JP2005520199A - レンズアレイおよびレンズアレイ作製方法 - Google Patents
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Abstract
レンズアレイと、比較的均一なサグ高さを備えた有効レンズを有する比較的平坦なレンズアレイを作製する方法が記載されている。一実施形態において、レンズアレイは一次元配列の有効レンズと、複数の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するために有効レンズの列の各端部に隣接して1つずつ形成される2つの犠牲レンズとを備える。別の実施形態において、レンズアレイは2次元配列の有効レンズと、複数の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するために有効レンズの列または段の各端部に1つずつ隣接して形成される複数の周囲レンズを備える。さらに別の実施態様において、レンズアレイは、有効レンズのアレイと、レンズアレイの反りを最小限にするのを助けるために、乳白周縁の内部であり且つ有効レンズを囲む乳白領域の外側に配置されるガラス領域(ガラスマトリックスを含むこともある)を備える。実際に本願明細書では、前述の特徴を1つ以上組み込んだレンズアレイの数多くのさまざまな実施態様を記載する。
Description
本出願は、ベオレリ他の名義で2002年3月14日に出願された「レンズアレイおよびレンズアレイ作製方法(Lens Array And Method For Fabricating The Lens Array)」と題された米国仮特許出願第60/364,756号の特典を主張するものである。
本発明は、光エレクトロニクス分野に関し、特に、レンズアレイと、比較的均一なサグ高さを備えた有効レンズを有する、比較的平坦なレンズアレイを作製する方法とに関する。
光エレクトロニクス分野において、最重要な設計課題の1つとして、「近」理想的なコリメータアレイを形成するようにファイバーアレイに結合できる新しいレンズの開発がある。真に理想的なコリメータアレイを作ることは理論的に不可能であるが、レンズアレイの特定の光学特性をレンズアレイの各レンズ毎に確実に整合させることができれば、理想に近づく。これら光学特性の確実な整合を助けるために、比較的均一なサグ高さを備えた有効レンズを有し、比較的平坦である、本発明にしたがうレンズアレイを作ることができる。
図1を参照すると、理想的なレンズアレイ120(この例では1×8レンズアレイとして示されている)に光学的に結合された理想的なファイバーアレイ110を備えた理想的なコリメータアレイ100の断面図が示されている。このコリメータアレイ100は一連のコリメータ100a〜100hを有し、各コリメータは、互いに光学的に結合されている光ファイバー110a〜110hとレンズ120a〜120hを備えている。コリメータ100a(例えば)の機能は、光ファイバー110aを出た光線140aを広げるためのレンズ120aを使用することによって、所望のスポットサイズを有する複数の平行な光線130aを生成することである。平行光線130a〜130hの所望のスポットサイズを各コリメータ100a〜100h毎に達成するために、いくつかのパラメーターが各コリメータ100a〜100hで一定である必要がある。これらのパラメータは、(1)各光ファイバー110a〜110hと各レンズ120a〜120hの間の距離(d)、(2)ビームウェスト(DBW)までの距離、(3)モードフィールド径(「MFD」)などである。図1の理想的なコリメータアレイ100にこれらのパラメータを示し、これらのパラメータは下記数式によって次のように定義される。
* 上記関係式は両凸レンズを有するレンズアレイに基づく。ただし、本発明のレンズアレイは、両凸レンズ、平凸レンズまたは等凸レンズを有することができることを理解すべきである。
これらの関係式および図1に示されている理想的なコリメータアレイ100を参照すると、一致するパラメータ”d”、”DBW”および”MFD”を有するには、レンズアレイ120内の各レンズ120a〜120hが同じ形状でなくてはならないことが分かる。これは、ファイバーアレイ110とレンズアレイ120が互いにアライメントされ、ファイバーアレイ100が、各レンズ120a〜120hから一定距離”d”をあけてファイバー110a〜110hを保持できることを前提とするものである。
残念なことに、感光性ガラスプレートから作られるレンズアレイ220を有する従来のコリメータ200は、「理想的な」レンズアレイ120を遠のけるいくつかの問題を抱えている。今日、感光性ガラスプレートからレンズアレイを作製できることは公知である。事実、本発明の出願人でもあるコーニング社(Corning Incorporated)の研究者らは、FOTOFORM(登録商標)として知られる感光性ガラスプレートおよびレンズアレイを形成するために使用できるSMILE(登録商標)処理として知られている処理を開発し、特許化した。SMILE処理は、FOTOFORMガラスをレンズアレイにするために、FOTOFORMガラスを紫外線照射工程、熱処理工程、およびイオン交換工程にかける。
SMILE処理に関する詳細な説明は、特許文献1、特許文献2および特許文献3に記載されており、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。FOTOFORMガラスの組成に関する詳細な説明は、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9、特許文献10に記載されおり、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。SMILE処理が施されたFOTOFORMガラスから作製されたレンズアレイ220を含む従来のコリメータアレイ200を、図2Aおよび2Bに関して以下に説明する。
図2A、2Bを参照すると、従来のコリメータアレイ200の側断面図と従来のレンズアレイ220の上面図(この例では3×8レンズアレイとして示されている)がそれぞれ示されている。理想的なコリメータアレイ100のように、従来のコリメータアレイ200は、レンズアレイ220のレンズ220a〜220hに光学的に結合される光ファイバー210a〜210h(8本しか示されていない)を保持するファイバーアレイ210を備えている。レンズ220a〜220hは、同一形状および理想的なレンズアレイ110を形成するのに必要な一定のパラメータ”d”、”DBW”および”MFD”を有するほど類似してはいない。従来のアレイ220が抱える問題のいくつかは次の通りである。
・不均一なサグ高さs1およびs2 *
・レンズアレイ220の反り**
・大型のN×Mレンズアレイ(N>>1,M>>1)の場合、レンズアレイにおける不均一な収縮によってピッチ値が不均一になることがある(ピッチ=2つのレンズの中心点間の距離)
* 外側のレンズ220aおよび220hは、内側のレンズ220b〜220gのサグ高さs1およびs2より高いサグ高さs1およびs2を有することに注意されたい。
