JPH0463362B2

JPH0463362B2 -

Info

Publication number: JPH0463362B2
Application number: JP1080943A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nishizawa; Noboru Yamamoto; Kenichi Iga; Masahiro Oikawa
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1992-10-09
Also published as: JPH0250103A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、合成樹脂、ガラス等から成る透明基
板中に屈折率分布型レンズ部分を形成したレンズ
体に関するものである。

従来から、１図に示すような円柱形状の屈折率
分布型レンズが知られている。この第１図に示す
レンズにおいては、合成樹脂又はガラスから成る
透明円柱体１の中心軸から半径方向に向つてほぼ
二乗近似で屈折率が変化している。従つて、透明
円柱体１の一方の面に垂直に入射される光線２
は、この透明円柱体１内で集束又は発散されて、
その他方の面から外部へ放出され、例えば、上記
屈折率が中心軸から半径方向に向つて減少してい
る場合には、焦点３にスポツト状に集束される。

また、第１図に示す円柱形状の屈折率分布型レ
ンズとは別に、透明平板を用いた屈折率分布型レ
ンズも知られている。このような平板形状の屈折
率分布型レンズにおいは、例えば、合成樹脂又は
ガラスから成る平板状の透明基板の厚さ方向の中
心面から両側表面に向つてほぼ二乗近似で屈折率
が変化している。従つて、上記透明基板の上記両
側表面の間に存在する一側縁から上記両側表面に
平行に入射される光線は、上記透明基板内でこの
基板の厚さ方向に集束又は発散されて、同様に上
記両側表面の間に存在する他側縁ら外部へ放出さ
れ、例えば、上記屈折率がその厚さ方向の中心面
から両側表面に向つてほぼ二乗近似で減少してい
る場合には、輝線状に集中される。

上述のような円柱形状又は平板形状の屈折率分
布型レンズは、光通信用の周辺デバイスに広く応
用され、例えば、半導体レーザと光フアイバとの
光結合系や、光フアイバの中間に減衰器又は分岐
回路を挿入するための平行レンズ体などに応用さ
れている。また、上述のような屈折率分布型レン
ズは、正立等倍実像を形成し得る結像条件の単位
レンズ部分を一次元又は二次元に配列して構成し
たライン状又はマトリツクス状のレンズ体とし
て、複写機やフアクシミリの光学系に応用されて
いる。

しかし、従来から知られている屈折率分布型レ
ンズの場合には、屈折率分布が二次元的なもので
ある。例えば、第１図に示す円柱形状の屈折率分
布型レンズの場合には、中心軸に対して直交する
仮想面においてはこの中心軸から半径方向に向つ
て屈折率が次第に変化しているが、上記中心軸に
沿う方向には変化していない。また、既述の平板
形状の屈折率分布型レンズの場合には、表面と直
交する仮想面においてはその厚さ方向の中心面か
ら両側表面に向つて屈折率が次第に変化している
が、光軸の進行方向、即ち上記表面と平行な仮想
面において変化していない。また、これらのレン
ズの場合には、製造工程が複雑であるから、大量
生産に適していない。

なお、このような欠点を是正するために、本発
明者等は、屈折率に変化を与える物質を透明基板
に内部拡散することにより透明基板中に形成され
た屈折率分布型レンズ部分を具備するレンズ体を
案出し、これを特願昭55−128390号（特開昭57−
53702号公報参照）として特許出願した。このよ
うに構成されたレンズ体によれば、屈折率分布型
レンズ部分を具備するレンズ体を簡単な製造工程
によつて大量に製造することができる。

この場合、上記屈折率分布型レンズ部分が共通
の透明基板に複数個設けられ、各屈折率分布型レ
ンズ部分が、上記共通の透明基板の共通の面上の
一点を通りかつ上記共通の面に垂直な総ての断面
内でほゞ半円形状の屈折率分布領域を有し、この
ほゞ半円形状の屈折率分布領域が、上記共通の面
上の上記一点をほゞ中心として放射方向に向けて
次第に変化する屈折率分布を有するのが好まし
い。このように構成されたレンズ体によれば、こ
のレンズ体に設けられた複数個の屈折率分布型レ
ンズ部分をその焦点距離が比較的小さくかつ小型
に構成することができ、また、複数個の屈折率分
布型レンズ部分の相互の位置合せを簡単かつ正確
に行うことができる。

