JPH07311325A

JPH07311325A - 微小光学素子の保持具および微小光学素子ユニットおよび微小光学素子デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH07311325A
Application number: JP10088894A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Umeki; 和博梅木
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1994-05-16
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】非球面加工されてマイクロレンズとなるべき微
小光学素子を確実に保持する。【構成】微小光学素子保持用の貫通孔２を１以上加工形
成された平面板部材１により構成され、微小光学素子１
０を、貫通孔２に嵌め込んで固定され、微小光学素子１
０の非球面加工の際の保持治具および、光学装置への組
付け部材を兼ねる保持具である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、微小光学素子の保持
具および微小光学素子ユニットおよび微小光学素子デバ
イスおよび微小光学素子デバイス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロレンズにおける非球面形状の屈
折面を形成する方法として、公知の、「ガラスプレス
（ガラスモ−ルド）法」に代わり、「透明な微小球体の
表面と非球面形状を持つ金型とで、硬化性の高分子材料
を挾み、高分子材料を硬化させることにより、高分子材
料を微小球体の表面に一体化するとともに、上記非球面
形状を高分子材料の表面に転写し、しかるのちに、エッ
チングにより上記非球面形状を微小球体に彫り写す」方
法が提案されている。

【０００３】この方法は、微小球体を出発形状とするか
ら、曲率の強い非球面も形成が容易である。また、非球
面を直接に微小球体にプレスせずに、硬化性の高分子材
料に転写するので、金型に加わる力が小さく、このた
め、金型の材料に対する制限が緩く、金型の寿命も実質
上無制限である。

【０００４】このため、金型の材料として比較的軟質
の、加工しやすいものを選択でき、精度の良い金型を低
コストで実現でき、金型の寿命が長いことから、非球面
形状を持つマイクロレンズを低コストで実現できる。

【０００５】しかしながら反面、マイクロレンズとして
形成したのち、個々のマイクロレンズを別個に光学装置
に組付けねばならない。このとき、光軸合わせの作業が
極めて面倒である。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】この発明は上述した
事情に鑑みてなされたものであって、マイクロレンズを
光学装置に組付ける際の、光軸合わせ作業を容易ならし
める微小光学素子の保持具および微小光学素子ユニット
および微小光学素子デバイスおよびその製造方法の提供
を目的とする（請求項１〜９）。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の「微小光学素
子の保持具」は、微小光学素子を固定的に保持するもの
である。「微小光学素子」は、透明な微小球体もしく
は、透明の微小球体を、保持具に保持させ易い形状に加
工した加工体である。

【０００８】請求項１記載の微小光学素子の保持具は、
「微小光学素子保持用の貫通孔を１以上加工形成された
平面板部材」により構成され、微小光学素子を、上記貫
通孔に嵌め込んで固定され、微小光学素子の非球面加工
の際の「保持治具」および、光学装置への「組付け部
材」を兼ねる。

【０００９】請求項２記載の微小光学素子の保持具は、
第１および第２の平面板部材により構成される。「第１
の平面板部材」は、微小光学素子保持用の貫通孔を１以
上加工形成されている。

【００１０】「第２の平面板部材」は、第１の平面板部
材に形成された貫通孔に対応した貫通孔を形成されてい
る。

【００１１】第１および第２の平面板部材に形成された
貫通孔は、互いに対応するもの同志を合わせると「中広
の空間」、即ち、合わせられた第１および第２の平面部
材の互いに逆側の面に開口する貫通孔端部に比べて、内
部の径が大きい空間を形成する。

【００１２】保持される微小光学素子は上記中広の空間
部分において、第１，第２の平面板部材に挾持され、固
定される。保持具は、微小光学素子の非球面加工の際の
保持治具および、光学装置への組付け部材を兼ねる。

【００１３】請求項１記載の保持具における平面板部材
や、請求項２記載の保持具における第１および／または
第２の平面板部材の貫通孔は、「貫通方向に階段状の断
面形状を有する」ように形成することができる（請求項
３）。

【００１４】また、請求項１記載の保持具における平面
板部材や、請求項２記載の保持具における第１および第
２の平面板部材には、２以上の貫通孔を形成できるが、
この場合、各貫通孔部分を含む部分を相互に分離するた
めの分離用溝を形成することができる（請求項４）。

【００１５】上記請求項２，３，４記載の保持具におい
て、第１および第２の平面板部材により保持具を構成す
る場合、微小光学素子を保持した状態において、第１，
第２の平面板部材は、互いに一体化されるが、この一体
化には、各種の接合方法、例えば接着剤を用いる方法
や、陽極接合（アノーディック・ボンディング）、高温
接合（高温ボンディング）等の周知の接合方法を利用で
きる。

【００１６】この発明の「微小光学素子ユニット」は、
上記請求項１または２または３または４または５記載の
保持具と、この保持具に保持されて一体化された微小光
学素子とにより構成される（請求項５）。微小光学素子
ユニットにおいて、保持具に保持された微小光学素子の
表面に「遮光用または接合用のコ−ティング」を施すこ
とができる（請求項６）。

【００１７】また、微小光学素子は、保持具の貫通孔に
「きっちりと」嵌め込まれた状態で、不動に保持される
ならば、保持しただけで保持具に固定されるが、微小光
学素子と平面板部材との間を「高分子材料（光硬化性樹
脂や熱硬化性樹脂等）もしくは低融点ガラスまたは半
田」を用いて固定することもできる（請求項７）。

