JPS61106425A - 光学素子の製造方法 - 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、カメラや複写器等の事務器、あるいは光通信
、光情報処理などの分野に用いる光学装置の光学系に用
いる光学素子の製造方法、特に屈折率分布型の光学素子
を製造するのに好適な方法に関する。

〔従来の技術〕

屈折率分布型の光学素子を製造する方法としては、いわ
ゆるイオン交換法による方法が、例えば特公昭４７−８
１８〜８２４等の特許があるように、最も一般的な方法
として知られている。

このイオン交換法を用いる方法は、その濃度の分布によ
って屈折率の分布を生じさせるイオンを所望の濃度分布
となるように、ガラス等の基材内へ熱拡散させて、該基
材内に屈折率の分布を形成し、光学素子を得る方法であ
る。

また、上記以外の屈折率分布型光学素子の製造方法とし
ては１分子スタッフィング法が知られている。この方法
は、基材としての多孔質ガラス体の細孔内に、屈折率を
変化させるドーパントを。

所定の分布状態に充填させ、多孔質ガラス体に屈折率分
布を生じさせて、屈折率分布型光学素子を得る方法であ
り、特開昭５１−１２８２０７号には、このような分子
スタッフィング法による屈折率勾配を有するガラス体の
製造方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記イオン交換法に於いては、ガラス基
材のイオン交換処理を行なう際に、イオンの基材内への
熱拡散速度が遅いためイオン交換処理が長くかかり、工
業的な量産性の点からは熱拡散速度の高い１価の陽イオ
ン以外は実用的できない。

一方、分子スタッフィング法によれば、前記のイオン交
換法に比べて、ドーパントの多孔質ガラス体内への拡散
が速く、屈折率分布の形成速度が高く、ドー。バンドに
よる基材の処理時間が短いという利点があるが、その反
面ドーパントの多孔質ガラス体内への拡散を精度良く制
御することが困難であり、精密な屈折率の基材内での分
布が得られにくいという欠点があった。

更に、前述の２つの方法は、イオンあるいはドーパント
の基材内への拡散を利用して、基材内での屈折率分布を
形成するので、屈折率分布がイオンあるいはドーパント
の拡散状態のみで決ってしまい、屈折率分布を所望に応
じて自由に形成することができないという問題があった
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記のような問題点に鑑みなされたちの゛で
あり、その目的は、所望の光学的特性、とりわけ光学素
子の厚み方向あるいは光軸方向に光学的特性の連続的変
化を有する光学素子を、精度良く、かつ量産性良く製造
できる方法を提供することにある。

本発明の光学素子の製造方法は、多孔質ガラス等の多孔
性透明体内を透過するある種の光の、その透過方向に於
ける光量の減衰に着目し、これに特開昭５８−４９８３
９に示されているような平板状基材の面方向での光学的
特性のパターンを形成する方法、すなわち光の照射によ
り分解し、その光学的特性を変化させる光分解性化合物
を、多孔質ガラス基材に含浸させ、これを所望のパター
ンを有する光学マスクや移動する光ビームを用いて露光
し、露光部分に於ける光学的特性を変化させ、ガラス基
材内に露光面方向での光学的パターンを形成する方法に
於ける原理を応用して、多孔性透明体からなる基材内部
での透過光の光量の減衰を利用すれば、基材内部に於け
る光の透過方向での光学的特性の連続的変化を形成でき
ることを見い出し完成したものである。

すなわち本発明は、（ａ）多孔性透明体からなる基材内
に、光の照射により分解し、その分解生成物若しくは該
分解生成物由来の化合物の濃度に応じて前記基材の光学
的特性を変化させることのできる光分解性化合物を保持
させる工程と、（ｂ）該光分解性化合物を保持した基材
に、該光分解性化合物の分解を起させることができる光
を照射し、前記基材内に保持された前記光分解性化合物
を前記照射光の透過方向におけるその光量の変化に応じ
た割合で分解させ、該光分解性化合物からの分解生成物
の前記基材内での前記照射光の透過方向に於ける濃度分
布を生じさせる工程とを含むことを特徴とする光学素子
の製造方法である。

