JP2017533466A - 光ビーム走査装置 - Google Patents

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Abstract

第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを備える基板を有する走査デバイスが開示される。前記基板の或る領域は、前記第１の面と第２の面とを含み、前記基板を厚み方向にエッチングするプロセスにより規定されており、１以上のヒンジを介して前記基板に取り付けられた状態が維持されている。導波路は、前記領域の前記第１の面上にパターン形成されており、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内する。この走査デバイスは、前記領域の前記第１の面上に位置する面を含む。当該面は、前記放射ビームの少なくとも一部を、前記領域を通過して反射するように設計されている。光学素子は、前記領域の前記第２の面上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように設計されている。

Description

発明の詳細な説明
本件出願は、２０１４年１０月１５日に出願された米国仮出願（６２／０６４，３５５）の全体を参照して引用することにより、当該出願の利益を享受するものである。
〔背景技術〕
（分野）
本発明の実施形態は、微細加工されたビーム走査デバイスの設計と、アレイ化された形式におけるビーム走査デバイスの用途とに関するものである。
（背景）
イメージングデバイスにおけるビームの指向は、チップ上における電気光学効果または熱光学効果を利用した種々の技術によって実現可能であるし、自由空間内でレンズやミラーを移動させることによる機械的走査を用いることによっても実現可能である。ビーム指向のための典型的な機構は、光導波路から出射する光を指向するためのミラーを用いており、その導波路から幾らか離れた位置に配置されたコリメートレンズおよびミラーを含んでいる。２次元走査ミラーは、光ビームを偏向し、サンプル上に光ビームを投影する。
チップ上にパターン形成された光導波路に沿う光の伝播は、面内（in-plane）において発生する。しかしながら、集積デバイスを製造するために通常用いられているプレーナ技術では、高品質性能を得るために効率的なコリメート（またはフォーカス）素子を製造することができない。レンズは、通常、導波路の光軸に関して対称に配置される。この問題を解決するために、ハイブリッドな解決策がよく用いられる。その解決策とは、導波路が固定されているものと同じ光学台に、自由空間レンズ（free space lens）を設けることである。しかしながら、自由空間レンズを配置することについては、直交する３軸方向の全てにおいて、１ミクロンのオーダーで高精度に位置合わせすることが必要とされる。
光干渉断層法（optical coherence tomography(OCT)）システム等の多くの干渉デバイスは、コリメートされた光を、テレセントリックモードで機能する集光レンズにさらに向けることで、全光路長が、映像化されたサンプルにおけるビーム位置に無関係となるようにしている。自由空間の光学素子を用いることで、高品質性能を得ることができる。しかしながら、自由空間の光学素子は、比較的嵩張るものであり精密な位置合わせが必要であるため、デバイス全体のサイズを低減することに多くの可能性を残すものではない。
〔発明の概要〕
ここに記載の実施形態においては、ＯＣＴ用途に用いることが可能な、微細加工された光ビーム走査装置のデバイス設計について記載されている。当該設計は、走査アレイを形成するためのデバイスをバッチ製造することを可能とするものでもある。
一実施形態において、第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有する基板を含むデバイスについて記載されている。前記デバイスは、前記第１の面上にパターン形成された導波路であって、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内するように構成された導波路を含む。前記デバイスは、第１の面上に配置され、前記第１の面に実質的に垂直な角度で前記放射ビームの少なくとも一部を反射するように設計されたファセット（facet）を備えている。光学素子は、第１の面または第２の面のいずれか一方の上に配置されており、放射ビームのうち反射された部分を受光するように設計されている。
他の実施形態においては、第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有する基板を備える走査デバイスについて記載されている。前記基板の領域は、前記第１の面と、前記反対側の平行な第２の面とを有しているとともに、前記基板を厚み方向にエッチングするプロセスにより規定され、前記領域は１以上のヒンジを介して前記基板に取り付けられた状態が維持されている。導波路が、前記領域の前記第１の面上にパターン形成されており、当該導波路は、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内する。前記走査デバイスは、前記領域の前記第１の面上に配置されたファセットを含む。前記ファセットは、前記放射ビームの少なくとも一部が前記領域を通過して反射するよう設計されている。光学素子が、前記領域の前記第２の面上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように設計されている。
他の実施形態においては、同一の基板から形成され個別にアドレス指定可能な素子を複数備える走査デバイスについて開示されている。前記複数のうちそれぞれの素子は、基板の領域と、導波路と、ファセットと、光学素子とを含む。前記領域は、第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有しており、前記基板を厚み方向にエッチングするプロセスにより規定され、さらに前記領域は１以上のヒンジを介して前記基板に取り付けられた状態が維持されている。前記導波路は、前記領域の前記第１の面上にパターン形成され、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内する。前記ファセットは、前記領域の前記第１の面上に配置され、前記放射ビームの少なくとも一部が前記領域を通過して反射するように設計される。前記光学素子は、前記領域の前記第２の面上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように設計される。前記複数の素子のそれぞれは、対応する領域の動きに応じて、対応する放射ビームを指向するように設計される。
