扩散元件、照明模块和非球面透镜的加工方法与流程

本发明涉及非球面透镜的加工方法。此外，本发明涉及扩散元件和使用其的照明模块。

背景技术：

扩散元件被用于各种光学装置。作为一例，可列举出照明装置、用于进行三维测量的测量装置。

在这种光学装置中，存在使用近红外光、紫外光等肉眼观察不到的光的装置。可列举出例如在智能手机等中用于面部识别、照相装置的对焦的遥感装置、与游戏机等连接而用于捕捉用户行动的遥感装置、在车辆等中用于感知周围物体的lidar(lightdetectingandranging，光检测与距离修正)装置等。此外，可列举出：出于植物的培育、除菌的目的而照射紫外光、蓝紫光、蓝色光等高能量光的照明装置等。

近年来，对于这种光学装置而言，要求以与入射光的前进方向相比明显不同的出射角来照射光。作为一例，对于智能手机等中的照相装置的对焦用途、设置在室内外的近红外监控照相机中的感知周围物体的测量装置、vr(virtualreality，虚拟现实)的头戴式耳机中的检测障碍物或手指等周围物体的用途等所使用的照明装置、测量装置而言，根据照相装置的视场角、人类的视角，期望对扩散角(全角)为30°以上、50°以上那样的广角范围进行光照射。

若利用透镜的折射作用，则能够将入射光扩展至某种范围来进行照射。进而，通过使用透镜阵列，能够使入射光束内的光量分布均匀化并出射。

非专利文献1中，作为利用了微透镜阵列的扩散元件的一例，记载了相对于波长为633nm的激光光源而实现了100°以上的发散角的扩散元件的例子。非专利文献1中，通过在玻璃基板上以均匀的厚度层叠有光致抗蚀剂(感光性聚合物)，然后一边使激光光束的强度在扫描中发生调制一边利用小的聚焦光束对每个点的该抗蚀剂进行曝光，由此变更对于光致抗蚀剂的曝光度。其结果，能够获得具有存在深度且连续的凹凸结构的表面。需要说明的是，专利文献1记载了用于制造这种扩散元件的激光标注系统的一例。

此外，专利文献2记载了一种扩散元件的例子，其中，实施例的扩散角为10°左右，但具有无间隙地配置有抛物面形状的微透镜的微透镜阵列。

此外，专利文献3中，作为无机材料的扩散板及其制造方法的一例，记载了：利用灰度掩模对层叠在透明基板上的抗蚀剂进行曝光，其后进行显影，并利用干式蚀刻将该抗蚀剂的图案转印至透明基板表面的方法。

此外，专利文献4中，作为非球面的微透镜的透镜曲面的制作方法的一例，记载了将各向同性蚀刻与各向异性蚀刻组合而成的方法。该文献所记载的方法中，对隔着抗蚀剂和掩膜的基板实施图案化而开通初始孔，其后，隔着抗蚀剂对掩膜实施各向同性蚀刻处理而拓宽掩膜的开口部。其后，在去除抗蚀剂的基础上，隔着拓宽开口部后的掩膜对基板实施各向异性蚀刻处理，开通插入孔。其后，对于设置有插入孔的基板实施各向同性蚀刻，形成凹部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6410213号说明书

专利文献2：日本特表2006-500621号公报

专利文献3：日本特开2017-83815号公报

专利文献4：日本特开2007-171858号公报

非专利文献

非专利文献1：michaelmorrisetal.,“engineereddiffusersfordisplayandilluminationsystems:design,fabrivation,andapplications”

技术实现要素：

发明要解决的问题

其课题在于，在想要利用耐热性、包括紫外线在内的高能量光耐性(即耐紫外光性、耐蓝紫光性、耐蓝色光性)高的玻璃实现广角(例如以全角计为30％以上)的光照射的情况下，由于加工困难性而难以实现，或者，由于加工精度低而无法获得期望的光学特性(尤其是照射平面中的光强度均匀性)。

使用透镜面的形状为球面的球面透镜来制作扩散角(全角)为30°以上的广角扩散元件时，出射光束的光量分布呈现中心强且周围弱的不均匀的光量分布(参照图19的(a))。另一方面，使用透镜面的形状为抛物面等非球面的非球面透镜来制作相同的广角扩散元件时，能够使出射光束的光量分布均匀(参照图19的(b))。

需要说明的是，如果使用微透镜阵列，则能够利用阵列结构而实现入射光束内的光量均匀化，但各个透镜的出射光束的光量分布产生不均匀时，各透镜的出射光束的重合、即来自元件的出射光束的光量分布也产生不均匀。在照射范围为广角的情况下会更显著地显现出该问题。

像这样，考虑到能够在广角范围内均匀照射的扩散元件时，各个透镜形状优选为非球面。但是，通常随着出射角的广角化，边界部分(最外周部)的倾斜成为锐角且凹量也增加。作为一例，若考虑扩散角达到30°以上的非球面透镜，则至少需要20μm以上的凹量。

需要说明的是，如果使用干式蚀刻则能够实现各向异性蚀刻，因此，能够将基材表面加工成非球面形状。作为加工方法，可列举出：在使用前述灰度掩膜而形成光致抗蚀剂的非球面透镜阵列后，进行干式蚀刻的方法；在使用模具进行树脂压印后，进行干式蚀刻的方法。

但是，干式蚀刻中，若透镜的凹量增加(例如5μm以上)、边界部分发生锐角化，则难以以良好的精度进行加工。作为一例，在利用干式蚀刻来加工凹量大的透镜形状的情况下，存在必须为锐角的边界部分被磨削而发生钝角化的问题(参照图20)。这是因为：在透镜阵列的边界的锐角部分，基于蚀刻气体的加工速率局部变大。图20的(a)表示期望的非球面形状，图20的(b)表示加工后的非球面透镜的形状。需要说明的是，此时，透镜阵列的材料为石英玻璃。此外，图20的(b)为凹透镜阵列，但在凸透镜阵列的情况下，蚀刻气体的加工达不到透镜阵列的边界的锐角部，因此，加工速率局部变小。在任意情况下，干式蚀刻均难以以良好的精度对锐角的边界部分(参照图20的(b)的α)进行加工。

