JPH044261B2 - - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は平板ガラスに適当なマスクを密着させ
金属イオンを部分的に拡散させて屈折率分布を形
成する平板マイクロレンズの製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a flat microlens in which a suitable mask is brought into close contact with a flat glass to partially diffuse metal ions to form a refractive index distribution.
さらに詳しくは、該平板ガラスに光学的に均質
なマイクロポーラスを有するガラス基板を用いる
ことにより、金属イオンの拡散処理時間を著るし
く短縮したことを特徴とする新規な屈折率分布形
の平板マイクロレンズの製造方法に関するもので
ある。 More specifically, it is a novel flat-plate microplate with a refractive index gradient, characterized in that the metal ion diffusion treatment time is significantly shortened by using a glass substrate having optically homogeneous microporous as the flat glass. The present invention relates to a method for manufacturing a lens.
マイクロレンズは、最近、集光用、結像用のレ
ンズとして注目を集め、ガラス製のロツド状マイ
クロレンズはすでに市販されているが、本発明に
係わる平板マイクロレンズを使えば一枚の平板上
に集積回路作成と同じ要領で多数のマイクロレン
ズをいつぺんにつくりアレー化することができ
る。 Microlenses have recently attracted attention as lenses for focusing and imaging, and glass rod-shaped microlenses are already commercially available, but if you use the flat microlens according to the present invention, it can be used on a single flat plate. In the same way as integrated circuits, a large number of microlenses can be created at any time and arranged into an array.
ロツド状のマイクロレンズは、すでにいろいろ
な分野で使われはじめており、たとえばそのひと
つにPPC（普通紙複写機）がある。PPCでは画像
の転写にレンズ系が必要で、従来は普通のレンズ
を使つていた。しかし、普通のレンズでは結像さ
せるのにかなりの距離がいるため複写機のサイズ
が相当大きくなつてしまう。そこで焦点距離の短
いロツド状マイクロレンズを数百本たばねてアレ
ー化し、これをレンズ系に使えば複写機の薄形小
形化ができる。 Rod-shaped microlenses have already begun to be used in various fields, one of which is PPC (plain paper copying machines). PPC requires a lens system to transfer images, and conventionally ordinary lenses were used. However, with a normal lens, it takes a considerable distance to form an image, making the size of the copying machine considerably large. Therefore, if several hundred rod-shaped microlenses with short focal lengths are tied together to form an array and used in the lens system, the copying machine can be made thinner and smaller.
このほか、光通信用の部品（分波器、カプラな
ど）にも使われ、さらに光学式ビデオデイスクの
レーザービーム集光用レンズとしても注目され
る。 In addition, it is used in optical communication components (branchers, couplers, etc.), and is also attracting attention as a lens for condensing laser beams in optical video disks.
しかし、このロツド状マイクロレンズは、例え
ばアレー化するためには数百本をたばねて固定化
しなければならないことのほか、屈折率がロツド
の中心軸から外周に向つてなだらかに減少する構
造にするため、Tl（タリウム）やCs（セシウム）
などの金属イオンをＫ（カリウム）などのイオン
と交換するための長時間に渡る熱処理をしなけれ
ばならない。通常この拡散処理時間は、150〜200
時間に及ぶため生産性は必ずしも良くない。 However, in order to make an array of rod-shaped microlenses, for example, several hundred rod-shaped microlenses must be tied together and fixed, and the refractive index must be structured so that the refractive index gradually decreases from the central axis of the rod toward the outer periphery. Therefore, Tl (thallium) and Cs (cesium)
In order to exchange metal ions such as K (potassium) with ions such as K (potassium), a long heat treatment must be performed. Usually this diffusion processing time is 150 to 200
Productivity is not necessarily good because it takes a lot of time.
この屈折率分布形のマイクロレンズでは、前記
した平板マイクロレンズにおいても同じ問題であ
る。 This gradient index microlens has the same problem as the above-mentioned flat plate microlens.
本発明は、このようなレンズ製作のための長時
間に渡る処理時間を、光学的に均質なマイクロポ
ーラスを有するガラス基板を用いることにより、
著るしく短縮して製造した屈折率分布形平板マイ
クロレンズを提供するものである。 The present invention reduces the long processing time required for lens production by using a glass substrate with optically homogeneous microporous.
The present invention provides a gradient index flat plate microlens manufactured with a significantly shortened structure.
