(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの平面基板上に、シリコンの厚みを選択的に薄くした直線状の柔らかな折り曲げ位置と複数のデバイス素子を製作した後、平面基板を折り曲げ位置で折り曲げることによって、デバイス素子を平面的な配置から立体的な配置に置き換えることにより自由空間型の立体構造を持った光学系を製造する微小光学系の製造方法。
【請求項２】
シリコンウェーハの平面基板上に、シリコンの厚みを選択的に薄くした直線状の柔らかな折り曲げ位置と、フォトリソグラフィ技術を用いてマイクロアクチュエータ、マイクロミラー、マイクロレンズなどの自由空間に配置される複数の素子を製作した後、平面基板を直線状の柔らかな折り曲げ位置で折り曲げることによって、自由空間に配置される複数の素子を平面的な配置から立体的な配置に置き換えることにより自由空間型の立体構造を持った光学系を製造する微小光学系の製造方法。
【請求項３】
請求項１乃至2において、シリコンウェーハの平面基板を折り曲げ角度の付いたジグの上に載せて、基板に密着させて基板の折り曲げ角度を固定するようにしたことを特徴とする微小光学系の製造方法。
【請求項４】
自由空間に配置されるデバイス素子の製作された複数の部分からなるシリコンウェーハの平面基板、
該平面基板上の複数の部分を区画するために平面基板上に設けられたシリコンの厚みを直線状に選択的に薄く構成され所定の角度を持って折り曲げ固定された固定部、とを具備する自由空間型の立体構造を持った微小光学システム。
【請求項５】
請求項4において、自由空間に配置されるデバイス素子にマイクロミラーが設けられたことを特徴とする自由空間型の立体構造を持った微小光学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムに関する。
本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムは、平面フォトリソグラフィ等によって素子が製作された平面基板を折り曲げることにより立体構造を持った微小光学系を実現したものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光学システムは複数の異なるばらばらのバルク材料を組み合わせて構成され、アライメントの調節機構も含めて光が伝播する空間を設ける必要があるため、大きな体積を有するものとなる。この点が光学システムを利用する側からは使い勝手やコストの面でのマイナスになることが多々ある。加えて大きな体積を有する光学システムは、熱変動や空気ゆらぎなどのドリフトの影響を受け易い欠点がある。
光学システムの安定度を増す上でも、光学システムを小さくまとめて集積度の高いものにする必要があるため各種の提案が行われている。従来の光学システムを集積する試みは、主に平面状の導波路をベースにして光路上に様々な機能を埋め込むものであった。光を外界に出射する必要の無い用途に対してはこの方法でも良いが、対象物の距離を測る距離センサなどでは、自由空間を介して光を伝播させて照射することが不可避である。
例えば、導波路と自由空間を効率良く結合するには、特殊なレンズや回折格子が必要となるが、それらは高価で特殊な素子となるため、自由空間を積極的に利用して素子を配置しコンパクトな光学系を実現する方法が提案されている。この自由空間を光路に利用するデバイスには、クロストークが少ないこと、構成できる光学系の自由度が高いことが魅力となっている。しかしながら、量産に実績のある加工方法は主に平面を対象とする２次元的なフォトリソグラフィであり、光学システムが必要とする３次元構造を用意することは困難である。
【０００３】
このため、従来実現されている光システムでは、光源から検出器までの完全な集積化が難しく、アセンブリに多くのコストを費やしてデバイスの製作が行われている。
自由空間型の集積型光デバイスの特徴は、マイクロアクチュエータも含めた微細な機械構造が大量に安価にできることである。ＭＥＭＳの発展と共に光応用分野で研究されてきた立体構造の構成法に、シリコンオプティカルベンチと呼ばれるものがある。この方法は、平面のシリコン基板を光学ベンチにみたてて、その上に主に多結晶シリコンの薄膜を、基板に垂直に立てて３次元的な深い構造を作るものであり、様々な光学系がデモンストレーションされている。
