JP5529464B2 - 微細加工シリンドリカルレンズのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

光学システムでは、光を空気または光透過材料などの様々な媒体中に通す。このような光学システムでは、透過光を集束し調整する１つまたは複数のレンズを使用する。レンズの一例は、ルネベルグレンズとしても知られている球レンズである。光学システムの中には比較的小さなものがある。球レンズは、様々な微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）光技術で使用することができる。図１は、従来技術によるＭＥＭＳ光学システム１０６内に配置された光源１０２および球レンズ１０４の簡略化ブロック図である。放射光１０８が球レンズ１０４に入る。次に、この光は球レンズ１０４で集束されて集束光１１０として出て行く。

通常、球レンズはＭＥＭＳ光学システムとは別に形成され、次に、手動または自動の技法を用いて取り上げられ、所定位置に配置される。ＭＥＭＳ光学システム内の球レンズの位置は、凹部など適切な球レンズレセプタクルを支持基板中にエッチングまたは機械加工することによって制御することができる。すなわち、球レンズがそのレセプタクル内に配置されると、球レンズは所望の位置に配置されることになる。

いくつかの応用例では、重力が、球レンズをそのそれぞれのレセプタクル内に配置するのを助ける。つまり、球レンズが逆ピラミッドレセプタクルの４つの側壁など、そのレセプタクルの最も低い接触点にあるように、球レンズを位置決めするのを重力が助ける。他のシステムでは、球レンズを基板内のその意図された位置に配置するために、球レンズに力が加えられることがある。望ましいなら、位置決めされた球レンズは、接着剤で、または他の適切な固定手段を用いることによって基板に接着することができる。

比較的小さな球レンズの配置を正確に制御するのは困難なことがある。また場合によっては、球レンズが基板上のその意図された場所から不意に出て行くこともある。さらに、ＭＥＭＳ光学システムがますます小さくなるにつれ、従来の球レンズよりも小さい、軽量の集束レンズを使用することが望ましいこともある。

光を集束するシステムおよび方法を開示する。例示的な一実施形態は、ＭＥＭＳ基板と、第１のシリンドリカル面を有する第１のシリンドリカルレンズと、第１のシリンドリカル面に対して垂直に向けられている第２のシリンドリカル面を有する第２のシリンドリカルレンズとを有する。第１および第２のレンズ中を通過する光が集束される。

次の図面を参照して、好ましい実施形態および代替実施形態を以下で詳細に説明する。

従来技術によるＭＥＭＳ光学システムの光源および球レンズの簡略化ブロック図である。 受光した光を集束するシリンドリカルレンズの一実施形態のブロック図である。 シリンドリカルレンズシステムの一実施形態の２つのシリンドリカルレンズの透視図である。 図４Ａは、２つのシリンドリカルレンズが単一の構造体上に製作されたシリンドリカルレンズシステムの透視図である。図４Ｂは、２つのシリンドリカルレンズが単一の構造体上に製作されたシリンドリカルレンズシステムの透視図である。 シリンドリカルレンズが基板の一部分に製作された２つのシリンドリカルレンズシステムの透視図である。 基板の一部分に製作された２つのシリンドリカルレンズシステムの上面図である。 基板の一部分に製作された２つのシリンドリカルレンズシステムの上面図である。 基板の一部分に製作された２つのシリンドリカルレンズシステムの上面図である。 シリンドリカルレンズを、その基板または取っ手からリリースされた後に取り上げ基板内の所望の位置および向きに配置できるように、エッチング処理を用いて形成される、リリースされたシリンドリカルレンズを示す図である。 シリンドリカルレンズを、その基板または取っ手からリリースされた後に取り上げ所望の位置および基板内の向きに配置できるように、エッチング処理を用いて形成される、リリースされたシリンドリカルレンズを示す図である。

図２は、受光した光を集束するシリンドリカルレンズシステム２００のブロック図である。光は、従来技術による球レンズ１０２（図１）の光集束に実質的に相当するように集束される。

