(57)【要約】マイクロレンズは、マイクロレンズの表面形状と相俟って所望の屈折特性を提供するために、マイクロレンズのｚ軸に沿って変化する材料組成勾配を有する。該マイクロレンズの設計法は、マイクロレンズの表面形状を規定し、マイクロレンズの所望の屈折特性を規定し、そしてマイクロレンズの所望の屈折特性と規定された表面形状を用いてｚ軸方向におけるマイクロレンズの屈折率勾配を決定することを含む。該マイクロレンズの製造法は、レンズの形状と所望の屈折パラメータに基づいて決定された材料組成勾配を有する材料を蒸着し、そして該材料に所望の表面形状を有するマイクロレンズを形成することを含みうる。
2004510194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズ表面の形状を規定し；
マイクロレンズの所望の屈折特性を規定し；そして
規定されたマイクロレンズ表面の形状と相俟って所望の屈折特性を生み出すために、ｚ軸方向に屈折率勾配を有するマイクロレンズ材料を形成する、
ことを含むこと特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
マイクロレンズ材料を形成する前に、屈折率勾配を提供する材料の組成勾配を決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
材料の組成勾配の決定が、屈折される光の波長を決定することと、決定された波長に従って材料組成を決定することを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
屈折率勾配が、マイクロレンズ体を通過するサンプル光線の所望の焦点に関する逸脱を、屈折率勾配を表す関数のパラメータを反復調整することによって最小化することにより決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
マイクロレンズ表面の形状が、球面及び非球面のうちの一つであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
所定のマイクロレンズ表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向の材料組成勾配を決定し；
ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を蒸着させ；そして
所定のマイクロレンズの表面形状を持たせるために加工することを含むことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項１１】
材料の蒸着が、蒸着させた材料の組成をモニタし、該組成に応じて蒸着パラメータを変えることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
モニタリングが、蒸着させた材料の光学的モニタリングを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
蒸着が、蒸着中に少なくとも一つの蒸着成分の蒸発速度を調整することを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
所定のマイクロレンズ表面形状を持たせるための材料の加工が、材料の上にフォトレジスト体を形成し；該フォトレジストをリフローし；そして所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を製造するために、リフローしたフォトレジストをマスクとして用いて材料をエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記エッチングが、材料の成分に対して約１：１のエッチング比を提供することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
所定のマイクロレンズ表面形状を持たせるための材料の加工が、材料の上にフォトレジスト層を形成し；該フォトレジストをグレースケール露光を用いて露光し；該フォトレジストを現像してフォトレジスト体を製造し；そして所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を製造するために、該フォトレジスト体をマスクとして用いて材料をエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記エッチングが、材料の成分に対して約１：１のエッチング比を提供することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
材料が、ＳｉＯｘ、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、ＳｉＯ２−Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２−ＺｒＯ２、Ｇｅ−ＺｎＳ、及びＺｎＳ−ＭｇＦ２のうちの一つを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
マイクロレンズの製造法であって、
所定のマイクロレンズ表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向の材料組成勾配を決定し；
そしてｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を物理的開口部を通して蒸着させ、所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を形成する
ことを含むことを特徴とするマイクロレンズの製造法。
【請求項２４】
材料の蒸着が、蒸着させた材料の組成をモニタし、該組成に応じて蒸着パラメータを変えることを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