另一方面，在湿式蚀刻中，蚀刻会各向同性地进行，因此，仅直接实施蚀刻时，仅能够加工球面透镜。

出于这种加工的困难性，在制作各个透镜的凹量达到20μm以上那样的微透镜阵列的情况下，大多采取使用模具的方法、将折射微透镜转换成等效衍射微透镜等方法等(例如参照专利文献2)。

需要说明的是，根据非专利文献1的记载，若使用激光的标注系统，则即使是各个透镜的凹量达到20μm以上那样的非球面的微透镜阵列，也能够高精度地进行制作。但是，专利文献1等中记载的激光的标注系统仅能够应用于在玻璃基板上形成树脂性凹凸结构的pog(polymeronglass)构成的扩散元件，无法在玻璃基板上直接加工出微透镜阵列。需要说明的是，专利文献2也未公开对玻璃基板直接进行加工的方法等，可认为其仍然是以pog构成作为前提。

在pog构成的情况下，根据使用环境的不同，耐热性、包括紫外线在内的高能量光的耐性成为问题。

例如，随着对于光学装置的小型化、薄型化的要求，有时要求光学装置所包含的照明模块的薄型化。可以认为：若照明模块推进薄型化，则光源与在照明模块内使来自该光源的光扩散的扩散元件之间的距离变近，扩散元件的周围环境成为高温。此外也可以认为：无论光源与扩散元件的距离如何，随着光源的高输出化，扩散元件的周围环境均会成为高温。此外还可以认为：不限定于运作时的周围环境，在通过回流焊等将使扩散元件与光源一体化而得的模块安装于电子基板的情况等下，在装置的安装过程中，扩散元件的周围环境成为高温。

此外，在这种照明模块搭载于汽车的情况下，要求非常严苛的耐环境性能。例如，作为高温试验可列举出150℃、1000小时，作为高温高湿试验可列举出85℃、85％rh、1000小时，作为热循环试验可列举出-55℃～125℃、500个循环等。此时，对于透镜而言，不仅要求耐热性，还要求低吸湿性、与照明模块材料的热膨胀率大致相等。

进而，所使用的光不限定于近红外光/可见光。例如，使用紫外光、蓝紫光、蓝色光时，还需要考虑与这些高能量光的照射相伴的光学部件的劣化所导致的光学特性的劣化。

一般而言，树脂材料与玻璃材料相比耐热性和高能量光耐性差，此外，吸湿性也大。一般的pog构成的扩散元件的耐热温度(maximumtemperature)为120℃左右，但如果是作为热膨胀率小的材料而已知的硼硅酸玻璃等，则耐热温度也达到200℃以上。此时的耐热温度是指常用使用温度。因此，在有可能放置于这种周围环境中的情况下，优选不使用树脂材料而是仅由耐热性、高能量光耐性高的玻璃材料构成元件。

但是，若想要对于玻璃基板的表面直接加工出非球面且凹量深的微透镜阵列，则存在以下那样的问题。即，玻璃基板的干式蚀刻速率非常慢且不是晶体，因而存在无法利用晶体各向异性蚀刻的问题。

例如，专利文献3记载了通过利用灰度掩膜而将玻璃基板的表面加工成除球面之外的透镜形状的方法，但与扩散元件的扩散角(全角)相当的半峰全宽(fwhm：fullwidthathalfmaximum)最大仅为10°。考虑这是因为：在透镜阵列的边界的锐角部分，基于蚀刻气体的加工速率局部变大。此外，若想要获得大的扩散角，则透镜的深度变深，因此，干式蚀刻工序中的加工时间变长，从生产率的观点出发不优选。

需要说明的是，根据专利文献4中记载的方法，虽然工序数量增加，但能够将玻璃基板的表面加工成非球面的透镜形状。但是，专利文献4中记载的方法利用了各向异性蚀刻，存在材料被限定为石英等的问题。

进而，为了将通过干式蚀刻工序而形成的阶梯状的形状制成平滑的非球面形状，需要增大湿式蚀刻的加工量，其结果，存在扩散角变小的问题。

此外，石英的湿式蚀刻工序中的加工速率与硼硅酸玻璃、无铅玻璃相比非常小，因此，从生产率的观点出发并不优选。

本发明鉴于这种课题，其目的在于，提供能够在玻璃基板的表面直接以良好的精度加工成可广角(例如扩散角(全角)为30°以上)照射的非球面透镜的非球面透镜加工方法。此外，本发明的目的在于，以高精度且高生产率提供能够进行广角照射且耐热性、紫外光耐性优异的扩散元件及具备这种扩散元件的照明模块。

用于解决问题的方案

基于本发明的非球面透镜的加工方法的特征在于，其具备：对玻璃基板实施前处理的前处理工序、以及对实施了前述前处理的前述玻璃基板实施湿式蚀刻的蚀刻工序，前述前处理工序包括：对前述玻璃基板的某个位置照射脉冲激光而使前述玻璃基板内部的部分区域发生改性，至少在照射了前述脉冲激光的位置处沿着厚度方向发生密度分布的工序；或者，利用化学方法或物理方法，在前述玻璃基板的表面形成规定的楔形凹部的工序。

此外，基于本发明的扩散元件的特征在于，其具备：玻璃基板；以及在前述玻璃基板的一个表面直接加工而成的多个凹型的非球面透镜，前述非球面透镜在前述玻璃基板的表面的至少有效区域无间隙地配置，前述非球面透镜的最大尺寸为250μm以下，从加工有透镜的面相对于前述有效区域入射平行光时的出射光束的扩张角、即扩散角以全角计为30°以上。

此外，基于本发明的照明模块具备：光源；安装前述光源的安装基板；以及前述光源的上方所具备的具有扩散功能的窗部件，前述窗部件具有基于本发明的扩散元件。

发明的效果

根据本发明，可提供能够以良好的精度在玻璃基板的表面直接加工能够广角扩散的非球面透镜的非球面透镜加工方法。此外，根据本发明，能够以高精度且高生产率提供能够进行广角照射且耐热性、紫外光耐性优异的扩散元件及具备这种扩散元件的照明模块。

