JP5874965B2 - マイクロレンズアレイの貼り合わせ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズが２次元的に配置された複数枚の単位マイクロレンズアレイを積層し、相互に接着して製造されるマイクロレンズアレイの製造装置におけるマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置に関し、特に、高精度で倍率及びフォーカス調整することができるマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置に関する。

マイクロレンズアレイは、１枚のガラス基板の片面又は両面に凸状のマイクロレンズを２次元的に複数個形成し、得られた単位マイクロレンズアレイを相互に積層し、その相互間の間隔を所定の値にして相互に接着することにより製造されている。マイクロレンズアレイは、通常、４枚の単位マイクロレンズアレイを積層し、２枚目と３枚目の間に例えば６角形の６角視野絞りを配置し、この６角視野絞りの位置にて倒立等倍像が得られ、４枚の単位マイクロレンズアレイにより最終的に正立等倍像が得られるように、各単位マイクロレンズアレイ間の間隔等のレンズ設計がなされる。なお、マイクロレンズアレイの製造方法として、特許文献１がある。

特開２０００−３０４９０４号公報

しかしながら、従来のマイクロレンズアレイの製造装置においては、単位マイクロレンズアレイを所定の設計値で製造した後、そのまま単位マイクロレンズアレイ同士を接合していた。このため、各単位マイクロレンズアレイ同士を高精度で位置決めし、高精度で単位マイクロレンズアレイ間の間隔を調整することができず、また倍率及びフォーカス調整することができなかった。よって、従来のマイクロレンズアレイはその組レンズの性能を十分に高めることができないという問題点があった。特許文献１においても、単位マイクロレンズアレイ間の平面的な位置合わせは行っているが、単位マイクロレンズアレイ間に隙間がないように接合しており、従って倍率調整等はできない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、マイクロレンズアレイの製造時に、単位マイクロレンズアレイ間の間隔を高精度で調整し、倍率及びフォーカス調整を行うことができ、レンズ性能が優れたマイクロレンズアレイを製造することができるマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置は、ガラス基板にマイクロレンズが形成された単位マイクロレンズアレイを複数枚所定間隔をおいて重ねて接着剤により相互に接合するマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置において、
複数個の前記単位マイクロレンズアレイを個別に保持する複数個の第１保持部材と、
前記単位マイクロレンズアレイの集合体の一方の側に配置され基準マスクパターンが設けられた基準マスクと、
前記単位マイクロレンズアレイの集合体の他方の側に配置され焦点板パターンが形成された焦点板と、
前記基準マスクを保持する第２保持部材と、
前記焦点板を保持する第３保持部材と、
前記第１乃至第３保持部材の位置を調整する駆動装置と、
前記基準マスクの基準マスクパターンが形成された第１面と前記焦点板の前記焦点板パターンが形成された第２面との間隔を測定する測定部材と、
前記基準マスクパターンの第１像と前記焦点板パターンの第２像とを同一視野内で検出する検出部と、
前記測定部材により測定された前記第１面と前記第２面との間隔が所定の設計値になるように前記第２保持部材及び前記第３保持部材の位置を調整し、更に前記検出部により検出された第１像及び第２像が合焦するように前記第１保持部材の位置を調整して前記単位マイクロレンズアレイの位置を調整する制御部と、
を有することを特徴とする。

このマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置において、例えば、
前記単位マイクロレンズアレイには、アライメントマークが形成されており、前記単位マイクロレンズアレイの集合体に対し、前記アライメントマークを透過する透過照明光を照射する光源と、
前記アライメントマークを透過した透過照明光を検出する第２検出部と、
を有し、
前記制御部は、更に、前記第２検出部が検出した各単位マイクロレンズアレイのアライメントマークの位置が整合するように、前記第１保持部材により前記各単位マイクロレンズアレイの位置を調整するように構成することができる。

また、本発明のマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置は、
前記単位マイクロレンズアレイの周辺部に配置され、前記単位マイクロレンズアレイの周縁部に接着剤を注入するディスペンサと、
前記単位マイクロレンズアレイの周辺部に配置され、前記単位マイクロレンズアレイの周縁部に注入された接着剤に紫外光を照射して前記接着剤を固化させる紫外光光源と、
を有するように構成することができる。