モニタリングが、蒸着させた材料の光学的モニタリングを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
蒸着が、蒸着中に少なくとも一つの蒸着成分の蒸発速度を調整することを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
基板と、基板上に形成されたマイクロレンズ体とを含むマイクロレンズであって、
該マイクロレンズ体は、マイクロレンズ体の表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に屈折率勾配を有する材料を含むことを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項２８】
材料が、ｚ軸方向の比率が変化する成分で構成されることを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項２９】
成分が約１：１のエッチング比を有することを特徴とする、請求項２８に記載のマイクロレンズ。
【請求項３０】
表面の形状が球面及び非球面のうちの一つであることを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３１】
屈折率が、ｚ軸方向に連続的に変化することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３２】
材料が、ＳｉＯｘ、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、ＳｉＯ２−Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２−ＺｒＯ２、Ｇｅ−ＺｎＳ、及びＺｎＳ−ＭｇＦ２のうちの一つを含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３３】
表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３４】
表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３５】
表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３６】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３７】
入力波面を受容し集束するための第一のマイクロレンズアレイと；
第一のアレイの対応するマイクロレンズから射出されるビームを受容し出力波面を製造するための第二のマイクロレンズアレイとを含み、
第一及び第二のアレイは、実質的に平行に配列されており、また、出力波面の方向を変えるために相対的に横方向に位置をずらすことが可能であり、
各マイクロレンズは、マイクロレンズ表面の形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を含む、
ことを特徴とするビームステアリング装置。
【請求項３８】
光ファイバと、
光を光ファイバにカップリングするための球面マイクロレンズとを含み、
該マイクロレンズは、双曲線形の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料で構成される
ことを特徴とする光カップリング装置。
【請求項３９】
ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料の、ｚ軸方向の屈折率勾配を決定し；
屈折率勾配と相俟って所望の屈折特性を提供するマイクロレンズの形状を決定し；
そして材料中に形状を有するマイクロレンズを形成する、
ことを含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
【請求項４０】
検出器エレメントのアレイと；
個々の検出器エレメントに対応するマイクロレンズのアレイとを含み、
各マイクロレンズは、個々のマイクロレンズの表面の形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を含むことを特徴とする検出器装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明はマイクロレンズに関し、特定の実施の形態において、所望の屈折特性を提供するために屈折率勾配を有するマイクロレンズ及びマイクロレンズの製造法に関する。
【０００２】
（背景技術）
マイクロレンズは、光の集光、集束、及び偏向に使用される。従来のマイクロレンズデバイスは、典型的には、従来の半導体加工技術を用いて基板上に形成された小型球面レンズのアレイを含む。図１ａ〜１ｃに、従来のマイクロレンズ形成工程を示す。図１ａにおいて、二酸化ケイ素のようなレンズ材料２０の層をガラス基板１０の上に形成する。円柱状のフォトレジスト３０のアレイをレンズ材料の層の上に形成する。次に、フォトレジスト３０を加熱及びリフローし、図１ｂに示したようなリフローされたフォトレジスト体４０を作製する。このようにして形成されたフォトレジスト体４０の表面は実質的に球面である。次に、約１：１のフォトレジスト：レンズ材料のエッチング比を提供するために特に選ばれた、反応性イオンエッチングのような従来のエッチング工程を用いて、エッチングを行う。この結果、図１ｃに示したような球面マイクロレンズ５０のアレイが製造される。これらの従来技術については、Ｚ　Ｄ　Ｐｏｐｏｖｉｃ，Ｒ　Ａ　Ｓｐｒａｇｕｅ，Ｇ　Ａ　Ｎ　Ｃｏｎｎｅｌｌ，“Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ　ａｒｒａｙｓ（マイクロレンズアレイの一体式製作技術）”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，２７，１２８１−１２８４（１９８８）及びＤ　Ｄａｌｙ，Ｒ　Ｆ　Ｓｔｅｖｅｎｓ，Ｍ　Ｃ　Ｈｕｔｌｅｙ，Ｎ　Ｄａｖｉｅｓ，“Ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ　ｂｙ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ（フォトレジスト溶融によるマイクロレンズの製造法）”，Ｊ　Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．，１，７５９−７６６（１９９０）に記載されている。
