光学素子アレイの製造方法、光学素子アレイ、及び光学系
【課題】高低差の小さい光学素子を高精度に形成し易い光学素子アレイの製造方法を提供する。
【解決手段】光学基材１１上にフォトレジスト層１５を設け、フォトレジスト層１５を露光及び現像してフォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を形成し、フォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングすることで、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状を有する光学素子１３を形成して光学素子アレイ１０を製造する方法であり、フォトレジスト層１５と光学基材１０との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有する光学素子１３を形成する。
【解決手段】光学基材１１上にフォトレジスト層１５を設け、フォトレジスト層１５を露光及び現像してフォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を形成し、フォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングすることで、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状を有する光学素子１３を形成して光学素子アレイ１０を製造する方法であり、フォトレジスト層１５と光学基材１０との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有する光学素子１３を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にレンズやプリズム等の光学素子が形成された光学素子アレイの製造方法と、この製造方法により製造された光学素子アレイと、この光学素子アレイを用いた光学系とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表示素子、受光素子等の各種素子、レーザー加工機、計測器等の各種装置など、種々の分野において、マイクロレンズアレイのような微小な高精度の光学素子が光学基材表面に設けられた光学素子アレイが使用されており、近年、その需要がますます高まってきている。
【０００３】
微小な光学素子を形成する方法としては、光学基材表面にレジスト層を設け、レジスト層表面に熱フロー処理を利用して所望の光学素子に対応する形状を有する凹凸形状部を形成し、ドライエッチングによりレジスト層に続いて光学基板をエッチングする方法が一般的であった。
【０００４】
近年では、高精度の光学素子を有する光学素子アレイの需要が高まるにつれ、フォトレジスト層表面に凹凸形状部を形成する方法として、グレースケールマスクを使用して露光及び現像する方法が広まりつつある。
【０００５】
例えば、下記特許文献１では、光学基材にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、フォトレジスト層と光学基材とのエッチング時の選択比や光学素子アレイの形状等を考慮して形成されたグレースケールマスクを用いて露光及び現像を行うことで、光学基材上のフォトレジスト層表面に凹凸形状部を形成し、フォトレジスト層に続いて凹凸形状部をドライエッチングして、凹凸形状部に応じた形状を有する光学素子を光学基材表面に形成している。
【０００６】
また、この特許文献１では、凹凸形状部の形状やエッチング装置の使用時間によって選択比が変動することに起因して、光学素子の設計形状と最終形状とに相違が生じるため、一旦、ドライエッチングを行った後、ドライエッチングが行なわれた光学基材上に新たにフォトレジスト層を設け、補正用のグレースケールマスクを作製し、この補正用のグレースケールマスクを用いてフォトレジスト層の表面に補正用の凹凸形状部を形成し、再度ドライエッチングを行うことで、光学基材表面に形成される光学素子の最終形状を高精度に設計形状と一致させる処理が行われている。
【特許文献１】特開２００６−３０６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の光学素子アレイの製造方法では、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成することが容易でなかった。
【０００８】
即ち、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成するには、光学基材上のフォトレジスト層表面に形成される凹凸形状部も僅かな高低差に形成しなければならない。その場合、精度を確保するには光学基材上にフォトレジスト層を非常に薄く形成することが必要である。ところが、フォトレジストを塗布及び乾燥するなどにより非常に薄いフォトレジスト層を形成することは製造上容易でない。
【０００９】
また、フォトレジスト層表面に形成される凹凸形状部には、例えば、フォトレジスト層の厚さ、露光量、溶解量等のばらつきなど、作製上の種々の要因により形状に不可避の誤差が含まれる。この凹凸形状部を用いてエッチングすると、得られる光学素子の形状にもこの誤差が含まれることになる。ところが、光学素子の凹凸の高低差が小さいと、形状に対する誤差の割合が大きくなるため、光学素子の形状の精度が悪化し、所望の光学特性を得ることが困難であった。上記特許文献１のようにエッチング及び補正を繰り返したとしても、補正用のフォトレジスト層を設けて、その表面に凹凸形状部を形成する毎に新たな誤差が生じ、光学素子の形状に含まれる誤差を小さくすることは容易でなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を高精度に形成し易い光学素子アレイの製造方法を提供することを課題とする。また、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸からなるレンズを備えて高度な光学特性を実現し易い光学素子アレイを提供することを他の課題とし、そのような光学素子アレイを用いることで光学設計の自由度を向上し易い光学系を提供することを別の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の光学素子アレイの製造方法は、光学基材上にフォトレジスト層を設け、該フォトレジスト層を露光及び現像して該フォトレジスト層表面に複数の凹凸形状部を形成し、前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることで、前記光学基材表面に前記凹凸形状部に応じた形状を有する複数の光学素子を形成する光学素子アレイの製造方法において、前記フォトレジスト層と前記光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、前記凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する前記光学素子を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の光学素子アレイは、上記製造方法により製造された光学素子アレイであり、前記複数の光学素子は、前記光学基材の少なくとも一方の表面に、光軸が平行となるように複数設けられたレンズからなり、該レンズの高低差が５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光学系は、上記光学素子アレイを備えた光学系であり、発光素子が複数設けられた光源を備え、前記各発光素子と前記各レンズとがそれぞれ対応するように前記光源と前記光学素子アレイとが近接配置され、前記各発光素子からの拡散光が前記各レンズにより略平行光となるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学素子アレイの製造方法によれば、フォトレジスト層と光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、フォトレジスト層表面の凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する光学素子を光学基材表面に形成するので、僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成する場合であっても、フォトレジスト層表面の凹凸形状部の高低差を大きく形成することができる。そのため、フォトレジスト層を適度な厚さで形成することが可能となり、フォトレジスト層を容易に形成することができる。
【００１５】
同時に、フォトレジスト層と光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層表面の凹凸形状部に存在する誤差を選択比に応じて小さくして光学基材をエッチングでき、光学素子の最終形状における高低差に対する誤差の割合を小さく抑えることができる。従って、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を高精度に形成することが容易である。
