JPH02301703A - フリースペースプレーナー光学要素の集積 - 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】 た匪辺貢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、プレーナー反射光学
デバイス（Ｐｌａｎａｒ　ＲｅｆｌｃｒＪｉｖｅ　０ｐ
ｔｉｃａｌＤｅｖｉｃｅｓ　）　Ｊｌ　、　　Ｉｉ′基
板間光学要素のマスク　コン１へロール結合（Ｍａｓｋ
　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇｏｒ　Ｉｎ
Ｌｃｒ−８ｕｂｓＬｒａＬｃ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｎ
＋ｐｏｎｅｎ１．ｓ）　Ｊｌ、及び「インデクレーテッ
ド　オブティクス　ファクシミリ装置（Ｉｎｔｅｇｒａ
ｔｅｄ　　０ｐｔｉｃｓ　　Ｆａｃｓｉｍｉｌｅ　　Ａ
ｐｐａｒａＬｕｓ　　）　　ＩＪｌ　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デクレ
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、例えは、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がミクロ
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
精度にて可能であり、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、安定した構造か得られるようにサブミクロン精度に
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／出力リート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ドライブ
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、グツドマン（Ｇｏｏｄｍａ
ｎ　）らによってＩ　ＥＥＥの−（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ　ｏｆ、ｔｌ＋ｅ　ＩＥＥＥ）　、　Ｖｏｌ、　７２
、Ｎｏ、　７．１９８４年７月号、ベージ８５０〜８６
６において説明されてＳす、より最近ではブレナー（Ｂ
ｒｅｎｎｅｒ）らによって、ア　ライ′　オプテ　クス
（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）Ｖｏｌ、　２７　、
　Ｎｏ、　２０．１９８８年、１０月１５日号ベージ４
２５１〜４２５４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
。

グツ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エツジ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グラ
ム基板に向けられ、そして、このホログラムがホログラ
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グツト
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グ
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が、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、基板のホログラムを通過し、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）光学検出器か位置する集積回路の表面
に戻る。ブ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、近い端の面上のミラー化
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
の構成のホロクラム及びミラーは、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−っのポ
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、従って
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
ことはてきない。

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ヒに形成し、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
か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ずしも重要ではない。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λ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、「プレーナー
光学位相要素の製造（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＰ
ｌａｎａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐｈａｓｅ　ＥｌｅＩＩ
Ｉｅｎｔｓ）　Ｊ、爪工盪（（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍ
ｍｕｎｉｃａＬｉｏｎｓ）　、　Ｖｏｌ、Ｓ　　Ｎｏ、
　２．１９７３年２月号、ベージ１６０〜１６２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
ルミニウムがフォトレジストにてコートされ、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
が除去され、抵抗加熱真空蒸着を使用してフッ化トリウ
ムの層か」；に堆積される。最後に、このアルミニウム
　パターンが化学的にエツチング除去され、ガラスと接
触したフッ化トリウムか残される。

より最近ては、「電子ビーム　リンクラフイーによって
製造される長方形量［１マイクロ　フレスネルレンズ　
アレイ（Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ−ａｐｅｒｔｕｒｅｄ
　ｌｌ１ｉｃｒｏ−Ｆｒｅｓｎｅｌ　　１ｅｎｓ　　ａ
ｒｒａｙ　　ｆａｂｒｉｃａＬｅｄ　　ｂｙ　　ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）　４１
、ア°ライド　オブーイクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　　０ｐ
ｔｉｃｓ）　　、　　Ｖｏｌ、　　２６　　、　　Ｎｏ
、　　３　　、１ｑ８７年　２月−号ベーシ５８７〜５
９１において、シオノ（Ｓｈｉｏｎｏ）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ツ
チングか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バッ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、例えば、レンズ　ア
レイ、検出器アレイ、ホログ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“°マクロバ
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
を製造するための未解決の要求か存在する。

