JPH02301702A - プレーナー反射光学デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 定則り肯１ 本発明は、本発明と同一の発明者によって同一の日付に
て出願される複数の発明、つまり、ｒフリー　スペース
　プレーナー光学要素の集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
　ｏｆ　Ｆｒｅｅ−３ｐａｃｅ　Ｐｌａｎａｒ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　Ｃｏｗｐｏｎｅｎｔｓ　）　、Ｊ、ｒ基板間
光学要素のマスク　コントロール結合（Ｍａｓｋ　Ｃｏ
ｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆ　Ｉｎｔｅｒ
−５ｕｂｓｔｒａｔｅ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｐｏｎ
ｅｎｔｓ）　Ｊｌ、及び「インチクレーティト　オブテ
ィクス　ファクシミリ装置（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　０
ｐｔｉｃｓ　Ｆａｃｓｉ＋５ｉｌｅ　Ａｐｐａｒａｔｕ
ｓ　）　Ｊという名称の発明と関連する。

本発明はフリー　スペース計算環境に対するインテグレ
ーテッド　オブティクスに関する。より具体的には、フ
リー　スペース計算を実現するために煩雑な機械的構成
の整合を必要としない光学要素の相互作用アレイを開発
するための技術に関する。

今日の光学システムは、機械的手段によって搭載及び整
合される様々な光学要素、例えば、レンズ及びビーム　
スプリッターを使用する。複数の個々の要素から成る複
合光学システムにおいては、これら要素の整合及び安定
性は重大な問題となる。整合の問題は、要求される精密
アプローチか従来の精密メカニクスの限界に接近すると
特に重大となる。

フリー　スペース光学計算システムにおいては、要求さ
れる精度は、論理動作、例えば、ＡＤＮ及びＯＲ機能を
遂行するために使用される光学論理ゲートのサイズに比
例する。典型的には、現時点において開発中の光学論理
デバイスのサイズは、数ミクロンあるいはそれ以下であ
る。これは、これら光学要素に対する整合公差かミクロ
ン以下のレンジでなければならないことを意味する。光
学要素の従来の機械的整合は、１０ミクロンのレンジの
精度に゛Ｃ可能であり、これ以下のレンジにおいては、
従来の技術は、急速に割高なものとなる。これは、非常
に精密な搭載を必要とする複合光学システムを構築する
ためには、別の技術を開発しなければならないことを意
味する。従って、問題は、結果として、温度の変化、機
械的ストレス、エージングなどのような影響にもかかわ
らず、安定した構造が得られるようにサラミクロン精度
にていかに全ての要素を組み立てるかと言うことである
。

半導体技術においては、相互接続も一つのチャレンジで
ある。半導体におけるこのチャレンジは、電子要素（例
えば、トランジスタ、抵抗体、経路等）か基本的にプレ
ーナー　デバイスてあり、電子要素間のこの相互接続か
プレーナー経路に制約されると言う事実に起因する。こ
れは、集積回路への或はこれからの接続に対して特に問
題となる。この理由は、集積回路のエツジに到達する必
要性、及び入力／出力リード上の信号を回路キャパシタ
ンスの存在下において要求される電圧レベルにトライフ
するのに十分な電流を運ぶ能力を提供する必要性にある
。

電子回路における相互接続の問題を解決するために、最
近の提案はフリー　スペース光学手段を使用することを
示唆する。本発明に最も関係するＶＬＳ■システムの光
学相互接続に対する構成は、フットマン（Ｇｏｏｄｍａ
ｎ　）らによってＩ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　ｎ　（Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ）　、　Ｖｏｌ、　７
２、　Ｎｏ、　７．１９８４年７月号、ベージ８５０〜
８６５において説明されており、より最近ては、ツレナ
ー（Ｂｒｅｎｎｃｒ）らによって、ア°ライト　オブテ
ィクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）Ｖｏｌ、　２
７　、Ｎｏ、　２０．１９８８年、１０月１５日号ペー
ジ４２５１〜４２５４において説明されている。両者と
も集積回路の露出された表面か光学検出器を含む構成を
示す。

フットマンらの構成においては、光は、集積回路の外側
からあるいは集積回路の工・ンシの所の光源から加えら
れる。この光は、集積回路の表面の上に位置するホロク
ラム基板に向けられ、そして、このホロクラムかホログ
ラム内に埋め込まれた情報に基づいてこの光学信号を所
定の検出器に送る。

ツレナーらの構成は、光源及び検出器の両者が同一の露
出された集積回路上に位置すると言う点においてフット
マンらの構成と類似する。光はこの集積回路の露出され
た表面の上に保持され、基板の指定される位置にホロク
ラムを含む基板に向けられる。

これらホログラムは、基板の集積回路に対面する表面（
近い端の面）の所に位置し、ミラー化された表面か、基
板の反対側の表面（遠い端の面）の所に置かれる。集積
回路の光源からの光は、基板のホロクラムを通過し、ミ
ラー化された表面を反射し、（この構成が正しく整合さ
れている場合は）光学検出器が位置する集積回路の表面
に戻る。ツレナーらの構成の一つの実現においては、遠
い端の面から反射された光は、近い端の面］二のミラー
化された部分を反射し、再び、遠い端の面を反射した後
に集積回路に到達する。これは、光学経路を長くし、光
学検出器対光源の位置決めに幾らかのフレキシビリティ
を与える。

