JPH11119174A

JPH11119174A - 光学素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11119174A
Application number: JP28014597A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hiraga; 隆平賀; Tetsuo Moriya; 哲郎守谷; Norio Tanaka; 教雄田中; Hiromitsu Yanagimoto; 宏光柳本; Ichiro Ueno; 一郎上野; Koji Tsujita; 公二辻田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd; Victor Company of Japan Ltd; Moriya Tetsuo
Current assignee: Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Victor Company of Japan Ltd; Moriya Tetsuo
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】サイズ、形状および屈折率の制御されたプラ
スチックマイクロレンズを設けた光学素子およびその製
造方法を提供する。【解決手段】１個以上の凹面を有するレンズ原版と基
板との間の平凸レンズ型空洞内に樹脂を充填することに
よって基板上に凸レンズを形成する方法において、前記
レンズ原版の母材表面にレジストを塗布し、前記レジス
ト上に複数の孔を有するパターンを形成した後に母材の
エッチングを行い、その際にレジスト自身のエッチング
も進行させることにより前記孔の直径がエッチング工程
の進行と共に増大するようにして母材表面に凹面を形成
させる方法で作成したレンズ原版１と基板５との間の平
凸レンズ型空洞内に樹脂を充填することによって基板上
に凸レンズ６を形成し、凸レンズ６の焦点位置に光学素
子中の光機能発現部位を配置するものとし、前記光機能
発現部位へ入射する光を前記凸レンズ６によって各々収
束させ光束密度を増大させて前記光機能発現部位へ照射
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光通信、光
情報処理などの光エレクトロニクスおよびフォトニクス
の分野において有用な、光学素子およびその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラスチックマイクロレンズの製造方法
としては、例えば、モノマーの浸透・拡散を利用して、
有機高分子系材料（プラスチック）を用い、屈折率分布
平面型レンズを作成する方法が文献［M.Oikawa,K.Iga,
T.Sanada: Jpn.J.Appl.Phys.,20(1),L51-L54(1981)］に
記載されている。すなわち、モノマー交換技術によっ
て、屈折率分布レンズを平坦な基板上にモノリシックに
作ることができ、例えば、低屈折率プラスチックとして
のメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９４）を、３．６ｍ
ｍφの円形ディスクのマスクのまわりから、高屈折率を
持つポリイソフタル酸ジアクリル（ｎ＝１．５７０）の
平坦なプラスチック基板中へ拡散させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法によって所定の屈折率分布を持った平面型マイクロレ
ンズを作製するには、屈折率が異なると同時にモノマー
交換法が可能な樹脂の組み合わせの選定、上記円形ディ
スクの大きさの選定、モノマー交換時の温度条件の選定
および制御など、製造条件の設定が複雑であるという課
題がある。

【０００４】また、熱可塑性高分子化合物のシート表面
に型押しする方法によるプラスチックマイクロレンズア
レイの製造方法が文献［P.Pantelis,D.J.Mccartney: P
ureAppl.Opt.,3(2),103-108(1994)］に記載されてい
る。例えばポリカーボネイト製のシートを高温プレス技
術によって熱成形して直径約１ないし２ｍｍのレンズを
多数ならべたレンズアレイを安価に製造できると記載さ
れている。この方法の場合、型押しするための原版の製
造方法に改善すべき余地が多く残されている。

【０００５】更に、文献［Y.Koike,A.Kanemitsu,Y.Shio
da,E.Nihei,Y.Ohtsuka: Appl.Opt.,33(16),3394-3400(1
994)］には、アクリル樹脂の懸濁重合によって直線およ
び二次の球状屈折率分布を持つ、球面収差の小さい屈折
率分布型ポリマー球レンズ（直径０．５〜１．１ｍｍ）
を作製したと記載されている。容易に理解できるよう
に、この方法を用いて、サイズおよび屈折率分布の両方
を同時に制御して設計通りのマイクロレンズを製造する
には制約が多い。

【０００６】本発明は、以上の通りの従来技術の欠点を
解消し、サイズ、形状および屈折率の制御されたプラス
チックマイクロレンズを設けた光学素子およびその製造
方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願の請求項１記載の発明に係る光学素子は、１個
以上の凹面を有するレンズ原版と基板との間の平凸レン
ズ型空洞内に樹脂を充填することによって基板上に凸レ
ンズを形成し、前記凸レンズの焦点位置に光機能発現部
位を配置するものとし、前記光機能発現部位へ入射する
光を前記凸レンズによって各々収束させ光束密度を増大
させて前記光機能発現部位へ照射することを特徴とす
る。

