JPH0747550A

JPH0747550A - アレー状レンズの製造方法

Info

Publication number: JPH0747550A
Application number: JP19440693A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Moriguchi; 明宣森口; Hiroyuki Sawada; 浩之澤田; Hiroki Aoyanagi; 宏紀青柳; Shinichiro Hirota; 慎一郎広田; Keiichi Yamazaki; 敬一山崎
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-02-21

Abstract

(57)【要約】【目的】簡便な方法により、高精度、高品質のアレー状
レンズを多大な装置、設備を用いることなく安価に短時
間で効率的に成形することのできるアレー状レンズの製
造方法を提供する。【構成】感光性ガラスを所定パターンを有するマスクを
介して露光した後、熱処理により酸に易溶な結晶を析出
させ、該結晶を溶解除去することにより、上記マスクに
対応するパターンを有する複数の微小穴を形成して、成
形型を得、次に被成形ガラス体を前記成形型上に載置
し、熱軟化させ、成形することにより複数のレンズを形
成することを特徴とするアレー状レンズの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微細パターンを有するア
レー状レンズの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アレー状レンズの製造方法として、特開
昭６１−２６１２３９号公報や特開昭５８−１１７５０
１号公報等に記載されている方法が知られている。

【０００３】特開昭６１−２６１２３９号公報に記載さ
れている方法はアレー状レンズのうち屈折率分布型の平
板マイクロレンズを得るものであり、この方法は次のよ
うに行なわれる。すなわち、先ず透明ガラス基板上にイ
オン拡散防止用金属膜（例えばＴｉ膜）を、その上に保
護膜（例えばＳｉＯ₂膜）を設け、これらの金属膜と保
護膜にイオン拡散用の円形開口部をフォトリソグラフィ
ー技術を用いて形成する。次に屈折率への寄与の大きな
イオン（Ｔｌ⁺、Ｃｓ⁺等）を含有する高温溶融塩に上記
円形開口部を接触させ、この円形開口部を通じて、上記
屈折率への寄与の大きなイオンを透明ガラス基板中に拡
散させてレンズ部を形成する。続いて円形開口部外縁の
保護膜及びイオン拡散防止用金属膜をエッチング除去
し、所定のレンズ部分に対応する大きさの開口部を形成
して、屈折率分布型の平板マイクロレンズを製造する。
なお、この方法においてエッチング除去されなかった保
護膜及びイオン拡散防止用金属膜は遮蔽層として利用さ
れる。

【０００４】また、特開昭５８−１１７５０１号公報に
記載されている方法も屈折率分布型平板マイクロレンズ
を得るものであり、この方法は次のように行なわれる。
すなわち、イオン拡散処理時間を短縮するために、ゾル
ゲル法で作製した光学的に均質なマイクロポーラスを有
するガラス基板表面に、イオン拡散防止用金属膜（Ｔ
ｉ，Ｔａ膜等）を蒸着法、スパッター法等により形成
し、更にイオン拡散防止用金属膜にイオン拡散用の円形
開口部を設け、原料ガラス基板を得る。この原料ガラス
基板を金属イオン源となる溶融塩中に浸漬して、金属膜
に形成されたイオン拡散用の円形開口部より高屈折率を
与える金属イオン（Ｔｌ⁺、Ｃｓ⁺、Ｐｂ²⁺等）を拡散さ
せ、原料ガラス基板内に屈折率分布を持たせた後、乾
燥、焼成して屈折率分布型の平板マイクロレンズを製造
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のアレー
状レンズの製造方法は、いずれもイオンの拡散を利用す
るため、安定した精度、品質を有するアレー状レンズを
得ることが困難である。また、ガラス基板上へのマスク
（金属膜）の形成、リソグラフィー技術による所定パタ
ーンの形成、イオン交換等の多数の煩雑な工程を経なけ
ればならず、多大な装置、設備が必要で、製造コストが
高くなる。