・レンズアレイ220の反り**
・大型のN×Mレンズアレイ(N>>1,M>>1)の場合、レンズアレイにおける不均一な収縮によってピッチ値が不均一になることがある(ピッチ=2つのレンズの中心点間の距離)
* 外側のレンズ220aおよび220hは、内側のレンズ220b〜220gのサグ高さs1およびs2より高いサグ高さs1およびs2を有することに注意されたい。
** 従来のレンズアレイ220が反る理由に関する説明は、本発明のレンズアレイに関連して以下に記載されている。
図から分かるように、従来のレンズアレイ220は理想的なレンズアレイ120のようにはみえず、従来のレンズアレイ220は、それ自体では、理想的なレンズアレイ120のように機能しない。これは、全部のレンズ220a〜220hが均一ではなく、理想的なレンズアレイ120のレンズ120a〜120hのように、一致する光学パラメーター"d"、"DBW",および"MFD"を有していないからである。また、レンズアレイ220が反っているので、光ファイバー210a〜210hとレンズ220〜220hの間の寸法dは同じではない。
米国特許第4572611号明細書
米国特許第4518222号明細書
米国特許第5062877号明細書
米国特許第2326012号明細書
米国特許第2422472号明細書
米国特許第2515936号明細書
米国特許第2515938号明細書
米国特許第2515275号明細書
米国特許第2515942号明細書
米国特許第2515943号明細書
したがって、前述の欠点および従来のレンズアレイの他の欠点のないレンズアレイが必要とされている。上記および他の必要は、本発明のレンズアレイと方法によって満たされる。
本発明は、レンズアレイと、従来のレンズアレイの、レンズのサグ高さの不均一および/または反りの問題に対処するレンズアレイ作製方法を含む。一実施態様において、レンズアレイは、一次元配列の有効レンズと、複数の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するために有効レンズの列の各端部に隣接して1つずつ形成される2つの犠牲レンズとを備える。別の実施態様において、レンズアレイは、2次元配列の有効レンズと、複数の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するために有効レンズの列または段の各端部に1つずつ隣接して形成される複数の周囲レンズとを備える。さらに別の実施態様において、レンズアレイは、有効レンズのアレイと、レンズアレイの反りを最小限にするのを助けるために、乳白(opal)周縁の内部であり且つ有効レンズを囲む乳白領域の外側に配置されるガラス領域(ガラスマトリックスを含むこともある)とを備える。実際に本願明細書では、前述の特徴を1つ以上組み込んだレンズアレイの数多くのさまざまな実施態様を記載する。
添付図面と関連させて以下の詳細な説明を参照することによって本発明のより完全な理解が得られるであろう。
図3〜18を参照すると、本発明によるレンズアレイのさまざまな実施態様400、600、800...1800と、これらのレンズアレイのさまざまな実施態様400、600、800...1800を作製するための本発明による好ましい方法が開示されている。本発明をさらによく説明するために、ファイバーアレイのさまざまな実施態様400、600および800を作製する方法300、500および700に関する詳細な説明(図3〜8参照)を、レンズアレイの他の実施態様900、1000..1800の別の構成に関する詳細な説明(図9〜18参照)の前に載せる。
図3および4A〜4Gを参照すると、両凸レンズアレイ400を作るための好ましい方法300のフローチャートと、好ましい方法300のさまざまな工程における両凸レンズアレイ400のさまざまな側断面図と上面図がそれぞれ示されている。最初に工程302において、フォトマスク402が感光性ガラスプレート404と接触するように配置される(図4A参照)。好ましい実施形態において、感光性ガラスプレート404は、コーニング社から商標名FOTOFORMガラスとして市販されている光核形成可能、結晶化可能なケイ酸リチウムガラス体から作製される。感光性ガラスプレート404を研削または研磨して、1つ以上のレンズアレイ400(1つのレンズアレイ400しか図示されていない)となる適切なサイズの基材を作る。感光性ガラスプレート404の一般的な寸法は4”×4”×0.160”(約10cm×10cm×0.41cm)である。長さと幅は用途に応じて大きく変えることができるが、厚さは約0.075”(約1.9mm)未満にしたり、または約0.25”(約6.4mm)より大きくしないことが好ましい。レンズアレイ中の、レンズが望まれる領域に少量の乳白が形成されることを防止するために、熱処理工程306以前の全段階で、好ましい感光性ガラスプレート404を周囲紫外線(例えば 、太陽光、フィルターを通していない人工光)の被曝から保護する必要がある。
接点は、フォトマスク402と感光性ガラスプレート404と間の空気界面403である。空気界面403を有するのではなく、空隙403を無くし、空隙403が引き起し得る光の反射および/または散乱を無くすのを助けるために、グリセリンなど、ガラスの屈折率とほぼ一致するオイルを、フォトマスク402と感光性ガラスプレート404の間の媒質として使用することもできる。
工程304において、フォトマスク402および感光性ガラスプレート404の選択領域に紫外線405が照射される(図4B参照)。好ましい実施形態において、フォトマスク402は、石英の上にクロムが積層されたフォトマスク402である。このフォトマスクは感光性ガラスプレート404上の露光パターンをコントロールするために使用される。クロムを石英に積層したフォトマスク402は、石英基板402aとクロム層402bを備えている。感光性ガラスプレート404内で乳白領域406(陰付き領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク402のクロム層402bのクロムが無い。詳細には、それぞれの乳白領域406は、ガラス相とメタケイ酸リチウムのナノ結晶相の複合体であり、ナノ結晶相は複合体の約20容量%である。また、感光性ガラスプレート404内でガラス領域408(透明領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク402のクロム層402bのクロムが存在している。一般に、露光工程304および熱処理工程306との間は、感光性ガラスプレート404の方向が維持される。
