JPH07198907A - 光素子およびその製造方法 - Google Patents
光素子およびその製造方法Info
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- JPH07198907A JPH07198907A JP6281720A JP28172094A JPH07198907A JP H07198907 A JPH07198907 A JP H07198907A JP 6281720 A JP6281720 A JP 6281720A JP 28172094 A JP28172094 A JP 28172094A JP H07198907 A JPH07198907 A JP H07198907A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 表面の全体の様々の位置で屈折率の異なる光
透過性光素子を提供する。 【構成】 表面の横方向に変化する屈折率を有する光デ
バイスが、光透過性材料内に、複数の領域を有する光透
過性材料を含む。各領域は、その材料の残りの領域とは
異なる屈折率を有する。表面におけるその領域の密度が
表面の横方向に変化するように、それらの領域を材料の
表面に配置することができる。各領域は、光透過性材料
を通って延びる穴などのボアとすることができる。それ
らの領域またはボアの密度の変化ならびにボアの深さお
よび形状の変化を利用して、光透過性材料内で屈折率の
変化を生じさせることができる。
透過性光素子を提供する。 【構成】 表面の横方向に変化する屈折率を有する光デ
バイスが、光透過性材料内に、複数の領域を有する光透
過性材料を含む。各領域は、その材料の残りの領域とは
異なる屈折率を有する。表面におけるその領域の密度が
表面の横方向に変化するように、それらの領域を材料の
表面に配置することができる。各領域は、光透過性材料
を通って延びる穴などのボアとすることができる。それ
らの領域またはボアの密度の変化ならびにボアの深さお
よび形状の変化を利用して、光透過性材料内で屈折率の
変化を生じさせることができる。
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穴を開けてレ
ンズなどの光素子を製造する技法が開発された。その穴
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、平面材料の表面に外形をつけることによって、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。その穴
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、平面材料の表面に外形をつけることによって、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の横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の横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】表面の各領域はボアとすることができる。
各ボアは、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。
各ボアは、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】また各ボアは、表面を通って延びる穴とす
ることもできる。この穴は、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。
ることもできる。この穴は、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】ボアは、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ボアの数は、
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、表面におけるボアの数を、
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。
ることもできる。前記平面状表面におけるボアの数は、
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、表面におけるボアの数を、
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ボアの数
を、前記中心から半径方向に遠く配置されたボアの数よ
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
くに配置されたボアの数を、前記中心から半径方向に遠
く配置されたボア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ボアの数
を、前記中心から半径方向に遠く配置されたボアの数よ
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
くに配置されたボアの数を、前記中心から半径方向に遠
く配置されたボア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
の横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
の横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、ボアとすることがで
きる。各ボアは、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。ボアは、異なる深さとすることも先細とすること
もできる。
きる。各ボアは、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。ボアは、異なる深さとすることも先細とすること
もできる。
【００１３】またボアは、平面状表面を通って延びる穴
とすることもできる。その穴は、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。
とすることもできる。その穴は、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】表面に作成されたボアの数は、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、表面に作成されたボアの数を、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ボアの数を、中心から遠
くに作成されたボア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ボアの数
を、中心から遠くに位置するボアの数よりも少なくする
こともできる。
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、表面に作成されたボアの数を、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ボアの数を、中心から遠
くに作成されたボア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ボアの数
を、中心から遠くに位置するボア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。ボアは、
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。ボアは、
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、表面の横方向に変
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に変化する。したがっ
て、表面は均一な屈折率をもたず、その横方向に変化す
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、表面の横方向に変
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に変化する。したがっ
て、表面は均一な屈折率をもたず、その横方向に変化す
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はその中に複数のボア２を含む。ボア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、特定の区域内の
ボア（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は半分に分けられる。左半分は単位面積あたり
低密度または少数のボアを含み、右半分は単位面積あた
りそれよりも高密度または多数のボアを含む。穴の密度
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、左半分よりも高い屈折率をもつ。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
面状表面における穴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はその中に複数のボア２を含む。ボア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、特定の区域内の
ボア（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は半分に分けられる。左半分は単位面積あたり
低密度または少数のボアを含み、右半分は単位面積あた
りそれよりも高密度または多数のボアを含む。穴の密度
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、左半分よりも高い屈折率をもつ。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
面状表面における穴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穴の形をしたボア２を示す。た
だし、本発明の原理によれば、ボアは必ずしも平面状表
面を貫通して延びる必要はない。ボアの深さを変化させ
ると、平面状表面の屈折率が変化する。一般に、ボアを
深くすると、光透過性材料の屈折率が大きく変化する。
ボアの横方向の寸法、たとえば円形の穴の直径は、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穴の形をしたボア２を示す。た
だし、本発明の原理によれば、ボアは必ずしも平面状表
面を貫通して延びる必要はない。ボアの深さを変化させ
ると、平面状表面の屈折率が変化する。一般に、ボアを
深くすると、光透過性材料の屈折率が大きく変化する。
ボアの横方向の寸法、たとえば円形の穴の直径は、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、複数のボア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。中にボア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、ボアの密度は平面
状表面の外縁部よりも中心部のほうが高くしてある。穴
