JP3547467B2

JP3547467B2 - マイクロレンズアレイおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3547467B2
Application number: JP31788193A
Authority: JP
Inventors: 和博梅木; 昌仙佐藤
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH07174902A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はマイクロレンズアレイの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野を初めとして、マイクロレンズ、即ち、レンズ径が１ｍｍ以下という極めて小さいレンズの使用が意図され、実用化されつつある。マイクロレンズはレンズ径が極めて小さいため、これを通常のレンズのような研磨法で製造することは難しく、化学的・物理的な方法による製造方法が提案されている。
【０００３】
マイクロレンズアレイにおいては、上記の如き微小なレンズがアレイ配列するため、配列されるマイクロレンズ相互が光学的に独立していないと、別のマイクロレンズに入射すべき光が迷光として入射してマイクロレンズアレイの光学性能を低下させる虞れがある。
【０００４】
従って、マイクロレンズアレイには、各マイクロレンズアレイに応じた開口を有する「遮光層」を形成することが好ましい。
このような遮光層を形成する方法としては、以下の如き方法が考えられる。
即ち、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの光軸を中心として、開口部を形成する部分に、フォトリソグラフィによりフォトレジストのパターンを形成し、その上に金属等により遮光層を形成する。その後、マイクロレンズアレイを有機溶剤中に浸漬して溶剤によりフォトレジストのパターンを溶かし、パターン上にある遮光層を「リフトオフ」により、マイクロレンズアレイから剥がし、マイクロレンズアレイの開口部以外の部分に遮光層が残るようにする。
【０００５】
この遮光層形成方法は工程数が多いため効率的でない。また、遮光層はマイクロレンズアレイの表面部分に形成されるため、環境条件によっては遮光層の剥離が生じ易いという問題もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、遮光層の形成が容易で耐環境性に優れたマイクロレンズアレイを容易に製造できる、マイクロレンズ製造方法の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の方法により製造される「マイクロレンズアレイ」は、「透明な平行平板である基板の少なくとも片側の面に、マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層が形成され、少なくとも、この遮光層の形成された側の面に、上記レンズ開口のアレイ配列に合致した屈折面配列を有する硬化性樹脂部が形成されている」ものである。
【０００８】
遮光層は、基板の「少なくとも片側の面」に形成されるから、必要に応じて、基板の両面に遮光層を形成しても良いことは言うまでもない。勿論、遮光層を基板の両面に形成する場合には、基板両面の遮光層におけるレンズ開口の配列が、互いに整合される（対応する開口の中心が合致する）ように遮光層同志の位置合わせが行われることは当然である。
【０００９】
この発明の「マイクロレンズアレイ製造方法」は、上記マイクロレンズアレイを製造する方法であって、遮光層形成工程と、型成形工程とを有する。
「遮光層形成工程」は、透明な平行平板である基板の少なくとも片側の面に、「マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層」を形成する工程である。
【００１０】
「型成形工程」は、所望の屈折面形状に対応する曲面形状のアレイ配列を持つ「型」による型成形で、所望の屈折面のアレイ配列を持つ「硬化性樹脂部」を形成する工程である。
【００１１】
上記遮光層形成工程において、透明な平行平板である基板の少なくとも片側の面に、マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層を形成するには種々の方法が可能である。
【００１２】
例えば、基板表面に金属薄膜とフォトレジストの薄層とを、基板表面側から上記順序に積層し、フォトリソグラフィによりフォトレジストの薄膜を、レンズ開口のアレイ配列に応じてパターニングして開口部に対応する金属薄膜部分が「剥き出し」になるようにし、その後、パターニングされたフォトレジストをマスクとして金属薄膜に対するエッチングを行い、上記レンズ開口部で金属薄膜を除去する。しかるのちフォトレジストのマスクを除去すれば、金属薄膜のパターンにより遮光層が得られる。