一般にイオン拡散交換による屈折率分布の形成
は、電子分極率の小さいイオン（K+など）が電
子分極率が大で、高温での易動度の大きい修飾性
一価イオン（Tl+、Cs+など）と溶融塩の接触に
より界面を通じてイオン交換され、これによつて
生じるガラス基板内のイオン濃度分布に対応して
２乗分布近似の屈折率分布が生成されるのであ
る。 In general, the formation of a refractive index distribution by ion diffusion exchange involves ions with small electronic polarizability (such as K + ) having large electronic polarizability, and modified monovalent ions (Tl + , Cs + etc. ) with high mobility at high temperatures. ) and the molten salt, ions are exchanged through the interface, and a refractive index distribution approximating a square distribution is generated corresponding to the ion concentration distribution within the glass substrate.
図１は屈折率分布形レンズの光学特性を模式的
に示したものである。 FIG. 1 schematically shows the optical characteristics of a gradient index lens.
光線は、常に屈折率の大きい方向に曲げられ
るので、ガラス基板を透過するとも、高屈折率
領域で曲げられ、集光してで焦点を結ぶ。 Light rays are always bent in the direction of the higher refractive index, so even when they pass through the glass substrate, they are bent in the high refractive index region and are condensed into a focal point.
一般に拡散現象は以下の式で表わされる法則に
よつて起る。 In general, the diffusion phenomenon occurs according to the law expressed by the following equation.
∂C／∂t＝Ｄ△Ｃ＋div（μCF）
こゝでＣ：粒子濃度、Ｆ：粒子に作用する力、
μ：粒子の移動度、Ｄ：拡散係数で〔L2T-1〕の
次元をもつ。 ∂C/∂t=D△C+div(μCF) where C: particle concentration, F: force acting on particles,
μ: particle mobility; D: diffusion coefficient; dimension of [L 2 T -1 ].
拡散係数Ｄは、固体、液体の場合原子がその位
置を変える程度には活性エネルギーＥが必要で次
式のような関係が成立つ。 The diffusion coefficient D requires activation energy E to the extent that atoms change their positions in the case of solids and liquids, and the relationship as shown in the following equation holds true.
Ｄ＝（a2／τ0）ｅ×ｐ（Ｅ／kT）
ａ：粒子間隔、τ0：粒子の飛躍が起こる頻度、
ｋ：ボルツマン定数、
上成から判るように、拡散係数は温度によつて
著るしく変化すると同時に、粒子間隔の自乗に比
例して拡散係数は変化する。 D = (a 2 / τ 0 ) e x p (E / kT) a: particle spacing, τ 0 : frequency of particle jumps,
k: Boltzmann constant, As can be seen from the above, the diffusion coefficient changes significantly depending on the temperature, and at the same time, the diffusion coefficient changes in proportion to the square of the particle spacing.
本発明は従来のガラスへの金属イオンの拡散で
は考えられなかつた粒子間隔ａを素材のガラス基
板をマイクロポーラス質のガラスとすることによ
り著るしく大きくし、拡散係数をそれによつて数
倍から一桁近く上げ、前記した屈折率分布形マイ
クロレンズの生産性を飛躍的に高めたものであ
る。 The present invention significantly increases the particle spacing a, which was unthinkable in the conventional diffusion of metal ions into glass, by using microporous glass as the glass substrate, thereby increasing the diffusion coefficient by several times. This has increased the productivity by nearly an order of magnitude, dramatically increasing the productivity of the above-mentioned gradient index microlens.
本発明のマイクロポーラスガラス基板の具体的
な例としては、金属アルコキシドの加水分解を利
用した、いわゆるゾレーゲル法により、必要とす
る金属イオンの拡散処理に必要な温度に耐える光
学的に均質なマイクロポーラスを有するガラス基
板を作成できる。 A specific example of the microporous glass substrate of the present invention is an optically homogeneous microporous glass substrate that can withstand the temperature required for the required metal ion diffusion treatment using the so-called sol-gel method, which utilizes the hydrolysis of metal alkoxide. It is possible to create a glass substrate having
以下に金属アルコキシドの加水分解を利用した
ゾルーゲル法によるガラス基板の作成について説
明する。 The production of a glass substrate by a sol-gel method using hydrolysis of metal alkoxide will be described below.
