JPS62278501A - 屈折率分布型レンズの製造方法とその製造装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の利用分野〕 本発明は屈折率分布型レンズの製造方法とその製造装置
に係り、栃に必要に応じて屈折率分布を容易に変化させ
ることのできる屈折率分布型レンズの製造方法とその製
造装置に関する。

〔発明の背景〕

光通信システムの発達、光ディスクを用いた画像、音声
、データ処理技術の実用化、ビデオカメラ、自動焦点方
式のカメラの発達等にみられるように、光を伝達手段と
して用いる各種光学機器の実用化が急速に進みつつある
。これに伴ない複雑な機能を有したレンズを生産性良く
製造する方法と製造装置の確立が重要になってきている
。

現在、上記の複雑な機能を有したレンズは、５ｔＯ１に
各種金属酸化物を配合したシリカ系ガラス素材あるいは
各種のプラスチック素材を所望の形状に切削、研削、研
磨あるいはプレス成形することにより製造していた。

しかし、要求される性能の高度化に伴ない、上記方法で
製造した場合、加工工程が頻雑かつ長時間になったり、
製造が不可能となったりする場合がある。

また、上記のようにして製造したレンズを各種機器に組
み込んだ場合、その性能が不十分であるとレンズ性能の
修正が極めて難しい。このため、折角作ったレンズを、
廃棄しなければならない場合があった。

なお、レンズ製造に関しては、アプライド・オプティッ
クス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　）　１７α’Ｊ
　、　　ｐ　２３４２（１９７８）に記載されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記した従来技術の問題点をなくし、非
球蘭レンズ、多焦点レンズ等に代表されるような多機能
レンズあるいは必要に応じて焦点距離を変化させること
のできる屈折率分布型レンズの製造方法と製造装置を提
供するにある。

〔発明の概要〕

上記目的は、下記（Ａ）又は（Ｂ）の現象を利用してレ
ンズを製造し、この製造に適した製造装置によって達成
される。

製造方法 ＧＡ）　　カルコゲナイドガラス（例えばＳ、Ｓ、又は
Ｔ、を含有するガラス）薄膜に、電子ビームを照射する
ことによって起こる屈折率上昇。

（Ｂ）　　カルコゲナイドガラス（例えばＳ、Ｓ、又は
Ｔ、を含有するガラス）薄膜中に金属をドーピングさせ
ることによって起こる屈折率上昇。

上記１．／４）の現象を利用した屈折率分布型レンズの
製造方法を、第１図に示す。即ち、第１図（α）に示す
ように透明ガラス基板又は通常レンズ１上に透明導電膜
１′を設け、第１図（ｂ）に示すように透明導電膜１′
上に厚さ数μ落〜数十μｍのカルコゲナイドガラス薄膜
２を設け、第１図（１）に示すようにカルコゲナイドガ
ラス薄膜２の所定の場所に電子ビーム３を照射して屈折
率を上昇させたカルコゲナイドガラス薄膜２′を設けて
屈折率分布型レンズを得る。

次に上記（Ｂ）の現象を利用した屈折率分布型レンズの
製造方法を、第２図に示す。即ち、第２図（α）に示す
透明ガラス基板又は通常のレンズ１上に、第２図（Ａ）
に示すようにカルコゲナイドガラス薄膜２を設け、第２
図（ｃ）に示すようにカルコゲナイドガラス薄膜２上に
各種の金属薄膜４を設け、第２図（ｄｌに示すように金
属薄膜４上の所定の場所に電子ビーム３を照射して金属
をドーピングして屈折率を上昇させた部分を有するカル
コゲナイドガラス薄膜５とし、第２図（、ｌに示すよう
にエツチングによりドーピングされないで残っている金
属薄膜を除去することで屈折分布数レンズを得る。

製造装置 上記の（７４）又はφ）の現象を利用して屈折率分布型
レンズを製造する場合、試料保持部分と、この試料保持
部分に置かれた試料に電子ビームを照射する手段と、電
子ビームを照射した部分の性能をモニタリングする手段
と、このモニタリング手段で検出した情報を上記電子ビ
ームを照射する手段にフィールドバックして照射電子ビ
ームを調整し、照射を完了させる制御手段とからなる屈
折率分布型レンズの製造装置を用いれば効率良く製造で
きる。

