JP2007114454A - マイクロレンズアレイとその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】コリメート作用及びテレスコープ作用を有する一体型のマイクロレンズアレイとその製法を提供する。
【解決手段】レンズ基板１６には、２０，２２等の１又は複数のレンズ部をドライエッチング処理等により形成する。レンズ部２０，２２は、互いに同じ構成であり、レンズ部２０について説明すると、基板１６の一方及び他方の主面にはそれぞれトロイダル面状のレンズ面Ｓ１，Ｓ２を互いに対向するように形成する。レーザー活性層からｚ軸方向に射出されるレーザービームをｙ軸方向に切った断面がｘ軸方向に細長いものとすると、レンズ面Ｓ２をｘ軸方向の曲率半径Ｒ_２１がｙ軸方向の曲率半径Ｒ_２２より小さくなるように形成すると共に、レンズ面Ｓ１もｘ軸方向の曲率半径Ｒ_１１＜ｙ軸方向の曲率半径Ｒ_１２となるように形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザービーム等の光ビームの分散抑制に用いるに好適なマイクロレンズアレイ及びその製法に関するものである。

従来、レーザープリンタ等の走査型印刷（又は記録）装置において、発光源としては、図２３に示すような半導体レーザーが使用されている。

半導体レーザーは、半導体基板１の端面１Ａにおいてレーザー活性層２からレーザービーム３を射出する。活性層２は、基板端面１Ａにおいて帯状をなしており、活性層２の長さＬの方向及び厚さｔの方向をそれぞれｘ軸及びｙ軸とすると、レーザービーム３の射出方向は、ｘ−ｙ座標面（直交座標面）に対して直角をなすｚ軸においてプラス方向となる。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、レーザー走査における低速軸、高速軸、光学軸にそれぞれ対応する。

レーザービーム３は、通常、ｘ軸方向に１０°程度広がると共に、ｙ軸方向に２０°〜３０°程度広がる。このようなレーザービームの分散を抑制して光ファイバの端面等に集光するために、一例として図２４に示すような光学系を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図２４の光学系において、半導体レーザー１から射出されたレーザービーム３ａ〜３ｃは、レンズ基板４の一方の主面に形成された円筒面状のレンズ面５によりｙ軸方向に集光されると共に、レンズ基板４の他方の主面に形成された球面状のレンズ面６ａ〜６ｃによりそれぞれｘ軸方向に集光される。このように集光されたレーザービーム３ａ〜３ｃは、ｚ軸方向に進行して光ファイバ７ａ〜７ｃの端面にそれぞれ入射する。レンズ面５（又はレンズ面６ａ〜６ｃ）に相当するレンズは、レンズ面６ａ〜６ｃ（又はレンズ面５）を有するレンズ基板４とは別体のレンズ基板に形成することも可能である。しかし、図２４に示したようにレンズ基板４にレンズ面５及びレンズ面６ａ〜６ａを一体的に形成すると共にレンズ面５とレンズ面６ａ〜６ｃとでレーザービームの広がり角に応じて独立に曲率半径を設定することにより小型で高性能の集光用マイクロレンズアレイを実現することができる。

一方、光分散抑制用光学系としては、図２５に示すものが知られている（例えば、特許文献２参照）。半導体レーザー１の活性層３Ａ，３Ｂ，３Ｃから射出されたレーザービームは、円筒面状のレンズ面８Ｓを有するレンズ基板８を介してレンズ基板９に入射する。レンズ面８Ｓの円筒軸は、ｘ軸方向に延長している。レンズ基板９において、レンズ面８Ｓ側の主面には活性層３Ａ，３Ｂ，３Ｃにそれぞれ対応して円筒面状のレンズ面９Ａ，９Ｂ，９Ｃが形成されると共に、レンズ面８Ｓ側とは反対側の主面にはレンズ面９Ａ，９Ｂ，９Ｃにそれぞれ対向して円筒面状のレンズ面９ａ，９ｂ，９ｃが形成されている。レンズ面９Ａ〜９Ｃ，９ａ〜９ｃは、いずれも円筒軸がｙ軸方向に延長している。

図２６は、図２５の光学系におけるｙ軸方向のコリメート状況を示すもので、３ｙは、１つの活性層（例えば３Ａ）の厚さｔに相当する活性層部分を示す。活性層部分３ｙから射出されたレーザービームは、レンズ面８Ｓによりコリメートされ、レンズ基板９を介して送出される。

図２７は、図２５の光学系におけるｘ軸方向のビームウエスト形成状況を示すもので、３ｘは、１つの活性層（例えば３Ａ）の長さＬに相当する活性層を示す。活性層３ｘから射出されたレーザービームは、レンズ基板８を介してレンズ基板９に入射する。レンズ基板９では、レンズ面９Ａによりレーザービームが屈折された後、基板中央付近でテレスコープ作用によりビームウエストＢＷが形成され、レンズ面９ａによりレーザービームが再び屈折される。レンズ面９Ａの入射側での分散角をαとし、レンズ面９ａの射出側でのビーム幅及び分散角をそれぞれＬ_０及びβとすると、ラグランジュの不変量によりαＬ＝βＬ_０となり、Ｌ_０＞Ｌであるため、β＜αとなる（発散角βが発散角αより小さくなる）。

