JPH0411841B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は光の進行すべき方向を横切る方向に屈
折率を次第に変化させた集束型レンズの改良に関
する。 中心軸から半径方向へｒの距離の点における屈
折率ｎ（ｒ）が近似的に次式の２乗分布式 ｎ（ｒ）＝no〔１−g²／２r²〕 ……(1) で表わされる円柱状透明体は既に集束型レンズと
してよく知られている。但し、noは中心屈折率、
ｇは２乗分布定数である。 ところで、中心軸から最外端まで歪みのない理
想的な集束型レンズの屈折率分布は ｎ（ｒ）＝no sech（gr） ……(2) で表わされることが知られている。 上記(1)式で表わされる分布形状と(2)式で表わさ
れる屈折率の理想分布とを比較すると、中心軸に
近い箇所では両者は高い精度で一致するが、周辺
部に近づくにつれて差が拡大し、(1)式の分布の方
が理想分布より屈折率が相対的に低くなる。つま
りこの場合、その集束型レンズの屈折率の理想的
な屈折率分布からの偏差は負（以後、負偏差と呼
ぶ）であり、偏差はレンズ収差の原因となる。最
近、ビデオデイスク用あるいはデジタルオーデイ
オデイスク用検出装置、光学像観察装置、光通信
用の各種デバイスなどに使用されるレンズには非
常に小径（一般に３mmφ以下）で開口数（N.A）
が大きく収差の小さい高性能のレンズが強く求め
られている。 本発明の主な目的は上記の諸要求を満たす改良
された集束型レンズを提供することである。 本発明の他の目的は上記のレンズを安価な装置
で量産できる製造方法を提供することである。 ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオンであつ
てガラスの屈折率分布への寄与の相対的に大な第
１の陽イオンのガラス中濃度が中心軸上で最大で
表面に向けて連続的に減少しており、またガラス
の修飾酸化物を構成する陽イオンであつて前記寄
与が第１の陽イオンよりも小な第２の陽イオンの
濃度が中心軸から表面に向けて増大していて、こ
れらイオンの濃度分布により、中心軸から表面に
むけて半径方向に近似的に二乗分布の屈折率分布
を成し、ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオン
であつて前記第１、第２の陽イオンと異なりかつ
ガラスの屈折率分布への寄与が前記第２の陽イオ
ンよりも大な第３の陽イオンの濃度が、表面を最
大とし内部に向けて一定深さまで連続的に減少
し、それより深部では一定又は実質的にゼロの分
布を成している集束性光伝送体を素材とする。 そして上記第３の陽イオンによつて第１図及び
第２図に示すように(2)式で表わされる理想分布２
よりも周辺部における屈折率が高い、よりなだら
かな形状のすなわち屈折率分布形状が理想分布形
状に対して周辺部で正の偏差をもつ屈折率分布３
を素材ガラスロツド１内に与える。 つまり、ガラス体外のイオン源に含まれる陽イ
オンと、ガラス中に含まれる陽イオンとの交換に
より形成されるこれら二種の陽イオンの濃度分布
の形状は、拡散法則に従つて一義的に定まつてし
まうため、これら二種イオンの拡散条件を制御す
るだけでは、前述したように屈折率分布のうち周
辺部のみを修正することはほとんど不可能であ
る。そこで本発明では、上記二種イオンで従来通
りの屈折率分布をつくつた上で、上記と異なる第
３の陽イオンをガラス体の周辺部近傍のみに限定
してイオン交換拡散させ、これにより前記二種の
イオンの交換のみで得られる屈折率分布形状のう
ち周辺部のみを上記第３陽イオンの濃度分布によ
つて修正するようにしている。 このような素材ガラスロツド１を所定の長さに
切断し、その両端面を平行平面に研磨した集束型
レンズ４では、その一方の端面から平行光線を入
射した場合、レンズの中心軸５に近い光線R₁が
レンズ端面４Ａの外に結ぶ焦点f₁とレンズ４の周
辺部に入射する光線R₂が結ぶ焦点f₂とでは位置ず
れを生じ、レンズ端面４Ａにより近い位置にf₁、
これよりも離れた位置にf₂がくる。 そして本発明では上記のように屈折率分布を制
御したガラスロツド１の少なくとも片端面に、第
３図に示すように研磨等により所定曲率の凸曲面
