JPS58167452A - 微小レンズ配列体の製造方法 - 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】 本発明は、ガラス、ブラスチンクなどからなる一枚の透
明基板内に、多数の屈折率分布型微小レンズを予め定め
た間隔で配列して形成したレンズ集合体に関するもので
ある。ここで言う微小レンズとは直径が００ＤＩないし
−ａｍ程度の大きさでほぼ球状のものである。

従来、ガラス基板等に半球状の屈折率分布型レンズを形
成する方法として特開昭！ｊ−１３３１０１に記載され
ているように、回転対称形の凹部をガラス板に作り、そ
の後前記四部が完全に充填されるまでガラス質膜を前記
ガラス板上に蒸着法により沈着させ、その後この被覆さ
れたガラス板を元の厚さにまで減小させる方法があり、
球状のレンズを形成するには、同称にして製作した半球
状の様 レンズ体同志を光軸を合わして貼りあわせる方法がある
。

あるいは本発明者らが特願昭５１−／コ１３９０で提案
したように透明ガラス基板表面に円形開口部を有するイ
オン透過防止マスクを形成し、電界イオン拡散法を用い
てマスク開口部から屈折率の寄与の大きいイオンを拡散
して半球状の屈折率分布型レンズを形成する方法もある
。この方法でも球状のレンズを形成するには、同種の一
個の半球レンズを貼り合わせる等の手段が必要である。

ここで半球状のレンズを貼り合わせて球状レンズにする
のは、半球レンズに比し、球状レンズは開口数（ＮＡ）
　を大きくとれ、収差を小さく出来る点で便利なためで
ある。

本発明は半球状レンズ体を貼り合わせることなく、一枚
のガラス基板中にほぼ球状の屈折率分布型レンズを形成
する手段を提供することを目的としている。

本発明に従った方法では、まずガラス基板の片面を所定
間隔をおいて円形の開口を残した状態でイオン透過防止
マスクにより被覆する。

次にこの基板ガラスの上記面を、ガラス中の修飾酸化物
を構成する第７のイオンよりも屈折率増加に寄与する度
合の大きいタリウム（Ｔｌ）　、　　セシウム（Ｏｓ）
などの第２のイオンを含むイオン源に接触させてイオン
交換を行なう。

またこのイオン交換処理の間基板ガラス両面間に電圧を
印加してイオンの拡散浸透を促進する。

次に上記のイオン透過防止マスクを除去し、上記のイオ
ン交換でガラス表面近くに形成される半球形の高屈折率
部分表面のみに限定して第一のイオン透過防止マスクで
被覆する。

そしてこの基板を上記第２のイオンよりも屈折率増加に
寄与する度合の小さい第３のイオンを含むイオン源と接
触させて電圧印加のもとてイオン交換処−を行なう、６
、これにより上記マスク直下には１ マスクエツジからの距離にほぼ比例して低屈折率イオン
が入り込み、この結果二乗近似の屈折率分布をもった球
形に近い高屈折率部分が基板内にできる。

次いでこのガラス基板を変形しない程度に加熱して拡散
イオンの濃度分布（屈折率分布）を滑らかにする。

本発明によれば、一枚の透明ガラス基板中にほぼ球状の
屈折率分布型微小レンズ体を予め定めた配列で高精度に
形成可能であり、アレイ状あるいはマトリックス状に形
成することが容易である。

以下図に基づき本発明を詳述する。

第１図においてガラス基板／上面を拡散イオンに対し透
過阻止効果のある物質からなるマスク−で被覆し、マス
クコの一部をとり除き円形開口部３を設け、第３図に示
すようにマスク面を電子分極率の大きいイオンを含む溶
融塩７に接触させ、塩と基板を加熱し、マスク面を正極
として電界を印加し塩中のイオンをマスクのない部分に
拡散させ、基板中の一部イオンを外に出し、基板中に高
屈折率部ダを形成する。ここでマスク開口部３の直径を
充分狭くすれば、高屈折率部ダの断面は、はぼ半円に即
ち高屈折率部ダは半球になる。次いでマスクコを取り除
き、高屈折率部ダの上面のみに望ましくはこの高屈折率
部ｑの基板表面での直径に対し処理温度、電界等により
異なるが、例えば３０％〜ｌコＯ％の直径でマスク！を
設け、電子分極率の小さいイオンを含む塩ｔ（接触させ
、塩と基板を加熱し、マスク５面から反対側を向く電界
を印加し、塩中のイオンをマスクのないガラス部分に拡
散させるとほぼ断面が円形に近い即ち球状の高屈折率部
６が得られる。

