DE3607259A1

DE3607259A1 - Mikrolinsenplatte und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3607259A1
Application number: DE19863607259
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ibaragi Oikawa; Eiji Sakura Ibaragi Okuda; Kouji Ibaragi Tanaka; Tetsuya Sakura Ibaragi Yamasaki
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1986-03-05
Publication date: 1986-09-18
Also published as: GB2173915B; GB2173915A; FR2578658B1; US5104435A; US4952037A; GB8605371D0; FR2578658A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Mikrolinsenplatte mit Gradientenindexlinsen, die einstückig in einem transparenten Basisteil ausgebildet sind.

Fig. 1 zeigt eine Mikrolinsenplatte 1 mit Gradientenindexlinsen 3, die mit einer flachen transparenten Basis 2 aus Glas oder Kunststoff ein Teil bilden und in dieser Basis "vergraben" sind. Eine der Brechungsflächen jeder Linse 3 wird von der ebenen Oberfläche gebildet, die mit der Oberfläche der Basis 2 zusammenfällt. Jede Linse 3 besitzt eine optische Achse, die senkrecht zur Oberfläche der Basis 2 verläuft. Der Brechungsindex der Linsen 3 längs ihrer optischen Achse ist an der Oberfläche am größten und nimmt mit wachsender Tiefe allmählich ab. Der Brechungsindex der Linsen 3 in Richtung senkrecht zur optischen Achse ist ebenfalls im Zentrum am größten und nimmt in Richtung auf die Peripherie allmählich ab.

Die Form der Linsen 3 ist (von üben gesehen) entweder kreisrund (Fia. 2) oder geradlinig (Fig. 3).

Im folgenden sei ein typisches Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikrolinsenplatte 1 beschrieben:

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird die Oberfläche einer Basis aus Glas mit einer ionendurchlässigen Schutzmaske 5 abgedeckt, die beispielsweise aus einem dünnen Metallfilm besteht. In dieser Schutzmaske 5 werden kleine öffnungen 6 von beispielsweise kreisrunder Form, die der Form der gewünschten Linsen 3 entspricht, ausgebildet. Die Oberfläche der Basis 2, auf der sich die Schutzmaske befindet, wird in eine Salzschmelze 7 getaucht, die Kationen, z.B. Tl-Ionen, enthält, die den Brechungsindex des Basisglases vergrößern. Die Kationen in der Salzschmelze diffundieren dann durch die Öffnungen 6 der Schutzmaske 5 in die Basis 2. Nachdem die

Ionendiffusion auf diese Weise während einer vorbestimmten Zeitspanne durchgeführt wurde, ist unterhalb der Öffnungen in der Basis 2 eine Ionenkonzentrationsprofil erreicht, bei dem die Ionenkonzentration in der Nähe der Öffnungen 6 am größten ist und in Tiefenrichtung sowie in Richtung auf die Peripheriebereiche der herzustellenden Linsen 3 abnimmt. Auf diese Weise werden Bereiche mit dem oben beschriebenen Gradientenbrechungsindex, d.h. Linsen 3, ausgebildet.

Bei einer solchen konventionellen Mikrolinsenplatte 1, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, gilt d/a = 1,0 (worin 2a der Durchmesser der Linse 3 in der Oberfläche der Basis 2 und d die Dicke der Linse ist), d.h. der Querschnitt der Linse 3 ist praktisch ein vollständiger Halbkreis. Man nimmt an, daß eine solche Linse die besten optischen Eigenschaften besitzt, wenn ihr Querschnitt die Form eines vollständigen Halbkreises hat. Deshalb hat man sich bisher bemüht, Linsen herzustellen, die einen idealen halbkreisförmigen Querschnit t haben .

Demgegenüber wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch ausgedehnte Studien und Experimente folgendes herausgefunden: Wenn in einer Mikrolinsenplatte 1, deren einzelne Linsen einen durch Ionendiffusion ausgebildeten Gradientenindex besitzen, der Querschnitt der einzelnen Linsen näherunqsweise die Form eines idealen Halbkreises hat, findet eine Aberration statt, die dazu führt, daß zwischen einem Brennpunkt 8A eines Lichtstrahls B, der unter den auf die Linse 3 auftreffenden Lichtstrahlen in der Nähe der optisehen Achse liegt, und einem Brennpunkt 9A eines Lichtstrahls 9, der in der Nähe der Peripherie der Linse 3 auftrifft, eine Abweichung besteht. Dies führt zu einer Verringerung des effektiven numerischen Aperturbereichs der Linse 3. Wenn der Querschnitt der Linse 3 eine in einem vorbestimmten Bereich liegende Abflachung besitzt, wird diese Abweichung kleiner und die effektive numerische Apertur der Linse 3 kann vergrößert werden.

-J-

Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Erkenntnis. Sie löst durch die im Patentanspruch 1 angeqebenen Merkmale die Aufgabe, eine Linse zu schaffen, dir» eine größere effektive numerische Apertur besitzt als dies bei herkömmlichen Mikrolinsenplatte der Fall ist.

