JP2006071981A

JP2006071981A - マイクロレンズアレイおよび光学部材並びにマイクロレンズアレイの作製方法

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Publication number: JP2006071981A
Application number: JP2004255359A
Authority: JP
Inventors: Isao Tsuruma; 功鶴間
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP4555030B2; US20060056034A1; US7477452B2

Abstract

【課題】凸形状のマイクロレンズが他の物に接触することが起こり難いマイクロレンズアレイを得る。
【解決手段】透明基板10上に、凸形状を有するマイクロレンズ10ｂが複数アレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイ20において、マイクロレンズ10ｂを、基板10の一表面10ａよりも内側に入り込んだ位置において、該一表面10ａ側に凸となり、かつ凸形状の先端が該一表面10ａより低い状態に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明基板上に、凸形状を有するマイクロレンズが複数アレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイ、およびそれを用いた光学部材に関するものである。

また本発明は、上述のようなマイクロレンズアレイを作製する方法に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、凸形状を有する直径数百μｍ以下程度のマイクロレンズが複数、透明基板上にアレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイが公知となっている。この種のマイクロレンズアレイは、液晶表示装置や固体撮像装置、光通信システム、光ディスク用ピックアップ等を構成する光学部品として、近年幅広い分野で利用されてきている。このマイクロレンズアレイは、マイクロレンズのサイズが微小であることから、半導体微細加工技術を応用して作製されることが一般的となっている。

具体的にその作製方法としては、例えば上記特許文献１にも示されるように、透明基板上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、レジストが軟化する温度以上に加熱することで表面張力により凸曲面形状を形成し、更にドライエッチングにより凸曲面形状を基板に転写することでマイクロレンズとする方法が知られている。

このマイクロレンズアレイにおいては、平坦な基板表面とレンズ曲面形成部分とが存在することから、平坦面を透過する透過光や、アレイ状にレンズを配置した場合に他のレンズから入って来る迷光など、光学性能を低下させる要因が存在する。

従来、このような迷光をカットするために、透明基板のマイクロレンズ形成部分以外に遮光膜を設けることが考えられており、そのような遮光膜を持つマイクロレンズアレイの作製方法も種々提案されている。例えば特許文献２には、遮光膜を形成した上に樹脂を加熱溶融してマイクロレンズを形成する方法が、また特許文献３には、マイクロレンズの表面にフォトリソグラフィにより遮光膜をパターニングする方法が、さらに特許文献４には、レンズ形成部以外をメッキすることで遮光膜を形成する方法が開示されている。
特開平６−１９４５０２号公報特開平７−１７４９０２号公報特開平８−３１３７０６号公報特開平１０−１６０９０５号公報

従来のマイクロレンズアレイにおいては、透明基板の一表面から上に突出した凸形状のマイクロレンズが形成されているため、取扱者の手や取扱治具等がレンズ面に接触してレンズ面が損傷したり、そこに汚れが付着するなどの問題が認められる。また、そのマイクロレンズアレイが他の光学部材と接合される場合には、レンズの頂点が他の光学部材に接触することにより、その部分がレンズとして機能しない等の光学特性の悪化を招く。このような場合、レンズ周辺部にスペーサー構造を設けるなどの工夫が必要となるが、基板上に遮光膜が設けられているために、膜と基板の応力差により撓みが生じ、光路長が変化するなどの新たな問題が発生する。

本発明は上記の事情に鑑み、凸形状のマイクロレンズが他の物に接触し難いマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。

また本発明は、そのようなマイクロレンズアレイを効率良く作製可能な方法を提供することを目的とする。

本発明によるマイクロレンズアレイは、前述したように、透明基板上に、凸形状を有するマイクロレンズが複数アレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズが、基板の一表面よりも内側に入り込んだ位置において、該一表面側に凸となり、かつ凸形状の先端が該一表面より低い状態に形成されていることを特徴とするものである。

なおこのマイクロレンズアレイにおいては、上記透明基板の一表面に応力制御膜が形成されることにより、この表面側が凸となるように該基板が全体的に湾曲していることが望ましい。

