(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールであって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面に形成され、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成する凹または凸レンズを含む、少なくとも１つの機能面と、
を有することを特徴とするマイクロシステムモジュール。
【請求項２】
前記少なくとも１つの機能面および／または支持面は、平滑に研磨されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項３】
本体上の相互に対向する側に設けられた少なくとも２つの機能面であって、前記機能面の機能要素が本体を介して光学的に関連する少なくとも２つの機能面を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項４】
ダイオードレーザと前記レーザに隣接する光導波器との間に挿入可能な反射型光学結合器の形態で設計されており、
２つの機能要素が前記少なくとも２つの機能面のそれぞれに設けられ、前記少なくとも２つの機能面の第１の機能面は、第１の非球面シリンダレンズと、前記第１の非球面シリンダレンズに対して変位させて設けられた平面ミラーとを含み、前記少なくとも２つの機能面の第２の機能面は、非球面シリンダミラーと、前記非球面シリンダミラーに対して変位させて設けられた第２の非球面シリンダレンズとを含み、
前記２つのシリンダレンズのシリンダ軸は、互いに対して直交する方向に延び、
前記２つのシリンダレンズの光軸は互いに対して平行であることを特徴とする請求項３記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項５】
少なくとも２つの光電子半導体モジュールを接続可能な光学伝導板の形態で設計されており、
前記少なくとも２つの機能面は、入射光線と出射光線とを結合するレンズと、前記光学伝導板内で光線を導くミラーとを含むことを特徴とする請求項３記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項６】
光源に接続可能な波選択性ビームスプリッタ、受光器および光導波器の形態で設計されており、
光源および光導波器に面する機能面は、波選択応特性をもつ機能要素を有することを特徴とする請求項３記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項７】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールの製造方法であって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面に形成され、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成する凹または凸レンズを含む、少なくとも１つの機能面とを有するマイクロシステムモジュールの製造方法において、
光学的に透明な材料から成る基板を準備するステップと、
前記基板に形成すべき面形状に対応する面形状を有する単一部材のラップ型を準備するステップと、
前記ラップ型を用いて基板に超音波振動ラッピングを施して、前記第１および第２の支持面の内側の基板の表面に前記少なくとも１つの機能面を形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロシステムモジュールの製造方法。
【請求項８】
ラップ型は、複数のマイクロシステムモジュールのネガティブ面形状を有し、
ラップ型は、大きな表面を有する基板を型にした対応する大きな表面を有し、
基板上に前記少なくとも１つの機能面を形成した後、基板を分割して個々のマイクロシステムモジュールとするステップをさらに含むことを特徴とする請求項７記載のマイクロシステムモジュールの製造方法。
【請求項９】
基板上に前記少なくとも１つの機能面を形成した後、電子ビームによって、前記機能面および前記支持面を研磨するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７記載のマイクロシステムモジュールの製造方法。
