非球面マイクロレンズ用金型の製造方法、マイクロレンズ製造方法、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイおよびレーザ光源
【課題】入射面および出射面が高精度な非球面レンズ面で形成されたマイクロレンズを得ることができる、マイクロレンズ用金型の製造方法。
【解決手段】ＳｉＯ２層２０２が形成されたＳｉ基板２０１上に、楕円形状の穴Ｐが形成された撥水性の化学吸着単分子膜２０７を形成する。そして、穴Ｐ内にＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させる。穴Ｐの形状とＵＶ硬化性材料２０９の滴下量とを予め計算された値に設定することにより、硬化したＵＶ硬化性材料２０９の表面形状は、所望の非球面レンズ面となる。このＵＶ硬化性材料２０９の表面形状を、電鋳により形成された電着層２１１に転写することにより、非球面レンズの金型が形成される。
【解決手段】ＳｉＯ２層２０２が形成されたＳｉ基板２０１上に、楕円形状の穴Ｐが形成された撥水性の化学吸着単分子膜２０７を形成する。そして、穴Ｐ内にＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させる。穴Ｐの形状とＵＶ硬化性材料２０９の滴下量とを予め計算された値に設定することにより、硬化したＵＶ硬化性材料２０９の表面形状は、所望の非球面レンズ面となる。このＵＶ硬化性材料２０９の表面形状を、電鋳により形成された電着層２１１に転写することにより、非球面レンズの金型が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの整形等に用いられるマイクロレンズを形成するための非球面マイクロレンズ用金型の製造方法、その金型によるマイクロレンズ製造方法、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズを備えたレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードから出射されるレーザビームは、ダイオードチップに垂直な方向と水平な方向とで発散角が異なり、楕円形状の断面を有する発散光となっている。そのため、レーザダイオードから出射されたレーザビームを光ファイバに入射させるためには、複数の非球面レンズから成る光学系を用いて、レーザビームを円形断面のコリメート光に整形する必要があった。
【０００３】
従来、そのような非球面レンズを製造する方法としては、精密機械加工により非球面レンズ面が形成された金型を用いて、成形加工によりレンズを作製する方法がある。また、ガラス基板にフォトレジストとガラスエッチングによりレンズ形状の凹部を形成し、その凹部にレンズ材料を充填する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２０１７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、精密機械加工で金型を形成する第１の方法では、複雑な非球面を加工するのが難しく、またコストの面で難点があった。また、エッチングにより型を形成する第２の方法では、レンズ面形状がエッチング速度により決まってくるため、面形状の制御性に劣り、エッチングの不均一性がそのままレンズ面の誤差へと影響し、高精度なレンズ面を形成するのが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明による非球面マイクロレンズ用金型の製造方法は、基板上に開口領域が形成された撥水性膜を形成する第１工程と、開口領域に、形成すべきレンズ面形状に応じた量の液状部材を滴下する第２工程と、液状部材を硬化させる第３工程と、第３工程により硬化した液状部材の表面形状を金属面に転写して、金型を形成する第４工程とを有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、基板は、表面を親水性としたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、撥水性膜を化学吸着単分子膜としたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
請求項５の発明によるマイクロレンズ製造方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズを形成することを特徴とする。
請求項６の発明によるマイクロレンズは、請求項５に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、第１工程では、撥水性膜に開口領域を複数形成し、第２工程では、複数の開口領域の各々に液状部材を滴下し、第３工程では、各開口領域内に滴下された液状部材を各々硬化させ、第４工程では、硬化した複数の液状部材の表面形状を金属面に転写するようにしたものである。
請求項８の発明による非球面マイクロレンズ用金型は、請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする。
請求項９の発明によるマイクロレンズ製造方法は、請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズが複数設けられたマイクロレンズアレイを形成することを特徴とする。
請求項１０の発明によるマイクロレンズアレイは、請求項９に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とする。
請求項１１の発明によるマイクロレンズは、第１の非球面レンズ面で形成された入射面と、第１の非球面レンズ面と異なる第２の非球面レンズ面で形成された出射面とを備え、楕円断面を有する発散光束を、円形断面を有する平行光束に変換することを特徴とする。
請求項１２の発明によるレーザ光源は、レーザダイオード素子と、レーザダイオード素子から出射されたレーザビームを整形する請求項６または１１に記載のマイクロレンズと、レーザダイオード素子およびマイクロレンズを収納する筐体とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、入射面および出射面が高精度な非球面レンズ面で形成されたマイクロレンズを得ることができ、レーザビーム用光学系やレーザ光源の小型化および低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による金型で形成されたレーザダイオード用マイクロレンズを示す斜視図である。柱状のマイクロレンズ１の一方の端面にはレーザ光の入射面１０１が形成され、他方の端面には出射面１０２が形成されている。入射面１０１は非球面凸レンズ面となっており、ｙ軸方向の曲率半径はｘ軸方向の曲率半径よりも大きく設定されている。出射面１０２は非球面凹レンズ面となっており、ｙ軸方向の曲率半径に比べてｘ軸の曲率半径は非常に大きく、ほぼ、シリンドリカルな凹面となっている。なお、入射面１０１および出射面１０２の曲率半径は、レーザダイオードの出射光の状態に応じて設定される。
【０００９】
図２は、レーザダイオード２から出射されたレーザ光に対する、マイクロレンズ１のレンズ機能を説明する概念図である。レーザダイオード２から出射されるレーザ光束は、垂直方向（ｙ軸方向）の発散角と水平方向（ｘ軸方向）の発散角とが異なっており、発散光の断面形状は楕円になっている。一般的に、ｘ軸方向の発散角は１０〜１５deg程度であり、ｙ軸方向の発散角は３０〜４０deg程度である。図２に示す例では、ｙ軸方向の発散角の方がｘ軸方向の発散角よりも大きくなっている。
【００１０】
