JP2004292215A - 光学ガラスおよび、該光学ガラスを用いた光学素子および、該光学素子を用いた光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】屈折率勾配型レンズを用いることによって、光学特性の優れた光学部品・光学機器を供給する。
【解決手段】光学素子用の母体ガラス組成は、タリウム含有であって、酸化ホウ素を必須成分として含有しているため、溶融温度が低く、成型性に優れており、均質なガラス体を製造することができる。当該ガラス体をアルカリ金属の溶融塩と接触させ、イオン交換することによって、光学的設計上必要とされる屈折率分布を有し、有効視野が大きく、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造することができる。さらに、当該屈折率勾配型レンズを用いることによって、光学特性の優れた光学部品・光学機器を供給できる。
【選択図】 なし
【解決手段】光学素子用の母体ガラス組成は、タリウム含有であって、酸化ホウ素を必須成分として含有しているため、溶融温度が低く、成型性に優れており、均質なガラス体を製造することができる。当該ガラス体をアルカリ金属の溶融塩と接触させ、イオン交換することによって、光学的設計上必要とされる屈折率分布を有し、有効視野が大きく、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造することができる。さらに、当該屈折率勾配型レンズを用いることによって、光学特性の優れた光学部品・光学機器を供給できる。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送体、特に屈折率が中心軸から表面に向かい連続的に、好ましくは放物線的に減少する屈折率勾配を有するレンズ（以下、屈折率勾配型レンズと呼称）を製造するのに適したガラス組成および製造された屈折率勾配型レンズに関する。更に該ガラス組成を用いた屈折率勾配型レンズを０乃至２次元に配した光学製品、および光学製品を用いた光学機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率勾配型レンズのレンズとして寄与する部分は円柱形状である。この屈折率勾配型レンズが有する好ましい屈折率分布は、レンズの円柱の中心軸に垂直な断面において、中心における屈折率をＮ０、中心から半径方向の距離をｒ、正の定数をＡとすると、屈折率Ｎが近似的に（１）式で示されることである。
【０００３】
Ｎ（ｒ）＝Ｎ０（１−Ａｒ２） ・・・・・（１）式
【０００４】
この屈折率勾配型レンズの製造方法としては、従来よりタリウム酸化物を含む所定の組成で構成されたガラス棒（または繊維）をアルカリ金属イオンの源、たとえばカリウムの溶融塩と接触させ、ガラス棒と溶融塩間の構成イオンのイオン交換により物質の半径方向の濃度分布を連続的に変化させる方法が知られている。
【０００５】
また、このようにして得られたガラス棒を円柱状に加工成形し、円柱の中心軸に垂直な断面において前記（１）式に近似されるような屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズを製造することが知られている（たとえば、特許文献１，２参照。）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法で用いられる組成で構成されたガラス棒では、高温でガラス原料を溶融する必要があり、また、均質なガラス棒を得ることが困難であった。
【０００７】
一般に、不均質なガラス棒では、イオン交換処理の際に、イオン拡散が均一に行われずに、その連続性が阻害されてしまうという問題が生じる。
【０００８】
したがって、従来の製造方法では前記（１）式に示すような好ましい屈折率分布を有する良好なレンズを得ることは、困難であった。つまり、従来の製造方法で製造される屈折率勾配型レンズでは、前記（１）式に示される屈折率分布に対する大きなズレが生じているため、レンズの有効視野を、円柱形状の周辺部にまで持つことができなかった。
【０００９】
さらに、従来の製造方法で製造される複数の屈折率勾配型レンズを用いて、レンズが１次元または２次元に配列された光学素子を構成する場合、各々のレンズの屈折率分布が悪いため、光学性能が低下するという問題があった。
【００１０】
すなわち、光学素子に配列された各々のレンズ素子の円柱形状の周辺部が、有効視野から外れているために、その周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合い、光学素子全体としての光学特性、たとえば解像度を低下させてしまうという問題があった。
【００１１】
また、一般に、タリウム酸化物の揮発量は温度の上昇に対して指数関数的に増加するので、高均質なガラスを得やすくするためにはガラス原料の熔融温度を下げることが望ましい。
【００１２】
しかしながら、熔融温度を下げるとガラスの粘度が高くなり、ガラスの成形性が悪化してしまうという問題があるため、より低温の条件下でより低粘度な溶融状態を達成できるガラス原料組成の開発が望まれている。
【００１３】
【特許文献１】
特公昭６１−４６４１６号公報
【特許文献２】
特公昭６２−４３９３６号公報
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、光学特性が良く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造するのに適したガラス組成を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、光学特性が良く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズおよび、該レンズを用いた光学特性の優れた光学素子および、光学機器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ガラス体において、当該ガラス体は、ＳｉＯ２：３５〜８０モル％、Ｂ２Ｏ３：０．１〜４０モル％、Ｔｌ２Ｏ：１〜２６モル％、Ｋ２Ｏ：１〜３４モル％、ＺｎＯ：０〜３０モル％、ＧｅＯ２：０〜３０モル％、ＴｉＯ２：０〜２０モル％、ＭｇＯ：０〜２０モル％、ＺｒＯ２：０〜２モル％、Ａｌ２Ｏ３：０〜８モル％、ＳｎＯ：０〜５モル％、Ｌａ２Ｏ３：０〜５モル％、Ｂｉ２Ｏ３：０〜８モル％、Ｔａ２Ｏ５：０〜２モル％、Ｓｂ２Ｏ３：０〜１モル％、Ａｓ２Ｏ３：０〜１モル％の組成範囲内であって且つ、Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ：２〜２６モル％、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）／Ｔｌ２Ｏ：０．２〜５．５、Ｔｌ２Ｏ＋Ｒ２Ｏ：５〜３５モル％（Ｒはアルカリ金属）、ＢａＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ：０〜１０モル％、ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｎＯ（ＳｎＯ２）：０〜８モル％、ＳｉＯ２＋ＧｅＯ２＋ＴｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３：５０〜８０モル％の組成範囲で各組成成分を含有していることを要旨としている。
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、ガラス体は３５〜８０モル％、好ましくは４０〜７０モル％の範囲でＳｉＯ２を含有している。このＳｉＯ２は、ガラスマトリックス形成成分として知られており、下限値の３５モル％未満の組成範囲では、ガラスの耐久性や安定性が減少し、上限値の８０モル％を越える組成範囲では、ガラスの溶融温度が上昇し、また、他の構成成分の必要量が確保されないために、本発明の目的が達成されない。
【００１８】
また、前記ガラス体は、Ｂ２Ｏ３を０．１〜４０モル％、好ましくは０．５〜２５モル％の範囲で含有している。このＢ２Ｏ３もまたガラスマトリックス形成成分であり、同時にＢ２Ｏ３はガラスの熔融温度を下げるための必須物質である。さらに、Ｂ２Ｏ３はガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズなどを形成する場合、レンズの光学性能を向上させるための必要物質である。
【００１９】