【請求項１０】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールであって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面に形成され、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成するプリズムを含む、少なくとも１つの機能面と、
を有することを特徴とするマイクロシステムモジュール。
【請求項１１】
ダイオードレーザに接続可能な屈折型コリメータの形態で設計されており、
ダイオードレーザの発光部に面する機能面は、稜線がダイオードレーザの発光部の長手広がり方向に平行に延び、発光部の近傍で丸められたプリズムの形態で設計されており、
プリズムの頂角は、ダイオードレーザの発光部の長手広がりに対して直交する放射角よりも大きく、
ダイオードレーザの発光部の反対側に配置された機能面は、シリンダ軸がプリズムの稜線に対して直交するシリンドリカル面の形態で設計されていることを特徴とする請求項１０記載のマイクロシステムモジュール。
【請求項１２】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールであって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面に形成され、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成する回折要素を含む、少なくとも１つの機能面と、
を有することを特徴とするマイクロシステムモジュール。
【請求項１３】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールであって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面を少なくとも部分的に覆い、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成する反射面を含む、少なくとも１つの機能面と、
を有することを特徴とするマイクロシステムモジュール。
【請求項１４】
マイクロ光学システムのためのマイクロシステムモジュールであって、光学的に透明な本体を含み、前記本体が
（ａ）前記本体の外方突出部にそれぞれ設けられた少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面であって、支持面はそれぞれ、マイクロ光学システムの隣接する部材上の対応ロック要素と係合するロック要素を有し、前記少なくとも１つの第１の支持面のロック要素はそれぞれ、前記少なくとも１つの第２の支持面のロック要素の各々に対して垂直な長手方向に延びて、ロック機能を提供する、少なくとも１つの第１の支持面と少なくとも１つの第２の支持面と、
（ｂ）前記第１および第２の支持面の内側の前記本体の表面に形成され、前記支持面に対して非常に狭い許容範囲で位置的に正確に配置され、光学的に有効な境界面を形成するレンズ、プリズム、回折格子および反射面から成る群から選択される複数の機能要素を含む、少なくとも１つの機能面と、
を有することを特徴とするマイクロシステムモジュール。
【発明の詳細な説明】
本発明は、部材から形成される、例えば、マイクロ光学システム用のマイクロシステムモジュールであって、前記部材の表面に、少なくとも１つの機能面と支持面とが、マイクロシステムの当接構成要素に付加形成するために設けられているマイクロシステムモジュールに関する。
このマイクロシステムモジュールは、第１に、マイクロ光学素子に使用され、光源及び光導波路を相互に接続し、又は、光導波路の端又は光源の出口での光ビームを特別な形式及びやり方で成形し、例えば、収束、視準（コリメート）、回折又は拡散させるのに使用される。しかし、そのようなマイクロシステムモジュールは、マイクロ構造システム内の他の場所でも使用することができ、その場所で、所定の機能面、例えば、スキャン面を、当接構成要素に対して精確な空間位置関係で位置固定することが重要である。
マイクロ光学素子の分野での、その種の問題点は、例えば、世界知的所有権機関特許公開第９２／０６０４６号公報から公知である。そこに記載されているマイクロ光学レンズは、長細いガラスファイバから形成されており、このガラスファイバの３つの長手側面は扁平に形成されていて、第４の長手側面は、円柱形の側面形状に丸められている。