え胛公１石 本発明は、全ての必要な光学要素を単一基板」−に集積
し、これら要素をこれらかｒｔｘいに相互作用して要求
される機能を遂行するような方法にて配列することによ
って、先行技術による光学計算の整合」−の欠点を克服
する。これは、光源、光学検出器、ミラー化された表面
セグメント、グレーティング　セクメント、透過レンズ
及び反射レンズを含む。この基板は一つあるいは二つの
主面を持ち、これら要素はこれら表面上に従来の集積回
路製造技術を使用して成長或は製造される。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
ーによって形成される。このマスクは、直径にて数イン
チと言う大きさを持つことかてきる。これらレンズは、
単に光をポイントからポイントに運ぶのではなく（スポ
ットの集合である）イメージをリレーするように設計さ
れる。

幾つかのアプリケーションにおいては、基板は透明なも
のが使用される。透明な基板か使用された場合、幾つか
のアプリケーションは主に基板内を伝わる光学信号と相
互作用する光学要素を製造することによって利益を受け
る。

ｌ鞭屋鳳１ 本発明の核心は、異なるプレーナー光学デバイスか一つ
の基板上に製造てき、それらデバイスの相対位置か光学
的に互いに相互作用して光学回路を形成するようにでき
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、基板か透
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トに製造される。

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、ミラー等の間て”ハウンスパすることによって
、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。基板内に光を閉し込めるために、全て
のプレーナー光学デバイスは反射コーチインクによって
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か製造される基板は不透明であり、
光学要素の上側に透明の基板か置かれる。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
むが、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できる
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、レーザー等は、現時点においては、透
明な材料から製造することはできず、半導体基板から製
造される。

第１図は、第一の平面の所のイメージ１０、イメージ１
０から１焦点距離だけ離れた所に位置するレンズ２ｏ、
レンズ２ｏから１焦点距離だけ離れ、そしてイメージ１
０から２焦点距離だけ離れた所に位置する位相グレーテ
ィング　プレート３０を含む典型的な４ｆイメーシンク
　セットアツプを示す。イメージ１０か６１焦点距離だ
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ｌＯか６２焦点距離だけ離れた所に位置
する位相グレーティング　プレート３０を含む大型的な
４−ｆイメージング　セットアツプを示す。イメージｌ
Ｏから（レンズ２０と位相グレーティング３０と同軸に
）更に１焦点距離だけ離れた所にはレンズ４０か存在し
、イメージ１０から更にｌ焦点距離だけ離れた所には、
イメージンク平面５゜か存在する。第一図の光学セット
アツプは、これは単純なイメージングに対して使用でき
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て
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日付けで申請された合
衆国特許出願第２９８，２８４号においてブレナー（Ｂ
ｒｅｎｎｅｒ）及びハーンク（Ｈｕａｎｇ）らか開示す
るパーフェクトシャフル相互接続網の−っのステージを
実現するために使用することかてきる。位相グレーティ
ングプレート３０は、表面５０の所にもう一つのイメ−
ジンク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て
きる。このシフティンクは（にに述へた特許において説
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かてきる。

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た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、Ｌに製造
されたプレーナー　レンズ６２に加えられる。レンズ６
２の外側表面（ガラス基板から離れた表面）はレンズ６
２を反射レンズにするた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−Ｌ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。

ブレ一ナー　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、従りて基板６０の底面に到達するか、ここ
には、プレーナー　レンズ６４が製造される。レンズ６
４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て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、これら技術の多くが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。ここで
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１．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、使用てきる幾分界なる製造技術であ
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図の光学デハーイスの本発
明によ・る“プレーナー多重レベル光学レンズ（ｐｌａ
ｎａｒ　ｍｕｌｔｉ−１ｅｖｅｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　１
ｅｎｓ　）”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１０ｇ２に等しい数のマスクによる基
板１−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
は反射コーティングである。