【０００３】
球面レンズの欠点は、収差のない集束、すなわち光を１点に集束することが不可能なことである。図２に、球面レンズの平坦な底面を出る光線の収束を示す。図２に示されている通り、レンズの最外端から出る光線６０は、点６２に収束するが、これはレンズ中央部から出る光線７０の収束点７２よりも高い位置にある。レンズが作り出せる最も狭いスポットサイズは、線Ａ−Ａで示す面に生じる。この面においてさえ、屈折光のほんの一部分しか完全に収束されない。
【０００４】
従来技術を変形すれば、非球面の横断面を有するレンズも製造できる。例えば、非球面レンズは、グレースケールのフォトリソグラフィーによって形成できる。また、非球面レンズは、従来のフォトレジストのリフロー及びエッチング法の変形を用いて形成することもできる。この方法では、球面のフォトレジスト体が基板材料中に非球面体を作製するように、エッチング中にエッチング条件を変化させる。
【０００５】
これらの成形技術は、レンズ表面の成形精度に限界があり、従って、現在のマイクロレンズの用途に望ましいとされるマイクロレンズの屈折特性を正確に作り出すことができない。しかしながら、溶融又はリフローによる球面レンズの形成は、簡便且つ信頼できる技術であるので、そうした理由からも望ましい。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の実施の形態は、ｚ軸に沿って変化する屈折率を有するレンズ材料を使用し、そのような材料から、例えば従来のマイクロレンズ成形技術を使用することによってマイクロレンズ構造を成形することにより、従来のマイクロレンズ及びマイクロレンズ製造技術の欠点を克服している。ｚ軸に沿って屈折率勾配をつけた設計は、レンズ表面の形状と相俟って所望の屈折特性を提供するためである。従って、従来式に成形されたマイクロレンズの屈折特性は、レンズ材料の屈折特性の設計及び操作を通して高精度に制御される。
【０００７】
本発明の実施の形態は、レンズ表面の形状を規定し、レンズの所望の屈折特性を規定し、そして所望の屈折特性及び規定のレンズ表面形状に基づいて決定されるｚ軸方向に屈折率勾配を有する材料を形成する、マイクロレンズの設計及び製造法に関する。本発明の更なる実施の形態は、所望の屈折率勾配を提供する材料の勾配をレンズ表面の形状及び所望の屈折パラメータに基づいて決定し、材料勾配を有する屈折率分布型材料を蒸着させ、屈折率分布型材料中に所望の表面形状を有するマイクロレンズを形成する、マイクロレンズの製造法に関する。本発明の更なる実施の形態は、レンズ表面の形状と相俟って所定のレンズ屈折特性を提供する、ｚ軸方向に屈折率勾配を有するマイクロレンズ構造に関する。
【０００８】
本発明の例示的実施の形態に従って、レンズ材料は連続蒸着工程で蒸着させてよい。この場合、蒸着ガス圧又はフロー／蒸発速度のような処理パラメータは、蒸着される材料層の組成を変えることによって屈折率を変えるために、連続的に変化させる。このような屈折率分布型の薄膜が、物理的（すなわち蒸発）及び化学気相成長法（例えばＭＯＣＶＤ）の技術によって、広範囲の材料について精度よく蒸着できる。あるいは、レンズ材料は、異なる屈折率を有する明確に区別された副層で構成されてもよい。
【０００９】
レンズの材料は、レンズが適用される光の波長に従って選択される。可視波長用に好適な本発明の実施の形態は、ケイ素酸化物ＳｉＯｘ又はＳｉＯとＴｉＯ２の組合せを使用できる。公知のエッチング技術を用いて１：１のエッチング比を提供する材料を使用するのが望ましい。
【００１０】
本発明の実施の形態は、所望の屈折特性に従ったレンズの形成を可能にする。レンズは、本発明の実施の形態の一例に従って、所望のレンズの形状を決定し、所望の収束を提供する屈折率勾配を決定し、そして所望の屈折率勾配を提供するレンズ材料の勾配を決定することによって設計できる。屈折率勾配は、所望する理想の屈折特性に対してシミュレートした屈折特性の誤差が最小限になるように反復決定される。レンズは、本発明の実施の形態の一例に従って、ｚ軸方向に材料勾配を有するレンズ材料層を前述のような設計に従って形成し、該材料をエッチングして所望の表面形状を有するマイクロレンズを形成することによって製造できる。
【００１１】
本発明のマイクロレンズは、ビームステアリング、カップリング及び画像ディスプレイなど、多様な用途を有する。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図３に、本発明の実施の形態による球面マイクロレンズの第一の実施例を示す。該レンズは、基板２０２の上に形成された球面体２００を含む。レンズ体は、基板層上に垂直に積み重ねられた７個の層ｎ１〜ｎ７で構成される。各層は、その下の材料とは屈折率が異なる材料で構成される。本実施例では、最下層のｎ１は、比較的屈折率の小さいＳｉＯ２で構成されている。最上層のｎ７は、比較的屈折率の大きいＳｉＯ２／ＴｉＯ２合金で構成される。中間層のｎ２〜ｎ６は、比率の異なるＳｉＯ２／ＴｉＯ２合金で構成され、ＳｉＯ２の比率は層ｎ２で高く、続きの層で漸次減少する。
【００１３】
このように、レンズ体２００は、レンズ基板に対して垂直なｚ軸方向に増加する屈折率勾配を有する。任意の点で入射する光は、各層間の接合部を通過するに従い、１回以上屈折する。層の厚さは所望の屈折特性に従って選ばれる。一つの種類の用途では、屈折特性は、レンズを通過する光が所望の収束をするように選ばれてよい。別の種類の用途では、層の厚さを所定の波長の４分の１波長と等しくして、所定の波長を有する光を反射させ、レンズ表面の曲面によって分散されるようにしてよい。
