JPH0644082B2 - 平板状レンズ - Google Patents
平板状レンズInfo
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- JPH0644082B2 JPH0644082B2 JP60125896A JP12589685A JPH0644082B2 JP H0644082 B2 JPH0644082 B2 JP H0644082B2 JP 60125896 A JP60125896 A JP 60125896A JP 12589685 A JP12589685 A JP 12589685A JP H0644082 B2 JPH0644082 B2 JP H0644082B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C3/00—Glass compositions
- C03C3/04—Glass compositions containing silica
- C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
- C03C3/089—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron
-
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- C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
- C03C21/001—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、透明基板内に屈折率勾配レンズを一体形成し
た平板状レンズ（以下、平板マイクロレンズと記す）に
関する。
た平板状レンズ（以下、平板マイクロレンズと記す）に
関する。
第９図に示すように、平板マイクロレンズ１はガラス・
プラスチック等の表面平坦な透明基板２の内部に、屈折
率勾配レンズ３を一体に埋め込み形成したものであり、
レンズ３は一方の屈折面が基板２の面と一致する平面
で、基板面の法線方向に光軸をもち、その屈折率分布
は、光軸方向に表面で最大で深部に向けて次第に減少
し、且つ光軸に直交する方向にも中心で最大で側縁に向
けて次第に減少する分布形状になっている。
プラスチック等の表面平坦な透明基板２の内部に、屈折
率勾配レンズ３を一体に埋め込み形成したものであり、
レンズ３は一方の屈折面が基板２の面と一致する平面
で、基板面の法線方向に光軸をもち、その屈折率分布
は、光軸方向に表面で最大で深部に向けて次第に減少
し、且つ光軸に直交する方向にも中心で最大で側縁に向
けて次第に減少する分布形状になっている。
また平面形状としては第１０図に示すように円形のも
の、第１１図に示すようにライン状のものなどがある。
の、第１１図に示すようにライン状のものなどがある。
上記のような平板マイクロレンズをつくる典型的な方法
について説明すると、第１２図に示すようにまずガラス
基板２の表面を金属薄膜等から成るイオン透過防止マス
ク５で覆うとともに、このマスク５に、得ようとするレ
ンズの平面形状に相似の例えば円形の微小開口６を設け
ておく。そして上記の基板マスク面を、基板ガラスの屈
折率増大に寄与する陽イオン例えばタリウム（Tl）イオ
ンを含む溶融塩７に浸漬する。これにより、溶融塩７中
の陽イオンがマスク５の開口６を通して基板内に拡散
し、一定時間のイオン拡散処理の後基板内には、上記開
口近傍で最も濃度が高く深部および周辺に向けて次第に
減少するイオン濃度分布が形成され、このイオン濃度分
布によって前述した屈折率勾配部分すなわちレンズ３が
形成される。この平板マイクロレンズは、基板中に拡散
した物質が作る屈折率分布によって、レンズとして作用
する。したがって、屈折率分布領域の寸法を一般的なレ
ンズと同等に取り扱うことができる。
