JPH0584481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学の分野にあつて、特に、ビーム
の整形、光学的走査、ならびに、小さい光ガイド
および光源および光検出器間の光学的連結のよう
な、特殊な用途にとつて有用な小さい歪像レンズ
およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 像平面における像の拡大が、２つの直角な方
向、すなわち典型的には水平と垂直の方向におい
て異なるような作像光学システムは、歪像光学シ
ステムと呼ばれている。１つのそのようなシステ
ムが、I.Powell氏により、Applied Optics（応用
光学）、22、（20）、第3249〜3257頁（1983年）に
記載されているとともに、前記システムを一方向
に通過する光の場を拡張または圧縮するためプリ
ズム状の構成要素を備えている。広角で単一の構
成要素からなる歪像レンズが、Y.Goncharenko
氏等により、Sov.J.Opt.Technol.、37(11)第725〜
728頁（1970年11月）に記載されており、またレ
ーザー放射線を整形するためのレンズのデザイン
が、A.Tsibulya氏等により、J.Sov.Opt.
Technol.、44(3)第140〜142（1977年３月）におい
て論じられている。

写真的なシステム、および写真的な拡大システ
ムにおける有用性に加えて、多成分の歪像レンズ
が、米国特許第4288818号に記載されているごと
く、テレビジヨンのための活動写真像を矯正する
場合のように、他の写真的応用例においても使用
されてきた。単一要素からなる歪像レンズの応用
例には、米国特許第3886309号に開示されている
ようにフアクシミリ走査体のためのビームの整形
と、米国特許第4074938号に開示されているよう
に走査を行う光学的測定システムのためにビーム
の拡張を行うことが含まれている。

歪像レンズは、研削および研磨技術により、ま
たは加熱可塑物の成形加工により生産することが
できる。後者は、うわべは経済的な製造に、より
適しているけれども、特に被成形材料が溶解した
ガラスであるときに、一般に光学的特質を有する
表面を形成しない。したがつて、非球状のガラス
製レンズ要素を製造するためのさらに経済的な技
術が望まれている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の一目的は、レンズの研削および研磨を
必要とせずに小さいガラス製歪像レンズを製造す
る新規な方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、例えば半導体レーザのよ
うな小さい投光器および検知器とともに用いるの
に特に適した小さい歪像レンズを提供することに
ある。

本発明のさらに他の目的および利点は、以下の
説明から明らかになるであろう。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、ガラス成形または従来のガラス研削
および研磨によらず、熱処理の方法によりガラス
製歪像レンズを製造する。初めに、ガラス製レン
ズ基質が選択され、このレンズ基質は、感光性を
有しかつ熱的に結晶化が可能なガラスの一部分か
らなる。そのようなガラスは既知であつて、それ
らは選択的に露光されることができ、次いで露光
された部分のみに結晶を発生させるよう、熱処理
することができるような特性を持つている。

次に、そのように用意されたガラス製レンズ基
質は、例えば紫外線または短波長の可視光線のよ
うな、光学的に核を発生させる光源により選択的
に露光される。この露光は、前記基質の被露光表
面領域を形成するように実施され、この被露光表
面領域はレンズ包囲部、すなわち露光されない領
域を包囲する領域を形成する。前記露光されない
領域はレンズ領域と呼ばれ、このレンズ領域では
最終的にレンズが形成される。

前記レンズ基質内に歪像レンズを生じさせるた
め、前記露光の工程中に露光されずに残る前記レ
ンズ領域は、露光される前記基質の表面の平面に
おいて長尺化されねばならない。すなわち、マス
クを施される、あるいは保護される表面領域が単
位値以外の外観比を持たねばならない。適切な長
尺のレンズ表面パターンの例は、四角形および楕
円形のパターンを含む。

