(57)【要約】  【課題】光ビームを変換するための光学素子を、超小型でかつ高性能で実現する。  【解決手段】原型となるレンズを、ある位相差に相当する段差１３で近似する。この多段構成の曲面を、波長λの整数倍になる毎に、360°に相当する厚み１４をゼロにする。こうすることにより最終形態１５は、平面膜の多層構造として、かつ厚みをλまで減らすことが出来る。反射型素子の場合、前述の如く多層構造として、しかる後表面を反射性にする。この結果、スピルオーバ等の損失を減らして、高能率の光学素子を実現できる。  【選択図】  図４
2006163004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超微細加工技術により、基板上に透明な膜あるいは表面で反射する膜を所望の形状に複数層形成し、各々透過あるいは反射する光線が集束あるいは発散するように位相差を与えることを特徴とする超小型光学素子。
【請求項２】
酸化シリコン（SiO2）基板上にフォトレジスト膜を張り、所望の形状を作った後、化学的食刻剤により、酸化シリコン（SiO2）を所定の深さだけ削り取り、次に残ったフォトレジスト膜を除去し、新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得ることを特徴とする超小型光学素子。
【請求項３】
酸化シリコン（SiO2）基板上にフォトレジスト膜を張り、所望の形状を作った後、シリコン（Si）膜をスパッタあるいはエピタキシャル成長等により所定の厚さだけ形成し、その後フォトレジスト膜を除去し、残ったシリコン（Si）膜を酸化してSiO2とする。次に新たにその上にフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得ることを特徴とする超小型光学素子。
【請求項４】
酸化シリコン（SiO2）基板上に、フォトレジスト膜を張り所望の形状を作った後、酸化シリコン（SiO2）をスパッタあるいはエピタキシャル成長等により蒸着し、その後フォトレジスト膜を除去する。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得ることを特徴とする超小型光学素子。
【請求項５】
請求項３と４において、所望の階段状表面のうち、浅い段から深い段に順に形成することを特徴とする超小型光学素子。
【請求項６】
シリコン（Si）基板あるいは透明基板の上にSiを積載した板の上に、フォトレジスト膜を張り、所望の形状を作った後、化学的食刻剤により、シリコン（Si）を所定の深さだけ削り取り、その後残ったフォトレジスト膜を除去する。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得、その表面に金属あるいは多層誘電体による反射膜を形成することを特徴とする超小型光学素子。
【請求項７】
シリコン（Si）基板あるいは透明基板の上に、フォトレジスト膜を張り所望の形状を作った後、シリコン（Si）をスパッタあるいはエピタキシャル成長等により蒸着し、その後フォトレジスト膜を除去する。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得、その表面に金属あるいは多層誘電体による反射膜を形成することを特徴とする超小型光学素子。
【請求項８】
請求項７において、所望の階段状表面のうち、深い段から浅い段に順に形成することを特徴とする超小型光学素子。
【請求項９】
請求項２〜４および請求項６と７において、膜形状が円形の場合、化学的食刻剤、Si蒸着物質あるいはSiO２スパッタリング物質を、膜面の半径方向に流すことを特徴とする超小型光学素子。
【請求項１０】
全階段ができあがった後、小段差の部分をフォトレジストで被い、波長λの整数倍の段差部分を垂直に食刻することを特徴とする超小型光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光ビームを変換するための光学素子を、超小型でかつ高性能で実現する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の小型カメラで用いられるレンズを示す。１は透明な誘電体であり、その曲面２と３は概ね球面であるが、若干補正を加えた形状である。図２は、製作法を示す。まず雌型５と６を精密加工により製作し、次にその型に透明誘電体４を入れて成形する。
また半導体レーザ７の発光端面８には、図３に示すように、狭い発光域から広がって出てくる光を集束させるために、レンズが装着されている。これは、光学的性能と製造コストを勘案した結果、球ガラスを用いている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
寸法が数mm以下のレンズや反射鏡の光学素子を製作する場合、従来の機械的切削や研磨では充分な精度が得られない。
【０００４】