放射光１０８がシリンドリカルレンズシステム２００に入る。次に、この光は、シリンドリカルレンズシステム２００で集束されて集束光１１０として出て行く。図２で、シリンドリカルレンズシステム２００は、機能ブロックとして概念的に示されている。本明細書では、シリンドリカルレンズシステム２００の例示的な実施形態をより詳細に説明するとともに、「ｘ００」に対応する参照数字を使用して各図で示す。ここで「ｘ」は図の番号と一致する。例えば、図３に示されたシリンドリカルレンズシステム３００は、図２に示されたシリンドリカルレンズシステム２００に対応する。

図３は、シリンドリカルレンズシステム３００の一実施形態の２つのシリンドリカルレンズ３０２、３０４の透視図である。第１のシリンドリカルレンズ３０２は、図示の「ｚ」軸方向に向けられる。第２のシリンドリカルレンズ３０４は、図示の「ｘ」軸方向に向けられる。したがって、第１のシリンドリカルレンズ３０２は、第２のシリンドリカルレンズ３０４から９０度（９０°）に、すなわちそれに対して垂直に向けられる。

第１のシリンドリカルレンズ３０２は、円筒の一部分に相当するシリンドリカル面３０６を有する。同様に、第２のシリンドリカルレンズ３０４は、円筒の一部分に相当するシリンドリカル面３０８を有する。シリンドリカル面３０６、３０８を画定する曲率半径は、同じであるか、またはほぼ同じであることが好ましい。しかし、様々な実施形態において、シリンドリカル面３０６、３０８の曲率半径は、シリンドリカルレンズシステム３００の実施形態で実現されるべき所望の光集束作用に応じて異なってもよい。いくつかの実施形態では、シリンドリカル面３０６および／または３０８は、他の幾何学的形状に相当することがある。

光３１０は、第１のシリンドリカルレンズ３０２の底面に（図示の「ｘ」のところで）入り、シリンドリカル面３０６を（図示の「ｏ」のところで）出て行く。この光は、第１のシリンドリカルレンズ３０２の軸に沿った実質的にスリット光として集束される。

次に、光は、第２のシリンドリカルレンズ３０４の底面に（図示の「ｘ」のところで）入り、シリンドリカル面３０８を（図示の「ｏ」のところで）出て行く。そのとき、受光されたスリット集束光は、第２のシリンドリカルレンズ３０４で実質的にスポットとして集束される。第１のシリンドリカルレンズ３０２のシリンドリカル面３０６の向きが、第２のシリンドリカルレンズ３０４のシリンドリカル面３０８の向きに対し垂直であるので、光は、従来技術による球レンズ１０４（図１）で集束される光と実質的に同様に集束される。

図４Ａは、２つのシリンドリカルレンズ３０２、３０４が単一構造上に製作されているシリンドリカルレンズシステム４００の実施形態の左側透視図である。図４Ｂは、シリンドリカルレンズシステム４００の実施形態の右側透視図である。ここで、第１のシリンドリカルレンズ３０２はレンズ部分４０２の片側にあり、第２のシリンドリカルレンズ３０４はレンズ部分４０２の反対側にある。第１のシリンドリカルレンズ３０２のシリンドリカル面３０６の向きは、第２のシリンドリカルレンズ３０４のシリンドリカル面３０８の向きに対して垂直である。シリンドリカルレンズシステム４００の例示的な実施形態では、第１のシリンドリカルレンズ３０２のシリンドリカル面３０６は、第２のシリンドリカルレンズ３０４のシリンドリカル面３０８が向いている外側の方向とは反対の外側の方向に向いている。

レンズ部分４０２の、厚さなどの寸法は、シリンドリカルレンズシステム４００の実施形態が使用される特定の応用例に基づいて選択することができる。レンズ部分４０２の厚さは、シリンドリカルレンズ３０２、３０４の厚さと比較して相対的に薄くすることができるいくつかの実施形態では、レンズ部分４０２を除くことさえできる。

製作時、シリンドリカルレンズシステム４００の実施形態は、取り上げて基板上の所望の位置に所望の向きで配置できる別々のレンズとして製作することができる。別法として、レンズ部分４０２は、レンズ製作工程中に基板に取り付けられたままでもよい。すなわち、シリンドリカルレンズシステム４００は、基板内の所望の位置および向きに製作することができる。