【００１８】この発明の「微小光学素子デバイス製造方
法」は、上記請求項５または６または７記載の「微小光
学素子ユニットの微小光学素子の表面に、硬化性の高分
子材料を介して金型を近接させ、上記高分子材料を硬化
させることにより、金型の非球面形状を上記高分子材料
に、その表面形状として転写し、エッチングにより上記
表面形状を微小光学素子に彫り写す」ことを特徴とす
る。

【００１９】この製造方法により非球面が形成される
間、保持具は、微小光学素子に対する保持治具として機
能し、所望の非球面が微小光学素子（片面もしくは両
面）に形成されると、微小光学素子はマイクロレンズと
なり、微小光学素子ユニットは、所望の微小光学素子デ
バイスとなる（請求項９）。

【００２０】このようにして得られる「微小光学素子デ
バイス」は、保持具により光学装置に組付けられる。即
ち、この段階で、保持具は「光学装置への組付け部材」
となるのである（請求項１，２）。

【００２１】保持具に保持させる微小光学素子、即ち、
微小球体や、その加工体における大きさや加工形状は、
目的とするマイクロレンズの径、曲率、屈折率、使用目
的、光学特性等に従って光学設計または理論的に決定さ
れ、保持具における貫通孔の形状や大きさは、保持すべ
き微小光学素子の大きさや形状に応じて決定される。

【００２２】

【作用】上記のように、この発明においては、微小球体
もしくはその加工体である微小光学素子が、保持具に固
定的に保持された状態（微小光学素子ユニット）におい
て、保持具を保持治具として、微小光学素子への非球面
形成が行われる。

【００２３】従って、非球面形成によりマイクロレンズ
となった微小光学素子における光軸は、保持具に対して
一義的に定まっている（微小光学素子デバイス）。

【００２４】そして、マイクロレンズは、その光軸との
関係の一義性を保っている保持具により光学装置へ組付
けられる。

【００２５】

【実施例】以下、図面に従って実施例を説明する。

【００２６】図１は、請求項１記載の保持具の１実施例
を説明図的に示している。

【００２７】保持具である平面板部材１は、石英板やガ
ラス板等の透明な平面板１２０の片面に遮光膜１５を形
成し、他方の面にメタライズ膜１７を形成し、断面形状
が貫通方向へ均一な貫通孔２を穿設してなる。

【００２８】保持される微小光学素子１０は、この例で
は透明な微小球体であって、平面板部材１の貫通孔２よ
りも、やや大きな直径を有し、貫通孔２に嵌めこまれて
保持される。この状態で、接着等の手段により微小光学
素子１０を平面板部材１に固定すれば、「微小光学素子
ユニット」が構成される（請求項５）。

【００２９】遮光膜１５は、後に、保持具が光学装置に
組み込まれたときに、マイクロレンズに入射する光以外
の光を遮光するためのものであり、メタライズ膜１７
は、微小光学素子デバイスとして、光学装置（例えば、
レンズ鏡胴）に組付けて固定するときのために設けられ
ている。

【００３０】図２は、請求項１記載の保持具の別実施例
を示している。

【００３１】図２（ａ）に示すように、金属等による遮
光性の平面板部材１２１には、貫通孔３０が形成されて
いる。貫通孔３０は、図示のように「貫通方向に階段状
の断面形状」を有する（請求項３）。

【００３２】透明な微小球体である微小光学素子１０
は、貫通孔３０の径の大きい側（図の上方）に嵌めこま
れている。この状態で、接着等の手段により微小光学素
子１０を平面板部材１に固定すれば、「微小光学素子ユ
ニット」が構成される（請求項５）。

【００３３】貫通孔３０の形状は、図２（ｂ）に示すよ
うに「円形」であるが、図３（ｃ）に示す貫通孔３１の
ように、三角形形状でも、他の多角形形状でも良いし、
楕円形状でも良い。図２（ｂ），（ｃ）において、符号
１２３，１２４は、それぞれ平面板部材を示す。

【００３４】図２（ａ）に示すように、微小球体１０の
片側に遮光用のコ−ティング１６が施されている（請求
項６）。コ−ティング１６は、後加工で表面をエッチン
グすれば、エッチング残りの部分はそのまま遮光瞳とな
るし、陽極接合の際の電極として使用することもでき
る。

【００３５】図３は、請求項１記載の保持体の他の実施
例を示している。保持体は、２枚の透明な平面板１２
８，１２９を重ねて接合してなる「平面板部材」により
構成されている。平面板１２９には、貫通方向に均一な
断面形状を持つ貫通孔が形成され、平面板１２８には、
上記貫通孔より若干径の大きい貫通孔が、やはり貫通方
向に均一な断面形状を持って形成されている。

【００３６】この２つの貫通孔を合わせることにより、
平面板部材における貫通孔全体としては、図２（ａ）の
実施例と同様に、「貫通方向に階段状の断面形状」を有
することになる（請求項３）。このように、平面板部材
を「複数の平面板の積層による複合体」として構成して
もよい。

