JPS5817407A - レンズ体及びその製造方法 - Google Patents

レンズ体及びその製造方法

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JPS5817407A
JPS5817407A JP11565381A JP11565381A JPS5817407A JP S5817407 A JPS5817407 A JP S5817407A JP 11565381 A JP11565381 A JP 11565381A JP 11565381 A JP11565381 A JP 11565381A JP S5817407 A JPS5817407 A JP S5817407A
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Japan
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glass
cations
refractive index
cation
lens
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JP11565381A
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Takashi Yamagishi
山岸 隆司
Kiyosumi Fujii
藤井 清澄
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/02Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having one + component only

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
 (/ −−’ r2) −−・−−−−・(/ )コ でi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 a4cJ (gr)  川、、・
・・<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、ビデオディスク用あるいはデジタルオーディオデ
ィスク用検出装置、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。
本発明では、ガラスの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が表面から中心部まで互い
に逆向きに連続的に変化するとともに、ガラスの修飾酸
化物を構成する陽イオンであって前記第1及び第2の陽
イオンとは異なる第3の陽イオンの濃度が、表面付近で
のみ連続変化しそれより深部で一定又は実質的にゼロで
あるような円柱状の集束性光伝送体を素材とする。
そして上記第3の陽イオンによって第2図及び第2図に
示すように(コ)式で表わされる理想分布−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屈折率
分布3を素材ガラスロッドl内に与える。
このような素材ガラスロッドl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ダでは、
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jに近い光!IRIがレンズ端面lIAの外に結
ぶ焦点f1とレンズダの周辺部に入射する光11R2が
結ぶ焦点f2とでは位置ずれを生じ、レンズ端面411
により近い位置にfl l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
ラスロッド/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
が非球面であってもよい0 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は素材ガラスロッドlを直接加工して設
ける以外に第3図に示すよう軒端面を平面に加工した素
材ロッドl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t
とした凸レンズ7を接合して構成してもよい〇 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
的容易でしたがって高い精度で収差槽圧を行なうことが
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3 mm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って異なる。
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
値を比較す六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。
第  / 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−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7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。
したがっぞ、表面から内部に向かっ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、(コ)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及び第一の
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、ガラスの修飾陵化物を構成す
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獣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+、に+。
Rb+、Cs+tTl+tAu+、Ag”t(3u+、
Kg”、Ca+”。
Sr”tBa+21Zn”tCd”、Pb+2.La+
3.Sn”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濃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、表面から中心に向って濃度が増大する第1の陽イ
オンとしてTl+イオンを、表面から中心に向って濃度
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
えばに+イオンあるいはHa+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C6+イオンを用いるのが望ましい
C8+イオンはN a +r K+イオンよりもガラス
の屈折率を高める作用が大きく、シかもガラス中に入っ
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ζ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%
、また最大限度妻面から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コO%ないしょ
0%である。
本発明に係るレンズ体の素材となる集束性光伝透体を製
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、修飾酸化物を構成し得る第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
物を構成し得る第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一
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し得る第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って
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
拡散しうる濃度に保持する◇ 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
部に拡散するに伴って、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1.むガラスをまず第
一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、はじめから第一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
の洛中に所定時間浸漬し、その後、この浴中から取り出
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5i021.1.1%、に209.9%j T
120F、J % t ZnO20,3%の組成のガラ
スで直径3.Omm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20重量%からなる370
°Cに保った混合塩浴中に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J、□mm径ガラス丸俸
を従来法すなわち370℃に保った硝酸カリウム洛中で
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0 表中「計算値」は、中心軸の屈折率no−/、tllO
定数g−0,/9mm−’ として(2)式から計算で
求めた理想分布の屈折率である。
第−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xs分析法によりクリウ
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。
その結果を第を図に示す。
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730μmの深さく半径の50%)番でセシウムイオ
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 ) 
m no 5ech (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っていることが
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
、蛇行ピッチPはP−一π/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−した上記試料の蛇行ピッチP−3107m
mの4分のlよりも若干短かい長さlfmmに切り両端
を平行研磨し、その一端から波長0.43μmの平行光
を入射したところ、出射端より0.20mnrの位置に
パワーがほぼガウス分布状のスポットを結びその//e
2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QlOであった。
直 次にこのレンズの出射端をレンズや径の3倍の曲率半径
9 mmの凸球面に加工し、上記と同様の測定を行なっ
たところガラス分布状の出射スポットの拡がりが45μ
mに減少し、かつ開口数をo、41s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、II)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1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、第を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。 l・・・・・・・・素材ガラス分布状

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第1及び第2の陽
    イオンのガラス中濃度が表面から中心部まで互いに逆向
    きに連続的に変化するとともに、ガラスの修飾酸化物を
    構成する陽イオンであって前記第1及び第2の陽イオン
    とは異なる第3の陽イオンの濃度が、表面付近でのみ連
    続変化しそれより深部で一定又は実質的にゼロであるよ
    うな集束性光伝送体の片端面又は両端面に所定形状の凸
    曲面を一体的に設けてなるレンズ体。 2)修酸酸化物を構成し得る第1の陽イオンを含むガラ
    ス体を、前記第゛/の陽イオンとは異なる修酸酸化物を
    構成し得る第一の陽イオンを含む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一の陽イ
    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、しかる後又は
    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し得る第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の陽イオンとを置換させ、これにより
    前記ガラス体中にレンズとしての理想屈折率分布に比し
    て周辺部の屈折率が相対的に高いよりなだらかな分布を
    与え、しかる後、該ガラス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所定のレンズ特性を付与
    することを特徴とするレンズ体の製造方法。
JP11565381A 1981-07-23 1981-07-23 レンズ体及びその製造方法 Granted JPS5817407A (ja)

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