JP2004191907A

JP2004191907A - Flat plate lens

Info

Publication number: JP2004191907A
Application number: JP2003043795A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tsuda; 正宏津田; Narikazu Yoshii; 成和吉井; Koichi Sakaguchi; 浩一坂口
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flat plate lens, having a large numerical aperture by making Ag diffuse as an ingredient for increasing the refraction index to a glass substrate which contains Li and is superior in chemical durability, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The flat plate lens is formed by diffusing a refraction index-increasing component inside the substrate of the flat plate into a hemispherical shape or a semi cylindrical shape by ion exchange method, wherein the refraction index increasing component is Ag, and the glass substrate contains at least Li as a alkaline metal component to be ion exchanged with Ag. Furthermore, when a radial distance r, a distance from the center of the hemispherical shape or of the semicylindrical shape and the refraction index n are considered as coordinate axes of an orthogonal coordinates, wherein the distribution curve of the refraction index n regarding the distance r is made into a convex shape directed toward the positive direction of the refraction index n axis. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理等の分野で利用される平板レンズ、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信における通信容量や情報処理における処理情報量の増大に対処するため、光の並列性の利用は極めて有効な手段として注目されている。光の並列性を利用するためには、光源や光検出器はもとより、光伝達手段である光ファイバも複数アレイ化するのが望ましい。併せて、光の結合手段であるレンズ等もアレイ化する必要がある。
【０００３】
透明な平板状基板に多数の微小レンズを作り込んだ平板レンズアレイは、アレイ化したレンズとして優れた特徴をもっている。このような平板レンズアレイは、フォトリソグラフィー技術を用いて作製されている。このため、直径が１ｍｍ以下の微小レンズを容易に作製でき、かつレンズの配列精度が高い。したがって他のアレイ状光学要素との光軸合わせが容易で、並列光伝送や情報処理に適している。
【０００４】
平板レンズアレイの代表的な製造方法は、例えば特開昭６１−２０１６３９号公報などに開示されている。すなわち、ガラス基板にイオン透過防止マスクとして金属チタン膜を施し、このチタン膜に通常のフォトリソグラフィー技術を用いて円形のイオン透過用開口部を設ける。このマスキングを施したガラス基板を硝酸塩混合溶融塩中に浸漬し、ガラス基板中のアルカリ金属イオンと溶融塩中のタリウム（Ｔｌ）イオンや銀（Ａｇ）イオンなどのガラスの屈折率を増大させる成分とをイオン交換させる。ガラス基板中には、ほぼ半球状に拡散したイオンの濃度分布に応じた屈折率分布が形成され、これがレンズとして作用する。
【０００５】
また、特開昭６１−２６５３５号公報や特開昭６１−１３２５４１号公報には、屈折率分布型レンズに関して、以下のような内容が記載されている。
すなわち、これら公報の実施例では、Ｐ_２Ｏ_５，Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３などを含むガラス板と、硝酸銀＋硝酸カリウムからなる溶融塩の間で、イオン交換することが示されている。さらに、屈折率分布領域内の屈折率分布を示す分布曲線図において、その形状が上に凸形状となっていることが示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−２０１６３９号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２６５３５号公報
【特許文献３】
特開昭６１−１３２５４１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、屈折率増大成分としてＴｌを使用する場合、レンズの開口数を大きくすることができるが、ガラス基板中におけるＴｌイオンの拡散速度が小さいため、例えば直径が１００μｍ以上のレンズを作製するのに長時間を要するという問題がある。
【０００８】
また、上述した特開昭６１−２６５３５号公報や特開昭６１−１３２５４１号公報に開示された技術は、リン酸塩ガラスにおけるＮａイオンやＫイオンと、Ａｇイオンの間のイオン交換処理に関するものであった。
【０００９】
屈折率増大成分としてＡｇを使用する場合、ガラス基板中におけるＡｇイオンの拡散速度が大きいので、直径が１００μｍ以上のレンズを容易に作製することができる。
【００１０】
しかし、特開昭６１−２６５３５号公報や特開昭６１−１３２５４１号公報では、母ガラスとして（重量％で）、Ｐ_２Ｏ_５を約４８％、Ｎａ_２Ｏを約２０％、Ｋ_２Ｏを約９％含むリン酸塩ガラスを用いている。このガラスは、骨格成分がリン酸であり、さらにアルカリを多量に含むので、化学的耐久性に乏しいという、不具合点があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、化学的耐久性に優れＬｉを含有するガラス基板に、屈折率増大成分としてＡｇを拡散させることによって、大きな開口数を有する平板レンズ、およびその製造方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、屈折率増大成分を略半球状に拡散させた半球状の平板レンズ、または略半円柱状に拡散させた半円柱状（レンチキュラー）平板レンズを対象としている。この平板レンズにおいて、屈折率増大成分をＡｇとし、Ａｇとイオン交換されるアルカリ金属成分として、ガラス基板には少なくともＬｉが含有されることを特徴とする。
【００１３】
屈折率増大成分としてＡｇを用いる場合、Ａｇとイオン交換される元素のイオン半径と、Ａｇのイオン半径との違いが大きくなるにしたがって、Ａｇの長距離の拡散が抑制される。その結果、屈折率の分布曲線が、屈折率ｎ軸の正のの方向に凸形状となる。
【００１４】
ただし、イオン交換に関わるイオンの半径以外の因子も、Ａｇの拡散状態に影響を与える。例えば、ガラスの化学結合状態である。ガラス骨格構造を形成する元素とＡｇとの相互作用が大きいほど、Ａｇの拡散が抑制される。
【００１５】
本発明による平板レンズにおいて、屈折率の分布曲線を屈折率ｎ軸の正の方向に凸形状となるようにすると、以下の理由から、レンズの開口数を大きくすることができる。
【００１６】
すなわち、平板レンズの屈折率分布領域において、屈折率の分布曲線が屈折率ｎ軸の正の方向に凸形状であれば、ある拡散長における屈折率が、「直線状」分布よりも大きい。つまり、その拡散長における光の屈折力が大きくなり、レンズの焦点距離を短くすることができる。その結果、レンズの開口数を大きくすることができる。なお、本発明の平板レンズにおいて、開口数が０．１程度であれば、十分実用的であり大きな開口数である。
【００１７】
すなわち、本発明の第１形態である平板レンズは、請求項１に記載の発明として、
平板状ガラス基板内にイオン交換法により屈折率増大成分を略半球状または略半円柱状に拡散させることにより屈折率分布が形成された平板レンズにおいて、前記屈折率増大成分がＡｇであり、前記Ａｇとイオン交換されるアルカリ金属成分として前記ガラス基板には少なくともＬｉが含有されることを特徴とする平板レンズである。
【００１８】
請求項２に記載の発明として、
前記半球または半円柱の中心から半径方向の距離ｒと、該距離ｒにおける屈折率ｎを座標軸とする直交座標を考えたとき、距離ｒに対する屈折率ｎの分布曲線が、前記屈折率ｎ軸の正の方向に凸形状である請求項１に記載の平板レンズである。
【００１９】
請求項３に記載の発明として、
前記平板レンズにおける屈折率分布を、屈折率ｎを前記半球の中心から半径方向の距離ｒの関数ｎ（ｒ）で表したとき、前記関数ｎ（ｒ）の２次導関数ｎ’’（ｒ）が負または０である請求項１に記載の平板レンズである。
【００２０】
請求項４に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項１〜３いずれか１項に記載の平板レンズである。
０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
０≦ Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００２１】
請求項５に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項１〜３いずれか１項に記載の平板レンズである。
３０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ６０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００２２】
請求項６に記載の発明として、
請求項５に記載の平板レンズにおいて、
前記ガラス基板のＢ_２Ｏ_３が、
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ２５
である平板レンズである。
【００２３】
請求項７に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して、下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項１〜３いずれか１項に記載の平板レンズである。
０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ６０
３０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００２４】
また本発明の第２形態である平板レンズの製造方法は、請求項８に記載の発明として、
平板状ガラス基板に、イオン交換法により屈折率増大成分を略半球状または略半円柱状に拡散して屈折率分布を形成する平板レンズの製造方法において、
前記屈折率増大成分をＡｇとし、前記Ａｇとイオン交換されるアルカリ金属成分として前記ガラス基板に少なくともＬｉを含有させたことを特徴とする平板レンズの製造方法である。
【００２５】
請求項９に記載の発明として、
前記半球または半円柱の中心から半径方向の距離ｒと、該距離ｒにおける屈折率ｎを座標軸とする直交座標を考えたとき、距離ｒに対する屈折率ｎの分布曲線が、前記屈折率ｎ軸の正の方向に凸形状となるようにした請求項８に記載の平板レンズの製造方法である。