【００３７】貫通孔の形状（貫通方向から見た形状）
は、図２の実施例に即して説明したように、円形でも、
三角形形状等の多角形形状でも良いし、楕円形状でも良
い。

【００３８】平面板１２８，１２９は、接着剤層４０に
より「接着接合」されているが、平面板１２８，１２９
が、共に石英材料である場合には高温ボンディングで接
合できるし、一方がガラスで他方がＳｉ，Ｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ，Ａｌ等である場合には陽極接合できる。接合方法と
して、ガラス接合やレ−ザ−接合等を用いても良い。

【００３９】この実施例では、平面板１２８，１２９が
共に透明材料であるので、遮光膜１５を形成している。
また、平面板１２９が反射率の高い材料である場合に
は、遮光膜１５の代わりに反射防止膜を形成するのが望
ましい。

【００４０】図４は、請求項１記載の保持具による微小
光学素子の保持形態の２例を説明するための図である。
図４（ｂ）に示す保持具は、片面に遮光膜１５，反対側
にメタライズ膜１７を形成され、貫通方向に階段状の断
面形状を持つ円形の貫通孔を形成された平面板１２７に
より構成されている。この保持具に保持される微小光学
素子１１は、図４（ａ）に示すように、微小球体の一部
をホイール加工等の研削加工により円錐面に加工したも
のであり、保持具に保持された状態において（図４
（ｂ））、円錐面は、貫通孔の開口端部と段差部に当接
している。

【００４１】図４（ｄ）に示す保持具は、片面に遮光膜
１５，反対側にメタライズ膜１７を形成され、貫通方向
に均一な断面形状を持つ円形の貫通孔を形成された平面
板１２０により構成されている。この保持具は、図１に
示したものと同じである。この保持具に保持される微小
光学素子１１’は、図４（ｃ）に示すように、微小球体
の一部をホイール加工等の研削加工により円柱面に加工
したものであり、保持具に保持された状態において（図
４（ｂ））、円柱面は、貫通孔に嵌合している。

【００４２】図４（ｂ），（ｄ）のようにすることによ
って、微小光学素子と保持具の接合がし易くなる。

【００４３】なお、図３，図４（ｂ），（ｄ）の状態
で、保持具に微小光学素子を固定すれば、「微小光学素
子ユニット」が得られることは言うまでもない（請求項
５）。

【００４４】微小光学素子を、保持具である平面板部材
に固定するには、低融点ガラスや半田を用いることがで
きる（請求項７）。図５は、請求項１記載の保持具に、
微小球体である微小光学素子を固定して構成された「微
小光学素子ユニット」の１例を示している。保持具は、
片面に遮光膜１５を形成され、貫通方向に階段状の断面
形状を有する貫通孔を形成された平面板１３０による平
面板部材であり、微小光学素子１０は、貫通孔の部分に
嵌めこまれ、球面は、貫通孔の開口端部と段差部に当接
している。

【００４５】微小光学素子１０は、固定用材料４１によ
り平面板１３０に固定されている。固定用材料４１とし
ては、光硬化性や熱硬化性の高分子材料、あるいは低融
点ガラス材料や半田を用いることができる（請求項
７）。

【００４６】図６は、請求項２記載の保持具の１実施例
を説明するための図である。図６（ａ）の下図に、断面
図として示すように、保持具は、第１の平面板部材１２
５と、第２の平面板部材１２６とにより構成される。平
面板部材１２５は、微小球体である微小光学素子１０の
直径よりもやや小さい径で、貫通方向に均一な断面形状
を持つ貫通孔を形成され、この貫通孔に微小光学素子１
０を嵌めこまれている。第２の平面板部材１２６は、平
面板部材１２５の貫通孔に対応して、貫通方向に階段状
の断面形状を持つ貫通孔を形成されている。平面板部材
１２６は、貫通孔の径の大きい側に微小光学素子１０を
嵌めこまれ、第１の平面板部材１２５に当接している。
平面板部材１２５，１２６をこのように組み合わせる
と、それぞれの貫通孔が組合さるところに「中広の空間
部分」が形成され、この部分に微小光学素子１０が保持
されることになる。

【００４７】微小光学素子１０を、保持具に固定するに
は、請求項７記載のように、光硬化性や熱硬化性の高分
子材料、あるいは低融点ガラス材料や半田を用いて、微
小光学素子１０を、平面板部材１２５および／または１
２６に固定すれば良いが、平面板部材１２５，１２６で
微小光学素子１０を不動に挾持できるならば、上記固定
用材料による固定は省略してもよい。

【００４８】平面板部材１２５，１２６の、貫通孔の貫
通方向から見た形状（平面形状）は、図６（ａ）の上の
図に示すように、何れも長方形形状であるが、平面板部
材１２６の方が、幅が短くなっている。図６（ｂ）は斜
視図であり、微小光学素子ユニットを示している。

【００４９】後に、説明するように、平面板部材１２６
は、この部分を光学装置の組付け部の嵌合部に、摺りあ
わせで嵌合させることにより光学装置への組付けを行う
ようになっている。この場合、光学装置への嵌合部とな
る平面板部材１２６の平面形状は、図６の例の「長方形
形状」に限らず、「菱形形状」でも「三角形状」でも良
く、組付け精度が向上する形状であれば良い。

【００５０】以上、図１〜図６には、保持具に貫通孔が
「１個」形成された場合を説明したが、勿論、貫通孔を
同一の保持具に、複数個、１次元もしくは２次元に配列
して形成し、微小光学素子を複数個、保持しても良い。
このようにすると、得られる微小光学素子デバイスは、
例えば、マイクロレンズアレイとして使用できる。