そして、そのような応力制御膜は、遮光膜として形成されることが好ましい。さらに、その遮光膜には、マイクロレンズの周縁部に対面するように膜面と平行な方向に張り出して、該マイクロレンズの実効的な開口径を絞るメッキが施されていることが好ましい。

また本発明は、マイクロレンズアレイを用いた光学部材も提供するものであり、その光学部材は、上記本発明によるマイクロレンズアレイと、平面状の一表面を有する別の透明部材とが接合されてなるものであって、前記基板の凸側となっている表面と、別の透明部材の前記一表面とが接合されていることを特徴とするものである。

他方、本発明によるマイクロレンズアレイの作製方法は、
上記本発明によるマイクロレンズアレイの中で、特に基板の一表面に応力制御膜が形成されたマイクロレンズアレイを作製する方法であって、
透明基板上に前記マイクロレンズの配置パターンに対応した開口を有する応力制御膜を形成し、
該透明基板の前記開口が存在する位置にそれぞれ、マイクロレンズの形状に対応した凸状の樹脂パターンを形成し、
次いで前記透明基板を前記樹脂パターン側からドライエッチングして、該樹脂パターンの形状を該透明基板に転写してマイクロレンズを形成することを特徴とするものである。

なお上記の応力制御膜は、遮光性材料を用いて遮光膜として形成されることが望ましい。また、そうする場合は、マイクロレンズを形成した後遮光膜に、膜面とほぼ平行な方向に張り出して該マイクロレンズの実効的な開口径を絞るメッキを施すことが望ましい。

本発明によるマイクロレンズアレイにおいては、マイクロレンズが、基板の一表面よりも内側に入り込んだ位置において、該一表面側に凸となり、かつ凸形状の先端が該一表面より低い状態に形成されているので、基板の一表面に作業者の手やその他の物体が接触した場合でも、この表面から下に有るマイクロレンズの先端にそれらが接触することは起こり難い。こうして凸形状のマイクロレンズが他の物に接触し難くなっていれば、該マイクロレンズが破損したり、そこに汚れが付着するといった不具合の発生が防止される。

また、本発明によるマイクロレンズアレイにおいて特に、透明基板の一表面に応力制御膜が形成されて、この表面側が凸となるように該基板が全体的に湾曲している場合は、その基板の凸側となっている表面と、平面状の一表面を有する別の透明部材とを接合して本発明の光学部材を作製する際に、まず基板の中央部が透明部材の一表面に接し、接触領域が基板周縁部に向かって次第に広がって行く形になる。そこでそのような光学部材においては、マイクロレンズアレイを構成する基板と上記別の透明部材とが全面に亘って緊密に接合するようになるので、両者間に隙間ができることが無く、よってこの光学部材は、透明部材の他表面から各マイクロレンズ先端までの光路長が均一なものとなり得る。

また、上述のような応力制御膜が特に遮光膜として形成されている場合は、各レンズの周外方において基板を通過しようとする光が該遮光膜でカットされるので、迷光の発生を防止することができる。さらに、その遮光膜に、マイクロレンズの周縁部に対面するように膜面と平行な方向に張り出して、該マイクロレンズの実効的な開口径を絞るメッキが施されている場合は、形状が比較的歪みやすいマイクロレンズの周縁近傍部分を通過した光が利用されることがなくなり、マイクロレンズアレイの光学特性が向上する。

上に説明したような応力制御膜を有する本発明のマイクロレンズアレイは、前述した構成を有する本発明のマイクロレンズアレイの作製方法によって、効率良く作製することができる。

また、本発明のマイクロレンズアレイの作製方法においては、ドライエッチング時のエッチング深さを制御することにより、透明基板の表面からマイクロレンズ先端までの光路長を容易に所望値に設定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるマイクロレンズアレイを作製する工程を概略的に示すものである。まず同図（１）に示すように、例えばＳｉＯ₂ガラス等からなる透明基板10の一表面10ａ上に、遮光性の金属をスパッタ成膜して金属膜11を形成し、次いで通常のフォトリソグラフィにより金属膜11に多数の開口12を形成する。なお金属膜11は例えばＣｒから形成され、その膜厚は５０〜２００ｎｍ程度とされる。またこの金属膜11は、アレイ状に作製しようとする複数のマイクロレンズの配置パターンに対応して開口12のパターンが存在するように形成される。

