JPS62262019A - コリメ−タレンズ及びその製造方法 - 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〕 本発明は情報記録体の読み取り、記録用光学系等に有用
であり、レンズ面上で中心から周辺に向けて連続的に屈
折率が変化しているコリメータレンズに関する。

〔従来の技術〕

近年コンパクトディスク、光°ディスクなど高密度の情
報記録媒体を用いた情報処理が急速に発展している。こ
の種の記録媒体への情報の書き込み及び読み取りは一般
に光学方式が適用される。

光学方式では半導体レーザなどの光源からの拡散光をコ
リメータレンズにより平行光に変換し、対物レンズによ
り記録媒体の記録面上に収束させる０ また情報記録媒体の読み取り、記録用以外に光７アイパ
との結合用光学系など一般に拡散光を平行光に変換する
用途にコリメータレンズが広く使用されている。

コリメータレンズとして、球面収差及びコマ収差に極め
て小さい値が要求される場合には、一般に２個以上の球
面レンズを組み合せたものが用いられるが、低コスト化
を図るには限界がある。

組合せレンズの上記問題点を改養する方法として、非球
面レンズ、中心軸から半径方向に屈折率勾配を持つ径方
向屈折率分布型ロンドレンズ、あるいは光軸方向に屈折
率勾配を持つ軸方向屈折率分布型レンズの開発も行なわ
れている。

〔発明が解決しようとする間頚点〕

非球面レンズは、非球面の加工あるいは特性の測定が容
易でなく、量産に適しているとは言い難い。また径方向
屈折率分布型レンズは、ガラスのイオン交換処理により
製造されているが、このイオン交換処理に長時間を必要
とするため、実用的には有効径が約３　ａｍ以下の小さ
いものしか得られないという問題がある。また軸方向屈
折率分布型レンズにおいても、ガラス体中に屈折率勾配
層を形成するのにイオン交換法を用いる場合には、屈折
率勾配層の深さを大きくするには処理時間が非常に長く
かかる。

〔問題点を解決する手段〕

本発明に係るレンズは、少なくとも光線出射側となる面
が曲率半径Ｒ１の球面であって、内部に光軸平行方向に
屈折率が変化する屈折率変化領域が形成されており、こ
の屈折率変化領域内における等屈折率分布面が、上記Ｒ
上よりも大きい曲率半径Ｒ２の球面で同分布面の周縁が
上記レンズ球面上に露出している。これにより上記レン
ズ面上で、屈折率が中心から半径方向に外周に向けて連
続的に変化し、等屈折率分布線が同心円状であるような
屈折率分布を有する。

そして上記の屈折率変化領域における屈折率分布は、上
記Ｒ２の曲率中心からｇの距離における屈折率をｎ（１
）−ｎｃ＋ｎＩＪ＋ｎ２１２テ表わすとき、ｎ　（Ｒ２
）　−／、！；２〜／、７９　、　ｎｌ−０，０６〜Ｏ
＃６ｍｍ−’。

ｎ２＝−０，０／〜０．Ｏ７朋−２の範囲の値を有して
いる。

上述したようなわん曲した屈折率変化領域を持つレンズ
は、例えば透明基材の少なくとも片面を、所期のレンズ
面曲率半径Ｒ１よりも大な曲率半径Ｒ２の球ｍ１に加工
し、次いでこの基桐面から基材の屈打１率を変化させる
物質を基相内に拡散させ、しかる後上記基材ｍ１を曲率
半径Ｒ１の球面に加工する方法により容易に製造するこ
とかできる。

〔作　用〕

本発明によれば、レンズ内の屈折率変化領域がわん曲し
ているため、従来の軸方向屈折率分布型レンズのように
等屈折率分布面を光軸に直交する平面とした場合に比べ
て、屈折率変化領域の層厚みを同一としても周辺部にお
ける屈折率勾配境界部が相対的に深部寄りに位置するこ
とになり、その分だけ屈折率分布を持つレンズ球面をよ
り外周まで拡大することができる。

つまり屈折率変化領域を拡散法で形成する場合に、同一
の処理時間で有効径のより大きいレンズを製造すること
ができる。また同一のレンズ径であれば、レンズ基材中
に与えるべき屈折率勾配層深さをより浅くすることがで
き、それだけ拡散処理に要する時間を短縮することがで
きる。

そして、屈折率変化領域での屈折率分布を詣す述した数
値範囲内にすることにより、焦点距離が５〜２０闘で、
開口数（ＮＡ）がＯ，／へＯ９左の範囲の値をもち、球
面収差をほぼ１０μｍ以下に抑えるとともにコマ収差も
補正したコリメータレンズが得られる。