第３図はこの装置の概略図を示したものである。

本装置は少なくとも真空槽６．真空槽壁にはめ込んだコ
リーメータレンズ７、窓８．電子ビーム照射装置９．レ
ンズの特性評価用光源１０．光検出器１１、試料ホルダ
ー１２から構成されている。この装置は、第１図又は第
２図に示したカルコゲナイドガラス薄膜２を形成した第
３図の試料）３の光学特性を光源より出射される光線１
４を用いてモニタしながら電子ビーム３を照射すること
ができるため、所望の光学特性を有した屈折率分布型レ
ンズを容易に製造できる。

本装置は必要に応じて試料を加熱、冷却したり、試料ホ
ルダーを回転させたりすることも可能であり、真空槽内
の到達真空度はｉｏ−’　Ｔｏτｒであるが、場合によ
っては不活性ガスを導入することもできる。

電子ビーム照射装置９は、第４図の１■販されている電
子ビーム描画装置を改造することにより製造することが
できる。ここで市販されている電子ビーム装置は、第４
図に示す様なもので、電子銃。

電子ビーム偏向器、レンズ、アパーチャ等から成る電子
ビーム照射装置（電子銃、ビーム偏光器。

レンズ、アパーチャー等からなる）９とｘ、’ｌ。

２方向に位置が変化できるステージすなわちＸ。

ｙ方向に位置が変化出来る。試料ホルダー１２カら構成
されている。これに対し、不発明の装置は、第３図に示
すようにレンズ１３の特性特に焦点距離。

スポット径をモニターするための光源１０、例えばハロ
ケンランプやＨ，−Ｎｅレーザー、それに光源より出射
した光が真空槽を通過するためのガラス窓８、それにレ
ンズを固定しかつ光がレンズに入射するように真中をド
ーナツ状にくり抜いた工１　　ｙ１２方向に位置が変化
できるレンズホルダ（試料ホルダー）１２．レンズを通
過した光を再び真空槽外に出射させるためのガラス窓８
．それにこの光を受けるための光検出器１１．それに斜
めから電子ビーム１５を試料であるレンズｌζ照射する
ための電子ビーム照射装置９より構成されている。本装
置の特徴は、レンズの特性をモニターしつつ電子ビーム
を照射することにある。照射条件は、一般的にはビーム
径０．０８−１０μｍ１加速電圧１〜１００ｋ　　に照
射電荷量１０−′〜１０−２クローン／−程度が適当で
ある。

ここで電子ビームの加速電圧が高いほどカルコゲナイド
ガラス薄膜の厚さ方向に関して、より深くまで屈折率を
上昇させることができる。又、ドーピング用金属は、カ
ルコゲナイドガラス薄膜中により深く浸入する。同様に
電子ビームの照射電荷量が犬であるほど、カルコゲナイ
ドガラスの屈折率上昇が犬となり、金属ドーピングの場
合には、多量の金属がカルコゲナイドガラス中にドーピ
ングされるようになる。従って、上記加速電圧・照射電
荷量および電子ビームの照射箇所を適正化することによ
り、所望の屈折率分布を形成することができる。

モニタ用光源はハロゲンランプ、水銀ランプ等の白色光
、Ｈ、−Ｎ　、レーザ、　Ａｒレーザ等の単一波長光、
ハロゲンランプと分光器を組み合わせた可変波長光源が
使用できる。

受光器は、Ｓｉ、　ｐｂｚ、ホトマルチプライヤ−（光
電子倍増管）等の光パワーを検出できる素子を内蔵した
光検出器、現象管に属するサチコン電　ビジコンの等を
内蔵した光検出器あるいはスペクトロアナライザ等が使
用可能である。

