JP3835166B2

JP3835166B2 - Flat optical element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3835166B2
Application number: JP2000395522A
Authority: JP
Inventors: 満須部; 伸彦田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002193658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率、高光透過率により光学部品として有用な平板光学素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、平板基板内へのドーパントの選択拡散によって形成できる平板マイクロレンズが知られている。この平板マイクロレンズは、多数のマイクロレンズを所望の位置関係でモノリシックに集積できるという特徴を有し、他のアレイ状の光学素子と集積することにより光回路をアレイ状に一括して製作できるなど、将来の光関係分野において基本的な素子となることが期待されている。また、他の光スイッチアレイなどと組み合わせて、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の基本的な構成要素にもなり得るものである。
【０００３】
特開昭５８−１９８００１号公報や特公平７−９２５２１号公報には、図１０および図１１にそれぞれ示すように、ガラス基板等の基板２１の片面または両面にマイクロレンズ２２がアレイ状に形成されている平板光学素子である平板マイクロレンズが開示されている。このようなマイクロレンズ２２を備えた平板マイクロレンズは、いろいろ応用が考えられており、例えば光タップ、光分岐回路、光コネクタ、あるいは複写機のレンズ系等に用いることができる。
【０００４】
このようなマイクロレンズ２２がアレイ状に形成されている平板マイクロレンズの製造方法としては、ホウケイ酸系のガラス基板２１にタリウム等のドーパントを選択拡散させるイオン交換法が知られている。上記イオン交換法では、ガラス基板２１の表面にマスクを設け、マスクを利用してドーパントをガラス基板２１の表面から内部に略半球状に浸透させてガラス基板２１表面にマイクロレンズ２２を形成している。
【０００５】
また、特公平７−９２５２１号公報に記載の平板光学素子（平板マイクロレンズ）では、図１１に示すように、マイクロレンズ２２が形成された片面部の反対面部にイオン拡散層を形成することにより、上記マイクロレンズ２２の形成に基づくガラス基板２１内に生じる内部応力を相殺して、上記ガラス基板２１の反りを低減している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の平板マイクロレンズでは、ガラス基板２１の表面からドーパントを拡散させているため、得られたマイクロレンズ２２は、一面が平坦で、他面が凸といったレンズしか得られず倍率や開口数の大きなものとなり難いという問題を生じている。
【０００７】
さらに、上記従来の平板マイクロレンズにおいては、倍率を高めるために、ガラス基板２１の両面にマイクロレンズ２２を形成したり、各平板マイクロレンズを組み合わせたりする場合、同一光軸上となるべき各マイクロレンズ２２の光軸を合わせるのが複雑で手間取るという問題も生じている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の平板光学素子は、以上の課題を解決するために、多結晶体の透光性セラミックスからなる平板状の基板の内部に、当該基板と屈折率が異なる光学機能部が複数アレイ状に形成されており、上記光学機能部は、上記基板に対し屈折率を変化させるためのドーパントを上記基板の内部において拡散させることにより形成された、両凸レンズ、両凹レンズ、又は片凹レンズであることを特徴としている。上記透光性セラミックスとしては、焼成により形成され、透光性を有する多結晶体である、セラミックスであればよく、複屈折を示すものでも、複屈折を示さないものでも可能であるが、より好ましくは、多結晶体で常誘電体（つまり複屈折を示さないもの）である。
【０００９】
上記構成によれば、基板が透光性セラミックスからなることから、例えば、透光性セラミックスの原料粉末から得られる、シート状の焼成前生シートを用いる後述する製造方法によって、透光性セラミックスからなる平板状の基板に、特に、上記基板内に、基板と屈折率が異なる光学機能部を形成することができる。
【００１０】
これにより、上記構成では、基板に、両凸レンズや両凹レンズを光学機能部として形成できるので、光学特性に優れた、例えば倍率や開口数の大きな光学機能部を有することができて、従来の各問題を軽減できる。
【００１１】
本発明の平板光学素子は、透光性セラミックスからなる平板状の基板に、当該基板と屈折率が異なる光学機能部が形成されているものであって、上記透光性セラミックスは、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ _３系またはＢａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ _３系のペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とし、上記光学機能部は、上記基板に対し屈折率を変化させるためのドーパントとして、チタン族、バナジウム族、鉄族、白金族、希土類から選ばれる少なくとも１種の元素を有していることを特徴としている。
【００１３】
上記透光性セラミックスとしては、屈折率が１．９以上、かつ常誘電体であることが望ましい。常誘電体とは、電界が印加されても誘電率が変化しないものであり、よって、複屈折を生じないものである。上記ペロブスカイト型結晶構造には、複合ペロブスカイト型結晶構造が含まれる。
【００１４】
上記構成によれば、常誘電体であることから複屈折を生ぜず、よってレンズ等の光学部品に容易に適用でき、透光性セラミックスからなることにより高透光性、高屈折率な基板とすることができて、光学特性に優れたものとすることができる。よって、上記構成は、小型化や薄型化が可能となるので、適用範囲を広げることができる。
【００１５】
本発明の平板光学素子の製造方法は、以上の課題を解決するために、透光性セラミックスの原料粉末からシート状の焼成前生シートを作製し、上記焼成前生シートの表面に、屈折率を変化させるためのドーパントを含むドーパント部を形成し、ドーパント部が形成された焼成前生シートを複数互いに積層し、互いに積層された各焼成前生シートを焼成して一体化することにより、上記ドーパントが拡散した光学機能部を、各焼成前生シートからなる透光性の基板に形成することを特徴としている。
【００１６】
上記方法によれば、透光性の基板を高透光性、高屈折率とすることができ、かつ、焼成前生シートを複数互いに積層することにより、上記基板に、例えば両凸レンズといった光学機能部を容易に形成できるので、倍率や開口数が大きいといった光学特性に優れた光学機能部を有する平板光学素子を安定に得ることができる。
【００１７】
上記製造方法においては、互いに隣接する各焼成前生シート間においてドーパント部の形成面積を段階的に変化させることにより、焼成中にドーパントを拡散させたレンズ部を光学機能部として形成することが好ましい。
【００１８】
上記方法によれば、互いに隣接する各焼成前生シート間においてドーパント部の形成面積を段階的に変化させることによって、光学機能部としてのレンズ部を安定に得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１ないし図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００２０】
本発明に係る平板光学素子では、図１（ａ）に示すように、透光性セラミックスからなる、透光性を備えた基板１が長方形板状に形成されており、上記基板１に対し、片凸や両凸のレンズ部（光学機能部）２が、複数アレイ状に、かつ、レンズ部２の光軸を基板１の厚さ方向に沿うように形成されている。
【００２１】
上記レンズ部２は、図１（ｂ）に示すように、後述する本発明に係る平板光学素子の製造方法に示されているように、Ｔｉといったドーパント部２ｃを、層状に基板１の厚さ方向に挟み込み、焼結時に基板１内にレンズ形状に拡散させて、上記基板１と屈折率が異なる、透光性を有するレンズ状部として形成されており、レンズ部２の回転対称軸にほぼ沿って光が入射すると、屈折率の相違に基づいて上記光を集光したり拡散したりする光学機能を備えたものである。
【００２２】
