CN1237352C - 棒形透镜阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种具有多个并排形成的槽的排列工具；把梯度折射率棒形透镜彼此对齐地放在平均间隔为1μm-5μm的槽内；使多个梯度折射率棒形透镜保持在对齐状态的情况下固定它们，形成一个整体；然后抛光每个棒形透镜的端面。

Description

棒形透镜阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及制造棒形透镜阵列的方法，在该棒形透镜阵列中，当把多个梯度折射率棒形透镜掩埋在树脂中时，它们以给定间隔彼此平行地精密排列，并固定在两个侧板(框架)之间。棒形透镜阵列通常用于电子照相印刷机中的图象记录系统的光学元件。

背景技术

棒形透镜阵列作为光学元件把多个小梯度折射率的棒形透镜排列成直线，使它们组合在一起，形成一个连续的单位放大倍率的正象。棒形透镜阵列的光程短，而且不需要转向镜；由于具有尺寸小的特点，棒形透镜阵列通常不仅用作图象扫描器、复印机等的图象读取系统的光学元件，而且也用作根据所提供的图象信号在感光体上形成潜象的图象记录系统的光学元件。电子照相印刷机的最新形式已经发展到能够达到与卤化银照相相媲美的高图象分辨率。因此，这就提高了对高精度潜象的需求，从而也提高了对图象形成位置精确的高质量图象记录光学元件的需求。

制造棒形透镜阵列的一般方法包括：安装步骤，把多个透镜预制件以互相接触的方式排列，并固定在上下侧板(框架板)之间形成一个块；浸渍和固化步骤，在所述块中的各个透镜预制件之间浸渍树脂；以及切割步骤，把所述的块切割成规定长度。所述侧板通常是玻璃纤维增强塑料层压板(FRP板)。

在安装步骤，通常使用两种方法。在第一种方法中，将多个梯度折射率棒形透镜排列在平坦框架上，使它们的外表面彼此接触，把它们一起固定保持排列状态(该方法在这里和后面称为“直径参考方法”)。另一种方法使用具有多个V形槽的排列工具，这些V形槽以指定间隔并排形成在台板表面上，并把放置在各个V形槽中的梯度折射率棒形透镜固定到一起，以便保持它们的排列状态(该方法在这里和后面将称为“机械参考方法”，参见JP 9-90105 A)。

由于在生产过程中使用网纹玻璃纤维结构，FRP板表面的表面具有断续的微小凸凹不平，因此在安装和浸渍步骤中，各透镜预制件容易发生位置偏移。由于透镜预制件的弯曲和它们的表面粗糙度，也会发生位置的偏移。此外，直径参考方法和机械参考方法二者各自都存在问题。

例如，考虑如图11所示类型的图象记录系统，发光部件(LED器件)10根据图象信号闪光，棒形透镜12在成象面(感光鼓)14上形成潜象。棒形透镜12相对于所需排列位置的任何偏移，都会使在感光鼓上形成潜象的电位产生很大的变化。由于棒形透镜位置偏移将产生图象位置变化，使图象记录光学系统所能达到的图象分辨率受到限制。

为了制成能够使用的棒形透镜阵列，必须使多个梯度折射率棒形透镜排列成相邻透镜具有恒定轴向距离(或者“排列间距”)，而且在排列平面上不倾斜(这里和后面将称为“水平倾斜”)，沿垂直于排列平面方向也不倾斜(这里和后面将称为“高度倾斜”)。在直径参考方法中，能够抑制高度倾斜。另一方面，由于梯度折射率棒形透镜之间相互接触，水平倾斜的透镜影响相邻的透镜，各个透镜作为一个整体有时可能水平倾斜产生“轴向位移”。在打印机或传真机的情况下，这样可能使得图象形成在远离它所应该在的位置上。

在透镜排列方面，机械参考方法具有较高的精度。另一方面，有时不能把各个梯度折射率棒形透镜均匀地放置在台板上的V形槽内，这导致一个透镜相对于另一个透镜倾斜。因为透镜预制件直径不同是不可避免的，台板上的槽之间的间距的设定不能小于透镜预制件直径偏差的最大值。结果，在所排列的透镜预制件之间产生非常小的间隙，安装侧板时可能产生位置偏离。在“部分”掩埋步骤中，安装一个侧板，有槽台板足以防止位置偏离，但是在“全部”掩埋步骤中，将有槽的台板拿走，同时安装另一个侧板，因为没有东西能够控制位置偏移，所以可能使透镜预制件的排列精度降低。在打印机或传真机中，这正是产生诸如象素重叠问题的原因。

接下去，我们描述棒形透镜的位置偏移和由于它们表面粗糙度产生的对所需排列位置的偏离。将要用于棒形透镜阵列的棒形透镜主要是利用离子交换方法制造的。如图17所示，按小于棒形透镜12之孔径角θ₀的角度入射到棒形透镜12端面上的入射光线是有效光线21。另一方面，按大于θ₀的角度入射的入射光线在棒形透镜12的内反射表面经过常规反射，其中所述棒形透镜12是通过拉伸制成的。反射光束是对形成图象不起作用的所谓“杂散”光22，从而降低棒形透镜12的对比度。另外，棒形透镜阵列是由多个棒形透镜12构成的，每个棒形透镜12中产生的杂散光22将使整个棒形透镜阵列的对比度降低。

在公知的棒形透镜阵列中，排列成一排或两排的多个棒形透镜被固定在两个框架板之间，黑色硅树脂填充在透镜之间和每个框架板与透镜之间。

图18示出，传统的抑制杂散光22的方法是使它散射。为此，通过表面处理把棒形透镜12的外表面去掉一部分，并围绕它形成微小凸起23(例如参见JP 58-38901 A)。入射到形成有凸起23的表面区域上的杂散光22受到散射，如标号25所示。此外，覆盖棒形透镜12外表面的黑色硅树脂24吸收杂散光25，从而使杂散光22受到抑制。

