JP2001066403A - 光学アセンブリ及びレンズ系を製造する方法 - Google Patents

光学アセンブリ及びレンズ系を製造する方法

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JP2001066403A
JP2001066403A JP2000217924A JP2000217924A JP2001066403A JP 2001066403 A JP2001066403 A JP 2001066403A JP 2000217924 A JP2000217924 A JP 2000217924A JP 2000217924 A JP2000217924 A JP 2000217924A JP 2001066403 A JP2001066403 A JP 2001066403A
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arrays
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John P Bowen
ジョン・ピー・ボーエン
Michael K Budinski
マイケル・ケー・バディンスキー
Paul D Ludington
ポール・ディ・ラディングトン
Paul O Mclaughlin
ポール・オー・マクラフリン
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Eastman Kodak Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 非常に小さいレンズ要素がレンズアレイの一
部となるときに、それらのレンズ要素をレンズ系に正確
に組み込むことができるレンズアセンブリを製造する方
法を提供することである。 【解決手段】 複数の小レンズを有する複数のレンズア
レイと複数の穴を有する少なくとも一つのスペーサーと
を有するレンズアセンブリを製造する方法であって、
(i)前記スペーサーが隣接する二つのレンズアレイの間
に位置し、かつ、その二つのレンズアレイの一方のレン
ズアレイの小レンズが他方のレンズアレイの小レンズに
重なり、かつ、前記穴が前記小レンズの間に位置するよ
うに、前記の少なくとも二つのレンズアレイと前記スペ
ーサーとを配置する段階と、(ii)前記レンズアレイと前
記スペーサーとを互いに固定して取り付けてアレイアセ
ンブリを形成する段階と、(iii)前記アセンブリを単一
にしてあるいは分割して複数の個々のレンズ系を作る段
階とを備えたレンズアセンブリを製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学アセンブリと
レンズアレイを利用する光学アセンブリ及びレンズ系を
製造する方法に関し、特に二あるいは三以上のレンズア
レイを互いに正確な位置に取付け、保持する方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レンズ
系のアセンブリの通常の工業的使用においては、各レン
ズ系に対して互いに個々の離散的なレンズ要素のアセン
ブリに頼っている。この技術は、大きなレンズ要素を備
えたレンズ系に対しては有用だが、レンズ要素が非常に
小さいとき（直径1mm以下）には使用が非常に困難であ
る。レンズアレイと呼ばれる共通のキャリヤ上に多くの
レンズ要素を製造することはレンズ要素の製造を能率的
にするものである。
【０００３】光学要素を電子モジュールに取り付けるこ
とは周知である。このようなアセンブリは、“Microele
ctronic module having oprical and elecrical interc
onnects”の発明名称の米国特許第5,638,469号、及び
“Optical module having self-aligned optical eleme
nt and optical wave-guide by means of bumps on rec
tangular pads and method of assembling thereof”の
発明名称の米国特許第5,661,831号に記載されている。
しかしながら、これらの特許で開示された方法は、後で
単一の（個々の）レンズ系を製造する際には最適ではな
い。さらに、レンズ要素を電子モジュールに取り付ける
のに用いられる多くの方法は、はんだボールの配列に依
存する。はんだボールを使用するにはパターン形成、は
んだの付着、及びはんだリフローにおける他の段階が必
要となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、非常に
小さいレンズ要素がレンズアレイの一部となるときに、
それらのレンズ要素をレンズ系に正確に組み込むことが
できるようにすることである。
【０００５】本発明の一態様によれば、複数の小レンズ