前記基質が前記の方法により露光された後、そ
れは熱処理を施され、この熱処理は、前記レンズ
領域を包囲する前記ガラス基質の領域に高密度化
を生じさせる。高密度化は、前記露光された包囲
領域内に結晶相が発生する結果として熱処理時に
発生し、前記結晶相は元の、または透明なガラス
よりも不透明である。この加工の結果として、前
記レンズ領域におけるガラスは、前記包囲材料に
より圧縮され、また前記レンズ領域上に湾曲かつ
隆起された表面が形成され、この表面は前記レン
ズの屈折表面として作用する。前記レンズの断面
は長尺形であるので、前記隆起された表面の曲率
は純粋に球状ではなく、したがつて歪像レンズが
得られる。

前記の説明に従つて製造された歪像レンズは、
次のような光学機器として特徴付けられることが
可能である。すなわち、その光学機器において
は、前記ガラス製レンズが、異なる微細構造（典
型的には結晶体）を持つ包囲材料と一体であつ
て、また前記レンズが、同レンズを包囲する前記
材料の高密度化により形成された、隆起かつ湾曲
された屈折表面を包含しているような光学機器と
して特徴付けられることが可能である。しかし、
前記レンズを包囲する材料は、異なる密度を有す
るものであるけれども、前記レンズのそれと化学
的成分が同一のものである。

好ましい実施例において、前記レンズ基質を形
成しているガラスは、高度に不透明化が可能であ
るとともに、光学的に核を持たせることが可能な
ガラスから形成される。すなわち、それは光学的
有核化および熱処理の後に、光を吸収するように
なるものである。このタイプのガラス・システム
において、前記高密度化された包囲材料は、光学
的に濃厚な、好ましくは不透明なマスクを形成
し、このマスクは前記歪像レンズのためのストツ
パーとして作用する。

（実施例） 以下、図面を参照することにより本発明がさら
に理解されよう。

全ての無機ガラスは、本質的に適宜の熱処理に
より不透明化（結晶化）されることが可能である
けれども、本発明において使用するのに好ましい
ガラスは、光学的有核化が可能で熱的に不透明化
が可能なガラスである。これらは、次のようなガ
ラスである。すなわち、化学光線（短波長の可視
光または紫外線）に晒し、次いで先に化学線に晒
された領域において前記ガラスを結晶化するよう
熱処理を行なうという制御方法により核を成すこ
とができるガラスである。

上記のようなガラスの特別な例は、熱的に不透
明化が可能なガラスであつて、同ガラスは、光学
的有核化および熱処理により発生される結晶相
が、そのガラスを不透明にするようなガラスであ
る。そのようなガラスは周知であつて、米国特許
第2575940号、第2515941号、第2515943号、およ
び第2628160号に記載されている。これらのガラ
スは珪酸塩ガラスであつて、その中では露光およ
び次の適宜な熱処理により、リチウム・一珪酸塩
もしくは二珪酸塩、バリウム・二珪酸塩、およ
び／またはアルカリ金属フツ化物の結晶相が発生
する。それらは、アルカリ金属フツ化物に加え
て、Li₂Oおよび／またはBaOならびにAu，Ag，
Cu，SbおよびCeからなるグループから選択され
る１つもしくはそれ以上の光増感剤を包含し、前
記光増感剤は、露光および熱処理によりガラス内
で結晶核が発生されるプロセスにおいて重要な役
割を演じる。

上記ガラスにおいて、ガラス内に結晶相が発生
する結果、同結晶の密度がより高くなるので、元
のガラスと比較するとき、結晶化する材料が高密
度化および収縮する。この高密度化および収縮
が、露光されなかつたガラス状領域に横方向の圧
力を加えてレンズを構成し、かつ同ガラスを圧縮
して、その結果同レンズの表面に所望の隆起され
た湾曲表面を形成する。もし、前記結晶化されな
い領域が比較的小さいとすると、すなわち２mmも
しくはそれ以下のオーダーとすると、前記隆起さ
れる表面領域は球形に湾曲されることが可能であ
る。1983年８月４日にR.H.Bellman氏その他に
より出願された、共に出願中の一般譲渡された特
許出願第520456号がこの効果と、球形マイクロレ
ンズおよびマイクロレンズ列の製造へのその応用
法とを説明している。

