JP2794084B2 - 光デバイス及びその製造方法 - Google Patents
光デバイス及びその製造方法Info
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- Optics & Photonics (AREA)
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- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光透過性光学素子およ
びその製造方法に関する。
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レンズやプリズムなどの光透過性光素子
は一般に、屈折率の均一な材料を成形することによって
作成される。通常そのような光素子は、研削や研磨なら
びに成型によって処理される。光ファイバ素子は通常、
ファイバ形状を均一に維持すると同時にファイバ材料の
屈折率を変化させるために、グレージング(grading)に
よって製作される。
は一般に、屈折率の均一な材料を成形することによって
作成される。通常そのような光素子は、研削や研磨なら
びに成型によって処理される。光ファイバ素子は通常、
ファイバ形状を均一に維持すると同時にファイバ材料の
屈折率を変化させるために、グレージング(grading)に
よって製作される。
【０００３】近年、光透過性材料の本体に孔を開けてレ
ンズなどの光素子を製造する技法が開発された。その孔
を、光透過性材料として使用される基板の屈折率よりも
高い屈折率をもつ別の材料で満たしてもよい。この技法
により、光素子の屈折率を変えることができる。さら
に、平面材料の表面の形を変えることによって、光透過
性の平面材料の屈折率を変えることができる。しかしな
がら、これらの平面材料で光透過性光素子を作成する現
在の技法では、様々な位置で屈折率を十分に変えること
はできない。
ンズなどの光素子を製造する技法が開発された。その孔
を、光透過性材料として使用される基板の屈折率よりも
高い屈折率をもつ別の材料で満たしてもよい。この技法
により、光素子の屈折率を変えることができる。さら
に、平面材料の表面の形を変えることによって、光透過
性の平面材料の屈折率を変えることができる。しかしな
がら、これらの平面材料で光透過性光素子を作成する現
在の技法では、様々な位置で屈折率を十分に変えること
はできない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は表面全体の様々な位置で屈折率が異なる光透過性
光素子を提供することである。そしてそのような光透過
性素子を、可視光の光学応用例ならびに赤外線応用例で
使用できるようにすることである。
目的は表面全体の様々な位置で屈折率が異なる光透過性
光素子を提供することである。そしてそのような光透過
性素子を、可視光の光学応用例ならびに赤外線応用例で
使用できるようにすることである。
【０００５】また、半導体ウェハ内に製作されたセンサ
とより簡単に一体化できる光透過性素子を提供すること
である。
とより簡単に一体化できる光透過性素子を提供すること
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明の原
理に従って光デバイスを構成することにより達成され
る。この光デバイスは、光透過性材料の表面を含み、そ
の表面の複数の領域がそれぞれ材料の残りの領域とは異
なる屈折率を有する。それらの領域は、表面上のその領
域の密度が前記表面に沿った方向に変化するように材料
の表面に配置される。光透過性材料の表面は、実質上平
面であることが好ましい。表面は、シリコンの薄いウェ
ハから構成することができる。
理に従って光デバイスを構成することにより達成され
る。この光デバイスは、光透過性材料の表面を含み、そ
の表面の複数の領域がそれぞれ材料の残りの領域とは異
なる屈折率を有する。それらの領域は、表面上のその領
域の密度が前記表面に沿った方向に変化するように材料
の表面に配置される。光透過性材料の表面は、実質上平
面であることが好ましい。表面は、シリコンの薄いウェ
ハから構成することができる。
【０００７】表面の各領域は孔とすることができる。各
孔は、表面を通って伝わる放射光の波長の約１０分の１
ないし約３０分の１よりも小さい幅でよい。
孔は、表面を通って伝わる放射光の波長の約１０分の１
ないし約３０分の１よりも小さい幅でよい。
【０００８】また各孔は、表面を通って延びる孔とする
こともできる。この孔は、平面状表面を通って伝わる放
射光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１よりも小
さい幅でよい。
こともできる。この孔は、平面状表面を通って伝わる放
射光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１よりも小
さい幅でよい。
【０００９】孔は、異なる深さにすることも先細にする
こともできる。前記平面状表面における孔の数は、第１
の方向または第２の方向あるいはその両方向で変化させ
ることができる。また、表面における孔の数を、平面状
表面上の中心から半径方向に変化させることもできる。
こともできる。前記平面状表面における孔の数は、第１
の方向または第２の方向あるいはその両方向で変化させ
ることができる。また、表面における孔の数を、平面状
表面上の中心から半径方向に変化させることもできる。
【００１０】光デバイスを凹レンズとして動作させるた
めに、表面において中心の近くに配置された孔の数を、
前記中心から半径方向に遠く配置された孔の数よりも多
くすることができる。また、光デバイスを凸レンズとし
て動作させるために、表面において前記中心の近くに配
置された孔の数を、前記中心から半径方向に遠く配置さ
れた孔の数よりも少なくすることもできる。
めに、表面において中心の近くに配置された孔の数を、
前記中心から半径方向に遠く配置された孔の数よりも多
くすることができる。また、光デバイスを凸レンズとし
て動作させるために、表面において前記中心の近くに配
置された孔の数を、前記中心から半径方向に遠く配置さ
れた孔の数よりも少なくすることもできる。
【００１１】前述の目的はまた、本発明の原理に従って
光デバイスを製作する方法によって達成される。その方
法は、光透過性材料の表面を作成し、各領域がそれぞれ
材料の残りの領域と異なる屈折率を有する複数の領域を
その表面に作成する段階と、表面上の領域の密度が表面
に沿った方向に変化するように、それらの領域を材料の
表面に配置する段階とを含む。光透過性材料の表面は、
実質上平面であることが好ましい。
光デバイスを製作する方法によって達成される。その方
法は、光透過性材料の表面を作成し、各領域がそれぞれ
材料の残りの領域と異なる屈折率を有する複数の領域を
その表面に作成する段階と、表面上の領域の密度が表面
に沿った方向に変化するように、それらの領域を材料の
表面に配置する段階とを含む。光透過性材料の表面は、