この公知のマイクロ光学レンズでは、円柱形の側面形状に丸められた面は、光学的に作用する境界面として使用され、他方、円柱形の側面形状に丸められた面に対向する面は、当接した構成要素の接合用の平坦な支持面として使用され、この構成要素は、ここでは、ダイオードレーザとして構成されており、このダイオードレーザの放射光は視準される必要がある。このダイオードレーザは、ここでは、適切な接着剤又は光学セメントを用いてマイクロ光学レンズの支持面に接着される。その際、マイクロ光学レンズが、ダイオードレーザに対して相対的に、あまり正確に機能上正しく位置決めされない恐れがある。更に、接着剤又はセメントによる接合の際、ダイオードレーザの敏感なエミッタ面が傷付き易い。
マイクロ光学レンズの、ダイオードレーザ側の側面が、平面とは異なった形状を有するようにしても、ダイオードレーザのエミッタに対して相対的にマイクロ光学レンズの位置を正確に位置決めすることは、極めて困難となる。ダイオードレーザ用のコリメータと見なされる、その種のマイクロ光学レンズは、例えば、米国特許公開第５１８１２２４号公報から公知である。この公知のコリメータは、例えば、極めて高い測定コストと、場合によっては、アダプタ又は調整部材を用いて、ダイオードレーザに接合する必要がある。その種のマイクロ光学レンズを、当接したマイクロ光学構成要素の他の個所に、正確な位置で接合することも、同様に困難であることは当然のことである。結局、このマイクロ光学レンズには、凸状に突出した、光学的に作用する極めて敏感な境界面が、マイクロ光学レンズの運搬、操作、取り付けの際に損傷する恐れがある。
従って、本発明の課題は、冒頭に記載した形式のマイクロシステムモジュールを、精確に適合させて、正確に複製可能に、マイクロ構造システムの当接構成要素に接合することができるようにし、その際、当接構成要素やマイクロシステムモジュールの敏感な機能面を損傷しないようにすることができるようにすることである。
本発明の対象は、部材から形成される、例えば、マイクロ光学システム用のマイクロシステムモジュールであって、前記部材の表面に、少なくとも１つの機能面と支持面とが、マイクロシステムの当接構成要素に付加形成するために設けられているマイクロシステムモジュールにおいて、
−支持面は、部材の、外側に突出した表面領域の範囲内に設けられており、
−機能面は、前記支持面に対して部材の内部方向に引っ込んでいる、前記部材の表面領域内に設けられており、
−前記機能面は、前記支持面に関して最小許容偏差で寸法通りに設けられている
ことを特徴とするマイクロシステムモジュールである。
本発明のマイクロシステムモジュールでは、敏感な機能面は、モジュールの外側輪郭を越えて外側には全く突出しておらず、支持面の後ろに引っ込めて設けられており、従って、接触によって損傷しないように良好に保護される。機能面は、取り付けの際に、当接構成要素とも接触せず、その結果、当接構成要素の損傷、例えば、ダイオードレーザの敏感なエミッタが損傷するのを高い信頼度で回避することができる。支持面と機能面とを、製造の段階から既に極めてシビアな許容偏差で寸法通りに設けることによって、モジュールを寸法通りに組み立てるのが極めて容易に行われるようになる。つまり、このためには、単に、モジュールの支持面を、当接構成要素の対向面に対して正確な位置関係で設けさえすればよい。このようにして、両者を寸法通りの関係に合致させると、自動的に、機能面を、当接する構成要素に対して相対的に配設させることもでき、その際、当然ながら、対向支持面も同様に相応に寸法通りに配設される。
本発明の有利な実施例では、支持面に、形状結合部材が、相応の形状結合部材を当接構成要素に係合するために設けられている。そのような形状結合部材は、例えば、凹部及び凸部、及び／又は溝とばねの形状で実施することができ、それにより、位置調整のためにコスト高な測定を必要とせずに、マイクロシステムモジュールをあらゆる方向で正確に位置調整して固定設置することができる。
更に、本発明によると、機能面及び／又は支持面は平滑に研磨されて形成されている。この面を研磨することによって、表面の粗さに基因して寸法がずれるのを回避することができる。そのように、研磨された面間の寸法の関係は、数ナノメータ迄正確に形成することができる。