以下１本発明の方法を、多孔質透明体として多孔質ガラ
スを用いて、厚さ方向に於いて光学的特性の変化する板
状形状の光学素子を製造する場合を一例として詳細に説
明する。

本発明の方法に於いては、まず、光の照射により分解し
、その分解生成物若しくは該分解生成物由来の化合物の
前記基材中での濃度に応じて１例えば屈折率や光学濃度
等の光学的特性を変化させることのできる光分解性化合
物を基材としての多孔質ガラスに保持させる工程が行な
われる。

前記光分解性化合物を多孔質ガラス内に保持させる方法
としては、例えば、該光分解性化合物を必要に応じて適
当な溶媒に溶解または分散した溶液に、処理すべき多孔
質ガラスからなる板状の基材を浸漬して、該化合物を基
材に含浸して行なう方法、前記光分解性化合物が固体で
あり、蒸気状態に於いて安定であるならば、昇華により
多孔質ガラスの細孔内に導入する方法、前記光分解性化
合物が液体であれば、そのままで、あるいは適当な溶媒
で希求して多孔質ガラスに含浸する。または蒸気状態で
安定ならば蒸気として多孔質ガラスの細孔内に導入する
方法等を挙げることができる。

このときの含浸を行なう際の溶液中の前記光分解性化合
物の濃度、処理する時間及び温度等の処理条件は、後に
第１図を用いて説明する基材の光照射工程の際に、前記
光分解性化合物からの分解生成物の基材の厚み方向に於
ける所望の濃度分布が十分に得られられるように適宜選
択すれば良い。

本発明の方法に於いて基材を形成する多孔質ガラスとし
ては、形ＩＩｔ後の光学素子の所望とする機能に応じた
材質、細孔の大きさ、細孔の保有率等を有するのものが
使用されるが、なかでも光分２解性化合物の蒸気あるい
は溶液の浸透がより速く。

光分解性化合物若しくは分解生成物を安定的に保持でき
るものが好ましい。

なお、細孔が存在する場合に、所望とする機能が光学素
子に得られない場合には、本発明の主要工程が終了した
後に、光学的特性を制御する光分解性化合物からの分解
生成物若しくは該分解生成物由来の化合物が安定的に基
材内に保持される条件で基材を加熱して多孔質ガラスを
硬化させ、細孔をなくした光学素子とすることができる
。

また、基材の材質はガラスに限られることなく、前述し
たような細孔状態を有するものであれば、セラミックス
の焼結体等からなるものであっても良い。

このような材料からなる基材の形状は、板状形状のみな
らず、円盤状、角柱状、円柱状、あるいは装着される装
置内への取付は部分等の種々の付属部分を宥した形状な
ど、所望の光学素子の形状とされる。

基材内に保持させる、すなわち多孔質ガラスの有する細
孔内に担持させる光分解性化合物としては、上記のよう
な多孔質ガラスの細孔内に、安定して担持固定され、か
つ光が照射されることにより分解し、その分解生成物若
しくは該分解生成物由来の化合物の濃度分布に応じて例
えば屈折率や光学濃度などの光学的特性を変化させるこ
とができ、更に、光分解されずに多孔質ガラス内に残っ
た化合物は、溶媒による洗浄等の簡易な処理によって多
孔質ガラス内から容易に除去可能な化合物が好適に使用
される。なお、光分解後に生じる分解生成物若しくは該
分解生成物由来の化合物もまた。多孔質ガラス内に安定
して固定されるものであることが望ましい。

なお１本発明で言う分解生成物由来の化合物とは、この
化合物の濃度分布により光学的特性を変化させることの
できるものであり、前記分解生成物から、更に分解、酸
化、ａ１元等の化学変化により得られるものである。