上記透光性セラミックスとしては、焼成により形成され、かつ、光の直線透過率が２０％以上、より好ましくは５０％以上のものであれは、どのような屈折率のものでも、また、複屈折を有するものでもよいが、屈折率が１．９以上であるものであり、かつ、常誘電体（複屈折を示さないもの）が好ましい。
【００２３】
基板１の厚さ方向に対面する各レンズ部２は、それらの光軸がほぼ一致し、かつ、互いに対面し、かつ、基板１の表面方向に隣り合う各レンズ部２の間隔は、互いに等しくなるように設定されている。
【００２４】
これにより、上記平板光学素子においては、基板１の厚さ方向に対面する各レンズ部２からなる光学系３が、上記各レンズ部２の光軸を合わせて、かつ、基板１の表面方向に隣り合うアレイ状に配置されていることになる。このことから、上記平板光学素子は、各光学系３の光学特性を互いに合わせることが可能となるので、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device) アレイの各ＣＣＤにそれぞれ焦点を合わせた光学系として好適なものにできる。
【００２５】
その上、このような平板光学素子では、後述の本発明に係る平板光学素子の製造方法を用いることにより、必要に応じて、基板１の表面部に形成された片凸レンズ２ａと、基板１の内部に形成された両凸レンズ２ｂとをそれぞれ形成することができるようになっている。このため、上記平板光学素子においては、両凸レンズ２ｂを形成できるので、倍率や開口数の大きな光学機能部を有することができて、前述の従来の各問題を回避できるものとなっている。
【００２６】
次に、本発明に係る平板光学素子の製造方法について、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする透光性セラミックスを用いた例に基づいて説明する。
【００２７】
まず、原料粉末として、高純度のＢａＣＯ₃、ＳｎＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅の各粉末を準備した。続いて、上記各原料粉末を、Ｂａ〔（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z〕_vＯ_wなる組成式において、ｕ＝０．６７、ｘ＝０．１６、ｙ＝０．２９、ｚ＝０．５５、ｖ＝１．０２、となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後において、ほぼ３となっている。ｘ、ｙ、ｚについては、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１．００の関係を満たすものである。
【００２８】
この混合物を乾燥した後、１３００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物を水および有機バインダーと共に、ボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕してスラリーを得た。有機バインダーとしては、結合剤としての機能を備え、かつ、焼結時に、焼結温度に達する前に、大気中で例えば５００℃程度で大気中の酸素と反応して炭酸ガスや水蒸気等にガス化して消失するものであればよく、例えばエチルセルロース等が挙げられる。
【００２９】
このスラリーを用い、例えばドクターブレード法によりシート成形し、厚さ１０μｍから３０μｍ程度のグリーンシート（焼成前生シート）を得る。このグリーンシートを、例えば３０ｍｍ×４０ｍｍの矩形形状に切断する。
【００３０】
その後、例えば図２に示すように、グリーンシート４の表面に、ＴｉとしてのＴｉＯ₂を含むペースト部（ドーパント部）５を、略円形状に、かつ、マイクロレンズであるレンズ部２が形成されるようなパターンで印刷や塗布により形成する。
【００３１】
上記パターンの具体例としては、片凸レンズ２ａ用には、隣接する各グリーンシート４上にて、各ペースト部５が略円形状で同軸状に、かつ、最終的に得られる基板１の表面側から順次、直径が小さくなるように、それぞれ設定されている。また、両凸レンズ２ｂには、各ペースト部５が略円形状で同軸状に、かつ、基板１の厚さ方向に、直径が小さいものから順次大きくなり、続いて、順次小さくなるように、それぞれ設定されている。
【００３２】
このペースト部５の形成は、上記ペースト部５をグリーンシート４の厚みより薄く、例えば数μｍ程度の厚み（好ましくはグリーンシート４の厚みの１／５以下の厚み）となるようにスクリーン印刷し、乾燥することにより行われる。
【００３３】
続いて、上記各グリーンシート４を、厚さ方向に、かつ、マイクロレンズであるレンズ部２が形成できるように、互いに体面する位置の各ペースト部５の中心を合わせて互いに積層し、圧着して各グリーンシート４を一体化させ、図３（ａ）に示すように、各グリーンシート４が一体化された成形物６を得た。上記成形物６では、その中に層状の各ペースト部５が互いにほぼ平行に離間した状態にて、上記各ペースト部５の外縁部を結ぶ仮想面がレンズ状となるように配置されていた。
【００３４】
その次に、この成形物６を、同組成粉末中に埋め込んだ。上記の同組成粉末は上記成形物６と同組成系に調整したものを焼成して得られた焼成物を粉砕したものであり、特に透光性を備えていなくともよい。上記同組成系としては、上記成形物６と各成分が同一であれば、それらの組成比が相違していてもよいが、略同一のものが好ましい。したがって、同組成粉末中に埋め込んだ成形物６は、上記成形物と同組成系に近接して配置され、焼成されることになる。
【００３５】
この成形物６を、焼成炉中において、上記同組成粉末と共に、まず、大気組成の雰囲気中にて、加熱して昇温させ成形物６に含まれる有機バインダーを加熱により消失させる脱バインダーが生じる温度領域まで昇温させ、脱バインダー後、昇温させながら上記大気中に酸素を注入して酸素濃度を大気中の酸素濃度から上昇、例えば９５％（容量％）に設定して、焼成炉中の焼成雰囲気を調整した。
【００３６】
その後、上記焼成雰囲気を維持して、例えば１６００℃の焼成温度まで焼成炉内を昇温し、その焼成雰囲気および焼成温度を維持しながら２０時間、上記成形物６を焼成して、上記成形物６から焼結体を得た。
【００３７】
このようにして、図３（ｂ）および図４に示すように、本実施の形態に係る、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする焼結体である透光性セラミックスからなる基板１に対し、例えばレンズ径が１ｍｍφ〜８ｍｍφ、レンズ厚み２０μｍ〜１５０μｍ程度の各マイクロレンズである各レンズ部２を、各ペースト部５のＴｉＯ₂の拡散により集積して備えた平板光学素子が得られた。
【００３８】
このようにして得られた透光性セラミックスは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による分析の結果、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の結晶構造を有することが確認された。ここで、Ｂａは、複合ペロブスカイト型結晶構造のＡサイトに、また、ＭｇとＴａとがＢサイトに入ることは、それらのイオン半径と原子価とから制約されるものである。
【００３９】
上記焼成温度および焼成時間については、用いる組成により設定されるが、上記組成では１５５０℃〜１６５０℃の範囲内で、焼成時間を１０時間以上焼成すればよい。上記条件にて焼成すれば、透光性の高い焼結体である透光性セラミックスが得られる。上記透光性セラミックスは、常誘電体の多結晶体であるため、複屈折を示さないものである。
【００４０】
上記平板光学素子における基板１について、直線透過率と屈折率をそれぞれ測定した。屈折率は、２．１であった。また、直線透過率は、図５に示すように、光の波長が３００ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で４０％以上、３５０ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で６０％以上、３８０ｎｍから９００ｎｍまでの範囲で７０％以上であった。
【００４１】
直線透過率は、島津製分光光度計（ＵＶ−２００Ｓ）を用いて測定波長λが１８０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で、また、屈折率はプリズムカプラー（Metricon社製、MODEL 2010）を用い、測定波長λが６３３ｎｍで測定した。
【００４２】