上述したように、入射面１０１の曲率半径はｘ軸方向とｙ軸方向とで異なっており、レーザビームに対するレンズ効果が異なっている。すなわち、ｘ軸方向に関しては発散光を平行光に変える作用を及ぼし、ｙ軸方向に関しては発散光を収束光に変える作用を及ぼす。そのため、入射面１０１を通過した後のレーザビームの断面は、ｘ軸方向の短径に関しては大きさが変化せず、ｙ軸方向の長径に関してはｚ軸方向に進行するにつれて大きさが小さくなる。そして、ビーム断面の長径と短径の大きさが等しくなる位置に、出射面１０２が形成されている。
【００１１】
出射面１０２は、レーザビームに対して、ｘ軸方向に関しては平行光の状態をそのまま維持するように作用し、ｙ軸方向に関しては収束光を平行光に変える作用をする。その結果、出射面１０２からは、断面形状が円形である平行光が出射されることになる。入射面１０１のｘ軸およびｙ軸方向の曲率半径を、要求されるビーム径に応じてそれぞれ設定することにより、所望のビーム径のレーザビームを得ることができる。
【００１２】
本実施の形態では、図１に示したような出射面１０１および入射面１０２を有するマイクロレンズ１を、型を用いた成形により形成するようにした。次に、レンズ成形に用いる金型の製造方法について図３〜６を用いて説明する。図３の（ａ）〜（ｃ）は工程１〜３を説明する図である。図３（ａ）の工程１では、熱酸化によりＳｉ基板２０１の表面にＳｉＯ２層２０２を形成する。図３（ｂ）の工程２では、ＳｉＯ２層２０２上に、フォトレジスト２０３を、後述するリフトオフ加工ができる程度の厚さに形成する。
【００１３】
図３（ｃ）の工程３では、楕円形状の開口パターン２０４ａが形成されたマスク２０４を用いて、フォトレジスト２０３を露光しパターンニングを行う。本実施の形態では開口パターン２０４ａの形状を楕円形状としたが、必ずしも楕円形状と限らず、所望の非球面レンズ形状に応じて設定されるものである。この開口パターン２０４ａの形状は、後述するように、光線シミュレーション結果に基づいて設定される。
【００１４】
図４の（ａ）〜（ｃ）は第４〜６の工程を説明する図である。図３（ｃ）の工程の後に、図４（ａ）の工程４でフォトレジスト２０３の現像処理を行うと、楕円形状のフォトレジストパターン２０３ａがＳｉＯ２層２０２上に残る。次いで、スパッタリングにより、基板上にアルミ膜２０５とＳｉＯ２膜２０６を順に形成する。ここで、フォトレジストパターン２０３ａは厚く形成されているため、フォトレジストパターン２０３ａ上に形成されたアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６と、ＳｉＯ２層２０２上に形成されたアルミ膜２０５とＳｉＯ２膜２０６とは、フォトレジストパターン２０３ａの段差によって途切れている。その結果、フォトレジストパターン２０３ａの側面が露出し、リフトオフ加工が可能となる。
【００１５】
さらに、図４（ｃ）に示す工程６では、ＳｉＯ２膜２０６上に化学吸着単分子膜２０７（ハッチング部分）を形成する。化学吸着単分子膜２０７は、フッ化炭素基と炭化水素基とアルコキシシリル基を主成分とする物質を用いて形成する。そのような物質としては、ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＡ）３，［ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２］２Ｓｉ（ＯＡ）２，あるいは［ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２］３ＳｉＯＡ（ｎは整数、Ａはメチル基、エチル基、プロピル基等の短鎖アルキル基）があげられる。具体的には、ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）１５Ｓｉ（ＯＣＨ３）３などがある。これらの物質を用いた場合、ＳｉＯ２膜２０６をその蒸気に曝すだけで、ＳｉＯ２膜２０６上に化学吸着単分子膜２０７が形成されるので、非常に簡単な処理で撥水性領域を形成することができる。
【００１６】
図７は化学吸着単分子膜の形成過程を示したものであり、図７（ａ）に示すように、基板のＳｉＯ２膜２０６には、大気中の水蒸気と反応してできたＯＨ基が形成されている。符号３００で示したものがアルコキシラン系のフッ化炭素化合物の分子である。この分子はＳｉ（ＯＣＨ３）３基を有しており、そのＯＣＨ３とＳｉＯ２膜２０６表面のＯＨ基とが反応してＣＨ３ＯＨが生成されるとともに、この分子のＳｉとＳｉＯ２膜２０６の表面に並んだＯとが共有結合して、単分子膜２０７が形成されることになる（図７（ｃ）参照）。この化学吸着単分子膜２０７は優れた撥水性を有している。
【００１７】
なお、アルコキシラン系のフッ化炭素化合物の例を示したが、他に、クロロシラン系のフッ化炭素化合物でも同様に可能である。例えば、ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（Ｒ）ｍＳｉＸｐＣｌ３−ｐ（ただし、ｎは０または整数、好ましくは１〜２２の整数、Ｒはアルキル基、フェニル基、ビニル基、エチニル基、シリコン若しくは酸素原子を含む置換基、ｍは０または１、Ｘはアルキル基、アルコキシル基、含フッ素アルキル基または含フッ素アルコキシ基の置換基、ｐは０，１または２）があげられる。具体的には、ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３、ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３などがある。
【００１８】
図５（ａ）に示す工程７では、剥離剤によりフォトレジストパターン２０３ａを除去することにより、その上のアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６も同時にリフトオフ除去される。その結果、基板上のアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６には楕円形状の穴Ｐが形成され、ＳｉＯ２層２０２が穴Ｐの底面として露出することになる。上述したように、ＳｉＯ２膜２０６の表面には撥水性の化学吸着単分子膜２０７が形成されているが、楕円形状の穴Ｐの底面であるＳｉＯ２層２０２は親水性を有している。
【００１９】
なお、アルミ膜２０５は、親水性領域と撥水性領域とを視認し易くするために設けたものであり、アルミ膜でなくてもかまわない。フォトレジストパターン２０３ａを除去した際に、その部分のアルミ膜２０５も一緒に除去されるため、アルミ膜２０５の有無によって、親水性領域と撥水性領域とが視認し易くなる。
【００２０】
図５（ｂ）に示す工程８では、楕円形状の親水性領域である穴ＰにＵＶ硬化性材料２０９を滴下する。ＵＶ硬化性材料２０９としては、エポキシ系材料等が用いられる。ＵＶ硬化性材料２０９の滴下は、滴下量が正確に制御できるディスペンサー２０８を用いて行った。穴Ｐ内に滴下されたＵＶ硬化性材料２０９は、周囲が撥水領域に囲まれているため、表面張力により凸形状に盛り上がり、後述するように、その表面形状は非球面レンズ形状となっている。その後、図５（ｃ）の工程９においてＵＶ硬化性材料２０９に紫外線を照射し、ＵＶ硬化性材料２０９を硬化させることにより非球面レンズの母型が形成される。
【００２１】
図６（ａ）の工程１０では、工程９で形成された母型２１０を用いて、電鋳により成形用金型を作製する。ここでは、低ストレスな電着層２１１が得られるように銅メッキによる電鋳を行い、母型２１０の表面に銅の厚メッキを施す。形成された電着層２１１を母型２１０から剥離すると、硬化したＵＶ硬化性材料２０９（図５（ｃ）参照）の表面形状と全く逆の面形状（凹面）が電着層２１１に転写されている。