実質上平面であることが好ましい。
【００１２】作成される各領域は、孔とすることができ
る。各孔は、平面状表面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅でよ
い。孔は、異なる深さとすることも先細とすることもで
きる。
る。各孔は、平面状表面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅でよ
い。孔は、異なる深さとすることも先細とすることもで
きる。
【００１３】また孔は、平面状表面を通って延びる孔と
することもできる。その孔は、表面を通って伝わる放射
光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さ
い幅でよい。
することもできる。その孔は、表面を通って伝わる放射
光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さ
い幅でよい。
【００１４】表面に作成された孔の数は、第１の方向ま
たは第２の方向あるいはその両方向で変化させることが
できる。また、表面に作成された孔の数を、中心から半
径方向に変化させることもできる。光デバイスを凹レン
ズとして動作させるために、前記中心の近くに位置する
平面状表面内に形成された孔の数を、中心から遠くに作
成された孔の数よりも多くすることができる。光デバイ
スを凸レンズとして動作させるために、前記中心の近く
に位置する平面状表面内に形成された孔の数を、中心か
ら遠くに位置する孔の数よりも少なくすることもでき
る。
たは第２の方向あるいはその両方向で変化させることが
できる。また、表面に作成された孔の数を、中心から半
径方向に変化させることもできる。光デバイスを凹レン
ズとして動作させるために、前記中心の近くに位置する
平面状表面内に形成された孔の数を、中心から遠くに作
成された孔の数よりも多くすることができる。光デバイ
スを凸レンズとして動作させるために、前記中心の近く
に位置する平面状表面内に形成された孔の数を、中心か
ら遠くに位置する孔の数よりも少なくすることもでき
る。
【００１５】光透過性材料は、シリコンの薄いウェハか
ら構成することができる。しかしまた、ゲルマニウムな
どの他の結晶性半導体、ＳｉＯ2などのその酸化物、ホ
ウケイ酸ガラスなどのガラス、ポリメタクリル酸メチル
（プレキシガラス ）などのプラスチック、および光素
子に適した他の材料を使用することもできる。孔は、リ
ソグラフィ処理や反応性イオン・エッチングを利用して
作成することができる。たとえば、電子ビーム・リソグ
ラフィ、Ｘ線リソグラフィ、イオン・ビーム・リソグラ
フィ、ホログラフィック・リソグラフィなどの特殊な高
分解能リソグラフィ工程を利用することもできる。
ら構成することができる。しかしまた、ゲルマニウムな
どの他の結晶性半導体、ＳｉＯ2などのその酸化物、ホ
ウケイ酸ガラスなどのガラス、ポリメタクリル酸メチル
（プレキシガラス ）などのプラスチック、および光素
子に適した他の材料を使用することもできる。孔は、リ
ソグラフィ処理や反応性イオン・エッチングを利用して
作成することができる。たとえば、電子ビーム・リソグ
ラフィ、Ｘ線リソグラフィ、イオン・ビーム・リソグラ
フィ、ホログラフィック・リソグラフィなどの特殊な高
分解能リソグラフィ工程を利用することもできる。
【００１６】
【実施例】本発明の原理によれば、光透過性デバイス
は、均一な屈折率を有する光透過性材料の、好ましくは
平面状の表面を含む。その平面状表面内には、光透過性
材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ様々な領域があ
る。表面上における各領域の密度は、表面に沿った方向
に変化する。これらの領域によって表面の局所的な屈折
率が変化し、実効屈折率が表面横方向で変化する。した
がって、表面は均一な屈折率をもたず、その表面に沿っ
た方向で変化する屈折率をもつ。
は、均一な屈折率を有する光透過性材料の、好ましくは
平面状の表面を含む。その平面状表面内には、光透過性
材料の屈折率とは異なる屈折率をもつ様々な領域があ
る。表面上における各領域の密度は、表面に沿った方向
に変化する。これらの領域によって表面の局所的な屈折
率が変化し、実効屈折率が表面横方向で変化する。した
がって、表面は均一な屈折率をもたず、その表面に沿っ
た方向で変化する屈折率をもつ。
【００１７】図１を参照すると、光透過性材料１の平面
状表面３はその中に複数の孔２を含む。孔２は、光透過
性材料１の実効屈折率を変化させる働きをする領域を形
成する。光透過性材料の屈折率は、特定の面積内の孔
（すなわち領域）の数を変えることによって変化する。
たとえば、図１の光透過性材料を参照すると、平面状表
面３は右半分と左半分とに分けられる。左半分の孔の密
度即ち単位面積あたりの孔の数は右半分よりも少なく、
右半分の孔の密度即ち単位面積あたりの孔の数は左半分
よりも多い。孔の密度が高くなるほど、平面状表面のそ
の区域における屈折率の低下が大きくなる。したがっ
て、図１の平面状表面の右半分は、左半分よりも低い屈
折率をもつ。平面状表面の特定の区域全体での平均屈折
率は、光透過性材料の平面状表面における孔の密度また
は数を選択的に変化させることによって得られる。
状表面３はその中に複数の孔２を含む。孔２は、光透過
性材料１の実効屈折率を変化させる働きをする領域を形
成する。光透過性材料の屈折率は、特定の面積内の孔
（すなわち領域）の数を変えることによって変化する。
たとえば、図１の光透過性材料を参照すると、平面状表
面３は右半分と左半分とに分けられる。左半分の孔の密
度即ち単位面積あたりの孔の数は右半分よりも少なく、
右半分の孔の密度即ち単位面積あたりの孔の数は左半分
よりも多い。孔の密度が高くなるほど、平面状表面のそ
の区域における屈折率の低下が大きくなる。したがっ
て、図１の平面状表面の右半分は、左半分よりも低い屈
折率をもつ。平面状表面の特定の区域全体での平均屈折
率は、光透過性材料の平面状表面における孔の密度また
は数を選択的に変化させることによって得られる。
【００１８】図２は、平面状表面を通り光透過性材料１
を完全に貫通して延びる孔の形をした孔２を示す。ただ
し、本発明の原理によれば、孔は必ずしも平面状表面を
貫通して延びる必要はない。孔の深さを変化させると、
平面状表面の屈折率が変化する。一般に、孔を深くする
と、光透過性材料の屈折率が大きく変化する。孔の横方
向の寸法、たとえば円形の孔の直径は、光透過材料の平
面状表面を通過する光の波長よりも小さくなくてはなら
ない。好ましくは、横方向の実効径は、平面状表面を通
って伝わる光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１
よりも小さくなくてはならない。
を完全に貫通して延びる孔の形をした孔２を示す。ただ
し、本発明の原理によれば、孔は必ずしも平面状表面を
貫通して延びる必要はない。孔の深さを変化させると、
平面状表面の屈折率が変化する。一般に、孔を深くする
