JPS63170248A - 屈折率分布型レンズの製造方法 - 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、光ファイバーと光ファイバーもしくは光源と
光ファイバーとの光結合、マイクロレンズアレー等に使
用するそれぞれの用途に適した各種の間口数を有し、か
つ低収差の屈折率分布型レンズの製造方法に関するもの
である。

［従来技術］ 屈折率分布型レンズの製造法としては、イオン交換法が
知られている。この方法の一例としては、「光学」第１
０巻第２号（１９８１年４月）９８〜１０４頁に記載さ
れているごとく、あらかじめＴＩ＋、Ｃ５等の高屈折率
を生じるイオンを多量含有するガラス体を溶解法により
作製し、このガラス体をＮａ＋やに＋を含む溶Ｕ＆塩中
に浸漬することによりイオン交換を行ないガラス体内に
高屈折率を生ずるイオンの濃度分布を形成し屈折率分布
型レンズを得る方法がある。

また特開昭６１−２２２９４３号公報には、Ｎａ＋やに
＋等を多く含むガラス体をＡＱ”、ＴＩ＋、Ｌｉ＋等の
高屈折率を生じるイオンを含む溶融塩中に浸漬して、上
記ガラス体を構成するイオン（Ｎａ”　、Ｋ”　）と高
屈折率を生じるイオン（Ａａ”　、”ＩＮ”　、Ｌ　ｉ
”　）とのイオン交換を十分に行ない高屈折率を生じる
イオンの濃度をガラス体の中心部から外方に亘うて均一
に高くすることにより、ガラス体の屈折率を一様に高く
した後、Ｎａ＋やに＋を含むｒ＃融塩中で再びイオン交
換を行うことにより高い開口数を有する屈折率分布型レ
ンズを製造する方法が開示されている。

［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、上記の従来の方法では、収差客の光学的
特性を満足するレンズは最適のイオン交換時間において
得られるので、高屈折率を生ずるイオンを含む一種類の
ガラスに対して光学的特性の良い屈折率分布型レンズと
しては−Ｉ！ｔｈ類の開口数を有するレンズしか作製で
きない欠点があった。

屈折率分布型レンズをＬＤ光源と光ファイバーとの光結
合に用いる場合には開口数０．６以上、光フアイバー同
志の光結合に用いる場合には開口数０．２〜０．３、複
写用のマイクロレンズアレーに用いる場合には同口数０
．０５〜０．２が好ましいと言われており、用途に応じ
た各種の開口数のレンズを用意するために、従来の方法
では、それぞれ異なる組成のガラス体を溶解法により作
製する必要があった。

［発明の目的］ 従って、本発明の目的は、同一のガラス体から、任意の
異なる開口数を有し、しかも光学特性の良好な各種屈折
率分布型レンズを容易に製造する方法を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ 上述の目的は、ガラス体を、該ガラス体を構成するイオ
ン［Ｉ］よりも高屈折率を生じ、しかもガラス中にイオ
ン拡散が可能なイオン［ｎｌを含む溶融塩中に、ガラス
体中のイオン［Ｉ］の濃度がガラス体の中心部から外方
に亘って飽和し均一な濃度分布になる以前の任意の段階
まで浸漬し工、ガラス体中のイオン［Ｉ］の一部をイオ
ン［Ｉ］とイオン交換することにより、ガラス体の中心
部から外方に向かって、イオン［■、］及び［ＩＩ］の
それぞれの濃度分布が均一でないガラス体を形成する第
一の工程と、第一の工程において得られたガラス体を、
ガラス体中のイオン［Ｉ］及び［Ｉ］のそれぞれの濃度
分布をガラス体の中心部から外方に亘って実質的に均一
にするに充分な程度に加熱する第二の工程と、第二の工
程において得られたガラス体を、イオン［ＩＩ］よりも
低屈折率を生じるイオン［ＩＩ１を含むｉ１ｍ塩中に浸
漬して、ガラス体中のイオン［ＩＩ］の一部をイオン［
ＩＩ］とイオン交換することにより、イオン［ＩＩ］の
濃度がガラス体の中心部から外方に向かって放物線状に
減少し、イオン［ＩＩ１１１の濃度がガラス体の中心部
から外方に向かって放物線状に増加し、その結果ガラス
体の中心部から外方に向かって屈折率が低下する屈折率
分布型レンズを得る第三の工程とを含むこと、を特徴と
する本発明の屈折率分布型レンズの製造方法により達成
され、本発明によれば同一のガラス体から、任意の異な
る開口数を有し、しかも光、学的特性の良好な各＠屈折
率分布型レンズを製造することが可能になった。

