JP2017161764A - 光学素子製造方法、光学素子、共焦点観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射防止構造または光反射構造を形成する材料のエッチング加工性に関係なく、反射防止構造または光反射構造が形成され、且つ、開口を有する光学素子の製造方法、及び、光学素子、及び、その光学素子を用いた共焦点観察装置を提供する。
【解決手段】第２の基板の第１面に物理的開口を形成しＳ１、その物理的開口を形成した後に、第１面に反射防止構造または光反射構造を形成しＳ２、第２の基板と反射防止構造または光反射構造からなる光学部材に、光が透過する素材からなる第１の基板を接合するＳ３。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射防止構造または光反射構造が形成された光学素子の製造方法、光学素子、及び、その光学素子を用いた共焦点観察装置に関する。

従来、対物レンズの焦点位置と共役な位置に設けられる共焦点開口を通過した光を検出する構成を有することで、試料表面に合焦した光のみを検出することができる共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡を改良したディスク走査型共焦点顕微鏡は、共焦点開口として作用する多数の開口を有する円盤（ディスク）を回転させ、多点照明によって試料をスキャンする顕微鏡であり、焦点位置において鮮明な画像取得を可能とする共焦点顕微鏡の効果に加えて、高速なスキャンを実行することが可能な顕微鏡として知られている。

ディスク走査型共焦点顕微鏡では、ディスクの検出器側の領域で反射した励起光が検出器で検出されてしまうことを防止するために、検出器側のディスクの表面に光反射を防止する構造を形成する技術が開示されている。光反射を防止する構造を形成する技術の一例として、特許文献１に記載されているような、ディスク表面に製膜したＳｉ膜に対してドライエッチングを施すことで遮光構造である微細凹凸構造を形成する技術が挙げられる。また、他の例として、多層膜からなる反射防止膜を製膜する方法が挙げられる。

特許第４７９７９９０号公報

一般に、ディスクに反射防止構造を形成するために、反射防止構造を形成するための材料を、蒸着や溶射等によりディスクにコーティングする処理が行われる。従来では、ディスクへの開口の形成は上記のコーティング処理後に行われる。そのため、反射防止構造を形成するための材料として、ディスクに開口を形成するためのエッチング加工が困難となるような材料を用いることができなかった。従って、反射防止構造を形成するための材料として用いられるものは、エッチング加工が容易である物質、または、エッチング加工を行うことが現実的に困難ではない物質（Ｃｒ、Ｓｉ等）に限られていた。

また、反射防止構造に限らず、光反射構造（反射膜等）をディスクの表面に形成する場合においても、ディスクへ開口を形成する前に材料をコーティングする処理が行われる。そのため、光反射構造を形成するための材料についてもエッチング加工が困難となるような材料を用いることは、同様の理由によりできず、用いられる材料は限られていた。

例えば、対応波長領域の広い多層膜からなる反射防止構造や、耐湿度性の保護膜を施す必要がある銀ミラーからなる光反射構造は、いずれもエッチング加工が困難であるという製造上の問題から、ディスク表面に形成することが困難であった。従って、反射防止構造または光反射構造を形成するための材料のエッチング加工性に関係なく、反射防止構造または光反射構造が形成された光学素子であり、また、その光学素子の表面に開口が形成されていることでディスク走査型共焦点顕微鏡のディスクとして用いることができるような光学素子の開発が求められている。また、そのような光学素子は、ディスク走査型共焦点顕微鏡のディスクに限られず、他の用途にも用いられ得る。

以上の実情を踏まえ、本発明では、反射防止構造または光反射構造を形成する材料のエッチング加工性に関係なく、反射防止構造または光反射構造が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子の製造方法、及び、光学素子、及び、その光学素子を用いた共焦点観察装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様における光学素子製造方法は、第２の基板の第１面に物理的開口を形成し、前記物理的開口を形成した後に、前記第１面に反射防止構造または光反射構造を形成し、前記第２の基板と前記反射防止構造または前記光反射構造からなる光学部材に、光が透過する素材からなる第１の基板を接合することを特徴とする。