すなわち、上記の組成範囲でＢ２Ｏ３を含有するガラス体では、イオン交換処理によって前記（１）式に示すような好ましい屈折率分布に極めて近い屈折率分布を有する良好なレンズを得ることができる。
【００２０】
上記レンズの光学性能上昇のためには、ガラス体は０．５モル％以上のＢ２Ｏ３を含有することが好ましい。また、光学特性上の影響はないが、Ｂ２Ｏ３の原材料はＳｉＯ２の原材料と比べて高価であるため、工業的には２５モル％以下であることが好ましい。
【００２１】
また、前記ガラス体は、Ｔｌ２Ｏを１〜３０モル％、好ましくは２〜１０モル％の範囲で含有している。このＴｌ２Ｏは、前記ガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズを得るために必須の成分である。これは、前記イオン交換では、前記ガラス体をアルカリ金属の溶融塩と接触させ、ガラス体に含まれるＴｌイオンと、溶融塩に含まれるアルカリ金属イオンとのイオン交換を行うためである。このイオン交換によって、ガラス体中にＴｌイオンおよびアルカリ金属イオンの濃度分布が生じると、ガラス体は、所定方向に連続的に変化するイオンの濃度分布に応じて、屈折率の勾配を有するようになり、光学的な機能を示すので、たとえばレンズとして利用できるようになる。
【００２２】
したがって、前記ガラス体のＴｌ２Ｏの含有量が下限値の１モル％未満の組成範囲では、目的とする光学特性、たとえば所望のレンズ開口角を有するレンズが得られない。また、上限値の３０モル％を越えると、ガラス体の耐候性が悪化する。
【００２３】
また、前記ガラス体は、Ｋ２Ｏを１〜３４モル％、好ましくは２〜３４モル％の範囲で含有している。このＫ２Ｏはガラス内においてカリウムイオン源であり、前記ガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズを得るために必須の成分である。ガラス体に生じるカリウムイオンは、レンズ機能を付加するイオン交換処理の際に、ガラス体の外部に接しているアルカリ金属の熔融塩を源とするアルカリ金属イオンと同様にガラス内を拡散し、主にＴｌイオンと交換されることによってガラス体の屈折率を低下させることができる。
【００２４】
したがって、前記ガラス体のＫ２Ｏ含有量が下限値の１モル％より少ないと、ガラス体のイオン交換によってもたらされる屈折率分布が、前記（１）式から大きく外れてしまい、目的とするレンズ性能が得らない。また、前記ガラス体のＫ２Ｏの含有量が上限値の３４モル％を越えると、ガラス体の耐候性が悪化する。
【００２５】
さらに、前記ガラス体は、Ｔｌ２ＯとＲ２Ｏ（ここで、Ｒはアルカリ金属を示す。）との合計で５〜４０モル％、好ましくは１０〜３０モル％の範囲で含有している。このタリウム酸化物を含むアルカリ金属の酸化物の合計含有量が下限値より少ないときは、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズにおいて、目的とするレンズ開口角が得られない。また、ガラスの熔融温度が上昇してしまうためにＴｌ２Ｏの揮発の程度が激しくなり、形成されるガラス体の均質性が低下する。逆に、上限値を越えるときは、形成されるガラス体の耐候性が悪化するという問題が生じる。
【００２６】
前記Ｒ２Ｏで示されるアルカリ金属酸化物の内には、Ｎａ２ＯまたはＬｉ２Ｏの少なくともいずれか一方の酸化物が必須成分として含まれる。そしてこれらの酸化物の合計（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量は２〜２６モル％、好ましくは５〜１８モル％の範囲である。
【００２７】
また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率（（ Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）／Ｔｌ２Ｏ）は、０．２〜５．５、好ましくは０．５〜３．０の範囲である。
【００２８】
Ｎａ２ＯおよびＬｉ２Ｏは、ガラス体との熔融塩との間のイオン交換を担う種々のアルカリ金属イオン種の中では、比較的イオン半径の小さいＮａイオンおよびＬｉイオンを供給する。これらのイオン半径の小さなアルカリ金属イオンは、イオン交換処理中のガラス内での拡散速度が速いという特徴を有する。このため、たとえば比較的イオン半径の大きなカリウムイオンとタリウムイオンとだけでイオン交換を行う場合よりも、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズの開口角・屈折率分布などの光学的諸特性を、より広範囲に、かつ容易に調整することができるという効果を奏する。
【００２９】
従って（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量が下限値を下回るとガラスの溶融温度が上昇し、また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率が下限値を下回ると前記の効果が小さくなる。一方、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量が上限値を越えると、ガラス体の耐候性が悪化してイオン交換処理の際にガラス体にクラックが入ったり、失透しやすくなったりするという問題が生じ、また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率が上限値を超えると、目的とする光学特性、たとえば所望のレンズ収差を有するレンズが得られない。
【００３０】
したがって、Ｎａ２ＯおよびＬｉ２Ｏの含有量は、それら合計の含有量と、その合計含有量のＴｌ２Ｏの含有量に対する比率との両者を考慮して選択される。また、Ｎａ２Ｏの含有量とＬｉ２Ｏの含有量との割合は、Ｌｉ２ＯがＮａ２Ｏに対して有している優位な特徴と不利な特徴との両者を考慮して選択される。
【００３１】
すなわち、Ｌｉ２ＯはＮａ２Ｏに比べて、より少量の添加によりガラスの熔融温度を下げることができるいう優位な特徴がある一方、Ｌｉ２Ｏ含有ガラスは一般的に、Ｎａ２Ｏ含有ガラスに比べて失透しやすいという不利な特徴があるため、これらを考慮して選択すればよい。
【００３２】
上記以外のアルカリ金属酸化物Ｒ２Ｏとして、材料コストの観点から、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏを好適に用いることができるが、必要の程度に応じてその他のアルカリ金属酸化物を用いることもできる。
【００３３】
また、前記ガラス体は以下に説明するような付加成分を含むことができる。
【００３４】
前記ガラス体の、ＺｎＯの含有量は、０〜３０モル％、好ましくは３〜２５モル％の範囲である。このＺｎＯはガラス化範囲を広げ、熔融温度を低下させる。ＺｎＯの含有量が上限値を越えると、ガラス体の耐候性が悪くなるという問題が生じる。
【００３５】
また、前記ガラス体のＧｅＯ２の含有量は、０〜３０モル％、好ましくは３〜１５モル％の範囲である。このＧｅＯ２はガラスマトリックス形成酸化物であり、ガラス化範囲を拡大したり、ガラスの熔融温度を下げたりする効果がある。この効果は、前記Ｂ２Ｏ３が奏する同様の効果に比べると小さい。このため、ＧｅＯ２の含有量は、前記Ｂ２Ｏ３の含有量を考慮して上記組成範囲から選択される。
【００３６】
さらに、前記ガラス体は、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯのうち、いずれか少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。その合計の含有量は０〜１０モル％の範囲である。これらの酸化物は、ガラス化範囲の拡大および熔解性向上のために用いられる。しかしながらこれらの酸化物の含有量の合計が上限値の１０モル％を越えるような組成範囲では、イオン交換が円滑に進行しなくなり、前記ガラス体をイオン交換することによって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００３７】
また、前記ガラス体のＴｉＯ２の含有率は、０〜３０モル％以下、好ましくは１〜１５モル％の範囲である。このＴｉＯ２は、ガラスマトリックス形成成分であると同時に屈折率を上げる効果がある。またＴｉＯ２は、ガラス化範囲を広げ、熔融温度を低下させるという効果を奏する。しかしながらこれらの酸化物の含有量が上限値の３０モル％を越えるような組成範囲ではガラスに失透が生じ、またガラスの着色を著しくするという問題が生じる。
【００３８】