あるいは、印刷によりインキ層として遮光層を形成することもできる。
【００１３】
また、「硬化性樹脂」としては、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を用いることが出来る。「熱硬化性樹脂」を用いる場合は、型により熱硬化性樹脂の形状を所望の形状にした状態で加熱を行い、樹脂を硬化させれば良い。
【００１４】
また、硬化性樹脂として、紫外線硬化樹脂等の「光硬化性樹脂」が用いられ、型成形の際、光を照射して樹脂を硬化させる。光の照射は、基板を介して行われる。
【００１５】
このとき、基板に形成された遮光層のため、「遮光層の影」になる光硬化性樹脂部分には、基板の側から光を照射しにくいので、型の表面の、少なくとも「曲面形状の部分を光反射性」とし、基板側から照射した光が型の表面で反射して、遮光層の影になった部分に照射されるようにする。
【００１６】
【作用】
上記のように、この発明の方法で製造されるマイクロレンズアレイでは、遮光層は基板に「直接」形成されるので、遮光層は、基板と硬化性樹脂部とにより挾まれた形状となり、遮光層の開口端部は直接外気に触れることがない。
【００１７】
【実施例】
図１は、この発明のマイクロレンズ製造方法の１実施例を説明図的に示している。
図１（ａ）において、符号１で示す基板の上側の面には、「マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列」に応じた遮光層３が形成されている。
【００１８】
基板１は、例えば石英ガラスであり、透明な平行平板である。
遮光層３は金属薄膜によるものであり、以下の如くして形成された。
基板１の表面にＡｌを蒸着して金属薄膜とし、その上にフォトレジストの薄層を形成した。フォトリソグラフィにより上記フォトレジストの薄膜を、レンズ開口のアレイ配列に応じてパターニングし、開口部に対応する金属薄膜部分が「剥き出し」になるようにした。
【００１９】
上記開口部の形状は円形である。その後、パターニングされたフォトレジストをマスクとして金属薄膜に対するエッチングを行い、レンズ開口部における金属薄膜を除去し、しかるのちフォトレジストのマスクを除去した。この状態が、図１（ａ）に示された状態である。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、遮光層３の側に型５を合わせた。型５は、上記遮光層の開口部のアレイ配列に応じた凹面形状の配列を有し、各凹面形状の底部が遮光層３の各開口部の中心と合致するように位置合わせされている。また、型５の上記凹面形状の部分は「光反射性」となっている。
【００２１】
基板１と型５に挾まれた空間部分に、光硬化性樹脂として紫外線硬化樹脂７ａを注入し、基板１を介して紫外線９を均一照射した。照射された紫外線は紫外線硬化樹脂７ａを硬化させる。また、型５の凹面形状の部分は光反射性であるので、この部分で反射された紫外線が、照射紫外線に対し「遮光層３の影」になる部分にも有効に照射され、紫外線硬化樹脂７ａを有効に硬化させる。
【００２２】
型５を外して、図１（ｃ）に示すような「基板１上に、レンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層３が形成され、遮光層３の形成された側の面に、レンズ開口のアレイ配列に合致した屈折面配列を有する硬化性樹脂部７が形成され」てなるマイクロレンズアレイを得た。なお、硬化性樹脂部７による屈折面の形状は「凸球面」である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、図１（ｃ）のマイクロレンズアレイに対し、基板１の反対側の面に、硬化性樹脂部７の屈折面配列と対応させて、他の屈折面配列を硬化性樹脂部１１として、硬化性樹脂部７と同様な方法で形成すれば、両凸のマイクロレンズによるマイクロレンズアレイを得ることが出来る。
【００２４】
図２（ｂ）に示す実施例は、図１（ｃ）のマイクロレンズアレイに対し、基板１の反対側の面に、硬化性樹脂部７の屈折面配列と対応させて、凹面形状１３による屈折面配列を形成した例である。このマイクロレンズアレイでは、個々のマイクロレンズは「メニスカスレンズ」である。
【００２５】
図１（ｂ）において、型５に換えて「凸面形状の配列による型」を用いれば、硬化性樹脂部の表面形状として形成される屈折面形状を凹面形状とすることができることは明らかである。
【００２６】
ここで、図１（ｂ）に即して説明した型５の製造を簡単に説明する。