上記の構成は、恐らくは、集積回路への或はこれからの
信号をリレーする問題は解決する。但し、これらは、光
学計算システムの必要性を解決することはない。第一に
、これらは整合に対する必要性を解決しない。上に説明
の構成のホログラム及びミラーは、厳密に整合されなけ
ればらなない。第二に、これらは、光学信号を一つのポ
イントから送信し、これをもう一つのポイントの所て受
信すると言う比較的単純なプロセスのみを扱う。これら
はより一般的に互いに相互作用する光学要素を持つ回路
を製造する問題は解決しない。第三に、上に説明のシス
テムは、基本的に、一対一或は一対複数の通信を扱うか
、一方において、光学計算アプリケーションは、イメー
ジ（点の集合）をリレーする必要性を持つ。

この差異の重要性は、レンズかイメージを反転すると言
う事実による。スポットからスポットの通信のケースに
おいては、この反転は検出器には無関係であり、従ワて
考慮に入れられない。イメージ操作の場合は、これとは
反対に、犠牲を伴うことなくイメージの部分を反転する
ことばてきない。

半導体集積回路の製造技術に注意を向けると、現在の技
術は回路全体を単一基板上に形成し、結果として、製造
された要素に対する相互接続組織か回路要素自体の製造
と同時に製造されることか観察される。又、回路要素の
互いの相対位置も固定される。

後者は、電子回路実施態様においては、これら相互接続
が回路構造内の物理的なポイントからポイントへの相互
接続であるために必すしも重要てはない。光学回路にお
いては、これは非常に重要となる。本発明の脈絡におい
ては、光学回路は、光学信号に関する予め決定された変
換を遂行する光学要素、例えば、ミラー、レンズ等の配
列である。

技能者たちは、光学回路に対するハツチ式半導体製造技
術の長所について認識している。例えば、ｒプレーナー
光学位相要素の製造（Ｆａｂｒｉｃ、ａｔｉｏｎ　ｏｆ
Ｐｌａｎａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｌｅｍ
ｅｎｔｓ）　Ｊ、笈１瀘μ（Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｃｏ＋
ｗｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）　　、　Ｖｏｌ、８　　　
Ｎｏ、　　２、１９７３年Ｚ月号、ベージ１６０〜１６
２において、ファイアスター（Ｆｉｒｅｓｔｅｒ）らは
、比較的伝統的な製造技術を使用して光学位相要素を製
造するための技術を説明している。彼等のプロセスは、
蒸着アルミニウムにてカバーされたガラスから開始する
。このアルミニウムかフォトレジストにてコーｌ〜され
、このフォトレジストに二進パターン　マスクか施され
、このアルミニウムかこのマスクによって描かれるパタ
ーンに化学的にエツチングされる。その後、残りのフォ
トレジストか除去され、抵抗加熱真空蒸着を使用してフ
ッ化トリウムの層か上に堆積される。最後に。

このアルミニウム　パターンか化学的にエッチンク除去
され、ガラスと接触したフッ化トリウムか残される。

より最近では、ｒ電子ビーム　リンクラフイーによって
製造される長方形開口マイクロ　フレスネルレンズ　ア
レイ（Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ−ａｐｅｒｔｕｒｅｄ　
ｍ１ｃｒｏ−Ｆｒｅｓｎｅｌ　１ｅｎｓ　ａｒｒａｙ　
ｆａｂｒｉｃａＬｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅ
ａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）　Ｊ、ア°ライト　オプ
テ　クス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）　、Ｖｏｌ
、　２６　、Ｎｏ、　３　、　１９８７年２月−号ペー
ジ５８７〜５９１において、シオノ（３ｈｉｏｎｏ）ら
は、ガラス基板上に焼き固められたコーティングの結果
としてのエッチングが電子ビーム描写システムによって
達成されるアレイのフレスネル　レンズを製造するため
の電子ビーム　アプローチを説明する。

これら論文は、組合わせにてアレイの要素を形成する複
数の光学要素を形成するハツチ処理技術の使用を示す。

これらアレイは、特定の光学要素、例えは、レンズ　ア
レイ、検出器アレイ、ホロクラム等を形成するために使
用される。これらアレイ要素の共通の特性は、製造され
たアレイのデバイス全体に一単位としてエネルギーか加
えられる或はここから取り出されることである。これら
要素自体の間には、それらの特定の構成を”マクロ″光
学要素てはなく°“回路″に変換するような一意的に設
計された相互作用は存在しない。

従って、厳重な機械的整合を必要としない光学計算回路
を製造するだめの未解決の要求か存在する。

光肛Ｌ１石 先行技術の光学計算装置の整合ヒの欠点を克服するため
には、全ての必要な光学要素を単一基板−１−に集積し
、これら要素をこれらか互いに相り作用して要求される
機能を遂行するような方法にて配列すると良い。これは
、光源、光学検出器、ミラー化された表面セグメント、
格子セグメント、透過レンズ及び反射レンズを含む。こ
の基板は一つ或は二つの主面を持ち、これら要素はこれ
ら表面−Ｌに従来の集積回路製造技術を使用して成長あ
るいは製造される。

このような回路においては、光学要素の相対位置は、製
造マスクによってセットされる。これら製造マスクは、
０．１ミクロンのオーダーの位置精度を提供する電子ビ
ーム　ライターによって生成することかてきる。このマ
スクは、直径にて、数インチという大きさを持つことか
てきる。

