JP2001503532A - 四軸分布屈折率レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 それぞれが屈折率勾配に垂直な入射及び出射面（１８，２０）を有する、２つの二軸素子（６６，６８）を含む軸基レンズが提供される。１つの素子（６６）の出射面（２０）はもう１つの素子（６８）の入射面と、素子の１つが残る１つの素子に関してある角度回転して接合される。望ましい実施の形態において、回転角は９０°である。軸基レンズ素子は、最小限の球面収差及びスポットの中心から周縁にかけて実質的に一様な光強度分布をもって集光しスポットを結像する能力を有する。望ましい実施の形態において、レンズ素子は正方形のスポットをつくる。

Description

【発明の詳細な説明】 四軸分布屈折率レンズ 技術分野 本発明は光学素子に関し、さらに詳しくは、軸方向に沿う屈折率勾配を有する 子素子を含むレンズに関する。 技術的背景 結合器はレーザダイオード、発光ダイオード、光ファイバ、あるいはその他の 光源を、光検出素子、光ファイバ、光電子ＩＣ等の集光素子と結合する。 従来の結合器は、（１）均質ガラスレンズあるいは（２）放射勾配屈折率円筒 ガラスすなわちロッドのいずれかを含む。前記均質ガラスレンズは隙間を必要と し、開口数すなわち集光値が小さく、従って結合器に渡される光量は結合レンズ 入射光量より少ない。さらに、均質ガラスレンズは球面収差を補正することがで きず、従ってレンズを非球面としない限り結合効率が低い。最後に、光を十分に 結合するためには多数の単レンズが必要となる。 前記放射勾配屈折率円筒ガラスレンズは平板レンズであって、レンズの出射面 に光を結像し、よって均質ガラスレンズのもつ前記問題の１つを克服する。さら に放射勾配屈折率円筒ガラスレンズはただ１つの光学素子を含み、よって均質ガ ラスレンズのもつ前記問題のもう１つを克服する。しかし前記放射勾配屈折率円 筒ガラスレンズは焦点を小さくすることができず、従って結合能力が低い。結合 能力は前記レンズの出射面を曲面とすることで改善されるが、前記平板であるこ との利点が失われ、結合部に隙間ができてしまう。 動作時に、前記放射勾配屈折率ロッドレンズは入射光を結像し、次いで前記像 はロッドから出射するまでに発散、再結像等を行う。問題は、前記ロッドの直径 方向に光が入射するところが、何が結像するまでの距離であるかを決定すること である。すなわち、中心近傍を通る光線はより外側の、すなわち端を通る、光線 と同じパワー効果を受けるためには、端を通る光線より長くレンズ材を通過しな ければならないため、前記中心近傍を通る光線は端を通る（中心から最も遠い） 光線とは異なる位置に結像することになる。第１の結像領域では、光線の広がり は距離がもっと長い場合に比べてひどくはないが、スポットサイズはまだかなり 大きい。スポットサイズが大きくなるのは球面収差のためであり、補正するため には、出射面を曲面にするかあるいはレンズ素子を少なくとも１つ追加しなけれ ばならない。 二軸レンズとして知られる勾配屈折率光学素子が、１９９５年３月８日に出願 された米国特許出願第０８／４００，８０４号に開示されている。前記二軸レン ズは光学材料で形成され、平面―平面の入射及び出射面とその間の光軸を有する 。前記光学材料は前記光軸を含む中心面内で屈折率が対称的に変化し、前記中心 面に平行な方向では屈折率は実質的に一定である。 前記二軸レンズは第１の面から第２の面にかけて屈折率勾配を有し、両面は前 記入射及び出射面に垂直である子素子をまず形成することにより作成される。前 記子素子の表面は全て平面である。子素子は例えば屈折率が低い値（Ｌ）から始 まり高い値（Ｈ）で終端する分布を有する。前記２つの子素子は、低屈折率面あ るいは高屈折率面どうしが接合されて、それぞれ高−低−高（Ｈ−Ｌ−Ｈ）構成 あるいは低−高−低（Ｌ−Ｈ−Ｌ）構成とされる。このような二軸レンズは円筒 レンズの代わりに用いられ、線結像を形成する。 従って、光を集めてスポットに結像する能力を有し、最小限の球面収差及び前 記スポットの中心から周縁にかけて実質的に一様な光強度分布を有する、レンズ 素子が必要とされる。特に、正方形のスポットが必要とされる。 発明の開示 本発明に従えば、屈折率の勾配に垂直な入射及び出射面をそれぞれが有する、 ２つの二軸素子を含む軸基レンズが提供される。前記素子の内の１つの出射面は もう１つの素子の入射面と、素子の１つが他の１つに対してある角度回転されて 、接合される。望ましい実施の形態において、前記回転角は９０°である。