〔図面の簡単な説明〕
添付の図面は、ここに引用され本明細書の一部を成すものであり、本願発明に係る実施形態を図示するものである。そして、添付の図面は、明細書の記載と共に本発明の原理原則を説明し、本発明を当業者が製造かつ使用することができるように、付加して供する物でもある。
図１は、自由空間光学系を用いるビーム走査デバイスを示す。
図２は、一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す。
図３は、一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す。
図４は、一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す。
図５は、一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す。
図６は、一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す。
図７Ａ〜図７Ｃは、一実施形態に係る、光ビーム走査装置の種々の図である。
図８は、一実施形態に係る、２つの光学素子を備える光ビーム走査装置を示す。
図９は、一実施形態に係る、アドレス指定可能な素子を複数備えるビーム走査デバイスを示す。
図１０は、一実施形態に係る干渉システムのブロック図である。
図１１は、一実施形態について、異なるｉの値ごとに反射率と波長との関係をシミュレートしプロットした図を示す。
本発明の実施形態は、添付の図面を参照しつつ、以降に記載する。
〔発明の詳細な説明〕
特定の構成および配置について記載されているが、これは例示することのみを目的としてなされている点については理解されたい。当業者であれば、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、他の構成および配置を適用し得ることを理解するであろう。本発明が種々の他の用途にも用いることができることは当業者にとって明白であろう。
本明細書において、“一実施形態”，“ある実施形態”，“例示の実施形態”などと記載する際は、記載された実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含む場合があるものの、全ての実施形態が必ずしも特定の特徴、構造、または特性を含むものではないことを意味する。さらに、そのような表現は、必ずしも同一の実施形態について言及するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性がある実施形態と関連づけて説明される場合は、そのような特定の特徴、構造、または特性が他の実施形態と関連して機能することは、明示されていないとしても当業者の理解の範疇である。
ここに記載の実施形態は、光ビーム走査装置に係る種々の設計に関連するものである。そのような走査デバイスは、放射ビームがサンプルを掃照する（sweeping）ことによってデータを取得可能なイメージングの用途において有益である。これらのイメージングの用途は、干渉法、フーリエ変換赤外線顕微鏡法（Fourier transform infrared microscopy：FTIR）、共焦点顕微鏡法（confocal microscopy）、およびラマン分光法を含むものであるが、これらに限定されるものではない。光干渉断層法（ＯＣＴ）は、ここに記載の技術の１つであり、具体化された装置の使用による利益を享受しうるものである。
なお、“電磁放射”，“光”，“放射ビーム(beam of radiation)”，および“光ビーム”の文言については、全て、本明細書に記載の種々の素子およびシステムを経由して伝播する同一の電磁放射信号について記載するものである。
種々のデバイス設計は、標準的な微細加工技術を用いて光ビーム走査装置を製造することを可能とするものである。このようにして、多数の走査デバイスを良好な均一性および低コストでバルク製造することができる。本発明の実施形態は、デバイスを製造するために実行される特定の製造ステップに限定されるものではないことは理解されたい。最終的に本明細書に記載のデバイスを製造するために用い得る、当業者にとって周知の潜在的な製造技術が多く存在する。
微細加工における１つの利点は、より良い位置合わせおよび光学ロスの低減をもたらす、構成要素のモノリシックな集積である。図１は、ビームをサンプルの方に向ける、自由空間の光学素子を用いるビーム走査デバイス１００の一例を示す図である。基板１０２はパターン形成された導波路１０４を含む。導波路１０４は、レンズ１０６に向けて光のビームを案内する。レンズ１０６は、導波路１０４の出力ファセットにオフチップで位置合わせされている。レンズ１０６は、分離走査ミラー１０８上に光を集光する。出力放射ビーム１１０は、走査ミラー１０８によって反射され、サンプル１１２の方に向かう。走査ミラー１０８は、横方向に移動する、および／または走査ミラー１０８の角度を傾けるように、アクチュエータと連結されている。これは、サンプル１１２に向かう放射ビーム１１０の方向を指向するためである。或いは、光がレンズ１０６によってコリメートされ、ミラー１０８にて反射されて、サンプル１１２とミラー１０８との間に設けられたテレセントリックモードで機能する集光レンズに向けられてもよい。
ビーム指向デバイス１００は、走査ミラー１０８の可能な動きの範囲によって、広いビーム指向角をもたらし得る。しかしながら、ビーム指向デバイス１００は、自由空間の光学素子の使用を要する。このことは、小型化を非常に困難にする。加えて、光学素子のそれぞれは、正確に位置合わせされなければならず、それゆえ、卓越したスキルが求められるし、時間がかかりすぎる。
図２〜５は、放射ビームを方向付けるために設計されたデバイスの様々な実施形態である。これら実施形態は、基板の表面に実質的に垂直な或る角度に放射ビームを方向付ける、同様の基本概念を利用している。ただし、これら実施形態は、特定の構成要素の配置や構造が異なっている。
