JP3545796B2

JP3545796B2 - 光学デバイスおよび光学デバイス製造方法

Info

Publication number: JP3545796B2
Application number: JP02666994A
Authority: JP
Inventors: 利通名須川; 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: JPH07234303A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光学デバイスおよび光学デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズやミラーに、非球面に代表される特殊な面形状が使用されるようになってきている。非球面のような特殊な面形状は、機械的な研磨で創成することが容易ではなく、通常は型を用いた成形加工により作製が行われる場合が多い。
【０００３】
このため、例えば、非球面の屈折面を持つレンズなどは、その殆どがプラスチック材料を用いたプラスチック成形品として作製されており、材料選択の余地が少ない点が問題となっている。
【０００４】
所望の面形状を、型を用いてガラス表面に創成する技術としては「ガラスプレス法」が知られているが、使用される型は、ガラスに成形する際の高温（６５０度以上）・高圧に耐えねばならず、高温下での酸化に対する耐性も必要である。このため、型の材料は特殊な金属やセラミックスに限定される。このような特殊な材料は型の加工が非常に難しく、その上、耐酸化性を付加するためには、型の表面にＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ，Ａｕ，Ｐｔ等の薄膜を形成する必要がある。
【０００５】
このため、ガラスプレス法に用いられる「型」は、コストが高く、しかも、高温・高圧下で使用されるため、材料を選択するにも拘らず、「型としての寿命」はさほど長くない。
【０００６】
一方、屈折面や反射面を型成形や研磨によらずに創成する方法として、光学材料の表面にフォトレジストの層を形成し、この層を例えば、円形や楕円形にパターニングし、その後、上記層を加熱して、フォトレジストの熱流動により、フォトレジストの表面を曲面形状化し、しかるのちに、フォトレジストと光学材料とに対して異方性のエッチングを行い、フォトレジスト表面の曲面形状を光学材料に彫り写すという方法が提案されている（例えば、特開平５−１７３００３号公報：請求項１６）。
【０００７】
この方法は、マイクロレンズの屈折面形成方法として適しているが、加熱に依りフォトレジスト表面に生成する表面形状の制御が必ずしも容易でなく、意図した通りの曲面を正確に形成することが難しい。
【０００８】
【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、所望の表面形状を正確に有する新規な光学デバイスの提供を目的とする（請求項１１，１２）。
【０００９】
この発明の別の目的は、所望の表面形状を持った光学デバイスを容易且つ確実に製造できる新規な光学デバイス製造方法の提供にある（請求項１〜１０）。
【００１０】
上記光学デバイス製造方法には種々の光学デバイス用材料が使用される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下にまず、光学デバイス製造方法に用いられる光学デバイス材料を説明する。
請求項１の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、デバイス材料の平面状の表面に、１以上の凸曲面形状を転写材により形成して構成される。
「デバイス材料」は、最終的に光学デバイスとなる材料であり、請求項１記載の発明に於いては上述のとおり「平面的な表面」を有する。
「１以上の凸曲面形状」は、所定の凸曲面形状に応じた凹曲面形状を形成された「成形型」を用いて転写材に転写・形成される。
【００１２】
請求項２の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、デバイス材料における「所定の曲率を持つ表面」上に、転写材により１以上の曲面形状を形成してなる。上記「所定の曲率を持つ表面」は、球面に限らず、シリンダ面（最大曲率と最小曲率：０が一義的に定まる）や、回転楕円面等でもよい。
１以上の「曲面形状」は、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から、転写材に上記転写面形状を転写することにより形成される。
【００１３】
請求項２記載の発明において用いられる光学デバイス用材料における「デバイス材料」としては、「球体」あるいは「円柱体」のものを用いることもできるし（請求項３）、「レンズ形状に形成されたもの」を用いることが出来る（請求項４）。この場合のレンズ形状も、球面レンズ形状に限らず、シリンダレンズ形状やトロイダルレンズ形状とすることができる。
【００１４】
請求項５の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、「球体の一部を平面加工し、球の一部を平面で切断した形状」としたデバイス材料の平面状部分に、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成して構成される。この場合、デバイス材料の、上記平面状部分と反対側の球面形状部分にも、転写材により別の曲面形状（他の型から転写される）を形成することができる。