を有する複数のレンズアレイと複数の穴を有する少なく
とも一つのスペーサーとを有するレンズアセンブリを製
造する方法であって、(i)少なくとも二つのレンズアレ
イとそのスペーサーとを配置する段階であって、そのス
ペーサーが隣接する二つのレンズアレイの間に位置し、
かつ、その二つのレンズアレイの一方のレンズアレイの
小レンズが他方のレンズアレイの小レンズに重なって配
置し、かつ、前記穴が前記小レンズの間に位置するよう
に、その配置を行う段階と、(ii)前記レンズアレイと前
記スペーサーとを互いに固定して取り付けてアレイアセ
ンブリを形成する段階と、(iii)前記レンズアセンブリ
を分割して複数の個々のレンズ系を作る段階とを備えて
いる。
【０００６】本発明の他の態様では、光学アセンブリが
少なくとも２つのレンズアレイと複数の穴を有する少な
くとも一つのスペーサーとを含む。スペーサーは２つの
レンズアレイの間に位置し、かつ２つのレンズアレイに
固定して取り付けられる。スペーサーは0.05mmから0.5m
mの厚さを有する。レンズアレイは直径1mm以下の複数の
小レンズを有する。レンズアレイは少なくとも5mmの最
大寸法を有することが好ましい。
【０００７】本発明の有利な点は、一あるいは一以上の
レンズアレイを使用するレンズアセンブリの製造に際し
て、レンズアレイの一部がより製造可能にかつより容易
に組み立てられるように、レンズアレイの一部のサイズ
が大きくなっていることである。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、レンズアレイ１０の側面
図である。レンズ１０は、ガラスから成る多くの要素１
２を備えたガラスの平坦なディスクである。この実施形
態では、レンズ要素１２は直径270mmで、レンズアレイ
１０の最表面から62μｍだけ突き出ている。レンズアレ
イはガラスあるいはプラスチックであってもよい。図２
及び図３は、レンズアレイ１２の斜視図を示す実際の写
真の複製である。
【０００９】図４は、隣接する２つのレンズアレイ１０
を示している。本発明の一実施形態では、２つのレンズ
アレイが同じ鋳型で形成するため、（上部と下部の）２
つのレンズアレイは同一である。２つの同一のレンズア
レイを用いてアレイアセンブリを形成することによっ
て、上部アレイ上及び下部アレイ上の全レンズ要素の間
で優れた配列が形成されている。さらに、上部レンズア
レイ１０のレンズ要素１２は、下部レンズアレイ１０の
レンズ要素１２に対して実質的に同時に位置合わせする
ことができる。
【００１０】上部レンズアレイ１０のレンズ要素１２と
下部レンズアレイ１０のレンズ要素１２とをスペーサー
３１を用いて組み合わせることによって、二重単位部４
１の組立アレイ３２を形成する。レンズ要素は、一片の
屈折材料から成りかつ２つの面を有するもので、２つの
面の内の少なくとも１つの面は光学パワーを供給する。
二重単位部は空気のスペースで分離した２つのレンズ要
素である。図５を参照されたい。この実施形態では、ス
ペーサー３１は0.09mmの厚さである。
【００１１】図６及び図７は、単位化した（すなわち、
二重構造部３２の組立アレイを切り落とした）二重単位
部４１を示している。上記のように、上部レンズアレイ
１０の各レンズ要素は、下部レンズアレイ１０の対応す
る下部レンズ要素に対して位置合わせされている。従っ
て、各二重単位部４１のレンズ要素１２は互いに位置合
わせされている。これは、各レンズ要素が他のレンズ要
素に対して個々に位置合わせされた従来の個々のレンズ
系のアセンブリよりはるかに簡単でかつ安価である。
【００１２】図８、図９、図１０から図１４、及び図１
５から図１７は、スペーサー３１を設けるために使用可
能な様々な方法を示している。スペーサーは２つのレン
ズを分離する機械的な部分である。スペーサー３１の一
つの材料候補はシリコンである。シリコンは、容易に研
磨して平坦面を得ることができ、かつ半導体産業におい
て周知の方法によってエッチングすることが可能である
という利点がある。もちろん、スペーサー３１に対して
セラミックのような他の材料も使用可能である。光が二
重単位部を通過するスルーホール３１Ａを供給するた
め、スペーサー材料をパターニングすることが好まし
い。後で重合あるいは硬化する液体から成るスペーサー
も使用可能であるが、このタイプのスペーサーはレンズ
系の光学パワーに影響を与え、この影響をレンズ系の設
計において考慮しなければならない。
【００１３】図８は、シリコンウェーハ５３にスルーホ
ール３１Ａを形成するために、集束されたレーザービー
ムを供給するのに使用されるエキシマレーザー５１を示
している。エキシマレーザー５１は、比較的迅速にシリ
コンを切ることができるという利点を有する。このよう
にシリコンウェーハを機械加工するサービスを提供する
業者は周知である。そのような業者の一つは米国ニュー
ハンプシャー州ナーシャのBudWay＃21のResonetics In