図２は、一実施形態における、放射ビームを方向付けるように設計されたデバイス２００を示す図である。デバイス２００は、基板２０２、導波路２０４、光学素子２１４を含む。導波路２０４は、クラッド層２０８ａおよびクラッド層２０８ｂに囲まれたコア層２０６を含む。導波路２０４の面内に反射器２１０が形成されている。反射器２１０は、放射ビーム２１２を光学素子２１４に向けて反射するように設計されている。
基板２０２は、表面および／またはバルクにミクロ機械加工によるパターン形成ステップを実行することが考慮された適切な物質であってよい。一例では、基板２０２は、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウム等のような、結晶性の物質である。他の例では、基板２０２は、ガラスまたはポリシリコンのようなアモルファスである。導波路２０４のコア層２０６は、導波路２０４を通じて伝播する放射ビームを閉じ込めるように、クラッド層２０８ａ・２０８ｂよりも高い屈折率を有する物質から構成されていてよい。導波路２０４は、結晶性の構造を有していてよく、またはポリマーであってよい。導波路２０４の材料の例としては、シリコン、窒化シリコン、ヒ化インジウムガリウム、ドープされたシリコン、ＰＭＭＡ、パリレン、およびＳＵ−８が挙げられるが、これらに限定されない。一例では、基板２０２とコア層２０６との両方がシリコンであり、クラッド層２０８ａ・２０８ｂは二酸化シリコンである。導波路２０４は、ストリップ導波路、リッジ導波路、または基板２０２の表面にまたがる光ファイバーであり得る。
一実施形態において、反射器２１０は、導波路２０４の端部から少し離れた位置に設けられている。この距離は、大きすぎることはできず、そうでないと、導波路２０４から出た放射ビームが広がり過ぎ、好ましくない光学ロスが生じることがある。この実施形態では、反射器２１０と導波路２０４とは何れも、基板２０２の第１の面上において、面内にパターン形成されている。反射器２１０は、或る角度に斜めになった表面を有するように設計されていてよい。例えば、反射器２１０は、基板２０２の第１の面に対して略４５°の角度で配置された表面を有していてよい。この角度は、放射ビームを基板２０２の表面に略垂直な角度に方向付けることになる。他の例では、反射器２１０は、基板２０２の第１の面に対して略５４．７４°の角度で配置された表面を有していてよい。図２に示す実施形態では、光は、上方に、基板２０２から遠ざかり光学素子２１４に向かうように反射される。
一実施形態では、反射器２１０は、導波路２０４を形成する複数の層をエッチングすることによって形成されていてよい。反射器２１０の表面を形成するため、結晶性の平面に沿って材料をはがすために、等方性ウェットエッチング液が用いられてよい。その表面は、フッ酸（ＨＦ）のような他のエッチング液に急いで晒すことによる酸化物除去工程を経て平滑化されてよい。反射器２１０の斜めの表面を作製するために、ドライエッチング法を同様に用いてもよい。例えば、様々な高さでフォトレジストを製造するグレースケール型のマスクを使用する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、非平面の構造を製造することができる。
一実施形態では、光学素子２１４は、導波路２０４の上であって、基板２０２の上面の上に配置されている。この実施形態では、光学素子２１４はレンズである。このレンズは、放射ビーム２１２を集光するように設計されていてよく、または、放射ビーム２１２をコリメートするように設計されていてもよい。光学素子２１４は、ナノインプリントリソグラフィ、または、グレースケールマスクを使用した標準のリソグラフィエッチングを用いて製造されてよい。透明ポリマーの熱リフローもまた、湾曲したレンズ形状を形成するために用いられ得る。光学素子２１４は、基板２０２に直接、ＲＩＥを用いて製造してもよい。基板の材料が高い屈折率を有する（例えば、シリコン、ＩｎＰ等の材料である）場合、ＲＩＥを使用する利点が具体化され、これにより、レンズの性能は周囲の媒体の屈折率にあまり依存しない。レンズの集光表面の曲率および位置は、該レンズの焦点位置および焦点距離が所望のコリメートまたは集光性能を達成するように、調整されてよい。一例では、レンズを作動距離に配置するために、光学素子２１４と導波路２０４との間に中間ポリマー層が挿入される。光学素子２１４は、光学ロスを最小限にするために、後に反射防止誘電性スタックで覆われていてもよい。
図３は、放射ビームを方向付けるように設計された、別の実施形態であるデバイス３００を示す図である。デバイス３００は、デバイス２００と同様の構成要素を多く含み、そのような構成要素として、基板３０２、導波路３０４、および反射器３１０を含む。導波路３０４は、コア層３０６と、クラッド層３０６ａおよびクラッド層３０６ｂとを備える。反射器３１０は、導波路３０４の端部から幾らか離間して配置されている。この実施形態において、これらの構成要素についての説明は繰り返さない。
デバイス３００は、光学素子３１４を含む。この実施形態では、光学素子３１４はミラーである。このため、光学素子３１４は、反射器３１０によって反射された放射ビーム３１２を受光し、そして、基板３０２の方へ下方に放射ビームを反射する。光学素子３１４は、光学素子３１４から遠ざかるように反射された放射ビーム３１２がコリメートされるように湾曲していてよい。光学素子３１４は、光学素子２１４に関して上述した手法と同様の何れかの手法を用いて形成されてよい。基板３０２を貫くために、基板３０２は、放射ビーム３１２の波長に対して十分に透明な材料を含む。例えば、放射ビーム３１２が赤外領域であるとき、基板３０２はシリコンであり得る。赤外領域の例としては、近赤外（８００ｎｍ−１．４μｍ）、短波赤外（１．４−３μｍ）、中波赤外（３−８μｍ）、長波赤外（１５−１０００μｍ）が挙げられる。