【０００６】本発明の目的は上記問題点を解決するため
になされたものであり、簡便な方法により、高精度、高
品質のアレー状レンズを、多大な装置、設備を用いるこ
となく安価に短時間で効率的に製造することができる方
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のアレー状レンズの製造方法は、感光性ガラスを所定
パターンを有するマスクを介して露光した後、熱処理に
より酸に易溶な結晶を析出させ、該結晶を溶解除去する
ことにより、上記マスクに対応するパターンを有する複
数の微小穴を形成して、成形型を得、次に被成形ガラス
体を前記成形型上に載置し、熱軟化させ、成形すること
により複数のレンズを形成することを特徴とする。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。成形型の
材料としての感光性ガラスは、例えば、重量％でＳｉＯ
₂：５５〜８５％、Ａｌ₂Ｏ₃：２〜２０％、Ｌｉ₂Ｏ：５
〜１５％、ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｌｉ₂Ｏ＞８５％を基本
成分とし、Ａｕ：０．００１〜０．５％、Ｃｕ₂Ｏ：
０．００１〜０．２％を感光性金属成分とし、更に光増
感剤としてＣｅＯ₂：０．００１〜０．２％を含有する
ガラスが用いられる。なお感光性ガラスの個々の原料組
成は、上記条件のうちから所望の特性を有する組成を適
宜選択すれば良い。

【０００９】上記の感光性ガラスを成形型基盤材料とし
てその表面に、所定パターンを有するマスクを載置し、
マスク上から水銀ランプ、水銀キセノンランプ等を用い
て紫外線を所定時間（例えば５秒〜２分）照射すること
により、被露光部分に感光性金属（Ａｕ、Ｃｕ等）から
成る結晶核を生成させ、潜像を形成させる。次に、上記
のようにして潜像を形成した感光性ガラスを大気圧中で
５５０℃〜６１０℃の温度で３０分〜５時間熱処理（第
１次熱処理）することにより、上記被露光部分（潜像）
内に存在する感光性金属の粒子を核として、リチウムメ
タシリケート結晶を成長させる。このリチウムメタシリ
ケート結晶は酸に易溶であるので例えば希フッ化水素酸
をエッチング液として溶解除去することにより、所定パ
ターンを有する複数の微小穴が形成される。更に全体を
再露光した後、８００℃〜９００℃で熱処理（第２次熱
処理）することによりリチウムジシリケートの結晶を析
出させ、機械的強度、耐熱性等を向上させる。エッチン
グ時間により、形成される微小穴の深さを調整すること
ができる。本発明においてはエッチング時間を長くする
ことにより、貫通した微小穴を形成しても良く、またエ
ッチング時間を短くすることにより非貫通の微小穴を形
成してもよい。後記するように、前者の貫通微小穴の場
合には、凸状レンズが、また後者の非貫通微小穴の場合
には、凹状レンズが得られる。また微小穴の直径は、１
０μｍ〜２ｍｍが好ましい。

【００１０】上記方法により、感光性ガラスを材料と
し、複数の微小穴を有する成形型が得られるが、成形型
には、被成形ガラス体と成形型との融着を防止するため
に成形型の成形面に融着防止膜を設けても良い。また被
成形ガラス体の表面にも融着防止膜を設けてもよい。

【００１１】成形型の融着防止膜の成膜方法としては、
真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッター法等
がある。この融着防止膜としては、離型性の良好な種々
の材料が使用でき、炭素膜、炭素／ＳｉＣ膜、Ｃｒ₂Ｏ₃
／ＣｒＮ膜等が良い。また、融着防止膜の膜厚として
は、１００オングストローム〜１μｍが好ましい。