と、光透過性材料の屈折率が大きく変化する。孔の横方
向の寸法、たとえば円形の孔の直径は、光透過材料の平
面状表面を通過する光の波長よりも小さくなくてはなら
ない。好ましくは、横方向の実効径は、平面状表面を通
って伝わる光の波長の約１０分の１ないし約３０分の１
よりも小さくなくてはならない。
【００１９】ここで図３を参照すると、複数の孔２を有
する光透過性材料１からなる円盤状の平面状表面３'が
示されている。中に孔を有する平面状表面を凹レンズの
等価物として機能させるために、孔の密度は平面状表面
の外縁部よりも中心部のほうが高くしてある。孔２の密
度は、円盤状の平面状表面３'の半径方向で一様に変化
する。中心から特定の半径距離に位置する架空の円また
は円盤に沿った孔が、均一な間隔で配置されている。各
架空の円上の孔２の密度、つまり単位面積あたりの孔の
数は、平面状表面３'の中心方向に向かうにつれて次第
に大きくなる。
する光透過性材料１からなる円盤状の平面状表面３'が
示されている。中に孔を有する平面状表面を凹レンズの
等価物として機能させるために、孔の密度は平面状表面
の外縁部よりも中心部のほうが高くしてある。孔２の密
度は、円盤状の平面状表面３'の半径方向で一様に変化
する。中心から特定の半径距離に位置する架空の円また
は円盤に沿った孔が、均一な間隔で配置されている。各
架空の円上の孔２の密度、つまり単位面積あたりの孔の
数は、平面状表面３'の中心方向に向かうにつれて次第
に大きくなる。
【００２０】球状の平面状表面３'を有する従来のレン
ズの等価物を得るために、孔２の密度を提案された式ま
たは類似の関係に従って変化させることができる。
ズの等価物を得るために、孔２の密度を提案された式ま
たは類似の関係に従って変化させることができる。
【００２１】図４は、光透過性材料の別の円盤状の平面
状表面３"を示す。ただし、孔２は、光が平面状表面を
通って伝わるときにその平面状表面が凸レンズの等価物
として働くように設けられている。孔の密度は、円盤状
の平面状表面の縁の方になるにつれて大きくなる。ま
た、平面状表面の中心から所与の距離にある任意の架空
リングに沿った孔の間隔は等しく、したがって屈折率は
このような架空リングのどこでも同じである。
状表面３"を示す。ただし、孔２は、光が平面状表面を
通って伝わるときにその平面状表面が凸レンズの等価物
として働くように設けられている。孔の密度は、円盤状
の平面状表面の縁の方になるにつれて大きくなる。ま
た、平面状表面の中心から所与の距離にある任意の架空
リングに沿った孔の間隔は等しく、したがって屈折率は
このような架空リングのどこでも同じである。
【００２２】光透過性材料の平面状表面の実効屈折率の
変化は、平面状表面内の孔の密度を変えるだけでなく、
孔の深さまたは孔の幅あるいはその両方を変えることに
よっても実現できる。光透過性材料の平面状表面の実効
屈折率を変化させるために、孔の密度の変化と孔の深さ
の変化を併用することもできる。たとえば、平面状表面
での実効屈折率が低くなり、深さが深くなる区域で屈折
率が次第に高くなるような一定のパターンで孔を作成す
ることによって、ある表面区域の反射率が減少するよう
に、高反射率の平面状表面の区域を修正することができ
る。たとえば図５において、平面状表面を通る孔の深さ
に応じて線形に孔の直径が減少するような先細形孔２'
を作成することによって、反射率が低くなった区域を形
成することができる。類似の先細形孔２'を複数使用し
て、反射率が低くなった区域を作成することもできる。
変化は、平面状表面内の孔の密度を変えるだけでなく、
孔の深さまたは孔の幅あるいはその両方を変えることに
よっても実現できる。光透過性材料の平面状表面の実効
屈折率を変化させるために、孔の密度の変化と孔の深さ
の変化を併用することもできる。たとえば、平面状表面
での実効屈折率が低くなり、深さが深くなる区域で屈折
率が次第に高くなるような一定のパターンで孔を作成す
ることによって、ある表面区域の反射率が減少するよう
に、高反射率の平面状表面の区域を修正することができ
る。たとえば図５において、平面状表面を通る孔の深さ
に応じて線形に孔の直径が減少するような先細形孔２'
を作成することによって、反射率が低くなった区域を形
成することができる。類似の先細形孔２'を複数使用し
て、反射率が低くなった区域を作成することもできる。
【００２３】図６は、深さは変化するが直径は比較的等
しい複数の孔２を有する光透過性材料の平面状表面の区
域を示す。各孔２は、その深さが最も近い孔の深さより
もわずかに深くなるように作成される。平面状表面３"'
の任意の所与の線に沿って、孔の深さは、所望の深さま
で次第に増大し、次いで所望の深さまで次第に減少し、
最後にはまた所望の深さまで次第に増大する。
しい複数の孔２を有する光透過性材料の平面状表面の区
域を示す。各孔２は、その深さが最も近い孔の深さより
もわずかに深くなるように作成される。平面状表面３"'
の任意の所与の線に沿って、孔の深さは、所望の深さま
で次第に増大し、次いで所望の深さまで次第に減少し、
最後にはまた所望の深さまで次第に増大する。
【００２４】ここで図７を参照すると、孔１２、２２、
３２、４２の密度と深さだけでなくこれら孔１２、２
２、３２、４２の幅を変えることによっても、屈折率を
変化させることができる。また、実効屈折率の変化は、
光透過性材料の平面状表面の屈折率あるいは孔１２、２
２、３２、４２によって変化した光透過性材料の平均屈
折率よりも大きいかまたは小さい屈折率のアルミニウム
などの透明材料９で、いくつかまたはすべての孔を満た
すことによっても達成される。また、平面状表面を通過
する光の不必要な回折を最小限に抑えるために、孔の位
置を、平面状表面上の孔密度が名目上均一な領域内に無
作為に配置することもできる（図示せず）。
３２、４２の密度と深さだけでなくこれら孔１２、２
２、３２、４２の幅を変えることによっても、屈折率を
変化させることができる。また、実効屈折率の変化は、
光透過性材料の平面状表面の屈折率あるいは孔１２、２
２、３２、４２によって変化した光透過性材料の平均屈
折率よりも大きいかまたは小さい屈折率のアルミニウム
などの透明材料９で、いくつかまたはすべての孔を満た
すことによっても達成される。また、平面状表面を通過
する光の不必要な回折を最小限に抑えるために、孔の位
置を、平面状表面上の孔密度が名目上均一な領域内に無
作為に配置することもできる（図示せず）。
【００２５】本発明の原理によれば、光透過性材料の平
面状表面として一様に薄いシリコン・ウェハを使って、
赤外線光透過性の素子またはデバイスを形成することが
できる。シリコンは、一般的に半導体処理用に準備され
るようなタイプの単結晶ウェハが好ましい。平面状表面
に最初の屈折率を生じさせるために、シリコン・ウェハ
をドープすることができる。必要ならば、光が透過する
平面状表面として使用する特定区域内のシリコン・ウェ
ハをより薄くすることもできる。次に、その平面状表面
に孔を作成することができる。その正確なパターンは、
所期の屈折率変化に依存する。様々なリソグラフィ処
