JP4257411B2 - 屈折率分布を有するガラス材料およびその製造方法 - Google Patents
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- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
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Description
本発明は、微小光学素子、光学機器用の基板などとして有用な屈折率分布を有するガラス材料に関する。
従来、屈折率分布を有する光学素子(レンズ素子)の形成方法としては、(1) ガラス材料基材とは屈折率の異なる微小な半凸レンズ或いは球状レンズを予め製造し、これをガラス材料基材に接着もしくは埋設する方法、(2)ガラス材料基材に対するイオン拡散によって
屈折率分布を形成させる方法、(3)光誘起吸収によってガラス材料基材に屈折率分布を形
成させる方法、(4)CVD、蒸着などの気相法或いはゾルゲル法などの液相法により、ガラス材料基材上に製膜する方法などが知られている。しかしながら、これらの方法には、(a)
化学的成分または電子状態の異なる誘起欠陥構造を分布させることによって、ガラス材料基材に異なる屈折率を付与する場合には、レンズ素子の所望の場所において均一な光透過特性・波長分散を得ることができない、(b)光照射により、ガラス材料の光学的性質が劣
化しやすい、(c)半凸レンズ或いは球状レンズとガラス材料基材との接合部での耐久性が
不十分である、(d)使用環境下でのガラス材料の耐久性が低いなどの問題点がある。
屈折率分布を形成させる方法、(3)光誘起吸収によってガラス材料基材に屈折率分布を形
成させる方法、(4)CVD、蒸着などの気相法或いはゾルゲル法などの液相法により、ガラス材料基材上に製膜する方法などが知られている。しかしながら、これらの方法には、(a)
化学的成分または電子状態の異なる誘起欠陥構造を分布させることによって、ガラス材料基材に異なる屈折率を付与する場合には、レンズ素子の所望の場所において均一な光透過特性・波長分散を得ることができない、(b)光照射により、ガラス材料の光学的性質が劣
化しやすい、(c)半凸レンズ或いは球状レンズとガラス材料基材との接合部での耐久性が
不十分である、(d)使用環境下でのガラス材料の耐久性が低いなどの問題点がある。
本発明者らは、「レーザービーム照射により、密度変化を生じない温度までガラス材料基材表面を部分的に加熱し、一旦冷却した後、加熱部分を前回よりも高い温度で加熱するという操作を繰り返し行うことにより、同部分を密度変化が生じる温度以上にまで加熱する」技術を開発した。この技術によれば、ガラス材料基材表面の加熱部分の密度変化を利用して、同一化学組成のガラス材料に屈折率分布を形成することができる。得られたガラス材料は、加熱部分の形状および／または屈折率を制御した条件下に変化させることができるので、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどにおける微小光学素子に適用可能である。(特許文献１および特許文献２、非
特許文献１)。
特許文献１)。
ガラス材料基材の所定部分にレーザービーム照射を行う上記の方法は、精密に微小領域に素子形成を行うことができるという大きな利点を備えている。しかしながら、所望の微小素子を形成すべきガラス材料基材表面に直接レーザービームを照射するので、表面に傷がある基材、表面に異物質が吸着されている基材などを使用する場合には、ガラス表面が損傷する、或いはレーザービーム強度の不均一性によりガラス材料の一部が蒸発して、表面形状が変形してしまうなどの問題を生じることがあり、屈折率の正確な制御、微小光学素子としての機能の再現性などに改善すべき点がある。
