JP3121614B2 - 選択された形状の円柱マイクロレンズの製法およびそれによりえられる製品 - Google Patents
選択された形状の円柱マイクロレンズの製法およびそれによりえられる製品Info
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B23/00—Re-forming shaped glass
- C03B23/04—Re-forming tubes or rods
- C03B23/047—Re-forming tubes or rods by drawing
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
- C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
- C03B37/02—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor
- C03B37/025—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor from reheated softened tubes, rods, fibres or filaments, e.g. drawing fibres from preforms
- C03B37/027—Fibres composed of different sorts of glass, e.g. glass optical fibres
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
- G02B6/2552—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding reshaping or reforming of light guides for coupling using thermal heating, e.g. tapering, forming of a lens on light guide ends
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- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
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Description
【発明の詳細な説明】 米国政府は、ローレンスリバーモア国立研究所の運営
のための米国エネルギー省とカリフォルニア大学とのあ
いだの契約Ｗ−7405−ENG−48に基づき本発明に関する
権利を有している。
のための米国エネルギー省とカリフォルニア大学とのあ
いだの契約Ｗ−7405−ENG−48に基づき本発明に関する
権利を有している。
発明の背景 発明の分野 本発明はマイクロレンズに関する。さらに詳しくは、
本発明はダイオードレーザおよびそこに一体化された光
学部品とともに使用される円柱マイクロレンズに関す
る。
本発明はダイオードレーザおよびそこに一体化された光
学部品とともに使用される円柱マイクロレンズに関す
る。
本出願は、ジェームス・ジェイ・スナイダー（James
J.Snyder）による同日付けの他の出願（発明の名称“円
柱レンズを有するダイオードレーザ組立体（DiodeLaser
Assembly Including a Cylidrical Lens）”）に関連
する。
J.Snyder）による同日付けの他の出願（発明の名称“円
柱レンズを有するダイオードレーザ組立体（DiodeLaser
Assembly Including a Cylidrical Lens）”）に関連
する。
関連技術の記載 レンズは、光の焦点を合わせたり、ずらしたりするこ
とができる光学的要素である。最も良く知られているタ
イプのレンズは円形のもので、たとえば円形の集束レン
ズは光を点に集束させる。そのようなレンズは、イメー
ジングないしは結像や写真技術などの多くの応用に役立
つ。良く知られている円形のレンズは光学軸の周りに対
称な形状を有する。
とができる光学的要素である。最も良く知られているタ
イプのレンズは円形のもので、たとえば円形の集束レン
ズは光を点に集束させる。そのようなレンズは、イメー
ジングないしは結像や写真技術などの多くの応用に役立
つ。良く知られている円形のレンズは光学軸の周りに対
称な形状を有する。
他の重要なタイプのレンズは円柱レンズである。円柱
状の集束レンズは光を線に沿って集束させる。この線は
一般に“線状焦点”と呼ばれる。代表的な円柱レンズ
は、前記光学軸に対して直角である主軸に関して対称に
形成されている。たとえば、円柱ガラスレンズは、中心
軸の回りに円形であるシリンダーの形状をしている。光
は該シリンダーの第１のカープした表面から入射し、カ
ーブしている第２の側から出ていく。
状の集束レンズは光を線に沿って集束させる。この線は
一般に“線状焦点”と呼ばれる。代表的な円柱レンズ
は、前記光学軸に対して直角である主軸に関して対称に
形成されている。たとえば、円柱ガラスレンズは、中心
軸の回りに円形であるシリンダーの形状をしている。光
は該シリンダーの第１のカープした表面から入射し、カ
ーブしている第２の側から出ていく。
しかし、多くの応用に対して、円形の断面は望ましく
ない。それゆえ円柱レンズのカーブは、前述の例の円形
カーブとは全く異なる特定の形状であることが必要であ
る。この必要とされる形状は平坦、または、楕円または
双曲線などの非円形のカーブであろう。言い換えれば、
円柱レンズは多様な曲面の表面で形成されていてもよ
い。選択された正確な形状は各応用につよく依存してい
る。
ない。それゆえ円柱レンズのカーブは、前述の例の円形
カーブとは全く異なる特定の形状であることが必要であ
る。この必要とされる形状は平坦、または、楕円または
双曲線などの非円形のカーブであろう。言い換えれば、
円柱レンズは多様な曲面の表面で形成されていてもよ
い。選択された正確な形状は各応用につよく依存してい
る。
円形や平坦の形状は容易に製造され、円柱レンズにお
いては一般的である。しかしこれらの形状は、周縁光線
の焦点合わせのミスを引き起こす球面収差などの不利を
有する。設計ならびに入力面および出力面の製造を綿密
に行うことにより、球面収差は実質的に減じることがで
きる。非対称収差などの他のタイプの収差もまた、レン
ズ設計と製造とを綿密に行うことにより減じることがで
きる。あるレンズが主要な全ての収差を実質的に減じる
ように設計されたばあいには、“ディフラクション−リ
ミテッド（diffraction−limited）”と呼ばれる。ディ
フラクション−リミテッドなレンズは焦点の強度（inte
nsity）を高くすることにより、それが受け取る光を有
効に使用する。
いては一般的である。しかしこれらの形状は、周縁光線
の焦点合わせのミスを引き起こす球面収差などの不利を
有する。設計ならびに入力面および出力面の製造を綿密
に行うことにより、球面収差は実質的に減じることがで
きる。非対称収差などの他のタイプの収差もまた、レン
ズ設計と製造とを綿密に行うことにより減じることがで
きる。あるレンズが主要な全ての収差を実質的に減じる
ように設計されたばあいには、“ディフラクション−リ
ミテッド（diffraction−limited）”と呼ばれる。ディ
フラクション−リミテッドなレンズは焦点の強度（inte
nsity）を高くすることにより、それが受け取る光を有
効に使用する。
すべてのレンズに対して重要な量はその開口数（nume
rical aperture）である。
rical aperture）である。
開口数N.A.は定量的に次式によって与えられる。
N.A.（開口数）＝ｎ・sinθ ここで、θはレンズに入射するもっとも外側の光線と
光軸とのなす角（angular Semi−aperture）であり、ｎ
は、その中で光が集束される媒質の屈折率である。開口
数はレンズの解像度および集光性（light gathering po
wer）の尺度となるもので、開口のサイズおよび焦点距
離に影響される。レンズの開口数が、レンズが視準する
ソースの開口数よりも大きいばあいには、該ソースから
の全ての光は平行とされる。一方、レンズの開口数が、
前記ソースの開口数よりも小さいばあいには、前記ソー
スから発せられる光のうちあるものは平行とならず、他
へ向けられて消失するだろう。レンズが大きな開口数を
有するばあいには、“ファースト（fast）”と呼ばれ
る。
光軸とのなす角（angular Semi−aperture）であり、ｎ
は、その中で光が集束される媒質の屈折率である。開口
数はレンズの解像度および集光性（light gathering po
wer）の尺度となるもので、開口のサイズおよび焦点距
離に影響される。レンズの開口数が、レンズが視準する
ソースの開口数よりも大きいばあいには、該ソースから
の全ての光は平行とされる。一方、レンズの開口数が、
前記ソースの開口数よりも小さいばあいには、前記ソー
スから発せられる光のうちあるものは平行とならず、他
へ向けられて消失するだろう。レンズが大きな開口数を
有するばあいには、“ファースト（fast）”と呼ばれ
る。
大きな開口数（１またはそれ以上）の大きなサイズの
光学部品（5mmよりも大きい）に対しては、綿密に設計
