JPS5964547A - 軸方向屈折率分布型レンズの製造方法 - 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が変化しているレンズに
関する。

一般に球面レンズはオＳ図に示すようにレンズ光軸近く
に入射した平行光線、２０の焦点２／に比べてレンズ光
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」二収差をもっている。

このような収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工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。

上記の欠点を無くした低収差のレンズとして、少なくと
も片面が球面であるレンズ内に、屈折率が片面から他面
に向けて厚み方向に連続的忙減少し且つ光軸に垂直な面
内では一嵌であるような屈折率分布を設けたレンズが提
案されている。

上記構造によれば、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が屈折率の高低
の順に積層していてこれら各ガラス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固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Ａ、　！１４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ｇ１１＋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入射する光線の
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〇 本発明の目的は上述したような軸方向屈折率分布型のレ
ンズを安価なコストで能率良く製造することのできる方
法を提供するこ七である。

本発明に従った方法では、平行平面をもつ母材ガラス板
の少なくとも片面に、タリウム＜Ｔｉ＞　、リチウム（
Ｌｉ）＋セシウム（Ｃｓンのうちから選んだ一種または
二種以上の陽イオンを含む媒体を拡散ｉａさせ−ｃｉｉ
イオンの濃度分布で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
面加工を施ず。

以−ト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）は本発明方法で製造されるレンズの
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、内部には後述のような屈
折率分布が形成しである。

すなわち屈折率が球面レンズ面／Ａの中心において最大
で光＠−の方向に他方のレンズ面／Ｂに向けて連続的に
Ｊ’ｌＧからｎ、ｔ３まで減少しており、光軸コに垂直
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。

つまり光軸２と球面レンズ面／Ａとの交点における屈折
率をｎａ、その点から光軸方向の距靜をＺとすると、こ
の点における屈折率は、 ｎ（ｚ）−ｎａｆ　（ｚ）・・・・・・・・　（１）で
表わすことができる。

ここでｆ　（ｚ）はＺについての単調減少関数である。

上記構成のレンズは、厚みが無限小の屈折率一様なガラ
ス層をその屈折率をｎＱ、ｎｌ　＋・・・・・・・・ｎ
ｄ、・・・・・・・ｎ８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０１１
ｊを光軸２」―に曲率中心をもつ凸球面／ＡＫした構造
とみなすことができる。

このようなレンズの球面／Ａにおいては最大のｎ１１折
率ｎａの部分が中心に位置し、各屈Ｊ９ｉ率ｎｌ。

ｎａ・・・・・・ｎ、ｌ・・・・・　のガラス層の端部
が同心固状に露出している。

つまりレンズの球面ｌＡ上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２からの距離が異なる平
行光ｍ３Ａ、、３Ｂ、３Ｇをそれぞれ入射させると、各
光線３Ａ、３Ｂ、、３Ｇは互いに異なる屈折率部分に入
射する。

そして光軸２からの距離が離れるほと低屈折率となって
いるので屈折率一様な凸球面レンズにおける光線３１に
比へて外周側に寄るほど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焦点よりもよりレ
ンズ部寄りにくるという球面レンズ個有の収差がゴー記
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。

次に本発明方法の実施例をオー２図および第３図に基づ
いて説明する。まずアルカリボロシリケートガラスなど
アルカリ金属を含むガラスでガラス板１０を製作し、こ
のガラス板１０をタリウム（Ｔｌ）。

リチウム（Ｌｌ）、セシウム（Ｃｓ）のうちから選んだ
一種または二種以」二の陽イオンを含む媒体、たとえば
硫酸タリウムからなる溶融塩／／と接触させてガラス板
内の表面に近い部分にあるナトリウムイオンと溶融塩中
の前記陽イオンを置換する。

これによりガラス板１０の表面でタリウム濃度が最大で
内部に向けて次第（・て減少する濃度分布を生じ、ガラ
ス板１０の肉厚内に屈折率ｎ　（ｚ）が板の両面ＩＯＡ
、１０Ａ　て最大で内部に向けてほぼ放物線状に減少し
て中央で最小てあり、■、っ板面ＩＯＡに平行な１ｌｌ
ｉ而内では屈折率か−・降であるような屈折率分布が形
成される。

