(57)【要約】【課題】複数の空隙を有しながらも、高い透過率を確保することのできる光学素子を提供する。【解決手段】シリコン基板１と、シリコン基板１と一体的に形成され、シリコン基板１の上面に立設されたシリコン酸化物からなる複数の柱構造体５と、を備える光学素子１００であって、柱構造体５が、その延設方向と光の伝播方向とのなす角が臨界角よりも大きく９０°以下の範囲の値をもって延設され、各柱構造体５間に隙部４を隔てて並設されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備える光学素子であって、
前記柱構造体は、その延設方向と光の伝播方向とのなす角が臨界角よりも大きく９０°以下の範囲の値をもって延設され、各柱構造体間に隙部を隔てて並設されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
波長λの光に対して、前記隙部内には、前記柱構造体を構成する屈折率ｎ１のシリコン酸化物よりも屈折率ｎ２の小さい材料が配置され、
前記柱構造体は、光の前記伝播方向における幅がａ・λ／４ｎ１（ａは奇数）に設定され、
前記隙部は、前記伝播方向における幅がｂ・λ／２ｎ２（ｂは整数）に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記隙部は、空気が配置された空隙であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる柱状の第１補強構造体を備え
前記第１補強構造体は、前記並設方向において、隣り合う前記柱構造体間を連結していることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１補強構造体は、前記柱構造体の延設方向の端部間の途中部分同士を連結していることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１補強構造体は、前記柱構造体の延設方向の端部間同士を連結していることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１補強構造体は、外部から複数の前記柱構造体への光の入射及び複数の前記柱構造体から外部への光の出射の少なくとも一方が、前記第１補強構造体を介してなされるように延設されていることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
複数の前記柱構造体のうち、少なくとも１つの前記柱構造体であって少なくとも一方の延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
複数の前記柱構造体に対して、外部から光が入射される面及び外部へ光を出射する面の少なくとも一方に相当する前記柱構造体の延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記複数の柱構造体において、隣の前記柱構造体と対向する延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状の第２補強構造体を備え、
前記第２補強構造体は、前記柱構造体の並設方向における幅よりも前記並設方向及び前記延設方向において広い幅を有し、前記延設方向における前記柱構造体の少なくとも一方の端部に対して配置されて複数の前記柱構造体の延設方向端部と連結していることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
シリコン基板と、
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設された屈折率ｎ３のシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備える光学素子であって、
全ての前記柱構造体は、波長λの光の伝播方向に対して平行に長さＬをもって延設され、間に隙部を隔てて並設されており、並設方向における前記柱構造体の幅ｄが、下記式を満たしていることを特徴とする光学素子。
2008116755.tif 000009
【請求項１３】
シリコン基板と、
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設された屈折率ｎ３のシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備える光学素子であって、
全ての前記柱構造体は、波長λの光の伝播方向に対して平行に長さＬをもって延設され、間に隙部を隔てて並設されており、並設方向における前記柱構造体の幅ｄが、下記式を満たしていることを特徴とする光学素子。
2008116755.tif 000010
2008116755.tif 000011
【請求項１４】
前記隙部は、空気が配置された空隙であることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記隙部内には、空気よりも前記柱構造体を構成するシリコン酸化物の屈折率に近い材料が配置されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる柱状の第１補強構造体を備え、
前記第１補強構造体は、前記柱構造体の延設方向の少なくとも一方の端部を連結していることを特徴とする請求項１２〜１５いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記第１補強構造体は、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかであることを特徴とする請求項１６に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状の第２補強構造体を備え、
前記第２補強構造体は、前記柱構造体の並設方向における幅よりも並設方向及び延設方向において広い幅を有し、並設方向において少なくとも一方の端部の前記柱構造体の外側に配置され、並設方向における端部の前記柱構造体及び前記第１補強構造体の少なくとも一方と連結していることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記シリコン基板は、前記柱構造体との連結部として、前記シリコン基板の平面方向において、前記柱構造体と同形状の部位を有することを特徴とする請求項１〜１８いずれか１項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示されるように、シリコン基板上にシリコン酸化物からなるマイクロレンズ、プリズム、光導波路等の光学素子を作りこむ技術が知られている。
【０００３】
特許文献１によれば、先ずパターニングしたマスクを用いてシリコン基板をトレンチエッチングし、並設する多数のトレンチを形成する。これにより、トレンチを隔てて複数の柱構造体が並設された状態となる。なお、透過率を向上するために、柱構造体は光軸（光の伝播方向）と平行に延設される。次いで、柱構造体を熱酸化する。これにより、シリコンがシリコン酸化物に置き換えられ、膨張した柱構造体によってトレンチ内が埋められる。そして、所定領域がシリコン基板と一体的なブロックとなる。このようにして形成されたブロックは、その輪郭形状に応じた光学機能を発揮する。