【００２２】
図６（ｂ）は、剥離後の電着層、すなわち金型２１１を示したものであり、母型２１０の表面形状と逆の面２１１ａが形成されている。ここでは説明を省略するが、マイクロレンズ１の出射面１０２に関しても入射面と同様にして金型が形成される。ただし、出射面１０２は凹面となっているのでＵＶ硬化性材料で形成された凸面から凹面の型を形成し、さらに、その凹面の型から、図６（ｃ）に示すような最終的な金型２１２を形成する。金型２１２には、出射面１０２（図１参照）の形状と全く逆の形状を有する凸面２１２ａが形成されている。
【００２３】
図６（ｃ）はレンズ成形工程を示す図であり、入射面１０１に対応する面２１１ａと、出射面１０２に対応する面２１２ａとの距離ｄが所定の設計値となるように、所定間隔で金型２１１および２１２を配置する。そして、その隙間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、図６（ｄ）に示すようなマイクロレンズ２１３が形成される。なお、図６（ｄ）の破線で囲まれた部分が図１のマイクロレンズ１に相当し、凸面２１３ａが出射面１０１に、凹面２１３ｂが出射面１０２にそれぞれ対応している。
【００２４】
このようにして金型２１１，２１２が作製されるが、所望の非球面レンズを得るためには、ＵＶ硬化性材料２０９が滴下される親水性領域（穴Ｐ）の形状と、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量とを適切な値に制御する必要がある。まず、レーザダイオード２から出射されるレーザビームの発散角に応じて、マイクロレンズ１の入射面１０１および出射面１０２の面形状を光線シミュレーションによって設定する。
【００２５】
ここでは、レーザビームのｘ軸方向の発散角が１０degで、ｙ軸方向の発散角が４０degの場合について説明するが、これとは異なる発散角を有する場合も同様の取り扱いとなる。このレーザビームに対する光線シミュレーションの結果は、次のようになった。入射面１０１に関しては、ｘ軸方向の曲率半径は０．４２５mm、ｙ軸方向の曲率半径は０．９００mmとなった。一方、出射面１０２に関しては、ｘ軸方向の曲率半径は２００．０mm、ｙ軸方向の曲率半径は０．２２６mmとなった。また、入射面１０１と出射面１０２との距離は４．７５mmとなった。図８は光線シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）はｘ方向から見た図であり、（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。なお、入射面１０１とレーザ光出射点との間の距離は０．５mmとした。
【００２６】
通常、液滴を撥水性の面上に滴下すると、液滴は球を上下方向にやや押しつぶしたような形状となる。そのため、撥水面に液滴を滴下しただけでは所望の非球面レンズ面を得ることはできない。例えば、楕円レンズ面を得るためには、上述したように撥水領域で囲まれた領域の形状を楕円とする必要がある。本実施の形態では、光線シミュレーションで得られるレンズ面形状から、親水性領域（図５（ａ）の穴Ｐ）の形状を、長軸寸法＝１．３８mm、短軸寸法＝０．８２mmの楕円形状パターンに設定した。
【００２７】
図９は、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係の計算結果を示したものであり、縦軸は曲率半径、横軸はＵＶ硬化性材料２０９の滴下量である。親水性領域の寸法を上述したように設定すると、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量に応じて曲率半径が計算される。図９の曲線Ｌ１１は長軸方向（ｙ軸方向に対応）の曲率半径を表しており、曲線Ｌ１２は短軸方向（ｘ軸方向に対応）の曲率半径を表している。
【００２８】
いずれの場合にも、滴下量が増加するにつれて曲率半径が減少しており、曲率半径と滴下量とがほぼ反比例の関係にあることが確認された。上述したマイクロレンズ１では、入射面１０１のｙ軸方向（長軸方向）の曲率半径のシミュレーション結果は、０．９００mmである。そのため、図９の計算結果から得られる滴下量は、０．１５μｌ程度となる。
【００２９】
図１０は、実際にＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させ、そのときに得られた凸面形状の曲率半径の実測値を示したものである。親水性領域の寸法は、長軸寸法＝１．３８mm、短軸寸法＝０．８２mmとした。図１０では、実測値をＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係で示しており、データＤ１が長軸方向の曲率半径であり、データＤ２が短軸方向の曲率半径である。図９に示した計算値とほぼ一致する曲線が得られ、滴下量で非球面レンズの曲率半径を制御できることが分かる。なお、図１０は特定のＵＶ硬化性材料（ここでは、エポキシ系材料を用いた）を用いた場合の実測値であり、この値はＵＶ硬化性材料２０９の特性（粘度など）によって異なる。
【００３０】
図１１は、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下に用いたディスペンサーの空気加圧時間と、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量との関係を示す図である。図１１から、滴下量と空気加圧時間との関係は近似的にリニアに変化するとみなすことができる。図１０と図１１とから、ディスペンサーの空気加圧時間により、非球面レンズの曲率半径を制御できることが分かる。
【００３１】
入射面１０１の場合には、楕円パターンは長軸寸法＝１．３９８mm、短軸寸法＝０．８２mmで、空気加圧時間は０．６secであった。このとき、レンズ高さは０．３３mmとなり、ｙ軸方向の曲率半径は０．９０２mm、ｘ軸方向の曲率半径は０．４１９mmであった。この値は、シミュレーションから得られるｘ軸方向曲率半径＝０．９００mm、ｙ軸方向曲率半径＝０．４２５mmとほぼ等しい値になっている。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態では以下のような作用効果を奏することができる。
（１）図９，１０に示すように、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下によって形成される凸部表面の曲率半径は、計算で求まる曲率半径に精度良く一致している。そのため、ディスペンサー等を用いてＵＶ硬化性材料２０９の滴下量を精度良く制御することにより、高精度な非球面レンズ面を容易に形成することができる。
（２）ＵＶ硬化性材料２０９の表面張力により形成される面が金型に転写されるため、金型に転写されたレンズ面は、従来のように機械加工やエッチングで形成された面に比べて、非常に滑らかな面となっており、高精度な非球面レンズ面を形成することができる。
【００３３】
（３）半導体基板をフォトリソグラフィー技術により撥水性領域で囲まれた所定形状のパターン（上述した例では、楕円形状パターン（穴Ｐ））を形成し、そのパターン内に所定量のＵＶ硬化性材料を滴下することで、高精度な非球面レンズ面を有する母型が形成できる。そして、その母型から形成される金型によりマイクロレンズを成形加工できるので、一対の非球面レンズ面を有するマイクロレンズを容易に形成することができる。その結果、レーザビーム整形用光学系を一つのマイクロレンズにまとめることができ、小型化を図ることができる。
【００３４】
