DE60200225T2

DE60200225T2 - Mikrolinsen-Array und Methode für seine Herstellung

Info

Publication number: DE60200225T2
Application number: DE60200225T
Authority: DE
Inventors: Nobuki Kitakatsuragi-gun Itoh
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: EP1251365A1; US6814901B2; DE60200225D1; US20050035474A1; EP1251365B1; US20020196563A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrolinsen-Array, das üblicherweise auf dem Gebiet der optischen Kommunikation und dem optischen Packaging zum Einkoppeln von Licht benutzt wird, um Licht, das von einer Lichtquelle ausgesendet wird, in eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter optisch einzukoppeln, um das Licht, das von der optischen Faser oder dem optischen Wellenleiter ausgesendet wird, in parallele Strahlen umzuwandeln, oder um die Lichtstrahlen zu fokussieren, damit sie in die optische Faser oder den optischen Wellenleiter innerhalb eines optischen Kopplungssystem eintreten können.
STAND DER TECHNIK DER ERFINDUNG
Die Mikrolinse stellt üblicherweise eine feine Linse dar, die einen Linsendurchmesser hat, der nicht größer ist als einige Millimeter. Verschiedene Verfahren, die Mikrolinsen-Arrays betreffen, wobei diese Herstellverfahren derselben umfassen, wurden im Stand der Technik vorgeschlagen. DE 197 26 644 A offenbart ein Herstellungsverfahren zum Herstellen von mikrooptischen Elementen, wobei ein verflüssigtes Material in ein Sackloch eines Substrats gefüllt wird. Die Ionenaustausch-Diffusionsmethode ist weit bekannt als ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays. In der Ionenaustausch-Diffusionsmethode wird ein dotierendes Ion selektiv in ein Glassubstrat, das aus mehreren Komponenten besteht, diffundiert.
Die herkömmliche Ionenaustausch-Diffusionsmethode wird folgend unter Bezugnahme auf die 14A bis 14C beschrieben. Wie in der 14A gezeigt, wird als erstes eine Ionenaustausch-Steuerungsmembrane 102 auf der Oberfläche eines Multikomponenten-Glassubstrats 101, das ein einwertiges Ion umfasst, ausgebildet. Die Ionenaustausch-Steuerungsmembrane 102 kann eine Metallmembrane oder eine dielektrische Membrane sein. Als nächstes wird ein Array kreisförmiger Öffnungen 103 mit einem vorbestimmten Pitch, der gleich dem eines LD-Arrays oder eines PD-Arrays ist, auf der Ionenaustausch-Steuerungsmembrane 102 durch Fotolithografie oder Ätzen, ausgebildet. Der Durchmesser einer Linse, die gemäß dieser Methode hergestellt wird, wird durch jede der Öffnungen 103 bestimmt, und die Öffnungen arbeiten als lichtschützende Membranen zum Reduzieren des Crosstalks zwischen benachbarten Kanälen.
Geschmolzenes Salz 104 mit einer hohen Temperatur, das ein dotierendes Ion umfasst, dient dazu den Brechungsindex zu erhöhen (siehe 14B). Das dotierende Ion kann Tl, Ag und Pb sein, die jeweils einen hohen Brechungsindex haben. Dann wird das Glassubstrat 101, das mit der Ionenaustausch-Steuerungsmembrane 102 beschichtet ist, wobei diese Membrane die kreisförmigen Öffnungen 103 hat, in das geschmolzene Salz 104 eingetaucht, so dass das dotierende Ion selektiv durch die Öffnungen 103 der Ionenaustausch-Steuerungsmembrane 102 in das Glassubstrat 101 diffundiert, wodurch sich Ionenaustauschbereiche 105, die jeweils eine hemisphärische Diffusionsfront aufweisen, ausbilden. Die Ionenaustauschbereiche 105 dienen als Brechungslinsen mit Brechungsindexverteilung (Distributed Refraction Type Lenses), gemäß der Verteilung des dotierenden Ions. Hier ergibt sich als Folge, dass, da das dotierende Ions einen Ionenradius aufweist der größer ist als der des Ions, das sich in dem Glassubstrat 101 befindet, die Oberfläche des Substrats 101 gemäß dem Volumenunterschied zwischen den Ionen gedehnt wird, wodurch konvexe Linsen 106, wie in der 14C gezeigt, ausgebildet werden. Der Durchmesser einer jeden der konvexen Linse 106 ist üblicherweise in einen Bereich von einigen zehn Mikron bis zu mehreren hundert Mikron.
Die oben dargestellte Ionenaustausch-Diffusionsmethode ist geeignet um Mikrolinsen, die einen Durchmesser von einigen zehn Mikron bis zu mehreren hundert Mikron haben, auszubilden, jedoch wurden Probleme mit dem Verfahren zur Herstellung einer Mikrolinse, die einen relativ großen Linsendurchmesser hat, oder einen effektiven Linsendurchmesser von mehreren hundert Mikron bis einigen Millimetern hat, gefunden. Speziell muss, um die relativ großen Mikrolinsen mit der Ionenaustausch-Diffusionsmethode herzustellen, die Diffusionstiefe einige hundert Mikron oder mehr sein, d. h. ungefähr genauso viel wie die Größe der herzustellenden Linse. Weiterhin ist es nötig eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur über eine auffallend lange Zeitdauer durchzuführen. Deshalb ist es mit der Ionenaustausch-Diffusionsmethode schwierig Linsen über einen großen Größenbereich herzustellen, wobei die Durchmesser von einigen zehn Mikron bis einige Millimeter gehen und es ist außerdem unmöglich ein Mikrolinsen-Array herzustellen das eine Brennweite hat die ungefähr die gleiche ist wie die des Durchmessers der Linse. Deshalb können keine kleine und leistungsfähige optische Kopplungselemente unter Benutzung der Ionenaustausch-Diffusionsmethode realisiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird durch Anspruch 1 und Anspruch 12 definiert.
Anhand der obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays bereitzustellen, das kleine und leistungsfähige optische Kopplungselemente, die auf dem Gebiet der optischen Kommunikation und dem optischen Packaging benutzt werden, herstellen zu können.