以下に、用いた透光性セラミックスからなる基板１において、直線透過率がほぼ理論値であることについて説明する。まず、直線透過率の測定時には、空気中から試料に対し垂直に光が入射する。このため、屈折率（ｎ）が２．１の場合、基板１の表面と背面とでの反射率の合計が２３％となる。よって、上記基板１の直線透過率の理論値（理論最大値）は７７％となる。
【００４３】
上記基板１では、その直線透過率が４００ｎｍ以上において、ほぼ７５％であり、理論値と同等の値を示した。このことは、上記基板１である透光性セラミックスの結晶内の欠陥がほとんど無いことを示しており、この透光性セラミックスが光学部品として利用可能であることを裏付けている。このような透光性セラミックスでは、表面にＡＲ（反射防止膜）コートを施すことで、ほぼ１００％の直線透過率を有するものにできる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態による平板光学素子の製造方法においては、基板１の内部に、両凸レンズ２ｂを形成できるので、倍率や開口数の大きなレンズ部２を光学機能部として有することができて、前述の従来の問題を回避できる平板光学素子を安定に得ることができる。
【００４５】
なお、上記では、レンズ部２として片凸レンズ２ａや両凸レンズ２ｂを形成した例を挙げたが、上記に限定されるものではなく、レンズ部２として、例えば、従来の、基板の表面からのイオン拡散法では不可能であった片凹レンズや両凹レンズを、前述のパターンの形成面積を調整することによって容易に形成することもできる。
【００４６】
また、図６に示すように、レンズ部２として、半円筒状（かまぼこ形状）や略円筒形状のレンチキュラーレンズを、同様に基板１の表面部や内部に前述のパターンの形成面積を調整することによって形成することもできる。
【００４７】
前記の焼成雰囲気の酸素濃度の直線透過率に対する影響を調べた。まず、焼成雰囲気の酸素濃度を、種々代えて各透光性セラミックスをそれぞれ調製した。続いて、各透光性セラミックスの直線透過率を調べ、その結果を図７に示した。この結果では、酸素濃度と直線透過率との関係は正の相関を示し、焼成雰囲気の酸素濃度としては、４５％以上（直線透過率２０％以上が得られる範囲）が好ましく、７５％以上（直線透過率６０％以上が得られる範囲）がより好ましく、さらに９０％以上がより好ましいことが分かった。
【００４８】
また、上記では、基板１の透光性セラミックスとして、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系を用いた例を挙げたが、他の透光性セラミックスでもよく、例えば、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ₃系の透光性セラミックスを用いることもできる。この透光性セラミックスの製造方法に基づいて説明すると以下の通りである。まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃、ＺｒＯ₂、ＺｎＯおよびＴａ₂Ｏ₅を準備した。
【００４９】
続いて、これらの各原料を、Ｂａ（Ｚｒ_xＺｎ_yＴａ_z）_aＯ_wなる組成式において、ｘ＝０．０３、ｙ＝０．３２、ｚ＝０．６５、ａ＝１．０２、となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、それらを一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後において、ほぼ３となっている。
【００５０】
この混合物を乾燥した後、１２００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物を水および有機バインダーと共に、ボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕してスラリーを得た。このスラリーを用いて、焼成温度を１５００℃、焼成時間を１０時間に代えた以外は、前述のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系と同様にして平板光学素子を調製した。
【００５１】
上記焼成温度および焼成時間については、用いる組成により設定されるが、上記組成では１５００℃〜１６００℃の範囲内で、かつ、焼成時間を５時間以上であればよい。上記条件にて焼成すれば、透光性の高い焼結体が得られる。
【００５２】
この透光性セラミックスについて同様に直線透過率と屈折率をそれぞれ測定した。上記透光性セラミックスの屈折率は２．１であった。また、直線透過率の結果を図５に合わせて示した。上記結果では、直線透過率は４００ｎｍから９００ｎｍにおいて５０％以上であった。以上のように、上記では、Ｂａ（Ｚｎ，Ｔａ）Ｏ₃系の透光性セラミックスの例を示しており、前記のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系とは相違する複合ペロブスカイト型結晶相を主結晶相とする材料系においても、高い直線透過率および高屈折率のものが得られていることが分かる。
【００５３】
次に、鉄族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）を有するＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする透光性セラミックスを基板１として用いた例を説明する。
【００５４】
まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃、ＳｎＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＣＯ₃、ＮｉＯおよびＴａ₂Ｏ₅を準備した。続いて、ＮｉＯを除く上記各原料を、Ｂａ〔（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z〕_vＯ_wなる組成式において、ｕ＝１、ｘ＝０．１５、ｙ＝０．２９、ｚ＝０．５６、ｖ＝１．０２、となる組成が得られるようにそれぞれ秤量し、一緒にボールミルで１６時間湿式混合して混合物を得た。なお、ｗについては、焼成後において、ほぼ３となっている。
【００５５】
この混合物を乾燥した後、１３００℃で３時間仮焼して仮焼物を得た。この仮焼物に対し、ＮｉＯをＮｉとして１．０モル％となるように添加し、この添加仮焼物を水および有機バインダーと共に、ボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕してスラリーを得た。このスラリーを、前述のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系と同様にして平板光学素子を調製した。
【００５６】
この平板光学素子の透光性セラミックスについて、直線透過率と屈折率をそれぞれ測定した。また、第一比較例として、ＮｉＯをＮｉとして１．５モル％となるように添加した以外は、同様に調製した第一比較試料も製造した。
【００５７】
上記平板光学素子の屈折率は２．１であり、その直線透過率の波長依存性を図８に示した。上記透光性セラミックスでは、図８から明らかなように、ＮｉＯが微量添加されていることにより、λ＝４００ｎｍ、３００ｎｍに急峻な透過ピークが現れることが分かる。この波長帯は、短波長レーザーとして記載されている青紫色レーザー等の波長帯と一致しており、よって、上記透光性セラミックスを用いた平板光学素子は、これらレーザー用の帯域透過フィルタ（光学部品、光学素子）として利用できる。
【００５８】
また、第一比較試料の直線透過率の波長依存性も図８に合わせて示した。図８から明らかなように、ＮｉＯを１．５モル％添加したことにより、第一比較試料では、直線透過率が極めて低くなることが分かる。このことから、ＮｉＯの添加量としては、１．２モル％以下が好ましく、１．０モル％以下がより好ましいことが分かる。なお、上記では、添加物としてＮｉを用いた例を挙げたが、必要に応じて他の鉄族金属、例えばＦｅやＣｏを用いることもできる。
【００５９】
さらに、他のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系の複合ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とする透光性セラミックスを用いた平板光学素子について説明すると以下の通りである。
【００６０】
まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃、ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅を準備した。続いて、上記各原料を、Ｂａ（Ｍｇ_yＴａ_z）_vＯ_wなる組成式において、ｙ＝０．３３、ｚ＝０．６７、ｖ＝１．０３となる組成が得られるようにそれぞれ秤量した。
