JPH0250101A - レンズ体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、合成樹脂、ガラス等から成る透明基板中に屈
折率分布型レンズ部分を形成したレンズ体に関するもの
である。

従来から、第１図に示すような円柱形状の屈折率分布型
レンズが知られている。この第１図に示すレンズにおい
ては、合成樹脂又はガラスから成る透明円柱体１の中心
軸から半径方向に向ってほぼ二乗近似で屈折率が変化し
ている。従って、透明円柱体１の一方の面に垂直に入射
される光線２は、この透明円柱体１内で集束又は発散さ
れて、その他方の面から外部へ放出され、例えば、上記
屈折率が中心軸から半径方向に向って減少している場合
には、焦点３にスポット状に集束される。

また、第１図に示す円柱形状の屈折率分布型レンズとは
別に、透明平板を用いた屈折率分布型レンズも知られて
いる。このような平板形状の屈折率分布型レンズにおい
ては、例えば、合成樹脂又はガラスから成る平板状の透
明基板の厚さ方向の中心面から両側表面に向ってほぼ二
乗近似で屈折率が変化している。従って、上記透明基板
の上記両側表面の間に存在する一側縁から上記両側表面
に平行に入射される光線は、上記透明基板内でこの基板
の厚さ方向に集束又は発散されて、同様に上記両側表面
の間に存在する他側縁から外部へ放出され、例えば、上
記屈折率がその厚さ方向の中心面から両側表面に向って
ほぼ二乗近似で減少している場合には、輝線状に集束さ
れる。

上述のような円柱形状又は平板形状の屈折率分布型レン
ズは、光通信用の周辺デバイスに広く応用され、例えば
、半導体レーザと光ファイバとの光結合系や、光ファイ
バの中間に減衰器又は分岐回路を挿入するための平行レ
ンズ体などに応用されている。また、上述のような屈折
率分布型レンズは、正立等倍実像を形成し得る結像条件
の単位レンズ部分を一次元又は二次元に配列して構成し
たライン状又はマトリックス状のレンズ体として、複写
機やファクシミリの光学系に応用されている。

しかし、従来から知られている屈折率分布型レンズの場
合には、屈折率分布が二次元的なものである。例えば、
第１図に示す円柱形状の屈折重分・右型レジズの場合に
は、中心軸に対して直交する仮想面においてはこの中心
軸から半径方向に向って屈折率が次第に変化しているが
、上記中心軸に沿う方向には変化していない。また、既
述の平板形状の屈折率分布型レンズの場合には、表面と
直交する仮想面においてはその厚さ方向の中心面から両
側表面に向って屈折率゛が次第に変化しているが、光線
の進行方向、即ち上記表面と平行な仮想面においては変
化していない。また、これらのレンズの場合には、製造
工程が複雑であるから、大量生産に適していない。

本発明は、上述のような点に鑑みて発明□きれ□た□も
のであって、屈折率に変化を与える物質を上記透明基板
にこの透明基板の表面の限定された領域から内部拡散す
ることによって、上記共通の透明基板中に形成された複
数の屈折率分布型レンズ部分を具備し、上記共通の透明
基板の上記表面のうちの上記複数の屈折率分布型レンズ
部分以外の表面が遮光層で被覆されていることを特徴と
するレンズ体に係るものである。このように構成された
本発明によれば、複数の屈折率分布型レンズ部分を具備
するレンズ体を簡単な製造工程によって大量に製造する
ことができ、また、複数の屈折率分布型レンズ部分の相
互の位置合せを簡単かつ正確に行うことができ、しかも
、余分な光が透明基板内に入射されるのを効果的に防止
することができる。

本発明において、各屈折率分布型レンズ部分が、上記共
通の透明基板の共通の面に垂直な少なくとも１つの断面
内でほぼ半円形状の屈折率分布領域を有し、この半円形
状の屈折率分布領域が、上記共通の面上の一点を中心と
して放射方向に向けて次第に変化する屈折率分布を有す
るのが好ましい。

こめように構成すれば、各屈折率分布型レンズ部分をそ
の焦点距離が小さくかつ小型に構成することができる。

次に、本発明の実施例を第２図〜第８図について説明す
る。

まず、本発明の一実施例を第２図〜第４図について説明
すると、この屈折率分布型レンズ体は、基本的には、第
２図に示す工程を経て製造される。

なお、第２図〜第４図には、単一の屈折率分布型レンズ
部分を製造する状態が図示されているが、実際には、第
６図に示す場合と同様にして、複数個の屈折率分布型レ
ンズ部分が共通の透明基板に同時に製造される。