本発明の好ましい実施の態様を列挙すると以下の通りで
ある。

（ｉ）　　高屈折率を生じるイオン［ＩＩ］をガラス体
に導入する第一の工程におけるイオン交換をガラス体に
電界を印加しながら行なう。

（ｉｉ）　　ガラス体として円柱状の形状を有するもの
を使用し、中心部から半径の方向に向かって屈折率が低
下する屈折率分布型レンズを作製する。

−ガラス体として板状の形状を有するものを使用し、厚
さ方向にのみ屈折率分布を有する屈折率分布型レンズを
作製する。

（Ｍ　ガラス体として球状の形状を有するものを使用し
、中心部から半径の方向に向かって屈折率が変化する屈
折率分布型レンズを作製する。

（ｖ）　　第一の工程において、高屈折率を生ずるイオ
ン［ＩＩ］としてＡにＪ　　、ＴＩ＋またはｌ−１を用
÷ いる。

鈴　ガラス体としてリン酸塩ガラスを、また第一の工程
で高屈折率を生ずるイオン［ｎｌとしてＡＱ＋を用いる
。

以下図面に基づいて本発明を詳述する。

第１図は第３図（Ａ＞に示されたような形状を有する半
径ｒ。のロッド状ガラスを出発ガラス体として用いて本
発明の方法を実施した場合における各工程後のガラス体
中のイオン濃度分布の変化を示したものである。

初めにＮａ＋ヤＫ　などのイオン（イオン［■］）を多
く含有するロッド状ガラス体を溶解法により製造し、こ
れを本発明において出発ガラス体として用いる。この出
発ガラス体中のイオン［Ｉ］の濃度は同図（Ａ）の点１
１１ａで示すように中心部０から半径ｒ。に亘って均一
である（ｉ濃度Ｃ）。

この出発ガラス体をＡｇ１、ＴＩ＋、Ｌｉ＋などの高屈
折率を生じるイオン（イオン［■］）の硝酸塩やＴａ酸
塩等の溶融塩中に所定温度（Ｔ）で所定時間（１）浸漬
して、ガラス体中のイオン［ＩＩ１の一部と溶融塩中の
イオン［ＩＩ］とのイオン交換を行なう（第一の工程）
。この工程においてイオン交換は、溶融塩からガラス体
中に拡散移入するイオン［■］のガラス体中の濃度がガ
ラス体の中心部Ｏから半径ｒ。に亘って飽和し均一な濃
度分布になる以前の任意の段階で停止することが本発明
において必須条件であり、この工程により、ガラス体中
のイオン［Ｉ］の濃度は第１図（Ｂ）の点１１ｂで示す
ように中心部Ｏから半径ｒｏ力方向向かって放物線状に
減少するとともに、イオン［ＩＩ］の濃度は実線２ｂで
示すように中心部Ｏから半径ｒ　の方向に向かって放物
線状に増加し、ガラス体の中心部Ｏから半径ｒ。の方向
に向かってイオン［Ｉ］及び［ＩＩ］のそれぞれの濃度
分布が均一でないガラス体が得られる。