〔実　施　例〕

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係るコリメータレンズの断面図であり
、第２図は光線出射面側から見た正面図である。コリメ
ータレンズ／は、使用時に光線出射面となるレンズ面２
Ａが、光軸３上に曲率中心０１を有し曲率半径がＲ１で
ある凸球面を成しており、他方のレンズ面２Ｂは曲率半
径Ｒ３の球面ないしは平面である。そして光軸３上での
レンズ厚みｔのうち、レンズ面２Ａの中心Ｏｏ　からｄ
の距離までの範囲にわたり屈折率変化領域≠が形成しで
ある。

この屈折率変化領域ｑ内における屈折率は、レンズ面２
Ａの中心００点で最大で深部に向けて単調に減少する分
布を有している。また上記領域内でり の各屈折率等分布面叶は、光軸３上に曲率中心０２を持
ち、レンズ面２Ａの曲率半径Ｒ１よりも大きい曲率半径
Ｒ２の球面を成している。

すなわち、点ｏ２を原点として距離Ｉ！（ただしＲ２−
ｄ＜Ａ’＜Ｒ２）における屈折率ｎ　（１）が、ｎ（ｌ
り−ｎｃ＋ｎ１４＋ｎ２１２＝−（１）で表わされる屈
折率分布が与えられている。

ここでｎｃは原点０２での仮想的屈折率、ｎｌ、ｎ２は
定数で、いずれも光学系で用いられる半導体レーザなど
の光源の波長における値である。そしてｄ−０，１〜３
閂、屈折率変化領域グ内での最大屈折率差△ｎは△ｎ−
０．０２−０．２！；　、点００での屈折率ｎｏはｎ（
）−／　、　ｊ　ｊ　Ａ−／　、　７９　＋定数ｎ１−
０．０ｔ　ン０．＃ＲＩ１１−１゜ｎ２−−０．０／−
０，０／Ｉｌ！ｌｌ−２７７）ｔｊ囲＋７）（Ｉｆトｔ
ル。

屈折率変化領域ψ内での各屈折率等分布面！・・・・・
・の側周縁はレンズ面２Ａ上に露出しており、これによ
りレンズ面２Ａ上に、屈折率が中心００点で最大で、外
周に向は半径方向に連続的に減少し、等屈折率線ｔが０
０点を中心とする同心円状であるような屈折率分布が付
与されている。またレンズｌ内で屈折率変化領域弘以外
の部分６は屈折率が一定であり、画部分す、乙の境界面
の外周はレンズ面２人の球面の外周側縁７とほぼ一致し
ている。

言い挟えれば、レンズ面２Ａ上には中心から球面の最外
周まで屈折率勾配が与えられている。

上記のように、屈折率変化領域ψの深部境界面外周をレ
ンズ球面外周にほぼ一致させることが望ましいが、これ
よりも内側あるいは外側であってもよい。

屈折率一定額域を側のレンズ面２Ｂの曲率半径Ｒ３は、
コマ収差を補正するように値が決定されるとともに該領
域乙の屈折率値に依存し、／／Ｒ３＞０゜／／Ｒ３＝０
．ｌ／Ｒ３＜０のいずれかの値をもつ。

上記レンズｌにおいて、入射面２Ｂ側から平行光束を入
射させた場合、出射側面コＡ上の同心円状屈折率勾配に
より、屈折率が全体に一様なレンズに比べて外周寄りに
入射した光線の屈折角が相対的に緩やかとなり球面収差
が補正される。

第３図に本発明の他の実施例を示す。

本例のレンズｌは、両レンズ面２Ａ、ＪＢから一定深さ
まで一対のわん曲した屈折率変化領域弘Ａ。

ｔＩＢを設け、両頭域４ＺＡ　、　ｉの中間を屈折率一
定の領域６としたものである。

次に、本発明のレンズを成形する好適な方法を’！ｋｉ
ｔ６１ｖｒｌ−ｒ＋９υＲＥ（＝ヒス、−まず円板状の
ガラスレンズ母材１０の片面を曲率半径Ｒ２の球面１０
ｈに、機械的研磨、熱間プレス等により成形する。

このときの曲率半径Ｒ２は、最終的に得ようとするフリ
メータレンズ−７の面白率半径Ｒ１よりも大に設定する
。また母材１０として１種以上の１価陽イオンを含む耐
化物ガラスを用いる。