Erfindungsgemäß werden also dadurch, daß ein flacher Querschnitt hergestellt wird, die oben erwähnte Aberration verringert und die effektive numerische Apertur der Linse vergrößert gegenüber Linsen, die einen nahezu halbkreisförmigen Querschnitt haben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Mikrolinsenplatte gemäß der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mikrolinsenplatte sind in den Unteransprüchen beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fiq. 1 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen Mikrolinsenplatte ,

Fia. 2 und 3 zeigen Draufsichten, die die Formen der Linsen in der Mikrolinsenplatte erkennen lassen,

Fin. ή zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veanschaulichung eines Ionendiffusionsverfahrens,

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Linsendurchmesser und der Linsendicke in einer herkömmlichen Mikrolinsenplatte,

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Mikrolinsenplatte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung der Fokussierung der Linse von Fig. 6, Fig. 8 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung des Fokussierungszustandes für den Fall, daß die Abflachung des Linsenquerschnitts zu klein ist,

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung des Fokussierungszustands für den Fall, daß die Abflachung der Linse zu groß ist,

Fig. 10 zeigt eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Maskenöffnung und dem

Linsendurchmesser bei der Herstellung einer Linse gemäß der Erfindung,

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung der effektiven numerischen Apertur einer Linse,

Fig. 12 zeigt ein Diagramm, das die effektive numerische Apertur NAp als Funktion der Linsenabflachung d/a wiedergibt,

Fig. 13 zeigt ein Diagramm, das die effektive numerische Apertur NAp der Linse als Funktion des Verhältnisses

des Durchmessers der auf einer Fläche der Basis während der Ionendiffusion ausgebildeten öffnung 2u dem Durchmesser der hergestellten Linse wiedergibt.

Im folgenden sei ein bevorzugtes Ausführunqsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben:

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Mikrolinsenplatte 10 gemäß der Erfindung. Eine Gradientenindexlinse 12 ist einstückig in einer transparenten Glasbasis 11 ausgebildet. Die optische Achse 13 der Linse 12 verläuft senkrecht zur Oberfläche der Basis 11. Das Brech-ungsindexprofil der Linse 12 ist derart, daß der Brechungsindex im Bereich des Schnittpunktes 14 der optischen Achse 13 mit der Oberfläche der Basis 12 sein Maximum hat und in Tiefenrichtung sowie in Richtung auf die Randbereiche der Linse 12 radial abnimmt.

Die Gradientenindexlinse 12 wird durch das oben beschriebene Ionendiffusionsverfahren hergestellt. Kationen, z.B. Tl-Ionen, die den Brechungsindex des Basisglases vergrößern, werden gegen in dem Glas vorhandene Ionen ausgetauscht, z.B. gegen Natrium- oder Kaliumionen. Dieser Ionenaustausch fin-

det durch öffnungen statt, die in einer Maske auf der Oberflüche der Glasbasis 11 ausgebildet sind. Somit wird das Brechungsindexprofil der Linse 12 durch das Konzentrationsprofil der Ionen bestimmt, die in das Glas eingedrungen sind.

Bei der Betrachtung des Querschnitts der auf diese Weise hergestellten Mikrolinsenplatte 10 sei das Augenmerk auf die Diffusionsfront 12A gerichtet. Diese Diffusionsfront 12A wird von einem relativ schroffen Wechsel in der Dotierungskonzentration gebildet und wird an einem Punkt beobachtet, an dem die Dotierungskonzentration auf einige Prozent der Sättigungskonzentration in der Glasbasis 11 verringert ist.

Die Diffusionsfront 12A, oder allgemeiner, eine Kante 12A als Grenzlinie gegenüber dem Bereich der Hauptmasse der Basis 11, wird als die Außenform der Linse 12 innerhalb der Basis 11 definiert.

Die optischen Eigenschaften der Mikrolinsenplatte 10, die einen durch die Dotierungskonzentration in dem Glas bestimmten Gradientenindex besitzt, werden durch die Gradientenindexdifferenz und die durch das Do tierungsmittel bestimmte Form des Brechungsindexprofils festgelegt.

Allgemein gilt, daß die numerische Apertur, die das Fokussierungsvermögen einer Linse bestimmt, größer wird, wenn die maximale Brechungsindexdifferenz anwächst, die durch das Dotierungsmittel bestimmt wird. Wenn die Profilform jedoch ungeeignet ist, wächst die Aberration an, und die effektive numerische Apertur wird verringert.

Die maximale Brechungsindexdifferenz ist im wesentlichen der Dotierungskonzentration in dem Glas proportional. Das Brechungsindexprofil wird durch Ionenaustausch im Verhältnis von etwa 1:1 der Ionen des Dotierungsmittels zu den Ionen eines Alkalis in dem Basisglas festgelegt. Deshalb ist die

maximale Brechungsindex durch die Konzentration der in der Glasbasis 11 ausgetauschten Alkali-Ionen bestimmt. Der Anteil der Alkali-Ionen in dem Basisglas ist jedoch aufgrund der chemischen Stabilität des Glases und der Wetterbeständigkeit begrenzt.