【特許文献１】特開２００４−２７１７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、熱酸化が終了した時点で、柱構造体の内部に未酸化領域としてシリコンが残っていると、シリコンは光に対して不透明であるため、光学素子（ブロック）の透過率が低下することとなる。柱構造体の酸化に際しては、柱構造体が完全に酸化されるまで、酸素が柱構造体に供給されるように、柱構造体間にトレンチ乃至トレンチ由来の空隙が存在することが重要である。熱酸化膜はシリコン基板の表面に対して、外側に０．５５、内側に０．４５の比率で成長していくことが経験的に知られているが、未酸化領域が残らないように確実に柱構造体を酸化するために、柱構造体に対してトレンチを理想状態よりも広めに設定することが考えられる。
【０００５】
このように設定すると、熱酸化が終了した時点で、柱構造体を未酸化領域の無い状態とすることができる。しかしながら、膨張した柱構造体によってトレンチが完全に埋まらないため、柱構造体間にトレンチ由来の空隙が残ることとなる。この複数の空隙はトレンチ由来であるため規則的であり、回折格子としての機能を果たす。したがって、光学素子を透過した光は各次数の回折光となって複数の方向に分割されるが、光学素子としてはそのうちの一方向の光（例えばレンズとしては０次光）のみを必要とするため、実質的に光学素子（ブロック）の透過率が低下することとなる。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、複数の空隙を有しながらも、高い透過率を確保することのできる光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の光学素子は、シリコン基板と、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備えるものである。そして、柱構造体は、延設方向と光の伝播方向とのなす角が臨界角よりも大きく９０°以下の範囲の値をもって延設され、各柱構造体間に隙部を隔てて並設されていることを特徴とする。
【０００８】
このように本発明によれば、トレンチエッチング及び熱酸化によってシリコン基板と一体的に形成された柱構造体間に隙部を有する。したがって、柱構造体は、その内部に未酸化領域としてシリコンが残っておらず、全体がシリコン酸化物から構成されている。
【０００９】
また、複数の柱構造体は間に隙部を隔てて並設されており、延設方向（側面のうち延設方向（長手方向）の面）が光の伝播方向と臨界角よりも大きく９０°以下の範囲で角度をなすように延設されている。すなわち、複数の柱構造体に対して並設方向に光が伝播されるので、複数の空隙を有しながらも回折効果が生じず、その分高い透過率を確保することができる。なお、光が伝播される方向（上述の並設方向）とは、延設方向と光の伝播方向のなす角が９０°である柱構造体の並設方向に沿う方向のみならず、延設方向と光の伝播方向とのなす角が９０°未満であるものの臨界角よりも大きい値である並設方向に沿う方向に対して斜め方向も、その意味として含んでいる。
【００１０】
請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、波長λの光に対して、隙部内には柱構造体を構成する屈折率ｎ１のシリコン酸化物よりも屈折率ｎ２の小さい材料が配置され、柱構造体は、光の伝播方向における幅がａ・λ／４ｎ１（ａは奇数）に設定され、隙部は、伝播方向における幅がｂ・λ／２ｎ２（ｂは整数）に設定された構成とすると良い。
【００１１】
このような構成とすると、所謂無反射コート（ＡＲコート）のように、柱構造体の各延設面と隙部との境界面で生じる反射光が互いに打ち消される状態となり、その分透過率を向上することができる。なお、隙部内に、柱構造体を構成するシリコン酸化物よりも屈折率の大きい材料を配置しても、無反射コートのような構成とすることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明においては、例えば請求項３に記載のように、隙部を空気が配置された空隙とすると、隙部内に材料の配置が不要であるので、構成を簡素化する（製造工程を簡素化）することができる。これに対し、隙部に空気よりも屈折率の大きい材料を配置すると、構成は複雑になるものの、複数の柱構造体全体の力学的強度を向上することができる。
【００１３】
請求項１〜３いずれか１項に記載の発明においては、請求項４に記載のように、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる柱状の第１補強構造体を備え、第１補強構造体が、並設方向において柱構造体間を連結する構成とすると良い。このような構成とすると、複数の柱構造体の力学的強度を向上することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明においては、請求項５に記載のように、第１補強構造体が、隣り合う柱構造体の延設方向の端部間の途中部分同士を連結する構成としても良いし、請求項６に記載のように、隣り合う柱構造体の延設方向の端部間を連結する構成としても良い。また、請求項５と請求項６の構成を合わせ持つ構成としても良い。
【００１５】
請求項６に記載の発明においては、請求項７に記載のように、第１補強構造体は、外部から複数の柱構造体への光の入射及び複数の柱構造体から外部への光の出射の少なくとも一方が、第１補強構造体を介してなされるように延設された構成としても良い。このような構成とすると、シリコン酸化物からなる第１補強構造体によって、光学素子の形状を任意の形状とすることができる。
【００１６】
請求項１〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項８に記載のように、複数の柱構造体のうち、少なくとも１つの柱構造体であって少なくとも一方の延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成された構成としても良い。このような構成とすると、シリコン基板の平面方向において、光学素子の大きさを小さくすることができる。また、請求項７に記載の構成の場合、光学素子の形状によっては、第１補強構造体と柱構造体の連結部（例えばＴ字状）に鋭角の部分を含むため、当該鋭角部分がマスクのパターンどおりにエッチングされず、エッチング残りが生じて丸みを帯びた形状となり、連結部の幅が設計値よりも広くなる。したがって、未酸化領域が生じたり、熱酸化時間が長くなることが考えられる。これに対し、請求項８に記載の構成によれば、上記問題を解消することができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明においては、請求項９に記載のように、複数の柱構造体に対して、外部から光が入射される面及び外部へ光を出射する面の少なくとも一方に相当する柱構造体の延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成された構成としても良い。また、請求項１０に記載のように、複数の柱構造体において、隣の柱構造体と対向する延設面に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかが形成された構成としても良い。トレンチエッチングとして反応性イオンエッチングを採用した場合、複数の柱構造体の最外の延設面（隙部と接してない延設面）において、シリコン基板との連結側である下部側ほど垂直方向の均一性が保ちにくい。したがって、請求項９に記載の発明よりも請求項１０に記載の発明のほうが、歪のない正確な形状となっている。すなわち、より高い透過率を確保することができる。