次いでこのガラス体を溶融塩から取り出し、ガラス体中
のイオン［Ｉ］及び［ＩＩ］のそれぞれの濃度分布をガ
ラス体の中心部Ｏから半径ｒ。に亘って実質的に均一に
するに充分な程度に加熱する（第二の工程）。この工程
により、ガラス体中のイオン［Ｉ］とイオン［Ｉ］とは
相互拡散して、イオン［Ｉ］及びイオン［ＩＩ］の濃濃
度布は第１図（Ｃ）の点線１Ｃ及び実線２Ｃでそれぞれ
示すように中心部Ｏから半径ｒ。に亘って実質的に均一
となる。

次いでこのガラス体を、イオン［ＩＩ］よりも低屈折率
を生じるＮａ”、Ｋ＋等のイオン（イオン［■］）を含
む溶融塩中に浸漬してガラス体中のイオン［ＩＩ］の一
部をイオンＣＢＩＩとイオン交換する（第三の工程）。

この工程により、イオン［ＩＩ］の濃度は第１図（Ｄ）
の実線２ｄに示すように中心部０から半径ｒ。の方向に
向かって放物線状に減少し、逆にイオン［ＩＩＩ］の濃
度は同図の破線３ｄに示すように中心部０から半径ｒ。

の方向に向かって放０４線状に増加し、その結果、第３
図（Ｂ）に示したようにガラス体の中心部Ｏから半径ｒ
　の方向に向かって屈折率が低下する、屈折率分布型レ
ンズが得られる。

なお、第三の工程により、イオン［Ｉ］の濃度は第１図
（Ｄ）の点線１ｄに示すように中心部Ｏから半径ｒ。の
方向に向かって放物線状に減少するＳ重分布になるが、
屈折率分布に対する影響は少ない。

次に屈折率分布型レンズの開口数の制御について説明す
る。上記の場合よりも開口数の小さなレンズを作製する
場合には、第一の工程において、ガラス体を溶畿塩に浸
漬する時間を上記時間ｔよりも短くするか、温度を上記
温度Ｔよりも低くする。こうすることにより°、溶融塩
からガラス体中へ拡散移入するイオン［ＩＩ］のωは少
なくなり、第三の工程で得られるガラス体の中心部Ｏと
半径ｒｏにおけるイオン［Ｉ］の濃度差が小さくなり開
口数の小さな屈折率分布型レンズが得られる。

逆に開口数の大きなレンズを作製する場合、第一の工程
においてガラス体を溶融塩に浸漬する時間を上記時間ｔ
よりも長くするか、温度を上記温度Ｔよりも高くする。

こうすることにより、溶融塩からガラス体中へ拡散移入
するイオン［ＩＩ１の１は多くなり、第三の工程で得ら
れるガラス体の中心部Ｏと半径ｒ。におけるイオン［Ｉ
］の濃痕差は大きくなり開口数の大きな屈折分布型レン
ズが得られる。

このように同一のガラス体から、任意の異なる開口数を
有する複数の屈折率分布型レンズが得られることは本発
明の最大の利点である。

以上、出発ガラス体として第３図（Ａ）に示したような
形状のガラスロッドを用いた場合について説明してきた
が、本発明では出発ガラス体の形状を他の形状に変える
ことにより、種類の異なる屈折率分布型レンズを作製す
ることができる。たとえば、第４図（Ａ）に示したよう
な形状の厚み２・ｄｏの板状ガラス体を用いることによ
り第４図（Ｂ）に示したような中心部Ｏから厚みｄ。方
向の一方向にのみ屈折率が放物線状に減少する一方向屈
折率分布型スラブレンズを、また第５図（Ａ）に示した
ような形状の半径ｒ。の球状のガラス体を用いることに
より第５図（Ｂ）に示したような中心部Ｏから半径ｒ。

方向に屈折率が放物線状に減少する屈折率分布型球レン
ズを作製することが可能である。

また本発明では、第一の工程を、電界を印加しながら溶
融塩中のイオン［Ｉ］をガラス体へ拡散移入させる、い
わゆる電界イオン移入法で実施することも可能である。

この電界イオン移入法は、例えば第２図（Ａ）に示した
ような装置を用いて行なわれる。この図において、溶融
塩容器１０にはｒＢ＠塩７が満たされており、その中に
電極（プラス側）９が浸漬されており、一方、その四方
に壁が設けられていて内側容器を構成している皿状ガラ
ス試Ｆ１６には溶融塩７が満たされており、その中に電
極（マイナス側）８が浸漬されている。