について説明すると、第１２図に示すようにまずガラス
基板２の表面を金属薄膜等から成るイオン透過防止マス
ク５で覆うとともに、このマスク５に、得ようとするレ
ンズの平面形状に相似の例えば円形の微小開口６を設け
ておく。そして上記の基板マスク面を、基板ガラスの屈
折率増大に寄与する陽イオン例えばタリウム（Tl）イオ
ンを含む溶融塩７に浸漬する。これにより、溶融塩７中
の陽イオンがマスク５の開口６を通して基板内に拡散
し、一定時間のイオン拡散処理の後基板内には、上記開
口近傍で最も濃度が高く深部および周辺に向けて次第に
減少するイオン濃度分布が形成され、このイオン濃度分
布によって前述した屈折率勾配部分すなわちレンズ３が
形成される。この平板マイクロレンズは、基板中に拡散
した物質が作る屈折率分布によって、レンズとして作用
する。したがって、屈折率分布領域の寸法を一般的なレ
ンズと同等に取り扱うことができる。
従来の平板マイクロレンズでは、第１３図に示すように
基板面上における屈折率増大に寄与する物質の基板面上
の拡散領域をレンズ径２ａ、前記物質の光軸方向での拡
散領域をレンズ厚みｄとしてｄ／a＝１．０すなわち断
面形状がほぼ完全な半円形につくられており、また完全
な半円形である場合が最良の光学特性を発揮すると信じ
られ、製法の研究もレンズ断面形状をいかに完全半円形
に近づけるかに注力されていた。（例えば、M.Oikawa，
K.Iga and T.Sanada, ；“Distributed-index planer m
icrolens arrey prepared from deep electronigratio
n”，Electron.Lett.，17(13) 452-454 (1981)) しかるに本発明者らが実験検討を重ねた結果、イオン拡
散で形成したなだらかな屈折率勾配をもつ平板マイクロ
レンズにおいては、その断面形状を完全な半円形に近づ
けた場合、レンズに入射する光線のうち光軸近傍部入射
光線８の焦点8Aと周縁近傍入射光線９の焦点9Aとで位置
ずれを生じ、収差が大きくなってレンズとして有効に使
える開口数が小さくなる傾向と、レンズ断面形状を一定
の範囲内の偏平率（以下、ｄ／ａを偏平率とよぶ）にす
ると上記収差が極小になってレンズとしての有効開口数
を大きくできることを見い出した。
基板面上における屈折率増大に寄与する物質の基板面上
の拡散領域をレンズ径２ａ、前記物質の光軸方向での拡
散領域をレンズ厚みｄとしてｄ／a＝１．０すなわち断
面形状がほぼ完全な半円形につくられており、また完全
な半円形である場合が最良の光学特性を発揮すると信じ
られ、製法の研究もレンズ断面形状をいかに完全半円形
に近づけるかに注力されていた。（例えば、M.Oikawa，
K.Iga and T.Sanada, ；“Distributed-index planer m
icrolens arrey prepared from deep electronigratio
n”，Electron.Lett.，17(13) 452-454 (1981)) しかるに本発明者らが実験検討を重ねた結果、イオン拡
散で形成したなだらかな屈折率勾配をもつ平板マイクロ
レンズにおいては、その断面形状を完全な半円形に近づ
けた場合、レンズに入射する光線のうち光軸近傍部入射
光線８の焦点8Aと周縁近傍入射光線９の焦点9Aとで位置
ずれを生じ、収差が大きくなってレンズとして有効に使
える開口数が小さくなる傾向と、レンズ断面形状を一定
の範囲内の偏平率（以下、ｄ／ａを偏平率とよぶ）にす
ると上記収差が極小になってレンズとしての有効開口数
を大きくできることを見い出した。
なお、第２図，第３図，第２図，第４図および第１３図
において、光線は表記の便宜上、イオン拡散によるレン
ズ部分の輪郭面（詳しくは後述）で屈折したように記述
されている。しかしながら、本質的に光線は屈折率差に
よって屈折しており、具体的には、屈折率勾配の部分で
連続的に屈折していることになる。
