JP3555626B2 - Manufacturing method of micro lens - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロレンズの製造方法に関し、更に詳しくはマイクロレンズアレイをスタンパー方式により製造する製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信、固体撮像素子集光板および光拡散板等に用いる、マイクロレンズの従来の製造方法について図9(a)〜(e)を参照して説明する。また、同図はマイクロレンズ単体について図示しているが、複数個並べてマイクロレンズアレイを同様の製造方法で作成するものである。
【0003】
まず、製造工程を説明する。図9(a)はガラス等のレンズ作成の基板4を示し、その表面は研磨加工がされている。前記基板4上にフォトレジスト38を塗布し、マイクロレンズパターン39を露光する〔図9(b)〕。次に、現像によりマイクロレンズ形成部以外のレジストを除去し〔図9(c)〕、更に基板4をエッチングによりレジストでマスクされていない箇所をレンズの厚さ対応する深さで除去する。これでマイクロレンズ17を作成する部分に円柱状のレンズ原型40を基板4上に形成することができる〔図9(d)〕。
【0004】
最後の工程でレンズ原型40上のレジストを除去した後、基板4を加熱処理をしてレンズ原型40を溶融し、表面張力により半球の水滴状にしてから、冷却、固化してマイクロレンズ17を形成する〔図9(e)〕。前記加熱処理工程においては熱容量の大きな基板4本体は溶融することはない。
【0005】
上述した方法でマイクロレンズアレイを作成する場合、隣接するレンズ原型40が加熱処理により溶融し半球の水滴状に変形する際に、互いに接して大きな一つの塊まりとなる虞があり、このために基板4のレンズの間隙部分にレンズ母材と濡れ性の悪い材料で枠を形成したり、或いは、まず小さな半球形状を形成し、その半球形状の表面に透明膜を被覆してレンズ間隙を狭める等の工夫がなされている。
【0006】
また、上記の方法で作成したマイクロレンズアレイをそのままレンズとして用いるほかに、前記マイクロレンズアレイを母型として無電解メッキあるいは電気鋳造等により金属スタンパーを作成し、射出成型等によりマイクロレンズアレイを作成していた。
【0007】
上述したような従来のマイクロレンズの製造方法では、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、加熱等の工程が必要で工程数が多く、また製造装置も多くの種類を必要とし、製造時間がかかり、また、上述の工程中のウエットプロセスにおいては薬液品質の維持、加熱工程では温度管理など品質維持のための工程管理を厳しくする必要があった。
【0008】
また、マイクロレンズアレイを作成する場合には、隣接するレンズ原型40が加熱処理により溶融し半球の水滴状に変形する際に、互いに接して大きな一つの塊まりとなる虞があり、高密度にマイクロレンズ17を配置することは困難であり、この対策のために更に製造工程が複雑になり、レンズ性能を低下させる原因でもあった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のマイクロレンズおよびマイクロレンズアレイの製造方法においては長い製造時間を必要とし、また、製造装置も多くの種類が必要であり、更に、ウエットプロセスにおいては薬液品質の維持など工程管理を厳しくする必要がある等の問題点があった。また、マイクロレンズアレイを作成する場合においては、高密度にマイクロレンズを配置することは困難であり、レンズアレイの性能を向上させることが難しかった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの問題点を解決するために創案されたものであって、紫外線を吸収するガラス等の基板表面に、紫外線波長域のレーザを照射して半球状の突出部を形成し、これを母型としてスタンパーを作成し、前記スタンパーにより透明材料を成型してマイクロレンズを作成する。
【0011】
また、基板表面に照射する紫外線波長域のレーザと前記基板の位置を相対的に変位させ、複数の突出部を基板表面に順次形成し、これを母型としてスタンパーを作成し、前記スタンパーにより透明材料を成型してマイクロレンズアレイを作成する。
【0012】
また、基板表面に照射する紫外線波長域のレーザを複数本のビーム構成にして、複数の突出部を基板表面に一度に形成し、これを母型としてスタンパーを作成し、前記スタンパーにより透明材料を成型してマイクロレンズアレイを作成する。
【0013】
更にまた、マイクロレンズを形成する位置に対応してマイクロレンズと略等しい大きさの複数の孔をあけたマスクを紫外線波長域のレーザ光を透過させない材料で形成し、前記マスクを基板の上面に設置してレーザ光を順次あるいは全面同時に照射して複数の突出部を基板表面に形成し、更にこれを母型としてスタンパーを作成し、前記スタンパーにより透明材料を成型してマイクロレンズアレイを作成し、上記課題を解決するものである。
【0014】
【作用】
