CN1760701A - 折射率分布型柱透镜及使用了它的柱透镜阵列及图像处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以抑制制造时的翘曲等的发生的收率优良的折射率分布型柱透镜。是对由芯玻璃的母组合物、覆盖芯玻璃的母组合物的壳玻璃的母组合物构成的母玻璃柱利用离子交换赋予了折射率分布的具有芯/壳构造的折射率分布型柱透镜，壳玻璃及芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅，壳玻璃及芯玻璃具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，壳玻璃及芯玻璃的基本组成相互不同，壳玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度分别大于芯玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度，壳玻璃的母组合物的热膨胀系数α1、芯玻璃的母组合物的热膨胀系数α2的差Δα(Δα＝α1－α2)处于超过2×10－7/℃而小于20×10－7/℃的范围。

Description

折射率分布型柱透镜及使用了它的柱透镜阵列及图像处理装置
技术领域
本发明涉及具有芯/壳构造的折射率分布型柱透镜(rod lens)、具备所述柱透镜的柱透镜阵列及图像处理装置。
背景技术
折射率分布型柱透镜(以下简称为「柱透镜」)是在其截面内具有从中心部向周边部的折射率分布的柱状的光学元件。所述柱透镜具有如下的很多的优点，即，即使在其两端面平坦的情况下也可以显现出成像作用等透镜作用，容易制作微小直径的透镜等。发挥此种特长而将所述柱透镜阵列化了的柱透镜阵列被作为图像处理装置(例如LED阵列打印机、液晶快门打印机等图像形成装置或传真机、扫描仪等图像读取装置)的光学系统的成像透镜，而用于广泛的用途之中。此种柱透镜通常是对母玻璃柱赋予折射率分布而形成的。作为赋予折射率分布成分的方法，一般为基于离子交换的方法。
在母玻璃柱的制作中，由于生产性优良，因此广泛使用直接纺丝法(连续纺丝法)。直接纺丝法中，例如如图14所示，将根据需要进行了脱泡处理(澄清处理)的熔融玻璃101投入用加热器102保温的坩锅103中，在位于坩锅103的下端部的喷嘴104内使之逐渐冷却的同时，使其从喷嘴104的下端流出而热延伸，从而可以连续形成直径0.1mm～4mm左右的母玻璃柱(纤维)105。但是，直接纺丝法中，在熔融玻璃101在喷嘴104内冷却之时，有容易发生失透的缺点。特别是，作为折射率分布成分含有Li2O并且实质上不含有PbO的玻璃组合物容易在利用直接纺丝法实施的纺丝之时失透。
为了抑制此种纺丝时的失透，例如在特公平8-13691号公报中，公布有在熔融玻璃中添加BPO4、Al2(PO3)3等添加物的方法。
另外，例如在特公平5-72337号公报中，公布有如下的方法，即，利用使用了由内坩锅113及外坩锅114构成的双重坩锅115的直接纺丝法(双重纺丝法)，形成具有由芯玻璃的母组合物111、覆盖芯玻璃的母组合物111的壳玻璃(clad glass)的母组合物112构成的构造(芯/壳(clad)构造)的母玻璃柱116(参照图15)。如图15所示，通过以熔融状态将芯玻璃的母组合物111收容于内坩锅113内，将壳玻璃的母组合物112收容于外坩锅114内，从位于双重坩锅115的下端部的喷嘴117中，使各个母组合物流出，就可以形成母玻璃柱116。这里，通过将壳玻璃的母组合物112设为难以发生失透的玻璃组成，即使在直接纺丝法中容易发生失透的温度区域中，由于可以防止芯玻璃的母组合物111和喷嘴117的接触，因此就可以抑制芯玻璃的母组合物111的失透，从而可以抑制纺丝时的母玻璃柱116整体的失透。难以发生失透的壳玻璃的母组合物的一个例子被公布于特开2004-151682号公报中。
具有芯/壳构造的母玻璃柱(及具有由该母玻璃柱形成的芯/壳构造的柱透镜)中，通过选择其构成，就可以抑制纺丝时的失透，此外还可以获得各种各样的效果。例如，通过形成向壳玻璃的母组合物中导入了着色成分的母玻璃柱，就可以减少所形成的柱透镜的迷光(例如公布于WO00/04409号手册、特开平10-139468号公报、特开平10-139472号公报、特开2001-255406号公报中)。
另外，例如在特开昭63-301901号公报中，公布有如下的内容，即，形成在具有折射率分布的透明电介质部分的表面的至少一部分存在有具有能够交换的离子和着色成分的光吸收体部分的折射率分布型元件，通过使离子交换后的光吸收体部分的热膨胀系数与透明电介质部分和光吸收体部分的交界附近的热膨胀系数相等，或比其更小，就可以提高元件的光学特性及强度。
具有芯/壳构造的母玻璃柱中，在离子交换时，经常会看到翘曲等的发生，特别是在对作为折射率分布成分含有Li2O的母玻璃柱进行离子更换的情况下，翘曲等发生的频率变高。由于由发生了翘曲的柱透镜构成的柱透镜阵列很难确保其光学的性能(可以析像的空间频率降低，或在所传播的图像中产生变形)，因此希望能够实现抑制了离子交换时的翘曲等的发生的柱透镜。
虽然在特开昭63-301901号公报中，公布有提高离子交换后的元件的强度的技术，但是关于抑制离子交换时的母玻璃柱(柱透镜)的翘曲的技术并无任何公布。
发明内容
所以，本发明的目的在于，提供抑制制造时(离子交换时)的翘曲等的发生、收率优良的折射率分布型柱透镜。本发明的目的还在于，提供具备所述本发明的柱透镜的柱透镜阵列及图像处理装置。