において、光線は表記の便宜上、イオン拡散によるレン
ズ部分の輪郭面（詳しくは後述）で屈折したように記述
されている。しかしながら、本質的に光線は屈折率差に
よって屈折しており、具体的には、屈折率勾配の部分で
連続的に屈折していることになる。
本発明は上記知見に基づいて完成したものである。
透明基板内に、この基板面法線方向に光軸をもち、且つ
光軸方向および光軸に直交する方向に向けてなだらかに
変化する屈折率勾配をもつレンズを一体形成した平板状
レンズにおいて、前記光軸上でのレンズ厚みをｄとし、
基板面上でのレンズ径を2aとたとき、d／aを0.46ないし
0.78の範囲内とする。
光軸方向および光軸に直交する方向に向けてなだらかに
変化する屈折率勾配をもつレンズを一体形成した平板状
レンズにおいて、前記光軸上でのレンズ厚みをｄとし、
基板面上でのレンズ径を2aとたとき、d／aを0.46ないし
0.78の範囲内とする。
上記のように屈折率勾配レンズ部分の断面形状を偏平に
すると略半円形の場合に比べて、レンズ収差が小さくな
り後述具体例に示すように、それだけレンズの有効開口
数を大きくすることができる。
すると略半円形の場合に比べて、レンズ収差が小さくな
り後述具体例に示すように、それだけレンズの有効開口
数を大きくすることができる。
以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。
する。
第１図は本発明に係る平板マイクロレンズ１０の断面図
であり、透明ガラス基板１１内に屈折率勾配レンズ１２
が一体に形成されている。このレンズ１２は基板面法線
方向に光軸１３をもち、この光軸１３と基板表面との交
点１４近傍で、拡散したイオンの濃度が最大となり、屈
折率も最大で、基板深部および側方に向けて放射状に次
第に、拡散したイオンの濃度とともに、屈折率が減少す
る屈折率分布をもっている。
であり、透明ガラス基板１１内に屈折率勾配レンズ１２
が一体に形成されている。このレンズ１２は基板面法線
方向に光軸１３をもち、この光軸１３と基板表面との交
点１４近傍で、拡散したイオンの濃度が最大となり、屈
折率も最大で、基板深部および側方に向けて放射状に次
第に、拡散したイオンの濃度とともに、屈折率が減少す
る屈折率分布をもっている。
上記の屈折率勾配レンズ１２は前述したイオン拡散法に
より、ガラス基板面に設けたマスクの開口を通して基板
ガラスの屈折率を増加させる陽イオン、一例としてタリ
ウムイオンを、ガラス中に含有されているナトリウム、
カリウム等のイオンと交換拡散させ、ガラス中に侵入し
たイオンの濃度分布によって形成されている。このよう
に、ガラス中にタリウムイオンを拡散してレンズを形成
した場合、そのイオンが拡散している領域とそうでない
領域との間には、はっきりとした境界面を示す現象がみ
られる。以下、この境界面を拡散フロントと呼ぶことに
する。
より、ガラス基板面に設けたマスクの開口を通して基板
ガラスの屈折率を増加させる陽イオン、一例としてタリ
ウムイオンを、ガラス中に含有されているナトリウム、
カリウム等のイオンと交換拡散させ、ガラス中に侵入し
たイオンの濃度分布によって形成されている。このよう
に、ガラス中にタリウムイオンを拡散してレンズを形成
した場合、そのイオンが拡散している領域とそうでない
領域との間には、はっきりとした境界面を示す現象がみ
られる。以下、この境界面を拡散フロントと呼ぶことに
する。
上記のようにして得られた平板マイクロレンズの切断面
を観察すると拡散フロント12Aが見られる。この拡散フ
ロント12Aは、タリウムイオンが比較的急峻に変化して
いるため見られるものである。タリウムイオンを拡散し
た部分のガラスは、その硬度が下がりイオン拡散の進行
が促進されるようになる。このため、一般的なイオン拡
散とは異なり、タリウムイオンが拡散している領域とそ
うでない領域との境界付近における、タリウムイオンの
濃度の変化は急激となる。この部分を光学的に観察する