【０００８】上記目的を達成するために、本願の請求項
２記載の発明に係る光学素子は、請求項１に記載の光学
素子であって、少なくとも光吸収層膜を有し、前記光吸
収層膜に、互いに波長の異なる制御光および信号光を前
記凸レンズによって各々収束させて照射し、前記制御光
の波長は前記光吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれ
るものとし、少なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内
において焦点を結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制
御光を吸収した領域およびその周辺領域に起こる温度上
昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱
レンズを用いることによって、前記信号光の強度変調お
よび／または光束密度変調を行うことを特徴とする。

【０００９】上記目的を達成するために、本願の請求項
３記載の発明に係る光学素子は、請求項１または請求項
２に記載の光学素子において、前記凸レンズが、前記レ
ンズ原版と基板との間の平凸レンズ型空洞内に充填され
た熱可塑性樹脂粉末を加熱溶融圧縮することによって形
成されたものであることを特徴とする。

【００１０】上記目的を達成するために、本願の請求項
４記載の発明に係る光学素子の製造方法は、１個以上の
凹面を有するレンズ原版と基板との間の平凸レンズ型空
洞内に樹脂を充填することによって基板上に凸レンズを
形成する方法において、前記レンズ原版の母材表面にフ
ォトレジストを塗布し、前記フォトレジスト上に複数の
孔を有するパターンを形成した後に母材のエッチングを
行い、その際に、フォトレジスト自身のエッチングも進
行させることにより前記孔の直径がエッチング工程の進
行と共に増大するようにして母材表面に凹面を形成させ
る方法で作成したレンズ原版を用いることを特徴とす
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】

［マイクロレンズ形成材料］本発明で用いられるマイク
ロレンズ形成材料としては、プラスチックマイクロレン
ズ用として公知の、熱可塑性高分子化合物を用いること
ができる。

【００１２】［原版形成材料］本発明で用いられる原版
形成材料は、フォトリソグラフィの手法に適した公知の
金属材料を用いることができる。例えば、チタン、クロ
ム、および、これらの合金を好適に用いることができ
る。

【００１３】［光機能］本発明の光学素子は、基板上に
凸レンズを形成し、前記凸レンズの焦点位置に光機能発
現部位を配置するものとし、前記光機能発現部位へ入射
する光を前記凸レンズによって各々収束させ光束密度を
増大させて前記光機能発現部位へ照射することを特徴と
するが、「光機能」としては公知の任意のものを単独ま
たは組み合わせて利用することができる。例えば、蛍
光、燐光、熱刺激発光（蓄光）などの発光現象、フォト
クロミズムや光刺激サーモクロミズムなどの吸収スペク
トル変化、光異性化などの（可逆的）光化学反応、液晶
の光誘起配向変化、相変化、光導電現象、光起電力、熱
レンズ効果、吸収飽和、フォトリフラクティブ現象、光
カー効果などの現象を利用することができる。

【００１４】これらの現象を、例えば、光センサとして
応用することができる。その場合、凸レンズの一つ一つ
に対応させてセンサ出力を取り出すことができるが、個
々の凸レンズにおいて入射光を収束させて光機能発現部
位に照射させるため、信号／ノイズ比特性の良好な、高
感度のセンシングが可能になる。

【００１５】以下、図面に基づき本発明の実施形態につ
いて説明する。

【００１６】〔実施形態１〕以下、例えば、厚さ５ｍ
ｍ、１００ｍｍ角のチタン板材１０を加工してプレス原
版１を作成し、これを用いて、マイクロレンズを設けた
光学素子を製造する例について、図１から図５を用いて
説明する。なお、図１および図２において（ａ）は孔が
形成される原版および／あるいは光学素子の断面図であ
ってそれぞれ（ｂ）のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った
断面図、（ｂ）は同平面図である。

【００１７】まず、図１に示すように、チタン板材１０
の一面を研磨して鏡面とし、そこへ、スピンコーターを
用いた塗工法によって、厚さ約１μｍのフォトレジスト
層２を形成し、更に、縮小投影露光法により直径２５μ
ｍの円形孔３０を０．１ｍｍピッチで格子点状にパター
ン付けした。