次に、このように構成したレンズ体の具体的な
態様を第２図〜第５図に示す参考例１及び２につ
いて説明する。

まず、第２図〜第４図に示す参考例１につい
て、説明すると、この屈折率分布型レンズ体、基
本的には、第２図に示す工程を経て製造される。
なお、第２図〜第４図には、単一の屈折率分布型
レンズ部分を製造する状態が図示されているが、
実際には、第５図に示す場合と同様にして、複数
個の屈折率分布型レンズ部分が共通の透明基板に
同時に製造されるのが好ましい。

第２図において、合成樹脂、ガラス等の誘電体
から成る透明基板１１には、その中心に円形の窓
又は穴１２ａを有するマスク１２が形成されてい
る。このマスク１２の材料は、穴１２ａを通して
拡散される拡散源を含有する拡散用物質に応じて
決定されるが、この拡散用物質として例えば硫酸
塩を用いる場合には、チタン又は酸化チタン
（TiO₂）を用いてよい。

例えばTiO₂をマスク材料とする場合には、ま
ず、基板１１の全面にスパツタリング、蒸着など
によつてTiO₂膜を形成し、次いで、このTiO₂膜
をフオトレジスタ膜を被覆する。次いで、このフ
オトレジスト膜のうちの穴１２ａに相当する部分
を感光させ、この感光させた部分のフオトレジス
ト膜を除去する。次いで、この除去された部分の
TiO₂膜を熱リン酸液で除去してから、残りのフ
オトレジスト膜を除去すると、第２図に示すよう
なマスク１２を有する透明基板１１が得られる。
なお、上記穴１２ａは、必ずしも円形でなくても
よく、必要とする屈折率分布型レンズ部分の形状
に合せて楕円形とすることができる。

次に、穴１２ａを通して基板１１内に拡散源１
０を拡散させて、以下に述べる所定の屈折率分布
を基板１１内を形成する。

第３Ａ図及び第３Ｂ図には、レンズ体における
屈折率分布の一例が示されている。第３Ａ図は、
第４図に示すレンズ体の屈折率分布型レンズ部分
１３の軸線方向（ｚ軸方向）おける屈折率分布を
示し、基板１１の表面１１ａから裏面１１ｂに向
かうに従つて屈折率が例えば二乗近似で次第に減
少して、全体として弧状に変化している。また、
第３Ｂ図は、上記軸線方向とは直交する方向にお
ける屈折率分布（即ち、ｚ軸方向の任意の点z₀に
おけるｘ軸方向及びｙ軸方向についての屈折率分
布）を示し、中心軸から遠ざかるに従つて屈折率
が例えば二乗近似で次第に減少して、全体として
山形の分布になつている。

基板１１内に拡散源１０を拡散させて所定の屈
折率分布を得るための方法は、大別すれば、一応
次の二通りが考えられる。

その一つの方法は、透明な重合体から成る合成
樹脂にて構成された透明基板１１に、この重合体
と共重合してその屈折率を変化させるモノマーを
拡散移動させ、次いで、上述の共重合を行わせる
方法であつて、この方法は、後述の具体例１にお
いて用いられている。もう一つの方法は、ガラス
修飾酸化物を構成する第１のイオンを含むガラス
板にて構成された透明基板１１に、このガラス板
の屈折率の増加に寄与する度合が上記第１のイオ
ンよりも大きいガラス修飾酸化物を構成し得る第
２のイオンを交換拡散させて、この第２のイオン
を上記第１のイオンと置換させる方法であつて、
この方法は、後述の具体例３及び４において用い
られている。

以上に述べたようにして得られた第４図に示す
レンズ体の一方の面に平行光線１４を入射させる
と、この光線１４は、屈折率分布型レンズ部分１
３において集束されて、その他方の面から外部に
放出され、焦点１５にスポツト状に集束される。

なお第２図に示す製造工程を経て得られるガラ
ス体は、第４図に示すように、凸レンズ作用を有
する。しかし第２図において、拡散源として基板
１１の屈折率の減少に寄与するものを用いれば、
凹レンズ作用を有するレンズ体を製造することが
できる。そして、このような凹レンズ作用を有す
るレンズ体の屈折率分布は、増大と減少の方向が
逆になることを除いて、第３Ａ図及び第３Ｂ図に
示すようになる。