特開2002-255579号公報
特開2003-207605号公報
N. Kitamura, K. Fukumi, J. Nishii, T. Kinoshita, N. Ohno, Jpn. J. Appl. Phys. 42(2003)L712-L714.
本発明は、ガラス材料基材に対しレーザービームを照射することにより、屈折率分布をもつガラス材料を製造する方法において、レーザービームの直接照射によるダメージを避けつつ、ガラス内部もしくはガラス表面に制御された屈折率分布を形成させる方法を提供することを主な目的とする。
本発明者は、上述の技術の現状に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、ガラス材料に対するレーザービーム照射部分からの熱拡散により或いはレーザービーム照射端近傍の弱いエネルギーにより形成される屈折率分布を、あるサイズ以下の領域を囲むように形成させる場合には、レーザービーム照射による損傷を回避しつつ、集光機能を有する微小光学素子を製造できることを見出した。本発明は、この様な新しい知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、屈折率分布を有するガラスおよびその新規な製造方法を提供する。
１．屈折率が相対的に低いレーザービーム照射外側部とこれに囲まれた屈折率が相対的に高いレーザービーム非照射内側部とからなる微小領域を備えたガラスであり、レーザービーム照射界面から非照射内側部の中心に向けて屈折率が連続的に上昇し、当該屈折率が連
続的に上昇する微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラス。
２．屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた上記項１に記載のガラスからなる微小光学素子。
３．屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた上記項２に記載の微小光学素子。
４．屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた上記項１に記載のガラスからなるガラス基板。
５．屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた上記項４に記載のガラス基板。６．微小領域の周辺から微小領域の内部に向かって連続的に上昇する屈折率分布を有し、当該微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラスの製造方法であって、ガラス基材表面の目的とする微小領域の外側に熱線レーザーからの光線を照射することにより、照射部分のガラスの屈折率を低下させることを特徴とする方法。
１．屈折率が相対的に低いレーザービーム照射外側部とこれに囲まれた屈折率が相対的に高いレーザービーム非照射内側部とからなる微小領域を備えたガラスであり、レーザービーム照射界面から非照射内側部の中心に向けて屈折率が連続的に上昇し、当該屈折率が連
続的に上昇する微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラス。
２．屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた上記項１に記載のガラスからなる微小光学素子。
３．屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた上記項２に記載の微小光学素子。
４．屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた上記項１に記載のガラスからなるガラス基板。
５．屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた上記項４に記載のガラス基板。６．微小領域の周辺から微小領域の内部に向かって連続的に上昇する屈折率分布を有し、当該微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラスの製造方法であって、ガラス基材表面の目的とする微小領域の外側に熱線レーザーからの光線を照射することにより、照射部分のガラスの屈折率を低下させることを特徴とする方法。
本発明のガラス材料の製造方法における出発材料(本明細書においては、「ガラス材料
基材」ということがある)は、熱線レーザーからの光線を照射することにより、屈折率変
化を生じるガラス材料基材である。
基材」ということがある)は、熱線レーザーからの光線を照射することにより、屈折率変
化を生じるガラス材料基材である。
この様なガラス材料基材は、溶融した原料を大気圧下で徐冷することによって得られる同一組成のガラス材料（以下、「通常のガラス」ということがある）と比べると、高密度のガラス材料からなる。高密度のガラスは通常のガラスよりも高い屈折率値を示すことを特徴としている。この様な高密度のガラス材料は、ガラスの種類に応じて決まる一定温度以上に加熱すると、密度が変化して、通常のガラスの密度に近づく性質を有するものである。
上記した高密度のガラス材料は、種々の手法により、調製することができる。例えば、通常のガラスを高温中で加圧して得られる高密度のガラス材料、溶融した通常のガラスを高温から急激に冷却することによって得られる高密度のガラス材料などを挙げることができる。