Zur Herstellung einer Linse 12 mit einer großen numerischen Apertur muß daher die Form der Begrenzung des Bereichs mit dem Gradientenindex in geeigneter Weise festgelegt werden.

Es wurden Experimente ausgeführt, deren Ziel es war, die optimale Form des Bereichs mit dem oben beschriebenen Gradientenindex in der Mikrolinsenplatte 10 zu bestimmen, d.h. die Beziehung zwischen der Form der Linse 12 und der effektiven numerischen Apertur herauszufinden. Als Ergebnis dieser Experimente wurde folgendes herausgefunden: Die effektive numerische Apertur der Linse 12 wird ein Maximum, wenn d/a (worin 2a der Durchmesser der Linse 12 und d ihre Dicke bedeuten) einen spezifischen Wert annimmt, der kleiner als 1,0 ist. Die Aberration der Linse 12 wächst an und die effektive numerische Apertur wird kleiner, wenn der Wert des Verhältnisses d/a gegenüber diesem spezifischen Wert anwächst oder kleiner wird.

Wenn die Querschnittsform der Linse 12 durch Ausdehnung der Ionendiffusion sich der Halbkreisform nähert (d.h. d/a=l,0), wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, findet eine positive sphärische Aberration statt, bei der die Position des Brennpunkts 15A eines Lichtstrahls, der in der Nähe der Peripherie der Linse 12 auftrifft, weiter von der Linse 12 entfernt ist als die Position eines Brennpunkts 15B eines Lichtstrahls in der Nähe der optischen Achse. Die effektive numerische Apertur der Linse 12 ist dann verringert.

Wenn der Wert des Verhältnisses d/a abnimmt, d.h. wenn die Abflachung der Querschnitts der Linse 12 zunimmt, wird die Aberration kleiner. Falls jedoch, wie in Fig. 9 dargestellt, die Abflachung zu stark zunimmt, werden auf die Peripherie-

bereiche mit stärkerer Krümmung auftreffende Lichtstrahlen unter größeren Winkeln abgelenkt als Lichtstrahlen, die auf die flachen zentralen Bereiche der Linse 12 innerhalb der Basis 11 auftreffen. Die negative spärische Aberration wächst dann an und die effektive numerische Apertur der Linse 12 wird wiederum kleiner. Wenn im Hinblick darauf die AuBenform der Linse 12 innerhalb der Basis 11 eine gekrümmte Oberfläche besitzt, deren Abflachungsverhältnis d/a innerhalb des Bereichs 0,46 bis 0,78 liegt, ist die Positionsabweichung des Brennpunkts 15 des peripheren Lichtstrahls gegenüber dem Lichtstrahl im Bereich der optischen Achse verengert (Fig. 7) und es IMOt sich eine große effektive numerische Apertur von etwa 0,1 oder mehr erreichen. Das Verhältnis d/a liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 0,69.

Im folgenden sei ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Hikrolinsenplatte gemäß der Erfindung beschrieben:

Die Oberfläche der Basis 11, die beispielsweise eine transparente Glasplatte ist, wird mit einer ionendurchlässigen Schutzmaske 16 abgedeckt (Fig. 10), die aus einem dünnen Metallfilm oder dgl. besteht. In der Schutzmaske 16 werden Ionendiffusionsöffnungen 17 durch irgendein bekanntes Verfahren ausgebildet. Die Form der Öffnungen 17 ist so gewählt, daß sie derjenigen der herzustellenden Linse 12 gleicht, d.h. für eine kreisförmige Linse wird eine kreisförmige Öffnung 17 und für eine lineare Linse eine lineare Öffnung 17 vorgesehen. Diese Öffnungen 17 sind in vorbestimmten Intervallen entsprechend dem Mmuster der Linsen 12 angeordnet.

Die Größe der Öffnungen 17 in der Schutzmaske 16 ist ein wichtiger Faktor, der in Betracht gezogen werden muß. Wenn die Öffnungen 17 zu klein sind, wird der Querschnitt der durch die Ionendiffusion erzeugten Linsen 12 halbkreisförmig und die effektive numerische Apertur der Linsen 12 ist redu-

r >. : - * ι: ν ft

ziert. Wenn die öffnungen 17 in der Schutzmaske 16 hingegen zu groß sind, nimmt die Abflachung des Querschnitts der Linsen 12 zu und die effektive numerische Apertur wird wiederum veringert.
5

Wenn das Verhältnis a/rm (worin rm der Radius der Öffnung 17 in der Schutzmaske 16 bzw. bei einer linearen öffnung deren Breite und a der Radius der zu erzeugenden Linse 12 ist) so gewählt ist, daß es im Bereich von 1,75 bis 4,5 liegt, erhält man eine Linse 12 mit geringer Aberration, mit einem Verhältnis d/a, das in dem Bereich von 0,46 bis 0,78 liegt, sowie eine große effektive numerische Apertur. Wenn das Verhältnis a/rm so gewählt ist, daß es in den Bereich von 1,9 bis 3,3 fällt, erhält man eine Linse 12 mit einer effektiven numerischen Apertur von etwa 0,16 oder mehr.