本发明的折射率分布型柱透镜是对由芯玻璃的母组合物、覆盖所述芯玻璃的母组合物的壳玻璃的母组合物构成的母玻璃柱利用离子交换赋予了折射率分布的具有芯/壳构造的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃及所述芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅，所述壳玻璃及所述芯玻璃具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，所述壳玻璃及所述芯玻璃的所述基本组成相互不同，所述壳玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度分别大于所述芯玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度，所述壳玻璃的母组合物的热膨胀系数α1、所述芯玻璃的母组合物的热膨胀系数α2的差Δα(Δα＝α1-α2)处于超过2×10-7/℃而小于20×10-7/℃的范围。
本发明的折射率分布型柱透镜是具有由芯玻璃、覆盖所述芯玻璃的壳玻璃构成的芯/壳构造的折射率分布型柱透镜，也可以称作如下的柱透镜，即，所述壳玻璃及所述芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅，所述壳玻璃及所述芯玻璃具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，所述壳玻璃及所述芯玻璃的所述基本组成相互不同，所述壳玻璃的热膨胀系数在所述芯玻璃的与所述壳玻璃的界面附近的热膨胀系数以下，所述壳玻璃的玻璃化转变温度在所述芯玻璃的与所述壳玻璃的界面附近的玻璃化转变温度以下。
本发明的柱透镜阵列具备2个以上的所述本发明的折射率分布型柱透镜，所述柱透镜被按照使所述柱透镜的光轴方向相互大致平行的方式排列及一体化。
本发明的图像处理装置具备所述本发明的柱透镜阵列，所述柱透镜阵列构成成像光学系统。
附图说明
图1是用于说明形成母玻璃柱的双重纺丝法的一个例子的局部剖面图。
图2A是表示母玻璃柱的一个例子的示意图。
图2B是表示与图2A所示的母玻璃柱的光轴方向垂直的断面的示意图。
图3是示意性地表示母玻璃柱的径向的折射率的状态的一个例子的图。
图4是示意性地表示可以获得本发明的柱透镜的母玻璃柱的径向的热膨胀系数及玻璃化转变温度的状态的一个例子的图。
图5是用于说明离子交换的原理的示意图。
图6是用于说明对可以获得本发明的柱透镜的母玻璃柱进行离子交换时所作用的应力的示意图。
图7是示意性地表示本发明的柱透镜的径向的折射率分布的一个例子的图。
图8是示意性地表示本发明的柱透镜的径向的热膨胀系数及玻璃化转变温度的分布的一个例子的图。
图9是示意性地表示以往的柱透镜的径向的热膨胀系数及玻璃化转变温度的分布的一个例子的图。
图10是表示本发明的柱透镜阵列的一个例子的立体图。
图11是示意性地表示本发明的图像处理装置的一个例子的断面图。
图12是表示本发明的图像处理装置的另外的一个例子的示意图。
图13是表示图12所示的图像处理装置的写入头的示意图。
图14是用于说明一般的直接纺丝法的局部断面图。
图15是用于说明一般的双重纺丝法的断面图。
具体实施方式
根据本发明，通过形成规定了芯玻璃的母组合物和壳玻璃的母组合物之间的热膨胀系数及玻璃化转变温度的关系的母玻璃柱，对该母玻璃柱进行离子交换而赋予折射率分布，就可以抑制离子交换时的翘曲等的发生，可以形成收率优良的柱玻璃。
[母玻璃柱]
(热膨胀系数)
在对具有芯/壳构造的母玻璃柱进行离子交换之时，伴随着温度的上升，在该母玻璃柱中产生基于芯—壳间的热膨胀系数的差的应力。当壳玻璃的母组合物的热膨胀系数小于芯玻璃的母组合物的热膨胀系数时，由于在由壳玻璃的母组合物构成的壳中产生拉伸应力，因此在所形成的柱透镜中容易产生翘曲等。该倾向在芯玻璃的母组合物作为在离子交换后形成折射率分布的成分(折射率分布成分)含有Li2O，而利用离子交换进行Li和Na的交换的情况下特别显著。这是因为，由于在芯中，随着由离子交换导致的Na的增加，热膨胀系数变大(特别是在与壳的界面附近变得更大)，与之相反，在壳中，因从芯移动来的Li的影响，热膨胀系数变小，因此芯—壳间的热膨胀系数的差增大，在壳中产生的拉伸应力进一步增大。
与之相反，当壳玻璃的母组合物的热膨胀系数大于芯玻璃的母组合物的热膨胀系数时，由于在壳中产生压缩应力，因此就可以抑制离子交换时的翘曲等的产生。另外，即使在芯玻璃的母组合物作为折射率分布成分含有Li2O，利用离子交换进行Li和Na的交换的情况下，也可以抑制壳的拉伸应力的产生。
为了在离子交换时更为可靠地对壳施加压缩应力，壳玻璃的母组合物的热膨胀系数α1、芯玻璃的母组合物的热膨胀系数α2的差Δα(Δα＝α1-α2)优选：
2×10-7/℃＜Δα＜20×10-7/℃的范围，
更优选：
2×10-7/℃＜Δα＜15×10-7/℃的范围，
进一步优选：
2×10-7/℃＜Δα＜10×10-7/℃的范围。
另外，在各个范围中，下限优选5×10-7/℃以上。当Δα变得过大时，相反会有柱透镜的收率降低的情况。
(玻璃化转变温度)
用于形成本发明的柱透镜的母玻璃柱中，除了关于芯—壳间的热膨胀系数(α)的规定以外，还设有关于玻璃化转变温度(Tg)的规定。
当壳玻璃的母组合物的Tg小于芯玻璃的母组合物的Tg时，在将母玻璃柱升温至离子交换温度(详细情况将在后面叙述，但是优选在芯玻璃的母组合物的Tg附近，更优选在芯玻璃的母组合物的Tg以下)时，在壳中产生的压缩应力很容易被缓解。与之相反，当壳玻璃的母组合物Tg大于芯玻璃的母组合物的Tg时，可以更为可靠地维持在壳中产生的压缩应力。
另外，当芯玻璃的母组合物作为折射率分布成分含有Li2O，利用离子交换进行Li和Na的交换时，就会有因从芯玻璃的母组合物移动来的Li的影响使壳的Tg降低的倾向，伴随着Tg的降低，壳将容易变形。由于壳的变形在离子交换后的冷却时，将成为在柱透镜中产生翘曲等的要因，因此最好母玻璃柱的壳玻璃的母组合物的Tg大于芯玻璃的母组合物的Tg。
即，为了获得在离子交换时抑制了翘曲等的发生的柱透镜，除了母玻璃柱的芯—壳间的热膨胀系数的规定以外，最好如本发明所示，进行关于Tg的规定。