然而，事实上传统棒形透镜的外表面具有如图19所示的轮廓，并带来如下缺点。图19示出在传统棒形透镜纵向方向上的外表面直线区域的粗糙度或不平度。

第一个问题是出于以下事实产生的，即一个透镜外表面的去除量与另一个透镜外表面的去除量不同，所以透镜直径也互不相同。如果参考框架板排列棒形透镜，则由于透镜直径偏差导致透镜排列偏离所要的位置，一个棒形透镜的光轴相对于另一个透镜的光轴倾斜。

第二，由于透镜外表面的粗糙度彼此不同，有助于满意成象的透镜有效孔径发生变化，这样导致棒形透镜阵列沿纵向方向的分辨率变化。随着减少表面凸起，透镜表面的反射性提高，变得易受杂散光的影响；因此认为每个棒形外透镜表面的中心线平均粗糙度必须至少为0.5μm。

发明内容

本发明就是在这种情况下完成的。本发明的目的在于提供一种高性能棒形透镜阵列，它能够用机械参考方法制造，仍然具有良好的轴向排列特性，没有梯度折射率棒形透镜的排列间距不一致和两种倾斜的影响，即高度倾斜和水平倾斜。

本发明的另一个目的在于提供一种制造棒形透镜阵列的方法，该方法不仅能够防止在排列透镜预制件时发生位置偏移，而且能够在安装侧板过程中防止它们移动，从而抑制透镜预制件的排列位置偏差(它们的位置偏移)。

本发明的又一个目的在于提供一种制造棒形透镜阵列的方法，该棒形透镜阵列适合用作图象记录光学系统的元件，确保成象位置的高精度。

本发明的再一个目的在于提供一种制造棒形透镜阵列的方法，使用带有防止透镜预制件移动的装置的侧板，能够容易地以高尺寸精度和低成本制成，并能使用较小直径的透镜预制件。

本发明的再一个目的在于提供一种棒形透镜，能够排列成使偏离所需的位置足够小，以便制造纵向分辨能力变化最小的棒形透镜阵列。

本发明人研究过在利用机械参考方法制造棒形透镜阵列时，所使用的相邻梯度折射率棒形透镜阵列之间的间距是怎样影响它们的排列间距以及它们的高度和水平倾斜的。结果发现，通过把间距设定在指定的范围内，能够使棒形透镜的排列间距偏差、它们的高度倾斜偏差(标准偏差，这里和后面将称为“高度偏差”)和它们的水平倾斜偏差(标准偏差，这里和后面将称为“水平偏差”)降低到它们的最低水平。本发明就是在这一发现基础上得以被实现的。

为了实现上述目的，本发明提供下述两种制造方法。

(1)一种制造棒形透镜阵列的方法，包括如下步骤：提供具有多个并排形成的槽的排列工具，使多个梯度折射率棒形透镜彼此对齐，排列在平均间距为1μm-5μm的槽内，在各梯度折射率棒形透镜保持对齐状态下固定它们，以便形成一个整体，然后抛光每个棒形透镜的端面。

(2)一种制造棒形透镜阵列的方法，包括如下步骤：提供具有多个并排形成的槽的排列工具，把多个梯度折射率棒形透镜彼此对齐，排列在平均间距为1μm-5μm的槽内，在各梯度折射率棒形透镜保持对齐状态下固定它们，然后去掉排列工具，再把每个棒形透镜切割成指定透镜长度，然后抛光每个棒形透镜的端面。

为了实现类似的目的，本发明提供了利用上述方法(1)或(2)制造的棒形透镜阵列，各梯度折射率棒形透镜按1μm-5μm的平均间距排列。

本发明提供一种制造单排棒形透镜阵列的方法，包括如下步骤：

透镜预制件排列步骤，把多个透镜预制件放置在有槽的台板上，所述台板具有多个浅槽，用于放置梯度折射率棒形透镜预制件，这些浅槽以等间距彼此平行地形成，以使所述多个透镜预制件对准放置在所述各浅槽内；

部分掩埋步骤，将浸渍的树脂板及一个侧板与一组被排列的透镜预制件按面对面的关系放置，然后加热，使所述树脂板具有粘性，同时施加压力，以使各个透镜预制件在被部分掩埋在树脂中的情况下被粘到所述的侧板上，然后，从台板上拆下粘贴的透镜预制件；以及

完全掩埋步骤，将浸渍的树脂板及一个侧板与按阵列形式部分掩埋的透镜预制件按面对面的关系放置，然后加热，使所述树脂板具有粘性，同时施加压力，以使各个透镜预制件在被完全掩埋在树脂中的情况下被粘到所述侧板上；

其特征在于：在部分掩埋步骤或部分和全部两个掩埋步骤中，使用如下的侧板作为侧板，即在侧板基质的将要粘贴透镜预制件的表面上具有多个条状隆起，它们沿着透镜预制件延伸，排列间距与透镜预制件相同；把透镜预制件粘贴在所述侧板上，使每个透镜预制件位于相邻隆起之间。

本发明还提出一种制造两排棒形透镜阵列的方法，包括如下步骤：

透镜预制件排列步骤，把多个透镜预制件放置在有槽的台板上，所述台板具有多个浅槽，用于放置梯度折射率棒形透镜预制件，这些浅槽以等间距彼此平行地形成，以使所述多个透镜预制件对准放置在所述浅槽内；

部分掩埋步骤，将浸渍的树脂板及一个侧板与一组排列的透镜预制件按面对面的关系放置，然后加热，使所述树脂板具有粘性，同时施加压力，以使各个透镜预制件在被部分掩埋在树脂中的情况下被粘到所述侧板上，然后，从台板上拆下粘贴的透镜预制件；以及

