JP2005352345A - 光学素子及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学構成部品を支持体に対して高精度に位置決めし、固定することが可能となるコストを低減した光学素子又は光学素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】光学素子は、シリコン又はガラス製の光学構成部品と、光学構成部品を支持し、端面に二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層を有する支持体と、を備え、支持体の端面と光学構成部品とが直接ガラス接合により接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子及び光学素子の製造方法に関する。

従来、両方ともガラス材料で製作された本体及び誘導部材を直接ガラス接合によって接合する接合技術が知られている。例えば、誘導部材及び本体のそれぞれの接合面に、有機アルカリ溶液を介在させ、誘導部材及び本体の接合面を合わせて、接合面に対して３ｋＰ〜１ＭＰ程度の圧力を加えて適当な時間の間放置する方法、ガラスの徐冷点以上まで誘導部材及び本体の温度を上げて誘導部材及び本体の接合面を融着させて接合させる融着法、５５０℃以上の融着温度で高融点ガラスによって誘導部材及び本体を接合させる方法、比較的低温で加熱しながら低融点ガラスによって誘導部材及び本体を接合させる方法、ホウケイ酸ガラス層を接合面に設けてホウケイ酸ガラス層に電圧を印加させて誘導部材及び本体を接合させる陽極接合の方法などが知られている。

また、光学系の薄型化を目的としてレンズアレイを用い、焦点距離を短くした複眼光学系が知られている。レンズアレイの各レンズの径が微小である場合、光入射角度が１０度以上になると光が隣接するレンズの光路（レンズ径）に侵入する。このため、隣接するレンズからの斜入射光が平行光に混合されると光のクロストークが発生する。この光のクロストークを防止する光学系として、レンズアレイに鏡筒を接合した光学素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２４２４１９号公報

しかしながら、上記従来の光学素子においては、レンズアレイの各レンズ径が微小である場合、このレンズ径に対応する数ｍｍから１０ｍｍ程度の厚さの鏡筒を低コストで製造し、かつレンズアレイを鏡筒に対して高精度に位置決めし、固定することは困難であった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、光学構成部品を支持体に対して高精度に位置決めし、固定することが可能となるコストを低減した光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、シリコン又はガラス製の光学構成部品と、上記光学構成部品を支持し、端面に二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層を有する支持体と、を備え、上記支持体の端面と上記光学構成部品とが直接ガラス接合により接合されていることを特徴とする光学素子である。

この一態様において、二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層からなる上記支持体の端面と上記光学構成部品とが直接ガラス接合により接合されている。これにより、光学構成部品を支持体に対して高精度に位置決めし、固定することが可能となり、さらにコスト低減することができる。

なお、この一態様において、上記支持体の端面と上記光学構成部品の接合面とは、互いに嵌合されているのが好ましい。これにより、上記支持体と上記光学構成部品とは、簡易且つ高精度に位置決めされる。

また、この一態様において、上記光学構成部品とは、好ましくはマイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、マイクロプリズム、回折光学素子又はウェーブフロントレンズ（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｌｅｎｓ）などの光学素子である。

さらに、この一態様において、上記支持体は、ケイ素であるのが好ましい。

上記支持体がケイ素であることから、支持体の加工壁面に光を反射しない面を副次的に形成することができる。すなわち、支持体の加工壁面に特別な表面処理を施す必要がなく、光学素子のコストを低減することができる。

この一態様において、上記支持体の端面に接合された受光素子を更に備えるのが好ましい。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、シリコン又はガラス製の光学構成部品と、上記光学構成部品を支持する支持体と、を備える光学素子において、上記支持体の端面に二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層を形成する層形成工程と、上記層が形成された上記支持体の端面と上記ガラス製の光学構成部品とを直接ガラス接合により接合する接合工程と、を備えることを特徴とする光学素子の製造方法である。