【００２６】
請求項１０に記載の発明として、
前記平板レンズにおける屈折率分布を、屈折率ｎを前記半球の中心から半径方向の距離ｒの関数ｎ（ｒ）で表したとき、前記関数ｎ（ｒ）の２次導関数ｎ’’（ｒ）が負または０となるようにした請求項８に記載の平板レンズの製造方法である。
【００２７】
請求項１１に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項８〜１０いずれか１項に記載の平板レンズの製造方法である。
０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
０≦ Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００２８】
請求項１２に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項８〜１０いずれか１項に記載の平板レンズの製造方法である。
３０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ６０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００２９】
請求項１３に記載の発明として、
請求項１２に記載の平板レンズの製造方法において、
前記ガラス基板のＢ_２Ｏ_３が、
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ２５
である平板レンズの製造方法である。
【００３０】
請求項１４に記載の発明として、
前記ガラス基板が、モル％で表して、下記の濃度範囲の成分を含んでなる請求項８〜１０いずれか１項に記載の平板レンズの製造方法である。
０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ６０
３０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ ≦ ４５
０≦ Ｎａ_２Ｏ ≦ ２０
０≦ ＭｇＯ ≦ ３０
０≦ ＣａＯ ≦ ３０
０≦ ＳｒＯ ≦ ３０
０≦ ＢａＯ ≦ ３０
０≦ ＺｒＯ_２ ≦ ３０
０≦ Ｙ_２Ｏ_３ ≦ ３０
０≦ Ｌａ_２Ｏ_３ ≦ ２０
０≦ Ａｌ_２Ｏ_３ ≦ ４０
０≦ Ｓｍ_２Ｏ_３ ≦ ２０
ただし、
３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５
【００３１】
上述した濃度範囲において、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を次の範囲とすることがより望ましい。
３０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ６０
このように、ＳｉＯ_２を必須成分とし、Ｂ_２Ｏ_３を適量加えることにより、ガラスの化学的耐久性を向上させることができる。
【００３２】
また次の範囲とすることがさらに望ましい。
３０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０
０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ２５
このような範囲とすることにより、ガラスの化学的耐久性をさらに向上させることができる。
【００３３】
あるいは、ＳｉＯ_２を必須成分とせず、Ｂ_２Ｏ_３を必須成分とした次の範囲としてもよい。
０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ６０
３０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０
Ｂ_２Ｏ_３を必須成分とした上記の組成範囲では、レンズ光学特性のうち波面収差を小さくすることができる。
【００３４】
このように、少なくともＬｉを含有させたガラス基板に対して、マスクの円形開口や直線開口を通してＡｇをイオン交換すると、例えば１００μｍ以上のレンズ直径を有する平板レンズを容易に得ることができる。
さらに、半球または半円柱の中心から半径方向の距離ｒと、該距離ｒにおける屈折率ｎを座標軸とする直交座標を考えたとき、距離ｒに対する屈折率ｎの分布曲線が、屈折率ｎ軸の正の方向に凸形状となり、開口数の大きな平板レンズを得ることができる。
【００３５】
なお、請求項４や１１に記載の発明では、リン酸をガラス骨格成分として用いる場合がある。本発明では、Ａｇとイオン交換するアルカリ金属としてＬｉを含ませている。このため、同じレンズ性能を得るために必要なアルカリ金属の総量を抑えることができるので、リン酸をガラス骨格成分として用いても、化学的耐久性が極端に劣ることはない。
【００３６】
これに対して、上述の特開昭６１−２６５３５号公報や特開昭６１−１３２５４１号公報では、リン酸塩ガラスにおいて、Ａｇとイオン交換するアルカリ金属として、ＮａとＫを含ませている。このため、レンズ性能を得るために必要なアルカリ金属の総量が多いので、化学的耐久性が劣ってしまう。
【００３７】
本発明における母材ガラスの組成の好ましい範囲は、以下のようである。
ガラスの骨格成分は、０≦ ＳｉＯ_２ ≦ ８０（単位：ｍｏｌ％、以下同じ）、０≦ Ｂ_２Ｏ_３ ≦ ８０、０≦ Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０の範囲にあり、これらの成分の総和は、３０≦ ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ｐ_２Ｏ_５ ≦ ８０の範囲とする。
また、アルカリ金属酸化物は、３≦Ｌｉ_２Ｏ≦４５％、０≦Ｎａ_２Ｏ≦２０％の範囲にあり、その総和は、３≦ Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ ≦ ６５の範囲とする。
さらに網目修飾酸化物、その他の成分は、０≦ＭｇＯ≦３０％、０≦ＣａＯ≦３０％、０≦ＳｒＯ≦３０％、０≦ＢａＯ≦３０％、０≦ＺｒＯ_２≦３０％、０≦Ｙ_２Ｏ_３≦３０％、０≦Ｌａ_２Ｏ_３≦２０、０≦Ａｌ_２Ｏ_３≦４０％、０≦Ｓｍ_２Ｏ_３≦２０％の範囲とする。
【００３８】
以下に、これらガラス組成の各成分の濃度範囲について詳述する。
（Ｌｉ_２Ｏ）
「上に凸形状」の特徴ある屈折率分布を形成するには、銀イオンと置換されるアルカリイオンとしてＬｉイオンを含むことが必須である。屈折率分布やＡｇ濃度分布が「上に凸形状」とすれば、開口数（ＮＡ）を大きくすることができる。
Ｌｉ_２Ｏ濃度が２％未満では、本発明の特徴である屈折率分布を「上に凸形状」とする程度が小さく、一方５０％を超えると冷却固化の際に失透がおこりガラスが形成されなくなる。このためＬｉ_２Ｏ濃度は、３〜４５％の範囲内とすることが必要であり、好ましくは６〜４０％、より好ましくは８〜３５％とする。
【００３９】
（Ｎａ_２Ｏ）
Ｎａ_２Ｏを添加することでガラスの均質化を促進し、また開口数を上昇させることができる。しかしＮａ_２Ｏ濃度が、２５％を超えて増加するにつれ、屈折率分布を「上に凸形状」とする程度が小さいので、開口数が低下する。このためＮａ_２Ｏ濃度は、２０％以下とすることが必要であり、好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下とする。
【００４０】
ただし、Ａｇイオンと交換されるアルカリ金属酸化物の合計濃度が３％未満では、レンズの開口数が小さくなって実用的でなく、一方６５％を超えるとガラスの耐久性が急激に悪化する。このため、アルカリ金属酸化物の合計濃度は、３〜６５％の範囲内とすることが必要であり、好ましくは６〜５５％、より好ましくは８〜４５％とする。
【００４１】
（ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５）
ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５はガラスの骨格となる成分である。この三成分の総和濃度が２５％未満ではガラスの耐久性、安定性が損なわれ、一方８５％を超えると溶融温度が上昇し、また他の構成成分の必要量が確保されず大きな屈折率差をもつレンズが得られなくなる。このため三成分の総和濃度は、３０〜８０％の範囲内とすることが必要であり、好ましくは３５〜７５％、より好ましくは４０〜７０％とする。
【００４２】
（ＳｉＯ_２）
ＳｉＯ_２はガラスの骨格となる成分であり、この成分の濃度が８５％を超えると溶融温度が上昇し、また他の構成成分の必要量が確保されず大きな屈折率差をもつレンズが得られなくなる。このため、ＳｉＯ_２含有量の範囲は８０％以下とし、好ましくは６０％以下とする。
【００４３】
（Ｂ_２Ｏ_３）
Ｂ_２Ｏ_３はガラスの骨格となる成分であり、この成分の濃度が８５％を超えるとガラスの耐久性、安定性が損なわれる。このため、Ｂ_２Ｏ_３含有量の範囲は８０％以下とし、好ましくは６０％以下とする。
【００４４】
（Ｐ_２Ｏ_５）
Ｐ_２Ｏ_５はガラスの骨格となる成分であり、この成分の濃度が８５％を超えるとガラスの耐久性、安定性が損なわれる。このため、Ｐ_２Ｏ_５含有量の範囲は８０％以下とし、好ましくは６０％以下とする。
【００４５】
（ＭｇＯ）
ＭｇＯはガラス中において網目修飾酸化物としてはたらき、ガラスの溶融を速め溶解性を高める任意成分である。ＭｇＯの含有率が高いほどこれらの機能はより発揮されるが、３５％を超えるとガラス融液の粘度が必要以上に低下し、冷却固化の際に失透がおこりガラスが形成されなくなる。このため、ＭｇＯは３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは２２％以下、より好ましくは１０％以下とする。
【００４６】
（ＣａＯ）
ＣａＯはバッチの溶解性を高める任意成分であるが、３５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、ＣａＯは３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは１９％以下、より好ましくは８％以下とする。
【００４７】
（ＳｒＯ）
ＳｒＯはバッチの溶解性を高める任意成分であるが、３５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、ＳｒＯは３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは２１％以下、より好ましくは１２％以下とする。
【００４８】
（ＢａＯ）
ＢａＯはガラスの屈折率や分散を変化させる効果が極めて大きいが、３５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、ＢａＯは３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは２０％以下、より好ましくは１０％以下とする。
【００４９】
（ＺｒＯ_２）
ＺｒＯ_２はガラスの耐侯性を向上させる効果が極めて大きいが、３５％を超えると不溶解を生じやすくなる。このため、ＺｒＯ_２は３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは２１％以下、より好ましくは１２％以下とする。
【００５０】
（Ｙ_２Ｏ_３）
Ｙ_２Ｏ_３はガラスの屈折率や分散を変化させる効果が極めて大きいが、３５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、Ｙ_２Ｏ_３は３０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは１９％以下、より好ましくは８％以下とする。
【００５１】
（Ｌａ_２Ｏ_３）
Ｌａ_２Ｏ_３はガラスの屈折率や分散を変化させる効果が極めて大きいが、２５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、Ｌａ_２Ｏ_３は２０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは１４％以下、より好ましくは８％以下とする。