本発明によれば、ＣＣＤカメラ等の検出部により、基準マスクの第１面と焦点板の第２面とに設けられた基準マスクパターン及び焦点板パターンを利用して前記第１面及び第２面が合焦点の位置であることを確認し、測定部材により前記第１面と第２面との間の間隔を測定し、この第１面と第２面との間隔が、所定の設計値でない場合は、基準マスクと焦点板とを移動させてその間隔を所定の設計値に調整する。このとき、前記第１面と前記第２面とに焦点位置がない場合は、単位マイクロレンズアレイ間の間隔等を調整して、前記第１面と第２面とに焦点位置が存在するように調節する。このようにして、単位マイクロレンズアレイ間の間隔を高精度で調整して、倍率及びフォーカス調整を行うことができる。従って、本発明により、レンズ性能が優れたマイクロレンズアレイを製造することができる。

また、単位マイクロレンズアレイにアライメントマークを設けることにより、第２検出部により、このアライメントマークを検出して、各単位マイクロレンズアレイの平面的な位置のアライメントをとることができる。

本発明の第１実施形態のマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置を示す正面図である。 同じくその一部を抽出して単位マイクロレンズアレイの配置態様を示す図である。 各単位マイクロレンズアレイ間のギャップを測定する工程を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、各単位マイクロレンズアレイによる焦点位置を調整する工程を示す図である。 （ａ）は接着剤の注入工程、（ｂ）は接着剤の固化工程を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置を示す正面図である。本実施形態は３枚の単位マイクロレンズアレイ１，２，３の群を貼り合わせて３枚の単位マイクロレンズアレイ群からなるマイクロレンズアレイを製造する場合のものであるが、４枚の単位マイクロレンズアレイを貼り合わせる場合でも同様である。第１保持部材としての保持部材１１，１２，１３に、単位マイクロレンズアレイ１，２，３が静電チャック又は真空チャック等の保持手段により保持されている。単位マイクロレンズアレイ１，２，３は、ガラス基板の表面及び／又は裏面に凸状のレンズ（マイクロレンズ）を形成したものであり、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の各マイクロレンズの光軸が一致するように積層配置され、接着剤により接合される。

Ｘ−Ｙ直交座標を水平方向とし、Ｚ方向を鉛直方向とした３次元座標軸において、第１保持部材としての保持部材１１は鉛直方向（Ｚ方向）、Ｘ軸に対する傾斜方向（Ｔｘ）、Ｙ軸に対する傾斜方向（Ｔｙ）に移動可能であり、適宜の駆動手段（圧電素子等のアクチュエータ）により駆動されるようになっている。また、保持部材１２はＸ方向及びＹ方向と、鉛直軸の周りの回転方向（θ軸）とに移動可能であり、適宜の駆動手段により駆動されるようになっている。更に、保持部材１３はＸ方向、Ｙ方向、θ方向、Ｚ方向、Ｔｘ方向及びＴｙ方向に移動可能であり、適宜の駆動手段により駆動されるようになっている。

そして、これらの単位マイクロレンズアレイ群の下方に、基準マスク４が第２保持部材としての保持部材１４に保持されて配置されている。更に、単位マイクロレンズアレイ群の上方に、焦点板５が第３保持部材としての保持部材１５に保持されて配置されている。保持部材１４はＺ方向、Ｔｘ方向及びＴｙ方向に移動可能であり、適宜の駆動手段により駆動されるようになっている。また、保持部材１５もＺ方向、Ｔｘ方向及びＴｙ方向に移動可能であり、適宜の駆動手段により駆動されるようになっている。