第２図において、合成樹脂、ガラス等の誘電体から成る
透明基板１１には、その中心に円形の窓又は穴１２ａを
有するマスク１２が形成されている。このマスク１２の
材料は、穴１２ａを通して拡散される拡散源を含有する
拡散用物質に応じて決定されるが、この拡散用物質とし
て例えば硫酸塩を用いる場合には、チタン又は酸化チタ
ン（ＴｉＯ□）を用いてよい。

例えばＴｉＯ□をマスク材料とする場合には、まず、基
板１１の全面にスパッタリング、蒸着などによってＴｉ
Ｏ□膜を形成し、次いで、このＴｉ０ｚ膜をフォトレジ
スト膜で被覆する。次いで、このフォトレシスト膜のう
ちの穴１２ａに相当する部分を感光させ、この感光させ
た部分のフォトレジスト膜を除去する。次いで、この除
去された部分のＴｉＯ□膜を熱リン酸液で除去してから
、残りのフォトレジスト膜を除去すると、第２図に示す
ようなマスク１２を有する透明基板１１が得られる。な
お、上記穴１２ａは、必ずしも円形でなくてよく、必要
とする屈折率分布型レンズ部分の形状に合せて楕円形、
長方形などとすることができる。

次に、穴１２ａを通して基板１１内に拡散源ｌＯを拡散
させて、以下に述べる所定の屈折率分布を基板ｌｌ内に
形成する。

第３Ａ図及び第３Ｂ図には、本発明によるレンズ体にお
ける屈折率分布の一例が示されている。

第３Ａ図は、第４図に示すレンズ体の屈折率分布型レン
ズ部分１３の軸線方向（Ｚ軸方向）おける屈折率分布を
示し、基板１１の表面１１ａから裏面１１ｂに向かうに
従って屈折率が例えば二乗近似で次第に減少して、全体
として弧状に変化している。また、第３Ｂ図は、上記軸
線方向とは直交する方向における屈折率分布（即ち、Ｚ
軸方向の任意の点ｚ０におけるＸ軸方向及びｙ軸方向に
ついての屈折率分布）を示し、中心軸から遠ざかるに従
って屈折率が例えば二乗近似で次第に減少して、全体と
して山形の分布になっている。

基板１１内に拡散源１０を拡散させて所定の屈折率分布
を得るための方法は、大別すれば、−心火の二通りが考
えられる。

その一つの方法は、透明な重合体から成る合成樹脂にて
構成された透明基板１１に、この重合体と共重合してそ
の屈折率を変化させるモノマーを拡散移動させ、次いで
、上述の共重合を行わせる方法であって、この方法は、
後述の具体例１において用いられている。もう一つの方
法は、ガラス修飾酸化物を構成する第１のイオンを含む
ガラス板にて構成された透明基板１１に、このガラス板
の屈折率の増加に寄与する度合が上記第１のイオンより
も大きいガラス修飾酸化物を構成し得る第２のイオンを
交換拡散させて、この第２のイオンを上記第１のイオン
と置換させる方法であって、この方法は、後述の具体例
２において用いられている。

以上に述べたようにして得られた第４図に示すレンズ体
においては、透明基板１１の表面１１ａのうちの屈折率
分布型レンズ部分１３以外の表面部分には、マスク１２
が形成されている。そして、このレンズ体を複写機、フ
ァクシミリ、その他の機器の光学系に用いた場合には、
以下に述べるように、上記マスク１２が遮光層として機
能する。

即ち、上記レンズ体の表面１１ａに平行光線１４を入射
させると、この光線１４は、屈折率分布型レンズ部分１
３において集束されて、その他方の面から外部に放出さ
れ、焦点１５にスポット状に集束される。そして、平行
光線１４がレンズ体の表面１１ａに入射する際、上記遮
光層１２が上記表面１１ａのうちの屈折率分布型レンズ
部分１３以外の表面部分から透明基板１１に入射しよう
とする光を遮るから、余分な光が透明基板１１内に入射
するのを効果的に防止することができる。

なお、第２図に示す製造工程を経て得られるガラス体は
、第４図に示すように、凸レンズ作用を有する。しかし
、第２図において、拡散源として基板１１の屈折率の減
少に寄与するものを用いれば、凹レンズ作用を有するレ
ンズ体を製造することができる。そして、このような凹
レンズ作用を有するレンズ体の屈折率分布は、増大と減
少の方向が逆になることを除いて、第３Ａ図及び第３Ｂ
図に示すようになる。

次に、本発明の別の実施例を第５図について説明すると
、本発明によるレンズ体は、屈折率分布型レンズ部分を
共通の透明基板中に複数個設けたものであるが、特に多
数個の屈折率分布型レンズ部分を共通の透明基板中にラ
イン状又はマトリ。

クス状に構成するのに好適であり、第５図には、マトリ
ックス状に配設した場合が示されている。

第５図において、個々の単位レンズ２１は、第４図に示
すレンズ体と実質的に同一の構成であり、これらの単位
レンズ２１が共通の透明基板１１を有しかつＸＹ力方向
マトリックス状に配置されている。この場合、マスク１
２の穴１２ａの直径は単位レンズ２１の縦又は横の長さ
の１／３〜１／２程度であってよい。

第５図に示す上述のレンズ体の場合には、多数の屈折率
分布型レンズ部分１３の相対的な位置をマスク１２の形
状によって任意にかつ高精度に選定することができる。

また、第４図に示すように単一の屈折率分布型レンズ部
分を有するレンズ体の多数個を互いに接着固定してマト
リックス状に構成する場合に生ずる光軸の不揃いを極力
防止することができ、しかも、この場合に較べて全体を
小型に構成することが可能である。

この場合にも、第４図に示す場合と同様に、マスク１２
が遮光層として機能する。

次に、本発明の更に別の実施例を、第２図を参照しつつ
、第６図及び第７図について説明すると、第６図及び第
７図の場合には、透明基板の両側面から拡散源を拡散さ
せるようにしている。

これらの第６図及び第７図において、透明基板１１の両
側面に形成されるマスク２２及び２３は、第２図に示す
マスク１２と実質的に同一のものであって、これらのマ
スク２２及び２３に形成されている穴２２ａ及び２３ａ
は、上下に互いに対向している。従って、第２図の場合
と同様の拡散が基板１１の両側から行われると、第７図
に示すように、互いに対向する上下一対の屈折率分布型
レンズ部分２４及び２５が形成され、これらのレンズ部
分は、何れも、第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す特性を有し
ている。

上述のように、第１の屈折率分布型レンズ部分２４と、
透明基板の厚さ方向においてこの第１のレンズ部分２４
と対向する第２の屈折率分布型レンズ部分２５とから成
る組合せレンズ部分を具備する平板レンズ体によれば、
−点から放射される光が一方のレンズ部分２４又は２５
によって集光された後、更に他方のレンズ部分２５又は
２４によって集光されてスポット状に集束されるから、
上記組合せレンズ部分をコンデンサレンズとして使用す
れば、焦点距離が非常に小さいレンズを提供することが
できる。

この場合にも、第４図に示す場合と同様に、マスク２２
．２３が遮光層として機能するが、この場合には、透明
基板１１の両側面に遮光層が存在するから、余分な光が
透明基板に入射するのを一層効果的に防止することがで
きる。また、この実施例において、互いに対向する第１
及び第２のレンズ部分２４及び２５から成る組合せレン
ズ部分を一つの透明基板１１にライン状又はマトリック
ス状（第５図参照）に多数個形成してもよい。

次に、第２図に示す製造工程の具体例を説明する。

具体例１ 過酸化ヘンジイル（ＢＰＯ）を３％加えたアリルジグラ
イコールカーボネート（通称：ＣＲ−３９）を８０℃に
て３５分間加熱して半重合させることによって、５０ｎ
＋ｍＸ　５０ｍｍＸ　３ｍｍの大きさの透明基板を得た
。上記ＣＲ−３９の屈折率は１．５０４であった。

直径３．９１の円形の穴を複数個有する厚さ１．０ｆｆ
ｌｒｎのポリエチレンのマスクを上記透明基板の表面に
付着した後、屈折率１．５７７５で８０℃の安息香酸ビ
ニル（ＶＢ）のモノマー中に上記ａ　明Ｍ　板ヲｔ＋消
して、上記マスク穴から上記モノマーをその透明基板内
に６０分間拡散移動させて共重合させた。

次いで、この透明基板を８０℃で数時間熱処理してから
その表面を研磨することによって、第３Ａ図及び第３Ｂ
図に示す特性を有する屈折率分布型レンズ部分を具備す
る平板状レンズ体を得た。

この平板状レンズ体にその前面からビーム径１ｍｍのヘ
リウム・ネオンレーザ光を平行光線として入射させた処
、焦点（焦点距離約３０ｍｍ）において上記入射光を２
５μｍのスポット状に集束させることができた。

具体例２ ＢＫ７と通称されている光学ガラス（Ｓｉ（ｈ６８．９
重量％、Ｂ２０：＋１０．１ｆｆｉ量％、ＮａＯ８，８
重量％、に２０日、４重量％、ＢａＯ２，８重量％）か
ら成りかつ５０ｍｍＸ　５０ｎ−ｍＸ　５ｍｍの大きさ
のガラス平板を透明基板として用意した。このガラス平
板の屈折率は１゜５１５であった。

直径１ｍｍの円形の穴を複数個有する厚さ０．１μｍの
マスクをＴｉＯ□のスパッタリングによって上記透明基
板の表面に形成した後、Ｔ１□ｓｏ、３０モル％、Ｚｎ
Ｓ０４４０モル％、Ｋ、ＳＯ，３０モル％の混塩を６０
０℃に加熱熔解した熔融塩中に上記透明基板を浸漬して
、上記マスク穴から上記熔融塩中のイオンを交換拡散さ
せる処理を８０時間行った。次いで、この透明基板に徐
冷操作を施して常温迄戻してから空気中に取出し、次い
で、その表面を研磨することによって、第３Ａ図及び第
３Ｂ図に示す特性を有する屈折率分布型レンズ部分を具
備する平板状レンズ体を得た。

この平板状レンズ体にその前面からビーム径１ｍｍのヘ
リウＪ、・ネオンレーザ光を平行光線として入射させた
処、焦点（焦点距離約５０ｍｍ）において上記入射光を
５０μｍのスポット状に集束させることができた。

なお、上述の具体例１及び２において、拡散移動又は交
換拡散の処理に先立って、透明基板の側縁及び裏面に、
必要に応じて上述のマスクと同様のマスクが形成されて
よい。

また、上述の実施例において、透明基板１１は、必ずし
も平板状である必要はなく、半円筒状などであってもよ
い。また、屈折率分布型レンズ部分１３．２４．２５は
、必ずしも第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す屈折率分布を有
する必要はなく、第１図に示す透明円柱体のような屈折
率分布を有していてもよい。

本発明は、上述のように、屈折率に変化を与える物質を
透明基板に内部拡散することにより、複数の屈折率分布
型レンズ部分を共通の透明基板中に形成するようにした
。従って、複数の屈折率分布型レンズ部分を具備、する
レンズ体を簡単な製造工程によって大量に製造すること
ができる。また、各屈折率分布型レンズ部分は上記内部
拡散時に共通の透明基板の表面を基準として相互に位置
合せされ、その後に個別に位置合せする必要がないから
、複数の屈折率分布型レンズ部分の相互の位置合せを簡
単かつ正確に行うことができる。

更にまた、共通の透明基板の表面のうちの複数の屈折率
分布型レンズ部分以外の表面が遮光層で被覆されている
から、余分な光が透明基板内に入射されるのを効果的に
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から公知の円柱形状の屈折率分布型レンズ
の斜視図である。 第２図〜第４図は本発明の一実施例を示すものであって
、第２図はレンズ体の製造工程を示す一部を縦断した斜
視図、第３Ａ図は屈折率分布型レンズ部分の軸線方向に
おける屈折率分布を示す図、第３Ｂ図は屈折率分布型レ
ンズ部分の軸線方向とは直交する方向における屈折率分
布を示す図、第４図はレンズ体の一部を縦断しかつハン
チングを部分的に省略した斜視図である。 第５図は多数の屈折率分布型レンズ部分を共通の透明基
板にマトリックス状に配設した場合の本発明の別の実施
例におけるレンズ体の一部を縦断しかつハツチングを部
分的に省略した斜視図である。 第６図及び第７図は本発明の更に別の実施例を示すもの
であって、第６図はレンズ体の斜視図、第７図は第６図
に示すレンズ体のハツチングを部分的に省略した要部の
縦断面図である。 なお、図面に用いた符号において、 １０−−−−−−−−−−・・・−拡散源１１−−−−
−−−−−−−−・・透明基板１２、２２．２３−−−
−−−・マスク（遮光層）１２ａ、２２ａ、２３ａ　−
穴 １３．２４．２５−−−−−−・屈折率分布型レンズ部
分である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、屈折率に変化を与える物質を上記透明基板にこの透
   明基板の表面の限定された領域から内部拡散することに
   よって、上記共通の透明基板中に形成された複数の屈折
   率分布型レンズ部分を具備し、上記共通の透明基板の上
   記表面のうちの上記複数の屈折率分布型レンズ部分以外
   の表面が遮光層で被覆されていることを特徴とするレン
   ズ体。 ２、各屈折率分布型レンズ部分が、上記共通の透明基板
   の共通の面に垂直な少なくとも１つの断面内でほぼ半円
   形状の屈折率分布領域を有し、この半円形状の屈折率分
   布領域が、上記共通の面上の一点を中心として放射方向
   に向けて次第に変化する屈折率分布を有する特許請求の
   範囲第１項に記載のレンズ体。