JPH0366270B2 - - Google Patents

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JPH0366270B2
JPH0366270B2 JP17349982A JP17349982A JPH0366270B2 JP H0366270 B2 JPH0366270 B2 JP H0366270B2 JP 17349982 A JP17349982 A JP 17349982A JP 17349982 A JP17349982 A JP 17349982A JP H0366270 B2 JPH0366270 B2 JP H0366270B2
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JP
Japan
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refractive index
lens
glass plate
glass
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Prior art date
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JP17349982A
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JPS5964547A (ja
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Akitaka Momokita
Eiji Okuda
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Publication date
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  • 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8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。
上記の欠点を無くした低収差のレンズとして、
少なくとも片面が球面であるレンズ内に、屈折率
が片面から他面に向けて厚み方向に連続的に減少
し且つ光軸に垂直な面内では一様であるような屈
折率分布を設けたレンズが提案されている。
上記構造によれば、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
光線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
る光線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。
本発明の目的は上述したような軸方向屈折率分
布型のレンズを安価なコストで能率良く製造する
ことのできる方法を提供することである。
本発明に従つた方法では、平行平面をもつ母材
ガラス板の少なくとも片面に、タリウム(Tl)、
リチウム(Li)、セシウム(Cs)のうちから選ん
だ一種または二種以上の陽イオンを含む媒体を拡
散浸透させて該陽イオンの濃度分布でガラス板中
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,ロは本発明方法で製造されるレンズ
の断面図および片半分省略正面図をそれぞれ示
し、透明なガラスからなる基材の片面1Aを凸球
面とし他面1Bを平面とした凸レンズ1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レンズ面1Aの中心に
おいて最大で光軸2の方向に他方のレンズ面1B
に向けて連続的にnaからnbまで減少しており、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。
つまり光軸2と球面レンズ面1Aとの交点にお
ける屈折率をna、その点から光軸方向の距離をZ
とすると、この点における屈折率は、 n(z)=naf(z) ……(1) で表わすことができる。
ここでf(z)はzについての単調減少関数で
ある。
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。
次に本発明方法の実施例を第2図および第3図
に基づいて説明する。まずアルカリボロシリケー
トガラスなどアルカリ金属を含むガラスでガラス
板10を製作し、このガラス板10をタリウム
(Tl)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のうちか
ら選んだ一種または二種以上の陽イオンを含む媒
体、たとえば硫酸タリウムからなる溶融塩11と
接触させてガラス板内の表面に近い部分にあるナ
トリウムイオンと溶融塩中の前記陽イオンを置換
する。
これによりガラス板10の表面でタリウム濃度
が最大で内部に向けて次第に減少する濃度分布を
生じ、ガラス板10の肉厚内に屈折率n(z)が
板の両面10A,10Aで最大で内部に向けてほ
ぼ放物線状に減少して中央で最小であり、且つ板
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。
またタリウムの代りにリチウムあるいはセシウ
ムを含む溶融塩11を用いた場合でもこれらの陽
イオンはいずれもガラスの屈折率増加に寄与する
ので上記と同様な屈折率分布をガラス板10内に
形成することができる。
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の転移温度付近でイオン
交換処理することが好ましい。
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
ーバイド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方向に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小