さらに、前記ガラス体のＭｇＯの含有量は、２０モル％以下、好ましくは１５モル％以下の範囲である。このＭｇＯは、ガラス化範囲を拡大するという効果を奏するが、その含有量が上限値を超えるような組成範囲では、熔融温度を上げてしまう。
【００３９】
さらにまた、前記ガラス体は、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ（ＳｎＯ２）のうち、いずれか少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。その合計の含有率は、０〜８モル％の範囲である。
【００４０】
これらの酸化物は、イオン交換処理の際のガラス体の耐性を向上させるとともに、イオン交換によって得られるレンズの耐候性を向上させる。しかしながらこれらの酸化物の含有量の合計が上限値の８モル％を越えるような組成範囲では、ガラスの溶解性が悪くなったり、ガラスの着色が著しくなったりするという問題が生じる。したがって、０．１〜３モル％の組成範囲の含有量であることが生産上好ましい。
【００４１】
また、これらの酸化物の個々の含有量についても以下のようにその上限値が定められる。
【００４２】
ＺｒＯ２は、ガラスの屈折率を大きくし、耐候性を向上させるという効果を奏する。その含有量が上限値の５モル％を越える場合ガラスの熔解性が悪くなる。したがって、ＺｒＯ２は２モル％以下の含有量であることが生産上好ましい。
【００４３】
Ａｌ２Ｏ３の含有量は、８モル％以下、好ましくは２モル％以下である。含有量が上限値を越える場合、ガラスの熔解性が悪くなるため、生産上好ましくない。
【００４４】
ＳｎＯ（ＳｎＯ２）の含有量は、５モル％以下、好ましくは２モル％以下である。含有量が上限値を越える場合、結晶が析出し易くなり、ガラスの着色・結晶化の問題が生じるため、熔解性が悪くなる。
【００４５】
また、前記ガラス体は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３のように共有結合性が強く、ガラスマトリックスを構成する成分の合計量を５０〜８０モル％の範囲で含有している。これらの酸化物の含有量の合計が、下限値の５０モル％を下回ると、ガラスの耐候性が低下してしまう。一方、上限値の８０モル％を越えると、ガラスの熔融温度が上昇し、また、他の構成成分の必要量が確保できないために、本発明の目的が達成されない。
【００４６】
さらに、前記ガラス体のＬａ２Ｏ３の含有率は、０〜５モル％、好ましくは０〜３モル％の範囲である。このＬａ２Ｏ３は、ガラスの屈折率を高くするという効果を奏する。しかしながら、その含有量が上限値を越える場合、前記ガラス体のイオン交換が円滑に進行しなくなる。このため、イオン交換によって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００４７】
さらにまた、前記ガラス体の、Ｔａ２Ｏ５の含有率は、０〜５モル％、好ましくは０〜２モル％の範囲である。このＴａ２Ｏ５も、ガラスの屈折率を高くするという効果を奏するが、その含有量が上限値を越える場合、前記ガラス体のイオン交換が円滑に進行しなくなる。このため、イオン交換によって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００４８】
また、前記ガラス体のＢｉ２Ｏ３の含有率は、０〜１０モル％、好ましくは０〜３モル％の範囲である。このＢｉ２Ｏ３は、ガラスの屈折率を大きく高めるという効果を奏する。また、溶融温度の変化に対する粘度の変化率を穏やかにすることができるので、ガラスの成型を容易にするという効果を奏する。さらに、Ｂｉ２Ｏ３は、ガラス化範囲を広げるという効果を奏する。
【００４９】
しかしながら、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が増えると、ガラスの着色の程度が激しくなるという問題が生じるため、実用上着色の問題が生じないように、前記組成範囲の含有量が選定される。
【００５０】
なお、これらの付加成分は必要に応じて含有させるものであり、全く含有しなくてもよい。
【００５１】
さらに、前記ガラス体は、必要に応じて、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３のいずれか少なくとも１種の金属酸化物を、ガラスの清澄剤として１モル％まで含有することができる。
【００５２】
また、前記の従来の技術課題を解決するため請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガラス体において、当該ガラス体のＫ２Ｏの含有量は、２〜３４モル％の範囲であることを要旨とする。
【００５３】
請求項２に記載の発明によると、前記ガラス体は、前記ガラス体は２モル％以上のＫ２Ｏを含有しているので、前記組成範囲であるため、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズにおいて、当該レンズの屈折率分布を、前記（１）式で示す屈折率分布に近づけることが容易になる。このため、目的とするレンズ性能が得られやすくなる。
【００５４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を、カリウム化合物の溶融塩に接触させてイオン交換に付することによって、前記ガラス体中に中心から周辺に向けて変化する屈折率分布が形成されている屈折率勾配型レンズであることを要旨とする。
【００５５】
請求項３に記載の発明によると、前記屈折率勾配型レンズは、前記請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を用いて、当該ガラス体をイオン交換することによって形成されているので、屈折率分布が前記（１）式で示す屈折率分布に近いという特徴を有する。
【００５６】
このため、当該ロッドレンズの有効視野は広い。また、前記ロッドレンズは、前記請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を用いて、当該ガラス体をイオン交換することによって形成されているので、耐候性に優れている。
【００５７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の屈折率勾配型レンズが、０乃至２次元に配列された光学素子であることを要旨とする。
【００５８】
請求項４に記載の発明によると、前記光学素子は、請求項３に記載の屈折率勾配型レンズが、０乃至２次元に配列されており、各々のレンズの周辺部がレンズの有効視野から外れるという問題が生じにくいという特徴がある。
【００５９】
このため、光学素子に配列されている屈折率勾配型レンズの周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合うという問題が軽減され、光学素子全体としての光学特性、たとえば解像度が向上する。
【００６０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学素子が用いられている光学機器であることを要旨とする。
【００６１】
請求項５に記載の発明によると、前記光学機器は、請求項４に記載の光学特性に優れた光学素子が用いられているため、光学特性に優れている。
【００６２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
［実施例１］
本発明のガラス体の形成には、表１に示すガラス体の組成成分である各々の酸化物の起源として、各々の酸化物に含まれる金属を含有する下記原料を用いている。
【００６３】
ケイ石粉（酸化珪素）、酸化ホウ素、硝酸タリウム、硝酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、硝酸ルビジウム、硝酸セシウム、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウム、硝酸バリウム、酸化チタン、炭酸マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化スズ、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、酸化ランタン、酸化ビスマス、酸化タンタル、酸化アンチモン、および無水亜砒酸。
【００６４】
これらの原料を、ガラス化した後に表１に示す組成比になるように、原料の所定量を秤量して混合し、白金るつぼに入れて、電気炉を用いて１４５０℃で熔解した。ガラスはよく撹拌して均一化した後、直径０．６ｍｍφのガラス棒に成形する。
