JPH04119943A - 光学素子及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば複写機やファックス等の光学系に用い
られる光学レンズあるいはグレーテッド型ガラスファイ
バーなどの光学素子およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 従来、光学材料内の屈折率を分布させた光学素子として
、セルフォックレンズ（登録商標）が知られている。

このセルフォックレンズ（登録商標）をはじめとする分
布屈折率レンズは、従来イオン交換法と呼ばれる製造方
法によって製造されていた。

このイオン交換法は、屈折率に対する寄与度の大きいイ
オンを選び、予めガラスロッド中にドープしておく。そ
して、このガラスロッドを屈折率に対する寄与度の低い
イオンを含む熔融塩の中に浸漬させ、高温下でイオンの
相互拡散を生じさせたものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが従来から用いられている上記イオン交換法は、
熔融塩の成分、温度、浸漬時間、塩浴槽内の分布等から
なる複数の制御対象が存在するために、分布屈折率レン
ズの品質を一定に保持することが困難であるという問題
がある。さらに、これが製造工程の複雑化、長時間化の
一要因となっており、製造コストを低減させたいとり１
つ要望（こ対しても応えることができないとし）う問題
力Ｓあった。

そこで本発明は、容易に一定品質を保持することができ
、しかも乾式の工程にて製造が容易に短時間で行なえる
光学素子およびその製造方法の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明による光学素子は、多成分ガラスに含まれる金属
または金属酸化物のうち屈折率に影響を与えるものの分
布率を拡散又は析出によって変えることにより、多成分
ガラス内の屈折率を変化させたことを特徴とするもので
ある。

また多成分ガラスの一例は、ＳｉＯ□ ｐｂＯＢａｄ、Ｂ２０ｓ　、Ｌａｇ　０ｓＺｎＯ，Ｌ１
２０．Ｋａ　Ｏのうちの少なくとも２種類以上を主成分
とし、分布率を変える成分がＰｂ　　Ｂａ、ＢｙＬａ、
Ｚｎのいずれか１種または複数種の金属又はその金属の
酸化物である。

さらに本発明による上記光学素子の製造方法は、屈折率
に影響を与える金属またはこの金属の酸化物あるいは屈
折率の相違する成分のガラス材料の層を多成分ガラスの
表面に密着させる工程と、密着された層と多成分ガラス
を加熱処理して、屈折率に影響を与える金属または金属
酸化物を多成分ガラス内に拡散させる工程とを備えたこ
とを特徴とするもの、 あるいは、多成分ガラスの表面に金属または金属炭化物
の層を形成する工程と、これらを加熱し多成分ガラスの
成分のうちの屈折率に影響を与える金属または金属酸化
物を析出させて前記金属または金属炭化物と反応させ、
多成分ガラス内の金属または金属酸化物の分布率を変え
る工程と、反応した後の前記金属または金属炭化物の層
を除去する工程とを備えたことを特徴とするものである
。

［作　用］ 上記構成の光学素子は、多成分ガラスの成分のうちのあ
る金属またはその酸化物が屈折率に影響を与えるもので
あることを確認した上で発明されたものであり、この屈
折率に影響を与える金属または金属酸化物の分布率を変
化させることにより、分布屈折率レンズまたはグレーテ
ラ：！型ガラスファイバーなどを得ることができる。

例えば、多成分ガラスが、Ｓ　ｉ　Ｏｘ　、　Ｐ　ｂｏ
。

Ｂａｄ、Ｂ！　　Ｏｘ　、Ｌａ２０ｓ　、Ｚｎ０Ｌ　ｉ
　ｘ　Ｏ，Ｋａ　０のうちの少な（とも２種類以上を主
成分とするものである場合、Ｐｂ、Ｂａ。

Ｂ、Ｌａ、Ｚｎあるいはその酸化物であるＰｂＯ，Ｂａ
ｄ、Ｂａ　Ｏｎ　、Ｌａｇ　０ｘＺｎＯ，Ｌｉｔ　Ｏ，
Ｋｇ　Ｏが屈折率を上げるための成分であり、この金属
または金属酸化物の分布率の高い部分と低い部分を形成
することにより、レンズなどの光学素子を得ることがで
きる。