またタリウムの代りにリチウムあるいはセシウムを含む
溶融塩／／を用いた場合でもこれらの陽イオンはいずれ
もガラスの屈折率増加に寄与１゛るので上記と同様な屈
折率分布をガラス板１０１ｊｇに形成することができる
。

所定のイオン濃度分布を得るまでに要する処理時間は、
絶対温度の指数函数に比例し又いるため処理温度を上昇
さゼると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−１０（η：センチボアズ）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ばならない。

またあまり長時間処理をすると溶融塩の熱的な分解か生
し素材ガラスをアタッ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。

したかって母材ガラスの転移温度付近でイオン交換処理
することが好ましい。

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の組成変化に応して溶
融塩等の媒体の温度を」−４または下降させるｂ法でも
よい。

これ＋／（：よりＩ！；／、”ｉの犬なガラス板でも比
較的短時間でイオン交換か可能となる。

または適当な時間でイオン交換を止め、ガラス板ヲソの
イオン交換温度以上の空気、ンリフンカーハイド等の媒
質中に保持し所要の屈折率分布を１に成するようにして
もよい。

以上のようにして第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／、２
とする。

次にこのレンズ素材７．２を、前記母材ガラス板１０の
板面法線２方向にレンズ光軸として高屈折率面側を球面
に、低屈折率面側を光軸にポＣな平坦１ｍにそれぞれ研
磨加工仕上げする。

レンズ球面／への曲率半径Ｒは屈折率分布を考慮して光
線追跡電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。

口の軸方向屈折率分布型レンズは厚みｄと屈ＪＪｉ率分
布ｎ　（ｚ）を与えれば曲率半径Ｒを変化さセることＫ
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Ｊワ中心で最小で両面側へ増
大するような分布を与えたものを母材として使用したが
、第７図に示すようにガラス板１０の片面にチタンの蒸
着等によりマスク／３を施してガラス板の片面側からの
みイメン交換を行ない、マスク／３を施さない面からマ
スク／３を施した面に向けて漸減する屈折率分布を形成
してこれをＥＪ材として使用してもよい。

また本発明においてイオン交換処理は刃′３図に示すよ
うにカラス基板１０の片面を例えばＴ１２ｓｏ４とＺｎ
ＳＯ４の混塩からなる溶融塩／／Ａ　Ｋ浸漬し、基板１
０の他面の周囲に液密状態にせき／Ｉｌを設けて内部に
他の溶融塩／／Ｂを満たし、両溶融塩／／Ａ、／／Ｂ内
トコ電極板／、１．／ｊＢを配置しテコねら両電極間（
・て電圧印加して溶融塩中の陽イオンのカラス内への拡
散を促進することもてきる。

なお、本発明方法によってガラス基板中に形成される屈
折率分布は使用するカラスの組成により、オ乙図の実線
ａのような上に凸の状態から連続的に変化し破線すのよ
うな下に凸の状態に変化させることができる。

本発明方法において上記屈折率分布の分布形状に特に制
約はないが、極めて低収差（例えば収差７μｍ以下）の
レンズを得るためには、屈折率分布を例えば ｎ　（ｚ）　＝　ｎｏ　ｖ／−ＣＺ　　−（−２）また
は、 ｎ（ｚ）＝ｎｏＶ／−ｃｚ　　−＝　　（、？）あるい
はこれらの中間の屈折率分布とすることが望ましい。

そしてレンズ厚みがガラス基板１０Ｗみよりも十分小さ
くなってもよい場合には、牙乙図のようにイオン交換で
ガラス基板中に形成されたｌｌｉ調減少屈折率分布の中
から必要とする屈折率分布をもつ厚みｄのガラス板部分
を基板両面からの１１ノ［削、研磨等により取り出せば
よい。

実施例／ 光学ガラスのＢＫ７を用いて厚み、２．□　ｍ　ｍ　の
両面が研磨された平行平面のガラス基板１０を作成した
。

このガラス基板を、Ｔ７．２Ｓ○４６０モル％、　ｚｎ
ｓｏ４１ＩＯモル％の混塩からなり！；　９０　’Ｃに
保った溶融塩中に浸漬し、ガラス中のアルカリイオン（
Ｎａイオン、にイオン）と溶融塩中のＴｌイオンとの間
のイオン交換処理を約３００時間行なった。