【００６５】
当該ガラス棒は、表１に示す温度に加熱・保温された硝酸カリウム熔融塩中に、これも表１示す時間浸漬することによりイオン交換を行って、円柱形状の屈折率勾配型レンズを得る。
【００６６】
このとき、前記ガラス棒の重量が前記熔融塩の重量に対して２重量％の割合になるように、前記溶融塩の重量を調整する。
【００６７】
表１には、得られた屈折率勾配型レンズの特性値としての開口角θおよび有効視野（パーセント）を測定した結果を併せて示す。
【００６８】
なお、表１に記載の開口角θは、レンズによって光束方向を変化可能な最大入射角である。また、有効視野は、入射側に物体を、出射側にレンズから得られる像を、それぞれ於いた場合に得られる像において規定される。
【００６９】
表１に示すように、得られたレンズの開口角θは１５．１度、有効視野は９５％であり、９２％以上の優れた特性を示している。
【００７０】
また、得られた円柱形状の屈折率勾配型レンズの屈折率分布の状態は、Ｘ線マイクロアナリシスにより、アルカリ金属、たとえばカリウムの検出強度の分布を観察することによって知ることができる。
【００７１】
図１は、得られた屈折率勾配型レンズの断面におけるＸ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図である。
【００７２】
図１に示すように、カリウムの検出強度分布はレンズの断面の直径方向に略放物線状の分布を示している。特に、図１に破線で示す円柱形状のレンズ周辺部近傍においても、カリウムの検出強度分布が前記曲線に沿って変化している。このことは、同レンズの屈折率分布が、円柱状形状のレンズ周辺部にいたるまで前記（１）式に示す屈折率分布によく従っていることを示す。
【００７３】
［実施例２〜１６］
実施例２〜１６についても、上記実施例１と同様にして、ガラス体の組成が表１の実施例の欄に示す組成比になるように処理を行い、屈折率勾配型のレンズを得る。表１には、得られた各々の屈折率勾配型レンズの特性も併せて示す。
【００７４】
これらのレンズの有効視野はいずれも９２％以上の優れた値を示している。また、ガラス体が失透したり、ガラス表面にクラックが入るなどといった不具合は生じていない。
【００７５】
［比較例１〜３］
比較例として、上記実施例１と同様にして、ガラス体の組成が表１の比較例の欄に示す組成比になるように処理を行い、屈折率勾配型のレンズを得た。得られた各々の屈折率勾配型レンズの特性も、併せて表１に示す。
【００７６】
表１に示すように、比較例１では、得られたレンズの有効視野が９０％であり、レンズ周辺部は結像しないという問題が生じている。
【００７７】
また、図２は、同レンズの断面におけるＸ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図である。
【００７８】
図２に示すとおり、カリウムの検出強度分布を示す曲線は、円柱形状のレンズ周辺部において略放物線状の曲線から外れていることがわかる。このことは同レンズの屈折率分布が前記（１）式に示す屈折率分布からずれていることを示している。
【００７９】
また、比較例２では、得られたレンズの円周面からクラックが発生し、発明の目的を達成することができなかった。これは、ガラス体がＢ２Ｏ３を含んでいないために、ガラス体の弾性が乏しくなり、イオン交換の際に生じる体積変化に耐えられずに破断してしまうためである。
【００８０】
さらに、比較例３では、イオン交換処理を行った後、レンズの円周面近傍に失透物が生成するという問題が生じている。これは、ガラス体がＫ２Ｏを含んでいないためにイオン交換処理の際に、溶融塩のカリウムイオンとの急激なイオン交換が生じ、微小なクラックが生じたり、失透が生じやすくなったりしたことによる。
【００８１】
【表１】
【００８２】
［第２実施形態］
［実施例］
前記第１実施形態の実施例１で形成した円柱状の屈折率勾配型レンズの円柱側面に凹凸状の処理を施し、さらに該表面に黒色樹脂をコーティング処理してレンズ素子を得る。
【００８３】
図３は、当該レンズ素子を２次元に配列して構成したレンズアレイの概略構成図である。
【００８４】
図３に示すとおり、レンズアレイ１０には、複数個のレンズ素子１１が２次元に配列され、当該複数のレンズ素子１１は一対のガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製基板１２にはさまれている。また、当該一対のＦＲＰ製基板１２と前記複数のレンズ素子１１との間隙には黒色樹脂１３が充填されている。
【００８５】
このようにして構成したレンズアレイの光学特性として、像の再現性を評価する。この評価は、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）法を用いて画像の再現率を計測することによって行う。すなわち、レンズアレイの入射側に所定のラインチャートをおき、カラーフィルターおよび光拡散板を通したハロゲン光を前記ラインチャートに照射して得られる像を、前記レンズアレイを通して１対１の正立像として出力側に結像させる。このとき、正立像の入射像に対する再現率を計測する。
【００８６】
本実施形態では、オンオフで示される矩形波のラインペアを１組として、１ミリメートルの間隔内に８組のラインペアを有する（８ｌｐｍの）ラインパターンを用いている。
【００８７】
本実施形態のレンズアレイでは像の再現率は８４％であり、８０％以上の良好な値を示している。
【００８８】
このようにして形成されたレンズアレイを用いることによって、光学特性の優れた光学機器を構成することができる。たとえば、本実施形態のレンズアレイを画像読み取り装置に組み込んで構成したスキャナや複写機では、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。
【００８９】
また、このように形成されたレンズアレイと発光素子とを画像書き込み装置に組み込んで構成したプリンタでは、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。
【００９０】
［比較例］
比較例として従来法によって得られたレンズ素子を用いて、上記実施例と同様の方法でレンズアレイを構成し、光学特性を評価した。比較例のレンズアレイでは、像の再現率は７９．６％であり、８０％に満たない。これは従来法によって得られたレンズ素子の屈折率分布が、好ましい屈折率分布からずれているためである。すなわち、複数の配列された各々のレンズ素子の円柱形状の周辺部が、有効視野から外れているために、その周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合い、レンズアレイ全体としての光学特性を低下させているためである。
【００９１】
［変形例］
前記第２実施形態では、光学素子として、複数のレンズ素子を２次元に配列したレンズアレイを用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、光学素子としてレンズ素子を０次元に配列した光学素子を用いることができる。つまり、１つのレンズを光学素子として用いることができる。また、光学素子を１次元に配列したレンズアレイを用いることもできる。
【００９２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、有効視野が広く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造するのに適したガラス体を提供することができる。また、本発明の屈折率勾配型レンズを用いることによって光学特性の優れた光学素子および、光学機器を提供することができる。
【００９３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる屈折率勾配型レンズの断面における、Ｘ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図。
【図２】従来の屈折率勾配型レンズの断面における、Ｘ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図。
【図３】本発明の実施形態にかかる光学素子としてのレンズアレイの概略構成図。
【符号の説明】
１０ レンズアレイ
１１ レンズ素子
１２ ＦＲＰ製基板