本発明によるマイクロレンズの製造方法によれば、フォトリソグラフィーにおける各種工程、および加熱溶融工程を省略して紫外線照射工程のみにより、集光効率の高い突出部、即ちマイクロレンズの形状を形成することができる。
【0015】
また、本発明の方法により基板表面に形成された突出部は、その内部に微細な気泡があるため、そのままでは光学レンズとして作用しないが、これを母型として無電解メッキあるいは電気鋳造等により金属スタンパーを作成し、射出成型等により透明材料を成型してマイクロレンズアレイを製造するものである。
【0016】
【実施例】
本発明によるマイクロレンズの製造方法について図1ないし図8を参照して説明する。
【0017】
マイクロレンズの製造方法についての概要は図1に示すように、加熱源としての紫外線光源1と、前記紫外線光源1から発せられる紫外光2を集光し変調する光学系3と、前記紫外光2を吸収してレンズに対応する突出部を形成する基板4で構成される。前記紫外線光源1は波長360nm以下の連続、または、パルス点灯する光源であり、光学系3で極めて小さなスポットに絞られて基板4上に照射される。
【0018】
図2は紫外光2が照射された基板表面層の熱の分布を示している。紫外光2は基板4の表面から僅かに内部の表面層中心部8で集光して、表面層中心部8の温度上昇と同時に熱流7が表面層中心部8から外部に向かって生じ、周囲に向かって徐々に温度が低くなる温度分布を形成する。
【0019】
図2において表面層中心部8が十分に高温になると図3に示すように基板表面6に突出部9を形成するようになる。この過程を図3を参照して説明する。
【0020】
紫外線2のスポット照射により表面層中心部8の温度上昇が始まり、基板表面6の軟化および溶融とともに、表面層中心部8を中心として基板4の揮発しやすい、即ち沸点の低い成分のガス化が始まり、発泡10が始まる。
この過程によって内部の圧力11が上昇し、軟化した基板表面6を押し上げ表面張力によって半球の水滴状に変形する。この時点で紫外光2の照射を止めると熱が周囲に拡散し急速に冷却するため基板表面6は半球状に固化することになり、レンズの形状をした突出部9を形成することになる。
【0021】
上記のように形成された突出部9はその内部に気泡を含むため、このままではレンズの働きをしないが、図4(a)〜(e)に示すように突出部9を有する基板4を母型としてスタンパーを作成し複製してマイクロレンズを作成する。
【0022】
図4を参照してマイクロレンズを複数個配置したマイクロレンズアレイのスタンパーによる複製方法について説明する。
まず、図4(a)はスタンパーの母型となる複数のレンズの形状をした突出部9を有する基板4であり、この上部に無電解メッキ、電気鋳造、または紫外線硬化樹脂を用いた方法等によりスタンパー15を作成し〔図4(b)〕、その後前記スタンパー15を基板4から剥離し〔図4(c)〕、前記スタンパー15を母型として紫外線硬化樹脂による方法、または射出成型などの方法によりマイクロレンズアレイ16を形成し〔図4(d)〕、最後に前記スタンパー15から剥離してマイクロレンズアレイ16が作成される〔図4(e)〕。
【0023】
つぎに、基板4にマイクロレンズアレイを形成するために紫外光2を照射する実施方法について図5〜図8を参照して説明する。
【0024】
実施例1
図5に示すように光源は発振波長が略1μmの半導体励起YAGレーザ20で、SHG素子21を2回通すことにより4倍高調波を連続して発生させて紫外光源として用いる。前記レーザ光源からのレーザビームは、レーザ光の光強度を変化させる変調光学系22を通して対物レンズ23に入射し基板4上に集光する。基板4は例えばX−Y移動ステージ24に装着し、作成するマイクロレンズ17の配置に対応して基板4を一般的に知られている駆動方法により移動する。また、図示してないが、光学系を移動する構成であってもよい。
【0025】
前記変調光学系22は、紫外線波長において使用可能であるレンズ、ミラー、音響光学変調素子等(図示せず)で構成されていて、照射強度調節、照射光のON、OFF等を行う。また、光学変調素子は音響光学効果を利用するものの他に、電気光学効果、磁気光学効果、液晶の光学的効果を利用したもので構成してもよい。
【0026】
実際のレーザ光の照射条件としては例えば、基板4としてソーダガラスにレーザスポット径1μm、光強度密度120mW/μm2 、照射パルス幅2msec、照射間隔500μsec、照射回数100回で行い、良いレンズを得ることができた。尚、上記の条件に限らず、基板材料やレンズの直径、曲率、高さなどによって、照射条件を決定することは論を待たない。
【0027】
実施例2
図6(a)に示すように実施例1の対物レンズ23にかえて、光束分割光学系30を変調光学系22と基板4との間に設置し、変調光学系22で変調されたレーザビームを作成するマイクロレンズ17の配置に一致した複数のレーザビーム31を作成して基板4に照射するものである。
【0028】
光束分割光学系30の構成例を図6(b)に示す。同図は主レーザ光Lをビームスプリッター32でL1 〜Ln のn本のレーザ光に分割するものである。ビームスプリッター32で分割されたレーザ光の強度を同一にするために各々のビームスプリッター32の分割比率を適宜決定しなければならない。光束分割光学系30は本例に限らず他の光学部品を用いて構成してもよい。また、図6(b)ではライン状の配列を示したが、これに限定することなくエリア状に配列することも可能である。