【００１８】
請求項１〜１０いずれか１項に記載の発明においては、請求項１１に記載のように、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状の第２補強構造体を備え、第２補強構造体は、柱構造体の並設方向における幅よりも並設方向及び延設方向において広い幅を有し、延設方向における柱構造体の少なくとも一方の端部に対して配置されて、複数の柱構造体の延設方向の端部と連結する構成としても良い。このような構成とすると、柱構造体の延設方向の端部と連結するので、第２補強構造体によって、光を遮ることなく複数の柱構造体の力学的強度を向上することができる。
【００１９】
次に、請求項１２に記載の光学素子は、シリコン基板と、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設された屈折率ｎ３のシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備える光学素子であって、全ての柱構造体は、波長λの光の伝播方向に対して平行に長さＬをもって延設され、間に隙部を隔てて並設されており、並設方向における柱構造体の幅ｄが、下記式を満たしていることを特徴とする。
2008116755.tif 000003
【００２０】
延設方向における柱構造体の長さＬと並設方向における柱構造体の幅ｄが上記式を満たすように柱構造体を構成すると、複数の空隙を有し、柱構造体の延設方向に沿って光が伝播される構成でありながら、回折効果を抑制することができる。そして、その結果、高い透過率を確保することができる。その詳細については後述する。
【００２１】
また、請求項１３に記載の光学素子は、シリコン基板と、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設された屈折率ｎ３のシリコン酸化物からなる複数の柱構造体と、を備える光学素子であって、全ての柱構造体は、波長λの光の伝播方向に対して平行に長さＬをもって延設され、間に隙部を隔てて並設されており、並設方向における柱構造体の幅ｄが、下記式を満たしていることを特徴とする。
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【００２２】
延設方向における柱構造体の長さＬと並設方向における柱構造体の幅ｄが上記式を満たすように柱構造体を構成すると、請求項１２に記載の構成よりも回折効果をより効果的に抑制することができ、その結果、より高い透過率を確保することができる。その詳細については後述する。
【００２３】
請求項１２又は請求項１３に記載の発明においては、例えば請求項１４に記載のように、隙部を空気が配置された空隙としても良いが、好ましくは、請求項１５に記載のように、隙部内に空気よりも柱構造体を構成するシリコン酸化物の屈折率に近い材料が配置された構成とすると良い。このように請求項１４に記載の構成とすると、光が並設方向に沿う方向に対して斜めに伝播する場合において、散乱による低下を抑制することができる。
【００２４】
請求項１２〜１５いずれか１項に記載の発明においては、請求項１６に記載のように、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる柱状の第１補強構造体を備え、第１補強構造体が柱構造体の延設方向の少なくとも一方の端部を連結する構成としても良い。このような構成とすると、複数の柱構造体の力学的強度を向上することができる。また、シリコン酸化物からなる第１補強構造体によって、光学素子の形状を任意の形状とすることができる。
【００２５】
請求項１６に記載の発明においては、請求項１７に記載のように、第１補強構造体が、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかとして構成としても良い。このような構成とすると、シリコン基板の平面方向において、光学素子の大きさを小さくすることができる。
【００２６】
請求項１６又は請求項１７に記載の発明においては、請求項１８に記載のように、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状の第２補強構造体を備え、第２補強構造体は、柱構造体の並設方向における幅よりも並設方向及び延設方向において広い幅を有し、並設方向において少なくとも一方の端部の柱構造体の外側に配置され、端部の柱構造体及び第１補強構造体の少なくとも一方と連結する構成としても良い。このような構成とすると、柱構造体の延設方向の端部と連結するので、第２補強構造体によって、光を遮ることなく複数の柱構造体の力学的強度を向上することができる。
【００２７】
請求項１〜１８いずれか１項に記載の発明においては、請求項１９に記載のように、シリコン基板が、柱構造体との連結部として、シリコン基板の平面方向において、柱構造体と同形状の部位を有する構成とすると良い。これによれば、光の入射・出射の際に、光の経路を妨げることを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態に示す光学素子及びその製造方法は、基本部分は本出願人による特開２００４−２７１７５６号公報と同じであるので、特に特徴部分について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光学素子の斜視図である。図２は、光学素子の上面視平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。なお、図２においては、便宜上、第２補強構造体のうち、未酸化領域を破線で示している。
【００２９】
図１〜図４に示すように、光学素子１００は、要部として、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に配置されたマイクロレンズ２と、シリコン基板１の上面であってマイクロレンズの端部に一体的に構成された第２補強構造体３とを含んでいる。
【００３０】
マイクロレンズ２は、要部として、シリコン基板１の上面に、隙部４を隔てて並設されたシリコン酸化物からなる複数の柱構造体５を少なくとも含む（隙部４と柱構造体５が交互に構成された）ものである。好ましくは、シリコン酸化物からなり、シリコン基板１の上面に立設されてマイクロレンズ２の外形形状を規定する第１補強構造体６をさらに含むと良い。
【００３１】
本実施形態においては、第２補強構造体３、柱構造体５、及び第１補強構造体６が、それぞれシリコン基板１と一体的に形成され、全ての柱構造体５の延設方向（長手方向）の端部間が、第１補強構造体６と第２補強構造体３とによって連結されている。すなわち、柱構造体５の延設方向において、第２補強構造体３のうち未酸化領域３ａよりも内側の部分、柱構造体５、及び第１補強構造体６の範囲であって、シリコン酸化物のみからなる部分がマイクロレンズ２として一体的に構成されている。なお、本実施形態においては、マイクロレンズ２として平凸型のシリンドリカルレンズを採用しており、マイクロレンズ２が平坦面（本実施形態においては入射面２ａ）と凸面（本実施形態においては出射面２ｂ）を有している。そして、マイクロレンズ２の凸状の部分を構成する柱構造体５間が第１補強構造体６によって連結され、凸面である出射面２ｂ（すなわち、マイクロレンズ２の外形形状）は第１補強構造体６によって規定されている。
