JPS6052820A - 複合光学装置とその製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、多孔質のガラス体内に形成された光学パター
ンに基づく複合光学装置に関する。本発明が対象とする
光学パターンは、ガ。ラス体内を延びる複数の円柱から
成るアレイ（配列）が存在していることに相当し、それ
らの円柱のそれぞれが半径方向に沿って変化している所
定の屈折率を有している。このように、本発明の光学装
置は、半径方向の距離に応じて、すなわち、円柱の中心
軸から外側に向かって放物状に屈折率が変化しているこ
とによって、レンズと同様の性質を発揮するのである。

本発明の光学装置によれば写真複写（ｐｈｏｔｏｃｏｐ
ｙｉｎａ）に必要とされるような一対一の正立共役像（
ｏｎｅ　−ｔｏ−ｏｎｅ　ｅｒｅｃｔ　ｃｉｏｎｊｕｇ
ａｔｅ　ｉｍａｇｅ　）が得られる。

１里１す１［ 本発明と同一人の出願に係る特開昭５８−４９６３９号
には、多孔質ガラスに光分解性有機金属物質を含浸させ
、含浸後のガラスを選択的に光分解させる′ことによっ
て、多孔質ガラスに光学パターンを形成させる方法が開
示されている。形成される光学パターンとしては、屈折
率分布パターン（例えば、レンズンおよび光学濃度パタ
ーンが挙げられる。

この特許出願において光分解性有機金属物質とは、光に
露されたときにその結合が分解して光分解による金属−
有機中間体を生成するものとして定義されている。そし
て、この中間体は、反応性を有すること、すなわち、水
＆を基を介して多孔表面と反応して配位化合物ないしは
強い結合を生じる能力を有することが好ましい。

また、多孔質ガラスとは、サブミクロンの直径を有する
孔が互いに連結されて多数存在し、この孔の中に有機金
属物質が液体または気体として導入゛され得るようにな
ったものである。そのようなガラスは、米国特許第２，
１ｏ６．ｒａ４号、同第２，２１５．０３６号および同
第２，２２１，７０９号に記載されているような相分離
法や浸出法によって製造されるのが好ましい。

上記の特許出願に開示されているように、ガラスの非光
分解領域に存する有機金属物質を洗浄や揮発によって除
去することによって該ガラスを多孔状態に戻すことがで
きる。これによって、該領域において反応が更に進行し
て光学パターンが不鮮明になったり歪むことが回避され
る。また、所望に応じて、多孔質ガラスを硬化して非多
孔質状態にしてもよいが、高温工程を要し、この工程そ
のものが光学的諸性質を損うことがある。

本発明者らは、［光学装置とその製造方法」と称する発
明に関して同時に特許出願（同一出願人、同日出願、特
許願（２）　）を行なっており、該出願には、重合性を
有する機能性有機シリコーン液によって孔を充填するこ
とが開示されている。これによって光学装置が封止され
て異物や水分を吸収しないようになる。しかしながら、
更に重要なことは、後に熱処理を行なうことによって、
２つの予期しない利益が得られる。先ず、レンズ強度（
ｌｅｎｓ　ｐｏｗｅｒ）　、すなわち、光分解によって
生成するレンズの光学的強度が非常に増大する。第二の
利点として、マトリックスガラスの表面が不透明になる
。

同時に出願した上記特許出願においても説明しているよ
うに、（１）レンズ中に形成される屈折率の差を増大さ
せることによって、個々のレンズに好適な光学的強度を
付与するか、または（２）ガラスの厚さを２１＋１１１
よりも大きくすれば、一対一の正立共役像を形成するこ
とができる像形成装置が得られるのであろうと考えられ
た。この目的のために、露光時間を長くすることによっ
て、光分解効果、および（または）多孔質ガラス体内の
処理深さを高めようとした。

この試みの主要な目的は次の２点であった。すなわち（
１）半径方向の屈折率の分布効果を大きくすること、従
って、レンズ強度を高めること、および（２）ガラス体
の厚さ全体に亘って該効果を可及的に均一にすることで
ある。しかしながら、露光を長クイると、半径方向の屈
折率の分布は露光用光線の光軸に沿って大きく依存する
ことが見出された。この結果、像を歪ませ非ダキ称にし
た。

更に、このような悪・影響は露光時間に応じて著しした
がって、半径方向に屈折率を充分に変化させて所望の像
形成効果を得ることはできないが、露光時間を制限する
ことが重要であると考えられた。概して言えば、ガラス
の厚さを約２　ａｍよりも大きくすることは回避された
。この理由は、背面に好適なレンズ強度を与えるのに必
要な露光量が大きくなりすぎるからであった。

１１九ｌ乱 かくして、本発明の目的は、特開昭５′１１−４９６３
９号に開示されているような光学パターンに基づく像形
成装置の構造を改良することである。

本発明の他の目的は、複数のレンズ素子のアレイから成
る光学パターンが存在するそのような改良装置を提供す
ることである。

本発明の更に別の目的は、一対一の正立共役像を形成す
ることができる像形成装置を提供することにある。

本発明の目的は、また、像の鮮明さや忠実度を損うこと
なく像形成特性の向上した像形成ｉｉｉ置を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、特開昭５８−４９６３９号に従っ
て調整されたレンズアレイに基づき、且つ、有効厚さが
２　ｍｍより大きい像形成装置を提供することである。

１里ｆｆｌ これらの目的および後述の説明から理解されるような他
の目的を達成するために、本発明に従えば、少なくとも
２つの多孔質ガラス体から成る像形成用複合光学装置が
提供される。しかして、本発明の光学装置においては、
各ガラス体が、該ガラス体を延在する複数の円柱レンズ
素子（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　１ｅｎｓ　ＳＶＳｔｅ
ｍＳ）から成るアレイ（配列）を有する。それらのレン
ズ素子は、半径方向の所定の屈折率分布を有している。

また、それらのレンズ素子はガラス孔内で有機金属化合
物が光分解することによって形成される。ガラス体の互
いに反対側の面が各円筒の端部となり平坦な面を形成し
てレンズ様素子として機能する。そして、本発明の光学
装置は、１つのガラス体内の各レンズ素子が隣接するガ
ラス体の対応するレンズ素子と整合するように、２つま
たはそれ以上のガラス体ｈ〜重ね合わされて堅持されて
いることによって、それらのガラス体が像を形成するの
に効果的な厚さを有している。

更に、本発明に従えば、像形成用光学装置の製造方法が
提供される。本発明の方法において（ま、先ず、少なく
とも２つの多孔質ガラス体に光分解性有機金属化合物を
含浸させる。ここで、該ガラス体の各々の厚さは約２踊
を超えない。次（１で含浸後のガラス体の各々を同一の
パターンから成る光分解用光源に露してガラス体の特定
部分を選択的に露光し、これによって、ガラスの露光領
域の有機金属化合物の少なくとも幾分かを光分解させて
レンズ素子の配列（アレイ）を形成する。その後、この
ようにしてパターンが付与された２つまたはそれ以上の
ガラス体を互いに重ね合わせて、各ガラス体の各レンズ
素子を、やはりンくターンｈ〜付与された他の各ガラ支
体の対応するレンズ素子と整合させ、且つ、このように
して得られた複合体を強固に保持することによって、光
学装置の有効厚さを増大・する。

従来技術 本発明に関連する従来技術としては、米国特許第４，１
６８，９００号が挙げられ、該特許には複写装置用の正
立像形成装置が記載されている。この特許の装置は、対
物レンズから成る第１のレンズアレイ対と、この第１の
レンズアレイ対から隔置され且つ該アレイ対に整合され
たリレーレンズから成る第２のレンズアレイ対とから構
成され、第１のレンズアレイ対が実像を形成し、第２の
レンズアレイ対が正立像を形成するようになっている。

そして、各レンズアレイ対において、単一のアレイは他
のアレイに対してオフセットされた関係にある。レンズ
は、−辺が２　ｍｍのガラス製またはプラスチック製の
四角い棒状を成している。

また、米国特許第３，６５８，４．０７号には、レンズ
様素子として機能する平らな端部を有するガラス繊維か
ら構成された像形成用光学装置が開示されている。この
装置においては、各繊維が、イオン交換によって付与さ
れた半径方向の屈折率分布を有している。

更に、米国特許第３，６０５，５９３号（第２８，１６
２号として再発行）には、複数のレンズアレイを有する
一対のモザイクから成り、物体の一部を拡大した複合像
にする像形成用光学装置が開示されている。

これらの装置についての詳細な検討は、［Ｃｌ０ｓｅ−
ｕｐ　ｌ　ｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ　
ａｎｄ　Ｄ　１ｓｐｌａｙｓ　ｗｉｔｈ　Ｌｅｎｓ　Ａ
ｒｒａｙｓ　」と称する論文（Ａｐｐｌｉｅｄ　０Ｄｔ
ｉｃｓ　、Ｖｏｌ、１８．　Ｎｏ、４．　１９７９年２
月１５日発行）に見出される。

更に、米国特許第３，５４４，１９０号には、物体から
１＝１の倍率で連続像を形成するための装置が開示され
ている。この装置における像形成用光学装置のレンズは
、内部視野絞りを有する個々の像形成装置を連続的に用
いたものである。レンズはプラスチックで成形されてい
る。

明の一般的説明 前述したように、特開昭５８−４９６３９号には、多孔
質ガラスに含浸させた有機金属化合物を選択的に光分解
することによって該ガラスに光学パターンを形成するた
めの材料と方法が詳述されている。

本明細書においては該特許出願を引用することによって
再び説明することを省略する。一般的に言えば、本発明
における有機金属化合物の有機成分として、該特許出願
に開示されている各種の成分が使用可能である。また、
金属成分としては、周期律表１［ｉＢＭ、ＩＶＡ族、Ｉ
ＶＢ族、ＶＢ族、ＶＩＢ族。

Ｖｌｌ　Ｂ族および■族から選ばれるものが使用され得
る。

しかして、本発明者らは、ヨードトリメチルスズ（ＩＳ
ｎＭｅ３）、ヘキサメチルニスズ（Ｍｅ６Ｓｎ２）、ブ
ロモトリチルゲルマニウム（ＢｒＧｅＭｅ３）およびヨ
ードトリメチルシラン（ＩＳ！Ｍｅ３）のような第１Ｖ
　Ｂ族の有機金属アルキルまたはアルキルハライドを用
いると本発明に対して最適な結果を得た。効果的な有機
金属化合物を形成することができる金属であって触媒活
性を有するものとして認められている他の金属としては
、マンガン、鉄、チタン、クロム、タングステン、：］
バルト、バナジウム、ハウニウム、ジルコニウム、ニオ
ブおよびタンタルが挙げられる。

光学パターンを発現させるための一つの手段として、多
孔質ガラス体に、有機金属化合物または該化合物の溶液
を完全に含浸させる。次いで、不透明マスク（このマス
クに、明瞭な透明域としてパターンが形成されている）
を介して、光分解用光源、例えば、水銀アークランプに
ガラス体を露光する。このようにすると、マスクのパタ
ーン領域に対応する孔にある有機金属化合物が分解され
るが該領域に隣接する領域は変化しない。光分解生成物
はガラスと反応し該ガラスと結合する。光分解を受けな
かった有機金属化合物は洗浄または蒸発によって除去し
てもよい。

前述したように、厚さが約２　ｍｍより大きいガラス体
を光分解処理しても満足できる成果が得られないことを
本発明者は見出した。すなわち、ガラス体を通るように
充分な露光を行なうと、レンズ素子の中で軸方向にも屈
折率の分布が生じ、この結果、像が歪み対称性を欠くこ
とになる。　゛本発明に従えば、２ＩｎＩｎまたそれ以
下の厚さを有するガラスストリップを２個以上処理し、
次いで、それらのガラスストリップを互いに重ね合わせ
ることによって、約２＃より大きい有効厚さを得ること
ができる。

勿論、各ガラス体には同一のパターンを形成することが
必要である。次いで、一つのガラス体の各レンズ素子が
他の各ガラス体の対応するレンズ素子と整合するように
それらのガラス体を互いに整合させる。各ガラス体にマ
スクを用いてパターン化を行なうに当って同じパターン
が付与されるようにすることによって大略の整合が得ら
れる。

大略の整合が得られたなら、最大透光装置を用い既知の
手法に従って各レンズ素子を正確に整合させることがで
きる。

ガラス体は所望の関係に機械的に互いに固定されてもよ
いが、軟質ガラス、有機樹脂またはその他の既知のシー
ラントを用いてそれらのガラスを互いに封止することが
一般に好ましい。シーラントが介在層として存在する場
合、該シーラントは清澄で透明でなければならないこと
は勿論である。

−介在層の光学的欠陥を回避するために、隅部にもシー
ラントを使うことが好ましい。　。

一般的に言えば、本発明のレンズ素子においては、レン
ズの全長くすなわち、ガラスの厚さ）に亘って、屈折率
の半径方向分布を一定に保つことが望ましい。換言すれ
ば、ガラス全体にわたって（すなわち、円柱レンズ素子
の全体にわたって）、はぼ単一の放物分布曲線が形成さ
れるようにすることが望ましい。しかしながら、分解光
線へのガラス体の露光は、一方の面のみから行なわれる
のが通常であるから、必然的に不均一性が生じることに
なる。この現象は、厚さが約２　ｔｎｍを超えるガラス
を用いるときには重大になる。露光量、または少なくと
も露光効果は、光線の侵入深さに応じて減少する傾向が
あるものと思われる。この結果、半径方向の分布を画定
する放物曲線が漸欠減少する。かくして、半径方向の分
布の強さおよび形状が軸方向に沿って変化し、したがっ
て、透過像の歪みが生じることになる。

さて、本発明者は、２つの薄いサンプルを重ね合わせる
ことによってこのような欠点が解消され得ることを見出
した。２＃以下の薄いサンプルに対して光学的処理を施
した場合には半径方向の屈折率分布が軸方向に変化する
ことは殆んどなく、したがって、光学的挙動を最適にす
ることができる。レンズの厚さがｒＤＪで、半径方向の
屈折率分布強度が「Ｌ」の場合の一対一共役作動距離は
次の式で表わされる。

Ｃ＝−Ｌ／ｎｏ　ｔａｎ　（Ｄ／２Ｌ）ここで、Ｃ＝一
対一共役作動距離 Ｄ＝レンズ厚さ Ｏｏ−中心線に沿うレンズの屈折率 Ｌ＝半径方向の屈折率分布パラメータ （ｒａｄｉａｌ　１ｎｄｅｘ　ｇｒａｄ＋ｅｎｔ　ｐａ
ｒａｌｌｌｅｔｅｒ　）であり、 ｎ　＝ｎｏ　（１−ｒ２／２Ｌ２）ｒ定義される（ｒは
レンズの半径）。

半径方向の屈折率分布が等しいレンズを重ね合わせた場
合には、Ｄの代わりに、重ね合わせた個々のレンズ素子
の厚さの合計を用いればよい。これは好ましい場合であ
るが、半径方向の分布が等しくない場合にも重ね合わせ
に関する考え方を適用することができる。この場合には
、例えば、２つの層から成るときには、 Ｌｅｆｆ　＝　ＤＩ　十Ｄ２ Ｄｌ／Ｌ１＋Ｄｚ　／Ｌｚ によって定義される有効り値を用い、この値を上記の式
のＬの代わりに用いる。

友−Ｌ−１ 以下、本発明を具体例に沿って更に説明する。

厚さ２＃ＩＩＩ＋の一群の多孔質ガラスサンプルにヨー
ドトリメチルスズを含浸させた。次に、含浸後の各サン
プルを１５０ミクロンの明瞭な開口が密に存在する多孔
マスクを介して露光した。露光は５００ワツトのキセノ
ンランプを用いて２時間行なった。

その後、それらのサンプルを洗って非露光領域から未光
分解物質を除去した。

４つのガラスサンプルを選択し、測定および、次の式に
基づく分布パラメータの計算に供した。

ｎ＝ｎ、（１−ｒ２／２Ｌ２　） ここで　ロー未処理ガラスの屈折率 ｊｌｏ＝レンズの中央部における屈折率ｒ＝レンズ直径
の１／２ であ−る。レンズ直径および分布パラメータの値から、
各サンプルのレンズ強度ないしは光学的強度の尺度とし
てＤ／Ｌの値を計算した。

４つのサンプルを複数の対に分け、レンズ素子が整合す
るように６対のサンプルを重ね合わせた。

サンプルを重ね合わせるときには、それぞれの前面すな
わち露光面が外側になるようにした。米国ミシガン州ミ
ツドランドのダウ・コーニング社（Ｄ　ｏｗ　−Ｃｏｒ
ｎｉｒ＋ｏ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）がら商品名５Ｉ
ＬＡＳＴＩＣ７３２ＲＴＶで入手できる接着剤／シーラ
ントを各隅部に施着して重ね合わせた６対のサンプルを
強く結合した。しかして、この重ね合わせ後のサンプル
について、再び、測定および計算を行なった。

しかる後、このようにして得られた２つの複合体を重ね
合わせ且つ封止した。このときも、レンズ素子が整合し
、また、露光された面が外側になるようにした。かくし
て、全厚が約８＃の４層から成る重ね合わせ体が得られ
、該重ね合わせ体について最終的な測定を行なった。

以下、第１表に、サンプルの番匈（ハイフンでつないで
いるのは、複数のサンプルを重ね合わせたものを示す）
、並びに、ＬおよびＤ／Ｌの計算値［後者の単位は、度
（°）である］を示している。作動距離が１　ｃｍの場
合において一対一の正立共役像を透過させるには、Ｄ／
Ｌの値が少なくとも１８９．５°になることが必要であ
ることが理解されるであろう。

肛−」−」組 サンプル　、Ｌ　旦Ｚ」−工１」− １１０，２４０４７，８ １８０，２３１４９，６ １７０，２５５４４，８ １４０，２１１５４，３ １１−１８０，２２７１０１ １４−１７０，２１９１０４，３ １１−１８−１４−１７０，２２４２０４次に、コーニ
ングガラス社（Ｃｏｒｎｉｒ＋ｇ　Ｇ　１ａｓｓＷｏｒ
ｋｓ）からＣｏｄｅ７９３０として市販されている厚さ
約２．２麿の多孔質ガラスから成る２つのサンプルに、
前述のようにヨ″−ドトリメチルスズを含浸させた。次
に、２５００ワツトの水銀キセノンランプによる４９０
ｎ１以上の波長範囲の光線にそれらのサンプルを露光し
た。露光は、直径が１５０ミクロンの明瞭な孔が中心間
距離２０７ミクロンで多数存在する多孔装置を介して行
なった。゛露光時間は２時間であった。次に、含浸後の
サンプルを洗って未光分解有機金属化合物を除去し、更
に、加熱を行なって孔中の光分解生成物を固定した。

このようにして光学パターンが形成されたサンプルを、
ＤＣｌｌｏｌの名で入手できる重合性を有する機能性シ
リコーン液の９０％溶液に浸漬した。このときの溶媒は
１０重量％のキシレンであった。サンプルを２４時間浸
漬した後、取り出して液を拭い去った。しかる後、水蒸
気雰囲気下に１１０℃において約４時間加熱した。次い
で、再び浸漬を行ない、サンプルを乾燥し、非水分雰囲
気下に約１時間１１０℃において約１時間加熱した。第
２回目の浸漬を行なったのは、孔が完全にシリコーン液
で充填され、レンズ域において重合が完遂されることに
よって、安定なレンズアレイが得られるようにするため
である。

各レンズアレイにつき、（１）光分解によって当初形成
されたとき、（２）第１回目のシリコーン処理後、およ
び（３）第２回目のシリコーン処理後における測定に基
づきレンズ強度（Ｄ、／’Ｌ）を計算した。計算値は、
以下の第２表に示されている。表中、ＦＢとは前面、ま
た、ＢＦとは背面をそれぞれ相称するものである。すな
わち、ＦＢとは当初の露光側の面に対応する側面を意味
し、ＢＦは露光面の反対側の面に対応する側面を意味す
る。しかして、ＢＦとＦＢの値が一致していることは、
軸方向の非対称性が無いことを示唆する。

肛−」−」［ 写真複写装置（ｐｈｏｔｃｏｐｉｅｒ）中の作動距離が
１値の場合において１：１兵役像をｌｑるには、ガラス
の厚さが４　ｔｔｒｍでＤ／Ｌの累積値が１８９．５°
であることが必要である。このことは、次の式によって
裏づけられる。

Ｃ＝−Ｌ／ｎｏｔａｎ、（Ｄ／２Ｌ） 但し　Ｃ−共役作動距離 Ｄ−ガラスサンプルの厚さ ｎｏ−多孔質ガラスの屈折率 し一定数であって式ｎ−ｎｏ　＜１−ｒｚ／２Ｌ２）か
ら得゛られる（「＝レン ズ半径）。

かくして、必要なレンズ強度を得るために、サンプル１
およびサンプル２を選んで重ね合わせた。

すなわち、先ずそれらのサンプルを視覚的に位置合わせ
し、しかる後、最大透光装置によって正確に整合させた
。得られた複合体は必要なレンズ強度である１８９．５
°を有しており、１Ｇの作動距離において１：１の正立
共役像を形成することができ、分解能は１０線対／　ａ
ｍであった。

第１頁の続き ［相］発　明　者　ポール　アーサー　ザ　アメリカ合
衆巨ヘニック　ストリート １５９− コ　ニューヨーク州　コーニング　ベーゼル３

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）　少なくとも２つのガラス体から成る像形成用複
   合光学装置であって、前記ガラス体の各々が該ガラス体
   を延在する複数の円筒レンズ素子から成るアレイを有し
   、それらのレンズ素子は所定の屈折率分布を有し且つガ
   ラス孔内で有機金属化合物が光分解することによって形
   成されたものであり、１つのガラス体の互いに反対側の
   面が各円筒の終端部となり平坦な面を形成してレンズ様
   素子として機能するようになっており、更に、１つのガ
   ラス体の各レンズ素子が隣接するガラス体の対応するレ
   ンズ素子と整合するように前記２つまたはそれ以上のガ
   ラス体が重ね合わせられていることによって、それらの
   ガラス体が像を形成するのに有効な厚さを有しているこ
   とを特徴とする前記光学装置。
2. （２）　レンズ強度（Ｄ／Ｌ）の累積値が少なくとも１
   ｇ９，５°であり、且つ、ガラスの厚さが少なくとも４
   Ｍであることによって、一対−の正立共役像を形成する
   ことができる特許請求の範囲第１項記載の像形成用光学
   装置。
3. （３）　各ガラス体が有＊１Ｎ脂によって互いに接合さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の像形成用光学装置
   。
4. （４）　各ガラス体が軟質ガラスによってＵいに接合さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の像形成用光学装置
   。
5. （５）　厚さが約２ｍよりも大きくない少なくとも２つ
   の多孔室ガラス体に光分解性有機金属化合物を含浸させ
   ：含浸後のガラス体の各々を同一のパターンから成る光
   分解用光源に供してガラス体の特定部分を選択的に露光
   し、これによって、ガラスの露光領域の有機金属化合物
   の少なくとも一部を光分解させて複数のレンズ素子から
   成るアレイを形成し；パターンが付与された２つまたは
   それ以上の前記ガラス体を互いに重ね合わせて、各ガラ
   ス体の各レンズ素子が同様にパターンを付与された伯の
   ガラス体の対応するレンズ素子と整合し、且つ、このよ
   うにして得られた複合体を１該整合状態において堅持す
   ることによって、光学装置の有効厚さを増大させること
   を特徴とする像形成用光学装置の製造方法。
6. （６）　２つまたはそれ以上のガラス体を重ね合わせる
   に当たり、互いに反対側にある外面が、光分解用光線に
   当初露光する面となるようにすることにより、レンズ強
   度をほぼ周じにする特許請求の範囲Ｍ５項記載の方法。
7. （７）　前記複合体を形成するに当たりその有効厚さを
   必要な値よりも大きくし、充分な量のガラスを除去して
   適切な厚さにする特許請求の範囲第５項記載の方法。