本願の場合、形成されるべき表面のレリーフの
パターンは歪像焦点特性を与えるものであつて、
この目的のため、少なくとも幾らかの円筒の、も
しくは円筒状の曲率を併有する隆起表面が発生さ
れねばならない。そのような曲率は、前記基質の
露光および熱処理により形成されるレンズ領域が
長尺の断面、すなわち同レンズの光学軸に直角な
平面において非円形を有する場合に、実際に、光
学的有核化および熱的不透明化が可能なガラスに
おいて発生されることが可能である。長尺のレン
ズの断面の例は、四角形および楕円形の断面であ
る。

レンズ領域を得るため、熱的に結晶化および高
密度化されかつ周囲を包囲する領域を形成するた
め、前記ガラスの基質に選択的に露光すること
は、マスクをかけることにより最も便利に達成す
ることができる。平坦なガラス板上に堆積された
クロミウム金属フイルムから形成された不透明領
域を包含するマスクが、露光の正確性が望まれる
場合に特に適切である。

続いて起こる有核化のため、前記ガラスを露光
するために用いられる光源は限定的なものではな
く、短波長の光線または紫外線からなる平行光線
を任意の光源とすることができる。前記露光の時
間の限定的なものではなく、組成物、および感光
性のガラスに関する前記特許において説明されて
いるような熱処理の変更態様とに従う。所定の組
成物に対する適切な露光および熱処理は、慣例の
熱処理により容易に決定されることが可能であ
る。

前記基質の露光された領域を結晶化するために
用いられる前記熱処理は、典型的に次の二つの段
階を包含している。第１段階では結晶核が発生さ
れると、続いて結晶化が容易に進行することが可
能であり、第２もしくは結晶化段階では大きな結
晶の成長が生じる。実際の技術においては、両方
の段階のために焼鈍および軟化点間の温度が用い
られ、その際有核化は、温度を前記焼鈍点により
近い前記列挙された範囲内に保持することにより
最も好ましく促進され、また結晶化は、温度を前
記軟化点により近い幾分高めの温度に保持するこ
とにより、最も好ましく促進される。

従来技術に係る既知の光学的有核化および熱的
不透明化が可能な任意のガラスを、本発明に従つ
て歪像レンズを発生させるために使用できるけれ
ども、結晶化の際にリチウム珪酸塩を形成するリ
チウム珪酸塩システムにおけるガラスが適切な高
密度化を行い、また商業的に入手可能である。そ
れゆえ、そのようなガラスが以下の説明において
言及されるとともに、本発明において使用するの
に現時点で好ましい基質材料を構成している。

そのようなガラス内に作られる円形球状レンズ
の場合、レンズの直径は典型的に幾分小さくな
る。なぜなら、前記レンズが作られる過程により
寸法の圧迫が行われるからである。もし、前記基
質のレンズ領域を構成するマスクを施された部分
が過度に直径の大きいものであるとすると、前記
レンズ領域の中央部分は、前記レンズの直径と、
ならびに熱処理時の前記基質の方向性、前記ガラ
スの粘性、および周囲材料の密度のような他の要
因とにより、湾曲かつ隆起された形状ではなく、
平坦な形状を取ることができる。

歪像レンズの場合は、純粋な円筒状ならびに楕
円体のレンズ形状が有用となり得るもので、前者
は、球形レンズにおいて典型的なものと比較して
非常に大きい横方向寸法を有することができる。
この大きい寸法は、前記レンズの円筒軸に平行な
寸法であつて、前記露光された基質表面上におけ
る長尺のレンズ断面の主軸に対応している。しか
し、そのようなレンズの短軸は、前記レンズ表面
を横切る曲率を維持するため比較的短くなければ
ならず、すなわち短軸直径は２ミリメートルを越
えてはならず、かつ500ミクロンを越えないもの
が好ましい。

本発明は、以下の図示の例からさらに理解され
よう。

実験例 レンズ基質として使用するため、住所を
NewYork，Corning，に有するCorning，
Glass，Works社から符号8603のガラスとして商
業的に入手可能な感光性の結晶化し得るガラスが
選択された。このガラスは、次のような成分を重
量部として有している。