上記の球面加工を施したガラスレンズ母材１０を、母材
ガラスの屈折率を増加させるイオン、例えばＬ土、Ｑｓ
、Ｔ１．Ａｇから選ばれた少くとも７種の７価陽イオン
を含む溶融塩／／中に、上記ガラスの転移点付近の温度
で浸漬処理する。

上記処理により、溶融塩中のイオンとガラス中のイオン
との交換を生じて溶融塩中のイオン１２が母材１０内に
拡散侵入し、一定時間の処理の後溶融塩１／から母材１
０を取り出すと、拡散侵入した陽イオンの濃度分布によ
って、母８ｉ１０内には一定深さｄまで屈折率勾配層／
３が形成されている。

この屈折率勾配層１３は、母材の球面１０Ａ側でこのｉ
！ｎ１０ｈにほぼ相似してわん曲している。

次に母材１００球面１０ｈ側を、この血の曲率半径Ｒ２
よりも小さい所期の曲率半径Ｒ１のレンズ球面ｊＡＫ研
磨加工する。また必要に応じて母材の対向面１０Ｂおよ
び側周縁を研磨加工仕上げする。

イオン交換処理を行なうレンズ母材ガラスは１種または
２種以上の／（ｉｌｌｉ陽イオンを含むとともに屈折率
がハｊＯ〜７．７５と高い値をもつ必要がある。

一般に高屈折率ガラスを得るには、屈折率を高める成分
としてＴｉＯ２，ＢａＯ，Ｐｔ）Ｏ，Ｌａ２Ｏ３などの
酸化物が用いられるが、これらの成分はイオン交換処理
中のガラスの変質を招いたり、イオン交換の速度を低下
させる傾向がある。

一方Ｔｌ２Ｏは１モル％当り０．０１０〜０．０／！ｒ
　程度の屈折率増加寄与があり、上記の問題を招くこと
がないため本発明のレンズの母材成分として望ましい。

母材のイオン交換処理に用いる溶融塩中に含有させるイ
オン種としてはＴｌイオンが最も望ましい。また溶融塩
としては硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物などを用いるこ
とができる。

溶融塩中での浸漬処理の温度が一般に高い程イオン交換
速度が大きくなるため好都合であるが、高温ではガラス
の変形を生じるので、浸漬処理温度としてはガラスの転
移点付近の温度が選ばれ、一般には転移点±ｊＯ″Ｃの
範囲で行なうのが望ましい。

上記方法で母材中に形成する屈折率勾配層の光軸上の厚
みｄ及び最大屈折率差△ｎは、目的とするレンズの焦点
距離、開口数（ＨＡ）あるいは得たい収差補正の効果な
どを考慮して最適値が選ばれる。

以上ガラス材料から本発明レンズを成形する方法につい
て述べたが、有機材料で成形する場合は、当初相対的に
低屈折率の重合体を形成する単量体を型枠内で部分重合
させて、曲率半径Ｒ２の球面をもつゲル状の母材をつく
り、上記球面から、相対的に高屈折率の重合体を形成す
る単量体を拡散させて共重合させるとともに加熱等によ
り重合を完結させ、しかる後上記面を所期のレンズ面曲
率半径Ｒ１に仕上げ加工する方法で容易に成形すること
ができる。

以下に、本発明の具体的数値例を示す。

実施例１ 第７表の組成から成る直径／　１ｍ　、厚み７．０ｆｌ
のガラス円板の片面を曲率半径Ｒ２−ダ６ｊ１１！１　
の球面とし、加工後の試料ガラス板を、モル比でＴＩ！
２ＳＯ４／に２　ＳＯ４／　Ｚｎ５Ｏ４−Ｊ　３　／　
／　２　／　３；　Ｏの組成を持つ溶融塩中で５２５″
Ｃの温度で、！ｒ≠ｊ時間浸漬処理した。

第　　ｌ　　表 Ｔｇ：転移点 上記の処理を終えた試料ガラスの表面の屈折率はへ７ダ
ｊであり、Ｉ！先−＜ｌ＜≠６関の範囲での屈折率分布
はｎ（１）−−ｒ、ｏｔａｏ＋ｏ、ｏｒｒｒｌで表わさ
れた。