为了将在离子交换时在壳中产生的压缩应力更为可靠地保持等，壳玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg1、芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg2的差ΔTg(ΔTg＝Tg1-Tg2)优选：
3℃＜ΔTg＜60℃的范围，
更优选：
3℃＜ΔTg＜40℃的范围，
进一步优选：
3℃＜ΔTg＜35℃的范围。
当ΔTg变得过大时，相反会有柱透镜的收率降低的情况，另外母玻璃柱形成时的纺丝将变得困难。
(碱金属氧化物)
壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物作为折射率分布成分，含有碱金属氧化物。例如芯玻璃的母组合物含有Li2O及Na2O，壳玻璃的母组合物含有Na2O即可(根据需要还可以含有Li2O)。此种母玻璃柱例如通过浸渍在含有Na的熔融盐中进行离子交换，就可以赋予折射率分布。对于芯玻璃的母组合物及壳玻璃的母组合物的优选的组成将在后面叙述。在本发明中，作为碱金属氧化物，使用Li2O、Na2O及K2O，所谓碱金属氧化物的总量是指Li2O、Na2O及K2O的含有率的合计量。
(铅)
壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物实质上不含有铅(作为代表性的组成为PbO)。因此，由所述母玻璃柱形成的本发明的柱透镜(由柱玻璃及芯玻璃构成)以及具备2个以上该柱透镜的柱透镜阵列实质上不含有铅，符合各国的环境规定，例如作为EU的有害物质的使用规定的「RoHS：Restrictions of the use of certain Hazardous Substances」或「WEEE：WasteElectrical and Electronic Equipment」等的铅规定。另外，本发明的柱透镜及柱透镜阵列由于实质上不含有铅，因此就可以在维持一定程度的开口角度的同时还减小颜色分散，适于全色图像的处理。
而且，本说明书的所谓「实质上不含有」是指，以含有率表示，小于0.5摩尔％。
(基本组成)
最好壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物由碱金属氧化物、除去碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，各个母组合物的该基本组成相互不同。如上所述，含有Li2O，并且实质上不含有PbO的母组合物虽然在利用直接纺丝法实施的纺丝之时容易失透，但是通过形成基本组成相互不同的壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物，就可以抑制母玻璃柱的制造时(纺丝时)的失透的发生。
作为各个母组合物的基本组成不同的例子，可以举出如下的例子等，即，(1)双方的母组合物中所含的氧化物(除去碱金属氧化物)的种类不完全一致(1种以上不同)，(2)双方的母组合物中所含的氧化物(除去碱金属氧化物)的种类相同，但是从所述氧化物中选择的至少1种的含有率相互不同。所述(2)的情况中，从各个母组合物的所述氧化物中选择的至少一种的含有率最好相差0.5摩尔％以上。而且，在母组合物中所含的氧化物当中，其含有率小于0.5摩尔％的成分(微量成分)在考虑了基本组成基础上没有必要考虑。
作为所述(2)的例子，可以举出以下的情况，即，壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物作为所述氧化物，含有SiO2、TiO2及碱土类金属氧化物，壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物的TiO2的含有率X2与碱土类金属氧化物的含有率的合计X1的比(X2/X1)相互不同。此时，就可以抑制母玻璃柱的纺丝时的失透的产生。而且，本发明中，作为碱土类金属氧化物使用MgO、BaO及SrO，所谓碱土类金属氧化物的总量是指MgO、BaO及SrO的含有率的合计。
(组成)
壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物的组成只要热膨胀系数及玻璃化转变温度满足所述的规定，就没有特别限定，但是最好壳玻璃的母组合物含有SiO2及Na2O，芯玻璃的母组合物含有SiO2、Na2O及Li2O。
另外，此时，最好壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物还含有碱土类金属氧化物，壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物的碱土类金属氧化物的含有率的合计X1小于25摩尔％。可以进一步抑制母玻璃柱的纺丝时的失透的发生。
芯玻璃的母组合物最好以摩尔％表示，含有SiO2：45～65％，Li2O：3～20％，Na2O：3～15％，K2O：0～10％，MgO：0～15％，SrO：0～20％，BaO：0～20％，B2O3：0～15％，ZnO：0～10％，TiO2：0～10％，Y2O3：0～7％，ZrO2：0～7％，Nb2O5：0～7％，In2O3：0～7％，La2O3：0～7％，Ta2O5：0～10％，ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5：0～20％，Li2O+Na2O+K2O：6～35％，BaO+SrO+MgO：0～25％，更优选实质上由所述组成构成。这里，所谓「实质上构成」是指容许含有率小于0.5摩尔％的微量成分(例如来源于工业玻璃原料的杂质、来源于以熔融时的脱泡(澄清)为目的的澄清剂的成分等)的存在的意思。