このような光分解性化合物としては、例えば。

屈折率の分布を光学素子に付与する場合には、その濃度
分布により屈折率を大きく変化させることのできる、Ｔ
ｉ、　ＴＩ、Ｐｂ、　Ｔａ、　Ｌａ、　Ｃｓ、　Ｌｉ等
を含む光分解性化合物、具体的には、　Ｔｉ（Ｃ５Ｈｔ
、）２Ｃ重２゜Ｔｉ（Ｃ５Ｍ５）バＣＨｓ）　２、（Ｃ
２Ｈｓ）３　ＰｂＣｆｆ１．　（（：ａＨｓ）ＴＩ（（
：２Ｈｓ）等を、また、光学濃度分布を光学素子に付与
する場合には、　Ｇｏ、　Ｆｅ、　Ｃｒ、　Ｖ、　Ｎｉ
、　Ｍｎ、　Ｃｕ、＾ｇ、　Ａｕ等の金°属原子を含有
した光分解性化合物、具体的には、　Ｃ０２（ＧＯ）　
、　Ｆ＠（Ｇｏ）ｓ　、　Ｎｎ２（ＧＯ）腔等を挙げる
ことができ、これらの１種以上を製造しようとする光学
素子の光学的機能等に応じて適宜選択して使用すれば良
い。

ここで言う光学濃度とは、ガラス内部に於ける光の吸収
の大きさを言う。

これらの光分解性化合物を溶媒に溶解または分散させて
、基材内に導入させる場合に用いる溶媒は、使用する光
分解性化合物に応じて適宜選択すれば良いが、多孔質ガ
ラス内から容易に除去可能なものが好都合であり、この
ようなものとしては１例えば、塩化メチレン、エタノー
ル、メタノール、ｎ−ペンタン、テトラヒドロフラン等
を挙げることができる。

また、光分解性化合物の溶液を含浸して基材内に光分解
性化合物を導入した場合には１例えばロータリーポンプ
を用いて脱気乾燥し、基材内から溶媒を除去する。

この状態で、第１図に示したように多孔質の板状基材１
の上面ａの全面から、適当な光源により一様な平行光線
を照射する。

この場合に照射される光としては、基材ｌ内に保持され
た光分解性化合物を分解させることができ、かつ、適当
な照射時間で、基材ｌ内での照射光の透過方向、すなわ
ち基材の厚み方゛向での所望の光量の減衰状態が得られ
るような、強度及び波長を有するものが使用される。こ
のような光を照射するのに使用する光源としては、例え
ば水銀ランプ、ハロゲンランプ、クリプトンレーザー等
を使用することができ、使用する光分解性化合物及び基
材に応じて、上記のような照射光となるような条件によ
って露光を行なえば良い。

第２図に示したように、基材ｌの上面ａ全面から光照射
を行なうと、基材１の上面龜かも入射した光が基材下面
す方向に透過するに従って、その光量が徐々に減衰する
。一方、基材ｌ内に保持された光分解性化合物は、照射
光量の多少に応じた割合で光分解するために、＠記基材
ｌ内の厚み方向に於ける光量の減衰状態に応じて、光分
解された化合物量の分布、すなわち基材ｌ上面ａから下
面すに向って低くなる分解物生成物濃度の分布が第２図
の模式的断面図に示すように形成される。

なお、ｆｆ１２図に於いて基材内に描かれた複数の線は
、それぞれ基材上面ａから下面すに向かって一定の割合
で減少した分解生成物濃度の同じ点をそれぞれ結んだも
のである。

このようにして１分解生成物の厚み方向での濃度分布が
形成されている基材を１例えば先に浸漬用の溶液の調整
に使用したのと同様の溶媒等によって洗浄することによ
り、基材ｌ内から１分解されずに残っている光分解性化
合物を除去することができる。

ここで、前記分解生成物がそのまま濃度分布によって光
学的特性を基材に付与するものであれば、必要に応じて
所定の温度及び時間による基材の加熱処理を行ない、１
！３図の模式的断面図にしめすような厚み方向に於いて
例えば屈折率及び／または光学濃度が変化する細孔を有
さない板状の光学素子を得ることができる。