【００１２】本発明の方法によれば、上記のようにして
得た成形型上に被成形ガラス体を載置し加熱する。この
ときの加熱温度は、被成形ガラス体の軟化温度以上と
し、加熱時間は被成形ガラス体が軟化し変形し得るに十
分な時間とするのが好ましい。被成形ガラス体の熱軟化
後の成形は、例えば、加在処理や減圧処理により行なわ
れる。加圧成形の場合の圧力としては、被成形ガラス体
の成形に十分であり、かつ良好なレンズ形状を得るのに
適当な圧力値を選択すれば良い。また、加圧の方法とし
ては、被成形ガラス体の成形型との接触面を正面とした
ときに、被成形ガラス体の背面側から錘、プレス等によ
り加圧するのが好ましい。尚、錘、プレス等によって加
圧する場合、錘、プレス用押し棒等と被成形ガラス体と
の融着を防止するために、セラミックスの平板（Ｓｉ
Ｃ、ＳｉＯ₂等）を介して加圧するのが好ましい。また
は、セラミック平板の先端に離型膜をコートして加圧し
ても良い。減圧成形は、成形型に貫通した微小穴が形成
されている場合に行なわれる成形方法であり、この場合
には、成形型上に被成形ガラス体を載置し、成形型の被
成形ガラス体との接触面を正面として、型の背面側のみ
を減圧することにより、被成形ガラス体の成形型との接
触面に対して貫通微小穴を通して被成形ガラス体の外側
に向う吸引力をかけ、この吸引力によって、被成形ガラ
ス体の変形を加速し、被成形ガラス体の表面に凸レンズ
を得ることができる。更に、加圧処理や減圧処理を行な
わずに、被成形ガラス体を熱軟化させ、その自重による
変形（自重成形）により、被成形ガラス体の表面上にレ
ンズを得ることもできる。成形雰囲気としては、非酸化
性雰囲気（Ｎ₂雰囲気、２％Ｈ₂＋９８％Ｎ₂雰囲気等）
または、減圧下（１０^-1〜１０^-6Ｔｏｒｒ）が好まし
い。成形型に所定のパターンを有する貫通した微小穴が
形成されている場合には、成形型の所定パターンに対応
した配列を有する複数の凸レンズが形成されたアレー状
レンズを得ることもできる。

【００１３】成形型に所定パターンを有する非貫通の微
小穴が形成されている場合には、成形型の所定パターン
に対応した配列を有する複数の凹レンズが形成されたア
レー状レンズを得ることができる。貫通した微小穴の場
合と異なり、非貫通微小穴の場合に凹レンズが形成され
る理由は、成形型に形成された非貫通の微小穴を被成形
ガラス体が密閉し、その内部にガスが閉じ込められ、さ
らに加熱されることによって閉じ込められたガスが膨張
し、レンズ形状が凹となるからである。

【００１４】

【実施例】以下実施例により本発明を詳細に説明する。実施例１（アレー状凸レンズの製造例）後掲の表１は実施例１における各種の成形条件と結果を
示すが、この表１の実験例３について詳細に説明する。
成形型基盤用の感光性ガラスとして酸化物重量％でＳｉ
Ｏ₂：７９．４％、Ｌｉ₂Ｏ：１０．２％、Ａｌ₂Ｏ₃：
４．０％、Ｋ₂Ｏ：４．０％、Ｎａ₂Ｏ：１．０％、Ｚｎ
Ｏ：１．０％、Ｓｂ₂Ｏ₃：０．４％、感光性金属成分と
して、Ａｇ：０．０８％、Ａｕ：０．０８％、更に光増
感剤としてＣｅＯ₂：０．０１％を含有するガラスを溶
解して得られた感光性ガラス（転移点４６５℃、軟化点
５１５℃）を用い、その両面を研磨して円形平板（直径
５０ｍｍ、厚さ２．２ｍｍ）を得た。この感光性ガラス
の円形平板の一主表面に所定パターンを有するマスクを
載置し、マスク上から１０００Ｗの水銀−キセノンラン
プを用いて紫外線を１０秒間照射することにより被露光
部分に感光性金属（Ａｇ、Ａｕ）の粒子から成る結晶核
を生成させ、潜像を形成させた。