【００５２】
（Ａｌ_２Ｏ_３）
Ａｌ_２Ｏ_３はガラスの耐候性を向上させる効果が極めて大きいが、４５％を超えると不溶解を生じやすくなる。このため、Ａｌ_２Ｏ_３は４０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは３２％以下、より好ましくは２５％以下とする。
【００５３】
（Ｓｍ_２Ｏ_３）
Ｓｍ_２Ｏ_３はガラスの屈折率や分散を変化させる効果が極めて大きいが、２５％を超えると銀イオンのイオン交換速度が遅くなる。このため、Ｓｍ_２Ｏ_３は２０％以下の範囲内とすることが必要であり、好ましくは１４％以下、より好ましくは８％以下とする。
【００５４】
本発明に関わるガラス組成として、上記成分以外にＺｎＯ、Ｋ_２Ｏ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３から選ばれる一種または二種以上の成分を合計量で１０％以下の範囲で含有させることができる。これらの成分はガラス化範囲の拡大とガラスの溶解性向上のために効果があるが、上記範囲を超えて多量に入れると、イオン交換が円滑に進行しにくくなる。
さらにこれらの成分以外に、溶融時の清澄を目的として、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３などの成分が合計で２％を上限として含有されていてもよい。
【００５５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明による半球状の平板レンズの部分断面斜視図を示す。図１は、平板状の透明基板１０の表面に複数のレンズ２０を形成したレンズアレイ３０を示している。個々のレンズ２０は、ほぼ半球状の、基板より屈折率の高い部分から形成されている。この高屈折率部分がイオン交換により形成された場合は、半球内の屈折率は一様ではなく半球の中心から半径方向に向かって減少するように分布している。レンズ内に示した同心円状の曲線群２２は、等屈折率線を模式的に示したものである。各レンズの光軸２４は通常、基板表面に垂直である。
【００５６】
また図２に、本発明による半円柱状（レンチキュラー）の平板レンズの斜視図を示す。
【００５７】
このような平板レンズにおけるレンズ部分の屈折率ｎが、半径方向の距離ｒに対して変化する屈折率の分布曲線の傾向は、図３に示すように、「上に凸形状」、「直線状」、「下に凸形状」の３つのパターンに分けられる。ここで、基板表面の半球の中心をｒ＝０とする。なお図３における「上」とは、屈折率ｎ軸の正の方向であり、一方「下」とは、屈折率ｎ軸の負の方向である。以下の説明では、「上に」、「下に」の表現を用いることにする。
【００５８】
実際の各屈折率の分布曲線のパターンにおいては、ｒ＝０付近や屈折率が基板の屈折率ｎ_０に近くなると（ｎ〜ｎ_０）、ｎはｒに対して屈曲する場合もある。本明細書ではこれらも含めて、図示するように屈折率分布の全体としての形状で分類し、「上に凸形状」、「直線状」、「下に凸形状」の分布と呼ぶことにする。
【００５９】
このような屈折率の分布曲線パターンと、形成されるレンズの開口数との関係をシミュレーション計算によって求めた。レンズとして平板状基板に直径２００μｍの半球状高屈折率部分を設けたものを想定し、半径方向に図４に示す３種類のパターンの屈折率分布関数ｎ（ｒ）をもつとし、これらの例に対して、レンズの開口数（ＮＡ）を計算した。
【００６０】
「直線状」のパターンではＮＡ＝０．０５であり、「下に凸形状」のパターンではＮＡ＜０．０５と、「直線状」より小さい値であった。これらに対し、「上の凸形状」のパターンではＮＡ≒０．１５と、かなり大きな開口数を得られることがわかった。すなわち、平板レンズにおいて、レンズの開口数を大きくするためには、屈折率分布のパターンを「上に凸形状」とするのが望ましいと言える。
【００６１】
また、本発明の特徴の一つである屈折率の分布曲線のパターンは、屈折率分布関数ｎ（ｒ）としたとき、関数ｎ（ｒ）の２次導関数ｎ’’（ｒ）が負または０であると理解されてもよい。
【００６２】
図３（ａ）に示した「上に凸形状」の屈折率分布の程度を、定量的に評価する方法を図５を用いて説明する。
図５（ａ）に示すように、上に凸の屈折率分布を示すｎ−ｒ曲線Ｃの縦軸，横軸における切片Ｎ，Ｒを結ぶベースラインＢを引く。
なお、図５（ｂ），（ｃ）のように切片と屈曲点が存在する場合は、切片を通り、ｎ−ｒ曲線Ｃに下から接する直線をベースラインＢとする。
また、図５（ｄ）に示すように下に凸の屈曲点Ｐ，Ｑが存在する場合は、ｎ−ｒ曲線Ｃに下から接する直線をベースラインＢとする。
【００６３】
次に、このベースラインＢに平行でｎ−ｒ曲線Ｃに上から接する直線Ａを引き、その接点である頂点Ｔにおける屈折率をｎ_２とする。ｎ−ｒ曲線Ｃの頂点Ｔから垂線を下ろし、頂点Ｔと同じｒ値を取るベースラインＢ上の点Ｓの屈折率値をｎ_１とする。このとき、屈折率比ｎ_２／ｎ_１の値によって、「上に凸形状」の程度を評価する。明確な「上に凸形状」であれば、ｎ_２／ｎ_１は１より大きくなる（ｎ_２／ｎ_１＞１．０）。
【００６４】
平板レンズにおける基板内の屈折率分布と、拡散させた屈折率増大成分の濃度分布には相関がある。電子線で試料表面を走査する組成分析装置（電子線マイクロアナライザ、ＥＰＭＡ）を用いることで、ガラス基板中のＴｌやＡｇの濃度分布を調べることができる。そこで屈折率分布の場合と同様に、屈折率増大成分の濃度ａ（モル％）と距離ｒの関係をａ−ｒ曲線で示すことができる。
【００６５】
上述の屈折率分布の場合の手順と同様に、ａ−ｒ曲線の頂点位置における濃度をａ_２とする。ａ−ｒ曲線の縦軸、横軸における切片、または下に凸の屈曲点が存在する場合はその点を結ぶベースラインを引く。ａ−ｒ曲線の頂点位置と同じｒ値を取るベースライン上の点の濃度値をａ_１とする。このとき、濃度比ａ_２／ａ_１の値によって、「上に凸形状」の程度を評価する。明確な「上に凸形状」であれば、ａ_２／ａ_１＞１．０となる。
【００６６】
上記のように、形成されるレンズの開口数を向上させるためには、屈折率分布曲線（ｎ−ｒ曲線）が、「上に凸形状」であることが望ましい。またｎ−ｒ曲線の形状と屈折率増大成分の濃度分布曲線（ａ−ｒ曲線）の形状は、後述するように相関をもつため、本発明者らはイオン交換法によってａ−ｒ曲線を「上に凸形状」にすることができる屈折率増大成分と母材ガラスの組成の関係を鋭意検討した。
【００６７】
その結果、Ａｇイオンを屈折率増大成分として使用する場合、母材ガラスの組成はＳｉＯ_２を主成分とする珪酸塩ガラスの場合、Ｌｉ_２Ｏを必須成分として含有することが重要であることが見出された。
以下に実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００６８】
（平板レンズの作製手順）
表１に作製した母材ガラスの組成を示す。各組成成分の原料として、珪砂粉、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、二酸化マグネシウム、炭酸バリウム、二酸化ジルコニウム、炭酸ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、ホウ酸、水酸化アルミニウム、酸化サマリウム、五酸化リンを用いた。これらの原料の所定量を混合して得た調合物を白金るつぼに入れ、１２００〜１６００℃の電気炉内で溶融し、撹拌してガラスを均質にした後に鉄板上にキャストし、徐冷して平板レンズの母材となるガラスブロックを得た。
【００６９】
図６は、本発明による平板レンズの製造方法を説明する工程図である。
上記のようにして作製したガラスブロックを、３０ｍｍ角で厚さ３ｍｍに切断し、光学研磨して基板１０とした。この基板の表面にイオン透過防止マスクとして金属チタン膜４を形成し、このチタン膜に通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、イオン透過用の円形開口部（４０）を設けた。このときの開口径は約８０μｍとした。このマスキングを施した基板を、４４０℃の硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）１０モル％＋硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）９０モル％混合溶融塩５０中にて８〜２４時間、浸漬処理し、基板中のアルカリ金属イオンと溶融塩中の銀イオンをイオン交換し、基板内に屈折率分布を形成した。イオン交換処理の終了後、表面のマスクを除去して、平板レンズ３０を得た。
【００７０】
なお、半球状の平板レンズを製造する際には、図７に示したマスクを用いるとよい。また、半円柱状の平板レンズを製造する際には、図８に示した直線状の開口部を形成したマスクを用いるとよい。
【００７１】
このようにして作製した平板レンズの直径を測定し、またレンズを通過した光の焦点距離を測定することで、開口数（ＮＡ）を求めた。
以下の実施例で得られた平板レンズの直径は、いずれの場合もおよそ２００μｍであった。
【００７２】
［実施例１］
表１の実施例１の欄に示した母材ガラス組成の基板を用いて、上記の条件によりイオン交換処理して平板レンズを作製した。この平板レンズの屈折率分布を、５４６ｎｍの波長を用いて測定し、その結果を図９に示す。図示したように、実施例１におけるｎ−ｒ曲線は明確に「上に凸形状」を示していることがわかった。またｎ_２／ｎ_１＝１．０２９＞１であった。なお、このｎ−ｒ曲線の形状は図５（ｃ）に相当している。
【００７３】
一方、ＥＰＭＡによりＡｇの濃度分布を測定した結果を図１０に示す。ａ−ｒ曲線も明らかに「上に凸形状」を示し、さらにａ_２／ａ_１＝４．６１＞１であった。
図９に示したｎ−ｒ曲線と、図１０に示したａ−ｒ曲線を比較すると、屈折率分布とＡｇ濃度分布は、よく似ていることがわかった。
【００７４】
開口数の測定結果はＮＡ＝０．１５であった。この結果は、上述のシミュレーションで得た計算値に近い値であり、このシミュレーションの確からしさが確認された。
【００７５】
［実施例２〜１３］
実施例２〜１３についても、表１に組成とａ_２／ａ_１の値を示す。すべての試料でａ_２／ａ_１＞１．０であり、分布は「上に凸形状」となっていた。
しかし例えば実施例１１のａ−ｒ曲線は、図１１に示すように実施例１の場合（図１０）に比べてａ_２／ａ_１の値が１．６０と小さく、「上に凸形状」の程度が小さい。この場合、開口数は０．０８であり、直線状屈折率分布における予想値０．０５よりは改善されているが、実施例１、２に比べて小さくなる。
【００７６】
［実施例１４］
上述の実施例１〜１３はいずれもＳｉＯ_２を主成分としているが、本実施例はＳｉＯ_２に対してＢ_２Ｏ_３、ＬｉＯ_２をほぼ同程度の濃度で含むガラスの例である。この場合、ａ_２／ａ_１の値は２．５と大きく、分布は「上に凸形状」となる。
【００７７】
［実施例１５］
本実施例はＳｉＯ_２を含まず、Ｂ_２Ｏ_３を主成分とし、ＬｉＯ_２よりＮａ_２Ｏを多く含むガラスの例である。この場合、ａ_２／ａ_１の値は約１．７とそれほど大きくないが、分布は「上に凸形状」となり、レンズ光学特性のうち波面収差が小さくなる。
【００７８】
［実施例１６］
本実施例はＳｉＯ_２を含まず、Ｐ_２Ｏ_５を主成分とするガラスの例である。この場合もａ_２／ａ_１の値は約１．６とそれほど大きくないが、分布は「上に凸形状」となる。Ｐ_２Ｏ_５を主成分とするガラスは、ＬｉＯ_２やＮａ_２Ｏを多く含むことができるため、開口数を大きくすることができる特徴をもつ。
【００７９】
［比較例］
比較のため、銀イオン交換用基板ガラスとして知られているＮＡＢ２５光学ガラス（ＩＯＦ社製）を用い、上述と同様にしてイオン交換処理を行った。Ａｇの濃度分布形状は図１２に示すように「直線状」であり、ａ_２／ａ_１＝１．０５である。
測定した開口数はＮＡ＝０．０５であり、この結果は、上述のシミュレーションで得た計算値とよく一致する値であった。
【００８０】
以上をまとめると、屈折率比ｎ_２／ｎ_１＞１．０１、また濃度比ａ_２／ａ_１≧１．１であることが望ましいことがわかる。
【００８１】
【表１】