次に、第５図に示す具体例２について説明する
と、上述のレンズ体は、屈折率分布型レンズ部分
を共通の透明基板中に複数個設けるのが好ましい
が、特に多数個の屈折率分布型レンズ部分を共通
の透明基板中にライン状又はマトリツクス状に構
成するのに好適であり、第５図には、マトリツク
ス状に配設した場合が示されている。

第５図において、個々の単位レンズ２１は、第
４図に示すレンズ体と実質的に同一の構成であ
り、これらの単位レンズ２１が共通の透明基板１
１を有しかつXY方向にマトリツクス状に配置さ
れている。この場合、マスク１２の穴１２ａの直
径は単位レンズ２１の縦又は横の長さの1/3〜1/2
程度であつてもよい。

第５図に示す上述のレンズ体の場合には、多数
の屈折率分布型レンズ部分１３の相対的な位置を
マスク１２の形状によつて任意にかつ高精度に選
定することができる。また、第４図に示すように
単一の屈折率分布型レンズ部分を有するレンズ体
の多数個を互いに接着固定してマトリツクス状に
構成する場合に生ずる光軸の不揃いを極力防止す
ることができ、しかも、この場合に較べて全体を
小型に構成することが可能である。

次に、第２図に示す製造工程の具体例を説明す
る。

具体例１過酸化ベンゾイルを３％加えたアリルジグライ
コールカーボネート（通称：CR−39）を80℃に
て35分間加熱して半重合させることによつて、50
mm×50mm×３mmの大きさの透明基板を得た。上記
CR−39の屈折率は1.504であつた。

その中心に直径3.9mmの円形の穴を複数個有す
る厚さ1.0mmのポリエチレンのマスクを上記透明
基板の表面に複数個付着した後、屈折率1.5775で
80℃の安息香酸ビニル（VB）のモノマー中に上
記透明基板を浸漬して、上記マスク穴から上記モ
ノマーをその透明基板内に60分間拡散移動させて
共重合させた。次いで、この透明基板を80℃で数
時間熱処理してからその表面を研磨することによ
つて、第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す特性を有する
屈折率分布型レンズ部分を具備する平板状レンズ
体を得た。

この平板状レンズ体にその前面からビーム径１
mmのヘリウム・ネオンレーサ光を平行光線として
入射させた処、焦点（焦点距離約30mm）において
上記入射光を25μｍのスポツト状に集束させるこ
とができた。

具体例２ BK７と通称されている光学ガラス（SiO₂68.9
重量％、B₂O₃10.1重量％、NaO8.8重量％、
K₂O8.6重量％、BaO2.8重量％）から成りかつ50
mm×50mm×５mmの大きさのガラス平板を透明基板
として用意した。このガラス平板の屈折率は
1.515であつた。

直径１mmの円形の穴を複数個有する厚さ0.1μｍ
のマスクをTiO₂のスパツタリングによつて上記
透明基板の表面に形成した後、Ti₂SO₄30モル％、
ZnSO₄40モル％、K₂SO₄30モル％の混塩を600℃
に加熱熔解した熔融塩中に上記透明基板を浸漬し
て、上記マスク穴から上記熔融塩中のイオンを交
換拡散させる処理を80時間行つた。次いで、この
透明基板に徐冷操作を施して常温迄戻してから空
気中に取出し、次いで、その表面を研磨すること
によつて、第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す特性を有
する屈折率分布型レンズ部分を具備する平板状レ
ンズ体を得た。

この平板状レンズ体にその前面からビーム径１
mmのヘリウム・ネオンレーザ光を平行光線として
入射させた処、焦点（焦点距離約50mm）において
上記入射光を50μｍのスポツト状に集束させるこ
とができた。

なお、上述の具体例１及び２において、拡散移
動又は交換拡散の処理に先立つて、透明基板の側
縁及び裏面に、必要に応じて上述のマスクと同様
のマスクが形成されてよい。