−１−に述べた如く、第２図の構成内の光学要素は、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上に施される。我々
のプレーナー光学要素が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、この反射コーチインクは、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
、ここでは、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。ここでも反射層は、１／−・ズ
の形成に続くステップである。ついてながら第６図の実
現との反射表面は、結果として、基板の外側からブ・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
か基板の上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。この構成の例が第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が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の同一表面上
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ツレイズされたグレーティング（ｂ
ｌａｚｅｄｇｒａｔｉｎｇ）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は透明であり、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７
図との関連て１−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の上側表面上に製造
される。プレーナーデバイス７７は、基板７０の基板８
０の上側とかみ合う側である下側上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の下側表面上に製造されるか、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が基
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
れら表面上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
も一つ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゛°レレベ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
明て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
ツチング流体或はこれら表面上に反射防止コーティング
を使用することによって改善することかできる。

基板７０及び８０に対する第二のメーティング問題は、
単に、基板７０−Ｌのデバイスと基板８０上のデバイス
との間の整合問題である。例えば、基板８０上の反射デ
バイス７２は、基板７０Ｉ−、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
ことによってメーティングされる。より具体的には、基
板７０上の光学デバイスは、上に示されるように、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
光学デバイスを製造するときに達成されたのと同し精度
にてメーティングすることができる。このメーティング
が第９図に示されるか、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
透明の基板を使用できることである。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てあり得
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ができる
。これは、光をこの基板の所で検出すること、光学的或
は電子的に制御すること、及びこの基板−Ｌの同−或は
別の要素にてこれを再生することを許す。

第ｉｏ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８０内の光学デバイス８
５かこの光を検出する一つの実施態様を示す。勿論、基
板８０かこの基板上に物理的に搭載されたデバイス８１
及び８５を持つこともｆＴＪ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
つかの長所の実現がより困難となる。

第１１図は、第７図、第８図及び１０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９８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９
５の助けをかりてメーティングされる。同様の結果かよ
りコンパクトな構成においても達成できる。第１２図に
示される構成は、第１１図の構成を二重にしたものを示
す。第１１図及び第１２図の実施態様間の二つの相違を
指摘することかてきる。第一は、第１２図の実施態様の
、光か一つの基板から別の基板に伝送される所の幾つか
の界面の所であり、光線の向き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供給しなければな
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　プリズノ、である。第二は、第１１
図の実施態様か、結果として、単一表面の形成を許すこ
とである。この特性を使用して、第１１図の実施態様は
、位置敏感光学デバイスを異なる基板とメーティングす
る表面から成る表面であるこの単一表面上にのみ含む。

゛位置敏感”デバイスと言う表現は、位置に敏感てない
幾つかのデバイスか存在することを含蓄する。ある意味
においては、全Ｃの光学デバイスは位置に敏感である。

問題はどの程度敏感であるかと言うことである。例えば
、ミラーの位置決めは通常は位置に敏感てない。レンズ
は、二つの次元において位置に敏感でなく、第三の次元
においては、位置に敏感である。

このアプローチは、フッドマン（Ｇｏｏｄｍａ口）及び
ツレナー（Ｂｒｅｎｎｅｒ）によって示唆されるポイン
ト　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が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で異なる。イメージ１０の
個々のスポットは、位置２０の所でレンズレッドを介し
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上の対応するポイン）〜にに投影されなけれ
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（ｓｐａ
ｔｉａｌ　ｑｕａｎＬｉｚａｔｉｏｎ　ｎｏｉｓｅ）例
えば、クロストークを導入する。

上記のアプローチは光か様々なデバイスに垂直でない角
度にて到達するために発生する様々な問題は考慮に入れ
ない。第一に、この角度が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である。