【００６１】
続いて、前記のＢａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系を用いた平板光学素子と同様にして平板光学素子を作製した。その透光性セラミックスの直線透過率を測定し、その結果を図５に合わせて示した。その結果から、直線透過率は２０％程度であり、前述の透光性セラミックスより若干直線透過率が低くなっているが、反射防止コートを施すことにより、光学部品の素材として用いることが可能なものである。
【００６２】
なお、上記の各例では、特定の組成比を有する各透光性セラミックスの例を挙げたが、本発明の平板光学素子に用いる透光性セラミックスは、これらに限定されるものではない。また、上記各例では、屈折率を変化させるためのドーパントにＴｉを用いた場合を示したが、その他のチタン族、バナジウム族、鉄族、白金族、希土類から選ばれる少なくとも一種の元素をドーパントとして用いても同様の効果が得られる。
【００６３】
さらに、上記の各例では、成形物６を上記成形物６と同組成系に近接して配置させるために、上記成形物６を同組成粉末中に埋め込んだ例を挙げたが、上記に特に限定されるものではなく、例えば、上記成形物６と同組成系の焼結体の板やサヤを用いてもよい。上記の板を用いる場合には、板の上に成形物６を載置して焼成すればよく、また、上記のサヤを用いる場合には、そのサヤの中に成形物６を載置して焼成すればよい。
【００６４】
また、上記では、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ₃系等の透光性セラミックスを用いた例を挙げたが、さらに他の透光性セラミックス、例えば市販の光学用ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット、Ｙ₃Ａl₅Ｏ₁₂）の多結晶体を同様に成形して用いることができる。これは、図５に示した上記ＹＡＧの直線透過率から明らかであることが分かる。
【００６５】
なお、本発明の製造方法では、平板光学素子の成形物６を個々に製造した例を挙げたが、図９に示すように、前記のグリーンシート４より大面積な、大型グリーンシートに複数のペースト部５を形成し、上記大型グリーンシートを複数、各ペースト部５からレンズ部２をそれぞれ形成するように互いに積層し厚さ方向に圧着して積層ブロック１１を作製し、それを各切断線１６、１７に沿って積層方向に切断して個々の成形物６に分割することにより、上記各成形物６を一括して形成してもよい。また、上記平板光学素子においては、透光性セラミックスは、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ、Ｃａの中から１種以上を含み、ＢサイトにＺｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ａｌ、希土類の中から１種以上を含む一般式ＡＢＯ _３で表されるペロブスカイト型結晶構造を備えており、光学機能部は、前記基板に対し屈折率を変化させるためのドーパントとして、チタン族、バナジウム族、鉄族、白金族、希土類から選ばれる少なくとも１種の元素を有していることが好ましい。上記チタン族は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｐｂからなるグループを称す。上記バナジウム族は、Ｖ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｂｉからなるグループを称す。上記鉄族は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなるグループを称す。上記白金族は、Ｒｕ、Ｐｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔからなるグループを称す。上記希土類は、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド元素からなるグループを称す。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の平板光学素子は、以上のように、多結晶体の透光性セラミックスからなる平板状の基板の内部に、当該基板と屈折率が異なる光学機能部が複数アレイ状に形成されており、上記光学機能部は、上記基板に対し屈折率を変化させるためのドーパントを上記基板の内部において拡散させることにより形成された、両凸レンズ、両凹レンズ、又は片凹レンズである構成である。それゆえ、上記構成は、基板が透光性セラミックスからなることによって、基板、特に基板内に光学機能部として両凸レンズ等を容易に形成できるので、倍率や開口率を改善できるから、光学部品として好適なものにできるという効果を奏する。
【００６７】
本発明の平板光学素子の製造方法は、以上のように、透光性セラミックスの原料粉末からシート状の焼成前生シートを作製し、上記焼成前生シートの表面に、屈折率を変化させるためのドーパントを含むドーパント部を形成し、ドーパント部が形成された焼成前生シートを複数互いに積層し、互いに積層された各焼成前生シートを焼成して一体化することにより、上記ドーパントが拡散した光学機能部を、各焼成前生シートからなる透光性の基板に形成する方法である。
【００６８】
それゆえ、上記方法では、平板光学素子を焼成前生シートの積層して焼成することにより一体化できるので、光学特性に優れた両凸レンズ等を光学機能部として形成した平板光学素子を安定に得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平板光学素子の説明図であって、（ａ）は、上記平板光学素子の概略断面図であり、（ｂ）は上記平板光学素子のレンズ部の説明図である。
【図２】上記平板光学素子の製造方法に係る、分解斜視図である。
【図３】上記平板光学素子のレンズ部が焼成により形成される様子を示す説明図であって、（ａ）は焼成前、（ｂ）は焼成後を示す。
【図４】上記平板光学素子の斜視図である。
【図５】本発明の平板光学素子に用いた各透光性セラミックスに関する、各波長での直線透過率をそれぞれ示すグラフである。
【図６】上記平板光学素子の一変形例を示す斜視図である。
【図７】上記平板光学素子に用いた透光性セラミックスにおける焼成雰囲気の酸素濃度と、直線透過率との関係を示すグラフである。
【図８】上記透光性セラミックスにおいて、ニッケルを添加したときにおける、直線透過率への波長依存性を示すグラフである。
【図９】上記製造方法における一工程の他の例を示す積層ブロックの斜視図である。
【図１０】従来の平板マイクロレンズの斜視図であって、（ａ）は片面部にレンズ部を設けた例を示し、（ｂ）は両面部にレンズ部を設けた例を示す。
【図１１】従来の他の平板マイクロレンズの断面図である。
【符号の説明】
１基板
２レンズ部（光学機能部）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flat optical element useful as an optical component due to its high refractive index and high light transmittance, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a flat microlens that can be formed by selective diffusion of a dopant into a flat substrate has been known. This flat microlens has a feature that a large number of microlenses can be monolithically integrated in a desired positional relationship, and an optical circuit can be manufactured in an array by integrating with other array-like optical elements. It is expected to become a basic element in the future optical field. Further, it can be a basic component of a copying machine, a facsimile, a printer, etc. in combination with other optical switch arrays.