Der erste Aspekt der vorliegenden Endung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays, das umfasst: Ausbilden der Mikrolinsen durch Tröpfeln oder Einspritzen eines verflüssigten Linsenmaterials in eine Vielzahl an in einem Substrat ausgebildeten durchgehenden Löchern, so dass sich das Linsenmaterial in jedem der durchgehenden Löcher befindet, wobei das Linsenmaterial aushärtbar ist, und eine vorbestimmte Durchlässigkeit und eine vorbestimmte Viskosität aufweist.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei die Krümmung einer jeden Mikrolinse durch eine Veränderung aller oder eines Teils der Parameter (1) Anordnung oder Größe der durchgehenden Löcher des Substrats, (2) Benetzbarkeit zwischen dem Substrat und dem Linsenmaterial, (3) Viskosität des Linsenmaterials und (4) Menge an Linsenmaterial in einem Tropfen oder in einem Einspritzschuss.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei das Linsenmaterial im Wesentlichen gleichzeitig, unter Benutzung von Düsen, in die durchgehenden Löcher getröpfelt oder eingespritzt wird.
Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei das Linsenmaterial ein mit UV-Strahlung aushärtbarer Kunstharz, ein Heißfixierungs-Kunstharz, ein mit Wärme aushärtender Kunstharz oder ein Glasmaterial ist.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei jedes der durchgehenden Löcher eine kegelstumpfförmige Form oder einen Stufenabschnitt hat.
Der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikkolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei die Mikrolinsen Konvexlinsen sind.
Der siebte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei die Mikrolinsen Konkavlinsen sind.
Der achte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei alle Brechungsindizes und/oder Durchlässigkeiten der Linsenmaterialien, die in die Vielzahl an durchgehenden Löchern getröpfelt oder eingespritzt werden, unterschiedlich sind.
Der neunte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei alle oder ein Teil der durchgehenden Löcher unterschiedliche Größen haben und das Linsenmaterial gemäß der Größe der durchgehenden Löcher getröpfelt oder eingespritzt wird.
Der zehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei die Vielzahl an durchgehenden Löchern so auf dem Substrat angeordnet sind, dass sich eine dichtest gepackte Struktur ergibt, wobei jedes der durchgehenden Löcher die Form eines Hexagons mit einer vorbestimmten Größe aufweist.
Der elfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei das Substrat aus Silicium, einem Kunststoff, einem Glasmaterial, einem keramischen Material, einem Fasermaterial oder einem Verbundwerkstoff, gebildet ist.
Der zwölfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine mehrschichtige Mikrolinse, die durch Schichten einer Vielzahl an Mikrolinsen-Arrays, die gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays mit einer der ersten bis elften Erfindungen hergestellt wird, wobei die Mikrolinsen-Arrays so geschichtet werden, dass optische Achsen der Mikrolinsen eines jeden Mikrolinsen-Arrays mit den optischen Achsen der entsprechenden Mikrolinsen eines anderen Mikrolinsen-Arrays zusammenfallen.
Der dreizehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Mikrolinsen-Array, das umfasst: ein Substrat, in dem viele durchgehende Löcher ausgebildet sind und wobei viele Mikrolinsen jeweils in den durchgehenden Löchern im Substrat angeordnet sind, wobei die Mikrolinsen durch Haftung oder Ablagerung eines Mikrolinsen-Materials mit den durchgehenden Löchern des Substrats verbunden sind.
Der vierzehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Mikrolinsen-Array gemäß der dreizehnten Endung, wobei die Mikrolinsen aus einem mit UV-Strahlung aushärtbaren Kunstharz, einem Heißfixierungskunstharz, einem mit Wärme aushärtenden Kunstharz oder einem Glasmaterial, hergestellt sind.
Der fünfzehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei jedes der durchgehenden Löcher eine kegelstumpfförmige Form oder einen Stufenabschnitt aufweist.
Die sechzehnte Erfindung der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Array gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei die Mikrolinsen Konvexlinsen sind.
Der siebzehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei die Mikrolinsen Konkavlinsen sind.
Der achtzehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei alle Brechungsindizes und/oder Durchlässigkeiten des Linsenmaterials, die in die vielen durchgehenden Löcher getröpfelt oder eingespritzt werden, unterschiedlich sind.
Der neunzehnte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei alle oder ein Teil der durchgehenden Löcher unterschiedliche Größe haben und wobei alle oder ein Teil der Mikrolinsen gemäß der Größen der durchgehenden Löcher in ihrer Größe variieren.
Der zwanzigste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei die vielen durchgehenden Löcher so auf dem Substrat angeordnet sind, dass sich eine dichtest gepackte Struktur ergibt, wobei jedes der durchgehenden Löcher die Form eines Hexagons mit einer vorbestimmten Größe aufweist.
Der einundzwanzigste Aspekt der vorliegenden Endung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dreizehnten Erfindung, wobei das Substrat aus Silicium, einem thermoplastischen Material, einem Glasmaterial, einem keramischen Material, einem Fasermaterial oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Der zweiundzwanzigste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei jede der Mikrolinsen eine mehrschichtige Struktur aufweist, die aus einer Vielzahl an Lagern, die jeweils in Material und Brechungsindex verschieden sind, besteht.
Der dreiundzwanzigste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, wobei jedes der durchgehenden Löcher im Substrat eine rechteckige Form einer vorbestimmten Größe aufweist und jede der Mikrolinsen, die durch Tröpfeln oder Einspritzen gebildet wird, eine anamorphotische oder zylindrische Form aufweist.
Der vierundzwanzigste Aspekt der vorliegenden Endung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Erfindung, das umfasst: Unterziehen einer Oberfläche des Substrats einer Inaktivierungsbehandlung, so dass ein Abschnitt der Oberfläche, die durchgehenden Löcher ausgenommen, eine abstoßende Eigenschaft gegenüber dem Linsenmaterial aufweist, und die durchgehenden Löcher eine haftende Eigenschaft gegenüber dem Linsenmaterial aufweisen.
Der fünfundzwanzigste Aspekt der vorliegenden Endung ist das Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der vierundzwanzigsten Erfindung, wobei die Oberfläche des Substrats aufgrund der Inaktivierungsbehandlung uneben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Sicht, die ein Mikrolinsen-Array gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht des Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A bis 3E stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Endung erklärend dar.
4A bis 4C stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärend dar.
5A bis 5D stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärend dar.