上述した例では、レンズ厚みは４．７mmと薄く、一つのレンズでレーザ光を円形断面のコリメート光に整形できる。そのため、図１２（ａ）に示すように、マイクロレンズ１とレーザダイオード素子２とを、一つのケーシング３１内に容易に収納することが可能となり、レーザ光源３０を従来より小型化できる。一方、図１２（ｂ）の従来例のように複数のレンズ３３ａ，３３ｂ，３３ｃを組み合わせてレーザ光を整形する場合、レンズ系が大きいために、レーザダイオード素子２と共に一つのパッケージに収納するのは難しく、レンズ系はレーザ光源３５とは別に設けられていた。図１２（ｂ）において、３４はレンズ３３ａ〜３３ｃを収納するケーシングである。
【００３５】
なお、上述した実施の形態では、撥水成膜として化学吸着単分子膜２０７を用いたが、撥水性の材料であればこれに限らず用いることができる。また、ＵＶ硬化性材料２０９を硬化させて母型としたが、例えば、熱硬化性の液状部材を用いてもかまわない。
【００３６】
また、図３（ｃ）のマスク２０４に、複数の開口パターン２０４ａを２次元的に配するように形成しても良い。その場合、Ｓｉ基板２０１上には複数の穴Ｐが形成され、それぞれの穴ＰにＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させることで、非球面レンズの母型がアレイ状に複数形成される。その結果、図１３（ａ）に示すような、非球面レンズの型（凹面３１１ａ、凸面３１２ａ）がアレイ状に配列された金型３１１，３１２を形成することができる。
【００３７】
図１３（ａ）は、金型３１１，３１２を用いたマイクロレンズアレイの成形工程を示す図である。金型３１１，３１２を所定間隔で配置し、その間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、図１３（ｂ）に示すようなマイクロレンズ３２０を形成することができる。金型３１１は入射面側の金型であり、レンズ面を形成するための凹面３１１ａが複数形成されている。一方、出射面側の金型３１２には、レンズ面を形成するための凸面３１２ａが複数形成されている。
【００３８】
図１３（ｂ）に示すマイクロレンズアレイ３２０を破線で示すように分割することにより、個別のマイクロレンズが得られる。そのため、多数のマイクロレンズを容易に得ることができる。なお、レーザダイオードがアレイ状に設けられている装置の場合には、マイクロレンズアレイ３２０を分割することなく、そのまま用いることも可能である。
【００３９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、化学吸着単分子膜２０７は撥水性膜を、ＵＶ硬化性材料２０９は液状部材を、ケーシング３１は筐体をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による金型で形成されたレーザダイオード用マイクロレンズ１を示す斜視図である。
【図２】マイクロレンズ１のレンズ機能を説明する概念図である。
【図３】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第１の工程を、（ｂ）は第２の工程を、（ｃ）は第３の工程をそれぞれ示す。
【図４】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第４の工程を、（ｂ）は第５の工程を、（ｃ）は第６の工程をそれぞれ示す。
【図５】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第７の工程を、（ｂ）は第８の工程を、（ｃ）は第９の工程をそれぞれ示す。
【図６】（ａ），（ｂ）は金型製造の第１０，第１１の工程を示す図であり、（ｃ），（ｄ）はレンズ整形工程を示す図である。
【図７】化学吸着単分子膜２０７の形成過程を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に形成される。
【図８】光線シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）はｘ方向から見た図であり、（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。
【図９】ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係の、計算結果を示す図である。
【図１０】硬化したＵＶ硬化性材料２０９の表面の、曲率半径の実測値を示す図である。
【図１１】ディスペンサーの空気加圧時間とＵＶ硬化剤の滴下量との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）は本発明によるマイクロレンズを用いたレーザ光源の一例を示す図であり、（ｂ）は複数のレンズを有する従来のレーザ光源を示す図である。
【図１３】（ａ）は金型３１１，３１２を用いたマイクロレンズアレイの成形工程を示す図であり、（ｂ）はマイクロレンズアレイ３２０の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，２１３：マイクロレンズ、２：レーザダイオード、３０，３５：レーザ光源、３１，３４：ケーシング、１０１：入射面、１０２：出射面、２０２：ＳｉＯ２層、２０７：化学吸着単分子膜、２０９：ＵＶ硬化性材料、２１０：母型、２１１，２１２，３１１，３１２：金型、３２０：マイクロレンズアレイ、Ｐ：穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの整形等に用いられるマイクロレンズを形成するための非球面マイクロレンズ用金型の製造方法、その金型によるマイクロレンズ製造方法、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズを備えたレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードから出射されるレーザビームは、ダイオードチップに垂直な方向と水平な方向とで発散角が異なり、楕円形状の断面を有する発散光となっている。そのため、レーザダイオードから出射されたレーザビームを光ファイバに入射させるためには、複数の非球面レンズから成る光学系を用いて、レーザビームを円形断面のコリメート光に整形する必要があった。
【０００３】
従来、そのような非球面レンズを製造する方法としては、精密機械加工により非球面レンズ面が形成された金型を用いて、成形加工によりレンズを作製する方法がある。また、ガラス基板にフォトレジストとガラスエッチングによりレンズ形状の凹部を形成し、その凹部にレンズ材料を充填する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２０１７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、精密機械加工で金型を形成する第１の方法では、複雑な非球面を加工するのが難しく、またコストの面で難点があった。また、エッチングにより型を形成する第２の方法では、レンズ面形状がエッチング速度により決まってくるため、面形状の制御性に劣り、エッチングの不均一性がそのままレンズ面の誤差へと影響し、高精度なレンズ面を形成するのが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明による非球面マイクロレンズ用金型の製造方法は、基板上に開口領域が形成された撥水性膜を形成する第１工程と、開口領域に、形成すべきレンズ面形状に応じた量の液状部材を滴下する第２工程と、液状部材を硬化させる第３工程と、第３工程により硬化した液状部材の表面形状を金属面に転写して、金型を形成する第４工程とを有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、基板は、表面を親水性としたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、撥水性膜を化学吸着単分子膜としたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
