물질은 렌즈의 틸트를 감소시켜 코마 수차를 감소시킬 수 있으며 볼 렌즈의 두께 편차의 보상이 가능한 장점을 가진다. 그리고, UV 경화 폴리머 물질은 금형(61)과 고착성(adhesion)이 낮고 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)와는 반대로 고착성이 높은 것이 바람직하다. 여기서, 상기 UV 경화 폴리머 물질은 수평 가압용 글래스 플레이트(64)와는 고착이 잘 일어나지 않는 것이 바람직하지만, 상기 도 7f와 같이 글래스 플레이트(64)가 하프 볼 렌즈(63a)에 부착된 형태로 사용할 수 있는 경우에는 오히려 고착성이 높은 것이 바람직하다. UV 경화 물질의 물성이 각 제작 공정에서 상기한 조건을 만족하지 못하는 경우, 금형(61), 볼 렌즈(63a), 하프 볼 렌즈(63b) 또는 글래스 플레이트(64)등은 UV 경화 물질과 각각 고착성이 억제 또는 촉진되도록 UV를 조사하기 전에 적절한 표면처리(계면활성 처리)를 미리 해 줄 필요가 있다.
이와 같은 공정에 의해 구면 렌즈(51) 및 회절 렌즈(52)를 조합하여 제작한 하이브리드 렌즈 어레이는 그 용도에 따라, 하이브리드 렌즈 어레이의 단위 렌즈 사이를 다이싱(dicing)하여 단렌즈로 사용하거나, 어레이 형태 그대로 광 모듈(optical module)의 어레이와 결합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 제조 공정에서 사용하는 비구면 및 회절 렌즈 형상의 패턴을 포함하는 캐버티 어레이를 지닌 금형(61)의 제조 방법을 도 8a 내지 도 8b에 나타내었다. 이를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조용 금형의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 8a에 나타낸 바와 같이, 캐버티 어레이가 형성될 기판(81) 재료를 준비하고 포토 레지스트(photoresist)(82)를 스핀 코팅 등에 의해 도포한다. 이때, 기판(81) 재료는 비구면 및 회절 렌즈 형상의 패턴이 형성될 것으로 예를 들어, 글래스나 폴리머를 사용할 수 있다.
다음으로 도 8b에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 반도체 공정에서 사용하는 포토 리소그래피(photolithography) 공정에 의해 캐비티가 형성될 위치에 홈(83)을 형성시키기 위해 패터닝한다. 그리고, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 포토 레지스트(82)를 식각 마스크층(etch mask layer)으로 사용하여 홈(83)을 중심으로 등방성 건식 또는 습식 식각을 한다. 이에 따라, 기판(81) 표면에는 반구형에 가까운 프로파일(profile)을 지닌 캐버티(84) 어레이가 형성된다. 그리고, 도 8d에 나타낸 바와 같이 포토 레지스트(82)를 제거한다. 결과적으로 기판(81) 표면에 소정 간격을 지닌 반구형의 캐버티(84) 어레이가 형성된다.
그리고 나서, 도 8e에 나타낸 바와 같이, 미리 절삭 바이트(87)로 다이아몬드 터닝(diamond turning)과 같은 초정밀 절삭 가공을 하여 비구면 및 회절 렌즈에 대응하는 형상(88)을 지니도록 제작된 금속제의 몰드(convex core mold)(86)를 이용하여, 각각의 캐버티(84)에 대해 압축 성형을 연속적으로 행한다. 이 경우 각 캐버티(84)를 국부적으로 가열하거나 기판(81a)을 전체적으로 가열하여 압축 성형이 효과적으로 일어나도록 제어한다. 이와 같은 공정에 의해 도 8f에 나타낸 것과 같이, 기판(81) 표면에 비구면 및 회절 렌즈 패턴(85)을 지닌 회절 렌즈 제조용 금형(81b)을 완성시킨다.
본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 작동 원리를 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 이를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈의 작동 원리에 대하여 상세하게 설명한다. 도 9a 및 도 9b는 다이싱(dicing)에 의해 하이브리드 렌즈 어레이의 단위 하이브리드 렌즈를 분리한 뒤, 홀더(53) 부분을 그 형상에 대응하도록 미리 제작된 홀더 기판(54)에 부착시킨 상태를 나타낸 것이다. 여기서, 홀더 기판(54)은 그 용도에 따라 수 인치(inch) 직경의 웨이퍼 상태 또는 다이싱으로 분리된 상태라도 무방하다. 하이브리드 단렌즈를 미리 홀더(53)의 외주부 직경에 적합하도록 가공되어 있는 부위를 갖는 홀더 기판(54)에 안착시키고 UV 경화성 접착제를 사용하여 접착, 조립하다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 광원에서 출사된 빛은 빔정형기, 빔스플리터, 미러 등의 광학 요소를 거쳐 하이브리드 렌즈의 회절 렌즈(52) 방향에서 입사하며 회절 및 굴절을 거쳐 기록 매체의 기록막(56) 상에 집광된다. 하이브리드 렌즈에 의해 집광된 광은 광디스크(57)의 기록막(56)에 회절 한계에 가까운 미세한 광 스팟(spot)을 형성하여 정보를 기록하거나 재생한다. 도 9a와 같이 입사되는 광(55a)은 평행광이 아니어도 무방하지만, 평행광을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 도 9a와 같이 회절 렌즈(52)에 입사하는 광(55b)을 평행하게 만들어 주기 위해 홀더 기판(54) 상에 콜리매이팅 렌즈(58)를 형성시킬 수도 있다.