c.である。もちろん、他の方法をウェーハのパターニン
グを行うのに使用することも可能である。図９は完成し
たスペーサー３１を示している。スペーサー３１はガラ
ス、金属、セラミック、高分子、あるいはそれらの組み
合わせから成ってもよい。
【００１４】図１０から図１４は、パターニングされた
ウェーハの製造のためのフォトリソグラフィを図解して
いる。このようなウェーハの一業者が米国オハイオ州ク
リーブランドのAdvanced Micromachinesである。図１０
では、固体ウェーハ５３をフォトレジスト材料６２で被
覆している。図１１では、フォトレジスト材料６２上に
マスク６３の像を露光するためにマスク６３と露光ラン
プ６４とを使用する。図１２は露光の結果を示してい
る。図１３では、露光されたウェーハ５３とフォトレジ
スト材料６２とが、（図１４で示した）仕上げのスペー
サー３１を形成するために保護されなかったスペーサー
材料を溶かし取るバス６６内に入れている。
【００１５】図１５から図１７は、スペーサー３１を製
造する他の工程を示している。図１５は、スペーサー３
１のためのホール３１Ａの正の像パターン（positive i
magefeatures）７４Ａを含むカーボン放電加工装置７４
を示している。図１６は、カーボン加工装置７４（カー
ボン電極ともいう）とそれに近接したスペーサー材料７
５とを示している。電流は、像パターン７４とスペーサ
ー材料７５との間にアークを形成してスペーサー材料７
５と放電加工装置７５との間を流れる。これによってス
ペーサー材料７５に複数のホールが形成される。その結
果を図１７に示す。さらに詳細には、図１７は、できた
ホール３１Ａを使ってできたスペーサー３１のパターン
を示している。放電加工装置の代わりに、金属から成る
同様な放電装置を用いて、スペーサー３１にホール３１
Ａを超音波（振動を介して）加工することができる。
【００１６】レンズ系（例えば、二重単位部４１）を温
度が変化する環境で使用するならば、小レンズ１２の材
料と同じ材料もしくは類似の材料から成るスペーサー３
１を有すると有利かもしれない。スペーサー３１が同じ
材料もしくは類似の材料（例えば、同じ熱膨張もしくは
同程度の熱膨張）から成るならば、スペーサーとレンズ
との熱膨張係数における差から生ずる応力が最小とな
る。T2を小レンズ１２を形成する材料の熱膨張係数と
し、T1をスペーサー材料の熱膨張係数とすると、0.8T2
＜T1＜1.2T2であることが好ましい。0.95T2＜T1＜1.05T
2であることがより好ましい。0.985T2＜T1＜1.08T2であ
ることがさらに好ましい。T2＝T1であることが最も好ま
しい。従って、ガラスアレイと同じガラスのガラススペ
ーサー３１を作ることは、熱膨張係数T2及びT1の間の差
を排除することになる。
【００１７】図１８は、ガラスのスペーサーを製造する
ことができる２つの工程を示している。図１８はガラス
被覆装置８１を用いてガラスで整形されたスペーサー８
２を示している。
【００１８】スペーサーをレンズアレイに取り付けるの
に複数の方法を用いることができる。図１９から図２
１、図２３及び図２４、図２５から図２８は、スペーサ
ー３１をレンズアレイ１０に取り付ける様々な方法を示
している。
【００１９】図１９は、エポキシ９１で両側を被覆した
スペーサー３１を示している。図２０は、スペーサー３
１に対して位置決めされた２つのレンズアレイを示して
いる。エポキシ９１は、（選択したエポキシのタイプに
依存する）熱もしくは紫外線照射によって重合し、レン
ズアセンブリが結合される。図２１は、結合したレンズ
アセンブリから切り落とされた後の単一の二重単位部４
１を示している。例えば、三重単位部のような他のレン
ズ系をこの方法で作ってもよい。図２２は三重単位部レ
ンズ系を示している。
【００２０】図２３は、シリコンスペーサー３１の上に
配置するSiO2（二酸化シリコン）の薄層を示している。
シリコン二酸化物層１０１は、被覆工程（例えば、電子
ビーム蒸発）、または、物理的あるいは化学的気相蒸着
法のような成長工程によって形成することができる。図
２４では、レンズアレイ１０はスペーサー３１に対して
位置決めする。好ましくは、レンズ要素１２及びSiO2層
の境界に焦点を合わせたレーザー５１が、アレイ１０と
スペーサー３１とを互いに結合する。他の種類のガラス
あるいはガラス/SiO2組成物を結合のために使用しても
よい。
【００２１】図２５及び図２６は、レンズ系の製造の他
の可能な方法を示している。図２５は、スペーサー３１
をジェットスプレー装置１０２に貼付する接着剤を示し
ている。この工程では、スペーサー３１上だけに接着剤
が堆積し、穴には堆積しないように、ジェットスプレー
装置１０２を用いて穴あきスペーサー３１を“塗る”。
ジェットスプレー装置１０２の利点は、接着剤の位置を
精確に制御できることである。この技術については、19
98年ハワイのKailua-KonaでのOSA回折光学及びマイクロ