壳玻璃的母组合物最好以摩尔％表示，含有SiO2：45～65％，Li2O：0～15％，Na2O：3～30％，K2O：0～10％，MgO：0～15％，SrO：0～20％，BaO：0～20％，B2O3：0～15％，Bi2O3：0～10％，ZnO：0～10％，TiO2：0～10％，Y2O3：0～7％，ZrO2：0～7％，Nb2O5：0～7％，In2O3：0～7％，La2O3：0～7％，Ta2O5：0～10％，Bi2O3+ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5：0～20％，Li2O+Na2O+K2O：3～35％，BaO+SrO+MgO：0～25％，更优选实质上由所述组成构成。可以进一步抑制母玻璃柱的纺丝时的失透的发生。
对于芯玻璃的母组合物，说明所述组成的限定理由。在以下的记述中，表示组成的％表示都为摩尔％。
(SiO2)
SiO2是形成玻璃的网眼构造的必需成分。如果SiO2的含有率小于45％，则难以形成母组合物，当超过65％时，则熔融温度变得过高，难以形成实用的母组合物。
(Li2O)
Li2O具有降低熔融温度的作用，是用于利用离子交换形成折射率分布的必需成分。芯玻璃的母组合物中，含有20％以下即可。如果Li2O的含有率小于3％，则难以形成折射率分布。当Li2O的含有率超过20％时，则化学的耐久性降低，另外在纺丝时容易发生失透。
(Na2O)
Na2O是具有降低熔融温度的作用的必需成分。如果Na2O的含有率小于3％，则熔融温度变得过高，当超过15％时，则容易发生失透。
(K2O)
K2O是具有降低熔融温度的作用的任意成分。如果K2O的含有率超过10％时，则化学的耐久性降低。
(Li2O+Na2O+K2O)
通过将碱金属氧化物的含有率的合计(Li2O+Na2O+K2O)设为35％以下，就可以抑制实用上的耐气候性的降低。
(MgO)
MgO是具有降低熔融温度的作用的任意成分。当MgO的含有率超过15％时，则容易发生失透。
(SrO)
SrO是具有降低熔融温度的作用的任意成分。当SrO的含有率超过20％时，则容易发生失透。
(BaO)
BaO是具有降低熔融温度的作用的任意成分。当BaO的含有率超过20％时，则容易发生失透，另外，比重将变得过大。
(碱土类金属氧化物)
这些碱土类金属氧化物具有降低熔融温度的效果，另一方面，当其含有率变得过大时，则容易产生失透。由此，碱土类金属氧化物的含有率的合计X1优选25％以下。
(B2O3)
B2O3是具有辅助纺丝时的芯玻璃的母组合物的形成的作用(玻璃形成能力)的任意成分，含有15％以下也可。
(其他的成分)
芯玻璃的母组合物中，也可以以所述的组成的范围包含ZnO、TiO2、Y2O3、ZrO2、Nb2O5、In2O3、La2O3及Ta2O5。这些成分具有增大芯玻璃的折射率的作用。为了抑制纺丝时的失透的发生，这些成分的含有率的合计量(ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5)优选20％以下。
对于壳玻璃的母组合物，说明所述组成的限定理由。在以下的记述中，表示组成的％表示都为摩尔％。
(SiO2)
与芯玻璃的母组合物相同。
(Li2O)
Li2O是具有降低熔融温度的作用的任意成分。在壳玻璃的母组合物中，含有15％以下也可。当Li2O的含有率超过15％时，则化学的耐久性降低，另外在纺丝时容易发生失透。
(Na2O)
Na2O是具有降低熔融温度的作用的必需成分。如果Na2O的含有率小于3％，则熔融温度变得过高，当超过30％时，则化学的耐久性降低。
(K2O)
与芯玻璃的母组合物相同。
(Li2O+Na2O+K2O)
与芯玻璃的母组合物相同。
(MgO)
与芯玻璃的母组合物相同。
(SrO)
与芯玻璃的母组合物相同。
(BaO)
与芯玻璃的母组合物相同。
(碱土类金属氧化物)
与芯玻璃的母组合物相同。
(B2O3)
B2O3是具有辅助纺丝时的壳玻璃的母组合物的形成的作用(玻璃形成能力)的任意成分，含有15％以下也可。
(其他的成分)
壳玻璃的母组合物中，也可以以所述的组成的范围包含Bi2O3、ZnO、TiO2、Y2O3、ZrO2、Nb2O5、In2O3、La2O3及Ta2O5。这些成分具有增大壳玻璃的折射率的作用。为了抑制纺丝时的失透的发生，这些成分的含有率的合计量(Bi2O3+ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5)优选20％以下。
(着色成分)
壳玻璃的母组合物作为着色成分，也可以含有从Fe、Co、Ni、Mn、Cr及Cu中选择的至少一种元素的氧化物。当壳玻璃的母组合物含有着色成分时，就可以利用着色成分的光吸收作用来抑制所形成的柱透镜的迷光。
壳玻璃的母组合物中这些氧化物的含有率的合计量优选10摩尔％以下。当所述合计量超过10％时，则在纺丝时容易发生失透。
(制造方法)
母玻璃柱利用一般的双重纺丝法形成即可，例如，使用如图1所示的具备了内坩锅51及外坩锅52的双重坩锅53即可。图1所示的双重坩锅53在内坩锅51及外坩锅52的下端部，具备从外坩锅53开始连续形成的喷嘴54，在内坩锅51中，配置有搅拌收容于内坩锅51中的处于熔融状态的母组合物的搅拌器55。
这里，向内坩锅51中，投入并收容处于熔融状态的芯玻璃的母组合物56，向外坩锅52中，投入并收容处于熔融状态的壳玻璃的母组合物57。根据需要，还可以投入进行了脱泡处理(澄清处理)的母组合物。然后，通过将芯玻璃的母组合物56及壳玻璃的母组合物57在从喷嘴54的下端部拉出的同时纺丝，就可以形成具有芯/壳构造的母玻璃柱1。也可以在将处于半熔融或固化状态的母组合物投入了各坩锅后，在坩锅内加热，使之熔融。
双重纺丝法中，通过控制处于熔融状态的壳玻璃的母组合物57和芯玻璃的母组合物56的液面差、各母组合物的液面相对于喷嘴54的高度、喷嘴54的温度等，就可以控制所得的母玻璃柱1的芯的直径及/或壳的厚度。芯2的直径例如为0.3mm～1.1mm左右的范围，壳3的厚度例如为5μm～100μm左右的范围。
