JP2754815B2 - イオン交換による光学素子の製造方法 - Google Patents
イオン交換による光学素子の製造方法Info
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- JP2754815B2 JP2754815B2 JP1322927A JP32292789A JP2754815B2 JP 2754815 B2 JP2754815 B2 JP 2754815B2 JP 1322927 A JP1322927 A JP 1322927A JP 32292789 A JP32292789 A JP 32292789A JP 2754815 B2 JP2754815 B2 JP 2754815B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ガラス基材中の陽イオンを他の陽イオンと
交換することによりガラス基材の屈折率等の物性を部分
的に変えて、光導波路、マイクロレンズアレイ等の光学
素子をガラス基材中に一体的に形成する方法の改良に関
し、特に交換イオンの大きさの差に基づいて基材に発生
する応力の偏分布或いは異常変形を防止する技術に関す
る。
交換することによりガラス基材の屈折率等の物性を部分
的に変えて、光導波路、マイクロレンズアレイ等の光学
素子をガラス基材中に一体的に形成する方法の改良に関
し、特に交換イオンの大きさの差に基づいて基材に発生
する応力の偏分布或いは異常変形を防止する技術に関す
る。
＜従来の技術＞ 以下、マイクロレンズアレイの製造を例にとり説明す
る。マイクロレンズアレイは、透明ガラス平板中に、略
半球状あるいは略半円柱状の高屈折率領域から成る微小
なレンズを多数、ガラス基板中に一次元的または二次元
的に配列形成したものであり、一般的には以下のように
して製造される。まず、Na+イオン、K+イオンを含むガ
ラス基板の表面を金属薄膜等のイオン不透過性材料から
なるマスク膜で被覆し、このマスク膜に所定のレンズ配
列パターンで微小開口を設けておき、この面に基板ガラ
スの屈折率を高めるTl+イオン等の１価陽イオンを含む
溶融塩、例えば硝酸タリウムを接触させる。
る。マイクロレンズアレイは、透明ガラス平板中に、略
半球状あるいは略半円柱状の高屈折率領域から成る微小
なレンズを多数、ガラス基板中に一次元的または二次元
的に配列形成したものであり、一般的には以下のように
して製造される。まず、Na+イオン、K+イオンを含むガ
ラス基板の表面を金属薄膜等のイオン不透過性材料から
なるマスク膜で被覆し、このマスク膜に所定のレンズ配
列パターンで微小開口を設けておき、この面に基板ガラ
スの屈折率を高めるTl+イオン等の１価陽イオンを含む
溶融塩、例えば硝酸タリウムを接触させる。
これによりガラス基板中の前記イオンが外に出るとと
もに、溶融塩中の前記イオンが前記マスク膜の開口部を
通してガラス基板中に拡散進入し、拡散領域の屈折率が
増大することにより、略半球状（マスク開口が円形の場
合）あるいは略半円柱状（マスク開口がスリット状の場
合）をなした多数の微小レンズが、ガラス基板の片面側
肉厚内に配列形成される。
もに、溶融塩中の前記イオンが前記マスク膜の開口部を
通してガラス基板中に拡散進入し、拡散領域の屈折率が
増大することにより、略半球状（マスク開口が円形の場
合）あるいは略半円柱状（マスク開口がスリット状の場
合）をなした多数の微小レンズが、ガラス基板の片面側
肉厚内に配列形成される。
なお、前記マスク膜の開口パターンを適当に選ぶこと
により、上記と同様の方法で光導波路をガラス基板中に
形成することができる。
により、上記と同様の方法で光導波路をガラス基板中に
形成することができる。
＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、上述した従来のイオン交換方法では、
ガラスから外に出る１価の陽イオンに対して外部からガ
ラス内に入る１価陽イオンの大きさが異なるため、ガラ
ス中の拡散領域に応力が発生し、この局部応力の発生に
起因してガラス基材が異常変形するという重大な問題が
あった。
ガラスから外に出る１価の陽イオンに対して外部からガ
ラス内に入る１価陽イオンの大きさが異なるため、ガラ
ス中の拡散領域に応力が発生し、この局部応力の発生に
起因してガラス基材が異常変形するという重大な問題が
あった。
つまり、ガラス基材中に含まれる１価の陽イオンN