一方、基準マスク４の下方には、測定部材としてのレーザ変位計３１，３２がその測定方向を真上に向けて配置されており、レーザ変位計３１，３２は、夫々、基準マスク４の上面と、焦点板５の下面との間の距離を測定する。この基準マスク４の上面には、基準マスクパターンＰ１が形成されており、焦点板５の下面には、焦点板パターンＰ２が形成されている。そして、これらの基準マスクパターンＰ１及び焦点板パターンＰ２は、焦点板５の上方に配置されたＣＣＤカメラ２１により同一視野内で観察される。但し、この基準マスクパターンＰ１と焦点板マスクパターンＰ２とは重ならない位置に観察されるようになっている。図４（ｂ）は、このカメラ２１により検出された焦点板パターンＰ２の像と、基準マスクパターンＰ１の像とを示す。カメラ２１の検出センサはＣＣＤであるが、カメラ２１は落射型カメラであり、同一光軸上で照明光を照射すると共に、反射光を受光するものである。そして、カメラ２１は、その焦点位置を焦点板５の下面に合わせて設置されており、従って、焦点板５の下面の焦点板パターンＰ２は、図４（ｂ）に示すように、必ず、■状に合焦点で検出する。一方、基準マスク４上の基準マスクパターンＰ１は、カメラ２１からの照明光が単位マイクロレンズアレイ１，２，３からなるマイクロレンズアレイを介して基準マスク４の上面上で焦点を結んだ場合に、ロ字型の像が観察される。これに対し、単位マイクロレンズアレイ１，２，３からなるマイクロレンズアレイの倍率が異常である場合は、ロ字型の像は、正常の場合の像よりも大きく観察される。また、マイクロレンズアレイのフォーカス異常の場合は、基準マスクパターンＰ１の像が焦点を結ばない非合焦点の状態で観察される。倍率異常及びフォーカス異常の場合は、制御装置（図示せず）は、単位マイクロレンズアレイ１，２，３の相互間隔を調整して、正常の合焦点画像が得られるようにする。

各単位マイクロレンズアレイ１，２，３には、その４隅部にアライメントマークＰ３，Ｐ４（２個のみ図示）が設けられている。そして、基準マスク４の下方には、アライメントマークＰ３，Ｐ４を検出するための透過照明光源２４，２５が設置されており、この透過照明光源２４，２５からの照明光は、基準マスク４，単位マイクロレンズアレイ１．２．３及び焦点板５を透過して、焦点板５の上方に配置されたアライメントカメラ２２，２３により検出される。カメラ２２，２３は、この単位マイクロレンズアレイ１，２，３に設けたアライメントマークＰ３，Ｐ４を検出し、制御装置（図示せず）が各単位マイクロレンズアレイ１，２，３について整合するように、単位マイクロレンズアレイ１，２，３の平面的位置を調整する。

焦点板５の周辺部には、最上位の単位マイクロレンズアレイ３の上下方向の位置を検出する接触式変位計３３，３４が設置されている。この接触変位計３３，３４は、単位マイクロレンズアレイ３の上面に接触してその位置を検出し、制御装置は、この検出結果に基づいて、単位マイクロレンズアレイ間の間隔を求める。なお、接触式変位計３３，３４の代わりに、静電容量方式の非接触式変位計を使用することもできる。

最上位の単位マイクロレンズアレイ３の周辺部には、この単位マイクロレンズアレイ３とその下層の単位マイクロレンズアレイ２との間に、接着剤を注入するためのディスペンサ４１，４２が配置されており、このディスペンサ４１，４２から、流体状の接着剤が単位マイクロレンズアレイ３の周縁部と、単位マイクロレンズアレイ２の周縁部との間に注入される。なお、この接着剤には、単位マイクロレンズアレイ３と単位マイクロレンズアレイとの間の所定の間隔に一致する直径を有するビーズを混入しておくことが好ましい。つまり、単位マイクロレンズアレイ間の所定の間隔が１０μｍであれば、接着剤に樹脂製の直径が１０μｍに近いビーズを多数混入させておき、このビーズを含む接着剤を単位マイクロレンズアレイ間に介在させれば、ビーズが両単位マイクロレンズアレイの面に接触して、ビーズにより、単位マイクロレンズアレイ間の間隙を決めることができる。そして、図５（ａ）に示すように、ディスペンサ４１，４２による接着剤の注入が終了した後、図５（ｂ）に示すように、紫外光源４３，４４により接着剤５１に紫外光を照射し、接着剤５１を固化させる。