SiO₂ 79.1 Li₂O 9.4 Na₂O 1.6 K₂O 4.2 Al₂O₃ 4.2 ZnO 1.0 Sb₂O₃ 0.4 Au 0.0012 Ag 0.115 CeO₂ 0.015 SnO 0.003 厚さがほぼ1.5mmの圧延されたシートから、寸
法がほぼ２インチ×６インチのこのガラスの帯片
が切りとられる。

この帯片の１表面はガラス・マスクで被覆さ
れ、このガラス・マスクは前記帯片と接触する表
面上に、クロミウム金属フイルムから形成された
長尺の不透明なドツトの列を備えている。その列
は、１×６ドツトの寸法であつて、各ドツトは寸
法がほぼ1.2×2.5ミリメートルの楕円の形状を有
している。

図面の第１図ａは、代表的な不透明ドツト１２
を包含するそのようなマスクの部分１０を概略的
に示しており、このマスク部分１０は、レンズ領
域１６を含む感光性のガラス帯片の部分１４に重
なるとともに、同部分１４に接近している。前記
マスクおよび帯片部分１０および１４は、マスク
の効果をさらに明瞭に図示するため互いに離間さ
れているけれども、実際の技術においては前記マ
スクおよび帯片は露光を正確にするため密接に接
触している。

次に、前記帯片は、前記マスクを施されたガラ
スから約1.5インチに位置されたHanoviaの435ワ
ツトの水銀アーク・ランプから、前記マスクを介
して100秒の露光間隔で露光される。この露光は
第１図ｂに概略的に示されている。

前記帯片が前記アーク・ランプに晒された後、
それは、前記ガラスを結晶化するため、標準の感
光性ガラスの処理技術に従つて、前記ガラスの焼
鈍および軟化点の間の温度で熱処理される。前記
帯片は、そのガラス内に複数の核を生じさせるた
め、最初にほぼ540℃の温度でほぼ60分間加熱さ
れ、次にそのガラス内にリチウム珪酸塩結晶相を
生じさせるため、580℃までほぼ60分間加熱され
る。この加熱処理の効果は第１図ｃに概略的に示
されており、同図において、結晶１８が長尺のレ
ンズ領域１６以外の帯片部分１４に亘つて形成さ
れている。

熱処理後に前記帯片を検出すると、不透明な結
晶化された包囲材料と一体の長尺のレンズの列が
呈され、各レンズは前記結晶化された帯片に亘つ
て延在するとともに、前記結晶化された包囲材料
の各表面と結合している隆起かつ湾曲された上部
および下部の表面を併有している。代表的なレン
ズの形状が、図面の第２〜２ｂ図に寸法通りでは
なく概略的に示されている。第２図は、そのよう
な処理後の帯片の部分的な概略的平面図であつ
て、包囲している結晶化されたガラス１４内の代
表的なレンズ１６の外形を示している。第２図の
ａ−ａ線に沿う前記レンズの断面が第２ａ図に示
され、線ａ−ａは、前記レンズの光学軸OAに直
角な前記レンズの断面の主軸を表している。第２
ｂ図は、第２図のｂ−ｂ線に沿う前記レンズの断
面図であつて、この線は光学軸OAに直角な前記
レンズの断面の短軸を表している。

前記列内の代表的なレンズの隆起かつ湾曲され
た表面の形状は、楕円体の形状に近似している。
図面の第３ａ図は、前記レンズの主横断軸（第２
図のａ−ａ線）に沿う前記レンズの１つのエツジ
からの距離Ｄの関数として、前記結晶化されたレ
ンズ包囲材料の表面における平面の上方の表面高
さＳをグラフで示している。第３ｂ図は、前記レ
ンズの短い横断軸（第２図のｂ−ｂ線）に沿う前
記レンズ表面を横切るレンズ高さＳの同様のグラ
フである。これらの図は、前記光学軸から直角の
方向において前記レンズ表面を横切る異なる曲率
半径を明瞭に示しており、これらは前記レンズの
歪像焦点特性を向上させている。