附图说明

图1是示出第一实施方式所述的非球面透镜的加工方法的例子的说明图。

图2是蚀刻工序后得到的非球面透镜2的截面图和俯视图。

图3是示出蚀刻过程中的工艺依赖性的说明图。

图4是示出蚀刻过程中的工艺依赖性的说明图。

图5是示出具备通过第一实施方式的加工方法得到的多个非球面透镜2的扩散元件10的例子a-2～a-6中的光分布特性的测定结果的图。

图6是示出具备通过第一实施方式的加工方法得到的多个非球面透镜2的扩散元件10的例子b-1～b-6中的光分布特性的测定结果的图。

图7的(a)是示出表1所示的各例中的激光焦点位置lf与扩散角和中心强度的关系的图。图7的(b)是示出表2所示的各例中的激光焦点位置lf与扩散角和中心强度的关系的图。

图8是示出通过第一实施方式的加工方法得到的非球面透镜2的截面形状的图。

图9是示出使用了通过第一实施方式的加工方法得到的扩散元件10的照明模块100的例子的构成图。

图10是示出第二实施方式的设计思想的概略的说明图。

图11是示出第二实施方式所述的非球面透镜的加工方法的例子的说明图。

图12的(a)是示出利用了喷砂加工的楔形加工工序中的加工结果的例子的图，图12的(b)是示出在利用了喷砂加工的楔形加工工序后进行湿式蚀刻而得到的非球面透镜2的截面形状的图。

图13是示出通过在利用了喷砂加工的楔形加工工序后进行湿式蚀刻而得到的扩散元件10进行照射的光的某个照射平面的光强度分布的图。

图14是例1-1的扩散元件10的俯视图。

图15是例1-1的基于激光显微镜的观察图像。

图16是示出通过针对例1-5、例1-23的光线追踪模拟而算出的光强度分布的图。

图17是示出通过针对比较例1、比较例2的光线追踪模拟而算出的光强度分布的图。

图18是示出将例1-5的扩散元件10应用于照射模块100时的光分布模拟的计算结果的图。

图19是示出球面透镜与非球面透镜的出射光束的光量分布的例子的说明图。

图20是示出非球面透镜的形状精度的例子的说明图。

具体实施方式

实施方式1

以下，参照附图，针对本发明的实施方式的例子进行说明。图1是示出本实施方式所述的非球面透镜的加工方法的例子的说明图。该方法是为了制作例如扩散元件而使用的。

在图1所示的例子中，首先，对于想要加工成非球面透镜2的玻璃基板1照射高输出功率的脉冲激光3，使玻璃基板1内部的部分区域发生改性(图1的(a)：激光改性工序)。脉冲激光能够在短时间内使能量集中，因此，与连续振荡的激光相比能够获得高的峰输出。

在激光改性工序中，利用由激光照射出的强光所带来的电场，在玻璃基板1的介质中诱发高阶的非线性极化(多光子吸收、自聚焦、自相位调制等非线性光学效果)。下式(1)表示作为非线性光学效果的折射率η的光强度i[w/m²]依赖性。此处，η0表示线性折射率、γ表示非线性折射率、n表示非线性极化的阶数。此外，以下将光强度i的单位设为[w/m²]，更具体而言，用每单位面积的坡印廷矢量的时间平均值来提供。

[数学式1]

若强入射光入射至介质，则在介质中因入射光的电场而在线性极化的基础上还会诱发光与介质强烈相互作用的非线性极化。所诱发的非线性极化与电场的高阶项成比例。一般来说，在玻璃材料那样的各向同性介质中，偶数阶的项因中心对称性而消失，因此，玻璃材料的内因性存在的最低阶的项成为三阶的非线性极化。需要说明的是，由3阶的非线性极化导致的折射率变化也被称为光kerr效果。此处，式(1)的系数γ为正时，光束中心部分的光强度强，因此，折射率在中心部分变高，作为凸透镜而发挥作用。这种作用被称为自聚焦(self-focusing)。若激光束在介质中因自聚焦而缩小，则在该部分(高密度区域)处，强度进一步变高。若强度超过阈值则呈现损伤，但通过调整强度，能够使玻璃基板1内部的部分区域(例如图中的用虚线包围的区域(改性区域)11等)发生改性(密度变化或产生裂纹)。

发生密度变化的原理尚未严格明确，但针对反复实验而得的数据、尤其是在该工序后的湿式蚀刻工序中表现出的现象(即各向异性)进行分析而得的结果，可以认为：可能是在介质中的上述高密度区域内的多光子吸收过程中发生了密度分布。一般而言，折射率、吸收系数等光学常数在入射光的电场强度弱时可视作常数，但在如将脉冲激光3进行聚光的情况那样地光强度变高的情况下，依赖于光强度而发生变化。这种现象被称为非线性光学现象。通过利用非线性光学现象，即使是以往对于弱光为透明的物质，在光强度变高的区域中也能够局部地产生吸收。在发生光吸收的部位，由于因激发状态下的电子冲击而产生的高压等离子体等的影响，导致局部达到高温而超过玻璃化转变温度，其后(因脉冲光照射而)发生骤冷。可以认为：通过这种过程而在玻璃基板1内部产生密度分布。

本工序中，通过对玻璃基板1照射具备这种能够使玻璃基板1内部产生密度分布的强度和频率的激光，从而使玻璃基板1内部的部分区域发生改性。更具体而言，以激光强度在玻璃基板1的厚度方向的规定部分处达到规定阈值以上的方式，调整激光的功率和脉冲宽度并进行照射。激光的功率例如通过注入电力来调整即可，优选为5.0w以上。需要说明的是，由于需要在照射后进行骤冷，因此，脉冲宽度优选为20ps以下，更优选为10ps以下。此外，脉冲宽度的下限没有特别限定，可以为例如1ps以上。

若为了参考而进行例示，则根据simphotek公司公开的模拟软件(simphosoft(注册商标))的数据，在二氧化硅中能够获得自聚焦的最小功率pcr为1.836λ²/(4ηη0γ)、约3mw。如图1的(a)所示那样，本实施方式中，使用物镜31，由脉冲激光3制作高强度电场。以下，为了说明而有时将通过这种激光照射而产生了密度变化的区域称为改性区域11。