１３ 黒色樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送体、特に屈折率が中心軸から表面に向かい連続的に、好ましくは放物線的に減少する屈折率勾配を有するレンズ（以下、屈折率勾配型レンズと呼称）を製造するのに適したガラス組成および製造された屈折率勾配型レンズに関する。更に該ガラス組成を用いた屈折率勾配型レンズを０乃至２次元に配した光学製品、および光学製品を用いた光学機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率勾配型レンズのレンズとして寄与する部分は円柱形状である。この屈折率勾配型レンズが有する好ましい屈折率分布は、レンズの円柱の中心軸に垂直な断面において、中心における屈折率をＮ０、中心から半径方向の距離をｒ、正の定数をＡとすると、屈折率Ｎが近似的に（１）式で示されることである。
【０００３】
Ｎ（ｒ）＝Ｎ０（１−Ａｒ２） ・・・・・（１）式
【０００４】
この屈折率勾配型レンズの製造方法としては、従来よりタリウム酸化物を含む所定の組成で構成されたガラス棒（または繊維）をアルカリ金属イオンの源、たとえばカリウムの溶融塩と接触させ、ガラス棒と溶融塩間の構成イオンのイオン交換により物質の半径方向の濃度分布を連続的に変化させる方法が知られている。
【０００５】
また、このようにして得られたガラス棒を円柱状に加工成形し、円柱の中心軸に垂直な断面において前記（１）式に近似されるような屈折率分布を有する屈折率勾配型レンズを製造することが知られている（たとえば、特許文献１，２参照。）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法で用いられる組成で構成されたガラス棒では、高温でガラス原料を溶融する必要があり、また、均質なガラス棒を得ることが困難であった。
【０００７】
一般に、不均質なガラス棒では、イオン交換処理の際に、イオン拡散が均一に行われずに、その連続性が阻害されてしまうという問題が生じる。
【０００８】
したがって、従来の製造方法では前記（１）式に示すような好ましい屈折率分布を有する良好なレンズを得ることは、困難であった。つまり、従来の製造方法で製造される屈折率勾配型レンズでは、前記（１）式に示される屈折率分布に対する大きなズレが生じているため、レンズの有効視野を、円柱形状の周辺部にまで持つことができなかった。
【０００９】
さらに、従来の製造方法で製造される複数の屈折率勾配型レンズを用いて、レンズが１次元または２次元に配列された光学素子を構成する場合、各々のレンズの屈折率分布が悪いため、光学性能が低下するという問題があった。
【００１０】
すなわち、光学素子に配列された各々のレンズ素子の円柱形状の周辺部が、有効視野から外れているために、その周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合い、光学素子全体としての光学特性、たとえば解像度を低下させてしまうという問題があった。
【００１１】
また、一般に、タリウム酸化物の揮発量は温度の上昇に対して指数関数的に増加するので、高均質なガラスを得やすくするためにはガラス原料の熔融温度を下げることが望ましい。
【００１２】
しかしながら、熔融温度を下げるとガラスの粘度が高くなり、ガラスの成形性が悪化してしまうという問題があるため、より低温の条件下でより低粘度な溶融状態を達成できるガラス原料組成の開発が望まれている。
【００１３】
【特許文献１】
特公昭６１−４６４１６号公報
【特許文献２】
特公昭６２−４３９３６号公報
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、光学特性が良く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造するのに適したガラス組成を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、光学特性が良く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズおよび、該レンズを用いた光学特性の優れた光学素子および、光学機器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ガラス体において、当該ガラス体は、ＳｉＯ２：３５〜８０モル％、Ｂ２Ｏ３：０．１〜４０モル％、Ｔｌ２Ｏ：１〜２６モル％、Ｋ２Ｏ：１〜３４モル％、ＺｎＯ：０〜３０モル％、ＧｅＯ２：０〜３０モル％、ＴｉＯ２：０〜２０モル％、ＭｇＯ：０〜２０モル％、ＺｒＯ２：０〜２モル％、Ａｌ２Ｏ３：０〜８モル％、ＳｎＯ：０〜５モル％、Ｌａ２Ｏ３：０〜５モル％、Ｂｉ２Ｏ３：０〜８モル％、Ｔａ２Ｏ５：０〜２モル％、Ｓｂ２Ｏ３：０〜１モル％、Ａｓ２Ｏ３：０〜１モル％の組成範囲内であって且つ、Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ：２〜２６モル％、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）／Ｔｌ２Ｏ：０．２〜５．５、Ｔｌ２Ｏ＋Ｒ２Ｏ：５〜３５モル％（Ｒはアルカリ金属）、ＢａＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ：０〜１０モル％、ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｎＯ（ＳｎＯ２）：０〜８モル％、ＳｉＯ２＋ＧｅＯ２＋ＴｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３：５０〜８０モル％の組成範囲で各組成成分を含有していることを要旨としている。
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、ガラス体は３５〜８０モル％、好ましくは４０〜７０モル％の範囲でＳｉＯ２を含有している。このＳｉＯ２は、ガラスマトリックス形成成分として知られており、下限値の３５モル％未満の組成範囲では、ガラスの耐久性や安定性が減少し、上限値の８０モル％を越える組成範囲では、ガラスの溶融温度が上昇し、また、他の構成成分の必要量が確保されないために、本発明の目的が達成されない。
【００１８】
また、前記ガラス体は、Ｂ２Ｏ３を０．１〜４０モル％、好ましくは０．５〜２５モル％の範囲で含有している。このＢ２Ｏ３もまたガラスマトリックス形成成分であり、同時にＢ２Ｏ３はガラスの熔融温度を下げるための必須物質である。さらに、Ｂ２Ｏ３はガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズなどを形成する場合、レンズの光学性能を向上させるための必要物質である。
【００１９】
すなわち、上記の組成範囲でＢ２Ｏ３を含有するガラス体では、イオン交換処理によって前記（１）式に示すような好ましい屈折率分布に極めて近い屈折率分布を有する良好なレンズを得ることができる。
【００２０】
上記レンズの光学性能上昇のためには、ガラス体は０．５モル％以上のＢ２Ｏ３を含有することが好ましい。また、光学特性上の影響はないが、Ｂ２Ｏ３の原材料はＳｉＯ２の原材料と比べて高価であるため、工業的には２５モル％以下であることが好ましい。
【００２１】
また、前記ガラス体は、Ｔｌ２Ｏを１〜３０モル％、好ましくは２〜１０モル％の範囲で含有している。このＴｌ２Ｏは、前記ガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズを得るために必須の成分である。これは、前記イオン交換では、前記ガラス体をアルカリ金属の溶融塩と接触させ、ガラス体に含まれるＴｌイオンと、溶融塩に含まれるアルカリ金属イオンとのイオン交換を行うためである。このイオン交換によって、ガラス体中にＴｌイオンおよびアルカリ金属イオンの濃度分布が生じると、ガラス体は、所定方向に連続的に変化するイオンの濃度分布に応じて、屈折率の勾配を有するようになり、光学的な機能を示すので、たとえばレンズとして利用できるようになる。
【００２２】
したがって、前記ガラス体のＴｌ２Ｏの含有量が下限値の１モル％未満の組成範囲では、目的とする光学特性、たとえば所望のレンズ開口角を有するレンズが得られない。また、上限値の３０モル％を越えると、ガラス体の耐候性が悪化する。
【００２３】