【００１８】次いで、図２に示すように、半導体製造工
程等で公知の技術である四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガスを
用いた高周波プラズマエッチング法により侵食加工を行
った。反応時の圧力は６．５×１０^-4Ｐａ、高周波パワ
ーは４００Ｗとした。この時、原版金属であるチタンの
深さ方向のエッチングの進行と共に、高周波プラズマ中
で加速されたイオンや電子の衝突によりフォトレジスト
の円形孔３０の周囲もエッチングされる。エッチング開
始時に２５μｍであった直径が最終的に４５μｍとなる
ようエッチング時間を調節した。フォトレジストの円形
孔直径の増大に伴いエッチングは深さ方向のみならずこ
れと直交する方向にも進行し、孔３の断面は円弧状とな
る。高周波プラズマエッチングの場合、一般的には等方
性の化学的エッチングと異方性の物理的エッチングが混
在しており、ガスの種類・圧力・高周波パワー等の条件
を変えることにより等方性と異方性の比率を変化させる
ことができる。例えば、エッチング条件（ガス種・圧力
・高周波パワー）を調節して等方性エッチングを強調し
て行うことによって、得られた孔の断面円弧の曲率半径
が１０２μｍという比較的大きい値になるよう制御する
ことができた。これに対して、例えば、上述のエッチン
グ条件に比べて圧力を低くし、高周波パワーを４５０Ｗ
と高くした場合には異方性エッチングの程度が強調さ
れ、得られた孔の断面円弧の曲率半径は４３μｍと小さ
くなった。これと同様の制御はフォトレジストの選択に
よっても可能である。すなわち、熱処理後硬度が増すよ
うに高い温度で処理した場合、および、ガスに対して特
にエッチングされ難いフォトレジストを用いた場合、得
られた孔の断面円弧の曲率半径は小さくなる。このよう
にエッチングに関する条件を制御することによりプレス
原版１の孔３断面の曲率半径を制御することが可能であ
り、任意の断面形状のプレス原版１を作成することがで
きる。プレス原版１はエッチング工程の後、フォトレジ
スト除去（洗浄）工程に続いて化学研磨による鏡面仕上
げを行い表面粗さを小さくした。

【００１９】以上のようにして作成されたプレス原版１
（図３（ａ））の上に、再沈殿法により精製され、高真
空下加熱処理によって揮発成分が除去されたポリメタク
リル酸メチルの粉末４を散布した後に、厚さ約２ｍｍの
ガラス基板５を乗せて（図３（ｂ））真空ホットプレス
法（日本国特許第１８８２０１１号）により熱間加圧加
工を行うことによりガラス基板５とプレス原版１の間
に、集積されたポリメタクリル酸メチルのレンズアレイ
６が形成された（図４）。

【００２０】図５に示すように、冷却後、プレス原版１
を剥離してガラス基板５上に集積されたポリメタクリル
酸メチル・レンズアレイ６を得た。

【００２１】〔実施形態２〕図６に示すように、実施形
態１に記載の方法において、レンズ原版１の製造条件を
制御することによって凹面３の形状を調節し、ガラス基
板５１（厚さ１．５１０ｍｍ）上に有効開口半径２５０
μｍ、焦点距離１．００ｍｍ、開口数ＮＡ０．２５の凸
レンズ６１を、また、ガラス基板５２（厚さ１．５００
ｍｍ）上に有効開口半径１３０μｍ、焦点距離１．００
ｍｍ、開口数ＮＡ０．１３の凸レンズ６２を、ポリメタ
クリル酸メチル（屈折率１．４９）を用いてそれぞれ作
成した。凸レンズ６１および６２の保護のため、レンズ
原版は、後述のように、光学素子製造工程の最後に取り
外すものとする。

【００２２】なお、開口数ＮＡは有効開口半径ａおよび
焦点距離ｒから式（１）で求められる：

【数１】ＮＡ＝ａ／ｒ …（１）上記「焦点距離」は、ガラス基板（屈折率１．５１）に
平面側を密着させた平凸レンズとして凸レンズ６１およ
び６２を作用させ、ガラス基板側から平行光を照射し、
空気（屈折率１）中に焦点を結ばせた場合の値である。
逆向きに、空気側から平行光を照射した場合は、光の波
長および焦点に到達するまでに通過する媒体の屈折率を
考慮して焦点位置を算出する必要がある。例えば、図６
に示すように、凸レンズ６１で収束され、屈折率１．５
１、厚さ１．５１０ｍｍのガラス中、次いで、屈折率約
１．５１の光吸収層膜８０中を進行し、その中で焦点を
結ぶ場合の「焦点距離ｒ’」は、約１．５１ｍｍ±（共
焦点距離Ｚc）／２と計算される。一方、この焦点から
発散する光を、前記光吸収層膜８０、次いで屈折率１．
５１、厚さ１．５０ｍｍのガラスを進行させた後、凸レ
ンズ６２で平行光に戻す場合の「焦点距離ｒ”」は、約
１．５１ｍｍ±（共焦点距離Ｚc）／２と計算される。
すなわち、図６のような構成の光学素子における光吸収
層膜８０の厚さを１００μｍ未満になるよう製造する
と、平行光として入射した信号光Ｓ２を、おおむね、平
行光として取り出すことができる。

