DE2341839B2

DE2341839B2 - Linsenrasterplatte und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2341839B2
Application number: DE19732341839
Authority: DE
Inventors: Motoaki Tokio Furukawa
Original assignee: Nippon Selfoc Co., Ltd., Tokio
Priority date: 1972-08-22
Filing date: 1973-08-18
Publication date: 1976-02-12
Also published as: US3879110A; GB1417806A; DE2341839A1; FR2197184A1; JPS4940751A; FR2197184B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Linsenrasterplatte aus mehreren nebeneinander angeordneten Linsen mit parallel oder winklig zueinander '.'erlaufenden optischen Achsen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Linsenrasterplatte.

Eine Linsenrasterplatte, vergleichbar mit dem Aufbau eines Fliegenauges, dient vor allem zur Aufnahme und Abbildung von stereoskopischen Bildern. Weiterhin dienen solche Linsenrasterplatten seit kurzem auch zur Bündelung von Lichtstrahlen, die von mehreren Lichtquellen ausgesendet werden (z. B. eine Reihe von Laserdioden).

Ein Beispiel einer solchen Linsenrasterplatte, vergleichbar mit einem Insektenauge, ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 12 820/72 mit dem Titel »A fly's eye lens having light focussing light guide« vorgeschlagen worden. Die Linsenrasterplatte gemäß dieser Anmeldung besteht aus einem Bündel einer größeren ΛηζαΙιΙ von faserartigen Lichtleitern, von denen jeder einen Brechungsindex aufweist, der proportional mit dem Quadrat des radialen Abstandes von der zentralen Achse abnimmt. Um eine solche Linsenrasterplatte herzustellen, mußte zunächst das l.ichtleitbündel hergestellt und dann die gewünschte Länge abgeschnitten werden. Obgleich diese Herstellungsmethode insoweit

»on Vorteil ist, als um sphärischer Schliff von herkömmlicher, Linsen nicht notwendig ist. besteht das problem, daß die Herstellung des Faserbündels mit parallel verlaufenden üchtleitachsen von hoher Gelt eauigkeit einen großen Arbeitsaufwand erfordert und J ^JaB die Lichtleiter beim Abschneiden häutig in Mitleidenschaft gezogen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Linsenratterplatte der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Linsenrasterplatte anzugeben, wobei die Verwendung von zu Bündeln zusammengesetzter einzelner faserstabförmiger Lichtleiter vermieden wird. Dabei soll die Linsenrasterplatte nebst dem Herstellungsverfahren vor allem für die Massenproduktion gut geeignet sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Linsen in Form einzelner zylinderförmiger Bereiche in einem einstückigen transparenten Körper ausgebildet sind, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Körpers erstrecken, wobei die zyiinderförmigen Bereiche einen fcöheren Brechungsindex aufweisen als die übrigen gereiche des Körpers und der Brechungsindex jedes jylinderförmigen Bereiches senkrecht zu seiner Achse radial nach außen stetig abnimmt.

Dabei enthält der transparente Körper wenigstens eine erste lonenart, die in den zyiinderförmigen Bereichen von den Achsen zu den Umfangen im »bnehmenden Maße durch wenigstens eine zweite lonenart ersetzt ist, die den Brechungsindex stärker erhöht als die erste lonenart.

Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen den benachbarten zyiinderförmigen Bereichen größer als der Durchmesser der zyiinderförmigen Bereiche.

Der transparente Körper kann plattenförmig ausgebildet sein und ebene Begrenzungsflächen aufweisen. Er kann aber auch zylindrische Begrenzungsflächen aufweisen. Die zyiinderförmigen Bereiche können einen kreisrunden oder elliptischen Querschnitt aufweisen.