図３（ａ）、符号１０はガラス板等の基体を示す。基体１０の平坦な表面に、所望の厚さに熱可塑性材料層１２が形成され、その上に、中間層として金属薄膜層１４と、フォトレジスト等の感光性材料の薄層１６とが積層されている。
【００２７】
図３（ａ）に示す状態において、感光性材料の薄層１６に対し、露光により、「マイクロレンズアレイの端面形状」をパターニングする。パターニングの際の露光はマスクを用いて光を均一照射してもよいし、「レーザ描画」により、パターンを描き込んでも良い。
【００２８】
露光により、光照射されされなかった部分（感光性材料がネガ型の場合）もしくは光照射された部分（感光性材料がポジ型の場合）を除去すると、図３（ｂ）に示すようにパターニングがなされる。
【００２９】
上記「端面形状」とは、図３（ｂ）において、パターニングされた感光性材料の薄層１６の形状を、図３（ｂ）の上方から見た形状を言い、例えば、円形状や楕円形状、正方形形状や長方形形状、あるいは５角形や６角形等の多角形形状であり得るが、その配列は「形成しようとするマイクロレンズアレイにおけるレンズ配列」と一致している。
【００３０】
パターニング後は、金属薄膜層１４をウエットエッチングする。このとき、パターニングされた感光性材料の薄層１６がマスクとなり、ウエットエッチングは「剥き出しになった金属薄膜層部分」のみに作用する。
【００３１】
従って、エッチング後は、感光性材料の薄層１６に形成された「端面形状」がそのまま、金属薄膜層１４に「写される」ことになる。この状態を図３（ｃ）に示す。エッチングにより金属薄膜層１４を除去された部分では、その下の、熱可塑性材料層１２の上面が剥き出しになっている。
【００３２】
続いて、上記端面形状を写された金属薄膜層をマスクとして、異方性のドライエッチングを行う。ドライエッチングは、熱可塑性材料層１２の「マスク（金属薄膜層１４）に覆われていない部分」を、厚み方向へ彫り込むように進行するので、熱可塑性材料層１２が厚み方向へ完全にエッチングされるまでドライエッチングを実行すると、図３（ｄ）に示すように、上記端面形状に正確に従う熱可塑性材料層１２の３次元パターンが「レリーフ状」に得られる。この状態から、マスクとして用いられた金属薄膜層１４を通常の方法で除去すると、図３（ｅ）に示すように、熱可塑性材料層１２の３次元パターンが得られる。
なお、ドライエッチング（図３（ｄ））を実行するに先立って、パターニングされた感光性材料の薄層１６を除去しているが、薄層１６を除去しないままでドライエッチングを実行し、ドライエッチング後、金属薄膜層１４もろともに感光性材料の薄層１６を除去するようにしてもよい。
【００３３】
続いて、熱可塑性材料層１２の３次元パターンを加熱し、熱変形（熱流動と、表面張力の作用により生じる）により、１以上の所望の凸面形状を創成する（図３（ｆ））。
【００３４】
熱変形後、さらに異方性のドライエッチングを行う。即ち、図３（ｆ）の状態からドライエッチングを行って、熱可塑性材料層１２により形成された「凸面形状」を、基体１０に彫り写す。
このとき、ドライエッチングの速度が、熱可塑性材料層１２と基体１０とで互いに等しければ、熱可塑性材料層１２に創成された凸面形状が、そのまま基体１０の表面形状として、「彫り写される」ことになる。また、熱可塑性材料層１２と基体１０とでエッチング速度が異なれば、基体１０に彫り写された凸面形状は、熱可塑性材料層１２に創成された凸面形状を、その高さ方向に「一律に拡大もしくは縮小した形状」となるが、いずれにしても、熱可塑性材料層１２に創成された凸面形状と対応した形状となる。
【００３５】
このようにして、凸面形状がアレイ配列した状態を基体１０の表面形状として得ることが出来る。この凸面形状は、前述のように、熱可塑性材料層１２の厚さや、熱可塑性材料層１２と基体１０とのエッチング速度の比（選択比）等を調整することにより、所望の形状とすることができるので、この凸面形状が、作成するべきマイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズの屈折面形状になるようにする。なお、選択比を連続的もしくは段階的に変化調整することで、形成される凸面形状を「非球面形状」とすることもできる。
【００３６】
このようにして、凸面形状のアレイ配列が形成された基体１０を「型」として、型成形により、上記凸面形状のアレイ配列に対応する凹面形状を持った第２の型を形成し、その凹面形状の形成された面に対して、Ａｌ等の薄膜を蒸着やスパッタリングにより形成すれば、図１（ｂ）で説明した型５を得ることができる。
【００３７】