従っ て前記軸基レンズは4つの軸性子素子を含み、本明細書では“四軸”レンズと称 される。 本発明の軸基レンズ素子は、光を集めスポットに結像する能力を有し、最小限 の球面収差及び前記スポットの中心から周縁にかけて実質的に一様な光強度分布 を有する。望ましい実施の形態において、前記レンズ素子は正方形のスポットを つくりだす。 本発明のその他の目的、特徴及び利点は以下の詳細な説明及び、全図を通して 同じ参照符号は同じ要素を示す、添付図面の考察により明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 本説明で参照される図面は、特に示されない限り、比例尺で描かれたものでな いことは当然である。 図１ａは、前述したタイプの屈折率変化を有する従来の軸勾配屈折率レンズを 描いている。 図１ｂは、図１ａに示した軸勾配屈折率レンズの屈折率分布の適例を示す、屈 折率と厚さを座標にとったグラフである。 図２ａは、それぞれの高屈折率面を接合した２つの軸性レンズ素子を含む従来 の二軸勾配屈折率レンズを描いている。 図２ｂは、図２ａに示した二軸勾配屈折率レンズの屈折率分布の適例を示す、 屈折率と厚さを座標にとったグラフである。 図２ｃは、それぞれの低屈折率面を接合した２つの軸性レンズ素子を含む従来 の二軸勾配屈折率レンズを描いている。 図３ａは、互いに９０°回転させて端面と端面を接合した２つの二軸勾配屈折 率素子を含む、本発明の四軸勾配屈折率結合器素子の立体側面図である。 図３ｂは、図３ａに示した四軸勾配屈折率結合器素子の上面図である。 図３ｃは、得られる線結像を描いた、第１の二軸勾配屈折率素子の端面図であ る。 図３ｄは、平表面の使用により得られる正方形の結像スポットを描いた、図３ ａ及び３ｂに示した四軸勾配屈折率結合器素子の端面像である。 図４ａは、一つに接合して本発明の四軸勾配屈折率光学素子を形成する前の、 ２つの二軸勾配屈折率結合器素子の方位を描いた透視図である。 図４ｂは、図４ａに示した２つの二軸勾配屈折率結合器素子を一つに接合した 後の四軸勾配屈折率光学素子の透視図である。 図５ａは、楕円形、より特定すれば円形のスポットをつくりだすための曲出射 面を有する本発明の四軸レンズを描いている。 図５ｂは、図５ａに示した四軸勾配屈折率光学素子の、前記曲出射面の使用に より得られる円形スポットを描いた端面像である。 発明を実施する最良の形態 ここで本発明のある特定の実施の形態を詳細に説明する。この実施の形態は、 本発明を実施するために発明者等により現在考えられている最良の形態を示す。 別の実施の形態についても、適用が可能なように簡単に説明する。 従来ＧＲＩＮレンズと称されることもある軸勾配屈折率レンズは、アナログル ンズ列の機能を提供する、前もって設計された屈折率変動を内部に有する平面ガ ラス板である。例えば“オプティックス・アンド・フォトニクス・ニューズ（Ｏ ｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｎｅｗｓ）”誌、１９９５年３月号 、４４〜４７ページのピー・ケー・マンハート（Ｐ．Ｋ．Ｍａｎｈａｒｔ）を参 照されたい。米国ニューメキシコ州アルバカーキー（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ） のライトパス・テクノロジーズ社（ＬｉｇｈｔＰａｔｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉ ｅｓ，Ｉｎｃ．）から入手が可能な独特の軸勾配屈折率レンズ製造技術は、画像 工業界に革新をもたらし始めている。前記レンズはＧＲＡＮＤＩＵＭという商標 で入手が可能である。 軸性ＧＲＩＮレンズブランクの製造方法は、別のところで説明されている。例 えば米国特許第４，９２９，０６５号及び米国ニューヨーク州ロチェスター（Ｒ ｏｃｈｅｓｔｅｒ）で１９９４年６月７〜８日に開催された「勾配屈折率光学シ ステムートピカル・ミーティング」におけるジャオジー・ジェイ・ズー（Ｘｉａ ｏｊｉｅ Ｊ．Ｘｕ）等の“大域的軸勾配屈折率レンズの作成”を参照されたい 。上記資料は、それぞれが相異なる組成を有する複数のガラス板を重ね次いで十 分高温で融着して前記組成の元素を相互拡散させ、よって単一のガラス体を形成 するというガラス板積層法を開示している、線形、放物線形、二次曲線形、三次 曲線形等のいずれかの特定の屈折率分布は、前記それぞれのガラス板の厚さ及び 屈折率（組成）を制御することにより得られる。従って所望の分布は、前記特許 に教示されるように、板厚及び屈折率の計算により作成される。 