本発明の一態様における光学素子は、第１面に物理的開口が形成された第２の基板と、前記第２の基板の前記第１面に形成された光反射構造と、からなる光学部材と、前記光学部材と接合された、光が透過する素材からなる第１の基板と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様における共焦点観察装置は、上記の一態様における光学素子を備えることを特徴とする。

第１の実施形態における光学素子の製造方法を示すフローチャート。 第１の実施形態における光学素子の構成例を示す図。 第１の実施形態における光学素子の別の構成例を示す図。 第１の実施形態における光学素子の別の構成例を示す図。 第２の実施形態における光学素子の製造方法を示すフローチャート。 第２の実施形態における光学素子の製造過程の各状態を示す図。 第３の実施形態における光学素子の製造方法を示すフローチャート。 第３の実施形態における光学素子の製造過程の各状態を示す図。 第４の実施形態における光学素子の製造方法を示すフローチャート。 第４の実施形態における光学素子の製造過程の各状態を示す図。 第４の実施形態の変形例における光学素子の構成例を示す図。 ニポウパターンに配置された複数の物理的開口を有する光学素子を一方向から見た図。 複数のスリットが物理的開口として形成された光学素子を一方向から見た図。 本発明の光学素子を有するディスク走査型共焦点顕微鏡の構成の一例を示す図。

以下、第１の実施形態における光学素子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。第１の実施形態では、本発明の光学素子の製造方法の特徴を理解するための大まかな流れを一例として示し、後述する各実施形態において、より具体的な状況における製造方法の例を示す。

図１は、第１の実施形態における光学素子２０の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ１では、まず第２の基板に物理的開口を形成する。第２の基板は、特に材質は限定されないが、物理的開口を形成するための加工処理が行い易いものであるとよい。

ステップＳ２では、ステップＳ１において物理的開口を形成した後に、第２の基板の物理的開口が形成された面に反射防止構造または光反射構造を形成する。反射防止構造は、光の反射率を低減させる構造であり、例えば、多層膜からなる反射防止膜である。光反射構造は、光の反射率を増加させる構造であり、例えば、アルミや銀等からなる光反射ミラーである。反射防止構造または光反射構造は、薄膜やミラーであれば、Physical Vapor Deposition（ＰＶＤ）やChemical Vapor Deposition（ＣＶＤ）等の薄膜蒸着法により形成される。反射防止構造または光反射構造は、薄膜やミラー種に限定されず、上記のように光の反射率を低減または増加させる構造であれば、公知の技術によって形成される他の構造でも構わない。また、その構造を形成する材料についても特に限定されない。以下、反射防止構造または光反射構造のいずれかである構造を光学構造とも表記する。

ステップＳ３では、第２の基板と反射防止構造または光反射構造とからなる光学部材に光が透過する素材からなる第１の基板を接合する。光学部材に第１の基板を接合する際には、光学部材と第１の基板との間に光透過性の接着剤を充填することで接合する。

ステップＳ４では、第２の基板と反射防止構造または光反射構造とからなる光学部材に光が透過する素材からなる第３の基板を接合する。このとき、第３の基板と第１の基板に光学部材が挟まれるように、光学部材に第３の基板を接合する。光学部材に第３の基板を接合する際には、光学部材と第３の基板との間に光透過性の接着剤を充填することで接合する。ステップＳ４を終了すると、本フローチャートは、終了する。

以上の製造方法によって製造された光学素子２０の構成例を図２に示す。光学素子２０は、第２の基板２２と光学構造２４とからなる光学部材２５と、光学部材２５に接合された第１の基板２１及び第３の基板２３と、を含む。第２の基板２２には、物理的開口が形成されている。光学構造２４は、第２の基板２２の表面に形成された反射防止構造または光反射構造である。光学部材２５は、第１の基板２１と第３の基板２３によって挟み込まれる構成を有し、光学部材２５と第１の基板２１の間及び光学部材２５と第３の基板２３の間には、光透過性の接着剤が充填されている。

