JPH0360081B2 - - Google Patents

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JPH0360081B2
JPH0360081B2 JP57142991A JP14299182A JPH0360081B2 JP H0360081 B2 JPH0360081 B2 JP H0360081B2 JP 57142991 A JP57142991 A JP 57142991A JP 14299182 A JP14299182 A JP 14299182A JP H0360081 B2 JPH0360081 B2 JP H0360081B2
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JP
Japan
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refractive index
lens
glass plate
optical axis
glass
Prior art date
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JP57142991A
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English (en)
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JPS5933415A (ja
Inventor
Akitaka Momokita
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Sheet Glass Co Ltd filed Critical Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication of JPH0360081B2 publication Critical patent/JPH0360081B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/0087Simple or compound lenses with index gradient

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光軸方向に屈折率分布が変化している
レンズに関する。
一般に球面レンズは第4図に示すようにレンズ
光軸近くに入射した平行光線20の焦点21に比
べてレンズ光軸から離れた位置に入射する平行光
線22の焦点23の方がよりレンズ面寄りに位置
するという本質的な軸上収差をもつている。
このような収差を排除する一方法としてレンズ
面をほぼ理想面通りの非球面に加工する方法があ
るが、この非球面加工には極めて高度の研磨加工
技術が要求され非常に高価なものになるという欠
点がある。
本発明の主な目的は、光軸から離れた周辺部の
光軸の軸上収差を改善し、しかも非球面加工の必
要がなく製造の容易な低収差レンズを提供するこ
とにある。
本発明の他の目的は上記のレンズを製造する方
法を提供することである。
上記目的を達成するために本発明では、少なく
とも片面が球面であるレンズ内に、屈折率が球面
の中心において最大で光軸の方向に他面に向けて
連続的に減少し且つ光軸に垂直な面内では一様で
あるような屈折率分布を設けてレンズを構成す
る。
上記構成によれば、レンズ内において無限小厚
みの相互に屈折率の異なる光軸に垂直なガラス層
が屈折率の高低の順に積層していてこれら各ガラ
ス層の端部がレンズの球面に露出することにな
る。このため高屈折率側を球面とした場合レンズ
の球面上では、屈折率が中心において最大で周辺
に向けて半径方向に連続的に減少し同心円状に同
一屈折率部分が存在するような屈折率分布を形成
することができる。
上記のレンズにおいては、球面側から入射する
光軸は中心から離れた位置ほど屈折率が低いので
屈折率が一様である球面レンズの場合に比べて光
軸から離れた位置ほど屈折が相対的に緩やかにな
る。
すなわち、レンズの光軸から離れた位置に入射
する光軸の焦点位置が屈折率一様な球面レンズに
比べてレンズ面から遠ざかりこれにより前述した
収差が補正される。
本発明に係るレンズはガラスあるいはプラスチ
ツクで製作することができ、その製造方法に特に
制限は無いが、好適な方法では母材ガラス板とこ
れに接触させた媒体との間で、ガラス修飾酸化物
を構成する陽イオンのイオン交換を行なわせて前
記母材ガラス板中に表面から内部に向けて厚み方
向に変化する屈折率分布を与え、この母材ガラス
板から必要な屈折率分布を持つ部分を切り出し、
前記母材ガラス板の厚み方向をレンズ光軸として
