JPS6259537A - 屈折率分布型レンズの製造法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、屈折率分布型レンズの製造法に関する。さ
らに詳しくは、光ガイド、光通信システムの周辺光素子
、光学分析器や複写機の光学系等の種々の分野に有用な
屈折率分布型レンズの製造法に関する。

（ロ）従来の技術 透明媒質中の屈折率を変化させることによりレンズ作用
を付与させたいわゆる屈折率分布型レンズは、通常の光
学レンズに比して、平板状でレンズ作用を付与できる、
端面上に結像できる、結像特性を自由に選択できる、レ
ンズのアレイ化やマトリックス化が容易である等の種々
の利点を備えており、光通信分野において最近ことに注
目されている。。

これらのうち、ガラス素材を用いた屈折率分布型レンズ
は、通常、■ガラス基体の一部を所定の溶融塩と接触さ
せて拡散によりイオン交換を行ないそれにより電子分極
率の大きな金属イオン（例えばタリウムやセシウム）を
ガラス基体内に不均一分布させて屈折率を変化させる方
法（イオン交換法）や、■ガラス基体を分相処理及び酸
処理して多孔質化し、これに電子分極率の大きな金属元
素の溶液を一部に接触させて含浸し濃度分布を形成し、
次いで乾燥、高温加熱処理等を行なって透明なガラス体
に変換する方法（モレキュラースタッフインク法）で作
製されており、ことにイオン交換法■で得られたレンズ
はセルフォックレンズとして知られている。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記イオン交換法■では、イオンの拡散
や交換に極めて長時間（例えばマスクされたガラス基体
を溶融塩中に数日ｆｉ１１浸漬）を要し、さらに長時間
行なってもイオン拡散に限界がありせいぜい直径５胴程
度のレンズしか得ることができなかった。一方、モレキ
ュラースタッフィング法では、ガラス基体の多孔質化が
複雑でかつ長時間を要しく例えば、分相処理に２日間、
酸処理に２０日間程度必要）また、取扱いも複雑でかつ
特殊な設備を必要とする問題点があった。

この発明は、かかる状況に鑑みなされたものであり、こ
とに簡便にかつ短時間で屈折率分布型レンズが得られ、
しかもレンズ口径の大型化も容易に行なうことができる
製造方法を提供しようとするものである。

（ニ）問題点を解決するための手段及び作用かくしてこ
の発明によれば、金属アルコキシドの加水分解により得
られる多孔質ゲルまたはこの多孔質ゲルを熱処理して得
られる多孔質ガラスを基体とし、この表面の一部に電子
分極率の大きな金属イオンの溶液を所定時間接触させて
該金属イオンを多孔質ゲルまたは多孔質ガラス内にイオ
ン交換により不均一拡散させ、次いでこの多孔質ゲルま
たは多孔質ガラスを高温加熱処理して屈折率分布型レン
ズを得ることからなり、かつ旧聞電子分極率の大きな金
属イオンの溶液の接触処理前に、この金属イオンとイオ
ン半径が近くかつ電子分極率の小さな１価カチオンを上
記多孔質ゲルまたは多孔質ガラス内にイオン交換により
導入することを特徴とする屈折率分布型レンズの製造法
が提供される。

この発明は、金属アルコキシドを用いた溶液法によるガ
ラス製造において中間的に生成するゲル、すなわち加水
分解により得られるいわゆる多孔質ゲル又はこの多孔質
ゲルを熱処理して得られる多孔質ガラスを基材とし、こ
れに電子分極率の大きな金属イオンを溶液状態で接触さ
せることにより、この金属イオンが多孔質ゲル内で極め
て短時間で拡散及びイオン交換する事実、並びにこれを
焼結した無孔の酸化物ガラスが、拡散部分に対応してレ
ンズ作用を示す事実、さらに上記金属イオンの接触処理
前に、該金属イオンにイオン半径が近くかつ電子分極率
の小さな１価カチオンを多孔質ゲル又は多孔質ガラス内
に導入することによって、焼結時におけるイオン交換部
とイオン非交換部分間に生じるひずみを軽減することが
できてその結果レンズのひび、われ等を防止することが
できるという事実に基づく。