露光工程304は、感光性ガラスプレート404に乳白相(未来の乳白領域406)の核を形成するのに十分なエネルギーを備え且つ感光性ガラスプレート404を通して照射の範囲を適切に限定するに足る視準性を備えた紫外線を生じさせることが可能な方法であれば、どのような方法で実施することもできる。例えば、感光性ガラスプレート404を露光するのに、平行化された1000ワットのHg/Xeアーク光源を使用できる。この例では、出力ビームの直径は約10”(約25cm)であるが、これは5”×5”(約12.7cm×12.7cm)のフォトマスク402にとって十分なものである。また、紫外線の強度は、照射波長240〜400nm(最も好ましくは300〜350nm)の±5-10mw/cm2の範囲で12分間とし、この範囲から外れる場合、照射時間が長くなる。露光工程304の後、フォトマスク402は感光性ガラスプレート404から分離される。
必要であれば、塵、汚れ、残留物等を取り除くために、照射後の感光性ガラスプレート404を石鹸と水で洗浄する。
工程306において、露光後の感光性ガラスプレート404を加熱し、その内部に乳白領域406(陰付き領域として示される)とガラス領域408(透明領域として示される)を形成させる。好ましい実施形態において、熱処理工程306は、露光後の感光性ガラスプレート404を、ドライ窒素が流れている蓋付きのステンレススチールの箱に入れた状態で、炉内で実施される。詳細には、露光後の感光性ガラスプレート404は、露光後の感光性ガラスプレート404の露光面を上に向けた状態で、フォーマーまたは平らなプレート上に置かれる。フォーマーは、熱処理工程306中に露光後の感光性ガラスプレート404と融合したり、熱処理工程306中に変形したりすることない、ガラス、セラミックまたはガラスセラミック材料とすることができる。(例えば)粉末状のAl2O3をフォーマー表面に分散させて、離型剤として作用させることもできる。一般的な熱処理スケジュールは次の通りである。
・460℃/時間で480℃まで加熱
・180℃/時間で600℃まで加熱
・600℃を40分間維持
・炉の速度で冷却
熱処理工程306中、感光性ガラスプレート404の乳白領域408は、ガラス領域404より大きく収縮する(図4C参照)。工程302、304および306の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート404は、熱によって形成されるレンズアレイ400と似ており、基本的にはガラス複合体プレートである、。
・180℃/時間で600℃まで加熱
・600℃を40分間維持
・炉の速度で冷却
熱処理工程306中、感光性ガラスプレート404の乳白領域408は、ガラス領域404より大きく収縮する(図4C参照)。工程302、304および306の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート404は、熱によって形成されるレンズアレイ400と似ており、基本的にはガラス複合体プレートである、。
感光性ガラスプレート404がFOTOFORMガラス404である場合、熱によって形成されたレンズアレイ400は、FOTOFORMガラス404に好ましくは波長240〜400nm(最も好ましくは300〜350nm)の紫外線を照射し、その後、露光後のFOTOFORMガラス404を熱処理して乳白領域406およびガラス領域408を形成することによって作ることができる。乳白領域406はセラミック粒子を有し、よってガラス領域408よりも高濃度である。乳白領域406におけるセラミック粒子の成長を可能にする核の形成のメカニズムは、FOTOFORMガラス404内のセリウムIII(Ce3+)が紫外線を吸収してセリウムIV(Ce4+)に転化し、その結果として電子を放出するときに開始する。電子はFOTOFORMガラス404内の、例えば銀イオン(Agl+)等の金属イオンによって吸収され、上記イオンを金属(例えば、Ag0)に還元する。これに代わる金属イオンは、金、銅およびパラジウムなどである。FOTOFORMsガラスの組成に関する詳細な説明は、米国特許第2326012号明細書、米国特許第2422472号明細書、米国特許第2515936号明細書、米国特許第2515938号明細書、米国特許第2515275号明細書、米国特許第2515942号明細書、米国特許第2515943号明細書に記載されおり、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。
工程308において、熱によって形成されたレンズアレイ400の、炉またはフォーマーの上に置かれる側410が研磨される(図4D参照)。410側を滑らかに研磨するのは、乳白領域405よりも突出しているガラス領域408は、熱処理工程306中に炉またはフォーマーと接触すると「損傷」または「変形」するからである。当然のことながら、「損傷」または「変形」したガラス領域の光学特性は、熱によって形成されるレンズアレイ400の反対側412から突出するガラス領域406の光学特性ほど望ましいものではない。
工程310において、研磨後のレンズアレイ400にイオン交換処理を施して(図4E参照)、レンズアレイ800を形成する(図4Fおよび4G参照)。標準的なイオン交換工程310は、研磨後のレンズアレイ400を500℃のKNO3溶融塩槽に予め定められた時間浸漬することによって実施できる。図4Fおよび4Gに示されているように、レンズアレイ400は、予め定められたガラス領域408に形成される両凸レンズ414のアレイを含む。図から分かるように、イオン交換工程310により、研磨工程308で平坦に研磨された側414に有効レンズ414が形成される(図4D参照)。
研磨工程308後に、有効レンズ414の410側には凸レンズ414が存在しなくなるため、有効レンズ414の412側の方が有効レンズ414の410側よりわずかに高い。例えば、有効レンズ414の412側を高さ35μm、有効レンズ414の410側の高さを25μmとすることができる。有効レンズ414のアレイの光学的性質は、熱によって形成されるレンズ414上に付加的なサグを生じるイオン交換工程310によって高められる。
サグは、有効レンズ414の曲率半径を支配するパラメータである(図1のs1とs2参照)。したがって、サグの大きさは各有効レンズ414の集光力に直接影響を及ぼす。
レンズアレイ400は、この有効レンズ414を囲む一連の周囲レンズ416も備えている(図4Fおよび4G参照)。周囲レンズ416は、予め定められたガラス領域408に形成されるが、レンズアレイ400内で光ファイバ(図示せず)からの光を平行化するために使用されることはない。
周囲レンズ416の追加は、複数の有効両凸レンズ414のサグ高さを比較的均一に維持するのを助けることによって、有効レンズ414の光学特性を間接的に向上させる。すなわち、周囲レンズ416が無いと、他の有効レンズ414が内側の有効レンズ414よりも高いサグ高さを有することになる。繰り返すが、サグ高さの差は、外側のレンズ220aおよび220hが内側のレンズ220b〜220gより高い従来のレンズアレイ220が抱える問題の1つである(図2A、2B参照)。図4Gから分かるように、周囲レンズ416は有効レンズ414よりも高いサグ高さを有し、すべての有効レンズ414は均一なサグ高さを有している。