従来、レーザービーム成形器としては、楕円の断面形状を持つレーザービームを円柱状透明体の一方の端面から他方の端面に通過させて円形の断面形状を持つレーザービームに変換するものが知られている（例えば、特許文献３参照）。この場合、円柱状透明体の一方の端面（入射面）には円筒凹面状のレンズ面が形成されると共に、円柱状透明体の他方の端面（射出面）にはトロイダル面状（互いに直交する２方向の曲率半径が異なるドーナツ面のような凸曲面形状）のレンズ面が形成されている。
特開平９−９６７６０号公報 特表２００２−５１３９５９号公報 特表平９−５０１７８９号公報

図２４に関して上記した従来技術によると、レンズ面５，６ａ〜６ｃを有するレンズ基板４をコリメータとして用いる場合、半導体レーザー１をレンズ基板４から十分離して配置する必要がある。このように離して配置すると、３ａ，３ｂ等の隣り合うレーザービームの重なりが生じたり、配置スペースの増大を招いたりする不都合がある。なお、レンズ面５，６ａ〜６ｃを有するレンズ基板４は、図２７に関して前述したようなテレスコープ作用を有するものではない（基板４内でビームウエストを形成できない）。

図２５に関して上記した従来技術によると、半導体レーザー１に対して２つのレンズ基板８，９を精度良く位置決めする必要がある、従って、位置決めに手間がかかること、環境変化によって光学軸の位置ずれが発生しやすいことなどの問題点がある。また、部品点数が多いため、コスト高を招くこと、光学系の小型化が制約されることなどの問題点もある。

上記したレーザービーム成形器によると、射出面から射出されるレーザービームの開口角を一層減少させるためにコリメータレンズの追加が必要になることがある。また、上記したレーザービーム成形器は、図２７に関して前述したようなテレスコープ作用を有するものではない。

この発明の目的は、コリメート作用及びテレスコープ作用を有する一体型の新規なマイクロレンズアレイとその製法を提供することにある。

この発明に係るマイクロレンズアレイは、
レンズ基板の一方の主面にトロイダル面状の第１のレンズ面を有すると共に、前記レンズ基板の他方の主面にトロイダル面状の第２のレンズ面を有するマイクロレンズアレイであって、
前記一方の主面において第１方向の曲率半径Ｒ_１１が該第１方向に直交する第２方向の曲率半径Ｒ_１２より小さくなるように前記第１のレンズ面を形成すると共に、前記他方の主面において前記第１方向と同一方向の曲率半径Ｒ_２１が前記第２方向と同一方向の曲率半径Ｒ_２２より小さくなるように前記第２のレンズ面を形成し、前記第１のレンズ面から前記レンズ基板に入射して前記第２のレンズ面から射出される光ビームについて前記第１方向では前記レンズ基板内にビームウエストを形成し且つ前記第２方向では前記光ビームをコリメートする構成にしたものである。

この発明のマイクロレンズアレイによれば、レンズ基板の一方及び他方の主面にトロイダル面状の第１及び第２のレンズ面を形成すると共に曲率半径Ｒ_１１，Ｒ_１２，Ｒ_２１，Ｒ_２２をＲ_１１＜Ｒ_１２，Ｒ_２１＜Ｒ_２２なる条件を満たすように設定し、第１方向ではレンズ基板内にビームウエストを形成し且つ第２方向では光ビームをコリメートする構成にしたので、１つのマイクロレンズアレイにおいてテレスコープ作用及びコリメート作用の両方を同時に得ることができる。

この発明のマイクロレンズアレイでは、レンズ基板の屈折率を２以上（好ましくは２．５以上）に設定するとよい。このようにすると、マイクロレンズアレイを薄型化することができる。

この発明に係るマイクロレンズアレイの製法は、
レンズ基板の一方の主面において第１方向に延長する第１のレンズパターンに従って第１のレジスト層を形成する工程と、
第１の加熱リフロー処理により前記第１のレジスト層に第１の凸レンズ形状を付与する工程と、
前記第１の凸レンズ形状を付与した後、前記一方の主面において前記第１方向に直交する第２方向に延長する第２のレンズパターンに従って前記第１のレジスト層に重なり且つ交差するように第２のレジスト層を形成する工程であって、前記第１及び第２のレジスト層の交差部において前記第２のレジスト層の幅が減少するように前記第２のレジスト層を形成する工程と、
第２の加熱リフロー処理により前記第２のレジスト層に第２の凸レンズ形状を付与する工程と、
ドライエッチング処理により前記第１及び第２の凸レンズ形状を前記一方の主面に転写してレンズ面を形成する工程と
を含むものである。

