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Dokumentenidentifikation DE19804978A1 12.08.1999
Titel Anordnung zur Fokussierung einer optischen Abbildung
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Mueller-Fiedler, Roland, Dr., 71229 Leonberg, DE;
Bernhard, Winfried, 70839 Gerlingen, DE;
Erdmann, Lars, 99880 Hörselgau, DE
DE-Anmeldedatum 07.02.1998
DE-Aktenzeichen 19804978
Offenlegungstag 12.08.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.08.1999
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 6/30   G02B 6/32   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fokussierung einer optischen Abbildung auf einer Bildebene, mit einem die Fokussierung beeinflussenden optischen System mit einem kleinen Verhältnis (f/#-Zahl) von Brennweite zum Durchmesser des optischen Systems.
Es ist vorgesehen, daß das optische System (5) wenigstens zwei Linsen (6, 8, 10) in einer ersten Ebene (9) und wenigstens zwei Linsen (16, 18, 20) in einer zweiten Ebene (11) umfaßt, wobei die Ebenen (9, 11) einen Abstand (1) besitzen, und jeder Linse (6, 8, 10) der ersten Ebene (9) eine Linse (16, 18, 20) der zweiten Ebene (11) zugeordnet ist, und die optische Achse (15') wenigstens einer der Linsen (16, 18, 20) der zweiten Ebene (11) um einen Abstand (a) zu der optischen Achse (15) der zugeordneten Linsen (6, 8, 10) der ersten Ebene (9) parallel verschoben ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Fokussierung einer optischen Abbildung mit einem optischen System, mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Die Fokussierung optischer Abbildungen ist beispielsweise bei der Ankopplung von elektromagnetische Wellen führenden Leitern an passive oder aktive optische Bauelemente der integrierten Optik erforderlich. Aufgrund der Miniaturisierung der integrierten Optik sind entsprechende optische Mikrosysteme notwendig. In der Mikrosystemtechnik werden Mikrolinsen für optische Abbildungen verwendet, die durch Photolithographie und Ätztechniken in einer Vielzahl unterschiedlicher Materialsystemen hergestellt werden können. Für Anwendungen im Infrarotbereich können vorteilhaft Mikrolinsen in Silizium gefertigt werden, da dieses Material für Wellenlängen oberhalb von 1,1 µm eine sehr hohe Transparenz aufweist. Silizium besitzt mit n > 3,4 zudem einen hohen Brechungsindex, so daß eine starke Lichtbrechung bereits mit relativ kleinen Krümmungen der Linsen erreicht werden können. Aus Nakagawa et al "High Efficient Coupling Between LD Array. . .", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 5, no. 9 (1993) S. 1056 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen aus Siliziummaterial bekannt, bei dem die Linsenstruktur zunächst in Form eines Lackreliefs durch Photolithographie realisiert wird, und dieses Relief anschließend durch einen Ätzprozeß in einen Siliziumwafer übertragen wird.

Die Herstellung von Mikrolinsen wird jedoch dann schwierig, wenn große Linsendurchmesser und kleine Brennweiten benötigt werden, da das Verhältnis von Brennweite zu Durchmesser gemeinsam mit den Brechungsindizes des Linsenmaterials und des das Linsenmaterial umgebenden Mediums (in der Regel Luft) den Krümmungsradius und die Scheitelhöhe der Linse bestimmen. Insbesondere bei der Strukturierung von Mikrolinsen in Siliziumwafern steht oftmals nicht genügend Materialhöhe zur Verfügung, da Siliziumwafer üblicherweise nur mit einer Dicke von circa 500 µm herstellbar sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung weist gegenüber bekannten Mikrolinsen besonders den Vorteil einer sehr guten Miniaturisierbarkeit bei gleichen optischen Abbildungseigenschaften auf. Dadurch, daß das optische System wenigstens zwei Linsen in einer ersten Ebene und wenigstens zwei Linsen in einer zur ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene umfaßt, und jeder Linse der ersten Ebene eine Linse der zweiten Ebene zugeordnet ist, und die optische Achse wenigstens einer der Linsen der zweiten Ebene um einen Abstand zu der optischen Achse der zugeordneten Linse der ersten Ebene parallel verschoben ist, wird vorteilhaft erreicht, daß die Fokussierungspunkte der in der zweiten Ebene angeordneten Linsen in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt zusammenfallen, der auf der gewünschten Bildebene liegt. Somit kann trotz der Anordnung einer Vielzahl von Linsen in zwei Ebenen eine optische Abbildung auf dieser Bildebene in einem Punkt fokussiert werden.

Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit besteht, optische Abbildungen auf eine Bildebene zu fokussieren, wobei ein optisches System der Anordnung ein kleines Verhältnis von einer Brennweite zum Durchmesser aufweist. Durch die gefundene erfindungsgemäße Anordnung der Linsen in den zwei Ebenen lassen sich die notwendigen Scheitelhöhen der Linsen drastisch reduzieren, ohne daß die optischen Abbildungseigenschaften verändert werden. Hierdurch wird insbesondere eine Strukturierung des optischen Systems an einen Siliziumwafer mit relativ dünner Gesamtdicke möglich. Aufgrund der geringen Scheitelhöhen der Linsen der beiden beabstandet zueinander angeordneten Linsenanordnungen, lassen sich diese mit bekannten Verfahren der Lithographie und anschließender Überätzung von Siliziumsubstraten mit hoher Präzision herstellen. Je nach gewünschtem Abstand der Bildebene zu dem optischen System lassen sich die Ebenen, in denen die Linsen jeweils angeordnet sind, mit relativ geringem Abstand herstellen, so daß ein optisches Bauelement, das das erfindungsgemäße optische System aufweist, in sehr kleiner Bauweise realisierbar ist. Hierdurch lassen sich hochgenaue Strukturen erzielen, mittels denen eine punktgenaue Ankopplung von elektromagnetische Wellen führenden Leitern an passive (Lichtwellenleiter) und/oder aktive (Fotodioden, Laserdioden) Bauelemente der integrierten Optik realisierbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Sammellinse;

Fig. 2a und 2b schematische Seitenansichten einer einzelnen Linse und eines Linsensystems;

Fig. 3a und 3b schematische Seitenansichten einer einzelnen Linse und eines modifizierten Linsensystems und

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnittes aus dem Linsensystem entsprechend Fig. 3b.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Linse 2. Anhand von Fig. 1 werden einige wichtige optische und geometrische Parameter der Linse 2 erläutert. Das Linsenmaterial weist einen spezifischen Brechungsindex n' auf, der je nach Material unterschiedlich ausfällt. Silizium beispielsweise, welches für Licht mit infraroter Wellenlänge eine hohe Durchlässigkeit besitzt, weist einen Brechungsindex n' von mehr als 3,4 auf, wodurch eine starke Brechung schon mit relativ kleinen Krümmungen der Linse 2 möglich ist. Eine Brennweite f' der Linse 2 ist bei vorgegebenem Linsendurchmesser D, Krümmungsradius r, Brechungsindex n' des Linsenmaterials sowie dem Brechungsindex n im umgebenden Medium, beispielsweise in Luft, gegeben durch:





Eine auf die Linse 2 einfallende ebene elektromagnetische Welle 1 wird durch die Linse 2 auf einen Punkt 3 fokussiert. Daraus resultiert eine Brennweite f im Außenraum, beispielsweise an Luft, von:





Aus der Brennweite f resultiert die Lage des Fokussierungspunktes 3 der Linse 2. Die Scheitelhöhe h der Linse 2 läßt sich aus bekanntem Krümmungsradius r und bekanntem Durchmesser D mit Hilfe folgender Gleichung berechnen:





Soll beispielsweise eine Linse mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Brennweite f = 3 mm, Verhältnis Brennweite zu Durchmesser D - f/#-Zahl = 0,6 - realisiert werden, so ergibt sich mit einem Brechungsindex für Silizium von f' = 3,41 und einem Brechungsindex für Luft von n = 1 ein notwendiger Krümmungsradius von r = 7.230 µm sowie eine notwendige Scheitelhöhe h von 446 µm. Scheitelhöhen in derartiger Größenordnung lassen sich mikrotechnisch kaum realisieren, da beispielsweise die Dicke von dafür in Frage kommenden Halbleitersubstraten, das heißt von sogenannten Siliziumwafern, typischerweise circa 500 µm beträgt. Zur Herstellung einer Linse mit einer Scheitelhöhe h von circa 450 µm müßte somit fast der gesamte Siliziumwafer durchgeätzt beziehungsweise abgeformt werden.