본 발명에 의한 하이브리드 렌즈는 하프 볼 렌즈(51)와 회절 렌즈를 포함하여 형성됨으로써 이론적으로는 2매의 렌즈를 조립하는 것과 동일한 조립상의 정밀도가 필요하다. 그러나, 상기한 바와 같은 하이브리드 렌즈의 제조 공정은, 일반적인 2매 렌즈의 조립공정과는 달리, 렌즈의 각 표면의 광축 어긋남(decenter)과 표면의 기울어짐(tilt)을 최소로 할 수 있으며 그 이유를 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫째, 액체의 폴리머(62) 물질은 높은 유동성을 가지므로 캐버티(61a)의 곡면과 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 구면 사이의 간극을 정밀하게 충진할 수 있으며 따라서 극히 정밀한 비구면 및 회절렌즈 표면을 구현할 수 있다.
둘째, 금형(61) 제작시에 각 캐버티(61a)의 수평위치(lateral position)가 일단 정밀하게 제작되기만 한면, 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)를 각 캐버티(61a) 내에 그대로 배치하면 되므로 렌즈의 광축 오차(decenter error)를 최소화 할 수 있다. 즉, 캐버티(61a)의 경계(boundary)에 의해 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 수평위치가 구속받을 뿐만 아니라, 액체 폴리머(62)의 표면장력에 의하여 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)는 캐버티(61a)의 중심부에 위치하는 것이 최소 에너지 상태에 있게 되므로, 자동적인 센터링(centering)이 가능하다. 또한, 폴리머(62)의 유동성이 유지되는 상태에서 글래스 플레이트(64)에 의하여 수평을 맞추면서 서서히 가압하면 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)는 캐버티(62)의 가장 바닥면(최저점)으로 안착하게 된다. 따라서, 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 직경 편차가 있더라도, 액체 폴리머(62)가 완충층으로 역할을 하여 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 기판 수직 방향 위치를 자동적으로 조절하는 역할을 하므로 직경편차(높이편차)를 보상할 수 있다.
셋째, 도 6a 내지 도 6g에 개시한 제조 방법에서는 볼 렌즈(63a)를 사용하고 소정 두께만큼 연마하므로 렌즈면의 기울어짐(tilt)은 최소화된다. 도 6a 내지 도 6g 및 도 7a 및 도 7g에 개시한 제조 방법에 있어서, 폴리머(62)의 유동성이 유지되는 상태에서 글래스 플레이트(64)로 렌즈의 수평을 맞추면서 가압하므로, 미리 캐버티(62)의 깊이를 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 직경편차(두께 편차)에 대응하도록 충분한 톨러런스(tolerance)를 주어 제조하므로 볼 렌즈(63a) 또는 하프 볼 렌즈(63b)의 기울어짐(tilt)를 최소화할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명의 하이브리드 렌즈, 그 제조 방법 및 하이브리드 렌즈용 캐버티 어레이 금형의 제조 방법은 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, 굴절렌즈와 회절렌즈가 조합된 하이브리드 렌즈를 제작하는 방법으로 굴절렌즈 제작시 글래스 성형과 같이 고온으로 가열 및 냉각을 하거나 고압을 가하는 공정이 불필요하고, 제조 공정이 상온 및 저압에서 이루어지므로 공정시간이 짧고 공정이 단순하여 대량 생산에 유리하다.
둘째, 글래스 단렌즈 성형에 비교하여 웨이퍼 레벨(wafer level)에서 간단한 과정에 의해 어레이 형태의 렌즈로 제작되므로 양산에 유리하다.
세째. 굴절 렌즈 제조 공정은 상온 및 저압공정으로 금형의 열팽창/수축에 따른 변형, 피로현상 또는 고압으로 인한 마모가 거의 없으므로 금형의 수명을 크게 연장할 수 있다.
네째, 열적 특성이 안정되어 있는 하프 볼 렌즈가 렌즈 체적의 대부분을 차지하고 회절 렌즈의 재료는 최소한의 체적으로서 렌즈의 비구면 보정 및 회절 렌즈를 형성하는 요소로 사용되므로, 플라스틱 렌즈보다 특히, 청색 파장 영역에서 열적 안정성 및 내구성이 우수하다.
다섯째, 하프 볼 렌즈는 고굴절율(1.7<n<2.2)의 재료를 선택할 수 있으므로, 플라스틱과 같이 2매의 렌즈를 광학적으로 정렬, 조립하지 않고도 고개구수(NA: 0.85)를 얻을 수 있어서, 박형화도 가능하다.