この発明のマイクロレンズアレイの製法によれば、レンズ基板の一方の主面において第１方向に直交する第２方向に延長する第２のレンズパターンに従って第１のレジスト層に重なり且つ交差するように第２のレジスト層を形成する際に第１及び第２のレジスト層の交差部において第２のレジスト層の幅が減少するように第２のレジスト層を形成する。このようにすると、図１７及び図２８に関して後述するように第２のレジスト層に第２の加熱リフロー処理を施したときに第２のレジスト層において頂部付近の曲率半径を裾部の曲率半径とほぼ等しくすることができる。

この発明の製法では、レンズ面において、第１方向の曲率半径は第２のレジスト層における第１方向の曲率半径に対応して決定され、第２方向の曲率半径は第１のレジスト層における第２方向の曲率半径に対応して決定される。すなわち、レンズ面における第１及び第２方向の曲率半径は、それぞれ第２及び第１のレジスト層の曲率半径に対応して独立に決定可能である。従って、レンズ面としては、互いに直交する２方向の曲率半径を独立に設定したトロイダル面状のレンズ面が得られる。

この発明のマイクロレンズアレイの製法は、
前記第２の凸レンズ形状を付与した後、前記レンズ基板の他方の主面において前記第１方向と同一方向に延長する第３のレンズパターンに従って第３のレジスト層を形成する工程と、
第３の加熱リフロー処理により前記第３のレジスト層に第３の凸レンズ形状を付与する工程と、
前記第３の凸レンズ形状を付与した後、前記他方の主面において前記第２方向と同一方向に延長する第４のレンズパターンに従って前記第３のレジスト層に重なり且つ交差するように第４のレジスト層を形成する工程であって、前記第３及び第４のレジスト層の交差部において前記第４のレジスト層の幅が減少するように前記第４のレジスト層を形成する工程と、
第４の加熱リフロー処理により前記第４のレジスト層に第４の凸レンズ形状を付与する工程と、
前記レンズ面を形成する前又は形成した後、他のドライエッチング処理により前記第３及び第４の凸レンズ形状を前記他方の主面に転写して他のレンズ面を形成する工程と
を更に含むようにしてもよい。このようにすると、レンズ基板の両面にトロイダル面状のレンズ面を形成することができ、しかも各レンズ面毎に互いに直交する２方向の曲率半径を独立に設定することができる。従って、この発明のマイクロレンズアレイを製作するのに好適である。

この発明によれば、コリメート作用及びテレスコープ作用を有する一体型のマイクロレンズアレイを実現できるので、従来のようにレーザー光源に対して複数のレンズ基板を精密に位置決めする手間が省けると共に環境変化による光学軸の位置ずれを低減できる効果が得られる。また、部品点数が少ないため、コスト低減や小型化が可能になる利点もある。

その上、レンズ基板の一方又は両方の主面にトロイダル面状のレンズ面を形成する際に互いに直交する２方向でそれぞれ独立に曲率半径を決定できる効果も得られる。

図１は、この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイを示すもので、図１のＹ−Ｙ’線に沿う断面及びＸ−Ｘ’線に沿う断面はそれぞれ図２及び図３に示されている。

レンズ基板１６は、一例としてルチルと呼ばれる酸化チタン（ＴｉＯ_２）単結晶からなる透光材により構成される。ルチルの単結晶は、結晶軸を光学軸方向に一致させることで高い屈折率（常光屈折率２．５１８５、異常光屈折率２．７９０７）が得られる。透光材としては、酸化ジルコニウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、モリブデン酸鉛、二酸化テルル、チタン酸ストロンチウム等の単結晶を用いることもできる。図３に示すようにｘ軸方向においてレーザービームが１０°程度広がる場合にレンズ基板１６内にビームウエストＢＷを形成するためには、透光材の屈折率が２以上（好ましくは２．５以上）であるのが望ましい。レンズ基板１６を構成する透光材の屈折率が高いほどビームウエストＢＷの形成が容易となる。

レンズ基板１６には、複数のレンズ部２０，２２…が並設されている。これらのレンズ部は、構成が同一であり、代表としてレンズ部２０の構成を説明する。レンズ基板１６の一方及び他方の主面には、それぞれトロイダル面状のレンズ面Ｓ１，Ｓ２が形成されている。

レンズ面Ｓ１においては、図２に示すようにｙ軸方向の曲率半径Ｒ_１２が４ｍｍに設定されると共に、図３に示すようにｘ軸方向の曲率半径Ｒ_１１が０．４５ｍｍ（Ｒ_１１＜Ｒ_１２）に設定されている。レンズ面Ｓ２においては、図２に示すようにｙ軸方向の曲率半径Ｒ_２２が２．４５ｍｍに設定されると共に、図３に示すようにｘ軸方向の曲率半径Ｒ_２１が１．１２２ｍｍ（Ｒ_２１＜Ｒ_２２）に設定されている。曲率半径Ｒ_１１，Ｒ_１２，Ｒ_２１，Ｒ_２２をそれぞれ有する４つのレンズ面は、いずれも非球面としてもよい。レンズの厚さ（レンズ面Ｓ１の頂点とレンズ面Ｓ２の頂点との間の距離）は、２．６ｍｍに、レンズアレイピッチ（隣り合うレンズ部２０，２２の中心間の距離）は３９０μｍにそれぞれ設定されている。

