JP4013913B2 - 鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物、屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズの製造方法、光学製品及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は鉛を含有しておらず、かつ高品質な屈折率分布型レンズの製造に適した鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物に関する。また、本発明は上記鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物を用いた屈折率分布型レンズ及びその製造方法に関する。さらに、本発明は、この屈折率分布型レンズを備えた光学製品及び光学機器に関する。

屈折率分布型レンズは、ロッド状あるいはファイバー状レンズであって、その断面内で中心から周辺部方向へ向けて変化する屈折率分布を有している。この屈折率分布は理想的には次式で表される。

ｎ（ｒ）＝ｎ_ｃ（１−Ａｒ^２／２）
ここで、ｎ_ｃはレンズ光軸の中心屈折率、Ａは屈折率分布定数、ｒは中心から半径方向の距離である。

この屈折率分布型レンズは、その両端面が平面でも光を結像できる特性を有している。このため、微小径のレンズに代表される小型のレンズも容易に作製でき、光学系部品として広く用いられている。

さらに、この屈折率分布型レンズをアレイ状に配列したロッドレンズアレイは、個々のレンズからの正立等倍像を重ねることにより大面積の像を対象とすることができる。またこのロッドレンズアレイは、レンズ端面の加工も平面研磨でよいという利点を有している。このため、複写機やファクシミリ、ＬＥＤプリンター、液晶シャッタープリンター、マルチファンクションプリンター等の結像光学素子として、広範な用途に使用されている。また、このレンズは通信用レンズとしても用いられる。

このような屈折率分布型レンズは、例えばイオン交換法により作製することができる。イオン交換法とは、図１の通り、修飾酸化物を構成し得る第１陽イオン（例えば、Ｌｉ^＋）含有のガラス体２と、修飾酸化物を構成し得る第２陽イオン（例えば、Ｎａ^＋）含有の溶融塩４とを高温で接触せしめることによって、ガラス体中の第１陽イオンを溶融塩中の第２陽イオンで置換する方法である。なお、符号３はイオン交換炉を表わしている。

このイオン交換法によって、ガラスロッド内の第１陽イオンと第２陽イオンの分布を変化させることができる。このガラスロッド内のイオン濃度の分布によって、ガラスロッドの屈折率を、その断面の中心から周辺部に向かって変化させることができる。このようにして、屈折率分布型レンズを作製することができる（図２参照）。なお、符号６は屈折率分布曲線であり、その半径方向の位置における屈折率を表している。ｒは、中心から半径方向の距離、０はレンズ光軸中心、ｒ_０は半径、Ｎ_ｃはレンズ中心部の屈折率、Ｎ_ｅはレンズ周面部の屈折率を表している。

本出願人は特公昭５１−２１５９４号公報において、Ｃｓを含むガラスを硝酸カリウム溶融塩中でイオン交換し、色収差の優れた屈折率分布型レンズを開示している。

また、特公昭５９−４１９３４号公報において、屈折率分布型レンズ用のガラス組成物として、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏを含むガラス組成物を開示し、さらにこの組成物を用いて、より大きな開口角の屈折率分布型レンズを作製する方法も開示している。

さらに、特公平７−８８２３４号公報において、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏを含むガラス組成物を用い、Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ（モル比）を１．２５〜１．５として、１３゜以上の開口角と９０％以上の有効視野面積率を有する屈折率分布型レンズを開示している。

また、環境問題への配慮から、鉛フリーレンズが求められている。特に欧州では「使用済み電気・電子機器に関する指令（ＷＥＥＥ）」、「有害物質の使用禁止指令（ＲｏＨＳ）」などの規制により、鉛の使用が禁止されている。

そこで、本出願人は、特開２００１−１３９３４１号公報、特開２００２−１２１０４８号公報、特開２００２−２１１９４７号公報、特開２００２−２８４５４３号公報において、酸化鉛を含まない屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物を開示している。
特公昭５１−２１５９４号公報 特公昭５９−４１９３４号公報 特公平７−８８２３４号公報 特開２００１−１３９３４１号公報 特開２００２−１２１０４８号公報 特開２００２−２１１９４７号公報 特開２００２−２８４５４３号公報

従来の鉛フリーの屈折率分布型レンズは、鉛を無くす代わりにＬｉ量を増やしている。これは、鉛がレンズの開口角の増加に必要な成分であるため、鉛を無くすためには、同じく開口角を増加させる効果を有するＬｉを鉛の代わりとして多量に入れる必要があるからである。また、レンズとしての特性を得るためには、Ｌｉ及びＮａをある一定範囲の比に保つ必要があり、Ｌｉ量を増加させるとＮａ量も増加させる必要がある。

アルカリイオンの易動度は、ガラスマトリクス（Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂａ、Ｓｒ等）、アルカリ濃度及び各アルカリ濃度比に左右される。一般的に、アルカリの濃度が高くなると、その分だけガラスマトリクス量が少なくなり、その結果、ガラスの骨格部分が疎となり、アルカリイオンが移動し易い構造となってアルカリイオンの易動度が増加する。従って、Ｌｉの濃度が高くなると、総アルカリ濃度が高くなり、アルカリイオン易動度が増加する。

