DE19936328A1 - Mikrooptische Linse und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine asphärische, mikrooptische Linse (1) aus einem transparenten Linsenmaterial, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Linse mindestens eine hemisphärische Oberfläche (2) aufweist und zumindest eine Oberfläche der Linse eine optische Korrekturfläche (3) aufweist, die eine sphärische Linse in eine asphärische Linse überführt. DOLLAR A Beschrieben ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer asphärischen, mikrooptischen Linse, umfassend die Schritte: DOLLAR A Herstellung einer sphärischen, mikrooptischen Linse mit mindestens einer hemisphärischen Oberfläche und DOLLAR A Korrektur der sphärischen Linse auf zumindest einer Seite mit einem oder mehreren Korrekturmitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine asphärische mikrooptische Linse aus einem transparenten Linsenmaterial gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Mikrooptische Linsen werden zur Strahlfokussierung bzw. Auf­ weitung beispielsweise in der Medizintechnik, bei der opti­ schen Datenübertragung, optischen Datenspeicherung und in Halbleiter-Lichtquellen und -Detektoren angewendet. Diese An­ wendungen erfordern häufig eine speziell angepaßte Oberflä­ chenform der mikrooptischen Linse, wodurch eine hohe Lei­ stungseffizienz bei der optischen Übertragung erzielt werden kann. Während makroskopische Linsen beispielsweise durch Po­ lieren der Linsenoberfläche hochgenaue hergestellt werden kann, lassen sich mikrooptische Linsen nur mit wesentlich hö­ herem fertigungstechnischem Aufwand herstellen.

Mikrolinsen, wie sie beispielsweise zur Strahlführung bei Halbleiterlasern eingesetzt werden, werden in der Regel mit einer numerischen Apertur von mehr als 0,4 hergestellt um ei­ ne möglichst hohe Koppeleffizienz z. B. mit einer Lichtlei­ terfaser zu erreichen. Bei entsprechend hoher numerischer Apertur müssen diese Linsen zur Erzielung einer hohen Effizi­ enz asphärisch hergestellt werden.

Es ist bereits bekannt, gemoldete Glaslinsen für mikroopti­ sche Anwendungen herzustellen. Nachteil dieser mikrooptischen Linsen ist, daß diese nur relativ aufwendig herstellbar sind; eine Massenproduktion gemoldeter Glaslinsen ist daher nicht rentabel.

Ferner ist es aus dem Artikel "Continous-Relief Diffractive Lenses and Microlens Arrays", Ed. J. Turunen & F. Wyrowski, Akademie Verlag, Berlin, Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications, Ch 4, August 1997, bekannt, mi­ krooptische planare Linsen, sogenannte Fresnel-Linsen, mit­ tels Laserstrukturierung sowohl hemisphärisch als auch asphä­ risch herzustellen. Auch die Herstellung mittels Replizier­ verfahren wird erwähnt. Die beschriebenen Verfahren sind je­ doch aufwendig und nachteilhaft, da nicht von einfach her­ stellbaren hemisphärischen Linsen ausgegangen wird. Darüber­ hinaus bezieht sich das Verfahren nur auf planare Linsen.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine asphärische mikroopti­ sche Linse vor, die besonders einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine asphäri­ sche Linse gemäß Patentanspruch 1.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner asphärischen mikrooptischen Linse gemäß Patentanspruch 5.

Die Linse gemäß der vorliegenden Erfindung weist mindestens eine hemisphärische Oberfläche auf. Es handelt sich nicht um eine planare Linse. Die Linse ist asphärisch korrigiert, wo­ bei die Korrekturfläche vorzugsweise einen stufenförmigen Verlauf hat. Die erfindungsgemäße Linse kann zunächst kosten­ günstig auf an sich bekannte Weise mit hemisphärischer Ober­ fläche hergestellt werden. Durch nachträgliches Einbringen einer optischen Korrekturfläche entfällt der technisch auf­ wendige Schritt der Herstellung einer Linse mit asphärischer Oberfläche. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Korrektur­ fläche, die vorzugsweise stufenförmig ist, sehr genau bezüg­ lich der Stufenhöhe herstellen läßt. Ebenfalls vorteilhaft ist, daß sich die erfindungsgemäße Linse in einem gebräuchli­ chen Halbleiterverfahren auf Wafermaßstab herstellen läßt. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 9 nä­ her beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine asphärisch korrigierte hemisphärische Linse, die angeformt auf einem Träger ist,

Fig. 2 eine (halbe) Kugellinse mit optischer Korrektur,

Fig. 3 eine auf einen Träger angeformte hemisphärische Linse mit asphärischer Korrektur, wobei die Korrektur auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich der hemisphä­ rischen Linse mittels einer gespritzten Kunststoffma­ sse aufgebracht ist,

Fig. 4 eine hemisphärische Linse, die auf einen Träger auf­ gebracht ist mit einer Korrektur wie in Fig. 3,