完全掩埋步骤，将浸渍的树脂板放置在两个部分掩埋透镜预制件阵列之间，使一个阵列中的透镜预制件与另一个阵列中的透镜预制件成面对面的关系，然后加热，使所述树脂板具有粘性，同时施加压力，以使各个透镜预制件在被完全掩埋在树脂中的情况下被粘到所述侧板上；

其特征在于：在部分掩埋步骤中使用如下的侧板作为侧板，即在侧板基质的将要粘贴透镜预制件的表面上具有多个条状隆起，它们沿着透镜预制件延伸，排列间距与透镜预制件相同，把透镜预制件粘贴在所述侧板上，使每个透镜预制件位于相邻隆起之间。

为了减小棒形透镜阵列成象可能出现的位置偏移，必须减小透镜预制件的排列偏差。不仅在排列透镜预制件时会发生透镜预制件排列偏差，即使在安装侧板时也可能发生透镜预制件移动。在本发明中，由形成在侧板本身上的隆起限制透镜预制件的移动。因为这些隆起形成在本身是作为最终产品一部分的侧板基质上，所以必须以足够低的成本形成它们，此外，必须满足较高的尺寸精度要求，以便能够使用较小尺寸(D≤1mm)的透镜预制件。作为现有技术，JP 7-46383 A提出在透镜阵列侧板上形成槽形。为了形成槽形，可以通过压制在侧板上形成槽，或者通过机械加工切削成槽。然而，实现具有足够精度的槽深度和间距以便能够使用较细的棒形透镜，这需要改进设备和较高的成本，因此实际上是不可行的。在本发明中，以高精度形成多个隆起来代替各槽。最好通过丝网印刷或者照相平版印刷形成各隆起。使用任何一种方法，都能形成精确排列的矩形截面隆起。

在丝网印刷的情况下，最好在侧板基质一侧的整个表面上形成涂层，从而形成底层，并且在底层上形成多个隆起，帮助排列透镜预制件。可以通过涂敷一层或两层厚度为5-15μm的涂层形成所述底层；隆起的厚度可以为10-30μm，精度相对地容易控制；可将隆起的间距设定成接近透镜预制件直径最大偏差的数值，这是制造过程所期望的。

侧板基质可以是玻璃纤维增强的塑料层压板(FRP)板或者玻璃板。所述底层在减小网纹玻璃纤维结构引起的微小表面凸凹不平方面是有效的。在玻璃板的情况下，通过与黑色颜料等混合，使它不透光，以使其具有防止泄露光(杂散光)的能力。为了在与将要浸渍到透镜预制件之间的树脂之间的分界面上确保足够的粘合强度，最好使用环氧树脂基涂层，形成所述底层和隆起。

在平板照相印刷的情况下，将抗蚀剂施加在侧板基质的整个表面上，然后通过掩膜曝光，使已经变成可溶解的区域被蚀刻掉，从而在所要的图案中形成多个隆起。最好将施加抗蚀剂和蚀刻的条件控制成，在厚度为5-15μm的下部抗蚀剂保护层上形成厚度为10-30μm的多个隆起。

本发明提供一种棒形透镜，它的外表面上的算术平均值粗糙度为0.5-2.0μm。

已经证实，如果棒形透镜的外表面的算术平均值粗糙度为0.5-2.0μm，就能够抑制杂散光的影响，从而分辨能力的偏差受到抑制。

本发明还提供一种棒形透镜阵列，其中在对整个透镜阵列求平均时，作为组成部分的各棒形透镜使得它们外表面上的算术平均值粗糙度的典型值在0.01μm和0.2μm之间。

这种设计也已经被证实对于抑制杂散光的影响是有效的，使分辨能力的偏差受到抑制。

本发明还提供一种棒形透镜阵列，其中在由整个透镜阵列的标准偏差表示时，作为组成部分的各棒形透镜使得它们的外表面上的算术平均值粗糙度的典型值在0.01μm和0.2μm之间。

采用这种设计，有助于使成象不容易发生透镜有效孔径的偏差。

本发明还提供一种棒形透镜阵列，其中在由整个透镜阵列的标准偏差表示时，作为组成部分的各棒形透镜使它们的直径的典型值在0.01μm和2.5μm之间。

采用这种设计，不容易发生因棒形透镜直径偏差引致偏离所需的排列位置。

每个算术平均值粗糙度的典型值可以是在透镜外表面上平行于它的轴延伸的直线上的值。另外，它们中的每一个都可以是在透镜外表面上沿着它的轴延伸的不同直线上的值的平均值。

上述棒形透镜阵列中的每一个最好具有与作为组成部分的棒形透镜形成一体的树脂部分，以使树脂填充在相邻棒形透镜之间的间隙，并包围所有棒形透镜。

在这种设计中，棒形透镜被树脂包围，如果树脂是良好的吸光剂，如黑树脂，就可以最有效地吸收杂散光。

最好使框架板固定到所述树脂部分的至少两个外表面之一，所述外表面垂直于阵列厚度。

采用这种设计，利用框架板作为导板可以容易地排列多个棒形透镜。从而，能够实现高精度棒形透镜阵列。

本说明书内容与日本专利申请No.2000-298424(2000年9月29日申请)、No.2000-343212(2000年11月10日申请)和No.2001-40110(2001年2月26日申请)的主题有关，特将它们的全部内容包括在这里，以供参考。