【００５１】図７は、請求項４記載の保持具の１実施例
を説明するための図である。図７（ａ）に示すように、
保持具である平面板部材１５０には、同一形状の貫通孔
１５１が、所定の配列に従って形成されており、各貫通
孔１５２の間の平面板部材に、「各貫通孔部分を含む部
分を相互に分離する」ための分離用溝２２が形成されて
いる。

【００５２】図７（ｂ）は、（ａ）に示した平面板部材
１５０の、各貫通孔１５１の部分に微小球体である微小
光学素子１０を保持させた状態を示している。このよう
にすることにより、複数個の微小光学素子１０に同時
に、非球面加工を施すことができる。

【００５３】加工後は、分離用溝２２を利用して機械的
に切り離しても良いし、レ−ザ−等の外部エネルギ−を
分離用溝部に集中的に加えて、相互に分離しても良い。
相互に分離された平面板部材は勿論、光学装置への組付
け部材となる。

【００５４】図８は、請求項８記載の微小光学素子デバ
イス製造方法の１実施例を説明するための図である。保
持具である平面板部材１４０に形成された貫通孔には、
微小光学素子１０として、微小球体が嵌めこまれて保持
されている。図示のように、貫通孔の、開口径の大きい
方を下側に向ける。

【００５５】マイクロレンズの屈折面として、微小光学
素子１０に形成するべき非球面形状に対応した「凹曲
面」を持つ金型２０の、上記凹曲面部分に紫外線硬化型
の樹脂２１（高分子材料）を塗布し、図に示すように、
微小光学素子１０の表面に、下方側から押し当てる。こ
のとき、平面板部材１４０の、図で下方を向いている面
は、金型２０との当接面となり、金型２０との位置合わ
せの基準面となる。

【００５６】樹脂２１は、貫通孔と微小光学素子１０と
の間隙部を満たす。この状態で、図の上方から紫外光
Ｕ．Ｖを照射すると、紫外光は、微小光学素子１０を介
して樹脂２１を照射し、樹脂２１を硬化させる。この硬
化により、微小光学素子１０は、平面板部材１４０に強
固に固定されることになる。金型２０を外すと、高分子
材料による樹脂２１を固着された微小光学素子（請求項
１記載の保持具との関係で言えば、微小球の加工体と見
ることもできる）が得られ、固着された樹脂２１の表面
には、金型の非球面形状が転写されている。

【００５７】この状態から、エッチングを行って、上記
非球面形状を微小光学素子１０に彫り写せば、微小光学
素子１０に所望の非球面形状を形成できる。必要とあれ
ば、微小光学素子１０の他方の面（図８で、上側の面）
にも、上記と同様の手法で、所望の非球面を形成するこ
とができる。

【００５８】このようにして、微小光学素子１０はマイ
クロレンズとなり、平面板部材１４０とともに「微小光
学素子デバイス」となる（請求項９）。なお、上記エッ
チングは、微小光学素子１０を平面板部材１４０に固定
したまま行うのであるから、平面板部材１４０は、上記
エッチングが作用しないような材質を用いて形成する
か、あるいは、耐エッチング処理を施す。前述の遮光膜
１５やメタライズ膜１７は、耐エッチング処理として利
用できる。

【００５９】以下、この発明を、「光学装置」としての
「光通信用カップラ−」に適用する場合を説明する。光
通信用カップラ−は、図９に示すように、半導体レーザ
ー６１から放射される光を、カップリングレンズ１３を
用いて、光ファイバー６０の入射端面におけるファイバ
ーコア部へ集光させる光学系であり、半導体レーザー６
１と、カップリングレンズ１３と、光ファイバー６０の
入射端部とを、鏡胴（図示されず）により一体化して構
成される。

【００６０】図９において、カップリングレンズ１３は
マイクロレンズであって、遮光膜１５を片面に形成され
た平面板部材１３１の貫通孔に固定的に保持されてお
り、カップリングレンズ１３と平面板部材１３１とは
「微小光学素子デバイス」を構成する。従って、平面板
部材１３１は、カップリングレンズ１３に非球面加工を
施す際も、カップリングレンズ１３を図示されない鏡胴
に組付けるときも、カップリングレンズ１３を固定的に
保持している。

【００６１】図１０は、図６に即して説明したと同様、
マイクロレンズ１４（カップリングレンズで、微小球体
の表面を非球面加工して形成されている）を第１の平面
板部材１３２と第２の平面板部材１３３（平面板部材１
３２と一体化されている）とにより固定的に保持した
「微小光学素子デバイス」を、光学装置の鏡胴７０に組
付ける場合の例を示している。

【００６２】鏡胴７０に連なる固定ホルダ−７１に、凹
形状の挿入箇所７２が形成されている。この挿入箇所７
２の形状は、第２の平面板部材１３３の「平面形状（図
の右方向から見た形状）」と同形状となっており、平面
板部材１３３を、挿入箇所７２に「摺り合わせ」で挿入
することにより、マイクロレンズ１４と鏡胴７０を容易
に制度良く組付けることができる。

【００６３】平面板部材１３３の平面形状を三角形状と
すれば、更に高精度の組付けが可能となる。

【００６４】以下、具体的な例を３例説明する。具体例１図１１は、光学装置である光通信用カップラ−（半導体
レーザーと光ファイバ−の高効率結合モジュ−ル）の要
部を示している。この例は、半導体レーザーと光ファイ
バ−の間を結合させる１チャンネルの光通信用カップラ
−である。