アルカリイオンの易動度が過度に大きいと次のような問題が生じる。
（１） 耐候性が悪い
アルカリイオンが動き易いので、常温でもヤケが発生しやすく、品質低下を招く。
（２） 強度が低い
イオン交換法によってレンズの中心部から側面部にかけて組成勾配を形成する際、この組成勾配のためにレンズの中心部と側面部とで熱膨張係数の差異が生じ、その結果、イオン交換処理後のレンズに反りが生じたり、レンズに残留応力が生じたりし、それが原因でクラックが生じる等の現象が起こり、レンズの強度が低下する。イオン交換処理温度を高くするとイオン交換処理時におけるガラスの粘性が低くなり、ガラス自体の構造緩和によって反りや残留応力の発生が抑制されるが、一方、高温になると、一層イオンの移動速度が大きくなり、イオン交換が早く進みすぎてイオン交換の制御が困難となるため、再現性の高い高品質なレンズを製造することができなくなる。従って、高品質なレンズを製造するためには、イオン交換温度をガラス転移点以下にする必要があるが、その結果、レンズの強度は低下してしまう。なお、強度を向上させるためにイオン交換処理後にレンズ表面を強化する方法もあるが、その場合、手間がかかると共にコスト高となる。
（３） 開口角の再現性がない
イオンが動きやすいため、イオン交換処理時にばらつきが生じやすい。このため、高品質なレンズを安定して得ることができない。

上記のアルカリイオン易動度の増加に起因する問題点の他に、従来の鉛フリーの屈折率分布型レンズは以下の問題点も有している。
（４） 紡糸時に結晶化しやすい（失透しやすい）
Ｌｉが多いことに起因し、例えばＢａ−Ｔｉ−Ｏなどの結晶が生成することが原因である。
（５） レンズの色収差が大きい
ＴｉＯ量が適切でないことが原因である。
（６） 屈折率分布形成効率が低い
イオン交換の効率が悪いことが原因である。このため、レンズ形成のために大量のＬｉが必要となり、（１）〜（４）の問題の原因となると共に、コストがかかる。
（７） 粘性の温度依存性が大きい
粘性の温度依存性は組成に依存する。粘性の温度依存性が大きいとレンズ性能にばらつきが生じやすくなる。従って、上記（３）の項で記載したような問題が生じやすくなる。

本発明は、鉛を含有せず、かつアルカリイオン易動度が抑制された高品質な屈折率分布型レンズ及びこの屈折率分布型レンズの製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、この屈折率分布型レンズに用いられる屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物、このガラス組成物を用いた屈折率分布型レンズを備えた光学製品、光学機器を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物は、基本ガラス組成が、モル％で表示して、
４０≦ＳｉＯ _２ ≦６５、
２≦ＴｉＯ_２≦８、
１≦Ｂ_２Ｏ_３≦１０、
２≦ＭｇＯ≦１６、
０≦ＣａＯ≦１５、
２≦ＳｒＯ≦１２、
２≦ＢａＯ≦１２、
４≦ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦２０、
５≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦３６、
５≦Ｌｉ_２Ｏ＜１２、
５≦Ｎａ_２Ｏ≦１５、
１０≦Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＜２７、
０≦Ｋ_２Ｏ≦３、
０≦Ｃｓ_２Ｏ≦３、
０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦２、
５０≦ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３≦７０、
０≦ＺｎＯ≦８、
０≦Ｙ_２Ｏ_３≦５、
０．２≦ＺｒＯ_２≦２、
０．２≦ＺｎＯ＋Ｙ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５≦１０、
ＣａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）、ＳｒＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）及びＢａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）のいずれか２つ以上が０．２以上、
であることを特徴とするものである。

本発明（請求項２）の屈折率分布型レンズは、イオン交換法により屈折率分布が形成された屈折率分布型レンズであって、該屈折率分布型レンズの基本ガラス組成が請求項１であることを特徴とするものである。

本発明（請求項３）の屈折率分布型レンズの製造方法は、第１のアルカリ金属含有のガラス素線を、少なくとも前記アルカリ金属と異なる第２のアルカリ金属含有の溶融塩に浸漬し、前記第１のアルカリイオンと前記第２のアルカリイオンをイオン交換処理することにより、前記ガラス素線に屈折率分布を形成する屈折率分布型レンズの製造方法において、前記ガラス素線の基本ガラス組成が請求項１であることを特徴とするものである。

本発明（請求項４）の屈折率分布型レンズは、請求項２に記載の屈折率分布型レンズであって、ノイズ光を除去する手段が設けられたことを特徴とするものである。

本発明（請求項５）の光学製品は、請求項２または４に記載の屈折率分布型レンズを用いたことを特徴とするものである。

本発明（請求項６）の光学機器は、請求項５に記載の光学製品を用いたことを特徴とするものである。

Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ及びＭｇは、この順にアルカリイオンの易動度を小さくする効力を有する。

本発明の鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物では、ガラス組成物の組成を調整し、特にＢａＯ、ＳｒＯ及びＣａＯの量を特定することにより、アルカリイオンの易動度を調整することができる。本発明では、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯのいずれか２つを必ず含むことにより、イオン交換時のアルカリ易動度を適度なものにすることができ、更に失透を抑制することができる。また、Ｌｉ_２Ｏ量を減らすことにより、易動度の調整を一層容易に行なうことができるとともに、総アルカリ濃度が低下するので、耐候性が向上するという効果も得られる。本発明では、Ｌｉ_２Ｏ量を減らしても、十分な開口角を有するレンズを得ることができる組成となっている。このように、本発明ではアルカリイオンの易動度を調整することができるので、ガラス組成物の粘性を低くするためにイオン交換処理温度を高くした場合であってもアルカリイオンの易動度を抑制することができ、その結果、残留応力が小さくて強度が高く、再現性の高い高品質の屈折率分布型レンズを得ることができる。また、レンズの反りを抑制することができる。

