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CN1330454C - 基板的加工方法、微透镜片的制造方法、透射型屏幕 - Google Patents

基板的加工方法、微透镜片的制造方法、透射型屏幕 Download PDF

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CN1330454C CNB2004100879104A CN200410087910A CN1330454C CN 1330454 C CN1330454 C CN 1330454C CN B2004100879104 A CNB2004100879104 A CN B2004100879104A CN 200410087910 A CN200410087910 A CN 200410087910A CN 1330454 C CN1330454 C CN 1330454C
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Abstract

提供一种基板的加工方法，本发明的基板的加工方法具备：将由激光光源(1)射出的激光光束(5)通到衍射光学元件(3)中，整形成具有比被加工基板(7)的加工区域部分的厚度的偏差的最大值和翘曲的偏差的最大值大的焦点深度的光束的步骤；通过将整形光束(6)照射到基板(7)上成膜的膜面(8)上而除去该膜(8)、形成多个蚀刻用孔的步骤；和借助于上述多个蚀刻用孔蚀刻基板(7)、形成多个凹部的步骤。由此，可以不受加工基板的翘曲和厚度的偏差等影响而对基板进行希望形状的加工。

Description

基板的加工方法、微透镜片的制造方法、透射型屏幕
技术领域
本发明涉及利用激光加工或激光加工和蚀刻加工的基板的加工、特别是微细加工。另外涉及利用该加工方法的微透镜片的制造方法和使用由其得到的微透镜片或阵列(具备多个突状微透镜的片或者阵列)的透射型屏幕。还涉及具备微透镜片等的显示装置和具备透射型屏幕的投影仪。
背景技术
用于背面投影电视等的影像投射装置的投影屏幕由具有将从投影透镜的入射光转换成大体平行光的多个菲涅耳透镜的菲涅耳片、和具有扩散从各菲涅耳透镜的大体平行光的多个微透镜的微透镜片构成。其中，通过用在应该成为微透镜的部分形成凹部的模，使热塑性树脂起模就可以形成微透镜片。制作这样的微透镜片的模的情况下，有必要在应该成为模的设在基板表面上的金属膜上，相对于应该成为各微透镜的凹部，形成用于形成其各凹部的蚀刻用孔。这样的蚀刻用孔可以由激光加工形成。
作为这样的以往的激光加工方法，为了保持加工精度而进行加工，一边将激光光束的聚光点和加工点的偏移保持在焦点深度的50％或其以下，一边进行加工。即，载置被加工物，与加工的进展同时，用激光变位计测定在X、Y轴方向和高度方向上移动被加工物的XYZ台的高度，若聚光点和加工点的偏移成为加工光学系统的焦点深度的50％或其以上时，就停止加工用激光的振荡；若XYZ台的高度就是设定位置时，就振荡加工用激光。(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】特开平9-253877号公报([0005]、[0012]和图1等)
发明内容
上述那样以往的激光加工方法适合于例如用焦点深度30～50μm的加工光学系统对厚度0.50～1.5mm的基板开200～300μm左右的孔的情况下。
与此对应，例如在制作用于画面尺寸是70英寸左右的投影屏幕的微透镜片的情况下，应该成为制作微透镜片的模的基板，具有例如横向1700mm、纵向1000mm、厚度10mm等的厚而且面积大的尺寸。处于这样尺寸的基板，例如会发生±500μm左右的翘曲，厚度本身也有偏差。
在以往的激光加工方法中，由于加工光学系统的焦点深度浅，所以存在以下课题：因上述基板的翘曲和厚度的偏差等，仅仅用调整XYZ台的高度就不能够在基板表面上形成的金属膜上形成具有希望的形状和间隔的蚀刻用孔(蚀刻开始孔)。另外，在以往的激光加工方法中，由于必须有XYZ台和激光变位计等，所以还存在因装置复杂而成为高价的课题。
本发明是为了解决如上所述的课题而做出的，其目的在于提出一种不受厚度薄、面积大的基板的翘曲和厚度的偏差等影响、可以微细加工基板上形成的金属膜或者金属膜和基板的加工方法和加工装置。另外同时，其目的还在于提出用该加工方法或加工装置的微透镜片的制造方法、以及用由该加工方法制造的微透镜片或成型模而得到的透射型屏幕或显示装置。
本发明的加工方法具备：整形光束的步骤，其将由激光光源射出的激光光束通到在该光束的波阵面上附加相位调制的光学元件中、整形成具有比被加工基板的加工区域部分的厚度的偏差的最大值和翘曲的偏差的最大值大的焦点深度；通过将上述整形光束照射到上述基板成膜的膜面上而除去该膜、形成多个蚀刻用孔的步骤；和借助于上述多个蚀刻用孔蚀刻上述基板、形成多个凹部的步骤。
由此，即使在基板有厚度的偏差和翘曲的偏差的情况下，也不必进行XYZ台的高度调整和由激光变位计的测定，可以在基板上形成希望的蚀刻用孔，对于基板实施恰当的蚀刻，就可以得到目的的形状。本发明在可以以光学上自由地调整照射到被加工基板上的整形光束的直径和焦点深度方面特别有效。
在上述方法中，作为上述光学元件优选使用衍射光学元件，只在光轴上所定的区域内使大量的光能聚光而生成具有局部形成的强度分布的整形光束。由此，可以以简便且廉价的构成加工希望的蚀刻用孔。