附图说明

图1A是描述多个梯度折射率棒形透镜是如何排列的平面示意图；

图1B是被排列的棒形透镜的截面图；

图2是表示各梯度折射率棒形透镜的间隔与它们的排列间距偏差和水平偏差之间关系的实验数据曲线图；

图3是表示各梯度折射率棒形透镜的间隔与它们高度偏差之间关系的实验数据曲线图；

图4是表示各梯度折射率棒形透镜的间隔与它们的排列间距偏差之间关系的实验数据曲线图；

图5A是本发明方法中所用的示例性侧板的透视图；

图5B是图5A的截面图；

图6A-6C表示制备部分掩埋的透镜预制件阵列方法的步骤图；

图7表示制备透镜预制件单行阵列方法的步骤图；

图8表示示例性的透镜预制件单行阵列；

图9表示制备透镜预制件两行阵列方法的步骤图；

图10表示示例性的透镜预制件两行阵列；

图11表示图象记录光学系统中偏离所需透镜位置是如何影响形成潜象的电位的；

图12表示本发明一种实施例棒形透镜阵列的透视图；

图13表示同一阵列中棒形透镜外表面上的凸凹不平的曲线图；

图14表示例1中棒形透镜阵列B的MTF测量结果的曲线图；

图15表示例1中棒形透镜阵列C的MTF测量结果的曲线图；

图16表示例2中棒形透镜阵列E的MTF测量结果的曲线图；

图17以截面形式示出棒形透镜中是如何产生杂散光的；

图18以截面形式示出棒形透镜中如何能够抑制杂散光；

图19是表示对比的棒形透镜外表面上的凸凹不平的曲线图；

图20是表示对比的棒形透镜阵列A的MTF测量结果的曲线图；

图21是表示对比的棒形透镜阵列D的MTF测量结果的曲线图；以及

图22表示关于采样长度L和中心线的粗糙度曲线f(X)。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明。图1A是表示如何将多个梯度折射率棒形透镜101放置在排列台板102中的V形槽103内的俯视图。图1B是从端面看时梯度折射率棒形透镜的侧视图。假设在纵轴A之间测量时，图1A所示的梯度折射率棒形透镜101一端的间隔为a1、a2、a3、...，另一端的间隔为b1、b2、b3、...。则各个棒形透镜101的水平倾斜被表示为：(b1-a1)、(b2-a2)、(b3-a3)、...。如果相邻的棒形透镜101互相平行，则透镜与透镜之间的距离L由透镜直径D与V形槽间距之间的差表示。因此，通过控制透镜直径D与V形槽间距，可以把透镜与透镜之间的距离L调整为所要的值。

为了证实这一发现，本发明人制备了排列台板102，它具有以间距570μm开出的大约400个V形槽。作为梯度折射率棒形透镜101，本发明人使用了四种类型，它们的长度是100mm，直径D分别为570μm、568μm、566μm和564μm。把每种类型的棒形透镜放置在台板102的V形槽中，并转移到具有粘附层的框架上。对于每种类型棒形透镜测量所产生的排列间距偏差，以及水平和高度的偏差。框架(侧板)由玻璃或者FRP(玻璃纤维增强塑料)制成。四种类型的棒形透镜的D与L(二者单位都是微米)具有如下关系：

直径D                  透镜与透镜间的距离L

570                            0

568                            2

566                            4

564                            6

利用细探子描记器方法进行测量。如图1A所示，探针在平行于透镜长度方向上的4mm采样长度上跨过每个棒形透镜101的外表面往返移动。直径为D的圆被安装在每个测量表面轮廓上，并确定它的中心位置，以便计算透镜之间的间距和每个透镜的高度。根据在两个位置测量，计算水平和高度偏差，以便确定一个特定透镜阵列的整个部件的偏差(标准偏差)。表1示出对于棒形透镜101的透镜到透镜之间距离L的每个试验值的三种类型的偏差，即排列间距偏差、水平偏差和高度偏差。排列间距偏差、水平偏差在图2中绘出，高度偏差在图3中绘出。

                       表1

		透镜与透镜之间的距离L(μm)
						6	4	2	0
		玻璃框架	排列间距	1.09	0.93					0.72	3.99
水平偏差	0.43					0.31	0.29	0.43
			高度偏差	0.45	0.54				0.60	1.39
FRP框架	排列间距					1.08	0.99	0.73			3.66
		水平偏差	0.59	0.67	0.46				0.35
	高度偏差					1.05	0.83	0.74		2.64

如表1所示，通过把透镜与透镜之间的距离L调整在2μm-5μm范围内，能够抑制排列间距偏差；通过把L调整在1μm-5μm范围内，能够抑制水平偏差；通过把L调整在2μm-5μm范围内，能够抑制高度偏差。因此可以得出结论：为了平衡抑制排列间距偏差、水平偏差和高度偏差，通常有效的是指定梯度折射率棒形透镜101的透镜与透镜之间的距离L在1μm-5μm范围内，最好是在2μm-5μm范围内。这一结论不管框架是由玻璃还是由FRP形成的都成立。

对于梯度折射率棒形透镜101的直径(D)的其他数值也进行了类似的试验。相应地，台板102被改换成具有按305μm间距形成之V形槽的台板。对于采用玻璃框架的情况进行了评估。棒形透镜的D和L(二者单位都是微米)之间具有如下关系：

直径D                 透镜与透镜之间的距离L

305                            0

303                            2

301                            4

298                            7

296                            9

类似地，利用细探子描记器方法确定透镜间距偏差。结果被示于表2和图4中。该数据也表明通过把棒形透镜101的透镜与透镜之间的距离L调整在2μm-5μm范围内，能够抑制排列间距偏差。

