JP2005283993A - Method for creating accuracy self-controlling lens shape and optical element formed by the method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、球面凹レンズ形状をガラス基板上に形成する凹面レンズ形状作成方法および光学素子に関するものであり、さらに詳細にはガラス基板上に適当な窪みを作っておくことにより、自然と高精度な凹面レンズ形状が形成される凹面レンズ形状作成方法（精度自己収束型レンズ製造法）およびその方法によって形成された光学素子（例えば、マイクロレンズアレー）に関するものである。 The present invention relates to a concave lens shape creation method and an optical element for forming a spherical concave lens shape on a glass substrate, and more specifically, by making an appropriate recess on the glass substrate, it is possible to naturally and highly accurately. The present invention relates to a concave lens shape creation method (accuracy self-converging lens manufacturing method) in which a concave lens shape is formed, and an optical element (for example, a microlens array) formed by the method.
従来から、ガラス面に凹面形状を創成する場合、機械加工、リソグラフィー法などが現在用いられている（特許文献１）。しかし、機械加工では１００μｍサイズのレンズ形状は工具の大きさからして不可能である。また、リソグラフィー法では、マスクを必要としているため多品種少量生産には不向きである。さらに、機械加工では高精度加工装置が必要であり、リソグラフィーでも高精度な装置を用いるため、大変高価な加工になってしまう。また、機械加工では研磨工程を後工程として必要となる点も問題となっている。さらに、数１０μｍのマイクロレンズはメゾスコピック領域であり、現在製造方法として適当なものが存在しないことが問題となっている。 Conventionally, when creating a concave shape on a glass surface, machining, lithography, and the like are currently used (Patent Document 1). However, in machining, a lens shape with a size of 100 μm is impossible due to the size of the tool. In addition, the lithography method requires a mask, and is not suitable for high-mix low-volume production. Further, a high-precision processing apparatus is required for machining, and a high-precision apparatus is used for lithography, which results in very expensive processing. Moreover, the point which requires a grinding | polishing process as a back process in machining is also a problem. Furthermore, a microlens of several tens of μm is a mesoscopic region, and there is a problem that there is no suitable manufacturing method at present.
本発明者らは、ガラス基板表面に回転対称でなめらかな窪みを形成すれば、後はエッチングで正確な球面をもつ数１０μｍレベルの凹面形状が形成できることを見いだした。
即ち、ガラスをフッ酸でエッチングした際、ガラス表面に凹レンズのような微小くぼみが観察される。文献によれば表面にある微小なキズや割れ目などのダメージにエッチング液が侵入した場合、このような形状のくぼみを作るとされている。このようなくぼみを所定の場所に所望の形状で作ることが出来れば、新たなマイクロ凹レンズ製作法として適用できるのではないかと考えた。
本発明者らは、レーザ加工を用いた新たなマイクロ凹レンズの研究を重ねてきており、これまでに、レーザ照射による熱応力を利用した３次元割断法を利用し、直径２００μｍ程度のマイクロ凹レンズ製作の可能性を確認している。
その後さらなる研究により、レーザ加工等によりガラス面に形成した窪みを利用してとエッチングを複合した新たなマイクロレンズ製作法を考案した。
The inventors of the present invention have found that a concave shape of a level of several tens of μm having an accurate spherical surface can be formed by etching if a concave having a rotational symmetry is formed on the glass substrate surface.
That is, when the glass is etched with hydrofluoric acid, a minute dent like a concave lens is observed on the glass surface. According to the literature, it is said that when the etching solution penetrates into damage such as minute scratches and cracks on the surface, such a recess is formed. If such a depression can be formed in a desired shape in a predetermined place, it was considered that it could be applied as a new micro concave lens manufacturing method.
The present inventors have been researching a new micro concave lens using laser processing, and so far, a micro concave lens having a diameter of about 200 μm is manufactured by using a three-dimensional cleaving method using thermal stress by laser irradiation. The possibility of is confirmed.
After that, through further research, we devised a new microlens fabrication method that combines etching with the use of a recess formed on the glass surface by laser processing.