また、前記ガラス体は、Ｋ２Ｏを１〜３４モル％、好ましくは２〜３４モル％の範囲で含有している。このＫ２Ｏはガラス内においてカリウムイオン源であり、前記ガラス体をイオン交換して屈折率勾配型レンズを得るために必須の成分である。ガラス体に生じるカリウムイオンは、レンズ機能を付加するイオン交換処理の際に、ガラス体の外部に接しているアルカリ金属の熔融塩を源とするアルカリ金属イオンと同様にガラス内を拡散し、主にＴｌイオンと交換されることによってガラス体の屈折率を低下させることができる。
【００２４】
したがって、前記ガラス体のＫ２Ｏ含有量が下限値の１モル％より少ないと、ガラス体のイオン交換によってもたらされる屈折率分布が、前記（１）式から大きく外れてしまい、目的とするレンズ性能が得らない。また、前記ガラス体のＫ２Ｏの含有量が上限値の３４モル％を越えると、ガラス体の耐候性が悪化する。
【００２５】
さらに、前記ガラス体は、Ｔｌ２ＯとＲ２Ｏ（ここで、Ｒはアルカリ金属を示す。）との合計で５〜４０モル％、好ましくは１０〜３０モル％の範囲で含有している。このタリウム酸化物を含むアルカリ金属の酸化物の合計含有量が下限値より少ないときは、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズにおいて、目的とするレンズ開口角が得られない。また、ガラスの熔融温度が上昇してしまうためにＴｌ２Ｏの揮発の程度が激しくなり、形成されるガラス体の均質性が低下する。逆に、上限値を越えるときは、形成されるガラス体の耐候性が悪化するという問題が生じる。
【００２６】
前記Ｒ２Ｏで示されるアルカリ金属酸化物の内には、Ｎａ２ＯまたはＬｉ２Ｏの少なくともいずれか一方の酸化物が必須成分として含まれる。そしてこれらの酸化物の合計（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量は２〜２６モル％、好ましくは５〜１８モル％の範囲である。
【００２７】
また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率（（ Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）／Ｔｌ２Ｏ）は、０．２〜５．５、好ましくは０．５〜３．０の範囲である。
【００２８】
Ｎａ２ＯおよびＬｉ２Ｏは、ガラス体との熔融塩との間のイオン交換を担う種々のアルカリ金属イオン種の中では、比較的イオン半径の小さいＮａイオンおよびＬｉイオンを供給する。これらのイオン半径の小さなアルカリ金属イオンは、イオン交換処理中のガラス内での拡散速度が速いという特徴を有する。このため、たとえば比較的イオン半径の大きなカリウムイオンとタリウムイオンとだけでイオン交換を行う場合よりも、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズの開口角・屈折率分布などの光学的諸特性を、より広範囲に、かつ容易に調整することができるという効果を奏する。
【００２９】
従って（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量が下限値を下回るとガラスの溶融温度が上昇し、また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率が下限値を下回ると前記の効果が小さくなる。一方、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量が上限値を越えると、ガラス体の耐候性が悪化してイオン交換処理の際にガラス体にクラックが入ったり、失透しやすくなったりするという問題が生じ、また、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）の含有量とＴｌ２Ｏの含有量との比率が上限値を超えると、目的とする光学特性、たとえば所望のレンズ収差を有するレンズが得られない。
【００３０】
したがって、Ｎａ２ＯおよびＬｉ２Ｏの含有量は、それら合計の含有量と、その合計含有量のＴｌ２Ｏの含有量に対する比率との両者を考慮して選択される。また、Ｎａ２Ｏの含有量とＬｉ２Ｏの含有量との割合は、Ｌｉ２ＯがＮａ２Ｏに対して有している優位な特徴と不利な特徴との両者を考慮して選択される。
【００３１】
すなわち、Ｌｉ２ＯはＮａ２Ｏに比べて、より少量の添加によりガラスの熔融温度を下げることができるいう優位な特徴がある一方、Ｌｉ２Ｏ含有ガラスは一般的に、Ｎａ２Ｏ含有ガラスに比べて失透しやすいという不利な特徴があるため、これらを考慮して選択すればよい。
【００３２】
上記以外のアルカリ金属酸化物Ｒ２Ｏとして、材料コストの観点から、Ｋ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏを好適に用いることができるが、必要の程度に応じてその他のアルカリ金属酸化物を用いることもできる。
【００３３】
また、前記ガラス体は以下に説明するような付加成分を含むことができる。
【００３４】
前記ガラス体の、ＺｎＯの含有量は、０〜３０モル％、好ましくは３〜２５モル％の範囲である。このＺｎＯはガラス化範囲を広げ、熔融温度を低下させる。ＺｎＯの含有量が上限値を越えると、ガラス体の耐候性が悪くなるという問題が生じる。
【００３５】
また、前記ガラス体のＧｅＯ２の含有量は、０〜３０モル％、好ましくは３〜１５モル％の範囲である。このＧｅＯ２はガラスマトリックス形成酸化物であり、ガラス化範囲を拡大したり、ガラスの熔融温度を下げたりする効果がある。この効果は、前記Ｂ２Ｏ３が奏する同様の効果に比べると小さい。このため、ＧｅＯ２の含有量は、前記Ｂ２Ｏ３の含有量を考慮して上記組成範囲から選択される。
【００３６】
さらに、前記ガラス体は、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯのうち、いずれか少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。その合計の含有量は０〜１０モル％の範囲である。これらの酸化物は、ガラス化範囲の拡大および熔解性向上のために用いられる。しかしながらこれらの酸化物の含有量の合計が上限値の１０モル％を越えるような組成範囲では、イオン交換が円滑に進行しなくなり、前記ガラス体をイオン交換することによって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００３７】
また、前記ガラス体のＴｉＯ２の含有率は、０〜３０モル％以下、好ましくは１〜１５モル％の範囲である。このＴｉＯ２は、ガラスマトリックス形成成分であると同時に屈折率を上げる効果がある。またＴｉＯ２は、ガラス化範囲を広げ、熔融温度を低下させるという効果を奏する。しかしながらこれらの酸化物の含有量が上限値の３０モル％を越えるような組成範囲ではガラスに失透が生じ、またガラスの着色を著しくするという問題が生じる。
【００３８】
さらに、前記ガラス体のＭｇＯの含有量は、２０モル％以下、好ましくは１５モル％以下の範囲である。このＭｇＯは、ガラス化範囲を拡大するという効果を奏するが、その含有量が上限値を超えるような組成範囲では、熔融温度を上げてしまう。
【００３９】
さらにまた、前記ガラス体は、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｎＯ（ＳｎＯ２）のうち、いずれか少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。その合計の含有率は、０〜８モル％の範囲である。
【００４０】
これらの酸化物は、イオン交換処理の際のガラス体の耐性を向上させるとともに、イオン交換によって得られるレンズの耐候性を向上させる。しかしながらこれらの酸化物の含有量の合計が上限値の８モル％を越えるような組成範囲では、ガラスの溶解性が悪くなったり、ガラスの着色が著しくなったりするという問題が生じる。したがって、０．１〜３モル％の組成範囲の含有量であることが生産上好ましい。
【００４１】
また、これらの酸化物の個々の含有量についても以下のようにその上限値が定められる。
【００４２】
ＺｒＯ２は、ガラスの屈折率を大きくし、耐候性を向上させるという効果を奏する。その含有量が上限値の５モル％を越える場合ガラスの熔解性が悪くなる。したがって、ＺｒＯ２は２モル％以下の含有量であることが生産上好ましい。
【００４３】
Ａｌ２Ｏ３の含有量は、８モル％以下、好ましくは２モル％以下である。含有量が上限値を越える場合、ガラスの熔解性が悪くなるため、生産上好ましくない。
【００４４】
ＳｎＯ（ＳｎＯ２）の含有量は、５モル％以下、好ましくは２モル％以下である。含有量が上限値を越える場合、結晶が析出し易くなり、ガラスの着色・結晶化の問題が生じるため、熔解性が悪くなる。