第４図に示されるような回折レンズを使用する場合は、
パターンに一方向に歪を与えて、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、光学システムを光が常に光学デバ
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
光線の方向をこれか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
光か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Ｃ進む光線かこれらデバイスを
通過するのに十分に近いような距離に置かれる。最も−
Ｌ側の層及び最も下側の層は、光かこの構成に入り、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かて
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
とかてきる。両方の基板とも、その上にフレーズされた
クレーテインクか形成される一つの表面を含む。これら
基板の一つ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［Ａ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か本発明から利益を得ることか
てきる。これらアプリケーションの一つは、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
、−次元検出器アレイににオリシナル　テキス１へ或は
図の一行をイメージングするタスクを持つ光学ヘットを
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／インチであり、こ
れは、約８５クミロンの画素直径、及び８インチ　イメ
ージングライン当り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
ンズにて扱うか、ここで、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ト　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
ト全体か単一ユニットにて形成することかてきる。

二つの異なる光学アプローチか、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か、−っのアプローチ
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、そしてもう一つの
アプローチにおいては、元のイメージが個々の全ての画
素か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か変わら
ないように、二重のイメージング　スチップか使用され
る。これは、直立イメージを保証する。この原理か第１
３図に示され、この折畳まれたバージョンか第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は透過性レンズてあり、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。第１１図に示されるよ
うに、両方のレンズか基板１００の低面上に製造される
。これらは、勿論、基板１００の上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
てきる。ところて、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圧＃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が同一サイズてあり、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を与える。

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
、第１５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さ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が
、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が
第１７図に示される。この構成は、個々のアプローチが
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圧＠ｗを得ることか可能と
なる。光ファーでバーによる実現の場合は、作業距離は
、できるかぎりＯ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、１−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
ングか必要でないことである。これは、クロス　トーク
を回避するために第１６図に示されるようなコリメート
　システムが示唆されるか、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＃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、イメージング光源、光フォーカシング経路
、及び検出器を含む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
ることがてきる。一方、光源の実現はより困難である。

−・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とに集積する方法は知られ
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−ヒに搭載することも、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
こともてきる。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か第２１１￥ｌ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、及びこの基板上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ヘッドの最もコ
ンパクトな実施態様である。

動作において、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、この用紙の断面か矢印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てきる。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
達成できる。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の表面上に全てのレンズを集め
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１３Ｂを示す。このような実施態様におけるアレイ１
３１は、発光アレイてはなく、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、（オプテイクスがイメージング　セ
グメントを扱う）第一の設計アプローチであるか、或は
、（オブテイ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光学ヘッドのＬ記の説明は、少なくとも含畜的に
、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
のケースが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できるように設計できるのと同様に
（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できる。事実、
２４００画素／画素子の分解能を持つＣＣＤ検出器スト
リップか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が８インチの長さを持つ場合でも、
検出器アレイを１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が要求される。