表2

透镜与透镜之间的距离(μm)    2      4      7      9

偏差                         0.85   1.22   1.48   1.33

上述实验表明，为了把多个梯度折射率棒形透镜101排列在开有V形槽的台板102上，以便制造棒形透镜阵列，希望把透镜的直径D和V形槽的间距设定成这样的值，使相邻棒形透镜101的透镜与透镜之间距离L在1μm-5μm范围内，最好是在2μm-5μm范围内。在多数实际制造过程中，根据要制造的棒形透镜阵列的规格初步设定透镜直径D，因此通常做法是使用带有V形槽的台板，将这种台板设计成D与V形槽间距之间的差在1μm和5μm之间，最好是在2μm和5μm之间。注意，台板上所要形成的槽不必是V形槽，而可以是U形或半圆形的。

因此，本发明制造棒形透镜阵列的方法也是通过使用开有V形槽的台板102实现的，根据梯度折射率棒形透镜101的直径D设定这种台板上的V形槽间距。下面描述的是关于本发明制造棒形透镜阵列方法的最佳实施例。

开始，把具有指定长度的梯度折射率棒形透镜101放置在台板102的V形槽内，所述台板被设计成具有与透镜直径D一致的指定的V形槽间距。然后，把粘合剂填充在棒形透镜101之间的间隙内，随后固化，以使相邻棒形透镜粘在一起。也可以不填充粘合剂，而是把粘合板放置在所有棒形透镜101上方，随后向下压，直到棒形透镜101被掩埋到粘合板内的指定深度。然后，再把每个棒形透镜101的两个端面抛光，并把开槽的台板102移开，留下棒形透镜阵列，该棒形透镜阵列是以间距1μm-5μm排列的梯度折射率棒形透镜101的整体组件。

如同在上面描述中所清楚地看到一样，本发明提供一种可用机械参考方法制造的高性能棒形透镜阵列，它还有一个特点是轴向对准好，不受放置梯度折射率棒形透镜的间距不一致、两种类型倾斜即高度和水平倾斜的困扰。

图5A和5B示出能够用于本发明的示例性侧板。为了制备侧板120，使用涂料丝网印刷将要放置透镜预制件101的侧板基质122的整个侧面，以形成底层126，然后再以相同的涂料丝网印刷，以便形成间距与透镜间距相同的、沿着透镜预制件延伸的条状隆起128。

侧板基质122是FRP板，所述涂料是环氧树脂基的。通过把两层涂层施加到指定厚度(t₁)25μm形成底层126；隆起的厚度(t₂)为25μm，较为容易控制它的精度。各隆起的间距设定成接近制造过程中所预期的透镜预制件最大直径偏差值。

FRP板表面上有微小的凸起，这是由网纹玻璃纤维结构引起的。所述底层对于减少这样的微小表面凸起十分有效。由于在与将要浸渍到透镜预制件之间的树脂的分界面确保足够的粘结强度，最好使用环氧树脂基涂料制成底层和隆起。

图6A-6C示出本发明用于制造棒形透镜阵列的方法一种举例的步骤。在本发明中，开槽的台板用于排列梯度折射率棒形透镜预制件。如图6A所示，开槽的台板102是这样的元件，即在平金属板的上表面以等间距形成多个彼此平行的浅槽103，以便透镜预制件101部分地置于槽内；台板102是每边为几百毫米的矩形。每个浅槽103具有V形截面，而且足够浅，以便在把透镜预制件101放置于该槽中时，至少它的上半部伸出在外面。最好将透镜的直径D与浅槽103间距之间的差设定成在上述的1μm-5μm范围内。透镜预制件101是直径约为0.6mm、长度约为400m的细玻璃棒。在开槽台板102上放置多个透镜预制件101，以便把它们放置在各个浅槽103内，并经过下述精密处理步骤，使它们彼此充分接触。

如图6B所示，开槽台板102放置在工作台134上，二部件之间放置有绝热板136。在一个单独的步骤中，将薄浸渍树脂板138临时粘贴在侧板120的形成有隆起的侧面上。如同现有技术那样，树脂板138可以是黑树脂板，而且为了制得这种树脂板，把一种具有热塑性树脂岛状物扩散到热固性树脂基质中形成的树脂与黑色颜料(碳黑)混合，并压成厚度约为80μm的板。在所排列透镜预制件101的上面，放上临时粘有树脂板138的侧板120。然后使树脂板138受热变粘，并通过侧板120上面的重物140加压。结果，树脂板138中的树脂流入透镜预制件101之间的间隙内，透镜预制件101被部分掩埋在液体树脂中。透镜预制件的任何弯曲都能变直，这是因为它们被压在浅槽103的底部，同时它们被压到侧板上的隆起之间的区域上。因此，如果使树脂这样被临时固化，透镜预制件101被临时固定在精确排列状态下。然后，从开槽台板102上取下透镜预制件101，得到透镜预制件阵列142，如图6C所示，其中每个透镜预制件被部分地掩埋在树脂中。参考标号139表示液态化的浸渍树脂。因为每个透镜预制件101的移动被限制在侧板120上的两个相邻隆起128之间，所以，即使把透镜预制件101从开槽台板102上取下，也能保持透镜预制件101的精确排列。

为了制造单行棒形透镜阵列，增加如图7所示的步骤。在前面的步骤中，在已经放置透镜预制件的部分掩埋透镜预制件阵列142的侧面放置另一块侧板120，该侧板具有如同上述的条状隆起，而且通过热压，使薄浸渍树脂板138被临时粘贴在侧板120的已经形成隆起的一侧，放置第二块侧板要小心，以使每个透镜预制件位于隆起之间。然后使树脂板138被加热变粘，并通过重物140加压。结果，树脂板138中的浸渍树脂流到透镜预制件之间的间隙内，以便它们被完全掩埋在树脂中。然后树脂被完全固化，以便固定透镜预制件。在这一步骤中，每个透镜预制件的移动都被限制在侧板的隆起之间，所以透镜预制件将不能离开所期望的精确排列位置。