これに端面球面加工を施す。
以下本発明を図面に示した実施例について詳細
に説明する。
第1図イ,ロは本発明に係るレンズの断面図お
よび片半分省略正面図をそれぞれ示し、透明なガ
ラスまたはプラスチツクからなる基材1の片面1
Aを凸球面とし他面1Bを平面とした凸レンズで
あり、内部には後述のような屈折率分布が形成し
てある。
すなわち屈折率が球面1Aの中心において最大
で光軸2の方向に他面1Bに向けて連続的に減少
しており、且つ光軸2に垂直な各断面内では屈折
率が一様であるような分布をなしている。
上記構成のレンズは、厚みが無限小の屈折率一
様なガラス層をその屈折率をna,n1……nd……nb
と順次小さくしつつ積層し、このガラス層の法線
をレンズ光軸2として高屈折率側を光軸2上に曲
率中心をもつ凸球面1Aにした構造とみなすこと
ができる。
このようなレンズの球面1Aにおいては最大の
屈折率naの部分が中心に位置し、各屈折率n1,n2
……nd……のガラス層の端部が同心円状に露出し
ている。
つまりレンズの球面1A上に中心から外周に向
けて半径方向に連続的に屈折率が減少し円周方向
には屈折率が一様であるような屈折率分布が形成
される。
このレンズの球面1A側に光軸2からの距離が
異なる平行光線3A,3B,3Cをそれぞれ入射
させると、各光線3A,3B,3Cは互いに異な
る屈折率部分に入射する。
そして光軸2からの距離が離れるほど低屈折率
となつているので、屈折率一様な凸球面レンズに
おける光線3′に比べて外周側に寄るほど相対的
に屈折角が緩やかとなる。
このため遠軸光線の焦点が近軸光線の焦点より
もよりレンズ面寄りにくるという球面レンズ個有
の収差が上記屈折率分布の効果で相殺されて後述
の実施例に示されるように非常に低収差のレンズ
を得ることができる。
次に本発明のレンズの好適な製造方法を第2図
および第3図に基づいて説明する。
まずタリウム(Tl)、セシウム(Cs)、リチウ
ム(Li)などガラスの屈折率増加に寄与する陽イ
オンを含む組成のガラス板10を製作し、この母
材ガラス板10をガラスの屈折率減少に寄与する
イオンを含む媒体、たとえばナトリウムまたはカ
リウムの溶融塩11と接触させてガラス板内の表
面に近い部分にある前記イオン例えばタリウムイ
オンを溶融塩11中のナトリウムまたはカリウム
イオンと置換する。これによりガラス中のタリウ
ムに濃度分布を生じて、ガラス板10の肉厚内に
屈折率n(Z)が板厚中心で最大で板の両表面1
0A,10Aに向けてほぼ放物線状に減少し板面
10Aに平行な断面内では屈折率が一様であるよ
うな屈折率分布が形成される。
母材ガラス板10の組成としてはSiO260mol
%,B2O320mol%、Na2O+Tl2O20mol%や
SiO260mol%,B2O315mol%,Na2O+
Tl2O25mol%などが使用できる。
また上記主成分以外に例えば重量百分率で
ZnO4%以下、As2O3またはSb2O30.5%以下など
の副成分を含んでいても差し障えない。
この組成を有するガラスブロツクからガラス板
を切りだし、軸方向屈折率分布型レンズ素材とす
る。こうして得られたレンズ素材を530℃〜550℃
に保持された溶融硝酸カリウム塩浴中に保持し、
イオン交換処理すると板の中心におけるタリウム
の濃度はもとのガラスにおける濃度とほぼ等しく
板の肉厚中心から両面に向つてカリウムの濃度は
次第に増大する分布になる。
この結果、タリウムの濃度分布にほぼ比例した
屈折率分布が板の内部に形成される。
このイオン交換処理工程は拡散現像を利用して
いる。
所定のイオン濃度分布を得るまでに要する処理
時間は、絶対温度の指数函数に比例しているため
処理温度を上昇させると処理時間は短縮される。
しかしガラスの粘性による制限があり、一般的
に、logη=10(η=センチポアズ)以下にするこ
とはガラスの変形が生ずるため避けなければなら
ない。
またあまり長時間処理をすると溶融塩の熱的な
分解が生じ素材ガラスをアタツクして失透やクラ
ツクを生ぜしめたりすることにもなる。
したがつて母材ガラス板のlogηがおよそ10の粘
性になるような一定温度で500時間を越えない範
囲でイオン交換を行なうことが望ましい。
なお、ガラス板10の粘性がイオン交換処理中
にほぼ一定となるように、母材ガラス板10の組
成変化に応じて溶融塩等の媒体の温度を上昇また
は下降させる方法でもよい。
これにより厚みの大なガラス板でも比較的短時
間でイオン交換が可能となる。
または適当な時間でイオン交換を止め、ガラス
板をそのイオン交換温度以上の空気、シリコンカ
ーバイト等の媒質中に保持し所要の屈折率分布を
形成するようにしてもよい。
以上のようにして第3図に示すような屈折率分
布を横断面内に形成した母材ガラス板10の中か
ら必要な屈折率分布の領域を選んで切り出してこ