Die Basis 12 mit der Schutzmaske 16, in der sich die öffnungen 17 mit der oben beschriebenen Größe befinden, wird einer Ionendiffusion unterworfen. Die Ionendiffusion kann durch ein herkömmliches Verfahren erfolgen. So kann beispielsweise die Oberfläche der Basis 11 mit der Schutzmaske 16 in eine Salzschmelze, beispielsweise ein Sulfat oder ein Nitrat eingetaucht werden, das Kationen, z.B. Tl-Ionen, enthält. Wenn die Ionendiffusionstemperatur zu niedrig ist, ist der Diffusionskoeffizient klein und es dauert lange, bis man eine Linse 12 der gewünschten Größe erhält. Wenn die Diffusionstemperatur hingegen zu hoch ist, wird das Basisglas thermisch verformt. Deshalb findet die Ionendiffusion vorzugsweise in einem Temperaturbereich statt, der bei +_ 50⁰C des

3d Ubergangstemperaturpunkts des Glases liegt.

Im vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Glas als Basismaterial verwendet. Das Material der Basis ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Es können auch Quarz, Keramik, Plastik und andere geeignete Materialien verwendet werden. Wenn beispielsweise ein Plastik für eine Mikrolinsenplatte verwendet wird, wird ein Monomer zur Bildung eines

Polymers mit einem relativ niedrigen Brechungsindex partiell polymerisiert, so daß man eine gelartiqe Basis erhält. Diese gelartige Basis wird mit einer Maske abgedeckt, die öffnungen vorbestimmter Größe besitzt. Danach wird ein Monomer, mit dem sich ein Polymer mit relativ hohem Brechungsindex herstellen läßt, in die Basis diffundiert. Die Basis wird erhitzt, um die Polymerisation zu vervollständigen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben:

Beispiel 1

Es wurden fünf Basisteile zubereitet. Jede Basis hatte die Abmessungen 48 mm χ 48 mm χ 2 mm und bestand aus Glas mit einer Zusammensetzung von 60 Mol-SS SiO₂, 4 Mol-So B₂Oj, 15 Mol-SS ZnO, 8 MoI-S K₂O und 13 MoI-S Na₂O.

Nach dem Aufbringen eines 1 lim dicken Ti-Films als ionendurchlässige Schutzmaske auf den Oberflächen dieser GlasbR-sisteile durch Zerstäuben wurden in dem Ti-FiIm unter Verwendung eines Fluorwasserstoff-Ätzmittels durch Photolithographie neun Arten kreisrunder öffnungen gebildet, deren Durchmesser sich in inkrementalen Schritten von 10 lim im Bereich von 20 bis 100 μιη änderten. Die maskenseitigen Oberflächen der Glasbasisteile wurden in Salzschmelzen eingetaucht, die durch Erwärmung einer Mischung aus 60 MoI-S T1₂SO44 und 40 Mol-SS ZnS044 bei 190⁰C hergestellt wurden. Der Ionenaustausch erfolgte über 2 Stunden, 4 Stunden, 8 Stunden, 12,5 Stunden und 17 Stunden.

Nach dem Ionenaustausch wurden die Oberflächen der Basisteile poliert, um die Ti-Filme zu entfernen, und geglättet. Sodann wurden die Eigenschaften der in den Basisteilen ausgebildeten Gradientenindexlinsen gemessen.

Die Ergebnisse für die einzelnen Ionenaustauschzeiten sind in den Tabellen 1 bis 5 wiedergegeben.

te-

Tabelle 1

(Diffusionszeit: 2 Std.)

Durchm. Hask-öffg. ?rm(am)	Durchm. Linse 2a(um)	Apertur- Verhältn a/rm	Abfl.- . Verhälti d/a	Brenn ι. weit f(am	- NAf ) a/f	NAp
100 -	171	1.70	0.41	1700	0.05	0.05
90	1G3	1.78	0.44	1100	0.07	0.06
80	149	1.88	0.47	620	0.12	0.11
70	140	2.0	0.50	389	0.18	0.17
60	132	2.17	0.54	324	0.2	0.19
50	114	2.28	0.56	283	0.2	0.19
40	104	2.60	0.62	274	0.19	0.18
30	94	3.13	0.68	313	0.15	0.14

Tabelle 2

(Diffusionszeit: 4 Std.)

r~ Durchm. Mask-öffq. 2rm(um)	durchm. Linse 2a(um)	Apertur- Verhältn. a/rm	Ab f1. - Verhältn d/a	Brenn- . we i t e f(um)	NAf a/f	^JAp
100	215	2.15	0.53	620	0.17	0.18
90	207	2.30	0.57	555	0.19	0.19
80	195	2.44	0.59	511	0.19	0.20
70	184	2.63	0.62	460	0.20	0.19
60	171	2.85	0.65	425	0.20	0.18
50	160	3.20	0.69	385	0.21	0.16
40	144	3.60	0.72	377	0.19	0.12
30	121	4.03	0.75	372	0.16	0.10
20	102	5.10	0.80	365	0.14	0.07

-μ -

Tabelle 3

(Diffusionszeit: 8 Std.)