本発明方法で用いるガラス材料基材の密度自体は、特に限定されないが、光学素子として適した屈折率分布を生じさせるためには、一般的には、通常のガラスと１％程度以上の密度差があるガラス材料、即ち、通常のガラスよりも１％程度以上密度が高いガラス材料が好ましい。なお、前述した通り、通常のガラスとは、溶融したガラス原料を大気圧下で徐冷することによって得られるものであり、加熱によっては密度変化を生じることはない。
本発明方法において出発材料として使用するガラス材料の材質は、特に限定されないが、レーザービーム照射による大きな密度変化を実現するために、二酸化珪素(SiO2)を20モル％以上含有する珪酸塩ガラス、B2O3を20モル％以上含有するホウ酸塩ガラス、P2O5を20モル％以上含有するリン酸塩ガラスなどのガラス網目構造を形成する成分(ガラスネット
ワークフォーマー)を20モル％程度以上含有するガラスが、より好ましい。
ワークフォーマー)を20モル％程度以上含有するガラスが、より好ましい。
使用する熱線レーザービーム源としては、多くのガラス材料において光の吸収効率の高い10μm帯の熱線を放出する炭酸ガスレーザー(9.6-10.6μm)が好適である。また、一酸化炭素ガスレーザー(5.2-5.8μm)も、多くのガラス材料で吸収される光な熱線を放出するので、有用である。
図１は、熱線レーザービームを2個のスポットとしてガラス材料に照射した場合に、照
射部と非照射部とにまたがるガラス材料断面に生じる屈折率の変化の概要を示す模式図である。
射部と非照射部とにまたがるガラス材料断面に生じる屈折率の変化の概要を示す模式図である。
レーザービーム強度(熱入力量)は、スポット中心部から周囲部に向けて連続的に低下するので、ガラス材料の照射部における屈折率は、レーザービーム強度にほぼ対応して、連続して傾斜的に低下しているが、その端部(以下「照射外側部」ということがある)においては、熱入力量が少ないので、屈折率の低下は相対的に少なくなり、屈折率の変化を示す曲線(以下「屈折率曲線」という)の曲率は、上方に反転している。照射外側部に接する非照射部端部においては、照射外側部からの伝熱によりわずかに屈折率は低下するが、非照射部全体としては、照射部よりも屈折率の低下は少なく、屈折率曲線は、非照射部の中心に向けて上向きとなっている。図２から明らかな様に、本発明によれば、相対的に屈折率の低いレーザービーム照射部と相対的に屈折率の高い非照射部において屈折率が連続的に変化するとともに、照射外側部において屈折率曲線が反転するという特異な光学的構造を有するガラス材料が得られる。
ガラス材料に対するレーザービームの照射端部における強度が弱い場合には、照射部分の屈折率分布が緩やかになるのに対し(図２（ａ）参照)、ビームの照射端部での強度を大きくした場合には、照射部分の屈折率分布の傾斜が急になる(図２（b）参照)。前者の場
合には、例えば、レンズで集光してガウス分布型ビームを照射する場合には、照射端での屈折率分布が有効である領域を100μｍよりも小さくすることにより、本発明の所望の効
果を達成することができる。後者の場合には、熱拡散による効果、レーザービームの回折限界の影響などが顕著になるため、その傾斜範囲は、通常10μｍ以上の幅となる。
合には、例えば、レンズで集光してガウス分布型ビームを照射する場合には、照射端での屈折率分布が有効である領域を100μｍよりも小さくすることにより、本発明の所望の効
果を達成することができる。後者の場合には、熱拡散による効果、レーザービームの回折限界の影響などが顕著になるため、その傾斜範囲は、通常10μｍ以上の幅となる。
本発明方法においては、例えば、ガラス材料基板表面に対し、小さな直径のレーザービームスポットを円弧状に走査して、走査の中心部分にレーザーが照射されない部分を残しておくか（図３参照）、または照射による影響が小さい部分を残しておく(図４参照)ことにより、中心部分に向かって屈折率が上昇する円形の微小な屈折率分布領域(凸レンズ)を形成することができる。図３に示す凸レンズは、そのA-B方向において、図５に示す形状
の屈折率分布を有している。
の屈折率分布を有している。
微小な屈折率分布領域が集光機能を持つためには、適切な領域の大きさ(10〜100μm程
度)が存在する。ガウス関数形状の強度分布を持つ円形のレーザービームスポットによる
照射を行う場合には、ビーム端部の強度分布は緩やかなので、円形走査される円弧領域の直径は、ビーム径と同一もしくはそれより小さくなくてはならない。この場合には、走査により形成される円弧の内部には、ビーム照射端部分が入るが、ビーム強度が小さい（弱い）ためにガラス基板の表面および内部への損傷の可能性は極めて小さいと考えられる。
度)が存在する。ガウス関数形状の強度分布を持つ円形のレーザービームスポットによる
照射を行う場合には、ビーム端部の強度分布は緩やかなので、円形走査される円弧領域の直径は、ビーム径と同一もしくはそれより小さくなくてはならない。この場合には、走査により形成される円弧の内部には、ビーム照射端部分が入るが、ビーム強度が小さい（弱い）ためにガラス基板の表面および内部への損傷の可能性は極めて小さいと考えられる。