しかしながらこの方法は、半導体レーザチップに代表される、他の製作法で用意されたバルクのデバイス素子をマウントする際に、実績のあるフリップチップボンディング技術を使用することが出来ず、実用上は問題を残している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの放熱や配線のし易さの点からも、デバイス素子を基板に密着する形で配置するのが望まれるが、このような構成で３次元的な深い構造をバルクシリコンから作ることは容易ではなく、自由空間型光デバイスに特有な３次元的な深い構造と、バルクデバイス素子のアセンブルし易さを両立する技術的な解決法が無かった。このため、デバイス素子を基板に密着する形で配置するような構成で、光が通るべき光路を確保した上で、３次元的に素子をプリアライメントして配置するための、自由空間型光デバイスを３次元的な構造で製作する技術の実現が求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコンウェーハ等の平面基板上に、フォトリソグラフィ技術を用いて製作配置した素子を、基板ごと折り曲げることによって平面的な配置から立体的な配置を作り出し、自由空間型の微小光学系を構成する方法を実現することにより問題を解決したものである。
本発明の、立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムでは、シリコン基板を選択的に直線の折り目を介して２つ以上の部分に分け、かつ連結したまま扱うことが可能になるので、シリコン基板は互いにずれることが無く、平面リソグラフィを用いてプリアライメントされた位置に保つことができる。
本発明によれば、従来の平面リソグラフィの加工方法をそのまま使用し、後工程によって平面基板から立体構造を作り出すようにしているために、技術的な難易度をいたずらに高めることなく全体の光学系を設計、製作できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムの構成を説明する図である。
図１の（ａ）は、折り曲げを行う前のシリコン基板を示し、（ｂ）（ｃ）は、シリコン基板の折り曲げを行う構成の概観を図示したものである。
図１の（ａ）、（ｂ）において、１０は、平面構造をもったシリコン基板である。１１はシリコン基板１０の折り曲げを行う一方の基板、１２は折り曲げを行う他方の基板を示す。シリコン基板１０の一方の基板１１と他方の基板１２には、それぞれ平面リソグラフィの加工方法を使用し、立体構造となった場合に必要な素子が微細加工もしくは配置されている。
２０は、シリコン基板１０を折り曲げるための折り曲げ位置を示す直線の溝で、エッチングによりシリコン基板をＶ型に薄く削って形成される。２１はフォトレジストで、基板１１と１２の間を接続するための軟材料である。
【０００７】
シリコン基板１０を折り曲げるための直線の柔らかな折り曲げ位置２０を用意するには、シリコン基板をダイジングによって選択的にシリコンの厚みを薄くしたり、フォトレジスト等の加熱によって柔らかくなる軟材料と置き換える方法も使用出来る。
３０は平面のシリコン基板１０の折り曲げに使用されるジグで、直線４１を基準に、折り曲げに必要な角度を持った二つの平面３１，３２を持っている。ジグ３０の加工は、通常の機械加工で行われる。
本発明の立体構造を持った微小光学系の製造は次のように行われる。
図１の（ａ）に示す微細加工を施されたシリコン基板１０を、図１の（ｂ）に示すようにジグ３０の上に載せて、シリコン基板１０を折り曲げるための直線の溝２０を、ジグ３０の直線４１に合わせて置いて、１５０℃前後まで加熱する。
加熱による昇温で、シリコン基板１０は、図１の（ｃ）に示すようにシリコン基板１０は直線の溝２０で、折り紙のように折れ曲がる。高温状態でシリコン基板１０の折り曲げを行う一方の基板１１と折り曲げを行う他方の基板１２が、ジグ３０の平面３１，３２に隙間無く密着するようにし、密着した状態で温度を下げるとジグに沿った角度で固定される。
【０００８】
平面基板１１と１２の間を接続している軟材料のフォトレジストが、室温まで温度が下がると、折れ曲げ角を固定しハンドリングに支障は無い状態となる。
実際に、折れ曲がり位置に引張り荷重をかけたところ、少なくとも２１７ｇｆ／ｃｍの荷重まで耐えることが確認された。但し、折れ曲がり角に対しては、荷重をかけると変形する。
尚、折れ曲げ角の固定を強固に行う必要がある場合には、シリコン基板１０とジグ３０を接着して完全に固定した状態で利用することも可能である。