本加工方法中用作靶材的玻璃基板1需要对入射的脉冲激光3的波长具有高透光性。例如，厚度10mm时的内部透射率优选为99％以上、更优选为99.5％以上。这是因为：若使用在脉冲激光3的波长下吸收系数大的材料(例如0.00001以上)，则会发生与热吸收相伴的玻璃磨蚀过程，无法期待上述那样的改性效果。此外，针对非线性灵敏率没有特别限定，以具有对于加工后的透镜要求的特性(例如相对于使用波长的透光性、耐热性、高能量光耐性等)作为前提。激光3的波长没有特别限定，可列举出1026nm、1064nm和532nm等。

激光改性工序中，将这种脉冲激光3对准玻璃基板1面内的想要加工成非球面透镜的位置(xy平面上的位置)进行照射。例如，在使脉冲激光以与非球面透镜的光轴位置重合的方式进行对准的基础上，进行激光照射。需要说明的是，本实施方式中，从与想要形成非球面透镜的面f1相反一侧的面f2(对向面)侧照射这种脉冲激光3。

图1的(a)的气泡框示出想要加工的非球面透镜2的透镜面21与改性区域11的位置关系的示意图像。需要说明的是，该图像只不过是示意图，实际进行加工的非球面透镜2的透镜面21的形状根据玻璃基板1的材质的非线性灵敏率、激光的强度和焦点位置、以及后续的蚀刻工序中的蚀刻时间之类的复合要素来决定。

此时，激光的焦点位置(通过线性光学而算出的焦点位置)可以在与激光的入射面相对一侧的面f1的外侧。即，将玻璃基板1的厚度记作h，将激光的入射面(图中的f2)与通过线性光学算出的激光焦点位置之间的距离记作lf(以下简称为“激光焦点位置lf”)时，可以为lf>h。即使在这种情况下，根据实验的结果，也在玻璃基板1内观察到改性的效果(即湿式蚀刻的各向异性)。需要说明的是，进行激光照射的基板的朝向不限定于上述朝向，只要能够在与凹型的非球面透镜的凹部相当的区域内至少产生改性区域11即可。

激光改性工序中，只要仅以想要加工的非球面透镜2的数量，与玻璃基板1的面内的想要形成该非球面透镜2的位置对应地进行激光照射即可。此时，可以针对每个非球面透镜变更激光照射的剖面(profile)(例如激光焦点位置lf、照射时间(脉冲宽度、发射数)、功率)。

激光的照射位置可通过将玻璃基板1载置于可动基台并进行驱动来调整，但不限定于该方式。作为其它方式的例子，有调整激光光路的方法，也可以通过在光路中设置电流计镜和远心fθ透镜来实现。

在激光改性工序结束后，进行湿式蚀刻(图1的(b)～(c)：蚀刻工序)。在蚀刻工序中，可以耗费以呈现期望的非球面形状的方式预先确定的规定蚀刻时间来进行各向同性蚀刻处理。在蚀刻工序中，可以包括：根据想要加工成非球面透镜2的位置而形成带有具有开口的抗蚀剂图案的掩膜(抗蚀掩膜)的工序，但假设即使不形成这种掩膜，也能够获得良好的非球面形状。需要说明的是，掩膜除了具有上述那样的开口的掩膜之外，也可以形成覆盖有效区域外那样的掩膜等。

本实施方式的蚀刻工序中，进行各向同性的蚀刻处理，但通过事先的激光改性工序中的改性效果，蚀刻产生各向异性(具体为厚度方向的蚀刻量的增加)。其结果，能够将玻璃基板1表面加工成非球面形状。在图1的(d)中，同时示出在蚀刻工序后得到的非球面透镜2的例子和通过本加工方法得到的扩散元件10的例子。本例的扩散元件10在玻璃基板1的一个面内的至少有效区域内以无间隙的方式加工有多个非球面透镜2。

图2示出在蚀刻工序后实际在玻璃基板1表面上加工的非球面透镜2的截面图和俯视图。如图2所示那样，根据本实施方式的加工方法，能够在玻璃基板1的表面直接加工各种形状的非球面透镜2。

此外，图3和图4示出蚀刻过程中的工艺依赖性(尤其是对于激光焦点位置lf的蚀刻行为)。需要说明的是，图3示出了对于1mm厚的玻璃基板1，经由5倍的物镜31对非球面透镜2的形成位置照射1次脉冲宽度为10ps、频率为75khz、波长为1026nm、功率为5.25w的脉冲激光3而进行了激光改性的3个例子(例a-1～a-3)的相关蚀刻结果。需要说明的是，例a-1～a-3中，将与各非球面透镜对应的位置处的激光焦点位置lf分别设为+1.025、+1.050、+1.075mm。此外，图4示出了对于1mm厚的玻璃基板1，经由10倍的物镜31照射同样的脉冲激光而进行了激光改性的3个例子(例b-1～b-3)的相关蚀刻结果。需要说明的是，例b-1～b-3中，将与各非球面透镜对应的位置处的激光焦点位置lf分别设为+0.75、+0.76、+0.77mm。需要说明的是，任意例子均是以将扩散角(全角)达到70°附近那样的非球面透镜在x方向的间距px＝100μm、y方向的间距py＝80μm的条件下排列而成的扩散元件作为设计例。此外，作为玻璃基板1，使用了schott公司制的硼硅酸玻璃d263teco。需要说明的是，该玻璃材料的技术数据如下所示。

·面粗糙度：小于1nmrms

·光透射比tvd65(t＝1.1mm)：91.7％

·平均线性热膨胀系数：7.2×10^-6k^-1

·玻璃化转变温度tg：557℃

·介电常数εr(1mhz时)：6.7

·d射线折射率nd：1.5230

·密度ρ(40℃/h退火条件)：2.51g/cm³

需要说明的是，玻璃基板1所使用的玻璃材料不限定于上述硼硅酸玻璃，可以是例如具备耐热性的tempax、pyrex(注册商标)、b270i等无铅玻璃、石英等。

如图3所示那样，例如，在例a-1中，通过约300分钟的各向同性蚀刻而得到非球面透镜2。此外，在例a-2、a-3中，通过约240～300分钟的各向同性蚀刻而得到非球面透镜2。此外，如图4所示那样，在例b-1～b-3中，通过约240～300分钟的各向同性蚀刻而得到非球面透镜2。

并且，由图2～图4所示的例子也可知：在通过本实施方式的加工方法而得到的非球面透镜2的透镜面确认到在主视时形成同心圆状的多段波纹图案的细微高低差，但均是没有问题的水平。