上記図３（ａ）において符号１４で示す中間層は、上記金属薄膜以外に、Ｓｉ等の非金属の薄膜として形成しても良く、中間層を非金属の薄膜とするときは、図３（ｂ）の状態から（ｃ）の状態へ移行するためのエッチングをドライエッチングで行うことができる。
【００３８】
中間層の厚さは、金属薄膜で中間層を形成する場合は２０００〜１００００Å、Ｓｉ等で形成する場合には２０００〜５０００Åが好適である。
【００３９】
次に、図２（ｂ）の状態で、基板１０の裏面側に直接に凹面形状による屈折面を形成する方法を説明する。この方法としては、特開平５−１７３００３号公報の第１１欄第１８〜２０行、図３に開示された方法を利用できる。
【００４０】
図２（ｂ）において、基板１の裏面（凹面形状による屈折面アレイを形成する側の面）にフォトレジスト膜を所望の厚さに形成し、このフォトレジスト膜に凹面形状のアレイ配列に対応するパターンをマスクを用いて露光する。
【００４１】
このとき用いる露光用マスクは、各凹面形状に対応する部分では、例えばパターン形状の中央部から外側に向かって漸次、光透過率が低くなる（フォトレジストがポジ型の場合）ようなものをものを用いる。
【００４２】
このようにして露光を行った後、現像を行うとフォトレジストの表面形状が凹面形状になるので、この状態から、図３の（ｇ）で説明したようなドライエッチングを実行して上記凹面形状を基板１の表面形状として彫り写す。このとき、彫り写された凹面形状が、所望の屈折面形状（図２（ｂ）の屈折面１３の形状）となるように、フォトレジストの厚さや露光条件、選択比等を調整するのである。
【００４３】
図２（ｂ）の「凹面形状」は、凸面形状を用いた型を用い、基板１と型に挾まれた空間部分に紫外線硬化樹脂を注入し、基板１を介して紫外線を均一照射して紫外線硬化樹脂を硬化させて形成しても良い。
【００４４】
このようにして形成された凹面形状を有する基板１は、硬化性樹脂の表面に凸面形状の屈折面を形成するときの型としても使用出来ることは明らかである。この場合、基板が透明なら光照射を型としての基板を介して行えることは言うまでもない。また、図３（ｇ）に示すような、凸面形状を有する基体１０は、硬化性樹脂に凹面形状の屈折面を形成する際の型として利用できる。
【００４５】
なお、基板として、平行平面板以外の形状のもの、例えば、プリズム形状のものを用いると、インプリズムマイクロレンズアレイを形成することもできるし、形成するレンズの個数を１としたり、形成されたマイクロレンズアレイのアレイ配列をマイクロレンズごとに分割すれば、マイクロレンズやインプリズムマイクロレンズ等を実現できるものであること付記しておく。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば新規なマイクロレンズアレイ製造方法を提供できる。
【００４７】
この発明の製造方法で製造されるマイクロレンズアレイは、「マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層」を有しているために、別のマイクロレンズに入射すべき光が迷光として入射してマイクロレンズアレイの光学性能を低下させる虞れが少なく、また遮光層に於ける開口部の端面部が、外気に触れないので環境の作用で剥離する可能性が少なく耐環境性に優れている。
【００４８】
この発明のマイクロレンズアレイ製造方法は、上記の如き構成となっているため、上記マイクロレンズアレイを効率良く形成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施例を説明するための図である。
【図２】この発明の製造方法で形成されるマイクロレンズアレイの形態の２例を説明するための図である。
【図３】上記実施例に於て用いられる型の製造方法の１例を説明するための図である。
【符号の説明】
１基板
３遮光層
５型
７ａ硬化性樹脂
７屈折面のアレイ配列を形成された硬化性樹脂部

Claims

透明な平行平板である基板の少なくとも片側の面に、マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層が形成され、少なくとも、この遮光層の形成された側の面に、上記レンズ開口のアレイ配列に合致した屈折面配列を有する硬化性樹脂部が形成されているマイクロレンズアレイを製造する方法であって、
透明な平行平板である基板の少なくとも片側の面に、マイクロレンズのレンズ開口のアレイ配列に応じた遮光層を形成する遮光層形成工程と、
所望の屈折面形状に対応する曲面形状のアレイ配列を持つ型による型成形で、所望の屈折面のアレイ配列を持つ硬化性樹脂部を形成する、型成形工程とを有し、
上記硬化性樹脂が光硬化性樹脂であって、型成形の際、透明基板の側から光照射が行われ、型として、少なくとも曲面形状の部分が光反射性のものを用いることを特徴とするマイクロレンズアレイ製造方法。