されたレンズ表面は、従来の研削および艶だし（polish
ing）の技術によって加工されうる。しかし、小さなサ
イズの光学部品（5mmよりも小さい）については、従来
の研削および艶だしの技術によっては、光学的に品質の
優れた円柱レンズを製造することはできない。小さなマ
イクロレンズ（1mmよりも小さい）に対しては、他の技
術が開発されてきた。マイクロレンズは、感光性ガラス
や屈折率に勾配のあるガラス（graded index glass）を
使用して、コンピュータを用いて作成された回折性の光
学部品またはキノフォーム（kinoforms）として加工さ
れてきた。これらの技術では、開口数が0.5にせまる、
またはそれ以上のレンズを製造することができなかっ
た。
光学部品（5mmよりも大きい）に対しては、綿密に設計
されたレンズ表面は、従来の研削および艶だし（polish
ing）の技術によって加工されうる。しかし、小さなサ
イズの光学部品（5mmよりも小さい）については、従来
の研削および艶だしの技術によっては、光学的に品質の
優れた円柱レンズを製造することはできない。小さなマ
イクロレンズ（1mmよりも小さい）に対しては、他の技
術が開発されてきた。マイクロレンズは、感光性ガラス
や屈折率に勾配のあるガラス（graded index glass）を
使用して、コンピュータを用いて作成された回折性の光
学部品またはキノフォーム（kinoforms）として加工さ
れてきた。これらの技術では、開口数が0.5にせまる、
またはそれ以上のレンズを製造することができなかっ
た。
感光性ガラスからマイクロレンズを加工する際には、
最初にガラス上にマスクがなされる。そして、レンズと
される部分の外側の材料が光にあてられる。続いて、前
記ガラスが熱せられると、光にさらされた部分は膨脹し
てその体積を増し、光にさらされないレンズとなる領域
は圧縮される。この圧縮により、レンズ領域が盛り上っ
て簡単なレンズを形成する。
最初にガラス上にマスクがなされる。そして、レンズと
される部分の外側の材料が光にあてられる。続いて、前
記ガラスが熱せられると、光にさらされた部分は膨脹し
てその体積を増し、光にさらされないレンズとなる領域
は圧縮される。この圧縮により、レンズ領域が盛り上っ
て簡単なレンズを形成する。
屈折率に勾配のあるマイクロレンズ（graded index m
icrolenses）は屈折率を変化させる材料（index−chang
ing material）をガラス中に拡散させることにより形成
される。前記拡散工程により、レンズの中央から端部に
かけてなめらかに変化する屈折率がえられる。このなめ
らかに変化する屈折率により、従来のレンズよりもはる
かに多くの光が集束される。
icrolenses）は屈折率を変化させる材料（index−chang
ing material）をガラス中に拡散させることにより形成
される。前記拡散工程により、レンズの中央から端部に
かけてなめらかに変化する屈折率がえられる。このなめ
らかに変化する屈折率により、従来のレンズよりもはる
かに多くの光が集束される。
バイナリーな（binary）回折性光学部品（所望の方向
に光を回折しうる精巧なパターンのレンズ表面を有する
回折性光学部品）またはコンピュータを用いて作成され
たキノフォームにおいては、コンピュータにより作成さ
れたパターンにしたがってガラス板の表面がエッチング
される。エッチングされた表面は、焦点に向けて光を回
折して従来のレンズのようにふるまうように設計されて
いる。
に光を回折しうる精巧なパターンのレンズ表面を有する
回折性光学部品）またはコンピュータを用いて作成され
たキノフォームにおいては、コンピュータにより作成さ
れたパターンにしたがってガラス板の表面がエッチング
される。エッチングされた表面は、焦点に向けて光を回
折して従来のレンズのようにふるまうように設計されて
いる。
感光性ガラスから加工された円柱マイクロレンズおよ
び屈折率に勾配のある平坦なマイクロレンズは安価に、
かつ、多量に製造することができる。しかし、これらの
光学要素は単一ではそのスピード（光を集束させる能
力）が開口数で0.25から0.32に制限され、さらに球面収
差に対して修正されえない。回折性の光学部品キノフォ
ーム（Diffractive optic kinoforms）は収差に対して
修正されうるが、開口数が0.5に近い効率のよいキノフ
ォームレンズには、1/4ミクロンオーダーの石版術が要
求され、それは現在の技術の限界を越えている。
び屈折率に勾配のある平坦なマイクロレンズは安価に、
かつ、多量に製造することができる。しかし、これらの
光学要素は単一ではそのスピード（光を集束させる能
力）が開口数で0.25から0.32に制限され、さらに球面収
差に対して修正されえない。回折性の光学部品キノフォ
ーム（Diffractive optic kinoforms）は収差に対して
修正されうるが、開口数が0.5に近い効率のよいキノフ
ォームレンズには、1/4ミクロンオーダーの石版術が要
求され、それは現在の技術の限界を越えている。
円形断面の光ファイバーが円柱レンズとして使用され
てきた。光ファイバーは安価で容易に入手できる。しか
し、円形の光ファイバーは球面収差に対して修正できな
い。すなわち、そのような光ファイバーはディフラクシ
ョン−リミテッドではない。
てきた。光ファイバーは安価で容易に入手できる。しか
し、円形の光ファイバーは球面収差に対して修正できな
い。すなわち、そのような光ファイバーはディフラクシ
ョン−リミテッドではない。
注文設計による、ディフラクション−リミテッドで、
ファーストな円柱レンズ、および、そのようなレンズを
安価に製造する方法を提供することが有利であろう。前
記レンズは、多様な入力および出力表面を有するものと
して設計されうる。そのようなレンズはたとえば球面収
差を補正するように設計されうる。
ファーストな円柱レンズ、および、そのようなレンズを
安価に製造する方法を提供することが有利であろう。前
記レンズは、多様な入力および出力表面を有するものと
して設計されうる。そのようなレンズはたとえば球面収
差を補正するように設計されうる。
円柱マイクロレンズは一体的な光学部品を製造するた
め、および、ダイオードレーザバーの焦点合わせのため
に使用される。一体的な光学部品において、綿密に設計
された円柱マイクロレンズは、光を効率的にかつ都合よ
く、細い導波管またはスリットに導き、またはそこから
取り出す。
め、および、ダイオードレーザバーの焦点合わせのため
に使用される。一体的な光学部品において、綿密に設計
された円柱マイクロレンズは、光を効率的にかつ都合よ
く、細い導波管またはスリットに導き、またはそこから
取り出す。
他の応用においては、円柱マイクロレンズは、より高
い出力のレーザを取り出すための、低コストで高効率の
ダイオードレーザシステムの一部を構成する。現在、高
出力レーザは、高強度フラッシュランプにより光学的に
取り出されるゲイン材料（光を増幅させる固状の結晶や
ガラス）を有する。このことは効率がわるく、高い電圧
を必要とする。フラッシュランプと比較して、ダイオー
ドレーザは効率的で寿命が長い。また、電源も、フラッ
シュランプを発生するのに使用される電源よりも低電圧
のものでよい。フラッシュランプをダイオードレーザで
置き換えれば、電力を節約して高出力レーザの効率を増
すことができる。そして、そのような置き換えによれ
ば、信頼性と寿命もまた増加せしめることができるであ
ろう。
い出力のレーザを取り出すための、低コストで高効率の
ダイオードレーザシステムの一部を構成する。現在、高
出力レーザは、高強度フラッシュランプにより光学的に
取り出されるゲイン材料（光を増幅させる固状の結晶や
ガラス）を有する。このことは効率がわるく、高い電圧
を必要とする。フラッシュランプと比較して、ダイオー
ドレーザは効率的で寿命が長い。また、電源も、フラッ
シュランプを発生するのに使用される電源よりも低電圧
のものでよい。フラッシュランプをダイオードレーザで
置き換えれば、電力を節約して高出力レーザの効率を増
すことができる。そして、そのような置き換えによれ
ば、信頼性と寿命もまた増加せしめることができるであ
ろう。
さらにダイオードレーザは実質的に単一の波長を発す
る。そして、その波長は、ゲイン材料のスペクトル吸収
がゲイン材料内における取出しエネルギー（pump energ
y）から蓄積エネルギーへの効率のよい転換と合致ない
しは調和するように選択することができる。前記取出し
エネルギーは、配列されたダイオードレーザから供給さ
れうる。かかる配列は密に重なる多数のダイオードレー
ザバーからなる。そのような構成においては、前記ダイ
オードレーザバーから発せられる実質的に全ての光が、
固状のゲイン材料に集められれば有用である。この目的
のためには、各ダイオードレーザバーからのダイオード
レーザビームが前記ゲイン材料に向けられることが有利
である。前記ビームのうち、前記ゲイン材料に向けられ
ていない部分は全て失われるエネルギーである。しか
し、前記ダイオードレーザバーは約0.5の開口数を有し
ており、それゆえ、適切な円柱レンズは0.5またはそれ
以上の開口数を有すべきである。しかしそれは現在の技
術の限界を越えている。
る。そして、その波長は、ゲイン材料のスペクトル吸収
がゲイン材料内における取出しエネルギー（pump energ
y）から蓄積エネルギーへの効率のよい転換と合致ない