【００３２】
図３及び図４に示すように、柱構造体５はその下面が円弧面となっており、マイクロレンズ２は、シリコン基板１と接着剤を介さずに、微小な凹凸形状の境界面で接続されている。すなわち、シリコン基板１の上面からマイクロレンズ２が、並設方向において、シリコン基板１との境界面である下面が水平方向に連続する凹凸形状を有する状態で立設され、マイクロレンズ２に光を透過させる構造となっている。したがって、光学素子１００のうち、マイクロレンズ２が実質的に光学的な機能を果たす。また、マイクロレンズ２はシリコン基板１と接着層を介さずに接続する構造をとるため、放熱特性に優れている。
【００３３】
また、複数の柱構造体５は、図２に示すように、その延設方向と光の伝播方向とのなす角αが臨界角よりも大きく９０°（光軸と平行）以下の範囲の値をもつようにそれぞれが延設されている。換言すれば、延設方向に対する法線と光の伝播方向とのなす角β（９０°−α）が０°（光軸と平行）以上であって臨界角（９０°−αの臨界角）以下の範囲の値をもつようにそれぞれが延設されている。光の伝播方向と延設側面とのなす角αが臨界角以下であると、光が柱構造体５と隙部４との境界面にて隣り合う柱構造体５側に屈折（透過）しないこととなる。すなわち、複数の柱構造体５において、並設方向に光が伝播されないこととなる。これに対し、本実施形態においては、複数の柱構造体５に対して並設方向に光が伝播されるように柱構造体５が延設されており、この延設方向の側面（以下、延設側面）を隙部４との境界面として、複数の柱構造体５（本実施形態においては６本）が並設（平行に配置）されている。したがって、マイクロレンズ２は、複数の隙部４を有するものの、回折効果を生じず、その分高い透過率を確保することができる。なお、光が伝播される方向（上述の並設方向）とは、延設方向と光の伝播方向のなす角αが９０°である柱構造体５の並設方向に沿う方向のみならず、延設方向と光の伝播方向とのなす角αが９０°未満であるものの臨界角よりも大きい値である並設方向に沿う方向に対して斜め方向もその意味として含んでいる。
【００３４】
また、並設方向において、複数の柱構造体５は全てが一定の幅を有しており、複数の隙部４も全てが一定の幅を有している。本実施形態においては、透過する光の波長λに対して、隙部４内に柱構造体５を構成する屈折率ｎ１のシリコン酸化物よりも屈折率ｎ２の小さい材料が配置されている。そして、光の伝播方向における柱構造体５の幅Ｗ、隙部４の幅Ｔが、それぞれ次式を満たしている。
【００３５】
（数１）Ｗ＝ａ×λ／４ｎ１（ａは奇数）
（数２）Ｔ＝ｂ×λ／２ｎ２（ｂは整数）
ここで、柱構造体５の幅Ｗは数式１を満たすので、１つの柱構造体５の２つの延設面と隙部４との境界面でそれぞれ生じる反射光を考えると、互いの反射光の位相が半波長（λ／２）の奇数倍ずれることとなる。なお、隙部４の幅Ｔは数式２を満たすので、１つの隙部４と当該隙部４を挟む２つの柱構造体５との境界面でそれぞれ生じる反射光を考えると、互いの反射光の位相が波長λの整数倍ずれることとなり、隙部４を不感層とすることができる。したがって、所謂無反射コート（ＡＲコート）のように、柱構造体５の各延設面と隙部４との境界面で生じる反射光が互いに打ち消し合い、その分透過率を向上することができるので、上述の回折効果を生じない効果と相俟って、本実施形態に係る光学素子１００（マイクロレンズ２）は、高い透過率（１００％に近い透過率）が確保されている。
【００３６】
なお、図２においては、延設方向と光の伝播方向のなす角αをわかりやすくするために、並設方向に沿う方向に対して斜め方向に光が伝播されるような図を敢えて示しているが、本実施形態においては、延設方向と光の伝播方向のなす角αが９０°である柱構造体５の並設方向に沿う方向に光が伝播される。したがって、柱構造体５の幅Ｗと隙部４の幅Ｔは、ともに図２に示すように並設方向に沿う方向の幅である。また、隙部４は内部に空気（ｎ２＝１）が配置された空隙として構成されている。
【００３７】
第１補強構造体６は、シリコン酸化物からなり、シリコン基板１の上面に立設された柱状部であり、並設方向において複数の柱構造体５間を連結している。このように第１補強構造体６を有する構成とすると、複数の柱構造体５が第１補強構造体６を介して互いに連結されるので、マイクロレンズ２として力学的強度を向上することができる。本実施形態においては、第１補強構造体６が、隣り合う柱構造体５の延設方向の端部間を連結しつつ、外部から複数の柱構造体５への光の入射及び複数の柱構造体５から外部への光の出射の少なくとも一方が、第１補強構造体６を介してなされるように延設されている。より詳しくは、第１補強構造体６が、マイクロレンズ２の凸状の部分を構成する複数の柱構造体５の延設方向の端部間を連結しつつ、凸状の最先端の柱構造体５において、両端部間を円弧状に連結している。すなわち、上述したようにマイクロレンズ２の外形形状（凸面である出射面２ｂ）が、第１補強構造体６によって規定されている。このように、第１補強構造体６によって、マイクロレンズ２の形状を任意の形状とすることができる。
【００３８】
なお、マイクロレンズ２の一部を構成する第１補強構造体６の幅は、並設方向における柱構造体５の幅と同じか若干細い幅であるが好ましい。本実施形態においては、柱構造体５の幅よりも若干細くなっている。
【００３９】
第２補強構造体３は、シリコン基板１の上面に立設された柱状部であり、延設方向における柱構造体５の少なくとも一方の端部に対して配置されて、複数の柱構造体５の延設方向の端部間を連結している。また、柱構造体５の並設方向における幅よりも並設方向及び延設方向において広い幅を有しており、シリコン酸化物の内部に未酸化領域３ａとしてのシリコンを含んでいる。このように第２補強構造体３を有する構成とすると、複数の柱構造体５が、剛性の高い第２補強構造体３を介して互いに連結されるので、マイクロレンズ２として力学的強度を向上することができる。なお、未酸化領域３ａを有するものの、延設方向において、柱構造体５の端部よりも外側に配置されるので、未酸化領域３ａによって光を遮ることはない。本実施形態においては、延設方向における柱構造体５の両端部に対してそれぞれ配置され、端部間を連結している。
【００４０】
このように構成されるマイクロレンズ２は、その下に当該マイクロレンズ２と同形状のシリコン基板１からなる台座部７（特許請求の範囲に記載の連結部に相当）を有している。また、シリコン基板１上において、シリコン基板１と一体的に形成されたマイクロレンズ２及び第２補強構造体３の一部（マイクロレンズ２に含まれない領域）は独立して構成されている（周囲にシリコン基板１が配置されていない）。なお、本実施形態に係るマイクロレンズ２は、その高さが１０μｍ以上、具体的には１００μｍ程度である。また、第２補強構造体３を含めた延設方向の幅は５００μｍ程度である。
【００４１】
次に、上述した光学素子１００の製造方法の一例を、図２〜図５を用いて説明する。図５は、トレンチエッチング工程を説明するための図であり、（ａ）はシリコン基板１の平面図、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。図５（ａ）においては、便宜上、マスクを省略して図示している。また、図５（ａ），（ｂ）においては、便宜上、延設方向において一部のみを図示している。なお、上述したように、基本的な製造方法は本出願人による特開２００４−２７１７５６号公報と同じであるので、詳細については参照されたい。
【００４２】