例としてシリカガラスをあげると、高温溶融法
では水晶を原料として2000℃近い高温を必要とす
る。これに対して、ゾルーゲル法では、シリコン
アルコキシドを原料とする場合、たとえばけい酸
エチル（Si（OC2H5）4）と水とエチルアルコール
を混合し、けい酸エチルを加水分解し、けい酸ゲ
ルとして一定形状物を加熱しながら、水、アルコ
ールを追い出し、SiO2の三次元構造のシリカガ
ラスを得ることができる。 Taking silica glass as an example, the high-temperature melting method requires high temperatures of nearly 2000°C using quartz as a raw material. On the other hand, in the sol-gel method, when silicon alkoxide is used as a raw material, for example, ethyl silicate (Si(OC 2 H 5 ) 4 ), water, and ethyl alcohol are mixed, and the ethyl silicate is hydrolyzed. Silica glass with a three-dimensional structure of SiO 2 can be obtained by expelling water and alcohol while heating a gel in a certain shape.
この場合、最高1200℃程度までの温度で、
SiO2の完全な三次元構造が完成するが、その途
中の温度でそれぞれ初期の加水分解条件に依存す
る複雑な構造をとる。その一つが吸着水やガスの
脱離などによる数十オングストロームから数百オ
ングストロームに渡る孔径のマイクロポーラス構
造の形成であり、シリカガラスの場合、500℃〜
700℃の温度で形成される。 In this case, at temperatures up to about 1200℃,
A complete three-dimensional structure of SiO 2 is completed, but at intermediate temperatures it assumes a complex structure depending on the initial hydrolysis conditions. One of these is the formation of a microporous structure with a pore size ranging from several tens of angstroms to several hundred angstroms due to the desorption of adsorbed water and gas.
Formed at a temperature of 700℃.
このマイクロポーラスの孔径は、処理温度と、
初期の金属アルコキシド原料に各種の金属を用い
たり、加水分解条件を変えることにより最小十数
オングストロームから数百オングストロームまで
コントロール可能である。 The pore size of this microporous depends on the processing temperature and
By using various metals as the initial metal alkoxide raw material or by changing the hydrolysis conditions, it is possible to control the thickness from a minimum of ten and a few angstroms to several hundred angstroms.
対象となるガラス基板組成は、ほとんどすべて
の金属酸化物が可能であるが、上記したシリカガ
ラスを初め、硼硅酸素ガラス、極低膨脹性シリカ
チタニアガラス（SiO2−TiO2）耐熱性シリカ−
アルミナ−ジルコニアガラス（SiO2−Al2O3−
ZrO2）などのマイクロポーラス基板の作成が、
特に特徴を出し易いようである。 The target glass substrate composition can be almost any metal oxide, but includes the above-mentioned silica glass, silica oxygen glass, ultra-low expansion silica titania glass (SiO 2 -TiO 2 ), and heat-resistant silica glass.
Alumina-zirconia glass (SiO 2 −Al 2 O 3 −
The creation of microporous substrates such as ZrO 2 )
It seems that it is particularly easy to bring out the characteristics.
次に本発明を具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically explained.
図２は、ゾルゲール法で作成した光学的に均質
なマイクロポーラスを有するガラス基板の表面
に拡散窓用の小孔を設けた耐蝕性金属マスク
を蒸着、スパツター等で形成した原料基板を模式
的に示したものである。耐蝕性金属マスク材料
は、小孔から拡散させる金属イオンの種類やそ
の塩及び基板ガラス組成に依存する処理温度によ
つて適当に選べるが、Ti、Taが比較的優れてい
る。 Figure 2 schematically shows a raw material substrate on which a corrosion-resistant metal mask with small holes for diffusion windows is formed by vapor deposition, sputtering, etc. on the surface of a glass substrate with optically homogeneous microporous produced by the sol-gale method. This is what is shown. The corrosion-resistant metal mask material can be appropriately selected depending on the type of metal ion diffused through the small holes, its salt, and the processing temperature depending on the substrate glass composition, but Ti and Ta are relatively excellent.
図３は、図２で作成した平板マイクロレンズ用
原料基板を耐熱性容器に入れた拡散させる金属
イオン源となる塩中に浸漬した状態を示したも
のである。もちろん周囲は拡散に必要な処理温度
環境になつている。 FIG. 3 shows a state in which the flat microlens raw material substrate prepared in FIG. 2 is immersed in a salt serving as a source of metal ions to be diffused in a heat-resistant container. Of course, the surrounding environment has the processing temperature necessary for diffusion.