【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、タリウムイオンに比べてイオン拡散速度が大きい銀イオンを用いることでイオン交換時間を短くできるので、１００μｍ以上のレンズ直径を有する平板レンズを容易に得ることができる。
【００８３】
またガラス組成を選択し、銀濃度を凸形状に分布させることで、開口数の大きい平板レンズを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半球状の平板レンズを説明する部分断面斜視図である。
【図２】本発明による半円柱状の平板レンズを説明する斜視図である。
【図３】基板内の屈折率分布のパターンを示す模式図である。
【図４】開口数の計算に用いた屈折率分布を示す図である。
【図５】屈折率分布の「上に凸形状」を定量化する方法を示す図である。
【図６】本発明による平板レンズの製造方法を説明する工程図である。
【図７】半球状の平板レンズを製造する際に用いるマスクである。
【図８】半円柱状の平板レンズを製造する際に用いるマスクである。
【図９】本発明の実施例における屈折率分布の測定値を示す図である。
【図１０】本発明の実施例における基板内の銀の濃度分布の測定値を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施例における基板内の銀の濃度分布の測定値を示す図である。
【図１２】比較例における銀の濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０基板
２０半球状レンズ
２１半円柱状レンズ
２２等屈折率線
２４光軸
３０半球状の平板レンズアレイ
３１半円柱状の平板レンズアレイ
４マスク
４０円形開口部
４１直線状開口部
５０溶融塩
５２容器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flat lens used in fields such as optical communication and optical information processing, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In order to cope with increases in the communication capacity in communication and the amount of processing information in information processing, attention has been paid to the use of optical parallelism as an extremely effective means. In order to utilize the parallelism of light, it is desirable that not only a light source and a photodetector but also a plurality of optical fibers serving as light transmission means be arrayed. At the same time, it is necessary to form an array of lenses and the like as light coupling means.
[0003]
A flat lens array in which a large number of microlenses are formed on a transparent flat substrate has excellent characteristics as an arrayed lens. Such a flat lens array is manufactured using a photolithography technique. For this reason, a minute lens having a diameter of 1 mm or less can be easily manufactured, and the lens arrangement accuracy is high. Therefore, it is easy to align the optical axis with other arrayed optical elements, and is suitable for parallel optical transmission and information processing.
[0004]
A typical manufacturing method of a flat lens array is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-201639. That is, a metal titanium film is formed on a glass substrate as an ion permeation preventing mask, and a circular ion transmission opening is formed in the titanium film by using ordinary photolithography technology. The masked glass substrate is immersed in a molten salt mixed with nitrate to increase the refractive index of glass such as alkali metal ions in the glass substrate and thallium (Tl) ions and silver (Ag) ions in the molten salt. And ion exchange. In the glass substrate, a refractive index distribution is formed in accordance with the concentration distribution of the ions diffused in a substantially hemispherical shape, and this acts as a lens.
[0005]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 61-26535 and 61-132541 describe the following contents regarding a gradient index lens.
That is, in the embodiments of these publications, P ₂ O ₅ , Na ₂ O, K ₂ O, Al ₂ O ₃ It is shown that ion exchange is performed between a glass plate containing such as and a molten salt composed of silver nitrate + potassium nitrate. Further, in the distribution curve diagram showing the refractive index distribution in the refractive index distribution region, it is shown that the shape is upwardly convex.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-61-201639
[Patent Document 2]
JP-A-61-26535
[Patent Document 3]
JP-A-61-132541
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when Tl is used as the refractive index increasing component, the numerical aperture of the lens can be increased. There is a problem that it takes a long time.
[0008]
The technology disclosed in the above-mentioned JP-A-61-26535 and JP-A-61-132541 relates to an ion exchange treatment between Na ions and K ions and Ag ions in phosphate glass. Met.
[0009]
When Ag is used as the refractive index increasing component, a lens having a diameter of 100 μm or more can be easily manufactured because the diffusion speed of Ag ions in the glass substrate is high.
[0010]
However, JP-A-61-26535 and JP-A-61-132541 disclose P (as% by weight) as a mother glass. ₂ O ₅ About 48% ₂ About 20% O, K ₂ A phosphate glass containing about 9% O is used. This glass has a disadvantage that the skeleton component is phosphoric acid and further contains a large amount of alkali, so that it has poor chemical durability.
[0011]
The present invention has been made in order to solve such a problem. A flat plate having a large numerical aperture is obtained by diffusing Ag as a refractive index increasing component into a glass substrate having excellent chemical durability and containing Li. A lens and a method for manufacturing the lens are provided.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to a hemispherical flat lens in which a refractive index increasing component is diffused in a substantially hemispherical shape, or a semi-cylindrical (lenticular) flat lens in which a refractive index increasing component is diffused in a substantially semi-cylindrical shape. In this flat lens, the refractive index increasing component is Ag, and the glass substrate contains at least Li as an alkali metal component ion-exchanged with Ag.
[0013]
When Ag is used as the refractive index increasing component, diffusion of Ag over a long distance is suppressed as the difference between the ionic radius of the element ion-exchanged with Ag and the ionic radius of Ag increases. As a result, the refractive index distribution curve has a convex shape in the positive direction of the refractive index n-axis.
[0014]
However, factors other than the radius of the ions involved in ion exchange also affect the Ag diffusion state. For example, the chemical bonding state of glass. The greater the interaction between the element forming the glass skeleton structure and Ag, the more the diffusion of Ag is suppressed.
[0015]
In the flat lens according to the present invention, when the distribution curve of the refractive index is formed to be convex in the positive direction of the refractive index n-axis, the numerical aperture of the lens can be increased for the following reasons.
[0016]
That is, in the refractive index distribution region of the flat lens, if the distribution curve of the refractive index is convex in the positive direction of the refractive index n-axis, the refractive index at a certain diffusion length is larger than the “linear” distribution. That is, the refractive power of light at the diffusion length increases, and the focal length of the lens can be shortened. As a result, the numerical aperture of the lens can be increased. In the flat lens of the present invention, a numerical aperture of about 0.1 is sufficiently practical and a large numerical aperture.
[0017]
That is, the flat lens according to the first embodiment of the present invention provides
In a flat lens having a refractive index distribution formed by diffusing a refractive index increasing component into a substantially hemispherical or substantially semi-cylindrical shape by an ion exchange method in a flat glass substrate, the refractive index increasing component is Ag, A flat lens, wherein the glass substrate contains at least Li as an alkali metal component ion-exchanged with Ag.
[0018]
As the invention according to claim 2,
When considering a distance r in the radial direction from the center of the hemisphere or semi-cylinder and orthogonal coordinates having a refractive index n at the distance r as a coordinate axis, a distribution curve of the refractive index n with respect to the distance r is represented by The flat lens according to claim 1, wherein the flat lens has a convex shape in a positive direction.
[0019]
As the invention according to claim 3,
When the refractive index distribution in the flat lens is expressed by a function n (r) of a radial distance r from the center of the hemisphere, a second derivative n ″ (r) of the function n (r) 2. The flat lens according to claim 1, wherein ()) is negative or 0.
[0020]
As the invention according to claim 4,
The flat lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component having the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
0 ≦ P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ + P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0021]
As the invention according to claim 5,
The flat lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component having the following concentration range expressed in mol%.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 60
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0022]
As the invention according to claim 6,
The flat lens according to claim 5,
B of the glass substrate ₂ O ₃ But,
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 25
Is a flat lens.
[0023]
As the invention according to claim 7,
The flat glass lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≤ 60
30 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0024]
Further, a method of manufacturing a flat lens according to a second embodiment of the present invention is as follows.
In a flat glass substrate, a method of manufacturing a flat lens in which a refractive index increasing component is diffused into a substantially hemispherical or substantially semi-cylindrical shape by an ion exchange method to form a refractive index distribution,
A method of manufacturing a flat lens, wherein the refractive index increasing component is Ag, and at least Li is contained in the glass substrate as an alkali metal component ion-exchanged with the Ag.
[0025]
According to the ninth aspect of the present invention,
When considering a distance r in the radial direction from the center of the hemisphere or semi-cylinder and orthogonal coordinates having a refractive index n at the distance r as a coordinate axis, a distribution curve of the refractive index n with respect to the distance r is represented by the refractive index n-axis. 9. The method of manufacturing a flat lens according to claim 8, wherein the flat lens has a convex shape in a positive direction.
[0026]
As the invention according to claim 10,
When the refractive index distribution in the flat lens is expressed by a function n (r) of a radial distance r from the center of the hemisphere, a second derivative n ″ (r) of the function n (r) 9. The method of manufacturing a flat lens according to claim 8, wherein) is negative or 0.
[0027]
As the invention according to claim 11,
The method of manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
0 ≦ P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ + P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0028]
As the invention according to claim 12,
The method of manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 60
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0029]
As the invention according to claim 13,
The method for manufacturing a flat lens according to claim 12,
B of the glass substrate ₂ O ₃ But,
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 25
Is a method of manufacturing a flat lens.
[0030]
As the invention according to claim 14,