光学トロピカル会議のプロシーディングにおいて、“Mi
cro-jet Printing of Refractive Micro-lenses”のタ
イトルでW.Royal Cox, Ting Chen, ChoiGuan, Donald
J.Hayes, Rick E.Hoenigman, Brian T.Teipen, Duncan
L.MacFarlaneによって発表された文献、及び米国特許第
5,681,757号において記載されている。図２６は２つの
レンズアレイ１０とスペーサー３１とを示しおり、それ
らは、接着剤１０３を熱あるいはUV照射によって硬化す
る間、一直線に固定している。
【００２２】図２７は、成形されたガラススペーサー３
１を示している。ガラススペーサー３１はレンズアレイ
１０と同じ材料から成る。図２８は、２つのレンズアレ
イ１０に対して位置合わせしたガラススペーサー３１を
示している。図２８は、レーザー５１を使用してレーザ
ー溶接によって結合したレンズアレイアセンブリを示し
たものでもある。この結合は熱貼付（thermal attachme
nt）で実施してもよい。
【００２３】図示はしないが、陽極結合（anodic bondi
ng）によってシリコンスペーサーをナトリウムあるいは
類似材料を含むガラスレンズに結合することも可能であ
る。この方法には、介在材料なしで強い結合が達成され
るという利点がある。この技術は、センサーを実装する
技術として半導体産業において周知である。
【００２４】アセンブリの際には、スペーサー及び２つ
のレンズアレイの位置合わせが必要となる。このような
位置合わせは、複数の方法で実施することが可能であ
る。一つのアプローチは光学的な方法を用いることであ
り、その方法とは例えば、半導体リソグラフィー用のマ
スクを位置合わせするための技術として周知のものであ
る。このアプローチは、レンズアレイ１０の一部として
形成した（図２９で示した）基準線１０５の使用を含ん
でいる。図２９では、レンズ要素を放射状の表示で示し
ている。基準線１０５はレンズ要素１２の表面の一つで
あってもよい。
【００２５】図３０では、他の位置合わせ方法を示して
いる。スペーサー３１は、上面と仮面とに機械加工した
加工部１２２を有する。レンズアレイ１０は、その加工
部に対応して成形した相補的な加工部１２３を有する。
このような加工部は、運動学的台（kinematic mount）
と通常呼ばれるものを備えている。加工部１２２及び１
２３は、位置合わせ装備なしでスペーサー３１とレンズ
アレイ１０の繰り返し位置決めを可能にし、それによっ
て取付時間と取付コストとを 節約している。有効な位
置合わせ加工部の例はＶ溝である。相補的な突起部１２
３をレンズアレイ１０に形成する。他のかみ合わせ構造
あるいは入れ子構造を用いてもよい。製造工程における
最後のステップは、図５で示したアセンブリから図６で
示した二重単位部４１を分離することである。図３１
は、円形レンズアセンブリをどのように個々の二重単位
部に切り出すかを示している。図３１では、符号１４１
は装置にキズを付けることによって残される切口を示し
ている。“切口”という用語は、鋸で引くこと、燃焼す
ること、あるいは他の方法によって、材料を切り落とす
領域として定義している。個々のレンズ系の切り出し
は、例えば、さいの目に切る鋸、エキシマレーザー、除
芯鋸、あるいは切れ目入れ及び割り装置を用いることに
よって実施することができる。
【００２６】スペーサーの厚さは0.05mmから0.5mmであ
ること、かつ、スペーサーとレンズアレイとは長さ5mm
から30mmでありかつ直径5mmから30mmであることが好ま
しい。
【００２７】ある好適な実施形態を特に参照して本発明
を詳細に説明してきたが、本発明の変形及び修正が本発
明の精神及び範囲内で実施可能であることを理解された
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レンズアレイの側面図である。
【図２】 図１のレンズアレイ上の５個の小レンズの
斜視図面代用電子顕微鏡写真である。
【図３】 図２の小レンズのうちの一つの拡大した図
面代用電子顕微鏡写真である。
【図４】 ２つのレンズアレイの側面図である。
【図５】 図４の２つのレンズアレイを結合した様子
を示した図である。
【図６】 単一化後の二重単位部の断面図である。
【図７】 図６の二重単位部の斜視図面代用電子顕微
鏡写真である。
【図８】 ２つのレンズアレイを分離するスペーサー
を製造するのに使用されるレーザーを示した図である。
【図９】 製造されたスペーサーの断面図である。
【図１０】 スペーサーにスルーホールを形成するの
に使用されるリソグラフィ段階を説明するための概略図
である。
【図１１】 スペーサーにスルーホールを形成するの
に使用されるリソグラフィ段階を説明するための概略図
である。
【図１２】 スペーサーにスルーホールを形成するの