請求項５の発明によるマイクロレンズ製造方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズを形成することを特徴とする。
請求項６の発明によるマイクロレンズは、請求項５に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、第１工程では、撥水性膜に開口領域を複数形成し、第２工程では、複数の開口領域の各々に液状部材を滴下し、第３工程では、各開口領域内に滴下された液状部材を各々硬化させ、第４工程では、硬化した複数の液状部材の表面形状を金属面に転写するようにしたものである。
請求項８の発明による非球面マイクロレンズ用金型は、請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする。
請求項９の発明によるマイクロレンズ製造方法は、請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズが複数設けられたマイクロレンズアレイを形成することを特徴とする。
請求項１０の発明によるマイクロレンズアレイは、請求項９に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とする。
請求項１１の発明によるマイクロレンズは、第１の非球面レンズ面で形成された入射面と、第１の非球面レンズ面と異なる第２の非球面レンズ面で形成された出射面とを備え、楕円断面を有する発散光束を、円形断面を有する平行光束に変換することを特徴とする。
請求項１２の発明によるレーザ光源は、レーザダイオード素子と、レーザダイオード素子から出射されたレーザビームを整形する請求項６または１１に記載のマイクロレンズと、レーザダイオード素子およびマイクロレンズを収納する筐体とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、入射面および出射面が高精度な非球面レンズ面で形成されたマイクロレンズを得ることができ、レーザビーム用光学系やレーザ光源の小型化および低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による金型で形成されたレーザダイオード用マイクロレンズを示す斜視図である。柱状のマイクロレンズ１の一方の端面にはレーザ光の入射面１０１が形成され、他方の端面には出射面１０２が形成されている。入射面１０１は非球面凸レンズ面となっており、ｙ軸方向の曲率半径はｘ軸方向の曲率半径よりも大きく設定されている。出射面１０２は非球面凹レンズ面となっており、ｙ軸方向の曲率半径に比べてｘ軸の曲率半径は非常に大きく、ほぼ、シリンドリカルな凹面となっている。なお、入射面１０１および出射面１０２の曲率半径は、レーザダイオードの出射光の状態に応じて設定される。
【０００９】
図２は、レーザダイオード２から出射されたレーザ光に対する、マイクロレンズ１のレンズ機能を説明する概念図である。レーザダイオード２から出射されるレーザ光束は、垂直方向（ｙ軸方向）の発散角と水平方向（ｘ軸方向）の発散角とが異なっており、発散光の断面形状は楕円になっている。一般的に、ｘ軸方向の発散角は１０〜１５deg程度であり、ｙ軸方向の発散角は３０〜４０deg程度である。図２に示す例では、ｙ軸方向の発散角の方がｘ軸方向の発散角よりも大きくなっている。
【００１０】
上述したように、入射面１０１の曲率半径はｘ軸方向とｙ軸方向とで異なっており、レーザビームに対するレンズ効果が異なっている。すなわち、ｘ軸方向に関しては発散光を平行光に変える作用を及ぼし、ｙ軸方向に関しては発散光を収束光に変える作用を及ぼす。そのため、入射面１０１を通過した後のレーザビームの断面は、ｘ軸方向の短径に関しては大きさが変化せず、ｙ軸方向の長径に関してはｚ軸方向に進行するにつれて大きさが小さくなる。そして、ビーム断面の長径と短径の大きさが等しくなる位置に、出射面１０２が形成されている。
【００１１】
出射面１０２は、レーザビームに対して、ｘ軸方向に関しては平行光の状態をそのまま維持するように作用し、ｙ軸方向に関しては収束光を平行光に変える作用をする。その結果、出射面１０２からは、断面形状が円形である平行光が出射されることになる。入射面１０１のｘ軸およびｙ軸方向の曲率半径を、要求されるビーム径に応じてそれぞれ設定することにより、所望のビーム径のレーザビームを得ることができる。
【００１２】
本実施の形態では、図１に示したような出射面１０１および入射面１０２を有するマイクロレンズ１を、型を用いた成形により形成するようにした。次に、レンズ成形に用いる金型の製造方法について図３〜６を用いて説明する。図３の（ａ）〜（ｃ）は工程１〜３を説明する図である。図３（ａ）の工程１では、熱酸化によりＳｉ基板２０１の表面にＳｉＯ２層２０２を形成する。図３（ｂ）の工程２では、ＳｉＯ２層２０２上に、フォトレジスト２０３を、後述するリフトオフ加工ができる程度の厚さに形成する。
【００１３】
図３（ｃ）の工程３では、楕円形状の開口パターン２０４ａが形成されたマスク２０４を用いて、フォトレジスト２０３を露光しパターンニングを行う。本実施の形態では開口パターン２０４ａの形状を楕円形状としたが、必ずしも楕円形状と限らず、所望の非球面レンズ形状に応じて設定されるものである。この開口パターン２０４ａの形状は、後述するように、光線シミュレーション結果に基づいて設定される。
【００１４】
図４の（ａ）〜（ｃ）は第４〜６の工程を説明する図である。図３（ｃ）の工程の後に、図４（ａ）の工程４でフォトレジスト２０３の現像処理を行うと、楕円形状のフォトレジストパターン２０３ａがＳｉＯ２層２０２上に残る。次いで、スパッタリングにより、基板上にアルミ膜２０５とＳｉＯ２膜２０６を順に形成する。ここで、フォトレジストパターン２０３ａは厚く形成されているため、フォトレジストパターン２０３ａ上に形成されたアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６と、ＳｉＯ２層２０２上に形成されたアルミ膜２０５とＳｉＯ２膜２０６とは、フォトレジストパターン２０３ａの段差によって途切れている。その結果、フォトレジストパターン２０３ａの側面が露出し、リフトオフ加工が可能となる。
【００１５】
さらに、図４（ｃ）に示す工程６では、ＳｉＯ２膜２０６上に化学吸着単分子膜２０７（ハッチング部分）を形成する。化学吸着単分子膜２０７は、フッ化炭素基と炭化水素基とアルコキシシリル基を主成分とする物質を用いて形成する。そのような物質としては、ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＡ）３，［ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２］２Ｓｉ（ＯＡ）２，あるいは［ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（ＣＨ２）２］３ＳｉＯＡ（ｎは整数、Ａはメチル基、エチル基、プロピル基等の短鎖アルキル基）があげられる。具体的には、ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）１５Ｓｉ（ＯＣＨ３）３などがある。これらの物質を用いた場合、ＳｉＯ２膜２０６をその蒸気に曝すだけで、ＳｉＯ２膜２０６上に化学吸着単分子膜２０７が形成されるので、非常に簡単な処理で撥水性領域を形成することができる。