この光学素子の製造方法としては、多成分ガラスの表面
に屈折率に影響を与える金属また金属酸化物あるいは屈
折率の相違するガラス材料の層を密着させる。そして、
これらを加熱処理して、屈折率に影響を与える金属また
は金属酸化物を多成分ガラス内に拡散させる。これによ
り屈折率の相違する部分または層が形成され、レンズま
たはグレーテッド型ガラスファイバーを構成できる。

他の製造方法としては、多成分ガラスのうちの屈折率に
影響を与える金属または金属酸化物を析出させてガラス
内部の屈折率を変えるものである６例えば多成分ガラス
の成分のうちｐｂは拡散しやすい性質をもっており、ガ
ラス表面に活性度の高い金属層または金属炭化物層を形
成してガラス点移転以上の温度に加熱すると、前記ｐｂ
はガラス表面から析出して金属または金属炭化物と反応
する。これにより均一な屈折率の多成分ガラス内の屈折
率が下がる部分または徐々に下がる部分を構成でき、こ
れによっても光学レンズなどを得ることができる。この
方法では、例えば円柱状の多成分ガラスを使用して、そ
の周面部から中心部にかけて屈折率を徐々に高めた光学
素子を得ることができ、これは従来のセルフオ、ツクレ
ンズと同等に使用することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

く第１実施例〉 第１図（Ａｌ　、　（Ｂｌ　は多成分ガラス板に拡散層
を形成した光学素子を示す斜視図、同図（Ｂ）は同図ｆ
ＡｌのＡ−Ａ断面図、第２図（Ａｌ　、　（Ｂ）はその
製造工程を示す分解斜視図である。

第１図ｔＡ）　、　ＦＢ）に示す光学素子１は、多成分
ガラスを板状に成形した光学ガラス２の表面にこれと異
なる成分のガラス材料４を密着させ、これらを加熱して
ガラス材料４と光学ガラス２とを溶融させている。これ
により、光学ガラス２の表面に屈折率に影響のある金属
酸化物の分布が高くなり且つ徐々に分布率の変化する領
域を形成している。これにより、光学ガラス２の表面に
、連続的に屈折率を変化させた拡散層（分布屈折率レン
ズ）３が形成される。

前記光学ガラス２として使用される多成分ガラスは、５
ｉｆｔ　、ＰｂＯ，Ｂａｄ、Ｂ２０３　。

Ｌａｇ　Ｏｘ　、ＺｎＯ，Ｌｉ２Ｏ，に２０等の成分の
うち少なくとも２種類以上を主成分としたものである０
本実施例では、５１０２が３６゜２％、ＰｂＯが５５．
６％、Ｋ２Ｏが４．８％、ＮａｚＯが１．５％、ＴｉＯ
が１９％からなる５Ｆ１５と呼称される多成分ガラスで
ある。

前記拡散層３は、第１図ｆＢｌに示すように、上記光学
ガラス２の図示上面の中心層３ａの部分のＰｂイオン濃
度が高く、この中心層３ａから最外側層３ｂに向かって
徐々にｐｂイオン濃度が低下するように形成されており
、これにより図示上方から入射する光（図示しない）を
屈折させるようにしている。

以上のように構成された光学レンズの製造方法について
第２図ｆＡｌ　、　（Ｂｌ　をも参照して説明する。

まず、図中符号４で示す金属酸化物を含むガラス材料を
、光学ガラス２の図示上面２ａ上に密着させる。

この場合のガラス材料４として、本実施例では例えばＳ
Ｆ６と呼称されるもので、ＰｂＯの組成比が高く、前記
５Ｆ１５よりも屈折率の高い多成分ガラスが使用されて
いる。その成分比は、ＳｉＯ□が２６．９％、ＰｂＯが
７１３％、Ｋ２Ｏが１．０％、Ｎ　ａ　ｔ　Ｏが０．５
％、Ａ３゜０３が０３％のものを用いている。

次に、これらを加熱処理して溶融させるが、これにより
、ガラス材料４に含まれる成分のうち屈折率を高めるも
のである主にＰｂＯ成分が光学ガラス２に拡散される。

この場合の加熱処理条件としては、真空炉内で５２０℃
の温度を保持して３時間程度加熱処理した。これにより
ガラス材料４内の主にＰｂＯ成分は、光学ガラス２内に
拡散する。