【００１４】
図４に、本発明によるマイクロレンズの好適な実施の形態を示す。図４のマイクロレンズは、基板に対して垂直なｚ軸沿いの基板からの距離ｚの関数として変化する連続可変屈折率勾配ｎ（ｚ）を有する。本実施例では、レンズ底部のレンズ材料はＳｉＯ２で構成され、レンズ頂部のレンズ材料は屈折率の大きいＳｉＯ２／ＴｉＯ２合金で構成されている。底部と頂部の間では、レンズ材料は、ｚ軸方向に比率の変化するＳｉＯ２／ＴｉＯ２合金で構成されている。
【００１５】
マイクロレンズの材料の組成勾配は、図５に示した設計工程を経て決定できる。工程は、５００の、製作されるレンズ体の表面形状を規定する、５０２の、レンズ表面の形状が与えられた場合に所望の屈折特性を生じるレンズ体の屈折率勾配を決定する、そして５０４の、所望の屈折率勾配を提供する材料の組成勾配を決定する、の各工程を含む。当業者であれば、本発明の実施の形態に従う設計工程の機能性は、コンピュータデバイスを用いて多様に異なる様式で実行できることは理解されるであろう。
【００１６】
次に、屈折率が連続的に変化する図４のレンズの設計工程の例を説明する。初めに、レンズは、前述の従来式フォトレジストリフロー技術を用いて形成できるような球面を有すると規定する。次に所望の屈折特性を規定する。この場合、レンズは、レンズからの焦点距離ｆに位置する焦点面で収差のない集束を提供することが望まれる。レンズの曲率半径Ｒｃは、所望の焦点距離ｆに従って、次のように決定される。すなわち、
【数１】
2004510194.tif 000003
式中、ｎはレンズの平均屈折率である。設計工程のこの段階では、真の平均屈折率ｎは正確に分からないので、ｎの値は、当初は、基板及びレンズ表面の頂部で使用されると推定される材料の屈折率の平均と仮定する。従って、例えば、図４のレンズがＳｉＯ２とＴｉＯ２の合金を使用するのであれば、平均屈折率ｎは、底部と頂部で使用される予定の合金の屈折率の平均である。以下に説明するように、設計工程は反復されるので、この値に関する間違った仮定は反復の過程で修正されることになる。Ｒｃの値が決定されたら、基板に対して垂直でレンズ表面の様々な点で入射する代表的サンプル光線の光路をマッピングする。円形底面の中心からｘのラジアル距離にある入射点でレンズ表面の法線に対する光線の入射角αは次のように決定される。すなわち、
【数２】
2004510194.tif 000004
屈折角α’は、レンズ材料による屈折の結果生じる、表面の法線に対する光線の角度であるが、スネルの法則を適用することによって決定される。すなわち、
【数３】
2004510194.tif 000005
式中、ｎ（ｚ）は、基板からの入射点の距離ｚにおける屈折率である。
【００１７】
屈折率勾配関数ｎ（ｚ）は多項式と仮定する。すなわち、
【数４】
2004510194.tif 000006
式中、ｎ０は基板材料の屈折率であり、ａ、ｂ及びｃは、反復過程を通して決定される係数である。
【００１８】
まず始めに係数＝０と仮定すると、レンズ表面に入るサンプル光線の光路は、スネルの法則及び多項式の勾配関数によって与えられる屈折率を用いて決定される。レンズは、基板表面に対して平行な多数の薄い（極限では無限小の）層で構成され、各層の屈折率は、薄層内では一定であるが、前述の関数ｎ（ｚ）に従って隣接層とは異なるとして扱うことができる。界面でスネルの法則を次々に適用することにより、層を通る光線の光路が決定される。あるいは、スネルの法則を、入射表面で一回適用し、出射表面で二回目の適用をして、レンズを出た後の光線の方向を決定することもできる。この方法は、正確ではないが、ほとんどの用途で非常に小さな誤差（〜１％）しか生じず、コンピュータの使用によってずっと簡単になる。
【００１９】
全光線が所望の焦点面にマッピングされたら、焦点面における所望の焦点からの距離を測定する。これらの誤差を個々に２乗し、平方誤差の和を測定する。次に係数に新しい値を付与し、平方誤差の和を再度測定する。この過程を繰り返し、所望の誤差範囲を提供する係数が決定されるまで、毎回係数を調整する。前述の過程は多様に変化させることができる。例えば、例示した過程は、所望の焦点距離に基づいて固定した曲率半径を最初に規定し、その焦点距離及び半径に最適の勾配を、サンプル光線の光路の誤差を勾配多項式にフィードバックすることによって決定した。しかしながら、この過程は、曲率半径だけが一定であるように、又は焦点距離だけが一定であるように変更することができる。その上、反復過程では球面レンズの使用を仮定しているが、他のレンズ表面形状を使用してもよい。さらに、前述の例は、多項式の勾配関数を使用しているが、自然対数関数又は正弦関数のような他の関数を使用することもできる。同様に、平方誤差の単純和の最適化関数を使用したが、代替の最適化関数を使用してもよい。前述の例の実施は、収差のない集束を得るために設計されている。しかしながら、本発明の代替の実施の形態を使用して、任意の代替レンズ断面の屈折特性又は他の所望の屈折特性を真似てもよい。所望の屈折特性がいかなるものであれ、光線の位置は焦点面で測定され、次いでこれらの光線位置を誤差測定のための反復過程に使用する。このようにして、所望の光線収束又は発散を達成する屈折率のプロフィールを決定する。一例として、双曲線形の表面を有するレンズは、光を光ファイバに効率的にカップリングさせるのに望ましい。これについては、Ｈ　Ｍ　Ｐｒｅｓｂｙ，Ｃ　Ａ　Ｅｄｗａｒｄｓ，“Ｎｅａｒ　１００％　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｉｂｅｒ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ（ほぼ１００％の効率のファイバマイクロレンズ）”，Ｅｌｅｃｔ．Ｌｅｔｔ．