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穴が、均一な間隔で配置されてい
る。ボア２の密度、つまり単位面積あたりのボアの数
は、円盤状の平面状表面３'内の架空の各リングに沿っ
て平面状表面３'の中心方向に次第に大きくなる。
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。中にボア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、ボアの密度は平面
状表面の外縁部よりも中心部のほうが高くしてある。穴
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穴が、均一な間隔で配置されてい
る。ボア２の密度、つまり単位面積あたりのボアの数
は、円盤状の平面状表面３'内の架空の各リングに沿っ
て平面状表面３'の中心方向に次第に大きくなる。
【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、ボア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、ボア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、ボア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凹レンズの等価
物として働くように適合されている。穴の密度は、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
リングに沿ったボアの間隔は等しく、したがって屈折率
はそ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、ボア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凹レンズの等価
物として働くように適合されている。穴の密度は、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
リングに沿ったボアの間隔は等しく、したがって屈折率
はそ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、平面状表面内のボアの密度を変えるだけでな
く、ボアの深さまたはボア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、ボアの密度の変化
とボア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
ンでボア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、高反射性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
面を通るボアの深さに応じて線形にボアの直径が減少す
るような先細形ボア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
細形ボア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、平面状表面内のボアの密度を変えるだけでな
く、ボアの深さまたはボア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、ボアの密度の変化
とボア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
ンでボア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、高反射性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
面を通るボアの深さに応じて線形にボアの直径が減少す
るような先細形ボア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
細形ボア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
しい複数のボア２を有する光透過性材料の平面状表面の
区域を示す。各ボア２は、その深さが最も近いボアの深
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、ボアの深さは、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。
しい複数のボア２を有する光透過性材料の平面状表面の
区域を示す。各ボア２は、その深さが最も近いボアの深
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、ボアの深さは、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、ボアの密度と深
さだけでなくボア１２、２２、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
屈折率あるいはボア１２、２２、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ボア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、ボアの位置を、平面状表面上の
ボア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）。
さだけでなくボア１２、２２、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
屈折率あるいはボア１２、２２、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ボア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、ボアの位置を、平面状表面上の
ボア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
にボア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、シリコン表面にボ
ア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ボ
アを作成するには十分である。たとえば、十分に小さい
ボア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、同じ大きさのボアをエッチングする
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
にボア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、シリコン表面にボ
ア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ボ
アを作成するには十分である。たとえば、十分に小さい
ボア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、同じ大きさのボアをエッチングする
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、ＣａＦ
２、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、ＣａＦ
２、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
の表面に小さなボア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。作成されるボア
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、適切なボアの直径および深さを
選択してボアの密度を計算し、（５）それぞれのボアの
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
の表面に小さなボア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。作成されるボア
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、適切なボアの直径および深さを
選択してボアの密度を計算し、（５）それぞれのボアの
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の横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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、光透過性材料を通って延びる穴を含
むことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （６）前記穴が、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）前記ボア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）前記ボア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ボア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）前記表面におけるボアの数が第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）前記表面におけるボア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ボア
の数が前記中心から遠い位置にあるボアの数よりも多
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ボア
の数が前記中心から遠い位置にあるボアの数よりも少な
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の横方向に
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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、平面を通って延びる穴を含むこと
を特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２０）前記穴が、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）前記ボア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）前記ボア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ボア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ボアの数が、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ボアの数が、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
ボアの数が、前記中心から遠くに作成されるボアの数よ
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