【００１６】
また、本発明の光学素子アレイによれば、光学基材表面の複数のレンズが上記製造方法により形成されているので、僅かな高低差の凹凸であっても高精度に形成することができ、高度な光学特性を実現し易い。
【００１７】
また、本発明の光学系によれば、複数の発光素子と各レンズとがそれぞれ対応するように光源と光学素子アレイとが近接配置されて、各発光素子からの拡散光が各レンズにより略平行光となるように構成される光学系において、上記のような光学素子アレイを用いているので、各レンズが僅かな高低差の凹凸により光学基材表面に高精度に形成されている。そのため、より薄いレンズで所望の光学特性を実現でき、複数の発光素子や光源の配置などの光学設計の自由度を向上し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図３は、この実施の形態を示す。
【００１９】
この実施の形態により製造する光学素子アレイとは、光学基材の少なくとも一方の表面に凸状及び／又は凹状の形状を有する光学素子が複数設けられた部材である。
【００２０】
光学基材は、エッチングにより加工可能な材料であれば特に制限されず、例えば、ソーダライムガラス、光学ガラス、石英ガラス等の各種のガラス、蛍石、シリコン光学基材等の各種の結晶体、透光性セラミックス等の各種のセラミックス、各種の樹脂材料等が挙げられる。
【００２１】
光学素子は、各種の光学特性が得られるように光学基材の表面を凸状又は凹状に形成した部位である。形状は任意であって、例えば、球面や非球面等の曲面形状、角張った屈曲面形状など、適宜選択可能である。特に、本発明は、光学素子の高低差が小さいものに適しており、例えば、５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下のものが好適である。ここで、高低差とは、光学素子の周縁の光学基材の表面から該表面と直交方向に測定される突出量又は陥没量である。光学素子の表面形状が曲面からなる場合、所謂ＳＡＧで示される量である。
【００２２】
この実施の形態では、図１に示すように、透明な光学基材１１表面に、凸状の球面形状の光学素子としてのマイクロレンズ１３が縦横に配列して設けられた光学素子アレイとしてのマイクロレンズアレイ１０を製造する例について説明する。なお、図１及び図２では光学基材１１の厚さを薄く示している。
【００２３】
マイクロレンズアレイ１０を製造するには、図２（ａ）乃至（ｅ）に示すように、板状の光学基材１１の上面にフォトレジスト層１５を設け（ａ）、フォトレジスト層１５を露光及び現像してフォトレジスト層１５の表面に凹凸形状部２１を形成し（ｂ）（ｃ）、フォトレジスト層１５をエッチングすると共にフォトレジスト層１５に続いて光学基材１１をエッチングし（ｄ）、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状を有するマイクロレンズ１３を形成する（ｅ）。
【００２４】
まず、予め板状の光学基材１１を適宜な形状に形成すると共に、マイクロレンズ１３を形成する表面を用途に応じて、高精度に平坦に形成しておく。この平坦度は、例えば、触針式測定機（テンコール）により測定される表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以下となるようにしてもよい。
【００２５】
そして、図２（ａ）に示すように、光学基材１１上にフォトレジスト層１５を形成する。このフォトレジスト層１５は、光学基材１１の上面にフォトレジストを塗布及び乾燥させることで、出来るだけ均一な厚さで形成する。
【００２６】
フォトレジストとしては、ネガ型フォトレジスト、ポジ型フォトレジストなどを使用することができる。この実施の形態では、ポジ型フォトレジストを用いる。ポジ型フォトレジストは、露光量の分布と現像後の形状の対応関係を設定し易くでき、微細な形状を高精度に形成するのに有利である。
【００２７】
フォトレジスト層１５は、非常に薄く均一に形成したり、非常に厚く均一に形成することは技術的に困難であり、手間を要し易い。そのため、フォトレジスト層１５の厚さは、少なくともマイクロレンズ１３の設計形状の高低差と後述する選択比の逆数との積以上の範囲であって、例えば２〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍとするのが好適である。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１３の設計形状に基づいて精度よく光の透過率が調整されたグレースケールマスク１９を用い、フォトレジスト層１５を露光する。
【００２９】
グレースケールマスク１９には、各マイクロレンズ１３に対応する位置にそれぞれ透過率調整部位１９ａが設けられている。図では、各透過率調整部位１９ａはそれぞれ独立しているが連続して形成されていてもよい。
【００３０】
各透過率調整部位１９ａでは、透過率分布がマイクロレンズ１３の設計形状と後述するエッチング時の選択比とに基づいて調整されている。各位置の透過率は、例えば、グレースケールマスク１９の作成時に微小位置毎の開口率を変化させるなどにより適宜調整可能である。
【００３１】
フォトレジスト層１５の露光は、フォトレジスト層１５上にグレースケールマスク１９を配置し、グレースケールマスク１９全体に均一な露光光を照射することにより行う。グレースケールマスク１９の透過率調整部位１９ａを通して露光光がフォトレジスト層１５に照射され、透過率調整部位１９ａの透過率分布に比例した露光量でフォトレジスト層１５が露光される。この露光で、フォトレジスト層１５が露光量に対応して現像液に対する溶解性が低下する。
【００３２】
グレースケールマスク１９を用いた露光により、フォトレジスト層１５の各透過率調整部位１９ａに対応する位置が、設計形状におけるマイクロレンズ１３の表面１３ａの各位置と周縁部１３ｂとの光軸Ｌに沿う高低差と、エッチング時の選択比の逆数との積に比例した露光量で露光される。この露光量は各種の補正量が調整されていてもよい。
【００３３】
なお、フォトレジスト層１５の露光は、１枚のグレースケールマスク１９を用いて１回で行うことも可能であるが、形成すべきマイクロレンズ１３の形状によっては互いに異なるパターンを有する複数枚のグレースケールマスク１９を用意し、これらを順番に用いてフォトレジスト層１５を複数回に分けて露光してもよい。その場合、複数回の露光により所望の露光量となるようにする。例えば、一枚のグレースケールマスク１９を用いて粗く露光し、他のグレースケールマスク１９を用いて精密に露光することも可能である。複数枚のグレースケールマスク１９を用いて複数回露光を行うようにすれば、現像後に得られる凹凸形状部２１を所望の形状に精度よく形成し易くできる。
【００３４】
次いで、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト層１５を現像液により現像して、フォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を形成する。フォトレジスト層１５の露光量がマイクロレンズ１３の設計形状及びエッチング時の選択比に基づいて調整されているため、凹凸形状部２１の高低差はマイクロレンズ１３の設計形状の高低差より大きなものとなっている。
【００３５】
このように形成された凹凸形状部２１の形状には、例えば、フォトレジスト層１５の厚さ、露光量、溶解量等のばらつきなど、作製上の種々の要因による誤差が生じている。この誤差とは、マイクロレンズ１３の設計形状の各位置における光軸に沿う高さをエッチング時の選択比の逆数倍にして得られる形状との相違であり、出来るだけ少なく抑えて作製したとしても０．１μｍ程度は存在する。
【００３６】
次いで、図２（ｄ）に示すように、このような誤差を含んだ形状の凹凸形状部２１が表面に形成されたフォトレジスト層１５と、このフォトレジスト層１５が上面に形成されている光学基材１１とのエッチングを行う。
【００３７】
この実施の形態では、エッチングは誘導結合プラズマを用いたドライエッチングにより行う。ドライエッチングでは、表面に凹凸形状部２１を有するフォトレジスト層１５が形成された光学基材１１を収容空間２０内に配置し、収容空間２０内にエッチングガスを存在させた状態で所定の減圧雰囲気とし、誘導結合プラズマを用いて異方性エッチングを行う。
【００３８】
エッチングガスは、プラズマを発生可能であると共に、凹凸形状部２１と光学基材１１とをエッチング可能なガスであり、例えば、Ａｒ等の不活性ガスと、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、及びＳＦ６のうちの少なくとも一種と、酸素とを含有する混合ガスなどを用いる。光学基材１１として、石英ガラスを用いる場合、３フッ化メタンを含有するのが好ましい。
【００３９】
