JPS5933415A - レンズ及びその製造方法 - 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】 本発明は光軸方向に屈折率分布か変化しているレンズに
関する。

一般に球面レンズはオ１図に示すようにレンス゛光軸近
くに入射した平行光線、２０の焦点ｊ／に比へてレンズ
光軸から離れた位置に入射する平行光線、２．２の焦点
、２３の方がよりレンズ菌寄りに位置するという本質的
な軸上１■差をもっている。

このような１■差を排除する一方法としてレンズ面をほ
ぼ理想面通りの非球面に加工する方法があるが、この非
球面加工には極めて高度の研磨加圧技術が要求され非常
に高価なものになるという欠点がある。

本発明の主な目的は、光軸から離れた周辺部の光線の軸
上収差を改善し、しかも非球面加圧の必要がなく製造の
容易な低収差レンズを提供することＫある。

本発明の他の目的は」−記のレンズを製造する方法を提
供することである。

上記目的を達成するために本発明では、少なくとも片面
が球面であるレンズ内に、屈折率か片面から他面に向け
て厚み方向に連続的に減少し七つ光軸に垂直な面内ては
一様であるような屈折率分布を設けてレンズを構成する
。

Ｊ−記構成によれば、レンズ内において無限小厚みの相
互に屈折率の異なる光軸に垂直なガラス層か屈折率の高
低の順に積層していてこれら各カラス層の端部がレンズ
の球面に露出することになる。

このため高屈折率側を球面とした場合レンズの球面上で
は、屈折率が中心において最大で周辺に向けて半径方向
に連続的に減少し同心円状に同一屈折率部分が存在する
ような屈折率分布を形成することができる。

上記のレンズにおいては、球面側から入射する光線は中
心から離れた位置はど屈折率が低いので屈折率が一様で
ある球面レンズの場合に比べて光軸から離れた位置はど
屈折が相対的に緩やかになる。

すなわち、レンズの光軸から離れた位置に人ＩＪ＝１す
る光線の焦点位置が屈折率一様な球面レンズに比べてレ
ンズ面から遠ざかりこれにより前述した収差が補正され
る。

本発明に係るレンズはガラスあるいはプラスチックで製
作することができ、その製造方法に特に制限は無いが、
好適な方法では母相ガラス板とこれに接触させた媒体と
の間で、ガラス修飾酸化物を構成する陽イオンのイオン
交換を行なわせて前記母材ガラス板中に表面から内部に
向けて厚み方向に変化する屈折率分布を与え、この母材
ガラス板から必要な屈折率分布を持つ部分を切り出し、
前記母材ガラス板の厚み方向をレンズ光軸としてこれに
端面球面加工を施す。

以１本発明を図面に示した実施例について詳細に説明す
る。

第７図（イ）（ロ）は本発明に係るレンズの断面図およ
び片半分省略正面図をそれぞれ示し、透明なガラスまた
はプラスチックからなる基材／の片面／Ａを凸球面とし
他面／Ｂを平面とした凸レンズであり、内部罠は後述の
ような屈折率分布が形成しである。

すなわち屈折率が球面／Ａの中心において最大で光軸コ
の方向に他面／ＢＫ向けて連続的に減少しており、且つ
光軸２に垂直な各断面内では屈折率が一様であるような
分布をなしている。

」１記構成のレンズは、厚みが無限小の屈折率一様なガ
ラス層をその屈折率をｎａ、明−・・・・・ｎｄ・・・
・・ｎｂと順次小さくしつつ積層し、このガラス層の法
線をレンズ光軸２として高屈折率側を光軸、２］−に曲
率中心をもつ凸球面／Ａにした構造とみな１ことができ
る。

このようなレンズの球面／Ａにおいては最大の屈折率ｎ
ａの部分が中心に位置し、各屈折率ｎ］、＋ｎ２・・・
・・・ｎ、１・・・・・・のガラス層の端部が同心円状
に露出している。

つまりレンズの球面／Ａ十に中心から外周に向けて半径
方向に連続的に屈折率が減少し円周方向には屈折率が一
様であるような屈折率分布が形成される。

このレンズの球面ｌＡ側に光軸コからの距離が異なる平
行光線、？Ａ、ＪＢ、、？Ｃをそれぞれ大割させると、
各光線３Ａ、３Ｂ、３Ｇは互いに異なる屈折率部分に入
射する。

そして光＠−からの距離が離れるほど低屈折率となって
いるので、屈折率一様な凸球面レンズにおける光線３′
に比べて外周側に寄るほと相対的に屈折角が緩やかとな
る。

このため遠軸光線の焦点が近軸光線の俳点よりもよりレ
ンズ菌寄りにくるという球面レンズ個有の収差が上記屈
折率分布の効果で相殺されて後述の実施例に示されるよ
うに非常に低収差のレンズを得ることができる。