しは調和するように選択することができる。前記取出し
エネルギーは、配列されたダイオードレーザから供給さ
れうる。かかる配列は密に重なる多数のダイオードレー
ザバーからなる。そのような構成においては、前記ダイ
オードレーザバーから発せられる実質的に全ての光が、
固状のゲイン材料に集められれば有用である。この目的
のためには、各ダイオードレーザバーからのダイオード
レーザビームが前記ゲイン材料に向けられることが有利
である。前記ビームのうち、前記ゲイン材料に向けられ
ていない部分は全て失われるエネルギーである。しか
し、前記ダイオードレーザバーは約0.5の開口数を有し
ており、それゆえ、適切な円柱レンズは0.5またはそれ
以上の開口数を有すべきである。しかしそれは現在の技
術の限界を越えている。
もしそのような円柱レンズがえられれば、0.5以上の
開口数を有するディフラクション−リミテッドな円柱レ
ンズがダイオードレーザからのビームを平行たらしむる
ことができる。平行ビームは一点に向かって集中するこ
とも発散することもない。つまり、そのようなビーム内
の光線は実質的に平行に進む。それに比べ、集束ビーム
は焦点に集中し、その後無限に発散する。前記ダイオー
ドレーザバーは効率のよいレーザ放射源であるが、その
応用において、ダイオードレーザから発せられるビーム
が大きく発散するという問題がある。ダイオードレーザ
からのビームの発散はその出口開口に起因する。出口開
口は１つの軸（“ファースト”軸）に沿ってきわめて狭
く、他の軸（“ファースト”軸に対して垂直な軸）に沿
って極めて広い。発せられたビームの、前記ファースト
軸（狭い開口）に沿う横断面は、回折により大きく発散
する。それに比べ、前記広い開口からのビームの横断面
はわずかに発散するだけである。従来の円形断面の光フ
ァイバーは、ダイオードレーザバーからのビームを平行
たらしめるために用いられてきた。しかし、前記円形断
面の光ファイバーはディフラクション−リミテッドでは
なく、この円形状には球面収差という不利があり、その
ようなファイバーにより集束される光はその多くの部分
が消失するのである。
開口数を有するディフラクション−リミテッドな円柱レ
ンズがダイオードレーザからのビームを平行たらしむる
ことができる。平行ビームは一点に向かって集中するこ
とも発散することもない。つまり、そのようなビーム内
の光線は実質的に平行に進む。それに比べ、集束ビーム
は焦点に集中し、その後無限に発散する。前記ダイオー
ドレーザバーは効率のよいレーザ放射源であるが、その
応用において、ダイオードレーザから発せられるビーム
が大きく発散するという問題がある。ダイオードレーザ
からのビームの発散はその出口開口に起因する。出口開
口は１つの軸（“ファースト”軸）に沿ってきわめて狭
く、他の軸（“ファースト”軸に対して垂直な軸）に沿
って極めて広い。発せられたビームの、前記ファースト
軸（狭い開口）に沿う横断面は、回折により大きく発散
する。それに比べ、前記広い開口からのビームの横断面
はわずかに発散するだけである。従来の円形断面の光フ
ァイバーは、ダイオードレーザバーからのビームを平行
たらしめるために用いられてきた。しかし、前記円形断
面の光ファイバーはディフラクション−リミテッドでは
なく、この円形状には球面収差という不利があり、その
ようなファイバーにより集束される光はその多くの部分
が消失するのである。
発明の概要 本発明によりディフラクション−リミテッドで、高い
開口数を有する（速い（fast））非円形の円柱マイクロ
レンズを成形する方法が提供される。この方法は、ほと
んどあらゆる形状をその光学的表面の片方または両方に
有しており、開口数が1.5程度の大きさの円柱レンズを
生産するのに適用できる。この円柱レンズはその開口数
においてディフラクション−リミテッドであるのがよ
い。ある実施例においては、前記円柱レンズは双曲線の
形状にカーブした光学的表面を有している。また、他の
実施例においてはそれは楕円の形状であってもよい。さ
らに他の実施例においては、円柱レンズは、与えられた
ある特定の入力光分布をある所望の出力光分布に変える
ように設計された他の形状であってもよい。
開口数を有する（速い（fast））非円形の円柱マイクロ
レンズを成形する方法が提供される。この方法は、ほと
んどあらゆる形状をその光学的表面の片方または両方に
有しており、開口数が1.5程度の大きさの円柱レンズを
生産するのに適用できる。この円柱レンズはその開口数
においてディフラクション−リミテッドであるのがよ
い。ある実施例においては、前記円柱レンズは双曲線の
形状にカーブした光学的表面を有している。また、他の
実施例においてはそれは楕円の形状であってもよい。さ
らに他の実施例においては、円柱レンズは、与えられた
ある特定の入力光分布をある所望の出力光分布に変える
ように設計された他の形状であってもよい。
最終的な製品よりも大きなガラスプレフォームの状態
において、前記所望の形状がまず成形される。この大き
さの寸法については、特定の研削技術を用いて前記所望
の形状が形成されうる。そののち、ガラスプレフォーム
が最低の引抜温度まで加熱され、そこから所望の寸法の
マイクロレンズが引き抜かれる。引き抜かれても前記ガ
ラスの断面形状は一定のままである。その結果、断面形
状は一定のままで、その断面寸法が徐々に小さくなる。
このことによる利点は、プレフォームの製造段階での不
完全性（形状誤差）が、引き抜かれることにより、問題
とならないほど減じられる（１波長以下）ことである。
たとえば、プレフォーム内の0.001インチの欠陥は、で
きあがった円柱レンズにおいて問題とならない程に減じ
られるであろう。さらに追加の利点は、引抜き工程にお
いて火力ポリシングないしはファイヤポリシング（fire
polishing）により円柱レンズの表面が光学的になめら
かになることである。
において、前記所望の形状がまず成形される。この大き
さの寸法については、特定の研削技術を用いて前記所望
の形状が形成されうる。そののち、ガラスプレフォーム
が最低の引抜温度まで加熱され、そこから所望の寸法の
マイクロレンズが引き抜かれる。引き抜かれても前記ガ
ラスの断面形状は一定のままである。その結果、断面形
状は一定のままで、その断面寸法が徐々に小さくなる。
このことによる利点は、プレフォームの製造段階での不
完全性（形状誤差）が、引き抜かれることにより、問題
とならないほど減じられる（１波長以下）ことである。
たとえば、プレフォーム内の0.001インチの欠陥は、で
きあがった円柱レンズにおいて問題とならない程に減じ
られるであろう。さらに追加の利点は、引抜き工程にお
いて火力ポリシングないしはファイヤポリシング（fire
polishing）により円柱レンズの表面が光学的になめら
かになることである。
本発明は、一体化された光学部品、光学的検出器およ
びダイオードレーザなどについて多くの応用が可能であ
る。レンズがダイオードレーザバーに接続されたばあい
には、平均出力の高い固状レーザを取り出す、ないしは
ポンピング（pumping）ための高強度のレーザ放射源が
提供される。一体化された光学部品においては、レンズ
は光を導波管などの開口に導いたり、そこから取り出し
たりするのに用いられる。そのようなレンズは光を集束
させて検出器に集めるものにも使用できる。
びダイオードレーザなどについて多くの応用が可能であ
る。レンズがダイオードレーザバーに接続されたばあい
には、平均出力の高い固状レーザを取り出す、ないしは
ポンピング（pumping）ための高強度のレーザ放射源が
提供される。一体化された光学部品においては、レンズ
は光を導波管などの開口に導いたり、そこから取り出し
たりするのに用いられる。そのようなレンズは光を集束
させて検出器に集めるものにも使用できる。
図面の簡単な説明 図１は円柱レンズの斜視図、 図２は、図１の楕円表面を有する円柱レンズの断面図、 図３は、円柱レンズの形状のガラス製プレフォームの一
実施例を示す斜視図、 図４は、円柱レンズの形状のガラス製プレフォームの他
の実施例を示す斜視図、 図５は、ガラス製プレフォームを作成するために使用さ
れるガラスロッドの斜視図、 図６は、本発明の円柱レンズを形成する好ましい方法の
フローチャート、 図７は、双曲線表面を有する円柱レンズの断面図、 図８は、ダイオードレーザに接続された円柱レンズの断
面図、 図９は、互いに接続されて組立体を形成するダイオード
レーザバーと円柱レンズの斜視図、 図10は、レンズ設計を描くダイアグラム、および 図11は、ダイオードレーザの出口開口から発せられたレ
ーザビームの断面図である。
実施例を示す斜視図、 図４は、円柱レンズの形状のガラス製プレフォームの他
の実施例を示す斜視図、 図５は、ガラス製プレフォームを作成するために使用さ
れるガラスロッドの斜視図、 図６は、本発明の円柱レンズを形成する好ましい方法の
フローチャート、 図７は、双曲線表面を有する円柱レンズの断面図、 図８は、ダイオードレーザに接続された円柱レンズの断
面図、 図９は、互いに接続されて組立体を形成するダイオード
レーザバーと円柱レンズの斜視図、 図10は、レンズ設計を描くダイアグラム、および 図11は、ダイオードレーザの出口開口から発せられたレ
ーザビームの断面図である。
発明の詳細な説明 本発明は図を参照することによって、もっともよく理
解される。図においては同一の部分には同一の符号が付
されている。