図４は、放射ビームを方向付けるように設計された、別の実施形態であるデバイス４００を示す図である。デバイス４００は、デバイス２００と同様の構成要素を多く含み、そのような構成要素として、基板４０２、導波路４０４、および反射器４１０を含む。導波路４０４は、コア層４０６と、クラッド層４０８ａおよびクラッド層４０８ｂとを備える。反射器３１０は、導波路４０４の端部から幾らか離間して配置されている。しかしながら、この実施形態では、反射器４１０は、基板４０２の方へ下方に放射ビーム４１２を反射するような角度で配置されている。放射ビーム４１２は基板４０２を横断して、最終的に光学素子４１４に受光される。基板４０２の第１の面上に導波路４０４がパターン形成されているとき、光学素子４１４は基板４０２の反対側の平行な面に接合されている。このような構成では、基板４０２の両側は、放射ビーム４１２を方向付けるため、および／または変調するために活用される。この実施形態では、光学素子４１４は、光学素子２１４と同様のレンズである。
放射ビーム４１２は、光学素子４１４に到達する前に基板４０２を通じるように反射されるので、基板４０２の表面にて、光の好ましくない反射が生じ得る。加えて、基板４０２の表面にて反射されたどのような光でも、導波路４０４内に戻って結合し、望ましくない干渉を生じさせ得る。一実施形態では、デバイス４００は、反射防止（ＡＲ）コーティング４１６を含む。ＡＲコーティング４１６は、導波路４０４のパターニングの前に、基板４０２の表面に適用し、パターン形成してよい。ＡＲコーティング４１６は、反射器４１０の下方にのみ存在するように、または、基板４０２の表面上の広い範囲を含み得るようにパターン形成されてよい。一例では、ＡＲコーティング４１６は、基板４０２の表面全体にわたって存在する。
図５は、放射ビームを方向付けるように設計された、別の実施形態であるデバイス５００を示す図である。デバイス５００は、デバイス２００と同様の構成要素をいくつか含み、そのような構成要素として、基板５０２、および導波路５０４を含む。導波路５０４は、コア層５０６と、クラッド層５０８ａおよびクラッド層５０８ｂとを備える。この実施形態では、反射器５１０は、導波路５０４の端部のファセットとして形成されている。このような構成では、放射ビーム５１２は、導波路５０４から出る前に、基板５０２の方へ下方に反射される。
一実施形態では、反射防止（ＡＲ）コーティング５１６は、導波路５０４と基板５０２との間における境界面に含まれている。ＡＲコーティング５１６は、反射器５１０の下方にのみ存在するように形成されてよい。別の例では、ＡＲコーティング５１６は、基板５０２の表面上の広い範囲を覆っている。ＡＲコーティング５１６は、基板５０２の表面全体にわたって存在し得る。
一実施形態によれば、光学素子５１４は、基板５０２における、導波路５０４がパターン形成された表面に対向する表面上に形成されている。光学素子５１４は、レンズまたはミラーのいずれかとして働くように設計されていてよい。光学素子５１４は、グレースケールリソグラフィと共にＲＩＥを用いて、基板５０２内に不均一なエッチングを行うことにより、パターン形成されてよい。
図６は、放射ビームを方向付けるように設計された、別の実施形態であるデバイス６００を示す図である。デバイス６００は、デバイス５００と同様の構成要素を多く含み、そのような構成要素として、基板６０２、導波路６０４、および反射器６１０を含む。導波路６０４は、コア層６０６と、クラッド層６０８ａおよびクラッド層６０８ｂとを備える。反射器６１０は、放射ビーム６１４を光学素子６１４に向けて反射する。一実施形態によれば、２つのＡＲコーティング層（６１６ａおよび６１６ｂ）が、光学素子６１４に向けて伝播する放射ビーム６１２の経路内に含まれる。ＡＲコーティング層６１６ａは、コア層６０６とクラッド層６０８ｂとの間における境界面に設けられてよく、一方、ＡＲコーティング層６１６ｂは、クラッド層６０８ｂと基板６０２との間における境界面に設けられてよい。
別の実施形態によれば、図５におけるＡＲコーティング５１６、または図６におけるＡＲコーティング層６１６ａおよびＡＲコーティング層６１６ｂは、設計から排除され得る。この場合、クラッド層５０８ｂまたはクラッド層６０８ｂのいずれも、厚さｔは、クラッド層５０８ｂ/６０８ｂと基板５０２/６０２との間の境界面における放射ビーム５１２/６１２の後方散乱を十分に消去するように、決定され得る。
一例では、クラッド層５０８ｂ/６０８ｂは、二酸化シリコンからなり屈折率がおよそｎ１＝１．４４６７であってよく、そのときコア層５０６/６０６および基板５０２/６０２はそれぞれ、シリコンからなり屈折率がおおよそｎ０＝３．４４３４およびｎ２＝３．４４３４であってよい。これらの屈折率は、所定の波長λ＝１．３２μｍにおいて規定される。コア層５０６/６０６、クラッド層５０８ｂ/６０８ｂ、および基板５０２/６０２の間におけるシリコン−二酸化シリコン−シリコンの境界面の反射率Ｒは、次の式で与えられる。
Figure 2017533466
ここで、
Figure 2017533466
Figure 2017533466
Figure 2017533466
である。
ｄｔ／ｄｒ＝０となるｔの値を求めることにより、式（１）が最大または最小となるｔの値を得ることができる。その結果は、以下のようになる。
Figure 2017533466
ここで、ｉはゼロよりも大きい正の整数である。この特定の実施形態において、Ｒは、図１１に示すように、ｉが偶数の正の整数のとき、λ＝１．３２μｍで最小となる。さらに、図１１から、ｉ＝２（すなわち、ｔ＝λ／（２ｎ１））のときに反射率のピークが広がっていることを観察することができる。クラッド層５０８ｂ/６０８ｂにこの厚さ（ｔ＝λ／（２ｎ１））を用いることによって、より広いバンド幅を要する用途における光の後方散乱を低減し得る。
図２〜６は、光学素子を通じる放射ビームを方向付ける実施形態について示している。これらの実施形態は、いくつかの変調要素を用いることなく出力ビームの方向を変更するという、固有の能力を有していない。或る光学変調要素（例えば、熱的、音響学的、電気的、等）が出力ビームの方向を指向するために含まれ得るが、その達成し得る角度の幅は、或る要素の物理的な傾きまたは移動によるものに比べて小さい。
図７Ａ〜７Ｃは、一実施形態における走査デバイス７００を各種の面から見た図を示している。
図７Ａは走査デバイス７００の等角図であり、図７Ｂは走査デバイス７００の側面図であり、図７Ｃは走査デバイス７００の別の側面図である。一実施形態によれば、走査デバイス７００は、基板７０２、導波路７０４、エッチング領域７０６ａ、およびエッチング領域７０６ｂを含む。エッチング領域７０６ａおよびエッチング領域７０６ｂは、ヒンジ７１０ａおよびヒンジ７１０ｂを介して基板７０２に取り付けられている領域７０８を規定する。基板７０２および導波路７０４は、図２〜６を参照して上述したものと同様である。走査デバイス７００は、導波路７０４と領域７０８との間に反射防止（ＡＲ）コーティングを含んでいてもよい。