理、たとえば一般に半導体処理の際に利用される反応性
イオン・エッチング処理によって、シリコン表面に孔を
作成することができる。さらに、これらのリソグラフィ
処理を用いて、本発明の原理に従って光スペクトルの可
視光部分を透過するように設計された光透過性デバイス
を作成することができる。一般的に利用されるリソグラ
フィ処理は、可視光の波長に比べて十分に小さい孔を作
成するには十分である。たとえば、十分に小さい孔を作
成するために電子ビーム・リソグラフィ、イオン・ビー
ム・リソグラフィまたはＸ線リソグラフィを利用するこ
とができ、同じ大きさの孔をエッチングするために反応
性イオン・エッチングを利用することができる。また、
電子ビーム・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、イオン
・ビーム・リソグラフィ、ホログラフィック・リソグラ
フィなどの高分解能リソグラフィ処理を利用してもよ
い。これらの光透過性デバイスは、半導体ウェハの製造
と同じように、多数のデバイスを同時に形成する方式で
製作できる。
面状表面として一様に薄いシリコン・ウェハを使って、
赤外線光透過性の素子またはデバイスを形成することが
できる。シリコンは、一般的に半導体処理用に準備され
るようなタイプの単結晶ウェハが好ましい。平面状表面
に最初の屈折率を生じさせるために、シリコン・ウェハ
をドープすることができる。必要ならば、光が透過する
平面状表面として使用する特定区域内のシリコン・ウェ
ハをより薄くすることもできる。次に、その平面状表面
に孔を作成することができる。その正確なパターンは、
所期の屈折率変化に依存する。様々なリソグラフィ処
理、たとえば一般に半導体処理の際に利用される反応性
イオン・エッチング処理によって、シリコン表面に孔を
作成することができる。さらに、これらのリソグラフィ
処理を用いて、本発明の原理に従って光スペクトルの可
視光部分を透過するように設計された光透過性デバイス
を作成することができる。一般的に利用されるリソグラ
フィ処理は、可視光の波長に比べて十分に小さい孔を作
成するには十分である。たとえば、十分に小さい孔を作
成するために電子ビーム・リソグラフィ、イオン・ビー
ム・リソグラフィまたはＸ線リソグラフィを利用するこ
とができ、同じ大きさの孔をエッチングするために反応
性イオン・エッチングを利用することができる。また、
電子ビーム・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、イオン
・ビーム・リソグラフィ、ホログラフィック・リソグラ
フィなどの高分解能リソグラフィ処理を利用してもよ
い。これらの光透過性デバイスは、半導体ウェハの製造
と同じように、多数のデバイスを同時に形成する方式で
製作できる。
【００２６】光透過性材料の平面状表面を作成するため
に、シリコン以外の材料を使用することもできる。たと
えば、従来の光ガラス、ゲルマニウム、シリコン酸化
物、ゲルマニウム酸化物、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｃａ
Ｆ2、ＢａＦ2、Ａｌ2Ｏ3、およびポリメタクリル酸メチ
ルなどの高分子、ならびに当技術分野で周知の他の光透
過性材料を使用することができる。また、ゲルマニウム
などの結晶性半導体、ＳｉＯ2などのその酸化物、ホウ
ケイ酸ガラスなどのガラス、ポリメタクリル酸メチル
（プレキシガラス）などのプラスチック、および光素子
に適した他の材料も使用することができる。
に、シリコン以外の材料を使用することもできる。たと
えば、従来の光ガラス、ゲルマニウム、シリコン酸化
物、ゲルマニウム酸化物、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｃａ
Ｆ2、ＢａＦ2、Ａｌ2Ｏ3、およびポリメタクリル酸メチ
ルなどの高分子、ならびに当技術分野で周知の他の光透
過性材料を使用することができる。また、ゲルマニウム
などの結晶性半導体、ＳｉＯ2などのその酸化物、ホウ
ケイ酸ガラスなどのガラス、ポリメタクリル酸メチル
（プレキシガラス）などのプラスチック、および光素子
に適した他の材料も使用することができる。
【００２７】本発明の原理によれば、従来の研削と研磨
によってすでに形成された光素子の性能を変更または改
善するために、反応性イオン・エッチングを含む前述の
リソグラフィ処理を利用することができる。修正すべき
球面収差がある赤外線レンズなどの従来のレンズの一方
の表面に小さな孔のパターンを作成することによって、
屈折率の修正を行うことができる。作成される孔のパタ
ーンは、従来の手段によって作られた修正板に対応する
屈折率の効果の変化を生じさせるように計算しなけばな
らない。たとえば、（１）収差を修正するために、屈折
率が均一な材料で作られた従来の修正板を評価し、
（２）その従来の設計を狭い区域に概念的に分割し、
（３）その区域ごとに、従来の修正機器のその区域と等
価にするために必要とされるレンズ材料の屈折率を計算
し、（４）元のレンズ材料を修正してその実効屈折率に
するために必要な、適切な孔の直径および深さを選択し
て孔の密度を計算し、（５）それぞれの孔の密度をもつ
様々な区域をレンズの表面上に概念的に組み立てし直
す。（必要ならば、段階（４）で所与の区域について深
さと密度を両方変える。）
によってすでに形成された光素子の性能を変更または改
善するために、反応性イオン・エッチングを含む前述の
リソグラフィ処理を利用することができる。修正すべき
球面収差がある赤外線レンズなどの従来のレンズの一方
の表面に小さな孔のパターンを作成することによって、
屈折率の修正を行うことができる。作成される孔のパタ
ーンは、従来の手段によって作られた修正板に対応する
屈折率の効果の変化を生じさせるように計算しなけばな
らない。たとえば、（１）収差を修正するために、屈折
率が均一な材料で作られた従来の修正板を評価し、
（２）その従来の設計を狭い区域に概念的に分割し、
（３）その区域ごとに、従来の修正機器のその区域と等
価にするために必要とされるレンズ材料の屈折率を計算
し、（４）元のレンズ材料を修正してその実効屈折率に
するために必要な、適切な孔の直径および深さを選択し
て孔の密度を計算し、（５）それぞれの孔の密度をもつ
様々な区域をレンズの表面上に概念的に組み立てし直
す。（必要ならば、段階（４）で所与の区域について深
さと密度を両方変える。）
【００２８】本明細書で言及すべきもう１つの点は、従
来の素子表面として修正を実施するための好ましい面が
ある得ることである。リソグラフィは平面上での方がず
っと簡単なので、従来の素子が平凸レンズの場合、凸面
上よりも平面上で修正を行う方が好ましい。場合によっ
ては、表面が湾曲していると、十分な深さの焦点を有す
る特別なリソグラフィ処理（たとえば、Ｘ線リソグラフ
ィ）が必要となることがある。
来の素子表面として修正を実施するための好ましい面が
ある得ることである。リソグラフィは平面上での方がず
っと簡単なので、従来の素子が平凸レンズの場合、凸面