Durchm. Hask-öffg. 2rm(um)	Durchm. Linse 2β(μίη)	Apertur- Verhältn. a/rm	Abfl.- Verhältn. d/a	Brenn weite ■f(um)	NAf a/f	!An
100	232	2.32	0.57	567	0.21	0.21
90	221	2.46	0.59	563	0.20	0.20
80	207	2.59	0.61	498	0.21	0.18
70	195	2.79	0.64	487	0.20	0.15
60	184	3.07	0.67	416	0.22	0.15
50	173	3.46	0.71	341	0.25	0.13
40	157	3.93	0.75	290	0.27	0.10
30	137	4.57	0.78	237	0.29	0.10
20	106	5.30	0.81	291	0.18	0.06

Tabelle Δ

(Diffusionszeit: 12,5 Std.)

Durchm. Mask-öffa. ?rm(um)	Durchm. Linse - 2a(um)	Apertur- Verhältn. a/rm	Ahfl.- Verhältn. d/a	Brenn weite f(iim)	NAf a/f	IAp
100	278	2.78	0.64	559	0.25	0.18
90	253	2.81	0.64	497	0.25	0.16
80	243	3.04	0.67	486	0.25	0.16
70	230	3.29	0.70	439	0.26	0.16
60	210	3.50	0.71	421	0.25	0.15
50	200	4.0	0.75	374	0.27	0.13
40	185	4.63	0.78	355	0.26	0.12
30	171	5.70	0.82	353	0.24	0.12
20	67	3.35	0.70	367	0.11	0.11

Tabelle 5

(Diffusionszeit: 17 Std.)

Durchm. Mask-öffg. 2rm (μιη)	Durchm. Linse 2a(nm)	Apertür- Verhältn. a/rm	Abfl.- Verhältn. d/a	Brenn weite f(nm)	NAf a/f	NAp
100	303	3.03	0.67	650	0.23	0.17
90	280	3.11	0.68	561	0.25	0.15
80	270	3.44	0.71	505	0.27	0.15
70	258	3.69	0.73	450	0.29	0.15
60	242	4.03	0.75	429	0.28	0.13
50	210	4.20	0.76	392	0.27	0.13
40	210	5.25	0.81	370	0.28	0.12
30	184	6.13	0.84	516	0.18	0.16

In den Tabellen 1 bis 5 wurde als Brennweite f der Linsen der Abstand zwischen der Oberfläche der Basis und der Position maximaler Helligkeit gemessen, die sich dann ergibt, wenn ein Laserstrahl eines He-Ne-Lasers mit einer Wellenlänge von 633 nm auf diejenige Basisseite gerichtet wurde, auf der sich keine Linse befand.

NAp ist Wert, der sich durch Division des Linsenradius durch die Brennweite ergibt und die numerische Apertur repräsentiert. Diese numerische Apertur ist jedoch nicht in allen Bereichen der Linse wirksam, wenn die Linse eine Aberration besitzt.

Aus diesem Grund wurde, wie in Fig. 11 dargestellt, ein Gittermuster 18 mit einem Gitterintervall von 2 mm in einem Abstand 60 mm vor einer Mikrolinsenplatte 10 aufgestellt.

Das von der Linse 12 der Mikrolinsenplatte 10 erzeugte Bildmuster wurde mit einem 2,5x5-Mikroskop 19 beobachtet.

Wenn die Linse 12 eine Aberration besitzt, tragen nach den Beobachtungsergebnissen die Bereiche der Linse 12, die eine Aberration aufweisen, nicht zur Bilderzeugung bei, so daß

der Bildwinkel reduziert ist. In den Tabellen 1 bis 5 ist der Sinus des halben Winkels der Feldwinkels als effektive numerische Apertur NAp eingetragen. Fig. 12 zeigt ein Diagramm, das die effektive numerische Apertur NAp als Funktion des Abflachungsverhältnisses d/a der Linse 12 darstellt. Man erkennt aus dieser Darstellung, daß die effektive numerische Apertur der Hikrolinsenplatte ein Maximum hat, wenn das Abflachungsverhältnis d/a der Linse 12 etwa 0,58 beträgt. Dies hat seinen Grund darin, daß die sphärische Aberration der Linse 12 vom negativen zum positiven wechselt und die Aberration ein Minimum besitzt, wenn das Verhältnis d/a etwa 0,58 beträgt. Man sieht auch, daß sich eine effektive numerische Apertur von 0,16 oder mehr erreichen läßt, wenn das Verhältnis d/a in dem Bereich von 0,5 bis 0,69 liegt, und daß die effektive numerische Apertur 0,1 oder mehr beträgt, wenn das Verhältnis imBereich von 0,46 bis 0,78 liegt.

Fiq. 13 zeigt die effektive numerische Apertur NAp der Linse 12 als Funktion des Öffnungsverhältnisses der Schutzmaske

2C 16. Das Verhältnis der Durchmessers 2a der Linse 12 zu dem Durchmesser 2rm der Öffnung 17 der Schutzmaske 16 ist auf der Abzissenachse aufgetragen. Man sieht aus diesem Diagramm, daß sich eine effektive numerische Apertur von etwa 0,1 und mehr erreichen läßt, wenn das Verhältnis a/rm in dem Bereich zwischen 1,75 und A,5 liegt und eine effektive numerische Apertur von etwa 0,16 oder mehr, wenn das Verhältnis a/rm in dem Bereich zwischen 1,9 bis 3,3 liegt.