ドライエッチングでは、フォトレジスト層１５と光学基材１１とを選択比が１未満となるように調整してエッチングする必要がある。これにより凹凸形状部２１より光学基材１１のエッチング量を少なくして、凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有するマイクロレンズ１３を形成することが可能となる。
【００４０】
特に限定されるものではないが、マイクロレンズ１３の高低差が２μｍ以下の場合、選択率を０．４〜１としてもよい。このような範囲であれば、フォトレジスト層１５を形成し易くできるからである。
【００４１】
ドライエッチングにおいて、選択比を調整するには、例えば、エッチングガスの成分や圧力を調整したり、フォトレジスト層１５の材料を選択したり、誘導結合プラズマを発生させるために印加される高周波電力を調整したり、配置を調整するなど、種々の方法により行うことが可能である。このうち、調整が容易であるという理由で、エッチングガスの成分を調整することが好ましく、特に、酸素の含有量を調整することでエッチングガスの成分を調整するのが好適である。酸素ガスは、フォトレジスト層１５の燃焼に使われるため、エッチング速度を精度よく調整し易く、また、ドライエッチングの他の条件に与える影響が少ないからである。
【００４２】
エッチングガスの成分により選択比を１未満に調整するには、例えば、光学基材１１として石英ガラスを用いる場合、酸素及び３フッ化メタンを含有させ、エッチングガス中の３フッ化メタンの含有割合を２０容積％以下にすると共に酸素の含有割合を３フッ化メタン含有割合以下に調整してもよい。３フッ化メタンの含有割合が２０容積％より多いと、石英ガラス等の光学基材１１のエッチングレートが高くなり易く、また、酸素の含有割合が３フッ化メタンの含有割合より多くなると、フォトレジスト層１５のエッチングレートが高くなり易いからである。
【００４３】
このように選択比を調整した状態でドライエッチングを行うと、凹凸形状部２１が表面に形成されているフォトレジスト層１５がエッチングされ、続いて光学基材１１がエッチングされる。このとき、凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５が光学基材１１より多くエッチングされる。そして、例えば、凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５が全てエッチングされた時点で終了することにより、図２（ｅ）に示すように、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状のマイクロレンズ１３が形成される。
【００４４】
なお、このドライエッチングは１回で完了することも可能であるが、得られたマイクロレンズ１３に補正可能な誤差が含まれることがある。例えば、マイクロレンズ１３の形状やエッチング装置の使用時間等により選択比が変動することなどに起因する誤差などである。その場合には、一旦、ドライエッチングを行った後、マイクロレンズ１３の形状を補正して精度を向上するために、再度、上記のような工程を繰り返すことも可能である。
【００４５】
その際、マイクロレンズ１３が形成された光学基材１１上にフォトレジスト層１５を形成し、補正用のグレースケールマスク１９を作製して露光及び現像することで、フォトレジスト層１５表面に補正用の凹凸形状部２１を形成する。この凹凸形状部２１は誤差に応じて調整された形状となる。そして、再び、選択比が１未満となるように調整してフォトレジスト層１５及び光学基材１１をドライエッチングする。このとき、先のエッチング時の選択比と同一にしてもよいが、誤差量が小さいため、より小さな選択比に設定して、補正用の凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５がより多くエッチングされるようにしてもよい。このようにすれば、誤差量を低減し易いからである。
【００４６】
以上のようなマイクロレンズ１３の製造方法によれば、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、フォトレジスト層１５表面の凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有するマイクロレンズ１３を光学基材１１表面に形成するので、僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を形成する場合であっても、フォトレジスト層１５表面の凹凸形状部２１の高低差を大きく形成することができる。そのため、凹凸形状部２１を形成するためのフォトレジスト層１５を適度な厚さで形成することが可能であり、フォトレジスト層１５や凹凸形状部２１を容易に形成することができる。
【００４７】
例えば、フォトレジスト層１５を光学基材１１上に形成する際には、フォトレジスト層１５を十分な厚さに形成することができるため、フォトレジストを光学基材１１上に非常に薄く均一に塗布するような必要がなく、容易に塗布することが可能である。また、フォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を露光及び現像する際には、グレースケールマスク１９のダイナミックレンジを大きくできるため、透過率の極めて微細な調整を行うような必要がなく、グレースケールマスク１９の各透過率調整部位１９ａの透過率分布の精度を向上することが可能である。そのため、凹凸形状部２１を形成することが容易である。
【００４８】
同時に、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層１５の凹凸形状部２１より少ない割合で光学基材１１をエッチングするので、エッチングの加工精度が高いことと相俟って、凹凸形状部２１に存在する誤差をその選択比に応じて小さくすることができ、エッチングにより得られるマイクロレンズ１３の最終形状に含まれる各位置の誤差を小さく抑えることができる。そのため、光学基材１１表面に僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を形成していていも、マイクロレンズ１３を精度よく形成することが可能である。
【００４９】
逆に、マイクロレンズ１３の設計形状に対する最終形状の誤差の許容範囲が設定される場合には、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層１５により形成される凹凸形状部２１の形状精度をその分大きく設定することが可能である。
【００５０】
具体的には、マイクロレンズ１３のレンズ径２００μｍ、レンズの光軸Ｌ方向の高低差１．５μｍ、焦点距離６．５ｍｍの石英ガラス製のマイクロレンズアレイ１０を製造する場合、選択比を１．５とすると、凹凸形状部２１の高低差は１μｍとなり、各マイクロレンズ１３に許容される形状精度を高低差の１０％以内とすると、凹凸形状部２１の形状精度をＰＶ１００ｎｍにしなければならない。ところが、同じマイクロレンズアレイ１０を、選択比を０．５として製造すれば、凹凸形状部２１の高低差は３μｍとなり、凹凸形状部２１の形状精度をＰＶ３００ｎｍにすればよい。
【００５１】
従って、このようにしてマイクロレンズアレイ１０を製造すれば、光学基材１１表面に僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を高精度に形成することが容易である。
【００５２】
更に、この製造方法では、誘導結合プラズマを用いたドライエッチングによりフォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングするので、エッチングの選択性や異方性を向上し易いと共に光学基材１１表面の劣化を抑え易いため、より誤差を抑えてマイクロレンズ１３を形成し易い。
【００５３】
また、ドライエッチングでは、酸素を含有するエッチングガスを用いてフォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングすると共に、エッチングガス中の酸素の含有割合を調整することで選択比を調整すれば、エッチング条件を種々変動させることなく、選択比を調整することが容易であり、高精度のマイクロレンズ１３を形成し易い。
【００５４】
次に、このようにして製造されたマイクロレンズアレイ１０について説明する。
【００５５】
この実施の形態のマイクロレンズアレイ１０は、図１に示すように、透明な光学基材１１の一方の表面に複数のマイクロレンズ１３が縦横に配列して、互いに光軸Ｌが平行となるように設けられている。図では、各マイクロレンズ１３が互いに離間しているが互いに隣接していていもよい。
【００５６】
各マイクロレンズ１３は、凸状の球面形状を呈しており、球面形状の周縁の光学基材１１の表面から直交方向に光軸Ｌに沿って測定される高低差を５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下としている。更に、この実施の形態では、各レンズの有効径（Ｄ）に対する焦点距離（ｆ）の比（ｆ／Ｄ）を３０〜８０としている。