に使用されるリソグラフィ段階を説明するための概略図
である。
【図１３】 スペーサーにスルーホールを形成するの
に使用されるリソグラフィ段階を説明するための概略図
である。
【図１４】 スペーサーにスルーホールを形成するの
に使用されるリソグラフィ段階を説明するための概略図
である。
【図１５】 電気放電加工を用いたスペーサーの製造
を説明するための概略図である。
【図１６】 電気放電加工を用いたスペーサーの製造
を説明するための概略図である。
【図１７】 電気放電加工を用いたスペーサーの製造
を説明するための概略図である。
【図１８】 鋳造によるガラスのスペーサーの製造を
説明するための概略図である。
【図１９】 両側にエポキシを被覆されたスペーサー
を示す図である。
【図２０】 図１９のスペースに取付られた２つのレ
ンズアレイを示す図である。
【図２１】 図２０のレンズアレイアセンブリから切
り出された単一化された二重単位部を示す図である。
【図２２】 三重単位部の断面図である。
【図２３】 二酸化シリコン膜を有するスペーサーを
示す図である。
【図２４】 二酸化シリコン膜を融かすことによって
図２３のスペーサーをレンズアレイに結合するために使
用されるレーザービームを供給するレーザーの使用を説
明するための図である。
【図２５】 ジェットスプレー装置によって堆積した
接着剤を有するスペーサーを示す図である。
【図２６】 図２５のスペーサーに結合した２つのレ
ンズアレイを有するアレイアセンブリを示す図である。
【図２７】 ２つのレンズアレイを有するガラススペ
ーサーを示す図である。
【図２８】 レンズアレイとスペーサーとの間の結合
を形成するために図２７のスペーサーとレンズアレイと
の間の界面を加熱するために使用されるレーザーを示す
図である。
【図２９】 基準線及びレンズ要素の配置を示す斜視
図におけるレンズアレイを示す図である。
【図３０】 位置合わせ構造を有するスペーサーと、
スペーサーのレンズアレイに対する機械的な位置合わせ
に使用される相互かみ合わせ構造を有するレンズアレイ
とを示す図である。
【図３１】 レンズ要素及び単一化切り溝とを含む、
結合されたアレイアセンブリの平面図である。
【符号の説明】
１０ レンズアレイ １２ レンズ要素（小レンズ） ３１、８２ スペーサー ３１Ａ スルーホール ４１ 二重単位部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ケー・バディンスキー アメリカ合衆国・14534・ニューヨーク・ ピッツフォード・ラーチウッド・ドライ ヴ・２ (72)発明者 ポール・ディ・ラディングトン アメリカ合衆国・14420・ニューヨーク・ ブロックポート・デビー・レーン・６ (72)発明者 ポール・オー・マクラフリン アメリカ合衆国・14618・ニューヨーク・ ロチェスター・シルヴァン・ロード・100

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の小レンズを有する複数のレンズ
    アレイと複数の穴を有する少なくとも一つのスペーサー
    とを有するレンズアセンブリを製造する方法であって、
    (i)前記スペーサーが隣接する二つのレンズアレイの間
    に位置し、かつ、その二つのレンズアレイの一方のレン
    ズアレイの小レンズが他方のレンズアレイの小レンズに
    重なり、かつ、前記穴が前記小レンズの間に位置するよ
    うに、少なくとも二つのレンズアレイと前記スペーサー
    とを配置する段階と、(ii)前記レンズアレイと前記スペ
    ーサーとを互いに固定して取り付けてアレイアセンブリ
    を形成する段階と、(iii)前記アセンブリを単一にして
    あるいは分割して複数の個々のレンズ系を作る段階とを
    備えたレンズアセンブリを製造する方法。
  2. 【請求項２】 (i)複数のレンズ要素を有する少なくと
    も２つのレンズアレイと、(ii)複数の穴を有する少なく
    とも一つのスペーサーとを含み、 前記スペーサーが前記の２つのレンズアレイの間に位置
    し、かつ前記の２つのレンズアレイに固定して取り付け
    られ、かつ、前記スペーサーが0.02mmから0.5mmの厚さ
    を有し、 前記レンズアレイが直径1mm以下の複数の小レンズを有
    する光学アセンブリ。
  3. 【請求項３】 複数の小レンズを有するレンズアレイ
    と、複数のスルーホールを有するスペーサーとを備え、
    前記レンズアレイと前記スペーサーとが互いに係合する
    ことができる相補的な構造を有し、前記レンズアレイが
    前記スペーサーに運動学的に位置合わせされ、それによ
    って前記の複数の小レンズが前記の複数のスルーホール
    に位置合わせされるアセンブリ。
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