【００４５】
また、前記ガラス体は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３のように共有結合性が強く、ガラスマトリックスを構成する成分の合計量を５０〜８０モル％の範囲で含有している。これらの酸化物の含有量の合計が、下限値の５０モル％を下回ると、ガラスの耐候性が低下してしまう。一方、上限値の８０モル％を越えると、ガラスの熔融温度が上昇し、また、他の構成成分の必要量が確保できないために、本発明の目的が達成されない。
【００４６】
さらに、前記ガラス体のＬａ２Ｏ３の含有率は、０〜５モル％、好ましくは０〜３モル％の範囲である。このＬａ２Ｏ３は、ガラスの屈折率を高くするという効果を奏する。しかしながら、その含有量が上限値を越える場合、前記ガラス体のイオン交換が円滑に進行しなくなる。このため、イオン交換によって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００４７】
さらにまた、前記ガラス体の、Ｔａ２Ｏ５の含有率は、０〜５モル％、好ましくは０〜２モル％の範囲である。このＴａ２Ｏ５も、ガラスの屈折率を高くするという効果を奏するが、その含有量が上限値を越える場合、前記ガラス体のイオン交換が円滑に進行しなくなる。このため、イオン交換によって得られるレンズの屈折率分布が前記（１）式で示される屈折率分布からずれてしまい、良好なレンズが得られなくなるという問題が生じる。
【００４８】
また、前記ガラス体のＢｉ２Ｏ３の含有率は、０〜１０モル％、好ましくは０〜３モル％の範囲である。このＢｉ２Ｏ３は、ガラスの屈折率を大きく高めるという効果を奏する。また、溶融温度の変化に対する粘度の変化率を穏やかにすることができるので、ガラスの成型を容易にするという効果を奏する。さらに、Ｂｉ２Ｏ３は、ガラス化範囲を広げるという効果を奏する。
【００４９】
しかしながら、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が増えると、ガラスの着色の程度が激しくなるという問題が生じるため、実用上着色の問題が生じないように、前記組成範囲の含有量が選定される。
【００５０】
なお、これらの付加成分は必要に応じて含有させるものであり、全く含有しなくてもよい。
【００５１】
さらに、前記ガラス体は、必要に応じて、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３のいずれか少なくとも１種の金属酸化物を、ガラスの清澄剤として１モル％まで含有することができる。
【００５２】
また、前記の従来の技術課題を解決するため請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガラス体において、当該ガラス体のＫ２Ｏの含有量は、２〜３４モル％の範囲であることを要旨とする。
【００５３】
請求項２に記載の発明によると、前記ガラス体は、前記ガラス体は２モル％以上のＫ２Ｏを含有しているので、前記組成範囲であるため、前記ガラス体をイオン交換することによって得られる屈折率勾配型レンズにおいて、当該レンズの屈折率分布を、前記（１）式で示す屈折率分布に近づけることが容易になる。このため、目的とするレンズ性能が得られやすくなる。
【００５４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を、カリウム化合物の溶融塩に接触させてイオン交換に付することによって、前記ガラス体中に中心から周辺に向けて変化する屈折率分布が形成されている屈折率勾配型レンズであることを要旨とする。
【００５５】
請求項３に記載の発明によると、前記屈折率勾配型レンズは、前記請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を用いて、当該ガラス体をイオン交換することによって形成されているので、屈折率分布が前記（１）式で示す屈折率分布に近いという特徴を有する。
【００５６】
このため、当該ロッドレンズの有効視野は広い。また、前記ロッドレンズは、前記請求項１または請求項２のいずれか一つに記載のガラス体を用いて、当該ガラス体をイオン交換することによって形成されているので、耐候性に優れている。
【００５７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の屈折率勾配型レンズが、０乃至２次元に配列された光学素子であることを要旨とする。
【００５８】
請求項４に記載の発明によると、前記光学素子は、請求項３に記載の屈折率勾配型レンズが、０乃至２次元に配列されており、各々のレンズの周辺部がレンズの有効視野から外れるという問題が生じにくいという特徴がある。
【００５９】
このため、光学素子に配列されている屈折率勾配型レンズの周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合うという問題が軽減され、光学素子全体としての光学特性、たとえば解像度が向上する。
【００６０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学素子が用いられている光学機器であることを要旨とする。
【００６１】
請求項５に記載の発明によると、前記光学機器は、請求項４に記載の光学特性に優れた光学素子が用いられているため、光学特性に優れている。
【００６２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
［実施例１］
本発明のガラス体の形成には、表１に示すガラス体の組成成分である各々の酸化物の起源として、各々の酸化物に含まれる金属を含有する下記原料を用いている。
【００６３】
ケイ石粉（酸化珪素）、酸化ホウ素、硝酸タリウム、硝酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、硝酸ルビジウム、硝酸セシウム、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウム、硝酸バリウム、酸化チタン、炭酸マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化スズ、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、酸化ランタン、酸化ビスマス、酸化タンタル、酸化アンチモン、および無水亜砒酸。
【００６４】
これらの原料を、ガラス化した後に表１に示す組成比になるように、原料の所定量を秤量して混合し、白金るつぼに入れて、電気炉を用いて１４５０℃で熔解した。ガラスはよく撹拌して均一化した後、直径０．６ｍｍφのガラス棒に成形する。
【００６５】
当該ガラス棒は、表１に示す温度に加熱・保温された硝酸カリウム熔融塩中に、これも表１示す時間浸漬することによりイオン交換を行って、円柱形状の屈折率勾配型レンズを得る。
【００６６】
このとき、前記ガラス棒の重量が前記熔融塩の重量に対して２重量％の割合になるように、前記溶融塩の重量を調整する。
【００６７】
表１には、得られた屈折率勾配型レンズの特性値としての開口角θおよび有効視野（パーセント）を測定した結果を併せて示す。
【００６８】
なお、表１に記載の開口角θは、レンズによって光束方向を変化可能な最大入射角である。また、有効視野は、入射側に物体を、出射側にレンズから得られる像を、それぞれ於いた場合に得られる像において規定される。
【００６９】
表１に示すように、得られたレンズの開口角θは１５．１度、有効視野は９５％であり、９２％以上の優れた特性を示している。
【００７０】
また、得られた円柱形状の屈折率勾配型レンズの屈折率分布の状態は、Ｘ線マイクロアナリシスにより、アルカリ金属、たとえばカリウムの検出強度の分布を観察することによって知ることができる。
【００７１】
図１は、得られた屈折率勾配型レンズの断面におけるＸ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図である。
【００７２】
図１に示すように、カリウムの検出強度分布はレンズの断面の直径方向に略放物線状の分布を示している。特に、図１に破線で示す円柱形状のレンズ周辺部近傍においても、カリウムの検出強度分布が前記曲線に沿って変化している。このことは、同レンズの屈折率分布が、円柱状形状のレンズ周辺部にいたるまで前記（１）式に示す屈折率分布によく従っていることを示す。
【００７３】
［実施例２〜１６］