この装置を用いて、溶融塩７の温度を所定温度に保って
電極８．９問に所定の電界を印加すると、イオン［ＩＩ
］のガラス体中への拡散移入速度が数倍程度早くなるの
で、処理時間を短縮するとができる。なお、電界イオン
移入法により第一の工程を実施することにより得られた
、第４図（Ａ）に図示の如き形状の厚み２・ｄｏの板状
ガラス体中のイオン［Ｉ］及び［ＩＩ］の濃度分布は、
第２図（Ｂ）の点線１ｅ及び実線２ｅにそれぞれ示すよ
うに、中心部０から厚みｄ。の方向に向かって非対称に
なるが、第二の工程で加熱することにより、容易にイオ
ン［Ｉ］及び目［］のそれぞれの濃度分布を均一にする
ことができる。

また、第二の工程において加熱処理条件を調整しイオン
［ＩＩ］の濃度分布が不均一な状態で第三の工程を行な
うことにより、最終的に得られるガラス体中の屈折率分
布を制御することも可能であり、かかる技術も本発明に
包含されるものである。

［実施例］ 以下、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１ ４０＋ｏｚ％のＮａ２Ｏを含有するリン酸塩ガラスから
成る直径３履のガラス棒を、出発ガラス体として用いた
。このガラス棒中のＮａ２Ｏの中心ｒＡＯから半径ｒ。

の方向に向かっての濃度分布は第６図（Ａ）の直線４ａ
で示されるように４０ＳＯｔ％で均一であった。

このガラス棒を重ｇｈｔ）準で４０％のＡｑＮＯ３と６
０％のＫＮＯ３とからなる、４００℃の溶融塩中に１５
０時間浸漬してガラス棒中のＮａ＋と溶融塩中のＡＱ＋
どのイオン交換を行なった（第一の工程）。第一の工程
により、Ｎａ、、Ｏの濃度は、第６図（Ｂ）の曲線４ｂ
に示すように、中心部Ｏから半径ｒ０の方向に向かって
放物線状に減少し、逆にＡｇ２Ｏの濃度は、同図の曲線
５ｂに示すように、中心部Ｏから半径ｒ。の方向に向か
って放物線状に増加した。

次にガラス棒を溶融塩から取り出し、空気中、４００℃
で１２０時間加熱した（第二の工程）。

第二の工程により、Ｎａ　　Ｏ及びΔｑ２０の濃度は、
第６図（Ｃ）の直線４Ｃ及び５Ｃにそれぞれ示すように
、中心部０から半径ｒ。に亘って一様に均一となった。

次にガラス棒を４２０℃のＮ　ａ　Ｎ　Ｏ３溶融塩中に
１８時間浸漬して、ガラス棒中のＡｇ“と溶融塩中のＮ
ａ＋どのイオン交換を行なった（第三の工程）。第三の
工程により、ＡＱ２０の濃度は、第６図（Ｄ）の曲線５
ｄに示すように、中心部Ｏから半径ｒ。の方向に向かっ
て放物線状に減少し、一方Ｎａ２Ｏの濃度は、同図の曲
線４ｄに示すように、中心部Ｏから半径ｒ。の方向に向
かって放物線状に増加し、その結果、ガラス体の中心部
Ｏから半径ｒ。の方向に向かって屈折率が低下する屈折
率型レンズが得られた。このレンズの開口数は０．４８
であった。

実施例２ 実施例１と同一のガラス棒、溶融塩を用いて、第一の工
程のイオン交換を４００℃で５０時間行ない、第二の工
程の加熱処理を４２０℃で１２０時間行なった後、第三
の工程のイオン交換を４４０℃で１３時間行なうことに
より得られたレンズの開口数は０．３０であった。本実
施例によれば、実施例１と同一のガラス棒を用いて、実
施例１と異なる開口数を有する屈折率分布型レンズが得
られることが明らかである。