【００６５】図１１において、符号２００で示すマイク
ロレンズは、以下のようにして形成された。材質：ＳＦ
−６、直径：φ２ｍｍのボ−ルレンズを、全角：８０°
の芯取りホイ−ルで片側を研削し、円錐面としたものを
「微小光学素子」とした。この微小光学素子の形状は、
図４（ａ）に示すのと同様の形状である。

【００６６】この「微小光学素子」を、図１１に示すよ
うに、第１の平面板部材２０１と第２の平面板部材２０
２により固定的に保持した。第１の平面板部材２０１
は、材料：ＳＦ−６による平行平板にダイヤモンド研削
加工により貫通孔を形成したものである。貫通孔の形状
（貫通方向から見た形状）は「円形状」であり、貫通孔
の断面形状は、図２（ａ）に示す保持具１２１の貫通孔
と同様、階段状であり微小光学素子は、貫通孔における
広い開口端の側から、円錐面を形成された方を先頭とし
て上記貫通孔に嵌めこんだ。

【００６７】平面板部材２０１の光源側に面する側の面
（図の左方の面、貫通孔の開口径が小さい側）には、ス
パッタリングの常方法によって、膜厚１０００ÅのＣｒ
膜を成膜して、遮光膜１５とした。また、反対側の面に
は鏡胴固定用のメタライズ膜１７（Ｃｕスパッタ膜とＮ
ｉ／Ａｕめっき処理）を形成している。

【００６８】第２の平面板部材２０２は、材料：ＳＦ−
６による平行平板にダイヤモンド研削加工により貫通孔
を形成したものである。貫通孔の形状は「円形状」であ
り、貫通孔の断面形状は、図６（ａ）に示す保持具１２
６の貫通孔と同様、階段状である。貫通孔の開口径の大
きい方を第１の平面板部材２０１に向けて、第１の平面
板部材２０１とともに、微小光学素子を挾持した。微小
光学素子および、第１および第２の平面板部材は、何れ
も「低融点ガラス（ＳＦ−６）］であるので、これら全
体を加熱し、接触部を溶融させて相互に固定した。

【００６９】このようにして「微小光学素子ユニット」
が得られた。なお第２の平面板部材２０２の平面形状
は、鏡胴に連なる固定ホルダー２０７に形成された凹形
状の挿入箇所と同一形状に形成されている。

【００７０】次に、予め用意しておいた非球面金型に光
硬化性・嫌気性接着剤（エポキシ系樹脂とアクリル系樹
脂を１：９で配合している）を定量的に塗布し、この後
に上記保治具に保持された微小光学素子の第２面（第２
の平面板部材の側の面、円錐面が形成されているのと逆
側の面）を押し当てる。

【００７１】金型の非球面形状は、光学設計の結果得ら
れた形状に基づいて微細加工法で形成している。また、
金型表面は、フッ素系トリアジンチオ−ルで表面処理し
剥離し易い様に表面処理加工を施している。高圧水銀灯
を用いて紫外線を、第１の平面板部材２０１の側から微
小光学素子を介して照射する。このとき、照射された光
量の面積分布を均一化するために、光源の先にホモジナ
イザ−を配置した。上記照射により接着剤を硬化させ
る。必要に応じて、完全硬化させるために光照射後に熱
処理を行っても良い。

【００７２】続いて、接着剤に非球面形状を転写された
微小光学素子をＥＣＲプラズマエッチング装置で「選択
比：１」でエッチングする。エッチング条件は、ＥＣＲ
プラズマエッチング装置内で、Ａｒ，ＣＨＦ₃，Ｏ₂ガス
を導入し、３〜５×１０−⁴Ｔｏｏｒの条件下で３１０
分間、異方性の物理的エッチングを行い、接着剤表面の
非球面形状をそのまま微小光学素子に転写した。

【００７３】上記非球面は、非球面式、Ｚ＝Ｅｈ²／〔１＋√｛１−（Ｋ＋１）Ｅ²ｈ²｝〕＋Ａ
ｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸ （Ｚ：レンズ頂点からの距離，Ｅ＝１／Ｒ（光軸上の曲
率），Ｋ：円錐定数，Ａ，Ｂ，Ｃ：非球面係数）におい
て、Ｅ＝１／Ｒ＝１／１．０ｍｍＫ＝−１．０７１１６６Ａ＝０．４８１８６８×１０~² Ｂ＝−０．３０８７５９×１０~¹ Ｃ＝０．３８２１５７５とした、形状である。

【００７４】このようにして、「微小光学素子デバイ
ス」が形成された。この微小光学素子デバイスは、図１
１に示すように、マイクロレンズ２００を、平面板部材
２０１，２０２で保持・一体化したものである。この微
小光学素子デバイスを、前述のように、図１１の固定ホ
ルダー２０７に形成された凹形状の挿入箇所に、平面板
部材２０２を挿入することにより鏡胴に固定した。

