DE19936328B4

DE19936328B4 - Mikrooptische Linse und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19936328B4
Application number: DE1999136328
Authority: DE
Inventors: Werner Späth; Peter Gattinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2019-08-03
Also published as: DE19936328A1

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 asphärisch korrigierte mikrooptische Linse aus einem transparenten Linsenmaterial gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Mikrooptische Linsen werden zur Strahlfokussierung bzw. Aufweitung beispielsweise in der Medizintechnik, bei der optischen Datenübertragung, optischen Datenspeicherung und in Halbleiter-Lichtquellen und -Detektoren angewendet. Diese Anwendungen erfordern häufig eine speziell angepaßte Oberflächenform der mikrooptischen Linse, wodurch eine hohe Leistungseffizienz bei der optischen Übertragung erzielt werden kann. Während makroskopische Linsen beispielsweise durch Polieren der Linsenoberfläche hochgenau hergestellt werden können, lassen sich mikrooptische Linsen nur mit wesentlich höherem 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 eine möglichst hohe Koppeleffizienz z. B. mit einer Lichtleiterfaser zu erreichen. Bei entsprechend hoher numerischer Apertur müssen diese Linsen zur Erzielung einer hohen Effizienz asphärisch hergestellt werden.

Es ist bereits bekannt, gegossene Glaslinsen für mikrooptische Anwendungen herzustellen. Nachteil dieser mikrooptischen Linsen ist, daß diese nur relativ aufwendig herstellbar sind; eine Massenproduktion gegossener Glaslinsen ist daher nicht rentabel.

Aus einem Artikel in der Siemens Review, Research and Development Special, Fall 1994, S.9 bis 12 ist grundsätzlich be kannt, plankonvexe Linsen auf einem Halbleiterträger aufzubringen. Jedoch wird dort keine asphärische Korrektur vorgeschlagen. Stattdessen beschreibt die Druckschrift die Herstellung diffraktiver Linsen mit Halbleitertechniken.

Die US 5 299 062 beschreibt eine bikonvexe oder plankonvexe Abbildungsoptik, die als Einzeloptik hergestellt wird, aus Glas besteht und eine Korrekturfläche aus einem, auf die Linsenoberfläche aufgebrachten und strukturierten Material zur asphärischen Korrektur aufweist.

In der EP 0 615 142 A1 ist eine mikrooptische Linse beschrieben, bestehend aus einem Stab mit aufgebrachter sphärischer Linse, bei der auf der entgegengesetzten Linsenseite eine asphärische Korrekturfläche in den Glasstab geätzt ist. Weiters ist dort, das gemeinsame Ätzen einer Mehrzahl von Stäben mit sphärischer Linse, nachdem diese in einer Matrix aus Glas eingebettet wurden, beschrieben.

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, mikrooptische Stufenlinsen, so genannte Fresnel-Linsen, mittels Laserstrukturierung sowohl hemisphärisch als auch asphärisch herzustellen. Auch die Herstellung mittels Replizierverfahren wird erwähnt. Die beschriebenen Verfahren sind jedoch aufwendig und nachteilhaft, da nicht von einfach herstellbaren hemisphärischen Linsen ausgegangen wird. Darüber hinaus bezieht sich das Verfahren nur auf Stufenlinsen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine asphärisch korrigierte mikrooptische Linse, sowie ein Verfahren zur Herstellung mehrerer asphärisch korrigierter Linsen anzugeben, so dass durch einfache und kostengünstige Art und Weise eine Verbesserung entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine asphärisch korriegierte Linse gemäß Patentanspruch 1.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung asphärisch korrigierter mikrooptischer Linsen 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, wobei die Korrekturfläche vorzugsweise einen stufenförmigen Verlauf hat. Die erfindungsgemäße Linse kann zunächst kostengünstig auf an sich bekannte Weise mit hemisphärischer Oberfläche hergestellt werden. Durch nachträgliches Einbringen einer optischen Korrekturfläche entfällt der technisch aufwendige Schritt der Herstellung einer Linse mit asphärischer Oberfläche. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Korrekturfläche, die vorzugsweise stufenförmig ist, sehr genau bezüglich der Stufenhöhe herstellen läßt. Ebenfalls vorteilhaft ist, daß sich die erfindungsgemäße Linse in einem gebräuchlichen Halbleiterverfahren auf Wafermaßstab herstellen läßt. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 9 näher beschrieben.