[0003]
In Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 58-198001 and 7-92521, microlenses 22 are formed in an array on one or both sides of a substrate 21 such as a glass substrate, as shown in FIGS. A flat microlens that is a flat optical element is disclosed. The flat microlens provided with such a microlens 22 has been considered for various applications, and can be used for, for example, an optical tap, an optical branch circuit, an optical connector, or a lens system of a copying machine.
[0004]
As a method for manufacturing a flat microlens in which such microlenses 22 are formed in an array, an ion exchange method in which a dopant such as thallium is selectively diffused in a borosilicate glass substrate 21 is known. In the ion exchange method, a mask is provided on the surface of the glass substrate 21, and the mask is used to infiltrate the dopant from the surface of the glass substrate 21 into a substantially hemispherical shape to form the microlens 22 on the surface of the glass substrate 21. Yes.
[0005]
Further, in the flat optical element (flat microlens) described in Japanese Examined Patent Publication No. 7-92521, as shown in FIG. 11, an ion diffusion layer is formed on the surface opposite to the one surface where the microlens 22 is formed. The internal stress generated in the glass substrate 21 due to the formation of the microlens 22 is offset to reduce the warp of the glass substrate 21.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional flat microlens, since the dopant is diffused from the surface of the glass substrate 21, the obtained microlens 22 can only obtain a lens having one surface that is flat and the other surface is convex. There is a problem that it is difficult to become big.
[0007]
Further, in the above conventional flat microlens, in order to increase the magnification, when the microlenses 22 are formed on both surfaces of the glass substrate 21 or when the flat microlenses are combined, each microlens to be on the same optical axis. There is also a problem that it is complicated and time-consuming to align the optical axis of the lens 22.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the flat optical element of the present invention has a plurality of optical function units having a refractive index different from that of the substrate in a flat substrate made of a light-transmitting polycrystalline ceramic. The optical function unit is formed as a biconvex lens, a biconcave lens, or a single concave lens formed by diffusing a dopant for changing a refractive index with respect to the substrate inside the substrate. It is a feature. As the translucent ceramic, is formed by firing a polycrystalline body that have a light-transmitting, may be a ceramic, also it shows the birefringence, but it is also possible which does not exhibit birefringence More preferably, it is a polycrystalline body and a paraelectric material (that is, a material exhibiting no birefringence).
[0009]
According to the said structure, since a board | substrate consists of translucent ceramics, from the translucent ceramics by the manufacturing method mentioned later using the raw sheet | seat of a sheet-like pre-baking obtained from the raw material powder of translucent ceramics, for example. An optical functional unit having a refractive index different from that of the substrate can be formed on the flat substrate, particularly in the substrate.
[0010]
Thus, in the above configuration, the substrate, since the biconvex lens and a biconcave lens can be formed as an optical functional unit, excellent optical properties, for example, can have a large optical functional portion of the magnification and numerical aperture, each conventional The problem can be reduced.
[0011]
In the flat optical element of the present invention, an optical functional part having a refractive index different from that of the substrate is formed on a flat substrate made of translucent ceramic, and the translucent ceramic is made of Ba (Mg , Ta) O ₃ based or Ba (Zn, a perovskite crystal structure of Ta) O ₃ system is a main crystal phase, the optical function section, as a dopant for changing the refractive index with respect to the substrate, titanium group, vanadium group, iron group, platinum group, is characterized in that it comprises at least one element selected from rare earth.
[0013]
The translucent ceramic is preferably a paraelectric material having a refractive index of 1.9 or more. A paraelectric material is one whose dielectric constant does not change even when an electric field is applied, and thus does not cause birefringence. The perovskite crystal structure includes a composite perovskite crystal structure.
[0014]
According to the above configuration, since it is a paraelectric material, it does not generate birefringence, and therefore can be easily applied to an optical component such as a lens, and is made of a translucent ceramic. And excellent optical properties. Therefore, the above-described configuration can be reduced in size and thickness, so that the applicable range can be expanded.
[0015]
In order to solve the above-mentioned problems, the method for producing a flat optical element of the present invention produces a sheet-like green raw sheet from a raw material powder of translucent ceramics, and has a refractive index on the surface of the green raw sheet before baking. Forming a dopant portion containing a dopant for changing the thickness, laminating a plurality of pre-fired green sheets on which the dopant portions are formed, and firing and integrating the pre-fired green sheets laminated together, The optical functional part in which the dopant is diffused is formed on a translucent substrate made of each pre-fired raw sheet.
[0016]
According to the above method, the translucent substrate can be made highly translucent and have a high refractive index, and a plurality of pre-fired raw sheets are stacked on each other, whereby an optical function such as a biconvex lens is formed on the substrate. Since the portion can be easily formed, a flat plate optical element having an optical function portion excellent in optical characteristics such as a large magnification and a large numerical aperture can be obtained stably.
[0017]
In the above manufacturing method, it is preferable to form the lens part in which the dopant is diffused during firing as the optical function part by changing the formation area of the dopant part stepwise between the respective pre-fired green sheets adjacent to each other. .
[0018]
According to the said method, the lens part as an optical function part can be obtained stably by changing the formation area of a dopant part in steps between each adjacent pre-baking raw sheets.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9 as follows.
[0020]
In the flat optical element according to the present invention, as shown in FIG. 1 (a), a substrate 1 made of translucent ceramics and having translucency is formed in a rectangular plate shape. Uniconvex or biconvex lens portions (optical function portions) 2 are formed in a plurality of arrays, and the optical axis of the lens portion 2 is along the thickness direction of the substrate 1.
[0021]
As shown in FIG. 1 (b), the lens part 2 is formed by laminating a dopant part 2c such as Ti with a thickness of the substrate 1 as shown in a method for manufacturing a flat optical element according to the present invention described later. It is sandwiched in the direction and diffused into a lens shape in the substrate 1 at the time of sintering, and is formed as a translucent lens-like portion having a refractive index different from that of the substrate 1. When the light is incident along, the optical function of condensing or diffusing the light based on the difference in refractive index is provided.
[0022]
The translucent ceramic is formed by firing and has a refractive index of 20% or more, more preferably 50% or more, and any refractive index, or birefringence. The refractive index is 1.9 or more, and a paraelectric material (not showing birefringence) is preferable.
[0023]
The lens portions 2 facing in the thickness direction of the substrate 1 have their optical axes substantially coincident with each other and face each other, and the intervals between the lens portions 2 adjacent to each other in the surface direction of the substrate 1 are equal to each other. It is set to be.
[0024]
Thereby, in the flat optical element, the optical system 3 including the lens units 2 facing in the thickness direction of the substrate 1 is aligned with the optical axis of the lens units 2 and in the surface direction of the substrate 1. They are arranged in adjacent arrays. Thus, the flat optical element can match the optical characteristics of the optical systems 3 to each other. For example, it is suitable as an optical system in which each CCD in a CCD (Charge Coupled Device) array is focused. Can be a thing.