以下，示出几个由通过本实施方式的加工方法而得到的非球面透镜实现的光分布特性的测定结果。

图5的(a)～(e)是示出具备通过上述加工方法而得到的多个非球面透镜2的扩散元件10的例a-2～例a-6中的光分布特性的测定结果的图。例a-2～例a-6分别是在经由5倍物镜照射脉冲激光而使其激光改性后进行蚀刻而得到的扩散元件10的例子。需要说明的是，例a-4～a-6中，将与各非球面透镜对应的位置处的激光焦点位置lf分别设为+1.100、+1.125、+1.150mm。需要说明的是，其它点与例b-1～b-3相同。需要说明的是，图5的(a)～(e)中，在规定的照射平面中，用实线表示x＝0的位置(中心)处的y轴方向剖视的光强度分布，用虚线表示y＝0的位置(中心)处的x轴方向剖视的光强度分布。

表1示出例a-2～例a-6的扩散角和照射面处的中心强度的测定结果。需要说明的是，此处的中心强度用规定的照射面处的光强度分布中的最强强度(max强度)来标准化。需要说明的是，表1中，在上述例a-2～a-6的基础上，还一并示出对同一部位照射2次与它们剖面相同的脉冲激光的例子、即例a-2’～a-6’的测定结果。需要说明的是，任意例子的蚀刻时间均设为300分钟。

[表1]

表1

此外，图6的(a)～(f)是示出具备通过上述加工方法而得到的多个非球面透镜2的扩散元件10的例b-1～b-6中的光分布特性的测定结果的图。需要说明的是，例b-1’～b-6’分别是在经由10倍的物镜对同一部位照射2次(2个脉冲量)脉冲激光而使其激光改性后进行蚀刻而得到的扩散元件10的例子。例b-1’～b-6’中，将与各非球面透镜对应的位置处的激光焦点位置lf分别设为+0.750、+0.760、+0.770、+0.780、+0.790、+0.800mm。需要说明的是，其它点与例b-1～b-3相同。需要说明的是，图6的(a)～(f)中，也是在规定的照射平面中，用实线示出规定的照射平面中的x＝0的位置(中心)处的y轴方向剖视的光强度分布，用虚线示出y＝0的位置(中心)处的x轴方向剖视的光强度分布。

表2示出例b-1’～例b-6’的扩散角和照射面处的中心强度的测定结果。需要说明的是，此处的中心强度用规定的照射面处的光强度分布中的最强强度(max强度)来标准化。需要说明的是，表2中，在上述例b-1’～b-6’的基础上，还一并示出仅照射1次与它们剖面相同的脉冲激光的例子、即例b-1～b-6的测定结果。需要说明的是，任意例子的蚀刻时间均设为180分钟。

[表2]

表2

此外，图7的(a)、(b)示出表1和表2所示的各例中的激光焦点位置lf与扩散角和中心强度的关系。图7的(a)是示出表1所示的各例中的激光焦点位置lf与扩散角和中心强度的关系的图。需要说明的是，在图7的(a)中，虚线是通过1次脉冲照射进行了激光改性的例a-2～a-6的测定结果，实线是通过2次脉冲照射进行了激光改性的例a-2’～a-6’的测定结果。如图7的(a)所示可知：存在激光焦点位置lf越大则扩散角越窄的倾向。此外可知：存在激光焦点位置lf越大则中心强度越高(即，图5的图中的中心的凹部变浅)的倾向。需要说明的是，观察不到在同一部位照射过脉冲的效果。

图7的(b)是示出表2所示的各例中的激光焦点位置lf与扩散角和中心强度的关系的图。需要说明的是，在图7的(b)中，虚线是通过1次脉冲照射进行了激光改性的例b-1～b-6的测定结果，实线是通过2次脉冲照射进行了激光改性的例b-1’～b-6’的测定结果。在图7的(b)所示的例子中，针对扩散角和中心强度，观察不到激光焦点位置lf依赖性。需要说明的是，本例中，作为对同一部位照射2次脉冲的效果，在中心强度方面观察到激光焦点位置lf的偏移性(与1次脉冲照射的情况相比，显示出更小值的激光焦点位置lf的特性的倾向)。

此外，作为由通过上述加工方法得到的多个非球面透镜2构成的微透镜阵列的特征，可列举出：与由实施干式蚀刻等各向异性蚀刻处理而得到的多个非球面透镜构成的微透镜阵列相比，边界部(参照图1的(d)的α)的锐角性得以维持这一点(参照图3、4、8等)。图8是示出通过上述加工方法得到的某一非球面透镜2的截面形状的图。例如，根据对于实际的玻璃基板进行的实验结果，在干式蚀刻的情况下，若设计时的边界部分的倾斜角(最大倾斜角)达到29.1°以上，则在实际加工后得到的透镜的边界部分观察到钝角化。另一方面，根据本加工方法，即使最大倾斜角为40～60°也能够高精度地加工。像这样，根据本加工方法，通过使用湿式蚀刻，也能够加工成最大倾斜角为30°以上的非球面透镜。需要说明的是，这些最大倾斜角对于例如透镜的最大尺寸为250μm以下的微透镜也是有效的数字。例如，在图8所示的例子中，对于各透镜的尺寸为100μm左右的微透镜阵列而言，能够实现68°的最大倾斜角。最大倾斜角没有特别限定，期望为70°以下。这是因为：若倾斜角超过70°，则难以设计微透镜阵列上的防反射膜。此外，微透镜阵列的非球面形状的制造公差也变得严格。此外，从湿式蚀刻的加工公差的观点出发，期望各透镜的尺寸为20μm以上。

此外，作为通过上述加工方法得到的非球面透镜2的其它特征，可列举出：与形成阶梯状的初始孔等后实施湿式蚀刻等各向同性蚀刻处理而得到的非球面透镜相比，无论是否在底部(参照图1的(d)的β)形成平坦部，该区域均小这一点(参照图3、图4等)。

由于具有这种特征，因此，如果利用本实施方式的加工方法，则还可获得能够向广范围(例如扩散角为30°以上)照射，且不是与周围的光强度相比中心强度突出变高那样的不均匀光量分布，而是中心强度相对受到抑制的扩散元件10。