別の手法では、前記レンズブランクの作成にガラスフリットが使われる。この 場合所望の分布は、特定の屈折率（組成）を有するフリットの重量に基づいてつ くられる。特定のガラス組成の密度がわかれば、板厚を重量に換算できる。本手 法は、本出願と同じ譲受人に譲渡され、１９９５年５月１５日に出願された米国 特許出願第０８／４４１，２７５号の主題である。 前記ガラス板あるいはガラスフリットをある時間十分高温で加熱することによ り形成される単一のガラス体、すなわちブールは、次いで芯残しドリル加工され て複数のガラスブランクとなり、前記ガラスブランクは次いで研磨されてレンズ になる。平面、凹面及び凸面、及びこれらの組合せを含む、多様なレンズ面が形 成される。 図１ａ及び１ｂは、（断面を横切る）軸１１６に沿った屈折率変化を図示して いる。図１ａに示すように、ガラスブランク１１０は低屈折率面１１２及び高屈 折率面１１４を有する。ブランク１１０の面１１２は前記積層中で屈折率が最も 低い材料でつくられ、一方対向面１１４は屈折率が最も高い材料でつくられる。 屈折率は、前述した方法のどれかに従って、２つの面１１２，１１４の間で変化 する。前記分布は放物線形であることが望ましい。分布の例が図１ｂに描かれ、 これは半−放物線１１８である。 次の工程はガラスブランク１１０の低屈折率面１１２及び高屈折率面１１４を 注意して向きを合わせて研磨することである。屈折率勾配分布のような光学特性 も通常この工程で測定される。 次いで、ブランク１１０は等屈折率面に垂直に切断されて、それぞれが同じ寸 法を有する２片に分けられる。前記二軸素子を作成するためには、高屈折率面１ １４あるいは低屈折率面１１２のいずれかを接触させて、前記２片を接合する。 しかし前記表面を接合する前に、前記接触面を研磨して若干凹面にすることが望 ましい。約４ｃｍ²の表面に対して緑色光を用いてオプチティカルフラット上で １０本のリングか示される湾曲度が本目的を満足することがわかっている。前記 表面研磨後、付着無機物を除去するために超音波槽でメタノール中１０分の洗浄 と蒸留水によるリンスを行い、その後一つに合わせて加熱し、互いに融着させる 。あるいは、適切に整合する屈折率を有する光学接着剤を用いて前記２面を接合 することもできる。 勾配屈折率円筒レンズ１４０は、前記レンズの光軸１５２に対して直交する１ つの軸１５０に沿ってのみ屈折率分布を有する。レンズ１２０は平坦な前面及び 後面１４２及び１４４を有し、光を２次元像１４６から線１４８に結像する円筒 レンズとして作用する。 高屈折率面１１４を接合すれば、得られるブロック１２０は高屈折率をもつ材 料の中央帯１２２を有する。屈折率は、中央帯１２２からブロック１２０の両端 １２４に向かって減少する。得られるブロック１２０の幅方向の屈折率分布は図 ２ｂの曲線１２６で表わされる。曲線１２６は予想されるように、図１ｂに示し た曲線１１８を２つ組み合せたものである。ブロック１２０が光を図２ａの線１ ４８のような線に結像する軸勾配屈折率円筒レンズとして作用するためには、屈 折率分布の曲線１２６が実質的に二次曲線あるいは放物線でなければならない。 しかし、その他の用途に対してはその他の分布形状も用いることができる。 低屈折率面１１２を接合すれば、図２ｃに表わされる光学材料のブロックすな わちレンズブランク１３０が得られる。本レンズブランク１３０では、上述した ばかりの状況とは逆に、中央帯１３２の屈折率が最も低く、一方外縁１３４の屈 折率が最も高い。得られる屈折率分布は図１ｂの曲線１１８を２つ組み合せたも のであるが、高屈折率面１１４を接合した場合とは逆になる。目的とする応用に より、前記分布は二次曲線形あるいは放物線である。 ここで図３ａ〜ｄ及び図４ａ〜ｂに移る。四軸勾配屈折率光学結合器１０は、 平入射面１８及び平出射面２０並びに前記面間の光軸２２を有する四軸勾配屈折 率素子を含む単素子である。前記四軸勾配屈折率素子は２つの二軸勾配屈折率子 素子６６，６８を含む。各子素子６６，６８はそれぞれ２つの、屈折率が１つの 面の低い値（Ｌ）に始まり対向面の高い値（Ｈ）で終端する、軸勾配屈折率孫素 子５６，５８及び１５６，１５８を含む。２つの孫素子５６，５８及び１５６， １５８は屈折率が高い面で接合され、前記接合面は入射及び出射面１８，２０に 垂直である。２つの二軸勾配屈折率子素子６６，６８は、１つの子素子がもう１ つの子素子に関して前記光軸のまわりに９０°回転されて、１つの子素子６６の 出射面２０’ともう１つの子素子６８の入射面１８’とで接合される。