ここで高屈折率部６が球形に近くなるのは、従来の方法
と違いマスクｊの周辺から電子分極率の小さいイオンが
マスク外だけでなくマスク下のガラス中にもイオン拡散
してくるが、マスクｊの中心直下にはその割合が少なく
、マスク周辺ではその割合が大きくなることと、高屈折
率部ｌを形成している電子分極率の大きいイオンの部分
はガラス中のイオンの移動度が他の部分に比し小さいた
めマスク中央直下は電子分極率の大きいイオンの濃度が
高く、深さも深いためこの部分の電子分極率の大きいイ
オンの移動度はマスク周辺に比し、小さく、周辺は大き
いためと考えられる０従って第３図（ｂ）のように上記
マスクｊを付けてのイオン交換処理前に高屈折率部ｌを
半球に近く形成しておくことが必須条件となる。

この段階で得られた高屈折率部乙の屈折率分布は電界を
印加して製作しているため段階状に変化している。そこ
で基板ガラスが熱変形しない温度に基板を加熱し、高屈
折率部６を形成している電子分極率の高いイオンと電子
分極率の小さい即ち屈折率の増加の度合の小さい周囲の
イオンと相互拡散させることにより、光軸′からの距離
に従って屈折率が小さくなるような屈折率分布を形成す
る。

また、この過程で高屈折率部６形状も更に真球に近いも
のが得られる。

上記方法で製造される平板状のレンズ配列体は種々の用
途に使用することができる。

例えば第４図に示すようにレンズ配列体ＩＯの一方の基
板面の各球形レンズ部分６・・・・・・・・に対応する
位置に光ファイバー／／・・・・・・・・端を接続し、
同様構造の光ファイバーを接合した他のレンズ配列体を
対向配置し、一方の光ファイバー／／から拡散出射した
光をレンズ部分６で平行光に変換した後、他方のレンズ
配列体１０の各レンズで集光して各光ファイバーに入光
させるようにして非常に伝送効率の良いマルチファイバ
ーコネクターヲ構成することができる。

また第Ｓ図に示すように本発明のレンズ配列体１０の片
面側に各レンズ部分６泣置に対応させてＬＥＤ。

半導体レーザーなどの発光素子／コを接合した光源配列
体をつくり、これを例えば第４図の一方のコネクタ一端
子の代りに接続すれば各発光素子／−からの放射光を非
常に効率良く光フアイバー内に導入することができる。

またこの他にも本発明に係るレンズ配列体を中間に干渉
フィルター膜、半透過膜などを介在させて積層すること
により光分鼓回路や光分波器を構成することもできる。

さらにレンズをたて辺・方向、横辺方向に多数並べて大
きなマトリックス状としたレンズ配列体はテレビブラウ
ン管やマトリックス型螢光表示管等のフェースプレート
として用いると画像コントラストの向上等にも有効であ
る〇 以下実施例に基づき本発明の詳細な説明する。

ガラス基板としてＮａ＋、　Ｋ＋などのイオンを含む一
例として厚さｊ　ｍ／ｍのＢＫ７光学ガラスを用い、ガ
ラス基板の上下の面は平行かつ平担に仕上げ、ガラス基
板の一面にチタンなどの金属を高周波スパッタ法で一μ
ｍ程度の膜厚に形成し、フォトリソグラフィー技術を用
いて開口部３がＱ、７ｍｍ程度の直径で第一図に示すよ
うに円形パターンとなるようにＴｉ膜を一部エッチング
してマスク２とする。

次いでマスターの面側を例えば、電子分極率が大きくガ
ラスに対する屈折率の寄与の大きいＴｌ十イオンを含む
塩７に浸す。

この塩はＴｌ＋＋Ｏｓ＋、Ｌｉ＋、Ａｇ＋などを少なく
とも一種含む硝酸塩や硫酸塩などの溶液であればさしつ
かえなく、容器／／に入れられている。

次に、ガラス基板のマスクを形成した反対側の面に例え
ば粘土層とＫＮＯ３をペースト状にしてつけた導電ペー
スト層ｔを介して電極９を密着させ、この電極９を直流
電源ｌコの陰極側に接続し、溶融塩７中に設けられた電
極１０を電［／−の陽極に接続して直流電圧を印加する
。溶融塩７．ガラス基板ｌの温度を基板ガラスの軟化温
度より少しひくい例えばｊｊＯ″ＣＫ設定し直流電圧と
して３０Ｖを印加すると十ｌ＆ｍＡの電流が流れ約３時
間の処理で直径約０．９１１ＩＩＩの半球状の高屈折率
部ダが得られる。