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、ガラス基板表面にパルスレーザなどで回転対称の窪みを形成し、その窪みを中心にエッチングによってガラス除去を行うことで、高精度な凹面レンズ形状を形成する方法およびその方法によって形成したマイクロレンズアレーである。この方法によって所望の位置に所望の窪み深さを形成すれぱ、所望の位置に所望の凹レンズ形状がエッチング後に形成できる。窪みをパルスレーザなどで形成すれば、数千の窪みを形成することが技術的に可能であり、出力を変えて窪みを形成すれば、様々なマイクロレンズアレーやアレー型が形成できることになり、上記従来の問題点は解消される。また、本加工法は精度自己収束型であり、高い精度のレンズ形状を形成することができる。 The present invention has been made on the basis of the above findings, and a highly symmetrical concave lens shape is formed by forming a rotationally symmetric recess on the surface of a glass substrate with a pulse laser or the like and removing the glass by etching around the recess. And a microlens array formed by the method. By forming a desired recess depth at a desired position by this method, a desired concave lens shape can be formed at the desired position after etching. If the dent is formed with a pulse laser or the like, it is technically possible to form thousands of dents, and if the pit is formed by changing the output, various microlens arrays and array types can be formed. The above conventional problems are solved. Further, this processing method is an accuracy self-convergence type and can form a highly accurate lens shape.
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングを行って途中で、再度その窪み中に窪みを形成し、再びエッチングを行うことによってガラス材の除去を行うことで、凹面レンズ形状を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記窪みは回転対称の窪みであることを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記回転対称の窪をレーザ加工により形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記エッチングの時間を制御することにより凹面を形成することを特徴とする凹面レンズ形状作成方法である。
また、前記いずれかに記載の凹面レンズ形状作成方法を用いて形成したことを特徴とするマイクロレンズアレーである。
For this reason, the technical solution means adopted by the present invention is:
A concave lens shape creating method is characterized in that a concave lens shape is formed by forming a depression on the surface of a glass substrate and then removing the glass material by etching.
Moreover, a concave lens shape is formed by forming a depression on the surface of the glass substrate, and then performing etching to form a depression in the depression again and removing the glass material by etching again. This is a method of creating a concave lens shape.
Further, the concave lens shape creating method is characterized in that the hollow is a rotationally symmetric recess.
Further, the present invention provides a concave lens shape creation method, wherein the rotationally symmetric recess is formed by laser processing.
The concave lens shape creating method is characterized in that a concave surface is formed by controlling the etching time.
In addition, a microlens array formed using the concave lens shape creation method according to any one of the above.
本発明は、以下のような特有の効果を達成することができる。
マイクロ凹レンズを作成するにあたり、高価な装置が不要である。
適当な回転対称の窪みをガラス基板面に形成し、それをエッチングするだけで高精度な球面をもつ凹面レンズ形状が創成できる。
数１０μｍの小さな凹面レンズ形状が高精度に創成できる。
複数の形状の異なる凹面レンズ形状を所望の位置に配列させてアレーを形成できる。
窪みの深さ、エッチング時間の制御によって、曲率を容易に制御できる。 エッチングによって除去するため、鏡面状態で形状が創成できるため、研磨など後工程が不要である。
The present invention can achieve the following specific effects.
In producing a micro concave lens, an expensive apparatus is unnecessary.
A concave lens shape having a highly accurate spherical surface can be created simply by forming a suitable rotationally symmetric depression on the glass substrate surface and etching it.
A small concave lens shape of several tens of μm can be created with high accuracy.
An array can be formed by arranging a plurality of concave lens shapes having different shapes at desired positions.
The curvature can be easily controlled by controlling the depth of the depression and the etching time. Since it is removed by etching, the shape can be created in a mirror state, so that a post-process such as polishing is unnecessary.
本発明は、パルスレーザなどで回転対称の窪みをガラス表面に形成して、エッチングによってガラス材の除去を行うことで、高精度な凹面レンズ形状を形成する方法である。またその方法を使用して形成した光学素子（マイクロレンズアレーなど）である。 The present invention is a method for forming a highly accurate concave lens shape by forming a rotationally symmetric recess on a glass surface with a pulse laser or the like and removing the glass material by etching. An optical element (such as a microlens array) formed using the method.