将母玻璃柱1的一个例子表示在图2A及图2B中。图2B是示意性地表示与图2A所示的母玻璃柱1的光轴方向(＝中心轴方向)垂直的截面的图。如图2A及图2B所示，母玻璃柱1具有将由芯玻璃的母组合物构成的芯2的周围用由壳玻璃的母组合物构成的壳3覆盖的构造(芯/壳构造)。图2A及图2B中，虽然在芯2和壳3之间描绘有清晰的边界线，但是在实际的母玻璃柱1中，所述边界线不一定能够看到。
图3中，示意性地表示与母玻璃柱1的光轴方向垂直的方向(径向)的折射率的状态。如图3所示，在母玻璃柱1的状态下，未被赋予折射率分布，通常来说，处于壳3的折射率小于芯2的折射率的状态。
图4中，示意性地表示母玻璃柱1的径向的热膨胀系数及玻璃化转变温度的状态。如图4所示，处于壳3的热膨胀系数α1及玻璃化转变温度Tg1分别大于芯2的热膨胀系数α2及Tg2的状态。
[柱透镜]
本发明的柱透镜是对所述的母玻璃柱利用离子交换赋予折射率分布而得到的柱透镜。
(离子交换)
离子交换依照一般的方法进行即可，例如，如图5所示，在收容于容器61(例如不锈钢制)中的含有钠的熔融盐(例如硝酸钠的熔融盐)62中，浸渍母玻璃柱1即可。利用母玻璃柱1的向熔融盐62中的浸渍，母玻璃柱1中的Li离子(图5中所示的X)与熔融盐62中的Na离子(图5中所示的Y)被交换，沿母玻璃柱1的径向形成Li的组成分布，被赋予折射率分布，形成柱透镜。所形成的柱透镜的形状与母玻璃柱1的形状相同。
当将母玻璃柱1浸渍于熔融盐62中，使之升温至熔融盐62的温度(离子交换温度)时，利用关于芯2及壳3之间的热膨胀系数的所述规定，就可以在壳3中产生压缩应力(参照图6：图6中的箭头表示应力所作用的方向)，抑制离子交换时的翘曲等的发生。另外，利用关于芯2及壳3之间的玻璃化转变温度的上述规定，就可以更为可靠地保持在壳3中产生的压缩应力。
离子交换时的熔融盐62的温度(离子交换温度)最好处于芯2的玻璃化转变温度(芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度)附近，更优选芯2的玻璃化转变温度以下。此时，除了可以进一步抑制离子交换时的翘曲等的发生以外，还可以抑制所形成的柱透镜的伸长。另外，由于可以确保充分的离子交换时间，因此就可以形成合适的折射率分布，从而可以形成光学特性优良的柱透镜。
本发明的柱透镜由于是对所述母玻璃柱进行离子交换而得的柱透镜，因此具有由芯玻璃、覆盖芯玻璃的壳玻璃构成的芯/壳构造。壳玻璃及芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅。另外，壳玻璃及芯玻璃的基本组成相互不同。即，壳玻璃及芯玻璃具有由碱金属氧化物、除去碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，各个玻璃的该基本组成相互不同。
图7中，示意性地表示利用离子交换形成的本发明的柱透镜的径向的折射率的分布。图7所示的柱透镜11中，沿着其径向，形成随着从中央部朝向周缘部前进折射率相对地变低的折射率分布。该折射率分布与柱透镜11的径向的Li的分布对应。
利用所述母玻璃柱的离子交换，就可以形成显示出如图8所示的热膨胀系数及玻璃化转变温度的分布的柱透镜11。图8所示的柱透镜11中，由壳玻璃构成的壳13的热膨胀系数在由芯玻璃构成的芯12的与壳13的界面附近的热膨胀系数α4以下，并且壳13的玻璃化转变温度在芯12的与壳13的界面附近的玻璃化转变温度Tg4以下。此种柱透镜11由于即使在制造后也可以在壳13中保持压缩应力，因此可以提高作为柱透镜的对应力学特性及强度。另外，由于可以抑制制造后的(例如柱透镜阵列形成时等的)翘曲等的发生，因此就可以形成收率优良的柱透镜。而且，对于芯12的热膨胀系数，也可以沿芯12的径向部分地存在有超过作为与壳13的界面附近的值的α4的值。即，在沿芯12的径向观察热膨胀系数的分布时，α4也可以不是最大值。对于芯12的玻璃化转变温度也相同，在沿着芯12的径向观察玻璃化转变温度的分布时，Tg4也可以不是最大值。
而且，在母玻璃柱的芯及壳之间，对于完全未考虑如本发明所示的热膨胀系数及玻璃化转变温度的关系的以往例的情况，利用离子交换形成的柱透镜的径向的热膨胀系数及/或玻璃化转变温度的分布就成为图9所示的状态。热膨胀系数及玻璃化转变温度的分布处于图9所示的状态的柱透镜14(柱透镜14由芯15及壳16构成)与图8所示的柱透镜11相比，在应力上更脆，制造后的翘曲等的发生频率更高。
[柱透镜阵列及图像处理装置]
图10表示本发明的柱透镜阵列的一个例子。图10所示的柱透镜阵列21具备2个以上的柱透镜11，各个柱透镜11被按照使柱透镜11的光轴方向相互大致平行的方式排列，被与一对FRP基板22及黑色树脂23一起一体化。此种柱透镜阵列21可以利用如下操作形成，即，在一方的FRP基板22的表面上，将2个以上的柱透镜11大致平行地排列，利用另一方的FRP基板22夹持了柱透镜11后，向一对FRP基板22之间的空间填充黑色树脂23，将整体一体化，继而对柱透镜11的端面进行研磨。
本发明的柱透镜阵列的构造及构成并不限定于图10所示的例子。构成柱透镜阵列的各部分中所使用的材料等只要与在柱透镜阵列中一般所使用的材料相同即可。
图11中，作为本发明的图像处理装置的一个例子，表示了图像读取装置的一个例子。图11所示的图像读取装置31为扫描仪，在筐体32内，具备线状照明体33、由玻璃板制成的原稿台34、柱透镜阵列21及受光元件36。柱透镜阵列21被配置于在将原稿35配置于原稿台34上时，从线状照明体33向原稿35照射，并在原稿35的表面反射的光射入受光元件36的光路37上。柱透镜阵列21构成用受光元件36使所述反射的光成像的成像光学系统。