そして、光学ガラス２の図示上面２ａに融着しているガ
ラス材料４を研磨加工して平面状にする。

そして最後に、この研磨面（図示上面）２ａに反射防止
膜をコーティングする。

以上の工程により、第１図（Ａｌ、ＦＢ＋に示すような
分布屈折率レンズとなる拡散層３を有する光学素子１が
完成する。

上記実施例ではＰｂＯの成分比の高いＳＦ６をガラス材
料４として使用し、加熱処理によりＰｂＯを光学ガラス
２内に拡散させている。このＰｂＯはガラス成分の中で
は非常に拡散しやすい性質を有しているものである。し
かしながら拡散させる金属酸化物としてはＰｂＯに限ら
れない。

例えば、Ｂａｄ、Ｂ２０ｓ　、Ｌａ２０ｓＺ　ｎ　Ｏ，
Ｌ　ｉ　ａ　Ｏ，Ｋｔ　Ｏの成分比の高いガラス材料を
光学ガラス２の表面に密着させて加熱し、これらの金属
酸化物を拡散することによっても、屈折率の徐々に変化
する拡散層を形成することは可能である。

〈第２実施例〉 前記第１実施例では金属酸化物を拡散させるためにＳＦ
６などのガラス材料を用いたが、この実施例は拡散させ
るための金属酸化物としてＰｂＯ自体を用いている。

この場合の製造工程について第３図ｆＡ）乃至（Ｅ）を
参照して説明する０本実施例以下では、前記実施例中で
説明したものと同様のものについては同一の符号を附す
。

まず、前記と同様の多成分ガラス（ＳＦ１５）からなる
光学ガラス２上にＰｂ０層６を形成する。

本実施例では、同図ｆＡｌ及びｆＢｌ　に示すように、
光学ガラス２上にＰｂＯ層を所望形状に形成するために
、マスキング部材５を設置し、この上からＰｂＯを蒸着
またはスパッタリングにより付着させ、ＰｂＯ層を形成
している。このマスキング部材５は形成しようとするＰ
ｂＯ層の形状にほぼ一致させた切欠部５ａを有するもの
である。

以上の工程により、同図（Ｃ）に示すようなＰｂＯ層６
が形成される。

次に、これらを加熱処理してＰｂＯを光学ガラス２内に
拡散させる。

この場合の加熱処理条件としては、真空炉内で光学ガラ
ス２のガラス転移点温度以上及びＰｂ０層６が拡散する
温度以上の温度で所定時間加熱処理する。この加熱処理
温度は、両者の成分、大きさ等を勘案して適宜設定され
る。

以上のようにして、同図ｆＤｌ　に示すように、ＰｂＯ
成分が、光学ガラス２内に拡散して拡散層７すなわち分
布屈折率レンズが形成される。

そして、光学ガラス２の図示上面２ａに蒸着されている
Ｐｂ０層６を研磨加工して、同図ｆＥｌ　に示すように
光学ガラス２の表面を平面状に研磨する。そして、研磨
面上に反射防止膜をコーティングする。

以上の工程により、形成された拡散層７は第１図ＣＢ＋
に示したものと同様であり、光学ガラス２の表面におい
てＰｂＯの分布率が高く内部にいくに従って徐々に分布
率が低くなる。ｐｂｏの分布率の高い部分は屈折率が低
くここから徐々に屈折率が低くなる分布屈折率レンズが
形成される。この実施例では第４図に示すように分布屈
率レンズとなる拡散層７が複数並んだ光学素子８が形成
される。

ところで、上記各実施例では拡散層を光学ガラス板の片
面だけに形成したものを示すが、第５図に示すように光
学ガラス板の対向する二つの面２ａ、２ｂであって、そ
れぞれ対向する位置に１又は２以上の拡散層１０を形成
するようにしてもよく、さらに光学ガラス板内部に拡散
層を形成させてもよい。