【００１６】
図７は化学吸着単分子膜の形成過程を示したものであり、図７（ａ）に示すように、基板のＳｉＯ２膜２０６には、大気中の水蒸気と反応してできたＯＨ基が形成されている。符号３００で示したものがアルコキシラン系のフッ化炭素化合物の分子である。この分子はＳｉ（ＯＣＨ３）３基を有しており、そのＯＣＨ３とＳｉＯ２膜２０６表面のＯＨ基とが反応してＣＨ３ＯＨが生成されるとともに、この分子のＳｉとＳｉＯ２膜２０６の表面に並んだＯとが共有結合して、単分子膜２０７が形成されることになる（図７（ｃ）参照）。この化学吸着単分子膜２０７は優れた撥水性を有している。
【００１７】
なお、アルコキシラン系のフッ化炭素化合物の例を示したが、他に、クロロシラン系のフッ化炭素化合物でも同様に可能である。例えば、ＣＦ３（ＣＦ２）ｎ（Ｒ）ｍＳｉＸｐＣｌ３−ｐ（ただし、ｎは０または整数、好ましくは１〜２２の整数、Ｒはアルキル基、フェニル基、ビニル基、エチニル基、シリコン若しくは酸素原子を含む置換基、ｍは０または１、Ｘはアルキル基、アルコキシル基、含フッ素アルキル基または含フッ素アルコキシ基の置換基、ｐは０，１または２）があげられる。具体的には、ＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３、ＣＦ３（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＣＨ３）２（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３などがある。
【００１８】
図５（ａ）に示す工程７では、剥離剤によりフォトレジストパターン２０３ａを除去することにより、その上のアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６も同時にリフトオフ除去される。その結果、基板上のアルミ膜２０５およびＳｉＯ２膜２０６には楕円形状の穴Ｐが形成され、ＳｉＯ２層２０２が穴Ｐの底面として露出することになる。上述したように、ＳｉＯ２膜２０６の表面には撥水性の化学吸着単分子膜２０７が形成されているが、楕円形状の穴Ｐの底面であるＳｉＯ２層２０２は親水性を有している。
【００１９】
なお、アルミ膜２０５は、親水性領域と撥水性領域とを視認し易くするために設けたものであり、アルミ膜でなくてもかまわない。フォトレジストパターン２０３ａを除去した際に、その部分のアルミ膜２０５も一緒に除去されるため、アルミ膜２０５の有無によって、親水性領域と撥水性領域とが視認し易くなる。
【００２０】
図５（ｂ）に示す工程８では、楕円形状の親水性領域である穴ＰにＵＶ硬化性材料２０９を滴下する。ＵＶ硬化性材料２０９としては、エポキシ系材料等が用いられる。ＵＶ硬化性材料２０９の滴下は、滴下量が正確に制御できるディスペンサー２０８を用いて行った。穴Ｐ内に滴下されたＵＶ硬化性材料２０９は、周囲が撥水領域に囲まれているため、表面張力により凸形状に盛り上がり、後述するように、その表面形状は非球面レンズ形状となっている。その後、図５（ｃ）の工程９においてＵＶ硬化性材料２０９に紫外線を照射し、ＵＶ硬化性材料２０９を硬化させることにより非球面レンズの母型が形成される。
【００２１】
図６（ａ）の工程１０では、工程９で形成された母型２１０を用いて、電鋳により成形用金型を作製する。ここでは、低ストレスな電着層２１１が得られるように銅メッキによる電鋳を行い、母型２１０の表面に銅の厚メッキを施す。形成された電着層２１１を母型２１０から剥離すると、硬化したＵＶ硬化性材料２０９（図５（ｃ）参照）の表面形状と全く逆の面形状（凹面）が電着層２１１に転写されている。
【００２２】
図６（ｂ）は、剥離後の電着層、すなわち金型２１１を示したものであり、母型２１０の表面形状と逆の面２１１ａが形成されている。ここでは説明を省略するが、マイクロレンズ１の出射面１０２に関しても入射面と同様にして金型が形成される。ただし、出射面１０２は凹面となっているのでＵＶ硬化性材料で形成された凸面から凹面の型を形成し、さらに、その凹面の型から、図６（ｃ）に示すような最終的な金型２１２を形成する。金型２１２には、出射面１０２（図１参照）の形状と全く逆の形状を有する凸面２１２ａが形成されている。
【００２３】
図６（ｃ）はレンズ成形工程を示す図であり、入射面１０１に対応する面２１１ａと、出射面１０２に対応する面２１２ａとの距離ｄが所定の設計値となるように、所定間隔で金型２１１および２１２を配置する。そして、その隙間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、図６（ｄ）に示すようなマイクロレンズ２１３が形成される。なお、図６（ｄ）の破線で囲まれた部分が図１のマイクロレンズ１に相当し、凸面２１３ａが出射面１０１に、凹面２１３ｂが出射面１０２にそれぞれ対応している。
【００２４】
このようにして金型２１１，２１２が作製されるが、所望の非球面レンズを得るためには、ＵＶ硬化性材料２０９が滴下される親水性領域（穴Ｐ）の形状と、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量とを適切な値に制御する必要がある。まず、レーザダイオード２から出射されるレーザビームの発散角に応じて、マイクロレンズ１の入射面１０１および出射面１０２の面形状を光線シミュレーションによって設定する。
【００２５】
ここでは、レーザビームのｘ軸方向の発散角が１０degで、ｙ軸方向の発散角が４０degの場合について説明するが、これとは異なる発散角を有する場合も同様の取り扱いとなる。このレーザビームに対する光線シミュレーションの結果は、次のようになった。入射面１０１に関しては、ｘ軸方向の曲率半径は０．４２５mm、ｙ軸方向の曲率半径は０．９００mmとなった。一方、出射面１０２に関しては、ｘ軸方向の曲率半径は２００．０mm、ｙ軸方向の曲率半径は０．２２６mmとなった。また、入射面１０１と出射面１０２との距離は４．７５mmとなった。図８は光線シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）はｘ方向から見た図であり、（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。なお、入射面１０１とレーザ光出射点との間の距離は０．５mmとした。
【００２６】
通常、液滴を撥水性の面上に滴下すると、液滴は球を上下方向にやや押しつぶしたような形状となる。そのため、撥水面に液滴を滴下しただけでは所望の非球面レンズ面を得ることはできない。例えば、楕円レンズ面を得るためには、上述したように撥水領域で囲まれた領域の形状を楕円とする必要がある。本実施の形態では、光線シミュレーションで得られるレンズ面形状から、親水性領域（図５（ａ）の穴Ｐ）の形状を、長軸寸法＝１．３８mm、短軸寸法＝０．８２mmの楕円形状パターンに設定した。
【００２７】
図９は、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係の計算結果を示したものであり、縦軸は曲率半径、横軸はＵＶ硬化性材料２０９の滴下量である。親水性領域の寸法を上述したように設定すると、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量に応じて曲率半径が計算される。図９の曲線Ｌ１１は長軸方向（ｙ軸方向に対応）の曲率半径を表しており、曲線Ｌ１２は短軸方向（ｘ軸方向に対応）の曲率半径を表している。
【００２８】