図２の（ａ）に、実際に得られたシリコン基板の４５°折り曲げ構造を、（ｂ）に利用した折り曲げ角の基準となるジグの写真を示す。
図３は、シリコン基板の温度が下がってから、基板形状を測定したデータを示したものである。図３のデータは角度が２０°の場合である。図３のデータは、中心部分でのみ変形が起こっており、他は平面構造を保っていることを示している。
【０００９】
図４は、同じウェーハを何度もジグに当てて繰り返し変形させた後に、折り曲げ角度の再現性を測定したデータを示したものである。図４のデータは、角度誤差±０．２°の再現性が得られることを示している。
上記に説明した立体構造を持った微小光学系の製造方法を使用して、各種の立体的な光学系を実現することができる。以下、いくつかの光学系を製作する実施例について説明する。
図５は、本発明を３角測量の光学系に適用して、距離センサ、速度センサを製作した実施例を示す。図５の実施例は、折り目が一つの場合である。
図５において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。ＢＤは、平面基板１１上に配置されたビーム位置検出器でフォトダイオードにより構成されている。ＬＳは平面基板１１上に配置された半導体レーザ、Ｌ１は平面基板１１上に配置されたコリメーションレンズである。
ＭＳは平面基板１２上に形成された反射ミラーである。
ＤＴは測定対象のサンプルである。Ｌ２は集光レンズである。
平面基板１１と平面基板１２とは、フォトレジスト２１により所定の角度を持って固定され立体構造を持つ３角測量の光学系の微小光学システムが構成されている。
【００１０】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、光源となる半導体レーザＬＳと、コリメーションレンズＬ１により平行ビームＢＭが発生される。この平行ビームＢＭは、平面基板１２上に形成された反射ミラーＭＳに斜め入射する。
平行ビームＢＭは、反射ミラーＭＳで反射されミラーに対して上方に出射される。
反射ミラーＭＳで反射された平行ビームＢＭは、測定対象のサンプルＤＴに当たり反射される。サンプルＤＴで反射された平行ビームＢＭの光の一部は、集光レンズＬ２により集光され平面基板１１に投射され平面基板１１上に配置されたビーム位置検出器ＢＤによって反射位置が測定される。光は３角形状の光路を伝播するため、三角測量の原理によって、対象物の位置とその時間変化から速度を検出することができる。
【００１１】
図６は、本発明をエンコーダに適用して曲げ構造をもつエンコーダを製作した実施例を示す。図６の実施例は、折り目が二つの場合である。
図６において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。１３はシリコン基板１０の上に形成された第三の基板である。
シリコン基板１０の上に配置された第一の基板１１上には、発光ダイオードＬＥが配置されており、又、第三の基板１３上には、回析格子状フォトダイオードＡＤが配置されている。ＴＫは、透過型の回析格子である。
第一の基板１１，第二の基板１２，第三の基板１３は、互いの間が直角に曲げられコの字型に固定され、第一の基板１１と第三の基板１３は平行の状態で固定されている。
第一の基板１１と第三の基板１３の間には、透過型の回析格子ＴＫが基板１１と基板１３と平行に移動可能な構成で配置され、エンコーダの微小光学システムが構成されている。
【００１２】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、光源となる発光ダイオードＬＥより光ビームが出射される。この光ビームは、透過型の回析格子ＴＫに入射し、回析格子ＴＫにより回析されたビームは、第三の基板１３の回析格子状フォトダイオードＡＤにより検出される。
透過型の回析格子ＴＫの移動によって生じる回析パターンの移動によつて、第三の基板１３の回析格子状フォトダイオードＡＤにより検出される信号は変化するので、回析格子状フォトダイオードＡＤにより検出される光量信号はエンコーダ信号として使用することができる。
【００１３】
図７は、本発明を光スキャナに適用してバーコードリーダを製作した実施例を示す。図７の実施例は、折り目が一つの場合である。
図７において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。ＰＤは、平面基板１１上に配置されたフォトダイオードである。ＬＳは平面基板１１上に配置された半導体レーザ、Ｌ１は平面基板１１上に配置されたコリメーションレンズ、Ｌ２は集光レンズＬ２である。