光検出器１２で得られた光強度あるいはその分布の信号
を電子ビーム照射装置にフィードバックすることにより
、きわめて効率良く屈折率分布を形成することができる
様になる。第５図は、光検出器の具体例の１つを示した
もので光検出器は、光信号を受け、これを電気信号に換
えるＣＣＤカメラ１６、電気信号のノイズを低減し、デ
ィジタル変換するためのＡＤ（アナログディジタル）コ
ンバータ付きカメラコントローラ１７、信号を記憶し画
像処理するためのコンピュータ１８、ＣＯＤカメラの信
号を画像表示するためのカメラモニタ１９、画像処理さ
れた信号を表示するためのプロッタ加等から成る。この
光検器を用いることにより、レンズ特性のうち最も重要
な集光特性をモニターすることができる。第６図は試料
であるレンズを通過した後ＣＯＤカメラに入射した光を
線分析したもので、レンズ中心からの距離と光強度の関
係が、電子ビームを本発明の方式で照射したときどの様
に変化したかを示したもので最終的にスポット径の小な
レンズができるまでの様子をモニタした結果である。

ここで、第６図に示した様な要求仕様に合ったレンズは
、上記光検出器によりレンズのスポット径あるいは光透
過性をモニターしつつ、この情報を電子ビーム照射装置
制御用コンピー−ター２１にインプットすることにより
、このコンピュータが電子銃の中にあるビーム偏光用コ
イル、アパーチャー、レンズの電圧、電流あるいはレン
ズホルダーであるステージの位置をステップモーターに
て変化させ、適正な条件で電子ビームをレンズに照射す
ることにより得られる。レンズ特性モーター用光源１０
として各種波長を入射できる色素レーサーとか、モノク
ロメータ付きのハロゲンランプなどを使用することによ
り、波長特性に関してもモニターしながら、電子ビーム
照射を行うことにより、より優れたレンズの製造が可能
となる。

以下に本発明の材料、製造方法等を説明する。

本発明で使用するカルコゲナイドガラスは、硫黄、セレ
ン、テルルのうち少なくとも１つの元素を含有したガラ
スの総称であり、その具体例としては、硫黄と砒素から
成るガラス（化学式：Ａ、、Ｓ工、工＝　２．５−５．
０　）、硫黄と砒素とゲルマニウムから威名ガラス（化
学式：　Ａｓ２５ｘＧｔｙ　、　ｘ　＝　２．！１ｙ＝
４．０　、　　Ｊ　＝　０．５〜１．５）、砒黄とゲル
マニウムから成るガラス（化学式：　ＧｇＳｘ、　　ｘ
　＝　１．８”４．０　）、セレンと砒素から成るガラ
ス（化学式：　ＡｚｚＳｔｘ、　　ｚ　＝　２．４ｙ−
５，Ｑ　）、セレンとゲルマニウムから成るガラス（化
学式：ｃｒｔｓｅ、。

ｓｒ　＝　１．＆−６．０　）、テルルと砒素から成る
ガラス（，４７゜Ｔａｘ、　　ｘ　＝　２．５Ｐ−５，
０）、テルルとゲルマニウムから成るガラス（化学式：
　ＧｅＴｇ、　ｘ　＝　１．＆−６．０　）、硫黄、テ
ルル、砒素、ゲルマニウムから成るガラス（化学式：　
Ｇ＃＋６Ａｊ３ｓＴＱａ　Ｓｔｓ　）などがある。この
うち硫黄と砒素から成るガラス、および硫黄とゲルマニ
ウムから成るガラスは、光の透過性が良好であることか
ら特に重要なガラスである。

カルコゲナイドガラス薄膜を形成する方法としては、真
空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法があり、このう
ち真空蒸着法およびスパッタリング法が作業性の点で有
効な方法である。真空蒸着法としては、抵抗加熱により
ガラスを蒸発させる方法、電子ビームをカルコゲナイド
ガラスのブロックまたは粉末に照射することにより蒸着
する方法があり、いずれの場合も真空度１〜ｔｏｘｔｏ
−’　ｍ　ｍＨｙ　。