上よりも平面上で修正を行う方が好ましい。場合によっ
ては、表面が湾曲していると、十分な深さの焦点を有す
る特別なリソグラフィ処理（たとえば、Ｘ線リソグラフ
ィ）が必要となることがある。
【００２９】本発明の原理に従って構成された光透過性
デバイスは、従来の光素子に比べてセンサと容易に一体
化することができる。たとえば、シリコン・ウェハ光透
過性基板の一方の面にセンサを形成する赤外線センサの
統合が容易に実現できる。あるいは、光透過性デバイス
を、陽極結合によって別個のシリコン検出器に簡単に接
着できる。また、光透過性デバイスまたはシリコン・セ
ンサにおいて、エッチングまたは他の周知の技法によっ
て溝を作成し、光ファイバ素子をその溝中に接着するこ
とができる。
デバイスは、従来の光素子に比べてセンサと容易に一体
化することができる。たとえば、シリコン・ウェハ光透
過性基板の一方の面にセンサを形成する赤外線センサの
統合が容易に実現できる。あるいは、光透過性デバイス
を、陽極結合によって別個のシリコン検出器に簡単に接
着できる。また、光透過性デバイスまたはシリコン・セ
ンサにおいて、エッチングまたは他の周知の技法によっ
て溝を作成し、光ファイバ素子をその溝中に接着するこ
とができる。
【００３０】ここに開示した素子および方法は、特に光
素子の統合に有用かつ適合可能である。たとえば、ここ
に記述した方法で作成されたプリズムを、半導体の表面
近傍のフォトダイオード接合に隣接させることができ、
それにより直接光がフォトダイオード接合の方向にウェ
ハ表面に多少とも垂直に入射する。同様に、逆の方向に
なるが、本発明の集積光素子によって、発光ダイオード
（ＬＥＤ）の接合領域から放射される光の方向を変える
ことができる。
素子の統合に有用かつ適合可能である。たとえば、ここ
に記述した方法で作成されたプリズムを、半導体の表面
近傍のフォトダイオード接合に隣接させることができ、
それにより直接光がフォトダイオード接合の方向にウェ
ハ表面に多少とも垂直に入射する。同様に、逆の方向に
なるが、本発明の集積光素子によって、発光ダイオード
（ＬＥＤ）の接合領域から放射される光の方向を変える
ことができる。
【００３１】以上、本発明をその実施例に関して説明し
たが、頭記の特許請求の範囲によって定義される本発明
の範囲から逸脱せずに、様々な修正が行えることは当業
者には明らかであろう。
たが、頭記の特許請求の範囲によって定義される本発明
の範囲から逸脱せずに、様々な修正が行えることは当業
者には明らかであろう。
【００３２】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３３】 （１）表面を有する光透過性材料と、 前記表面内にあり、それぞれが材料の残りの領域と異な
る屈折率を有する複数の領域とを備え、 前記表面における前記領域の密度が前記表面に沿った方
向に変化するように、前記領域が前記材料の表面に配置
されていることを特徴とする光デバイス。 （２）前記表面の各領域が孔を含むことを特徴とする、
上記（１）に記載の光デバイス。 （３）前記表面が実質上平面状であることを特徴とす
る、上記（２）に記載の光デバイス。 （４）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の約
１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有する
ことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （５）前記孔が、光透過性材料を通って延びる孔を含む
ことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （６）前記孔が、表面を通って伝わる放射光の波長の約
１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有する
ことを特徴とする、上記（５）に記載の光デバイス。 （７）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上記
（２）に記載の光デバイス。 （８）前記孔の幅が変化することを特徴とする、上記
（２）に記載の光デバイス。 （９）１つまたは複数の前記孔が先細形であることを特
徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１０）前記表面における孔の数が第１の方向に変化す
ることを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１１）前記表面における孔の数が中心から半径方向に
変化することを特徴とする、上記（２）に記載の光デバ
イス。 （１２）前記表面において、前記中心の近くにある孔の
数が前記中心から遠い位置にある孔の数よりも多く、前
記光デバイスが凹レンズとして動作することを特徴とす
る、上記（１１）に記載の光デバイス。 （１３）前記表面において、前記中心の近くにある孔の
数が前記中心から遠い位置にある孔の数よりも少なく、
前記光デバイスが凸レンズとして動作することを特徴と
する、上記（１１）に記載の光デバイス。 （１４）前記表面がシリコンの薄いウェハからなること
を特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１５）光デバイスを製作する方法であって、 光透過性材料の表面に、それぞれが光透過性材料の残り
の領域とは異なる屈折率を有する複数の領域を作成する
段階と、 前記表面における前記領域の密度が前記表面に沿った方
向に変化するように、前記材料の表面上に前記領域を配
置する段階とを含む方法。 （１６）作成された各領域が孔を含むことを特徴とす
る、上記（１５）に記載の方法。 （１７）前記表面が実質上平面状であることを特徴とす
る、上記（１５）に記載の方法。 （１８）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有す
ることを特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （１９）前記孔が、平面を通って延びる孔を含むことを
特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２０）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有す
ることを特徴とする、上記（１９）に記載のプロセス。 （２１）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上
記（１６）に記載のプロセス。 （２２）前記孔の幅が変化することを特徴とする、上記
（１６）に記載のプロセス。 （２３）１つまたは複数の前記孔が先細形であることを
特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２４）前記平面内に作成される孔の数が、第１の方向
に変化することを特徴とする、上記（１６）に記載のプ