此外，图9是示出使用通过本实施方式的加工方法而得到的扩散元件10得到的照明模块100的例子的构成图。根据本实施方式的加工方法，能够在玻璃基板1的表面的至少有效区域内直接以无间隙的方式加工出近似抛物面的形状且具有可实现30°以上的扩散角的曲率半径r的多个非球面透镜2。因此，如果应用于例如图9所示那样的照明模块100的窗部件，则能够制成耐热性优异的窗部件。如果窗部件具有高耐热性，则能够拉近例如光源5与作为窗部件的扩散元件10的距离，能够实现照明模块的薄型化。例如，即使是图示的构成且h1＝0.3mm、h2＝0.3mm、h3＝1mm左右，也能够实现。此外，通过使窗部件具有高耐热性，也可满足在供给端想要通过回流焊来组装照明模块100等要求。

作为一例，考虑具有3.5mm见方的vcsel(verticalcavitysurfaceemittinglaser)阵列作为光源5的照明模块100。在这种照明模块100中，作为扩散元件10，期望扩散角为30°以上、透镜阵列的间距为100μm左右以下(设想入射束径为1mm左右)且具有耐回流焊热性。需要说明的是，为了实现强度分布均匀化，扩散元件10的圆锥系数优选为-1左右。根据本实施方式的加工方法，能够容易且以高加工精度获得这种扩散元件10。需要说明的是，只要是通常的玻璃材料，就充分具备回流焊耐热性。

此时，扩散元件10可以是在玻璃基板1的表面直接以无间隙的方式加工有多个抛物面形状的非球面透镜2的构成。在该情况下，关于各个非球面透镜2的透镜形状，对下式(2)所示的式中k＝-1的形状进行拟合时，形状差异的rms(rootmeansquare)值更优选为0.1μm以下。以下，也将与该形状、即k＝-1的形状之间的形状差异的rms值为0.1μm以下的形状称为抛物面。此外，以下有时将与这种期望形状的非球面式之间的形状差异的rms值称为非球面透镜的面精度。

[数学式2]

式(2)中，z表示透镜的凹量，r表示自光轴起的矢径距离，r表示曲率半径，k表示圆锥系数。需要说明的是，式(2)相当于将一般的非球面式中的全部非球面高阶系数设为0时的式子。此时，圆锥系数k<-1时成为双曲面，k＝-1时成为抛物面，-1<k<0、k>0时成为椭圆面，k＝0时成为球面。抛物面形状为期望形状时，各个非球面透镜2的透镜形状成为式(2)中的圆锥系数为k＝-1那样的透镜形状即可。

需要说明的是，测定实际的透镜形状的结果，非球面系数不是0时，用式(2)所示的式子对透镜面的形状进行拟合。

进而，扩散元件10优选热膨胀系数与安装基板4、框材6没有明显差异，例如，优选在0～300℃下为(70±10)×10^-7[/k]左右。因此，选择在照明模块100的窗部件中应用的扩散元件10的玻璃基板1时，更优选在上述条件的基础上，热膨胀系数也处于上述范围的玻璃基板。此外，在照明模块100中，将具有凹透镜的透镜阵列的扩散元件10制成窗部件时，尤其是作为广角扩散板而发挥作用的情况下，更优选以透镜形成面(图1中的f1)朝下(即光入射侧)的方式进行安装。

实施方式2

接着，针对本发明的第二实施方式的例子进行说明。第一实施方式中，利用图3和图4而示出蚀刻过程的一部分，但蚀刻的结果可确认：尤其是获得近似抛物面的非球面透镜2时，在蚀刻过程中(例如，例a-1～a-3的蚀刻时间为120～180分钟的时刻附近、例b-1～b-3的蚀刻时间为60～120分钟的时刻附近等)，基于蚀刻的加工形状呈现楔型。

图10是示出本实施方式的设计思想的概略的说明图。图10的(a)示出了作为期望的非球面形状的抛物面形状的例子。现在考虑由图10的(a)所示的期望的非球面形状来倒推各向同性的蚀刻加工。图10的(b)示出了由这种期望的非球面形状来逐渐倒推各向同性的蚀刻加工的情况。由此，能够如图10的(c)所示那样地形成楔形的凹部22。图10的(a)～(c)表示只要能够将玻璃基板1的表面加工成这种楔形的凹部22，就能够获得期望的非球面形状。

图11是示出本实施方式所述的非球面透镜的加工方法的例子的说明图。本实施方式的加工方法中，基于上述设计思想，针对玻璃基板1的表面，首先加工出具有由期望的非球面形状倒推各向同性的蚀刻过程而得到的楔形的凹部22(图11的(a)：楔形加工工序)。此处，凹部22的楔形优选为v字形那样地前端尖锐的形状，但只要是在玻璃基板1的表面处形成开口部的上端宽阔且朝向下方逐渐变窄那样的形状，就可以是任意的形状。此时，如图11的(a)中用气泡框表示的那样，可以在形成凹部22的下端的前端部包括与基板面大致平行的平坦部。其中，平坦部的宽度wb优选为2μm以下。

此外，凹部22优选制成用式(2)拟合其形状时的圆锥系数k’比最终想要加工的非球面透镜2的圆锥系数k的值更小的值的楔形。此处，非球面透镜2的圆锥系数k可以是用式(2)拟合期望的非球面透镜2的透镜面21的面形状后的值。作为一例，只要期望的非球面透镜2的透镜面21的形状为抛物面(圆锥系数k＝-1)，则优选制成用式(2)拟合凹部22的形状时的圆锥系数k’为k’<-1那样的楔形。这是因为：通过后段的湿式蚀刻，与楔形的倾斜相比，加工后的非球面透镜2的倾斜变得平滑(钝角化)。

在楔形加工工序中，也是仅以想要在玻璃基板1的表面上加工的非球面透镜2的数量，在玻璃基板1的面内的想要形成非球面透镜2的位置加工出凹部22。此时，可以针对每个形成位置，根据对应的非球面透镜2的透镜面21的形状来变更楔形加工时的剖面。

在楔形加工工序完成后，进行湿式蚀刻(图11的(b)：蚀刻工序)。蚀刻工序中，只要耗费以呈现期望的非球面形状的方式预先确定的规定的蚀刻时间来进行各向同性蚀刻处理即可。