6A bis 6D sind Querschnittsansichten zum Erklären wie die Krümmung einer Linse dadurch geändert werden kann, dass die Konfiguration eines durchge henden Lochs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Endung geändert werden kann.
7A bis 7C stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärend dar.
8 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärend dar.
9A und 9B sind Darstellungen zum Erklären eines Verfahrens zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A und 10D sind Muster eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11A bis 11C stellen ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays zum Erklären dar.
12A und 12B stellen erklärend ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
13A und 13B stellen erklärend ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays gemäß der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
14A bis 14C stellen erklärend eine herkömmliche Methode zum Herstellen eines Mikrolinsen-Arrays dar.

Bezugszeichen

11, 31, 51, 61, 71, 81, 83, 87, 91:: Substrat
32, 52, 62, 72:: durchgehende Löcher
12, 35, 55, 56, 65, 73, 82, 84, 86, 88, 92, 93, 94, 95, 96, 97:: Linsen
33, 44:: Düsen
101:: Multikomponenten-Glassubstrat
102:: Ionenaustausch-Steuerungsmembrane
103:: runde Öffnung
104:: geschmolzenes Salz
105:: Ionenaustauschbereiche
106:: Konvexlinse

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Mikrolinsen-Array gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in der 1 gezeigt, umfasst das Mikrolinsen-Array der ersten Ausführungsform ein Substrat 11 in dem eine Vielzahl an durchgehenden Löchern ausgebildet sind. Konvexlinsen 12 sind in jedem der durchgehenden Löcher im Substrat 11 angeordnet, wobei der Durchmesser jeder der konvexen Linsen von ca. einigen zehn Mikron bis ca. mehreren Millimetern reicht.
Die Konvexlinsen 12 sind lichtdurchlässig und sie werden aus einem aushärtbaren verflüssigten Kunstharzmaterial oder einem thermoplastischen Material oder einem Glasmaterial, das auf dem Substrat 11 ausgehärtet werden kann, gebildet.
2 ist eine Querschnittsansicht des Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie oben unter Bezugnahme auf die 1 be schrieben, und zeigt einen Zustand in dem die Konvexlinsen jeweils in den durchgehenden Löchern des Substrats 11 angeordnet sind.
Das Mikrolinsen-Array gemäß der ersten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Linsenmaterial, also das oben beschriebene Kunstharzmaterial oder der aufgeheizte und verflüssigte Kunststoff oder das Glasmaterial, in die durchgehenden Löcher, die auf dem Substrat 11 ausgebildet sind, getröpfelt oder eingespritzt wird, und dass die Konvexlinsen unter Ausnutzung der Oberflächenspannung des Linsenmaterials ausgebildet werden. Ferner können die Positionen der Konvexlinsen zufällig in Abhängigkeit der Positionen der durchgehenden Löcher, die auf dem Substrat 11 angeordnet sind, angeordnet sein.
Speziell kann die Positionierung der Konvexlinsen 12 in dem Substrat 11 dadurch erleichtert werden, dass das Linsenmaterial erst nach dem Ausbilden der durchgehenden Löcher in dem Substrat 11 durch Tröpfeln oder Einspritzen in die durchgehenden Löcher getröpfelt oder eingespritzt werden. Die Positionen und Größen der durchgehenden Löchern können frei gewählt werden, indem man eine feine Prozesstechnik je nach Substratmaterial benutzt. Dadurch ist es möglich die durchgehenden Löcher mit bemerkenswert hoher Präzision auszubilden. Ferner ist es möglich die optischen Eigenschaften der Linsen zu steuern, indem man den Brechungsindex des Linsenmaterials entsprechend wählt. Ferner ist es möglich die Krümmung jeder der Linsen zu steuern, indem man die Viskosität des Linsenmaterials vor dem Aushärten und die Linsenmaterialmenge in dem Tropfen oder der Injektion für jedes der durchgehenden Löcher anpasst.
Deshalb ist das Mikrolinsen-Array gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen und die optischen Eigenschaften der Linsen gleichzeitig und mit bemerkenswert hoher Präzision gesteuert werden. Ferner ist es möglich Linsen auszubilden, die, indem man die Benetzbarkeit, die Viskosität und die Linsenmaterialmenge eines Tropfens anpasst, einen großen Bereich an effektiven Durchmessern abdecken, wobei der Bereich von einigen zehn Mikron bis ungefähr einigen Millimetern reicht.
Das Mikrolinsen-Array gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bemerkenswert vorteilhaft für das optische Koppeln, da die Brennweite ungefähr gleich dem Durchmesser einer jeder der Linsen ist, und dass beide Oberflächen der Linse mit Luft in Kontakt sind, ohne das Substratmaterial zu berühren.
Daher ist es nicht nötig, dass das Material, das benutzt wird um das Substrat 11 des Mikrolinsen-Arrays gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bilden, ein optisches Material ist das lichtdurchlässige Eigenschaften, wie beispielsweise Kunststoff oder Glas, hat. Es ist daher speziell möglich das Mikrolinsen-Array auszubilden, wenn das Substrat 11 nicht aus einem optischen Material besteht. Für den Fall, dass das Substrat 11 aus einem Material gebildet ist, das kein optisches Material ist, erfüllt das Substrat 11 für die Linsen, die auf dem Substrat ausgebildet werden, die Rolle einer optischen Maske, wodurch verhindert wird, dass Streulicht in die Linsen eintreten kann, was in der praktischen Benutzung sehr nützlich ist.
Zweite Ausführungsform
3A bis 3E stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren zur Herstellung des Mikrolinsen-Arrays der zweiten Ausführungsform wird im Folgenden im Detail für den Fall beschrieben, bei dem Glas als Substrat 31 benutzt wird und ein adhäsives Kunstharzmaterial mit lichtdurchlässigen Eigenschaften als Linsenmaterial 35 benutzt wird, wie in den 3A bis 3E gezeigt.
Wie in der 3A gezeigt, werden durchgehende Löcher 32 in dem Substrat 31 präzise unter Ausnutzung verschiedener feiner Verfahrenstechniken ausgebildet. Die feinen Verfahrenstechniken, die benutzt werden können ultrapräzises Schneiden, Laserverfahren, Verfahren mit fokussierendem Ionenstrahl, Laserätzen, Mikroentladungen, oder Elektronenstrahlschreiben sein.