Ein Verfahren zur Herstellung der Linsenrasterplaite besteht darin, daß in einem ersten Verfahrensschritt die zyiinderförmigen Bereiche des transparenten Körpers durch Ionenwanderung entlang Feldlinien eines angelegten elektrischen Feldes hergestellt werden, wobei wenigstens eine erste lonenart des transparenten Körpers innerhalb der zyiinderförmigen Bereiche durch wenigstens eine zweite lonenart aus einem lonenbad ersetzt wird und daß der transparente Körper anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt zur Erzeugung eines Brechungsindexgradienten derart erhitzt wird, daß die erste lonenart außerhalb der zyiinderförmigen Bereiche des transparenten Körpers in die zyiinderförmigen Bereiche hinein- und die zweite lonenart aus den zyiinderförmigen Bereichen herausdiffundieren. J5

Dabei wird vorteilhafterweise derart verfahren, daß auf die eine Begrenzungsfläche des transparenten Körpers eine die elektrische Ionenwanderung unterbindende maskenartige Schicht aufgebracht wird, die zur Bildung der zylind' iörmigen Bereiche den Querschiutten der Bereiche > ^sprechende öffnungen aufweist, daß auf die and*.» im wesentlichen zur ersten Begrenzungsfläche parallele Begrenzungsfläche eine Schicht auf einer elektrisch leitenden Substanz aufgebracht wird, die befähigt ist, die erste lonenart des transparenten Körpers aufzunehmen, daß der transparente Körper mit der maskenartigen Schichtseite in eine Lösung getaucht wird, die die zweite !onenart enthält, daß zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der Lösung mit dem zwischenliegenden transparenten Körper ein elektrisches Feld angelegt wird, demzufolge die zweiten Ionen entlang Feldlinien. durch die Öffnungen in der maskenartigen Schicht in den transparenten Körper iiineinwandern. während die ersten Ionen aus den durch die Öffnungen bestimmten Bereichen des transparenten Körpers entlang den Feldlinien in Richtung der leitfähigen Schicht herauswandern, und daß anschließend der transparente Körper zur gegenseitigen Wärmediffusion der ersten und zweiten lonenarten innerhalb des transparenten Körpers erhitzt wird.

Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens können den weiteren Unttransprüchen entnommen werden.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Linsenrasterplatte sowie ein Verfahren zu Ihrer Herstellung im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt bzw. zeigen in schemaiischer Darstellung

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung für den erüen Verlahrensschritt zur Herstellung zylinderförmiger Bereiche innerhalb des transparenten Körpers durch Ionenwanderung im elektrischen Feld,

F i g. 2 ein Beispiel für eine maskenanige Schicht zur Verwendung in der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 3a, 3b, 3c Brechungsindexverteilungen in einem langgestreckten transparenten Körper mit einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung,

Fig.4 einen gekrümmten transparenten Körper mit einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung.

F i g. 1 zeigt in schematiseher Darstellung die prinzipielle Anordnung zur Durchführung der Ionenwanderung bzw. des lonenaustauschs als den einen Verfahrensschritt zur Herstellung der Linsenrasterplatte. Hierbei handelt es sich um Linsenrasterplatten, die mit Insektenaugen vergleichbar sind. Mit 11 ist ein transparenter Körper, z. B. ein Glaskörper, bezeichnet, in welchem die Linsenrasterplatte hergestellt wird und die aus einem F2-Glas bestehen kann, in dem K ⁺ -, Na ⁺ -Ionen als hier so bezeichnete erste lonenart enthalten sind. Die Ober- und Unterseite bzw. Deck- und Bodenseite des Glaskörpers Π sind flach und verlaufen parallel zueinander. Auf der Bodenseite befindet sich ein Film bzw. eine Schicht 12. die öffnungen aufweist. An den nicht durchbrochenen Stellen ist die Schicht geeignet, die elektrische Ionenwanderung zu verhindern. Die Schicht 12 kann durch Hochfrequenzzerstäubung eines Metalls, z. B. Titan oder eines dielektrischen Materials, '.. B. Glas, gebildet sein. Die z. B. kreisrunden öffnungen 21 in der Schicht 12 haben untereinander den gleichen Abstand, wie Fig. 2 verdeutlicht. Die Wahl des Durchmessers der kreisrunden öffnungen 21 ist abhängig von der Zeit, die für den nachfolgend beschriebenen Wärmediffusionsschritt erforderlich ist und der Zusammensetzung des Glaskörpers. Der Durchmesser beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm, um die Wärmediffusion innerhalb einiger zehn Stunden beenden zu können.

