JPH02301704A - 基板間光学要素のマスクにてコントロールされた結合 - 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】 １豆りｌ１ 本発明は同一の発明者によって同一の日付にて申請され
た複数の発明：つまり、「プレーナー反射光学デバイス
（Ｐｌａｎａｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　０ｐｔｉｃａ
ｌ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）　Ａ、ｒフリー　スペース　プレ
ーナー光学要素の集積（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ
　Ｆｒｅｅ−３ｐａｃｅ　ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｐｏｎ
ｅｎｔｓ）　Ｊ　、及び１インチグレーデツト　オブテ
ィクス　ファクシミリ装置（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｏ
ｐｔｉｃｓＦａｃｓｉｍｉｌｅ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　
）　Ｊｌと言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チクレ
ーテッド　オプティクスに関する。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
アプローチが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
ン以下のレンジて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、ニージンク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フミクロン精度に
ていかに全゛Ｃ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−・っのチャレンジ
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Ｌ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、グツトマン（Ｇｏｏｄｍａ
ｎ　）らによつてＩＥＥＥＩｎ−事ＭＣＰｒｏｃｃｅｄ
ｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ）　、　Ｖｏｌ、　７
２、　Ｎｏ、　７．１９８４年７月号、ベージ８５０〜
８６６において説明されており、より最近ては、ブレナ
ー（Ｒｒｃｎｎｃｒ）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１５Ｅ
１号ベージ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Ｍｈ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。

ブレナーらの構成は、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。

これらホロクラムは、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−っの実現においては、遠
い端の面から反射された光は、近い端の面一ヒのミラー
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、」二に説明のシ
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、レンズが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
ことはできない。

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が回路要素自体の製造
と同時に製造されることが観察される。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ボイントへの相互
接続であるために必ずしも重要てはない。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、「プレーナー
光学位相要素の製造（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＰ
ｌａｎａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｌｅｍｅ
ｎｔｓ）　Ｊ、人主亘皇（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｍ
ｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）　、　Ｖｏｌ、８　　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
ニウムが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　リソクラフィーによって
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　
ｍｉ、ｃｒｏ−Ｆｒｅｓｎｅｌ　　１ｅｎｓ　　ａｒｒ
ａｙ　　ｆａｌ＋ｒｉｃａｔｅｄ　　ｂｙ　　ｃｌｅｃ
Ｌｒｏｎ−ｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）　、Ｊ、
アプライド　オブディクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉ
ｃｓ）　、　Ｖａｔ、　２６　、Ｎｏ、　３．１９８７
年２月号ベージ５８７〜５９１において、シオノ（Ｓ１
引＋０）らは、ガラス基板Ｊ二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、例えば、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
を製造するための未解決の要求か存在する。

定則豊戻盾 本発明は、全゛Ｃの必要な光学要素を単一基板上に集積
し、これら要素をこれらか互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、」二の欠点を克服す
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、クレーテインク　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がてきる。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。

光学回路が単一基板」二に製造される要素よりも大きな
ものであり得ることを認識し、本発明は、機械的取り付
は及び整合の問題を複数の基板を互いに光学要素の製造
プロセスの一部として基板内に埋め込まれた突起及び凹
み整合手段、例メば、峰及び溝にて物理的に結合するこ
とによって克服する。マスクを使用する製造技術におい
ては、これら整合手段及び光学デバイスが同一のマクス
上に定義され、そして、同時に製造される。結果として
の光学要素と整合手段の間の整合は、マスク生成装置の
分解能と同一の精度を持つ。別の製造技術においても、
本発明の原理は適用し、位置決め精度は製造される光学
デハイスの個々の形状を定義するメカニズムの精度によ
ってのみ制約される。この方法による基板の接続は、事
実Ｌ、別個に行なわれる整合に対する必要性を排除する
。更に、基板の接近した物理的接続は、基板間の屈折率
の変化の悪影響を小さくする。最も好ましくは、全ての
位置敏感デバイス及び整合手段か個々の基板の片方の表
面上に製造され、基板の他方或は他の表面は、位置に敏
感てないデバイス、例えば、ミラーを含む。

１穐奏基朋 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
ナー光学要素かこの基板の二つの表面上に製造される。

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が透明
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ばてきす、半導体基板から製
造される。

光学デバイスを含むこれら及び他の基板を相互接続する
ために、本発明によると、インターロッキング要素が光
学要素自体の製造プロセスの最中に形成され、これは基
板のインターロッキング誤差を非常に小さくする。