図５は、基板５０２の一部分に製作されたシリンドリカルレンズシステム５００の一実施形態の２つのシリンドリカルレンズ３０２、３０４の透視図である。シリンドリカル面３０６とシリンドリカル面３０８は、互いに外側に向き、かつ互いに垂直に向けられている。したがって、チャネル５０６中を通過する光５０４は、シリンドリカルレンズ３０２、３０４で集束されてチャネル５０８を出て行く。チャネル５０６、５０８は、エッチングまたは機械加工によるなど、適切な任意の手段を使用して製作することができる。

この実施形態の製作では、基板５０２の一部分の上に切断ビーム５１２を送出するビーム源５１０を使用して、第１のシリンドリカルレンズ３０２を形成する。切断ビーム５１２は、基板５０２の一部分が切り取られてシリンドリカル面３０６を形成するように、第１のシリンドリカルレンズ３０２の軸方向に向けられる。同様に、ビーム源５１４は、切断ビーム５１６を基板部分５０２の上に送出して第２のシリンドリカルレンズ３０４を形成する。切断ビーム５１６は、基板５０２の一部分が切り取られてシリンドリカル面３０８を形成するように、第２のシリンドリカルレンズ３０４の軸方向に向けられる。

代替実施形態では、単一のビーム源を使用することができる。このビーム源を移動させ所望の位置に向けて第１のシリンドリカルレンズ３０２を製作し、次にビーム源を移動させ再度向きを変えて第２のシリンドリカルレンズ３０４を製作することができる。別の実施形態では、基板５０２は、基板５０２をビーム源に対して配置し向けるように、移動可能なチャックまたは台に設置される。基板５０２が第１の所望の位置に配置され向けられると、ビーム源は第１のシリンドリカルレンズ３０２を製作する。次に、基板５０２は、ビーム源に対して所望の第２の位置に再配置され、再度向きを変えられて、ビーム源が第２のシリンドリカルレンズ３０４を製作する。

適切な任意のビーム源５１０、５１４を使用して、適切な切断ビーム５１２、５１６を発生させることができる。一実施形態では、イオンビーム源を使用してイオン切断ビームを発生させる。イオン切断ビームを使用してまた、シリンドリカル面３０６、３０８など、基板５０２上の光透過面を磨くこともできる。

この例示的な実施形態では、基板５０２の一部分５１８が、第１のシリンドリカルレンズ３０２と第２のシリンドリカルレンズ３０４を分離する。一部分５１８の厚さは、所望の光学特性および／または所望の構造的特性に基づいて画定可能である。例えば、一部分５１８は、シリンドリカルレンズシステム５００が回転および／または加速により誘起する機械的応力を受ける可能性がある応用例では、相対的に厚くすることができる。

第１のシリンドリカルレンズ３０２の両端部は、精密に円筒形に形成する必要がないことを理解されたい。光５０４を受光し、かつ／または通すシリンドリカル面３０６の領域は、その所望の光学特性を得るために精密に製作する必要がある重要表面領域である。したがって、実際のシリンドリカルレンズシステム５００は、図５に示されたシリンドリカルレンズシステム５００の概念的な実施形態と異なることがある。

図６〜８は、基板５０２の一部分に製作された、それぞれシリンドリカルレンズシステム６００、７００、および８００の選択された実施形態での２つのシリンドリカルレンズ３０２、３０４の上面図である。これらの例示的な実施形態は、基板５０２内で第１のシリンドリカルレンズ３０２および第２のシリンドリカルレンズ３０４を配置し、ある方向に向けるいくつかの可能な方法を示す。他の構成も可能であるが、簡潔にするために本明細書ではそれを図示または説明することをしない。様々な実施形態では、第１のシリンドリカルレンズ３０２は、第２のシリンドリカルレンズ３０４から９０度（９０°）に、すなわちそれに対して垂直に向けられる。第１のシリンドリカルレンズ３０２と第２のシリンドリカルレンズ３０４は、同じ方向に向いていても、互いに向き合っていても、あるいは互いに外方に向いていてもよい。