【００７５】鏡胴には、半導体レーザー２０３が、図示
されないホルダーにより固定され、固定ホルダー２０６
により光ファイバー２０４の入射端面側が固定される。
半導体レーザー２０３を保持する、図示されないホルダ
ーと、上記固定ホルダー２０６は、保持する半導体レー
ザー２０３、光ファイバー２０４の位置が、鏡胴に対し
て、正確な位置を占めるように構成されており、固定ホ
ルダー２０７は、上記保持された半導体レーザー２０３
と光ファイバー２０４の入射端とを結ぶ線上に、マイク
ロレンズ２００の光軸が来るように、挿入箇所を形成さ
れている。従って、平面板部材２０２を挿入箇所に挿入
して、マイクロレンズ２００を、鏡胴に装備することに
より、自動的に、光軸合わせが実現する。

【００７６】図１１のレイアウトの構成は下記の通りで
ある。半導体レーザー２０３〜マイクロレンズ２００の
第１面：０．３８５（ｍｍ），マイクロレンズ２００の
第２面〜光ファイバ−２０４の入射端面：５．９２７ｍ
ｍ。このようなレイアウトにアッセンブリしたところ、
半導体レ−ザ−２０３から出射される光量の内の５３％
（光学設計上は５７．８％）が単芯のシングルモ−ド光
ファイバ−２０６に光結合した。

【００７７】具体例２図１２は、光学装置としての光通信用カップラ−（ＬＤ
と光ファイバ−の高効率結合モジュ−ル）の要部を示し
ている。半導体レーザー２０３と光ファイバ−２０４の
間を、２個の微小光学素子で結合させる１チャンネルの
カップラーである。図１１の例との違いは、図１１の例
では、カップリングレンズが１個のマイクロレンズ２０
０からなるのに対し、図１２の例では２個のマイクロレ
ンズ２１０，２１４からなり、マイクロレンズ２１０か
ら出射する光は平行光である。

【００７８】このため、マイクロレンズ２１０からマイ
クロレンズ２１４に到る間隔は自由である。従って、マ
イクロレンズ２１０とマイクロレンズ２１４の間隔にフ
ィルタ−，波長板，シャッタ−等を挿入することによっ
て、単に光結合のみならず情報処理や光可変減衰等の機
能を持たせることが可能である。

【００７９】保持具である平面板部材２１１は、ＳＦ−
６の平公平板にダイヤモンド研削加工により貫通孔を形
成したものである。貫通孔の形状（貫通方向から見た形
状）は「円形状」であり、貫通孔の断面形状は、図に示
すように、階段状である。

【００８０】貫通孔の開口径の小さい側の面（図の左側
の面）には、スパッタリングの常方法によって、膜厚１
０００ÅのＣｒ膜を成膜して、遮光膜１５とした。

【００８１】マイクロレンズ２１０となるべき微小光学
素子は、ＳＦ−６，直径：φ１．８ｍｍのボ−ルレンズ
を用い、上記光学素子用ボ−ルレンズを全角：８０°の
芯取りホイ−ルで片側を研削し、円錐状の形状としたも
のである。円錐面が形成されている側の球面は第１面と
なる。

【００８２】この微小光学素子を、平面板部材２１１の
貫通孔に、広い開口端の側から、第１面を先頭として嵌
めこんだ。そして、両者を固定用材料（高分子材料）２
１３により固定した。かくして「微小光学素子ユニッ
ト」が得られた。

【００８３】このように形成された微小光学素子ユニッ
トの微小光学素子の第２面に、図８に即して説明したよ
うにして、非球面を形成した。即ち、予め用意しておい
た非球面金型に前記、具体例１に置けると同じ光硬化性
・嫌気性接着剤を定量的に塗布し、上記保治具２１１に
保持された微小光学素子の第２面を押し当てる。金型の
非球面形状は、光学設計の結果得られた形状に基づいて
微細加工法で形成され、金型表面は、フッ素系トリアジ
ンチオ−ルで表面処理している。高圧水銀灯を用いて紫
外線を照射して接着剤を硬化させる。

【００８４】続いて、接着剤に非球面形状を転写された
微小光学素子をＥＣＲプラズマエッチング装置で「選択
比：１」でエッチングする。エッチング条件は、具体例
１におけるものと同じである。異方性の物理的エッチン
グにより接着剤表面の非球面形状をそのまま微小光学素
子に転写した。かくして、微小光学素子はマイクロレン
ズ２１０となり、平面板部材２１１とともに微小光学素
子デバイスとなる。

【００８５】マイクロレンズ２１０の第２面に形成され
た「非球面形状」は、前記非球面式におけるＥ，Ｋ，
Ａ，Ｂ，ＣがＥ＝１／Ｒ＝１／０．９ｍｍＫ＝−０．１００７５２×１０¹ Ａ＝−０．９８５３２２５×１０~¹ Ｂ＝−０．１８０７２２５×１０~¹ Ｃ＝０．５３８３１９６×１０~¹ であるようなものである。

【００８６】マイクロレンズ２１０は、保持具である平
面板部材２１１により、固定ホルダー２１２（鏡胴内周
壁に形成されている）に接着固定した。

【００８７】一方、凸平のマイクロレンズ２１４は、以
下の如くに作製した。材質：ＳＦ−６，直径：φ８．０ｍｍのボ−ルレンズか
ら、芯取り機械で、両端に球面をもつ４角柱状に芯取り
し、４角中面をチャッキングして第２面となる平面を概
略研削加工した。

【００８８】このような光学素子複数個を、保持具に保
持させた。保持具は、図７（ａ）に示す平面板部材と同
様、複数の貫通孔を形成された平行平板であり、各貫通
孔の間は、分離用の溝が形成されている。マイクロレン
ズ２１４となるべき光学素子は、それぞれ、第１面の球
面側を保持具の貫通孔に嵌めこみ、接合固定した。