a+、K+の分子容がそれぞれ20.1cm3,34.0cm3であるのに
対し、Tl+の分子容が63.0cm3であるため、１対１のイオ
ン交換を行った場合、必然的にガラス内の交換領域の体
積が膨張し、その部分に応力が発生してガラス基材が反
り変形してしまうという現象である。
a+、K+の分子容がそれぞれ20.1cm3,34.0cm3であるのに
対し、Tl+の分子容が63.0cm3であるため、１対１のイオ
ン交換を行った場合、必然的にガラス内の交換領域の体
積が膨張し、その部分に応力が発生してガラス基材が反
り変形してしまうという現象である。
特に、基板ガラスの厚みが薄い場合に上記の反り変形
は著しくなる。
は著しくなる。
＜問題点を解決するための手段＞ １価陽イオンを１種以上含むガラス基材に対し、この
イオンと交換可能な他の陽イオンを１種以上含む媒質を
接触させてこれらイオン同士を交換させることにより、
周辺とは物性の異なった、例えば周辺部よりも屈折率の
高い領域からなる光学素子をガラス基材内に形成する方
法において、 交換される前記媒質中の１価陽イオンの体積と前記ガラ
ス基材中の１価陽イオンの体積とがほぼ等しくなるよう
に、媒質または（及び）ガラス基材中のイオン種及びイ
オン濃度を設定する。
イオンと交換可能な他の陽イオンを１種以上含む媒質を
接触させてこれらイオン同士を交換させることにより、
周辺とは物性の異なった、例えば周辺部よりも屈折率の
高い領域からなる光学素子をガラス基材内に形成する方
法において、 交換される前記媒質中の１価陽イオンの体積と前記ガラ
ス基材中の１価陽イオンの体積とがほぼ等しくなるよう
に、媒質または（及び）ガラス基材中のイオン種及びイ
オン濃度を設定する。
例えば、基材ガラス中に二種のアルカリイオンA,Bが
含まれるとした場合、両者のモル体積和MVgは次式で表
すことができる。
含まれるとした場合、両者のモル体積和MVgは次式で表
すことができる。
MVg＝Ca×βａ＋Cb×βｂ（cm3） ここで、Ca,CbはそれぞれA,Bイオンの濃度、βa,βｂ
はそれぞれA,Bイオンの分子容である。
はそれぞれA,Bイオンの分子容である。
上記のガラスに対して、二種の１価陽イオンC,Dを含
む溶融塩、例えば硝酸タリウムと硝酸ナトリウムとの混
塩を用い、次式で表される両イオンのモル体積和MVsが
ガラスにおけるイオンのモル体積和MVgに等しくなるよ
うに、両イオンC,Dの濃度Cc,Cdを設定する。
む溶融塩、例えば硝酸タリウムと硝酸ナトリウムとの混
塩を用い、次式で表される両イオンのモル体積和MVsが
ガラスにおけるイオンのモル体積和MVgに等しくなるよ
うに、両イオンC,Dの濃度Cc,Cdを設定する。
MVs＝Cc×βｃ＋Cd×βｄ（cm3） ここで、βc,βｄはそれぞれイオンC,Dの分子容であ
る。
る。
＜作用＞ 本発明方法によれば、交換に関与する出入イオンの体
積が同じであるため、交換後、ガラス基材に変形を生じ
ることがなく、平坦度に優れたマイクロレンズアレイ、
光導波路などの光学素子を得ることができる。
積が同じであるため、交換後、ガラス基材に変形を生じ
ることがなく、平坦度に優れたマイクロレンズアレイ、
光導波路などの光学素子を得ることができる。
＜実施例＞ 以下本発明を具体的な数値例について説明する。大き
さが100mm×100mmで厚み0.6mmのガラス基板を準備し、
まず比較例として従来通り硝酸タリウム（TlNO3）100モ
ル％の溶融塩を用いて、基板ガラスの片面側にイオン交
換処理を行った。処理後の基板ガラスを平坦な面上に置
いてこの面からの最大浮き上がり量（反り変形量）を測
定したところ、約2mmであった。
さが100mm×100mmで厚み0.6mmのガラス基板を準備し、
まず比較例として従来通り硝酸タリウム（TlNO3）100モ
ル％の溶融塩を用いて、基板ガラスの片面側にイオン交
換処理を行った。処理後の基板ガラスを平坦な面上に置
いてこの面からの最大浮き上がり量（反り変形量）を測
定したところ、約2mmであった。
これに対して、後述のようにして混合濃度比を決めた
硝酸タリウム12モル％、硝酸ナトリウム88モル％の混合
溶融塩を用いて上記のガラス基板に対しイオン交換を行
い反り変形量を測定したところ、約５μｍであった。
硝酸タリウム12モル％、硝酸ナトリウム88モル％の混合
溶融塩を用いて上記のガラス基板に対しイオン交換を行
い反り変形量を測定したところ、約５μｍであった。
溶融塩の濃度の計算方法は以下の通りである。