チャネル５０６中を通過する光５０４は、シリンドリカルレンズ３０２、３０４で集束されてチャネル５０８を出て行く。チャネル５０６、５０８は、エッチングまたは機械加工によるなど、適切な任意の手段を使用して製作することができる。様々な実施形態では、チャネル５０６および／または５０８は、所望の位置および／または向きで光透過デバイスまたは構造物を収容するように寸法設定することができる。例えば、１つまたは複数のチャネル５０６、５０８は、光ファイバケーブルを受け入れるように寸法設定することができる。別の例として、１つまたは複数のチャネル５０６、５０８は、光源または光検出器を収容するように構成することもできる。

図９および図１０は、第１のシリンドリカルレンズ３０２を形成するエッチング処理を用いて製作されている、リリースされるシリンドリカルレンズシステム９００の実施形態を示す。第１のシリンドリカルレンズ３０２がその基板９０２、または取っ手からリリースされた後、そのリリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２を取り上げ、基板５０２内の所望の位置および向きに配置することができる。図９は、基板９０２の上面図であり、リリースされる多くの第１のシリンドリカルレンズ３０２を単一のエッチング処理中に形成できることを示す。

図１０は、複数のガイド１００２の上に位置決めされている、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２のうちの１つの透視図である。第１のシリンドリカルレンズ３０２は、シリンドリカル面３０６、および任意選択のガイド部分１００４を含む。ガイド部分１００４はガイド１００２に対応する。したがって、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２が取り上げられ、基板５０２上の所望の位置に配置されると、ガイド部分１００４は、対応するガイド１００２と摺動可能に係合して、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２をその意図された位置および向きへと案内する。ガイド部分１００４、および対応するガイド１００２には、適切な任意の形状および／またはサイズを使用できることを理解されたい。

第２のシリンドリカルレンズ３０４は、基板５０２に対して垂直に向けられることに注意されたい。したがって、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２は、第２のシリンドリカルレンズ３０４から９０度（９０°）に、すなわちそれに対して垂直に向けられる。

さらに、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２の高さが、第１のシリンドリカルレンズ３０２をチャネル５０６の床面から所望の高さに配置することを容易にすることができる。いくつかの実施形態では、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２の下端に床面止め具などを追加して、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２をチャネル５０６の床面から所望の高さに配置することをさらに容易にすることができる。

図９および図１０に示された実施形態により、第２のシリンドリカルレンズ３０４、およびその付随するシリンドリカル面３０８は、適切な任意のエッチング処理を用いて基板５０２内に形成できることを理解されたい。すなわち、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２、およびその対応する第２のシリンドリカルレンズ３０４は、２回のエッチング処理を用いて形成することができる。（したがって、前述のビーム源５１０（図５）は、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２、またはその対応する第２のシリンドリカルレンズ３０４を形成するためには必要ではない。しかし、ビーム源５１０は、シリンドリカル面３０６、３０８を磨くなど、他の目的に使用することができる。）
図９および図１０に関し、他の実施形態では、第２のシリンドリカルレンズ３０４（基板５０２のエッチング処理によって形成）は、第２のシリンドリカルレンズ３０４が最初に透過光を受光するように、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２の前に配置することもできる。また、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２と第２のシリンドリカルレンズ３０４は、同じ方向に向いているとして図示されている。別法として、リリースされた第１のシリンドリカルレンズ３０２と第２のシリンドリカルレンズ３０４は、互いに向かい合っても、あるいは互いに外方に向いていてもよい。

本明細書に記載した様々な実施形態において、そのシリンドリカルレンズは、反対の方向に通された光を集束できることを理解されたい。例えば、それだけには限らないが、光５０４は図５で、チャネル５０６に入ってチャネル５０８を出て行くとして示されている。光５０４は、それとは別にチャネル５０８中に通されてチャネル５０６から出て行くことも可能である。さらに、光５０４がシリンドリカルレンズシステム５００中を図示のように通される一方で、第２の光のビーム（図示せず）がチャネル５０８中に通されてチャネル５０６から出て行くことも可能である。

上記のように、本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によっては限定されない。そうではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲を基準として完全に範囲を定められるべきものである。