【0029】
実施例3
図7は実施例1の対物レンズ23にかえて、光束径変換光学系34を変調光学系22と基板4との間に設置し、変調光学系22で変調されたレーザビームをマイクロレンズアレイ16のエリアを覆う大きさにレーザビーム31の径を広大し、基板4に照射するものである。この時基板4上にはマイクロレンズ17の配置に一致した、マイクロレンズ17の直径と略等しい直径の孔をあけた紫外線光反射マスク35でカバーをしておくものである。前期紫外線光反射マスク35の配置は光束径変換光学系34と基板4の間の任意の位置に挿着してよい。
【0030】
実施例4
図8は実施例3の紫外線光反射マスク35にかえてマイクロレンズアレイ33を用いるものである。マイクロレンズアレイ33の配置は基板4に作成するマイクロレンズ17の配置と同一構成であって、マイクロレンズアレイ33を通過してできた複数のレーザビーム31が基板4上に集光するように光学系を定める。本実施例においては実施例3に比較してレーザ光を有効に使用することができる利点がある。
【0031】
以上、基板材料としてソーダガラスを、この基板を発泡させてレンズ形状を作成するための光源として紫外光を用いた製造方法を説明したが、レンズ径の大きなものについては光源を可視光または赤外光を用い、基板にはこれら波長帯域の光を吸収して発泡する材料を用いてマイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを作成できることは論を待たない。この場合、利用する波長帯域の光に対応した反射、遮光マスクおよび光学部品を用いなくてはならない。
【0032】
尚、本発明によるマイクロレンズおよびマイクロレンズアレイの製造方法はこれらの製造に限定することなく、同様の微細な突起により信号を記録、再生する光ディスクおよび光カード等の製造に応用できることは当然である。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロレンズ製造方法により作成されたマイクロレンズ形状の突出部を有する基板を母型として無電解メッキあるいは電気鋳造等により金属スタンパーを作成し、射出成型等によりマイクロレンズを高速かつ大量に作成することができる。また、マイクロレンズを複数個配置したマイクロレンズアレイも同様の方法で作成することができる。
【0034】
また、溶融して表面張力の作用を受ける部分は紫外光を照射して昇温した所だけであり、順次照射していくことによって殆ど隙間をあけることなく高密度にマイクロレンズアレイ形状を形成することができる。
【0035】
また、マスク等を用いて同時に複数のスポットを照射する方法においても、照射表層部分のみが昇温し基板全体が加熱することはなく、従って、上記同様に殆ど隙間を明けることなく高密度にマイクロレンズアレイ形状を形成することができる。
【0036】
また、従来技術においては必要であったフォトリソグラフィーにおける前後の各種工程、および加熱溶融工程を省略して紫外線照射工程のみにより、集光効率の高いマイクロレンズアレイ形状を形成することができる。
【0037】
更にまた、基板上のマイクロレンズを形成しない部分に紫外線光を反射するパターンを作成し、この上から順次、或いは全面同時に紫外線光を照射することによって反射するパターンのある基板部分は昇温することはなく、それ以外の部分では発泡現象が生じて加熱溶融工程を省略して高密度なマイクロレンズアレイ形状を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマイクロレンズ製造方法の概念図である。
【図2】基板と紫外線光の相互作用を示す模式的断面図である。
【図3】図2に続くレンズ部形状の形成を示す模式的断面図である。
【図4】マイクロレンズ製造過程を示す略線的断面図である。
【図5】本発明の第一の実施例を示すブロック構成図である。
【図6】本発明の第二の実施例を示すブロック構成図である。
【図7】本発明の第三の実施例を示すブロック構成図である。
【図8】本発明の第四の実施例を示すブロック構成図である。
【図9】従来のマイクロレンズの製造方法を示す略線的斜視図である。
【符号の説明】
1 紫外線光源
2 紫外光
3 光学系
4 基板
5 レンズ形成部
6 基板表面
7 熱流
8 表面層中心部
9 突出部
10 発泡
11 圧力
15 スタンパー
16、33 マイクロレンズアレイ
17 マイクロレンズ
20 YAGレーザ
21 SHG素子
22 変調光学系
23 対物レンズ
24 X−Y移動ステージ
30 光束分割光学系
31 レーザビーム
32 ビームスプリッター
34 光束径変換光学系
35 紫外光反射マスク
38 フォトレジスト
39 マイクロレンズパターン
40 レンズ原型[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for manufacturing a microlens, and more particularly, to a method for manufacturing a microlens array by a stamper method.