膜の生成スピード１０〜１０００３□μ　で成膜するこ
とにより良好なカルコゲナイドガラス薄膜が得られる。

スパッタリング法の場合には、ＲＦ型のスパッタリング
装置を用い、真空度１〜１０ｘｌＯ−’ｍＪ’！ＩでＡ
ｒイオン等でカルコゲナイドガラスターゲットをスパッ
タリングすることにより成膜することができる。このと
きのＲＦパワーは、ｉト３ｏ　ｏ　ｒ　、、成膜スピー
ドは１０〜１０００μ／ｍ　Ｌ　ｎ　　とするのが好ま
しい。

カルコゲナイドガラスの膜厚は特に限定されるものでは
ないが、レンズの光透過性を考慮して０．５−１０μｍ
とするのが良い。

次に本発明で使用するドーピング用金属について説明す
る。カルコゲナイドガラスにドーピングする金属は特に
限定されるものではないが、カルコゲナイドガラス薄膜
上に堆積させやすいという点からＡ４　Ｃｖ、　Ｎ＊、
　ｐ　Ａ、　Ａｕ、　Ａｇ、　Ｚｎ、　Ｋｇ、　Ｇａ、
　Ｉｔｓ、　Ｓｎ、　Ｔ４　Ｃｒ。

Ｍ３　　が良く、その他Ｃａ、Ｂｅ、　Ｚｒ、　Ａｔ、
　Ｓｂ、　！０．　Ｍｏ、　Ｐｔ、　Ｆｅ。

Ｃｏ、　Ｐｅｔに関しても特殊な成膜装置を用いること
により適用可能である。上記金属はカルコゲナイドガラ
ス薄膜上に形成するが、その形成方法としては真空蒸着
法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、メッキ法１．’１ｔ
ＢＥ法等がある。金属薄膜の膜厚は特に限定されるもの
ではないが、適状０．０１〜５μｍ程度が適当であり、
ドーピング量を大きくしたい場合には膜厚を厚く、逆に
小にしたい場合には膜厚を薄くすれば良い。

電子ビーム照射後の金属のエツチング法は、化学エツチ
ング法、各種のドライエツチング法、例えばスパッタエ
ツチング、イオンエツチング法がある。例えば化学エツ
チングの場合、エツチング液としてＥＣ４Ｈ，Ｓｏ、水
溶液、塩化第２鉄、硝酸第２鉄の水溶液を用いることに
より、ドーピングされていない金属のみを容易にエツチ
ングすることができる。但し、酸化作用のある化合物、
アルカリ性の溶液の場合、カルコゲナイドガラスが溶解
したり、剥離したりするため、エツチング液を良く吟味
する必要がある。ドライエツチングの場合、一般的にカ
ルコゲナイドガラスおよびカルコゲナイドガラス中にド
ーピングした金属のエツチング速度は金属そのものより
遅いため、条件を適正化することにより容易に金属のみ
をエツチングすることができる。

次に本発明で用いる、透明基板およびレンズについて説
明する。これらの材質は、シリカ系のガラスをはじめ、
アクリル系樹脂、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリ
エステル樹脂などの透明プラスチックス、ＬｉＮｂＯ３
、Ｔ　ｉ　Ｏ，、Ａ４０８等の光学結晶、ＧａＡｚ　、
　Ｓｉ　　等の各種半導体材料等がある。これらの形状
は平行平板であっても良いし、レンズ形状であって良い
。但し表面は光学研磨等の方法により、表面粗さが０．
０４μｍ以下にしたものを用いるのが望ましい。

次に本発明で用いる透明導電膜について説明する。透明
導電膜材料としては、ＩｒＬ２０３　、５ｎＯ１，Ｃｄ
Ｓｎ０．　、’ＣｄＯ，等がある。これらの膜は、スピ
ンコード法、スパッタリング法、真空蒸着法等により透
明ガラス基板又は通常のレンズ上に形成する。これら材
料の”）　チ’ｎｔＯｓ　はスピンコード法で容易に薄
膜が形成できるため特に重要である。スピンコードの条
件は、回転数Ｚｏｏ（１−５００ｏｒｐｍ、回転時間３
０−６０　ｚ　ｔ　ｃであり、これを２０　ト４００℃
で加熱することにより形成することができる。得られた
膜の膜厚は、２０００〜４ｏｏｏＪｉ　　とするのが好
ましい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

