JPH07134202A - マイクロレンズアレイ及びその製作法 - Google Patents

マイクロレンズアレイ及びその製作法

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JPH07134202A
JPH07134202A JP27935993A JP27935993A JPH07134202A JP H07134202 A JPH07134202 A JP H07134202A JP 27935993 A JP27935993 A JP 27935993A JP 27935993 A JP27935993 A JP 27935993A JP H07134202 A JPH07134202 A JP H07134202A
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JP
Japan
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silicon substrate
spherical
microlens array
microlens
single crystal
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Withdrawn
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JP27935993A
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English (en)
Inventor
Tadashi Serikawa
正 芹川
Seiichi Shirai
誠一 白井
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 画像情報処理素子、光集積回路素子や光通信
素子の小型化と高性能化が図れるマイクロレンズアレイ
及びその製作法を提供する。 【構成】 シリコン基板21に複数個の穴22が穿設さ
れてなると共に、該穴に接着層24を介して球状マイク
ロレンズ23を設けてなり、マイクロレンズアレイの製
作は、球状のマイクロレンズを設置する基板として単結
晶シリコン基板を用い、該単結晶シリコン基板上に、薄
膜を堆積する工程と、該薄膜を所定の形状,大きさのパ
タンに加工する工程と、該パタンをエッチングマスクと
して、前記単結晶シリコン基板に穴を穿孔する工程と、
接着用の層を形成する工程と、前記穴にボール状のマイ
クロレンズを設置する工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、画像情報処理における
CCD固体撮像素子等や光通信における光集積回路素子
において、光の屈折による光線の広がりを防ぎ、前記素
子の性能が損なわれないようにするために使用し、ま
た、光通信分野において、光ファイバからの出射光を平
行光に変えたり、あるいは、光束を集束して光ファイバ
に入射せしめる目的に有用なマイクロレンズアレイ及び
その製作法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、マイクロレンズアレイに関しては、その製作法を含
め種々のものが提案されている。マイクロレンズアレイ
の製作法として広く知られているものとしては、イオン
交換拡散法がある。
【0003】図5には、この方法により製作したマイク
ロレンズの横断面を示す。この方法は、ガラス等の基板
01上に金属膜を堆積し、半導体産業で良く用いられる
パターンニングの手法により、直径が数十μmから数百
μmの円形の窓を開けた後、高温度の溶融塩に漬ける。
この時、その溶融塩の中にある高い屈折率をもつTl、
Ag、Pbなどのドーパントイオンが金属マスクの窓を
通して、ガラス基板の中に拡散する。ここで、屈折率
は、基板中に拡散したドーパントイオンの濃度に、ほぼ
比例する。このため、マスク開口に近いところで屈折率
が高くなるような分布がガラス基板に生成され、マイク
ロレンズ02となる。また、金属膜に、ドーパントイオ
ンの拡散用窓を多く設けることにより、マイクロレンズ
のアレイが一括して製作できる。
【0004】しかしながら前述した従来の方法は、直径
100ミクロン以下程度の小さなマイクロレンズの製作
には適するが、直径数100ミクロン以上の光束を処理
できる大きなマイクロレンズの製作が困難である。これ
は、拡散深さを、レンズの大きさ程度の数100ミクロ
ン以上にしなければならず、極めて長時間で高温度の熱
処理を必要とするからである。この問題解決に向けて種
々の試みがなされている。しかし、いずれのものでも、
大きさが数100ミクロン以上で、かつ、焦点距離がレ
ンズの大きさ程度のマイクロレンズアレイを製作するこ
とが出来なかった。このために、従来、画像情報処理素
子、光集積回路素子や光通信素子の小型化や高性能化が
図れないという問題がある。
【0005】本発明は上記問題に鑑み、画像情報処理素
子、光集積回路素子や光通信素子の小型化と高性能化が
図れるマイクロレンズアレイ及びその製作法を提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するマイ
クロレンズの構成は、基板に複数個の穴が穿設されてな
ると共に、該穴に接着層を介して球状マイクロレンズを
設けてなることを特徴とする。
【0007】また上記構成において、上記球状のマイク
ロレンズの屈折率が、その表面の周辺部から中央部にそ
の屈折率が漸次増大する屈折率分布であることを特徴と
する。
【0008】さらに、上記構成において、球状マイクロ
レンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する薄膜を、該
球状マイクロレンズの少なくとも一側面に堆積したなる
ことを特徴とする。
【0009】一方のマイクロレンズアレイの製作法の構
成は、球状のマイクロレンズを設置する基板として単結
晶シリコン基板を用い、該単結晶シリコン基板上に、薄
膜を堆積する工程と、該薄膜を所定の形状,大きさのパ
タンに加工する工程と、該パタンをエッチングマスクと
して、前記単結晶シリコン基板に穴を穿設する工程と、
接着用の接着層を形成する工程と、前記穴に球状のマイ
クロレンズを設置する工程とを含むことを特徴とする。
【0010】また、上記製作法において、球状マイクロ
レンズを単結晶シリコン基板に設置する際、マイクロレ
ンズにガラス材から成るものを用い、また、穴加工を施
した単結晶シリコン基板上に、鉛を含む組成のガラス薄
膜を堆積し、該球レンズを該穴に設置し熱処理を施し、
球状マイクロレンズを単結晶シリコン基板に固定するこ
とを特徴とする。
【0011】
【実施例】以下、本発明に係る好適な実施例を図面を参
照して詳細に説明する。図1は本発明に係る基本原理図
である。
【0012】同図に示すように、マイクロレンズアレイ
10は、シリコン基板11上に精度良く穿設された、複
数の穴(図示せず)に、球状のレンズ13を設置して製
作してなるもので、レンズの大きさが数100ミクロン
以上で、かつ、その焦点距離もレンズの大きさ程度の特
性を有するものも容易に形成できるマイクロレンズアレ
イである。
【0013】図2は、本実施例のマイクロレンズアレイ
20の断面を示す。複数個の穴22を設けたシリコン基
板21上に、球状のレンズ23を設置してあり、このレ
ンズ23とシリコン基板21との間に接着層24が設け
てある。このマイクロレンズアレイ20の光学特性は、
設置する球状のレンズ23の大きさと、その屈折率によ
り定まる。このため、この球状レンズ23の光学特性
は、極めて高精度なものが得られる。
【0014】一方、これらの球状レンズ23の位置は、
シリコン基板21上に穿設した穴22の位置により定め
ることが出来る。このレンズ23の位置と、その間の間
隔は、後述するように、シリコン基板21に単結晶のも
のを用いる等の理由により、極めて高精度に制御でき
る。
【0015】このように、本発明に係るマイクロレンズ
アレイは、光学特性とレンズの位置とを同時に、かつ非
常に精度良く制御出来る特徴を有している。さらに、レ
ンズの大きさは0.1mm乃至数mmの広い範囲のものにも適
用出来、レンズの大きさと同程度の長さの焦点距離の光
学特性が得られることも、本発明のマイクロレンズアレ
イの特徴でもある。
【0016】図3は本発明のマイクロレンズアレイ30
の製作方法の一実施例である。球状レンズ33として、
ガラス材から成るものについて詳しく述べる。まず、図
3(a)に示すように単結晶シリコン基板31上に、シ
リコンナイトライド膜34を気相成長法やスパッタ法で
堆積し、レジスト膜35を塗布する。この際の単結晶シ
リコン基板31としては、面方位[100]を有するも
のが優れている。その後、通常のLSI製作工程におけ
る方法により、露光用マスクを通して紫外線を照射す
る。
【0017】その後、この基板を現像用の溶液に浸す
と、紫外線が照射されたか否かに対応したレジストパタ
ンが得られる。その後、このレジストパタンをエッチン
グマスクとして、シリコンナイトライド膜34を加工す
る(工程I)。
【0018】その後、単結晶シリコン基板31の腐食に
特に適した水酸化カリウム(KOH)溶液に浸すと、シ
リコンナイトライド膜パタンをマスクとして、単結晶シ
リコンの結晶方位を非常に良く反映し、図3(b)に示
すようにこのシリコン基板31に極めて精度良く穴32
を孔ける(工程II)。
【0019】その後、このシリコンナイトライド膜パタ
ンを除去し、鉛を含むガラス薄膜36を、スパッタ法も
しくは真空蒸着法により堆積する。次に、シリコン基板
31に穿設された穴の所に、図3(c)に示すように、
所定の特性を持つ球状レンズ33を置く(工程III)。
【0020】この状態で、400℃乃至900℃の雰囲
気中で、数分乃至数百分の熱処理を行うと、この球状の
レンズ33とガラス薄膜36とが溶着し、図3(d)に
示すように接着部Xによって球状レンズ33が基板31
に固定される(工程IV)。
【0021】この際の熱処理温度として、400〜90
0℃が好ましい。これは処理温度が400℃以下では強
く固定せず、また、900℃以上では、レンズが変形し
てしまい、共に好ましくないからである。
【0022】上述のマイクロレンズアレイ製作法の実施
例では、球状レンズとして、ガラス材から成るものにつ
いて述べたが、他のレンズ材としては例えば樹脂製のも
のも使用できる。この場合には、シリコン基板に穴を開
口後、スプレイ法により接着材を塗布し、プラスチック
から成るレンズを設置し、乾燥させることにより固定す
るようにすればよい。
【0023】図4には、さらに光学特性を向上できる本
発明の他の実施例を示す。シリコン基板41に複数穿設
された複数の穴42に接着層46を介して固定した球状
レンズ43の表面の一部に、このレンズより大きな屈折
率を有する薄膜47を堆積してなるマイクロレンズアレ
イ40を示す。このようにすることにより、収差などの
光学特性上での問題点を減らすことが出来る。この薄膜
47としては、特にシリコンナイトライド膜、酸化タン
タル膜、酸化チタン膜、タンタルナイトライド膜、チタ
ンナイトライド膜が適している。このような薄膜47の
堆積は、低温堆積が可能なスパッタ法もしくは真空蒸着
法により容易に行うことができる。この薄膜の形成は、
図4に示したように、球状レンズ43の前面に限られる
ことなく、背面でも良く、さらに、両面に堆積してもそ
の効果は発揮される。
【0024】また、前記の堆積法において、堆積する薄
膜47の膜厚分布を球状レンズ43の表面の中央部を厚
く、周辺部を薄くすることにより、実効的な屈折率分布
を形成でき、中央部が高く、周辺部にいくにしたがい低
くなるので収差などの光学特性を効率良く改善できる。
さらに、薄膜を堆積する代わりに、イオンを拡散させる
ことにより、同様の効果を得ることができる。
【0025】さらに、本発明では、適用対象に応じて、
大きさや光学特性の異なる球状レンズを混合して用いる
ことにより、マイクロレンズアレイの特性をさらに向上
できる。
【0026】以上の実施例では、球状レンズを設置する
基板として単結晶シリコン基板を用いた例について述べ
てきたが、基板として、ガラス基板やセラミック基板あ
るいはプラスチック基板であっても同様のマイクロレン
ズアレイが得られることは明らかである。
【0027】以上に述べたように、本発明のマイクロレ
ンズの大きさは、球状レンズ自身の大きさで定めること
が出来る。上述のことから明かなように、球状レンズと
して、0.1mmのものから数mmのものまで適用でき、極め
て広い範囲の光学特性のマイクロレンズアレイが得られ
る。このため、画像情報処理装置や光集積回路素子、あ
るいは、光通信装置の性能を一層向上できる。さらに、
本発明のマイクロレンズアレイの製作法は、極めて簡便
でもある。
【0028】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれ
ば、、球状のレンズからなるマイクロレンズアレイを非
常に容易に製作できるため、多くの利点が生じる。ま
ず、安価に製作できる利点がある。さらに、シリコン基
板上に極めて精度良くレンズを設置できるため、画像情
報処理装置や光集積回路素子の小型化と高性能化が図れ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本原理図である。
【図2】本発明のマイクロレンズアレイの一実施例の断
面図である。
【図3】本発明のマイクロレンズアレイ製作法の一実施
例である。
【図4】本発明のマイクロレンズアレイの他の実施例の
断面図である。
【図5】従来からのマイクロレンズアレイの概略図であ
る。
【符号の説明】
11,21,31,41 シリコン基板 22,32,42 穴 13,23,33,43 球状レンズ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板に複数個の穴が穿設されてなると共
    に、該穴に接着層を介して球状マイクロレンズを設けて
    なることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のマイクロレンズアレイに
    おいて、上記球状のマイクロレンズの屈折率が、その表
    面の周辺部から中央部にその屈折率が漸次増大する屈折
    率分布であることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のマイクロレンズアレイに
    おいて、球状マイクロレンズの屈折率よりも大きな屈折
    率を有する薄膜を、該球状マイクロレンズの少なくとも
    一側面に堆積してなることを特徴とするマイクロレンズ
    アレイ。
  4. 【請求項4】 球状のマイクロレンズを設置する基板と
    して単結晶シリコン基板を用い、該単結晶シリコン基板
    上に、薄膜を堆積する工程と、該薄膜を所定の形状,大
    きさのパタンに加工する工程と、該パタンをエッチング
    マスクとして、前記単結晶シリコン基板に穴を穿設する
    工程と、接着用の接着層を形成する工程と、前記穴に球
    状のマイクロレンズを設置する工程とを、含むことを特
    徴とするマイクロレンズアレイの製作法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のマイクロレンズアレイの
    製作法において、球状マイクロレンズを単結晶シリコン
    基板に設置する際、マイクロレンズにガラス材から成る
    ものを用い、また、穴加工を施した単結晶シリコン基板
    上に、鉛を含む組成のガラス薄膜を堆積し、上記球レン
    ズを該穴に設置し熱処理を施し、球状マイクロレンズを
    単結晶シリコン基板に固定することを特徴とするマイク
    ロレンズアレイの製作法。
JP27935993A 1993-11-09 1993-11-09 マイクロレンズアレイ及びその製作法 Withdrawn JPH07134202A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002016975A3 (en) * 2000-08-21 2003-02-06 Siwave Inc Lens arrays and methods of making the lens array
JP2005352345A (ja) * 2004-06-14 2005-12-22 Ricoh Opt Ind Co Ltd 光学素子及び光学素子の製造方法
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CN113608288A (zh) * 2021-08-18 2021-11-05 中国科学院光电技术研究所 一种大尺寸透镜阵列加工及组装方法

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