図面の第４および５図は、小さい半導体レーザ
ーにより発生される光ビームの整形が望まれる場
合における、球状および歪像マイクロレンズの
各々の焦点特性を比較している。第４図におい
て、レーザー２０からの出力は、同レーザーの接
合部２２から延在する水平面内に優先的に向けら
れているとともに、球状レンズ２４により像２６
へ焦点を合わされている。像２６は前記接合部２
２の線像である。第５図において、同様の接合レ
ーザー２０からの出力は、歪像レンズ２８により
さらに円形に近いスポツト３０に焦点を合わされ
ている。接合レーザーからの光出力のこの円形化
は、同レーザーの出力を、光フアイバーの小さな
円筒状コアのような非平坦装置への入力とするた
め、光学的に処理すべきである場合に有利であ
る。

第５図は、歪像レンズによる完全な平行化の例
を示しているけれども、典型的な商業上のレーザ
ー半導体の出力は、この明細書で先に説明したよ
うな曲率を有している単に２つの屈折表面を似つ
てしては一般に完全には平行化されない。完全な
平行化を得るため、幾つかのレンズを多段要素シ
ステム内で軸方向に整列させるようにするという
前記Bellman氏その他の出願において記載されて
いるように、レンズを積重ねて用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による歪像レンズの形成方法
を示す工程図、第２図ないし第２ｂ図は、本発明
により得られる歪像レンズの形状を示す概略説明
図、第３ａ図ないし第３ｂ図は、それぞれ本発明
の歪像レンズに関する湾曲表面の主軸および短軸
を通過する断面をプロツトしたグラフ、第４図
は、球状レンズによりレーザー・ダイオードの出
力ビームを整形する様子を示す概略斜視図、第５
図は、本発明により得られる歪像レンズによりレ
ーザー・ダイオードの出力を整形する様子を示す
概略斜視図である。 １０…マスクの部分、１２…不透明ドツト、１
４…感光性ガラス帯片の部分、１６…レンズ領
域、１８…結晶、２０…レーザー、２２…接合
部、２４…球状レンズ、２６…線像、２８…歪像
レンズ、３０…スポツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単一体の光学要素であつて、湾曲された光屈
   折表面により境界を形成された少なくとも１個の
   光を伝達するガラス製歪像レンズと、前記レンズ
   を包囲する材料とを具備し、この材料は、前記光
   を伝達するレンズからなるガラスと同一の化学的
   成分を有し、同ガラスよりも高い密度を有するも
   のであることを特徴とする光学レンズ。 ２ 異なる微細構造の材料により包囲され、かつ
   当該材料と一体となつている少なくとも１個のガ
   ラス製歪像レンズからなり、該レンズは、同レン
   ズを包囲する前記材料の高密度化により生ずる、
   隆起かつ湾曲された表面によつて形成されている
   ことを特徴とする光学レンズ。 ３ 前記レンズが、感光性の結晶化が可能なガラ
   スから構成され、また前記レンズを包囲する前記
   材料が、光学的有核化および熱的不透明化により
   高密度化されたことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の光学機器。 ４ 前記ガラス製歪像レンズの列を具備すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学レ
   ンズ。 ５ ガラス製歪像レンズにマスクを施す方法であ
   つて、 (a) 感光性の結晶化が可能なガラスの一部分をレ
   ンズ基質として選択する工程、 (b) 前記基質を選択的に化学線の光源に晒して、
   露光されないレンズ領域を包囲する露光された
   表面領域を形成し、前記レンズ領域が前記露光
   された表面の平面内に長尺の断面を持つように
   する工程、および (c) 前記基質を熱処理して、前記ガラスの前記包
   囲する露光された領域を高密度化するととも
   に、隆起かつ湾曲された表面を有しかつ前記基
   質のレンズ領域内に長尺の断面を有する歪像レ
   ンズを形成する工程 からなるガラス製歪像レンズにマスクを施す方
   法。 ６ 前記選択的露光が、露光されないレンズ領域
   の列を包囲する行列を形成する露光される表面領
   域を得るように適用することを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の方法。