Die Fig. 2a und 2b zeigen in schematischen Seitenansichten eine Gegenüberstellung einer Linse 2 mit einem Durchmesser D und eines aus mehreren kleinen Linsen 6, 8, 10 und 16, 18, 20 bestehenden optischen Systems 5 von Linsenanordnungen 4 und 12. Die Linse 2 mit dem Durchmesser D ist hierbei durch die Linsenanordnungen 4 und 12, sogenannten Arrays, der Linsen 6, 8, 10 und 16, 18, 20 ersetzt. Die Anzahl der Linsen pro Linsenanordnung ist identisch, wobei jeder Linse der ersten Linsenanordnung 4 genau eine Linse der zweiten Linsenanordnung zugeordnet ist, wobei die optischen Achsen 15 beziehungsweise 15' einander zugeordneter Linsen 6 und 16, beziehungsweise 8 und 18, beziehungsweise 10 und 20 jeweils gemäß der Darstellung in Fig. 2b auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen. Die optischen Achsen 15 entsprechen den Symmetrieachsen der einzelnen Linsen. Die optische Achse 15 der Linse 8 liegt gleichzeitig auf der optischen Achse beziehungsweise Symmetrieachse des gesamten optischen Systems 5. Der Durchmesser D der Linsenanordnung 4 entspricht dem Durchmesser der Linse 2. Die Linsenanordnungen 4 und 12 sind auf parallelen Ebenen 9 und 11 angeordnet, die einen Abstand 1 besitzen.

Wie Fig. 2b zeigt, erzeugt die Linsenanordnung 4, bestehend aus den Einzellinsen 6, 8 und 10, mit der in Abstand 1 angeordneten - in Übertragungsrichtung einer elektromagnetischen Welle 1 nachfolgenden - Linsenanordnung 12, bestehend aus den Einzellinsen 16, 18 und 20, eine entsprechend der Anzahl der Einzellinsen in den Linsenanordnungen 4 und 12, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei gezeigt, von Fokussierungspunkten 36, 38 und 40. Um die gleichen Abbildungseigenschaften wie die Linse 2 gemäß Fig. 2b zu erzielen, die auf nur einen einzigen Fokussierungspunkt 32 abbildet, müssen die mehreren Fokussierungspunkte 36, 38 und 40 auf einen Punkt zusammenfallen. Eine einzelne Linsenanordnung 4, bestehend aus den Einzellinsen 6, 8 und 10, kann nicht die Abbildungseigenschaften wie die Einzellinse 2 realisieren. Diese erzeugen in einer ersten Fokussierebene 7 eine der Anzahl der Linsen der ersten Linsenanordnung entsprechende Anzahl von Fokussierungspunkten 36', 38' und 40'. In der Fig. 2b ist verdeutlicht, wie sich der Strahlengang der zwei hintereinander geschalteten Linsenanordnungen 4 und 12 darstellt. Die erste Linsenanordnung 4 erzeugt aus der einfallenden ebenen elektromagnetischen Welle 1 in der ersten Fokussierebene 7 die Foki 36', 38' und 40', die durch die zweite Linsenanordnung 12 in eine gleichgroße Anzahl von Foki 36, 38 und 40 in einer zweiten Fokussierebene (Bildebene 13) abgebildet werden.

Die Fig. 3b zeigt ein erfindungsgemäß modifiziertes optisches System 5 mit jeweils um einen Abstand a verschobenen Einzellinsen 16 und 20 der zweiten Linsenanordnung 12, die eine Fokussierung auf genau einen Fokussierungspunkt 32 in der Bildebene 13 ermöglichen. Die Darstellung der Fig. 3a der Einzellinse 2 entspricht der in Fig. 2a dargestellten Linse 2. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