[0025]
In addition, in such a flat optical element, by using the flat optical element manufacturing method according to the present invention described later, a half-convex lens 2 a formed on the surface portion of the substrate 1 and the substrate 1 as necessary. The biconvex lens 2b formed inside can be formed respectively. For this reason, in the said flat optical element, since the biconvex lens 2b can be formed, it can have an optical function part with a big magnification and numerical aperture, and can avoid each above-mentioned conventional problem.
[0026]
Next, a method for manufacturing a flat optical element according to the present invention will be described based on an example using a translucent ceramic having a Ba (Mg, Ta) O ₃ -based composite perovskite crystal structure as a main crystal phase.
[0027]
First, high-purity BaCO ₃ , SnO ₂ , ZrO ₂ , MgCO _3, and Ta ₂ O ₅ powders were prepared as raw material powders. Subsequently, in the composition formula Ba [(Sn _u Zr _1-u ) _x Mg _y Ta _z ] _v O _w , the above raw material powders are u = 0.67, x = 0.16, y = 0.29. , Z = 0.55, v = 1.02 were weighed so as to obtain a composition, and wet-mixed together for 16 hours with a ball mill to obtain a mixture. Note that w is approximately 3 after firing. x, y and z satisfy the relationship x + y + z = 1.00.
[0028]
The mixture was dried and calcined at 1300 ° C. for 3 hours to obtain a calcined product. This calcined product was placed in a ball mill together with water and an organic binder, and wet pulverized for 16 hours to obtain a slurry. As an organic binder, it has a function as a binder and reacts with oxygen in the atmosphere at a temperature of, for example, about 500 ° C. in the atmosphere before the sintering temperature is reached during sintering. As long as it disappears, it may be ethyl cellulose.
[0029]
Using this slurry, a sheet is formed by, for example, a doctor blade method to obtain a green sheet (green sheet before firing) having a thickness of about 10 μm to 30 μm. This green sheet is cut into a rectangular shape of, for example, 30 mm × 40 mm.
[0030]
Thereafter, as shown in FIG. 2, for example, a paste portion (dopant portion) 5 containing TiO ₂ as Ti is formed in a substantially circular shape on the surface of the green sheet 4, and a lens portion 2 that is a microlens is formed. In such a pattern, it is formed by printing or coating.
[0031]
As a specific example of the above pattern, for the one-convex lens 2a, each paste portion 5 is substantially circular and coaxial on each adjacent green sheet 4, and the surface side of the substrate 1 finally obtained The diameters are set so that the diameters become smaller sequentially. Further, in the biconvex lens 2b, each paste part 5 is formed in a substantially circular shape, coaxially, and in the thickness direction of the substrate 1 in order from the smallest diameter to the largest, and then successively smaller. Is set.
[0032]
The paste portion 5 is formed by screen printing so that the paste portion 5 is thinner than the thickness of the green sheet 4, for example, a thickness of about several μm (preferably 1/5 or less of the thickness of the green sheet 4). This is done by drying.
[0033]
Subsequently, the green sheets 4 are stacked on each other with the centers of the paste parts 5 at the positions facing each other so as to form the lens parts 2 that are microlenses in the thickness direction, and are pressure-bonded. Then, the green sheets 4 were integrated to obtain a molded product 6 in which the green sheets 4 were integrated as shown in FIG. In the molded product 6, the virtual surfaces connecting the outer edge portions of the paste portions 5 are arranged in a lens shape in a state where the layered paste portions 5 are separated from each other substantially in parallel.
[0034]
Next, this molded product 6 was embedded in the same composition powder. The said same composition powder is what grind | pulverized the baked product obtained by baking what adjusted the said composition 6 and the same composition type | system | group, and does not need to be equipped with translucency especially. As the said same composition system, if the said molded product 6 and each component are the same, those composition ratios may differ, However, The substantially same thing is preferable. Therefore, the molded product 6 embedded in the same composition powder is disposed in the vicinity of the same composition system as the molded product and fired.
[0035]
The molded product 6 is first heated in a firing furnace together with the powder having the same composition in an atmosphere having an atmospheric composition to raise the temperature, and a binder that causes the organic binder contained in the molded product 6 to disappear by heating is generated. The temperature is raised to a temperature range, and after debinding, oxygen is injected into the atmosphere while the temperature is raised, and the oxygen concentration is increased from the oxygen concentration in the atmosphere, for example, set to 95% (volume%). The firing atmosphere was adjusted.
[0036]
Thereafter, the firing atmosphere is maintained, the temperature in the firing furnace is increased to a firing temperature of, for example, 1600 ° C., and the molded product 6 is fired for 20 hours while maintaining the firing atmosphere and the firing temperature. A sintered body was obtained from 6.
[0037]
Thus, as shown in FIG. 3B and FIG. 4, the sintered body having the Ba (Mg, Ta) O ₃ composite perovskite crystal structure as the main crystal phase according to the present embodiment. For each substrate 1 made of a translucent ceramic, each lens portion 2 which is each microlens having a lens diameter of 1 mmφ to 8 mmφ and a lens thickness of about 20 μm to 150 μm, for example, is accumulated by diffusion of TiO _{2 in} each paste portion 5. A flat optical element provided was obtained.
[0038]
As a result of analysis by X-ray diffraction (XRD), it was confirmed that the translucent ceramic thus obtained had a Ba (Mg, Ta) O ₃ -based crystal structure. Here, Ba is restricted to the A site of the composite perovskite crystal structure, and Mg and Ta entering the B site are restricted by their ionic radii and valence.
[0039]
The firing temperature and firing time are set depending on the composition to be used. In the above composition, the firing time may be fired within a range of 1550 ° C. to 1650 ° C. for 10 hours or more. If baked on the said conditions, the translucent ceramics which are a highly transparent sintered body will be obtained. Since the translucent ceramic is a paraelectric polycrystal, it does not exhibit birefringence.
[0040]
The linear transmittance and refractive index of the substrate 1 in the flat optical element were measured. The refractive index was 2.1. Further, as shown in FIG. 5, the linear transmittance is 40% or more in the light wavelength range from 300 nm to 900 nm, 60% or more in the range from 350 nm to 900 nm, and 70% or more in the range from 380 nm to 900 nm. Met.
[0041]
The linear transmittance is measured using a spectrophotometer (UV-200S) manufactured by Shimadzu in the range of 180 to 900 nm, and the refractive index is measured using a prism coupler (MODEL 2010, manufactured by Metricon). Was measured at 633 nm.
[0042]
Below, it demonstrates that the linear transmittance | permeability is substantially theoretical value in the board | substrate 1 which consists of used translucent ceramics. First, when measuring the linear transmittance, light enters the sample perpendicularly from the air. For this reason, when the refractive index (n) is 2.1, the total reflectance on the front surface and the back surface of the substrate 1 is 23%. Therefore, the theoretical value (theoretical maximum value) of the linear transmittance of the substrate 1 is 77%.