本発明は、前述の参考例１及び２におけるレン
ズ体を更に改良して、その焦点距離が小さいレン
ズ体を簡単な製造工程によつて大量に製造し得る
ようにしたものであつて、透明基板中に形成され
た第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分を具備
し、上記第１の屈折率分布型レンズ部分は、屈折
率に変化を与える物質を上記共通の透明基板にそ
の一方の面から内部拡散することにより形成さ
れ、上記第２の屈折率分布型レンズ部分は、上記
透明基板の厚さ方向において上記第１の屈折率に
変化を与える物質を上記共通の透明基板にその他
方の面から内部拡散することにより形成され、上
記第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分のそれ
ぞれが、上記共通の透明基板の一方及び他方の面
上のそれぞれの一点を通りかつ上記一方及び他方
の面にそれぞれ垂直な総ての断面内でほぼ半円形
状の屈折率分布領域を有し、このほぼ半円形状の
屈折率分布領域が、上記一方及び他方の面上の上
記一点をほぼ中心として放射方向に向けて次第に
変化する屈折率分布を有することを特徴とするレ
ンズ体に係るものである。

次に、本発明の一実施例を、第２図を参照しつ
つ、第６図及び第７図について説明すると、第６
図及び第７図の場合には、透明基板の両側面から
拡散源を拡散させるようにしている。

これらの第７図及び第８図において、透明基板
１１の両側面に形成されるマスク２２及び２３は
第２図に示すマスク１２と実質的に同一のもので
あつて、これらのマスク２２及び２３に形成され
ている穴２２ａ及び２３ａは、上下に互いに対向
している。従つて、第２図の場合と同様の拡散が
基板１１の両側から行われると、第７図に示すよ
うに、互いに対向する上下一対の屈折率分布型レ
ンズ部分２４及び２５が形成され、これらのレン
ズ部分は、何れも、第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す
特性を有している。

上述のように、第１の屈折率分布型レンズ部分
２４と、透明基板の厚さ方向においてこの第１の
レンズ部分２４と対向する第２の屈折率分布型レ
ンズ部分２５とから成る組合せレンズ部分を具備
する平板レンズ体によれば、一点から放射される
光が一方のレンズ部分２４又は２５によつて集光
された後、更に他方のレンズ部分２５又は２４に
よつて集光されてスポツト状に集束されるから、
上記組合せレンズ部分をコンデンサレンズとして
使用すれば、焦点距離が非常に小さいレンズを提
供することができる。

なお、上述の実施例において、レンズ体の具体
的な製造方法としては、既述の具体例１及び２の
何れをも採用することができる。また、互いに対
向する第１及び第２のレンズ部分２４及び２５か
ら成る組合せレンズ部分を一つの透明基板１１に
１個だけ形成してもよいし、２個又はそれ以上形
成してもよく、例えば、ライン状又はマトリツク
ス状（第５図参照）に多数個形成してもよい。ま
た、透明基板１１は、必ずしも平板状である必要
はなく、半円筒状などであつてもよい。

更にまた、上述の実施例において、マスク２２
及び２３はその後に必要に応じて取除かれてもよ
い。しかし、これらのマスクが不透明材料から成
つていると、残存するマスクによつて、透明基板
の表面のちの屈折率分布型レンズ部分２４，２５
以外の表面から透明基板内に光が入射するのを防
止することができる。

本発明は、上述のように、互いに対向する第１
及び第２の屈折率分布型レンズ部分から成る組合
せレンズ部分を具備し、これら第１及び第２の屈
折率分布型レンズ部分のそれぞれが、浄記共通の
透明基板の一方及び他方の面上のそれぞれの一点
を通りかつ上記一方及び他方の面にそれぞれ垂直
な総ての断面図内でほぼ半円形状の屈折率分布領
域を有し、このほぼ半円形状の屈折率分布領域
が、上記一方及び他方の面上の上記一点をほぼ中
心として放射方向に向けて次第に変化する屈折率
分布を有している。従つて、上記組合せレンズ部
分が２つの円柱形状屈折率分布型レンズの光線屈
折作用と、２つの通常の曲面レンズの光線屈折作
用とを重畳した光線屈折作用に基づく結像作用を
備えているから、単一の屈折率分布型レンズ部分
の場合に較べて、焦点距離の小さいレンズを提供
することができ、また、焦点距離が小さい割に
は、小型に構成することができる。