以上詳述した各実施例によれば、製造工程において従来
のように熔融塩の成分、温度、浸漬時間、塩浴槽内の分
布等からなる複数の制御を行なう必要がなく、単に加熱
温度及び加熱時間を制御すればよいので、分布屈折率レ
ンズの品質を一定に保持することが容易である。従って
、製造が容易にできるとともに、短時間で行なえるとい
う利点を備えている。このために製造コストを低減させ
ることも可能である。

尚、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、そ
の要旨の範囲内において様々に変形実施が可能である。

例えば、上記第２実施例において、金属酸化物はＰｂ０
層６に限られるものではなく、屈折率を高めることので
きるＢａｄ、Ｂａ　ＯｓＬａｇ　Ｏｓ　、ＺｎＯ，Ｌｉ
ａ　Ｏ，に＊　Ｏであってもよい、またはｐｂなとの金
属層を光学ガラスの表面に密着させ、加熱によりこの金
属そのものをガラス内に拡散させてもよい、これらの金
属酸化物あるいは金属をガラス表面に密着させる方法と
しては蒸着やスパッタリングに限られず、各種形状のベ
レット状のものをガラス表面に乗せまたは接着してから
加熱してもよい、また棒状の材料を′加熱しながら連続
押しっけすることによりガラス内部に拡散させてもよい
、前記ｐｂなとの金属を使用する場合には、この連続押
しっけが最適である。

ここでガラス表面に密着させる金属酸化物または金属の
形状であるが、これは平板状のものや薄い層状態のもの
に限られず、円錐、角錐形状のものや半球状１球状、円
柱状、角柱状、海星形状円環形状のものであってもよい
、これらの形状を最適に選択することにより、拡散層の
形状や拡散濃度等に変化を与えることができると考えら
れる。

例えば、第６図（Ａ）に示すような拡散層１３を得るに
は、光学ガラス１４上に直径値の小さい円柱状に形成し
た金属酸化物又は金属の端面を押圧し、この状態で加熱
処理等を行なえばよい。

同図ｆＢｌ　に示す拡散層１５を得るには、同図ｆＡｌ
　と同様の方法で、円柱状に形成された金属又は金属酸
化物の直径値の大きなものを用いて、前述と同様に加熱
処理すればよい。

同図（Ｃｉ　に示す拡散層を得るには、円環形状に形成
された金属又は金属酸化物を光学ガラス１４上に載置し
た状態で、加熱処理した場合に得られる。

〈第３実施例〉 第７図ｆＡｌ　、　ｆＢ＋は本発明の第３実施例を示し
ている。この実施例では例えば光学ガラス２として前述
の５Ｆ１５またはＳＦ６などが使用される。

この光学ガラス２の表面には金属または金属炭化物の層
２１が密着している。この金属または金属炭化物の層２
１は加熱処理により多成分ガラスである光学ガラス２内
のｐｂを析出させ、これと反応しやすい物質またはｐｂ
イオンを吸収しゃすい物質が使用される。金属としては
例えばＳｉやＣｕ、炭化物としてはＳｉＣなどである。

これらの金属または金属炭化物の層２１を密着させた状
態で、光学ガラス２のガラス転移点以上の温度に加熱す
ると、光学ガラス２内のｐｂが金属などの層２１内に析
出し、その析出した部分では屈折率が低下する０例＾ば
第７図に示すように前記層２１を周辺部に厚く形成する
ことにより、２２ａで示す部分よりも２２ｂで示す部分
の屈折率が徐々に低下し、屈折率の分布した層が形成さ
れる。この屈折率の分布状態は前記層２１の形状により
変わる０例えば光学ガラス２の表面に、中央部が薄く、
周辺部が厚い層２１またはそれと逆の層２１を形成して
加熱することにより、内部の屈折率の分布状態が変わっ
た光学素子を得ることができる。