図２の構成において、例えば、第１の基板２１の紙面上方向から第１の基板２１に対して光が照射した場合、光が透過する素材からなる第１の基板２１を透過した光のうち、一部の光は光学構造２４へ到達する。その他の光は第２の基板２２に形成された物理的開口と第３の基板２３を透過する。光学構造２４へ到達した光は、光学構造２４が反射防止構造であれば、光の反射が抑制され、光学構造２４が光反射構造であれば、光は高い反射率で反射される。

以上の光学素子２０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造２４を形成する材料の、物理的開口を形成するための加工性、例えばエッチング加工性に関係なく、光学構造２４が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子２０を製造することができる。

より具体的には、第２の基板２２に光学構造２４を形成する処理（図１のステップＳ２）は、第２の基板２２に物理的開口を形成する処理（図１のステップＳ１）の後に行われる。そのため、図１のステップＳ１からＳ２までの手順において、物理的開口を有する光学部材２５は、光学構造２４に物理的開口を形成する処理が行われることなく形成される。すなわち、光学構造２４を形成する材料について物理的開口を形成するための加工性は問われない。反射防止構造または光反射構造である光学構造２４を形成する材料は、例えば、エッチング加工性が困難であるような対応波長領域の広い多層膜などでもよい。

また、光学素子２０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造２４が第１の基板２１と第３の基板２３とに挟み込まれ、接着剤で封止されているため、光学構造２４に対する空気接触、物理接触を防ぐことができる光学素子２０を製造することができる。そのため、光学構造２４を形成する材料は、温度耐性と湿度耐性の低い銀ミラーなどでもよい。

また、光学素子２０の製造方法は、図１のステップＳ４の手順がなくてもよい。図３は、図１のステップＳ４がない製造方法によって製造された光学素子２０ａの構成例を示す。光学素子２０ａの製造方法によっても、反射防止構造または光反射構造である光学構造２４を形成する材料の物理的開口を形成するための加工性、例えばエッチング加工性に関係なく、光学構造２４が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子２０ａを製造することができる。

また、光学素子２０ａの製造方法において、光学部材２５に第１の基板２１を接合する際の光学部材２５の接合面は、光学構造２４のある面と、光学構造２４のない第２の基板２２の表面のいずれでも構わない。例えば、光学部材２５に光学構造２４のある面を接合した場合、図４のような光学素子２０ｂが製造される。

以下、第２の実施形態における光学素子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。

図５は、第２の実施形態における光学素子３０の製造方法を示すフローチャートであり、図６は、第２の実施形態における光学素子３０の製造過程の各状態を示す図である。以下では、図６と対応させつつ図５のフローチャートを説明する。

図５のステップＳ１１では、第２の基板３２にエッチング加工することで貫通穴を形成する。第２の基板３２の材質は、エッチング加工性に優れた材質であれば特に限定されない。例えば、金属、ガラス、石英、プラスチック等である。このとき図６（ａ）に示される第２の基板３２にステップＳ１１の処理を行うことで、図６（ｂ）に示されるように第２の基板３２に貫通穴が形成された状態となる。

図５のステップＳ１２では、第２の基板３２の表面である第１面に反射防止構造または光反射構造である光学構造３３を形成する。光学構造３３は、第１の実施形態で説明した光学構造２４と同様のものである。このとき図６（ｂ）に示される貫通穴が形成された第２の基板３２にステップＳ１２の処理を行うことで、図６（ｃ）に示されるように第２の基板３２と光学構造３３からなる光学部材３４が形成された状態となる。

図５のステップＳ１３では、第２の基板３２と光学構造３３とからなる光学部材３４に光が透過する素材からなる第１の基板３１を接合する。光学部材３４に第１の基板３１を接合する際には、光透過性の接着剤を用いて、光学部材３４と第１の基板３１との間にその接着剤を充填することで接合する。このとき図６（ｃ）に示される光学部材３４にステップＳ１３の処理を行うことで、図６（ｄ）に示されるような光学素子３０が完成する。