【００１５】
請求項６の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、「球体の一部を平面加工し、球の一部を１対の平行な平面で切断した形状」としたデバイス材料の、少なくとも一方の平面状部分に、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成して構成される。
この請求項６に記載の光学デバイス用材料において、１対の平面状部分のそれぞれに、転写材による曲面形状を形成する場合には、両曲面形状は、同一でも異なっても良い。
【００１６】
請求項７の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、「円柱体の周面部を平面加工し、円柱の一部を軸に平行な平面で切断した形状」としたデバイス材料の、平面状部分に、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成して構成される。この場合、デバイス材料の、上記平面状部分と反対側の円柱面形状部分にも、転写材により別の曲面形状（他の型から転写される）を形成することができる。
【００１７】
請求項８の光学デバイス製造方法において用いられる光学デバイス用材料は、「円柱体の周面部を平面加工し、円柱の一部を、軸に平行で且つ互いに平行な１対の平面で切断した形状」としたデバイス材料の、少なくとも一方の平面状部分に、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成して構成される。この場合、１対の平面状部分のそれぞれに、転写材による曲面形状を形成する場合には、両曲面形状は同一でも異なっても良い。
【００１８】
上記請求項２〜８記載の発明において、デバイス材料に転写材により形成される「曲面形状」としては、凸または凹の球面、凸または凹の非球面、凸または凹のシリンダ面等、種々の曲面形状が可能である。
【００１９】
また、上記請求項１〜８記載の光学デバイス製造方法に用いられる光デバイス用材料において、「転写材」は、光および／または熱により硬化し、物理的エッチングが可能なものを適宜使用できる。即ち、転写材としては、「光硬化性材料」や「２００度Ｃ以下の温度で硬化する熱硬化性材料」が好適である（請求項９）。
【００２０】
「光硬化性材料」としては、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、変形シリコーン系樹脂、あるいは、これらをベースとした配合により構成されるものを利用できる。特に、エポキシ系樹脂とアクリル系樹脂を組み合わせて配合したものは、転写材として好適である。勿論、市販の紫外線硬化樹脂等は転写材として好適に使用できる。
「２００度Ｃ以下の温度で硬化する熱硬化性材料」としては、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等を利用することができる。
【００２１】
また、請求項１〜９記載の発明に於いて用いられる光学デバイス用材料における「デバイス材料」としては、物理的エッチングが可能なものであれば、特に制限無く用いることが出来るが、光透過性の光学デバイスを製造する場合には勿論「透明な光学材料」が用いられる（請求項１０）。
【００２２】
この発明の「光学デバイス製造方法」は、上に説明した任意の光学デバイス用材料の、「転写材とデバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、転写材の表面形状をデバイス材料に彫り写す」ことを特徴とする（請求項１〜１０）。「物理的エッチング」としては、ＲＩＥやＥＣＲプラズマエッチング等のドライエッチングが好ましい。
【００２３】
この発明の「光学デバイス」は、上記請求項１〜１０の任意の１に記載の光学デバイス製造方法で製造された光学デバイス自体である（請求項１１）。請求項１１記載の光学デバイスにおける曲面形状部分に、反射膜を形成したものを「光学デバイス」とすることもできる（請求項１２）。このように、反射膜を形成して光学デバイスとする場合には、デバイス材料が透明なものでなくてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
なお、デバイス材料として適当なものを選ぶと、上記のようにして製造された請求項１1記載の光学デバイス自体を、請求項１〜１０に記載の光学デバイス用材料において、転写材に転写面形状を転写するための「成形型」としても使用できることを付記しておく。
【００２５】
【作用】
上述の如く、この発明の光学デバイス製造方法では、光学デバイス用材料が、転写材による曲面形状を有し、デバイス材料と転写材に対して、異方性の物理的エッチングを行うことにより、転写材の表面形状である上記曲面形状が、デバイス材料に彫り写される。
【００２６】
転写材の表面形状として形成される曲面形状は、成形型の転写面形状を転写されることにより正確に形成される。
【００２７】
【実施例】
図１（ａ）は、請求項１に記載の光学デバイス用材料の１実施例を示している。
【００２８】
