JPS613102A - 光学レンズおよびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学の分野にあって、特に、ビームの整形、
光学的走査、ならびに、小さい光ガイドおよび光源およ
び光検出器間の光学的連結のような、特殊な用途にとっ
て有用な小さい歪像レンズおよびその製造方法に関する
。

（従来の技１ 像平面にお（プる像の拡大が、２つの直角な方向、すな
わち典型的には水平と垂直の方向において異なるような
作像光学システムは、歪像光学システムと呼ばれている
。１つのそのようなシステムが、１、ｐｏｗｅｌ１氏に
より、△ｐｐｌｉｅｄ　　□ｐｔ；ａｓ　　（応用光学
〉、弦、（２０）、第３２４９〜３２５７頁（１９８３
年）に記載されているとともに、前記システムを−ｈ向
に通過する光の場を拡張または圧縮づるためプリズム状
の構成要素を備えている。広角で単一の構成要素からな
る歪像レンズが、Ｙ、　ＧｏｎｃｈａｒｅｎｋＯ氏等に
より、Ｓｏｖ、　Ｊ、　Ｏｐｔ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ、　
、　３７−（１１）第７２５〜７２８頁（１９７０年１
１月）に記載され（おり、またレーザー放射線を整形す
るだめのレンズのデザインが、△、　Ｔ　５ｉｂｕｌｙ
ａ氏等により、去、　Ｓｏｙ、　Ｏ＋リエ、　Ｔ　ｅｃ
ｈｎｏｌｙ、４４　（３）第１４０−１４２　（１９７
７年３月）において論じられている。

写真的なシステム、および写真的な拡大システムにおけ
る有用性に加えて、多成分の歪像レンズが、米国特許第
４，２８８，８１８号に記載されているごとく、テレビ
ジョンのための活動写真像を矯正する場合のように、他
の写真的応用例においても使用されてきた。単一要素か
らなる歪像レンズの応用例には、米国特許第３，８８６
，３０９号に開示されているようにファクシミリ走査体
のためのビームの整形と、米国特許第４，０７４，９３
８号に開示されているように走査を行う光学的測定シス
テムのためにビームの拡張を行うことが含まれている。

歪像レンズは、研削および研磨技術により、または加熱
可塑物の成形加工により生産することができる。後者は
、うわべは経済的な製造に、より適しているけれども、
特に被成形材料が溶解したガラスであるときに、一般に
光学的特質を有する表面を形成しない。したがって、非
球状のガラス製レンズ要素を製造するためのさらに経済
的な技術が望まれている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の一目的は、レンズの研削および研磨を必要とせ
ずに小さいガラス製歪像レンズを製造する新規な方法を
提供することにある。

本発明の他の目的は、例えば′４導体レーザのような小
さい投光器および検知器とともに用いるのに特に適した
小さい歪像レンズを提供することにある。

本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から
明らかになるであろう。

〈問題点を解決するための手段） 本発明は、ガラス成形または従来のガラス研削および研
磨によらず、熱処理の方法によりガラス製歪像レンズを
！１ｌＴｊする。初めに、ガラス製レンズ基質が選択さ
れ、このレンズ基質は、感光性を有しかつ熱的に結晶化
が可能なガラスの一部分からなる。そのようなガラスは
既知であって、それらは選択的に露光されることができ
、次いて・露光された部分のみに結晶を発生させるＪ：
う、熱処理することができるような特性を持っている。

次に、そのように用意されたガラス製レンズ基質は、例
えば紫外線または短波長の可視光線のような、光学的に
核を発生させる光源により選択的に露光される。この露
光は、前記基質の被露光表面領域を形成するように実施
され、この被露光表面領域はレンズ包囲部、すなわち露
光されない領域を包囲する領域を形成する。前記露光さ
れない領域はレンズ領域と呼ばれ、このレンズ領域では
最終的にレンズが形成される。

前記レンズＭ質内に歪像レンズを生じさせるため、前＆
！露光の工程中に露光されずに残る加配レンズ領域は、
露光される前記基質の表面の平面において長尺化されね
ばならない。すなわら、マスクを施される、あるいは保
護される表面領域が単位値以外の外観比を持たねばなら
ない。適切な長尺のレンズ表面パターンの例は、四角形
および楕円形のパターンを含む。