【図面の簡単な説明】

第１図は二つのレンズ及びグ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ための二つの構成を示
す図； 第６図はエッチンタ技術によつて展開される第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１０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立てるためのもう一つの構成
を示す図； 第１３図はＦＡＸ光学ヘッド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光学ヘット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；ｇｉｓ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光学ヘットの発光アレイを
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図のセットアツ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光学ヘットの一つ
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
許す構成を示ず図である。 〈主要部分の符号の説明〉 ６０　・・・・　基板 ６１．６５　・・・・　経路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一つの基板； 該基板の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；及び 該表面上に製造され、また該表面上に該反射レベルＢプ
   レーナー光学デバイスと光学的に相互作用するように位
   置された一つのプレーナーデバイスを含むことを特徴と
   する光学構造。 ２、二つの表面を持つ一つの透明基板； 該基板の一つの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；及び 該基板のもう一つの表面上に製造され、該反射レベルＢ
   プレーナー光学デバイスと光学的に相互作用するように
   位置された一つの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。 ３、請求項２に記載の構造において、該もう一つの表面
   上に製造されたプレーナー光学デバイスが反射光学デバ
   イスであ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、該もう一つの表面
   上に製造された反射プレーナー光学デバイスが反射レベ
   ルＢ光学デバイスであ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、該もう一つの表面
   上に製造されたプレーナー光学デバイスが透過性レベル
   Ｂプレーナー光学デバイスであることを特徴とする構造
   。 ６、請求項２に記載の構造において、該一つの表面上に
   製造され、そして該反射レベルＢプレーナー光学デバイ
   スと光学的に相互作用するように配列された透過性プレ
   ーナーレベルＢ光学デバイスが更に含まれることを特徴
   とする構造。 ７、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、レベルＡの光学デバイスと
   レベルＢの光学デバイスとの間で光学的に相互作用する
   ように配列されたレベルＡ及びレベルＢプレーナー光学
   デバイスを含む一つの構成；及び 該第二の表面上の該光学的相互作用に参加するミラー化
   された表面を含むことを特徴とする光学構造。 ８、請求項７に記載の光学構造において、該構造内の他
   の光学デバイスとの相対的位置が該光学的な相互作用に
   重要な意味を持つ全てのレベルＢ光学デバイスが該第一
   の表面上に製造されることを特徴とする光学構造。 ９、請求項８に記載の構造において、実質的に該基板の
   一つの表面上に位置する光源が更に含まれることを特徴
   とする構造。 １０、請求項９に記載の構造において、該光源が該第一
   の表面上に存在することを特徴とする構造。 １１、請求項８に記載の構造において、実質的に該基板
   の表面上に位置する光検出器が更に含まれることを特徴
   とする構造。 １２、請求項９に記載の構造において、該光検出器が該
   第一の表面上にあることを特徴とする構造。 １３、一つの不透明の基板； 該基板の表面上に製造された少なくとも一つの発光デバ
   イス；及び 該基板の該表面上に位置し該発光デバイスと光学的に相
   互作用する少なくとも一つの反射レベル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構造。 １４、請求項１３に記載の構造において、該表面から一
   定の距離だけ離れた所に位置し、該発光デバイスによっ
   て展開された光を該少なくとも一つの反射レベルＢプレ
   ーナー光学デバイスに反射するように配列された反射表
   面が更に含まれることを特徴とする構造。 １５、請求項１４に記載の構造において、該反射表面が
   二つの主面を持つ透明基板の一つの主面上に位置し、該
   主面のもう一方が該発光デバイス及び該少なくとも一つ
   の反射レベルＢプレーナーデバイスを含む表面と接触す
   るように位置されることを特徴とする構造。 １６、一つの不透明の基板； 該基板の表面上に製造された少なくとも一つの光検出器
   デバイス；及び 該基板の該表面上に位置し、該発光デバイスと光学的に
   相互作用する少なくとも一つの反射レベル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構造。 １７、請求項１６に記載の構造において、該表面から一
   定の距離だけ離れた所に位置し、該少なくとも一つの反
   射レベルＢ光学デバイスによって反射された光を該光検
   出器デバイス上に反射するように配列された反射表面が
   更に含まれることを特徴とする構造。 １８、請求項１６に記載の構造において、該反射表面が
   二つの主面を持つ透明基板の一つの主面上に位置し、該
   主面のもう一方が該発光デバイス及び該少なくとも一つ
   の反射レベルＢプレーナーデバイスを含む表面と接触す
   るように位置されることを特徴とする構造。 １９、請求項１６に記載の構造において、該基板の該表
   面上に位置し、該少なくとも一つのレベルＢ光学デバイ
   スと光学的に相互作用する少なくとも一つの発光デバイ
   スが更に含まれることを特徴とする構造。 ２０、その表面に対して垂直の方向に進む光を該垂直の
   方向と異なる方向にそらすための第一のブレイズドグレ
   ーティング表面；及び 該異なる方向に進む光を該垂直方向にそらすための第二
   のブレイズドグレーティング表面を含み、該第二のブレ
   イズドグレーティング表面が該第一のブレイズドグレー
   ティング表面と並行に位置し；更に 該二つのブレイズドグレーティング表面の間に位置する
   透過性プレーナー光学デバイスを含む表面が含まれ、該
   光学デバイスが該第一のブレーズド表面と該第二のブレ
   ーズド表面の間を該垂直方向に進む光のみと光学的に相
   互作用するように配列されることを特徴とする光学構造
   。