と、ガラス基板中のタリウムイオンの最大濃度より数％
下がった部分で、境界面が観察される。
を観察すると拡散フロント12Aが見られる。この拡散フ
ロント12Aは、タリウムイオンが比較的急峻に変化して
いるため見られるものである。タリウムイオンを拡散し
た部分のガラスは、その硬度が下がりイオン拡散の進行
が促進されるようになる。このため、一般的なイオン拡
散とは異なり、タリウムイオンが拡散している領域とそ
うでない領域との境界付近における、タリウムイオンの
濃度の変化は急激となる。この部分を光学的に観察する
と、ガラス基板中のタリウムイオンの最大濃度より数％
下がった部分で、境界面が観察される。
そして上記の拡散フロント、一般的に言えば断面を観察
して基板のバルク部分との境界線として認められる輪郭
曲線12Aを以後レンズ１２の基板内側外形面とする。
して基板のバルク部分との境界線として認められる輪郭
曲線12Aを以後レンズ１２の基板内側外形面とする。
上記のようにガラス中のタリウムイオン濃度で屈折率勾
配が与えられている平板マイクロレンズの光学的性質
は、タリウムイオンが与える屈折率差と屈折率分布の形
状によってきまる。
配が与えられている平板マイクロレンズの光学的性質
は、タリウムイオンが与える屈折率差と屈折率分布の形
状によってきまる。
一般的には、レンズの集光力を示す開口数は、この場合
タリウムイオンが与える最大屈折率差が大きいほど大き
くなるが、分布の形状が適当でないと収差が大きくなの
レンズとして有効に使える開口数は大きくとれなくな
る。
タリウムイオンが与える最大屈折率差が大きいほど大き
くなるが、分布の形状が適当でないと収差が大きくなの
レンズとして有効に使える開口数は大きくとれなくな
る。
この最大屈折率差はこの場合ガラス中のタリウムイオン
濃度にほぼ比例し、イオン交換においては、基板ガラス
中に含まれるアルカリイオンと、タリウムイオンとがほ
ぼ１対１に置き換って屈折率分布を形成するため、ガラ
ス基板中で交換したアルカリイオンの濃度によってきま
る。
濃度にほぼ比例し、イオン交換においては、基板ガラス
中に含まれるアルカリイオンと、タリウムイオンとがほ
ぼ１対１に置き換って屈折率分布を形成するため、ガラ
ス基板中で交換したアルカリイオンの濃度によってきま
る。
しかしながら、基板ガラス中に含有させるアルカリイオ
ンの量は、ガラスの化学的安定性や耐候性の面で限界が
ある。
ンの量は、ガラスの化学的安定性や耐候性の面で限界が
ある。
したがって有効開口数の大きなレンズを得るためには屈
折率分布をもつ領域の輪郭形状を適当な形に定めること
が必要となる。このレンズの輪郭形状は、作製しようと
するレンズ半径ａと、マスクの開口の半径ｒｍの比率を
変更することにより、制御することができる。ここで、
所望するレンズ半径をａ、マスクの開口半径（ライン状
開口の場合は、半幅）をｒｍとし、ａ／ｒｍをマスク開
口比と定義する。
折率分布をもつ領域の輪郭形状を適当な形に定めること
が必要となる。このレンズの輪郭形状は、作製しようと
するレンズ半径ａと、マスクの開口の半径ｒｍの比率を
変更することにより、制御することができる。ここで、
所望するレンズ半径をａ、マスクの開口半径（ライン状
開口の場合は、半幅）をｒｍとし、ａ／ｒｍをマスク開
口比と定義する。
一般的に、拡散はマスクの開口から、基板表面方向と深
さ方向に等方的に広がる。前述の開口比を５以上に設定
すると、拡散フロントの断面形状はほぼ半円状となり、
この拡散のモードは、ほとんど点拡散とみなすことがで
きる。
さ方向に等方的に広がる。前述の開口比を５以上に設定
すると、拡散フロントの断面形状はほぼ半円状となり、
この拡散のモードは、ほとんど点拡散とみなすことがで
きる。
一方、前述の開口比を小さくしていく（つまり、レンズ
半径に対してマスクの開口が十分に大きくする）と、拡
散のモードは点拡散から、点拡散と面拡散との中間状態
となる。このとき、拡散フロントの断面形状は、半円状