ロセス。 （２５）前記平面内に作成される孔の数が、中心から半
径方向に変化することを特徴とする、上記（１６）に記
載のプロセス。 （２６）前記表面において前記中心の近くに作成される
孔の数が、前記中心から遠くに作成される孔の数よりも
多く、前記光デバイスが凹レンズとして動作することを
特徴とする、上記（２５）に記載のプロセス。 （２７）前記表面において前記中心の近くに作成される
孔の数が、前記中心から遠くに位置する孔の数よりも少
なく、前記光デバイスが凸レンズとして動作することを
特徴とする、上記（２５）に記載のプロセス。 （２８）光透過性材料の前記孔が作成された表面が、シ
リコンの薄いウェハからなることを特徴とする、上記
（１９）に記載のプロセス。 （２９）前記孔が、リソグラフィ処理を利用して作成さ
れることを特徴とする、上記（１６）に記載のプロセ
ス。 （３０）前記孔が、反応性イオン・エッチングを利用し
て作成されることを特徴とする、上記（１６）に記載の
プロセス。 （３１）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上
記（１６）に記載のプロセス。
る屈折率を有する複数の領域とを備え、 前記表面における前記領域の密度が前記表面に沿った方
向に変化するように、前記領域が前記材料の表面に配置
されていることを特徴とする光デバイス。 （２）前記表面の各領域が孔を含むことを特徴とする、
上記（１）に記載の光デバイス。 （３）前記表面が実質上平面状であることを特徴とす
る、上記（２）に記載の光デバイス。 （４）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の約
１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有する
ことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （５）前記孔が、光透過性材料を通って延びる孔を含む
ことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （６）前記孔が、表面を通って伝わる放射光の波長の約
１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有する
ことを特徴とする、上記（５）に記載の光デバイス。 （７）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上記
（２）に記載の光デバイス。 （８）前記孔の幅が変化することを特徴とする、上記
（２）に記載の光デバイス。 （９）１つまたは複数の前記孔が先細形であることを特
徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１０）前記表面における孔の数が第１の方向に変化す
ることを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１１）前記表面における孔の数が中心から半径方向に
変化することを特徴とする、上記（２）に記載の光デバ
イス。 （１２）前記表面において、前記中心の近くにある孔の
数が前記中心から遠い位置にある孔の数よりも多く、前
記光デバイスが凹レンズとして動作することを特徴とす
る、上記（１１）に記載の光デバイス。 （１３）前記表面において、前記中心の近くにある孔の
数が前記中心から遠い位置にある孔の数よりも少なく、
前記光デバイスが凸レンズとして動作することを特徴と
する、上記（１１）に記載の光デバイス。 （１４）前記表面がシリコンの薄いウェハからなること
を特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （１５）光デバイスを製作する方法であって、 光透過性材料の表面に、それぞれが光透過性材料の残り
の領域とは異なる屈折率を有する複数の領域を作成する
段階と、 前記表面における前記領域の密度が前記表面に沿った方
向に変化するように、前記材料の表面上に前記領域を配
置する段階とを含む方法。 （１６）作成された各領域が孔を含むことを特徴とす
る、上記（１５）に記載の方法。 （１７）前記表面が実質上平面状であることを特徴とす
る、上記（１５）に記載の方法。 （１８）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有す
ることを特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （１９）前記孔が、平面を通って延びる孔を含むことを
特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２０）前記孔が、平面を通って伝わる放射光の波長の
約１０分の１ないし約３０分の１よりも小さい幅を有す
ることを特徴とする、上記（１９）に記載のプロセス。 （２１）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上
記（１６）に記載のプロセス。 （２２）前記孔の幅が変化することを特徴とする、上記
（１６）に記載のプロセス。 （２３）１つまたは複数の前記孔が先細形であることを
特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２４）前記平面内に作成される孔の数が、第１の方向
に変化することを特徴とする、上記（１６）に記載のプ
ロセス。 （２５）前記平面内に作成される孔の数が、中心から半
径方向に変化することを特徴とする、上記（１６）に記
載のプロセス。 （２６）前記表面において前記中心の近くに作成される
孔の数が、前記中心から遠くに作成される孔の数よりも
多く、前記光デバイスが凹レンズとして動作することを
特徴とする、上記（２５）に記載のプロセス。 （２７）前記表面において前記中心の近くに作成される
孔の数が、前記中心から遠くに位置する孔の数よりも少
なく、前記光デバイスが凸レンズとして動作することを
特徴とする、上記（２５）に記載のプロセス。 （２８）光透過性材料の前記孔が作成された表面が、シ
リコンの薄いウェハからなることを特徴とする、上記
（１９）に記載のプロセス。 （２９）前記孔が、リソグラフィ処理を利用して作成さ
れることを特徴とする、上記（１６）に記載のプロセ
ス。 （３０）前記孔が、反応性イオン・エッチングを利用し
て作成されることを特徴とする、上記（１６）に記載の
プロセス。 （３１）前記孔の深さが変化することを特徴とする、上
記（１６）に記載のプロセス。
【図１】１方向に変化する屈折率を有する、本発明の原
理に従って構成した光透過性デバイスの上面図である。
理に従って構成した光透過性デバイスの上面図である。
【図２】図１に示したような光透過性デバイスの平面状
表面内における孔を示す図である。
表面内における孔を示す図である。
【図３】平面状表面の中心方向に変化する屈折率を有
し、凹レンズとして作用する光透過性デバイスの上面図
である。
し、凹レンズとして作用する光透過性デバイスの上面図
である。
【図４】平面状表面の中心方向に変化する屈折率を有