Dann wird, wie in der 3B gezeigt, ein adhäsives Material 34 aus einer Düse 33 getröpfelt. Die Viskosität des adhäsiven Materials 34 ist so gewählt, dass das adhäsive Material in den durchgehenden Löchern 32 verbleibt ohne durch die durchgehenden Löcher 32 hindurchzufallen, wie in 13 gezeigt. Die Viskosität und die Tropfmenge muss entsprechend gewählt werden, um zu verhindern, dass das Linsenmaterial 34 durch die durchgehenden Löcher 32 hindurchfällt.
Das adhäsive Kunstharzmaterial 34, das als Linsenmaterial benutzt wird, wird nacheinander in die durchgehenden Löcher, die auf dem Substrat angeordnet sind, wie in 3D gezeigt, getröpfelt. Das getröpfelte adhäsive Kunstharzmaterial wird dann einer Hitzeaushärtung oder einer UV-Strahlenaushärtungsmethode unterzogen, wobei dies von den Eigenschaften des Kunstharzes zum Ausbilden der konvexen Linsen abhängt. Dadurch wird die Herstellung des Mikrolinsen-Arrays, wie in 3E gezeigt, beendigt. Haftende Kunstharze basierend auf Epoxy oder Ähnlichem, die lichtdurchlässige Eigenschaften aufweisen, können als Thermosetting-Kunstharze benutzt werden, während fluorinierte epoxybasierende Kunstharze oder Ähnliche als mit UV-Strahlen aushärtbare Kunstharze benutzt werden können.
Dritte Ausführungsform
Ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie in den 4A bis 4C dargestellt, im Folgenden beschrieben. Das in den 4A bis 4C dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in den 3A bis 3E dargestellten Verfahren durch eine Düseneinheit 44, die aus mehreren Düsen integral hergestellt wird, um die Herstellungsdauer zu verkürzen. Unter Ausnutzung einer solchen integrierten Tropfdüse 44 kann ein Mikrolinsen-Array, das viele Konvexlinsen umfasst, zweidimensional in einer bemerkenswert kurzen Zeit und effektiv hergestellt werden.
Vierte Ausführungsform
Ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wie in den 5A bis 5D dargestellt, im Folgenden beschrieben. Das Verfahren, das in den 5A bis 5D dargestellt wird, unterscheidet sich von dem in den 4A bis 4C dargestellten Verfahren durch kegelstumpfförmige durchgehende Löcher 52, die auf dem Substrat 52 ausgebildet sind. Das heißt, dass das durchgehende Loch eine kegelstumpfförmige Form aufweist. Das Zulaufen des durchgehenden Lochs 52 macht es möglich die Krümmung der Linsen oberfläche einer Konvexlinse 55 zu steuern, wobei die Linse 55 durch Tropfen eines Linsenmaterials 34 von einer Düse 33 in das durchgehende Loch 52 ausgebildet wird. In dem Fall, dass der untere Durchmesser fixiert ist, ist es möglich die Krümmung einer jeden Linse zu verringern, d. h. die Konvexität einer jeden Linse zu erhöhen, indem man den Zulaufwinkel α vergrößert. Andererseits ist es möglich Konkavlinsen, wie in 5D gezeigt, auszubilden, indem man die Tropfmenge verringert.
Wie in den 5A bis 5D gezeigt, ist es möglich die Krümmung der Linse durch eine Änderung der Konfiguration des durchgehenden Lochs zu ändern. Generell bedeutet in dem Fall des Tropfens einer Flüssigkeit auf die Oberfläche eines Festkörpers "benetzen", dass die Flüssigkeit sich über den Festkörper verteilt um dessen Oberfläche zu bedecken und "nicht-benetzen", dass die Flüssigkeit sich nicht verteilt, sondern eine sphärische Oberfläche bildet. Das Benetzungsphänomen verändert sich merkbar in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Oberfläche des Festkörpers und den Eigenschaften der Flüssigkeit.
Wie in der 6A gezeigt, ist das Verhältnis zwischen den Kräften, die durch drei Pfeile gezeigt werden, dann ausgeglichen, wenn die Flüssigkeit auf der Oberfläche des Festkörpers eine sphärische Oberfläche bildet, und die Kräfte werden durch die folgende Gleichung unter Benutzung des Youngs-Modulus dargestellt.
[Gleichung 1] γS = γSL + YLcosθ
In Gleichung 1 bedeutet γ_S die Oberflächenspannung des Festkörpers, γ_SL ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, γ_L ist die Spannung am Übergang und θ ist der Kontaktwinkel.
6B bis 6D zeigen jeweils eine Konvexlinse, die in einem durchgehenden Loch ausgebildet ist, eine Konvexlinse, die in einem kegelstumpfförmigen Loch ausgebildet ist und eine Konkavlinse, die in einem durchgehenden Loch ausgebildet ist. Nachfolgend wird das Volumen eines jeden der durchgehenden Löcher der 6B bis 6D mit Vb, Vc und Vd bezeichnet, das Volumen des getröpfelten oder eingespritzten Linsenmaterials in jedes der durchgehenden Löcher wird mit Lb, Lc und Ld bezeichnet; und die Kontaktwinkel in den 6B bis 6D werden jeweils mit θ_B, θ_C und θ_D bezeichnet.
Wenn Lb größer ist als Vb, wird die Konvexlinse, wie in der 6B gezeigt, ausgebildet und die folgende Gleichung gilt.
[Gleichung 2] γS = γLcosθB, γS = γL + sinγB
Wenn Lb größer ist als Vb und jedes der durchgehenden Löcher die kegelstumpfförmige Form hat, wie in der 6C gezeigt, ist es möglich Konvexlinsen auszubilden, die eine im Vergleich zu Konvexlinsen der 6B unterschiedliche Krümmung aufweisen und die folgende Gleichung gilt.
[Gleichung 3] γS = γLcosθC + γSLcosα, γLsinθC = γSLsinα
Wenn Lb gleich oder kleiner als Vb ist, dann werden Konkavlinsen, wie in der 6D gezeigt, ausgebildet und die folgende Gleichung gilt. In diesem Fall wird die Richtung von γ_SL als transvers angesehen.