また、第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分
のそれぞれが、共通の透明基板の一方及び他方の
面上のそれぞれの一点を通りかつ上記一方及び他
方の面にそれぞれ垂直な総ての断面図内でほぼ半
円形状の屈折率分布領域を有しかつこのこぼ半円
形状の屈折率分布領域が上記一方及び他方の面上
の上記一点をほぼ中心として放射方向に向けて次
第に変化する屈折率分布を有するように、屈折率
に変化を与える物質を上記共通の透明基板に内部
拡散することにより、上記共通の透明基板中に形
成されている。従つて、第１及び第２の屈折率分
布型レンズ部分に上記内部拡散時に上記一方及び
他方の面を基準として相互に位置合せれ、その後
に個別に位置合せする必要がないから、第１及び
第２の屈折率分布型レンズ部分の相互の位置合せ
を簡単かつ正確に行うことができる。また、互い
に対向する第１及び第２の屈折率分布型レンズ部
分の間の距離は、共通の透明基板の厚みを適当に
選ぶだけで永久的にほぼ一定に保つことができ、
このために、経時変化がなく、また、取り扱いの
態様にかかわらず不変である。特に、径が数百μ
ｍ程度のきわめて微小なレンズ部分を数千個又は
数万個といつたきわめて多量に配列したアレイを
構成する場合、従来のレンズであれば、レンズ対
を構成する互いに対向する第１及び第２の屈折率
分布型レンズ部分の間の距離を総て一定値に揃え
て上記アレイを構成することは、実際上不可能で
あるが、本発明によれば、共通の透明基板全体の
厚みをほぼ一定に選ぶだけで、総てのレンズ対に
ついて第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分の
間の距離を永久的に総てほぼ一定値に揃えること
ができる。また、互いに対向する第１及び第２の
屈折率分布型レンズ部分の間には、空気層がな
く、共通の透明基板を構成する透明固体で完全に
埋められるから、異物等の介在による光学性能の
変化を生ずる恐れがない。

また、屈折率に変化を与える物質を透明基板に
内部拡散することにより、第１及び第２の屈折率
分布型レンズ部分を共通の透明基板中に形成する
ようにすると共に、この際、上記共通の透明基板
の一方及び他方の面上の一点付近から等方的で自
然な拡散をそのまま利用し得るようにした。従つ
て、相互の位置合せを簡単かつ正確に行い得る第
１及び第２の屈折率分布型レンズ部分から成りか
つ焦点距離が小さくて小型な組合せレンズ部分を
具備するレンズ体を簡単な製造工程によつて大量
に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から公知の円柱形状の屈折率分布
型レンズの斜視図である。第２図〜第５図は特願
昭55−128390号の発明に基づく本発明の参考例を
示すものであつて、第２図は参考例１のレンズ体
の製造工程を示す一部を縦断した斜視図、第３Ａ
図は同上の屈折率分布型レンズ部分の軸線方向に
おける屈折率分布を示す図、第３Ｂ図は同上の屈
折率分布型レンズ部分の軸線方向とは直交する方
向における屈折率分布を示す図、第４図は同上の
レンズ体の一部を縦断しかつハツチンングを部分
的に省略した斜視図、第５図は多数の屈折率分布
型レンズ部分を共通の透明基板にマトリツクス状
に配設した場合の参考例２のレンズ体の一部を縦
断しかつハツチングを部分的に省略した斜視図で
ある。第６図及び第７図は本発明の一実施例を示
すものであつて、第６図はレンズ体の斜視図、第
７図は第６図に示すレンズ体のハツチングを部分
的に省略した要部の縦断面図である。なお、図面に用いた符号において、１１……透
明基板、２２，２３……マスク、２２ａ，２３ａ
……穴、２４，２５……屈折率分布型レンズ部分
である。

Claims

【特許請求の範囲】１透明基板中に形成された第１及び第２の屈折
率分布型レンズ部分を具備し、上記第１の屈折率分布型レンズ部分は、屈折率
に変化を与える物質を上記共通の透明基板にその
一方の面から内部拡散することにより形成され、上記第２の屈折率分布型レンズ部分は、上記透
明基板の厚さ方向において上記第１の屈折率分布
型レンズ部分と対向するように、屈折率に変化を
与える物質を上記共通の透明基板にその他方の面
から内部拡散することにより形成され、上記第１及び第２の屈折率分布型レンズ部分の
それぞれが、上記共通の透明基板の一方及び他方
の面上のそれぞれの一点を通りかつ上記一方及び
他方の面にそれぞれ垂直な総ての断面内でほぼ半
円形状の屈折率分布領域を有し、このほぼ半円形状の屈折率分布領域が、上記一
方及び他方の面上の上記一点をほぼ中心として放
射方向に向けて次第に変化する屈折率分布を有す
ることを特徴とするレンズ体。