图8表示利用上述方法制得的透镜预制件单行阵列，通常表示为144，夹在两个侧板120之间。如同现有技术那样，阵列144的结构使得不仅透镜预制件之间的间隙而且每个透镜预制件与侧板之间的间隙都彻底填充有完全固化的浸渍树脂139。可以关于在两个横边任意切割完全掩埋的透镜预制件阵列，也可以沿垂直于各个透镜预制件纵轴方向切割为指定长度(透镜长度)，从而产生梯度折射率棒形透镜阵列。

在上面的举例中，是通过放置重物的最简单方法给浸渍树脂板加压的。如果需要，也可以热压代替。然而在实际应用中，愿意使用压辊，以便伴随着排气，从一边到另一边逐渐加压。向平板施加压力有时不能彻底排走气体。在本发明中，形成在侧板上的隆起限制透镜预制件的移动，即使是使用压辊方法，这对于防止偏离透镜的精确排列位置也是非常有效的。

在上述举例中，两个侧板都有多个隆起。对于要使偏离透镜的精确排列位置最小，最希望这样。如果需要，可以如同现有技术那样，对与将要部分掩埋在浸渍树脂中的透镜预制件一起使用的侧板设置条状隆起，而另一块侧板保持平坦。采用这种设计，在热融过程中，可以使透镜预制件的移动被限制在一定的程度，从而减小对精确透镜排列位置的偏离。

为了制造两行棒形透镜阵列，增加如图9所示步骤。利用和上例一样的方法，制备两个部分掩埋透镜预制件阵列142，并以如下方式放置，也就是使放置透镜预制件101的一面彼此相对，中间放入另一张浸渍树脂板138。然后加热树脂板138变粘，并通过重物140加压。结果，树脂流入透镜预制件之间的间隙内，以使它们被完全掩埋在树脂中。然后，包括已经临时固化的所有树脂被完全固化，以便固定透镜预制件。图10示出利用上述方法制造的两行阵列透镜预制件，通常表示为146，夹在两个侧板120之间。如同上例一样，然后把阵列沿垂直于各个透镜预制件纵轴方向切割为指定长度(透镜长度)，从而产生梯度折射率棒形透镜。

本发明所用的树脂板138必须是，与透镜预制件101的直径和它们的排列间距相比，树脂板138具有适当的厚度，以便填充各透镜预制件之间的间隙。在前面所述举例中，在压力下加热树脂板138之前，将其临时粘贴到侧板上。另外，可以简单地把树脂板放置在侧板上，并在压力下加热。

在上述举例中，通过丝网印刷方法形成条状隆起，但也可以通过照相平板印刷方法形成它们。通过照相平板印刷方法形成的隆起比用丝网印刷方法形成隆起的形状更精细。

形成隆起的照相平版印刷方法简述如下。

(1)向侧板一侧的整个表面施加抗蚀剂。

为了有效地控制厚度，希望通过使用喷嘴在侧板上施加水溶性抗蚀剂，形成覆盖抗蚀层。在喷涂过程中，设定每次喷的涂层厚度，并进行多次喷涂，直到获得所希望的涂层厚度。例如，初始的抗蚀层被喷涂成厚度约为15μm，以便通过覆盖侧板表面的粗糙不平来平滑侧板基质；后面的抗蚀层被喷涂成厚度约为30μm，以便把抗蚀层厚度控制在45±5μm范围内。可以使用正负两种类型的抗蚀材料。负抗蚀剂是这样的抗蚀剂，即曝光部分发生光聚合，变成不溶解于液体中的显影剂；在正抗蚀剂情况下，曝光部分变成可溶解的。正抗蚀剂具有较高的图象分辨率，而负抗蚀剂的图象分辨率稍微低一些，但是它的特征是具有良好的粘结性能和较高的耐化学性。应该根据用途和其他因素选择合适类型的抗蚀剂。在下面的举例中，使用图象分辨率高的正抗蚀剂。

(2)粘贴掩膜板

把已经切割成预定形状条形图案的掩膜板粘贴在所述侧板的涂有抗蚀层的表面上。

(3)曝光

使抗蚀层未被覆盖的区域暴露在紫外光下，以便变成溶解于液体显影剂。

(4)蚀刻

蚀刻(显影)之前去掉掩膜板。可以使用三种主要的蚀刻方法：浸渍蚀刻、搅拌蚀刻、喷涂蚀刻。最好使用喷涂蚀刻，因为它具有许多优点，诸如蚀刻速率高、蚀刻均匀度高，以及咬边小。

(5)清洗

在最后的步骤，清洗已显影的表面。

上述制造过程给出一块侧板，在该侧板基质的将要排列透镜预制件的一侧表面上形成多个条状隆起；各隆起沿着透镜预制件的长度方向延伸，而且被分开的间距与透镜预制件的相同。如同上述举例那样，利用这种侧板，通过把多个梯度折射率棒形透镜粘在一起，使它们位于侧板上的各隆起之间，可以制造棒形透镜阵列。

如上所述，本发明提出一种制造棒形透镜阵列的方法，该方法由于使用开槽的台板，可以防止透镜预制件在排列时发生位置偏离。而且，使用具有以高精度形成的多个隆起的侧板，在安装过程中能够限制透镜预制件的移动，从而抑制透镜预制件排列位置的偏差。于是，所制得的棒形透镜阵列能够适于作为图象记录系统的元件，以确保较高精度的成象位置。

在本发明的方法中，通过丝网印刷或者照相平版印刷，在侧板自身上形成隆起，因此能够容易地以较高的尺寸精度和较低的成本制成限制透镜预制件移动的装置，使得本发明方法适用于批量生产棒形透镜阵列，并能使用较小尺寸的透镜预制件。