【００８９】このように、保持具に保持させた状態で、
第２面を基準にして平面皿に固定し、第１面側を通常の
ヤニ貼り方法にて固定し、第２面側を設計値通りに寸法
を制御しながら平面研磨加工した。

【００９０】加工後、上記分離用の溝に沿って切断す
る。この切断工程は、通常のヒ−トショックと物理的引
っ張り作業で容易に短時間で行うことができた（従来
は、専用のダイシングソ−で切断している）。このよう
にして、保持具と一体化された平凸レンズがマイクロレ
ンズ２１４として得られる。マイクロレンズ２１４の凸
面の形状は、上記非球面式において、Ｅ＝１／Ｒ＝１／
３．９７ｍｍの球面（非球面係数なし）であり、レンズ
肉厚は０．９６９ｍｍである。

【００９１】マイクロレンズ２１４を保持した保持具
を、固定ホルダー２１５に接着固定した。このようにし
て、マイクロレンズ２１０，２１４を鏡胴に組付ける
と、自動的に、マイクロレンズ２１０，２１４と鏡胴の
位置合わせが実現するようになっている。

【００９２】また、半導体レーザー２０３を保持する、
図示されないホルダーと、固定ホルダー２０６は、保持
する半導体レーザー２０３、光ファイバー２０４の位置
が、鏡胴に対して正確な位置を占めるように構成されて
おり、半導体レーザー２０３と光ファイバー２０４とを
鏡胴に装備することにより、自動的に、全体の光軸合わ
せが実現する。

【００９３】図１２のレイアウトの構成は下記の通りで
ある。半導体レーザー２０３〜マイクロレンズ２１０の
第１面：０．１４ｍｍ、マイクロレンズ２１４の第２面
〜光ファイバ−２０４の入射端面：４．５９ｍｍ、マイ
クロレンズ２１０の第２面〜マイクロレンズ２１４の第
１面：５．０ｍｍ。

【００９４】図１２に示したようなレイアウトにアッセ
ンブリしたところ、半導体レ−ザ−２０３から出射され
る光量の内の５７％（光学設計上は、６３．４％）が、
単芯のシングルモ−ド光ファイバ−２０４に光結合し
た。

【００９５】具体例３図１１に即して説明した具体例１と同様の光通信用カッ
プラー（半導体レーザーと光ファイバ−の間を結合させ
る１チャンネルの光通信用カップラ−）を、以下のよう
にして具体化した。

【００９６】材質：ＳＦＳ−１、直径：φ２ｍｍのボー
ルレンズの一部を、ダイヤモンドホイールにより円柱面
に研削し、図４（ｃ）に示す微小光学素子１１’の如き
形状とした。

【００９７】このような形状の微小光学素子は、非球面
形成の際に、円柱面状部分を基準にチャッキングして、
非球面金型の光軸と、上記円柱面状部分の軸とを合わせ
ることができるため、非球面形成時の軸合わせが容易で
あり、光源と非球面との光軸合わせも容易である。

【００９８】上記形状に加工した微小光学素子を、図４
（ｄ）の保持具１２０と同様の、保持具である平面板部
材（ＳＦ−６による平行平板で、片面に遮光膜、反対側
の面にメタライズ膜が形成されており、ダイヤモンド研
削加工により形成された円形の貫通孔は、貫通方向に一
様な断面形状を持ち、その径は、円柱面部分と摺動的に
嵌合できるような大きさである。）に、図４（ｄ）と同
様に保持させ、低温ガラスで接合した。

【００９９】平面板部材の光源側に面する側の面に形成
された遮光膜は、スパッタリングの常方法により成膜さ
れた膜厚１０００ÅのＣｒ膜であり、反対側の面には形
成された鏡胴固定用のメタライズ膜はＣｕスパッタ膜と
Ｎｉ／Ａｕめっき処理により形成した。

【０１００】このようにして「微小光学素子ユニット」
が得られた。次に、予め用意しておいた非球面金型に光
硬化性・嫌気性接着剤（エポキシ系樹脂とアクリル系樹
脂を１：９で配合している）を定量的に塗布し、この後
に上記保治具に保持された微小光学素子の第２面（光フ
ァイバー側）を押し当てる。

【０１０１】前記具体例１と同様にして、接着剤を硬化
させ、接着剤に非球面形状を転写された微小光学素子を
ＥＣＲプラズマエッチング装置で「選択比：１」でエッ
チングする。エッチング条件は、前記具体例１における
と同様であるが、この具体例において、微小光学素子の
材料として用いられている材質ＳＦＳ−１は、具体例１
における材質ＳＦ−６に比べて屈折率が高く、このた
め、エッチングによる加工しろ（彫り込みの深さ）が少
ない。即ち、具体例１においては微小光学素子の加工し
ろが１７．２μｍであるが、この具体例３においては
９．６μｍであり、このため、エッチング時間は、具体
例１における３１０分に対し、略１９０分であり、エッ
チング時間が４０％程度短縮された。

【０１０２】微小光学素子に形成した非球面は、前記非
球面式において、Ｅ＝１／Ｒ＝１／１．０ｍｍＫ＝−０．９７００８３８Ａ＝−０．３０６６４２８×１０~² Ｂ＝−０．１１１８１１７×１０~² Ｃ＝０．２６４５５９７とした、形状である。