２つの子 素子６６，６８の接合の詳細を、図４ａ（接合前）及び４ｂ（接合後）に示す。 第１の子素子６６を通過する光は、図３ｃに示すように、定まった幅を有する 線７０に結像する。線７０は第２の子素子６８を通過した後、図３ｄに示すよう に、一辺が前記線の幅に等しい正方形７２に結像する。従って光源１２からの出 力は、ｘ及びｙ軸に関して対称となる。 図５ａは、凸球面出射面２０”を備えた四軸レンズを描いている。このような 出射面は、図５ｂに示すように、結像スポット７２を円に変える。 上述した本発明の実施の形態のいずれにおいても、望ましい分布は放物線形分 布であると考えられる。前記放物線形分布は平入射面が凹入射面であるかのよう に作用するので望ましい。用いられるΔｎは、Δｎを小さくするほどレンズの全 体寸法を大きくしなければならないことだけに注意して、妥当ないかなる値をと ってもよい。 非常に重要な付加的特徴のなかに、軸勾配屈折率素子の表面あるいは前記素子 間の面に光学回折面を置くことによる、上述のレンズ構成の前記光軸に沿った色 収差を補正する自由度の追加、及び／または上記レンズを通過する光の結像位置 及び／または平行光線化方向の追加がある。このようなレンズは、ある与えられ た面の上のエポキシ材でできた回折素子を置き、次いでこれを前記エポキシ材と は屈折率がかなり異なる光学接着剤がついた二軸勾配屈折率素子のもう１つの軸 勾配屈折率素子に接着することで形成できた。 上記レンズにより、上述の回折及び／またはホログラフィック光学素子の使用 により可能となると同様に、同調可能レーザと光路差（ＯＰＤ）を変えることな く結合することができ、また２つの光源から同時に２つまたはそれ以上の方向： （ａ）前記光軸方向；（ｂ）光軸に対して９０°方向；及び（ｃ）光軸に対して ４５°方向に結像させる能力を与えることができる。 さらに、特定の波長の光信号を通過させる機能あるいは焦点切換機能を与える ために、屈折率を変調できる能動材料を上に開示したレンズに付加してもよい。 工業的適用可能性 前記四軸勾配屈折率光学素子は、大開口数及びほぼ一様な光強度分布が望まれ 、曲面は望まれない、隙間の有無に関わらない集光、結像、平行光線化及び光結 合に関する多様な応用分野に用途を見いだすと期待される。 以上、四軸レンズを開示した。特徴がが明らかな種々の変更及び変形がなされ 得ることは当業者には容易に理解されるであろうし、そのような変更及び変形は 全て、添付請求の範囲で定められる本発明の範囲に入るものと見なされる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．四軸レンズにおいて、前記四軸レンズは接合された第１の二軸素子及び第２ の二軸素子を含み、前記二軸素子のそれぞれは光軸に垂直な入射及び出射面を 有し、前記第１の二軸素子の前記出射面は前記第２の二軸素子の前記入射面に 前記２つの二軸素子の内の１つが残る１つに関して回転して接合され、前記第 １の二軸素子はその出射面に線を結像するように構成され、前記第２の二軸素 子はその出射面にスポットを結像するように構成され、よって前記四軸レンズ が最小限の球面収差及び前記スポットの中心から周縁にかけて実質的に一様な 光強度分布をもって集光し前記スポットを結像することを特徴とする四軸レン ズ。 ２．前記光軸が屈折率勾配に垂直であることを特徴とする請求の範囲第１項記載 の四軸レンズ。 ３．前記第１の二軸素子が前記第２の二軸素子に関して９０°回転していること を特徴とする請求の範囲第１項記載の四軸レンズ。 ４．前記出射面が平面であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の四軸レン ズ。 ５．前記第１の二軸素子が第１のΔｎを有し、前記第２の二軸素子が、前記第１ のΔｎとは異なる、第２のΔｎを有し、前記スポットが長方形であることを特 徴とする請求の範囲第４項記載の四軸レンズ。 ６．前記第１及び第二のΔｎが等しく、前記スポットが正方形であることを特徴 とする請求の範囲第５項記載の四軸レンズ。 ７．前記出射面が曲面であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の四軸レン ズ。 ８．前記第１の二軸素子が第１のΔｎを有し、前記第２の二軸素子が、前記第１ のΔｎとは異なる、第２のΔｎを有し、前記スポットが楕円形であることを特 徴とする請求の範囲第７項記載の四軸レンズ。 ９．前記第１及び第二のΔｎが等しく、前記スポットが円形であることを特徴と する請求の範囲第８項記載の四軸レンズ。