Mit 15 ist eine nilrat- oder suifathaltige Tonschicht bezeichnet, die zur Aufnahme bzw. Absorption der ersten !onenart dient, die von dem Glaskörper 11 abgegeben wird. Die Schicht 15 ist in festem Kontakt mit der Deckseite des Glaskörpers 11.

Der in der vorstehenden Weise ausgebildete Glaskörper 11 wird mit seiner Bodenseite in eine Salzschmelze 13 getaucht, die die zweite lonenart enthält. Dabei befindet sich die maskenartige Schicht 12 auf der eingetauchten Bodenseite des Glaskörpers 11.

Die Salzschmelze 13 in einem Behälter 14 enthält eine Nitrat- oder Sulfatlösung, die wenigstens eine hier so bezeichnete zweite lonenart, wie z. B. Tl ⁺ , Cs ⁺ , enthalt, die mehr zur Erhöhung des Brechungsindex des Glaskörpers 11 beiträgt als die erste lonenart in dem Glaskörper 11.

An den eingetauchten Glaskörper wird eine Gleichspannung angelegt, wodurch ein elektrisches Feld senkrecht zu den Deck- und Bodenseiten des Glaskörpers gebildet wird. Hierzu ist eine Elektrode 16 auf der Tonschicht 15 an den negativen Pol und eine Elektrode 17 in der Salzschmelze 13 an den positiven Pol einer Spannungsquelle 18 gelegt. Die Temperatur des Glaskörpers 11 und der Salzschmelze 13 beträgt etwa 500⁰C, das ist etwas niedriger als die Erweichungstemperatur des Glaskörpers 11. Für die elektrische Ionenwanderung wird an die Elektroden 16 und 17 eine 200-Volt-Gleichspanriung gelegt. Der Glaskörper besteht aus einer 50x 50 mm quadratischen Glasplatte 11 von 3 mm Stärke und ist mit einer Schicht entsprechend Fig. 2 versehen, die an den nicht durchbrochenen Stellen eine Ionenwanderung bzw. einen Ionenaustausch verhindert. Bei angelegter Spannung fließt ein Strom durch jede der öffnungen 21 der Schicht 12 in der Größe von mehr als 1OmA. Hierdurch wird bewirkt. daß die erste lonenart in dem Glaskörper 11 in Richtung der Tonschicht und gleichzeitig die zweite lonenart in der Salzschmelze 13 in den Glaskörper senkrecht zu seiner Bodenfläche durch die öffnungen 21 in der maskenartigen Schicht 12 wandert. Nach Ablauf der vorbestimmten Verfahrenszeit ist in der Nachbarschaft von jeder öffnung 21 ein zylindrischer Bereich mit einem hohen Brechungsindex gebildet. Die Querschnitte der zylindrischen Bereiche sind nahezu gleich der öffnungen 21. Die zylindrischen Bereiche weisen die gleiche Tiefe auf (etwa 300 Mikron bei einer Verfahrenszeit von 5 Stunden).

An den vorstehenden elektrischen lonenwanderungsverfahrensschritt zur Bildung zylindrischer Bereiche von hohem Brechungsindex in dem Glaskörper 11 schließt der Wärmediffusionsverfahrensschritt an. Die Temperatur liegt bei dem Wärmediffusionsverfahrensschritt bei etwa 500⁰C. Während der Wärmediffusion erfolgt wechselseitige Diffusion zwischen den zylindrischen Bereichen mit dem hohen Brechungsindex und den anschließenden Bereichen des Glaskörpers 11, d. h. die zweite lonenart in den zylindrischen Bereichen diffundiert in die anschließenden Bereiche des Glaskörpers und die erste lonenart in den anschließenden Bereichen diffundiert in die zylindrischen Bereiche.

Wie vorstehend erwähnt, liefert die zweite lonenart einen größeren Beitrag zur Erhöhung des Brechungsindex als die erste lonenart, die sich primär in dem Glaskörper 11 befand. Daher wird die Größe der Brechungsindexänderung in Richtung senkrecht zur Achse jeder zylindrischen Region verringert.