なお、この一態様において、上記層形成工程と上記接合工程との間に、上記支持体の端面と上記光学構成部品の接合面とを嵌合させて、上記支持体と上記光学構成部品とを位置決めする位置決め工程を更に含むのが好ましい。

本発明によれば、光学構成部品を支持体に対して高精度に位置決めし、固定することが可能となるコストを低減した光学素子又は光学素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、薄型画像入力システムＴＯＭＢＯ（Ｔｈｉｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌｅ ｂｙ Ｂｏｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ）の基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。

図１は本発明の光学素子の一例である薄型画像入力システムＴＯＭＢＯを示している。図１に示す薄型画像入力システム２の光学素子４は、１２１（１１×１１）個のガラス製のマイクロレンズ６ａからなるマイクロレンズアレイ等の光学構成部品６と、一方の端面に二酸化ケイ素ＳｉＯ_２を含む層を有し、この一方の端面がマイクロレンズアレイ６に接合され、各マイクロレンズからの光を区画する支持体としての信号分離隔壁８とを備えている。信号分離隔壁８の他方の端面には、各マイクロレンズ６ａからの光を受光するＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の受光素子アレイ１０が接合されている。ここで、受光素子アレイ１０は２層のポリシリコン層、３層のメタル層により構成されている。また、受光素子アレイ１０の画素ピッチは１２．５μｍ、画素配置数は３２０×２４０＝７６８００（個）となっている。さらに、受光素子アレイ１０の基板表面には、酸化膜ＳｉＯ_２が形成されている。

一つのマイクロレンズ６ａと３６個の受光素子１０ａが対をなし、信号分離隔壁８により区画され、いわゆる１ユニットが構成されている。よって、薄型画像入力システム２は１２１のユニットで構成されている。このような薄型画像入力システム２には、画像がマイクロレンズアレイ６を介して受光素子アレイ１０に反転して結像される。

受光素子アレイ１０には、インターフェース回路を介してコンピュータが接続されている。受光素子アレイ１０は受光した光を電気信号に変換し、インターフェース回路に送信する。インターフェース回路は、受信した電気信号に対しアナログ／デジタル変換等の処理を施し、この処理が施された電気信号をコンピュータに送信する。コンピュータは、受信した電気信号に基づいて、画像再配置法等により画像再構成処理を行い、高解像度の２次元画像又は３次元画像を再生する。ここで画素再配置法の処理は、以下のようにして行われる。まず、コンピュータは各ユニットからの画像に対し幾何パラメータを推定する。次にコンピュータはユニット画像上の画素を、推定された幾何パラメータと光学系の配置に基づいて仮想画像上にマッピングする。また、コンピュータはマッピングされた仮想画像上の画素に対して補完処理を施す。さらに、コンピュータは補完処理された仮想画像に対しデジタルフィルタリング処理を施し、処理された画像を出力画像とする。なお、上記処理において、複数のマイクロレンズ６ａに入射する光の入射角度の差を考慮して処理を行うと３次元画像を再生することができる。

次に薄型画像入力システム２の光学素子４の製造方法について説明する。

図２は、図１における薄型画像入力システム２のＡ−Ａ’方向の線断面図であり、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８と受光素子アレイ１０とを接合した状態を示す図である。また、図２は、光学素子４の３つのユニットを拡大した図である。

マイクロレンズアレイ６は、低膨張ガラスであるネオセラム（日本電気ガラス社製）により形成されている。まずネオセラムに半導体用感光性材料層を形成し、形成された半導体用感光性材料層に対し、複数枚のマスクからなる濃度分布マスクについて順に位置合わせ及び露光を行うフォトリソグラフィ工程により３次元初期構造体を形成する。その後、形成された３次元初期構造体の形状に従ってネオセラムをエッチングし、所望形状のマイクロレンズアレイ６を形成する。さらに、マイクロレンズアレイ６の表面に可視光波長における反射防止膜を形成する。なお、形成された反射防止膜の最上層は二酸化ケイ素ＳｉＯ_２を含む層とする。