これに対し、走査円の径が大きくなり、ビーム径以上の大きさになる場合には、屈折率分布が形成されないか、或いは屈折率分布を示す極めて小さい部分が走査円中心近傍に現われることになり(例えば、図１において、非照射部中心部での屈折率曲線の頂部が平坦
となり)、集光効果(レンズ効果)が著しく低下するので、凸レンズとしての機能を発揮し
ない。
となり)、集光効果(レンズ効果)が著しく低下するので、凸レンズとしての機能を発揮し
ない。
レーザーの走査は、必ずしも円弧の全周にわたって行う必要はなく、円弧上にある３点以上の回転対称の位置に照射してもよい(図６参照)。この場合には、屈折率分布は上方から見て同心円状にはならないが、非照射部(斜線部)の中心に頂点をもつ屈折率分布が得られるので、所望のガラス材料が得られる。さらに、円弧上の４点以上でレーザービーム照射を行うことにより、非常に高い集光能力を有するガラス材料が得られる(図７参照)。
レーザービームスポットの形状についても、円形であることは、必須ではない。例えば、ドーナツ状のスポット形状を有する微細なビームを照射すれば、前述した円形ビームの円走査と同等の効果が達成できることは明らかである。また、直線状の領域をもつビームを用いる場合には、円形スポットを有するビームの直線走査(図８および後記実施例３参
照)と同等の効果が得られることも明らかである。
照)と同等の効果が得られることも明らかである。
照射領域と非照射領域とを形成するためには、ビームスポットを用いない他の方法を採用することも可能である。例えば、予めガラス材料基材表面に、非照射領域に相当する形状で、レーザービーム線を高い効率で反射する金属などの膜状或いは板状のマスクを配置し、この領域を含む基材全域にレーザーを照射することにより、照射領域と非照射領域とを形成することができる。この場合、マスク部分はレーザービームを殆ど或いは全て反射して加熱されないので、屈折率は変化せず、その周辺の露光部分のみの屈折率が減少する。２つの領域の境界部分には、屈折率分布（傾斜）が形成されるが、その分布形状は、ガラス材料の熱拡散係数、比熱などの熱特性によってほぼ決まる。
またさらに、縮小露光の方法のように、均一な強度のレーザービームをマスクパターンに透過させその後、ガラス材料基材上に投影することにより、所望のパターンで基材を照射加熱して、所定の屈折率分布を有するガラス材料を得ることも、可能である。
本発明によるガラス材料は、微小な屈折率分布領域(凸状マイクロレンズ)を1個備えて
いても良く、或いは微小な屈折率分布領域(凸状マイクロレンズ)を2個以上備えるレンズ
アレイを有していても良い。この様なガラス材料は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどにおける微小光学素子として有用である。
いても良く、或いは微小な屈折率分布領域(凸状マイクロレンズ)を2個以上備えるレンズ
アレイを有していても良い。この様なガラス材料は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどにおける微小光学素子として有用である。
本発明によれば、ガラス材料基材のレーザービームを照射しない領域に微小光学素子部が形成されるので、表面に傷があるガラス材料基材或いは表面に異物質が吸着されているガラス材料基材などを使用する場合においても、微小光学素子部を形成すべきガラス表面が損傷することはない。
また、レーザービーム強度に不均一性を生じた場合にも、ガラス材料基材の部分的な蒸発による表面形状の変形は発生しないので、屈折率を正確に制御することができ、微小光学素子としての機能の再現性を著しく高めることができる。
さらに、レーザービーム端の強度分布を変化させることにより、微小領域における屈折率分布の変化率を任意に調整することができる。
さらにまた、目的とする対象物にガラス基板を設置した後であっても、レーザービーム
を照射して、その場で素子を形成できる。
を照射して、その場で素子を形成できる。
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス（厚さ0.5μm、密度2.279g/cm3）に
対して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにし
て集光し、このスポットを80μｍの空間ステップで格子状に照射した(図９参照)。レーザー出力は0.5Wであった。各スポットの照射時間は、２分間とした。
対して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにし
て集光し、このスポットを80μｍの空間ステップで格子状に照射した(図９参照)。レーザー出力は0.5Wであった。各スポットの照射時間は、２分間とした。
図１０は、得られたガラス材料を透過光により観察した顕微鏡写真である。暗く見えている部分が、レーザービーム照射領域であり、4つの照射領域に囲まれた部分に光が集光
されていることが確認できる。このことから、ビーム照射の外端付近において、ビーム照射領域から遠ざかる方向に、屈折率が上昇する領域が形成され、4つの照射領域に囲まれ
た領域では、その中心部に向けて屈折率が大きくなっていることが明らかである。
されていることが確認できる。このことから、ビーム照射の外端付近において、ビーム照射領域から遠ざかる方向に、屈折率が上昇する領域が形成され、4つの照射領域に囲まれ