Beispiel 2

Es wurden drei Glasbasisteile der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel 1 präpariert. Nachdem auf den Oberflächen dieser Basisteile Ti-Filme als ionendurchlässige Schutzmasken aufgebracht waren, wurden in diesen Masken öffnungen mit einem Durchmesser von 400 um hergestellt. Zur Herstellung der Mikrolinsenplatten wurden die Basisteile mit den

Schutzmasken in eine Salzschmelze mit einer Temperatur von 49O⁰C für 16 Stunden, 144 Stunden und 576 Stunden eingetaucht.

Für die einzelnen Diffusionszeiten betrugen die Durchmesser 2a der in den Basisteilen ausgebildeten Linsen 0,6 mm, 0,9 mm bzw. 1,6 mm. Die Dicken d der Linsen betrugen 0,1 mm, 0,25 mm bzw. 0,6 mm. Die Brennweiten waren 2,5 mm, 2,25 mm bzw. 6,7 mm. Die durch ein Gittermuster beobachteten effektiven numerischen Aperturen NAp waren 0,12, 0,2 bzw. 0,12.

Die Abflachungsverhältnisse d/a der Linsen betrugen 0,33, 0,56 bzw. 0,75. Die Verhältnisse a/rm der Linsenradien a zu den Radien rm der Maskenöffnungen waren 1,5, 2,25 bzw. 4,0.

Aus den vorstehend aufgeführten Ergebnissen sieht man, daß bei einem Abflachungsverhältnis etwa 0,56 für eine Linse mit einem Durchmesser von etwa 0,9 mm die Aberration verringert und die numerische Apertur NAp maximiert werden kann.

Beispiele 3 bis 8

In diesen Beispielen wurden Basisteile aus Glas mit den in Tabelle 6 aufgeführten Zusammensetzungen präperiert. Als

Rohmaterialien für die betreffennden Zusammensetzungen wurden Silikatpulver, Borsäure, Zinoxyd, Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat, Zirkonia, Aluminiumhydroxyd, Antimonoxyd sowie Arsenanhydrid verwendet. Diese Materialien wurden in 3C vorbestimmten Mengen gemischt und die resultierenden Mischungen wurden in Schmelztiegel gegeben. Zum Schmelzen der Materialien wurde diese Tiegel elektrischen Öfen auf 1250⁰C bis 1500⁰C erhitzt. Danach wurden die Materialien gut verrührt, um homogene Gläser zu erhalten. Sie wurden sodann bei 1000⁰C bis 125O⁰C in Formen gegeben und allmählich abgekühlt, so daß die in Tabelle 6 beschriebenen Gläser erhalten wurden.

Die auf diese Weise präparierten Glasplatten wurden in quadratische Basisteile mit einer Seitenlänge von 50 mm geschnitten und auf eine Dicke von 5 mm poliert. Auf einer Seite der Basisteile wurden Ti-Filme als ionendurchlässige Schutzmasken aufgebracht. In den Ti-Filmen wurden durch ein herkömmliches photolithographisches Verfahren kreisrunde öffnungen erzeugt. Der Durchmesser der öffnungen betrug im Fall des Beispiels 3 etwa 100 μιη. die Glas-Basisteile mit den Filmmasken wurden in eine Salzschmelze getaucht, die aus einer Mischung aus 60 Mol-% Thalliumsulfat (Tl₂SO₄) und 40 MoI-K Zinksulfat (ZnSO^) bestand, um Ionenaustausch herbeizuführen. Die Temperatur der Salzschmelze wurde etwa 10^DC über dem Übergangspunkt der einzelnen Gläser in Tabelle 6 gehalten.

Als Kontrollobjekt wurde ein Basisteil aus optischem Glas BK-7 vorbereitet, wie es üblicherweise als Basisglas für Mikrolinsenplatten verwendet wird, das dann ebenfalls dem oben beschriebenen Ionenaustausch unterworfen wurde. Bei dem IonenaustauschprozeQ in den Beispielen 3, 6 und 7 und bei dem Kontrollobjekt wurde ein elektrisches Gleichspannungsfeld von etwa 30 V zwischen den beiden Oberflächen jedes Basisteils angelegt. Bei den anderen Beispielen wurde kein elektrisches Feld angelegt.

Nach dem Ionenaustausch wurden die Schutzmasken auf den Oberflächen der Basisteile entfernt und die Durchmesser und die numerischen Aperturen der in den Basisteilen ausgebildeten Gradientenindexlinsen gemessen. Die Resultate sind in der unteren Hälfte von Tabelle 6 wiedergegeben.

Die Mikrolinsenplatten in den Beispielen 3 bis 8 besaßen keine entglasten oder korrodierten Stellen auf den Glasoberflächen und waren hochtransparent. Im Gegensatz hierzu besaß das BK-7-Glas des Kontrollobjekts eine dünne trübe Schicht, die durch Korrosion der Glasoberfläche durch die Salzschmelze entstanden war.