次に、上述のごとく構成されたマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置の動作について説明する。先ず、図２に示すように、保持部材１１，１２，１３により、夫々、単位マイクロレンズアレイ１，２，３を、静電チャック又は真空チャック等の手段により、それらの縁部で保持する。そして、図３に示すように、保持部材１１，１２，１３を本実施形態の貼り合わせ装置に移動させて、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３をこの貼り合わせ装置に設置する。但し、この貼り合わせ工程においては、先ず、単位マイクロレンズアレイ２，３を単位マイクロレンズアレイ１上に配置する前に、接触式変位計３３，３４により、単位マイクロレンズアレイ１の上面の位置を検出する。次いで、単位マイクロレンズアレイ２を単位マイクロレンズアレイ１の上方に配置し、接触式変位計３３，３４により、単位マイクロレンズアレイ２の上面の位置を検出する。その後、単位マイクロレンズアレイ２の上方に単位マイクロレンズアレイ３を配置し、接触式変位計３３，３４により、単位マイクロレンズアレイ３の上面の位置を検出する。これにより、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の相互間のギャップｇを測定することができる。即ち，図３に図示したように、単位マイクロレンズアレイ３の上面の位置と単位マイクロレンズアレイ２の上面の位置を測定することにより、その差ｄを求めることができる。そして、単位マイクロレンズアレイ３の厚さｔは、別途単位マイクロレンズアレイ３の製造工程で把握しているので、ｄ−ｔにより、単位マイクロレンズアレイ３と単位マイクロレンズアレイ２との間の間隔（ギャップ）ｇを求めることができる。また、同様にして、単位マイクロレンズアレイ１と単位マイクロレンズアレイ２との間のギャップｇも測定することができる。そして、制御部は、このギャップｇが所定の設計値になるように、保持部材１１，１２，１３を駆動して、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の位置を一応決める。この場合に、単位マイクロレンズアレイ２の保持部材１２はＸ方向，Ｙ方向及びθ方向には移動可能であるが、Ｚ方向には移動できないので、この単位マイクロレンズアレイ２を基準として、単位マイクロレンズアレイ１を保持する保持部材１１をＺ方向に移動させ、又はＴｘ方向及びＴｙ方向の傾斜角度を調節し、更に、単位マイクロレンズアレイ３を保持する保持部材１３をＺ方向に移動させ、又はＴｘ方向及びＴｙ方向の傾斜角度を調節することにより、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の相互配置関係（平行及び間隔）を一応設定する。

その後、図４に示すようにして、透過照明光源２４，２５から透過照明光を、アライメントマークＰ３，Ｐ４に向けて照射し、透過光をアライメントカメラ２２，２３により検出する。制御部は、カメラ２２，２３により検出されたアライメントマークＰ３、Ｐ４が各単位マイクロレンズアレイ１，２，３について一致するように、保持部材１１，１２，１３を駆動して、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の平面視での位置合わせを行う。

次いで、レーザ変位計３１，３２が基準マスク４の上面と焦点板５の下面との間の距離を測定する。制御部は、この基準マスク４の上面と焦点板５の下面との間の距離が、所定のマイクロレンズアレイの設計値と異なる場合は、保持部材１４を駆動して、この基準マスク４の上面と焦点板５の下面との間の距離が所定の設計値に一致するように制御する。保持部材１５の位置は、この保持部材１５に保持される焦点板５の下面の位置が、カメラ２１の焦点位置になるように設定されているので、基本的には変更しない。そして、落射型ＣＣＤカメラ２１が基準マスク４の上面の基準マスクパターンＰ１の像と、焦点板５の下面の焦点板パターンＰ２の像とを検出する。その結果、図４（ｂ）に示すように、カメラ２１の焦点位置が焦点板５の下面にあるので、焦点板パターンＰ２の像は矩形の■状であり、合焦点であるが、基準マスク４の基準マスクパターンＰ１の像が大きくて倍率異常が生じている場合、又は基準マスクパターンＰ１の像が非合焦点でフォーカス異常が生じている場合は、制御部は、保持部材１１，１２，１３を駆動して、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の間隔を調整する。即ち、制御部は、この単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の間隔を調整して、図４（ｂ）に正常として示す基準マスクパターンＰ１の像を得る。これにより、焦点板５の下面で焦点を結ぶ光を、単位マイクロレンズアレイ１，２，３からなるマイクロレンズアレイに透過させると、この光は、単位マイクロレンズアレイ１，２，３を通過して、基準マスク４の上面に焦点を結ぶようになる。