The method for manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≤ 60
30 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≤ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≤ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≤ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65
[0031]
In the above concentration range, SiO 2 ₂ And B ₂ O ₃ Is more preferably in the following range.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 60
Thus, SiO ₂ As an essential component, and B ₂ O ₃ By adding an appropriate amount, the chemical durability of the glass can be improved.
[0032]
Further, it is more desirable to set the following range.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≤ 25
By setting the content in such a range, the chemical durability of the glass can be further improved.
[0033]
Alternatively, SiO ₂ Is not an essential component, B ₂ O ₃ May be set as the following range.
0 ≦ SiO ₂ ≤ 60
30 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
B ₂ O ₃ In the above composition range in which is an essential component, wavefront aberration among the lens optical characteristics can be reduced.
[0034]
As described above, when a glass substrate containing at least Li is ion-exchanged with Ag through a circular opening or a linear opening of a mask, a flat lens having a lens diameter of, for example, 100 μm or more can be easily obtained.
Furthermore, when considering a distance r in the radial direction from the center of the hemisphere or semi-cylinder and orthogonal coordinates having a refractive index n at the distance r as a coordinate axis, a distribution curve of the refractive index n with respect to the distance r is represented by It becomes convex in the positive direction, and a flat lens having a large numerical aperture can be obtained.
[0035]
In the inventions described in claims 4 and 11, phosphoric acid may be used as a glass skeleton component. In the present invention, Li is contained as an alkali metal for ion exchange with Ag. For this reason, the total amount of alkali metal required to obtain the same lens performance can be suppressed, so that even if phosphoric acid is used as a glass skeleton component, the chemical durability is not extremely deteriorated.
[0036]
On the other hand, in the above-mentioned JP-A-61-26535 and JP-A-61-132541, Na and K are contained in a phosphate glass as alkali metals for ion exchange with Ag. For this reason, since the total amount of the alkali metal required for obtaining the lens performance is large, the chemical durability is deteriorated.
[0037]
The preferred range of the composition of the base glass in the present invention is as follows.
The skeleton component of the glass is 0 ≦ SiO ₂ ≦ 80 (unit: mol%, the same applies hereinafter), 0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80, 0 ≦ P ₂ O ₅ ≦ 80, and the sum of these components is 30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ + P ₂ O ₅ ≦ 80.
In addition, the alkali metal oxide is 3 ≦ Li ₂ O ≦ 45%, 0 ≦ Na ₂ O ≦ 20%, the sum of which is 3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ The range is O ≦ 65.
Further, the network modifying oxide and other components include 0 ≦ MgO ≦ 30%, 0 ≦ CaO ≦ 30%, 0 ≦ SrO ≦ 30%, 0 ≦ BaO ≦ 30%, 0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30%, 0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30%, 0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20, 0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40%, 0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20%.
[0038]
Hereinafter, the concentration ranges of the respective components of the glass composition will be described in detail.
(Li ₂ O)
In order to form a characteristic refractive index distribution having a “convex upward shape”, it is essential to include Li ions as alkali ions substituted for silver ions. If the refractive index distribution and the Ag concentration distribution are “upwardly convex”, the numerical aperture (NA) can be increased.
Li ₂ When the O concentration is less than 2%, the degree of the refractive index distribution, which is a feature of the present invention, is made to be “upwardly convex”. . For this reason Li ₂ The O concentration needs to be in the range of 3 to 45%, preferably 6 to 40%, more preferably 8 to 35%.
[0039]
(Na ₂ O)
Na ₂ By adding O, the homogenization of the glass can be promoted and the numerical aperture can be increased. But Na ₂ As the O concentration increases beyond 25%, the numerical aperture decreases because the degree of making the refractive index distribution “upwardly convex” is small. Therefore, Na ₂ The O concentration needs to be 20% or less, preferably 15% or less, and more preferably 10% or less.
[0040]
However, if the total concentration of alkali metal oxides to be exchanged for Ag ions is less than 3%, the numerical aperture of the lens becomes too small to be practical, while if it exceeds 65%, the durability of the glass deteriorates rapidly. For this reason, the total concentration of the alkali metal oxide needs to be within the range of 3 to 65%, preferably 6 to 55%, more preferably 8 to 45%.
[0041]
(SiO ₂ , B ₂ O ₃ , P ₂ O ₅ )
SiO ₂ , B ₂ O ₃ , P ₂ O ₅ Is a component serving as a glass skeleton. If the total concentration of these three components is less than 25%, the durability and stability of the glass will be impaired, while if it exceeds 85%, the melting temperature will increase, and the required amount of other components will not be secured, and the refractive index difference will be large. Cannot be obtained. Therefore, the total concentration of the three components needs to be in the range of 30 to 80%, preferably 35 to 75%, more preferably 40 to 70%.
[0042]
(SiO ₂ )
SiO ₂ Is a component serving as a skeleton of glass. If the concentration of this component exceeds 85%, the melting temperature rises, and the necessary amounts of other components are not secured, so that a lens having a large refractive index difference cannot be obtained. For this reason, SiO ₂ The range of the content is 80% or less, preferably 60% or less.
[0043]
(B ₂ O ₃ )
B ₂ O ₃ Is a component serving as a skeleton of the glass. If the concentration of this component exceeds 85%, the durability and stability of the glass are impaired. Therefore, B ₂ O ₃ The range of the content is 80% or less, preferably 60% or less.
[0044]
(P ₂ O ₅ )
P ₂ O ₅ Is a component serving as a skeleton of the glass. If the concentration of this component exceeds 85%, the durability and stability of the glass are impaired. For this reason, P ₂ O ₅ The range of the content is 80% or less, preferably 60% or less.
[0045]
(MgO)
MgO is an optional component that acts as a network modifying oxide in the glass, speeds up the melting of the glass, and increases the solubility. The higher the content of MgO, the more these functions are exhibited. However, if the content exceeds 35%, the viscosity of the glass melt is reduced more than necessary, and devitrification occurs upon cooling and solidification, whereby glass is not formed. Therefore, MgO needs to be within a range of 30% or less, preferably 22% or less, and more preferably 10% or less.
[0046]
(CaO)
CaO is an optional component that enhances the solubility of the batch, but if it exceeds 35%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. For this reason, CaO needs to be in the range of 30% or less, preferably 19% or less, more preferably 8% or less.
[0047]
(SrO)
SrO is an optional component that enhances the solubility of the batch, but if it exceeds 35%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. For this reason, SrO needs to be in the range of 30% or less, preferably 21% or less, more preferably 12% or less.
[0048]
(BaO)
BaO has an extremely large effect of changing the refractive index and dispersion of the glass, but if it exceeds 35%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. Therefore, BaO needs to be within a range of 30% or less, preferably 20% or less, and more preferably 10% or less.
[0049]
(ZrO ₂ )
ZrO ₂ Has an extremely large effect of improving the weather resistance of glass, but if it exceeds 35%, insolubility tends to occur. Therefore, ZrO ₂ Must be within the range of 30% or less, preferably 21% or less, more preferably 12% or less.
[0050]
(Y ₂ O ₃ )
Y ₂ O ₃ Has an extremely large effect of changing the refractive index and dispersion of the glass, but if it exceeds 35%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. For this reason, Y ₂ O ₃ Must be within the range of 30% or less, preferably 19% or less, more preferably 8% or less.
[0051]
(La ₂ O ₃ )
La ₂ O ₃ Has an extremely large effect of changing the refractive index and dispersion of the glass, but if it exceeds 25%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. For this reason, La ₂ O ₃ Must be within the range of 20% or less, preferably 14% or less, more preferably 8% or less.
[0052]
(Al ₂ O ₃ )
Al ₂ O ₃ Has an extremely large effect of improving the weather resistance of the glass, but if it exceeds 45%, it tends to be insoluble. For this reason, Al ₂ O ₃ Must be within a range of 40% or less, preferably 32% or less, more preferably 25% or less.
[0053]
(Sm ₂ O ₃ )
Sm ₂ O ₃ Has an extremely large effect of changing the refractive index and dispersion of the glass, but if it exceeds 25%, the ion exchange rate of silver ions becomes slow. For this reason, Sm ₂ O ₃ Must be within the range of 20% or less, preferably 14% or less, more preferably 8% or less.
[0054]
As the glass composition according to the present invention, ZnO, K ₂ O, TiO ₂ , Ta ₂ O ₅ , Sc ₂ O ₃ , WO ₃ , Pr ₂ O ₃ , Nd ₂ O ₃ , Eu ₂ O ₃ , Gd ₂ O ₃ , Tb ₂ O ₃ , Dy ₂ O ₃ , Ho ₂ O ₃ , Er ₂ O ₃ , Tm ₂ O ₃ , Yb ₂ O ₃ , Lu ₂ O ₃ One or more components selected from the following may be contained in a total amount of 10% or less. These components are effective for expanding the vitrification range and improving the solubility of the glass. However, if they are contained in a large amount beyond the above range, it becomes difficult for ion exchange to proceed smoothly.
Furthermore, in addition to these components, for the purpose of clarification during melting, As ₂ O ₃ , Sb ₂ O ₃ And the like may be contained up to a total of 2%.
[0055]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a partial sectional perspective view of a hemispherical flat lens according to the present invention. FIG. 1 shows a lens array 30 in which a plurality of lenses 20 are formed on the surface of a flat transparent substrate 10. Each lens 20 is formed from a substantially hemispherical portion having a higher refractive index than the substrate. When the high refractive index portion is formed by ion exchange, the refractive index within the hemisphere is not uniform but distributed so as to decrease from the center of the hemisphere in the radial direction. A group of concentric curves 22 shown in the lens schematically shows iso-refractive index lines. The optical axis 24 of each lens is typically perpendicular to the substrate surface.
[0056]
FIG. 2 is a perspective view of a semi-cylindrical (lenticular) flat lens according to the present invention.
[0057]
