基礎知識
マイクロレンズアレイとは？仕組み・用途・製造方法をわかりやすく解説
📌 3行でわかる要約
- マイクロレンズアレイとは、数μm〜数mm程度の微小なレンズを平面上に多数配列した光学素子
- フォトリソグラフィやガラスの精密加工など複数の製法があり、光ファイバー結合・イメージセンサー・ディスプレイなど幅広い分野で使われている
- 材料にはガラスと樹脂があり、用途に応じた選定が必要（詳細な比較は別記事で解説）
マイクロレンズアレイとは
マイクロレンズアレイ（Micro Lens Array, MLA）とは、直径数μm〜数mm程度の微小なレンズを、平面上に規則的または不規則に多数配列した光学素子です。単レンズを縦横に並べた見た目から、「フライアイレンズ（ハエの目レンズ）」と呼ばれることもあります。
個々のレンズは、通常の単レンズと同じように次のような機能を持ちます。
- 集光：光を一点に集める
- 拡散：光を広い範囲に均一に広げる
- コリメート（平行光化）：発散する光を平行な光線に整える
マイクロレンズアレイは、これらの機能を持つ小さなレンズを面状に多数配置することで、単一の大きなレンズでは実現しにくい「均一な光の制御」や「複数点への同時集光」を可能にしています。
マイクロレンズアレイの製造方法
マイクロレンズアレイの製法は、素材（ガラスか樹脂か）や求められる精度によっていくつかの方式に分かれます。
フォトリソグラフィ＋熱リフロー
樹脂製マイクロレンズアレイでよく使われる代表的な製法です。フォトレジスト（感光性樹脂）を露光・現像して円柱状のパターンを形成した後、レジストのガラス転移温度以上（160℃前後で加熱する例が報告されています）に加熱すると、表面張力によってレジストが自然に球面状へと変形し、球面レンズ形状が得られます。
電鋳による金型転写と量産化
フォトリソグラフィで作った原盤（マスター）は、そのままでは量産に使えないため、電鋳（電気めっき）によって金属モールド（金型）へ転写します。この金型を使って射出成形・圧縮成形・熱プレス（ホットエンボス）を行うことで、樹脂製マイクロレンズアレイを大量に複製できます。樹脂射出成形メーカーの中には、金型を超精密切削加工し、樹脂の射出成形技術を用いて生産する方式を採用している例もあります。
インプリント・エッチングと、ガラス製の超精密切削・研磨
半導体プロセスに近い微細加工技術であるインプリントやエッチングによって、より高精度なパターンを直接形成する方法もあります。一方、ガラス製マイクロレンズアレイは、ガラス素材を直接切削・研磨する超精密加工や、ガラスをモールド成形する方法によって作られます。素材によって適した製法が異なる点が、マイクロレンズアレイ製造の特徴です。
マイクロレンズアレイの主な用途
マイクロレンズアレイは、光を精密に制御する必要がある幅広い分野で使われています。
光ファイバー結合
光源とファイバーの結合や、光スイッチ・波長選択スイッチ（WSS）などの光通信機器において、マイクロレンズアレイはコリメートや集光によって結合効率を高める役割を担います。例えば、NASAの衛星観測プロジェクト（PACE計画のOcean Color Instrument）では、短波赤外線帯域の光をマルチモードファイバーバンドルへ結合する際の目標効率として95%という数値が報告されています。これは特定プロジェクトでの目標値であり、用途によって求められる結合効率は異なります。
CMOSイメージセンサー
デジタルカメラやスマートフォンに搭載されるCMOSイメージセンサーでは、各画素の上に微小なマイクロレンズを配置し、フォトダイオードへの集光効率を高めています。特に裏面照射型（BSI）のセンサーでは、表面照射型と比べて受光感度が約2倍に向上する例が報告されています。
ディスプレイ・照明拡散板、LiDAR・センシング
マイクロレンズアレイは、光を均一に拡散させることで一様な照明光や広視野角の表示を実現するディフューザー（拡散板）としても利用されます。また、LiDAR（レーザーによる距離測定・センシング技術）では、ビーム整形や受光効率の向上に活用されています。
天体観測装置での採用例
高い精度が求められる天体観測の分野でも、マイクロレンズアレイは実績があります。すばる望遠鏡に搭載された、大気の揺らぎをリアルタイムに観測するシャックハルトマン波面センサにも、マイクロレンズアレイが採用されています。
材料選定の基礎：ガラスと樹脂
マイクロレンズアレイは、ガラスと樹脂のどちらでも作ることができ、それぞれに特徴があります。
ガラス製は高い耐熱性・耐環境性、そして光が入射方向によって異なる屈折率を示す「複屈折」が小さいという特長を持ちます。ただし、高い精度・低複屈折が求められるグレードほど、超精密切削・研磨や専用の金型加工にコストがかかりやすい傾向があります。
樹脂製は、射出成形によって金型から一括複製できるため、量産性に優れることが特長です。一方で、ガラスに比べて耐熱性や複屈折の面で注意が必要な場合があります。
用途によって求められる精度・使用環境・量産規模は異なるため、どちらの材料が適しているかは一概には言えません。特に光ファイバー用途でガラス製が主流とされる理由や、樹脂化によって解決できる課題の詳細については、姉妹記事で数値データをもとに詳しく解説しています。
まとめ｜マイクロレンズアレイの材料選定で失敗しないために
マイクロレンズアレイは、フォトリソグラフィによる樹脂成形からガラスの超精密加工まで、複数の製法によって作られる光学素子で、光ファイバー結合からイメージセンサー、ディスプレイ拡散板、LiDAR、天体観測まで幅広い分野で活用されています。材料選定においては、ガラスと樹脂それぞれの特長を理解し、用途に応じて判断することが重要です。
光学樹脂の選定でお悩みの方は、下記より三菱ガス化学にお問い合わせください。
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