[0043]
The substrate 1 had a linear transmittance of about 75% at 400 nm or more, and showed a value equivalent to the theoretical value. This indicates that there are almost no defects in the crystal of the light-transmitting ceramic that is the substrate 1, and this fact confirms that this light-transmitting ceramic can be used as an optical component. Such a translucent ceramic can be made to have a linear transmittance of almost 100% by applying an AR (antireflection film) coating on the surface.
[0044]
As described above, since the biconvex lens 2b can be formed inside the substrate 1 in the method for manufacturing a flat plate optical element according to the present embodiment, the lens unit 2 having a large magnification and numerical aperture may be included as an optical function unit. Thus, a flat optical element that can avoid the above-described conventional problems can be stably obtained.
[0045]
In the above, an example in which the single convex lens 2a and the biconvex lens 2b are formed as the lens unit 2 is described. However, the lens unit 2 is not limited to the above example. A single-concave lens or a biconcave lens, which was impossible with the diffusion method, can be easily formed by adjusting the formation area of the pattern.
[0046]
Further, as shown in FIG. 6, a lenticular lens having a semicylindrical shape (kamaboko shape) or a substantially cylindrical shape is used as the lens portion 2, and the formation area of the pattern described above is similarly adjusted on the surface portion or inside of the substrate 1. Can also be formed.
[0047]
The influence of the oxygen concentration of the firing atmosphere on the linear transmittance was examined. First, each translucent ceramic was prepared with various oxygen concentrations in the firing atmosphere. Subsequently, the linear transmittance of each translucent ceramic was examined, and the result is shown in FIG. In this result, the relationship between the oxygen concentration and the linear transmittance shows a positive correlation, and the oxygen concentration in the firing atmosphere is preferably 45% or more (a range in which the linear transmittance is 20% or more), preferably 75% or more ( It was found that the range in which the linear transmittance was 60% or more was more preferable, and 90% or more was more preferable.
[0048]
In the above, an example using Ba (Mg, Ta) O ₃ system as the translucent ceramic of the substrate 1 has been described. However, other translucent ceramics may be used, for example, Ba (Zn, Ta) O. _Three- type translucent ceramics can also be used. It will be as follows if it demonstrates based on the manufacturing method of this translucent ceramics. First, high-purity BaCO ₃ , ZrO ₂ , ZnO and Ta ₂ O ₅ were prepared as raw materials.
[0049]
Subsequently, each of these raw materials has a composition formula of Ba (Zr _x Zn _y Ta _z ) _a O _w , x = 0.03, y = 0.32, z = 0.65, a = 1.02, Each of these was weighed so as to obtain a composition, and they were wet-mixed together with a ball mill for 16 hours to obtain a mixture. Note that w is approximately 3 after firing.
[0050]
The mixture was dried and calcined at 1200 ° C. for 3 hours to obtain a calcined product. This calcined product was placed in a ball mill together with water and an organic binder, and wet pulverized for 16 hours to obtain a slurry. Using this slurry, a flat optical element was prepared in the same manner as the Ba (Mg, Ta) O ₃ system described above except that the firing temperature was changed to 1500 ° C. and the firing time was changed to 10 hours.
[0051]
The firing temperature and firing time are set depending on the composition to be used. In the above composition, the firing temperature may be 1500 ° C. to 1600 ° C. and the firing time may be 5 hours or more. A sintered body with high translucency can be obtained by firing under the above conditions.
[0052]
Similarly, the linear transmittance and the refractive index of this translucent ceramic were measured. The refractive index of the translucent ceramic was 2.1. Moreover, the result of the linear transmittance was shown according to FIG. In the above results, the linear transmittance was 50% or more from 400 nm to 900 nm. As described above, the Ba (Zn, Ta) O ₃ -based translucent ceramic is shown as an example above, and a composite perovskite crystal phase different from the Ba (Mg, Ta) O ₃ system is used. It can be seen that a material system having a main crystal phase has a high linear transmittance and a high refractive index.
[0053]
Next, an example will be described in which a translucent ceramic having a Ba (Mg, Ta) O ₃ -based composite perovskite crystal structure having an iron group metal (Fe, Co, Ni) as a main crystal phase is used as the substrate 1. .
[0054]
First, high purity BaCO ₃ , SnO ₂ , ZrO ₂ , MgCO ₃ , NiO and Ta ₂ O ₅ were prepared as raw materials. Subsequently, each of the above-mentioned raw materials except for NiO, in Ba _{_{[(Sn u Zr 1-u)}} x Mg y Ta z ] _v O _w a composition formula, u = 1, x = 0.15 , y = 0.29 , Z = 0.56, v = 1.02 were weighed to obtain a composition, and wet-mixed together for 16 hours with a ball mill to obtain a mixture. Note that w is approximately 3 after firing.
[0055]
The mixture was dried and calcined at 1300 ° C. for 3 hours to obtain a calcined product. To this calcined product, NiO was added in an amount of 1.0 mol% as Ni, and this added calcined product was placed in a ball mill together with water and an organic binder, and wet pulverized for 16 hours to obtain a slurry. A flat optical element was prepared from this slurry in the same manner as the Ba (Mg, Ta) O ₃ system described above.
[0056]
About the translucent ceramics of this flat optical element, the linear transmittance and refractive index were measured, respectively. In addition, as a first comparative example, a first comparative sample prepared in the same manner was also manufactured except that NiO was added so as to be 1.5 mol% as Ni.
[0057]
The refractive index of the flat optical element is 2.1, and the wavelength dependence of the linear transmittance is shown in FIG. As apparent from FIG. 8, in the above translucent ceramic, it can be seen that a steep transmission peak appears at λ = 400 nm and 300 nm when a small amount of NiO is added. This wavelength band coincides with a wavelength band of a blue-violet laser or the like described as a short wavelength laser. Therefore, a flat plate optical element using the above-mentioned translucent ceramics has a band transmission filter (optical) for these lasers. It can be used as a component or optical element.
[0058]
The wavelength dependence of the linear transmittance of the first comparative sample is also shown in FIG. As apparent from FIG. 8, it can be seen that the addition of 1.5 mol% NiO makes the linear transmittance extremely low in the first comparative sample. From this, it can be seen that the amount of NiO added is preferably 1.2 mol% or less, and more preferably 1.0 mol% or less. In the above, Ni is used as an additive, but other iron group metals such as Fe and Co can be used as necessary.
[0059]
Further, another flat optical element using translucent ceramics having a main crystal phase of a Ba (Mg, Ta) O ₃ composite perovskite crystal structure will be described as follows.
[0060]
First, high purity BaCO ₃ , MgCO ₃ and Ta ₂ O ₅ were prepared as raw materials. Subsequently, each of the above raw materials, Ba in _{_{_{(Mg y Ta z) v O}}} w a composition formula, y = 0.33, z = 0.67 , v = 1.03 and consisting, respectively, as the composition is obtained weighed did.