另外，在上述方法中，也可以将由上述激光光源射出的激光光束分支成多个，用设在按每个光束上的上述衍射光学元件分别衍射分支的各激光光束，生成整形光束。由此，可以效率良好地在基板上形成希望的蚀刻用孔。
另外，在上述方法中，还可以具备将从上述衍射光学元件射出的整形光束通到顺次设置的具有第1焦距的第1透镜、空间滤波器、具有第2焦距的第2透镜的光学系统中、进一步调整上述整形光束的强度分布的步骤。由此，由于光束直径可以更小，所以可以减轻作为光束整形装置的衍射光学元件的制作时的负担。另外，通过将焦点深度限定在需要充分的范围内，可以提高得到的整形光束的利用效率，同时可以得到具有更理想的强度分布的整形光束。
另外，在上述方法中，优选将上述衍射光学元件制成表面凹凸型的衍射光学元件，将其截面形状取为锯齿状。这样，可以得到高的光利用效率。例如，在衍射光学元件的周期和激光光束的波长的比大于2.0的情况下，可以得到80％或其以上的光利用效率，如果该比值更大，则可以得到90％或其以上的光利用效率。
另外，在上述各情况下，也可以用圆锥棱镜代替作为光束整形装置的衍射光学元件。由于圆锥棱镜可以利用其折射作用，所以波长的依存性极小，用1个圆锥棱镜可以适用于具有多个不同波长的激光光束。而且可以得到与衍射光学元件大体同程度的光利用效率。
另外，在上述各情况下，使从激光光源射出的激光光束的强度分布取为高斯分布时，可以得到具有更好的强度分布的整形光束或者非衍射光束。
另外，上述基板由光透过构件构成的情况下，也可以将上述整形光束从与形成上述基板的膜面侧相反的面侧照射到上述膜面上。
另外，也可以使用上述任一种所述的方法加工玻璃基板或者树脂基板，制造由多个凹型透镜构成的透镜阵列。由此，能够效率良好地且廉价地得到大型尺寸的透镜阵列。
另外，也可以使用上述任一种所述的方法加工基板，制造具备多个凹部的微透镜片成型模。由此，可以效率良好地且廉价地得到大型尺寸的微透镜片的成型模。
本发明的微透镜片的制造方法是将玻璃或者树脂挤压到用上述方法得到的微透镜片成型模的凹部形成面内，转印该成型模的形状，制造凸形状的具备多个微透镜的微透镜片。由此，可以廉价地得到大型尺寸的微透镜片。
本发明的透射型屏幕是具备通过以上述微透镜片成型模作为铸模、在其内填充树脂、固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜片或者阵列的透射型屏幕。特别是优选将由上述方法得到的微透镜片或者阵列和具有菲涅耳透镜的菲涅耳片，平行地配设成使透镜面互相对向。由此，可以廉价地得到大型尺寸的投影屏幕。
本发明的投影仪具备上述透射型屏幕，通过该透射型屏幕显示图像。
本发明的显示装置是具备通过以上述微透镜片成型模作为铸模、在其内填充树脂、固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜阵列的显示装置，例如是液晶显示装置。
本发明的加工装置，具备射出激光光束的激光光源；和在上述激光光束的波阵面上附加相位调制、只在光轴上的所定区域内使大量的光能聚光而生成具有局部形成的强度分布的整形光束的衍射光学元件或者圆锥棱镜的任一种，赋予上述整形光束以比被加工基板的加工区域部分的厚度的偏差的最大值和翘曲的偏差的最大值大的焦点深度。由此，即使在基板有厚度的偏差或翘曲的偏差的情况下，也不必进行XYZ台的高度调整和由激光变位计的测定，可以在基板上有效且确实地形成希望的蚀刻用孔。另外，该加工装置优选具备蚀刻上述整形光束照射后的基板的蚀刻槽，可以容易地向蚀刻加工转移。另外，向蚀刻加工移动时需要考虑使异物不粘附在基板表面。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的基板加工装置(激光加工装置+蚀刻槽)的构成的概略图。
图2是衍射光学元件的平面图。
图3是表示构成本发明的实施方式2的加工装置的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。
图4是表示由实施方式1的整形光束的光束强度分布的计算例的图。
图5是微透镜片的制造工序图。
图6是表示投影屏幕的构成的图。
图7是表示构成本发明的实施方式2的加工装置的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。
图8是表示由实施方2的整形光束的光束强度分布的计算例的图。
图9是表示构成本发明的实施方式3的加工装置的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。
图10是表示构成本发明的实施方式4的加工装置的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。
图11是图10中所用的一对衍射光学元件的平面图。
图12是表示构成本发明的实施方式5的加工装置的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。
图13是图12中所用的一对衍射光学元件的平面图。
图14是表示本发明所用的激光加工装置的另一构成的概略图。
图15是表示本发明的实施方式6的投影仪的构成的概略图。