図示の実施形態では、反射器７１２は、領域７０８の上にパターン形成された、導波路７０４の端部のファセットとして含まれている。反射器７１２は、導波路７０４の長さに沿って伝播する放射ビーム７１４を受光し、領域７０８を通じて光学素子７１８の方へ放射ビーム７１６を反射する。光学素子７１８は、領域７０８における反対側の平行な表面に配置されている。反射器７１２は、図２〜４のいずれかについて前述したように、導波路７０４から幾らか離間して含まれていてもよい。
一実施形態によれば、エッチング領域７０６ａおよびエッチング領域７０６ｂは、基板７０２の厚さを貫通して通っており、領域７０８のみがヒンジ７１０ａおよびヒンジ７１０ｂを介してそのままの場所に宙に浮かせられている。エッチング領域７０６ａおよびエッチング領域６６０ｂは、ドライ化学エッチング法またはウェット化学エッチング法を用いて形成されてよい。ドライ化学エッチング法としては、ＲＩＥ，深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）エッチング、等のような方法が挙げられる。ウェット化学エッチング法としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチング、または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチングのような方法が挙げられる。
光学素子７１８は、上記したようなレンズまたはミラーであってよく、図２〜６に示す実施形態にてすでに説明したいずれかの方法を用いて形成し得る。光学素子７１８は、放射ビーム７１６の集光またはコリメートのいずれかに使用し得る。図７Ｂに示す実施形態では、光学素子７１８は、領域７０８の底面にパターン形成されたレンズである。この構成では、反射器７１２は、領域７０８の上面に設けられ、一方で、光学素子７１８は、領域７０８における反対側の平行な底面である。
領域７０８は、いくつかのヒンジを介して基板７０２に取り付けられていてよい。例えば、領域７０８を基板７０２に取り付けるために、１つのみのヒンジが用いられてよい。別の例では、領域７０８の片側に沿って設けられた複数のヒンジが用いられてよい。さらに他の例では、領域７０８の角のそれぞれ、または側面のそれぞれに沿って１つのヒンジが設けられていてよい。導波路７０４は、反射器７１２が領域７０８の上に設けられるように、ヒンジの１つの表面に沿って延びるようにパターン形成されてよい。図７Ａに示す実施形態では、導波路７０４はヒンジ７１０ｂの上にパターン形成されている。
一実施形態によれば、領域７０８は、ヒンジ７１０ａおよびヒンジ７１０ｂを突き通す軸の周りを回転することができる。この回転を図７Ｃに示す。ヒンジ７１０ａおよびヒンジ７１０ｂの堅さおよびサイズに基づいて、領域７０８は、領域７０８の上面に対する角度θまで回転し得る。一例では、領域７０８は、１０°まで回転し得る。別の例では、領域７０８は、２０°まで回転し得る。領域７０８は、領域７０８と基板７０２を結合するいくつかのヒンジを突き通すいくつかの軸の周りを回転可能であり得る。一実施形態では、放射ビーム（反射器７１２によって反射された放射ビーム）源と、光学素子７１８との両方が、固定構造として一緒に回転する。これにより、走査領域の全体にわたって、均一な収差レベルの動作を提供する。別の実施形態では、領域７０８は、ヒンジ７１０ａおよびヒンジ７１０ｂを突き通す軸の側方に転置されてよい。
領域７０８の回転は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の分野で周知の多様な技術により実行し得る。例えば、領域７０８は、基板７０８の一部から電気的に絶縁されていてよく、このとき、領域７０８に第１の電位が印加され、領域７０８に近接した基板７０８の一部に異なる電位が印加される。電位の違いによって静電相互作用が生じ、この静電相互作用により領域７０８の動きが発生する。静電容量の引き込み現象もまた、領域７０８の回転を生じる影響力を及ぼし得る。圧電性材料（例えばＰＺＴまたはＰＶＤＦ）もまた、領域７０８に回転を生じさせるために使用し得る。別の実施形態では、領域７０８上に電気コイルを製造すると、電磁駆動を使用することができる。上記コイルを通じて流れる電流は、磁場を生じさせる。この磁場が、領域７０８のすぐ近くに誘起された磁場と相互作用し、これにより、領域７０８の回転／変位が起こる。
図８は、別の実施形態の走査デバイス８００を示している。走査デバイス８００は、走査デバイス８００として、多くの同様の特徴、すなわち、基板８０２、導波路８０４、反射器８０６、並びに、ヒンジ８１０ａおよびヒンジ８１０ｂによって支持される領域８０８を含んでいる。走査デバイス８００は、例えばミクロ機械加工技術によって領域８０８の下側の表面に形成された光学素子８１２を含んでいる。光学素子８１２は、残りの領域８０８を形成しているシリコンと同じシリコンで形成されているレンズであってもよい。そして、第２光学素子８１４は、光学素子８１２の外表面に接合されている。第２光学素子８１４は、光学素子８１２とは異なる屈折率を有していてもよい。例えば、第２光学素子８１４がポリマーレンズであり、光学素子８１２がシリコンレンズであってもよい。
図９は、ある実施形態に係る、個別にアドレス指定可能な素子９０２を複数含む走査アレイ９００を示している。アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれは、図７Ａ〜７Ｃについて記載したように、走査装置７００と実質的に同じように機能してもよい。アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれは、対応するアドレス指定可能な素子から放射された、対応する放射ビームを指向するように設計されてもよい。図９は、１列のアドレス指定可能な素子９０２を示しているが、アドレス指定可能な素子９０２の配置はどのようなものでもよいことが理解できる。例えば、あらゆる数の列および行を有するマトリクスでもよい。バルク製造技術の活用によって、上記複数のアドレス指定可能な素子は、迅速かつ比較的安価に製造できる。