以上の光学素子３０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造３３を形成する材料のエッチング加工性に関係なく、光学構造３３が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子３０を製造することができる。

以下、第３の実施形態における光学素子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。

図７は、第３の実施形態における光学素子４０の製造方法を示すフローチャートであり、図８は、第３の実施形態における光学素子４０の製造過程の各状態を示す図である。以下では、図８と対応させつつ図７のフローチャートを説明する。

図７のステップＳ２１では、第２の基板４２の第１面にエッチング加工することで物理的開口とするための溝を形成する。第２の基板４２の材質は、第２の実施形態で説明した第２の基板３２の材質と同様である。このとき図８（ａ）に示される第２の基板４２にステップＳ２１の処理を行うことで、図８（ｂ）に示されるように第２の基板４２に溝が形成された状態となる。

一般に、エッチング加工によって物理的開口の形成を行う際、加工上の制限から物理的開口の深さは、開口径以下とされる。そのため、図８（ｂ）の開口径φが第２の基板４２の厚さＤよりも小さい場合、第２の基板４２に貫通した物理的開口（貫通穴）を形成することは難しい。第３の実施形態は、エッチング加工によって開口径φの物理的開口を形成する際、その物理的開口を貫通させることが困難であるような厚さＤをもつ第２の基板４２を用いたとしても光学素子を製造することができるような、光学素子製造方法である。

図７のステップＳ２２では、溝を形成した第２の基板４２の第１面に反射防止構造または光反射構造である光学構造４３を形成する。光学構造４３は、第２の実施形態で説明した光学構造３３と同様のものである。このとき図８（ｂ）に示される溝が形成された第２の基板４２の第１面にステップＳ２２の処理を行うことで、図８（ｃ）に示されるように第２の基板４２と光学構造４３からなる光学部材４４が形成された状態となる。

図７のステップＳ２３では、光学部材４４を構成する反射防止構造または光反射構造である光学構造４３に、光が透過する素材からなる第１の基板４１を接合する。光学部材４４に第１の基板４１を接合する際には、光透過性の接着剤を用いて、光学構造４３と第１の基板４１との間にその接着剤を充填することで接合する。このとき図８（ｃ）に示される光学部材４４にステップＳ２３の処理を行うことで、図８（ｄ）に示されるような状態となる。

図７のステップＳ２３では、物理的開口である溝が第２の基板４２を貫通するまで、光学部材４４を構成する第２の基板４２の、反射防止構造または光反射構造である光学構造４３が形成されていない第２面を研磨する。このとき図８（ｄ）に示される第２の基板４２の紙面上側にある第２面に対してステップＳ２３の処理を行うことで、図８（ｅ）に示されるような光学素子４０が完成する。

以上の光学素子４０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造４３を形成する材料のエッチング加工性に関係なく、光学構造４４が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子４０を製造することができる。

また、この製造方法によれば、ある開口径の物理的開口を貫通させることが困難である厚さを有する第２の基板４２を用いたとしても、その開口径をもつ貫通した物理的開口を有した光学素子４０を製造することができる。

なお、本実施形態では、図７では、光学構造４３に第１の基板４１を接合した後に研磨処理を行う例を示したが、研磨処理を行った後に光学構造４３に第１の基板４１を接合してもよい。また、光学構造４３は、第２の基板４２に溝を形成した後に形成されれば良く、例えば、溝が貫通するまで第２面が研磨された後に、光学構造４３が形成されてもよい。

以下、第４の実施形態における光学素子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。

図９は、第４の実施形態における光学素子５０の製造方法を示すフローチャートであり、図１０は、第４の実施形態における光学素子５０の製造過程の各状態を示す図である。以下では、図９と対応させつつ図１０のフローチャートを説明する。

図９のステップＳ３１からＳ３３は、第２の実施形態の光学素子３０の製造方法を説明するフローチャートである図５のステップＳ１１からＳ１３の処理と等しいため、説明を省略する。

また、図１０の（ａ）から（ｄ）のそれぞれの状態は、図６の（ａ）から（ｄ）のそれぞれの状態と等しい。ステップＳ３３の処理が終了したとき、図１０の（ｄ）に示されるような状態となる。