图16是表示本发明的实施方式7的显示装置的构成的概略图。图中，1—激光加工装置，2—激光振荡器，3、31、42—衍射光学元件，4—XY台，5—激光光束，6—非衍射光束，7—基板，8—金属膜，9—加工点，10—蚀刻槽，11—蚀刻掩模，12—蚀刻用孔，13—凹部，14—微透镜片成型模，15—树脂，16—微透镜片，16a—微透镜，21—透射型屏幕，22—菲涅耳片，32—整形光束，41、43、51、61、631、632—光学系统，44、45—透镜，46—空间滤波器，52-1/2波长板，53—偏光分离元件，54、62—一对衍射光学元件，55—p偏光光束，56—s偏光光束，57、64、66—p偏光非衍射光束，58、65、67—s偏光非衍射光束，70—圆锥棱镜，100—基板加工装置
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1的基板加工装置的构成的概略图。该加工装置100具备1次加工用激光加工装置1和2次加工用蚀刻槽10，但是，也可以使本发明只形成1次加工用激光加工装置的构成，根据需要利用蚀刻槽10。
激光加工装置1大体由作为激光光源的激光振荡器2、作为将从激光振荡器2射出的激光光束5的强度分布整形成所定形状的光束整形装置的衍射光学元件3、和在2维方向上可移动的XY台4构成。激光振荡器2例如是Nd：YAG(Neodymium：Yttrium Aluminum Garnet钕：钇铝石榴石)，例如射出波长0.532μm、脉冲宽度60ns(重复～1KHz)、光束直径4mm的脉冲光束。
如图2(a)所示，衍射光学元件3由在石英等透明材料的表面上以凹凸状形成周期p相等的同心圆图形的表面凹凸型衍射光学元件构成。另外，从光利用效率的观点出发，其截面形状优选是如图2(b)所示的锯齿状。
图3是表示激光加工装置的主要部分的构成的概略图。如图3所示，衍射光学元件3相位调制由激光振荡器2射出的激光光束5的波阵面，在光轴方向和与光轴方向垂直的面内，发生具有所定的强度分布、具有所定光束直径和所定焦点深度的整形光束6，将该整形光束6照射到作为金属膜8在表面成膜的被加工构件的基板7的加工点9上。另外，在该例中，整形光束6是非衍射光束6。
这里，简单地说明衍射光学元件3的制造方法。
(1)首先，在形成衍射光学元件3的基板上涂布保护层。该基板相对于激光光束波长是透明的原材料。例如相对于上述的Nd:YAG激光(波长0.532μm)可以使用石英。
(2)接着，用聚光的激光光束使保护层曝光，进行抗蚀剂层的图案形成。曝光时，相应于要实现的形状(这里是周期p相等的同心圆图形)在其每处改变曝光量。其后使抗蚀剂显像，形成抗蚀剂层图形(与凹凸形状相对应的图形)。
(3)然后，将离子化气体(例如CHF3)吹到抗蚀剂层图形上，通过以该图形作为掩模而利用，进行将图形转印到石英基板上的离子蚀刻。
(4)离子蚀刻后，除去残存的抗蚀剂，在石英基板上形成希望的凹凸形状的衍射光学元件3。
另外，通过将上述凹凸形状的级数取为充分的多数，就可以以高的光利用效率(＞90％)发生希望的非衍射光束6。
发生非衍射光束6的衍射光学元件3的相位分布φ(r)可以用式(1)表示。
φ(r)＝mod[2mπr/p]    (1)
其中，m是制作衍射光学元件3的圆锥波阵面的衍射次数，r是衍射光学元件3的半径、λ是激光波长、p是衍射光学元件3的周期，函数mod[]用2π折回相位分布。由该相位分布得到的非衍射光束6的光轴X上的强度分布I(z)可以用式(2)计算。
I(z)＝C1z·exp(-C2z2)；
C1＝2πIosin2θ   C2＝2sin2θ/a2    (2)
其中，激光光束5的强度分布是高斯分布，I(r)＝Ioexp(-2r2/a2)，将其半径(1/e2)取为a。另外，sinθ＝mλ/p，意味着利用了m次衍射波的光轴X上的光束整形。另外，e表示指数函数。
而且，由式(2)，光轴X上的强度成为最大的位置zc可以通过微分式(2)如式(3)求出。
zc＝(a/2)(p/λ)(1/m)    (3)
由该关系，相应于加工内容，在改变强度分布的光轴X方向的距离(强度分布的从强度0经过最大强度直至再成为强度0的距离(深度))和强度分布的所定水平时、例如改变最大强度的90％或其以上的强度分布部分的深度时，需要(i)改变衍射光学元件3的周期p、或者(ii)选择衍射次数m。而且，由式(3)，光轴X上的强度成为最大的位置zc时的光束强度可以如下求出。
I(zc)＝(πaIo/exp(1/2))·m(λ/p)    (4)
由式(4)可以看出，通过缩短衍射光学元件3的周期p，光轴X上的光束强度增高。另外，即使在使用高次数(m＞1)的衍射波进行光束整形的情况下，也因衍射次数m增大而光轴X上的光束强度增高。另外，非衍射光束6的与光轴X垂直的宽度W用下式表示。
W＝0.766(p/m)    (5)
如式(5)表明那样，即使在延长衍射光学元件的周期p的情况下，通过将利用的衍射次数m选择为大，也可以使光束宽度W变窄。例如，将周期取为2p的情况下，如果将衍射次数取为m＝2，则光束宽度W就成为W＝0.766(2p/2)＝0.766p，与周期是p而且衍射次数是m＝1的情况下相同。
由这些关系求出的光束强度分布I(z)的计算例如图4所示。这里，在计算时，作为衍射次数m假定使用1次(m＝1)的衍射波，另外，使用激光波长λ＝0.532μm，激光光束5的半径a＝4.0mm的脉冲激光来实施。
而且，图4(a)是在将衍射光学元件3的周期p取为20.0μm的情况下，光束宽度成为15μm，光轴X上的强度成为最大的位置z成为37.6mm，所定水平以上的强度分布部分的深度(焦点深度)成为约60mm。这里，将焦点深度定义为赋予最大强度的90％或其以上的深度。图4(b)是在将衍射光学元件3的周期p取为10.0μm的情况下，光束宽度成为7.7μm，光轴X上的强度成为最大的位置z成为18.8mm，焦点深度成为约15mm。另外，图4(c)是在将衍射光学元件3的周期p取为5.0μm的情况下，光束宽度成为3.8μm，光轴X上的强度成为最大的位置z成为9.4mm，焦点深度成为约6mm。