前記基質が前記の方法により露光された後、それは熱処
理を施され、この熱処理は、前記レンズ領域を包囲する
前記ガラス基質の領域に高密度化を生じさせる。高密度
化は、前記露光された包囲領域内に結晶相が発生する結
果として熱処理時に発生し、前記結晶相は元の、または
透明なガラスよりも不透明である。この加工の結果とし
て、前記レンズ領域におけるガラスは、前記包囲材料に
より圧縮され、また前記レンズ領域上に湾曲か”〕隆起
された表面が形成され、この表面は前記レンズの屈折表
面として作用する。前記レンズの断面は長尺形であるの
で、前記隆起された表面の曲率は純粋に球状ではなく、
したがって歪像レンズが得られる。

前記の説明に従ってｌｌｉ造された歪像レンズは、次の
ような光学機器として特徴付けられることが可能である
。すなわち、その光学機器においては、前記ガラス製レ
ンズが、異なる微細構造（典型的には結晶体）を持つ包
囲材料と一体であって、また前記レンズが、同レンズを
包囲する前記材料の高密度化により形成された、隆起か
つ湾曲された屈折表面を包含しているよ−うな光学機器
として特徴付（プられることが可能である。しかし、前
記レンズを包囲する材料は、異なる密痩を有するもので
あるｌ）れども、前記レンズのそれと化学的成分が同一
のものである。

好ましい実施例において、前記レンズ基質を形成してい
るガラスは、高度に不透明化が可能であるとともに、光
学的に核を持たせることが可能なガラスから形成される
。すなわち、それは光学的有核化Ｊゴよび熱処理の後に
、光を吸収１Ｊるようになるものである。このタイプの
ガラス・システムにおいて、前記高密度化された包囲材
料は、光学的に濃厚な、好ましくは不透明なマスクを形
成し、このマスクは前記歪像レンズのためのストッパー
として作用する。

（実　施　例） 以下、図面を参照することにより本発明がさらに理解さ
れよう。

全ての無機ガラスは、本質的に適宜の熱処理により不透
明化（結晶化）されることが可能であるけれども、本発
明において使用するのに好ましいガラスは、光学的有核
化が可能で熱的に不透明化が可能なガラスである。これ
らは、次のようなガラスである。すなわち、化学光線（
短波長の可視光または紫外線）に晒し、次いで先に化学
線に晒された領域において前記ガラスを結晶化するよう
熱処理を行なうという制御方法により核を成すことがで
きるガラスである。

上記のようなガラスの特別な例は、熱的に不透明化が可
能なガラスであって、同ガラスは、光学的有核化および
熱処理により発生される結晶相が、そのガラスを不透明
にするようなげラスである。

そのようなガラスは周知であって、米国特許第２．５７
５，９４０＠　、第２，５１５，９４１＠　、第２，５
１５，９４３号、および第２，６２８，１６０号に記載
されている。これらのガラスは珪Ｗｉ塩ガラスであって
、その中では露光および次の適宜な熱処理により、リチ
ウム・−珪酸塩もしくは１珪酸塩、バリウム・１珪酸塩
、および／またはアルカリ金属フッ化物の結晶相が発生
する。それらは、アルカリ金属フッ化物に加えて、Ｌｉ
ｚＯおよび／またはＢａＯならびにＡＵ　、Ａｇ、Ｏｕ
　、ＳｂおよびＣｅからなるグループから選択される１
つもしくはそれ以上の光増感剤を包含し、前記゛光増感
剤は、露光および熱処理によりガラス内で結晶核が発生
されるプロセスにおいて重要な役割を演じる。

上記ガラスにおいて、ガラス内に結晶相が発生する結果
、同結晶の密度がより高くなるので、元のガラスと比較
するとき、結晶化する材料が高密度化および収縮する。

この高密度化および収縮が、露光されなかったガラス状
領域に横方向の圧力を加えてレンズを構成し、かつ同ガ
ラスを圧縮して、その結果同レンズの表面に所望の隆起
された湾曲表面を形成する。もし、前記結晶化されない
領域が比較的小さいとすると、すなわち２ｍ＋もしくは
それ以下のオーダーとすると、前記隆起される表面領域
は球形に湾曲されることが可能である。１９８３年８月
４日にＲ，Ｈ，Ｂｅ１ｌｅ＋ａｎ氏その他ニヨリ出願さ
れた、共に出願中の一般ｍ渡された特許出願用５２０，
４５６号がこの効果と、球形マイクロレンズおよびマイ
クロレンズ列の製造へのその応用法とを説明している。