以下、図面を参照して本発明に係る実施例を説明する。
本実施例は、先ず、レーザ加工によって微小ダメージをガラス表面に付与し、その後エッチングを行うことで、マイクロ凹レンズを作成する。
作成方法の１例
ＱスイッチＹＡＧレーザを用いて、下記条件で光学ガラスＢＫ７に凹レンズ形状を形成した。
レーザ照射条件・・・波長：１０６４ｍｍ、Ｑ−スイッチ周波数：５ｋＨｚ
照射時間：０．１秒、 集光レンズ：Ｎ．Ａ．＝Ｏ．８
ピーク出力：２８ｋＷ
エッチング条件・・・フッ酸１ｗｔ％、４０°Ｃ、攪拌あり
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the present embodiment, micro concave lenses are formed by first applying minute damage to the glass surface by laser processing and then performing etching.
Example of Creation Method Using a Q-switched YAG laser, a concave lens shape was formed on the optical glass BK7 under the following conditions.
Laser irradiation conditions: Wavelength: 1064 mm, Q-switch frequency: 5 kHz
Irradiation time: 0.1 sec. A. = O. 8
Peak output: 28kW
Etching conditions: hydrofluoric acid 1wt%, 40 ° C, with stirring
上記レーザ照射条件によって深さ５．３μｍ、最大直径６μｍの窪みを形成した。その後、上記エッチング条件によって凹面レンズ形状に仕上げていったところ、４時間後には、焦点距離３５．１μｍ、曲率半径は１６．５μｍ、誤差０．１１μｍの高精度マイクロレンズ形状が形成できた。焦点位置の光強度分布を計測したところ、ＸＹともに同様のパターンを示し、ピークは各一点であったことからスポットの絞れた高精度レンズであることが分かった。
なお、上記は窪みを一個形成した例について説明したが、ガラス基板表面に窪みを形成し、その後、エッチングを行って途中で、再度その窪み中に窪みを形成し、再びエッチングを行うことによってガラス材の除去を行うことで、球面が重なった非球面の創成ができる。
A recess having a depth of 5.3 μm and a maximum diameter of 6 μm was formed according to the laser irradiation conditions. Thereafter, a concave lens shape was finished under the above etching conditions. After 4 hours, a high-precision microlens shape having a focal length of 35.1 μm, a radius of curvature of 16.5 μm, and an error of 0.11 μm could be formed. When the light intensity distribution at the focal position was measured, both XY showed the same pattern, and the peak was one point, indicating that the lens was a highly accurate lens with a narrow spot.
In addition, although the above demonstrated the example which formed one hollow, after forming a hollow in the glass substrate surface, etching is performed on the way, a hollow is formed in the hollow again, and etching is performed again by performing glass again. By removing the material, an aspherical surface with overlapping spherical surfaces can be created.
つづいて本発明者が行った実験例を説明する。
滑らかな球状のダメージを付与するために、ＴＥＭ00モードのレーザを対物レンズで精度良く集光させ、微小スポットで加工を行った。実験ではガラス材としてＢＫ７やソーダ石灰ガラス等を用いた。ＢＫ７ではＹＡＧレーザ基本波の吸収率が低く加工が困難であるため、金スパッタ（膜圧約８オングストローム）を施した。レーザはＱ−ＳＷ発振のＹＡＧレーザを使用した。加工条件は、対物レンズ：×５０（Ｎ．Ａ＝０．８）、Ｑ−ＳＷ周波数：５ｋＨｚ、ピーク出力：２８ｋＷ、レーザ照射時間０．１秒とした。レーザ加工実験により付与したダメージのＳＥＭ像を図１に示す。このことから付与したダメージは滑らかで球状に近いものであることが分かった。
Next, an experimental example performed by the present inventor will be described.
In order to give a smooth spherical damage, a TEM 00 mode laser was focused with high accuracy by an objective lens and processed with a minute spot. In the experiment, BK7, soda-lime glass or the like was used as a glass material. Since BK7 has a low absorptivity of the fundamental wave of the YAG laser and is difficult to process, gold sputtering (film pressure of about 8 angstroms) was performed. A Q-SW oscillation YAG laser was used as the laser. The processing conditions were: objective lens: x50 (NA = 0.8), Q-SW frequency: 5 kHz, peak output: 28 kW, and laser irradiation time 0.1 seconds. FIG. 1 shows an SEM image of damage imparted by the laser processing experiment. From this, it was found that the applied damage was smooth and nearly spherical.