被加工的基板7成为用于制作构成例如具有约70英寸的画面尺寸的映像投影装置的投影屏幕的微透镜片的成型模。这样的基板7，具有例如横向1700mm、纵向1000mm、厚度10mm的尺寸，由钠玻璃或无碱金属玻璃基板或者石英基板等构成。基板7在其加工范围内其基板厚度未必是相同的。在本说明书中，将其基板厚度的最大值和最小值的差定义为“基板厚度偏差的最大值”。另外，基板7在其加工范围内具有翘曲，基板上面的高度位置未必是相同的。在本说明书中，将其基板的厚度方向上的从基准面直至基板上面的距离的差的最大值定义为“基板翘曲偏差的最大值”。
如果加工基板7中的基板厚度偏差的最大值和翘曲偏差的最大值比由衍射光学元件3得到的整形光束的焦点深度充分地小，则不用调整衍射光学元件3和基板7之间的距离，在附有金属膜8的基板7的多数的点上的激光加工就能够容易。
以下按照图5的工序图说明用上述加工装置的微透镜片成型模和微透镜片的制造方法。
在基板7的上面，使用化学真空镀膜(CVD：Chemical VaporDeposition)装置或物理真空镀膜(PVD：Physical Vapor Deposition)装置，形成厚度10nm的氧化铬(CrO)膜后，在该氧化铬(CrO)膜上形成30nm的铬(Cr)膜，使金属膜(薄膜)8成膜(图5(a))。作为PVD装置，例如有溅射装置、真空镀敷装置或者离子镀敷装置等。
将具有金属膜8的基板7载置在XY台4上，由未图示的控制装置在X轴方向或者Y轴方向上能够移动地配置。而且，在基板7的上面形成的金属膜8中，在与最终要得到的微透镜片16的微透镜16a对应的位置上，用激光加工装置1照射非衍射脉冲光束6，除去金属膜8，形成蚀刻用孔(蚀刻开始孔)12。移动XY台4，多次进行该加工，可以在与微透镜16a对应的多个位置上除去金属膜8(图5(b))。该加工的结果残留在基板7的上面的金属膜，在下个工序的湿式蚀刻时作为蚀刻掩模11而发挥作用。
另外，在本发明的实施方式1中，衍射光学元件3的下面和金属膜8的距离，例如取为约9mm。
由激光加工装置1加工时，入射到衍射光学元件3中的激光光束5的光轴X与衍射光学元件3的中心大体一致。而且，入射到衍射光学元件3中的激光光束5的波阵面，由在衍射光学元件3的表面上形成的周期p相等的同心圆图形进行相位调制，在光轴X上和其附近形成非衍射光束6，用可加工的具有阈值或其以上的强度的非衍射光束6的中心部分除去加工点9的金属膜8，形成蚀刻用孔12。该蚀刻用孔12的孔径是2μm左右。另外，也可以将非衍射光束6，从与形成基板7的金属膜8的侧相反的面侧照射到金属膜8上。
接着，将基板7放入到加入氟化铵等的蚀刻液的蚀刻槽10中进行湿式蚀刻，借助于上述蚀刻用孔，除去基板的一部分，形成凹部13(图5(c))。然后，利用硝酸铈铵等的蚀刻液除去蚀刻掩模11，得到形成了多个凹部13的微透镜片的成型模14(图5(d))。
其后，使所定厚度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate、丙烯酸树脂))等热塑性树脂15加热，同时挤压到形成微透镜片成型模14的凹部13的上面，将模14的形状转印到树脂15上(图5(e))。而且，将树脂15与模14分开，制作在一个面上形成多个微透镜16a的微透镜片16(图5(f))。另外，在本发明的实施方式1中，微透镜16a的透镜直径和间距都是100μm。
如图6所示，这样制作的微透镜片16，通过与菲涅耳片22平行地配设，以使形成多个微透镜16a的一侧与具有菲涅耳透镜的菲涅耳片22相对向，从而构成透射型屏幕21。而且，照射来自未图示的投影单元的入射光L时，菲涅耳片22将入射光L转换成大体的平行光，微透镜片16通过微透镜16a将大体的平行光向水平方向和垂直方向扩散，使光(映像)到达用户。
以上的例中，在激光光束波阵面上设附加相位调制的衍射光学元件3，通过该衍射光学元件3在光轴X上和其附近形成具有所定的强度分布、具有比加工基板7的厚度和翘曲的偏差的最大值更充分大的焦点深度的非衍射光束6。而且，通过将该非衍射光束6照射到应该成为用于制作具有大型画面尺寸的微透镜片的模的基板7上，在金属膜8上形成蚀刻用孔12，形成蚀刻掩模11，其后用湿式蚀刻形成与微透镜对应的凹部13。
从而，即使基板7例如有±500μm左右的翘曲和厚度本身的一些偏差、而且在其表面上形成由例如具有厚度数十nm的铬(Cr)膜等构成的金属膜8的情况下，也不一定用XYZ台和激光变位计等高价的机械的精密可动装置来管理透镜和基板之间的距离，而可以以希望的间隔形成希望形状的蚀刻用孔12。
因此，以简便且廉价的构成，不受基板翘曲和厚度偏差等的影响，在基板上形成的金属膜上，可以短时间且高精度地形成具有希望的形状和间隔的蚀刻用孔。
另外，根据该例的构成，衍射光学元件3由表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。由此，可以得到高的光利用效率。例如，在衍射光学元件3的周期和激光光束的波长的比大于2.0的情况下，可以得到80％或其以上的光利用效率，如果该比值更大，则可以得到90％或其以上的光利用效率。
实施方式2