し、凸レンズとして作用する光透過性デバイスの上面図
である。
し、凸レンズとして作用する光透過性デバイスの上面図
である。
【図５】本発明の原理に従って構成した光透過性デバイ
スの平面状表面における先細形孔の横断面図である。
スの平面状表面における先細形孔の横断面図である。
【図６】図１に示した光透過性デバイスの平面状表面に
おける深さが変化する複数の孔の横断面図である。
おける深さが変化する複数の孔の横断面図である。
【図７】本発明の原理に従って構成された光透過性デバ
イスの平面状表面における、深さと横方向の寸法が変化
する複数の孔の横断面図である。
イスの平面状表面における、深さと横方向の寸法が変化
する複数の孔の横断面図である。
１ 光透過性材料 ２ 孔 ３ 平面状表面 １２ 孔 ２２ 孔 ３２ 孔 ４２ 孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・レイ アメリカ合衆国05404 バーモント州ウ ィノースキ フランクリン・ストリート 175 (72)発明者 セオドア・アール・トウ アメリカ合衆国05494 バーモント州バ ーチ・リッジ・ロード アール・アール １ ボックス 1060 (56)参考文献 特開 平２−12106（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 3/00 - 3/14 G02B 5/18
Claims (14)
- 【請求項１】平面状の表面を有する光透過性材料と、 上記平面状の表面に設けられた複数の孔とを有し、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記孔の幅は、上記光透過性材料に入射される放射光の
波長の１０分の１よりも小さく、上記孔の密度が上記表
面に亘って変化されており該表面に亘って異なる屈折率
を生じることを特徴とする光デバイス。 - 【請求項２】上記複数の孔の深さが互いに異なることを
特徴とする請求項１に記載の光デバイス。 - 【請求項３】上記複数の孔の少なくとも１つの孔の直径
が上記表面から遠ざかるにつれて小さくなることを特徴
とする請求項１に記載の光デバイス。 - 【請求項４】上記複数の孔の数が上記表面を横切る１つ
の方向に沿って変化されていることを特徴とする請求項
１に記載の光デバイス。 - 【請求項５】上記光透過性材料はシリコン・ウエハであ
ることと特徴とする請求項１に記載の光デバイス。 - 【請求項６】上記複数の孔の少なくとも１つの孔は、上
記光透過性材料の屈折率と異なる屈折率を有する透明材
料で充填されていることを特徴とする請求項１に記載の
光デバイス。 - 【請求項７】上記複数の孔の数が、上記表面の中央部か
ら周辺部に向かう方向で次第に変化されていることを特
徴とする請求項１又は請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項８】上記複数の孔の数が、上記表面の中央部に
おいて最も多く、上記中央部から周辺部に向かう方向で
次第に減少されて凹レンズの働きをすることを特徴とす
る請求項７に記載の光デバイス。 - 【請求項９】上記複数の孔の数が、上記表面の周辺部に
おいて最も多く、上記周辺部から上記中央部に向かう方
向で次第に減少されて凸レンズの働きをすることを特徴
とする請求項７に記載の光デバイス。 - 【請求項１０】平面状の表面を有する光透過性材料と、 上記平面状の表面に設けられた複数の孔とを有し、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記複数の孔の数が、上記表面の中央部において最も多
く、上記中央部から周辺部に向かう方向で次第に減少さ
れて凹レンズの働きをすることを特徴とする光デバイ
ス。 - 【請求項１１】平面状の表面を有する光透過性材料と、 上記平面状の表面に設けられた複数の孔とを有し、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記複数の孔の数が、上記表面の周辺部において最も多
く、上記周辺部から上記中央部に向かう方向で次第に減
少されて凸レンズの働きをすることを特徴とする光デバ
イス。 - 【請求項１２】平面状の表面を有する光透過性材料の上
記表面に複数の孔を形成するステップを含み、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記孔の幅は、上記光透過性材料に入射される放射光の
波長の１０分の１よりも小さく、上記孔の密度が上記表
面に亘って変化されており該表面に亘って異なる屈折率
を生じることを特徴とする光デバイスの製造方法。 - 【請求項１３】平面状の表面を有する光透過性材料の上
記表面に複数の孔を形成するステップを含み、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記複数の孔の数が、上記表面の中央部において最も多
く、上記中央部から周辺部に向かう方向で次第に減少さ
れて凹レンズの働きをすることを特徴とする光デバイス
の製造方法。 - 【請求項１４】平面状の表面を有する光透過性材料の上
記表面に複数の孔を形成するステップを含み、 該複数の孔は上記表面に垂直な方向に延びて設けられ、
上記複数の孔の数が、上記表面の周辺部において最も多
く、上記周辺部から上記中央部に向かう方向で次第に減
少されて凸レンズの働きをすることを特徴とする光デバ
イスの製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/160,567 US5585968A (en) | 1993-12-01 | 1993-12-01 | Optical elements having regions of different indices of refraction and method of fabricating the same |
| US160567 | 1993-12-01 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07198907A JPH07198907A (ja) | 1995-08-01 |
| JP2794084B2 true JP2794084B2 (ja) | 1998-09-03 |
Family
ID=22577421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6281720A Expired - Lifetime JP2794084B2 (ja) | 1993-12-01 | 1994-11-16 | 光デバイス及びその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5585968A (ja) |
| EP (1) | EP0656549A3 (ja) |
| JP (1) | JP2794084B2 (ja) |