次にガラス基板に残っているマスターをエツチングや研
磨等で取り除き、高屈折率部Ｉが露出している面に、前
述したのと同様にＴｉ等の金属マスクをスパッター等で
形成したのちフォトリソグラフィーの技術を用いて高屈
折率部ダの上面のみ、即ち、上記例では図２のマスクパ
ターンを印画に半転した形で、Ｑ、ｌｖａｗａ直径の円
形部分を残して他の部分はエツチングして取り除いて第
２段のイオン交換処理用のマスクｊとする。次いで、マ
スクｊの側の基板面を電子分極率の小さい即ちガラスに
対する屈折率の寄与の小さいＮａ＋ｌＫ＋の少なくとも
一種を含む硝酸塩や硫酸塩に浸して直流電圧を印加し、
１０Ｖで約７時間程度の処理を行なうとガラス基板／表
面近くにほぼ直径９．９＊ｙａの球状の高屈折率部ｔが
形成される。次いで溶融塩からガラス基板をとりだし、
マスクｊをとり除き、空気中雰囲気で５７０　’Ｃで約
４時間の処理を行ない、高屈折率部６の部分に拡散した
電子分極率の大きいイオンと高屈折率部乙の周囲にある
電子分極率の小さなイオンとを相互拡散させることによ
り、高屈折率部６の球の中心からの距離に従って屈折率
が略−乗分布に近い屈折率分布のものを形成することが
できる。この熱処理工程で高屈折率部乙の断面は若干広
がり上述例の場合約／ＩＩＩＩＩ＋の直径となる。

以上の実施例では陰極側に粘土とＫＮＯ３のペースト状
のものを用いて説明したが、例えばガラス基板を箱形に
形成して陰極側に溶融塩を用いてもさしつかえない。ま
た電□子分極率の大きいイオン源として上述実施例では
溶融塩を用いたが、例えばガラス基板にＡｇを蒸着し、
不必要な部分をエツチングしてイオン源となし、この上
からＡｌを蒸着するかまた圧着して電極とし、これに電
圧を印加してもさしつかえない。

又、高屈折率部の球の直径はイオン拡散時間。

マスク開口寸法、熱処理時間を選定することＫよりＱ、
７ｍｍφ〜２ｍｍφ程度のものは製作可能である。

又、基板ガラスと高屈折率部の屈折率差は、電子分極率
の大きいイオン源としてＴｌ＋イオンを含む塩を用いる
と、例えばＴｌ２ＳＯ４１Ｋ２ＳＯ４にＺｎＳＯ４を加
えた溶融塩でＺｎＳＯ４ダＯモル％一定として、Ｔｌ２
ＳＯ４／ＲｇＳＯ４の比をＯｏ−にすると、約／％の屈
折率差が得られ、Ｔｌ２ＳＯ４とに２ＳＯ４を等モルに
混合すると、５％の屈折率差が得られた。又Ｔ１２８０
４とＺｎＳＯ４と等モル混合した塩では最大ｌＯ％の屈
折率差のものが得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜・（ｄ）は本発明のレンズを製造する方
法を段階的に示す横断面図、第２図は本発明のレンズを
製造するためのマスク形状を示す斜視図。 第３図は本発明の方法におけるイオン拡散工程を示す横
断面図、第９図及び第５図は本発明方法で製造されるレ
ンズ配列体の使用例を示す横断面図である。 ／・・・・・・ガラス基板　−・・・・・・第７段マス
ク３・・・・・・開口部　ダ・・・・・・高屈折率部Ｓ
・・・・・・第一段マスク　６・・・・・・高屈折率部
（球状レンズ部） ７・・・・・・溶融塩 ／／・・・・・・光ファイバー、／２−・・・発光素子
特許出願人　日本板硝子株式会社 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１のイオンを含むガラス基板を用意する■二程上 と、予め定めた距離において複数の円形の開口を　３゜
   残しイオン透過防止マスクで前記基板向を被覆するｒ、
   程と、前記基板ガラスの屈折率増ＩＪｕに寄ｌする度合
   が前記第７のイオンよりも大きく、また基板ガラス中に
   イオン拡散可能な第一のイオンを３むイオン源に基板の
   マスク面を接触させて基板の両面間に電圧を印加し、マ
   スク開目を通して前記第一のイオンをガラス中に拡散さ
   せるＦ程と、前記マスクを除去する工程と、前記第２イ
   オンの拡散で形成された高屈折率部分のみに限定して基
   板面を第２段階のイオン透過防１Ｆマスクで覆う工程と
   、前記第２イオンよりも基板ガラスの屈折率増加に寄与
   する度合が小さく基板ガラス中にイオン拡散可能な第３
   のイオンを含むイオン源に前記第一段階のマスク面を接
   触させるとともに基板の両面側に電圧をかけて前記第３
   のイオンを基板中に拡散させる工程と、前記イオン拡散
   後のガラス基板を変形しない程度に加熱して拡散イオン
   の濃度分布（屈折率分布）を滑らかにする工程とを含む
   微小レンズ配列体の製造方法。