【００２３】光吸収層膜８０を作成するため、３，３’
−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージド（慣用名Ｄ
ＯＤＣＩ）: ２３．０ｍｇおよびポリメタクリル酸メチ
ル:１９７７．０ｍｇをアセトン: ２００ｍｌに溶解
し、ｎ−ヘキサン: １３００ｍｌ中へかき混ぜながら加
えて析出した沈殿（色素およびポリマーの混合物）を濾
別し、ｎ−ヘキサンで洗浄してから減圧下乾燥し、粉砕
した。得られた色素およびポリマーの混合粉末を１０^-5
Ｐａ未満の超高真空下、１００℃で２日間加熱を続け、
残留溶媒等の揮発成分を完全に除去して、色素／樹脂混
合物の粉末を得た。この粉末３５ｍｇをガラス基板５１
およびガラス基板５２の間に挟み、真空下１５０℃に加
熱し、２枚のガラス板を圧着する方法（真空ホットプレ
ス法）を用いてガラス基板間に色素／樹脂からなる光吸
収層膜８０（膜厚５０μｍ）を作成した。この時、凸レ
ンズ６１および６２の光軸が一致するよう、ガラス基板
５１および５２の位置関係を精密に調整した。具体的に
は、ガラス基板５１および５２に密着させた状態にある
レンズ原版に位置決めのための基準線を予め設けてお
き、これを基準として孔３の位置を決めて凸レンズ６１
および６２に対応する２つのレンズ原版を作成、更に、
これらの２つの基準線に基づいて、２つの凸レンズの光
軸が一致するよう位置関係を調整した。

【００２４】なお、光吸収層膜中の色素濃度は、色素／
樹脂混合物の密度を１．０６として計算すると、２．５
×１０^-2ｍｏｌ／ｌである。以上のようにして作成した
光吸収層膜８０の透過率スペクトルを図７に示す。この
膜の透過率は制御光Ｓ１の波長（６３３ｎｍ）で２８．
３％、信号光Ｓ２の波長（６９４ｎｍ）で９０．２％で
あった。

【００２５】以上の製造工程の最後に、真空ホットプレ
スを終えた光学素子を室温まで冷却し、大気中に取り出
し、レンズ原版を取り外した。

【００２６】以上の手順は、ガラス基板上に凸レンズを
形成してから光吸収層膜８０を作成するものであるが、
逆の手順として、光吸収層膜８０を作成してから、２つ
の凸レンズの光軸が一致するように注意しながら、ガラ
ス基板５１および５２の表面に、凸レンズ６１および６
２を形成しても良い。

【００２７】また、光吸収層膜８０の成膜と、２つの凸
レンズ６１および６２の形成を同時に行っても良い。

【００２８】いずれの場合も、光吸収層膜８０の厚さが
上記の設計値になるよう、また、２つの凸レンズの光軸
が一致するよう製造条件を精密に制御することが重要で
ある。

【００２９】以上のようにして製造した光学素子の光応
答を調べるため、図８に構成を示すような測定装置に本
発明の光学素子を取り付けた。

【００３０】制御光Ｓ１の光源１０１としてはヘリウム
・ネオンレーザー（発振波長６３３ｎｍ、ビーム直径約
１２０μｍの平行ビーム、ビーム断面のエネルギー分布
はガウス分布）を用いた。

【００３１】一方、信号光Ｓ２の光源１０２としては半
導体レーザー（発振波長６９４ｎｍ、連続発振出力３ｍ
Ｗ）の出射光をビーム整形して直径約０．５ｍｍの平行
ガウスビームとして用いた。

【００３２】ＮＤフィルター１０３としては、光学素子
の光応答性能を試験するに当たり制御光Ｓ１の光強度を
増減するため、減衰率連続可変タイプのものを使用し
た。

【００３３】シャッター１０４は、制御光として用いた
連続発振レーザーをパルス状に明滅させるために用い
た。メカニカルシャッターと光音響素子を併用した。

【００３４】半透過鏡１０５は、制御光Ｓ１の光強度を
常時見積もるために用いた。

【００３５】光検出器２０１および２０２としては、フ
ォトトランジスターを使用した。光検出器２０１および
２０２の受光信号はオシロスコープ（図示せず）によっ
てモニターした。