本発明のガラス組成によれば、ＴｉＯ_２量を適性化したため、レンズの色収差が小さい屈折率分布型レンズを得ることができる。更に、本発明で得られたレンズをアレイ状に組立てる場合に、性能の良い屈折率分布型レンズアレイを得ることができ、高品質な光学製品、光学機器を得ることができる。

本発明（請求項１）の鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物は、基本ガラス組成が、モル％で表示して、
４０≦ＳｉＯ_２≦６５、
２≦ＴｉＯ _２ ≦８、
１≦Ｂ _２ Ｏ _３ ≦１０、
２≦ＭｇＯ≦１６、
０≦ＣａＯ≦１５、
２≦ＳｒＯ≦１２、
２≦ＢａＯ≦１２、
４≦ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦２０、
５≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦３６、
５≦Ｌｉ _２ Ｏ＜１２、
５≦Ｎａ _２ Ｏ≦１５、
１０≦Ｌｉ _２ Ｏ＋Ｎａ _２ Ｏ＜２７、
０≦Ｋ _２ Ｏ≦３、
０≦Ｃｓ _２ Ｏ≦３、
０．７≦Ｌｉ _２ Ｏ／Ｎａ _２ Ｏ≦２、
５０≦ＳｉＯ _２ ＋ＴｉＯ _２ ＋Ｂ _２ Ｏ _３ ＋Ａｌ _２ Ｏ _３ ≦７０、
０≦ＺｎＯ≦８、
０≦Ｙ _２ Ｏ _３ ≦５、
０．２≦ＺｒＯ _２ ≦２、
０．２≦ＺｎＯ＋Ｙ _２ Ｏ _３ ＋ＺｒＯ _２ ＋Ｎｂ _２ Ｏ _５ ＋Ｉｎ _２ Ｏ _３ ＋Ｌａ _２ Ｏ _３ ＋Ｔａ _２ Ｏ _５ ≦１０、
ＣａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）、ＳｒＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）及びＢａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）のいずれか２つ以上が０．２以上、
である。

本発明による母材ガラス組成物において、上記各成分の組成範囲を限定した理由は、次のとおりである。
（ＳｉＯ_２）
ＳｉＯ_２はガラスの網目構造を形成する主要成分である。

ガラス組成物中のＳｉＯ_２の濃度が４０モル％未満では、レンズ特性を発現させるために、他の化学組成を相対的に大きくしなければならず、そのためにガラスの失透が発生しやすくなる。また４０モル％未満とすると化学的耐久性が著しく低下する。

一方、ＳｉＯ_２の濃度が６５モル％を超えると、屈折率分布を形成するためのアルカリ成分や屈折率増加成分、物性値調整成分等の濃度が制限されてしまう。このため、屈折率分布を付与するための実用的なガラス組成物を得ることが極めて困難になる。

したがって、ＳｉＯ_２の濃度を４０モル％以上、６５モル％以下とする。
（ＴｉＯ_２）
ＴｉＯ_２は母材ガラス組成物の屈折率を増大させる成分で、母材ガラス組成物の必須成分である。母材ガラス組成物の屈折率を増大させることにより、屈折率分布型レンズの中心屈折率を高くすることができる。その結果、イオン交換後のレンズの中心屈折率が増大し、開口角θを大きくすることができる。さらに、ＴｉＯ_２を増加させることにより、屈折率分布が理想的な分布状態に近づき解像度が良化する。ＴｉＯ_２を１０モル％としたところ、解像度の低下は観察されなかった。一方、１モル％未満とした場合、明らかに解像度が低下するので、レンズとしては実用的でない。

一方、ＴｉＯ_２の濃度が１０モル％を超えると、極端な着色が認められる。このため、着色を原因として色収差が大きくなるために、レンズの母材ガラスとして実用的でない。

色収差が小さく、解像度の高いレンズを得るためには、ＴｉＯ_２の濃度を２モル％以上、８モル％以下とする。

（ＭｇＯ）
ＭｇＯは、母材ガラスの溶融温度を低下させ、イオン交換後のレンズ中心部と外周部での屈折率差（＝Δｎ）を大きくするための成分である。従来、鉛フリーレンズでは、ＭｇＯは必須成分であったが、ＭｇＯを他のアルカリ土類に代えても、レンズとして十分な性能を得ることができることを本発明者らは見出した。

ＭｇＯの濃度が１６モル％を超えると、母材ガラスの失透が発生し易くなる。さらに、１６モル％を超えてＭｇＯを含有させても、その他の成分の添加量を極端に減少させてしまうので、実用的なガラスを得ることが困難となる。

ＭｇＯが２モル％未満であると、他のアルカリ土類量を増加させることによって、十分な屈折率差を得る、イオン易動度を下げるという効果を得る必要がでてくるため、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの好ましい濃度を考慮すると、好ましくは２モル％以上のＭｇＯを含有するほうが望ましい。

したがって、ＭｇＯの濃度を２モル％以上、１６モル％以下とする。

（Ｌｉ_２Ｏ）
Ｌｉ_２Ｏは、本発明の母材ガラス組成物が適用されるイオン交換において、最も重要な成分の一つである。
ガラス組成物中のＬｉ_２Ｏの濃度が５モル％未満であれば、屈折率分布を形成させるイオン交換によって付与される濃度分布の差を大きくすることができない。その結果、レンズとしての機能を得ることができない。