光学デバイス用材料１０は、平行平板状のデバイス材料１１の片面に、転写材１２による凸曲面形状が複数個、アレイ配列状に形成されたものである。転写材１２における凸曲面形状は、「所定の凸曲面形状に応じた凹曲面形状」を形成された成形型３００を用い、転写材１２に上記凸曲面形状を転写することにより正確に形成されるのである。
【００２９】
図１（ａ）に示す光学デバイス用材料１０の、転写材１２による凸曲面形状の形成された側の面に対して物理的エッチングを行い、転写材１２の表面形状をデバイス材料１１に彫り写せば、図１（ｂ）に示すように、片側の面に、所望の凸曲面形状をアレイ配列状に形成された光学デバイス１Ａを得ることができる（請求項１、１１）。
【００３０】
デバイス材料１１として「透明な材料」を用いれば、図１（ｂ）の光学デバイスは、形成された凸曲面形状を屈折面とするレンズアレイあるいはマイクロレンズアレイ（形成された屈折面が小さい場合）として利用できる。
【００３１】
勿論、図１のデバイス材料１１の両面に、互いに対応させて、転写材の凸面形状を形成した光学デバイス用材料も可能であり、このような光学デバイス用材料に対して、請求項１記載の製造方法を適用すれば、「平行平板の両面に屈折面を持つ光学デバイス」を得ることができる。
【００３２】
また、図１（ｂ）の光学デバイス１Ａの、凸曲面形状の形成されている側の面に反射膜を形成すれば、凸面鏡アレイもしくはマイクロ凸面鏡アレイとして使用できる光学デバイスを実現できる（請求項１２）。
【００３３】
図２（ａ）は、請求項２，３記載の光学デバイス用材料の１実施例を示している。光学デバイス用材料２０は、球体のデバイス材料２１の表面に、転写材２２により、所定の表面形状（非球面）が形成されたものである。転写材２２の表面形状は、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から、転写材２２の表面に、上記転写面形状を転写することにより正確に形成される。
【００３４】
図２（ａ）の状態において、転写材２２とデバイス材料２１とに対して、異方性の物理的エッチングを行い、転写材２２の表面形状をデバイス材料２１に彫り写すことにより、図２（ｂ）に示すような、光学デバイス２Ａを得ることができる。デバイス材料２１として透明な材料を用いれば、光学デバイス２Ａは「片面が球面で片面が非球面」のレンズもしくはマイクロレンズ（球体２１が小さい場合）として利用できる。
【００３５】
デバイス材料２１に彫り写された「曲面形状」は、転写材２２の表面形状をそのまま彫り写した形状もしくは上記表面形状の相似形となるので、「デバイス材料２１に彫り写された段階で所望の曲面形状となるような転写面形状」を、成形型に形成しておくのである。
【００３６】
なお、図２（ａ）において、デバイス材料２１を、図面に直交する方向に長い「円柱体」とすれば、得られる光学デバイスは、片面が特殊な形状の面で、他方の側がシリンダ面である、シリンダレンズもしくはマイクロシリンダレンズとして利用できる。
【００３７】
図３（ａ）は、請求項２，４に記載の光学デバイス用材料の１実施例を示している。
光学デバイス用材料３０は、レンズ形状のデバイス材料３０の一方の面に、転写材３２により、所定の曲面形状が形成されている。転写材３２の表面形状である上記曲面形状は、勿論、「所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型」から、転写材２２の表面に上記転写面形状を転写することにより正確に形成されるのである。
【００３８】
図３（ａ）の状態において、転写材３２とデバイス材料３１とに対して、異方性の物理的エッチングを行い、転写材３２の表面形状をデバイス材料３１に彫り写すことにより、図３（ｂ）に示すような、光学デバイス３Ａを得ることができる。デバイス材料として透明な材料を用い、デバイス材料３１を球面レンズ形状とすれば、光学デバイス３Ａは、「片面が球面で、片面が非球面」のレンズもしくはマイクロレンズ（デバイス材料が小さい場合）として利用できる。
【００３９】
また、デバイス材料３１として、図面に直交する方向へ長いシリンダレンズ状のものを用いれば、光学デバイス３Ａは、片面がシリンダ面で、片面が非球面のシリンダレンズあるいはトロイダルレンズ、またはマイクロシリンダレンズやマイクロトロイダルレンズとして利用できる。
【００４０】
デバイス材料３１に彫り写された「曲面形状」は、転写材３２の表面形状を、そのまま彫り写した形状もしくは上記表面形状の相似形となるので、デバイス材料３１に彫り写された段階で所望の曲面形状となるような転写面形状を、予め成形型に形成しておく。
【００４１】
図４（ａ）は、請求項２，５に記載の光学デバイス用材料の１例を示している。
光学デバイス用材料４０は、球体の一部を平面加工して、球の一部を平面で切断した形状としたデバイス材料４１の平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型（図示されず）から、上記転写面形状を転写された転写材４２により曲面形状を形成した構成となっている。
【００４２】
図４（ａ）の状態において、転写材４１とデバイス材料４２とに対して、異方性の物理的エッチングを行い、転写材４２の表面形状をデバイス材料４１に彫り写すことにより、図４（ｂ）に示すような、光学デバイス４Ａを得ることができる。デバイス材料として、透明な材料を用いれば、光学デバイス４Ａは、片面が球面で、片面が非球面もしくは球面のレンズもしくはマイクロレンズとして利用できる。