图11的(c)中，同时示出在本实施方式的蚀刻工序后得到的非球面透镜2的例子、以及在玻璃基板1的一面上以无间隙的方式加工有多个非球面透镜2的扩散元件10的例子。

像这样，即使通过本实施方式也能够获得各种形状的非球面透镜2。尤其是，如果能够在凹部22获得期望的楔形，则最终得到的非球面透镜2也能够获得高的形状精度。

作为针对玻璃基板1的楔形加工方法，可列举出例如如下那样的方法。

·喷砂加工(微喷射加工)

·切块机半切割加工

·干式蚀刻

·钻孔加工

若利用喷砂加工，则通过基于磨粒吹送的脆性破坏原理而能够实现微细的立体加工。例如，根据想要形成楔形的凹部22的位置，在玻璃基板1的表面上形成具有开口的抗蚀剂图案掩膜后，使用压缩空气将磨粒高速喷射至作为被加工物的玻璃基板1表面，由此进行微细加工。

此时，为了提高楔形的尖度(前端的锐角化)，磨粒的大小(粒径)优选为20μm以下，更优选为10μm以下，根据玻璃基板1的材料而异，不限定于此。此外，磨粒越小越优选，但1μm以上时容易获取，故而优选。

在利用了喷砂加工的楔加工工序中，除了磨粒的大小之外，调整加工时间(吹送时间)、空气压力、抗蚀剂孔径、吹送位置(例如使其集中至前端等)等来获得期望的楔形。

图12的(a)是示出利用了喷砂加工的楔形加工工序中的加工结果的例子的图。图12的(a)示出了变更喷射加工的加工条件后的5个例子c-1～c-5的相关喷射加工的结果得到的凹部22的截面形状。需要说明的是，各例子的加工条件如表3所示。

[表3]

表3

此外，图12的(b)是示出在利用了喷砂加工的楔形加工工序后进行湿式蚀刻而得到的非球面透镜2(更具体为在玻璃基板1上构成凹透镜阵列的多个非球面透镜2)的截面形状的图。可知：在图12的(b)所示的例子中，在透镜底部观察到倾斜变缓的区域，但边界部的锐角性得以良好保持。需要说明的是，可以认为：若透镜底部的倾斜发生钝角化，则照射至该部分的光难以扩散，因此，照射平面中的中心区域的强度与其它区域相比变高(参照后述图13的(b))。这种中心强度成为问题时，作为防止该钝角化的对策，只要在形成凹部22时不使前端部的尖角变钝即可。作为一例，可以增加朝着前端部喷射的磨粒等，提高磨粒的集中度。

此外，图13的(a)是对在利用了喷砂加工的楔形加工工序后进行湿式蚀刻而得到的扩散元件10入射平行光时某一照射平面处的光强度分布图，图13的(b)是示出该照射平面处的单轴方向(y轴方向)上的光强度的测定结果的图。此处，更具体而言，扩散元件10是在利用了喷砂加工的楔形加工工序后进行湿式蚀刻而得到的具有多个非球面透镜2的玻璃制的扩散元件10。需要说明的是，如图13的(b)所示那样，本例的扩散元件10的中心强度与其它区域相比变高，但扩散角大致达到50°，实现了广角扩散。

一般而言，喷砂加工的加工形状的自由度高，能够提高扩散角的设计自由度。例如，在利用喷砂加工来加工凹部22的情况下，对于蚀刻后的非球面透镜2而言，也能够容易地加工成x方向和y方向的扩散角(全角)为50°以上那样的广角的透镜面形状。此外，也能够加工出例如纵横比(开口部的深度htb相对于直径wt之比htb/wt)为2以上那样的锐利的楔形凹部22。此外，喷砂加工是基于摩擦/切削之类的物理方法的加工，因此，具有加工对象物的原材料不受限定的优点。

切块机半切割加工是利用切割刀片来切削玻璃基板1表面时，不将玻璃基板1切割至下表面而是划入划痕的加工。利用这种基于切割刀片的半切割技术，也能够加工成楔形凹部22。

利用了干式蚀刻的楔形加工方法可通过例如使用灰度掩膜来进行干式蚀刻而加工成楔形。需要说明的是，若利用干式蚀刻来加工非球面透镜2，则与基板面或相邻非球面透镜2的边界部附近的倾斜成为钝角等，形状精度不良。但是，通过首先利用干式蚀刻来加工楔形的凹部22，然后通过湿式蚀刻而加工成非球面透镜2，从而能够以高形状精度加工出非球面透镜2。

钻孔加工是使用前端锐利的钻孔来切削玻璃基板1的表面的方法。根据非球面透镜的大小，利用钻孔加工也能够加工成楔形凹部22。

像这样，即使通过本实施方式的加工方法，也可获得能够对玻璃基板1的表面直接进行广范围(例如扩散角为30°以上)照射的扩散元件10。此外，如果将所得扩散元件10应用于例如上述图9所示那样的照明模块100的窗部件，则能够获得与第一实施方式相同的效果。

需要说明的是，上述的各实施方式中，作为不同的加工方法而示出了包括激光改性工序的方法和包括楔形加工工序的方法，但上述两个工序均可以视为用于在湿式蚀刻的过程中或前阶段中使玻璃基板1的表面表现出楔形凹部22的工序。

即，本发明的非球面透镜的加工方法的特征在于，其主要具有前处理工序和其后的蚀刻工序这两个工序，在前处理工序中，为了在其后的蚀刻工序的过程中或蚀刻工序开始之前使玻璃基板1的表面产生规定的楔形凹陷，对玻璃基板进行激光改性，或者利用化学方法或物理方法在玻璃基板的表面形成规定的楔形凹部。此外，在玻璃基板的面内加工多个非球面透镜时，前处理可以在玻璃基板面内的与多个非球面透镜的形成位置对应的多个位置处进行。

实施例

接着，使用实施例针对上述实施方式更具体地进行说明。以下所示的例1-1～1-25分别是使用上述第一实施方式的加工方法而得到的扩散元件10的例子。各例子的扩散元件10如图1的(d)所示那样，是在玻璃基板1的一个表面直接加工有由多个凹型的非球面透镜2构成的凹透镜阵列的构成。

表4示出各例中的不同加工条件和针对所制作的扩散元件10中具备的1个非球面透镜2进行的拟合结果。

[表4]

