JP3271312B2 - シリンドリカル平板マイクロレンズ及びその製造方法 - Google Patents
シリンドリカル平板マイクロレンズ及びその製造方法Info
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- JP3271312B2 JP3271312B2 JP19975192A JP19975192A JP3271312B2 JP 3271312 B2 JP3271312 B2 JP 3271312B2 JP 19975192 A JP19975192 A JP 19975192A JP 19975192 A JP19975192 A JP 19975192A JP 3271312 B2 JP3271312 B2 JP 3271312B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、透明基板内に屈折率勾
配によるシリンドリカルレンズ及びそのアレーを一体形
成したシリンドリカル平板マイクロレンズに関する。
配によるシリンドリカルレンズ及びそのアレーを一体形
成したシリンドリカル平板マイクロレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】シリンドリカルレンズは、これまでアク
リル、塩化ビニール等の透明プラスチックをプレス成型
して作られていた。これは図１に示すように、透明プラ
スチック基板１１の上に蒲鉾型の一方向にレンズ作用を
持つ多数の突出レンズ部分１２を平行に配列形成したも
ので、視差を利用した立体写真の記録、再生に利用され
ている。上記の様なシリンドリカルレンズを製作する方
法としては、金型と呼ばれる半円筒形の溝を持った型を
用意し、この金型にプラスチックモノマーを流し込み硬
化させて、所望の形状を得ている。
リル、塩化ビニール等の透明プラスチックをプレス成型
して作られていた。これは図１に示すように、透明プラ
スチック基板１１の上に蒲鉾型の一方向にレンズ作用を
持つ多数の突出レンズ部分１２を平行に配列形成したも
ので、視差を利用した立体写真の記録、再生に利用され
ている。上記の様なシリンドリカルレンズを製作する方
法としては、金型と呼ばれる半円筒形の溝を持った型を
用意し、この金型にプラスチックモノマーを流し込み硬
化させて、所望の形状を得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のプラスチックシ
リンドリカルレンズでは、金型の製作にはダイヤモンド
研削等の機械加工を用いていた。このため、溝の形状は
理想的なレンズ効果が得られる曲面からは大きく異な
り、レンズとしては収差の大きい物しか得られなかっ
た。また、研削で得られる面は微小な凹凸が生じており
入射した光を散乱させていた。このため、レンズにＨｅ
−Ｎｅレーザ光などを平行光束にして入射し、レンズの
焦点面を観測すると、集光線幅は回折限界の５倍から１
０倍と大きく広がったものとなっていた。
リンドリカルレンズでは、金型の製作にはダイヤモンド
研削等の機械加工を用いていた。このため、溝の形状は
理想的なレンズ効果が得られる曲面からは大きく異な
り、レンズとしては収差の大きい物しか得られなかっ
た。また、研削で得られる面は微小な凹凸が生じており
入射した光を散乱させていた。このため、レンズにＨｅ
−Ｎｅレーザ光などを平行光束にして入射し、レンズの
焦点面を観測すると、集光線幅は回折限界の５倍から１
０倍と大きく広がったものとなっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
本発明のシリンドリカルレンズは、透明基板内に形成さ
れた局所的な屈折率分布により、基板に垂直に入射した
光に対して、線状に集光作用を持つシリンドリカルレン
ズであって、屈折率分布領域の幅を２ａ、深さをｄとし
た時に、ｄ／ａを０．５８ないし０．９の範囲内とし
た。
本発明のシリンドリカルレンズは、透明基板内に形成さ
れた局所的な屈折率分布により、基板に垂直に入射した
光に対して、線状に集光作用を持つシリンドリカルレン
ズであって、屈折率分布領域の幅を２ａ、深さをｄとし
た時に、ｄ／ａを０．５８ないし０．９の範囲内とし
た。
【０００５】本発明の好ましい実施態様では、基板とし
てＮａ、Ｋ等の一価のイオンを含むフロートガラスや光
学ガラスを用い、イオン交換により基板内にシリンドリ
カルレンズとしての屈折率分布領域を形成する。使用で