[Gleichung 4] γS = γLcosθD, γSL = γLsinθD
Es ist daher möglich sowohl Konvexlinsen als auch Konkavlinsen auszubilden, indem man die Viskosität, die Benetzbarkeit mit dem Substratmaterial und die Tropfenmenge des Linsenmaterials entsprechend anpasst. Ferner ist es möglich Linsen herzustellen, die jeweils eine große nummerische Apertur (NA) aufweisen, da die Krümmung der Linsen wie oben beschrieben verändert werden kann.
Ein Basiskonzept der Haftfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Wenn Wasser oder Alkohol auf eine Oberfläche eines Festkörpers mit relativ großer Oberflächenenergie, wie beispielsweise sauberes Glas oder Metall, getropft wird, dann benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche des Festkörpers vollständig. Beträgt die Festkörper-Gas-Grenzflächenenergie γ_SG, die Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenenergie γ_LG und die Festkörper-Flüssigkeits-Grenzflächenenergie γ_SL dann gilt die folgende Gleichung und die Oberfläche des Festkörpers wird nicht benetzt und stößt die Flüssigkeit ab.
[Gleichung 5] γSG < γLG + γSL
Wenn sich die Flüssigkeit über die Oberfläche des Festkörpers verteilt, dann wird dieses Phänomen „Ausbreitbenetzung" ("spread wetting") genannt. Im Gegensatz dazu wird der Fall in dem die Flüssigkeit in Kapillaren einer Faser oder eines Papiers steigt „Tauchbenetzung" ("immersional wetting") genannt. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung, bei der eine Flüssigkeit an einer Oberfläche eines Festkörpers in der Form einer Kugel haftet das Phänomen „Haftbenetzung" ("adhesive wetting") genannt.
Die Ausbreitbenetzung tritt auf, wenn Wasser auf eine saubere Glasscheibe getropft wird, jedoch ist es möglich auf der Glasoberfläche Haftbenetzung auszubilden, indem man die Oberfläche dadurch hydrophobisch macht, dass man einen kationischen Aktivierungsstoff benutzt. Eine Änderung der freien Energie ΔG bezüglich der Benetzungen wird erreicht, indem man die Grenzflächenenergie, die bei jedem Benetzen verloren geht, von der Grenzflächenenergie, die durch jede der Benetzung auftritt, abzieht. Speziell kann die Änderung der freien Energie ΔG bezüglich der Haftbenetzung durch die folgende Gleichung dargestellt werden.
[Gleichung 6] ΔG = γSL – γSG – γLG
Da die Gleichung 1 in γ_SG = γ_SL + γ_LGcosθ umgeschrieben werden kann, indem man γ_SG und γ_LG benutzt, kann Gleichung 6 wie folgt modifiziert werden.
[Gleichung 7] ΔG = –γLG (1 + cosθ)
Aus Gleichung 7 wird deutlich, dass die Änderung der freien Energie bezüglich der Haftbenetzung als Koeffizient der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und des Kontaktwinkels θ dargestellt werden kann, und es ist möglich Haftbenetzung zu erzielen, wenn ΔG ein positiver Integer ist.
Entsprechend kann Haftbenetzung unabhängig vom Winkel θ auftreten. Jedoch nimmt die freie Energie relativ stark ab, falls der Wert von θ relativ klein ist und Benetzung tritt tendenziell auf.
Fünfte Ausführungsform
Um die Linsenkrümmung zu steuern, ist es möglich durchgehende Löcher 62 zu benutzen, die jeweils ein stufenförmiges anstatt des kegelstumpfförmigen Profils aufweisen. Beispiele der Herstellung konvexer Linsen 65 wurden vorangehend beschrieben; jedoch ist es nicht nur möglich konvexe Linsen sondern auch konkave Linsen und asphärische Linsen durch Anpassen der Linsenmaterialmenge in einem Tropfen oder einem Einspritzschutz herzustellen.
In den obigen Ausführungsformen werden Fälle beschrieben in denen adhäsives Kunstharzmaterial als Linsenmaterial für die Mikrolinsen, die das Mikrolinsen-Array bilden, benutzt wird; jedoch ist es auch möglich ein Kunststoffmaterial, ein Glasmaterial oder Ähnliches als Linsenmaterial zu benutzen, indem man das Substratmaterial, die Aushärtzeit und die Tropfenmenge ändert.
Fälle, in denen Kunststoffmaterial, Glasmaterial usw, benutzt werden, werden nachfolgend anhand der 3A bis 3E beschrieben. Für den Fall, dass Kunststoff als Material für die Konvexlinsen benutzt wird, ist es notwendig, dass die Düsen 33 eine Heizung zum Aufheizen des Linsenmaterials auf oder über eine vorbestimmte Temperatur aufweisen, so dass der Kunststoff verflüssigt werden kann. Es ist auch notwendig das Substrat 31 vorher aufzuheizen, so dass das Kunststoffmaterial, das darauf getröpfelt oder eingespritzt wurde, sich nicht zu schnell durch Abkühlung verfestigt. Dadurch kann man Linsen ohne Mängel herstellen. Ferner ist es im Fall von Glasmaterial als Linsenmaterial nötig das Glas bis zu oder über eine vorbestimmte Temperatur aufzuheizen, bevor das Glasmaterial durch die Düsen 33 getropft oder eingespritzt wird. Es ist auch notwendig das Substrat 31 vorher aufzuheizen, so dass das Glasmaterial das darauf getropft oder eingespritzt wird, sich nicht zu schnell durch Abkühlung verfestigt. Dadurch kann man Linsen ohne Fehler herstellen.
Es ist auch möglich ein Slliciumsubstrat, ein keramisches Material, ein Kunststoffmaterial, ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, ein Fasermaterial, wie beispielsweise Kohlefaser, oder ein Verbundwerkstoff, der aus den obigen Materialien hergestellt ist, als Substratmaterial anstatt Glas zu benutzen. Beispiele für Faserverbundwerkstoffe sind glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFRP), die oft benutzt wurden. Ein Verbundwerkstoff, der sich aus der Verbindung aus Hochleistungsmaterialien und funktionellen Materialien ergibt, ist ein sogenannter verbesserter Verbundwerkstoff ("advanced composite material" ACM). Man kann ACM als Substratmaterial benutzen, das ein verstärkendes Material, wie beispielsweise Hochleistungskohlefaser, Aramid-Faser und ähnliche inorganische Faser und einen Whisker sowie eine Matrix, wie beispielsweise Hochleistungskunstharze, Metalle und Keramiken umfasst.