実施例３ 厚さ１馴の板状のＢＫ７と称される光学ガラス＜’４ｍ
基準でＳ　ｉ　Ｏ６８，９％、Ｂ２Ｏ３１０，１％、Ｎ
ａ２Ｏ８，８％、Ｋ２Ｏ３，４％、ＢａＯ２，８％、Ａ
Ｓ２０３１．０％）を、−Ｅ／Ｌ、基準ｒ３０％のＴ１
２Ｓｏ４と４０％のＺｎＳＯ４と３０％のに２Ｓ０４と
からなる５３０℃の溶融塩中に１００時間浸漬して第一
の工程のイオン交換を行ない、続いて空気中、５３０℃
で８０時間加熱して第二の工程を行なった後、このガラ
ス板を５３０℃のＫＮＯ３溶融塩中に５５時間浸漬して
第三の工程のイオン交換を行なうことにより、間口数０
．３５の屈折率分布型レンズが得られた。

実施例４ 第２図（Ａ）に示した装置を用いて、第一の工程を電界
イオン移入法によって実施した。即ち、８に７光学ガラ
ス（組成は実施例３に記載されている）の皿状物（肉厚
１　ｔａ　＞をガラス試料として用い、溶融塩として実
施例３で用いたものと同一のちのを用いて、７Ｖ／Ｉｎ
ＩＲの電界を印加しながら５３０℃で２０時間かけて第
一の工程のイオン交換を行なった。

次いで空気中、５３０℃で１２０時間加熱して第二の工
程を行なった後、実施例３と同様に第三の工程のイオン
交換処理を行なうことにより、実施例３で得られたレン
ズと同様な性能の屈折率分布型レンズが得られた。

比較例 従来技術として記載した特開昭６１−２２２９４３号公
報に記載の方法によって屈折率分布型レンズを製造した
。

４０＋ａｏｚ％のＮａ　　Ｏを含有するリン′Ｒ塩ガラ
スからなる直径３履のガラス棒（実施例１，２で用いた
ものとガラス組成及び形状が同一である）を出発ガラス
体として用いた。このガラス棒のＮ　ａ　２０　ｆｌｉ
　ｆｆの中心部Ｏから半径ｒ。の方向に向かっての濃度
分布は第７図（Ａ）の直線４ｅで示すように４０ｍｏｚ
％で均一であった。

このガラス棒を重要基準で４０％のＡＣ］ＮＯ３と６０
％のＫＮＯ３とからなる、４００℃の溶融塩（この溶融
塩も実施例１，２で用いたものと同一である）中に２４
０時間浸漬してガラス棒中のＮａ＋と溶融塩中のＡＱ＋
との第一段階のイオン交換を行なった。この第一段階の
イオン交換により、第７図（Ｂ）の直線５ｆで示すよう
に、ガラス体中のＡｑ２０の濃度は、中心部Ｏから半径
ｒ　に亘ってほぼ４０ｓｏｚ％と飽和し、均一な濃度分
布となり、一方、Ｎａ２Ｏの濃度も同図の４ｆで示すよ
うに中心部Ｏから半径ｒ。に亘って一様に減少し、均一
な濃度分布となった。

次にこのガラス棒を４００℃のＮ　ａ　Ｎ　Ｏ３溶融塩
（この溶融塩も実施例１，２で用いたものと同一である
）中に１８時間浸漬してガラス体中のＡｇ“と溶ＵＩＡ
塩中のＮａ＋との第二段階のイオン交換を行なった。こ
の第二段階のイオン交換により、第７図（Ｃ）の曲線５
ｑで示すようにガラス体中のＡｇ２Ｏの濃度は、中心部
Ｏから半径ｒ。