た領域では、その中心部に向けて屈折率が大きくなっていることが明らかである。
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス(厚さ0.5μm、密度2.279g/cm3)に対
して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにして
集光し、２分間照射を行った。スポットの照射は、60μｍの空間ステップで格子状に行った。レーザー出力は0.5Wであった。
して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにして
集光し、２分間照射を行った。スポットの照射は、60μｍの空間ステップで格子状に行った。レーザー出力は0.5Wであった。
レーザービームが直径80μｍであるので、実施例１の場合と異なって、隣り合う20μｍの照射領域が重なっているが、ガウス型レーザービームを使用するので、その領域の近傍に重ねて照射されたレーザーエネルギーは極めて小さい。
図１１は、得られたガラス材料を透過光により観察した顕微鏡写真である。図１０におけると同様に、暗く見えている部分が、レーザービーム照射領域であり、4つの照射領域
に囲まれた部分に光が集光されていることが確認できる。このことから、本実施例により得られたガラス材料においても、ビーム照射の外端付近において、ビーム照射領域から遠ざかる方向に、屈折率が上昇する領域が形成され、4つの照射領域に囲まれた領域では、
その中心部に向けて屈折率が大きくなっていることが明らかである。
に囲まれた部分に光が集光されていることが確認できる。このことから、本実施例により得られたガラス材料においても、ビーム照射の外端付近において、ビーム照射領域から遠ざかる方向に、屈折率が上昇する領域が形成され、4つの照射領域に囲まれた領域では、
その中心部に向けて屈折率が大きくなっていることが明らかである。
予め超高圧HIP処理にて高密度化したシリカガラス（厚さ0.5μm、密度2.279g/cm3）に
対して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにし
て集光し、速度320μｍ/sec、長さ1.5ｍｍ、掃引間隔80μｍで、8回にわたり、平行直線
掃引を行った。レーザー出力は0.5Wであった。
対して、炭酸ガスレーザー（波長10.6μｍ）の光を直径80μmの円形ビームスポットにし
て集光し、速度320μｍ/sec、長さ1.5ｍｍ、掃引間隔80μｍで、8回にわたり、平行直線
掃引を行った。レーザー出力は0.5Wであった。
図１２は、得られたガラス材料を透過光により観察した顕微鏡写真である。図１２において、暗く見えている部分が、レーザービームによる直線状の照射領域である。このガラス材料では、照射領域に囲まれた部分により光が集光されており、シリンドリカルレンズの機能を有していることが確認できる。このことから、本実施例により得られたガラス材料においても、ビーム照射の外端付近において、ビーム照射領域から遠ざかる方向に、屈折率が上昇する領域が形成され、照射領域に囲まれた領域では、その中心部に向けて屈折率が大きくなっていることが明らかである。
Claims (6)
- 屈折率が相対的に低いレーザービーム照射外側部とこれに囲まれた屈折率が相対的に高いレーザービーム非照射内側部とからなる微小領域を備えたガラスであり、レーザービーム照射界面から非照射内側部の中心に向けて屈折率が連続的に上昇し、当該屈折率が連続的に上昇する微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラス。
- 屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた請求項１に記載のガラスからなる微小光学素子。
- 屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた請求項２に記載の微小光学素子。
- 屈折率が連続的に上昇する微小領域を少なくとも１個備えた請求項１に記載のガラスからなるガラス基板。
- 屈折率が連続的に上昇する微小領域を２個以上備えた請求項４に記載のガラス基板。
- 微小領域の周辺から微小領域の内部に向かって連続的に上昇する屈折率分布を有し、当該微小領域を光を集光するレンズとして用いるガラスの製造方法であって、ガラス基材表面の目的とする微小領域の外側に熱線レーザーからの光線を照射することにより、照射部分のガラスの屈折率を低下させることを特徴とする方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003297973A JP4257411B2 (ja) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | 屈折率分布を有するガラス材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003297973A JP4257411B2 (ja) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | 屈折率分布を有するガラス材料およびその製造方法 |
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