レンズアレイ400が2次元配列の有効レンズ414ではなく、1列だけの有効レンズ414を有する場合、有効レンズ414の列の両端に2つの犠牲レンズを追加できる。すなわち、1次元レンズアレイでは、周囲レンズ416は必要ないが、有効レンズ414の列の両端に2つの犠牲レンズを有する。周囲レンズ416等の犠牲レンズは、複数の有効レンズ414のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。この状況は、レンズアレイ1400、1500および1600に関連して以下に詳述される(図14〜16参照)。
レンズアレイ400は、有効レンズ414でも周囲レンズ416でもないガラス領域424として示される追加ガラス領域408も備える。このガラス領域424は、乳白周縁426の内部であり且つ有効レンズ414および周囲レンズ416を囲む乳白領域406の外側に位置する。乳白周縁426は、レンズアレイ400のまわりの枠として示されている。ガラス領域424と乳白周縁426を追加することにより、レンズアレイ400の反りを最小限とするのを助ける(図4G参照)。そうでない場合、ガラス領域424を有しないレンズアレイ400は、イオン交換工程310後に反りやすくなる(図2A〜2Bの従来のレンズアレイ200と比較されたい)。
従来の両凸レンズアレイ220が反るのは、従来のレンズアレイ220の片側を、損傷レンズを取り除くために研磨(ラッピングおよびポリシング)する際に誘発される不均一な構造応力によって、研磨後の従来のレンズアレイ220をイオン交換工程にかけるときに反りが生じることによる。すなわち、従来のレンズアレイ220の片側に存在する不均一な構造応力の緩和がイオン交換工程中に起こり、それによって従来の両凸レンズ220の反りが生じるのである。これに対し、本発明の両凸レンズアレイ400は、イオン交換工程310中の反りを最小限にするように作用するガラス領域424および乳白領域426を有している。すなわち、レンズアレイ400のガラス領域424の応力がイオン交換中に緩和すると、レンズアレイ400全体に乳白周縁426の剛性が加わり、極端な反りを防止し、よって応力緩和中の有害効果を最小限とする。
図5および6A〜6Gを参照すると、等凸レンズアレイ600を作るための好ましい方法500のフローチャートと、好ましい方法500のさまざまな工程における等凸レンズアレイ600のさまざまな側断面図と上面図がそれぞれ示されている。繰り返しを避けるために、好適な感光性ガラスプレートに関する詳細の一部および等凸レンズアレイ600を作るために該プレートをどのように使用するかについては、両凸レンズアレイ400に関する上記の説明と同じであるので、以下では詳述しない。
初めに、工程502で、フォトマスク602が感光性ガラスプレート604と接触するように配置される(図6A参照)。接点は、フォトマスク603と感光性ガラスプレート602と間の空気界面604である。空気界面603を有するのではなく、空隙603を無くし、空隙603が引き起し得る光の反射および/または散乱を無くすのを助けるために、グリセリンなど、ガラスの屈折率とほぼ一致するオイルを、フォトマスク602と感光性ガラスプレート604の間の媒質として使用することもできる。
工程504において、フォトマスク602および感光性ガラスプレート604の選択領域に紫外線 605が照射される(図6B参照)。前述のフォトマスク402のように、フォトマスク602は、クロムを石英に積層したフォトマスク602であって、石英基板602aとクロム層802bを備える。感光性ガラスプレート604内で乳白領域606(陰付き領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク604のクロム層802bのクロムが無い。また、感光性ガラスプレート602内でガラス領域608(透明領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク604のクロム層602bのクロムが存在している。
露光工程504は、感光性ガラスプレート606に乳白相(未来の乳白領域604)の核を形成するのに十分なエネルギーを備え且つ感光性ガラスプレート604を通して照射の範囲を適切に限定するに足る視準性を備えた紫外線を生じさせることが可能な方法であれば、どのような方法で実施することもできる。露光工程504の後、フォトマスク602は感光性ガラスプレート604から分離される。必要であれば、塵、汚れ、残留物等を取り除くために、照射後の感光性ガラスプレート604を石鹸と水で洗浄する。
工程506において、露光後の感光性ガラスプレート604を加熱し、その内部に乳白領域606(陰付き領域として示される)とガラス領域608(透明領域として示される)を形成させる。前述の熱処理工程406と同様に、熱処理工程506は、露光後の感光性ガラスプレート604を、ドライ窒素が流れている蓋付きのステンレススチールの箱に入れた状態で、炉内で実施できる。熱処理工程506中、感光性ガラスプレート606の乳白領域606は、ガラス領域608より大きく収縮する(図6C参照)。工程502、504および506の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート604は基本的にガラス複合体プレートであり、熱によって形成されるレンズアレイ600に似る。
工程508において、熱によって形成されるレンズアレイ600の両側610および612を研磨する(図6E参照)。次に、工程510において、研磨後のレンズアレイ600にイオン交換処理を施して、等凸レンズアレイ600を形成する(図6G参照)。標準的なイオン交換工程510は、研磨後のレンズアレイ600を500℃のKNO3溶融塩槽に予め定められた時間浸漬することによって実施できる。図6Fおよび6Gに示されているように、レンズアレイ600は、予め定められたガラス領域608に形成される有効等凸レンズ614のアレイを含む。図から分かるように、イオン交換工程510により、研磨工程508で平坦に研磨された両側610および612に有効レンズ614が形成される(図6D参照)。610側の有効レンズ614は612側の有効レンズと同じ高さとなる(図4Gの両凸レンズ414と比較されたい)。
レンズアレイ600は、有効レンズ614の1つではないガラス領域624として示される追加ガラス領域608も備える。このガラス領域624は、乳白周縁626の内部であり且つ有効レンズ614を囲む乳白領域606の外側に配置される。乳白周縁626は、レンズアレイ600のまわりの枠として示されている。ガラス領域624と乳白周縁626を追加することにより、レンズアレイ600の反りを最小限とするのを助ける(図6G参照)。そうでない場合、ガラス領域624を有しないレンズアレイ600は、イオン交換工程510後に反りやすくなる(図2A〜2Bの従来のレンズアレイ200と比較されたい)。
従来の等凸レンズアレイ(図示せず)は反るが、従来の等凸レンズアレイ220の両側を研磨した後と構造応力が同じであるため、従来の両凸レンズアレイ220ほどではない(図2参照)。しかしながら、本発明の等凸レンズアレイ600はガラス領域624と乳白周縁626を有しているので、研磨工程508に構造応力が生じたとしてもごく僅かであり、したがって、イオン交換工程510中に生じるレンズアレイ600の反りがあったとしてもごく僅かである。