このようにして厚みｔ＝２．０ｍｍのガラス板中に形成
された屈折率分布の中から、このガラス板をラソビング
ボリノシュすることにより厚み／、　、ｊ　ｍ　ｍで屈
折率分布か、高屈折率面の屈折率ｎｏ＝／、ｔ／２この
面から内部へｚｍｍの距離における屈折率ｎ　（ｚ）か
、 ｎ　（ｚ）　＝　ｎｏ’１ｆアゴ０．０ｇＯ／！；Ｘｚ
て近似てきるレンズ母材ガラス板を製作した。

次に光線Ｓ１算から求めた曲率半径Ｒ＝！；、！；３０
ｍｔｎの球面加工を上記の高屈折率面側に施すとともに
、低屈折率面は平面のままとして厚みｃｉ＝７．ｓｍｍ
。

レンズ半径７４９ｍｍの軸方向屈折率分布型レンズ以 を作製した。

このレンズの球面側に光軸に平行に光線を入射させた結
果、レンズ半径のざ０％以内で軸上収差が±２μｍ以下
であることがわかった。

このときめ収差曲線をオフ図にグラフで示す。

グラフのたて軸はレンズ半径Ｘｍａｘに対する中心から
入射光線までの距離Ｘの比をあられす。

実施例コ 実施例／で製作した厚み／、３ｍｍで内部に屈折率分布
を形成したレンズ母材ガラス板をさらにラッピングポリ
ノシコして厚みｄ−／、Ｑｍｍで屈折率分布が最大屈折
率ｎｏ＝八乙へ２として、ｎ　（ｚ）　＝　ｎｏ　Ｖｌ
−ｏ、ｏｇｏ　／！；Ｘ　Ｚ　（＋１１１ｎ）で表わさ
れる基板とした。

次に曲率半径Ｒ＝！；、Ａ’１０ｍｍの球面加工を」二
記基板の高屈折率面側に施し低屈折率側面は平面のまま
として軸方向屈折率分布型レンズを製作した。

このレンズの球面側から光軸に平行に光線を入射させた
結果、レンズ半径Ｊ、ｌＩ／　ｍｍのざ０％以内で軸上
収差が１７８ｍ以下であることがわかった。

【図面の簡単な説明】

オフ図（イ）（ロ）は本発明方法で製造される軸方向屈
折率分布型レンズを示す縦断面図および一部省略正面図
、第２図は本発明方法でガラス五［板を溶融塩に浸漬し
てイオン交換する工程を示す縦断面図、第３図は第３図
のイオン交換処理で得られた屈折率分布ガラス板および
このガラス板を加工して得られるレンズを示す縦断面図
、第１図は本発明方法でイオン交換するガラス基板の他
の例を示す縦断面図、第３図は本発明方法で基板のイオ
ン交換を電圧印加で行なう例を示す縦断面図、オ乙図は
本発明方法でガラス基板内に形成される屈折率分布の例
を示すグラフ、オフ図は本発明方法（（よって得られる
軸方向屈折率分布型レンズの軸−ヒ収差の例を示すグラ
フ、オざ図は屈折率分布の断 ない凸レンズの収差を示す縦面図である。 ／　・・・・・軸方向屈折率分布型レンズ／Ａ・・・・
・・・・球　面　２・・・・・・・光軸３Ａ、３Ｂ、３
Ｃ・・・・・・・光　線　１０・・・・・・ガラス基板
／／、／／Ａ、／／Ｂ・・・・・・・・溶融塩／２・・
・・・・・・レンズ素１１１Ｒ・・・・・・・・曲率半
径／３・・・・・・・マスク 第１図 第２図 第３図 第４因 第５因

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平行平面をもつ母材ガラス板の少なくとも片面に、クリ
   ラム（Ｔｌ）、リチウム（Ｌｌ）ｌセシウム（Ｏｓ）の
   うちから選んだ一種または二ｆｊｌｉ以」二の陽イオン
   を含む媒体を接触させ、イλン交換により前記陽イオン
   をガラス板内に拡＠浸透させ工該陽イオンの濃度分布で
   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
   分布をもつ部分を切り出し、前記母材ガラス板の厚み方
   向を時ンズ光軸として少なくとも片面に球面加工を施す
   ことを特徴とする軸方向屈折率分布型レンズの製造方法
   。