なお、濃度分布マスクは、異なる露光領域ごとに作成された複数枚のマスクにより構成され、各マスクの露光領域は透明基板上に２次元の光強度分布を有する遮光パターンが形成されている。各露光領域は適当な形状及び大きさの単位セルにより隙間なく分割されている。各マスクの各単位セル内の遮光パターンは、その透過光量又は遮光量が感光性材料パターンの対応した位置の高さに応じた値となるように設定されている。

信号分離隔壁８は、両側面を研摩した厚さ２４０μｍの半導体用シリコン材料の基板により形成される。また、半導体の通常処理により、研磨された基板の片側面に厚さ１μｍの熱酸化膜（二酸化ケイ素ＳｉＯ_２）を成膜する。これにより、後述する基板の冷却工程の際、Ｈｅのリークを防ぐことができる。また、上記シリコン基板の両面のうち熱酸化膜ＳｉＯ_２が形成されていない側の面上に感光性材料を塗布し、感光性材料が塗布された面に対しプリベークを行う。さらに露光用マスクを用いてプリベークした面に対し露光を行い、通常の工程で現像及びリンスを行う。現像及びリンス処理された基板をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチング装置（ＳＴＳ社製）にセットし、下記方法でエッチングを行う。

エッチングの方法として、（１）シリコン基板をドライエッチング装置にセットし、シリコン基板の冷却温度を５℃まで冷却する。（２）ＳＦ_６ガスによりエッチングを行い、その後Ｃ_４Ｆ_８ガスに切り替えて、シリコン基板の加工壁面に保護膜の形成を行う。これらＳＦ_６ガスによるエッチング及びＣ_４Ｆ_８ガスによる保護膜形成を交互に繰り返す（ボッシュプロセス）。この（２）工程により、熱酸化膜ＳｉＯ_２にエッチストップされた穴８ｂがシリコン基板中に１２１個形成される。なお、上記（２）工程において、ＳＦ_６ガス流量２００ｓｃｃｍ、圧力２５ｍＴｏｒｒ、バイアス５０Ｗ、上部電力２．０ｋＷ、エッチングレート５μｍ／分、加工時間４．５秒とする。また、Ｃ_４Ｆ_８ガス流量１００ｓｃｃｍ、圧力２０ｍＴｏｒｒ、バイアス５Ｗ、上部電力１．８ｋＷ、加工時間３〜４秒とする。

次に、シリコン基板に形成された熱酸化膜ＳｉＯ_２を下方に向け、裏打ち基板と接合する。その後、エッチングガス種をＣＦ_４ガスに変更し、上述したＣ_４Ｆ_８ガスと同様の条件でシリコン基板上に形成された１２１個の穴８ｂに対しエッチングを行う。これにより、シリコン基板に形成された熱酸化膜ＳｉＯ_２を貫通する１２１個の貫通穴８ｂを形成することができる。さらに、シリコン基板上の感光性材料及び熱酸化膜ＳｉＯ_２に対し洗浄を行い、感光性材料を除去する。

上記加工により、信号分離隔壁８の形状はパターンピッチ寸法Ｂ：７２０μｍ、格子幅寸法Ｃ：３０μｍ、深さＤ：２４０μｍ、壁面８ｃのウエーブ形状（側壁面粗さの高さ寸法：約４０ｎｍ）となる（図３）。なお、信号分離隔壁８の壁面８ｃの側壁面粗さの高さ寸法を約２０〜４０ｎｍとなるように加工してもよい。信号分離隔壁８の加工壁面８ｃは、表面粗さが４０ｎｍ程度ある磨りガラス状の面となっていることから、光を反射しない遮光面となる。基板の材料をシリコンとすることにより、エッチングの際、副次的に信号分離隔壁８の加工壁面８ｃに光を反射しないウエーブ形状の構造を形成することができる。これにより信号分離隔壁８の壁面８ｃに特別な表面処理を必要とせず、光学素子４の低コスト化を実現することができる。