[0002]
[Prior art]
A conventional method of manufacturing a microlens used for optical communication, a solid-state imaging device light collector, a light diffuser, and the like will be described with reference to FIGS. Although FIG. 1 shows only a single microlens, a plurality of microlens arrays are formed by the same manufacturing method.
[0003]
First, the manufacturing process will be described. FIG. 9A shows a
[0004]
After removing the resist on the lens prototype 40 in the last step, the
[0005]
When the microlens array is created by the above-described method, when the adjacent lens molds 40 are melted by the heat treatment and deformed into a hemispherical water droplet shape, there is a possibility that the lens molds 40 come into contact with each other to form a large lump. A frame is formed from a material having poor wettability with the lens base material in the gap portion between the lenses of the
[0006]
Also, in addition to using the microlens array created by the above method as it is as a lens, a metal stamper is created by electroless plating or electroforming using the microlens array as a master, and a microlens array is created by injection molding or the like. Was.
[0007]
In the conventional method for manufacturing a microlens as described above, steps such as resist coating, exposure, development, etching, and heating are required, and the number of steps is large. In addition, in the wet process in the above-described process, it is necessary to maintain strict quality control such as temperature control in the heating process and temperature control in the heating process.
[0008]
When a microlens array is formed, when adjacent lens molds 40 are melted by heat treatment and deformed into a hemispherical water droplet shape, there is a possibility that the lens molds 40 come into contact with each other to form a single large lump, and a high density is obtained. It is difficult to dispose the microlenses 17, and the countermeasures further complicate the manufacturing process, which also causes the lens performance to deteriorate.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional method of manufacturing microlenses and microlens arrays requires a long manufacturing time, requires many types of manufacturing apparatuses, and further maintains the quality of a chemical solution in a wet process. There were problems such as strict process control. In addition, when a microlens array is formed, it is difficult to arrange the microlenses with high density, and it is difficult to improve the performance of the lens array.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised to solve these problems, and forms a hemispherical projection by irradiating a laser in the ultraviolet wavelength range on the surface of a substrate such as glass that absorbs ultraviolet light. Is used as a matrix to form a stamper, and a transparent material is molded by the stamper to form a microlens.
[0011]
Further, the position of the laser in the ultraviolet wavelength range and the substrate to be irradiated on the substrate surface is relatively displaced, a plurality of protrusions are sequentially formed on the substrate surface, and a stamper is created using this as a matrix, and the stamper is transparent. The material is molded to form a microlens array.
[0012]
Further, a laser in the ultraviolet wavelength range for irradiating the substrate surface is formed into a plurality of beams, a plurality of protrusions are formed at one time on the substrate surface, and a stamper is formed using this as a matrix, and a transparent material is formed by the stamper. Mold to create a microlens array.
[0013]
Furthermore, a mask having a plurality of holes substantially the same size as the microlenses corresponding to the positions where the microlenses are formed is formed of a material that does not transmit laser light in the ultraviolet wavelength range, and the mask is formed on the upper surface of the substrate. A plurality of protrusions are formed on the substrate surface by sequentially and simultaneously irradiating laser light on the entire surface of the substrate, a stamper is formed using the protrusions as a matrix, and a transparent material is molded by the stamper to form a microlens array. It is intended to solve the above problems.
[0014]
[Action]
According to the method of manufacturing a microlens according to the present invention, various projections in photolithography, and the step of heating and melting can be omitted, and only the ultraviolet irradiation step can be used to form a projection with high light-collection efficiency, that is, the shape of the microlens. it can.
[0015]
In addition, the protrusion formed on the substrate surface by the method of the present invention does not act as an optical lens as it is because there are fine bubbles in the inside, but this is used as a master mold by electroless plating or electroforming. A stamper is formed, and a transparent material is molded by injection molding or the like to manufacture a microlens array.