の方向に向かって放物線状に減少し、一方Ｎａ２Ｏの濃
度は、同図の曲線４Ｑで示すように中心部Ｏから半径ｒ
。の方向に向かって放物線状に増加する屈折率分布型レ
ンズが得られたが、このレンズの開口数は０．６９であ
った。

この比較例の方法によれば、同一ガラス体から上記の開
口数０．６９のものと異なる開口数を有する他の屈折率
分布型レンズを製造することはできない。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明の屈折率分布型レンズの製造方法は
ガラス体を構成するイオン［Ｉ］の一部を、高屈折率を
生ずるイオン［ＩＩ］とイオン交換する第一の工程と、
ガラス体中のイオン［Ｉ］及び［ＩＩ］のそれぞれの濃
濃度面を均一にする第二の工程と、ガラス体中のイオン
［ＩＩ］の一部を、低屈折率を生じるイオン［ｌ［］と
イオン交換する第三の工程からなるものであり、第一の
工程のイオン交換処理条件を制御することにより、高屈
折率を生ずるイオンを含む多種のガラス体を溶解法によ
り作製することなく、同一ガラス体から、任意の異なる
開口数を有する多種の屈折率分布型レンズを容易かつ安
定して作製することができるので、その工業的意義は極
めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施した場合における各工程
後のガラス体中のイオン濃度分布説明図、第２図は、第
一の工程を電界イオン移入法で実施する場合に用いられ
る装置の断面図およびガラス体中のイオンのＩＩ瓜分布
説明図、 第３図は、屈折率分布型Ｏラドレンズの斜視図と屈折率
分布説明図、 第４図は、一方向屈折埠分布型スラブレンズの斜視図と
屈折率分布説明図、 第５図は、屈折率分布型球レンズの斜視図と屈折率分布
説明図、 第６図は、実施例１における各工程後のガラス体中のイ
オン濃度分布説明図、 第７図は、比較例における各段階後のガラス体中のイオ
ン濃度分布説明図 である。 １ａ−８・・・イオン［Ｉ］の濃度分布線２ｂ−ｅ・・
・イオン［ＩＩ］の濃度分布線３ｄ・・・イオン［ＩＩ
１１１の濃度分布線４ａ−Ｑ・・・Ｎａ２Ｏの濃度分布 線５ｂ−ｄ、ｆ、Ｑ・・・ＡＱ２０の濃度分布線６・・
・ガラス試料 ７・・・溶融塩 ８・・・電極（マイナス側） ９・・・電極（プラス側） １０・・・溶融塩容器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス体を、該ガラス体を構成するイオン［ I
   ］よりも高屈折率を生じ、しかもガラス中にイオン拡散
   が可能なイオン［II］を含む溶融塩中に、ガラス体中の
   イオン［II］の濃度がガラス体の中心部から外方に亘っ
   て飽和し均一な濃度分布になる以前の任意の段階まで浸
   漬して、ガラス体中のイオン［ I ］の一部をイオン［
   II］とイオン交換することにより、ガラス体の中心部か
   ら外方に向かって、イオン［ I ］及び［II］のそれぞ
   れの濃度分布が均一でないガラス体を形成する第一の工
   程と、第一の工程において得られたガラス体を、ガラス
   体中のイオン［ I ］及び［II］のそれぞれの濃度分布
   をガラス体の中心部から外方に亘って実質的に均一にす
   るに充分な程度に加熱する第二の工程と、第二の工程に
   おいて得られたガラス体を、イオン［II］よりも低屈折
   率を生じるイオン［III］を含む溶融塩中に浸漬して、
   ガラス体中のイオン［II］の一部をイオン［III］とイ
   オン交換することにより、イオン［II］の濃度がガラス
   体の中心部から外方に向かって放物線状に減少し、イオ
   ン［III］の濃度がガラス体の中心部から外方に向かっ
   て放物線状に増加し、その結果ガラス体の中心部から外
   方に向かって屈折率が低下する屈折率分布型レンズを得
   る第三の工程とを含むことを特徴とする屈折率分布型レ
   ンズの製造方法。