【００３６】光混合器１０６としてダイクロイックミラ
ーを使用し、制御光Ｓ１と信号光Ｓ２の光軸が一致する
よう調節した。

【００３７】照射側凸レンズ６１の焦点近傍の光子密度
が最も高い領域、すなわちビームウエストにおける光ビ
ームの半径ω₀および共焦点距離Ｚc は、以下に示す式
（２）および式（４）を用いて計算することができる。

【００３８】一般的に、有効開口半径ａおよび開口数Ｎ
Ａの集光レンズで、ビーム半径ωの平行ガウスビーム
（波長λ）を収束させた場合のビームウエスト直径２ω
₀は、次の式（２）で表すことができる。

【００３９】

【数２】ここで、係数ｋは代数的に解くことができないため、レ
ンズ結像面での光強度分布についての数値解析計算を行
うことによって決定することができる。

【００４０】集光レンズに入射するビーム半径ωと集光
レンズの有効開口半径ａの比率を変えて、数値解析計算
を行うと、式（２）の係数ｋの値は以下のように求ま
る。

【００４１】

【数３】すなわち、集光レンズの有効開口半径ａよりもビーム半
径ωが小さければ小さい程、ビームウエスト径ω₀は大
きくなる。

【００４２】ガウスビームの場合、凸レンズなどの収束
手段で収束された光束のビームウエスト近傍、すなわ
ち、焦点を挟んで共焦点距離Ｚc の区間においては、収
束ビームはほぼ平行光と見なすことができ、共焦点距離
Ｚc は、円周率π、ビームウエスト半径ω₀および波長
λを用いた式（３）で表すことができる。

【００４３】

【数４】Ｚc ＝ πω₀ ²／λ …（３）式（３）のω₀に式（２）を代入すると、式（４）が得
られる。

【００４４】

【数５】照射側凸レンズ６１の有効開口半径ａは２５０μｍ、開
口数ＮＡは０．２５であるから、波長６３３ｎｍ、ビー
ム直径１２０μｍの制御光について、ｋは約３、従って
ω₀は約４μｍ、Ｚc は７２μｍと計算される。

【００４５】同様にして波長６９４ｎｍ、ビーム直径
０．５ｍｍの信号光について、ｋは約０．９２、ビーム
ウエストにおける光ビームの半径ω₀は約２．５μｍ、
Ｚc は２７μｍと計算される。すなわち、本実施形態の
光学素子において、ビームウエストにおける制御光ビー
ムと信号光ビームの大小関係は、ビーム径として約８：
５、ビーム断面積として約５：２の割合で、制御光の方
が大きい。このようにビームウエストにおける制御光の
ビームサイズを信号光に比べて大きくすると、集光レン
ズの焦点近傍における制御光収束ビームのエネルギー密
度が最も高い領域に、信号光収束ビームのエネルギー密
度が最も高い領域を重ね合わせるように光学系を調整す
ることが容易になり、かつ、光学系諸要素の変動の影響
を受け難くなる。

【００４６】受光側凸レンズ６２は、照射側凸レンズ６
１より収束されて光吸収層膜８０へ照射され、光吸収層
膜８０および基板５２を透過してきた信号光および制御
光を平行ビームに戻すための手段であるが、充分な大き
さの信号光を再現性良く得るためには、照射側凸レンズ
６１の開口数より小さい開口数のレンズを用いることが
好ましい。この実施形態では受光側凸レンズ６２とし
て、開口数０．１３のものを用いた。すなわち、照射側
凸レンズ６１の開口数０．２５より受光側凸レンズ６２
の開口数が小さい。

【００４７】波長選択透過フィルター１２０は、図８の
装置構成で本発明の光制御方法を実施するために必須の
装置構成要素の一つであり、前記光学素子中の同一の光
路を伝播してきた信号光と制御光とから信号光のみを取
り出すための手段の一つとして用いられる。なお、波長
の異なる信号光と制御光とを分離するための手段として
は他に、プリズム、回折格子、ダイクロイックミラーな
どを使用することができる。

【００４８】図８の装置構成で用いられる波長選択透過
フィルター１２０としては、制御光の波長帯域の光を完
全に遮断し、一方、信号光の波長帯域の光を効率良く透
過することのできるような波長選択透過フィルターであ
れば、公知の任意のものを使用することができる。例え
ば、色素で着色したプラスチックやガラス、表面に誘電
体多層蒸着膜を設けたガラスなどを用いることができ
る。

【００４９】以上のような構成要素からなる図８の光学
装置において、光源１０１から出射された制御光の光ビ
ームは、透過率を加減することによって透過光強度を調
節するためのＮＤフィルター１０３を通過し、次いで制
御光をパルス状に明滅するためのシャッター１０４を通
過して、半透過鏡１０５によって分割される。