このような光学回路に対する幾つかの好ましい実施態様
の最も効率的な実現のために本発明は反射プレーナー光
学デバイスを提供する。これらデバイスは、本発明によ
ると、反射層を基板上に製造される光学プレーナー　デ
バイスと直接接触するように含めることによって形成さ
れる。

１菓亙盈朋 本発明の核心は、異なるプレーナー光学デバイスが一つ
の基板上に製造でき、それらデバイスの相対位置が光学
的に互いに相互作用して光学回路を形成するようにてき
るという認識に基づく。

本発明による一つの基本実施態様においては、基板が透
明な材料、例えば、ガラスから製造され、そしてプレー
ナー光学要素がこの基板の二つの表面」二に製造される
。これら要素は、基板内で様々なレンズ、ビーム　スプ
リッター、ミラー等の間で“バウンス″することによっ
て、これら要素と相互作用するように基板内に入る光に
対して配列される。基板内に光を閉じ込めるために、全
てのプレーナー光学デバイスは反射コーティングによっ
てカバーされる。

本発明のもう一つの基本実施態様においては、その上に
プレーナー光学要素が製造される基板は不透明てあり、
光学要素の上側に透明の基板が置かれる。この透明の基
板は、少なくとも一つのミラー化された一つの表面を含
むか、但し、これは、本発明の上に述べた第一の実施態
様によると、他のより複雑なプレーナー光学要素を含む
。第二の実施態様の長所は、第一の不透明な基板か透明
の材料にはない望ましい特性を持つ材料から製造てきる
という事実に依存する。例えば、様々なデバイス、例え
ば、光学検出器、レーサー等は、現時点においては、透
明な材料から製造することはてきず、半導体基板から製
造される。

第１図は、第一の下面の所のイメージ１０、イメージ１
０から１焦点距離たけ離れた所に位置するレンズ２０、
レンズ２０から１焦点距離だけ離れ、そしてイメージ１
０から２焦点距離たけ離れた所に位置する位相クレーテ
インク　プレート３０を含む典型的な４−ｆイメージン
グ　セットアツプを示す。

イメージ１０から（レンズ２０と位相クレーテインク３
０と同軸に）更にｌ焦点距離たけ離れた所にはレンズ４
０が存在し、イメージｌＯから更にｌ焦点距離たけ離れ
た所には、イメージンク平面５０か存在する。第一図の
光学セットア・ンプは、これは単純なイメージングに対
して使用てきるが、そればかりか、アナログ或はデジタ
ル　データ処理におけるその他のアプリケーションに対
しても使用できる為、非常に一般的なものである。例え
ば、このセットアツプは、１９８９年１月１１日付けて
申請された合衆国構造出願第２９６，２８４号において
ブレナー（Ｂｒｅｎｎｅｒ）及ひハーング（ｔｌｕａｎ
ｇ）らか開示するバーフェク１〜　シャフル相互接続網
の一つのステージを実現するために使用することかてき
る。位相プレーナインク　プレート３０は、表面５０の
所にもう−・つのイメージングと相対的な要求される空
間シフトを与える単純ビーム　スプリッターを実現する
ように設計することかできる。このシフティンクは（上
に述べた構造において説明されているように）、パーフ
ェクトシャフル構成を形成するように調節することかて
きる。

本発明によると、第１図の構成は、第２図及び第７図に
示される構成にて実現することができる。

第２図は、断面図にて、光学回路を形成するプレーナー
光学要素を製造するためにＶＬＳＩ技術を使用する光学
要素の整合の困難さを回避するだめの我々の基本的なア
イデアを示す。第２図内の基板（６０）は透明である。

経路６１を通る入力光線は、基板６０の底面上に製造さ
れたプレーナー　レンズ６２に加えられる。レンズ６２
の外側表面（ガラス、！、（板から離れた表面）はレン
ズ６２を反射レンズにするだめに反射層にてコートされ
る。プレーナー　レンズ６２を通過する光は、反射され
、従って、基板６０の上側表面に到達するか、ここには
、プレーナー　ビーム　スプリッター６３か製造される
。プレーナー　ビーム　スプリッター６３の外側表面（
ガラス基板から離れた表面）も反射層にてコートされる
。プレーナー　ビーム　スプリッター６３を通過する光
線は反射され、従って基板６０の底面に到達するか、こ
こには、プレーナー　レンズ６４か製造される。レンズ
６４は、レンズ６２と同一である。

レンズ６４から反射される光は、基板６０から経路６５
に沿って出る。

プレーナー　レンズ６２、並びに他のプレー光学デバイ
スは周知の技術を使用して製造できることは明白である
。但し、デバイスの製造に関する概念と、製造されるべ
きものの設計を教える概念とははっきりと区別されるべ
きである。前者との関連においては、従来の技術か半導
体デバイスの多量生産に使用可能であり、又、上に述べ
た如く、これら技術の多くか光学デバイスの製造に採用
されている。何を製造するかの設計に関しても興味ある
アプローチが存在する。知られているアプローチは、要
求される光学応答の２−レベル実現を採用する。ここ゛
Ｃ採用される一つのアプローチは、複数レベル製造技術
であるか、これは、事実上は、プレーナー光学デバイス
のアナロク設計のデジタル実施態様である。成長、エツ
チング及び拡散は、使用てきる幾分具なる製造技術であ
る。