图12中，作为本发明的图像处理装置的另外的一个例子，表示了图像形成装置的一个例子。图12所示的图像形成装置41为光打印机，是利用写入头(光写入头)42在感光鼓43上使光曝光而形成图像(潜影)，将所形成的图像定影在纸张44上的装置。这里，如图13所示，写入头42具备本发明的柱透镜阵列21和发光元件阵列45，柱透镜阵列21构成使由发光元件阵列45发出的光在感光鼓43上曝光的成像光学系统(更具体来说，柱透镜阵列21构成其焦点位于感光鼓43的表面的正像等倍光学系统)。
图12所示的光打印机具有与一般的光打印机相同的构成，利用与一般的光打印机相同的机构在纸张44上形成图像。具体来说，在圆筒状的感光鼓43的表面，形成有由无定形Si等具有光导电性的材料(感光体)构成的感光层。最初，用带电器46使旋转着的感光鼓43的表面均匀地带有电。然后，利用写入头42，将与所形成的图像对应的点图像的光向感光鼓43的感光层照射，将感光层的照射了光的区域的带电中和，在感光层中形成潜影。然后，当利用显影器47使调色剂附着在感光层上时，调色剂就会依照感光层的带电状态，附着在感光层的形成了潜影的部分上。然后，在将所附着的调色剂利用转印器48转印到由纸盒送来的纸张44上后，当利用定影器49对纸张44进行加热时，调色剂就在纸张44上定影而形成图像。另一方面，转印结束了的感光鼓43被消电灯50遍及全部区域地将带电中和，残留在感光层上的调色剂被清扫器40除去。
本发明的柱透镜21除了图11～图13所示的例子以外，还可以适用于任意的图像处理装置中。例如，作为使用了柱透镜阵列21的图像处理装置，有LED阵列打印机、液晶快门打印机等图像形成装置、传真机、扫描仪等图像读取装置等。
(实施例)
下面将利用实施例对本发明进一步详细说明。本发明并不受以下所示的实施例限定。
本实施例中，通过改变壳玻璃的母组合物及芯玻璃的母组合物的组成，制作了9种改变各个母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度的母玻璃柱样品(实施例样品1～4及比较例样品5～9)，对各样品利用离子交换赋予折射率分布而制作柱透镜，评价了离子交换时的其收率。
最初，如表1～3所示的各组成那样，将玻璃原料混合，使之熔融后固化，形成了由壳玻璃的母组合物构成的壳玻璃片、由芯玻璃的母组合物构成的芯玻璃片。
这里，对如上所述地形成的壳玻璃片及芯玻璃片的热膨胀系数及玻璃化转变温度利用以下的方法进行测定，求得了壳玻璃的母组合物的热膨胀系数α1及玻璃化转变温度Tg1、芯玻璃的母组合物的热膨胀系数α2及玻璃化转变温度Tg2。将α1、α2、Tg1及Tg2的测定结果表示在表1～3中。
(热膨胀系数及玻璃化转变温度的测定)
将芯玻璃及壳玻璃加工为给定形状的长度，形成玻璃块，使用通用的热分析装置，测定了各自的玻璃化转变温度和热膨胀系数。
然后，在使各个玻璃块熔融后，收容于图1所示的双重坩锅中，从喷嘴中纺丝，形成了具有芯/壳构造的母玻璃柱样品。
然后，对所形成的母玻璃柱，利用图5所示的离子交换赋予折射率分布，形成了柱透镜。离子交换是通过将母玻璃柱浸渍在硝酸钠的熔融盐中，使母组合物中的Li离子与熔融盐中的Na离子交换而进行的。离子交换温度设为芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg2的附近。
然后，对所形成的柱透镜的收率如下所示地进行了评价。
(柱透镜的收率的测定)
从利用离子交换形成的柱透镜中，每1根柱任意地抽出大约300条(＝A)，测定冷却后的柱透镜的翘曲量，求得将长度设为390mm时的翘曲量在2mm以下的柱透镜的条数B，将条数B相对于所述条数A的比例(B/A)作为收率。如果柱透镜的长度为390mm时的翘曲量在2mm以下，则空间频率的降低或所传播的图像的变形等可以说处于在实际使用中没有问题的水平。而且，所谓翘曲量是指，想象连接柱透镜的两端的直线，从柱透镜向所述直线引出垂线时的距离的最大值。
将收率的评价结果表示在以下的表1～3中。
表1
  样品No.   实施例样品1   实施例样品2   实施例样品3
成分   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母组合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母组合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母组合物
  组成(摩尔％)   SiO2   52   60   52   54   54   55
  Li2O   12.3   -   12.3   -   9.5   -
  Na2O   11.7   27   11.7   24   9   27.5
  MgO   14   -   14   14   14   -
  BaO   2   2   2   2   8   2
  TiO2   5.5   7   5.5   -   3.5   3
  ZnO   -   -   -   4.5   -   -
  La2O3   -   -   -   -   -   -
  Ta2O5   -   -   -   -   -   1.2
  ZrO2   -   -   -   -   -   2.4
  B2O3   2.5   1.4   2.5   1.5   2   6
  着色成分   Fe2O3   -   2   -   -   -   2.3
  CoO   -   0.6   -   -   -   0.6
  Total   100   100   100   100   100   100
  比重(g/cm3)   2.72   2.755   2.72   2.72   2.954   2.944
  热膨胀系数α2、α1(/℃)   128.5   134.1   128.5   135.2   115.4   120.8
  玻璃化转变温度Tg2、Tg1(℃)   478.4   509.1   478.4   483.5   493.9   520.1