【００５７】
このようなマイクロレンズアレイ１０は、上述のように製造されているため、各マイクロレンズ１３が僅かな高低差の凹凸であっても、各マイクロレンズ１３の形状は高精度に形成されており、各位置における設計形状に対する最終形状の誤差が小さく抑えられている。例えば、各位置の誤差の最大値を高低差の１０％以内とすることが可能であり、使用される光の波長の１／４以下とすることが可能である。そのため、このようなマイクロレンズアレイ１０によれば、高度な光学特性を実現し易い。
【００５８】
更に、僅かな高低差の凹凸のマイクロレンズ１３の各位置の誤差を小さくできることで、精度よく焦点距離を設定することが可能であり、レンズのｆ／Ｄを３０〜８０として、より小さいレンズで長い焦点距離を精度良く確保することが可能である。そのため、各種の精密光学機器の光学系において、光学設計の自由度を向上することが可能である。
【００５９】
次に、このマイクロレンズアレイ１０を用いた光学系の例について、図３を用いて説明する。
【００６０】
複数の発光素子３３が縦横に配列して設けられた光源３１と、光源３１の各発光素子３３からの拡散光を平行光にするマイクロレンズアレイ１０と、マイクロレンズアレイ１０からの平行光を集光するコンデンサレンズ３７と、コンデンサレンズ３７からの光を被照射物４１に照射するリレーレンズ３９とを備えている。ここでは、各マイクロレンズ１３と各発光素子３３とがそれぞれ対応するように光源３１とマイクロレンズアレイ１０とが近接配置されており、各発光素子３３からの拡散光が各マイクロレンズ１３によりそれぞれ略平行光として放射されるように構成されている。
【００６１】
このような光学系３０によれば、上述のようなマイクロレンズ１３が多数設けられたマイクロレンズアレイ１０を用いているので、各マイクロレンズ１３の表面の各位置の誤差が小さく抑えられており、発光素子３３からの拡散光を効率よく集光して被照射物に照射させることが可能である。また、マイクロレンズ１３のｆ／Ｄが３０〜８０、例えば５０であるので、より薄く小型のレンズで長い焦点距離を精度良く確保し易い。そのため、発光素子３３や光源３１の配置や形状などの自由度が大きく、光学設計の自由度を向上することが可能である。
【００６２】
なお、上記実施の形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
【００６３】
例えば、上記では誘導結合プラズマを用いてドライエッチングする例について説明したが、他の方法によるドライエッチングであってもよく、更に、選択比を調整可能であれば、ウエットエッチングよりエッチングすることも可能である。
【００６４】
また、上記実施の形態では、光学素子アレイとして、光学基材１１の一方の面に、凸状の球面形状を有するマイクロレンズ１３が多数配列されたものについて説明したが、光学素子アレイの種類は特に限定されるものではない。例えば、凹状のレンズであってもよい。更に、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなど、各種のレンズであってもよい。また、レンズに限定されるものではなく、不透明な光学基材を用いた他の光学素子アレイであっても、本発明を同様に適用することは可能である。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
【００６６】
図１に示すようなマイクロレンズアレイ１０を製造し設計形状との誤差を測定した。
【００６７】
マイクロレンズ１３は、半径１５０μｍ、高低差であるＳＡＧ１．５μｍとして、予めマイクロレンズ１３の形状を設計すると共に、フォトレジスト層１５を形成し易い範囲となるようにドライエッチング時の選択比を０．４５に設定した。
【００６８】
まず、直径６インチ、厚さ１．２ｍｍの石英ガラスからなる光学基材１１上に、回転数１５００ｒｐｍで回転しつつポジ型フォトレジストを均一に塗布し、塗布厚を５〜６μｍとし、これをオーブンにて１００℃、３０分加熱してフォトレジスト層１５を形成した。
【００６９】
次いで、マイクロレンズ１３の設計形状の選択比の逆数倍（１／０．４５）の高さを有する凹凸形状部２１の形状が得られるように、透過率調整部位１９ａが設けられた２種類のグレースケールマスク１９を使用し、株式会社ニコン製ｇ線ステッパーを用いて、フォトレジスト層１５を露光した。
【００７０】
１方のグレースケールマスク１９は透過率１５〜６５％で透過率を調整したもので、他方のグレースケールマスク１９は、透過率２０〜６０％で透過率を調整したものである。
【００７１】
２種類のグレースケールマスク１９を順次フォトレジスト層１５上に配置して露光を行い、一方の露光時間に比べて他方の露光時間を２倍にして、各グレースケールマスク１９による露光量の和により、フォトレジスト層１５の所望の露光量が得られるようにした。
【００７２】
２種類のグレースケールマスク１９による露光が完了した後、露光されているフォトレジスト層１５を溶解可能な現像液で溶解して現像を行い、露光されたフォトレジスト層１５からなる凹凸形状部２１を形成した。
【００７３】
得られた凹凸形状部２１の形状を図４（ａ）に示すと共に、得られた凹凸形状部２１の形状とマイクロレンズ１３の設計形状の選択比の逆数倍の形状とを比較し、各位置における高さ方向の誤差を測定し、その結果を図４（ｂ）に示した。
【００７４】
その後、凹凸形状部２１を有するフォトレジスト層１５が設けられた光学基材１１を収容空間２０内に収容し、ＩＣＰを用いたドライエッチングによりエッチングすることで、光学基材１１の表面にマイクロレンズ１３を形成した。
【００７５】
ドライエッチングでは、エッチングガスとしてアルゴン、酸素、３フッ化メタンの混合ガスを用いた。エッチング中、収容空間２０内の気圧を０．３Ｐａとし、混合ガスの成分比をアルゴン：酸素：３フッ化メタン＝１８：３．９：５．０とした。このようにエッチングガスの成分を調整することで、選択比を０．４５に合わせるように調整した。
【００７６】
得られたマイクロレンズ１３の最終形状を図５（ａ）に示すと共に、得られたマイクロレンズ１３の最終形状と設計形状との高さ方向の誤差を測定し、その結果を図５（ｂ）に示した。
【００７７】
図４及び図５から明らかなように、凹凸形状部２１の誤差量に比べてマイクロレンズ１３の最終形状の誤差量が略選択比に応じて小さくなっていたことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態の光学素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の光学素子の形成方法の工程を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の光学系を示す模式図である。
【図４】実施例１により形成された凹凸形状部を示し、（ａ）は形状を示すグラフであり、（ｂ）は誤差を示すグラフである。
【図５】実施例１により形成された光学素子を示し、（ａ）は形状を示すグラフであり、（ｂ）は誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１０ マイクロレンズアレイ
１１ 光学基材
１３ マイクロレンズ
１５ フォトレジスト層
１９ グレースケールマスク
２１ 凹凸形状部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にレンズやプリズム等の光学素子が形成された光学素子アレイの製造方法と、この製造方法により製造された光学素子アレイと、この光学素子アレイを用いた光学系とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表示素子、受光素子等の各種素子、レーザー加工機、計測器等の各種装置など、種々の分野において、マイクロレンズアレイのような微小な高精度の光学素子が光学基材表面に設けられた光学素子アレイが使用されており、近年、その需要がますます高まってきている。
【０００３】
微小な光学素子を形成する方法としては、光学基材表面にレジスト層を設け、レジスト層表面に熱フロー処理を利用して所望の光学素子に対応する形状を有する凹凸形状部を形成し、ドライエッチングによりレジスト層に続いて光学基板をエッチングする方法が一般的であった。
【０００４】
近年では、高精度の光学素子を有する光学素子アレイの需要が高まるにつれ、フォトレジスト層表面に凹凸形状部を形成する方法として、グレースケールマスクを使用して露光及び現像する方法が広まりつつある。
【０００５】
例えば、下記特許文献１では、光学基材にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、フォトレジスト層と光学基材とのエッチング時の選択比や光学素子アレイの形状等を考慮して形成されたグレースケールマスクを用いて露光及び現像を行うことで、光学基材上のフォトレジスト層表面に凹凸形状部を形成し、フォトレジスト層に続いて凹凸形状部をドライエッチングして、凹凸形状部に応じた形状を有する光学素子を光学基材表面に形成している。