解される。図においては同一の部分には同一の符号が付
されている。
図１および図２には円柱レンズ10が示されている。円
柱レンズ10は本体11からなり、第１の表面12および第２
の表面14を有する。円柱レンズ10は円柱軸16に沿って一
様な断面を有する。図２に示された前記断面は、図１に
示された外側を向いた端面17と同じ形状である。図１に
示されるように、光線18が第１の表面12から円柱レンズ
10の本体11に入り、第２の表面14を通ってレンズ10から
出ていく。他の形状においては、光の伝播方向が逆にさ
れてもよい。
柱レンズ10は本体11からなり、第１の表面12および第２
の表面14を有する。円柱レンズ10は円柱軸16に沿って一
様な断面を有する。図２に示された前記断面は、図１に
示された外側を向いた端面17と同じ形状である。図１に
示されるように、光線18が第１の表面12から円柱レンズ
10の本体11に入り、第２の表面14を通ってレンズ10から
出ていく。他の形状においては、光の伝播方向が逆にさ
れてもよい。
円柱レンズ10を通過する光は、第１の表面12および第
２の表面14の形状に大きく影響を受ける。表面12と14の
形状、および光の伝播方向に依存して、出ていく光が、
集束されたり、されなかったり、歪曲されたりする。ま
た、その性質が変化することもある。図示されているよ
うに、第１の表面12は平坦であり、第２の表面14は凸状
である。このように、図１および図２に示されているレ
ンズ10は平行化レンズ（collimating lens）である。入
力表面12に形成される光は出力表面14から平行光線とし
て現れる。他の実施例においては、異なる特性に対し
て、表面12および14は、凹状や平坦など多様な形状のい
ずれであってもよく、異なる曲率半径を有していてもよ
い。
２の表面14の形状に大きく影響を受ける。表面12と14の
形状、および光の伝播方向に依存して、出ていく光が、
集束されたり、されなかったり、歪曲されたりする。ま
た、その性質が変化することもある。図示されているよ
うに、第１の表面12は平坦であり、第２の表面14は凸状
である。このように、図１および図２に示されているレ
ンズ10は平行化レンズ（collimating lens）である。入
力表面12に形成される光は出力表面14から平行光線とし
て現れる。他の実施例においては、異なる特性に対し
て、表面12および14は、凹状や平坦など多様な形状のい
ずれであってもよく、異なる曲率半径を有していてもよ
い。
本発明によれば、円柱マイクロレンズを加工成形する
方法が提供される。この方法は、（ａ）非円形の円柱レ
ンズの形状のガラスプレフォーム20を形成する工程、お
よび（ｂ）前記ガラスプレフォーム20を断面形状を保持
しつつ断面寸法を減じるように引き抜き加工して開口数
の大きな円柱マイクロレンズを提供する工程を含む。
方法が提供される。この方法は、（ａ）非円形の円柱レ
ンズの形状のガラスプレフォーム20を形成する工程、お
よび（ｂ）前記ガラスプレフォーム20を断面形状を保持
しつつ断面寸法を減じるように引き抜き加工して開口数
の大きな円柱マイクロレンズを提供する工程を含む。
図３および４において、ガラスプレフォーム20の例
が、20aおよび20bとして概略的に示されている。各ガラ
スプレフォーム20は第１の表面22および第２の表面24を
含む円柱断面を有する。この断面形状は円柱軸26に沿っ
て一定である。図３に示された形態においては、ガラス
プレフォーム20aは、平坦な第１の表面22aと、カーブし
たないしは湾曲した第２の表面24aを有する。図４に示
された別の形態においては、ガラスプレフォーム20b
は、ともにカーブした、第１の表面22bおよび第２の表
面24bを有する。
が、20aおよび20bとして概略的に示されている。各ガラ
スプレフォーム20は第１の表面22および第２の表面24を
含む円柱断面を有する。この断面形状は円柱軸26に沿っ
て一定である。図３に示された形態においては、ガラス
プレフォーム20aは、平坦な第１の表面22aと、カーブし
たないしは湾曲した第２の表面24aを有する。図４に示
された別の形態においては、ガラスプレフォーム20b
は、ともにカーブした、第１の表面22bおよび第２の表
面24bを有する。
プレフォーム20の特定の形状は、もちろんそれから形
成されるであろう円柱レンズの望まれる応用につよく依
存する。プレフォーム20の形状は、引抜き加工工程をと
おして実質的に維持される。それゆえ、プレフォーム20
の断面形状は、できあがった円柱マイクロレンズ内にお
いてある特定の入力光線分布をある所望の出力光線分布
に変換するように選択される。ある実施例においては、
プレフォーム20の表面22および24のどちらか、または両
方が双曲線形状であってもよい。また、他の実施例にお
いては、表面22および24のどちらか、または両方が楕円
形状であってもよい。図４に示される１つの実施例にお
いては、各表面22b、24bが図示のように向かい合う関係
にある双曲線形状であってもよい。
成されるであろう円柱レンズの望まれる応用につよく依
存する。プレフォーム20の形状は、引抜き加工工程をと
おして実質的に維持される。それゆえ、プレフォーム20
の断面形状は、できあがった円柱マイクロレンズ内にお
いてある特定の入力光線分布をある所望の出力光線分布
に変換するように選択される。ある実施例においては、
プレフォーム20の表面22および24のどちらか、または両
方が双曲線形状であってもよい。また、他の実施例にお
いては、表面22および24のどちらか、または両方が楕円
形状であってもよい。図４に示される１つの実施例にお
いては、各表面22b、24bが図示のように向かい合う関係
にある双曲線形状であってもよい。
ガラスプレフォーム20を成形するために、研削、モー
ルディングまたは押出しなどの多数の従来技術のいずれ
が使用されてもよい。できあがった円柱マイクロレンズ
の品質は、ガラスプレフォーム20の表面の品質に依存す
る。ガラスプレフォームになめらかで正確な表面を成形
しうる成形技術が選択されるのが好ましい。しかし、本
発明の方法は、ガラスプレフォーム20の製造におけるわ
ずかな形状誤差に対してある許容範囲（leeway）を与え
る。たとえば、プレフォーム20中の0.001インチの欠陥
は、できあがった円柱マイクロレンズにおいて問題とな
らないほどに減じられる。
ルディングまたは押出しなどの多数の従来技術のいずれ
が使用されてもよい。できあがった円柱マイクロレンズ
の品質は、ガラスプレフォーム20の表面の品質に依存す
る。ガラスプレフォームになめらかで正確な表面を成形
しうる成形技術が選択されるのが好ましい。しかし、本
発明の方法は、ガラスプレフォーム20の製造におけるわ
ずかな形状誤差に対してある許容範囲（leeway）を与え
る。たとえば、プレフォーム20中の0.001インチの欠陥
は、できあがった円柱マイクロレンズにおいて問題とな
らないほどに減じられる。
好ましい実施例においては、数値制御されたユニバー
サルグラインダー（たとえば、ペンシルバニア州ヨーク
にあるウェルドンマシンツール（Weldon Machine Too
l）社製の非円形研削のためのコンピュータ数値制御さ
れたワークヘッドをオプションとして有するCNC円柱グ
ラインダー、モデル1632）が、プレフォーム20を成形す
るのに使用される。ガラスプレフォーム20は、たとえば
図５に示されたロッド30などの円形のガラスロッドから
研削加工されてもよい。前記ユニバーサルグラインダー
を使用して、ロッド30は任意の形状に研削される。この
ように、ガラスプレフォーム20は無限に多様な形状に形
成することができる。
サルグラインダー（たとえば、ペンシルバニア州ヨーク
にあるウェルドンマシンツール（Weldon Machine Too
l）社製の非円形研削のためのコンピュータ数値制御さ
れたワークヘッドをオプションとして有するCNC円柱グ
ラインダー、モデル1632）が、プレフォーム20を成形す
るのに使用される。ガラスプレフォーム20は、たとえば
図５に示されたロッド30などの円形のガラスロッドから
研削加工されてもよい。前記ユニバーサルグラインダー
を使用して、ロッド30は任意の形状に研削される。この
ように、ガラスプレフォーム20は無限に多様な形状に形
成することができる。
プレフォーム20をモールディングにより成形する工程
においては、所望の形状の型が、従来の手段を使用して
作成される。従来はその後に溶融ガラスが前記型内に、
注がれまたは圧入され、プレフォーム20が成形される。
モールディング工程は、プレフォームごとの一定性と正
確性という有利な点を有する。前記型を製造する最初の
加工には多くのコストが必要であるが、一旦、型を製造
してしまえば、追加のプレフォーム20は容易に作られう
る。
においては、所望の形状の型が、従来の手段を使用して
作成される。従来はその後に溶融ガラスが前記型内に、
注がれまたは圧入され、プレフォーム20が成形される。
モールディング工程は、プレフォームごとの一定性と正
確性という有利な点を有する。前記型を製造する最初の
加工には多くのコストが必要であるが、一旦、型を製造
してしまえば、追加のプレフォーム20は容易に作られう
る。
ガラスプレフォーム20は、製造された後、光ファイバ
ー産業において使用される方法と同様の方法で引抜き加
工される。ガラスプレフォーム20は、少なくとも最低の