いずれの場合にも、滴下量が増加するにつれて曲率半径が減少しており、曲率半径と滴下量とがほぼ反比例の関係にあることが確認された。上述したマイクロレンズ１では、入射面１０１のｙ軸方向（長軸方向）の曲率半径のシミュレーション結果は、０．９００mmである。そのため、図９の計算結果から得られる滴下量は、０．１５μｌ程度となる。
【００２９】
図１０は、実際にＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させ、そのときに得られた凸面形状の曲率半径の実測値を示したものである。親水性領域の寸法は、長軸寸法＝１．３８mm、短軸寸法＝０．８２mmとした。図１０では、実測値をＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係で示しており、データＤ１が長軸方向の曲率半径であり、データＤ２が短軸方向の曲率半径である。図９に示した計算値とほぼ一致する曲線が得られ、滴下量で非球面レンズの曲率半径を制御できることが分かる。なお、図１０は特定のＵＶ硬化性材料（ここでは、エポキシ系材料を用いた）を用いた場合の実測値であり、この値はＵＶ硬化性材料２０９の特性（粘度など）によって異なる。
【００３０】
図１１は、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下に用いたディスペンサーの空気加圧時間と、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量との関係を示す図である。図１１から、滴下量と空気加圧時間との関係は近似的にリニアに変化するとみなすことができる。図１０と図１１とから、ディスペンサーの空気加圧時間により、非球面レンズの曲率半径を制御できることが分かる。
【００３１】
入射面１０１の場合には、楕円パターンは長軸寸法＝１．３９８mm、短軸寸法＝０．８２mmで、空気加圧時間は０．６secであった。このとき、レンズ高さは０．３３mmとなり、ｙ軸方向の曲率半径は０．９０２mm、ｘ軸方向の曲率半径は０．４１９mmであった。この値は、シミュレーションから得られるｘ軸方向曲率半径＝０．９００mm、ｙ軸方向曲率半径＝０．４２５mmとほぼ等しい値になっている。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態では以下のような作用効果を奏することができる。
（１）図９，１０に示すように、ＵＶ硬化性材料２０９の滴下によって形成される凸部表面の曲率半径は、計算で求まる曲率半径に精度良く一致している。そのため、ディスペンサー等を用いてＵＶ硬化性材料２０９の滴下量を精度良く制御することにより、高精度な非球面レンズ面を容易に形成することができる。
（２）ＵＶ硬化性材料２０９の表面張力により形成される面が金型に転写されるため、金型に転写されたレンズ面は、従来のように機械加工やエッチングで形成された面に比べて、非常に滑らかな面となっており、高精度な非球面レンズ面を形成することができる。
【００３３】
（３）半導体基板をフォトリソグラフィー技術により撥水性領域で囲まれた所定形状のパターン（上述した例では、楕円形状パターン（穴Ｐ））を形成し、そのパターン内に所定量のＵＶ硬化性材料を滴下することで、高精度な非球面レンズ面を有する母型が形成できる。そして、その母型から形成される金型によりマイクロレンズを成形加工できるので、一対の非球面レンズ面を有するマイクロレンズを容易に形成することができる。その結果、レーザビーム整形用光学系を一つのマイクロレンズにまとめることができ、小型化を図ることができる。
【００３４】
上述した例では、レンズ厚みは４．７mmと薄く、一つのレンズでレーザ光を円形断面のコリメート光に整形できる。そのため、図１２（ａ）に示すように、マイクロレンズ１とレーザダイオード素子２とを、一つのケーシング３１内に容易に収納することが可能となり、レーザ光源３０を従来より小型化できる。一方、図１２（ｂ）の従来例のように複数のレンズ３３ａ，３３ｂ，３３ｃを組み合わせてレーザ光を整形する場合、レンズ系が大きいために、レーザダイオード素子２と共に一つのパッケージに収納するのは難しく、レンズ系はレーザ光源３５とは別に設けられていた。図１２（ｂ）において、３４はレンズ３３ａ〜３３ｃを収納するケーシングである。
【００３５】
なお、上述した実施の形態では、撥水成膜として化学吸着単分子膜２０７を用いたが、撥水性の材料であればこれに限らず用いることができる。また、ＵＶ硬化性材料２０９を硬化させて母型としたが、例えば、熱硬化性の液状部材を用いてもかまわない。
【００３６】
また、図３（ｃ）のマスク２０４に、複数の開口パターン２０４ａを２次元的に配するように形成しても良い。その場合、Ｓｉ基板２０１上には複数の穴Ｐが形成され、それぞれの穴ＰにＵＶ硬化性材料２０９を滴下して硬化させることで、非球面レンズの母型がアレイ状に複数形成される。その結果、図１３（ａ）に示すような、非球面レンズの型（凹面３１１ａ、凸面３１２ａ）がアレイ状に配列された金型３１１，３１２を形成することができる。
【００３７】
図１３（ａ）は、金型３１１，３１２を用いたマイクロレンズアレイの成形工程を示す図である。金型３１１，３１２を所定間隔で配置し、その間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、図１３（ｂ）に示すようなマイクロレンズ３２０を形成することができる。金型３１１は入射面側の金型であり、レンズ面を形成するための凹面３１１ａが複数形成されている。一方、出射面側の金型３１２には、レンズ面を形成するための凸面３１２ａが複数形成されている。
【００３８】
図１３（ｂ）に示すマイクロレンズアレイ３２０を破線で示すように分割することにより、個別のマイクロレンズが得られる。そのため、多数のマイクロレンズを容易に得ることができる。なお、レーザダイオードがアレイ状に設けられている装置の場合には、マイクロレンズアレイ３２０を分割することなく、そのまま用いることも可能である。
【００３９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、化学吸着単分子膜２０７は撥水性膜を、ＵＶ硬化性材料２０９は液状部材を、ケーシング３１は筐体をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による金型で形成されたレーザダイオード用マイクロレンズ１を示す斜視図である。
【図２】マイクロレンズ１のレンズ機能を説明する概念図である。
【図３】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第１の工程を、（ｂ）は第２の工程を、（ｃ）は第３の工程をそれぞれ示す。
【図４】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第４の工程を、（ｂ）は第５の工程を、（ｃ）は第６の工程をそれぞれ示す。
【図５】金型の製造工程を説明する図であり、（ａ）は第７の工程を、（ｂ）は第８の工程を、（ｃ）は第９の工程をそれぞれ示す。
【図６】（ａ），（ｂ）は金型製造の第１０，第１１の工程を示す図であり、（ｃ），（ｄ）はレンズ整形工程を示す図である。
【図７】化学吸着単分子膜２０７の形成過程を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に形成される。
【図８】光線シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）はｘ方向から見た図であり、（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。