６を設けて収差を補正する。 凸曲面６は製造上の容易性から球面とするのが
好ましいが非球面であつてもよい。 また第３図のように一方の端面を凸曲面６と
し、他方の端面を平面とする以外に、第４図のよ
うに両端面とも凸曲面とすることもできる。 さらに凸曲面６は素材ガラスロツド１を直接加
工して設ける以外に第５図に示すように端面を平
面に加工した素材ロツド１に、屈折率分布を有し
ない通常の透明ガラスを用いて片面７Ａを平面と
し他面７Ｂを所定の凸曲面６とした凸レンズ７を
接合して構成してもよい。 上記のようにして得られるレンズ体は両端面が
平行平面の通常の集束型レンズに比べて開口角を
大きくとることができ、またガラス体内の屈折率
分布を制御することに比べて表面形状を所望曲率
の球面に加工することは比較的容易でしたがつて
高い精度で収差補正を行なうことができる。ま
た、一般の球面レンズに比較すると所定の開口
角、焦点距離を得るために与えるべき曲率は小さ
くて済む（曲率半径が大）ため、径が３mm以下の
非常に小さいものでも加工が容易である。 以下、本発明についてさらに詳しく説明する。 ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオンのガラ
ス体に対する屈折率分布への寄与のしかたは母体
となるガラス体の種類及び上記陽イオンの種類に
よつて異なる。 ガラスの屈折率に及ぼすあるイオンの存在の定
性的な影響は、一般的には関係するイオンの単位
体積あたりの電子分極の値または電子分極率／
（イオン半径）³の値を比較することにより知るこ
とができる。 ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオンの内で
代表的なものをそのイオン半径、電子分極率及び
電子分極率と（イオン半径）³との比の値とともに
第１表に示す。

【表】 各イオンはガラス体に対する屈折率分布への固
有の寄与をなしているため、修飾酸化物を構成す
るある陽イオンを含むガラスの屈折率と、その陽
イオンよりも前記寄与の小さい陽イオンで前記ガ
ラス中の陽イオンを１部又は全部置換したかたち
のガラスの屈折率とを比較すると一般に後者が前
者より小となる。 したがつて、表面から内部に向かつて次第に屈
折率が増大する集束型レンズは、ガラス体に対す
る屈折率分布への寄与の相対的に大な第１の陽イ
オンのガラス中濃度を表面から内部にむけて増大
させ、上記寄与が第１の陽イオンよりも小な第２
の陽イオンの濃度を表面から内部に向けて減少さ
せることにより得ることができる。 しかし、このような集束型レンズでは、上記第
１及び第２の陽イオンに如何なる組合せを選んだ
としても通常周辺部の屈折率分布は、(2)式で表わ
される理想的な屈折率分布よりも屈折率の値が相
対的に小さくなり、屈折率の負偏差を持つ。 そこで本発明では修飾酸化物を構成する第１及
び第２の陽イオンのガラス中濃度を従来通り表面
から中心部まで連続変化させるとともに、ガラス
の修飾酸化物を構成する第３の陽イオンに濃度変
化を持たせ、この第３陽イオンの影響力でガラス
全体の屈折率分布を周辺部において屈折率の値を
理想的な屈折率の値より大きくすることにより、
屈折率の正偏差を持たせ、端面に所定の凸曲面を
設けてこの正偏差を相殺させると同時にNAを増
大させる。 本発明における修飾酸化物を構成し得る第１、
第２及び第３の陽イオンとしてはLi⁺，Na⁺，
K⁺，Rb⁺，Cs⁺，Tl⁺，Au⁺，Ag⁺，Cu⁺，Mg⁺²，
Ca⁺²，Sr⁺²，Ba⁺²，Zn⁺²，Cd⁺²，Pb⁺²，La⁺³，
Sn⁺⁴の各イオン等が使用できる。 修飾酸化物を構成する陽イオンの中でも１価陽
イオンは他の陽イオンに比してより低い温度でガ
ラス内を拡散し得るから、本発明における第１、
第２及び第３の陽イオンとして１価陽イオンを選
ぶのが望ましい。 特に、表面から中心に向つて濃度が増大する第
１の陽イオンとしてTl⁺イオンを、表面から中心
に向つて濃度が減少する第２の陽イオンとしてア
ルカリ金属イオン例えばK⁺イオンあるいはNa⁺
イオンを使用すれば大きな屈折率の変化が得易く
なるので望ましく、この組合せに対しては周辺部
の屈折率を大な側に修正するための第３の陽イオ