As shown in FIG. 3, the tendency of the refractive index distribution curve in which the refractive index n of the lens portion of such a flat lens changes with respect to the distance r in the radial direction is “upwardly convex”, “linearly convex”. , And "convex downward". Here, it is assumed that the center of the hemisphere on the substrate surface is r = 0. Note that “up” in FIG. 3 is the positive direction of the refractive index n-axis, and “down” is the negative direction of the refractive index n-axis. In the following description, the expressions “above” and “below” will be used.
[0058]
In the actual distribution curve pattern of the refractive index, r = 0 or the refractive index is the refractive index n of the substrate. ₀ (N ~ n ₀ ), N may bend with respect to r. In the present specification, these are also classified according to the overall shape of the refractive index distribution as shown in the figure, and are referred to as “upwardly convex”, “linear”, and “downwardly convex” distributions. .
[0059]
The relationship between such a refractive index distribution curve pattern and the numerical aperture of the formed lens was determined by simulation calculation. Assuming that a flat substrate is provided with a hemispherical high refractive index portion having a diameter of 200 μm as a lens, the refractive index distribution functions n (r) of three types of patterns shown in FIG. , The numerical aperture (NA) of the lens was calculated.
[0060]
In the “linear” pattern, NA = 0.05, and in the “convex downward” pattern, NA <0.05, which is smaller than the “linear”. On the other hand, it was found that in the “upper convex” pattern, a considerably large numerical aperture of NA ≒ 0.15 was obtained. That is, in order to increase the numerical aperture of a flat lens, it can be said that it is desirable to make the refractive index distribution pattern “upwardly convex”.
[0061]
The refractive index distribution curve pattern, which is one of the features of the present invention, has a refractive index distribution function n (r), and the second derivative n ″ (r) of the function n (r) is negative. Or it may be understood to be zero.
[0062]
A method for quantitatively evaluating the degree of the refractive index distribution of the “upwardly convex shape” shown in FIG. 3A will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5A, a base line B connecting the intercepts N and R on the vertical axis and the horizontal axis of the nr curve C showing the upwardly convex refractive index distribution is drawn.
When there is an intercept and an inflection point as shown in FIGS. 5B and 5C, a straight line passing through the intercept and in contact with the nr curve C from below is defined as a base line B.
In addition, as shown in FIG. 5D, when there are bent points P and Q that are convex downward, a straight line that contacts the nr curve C from below is defined as a baseline B.
[0063]
Next, a straight line A parallel to the base line B and in contact with the nr curve C from above is drawn, and the refractive index at the vertex T, which is the contact point, is expressed as n. ₂ And A perpendicular is drawn from the vertex T of the nr curve C, and the refractive index value of the point S on the baseline B having the same r value as the vertex T is represented by n. ₁ And At this time, the refractive index ratio n ₂ / N ₁ The degree of the “upward convex shape” is evaluated based on the value of If it is a clear “convex upwards”, then n ₂ / N ₁ Is greater than 1 (n ₂ / N ₁ > 1.0).
[0064]
There is a correlation between the refractive index distribution in the substrate of the flat lens and the concentration distribution of the diffused refractive index increasing component. By using a composition analyzer (electron beam microanalyzer, EPMA) that scans the sample surface with an electron beam, the concentration distribution of Tl and Ag in the glass substrate can be examined. Thus, as in the case of the refractive index distribution, the relationship between the concentration a (mol%) of the refractive index increasing component and the distance r can be shown by an a-r curve.
[0065]
Similarly to the above-described procedure for the refractive index distribution, the density at the vertex position of the ₂ And If there is an intercept on the vertical axis or horizontal axis of the a-r curve, or a convex inflection point below, a base line connecting the points is drawn. The density value of a point on the baseline having the same r value as the vertex position of the a-r curve is expressed as a ₁ And At this time, the concentration ratio a ₂ / A ₁ The degree of the “upward convex shape” is evaluated based on the value of If it is a clear "convex upward shape", a ₂ / A ₁ > 1.0.
[0066]
As described above, in order to improve the numerical aperture of the formed lens, it is desirable that the refractive index distribution curve (n-r curve) be "upwardly convex". Further, since the shape of the n-r curve and the shape of the concentration distribution curve (ar curve) of the refractive index increasing component have a correlation as described later, the present inventors have described the ar curve by the ion exchange method. The relationship between the refractive index increasing component that can be made “upwardly convex” and the composition of the base glass was studied diligently.
[0067]
As a result, when Ag ions are used as the refractive index increasing component, the composition of the base glass is SiO 2 ₂ In the case of a silicate glass whose main component is ₂ It has been found that it is important to contain O as an essential component.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples as long as the gist is not exceeded.
[0068]
(Procedure for manufacturing a flat lens)
Table 1 shows the composition of the prepared base glass. Raw materials for each component include silica sand powder, lithium carbonate, sodium carbonate, calcium carbonate, magnesium dioxide, barium carbonate, zirconium dioxide, strontium carbonate, yttrium oxide, lanthanum oxide, boric acid, aluminum hydroxide, samarium oxide, and phosphorus pentoxide. Was used. A mixture obtained by mixing predetermined amounts of these raw materials was put into a platinum crucible, melted in an electric furnace at 1200 to 1600 ° C., stirred to homogenize the glass, cast on an iron plate, and gradually cooled. Thus, a glass block serving as a base material of the flat lens was obtained.
[0069]
FIG. 6 is a process chart illustrating a method of manufacturing a flat lens according to the present invention.
The glass block produced as described above was cut into a 30 mm square to a thickness of 3 mm, and optically polished to obtain a substrate 10. A metal titanium film 4 was formed on the surface of this substrate as an ion permeation preventing mask, and a circular opening (40) for ion permeation was formed in this titanium film by using ordinary photolithography technology. The opening diameter at this time was about 80 μm. This masked substrate is treated with silver nitrate (AgNO ₃ ) 10 mol% + sodium nitrate (NaNO ₃ ) An immersion treatment was carried out in a 90 mol% mixed molten salt 50 for 8 to 24 hours, and an alkali metal ion in the substrate and a silver ion in the molten salt were ion-exchanged to form a refractive index distribution in the substrate. After the completion of the ion exchange treatment, the mask on the surface was removed to obtain a flat lens 30.
[0070]
When manufacturing a hemispherical flat lens, the mask shown in FIG. 7 may be used. When a semi-cylindrical plate lens is manufactured, a mask having a linear opening shown in FIG. 8 may be used.
[0071]
The numerical aperture (NA) was determined by measuring the diameter of the flat lens manufactured in this way and measuring the focal length of light passing through the lens.
The diameter of the flat lenses obtained in the following examples was approximately 200 μm in each case.
[0072]
[Example 1]
Using a substrate having a base glass composition shown in the column of Example 1 in Table 1, ion exchange treatment was performed under the above conditions to produce a flat lens. The refractive index distribution of this flat lens was measured using a wavelength of 546 nm, and the results are shown in FIG. As shown in the drawing, it was found that the rr curve in Example 1 clearly shows a “convex upward shape”. And n ₂ / N ₁ = 1.029> 1. Note that the shape of the nr curve corresponds to FIG.
[0073]
On the other hand, FIG. 10 shows the result of measuring the concentration distribution of Ag by EPMA. The a-r curve also clearly shows "upward convex shape", and furthermore, a ₂ / A ₁ = 4.61> 1.
Comparing the n-r curve shown in FIG. 9 and the a-r curve shown in FIG. 10, it was found that the refractive index distribution and the Ag concentration distribution were very similar.
[0074]
The measurement result of the numerical aperture was NA = 0.15. This result is a value close to the calculated value obtained in the above-described simulation, confirming the certainty of this simulation.
[0075]
[Examples 2 to 13]
Tables 1 and 2 also show compositions and a for Examples 2 to 13. ₂ / A ₁ Shows the value of A for all samples ₂ / A ₁ > 1.0, and the distribution was “upwardly convex”.
However, for example, as shown in FIG. 11, the a-r curve of the eleventh embodiment is different from that of the first embodiment (FIG. 10) by a ₂ / A ₁ Is as small as 1.60, and the degree of “convex upward” is small. In this case, the numerical aperture is 0.08, which is better than the expected value of 0.05 in the linear refractive index distribution, but smaller than in Examples 1 and 2.
[0076]
[Example 14]
The above Examples 1 to 13 are all SiO 2 ₂ In this embodiment, the main component is SiO. ₂ Against B ₂ O ₃ , LiO ₂ Is an example of a glass containing approximately the same concentration. In this case, a ₂ / A ₁ Is as large as 2.5, and the distribution is “upwardly convex”.
[0077]
[Example 15]
This embodiment uses SiO 2 ₂ Not including, B ₂ O ₃ With LiO as the main component ₂ More Na ₂ This is an example of a glass containing a large amount of O. In this case, a ₂ / A ₁ Is not as large as about 1.7, but the distribution is “convex upward”, and the wavefront aberration among the lens optical characteristics is small.
[0078]
[Example 16]
This embodiment uses SiO 2 ₂ Not including, P ₂ O ₅ This is an example of a glass mainly containing. Also in this case a ₂ / A ₁ Is not so large as about 1.6, but the distribution is “upwardly convex”. P ₂ O ₅ Is mainly composed of LiO ₂ And Na ₂ Since it can contain a large amount of O, it has a feature that the numerical aperture can be increased.
[0079]
[Comparative example]
For comparison, ion exchange treatment was performed in the same manner as described above using NAB25 optical glass (manufactured by IOF), which is known as a silver ion exchange substrate glass. The Ag concentration distribution shape is “linear” as shown in FIG. ₂ / A ₁ = 1.05.
The measured numerical aperture was NA = 0.05, and the result agreed well with the calculated value obtained by the above simulation.
[0080]
To summarize the above, the refractive index ratio n ₂ / N ₁ > 1.01, and concentration ratio a ₂ / A ₁ It is understood that it is desirable that ≧ 1.1.
[0081]
[Table 1]