本願の場合、形成されるべき表面のレリーフのパターン
は歪像焦点特性を与えるものであって、この目的のため
、少なくとも幾らかの円筒の、もしくは円筒状の曲率を
併有する隆起表面が発生されねばならない。そのような
曲率は、前記基質の露光および熱処理により形成される
レンズ領域が長尺゛の断面、すなわち同レンズの光学軸
に直角な平面において非円形を有する場合に、実際に、
光学的有核化および熱的不透明化が可能なガラスにおい
て発生されることが可能である。長尺のレンズの断面の
例は、四角形および楕円形の断面である。

レンズ領域を得るため、熱的に結晶化および高密度化さ
れかつ°周囲を包囲する領域を形成するため、前記ガラ
スの基質に選択的に露光することは、マスクをかけるこ
とにより最も便利に達成することができる。平坦なガラ
ス板上に堆積されたクロミウム金属フィルムから形成さ
れた不透明領域を包含するマスクが、露光の正確性が望
まれる場合に特に適切である。

続いて起こる有核化のなめ、前記ガラスを露光するため
に用いられる光源は限定的なものではなく、短波長の光
線または紫外線からなる平行光線を任意の光源とするこ
とができる。前記露光の時間も限定的なものではなく、
組成物、および感光性のガラスに関する前記特許におい
て説明されているような熱処理の変更態様とに従う。所
定の組成物に対する適切な露光および熱処理は、慣例の
熱処理により容易に決定されることが可能である。

前記基質の露光された領域を結晶化するために用いられ
る前記熱処理は、典型的に次の二つの段階を包含してい
る。第１段階では結晶核が発生されると、続いて結晶化
が容易に進行することが可能であり、第２もしくは結晶
化段階では大きな結晶の成長が生じる。実際の技術にお
いては、両方の段階のために焼鈍および軟化点間の濃度
が用いられ、その際有核化は、温度を前記焼鈍点により
近い前記列挙された徒囲内に保持することにより最も好
ましく促進され、また結晶化は、温度を前記軟化点によ
り近い幾分高めの温度に保持することにより、最も好ま
しく促進される。

従来技術に係る既知の光学的有核化および熱的不透明化
が可能な任意のガラスを、本発明に従って歪像レンズを
発生させるために使用できるけれども、結晶化の際にリ
チウム珪酸塩を形成するリチウム珪酸塩システムにおけ
るガラスが適切な高密度化を行い、また商業的に入手可
能である。それゆえ、そのようなガラスが以下の説明゛
において言及されるとともに、本発明において使用する
のに現時点で好ましい基質材料を構成している。

そのようなガラス内に作られる円形球状レンズの場合、
レンズの直径は典型的に幾分小さくなる。

なぜなら、前記レンズが作られる過程により寸法の圧迫
が行われるからである。もし、前記基質のレンズ領域を
構成するマスクを施された部分が過度に直径の大ぎいも
のであるとすると、前記レンズ領域の中央部分は、前記
レンズの直径と、ならびに熱処理時の前記基質の方向性
、前記ガラスの粘性、および周囲材料の？９５度のよう
な他の要因とにより、湾曲かつ隆起された形状ではなく
、平坦な形状を取ることができる。

歪像レンズの場合は、純粋な円筒状ならびに格円体のレ
ンズ形状が有用となり得るものＣ１前者は、球形レンズ
において弗型的なものと比較して非常に大きい横方向寸
法を有することができる。

この大きい寸法は、前記レンズの円筒軸に平行なｊＪ沫
であγて、前記露光された基質表面上にお番プる長尺の
レンズ断面の主軸に対応している。しかし、そのような
レンズの短軸は、前記レンズ表面を横切る曲率を維持す
るため比較的短くなければならず、すなわち短軸直径は
２ミリメートルを越えてはならず、かつ５００ミクロン
を越えないものが好ましい。