【００４３】
図４（ａ）において、デバイス材料４１を、「図面に直交する方向に長い円柱の一部を軸に平行な平面で切断した形状」のものとすれば、得られる光学デバイスは、片面が所定の曲面形状で、他方の側がシリンダ面である、シリンダレンズもしくはマイクロシリンダレンズとして利用できる（請求項７）。
【００４４】
図５（ａ）は、請求項２，６に記載の光学デバイス用材料の１例を示している。
光学デバイス用材料５０は、球体の一部を平面加工して、球の一部を、１対の互いに平行な平面で切断した形状としたデバイス材料５１の各平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型（図示されず）から、上記転写面形状を転写された転写材５２，５３により曲面形状（図の例では、共に非球面である）を形成した構成となっている。
【００４５】
図５（ａ）の状態において、転写材５１とデバイス材料５２，５３とに対して、異方性の物理的エッチングを行い、転写材５２，５３の表面形状をデバイス材料５１に彫り写すことにより、図５（ｂ）に示すような、光学デバイス５Ａを得ることができる。デバイス材料として、透明な材料を用いれば、光学デバイス５Ａは、両面が非球面であるレンズもしくはマイクロレンズとして利用できる。
【００４６】
転写材による非球面を、デバイス材料５１の一方の平面上部分にのみ形成した場合には、得られる光学デバイスは、平凸あるいは平凹で、曲面が非球面であるレンズもしくはマイクロレンズとして利用できる。
【００４７】
図５（ａ）において、デバイス材料５１を、「図面に直交する方向に長い円柱の一部を軸に平行で且つ互いに平行な１対の平面で切断した形状」のものとすれば、得られる光学デバイスは、両面が所定の曲面形状のシリンダレンズもしくはマイクロシリンダレンズとして利用できる（請求項８）。
【００４８】
図６には、この発明の光学デバイス用材料の別例を３例示す。
図６（ａ）に示す光学デバイス用材料６０は、プリズム形状のデバイス材料６１の平面状の面に、転写材６２により所定の凸曲面形状を形成した構成のものであり、請求項１に記載の光学デバイス用材料の１実施例である。同図（ｂ）に示す光学デバイス用材料７０は、球体、もしくは円柱体のデバイス材料７１の表面に、転写材７２，７３による曲面形状を形成したもので、請求項２，３に記載の光学デバイス用材料の１例である。また、同図（ｃ）に示す光学デバイス用材料８０は、レンズ形状のデバイス材料８１の両面に、転写材８２，８３により所定の曲面形状を形成したもので、請求項２，４に記載の光学デバイス用材料の１例である。
【００４９】
これらの光学デバイス用材料の、デバイス材料と転写材とに対して物理的エッチングを行い、各転写材の表面形状をデバイス材料に彫り写して得られる光学デバイスが、どのような形態のものになるかは、上述した説明に照らして明らかであろう。
【００５０】
図７，８は、光学デバイスとしての「光通信用カプラ−（ＬＤと光ファイバ−の高効率結合モジュ−ル）」を複数個、「同時に製造」する例を示している。
光通信用の光学デバイスは厳しい耐環境性が要求されるため、耐環境性に優れたガラス材のものが求められる。この例において、製造目的としている光通信用カプラーは「両凸レンズ」で、各レンズ面とも「非球面」である。
【００５１】
図７（ａ）において、符号１は、ガラスによる「球体」を示している。複数個の同一形状の球体１は、専用の治具２に、１次元もしくは２次元配列的に固定されて保持されている。この時の球体１の大きさ（直径）や材質は、最終目的の光学デバイス（光通信用カプラー）の寸法、光学性能等によって設計的に決定される。
【００５２】
専用の治具２は、ガラスの球体１の固定は勿論、後工程を考慮して、両凸レンズの片側の肉厚を厚くし易いように製作している。即ち、この目的のため、「破線」で示す、球体１の中心の位置する部位が、治具２の上側の面に近く設定されている。また、最終的に形成される両凸レンズの光学面を傷めず、光学軸が確保できるように、治具２の両面は必要な加工精度を満たしている。治具２はまた、製造される両凸レンズのレンズホルダ−（鏡筒）を兼ねたものでも良い。
【００５３】
図７（ｂ）は、光学設計の結果に基づき、製造対象である「両凸レンズ」の、第１面側の基準となる平面１１０を平面加工により形成した状態を示している。この平面加工は、「通常のガラス面平面研磨」で行うことができる。
平面加工は、複数個の球体１の第１面側を、治具２ごと一括して平面研磨することにより行い、「研磨量」は光学設計の結果に基づき設定する。
【００５４】
図７（ｃ）は、光学設計の結果に基づき予め製作した「成形型」である金型３００Ａの非球面形状３１０を、球体１（第１面側が平面加工されている）の第２面側（図で下方の球面部分）に対向させた状態を示している。金型３００Ａの非球面３１０は、超精密加工やフォトリソグラフィ−技術を利用した微細加工技術を応用して製作できる。
【００５５】
金型３００Ａの材料は特に限定されたものではないが、後の剥離工程を考慮して、非球面３１０の部分には「剥離性を高める処理」、例えば、「フッ素プラズマ処理」等を施しておくことが望ましい。
【００５６】