次に金属膜11の上にポジ型フォトレジスト13を塗布し、レンズ形状を決定する開口パターンを有するフォトマスクを通してフォトレジスト13を露光し、現像することにより、同図（２）に示すように、開口12が存在する位置にレンズ形状に対応した形のフォトレジスト13を残す。

なお、こうして残すフォトレジストパターンは、金属膜11の開口12よりも大きなものにしておく。また、上記開口12を形成する際に、レンズ形成領域以外の部分の金属膜11にアライメントマークを付加しておき、レジスト露光時にそれを利用することで、露光パターンと開口12との位置合わせ精度を高めることができる。

次に、フォトレジスト13が軟化する温度（１３０〜１５０゜Ｃ）に基板10を加熱することにより、同図（３）に示すようにフォトレジストからなる凸状の樹脂パターン13′を形成する。この樹脂パターン13′は、作製しようとするマイクロレンズの形状に対応した形状とされる。

次に、例えばＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、ＳＦ₆等のフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、透明基板10を樹脂パターン13′側からエッチングし、該樹脂パターン13′の形状を透明基板10に転写する。それにより、同図（４）に示すように、透明基板10に多数のマイクロレンズ10ｂがアレイ状に形成される。

なおこの際、Ｃｒからなる金属膜11をエッチングしないように、酸素ガスは添加しない。そこで、金属膜開口12の直下部分のみにレンズ形状が転写される。ドライエッチングの方法としては、ＩＣＰやＥＣＲなどの高密度プラズマでバイアスを独立に制御できる方法を採用することが望ましい。

この方法においては、上記エッチングの条件を適当に設定することで、樹脂パターン13′と透明基板10のエッチングレートを制御し、透明基板10に所望のレンズ形状を形成することができる。また、エッチング中に条件を変化させることで、樹脂パターン13′と透明基板10のエッチングレートの差を時間的に変化させ、非球面レンズを作製することも可能である。

次に必要に応じて透明基板10の両表面に反射防止コーティング等を施し、本実施形態のマイクロレンズアレイ20が完成する。本実施形態のマイクロレンズアレイ20は、各マイクロレンズ10ｂの周囲部分に金属膜11が形成され、該金属膜11が、マイクロレンズ10ｂ以外の部分の透明基板10を通過した光を遮断する遮光膜として機能する。なおこれは、集光対象の光Ｌが図１中で下側から上方に向かってマイクロレンズアレイ20を通過する場合の説明であるが、反対に光が下方に向かってマイクロレンズアレイ20を通過する場合にも、金属膜11により同様の遮光作用が得られる。

本実施形態のマイクロレンズアレイ20においては、マイクロレンズ10ｂが、透明基板10の一表面10ａよりも内側に入り込んだ位置において、該一表面10ａ側に凸となり、かつ凸形状の先端が該一表面10ａより低い状態に形成される。そこで、透明基板10の一表面10ａに（この場合、より具体的には金属膜11に）、作業者の手やその他の物体が接触した場合でも、この表面10ａから下に有るマイクロレンズ10ｂの先端にそれらが接触することは起こり難い。こうして凸形状のマイクロレンズ10ｂが他の物に接触し難くなっていれば、該マイクロレンズ10ｂが破損したり、そこに汚れが付着するといった不具合の発生が防止される。

なお本実施形態では、レンズ形状をした樹脂パターン13′の形成方法として、フォトレジスト13を軟化させて表面張力により曲面を形成する方法を採用しているが、それ以外の公知の方法、例えば、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィによる方法、樹脂モールドによるレンズ形状転写などの方法を使用することもできる。さらには、透明基板10の表面に所定形状にパターニングしてレジストの層を形成し、このレジストを溶剤蒸気雰囲気に配して該レジストに溶剤を吸収させて溶解させることで、表面張力により曲面を形成する方法を使用することもできる。この方法によれば、レンズ形状をした樹脂パターンを、加熱処理は必要とせずに室温で形成可能である。