【図９】ＵＶ硬化性材料２０９の滴下量と曲率半径との関係の、計算結果を示す図である。
【図１０】硬化したＵＶ硬化性材料２０９の表面の、曲率半径の実測値を示す図である。
【図１１】ディスペンサーの空気加圧時間とＵＶ硬化剤の滴下量との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）は本発明によるマイクロレンズを用いたレーザ光源の一例を示す図であり、（ｂ）は複数のレンズを有する従来のレーザ光源を示す図である。
【図１３】（ａ）は金型３１１，３１２を用いたマイクロレンズアレイの成形工程を示す図であり、（ｂ）はマイクロレンズアレイ３２０の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，２１３：マイクロレンズ、２：レーザダイオード、３０，３５：レーザ光源、３１，３４：ケーシング、１０１：入射面、１０２：出射面、２０２：ＳｉＯ２層、２０７：化学吸着単分子膜、２０９：ＵＶ硬化性材料、２１０：母型、２１１，２１２，３１１，３１２：金型、３２０：マイクロレンズアレイ、Ｐ：穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に開口領域が形成された撥水性膜を形成する第１工程と、
前記開口領域に、形成すべきレンズ面形状に応じた量の液状部材を滴下する第２工程と、
前記液状部材を硬化させる第３工程と、
前記第３工程により硬化した液状部材の表面形状を金属面に転写して、金型を形成する第４工程とを有することを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記基板は、表面が親水性であることを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記撥水性膜が、化学吸着単分子膜であることを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された前記第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面である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製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記第１工程では、前記撥水性膜に開口領域を複数形成し、
前記第２工程では、前記複数の開口領域の各々に前記液状部材を滴下し、
前記第３工程では、前記各開口領域内に滴下された液状部材を各々硬化させ、
前記第４工程では、硬化した複数の液状部材の表面形状を金属面に転写することを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
【請求項９】
請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された前記第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズが複数設けられたマイクロレンズアレイを形成することを特徴とするマイクロレンズ製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１１】
第１の非球面レンズ面で形成された入射面と、
前記第１の非球面レンズ面と異なる第２の非球面レンズ面で形成された出射面とを備え、
楕円断面を有する発散光束を、円形断面を有する平行光束に変換することを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項１２】
レーザダイオード素子と、
前記レーザダイオード素子から出射されたレーザビームを整形する請求項６または１１に記載のマイクロレンズと、
前記レーザダイオード素子および前記マイクロレンズを一体で収納する筐体とを備えたことを特徴とするレーザ光源。
【請求項１】
基板上に開口領域が形成された撥水性膜を形成する第１工程と、
前記開口領域に、形成すべきレンズ面形状に応じた量の液状部材を滴下する第２工程と、
前記液状部材を硬化させる第３工程と、
前記第３工程により硬化した液状部材の表面形状を金属面に転写して、金型を形成する第４工程とを有することを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記基板は、表面が親水性であることを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記撥水性膜が、化学吸着単分子膜であることを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された前記第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面である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製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法において、
前記第１工程では、前記撥水性膜に開口領域を複数形成し、
前記第２工程では、前記複数の開口領域の各々に前記液状部材を滴下し、
前記第３工程では、前記各開口領域内に滴下された液状部材を各々硬化させ、
前記第４工程では、硬化した複数の液状部材の表面形状を金属面に転写することを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法により形成されたことを特徴とする非球面マイクロレンズ用金型。
【請求項９】
請求項７に記載の非球面マイクロレンズ用金型の製造方法で形成された第１および第２の金型を所定間隔で配置し、配置された前記第１および第２の金型の間にレンズ材料を充填して硬化させることにより、入射面と出射面とがいずれも非球面レンズ面であるマイクロレンズが複数設けられたマイクロレンズアレイを形成することを特徴とするマイクロレンズ製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロレンズ製造方法で形成されたことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１１】
第１の非球面レンズ面で形成された入射面と、
前記第１の非球面レンズ面と異なる第２の非球面レンズ面で形成された出射面とを備え、
楕円断面を有する発散光束を、円形断面を有する平行光束に変換することを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項１２】
レーザダイオード素子と、
前記レーザダイオード素子から出射されたレーザビームを整形する請求項６または１１に記載のマイクロレンズと、
前記レーザダイオード素子および前記マイクロレンズを一体で収納する筐体とを備えたことを特徴とするレーザ光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−１５６０２１（Ｐ２００７−１５６０２１Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４９７０８（Ｐ２００５−３４９７０８）
【出願日】平成１７年１２月２日（２００５．１２．２）
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２日（２００５．１２．２）
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【Ｆターム（参考）】
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