本発明は、以下の図示の例からさらに理解されよう。

実　　験　　例 レンズ基質として使用するため、住所をＮｅＷＹｏｒｋ
　、　Ｃｏｒｎｉｎｇ、に有プるＣ　ｏｒｎｔｎｇ、　
Ｇ　１ａｓｓ。

Ｗｏｒ）ｔｓ社から符号８６０３のガラスとして商業的
に入手可能、な感光性の結晶化し得るガラスが選択され
た。このガラスは、次のような成分を重量１！Ａとして
有している。

８１０２　　　　７９．１ １ｉｚＱ　　　　　　９．４ ＮａｚＯ１，６ に２０　　　　　　４．２ Ａ　９Ｊ２０３　　　　４．２ ７ｎＱ　　　　　　　１．０ ８ｂ２０３　　　　０．４ Ａ　Ｌｌ　　　　　　　　０．００１２Ａｏ　　　　　
　　　０１１１５ Ｃｅ　Ｏｔ　　　　　　Ｏ，０１！ｌ ５ｎＯＯ，００３ 厚さがほぼ１，５Ｊ１１の圧延されたシートから、寸法
がほぼ２インチ×６インチのこのガラスの帯片が切りと
られる。

この帯片の１表面はガラス・マスクで被覆され、このガ
ラス・マスクは前記帯片と接触する表面上に、クロミウ
ム金属フィルムから形成された長尺の不透明なドツトの
列を備えている。その列は、１×６ドツトの寸法であっ
て、各ドツトは寸法がほぼ１．２ｘ　２．５ミリメート
ルの楕円の形状を有している。

図面の第１図（ａ）は、代表的な不透明ドツト１２を包
含するそのようなマスクの部分１０を概略的に示してお
り、このマスク部分１０は、レンズ領域１Ｇを含む感光
性のガラス帯片の部分１４に重なるとどもに、同部分１
４に接近し−Ｃいる。前記マスクおよび帯片部分１０お
よび１４は、マスクの効果をさらに明瞭に図示するため
ｎいに離間されている１プれども、実際の技術において
は前記マスクおよび帯ハは露光を正確にづるため密接に
接触している。

次に、前記帯片は、前記マスクを施されたガラスから約
１．５インチに位置されたｌ−１ａｎＱＶｉａの４３５
ワツトの水銀アーク・ランプから、前記マスクを介して
　１００秒の露光間隔で露光される。この露光は第１図
（ｂ）に概略的に示されている。

前記帯片が前記アーク・ランプに晒された後、それは、
前記ガラスを結晶化するため、８Ｊ単の感光性ガラスの
処理技術に従って、前記ガラスの焼鈍および軟化点の間
の温度で熱処理される。前記帯片は、そのガラス内に複
数の核を生じさせるため、最初にほぼ５４０℃の温度で
ほぼ６０分間加熱され、次にそのガラス内にリヂウム珪
酸塩結晶相を生じさせるため、５８０℃までほぼ６０分
間加熱される。この加熱処理の効果は第１図（ｃ）に概
略的に示されており、同図において、結晶１８が長尺の
レンズ領域１６以外の帯片部分１４に頁って形成されて
いる。

熱処理後に前記帯片を検出すると、不透明な結晶化され
た包囲材料と一体の長尺のレンズの列が呈され、各レン
ズは前記結晶化された帯片に負って延在するとともに、
前記結晶化された包囲材料の各表面と結合している隆起
かつ湾曲された上部および下部の表面を併有している。

代表的なレンズの形状が、図面の第２−２ｂ図に寸法通
りではなく概略的に示されている。第２図は、そのよう
な処理後の帯片の部分的な概略的平面図であって、包囲
している結晶化されたガラス１４内の代表的なレンズ１
Ｇの外形を示している。第２図のａ−ａ線に沿う前記レ
ンズの断面が第２ａ図に示され、線ａ−ａは、前記レン
ズの光学軸ＯＡに直角な前記レンズの断面の主軸を表し
ている。第２１）図は、第２図の１）−ｂ線に沿う前記
レンズの断面図であって、この線は光学軸ＯＡに直角な
前記レンズの断面の短軸を表している。