一方、基板10としては透明基板であれば他のものも使用可能で、光学ガラスや透明樹脂等からなる基板を適宜用いることができる。また遮光膜としての金属膜11も、Ｃｒ以外のＡｌやＮｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等の金属や合金、その積層膜などから形成することが可能である。さらに、最適なドライエッチングの条件を得るには、基板の種類と遮光膜の種類に応じて、エッチングガス種等のエッチング条件を適宜変更すればよい。

次に、本発明の第２実施形態によるマイクロレンズアレイについて説明する。図２は、この第２実施形態のマイクロレンズアレイ30の概略形状を示すものである。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。

このマイクロレンズアレイ30は、前述した第１実施形態のものと同様のマイクロレンズアレイを形成した後、遮光膜として作用する金属膜11に、さらに金属メッキ31が施されてなるものである。それにより、金属膜11の膜厚が増大するとともに、金属メッキ31が膜面とほぼ平行な方向に張り出してマイクロレンズ10ｂの実効的な開口径を絞るようになる。したがって、この実施形態によれば、形状が比較的歪みやすいマイクロレンズ10ｂの周縁に近い部分を通過した光Ｌが利用されることがなくなり、マイクロレンズアレイ30の光学特性が向上する。また、遮光膜の膜厚が増大することで遮光性も向上する。

次に、本発明の第３実施形態による光学部材について説明する。図３は、この第３実施形態の光学部材50を作製する工程を概略的に示すものである。ここではまず同図（１）に示すように、前記第１実施形態のマイクロレンズアレイ20と同様の基本構成を有するマイクロレンズアレイ40が用意される。このマイクロレンズアレイ40は図４に平面形状を示す通り、矩形の透明基板10に、前述と同様にして多数のマイクロレンズ10ｂが形成されてなるものである。この透明基板10の金属膜11が形成された表面には、外周に近い位置において矩形環状の接着剤充填溝41が例えばエッチングにより形成され、さらにその内側には、同じく矩形環状の接着剤はみ出し防止溝42が同じくエッチング等により形成されている。

またこのマイクロレンズアレイ40においては、遮光膜として作用する金属膜11が圧縮応力を持つように形成されることにより、該金属膜11が形成された表面側が僅かに凸となるように透明基板10が全体的に湾曲している。具体的には、金属膜11をスパッタにより形成する場合は成膜時の温度やＲＦ周波数、パワーなどを制御し、あるいはメッキで形成する場合は電流密度や添加剤を調整することにより、上述のようにすることができる。このように本実施形態では、金属膜11が応力制御膜としても機能する。

次に同図（２）に示すように、接着剤充填溝41内に紫外線硬化樹脂43をディスペンサーを用いて適量塗布し、平行平板状の透明部材45を透明基板10に貼り合わせる。この透明部材45としては、単にマイクロレンズアレイ40と接合されて該マイクロレンズアレイ40を補強するもの、あるいはマイクロレンズ10ｂの実効的開口サイズを縮小するピンホールが形成されたもの等が適用される。

なお、後者のタイプの透明部材45が用いられる場合は、例えばマイクロレンズアレイ40のマイクロレンズアレイ形成領域外に形成されたアライメントマークと、透明部材45のピンホール形成領域外に形成されたアライメントマークとを合わせて粗くアライメントした後、最終的にマイクロレンズアレイ40側から平行光を入射させ、上記ピンホールからの出射光強度が最大になるように精巧にアライメントする等の方法により、それら両者を精密に位置合わせすることができる。

次いで、マイクロレンズアレイ40側から紫外線を照射して紫外線硬化樹脂43を硬化させ、透明基板10と透明部材45とを接合させる。このとき接着剤充填溝41からはみ出した紫外線硬化樹脂43は接着剤はみ出し防止溝42に流れ込むため、マイクロレンズアレイ領域に影響を及ぼさない。以上により、本実施形態の光学部材50が完成する。