一方、Ｌｉ_２Ｏの濃度が１２モル％を超えると、ガラスの失透が発生し易くなり、レンズの母材ガラスの作成が困難になる。加えて、耐候性が悪化してしまう。
したがって、Ｌｉ_２Ｏの濃度を５モル％以上、１２モル％未満とする。

（Ｎａ_２Ｏ）
Ｎａ_２Ｏは、イオン交換の際に、いわゆる混合アルカリ効果によって、Ｌｉと置換されるイオン交換種のイオン（溶融塩中に含有されるイオン）とのイオン交換を助け、イオンの易動度を適度に保つ効果がある。イオン易動度を適度に保つことで、イオン交換速度を適度に調整でき、光学特性を調整することが可能となる。

ガラス組成物中のＮａ_２Ｏの濃度が５モル％未満では、ガラス成形時にガラスが硬くなるので、成形が困難となる。加えて、母材ガラスの溶融温度が著しく上昇してしまい、レンズの母材ガラスの作製が困難となる。また、イオンの易動度を適度に保つ効果を十分に得ることができない。

一方、Ｎａ_２Ｏの濃度が１５モル％を超えると、母材ガラスの化学耐久性が低下してしまい、実用性に欠けてしまう。

したがって、Ｎａ_２Ｏの濃度を５モル％以上１５モル％以下とする。

（Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ）
本発明の母材ガラス組成物では、Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの合量を、１０≦Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ（モル％）＜２７の範囲とした。この範囲では、良好な解像度を得ることができる。

（Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ）
Ｌｉ_２ＯとＮａ_２Ｏの比率は、０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ（モル％比）≦２の範囲が好ましい。

例えば、レンズとして高い解像度を要求される場合は、０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦１．５の範囲を選択するとよい。この範囲では、最も良好な解像度を得ることができる。

また、レンズとして大きな開口角θを要求される場合は、１．０≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦２．０の範囲を選択するとよい。この範囲では、レンズの開口角θを極大とすることができる。

（ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）
ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯは母材ガラス組成物のアルカリイオン易動度を小さくする成分として、極めて重要な成分である。

ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれか２つ以上が２モル％未満であると、１つのアルカリ土類酸化物の濃度が大きくなり、エントロピーが低下することになり、その濃度の大きくなったアルカリ土類酸化物に起因する結晶が生じやすく、失透しやすくなる。

一方、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれか２つ以上が１５モル％を超えると、増加したアルカリ土類種に起因する結晶が生じやすく、失透しやすくなるため、レンズ用のガラスとして適さない。

なお、ＢａＯだけでもイオン交換速度を小さくすることは可能であるが、ＳｒＯを加えることにより、ガラス成形時の結晶化を抑制できるという効果が得られる。即ち、Ｂａの一部をＳｒに置換することにより、例えばＢａ−Ｔｉ−Ｏを含む結晶の生成が抑制され、ガラス成形時の結晶化（失透）を抑制することができる。

ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯは、この順番でアルカリイオン易動度を低下させる効果が高い。従って、ＳｒＯ、ＢａＯの濃度を２モル％以上１２モル％以下とし、ＣａＯの濃度を０モル％以上１５モル％以下とする。

ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯは４〜２０モル％である。

ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯは５〜３６モル％である。

アルカリイオン交換速度の適当な値は線径により異なり、より太いレンズではよりイオン交換速度が速くなってもイオン交換終了までの時間がかかるので、構造緩和のための十分な時間を取れるため、十分な性能のレンズが得られる。従って、生産コストとの兼合いで、レンズ線径に応じてＢａＯの代わりにＣａＯやＭｇＯを用い、アルカリ土類の濃度を調節することができる。

ＣａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）、ＳｒＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）及びＢａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）のいずれか２つ以上は、０．２以上である。０．２未満であると、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ中、１つのアルカリ土類酸化物の濃度比が大きくなりエントロピーが低下することになり、その濃度の大きくなったアルカリ土類酸化物に起因する結晶が生じやすく、失透しやすくなるため、レンズ用のガラスとして適さない。

本発明のガラス組成物は、さらに下記の成分を含んでもよい。

（Ｂ_２Ｏ_３）
Ｂ_２Ｏ_３は、ガラスの網目構造を形成する成分である。また、若干ではあるが、イオン交換速度を遅くする効果も有する。

Ｂ_２Ｏ_３は、得られるレンズの解像度や開口角θをほぼ変化させることなく、ガラス化を促進させ、ガラスの粘性を調整することができる成分である。ところで、必須成分の間の比率が目的とする値であっても、組成物としては相対的に一部の成分量が多くなり過ぎ、例えば失透を起こしてしまう場合がある。このような場合には、必須成分の間の比率を変えることなく、相対的に多くなる成分濃度を抑えるために、このＢ_２Ｏ_３を含ませるとよい。

得られるレンズの解像度と開口角θを変化させることなく、添加できるＢ_２Ｏ_３の量は２０モル％以下である。したがって、Ｂ_２Ｏ_３の濃度を１モル％以上、１０モル％以下とする。

なお、ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３ は５０モル％以上７０モル％以下である。Ａｌ_２Ｏ_３は、好ましくは０〜１０ｍｏｌ％加えることができる。

（ＺｎＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５）
屈折率調節、耐候性向上のために、上記成分を次の割合で含有させることができる。上記成分の総量は０．２モル％以上、１０モル％以下である。

