JP2004280117A - Mems制御器を備えた調節可能な複合マイクロレンズ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態では1つのマイクロレンズが静止型であり、その他が可動型である。MEMS制御器は可動型マイクロレンズの他に対する位置を電気的に制御する。マイクロレンズの対向する光学表面は半透明の金属コーティングを有し、それにより、装置は光学フィルタまたは分散補償器として機能する。アレー内の第1の装置の光学パラメータ(例えば実効焦点距離)のバラツキを補償する方法であって、(a)アレー内の第1の装置が所定の標準値と異なるパラメータ値を有することを判定する工程、および(b)第1の装置のMEMS制御器に電気信号を加え、それにより、第1の装置のパラメータの値を標準値にさらに近付ける機械的動作を制御器に実行させる工程を含む。
【選択図】図35
Description
本発明の別の実施形態によると、マイクロレンズの対向する光学表面は装置が光学フィルタまたは分散補償器として機能するように半透明の金属コーティングを含む。
本発明は、その様々な特徴および利点と共に、添付の図面と結び付けて為される以下のさらに詳細な説明から容易に理解されることが可能である。
付け加えると、各々のレンズは凹型であっても凸型であってもよく、球面、非球面であってもよく、あるいはアナモルフィックを含むその他の形状(例えば円筒状)を有してもよい。
本発明による単一マイクロレンズ装置の様々な実施形態のさらに詳細で、なおさらに図式的な表現が図13、14および33に示されている。
図1の装置の両方のマイクロレンズが同じ光学軸を有すると仮定すると、ダブレットの実行焦点距離f12とその微分式は、
f1+f2≒d (3)
である図2の特異点付近およびf1f2の最小値で生じる。マイクロレンズの曲率に応じてf1および/またはf2が正または負のいずれかになり得ることに留意すべきである。実効焦点距離の通常の関数的関係は正規化した分離度の関数として図2に示されている。d/f2〜2.1である特異点の領域の外側では変化が小さいことに留意すべきである。比率f1/f2を変えるとd/f2軸に沿って曲線が変位する。
上述したように、調整可能な複合マイクロレンズ装置はフィルタ機能を実行するように構成されることが可能である。例示的なフィルタ30であるGire−Tournois(GT)フィルタ(または干渉計)が図34に示されている。このGTフィルタは図1(a)に示したタイプのダブレットを使用する。しかしながら、(これには限定されないが)図1(b)に示したそれを含む他のダブレットの設計もやはり適切である。図34では、マイクロレンズ32aと32bの内側表面はそれぞれ反射コーティング33aと33bで被覆される。これらのコーティングは金属であってもよく、多層化された誘電体であってもよく、あるいは当該技術でよく知られている他の適切な設計であってもよい。いずれのケースでも、2つの反射コーティングは空洞共振器を形成する。可動型マイクロレンズの位置を変えるためにMEMSを使用することによって共振器の長さを変えることが可能であり、それが今度は放射(または光)ビーム34をスペクトルまたは空間的にフィルタ処理することを可能にする。付け加えると、GTフィルタは独自の波長分散特性を有しており、それは別の光学装置の分散を補償するように設計されることが可能である。
多くの応用で、マイクロレンズ装置またはそれらのアレーは装置またはアレーが変化し得る光学パラメータ(例えば波長、パワー、ビーム・プロファイル)を有する原因となる変動状況(例えば温度、湿度、老朽化)に晒される。その結果、図35に示したように、相違する入力光学ビーム42iがマイクロレンズ装置41を通過し、視準化された出力光学ビーム42oとして出る。(単純化するために、ビームの1本の線だけが示されている。)例えば周囲温度の変化の結果として装置41の温度が変化すれば、出力ビームの特性(例えば波長、パワー、ビーム・プロファイル)もやはり変化するであろう。これらのパラメータを安定化させる(すなわちそれらの変化を所定の受容可能な範囲に制限する)ために、装置はフィードバック制御サブシステムを設けられ、それは制御器45、温度センサ43、および光検出器44を含む。後者は、例えば出力ビーム42oから情報を抽出するのに使用される受信器47と連動した(またはその一部をなす)受信/検出器として機能することが可能であり、あるいは、例えば出力ビーム42oの光学パラメータを感知するのに使用されるフィードバック・ループ内のモニタ/検出器として機能することが可能である。
図36に図式的に描かれた本発明の重要な実施形態では、多数の調節可能な複合マイクロレンズ装置51がアレー50を構成している。各々の装置51は上述したタイプの複合レンズとMEMS制御器を有する。