图7是表示在变更上述激光加工装置1的构成的实施方式2中所用的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。在图7中，对于与图3的各部分对应的部分赋予相同的符号，省略其说明。在图7中，更换图3所示的衍射光学元件3，新设了衍射光学元件31。衍射光学元件31由石英等的透明材料构成，由表面形成凹凸的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状，但是，与上述的实施方式1的衍射光学元件3不同，周期p不是等间隔地形成。如图7所示，该衍射光学元件31相位调制激光光束5，只在光轴X上的所定的区域内将光能聚光，发生局部形成的具有大体矩形形状的强度分布、具有所定的光束直径和所定的焦点深度的整形光束32。
该衍射光学元件31的相位分布φ(r)可以用式(6)表示。
φ(r)＝(2π/λ)∫(r/z(r))dr    (6)
其中，积分区间是0～r。这里，z(r)是由衍射光学元件31射出的整形光束32与光轴X相交的点的位置，该位置z(r)由式(7)求出。
z(r)＝za+(zb-za)(∫i(r)rdr)/(∫i(r)rdr)    (7)
其中，积分区间(分子)是0～r，积分区间(分母)是0～R。za和zb是光束强度分布的两端的位置(在基准面上测定衍射光学元件31的面，参照图7)，i(r)是激光光束5的强度分布、R是激光光束5的最大半径。
而且，通过将式(7)代入式(6)中用求出的衍射光学元件31的相位分布φ(r)，通过菲涅耳的积分公式，以式(8)可以计算整形光束32的光轴X上的光束强度分布I(z)。
I(z)＝|∫∫exp(ik(z2+r2)1/2+φ(r))
×(z/(z2+r2)rdrdθ)|2    (8)
其中，z是光轴X上的坐标，积分区间是0≤r≤R、0≤θ≤2π。
将根据式(8)求出的光束强度分布I(z)的计算例示于图8。在计算时，将射入衍射光学元件31的激光光束5取为高斯分布，其半径a＝3.0mm。另外，在这里将形成该光束强度分布I(z)的光轴X上的所定区域的中心值取为50mm。
而且，图8(a)将za取为40.0mm、zb取为60.0mm的情况下，所定区域的光轴X上的强度分布部分的深度(焦点深度)成为约20mm，用它们进行计算时，可以得到如图8(a)所示的光束强度分布I(z)。另外，图8(b)将za取为45.0mm、zb取为55.0mm的情况下，所定区域的光轴X上的焦点深度成为约10mm，用它们进行计算时，可以得到如图8(b)所示的光束强度分布I(z)。另外，图8(c)将za取为47.5mm、zb取为52.5mm的情况下，所定区域的光轴X上的焦点深度成为约5mm，用它们进行计算时，可以得到如图8(c)所示的光束强度分布I(z)。
如果加工基板7的基板厚度的偏差的最大值和翘曲的偏差的最大值比由衍射光学元件31得到的整形光束的焦点深度充分地小，则不用调整衍射光学元件31和基板7之间的距离，在基板7的多数的点上的激光加工就可以容易。
以下说明用上述构成的激光加工装置的微透镜片成型模的制造方法。首先，预先在基板7的上面，使用CVD装置或PVD装置形成由厚度10nm的氧化铬(CrO)膜和在该氧化铬(CrO)膜上形成的厚度30nm的铬(Cr)膜构成的金属膜(薄膜)8。
然后，在基板7的上面形成的金属膜8中的与微透镜16a对应的位置上，使用由图1所示的激光振荡器2和图7所示的衍射光学元件31整形的具有强度分布的整形光束32，形成多个蚀刻用孔12，由此，制作蚀刻掩模11。
另外，蚀刻用孔12的形成按照如下进行。也就是说，驱动激光振荡器2时，激光光束5振荡，射入衍射光学元件31中。这时，如图7所示，入射到衍射光学元件31中的激光光束5的光轴X与衍射光学元件31的中心大体一致。而且，入射到衍射光学元件31上的激光光束5的波阵面，由在衍射光学元件31的表面上形成的周期p是半径r的函数的同心圆图形进行相位调制，由其在光轴X上的所定区域内形成具有大体矩形形状的强度分布的整形光束32。而且，由该整形光束32的中心部分除去加工点的金属膜8，形成蚀刻用孔12。该蚀刻用孔12的孔径是2μm左右。
利用XY台4移动基板7，在形成蚀刻用孔12的多个位置上进行同样的激光加工，就可以在与微透镜对应的全部位置上形成蚀刻用孔12。蚀刻用孔12，只要能够蚀刻与微透镜16a对应的凹部，对其大小、形状、个数和配置等就不作限定。另外，关于其以后的微透镜片成型模和微透镜片的制造方法，与实施例1中的微透镜片的制造方法大体是同样的，因而省略其说明。
以上的例中，在激光光束波阵面上设附加相位调制的衍射光学元件31，通过该衍射光学元件31，以大体矩形形状生成具有焦点深度深的强度分布的整形光束32，通过该整形光束32除去基板7的金属膜8，形成蚀刻用孔12。
从而，即使基板7例如有±500μm左右的翘曲、厚度本身也有一些偏差、而且在其表面上形成由例如具有厚度数十nm的铬(Cr)膜等构成的金属膜8的情况下，也不一定用XYZ台和激光变位计等高价的机械的精密可动装置来管理透镜和基板之间的距离，可以以希望的间隔形成希望形状的蚀刻用孔12。
另外，通过使光轴X上的所定区域内形成的光束强度分布形状不同，就可以容易地改变金属膜8上形成的蚀刻用孔12的形状和大小。
因此，以简便且廉价的构成，不受基板翘曲和厚度偏差等的影响，在基板上形成的金属膜上，可以短时间且高精度地形成具有希望的形状和间隔的蚀刻用孔。另外，通过将衍射光学元件31的截面形状取为锯齿状，可以得到与上述衍射光学元件3同样的效果。
实施方式3