ＳＭは平面基板１２上に配置された光スキャナのスキャニングミラーである。スキャニングミラーＳＭは、マイクロアクチュエータにより動作され光の面外出射角度を変化させることができる。ＢＣは測定対象のバーコードである。
平面基板１１と平面基板１２とは、フォトレジスト２１により所定の角度を持って固定され立体構造を持ったバーコードリーダの微小光学システムが構成されている。
【００１４】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、光源となる半導体レーザＬＳと、コリメーションレンズＬ１により平行ビームＢＭが発生される。この平行ビームＢＭは、平面基板１２上に配置されたにスキャニングミラーＳＭに斜め入射する。
平行ビームＢＭは、スキャニングミラーＳＭで反射されミラーに対して上方に出射される。
スキャニングミラーＳＭで反射された平行ビームＢＭは、測定対象のバーコードＢＣに当たり反射される。バーコードＢＣで反射された平行ビームＢＭの光の一部は、集光レンズＬ２を通って平面基板１１に入射して平面基板１１上に配置されたフォトダイオードによって検出されバーコード上の１点からの光が検出される。
スキャニングミラーＳＭのスキャニング角度を変化させ、スキャニング角度とフォトダイオードによって検出される光信号を対応させることによりバーコード上の１点の幅を測定することが出来るので、測定対象のバーコードＢＣを読み取ることが出来る。
【００１５】
図８は、本発明を二次元光スキャナに適用して、レーザビーム操作型ディスプレイを製作した実施例を示す。図８の実施例は、折り目が二つの場合である。
図８において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。１３はシリコン基板１０から形成された第三の基板である。第三の基板１３は、基板１２との間を接続するための軟材料であるフォトレジスト２２によりシリコン基板１０を折り曲げるための直線の溝に添って所定の角度で曲げられ固定されている。
ＬＳは平面基板１１上に配置された半導体レーザ、Ｌ１は平面基板１１上に配置されたコリメーションレンズである。ＳＭ１は平面基板１２上に配置された第一の光スキャナのスキャニングミラーである。ＳＭ２は平面基板１３上に配置された第二の光スキャナのスキャニングミラーである。
スキャニングミラーＳＭ１，ＳＭ２は、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板１１，第二の基板１２，第三の基板１３は、互いの間が所定の角度に曲げられて固定されてレーザビーム操作型ディスプレイの微小光学システムが構成されている。
【００１６】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、半導体レーザＬＳと、コリメーションレンズＬ１によりレーザビームＢＭが発生される。このレーザビームは、平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーＳＭ１に斜め入射する。
スキャニングミラーＳＭ１に入射したレーザビームＢＭは、スキャニングミラーＳＭ１で反射されミラーに対して斜め上方に出射される。
スキャニングミラーＳＭ１で反射されたレーザビームＢＭは、平面基板１３上に配置された第二の光スキャナのスキャニングミラーＳＭ２に斜め入射し、スキャニングミラーＳＭ２で反射されミラーに対して斜め上方に出射される。
スキャニングミラーＳＭ１，ＳＭ２のスキャニング角度を任意に変化させることにより、スキャニングミラーＳＭ２で反射され出射されるレーザビームＢＭを二次元的に変化させることが出来るのでレーザビーム操作型ディスプレイとして機能させることが出来る。
【００１７】
図９は、本発明を適用して、光スイッチを製作した実施例を示す。図９の実施例は、折り目が一つの場合である。
図９において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。ＦＢ１は第一の基板１１上に配置された第一の光ファイバー、ＦＢ２は第一の基板１１上に配置された第二の光ファイバー、ＦＢ３は第一の基板１１上に配置された第三の光ファイバーである。
第一の光ファイバーＦＢ１と第二の光ファイバーＦＢ２と第三の光ファイバーＦＢ３は第一の基板１１上に、第二の基板１２上のある点を中心として、一定の角度を持って放射状に配置されている。