，２８，５８２−４（１９９２）、及びＣ　Ａ　Ｅｄｗａｒｄｓ，Ｈ　Ｍ　Ｐｒｅｓｂｙ，Ｃ　Ｄｒａｇｏｎｅ，“Ｉｄｅａｌ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ　ｆｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｔｏ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ（レーザとファイバのカップリングに理想的なマイクロレンズ）”，Ｊ　Ｌｉｇｈｗａｖｅ　Ｔｅｃｈ．，１１，２５２−２５７（１９９３）に記載されている。前述の過程を用いて、双曲レンズの屈折特性は、適切に設計された屈折率勾配を有する球面マイクロレンズを通じて得ることができる。所定のレンズ形状及び屈折特性に従って屈折率勾配が決定されたら、この情報を用いてレンズ材料層の材料組成勾配を決定する。異なる波長を屈折するために多様な材料が利用できる。レンズ体をエッチングによって形成する場合、組み合わせて使用する材料は、所定のエッチング条件下で１：１のエッチング比が可能であるものが望ましい。これらの規準に合ういくつかの材料の組合せとその透明度を以下に示す。
2004510194.tif 000007
【００２０】
レンズ材料は、単一の連続加工工程で形成するのが好ましい。図３のレンズの場合、層ｎ１〜ｎ７は、単一の物理的又は化学気相成長法で順に形成できる。この場合、所望の組成にするために、圧力及び／又は原料のフロー／蒸発速度を各層の始めに変化させる。図４のレンズの場合、蒸着パラメータを連続的に変化させて、所定の屈折率勾配を提供する材料勾配を作り出す。これは、一方の材料（例えばＳｉＯ２）を一定の監視下速度で蒸発させ、第二の材料（例えばＴｉＯ２）の蒸発は、以下の３点、すなわち、１）所望の屈折率勾配要件、２）もう一方の材料の監視下速度、及び３）モニタ基板上の混合組成物膜の光学特性からのフィードバック、を考慮して変化させることによって好適に達成される。蒸着させた材料は、レーザ反射率、分光反射率、又は楕円偏光法などの従来のモニタリング技術を用いて連続的にモニタする。材料の蒸着後、材料をエッチングして１個以上のレンズ体を形成する。エッチングは、前述の従来法に従って、蒸着させた材料の上にリフローしたフォトレジスト体を形成し、エッチング工程で該フォトレジスト体をマスクとして使用してエッチングすることによって実施できる。いずれの材料の場合も、材料が１：１のエッチング比を有するようなエッチング工程を用いることが重要である。さらに、レンズ材料中にフォトレジスト体の形状を複製したい場合、蒸着させた材料とフォトレジストが１：１のエッチング比を有するエッチング工程を用いることが重要である。フォトレジスト体は蒸着させた材料上に直接形成しても、又はフォトレジストの露光を改善するための反射防止コーティング（ＡＲＣ）層の使用など、標準の半導体加工技術に従って中間層を使用してもよい。前述の実施の形態の形成技術は、本発明の実施法の一例を提供するが、当業者であれば、本発明の更なる態様に従って工程及び構造に使用できる多様な他の材料及び技術があることに気づくであろう。
【００２１】
マイクロレンズの表面形状に関して、前述の実施例は、従来のフォトレジストリフロー技術を用いて形成した球面レンズの使用を記述している。しかしながら、フォトレジストに関する材料のエッチング速度比を変えることによって非球面も形成できる。典型的な非球面は、球面からわずかに逸脱し、一般的にレンズ端で‘より平らな’曲率を有する。図６で、球面と、差を示すために選んだ極端な非球面とを比較する。同様に、実施例のレンズ底面は円形であるが、正方形又は六角形を含む他の底面形状も、リフロー又はグレースケールフォトリソグラフィー技術で形成できる。リフローしたフォトレジストを使用する代わりに、グレースケール法によるフォトマスク形成も使用できる。グレースケールフォトリソグラフィーは、フォトレジストを‘光彫刻’するのに空間的に透過率が変化するフォトマスクを使用する。グレースケールフォトマスクは、例えばハーフトーン設計（例えば、“Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ（マイクロレンズの製造法）”，米国特許第５，３１０，６２３号参照）又は特別なＨＥＢＳ（登録商標）フォトマスク材料を用いて製造できる。ＨＥＢＳ（登録商標）フォトマスクは、電子線又はレーザ露光によって局所的に暗化（書込）できる。グレーの度合いは電子線又はレーザの線量に応じて変化する。次に、フォトレジストは、ＵＶの局所線量に比例して現像液中で溶解する。こうしてフォトマスクの空間的光学密度マップが、露光及び現像後、フォトレジストの局所的な高さの変化に変換される。
【００２２】
前述の実施例のレンズ構造は、所望のレンズに近似した構造を有するフォトマスクを用いてレンズ材料の層をエッチングすることによって形成した。レンズ体の代替製造法は、物理的開口部を通しての蒸着工程が関与する。この技術では、蒸着原料と基板の間に“シャドーマスク”を配置する。シャドーマスクは、典型的には孔のアレイが形成された薄い金属板である。シャドーマスクを通しての蒸着は、マスクの孔に合わせて整列した蒸着材料体を作り出す。シャドーマスクの技術は、Ｇｒｕｎｗａｌｄによる種々の出版物に記載されている。例えば、Ｒ　Ｇｒｕｎｗａｌｄ，Ｈ　Ｍｉｓｃｈｋｅ，Ｗ　Ｒｅｈａｋ，“Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｍｅｓｈ−ｓｈａｐｅｄ　ｍａｓｋｓ（メッシュ状マスクを用いた薄膜蒸着によるマイクロレンズの形成）”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，３８，４１１７−４１２４（１９９９）；Ｒ　Ｇｒｕｎｗａｌｄ，Ｓ　Ｗｏｇｇｏｎ，Ｕ　Ｇｒｉｅｂｎｅｒ，Ｒ　Ｅｈｌｅｒｔ，Ｗ　Ｒｅｉｎｅｃｋｅ，“Ａｘｉａｌ　Ｂｅａｍ　Ｓｈａｐｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｎｏｎｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｏｐｔｉｃｓ（非球面マイクロ光学を用いたアキシャルビームによる成形）”，Ｊｐｎ．