Durch geeignete Wahl von Zeit, Temperatur. Spannung, Konzentration der Salzschmelze usw. ist es möglich, die elektrische Ionenwanderung und die Wärmediffusion derart zu steuern, daß in jedem zylindrischen Bereich eine parabolische Brechungsindexverteilung erhalten wird, bei der der Brechungsindex im wesentlichen mit dem Quadrat des Abstandes von der Achse des zylindrischen Bereichs abnimmt.

F i g. 3 veranschaulicht die Brechungsindexverteilung in dem Glaskörper 11, nachdem er der elektrischen Ionenwanderung und der Wärmediffusion ausgesetzt worden ist. F ig. 3a zeigt einen Querschnitt des Glaskörpers 11. der mit der maskenartigen Schicht 12 versehen ist. Der Schnitt verläuft in einer Ebene, in der die Achsen von zylindrischen Bereichen mit hohem Brechungsindex liegen. Die gestrichelte Linie zeigt, welche Gestall die hoch brechenden Bereiche auf Grund der Ionenwanderung aufweisen. Die F i g. 3b und 3c zeigen Diagramme für die Brechungsindexverteilung

ίο entlang der Linie A-A' des Glaskörpers 11. Hiervon zeigt Fig. 3b den Zustand nach der Ionenwanderung, und Fig. 3c zeigt den Zustand nach der Wärmediffusion.

In dem Beispiel nach Fig. 3a erreichen die von der einen Seite des Glaskörpers ausgehenden zylindrischen Bereiche 33 mit den hohen Brechungsindizes nicht die gegenüberliegende andere Seite des Glaskörpers 11. Die hochbrechenden Bereiche lassen sich jedoch auch derart ausbilden, daß sie die andere Seite des Glaskörpers 11 erreichen, indem eine dünne Glasplatte als Glaskörper 11 gewählt wird oder indem der Glaskörper 11 von der anderen Seite aus bis zu der Linie B-B' abgeschliffen wird, wodurch die innersten Abschnitt der Bereiche 33 bloßgelegt werden.

Die erforderliche Zeit für die Wärmediffusion kann als nahezu proportional zu dem Quadrat des Durchmessers der öffnungen 21 angesehen werden. Der Abstand zwischen benachbarten öffnungen 21 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser der öffnungen 21. um die Wärmediffusion zu erleichtern.

Die maskenartige Schicht 12 kann vor oder nach der Wärmediffusion entfernt werden. Wenn ein opakes Material als Schicht 12 verwendet wird, kann es dazu dienen, unerwünschte Lichtstrahlen abzuschirmen, die durch den Glaskörper 11 an solchen Stellen hindurchtreten, die nicht zu den hochbrechenden Bereichen 33 gehören.

Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Erfindung ist nicht nur auf flache Glaskörper 11, sondern auch auf Glaskörper mit anderen Gestalten. z. B. soiche mit einer gekrümmten Oberfläche, anwendbar. Fig.4 zeigt einen Glaskörper 41 mit einer zylindrischen Außenfläche. Der Glaskörper 41 besitzt hochbrechende Bereiche 43, die sich an den Stellen radial nach innen erstrecken, die von der maskenartigen Schicht 42 nicht bedeckt sind.

Um solch einen zylindrischen Glaskörper 41 dei elektrischen Ionenwanderung auszusetzen, müssen die in Fi g. 1 gezeigten Elektroden 16 und 17 entsprechenc gekrümmt ausgebildet sein.

Dir vorstehend beschriebenen öffnungen 21 dei maskenartigen Schicht 12 weisen eine kreisförmige Gestalt auf. Die Öffnungen können aber auch mi Vorteil eine bestimmte elliptische Gestalt aufweisen Eine derartige Gestalt ist zweckmäßig, um zu erreichen daß der Brechungsindexgradient in Richtung der Haupt und Nebenachse des elliptischen Querschnittes ver schieden ausfällt, so daß der Grad der Fokussierung ji nach der Achsenrichtung verschieden ist. Auf diesi Weise lassen sich Linsenanordnungen angeben, die au einzelnen Linsen mit unterschiedlichen Brechungsin dcxgradienten bestehen.