ンとしてCS⁺イオンを用いるのが望ましい。CS⁺
イオンはNa⁺，K⁺イオンよりもガラスの屈折率
を高める作用が大きく、しかもガラス中に入つた
後においても失透などガラスに悪影響を及ぼすこ
とが少ない。 なお、本発明において第３陽イオンの濃度を連
続変化させる範囲について言えば、この範囲があ
まり狭いときは実用的な屈折率の修正効果が得ら
れず、またあまり範囲を大とすると製造時にイオ
ン交換等に多大の時間を要したりあるいは全体の
屈折率分布が所期の分布から外れたりする問題を
生じるため、集束性光伝送体の表面から中心まで
の深さを100％として最低限度表面から10％、ま
た最大限度表面から70％の範囲内とするのが望ま
しい。なおより好ましい範囲は表面から20％ない
し50％である。 本発明に係るレンズ体の素材となる集束性光伝
送体を製造する場合その製造方法に特に制限は無
いが、以下に述べる方法が比較的単純な構造の装
置で能率良く処理でき量産に好適である。 すなわち、修飾酸化物を構成する第１の陽イオ
ンを含むガラス体を、この第１の陽イオンとは異
なる修飾酸化物を構成する第２の陽イオンを含む
陽イオン源に接触させて、ガラス中の第１の陽イ
オンとイオン源中の第２の陽イオンと置換させる
ことにより表面から中心部まで次第に変化する屈
折率分布をガラス体に与える。 しかる後、あるいは同時に該ガラス体を、前記
第１、第２の陽イオンとは異なる修飾酸化物を構
成する第３の陽イオンを含む陽イオン源に接触さ
せて表面付近のみガラス中の陽イオンとイオン源
中の第３陽イオンとを置換させる。 上記方法でガラス体を陽イオン源と接触させる
に当つては、所定の陽イオンを含む硝酸塩、硫酸
塩などの単一の塩又は２種以上の混合塩にガラス
体を浸漬し塩及びガラスを加熱して塩及びガラス
中の陽イオンがガラス内部で拡散しうる温度に保
持する。 塩中の陽イオンが塩とガラスとの接触表面から
ガラス内部に拡散するに伴つて、ガラス中に存在
していた陽イオンの一部は拡散してガラスの外へ
出て行く。 その結果、接触表面に近いガラス中の陽イオン
は塩中に含まれていた陽イオンと置換される。 この結果塩からガラス内部に拡散した陽イオン
のガラス内部における濃度は接触面に近い程高
く、接触面から遠ざかるに従い低くなる。これと
逆に、ガラス内にはじめ存在していた陽イオンの
ガラス内部における濃度は接触面に近い程低く、
接触面から遠ざかるに従い高くなる。 本発明を実施するに当り、好ましい実施例では
第１の陽イオン例えばタリウムイオンを含むガラ
スをまず第２の陽イオンおよび第３の陽イオンを
同時に含む塩浴、例えば硝酸カリウムおよび硝酸
セシウムを含む混塩浴中に浸漬する。 上記のように、はじめから第２の陽イオンおよ
び第３の陽イオンを同時に含む塩浴中に浸漬する
方法以外に、まず第２の陽イオンのみを含む塩
浴、例えば硝酸カリウムの浴中に所定時間浸漬
し、その後、この溶中から取り出したガラスを第
３の陽イオンを含む他の塩浴、例えば硝酸セシウ
ムを含む塩浴中に浸漬する方法もある。 実施例 モル％でSiO₂61.6％、K₂O9.9％、Tl₂O8.2％、
ZnO20.3％の組成のガラスで直径3.0mmの丸棒をつ
くり、これを硝酸カリウム20重量％と硝酸セシウ
ム80重量％からなる570℃に保つた混合塩浴中に
900時間浸漬処理してレンズ素材をつくり、その
屈折率分布を測定した。一方、比較例として上記
組成の3.0mm径ガラス丸棒を従来法すなわち570℃
に保つた硝酸カリウム浴中で900時間浸漬処理し
た後、取り出して屈折率分布を測定した。 上記の結果を第２表に示す。 表中「計算値」は、中心軸の屈折率no＝1.640、
定数ｇ＝0.19mm^-1として(2)式から計算で求めた理
想分布の屈折率である。

【表】

【表】 また、上記のようにして得た実施例レンズ素材
についてエレクトロンマイクロプローブＸ線分析
法によりタリウムイオン、ナトリウムイオン、カ
リウムイオン、セシウムイオンの濃度分布を測定
した。 その結果を第６図に示す。 なお、第６図中ではイオンの濃度は任意の目盛
で表わしている。 第２表および第６図のグラフから、試料の表面
からおよそ750μmの深さ（半径の50％）までセシ