実施例２〜１６についても、上記実施例１と同様にして、ガラス体の組成が表１の実施例の欄に示す組成比になるように処理を行い、屈折率勾配型のレンズを得る。表１には、得られた各々の屈折率勾配型レンズの特性も併せて示す。
【００７４】
これらのレンズの有効視野はいずれも９２％以上の優れた値を示している。また、ガラス体が失透したり、ガラス表面にクラックが入るなどといった不具合は生じていない。
【００７５】
［比較例１〜３］
比較例として、上記実施例１と同様にして、ガラス体の組成が表１の比較例の欄に示す組成比になるように処理を行い、屈折率勾配型のレンズを得た。得られた各々の屈折率勾配型レンズの特性も、併せて表１に示す。
【００７６】
表１に示すように、比較例１では、得られたレンズの有効視野が９０％であり、レンズ周辺部は結像しないという問題が生じている。
【００７７】
また、図２は、同レンズの断面におけるＸ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図である。
【００７８】
図２に示すとおり、カリウムの検出強度分布を示す曲線は、円柱形状のレンズ周辺部において略放物線状の曲線から外れていることがわかる。このことは同レンズの屈折率分布が前記（１）式に示す屈折率分布からずれていることを示している。
【００７９】
また、比較例２では、得られたレンズの円周面からクラックが発生し、発明の目的を達成することができなかった。これは、ガラス体がＢ２Ｏ３を含んでいないために、ガラス体の弾性が乏しくなり、イオン交換の際に生じる体積変化に耐えられずに破断してしまうためである。
【００８０】
さらに、比較例３では、イオン交換処理を行った後、レンズの円周面近傍に失透物が生成するという問題が生じている。これは、ガラス体がＫ２Ｏを含んでいないためにイオン交換処理の際に、溶融塩のカリウムイオンとの急激なイオン交換が生じ、微小なクラックが生じたり、失透が生じやすくなったりしたことによる。
【００８１】
【表１】
［第２実施形態］
［実施例］
前記第１実施形態の実施例１で形成した円柱状の屈折率勾配型レンズの円柱側面に凹凸状の処理を施し、さらに該表面に黒色樹脂をコーティング処理してレンズ素子を得る。
【００８３】
図３は、当該レンズ素子を２次元に配列して構成したレンズアレイの概略構成図である。
【００８４】
図３に示すとおり、レンズアレイ１０には、複数個のレンズ素子１１が２次元に配列され、当該複数のレンズ素子１１は一対のガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製基板１２にはさまれている。また、当該一対のＦＲＰ製基板１２と前記複数のレンズ素子１１との間隙には黒色樹脂１３が充填されている。
【００８５】
このようにして構成したレンズアレイの光学特性として、像の再現性を評価する。この評価は、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）法を用いて画像の再現率を計測することによって行う。すなわち、レンズアレイの入射側に所定のラインチャートをおき、カラーフィルターおよび光拡散板を通したハロゲン光を前記ラインチャートに照射して得られる像を、前記レンズアレイを通して１対１の正立像として出力側に結像させる。このとき、正立像の入射像に対する再現率を計測する。
【００８６】
本実施形態では、オンオフで示される矩形波のラインペアを１組として、１ミリメートルの間隔内に８組のラインペアを有する（８ｌｐｍの）ラインパターンを用いている。
【００８７】
本実施形態のレンズアレイでは像の再現率は８４％であり、８０％以上の良好な値を示している。
【００８８】
このようにして形成されたレンズアレイを用いることによって、光学特性の優れた光学機器を構成することができる。たとえば、本実施形態のレンズアレイを画像読み取り装置に組み込んで構成したスキャナや複写機では、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。
【００８９】
また、このように形成されたレンズアレイと発光素子とを画像書き込み装置に組み込んで構成したプリンタでは、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。
【００９０】
［比較例］
比較例として従来法によって得られたレンズ素子を用いて、上記実施例と同様の方法でレンズアレイを構成し、光学特性を評価した。比較例のレンズアレイでは、像の再現率は７９．６％であり、８０％に満たない。これは従来法によって得られたレンズ素子の屈折率分布が、好ましい屈折率分布からずれているためである。すなわち、複数の配列された各々のレンズ素子の円柱形状の周辺部が、有効視野から外れているために、その周辺部から得られる像がノイズとなって互いに重なり合い、レンズアレイ全体としての光学特性を低下させているためである。
【００９１】
［変形例］
前記第２実施形態では、光学素子として、複数のレンズ素子を２次元に配列したレンズアレイを用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、光学素子としてレンズ素子を０次元に配列した光学素子を用いることができる。つまり、１つのレンズを光学素子として用いることができる。また、光学素子を１次元に配列したレンズアレイを用いることもできる。
【００９２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、有効視野が広く、耐候性に優れた屈折率勾配型レンズを製造するのに適したガラス体を提供することができる。また、本発明の屈折率勾配型レンズを用いることによって光学特性の優れた光学素子および、光学機器を提供することができる。
【００９３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる屈折率勾配型レンズの断面における、Ｘ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図。
【図２】従来の屈折率勾配型レンズの断面における、Ｘ線マイクロアナリシスによるカリウム検出強度分布を示す概略説明図。
【図３】本発明の実施形態にかかる光学素子としてのレンズアレイの概略構成図。
【符号の説明】
１０ レンズアレイ
１１ レンズ素子
１２ ＦＲＰ製基板
１３ 黒色樹脂
Claims (5)
- タリウムを含有するガラス体において、当該ガラス体は、ＳｉＯ２：３５〜８０モル％、Ｂ２Ｏ３：０．１〜４０モル％、Ｔｌ２Ｏ：１〜２６モル％、Ｋ２Ｏ：１〜３４モル％、ＺｎＯ：０〜３０モル％、ＧｅＯ２：０〜３０モル％、ＴｉＯ２：０〜２０モル％、ＭｇＯ：０〜２０モル％、ＺｒＯ２：０〜２モル％、Ａｌ２Ｏ３：０〜８モル％、ＳｎＯ：０〜５モル％、Ｌａ２Ｏ３：０〜５モル％、Ｂｉ２Ｏ３：０〜８モル％、Ｔａ２Ｏ５：０〜２モル％、Ｓｂ２Ｏ３：０〜１モル％、Ａｓ２Ｏ３：０〜１モル％の組成範囲内であって且つ、Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ：２〜２６モル％、（Ｎａ２Ｏ＋Ｌｉ２Ｏ）／Ｔｌ２Ｏ：０．２〜５．５、Ｔｌ２Ｏ＋Ｒ２Ｏ：５〜３５モル％（Ｒはアルカリ金属）、ＢａＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ：０〜１０モル％、ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋ＳｎＯ（ＳｎＯ２）：０〜８モル％、ＳｉＯ２＋ＧｅＯ２＋ＴｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３：５０〜８０モル％の組成範囲で各組成成分を含有していることを特徴とするガラス体。
- 請求項１に記載のガラス体において、当該ガラス体のＫ２Ｏの含有量は、２〜３４モル％の範囲であることを特徴とするガラス体。
- 請求項１または請求項２のいずれかに記載のガラス体を、カリウム化合物の溶融塩に接触させてイオン交換に付することによって、前記ガラス体中に中心から周辺に向けて変化する屈折率分布を形成することを特徴とする屈折率勾配型レンズ。
- 請求項３に記載の屈折率勾配型レンズを０乃至２次元に配列することを特徴とする光学素子。
- 請求項４に記載の光学素子を用いることを特徴とする光学機器。
Priority Applications (5)
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