理研、直径30μmの極小ガラスレンズ製造技術

熱膨張前(上)と熱膨張後(下)。後者がレンズとして機能する

　理化学研究所(理研) 生命機能科学研究センター 集積バイオデバイス研究チームは、吹きガラスの原理を利用して直径30μm(マイクロメートル)～1mm程度の微小なガラス製レンズ(ドーム構造)を作製する技術を開発した。

　レンズとしての機能を発揮する透明な微小ドーム構造やその集合体のアレイと呼ばれるものは、光学や生命科学の分野だけでなく、スマートフォンのカメラやセンサーモジュールの部品としても応用されてきた。近年ではこれらのデバイスの小型化や高性能化が進み、それにあわせた微小レンズの製造技術が求められている。

　プラスチックを材料としたレンズは鋳造法を用いれば大量製造が可能なものの、ガラスに比べて耐久性や透明度の点で劣っており、環境負荷の問題とも相まってガラス製レンズの需要が高まっている。一方で、ガラスの微細な加工には手間や時間、コストがかかるため、高精度なガラス製レンズを短時間で大量製造するのが難しかった。

　研究チームでは、ガラス加工において数百年来用いられてきた「吹きガラス製法」に着目。ガラスの内部に空気を封入し熱膨張を利用してガラスを整形するこの手法をマイクロスケール加工に応用し、ガラス製微小レンズの作製を試みた。

ガラス膨張法によるガラス微小ドーム構造の形成工程と機能。(a)フッ化水素酸によるエッチングで板ガラスに浅い微細空洞を形成。(b)微細空洞をカバーガラスで閉じて仮接合。(c)真空引きしながら加熱し熱膨張。(d)予測した形状に到達したタイミングで加熱をやめ、真空引きしながら徐冷。(e)できあがったレンズと、充填液の有無による光学特性およびレンズ原理

　実験では、フッ化水素酸を使ってガラス基板の一部を溶かし、浅く微小なくぼみを形成。その上からカバーガラスを重ねて仮接合し、ガラスの内部に空洞を作り出す。この基板を真空引き(減圧)しながら加熱すると、空洞部分が熱膨張しガラスがドーム状に膨らむとともに、2枚のガラス板が接合される。目標の形状に達したら加熱を止めて、真空引きを引き続き行ないながらゆっくりと冷却し、ガラスの微小ドーム構造を作り出す。

　できあがったドーム構造は、熱膨張によって中央部のガラス壁が少し薄くなっており、二重の凹レンズ(凹メニスカスレンズ、縮小レンズ)として機能する。また、ドーム構造の空洞部分には空気より屈折率の大きい充填液を入れることで、両凸レンズ(拡大レンズ)としても利用可能。この場合は純ガラス製のレンズではなくなるものの、物理的強度や科学的耐性といった特性はガラス製のものと同等に保たれる。

作製したガラス微小ドーム構造。(a)薄板ガラスに加工した微細空洞。(b)形成された微小ドーム構造。ドーム構造の中央部のガラスは、周囲に比べて薄くなっている。(c)直径をさまざまに変えたドーム構造。(d)充填液導入用に流路を形成したドーム構造

　熱膨張時に割れるのを防ぐため、くぼみ部分以外のガラスの厚さを同一にする必要があるが、その条件下であればガラスの厚さを変えて変形量を調整可能。数量や形状、大きさなども自在に調整できるだけでなく、均一に製造したり、充填液を入れるための流路もつけらるため、広い範囲で応用できるとしている。

ドーム構造設計条件の検証及び立体形状の計測。(a)基板の厚み2条件でのくぼみ直径に対するドーム高さ。点線が計算値、実線が実測値。(b)ドーム高さは、くぼみが深いほど直線的に高くなる。(c)表面形状測定機によるレンズ3次元形状の計測結果。(d) (c)の測定結果から得られたドームの断面形状

　次に、ガラスの厚みやくぼみの直径、深さとドーム構造との関係について実験を行なうと、カバーガラスが薄く、くぼみが深くて直径が大きいほどドームが高くなると判明した。この結果は理論上のものとも一致しており、加えて、ドームの高さのばらつきも誤差5%以内と小さいことが明らかとなった。表面形状測定機による測定でも、ドーム構造は非常にきれいな釣り鐘型の3次元構造と断面形状をもち、微小ドーム構造の設計が容易かつ再現性に優れていることが確認できた。

ドーム構造のレンズ機能の検証実験。(a)空洞レンズでの結果。(b)充填レンズでの結果。(c)各レンズでのレンズ直径と倍率の関係測定結果。充填レンズでは最大1.65倍の拡大効果、空洞レンズでは最大0.61倍の縮小効果が得られた。

　さらに、作製したドーム構造がガラスレンズとして機能するかを定規目盛の観察を使って調査。充填液を用いない場合は目盛りの縮小が、ミネラルオイルを充填した場合は目盛りの拡大がそれぞれ確認され、前者の場合は最大0.61倍の縮小、後者の場合は最大1.65倍の拡大効果があることも分かった。

　最後に、作製したガラス製レンズが高温や強酸、有機溶媒中でも使用可能かを検証。充填液の有無にかかわらず、ホットプレートで300℃以上に加熱した場合や、硫酸(強酸)やアセトン(有機溶剤)の中に入れた場合でも、ガラスとしての特性が発揮され、レンズとして正常に機能することが確認された。

　今回開発された手法を用いると、短時間で高精度かつ容易に、長期的に安定で極端な環境下でも利用できるガラス製微小レンズを大量生産することが可能になり、さまざまな工業用途に応用が期待される。研究チームでは、以前に開発したマイクロ流体チップや生体試料分析などの研究も進めており、マイクロ流路にも組み込める今回のガラス製レンズはバイオ分析などの分野にも有用であるとしている。