Es zeigen
1 eine asphärisch korrigierte hemisphärische Linse, die angeformt auf einem Träger ist,
2 eine (halbe) Kugellinse mit optischer Korrektur,
3 eine auf einen Träger angeformte hemisphärische Linse mit asphärischer Korrektur, wobei die Korrektur auf der gegenüberliegenden Seite bezüglich der hemisphärischen Linse mittels einer gespritzten Kunststoffmasse aufgebracht ist,
4 eine hemisphärische Linse, die auf einen Träger aufgebracht ist mit einer Korrektur wie in 3,
5 eine hemisphärische Linse mit einer asphärischen kontinuierlichen Korrektur auf der Seite der hemisphärischen Linse,
6 eine hemisphärische Linse mit einer asphärischen stufenförmigen Korrektur auf der Seite der hemisphärischen Linse,
7 eine Anordnung aus unkorrigierter Linse und Werkzeug zur Herstellung von Linsen gemäß 5 und 6
8 eine Anordnung aus Metallwerkzeug und Zwischenwerkzeug zur Herstellung von Linsen gemäß 9 und
9 eine korrigierte Linse, die mit dem Zwischenwerkzeug nach 8 hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße mikrooptische Linse, bei der die hemisphärische Linse 2 ein Lacktropfen ist, zeigt 1. Die Herstellung dieser sphärischen Linsen ist an sich bekannt und kann beispielsweise durch fotolithographisches Ätzen des Lacktropfens erfolgen. Geeignete Linsenmaterialien sind binäre, ternäre oder quarternäre Halbleiter, vorzugsweise Silizium, Galliumphosphit und Siliziumkarbid. In 1 ist die hemisphärische Linse 2 auf einem Träger 4 aus demselben Material wie die hemisphärische Linse angeordnet. Auf der der hemisphärischen Linse gegenüberliegenden Seite ist eine stufenförmige 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, Galliumphosphit sowie Siliziumkarbid. Bevorzugt handelt es sich bei den geeigneten Materialien jedoch um Halbleiter. Die Herstellung der besagten Kugellinsen kann durch mechanische Bearbeitung auf an sich bekannte Weise erfolgen. Prinzipiell kann hier die zur Herstellung von Glas/Saphir-Linsen verwendete Technik angewendet werden. Im Anschluss daran werden die Kugelsegmente mechanisch beispielsweise durch Sägen in zwei Kugelsegmente aufgeteilt. Die hierbei entstehende Fläche wird beispielsweise durch Polieren planarisiert. Ausgehend von den Kugelsegmenten kann entweder direkt eine asphärische Korrektur in die Kugelhälfte eingearbeitet werden, was in 2 dargestellt ist, oder die Kugelhälfte wird mit einer ebenen Unterlage, beispielsweise einem Wafer verbunden (4, 6). Zur Verbindung mit der Fläche kann beispielsweise ein für optische Anwendungen besonders geeignetes, an sich bekanntes Klebstoffmaterial verwendet werden. Als Klebstoff wird besonders bevorzugt ein Material ausgewählt, welches an den Brechungsindex des Linsenmaterials speziell angepasst ist. Entsprechend einsetzbare Klebstoffmaterialien sind an sich bekannt.
Die asphärische Korrektur kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 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 einsetzbar.
Dabei hängt die erreichbare Güte der Korrektur im wesentlichen von der Anzahl der Ätzschritte und der davon abhängenden Anzahl der Stufen ab. Der Fachmann wählt die Anzahl der Stufen je nach gewünschten Anforderungen an Abbildungsqualität und Aufwand bei der Fertigung. Auf diese Weise herausgearbeitete Korrekturflächen 3 sind in den 1 und 2 dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Korrekturfläche durch Epitaxieschritte herzustellen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem aufgebrachten Mate rial um die gleiche Substanz, wie der Träger oder auch das Substrat 4 oder das verwendete Linsenmaterial.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Korrekturfläche durch Aufbringen eines Kunststoffmaterials hergestellt. Hier läßt sich entweder ein Gießverfahren oder ein Spritzgußverfahren anwenden.
Gemäß 8 wird zunächst der Verlauf der Korrekturfläche berechnet und im Anschluß daran wird die berechnete Form in ein Metallwerkzeug 5 gefräst. Die entstehende Korrekturfläche 6 kann zur Verbesserung der Oberflächenqualität noch poliert werden.
Das Metallwerkzeug 5 wird nun zur Herstellung eines Zwischenwerzeugs 7 verwendet, wobei die Herstellung des Zwischenwerkeugs 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 transparenten Material (z. B. Glas) hergestellt. Dies bietet den Vorteil, daß die Aushärtung des Kunststoffmaterials durch Belichtung beschleunigt werden kann. Hierbei ist auch die Verwendung 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 9 dargestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die mit einer Vielzahl von Einzelelementen bestückten Wafer mit einzelnen 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 bestückt wird und im Anschluß daran die sphärischen Elemente, wie in 4 dargestellt, einzeln justiert aufgebracht werden.
Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der mikrooptischen Linsen kann vorzugsweise eine an sich bekannte angepaßte Antireflexionsschicht auf die inneren Grenzflächen bzw. Materialübergänge aufgebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die asphärische Korrektur auch auf der Seite der hemisphärischen Oberfläche auf das optische Element aufgebracht werden. Es ist möglich, entweder die hemisphärische Fläche selbst anzuätzen oder zusätzliches Material zur Korrektur aufzubringen. Ausführungsbeispiele mit zusätzlich aufgebrachtem Material sind in den 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 Ausnehmung 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 Flächenformen auch kontinuierliche Flächenprofile zur Korrektur hergestellt werden können.