図7および8A〜8Gを参照すると、平凸レンズアレイ800を作るための好ましい方法700のフローチャートと、好ましい方法700のさまざまな工程における平凸レンズアレイ800のさまざまな側断面図と上面図がそれぞれ示されている。繰り返しを避けるために、好適な感光性ガラスプレートに関する詳細の一部および平凸レンズアレイ800を作るために該プレートをどのように使用するかについては、両凸レンズアレイ400に関する上記の説明と同じであるので、以下では詳述しない。
初めに、工程702で、フォトマスク802が感光性ガラスプレート804と接触するように配置される(図8A参照)。
接点は、フォトマスク803と感光性ガラスプレート802と間の空気界面804である。空気界面803を有するのではなく、空隙803を無くし、空隙803が引き起し得る光の反射および/または散乱を無くすのを助けるために、グリセリンなど、ガラスの屈折率とほぼ一致するオイルを、フォトマスク802と感光性ガラスプレート804の間の媒質として使用することもできる。
工程704において、フォトマスク802および感光性ガラスプレート804の選択領域に紫外線805が照射される(図8B参照)。前述のフォトマスク402のように、フォトマスク802は、クロムを石英に積層したフォトマスク1302であって、石英基板802aとクロム層802bを備える。感光性ガラスプレート804内で乳白領域806(陰付き領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク802のクロム層802bのクロムが無い。また、感光性ガラスプレート804内でガラス領域808(透明領域として示されている)が望まれる場所には、フォトマスク802のクロム層802bのクロムが存在している。
露光工程704は、感光性ガラスプレート806に乳白相(未来の乳白領域806)の核を形成するのに十分なエネルギーを備え且つ感光性ガラスプレート804を通して照射の範囲を適切に限定するに足る視準性を備えた紫外線を生じさせることが可能な方法であれば、どのような方法で実施することもできる。露光工程704の後、フォトマスク802は感光性ガラスプレート804から分離される。必要であれば、塵、汚れ、残留物等を取り除くために、照射後の感光性ガラスプレート804を石鹸と水で洗浄する。
工程706において、露光後の感光性ガラスプレート804を加熱し、その内部に乳白領域806(陰付き領域として示される)とガラス領域808(透明領域として示される)を形成させる。前述の熱処理工程406と同様に、熱処理工程706は、露光後の感光性ガラスプレート804を、ドライ窒素が流れている蓋付きのステンレススチールの箱に入れた状態で、炉内で実施される。熱処理工程706中、感光性ガラスプレート804の乳白領域806は、ガラス領域808より大きく収縮する(図8C参照)。工程702、704および706の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート804は基本的にガラス複合体プレートであり、熱によって形成されるレンズアレイ800に似る。
工程708において、加熱後のレンズアレイ800にイオン交換処理を施して、イオン交換レンズアレイ800を形成する(図8D参照)。標準的なイオン交換工程708は、加熱後のレンズアレイ800を700℃のKNO3溶融塩槽に予め定められた時間浸漬することによって実施できる。図8Dから分かるように、イオン交換工程708によって両側810および812に有効レンズ814が形成される。有効レンズ814のアレイの光学的性質は、熱によって形成されるレンズ814上に付加的なサグを生じるイオン交換工程708によって高められる。
工程710において、熱によって形成されたレンズアレイ800の、炉またはフォーマーの上に置かれる側810が研磨される(図8E参照)。これによって、イオン交換レンズアレイ800が効率的に平凸レンズアレイ800に変わる。熱処理工程706中に炉またはフォーマーと接触したときに「損傷」または「変形」しやすくなるので、レンズ814の、炉またはフォーマーと接する側810が滑らかに研磨される。
平凸レンズアレイ800は、この有効平凸レンズ814を囲む一連の周囲レンズ816も備えている(図8Fおよび8G参照)。周囲レンズ816は、予め定められたガラス領域808に形成されるが、レンズアレイ800内で光ファイバ(図示せず)からの光を平行化するために使用されることはない。周囲レンズ816の追加は、複数の有効平凸レンズ814のサグ高さを比較的均一に維持するのを助けることによって、有効レンズ814の光学特性を間接的に向上させる。すなわち、周囲レンズ816が無いと、他の有効レンズ814が内側の有効レンズ814よりも高いサグ高さを有することになる。繰り返すが、サグ高さの差は、外側のレンズ220aおよび220hが内側のレンズ220b〜220gより高い従来のレンズアレイ220が抱える問題の1つである(図2A、2B参照)。図8Gから分かるように、周囲レンズ816は有効レンズ814よりも高いサグ高さを有し、すべての有効レンズ814は均一なサグ高さを有している。
レンズアレイ800が2次元配列の有効レンズ814ではなく、1列だけの有効レンズ814を有する場合、有効レンズ814の列の両端に2つの犠牲レンズを追加できる。すなわち、1次元レンズアレイでは、周囲レンズ816は必要ないが、有効レンズ814の列の両端に2つの犠牲レンズを有する。周囲レンズ816等の犠牲レンズは、複数の有効レンズ814のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。この状況は、レンズアレイ1400、1700および1800に関連して以下に詳述される(図14〜16参照)。
レンズアレイ800は、有効レンズ808でも周囲レンズ816でもないガラス領域824として示される追加ガラス領域808も備える。このガラス領域824は、乳白周縁826の内部であり且つ有効レンズ814および周囲レンズ816を囲む乳白領域806の外側に配置される。乳白周縁826は、レンズアレイ800のまわりの枠として示されている。ガラス領域824と乳白周縁826を追加することにより、レンズアレイ800の反りを最小限とするのを助ける(図8G参照)。そうでない場合、ガラス領域824を有しないレンズアレイ800は、イオン交換工程708後に反りやすくなる(図2A〜2Bの従来のレンズアレイ200と比較されたい)。
従来の平凸レンズアレイ(図示せず)は反るが、従来の両凸レンズアレイ220ほどではない(図2参照)。従来の平凸レンズアレイには、研磨工程710中に誘発され、その後に熱処理が無いために緩和されない構造応力があるからである。また、従来の平凸レンズアレイでは構造応力が緩和されないため、従来の平凸レンズアレイは、従来の両凸レンズアレイ220ほどは反らない。