ＳＭは平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーである。
スキャニングミラーＳＭは、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板１１と第二の基板１２は互いに直角に曲げられて固定されている。
第一の基板１１に放射状に設けられた第一の光ファイバーＦＢ１と第二の光ファイバーＦＢ２と第三の光ファイバーＦＢ３の中心部に対応する位置に平面基板１２上に配置された光スキャナのスキャニングミラーＳＭが配置され、光スイッチの微小光学システムが構成されている。
【００１８】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、第一の光ファイバーＦＢ１は入力ポートとして使用され、光信号が導入される。平面基板１１上に配置された、第二の光ファイバーＦＢ２と第三の光ファイバーＦＢ３は出力ポートとして使用され、スイッチされた光信号が出力される。
平面基板１１上に配置された第一の光ファイバーＦＢ１に導入された光信号は平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーＳＭに入射する。
スキャニングミラーＳＭに入射した第一の光ファイバーＦＢ１の光信号はスキャニングミラーＳＭで反射される。
スキャニングミラーＳＭの角度を調整することにより、スキャニングミラーＳＭで反射され出射される光信号を、面基板１１上に配置された出力ポートとして使用される第二の光ファイバーＦＢ２、又は第三の光ファイバーＦＢ３に振り分けることにより切り替えることが出来る。
スキャニングミラーＳＭにより、第二の光ファイバーＦＢ２、又は第三の光ファイバーＦＢ３に光信号を切り替えることが可能になるので１＊２型の光スイッチとして機能させることが出来る。
尚、出力ポートとして使用される光ファイバーの数を増やすことにより、任意の数の出力ポートに光信号を切り替える光スイッチを製作することが可能である。
【００１９】
図１０は、本発明を可変減衰器に適用して折り曲げ構造をもつ光可変減衰器を製作した実施例を示す。図１０の実施例は、折り目が一つの場合である。
図１０において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
ＦＢ１は第一の基板１１上に配置された第一の光ファイバー、ＦＢ２は第一の基板１１上に配置された第二の光ファイバーである。
第一の光ファイバーＦＢ１と第二の光ファイバーＦＢ２は第一の基板１１上に、第二の基板１２上のある点を中心として、一定の角度を持って放射状に配置されている。
ＳＭは平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーである。
スキャニングミラーＳＭは、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板１１と第二の基板１２は互いに直角に曲げられて固定されている。
第一の基板１１に放射状に設けられた第一の光ファイバーＦＢ１と第二の光ファイバーＦＢ２の中心部に対応する位置に平面基板１２上に配置された光スキャナのスキャニングミラーＳＭが配置され、光可変減衰器の微小光学システムが構成されている。
【００２０】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された、第一の光ファイバーＦＢ１は入力ポートとして使用され、光信号が導入される。平面基板１１上に配置された、第二の光ファイバーＦＢ２は出力ポートとして使用され、減衰された光信号が出力される。
平面基板１１上に配置された第一の光ファイバーＦＢ１に導入された光信号は平面基板１２上に配置されたにスキャニングミラーＳＭに入射する。
スキャニングミラーＳＭに入射した第一の光ファイバーＦＢ１の光信号はスキャニングミラーＳＭで反射され出射される。
スキャニングミラーＳＭの角度を調整することにより、スキャニングミラーＳＭで反射され出射される光信号が、平面基板１１上に配置された出力ポートとして使用される第二の光ファイバーＦＢ２の端面に投射される光の量を変えることが出来る。このため、第二の光ファイバーＦＢ２に入射する光信号の量をスキャニングミラーＳＭの角度を調整することにより任意に変化させることが可能になるので光可変減衰器として機能させることが出来る。
【００２１】
図１１は、本発明を適用して波長フィルタを製作した実施例を示す。図１１の実施例は、折り目が一つの場合である。