ＺｎＯの濃度は０モル％以上、８モル％以下である。

Ｙ_２Ｏ_３の濃度は０モル％以上、５モル％以下が好ましい。

ＺｒＯ_２の濃度は０．２モル％以上２モル％以下である。

（Ｋ_２Ｏ、Ｃｓ_２Ｏ）
Ｋ_２Ｏ、Ｃｓ_２Ｏは、混合アルカリ効果により、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａと同様、アルカリイオンの易動度を小さくする成分である。Ｋ_２Ｏの濃度は０モル％以上、３モル％以下、Ｃｓ_２Ｏの濃度は０モル％以上、３モル％以下である。

本発明の屈折率分布型レンズは、イオン交換法により屈折率分布が形成された屈折率分布型レンズであって、該屈折率分布型レンズの母材ガラス組成が上記本発明組成よりなるものである。

また、このレンズは、用途により、開口角より大きな入射光がレンズ側面で反射し発生するノイズ光を除去する手段が設けられることが好ましい。

レンズ側面に吸収層または散乱層を設けることにより、ノイズ光を除去または低減することが可能である。具体的には、レンズ側面に着色層を設けて、コア／クラッド構造のレンズとするか、レンズ側面に微細凹凸を設ける等の方法がある。なお、ノイズ光とはいわゆるホワイトノイズ（迷光）のことを指す。

本発明の光学製品は、この屈折率分布型レンズを、光軸が略平行となるように、０次元から２次元までアレイ状に配列したことを特徴としてもよい。

本発明のレンズをアレイ状に配列することにより、小径のレンズ素子を用いて広範囲の正立等倍像を得ることができる。

本発明の光学機器は、これらの光学製品を用いたものである。

本発明のレンズは使用光源の波長に依存する色収差が小さく、カラースキャナー用途として特に好適である。

なお、本発明のガラス組成においては、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５をそれぞれ０〜５ｍｏｌ％、ＧｅＯ_２を０〜１０ｍｏｌ％加えることができる。また、添加物としてＳｎＯ_２、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３をそれぞれ０〜１ｍｏｌ％加えても良い。

また、以下の構成でも本発明と同様の効果を得ることが可能である。

（構成１）
基本ガラス組成が、モル％で表示して、
４０≦ＳｉＯ _２ ≦６５、
２≦ＴｉＯ _２ ≦８、
１≦Ｂ_２Ｏ_３≦１０、
２≦ＭｇＯ≦１６、
０≦ＣａＯ≦１５、
２≦ＳｒＯ≦１２、
２≦ＢａＯ≦１２、
４≦ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦２０、
５≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦３６、
５≦Ｌｉ_２Ｏ≦１２、
５≦Ｎａ_２Ｏ≦１５、
１０≦Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＜２７、
０≦Ｋ_２Ｏ≦３、
０≦Ｃｓ_２Ｏ≦３、
０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦２、
５０≦ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３≦７０、
０≦ＺｎＯ≦８、
０≦Ｙ_２Ｏ_３≦５、
０．２≦ＺｒＯ_２≦２、
０．２≦ＺｎＯ＋Ｙ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５≦１０、
であることを特徴とする屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物。

（構成２）
基本ガラス組成が、モル％で表示して、
４０≦ＳｉＯ _２ ≦６５、
２≦ＴｉＯ _２ ≦８、
１≦Ｂ_２Ｏ_３≦１０、
２≦ＭｇＯ≦１６、
０≦ＣａＯ≦１５、
２≦ＳｒＯ≦１２、
２≦ＢａＯ≦１２、
４≦ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦２０、
５≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦３６、
５≦Ｌｉ_２Ｏ≦１２、
１３＜Ｎａ_２Ｏ≦１５、
１８＜Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＜２７、
０≦Ｋ_２Ｏ≦３、
０≦Ｃｓ_２Ｏ≦３、
０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦２、
５０≦ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３≦７０、
０≦ＺｎＯ≦８、
０≦Ｙ_２Ｏ_３≦５、
０．２≦ＺｒＯ_２≦２、
０．２≦ＺｎＯ＋Ｙ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５≦１０、
であることを特徴とする屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物。

但し、構成１及び２において、ＣａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）、ＳｒＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）及びＢａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）のいずれか２つ以上が０．２以上、である。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより詳細に説明する。

まず、表１、２に記載した各成分を調合溶融し、母材ガラス組成物を作成し、ファイバー状のガラス素線（直径３００μｍ）に成形した。表１、２に示した条件で、このガラス素線をそれぞれ実施例ごとのガラス組成に対するガラス転移温度（表１、２中のイオン交換温度）に加熱した硝酸ナトリウム溶融塩中に浸漬してイオン交換処理（図１参照）を施した。各組成ごとに最適なイオン交換時間が存在し、最適時間より短い場合も長い場合もレンズは形成されないため、各組成ごとの最適なイオン交換時間でイオン交換処理を行った。なお、最適イオン交換時間が長すぎるとコストがかかり、短すぎるとレンズ形成の制御が難しくなる。

この結果、ガラス素線中のＬｉイオンが、混合溶融塩中のＮａイオンとイオン交換され、その濃度分布に基づく屈折率分布が形成される。こうして、屈折率分布型レンズを作製した（図２参照）。