【０００６】
また、この特許文献１では、凹凸形状部の形状やエッチング装置の使用時間によって選択比が変動することに起因して、光学素子の設計形状と最終形状とに相違が生じるため、一旦、ドライエッチングを行った後、ドライエッチングが行なわれた光学基材上に新たにフォトレジスト層を設け、補正用のグレースケールマスクを作製し、この補正用のグレースケールマスクを用いてフォトレジスト層の表面に補正用の凹凸形状部を形成し、再度ドライエッチングを行うことで、光学基材表面に形成される光学素子の最終形状を高精度に設計形状と一致させる処理が行われている。
【特許文献１】特開２００６−３０６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の光学素子アレイの製造方法では、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成することが容易でなかった。
【０００８】
即ち、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成するには、光学基材上のフォトレジスト層表面に形成される凹凸形状部も僅かな高低差に形成しなければならない。その場合、精度を確保するには光学基材上にフォトレジスト層を非常に薄く形成することが必要である。ところが、フォトレジストを塗布及び乾燥するなどにより非常に薄いフォトレジスト層を形成することは製造上容易でない。
【０００９】
また、フォトレジスト層表面に形成される凹凸形状部には、例えば、フォトレジスト層の厚さ、露光量、溶解量等のばらつきなど、作製上の種々の要因により形状に不可避の誤差が含まれる。この凹凸形状部を用いてエッチングすると、得られる光学素子の形状にもこの誤差が含まれることになる。ところが、光学素子の凹凸の高低差が小さいと、形状に対する誤差の割合が大きくなるため、光学素子の形状の精度が悪化し、所望の光学特性を得ることが困難であった。上記特許文献１のようにエッチング及び補正を繰り返したとしても、補正用のフォトレジスト層を設けて、その表面に凹凸形状部を形成する毎に新たな誤差が生じ、光学素子の形状に含まれる誤差を小さくすることは容易でなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を高精度に形成し易い光学素子アレイの製造方法を提供することを課題とする。また、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸からなるレンズを備えて高度な光学特性を実現し易い光学素子アレイを提供することを他の課題とし、そのような光学素子アレイを用いることで光学設計の自由度を向上し易い光学系を提供することを別の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の光学素子アレイの製造方法は、光学基材上にフォトレジスト層を設け、該フォトレジスト層を露光及び現像して該フォトレジスト層表面に複数の凹凸形状部を形成し、前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることで、前記光学基材表面に前記凹凸形状部に応じた形状を有する複数の光学素子を形成する光学素子アレイの製造方法において、前記フォトレジスト層と前記光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、前記凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する前記光学素子を形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の光学素子アレイは、上記製造方法により製造された光学素子アレイであり、前記複数の光学素子は、前記光学基材の少なくとも一方の表面に、光軸が平行となるように複数設けられたレンズからなり、該レンズの高低差が５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光学系は、上記光学素子アレイを備えた光学系であり、発光素子が複数設けられた光源を備え、前記各発光素子と前記各レンズとがそれぞれ対応するように前記光源と前記光学素子アレイとが近接配置され、前記各発光素子からの拡散光が前記各レンズにより略平行光となるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学素子アレイの製造方法によれば、フォトレジスト層と光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、フォトレジスト層表面の凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する光学素子を光学基材表面に形成するので、僅かな高低差の凹凸により光学素子を形成する場合であっても、フォトレジスト層表面の凹凸形状部の高低差を大きく形成することができる。そのため、フォトレジスト層を適度な厚さで形成することが可能となり、フォトレジスト層を容易に形成することができる。
【００１５】
同時に、フォトレジスト層と光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層表面の凹凸形状部に存在する誤差を選択比に応じて小さくして光学基材をエッチングでき、光学素子の最終形状における高低差に対する誤差の割合を小さく抑えることができる。従って、光学基材表面に僅かな高低差の凹凸により光学素子を高精度に形成することが容易である。
【００１６】
また、本発明の光学素子アレイによれば、光学基材表面の複数のレンズが上記製造方法により形成されているので、僅かな高低差の凹凸であっても高精度に形成することができ、高度な光学特性を実現し易い。
【００１７】
また、本発明の光学系によれば、複数の発光素子と各レンズとがそれぞれ対応するように光源と光学素子アレイとが近接配置されて、各発光素子からの拡散光が各レンズにより略平行光となるように構成される光学系において、上記のような光学素子アレイを用いているので、各レンズが僅かな高低差の凹凸により光学基材表面に高精度に形成されている。そのため、より薄いレンズで所望の光学特性を実現でき、複数の発光素子や光源の配置などの光学設計の自由度を向上し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図３は、この実施の形態を示す。
【００１９】
この実施の形態により製造する光学素子アレイとは、光学基材の少なくとも一方の表面に凸状及び／又は凹状の形状を有する光学素子が複数設けられた部材である。
【００２０】
光学基材は、エッチングにより加工可能な材料であれば特に制限されず、例えば、ソーダライムガラス、光学ガラス、石英ガラス等の各種のガラス、蛍石、シリコン光学基材等の各種の結晶体、透光性セラミックス等の各種のセラミックス、各種の樹脂材料等が挙げられる。
【００２１】
光学素子は、各種の光学特性が得られるように光学基材の表面を凸状又は凹状に形成した部位である。形状は任意であって、例えば、球面や非球面等の曲面形状、角張った屈曲面形状など、適宜選択可能である。特に、本発明は、光学素子の高低差が小さいものに適しており、例えば、５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下のものが好適である。ここで、高低差とは、光学素子の周縁の光学基材の表面から該表面と直交方向に測定される突出量又は陥没量である。光学素子の表面形状が曲面からなる場合、所謂ＳＡＧで示される量である。
【００２２】
この実施の形態では、図１に示すように、透明な光学基材１１表面に、凸状の球面形状の光学素子としてのマイクロレンズ１３が縦横に配列して設けられた光学素子アレイとしてのマイクロレンズアレイ１０を製造する例について説明する。なお、図１及び図２では光学基材１１の厚さを薄く示している。
【００２３】
マイクロレンズアレイ１０を製造するには、図２（ａ）乃至（ｅ）に示すように、板状の光学基材１１の上面にフォトレジスト層１５を設け（ａ）、フォトレジスト層１５を露光及び現像してフォトレジスト層１５の表面に凹凸形状部２１を形成し（ｂ）（ｃ）、フォトレジスト層１５をエッチングすると共にフォトレジスト層１５に続いて光学基材１１をエッチングし（ｄ）、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状を有するマイクロレンズ１３を形成する（ｅ）。
【００２４】
まず、予め板状の光学基材１１を適宜な形状に形成すると共に、マイクロレンズ１３を形成する表面を用途に応じて、高精度に平坦に形成しておく。この平坦度は、例えば、触針式測定機（テンコール）により測定される表面粗さＲＭＳが１ｎｍ以下となるようにしてもよい。
【００２５】
そして、図２（ａ）に示すように、光学基材１１上にフォトレジスト層１５を形成する。このフォトレジスト層１５は、光学基材１１の上面にフォトレジストを塗布及び乾燥させることで、出来るだけ均一な厚さで形成する。