表4

各例的扩散元件10分别如下制作。首先，作为玻璃基板1，准备约3cm见方的由schott公司制的硼硅酸玻璃d263teco形成的厚度1mmt的两面研磨基板。接着，将该玻璃基板1置于能够沿着xyz方向进行驱动的基台上。此时，激光能够从上侧向基台的任意位置照射。对于基台上的玻璃基板1，以等间隔间距沿着x方向和y方向的格子状进行照射。照射所使用的激光的剖面如下所示。即，波长为1026nm的脉冲激光，脉冲宽度为10ps，重复频率为75khz。

将上述激光入射至物镜，仅使玻璃的厚度方向的规定部分处的激光的电场强度变高。物镜采用5倍或10倍的透镜。本例中，针对激光的功率，调整注入电力以产生多光子吸收过程(更具体而言，随之在基板1内部形成密度分布的过程)。本例的剖面中，激光的输出为5.25w。各例中的其它照射条件(焦点位置lf和透镜倍率)如上述表4所示。

对于玻璃基板1的非球面透镜2的各形成位置，照射1次基于这种脉冲激光的照射后，将该玻璃基板1投入至5％氢氟酸溶液中，实施湿式蚀刻。此时，氢氟酸设为25℃，为了将蚀刻溶液的浓度分布抑制至最小限，利用磁力搅拌器进行搅拌。需要说明的是，对于改性前的玻璃基板1的加工速率为0.39μm/min。

在经过规定的蚀刻时间后，取出玻璃基板1，得到各例的扩散元件10。可以认为被激光照射后的部位的玻璃材料的密度变薄，因此，湿式蚀刻的加工速率与未经照射的部位相比变大。因此，通过历经上述那样的工序、即对于玻璃基板1的厚度方向的部分区域形成上述那样的超短脉冲激光的高密度电场的激光改性工序，能够在玻璃基板1的表面直接制作凹透镜阵列。如此操作，得到在玻璃基板1上直接形成有由多个凹型的非球面透镜2构成的凹透镜阵列的各例的扩散元件10。

图14是通过上述方法而制作的例1-1的扩散元件10的俯视图。需要说明的是，图14是从扩散元件10的形成有凹透镜阵列的一面的对面(相当于上述面f2)侧观察的图。

对于所得各例的扩散元件10的凹透镜阵列，使用激光显微镜进行形状测定。并且，对于某一个非球面透镜2的对角方向(参照图15)，以穿过中心的方式切出剖面，利用上述式(2)进行拟合。拟合参数使用了曲率半径r和圆锥系数k这两者。此外，拟合使用了最小二乘法。

上述表4还一并示出加工条件以及表示各例中得到的非球面透镜2的形状的拟合结果、即曲率半径r和圆锥系数k。如表4所示那样，在例如例1-5、例1-23中，能够获得接近圆锥系数k＝-1的非球面透镜2。

接着，对于例1-5和例1-23实施光线追踪模拟。需要说明的是，作为比较例，设想在相同尺寸的玻璃基板1具备具有相同加工间距px和py以及相同曲率半径r的球面形状(圆锥系数k＝0)的凹透镜阵列的扩散元件。各例的设定条件和圆锥系数如表5所示。

[表5]

表5

对各扩散元件入射的入射光设为fwhm为0.5mm直径的光线，波长设为940nm，入射光束形状设为圆形高斯形状。此外，将光入射面侧设为扩散面(即形成凹透镜阵列的面)。需要说明的是，凹透镜阵列加工后的玻璃基板1的厚度设为0.3mmt。使用各例的曲率半径和圆锥系数，计算距离入射面100mm后方的光强度分布。

图16的(a)、(b)、图17的(a)、(b)分别为表示通过例1-5、例1-23、比较例1、比较例2的光线追踪模拟而算出的光强度分布的图。例1-5和例1-23中可知：能够对矩形的照射平面实现均匀的照射。与此相对，比较例1的照射范围极窄，表现不出扩散性。此外，比较例2的光强度分布不均匀，且照射范围也呈现四角相对于四边的中央部发生突出的形状，偏离了矩形。需要说明的是，例1-5的扩散角为72°(全角)、例1-23的扩散角为53.5°(全角)。

此外，图18是示出将例1-5的扩散元件10应用于具有面发光激光阵列的照射模块100(参照图9)时的光分布模拟的计算结果的图。面发光激光阵列(光源5)中，发射极配置成11×11，发射极间的间距设为50μm。发射极与扩散元件10的距离(相当于图9的h2)设为0.4mm、扩散元件10的板厚(相当于图9的h1)设为0.4mmt。此外，光源的发散角以fwhm计设为10°。

图18是通过本例的照射模块100而照射的光在某个照射平面上的强度分布的计算结果。需要说明的是，图18中，计算出距离扩散元件10的扩散面(扩散元件10的光入射面)为10mm后方的照射平面处的强度分布。如图18所示可知：强度分布的截止性相对于平行光入射(图16的(a))发生恶化，但能够维持平顶分布。本例中，从扩散元件10出射的光的发散角为73.0°(全角)。

需要说明的是，上述实施方式和实施例中，将脉冲激光的入射面即面f2作为0基准而示出了激光改性工序中的激光的焦点位置lf，但也可以将加工非球面透镜的一侧的面f1作为0基准来示出激光的焦点位置。以下，如果将面f1设为0基准，则无论玻璃基板1的厚度如何，均能够显示与想要形成的非球面透镜的透镜形状之间的关系。例如，上述例1-5的激光焦点距离lf＝1.075mm如果以面f1作为基准，则可以称为激光焦点距离+0.075mm。此外，例如上述例1-23的激光焦点距离lf＝0.710mm以面f1作为基准，可以称为激光焦点距离-0.290mm。

参照详细且特定的实施方式而说明了本发明，但对于本领域技术人员而言，可以在不超出本发明精神和范围的条件下施加各种变更、修正是不言而喻的。本申请基于2018年3月26日提交的日本专利申请2018-058867，并将其内容作为参照而援引至此。

产业上的可利用性

本发明可适当地应用于想要在需要耐热性、高能量光耐性的环境中尤其是广范围照射光的用途。

附图标记说明

1玻璃基板

11改性区域

10扩散元件

100照明模块

2非球面透镜

21透镜面

22凹部

3脉冲激光

31物镜

4安装基板

5光源

6框材