Sechste Ausführungsform 6
Es ist möglich ein Mikrolinsen-Array unter Nutzung des anhand der 3A bis 3E beschriebenen Verfahrens herzustellen, wobei ein Substrat 71 benutzt wird, in dem hexagonal geformte durchgehende Löcher 72, wie in der 8 dargestellt, ausgebildet sind. Dabei besteht das Substrat aus einem flexiblen Fasermaterial. Speziell in diesem Fall ist es möglich ein flexibles Mikrolinsenblatt herzustellen, in dem als Linsenmaterial zum Auffüllen der durchgehenden Löcher 72 ein flexibles Kunstharzmaterial oder ein flexibles Kunststoffmaterial mit lichtdurchlässigen Eigenschaften benutzt wird um die Linsen 73 herzustellen. Ferner ist es möglich eine Bilderkennungsvorrichtung mit Facettenauge (ähnlich dem eines Insekts, das eine gekrümmte Oberfläche hat) herzustellen, indem man miniaturisierte CCD-Elemente so ausbildet, dass die CCD-Elemente jeweils den Mikrolinsen, die auf dem flexiblen Mikrolinsenblatt ausgebildet sind, entsprechen.
Ein Fall, in dem zwei Mikrolinsen-Arrays geschichtet werden, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 9A und 9B beschrieben. 9A zeigt einen Zustand, bei dem zwei Mikrolinsen-Arrays, auf denen die Konvexlinsen wie oben beschrieben ausgebildet sind, so geschichtet sind, dass ihre Rückseiten einander berühren und ihre optischen Achsen jeweils aufeinander fallen. Indem man die zwei Mikrolinsen-Arrays in der oben beschriebenen Art und Weise schichtet, kann die optische Kopplungseffizienz erhöht werden, wenn eine solche Vorrichtung zur optischen Kopplung benutzt wird. Um weiter die Kopplungseffizienz zu erhöhen, ist es fernen möglich einen Abstandshalter 98 beim Schichten der zwei Mikrolinsen-Arrays zu benutzen. In diesem Fall kann der Abstand zwischen den Linsen durch den Abstandshalter 89 eingestellt werden, um die Kopplungseffizienz weiter zu verbessern. Dank der Benutzung des Abstandshalters 89 ist es auch möglich ein Mikrolinsen-Array-Blatt herzustellen, indem man Doppelkonvexlinsen, die in ihrer Form variieren, kombiniert.
Achte Ausführungsform
10A bis 10D zeigen Herstellungsmuster von Mikrolinsen-Arrays gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10A zeigt ein Muster bei dem Mikrolinsen 92 mit identischer Größe auf einem Substrat 91 mit gleichem Abstand und in gleichen Intervallen ausgebildet sind. Die Muster können auf 1 × N-Linsen-Arrays und N × N-Linsen-Arrays angewandt werden, wobei die Linsen-Arrays als optische Zusammenschaltung für die parallele Übertragung durch optische Fasern zwischen Chips, Modulen, Leiterplatten und Ähnlichem benutzt wird. Obwohl die Mikrolinsen üblicherweise einen Abstand von 125 Mikron oder 250 Mikron aufweisen, ist es deshalb möglich die durchgehenden Löcher mit beliebigem Abständen anzuordnen.
Ferner ist es, wie in der 10 gezeigt, möglich ein Array-Muster auszubilden, wobei Mikrolinsen 93 mit kleinem Durchmesser und Mikrolinsen 94 mit großem Durchmesser vorkommen, die als Einfalllichtstrahl-Array benutzt werden, wobei die Lichtquelle oder das einfallende Licht eine sporadische Strahlenform hat. Die Mikrolinsen mit beliebigen Größen, deren Durchmesser variieren, können als Kombinationen benutzt werden, indem man die Herstellung der durchgehenden Löcher, die in dem Substrat 91 ausgebildet werden, entsprechend anpasst.
Wie in der 10C gezeigt, ist es auch möglich ein Linsen-Array herzustellen, in dem das Intervall zwischen einer Mikrolinse 94 und einer benachbarten Mikrolinse 95 verkürzt ist. Ferner ist es, wie in der 10D gezeigt, möglich eine fein ausfüllende Anordnung, wie in der 8 gezeigt, auszubilden, in dem die Mikrolinsen 96 eines ersten Arrays und die Mikrolinsen 97 eines zweiten Arrays gegeneinander verschoben sind. Es ist ferner möglich die Eigenschaften des Mikrolinsen-Arrays zu verbessern, indem ein Linsen-Array ausgebildet wird, das mehrere Linsentypen gemäß den Eigenschaften der Lichtquelle und des einfallenden Strahls benutzt, wobei die verschiedenen Linsentypen aus Linsenmaterialien gebildet sind, die sich in ihren optischen Eigenschaften unterscheiden, d. h. Brechungsindex und Wellenlängendurchlässigkeit oder unterschiedliche Größen.
Neunte Ausführungsform
Ein Herstellungsverfahren eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 11A bis 11C beschrieben. Das Verfahren, das in den 11A bis 11C dargestellt wird, unterscheidet sich von dem in den 4A bis 4C dargestellten Verfahren dadurch, dass die herzustellenden Linsen im Verfahren der 11A bis 11C Kompositlinsen sind, die sich in ihrem Brechungsindex unterscheiden. Mehrere sphärische Mikrolinsen-Arrays 111 werden zweidimensional, wie in der 11A dargestellt, ausgebildet, und dann wird das Mikrolinsen-Array-Substrat, wie in der 11B gezeigt, umgedreht. Danach werden die Kompositlinsen durch Tröpfeln des Materials 113, mit unterschiedlichem Brechungsindex, wie in der 11C gezeigt, ausgebildet. Es ist daher möglich ein Mikrolinsen-Array mit Kompositbrechungsindex auszubilden, indem man Materialien benutzt, die sich in ihrem Brechungsindex unterscheiden. Entsprechend funktionieren die Linsen, die aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen, als achromatische Linsen, wodurch man Mikrolinsen herstellen kann, die chromatische Abberationen reduzieren können.