次に本発明のレンズの好適な製造方法をオノ図および第
３図に基づいて説明する。

まずタリウム（Ｔｌ）　、セシウム（０３）　　＋　　
リチウム（Ｌｉ）などガラスの屈折率増加に寄与する陽
イオンを含む組成のガラス板１０を製作し、この母材ガ
ラス板１０をガラスの屈折率減少に寄与するイオンを含
む媒体、たとえばナトリウムまたはカリウムの溶融塩／
／と接触させてガラス板内の表面に近い部分にある前記
イオン例えばクリラムイオンを溶融塩ｌｌ中のナトリウ
ムまたはカリウムイオンと置換する。これによりガラス
中のタリウムに濃度分布を生じて、ガラス板１０の肉厚
内に屈折率ｎ　（Ｚ）が板厚中心で最大で板の両表面Ｉ
ＯＡ。

ＩＯＡに向Ｊ’Ｃはぼ放物線状に減少し板面／ｂＡに平
行な断面内では屈折率が一様であるような屈折率分布が
形成される。

母材ガラス板１０の組成としては５１０２乙０ｍ０１％
。

８２０３．２０　ｍ０１％、　Ｎａ２Ｏ＋Ｔｌ２Ｏ，２
０ｍ０１％や５１０２　乙Ｏｍ０１％　＋　Ｂ２Ｏ３／
ｋｍＯ１％＋　　Ｎａ２Ｏ＋Ｔｌ２Ｏ，２３ｍ０１％な
どが使用できる。

また上記主成分以外に例えば重量百分率でＺｎ０４７％
以下＋　ＡＳ２０３または５ｂ２ｏ３０．５％以Ｆなど
の副成分を含んでいても差し障えない。

この組成を有するガラスブロックからガラス板を切りだ
し、軸方向屈折率分布型レンズ素材とする。

こうして得られたレンズ素材を５３０°ｃ−ｓｓ。

°Ｃに保持された溶融硝酸カリウム塩浴中に保持し、イ
オン交換処理すると板の中心におけるタリウムの濃度は
もとのガラスにおける濃度とほぼ等しく板の肉厚中心か
ら両面に向ってカリウムの濃度は次第に増大する分布に
なる。

この結果、タリウムの濃度分布にほぼ比例した屈折率分
布が板の内部に形成される。

このイオン交換処理工程は拡散現像を利用している。

所定のイオン濃度分布を得るまでに要する処理時間は、
絶対湿度の指数函数に比例しているため処理温度を上昇
させるよ処理時間は短縮される。

しかしガラスの粘性による制限があり、一般的に、ｌＯ
ｇη＝７０（η−センチポアズ）以下にすることはガラ
スの変形が生ずるため避けなけれはならな、−い。

またあまり長時間処理をすると溶融塩の熱的な分解が生
じ素材ガラスをアタツクして失透やクラックを生ぜしめ
たりすることにもなる。

したがって母材ガラスの１０９ηがおよそ１０の粘性に
なるような一定流度で、５′００時間を越えない範囲で
イオン交換を行なうことが望ましい。

なお、ガラス板１０の粘性がイオン交換処理中にほぼ一
定となるように、母材ガラス板１０の組成変化に応じて
溶融塩等の媒体の温度を上昇または下降させる方法でも
よい。

これにより厚みの大なガラス板でも比較的短時間でイオ
ン交換が司能表なる。

または適当な時間でイオン交換をｆトめ、ガラス板をそ
のイオン交換処理中」−の空気、シリコンカーバイド等
の媒質中に保持し所要の屈折率分布を形成するようにし
てもよい。

以］−のようにして第３図に示すような屈折率分布を横
断面内に形成した母材ガラス板１０の中から必要な屈折
率分布の領域を選んで切り出してこれをレンズ素材７．
２とする。

次にこのレンズ素材／！を、前記母相ガラス板１０の板
面法線Ｚ方向をレンズ光軸として高Ｉｉ７シ折率面側を
球面に、低屈折率面側を光軸ｅこ垂直な平坦面にそれぞ
れ研磨加工仕上げする。

レンズ球面／Ａの曲率半径Ｒは屈折率分布を考慮して光
線追跡計算から最も低収差となるように決定される。

ここでレンズの軸方向屈折率分布ｎ　（ｚ）として、た
とえば ｎ（Ｚ）　＝　ｎｏ　（／−ＣＺ）　／／−’ただしＣ
は定数 で表わされる分布を使用することができる。

この軸方向屈折率分布型レンズは厚みｄと屈折率分布ｎ
　（ｚ）を与えれば曲率半径Ｒを変化させることにより
収差を正または負のいずれにも制御することもできる。

これらのレンズは組み合せレンズを構成するレンズの７
つとして使用される。

以上に述べた実施例では、ガラス板の両面側からイオン
交換を行なって屈折率が板厚中心で最大で両面側へ減少
するよう力分布を与えたものを母材として使用したが、
ガラス板の片面にヂタンの蒸着等によりマスキングを施
してガラス板の片面側からのみイオン交換を行ない、一
方の面から他方の面に漸減する屈折率分布を形成してこ
れを母材として使用してもよい。