【００１５】この際、使用したマスクは、直径９０μｍ
の円形開口部が碁盤目状に配列したものであり、隣り合
う円形開口部の中心間の距離は１００μｍであった。

【００１６】上記の方法で得た潜像を有する感光性ガラ
スを大気圧中で６００℃で１時間熱処理（第１次熱処
理）し、上記被露光部分（潜像）内に存在する感光性金
属の粒子を核として、酸易溶性リチウムメタシリケート
結晶を成長させた。次に希フッ化水素酸をエッチング液
としてエッチングして結晶化部分を除去することによ
り、前記マスクのパターンに対応する、直径９０μｍの
微小穴が、隣り合う微小穴の中心間の距離を１００μｍ
として碁盤目状に配列した感光性ガラス製の成形型基盤
を得た。なお、エッチング時間により、微小穴の深さを
調整することができるが、本実験例においては５０分
間、エッチングすることにより、貫通した微小穴（以
下、加工形状１ということがある）を得た。更に、上記
の方法で得た微小穴の微細パターンを有する感光性ガラ
ス製の成形型基盤全体を再露光した後、大気圧中で８３
０℃で１時間熱処理（第２次熱処理）することによりリ
チウムジシリケートの結晶を感光性ガラス全体に析出さ
せて機械的強度、耐熱性を向上させた。本実施例におい
ては、成形型基盤全体を結晶化した後、更にエッチング
して微小穴部外縁を溶解除去し、微小穴の直径を９０μ
ｍから１００μｍと大きくした。これは、得られるアレ
ー状レンズの各レンズ間距離を狭めて最密化するためで
ある。上記方法で得た成形型基盤表面上に、被成形ガラ
ス体との融着を防止するためにイオンプレーティング法
により、炭素膜（厚さ約５００オングストローム）を設
けて、感光性ガラス製の成形型を得た。

【００１７】図５は前記加工形状１の成形型表面の顕微
鏡写真を示し、図６は図５に示す加工形状１の成形型の
Ａ−Ａ’断面図を示す。

【００１８】次に、上記方法で得た成形型を使用して、
アレー状レンズを成形する方法について説明する。成形
型を収納した成形機の要部構造の断面図を図１に示す。
図１において、被成形ガラス体３を、成形型２の上に載
置し、更に、被成形ガラス体３の上にセラミックス（Ｓ
ｉＣ）製の平板９を介してステンレス製の錘１（重量５
０ｇ）を載置する。成形型２は、支持棒４上に配置され
た支持台５によって石英管６中に支持される。なお、支
持台５には温度測定用の熱電対８が設けられている。被
成形ガラス体としては硼珪酸塩ガラスである光学ガラス
ＳＫ５（転移点５４５℃、軟化点５８７℃）を使用し
た。被成形ガラス体３としては直径４５ｍｍ、厚さ１．
２ｍｍの両面研磨された円形平板を用いた。被成形ガラ
ス体３を真空中（真空度０．０１Ｔｏｒｒ）で、石英管
６の外周に巻き付けられたヒータ７により、成形型と共
に加熱し、軟化させた。加熱温度は６５０℃、加熱時間
は５分であった。軟化された被成形ガラス体３は、被成
形ガラス体３の自重及び錘１の重量（５０ｇ）により変
形し、成形型２に形成された複数の微小穴を転写し、微
小穴の直径と同一の直径を有するアレー状凸レンズが、
被成形ガラス体の成形型との接触面上に形成された。

【００１９】図７は、上記方法により成形されたアレー
状凸レンズの表面の顕微鏡写真を示し、図８は、図７に
示したアレー状レンズの表面形状を図７のａ−ａ’に沿
って測定した図である。上記方法によって得られたアレ
ー状レンズは、成形型２の微小穴を忠実に転写してお
り、レンズ面は鏡面を有していた。また表面形状の測定
結果より、凸部の高さが２．５μｍ、レンズ径が１００
μｍであった。

【００２０】次に表１に挙げた、その他の実験例につい
て補足説明する。実験例１０における融着防止膜は、成
形型基盤上にスパッター法によりＳｉＣ膜（厚さ３００
オングストローム）を形成し、その上にイオンプレーテ
ィング法で炭素膜（厚さ５００オングストローム）を形
成することにより得た。