本発明の特に有利な実施例では、部材は、透光性材料から形成されており、機能面は、光学的に作用する境界面として形成されている。「光学系」とは、以下、可視及び不可視（紫外線、赤外線）光の領域内の電磁波で作動する（マイクロ波（ミリメータ波）に至る迄の）あらゆるシステムである。透光材は、前述のような電磁波を透過させて制御するのに適した、光学ガラス、水晶、ゲルマニウム、ルビー、光学的プラスチック等の材料であるとする。
光学的に作用する境界面では、光が屈折され、全反射によって、又は、反射コーティングによって反射され、又は回折レンズ又は回折格子によって回折される。マイクロ光学システムに適したマイクロシステムモジュールに設けられる機能面は、種々に形成することができる。この機能面は、例えば、凹又は凸状に湾曲されたレンズ面として形成することができ、その際、マイクロ光学から公知の全てのレンズ形状を製造することができる。同様に、機能面に、相互に対向して傾斜した平坦面が、光を屈折又は反射するプリズム形成のために設けられている。同様に、機能面に、入射光を回折する回折レンズ又は回折格子が設けられている。更に、機能面には、全体的又は部分的に鏡面状のコーティングが被着されている。
場合によっては、各機能面には、多数の機能要素がレンズ及び／又はプリズム及び／又は回折レンズ及び／又は反射面として設けられている。このようにして、所謂レンズアレイを１つのマイクロ光学モジュール上に形成することができる。
特に有利には、部材の、直径上の対向側に機能面が設けられており、前記機能面の機能要素は、部材を通して光学的に相関される。このようにすることによって、そのようなマイクロ光学モジュールに、入射光を極めて異なる種々の形式及びやり方で成形して伝送することができる。
本発明の技術思想により構成されたマイクロ光学モジュールは、例えば、ダイオードレーザに接続することができる屈折コリメータとして構成されている。このコリメータでは、ダイオードレーザのエミッタ側の機能面は、プリズムとして構成されており、該プリズムの頂点は、ダイオードレーザのエミッタの長手方向に対して平行に延在しており、エミッタの近傍領域で丸められている。更に、プリズムの頂角は、ダイオードレーザのエミッタの長手方向に対して垂直な放射角よりも大きい。更に、ダイオードレーザのエミッタに対向している機能面は、円柱面として形成されており、この円柱面の円柱軸線は、プリズムの頂点に対して垂直に延在している。そのような屈折コリメータは、ダイオードレーザのエミッタから送出された帯状の光を非常に小さな損失で受光して視準するために用いられる。このコリメータは、水晶ガラスを用いた場合に特に高い開口数、例えば、０．６８を有しており、その結果、ダイオードレーザによって放射された光をほぼ完全に視準することができる。また、この屈折コリメータは、有利には、機能面を突出する支持面を有している。機能面を特別な形状に構成して相互に対向させて配属構成することによって、支持面なしでも前述の利点を有するようにすることができる。そのため、特許の保護は、最後に挙げた形式のコリメータ（請求の範囲１に挙げた支持面のない）にも適用される。
本発明の技術思想により構成されたマイクロ光学モジュールは、例えば、反射型光結合器として構成されており、該反射型光結合器は、ダイオードレーザと、当接して接続された光導波路との間に挿入接続することができる。この光学結合器の機能面には、それぞれ２つの機能要素が設けられており、即ち、第１の非球面状円柱レンズと、該非球面状円柱レンズに対して位置をずらせて、平面鏡とが第１の機能面に設けられており、非球面状円柱鏡及び該非球面状円柱鏡に対して位置をずらせて、第２の非球面状円柱レンズが第２の機能面に設けられている。両円柱レンズの円柱軸線は、相互に直交している。それに対して、両円柱レンズの光学軸線は、相互に平行になるように配置されている。第１の非球面円柱レンズの前には、ダイオードレーザのエミッタが配設されている。このエミッタから送出された帯状の光は、第１の円柱レンズを通ってマイクロシステムモジュールに入射し、その第１の円柱レンズに対向して配設された非球面円柱鏡に入射し、その第１の円柱レンズから平面鏡の方に向けられ、それから、第２の非球面円柱レンズを通ってマイクロシステムモジュールから出射する。そのような反射式光結合器は、極端に短い構造長で、ダイオードレーザのエミッタから送出された帯状の光を小さな損失で受光して、収束させて光導波路に入力結合することができる。この反射式光結合器は、有利には、機能面を越えて突出している支持面を有している。各機能面を特別な形状に構成して、相互に対向させて配属構成することによって、この支持面を用いないでも前述の利点を有するようにすることができる。そのため、特許の保護は、最後に挙げた形式の反射式光結合器（請求の範囲１に挙げた支持面のない）にも適用される。