上記したレンズ部２０についてシミュレーション実験が行なわれた。レーザー光源としては、波長８０５ｎｍのレーザー光を射出する半導体レーザーを用いた。図２に示すｙ軸方向のビーム２４ｙの幅Ｌ_０は１μｍとし、図３に示すｘ軸方向のビーム２４ｘの幅Ｌ_１は２００μｍとした。また、ｙ軸方向のビーム広がり角度（全角）は５６．８°とし、ｘ軸方向のビーム広がり角度（全角）は８．６°とした。

図４，５は、それぞれｙ，ｘ軸方向のシミュレーション結果を示すもので、図４にはレーザービームがコリメート（平行光化）される様子が示され、図５にはレーザービームにテレスコープ作用によりビームウエストＢＷが形成される様子が示されている。図２，３は、それぞれ図４，５のシミュレーション結果を図解したもので、図２にはコリメート状況が、図３にはビームウエスト状況がそれぞれ示されている。レンズ部２０のコリメート作用によりレーザービームの広がりは、全角で０．２ｄｅｇ以下となった。また、図３に示すようにレンズ面Ｓ１の入射側での分散角をαとし、レンズ面Ｓ２の射出側でのビーム幅及び分散角をそれぞれＬ_２及びβとすると、ラグランジュの不変量によりαＬ_１＝βＬ_２となり、Ｌ_１＜Ｌ_２であるため、β＜αとなる（発散角βが発散角αより小さくなる）。α＝４．３ｄｅｇの例では、β＝２．２ｄｅｇとなり、発散角の低減を達成できた。

上記した実施形態によれば、両面にトロイダル面状のレンズ面Ｓ１，Ｓ２を形成した単一（一体型）のレンズ基板１６を用いてｘ，ｙ軸いずれの方向でも光分散を抑制することができる。従って、図２５に示した従来例のように２つのレンズ基板８，９を用いる必要はない。

レンズ面Ｓ１，Ｓ２の曲率半径Ｒ_１１，Ｒ_１２，Ｒ_２１，Ｒ_２２としては、図２，３に関してルチルの例を示したが、透光材としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）を用いる場合、曲率半径は、
Ｒ_１１＝０．５５ｍｍ
Ｒ_１２＝１．８ｍｍ
Ｒ_２１＝１．２９ｍｍ
Ｒ_２２＝４．３ｍｍ
となる。この例においても、Ｒ_１１＜Ｒ_１２，Ｒ_２１＜Ｒ_２２なる条件が満たされている。

次に、図６〜２１を参照して上記のようなマイクロレンズアレイの製法を説明する。

図６（Ａ）は、この発明の実施に用いられる基板ホルダの平面的構成を示すもので、図６（Ａ）の基板ホルダを右側から見た側面は、図６（Ｂ）に示されている。

基板ホルダ１０は、例えば石英からなる四辺形状のレンズ基板１６を保持するための四辺形状の保持孔１０Ａを有する平板枠状のもので、一例として正方形状の外形を有し、一辺の長さＤが７６．２ｍｍであるアルミニウム枠からなっている。基板ホルダ１０の厚さｄは、レンズ基板１６の厚さとほぼ等しい。基板ホルダ１０の材料としては、ステンレス、インバー等の金属、ガラス、アルミナ等のセラミック材料を使用することも可能である。

基板ホルダ１０の一方の面（表面）において、保持孔１０Ａの一方側には位置合せマーク１４Ａ〜１４Ｄが形成されると共に保持孔１０Ａの他方側には位置合せマーク１４Ｅ〜１４Ｈが形成されている。基板ホルダ１０の他方の面（裏面）において、保持孔１０Ａの一方側には位置合せマーク１４Ａ〜１４Ｄにそれぞれ対応して４組の位置合せマークが形成されると共に保持孔１０Ａの他方側には位置合せマーク１４Ｅ〜１４Ｈにそれぞれ対応して４組の位置合せマークが形成されている。図７には、表面側の位置合せマーク１４Ａ，１４Ｅにそれぞれ対応する裏面側の位置合せマーク１４ａ，１４ｅが示されている。１４Ａ等の各位置合せマークとしては、縮小投影露光装置で一般に使用されている回折格子又は画像処理可能なコントラストが付いたマークを用いることができる。１４Ａ等の表面側の位置合せマーク及び１４ａ等の裏面側の位置合せマークは、両面アライナ又は両面ステッパ等を用いて高精度に位置合せした状態（位置ずれ量２μｍ程度の状態）で形成することができる。表裏面の位置合せマークについて位置ずれ量を予め測定し、両面露光時に補正値として使用することで位置合せ精度を一層向上させることができる。