第３図は、例えば、本発明によるフレスネル　レンズの
断面図を示す。第４図は第３図の光学デバイスの本発明
による゛プレーナー多重レベル光学レンズ（ｐｌａｎａ
ｒ　ｍ＋＋Ｉｔｉ刊ｅｖｅｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　１ｅｎ
ｓ　）　”の断面図を示す。第４図の実現は、要求され
るレベルの数のｌｏｇ２に等しい数のマスクによる基板
」−へのプレーナー光学デバイスの成長を行なう。第２
図において使用されるデバイスの製造の最終ステップは
反射コーチインつてある。

上に述べた如く、第２図の構成内の光学安素は、基板内
に伝播する信号に関して動作する。従って、反射コーテ
ィングは成長された構造の最も七に施される。我々のプ
レーナー光学要素か基板の外側から光学要素に到達する
信号に関して動作するようなアプリケーションにおいて
は、この反射コーティングは、基板の第一の層として施
すこともてきる。これら変形か第５図に示されるか、こ
こては、反射表面か６６及び６７によって示される。

第６図は、成長技術てはなく、エツチング技術を使用す
るレンズの実現を示す。ここても反射層は、レンズの形
成に続くステップである。ついてなから第６図の実現上
の反射表面は、結果として、基板の外側からプレーナー
　レンズに到達する光、並びに基板の内側から到達する
光に対するレンズ動作を与える。

第２図の説明に戻り、レンズ６２とビーム　スプリッタ
ー６３との間の経路はかなり短い。この経路は、単に光
か基板のヒ側及び下側表面を何回も“弾む（ｂｏｕｎｃ
ｅ　）　”ことを許すことによって簡単に長くすること
かできる。この構成の例か第７図に示される。経路長の
問題に直接関係しない第７図の実施態様の一つの属性は
、それらの構造及び相対的な位置か非常に重要となる複
合プレーナー光学デバイスの全てか基板６０の同−表面
子に存在することである。基板６０のもう一方の表面は
、単純な反射表面或はフレイスされたクレーテインク（
＋１１　ａ　７．　ｃ　ｄｇｒａｔｉｎｇ）である。

第８図は、二つ或は三つ以上の基板か使用されたときの
本発明の原理を図解する。第８図において、基板７０は
透明てあり、一方、基板８０は不透明である。第７図の
場合と同様に、入り光線は経路６１に沿ってこの構成の
外側から入る。これは、プレーナー光学デバイス７１か
ら７９を通過した後、経路６５に沿って出る。光学デバ
イス７３．７６及び７８は、第２図及び第７ＶＡとの関
連で上に説明のタイプの反射プレーナー光学デバイスで
ある。これらは基板７０の」−側表面上に製造される。

プレーナーデバイス７７は、基板７０の基板８０の］二
側とかみ合う側である下側−１−に製造された反射プレ
ーナー光学デバイスである。デバイス７１及び７４も基
板７０の下側表面」二に製造されるか、これらは透過性
プレーナー光学デバイスである。つまり、デバイス７１
及び７４は、これらデバイスによって交互される光か基
板８０に到達することを許す。第７図の実施態様と同様
に、全てではないとしても、殆どの位置敏感光学デバイ
スを互いにかみ合うようにされた基板７０及び８０のこ
れら表面」；に製造することによって大きな長所か得ら
れる。

本発明の背景内においては、反射プレーナー光学デバイ
スは、製造される光学デバイスの統合された部分を構成
する反射のための手段、例えば、反射コーチインクを持
つデバイスであることに注意する。

これは、例えば、基板の反対側にミラーを持ち透明の基
板上に製造された透過性光学デバイスは含まない。この
後者の構成は、本発明の語法では、透過性光学デバイス
及びミラーを持つ構成であると呼ばれる。勿論、ミラー
も−っの光学デバイスである。ミラーとより複雑な光学
デバイス、例えば、レンズ、プリズム、ビーム　スプリ
ッター等を区別するために、用語°゛レベルＡ光学デバ
イス”はミラーを意味し、“レベルＢ光学デバイス°′
はミラー以外のデバイスを意味する。

基板８０は光学要素７２．７５及び７９を含む。

これらは全て、反射プレーナー光学デバイス、光検出器
、或は光エミッターである。

基板８０と７０のメーティングは二つの問題を回避する
。第一の問題は、基板７０と空気の間及び基板７０と基
板８０との間の屈折率の変化と関連する。基板８０も透
明でありまた透過性光学デバイスか使用されるようなア
プリケーションにおいては、基板８０の屈折率も考慮に
入れなければならない。

他のアプリケーションにおける場合と同様に、屈折率と
関連するこれら問題は、基板７０と８０の間に屈折率マ
ッチンク流体或はこれら表面上に反射層１１ｚコーチイ
ンクを使用することによって改善するととかてきる。

基板７０及び８０に対する第二のメーティンク問題は、
単に、基板７０Ｌのデバイスと基板８０」−のデバイス
との間の整合問題である。例えば、基板８０」二の反射
デバイス７２は、基板７０上の透過性デバイス７１と正
しく整合しなければならない。