図１１において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
ＦＢ１は、平面基板１１上に形成されたガイドに固定された光ファイバーである。
ＳＭは平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーである。スキャニングミラーＳＭは、光の面外反射方向を変化させることができる。
ＫＡは対向して配置された反射型の回析格子である。
平面基板１１と平面基板１２とは、フォトレジストにより所定の角度を持って固定され、平面基板１２と回析格子ＫＡとは一定の間隔を持って平行に配置され、立体構造を持った波長フィルタの微小光学システムが構成されている。
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置された光ファイバーＦＢ１に導入された入射光は平面基板１２と平行に配置された回析格子ＫＡに斜め入射する。
回析格子ＫＡに入射した入射光は回析格子ＫＡで回析され、特定の波長成分が上方に出射され、平面基板１２上に配置された光スキャナのスキャニングミラーＳＭに垂直入射する。この回析格子ＫＡから出射された特定波長の入射光はスキャニングミラーＳＭで反射され、同じ光路を逆にたどって再び回析格子ＫＡに入射する。
回析格子ＫＡに入射した光は回析格子ＫＡで再び回析され、特定の波長成分が平面基板１１上に配置された光ファイバーＦＢに出射光として出力される。
スキャニングミラーＳＭのスキャニング角度を変化させることにより、最終的に光ファイバーＦＢに出力される入射光中の特定の波長成分が変化するので波長フィルタとして機能させることが出来る。
【００２２】
図１２は、本発明を適用して波長可変光源を製作した実施例を示す。図１２の実施例は、折り目が二つの場合である。
図１２において、図１と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
ＬＤは、平面基板１１上に固定されたレーザダイオードである。Ｌ１は平面基板１１上に配置されたレンズである。
ＳＭは平面基板１２上に配置された光スキャナのスキャニングミラーである。スキャニングミラーＳＭは、光の面外出射角度を変化させることができる。
ＫＡは反射型の回析格子である。
平面基板１１と平面基板１２とは、フォトレジスト２１により所定の角度を持って固定され、平面基板１２と回析格子ＫＡとは一定の間隔を持って平行に配置され、立体構造を持った波長可変光源の微小光学システムが構成されている。
【００２３】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板１１上に配置されたレーザダイオードＬＤより出力されるレーザ光は、レンズＬ１を通して平面基板１２と平行に配置された回析格子ＫＡに斜め入射する。
回析格子ＫＡに入射したレーザ光は回析格子ＫＡで回析され、特定の波長成分が垂直上方に出射され、平面基板１２上に配置されたスキャニングミラーＳＭに垂直入射する。回析格子ＫＡから出射された特定波長の光はスキャニングミラーＳＭで反射され、再び回析格子ＫＡに入射する。
回析格子ＫＡに入射したレーザ光の特定の波長成分は回析格子ＫＡで回析され、特定の波長成分が平面基板１１上に配置されたレンズＬ１の方向に出射され、レンズＬ１を介してレーザダイオードＬＤに帰還され、外部共振器を形成しレーザダイオードＬＤの発振波長を決定する。
この特定の波長のレーザダイオードＬＤのレーザ光の一部は、平面基板１２と平行に配置された回析格子ＫＡで正反射され、出射光として出力される。レーザダイオードＬＤのレーザ光の波長はスキャニングミラーＳＭのスキャニング角度を変化させることにより外部共振器を形成する波長が変化するので波長可変光源として機能させることが出来る。
【００２４】
上記に詳細に説明したように、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムでは、シリコン基板を選択的に直線状にシリコンの厚みを薄くしたり、加熱によって柔らかくなる材料と置き換えることで、シリコン基板を２つ以上の部分に分け、かつ連結したまま扱うことが可能になる。