基板ホルダ１０において、一辺Ａ_１には、固定ねじ１２ａ，１２ｂとそれぞれ係合するねじ孔１０ａ，１０ｂが設けられており、該一辺Ａ_１の隣の辺Ａ_２には、固定ねじ１２ｃ，１２ｄとそれぞれ係合するねじ孔１０ｃ，１０ｄが設けられている。１０ａ等の各ねじ孔は、保持孔１０Ａに達するように形成されている。なお、基板ホルダ１０の製法については、本願と同一出願人の出願に係る特願２００５−２３７４１４号に記載されている。

基板ホルダ１０の保持孔１０Ａ内において、辺Ａ_１，Ａ_２に挟まれた所定の角部ＣＮには、Ｌ字状のスペーサ１８が配置される。スペーサ１８は、例えば金属からなるもので、基板ホルダ１０とほぼ等しい厚さを有する。スペーサ１８の材料としては、樹脂、ガラス又はセラミック材料を用いることもできる。保持孔１０Ａ内において、所定の角部ＣＮに対向する角部ＬＣ側には、レンズ基板１６が配置され、レンズ基板１６と保持孔１０Ａの側壁との間にスペーサ１８が介在した状態となる。スペーサ１８は、レンズ基板１６とほぼ等しい厚さを有する。

基板ホルダ１０を使用する際には、平坦面上において基板ホルダ１０の保持孔１０Ａ内に図６（Ａ）に示すようにレンズ基板１６及びスペーサ１８を配置した状態でねじ孔１０ａ〜１０ｄに固定ねじ１２ａ〜１２ｄをそれぞれ係合させて固定ねじ１２ａ〜１２ｄによりスペーサ１８を介してレンズ基板１６を角部ＬＣに押し付けて固定する。図７は、このときの図６（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面を示すもので、レンズ基板１６は、表裏いずれの面でもスペーサ１８及び基板ホルダ１０と面一となっている。

次に、図７〜２１を参照してこの発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例を説明する。図７の工程では、上記したように基板ホルダの保持孔１０Ａ内にレンズ基板１６及びスペーサ１８を固定する。この後、基板ホルダ１０の一方の面側でレンズ基板１６の一方の主面（表面）にレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６を周知のホトリソグラフィ処理により平行状に並べて形成する。

図７に示すレンズ基板１６の断面は、図１６のＡ−Ａ’線断面に対応する。レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６は、いずれも図１６に示すようにＡ−Ａ’線（ｙ軸方向）に直交する方向（ｘ軸方向）に延長する帯状のパターンに従って形成する。このときのホトリソグラフィ処理において、レンズ基板１６の表面がスペーサ１８及び基板ホルダ１０と面一となっているため、レジスト層をレンズ基板１６の周辺部まで均一な厚さで形成することができる。また、露光処理は、片面縮小投影露光装置を用いて行ない、１４Ａ，１４Ｅ等の位置合せマークを用いてレンズ基板１６にホトマスクを位置合せした状態でレジスト露光を行なう。

図８の工程では、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６に加熱リフロー処理を施してＲ１１等の各レジスト層に凸レンズ形状を付与する。図１８には、図１７のａ−ａ’線（ｙ軸方向）に沿う断面を示し、図１９には、図１７のｂ−ｂ’線（ｘ軸方向）に沿う断面を示す。レジスト層Ｒ１１には、図１８，１９に示すように幅Ｗ_０で厚さｔ_１の凸レンズ形状が付与される。このことは、他のレジスト層Ｒ１２〜Ｒ１６についても同様である。幅Ｗ_０や厚さｔ_１は、所望の曲率半径に対応して決定される。

図９の工程では、基板ホルダ１０の一方の面側でレンズ基板１６の表面に図１６に示すようにレジスト層Ｒ２１〜Ｒ２８をいずれもＡ−Ａ’線に平行な方向（ｙ軸方向）に延長する帯状のパターンに従ってホトリソグラフィ処理により形成する。このときのホトリソグラフィ処理は、図７の工程に関して前述したと同様にして行なうことができる。

図９の工程において、レジスト層Ｒ２１〜Ｒ２８は、いずれもＲ１１等の下方レジスト層との交差部にて下方レジスト層の両裾部から頂部に進むにつれて次第に幅が減少するように形成する。図１７には、図１６における下方レジスト層Ｒ１１と上方レジスト層Ｒ２１との交差部及びその近傍部分を含むレンズ形成予定部２０Ａを拡大して示す。

レジスト層Ｒ２１〜Ｒ２８を形成した後は、レジスト層Ｒ２１〜Ｒ２８に加熱リフロー処理を施してＲ２１等の各レジスト層に凸レンズ形状を付与する。レジスト層Ｒ２１には、図１９に示すようにレジスト層Ｒ１１の頂部において幅Ｗ_２で厚さｔ_２の凸レンズ形状が付与される。このことは、上下レジスト層の交差部に対応する他のレンズ形成予定部についても同様である。幅Ｗ_２や厚さｔ_２は、所望の曲率半径に対応して決定される。