しかしながら、本発明の平凸レンズアレイは、従来の両凸レンズアレイ220のようには反らない。平凸レンズアレイ800がガラス領域824と乳白周縁826を有し、それによって研磨工程710中に生じる構造応力を分散させるのを助けるからである。
図9〜18を参照すると、本発明にしたがうレンズアレイのさまざまな実施形態900、1000...1800が示されている。基本的に各レンズアレイ900、1000...1800(両凸レンズとして示されている)は、方法300、500および700のいずれの方法を使用して作製することもできるが、レンズアレイ400、600および700を作るのに使用したフォトマスク402、602および702と異なる構成を有するフォトマスクを有する。本願明細書に記載されているレンズアレイ900、1000...1800のほかにも、レンズアレイ900、1000...1800と異なる構成を有する数多くの異なるタイプのレンズアレイを本発明にしたがって設計および作製できることを理解すべきである。
図9A、9Bを参照すると、レンズアレイ900(この例では5×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。レンズアレイ900の構成は、ガラス領域908(ガラスマトリックス928として示されている)ならびに周囲レンズ916および有効レンズ914のそれぞれを囲む個別乳白領域906が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。個別乳白領域906は、それぞれが四角形の外周を有している。
図示されているように、レンズアレイ900は、乳白周縁926、ガラス領域924、個別乳白領域906、ガラスマトリックス928、周囲レンズ916および有効レンズ914を備えている。露光済みのガラス領域908、924および928が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ914および916を分離しているガラスマトリックス928が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス928はレンズ914および916ならびにガラス/セラミック領域906より薄くなる。繰り返しになるが、周囲レンズ916の追加は、複数の有効レンズ914のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。
図10A、10Bを参照すると、レンズアレイ1000(この例では5×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。レンズアレイ1000の構成は、ガラス領域1008(ガラスマトリックス1028として示されている)ならびに周囲レンズ1016および有効レンズ1014のそれぞれを囲む個別乳白領域1006が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。個別乳白領域1006は、それぞれが円形の外周を有している。
乳白領域1006の円形の外周は、有効レンズ1014の均一な曲率を改善すると予測される。
図示されているように、レンズアレイ1000は、乳白周縁1026、ガラス領域1024、個別乳白領域1006、ガラスマトリックス1028、周囲レンズ1016および有効レンズ1014を備えている。露光済みのガラス領域1008、1024および1028が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ1014および1016を分離しているガラスマトリックス1028が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス1028はレンズ1014および1016ならびにガラス/セラミック領域1006より薄くなる。繰り返しになるが、周囲レンズ1016の追加は、複数の有効レンズ1014のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。
図11A、11Bを参照すると、レンズアレイ1100(この例では3×8レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。このレンズアレイ1100の構成は、有効レンズ1114のまわりに周囲レンズが存在しないことを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。図示されているように、レンズアレイ1100は、乳白周縁1126、ガラス領域1124、乳白領域1106および有効レンズ1114を備えている。有効レンズ1114を囲む乳白領域1106の面積を減らすことによって、周囲レンズの必要なく複数の有効レンズ1114を比較的均一なサグ高さに維持するのを助ける態様で、有効レンズ1114に対する応力が減少すると考えられる。
図12A、12Bを参照すると、レンズアレイ1200(この例では3×8レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。レンズアレイ1200の構成は、有効レンズ1214のまわりに周囲レンズが存在せず、ガラス領域1208(ガラスマトリックス1228として示されている)と各有効レンズ1214を囲む個別乳白領域1006とが存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である個別乳白領域1206は、それぞれが四角形の外周を有している。
図示されているように、レンズアレイ1200は、乳白周縁1226、ガラス領域1224、個別乳白領域1206、ガラスマトリックス1228および有効レンズ1214を備えている。露光済みのガラス領域1208、1224および1228が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ1214を分離しているガラスマトリックス1228が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス1228はレンズ1214およびガラス/セラミック領域1206より薄くなる。また、有効レンズ1214を囲む個別乳白領域1206の面積を減らすことによって、周囲レンズの必要なく複数の有効レンズ1214を比較的均一なサグ高さに維持するのを助ける態様で、有効レンズ1214に対する応力が減少すると考えられる。
図13A、13Bを参照すると、レンズアレイ1300(この例では3×8レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。レンズアレイ1300の構成は、有効レンズ1314のまわりに周囲レンズが存在せず、ガラス領域1308(ガラスマトリックス1328として示されている)と各有効レンズ1314を囲む個別乳白領域1306とが存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である個別乳白領域1306は、それぞれが円形の外周を有している。個別乳白領域1306の円形の外周は、有効レンズ1314の均一な曲率を改善すると予測される。