金属アルコキシドからの多孔質ゲルは加水分解により比
較的簡便に得ることができ、さらに拡散やイオン交換は
上記のごとく迅速に行なわれることどなる。従って、こ
の発明の方法によれば、簡便にかつ短時間で所望の屈折
率分布型レンズを得ることができる。

この発明に用いる金属アルコキシドとしては低級アルコ
キシ金兄が適しており、Ｓｉ　（ＯＣＨ３）４８ｉ　　
（ＯＣ２Ｈ５）４　、Ａｕ　（ＯＣａ　Ｈ７）３、Ｔ！
　　（ＯＣａ　Ｈｙ　）４　、Ｎａ　ＯＣＨ３，８（Ｏ
Ｃ２Ｈ５）　３等が挙げられ、これらのうち低級アルコ
キシシランを用いるのが好適である。

この発明に用いる多孔質ゲルは、上記金属アルコキシド
の溶液を加水分解条件に付すことにより得られ、通常、
金属アルコキシドを含水親水性有機溶媒に溶解すると共
に加水分解促進剤としての酸を少量添加し緩和な温度下
で乾燥条件に付して加水分解及び溶媒の揮散を進めるこ
とにより得られる。含水親水性有機溶媒としては含水メ
タノール、含水エタノール等の水を含む揮発性有別溶媒
を用いるのが適当である。また少量添加する酸としては
、塩酸、硝酸、弗化水素酸等の鉱酸類が適しており、溶
液の−が２〜５程度に調整されるように歩調添加すれば
充分である。乾燥条件は自然乾燥でもよいが通常５０〜
８０℃程度加温下で徐々に行なうのが得られるゲルの均
一性の点で好ましい。

乾燥条件を制御することにより通常、１５０〜２４０時
間で所望の多孔質ゲルが得られる。

なお、上記多孔質ゲルを予め加熱処理して多孔質ガラス
に変換してもよい。この際、多孔質ゲルの多孔質ガラス
への変換は２００〜８００℃の温度下で２〜２０時間程
度行なうのが適している。２０時間を越えると多孔質性
が失なわれて金属イオンの拡散性が阻害され好ましくな
い。

なお、上記多孔質ゲルや多孔質ガラスの形状は用途に応
じて任意に決定すればよいが、例えば円柱状体を用い、
半径方向に二乗分布近似で屈折率が変化するよう調整す
れば、従来のセルフォックレンズ相当品を簡便に得るこ
とができる。

上記多孔質ゲル又は多孔質ガラスは次いで、後述する電
子分極率の大きな金属イオンとイオン半径が近くかつ電
子分極率の小さな１１ｉ１ｉカチオンの溶液と接触処理
され、イオン交換される。これは通常、該溶液中に多孔
質ゲル又は多孔質ガラス全体を浸漬することにより行な
われる。１価カチオンとしては例えばカリウムイオン、
ルビジウムイオン、金イオン等を用いるのが適している
。

これらの溶液としてはこの１価カチオンの易溶性塩（例
えばＫＣＩの溶液を用いるのが適しており、通常、水溶
液の形態で用いられる。なお、接触時の上記溶液は常温
でもよいが加熱処理状態で接触させるのが迅速な１価カ
チオンの拡散や交換の点で好ましい。接触は多孔質ゲル
又は多孔質ガラスや１価カチオンの種類に応じて所定時
間接触を行なえばよいが通常２〜２４時間の接触が適当
である。

上記の１価カチオンを導入した多孔質ゲル又は多孔質ガ
ラスは次いで電子分極率の大きな金屑イオンの溶液と接
触処理され、これは通常、該溶液中に浸漬することによ
り行なわれる。この際、従来のイオン交換法と同様に意
図するレンズ形成部位の中心部付近にのみスポット的に
上記溶液が接触するように、多孔質ゲル表面に適当なマ
スキングを行なうことを要する。かかるマスキングは通
常、金属蒸着で行なわれる。かかる接触スポットを１つ
の多孔質ゲルに多数形成させることによりアレイ状やマ
トリックス状の屈折率分布型レンズを簡便に得ることが
可能である。