図１７に示すようにレジスト層Ｒ２１をレジスト層Ｒ１１の頂部に近づくにつれて幅がＷ_１からＷ_２に漸減するように形成するのは、図１８に示すように加熱リフロー処理によりレジスト層２１に形成される曲面の曲率半径を調整するためである。この場合、レジスト層Ｒ２１をレジスト層Ｒ１１の一方の裾部から頂部を経て他方の裾部まで一定の幅Ｗ_１で形成すると、レジスト層Ｒ２１は、レジスト層Ｒ１１の頂部に近づくにつれて薄くなる。この後、レジスト層２１に加熱リフロー処理を施すと、レジスト層Ｒ２１において裾部の曲率半径に比べて頂部付近の曲率半径が大きくなる。

一例として、図２８に示すようにレジスト層Ｒ２１を幅Ｗ_ｘで形成し、Ｗ_ｘ＝３２０μｍとした場合、レジスト層Ｒ２１に加熱リフロー処理を施した後でレジスト層Ｒ２１の一方の裾部から頂部を経て他方の裾部に至る経路に沿って図示のような測定個所Ｍ_１〜Ｍ_５でレジスト層Ｒ２１の長手方向に直交する方向（ｘ軸方向）の曲率半径を測定すると、図示のようにレジスト層Ｒ２１の両裾部に対応する測定個所Ｍ_１，Ｍ_５では曲率半径が比較的小さく、レジスト層Ｒ２１の頂部に対応する測定個所Ｍ_３では曲率半径が最大になる。

この発明では、上記したようにレジスト層Ｒ２１を頂部に近づくにつれて幅が漸減するように形成したので、レジスト層Ｒ２１に加熱リフロー処理を施した後では、レジスト層Ｒ２１において、頂部付近の曲率半径を両裾部の曲率半径とほぼ等しくすることができる。このため、後述のドライエッチング工程では、図２１（Ａ）示すように図１９のレジスト層Ｒ２１のｂ−ｂ’線方向（ｘ軸方向）の曲率半径に対応した曲率半径を有するレンズ面Ｓ１が得られる。レンズ形成予定部２０Ａについて上記したレンズ面形成状況は、上下レジスト層の交差部に対応する他のレンズ形成予定部についても同様である。

図１０の工程では、基板ホルダ１０をレンズ基板１６を保持した状態で上下反転させる。この結果、基板ホルダ１０は、１４ａ，１４ｅ等の位置合せマークが形成された他方の面を上にした状態となる。このような状態において基板ホルダ１０の他方の面側でレンズ基板１６の他方の主面（裏面）にレジスト層Ｒ３１〜Ｒ３６をそれぞれレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６に対向させて平行状に並べてホトリソグラフィ処理により形成する。このときのホトリソグラフィ処理は、図７の工程に関して前述したと同様にして行なうことができる。この場合、１４ａ，１４ｅ等の位置合せマークを用いてレンズ基板１６にホトマスクを位置合せした状態でレジスト露光を行なうので、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６に対するレジスト層Ｒ３１〜Ｒ３６の位置合せ精度としては極めて高い精度が得られる。

図１１の工程では、レジスト層Ｒ３１〜Ｒ３６に加熱リフロー処理を施してＲ３１等の各レジスト層に凸レンズ形状を付与する。Ｒ３１等の各レジスト層には、図１８に示したレジスト層Ｒ１１と幅や厚さが異なるものの、レジスト層Ｒ１１に類似した凸レンズ形状が付与される。Ｒ３１等の各レジスト層の幅や厚さは、所望の曲率半径に対応して決定される。

図１２の工程では、基板ホルダ１０の他方の面側でレンズ基板１６の裏面にレジスト層Ｒ４１を図１６のＡ−Ａ’線に平行な方向（ｙ軸方向）に延長する帯状のパターンに従い且つレジスト層Ｒ２１に対向するようにホトリソグラフィ処理により形成する。レジスト層Ｒ４１は、レジスト層２１に関して前述したと同様に下方レジスト層Ｒ３１〜Ｒ３６に重なり且つ交差するように形成し、しかも交差部では幅が減少するように形成する。ただし、レジスト層４１の幅や厚さはレジスト層２１とは異なる。このときのホトリソグラフィ処理では、図１６のレジスト層Ｒ２２〜Ｒ２８にそれぞれ対応するレジスト層４２〜４８（図示せず）をレジスト層Ｒ４１と同様に形成する。

レジスト層Ｒ４１〜Ｒ４８（Ｒ４２〜４８は図示せず）を形成した後は、レジスト層Ｒ４１〜Ｒ４８に加熱リフロー処理を施してＲ４１等の各レジスト層に凸レンズ形状を付与する。レジスト層Ｒ４１には、レジスト層Ｒ３１の頂部において図１９のＲ２１と同様の凸レンズ形状が付与される。このことは、上下レジスト層の交差部に対応する他のレンズ形成予定部についても同様である。Ｒ４１等の各レジスト層の幅や厚さは、所望の曲率半径に対応して決定される。