Die Einzellinsen 16 und 20 in der zweiten Linsenanordnung 12 sind um den Abstand a mit ihren optischen Achsen 15' gegen die optischen Achsen 15 der zugehörigen Linsen 6 beziehungsweise 10 in der ersten Linsenanordnung 4 verschoben. Die äußeren Linsen 16 und 18 der Linsenanordnung 12 sind quasi innerhalb der Linsenanordnung 12 nach innen, in Richtung der optischen Achse (fällt mit den optischen Achsen 15 und 15' der Linsen 8 und 10 zusammen ) des gesamten optischen Systems 5, verschoben. Durch eine geeignete Wahl des Abstandes a für jede der Linsen 16 und 20 kann erreicht werden, daß alle Foki 36, 38 und 40 in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt 32 zusammenfallen, so daß die Abbildungseigenschaften der Linse 2 (Fig. 2a und 3a) durch das optische System 5 gemäß Fig. 3b reproduzierbar sind.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit Angaben zu den Strahlengängen der angenommenen ebenen Welle 1, wenn diese auf das optische System 5 trifft, anhand derer die notwendige Verschiebung a zur Abbildung auf den Fokussierungspunkt 32 verdeutlicht wird. Beispielhaft ist die Linse 10 aus der ersten Linsenanordnung 4 sowie die Linse 20 aus der zweiten Linsenanordnung 12 mit den entsprechenden Strahlengängen dargestellt. Bei vorgegebener Position des gemeinsamen Fokussierungspunktes 32 in der Bildebene 13 kann aus den Brennweiten f1' und f2' der Linsen 10 und 20 sowie dem Abstand d zwischen den beiden Brennebenen, die durch die Brennweiten f1' beziehungsweise f2' bestimmt werden, der jeweilige Abstand a bestimmt werden. Liegt die optische Achse 15 der Linse 10 der ersten Linsenanordnung 4 beispielsweise um die Strecke v aus der Symmetrieachse (optische Achse) des optischen Systems 5 (Fig. 3b) verschoben, so muß die zugeordnete Linse 20 aus der Linsenanordnung 12 um den Abstand a gegen die optische Achse der Linse 10 verschoben werden, so daß der Strahl (ebene Welle 1) derart abgelenkt wird, daß der Fokussierungspunkt 32 in der Bildebene 13 wiederum um v verschoben wird. Die Symmetrieachse ist durch die optische Achse der zu ersetzenden Einzellinse 2 vorgegeben. Aus der Fig. 4 ist abzulesen, daß bei gegebener Bildweite b und gegebener Verschiebung v der Abstand a durch





gegeben ist, woraus sich durch Umstellung





berechnen läßt.

Das folgende Zahlenbeispiel verdeutlicht, daß die Darstellung derartiger optischer Systeme 5 in üblichen Siliziumwafern möglich ist.

Mit vorgegeben Werten für die Bildweite (b = 3000 µm) und dem Linsendurchmesser (D = 5000 µm), der damit dem Durchmesser der Linsenanordnung 4 entspricht, sowie einem Brechungsindex für Silizium (n' = 3,41) und einem Brechungsindex für Luft (n = 1) lassen sich die erforderlichen Abmessungen eines erfindungsgemäßen optischen Systems berechnen.

Aus dem Durchmesser D ergibt sich, daß die Verschiebung v der äußersten Linsen 6 und 10 der Linsenanordnung 4 gegeben ist durch:



v = D/2 = 2500 µm.

Die Verschiebung a der einzelnen Linsen 16 und 20 soll klein sein gegen die Verschiebung v. Es wird angesetzt, daß a für die äußersten Linsen 16 und 20 nur 25 µm betragen soll:



a = 25 µm.

Damit ist aus Gl. 1 die Brennweite f2 festgelegt:



f2' = b/100 = 30 µm.

Da die Brennebene innerhalb des Wafers mit einem Brechungsindex n' = 3,41 liegt, wird die tatsächliche Lage der Brennebene innerhalb des Wafers gegeben durch:



f2' = n'.f2 = 102,3 µm.

Die Lage der Gegenstandsebene g für die Linsenanordnung 12 zur Erzielung der Fokussierung in der gewünschten Bildebene 13 (Bildweite b) hinter der Linsenanordnung 12 kann aus der Abbildungsgleichung berechnet werden:





Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist g gegeben durch:



g = f2' + d.

Durch Einsetzen der Werte für b, f2 und f2' ergibt sich:



g = 103 µm



g liegt also nahezu in der vorderen Brennebene der Linsenanordnung 12.