尚、加熱によりｐｂを析出させた後、層２１を除去し、
表面を仕上げ、反射防止膜を塗布する。

あるいは金属などの層２１の代わりに光学ガラス２の表
面に水溶液を設置して加熱し、ガラス内のｐｂを析出さ
せて、鉛酸塩などを合成させることも可能である。

〈第４実施例〉 前記各実施例では光学ガラスを板状に形成したものを示
すが、第８図に示すような円柱状のものであってもよい
。

同図に示す光学素子１７は、例えば光フアイバーケーブ
ルとして用いることができる。これは棒状又は線状の光
学ガラス１１の周面に金属または金属炭化物をコーティ
ングして加熱し、ガラス周囲のｐｂ又はＰｂＯなどを析
出させ、周囲部分に外周方向へ徐々に屈折率が低くなる
拡散層１２を形成したものであり、いわゆるグレーテッ
ド型ファイバーとして使用できる。これは前記第３実施
例の応用である。さらにこれを発展させ、円柱状の光学
ガラスの外周面からＰｂＯ等を析出させることにより、
内部から外周方向へ徐々に屈折率が低下する従来のセル
フォックレンズと同等の光学素子を得ることができるよ
うになる。

また、棒状または線状の光学ガラスの周囲にＰｂＯなと
屈折率を高める金属酸化物または金属をコーティングし
て加熱処理することにより、周囲部分にて屈折率が高く
、中心に向かって徐々に屈折率が低くなる拡散層を形成
するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述した本発明によれば、容易に一定品質を保持す
ることができ、しかも乾式の条件下で製造が容易に短時
間で行なえる光学素子及びその製造方法の提供ができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａｌ　は多成分ガラス板に拡散層を形成した光
学素子を示す斜視図、同図ｆＢｌは同図ｆＡ）に示すＡ
−Ａ断面図、第２図ｆＡｌ　、　（Ｂｌはその製造工程
を示す分解斜視図、第３図（Ａ）乃至ｆＥ）は他の一製
造工程を示す説明図、第４図は第３図（Ａｌ乃至（Ｅｌ
　に示す製造方法によって形成された光学素子を示す斜
視図、第５図は光学素子の他の一実施例を示す断面図、
第６図（Ａｌ乃至（Ｃ１は金属又は金属酸化物の形状等
を変えた場合の拡散層の変化を示す説明図、第７図ｆＡ
ｌ　ｆＢｌは他の実施例を示す断面図、第８図は光学レ
ンズのさらに他の実施例を示す斜視図である。 ｌ・・・光学素子、２・・・光学ガラス（多成分ガラス
）、３・・・分布屈折率レンズ（拡散層）、４・・・ガ
ラス材料。 出願人　　アルプス電気株式会社 代理人　　弁理士　野崎　照　夫・文 第１図 （Ａ） （Ｂ） 第２図 ０＼ 第３図 （Ａ） （Ｂ） 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多成分ガラスに含まれる金属または金属酸化物のう
   ち屈折率に影響を与えるものの分布率を拡散又は析出に
   よって変えることにより、多成分ガラス内の屈折率を変
   化させたことを特徴とする光学素子 ２、多成分ガラスはＳｉＯ＿２，ＰｂＯ，ＢａＯ，Ｂ＿
   ２Ｏ＿３，Ｌａ＿２Ｏ＿３，ＺｎＯ，Ｌｉ＿２Ｏ，Ｋ＿
   ２Ｏのうちの少なくとも２種類以上を主成分とし、分布
   率を変える成分がＰｂ，Ｂａ，Ｂ，Ｌａ，Ｚｎのいずれ
   か１種または複数種の金属又はその金属の酸化物である
   請求項１記載の光学素子 ３、請求項１または２記載の光学素子を製造する方法で
   あって、屈折率に影響を与える金属またはこの金属の酸
   化物あるいは屈折率の相違する成分のガラス材料の層を
   多成分ガラスの表面に密着させる工程と、密着された層
   と多成分ガラスを加熱処理して、屈折率に影響を与える
   金属または金属酸化物を多成分ガラス内に拡散させる工
   程とを備えたことを特徴とする光学素子の製造方法 ４、請求項１または２記載の光学素子を製造する方法で
   あって、多成分ガラスの表面に金属または金属炭化物の
   層を形成する工程と、これらを加熱し多成分ガラスの成
   分のうちの屈折率に影響を与える金属または金属酸化物
   を析出させて前記金属または金属炭化物と反応させ、多
   成分ガラス内の金属または金属酸化物の分布率を変える
   工程と、反応した後の前記金属または金属炭化物の層を
   除去する工程とを備えたことを特徴とする光学素子の製
   造方法