本実施例で用いたほう珪酸ガラスには、アルカリがNa
2O＝13.2モル％,K2O＝7.7モル％含まれている。Na+,K+,
Tl+の各分子容はそれぞれ20.2,34.0,63.0cm3である。
2O＝13.2モル％,K2O＝7.7モル％含まれている。Na+,K+,
Tl+の各分子容はそれぞれ20.2,34.0,63.0cm3である。
ガラス中のアルカリイオンのモル体積MVcm3は、 MV＝0.132×20.2＋0.077×34.0＝5.2844cm3 になる。
このMVと同体積なるTl+とNa+の混合比を選ぶ。
Tl+,Na+量は次のように見積もられる。
MV＝ｘ×20.2＋ｙ×63.0＝5.2844cm3 ｘ＋ｙ＝100モル％ よって ｘ＝Tl+＝12モル％ ｙ＝Na+＝88モル％ になる。
＜発明の効果＞ 本発明方法によれば、イオン交換によってガラス基板
中に光学素子を形成する場合に、従来は不可避であった
基板の変形をほとんど無くすことができ、平坦度に優れ
た平板光学素子が得られるとともに、素子基板の厚みを
可及的に薄くすることができる。
中に光学素子を形成する場合に、従来は不可避であった
基板の変形をほとんど無くすことができ、平坦度に優れ
た平板光学素子が得られるとともに、素子基板の厚みを
可及的に薄くすることができる。
Claims (2)
- 【請求項１】１価の陽イオンを１種類以上含むガラス基
材に対し、前記イオンと交換可能な他の陽イオンを少な
くとも１種以上含む媒質を接触させて、これらイオン同
士を交換させることにより、その周辺とは物性の異なっ
たイオン拡散領域からなる光学素子を製造する方法にお
いて、 交換される前記媒質中の１価陽イオンの体積と、前記ガ
ラス基材中の１価陽イオンの体積とが等しくなるよう
に、前記媒質又は／及びガラス基材中のイオン種及びイ
オンの濃度を設定することを特徴とするイオン交換によ
る光学素子の製造方法。 - 【請求項２】請求項１に記載のイオン交換による光学素
子の製造方法において、 前記ガラス基材に含まれる１種以上の１価の陽イオンの
モル体積和MVgを式（１）で、前記媒質の１価の陽イオ
ンのモル体積和MVs式（２）を表したときに、MVg＝MVs
となるように前記媒質のイオン種及びイオンの濃度を設
定することを特徴とするイオン交換による光学素子の製
造方法。 MVg＝Ca×βａ＋Cb×βｂ＋・・・ （１） MVs＝Cc×βｃ＋Cd×βｄ （２） （ここで、Ca、Cb、Cc、Cd・・は、１価の陽イオンのモ
ル濃度を表し、βａ、βｂ、βｃ、βｄ・・は、１価の
陽イオンの分子容を表す。）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1322927A JP2754815B2 (ja) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | イオン交換による光学素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1322927A JP2754815B2 (ja) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | イオン交換による光学素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03183643A JPH03183643A (ja) | 1991-08-09 |
| JP2754815B2 true JP2754815B2 (ja) | 1998-05-20 |
Family
ID=18149183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1322927A Expired - Fee Related JP2754815B2 (ja) | 1989-12-13 | 1989-12-13 | イオン交換による光学素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2754815B2 (ja) |
-
1989
- 1989-12-13 JP JP1322927A patent/JP2754815B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03183643A (ja) | 1991-08-09 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |