JPS60145917A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子の製造方法

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JPS60145917A
JPS60145917A JP25026283A JP25026283A JPS60145917A JP S60145917 A JPS60145917 A JP S60145917A JP 25026283 A JP25026283 A JP 25026283A JP 25026283 A JP25026283 A JP 25026283A JP S60145917 A JPS60145917 A JP S60145917A
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JP
Japan
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refractive index
glass body
optical element
gel
index distribution
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JP25026283A
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Takashi Serizawa
芹沢 高
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Canon Inc
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Canon Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00Other methods of shaping glass
    • C03B19/12Other methods of shaping glass by liquid-phase reaction processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/006Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels to produce glass through wet route
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00Type of glass produced
    • C03B2201/06Doped silica-based glasses
    • C03B2201/30Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi
    • C03B2201/40Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi doped with transition metals other than rare earth metals, e.g. Zr, Nb, Ta or Zn
    • C03B2201/42Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi doped with transition metals other than rare earth metals, e.g. Zr, Nb, Ta or Zn doped with titanium
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    • C03B2201/30Doped silica-based glasses doped with metals, e.g. Ga, Sn, Sb, Pb or Bi
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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】 (1)技術分野 本発明は、カメラ、複写機、ファクシミリ等のレンズや
他のオプトエレクトロニクス機器の光学部品に用いろこ
とができ、ガラス体内部に屈折率分布を有するような光
学素子を、部品質に且つ安価に製造する方法に関する。
(2)背景技術 最近、複写機や光通信の分野でD折率分布を有する光学
素子が注目されており、一部では既に大川化されている
。特に多成分ガラスにおいて、イオン交換を利用して作
るセルフォックは良く知られたものの例で−ある。
しかし、このようなイオン交換を応用する方法において
は、ガラス自身が変形しない温度条件てイオン交換を行
なわなければならないという本質的な制約がある。すな
わち、実用的な時間内でイオン交換を行なうためには、
拡散速度の速(・1価の陽イオン、例えばT 、g +
、C8+、Rb”、で、Na+、L1′−1Ag″等し
か拡散種として用いることができなない。特に、大きな
屈折率差を得ようとする場合にはTI+イオンを用いる
心安があるが、この場合には屈折率の波長分散が大きく
なることが避けられない。また、上記のような拡散速度
の大きな]価の陽イオンを用いたとしても、直径5 m
m以上の太いロンドレンズをイオン交換を応用した方法
で作るとすれは、イオン交換に要する時間が長くなり、
工業的には実施不可能である。
また、イオン交換り、外で屈折率分布を有する光学素子
を製造する方法としては、VA D (VapourA
xis Deposition)法やCVD (Che
mical Vapourl)epositjon)法
などの気相合成法が知られている。
しかしながら、気相合成法は生産性が低く、大きな光学
素子は作りにくいという欠点がある。
史に、共重合により屈折率分布を有するプラスチック部
材を製造する方法も知られているが、プラスチックには
温度、湿度等の周囲の環境条件により、その光学性能が
大きく変化するという欠点があり、高い精度が要求され
る光学機器には用いることができない。
一方、従来より金属アルコキシド、例えば51(OCH
3)4 等を加水分解して得られる多孔値ゲルを焼結す
ることによってガラス体を作成する方法(以下、ゾル−
ゲル法と呼ぶ)が知られている。
以下、ゾル−ゲル法のプロセスの概要を図面も参照して
説明する。
第1図は、ゾル−ゲル法のプロセスの一例を説明する工
程図である。本例では説明を簡略化するため、金属アル
コキシドを81(OCH3)4、これを心解する浴媒を
CH30Hとしたものを例として説明する。まず、原料
である5J(OCH3)4をCH2O](の入った混合
用容器5中でM解する。次に、これをゲル化容器6に移
した後、CH30HとH2Oの混合液を攪拌しながら徐
々に加えることによりゲル化を行う(ゲル化工程A)。
次に、残留物であるCH,OH及びf(、,0を徐々に
飛散させてゲル2を乾燥させる(乾燥工程B )。そし
て、この乾燥ゲル3をゲル化容器5かも取り出した後、
これを焼成炉等で1000℃以上に加熱して焼結しガラ
ス体とする(焼結工程C)。
このゾル−ゲル法は、ガラスの浴融温間以下の低温でガ
ラスを合成できるため経済的であり、更に高純度の原料
が得られやすいので不純物の少ないカラス体が得られる
といった特長がある。また、ゾル−ゲル法によって得ら
れるガラス体は、51o2だけでなく、例えば5102
−T102.5in2−P2O,,5i02−B203
.5in2−B203−Na20.5in2−Na20
 系などの多くの組成のものを得ることができることが
知られている。
近年ゾル−ゲル法により得られる多孔質体の細孔中に金
属イオンを拡散させて屈折率分布を形成する方法が提示
されているが、この方法は屈折率分布の制@]がむずが
しいため、今のところファイバー用プリフォームとして
用いられているのが現状である。
(3)発明の開示 本発明は、上記の事実に鑑み成されたものであって、本
発明の目的は、ゾル−ゲル法を応用することによって屈
折率分布を有する光学素子を高品質に且つ安価に製造す
る方法、特に、焼結後に屈折率分布を有するカラス体と
なるようなゲルを製造する方法を提供することにある。
本発明の上記目的は、以下の方法によって達成される。
加水分解によってケル化したのち焼結することKよっテ
カラス体となるような金属アルコキシドb液と、前記カ
ラス体の屈折率を変化せしめる元素を含む浴液との混合
液を、焼結後に所望のカE 47i’率分布を有するガ
ラス体となるような組成分布を有する状態でゲル化させ
得られたゲルを焼結してガラス体を祷ることを特徴とす
る光学素子の製造方法。
上記のような本発明の特長とするところは、了rに加水
分解によってゲル化したのち焼結しただけでは屈折率分
布を持たない均一なガラス体となる上記のような混合液
を、例えば遠心分離等の手段によって屈折率分布を有す
るガラス体となるような、<IB成分布を与える状態で
ゲル化することで、111(4)+−4、分布を有する
ガラス体を?4’fることにある。
(4)発明を実施するための最良の形態本発明における
金属アルコキシドとしては、シリコンメトキシド(S 
1(OCH3)j、シリコンエトキシド(S i (0
C2H5) 4)等が好ましいものとして挙げられる。
また、これら金属アルコキシドを箔屑する溶媒としては
、メタノール、エタノール等のアルコール等が好まし℃
・ものとして挙げられる。
本発明におけるガラス体の屈折率を変化させる元素とし
ては、」二記の如きガラス体となるような金属アルコキ
シド浴液に含まれる金属以外の元素、ずなわちGe1T
i、 kl、 Zr、 B、 Na、 Cs、 ’Tl
L+ 等が好ましいものとして挙げられるが、本発明に
おいてはこれ等の元素を含む化合物、例えばこれ等の元
素のアルコキシド等の少くも1種以上を所望に応じて使
用することが可能である。これらの化合物を箔屑する溶
媒としては、上記のようなメタノール、エタノール等の
アルコール等カ好ましいものとして挙げられる。
これら元素を含む溶液は、上記の如き元素を含む化合物
を、例えば上記の如き溶媒に浴解することによって使用
される。ここで金属アルコキシド浴液に含まれないとは
、例えばガラス体となるような金属アルコキシド浴液が
]成分の金属アルコキシドから成るのであれは、この金
属アルコキシドに含まれる金属元素以外の元素を含む化
合物を使用することを意味し、これら化合物は上記のよ
うなこれ等のアルコキシドであってもよい。
本発明における焼結後に所望の屈折率分布を有するガラ
ス体となるような組成分布を有する状、Cj、!:でゲ
ル化させる手段としては前記のような遠ノし・分離が好
ましいものとして挙げられる。その他、金属化合物の自
然拡散、重力による沈降、電場による拡散切によること
も可能である。
以下に実施例を示し、本発明について史K 、i(、L
(説明する。
尚、以下の例では、主としてSiO□−TIO2系カラ
スを例として説明するが、前記したよりなS]02−p
、、o、、S i 02−B、、03、S i O2−