Ｊ　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３７，３７０１−３７０７（１９９８）；及びＲ　Ｇｒｕｎｗａｌｄ，Ｓ　Ｗｏｇｇｏｎ，Ｒ　Ｅｈｌｅｒｔ，Ｗ　Ｒｅｉｎｅｃｋｅ，“Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ　ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ　ａｒｒａｙｓ　ｗｉｔｈ　ｎｏｎ−ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ（非球面要素を持つ薄膜マイクロレンズアレイ）”，Ｐｕｒｅ　Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，６，６６３−６７１（１９９７）。本発明の実施の形態に従って、シャドーマスク技術に使用する原材料は、蒸着したレンズ体内部に屈折率勾配を生じさせるために、前述のように変化させてよい。本実施の形態では、レンズの形状は蒸着工程を通して規定されるので、レンズ材料は１：１のエッチング比を必要としないことに注意する。前述の実施例では、物理的気相成長法を用いてレンズ材料を形成した。しかしながら、従来からの他の種々の蒸着技術も使用してよい。例えば、プラズマ化学気相成長法（従来型、有機金属型、又はプラズマ型）及びスパッタリングなどであるが、これらに限定されない。各場合とも、蒸着材料の組成は、処理パラメータを変化させることによって変えることができる。また、上記実施の形態は、予め規定された形状及び屈折特性を用いてマイクロレンズの屈折率勾配を決定したが、代替の実施の形態では逆の方法を使用してもよい。具体的には、ｚ軸方向に屈折率勾配を有する材料が与えられた場合、所望の屈折特性を提供するためにレンズの形状を決定する。次に、そのレンズの形状を有するレンズを材料中に形成すればよい。
【００２３】
本発明の実施の形態によるマイクロレンズは、光学要素が使用される様々な用途に有用である。ビーム偏向器（Ｍ　Ｗ　Ｆａｒｎ，“Ａｇｉｌｅ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｐｈａｓｅｄ−ａｒｒａｙｌｉｋｅ　ｂｉｎａｒｙ　ｏｐｔｉｃｓ（バイナリオプティクスのようなフェーズドアレイを用いた機敏なビームステアリング）”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，３３，５１６１−５１６８（１９９４）、及びＥ　Ｍｏｔａｍｅｄｉ，Ａ　Ｐ　Ａｎｄｒｅｗｓ，Ｗ　Ｊ　Ｇｕｎｎｉｎｇ，Ｍ　Ｋｈｏｓｈｎｅｖｉｓａｎ，“Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ　ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｃａｎｎｅｒｓ（小型マイクロ光学スキャナ）”，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，３３，３６１６−３６２３（１９９４）参照）、レーザビームホモジナイザ、及び射出瞳エンハンサ（Ａ　Ｊ　Ｓｔｅｖｅｎｓ，Ｈ　Ｕｒｅｙ，Ｐ　Ｌｏｐｅｚ，Ｔ　Ｒ　Ｍ　Ｓａｌｅｓ，Ｒ　ＭｃＧｕｉｒｅ，Ｄ　Ｈ　Ｒａｇｕｉｎ，“Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｉｎ　ｒｅｔｉｎａｌ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｙｓ（網膜スキャニングディスプレイにおける開口数拡大の回折光学要素）”，ＯＳＡ　ｍｅｅｔｉｎｇ，２０００参照）のような、従来のマイクロレンズアレイを使用する用途では、性能が遠野の干渉に依存するので、射出ビームの波面の質が重要である。これらの従来のマイクロレンズアレイの非理想的な表面形状は、一般に、望まざる回折次数に対するエネルギー損失を生じたり、‘ホットスポット’を形成しうる。このような収差が本発明の実施の形態に従って修正できる。図７に、本発明の実施の形態によるマイクロレンズを使用しているビームステアリング装置を示す。ビームステアリング装置は、対向している二つのマイクロレンズアレイ７００、７０２を含む。波面７０４で表される平行光が入射し、第一の球面マイクロレンズアレイ７００を通過して、収束点７０６で収束する。光は、次に第二のマイクロレンズアレイ７０２を通過する。図に示した配置では、マイクロレンズアレイの個々のレンズ体は一直線上にあるので、第二のアレイ７０２を出射する、波面７０８で表される光は、第一のアレイ７００に入ったのと同じ方向に進む。しかしながら、いずれかのアレイを互いに対して横方向に動かすことによって光は偏向できる。例えば、第二のアレイ７０２を左方向に移動させると、第二のアレイ７０２を出射する波面は、時計回りに回転する。回転はアレイの移動度に比例して増大する。二つのアレイ間に視野レンズを配置して、第一のアレイ７００の一つのレンズ体を出た光が、第二のアレイ７０２の異なるレンズ体に逸脱しないようにすることができる。ビームステアリングの用途では、軸外の位置、すなわち一つのレンズアレイを対向レンズアレイに対して横方向に動かした場合、第一のレンズを出た光線は第二のレンズに非対称的に入射するので、非球面屈折が必要となる。適切な補正屈折勾配は、本発明の実施の形態を用いて得ることができる。本発明の更なる実施の形態によるマイクロレンズも、光を高開口数ファイバにカップリングさせるのに有用である。このような用途では、ある円錐内の光線だけがファイバに受容されることになる。他の逸脱光線はファイバの開口部に急角度で入りすぎて、ファイバのコア−クラッド界面で全反射できず、従ってファイバ内を伝送されずに挿入損を生じる。前述のように、これらの用途に最適なレンズの形状は双曲線形であるが、これは従来の技術ではマイクロレンズにするのが困難である。