本発明の技術思想により構成されたマイクロ光学モジュールは、例えば、光導体板として構成されており、光導体板を通して、少なくとも２つの光電半導体モジュールを相互に接続することができる。そのために、機能面は、一方では、光ビームの結合及び減結合のためのレンズとして構成されており、他方では、光導体板内へのビーム案内のための鏡として構成されている。そのような光導体板は、入力側に接続された光電半導体モジュール（ＩＯＥチップ）から放射された光ビームを第１のレンズを介して受光し、光導体板内の光ビームの経過を鏡を用いて偏向され、それにより、光ビームが第２のレンズを通って光導体板から出射されて、出力側に接続された第２の光電半導体モジュールに入射される。両光電半導体モジュールは、データ交換のためにそのように相互に光学的に接続される。相応の波選択性のビームスプリッタを使用することによって、複数の光電半導体モジュールを双方向に相互に接続することができる。光導体板に多数のレンズと鏡を用いることによって、複雑な３次元光結合構造を構成することもできる。この光導体板は、有利には、機能面を越えて突出した支持面を有している。各機能面を特別な形状に構成して、相互に対向させて配属構成することによって、この支持面を用いないでも前述の利点を有するようにすることができる。そのため、特許の保護は、最後に挙げた形式の光導体板（請求の範囲１に挙げた支持面のない）にも適用される。
本発明の技術思想により構成されたマイクロ光学モジュールは、例えば、波選択性のビームスプリッタとして構成されており、ビームスプリッタは、光源、受光器、光導波路に接続することができる。このために、光源及び光導波路側の機能面は、波選択性の特性を持った機能面を有しており、それにより、機能要素は、それぞれ入射光ビームの波長に応じて反射又は屈折特性を有している。光源から放射された光ビームは、波選択性の機能面によって反射されて、光導波路に入射する。この光導波路から出射された光ビームは、波選択性の同じ機能要素によって屈折されて、受光器に入射する。そのような波選択性のビームスプリッタによって、光導波路を介して双方向光データ伝送が可能になる。光源としては、通常、ダイオードレーザが使用され、このダイオードレーザの収束された帯状の光は、ビームスプリッタの波選択性の機能要素及び光導波路内の球面レンズを介して入力結合される。光導波路から出射された光ビームは、波選択性の機能要素で屈折され、ビームスプリッタを通り、このビームスプリッタから対向面に当たり、更に、受光器、例えば、フォトダイオードに入射する。この波選択性のビームスプリッタは、有利には、機能面を越えて突出した支持面を有している。各機能面を特別な形状に構成して、相互に対向させて配属構成することによって、この支持面を用いないでも前述の利点を有するようにすることができる。そのため、特許の保護は、最後に挙げた形式の波選択性のビームスプリッタ（請求の範囲１に挙げた支持面のない）にも適用される。
本発明の対象は、更に、上述の形式のマイクロシステムモジュールの製造方法であり、その際、この方法は、基板に、支持面と該支持面に対応する機能面の表面輪郭の凹部を、相応に成形された、一体的なラップ仕上げ型を用いた超音波振動ラップ仕上げによって製造される。本発明により提案された方法を用いると、基板上に製造したマイクロ構造、即ち、機能面の表面構造を有する支持面及び凹部を非常に正確な寸法で製造することができる。その際、機械的に超音波周波数で振動する超硬合金製のラップ仕上げ型（製造すべきマイクロ構造のネガティブな成型部を有している）が、十分に硬いラップ仕上げ手段（硬化粉又は硬化ペースト）を使用して、基板に向かって押圧される。その際、基板の表面には、高い寸法精度で、比較的小さな表面の粗さで、ラップ仕上げ型のポジティブな押圧部が形成される。一体的なラップ仕上げ型を使用することによって、簡単に、支持面と機能面との間の寸法関係を極めて大きな精度で保持することができる。