【０１０３】このようにして、「微小光学素子デバイ
ス」が形成された。この微小光学素子デバイスは、上記
マイクロレンズを上記平面板部材で保持・一体化したも
のである。この微小光学素子デバイスを、鏡胴内に形成
された固定ホルダーに接合固定した。固定ホルダーは、
図１２の固定ホルダー２１２と同様のものである。

【０１０４】具体例３のレイアウトの構成は下記の通り
である。半導体レーザー〜マイクロレンズの第１面：
０．２９（ｍｍ），マイクロレンズの第２面〜光ファイ
バ−の入射端面：５．４２７４ｍｍ。

【０１０５】このようなレイアウトにアッセンブリした
ところ、半導体レ−ザ−から出射される光量の内の５７
％（光学設計上は５７．８％）が単芯のシングルモ−ド
光ファイバ−２０６に光結合した。

【０１０６】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、微小光学素子の新規な保持具および新規な微小光学
素子ユニット、新規な微小光学素子デバイスおよびその
製造方法を提供できる（請求項１〜９）。

【０１０７】この発明の「保持具」（請求項１〜４）
は、上記の如き構成となっているので、マイクロレンズ
となるべき微小光学素子を容易且つ確実に保持し、非球
面加工の際の保持、光学装置への組付けの際の組付けを
確実に行うことができる。

【０１０８】この発明の「微小光学素子ユニット」（請
求項５〜７）は、上記の如き構成となっているから、微
小光学素子への非球面加工を容易且つ確実に行うことが
できる。

【０１０９】この発明の「微小光学素子デバイス製造方
法」（請求項８）は、上記の如き構成となっているか
ら、非球面加工が極めて容易且つ確実である。

【０１１０】また、この発明の「微小光学素子デバイ
ス」（請求項９）は、上記の如き構成となっているの
で、光学装置へのマイクロレンズの組付けが容易であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の保持具の1実施例を説明するた
めの図である。

【図２】請求項１記載の保持具の別実施例を説明するた
めの図である。

【図３】請求項１記載の保持具の他の実施例を説明する
ための図である。

【図４】請求項１記載の保持具への微小光学素子の保持
形態を２例説明するための図である。

【図５】請求項５記載の微小光学素子ユニットの１実施
例を説明するための図である。

【図６】請求項２記載の保持具の１実施例を説明するた
めの図である。

【図７】請求項４記載の保持具の１実施例を説明するた
めの図である。

【図８】請求項８記載の微小光学素子デバイス製造方法
の１実施例を説明するための図である。

【図９】光学素子を用いた光通信用カップラ−を説明す
るための図である。

【図１０】請求項２記載の保持具の、光学装置への組付
けの１例を説明するための図である。

【図１１】この発明を適用した光学装置の具体的１例で
ある光通信用カップラーを説明するための図である。

【図１２】この発明を適用した光学装置の具体的１例で
ある別の光通信用カップラーを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１保持具である平面板部材２貫通孔１０微小光学素子としての透明な微小球体１２平面板１５遮光膜１７メタライズ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小光学素子保持用の貫通孔を１以上加工
形成された平面板部材により構成され、微小光学素子で
ある透明な微小球体もしくはその加工体を、上記貫通孔
に嵌め込んで固定され、微小光学素子の非球面加工の際
の保持治具および、光学装置への組付け部材を兼ねる、
微小光学素子の保持具。
【請求項２】微小光学素子保持用の貫通孔を１以上加工
形成した第１の平面板部材と、上記貫通孔に対応した貫
通孔を形成された第２の平面板部材とを有し、対応する
貫通孔同志を合わせて形成される中広の空間部分に、微
小光学素子である透明な微小球体もしくはその加工体を
挾持し、微小光学素子の非球面加工の際の保持治具およ
び、光学装置への組付け部材を兼ねる、微小光学素子の
保持具。
【請求項３】平面板部材の貫通孔が、貫通方向に階段状
の断面形状を有することを特徴とする、請求項１または
２記載の、微小光学素子の保持具。
【請求項４】平面板部材が２以上の貫通孔を形成され、
各貫通孔部分を含む部分を相互に分離するための分離用
溝が形成されていることを特徴とする、請求項１または
２または３記載の微小光学素子の保持具。
【請求項５】請求項１または２または３または４または
５記載の保持具と、この保持具に保持されて一体化され
た微小光学素子とからなる微小光学素子ユニット。
【請求項６】保持具に保持された微小光学素子の表面に
遮光用または接合用のコ−ティングが施されたことを特
徴とする請求項５記載の微小光学素子ユニット。
【請求項７】微小光学素子と平面板部材との間を、高分
子材料もしくは低融点ガラスまたは半田を用いて固定し
たことを特徴とする請求項５または６記載の微小光学素
子ユニット。
【請求項８】請求項５または６または７記載の微小光学
素子ユニットの微小光学素子の表面に、硬化性の高分子
材料を介して金型を近接させ、上記高分子材料を硬化さ
せることにより、金型の非球面形状を上記高分子材料
に、その表面形状として転写し、エッチングにより上記
表面形状を微小光学素子に彫り写すことを特徴とする微
小光学素子デバイス製造方法。
【請求項９】請求項８載の製造方法で製造される微小光
学素子デバイス。