[0061]
Subsequently, a flat optical element was produced in the same manner as the flat optical element using the Ba (Mg, Ta) O ₃ system. The linear transmittance of the translucent ceramic was measured, and the result is shown in FIG. As a result, the linear transmittance is about 20%, which is slightly lower than the above-described translucent ceramics. However, by applying an antireflection coating, it can be used as a material for optical components. Is.
[0062]
In each of the above examples, the example of each translucent ceramic having a specific composition ratio has been described. However, the translucent ceramic used for the flat plate optical element of the present invention is not limited thereto. In each of the above examples, Ti is used as a dopant for changing the refractive index, but at least one element selected from other titanium group, vanadium group, iron group, platinum group, and rare earth is used as the dopant. The same effect can be obtained even if it is used.
[0063]
Further, in each of the above examples, in order to place the molded product 6 in the vicinity of the same composition system as the molded product 6, an example in which the molded product 6 is embedded in the same composition powder is given. For example, a sintered body plate or sheath having the same composition as that of the molded product 6 may be used. When the above plate is used, the molded product 6 may be placed and fired on the plate. When the above sheath is used, the molded product 6 is placed in the sheath. What is necessary is just to bake.
[0064]
In the above, examples using translucent ceramics such as Ba (Mg, Ta) O ₃ were given, but still other translucent ceramics such as commercially available optical YAG (yttrium, aluminum, garnet, Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) polycrystals can be similarly molded and used. This is clear from the linear transmittance of the YAG shown in FIG.
[0065]
In addition, in the manufacturing method of the present invention, an example in which the molded product 6 of the flat plate optical element was individually manufactured was given. However, as shown in FIG. 9, a plurality of large green sheets having a larger area than the green sheet 4 are provided. A paste part 5 is formed, a plurality of the large green sheets are laminated together so as to form the lens part 2 from each paste part 5, and are laminated in a thickness direction to produce a laminated block 11, and each cutting line is cut Each of the molded products 6 may be formed in a lump by cutting in the stacking direction along 16 and 17 and dividing into individual molded products 6. In the flat optical element, the translucent ceramic contains one or more of Ba, Sr, and Ca at the A site, and Zr, Hf, Ta, Zn, Nb, Mg, Ti, and Al at the B site. And a perovskite crystal structure represented by the general formula ABO ₃ containing at least one rare earth element, and the optical functional unit has a titanium group, vanadium as a dopant for changing the refractive index with respect to the substrate. It is preferable to have at least one element selected from the group consisting of iron, iron, platinum and rare earth. The titanium group refers to a group consisting of Ti, Zr, Hf, Sn, and Pb. The vanadium group refers to a group consisting of V, As, Nb, Sb, Ta, and Bi. The iron group refers to a group consisting of Fe, Co, and Ni. The platinum group refers to a group consisting of Ru, Ph, Pd, Os, Ir, and Pt. The rare earth refers to a group consisting of Sc, Y, and a lanthanoid element.
[0066]
【The invention's effect】
Flat optical element of the present invention, as described above, inside of a flat substrate made of a translucent ceramic polycrystalline body has an optical function section to which the substrate and the refractive index is different is formed into a plurality array The optical function unit is a biconvex lens, a biconcave lens, or a single concave lens formed by diffusing a dopant for changing a refractive index with respect to the substrate inside the substrate . Therefore, in the above configuration, since the substrate is made of translucent ceramics, a biconvex lens or the like can be easily formed as an optical function part in the substrate, particularly the substrate, so that magnification and aperture ratio can be improved. There is an effect that it can be made suitable.
[0067]
As described above, the method for producing a flat optical element of the present invention is to produce a sheet-like green raw sheet from a raw material powder of translucent ceramics, and to change the refractive index on the surface of the green raw sheet before baking. The dopant was diffused by forming a dopant portion containing the dopants, laminating a plurality of pre-fired green sheets on which the dopant portions were formed, and firing and integrating the pre-fired green sheets laminated together. In this method, the optical function part is formed on a translucent substrate made of each green raw sheet before firing.
[0068]
Therefore, in the above method, since the flat optical element can be integrated by laminating and baking the green sheet before firing, it is possible to stably obtain a flat optical element in which a biconvex lens having excellent optical characteristics is formed as an optical function part. There is an effect that can be.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are explanatory views of a flat optical element of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the flat optical element, and FIG. 1B is an explanatory view of a lens portion of the flat optical element.
FIG. 2 is an exploded perspective view according to the method for manufacturing the flat optical element.
FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing a state in which a lens portion of the flat optical element is formed by firing, where FIG. 3A shows before firing and FIG. 3B shows after firing.
FIG. 4 is a perspective view of the flat optical element.
FIG. 5 is a graph showing the linear transmittance at each wavelength for each translucent ceramic used in the flat optical element of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a modification of the flat optical element.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration in the firing atmosphere and the linear transmittance in the translucent ceramic used in the flat optical element.
FIG. 8 is a graph showing wavelength dependence on linear transmittance when nickel is added to the translucent ceramic.
FIG. 9 is a perspective view of a laminated block showing another example of one step in the manufacturing method.
10A and 10B are perspective views of a conventional flat microlens, in which FIG. 10A shows an example in which a lens part is provided on one side, and FIG. 10B shows an example in which a lens part is provided on both sides.
FIG. 11 is a cross-sectional view of another conventional flat microlens.
[Explanation of symbols]
1 Substrate 2 Lens part (optical function part)

Claims

A plurality of optical function parts having a refractive index different from that of the substrate are formed in a plurality of arrays inside a flat substrate made of polycrystalline translucent ceramics ,
The optical function unit is a biconvex lens, a biconcave lens, or a single-concave lens formed by diffusing a dopant for changing the refractive index with respect to the substrate inside the substrate. element.

A flat optical element in which an optical functional part having a refractive index different from that of the substrate is formed on a flat substrate made of translucent ceramics,
The translucent ceramic has a Ba (Mg, Ta) O ₃ -based or Ba (Zn, Ta) O ₃ -based perovskite crystal structure as a main crystal phase,
The optical function section, as a dopant for changing the refractive index with respect to the substrate, and characterized in that it has the titanium group, vanadium group, iron group, platinum group, at least one element selected from rare earth It is that flat plate optical element.

The flat optical element according to claim 1, wherein the translucent ceramic has a refractive index of 1.9 or more and is a paraelectric material.

A sheet-shaped pre-fired raw sheet is produced from the raw material powder of translucent ceramics,
On the surface of the raw green sheet, a dopant portion containing a dopant for changing the refractive index is formed,
Laminating a plurality of pre-fired raw sheets on which dopant parts are formed,
A flat plate characterized in that the optical functional part in which the dopant is diffused is formed on a translucent substrate composed of each pre-fired green sheet by firing and integrating the respective green pre-fired sheets laminated together. A method for manufacturing an optical element.

By stepwise changing the formation areas of the dopant portion between the pre-fired green sheets adjacent to each other, the claims of the lens portion is diffused dopant during firing, and forming as the optical functional part 5. A method for producing a flat optical element according to 4.