なお、マイクロレンズアレイ６の各接合面には凸部が形成され、信号分離隔壁８の各端面には凹部が形成される。これら凸部及び凹部は相互が嵌合するように同一加工条件により副次的に設計される。

上記のように製造したマイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８とを直接ガラス接合により接合する。まず、信号分離隔壁８の熱酸化膜（ＳｉＯ_２）８ａを有する端面にタンポ法（必要な面のみに塗布する方法）により、１％フッ酸を薄く塗布し、マイクロレンズアレイ６に接触させる。なお、マイクロレンズアレイ６の接合面に形成された凸部と信号分離隔壁８の端面に形成された凹部とを嵌合させることにより、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８との位置合せが行われる。これにより、電子顕微鏡等を用いた位置合わせを必要とせず、簡易且つ高精度にマイクロレンズアレイ６を信号分離隔壁８に位置合せすることが可能となっている。

次に、この接触させられた状態でマイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８との間の接合面に約１．０ＭＰａの圧力を加え、この圧力を加えた状態を維持し、６０℃で６時間保持する。その後、マイクロレンズアレイ６及び信号分離隔壁８を有機溶剤により洗浄、真空乾燥させる。

なお、高融点ガラス、金属磁性薄膜に強磁性非晶質アモルファス金属合金、低融点の融着ガラス、水ガラス、有機接着剤等の低温接合剤によるガラス接合により、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８とは接合されてもよい。また、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８との各接合面にはＣｒ又はＴｉからなる金属層が形成され、この金属層上にＡｕからなる金属層が積層され、このＡｕからなる金属層のＡｕが低温（１５０℃〜３００℃）で熱拡散し、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８とは接合されてもよい。ガラス粉末を混合した水ガラスを接着剤として用い、１０００〜１１００℃に加熱して、マイクロレンズアレイ６と信号分離隔壁８とは接合されてもよい。上記水ガラス硬化剤として準安定相のＡｌ（ＰＯ_３）_３、カルシウムスルホアルミネート組成物の粉末、又は珪酸塩ガラス、粉末化或いは酸処理若しくはエステル化したホウ珪酸ガラスを用いてもよい。

次に、上記マイクロレンズアレイ６が接合された信号分離隔壁８に受光素子アレイ１０を接合する。まず、位置決めをする為の被見対象物を設置し、受光素子アレイ１０からの被見対象物の画像を確認しながら受光素子アレイ１０の位置決めを行う。受光素子アレイ１０の位置が決定されると、この位置で信号分離隔壁８と受光素子アレイ１０とを、ＵＶ硬化型接着剤等の接着剤により接合する。なお、信号分離隔壁８と受光素子アレイ１０とは接着剤により接合されているが、信号分離隔壁８の他方の端面に酸化膜ＳｉＯ_２を形成し、直接ガラス接合により接合されてもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、光学構成部品としてマイクロレンズアレイ６を用いているが、回折光学素子アレイを用いてもよい。回折光学素子アレイは、中心の輪帯のピッチが最も大きく、外周に行くにしたがってピッチが小さくなるフレネル光学素子である。また、レンズ高さは中心輪帯が最も高く、外周に行くにしたがって低くなっている。具体的には、回折光学素子アレイのレンズ最大高さは１．２μｍ、輪帯数は７５輪帯となっている。

回折光学素子アレイは、低膨張ガラスであるネオセラム材料により形成されている。まず、ネオセラム材料上に電子線用感光性材料（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ用レジスト）を２．０μｍの厚さで均一に塗布し、この均一に塗布した面をプリベークした後、電子線描画装置により回折光学素子アレイの３次元設計形状に成形する。次に、上記成形された３次元設計形状の感光性材料をドライエッチングすることによりネオセラム材料に３次元設計形状を転写し、所望の回折光学素子アレイの形状に成形する。さらに、成形された回折光学素子アレイの信号分離隔壁８と接合される側の面に、可視光波長における反射防止膜を形成する。なお、反射防止膜の最上層の膜がＳｉＯ_２となるように薄膜設計を行う。