母材ガラス及び作製した屈折率分布型レンズについて、以下の評価を行った。
（１）失透評価
母材ガラスを直径約１ｍｍ程度に粉砕し、メタノールで充分に洗浄した後、長さ２００ｍｍ、幅１２ｍｍ、深さ８ｍｍの白金性のボートに均一に入れて一旦１３００℃で１時間溶融した後、６００〜１０２５℃の勾配炉で１２、１８、２４、４８、１００時間保持した。

保持後、取り出したガラスを顕微鏡で観察し、失透が生じているか否かを観察した。
Ａ：１００時間以上でも失透しない、Ｂ：４８時間で失透、Ｃ：２４時間で失透、Ｄ：１８時間で失透、Ｅ：１２時間で失透、として評価を行った。例えば工業的にガラスを成形する際には、Ｃ以上の評価であることが好ましい。

（２）像面評価
レンズ性能は以下の方法で評価した。まず、屈折率分布型レンズを適当な長さ（周期長Ｐ）に切断し、両端面を平行に鏡面研磨した。周期長Ｐは図５に示すＰのことである。図５において、Ｐ（６３０）は波長６３０ｎｍにおける一周期長、Ｐ（５３０）は波長５３０ｎｍにおける一周期長、Ｐ（４７０）は波長４７０ｎｍにおける一周期長、ｒはレンズ半径を表す。該レンズの片側の端面に格子状のパターンを接触させ、その像の形状からレンズ性能を評価した。
像パターンが端面全体にわたって歪みなく明瞭に映っているものを◎、
端面の中心部は明瞭だが周辺部はややパターンが歪んでいるものを○、
端面の中心部は明瞭だが周辺部が著しく歪んでいるものを△、
端面の中心部、周辺部ともに歪みが大きくレンズとして全く機能しないものを×とした。

（３）開口角評価
開口角とは、レンズによって光束方向を変化可能な最大入射角のことである（図４）。この開口角は以下の方法で測定した。

まず、上記の方法で作製した屈折率分布型レンズを適当な長さに切断し、両端面を平行に鏡面研磨した。このレンズの片側の端面に格子状のパターンを接触させ、反対側の端面から格子状パターンの正立像を観察し、周期長Ｐを求めた。そして、屈折率分布係数√Ａを、√Ａ＝２π／Ｐの関係を用いて計算した。この√Ａと、レンズの半径ｒ_０と、プルヒリッヒ屈折計を用いて全反射臨界角法で測定したイオン交換前のガラス素線の屈折率Ｎ_ｃとから、次式に従って開口角θを求めた。

ｓｉｎθ＝√Ａ・Ｎ_ｃ・ｒ_０

なお、上記θとＮ_ｃとの関係から、本実施例及び比較例におけるイオン交換前のガラス素線の屈折率は約１．５９であること、及び、中心屈折率を近似しても得られる開口角θの誤差は十分小さいことから、イオン交換後の屈折率分布型レンズの中心部における屈折率Ｎ_ｃは総てのレンズにおいて１．５９として計算した。

本実施例では、開口角が約１０．１〜１２．９度となるように組成を決定したが、組成を適宜変更することにより他の角度にすることも可能である。

（４）Ｌｉ使用効率評価
イオン交換処理の際、まず溶融塩と接しているガラス素線の周面部側からイオン交換が行われ、徐々にガラス素線の中心部に向ってイオン交換が進む。理想的には、ガラス素線の周面部のＬｉが総てイオン交換され、中心部に向って徐々にイオン交換量が少なくなり、ガラス素線の中心部ではＬｉは全くイオン交換されていない状態で、イオン交換処理を終了することが望ましい。この場合、作製した屈折率分布型レンズの周面部と中心部のＬｉ濃度の差が最も大きくなり、レンズの周面部と中心部の屈折率差が最も大きくなる。しかし、現実的には、レンズとしての性能を満たす屈折率分布が得られるまでイオン交換処理を行なうと、ガラス素線の中心部にあるＬｉの一部までイオン交換されてしまう。この結果、ガラス素線の中心部のＬｉ濃度が低下し、周面部と中心部の屈折率差が小さくなる。従って、所望の屈折率差を得るためには、ガラス素線の中心部のイオン交換を考慮して、母材ガラス組成物中のＬｉ濃度を高くしておく必要が生じ、原料コストが高くなる。またＬｉ濃度を高くする必要が生じると、母材ガラスを成形する際に、失透が起こりやすくなり、製造条件の自由度が下がるという不具合も生じる。

そこで、イオン交換処理前におけるガラス素線中心部のＬｉ量［Ｌｉ］_ｉとイオン交換処理後における屈折率分布型レンズの中心部のＬｉ量［Ｌｉ］_ｐとの比［Ｌｉ］_ｐ／［Ｌｉ］_ｉをＬｉ使用効率と定義する。このＬｉ使用効率は以下の通り算出される。

ガラス素線周面部のＬｉの総てがイオン交換され、ガラス素線中心部ではＬｉは全くイオン交換されない理想的なイオン交換が行われて屈折率分布レンズが作製された場合における、レンズ中心部の屈折率をＮ_ｃ（ｉｄｅａｌ）、レンズ周面部の屈折率をＮ_ｅ（ｉｄｅａｌ）、これらの屈折率差をΔＮ（ｉｄｅａｌ）とすると、
ΔＮ（ｉｄｅａｌ）＝Ｎ_ｃ（ｉｄｅａｌ）−Ｎ_ｅ（ｉｄｅａｌ）
となる。

