JPS58167453A - 円柱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、プラスチッ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の円柱レンズを予め定
めた間隔で平行に配列して形成したレンズ集合体に関す
るものである。本発明は、直径がＱ、／　ｍｔｍないし
λａｍ程度の大きさの微小円柱レンズのアレイの製造方
法として特に適している。

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３！ｒ−／３ｊｔ１０１に記載
されているように、回転対称形の四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層法により沈着させ、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、円柱状のし′ンズを形成するには、上記四部を半円
柱溝として鳳・ 同称にして製作した半円柱状の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１５−／２１３９０で提案
したように透明ガラス基板表面にスリット状開口部を有
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
を拡散して半円柱状の屈折率分布型レンズを形成する方
法もある。この方法でも円柱状のレンズを形成するには
、同種ｆｆ）２個の半円柱レンズを貼り合わせる等の手
段が必要である。ここで半円柱状のレンズを貼り合わせ
て円柱状レンズにするのは、半円柱レンズに比し、円柱
状レンズは開口数（Ｎ　Ａ）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。

本発明は半円柱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円柱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
間隔をおいて平行スリット状に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１のイオンよりも屈折率増加金 に寄与する皮部の大きいタリウム（Ｔｌ）　、セシウム
（Ｃｓ）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０ 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円柱形の高屈折
率部分表面のみに限定して第２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理を行なう。こ
れにより上記マスク直下には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、この結果長さ
方向には屈折率が一様で横断面内で二乗近似の屈折率分
布をもった半円柱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円柱状
の屈折率分布型微小レンズ体を予め定めた配列で形成可
能であり、高寸法精度でアレイ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ｌ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ターで被覆し、マス
ターの一部をとり除き細長いスリット状の開口部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ｑを形成する。ここでマスク開
口部３０幅を充分狭くすれば、高屈折率部ｑの断面は、
はぼ半円に即ち高屈折率部ダは半円柱になる。次いでマ
スク−を取り除き、高屈折率部ダの上面のみに望ましく
はこの高屈折率部ダの基板表面での幅に対し処理温度、
電界等により異なるが、例えば３０％〜／ＪＯ％の幅で
マスク５を設け、電子分極率の小さいイオンを含む塩に
接触させ、塩と基板を加熱し、マスクＳ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円柱状の
高屈折率部６が得られる。

ここで高屈折率部６が円柱形に近くなるのは、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３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。従って第急図（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ｑ
を半円柱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階段状に変化している。そこ
で基板ガラスが熱変形しない濁度に基板を加熱し、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、光軸から半径方向
へ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乙の形状も更に真円柱に近
いものが得られる。

本発明で製造される平板型の円柱レンズ配列体は例えば
その片面側に各レンズ位置に対応させて半導体レーザー
素子を接合し、半導体レーザー素円形光束に変換する装
置を構成することができる０また微小円柱レンズを密な
間隔で非常に多数ガラス板中に設けたレンズ配列体はテ
レビブラウン管やマトリックス螢光表示管等の７エース
プレートとして用いると画像コントラストの向上等に有
効である。

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＋、に＋などのイオンを含む一例
として厚さ３　ｍ７ｇ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坦に仕上げ、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μｍ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０．ｌ　ｍｍｍ程 度の幅で第２図に示すように柵状パターンとなるように
Ｔｉ膜を２部エッチングしてマスクコとする０ 次いでマスクコの面倒を例えば、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’ｆｌ＋イオンを含
む塩７に浸す。

この塩はＴｌ＋、Ｃｓ＋＋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ｌｌ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
ば粘七層とＫＮＯ３をペースト状にしてつけた導電ペー
スト層ざを介して電極９を密着させ、この電極９を直流
電源／−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／の濁度を基板ガラスの軟化温
度より少しひくい例えばｓ　ｓ　ｏ　′ｃに設定し直流
電圧として３０Ｖを印加すると十数ｍＡの電流が流れ約
３時間の処理で２幅が約０−９　ｍａｒの半円柱状の高
屈折率部ｌが得られる。

次にガラス基板に残っているマスク−をエツチングや研
磨等で取り除き、高屈折率部ｑ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ングラフイ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、０．１ｍｍ幅の鎖部分を
残して他の部分はエツチングして取り除いて第一段イオ
ン交換処理用のマスクＳとする。次いで、マスクＳ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Ｎ　ａ　”　＋　Ｋ＋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、１
０Ｖで約７時間程度の処理を行なうとガラス基板７表面
近くにほぼ幅０．９ｍｍの円柱状の高屈折率部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３７０　’Ｃで約４時
間の処理を行ない、高屈折率部乙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の円柱の中心軸から半径方向に距離に従っ
て屈折率が略２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／　ｍｍの幅となる。

以上の実施例では陰極側に粘土とＫＮＯ３のぺ−スト状
のものを用いて説明したが、例えばガラス　ｑ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、高屈折率部の円柱の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により０．１ｍｍ〜
２ｍｍ　　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Ｔｌ２ＳＯ４ｗ　Ｋ２ＳＯ４にＺｎＳＯ４を
加えた溶融塩でＺｎＳＯ４ｑｏモル％一定として、ＴＡ
’２ＳＯ４／Ｒ２５ｃ１４　の比をＯ９−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、
’ｒ１２ｓｏ、とＺｎＳＯ４と等モル混合した塩では最
大１０％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）は本発明のレンズ配列体を製造す
る方法を段階的に示す横断面図、第２図【ま本発明のレ
ンズ配列体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
断面図である。 ／・・・・・・ガラス基板　コ・・・・・・第１段マス
ク３・・・・・・開口部　　ダ・・・・・・高屈折率部
！・・・・・・第２段マスク　６・・・・・・高屈折率
部（円柱状レンズ部） ７・・・・・・溶融塩 特許出願人　日本板硝子株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１のイオンを含むガラス基板を用意するｒ程と、予め
   定めた距離をおいて複数の細長いスリット状開口を残し
   イオン透過防止マスクで前記基板面を被覆する工程と、
   前記基板ガラスの屈折率増加に寄与する度合が前記第１
   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含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、マスク開口を
   通Ｃて前記第一のイオンをガラス中に拡散させる工程と
   、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Ｉ、て基板面を第
   ２段階のイオン透過防止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２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屈折率分布
   型円柱レンズ配列体の製造方法。