走査アレイ９００は、ＯＣＴを含む、数多くのイメージングアプリケーションのために使用される。例えば、光源９０４は、様々な放射ビームをアドレス指定可能な素子９０２のそれぞれに届ける多重化ユニット９０６と結合していてもよい。光源９０４は、１つ以上のレーザ、１つ以上の発光ダイオード、または１つ以上のガス放電源を含んでいてもよい。ひとつの例において、光源９０４は、異なる波長範囲を出力するスイープレーザ源を含んでいてもよい。
多重化ユニット９０６は、制御信号を多重化ユニット９０６の様々な変調素子に供給するための関連する電子部品を含み、アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれに最終的に光を導く様々な導波路を通じて光を導いてもよい。多重化ユニット９０６は、アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれに向かう光を分離することができる、あらゆる多重化方法を利用してもよい。そのような多重化方法のひとつとして、時分割多重化が挙げられ、この方法では、多重化ユニット９０６は、異なる出力導波路間を、制御された様式でスイッチし、ある時点で、関連する導波路が１つのみアクティブであるようにする。別の好ましい多重化方法は、周波数分割多重化であり、この方法では、各導波路を通る光は、異なる導波路に対応する信号の時間周波数特性が、処理装置によって区別できるように変調される。コヒーレント（coherence）分割多重化も、多重化ユニット９０６において利用することができる。この場合、各導波路を通る光に対して異なるグループ遅延を導入し、異なる導波路に対応する信号が異なるコヒーレンス位置（coherence positions）において現れ、それゆえ、処理装置によって区別される。ある実施形態では、これらの方法は、両立できるものであり、最良の折衷設定を見出すために組み合わせることができる。使用される多重化方法に基づいて、多重化ユニット９０６は、受動要素であってもよいし、電気的に駆動されるものでもよい。コヒーレント分割多重化のように、いくつかの多重化方法では、多重化ユニット９０６の電気的な作動は必要でない。そのため、ある実施形態では、コヒーレント分割多重化に基づく実施では、制御信号のための電気的な伝送媒体は必要でない。
制御回路９０８も走査アレイ９００の一部として含まれていてもよい。制御回路９０８は、アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれに電気的な信号を供給する。これらの電気的な信号によって、実施形態に従い、アドレス指定可能な素子９０２の移動可能な領域が回転する。制御回路９０８は、アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれが、同時に回転するように設計されてもよい。制御回路９０８は、異なる信号をアドレス指定可能な素子９０２のそれぞれに送り、各素子の回転が異ならせてもよい。制御回路９０８は、別の処理ユニットからの入力を受信するか、どのアドレス指定可能な素子９０２が使用されるかを選択するユーザからの入力を直接受信してもよい。
集積された光学部品と共同で好ましく動作する走査装置のアレイは、時間領域ＯＣＴシステムの場合でも、高信号／ノイズ比（ＳＮＲ）を有する広範囲の視野に亘って、高走査率を実現できる。スイープ光源システムにおいて、アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれが大きな共振および動作周波数を有するように設計される場合、この方法によって走査速度を高めることができ、より大きなバルク光学部品の構造体よりも好ましい性能を実現できる。
アドレス指定可能な素子９０２のそれぞれは、ある実施形態に従って、ＣＣＴイメージングを実行するために、それ自身の干渉計と関連付けられていてもよい。別の例では、アドレス指定可能な素子９０２からの放射ビームは、多重化され、それらが同じ干渉計の内部で利用されてもよい。
サンプルに対してＯＣＴを実行するために使用できる干渉計の配置が図１０に示されている。ＯＣＴシステム１００１は、光源１００２、分割素子１００４、サンプルアーム１００６、リファレンスアーム１００８、ディレイユニット１０１２およびディテクタ１０１４を含んでいる。ディレイユニット１０１２は、様々な光変調素子を含んでいる。これらの変調素子は、上記光における好ましくない光学的な影響を打ち消すため、および映されるサンプル１０１０の１つ以上の深さを選択するために、位相および／または周波数変調を実行してもよい。「光」という用語は、電磁スペクトルのあらゆる範囲に関連するものとして使用される。ある実施形態では、「光」という用語は、波長訳１．３μｍの赤外線を指している。
示されている実施形態において、ディレイユニット１０１２は、リファレンスアーム１００８の内部に配置されている。しかし、ディレイユニット１０１２は、サンプルアーム１００６の中に配置されてもよいことを理解すべきである。または、ディレイユニット１０１２の様々な素子は、サンプルアーム１００６およびリファレンスアーム１００８の両方の内部に存在していてもよい。例えば、光に対して様々な遅延を導入するディレイユニット１０１２の素子は、サンプルアーム１００６の内部に配置されてもよい。一方、光の異なる偏光モードを変調する素子は、リファレンスアーム１００８の内部に配置されてもよい。一例では、サンプルアーム１００６およびリファレンスアーム１００８は、パターン化された導波路または光学ファイバーのような光学的導波路である。ある実施形態では、ＯＣＴシステム１００１の全ての素子は、プレーナ光波回路（ＰＬＣ）に集積されてもよい。別の実施形態では、少なくともディレイユニット１０１２の内部の素子は、ＰＬＣの同じ基板上に集積されてもよい。その他の実施形態も同様に考えられ、例えば、ファイバー光学システム、自由空間光学システム、フォトニック結晶システムなどが考えられる。分割素子１００４、サンプルアーム１００６、リファレンスアーム１００８およびディレイユニット１０１２などの様々な光学素子は、多重化ユニット８０４として、同じ基板上に集積されてもよい。ＯＣＴシステム１００１は、明瞭さのために示さなかったあらゆる数の他の光学素子を含んでいてもよいことを理解すべきである。例えば、ＯＣＴシステム１００１は、ミラー、レンズ、回折格子、スプリッター、マイクロメカニカル素子などをサンプルアーム１００６またはリファレンスアーム１００８の行路に沿って含んでいてもよい。