れをレンズ素材12とする。
次にこのレンズ素材12を、前記母材ガラス板
10の板面法線Z方向をレンズ光軸として高屈折
率面側を球面に、低屈折率面側を光軸に垂直な平
坦面にそれぞれ研磨加工仕上げする。
レンズ球面1Aの曲率半径Rは屈折率分布を考
慮して光線追跡計算から最も低収差となるように
決定される。
ここでレンズの軸方向屈折率分布n(Z)とし
て、たとえば n(Z)=n0(1−CZ)1/2 ただしCは定数 で表わされる分布を使用することができる。
この軸方向屈折率分布型レンズは厚みdと屈折
率分布n(Z)を与えれば曲率半径Rを変化させ
ることにより収差を正または負のいずれにも制御
することもできる。
これらのレンズは組み合せレンズを構成するレ
ンズの1つとして使用される。
以上に述べた実施例では、ガラス板の両面側か
らイオン交換を行なつて屈折率が板厚中心で最大
で両面側へ減少するような分布を与えたものを母
材として使用したが、ガラス板の片面にチタンの
蒸着等によりマスキングを施してガラス板の片面
側からのみイオン交換を行ない、一方の面から他
方の面に漸減する屈折率分布を形成してこれを母
材として使用してもよい。
本発明に係るレンズは従来の屈折率が一様なレ
ンズのすべての用途に広く用いることができる。
特にビデオデイスクの読み取りや書き込みに利
用する場合にはデイスクが正の軸上収差を持つこ
とを考慮して、屈折率分布、厚み、曲率半径の組
合せによりわずかに負の軸上収差を持つようにし
ておき、これが正の軸上収差をもつデイスクとの
組み合せにより補償されるようにしておくことも
できる。
実施例 1 モル百分率でNa2O10%,Tl2O10%,B2O320
%,SiO260%の組成をもつガラスを溶融し、厚
み3.0m/mのガラス板を作成した。
このガラス板を530℃に保たれた硝酸カリ溶融
塩中に浸漬しガラス中のタリウムイオンとナトリ
ウムイオンとを溶融塩中のカリウムイオンと交換
し、横断面内において第3図に示すような屈折率
分布をガラス板中に与えた。
次にこのガラス板から厚みd=1.0m/mで屈
折率分布がおよそ n(Z)=n0√1− ここでn0=1.602,C=0.120m/m-1で表現で
きる両面が平行平面のレンズ素材ガラスを得た。
次に光線計算から求めた曲率半径R=3.605m/
mの凸球面を上記の素材ガラスの高屈折率側に与
えた。
この屈折率分布型レンズの光軸に平行に球面側
から光軸を入射させた結果、このレンズは半径
2.49m/m90%以内の範囲で軸上収差が±2μm以
下と非常に小さい収差であることがわかつた。
実施例 2 実施例1で使用した厚みd=1.0m/mの素材
ガラスをさらに研磨して厚みd=0.5m/mで、
n(Z)=n0√1−,n0=1.602,C=0.120m/
m-1とした。
次にこの素材ガラスの高屈折率側面に曲率半径
R=3.690m/mの球面加工を行ない、光軸に平
行に球面側から光軸を入射させた結果、レンズ半
径1.86m/m90%以内の範囲で軸上収差±1μm以
下と極めて低収差であることがわかつた。
【図面の簡単な説明】
第1図イ,ロは本発明の一実施例を模式的に示
すそれぞれ断面図および一部省略正面図、第2図
は本発明に係るレンズの母材ガラス板をイオン交
換する工程を示す断面図、第3図はイオン交換処
理後の母材ガラス板から本発明に係るレンズ素材
を得る工程を示す断面図、第4図は従来のレンズ
における軸上収差を示す断面図である。 1……レンズ基材、2……光軸、3A,3B,
3C……平行光線、na,nb,n1,n2,nd……屈折
率、10……母材ガラス板、11……溶融塩、1
2……レンズ素材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 少なくとも片面が球面であるレンズ内に、屈
    折率が球面の中心において最大で光軸の方向に他
    面に向けて連続的に減少し且つ光軸に垂直な面内
    では一様であるような屈折率分布を設けたことを
    特徴とする軸方向屈折率分布型レンズ。 2 母材ガラス板とこれに接触させた媒体との間
    で、ガラス修飾酸化物を構成する陽イオンのイオ
    ン交換を行わせて前記母材ガラス板中に表面から
    内部に向けて厚み方向に変化する屈折率分布を与
    え、この母材ガラス板から必要な屈折率分布を持
    つ部分を切り出し、前記母材ガラス板の厚み方向
    をレンズ光軸として少なくとも片面に球面加工を
    施すことを特徴とする軸方向屈折率分布型レンズ
    の製造方法。
JP14299182A 1982-08-18 1982-08-18 レンズ及びその製造方法 Granted JPS5933415A (ja)

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