JPS63222047A - 屈折率分布型光学素子の製造方法 - 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、ガラスや光学結晶などの透明誘電体にイオン
交換処理を施して、その透明誘電体中に屈折率分布を持
たせた屈折率分布型光学素子の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来より透明誘電体であるガラス棒材を溶融塩に浸漬し
、ガラス棒材中のイオンと溶融塩中のイオンとを交換し
て、ガラス棒材中に屈折率分布を形成して、屈折率分布
型レンズを製造する方法が知られている（特公昭４７−
８１６） このイオン交換処理においては、通常ＴＩ＋。

Ｏ３”、Ｌｉ＋などの屈折率を高める効果のあるイオン
と、Ｎａ”　　、　　Ｘ＋などの屈折率を低下させる効
果のあるイオンとが交換される。例えば断面が円形のガ
ラス棒材をイオン交換処理して断面の中心から半径方向
に向けて屈折率分布を有する光学素子を作成する場合、
それに集光作用（凸レンズ作用）を持たせるためには、
ＴＩ”　、　Ｃｓ”　、　Ｌｉ＋等を含むガラス棒材を
Ｎａ”　、　　ｋ＋等を含む溶融塩に浸漬してガラス十
のＴＩ”　、　Ｃｓ”　、　Ｌビ等と溶融塩中のＮａ＋
、　　ｋ＋等を浸漬してガラス棒材の中心軸から周辺に
向けて屈折率が減少するようにする。またその逆に光学
素子に発散作用（凹レンズ作用）を持たせるためには、
Ｎａ“、に＋等を含むガラス棒材をＴＩ”　　、Ｃｓ”
　、Ｌｉ＋等を含む溶融塩に浸漬して、ガラス棒材中の
Ｎａ”　、　　Ｋ＋等と溶融塩中のＴＩ”　　、　Ｃｓ
”　　、　Ｌｉ＋等を交換し、ガラス棒材の中心軸から
周辺に向けて屈折率が増加するようにする。

一方、透明誘電体からなる平板状部材に上述のようなイ
オン交換処理を施すと、平板状部材の厚み方向に屈折率
分布が形成できる。

上述のようなイオン交換処理に用いられる溶融塩として
は、例えばＮａＮｏ３　、　　ＫＮｏ３　、　ＬｉＣｌ
　。

Ｔ１２　Ｓｎ２　　、　ＣｓＮｏ３等がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上述のような従来のイオン交換処理方法で透
明誘電体からなる棒状または平板状等の部材を処理する
場合、その部材中に形成できる屈折率分布のパターンは
限られており、大口径の光学素子や所望に応じた多種多
用な分布のパターンを有する光学素子の製造には問題が
ある。

例えば、棒状の部材を処理して大口径の屈折率分布型レ
ンズを製造する場合は、長時間のイオン交換処理が必要
であり、生産性が低く製造コストが高い。その上イオン
交換処理を長時間行なうことにより、ガラス棒材の変形
やガラス表面の変質などが生じ、所望の光学性能が得に
くいという問題点がある。

また、平板状の部材を処理して屈折率分布型光学素子を
製造する場合、その屈折率分布は厚み方向にのみ形成さ
れ、厚み方向から光線が入射しても光軸に対して垂直な
面の屈折率は一様なので、レンズ作用を示さない。

つまり従来の技術においては、透明誘電体と溶融塩のイ
オン交換は単にイオンの拡散現象にのみ依存しており、
透明誘電体の表面から中心に向かう屈折率分布しか形成
できない。この点が上述のような問題点の原因になって
いる。

本発明は」二記問題点に鑑み成されたものであり、その
目的は、イオン交換処理による屈折率分布型光学素子の
製造方法において、イオンの拡散現象を制御して所望に
応じて多種多用な屈折率分布のパターンを有する光学素
子を容易に製造する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、生産性が高く製造コストの低い大
口径屈折率分布型レンズの製造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〕

本発明の上記目的は、溶融塩に透明誘電体からなる部材
を浸漬して該部材中のイオンと該溶融塩中のイオンとを
交換し、屈折率分布を該部材中に形成する屈折率分布型
光学素子の製造方法において、透明誘電体からなる平板
状部材を回転させ、その回転軸を該溶融塩の液面に対し
て相対的に移動させ、前記部材の該溶融塩中に浸された
部分と浸されない部分の割合いを変化させながら、前記
イオン交換を行なうことを特徴とする屈折率分布型光学
素子の製造方法によって達成される。