Fig. 5 eine hemisphärische Linse mit einer asphärischen kon­ tinuierlichen Korrektur auf der Seite der hemisphäri­ schen Linse,

Fig. 6 eine hemisphärische Linse mit einer asphärischen stu­ fenförmigen Korrektur auf der Seite der hemisphäri­ schen Linse,

Fig. 7 eine Anordnung aus unkorigierter Linse und Werkzeug zur Herstellung von Linsen gemäß Fig. 5 und 6

Fig. 8 eine Anordnung aus Metallwerkzeug und Zwischenwerk­ zeug zur Herstellung von Linsen gemäß Fig. 9 und

Fig. 9 eine korrigierte Linse, die mit dem Zwischenwerkzeug nach Fig. 8 hergestellt ist.

Eine erfindungsgemäße mikrooptische Linse, bei der die hemi­ sphärische Linse 2 ein Lacktropfen ist, zeigt Fig. 1. Die Herstellung dieser sphärischen Linsen ist an sich bekannt und kann beispielsweise durch fotolithographisches Ätzen des Lacktropfens erfolgen. Geeignete Linsenmaterialien sind binä­ re, ternäre oder quarternäre Halbleiter, vorzugsweise Silizi­ um, Galiumphosphit und Siliziumkarbit. In Fig. 1 ist die he­ misphärische Linse 2 auf einem Träger 4 aus demselben Materi­ al wie die hemisphärische Linse angeordnet. Auf der der hemi­ sphärischen Linse gegenüberliegenden Seite ist eine stufen­ förmige Strukturfläche 3 eingearbeitet. Die stufenförmige Oberfläche kann beispielsweise durch Trocken- oder Naßätzen in üblicher Maskentechnologie gefertigt werden.

Es ist zur Herstellung der hemisphärischen Kugelsegmente in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ebenfalls möglich, daß bei der Herstellung von kugelförmigen Linsen ausgegangen wird. Geeignete Materialien sind z. B. Zirkonoxyd, Galiump­ hosphit sowie Siliziumkarbit. Bevorzugt handelt es sich bei den geeigneten Materialien jedoch um Halbleiter. Die Herstel­ lung der besagten Kugellinsen kann durch mechanische Bearbei­ tung auf an sich bekannte Weise erfolgen. Prinzipiell kann hier die zur Herstellung von Glas/Saphier-Linsen verwendete Technik angewendet werden. Im Anschluß daran werden die Ku­ gelsegmente mechanisch beispielsweise durch Sägen in zwei Ku­ gelsegmente aufgeteilt. Die hierbei entstehende Fläche wird beispielsweise durch Polieren planarisiert. Ausgehend von den Kugelsegmenten kann entweder direkt eine asphärische Korrek­ tur in die Kugelhälfte eingearbeitet werden, was in Fig. 2 dargestellt ist, oder die Kugelhälfte wird mit einer ebenen Unterlage, beispielsweise einem Wafer verbunden (Fig. 4, 6). Zur Verbindung mit der Fläche kann beispielsweise ein für op­ tische Anwendungen besonders geeignetes, an sich bekanntes Klebstoffmaterial verwendet werden. Als Klebstoff wird beson­ ders bevorzugt ein Material ausgewählt, welches an den Bre­ chungsindex des Linsenmaterials speziell angepaßt ist. Ent­ sprechend einseztbare Klebstoffmaterialien sind an sich be­ kannt.

Die asphärische Korrektur kann gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung durch Halbleiterätzen hergestellt werden. Die vorzugsweise stufenförmige Korrekturfläche erhält man dann, indem mehrere fotolithographische Ätzschritte durchgeführt werden.

Zur Ätzung sind im Prinzip alle gängigen Ätzverfahren, wie Naß- und Trockenätzen mit oder ohne Ätzstoppschichten ein­ setzbar.

Dabei hängt die erreichbare Güte der Korrektur im wesentli­ chen von der Anzahl der Ätzschritte und der davon abhängenden Anzahl der Stufen ab. Der Fachmann wählt die Anzahl der Stu­ fen je nach gewünschten Anforderungen an Abbildungsqualität und Auwand bei der Fertigung. Auf diese Weise herausgearbei­ tete Korrekturflächen 3 sind in den Fig. 1 und 2 darge­ stellt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es mög­ lich, die Korrekturfläche durch Aufbringen von Epitaxie­ schichten herzustellen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem aufgebrachten Material um die gleiche Substanz, wie der Trä­ ger oder auch das Substrat 4 oder das verwendete Linsenmate­ rial.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung wird die Korrekturfläche durch Aufbringen eines Kunst­ stoffmaterials hergestellt. Hier läßt sich entweder ein Gieß­ verfahren oder ein Spritzgußverfahren anwenden.