本発明の原理によると、基板７０と８０は、基板内に光
学デバイスの製造と共に製造された整合要素を使用する
ことによフてメーティングされる。より具体的には、基
板７０」二の光学デバイスは、」二に示されるように、
エツチング、拡散或は成長技術、或はこれらの組合わせ
を使用して、基板の表面内に突起及び凹み構造を形成す
ることによって製造される。これら整合のための突起及
び凹みを形成する光学デバイスを形成するのと全く同一
のマスク（或は形状管理メカニズム）を使用することに
よって、基板７０及び８０は、第一の例においてプレー
ナー光学デバイスな製造するときに達成されたのと回し
精度にてメーティングすることかてきる。このメーティ
ングが第９図に示されるが、これは、第７図の構成内の
光学デバイス７９並びに整合構造６６の部分を含むセグ
メントの拡大図である。

上に述べたように、第７図の構成に従うことの長所の一
つは、石英ガラスより大きな能力を持つ材料から成る不
透明の基板を使用てきることである。例えば、基板８０
は、シリコン半導体基板、ヒ化ガリウム基板、更にはそ
の上にヒ化ガリウムか成長されるシリコン基板であり得
る。これら基板を使用して、光トランジスタ、ＬＥＤ、
光学変調デバイス及びレーザーを製造することかできる
。これは、光をこの基板の所て検出すること、光学的或
は電子的に制御すること、及びこの基板りの同−或は別
の要素にてこれを再生することを許す。

第１０図は、基板８０内の光学デバイス８１か光を生成
し、基板７０内の光学デバイス８２．８３及び８４かこ
の光と相互作用し、そして基板８ｏ内の光学デバイス８
５かこの光を検出するーっの実施態様を示す。勿論、基
板８０かこの基板りに物理的に搭載されたデバイス８１
及び８５を持つことも可能であるか、この場合は、基板
７０と８０のメーティングとの関連て説明された幾つか
の長所の実現かより困難となる。

第１１図は、第７図、第８図及び１ｏ図のシステムより
も更に大きな光学システムに対する構成を示す。これは
、ドミノを置くのと類似する構成にメーティングされた
基板９１．９２．９３及び９４を含む。この構成におい
ては、光は経路９５によって示されるようにこれら基板
内を通過する。この通過の過程において、この光は、基
板９１内を通り、次に、基板９２に進み、次に９３に進
み、最後に基板９４へと進む。これら基板は、整合要素
９５の助けをかりてメーティングされる。同様の結果が
よりコンパクトな構成においても達成てきる。第１２図
に示される構成は、第１１図の構成を折り畳んだ構成を
示す。唯一の違いは、光か一つの基板から別の基板へと
送られる界面の所にあり、光の方向を変えるために透過
性のプレーナー　プリズム光学デバイスを提供しなけれ
ばならないことである。デバイス９６及び９７はこのよ
うな透過性プレーナー　プリズムである。ここでも、最
も効率的な実現のためには、第１１図の実施態様は、異
なる基板とメーティングするこれら表面上にのみ位置敏
感光学デバイスな含む。

このアプローチは、フッドマン（Ｇｏｏｄｍａｎ）及び
ツレナー（Ｂｒｅｎｎｅｒ）によって示唆されるポイン
■〜　ツウ　ポイント　アプローチと、第１図において
は、レンズ２０及び４０か夫々アレイのレンズレットに
て置換されなければならない点て異なる。イメ、−シ１
０の個々のスポットは、位置２０の所てレンズレットを
介して位置４０の所のレンズレッドにリレーされ、次に
、出力平面５０−ヒの対応するポインｌ−ｊ−に投影さ
れなければならない。これは、製造を複雑にし、光学的
制約を与え、又隣接するスポット間に空間量子化ノイズ
（ｓｐａｔｉａｌ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ　ｎｏｉ
ｓｅ）例えば、クロストークを導入する。

」１記のアプローチは光か様々なデバイスに垂直てない
角度にて到達するために発生ずる様々な問題は考慮に入
れない。第一に、この角度か９０度に近いときは、収差
や非点収差の問題は重大てない。そうてない場合は、補
償措置を取ることか必要′Ｃある。

第４図に示されるような回折レンズを使用する場合は、
パターンに−・方向に歪を笑えて、円形パターンか、例
えば、楕円になるようにすることか可能である。これは
潜在的な多くの非点収差を回避する。

もう一つの可能性は、光学システムを光か常に光学デバ
イスに９０度の角度にて入射するようにするアプローチ
である。これは、例えば、第２２図に示されるセットア
ツプにて達成される。この光学構成は三つの層から成る
。最も上側の層及び最も下側の層はブレイズされたグレ
ーティングを持つ。最も上側の層は、斜めに進んで来る
光線の方向をこれが９０度の角度にて反射されるように
変える。最も下側の層は９０度の角度にて進んで来る光
線を対応する斜角にて反射するように方向を変える。こ
うして、最も下側の層に対して９０度の角度にて加えら
れた光線は、ある角度にて最も上側の層に反射し、再度
、９０度の角度にて最も下側の層に反射されこれが繰り
返される。

第２２図の中央の層は、光学デバイス、例えば、レンズ
、光線スプリッター等を含む。これらは、斜角にて進む
光がこれら光学デバイスの間を通過するには十分に離れ
ており、９０度の角度にて進む光線がこれらデバイスを
通過するのに十分に近いような距離に置かれる。最も上
側の層及び最も下側の層は、光がこの構成に入り、これ
から出ることを許す窓を含む。