実施例１ シリカ系ガラスを光学研磨して作った凸面曲率半径１５
０ｍｍの凸レンズ（直径３０Ｂ、焦点距離１５０１１１
１）上にＲＦスパッタリング法により厚さ０．３μｍの
透明導電膜Ｉｎ、Ｏ，を形成した。次にこの透明導電膜
上に、カルコゲナイドガラスとしてＡＪ’ｌ　ＳＬ３ガ
ラス薄膜を真空蒸着法により形成した。蒸着条件は、基
板温度（Ｉｎ、Ｏｓ薄膜を形成した凸レンズの温度）４
０℃、真空度２×１０−’ｔｘＨり、成膜速度０．１μ
ｍ／ｙｓｉｎであり、膜厚は約４μｍであった。蒸着源
の”ＩｔＳｓ、ｓガラスは、Ａ、と５を石英チューブの
中に入れ、真空中で加熱攪拌（Ｉ　Ｘ　１０−’ｇｇＨ
ｙ、　　７００℃、５時間）した後、急冷することによ
り作ったものである。

次に上記ＡｊｔＳ３．ｌｌ薄膜を形成した凸レンズを、
第３図に示した電子ビーム照射装置にセットした。

装置の下方から試料に白色の平行光を入射し、装置の上
方に設置した光検出器によって白色光のスポット径を、
モニタリングしつつ電子ビームを照射した。電子ビーム
は加速電圧５〜５Ｑ　ｆｆ　、スポット径０．２μｍ、
照射電荷ｆ１〜ｌ０ＸＩＯ−’クーロン／−であり、加
速電圧、照射電荷量がともにレンズの中心から外周に向
けて、距離の二乗に反比例するように照射した。電子ビ
ームを照射するとともに、光検出器で測定されるスポッ
ト径は除々に小となり、スポット径が５趨となったとき
に照射を終了した。得られたレンズの焦点は１４７ｍｍ
であり、電子ビーム照射前に比較して焦点距離が３門短
かくなったことが確認された。

実施例２ 厚Ｓ　２ｍｍのシリカ系ガラス（ＢＫ−７ガラス）を研
磨して作った透明基板（直径２０ｕ）上にカルコゲナイ
ドガラスとしてＧ　ｅ　Ｓ５．。ガラス薄膜を真空蒸着
法により形成した。蒸盾粂件は、示板温度４０℃、真空
度Ｉ　Ｘ　１０−’　ｔｍＨｇ　、成膜速度６０　Ａ／
　ｔ−ｃであり、膜厚は約５ハであった。このカルコゲ
ナイドガラスはＧことＳを石英チューブ内に入れ、真空
中で加熱攪拌（Ｉ　Ｘ　１０−’　ｎＨ，ｑ　、４０ト
８００℃、１０時間）した後、急冷することによって作
ったものである。

次に、上記カルコゲナイドガラス薄膜上に、Ａｔを真空
蒸着法により形成した。蒸着条件は、基板温度”ｇｃ、
真空度５　ｘ　ＩＱ−’　ｔｍＨ，ｑ、成膜速度２０Ａ
／ｒｅｃであり、膜厚は０．３μｍ　であった。この様
にして得られた試料の波数７００ｎｍの単色光の透過率
を測定したところ２５チであった。次に上記試料を第３
図に示した電子ビーム照射装置にセットした。装置の下
方から波長７００３７１１の単色平行光を入射し、装置
の上方に設置した光検出器により透過率をモニタしつつ
電子ビームを照射した。電子ビームは加速電圧５〜５Ｑ
ＫＶ、スポット径０．２μｍ、照射電荷！１〜５０　Ｘ
　１０−’クーロン／−であり、加速電圧、照射電荷量
がともにレンズの中心から外周に向けて、距離の二乗に
反比例するように照射した。電子ビームを照射するとと
もに光検出器で測定される光透過率は上昇し、（Ａｔが
カルコゲナイドガラスにドーピングすることにより光透
過率は上昇する）光透過率が４５％になったときに照射
を終了した。