からそれを偏平した形状になっていく。そして平板マイ
クロレンズにおける上記の屈折率分布をもつ領域の形
状、つまりレンズの形状と有効開口数との関係について
実験を重ねた結果、基板面上におけるレンズ１２の径を
2a、光軸上におけるレンズ厚みをｄとすると、レンズの
有効開口数はd／aの値に依存し、このd／aが１．０以下
の特定の値近傍でレンズ有効開口数は極大値となり、d
／aが上記特定値が大きい方向および小さい方向に外れ
るにつれてレンズの収差が大となって、有効開口数が小
さくなることが判明した。
半径に対してマスクの開口が十分に大きくする）と、拡
散のモードは点拡散から、点拡散と面拡散との中間状態
となる。このとき、拡散フロントの断面形状は、半円状
からそれを偏平した形状になっていく。そして平板マイ
クロレンズにおける上記の屈折率分布をもつ領域の形
状、つまりレンズの形状と有効開口数との関係について
実験を重ねた結果、基板面上におけるレンズ１２の径を
2a、光軸上におけるレンズ厚みをｄとすると、レンズの
有効開口数はd／aの値に依存し、このd／aが１．０以下
の特定の値近傍でレンズ有効開口数は極大値となり、d
／aが上記特定値が大きい方向および小さい方向に外れ
るにつれてレンズの収差が大となって、有効開口数が小
さくなることが判明した。
すなわち、前述したイオン拡散処理時間を長くする等に
より最終的に得られるレンズの断面形状がほぼ半円形
（d／a≒１．０）に近づくと、第３図に示すように、レ
ンズの周辺部近くに入射する光線の焦点15A位置が近軸
光線の焦点15B位置よりも相対的にレンズ面から遠ざか
る正の球面収差があらわれ、レンズの有効開口数が小さ
くなる。
より最終的に得られるレンズの断面形状がほぼ半円形
（d／a≒１．０）に近づくと、第３図に示すように、レ
ンズの周辺部近くに入射する光線の焦点15A位置が近軸
光線の焦点15B位置よりも相対的にレンズ面から遠ざか
る正の球面収差があらわれ、レンズの有効開口数が小さ
くなる。
そして、上記d／a（偏平率）の値が小さくなるにつれ
て、上記収差は小さくなるが、その一方偏平率が小さく
なりすぎると第４図に示すように、レンズ中央のレンズ
外形面が平坦に近い部分に入射する光線に対して、周辺
部の曲率の大きい領域に入射した光線が大きく曲げられ
るため、負の球面収差が大きくなってレンズの有効開口
数がやはり小さくなる。そして、基板内側のレンズ外形
面が本発明で規定するように、偏平率ｄ／ａの値で0.46
ないし0.78の範囲内となるような曲面とすることによ
り、第２図に示すように近軸光と周辺光の焦点１５位置
のずれによる収差が小さくなってほぼ0.1以上の大きな
有効開口数を得ることができ、特にd／aが0.5ないし0.6
9 の範囲内が好ましい。
て、上記収差は小さくなるが、その一方偏平率が小さく
なりすぎると第４図に示すように、レンズ中央のレンズ
外形面が平坦に近い部分に入射する光線に対して、周辺
部の曲率の大きい領域に入射した光線が大きく曲げられ
るため、負の球面収差が大きくなってレンズの有効開口
数がやはり小さくなる。そして、基板内側のレンズ外形
面が本発明で規定するように、偏平率ｄ／ａの値で0.46
ないし0.78の範囲内となるような曲面とすることによ
り、第２図に示すように近軸光と周辺光の焦点１５位置
のずれによる収差が小さくなってほぼ0.1以上の大きな
有効開口数を得ることができ、特にd／aが0.5ないし0.6
9 の範囲内が好ましい。
次に本発明に係る平板マイクロレンズを製造する好適な
方法について説明する。
方法について説明する。
第５図に示すようにまず透明ガラス板の基板１０の面を
金属薄膜等から成るイオン透過防止マスク１６で被覆
し、このマスク１６に周知のパターニング技術を用いて
イオン拡散用開口１７を設ける。この開口１７の平面形
状は得ようとするレンズの平面形状と相似形、例えば円
形レンズであれば開口１７を円形に、またライン状であ
れば線状とし、レンズの配列パターンに応じて適宜間隔