前に述べたように、従来のマイクロレンズ・アレーは、概して、いくつかの理由で光ファイバ(もしくは他の光学レセプタ)に対する光ビームの最適の結合を提供しない。第1に、限度のある製造許容差に起因してレンズの曲率はマイクロレンズ間で異なる。これらの曲率のバラツキは焦点距離のバラツキにつながり、それが今度は光出力ファイバ内の光ビーム径のバラツキにつながる。第2に、入力と出力のファイバの多様な対の間の光学経路長が多様な経路設定について異なり、それが出力ファイバのビーム径のバラツキにつながる。
付け加えると、この光学パラメータの標準値は(1)アレーの特定の第2の装置に現存するかまたは(2)コンピュータに記憶されたそのパラメータの所定の値であってもよく、調節はその規格を満たさない装置に対して為される。
以下の製造技術は図13または14に示したタイプの調節可能な複合マイクロレンズ装置を作製するための処理の流れを述べている。能動型(可動型)レンズ、静止型レンズおよびMEMS、ならびに様々な部品の組み立て品の製造法を説明する。本技術はそのような装置のアレーを述べているが、しかしながら、希望されるならばそれはダイシングされるかそうでなければ分離されて個別装置にされることが可能である。
図3〜9と関連させて能動型マイクロレンズの製造法を説明する。
図3に示したように、能動型マイクロレンズを作製するための出発材料はシリコン・オン・インシュレータ(SOI)のウェハ80であって、それは下部のSi領域(または基板)82と上部のSi領域(または層)83の間に埋め込まれたSiO2層81を含む。SOIウェハはよく知られており、例えば最新式ICならびにMEMSの製造に使用される。SOIウェハの代わりにバルクのSiウェハを使用することは可能であるが、処理がはるかに複雑であり、はるかに狭い処理余裕度を伴なう。他の材料(例えば溶融シリカ、石英、酸化亜鉛または同等のプラスティック)、または他の半導体(例えばSiGe)から成るウェハを使用することは可能である。
場合によっては、マスク材料は高温への暴露で形状を変えるガラスから成る可能性もある。
図10〜12に結び付けて静止レンズおよびそれに付随する電極の製造法を説明する。
図10に示した静止型マイクロレンズ94は標準的な半導体(例えばSi)ウェハから製造されることが可能であり、SOIウェハを必要としない。しかしながら、原理的には他の材料(例えば溶融シリカ、石英、光学ガラス、酸化亜鉛または同等のプラスティック)あるいは他の半導体(例えばSiGe)が同様に使用されることが可能である。
本発明の一実施形態によると、能動型マイクロレンズ(図9)と静止型マイクロレンズ(図12)が組み立てられて図13に示した装置を構成する。この組み立て体は、図8で形成されてここでは静止型レンズ94の上に同軸に能動型レンズ84を支持もしくは懸架するように2つのレンズの間に差し挟まれる支持構造(またはスペーサ)102を含む。その高さは、2つのレンズの間にそれらの分離度および/または傾斜が電気的に調節されることを可能にする隙間を供給するのに充分である。
以下の製造技術は図33に示したタイプの好ましい調節可能な複合マイクロレンズ装置を作製するための処理の流れを述べている。能動型(可動型)レンズ、静止型レンズおよびMEMS、ならびに様々な部品の組み立て品の製造法を説明する。本技術はそのような装置のアレーを述べているが、しかしながら、希望されるならばそれはダイシングされるかそうでなければ分離されて個別装置にされることが可能である。
図15〜31と関連付けて改造された能動型レンズの製造法を説明する。
方法Iのように、出発材料は1μmの厚さの埋め込みSiO2層111を有する、図15の底部に示したようなSOIウェハ110である。上部Si層112の厚さは能動型マイクロレンズ構造のバネの厚さとほぼ等しくなければならない。方法Iでは厚さが約5μmであったが、しかし方法IIのエッチング均一性の要求条件がそれほど厳しくないので、さらに薄い上部Si層112でも使用されることが可能である。層112はまた、個々の能動型マイクロレンズへの導電体としても働くであろうから、したがってそれ相応のドーピング・レベル(例えば約1016〜1017cm−3の範囲であり、それは過度の光学吸収を引き起こさない適切な導電性を与えるのに充分である)を有する必要がある。