図７（ｄ）は、金型３００Ａの非球面３１０と球体１の第２面側の球面との間に、「転写材」として定量的に挟み込んだ光硬化性材料４００に、球体１の平面加工した側から、紫外線４１０を照射して、光硬化性材料４００を硬化させている状態を示している。光硬化性材料４００の硬化は、このように「紫外線の照射のみ」で行っても良いし、プレ硬化を紫外線で行った後に「加熱硬化」を行っても良い。
【００５７】
転写材としては、上記光硬化性材料４００の換わりに「熱可塑性材料」を用いても良いが、加熱硬化の際に金型３００Ａや、球体１に過剰な高温が作用しないように、常温近傍の比較的低温度（２００度Ｃ以下）で硬化するものであることが好ましい（請求項９）。
【００５８】
光硬化性材料４００が硬化したら、光硬化性材料４００と金型３００Ａの非球面３１０との間を剥離させる。剥離は、金型３００Ａに上記フッ素プラズマ処理等を行ってあれば容易であるが、「ヒ−トショック」等の物理的方法で行っても良い。
【００５９】
このようにして、デバイス材料である球体１の、所定の曲率を持つ面上に、転写材である光硬化性材料４００により所定の非球面が形成された訳である。従って、図７（ｄ）の状態における「球体１と光硬化性材料４００の結合体」は、請求項２に記載の「光学デバイス用材料」の１例となっている。
【００６０】
図７（ｅ）は、同図（ｄ）の段階で上記の如く形成された「光学デバイス用材料」における「転写材」である光硬化性材料４００と、「デバイス材料」である球体１の第２面側とに対し異方性の物理的エッチングを行い、光硬化性材料４００の表面形状として形成された上記非球面形状を、球体１の第２面側に彫り写した状態を示している。符号１３０が「彫り写された非球面形状」を示している。
【００６１】
物理的エッチングは、ＲＩＥまたはＥＣＲプラズマエッチング等のドライエッチングで行うことが望ましい。
【００６２】
図８（ｆ）（図７（ｅ）に続く工程であることを明らかにするため、（ｆ）とする）は、図７における球体１の上下を反転して、平面加工された第１面側の平面１１０を下方に向け、金型５００に形成された非球面５１０に対向させた状態を示している。
【００６３】
金型５００は、図７（ｃ）の金型３００Ａとは別に、光学設計に基づき、予め製造しておいたものである。金型５００の製造方法は、金型３００Ａの製造方法と同様である。
【００６４】
図８（ｇ）は、金型５００の非球面５１０と、球体１の平面１１０との間に、光硬化性材料４００を転写材として定量的に挟み込み、紫外線４１０を照射して硬化させている状態を示している。
光硬化性材料４００が硬化したら、金型５００から剥離させる。このようにして、球体１の平面１１０に光硬化性材料４００による凸面形状が形成される。従って、この段階で、請求項１または請求項３に記載の「光学デバイス用材料」が得られたことになる。
【００６５】
図８（ｈ）は、このようにして得られた光学デバイス用材料の光硬化性材料４００と球体１の平面１１０とに異方性の物理的エッチング法でエッチングを行い、平面１１０側に、光硬化性材料４００の表面形状（金型５００の非球面５１０に対応する凸の非球面）を彫り写した状態を示している。符号１５０は、彫り写された「非球面形状」を示している。
図８における（ｆ），（ｇ），（ｈ）の各工程は、図７における（ｃ），（ｄ），（ｅ）の各工程と同様である。
【００６６】
このようにして、球体１を「出発材料」として、第１面および第２面が共に非球面であるレンズ１Ａ（光通信用カプラー）を複数個、一度に製造できる。
【００６７】
完成された光学デバイスであるレンズ１Ａは、必要に応じて治具２から外し、一個々々の光学デバイスとしても良いし、あるいは治具２に保持させたまま、全体をレンズアレイとして使用しても良い。
【００６８】
なお、図７（ｅ）および図８（ｈ）の工程における「異方性エッチング」は、光学設計の結果に応じて、ボ−ルレンズ材料のエッチング速度と光感光性材料のエッチング速度の比である選択比を１からずらしてもよく、あるいは、エッチングの途中で変更しても良い。選択比が１でない場合や、途中で選択比を変更する場合には、金型の曲面３００Ａと５００の転写面形状は、非球面形状で無くても良く、球面形状でも良い。つまり、出発材料であるデバイス材料の表面に転写材により所定の曲面形状を成形型を用いて適切に形成することが重要なのである。
【００６９】
選択比等の「エッチング条件」の変更は、反応室内圧力、導入ガス種、基板温度（光学デバイス用材料の温度）等の調整により、物理的エッチングでは容易に変更が可能である。物理的なドライエッチングでは、エッチング前の表面形状から選択比：１で、上記表面形状を彫り写す際や、選択比を１からずらしたり、エッチング途上で変化させ、エッチング前の表面形状を変形した所望の表面形状を形成する場合の、「再現性」、即ち目的形状実現性が極めて高い。
【００７０】
図９は、上記の如くして製造されたレンズ１Ａを、光通信用カプラ−として使用している例を示す。この場合は、１チャンネルの「ＬＤ６００と光ファイバ−６１０の間」を結合させる微小光学素子を示している。符号２００はレンズホルダーを示す。
【００７１】
具体例１
第１面が球面で第２面が非球面であるレンズを、光通信用カプラーとして設計した。光線有効径：Φ１．６ｍｍ，結合効率：５８％である。設計結果に基づき、以下のようにして光学デバイスとしての上記レンズを製造した。
【００７２】