上述のように、透明基板10の金属膜11が形成された表面側が凸となるように該基板10が全体的に湾曲していると、それと透明部材45とを接合する際、まず透明基板10の中央部が透明部材45の一表面に接し、接触領域が基板周縁部に向かって次第に広がって行く形になる。そこでこの光学部材50においては、透明基板10と透明部材45とが全面に亘って緊密に接合するようになるので、両者間に隙間ができることが無く、よってこの光学部材50は、透明部材45の他表面（図中の上表面）から各マイクロレンズ10ｂの先端までの光路長が均一なものとなる。

なお、ピンホールが形成された透明部材45を透明基板10に接合する代わりに、透明部材をまず透明基板10に接合し、その後、特開平１１−３４４６０２号に開示されているようなマイクロレンズを用いた露光方法により、セルフアライメントでピンホールパターンを形成するようにしてもよい。

また、マイクロレンズアレイ40としては、第１実施形態のマイクロレンズアレイ20と同様の基本構成を有するものの他、第２実施形態のマイクロレンズアレイ30と同様の基本構成を有するものを適用することもできる。

また以上は、遮光膜および応力制御膜として機能する金属膜11が形成されたマイクロレンズアレイについて説明したが、本発明によるマイクロレンズアレイは、そのような膜を持たないものとして形成されてもよく、その場合も、前述したようにマイクロレンズの破損や汚れを防止する効果は同様に得られるものである。

本発明の第１の実施形態によるマイクロレンズアレイを作製する工程を示す概略図本発明の第２の実施形態によるマイクロレンズアレイを示す概略側面図本発明の第３の実施形態による光学部材を作製する工程を示す概略図図３の光学部材に使用されるマイクロレンズアレイを示す部分平面図

符号の説明

10 透明基板
10ａ透明基板の一表面
10ｂマイクロレンズ
11 金属膜
12 金属膜の開口
13 フォトレジスト
13′ 樹脂パターン
20、30、40 マイクロレンズアレイ
31 金属メッキ
43 紫外線硬化樹脂
45 透明部材
50 光学部材

Claims

透明基板上に、凸形状を有するマイクロレンズが複数アレイ状に形成されてなるマイクロレンズアレイにおいて、
前記マイクロレンズが、前記基板の一表面よりも内側に入り込んだ位置において、該一表面側に凸となり、かつ凸形状の先端が該一表面より低い状態に形成されていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
前記基板の一表面に応力制御膜が形成されたことにより、この表面側が凸となるように該基板が全体的に湾曲していることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
前記応力制御膜が遮光膜であることを特徴とする請求項２記載のマイクロレンズアレイ。
前記遮光膜に、マイクロレンズの周縁部に対面するように膜面と平行な方向に張り出して、該マイクロレンズの実効的な開口径を絞るメッキが施されていることを特徴とする請求項３記載のマイクロレンズアレイ。
請求項２から４いずれか１項記載のマイクロレンズアレイと、平面状の一表面を有する別の透明部材とが接合されてなる光学部材であって、前記基板の凸側となっている表面と、別の透明部材の前記一表面とが接合されていることを特徴とする光学部材。
請求項２から４いずれか１項記載のマイクロレンズアレイを作製する方法であって、
透明基板上に前記マイクロレンズの配置パターンに対応した開口を有する応力制御膜を形成し、
該透明基板の前記開口が存在する位置にそれぞれ、マイクロレンズの形状に対応した凸状の樹脂パターンを形成し、
次いで前記透明基板を前記樹脂パターン側からドライエッチングして、該樹脂パターンの形状を該透明基板に転写してマイクロレンズを形成することを特徴とするマイクロレンズアレイの作製方法。
前記応力制御膜を、遮光性材料を用いて遮光膜として形成することを特徴とする請求項６記載のマイクロレンズアレイの作製方法。
前記マイクロレンズを形成した後、前記遮光膜に、膜面とほぼ平行な方向に張り出して該マイクロレンズの実効的な開口径を絞るメッキを施すことを特徴とする請求項７記載のマイクロレンズアレイの作製方法。