引抜温度（drawing temperature）にまで加熱され、所
望の寸法のマイクロレンズファイバーがそこから加工さ
れる。前記ガラスの断面形状は、引き抜かれても一定の
ままである。その結果、断面形状は同一であるが、断面
寸法は除々に小さくなる。ガラスプレフォーム30の断面
形状は、引き抜かれても一定であるが、断面寸法は徐々
に小さくなる。この工程において、表面はファイヤポリ
シング（fire−polishing）により光学的に滑らかにな
る。ファイリヤポリシングは表面温度が内部温度よりも
高いために生じると考えられる。ファイヤポリシングは
表皮効果（skin effect）である。
ー産業において使用される方法と同様の方法で引抜き加
工される。ガラスプレフォーム20は、少なくとも最低の
引抜温度（drawing temperature）にまで加熱され、所
望の寸法のマイクロレンズファイバーがそこから加工さ
れる。前記ガラスの断面形状は、引き抜かれても一定の
ままである。その結果、断面形状は同一であるが、断面
寸法は除々に小さくなる。ガラスプレフォーム30の断面
形状は、引き抜かれても一定であるが、断面寸法は徐々
に小さくなる。この工程において、表面はファイヤポリ
シング（fire−polishing）により光学的に滑らかにな
る。ファイリヤポリシングは表面温度が内部温度よりも
高いために生じると考えられる。ファイヤポリシングは
表皮効果（skin effect）である。
引抜き工程においては、ガラスプレフォーム20はオー
ブン内で、少なくとも軟化温度にまで加熱される。ガラ
スプレフォーム20は、SLF6などの軟化温度の低い材料か
らなることが好ましい。SLF6は、商業上ペンジルバニア
州ドゥリエーのスコットガラス（Schott Glass）社から
入手することができる。
ブン内で、少なくとも軟化温度にまで加熱される。ガラ
スプレフォーム20は、SLF6などの軟化温度の低い材料か
らなることが好ましい。SLF6は、商業上ペンジルバニア
州ドゥリエーのスコットガラス（Schott Glass）社から
入手することができる。
円柱レンズ10（図１参照）を成形加工する好ましい方
法が、図６のフローチャートに示されている。箱32に示
された第１のステップにおいては、ガラスプレフォーム
20は所望の形状に成形される。箱34に示された次のステ
ップにおいては、ガラスプレフォーム20がオーブン内に
配置され、加熱される。このとき、温度が引抜きに必要
な最低温度となるように注意深く制御することが好まし
い。温度を最低に保つことが、引抜きのあいだプレフォ
ーム20がその形状を維持することを助けると考えられて
いるからである。言い換えれば、プレフォーム20のガラ
ス材料が、引抜きを許容するのには充分であるが、表面
張力がプレフォーム20の形状を実質的に変形させないよ
う充分低い粘性を有するように引抜温度は選択されるこ
とが好ましい。粘性が高すぎるばあい、または、あまり
に長い時間ガラスがその粘性を保ったばあいには、加熱
されたプレフォーム20の表面張力はプレフォーム20およ
び引き抜かれた円柱レンズの変形の原因となる。もちろ
ん、いずれの特定の応用のために選択された温度も、プ
レフォーム20に含まれる材料に依存して変化する。ある
材料の軟化温度は低く、他の材料の軟化温度は高いから
である。箱36に示された次のステップにおいては、プレ
フォーム20は、同様の光ファイバー技術を使用して引き
抜かれる。プレフォーム20が引き抜かれると、円柱マイ
クロレンズファイバーの寸法は減じられる。たとえば、
前記寸法は1/50から1/100に減じられてもよい。引き抜
かれたマイクロレンズファイバーの最終的な断面寸法
（前記第１の光学表面から第２の光学表面までの距離）
は50ミクロン程度の小ささであり、1000ミクロン（1m
m）の大きさのものも可能である。引き抜かれた後、マ
イクロレンズファイバーはシリンダー上に巻き取られる
か、または切断されてもよい。箱38に示された次のステ
ップにおいては、マイクロレンズファイバーは、各応用
に依存して所望の長さを有する部分に切断される。
法が、図６のフローチャートに示されている。箱32に示
された第１のステップにおいては、ガラスプレフォーム
20は所望の形状に成形される。箱34に示された次のステ
ップにおいては、ガラスプレフォーム20がオーブン内に
配置され、加熱される。このとき、温度が引抜きに必要
な最低温度となるように注意深く制御することが好まし
い。温度を最低に保つことが、引抜きのあいだプレフォ
ーム20がその形状を維持することを助けると考えられて
いるからである。言い換えれば、プレフォーム20のガラ
ス材料が、引抜きを許容するのには充分であるが、表面
張力がプレフォーム20の形状を実質的に変形させないよ
う充分低い粘性を有するように引抜温度は選択されるこ
とが好ましい。粘性が高すぎるばあい、または、あまり
に長い時間ガラスがその粘性を保ったばあいには、加熱
されたプレフォーム20の表面張力はプレフォーム20およ
び引き抜かれた円柱レンズの変形の原因となる。もちろ
ん、いずれの特定の応用のために選択された温度も、プ
レフォーム20に含まれる材料に依存して変化する。ある
材料の軟化温度は低く、他の材料の軟化温度は高いから
である。箱36に示された次のステップにおいては、プレ
フォーム20は、同様の光ファイバー技術を使用して引き
抜かれる。プレフォーム20が引き抜かれると、円柱マイ
クロレンズファイバーの寸法は減じられる。たとえば、
前記寸法は1/50から1/100に減じられてもよい。引き抜
かれたマイクロレンズファイバーの最終的な断面寸法
（前記第１の光学表面から第２の光学表面までの距離）
は50ミクロン程度の小ささであり、1000ミクロン（1m
m）の大きさのものも可能である。引き抜かれた後、マ
イクロレンズファイバーはシリンダー上に巻き取られる
か、または切断されてもよい。箱38に示された次のステ
ップにおいては、マイクロレンズファイバーは、各応用
に依存して所望の長さを有する部分に切断される。
図１に示された円柱レンズ10は、本発明の方法にした
がって引き抜かれたマイクロレンズファイバーの１部分
を示している。その円柱レンズ10は、おおよそ185から2
20ミクロンのあいだの断面寸法（前記第１の表面12と第
２の表面14とのあいだの距離）で実験的に成形された。
がって引き抜かれたマイクロレンズファイバーの１部分
を示している。その円柱レンズ10は、おおよそ185から2
20ミクロンのあいだの断面寸法（前記第１の表面12と第
２の表面14とのあいだの距離）で実験的に成形された。
図１に示されるような、好ましい実施例においては、
第１の表面12は平坦であり、第２の表面14はカーブして
いる。より具体的には第２の表面14は楕円形状である。
その実施例においては、楕円の焦線40が平坦表面12上ま
たはそれに近接して位置せしめられることが好ましい。
その結果、焦線40から発する発散するビーム42が楕円表
面14から出て、平行光線44となる。このことが図２に断
面図によって示されている。この平行光線44は球面収差
に対して補正される。このような形態は、ダイオードレ
ーザなどの小さな開口から生じるビームを平行たらしめ
ることに応用することができる。逆にいえば、楕円表面
14から円柱レンズ10に入る平行光線44は焦線40に沿って
集束するであろう。平坦表面と楕円表面を有する形態の
レンズ10は、一体化された光学部品の検出器や導波管な
どの開口に光を導くことに応用することができる。この
ような平坦−楕円の形態の円柱レンズ10は、185ミクロ
ンおよび220ミクロンの焦点距離で成形加工されてき
た。これまでにえられたもっともよい結果は、220ミク
ロンの焦点距離で成形加工された円柱レンズである。
第１の表面12は平坦であり、第２の表面14はカーブして
いる。より具体的には第２の表面14は楕円形状である。
その実施例においては、楕円の焦線40が平坦表面12上ま
たはそれに近接して位置せしめられることが好ましい。
その結果、焦線40から発する発散するビーム42が楕円表
面14から出て、平行光線44となる。このことが図２に断
面図によって示されている。この平行光線44は球面収差
に対して補正される。このような形態は、ダイオードレ
ーザなどの小さな開口から生じるビームを平行たらしめ
ることに応用することができる。逆にいえば、楕円表面
14から円柱レンズ10に入る平行光線44は焦線40に沿って
集束するであろう。平坦表面と楕円表面を有する形態の
レンズ10は、一体化された光学部品の検出器や導波管な
どの開口に光を導くことに応用することができる。この
ような平坦−楕円の形態の円柱レンズ10は、185ミクロ
ンおよび220ミクロンの焦点距離で成形加工されてき
た。これまでにえられたもっともよい結果は、220ミク
ロンの焦点距離で成形加工された円柱レンズである。
図１および図10を参照すると、円柱レンズ10は平坦な
第１の表面12と軸上の平坦波を完全な円筒波に変えうる
“パワード（powered）”な第２の表面14とを有するよ
うに設計されてもよい。“パワード”な表面とは、ビー
ムに作用してそれを曲げ、または、その進路を決めるよ
うな表面のことである。以下に示すものは、全ての特定
のレンズを設計する際に考慮されるべき事項である。図
10に示されるように、誘電界面45の頂点と焦点46とのあ
いだの光路は、焦点46に向かう他の全ての光路に等し
い。