本発明は、透明誘電体からなる部材が溶融塩に浸漬され
ている時間の長さに併って部材中のイオンと溶融塩中の
イオンの交換が部材の表面から内部に向って進行するみ
とに着目し、その浸漬時間を透明誘電体からなる平板状
部材を回転させる操作とその平板状部材の回転軸を溶融
塩の液面に対して移動させる操作により制御して、その
平板状部材内に所望の屈折率分布パターンを形成するこ
とに基づく。

前記の透明誘電体からなる平板状部材とは、平板、円板
などはもとより、例えばあらかじめ凸レンズ状あるいは
凹レンズ状に形成された部材も含まれる。また、その材
質としては、例えば硼珪酸ガラスなどのガラス材や、ニ
オブ酸リチウムなどの光学結晶等を用いることができる
。

なお本発明における透明誘電体の透明とは、可視光線、
赤外線あるいは紫外線等のうち本発明の光学素子に使用
するある波長域に対して透過率が十分であることを意味
する。

前記の溶融塩としては、例えばＮａＮｏ３　、　　ＫＮ
ｏ３　ｒＬｉＧＩ　、　ＴＩ２　Ｓｎ２　、　ＣｓＮｏ
３．安息香酸などの溶融塩等を用いることができる。

以下本発明の具体的な方法の例を図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図と第２図は、本発明の具体例の工程を示す模式図
である。

第１図には、本発明により例えば第３図に示すようなイ
オン交換状態を示すレンズを形成する場合の操作が示さ
れている。すなわち、透明誘電体からなる円板状部材１
をその中心軸が水平になるように支示し、その中心軸を
回転軸として回転させながら垂直方向に降下させ（第１
図（ａ））、容器３に蓄えられた溶融塩２に徐々に浸漬
し、その回転中心軸が溶融塩２の液面に達した時点　（
第１図（ｂ））でイオン交換処理を終了させる。すると
、円板状部材１の外周付近の溶融塩２に浸漬される時間
は長くなり、また回転中心軸に近い部分程、溶融塩２に
浸漬される時間は短くなる。したがって、その外周部付
近では屈折率分布の形成領域が厚さ方向の中心部まで及
び、また回転中心軸に近い部分程屈折率分布の形成領域
は表面部分に止どまり、回転中心軸を対称軸として３次
元的な屈折率分布を有する光学素子が得られる。

第３図はこの方法により製造された屈折率分布型光学素
子の中心軸に沿った断面におけるイオン交換の度合の一
例を示す図である。イオン交換は破線の外側で成されて
おり、その度合は矢印の方向に向って増大している。

第２図には、本発明により例えば第４図に示すようなイ
オン交換状態を示すレンズを形成する場合の操作が示さ
れている。すなわち、透明誘電体からなる円板状部材１
をその中心軸が水平になるように支持し、容器３に蓄え
られた溶融塩２に完全に浸漬しその中心軸を回転軸とし
て回転させながら垂直方向に上昇させ（第２図（ａ））
、溶融塩２から徐々に引揚げ、゛その回転中心軸が溶融
塩２の液面に達した時点（第２図（ｂ））でイオン交換
処理を終了させる。すると、円板状部材ｌの回転中心軸
付近の溶融塩２に浸漬される時間は長くなり、また外周
部に近い部分程、溶融塩２に浸漬される時間は短くなる
。したがって回転中心軸付近では屈折率分布の形成領域
が厚さ方向の中心部まで及び、また外周部に近い部分程
屈折率分布の形成領域は表面部分に止どまり、回転中心
軸を対称軸として３次元的な屈折率分布を有する光学素
子が得られる。

第４図はこの方法により製造された屈折率分布型光学素
子の中心軸に沿った断面におけるイオン交換の度合の一
例を示す図である。イオン交換は破線の外側で成されて
おり、その度合は矢印の方向に向って増大している。

なお、これらの方法においては平板状部材ｌの下降速度
あるいは上昇速度を適時変化させることにより、屈折率
分布の匂配を制御することも可能である。

第１図および第２図に示す方法を行なう際に、マスクを
併用して屈折率分布を制御することも可能である。例え
ば第１図に示す方法を行なう際に、円板状部材ｌの片面
をマスクで覆っておけば片面だけに屈折率分布を有する
光学素子が得られる。さらに、その光学素子の屈折率分
布が形成された面だけを覆い、第１図に示す方法を別条
性（下降速度、溶融塩の種類など）で行なう、あるいは
第２図に示す方法を行なうことにより、その両面に異っ
た屈折率分布を有する光学素子が得られる。

さらに、第１図および第２図に示す方法を行なう際に、
平板状部材１の回転中心軸を溶融塩２の液面に対して傾
けた状態にしておくことにより、厚み方向において非対
称な屈折率分布を有する光学素子が得られる。