なお、第３図に於いて基材内に描かれた複数の線は、そ
れぞれ基材上面ａから下面すに向かって一定の割合で減
少した例えば屈折率の同じ点をそれぞれ結んだものであ
る。

一方、前述したように分解生成物由来の化合物が光学的
特性を基材に付与するものであれば、前記分解生成物に
更に分解、酸化、還元等の化学変化を生じさせるための
処理を基材ｌに行ない、分解生成物由来の化合物の前記
光量の減衰状態に対応した濃度分布を形成させ、更に必
要に応じて所定の温度及び時間による基材の加熱処理を
行ない、厚み方向に於いて例えば屈折率が変化する細孔
を有さない板状の光学素子を得ることができる。

なお、第１図に示した露光工程に於いては、板状基材の
上面ａかうのみ光の照射が行なわれたが１本発明の方法
に於いては、基材の上面ａからのみに限られず、基材ｌ
の有する面の２面以上から露光を行なっても良い０例え
ば、屈折率分布型の光学素子を得る場合に第４図に示す
ように一ヒ面ａと下面すの両面から露光を行なえば、第
５図に示すような上面ａ及び下面すから光学素子の厚み
方向での中心部分へ向って屈折率が減少し、該中心部分
に於いて最小となる光学素子を形成することができる。

この第５図に示された基材内の直線は、第３図に於ける
ものと同様のものであるが、この図に於いては、基材の
厚み方向の中心部の直線上にある例えば屈折率が最小と
なっている。

また、以上の本発明の例に於いては、基材の面方向に対
して均一な光による露光処理が行なわれたが、基材の面
方向に於ける露光光の強度を変化させることによって、
その変化のパターンと更に厚み方向での光の減衰状態に
よって規定される３次元的な種々の例えば屈折率の分布
を基材内に得ることができる。

更に１本発明の方法に於いて、所望の光学的特性を光学
素子に付与するには、使用する光分解性化合物の種類、
基材の材質及び形状に応じて、該光分解性化合物の多孔
質ガラスの細孔内への導入に際しての種々の処理条件、
露光光の種類、露光ｌｆｌ！、Ｗ光時間等の種々の操作
条件を適宜選択してこれまで説明したような操作手順に
従って光学素子を形成すれば良い、また、光分解性化合
物が上記工程中の種々の操作条件に於いて、酸化され易
いものであれば、各工程を不活性雰囲気下で行なえば良
い。

更に、このようにして形成した光学素子は１例えば第６
図に示すように上面ａを球面状に成形するなど所望の種
々の形状に成形しても良い。

〔実施例〕

以下、実施例に従って本発明の方法を更に詳細に説明す
る。

実施例１ 基材としての多孔質ガラス（コーニング社＃７９３０）
　（Ｆ）板（ＩＯＸＩＯＸ　３ｍ５）を０．０３ｓｏｌ
／Ｉ　ｆ）塩化チタノセン（Ｔｉ（Ｃ５Ｈ５ｈＣｆｆｉ
ｚ）のＣＨ，Ｃ１，の溶液　・（２０℃）に２時間浸漬
した。この８！漬処理によって、多孔質ガラス内部全域
に均一に溶液が浸透し、ガラス基材ｉ暗赤色を呈した。

次に、ガラス基材をロータリーポンプを用いて脱気乾燥
し、多孔質ガラスの細孔内にある溶媒（Ｃ１１２Ｃ１２
）を基材から除去した。

脱気乾燥終了後、高圧水銀ランプ（ウシオ電機社製）を
用いて基材の上面から紫外光を基材上面の面方向で均一
となるように２時間照射した。このとき、照射光の光量
は、基材の上面から下面に向かって徐々に減衰した。ま
た、光照射後幕材は、暗赤色から薄いオレンジ色に変化
した。

この時、多孔質ガラスの細孔内に保持されたＴｉ（Ｃ５
Ｈｓ）２Ｃ皇２は、以下のような分解反応を起す。

ｈマ Ｔｉ（０５８ｓ）２Ｃ１２−＊　ｅ　ＴｉＣ５）＋５１
４２　＋　ｅ　Ｃ３Ｍ５このようにして生成した・Ｔ　
ｉ　Ｃ５０ｓ　Ｃ１２は、例えばＣＨ，Ｃ１，等のハロ
ゲンを含む化合物の存在化では、ただちにＴ　ｉ　Ｃｓ
　［５Ｃ１３となるが、多孔質ガラス中では、多孔質ガ
ラスの細孔表面にあるシラノール基（−９−ＯＨ）と反
応して、細孔表面及びその付近に固定される。