ステップＳ３４では、第２の基板５２と反射防止構造または光反射構造である光学構造５３からなる光学部材５５に光が透過する素材からなる第３の基板５４を接合する。このとき、第３の基板５４と第１の基板５１に光学部材５５が挟まれるように、光学部材５５に第３の基板５４を接合する。またこのとき、図１０の（ｄ）に示される光学部材５３にステップＳ３４の処理を行うことで、図１０（ｅ）に示されるような光学素子５０が完成する。

以上の光学素子５０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造５３を形成する材料のエッチング加工性に関係なく、光学構造５３が形成され、且つ、物理的開口を有する光学素子５０を製造することができる。

また、光学素子５０の製造方法によれば、反射防止構造または光反射構造である光学構造５３が第１の基板５１と第３の基板５４とに挟み込まれ、接着剤で封止されているため、光学構造５３に対する空気接触、物理接触を防ぐことができる光学素子５０を製造することができる。

また、第４の実施形態における光学素子５０の製造方法は、第２の実施形態の光学素子製造方法によって製造された光学素子３０に対して、図９のステップＳ３４の処理を実行することで光学素子５０を製造する方法であると言い換えることができるが、例えば、第３の実施形態の光学素子製造方法によって製造された光学素子４０に対して、図９のステップＳ３４の処理を実行することで光学素子を製造するような製造方法としてもよい。

また、第４の実施形態の変形例として、図９のステップＳ３２（図５のステップＳ１２）において形成される反射防止構造は、例えば、第２の基板に材料を蒸着し、その材料に微細加工を行うことで微細構造を形成したものであってもよい。材料としてはＳｉ等が用いられる。図１１は、第２の基板６２に微細構造である反射防止構造６４が形成された光学素子６０の例を示す図である。尚、光学素子６０の製造方法は、第４の実施形態で説明した光学素子５０の製造方法と等しいものとする。

反射防止構造６４は、例えば、表面に複数の微細な凹凸が形成されている。図１１の構成において、紙面上方向から光が透過する素材からなる第３の基板６３に光を照射した場合、第３の基板６３を透過した光のうち、一部の光は反射防止構造６４へ到達し、他の光は第２の基板６２に形成された物理的開口と第３の基板２３を透過する。反射防止構造６４へ到達した光は、反射防止構造６４の凹凸の間に侵入し、凹凸の内部で散乱する。そのため、反射防止構造６４表面での正反射を防ぐことができ、凹凸の外部への光の散乱が少ないことから光の反射率を低減する反射防止構造として機能する。

また、上記に挙げた各実施形態の光学素子製造方法において、第２の基板に形成される物理的開口は、複数形成され、ニポウパターンに配置されているようなものであってもよい。図１２は、ニポウパターンに配置された複数の物理的開口７１を有する光学素子７０を一方向から見た図を示している。光学素子７０は、例えば、後述するディスク走査型共焦点顕微鏡において、スキャンユニットのディスクとして用いられてもよい。

また、上記に挙げた各実施形態の光学素子製造方法において、第２の基板に形成された物理的開口は、第２の基板に形成されたスリットであってもよい。図１３は、複数のスリット８１が物理的開口として形成された光学素子８０を一方向から見た図を示している。光学素子８０についても光学素子７０と同様に、後述するディスク走査型共焦点顕微鏡において、スキャンユニットのディスクとして用いられてもよい。

尚、上記に挙げた各実施形態における光学素子の製造方法によって製造された光学素子は、共焦点観察装置であるディスク走査型共焦点顕微鏡のディスクとして用いることができる。図１４は、上述した光学素子を備えるディスク走査型共焦点顕微鏡１の構成の一例を示す図である。