きるイオンとしては、ガラスに含まれることにより屈折
率を増大させるＴｌ、Ｌｉ、Ａｇ、Ｃｅなどがある。
てＮａ、Ｋ等の一価のイオンを含むフロートガラスや光
学ガラスを用い、イオン交換により基板内にシリンドリ
カルレンズとしての屈折率分布領域を形成する。使用で
きるイオンとしては、ガラスに含まれることにより屈折
率を増大させるＴｌ、Ｌｉ、Ａｇ、Ｃｅなどがある。
【０００６】
【作用】上記のように、ｄ／ａの範囲を定めレンズを製
作するとレンズの収差が小さくなり、平行に入射した光
を回折限界に近い値まで集光することができる。従っ
て、このレンズを用いて視差を利用した立体像を記録再
生する場合には、より鮮明な画像が得られる。さらに、
ガラス基板を用いればプラスチックと比較して熱膨張係
数が著しく小さく、精密な位置合わせを必要とする用途
に使うことができる。
作するとレンズの収差が小さくなり、平行に入射した光
を回折限界に近い値まで集光することができる。従っ
て、このレンズを用いて視差を利用した立体像を記録再
生する場合には、より鮮明な画像が得られる。さらに、
ガラス基板を用いればプラスチックと比較して熱膨張係
数が著しく小さく、精密な位置合わせを必要とする用途
に使うことができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を図面に示した実施例に基づい
て詳細に説明する。図２は本発明によるシリンドリカル
平板マイクロレンズ１の断面図及び平面図を示す。透明
ガラス基板２の肉厚内に屈折率分布領域３の多数が、間
隔をおいて平行にアレーとして一体形成されている。レ
ンズ作用を持つ各屈折率分布領域３は、基板表面の屈折
率分布の中心部で最大であり、基板の深さ方向及び断面
図における横方向に向かって次第に減少していく。図に
おける半円状の同心円はその屈折率分布を模式的に等屈
折率線として示したものである。
て詳細に説明する。図２は本発明によるシリンドリカル
平板マイクロレンズ１の断面図及び平面図を示す。透明
ガラス基板２の肉厚内に屈折率分布領域３の多数が、間
隔をおいて平行にアレーとして一体形成されている。レ
ンズ作用を持つ各屈折率分布領域３は、基板表面の屈折
率分布の中心部で最大であり、基板の深さ方向及び断面
図における横方向に向かって次第に減少していく。図に
おける半円状の同心円はその屈折率分布を模式的に等屈
折率線として示したものである。
【０００８】図３に、本発明に係るシリンドリカル平板
マイクロレンズの製作方法の一例を示す。 （ａ）イオン交換可能な一価イオンとしてＮａ、Ｋ等を
含んだガラス基板２を用意する。 （ｂ）次に、ガラス基板２表面にイオン交換を妨げる金
属膜４をスパッタ法等により形成する。 （ｃ）フォトエッチング法を用いて金属膜４を一部エッ
チングしてストライプ状の拡散窓５を形成する。 （ｄ）基板２の拡散マスク面をイオン交換用の溶融塩７
に浸漬させ、マスクの窓５の部分でイオン交換を行っ
た。ここに、レンズ作用を持つ屈折率分布領域３が形成
される。最後に （ｅ）基板２を取り出し不必要となった金属膜４を取り
去り、表面を研磨することによりシリンドリカル平板マ
イクロレンズ１が得られる。
マイクロレンズの製作方法の一例を示す。 （ａ）イオン交換可能な一価イオンとしてＮａ、Ｋ等を
含んだガラス基板２を用意する。 （ｂ）次に、ガラス基板２表面にイオン交換を妨げる金
属膜４をスパッタ法等により形成する。 （ｃ）フォトエッチング法を用いて金属膜４を一部エッ
チングしてストライプ状の拡散窓５を形成する。 （ｄ）基板２の拡散マスク面をイオン交換用の溶融塩７
に浸漬させ、マスクの窓５の部分でイオン交換を行っ
た。ここに、レンズ作用を持つ屈折率分布領域３が形成
される。最後に （ｅ）基板２を取り出し不必要となった金属膜４を取り
去り、表面を研磨することによりシリンドリカル平板マ
イクロレンズ１が得られる。
【０００９】上記の様にして得られたレンズ１の切断面
を観察すると、図４に示すように拡散フロント３Ａが観
察できる。この拡散フロント３Ａは、イオン交換におい
て拡散して基板ガラス中に進入したイオンが比較的急峻
に変化しているため、それに伴い屈折率分布も急峻に変
化しているために観察される。この、拡散フロント３
Ａ、一般的に言えば断面を観察して基板のバルクの部分
との境界線として認められる輪郭曲線３Ａを以後レンズ
の基板内外形面とする。
を観察すると、図４に示すように拡散フロント３Ａが観