分割素子１００４は、光源１００２から受けた光を、サンプルアーム１００６またはリファレンスアーム１００８の両方に向けるために使用される。分割素子１００４は、例えば、双方向カプラー、光学的スプリッターまたは、一筋の光ビームを２以上の筋の光ビームに変換するその他の変調光学素子であってもよい。
サンプルアーム１００６を通った光は、最終的にサンプル１０１０に衝突する。ある実施形態では、サンプルアーム１００６は、１つ以上のアドレス指定可能な素子９０２へ光を導く導波路を含んでいてもよい。サンプル１０１０は、組織など、映されるあらゆる適当なサンプルでよい。光は、散乱し、サンプル１０１０の内部における様々な深さから反射し、散乱／反射された放射は、サンプルアーム１００６に回収される。別の実施形態では、散乱／反射された放射は、出射する導波路ではなく異なる導波路に回収される。スキャン深さは、光に施した遅延を介してディレイユニット１０１２の内部で選択できる。
サンプルアーム１００６およびリファレンスアーム１００８の内部の光は、ディテクタ１０１４に受光される前に結合される。示された実施形態では、光は、分割素子１００４によって再度結合される。別の実施形態では、光は、分割素子１００４とは異なる光学結合素子において再結合される。ディテクタ１０１４は、受けた光を電気的信号に変換するためのあらゆる数のフォトダイオード、電荷結合装置、および／またはＣＭＯＳ構造を含んでいてもよい。上記電気信号は、サンプル１０１０に関する深さ分解光学データを含み、さらなる解析および信号処理手順のための処理装置によって受信されてもよい。ここで使用されているように、深さ分解という文言は、映されたサンプルの特定の深さと関連する、データの１つ以上の部分が特定できることを意味している。
光源１００２は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）またはレーザダイオードを含んでいてもよい。例えば、ＬＥＤｓは、時分割および／またはスペクトル分割解析を行う場合に使用されてもよいし、波長可変レーザは、波長範囲にわたって光の波長を掃引するために使用されてもよい。
ＯＣＴシステム１００１は、実施形態に従って、マイケルソン干渉計と同様の干渉計の設計として図示されている。しかし、マッハ・ツェンダーまたはミロー干渉計を含め、他の干渉計設計も可能である。
概要及び要約のセクションではなく、詳細な説明のセクションが請求項の解釈に用いられることを意図していることはよく理解されるべきである。概要及び要約のセクションは、１つ、又は複数の実施形態を示すかもしれないが、発明者により予期される本発明のすべての例示の実施形態を示すわけではなく、従って、本発明及び添付の請求項をどんな形であっても限定することを意図しない。
本発明の実施形態は、特定された機能及びその関連の実施を示す機能的に構築されたブロックの助けにより、上述されている。これらの機能的に構築されたブロックの境界は、ここでは、記載の便宜上任意で定義される。代替的な境界は、特定された機能及びその関連が適切に実施される限り定義できる。
特定の実施形態の前述の記載は、発明の一般的な性質を完全に明らかにするから、他の者は、当該技術分野の知識を適用することで、過度の実験なしに、本発明の一般的な考えから離れることなく、そのような特定の実施形態を容易に変更し、及び／又は、様々な用途に適合させる。従って、ここに記載した教示及び指図に基づいたそのような適合及び変更は、開示された実施形態と同等の意味及び範囲内であることが意図される。ここでの表現又は専門用語は、限定の目的ではなく記載のためであり、つまり本明細書の専門用語又は表現は、当業者による教示及び指図に照らして解釈される必要があることは、理解されるべきである。
本発明の広がり及び範囲は、上述した如何なる例示の実施形態に限定されるべきものではなく、以下の請求項及びそれと同等のものに従ってのみ定義されるべきである。
自由空間光学系を用いるビーム走査デバイスを示す図である。 一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す図である。 一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す図である。 一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す図である。 一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す図である。 一実施形態に係る、光ビームを指向するためのデバイスを示す図である。 ７Ａ〜７Ｃは、一実施形態に係る、光ビーム走査装置の種々の図である。 一実施形態に係る、２つの光学素子を備える光学ビーム走査装置を示す図である。 一実施形態に係る、アドレス指定可能な素子を複数備えるビーム走査デバイスを示す図である。 一実施形態に係る干渉システムのブロック図である。 一実施形態について、異なるｉの値ごとに反射率と波長との関係をシミュレートしプロットした図である。

Claims (28)

  1. 第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有する基板と、
    前記第１の面上にパターン形成された導波路であって、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内するように構成された導波路と、
    前記第１の面上に配置され、前記第１の面に実質的に垂直な角度で前記放射ビームの少なくとも一部を反射する反射器と、
    前記第１の面または前記第２の面のいずれか一方の上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように構成された光学素子と、を備えていることを特徴とするデバイス。
  2. 前記基板が、シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記導波路が、窒化シリコンからなることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