第１図は、第一の平面の所のイメージ１０、イメージｌ
Ｏ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焦点距離たけ離れ、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グレーテ
ィング　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ｌＯから（レンズ２０と位相グレーティング３
０と同軸に）更に１焦点距離だけ離れた所にはレンズ４
０か存在し、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日付けて申
請された合衆国特許出願第２９５，２８４号においてフ
レナー（ｌ１ｒｅｎｎｅｒ）及びハーング（ｔｌｕａｎ
ｇ）らか開示するバーフェクｌ〜　シャフル相π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がてき
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
うに設計することができる。このシフティングは（上に
述べ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を通る人力光線は、ノ、（板６０の底面■二に
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（カラス２（板から離れた表面）はレ
ンズ６２を反射レンズにするために反射層にてコー１〜
される。プレーナー　しンズ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。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、従来の技術が半導
体デバイスの多量生産に使用可能であり、又、−Ｌ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
るアプローチか存在する。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、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　ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ　ｏｐｌ、１ｃａｌ　１Ｃ
ｎｓ　）　”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
板上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。

Ｌ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、成長技術ではなく、エッチンク技術を使用す
るレンズの実現を示す。ここでも反射層は、レンズの形
成に続くステップである。ついてながら第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６・２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
光が基板の上側及び下側表面を何回も°“弾む（ｂｏｕ
ｎｃｅ）　”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フレイズされたクレーテインク
（ｂ、ｌａｚｅｄｇｒａｔｉｎｇ）である。

第８図は、二つ或は三つ以」−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
は透引であり、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
連で」二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８ｏの−Ｌ
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７
０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７
４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、反射コーティングを持
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がてきる。

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」二のデバイスと基板８０にのデバイス
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７０−１：：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、七に示されるように、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じ精度
にてメーティングすることかできる。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。

七に述べたように、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てきる
。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」；の同一・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８Ｉ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−・っの実施態様を示す。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８
１及び８５を持つこともｒｉｆ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で説明された
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にょっ′Ｃ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。同様の結果か
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
を指摘することかできる。第一は、第１２図の実施態様
の、光が一つの基板から別の基板に伝送される所の幾つ
かの界面の所てあり、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　プリズムである。第二は、第１１
図の実施態様が、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、全ての光学デバイスは位置に敏感である。

問題はとの程度敏感であるかど富゛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、一つの次元において位置に敏感てなく、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、フットマン（Ｇｏｏｄｍａｎ）及び
フレナー（Ｂｒｃｎｎｅｒ）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。イメージｌＯ
の個々のスポットは、位置２０の所゛Ｃレンズレットを
介して位置４０の所のレンズレットにリレーされ、次に
、出力平面５０４二の対応するポイント１−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、又隣接するスギ９１〜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。

上記のアプローチは光が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す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。そってない場合は、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クレ
ーテインクを持つ。最も上側の層は、斜めに進んて来る
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−Ｌ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か繰
り返される。

第２２０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、その上にプレースされた
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か
てきる。これらアプリケーションの一つば、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」二にオリジナル　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」二の標準は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
メージンクライン当り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てなかった。

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、発光タイオート或はレーザー　タイオー１〜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１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１＝ｆ能であるか、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、そしてもう一
つのアプローチにおいては、元のイメージか個々の全て
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　ステ　゛ツブか使用
される。これは、直立イメージを保証ずる。この原理か
第１３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ｌＯＯの低面−Ｌに製造され
る。これらは、勿論、基板ｌＯＯの」二側表面上に製造
することも、或は−Ｌ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距ＩＩＩＩｗ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が
、ここては、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、個々のアプローチか
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ｒａｗを得ることが可俺
となる。光ファイバーによる実現の場合は、作業距離は
、てきるかぎり０に近いことか要求され、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、■−から１０　ｍ　ｍの間
てあり得る。

第１７図のアプローチの興味深い−・面は、二重イメー
ジングが必要てないことである。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　システムか示唆されるが、オブ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か第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。ここても、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ができる。

第１９図は、イメージング光源、光フオーカシンタ経路
、及び検出器を含むＦＡＸ光学ヘット実施態様の全体を
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」二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　タイオー１〜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　、）、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、ＦＡ
Ｘ光学ヘット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は透明てあり、こ
れはレンズを含む。ヒ側の基板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２１図に示される。

これは、これか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
クリングし、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ヘッドの最も単
純て、頑丈な実施態様である。