在图12所示的实施例中，在两个框架板220之间多个棒形透镜101被排成一行，而且各棒形透镜之间的间隙内填充黑树脂139。然后，每个棒形透镜的两端表面被光学抛光，以便给出指定的透镜长度，从而制成棒形透镜阵列244。黑树脂139可以是黑硅树脂或者黑环氧树脂。因此，黑树脂139不仅填充在棒形透镜101之间的间隙内，而且与各棒形透镜101结合在一起。棒形透镜阵列244垂直于它的宽度方向的两侧由框架板220形成。框架板220最好具有与已经讲过的侧板120相同的结构，但是它们可以是平板(即侧板基质122)。

在所考虑的实施例中，用算术平均值粗糙度作为每个棒形透镜101外表面的表面粗糙度指标(参见图22)。可以使用测头型粗糙度仪测量表面粗糙度。在棒形透镜情况下，测头沿轴向(X方向)的指定取样长度L横向移动。如果把由测量所获得的粗糙度曲线表示为y＝f(x)，则由下式定义算术平均值粗糙度Ra：

$\mathrm{Ra}=\frac{1}{L}\·{\∫}_0^L\left|f\left(x\right)\right|\mathrm{dx}$

其中，中心线(y＝0)的位置确定为满足下式：

${\∫}_0^L\left|f\left(x\right)\right|\·\mathrm{dx}=0$

可以在棒形透镜外表面的所有位置定义和测量算术平均值粗糙度。但实际上，透镜长度为从几毫米到大约20毫米的各棒形透镜，其外表面上并无显著的偏差，所以对于一个特定的透镜而言，从通过下述方法测量得到之表面粗糙度数据所确定的数值可以可靠地作为透镜的代表值，所述方法是通过在可以与透镜长度相比较的取样长度上沿着通过它的外表面上任何所希望的点、并平行于它的轴的直线进行测量。如果必要，可以在不同位置绘制两条这样的直线，并把从各条直线上获得的表面粗糙度数据确定的算术平均值粗糙度数值平均，给出具有代表性的值。可将取样长度L设定为小于透镜长度。

在所考虑的实施例中，每个棒形透镜101的算术平均值表面粗糙度的典型值在0.5μm-2.0μm范围内。因此，由多个棒形透镜组成的整个棒形透镜阵列的算术平均值表面粗糙度的典型值也在0.5μm-2.0μm范围内。

在所考虑的实施例中，在由整个棒形透镜阵列的标准偏差表示时，算术平均值表面粗糙度的典型值在0.01μm和0.2μm之间。最好通过对构成透镜阵列的所有透镜元件进行测量来确定所述的标准偏差；然而，如果构成透镜阵列的透镜数目太大，完成测量所需要的时间就太长，所以，可以指定间隔取样。

在所考虑的实施例中，在由整个透镜阵列的标准偏差表示时，对于构成棒形透镜阵列的每个棒形透镜的直径的典型值在0.01μm和2.5μm之间。在这种情况下，也是在每个透镜的一个或多个点测量透镜直径，而且如果在多个点进行测量，则测量数值的平均值作为典型值。

通过以下方法测量利用上述方法制得的棒形透镜阵列的MTF(振幅调制函数)。由棒形透镜阵列244所得到的矩形波光栅图样的图象被光学传感器，如CCD图象传感器所接收，并通过所接收的光照度水平，通过下式计算棒形透镜阵列的响应函数(MTF)：

MTF(w)＝{i(w)max-i(w)min}/{i(w)max+i(w)min}×100％    (1)

其中i(w)max和i(w)min分别是在空间频率w(lp/mm)或空间频率w(lpi)xia下矩形波响应的最大值和最小值。MTF越接近于100％，所产生的图象越接近于原象。测量使用单色光，这种单色光是利用使卤素光通过740nm波长的光学滤波器所得到的。测试图中的针孔阵列的密度为600dpi或1200dpi，在测量的范围内，每隔一个点为点亮，同时每隔一个点为暗点。

MTF作为棒形透镜阵列244的光学性能指标，通常反映作为组成部分的各棒形透镜101的分辨能力。MTF数值高，意味着构成棒形透镜阵列244的各个棒形透镜101的分辨能力高，反之亦然。理由如下。如果分辨能力高，则矩形波响应的最小值，即式(1)中的i(w)min小，因此式(1)中代表MTF数值的分子与分母之比增大。例如，如果响应波形如此地接近原象，以致i(w)min足够接近于零，则分子和分母都足够接近于i(w)max，MTF数值就接近于100％。

[例1]

以下描述棒形透镜101的外表面算术平均值粗糙度及其偏差与MTF值之间的关系。

图13示出例1中所用棒形透镜外表面的示例性表面轮廓。图13中的记录是通过如下方法获得的，即把测头型表面粗糙度仪的探针与棒形透镜的外表面接触，并平行于透镜轴横向往返移动。把图13与图19比较，可以看到例1中的棒形透镜外表面的算术平均值表面粗糙度和它的偏差都受到抑制。

图20是表示对比阵列A的MTF数值的曲线图。阵列A的算术平均值表面粗糙度的平均值是2.17μm，它的标准偏差是0.26μm。可以通过以下方法确定阵列的算术平均值表面粗糙度的平均值和标准偏差：从构成阵列的整组透镜中随机取样一定数目的棒形透镜；测量每个取样透镜的算术平均值表面粗糙度的典型值；把如此测得的典型值平均，并确定它们的标准偏差(同样方法用于下面的描述)。从按以下方法得到表面轮廓确定每个透镜的算术平均值表面粗糙度的典型值，也即在基本上等于整个透镜长度的距离上追踪透镜外表面上平行于其纵轴延伸的任何所需直线。图20示出MTF数值作为阵列纵向位置的函数。