Families Citing this family (41)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ATE424927T1 (de) * | 1993-10-28 | 2009-03-15 | Houston Advanced Res Ct | Mikrofabriziertes poröses durchflussgerät zur diskreten bestimmung von bindungsreaktionen |
| US6893816B1 (en) * | 1993-10-28 | 2005-05-17 | Houston Advanced Research Center | Microfabricated, flowthrough porous apparatus for discrete detection of binding reactions |
| US5813744A (en) * | 1997-03-17 | 1998-09-29 | Mcdonnell Douglas Corp. | Aircraft ground floodlight |
| US5840447A (en) * | 1997-08-29 | 1998-11-24 | International Business Machines Corporation | Multi-phase photo mask using sub-wavelength structures |
| US5978157A (en) * | 1998-09-03 | 1999-11-02 | Space Systems/ Loral, Inc. | Dielectric bootlace lens |
| US6619799B1 (en) | 1999-07-02 | 2003-09-16 | E-Vision, Llc | Optical lens system with electro-active lens having alterably different focal lengths |
| JP2002141556A (ja) * | 2000-09-12 | 2002-05-17 | Lumileds Lighting Us Llc | 改良された光抽出効果を有する発光ダイオード |
| US6963437B2 (en) * | 2000-10-03 | 2005-11-08 | Gentex Corporation | Devices incorporating electrochromic elements and optical sensors |
| US7293871B2 (en) * | 2000-11-27 | 2007-11-13 | Ophthonix, Inc. | Apparatus and method of correcting higher-order aberrations of the human eye |
| US6813082B2 (en) * | 2000-11-27 | 2004-11-02 | Ophthonix, Inc. | Wavefront aberrator and method of manufacturing |
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| JP3743637B2 (ja) * | 2001-08-23 | 2006-02-08 | 独立行政法人理化学研究所 | フォトニック結晶および光導波素子 |
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| US7434931B2 (en) | 2001-10-25 | 2008-10-14 | Ophthonix | Custom eyeglass manufacturing method |
| US6712466B2 (en) * | 2001-10-25 | 2004-03-30 | Ophthonix, Inc. | Eyeglass manufacturing method using variable index layer |
| US7420743B2 (en) * | 2002-07-11 | 2008-09-02 | Ophthonix, Inc. | Optical elements and methods for making thereof |
| US6836371B2 (en) * | 2002-07-11 | 2004-12-28 | Ophthonix, Inc. | Optical elements and methods for making thereof |
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| US7282306B2 (en) * | 2004-03-26 | 2007-10-16 | Intel Corporation | Continuous sloped phase edge architecture fabrication technique using electron or optical beam blur for single phase shift mask ret |
| US20050260388A1 (en) * | 2004-05-21 | 2005-11-24 | Lai Shui T | Apparatus and method of fabricating an ophthalmic lens for wavefront correction using spatially localized curing of photo-polymerization materials |
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| FR2879757B1 (fr) * | 2004-12-17 | 2007-07-13 | Essilor Int | Procede de realisation d'un element optique transparent, composant optique intervenant dans ce procede et element optique ainsi obtenu |
| FR2888947B1 (fr) * | 2005-07-20 | 2007-10-12 | Essilor Int | Composant optique a cellules |
| FR2888951B1 (fr) * | 2005-07-20 | 2008-02-08 | Essilor Int | Composant optique pixellise aleatoirement, son procede de fabrication, et son utilisation dans la fabrication d'un element optique transparent |
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