図示されているように、レンズアレイ1300は、乳白周縁1326、ガラス領域1324、個別乳白領域1306、ガラスマトリックス1328および有効レンズ1314を備えている。露光済みのガラス領域1308、1324および1328が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ1314を分離しているガラスマトリックス1328が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス1328はレンズ1314およびガラス/セラミック領域1306より薄くなる。また、有効レンズ1314を囲む個別乳白領域1306の面積を減らすことによって、周囲レンズの必要なく複数の有効レンズ1314を比較的均一なサグ高さに維持するのを助ける態様で、有効レンズ1314に対する応力が減少すると考えられる。
図14A、14Bを参照すると、レンズアレイ1400(この例では1×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。1次元レンズアレイ1400の構成は、2次元配列のレンズ414および416の代わりに1列の有効レンズ1414と2つの犠牲レンズ1415が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。周囲レンズ416と同様に、犠牲レンズ1415が、複数の有効レンズ1414のサグ高さを比較的均一に有することを助ける。図示されているように、レンズアレイ1400は、乳白周縁1426、ガラス領域1424、乳白領域1406、犠牲レンズ1415および有効レンズ1414を備えている。
図15A、15Bを参照すると、レンズアレイ1500(この例では1×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。1次元レンズアレイ1500の構成は、2次元配列のレンズ414および416の代わりに1列の有効レンズ1514と2つの犠牲レンズ1515が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。
また、レンズアレイ1500は、個別ガラス領域1506(ガラスマトリックス1528)と犠牲レンズ1515および有効レンズ1514のそれぞれを囲む個別乳白領域1506とを有しているので、レンズアレイ400と異なっている。個別乳白領域1506は、それぞれが四角形の外周を有している。
図示されているように、レンズアレイ1500は、乳白周縁1526、ガラス領域1524、個別乳白領域1506、犠牲レンズ1515および有効レンズ1514を備えている。
露光済みのガラス領域1508、1524および1528が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ1514を分離しているガラスマトリックス1528が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス1528はレンズ1514および1515ならびにガラス/セラミック領域1506より薄くなる。周囲レンズ1515の追加は、複数の有効レンズ1514のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。
図16A、16Bを参照すると、レンズアレイ1600(この例では1×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。1次元レンズアレイ1600の構成は、2次元配列のレンズ414および416の代わりに1列の有効レンズ1614と2つの犠牲レンズ1615が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。
また、レンズアレイ1100は、個別ガラス領域1606(ガラスマトリックス1628)と、犠牲レンズ1615および有効レンズ1614のそれぞれを囲む個別乳白領域1606とを有しているので、レンズアレイ400と異なっている。個別乳白領域1606は、それぞれが円形の外周を有している。個別乳白領域1606の円形の外周は、有効レンズ1614の均一な曲率を改善すると予測される。
図示されているように、レンズアレイ1600は、乳白周縁1626、ガラス領域1624、個別乳白領域1606、ガラスマトリックス1628、犠牲レンズ1615および有効レンズ1614を備えている。露光済みのガラス領域1608、1624および1628が熱処理中に結晶化し、緻密化して収縮するために反りが防止されてピッチが維持されると考えられる。これが生じると、ガラス/セラミックで囲まれた各レンズ1614を分離しているガラスマトリックス1628が流れて応力緩和が可能となる。当然のことながら、ガラスマトリックス1628はレンズ1614および1615ならびにガラス/セラミック領域1606より薄くなる。周囲レンズ1615の追加は、複数の有効レンズ1614のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。
図9−10、12−13、および15−16に関して上に説明されたガラスマトリックス928、1028、1228、1328、1528および1628は、イオン交換処理中よりも熱処理中に、レンズアレイ900、1000、1200、1300、1500および1600の反りを防止するというより、むしろレンズ間の適正なピッチすなわち距離を維持するのを助けるものであることを理解されたい。レンズアレイ 900、1000、1200、1300、1500および1600がガラスマトリックス928、1028、1228、1328、1528および1628を有していない場合、レンズアレイ900、1000、1200、1300、1500および1600の中央部のレンズよりも、アレイの縁沿いのレンズの方が収縮によって大きく動く可能性がある。
また、ガラスマトリックス928、1028、1228、1328、1528および1628は、NおよびMが非常に大きい値を有するN×Mレンズアレイ(例えば、22×18レンズアレイ)の生じる得る深刻な収縮を防止するのを助ける。好ましい実施形態において、ガラスマトリックス928、1028、1228、1328、1528および1628の厚さならびに個別乳白領域906、1006、1206、1306、1506および1606の厚さは、それぞれ5〜50μmとすることができる。しかしながら、ガラスマトリックス928、1028、1228、1328、1528および1628の厚さならびに個別乳白領域906、1006、1206、1306、1506および1606の厚さは、用途に応じて5〜50μmより大きくすることも、小さくすることもできる。