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Tabelle 6

Beispiel	3	4	5	6	7	8	Kontrolle (BK-7)
Zusammensetzq	60	60	60	74	66	65	75.0
SiO₂	4	4			8		10.2
B_?0t	10	14	14
ZnO	10	8	10	5	3	8	4.8
KoO	15	13	15	9	11	20	9.6
NaoO	1	1	1
ZrOo				B
CaO				1			0.5
BaO					9
MqO					2	7
AIoOt	1250	1300	1250	1450	1450	1550	1450
Schmelzpunkt	472	490	462	550	542	520	555
Überqanqspkt	1.5296	1.5403	1.5369	1.520	1.513	1.511	1.52
Brech.-Index	0.6	0.2	2.5	0.9	0.8	2.6	0.8
Linsen-»Ef(mm)	0.32	0.20	0.35	0.2	0.18	0.36	0.13
Numerische Apertur	6 Std.	2 Std.	2 Taae	6 Std.	6 Std.	2 Taae	6 Std.
Ionen-Aust. zeit	ja	nein	nein	ja	ja	nein	js
Diffusions- Bedingunqen Elektr.Feld

Man erkennt durch Vergleich des Beispiels 7 mit dem Kontrollobjekt, die jeweils den gleichen Linsendurchmesser haben, daß die Mikrolinsenplatten, bei denen Gläser der Beispiele 3 bis 8 als Basisteile verwendet werden, selbst dann genügend große numerische Aperturen besitzen, wenn die Linsen sehr kleine Durchmesser von 1 mm oder weniger haben.

Die einzelnen Komponenten der Glaszusammensetzungen von Beispiel 3 bis 8 werden im folgenden näher beschrieben. SiOo ist eine Basiskomponente des Glases. Wenn der SiO^- Gehalt kleiner ist als 45?ό, sind die Beständigkeit und die Stabilität des Glases verringert. Wenn der SiO^-Gehalt 80?ή überschreitet, erhöht sich der Schmelzpunkt des Glases und die erforderlichen Mengen der anderen Komponenten können nicht zugegeben werden. Es lassen sich dann keine Linsen mit großer Brechungsindexdifferenz herstellen. Deshalb muß der SiO2~Gehalt im Bereich zwischen 4555 bis 8050, vorzugsweise zwischen 555S und 15%, liegen. B2O3 erlaubt ein leichtes Schmelzen des Glases. Wenn B2O3 jedoch in zu großer Menge zugegeben wird, können sich durch Verdunstung Knoten bilden und bei dem Ionenaustausch kann eine Linsenverformung auftreten. Deshalb muß der B20^-Gehalt im Bereich zwischen 0 und B% gehalten werden.

ZnO erweitert den Verglasungstemperaturbereich, setzt den Schmelzpunkt herab, verbessert den Widerstand gegen das Entglasen sowie die Haltbarkeit und hat geringeren Einfluß auf die Herabsetzung der Ionenaustauschgeschwindigkeit als andere modifizierte Oxyde mit einer Valenz von 2. Wenn der ZnO-Gehalt kleiner als 2SS ist, sind der Widerstand gegen das Entglasen und die Haltbarkeit des Glases gering. Wenn der ZnO-Gehalt 20% übersteigt, ist die Haltbarkeit des Glases wiederum gering. Deshalb muß der ZnO-Gehalt im Bereich zwischen 25S bis 20?i, vorzugsweise zwischen b% und 15?ό, liegen.

ΖΓΟ2 hat einen starken Einfluß auf die Verbesserung der Wetterfestigkeit des Glases. Wenn der ZrO₂-Gehalt jedoch 2% überschreitet, ist es schwierig, das Glas zu schmelzen. Deshalb muß der ZrO₂-Gehalt 0 bis 2% betragen.

AI2O3 dient ebenso wie ΖΓΟ2 zur Verbesserung der Wetterfestigkeit des Glases und der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Salzschmelze beim Ionenaustauschprozeß. Wenn der

. 20.

- yi -

^^ 7% übersteigt, ist das Schmelzverhalten des Glases beeinträchtigt. Deshalb muß der AloOj-Gehalt im Bereich von 0 bis 7%, vorzugsweise von 0 bis 5%, liegen.

CaO, MgO und BaO erweitern den Verglasungstemperaturbereich und verbessern die Wetterfestigkeit des Glases. Diese Bestandteile können in einr Gesamtmenge von 0 bis 10% zugegeben werden.