【００２６】
フォトレジストとしては、ネガ型フォトレジスト、ポジ型フォトレジストなどを使用することができる。この実施の形態では、ポジ型フォトレジストを用いる。ポジ型フォトレジストは、露光量の分布と現像後の形状の対応関係を設定し易くでき、微細な形状を高精度に形成するのに有利である。
【００２７】
フォトレジスト層１５は、非常に薄く均一に形成したり、非常に厚く均一に形成することは技術的に困難であり、手間を要し易い。そのため、フォトレジスト層１５の厚さは、少なくともマイクロレンズ１３の設計形状の高低差と後述する選択比の逆数との積以上の範囲であって、例えば２〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍとするのが好適である。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１３の設計形状に基づいて精度よく光の透過率が調整されたグレースケールマスク１９を用い、フォトレジスト層１５を露光する。
【００２９】
グレースケールマスク１９には、各マイクロレンズ１３に対応する位置にそれぞれ透過率調整部位１９ａが設けられている。図では、各透過率調整部位１９ａはそれぞれ独立しているが連続して形成されていてもよい。
【００３０】
各透過率調整部位１９ａでは、透過率分布がマイクロレンズ１３の設計形状と後述するエッチング時の選択比とに基づいて調整されている。各位置の透過率は、例えば、グレースケールマスク１９の作成時に微小位置毎の開口率を変化させるなどにより適宜調整可能である。
【００３１】
フォトレジスト層１５の露光は、フォトレジスト層１５上にグレースケールマスク１９を配置し、グレースケールマスク１９全体に均一な露光光を照射することにより行う。グレースケールマスク１９の透過率調整部位１９ａを通して露光光がフォトレジスト層１５に照射され、透過率調整部位１９ａの透過率分布に比例した露光量でフォトレジスト層１５が露光される。この露光で、フォトレジスト層１５が露光量に対応して現像液に対する溶解性が低下する。
【００３２】
グレースケールマスク１９を用いた露光により、フォトレジスト層１５の各透過率調整部位１９ａに対応する位置が、設計形状におけるマイクロレンズ１３の表面１３ａの各位置と周縁部１３ｂとの光軸Ｌに沿う高低差と、エッチング時の選択比の逆数との積に比例した露光量で露光される。この露光量は各種の補正量が調整されていてもよい。
【００３３】
なお、フォトレジスト層１５の露光は、１枚のグレースケールマスク１９を用いて１回で行うことも可能であるが、形成すべきマイクロレンズ１３の形状によっては互いに異なるパターンを有する複数枚のグレースケールマスク１９を用意し、これらを順番に用いてフォトレジスト層１５を複数回に分けて露光してもよい。その場合、複数回の露光により所望の露光量となるようにする。例えば、一枚のグレースケールマスク１９を用いて粗く露光し、他のグレースケールマスク１９を用いて精密に露光することも可能である。複数枚のグレースケールマスク１９を用いて複数回露光を行うようにすれば、現像後に得られる凹凸形状部２１を所望の形状に精度よく形成し易くできる。
【００３４】
次いで、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト層１５を現像液により現像して、フォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を形成する。フォトレジスト層１５の露光量がマイクロレンズ１３の設計形状及びエッチング時の選択比に基づいて調整されているため、凹凸形状部２１の高低差はマイクロレンズ１３の設計形状の高低差より大きなものとなっている。
【００３５】
このように形成された凹凸形状部２１の形状には、例えば、フォトレジスト層１５の厚さ、露光量、溶解量等のばらつきなど、作製上の種々の要因による誤差が生じている。この誤差とは、マイクロレンズ１３の設計形状の各位置における光軸に沿う高さをエッチング時の選択比の逆数倍にして得られる形状との相違であり、出来るだけ少なく抑えて作製したとしても０．１μｍ程度は存在する。
【００３６】
次いで、図２（ｄ）に示すように、このような誤差を含んだ形状の凹凸形状部２１が表面に形成されたフォトレジスト層１５と、このフォトレジスト層１５が上面に形成されている光学基材１１とのエッチングを行う。
【００３７】
この実施の形態では、エッチングは誘導結合プラズマを用いたドライエッチングにより行う。ドライエッチングでは、表面に凹凸形状部２１を有するフォトレジスト層１５が形成された光学基材１１を収容空間２０内に配置し、収容空間２０内にエッチングガスを存在させた状態で所定の減圧雰囲気とし、誘導結合プラズマを用いて異方性エッチングを行う。
【００３８】
エッチングガスは、プラズマを発生可能であると共に、凹凸形状部２１と光学基材１１とをエッチング可能なガスであり、例えば、Ａｒ等の不活性ガスと、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、及びＳＦ６のうちの少なくとも一種と、酸素とを含有する混合ガスなどを用いる。光学基材１１として、石英ガラスを用いる場合、３フッ化メタンを含有するのが好ましい。
【００３９】
ドライエッチングでは、フォトレジスト層１５と光学基材１１とを選択比が１未満となるように調整してエッチングする必要がある。これにより凹凸形状部２１より光学基材１１のエッチング量を少なくして、凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有するマイクロレンズ１３を形成することが可能となる。
【００４０】
特に限定されるものではないが、マイクロレンズ１３の高低差が２μｍ以下の場合、選択率を０．４〜１としてもよい。このような範囲であれば、フォトレジスト層１５を形成し易くできるからである。
【００４１】
ドライエッチングにおいて、選択比を調整するには、例えば、エッチングガスの成分や圧力を調整したり、フォトレジスト層１５の材料を選択したり、誘導結合プラズマを発生させるために印加される高周波電力を調整したり、配置を調整するなど、種々の方法により行うことが可能である。このうち、調整が容易であるという理由で、エッチングガスの成分を調整することが好ましく、特に、酸素の含有量を調整することでエッチングガスの成分を調整するのが好適である。酸素ガスは、フォトレジスト層１５の燃焼に使われるため、エッチング速度を精度よく調整し易く、また、ドライエッチングの他の条件に与える影響が少ないからである。
【００４２】
エッチングガスの成分により選択比を１未満に調整するには、例えば、光学基材１１として石英ガラスを用いる場合、酸素及び３フッ化メタンを含有させ、エッチングガス中の３フッ化メタンの含有割合を２０容積％以下にすると共に酸素の含有割合を３フッ化メタン含有割合以下に調整してもよい。３フッ化メタンの含有割合が２０容積％より多いと、石英ガラス等の光学基材１１のエッチングレートが高くなり易く、また、酸素の含有割合が３フッ化メタンの含有割合より多くなると、フォトレジスト層１５のエッチングレートが高くなり易いからである。
【００４３】
このように選択比を調整した状態でドライエッチングを行うと、凹凸形状部２１が表面に形成されているフォトレジスト層１５がエッチングされ、続いて光学基材１１がエッチングされる。このとき、凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５が光学基材１１より多くエッチングされる。そして、例えば、凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５が全てエッチングされた時点で終了することにより、図２（ｅ）に示すように、光学基材１１表面に凹凸形状部２１に応じた形状のマイクロレンズ１３が形成される。
【００４４】
なお、このドライエッチングは１回で完了することも可能であるが、得られたマイクロレンズ１３に補正可能な誤差が含まれることがある。例えば、マイクロレンズ１３の形状やエッチング装置の使用時間等により選択比が変動することなどに起因する誤差などである。その場合には、一旦、ドライエッチングを行った後、マイクロレンズ１３の形状を補正して精度を向上するために、再度、上記のような工程を繰り返すことも可能である。
【００４５】
その際、マイクロレンズ１３が形成された光学基材１１上にフォトレジスト層１５を形成し、補正用のグレースケールマスク１９を作製して露光及び現像することで、フォトレジスト層１５表面に補正用の凹凸形状部２１を形成する。この凹凸形状部２１は誤差に応じて調整された形状となる。そして、再び、選択比が１未満となるように調整してフォトレジスト層１５及び光学基材１１をドライエッチングする。このとき、先のエッチング時の選択比と同一にしてもよいが、誤差量が小さいため、より小さな選択比に設定して、補正用の凹凸形状部２１を含むフォトレジスト層１５がより多くエッチングされるようにしてもよい。このようにすれば、誤差量を低減し易いからである。