露光処理終了後、基材をＣＨ２Ｃｌ、によって洗浄し、
基材内に分解せずに残っているＴｉ（Ｃｓ）ｌｓｈｃｔ
ｚを基材内から除去した。洗浄処理後の基材内には、露
光量に応じた割合９篭で前記Ｔｉ分解生成物が保持され
ている。

次に、基材に７００℃３０分間の加熱処理を行ない、ガ
ラスに結合している一Ｔ　ｉ　０５　Ｈｓ　Ｃ１２を酸
化して、　−Ｔｉ０２とすると共に、基材中に残された
塩素や有機化合物會基材内から除去し、屈折率分布型の
光学素子を得た。すなわち、−Ｔ　ｉ　０２濃度が、露
光時の一光光量の基材の厚み方向での減衰状態に応じた
分布となり、その−Ｔｉ０２濃度分布に応じた屈折率分
布が得られた。

このようにして形成された光学素子に於いては、Ｗ折率
が上面（露光面）から下面に向かってほぼ指数関数的に
減少し、最大屈折率差として約０．０２という値が得ら
れた。

更に、得られた光学素子、の耐候性を向上させるために
、このようにして形成した光学素子を１０００℃で５時
間加熱し、多孔質ガラスの細孔をなくした光学素子とし
た。

また、このようにして形成した光学素子の片面または両
面を、球面状若しくは非球面状に研摩処理して、いわゆ
るａｘｉａｌ　ｇｒａｄｉｅＬ　ｉｓンズに成形した。

これらのレンズは光学系の収差補正に用いるのに極めて
有用であった。

実施例２ 基材の上面と下面の両面から露光する以外は、実施例１
と同様にして屈折重分Ｉａ型の光学素子を形成した。

このようにして形成された光学素子に於いては、屈折率
が、上面及び下面から光学素子の厚み方向での中心部分
へ向かって減少し、該中心部分に於いて最小となり、そ
の最大屈折率差としてｏ、ｏｏｔ　というｆ４が得られ
た。

〔発明の効果〕

本発明の光学素子の製造方法によれば、光分解性化合物
を例えば多孔質ガラス等からなる多孔賀透明体の基材中
に、すなわち多孔質透明体の細孔内に浸透させ、これを
多孔質透明体内に保持させ、更に所望の光学特性の分布
を光照射によって形成するので、光学的特性を制御する
物質を速い速度で基材内に保持させることができ、かつ
光照射による精度良い光学的特性の形成が可能となり、
所望の光学的特性とりわけ光学素子の厚み方向あるいは
光軸方向に光学的特性の連続的変化を４ｊする光学素子
を、精度良く、かつ量産性良く１造できるようになった
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第４図は、本発明の方法に於ける露光工程の
説明図、第２図は光分解生成物の濃度分布を示す基材の
模式的断面図、第３図、第５図及び第６ｖ！Ｊはそれぞ
れ本発明の方法によって得られた光学素子の模式的断面
図である。 １；多孔質透明体基材 ａ；基材下面 ｂ；基材下面 第６凶Ｃ＝７）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（ａ）多孔性透明体からなる基材内に、光の照射に
   より分解し、その分解生成物若しくは該分解生成物由来
   の化合物の濃度に応じて前記基材の光学的特性を変化さ
   せることのできる光分解性化合物を保持させる工程と、
   （ｂ）該光分解性化合物を保持した基材に、該光分解性
   化合物の分解を起させることができる光を照射し、前記
   基材内に保持された前記光分解性化合物を前記照射光の
   透過方向におけるその光量の変化に応じた割合で分解さ
   せ、該光分解性化合物からの分解生成物の前記基材内で
   の前記照射光の透過方向に於ける濃度分布を生じさせる
   工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。 ２）前記光学的特性が屈折率及び／または光学濃度度で
   ある特許請求の範囲第１項記載の光学素子の製造方法。