ウムイオンが漸減分布しており、この範囲の屈折
率が従来法によるものよりも相対的に高く、全体
としてｎ（ｒ）＝no sech（gr）で表わされる理想
分布よりも周辺部にいくに従いしだいに高くなつ
ていることがわかる。 集束型レンズ内では光線はサインカーブを描い
て蛇行し、蛇行ピツチＰはＰ＝2π／ｇの関係式
で表わされることが知られている。そこでｇ＝
0.190mm^-1の値を用いて計算した上記試料の蛇行
ピツチＰ＝33.07mmの４分の１よりも若干短かい
長さ８mmに切り両端を平行研磨し、その一端から
波長0.63μmの平行光を入射したところ、出射端
より0.20mmの位置にパワーがほぼガウス分布状の
スポツトを結びその１／e²のパワーの拡りは、
22μmであり、この時のレンズの開口数（NA）
は0.40であつた。 次にこのレンズの出射端をレンズ直径の３倍の
曲率半径９mmの凸球面に加工し、上記と同様の側
定を行なつたところガラス分布状の出射スポツト
の拡がりが1.5μmに減少し、かつ開口数を0.45に
高めることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用するレンズ素材における
平行入射光線の状態を示す側断面図、第２図は同
素材中の径方向の屈折率分布（実線）と理想分布
（破線）の比較を示すグラフ、第３図は本発明に
係るレンズ体での平行入射光線の状態を示す側断
面図、第４図は本発明の他の実施例を示す側断面
図、第５図は本発明のさらに他の実施例を示す側
断面図、第６図は本発明に係るレンズ体内の陽イ
オン分布状態の例を示すグラフである。 １……素材ガラスロツド、２……理想屈折率分
布、４……集束型レンズ、６……凸曲面、R₁，
R₂……光線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオンであ
   つてガラスの屈折率分布への寄与の相対的に大な
   第１の陽イオンのガラス中濃度が中心軸上で最大
   で表面に向けて連続的に減少しており、またガラ
   スの修飾酸化物を構成する陽イオンであつて前記
   寄与が第１の陽イオンよりも小な第２の陽イオン
   の濃度が中心軸から表面に向けて増大していて、
   これらイオンの濃度分布により、中心軸から表面
   にむけて半径方向に近似的に二乗分布の屈折率分
   布を成し、ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオ
   ンであつて前記第１、第２の陽イオンと異なりか
   つガラスの屈折率分布への寄与が前記第２の陽イ
   オンよりも大な第３の陽イオンの濃度が、表面を
   最大とし内部に向けて一定深さまで連続的に減少
   し、それより深部では一定又は実質的にゼロの分
   布を成していて、これにより屈折率分布形状が理
   想分布形状に対して周辺部で正の偏差をもつ集束
   性光伝送体の片端面又は両端面に、前記偏差を相
   殺する凸曲面を一体的に設けたことを特徴とする
   レンズ体。 ２ ガラスの修飾酸化物を構成する陽イオンであ
   つてガラスの屈折率分布への寄与の相対的に大な
   第１の陽イオンを含むガラス体を、ガラスの修飾
   酸化物を構成する陽イオンであつて前記寄与が第
   １の陽イオンよりも小な第２の陽イオンを含む陽
   イオン源に接触させて、両イオンの置換に基づく
   濃度分布により、中心軸から表面にむけて半径方
   向に近似的に二乗分布を成す屈折率分布をガラス
   体に与え、しかる後又は同時に該ガラス体を、ガ
   ラスの修飾酸化物を構成する陽イオンであつて前
   記第１、第２の陽イオンと異なりかつ第２の陽イ
   オンよりもガラスの屈折率分布への寄与の大きい
   第３の陽イオンを含む陽イオン源に接触させて、
   表面付近のみガラス中の陽イオンと陽イオン源中
   の陽イオンとを置換させ、これにより集束性光伝
   送体としての理想屈折率分布に比して周辺部を正
   の偏差をもつように修正し、しかる後、該集束性
   光伝送体の片端面又は両端面に一体的に凸曲面を
   設けることにより前記偏差を相殺するレンズ特性
   を付与することを特徴とするレンズ体の製造方
   法。