[0016]
【Example】
A method of manufacturing a microlens according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0017]
As shown in FIG. 1, the outline of the method of manufacturing the microlens is, as shown in FIG. 1, an ultraviolet light source 1 as a heating source, an
[0018]
FIG. 2 shows the heat distribution of the substrate surface layer irradiated with the
[0019]
In FIG. 2, when the temperature of the central portion 8 of the surface layer becomes sufficiently high, a protruding portion 9 is formed on the
[0020]
The spot irradiation of the
In this process, the
[0021]
Since the projection 9 formed as described above contains air bubbles therein, it does not function as a lens as it is, but as shown in FIGS. 4A to 4E, the
[0022]
With reference to FIG. 4, a description will be given of a replication method using a stamper of a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged.
First, FIG. 4A shows a
[0023]
Next, a method for irradiating the
[0024]
Example 1
As shown in FIG. 5, the light source is a semiconductor-pumped
[0025]
The modulation
[0026]
The actual laser beam irradiation conditions are, for example, soda glass as the
[0027]
Example 2
As shown in FIG. 6A, a beam splitting optical system 30 is installed between the modulation
[0028]
FIG. 6B shows a configuration example of the light beam splitting optical system 30. In the figure, the main laser beam L is split by the beam splitter 32 into n laser beams L1 to Ln. In order to make the intensities of the laser beams split by the beam splitters 32 the same, the split ratio of each beam splitter 32 must be appropriately determined. The light beam splitting optical system 30 is not limited to this example, and may be configured using other optical components. Although FIG. 6B shows a linear arrangement, the arrangement is not limited to this, and an arrangement in an area is also possible.
[0029]
Example 3
FIG. 7 shows that the light beam diameter conversion
[0030]
Example 4
FIG. 8 shows a case where a microlens array 33 is used in place of the ultraviolet light reflection mask 35 of the third embodiment. The arrangement of the microlens array 33 is the same as the arrangement of the microlenses 17 formed on the
[0031]
As described above, the manufacturing method using soda glass as a substrate material and ultraviolet light as a light source for creating a lens shape by foaming this substrate has been described. It goes without saying that microlenses or microlens arrays can be formed using light and a material that absorbs and emits light in these wavelength bands for the substrate. In this case, it is necessary to use reflection, light shielding masks and optical components corresponding to the light in the wavelength band to be used.
[0032]
It should be noted that the method for manufacturing a microlens and a microlens array according to the present invention is not limited to these manufacturing methods, but can be applied to the manufacturing of an optical disk, an optical card, and the like that record and reproduce signals using similar fine projections. .
[0033]
【The invention's effect】
As described above, a metal stamper is formed by electroless plating or electroforming using a substrate having a microlens-shaped projection formed by the microlens manufacturing method of the present invention as a matrix, and the microlens is formed by injection molding or the like. Can be created quickly and in large quantities. Also, a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged can be created in a similar manner.
[0034]
In addition, the only part that is melted and subjected to the effect of surface tension is the place where the temperature is raised by irradiating ultraviolet light, and by irradiating sequentially, a microlens array shape is formed at high density without leaving a gap. be able to.
[0035]
Also, in the method of simultaneously irradiating a plurality of spots using a mask or the like, only the surface layer to be irradiated is heated and the entire substrate is not heated. A lens array shape can be formed.
[0036]
Further, a microlens array shape having high light-collecting efficiency can be formed only by the ultraviolet irradiation step, omitting various steps before and after the photolithography and the heating and melting step, which are necessary in the prior art.
[0037]
Furthermore, a pattern that reflects ultraviolet light is formed on a portion of the substrate where the microlenses are not formed, and the substrate portion having the pattern to be reflected by sequentially or simultaneously irradiating the ultraviolet light from above is heated. However, a foaming phenomenon occurs in other portions, and a heating and melting step can be omitted to form a high-density microlens array shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a microlens manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an interaction between a substrate and ultraviolet light.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing formation of a lens portion shape following FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a microlens manufacturing process.
FIG. 5 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic perspective view showing a conventional microlens manufacturing method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultraviolet
Claims (7)
紫外光を吸収する材料からなる基板の表面に、紫外線波長帯域のレーザ光を選択的に照射して前記基板を発泡させて半球状の突出部を形成し、該突出部を有する基板を母型としてスタンパーを作成し、更に該スタンパーにより透明材料を成形してマイクロレンズを作成することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。In a manufacturing method of making a micro lens by a stamper method,
The surface of a substrate made of a material that absorbs ultraviolet light is selectively irradiated with laser light in an ultraviolet wavelength band to foam the substrate to form a hemispherical protrusion, and the substrate having the protrusion is used as a matrix. Forming a microlens by forming a transparent material with the stamper.
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