上記、電子分極率の大きな金屑イオンとしてはタリウム
イオンやセシウムイオンが適しているが、これと同程度
の電子分極率を有する他のイオンも適用可能である。こ
れらの溶液としてはこの金属イオンの易溶性塩の溶液を
用いるのが適しており、通常、水溶液の形態で用いられ
る。なお、接触時の上記溶液は常温でもよいが加熱状態
で接触させるのが迅速な金属イオンの拡散や交換の点で
好ましい。この溶液と接触した部位から多孔質ゲル又は
多孔質ガラス中に上記金属イオンが侵入及び拡散すると
共に、そこで多孔質ゲル又は多孔質ガラスを構成する金
属水酸化物の水酸基における水素原子又は１ｆｉｌｊカ
チオン、例えばカリウムイオンと部分的にイオン交換さ
れて意図する濃度勾配を有する金属イオンの不均一な拡
散層が接触部位を中心として迅速に形成されることとな
る。この際、接触時間を調整することにより、拡散層の
広がりを制御することができ、意図するレンズ口径が得
られるように所定時間接触を行なえばよい。通常、０．
２〜５時間程度の接触で充分だが、さらに長時間接触を
おこなうことにより従来のセルフォックレンズの口径限
界以上のものが容易に作製可能である。

上記のごとく金属イオンの不均一拡散層を有する多孔質
ゲル又は多孔質ガラスを高温加熱処理することにより該
拡散層を含め該ゲル又はガラスが無孔の酸化物ガラスに
変換され、所望の屈折率分布型レンズが得られることと
なる。この際の高温加熱処理は通常１１００〜１３００
℃の高温下で２〜１０時間程度行なうのが適しており、
均質性の点で徐々に上記温度迄昇温して処理を行なうの
が好ましい。

（ホ）実施例 実施例１ ケイ酸エチルＳ！　　（ＯＣ２Ｈｓ　）４　１００ｙｆ
、水１００　ｘ！及び１Ｎ塩酸１０１！を混合し、８０
℃で２時間還流して均一なケイ酸エチルの溶液を得た。

この溶液をポリスチロール製容器（６０Ｘ　５５Ｘ　１
０ｍｍ　）に入れ、この容器の上部に口径１　ｍｍの気
孔を　５つあけ７０℃下に保持してケイ酸エチルの加水
分解と乾燥を徐々に行ない、１日後に２５Ｘ２２Ｘ　６
ｍｍの平板状の乾燥多孔質ゲルを得た。

この乾燥多孔質ゲルをＫＣ（２溶液（Ｋ　ＣＱ　３０（
］／水１００ｉｆ）中１００℃で３時間還流下処理して
カリウムイオンをゲル内全体に拡散してイオン交換した
。

この平板状ゲルの表面にアルミニウムを蒸上“ブること
により、１０ｍｍピッチで直径０．５Ｍの拡散孔を６個
有するマスクを第１図のように形成し、この面を硝酸タ
リウム水溶液（ＴＲＮ０３３０ｇ／水１００ｙｆ）に１
００℃下で０．５時間速流接触して、タリウムイオンを
上記６個の孔を通じてゲル内に拡散させて先に導入され
たカリウムイオンと部分的にイオン交換させた。なお、
図中のは平板状多孔質ゲル、（４）は拡散孔（５）を有
するマスクを示すものである。

次いで、フッ素エツヂングによりマスクを除去し、７０
℃下で１日間乾燥させ、６００℃まで５０℃／時間で昇
温させ、６００℃で５時間保持しさらに９００℃まで５
０℃／時間で昇温しヘリウム雰囲気中で１１００℃まで
５０℃／時間の胃温下、高温加熱処理することにより、
多孔質ゲルが無孔の酸化物ガラスに変換され第２図に示
すごどぎこの発明の屈折率分布型平面レンズ（１）を得
た。図中（２）は無孔のガラス層、（３）はタリウム元
素の拡散層をそれぞれ示すものである。

この平面レンズは透明性は良好なものであり、６つの拡
散層相当部において、レンズ口径約１．３朧の平−凸レ
ンズ作用をそれぞれ示すものであった。

実施例２ 実施例１と同様にして作製ｊノだケイ酸エチルの加水分
解物からなるｉｏｘ　１０Ｘ　１，７ｍｍの大ぎざの多
孔質ゲルを予め熱処理して多孔質ガラスに変換させた。