Zehnte Ausführungsform
Ein Herstellungsverfahren eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 12A und 12B beschrieben. Das in den 12A und 12B dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in den 5A bis 5D dargestellten Verfahren durch die durchgehenden Löcher, d. h., wie in der 12A gezeigt, hat jedes der durchgehenden Löcher 122 eine rechteckige Form und die langen Seiten eines jeden durchgehenden Lochs 122 sind zulaufend 123. Da die durchgehenden Löcher, wie oben beschrieben, eine rechteckige Form aufweisen, wobei die langen Seiten zulaufend sind, werden Konvexlinsen durch Auftropfen eines Linsenmaterials in die durchgehenden Löcher hergestellt, wobei die Konvexlinsen, wie die in der in 12B gezeigten Linsen 124, ovale Krümmungen aufweisen. Die so hergestellten Linsen 124 funktionieren daher als anamorphotische Linsen und können einen Strahl, der von einem Halbleiterlaser ausgesendet wird und asymmetrisch in der Länge und Breite ist, in einem symmetrischen Strahl umformen, wodurch die Kopp lungseffizienz mit einer optischen Faser oder einem Licht empfangenden Element bemerkenswert zunehmen. Zusätzlich, obwohl anamorphotischen Linsen in der 12B gezeigt werden, ist es möglich zylindrische Linsen zu bilden, indem man die Form der durchgehenden Löcher modifiziert.
Elfte Ausführungsform
Ein Herstellungsverfahren eines Mikrolinsen-Arrays gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 13A und 13B beschrieben. Das in den 13A und 13B gezeigte Verfahren unterscheidet sich von dem in den 5A bis 5D gezeigten Verfahren durch die Substratstruktur, d. h., die Substratstruktur, wie in den 13A und 13B gezeigt, ist eine dreischichtige Struktur, die sich dadurch ergibt, dass eine Oberfläche eines festen Substrats 134, das eine relativ geringe Festkörper-Flüssigkeits-Grenzflächenenergie aufweist, einer Inaktivierungsbehandlung unterzogen wird, um Haftbenetzung auszubilden. Durch die dreischichtige Struktur, die durch die Inaktivierungsbehandlung der Fläche 133 erzielt wird, stößt ein Teil der Fläche 133, an der die durchgehenden Löcher nicht ausgebildet sind, ein Linsenmaterial 135 ab und trägt dadurch zur Fixierung des Linsenmaterals 135 in den durchgehenden Löchern bei. Beispiele einer Inaktivierungsbehandlung umfassen ein Verfahren zur Erhöhung der Oberfläche, in dem die feste Oberfläche mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird und ein Verfahren zum Beschichten der festen Oberfläche. Andere effiziente Behandlungen können sein: Sputtering, Plasma CVD, Eximer Laserbestrahlung, Ausbildung einer stark hydrophobisch Beschichtung, Ausbildung einer Oxidmembran bei Metallen, Anodisierungsverfahren bei Metallen, Ausbildung einer fluorierten amorphen Kohlenstoffmembran durch Plasma CVD, Metallisieren und Ähnliches. Als Ergebnis der oben beschriebenen Oberflächenbehandlung der Substratoberfläche wird daher die Ausbildung der Linsen durch die Inaktivierung des Substrats bezüglich des Linsenmaterials erleichtert. Dadurch wird es möglich gleichförmige Linsen auszubilden. Für den Fall, dass die feste Oberfläche eine glatte Oberfläche ist und der Kontaktwinkel des Linsenmaterials 90° oder mehr ist, kann die glatte Oberfläche einer Behandlung zur Erhöhung der Rauhigkeit unterzogen werden, um den Kontaktwinkel zu erhöhen. Entsprechend ist es auch möglich die Haftbenetzungseigenschaften zu verbessern, indem man feine Konvexo-konkave von einigen Mikron oder weniger auf der glatten Oberfläche durch Metallmusterherstellung etc. ausbildet, wodurch die Ausbildung der sphärischen Linsen 135 in den durchgehenden Löchern vereinfacht wird.
Das für die obigen Ausführungsformen benutzte Substrat ist nicht auf ein Glassubstrat eingeschränkt und ein monokristallines Siliciumsubstrat, ein keramisches Substrat, ein Kunststoffsubstrat, ein Fasersubstrat, ein metallisches Substrat oder ein Verbundwerkstoffsubstrat kann in Abhängigkeit von dem zu benutzenden Linsenmaterial benutzt werden. Es ist klar, dass ein Mikrolinsen-Array mit einem beliebigen der obigen Substrate hergestellt werden kann, vorausgesetzt, dass das Verfahren zur Ausbildung der durchgehenden Löcher und, dass das Linsenmaterial korrekt ausgewählt werden.
Wie oben beschrieben, ist es möglich die Größe der Mikrolinsen der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Größe eines jeden durchgehenden Lochs, das in dem Substrat ausgebildet wird, beliebig zu ändern. Und es ist weiterhin möglich die Mikrolinsen in einem großen Größenbereich, der von Durchmessern von einigen zehn Mikron bis einigen Millimetern reicht, herzustellen. Es ist möglich die optischen Eigenschaften des Mikrolinsen-Arrays durch die Wahl des zu tröpfelnden oder einzuspritzenden Linsenmaterials zu steuern, und jede der so erzielten Mikrolinsen ist bezüglich der optischen Kopplung bemerkenswert vorteilhaft, da beide Oberflächen einer jeden Linse mit Luft in Berührung sind ohne das Substratmaterial zu berühren. Entsprechend ist die Benutzung des Mikrolinsen-Arrays der vorliegenden Erfindung nicht auf optische Kommunikationselemente eingeschränkt, und es ist möglich die Mikrolinsen-Arrays beim optischen Packaging und auch im breiten Sinne in Bildverarbeitungsvorrichtungen und Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen, für das optische Koppeln, die optische Signalverarbeitung, Lichtstrahl-Konversion und Ähnliches, zu verwenden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, stellt die vorliegende Erfindung ein Mikrolinsen-Array bereit das verkleinerte und optische Hochleistungskopplungselemente realisiert, die auf dem Gebiet der optischen Kommunikation, dem optischen Packaging und Ähnlichem benutzt wird. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrolinsen-Arrays bereitgestellt.
Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich ein Mikrolinsen-Array über einen großen Bereich an Linsendurchmessern bemerkenswert einfach herzustellen. Au ßerdem ist es möglich gemäß der vorliegenden Erfindung die Linsen an beliebigen Stellen anzuordnen, wobei beide Oberflächen einer jeden Linse mit Luft in Kontakt sind, ohne das Substratmaterial zu berühren und sie sind bemerkenswert hoch in ihrer Präzision, daher realisiert die vorliegende Erfindung verkleinerte und optische Hochleistungskopplungselemente.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays, wobei die Mikrolinsen zwei freiliegende und gekrümmte, gegenüberliegende Oberflächen aufweisen, das umfasst: Ausbilden der Mikrolinsen (12) durch Tröpfeln oder Einspritzen eines verflüssigten Linsenmaterials (34) in eine Vielzahl an in einem Substrat (11) ausgebildeten, durchgehenden Löchern (32), so dass sich das Linsenmaterial (34) in jedem der durchgehenden Löcher (32) befindet, wobei das Linsenmaterial (34) aushärtbar ist und eine vorbestimmte Durchlässigkeit und eine vorbestimmte Viskosität aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei die Krümmung einer jeden Mikrolinse (12) durch eine Veränderung aller oder eines Teils der Parameter 1) Anordnung oder Größe der durchgehenden Löcher (32) des Substrats (11), 2) Benetzbarkeit zwischen dem Substrat (11) und dem Linsenmaterial (34), 3) Viskosität des Linsenmaterials (34) und 4) Menge an Linsenmaterial in einem Tropfen oder in einem Einspritzschuß.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei das Linsensmaterial (34) im wesentlichen gleichzeitig, unter Benutzung von Düsen (44), in die durchgehenden Löcher (32) getröpfelt oder eingespritzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei das Linsenmaterial (34) ein mit UV Strahlung aushärtbarer Kunstharz, ein Heißfixierungskunstharz, ein mit Wärme aushärtender Kunstharz oder ein Glasmaterial ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei jedes der durchgehenden Löcher (32) eine kegelstumpfförmige Form (52) oder einen Stufenabschnitt (62) hat.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei die Linsen (12) Konvexlinsen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei die Linsen (12) Konkavlinsen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei alle Brechungsindizes und/oder Durchlässigkeiten der Linsenmaterialien (34), die in die Vielzahl an durchgehende Löcher (32) getröpfelt oder eingespritzt werden, unterschiedlich sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei alle oder ein Teil der durchgehenden Löcher (32) unterschiedliche Größe haben und das Linsenmaterial (34) gemäß der Größen der durchgehenden Löcher (32) getröpfelt oder eingespritzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der durchgehenden Löcher (72) so auf dem Substrat (71) angeordnet sind, dass sich eine dichtest gepackte Struktur ergibt, wobei jedes der durchgehenden Löcher (72) die Form eines Hexagons mit einer vorbestimmten Größe aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei das Substrat (11) aus Silizium, einem Kunststoff, einem Glasmaterial, einem keramischen Material, einem Fasermaterial oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Mikrolinsen-Array, das umfasst: ein Substrat (11), in dem viele an durchgehende Löchern (32) ausgebildet sind und wobei viele Mikrolinsen (12) jeweils in den durchgehenden Löchern (32) im Substrat (11) angeordnet sind, wobei die Mikrolinsen zwei freiliegende und gekrümmte gegenüberliegende Oberflächen aufweisen und die Mikrolinsen (12) durch Haftung oder Ablagerung eines Mikrolinsenmaterials (34) mit/auf einem Substratmaterial mit den durchgehenden Löchern (32) des Substrats (11) verbunden sind.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei die Mikrolinsen (12) aus einem mit UV Strahlung aushärtbaren Kunstharz, einem Heißfixierungskunstharz, einem mit Wärme aushärtenden Kunstharz oder einem Glasmaterial hergestellt sind.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei jedes der durchgehenden Löcher (32) eine kegelstumpfförmige Form (52) oder einen Stufenabschnitt (62) aufweist.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei die Linsen (12) Konvexlinsen sind.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei die Linsen (12) Konkavlinsen sind.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei alle Brechungsindizes und/oder Durchlässigkeiten der Linsenmaterialien (34), die in die vielen durchgehenden Löcher (32) getröpfelt oder eingespritzt werden, unterschiedlich sind.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei alle oder ein Teil der durchgehenden Löcher (32) unterschiedliche Größe haben und wobei die Größe aller oder eines Teils der Linsen (12) gemäß der Größen der durchgehenden Löcher (32) variiren.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei die vielen durchgehenden Löcher (72) so auf dem Substrat (71) angeordnet sind, dass sich eine dichtest gepackte Struktur ergibt, wobei jedes der durchgehenden Löcher (72) die Form eines Hexagons mit einer vorbestimmten Größe aufweist.
Mikrolinsen-Array gemäß Anspruch 12, wobei das Substrat (11) aus Silizium, einem mit Wärme aushärtendem Kunstharz, einem Glassmaterial, einem keramischen Material, einem Fasermaterial oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Mehrschichtige Mikrolinse, die durch Schichten einer Vielzahl an Mikrolinsen-Arrays gemäß einem der Ansprüche 12–20 gebildet wird, wobei die Mikrolinsen- Arrays so geschichtet werden, dass optische Achsen der Mikrolinsen eines jeden Mikrolinsen-Arrays mit den optischen Achsen der entsprechenden Mikrolinsen eines anderen Mikrolinsen-Arrays zusammenfallen.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei jede der Mikrolinsen (12) eine mehrschichtige Struktur aufweist, die aus einer Vielzahl an Lagen (111, 113), die jeweils in Material und Brechungsindex verschieden sind, besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, wobei jedes der durchgehenden Löcher (122) im Substrat (121) eine rechteckige Form einer vorbestimmten Größe aufweist und jede der Mikrolinsen (124), die durch Tröpfeln oder Einspritzen gebildet werden, eine anamorphotische oder zylindrische Form aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 1, das umfasst: Unterziehen einer Oberfläche (133) des Substrats (134) einer Inaktivierungsbehandlung, so dass ein Abschnitt der Oberfläche (133), die durchgehenden Löcher ausgenommen, eine abstoßende Eigenschaft gegenüber dem Linsenmaterial (135) aufweist, und die durchgehenden Löcher (32) eine haftende Eigenschaft gegenüber dem Linsenmaterial (135) aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrolinsen-Arrays nach Anspruch 24, wobei die Oberfläche (133) des Substrats (134) aufgrund der Inaktivierungsbehandlung uneben ist.