信号分離隔壁８の２つの端面のうち一方の端面にマイクロレンズアレイ６を接合しているが、図４に示すように信号分離隔壁８の２つの端面にマイクロレンズアレイ６を接合してもよい。図４に示す光学素子は、２つのマイクロレンズを介して画像を正立に結像させることができる。

なお、上記一実施例において、本発明に係る光学素子４は薄型画像入力システム２に用いられているが、本発明はこれに限られず、デジタルカメラ又は複写機の書込み光学系に用いてもよい。
さらに、光学構成部品としてマイクロレンズアレイ６を用いているが、ウェーブフロントレンズ（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｌｅｎｓ）を用いてもよい。

ここでウェーブフロントレンズとは、米国ＣＤＭ Ｏｐｔｉｃｓ社が提案しているＷａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｒｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍに用いられ、光学レンズ、イメージセンサ（ＣＣＤ）、及び画像処理ソフトウエアが一体で設計及び最適化されたときの当該光学レンズである。

このウェーブフロントレンズによりイメージセンサ上に結像された像は、人間が認識できる像である必要はない。すなわち、上記Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｒｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍにおいては、画像処理ソフトウエアにより処理された最終的な像が人間に認識できるようになっていればよい。したがって、この画像処理ソフトウエアはイメージセンサ専用の像に対する画像処理及び画像圧縮を行っている。このＷａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｒｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍを用いることにより、Ｆ値を絞ることなく、被写界深度を増大させることができ、明るさと被写界限界深度の両立を図ることができる。また、簡単なレンズ構成で諸収差を大きく低減でき、光学系のコンパクト化及び低価格化を実現し得る。さらに、高解像度の像を得ることができる。

本発明は、画像情報の入力機能を有した個人情報端末において採用される薄型画像入力システムに利用できる。

本発明の光学素子の一例に係る薄型画像入力システムを示す図である。 図１における薄型画像入力システム２のＡ−Ａ’方向の線断面図であり、マイクロレンズアレイと信号分離隔壁と受光素子アレイとを接合した状態を示す図である。 光学素子の信号分離隔壁の拡大図である。 信号分離隔壁の２つの端面にマイクロレンズアレイを接合した状態を示す図である。

符号の説明

２ 薄型画像入力システム
４ 光学素子
６ マイクロレンズアレイ
６ａ マイクロレンズ
８ 信号分離隔壁
８ａ 酸化膜ＳｉＯ_２
８ｂ 穴
８ｃ 壁面
１０ 受光素子アレイ
１０ａ 受光素子

Claims (7)

1. シリコン又はガラス製の光学構成部品と、
   前記光学構成部品を支持し、端面に二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層を有する支持体と、を備え、
   前記支持体の端面と前記光学構成部品とが直接ガラス接合により接合されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記支持体の端面と前記光学構成部品の接合面とは、互いに嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記光学構成部品は、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、マイクロプリズム、回折光学素子及びウェーブフロントレンズからなる群より選択される一種以上の光学素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 前記支持体の材料は、ケイ素であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の光学素子。
5. 前記支持体の端面に接合された受光素子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の光学素子。
6. シリコン又はガラス製の光学構成部品と、前記光学構成部品を支持する支持体と、を備える光学素子において、
   前記支持体の端面に二酸化ケイ素、ケイ酸塩又はガラスを含む層を形成する層形成工程と、
   前記層が形成された前記支持体の端面と前記ガラス製の光学構成部品とを直接ガラス接合により接合する接合工程と、を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 前記層形成工程と前記接合工程との間に、前記支持体の端面と前記光学構成部品の接合面とを嵌合させて、前記支持体と前記光学構成部品とを位置決めする位置決め工程を更に含むことを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。

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