本発明に係るレンズは従来の屈折率が一様なレンズのす
べての用途に広く用いることかできる。

特にビデメディスクの読み取りや書き込みに利用する場
合にはディスクが正の軸上収差を持つことを考慮して、
屈折率分布、厚み１曲率半径の組合上によりわずかに負
の軸上収差を持つようにしておき、こねが正の軸］−収
羊をもつティスフとの組み合ゼにより補償されるように
しておくこともてきる。

実施例／ 七ル百分率でＮａ２Ｏ７０％、Ｔｌ２Ｏ７０％　。

Ｂ２Ｏ３，２０％、５ｉＱ２　　乙０％　の組成をもっ
ガラスを溶融し、厚み３゜Ｑｍ／ｍのガラス板を作成し
た。

このガラス板を３３０　”Ｃに保たれた硝酸カリ溶融塩
中に浸漬しガラス中のタリウムイオンとナトリウムイオ
ンとを溶融塩中のカリウムイオンと交換し、横断面内に
おいて第３図に示すような屈折率分布をガラス板中に与
えた。

次にこのガラス板から厚みｄ、＝／、Ｏｍ／ｍで屈折率
分布がおよそ ｎ　（Ｚ）　−ｎｏ　１／　７二嬉「 ここでｎｏ＝／、ｔｏ、２．ｃ＝ｏ、ｉ、２ｏｍ７ｍ−
’で表現できる両面が平行平面のレンズ素材カラスを得
た。

次に光線泪算から求めた曲率半径Ｒ−３，６０，！；ｍ
／ｍの凸球面を上記の素材ガラスの高屈折率側に−りえ
た。

この屈折率分布型レンズの光軸に平行に球面側から光線
を入射させた結果、このレンズは一′１′径２．１９ｍ
／ｒｎｑＱ％以内の範囲で軸」二酸類が士」μｍ以下と
非常に小さい収差であることがわがった。

実施例 実施例／て使用ｊ、た厚みｄ＝／、Ｏｍ／ｍの素材ガラ
スをさらに研磨して厚みｄ＝　Ｏ，、！；　ｍ　７ｍで
、ｎ（Ｚ）−ｎＯＶ−／−ＥｃＺ　Ｉ　ｎｏ−八ｔ０２
．０＝０．７．２０ｍ／ｍ−１とした。

次にこの素材ガラスの高屈折率側面に曲率半径Ｒ−３，
乙９０ｍ１ｍの球面加工を行ない、光軸に平行に球面側
から光線を入射させた結果、レンズ半径／、ｇ６’　ｍ
／ｍ　　９０％以内の範囲で軸」−収差力　７８ｍ以下
と極めて低収差であることがわかった。

【図面の簡単な説明】

第７図（イ）、（ロ）は本発明の一実施例を模式的に示
すそれぞれ断面図および一部省略正面図、オコ図は本発
明に係るレンズの１ヒ利カラス板をイオン、交換するＪ
二程を示す断面図、第３図はイオン交換処理後の１ヒ利
カラス板から本発明に係るレンズ素材を得るに程をンド
す断面図、第７図は従来のレンズにお（する軸−］二収
差を示す断面図である。 ／・・・　レンズ基材　コ・・・・・・光　軸、？Ａ、
ＪＢ、ＪＣ・・・・・・平行光線ｒｌａ　＋　ｎｂ　＋
　ｎｌ　１　ｎ２１　ｎｄ−・・・・−屈折率１０・・
・・　母材ガラス板　／／・・・溶融塩／！・・・・・
・・・レンズ素材 図面の浄書（内容に変更なし） 第１図 （イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（０
）□ 第２因 ０ 第３因 第４図 ２ 手　　続　　補　　正　　書 昭和５７年ざ月ｊｔ日 ハ゛ 特許庁長官殿 −発明め名称 し／ズ及びその製造方法 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　大阪府大阪市東区道修町４丁目８番地名　称　
（ａｏθ）ｌ：１本板硝子株式会社代表者　　刺　賀　
信　雄 ７Ｍ＃ｉＦこの内容 明細書おＬび図面を別紙の通り抽Ｆ１−４−ろ（浄ＰＸ
のみ、内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■）　少なくともへ面が球面であるレンズ内に、屈折率
   が片面から他面に向りて厚み方向に次第に減少し且つ光
   軸に垂直な面内ては一様であるような屈折率分布を設り
   たことを特徴とするレンズ。 ２）　母材ガラス板とこれに接触させた媒体との間で、
   ガラス修飾酸化物を構成する陽イＡンのイオン交換を行
   なわせて前記母材ガラス板中に表面から内部に向けて厚
   み方向に変化する屈折率分布を与え、この母材ガラス板
   から必要な屈折率分布を持つ部分を切り出し、前記は材
   ガラス板の厚み方向をレンズ光軸として少なくとも片面
   に球面加工を施すことを特徴とするレンズの製造方法。