又、本発明では、各部分に分かれたシリコン基板を所望の直線上で折り曲げるために、シリコン基板は回転する以外は互いにずれることが無く、平面リソグラフィを用いてプリアライメントされた位置に保つことができる。又、折れ曲げの角度は、所望の角度で固定されるようにジグを使用するが、ジグの寸法はバルク材料の基板に対するものであるので、従来の機械加工の精度で十分である。しかも、折れ曲げ角度の精度はジグの精度が転写され、平面リソグラフィでは実現できない別の自由度が生まれ、一度設定した折り曲げの角度を変更することも別のジグを利用して可能である。
又、本発明によれば、従来の平面リソグラフィの加工方法をそのまま使用し、後工程によって平面基板から立体構造を作り出すようにしたために、後工程が平面的なリソグラフィ技術によって用意された部品と機械加工で用意された立体的なジグの組み合わせとなるために、技術的な難易度をいたずらに高めることなく全体の光学系を設計、製作できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムは、もともと平面であったシリコンウェーハを折り曲げることで様々な自由空間型の光学系を実現することを可能にする。
本発明では、折り曲げる前の平面サンプルには、従来の平面リソグラフィ技術を用いてＭＥＭＳ構造やフォトダイオードなどの機能素子を予め作り込む技術を使用することが出来る。又、基板を折り曲げる角度は、従来の機械加工技術を用いて用意したジグを利用することで任意に設定し、正確にコントロールすることが出来る。このため、製作段階で予めアライメントを取ってデバイス製作が出来、製作した折り曲げ構造とジグを接着、固定して安定に使用することも可能である。
このため、従来の確立された技術を組み合わせて使用することにより自由空間型光システムの集積化を進めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムの構成を説明する図である。
【図２】  実際に得られたシリコン基板の４５°折り曲げ構造と、利用した折り曲げ角の基準となるジグを示す。
【図３】  シリコン基板の温度が下がってから、基板形状を測定したデータを示したものである。
【図４】  同じウェーハを何度もジグに当てて変形させた後に角度の再現性を測定したデータを示したものである。
【図５】  本発明を３角測量の光学系に適用して距離センサ、速度センサを製作した実施例を示す。
【図６】  本発明をエンコーダに適用して曲げ構造をもつエンコーダを製作した実施例を示す。
【図７】  本発明を光スキャナに適用してバーコードリーダを製作した実施例を示す。
【図８】  本発明を二次元光スキャナに適用して、レーザビーム操作型ディスプレイを製作した実施例を示す。
【図９】  本発明を光スイッチに適用して折り曲げ構造をもつ光スイッチを製作した実施例を示す。
【図１０】  本発明を可変減衰器に適用して折り曲げ構造をもつ光可変減衰器を製作した実施例を示す。
【図１１】  本発明を適用して波長フィルタを製作した実施例を示す。
【図１２】  本発明を適用して波長可変光源を製作した実施例を示す。
【符号の説明】
１０・・・平面構造をもったシリコン基板，
１１・・・折り曲げを行う一方の基板，
１２・・・折り曲げを行う他方の基板，
１３・・・折り曲げを行う第三の基板，
２０・・・シリコン基板１０を折り曲げるための直線の溝，
２１、２２・・・フォトレジスト，
３０・・・平面のシリコン基板１０の折り曲げに使用されるジグ，
３１・・・基板１０の折り曲げた状態した時の平面の基準，
３２・・・基板１０の折り曲げた状態した時の他方の基準，
４１・・・シリコン基板１０を折り曲げる直線状の基準，
ＢＤ・・・ビーム位置検出器，
ＰＤ・・・光量検出用のフォトダイオード，
ＬＳ・・・半導体レーザ，
Ｌ１・・・コリメーションレンズ，
ＳＭ・・・マイクロスキャナ上のスキャニングミラー，
ＭＳ・・・反射ミラー，
ＬＤ・・・波長可変のレーザダイオード，
ＤＴ・・・測定対象のサンプル，
Ｌ２・・・集光レンズ，
ＬＥ・・・発光ダイオード，
ＡＤ・・・回析格子状フォトダイオード，
ＴＫ・・・透過型の回析格子，
ＫＡ・・・反射型の回析格子，
ＢＣ・・・測定対象のバーコード，
ＳＭ１・・・第一のマイクロスキャナ上のスキャニングミラー，
ＳＭ２・・・第二のマイクロスキャナ上のスキャニングミラー，
ＦＢ１・・・第一の光ファイバー，
ＦＢ２・・・第二の光ファイバー，
ＦＢ３・・・第三の光ファイバー，
【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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