In den Beispielen 3 bis 8 ist der wichtigste Bestandteil des Glases ein Oxyd eines Alkalimetalls mit einer Valenz von 1, (das in der Folge als f^O bezeichnet wird). Bei einem Verfahren zur Herstellung der Mikrolinsenplatte durch Ionenaustausch werden in dem Basisglas vorhandene Ionen, die eine Valenz von 1 und ein relativ niedriges Elektronenpolarisationsverhältnis haben, und Ionen mit einem hohen Elektronenpolarisationsverhältnis, wie z.B. Tl- oder Ag-Ionen, teilweise ausgetauscht und bilden ein Gradientenindexprofil in dieser Region partiellen Ionenaustauschs. RoO liefert die

2Γ Ionen für den Ionenaustausch. Wenn der FUO-Gehalt kleiner ist als B%, ist die Winkelapertur (β) der Linse so gering, daß sie praktisch nicht verwendbar ist. Wenn der F^O-Gehalt jedoch 35% übersteigt, verringert sich die Haltbarkeit des Glases abrupt. Deshalb muß der gesamte RoO-Gehalt im Bereich von 8?ό bis 35?e, vorzugsweise von 12« bis 25%, liegen. R ist vorzugsweise Li oder Na, so daß die maximale Brechungsindexdifferenz ^n der Linse vergrößert wird. Mit Rücksicht auf die Beanspruchung der Glasstruktur beim Austausch mit Tl-Ionen mit großem Ionenradius sind K und Cs zu bevor-

3ü zügen. Die Glaszusammensetzung für das Basisteil einer Mikrolinsenplatte enthält deshalb wenigstens eine der Substanzen Li und Na und wenigstens eine der Substanzen K und Cs in einer Gesamtmenge, die in dem oben genannten Bereich liegt*

Was die Glaszusammensetzungen der Beispiele 3 bis 8 betrifft, können eine oder mehrere der Substanzen SrO, PbO,

TiOo und Ls20j zusätzlich zu den genannten Komponenten in Gesamtmenge von B% oder weniger hinzugefügt werden. Diese Komponenten können den Veglasungstemperaturbereich erweitern und das Schmelzverhalten des Glases verbessern. Wenn die Komponenten in größeren Menge zugesetzt werden als es dem oben genannten Bereich entspricht, kann der Ionenaustausch nicht gleichmäßig erfolgen.

Die Gläser der Beispiele 3 bis B können ferner 0,5% oder weniger Sb20j oder AS2O3 als Aufheller enthalten, wenn das Glas geschmolzen wird.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Mikrolinsenplatten mit geringer Aberration und großer effektiver numerischer Apertur.

Die Mikrolinsenplatten gemäß der Erfindung lassen sich in zahlreichen Anwendungsfällen, z.B. bei der normalen Bildübertragung, bei der optischen Strahlenfokussierunq und bei der Kollimation optischer Systeme mit Vorteil verwenden.

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Claims

NIPPON SHEET GLASS CO., LTD.

8, 4-chome, Doshomachi, Higashi-ku

Osaka

/ JAPAN

Mikrolinsenplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Patentansprüche?

3. Mikrolinsenplatte (10), bei der Gradientenindexlinsen (12), deren optische Achsen senkrecht ru einer Oberfläche einer transparenten Basis (11) verlaufen und deren Brechungsindexprofil sich in Richtung der optischen Achse und in Richtung senkrecht zur optischen Achse allmählich ändert, einstückig in der transparenten Basis ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis d/a im Bereich von 0,46 bis 0,78 liegt, (wobei d die Dicke der Gradientenindexlinse (12) in Richtung der optischen Achse und 2a der Durchmesser der Gradientenindexlinse (12) an der Oberfläche der transparenten Basis (11) ist).

2. Mikrolinsenplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (11) aus Glas besteht und daß die Gradientenindexlinsen (12) durch Ionendiffusion ausgebildet sind.

BAD ORIGINAL

3. Mikrolinsenplatte (10) nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dafi das Verhältnis d/a der Bedingung

0,5 £ d/a £ 0,69
entspricht.
5

4. Mikrolinsenplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (11) aus einem Glas besteht, das als Hauptkomponenten 45 bis 80 MoI-Si SiO₂> 8 bis 35 MoI-K eines Oxyds eines Alkalimetalls, 2 bis 20 Mol-SS ZnO, 0 bis 8 MoI-Si B₂O₃, 0 bis 7 MoI-K Al₂O-J, 0 bis 2 Mol-5K ZrO₂ und 0 bis 10 MoI-X CaO + BaO + MgO enthält.

5. Verfahren zur Herstellung einer Mikrolinsenplatte (10) durch einstückige Ausbildung von Gradientenindexlinsen (12) in einer transparenten Basis (11), wobei die Gradientenindexlinsen (12) ein Gradientenindexprofil besitzen, das auf einem Konzentrationsgradienten einer Substanz zur Vergrößerung des Brechunqsindex' der transparenten Basis beruht, bei dem man eine Diffusions-Schutzmaske (16) mit vorbestimmten

?F Öffnunoen (17) auf einer Oberfläche der genannten transparenten Basis (11) herstellt und die Substanz durch diese Öffnungen (17) in die transparente Basis (11) diffundieren läßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis a/rm die Bedinguno 1,75 £ a/rm <^ 4,5 erfüllt, (wobei rm der Radius der genannten öffnungen (17) und a der Radius der herzustellenden Gradientenindexlinsen (12) ist).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis a/rm der Bedingung

1,9 _< a/rm < 3, 3

entspricht.

BAD OHIO