動作において、発光アレイ１３１は１ｘの方向に沿って
移動する用紙を照射するか、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、−
滑動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１３８を示す。このような実施態様におけるアレイ１
３１は、発光アレイではなく、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
て集められ、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
イメージと同し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てきるのと同様に
（第１’７　Ｂ　−讐’ｚｏ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ＣＣＤ検
出器ストリップが簡単に製造てきるため、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
合ても、検出器アレイをｌイチンに縮小することか可能
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プレーナインク要素を含む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
バージョンを示ず図；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図のレンズの多毛レベル　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図はエツチング技術によって展開されるｔ！ｌＳ４
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６３　・・・
・　プレーナービーム スブリッタ ＦＩＧ、　　Ｉ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　１３ ＦＩＯ，１４ ＦＩＧ、　１５ ＦＩＧ、　１６ ＦＩＯ，１７ ＦＩＧ、　２０ ＦＩＧ、　２１

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プレーナ
   ー光学デバイス及び該プレーナー光学デバイスと同時に
   該プレーナー光学デバイスが製造されるプロセスによっ
   て製造された整合手段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プレーナ
   ー光学デバイス及び該表面上に製造された出た部分及び
   凹んだ部分を持つ整合手段を含むことを特徴とする光学
   構造。 ３、一つの基板、基板の表面上に製造されたプレーナー
   光学デバイス、及び該表面上に製造された三次元整合手
   段を持つ光学構造において、該光学デバイス及び整合手
   段の製造が該光学デバイス及び整合手段を定義するマス
   クの助けをかりて達成されることを特徴とする光学構造
   。 ４、第一の表面、第一の光学構造上に製造されたプレー
   ナー光学デバイス及び該第一の表面上に製造された第一
   の整合手段を含む第一の光学構造；及び 第二の表面、第二の光学構造上に製造されたプレーナー
   光学デバイス及び該第二の表面上の第二の整合手段から
   なり、該第一の整合手段が該第二の整合手段と整合でき
   る光学システムにおいて、該第一の構造と該第二の構造
   が該第一の整合手段が該第二の整合手段に整合されるよ
   うに結合されることを特徴とする光学システム。 ５、請求項４に記載のシステムにおいて、該プレーナー
   光学デバイスの少なくとも一つがレベルＢプレーナー光
   学デバイスであることを特徴とするシステム。 ６、請求項４に記載のシステムにおいて、該プレーナー
   光学デバイスの少なくとも一つが反射レベルＢプレーナ
   ー光学デバイスであることを特徴とするシステム。 ７、請求項４に記載のシステムにおいて、該第一の整合
   手段が該第一の表面から突き出た峰であり、該第二の整
   合手段が該第二の表面内のグローブであることを特徴と
   するシステム。 ８、請求項４に記載のシステムにおいて、光が該システ
   ムに注入され、該注入された光が該第一及び該第二の光
   学構造の該光学デバイスと相互作用することを特徴とす
   るシステム。 ９、請求項４に記載のシステムにおいて、該第一の光学
   構造が本質的に該第二の光学構造と直接物理的に接触す
   ることを特徴とするシステム。 １０、請求項４に記載のシステムにおいて、該第一と第
   二の光学構造の間に屈折率マッチング流体が含まれるこ
   とを特徴とするシステム。 １１、請求項４に記載のシステムにおいて、該第一の整
   合手段が該第一の光学構造内に製造された突起部分を持
   ち、該第二の整合手段が該第二の光学構造内に製造され
   凹み部分を含むことを特徴とするシステム。 １２、請求項４に記載のシステムにおいて、該第二の光
   学構造がさらに第三の整合手段を含む第三の表面を含み
   、そして 該システムがさらに第四の表面、第三の光学構造上に製
   造されたプレーナー光学デバイス及び第四の表面上の第
   四の整合手段を含む第三の光学構造を含み、該第三の整
   合手段が該第四の整合手段と整合可能であり、該第三の
   光学構造と該第二の光学構造が該第三の整合手段が該第
   四の整合手段と整合されるように結合されることを特徴
   とするシステム。 １３、プレーナー光学要素を含む基板を製造するための
   方法において、該方法が： 該光学要素の形状及び整合手段の形状を含むマスクを使
   用するステップ； 該マスクを基板に施すステップ；及び 該マスクに従って該基板をエッチングするステップを含
   むことを特徴とする方法。 １４、プレーナー光学要素を含む基板を製造するための
   方法において、該方法が： 該光学要素の形状及び整合手段の形状を含むマスクを使
   用するステップ； 該マスクを基板に施すステップ；及び 該マスクに従って該基板上に材料を堆積するステップを
   含むことを特徴とする方法。