察できる。この拡散フロント３Ａは、イオン交換におい
て拡散して基板ガラス中に進入したイオンが比較的急峻
に変化しているため、それに伴い屈折率分布も急峻に変
化しているために観察される。この、拡散フロント３
Ａ、一般的に言えば断面を観察して基板のバルクの部分
との境界線として認められる輪郭曲線３Ａを以後レンズ
の基板内外形面とする。
【００１０】レンズ製作におけるイオン交換では、イオ
ンは、幅２ｒｍのマスクの窓５から基板内に進入する。
この時深さ方向の拡散距離ｄと横方向の拡散距離は、ほ
ぼ等しくなる。従って、レンズの幅２ａは、拡散距離の
２倍２Ｌにマスクの幅２ｒｍを加えた値となる。また、
レンズの深さｄは拡散長Ｌに等しい。従ってレンズの深
さｄとレンズの半値幅ａとの比は、ｄ／ａ＝Ｌ／（Ｌ＋
ｒｍ）になる。レンズ製作においては、目的とするレン
ズ幅２ａが与えられたときに、２ｒｍ＋２Ｌ＝２ａとな
るように拡散時間を設定する。この時ｄ／ａの値は、マ
スクの開口幅２ｒｍをどの値に設定するかによって決ま
る。ｒｍが大きいときには、ｄ／ａは０に近づきｒｍが
小さいときには、１．０に近づく。
ンは、幅２ｒｍのマスクの窓５から基板内に進入する。
この時深さ方向の拡散距離ｄと横方向の拡散距離は、ほ
ぼ等しくなる。従って、レンズの幅２ａは、拡散距離の
２倍２Ｌにマスクの幅２ｒｍを加えた値となる。また、
レンズの深さｄは拡散長Ｌに等しい。従ってレンズの深
さｄとレンズの半値幅ａとの比は、ｄ／ａ＝Ｌ／（Ｌ＋
ｒｍ）になる。レンズ製作においては、目的とするレン
ズ幅２ａが与えられたときに、２ｒｍ＋２Ｌ＝２ａとな
るように拡散時間を設定する。この時ｄ／ａの値は、マ
スクの開口幅２ｒｍをどの値に設定するかによって決ま
る。ｒｍが大きいときには、ｄ／ａは０に近づきｒｍが
小さいときには、１．０に近づく。
【００１１】製作するレンズ幅をほぼ一定に定め、ｒｍ
に対して様々な値を持つ基板を用意し、シリンドリカル
平板マイクロレンズを製作した結果、レンズの収差は、
ｄ／ａに大きく依存することが判明した。
に対して様々な値を持つ基板を用意し、シリンドリカル
平板マイクロレンズを製作した結果、レンズの収差は、
ｄ／ａに大きく依存することが判明した。
【００１２】すなわち、ｒｍの値を大きく設定し過ぎた
場合には、ｄ／ａの値が小さくなる。この時得られる屈
折率分布は、レンズ中央よりに入射した近軸光線を相対
的にレンズ外側に入射した周辺光線よりも弱く曲げてし
まう。このため図５の（ａ）に示すようにレンズには収
差が発生する。
場合には、ｄ／ａの値が小さくなる。この時得られる屈
折率分布は、レンズ中央よりに入射した近軸光線を相対
的にレンズ外側に入射した周辺光線よりも弱く曲げてし
まう。このため図５の（ａ）に示すようにレンズには収
差が発生する。
【００１３】本発明者らの実験によると、ｄ／ａの値を
０．５８以上とすることにより、図５の（ｂ）に示すよ
うに近軸光線と周辺光線の焦点位置ズレを小さくでき
る。一方、ｄ／ａの値を１に近づけることはマスク開口
幅ｒｍを小さくしていくことになり、ｒｍが小さくなり
すぎる場合には、拡散の進行が妨げられるため、本発明
ではｄ／ａを０．５８ないし０．９の範囲内としてい
る。
０．５８以上とすることにより、図５の（ｂ）に示すよ
うに近軸光線と周辺光線の焦点位置ズレを小さくでき
る。一方、ｄ／ａの値を１に近づけることはマスク開口
幅ｒｍを小さくしていくことになり、ｒｍが小さくなり
すぎる場合には、拡散の進行が妨げられるため、本発明
ではｄ／ａを０．５８ないし０．９の範囲内としてい
る。
【００１４】次に、本発明の具体的数値例について説明
する。モル％でＳｉＯ2６０％、Ｂ2Ｏ3４％、ＺｎＯ１
５％、Ｋ2Ｏ８％、Ｎａ2Ｏ１３％の組成からなる大きさ
１００×１００ｍｍのガラス基板を８枚用意した。これ
ら基板ガラスの表面に、イオン交換阻止膜として厚さ１
μｍのＴｉ膜をスパッタリングにより形成した後、フォ
トリソグラフィの手法と弗酸系のエッチャントを用い
て、開口幅１４５〜２７８μｍの拡散窓を形成した。
する。モル％でＳｉＯ2６０％、Ｂ2Ｏ3４％、ＺｎＯ１
５％、Ｋ2Ｏ８％、Ｎａ2Ｏ１３％の組成からなる大きさ
１００×１００ｍｍのガラス基板を８枚用意した。これ
ら基板ガラスの表面に、イオン交換阻止膜として厚さ１
μｍのＴｉ膜をスパッタリングにより形成した後、フォ
トリソグラフィの手法と弗酸系のエッチャントを用い
て、開口幅１４５〜２７８μｍの拡散窓を形成した。
【００１５】これらガラス基板を加熱溶融した硝酸タリ