先ず、シリコン基板１上にマスク８を用いてマイクロレンズ２のパターニングを行い、図５（ａ），（ｂ）に示すように、マスク８の開口部からエッチングを行って、内部トレンチ９及び外部トレンチ１０を形成する。なお、内部トレンチ９は、複数の柱構造体５を隔てる（及び第１補強構造体６と柱構造体５とを隔てる）ものであり、熱酸化後において隙部４に相当するものである。また、外部トレンチ１０は、マイクロレンズ２及び第２補強構造体３の形状を規定するためのものである。
【００４３】
このトレンチエッチング工程（マスク８のパターニング含む）において、６本の柱構造体５の延設方向と光の伝播方向とのなす角αが臨界角よりも大きく９０°（光軸と平行）以下の範囲の値をもつように、内部トレンチ９を形成する。また、後述する熱酸化が終了した（柱構造体５全体がシリコン酸化物に置き換えられた）時点で、光の伝播方向における柱構造体５の幅Ｗと隙部４の幅Ｔが、それぞれ上述した数式１，２を満たすように、並設方向における柱構造体５の幅Ｗ０と隙部４の幅Ｔ０を設定する。一例としては、透過させるレーザ光の波長λを０．８８μｍ（空気中）、この波長に対するシリコン酸化物（柱構造体５、第１補強構造体６、及び第２補強構造体３の一部）の屈折率ｎ１を１．４５とすると、柱構造体５の幅Ｗ０が１．９８μｍ、内部トレンチ９の幅Ｔ０が２．８６μｍとなるようにマスク８をパターニングしてトレンチエッチングする。
【００４４】
なお、トレンチエッチング工程においては、マイクロレンズ２の形状を規定する最外周部の少なくとも一部、即ち、レンズ形成領域の最外周（輪郭線）の少なくとも一部が、所定幅のシリコン層（第１補強構造体６）で連結されるように、外部トレンチ１０を形成する。この第１補強構造体６のパターンによって光の入射面、出射面の曲率が規定されることとなるので、パターンによって任意の面を得ることができる。なお、第１補強構造体６を均一幅のパターンとしても、柱構造体５や第２補強構造体３との連結部分（Ｔ字部分や十字部分）は、酸化時間が他の部分よりもかかるので、シリコン残りを低減するために、第１補強構造体６の幅を、柱構造体５の幅と同じか、それよりも細く設定することが好ましい。本実施形態においては、柱構造体５の酸化が終了した時点で、連結部分にシリコン残りが生じないように、第１補強構造体６の幅を柱構造体５の幅よりも若干細くしている。
【００４５】
また、外部トレンチ１０は、内部トレンチ９のトレンチ幅に比べて十分広く、熱酸化が終了した時点で、外部トレンチ１０内に空隙が残るように形成される。したがって、シリコン酸化物とシリコンとの線膨張係数差による座屈を回避することができる。また、外部トレンチ１０は、マイクロローディング効果によって内部トレンチ９よりも深くエッチングされる。したがって、光学素子１００において、マイクロレンズ２が、シリコン基板１の平面方向において同形状のシリコンからなる台座部７を介して連結することとなり、光の入射・出射の際に光の経路を妨げることを回避することができる。
【００４６】
また、立体的なレンズ形状を得るためには、よりアスペクト比（深さ／幅）の高い内部トレンチ９（及び外部トレンチ１０）を形成する必要がある。また、光学特性を高めるために、内部トレンチ９の断面プロファイルの垂直性を確保する必要がある。これに対し、本実施形態においては、特開２０００−２９９３１０号公報のエッチング技術（所謂ＤＲＩＥ法）を利用して、形成したトレンチの内面（側面と底面）に保護酸化膜を形成し、底面の酸化膜を反応性イオンエッチングにて除去し、この底面から引き続きシリコン基板１のエッチングを行うというように保護酸化膜の形成工程とトレンチ底部のエッチング工程を繰り返し行うようにしている。これにより、アスペクト比「６０」程度まで断面プロファイルが極めて垂直な内部トレンチ９を形成することができる。
【００４７】
また、本実施形態においては、第１工程終了後、シリコン基板１全体を水素雰囲気中でアニール処理する。このアニール処理は必ずしも必要ではないが、実施によって各トレンチ９，１０の側壁の表面粗さを小さく（トレンチ側壁表面の平坦性を向上）することができるので、熱酸化を行うことで平滑な表面を持つレンズ面（入射面２ａ及び出射面２ｂ）を得ることができる。この技術に関しては特開２００２−２３１９４５号公報に開示されている。
【００４８】
アニール処理後、マスク８をフッ酸溶液への浸漬等により除去する。そして、柱構造体５及び第１補強構造体６全体が、シリコンからシリコン酸化物に置き換わるまで熱酸化を実施する。本実施形態においては、第１補強構造体６の幅を並設方向における柱構造体５の幅よりも若干細くしており、ほぼ同時に両者の酸化が終了する。この熱酸化工程においては、トレンチエッチング工程で予め設定された条件により、柱構造体５及び第１補強構造体６に対して、全体が酸化するのに十分な酸素が内部トレンチ９や外部トレンチ１０を介して供給され、図２〜図４に示すように、完全にシリコン酸化物に置き換えられる。内部トレンチ９は、柱構造体５及び第１補強構造体６の体積膨張（シリコン酸化物への置換）によってその一部がそれぞれ埋められて隙部４となるものの、トレンチエッチング工程で予め設定された条件により、隙部４は、隣り合う柱構造体５を、その延設方向にわたって隔てる形状を留めることとなる。そして、トレンチエッチング工程で予め設定された条件により、熱酸化工程後において、光の伝播方向における柱構造体５の幅Ｗと隙部４の幅Ｔは、それぞれ上述した数式１，２を満たすこととなる。また、第２補強構造体３は、表面から所定範囲が酸化されてシリコン酸化物に置き換えられ、シリコン酸化物の内部にシリコンの未酸化領域３ａを含む構造となる。
【００４９】
ここで、熱酸化膜はシリコン基板１の表面に対して、外側に０．５５、内側に０．４５の比率で成長していくことが経験的に知られている。したがって、この熱酸化によって、柱構造体５の幅は１．９８μｍ（Ｗ０）から４．４μｍ（Ｗ）に膨張する。また、隙部４の幅は、柱構造体５の膨張により、２．８６μｍ（Ｔ０）から０．４４μｍ（Ｔ）に縮小する。ここで、空気中における波長λが０．８８μｍの光の波長は、屈折率ｎ１が１．４５のシリコン酸化物中において、０．６０７μｍ（λ１）となる。したがって、熱酸化後の柱構造体５の幅Ｗは、波長λ１に対して７．２５倍（すなわち、数式１においてａ＝２９）である。また、隙部４は空隙であり、熱酸化後の隙部４の幅Ｔは、波長λに対して０．５倍（すなわち、数式２においてｂ＝１）である。
【００５０】
以上の各工程後、レンズ周囲の外部トレンチ１０と重なる位置でダイシングカットする。これにより、図１〜４に示したマイクロレンズ２を備える光学素子１００を形成することができる。
【００５１】
このように本実施形態に係る光学素子１００によれば、シリコン基板１をトレンチエッチングし、熱酸化することでシリコン基板１と一体的に形成された柱構造体５間に隙部４を有する。したがって、柱構造体５は、その内部に未酸化領域としてシリコンが残っておらず、全体がシリコン酸化物から構成されているので、高い透過率を確保することができる。
【００５２】
また、柱構造体５は隙部４と交互に設けられており、その延設面が光の伝播方向と臨界角よりも大きく９０°以下の範囲で角度をなすように延設されている。したがって、複数の柱構造体５に対して並設方向に光が伝播されるので、複数の空隙４を有しながらも回折効果が生じず、その分高い透過率を確保することができる。
【００５３】