Es ist besonders vorteilhaft, die beiden Linsenanordnungen 4 und 12 auf der Vorder- und Rückseite eines nicht dargestellten Siliziumwafers anzuordnen, so daß die relative Verschiebung der beiden Linsenanordnungen 4 und 12 durch eine zweiseitige justierte Lithographie auf einfache Weise mit hoher Präzision erzielt werden kann.

Bei einer Waferdicke von typischerweise 500 µm ist die Brennweite f1 der ersten Linsenanordnung 4 gegeben durch:



f1' = 500 µm - d - f2'

f1' = 397 µm.

Für die erste Linsenanordnung 4 wird weiterhin ein Linsendurchmesser D von 200 µm angesetzt, für die zweite Linsenanordnung 12 von 100 µm. (Der Durchmesser D1 der zweiten Linsenanordnung 12 muß so gewählt werden, daß alle Strahlen des maximalen Einfallswinkels der elektromagnetischen Welle 1 noch erfaßt werden. In Fig. 4 sind nur die paraxialen Strahlen eingezeichnet). Damit ergeben sich für die beiden Linsenanordnungen 4 und 12 folgende Werte: Linsenanordnung 4 Linsendurchmesser: D = 200 µm Brennweite: f' = 397 µm Krümmungsradius: r = 280,6 µm Scheitelhöhe: h = 18,4 µm
Linsenanordnung 12 Linsendurchmesser: Dl = 100 µm Brennweite: f' = 102 µm Krümmungsradius: r = 72,3 µm Scheitelhöhe: h = 20 µm

Diese Werte zeigen, daß durch dieses Verfahren nur noch Linsen mit Scheitelhöhen von 18,4 µm beziehungsweise 20 µm realisiert werden müssen, die beiden Linsenanordnungen jedoch die gleichen optischen Abbildungseigenschaften wie eine Einzellinse 2 mit einer Scheitelhöhe von 446 µm aufweisen.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zur Fokussierung einer optischen Abbildung auf einer Bildebene, mit einem die Fokussierung beeinflussenden optischen System mit einem kleinen Verhältnis (f/#-Zahl) von Brennweite zum Durchmesser des optischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (5) wenigstens zwei Linsen (6, 8, 10) in einer ersten Ebene (9) und wenigstens zwei Linsen (16, 18, 20) in einer zweiten Ebene (11) umfaßt, wobei die Ebenen (9, 11) einen Abstand (1) besitzen, und jeder Linse (6, 8, 10) der ersten Ebene (9) eine Linse (16, 18, 20) der zweiten Ebene (11) zugeordnet ist, und die optische Achse (15') wenigstens einer der Linsen (16, 18, 20) der zweiten Ebene (11) um einen Abstand (a) zu der optischen Achse (15) der zugeordneten Linsen (6, 8, 10) der ersten Ebene (9) parallel verschoben ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Linsen (6, 8, 10) einer Linsenanordnung (4) in der Ebene (9) der Anzahl der Linsen (16, 18, 20) einer Linsenanordnung (12) in der Ebene (11) entspricht.
  3. 3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (16, 20) der Linsenanordnung (12) um den Abstand (a) in Richtung der optischen Achse des optischen Systems (5) verschoben sind.
  4. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a), um den die Linse (16, 20) verschoben ist, abhängig ist von einer Verschiebung (v) der optischen Achse (15) der den Linsen (16, 20) zugeordneten Linsen (6, 10) zur optischen Achse des optischen Systems (5).
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser (D1) der Linsenanordnung (12) derart gewählt ist, daß alle Strahlen der elektromagnetischen Welle (1) von den Linsen (16, 18, 20) erfaßbar sind.
  6. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (4) und die Linsenanordnung (12) jeweils an gegenüberliegenden Seiten eines für elektromagnetische Wellen transparenten Substrates angeordnet sind.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnungen (4, 12) an gegenüberliegenden Seiten eines Siliziumwafers angeordnet sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (1) der Ebenen (9, 11) durch die Dicke des Siliziumwafers bestimmt ist.
  9. 9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung der Linsenanordnungen (4, 12) auf dem Siliziumwafer durch eine zweiseitige, justierte Lithographie erfolgt.






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