【００４６】
以上のようなマイクロレンズ１３の製造方法によれば、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、フォトレジスト層１５表面の凹凸形状部２１の高低差より小さい高低差を有するマイクロレンズ１３を光学基材１１表面に形成するので、僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を形成する場合であっても、フォトレジスト層１５表面の凹凸形状部２１の高低差を大きく形成することができる。そのため、凹凸形状部２１を形成するためのフォトレジスト層１５を適度な厚さで形成することが可能であり、フォトレジスト層１５や凹凸形状部２１を容易に形成することができる。
【００４７】
例えば、フォトレジスト層１５を光学基材１１上に形成する際には、フォトレジスト層１５を十分な厚さに形成することができるため、フォトレジストを光学基材１１上に非常に薄く均一に塗布するような必要がなく、容易に塗布することが可能である。また、フォトレジスト層１５表面に凹凸形状部２１を露光及び現像する際には、グレースケールマスク１９のダイナミックレンジを大きくできるため、透過率の極めて微細な調整を行うような必要がなく、グレースケールマスク１９の各透過率調整部位１９ａの透過率分布の精度を向上することが可能である。そのため、凹凸形状部２１を形成することが容易である。
【００４８】
同時に、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層１５の凹凸形状部２１より少ない割合で光学基材１１をエッチングするので、エッチングの加工精度が高いことと相俟って、凹凸形状部２１に存在する誤差をその選択比に応じて小さくすることができ、エッチングにより得られるマイクロレンズ１３の最終形状に含まれる各位置の誤差を小さく抑えることができる。そのため、光学基材１１表面に僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を形成していていも、マイクロレンズ１３を精度よく形成することが可能である。
【００４９】
逆に、マイクロレンズ１３の設計形状に対する最終形状の誤差の許容範囲が設定される場合には、フォトレジスト層１５と光学基材１１との選択比を１未満に調整してエッチングすることで、フォトレジスト層１５により形成される凹凸形状部２１の形状精度をその分大きく設定することが可能である。
【００５０】
具体的には、マイクロレンズ１３のレンズ径２００μｍ、レンズの光軸Ｌ方向の高低差１．５μｍ、焦点距離６．５ｍｍの石英ガラス製のマイクロレンズアレイ１０を製造する場合、選択比を１．５とすると、凹凸形状部２１の高低差は１μｍとなり、各マイクロレンズ１３に許容される形状精度を高低差の１０％以内とすると、凹凸形状部２１の形状精度をＰＶ１００ｎｍにしなければならない。ところが、同じマイクロレンズアレイ１０を、選択比を０．５として製造すれば、凹凸形状部２１の高低差は３μｍとなり、凹凸形状部２１の形状精度をＰＶ３００ｎｍにすればよい。
【００５１】
従って、このようにしてマイクロレンズアレイ１０を製造すれば、光学基材１１表面に僅かな高低差の凹凸によりマイクロレンズ１３を高精度に形成することが容易である。
【００５２】
更に、この製造方法では、誘導結合プラズマを用いたドライエッチングによりフォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングするので、エッチングの選択性や異方性を向上し易いと共に光学基材１１表面の劣化を抑え易いため、より誤差を抑えてマイクロレンズ１３を形成し易い。
【００５３】
また、ドライエッチングでは、酸素を含有するエッチングガスを用いてフォトレジスト層１５及び光学基材１１をエッチングすると共に、エッチングガス中の酸素の含有割合を調整することで選択比を調整すれば、エッチング条件を種々変動させることなく、選択比を調整することが容易であり、高精度のマイクロレンズ１３を形成し易い。
【００５４】
次に、このようにして製造されたマイクロレンズアレイ１０について説明する。
【００５５】
この実施の形態のマイクロレンズアレイ１０は、図１に示すように、透明な光学基材１１の一方の表面に複数のマイクロレンズ１３が縦横に配列して、互いに光軸Ｌが平行となるように設けられている。図では、各マイクロレンズ１３が互いに離間しているが互いに隣接していていもよい。
【００５６】
各マイクロレンズ１３は、凸状の球面形状を呈しており、球面形状の周縁の光学基材１１の表面から直交方向に光軸Ｌに沿って測定される高低差を５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下としている。更に、この実施の形態では、各レンズの有効径（Ｄ）に対する焦点距離（ｆ）の比（ｆ／Ｄ）を３０〜８０としている。
【００５７】
このようなマイクロレンズアレイ１０は、上述のように製造されているため、各マイクロレンズ１３が僅かな高低差の凹凸であっても、各マイクロレンズ１３の形状は高精度に形成されており、各位置における設計形状に対する最終形状の誤差が小さく抑えられている。例えば、各位置の誤差の最大値を高低差の１０％以内とすることが可能であり、使用される光の波長の１／４以下とすることが可能である。そのため、このようなマイクロレンズアレイ１０によれば、高度な光学特性を実現し易い。
【００５８】
更に、僅かな高低差の凹凸のマイクロレンズ１３の各位置の誤差を小さくできることで、精度よく焦点距離を設定することが可能であり、レンズのｆ／Ｄを３０〜８０として、より小さいレンズで長い焦点距離を精度良く確保することが可能である。そのため、各種の精密光学機器の光学系において、光学設計の自由度を向上することが可能である。
【００５９】
次に、このマイクロレンズアレイ１０を用いた光学系の例について、図３を用いて説明する。
【００６０】
複数の発光素子３３が縦横に配列して設けられた光源３１と、光源３１の各発光素子３３からの拡散光を平行光にするマイクロレンズアレイ１０と、マイクロレンズアレイ１０からの平行光を集光するコンデンサレンズ３７と、コンデンサレンズ３７からの光を被照射物４１に照射するリレーレンズ３９とを備えている。ここでは、各マイクロレンズ１３と各発光素子３３とがそれぞれ対応するように光源３１とマイクロレンズアレイ１０とが近接配置されており、各発光素子３３からの拡散光が各マイクロレンズ１３によりそれぞれ略平行光として放射されるように構成されている。
【００６１】
このような光学系３０によれば、上述のようなマイクロレンズ１３が多数設けられたマイクロレンズアレイ１０を用いているので、各マイクロレンズ１３の表面の各位置の誤差が小さく抑えられており、発光素子３３からの拡散光を効率よく集光して被照射物に照射させることが可能である。また、マイクロレンズ１３のｆ／Ｄが３０〜８０、例えば５０であるので、より薄く小型のレンズで長い焦点距離を精度良く確保し易い。そのため、発光素子３３や光源３１の配置や形状などの自由度が大きく、光学設計の自由度を向上することが可能である。
【００６２】
なお、上記実施の形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
【００６３】
例えば、上記では誘導結合プラズマを用いてドライエッチングする例について説明したが、他の方法によるドライエッチングであってもよく、更に、選択比を調整可能であれば、ウエットエッチングよりエッチングすることも可能である。
【００６４】
また、上記実施の形態では、光学素子アレイとして、光学基材１１の一方の面に、凸状の球面形状を有するマイクロレンズ１３が多数配列されたものについて説明したが、光学素子アレイの種類は特に限定されるものではない。例えば、凹状のレンズであってもよい。更に、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなど、各種のレンズであってもよい。また、レンズに限定されるものではなく、不透明な光学基材を用いた他の光学素子アレイであっても、本発明を同様に適用することは可能である。
【実施例】
【００６５】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
【００６６】
図１に示すようなマイクロレンズアレイ１０を製造し設計形状との誤差を測定した。
【００６７】
マイクロレンズ１３は、半径１５０μｍ、高低差であるＳＡＧ１．５μｍとして、予めマイクロレンズ１３の形状を設計すると共に、フォトレジスト層１５を形成し易い範囲となるようにドライエッチング時の選択比を０．４５に設定した。
【００６８】
まず、直径６インチ、厚さ１．２ｍｍの石英ガラスからなる光学基材１１上に、回転数１５００ｒｐｍで回転しつつポジ型フォトレジストを均一に塗布し、塗布厚を５〜６μｍとし、これをオーブンにて１００℃、３０分加熱してフォトレジスト層１５を形成した。
【００６９】