  4. 前記反射器が、前記導波路の端部に設けられた反射器であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記反射器が、前記第１の面に対して略４５°の角度で配置されていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記反射器が、前記第１の面に対して略５４．７４°の角度で配置されていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
  7. 前記反射器は、前記導波路の端部から離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記光学素子が、レンズであり、前記第１の面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記光学素子が、ミラーであり、前記第１の面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記光学素子が、レンズであり、前記第２の面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記光学素子が、レンズであり、前記基板の前記第２の面内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記基板と前記導波路との間における境界面によって生じる前記放射ビームの反射を実質的に低減する、反射防止（ＡＲ）コーティングをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  13. 前記基板と前記導波路との間における第２の境界面によって生じる前記放射ビームの反射を実質的に低減する、第２の反射防止（ＡＲ）コーティングをさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
  14. 第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有する基板と、
    前記第１の面と、前記反対側の平行な第２の面とを有する前記基板の領域であって、前記基板を厚み方向にエッチングするプロセスにより規定され、さらに１以上のヒンジを介して前記基板に取り付けられた状態が維持されている領域と、
    前記領域の前記第１の面上にパターン形成された導波路であって、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内するように構成された導波路と、
    前記領域の前記第１の面上に配置され、前記放射ビームの少なくとも一部が前記領域を通過して反射するように構成された反射器と、
    前記領域の前記第２の面上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように構成された光学素子と、を備えていることを特徴とする走査デバイス。
  15. 前記基板が、シリコンを含むことを特徴とする請求項１４に記載の走査デバイス。
  16. 前記導波路が、窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１４に記載の走査デバイス。
  17. 前記反射器が、前記導波路の端部におけるファセットであることを特徴とする請求項１４に記載の走査デバイス。
  18. 前記反射器が、前記第１の面に対して略４５°の角度で配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の走査デバイス。
  19. 前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１４に記載の走査デバイス。
  20. 前記レンズが、前記領域の前記第２の面内に形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の走査デバイス。
  21. 前記光学素子の外側面に配置された第２の光学素子をさらに備えていることを特徴とする請求項２０に記載の走査デバイス。
  22. 前記領域が、前記１以上のヒンジを通過するように延びる軸に沿って回転するように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の走査デバイス。
  23. 前記領域が、前記第１の面に対して２０°の角度まで回転するように構成されていることを特徴とする請求項２２に記載の走査デバイス。
  24. 同一の基板から形成され個別にアドレス指定可能な素子を複数備え、
    前記複数のうちそれぞれの素子が、
    第１の面と、その反対側の平行な第２の面とを有する前記基板の領域であって、前記基板を厚み方向にエッチングするプロセスにより規定され、さらに１以上のヒンジを介して前記基板に取り付けられた状態が維持されている領域と、
    前記領域の前記第１の面上にパターン形成された導波路であって、当該導波路の長さに沿って放射ビームを案内するように構成された導波路と、
    前記領域の前記第１の面上に配置され、前記放射ビームの少なくとも一部が前記領域を通過して反射するように構成された反射器と、
    前記領域の前記第２の面上に配置され、前記放射ビームの反射された部分を受光するように構成された光学素子と、を備え、
    前記個別にアドレス指定可能な複数の素子のそれぞれは、対応する領域の動きに応じて、対応する放射ビームを指向するように構成されていることを特徴とする走査アレイ。
  25. 前記反射器が、前記導波路の端部におけるファセットであることを特徴とする請求項２４に記載の走査アレイ。
  26. 前記光学素子が、レンズであることを特徴とする請求項２４に記載の走査アレイ。
  27. 前記領域が、前記１以上のヒンジを通過するように延びる軸に沿って回転するように構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の走査アレイ。
  28. 前記領域が、前記第１の面に対して２０°の角度まで回転するように構成されていることを特徴とする請求項２７に記載の走査アレイ。
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