この熱処理は、５０℃／時間ｒ　２５０℃まで界温し、
２５０℃下で２時間保持しさらに６００℃まで５０℃／
時間で昇温させ１時間保持することにより行なった。

このようにして平板状の多孔質ガラスを１０枚作成した
。

多孔質ガラス１０枚のうち５枚を実施例１と同様にして
Ｋｌ溶液（Ｋ０１２３０Ｇ／水１００ｆｆｆ＞中、１０
０℃で５時間還流下処理してカリウムイオンを多孔質ゲ
ル内に拡散してイオン交換した。次いでこの多孔質ガラ
スの一面に実施例１と同様にマスクを形成して、硝酸タ
リウム水溶液 （ＴｇＮ０３３Ｍ水１００ｙｆ　）　中１．：　１００
℃下０．５時間マスク面を浸漬してタリウムイオンを各
拡散孔を通じて多孔質ガラス内にイオン交換により部分
的に拡散した（以下多孔質ガラスＡという）。

比較例として、予めカリウムイオンとイオン交換しなか
った残りの５枚の多孔質ガラスを上記多孔質ガラスＡと
同様にマスクを形成し、タリウムイオンとイオン交換し
た（ＩＪ、不予孔質ガラスＢという）。

これらの多孔質ガラスＡと８を共に熱処理した。

この熱処理は５０℃で５時間保持し、６００℃まで５０
℃／時間で昇温し、６００℃で２時間保持しざらに１１
００℃まで５０℃／時間で昇温し、１１００℃で２時間
保持して行なった。

この結果多孔質ガラスＢについては５枚の試行吊金てが
小片に割れたが、この発明の方法による多孔質ガラスＡ
については２枚は小片に割れたが３枚は割れなかった。

この３枚のレンズの特性は実施例１と同様に良好なもの
であり、レンズの口径は約１．２ｍｍであった。

（ホ）発明の効果 この発明の方法によれば、電子分極率の大きな金属イオ
ンの拡散を迅速に行なうことができ、さらに基体の作製
も比較的簡便に行なうことができる。従って、従来のイ
オン交換法やモレキュラースタッフィング法に比して取
扱いが簡便でより短時間で所望の屈折率分布型レンズを
得ることができる。そして多孔質ゲルを基体とした際に
は、ことに金属イオンの拡散を迅速に行なうことができ
ると共に予備加熱処理をとくに必要と１ノないため極め
て有利である。

また、拡散を短時間で行なえるため、従来に比（ッて人
口径のレンズを作製することも可能である。

ざらにイオン交換部とイオン非交換部の焼結時のひずみ
を軽減することができるのでレンズのわれやひび等を防
止することができる。従って性能及び歩留りの良いレン
ズ製造が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の屈折率分布型１ノンズの製造法の
一］程を示す斜視図、第２図はこの発明の方法によって
得られた屈折率分布型平面レンズの一例を示り゛構成説
明図である。 （１）・・・・・・屈折率分布型平面レンズ、（２・・
・・・・無孔のガラス層、 （３）・・・・・・タリウム元素の拡散層、（４）・・
・・・・マスク、（５）・・・・・・拡散孔。 第　１ｒＸＪ ２′

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属アルコキシドの加水分解により得られる多孔質
   ゲルまたはこの多孔質ゲルを熱処理して得られる多孔質
   ガラスを基体とし、この表面の一部に電子分極率の大き
   な金属イオンの溶液を所定時間接触させて該金属イオン
   を多孔質ゲルまたは多孔質ガラス内にイオン交換により
   不均一拡散させ、次いでこの多孔質ゲルまたは多孔質ガ
   ラスを高温加熱処理して屈折率分布型レンズを得ること
   からなり、かつ上記電子分極率の大きな金属イオンの溶
   液の接触処理前に、この金属イオンとイオン半径が近く
   かつ電子分極率の小さな１価カチオンを上記多孔質ゲル
   または多孔質ガラス内にイオン交換により導入すること
   を特徴とする屈折率分布型レンズの製造法。