第１の表面12と軸上の平坦波を完全な円筒波に変えうる
“パワード（powered）”な第２の表面14とを有するよ
うに設計されてもよい。“パワード”な表面とは、ビー
ムに作用してそれを曲げ、または、その進路を決めるよ
うな表面のことである。以下に示すものは、全ての特定
のレンズを設計する際に考慮されるべき事項である。図
10に示されるように、誘電界面45の頂点と焦点46とのあ
いだの光路は、焦点46に向かう他の全ての光路に等し
い。
ここで、n1およびn2はそれぞれ、界面45の左右の媒質
の屈折率である。またｆは界面45から焦点46までの焦点
距離である。この等式は、Ｘ＝ａ・・・（８）に中心軸
を有する円錐曲線に対して標準形になおすことができ
る。
の屈折率である。またｆは界面45から焦点46までの焦点
距離である。この等式は、Ｘ＝ａ・・・（８）に中心軸
を有する円錐曲線に対して標準形になおすことができ
る。
はそれぞれ、半長軸および半短軸の平方である。そし
て、 Δｎ≡n2−n1 ・・・（５） である。
て、 Δｎ≡n2−n1 ・・・（５） である。
円錐曲線の離心率ｅは となる。
ここで、等式（４）および（６）における下の符号
は、n1＞n2のばあいである。
は、n1＞n2のばあいである。
球面収差のない表面には２つの種類がある。屈折率の
大きい媒質が右側にあるばあい（すなわち、n1＜n2のば
あい）、等式（２）におけるy2の項の係数は正となり、
曲線は楕円となる。焦点が屈折率の大きい媒質の内側に
あるので、この形態は界浸レンズ（９）の特性を有す
る。屈折率の大きい媒質が左側にあるばあい、等式
（２）におけるy2の項の係数は負となり、曲線は双曲線
となる。この２つの曲線の両方において、レンズの焦点
が円錐曲線の焦点と一致する。よって、等式（３）およ
び（６）より、焦点距離ｆは となる。
大きい媒質が右側にあるばあい（すなわち、n1＜n2のば
あい）、等式（２）におけるy2の項の係数は正となり、
曲線は楕円となる。焦点が屈折率の大きい媒質の内側に
あるので、この形態は界浸レンズ（９）の特性を有す
る。屈折率の大きい媒質が左側にあるばあい、等式
（２）におけるy2の項の係数は負となり、曲線は双曲線
となる。この２つの曲線の両方において、レンズの焦点
が円錐曲線の焦点と一致する。よって、等式（３）およ
び（６）より、焦点距離ｆは となる。
ａは、円錐曲線の頂点からその中心までのＸ軸に沿う
距離である。また、eaは中心から焦点までの距離であ
る。
距離である。また、eaは中心から焦点までの距離であ
る。
焦点距離は半長軸に比例し、離心率（等式（６））は
屈折率のみに依存するので、レンズの直径を一定の縮尺
で設計すれば、焦点距離も一定の縮尺で設計される。
屈折率のみに依存するので、レンズの直径を一定の縮尺
で設計すれば、焦点距離も一定の縮尺で設計される。
平坦−楕円の形態のレンズに対する開口数の最大値
は、理論的には となる。ここで、n2はレンズ内の屈折率、n1は周辺の媒
質の屈折率である。また、ａは楕円の半長軸の長さであ
り、ｂは楕円の半短軸の長さである。通常のばあいのよ
うに、楕円形状のレンズが空気中にある。ばあい、開口
数の最大値は となる。たとえば、楕円形状のレンズがSFL6で成形さ
れ、波長が800nmの光に対して1.78の屈折率を有するば
あいには、開口数の最大値は1.47となる。もちろん、さ
らに屈折率の大きい材料によってレンズを形成すれば、
さらに大きな開口数がえられるであろう。
は、理論的には となる。ここで、n2はレンズ内の屈折率、n1は周辺の媒
質の屈折率である。また、ａは楕円の半長軸の長さであ
り、ｂは楕円の半短軸の長さである。通常のばあいのよ
うに、楕円形状のレンズが空気中にある。ばあい、開口
数の最大値は となる。たとえば、楕円形状のレンズがSFL6で成形さ
れ、波長が800nmの光に対して1.78の屈折率を有するば
あいには、開口数の最大値は1.47となる。もちろん、さ
らに屈折率の大きい材料によってレンズを形成すれば、
さらに大きな開口数がえられるであろう。
平坦−楕円の形態の円柱レンズ10はこれまで加工成形
されてきた。0.75cmの幅のプレフォーム20は、数値制御
されたユニバーサルグラインダーによりSFL6ロッド原料
から成形される。前記楕円レンズは220ミクロンの焦点
距離を有しており、その屈折率は1.78であった。また、
半長軸ａは141.0ミクロン、半短軸ｂは117.0ミクロン、
離心率ｅは0.56であった。レンズの厚さは、当該レンズ
が屈折率にマッチした光学的セメントを用いて、ダイオ
ードレーザの出力ファセットに直接とりつけることがで
きるように220ミクロンの焦点距離にほぼマッチするよ
う選択された。さらに、完全にディフラクション−リミ
テッドなふるまいが、干渉写真による分析によって観察
された。150ミクロンの開口（開口数は0.6）におけるデ
ィフラクション−リミテッドなふるまいがインターフェ
ロメトリー分析（interferometric analysis）によって
測定された。
されてきた。0.75cmの幅のプレフォーム20は、数値制御
されたユニバーサルグラインダーによりSFL6ロッド原料
から成形される。前記楕円レンズは220ミクロンの焦点
距離を有しており、その屈折率は1.78であった。また、
半長軸ａは141.0ミクロン、半短軸ｂは117.0ミクロン、
離心率ｅは0.56であった。レンズの厚さは、当該レンズ
が屈折率にマッチした光学的セメントを用いて、ダイオ
ードレーザの出力ファセットに直接とりつけることがで
きるように220ミクロンの焦点距離にほぼマッチするよ
う選択された。さらに、完全にディフラクション−リミ
テッドなふるまいが、干渉写真による分析によって観察
された。150ミクロンの開口（開口数は0.6）におけるデ
ィフラクション−リミテッドなふるまいがインターフェ
ロメトリー分析（interferometric analysis）によって
測定された。
他の好ましい実施例においては、第１の表面12が平坦
であって、第２の表面14が双曲線の形状であってもよ
い。図７には、この好ましい実施例における横断面およ
び該横断面のそこを通過する光に対する効果が示されて
いる。焦点48から伝播する光ビーム47が円柱レンズ10に
向かって発散する。第２の表面14から入った光は平行ビ
ーム49となり、平坦な第１の表面12から出ていく。平行
ビーム49は球面収差に対して補正される。このような形
態は、ダイオードレーザなどの点状源からのビームを平
行たらしむるための自立形（free−standing）レンズと
して応用することができる。逆にいえば、平坦な第１の
表面12から円柱レンズ10に入る平行ビーム49は、双曲線
形状の第２の表面14に到達するまでは何の影響も受け
ず、第２の表面14から出ていくときに、点48に向かって
集束される。このような形態は、一体化された光学部品
の検出器や導波管などの開口に光を導くための自立形レ
ンズとして応用することができる。このような平坦−双
曲線の形態の円柱レンズの開口数の最大値は となる。ここで、ａは半長軸であり、ｂは半短軸であ
る。また、ｅは離心率であり、n2はレンズの屈折率、n1
は周辺の媒質の屈折率である。空気中における通常のば
あいには、開口数の最大値は となる。SFL6からなる双曲線レンズが空気中にあるばあ
い、その開口数の最大値は0.83である。これに比べ、SF
L6からなる楕円レンズは最大で1.47の開口数を有してお
り、きわめて大きい開口数を有している。
であって、第２の表面14が双曲線の形状であってもよ
い。図７には、この好ましい実施例における横断面およ
び該横断面のそこを通過する光に対する効果が示されて
いる。焦点48から伝播する光ビーム47が円柱レンズ10に
向かって発散する。第２の表面14から入った光は平行ビ
ーム49となり、平坦な第１の表面12から出ていく。平行
ビーム49は球面収差に対して補正される。このような形
態は、ダイオードレーザなどの点状源からのビームを平
行たらしむるための自立形（free−standing）レンズと
して応用することができる。逆にいえば、平坦な第１の
表面12から円柱レンズ10に入る平行ビーム49は、双曲線
形状の第２の表面14に到達するまでは何の影響も受け
ず、第２の表面14から出ていくときに、点48に向かって
集束される。このような形態は、一体化された光学部品
の検出器や導波管などの開口に光を導くための自立形レ
ンズとして応用することができる。このような平坦−双
曲線の形態の円柱レンズの開口数の最大値は となる。ここで、ａは半長軸であり、ｂは半短軸であ
る。また、ｅは離心率であり、n2はレンズの屈折率、n1
は周辺の媒質の屈折率である。空気中における通常のば
あいには、開口数の最大値は となる。SFL6からなる双曲線レンズが空気中にあるばあ
い、その開口数の最大値は0.83である。これに比べ、SF
L6からなる楕円レンズは最大で1.47の開口数を有してお
り、きわめて大きい開口数を有している。
図８に示されているように、第１の表面12が接着に適
切な形状を有するばあいには、円柱レンズ10aはダイオ
ードレーザの光学的ファセットなどの外部表面に接着さ
れてもよい。その断面が示されているダイオードレーザ
50は半導体接続52を含んでおり、該半導体接続52は、フ
ァッセト56上に配置された発光開口54からレーザ光線を
発する。接続52は、レージングのためのゲイン材料を提
供し、レーザキャビィティを定める。レーザビーム58