Gemäß Fig. 7 wird zunächst der Verlauf der Korrekturfläche berechnet und im Anschluß daran wird die berechnete Form in ein Metallwerkzeug 5 gefräßt. Die entstehende Korrekturfläche 6 kann zur Verbesserung der Oberflächenqualität noch poliert werden.

Das Metallwerkzeug 5 wird nun zur Herstellung eines Zwischen­ werzeugs 7 verwendet, wobei die Herstellung des Zwischenwer­ kzeugs durch Spritzguß oder Gießen erfolgen kann. Besonders bevorzugt wird auf diese Weise ein Wafer mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Einzelelementen hergestellt.

Vorzugsweise wird das Zwischenwerkzeug 7 aus einem transpa­ renten Material (z. B. Glas) hergestellt. Dies bietet den Vorteil, daß die Auswertung des Kunststoffmaterials durch Be­ lichtung beschleunigt werden kann. Hierbei ist auch die Ver­ wendung eines thermoplastischen Materials denkbar. Weitere Beispiele für verwendbare Kunststoffmaterialien sind UV-/ oder thermisch härtbare Polymere.

Eine asphärisch korrigierte mikrooptische Linse, die mit der vorstehend beschriebenen Technik hergestellt worden ist, ist in Fig. 8 dargestellt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die mit einer Vielzahl von Einzelelementen bestückten Wafer mit ein­ zelnen Korrekturelementen 4 bestückt.

Vorzugsweise wird das Zwischenwerkzeug 7 optisch justiert, um eine bessere Justage und genauere Kontrolle der Schichtdicken zu gewährleisten. Eine andere Möglichkeit der Justage besteht darin, daß der Träger 4 zunächst mit Korrekturelementen 8 be­ stückt wird und im Anschluß daran die sphärischen Elemente, wie in Fig. 4 dargestellt, einzeln justiert aufgebracht wer­ den.

Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der mikroopti­ schen Linsen kann vorzugsweise eine an sich bekannte angepaß­ te Antireflexionsschicht auf die inneren Grenzflächen bzw. Materialübergänge aufgebracht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die asphä­ rische Korrektur auch auf der Seite der hemisphärischen Ober­ fläche auf das optische Element aufgebracht werden. Es ist möglich, entweder die hemisphärische Fläche selbst anzuätzen oder zusätzliches Material zur Korrektur aufzubringen. Ausfüh­ rungsbeispiele mit zusätzlich aufgebrachtem Material sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.

Die Herstellung einer Korrektur mit zusätzlichem Material auf der hemisphärischen Oberfläche kann beispielsweise mit Hilfe eines Werkzeugs 9 erfolgen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Linsenoberfläche zugewandte Seite eine Aus­ nehmung in Form der aufzubringenden Kontur aufweist. Diese Herstellungsvariante bietet den Vorteil einer Selbstjustage des Werkzeugs 9 bezüglich der Linse 1.

Die weiter oben beschriebenen Herstellungsmethoden, bei denen ein Werkzeug zur Herstellung der Korrekturelemente verwendet werden, bieten den Vorteil, daß neben stufenförmigen Flächen­ formen auch kontinuierliche Flächenprofile zur Korrektur her­ gestellt werden können.

Claims (10)

1. Asphärische mikrooptische Linse (1) aus einem transparen­ ten Linsenmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse mindestens eine hemi­ sphärische Oberfläche (2) aufweist und zumindest eine Ober­ fläche der Linse eine optische Korrekturfläche (3) aufweist, die eine sphärische Linse in eine asphärische Linse über­ führt.

2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenmaterial ein Halbleitermaterial ist, vorzugsweise Si, GaP, SiC oder ZrO₂.

3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfläche (3) einen stufenförmigen Verlauf hat.

4. Linse nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse auf einem Träger (4) angeformt ist, wobei der Träger aus dem Material der Linse besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer asphärischen mikroopti­ schen Linse umfassend die Schritte:

• - Herstellung einer sphärischen mikrooptischen Linse mit mindestens einer hemisphärischen Oberfläche (2) aus ei­ nem transparenten Linsenmaterial in an sich bekannter Weise, insbesondere durch an sich bekannte Mittel zur mechanischen Bearbeitung der Linsenoberfläche und
• - Korrektur der sphärischen Linse auf zumindest einer Sei­ te mit einem oder mehreren Korrekturmitteln, die eine sphärische Linse in eine asphärische Linse überführen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse durch photolitographisches Ätzen herge­ stellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturmittel ein Ätzverfahren ist, bei dem in mehreren Ätzschritten durch Ätzmasken definierte Berei­ che ausgeätzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturmittel ein Epitaxieverfahren ist, bei dem in mehreren Epitaxieschritten mittels Masken in de­ finierten Bereichen zusätzliche Materiallagen aufge­ bracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturmittel ein Gießverfahren oder ein Spritzgußverfahren ist, wobei die für das Gieß- oder Spritzgußverfahren verwendete Form entsprechend der durchzuführenden asphärischen Korrektur berechnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Form aus transparentem Material besteht.