[0082]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the ion exchange time can be shortened by using silver ions having a higher ion diffusion rate than thallium ions, a flat lens having a lens diameter of 100 μm or more can be easily obtained.
[0083]
Further, by selecting the glass composition and distributing the silver concentration in a convex shape, a flat lens having a large numerical aperture can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional perspective view illustrating a hemispherical flat lens according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a semi-cylindrical plate lens according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a pattern of a refractive index distribution in a substrate.
FIG. 4 is a diagram showing a refractive index distribution used for calculating a numerical aperture.
FIG. 5 is a diagram showing a method of quantifying the “upward convex shape” of the refractive index distribution.
FIG. 6 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a flat lens according to the present invention.
FIG. 7 is a mask used when manufacturing a hemispherical flat lens.
FIG. 8 is a mask used when manufacturing a semi-cylindrical plate lens.
FIG. 9 is a diagram showing measured values of a refractive index distribution in an example of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing measured values of a silver concentration distribution in a substrate according to an example of the present invention.
FIG. 11 is a view showing measured values of a silver concentration distribution in a substrate according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a silver concentration distribution in a comparative example.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
20 hemispherical lens
21 Semi-cylindrical lens
22 Isoindex line
24 Optical axis
30 Hemispherical flat lens array
31 Semi-cylindrical plate lens array
4 Mask
40 circular opening
41 straight opening
50 molten salt
52 containers