【００２１】実験例１１および１２における融着防止膜
は、イオンプレーティング法により成形型基盤上にＣｒ
Ｎ膜（厚さ５００オングストローム）を形成し、その上
にイオンプレーティング法によりＣｒ₂Ｏ₃膜（厚さ５０
０オングストローム）を形成することにより得た。

【００２２】実験例２における成形方法は、加圧せずに
図４に示した自重成形であり、被成形ガラス体３を成形
型２上で熱軟化させ、その自重による変形によって、被
成形ガラス体３の表面にアレー状凸レンズを形成させ
た。

【００２３】実験例４〜５、７、１０〜１２における成
形方法は、図２に示した押し棒１０によるプレス成形で
あり、被成形ガラス体３を成形型２上で熱軟化させ、セ
ラミックス（ＳｉＣ）平板９を介して押し棒１０により
加圧し、被成形ガラス体３の表面上にアレー状凸レンズ
を形成させた。

【００２４】実験例８、９における成形方法は、図３に
示した真空吸引成形であり、成形型２と支持台１１とに
囲まれた空間を排気道１２から排気し、減圧することに
より成形型２に形成された貫通微小穴を通して被成形ガ
ラス体３の成形型２との接触面に吸引力をかけて、被成
形ガラス体３を変形させ、被成形ガラス体３の表面にア
レー状凸レンズを形成させた。表１に、これら実験例１
〜１２の成形条件と結果をまとめて示したが、いずれも
成形結果は良好であり、成形型の微小穴を忠実に転写し
た凸レンズが得られた。

【表１】

【００２５】実施例２(アレー状凹レンズの製造例）後掲の表２は実施例２における各種の成形条件と結果を
示すが、この表２の実験例２３について詳細に説明す
る。エッチング時間を２０分と実施例１よりも短くする
ことにより、非貫通の微小穴（以下、加工形状２という
ことがある）とした以外は、実施例１に示した成形型製
作方法と同様の方法で、本実施例２に使用する成形型を
得た。図９は加工形状２の成形型の表面の顕微鏡写真を
示し、図１０は図９に示す加工形状２の成形型のＢ−
Ｂ’断面図を示す。

【００２６】次に上記方法によって得た成形型を使用し
てアレー状凹レンズを成形する方法について説明する。
実施例１で用いた成形機と同様の成形機を使用した。被
成形ガラス体としては、実施例１と同様のＳＫ５の両面
研磨された円板（直径４５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍ）を使
用した。

【００２７】図１を参照しながら説明すると、被成形ガ
ラス体３は、窒素雰囲気中で、石英管６の外周に巻き付
けられたヒータ７により成形型２と共に加熱され軟化状
態となった。加熱温度は６４０℃、加熱時間は５分であ
った。軟化された被成形ガラス体３は、その自重及び錘
１の重量（５０ｇ）により変形し、成形型２に形成され
た非貫通の微小穴を密閉し、その内部にガスを閉じ込
め、さらに加熱されることによって、閉じ込められたガ
スが膨張し、その結果複数の凹レンズがアレー状に形成
された。

【００２８】図１１は上記方法により形成されたアレー
状凹レンズの表面の顕微鏡写真を示し、図１２は図１１
に示したアレー状凹レンズの表面形状を図１１のｂ−
ｂ’線に沿って測定した図である。

【００２９】上記方法によって得られたアレー状レンズ
は個々のレンズが鏡面を有し、その径は８５μｍであっ
た。また図１０の表面形状の測定結果より、凹レンズの
深さは５μｍであることが明らかである。

【００３０】次に表２に挙げた、その他の実験例につい
て補足説明する。実験例２５における融着防止膜は成形
型基盤上にスパッター法によりＳｉＣ膜（厚さ３００オ
ングストローム）を形成し、その上にイオンプレーティ
ング法で炭素膜（厚さ５００オングストローム）を形成
して得たものである。実験例２６、２７における融着防
止膜は、成形型基盤上にイオンプレーティング法でＣｒ
Ｎ膜（厚さ５００オングストローム）を形成し、その上
にイオンプレーティング法によりＣｒ₂Ｏ₃膜（厚さ５０
０オングストローム）を形成して得たものである。