图9是表示在变更上述激光加工装置1的构成的实施方式3中所用的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。在图9中，对于与图3各部分对应的部分赋予相同的符号，省略其说明。在图9中，更换图3所示的衍射光学元件3，新设了光学系统41。光学系统41由衍射光学元件42和光学系统43构成。衍射光学元件42由在石英等的透明材料的表面上以凹凸状形成周期p比较大的(例如20μm)相等的同心圆图形的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。如图9所示，衍射光学元件42由激光光束5发生具有所定的光束直径(例如15μm)和所定的焦点深度的整形光束(这里，成为非衍射光束B1)。
光学系统43由透镜44和45及空间滤波器46构成。在图9中，f1是透镜44的焦距，f2是透镜45的焦距。透镜44和45是称为共焦系统的一种成像系统的光学系统，通过衍射光学元件42，可以缩小生成的非衍射光束B1，发生非衍射光束B2。空间滤波器46是环带开口，只通过非衍射光束B1的傅立叶转换图形(环形光)，除去与非衍射光束B1重合的不要的衍射光。
这里，将非衍射光束B1的光束直径取为w1、将焦点深度取为z1，将非衍射光束B2的光束直径取为w2、将波峰位置取为z2，它们之间存在式(9)和式(10)所示的关系。
w2＝(1/M)w1    (9)
z2＝(1/M)2z1    (10)
其中，M＝f1/f2是上述光学系统43的成像倍率。由这些关系，通过适宜地选择上述成像倍率，可以发生具有希望直径和希望焦点深度的非衍射光束B2。例如，将焦距f1取为60mm，将焦距f2取为15mm，成像倍率M就是4。由此，在使用周期p是20μm的衍射光学元件42、发生的非衍射光束B1的直径是15μm的情况下，由(9)式，非衍射光束B2的光束直径就是3.8μm(＝15/4)。
另外，在该实施方式3中，在透镜44的后侧焦面和透镜45的前侧焦面上配置空间滤波器46。从而，即使在因使用衍射光学元件42、在其后侧发生不要的衍射光的情况下，由于用该空间滤波器46也可以排除该不要的衍射光，所以可以改善非衍射光束B2的强度分布形状，可以使其主波峰和副波峰的比取大。
另外，关于用上述构成的激光加工装置的微透镜片成型模和微透镜片的制造方法，除了非衍射光束B2的发生方法不同以外，与上述实施方式1和2的情况下大体是同样的，因而省略其说明。
根据该例的构成，作为可以以光学上自由地缩小非衍射光束B2的光束直径和焦点深度的装置，设有由周期p比较大的衍射光学元件42和光学系统43构成的光学系统41。从而，可以得到在上述实施方式1和2中得到的效果。另外，可以由在技术上容易制作的衍射光学元件发生光束直径在数μm以下的精细的非衍射光束B2，可以减轻衍射光学元件42的制作中的负担。另外，通过将焦点深度限定在充分必要的范围内，可以提高非衍射光束B2的利用效率，同时由于激光光束5的强度分布是高斯分布，所以可以得到具有理想的强度分布的非衍射光束B2。
实施方式4
图10是表示在变更上述激光加工装置1的构成的实施方式4中所用的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。在图10中，对于与图3的各部分对应的部分赋予相同的符号，省略其说明。在图10中，更换图3所示的衍射光学元件3，设有具有1/2波长板52、偏光分离元件53和一对衍射光学元件54的光学系统51。
1/2波长板52是由例如以适当的厚度劈开白云母或在一个方向上使分子取向的合成树脂板构成、以在互相垂直的方向上振动的线性偏振光(p偏光光束和s偏光光束)之间产生1/2波长的光程差那样来决定厚度的双折射板。这里，p偏光光束指与激光光束5的入射面平行的成分，s偏光光束指与激光光束5的入射面垂直的成分。
偏光分离元件53例如通过由折射率不同的2种电介质的交互多层膜构成的层叠型偏光分离元件构成。偏光分离元件53利用由其结构的各向异性造成的折射率的各向异性，将入射的激光光束在空间偏光分离成作为互相垂直的2个偏波的激光光束的p偏光光束55和s偏光光束56。p偏光光束55和s偏光光束56之间的强度比由1/2波长板52的方位的调节决定。p偏光光束55和s偏光光束56的分离间隔(光束间隔)w0例如是1～5mm左右。另外，入射到偏光分离元件53上的激光光束的光束直径有必要与分离间隔w0相同或者比其还稍稍小一点。如果旋转偏光分离元件53，则可以以极高的精度调节分离间隔w0。例如，将初期分离间隔w0取为4mm的情况下，为了使分离间隔w0仅变窄1μm，只要使偏光分离元件53仅旋转1.3度就行。同样，为了使分离间隔w0仅变窄0.1μm，只要使偏光分离元件53仅旋转0.41度就行，为了使分离间隔w0仅变窄0.01μm，只要使偏光分离元件53仅旋转0.13度就行。
如图1 1所示，一对衍射光学元件54由与衍射光学元件3发挥同等作用的一对衍射光学元件541和542构成。衍射光学元件541由在石英等的透明材料的表面上、以如图2所示的凹凸状、形成周期p(例如5μm)相等的同心圆图形的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。如图10所示，衍射光学元件541相位调制p偏光光束55的波阵面，在光轴方向和与光轴方向垂直的面内，发生具有所定强度分布、具有所定光束直径(例如3.8μm)和所定焦点深度的p偏光非衍射光束57。同样，衍射光学元件542由在石英等的透明材料的表面上、以如图2所示的凹凸状、形成周期p(例如5μm)相等的同心圆图形的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。如图10所示，衍射光学元件542相位调制s偏光光束56的波阵面，在光轴方向和与光轴方向垂直的面内，发生具有所定强度分布、具有所定光束直径(例如3.8μm)和所定焦点深度的s偏光非衍射光束58。