ウム塩に浸漬してイオン交換を行った。レンズの幅は２
３５〜４５０μｍとなるように、イオン交換時間をそれ
ぞれの基板に対して設定した。イオン交換後、Ｔｉ膜を
除去して、さらに基板表面を平滑に研磨し、シリンドリ
カル平板マイクロレンズの特性を測定した。測定にあた
っては、図６に示すようにシリンドリカル平板マイクロ
レンズ１に波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を拡散
面の反対側から入射し、レンズの焦点面における集光像
を観察した。レンズの焦点距離ｆは、線状に集光する像
の幅が最も小さくなり輝度が最大となる位置と基板表面
の位置との距離を測定した。この測定において、Ｄｌは
集光像の幅であり、これが小さいほどレンズの収差が小
さいことを表す。
ウム塩に浸漬してイオン交換を行った。レンズの幅は２
３５〜４５０μｍとなるように、イオン交換時間をそれ
ぞれの基板に対して設定した。イオン交換後、Ｔｉ膜を
除去して、さらに基板表面を平滑に研磨し、シリンドリ
カル平板マイクロレンズの特性を測定した。測定にあた
っては、図６に示すようにシリンドリカル平板マイクロ
レンズ１に波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を拡散
面の反対側から入射し、レンズの焦点面における集光像
を観察した。レンズの焦点距離ｆは、線状に集光する像
の幅が最も小さくなり輝度が最大となる位置と基板表面
の位置との距離を測定した。この測定において、Ｄｌは
集光像の幅であり、これが小さいほどレンズの収差が小
さいことを表す。
【００１６】製作結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】サンプルＤＥＦＧＨでは、理論的に予想さ
れる回折像に近い集光像が得られ、この時の一次回折幅
を集光像幅Ｄｌとした。ＡＢＣは収差のためにかなり広
がった集光像となっており、この幅を測定した。図７に
レンズのｄ／ａの値に対する集光線幅を示す。集光線幅
は、ｄ／ａの値が０．５５以上になった時に急激に小さ
くなる。また、図８にレンズの半値幅ａとレンズを作る
ときのマスクの開口半値幅ｒｍの比ａ／ｒｍに対する集
光線幅を示す。ａ／ｒｍが２．２４以上になった時に集
光線幅が急激に小さくなっている。ｄ／ａの値が０．６
５以上、ａ／ｒｍが２．８６以上になると集光線幅は、
ほとんど回折限界に近づきレンズの収差はほとんど無く
なる。
れる回折像に近い集光像が得られ、この時の一次回折幅
を集光像幅Ｄｌとした。ＡＢＣは収差のためにかなり広
がった集光像となっており、この幅を測定した。図７に
レンズのｄ／ａの値に対する集光線幅を示す。集光線幅
は、ｄ／ａの値が０．５５以上になった時に急激に小さ
くなる。また、図８にレンズの半値幅ａとレンズを作る
ときのマスクの開口半値幅ｒｍの比ａ／ｒｍに対する集
光線幅を示す。ａ／ｒｍが２．２４以上になった時に集
光線幅が急激に小さくなっている。ｄ／ａの値が０．６
５以上、ａ／ｒｍが２．８６以上になると集光線幅は、
ほとんど回折限界に近づきレンズの収差はほとんど無く
なる。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、収差が小さいシリンド
リカルレンズを得ることができる。また、レンズの位置
は、フォトリソグラフイの手法を用いて形成するマスク
によって定めることができるため、精密な位置合わせを
必要とする用途に使うことができる。このレンズは視差
を利用した立体像の精密な記録再生のほか、光ビームの
位置方向集光、コリメートなど広範な用途で有効であ
る。
リカルレンズを得ることができる。また、レンズの位置
は、フォトリソグラフイの手法を用いて形成するマスク
によって定めることができるため、精密な位置合わせを
必要とする用途に使うことができる。このレンズは視差
を利用した立体像の精密な記録再生のほか、光ビームの
位置方向集光、コリメートなど広範な用途で有効であ
る。
【図１】従来のプラスチック成型によるシリンドリカル
レンズアレーの断面図と平面図
レンズアレーの断面図と平面図
【図２】本発明の一実施例を示す断面図と平面図
【図３】（ａ）ないし（ｅ）は本発明のシリンドリカル
平板マイクロレンズをイオン交換法で製作する工程を示
す斜視図及び断面図
平板マイクロレンズをイオン交換法で製作する工程を示
す斜視図及び断面図
【図４】レンズ断面における屈折率分布の深さｄとレン