【００３１】実験例２２における成形方法は、図４に示
すように被成形ガラス体３を成形型２上で熱軟化させ、
その自重による変形によって被成形ガラス体３の表面上
に凹レンズを得る自重成形である。

【００３２】実験例２５、２６における成形方法は、図
２に示した押し棒によるプレス成形であり、被成形ガラ
ス体３を成形型２上で熱軟化させ、セラミックス（Ｓｉ
Ｃ）平板９を介して、押し棒１０により加圧し、被成形
ガラス体の表面上に凹レンズを得るものである。表２に
これら実験例２１〜２７の成形条件と結果をまとめて示
したが、いずれも成形結果は良好であり、所望の凹レン
ズが得られた。

【表２】

【００３３】

【発明の効果】以上の通り、本発明のアレー状レンズの
製造方法によれば、感光性ガラスを成形型の材料とする
ことにより、高精度に微細パターンを施した成形型を得
ることができ、一度成形型を作製すれば、成形型上で被
成形ガラス体を熱軟化させ、軟化成形することにより繰
返し、高精度、高品質のアレー状レンズを製造すること
ができる。

【００３４】更に、成形型に形成した微小穴の加工形状
により、得られるレンズの形状を変えることができ、微
小穴が貫通している場合は凸レンズ、非貫通の場合は凹
レンズを得ることができる。本発明のアレー状レンズの
製造方法によれば、軟化成形という簡便な方法を採用す
ることにより、多大な装置、設備を用いることなく、安
価に、短時間で高精度、高品質のアレー状レンズを効率
的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアレー状レンズの製造方法において用
いられる成形機の要部の断面図である。

【図２】本発明のアレー状レンズの製造方法において用
いられる他の成形機の要部の断面図である。

【図３】本発明のアレー状レンズの製造方法において用
いられる他の成形機の要部の断面図である。

【図４】本発明のアレー状レンズの製造方法において用
いられる他の成形機の要部の断面図である。

【図５】実施例１で用いた成形型の表面の顕微鏡写真で
ある。

【図６】図５のＡ−Ａ’断面図である。

【図７】実施例１で得られたアレー状レンズ（凸レン
ズ）の顕微鏡写真である。

【図８】図７に示したアレー状レンズ（凸レンズ）の形
状測定図である。

【図９】実施例２で用いた成形型の表面の顕微鏡写真で
ある。

【図１０】図９のＢ−Ｂ’断面図である。

【図１１】実施例２で得られたアレー状レンズ（凹レン
ズ）の顕微鏡写真である。

【図１２】図１１に示したアレー状レンズ（凹レンズ）
の形状測定図である。

【符号の説明】

１錘２成形型３被成形ガラス体４支持棒５支持台６石英管７ヒータ８熱電対９平板１０押し棒１１支持台１２排気道

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者広田慎一郎東京都新宿区中落合２丁目７番５号ホーヤ株式会社内 (72)発明者山崎敬一東京都新宿区中落合２丁目７番５号ホーヤ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】感光性ガラスを所定パターンを有するマス
クを介して露光した後、熱処理により酸に易溶な結晶を
析出させ、該結晶を溶解除去することにより、上記マス
クに対応するパターンを有する複数の微小穴を形成し
て、成形型を得、次に被成形ガラス体を前記成形型上に
載置し、熱軟化させ、成形することにより複数のレンズ
を形成することを特徴とするアレー状レンズの製造方
法。
【請求項２】成形型を得るために形成される微小穴が貫
通した微小穴であり、製造されるレンズが凸レンズであ
る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】成形型を得るために形成される微小穴が非
貫通の微小穴であり、製造されるレンズが凹レンズであ
る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】成形型の成形面に融着防止膜を設ける、請
求項１に記載の方法。
【請求項５】被成形ガラス体の熱軟化後の成形が、加圧
処理、減圧処理または被成形ガラス体の自重によって行
なわれる、請求項１に記載の方法。