第２２図の構成は様々な方法によって製造することがで
きる。但し、本発明の原理を採用した場合は、第２２図
の構成は、二つの基板１５０及び１６０から製造するこ
とかできる。両方の基板とも、その上にブレーズされた
グレーティングか形成される一つの表面を含む。これら
基板の−・っ或は両者のもう一方の表面は、要求される
光学機能を実現するために必要な光学要素、及び、オプ
ションとして、第８図及び第９図との関連て説明された
整合手段を含む。

様々なアプリケーションが本発明から利益を得ることが
できる。これらアプリケーションの−っは、例えば、フ
ァクシミリに関する。より具体的には、ファクシミリは
、−次元検出器アレイ上にオリジナル　テキスト或は図
の一行をイメージングするタスクを持つ光学ヘッドを含
む。この検出器アレイは、典型的には、ＣＣＤライン走
査カメラである。ＦＡＸアプリケーションに対する分解
能の事実上の標準は３００ドツト／インチてあり、これ
は、約８５クミロンの画素直径、及び８インチ　イメー
シンタライン当り２４００の画素に対応する。

このように多くのドツトを分解し、しかも、コンパクト
なサイズの光学システムを作ることは可能でなかった。

従って、現在のシステムは、イメージを複数の小さなレ
ンズにて扱うが、ここで１個々のレンズは、このイメー
ジの一部のみを扱う。今日のＦＡＸマシーンの多くは、
典型的には、１ｍｍの直径及び１０−２０ｍｍの焦点距
離を持つ勾配屈折率ロッド　レンズを使用する。用紙と
レンズとの間の距離である作業距離は、従って、側面か
ら斜角にて用紙を照射するのに十分な大きさを持つ。こ
れは、発光ダイオード或はレーザー　ダイオードの一次
元アレイを使用して達成される。要約すると、ＦＡＸシ
ステム内の光学ヘットの三つの主要要素は、レンズ、照
射光源、及び光検出器である。今日、これら要素は、組
み立て及び整合を必要とする。

本発明の原理を使用すると、ＦＡＸシステムの光学ヘッ
ド全体が単一ユニットにて形成することかできる。

二つの異なる光学アプローチが、このような光学ヘット
構成を展開するために可能であるが、一つのアプローチ
においては、元のイメージか小さな、しかし、０．５−
１ｍｍの拡張された領域に細分され、そしてもう−□つ
のアプローチにおいては、元のイメージが個々の全ての
画素が自体の光学チャネルを持つように画素サイズに等
しい領域に細分される。

第一のアプローチによると、複数のレンズによって展開
されたイメージの集合から展開されたイメージが変わら
ないように、二重のイメージング　ステップが使用され
る。これは、直立イメージを保証する。この原理が第１
３図に示され、この折畳まれたバージョンが第１４図に
示される。この折畳まれたバージョンにおいては、レン
ズ９８は透過性レンズであり、一方、レンズ９９は、反
射レンズである。

デバイス１０１はミラーである。ｉｌ１図に示されるよ
うに、両方のレンズが基板ｌｏｏの低面−にに製造され
る。これらは、勿論、基板１００の−に側表面上に製造
することも、或は上側及び下側表面の両方に製造するこ
ともできる。ところで、イメージを含む用紙は、矢印Ｘ
にて示される方向に、左から右へと移動する。

レンズ９８及び９９の直径は、典型的には、１ｍｍであ
る。移動する用紙とレンズとの間の作業距離ｗは、典型
的には、１００ｍｍである。これは、結果として、レン
ズ９８及び９９か同一サイズてあり、これらの間に空間
か存在しないという想定のもとて、約５度の比較的小さ
なσを４える。

通常、レンズの視野は、その直径よりも小さい。

このため、ライン　イメージ全体をカバーしたい場合は
、＆ｉ１５図のライン１３０によって示されるように、
レンズか空間的にぎざぎざに置かれなければならない。

勿論、このぎざぎざは、システムの性能に影響を与える
ことはない。これは、よく確立された技術によって、検
出器のタイミングを少し修正することをのみを要求する
。

第１６図は、第二のアプローチに従う光学構成を示すか
、ここでは、一つの光学チャネルか個々の画素に対して
専用に使用される。第１６図の構成の折畳バージョンか
第１７図に示される。この構成は、個／ｉのアプローチ
が単一画素から来る光の強度を送出する光学ファイバー
の線型アレイを使用する構成に類似する。但し、光を集
めるレンズを使用すると、光学ファイバーによる実現に
対するようもかなり大きな作業距離Ｗを得ることが可能
となる。光ファイバーによる実現の場合は、作業距離は
、できるかぎり０に近いことが要求され、これは、摩耗
、埃などの問題を起こす。本発明によるこの実施態様に
おいては、この作業距離は、ｌ−から１０ｍｍの間であ
り得る。

第１７図のアプローチの興味深い一面は、二重イメージ
全体が必要でないことである。これは、クロス　トーク
を回避するためにｉ１６図に示されるようなコリメート
　システムが示唆されるが、オプティクスを簡素化する
。第１７図のレンズのプレーナー構成が第１８図に示さ
れる。第１６図の二つのレンズ間の距離ｔは、重要では
なく、従って第１７図及び第１８図内のレンズ間の距離
ｄも（角度σ及びガラス基板の厚さに依存する以外は）
重要ではない。ここでも、この複合プレーナー光学デバ
イスは、信頼性を向上するために用紙から離された基板
の表面上に製造することかできる。