次いで、マイクロレンズ１３の設計形状の選択比の逆数倍（１／０．４５）の高さを有する凹凸形状部２１の形状が得られるように、透過率調整部位１９ａが設けられた２種類のグレースケールマスク１９を使用し、株式会社ニコン製ｇ線ステッパーを用いて、フォトレジスト層１５を露光した。
【００７０】
１方のグレースケールマスク１９は透過率１５〜６５％で透過率を調整したもので、他方のグレースケールマスク１９は、透過率２０〜６０％で透過率を調整したものである。
【００７１】
２種類のグレースケールマスク１９を順次フォトレジスト層１５上に配置して露光を行い、一方の露光時間に比べて他方の露光時間を２倍にして、各グレースケールマスク１９による露光量の和により、フォトレジスト層１５の所望の露光量が得られるようにした。
【００７２】
２種類のグレースケールマスク１９による露光が完了した後、露光されているフォトレジスト層１５を溶解可能な現像液で溶解して現像を行い、露光されたフォトレジスト層１５からなる凹凸形状部２１を形成した。
【００７３】
得られた凹凸形状部２１の形状を図４（ａ）に示すと共に、得られた凹凸形状部２１の形状とマイクロレンズ１３の設計形状の選択比の逆数倍の形状とを比較し、各位置における高さ方向の誤差を測定し、その結果を図４（ｂ）に示した。
【００７４】
その後、凹凸形状部２１を有するフォトレジスト層１５が設けられた光学基材１１を収容空間２０内に収容し、ＩＣＰを用いたドライエッチングによりエッチングすることで、光学基材１１の表面にマイクロレンズ１３を形成した。
【００７５】
ドライエッチングでは、エッチングガスとしてアルゴン、酸素、３フッ化メタンの混合ガスを用いた。エッチング中、収容空間２０内の気圧を０．３Ｐａとし、混合ガスの成分比をアルゴン：酸素：３フッ化メタン＝１８：３．９：５．０とした。このようにエッチングガスの成分を調整することで、選択比を０．４５に合わせるように調整した。
【００７６】
得られたマイクロレンズ１３の最終形状を図５（ａ）に示すと共に、得られたマイクロレンズ１３の最終形状と設計形状との高さ方向の誤差を測定し、その結果を図５（ｂ）に示した。
【００７７】
図４及び図５から明らかなように、凹凸形状部２１の誤差量に比べてマイクロレンズ１３の最終形状の誤差量が略選択比に応じて小さくなっていたことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態の光学素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の光学素子の形成方法の工程を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の光学系を示す模式図である。
【図４】実施例１により形成された凹凸形状部を示し、（ａ）は形状を示すグラフであり、（ｂ）は誤差を示すグラフである。
【図５】実施例１により形成された光学素子を示し、（ａ）は形状を示すグラフであり、（ｂ）は誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１０ マイクロレンズアレイ
１１ 光学基材
１３ マイクロレンズ
１５ フォトレジスト層
１９ グレースケールマスク
２１ 凹凸形状部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学基材上にフォトレジスト層を設け、該フォトレジスト層を露光及び現像して該フォトレジスト層表面に複数の凹凸形状部を形成し、前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることで、前記光学基材表面に前記凹凸形状部に応じた形状を有する複数の光学素子を形成する光学素子アレイの製造方法において、
前記フォトレジスト層と前記光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、前記凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する前記光学素子を形成することを特徴とする光学素子アレイの製造方法。
【請求項２】
前記光学素子の高低差は５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項３】
誘導結合プラズマを用いたドライエッチングにより前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項４】
酸素を含有するエッチングガスを用いて前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすると共に、前記エッチングガス中の前記酸素の含有割合を調整することで前記選択比を調整することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項５】
前記エッチングガスは、３フッ化メタンを含有し、該３フッ化メタンの含有割合が２０％以下であると共に、前記酸素の含有割合が前記３フッ化メタンの含有割合以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一つに記載の製造方法により製造された光学素子アレイであり、前記複数の光学素子は、前記光学基材の少なくとも一方の表面に、光軸が平行となるように複数設けられたレンズからなり、該レンズの高低差が５μｍ以下であることを特徴とする光学素子アレイ。
【請求項７】
前記レンズの有効径（Ｄ）に対する焦点距離（ｆ）の比（ｆ／Ｄ）が３０〜８０であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子アレイ。
【請求項８】
請求項７に記載の光学素子アレイを備えた光学系であり、
発光素子が複数設けられた光源を備え、前記各発光素子と前記各レンズとがそれぞれ対応するように前記光源と前記光学素子アレイとが近接配置され、前記各発光素子からの拡散光が前記各レンズにより略平行光となるように構成されたことを特徴とする光学系。
【請求項１】
光学基材上にフォトレジスト層を設け、該フォトレジスト層を露光及び現像して該フォトレジスト層表面に複数の凹凸形状部を形成し、前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることで、前記光学基材表面に前記凹凸形状部に応じた形状を有する複数の光学素子を形成する光学素子アレイの製造方法において、
前記フォトレジスト層と前記光学基材との選択比を１未満に調整してエッチングすることにより、前記凹凸形状部の高低差より小さい高低差を有する前記光学素子を形成することを特徴とする光学素子アレイの製造方法。
【請求項２】
前記光学素子の高低差は５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項３】
誘導結合プラズマを用いたドライエッチングにより前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項４】
酸素を含有するエッチングガスを用いて前記フォトレジスト層及び前記光学基材をエッチングすると共に、前記エッチングガス中の前記酸素の含有割合を調整することで前記選択比を調整することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項５】
前記エッチングガスは、３フッ化メタンを含有し、該３フッ化メタンの含有割合が２０％以下であると共に、前記酸素の含有割合が前記３フッ化メタンの含有割合以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子アレイの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一つに記載の製造方法により製造された光学素子アレイであり、前記複数の光学素子は、前記光学基材の少なくとも一方の表面に、光軸が平行となるように複数設けられたレンズからなり、該レンズの高低差が５μｍ以下であることを特徴とする光学素子アレイ。
【請求項７】
前記レンズの有効径（Ｄ）に対する焦点距離（ｆ）の比（ｆ／Ｄ）が３０〜８０であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子アレイ。
【請求項８】
請求項７に記載の光学素子アレイを備えた光学系であり、
発光素子が複数設けられた光源を備え、前記各発光素子と前記各レンズとがそれぞれ対応するように前記光源と前記光学素子アレイとが近接配置され、前記各発光素子からの拡散光が前記各レンズにより略平行光となるように構成されたことを特徴とする光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２２３２５０（Ｐ２００９−２２３２５０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７０６３５（Ｐ２００８−７０６３５）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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