図17A、17Bを参照すると、レンズアレイ1700(この例では5×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。また、レンズアレイ1700は、レンズアレイ400のガラス領域426と同様のガラス領域を有しない点を除き、レンズアレイ400と同様である。レンズアレイ1700は、イオン交換工程310中に乳白領域1706が生じる応力を緩和するのを助けるガラス領域がないので、反りやすい。しかしながら、周囲レンズ1716の追加は、複数の有効レンズ1714のサグ高さを比較的均一に維持するのを助ける。このように、犠牲レンズ1716の追加は、従来のレンズアレイ200の主問題の1つに対処するものであり、レンズアレイ1700がほとんど反らないとしても、多くの光エレクトロニクス用途で受け入れられる。図示されているように、レンズアレイ1700は、乳白領域1706、周囲レンズ1716および有効レンズ1714を備えている。
図18A、18Bを参照すると、レンズアレイ1800(この例では1×10レンズアレイとして示されている)の上面図と側断面図がそれぞれ示されている。レンズアレイ1800の構成は、2次元配列のレンズ418および416の代わりに1列の有効レンズ1818と2つの犠牲レンズ1815が存在することを除き、レンズアレイ400、600および800と同様である。また、レンズアレイ1800は、レンズアレイ400のガラス領域426と同様のガラス領域を有しない点がレンズアレイ400と異なる。レンズアレイ1800は、イオン交換工程310中に乳白領域1806が生じる応力を緩和するのを助けるガラス領域がないので、反りやすい。しかしながら、2つの犠牲レンズ1815の追加により、複数の有効レンズ1818のサグ高さを比較的均一に維持するのを助けている。このように、犠牲レンズ1815の追加は、従来のレンズアレイ200の主問題の1つに対する取組みを助け、また、レンズアレイ1800がほとんど反らないとしても、多くの光エレクトロニクス用途で受け入れられる。図示されているように、レンズアレイ1800は、乳白領域1806、犠牲レンズ1815および有効レンズ1818を備えている。
ファイバーアレイ400、600、800、900…1800’をファイバーアレイに結合して、多重化、スイッチング、フィルタリング、偏光および多重分離などのさまざまな信号処理動作を実施するために使用できるコリメータアレイを形成できることも理解すべきである。
下記は、コリメータアレイを使用できる上記以外の光エレクトロニクス用途のいくつかを掲げる簡単なリストである。
・レーザーダイオードアレイ
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・電荷結合素子に対する直付け型レンズアレイ
・2Dおよび3D光スイッチ
以上、添付図面に示され、上記の詳細な説明に記載されている本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明は記載された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載および定義された本発明の精神から逸脱せずに数多くの再構成、変更、置換を行うことが可能であることを理解すべきである。
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・電荷結合素子に対する直付け型レンズアレイ
・2Dおよび3D光スイッチ
以上、添付図面に示され、上記の詳細な説明に記載されている本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明は記載された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載および定義された本発明の精神から逸脱せずに数多くの再構成、変更、置換を行うことが可能であることを理解すべきである。
100 コリメータアレイ
100a-100h コリメータ
110 ファイバーアレイ
110a-110h ファイバー
120 レンズアレイ
120a-120h レンズ
400 レンズアレイ
402 フォトマスク
403 空気界面
404 感光性ガラスプレート
406 乳白領域
408 ガラス領域
414 有効レンズ
416 周囲レンズ
100a-100h コリメータ
110 ファイバーアレイ
110a-110h ファイバー
120 レンズアレイ
120a-120h レンズ
400 レンズアレイ
402 フォトマスク
403 空気界面
404 感光性ガラスプレート
406 乳白領域
408 ガラス領域
414 有効レンズ
416 周囲レンズ
Claims (5)
- 内部に複数の有効レンズが形成されたガラス複合体プレートを有するレンズアレイにおいて、前記ガラス複合体プレートが、
前記有効レンズの列の各端部に隣接して1つずつ形成される複数の犠牲レンズ、
前記有効レンズの列または段の各端部に隣接して1つずつ形成される複数の周囲レンズ、および
前記ガラス複合体プレートの乳白周縁の内部であり且つ前記有効レンズを包囲する前記ガラス複合体プレートの乳白領域の外側に配置されるガラス領域、
のうちの少なくとも1つをさらに備えることを特徴とするガラス複合体プレートを有するレンズアレイ。 - 前記複数の犠牲レンズが1次元配列の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するのを助け、前記複数の周囲レンズが2次元配列の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するのを助けることを特徴とする請求項1に記載のレンズアレイ。
- 前記ガラス領域が前記有効レンズのそれぞれを包囲する個々の乳白領域の外側に位置するガラスマトリックスを含んでいることを特徴とする請求項1に記載のレンズアレイ。
- レンズアレイを作製する方法において、
フォトマスクを未露光の感光性ガラスプレートの上に配置する工程、
紫外線を前記フォトマスクと前記未露光の感光性ガラスプレートの選択領域とに照射する工程、
前記露光後の感光性ガラスプレートを加熱して、その内部に複数の乳白領域と複数のガラス領域を形成させる工程、
前記加熱後の感光性ガラスプレートをイオン交換する工程、および
前記レンズアレイを形成するために前記イオン交換後の感光性ガラスプレートの片側を研磨する工程、
を含み、前記レンズアレイが内部に形成される複数の有効レンズを備え、前記レンズアレイがさらに、
前記有効レンズの列の各端部に1つずつ形成される複数の犠牲レンズ、
前記有効レンズの列または段の各端部に隣接して1つずつ形成される複数の周囲レンズ、および
前記ガラス複合体プレートの乳白周縁の内部であり且つ前記有効レンズを包囲する前記ガラス複合体プレートの乳白領域の外側に配置されるガラス領域、
のうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする方法。 - 前記複数の犠牲レンズが1次元配列の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するのを助け、前記複数の周囲レンズが2次元配列の有効レンズのサグ高さを比較的均一に維持するのを助けることを特徴とする請求項4に記載の方法。
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