第１９図は、イメージンク光源、光フオーカシンク経路
、及び検出器を舎むＦＡＸ光学ヘッド実施態様の全体を
示す。より具体的には、基板１２０は、透過性レンズ１
２１及び１２２、反射レンズ１２３ミラー１２４、光源
１２５及び光検出器１２６を含む。示される光学要素の
個々は、勿論、第１８図に示される一つの要素の行全体
を示す。第１９図の構成を実現するに当っての唯一の困
難さは、ガラス基板上に光源１２５及検出器１２６を製
造する問題である。検出器は、無定形シリコンをガラス
基板上に直接にスパッタリングすることによって製造す
ることかできる。一方、光源の実現はより困難である。

一般に、ＬＥＤ及びレーザー　ダイオードはヒ化ガリウ
ムから製造され、現在の所、この材料を石英ガラス上に
、或は任意の他の透明基板上に集績する方法は知られて
いない。但し、本発明の原理によると、光源及び検出器
を両方とも基板１２０上に搭載することも、或は、別の
方法として、第２０図に示されるように、ＦＡＸ光学ヘ
ッドを二つのメーティングされた基板から製造すること
もできる。下側の基板１２０は透明であり、これはレン
ズを含む。上側の基板１３０は、光源及び検出器を含む
基板である。

更にもう一つの実施態様が第２１図に示される。

これは、これが一つのガラス基板のみ、二つのアレイの
反射プレーナー　レンズ、一つのミラー表面、別個に製
造されこの基板表面に（例えば、にかわによって）付着
された光源、及びこの基板−ヒに無定形シリコンをスパ
ッタリングし、このシリコンを適当に加工して光トラン
ジスタを形成することによって製造された発光アレイの
みを含む点において、おそらく光学ＦＡＸヘットの最も
コンパクトな実施態様である。

動作において１発光アレイ１３１は、Ｘの方向に沿って
移動する用紙を照射するが、この用紙の断面が矢印Ｘに
よって示される。この線型アレイ（このアレイの正面図
は第１８図に示される）内の１３２によってマークされ
るレンズは、用紙の表面上の一行に焦点を合わせ、用紙
から反射されるこれからの光を受る。個々のレンズによ
って受けられた光は、ミラー化された表面１３３に向か
って反射する。表面１３３から反射された光は、線型ア
レイのレンズ内の１３４として示されるレンズに到達し
、これから反射される。アレイ１３４内の個々のレンズ
から反射された光は、再度、ミラー化された表面１３３
から反射し、１３５によって示される線型アレイの検出
器の一つに集められる。

勿論、この光の焦点を用紙上に集めることによって、一
層効率的な動作を得ることもできる。これは、ポイント
１３６の所にプレーナー　レンズを含めることによって
達成てきる。但し、第２１図の構成は、多くの利益を用
紙から離れた基板１４０の表面上に全゛Ｃのレンズを集
めることによって得られる。つまり、レンズに影響を与
える用紙の埃かレンズに到達することか回避される。こ
の長所は、恐らく、これら光を集めるレンズにも拡張で
きる。この一つの実施態様として、第２１図は、発光ア
レイ１３９、レンズ　アレイ１３７及びミラー化された
部分１３８を示す。このような実施態様におけるアレイ
１３１は、発光アｌ／イてはなく、レンズ　アレイであ
る。光エミツタ−１３９から出る光は、レンズ１３７に
よって果められ、次に、レンズ　アレイ１３１によって
、用紙の集中された領域に集められる。

アレイ１３９内のＬＥＤの数及びレンズの数（及びこれ
らの位置決め）は、（オブティクスかイメージング　セ
グメントを扱う）第一・の設計アプローチであるか、或
は、（オプティクスか個々の画素を扱う）第二の設計ア
プローチであるかに依存する。

ＦＡＸ光学ヘットの上記の説明は、少なくとも含蓄的に
、光検出アレイは、移動する用紙から離れて検出される
イメージと同じ広さを持つことを示唆する。勿論、全て
のケースかそうである必要はない。

反射レンズ　アレイかＸ方向に対しである角度にて移動
する光とともに動作てきるように設計てきるのと同様に
（第１７図−第２０図を参照）、このアレイは、Ｘ方向
と垂直の方向（図面の中に入る方向）に対しである角度
にて移動する光とともに設計することもてきる。事実、
２４００画素／画素子の分解能を持つＣＯＤ検出器スト
リップが簡単に製造できるため、移動する用紙から離れ
て検出されるラインか８インチの長さを持つ場合でも、
検出器アレイをｌイチンに縮小することが可能となる。