上記ダメージをエッチングし、凹面形状の創成を試みた。エッチングは電磁式ホットスターラーを使用し、液温を約４０°Ｃに保ち、攪拌しながら行った。
４時間後のエッチングした試料の様子を図２に示す。これにより、非常に滑らかな面を持ち凹面が形成できることがわかった。エッチング時間と凹面の直径、深さとの関係を図３に示す。直径は約６μｍから４時間後で２３μｍ増加し、２９μｍとなった。また、凹面の深さの変化は見られず、約５．３μｍと一定であった。
The above damage was etched to create a concave shape. Etching was performed using an electromagnetic hot stirrer while maintaining the liquid temperature at about 40 ° C. and stirring.
The state of the etched sample after 4 hours is shown in FIG. Thus, it was found that a concave surface can be formed with a very smooth surface. FIG. 3 shows the relationship between the etching time and the diameter and depth of the concave surface. The diameter increased from about 6 μm to 23 μm after 4 hours to 29 μm. Further, no change in the depth of the concave surface was observed, and the depth was constant at about 5.3 μm.
凹面形状創成メカニズムを検証するために、次のようなメカニズムを想定してみた。すなわち、ガラスにおけるエヅチングは等方性エッチングであるため、除去される厚さは図４に示すように、どこも同じであると考えられる。よって、ガラス表面のエッチング速度と凹面底部のエッチング速度は等しくなるため、凹面の深さは一定となる。また、ダメージの直径はエッチングにより図に示すように変化するならば、計算上、図３に示すように丸印のような変化となる。これは、実測値とほぼ一致する値を示した。よって、エッチングはダメージ内でもガラス表面においても等方的に行われることが明らかになった。このことから凹面の深さはダメージの深さに依存し、直径はエッチング時間に依存することが明らかになった。このことは、付与するダメージとエッチング時間によって、所望する曲率の凹面の製作が可能であることを示すものである。 In order to verify the concave surface creation mechanism, the following mechanism was assumed. That is, since etching in glass is isotropic etching, it is considered that the thickness to be removed is the same as shown in FIG. Therefore, since the etching rate of the glass surface and the etching rate of the concave bottom are equal, the depth of the concave surface is constant. Further, if the damage diameter changes as shown in the figure due to etching, the calculation changes like a circle as shown in FIG. This showed a value almost coincident with the actually measured value. Therefore, it became clear that etching is performed isotropically within the damage and on the glass surface. From this, it became clear that the depth of the concave surface depends on the depth of damage, and the diameter depends on the etching time. This indicates that a concave surface having a desired curvature can be produced depending on the applied damage and the etching time.
レンズ性能の評価
球面精度についての評価
原子間力プローブ式超高精度三次元測定機を用いて、ソーダ石灰ガラス上に製作した凹形状の断面測定を行った。その結果を図５に示す。本図は凹面断面と曲率１６．５μｍとの誤差を表しており、形状精度は約０．１１μｍＰ−Ｖであった。マイクロレンズとして要求される形状精度は０．１μｍＰ−Ｖであり、略形状精度を満足していることが分かった。
Evaluation of lens performance Evaluation of spherical accuracy Using an atomic force probe type ultra-high precision three-dimensional measuring machine, a cross-section of a concave shape fabricated on soda-lime glass was measured. The result is shown in FIG. This figure represents an error between the concave cross section and the curvature of 16.5 μm, and the shape accuracy was about 0.11 μm P-V. The shape accuracy required for the microlens is 0.1 μm P-V, and it was found that the shape accuracy was substantially satisfied.
光学特性についての調査
凹面の光学特性の評価として、焦点距離と焦点位置における光強度分布測定を行った。測定には焦点距離測定装置を用いた。凹面であるため、ガラスより屈折率の高いマッチングオイルを使用し、凸レンズと仮定して測定を行った。図６（ａ）に焦点距離測定結果を示す。図中横軸はレンズ頂点からの距離、縦軸が光強度である。
光強度が一番高い位置が焦点であり、焦点距離は約３５μｍであった。この値は形状測定結果で得られた曲率から算出した焦点距離３５．１μｍとほぼ一致した。また、同図６（ｂ）に焦点位働こおける光強度分布測定結果を示す。図に示すように焦点スポットにおけるＸ、Ｙ方向ともに凹面中心で光強度が最も高くなっていることがわかった。以上のことから製作した凹面はマイクロ凹レンズとして十分機能することが分かった。
Investigation of optical characteristics To evaluate the optical characteristics of the concave surface, we measured the light intensity distribution at the focal length and focal position. A focal length measuring device was used for the measurement. Since it is a concave surface, a matching oil having a refractive index higher than that of glass was used, and measurement was performed assuming a convex lens. FIG. 6A shows the focal length measurement result. In the figure, the horizontal axis represents the distance from the lens apex, and the vertical axis represents the light intensity.