材質：ＳＦ６０（波長：０．８３μｍの赤外光に対し、屈折率：１．７８２７８を持つ）を用い、直径：３．０ｍｍの球体をデバイス材料として用意した。
この球体を、図７に即して説明したような治具に固定した。
【００７３】
デバイス材料である球体の、第２面側に、成形型から非球面形状を転写された転写材による曲面形状を形成して、光学デバイス用材料とした。
成形型である金型は、金属材料に、超精密加工とフォトリソグラフィ−工程を施して、所定の転写面形状を形成することにより作製した。
上記転写面形状は、最終的にデバイス材料の表面に形成される「非球面形状」が、周知の非球面の式：
Ｚ＝Ｃｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）Ｃ²ｈ²｝］＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶
Ｃ＝１／Ｒ（光軸上の曲率）
Ｋ：円錐定数
Ａ，Ｂ：非球面定数（Ａは４次の項，Ｂは６次の項）
Ｚ：レンズ頂点からの距離
において、Ｋ＝−０．９９９５３０６，Ａ＝−０．８４０３６１２×１０^-2,Ｂ＝０．２４８８８８０×１０^-1、Ｃ＝−１／（１．５０００ｍｍ）となるように設定され、金型に形成された。
【００７４】
また、金型の転写面形状部分にはプラズマフッ素処理（Ａｒ，ＣＦ₄を導入して用いたプラズマ処理）を施して離型性を高めた。上記プラズマフッ素処理に代わる表面処理として「有機物質によるフッ素発水処理（トリアジンチオ−ルのフッ素誘導体物質）」も有効である。
【００７５】
転写材としては、エポキシ材料：１に対してアクリル材料：９を配合した「嫌気性の紫外線硬化材料」を用い、図７（ｃ）に即して説明したようにして、転写面形状の転写を行った。転写材の硬化は、２５００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で紫外線を球体の側から照射して行った。このとき、必要に応じて、１２０℃で３０分間ポストベ−クしても良い。
【００７６】
転写材を硬化させた後、金型と転写材の間を剥離する。勿論、転写材は、球体表面に施した「シランカップリング剤等による表面処理」により、球体と十分な密着性で接着している。この剥離の際、金型の転写面形状部分の表面処理効果で容易に剥離できた。剥離の際に、ヒ−トショック等の作用を加えると更に容易に剥離できる。
かくして、図２（ａ）に即して説明したような「光学デバイス用材料」が得られることになる。
【００７７】
続いて、この光学デバイス用材料を、治具に保持させたまま、ＥＣＲプラズマエッチング装置にセットし、Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入し、３〜５×１０^-4Ｔｏｏｒの条件下で４２０分間「異方性エッチング」を行い、転写材の表面形状をそのまま球体表面に彫り写した。なお、このときの選択比は１である。
【００７８】
このようにして得られた光学デバイスであるレンズを、光通信用カプラーとして使用した状態を図１０に示す。図の左方が光源であるＬＤ側、右側が光ファイバ−側である。光学デバイスは、第１面側（光源側）が球面で、光ファイバー側の第２面が非球面である。
【００７９】
ＬＤの半値全角：３２°，ＬＤとレンズ第１面との間隔：０．５５ｍｍ，レンズ第２面と光ファイバ−との間隔：８．７５ｍｍの条件において、結合効率：５７％という略設計通りの値を得た。
【００８０】
上記具体例において、デバイス材料として用いた、ＳＦ６０によるガラスの球体は、それ自体を「ボ−ルレンズ」として使用することもできる。このボールレンズを、光通信用カプラーとして用いた状態を図１２に示す。図の左方が光源側、右方が光ファイバー側である。この場合の「結合効率」は１５％であった。
【００８１】
具体例２
光学デバイスの第２の具体例として、両面が非球面形状のレンズを光通信用カプラーとして用いる場合を説明する。
設計条件は、第１面の光線有効径：Φ０．６６ｍｍで、第２面の光線有効径：Φ１．８２ｍｍ、結合効率：７７．７％である
製造工程の出発材料としては、上記具体例１におけると同じく、材質：ＳＦ６０による直径：３．０ｍｍの球体を用いた。
【００８２】
デバイス材料としての球体を治具に固定的に保持し、第１面側の目的とする非球面形状に予め転写面形状を製作した金型（有機物質によるフッ素発水処理を施した）に、前記嫌気性の紫外線硬化材料を転写材として定量的に塗布し、上記紫外線硬化材料を挟み込むように、治具に保持された球体を配置し、金型と球体とで転写材を挾み込む。
【００８３】
この状態で、転写材を硬化させるために、紫外線を２５００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で照射する。このとき、必要に応じて、上記状態で１２０℃で３０分間ポストベ−クしても良い。このようにして、樹脂を硬化させた後、金型と転写材間を剥離すると、図２（ａ）に即して説明したような光学デバイス用材料が得られる。
【００８４】
続いて、光学デバイス用材料を治具に保持させたまま、ＥＣＲプラズマエッチング装置にセットし、Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、３〜５×１０^-4Ｔｏｏｒの条件下（選択比：１）で１００分間、異方性の物理的エッチングを行い、転写材表面の非球面形状をそのまま、球体の第1面側に彫り写す。