は、発光開口54から矢印60の方向に発光される。図11は
レーザビーム58の発光開口54における断面の一例を示し
ている。ビーム58の狭い部分はファースト軸（fast axi
s）62を定め、ビーム58の広い部分は長軸（long axis）
64を定める。出口開口54においては、ビーム58はたとえ
ば１ミクロンの幅65、および、たとえば７ミクロンの長
さ66を有している。しかし、回折の影響によりビーム58
が、長軸66に沿うよりも速くファースト軸62に沿って発
散することはよく知られている。
切な形状を有するばあいには、円柱レンズ10aはダイオ
ードレーザの光学的ファセットなどの外部表面に接着さ
れてもよい。その断面が示されているダイオードレーザ
50は半導体接続52を含んでおり、該半導体接続52は、フ
ァッセト56上に配置された発光開口54からレーザ光線を
発する。接続52は、レージングのためのゲイン材料を提
供し、レーザキャビィティを定める。レーザビーム58
は、発光開口54から矢印60の方向に発光される。図11は
レーザビーム58の発光開口54における断面の一例を示し
ている。ビーム58の狭い部分はファースト軸（fast axi
s）62を定め、ビーム58の広い部分は長軸（long axis）
64を定める。出口開口54においては、ビーム58はたとえ
ば１ミクロンの幅65、および、たとえば７ミクロンの長
さ66を有している。しかし、回折の影響によりビーム58
が、長軸66に沿うよりも速くファースト軸62に沿って発
散することはよく知られている。
接着などの利用できるいずれかの手段によって、ファ
セット56は円柱レンズ10の第１の表面12aに接続されて
いる。レンズ10の屈折率にマッチした（index matche
d）光学的セメント67が使用されることが好ましい。そ
の代りとして、ファセット56と第１の表面12aは、屈折
率に合致したオイルなどの材料によって分離され、ダイ
オード50がレンズ10aに他の機械的手段によって接続さ
れていてもよい。第１の表面12aに接続されたファセッ
ト56により、ダイオードレーザ50からのレーザ光線を効
率的にレンズ10a内に導く（coupling）ことができる。
セット56は円柱レンズ10の第１の表面12aに接続されて
いる。レンズ10の屈折率にマッチした（index matche
d）光学的セメント67が使用されることが好ましい。そ
の代りとして、ファセット56と第１の表面12aは、屈折
率に合致したオイルなどの材料によって分離され、ダイ
オード50がレンズ10aに他の機械的手段によって接続さ
れていてもよい。第１の表面12aに接続されたファセッ
ト56により、ダイオードレーザ50からのレーザ光線を効
率的にレンズ10a内に導く（coupling）ことができる。
ほとんどの実施例において、円柱軸16（図１参照）が
ダイオードレーザ50の長軸64（図11参照）に平行となる
ようにレンズ10が配置されることが有利である。そのよ
うな形態においては、レンズ10のパワードな第２の表面
14は、大きく発散するレーザビーム58のファースト軸62
に作用するするように配置される。
ダイオードレーザ50の長軸64（図11参照）に平行となる
ようにレンズ10が配置されることが有利である。そのよ
うな形態においては、レンズ10のパワードな第２の表面
14は、大きく発散するレーザビーム58のファースト軸62
に作用するするように配置される。
ある実施例においては、第２の表面14は楕円形状であ
り、発光開口54は前記楕円の焦点にほとんど近接して配
置される。そのような実施例においては、レンズ10aか
ら出ていくレーザビーム58は、ファースト軸62に沿って
実質的に平行である。
り、発光開口54は前記楕円の焦点にほとんど近接して配
置される。そのような実施例においては、レンズ10aか
ら出ていくレーザビーム58は、ファースト軸62に沿って
実質的に平行である。
他の実施例においては、円柱レンズ10は、大きく発散
するビーム58のファースト軸62の発散を小さくするよう
な形状である。たとえば、第２の表面14のカーブは、ビ
ーム58がその長軸64に沿う発散と同じようにそのファー
スト軸62に沿って発散するように選択されてもよい。そ
うすることによって、軸62および64の両方に沿ってほぼ
等しく発散するビーム58をうることができる。
するビーム58のファースト軸62の発散を小さくするよう
な形状である。たとえば、第２の表面14のカーブは、ビ
ーム58がその長軸64に沿う発散と同じようにそのファー
スト軸62に沿って発散するように選択されてもよい。そ
うすることによって、軸62および64の両方に沿ってほぼ
等しく発散するビーム58をうることができる。
円柱レンズ10は、出力ファセット56と第１の表面12と
を接続するのに適切な形状を有するものであれば、どん
なタイプのダイオードレーザ50と接続されてもよい。図
９にはダイオードレーザバー70が示されている。該ダイ
オードレーザバー70は、実質的にその長さ71の幅のレー
ザ光線を発する。円柱レンズ10はダイオードレーザバー
70に接続されて組立体72を形成する。レンズ10の円柱軸
16（図１参照）はダイオードレーザバー70の長軸64と平
行に配置されている。レンズ14のカーブした第２の表面
14はどんな形状でもよいが、レンズ10から発せられるレ
ーザビーム74がそのファースト軸62に沿って実質的に平
行となるように表面14の形状が選択されれば好ましい。
たとえば、カーブした第２の表面14が、その形状がファ
ースト軸62に沿って楕円形状であり、該楕円の焦点が発
光開口54（図８参照）に近接するように形成されれば、
レンズ10から発せられるレーザビーム74はそのファース
ト軸62に沿って実質的に平行となるであろう。
を接続するのに適切な形状を有するものであれば、どん
なタイプのダイオードレーザ50と接続されてもよい。図
９にはダイオードレーザバー70が示されている。該ダイ
オードレーザバー70は、実質的にその長さ71の幅のレー
ザ光線を発する。円柱レンズ10はダイオードレーザバー
70に接続されて組立体72を形成する。レンズ10の円柱軸
16（図１参照）はダイオードレーザバー70の長軸64と平
行に配置されている。レンズ14のカーブした第２の表面
14はどんな形状でもよいが、レンズ10から発せられるレ
ーザビーム74がそのファースト軸62に沿って実質的に平
行となるように表面14の形状が選択されれば好ましい。
たとえば、カーブした第２の表面14が、その形状がファ
ースト軸62に沿って楕円形状であり、該楕円の焦点が発
光開口54（図８参照）に近接するように形成されれば、
レンズ10から発せられるレーザビーム74はそのファース
ト軸62に沿って実質的に平行となるであろう。
図２に示されるように第２の表面が楕円形状である円
柱レンズ10の実施例においては、楕円の焦点を第１の表
面12に近接して配置することが好ましいということがい
われてきた。プレフォーム20はこのような形態で設計さ
れてもよいが、製造上の不完全性により、引き抜かれた
円柱レンズ10の現実の焦点は第１の表面12に関連して変
化するだろう。それゆえ、ある応用においては、光学表
面12に近接する焦点を、図２中の点76などの位置となる
ように設計することが好ましいであろう。このように、
実際に円柱レンズ10を成形するときは、発光開口54に関
するレンズ10の位置は、出力ビーム74がそのファースト
軸62に沿って実質的に平行となるような位置へと調整さ
れてもよい。この位置においては、ビーム74は、レンズ
10の焦点カーブに依存するある角度でレンズ10から出て
いく。
柱レンズ10の実施例においては、楕円の焦点を第１の表
面12に近接して配置することが好ましいということがい
われてきた。プレフォーム20はこのような形態で設計さ
れてもよいが、製造上の不完全性により、引き抜かれた
円柱レンズ10の現実の焦点は第１の表面12に関連して変
化するだろう。それゆえ、ある応用においては、光学表
面12に近接する焦点を、図２中の点76などの位置となる
ように設計することが好ましいであろう。このように、
実際に円柱レンズ10を成形するときは、発光開口54に関
するレンズ10の位置は、出力ビーム74がそのファースト
軸62に沿って実質的に平行となるような位置へと調整さ
れてもよい。この位置においては、ビーム74は、レンズ
10の焦点カーブに依存するある角度でレンズ10から出て
いく。
ダイオードレーザバー70は、効率的でコンパクトなレ
ーザ放射源であり、ダイオードレーザとレンズとの組立
体72においてレンズ10と接続されれば、多くの応用が可
能である。たとえば、配列された、ダイオードレーザと
レンズとの組立体72が互いに接続されれば、効率がよく
強度の高い平行光線出力をうることができる。そのよう
な組立体72は固状のレーザ材料からレーザ光線を取り出
すのにたいへん適したパッケージを提供する。
ーザ放射源であり、ダイオードレーザとレンズとの組立
体72においてレンズ10と接続されれば、多くの応用が可
能である。たとえば、配列された、ダイオードレーザと
レンズとの組立体72が互いに接続されれば、効率がよく
強度の高い平行光線出力をうることができる。そのよう
な組立体72は固状のレーザ材料からレーザ光線を取り出
すのにたいへん適したパッケージを提供する。
本発明は、その精神および本質的特徴からはずれなけ