表面の粗さは極めて小さく、従って、電子ビームを用いた研磨によって研磨することができる。その際、電子ビームのエネルギ密度は調整されて、研磨すべき面の表面だけしか溶融されないようにすることができ、その結果、完璧に平滑な表面の表面電圧を形成することができる。電子ビームを用いた、このような研磨は、同出願人によるドイツ連邦共和国特許公開第４２３４７４０号公報の対象である。
上述の形式のマイクロシステムモジュールの大量生産のために、本発明は、大面積ラップ仕上げ型に、多数のマイクロシステムモジュールのネガティブな輪郭を形成し、ラップ仕上げ型を相応の大きな形状の基板に成形し、続いて、基板をそれぞれのマイクロシステムモジュールに分割することを提案しているのである。
以下、本発明の実施例について、図を用いて詳細に説明する。
図１は、ダイオードレーザが接続された、屈折型コリメータとして構成されたマイクロシステムモジュール垂直長手方向断面図を示し、
図２は、図１のマイクロシステムモジュールの水平長手方向断面図を示し、
図３は、図１及び図２のマイクロシステムモジュールの斜視図を示し、
図４は、相応の形状結合部材を当接構成要素に係合するために、支持面に形状結合部材を有するマイクロシステムモジュールの斜視図を示し、
図５は、前後に並べて配設した２つの円柱レンズアレイの斜視図を示し、
図６は、光学的に相関して直径上に対向配置した機能面を有するマイクロシステムモジュールの斜視図を示し、
図７は、反射型光結合器として構成されたマイクロシステムモジュールを側面から見た図を示し、
図８は、図７のマイクロシステムモジュールを上から見た図を示し、
図９は、光導体板として構成されたマイクロシステムモジュールの長手方向断面を示し、
図１０は、波選択性のビームスプリッタとして構成されたマイクロシステムモジュールの長手方向断面を示し、
図１１は、基板からマイクロシステムモジュールの未加工の型を製造するためのラップ仕上げ過程の断面略図を示し、
図１２は、光学的に作用する境界面上に相互に並べて設けた複数の機能要素の未加工の型を基板から製造するためのラップ仕上げ過程の断面略図を示し、
図１３は、光学的に作用する境界面を電子ビームを用いて研磨している様子を断面で略示した図を示す。
以下の図示の実施例の説明では、同じ構成部分に対しては、一致した参照番号を用いている。
図１には、マイクロ光学システムで使用するための、本発明のマイクロシステムモジュールの全体が参照番号１で示されている。マイクロシステムモジュール１は、屈折型コリメータとして構成されている。この屈折型コリメータは、部材２、例えば、水晶ガラス、又は、それ以外の透光性材料から形成されている。部材２には、凹部３及び４が加工されており、この凹部の底部には、それぞれ機能面５及び６が設けられている。機能面５は、頂角α＝８５°のプリズムの形状を有している。その頂点の領域には、丸み部５ａを持ったプリズムが設けられている。機能面６は、ほぼ円柱形の側面形状の凸状湾曲部を有しており、その際、この円柱形の側面形状の凸状湾曲部の軸線は、プリズムの頂点の長手方向拡がりに対して垂直方向に、相互に向かい合って光学的に作用する境界面５が形成されている。
更に、部材２には、支持面７及び８が設けられており、これら支持面７及び８は、当接光学構成要素９に接合するために用いられ、例えば、ダイオードレーザに接合するために、このダイオードレーザには、支持面７に相応した対向支持面１０が設けられている。支持面７及び８には、この面から突出した形状結合部材７ａ乃至８ａが、例えば、突起部の形状で設けられており、この突起部は、当接される光学構成要素９の対向支持面１０の相応の対向形状結合部材１０ａ内にはめ込まれる。
図１及び２から分かるように、支持面７及び８は、機能面５及び６に対して、正確に決定された寸法関係で設けられている。機能面５及び６を、支持面７及び８に対して、部材２の内部方向に後退させることによって、機能面５及び６は、良好に保護されるように設けられる。部材２の支持面７及び８と、当接光学構成要素９の対向支持面１０とを用いることによって、マイクロシステムモジュール１を、簡単且つ非常に精確にダイオードレーザ１１に位置決めすることができ、つまり、機能面５のプリズムの頂点を、ダイオードレーザ１１のエミッタに精確に対向して配置することができ、それにより、このダイオードレーザの長手方向の拡がりに対して正確に平行に配向することができる。