しかしながら、球面レンズ体と適当な屈折率勾配を用いれば、効果的な双曲線プロフィールを達成できる。本発明の更なる実施の形態によるマイクロレンズは、検出器のアレイにも有用である。検出器のアレイでは、マイクロレンズは、アレイの各検出器に対応して提供される。個々の検出器エレメント間の混線を最小限にするのが望ましい。本発明によるマイクロレンズは、従来のマイクロレンズより焦点面でのスポットサイズが小さいので、隣接している検出器への漏光量が少ない。従って、本発明によるマイクロレンズを使用している検出器のアレイは、鮮やかな色とエッジの鮮鋭な画像を作成する。本発明は、マイクロレンズによる高度の視準又は集束、あるいはマイクロレンズから出現する波面の調整を必要とする他の任意の用途にも有用である。例えば、本発明のマイクロレンズは、射出瞳エンハンサで質の高い波面を提供するのにも使用される。以上、本発明のある種の実施の形態について解説してきたが、当業者には多くの変形及び他の用途が可能であることは明白であろう。添付のクレームで、本発明の範囲に含まれるすべての用途及び実施の形態がカバーされると考える。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】マイクロレンズアレイの従来式製造法における構造を示す図である。
【図１ｂ】マイクロレンズアレイの従来式製造法における構造を示す図である。
【図１ｃ】マイクロレンズアレイの従来式製造法における構造を示す図である。
【図２】従来の球面マイクロレンズにおける光線の収束を示す図である。
【図３】異なる屈折率を有する多重層を含む本発明のマイクロレンズの一例を示す図である。
【図４】連続的に変化する屈折率を有する本発明の実施の形態によるマイクロレンズの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態によるレンズの設計工程を示すチャートである。
【図６】球面及び非球面レンズ表面の形状を比較した図である。
【図７】ビームステアリングの用途における本発明の実施の形態のマイクロレンズの使用例を示す図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年1月6日(2003.1.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズ表面の形状を規定し；
マイクロレンズの所望の屈折特性を規定し；そして
規定されたマイクロレンズ表面の形状と相俟って所望の屈折特性を生み出すために、ｚ軸方向に屈折率勾配を有するマイクロレンズ材料を蒸着する、
ことを含むこと特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
マイクロレンズ材料を蒸着する前に、屈折率勾配を提供する材料の組成勾配を決定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
材料の組成勾配の決定が、屈折される光の波長を決定することと、決定された波長に従って材料組成を決定することを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
屈折率勾配が、マイクロレンズ体を通過するサンプル光線の所望の焦点に関する逸脱を、屈折率勾配を表す関数のパラメータを反復調整することによって最小化することにより決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
マイクロレンズ表面の形状が、球面及び非球面のうちの一つであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
所定のマイクロレンズ表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向の材料組成勾配を決定し；
ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を蒸着させ；そして
所定のマイクロレンズの表面形状を持たせるために加工することを含むことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項１１】
材料の蒸着が、蒸着させた材料の組成をモニタし、該組成に応じて蒸着パラメータを変えることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
モニタリングが、蒸着させた材料の光学的モニタリングを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
蒸着が、蒸着中に少なくとも一つの蒸着成分の蒸発速度を調整することを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
所定のマイクロレンズ表面形状を持たせるための材料の加工が、材料の上にフォトレジスト体を形成し；該フォトレジストをリフローし；そして所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を製造するために、リフローしたフォトレジストをマスクとして用いて材料をエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記エッチングが、材料の成分に対して約１：１のエッチング比を提供することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
所定のマイクロレンズ表面形状を持たせるための材料の加工が、材料の上にフォトレジスト層を形成し；該フォトレジストをグレースケール露光を用いて露光し；該フォトレジストを現像してフォトレジスト体を製造し；そして所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を製造するために、該フォトレジスト体をマスクとして用いて材料をエッチングすることを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記エッチングが、材料の成分に対して約１：１のエッチング比を提供することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