  Δα×10-7(/℃)   5.6   6.7   5.3
  ΔTg(℃)   30.7   5.1   26.2
  收率(％)   70   50   80
表2
  样品No.   实施例样品4   比较例样品5   比较例样品6
成分   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母组合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母組合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母組合物
  组成(摩尔％)   SiO2   52   52   52   56.5   52   60.9
  Li2O   12.3   -   12.3   -   12.3   -
  Na2O   11.7   22.7   11.7   23.4   11.7   18.3
  MgO   14   14   14   7.8   14   5.9
  BaO   2   2   2   3.2   2   5.9
  TiO2   5.5   -   5.5   -   5.5   -
  ZnO   1.25   7   -   -   1.25   5
  La2O3   -   -   -   -   -   2
  Ta2O5   -   -   -   -   -   -
  ZrO2   1.25   -   -   -   1.25   -
  B2O3   -   2.3   2.5   6.6   -   2
  着色成分   Fe2O3   -   -   -   1.9   -   -
  CoO   -   -   -   0.6   -   -
  Total   100   100   100   100   100   100
  比重(g/cm3)   2.789   2.778   2.72   2.734   2.789   3.029
  热膨胀系数α2、α1(/℃)   131.7   134   125.2   126.8   131.7   116.2
  玻璃化转变温度Tg2、Tg1(℃)   489.5   492.3   478.4   501.5   489.5   522
  Δα×10-7(/℃)   2.4   1.6   -15.4
  ΔTg(℃)   2.8   23.1   32.5
  收率(％)   40   20   15
表3
  样品No.   比较例样品7   比较例样品8   比较例样品9
成分   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母組合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母組合物   芯玻璃的母组合物   壳玻璃的母組合物
  组成(摩尔％)   SiO2   52   50.8   52   54.5   52   60
  Li2O   12.3   -   12.3   -   12.3   -
  Na2O   11.7   22.9   11.7   21.5   11.7   24
  MgO   14   13.6   14   13.7   14   -
  BaO   2   3.9   2   2.9   2   -
  TiO2   5.5   -   5.5   -   5.5   8.6
  ZnO   1.25   -   -   -   -   -
  La2O3   -   -   -   -   -   -
  Ta2O5   -   -   -   -   -   -
  ZrO2   1.25   -   -   -   -   -
  B2O3   -   6.3   2.5   4.9   2.5   4.5
  着色成分   Fe2O3   -   1.9   -   1.9   -   2.3
  CoO   -   0.6   -   0.6   -   0.6
  Total   100   100   100   100   100   100
  比重(g/cm3)   2.789   2.779   2.72   2.731   2.72   2.692
  热膨胀系数α2、α1(/℃)   131.7   128   125.2   122.7   125.2   114.5
  玻璃化转变温度Tg2、Tg1(℃)   489.5   484   478.4   501.7   478.4   539.9
  Δα×10-7(/℃)   -3.6   -2.5   -10.7
  ΔTg(℃)   -5.5   23.3   61.5
  收率(％)   20   20   10
如表1～3所示，相对于比较例样品5～9，实施例样品1～4中，可以提高离子交换时的柱透镜的收率。特别是，实施例样品1～3中，可以使收率在50％以上，在实施例样品3中可以实现80％的高收率。
一般来说，当玻璃组成确定时，则玻璃化转变温度或热膨胀系数就被决定。使用安装于通用的电子探针微分析仪上的能量分散型X射线检测器，确定由各实施例样品形成的柱透镜的径向的元素分布，从所得的元素分布的结果，评价了该柱透镜的热膨胀系数及玻璃化转变温度，在实施例样品1～4中确认了如图8所示的分布。

Claims (15)

1.一种折射率分布型柱透镜，是对由芯玻璃的母组合物、覆盖所述芯玻璃的母组合物的壳玻璃的母组合物构成的母玻璃柱利用离子交换赋予了折射率分布的具有芯/壳构造的折射率分布型柱透镜，其特征是，
所述壳玻璃及所述芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅，