图14是表示例1中阵列B的MTF数值的曲线。阵列B外表面的算术平均值表面粗糙度的平均值是1.70μm，它的标准偏差是0.21μm。与图20中的数据比较，可以看到阵列B的MTF数值沿着纵向随位置的变化越小。

图15是表示例1中阵列C的MTF数值的曲线。阵列C外表面的算术平均值表面粗糙度的平均值是1.39μm，它的标准偏差是0.13μm。与图20中的数据比较，可以看到，沿着纵向在不同位置处阵列C的MTF数值基本恒定，因此实际上与位置无关。

为了描述MFT与位置相关的变化，我们引入参数G，或者分辨能力变化的指标，它作为MTFσ(整个阵列的MTF值标准偏差)与MTFave(MTF平均值)之间的比值，由下式(2)来计算：

G＝(MTFσ/MTFave)×100(％)                          (2)

根据关于阵列A-C测量MTF的结果，本发明人制成表1，它表示分辨能力变化指标G与作为组成部分的棒形透镜外表面算术平均值(CLA)表面粗糙度的平均值和标准偏差之间的关系。

                             表3

阵列	透镜外表面CLA粗糙度平均值	透镜外表面CLA粗糙度标准偏差	分辨能力变化指标G
				A	2.17μm	0.26μm	16.84
B	1.70μm	0.21μm	12.57
				C	1.39μm	0.13μm	9.65

阵列B的结果表明，把棒形透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的平均值减小到2.0μm或更小，在抑制分辨能力的变化方面是有效的。然而，如果透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的平均值太小，则杂散光影响变得很大；因此，最好使透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的平均值至少为0.5μm。所以，棒形透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的平均值最好在0.5μm-2.0μm范围内。这意味着每个棒形透镜外表面的算术平均值表面粗糙度最好在0.5μm-2.0μm范围内。

在阵列C中，透镜外表面的算术平均值表面粗糙度的标准偏差进一步减小到小于0.2μm，这在进一步抑制分辨能力的变化方面是有效的。因此，棒形透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的标准偏差最好不大于0.2μm。

[例2]

本例中描述MTF数值与棒形透镜直径偏差之间的关系。

图21表示对比阵列D的MTF测量结果。图21中的数据描述MTF数值作为沿该阵列纵向的位置函数。阵列D中每个棒形透镜的直径标准偏差为3.50μm。

图16表示例2中阵列E的MTF测量结果。阵列E中每个棒形透镜的直径标准偏差为2.02μm。与图21的数据比较表明，阵列E的MTF值在纵向不同位置基本上保持恒定，因此实际上它与位置无关。

根据关于阵列D和E的MTF测量结果，本发明人制成表4，它表示分辨能力变化指标G与作为组成部分的棒形透镜的直径偏差之间的关系。

               表4

阵列	棒形透镜直径标准偏差	G
			D	3.50μm	8.15
E	2.02μm	4.80

显然，通过抑制棒形透镜的直径偏差，能使分辨能力变化指标G减小。阵列E的结果表明，棒形透镜直径偏差最好保持不大于2.5μm。

按照本发明上述各实施例，可以实现如下优点。

(1)将棒形透镜外表面的算术平均值表面粗糙度平均值指定在0.5μm-2.0μm的范围内，而且这有助于抑制棒形透镜阵列在纵向产生的分辨能力的变化。

(2)将棒形透镜的外表面算术平均值表面粗糙度的标准偏差指定在0.01μm-0.2μm的范围内；从而，有助于使满意成象的透镜有效孔径不容易发生变化，而且能够有效抑制棒形透镜阵列在纵向产生的分辨能力的变化。

(3)将棒形透镜的直径标准偏差指定在0.01μm-2.5μm的范围内；于是，几乎不会发生偏离所需的透镜阵列，否则会由于棒形透镜直径偏差而发生这种偏离，而且还能有效地防止棒形透镜阵列中每个棒形透镜与它们的光轴倾斜过大。

(4)结合(1)和(2)所述特点，能够以更为有效的方式抑制棒形透镜阵列沿纵向可能产生的分辨能力变化。通过结合(1)和(3)所述的特点或(1)-(3)所述的特点，能够有效地抑制棒形透镜阵列沿纵向可能产生的分辨能力变化和棒形透镜阵列中每个棒形透镜的离轴倾斜。

(5)棒形透镜为树脂所包围，以致如果树脂是一种好的吸光剂的黑树脂，则棒形透镜中产生的任何杂散光都能够有效地被吸收。

(6)使用框架板的优点在于，在制造过程中使用框架板作为引导装置，能够容易地将多个棒形透镜组成阵列。

如上所述，按照本发明，可使多个棒形透镜排列成与所需排列位置偏离得足够小，从而制成纵向分辨能力变化最小的棒形透镜阵列。

Claims (7)

1.一种棒形透镜，包括：

多个梯度折射率棒形透镜，它们中的每一个以平均间距为1μm-5μm被分开放置；以及

按整体棒形透镜阵列单元对齐的方式固定各梯度折射率棒形透镜的装置。

2.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，平均间距在2μm-5μm范围内。

3.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，排列间距偏差、水平偏差和/或高度偏差受到抑制。

4.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，至少一个棒形透镜在棒形透镜外表面上的算术平均值粗糙度在0.5μm-2.0μm范围内。

5.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，作为对整个透镜阵列的平均值，每个棒形透镜中外表面上的算术平均值粗糙度是在0.5μm-2.0μm范围内。

6.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，对于整个透镜阵列，各棒形透镜外表面上的算术平均值粗糙度的标准偏差值在0.01μm-0.2μm范围内。

7.根据权利要求1所述的棒形透镜阵列，其中，对于整个透镜阵列，每个棒形透镜直径的标准偏差值在0.01μm-2.5μm范围内。

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