次に得られた基板を塩化第２鉄４０？と蒸留水１ｔから
なる水溶液中に浸漬することにより、余分のＡｔ（ドー
ピングされていないＡｔ）をエツチングして取り除いた
。

得られた試料に平行光を入射したきころ、凸しンズとし
ての作用があることが確認された。なおＧ　、Ｓ、。ガ
ラス薄膜の屈折率は、Ａｔをドーピングすることにより
最大０．１７上昇したことが干渉顕微鏡の測定により確
認された。

〔発明の効果〕

以上述べた様に本発明によれば、透明基板あるいはレン
ズに所望の屈折率分布を容易に形成することができるた
め、基板にレンズ機能を付与したり、すでに出来上った
レンズの光学特性を必要に応じて改良、修正することが
できる様になる。屈折率を変化させるための電子ビーム
照射工程は、試料あるいはレンズの光学特性をモニタリ
ングしながら行うことができ、その作業はきわめて簡便
かつ容易である。これによって、これまで作ることので
きなかった多機能レンズの製造や、すでに作ったレンズ
の修正が容易に行える様になる。本発明の方法および装
置は、カメラ、テレビカメラ、眼鏡等のレンズをはじめ
、光デイスク用光学系、光通信用光学系などに幅広く応
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の方法により屈折率分布型レン
ズを製造する場合の工程図、第３図は本発明の屈折率分
布型レンズ製造装置、第４図は市販の電子ビーム描画装
置、第５図は光検出器の内容を示したもの、第６図は光
検出器により測定されたレンズから出射された光の強度
分布を示したものである。 ｌ・・・透明ガラス基板又は通常のレンズ１′・・・透
明電導膜 ２・・・カルコゲナイドガラス薄膜 ２′・・・電子ビームを照射して屈折率を上昇させたカ
ルコゲナイドガラス薄膜 ３・・・電子ビーム　　　　　４・・・金属薄膜５・・
・金属をドーピングして屈折率を上昇させた部分を有す
るカルコゲナイドガラス薄膜 ６・・・真空槽 ７・・・コリーメータレンズ　８・・・窓９・・・電子
ビーム照射装置 １０・・・レンズの特性評価用レンズ １１・・・光検出器　　　　　１２・・・試料ホルダー
１３・・・試料 １４・・・光源より出射される光線 １５・・・電子ビーム　　　　１６・・・ＣＣＤカメラ
１７・・・ＡＤコンバータ付カメラコントローラ１８・
・・コンピュータ　　　１９・・・カメラモニタ２０・
・・プロッター ２１・・・電子装置制御用コンピューター゛へ、 代理人　弁理士　　小　川　勝　男−ン皐　１　■ １２　図 ３　２　　回 】　　リ　　超

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明基板又はレンズ上に透明導電膜を設け、この透
   明導電膜上にカルコゲナイドガラス層を設け、このカル
   コゲナイドガラスの所定の場所に電子ビームを照射して
   被照射部分の屈折率を上昇させたカルコゲナイドガラス
   部分を設けることを特徴とする屈折率分布型レンズの製
   造方法。 ２、透明基板又はレンズ上に透明導電膜を設け、この透
   明導電膜上にカルコゲナイドガラス層を設け、このカル
   コゲナイドガラス層上に金属層を設け、この金属層上の
   所定の場所に電子ビームを照射してカルコゲナイドガラ
   ス層に屈折率を上昇させた部分を設け、この電子ビーム
   を照射したカルコゲナイドガラス層をエッチングによっ
   て除去することを特徴とする屈折率分布レンズの製造方
   法。 ３、試料保持部分と、この試料保持部分に置かれた試料
   に電子ビームを照射する手段と、電子ビームを照射した
   部分の性能をモニタリングする手段と、このモニタリン
   グ手段で検出した情報を上記電子ビームを照射する手段
   にフィードバックして照射電子ビームを調整し、照射を
   完了させる制御手段とからなることを特徴とする屈折率
   分布型レンズの製造装置。