型によるレンズ成形法では、型の製作に過大な費用が生じてしまう。半導体レーザの集束レンズの場合、理想的には放物面に近い曲面のはずであるが、球面で近似しているので、発光を全量集束することができない．またPN接合の発光の端面は著しく細長いが、球体ではその非対称性を補うことはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
MEMS技術を応用して、課題を解決する。すなわちレンズのような透過型素子の場合、SiO2膜を所定の厚さと範囲に形成し、これを多層構造としてフレネルレンズとする。反射型素子の場合、SiあるいはSiO2表面を前述の如く多層構造として、しかる後表面を反射性にする。
【０００６】
図４は本発明における膜面の厚さと形状の決め方を示す。同図（ａ）は、原型となるレンズ１を示す。ここではｚ軸１１を厚み方向、ｘ軸１０を半径方向とした円形レンズとする。表面３は平面で、表面２は曲面である。２は素子端部で終わるが、そこでの素子厚みを位相φの規準として、０°とする。半径ｘに対し、段差１３が位相差９０°に相当する階段で近似する場合を示している（同図（ｂ））。この多段構成の曲面を、波長λの整数倍になる毎に、３６０°に相当する厚み１４をゼロにする（同図（ｃ））。こうすることにより最終形態１５は、平面膜の多層構造として、かつ厚みをλまで減らすことが出来る。
【発明の効果】
【０００７】
MEMS技術によればSiあるいはSiO2の多層構造は、厚み精度を数nm、巾精度を数10nmにできる。従って直径数100μm以下にできる。また球ガラスよりも優れた光学特性を、実現できる。特に、いわゆる鏡面修整技術により曲面形状を決めれば、スピルオーバ等の損失を減らして高能率の光学素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図５は、本発明の一実施形態を示す。酸化シリコン（SiO2）基板１６の上にフォトレスト膜１７を張り、所望の形状パターン作る。化学的食刻剤１８により、レジストで覆っていない部分の酸化シリコン（SiO2）を所定の深さだけ削り取り、次に残ったフォトレジスト膜１７′を除去する。必要とする段数に応じて、新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得る。
【０００９】
図６は、本発明の一実施形態を示す。酸化シリコン（SiO2）基板１６の上にフォトレジスト膜１７を張り、所望の形状パターンを作った後、シリコン（Si）膜をスパッタあるいはエピタキシャル成長１９等により所定の厚さだけ形成する。その後フォトレジスト膜１７′を除去し、残ったシリコン（Si）膜２０を酸化してSiO2の膜２１とする。次に新たにその上にフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得る。
【００１０】
図７は、本発明の一実施形態を示す。酸化シリコン（SiO2）基板１６の上に、フォトレジスト膜１７を張り所望の形状を作った後、酸化シリコン（SiO2）をスパッタあるいはエピタキシャル成長２２等により蒸着する。その後フォトレジスト膜を除去してSiO2の膜２３とする。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得る。
【００１１】
図８は、本発明の一実施形態を示す。本発明になる透過型超小型光学素子１５を、面発光レーザダイオード２４上に装着した構成を示す。発光域に極近接して平板状レンズを配置できるので、発光全体をレンズに入射でき、かつ理想的な位相分布により鋭い集束ビームを形成できる。
【００１２】
図９は、本発明の一実施形態を示す。物質を推積して階段を作る場合、各層の境界で光学特性が不均一あるいは劣化してしまう。これを防ぐためには、最も段数の多い（厚い）部分から順に、一回の処理により推積を行う。すなわち図９に示すように、まず最も浅い段相当部分のみフォトレジスト膜を除去し、深い段から浅い段に至る厚さの膜２５を形成する。その後、次に浅い段２６を順に形成する。
こうすればどのｘに対応する部分もｚ方向には一様な物質で形成できる。ただし異なる段数の部分間では、光学特性が若干異なることになるが、光線は殆どｚ軸方向に進むので、境界による光学特性劣化は小さい。
【００１３】
図１０は、本発明の一実施形態を示す。シリコン(Si)基板２７の上にフォトレジスト膜１７を張り、所望の形状を作った後、化学的食刻剤１８により、シリコン(Si)を所定の深さだけ削り取る。その後残ったフォトレジスト膜１７′を除去する。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得る。最後にその表面に、金属あるいは多層誘電体による反射膜２８を形成する。
【００１４】
図１１は、本発明の一実施形態を示す。シリコン（Si）基板２７上に、フォトレジスト膜１７を張り所望の形状を作った後、シリコン（Si）をスパッタあるいはエピタキシャル成長等１９により蒸着し、その後フォトレジスト膜１７′を除去する。するとＳｉの推積膜２０が形成される。次に新たにフォトレジスト膜を張り、前記のプロセスを繰り返すことにより所望の階段状表面を得る。最後にその表面に金属あるいは多層誘電体による反射膜２８を形成する。