Claims

In a flat lens having a refractive index distribution formed by diffusing a refractive index increasing component into a substantially hemispherical or substantially semi-cylindrical shape in a flat glass substrate by an ion exchange method,
The flat lens according to claim 1, wherein the refractive index increasing component is Ag, and the glass substrate contains at least Li as an alkali metal component ion-exchanged with the Ag.

When considering a distance r in the radial direction from the center of the hemisphere or semi-cylinder and orthogonal coordinates having a refractive index n at the distance r as a coordinate axis, a distribution curve of the refractive index n with respect to the distance r is represented by the refractive index n-axis. The flat lens according to claim 1, wherein the flat lens has a convex shape in a positive direction.

When the refractive index distribution in the flat lens is expressed by a function n (r) of a radial distance r from the center of the hemisphere, a second derivative n ″ (r) of the function n (r) The flat lens according to claim 1, wherein) is negative or 0.

The flat lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
0 ≦ P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ + P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65

The flat lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 60
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65

The flat lens according to claim 5,
B ₂ O _{3 of the} glass substrate is
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 25
Is a flat lens.

The flat lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 60
30 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65

In a flat glass substrate, a method of manufacturing a flat lens in which a refractive index increasing component is diffused into a substantially hemispherical or substantially semi-cylindrical shape by an ion exchange method to form a refractive index distribution,
A method of manufacturing a flat lens, wherein the refractive index increasing component is Ag, and the glass substrate contains at least Li as an alkali metal component ion-exchanged with the Ag.

When considering a distance r in the radial direction from the center of the hemisphere or semi-cylinder and orthogonal coordinates having a refractive index n at the distance r as a coordinate axis, a distribution curve of the refractive index n with respect to the distance r is represented by the refractive index n-axis. 9. The method of manufacturing a flat lens according to claim 8, wherein the flat lens has a convex shape in a positive direction.

When the refractive index distribution in the flat lens is expressed by a function n (r) of a radial distance r from the center of the hemisphere, a second derivative n ″ (r) of the function n (r) 9. The method according to claim 8, wherein the value of ()) is negative or zero.

The method for manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains components in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
0 ≦ P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ + P ₂ O ₅ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65

The method for manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains components in the following concentration range expressed in mol%.
30 ≦ SiO ₂ ≦ 80
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 60
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65

The method for manufacturing a flat lens according to claim 12,
B ₂ O _{3 of the} glass substrate is
0 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 25
A method for manufacturing a flat lens.

The method for manufacturing a flat lens according to any one of claims 8 to 10, wherein the glass substrate contains a component in the following concentration range expressed in mol%.
0 ≦ SiO ₂ ≦ 60
30 ≦ B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O ≦ 45
0 ≦ Na ₂ O ≦ 20
0 ≦ MgO ≦ 30
0 ≦ CaO ≦ 30
0 ≦ SrO ≦ 30
0 ≦ BaO ≦ 30
0 ≦ ZrO ₂ ≦ 30
0 ≦ Y ₂ O ₃ ≦ 30
0 ≦ La ₂ O ₃ ≦ 20
0 ≦ Al ₂ O ₃ ≦ 40
0 ≦ Sm ₂ O ₃ ≦ 20
However,
30 ≦ SiO ₂ + B ₂ O ₃ ≦ 80
3 ≦ Li ₂ O + Na ₂ O ≦ 65