另外，关于用上述构成的激光加工装置的微透镜片成型模和微透镜片的制造方法，除了一次形成2个蚀刻用孔12以外，与上述实施方式1的情况下大体是同样的，因而省略其说明。
根据该例的构成，通过1/2波长板52和偏光分离元件53，可以将激光光束5分离成p偏光光束55和s偏光光束56，通过一对衍射光学元件54可以由p偏光光束55和s偏光光束56发生p偏光非衍射光束57和s偏光非衍射光束58。从而，除了可以得到由上述实施方式1的效果以外，由于一次可以形成2个蚀刻用孔12，所以可以用比上述实施方式1大约一半的时间、在基板7上形成的金属膜8上、形成具有希望的形状和间隔的蚀刻用孔12。
实施方式5
图12是表示在变更上述激光加工装置1的构成的实施方式4中所用的激光加工装置的主要部分的构成的概略图。在图12中，对于与图10的各部分对应的部分赋予相同的符号，省略其说明。在图12中，更换图10所示光学系统51，设有具有1/2波长板52、偏光分离元件53和一对衍射光学元件62和光学系统631和632的光学系统61。
如图13所示，一对衍射光学元件62由与衍射光学元件42发挥同等作用的一对衍射光学元件621和622构成。衍射光学元件621由在石英等的透明材料的表面上以凹凸状形成周期p比较大的(例如20μm)相等的同心圆图形的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。如图13所示，衍射光学元件621由p偏光光束55发生具有所定的光束直径(例如15μm)和所定的焦点深度的p偏光非衍射光束64。同样，衍射光学元件622由在石英等的透明材料的表面上以凹凸状形成周期p比较大的(例如20μm)相等的同心圆图形的表面凹凸型的衍射光学元件构成，其截面形状是锯齿状。如图13所示，衍射光学元件622由s偏光光束56发生具有所定的光束直径(例如15μm)和所定的焦点深度的s偏光非衍射光束65。
光学系统631和632与图9所示的光学系统43同样，分别由透镜44和45及空间滤波器46构成。光学系统631可以缩小p偏光非衍射光束64，发生仅由p偏光非衍射光束64的傅立叶转换图形(环形光)构成的p偏光非衍射光束66。光学系统632可以缩小s偏光非衍射光束65，发生仅由s偏光非衍射光束65的傅立叶转换图形(环形光)构成的s偏光非衍射光束67。
另外，关于用上述构成的激光加工装置的微透镜片成型模和微透镜片的制造方法，除了一次形成2个蚀刻用孔12以外，与上述实施方式3的情况下大体是同样的，因而省略其说明。
根据该例的构成，通过1/2波长板52和偏光分离元件53可以将激光光束5分离成p偏光光束55和s偏光光束56，通过一对衍射光学元件62可以由p偏光光束55和s偏光光束56发生p偏光非衍射光束64和s偏光非衍射光束65，用光学系统631和632发生p偏光非衍射光束66和s偏光非衍射光束67。从而，除了可以得到由上述实施方式3的效果以外，由于一次可以形成2个蚀刻用孔12，所以可以用更短的时间、在基板7上形成的金属膜8上、形成具有希望的形状和间隔的蚀刻用孔12。
实施方式6
图15是具备透射型屏幕的显示装置的概略构成图，该透射型屏幕具备以通过用上述实施方式说明的基板的加工方法得到的微透镜片成型模作为铸模、在其内填充树脂、固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜片(与微透镜阵列相同)。可以将由上述方法得到的微透镜片，或者该微透镜片和菲涅耳透镜片、棱镜透镜片、漫射片等其它的镜片适宜地组合构成透射型屏幕。特别是由图6中所示的微透镜片16和菲涅耳透镜22的组合形成的透射型屏幕具有屏幕面明亮、视场角也广的优点。图15的显示装置是所谓背面投影机，由设置在框体200的内部的投射光学单元201投射的图像用反射镜202反射后，借助于透射型屏幕21而显示。
实施例7
图16是作为显示装置的TFT液晶板的概略构成图，该显示装置具备以通过用上述实施方式说明的基板的加工方法得到的微透镜片成型模作为铸模、在其内填充树脂、固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜片(与微透镜阵列相同)。这里，在配置TFT302的玻璃基板301和配置金属掩模303的玻璃基板301之间封入有液晶304。在配置金属掩模303的玻璃基板301侧，配置微透镜片16，利用各微透镜16a可以谋求入射光的有效利用。另外在这里，在TFT液晶板的外侧面配置有防尘玻璃305。
以上，参照附图详述了本发明的实施方式，但是具体的构成并不限于该实施方式，在不脱离本发明要旨范围的设计变更等也包括在本发明内。
例如，在上述实施方式中，举出以微透镜片成型模的制造为例说明了本发明，但是本发明的适用不限定与此，可以适用于其它任意的基板加工。例如，还可以适用本发明加工玻璃基板或者树脂基板、制造由多个凹型透镜构成的透镜阵列。
另外，在上述实施方式1～5中，表示了衍射光学元件3、31、42、541、542、621、622的截面形状为锯齿状的例子，但是对此不作限定。例如，降低光利用效率，也可以将衍射光学元件的截面形状取为矩形形状。