【００１５】
図１２は、本発明の一実施形態を示す。まず最も深い段相当部分のみフォトレジスト膜を除去し、１段分の厚さの膜２９を形成する。その後、次に深い段３０を順に形成する。反射型素子なので、各層の特性の差異あるいは境界の特性が、光学特性に影響をしない。従って、深い段から順に作っていく方が、作り易くかつ特性も劣化しない。
【００１６】
図１３は、本発明の一実施形態を示す。本発明では光学素子の曲面を、図４の多層構造で近似するので、段が必ずしも直角に切れている必要はない。むしろ曲面に沿う段の側面に余分な物質が残っている方が、光学的に望ましい。反対に曲面に沿う段の側面が凹んでは、極めてまずい。従って化学的食刻剤を、流線３１に示すように、上方から曲面に沿って吹き降すのが良い。図１３の実施例のように、母材を削り取って凸面の段差を作る場合は、外向き半径方向に流すことになる。凹面の段差を作る場合は、吹き降す方向が内向き半径方向になる。また基板に材料を推積して作る場合は、蒸着物質やスパッタ媒体を、削りとる場合と全く反対に流す。
【００１７】
図１４は、本発明の一実施形態を示す。削りとり法と推積法いずれの場合においても、厚みを波長λの整数倍だけ減らす部分（大きい段差）３２では、側面に余分な物質が残って凸んでも、側面の物質が不足して凹んでも、光学特性が劣化する。従って、全ての段差が出来上がった後で、曲面に沿う小段差の部分はフォトレシスト膜で被って、しかる後大きい段差をエッチングで切り揃える。  
図１５は、本発明の一実施形態を示す。３３は、本発明になる凹面反射素子である。凸反射素子３３´は、透明基板の上に形成されている。３３の上に、支持材３５を介して３３´を装着し、全体としてカセグレン型光アンテナを成す構成を示す。送信に用いる場合、レーザ光はビーム通過孔３４を通り、３３´で反射され、３３に至り更に反射されて、空間に放射される。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
レーザレーダや光ワイヤレス通信に用いる光アンテナとして応用する。またレーザ端面の集束レンズやカメラ用小形レンズの成形型の製作にも、用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の小型レンズ
【図２】雌型によるレンズ成形
【図３】半導体レーザと集光レンズ
【図４】所望の曲面と階段状構造
【図５】請求項２に対応した素子製作プロセス
【図６】請求項３に対応した素子製作プロセス
【図７】請求項４に対応した素子製作プロセス
【図８】面発光半導体レーザへの適応例
【図９】請求項６に対応した素子製作プロセス（推積法で浅い段から作る例）
【図１０】反射素子・削り取り法
【図１１】反射素子・堆積法
【図１２】請求項６に対応した素子製作プロセス（推積法で深い段から作る例）
【図１３】請求項５に対応した素子製作プロセス（半径方向流れを使う例）
【図１４】最後の大段差切りそろえ
【図１５】反射素子を２個組み合わせたカセグレン型光アンテナ
【符号の説明】
【００２０】
１  透明誘電体
２  曲面＃１
３  曲面＃２
４  透明誘電体によるレンズ
５  金型＃１
６  金型＃２
７  半導体レーザ
８  発光域
９  集光レンズ
10  x軸(レンズ半径方向)
11  z軸(レンズ厚み方向)
12  曲面＃１が最も深い点
13  膜厚(位相段差)
14  位相360°に相当する厚み
15  超小型光学素子
16  石英ガラス
17  レジスト
18  食刻剤の流れ
19  Si堆積
20  Si膜
酸化して生成したSiO2
22  SiO2スパッタ
23  堆積したSiO2
24  面発光レーザダイオード
25  堆積すべき最大厚さの膜
26  堆積すべき２番目厚さの膜
27  Si基板
28  反射膜
29  第１段
第２段
31  食刻剤の流れ
32  食刻剤の流れ
33  反射型光学素子
34  ビーム通過孔
35  支持材
【図１】
2006163004.tif 000003
【図２】
2006163004.tif 000004
【図３】
2006163004.tif 000005
【図４】
2006163004.tif 000006
【図５】
2006163004.tif 000007
【図６】
2006163004.tif 000008
【図７】
2006163004.tif 000009
【図８】
2006163004.tif 000010
【図９】
2006163004.tif 000011
【図１０】
2006163004.tif 000012
【図１１】
2006163004.tif 000013
【図１２】
2006163004.tif 000014
【図１３】
2006163004.tif 000015
【図１４】
2006163004.tif 000016
【図１５】
2006163004.tif 000017