一方、実際のイオン交換処理を行った場合におけるレンズ中心部の屈折率をＮ_ｃ（ｌｅｎｓ）、レンズ周面部の屈折率をＮ_ｅ（ｌｅｎｓ）、これらの屈折率差をΔＮ（ｌｅｎｓ）とすると、
ΔＮ（ｌｅｎｓ）＝Ｎ_ｃ（ｌｅｎｓ）−Ｎ_ｅ（ｌｅｎｓ）
となる。

ここで、レンズ周期Ｐを観測し、以下の式を用いることにより、ΔＮ（ｌｅｎｓ）が得られる。

ｓｉｎθ＝２π・ｒ_０・Ｎ_ｃ／Ｐ＝√（２・Ｎ_ｃ・ΔＮ（ｌｅｎｓ））
ただし、θは開口角、ｒ_０はレンズ半径、Ｎ_ｃはイオン交換処理前のガラス素線の屈折率、Ｐはレンズ周期である。なお、本実施例及び比較例におけるイオン交換前のガラス素線の屈折率は１．５９であり、またレンズ中心部の屈折率の変化が開口角θに与える寄与は小さいことから、近似的にＮ_ｃ＝１．５９とした。

ここで、レンズ周面部は十分にイオン交換がなされると考えられるので、Ｎ_ｅ（ｌｅｎｓ）はＮ_ｅ（ｉｄｅａｌ）と近似できる。よって次の関係が成り立つ。

ΔＮ（ｌｅｎｓ）＝Ｎ_ｃ（ｌｅｎｓ）−Ｎ_ｅ（ｌｅｎｓ）
＝Ｎ_ｃ（ｌｅｎｓ）−Ｎ_ｅ（ｉｄｅａｌ）

本実施例のレンズのイオン交換前後の屈折率差はＬｉ含有率に比例するので、レンズ中心部のＬｉ量［Ｌｉ］_ｉとイオン交換処理後における中心部のＬｉ量［Ｌｉ］_ｐとは以下の関係が成り立つ。

［Ｌｉ］_ｐ／［Ｌｉ］_ｉ＝ΔＮ（ｌｅｎｓ）／ΔＮ（ｉｄｅａｌ）

この式より、Ｌｉ使用効率を算出した。このＬｉ使用効率は高いほどよく、工業生産する場合には、４０％以上が好ましい。

（実施例１〜５）
表１の通り、実施例１〜５はＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうちＳｒＯとＢａＯを含有する組成となっている。

実施例１〜５では、イオン交換時間が７．３〜１２．２時間であり、工業的生産に適した値となっている。

像面評価の結果は◎であり、像パターンが全体にわたって歪みなく明瞭に映っていた。

また、Ｌｉ使用効率は６２．０〜７１．１％であり、良好な結果となった。

（実施例６，７）
実施例６，７はＴｉＯ_２の濃度が１．０モル％又は２．０モル％であり、本発明におけるＴｉＯ_２の下限値１モル％と同等程度の低い値となっている。

実施例６，７は、像面評価の結果がそれぞれ△、○、◎であり、イオン交換時間が７．８〜１２．７時間であり、Ｌｉ使用効率が６１．９％以上であり、良好な結果となった。

（実施例８，９）
実施例８，９ではＢ_２Ｏ_３をそれぞれ３モル％、６モル％含有している。実施例１４、１５とも失透が生じず、良好なレンズが得られた。

（実施例１０，１１）
実施例１０，１１は、ＳｒＯ、ＢａＯに加えてＣａＯを含む組成となっている。実施例２３〜２５は、イオン交換時間が９．９〜１１．９時間であり、工業的生産に適した値となっている。また、像面評価も良好である。

（比較例１）
比較例１は、有害物であるＰｂＯを６．０モル％含む組成となっている。

比較例１を実施例１〜２９と比較すると、実施例１〜２９は失透性、像面評価、Ｌｉ使用効率が比較例１とほぼ同等であることが分かる。

（比較例２〜８）
比較例２〜６は、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうちＢａＯのみを含む組成となっており、比較例７、８はＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうちＳｒＯのみを含む組成となっている。

比較例２はイオン交換時間が１．５０時間と極めて短く、工業的生産に適さない値となっている。

比較例３〜８は失透性がＤ又はＥであり、失透性に劣るものとなっている。

（比較例９、１０）
比較例９、１０は、ＴｉＯ_２を含まない組成となっている。

比較例９、１０は像面評価の評価結果が×であり、像面評価が悪い。また、比較例９は失透性がＤであり、失透性が悪い。

（比較例１１、１４）
比較例１１、１４はＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれも含まない組成となっている。比較例１１、１４はイオン交換時間が共に３．４０時間であり、工業的生産に適さない値となっている。

（比較例１２）
比較例１２は、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのうちＣａＯを８．０モル％含み、ＳｒＯ、ＢａＯを含まない組成となっている。

比較例１２は失透性がＥであり、失透性に劣る。

（比較例１３）
比較例１３はＬｉ_２Ｏの濃度が１９．０モル％であり、Ｌｉ_２Ｏを過剰に含んでいる。

比較例１３は失透性がＥであり、失透性に劣る。また、Ｌｉ使用効率が３７．２％と極めて低い。

（実施例１２）
実施例２と同様の組成のガラスを実施例３と同様の方法で直径５７０μｍの円筒状のレンズとし、レンズの側面に凹凸処理を施した。得られたレンズ素子を２次元に配列して構成したレンズアレイの概略構成図を図３に示す。