さらに、柱構造体５の各延設面と隙部４との境界面で生じる反射光が互いに打ち消されるように、光の伝播方向に対して柱構造体５と隙部４がそれぞれ所定幅を有している。したがって、反射を抑制することができるので、さらに高い透過率を確保することができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、隙部４内に、柱構造体５を構成するシリコン酸化物よりも屈折率の小さい材料として空気を配置する例を示した。このように、空隙を隙部４とすると、隙部４内に材料の配置が不要であるので、構成を簡素化する（製造工程を簡素化）することができる。しかしながら、一般的に光を透過するものであれば、空気以外の材料を隙部４内に配置することもできる。また、波長λの光に対して、隙部４内に柱構造体５を構成する屈折率ｎ３のシリコン酸化物よりも屈折率ｎ４の大きい材料を配置しても良い。この場合、柱構造体５の光の伝播方向における幅Ｗをｃ・λ／２ｎ３（ｃは整数）とし、隙部４の光の伝播方向における幅Ｔをｄ・λ／４ｎ４（ｄは奇数）とすれば、柱構造体５の各延設面と隙部４との境界面で生じる反射光を互いに打ち消し合うことができる。また、隙部４に空気よりも屈折率の大きい材料を配置すると、構成は複雑になるものの、複数の柱構造体５全体の力学的強度を向上することができる。なお、図６に示すように、隙部４（空気以外の材料が配置された隙部４）に配置される充填部材１１の材料としては、公知の材料を採用することができる。具体的には、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）、ＳｉＯｘＮｙ（シリコンの酸素及び窒素との化合物）、Ｔａ２Ｏ５等がある。ＳｉＯｘＮｙの場合、組成比（ｘ、ｙの値）を変えることで、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりも屈折率を小さくすることもできるし、大きくすることもできる。また、シリコン酸化物に不純物を添加することで、屈折率をシリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりも小さく（又は大きく）したものを採用することもできる。図６は、変形例を示す断面図である。
【００５５】
また、本実施形態においては、第１補強構造体６が、マイクロレンズ２の凸状の部分を構成する複数の柱構造体５の延設方向の端部間を連結しつつ、凸状の最先端の柱構造体５において両端部間を連結する例を示した。そして、第２補強構造体３が、柱構造体５の並設方向において、第１補強構造体６により連結されていない隣り合う柱構造体５の延設方向の端部間を連結する例を示した。しかしながら、第１補強構造体は、シリコン酸化物からなり、並設方向において柱構造体５間を連結するものであるので、その配置は上記例に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、第１補強構造体１２によって、第２補強構造体３の代わりに、第１補強構造体６により連結されて部分を連結する構成（第１補強構造体６，１２により、全ての柱構造体５の延設方向の端部間を連結する構成）としても良い。このような構成としても、複数のマイクロレンズ２の力学的強度を向上することができる。また、図８に示すように、第１補強構造体６とは別に、隣り合う柱構造体５において、延設方向の端部間の途中部分同士を連結する第１補強構造体１３を設けた構成としても良い。このような構成としても、複数のマイクロレンズ２の力学的強度を向上することができる。なお、図８において、第１補強構造体１３を並設方向に沿う方向（光軸に平行）としているが、光軸に対して平行に限定されるものではない。図７，図８は、それぞれ変形例を示す平面図である。
【００５６】
また、本実施形態においては、隙部４を隔てて並設された複数の柱構造体５がマイクロレンズ２を構成する例を示した。しかしながら、光学的な機能を果たす素子であればマイクロレンズ２に限定されるものではない。例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、複数の柱構造体５が第１補強構造体６とともにマイクロプリズム１４を構成しても良い。また、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、光導波路１５を構成しても良い。いずれの場合も、上述したマイクロレンズ２と同様に、各要素を設定すれば良い。図９は変形例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図１０は変形例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【００５７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１（ａ）は、図５（ａ）の一部を拡大した平面図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大平面図である。図１２は、第２実施形態に係る光学素子１００の概略構成を示す平面図である。
【００５８】
第２実施形態に係る光学素子１００は、第１実施形態に示した光学素子１００及びその製造方法と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。また、本実施形態において、第１実施形態と同様の機能を有する要素については、同一の符号を付与するものとする。
【００５９】
第１実施形態においては、第１補強構造体６により、マイクロレンズ２の凸状の部分を構成する複数の柱構造体５の延設方向の端部間を連結しつつ、凸状の最先端の柱構造体５において両端部間を連結する例を示した。このような構成においては、例えば図１１（ａ），（ｂ）に示すように、第１補強構造体６と柱構造体５の連結部（例えばＴ字状）に鋭角の部分を含むため、当該鋭角部分がマスク８のパターンどおり（狙いどおり）にエッチングされず、エッチング残りが生じて丸みを帯びた形状となる。すなわち、連結部の幅が設計値よりも広くなる。したがって、熱酸化工程後にシリコンの未酸化領域が生じることも考えられる。また、未酸化領域を生じないようにするために、熱酸化時間が長くなることも考えられる。
【００６０】
これに対し、本実施形態に係る光学素子１００においては、図１２に示すように、複数の柱構造体５のうち、入射面２ａ及び出射面２ｂの少なくとも一方に相当する柱構造体５の延設面（図１２においては、出射面２ｂ）にフレネル面が形成され、薄型レンズであるフレネルレンズ１６が構成されている。すなわち、マイクロレンズ２の形状を規定するために、第１補強構造体６が不要である。したがって、第１実施形態に示した効果に加えて、さらに上述した連結部の問題を解消することができる。また、第１実施形態に示した構成よりも、シリコン基板１の平面方向において、マイクロレンズ２（光学素子１００）の体格を小型化することができる。なお、このような光学素子１００は、第１実施形態に示した製造方法を用いて形成することができる。
【００６１】
なお、図１２においては、出射面２ｂのみにフレネルレンズ１６が構成される例を示したが、入射面２ａに構成されても良いし、入射面２ａと出射面２ｂの両方に構成されても良い。
【００６２】