【００８５】
第２面にも同様の工程で、転写材による非球面形状を形成し、このようにして得られた光学デバイス用材料に対し、上記第1面側と同じ条件で４８０分間、異方性の物理的エッチングを行い、転写材料表面の非球面形状をそのまま球体の第２面側に彫り写した。このようにして、第１面，第２面共に非球面を持つレンズとして光学デバイスを得ることができた。
【００８６】
第１面および第２面側に形成する非球面は、
第１面の非球面に関して、Ｃ＝１／（１．５０００ｍｍ），Ｋ＝−０．２６６９０７２×１０²，Ａ＝Ｂ＝０
第２面の非球面に関しては、Ｃ＝−１／（１．５０００ｍ），Ｋ＝−０．９９
９６２７８，Ａ＝−０．８０６３２４１×１０^-2,Ｂ＝０
であり、各成形型における転写面形状は、このデータに基づいて形成された。
【００８７】
図１１は、このようにして得られたレンズを光通信用カプラ−として用いた状態を、図１０に倣って示している。図示の状態で測定した結合効率（ＬＤの半値全角：３２°）は７５％で略設計通りであった。
【００８８】
変形具体例
上記具体例２においては、第１，第２面とも，非球面を、球体の球面上に転写材により非球面形状を形成した後、物理的エッチングにより球体に彫り写して形成した。
以下に説明する変形例では、球体の一部を、第１面側として研磨により平面加工し、次いで、転写材により曲面形状を上記平面加工された平面状部分に形成した。転写材は、「第１面側の目的とする非球面形状に応じて転写面形状を形成した金型（上記具体例２における第１面側用の金型と転写面形状は同じだが、周辺部分の形状が異なる。即ち、有効径：φ０．６ｍｍ部分の金型形状が同じ。転写面形状部分には有機物質によるフッ素発水処理が施されている）」を用いて、非球面形状を転写された。
【００８９】
その後、ＥＣＲプラズマエッチング装置内で、Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガスを導入して、３〜５×１０^-4Ｔｏｏｒの条件下（選択比：１）で５００分間、異方性の物理的エッチングを行い、転写材の表面形状をそのまま球体に転写した。第２面の形状創成は具体例２と全く同様に行った。
【００９０】
この変形具体例と前記具体例２との違いは、第１面の加工方法にある。加工方法の差違のために、光学的な光路長が異なる以外に、エッチング時のエッチング加工しろ（寸法）が異なる。
加工寸法が少ない方が加工時間が短く、低コストで実現できるため、良い加工方法であることになる。上記の具体例２（球面形状から加工する方法）では、加工寸法は５μｍ，エッチング時間は１００分であるが、変形具体例（平面形状から加工する方法）では、加工寸法は２５μｍ，エッチング時間は５００分であった。従って、具体例２の方が優れた加工方法である。
【００９１】
なお、請求項１記載の光学デバイス用材料において、デバイス材料の平面上の表面部分に、転写材により凸曲面形状を形成する代わりに、転写材（光硬化性材料もしくは２００度Ｃ以下の温度で硬化する熱硬化性材料）により正確な凹曲面形状を１以上、成形型で形成した光学デバイス用材料も考えられ、このような光学デバイス用材料における転写材とデバイス材料とに物理的エッチングを行って、上記凹曲面形状をデバイス材料に彫り移すことにより、所望の凹曲面形状を１以上有する光学デバイスを得ることができることを付記しておく。
【００９２】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な光学デバイス製造方法（請求項１〜１０）、光学デバイス（請求項１１，１２）を提供できる。
【００９３】
この発明の光学デバイス製造方法では、目的とする表面形状に応じた曲面形状が、先ず転写材の表面形状として、金型を用いて正確に形成され、しかるのち、目的形状実現性に優れた異方性の物理的エッチングにより、デバイス材料に彫り写されるので所望の表面形状を精度良くデバイス材料に形成でき、光学性能に優れた光学デバイスの製造が可能である。また、こ製造方法は、図７，８に即して説明した例のように、１度に多数の光学デバイスを製造するように実施することも可能であり、製造の能率向上も可能である。
【００９４】
また、この発明の光学デバイス製造方法に用いられる光学デバイス用材料は、デバイス材料に、転写材により所望の面形状に応じた曲面形状が形成されているので、これを異方性の物理的エッチングでエッチングするのみで、所望の光学デバイスを実現できる。また、デバイス材料表面の形状を、球面、円柱面、レンズ面、平面状等とすることにより、デバイス材料を安価に入手出来、光学デバイスの設計結果に応じて、上記表面形状を選択することにより、エッチング加工量を少なくして、エッチング時間の短縮を図ることができ、量産性にも適している。即ち、デバイス材料の表面形状を球面形状等とすることで、目的形状、例えば非球面形状と近似した形状からのエッチングが可能であり、エッチング加工量を少なくしてエッチング時間の短縮を図れる。
【００９５】
請求項９に記載の光学デバイス用材料では、転写材に「光硬化性材料」や「２００度Ｃ以下の温度で硬化する熱硬化性材料」が用いられ、金型から転写面形状を転写する際に、金型やデバイス材料に過剰な熱や圧力を加える必要が無いため、成形型やデバイス材料に、プラスチックを含む広い選択の自由度が得られると共に、成形型に対する熱や圧力によるダメージが殆どないので、成形型の寿命が長く、低コスト化が可能である。