で両面側へ増大するような分布を与えたものを母
材として使用したが、第4図に示すようにガラス
板10の片面にチタンの蒸着等によりマスク13
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、マスク13を施さない面からマスク13
を施した面に向けて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。
また本発明においてイオン交換処理は第5図に
示すようにガラス基板10の片面を例えば
Tl2SO4とZnSO4の混塩からなる溶融塩11Aに
浸漬し、基板10の他面の周囲に液密状態にせき
14を設けて内部に他の溶融塩11Bを満たし、
両溶融塩11A,11B内に電極板15A,15
Bを配置してこれら両電極間に電圧印加して溶融
塩中の陽イオンのガラス内への拡散を促進するこ
ともできる。
なお、本発明方法によつてガラス基板中に形成
される屈折率分布は使用するガラスの組成によ
り、第6図の実線aのような上に凸の状態から連
続的に変化し破線bのような下に凸の状態に変化
させることができる。
本発明方法において上記屈折率分布の分布形状
に特に制約はないが、極めて低収差(例えば収差
1μm以下)のレンズを得るためには、屈折率分布
を例えば n(z)=n0(1−CZ) ……(2) または、 n(z)=n0√1− ……(3) あるいはこれらの中間の屈折率分布とすること
が望ましい。
そしてレンズ厚みがガラス基板10厚みよりも
十分小さくなつてもよい場合には、第6図のよう
にイオン交換でガラス基板中に形成された単調減
少屈折率分布の中から必要とする屈折率分布をも
つ厚みdのガラス板部分を基板両面からの研削、
研磨等により取り出せばよい。
実施例 1 光学ガラスのBK7を用いて厚み2.0mmの両面が
研磨された平行平面のガラス基板10を作成し
た。
このガラス基板を、Tl2SO4 60モル%、ZnSO4
40モル%の混塩からなり590℃に保つた溶融塩中
に浸漬し、ガラス中のアルカリイオン(Naイオ
ン,Kイオン)と溶融塩中のTlイオンとの間の
イオン交換処理を約300時間行なつた。
このようにして厚みt=2.0mmのガラス板中に
形成された屈折率分布の中から、このガラス板を
ラツピングポリツシユすることにより厚み1.5mm
で屈折率分布が、高屈折率面の屈折率np=1.612
この面から内部へzmmの距離における屈折率n
(z)が、 n(z)=n0√1−0.08015× で近似できるレンズ母材ガラス板を製作した。
次に光線追跡計算から求めた曲率半径R=
5.550mmの球面加工を上記の高屈折率面側に施す
とともに、抵屈折率面は平面のままとして厚みd
=1.5mm、レンズ半径7.59mmの軸方向屈折率分布
型レンズを作成した。
このレンズの球面側に光軸に平行に光線を入射
させた結果、レンズ半径の80%以内で軸上収差が
±2μm以下であることがわかつた。
このときの収差曲線を第7図にグラフで示す。
グラフのたて軸はレンズ半径Xnaxに対する中
心から入射光線までの距離Xの比をあらわす。
実施例 2 実施例1で製作した厚み1.5mmで内部に屈折率
分布を形成したレンズ母材ガラス板をさらにラツ
ピングポリツシユして厚みd=1.0mmで屈折率分
布が最大屈折率n0=1.612として、 n(z)=n0√1−0.08015×(mm) で表わされる基板とした。
次に曲率半径R=5.640mmの球面加工を上記基
板の高屈折率面側に施し低屈折率側面は平面のま
まとして軸方向屈折率分布型レンズを製作した。
このレンズの球面側から光軸に平行に光線を入射
させた結果、レンズ半径6.41mmの80%以内で軸上
収差が±1μm以下であることがわかつた。
【図面の簡単な説明】
第1図イ,ロは本発明方法で製造される軸方向
屈折率分布型レンズを示す縦断面図および一部省
略正面図、第2図は本発明方法でガラス基板を溶
融塩に浸漬してイオン交換する工程を示す縦断面
図、第3図は第2図のイオン交換処理で得られた
屈折率分布ガラス板およびこのガラス板を加工し
て得られるレンズを示す縦断面図、第4図は本発
明方法でイオン交換するガラス基板の他の例を示
す縦断面図、第5図は本発明方法で基板のイオン
交換を電圧印加で行なう例を示す縦断面図、第6
図は本発明方法でガラス基板内に形成される屈折
率分布の例を示すグラフ、第7図は本発明方法に
よつて得られる軸方向屈折率分布型レンズの軸上
収差の例を示すグラフ、第8図は屈折率分布のな
い凸レンズの収差を示す縦断面図である。 1…軸方向屈折率分布型レンズ、1A…球面、
2…光軸、3A,3B,3C…光線、10…ガラ
ス基板、11,11A,11B…溶融塩、12…
レンズ素材、R…曲率半径、13…マスク。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 平行平面をもつ母材ガラス板の少なくとも片
    面に、タリウム(Tl)、リチウム(Li)、セシウ
    ム(Cs)のうちから選んだ一種または二種以上
    の陽イオンを含む媒体を接触させ、イオン交換に
    より前記陽イオンをガラス板内に拡散浸透させて
    該陽イオンの濃度分布で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も
    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。
JP17349982A 1982-10-02 1982-10-02 軸方向屈折率分布型レンズの製造方法 Granted JPS5964547A (ja)

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JPH0750242B2 (ja) * 1985-01-31 1995-05-31 キヤノン株式会社 屈折率分布型メニスカスレンズ及びレンズ系
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