ディスク走査型共焦点顕微鏡１は、共焦点光学系を備える共焦点観察装置であり、光源１０と、コリメートレンズ９と、ダイクロイックミラー７と、レンズ４、６と、ディスク５と、対物レンズ３と、結像レンズ８と、を含む。光源１０は、励起用のレーザ光を射出する光源として機能する。ダイクロイックミラー７は、光源１０から射出されるレーザ光を反射し、そのレーザ光が標本２に照射されることで標本２から生じた蛍光を透過させるようなものである。ディスク５は、本発明の各実施形態に挙げた光学素子を用いたディスクであり、ディスク５は、対物レンズ３の焦点面と光学的に共役な面にディスク表面が位置するように配置される。尚、ディスク５に用いられる光学素子には、図１２、図１３のように複数の物理的開口が形成されていることが望ましい。また、ディスク５は、軸５ａを軸として回転させることができるように配置される。

光源１０から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ９でコリメートされ、ダイクロイックミラー７によって反射されて、ディスク５に形成された物理的開口、レンズ４、６及び対物レンズ３を介して標本２へ照射される。標本２にレーザ光が照射されることで標本２からは蛍光が生じる。蛍光は、レーザ光と同様の経路をたどり、ディスク５の物理的開口を通過し、ダイクロイックミラーを透過し、結像レンズ８によって結像面１１に結像される。結像面１１には、ＣＣＤカメラ等の図示しない画像取得装置が設けられ、画像が取得される。

以上の構成を有するディスク走査型共焦点顕微鏡１は、軸５ａを軸としてディスク５を回転させることで、物理的開口を通過したレーザ光によって標本２を走査することができる。ディスクに形成される反射防止構造または光反射構造である光学構造は、エッチング加工性に依らない様々な材料や構造によって形成され得る。

本発明の光学素子製造方法、光学素子、共焦点観察装置は、上述の実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

１ ディスク走査型共焦点顕微鏡
２ 標本
３ 対物レンズ
４、６ レンズ
５ ディスク
５ａ 軸
７ ダイクロイックミラー
８ 結像レンズ
９ コリメートレンズ
１０ 光源
１１ 結像面
２０、２０ａ、２０ｂ、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 光学素子
２１、３１、４１、５１、６１ 第１の基板
２２、３２、４２、５２、６２ 第２の基板
２４、３３、４３、５３、６４ 光学構造（反射防止構造または光反射構造）
２５、３４、４４、５５、６５ 光学部材
２３、５４、６３ 第３の基板
７１ 物理的開口
８１ スリット

Claims (7)

1. 第２の基板の第１面に物理的開口を形成し、
   前記物理的開口を形成した後に、前記第１面に反射防止構造または光反射構造を形成し、
   前記第２の基板と前記反射防止構造または前記光反射構造からなる光学部材に、光が透過する素材からなる第１の基板を接合する
   ことを特徴とする光学素子製造方法。
2. 請求項１に記載の光学素子製造方法であって、
   前記光学部材を構成する前記反射防止構造または前記光反射構造に、前記第１の基板を接合し、
   前記物理的開口が前記第２の基板を貫通するまで、前記光学部材を構成する前記第２の基板の前記反射防止構造または前記光反射構造が形成されていない第２面を研磨する
   ことを特徴とする光学素子製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学素子製造方法であって、さらに、
   光が透過する素材からなる第３の基板と前記第１の基板に前記光学部材が挟まれるように、前記光学部材に前記第３の基板を接合する
   ことを特徴とする光学素子製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学素子製造方法であって、
   前記物理的開口は、前記第２の基板に複数形成され、
   前記第２の基板に形成された複数の物理的開口は、ニポウパターンに配置されている
   ことを特徴とする光学素子製造方法。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学素子製造方法であって、
   前記物理的開口は、前記第２の基板に形成されたスリットである
   ことを特徴とする光学素子製造方法。
6. 第１面に物理的開口が形成された第２の基板と、前記第２の基板の前記第１面に形成された光反射構造と、からなる光学部材と、
   前記光学部材と接合された、光が透過する素材からなる第１の基板と、を備える
   ことを特徴とする光学素子。
7. 請求項６に記載の光学素子を備える
   ことを特徴とする共焦点観察装置。
   
   

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