なお、本発明における透明誘電体は上記の円板状のもの
に限られるものでなく、例えば、球面および非球面レン
ズ形状のものを用いて第１図または第２図に示す方法を
行なうことにより、そのレンズの球面収差を軽減させる
効果を持つ屈折率分布を形成することも可能である。

〔発明の効果〕

以し説明した本発明の方法によれば、透明誘電体からな
る平板状部材に形成される屈折率の分布を簡単な操作に
よって制御できるので、所望の屈折率分布パターンを有
する光学素子を容易に製造でき、さらに従来の技術では
困難であった大口径の屈折率分布型レンズを短時間で製
造することができる効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するう 実施例１ 第１図に示すようにＬ１＋イオンを約１０ｍｏ　１％含
む硅酸塩ガラスからなる直径５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの
円板状部材を、その中心軸が水平になるように支持し、
その中心軸を回転軸として５回／分で回転させながら垂
直方向に１時ｍ１に０．２　ｍｒｎ１分の速度で降下さ
せ、５００°ＣのＮａＮｏ３の溶融塩に徐々に浸漬し、
その回転中心軸が溶融塩の液面に達した時点で円板状部
材を取り出した。

上記のようにして作製した屈折率分布型レンズは、第３
図に示す破線の外側で屈折率分布を有し、最大屈折率差
は約０．０１で、その屈折率は矢印の方向に向って減少
しているので、集光作用を示す。

実施例２ 実施例１におけるＬｉ＋を含む硅酸塩ガラスを光学ガラ
スＫＦ３に代え、ＮａＮｏ３の溶融塩をＬｉＣ１の溶融
塩に代える以外は、実施例１と同様の方法で屈折率分布
型レンズを作製した。

上記のようにして作製した屈折率分布型レンズは、第３
図に示す破線の外側で屈折率分布を有し、最大屈折率差
０．００７で、その屈折率は矢印の方向に向って増大し
ているので発散作用を示す。

実施例３ 第２図に示すようにＴＩ＋イオンを１５ｍｏｌχ含む硅
酸塩ガラスからなる直径３Ｄｍｒｎ、厚さ５ｍｌ１１の
円板状部材を、その中心軸が水平になるように支持し、
５１０℃のＫＮｏ３の溶融塩に完全に浸漬し、その中心
軸を回転軸として５回／分で回転させながら垂直方向に
０．１ｍｍ　／時間の速度で−Ｉ−昇させ、溶融塩から
徐々に引揚げ、その回転中心軸が溶融塩の液面に達した
時点で円板状部材を取り出した。

］−記のようにして作製した屈折率分布型レンズは、第
４図に示す破線の外側で屈折率分布を有し、最大屈折率
差０．１５で、その屈折率は矢印の方向に向って減少し
ているので、集光作用を示す。

実施例４ 実施例３におけるＴＩ＋イオンを含む硅酸塩ガラスを光
学ガラスＫＦ３に代え、ＫＮｏ３の溶融塩を４０ＴＩ７
　Ｓｎ２　　＠　２０　Ｋ２　Ｓｎ２　・４０ＺｎＳｏ
４　　（ｍｏｌｄ）の溶融塩に代える以外は、実施例３
と同様の方法で屈折率分布型レンズを作製した。

上記のようにして作製した屈折率分布型レンズは、第４
図に示す破線の外側で屈折率分布を有し、最大屈折率差
は０．１７で、その屈折率は矢印の方向に向って増大し
ているので、発散作用を示す。

【図面の簡単な説明】

８１図および第２図は、本発明の具体例の工程を示す模
式図であり、第３図および第４図は透明誘電体からなる
円板状部材のイオン交換の状態を示す図である。 １・・・・・・透明誘電体からなる円板状部材、２・・
・・・・溶融塩、 ３・・・・・・容器。 （ａ）　　　　　　　　　　　　（ｂ）第１図 （ａ）　　　　　　　　　　　　（ｂ）第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶融塩に透明誘電体からなる部材を浸漬して該部材中の
   イオンと該溶融塩中のイオンとを交換し、屈折率分布を
   該部材中に形成する屈折率分布型光学素子の製造方法に
   おいて、透明誘電体からなる平板状部材を回転させ、そ
   の回転軸を該溶融塩の液面に対して相対的に移動させ、
   前記部材の該溶融塩中に浸された部分と浸されない部分
   の割合いを制御しながら、前記イオン交換を行なうこと
   を特徴とする屈折率分布型光学素子の製造方法。