図３に示すとおり、レンズアレイ１０には、複数個のレンズ素子１１が２次元に配列され、当該複数のレンズ素子１１は一対のガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製基板１２にはさまれている。また、当該一対のＦＲＰ製基板１２と前記複数のレンズ素子１１との間隙には黒色樹脂１３が充填されている。

このようにして構成したレンズアレイの光学特性として、像の再現性を評価する。この評価は、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）法を用いて画像の再現率を計測することによって行う。すなわち、レンズアレイの入射側に所定のラインチャートをおき、カラーフィルターおよび光拡散板を通したハロゲン光を前記ラインチャートに照射して得られる像を、前記レンズアレイを通して１対１の正立像として出力側に結像させる。このとき、正立像の入射像に対する再現率を計測する。

本実施形態では、オンオフで示される矩形波のラインペアを１組として、１ミリメートルの間隔内に８組のラインペアを有する（８ｌｐｍの）ラインパターンを用いている。

本実施形態のレンズアレイでは像の再現率は６８％であり、６０％以上の良好な値を示している。

このようにして形成されたレンズアレイを用いることによって、光学特性の優れた光学機器を構成することができる。たとえば、本実施形態のレンズアレイを画像読み取り装置に組み込んで構成したスキャナや複写機では、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。

また、このように形成されたレンズアレイと発光素子とを画像書き込み装置に組み込んで構成したプリンタでは、解像度の高い、鮮明な画像を再現することができる。

なお、図３では、光学素子として、複数のレンズ素子を２次元に配列したレンズアレイを用いているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、光学素子としてレンズ素子を０次元に配列した光学素子を用いることができる。つまり、１つのレンズを光学素子として用いることができる。また、光学素子を１次元に配列したレンズアレイを用いることもできる。さらに、２次元についても、２列だけでなく、多数列に配列させ、広面積に対応した光学素子とすることができる。

（実施例１３）
実施例１２で用いたレンズについて、測定光源波長ごとの１周期長（pitch）を測定したところ以下のようになった。

光源波長６３０ｎｍと４７０ｎｍの１周期長の差は０．０２ｍｍ、平均変化率（０．０２ｍｍを波長４７０ｎｍと６３０ｎｍの平均値で割ったもの）は０．１３８３％であり、使用光源の波長に依存する色収差が小さいレンズであることを示している。また、ＭＴＦも実施例２８と同程度の良好な値を示している。本実施例のレンズは、例えばカラースキャナー用として好適に用いることができる。

屈折率分布型レンズの製造におけるイオン交換法を説明する模式図である。 屈折率分布型レンズを説明する模式図である。 レンズ素子を２次元に配列して構成したレンズアレイの概略構成図である。 開口角θを説明する模式図である。 周期長Ｐを説明する模式図である。

符号の説明

１ 屈折率分布型レンズ
２ ガラス素線
３ イオン交換炉
４ 溶融塩
６ 屈折率分布曲線
１０ レンズアレイ
１１ レンズ素子
１２ ＦＲＰ製基板
１３ 黒色樹脂

Claims (6)

1. 基本ガラス組成が、モル％で表示して、
   ４０≦ＳｉＯ _２ ≦６５、
   ２≦ＴｉＯ_２≦８、
   １≦Ｂ_２Ｏ_３≦１０、
   ２≦ＭｇＯ≦１６、
   ０≦ＣａＯ≦１５、
   ２≦ＳｒＯ≦１２、
   ２≦ＢａＯ≦１２、
   ４≦ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦２０、
   ５≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ≦３６、
   ５≦Ｌｉ_２Ｏ＜１２、
   ５≦Ｎａ_２Ｏ≦１５、
   １０≦Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＜２７、
   ０≦Ｋ_２Ｏ≦３、
   ０≦Ｃｓ_２Ｏ≦３、
   ０．７≦Ｌｉ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ≦２、
   ５０≦ＳｉＯ_２＋ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３≦７０、
   ０≦ＺｎＯ≦８、
   ０≦Ｙ_２Ｏ_３≦５、
   ０．２≦ＺｒＯ_２≦２、
   ０．２≦ＺｎＯ＋Ｙ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｔａ_２Ｏ_５≦１０、
   ＣａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）、ＳｒＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）及びＢａＯ／（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）のいずれか２つ以上が０．２以上、
   であることを特徴とする鉛フリーの屈折率分布型レンズ用母材ガラス組成物。
2. イオン交換法により屈折率分布が形成された屈折率分布型レンズであって、該屈折率分布型レンズの基本ガラス組成が請求項１であることを特徴とする屈折率分布型レンズ。
3. 第１のアルカリ金属含有のガラス素線を、少なくとも前記アルカリ金属と異なる第２のアルカリ金属含有の溶融塩に浸漬し、前記第１のアルカリイオンと前記第２のアルカリイオンをイオン交換処理することにより、前記ガラス素線に屈折率分布を形成する屈折率分布型レンズの製造方法において、
   前記ガラス素線の基本ガラス組成が請求項１であることを特徴とする屈折率分布型レンズの製造方法。
4. 請求項２に記載の屈折率分布型レンズであって、ノイズ光を除去する手段が設けられたことを特徴とする屈折率分布型レンズ。
5. 請求項２または４に記載の鉛フリーの屈折率分布型レンズを用いたことを特徴とする光学製品。
6. 請求項５に記載の光学製品を用いたことを特徴とする光学機器。

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