ボアの数が、前記中心から遠くに位置するボアの数より
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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、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）前記ボア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。
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の横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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、光透過性材料を通って延びる穴を含
むことを特徴とする、上記（２）に記載の光デバイス。 （６）前記穴が、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）前記ボア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）前記ボア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ボア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）前記表面におけるボアの数が第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）前記表面におけるボア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ボア
の数が前記中心から遠い位置にあるボアの数よりも多
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ボア
の数が前記中心から遠い位置にあるボアの数よりも少な
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の横方向に
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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、平面を通って延びる穴を含むこと
を特徴とする、上記（１６）に記載のプロセス。 （２０）前記穴が、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）前記ボア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）前記ボア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ボア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ボアの数が、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ボアの数が、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
ボアの数が、前記中心から遠くに作成されるボアの数よ
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
ボアの数が、前記中心から遠くに位置するボアの数より
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ボア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）前記ボアが、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）前記ボアが、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）前記ボア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
表面内におけるボアを示す図である。
表面内におけるボアを示す図である。
【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ボアの横断面図である。
スの平面状表面における先細形ボアの横断面図である。
【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ボアの横断面図である。
おける深さが変化する複数のボアの横断面図である。
【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
する複数のボアの横断面図である。
イスの平面状表面における、深さと横方向の寸法が変化
する複数のボアの横断面図である。
１ 光透過性材料 ２ ボア ３ 平面状表面 １２ ボア ２２ ボア ３２ ボア ４２ ボア
───────────────────────────────────────────────────── 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
Claims (31)
- 【請求項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の横方向に
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。 - 【請求項２】前記表面の各領域がボアを含むことを特徴
とする、請求項１に記載の光デバイス。 - 【請求項３】前記表面が実質上平面状であることを特徴
とする、請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項４】前記ボアが、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、請求項２に記載の光デバイ
ス。 - 【請求項５】前記ボアが、光透過性材料を通って延びる
穴を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光デバイ
ス。 - 【請求項６】前記穴が、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、請求項５に記載の光デバイ
ス。 - 【請求項７】前記ボアの深さが変化することを特徴とす
る、請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項８】前記ボアの幅が変化することを特徴とす
る、請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項９】１つまたは複数の前記ボアが先細形である
ことを特徴とする、請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項１０】前記表面におけるボアの数が第１の方向
に変化することを特徴とする、請求項２に記載の光デバ
イス。 - 【請求項１１】前記表面におけるボアの数が中心から半
径方向に変化することを特徴とする、請求項２に記載の
光デバイス。 - 【請求項１２】前記表面において、前記中心の近くにあ
るボアの数が前記中心から遠い位置にあるボアの数より
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、請求項１１に記載の光デバイス。 - 【請求項１３】前記表面において、前記中心の近くにあ
るボアの数が前記中心から遠い位置にあるボアの数より
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、請求項１１に記載の光デバイス。 - 【請求項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、請求項２に記載の光デバイス。 - 【請求項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の横方向に
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。 - 【請求項１６】作成された各領域がボアを含むことを特
徴とする、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１７】前記表面が実質上平面状であることを特
徴とする、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１８】前記ボアが、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、請求項１６に記載のプロ
セス。 - 【請求項１９】前記ボアが、平面を通って延びる穴を含
むことを特徴とする、請求項１６に記載のプロセス。 - 【請求項２０】前記穴が、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、請求項１９に記載のプロセ
ス。 - 【請求項２１】前記ボアの深さが変化することを特徴と
する、請求項１６に記載のプロセス。 - 【請求項２２】前記ボアの幅が変化することを特徴とす
る、請求項１６に記載のプロセス。 - 【請求項２３】１つまたは複数の前記ボアが先細形であ
ることを特徴とする、請求項１６に記載のプロセス。 - 【請求項２４】前記平面内に作成されるボアの数が、第
１の方向に変化することを特徴とする、請求項１６に記
載のプロセス。 - 【請求項２５】前記平面内に作成されるボアの数が、中
心から半径方向に変化することを特徴とする、請求項１
６に記載のプロセス。 - 【請求項２６】前記表面において前記中心の近くに作成
されるボアの数が、前記中心から遠くに作成されるボア
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、請求項２５に記載のプロセス。 - 【請求項２７】前記表面において前記中心の近くに作成
されるボアの数が、前記中心から遠くに位置するボアの
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、請求項２５に記載のプロセス。 - 【請求項２８】光透過性材料の前記ボアが作成された表
面が、シリコンの薄いウェハからなることを特徴とす
る、請求項１９に記載のプロセス。 - 【請求項２９】前記ボアが、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、請求項１６に記載のプ
ロセス。 - 【請求項３０】前記ボアが、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、請求項１６に
記載のプロセス。 - 【請求項３１】前記ボアの深さが変化することを特徴と
する、請求項１６に記載のプロセス。
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 true JPH07198907A (ja) | 1995-08-01 |
| JP2794084B2 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) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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