図３には、上述のマイクロシステムモジュール１の斜視図が示されている。
図４には、屈折型コリメータとして構成されたマイクロシステムモジュール１が示されており、このマイクロシステムモジュールの支持面７は、光学構成要素９に当接しており、この支持面７には、突起部５０が設けられている。この突起部５０は、当接構成要素９の相応の凹部５１内にはめ込まれている。こうすることによって、マイクロシステムモジュール１をｙ−及びｚ−方向に精確に位置調整して、当接構成要素９に固定することができ、その際、調整のためにコスト高な測定を必要としない。
図５には、２つのマイクロシステムモジュール１が示されており、この２つのマイクロシステムモジュール１の機能面上には、それぞれ多数の機能要素が円柱レンズの形式で設けられている。両マイクロシステムモジュール１は、それぞれ１つの円柱レンズアレイ６０及び６１を形成している。円柱レンズアレイ６０及び６１のそれぞれの円柱レンズの円柱軸線は、相互に平行である。円柱レンズアレイ６０及び６１の支持面７には、両円柱レンズアレイ６０及び６１が、相互に向き合って機能面を相互に当接させている。両円柱レンズアレイ６０及び６１の円柱軸線は、相互に直角となるように配設されている。そのような円柱レンズアレイ６０及び６１は、順次並べて配設されることが屡々あり、そうすることによって、透過光ビーム束を最適に変換及び成形することができるようになる。
図６には、マイクロシステムモジュール１が示されており、このマイクロシステムモジュール１の部材２には、直径方向の相互に対向し合った面に、円柱レンズアレイ７０乃至７１が設けられており、各円柱レンズアレイ７０乃至７１は、部材２によって光学的に相関される。両円柱レンズアレイ７０及び７１の円柱軸線は、相互に直角となるように配置されている。
図７には、反射型光結合器として構成されたマイクロシステムモジュール１が示されている。このマイクロシステムモジュール１の部材２には、直径方向に相互に対向し合った面に、機能面５及び６が設けられており、この機能面の機能要素８０〜８３は部材２によって光学的に相関されている。非球面円柱レンズ８０の前には、図示していないダイオードレーザのエミッタが設けられており、このエミッタは帯状の光を送出する。この光は、円柱レンズ８０を通って部材２内に入射し、非球面円柱鏡８１に当たり、この非球面円柱鏡から、平面鏡８２に当たり、この平面鏡から、第２の非球面円柱レンズ８３の方に反射される。それから、帯状の光は、円柱レンズ８３を通って部材２から放射され、最終的には、同様に図示していない、円柱レンズ８３の前に設けられている光導波路に入力結合される。両円柱レンズ８０及び８３の各円柱軸線は、相互に直交する方向に配置され、両円柱レンズ８０及び８３の光学軸線８４及び８５は、相互に平行に配置されている。そのような反射結合器は、ダイオードレーザから放射された帯状の光を集束して、光導波路に入力結合する。図８には、図７の反射型光結合器を上から見た平面図が示されている。
図９には、光学導体板として構成されたマイクロシステムモジュール１が示されており、このマイクロシステムモジュールは、２つの光電半導体モジュール９０及び９１に接続されており、２つの光電半導体モジュール９０及び９１は、相互に光学的に接続されている。光学導体板の機能面は、一方では、光ビームの入力結合及び減結合用のレンズ９３及び９６として構成されており、他方では、光学導体板内部でのビーム案内用の鏡９４及び９５として構成されている。光学的な結合は、第１の光電半導体モジュール９０が光ビーム９２を送出し、この光ビームは、第１のレンズ９３を介して光学導体板の部材２内に入力結合されるように行われる。この光ビーム９２は、鏡９４及び９５を介して案内され、その際、この光ビームは、第２のレンズ９６を介して再度部材２から減結合され、第２の光電半導体モジュール９１に入射される。両光電半導体モジュール９０及び９１を逆方向に接続すること、即ち、半導体モジュール９１は、光ビーム９２を送出し、それから、この光ビームを半導体モジュール９０が受光するようにすることも同様に可能である。適切なビームスプリッタを用いることによって、両光電半導体モジュール９０及び９１の双方向接続を行うこともできる。