材料が、ＳｉＯｘ、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、ＳｉＯ２−Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２−ＺｒＯ２、Ｇｅ−ＺｎＳ、及びＺｎＳ−ＭｇＦ２のうちの一つを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
マイクロレンズの製造法であって、
所定のマイクロレンズ表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向の材料組成勾配を決定し；
そしてｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料を物理的開口部を通して蒸着させ、所定のマイクロレンズ表面形状を有するマイクロレンズ体を形成する
ことを含むことを特徴とするマイクロレンズの製造法。
【請求項２４】
材料の蒸着が、蒸着させた材料の組成をモニタし、該組成に応じて蒸着パラメータを変えることを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
モニタリングが、蒸着させた材料の光学的モニタリングを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
蒸着が、蒸着中に少なくとも一つの蒸着成分の蒸発速度を調整することを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
基板と、基板上に形成されたマイクロレンズ体とを含み、
該マイクロレンズ体は、マイクロレンズ体の表面形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に屈折率勾配を有する蒸着された材料からなることを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項２８】
材料が、ｚ軸方向の比率が変化する成分で構成されることを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項２９】
成分が約１：１のエッチング比を有することを特徴とする、請求項２８に記載のマイクロレンズ。
【請求項３０】
表面の形状が球面及び非球面のうちの一つであることを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３１】
屈折率が、ｚ軸方向に連続的に変化することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３２】
材料が、ＳｉＯｘ、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２、ＳｉＯ２−Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２−ＺｒＯ２、Ｇｅ−ＺｎＳ、及びＺｎＳ−ＭｇＦ２のうちの一つを含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３３】
表面の形状が球面であり、屈折特性が双曲線形の屈折特性を含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３４】
表面の形状が球面であり、屈折特性が収差のない集束を含むことを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３５】
表面の形状が球面であり、円形の底面を有することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３６】
マイクロレンズ表面の形状が球面であり、正方形の底面を有することを特徴とする、請求項２７に記載のマイクロレンズ。
【請求項３７】
入力波面を受容し集束するための第一のマイクロレンズアレイと；
第一のアレイの対応するマイクロレンズから射出されるビームを受容し出力波面を製造するための第二のマイクロレンズアレイとを含み、
第一及び第二のアレイは、実質的に平行に配列されており、また、出力波面の方向を変えるために相対的に横方向に位置をずらすことが可能であり、
各マイクロレンズは、マイクロレンズ表面の形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する蒸着された材料を含む、
ことを特徴とするビームステアリング装置。
【請求項３８】
光ファイバと、
光を光ファイバにカップリングするための球面マイクロレンズとを含み、
該マイクロレンズは、双曲線形の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する材料で構成される
ことを特徴とする光カップリング装置。
【請求項３９】
ｚ軸方向に材料組成勾配を有する蒸着された材料の、ｚ軸方向の屈折率勾配を決定し；
屈折率勾配と相俟って所望の屈折特性を提供するマイクロレンズの形状を決定し；
そして材料中に形状を有するマイクロレンズを形成する、
ことを含むことを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
【請求項４０】
検出器エレメントのアレイと；
個々の検出器エレメントに対応するマイクロレンズのアレイとを含み、
各マイクロレンズは、個々のマイクロレンズの表面の形状と相俟って所定の屈折特性を提供する、ｚ軸方向に材料組成勾配を有する蒸着された材料を含むことを特徴とする検出器装置。
【国際調査報告】
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