The position with the highest light intensity was the focal point, and the focal length was about 35 μm. This value almost coincided with the focal length 35.1 μm calculated from the curvature obtained from the shape measurement result. FIG. 6 (b) shows the result of measuring the light intensity distribution that allows the focal position to work. As shown in the figure, it was found that the light intensity was highest at the concave surface center in the X and Y directions at the focal spot. From the above, it was found that the manufactured concave surface functions sufficiently as a micro concave lens.
上記の加工が精度自己収束型であることを証明するデータ
回転可能な窪みをガラスに形成し、エッチングを行うと、等方性エッチングによってガラスが溶解する。窪みは球面から逸脱した形状であるため、この状態を誤差１００％とする。エッチングによって球面とのフィティングを行い、誤差％を求めると、図７のようなグラフとなり、この加工が精度自己収束型であることが分かる。
Data proving that the above processing is a precision self-convergence type. When a hollow that is rotatable is formed in glass and etched, the glass is melted by isotropic etching. Since the depression has a shape deviating from the spherical surface, this state is defined as an error of 100%. When the fitting with the spherical surface is performed by etching and the error% is obtained, a graph as shown in FIG. 7 is obtained, and it is understood that this processing is an accuracy self-convergence type.
以上、本発明の実施形態について説明したが、ガラス面に形成する窪みはレーザ照射以外の他の方法（例えばイオン照射、電子ビーム照射、微細放電、機械的刻印等）を使用することができる。またレーザ光源もＹＡＧレーザに限ることなく（例えばＹＶＯ4 レーザ、ＹＬＦレーザ、チタンサファイアレーザ等の超短パルスレーザ、エキシマレーザ、ＣＯ2 レーザ、ＵＶレーザ、半導体レーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ等）を採用するこもできる。またレンズを形成するガラス材料もレーザ光による加工ができるガラスであれば種々の材料を使用することができる。また本方法によって作成する光学素子もマイクロレンズアレーにかぎらず、種々の光学素子（例えば、導光板、マイクロレンズ等）も製作することができる。また、ガラス面にレーザ光をスキャンニングして、様々な形状の窪みを形成し、その窪みを前記レンズ処理と同様にエッチング処理することで、所望の複雑な形状を創成することもできる。さらに、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。 As described above, the embodiment of the present invention has been described, but other methods (for example, ion irradiation, electron beam irradiation, fine discharge, mechanical marking, etc.) other than laser irradiation can be used for the depression formed on the glass surface. The laser light source is not limited to a YAG laser (for example, an ultrashort pulse laser such as a YVO4 laser, a YLF laser, a titanium sapphire laser, an excimer laser, a CO 2 laser, a UV laser, a semiconductor laser, an alexandrite laser, a ruby laser, etc.) You can also Various materials can be used as the glass material forming the lens as long as it can be processed by laser light. The optical element produced by this method is not limited to a microlens array, and various optical elements (for example, a light guide plate, a microlens, etc.) can be manufactured. Further, a laser beam is scanned on the glass surface to form various shapes of recesses, and the recesses are etched in the same manner as the lens processing, thereby creating a desired complex shape. In addition, the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit and main features thereof. For this reason, the above-described embodiments are merely examples, and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
本発明は、光通信分野、液晶ディスプレー分野、液晶プロジェクター分野、デジタル映像機器分野のマイクロ凹レンズとして利用できる。 The present invention can be used as a micro concave lens in the fields of optical communication, liquid crystal display, liquid crystal projector, and digital video equipment.
Claims (7)
A microlens array formed using the concave lens shape creation method according to any one of claims 1 to 5.
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