여섯째, 굴절 렌즈의 제작시에 볼 렌즈 또는 하프 볼 렌즈를 사용하므로 구면 형상의 특성상, 렌즈의 decenter 및 tilt가 작으며 따라서 파면 수차를 최소화하여 높은 광학 성능을 지닌 렌즈를 제작할 수 있다.
일곱째, 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 어레이는 다이싱을 하여 각 단렌즈로서 사용 가능하고, 단렌즈는 홀더가 부착되어 취급이 용이하며 홀더 기판과 조립하기 용이하다.
여덟째, 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 어레이는 웨이퍼 상태 그대로 취급할 수 있으므로 광모듈(optical module) 어레이와 정렬 및 조립이 용이하다.
아홉째, 본 발명에 의한 하이브리드 렌즈 제조시 사용되는 금형의 제조 방법은 비구면 및 회절렌즈의 캐버티를 절삭 또는 연삭 등의 기계적 가공 방법에 의해 한 개씩 개별적으로 제작해야 하는 종래의 금형 제조 공정과 달리, 반도체 공정으로 반구형에 가까운 캐버티 어레이를 일괄적으로 제작한 다음, 비구면 및 회절렌즈 형상을 갖는 컨벡스 형태(convex type)의 금형으로 각 캐버티를 압축하여 최소한의 체적 변화를 일으켜 비구면 캐버티 및 회절 렌즈를 형성하므로 하이브리드 렌즈의 금형을 최단 시간에 최소의 온도 및 압력으로 제작할 수 있다.

Claims (17)

  1. 구면으로 이루어진 제 1면과 평면으로 이루어진 제 2면을 포함하는 하프 볼 렌즈 형태의 굴절 렌즈;
    상기 굴절 렌즈의 제 1면에 접합되며, 구면 수차 보정을 위한 비구면을 포함하는 회절 렌즈; 및
    상기 굴절 렌즈의 제 1면의 외주부에 부착된 렌즈 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 홀더는 상기 굴절 렌즈의 제 1면 및 제 2면의 경계 영역에 현성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절 렌즈는 글래스로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 렌즈는 UV에 의해 경화되는 특성을 지닌 폴리머 또는 졸-겔 무기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 홀더는 UV 경화성 폴리머 또는 열경화성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 굴절 렌즈의 제 2면 및 상기 홀더 하부에 형성된 기판 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈.
  8. (가) 한 개 이상의 회절 렌즈 패턴이 형성된 캐버티를 포함하는 금형의 상기 캐버티 내에 제 1물질을 도포한 다음, 상기 제 1물질의 상면에 볼 렌즈를 위치시키는 단계;
    (나) 상기 볼 렌즈를 투명판으로 가압하고 상기 제 1물질을 경화시키는 단계;
    (다) 상기 금형 및 상기 볼 렌즈 상부에 제 2물질을 도포하고 투명판으로 가압하고 제 2물질을 경화시키는 단계; 및
    (라) 상기 금형을 분리하고 상기 제 2물질 및 상기 볼 렌즈의 일부를 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 UV에 의해 경화되는 특성을 지닌 폴리머 또는 졸-겔 무기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 (나) 단계는,
    상기 투명판 측으로부터 UV를 조사하여 상기 제 1 물질을 경화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2물질은 UV 경화성 폴리머 또는 열경화성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 (다) 단계는,
    상기 볼 렌즈 및 제 2물질을 투명판으로 가압하고, 상기 투명판으로 부터 UV를 조사하거나, 가열함으로써 제 2물질을 경화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  13. (가) 한 개 이상의 회절 렌즈 패턴이 형성된 캐버티를 포함하는 금형의 상기 캐버티 내에 제 1물질을 도포한 다음, 상기 제 1물질의 상면에 하프 볼 렌즈를 위치시키는 단계;
    (나) 상기 금형 및 상기 하프 볼 렌즈 상부에 제 2물질을 도포하고 투명판으로 가압하고 제 2물질을 경화시키는 단계; 및
    (다) 상기 금형을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 UV에 의해 경화되는 특성을 지닌 폴리머 또는 졸-겔 무기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2물질은 UV 경화성 폴리머 또는 열경화성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 (나) 단계는,
    상기 하프 볼 렌즈 및 제 2물질을 투명판으로 가압하고, 상기 투명판으로 부터 UV를 조사하여, 제 2물질을 경화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조 방법.
  17. 하이브리드 렌즈 제조용 금형을 제조하는 방법에 있어서,
    (가) 기판 상에 포토 레지스트를 도포하고 소정 부위의 포토 레지스트를 제거하여 홈을 형성시키는 단계;
    (나) 상기 홈을 통하여 상기 기판 표면 일부를 등방성 식각에 의해 제거하고, 상기 포토 레지스트를 제거하여 상기 기판 상에 반구형 캐버티를 형성하는 단계; 및
    (다) 상기 캐버티 내부를 회절 렌즈 형상을 지닌 몰드로 가압하여 상기 캐버티 내에 회절 렌즈 패턴을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 렌즈 제조용 금형 제조하는 방법.
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