拡散させる金属イオンはTl+、Cs+、Pb++など
があり、それらの硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩が有効
である。 Metal ions to be diffused include Tl + , Cs + , and Pb ++ , and their sulfates, nitrates, and hydrochlorides are effective.
本発明によるマイクロポーラス基板ガラスを用
いた場合には、従来のガラス基板が150〜200時間
の熱処理時間（処理温度600℃で）を要したのに
対し、平均して20〜25時間で同等の拡散濃度分布
を得ることができた。 When using the microporous substrate glass according to the present invention, whereas conventional glass substrates required a heat treatment time of 150 to 200 hours (at a processing temperature of 600°C), the equivalent heat treatment time was 20 to 25 hours on average. We were able to obtain the diffusion concentration distribution.
しかも、熱処理時間がきわめて短縮できたこと
により、これまで問題とされていたマスクの耐蝕
性についても、きわめて有利となり解決された。 Moreover, since the heat treatment time can be extremely shortened, the corrosion resistance of the mask, which had been a problem up until now, has been solved with great advantage.
以上本発明の概要をゾルーゲル法による光学的
に均質なマイクロポーラスを有するガラス基板を
用いた場合を中心に説明してきたが、ゾルーゲル
法以外にも例えば、単なる溶融法においても適当
なガスをコントロールしながら導入して内部に吸
着させ、マイクロポーラス化することも可能であ
る。 The outline of the present invention has been mainly explained above using a glass substrate having optically homogeneous microporous formed by the sol-gel method. It is also possible to introduce it into the interior and make it adsorbed inside to make it microporous.
以上述べたように、本発明は平板マイクロレン
ズを作成する際に屈折率をなだらかに変化させる
構造にするための従来のイオン拡散交換熱処理工
程において、拡散処理時間が長時間（150〜200時
間）かかるという問題点に対して、マイクロポー
ラスを有するガラス基板の表面に少なくとも１つ
の開口部を設けた耐触性マスクを形成し、耐熱性
容器中に満たされた溶融塩にガラス基板を侵漬す
ることにより拡散処理時間を従来の処理時間の約
十分の一である20〜25時間に短縮することができ
たので、大幅に生産性を向上させることができ、
さらに従来のマスクの耐触性についての問題も拡
散処理時を短縮したことによつて解決できるとい
う効果を有し、さらになだらかな２乗分布近似の
屈折率で収差の小さい一様な特性のレンズ群で平
板マイクロレンズアレイを提供できる。 As described above, in the conventional ion diffusion exchange heat treatment process for creating a structure in which the refractive index changes smoothly when creating a flat microlens, the diffusion treatment time is long (150 to 200 hours). To solve this problem, a touch-resistant mask is formed in which at least one opening is provided on the surface of a glass substrate having microporous, and the glass substrate is immersed in molten salt filled in a heat-resistant container. As a result, we were able to shorten the diffusion processing time to 20 to 25 hours, which is approximately one-tenth of the conventional processing time, significantly improving productivity.
Furthermore, it has the effect of resolving the problem of the contact resistance of conventional masks by shortening the time required for diffusion processing, and is also a lens with uniform characteristics with a refractive index approximating a gentle square distribution and small aberrations. A flat microlens array can be provided in groups.
第１図は本発明に係わる平板マイクロレンズの
光学時性の原理図である。第２図は本発明に係わ
る平板マイクロレンズ製作の説明図である。第３
図は本発明に係わる平板マイクロレンズ製作の説
明図である。
FIG. 1 is a diagram showing the principle of optical temporality of a flat plate microlens according to the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of manufacturing a flat microlens according to the present invention. Third
The figure is an explanatory diagram of manufacturing a flat microlens according to the present invention.
Claims (1)
に少なくとも１つの開口部を設けた耐触性マスク
を形成し、耐熱性容器中に満たされた溶融塩に前
記ガラス基板を侵漬することを特徴とする平板マ
イクロレンズの製造方法。1. A flat plate characterized by forming a touch-resistant mask with at least one opening on the surface of a glass substrate having microporous, and immersing the glass substrate in molten salt filled in a heat-resistant container. How to manufacture microlenses.
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Families Citing this family (2)
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