即ち、この状態で、各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の平面的な位置合わせがなされており、焦点位置が、焦点板５の下面及び基準マスク４の上面に一致し、これらの焦点間の間隔が所定の設計値通りとなる。そこで、ディスペンサ４１，４２から流体状の接着剤を各単位マイクロレンズアレイ１，２，３の縁部間に注入する（図１には、単位マイクロレンズアレイ２と単位マイクロレンズアレイ３との間のみ示す）。この接着剤間に、単位マイクロレンズアレイ間の所定の間隔に近い直径を有する樹脂製ビーズを混入しておくと、このビーズが単位マイクロレンズアレイ１，２，３の相互対向面に接触して、単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の間隔を決めることができる。但し、前述のごとく，基準マスク４の上面及び焦点板５の下面にて合焦点になるように、保持部材１１，１２，１３により各単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の間隔を若干修正するので、樹脂製ビーズは、必要に応じて、若干押圧変形するようになっている。単位マイクロレンズアレイ１と単位マイクロレンズアレイ２との間に接着剤が注入された後、この接着剤に対し、紫外光源４３，４４から紫外光を接着剤に照射して、接着剤を固化させる。更に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、単位マイクロレンズアレイ２と単位マイクロレンズアレイ３との間に接着剤を注入し、紫外光を接着剤５１に照射して、接着剤５１を固化させる。なお、ビーズとしては、樹脂製ビーズに限らず、ガラス製のものであってもよい。

このようにして、焦点板５の下面と基準マスク４の上面とに焦点を結び、この焦点間距離が所定の設計値に一致すると共に、単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の位置合わせが高精度でなされたマイクロレンズアレイを製造することができる。本実施形態においては、単位マイクロレンズアレイ１，２，３の貼り合わせの際に、マイクロレンズアレイの性能（焦点位置及び焦点間距離並びに倍率等）を試験して、必要に応じて、単位マイクロレンズアレイ１，２，３間の間隔を調整して，所定のレンズ性能が得られるようにするから、高性能のマイクロレンズアレイを製造することができる。

本発明は、高性能のマイクロレンズアレイの製造に有益である。

１．２．３：単位マイクロレンズアレイ
１１，１２，１３，１４，１５：保持部材
２１：（落射型ＣＣＤ）カメラ
２２，２３：（アライメント）カメラ
２４，２５：透過照明光源
３１，３２：レーザ変位計
３３，３４：接触式変位計
４１，４２：ディスペンサ
４３，４４：紫外光源
５１：接着剤
Ｐ１：基準マスクパターン
Ｐ２：焦点板パターン
Ｐ３、Ｐ４：アライメントマーク

Claims (3)

1. ガラス基板にマイクロレンズが形成された単位マイクロレンズアレイを複数枚所定間隔をおいて重ねて接着剤により相互に接合するマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置において、
   複数個の前記単位マイクロレンズアレイを個別に保持する複数個の第１保持部材と、
   前記単位マイクロレンズアレイの集合体の一方の側に配置され基準マスクパターンが設けられた基準マスクと、
   前記単位マイクロレンズアレイの集合体の他方の側に配置され焦点板パターンが形成された焦点板と、
   前記基準マスクを保持する第２保持部材と、
   前記焦点板を保持する第３保持部材と、
   前記第１乃至第３保持部材の位置を調整する駆動装置と、
   前記基準マスクの基準マスクパターンが形成された第１面と前記焦点板の前記焦点板パターンが形成された第２面との間隔を測定する測定部材と、
   前記基準マスクパターンの第１像と前記焦点板パターンの第２像とを同一視野内で検出する検出部と、
   前記測定部材により測定された前記第１面と前記第２面との間隔が所定の設計値になるように前記第２保持部材及び前記第３保持部材の位置を調整し、更に前記検出部により検出された第１像及び第２像が合焦するように前記第１保持部材の位置を調整して前記単位マイクロレンズアレイの位置を調整する制御部と、
   を有することを特徴とするマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置。
2. 前記単位マイクロレンズアレイには、アライメントマークが形成されており、前記単位マイクロレンズアレイの集合体に対し、前記アライメントマークを透過する透過照明光を照射する光源と、
   前記アライメントマークを透過した透過照明光を検出する第２検出部と、
   を有し、
   前記制御部は、更に、前記第２検出部が検出した各単位マイクロレンズアレイのアライメントマークの位置が整合するように、前記第１保持部材により前記各単位マイクロレンズアレイの位置を調整することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置。
3. 前記単位マイクロレンズアレイの周辺部に配置され、前記単位マイクロレンズアレイの周縁部に接着剤を注入するディスペンサと、
   前記単位マイクロレンズアレイの周辺部に配置され、前記単位マイクロレンズアレイの周縁部に注入された接着剤に紫外光を照射して前記接着剤を固化させる紫外光光源と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロレンズアレイの貼り合わせ装置。

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