ズの幅２ａ、レンズ製作におけるマスクの幅２ｒｍの関
係を説明する断面図
ズの幅２ａ、レンズ製作におけるマスクの幅２ｒｍの関
係を説明する断面図
【図５】（ａ）（ｂ）はイオン交換によって形成された
屈折率分布形状と収差の関係を示す断面図
屈折率分布形状と収差の関係を示す断面図
【図６】シリンドリカル平板マイクロレンズの集光像の
観察方法を示す斜視図
観察方法を示す斜視図
【図７】本発明に係るシリンドリカルレンズにおけるｄ
／ａに対する集光線幅の数値例を示すグラフ
／ａに対する集光線幅の数値例を示すグラフ
【図８】本発明のレンズ製作方法におけるａ／ｒｍに対
する集光線幅の数値例を示すグラフ
する集光線幅の数値例を示すグラフ
１・・・・・・シリンドリカル平板マイクロレンズ ２・・・・・・基板 ３・・・・・・屈折率分布領域 ４・・・・・・イオン交換阻止膜 ５・・・・・・イオン交換開口窓 ７・・・・・・イオン交換用溶融塩 ８・・・・・・シリンドリカルレンズの焦点 ８Ａ・・・近軸光線の焦点 ８Ｂ・・・外周光線の焦点 ９・・・・・・シリンドリカル平板マイクロレンズの集
光像
光像
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 3/00 G02B 3/06
Claims (2)
- 【請求項１】透明基板内にイオン拡散によって形成され
た局所的な屈折率分布により、基板に垂直に入射した光
に対して、線状に集光作用を持つシリンドリカルレンズ
であって、屈折率分布領域の幅を２ａ、深さをｄとした
時に、ｄ／ａを０．５８ないし０．９の範囲内とするこ
とを特徴とするシリンドリカル平板マイクロレンズ。 - 【請求項２】透明基板の面に、所定の開口を残して拡散
防止マスクを施し、前記開口を通じて基板の屈折率増大
に寄与する物質を基板内に拡散させることにより、前記
物質の濃度勾配に基づく屈折率勾配をもつシリンドリカ
ル平板マイクロレンズを基板内に一体形成する方法にお
いて、前記 マスクのストライプ状開口の幅を２ｒｍ、得ようと
するレンズの幅を２ａとして、２．３８＜ａ／ｒｍ＜１
０の範囲に設定することを特徴とするシリンドリカル平
板マイクロレンズの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19975192A JP3271312B2 (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | シリンドリカル平板マイクロレンズ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19975192A JP3271312B2 (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | シリンドリカル平板マイクロレンズ及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0643306A JPH0643306A (ja) | 1994-02-18 |
| JP3271312B2 true JP3271312B2 (ja) | 2002-04-02 |
Family
ID=16413028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19975192A Expired - Fee Related JP3271312B2 (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | シリンドリカル平板マイクロレンズ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3271312B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005202356A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 平板型マイクロレンズとその製造方法 |
-
1992
- 1992-07-27 JP JP19975192A patent/JP3271312B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0643306A (ja) | 1994-02-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |