JPH0250103A - 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ｌ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０、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：ｌ−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率分布型レンズの場合
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。

なお、このような欠点を是正するために、本発明者等は
、屈折率に変化を与える物質を透明基板に内部拡散する
ことにより透明基板中に形成された屈折率分布型レンズ
部分を具備するレンズ体を案出し、これを特願昭５５−
１２８３９０号と゛して特許出願した。このように構成
されたレンズ体によれば、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。

この場合、上記屈折率分布型レンズ部分が共通の透明基
板に複数個設けられ、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−３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。このように構成されたレンズ体
によれば、このレンズ体に設けられた複数個の屈折率分
布型レンズ部分をその焦点距離が比較的小さくかつ小型
に構成することができ、また、複数個の屈折率分布型レ
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。

次に、このように構成したレンズ体の具体的な態様を第
２図〜第６図に示す参考例１〜３について説明する。

まず、第２図〜第４図に示す参考例１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のが好ましい。

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（Ｔｉ島）を用いてよい。

例えばＴｉ０ｚ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
（ｈ膜を形成し、次いで、このＴｉＯ□膜をフォトレジ
スト膜で被覆する。次いで、このフォトレジスト膜のう
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Ｔｉ０ｚ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１０を拡散
させて、以下に述べる所定の屈折率分布を基板１１内に
形成する。

第３Ａ図及び第３Ｂ図には、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（２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２（１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、−６次の二通りが考
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千ツマ−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及び２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３及び４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
の一方の面に平行光線１４を入射させると、この光線１
４は、屈折率分布型レンズ部分１３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。

次に、第５図に示す参考例２について説明すると、この
第５図には、レンズ体の第２図の場合とは別の製造工程
が示されている。

第５図においては、屈折率分布型レンズ部分の軸線１６
に相当するラインを中心として透明基板１１の表面に円
板状マスク１７が形成されてがら、基板１１の屈折率の
減少に寄与する拡散源１ｏが拡散される。そして、この
拡散が行われた基板１１の所定領域の屈折率は、拡散の
度合に応じて減少して、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レンズ体
が得られる。

なお、第２図に示す製造工程及び第５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るか
、或は、第５図において、拡散源として基板１１の屈折
率の増加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、第６図に示す参考例３について説明すると、上述
のレンズ体は、屈折率分布型レンズ部分を共通の透明基
板中に複数個設けるのが好ましいが、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
マトリックス状に構成するのに好適であり、第６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６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方向に
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６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。

次に、第２図に示す製造工程及び第５図に示す製造工程
の具体例を説明する。

具体例１ 過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）を４％加えたイソフタル酸
デイアリル（ＤＡＩ）を８０℃にて９０分間加熱して半
重合させることによって、５０ｍｍＸ　５０ｍｍｘ　３
ｍｍの大きさの透明基板を得た。上記ＤＡＩの屈折率は
１．５７０であった。

上記透明基板の表面に直径３．６ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ
のポリエチレンの円板状マスクを複数個付着した後、屈
折率１．４９４で約８０℃のメタクリル酸メチル（ＭＭ
Ａ）の七ツマー中に上記透明基板を浸漬して、上記透明
基板の上記マスク以外の表面から上記七ツマ−をこの透
明基板内に７０分間拡散移動させた。次いで、この透明
基板を８０℃で５時間以上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１ｎ＋ｍ（
７）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２５ｍｍ）において上記入射
光を２５μｍのスポット状に集束させることができた。

また、上記平板状レンズ体によって倒立実像が形成され
ることも確かめられた。

具体例２ 過酸化ベンゾイルを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、５０ｍｍＸ　５０
ｍｍＸ　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。

その中心に直径３．９ｍｍの円形の穴を有する厚さ１　
、０ｍｍのポリエチレンのマスクを上記透明基板の表面
に複数個付着した後、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透明基板を浸
漬して、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１ＩＩＩ１
１ノヘリウム・ネオンレーザ光を平行光線とじて入射さ
せた処、焦点（焦点距離約３０ｍｍ）において上記入射
光を２５μｍのスポット状に集束させることができた。

具体例３ ＢＫ７と通称されている光学ガラス（ＳｉＯｚ６８．９
重量％、ＢｚＯ＋１０．１重量％、Ｎａ０８．８重量％
、Ｋｚ０８．４重量％、Ｂａ０２．８重量％）から成り
かつ５０ｍｍＸ　５０ｍｍＸ　５ｍ＋ｗ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存する厚さ０．１μｍの
マスクをＴｉ０ｚ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、ｒｔ、ｓｏ、　３０モル％、Ｚ
ｎ５Ｏａ　４０モル％、Ｗ、ＳＯ４３０モル％の混塩を
６００℃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
に徐冷扱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。

具体例４ ＳｉＯ，６０モル％、Ｂｚｏｓ２０モル％、Ｎａｚ０１
０モル％、Ｔ１２（１１０モル％から成りかつ５０ｍｍ
Ｘ５ＱＨｘ５ｍｍ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１．６１であっ
た。

上記透明基板の表面に直径３　、６ｍｍ、厚さ０．１μ
ｍの円板状マスクをＴｉ０ｚのスパッタリングによって
複数個形成した後、硝酸カリウムの５５０℃の熔融塩中
に上記透明基板を浸漬して、上記透明基板の上記マスク
以外の表面から上記熔融塩中のイオンを交換拡散させる
処理を２５０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を得た。

この平板状レンズ体の焦点距離は２５ｍｍであった。

なお、上述の具体例１〜４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。

本発明は、前述の参考例１〜３におけるレンズ体を更に
改良して、その焦点距離が小さいレンズ体を簡単な製造
工程によって大量に製造し得るようにしたものであって
、透明基板中に形成された第１及び第２の屈折率分布型
レンズ部分を具備し、上記第１の屈折率分布型レンズ部
分は、屈折率に変化を与える物質を上記共通の透明基板
にその一方の面から内部拡散することにより形成され、
上記第２の屈折率分布型レンズ部分は、上記透明基板の
厚さ方向において上記第１の屈折率分布型レンズ部分と
対向するように、屈折率に変化を与える物質を上記共通
の透明基板にその他方の面から内部拡散することにより
形成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。

本発明において、第１及び第２の屈折率分布型レンズ部
分の一方又は両方が、上記共通の透明基板の一方又は他
方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、上記一方又は他方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。

このように構成すれば、その焦点距離が一層小さいレン
ズ体を提供することができる。

次に、本発明の一実施例を、第２図を参照しつつ、第７
図及び第８図について説明すると、第７図及び第８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７図及び第８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８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。

なお、上述の実施例においては、第２図の場合と同様に
してレンズ体を製造するようにしたが、第５図の場合と
同様にして製造することも可能である。従って、具体的
には、°既述の具体例１〜４の任意の一つに従って製造
することができる。また、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１個だけ形成してもよいし、２個
又はそれ以上形成してもよ（、例えば、ライン状又はマ
トリックス状（第６図参照）に多数個形成してもよい。

また、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、第１及び第２
のレンズ部分２４及び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、これらの
レンズ部分の一方又は両方が第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。

更にまた、上述の実施例において、マスク２２及び２３
はその後に必要に応じて取除かれてもよい。しかし、こ
れらのマスクが不透明材料から成っていると、残存する
マスクによって、透明基板の表面のうちの屈折率分布型
レンズ部分２４．２５以外の表面から透明基板内に光が
入射するのを防止することができる。

本発明は、上述のように、互いに対向する第１及び第２
の屈折率分布型レンズ部分から成る組合せレンズ部分を
具備しているから、単一の屈折率分布型レンズ部分の場
合に較べて、焦点距離の小さいレンズを提供することが
でき、また、焦点距離が小さい割には、小型に構成する
ことができる。

また、第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分を共通の
基板に内部拡散により形成するようにしたから、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、第
１及び第２の屈折率分布型レンズ部分を互いに対向させ
る位置合せを簡単かつ正確に行うことができる。

【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６図は特願昭５５−１２８３９０号め発明に
基づく本発明の参考例を示すものであって、第２図は参
考例１のレンズ体の製造工程を示す一部を縦断した斜視
図、第３Ａ図は同上の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図は同上の屈折
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図は同上のレンズ体の一部
を縦断しかつハツチングを部分的に省略した斜視図、第
５図は第２図の場合とは別の参考例２のレンズ体の製造
工程を示す一部を縦断した斜視図、第６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
に配設した場合の参考例３の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７図及び第８図は本発明の一実施例を示すものであっ
て、第７図はレンズ体の斜視図、第８図は第７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、 １１−・−・・−・・−・−・・−・・透明基板２２．
２３−・−・・−・−マスク ２２ａ、２３ａ・・・−・−穴 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、透明基板中に形成された第１及び第２の屈折率分布
   型レンズ部分を具備し、 上記第１の屈折率分布型レンズ部分は、屈折率に変化を
   与える物質を上記共通の透明基板にその一方の面から内
   部拡散することにより形成され、上記第２の屈折率分布
   型レンズ部分は、上記透明基板の厚さ方向において上記
   第１の屈折率分布型レンズ部分と対向するように、屈折
   率に変化を与える物質を上記共通の透明基板にその他方
   の面から内部拡散することにより形成されていることを
   特徴とするレンズ体。 ２、第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分のそれぞれ
   が、上記共通の透明基板の一方及び他方の面に垂直な少
   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、上記一方及び他方の
   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。