第２１図の光学構成内にこのようなＣＣＤを使用するた
めには、基板上に従来のＣＣＤストリップを（例えば、
にかわによって）取り付けることのみか要求される。

【図面の簡単な説明】

第１図は二つのレンズ及びクレーティング要素を含む４
−ｆイメージ　セットアツプを示す図：第２図は本発明
による第一図のイメージ　セットアツプの折畳まれたバ
ージョンを示す図：第３図はフレスネル　レンズの側面
を示す図；第４図は第３図のレンズの多重レベル　プレ
ーナー実現を示す図： 第５図は第４図の実現に反射プレーナー　レンズを形成
するために施される反射層を施すだめの二つの構成を示
す図： 第６図はエッチンク技術によって展開される第４図の構
成の実施態様を示す図； 第７図は上側表面上に位置する回路を形成するレンズを
持つ透明基板を示す図： 第８図は光が両方の基板上の光学要素と相互作用をする
ことを許す二つのメーティングされた基板構成を示す図
； 第９図は第８図の基板７０及び８０内に製造されたこの
二つの基板の正確な整合を許す整合手段を示す図； 第１Ｏ図は発光光学デバイス及び光検出光学デバイスの
製造を許す材料から製造された下側基板を持つ第８図の
構成を示す図； 第１１図は本発明の原理に従かう互いに正確にメーティ
ングされた複数の基板を組み立てるための一つの構成を
示す図； 第１２図は本発明の原理に従う互いに正確にメーティン
グされた複数の基板を組みｔてるためのもう一つの構成
を示す図： 第１３図はＦＡＸ光学ヘットに対するレンズの一つの光
学セットアツプを図解する図： 第１４図は本発明の原理に従う第１３図の光学セットア
ツプの折畳みバージョンを示す図：第１５図は第１４図
に示される構造のレンズ　アレイの正面図を示す図： 第１６図はＦＡＸ光学ヘッドに対するレンズのもう一つ
の光学セットアツプを図解する図；第１７図は本発明の
原理に従う第１６図の光学セットアツプの折畳みバージ
ョンを示す図：第１８図は第１６図に示される構造のレ
ンズ　アレイの正面図を示す図； 第１９図は第１６図のＦＡＸ光学ヘッドの発光アレイを
含む図； 第２０図は二つのメーティングされた基板を使用する第
１９図のセ・ントアップに対する一つの実現を示す図： 第２１図は全ての位置敏感光学デバイスか移動する用紙
から離れた表面上に構成されるＦＡＸ光学ヘッドの一つ
の実現を示す図；そして 第２２図は光を光学デバイスに垂直の方向に加えること
を許す構成を示す図である。 〈主要部分の符号の説明〉 ６０　・・・・　基板 ６１．６５　・・・・　経路 ６２．６４　・・・・　プレーナー　レンズスプリッタ テレグラフ　カムバニー 寸　　　　　　　　　　　　　で ♀ ｄ に　　　　　　　　　　　　！ に

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の実質的に平坦な表面を持つ基板；及び該基板
   の該表面上に製造された反射レベルＢプレーナー光学デ
   バイスを含むことを特徴とする光学構造。 ２、一つの基板； 該基板の表面上に製造されたレベルＢプレーナー光学デ
   バイス；及び 該レベルＢプレーナー光学デバイスをカバーする反射手
   段を含むことを特徴とする光学構造。 ３、請求項２に記載の構造において、該プレーナー光学
   デバイスが該基板上に材料を堆積することによって製造
   されることを特徴とする構造。 ４、請求項３に記載の構造において、該堆積が複数の材
   料堆積ステップを通して該基板上に階段状の構造を形成
   することを特徴とする構造。 ５、請求項２に記載の構造において、該プレーナー光学
   デバイスが該基板からエッチング除去することによって
   製造されることを特徴とする構造。 ６、請求項５に記載の構造において、エッチングが複数
   の材料エッチングステップを通じて該基板上に階段状の
   構造を形成することを特徴とする構造。 ７、一つの基板； 該基板の表面上に位置するミラー化された表面；及び 該ミラー化された表面上に製造されたレベルＢプレーナ
   ー光学デバイスを含むことを特徴とする光学構造。 ８、請求項７に記載の構造において、プレーナー光学デ
   バイスが該基板上に材料を堆積することによって製造さ
   れることを特徴とする構造。 ９、請求項８に記載の構造において、該堆積が複数の材
   料堆積ステップを通じて該基板上に階段状の構造を形成
   することを特徴とする構造。 １０、第一の表面及び第二の表面を持つ透明基板；該第
   一の表面上に製造された複数の反射レベルＢプレーナー
   光学デバイス；及び 該第二の表面上に製造されたミラーを含むことを特徴と
   する光学システム。 １１、請求項１０に記載のシステムにおいて、該複数の
   反射レベルＢ光学デバイスがマクロ光学デバイスを形成
   するアレイに配列されることを特徴とするシステム。 １２、第一及び第二の表面を持つ透明基板；該第一の表
   面上に製造された少なくとも一つのプレーナーレベルＢ
   光学デバイス； 及び 該第二の表面上に製造された少なくとも一つのプレーナ
   ーレベルＢ光学デバイスを含むことを特徴とする光学シ
   ステム。 １３、一つの不透明な基板；及び 該基板の表面上に製造された複数の反射レベルＢプレー
   ナー光学デバイスを含むことを特徴とする光学システム
   。 １４、請求項１３に記載のシステムにおいて、該複数の
   レベルＢ光学デバイスがマクロ光学デバイスを形成する
   アレイに配列されることを特徴とするシステム。 １５、請求項３に記載の構造において、該拡散が複数の
   材料堆積ステップを通じて該基板上に階段状の構造を形
   成することを特徴とする構造。