また、構成される薄型の光学要素も、フレネルレンズ１６に限定されるものではない。第１補強構造体６によって形状が規定される光学要素よりも体格を小型化できるものであれば採用することができる。例えば、同じ薄型レンズの回折型レンズや、図１３に示すように、薄型プリズムであるブレーズドグレーティング１７を構成しても良い。いずれにせよ、第１補強構造体６が不要であり、体格を小型化することができる。また、１つの光学素子１００において、異なる複数の光学要素を構成しても良い。図１３は、変形例を示す平面図である。なお、回折型レンズは、鋸波状パターンの高低差が透過光の波長によって回折理論から厳密に計算されたものであり、フレネルレンズ１６は、鋸波状パターンの高低差が自由に（任意で）設定されたものである。また、ブレーズドグレーティング１７は、１方向のみに光を出射する特殊な回折格子であり、鋸波状パターンの高低差が回折理論から厳密に計算されている。
【００６３】
ところで、入射面２ａ及び出射面２ｂの少なくとも一方に薄型の光学要素を構成する場合、シリコン基板１との連結部の近傍では、図１４（ａ）に例示するように鋸波がシャープでない歪んだ形状となり、連結部の近傍よりも上方では、図１４（ｂ）に示すようにマスク８のパターンを反映したシャープな形状となる。これは、周期的に狭い内部トレンチ９が並ぶ内部のエッチング領域と、広い外部トレンチ１０を設ける外部のエッチング領域とでエッチング領域が非対称であり、反応性イオンエッチングにてトレンチエッチングする際、プラズマ中のイオンの軌跡が乱されやすいことが要因であると考えられる。なお、図１４は、図１３に示す出射面２ｂ近傍を拡大した図であり、（ａ）はシリコン基板１との連結部の近傍を示しており、（ｂ）は連結部よりも上方の部分を示している。これに対し、複数の柱構造体５において、隣の柱構造体５と対向する延設面（換言すれば隙部との境界面）に、薄型レンズであるフレネルレンズ又は回折型レンズ、及び、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングのいずれかを構成しても良い。その一例として、図１５には、ブレーズドグレーティング１７を隣の柱構造体５と対向する延設面に構成した図を示している。このように構成すると、シリコン基板１との連結部の近傍でも、マスク８のパターンを反映したシャープな形状にエッチングすることができるので、シリコン基板１の平面方向に対して薄型の光学要素が構成された柱構造体５の垂直方向の均一性を向上することができる。すなわち、より高い透過率を確保することができる。図１５は、変形例を示す平面図である。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１６及び図１７に基づいて説明する。図１６は、第３実施形態に係る光学素子１００の概略構成を示す上面視平面図である。図１７は、図１６の拡大平面図である。なお、図１６においても、便宜上、第２補強構造体３のうち、未酸化領域３ａを破線で示している。
【００６５】
第３実施形態に係る光学素子１００及びその製造方法は、上述した各実施形態に示した光学素子１００及びその製造方法と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。また、本実施形態において、上述した各実施形態と同様の機能を有する要素については、同一の符号を付与するものとする。
【００６６】
上述した各実施形態においては、複数の柱構造体５に対して並設方向に光を伝播させることにより回折によるロスを低減し、光の伝播方向の柱構造体５と隙部４を、反射光を互いに打ち消しあう構成とすることで、光学素子１００が複数の隙部４を有しながらも、高い透過率を有する例を示した。これに対し、本実施形態においては、複数の柱構造体５に対して延設方向と平行に光を伝播させる構成でありながら、回折効果を抑制することができる点を特徴とする。
【００６７】
図１６に示すように、本実施形態に係る光学素子１００も、上述した光学素子１００同様、要部として、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に配置されたマイクロレンズ２と、シリコン基板１の上面であってマイクロレンズの端部に一体的に構成された第２補強構造体３とを含んでいる。
【００６８】
マイクロレンズ２も、上述した光学素子１００同様、要部として、シリコン基板１の上面に、隙部４を隔てて並設されたシリコン酸化物からなる複数の柱構造体５を少なくとも含む（隙部４と柱構造体５が交互に構成された）ものである。好ましくは、シリコン酸化物からなり、シリコン基板１の上面に立設されてマイクロレンズ２の外形形状を規定する第１補強構造体６をさらに含むと良い。
【００６９】
全ての柱構造体５は、図１６に示すように、波長λの光の伝播方向に対して長さＬをもって平行に延設されている。すなわち、光軸（図１６に示す一点鎖線）に平行に単一波長の光が伝播される構成となっている。そして、複数の柱構造体５は間に隙部４を隔てて並設（柱構造体５と隙部４が交互に配置）されており、並設方向における柱構造体５の幅ｄが、次式を満たしていることを特徴とする。なお、次式において、ｎ３は光の波長λにおける柱構造体５を構成するシリコン酸化物の屈折率である。
【００７０】
【数３】
2008116755.tif 000006
【００７１】
以下に、数式３の説明と、数式３を満たすように設けられた柱構造体５の効果を説明する。単一波長で柱構造体５の延設方向に平行な光が入射すると、光の伝播方向と柱構造体５と隙部４との境界面とのなす角が臨界角（例えば４３．６°）以下であるため、境界面において理想的には全反射する。したがって、マイクロレンズ２は、隙部４に挟まれた柱構造体５からなる光導波路の集合体とみなすことができる。図１７に示すように、隙部４で挟まれた１つの柱構造体５に対して光が入射すると、延設方向の端部で回折（又は散乱）が生じるものと考えられるが、この回折（散乱）は、光導波路として閉じた系である隙部４に挟まれた柱構造体５において干渉させることができる。
【００７２】
そこで、延設方向の２つの端部（入射面２ａ側の端部と出射面２ｂ側の端部）の２箇所（図１７に一点鎖線で示す第１回折ラインと第２回折ライン）で生じる回折光がその位相差によって互いに打ち消し合うように、延設方向における柱構造体５の長さＬと並設方向における柱構造体５の幅ｄを設定する。図１７に示すように、第１回折ラインでは回折されずに第２回折ラインで１次回折されて１次光として出射される第１回折光（実線）と、第１回折ラインでは１次回折され、第２回折ラインでは回折されずに１次光として出射される第２回折光（破線）が互いに打ち消しあうためには次式の関係を満たせば良い。なお、Ｌ１は第１回折ラインと第２回折ラインとの間の第１回折光の光路長であり、Ｌ２は第１回折ラインと第２回折ラインとの間の第２回折光の光路長である。
【００７３】
（数４）光路差＝Ｌ２−Ｌ１＝λ／２ｎ３
ここで、Ｌ２＝（Ｌ２＋ｄ２）１／２であるので、これを数式４に代入し、整理すると数式３となる。このように、数式３を満たすように、柱構造体５の延設方向の長さＬと並設方向の幅ｄを設定すると、第１回折ラインと第２回折ラインで生じる回折、散乱を互いに打ち消し合うことができる。この効果については、本発明者によるシミュレーション結果からも明らかとなっている。
【００７４】
なお、本実施形態においても、図１６に示すように、全ての柱構造体５において、延設方向の両方の端部が、それぞれ第１補強構造体６によって連結されている。すなわち、マイクロレンズ２の入射面２ａ及び出射面２ｂが、ともに第１補強構造体６によって規定されている。より詳しくは、マイクロレンズ２として平凸型のシリンドリカルレンズを採用しており、入射面２ａを平坦面、出射面２ｂを第２実施形態（図１２参照）に示したフレネル面の形成されたフレネルレンズ１６としている。したがって、第１補強構造体６により、複数の柱構造体５の力学的強度が向上されるとともに、シリコン基板１の平面方向において体格の小型化が図られている。