所述壳玻璃及所述芯玻璃具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，所述壳玻璃及所述芯玻璃的所述基本组成相互不同，
所述壳玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度分别大于所述芯玻璃的母组合物的热膨胀系数及玻璃化转变温度，
所述壳玻璃的母组合物的热膨胀系数α1、所述芯玻璃的母组合物的热膨胀系数α2的差Δα(Δα＝α1-α2)处于超过2×10-7/℃而小于20×10-7/℃的范围。
2.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg1、所述芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg2的差ΔTg(ΔTg＝Tg1-Tg2)处于超过3℃而小于60℃的范围。
3.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，
所述各个母组合物的所述基本组成相互不同。
4.根据权利要求3所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物中所含的碱金属氧化物以外的氧化物的种类不完全一致。
5.根据权利要求3所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物中所含的碱金属氧化物以外的氧化物的种类相同，
所述各个母组合物的从所述氧化物中选择的至少1种的含有率相互不同。
6.根据权利要求3所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物含有SiO2、TiO2及碱土类金属氧化物，
所述各个母组合物的TiO2的含有率X2与碱土类金属氧化物的含有率的合计X1的比(X2/X1)相互不同。
7.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物含有SiO2及Na2O，
所述芯玻璃的母组合物含有SiO2、Na2O及Li2O。
8.根据权利要求7所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物还含有碱土类金属氧化物，
所述壳玻璃的母组合物及所述芯玻璃的母组合物的碱土类金属氧化物的含有率的合计X1小于25摩尔％。
9.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，
所述芯玻璃的母组合物以摩尔％表示，含有SiO2：45～65％，Li2O：3～20％，Na2O：3～15％，K2O：0～10％，MgO：0～15％，SrO：0～20％，BaO：0～20％，B2O3：0～15％，ZnO：0～10％，TiO2：0～10％，Y2O3：0～7％，ZrO2：0～7％，Nb2O5：0～7％，In2O3：0～7％，La2O3：0～7％，Ta2O5：0～10％，ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5：0～20％，Li2O+Na2O+K2O：6～35％，BaO+SrO+MgO：0～25％；
所述壳玻璃的母组合物以摩尔％表示，含有SiO2：45～65％，Li2O：0～15％，Na2O：3～30％，K2O：0～10％，MgO：0～15％，SrO：0～20％，BaO：0～20％，B2O3：0～15％，Bi2O3：0～10％，ZnO：0～10％，TiO2：0～10％，Y2O3：0～7％，ZrO2：0～7％，Nb2O5：0～7％，In2O3：0～7％，La2O3：0～7％，Ta2O5：0～10％，Bi2O3+ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5：0～20％，Li2O+Na2O+K2O：3～35％，BaO+SrO+MgO：0～25％。
10.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述壳玻璃的母组合物作为着色成分，含有从Fe、Co、Ni、Mn、Cr及Cu中选择的至少一种元素的氧化物，
所述壳玻璃的母组合物的所述着色成分的含有率为0.1～10摩尔％的范围。
11.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述折射率分布是利用在所述芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg2附近的温度的离子交换来赋予的。
12.根据权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，其特征是，所述折射率分布是利用在所述芯玻璃的母组合物的玻璃化转变温度Tg2以下的温度的离子交换来赋予的。
13.一种柱透镜阵列，其特征是，具备2个以上的权利要求1所述的折射率分布型柱透镜，
所述柱透镜被按照使所述柱透镜的光轴方向相互大致平行的方式排列并一体化。
14.一种图像处理装置，其特征是，具备权利要求13所述的柱透镜阵列，所述柱透镜阵列构成成像光学系统。
15.一种折射率分布型柱透镜，是具有由芯玻璃、覆盖所述芯玻璃的壳玻璃构成的芯/壳构造的折射率分布型柱透镜，其特征是，
所述壳玻璃及所述芯玻璃含有碱金属氧化物，并且实质上不含有铅，
所述壳玻璃及所述芯玻璃具有由碱金属氧化物和除去所述碱金属氧化物以外的成分构成的基本组成，所述壳玻璃及所述芯玻璃的所述基本组成相互不同，
所述壳玻璃的热膨胀系数在所述芯玻璃的与所述壳玻璃的界面附近的热膨胀系数以下，
所述壳玻璃的玻璃化转变温度在所述芯玻璃的与所述壳玻璃的界面附近的玻璃化转变温度以下。
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