【００５０】半透過鏡１０５によって分割された制御光
の一部は光検出器２０１によって受光される。ここで、
光源１０２を消灯、光源１０１を点灯し、シャッター１
０４を開放した状態において光学素子への光ビーム照射
位置における光強度と光検出器２０１の信号強度との関
係を予め測定して検量線を作成しておけば、光検出器２
０１の信号強度から、光学素子に入射する制御光の光強
度を常時見積もることが可能になる。この実施形態で
は、ＮＤフィルター１０３によって、光学素子へ入射す
る制御光のパワーを０．５ｍＷないし２５ｍＷの範囲で
調節した。

【００５１】半透過鏡１０５で分割・反射された制御光
は、光混合器１０６および照射側凸レンズ６１を通っ
て、光学素子に収束されて照射される。光学素子を通過
した制御光の光ビームは、受光側凸レンズ６２を通過し
た後、波長選択透過フィルター１２０によって遮断され
る。

【００５２】光源１０２から出射された信号光Ｓ２の光
ビームは、前記光混合器１０６によって、制御光Ｓ１と
同一光路を伝播するよう混合され、照射側凸レンズ６１
を経由して、光学素子に収束・照射され、素子を通過し
た光は受光側凸レンズ６２および波長選択透過フィルタ
ー１２０を透過した後、光検出器２０２にて受光され
る。

【００５３】図８の光学装置を用いて光制御の実験を行
い、図９または図１０に示すような光強度変化を観測し
た。図９および／または図１０において、１１１は光検
出器２０１の受光信号、２２２および２２３は光検出器
２０２の受光信号である。光検出器２０２の受光信号２
２２の得られる場合と２２３の得られる場合の違いは、
以下の通りである。

【００５４】図８の装置配置においては光学素子内の光
吸収層膜８０に制御光Ｓ１と信号光Ｓ２とを収束して入
射させているが、最小収束ビーム径位置、すなわち焦点
Ｆcが光吸収層膜８０の照射側凸レンズ６１に近いとこ
ろ（光の入射側）になるよう微調整して製造された凸レ
ンズ６１を用いると、前記光学素子を透過した信号光Ｓ
２が減少する方向の光応答２２２が観察される。

【００５５】一方、焦点Ｆc を光吸収層膜８０の受光側
凸レンズ６２に近いところ（光の出射側）になるよう微
調整して製造された凸レンズ６１を用いると、前記光学
素子を透過した信号光Ｓ２の見かけの強度が増大する方
向の光応答２２３が観察される。

【００５６】このような現象は光吸収層膜８０内の領域
７に形成される熱レンズ効果によって説明することがで
きる。

【００５７】すなわち、信号光の強度が減少する向きの
光応答２２２が得られる場合は、形成された熱レンズに
よって、ビーム中心部分の信号光がビームの外周方向に
曲げられるためと考えられる。従って、この場合、信号
光ビームの中心部分だけを取り出して、見かけの信号光
強度を測定すると、制御光の断続に対応して、信号光の
強度が減少する向きの光応答２２２を、充分な大きさで
取り出すことができる。

【００５８】一方、制御光を照射したとき見かけの信号
光強度が増大する向きの光応答２２３が観察される場合
は、形成される熱レンズの光学作用によって、収束され
て照射される信号光の収束点が、光学素子の外側に伸ば
された状態になる（条件にもよるが、ほぼ無限遠に伸ば
された状態にもなる）ためと考えられる。従って、この
場合、信号光ビームの中心部分だけを取り出して、見か
けの信号光強度を測定すると、制御光の断続に対応し
て、信号光の強度が増大する向きの光応答２２３を充分
な大きさで取り出すことができる。

【００５９】図８の光学装置を用いて光制御の実験を行
い、図９または図１０に示すような光強度変化を観測し
たが、その詳細は以下に述べる通りである。

【００６０】まず、制御光の光ビームと信号光の光ビー
ムとが、光学素子内部を同一の光軸で通過するように、
それぞれの光源からの光路、光混合器１０６、および照
射側凸レンズ６１の位置関係を調節した。次いで、波長
選択透過フィルター１２０の機能を点検した。すなわ
ち、光源１０２を消灯した状態で、光源１０１を点灯
し、シャッター１０４を開閉した場合には光検出器２０
２に応答が全く生じないことを確認した。

【００６１】まず、焦点Ｆc が光吸収層膜８０の光の入
射側に近くなるよう製造した光学素子を用いた場合につ
いて図９を用いて述べる。

【００６２】シャッター１０４を閉じた状態で制御光の
光源１０１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源１
０２を点灯し光学素子へ信号光を照射すると、光検出器
２０２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。