另外，在上述实施方式1～5中，表示了作为光束强度分布整形用光学元件使用衍射光学元件3、31、42和衍射光学元件541、542、621、622的例子，但是也可以用圆锥棱镜代替它们。图14表示了用圆锥棱镜70的激光加工装置的例子。在圆锥棱镜的情况下，由于可以利用折射效果，所以波长依存性极小，用1个圆锥棱镜可以适用于具有多个不同波长的激光光束，得到与使用衍射光学元件大体同程度的光利用效率。但是，因每个波长折射角度不同而激光光束的光束直径也每个波长不同。
另外，上述各实施方式只要其目的和构成等没有特别的矛盾和问题，就可以挪用相互的技术。例如，在上述实施方式2中，在激光振荡器2的后侧设置图10所示的1/2波长板52和偏光分离元件53，同时也可以在偏光分离元件53的后侧2个并列地设置衍射光学元件3或者31。另外，并列地设置衍射光学元件31、42和衍射光学元件541、542、621、622的个数不限定于2个，也可以是3个、4个、5个或其以上。如果根据这样的构成，则由于一次可以形成多个蚀刻用孔12，所以可以以更短的时间、在基板上形成的金属膜上、形成具有希望形状和间隔的蚀刻用孔。

Claims (19)

1.一种基板的加工方法，其特征在于，具备：
整形光束的步骤，其将从激光光源射出的激光光束，通射到为该光束的波阵面附加相位调制的光学元件中，从而整形成具有比被加工基板的加工区域部分的厚度偏差的最大值和翘曲偏差的最大值大的焦点深度的光束；
通过将上述整形光束照射到成膜于上述基板的膜面上而除去该膜从而形成多个蚀刻用孔的步骤；和
经由上述多个蚀刻用孔蚀刻上述基板，从而形成多个凹部的步骤。
2.根据权利要求1所述的基板的加工方法，其特征在于，
作为上述光学元件使用衍射光学元件，只在光轴上所定的区域内使大量的光能聚光而生成具有局部化的强度分布的上述整形光束。
3.根据权利要求2所述的基板的加工方法，其特征在于，
将由上述激光光源射出的激光光束分支成多束，通过设在每个光束上的上述衍射光学元件对分支后的各激光光束分别进行衍射，生成上述整形光束。
4.根据权利要求2或3所述的基板的加工方法，其特征在于，
具备将从上述衍射光学元件射出的整形光束，通射到顺次设置具有第1焦距的第1透镜、空间滤波器、具有第2焦距的第2透镜的光学系统中从而进一步调整上述整形光束的强度分布的步骤。
5.根据权利要求2或3所述的基板的加工方法，其特征在于，将上述衍射光学元件制成表面凹凸型的衍射光学元件，将其截面形状取为锯齿状。
6.根据权利要求1所述的基板的加工方法，其特征在于，
作为上述衍射光学元件使用圆锥棱镜，只在光轴上所定的区域内使大量的光能聚光而生成具有局部化的强度分布的上述整形光束。
7.根据权利要求6所述的基板的加工方法，其特征在于，
将由上述激光光源射出的激光光束分支成多束，通过设在每个光束上的上述圆锥棱镜分别折射分支的各激光光束，生成上述整形光束。
8.根据权利要求6或7所述的基板的加工方法，其特征在于，
具备将从上述圆锥棱镜射出的整形光束通射到顺次设置具有第1焦距的第1透镜、空间滤波器、具有第2焦距的第2透镜的光学系统中从而进一步调整上述整形光束的强度分布的步骤。
9.根据权利要求1、2、3、6、7的任一项所述的基板的加工方法，其特征在于，
使从上述激光光源射出的激光光束的强度分布为高斯分布。
10.根据权利要求1、2、3、6、7的任一项所述的基板的加工方法，其特征在于，
上述基板由光透过构件构成，将上述整形光束从与形成有上述基板的膜面的一侧相反的面侧，照射到上述膜面上。
11.一种基板的加工方法，其特征在于，使用权利要求1、2、3、6、7的任一项所述的方法，加工玻璃基板或者树脂基板，制造由多个凹型透镜构成的透镜阵列。
12.一种基板的加工方法，其特征在于，
使用权利要求1、2、3、6、7的任一项所述的方法加工基板，制造具备多个凹部的微透镜片成型模。
13.一种微透镜片的制造方法，其特征在于，
将玻璃或者树脂挤压到由权利要求12的方法制造的成型模的凹部形成面内，转印该成型模的形状，制造具备凸形状的多个微透镜的微透镜片。
14.一种透射型屏幕，其特征在于，
具备用权利要求12的方法制造的上述微透镜片成型模作为铸模，通过在其内填充树脂、固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜片或者微透镜阵列。
15.一种透射型屏幕，其特征在于，
将由权利要求13所述的方法制造的微透镜片和具有菲涅耳透镜的菲涅耳片，以透镜面相互面对的方式平行地配置而构成。
16.一种投影仪，其特征在于，具备权利要求14或15所述的透射型显示屏，通过该透射型显示屏显示图像。
17.一种显示装置，其特征在于，
具备以权利要求12的方法制造的上述微透镜片成型模作为铸模、通过在其内填充树脂并固化后，从该树脂中取下上述成型模而形成的微透镜片或者微透镜阵列。
18.一种基板的加工装置，具备：
射出激光光束的激光光源；和
对上述激光光束的波阵面附加相位调制，并仅在光轴上的所定区域内使大量的光能聚光而生成具有局部化的强度分布的整形光束的衍射光学元件或者圆锥棱镜的任一种，
所述整形光束的焦点深度，比被加工基板的加工区域部分的厚度偏差的最大值和翘曲偏差的最大值大。
19.根据权利要求18所述的基板的加工装置，其特征在于，具备对被上述整形光束照射后的上述基板进行蚀刻的蚀刻槽。
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