13203−Na20 、 S i 02−Na2O系
等のガラスにおいても同様のことが8える。
〈実施例 ]〉 279のシリコンエトキシド(S ](0C2H5) 
4)及び792のチタンイノプロポオキシド(TI(O
C3H7)4)を、所望の容器の中で100mgのエタ
ノールに箔屑ずろ(以下、この溶液を溶液Aと称する)
。次に、この浴液Aに、予め調整した゛エタノール50
ydと水50−から成る混合液(す、下、浴液Bと称す
る)を攪拌しながら徐々に加える。この際、浴液Bを急
激に加えると、加水分解速度の大きいTi(QC2H,
)4が選択的に沈殿してしまうので注意する心安がある
。溶液へと浴液Bの混合液を浴液Cとする。このi?i
[Cは、カラス組成で90SiO2・10TiO,、(
mo1%)に相当する。
ここで溶液Cは、時間の経過とともに加水分解が進みゲ
ル化してゆくが、この過程において浴液Cを入れた所望
の容器を回転させておくと、遠心分離の原理により溶液
に組成分布が生じ、その状態を保ったままゲル化するの
で、屈折率分布をイjするゲルが得られる。このとき回
転の速度、時間等を調整することにより、屈折率分布を
制御することができる。
次に、上記ゲルを50℃に保った所望の乾燥器中に放置
して、残存物である水とアルコールを除去し、乾燥ゲル
とする。最後に、この乾燥ゲルを以下に示すような加熱
プログラムて、所望の焼成炉中で焼結し、カラス体を得
た。
■ 昇¥1′R7速度2℃/分で400’Cまでツノ■
熱、■ =100℃で60時間保持、 ■ 昇温速度2℃/分で750℃まで加熱、■ 750
℃で4時間保持、 ■ 昇温速度2℃/分で1000℃まて加熱、■ 10
00℃て5〜6時間保持した後、炉中で自然放冷。
上記のような工程を経て得られたガラス体の)u’。
折率分布を測定した所、中心から外側に向けてノ1[(
折率分布を有するガラス体となっていた。
上記のように本発明の方法によれば、焼結後(てi++
j折率分布を有するガラス体となるようなゲルを得るこ
とができる。このゲル体は、上記の如きバルク状のもの
のみならず、加水分解する時の水分の量を調節する等の
方法により、ファイバー状に引き延すことも可能である
。このようにして得られる中心から外側に向けて屈折率
が変化しているファイバー状ゲルを熱処理することによ
って得られるガラスファイバーは、いわゆるグレーデッ
ドインデックス型ファイバーであり、光通信分野への応
用が期待される。
また、熱処理後に得られるガラス体の形状は、加水分解
する時の容器の形状によって決まるので、これら容器の
形状を所望の形状とすることにより、任意の形状を有す
る屈折率分布をもった光学素子を得ることが可能である
。例えば、曲率な持った容器を用いれば、屈折率分布を
持ち且つ曲率を有する光学素子を得ることができる。
以上に説明した本発明によってもたらされる効果として
は、下記に列挙するようなものが挙げられる。
■ 大きな形状の光学素子が得やすい。
■ 深い屈折率分布が得やすい。
■ アルコキシドを形成する元素は数多く存在するので
、多様な屈折率分布を持つ光学素子が得られる。
■ 原料である金属アルコキシドは高純凌に存製するこ
とが可能であり、また従来のようなルツボ内での高温溶
融という工程を設ける必要がないので、不純物の少い光
学素子なイHることが可能である。
■ ゲル化容器の形状を変えることにより、多様な形状
の光学素子を得ることがてきる。
■ 原料は安価であり、工程も比較的単純なので、製造
コストを低(することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、ゾル−ゲル法のプロセスの一例’(1f51
’。 明する工程図である。 1・・・・・・・原料混合液 2・ ・・ ・・乾燥前のゲル 3 ・・・・乾燥後のゲル 4・・・ ・・・・焼結によって得られるガラス体5・
・・・・・・・混合用容器 6・・・・・・・ゲル化容器 A・ ・・・ゲル化工程 B・・・・乾燥工程 C・・・・・・・・焼結工程 特許出願人 キャノン株式会社 第 1 図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 加水分解によってゲル化したのち焼結すること
    によってガラス体となるような金属アルコキシド溶液と
    、前記ガラス体の屈折率を変化せしめる元素を含む溶液
    との混合液を、焼結後に所望の屈折率分布を有するガラ
    ス体となるような組成分布を有する状態でゲル化させ得
    られたゲルを焼結してガラス体を得ることを特徴とする
    光学素子の製造方法。
  2. (2) 前記金属アルコキシドがシリコンメトキシド(
    si (OOH3)4)又はシリコンエトキシド(Si
    (OC21−I5)4)であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項に記載の光学素子の製造方法。
  3. (3) 前記ゲル化の工程が、遠心分離の原理を利用す
    る工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項ま
    たは第2項に記載の光学素子の製造方法。
  4. (4) 前記元素力;−Ge、Ti、Al、 Z−r、
     B1NaXCs。 Tl、およびLiから成る群より選択される 1種以上
    の元素で些ることを特徴とする特許請求の範囲第1項、
    第2項または第3項に記載の光学素子の製造方法。
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