【００６３】時刻ｔ2 においてシャッター１０４を開放
し、光学素子内部の信号光が伝播しているのと同一の光
路へ制御光を収束・照射すると光検出器２０２の信号強
度はレベルＡからレベルＢへ減少した。

【００６４】時刻ｔ3 においてシャッター１０４を閉
じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２０
２の信号強度はレベルＢからレベルＡへ復帰した。

【００６５】時刻ｔ4 においてシャッター１０４を開放
し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２０
２の信号強度はレベルＡからレベルＢへ減少し、次いで
レベルＡへ復帰した。

【００６６】時刻ｔ6 において光源１０２を消灯すると
光検出器２０２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。

【００６７】次いで、前記焦点Ｆc を光吸収層膜８０の
光の出射側に近くなるよう製造した光学素子を用いた場
合について図１０を用いて述べる。

【００６８】シャッター１０４を閉じた状態で制御光の
光源１０１を点灯し、次いで、時刻ｔ1 において光源１
０２を点灯し光学素子へ信号光を照射すると、光検出器
２０２の信号強度はレベルＣからレベルＡへ増加した。

【００６９】時刻ｔ2 においてシャッター１０４を開放
し、光学素子内部の信号光が伝播しているのと同一の光
路へ制御光を収束・照射すると光検出器２０２の信号強
度はレベルＡからレベルＤへ増加した。

【００７０】時刻ｔ3 においてシャッター１０４を閉
じ、薄膜光素子への制御光照射を止めると光検出器２０
２の信号強度はレベルＤからレベルＡへ復帰した。

【００７１】時刻ｔ4 においてシャッター１０４を開放
し、次いで、時刻ｔ5 において閉じると、光検出器２０
２の信号強度はレベルＡからレベルＤへ増加し、次いで
レベルＡへ復帰した。

【００７２】時刻ｔ6 において光源１０２を消灯すると
光検出器２０２の出力は低下し、レベルＣへ戻った。

【００７３】以上まとめると、本実施形態の光学素子
へ、制御光を図９の１１１に示すような波形で表される
光強度の時間変化を与えて照射したところ、信号光の光
強度をモニターして示す光検出器２０２の出力波形は図
９または図１０の２２２または２２３に示すように、制
御光の光強度の時間変化に対応して可逆的に変化した。
すなわち、制御光の光強度の増減または断続により信号
光の透過を制御すること、すなわち光で光を制御するこ
と（光・光制御）、または、光で光を変調すること（光
・光変調）ができることが確認された。

【００７４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、サイズ、形状および屈折率が制御された凸レン
ズをガラス基板上に集積させた構造を有した光学素子を
製造することが可能になる。また、本発明によれば、凸
レンズと光機能発現部位を、真空中一貫製造工程により
一体形成することが可能になり、高パワーレーザー照射
時の光損傷の原因となる揮発性物資の存在しない、高耐
久性の光学素子を製造することができる。また、本発明
によれば、光機能発現部位への入射光の光束密度を、光
学素子外部に収束光学系を付加することなしに、高める
ことが可能になり、極めてコンパクトで高性能の光学素
子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子製造工程における一段階を
例示した図である。

【図２】本発明の光学素子製造工程における一段階を
例示した図である。

【図３】本発明の光学素子製造工程における一段階を
例示した図である。

【図４】本発明の光学素子製造工程における一段階を
例示した図である。

【図５】本発明の光学素子製造工程の一段階におい
て、基板上に形成された複数の平凸レンズを例示した断
面図である。

【図６】本発明の光学素子の構成例を例示した断面図
である。

【図７】本発明の光学素子の透過率スペクトルを例示
した図である。

【図８】本発明の光学素子の光応答を調べるための装
置構成を例示した構成図である。

【図９】照射側凸レンズの焦点Ｆc の位置が光吸収層
膜の光入射側に近くなるよう調節して製造した光学素子
を用いた場合の制御光および信号光の光強度時間変化を
例示した図である。

【図１０】照射側凸レンズの焦点Ｆc の位置が光吸収
層膜の光出射側に近くなるよう調節して製造した光学素
子を用いた場合の制御光および信号光の光強度時間変化
を例示した図である。