図15の上部分に示したように、第2のウェハ115(SOIではなくバルクのSi)が同様に酸化されてSiO2層116を形成する。[この工程もやはりバルク・ウェハの上面に酸化層(図示せず)を形成する可能性があるが、最終的に上面は研削および研磨されるであろうからそのような酸化層の存在は意味のないものである。]酸化されたSOIとバルクSiウェハは酸化層113と116の露出表面を一体に接着することによって連結される。接着された酸化層は図16で参照番号117で示される。(図16に示していないけれども、実際には沿う117の厚さは層113と116の厚さの合計にほぼ等しいであろう。)これらの層の接着の後、バルクSiウェハ115の上面が研削および研磨されてSi層115a(図16)を生じ、そこに能動型マイクロレンズが形成されることになるであろう。したがって、層115aは所望のマイクロレンズのサグよりも約0.5μm大きい厚さを有する必要がある。方法Iでサグは具体的に約25.4μmと示されており、それは方法IIにもやはり当てはまる。したがって、層115aの合計厚さは約26μmでなければならない。
静止型マイクロレンズ134(図32)を作製するための処理は、電極101(図12〜14)を形成するのに使用される金属層99(図11)を除いて方法Iで述べたそれと同様である。ARC135と136が上側と下側にそれぞれ堆積された後のマイクロレンズ134が図32に示されている。
方法IIの静止型マイクロレンズ134は方法Iの相当するマイクロレンズ94よりも製造するのが単純であるが、その理由は前者が1回のフォトリソグラフィ工程しか必要とせず(それに対して方法Iではそのような工程が2回である)、かつ電極を形成するための酸化物と金属の堆積を必要としないからである。
その後、能動型マイクロレンズ119と静止型マイクロレンズ134は図33に示したように静止型マイクロレンズの周縁部表面に支持構造133を装着することによって組み立てられる。通常、支持構造133は適切な接着材料(例えばエポキシまたはポリイミド)によって周縁部表面に貼り付けられる。
Claims (10)
- マイクロレンズ装置であって、
第1と第2の光学マイクロレンズを含み、
複合レンズを形成するように前記マイクロレンズがそれらの光学軸に沿って互いから分離され、前記マイクロレンズの少なくとも1つが他方に対して運動可能であり、
少なくとも1つの可動型のマイクロレンズの位置を電気的に制御するために前記装置がさらにMEMS制御器を含むことを特徴とする装置。 - 前記マイクロレンズのうちの一方が可動型であって他方が静止型であり、かつ前記可動型マイクロレンズが第1の電極として働き、前記MEMS制御器が前記静止型マイクロレンズによって支えられた構造を含み、前記可動型マイクロレンズが弾性的に支持される開口部を前記構造が有し、前記静止型マイクロレンズに隣接して配置された多数の第2の電極をさらに含み、前記第1と第2の電極が、前記第2の電極と前記可動型マイクロレンズの間に印加される電気信号に応答して前記可動型マイクロレンズの位置を制御するように協同作用する、請求項1に記載の装置。
- 前記MEMS制御器が、前記構造と前記可動型マイクロレンズの間の弾性的結合手段を含む、請求項2に記載の装置。
- 前記静止型マイクロレンズが基本的に円形であり、かつ前記第2の電極が前記静止型マイクロレンズの周縁部の周りで基本的に等間隔を置かれる、請求項2に記載の装置。
- 光学素子のアレーを含む装置であって、前記素子の各々が請求項1に記載の装置を含む装置。
- 第1の光学装置のアレー内でそのような光学装置の光学パラメータのバラツキを補償する方法であって、前記装置の各々が、(i)少なくとも1つが他に対して可動性である少なくとも2つのマイクロレンズを有する複合マイクロレンズ、および(ii)前記少なくとも1つの可動型マイクロレンズの位置を電気的に制御するためのMEMS制御器を含み、前記制御器が、それに加えられる電気信号に応答して機械的動作を作り出し、その動作が
(a)前記第1の装置が標準値と異なる前記パラメータの値を有することを判定する工程、および
(b)前記第1の装置の前記MEMS制御器に電気信号を加え、それにより、前記第1の装置の前記パラメータの値を前記標準値のそれにさらに近付けるために前記第1の装置の前記少なくとも1つの可動型レンズを移動させる前記機械的動作を前記第1の装置の制御器に実行させる工程
を含む方法。 - 前記標準値が第2の装置の前記光学パラメータの値である、請求項6に記載の方法。
- 前記第1と第2の装置がそのような装置のアレー内に含まれ、かつ工程(a)が、多数の前記装置が前記第2の装置と異なる前記パラメータの値を有することを判定することを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記光学パラメータが装置の実効焦点距離であり、かつ工程(a)が、前記第1の装置の実効光学焦点距離が前記標準値と異なることを判定する、請求項6に記載の方法。
- 工程(b)の後に、前記可動型レンズのすべてを定位置に貼り付ける追加的工程(c)をさらに含む、請求項6に記載の方法。
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