Claims

Asphärisch korrigierte mikrooptische Linse mit einer auf einem Träger aus einem Halbleitermaterial angeformten hemisphärichen Linse und mit mindestens einer aus einem zusätzlich aufgebrachten und strukturierten Material gebildeten Korrekturfläche, die die sphärische Linse asphärisch korrigiert.
Mikrooptische Linse gemäß Anspruch 1, bei der das Linsenmaterial Si, GaP, SiC oder ZrO₂ aufweist.
Mikrooptische Linse gemäß Anspruch 1, bei der die hemisphärische Linse ein Halbleitermaterial aufweist, insbesondere das Halbleitermaterial des Trägers.
Mikrooptische Linse gemäß Anspruch 1, bei der die hemisphärische Linse durch einen Lacktropfen gebildet wird.
Mikrooptische Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Korrekturfläche aus einem Halbleitermaterial angeformt ist.
Mikrooptische Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Korrekturfläche aus einem UV- oder thermisch härtbaren Polymer angeformt ist.
Mikrooptische Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die mikrooptische Linse an inneren Grenzflächen eine Antireflexionsschicht aufweist.
Mikrooptische Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Korrekturfläche einen stufenförmigen Verlauf hat.
Mikrooptische Linse gemäß Anspruch 8, bei der der stufenförmige Verlauf aus epitaktisch aufgewachsenen Schichten gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung asphärisch korrigierter mikrooptischer Linsen, umfassend die Schritte: – Anformen mehrerer sphärischer Linsen auf einem Träger aus einem Halbleitermaterial, – Aufbringen eines zusätzlichen Materials auf mindestens einer Seite des Trägers – Strukturieren des zusätzlichen Materials zur Ausbildung einer Korrekturfläche, die die sphärische Linse asphärisch korrigiert.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die asphärisch korrigierten mikrooptischen Linsen vereinzelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem das Anformen des Linsenmaterials photolithographisches Ätzen umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem das Anformen des Linsenmaterials durch Aufbringen eines Lacktropfens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das Strukturieren mit einem Ätzverfahren erfolgt, wobei in mehreren Ätzschritten durch Ätzmasken definierte Bereiche ausgeätzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das Strukturieren ein Epitaxieverfahren umfasst, bei dem in mehreren Epitaxieschritten mittels Masken in definierten Bereichen zusätzliche Materiallagen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das Anformen und Strukturieren ein Gießverfahren oder ein Spritzgussverfahren umfasst, wobei die für das Gieß- oder das Spritzgussverfahren verwendete Form entsprechend der durchzuführenden asphärischen Korrektur berechnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem die Form aus transparentem Material hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem zwischen inneren Grenzflächen eine Antireflexionsschicht aufgebracht wird.