前記列内の代表的なレンズの隆起かつ湾曲された表面の
形状は、楕円体の形状に近似している。

図面の第３ａ図は、前記レンズの主横断軸（第２図のａ
−ａ線）に沿う前記レンズの１つのエツジからの距１１
ｆｌＤの関数として、前記結晶化されたレンズ包囲材料
の表面における平面の上方の表面高さＳをグラフで示し
ている。第３ｂ図は、前記レンズの短い横断軸（第２図
のｂ−ｂ線）に沿う前記レンズ表面を横切るレンズ高さ
Ｓの同様のグラフである。これらの図は、前記光学軸か
ら直角の方向において前記レンズ表面を横切る異なる曲
率半径を明瞭に示しており、これらは前記レンズの歪像
焦点特性を向上させている。

図面の第４および５図は、小さい半導体レーザーにより
発生される光ビームの整形が望まれる場合における、球
状および歪像マイクロレンズの各々の焦点特性を比較し
ている。第４図において、レーザー２０からの出力は、
同レーザーの接合部２２から延在する水平面内に優先的
に向けられているとともに、球状レンズ２４により像２
６へ焦点を合わされている。像２６は前記接合部２２の
線像である。

第５図において、同様の接合レーザー２０からの出力は
、歪像レンズ２８によりさらに円形に近いスポット３０
に焦点を合わされている。接合レー１ｆ−からの光出力
のこの円形化は、同レーザーの出力を、光ファイバーの
小きな円筒状−Ｊアの１うな非平坦装置への入力とする
ため、光学的に処理づべきである場合に有利である。

第５図は、歪像レンズにＪ、る完全なψ行化の例を示し
ているりれども、典型的な商業上のレーザー半導体の出
力は、この明細書で先に説明したような曲率を有してい
る単に２つの屈折表面を以ってして【ニ一般に完全には
平行化されない。完全な平行化を１９るため、幾つかの
レンズを多段要素システム内で軸方向に整列させるよう
にするという前記［３ｅｌ　１ａｕａｎ氏その他の出願
において記載されているように、レンズを積重ねて用い
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による歪像レンズの形成方法を示す工
程図、 第２図ないし第２ｂ図は、本発明により得られる歪像レ
ンズの形状を示す概略説明図、 第３ａ図ないし第３ｂ図は、それぞれ本発明の歪像レン
ズに関する湾曲表面の主軸および短軸を通過する断面を
プロットしたグラフ、 第４図は、球状レンズによりレーザー・ダイオードの出
力ビームを整形する様子を示す概略斜視図、 第５図は、本発明により得られる歪像レンズによりレー
ザー・ダイオードの出力を整形する様子を示す概略斜視
図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）単一体の光学要素であって、湾曲された光屈折表
   面により境界を形成された少なくとも１個の光を伝達す
   るガラス製歪像レンズと、前記レンズを包囲する材料と
   を具備し、この材料は、前記光を伝達するレンズからな
   るガラスと同一の化学的成分を有し、同ガラスよりも高
   い密度を有するものであることを特徴とする光学レンズ
   。
2. （２）異なる微細構造の材料により包囲され、かつ当該
   材料と一体となっている少なくとも１個のガラス製歪像
   レンズからなり、該レンズは、同レンズを包囲する前記
   材料の高密度化により生ずる、隆起かつ湾曲された表面
   によって形成されていることを特徴とする光学レンズ。
3. （３）前記レンズが、感光性の結晶化が可能なガラスか
   ら構成され、また前記レンズを包囲する前記材料が、光
   学的有核化および熱的不透明化により高密度化されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学機器。
4. （４）前記ガラス製歪像レンズの列を具備することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学レンズ。
5. （５）ガラス製歪像レンズにマスクを施す方法であって
   、 （ａ）感光性の結晶化が可能なガラスの一部分をレンズ
   基質として選択する工程、 （ｂ）前記基質を選択的に化学線の光源に晒して、露光
   されないレンズ領域を包囲する露光された表面領域を形
   成し、前記レンズ領域が前記露光された表面の平面内に
   長尺の断面を持つようにする工程、および （ｃ）前記基質を熱処理して、前記ガラスの前記包囲す
   る露光された領域を高密度化するとともに、隆起かつ湾
   曲された表面を有しかつ前記基質のレンズ領域内に長尺
   の断面を有する歪像レンズを形成する工程 からなるガラス製歪像レンズにマスクを施す方法。
6. （６）前記選択的露光が、露光されないレンズ領域の列
   を包囲する行列を形成する露光される表面領域を得るよ
   うに適用することを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の方法。