【００９６】
この発明の光学デバイスは、上記光学デバイス用材料を用い、上記光学デバイス製造方法により製造されることにより、デバイス相互の「ばらつき」が少なくて、しかも正確な曲面形状により良好な光学特性を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載の光学デバイス用材料の１例（ａ）と、それから製造される光学デバイスを説明するための図（ｂ）である。
【図２】請求項２，３に記載の光学デバイス用材料の１実施例（ａ）と、それから製造される光学デバイスを説明するための図（ｂ）である。
【図３】請求項２，４に記載の光学デバイス用材料の１実施例（ａ）と、それから製造される光学デバイスを説明するための図（ｂ）である。
【図４】請求項２，５，７に記載の光学デバイス用材料の１実施例（ａ）と、それから製造される光学デバイスを説明するための図（ｂ）である。
【図５】請求項２，６，８に記載の光学デバイス用材料の１実施例（ａ）と、それから製造される光学デバイスを説明するための図（ｂ）である。
【図６】この発明の光学デバイス製造方法に用いられる光学デバイス用材料の別例を３例示す図である。
【図７】この発明の光学デバイス製造方法の１実施例を説明するための図である。
【図８】上記実施例を説明するための図である。
【図９】上記実施例で製造された光学デバイス（光通信用カプラー）の使用状態を説明するための図である。
【図１０】具体例１の光学デバイス（光通信用カプラー）の光学性能を説明するための図である。
【図１１】具体例２の光学デバイス（光通信用カプラー）の光学性能を説明するための図である。
【図１２】具体例１に対する比較例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０光学デバイス用材料
１１デバイス材料
１２転写材
３００成形型

Claims

所定の凸曲面形状に応じた凹曲面形状を形成された成形型を用い、上記凸曲面形状を転写された転写材により、１以上の凸曲面形状をデバイス材料の平面状表面に形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の凸曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から、上記転写面形状を転写された転写材により、１以上の曲面形状を、デバイス材料の所定の曲率を持つ表面上に形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の１以上の曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
請求項２記載の光学デバイス製造方法において、
デバイス材料を球体もしくは円柱体とした光学デバイス用材料を用いることを特徴とする光学デバイス製造方法。
請求項２記載の光学デバイス製造方法において、
デバイス材料をレンズ形状に形成したデバイス用材料を用いることを特徴とする光学デバイス用材料。
球体の一部を平面加工して、球の一部を平面で切断した形状としたデバイス材料の平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
球体の一部を平面加工して、球の一部を１対の平行な平面で切断した形状としたデバイス材料の、少なくとも一方の平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から上記転写面形状を転写した転写材により、曲面形状を形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
円柱体の周面部を平面加工して、円柱の一部を軸に平行な平面で切断した形状としたデバイス材料の、平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
円柱体の周面部を平面加工して、円柱の一部を、軸に平行で且つ互いに平行な１対の平面で切断した形状としたデバイス材料の、少なくとも一方の平面状部分に、所定の曲面形状を転写面形状として形成された成形型から上記転写面形状を転写された転写材により、曲面形状を形成してなる光学デバイス用材料の、上記転写材と上記デバイス材料とに対して異方性の物理的エッチングを行うことにより、上記転写材の曲面形状を上記デバイス材料に彫り写すことにより、上記デバイス材料からなる光学デバイスを製造することを特徴とする光学デバイス製造方法。
請求項１または２または３または４または５または６または７または８記載の光学デバイス製造方法において、
光学デバイス用材料の転写材として、光硬化性材料もしくは、２００度Ｃ以下の温度で硬化する熱硬化性材料が用いられることを特徴とする光学デバイス製造方法。
請求項１または２または３または４または５または６または７または８または９記載の光学デバイス製造方法において、
光学デバイス用材料のデバイス材料として、透明な光学材料を用いることを特徴とする光学デバイス製造方法。
請求項１または２または３または４または５または６または７または８または９または１０記載の光学デバイス製造方法により、製造される光学デバイス。
請求項１１記載の光学デバイスの曲面形状部分に反射膜を形成してなる光学デバイス。