Der Durchmesser der öffnungen 21 kann je nach de Verwendung in einem Bereich von mehreren zehi Mikron bis zu einigen Millimetern frei gewählt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 2341 839

1. Linsenraslerplatte aus mehreren nebeneinander angeordneten Linsen mit parallelen oder winklig zueinander verlaufenden optischen Achsen, d a durch gekennzeichnet, daß die Linsen in Form einzelner zylinderförmiger Bereiche (33; 43) in einem einstöckigen transparenten Körper (11; 41) ausgebildet sind, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Körpers erstrekken, wobei die zylinderförmigen Bereiche einen höheren Brechungsindex aufweisen als die übrigen Bereiche des Körpers und der Brechungsindex jedes zylinderförmigen Bereiches senkrecht zu seiner Achse radial nach außen stetig abnim-nt.

2. Linsenrasterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper wenigstens eine erste lonenart enthält, die in den ,zylindrischen Bereichen von den Achsen zu den ^Umfangen im abnehmenden Maße durch wenigstens eine zweite lonenart ersetzt ist, die den Brechungsindex stärker erhöhen als die erste ionenart.

3. Linsenrasterplatte nach den Ansprüchen 1 und

2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Zwischen benachbarten zylindrischen Bereichen größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Bereiche.

4. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (11) plattenförmig ausgebildet ist und ebene Begrenzungsflächen aufweist, zwischen denen sich die zylindrischen Bereiche (33) in zu den Begren-Jiungsflächen senkrechter Richtung erstrecken.

5. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (41) zylindrische Begrenzungsflächen aufweist, zwischen denen sich die zylinderförmigen Bereiche (43) in zu den Begrenzungsflächen Senkrechter Richtung erstrecken.

6. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 fcis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförfnigen Bereiche einen kreisrunden Querschnitt Aufweisen.

7. Linsenrasterplatte nach einem der Ansprüche 1 |>is 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderför-Inigen Bereiche einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

8. Verfahren zur Herstellung der Linsenrasterplat-

|e nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrenstchritt die zylinderförmigen Bereiche des transpatenten Körpers durch Ionenwanderung entlang Feldlinien eines angelegten elektrischen Feldes (hergestellt werden, wobei wenigstens eine erste lonenart des transparenten Körpers innerhalb der tylinderförmigen Bereiche durch wenigstens eine fweite lonenart aus einem lonenbad ersetzt wird §nd daß der transparente Körper anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt zur Erzeugung eines Brechungsindexgradienten derart erhitzt wird, daß die erste Ionenart außerhalb der zylinderförmigen Bereiche des transparenten Körpers in die zylinderförmigen Bereiche hinein- und die zweite Ionenart aus den zylinderförmigen Bereichen herausdiffundieren.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Begrenzungsfläche des transparenten Körpers eine die elektrische Ionen wanderung unterbindende maskenartige Schicht aufgebracht wird, die zur Bildung der zylinderförmigen" Bereiche den Querschnitten der Bereiche entsprechende Öffnungen aufweist, daß auf die andere im wesentlichen zur ersten Begrenzungsfliiche parallele Begrenzungsfläche eine Schicht aus einer elektrisch leitenden Substanz aufgebrach! wird, die befähigt ist, die erste lonenart des transparenten Körpers aufzunehmen, daß der transparente Körper mit der maskenartigen Schichtseite in eine Lösung getaucht wird, die die zweite lonenart enthält, daß zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der Lösung mit dein zwischenliegenden transparenten Körper ein elektrisches Feld angelegt wird, demzufolge die zweiten Ionen entlang Feldlinien durch die Öffnungen in de>maskenartigen Schicht in den transparenten Körper hineinwandern, während die ersten Ionen aus den durch die Öffnungen bestimmten Bereichen des transparenten Körpers entlang den Feldlinien in Richtung der leitfähigen Schicht herauswandern und daß anschließend der transparente Körper /ur gegenseitigen Wärmediffusion der ersten und zweiten lonenarten innerhalb des transparenten Körpers erhitzt wird.

Ό. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die maskenartige Schicht aus einem opaken Material besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht aus einer Tonschicht besteht.

!2. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper nach der Herstellung der zylindrischen Bereiche von seiner die leitende Schicht aufnehmenden Begrenzungsseite aus bis zu den inneren Enden der zylindrischen Bereiche abgeschliffen wird.