れば、他の特定の形態で実施されてもよい。ここに述べ
られた実施例はすべての点において単なる例示にすぎず
それらに制限されるものでないと考えられるべきであ
り、それゆえ、本発明の範囲はここまでの記載よりもむ
しろ添付の請求の範囲によって決められる。請求の範囲
の文言およびその均等範囲に含まれるすべての変更は本
発明の範囲に含まれるべきである。
れば、他の特定の形態で実施されてもよい。ここに述べ
られた実施例はすべての点において単なる例示にすぎず
それらに制限されるものでないと考えられるべきであ
り、それゆえ、本発明の範囲はここまでの記載よりもむ
しろ添付の請求の範囲によって決められる。請求の範囲
の文言およびその均等範囲に含まれるすべての変更は本
発明の範囲に含まれるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベアー、トーマス エム アメリカ合衆国、94043 カリフォルニ ア州、サン ホセ、ドルーシラ ドライ ブ 537 (56)参考文献 特開 平１−122180（ＪＰ，Ａ) 米国特許4932732（ＵＳ，Ａ) 米国特許4630180（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開2108483（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C03B 23/047 C03B 37/025 G02B 3/00
Claims (24)
- 【請求項１】（ａ）少なくとも１つのカーブした表面を
有する円柱形状である非円形のガラス製プレフォームを
成形する工程、 および （ｂ）前記ガラス製プレフォームを引抜き加工して、前
記ガラス製プレフォームと同じ断面形状を有するが、前
記ガラス製プレフォームの断面寸法よりも小さな断面寸
法の円柱レンズを形成する工程 を含み、 前記工程（ｂ）において、前記ガラスが火力により艶出
しされる円柱マイクロレンズを成形する方法。 - 【請求項２】前記工程（ｂ）において、形状誤差が減じ
られる請求項１記載の方法。 - 【請求項３】前記工程（ｂ）が、前記ガラス製プレフォ
ームを軟化温度にまで加熱して、引抜きを許容するのに
充分な粘性をもたせることを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項４】前記工程（ａ）が、前記ガラス製プレフォ
ームを研削することを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項５】前記工程（ａ）が、前記ガラスをモールデ
ィングすることを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項６】前記工程（ａ）が、前記円柱レンズが向か
い合う関係にある少なくとも２つのカーブした表面を有
するように、前記円柱レンズに第２のカーブした表面を
成形することを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項７】前記カーブした表面のそれぞれが双曲線の
形状に成形される請求項６記載の方法。 - 【請求項８】前記工程（ａ）が、前記円柱レンズに、前
記カーブした表面と向かい合う関係にある平坦な表面を
成形することを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項９】前記工程（ａ）において、前記カーブした
第２の表面が双曲線の形状に成形される請求項８記載の
方法。 - 【請求項１０】前記工程（ａ）において、前記カーブし
た第２の表面が楕円の形状に成形される請求項８記載の
方法。 - 【請求項１１】前記工程（ａ）において、前記楕円の焦
線が前記平坦な第１の表面に近接するように、前記第２
のカーブした表面が配置される請求項10記載の方法。 - 【請求項１２】（ａ）第１の表面および該第１の表面と
向かい合う第２のカーブした表面を有する円柱形状であ
る非円形のガラス製プレフォームを成形する工程、 （ｂ）引抜き加工を許容するのに充分な粘性を有する
が、その粘性は表面張力が前記プレフォームを変形させ
ることを実質的に防止するのに充分低くなるように、前
記ガラス製プレフォームを軟化温度にまで加熱する工
程、 および （ｃ）前記ガラス製プレフォームを引抜き加工して、前
記ガラス製プレフォームと同じ断面形状を有するが、前
記ガラス製プレフォームの断面寸法を全体にわたって減
じた断面寸法の円柱レンズを形成する工程 を含み、 前記工程（ｃ）において、前記ガラスが火力により艶出
しされる円柱マイクロレンズを成形する方法。 - 【請求項１３】前記第１の表面が平坦な形状である請求
項12記載の方法。 - 【請求項１４】前記工程（ａ）において、前記第２の表
面が楕円の形状に成形される請求項12記載の方法。 - 【請求項１５】前記工程（ａ）において、前記第２の表
面が双曲線の形状に成形される請求項12記載の方法。 - 【請求項１６】第１の光学的表面、および第１の光学的
表面から50から1000ミクロンのあいだの距離をおいて配
置される第２の光学的表面を有する円柱マイクロレンズ
であって、 前記第１および第２の表面がその開口数において実質的
にディフラクション−リミテッドであるように成形さ
れ、0.4より大きい開口数を有し、 さらに、火力により艶出しされてなる円柱マイクロレン
ズ。 - 【請求項１７】前記開口数が0.5と1.5のあいだである請
求項16記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項１８】前記第１の光学的表面と第２の光学的表
面とのあいだの距離が、100から300ミクロンのあいだで
ある請求項16記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項１９】前記第２の光学的表面が双曲線の形状で
ある請求項16記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項２０】前記第１の光学的表面が平坦表面である
請求項19記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項２１】前記第２の光学的表面が楕円の形状であ
る請求項16記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項２２】前記楕円の焦点距離が50から1000ミクロ
ンのあいだである請求項21記載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項２３】楕円形状の前記第２の光学的表面が、前
記第１の光学的表面に近接する焦点を有する請求項21記
載の円柱マイクロレンズ。 - 【請求項２４】前記第１の光学的表面が平坦な形状であ
る請求項21記載の円柱マイクロレンズ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US591,462 | 1990-10-01 | ||
| US07/591,462 US5080706A (en) | 1990-10-01 | 1990-10-01 | Method for fabrication of cylindrical microlenses of selected shape |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05502851A JPH05502851A (ja) | 1993-05-20 |
| JP3121614B2 true JP3121614B2 (ja) | 2001-01-09 |
Family
ID=24366589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03506601A Expired - Lifetime JP3121614B2 (ja) | 1990-10-01 | 1991-03-15 | 選択された形状の円柱マイクロレンズの製法およびそれによりえられる製品 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5080706A (ja) |
| EP (1) | EP0503006B1 (ja) |
| JP (1) | JP3121614B2 (ja) |
| DE (1) | DE69126518T2 (ja) |
| ES (1) | ES2103002T3 (ja) |
| WO (1) | WO1992006046A1 (ja) |
Cited By (6)
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| WO2002091035A1 (fr) | 2001-05-09 | 2002-11-14 | Hamamatsu Photonics K.K. | Verre filtrant et dispositif laser semi-conducteur |
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| JP2022519643A (ja) * | 2019-02-05 | 2022-03-24 | フィスバ・アクチェンゲゼルシャフト | 発光装置 |
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