図１３の工程では、基板ホルダ１０をレンズ基板１６を保持した状態で上下反転する。この結果、基板ホルダ１０は、１４Ａ，１４Ｅ等の位置合せマークが形成された面を上にした状態となる。図１３の基板ホルダ反転工程は省略してもよい。

図１４の工程では、固定ねじ１２ａ〜１２ｄによる固定を解除して基板ホルダ１０からレンズ基板１６を取り外す。そして、図１５の工程では、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１６，Ｒ２１〜Ｒ２８をマスクとする第１のドライエッチング処理によりレンズ基板１６の表面に凸レンズ形状を転写することによりトロイダル面状のレンズ面Ｓ１を図１６に示す上下レジスト層の交差部（ハッチングを付した部分）の数（一例として４８個）だけ形成する。レンズ基板１６を上下反転した後、レジスト層Ｒ３１〜Ｒ３６，Ｒ４１〜Ｒ４８（Ｒ４２〜Ｒ４８は図示せず）をマスクとする第２のドライエッチング処理によりレンズ基板１６の裏面に凸レンズ形状を転写することによりトロイダル面状のレンズ面Ｓ２をレンズ面Ｓ１にそれぞれ対向して形成する。図１５には、互いに対向する１つのレンズ面Ｓ１及び１つのレンズ面Ｓ２を含むレンズ部２０を示す。

図２０及び図２１は、いずれも図１５のレンズ部２０の断面を示すもので、図２０（Ａ）及び図２１（Ａ）は、レンズ面Ｓ１における図１７のａ−ａ’線対応の断面及び図１７のｂ−ｂ’線対応の断面をそれぞれ示し、図２０（Ｂ）及び図２１（Ｂ）は、レンズ面Ｓ２における図１７のａ−ａ’線対応の断面及び図１７のｂ−ｂ’線対応の断面をそれぞれ示す。

図２０（Ａ）及び図２１（Ａ）に示すレンズ面Ｓ１において、ａ−ａ’線方向（ｙ軸方向）の曲率半径は、図１８のレジスト層Ｒ１１の曲率半径に対応して決定され、ｂ−ｂ’線方向（ｘ軸方向）の曲率半径は、図１９のレジスト層Ｒ２１の曲率半径に対応して決定される。従って、図２に示したｙ軸方向の曲率半径Ｒ_１２を得るためには、図１８のレジスト層Ｒ１１の幅や厚さを適宜設定すればよく、図３に示すｘ軸方向の曲率半径Ｒ_１１を得るためには、図１９のレジスト層Ｒ２１の幅や厚さを適宜設定すればよい。

図２０（Ｂ）及び図２１（Ｂ）に示すレンズ面Ｓ２において、ａ−ａ’線方向（ｙ軸方向）の曲率半径は、図１４のレジスト層Ｒ３１の曲率半径に対応して決定され、ｂ−ｂ’線方向（ｘ軸方向）の曲率半径は、図１４のレジスト層Ｒ４１においてレジスト層Ｒ３１に重なる部分の曲率半径に対応して決定される。従って、図２に示した曲率半径Ｒ_２２を得るためには、図１４のレジスト層Ｒ３１の幅や厚さを適宜設定すればよく、図３に示した曲率半径Ｒ_２１を得るためには、図１４のレジスト層Ｒ４１においてレジスト層Ｒ３１に重なる部分の幅や厚さを適宜設定すればよい。

図２２は、回転対称でないレンズを形成するためのレジスト層配置を示すものである。この例では、レジスト層Ｒ１１，Ｒ２１に関して前述したと同様に下方レジスト層Ｒ_Ｌに重なり且つ交差するように上方レジスト層Ｒ_Ｕを形成する。この場合、レジスト層Ｒ_Ｌとしては、中心線Ｐ−Ｐ’に関して非対称の平面形状を有するものを用いると共に、レジスト層Ｒ_Ｕとしても、中心線Ｑ−Ｑ’に関して非対称の平面形状を有するものを用いる。このようにすると、レジスト層Ｒ_Ｌ，Ｒ_Ｕの交差部（ハッチングを付した部分）に対応して回転対称でないトロイダル面状のレンズ面を得ることができる。

この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイを示す斜視図である。 図１のＹ−Ｙ’線に沿うレンズ部２０の断面図である。 図１のＸ−Ｘ’線に沿うレンズ部２０の断面図である。 レンズ部２０のｙ軸方向のシミュレーション結果を示す光路図である。 レンズ部２０のｘ軸方向のシミュレーション結果を示す光路図である。 （Ａ）は、この発明の実施に用いられる基板ホルダの一例を示す平面図、（Ｂ）は、（Ａ）の基板ホルダを右側から見た側面図である。 この発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。 図７の工程に続く加熱リフロー工程を示す断面図である。 図８の工程に続くレジスト層形成工程及び加熱リフロー工程を示す断面図である。 図９の工程に続く基板ホルダ反転工程及びレジスト層形成工程を示す断面図である。 図１０の工程に続く加熱リフロー工程を示す断面図である。 図１１の工程に続くレジスト層形成工程及び加熱リフロー工程を示す断面図である。 図１２の工程に続く基板ホルダ反転工程を示す断面図である。 図１３の工程に続くレンズ基板取外工程を示す断面図である。 図１４の工程に続くドライエッチング工程を示す断面図である。 図９の工程におけるレジスト層配置を示す平面図である。 図１６のレンズ形成予定部２０Ａを拡大して示す平面図である。 図１７のａ−ａ’線に沿う断面図である。 図１７のｂ−ｂ’線に沿う断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれレンズ面Ｓ１，Ｓ２を示す図１７のａ−ａ’線対応の断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれレンズ面Ｓ１，Ｓ２を示す図１７のｂ−ｂ’線対応の断面図である。 回転対称でないレンズを形成するためのレジスト層配置を示す平面図である。 半導体レーザーからのレーザービーム射出状況を説明するための斜視図である。 従来の集光用光学系の一例を示す斜視図である。 従来の光分散抑制用光学系の一例を示す斜視図である。 図２５の光学系におけるコリメート状況を示す光路図である。 図２５の光学系におけるビームウエスト形成状況を示す光路図である。 レンズ形成予定部における曲率半径の変化を示す平面図である。

符号の説明

１０：基板ホルダ、１６：レンズ基板、２０，２２：レンズ部、２０Ａ：レンズ形成予定部、Ｓ１，Ｓ２：レンズ面、Ｒ１１〜Ｒ１６，Ｒ２１〜Ｒ２８，Ｒ３１〜Ｒ３６，Ｒ４１：レジスト層。

Claims (4)

1. レンズ基板の一方の主面にトロイダル面状の第１のレンズ面を有すると共に、前記レンズ基板の他方の主面にトロイダル面状の第２のレンズ面を有するマイクロレンズアレイであって、
   前記一方の主面において第１方向の曲率半径Ｒ_１１が該第１方向に直交する第２方向の曲率半径Ｒ_１２より小さくなるように前記第１のレンズ面を形成すると共に、前記他方の主面において前記第１方向と同一方向の曲率半径Ｒ_２１が前記第２方向と同一方向の曲率半径Ｒ_２２より小さくなるように前記第２のレンズ面を形成し、前記第１のレンズ面から前記レンズ基板に入射して前記第２のレンズ面から射出される光ビームについて前記第１方向では前記レンズ基板内にビームウエストを形成し且つ前記第２方向では前記光ビームをコリメートする構成にしたマイクロレンズアレイ。
2. 前記レンズ基板の屈折率を２以上に設定した請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
3. レンズ基板の一方の主面において第１方向に延長する第１のレンズパターンに従って第１のレジスト層を形成する工程と、
   第１の加熱リフロー処理により前記第１のレジスト層に第１の凸レンズ形状を付与する工程と、
   前記第１の凸レンズ形状を付与した後、前記一方の主面において前記第１方向に直交する第２方向に延長する第２のレンズパターンに従って前記第１のレジスト層に重なり且つ交差するように第２のレジスト層を形成する工程であって、前記第１及び第２のレジスト層の交差部において前記第２のレジスト層の幅が減少するように前記第２のレジスト層を形成する工程と、
   第２の加熱リフロー処理により前記第２のレジスト層に第２の凸レンズ形状を付与する工程と、
   ドライエッチング処理により前記第１及び第２の凸レンズ形状を前記一方の主面に転写してレンズ面を形成する工程と
   を含むマイクロレンズアレイの製法。
4. 前記第２の凸レンズ形状を付与した後、前記レンズ基板の他方の主面において前記第１方向と同一方向に延長する第３のレンズパターンに従って第３のレジスト層を形成する工程と、
   第３の加熱リフロー処理により前記第３のレジスト層に第３の凸レンズ形状を付与する工程と、
   前記第３の凸レンズ形状を付与した後、前記他方の主面において前記第２方向と同一方向に延長する第４のレンズパターンに従って前記第３のレジスト層に重なり且つ交差するように第４のレジスト層を形成する工程であって、前記第３及び第４のレジスト層の交差部において前記第４のレジスト層の幅が減少するように前記第４のレジスト層を形成する工程と、
   第４の加熱リフロー処理により前記第４のレジスト層に第４の凸レンズ形状を付与する工程と、
   前記レンズ面を形成する前又は形成した後、他のドライエッチング処理により前記第３及び第４の凸レンズ形状を前記他方の主面に転写して他のレンズ面を形成する工程と
   を更に含む請求項３記載のマイクロレンズアレイの製法。

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