次に上記試料ガラス板の球面に対して曲率半径”１−７
．２Ｊ朋の球面加工を、それぞれの球面の頂点が光軸上
で一致するようにして行なった。

他方の面は光軸に垂直な平面に研磨し、最終的なレンズ
厚みｔ−１１，３朋、レンズ径Ｄ＝　／　ｏ　、ｏｍｍ
に仕上げた。

一方、ガラス板試料の屈折率変化領域以外の厚みｔ　−
ａ−２，！；ｍｔｎの部分はイオン交換による屈折率変
化がなく、もとの母材と同一のハロ００　の屈折率であ
った。

得られたレンズの焦点距離は／Ｑｍｍ、開口数（ＮＡ）
は０．５であった。この系での球面収差（軸上収差）の
測定結果を第５図（１）に示した。

またこの系での最大球面収差は２μｍ、コマ収差は７０
８ｍ以下であった。

実施例２〜６ 各りの屈折率を有する母材ガラスを＆ｉ整し、基本的に
実施例１と同様のイオン交換処理を行ない、種々の屈折
率分布を持つレンズ母材を製作し、その母材に再び球面
研磨加工を施してレンズを製作した。

第２表に得られたレンズの屈折率分布の測定値及びレン
ズ諸元を示す。

なお表中の光軸上の距離ｌは、屈折率勾配層形成前母材
の球面の曲率中心０２を原点とし、その球σｉの方向へ
の距離を示している。

また表中の光軸上の距離２は、フリメータレンズの光線
出射側表面と光軸との交点００を原点とし、レンズ内部
の方向への距離を示している。

第　　２　　表 得られたレンズについて球面収差を第５図（２）〜（６
）に示し、他の特性値は第３表に示した。

第　　３　　表 〔発明の効果〕 本発明によれば、球面収差、コマ収差が充分に補正され
た高性能のコリメータレンズが得られ、また従来の軸方
向屈折率分布型のレンズに比べて、屈折率勾配層の厚み
を大きくする必要なくより大口径のレンズを製造するこ
とができ、また屈折率勾配層を形成するためのイオン交
換等の処理時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す動面図、第２図は同正
面図、第３図は本発明の他の実施例を示す断面図、第＃
ＦＡ（２）〜（４）は本発明に係るレンズを製造する方
法の一例を段階的に示す断面図、第５図（１）〜（６）
は本発明実施例レンズの収差曲線図である。 ｌ・・・・・・コリメータレンズ　２１．２Ｂ・・・・
・・レンズ面３・・・・・・光　軸　ダ・・・・・・屈
折率変化領域５・・・・・・等屈折率分布面　６・・・
・・・屈折率一定領域！・・・・・・等屈折率ＪｉｌＪ
　　１０・・・・・・レンズ母材ｌ／・・・・・・溶融
塩　１２・・・・・・拡散イオン／３・・・・・屈折率
勾配層 第１図 第３図 第４図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも光線出射側となるレンズ面が曲率半径
   Ｒ＿１の球面であり、内部に、光軸方向に屈折率が変化
   する屈折率変化領域と、屈折率が一定の領域とを含み、
   前記屈折率変化領域における等屈折率分布面は、前記Ｒ
   ＿１よりも大きいＲ＿２の曲率半径をもつ球面を成しそ
   の周縁は前記レンズ面に露出しており、且つ屈折率変化
   領域における屈折率分布は、Ｒ＿２の曲率中心からｌの
   距離における屈折率をｎ（ｌ）＝ｎｃ＋ｎ＿１ｌ＋ｎ＿
   ２ｌ＾２で表わすとき、ｎ（Ｒ＿２）＝１．５２〜１．
   ７９、ｎ＿１＝０．０６〜０．３６ｍｍ＾−＾１、ｎ＿
   ２＝−０．０１〜０．０１ｍｍ＾−＾２であることを特
   徴とするコリメータレンズ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、レンズの焦点距
   離が５〜２０ｍｍで開口数（ＮＡ）が０．１〜０．５で
   あるコリメータレンズ。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記屈折率変化
   領域は、レンズの光線入射面側及び光線出射面側の双方
   に形成されており、これら両領域の中間に屈折率一定領
   域が形成されているコリメータレンズ。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記屈折率変化
   領域は、レンズの光線入射面又は光線出射面のいずれか
   一方の側に形成されているコリメータレンズ。
5. （５）透明基材の少なくとも片面を曲率半径Ｒ＿２の球
   面に加工し、該面から前記基材内に基材の屈折率に変化
   を与える物質を拡散させ、次いで前記基材面を、Ｒ＿２
   よりも小さいＲ＿１の曲率半径の球面に加工する工程を
   含むことを特徴とするコリメータレンズの製造方法。