独占的な権利または特権が主張される本発明の諸実施形態は、添付の特許請求の範囲のとおりに定義される。

１０２ 光源
１０４ 球レンズ
１０６ ＭＥＭＳ光学システム
１０８ 放射光
１１０ 集束光
２００ シリンドリカルレンズシステム
３００ シリンドリカルレンズシステム
３０２ 第１のシリンドリカルレンズ
３０４ 第２のシリンドリカルレンズ
３０６ シリンドリカル面
３０８ シリンドリカル面
３１０ 光
４００ シリンドリカルレンズシステム
４０２ レンズ部分
５００ シリンドリカルレンズシステム
５０２ 基板
５０４ 光
５０６ チャネル
５０８ チャネル
５１０ ビーム源
５１２ 切断ビーム
５１４ ビーム源
５１６ 切断ビーム
５１８ 基板５０２の一部分
６００ シリンドリカルレンズシステム
７００ シリンドリカルレンズシステム
８００ シリンドリカルレンズシステム
９００ シリンドリカルレンズシステム
９０２ 基板
１００２ ガイド
１００４ ガイド部分

Claims (4)

1. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）光デバイス（９００）であって、
   第１のＭＥＭＳ基板（９０２）と、
   第２のＭＥＭＳ基板（５０２）と、
   第１のシリンドリカル面（３０６）を有し、第１の長手方向軸を有する、前記第１のＭＥＭＳ基板上の第１のシリンドリカルレンズ（３０２）と、
   第２のシリンドリカル面（３０８）を有し、第２の長手方向軸を有する第２のシリンドリカルレンズ（３０４）と、
   前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）の一端にガイド部分（１００４）を備え、前記ガイド部分が、前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）を前記第２のＭＥＭＳ基板上に案内するために、前記第２のＭＥＭＳ基板（５０２）内の少なくとも１つの対応するガイド（１００２）と摺動可能に係合するように構成され、
   前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）が、前記第２のＭＥＭＳ基板上に配置され、
   前記第１の長手方向軸が、前記第２の長手方向軸に対して垂直に向けられており、
   前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）が、チャネル（５０６）の床面から所望の高さに前記第１のシリンドリカルレンズを配置することを容易にすることができる手段を含み、
   前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が協働して、前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）および前記第２のシリンドリカルレンズ（３０４）中を通過する光を集束する、光デバイス。
2. 前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに向かい合い、前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに外方に向き、あるいは前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに反対の方向に向く、請求項１に記載の光デバイス（９００）。
3. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）光デバイス（５００、６００、７００、８００）であって、
   ＭＥＭＳ基板（５０２）と、
   前記ＭＥＭＳ基板上の、第１のシリンドリカル面（３０６）を有する第１のシリンドリカルレンズ（３０２）であって、前記第１のシリンドリカルレンズが、イオン切断ビーム（５１２）により形成され、前記ＭＥＭＳ基板（５０２）に形成された第１のチャネル（５０６）の底面に対して第１の鋭角をなす第１の長手方向軸を有し、
   前記ＭＥＭＳ基板（５０２）上の、第２のシリンドリカル面（３０８）を有する第２のシリンドリカルレンズ（３０４）であって、前記第２のシリンドリカルレンズが、イオン切断ビーム（５１６）により形成され、前記ＭＥＭＳ基板（５０２）に形成された第２のチャネル（５０８）の底面に対して第２の鋭角をなす第２の長手方向軸を有し、
   前記第１の長手方向軸は、前記第２の長手方向軸に対して垂直に向けられており、
   前記第１および第２のシリンドリカルレンズは、前記ＭＥＭＳ基板上の単一の構造体上にあり、
   前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が協働して、前記第１のシリンドリカルレンズ（３０２）および前記第２のシリンドリカルレンズ（３０４）中を通過する光を集束する、光デバイス。
4. 前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに向かい合い、前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに外方に向き、あるいは前記第１のシリンドリカル面（３０６）と前記第２のシリンドリカル面（３０８）が互いに反対の方向に向く、請求項３に記載の光デバイス（５００、６００、７００、８００）。
   

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