【００７５】
また、第２補強構造体３は、シリコン基板１の上面に立設された柱状部であり、並設方向における柱構造体５の少なくとも一方の端部（本実施形態においては両方の端部）に対して配置されて、端部の柱構造体５及び第１補強構造体６の少なくとも一方（本実施形態においては第１補強構造体６）と連結している。また、柱構造体５の並設方向における幅よりも並設方向及び延設方向において広い幅を有しており、シリコン酸化物の内部に未酸化領域３ａとしてのシリコンを含んでいる。したがって、複数の柱構造体５が、剛性の高い第２補強構造体３に連結されているので、マイクロレンズ２として力学的強度を向上することができる。なお、未酸化領域３ａを有するものの、並設方向において柱構造体５の端部よりも外側に配置されるので、未酸化領域３ａによって光を遮ることはない。すなわち、柱構造体５の並設方向において、第２補強構造体３のうち未酸化領域３ａよりも内側の部分、柱構造体５、及び第１補強構造体６の範囲であって、シリコン酸化物のみからなる部分がマイクロレンズ２として一体的に構成されている。なお、このように構成されるマイクロレンズ２を備えた光学素子１００は、第１実施形態に示した製造方法を用いて形成することができる。
【００７６】
このように本実施形態に係る光学素子１００によれば、複数の柱構造体５に対して延設方向と平行に光を伝播させる構成でありながら、回折効果を抑制することができる。したがって、複数の隙部４を有しながらも、高い透過率が確保されている。
【００７７】
なお、柱構造体５の延設方向と平行に光を伝播させるため、第１補強構造体６と柱構造体５との連結部のなす角を、第１実施形態に示す構造よりも大きくすることができる。
【００７８】
また、本実施形態においては、延設方向における柱構造体の長さＬと並設方向における柱構造体の幅ｄが、数式３を満たすように柱構造体５を構成する例を示した。しかしながら、より好ましくは、次式を満たすように柱構造体５を構成すると良い。
【００７９】
【数５】
2008116755.tif 000007
【００８０】
なお、数式５において、δｄは、並設方向における柱構造体５の幅ｄの補正値であり、次式で示されるものである。
【００８１】
【数６】
2008116755.tif 000008
数式３の関係を満たすように柱構造体５を構成すると、回折効果を抑制できるものの、完全ではなく、回折光が僅かならに生じた。これは、並設方向における柱構造体５の幅ｄが、透過させる光の波長λの数倍程度であるため、柱構造体５と隙部４との境界面において、隙部４側への光の染み出し等の影響があるためと考えられる。そこで、波長λの光に対する柱構造体５の幅ｄの依存性を取り込むため、数式３に対してシミュレーション結果を考慮し、数式６に示す補正値δｄを加えたものが数式５である。本発明者によるシミュレーション結果によると、数式５及び数式６の関係を満たすように柱構造体５を構成すれば、回折効果をより効果的に抑制し、さらに高い透過率（９０％以上）を示すことが明らかとなっている。
【００８２】
このような構成を実現する具体例を以下に示す。例えば透過させるレーザ光の波長λが０．８８μｍ、この波長に対する柱構造体５（シリコン酸化物）の屈折率ｎ３が１．４４５とすると、並設方向において、トレンチエッチング工程後（熱酸化前）の柱構造体５の幅が１．７μｍ、隙部４に相当する柱構造体５間のトレンチの幅が２．３μｍとなるように、マスクをパターニングしてトレンチエッチングすれば良い。熱酸化工程が終了した時点で、柱構造体５の幅は３．７７μｍとなり、トレンチ（隙部４）の幅は０．２３μｍとなる。このとき、数式５及び数式６よりＬ＝２５．８７μｍとなる。そこで、延設方向における柱構造体５の長さをＬの整数倍となるようにマスクをパターニングする。例えば、延設方向における柱構造体５の長さをＬとしてマスクをパターニングすると、熱酸化しても延設方向には柱構造体５の幅の１／２程度しか膨張しない（延設方向は並設方向に対して長く、膨張の影響が小さい）ので、熱酸化後の延設方向の長さＬは実質的に２８μｍ程度となる。
【００８３】
また、本実施形態においては、隙部４を内部に空気が配置された空隙としている。しかしながら、空気以外の材料が配置された構成（第１実施形態の図６参照）としても良い。好ましくは、隙部４内に空気よりも柱構造体５を構成するシリコン酸化物の屈折率に近い材料が配置された構成とすると良い。このような構成とすると、光が並設方向に沿う方向に対して垂直ではなく、斜めに伝播する場合において、散乱による低下を抑制することができる。
【００８４】
また、本実施形態においては、第１補強構造体６が、薄型レンズであるフレネルレンズ１６として構成される例を示した。しかしながら、フレネルレンズ１６以外にも、第２実施形態に示したように、回折型レンズや薄型プリズムであるブレーズドグレーティングとして構成することもできる。また、薄型レンズや薄型プリズムではなく、第１実施形態に示したような構成とすることで、マイクロレンズ２、マイクロプリズム１４、光導波路１５を構成することもできる。
【００８５】
また、本実施形態においては、光学素子１００が、第１補強構造体６と第２補強構造体３を有する例を示した。しかしながら、第１補強構造体６と第２補強構造体３のうち、少なくとも一方を有さない構成とすることもできる。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【図２】光学素子の上面視平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】トレンチエッチング工程を示す図であり、（ａ）はシリコン基板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。
【図６】変形例を示す断面図である。
【図７】変形例を示す平面図である。
【図８】変形例を示す平面図である。
【図９】変形例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図１０】変形例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図１１】（ａ）は、図５（ａ）の一部を拡大した平面図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大平面図である。
【図１２】第２実施形態に係る光学素子の概略構成を示す平面図である。
【図１３】変形例を示す平面図である。
【図１４】出射面近傍を拡大した図であり、（ａ）はシリコン基板との連結部の近傍を示しており、（ｂ）は連結部よりも上方の部分を示している。
【図１５】変形例を示す平面図である。
【図１６】第３実施形態に係る光学素子の概略構成を示す上面視平面図である。
【図１７】図１６の拡大平面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・シリコン基板
２・・・マイクロレンズ
３・・・第２補強構造体
４・・・隙部
５・・・柱構造体
６，１２，１３・・・第１補強構造体
１６・・・フレネルレンズ
１００・・・光学素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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