【符号の説明】

１レンズ原版、２フォトレジスト、３凹面、４
熱可塑性樹脂粉末、５基板、６凸レンズ、７熱レン
ズ形成領域、１０レンズ原版母材、３０孔、５１基
板、５２基板、６１照射側凸レンズ、６２受光側
凸レンズ、８０光吸収層膜、１０１制御光Ｓ１の光
源、１０２信号光Ｓ２の光源、１０３ＮＤフィルタ
ー、１０４シャッター、１０５半透過鏡、１０６
光混合器、１１１光検出器２０１からの信号（制御光
の光強度時間変化曲線）、２０１光検出器、１２０
波長選択透過フィルター（制御光Ｓ１遮断用）、２０２
光検出器（信号光Ｓ２の光強度検出用）、２２２およ
び２２３光検出器２０２からの信号（信号光の光強度
時間変化曲線）、Ａ制御光を遮断した状態で信号光の
光源を点灯した場合の光検出器２０２の出力レベル、Ｂ
焦点Ｆc が光吸収層膜の光入射側に近くなるよう調節
して製造した光学素子を用いた場合で、かつ信号光の光
源を点灯した状態で制御光を照射した場合の光検出器２
０２の出力レベル、Ｃ信号光を消灯した状態の光検出
器２０２の出力レベル、Ｄ焦点Ｆc が光吸収層膜の光
出射側に近くなるよう調節して製造した光学素子を用い
た場合で、かつ信号光の光源を点灯した状態で制御光を
照射した場合の光検出器２０２の出力レベル、Ｆc 焦
点、Ｓ１制御光、Ｓ２信号光、ｔ1 信号光の光源
を点灯した時刻、ｔ2 制御光を遮断していたシャッタ
ーを開放した時刻、ｔ3 制御光をシャッターで再び遮
断した時刻、ｔ4 制御光を遮断したシャッターを開放
した時刻、ｔ5 制御光をシャッターで再び遮断した時
刻、ｔ6 信号光の光源を消灯した時刻、ω₀集光レ
ンズで収束させたガウスビームのビームウエスト（焦点
位置におけるビーム半径）、Ｚc 共焦点距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597007732 平賀隆茨城県つくば市春日１丁目一番地101棟308 号室 (71)出願人 597007743 守谷哲郎茨城県つくば市東２丁目23番地８号 (74)上記４名の代理人弁理士吉田研二（外２名） (72)発明者平賀隆茨城県つくば市梅園１丁目１番４工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者守谷哲郎茨城県つくば市梅園１丁目１番４工業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者田中教雄東京都足立区堀之内１丁目９番４号大日精化工業株式会社東京製造事業所内 (72)発明者柳本宏光東京都足立区堀之内１丁目９番４号大日精化工業株式会社東京製造事業所内 (72)発明者上野一郎神奈川県横浜市神奈川区守屋町３丁目12番地日本ビクター株式会社内 (72)発明者辻田公二神奈川県横浜市神奈川区守屋町３丁目12番地日本ビクター株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１個以上の凹面を有するレンズ原版と基
板との間の平凸レンズ型空洞内に樹脂を充填することに
よって基板上に凸レンズを形成し、前記凸レンズの焦点
位置に光機能発現部位を配置するものとし、前記光機能
発現部位へ入射する光を前記凸レンズによって各々収束
させ光束密度を増大させて前記光機能発現部位へ照射す
ることを特徴とする光学素子。
【請求項２】請求項１に記載の光学素子であって、少なくとも光吸収層膜を有し、前記光吸収層膜に、互い
に波長の異なる制御光および信号光を前記凸レンズによ
って各々収束させて照射し、前記制御光の波長は前記光
吸収層膜が吸収する波長帯域から選ばれるものとし、少
なくとも前記制御光が前記光吸収層膜内において焦点を
結ぶものとし、前記光吸収層膜が前記制御光を吸収した
領域およびその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可
逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いる
ことによって、前記信号光の強度変調および／または光
束密度変調を行うことを特徴とする光学素子。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光学素
子において、前記凸レンズが、前記レンズ原版と基板との間の平凸レ
ンズ型空洞内に充填された熱可塑性樹脂粉末を加熱溶融
圧縮することによって形成されたものであることを特徴
とする光学素子。
【請求項４】１個以上の凹面を有するレンズ原版と基
板との間の平凸レンズ型空洞内に樹脂を充填することに
よって基板上に凸レンズを形成する方法において、前記
レンズ原版の母材表面にフォトレジストを塗布し、前記
フォトレジスト上に複数の孔を有するパターンを形成し
た後に母材のエッチングを行い、その際に、フォトレジ
スト自身のエッチングも進行させることにより前記孔の
直径がエッチング工程の進行と共に増大するようにして
母材表面に凹面を形成させる方法で作成したレンズ原版
を用いることを特徴とする光学素子の製造方法。