図１０には、波選択性のビームスプリッタとして構成されたマイクロシステムモジュール１が示されている。このマイクロシステムモジュール１は、光源１０２、受光器１０７及び光導波路１０５に接続されている。光源１０２及び光導波路１０５側の機能面６は、波選択性の特性を持った機能要素１０１を有している。光源１０２としては、ダイオードレーザが使用される。ダイオードレーザ１０２のエミッタは、帯状の光１０３を送出し、この帯状の光１０３は、波選択性の機能要素１０１で反射され、球面レンズ１０４を介して光導波路１０５に入力結合される。光ビーム１０６が光導波路１０５から減結合されると、この光ビームは、波選択性の機能要素１０１及び対向して設けられた機能要素１００にて屈折されて、この光ビームが受光器１０７に入射される。この受光器は、フォトダイオードとして構成されている。そのような波選択性のビームスプリッタによって、光導波路１０５を介して双方向に光データを伝送することができる。
図１１〜１３には、本発明によるマイクロシステムモジュール１の製造方法が示されている。この製造方法の第１ステップは、例えば、透光性材料、例えば、水晶ガラス製の直方体基板２０から出発する。直方体状の水晶ガラス体に凹部３乃至４が、超音波振動ラップ仕上げによって形成される。その際、液体乃至ペースト内に解けて細かく分布された硬化材（この硬化材は、超音波周波数で振動する、超硬合金製のラップ仕上げ型を用いて付勢化される）を用いて、非直線状に切削される。
図１１には、個別マイクロシステムモジュール１の未加工状態の型の製造用の、この超音波振動ラップ仕上げが略示されている。ラップ仕上げ型は、参照番号２１で示されている。このラップ仕上げ型は、基板２０側の表面に、形成すべき凹部３及び４のネガティブの成形型と機能面５及び６を有している。このラップ仕上げ型２１には、基板２０側の面に研磨材の層２２が被覆されている。この研磨材は、有利には、細かく分布された型硬化材内に含まれている研磨粉である。
ラップ仕上げ過程の際、研磨材の層２２が設けられたラップ仕上げ型２１が超音波領域での機械振動で励振され、基板２０に対して押圧される。その際、基板２０の材料は、非直線状の切削によって切除される。ラップ仕上げ型２１が、基板２０の面領域７，８と接触すると即座に、切削過程が停止される。その結果、基板２０には、ラップ仕上げ型２１の正確に位置決めされた成形型が形成される。このようにして、形成すべきマイクロシステムモジュール１の表面に、極めて正確な寸法を保持して所要の構造を形成することができる。
図１２には、大面積基板上に複数配設された機能要素を超音波振動ラップ仕上げ方法を用いて製造する状況が示されている。大面積ラップ仕上げ型３１は、大面積基板側の面に、相互に並べて配設された複数の凹部のネガティブな成形型部と光学的に作用する境界面が設けられている。ラップ仕上げ型には、基板３０側の面に研磨材からなる層３２が被覆されている。それぞれのマイクロシステムモジュールの製造の個所で説明したように、基板上に垂直に配向された、超音波領域での機械的な振動により、基板３０の材料は、非直線状の切除によって除去される。このようにして、所謂レンズアレイをそれぞれのマイクロ光学モジュール上に製造したり、又は、それぞれの機能要素を、ライン３３に沿って形成した後に、それぞれのマイクロシステムモジュール１に分割してもよい。
第２の方法ステップでは、続いて、機能面５及び６が、高エネルギ電子ビーム４３を用いて研磨される。このステップは、図１３に示されている。そこに記載された、高エネルギ電子ビーム４３の形成用の電子銃は、電子源として使用される陰極４０、電子ビーム４３の加速用のスリットシャッタ４２を有している。そのようにして形成された、非常に高エネルギの電子ビーム４３（平坦な矩形帯の形状を有している）は、基板２上の研磨すべき表面の方に配向される。それから、基板２は、帯状電子ビーム４３の面に対して横方向に移動する。その際、研磨すべき表面へのエネルギ供給は、適切な手段によって制御されて、既存のざらざらした部分の深さに亘る表面だけが溶融されるようにされ、つまり、その都度、既存の粗面が溶融の表面電圧によって均されるようにされる。
【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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