をおいて配置する。
金属薄膜等から成るイオン透過防止マスク１６で被覆
し、このマスク１６に周知のパターニング技術を用いて
イオン拡散用開口１７を設ける。この開口１７の平面形
状は得ようとするレンズの平面形状と相似形、例えば円
形レンズであれば開口１７を円形に、またライン状であ
れば線状とし、レンズの配列パターンに応じて適宜間隔
をおいて配置する。
ここでマスク開口１７の大きさは非常に重要であり、こ
の開口１７があまり小さいと後のイオン拡散処理によっ
て得られるレンズの断面形状が半円形となって前述した
ようにレンズの有効開口数が小さくなる。またマスク開
口１７をあまり大きくすると得られるレンズの断面形状
の偏平率が小さくなりすぎて有効開口数が小さくなる。
の開口１７があまり小さいと後のイオン拡散処理によっ
て得られるレンズの断面形状が半円形となって前述した
ようにレンズの有効開口数が小さくなる。またマスク開
口１７をあまり大きくすると得られるレンズの断面形状
の偏平率が小さくなりすぎて有効開口数が小さくなる。
そしてマスク開口の半径（ライン状開口の場合・半幅）
をrm、得ようとするレンズ半径をａとして、マスク開口
比ａ／ｒｍが1.75ないし4.5の範囲内に設定することに
より、d／aの値が0.46ないし0.78 の範囲内であり、収
差の小さな結果として有効開口数の大きいレンズが得ら
れ、特にａ／rmを1.9ないし3.3の範囲内とすることによ
り、有効開口数が約0.16 以上のレンズを得ることがで
きる。
をrm、得ようとするレンズ半径をａとして、マスク開口
比ａ／ｒｍが1.75ないし4.5の範囲内に設定することに
より、d／aの値が0.46ないし0.78 の範囲内であり、収
差の小さな結果として有効開口数の大きいレンズが得ら
れ、特にａ／rmを1.9ないし3.3の範囲内とすることによ
り、有効開口数が約0.16 以上のレンズを得ることがで
きる。
次いで上記のように設定した開口をもつマスクを設けた
基板１１にイオン拡散処理を施す。このイオン拡散処理
は従来方法と同じであってよい。一例として、基板ガラ
スの屈折率を増加させるタリウム（Tl）等の陽イオンを
含む硫酸塩、硝酸塩等の溶融塩に基板のマスク面側を浸
漬する。イオン加算処理温度は低すぎると拡散係数が小
さく所望の大きさのレンズを得るまでに時間がかかりす
ぎ、処理温度が高すぎると基板ガラスに熱変形を生じる
ので、ガラスの転移温度（Tg）の上下50℃幅の範囲内で
イオン拡散処理することが望ましい。
基板１１にイオン拡散処理を施す。このイオン拡散処理
は従来方法と同じであってよい。一例として、基板ガラ
スの屈折率を増加させるタリウム（Tl）等の陽イオンを
含む硫酸塩、硝酸塩等の溶融塩に基板のマスク面側を浸
漬する。イオン加算処理温度は低すぎると拡散係数が小
さく所望の大きさのレンズを得るまでに時間がかかりす
ぎ、処理温度が高すぎると基板ガラスに熱変形を生じる
ので、ガラスの転移温度（Tg）の上下50℃幅の範囲内で
イオン拡散処理することが望ましい。
以上、基板としてガラスを用いた場合を例にとり説明し
たが、プラスチック等も使用可能である。例えばプラス
チックで平板マイクロレンズを成形する場合には、まず
相対的に低い屈折率の重合体を形成する単量体を一部重
合させてゲル状の基板をつくり、このゲル基板の面を所
定の大きさの開口を設けたマスク材で被覆し、上記開口
を通して、相対的に高い屈折率の重合体を形成する単量
体を基板内に拡散させた後全体を加熱処理して重合を完
結させる方法をとることができる。
たが、プラスチック等も使用可能である。例えばプラス
チックで平板マイクロレンズを成形する場合には、まず
相対的に低い屈折率の重合体を形成する単量体を一部重
合させてゲル状の基板をつくり、このゲル基板の面を所
定の大きさの開口を設けたマスク材で被覆し、上記開口
を通して、相対的に高い屈折率の重合体を形成する単量
体を基板内に拡散させた後全体を加熱処理して重合を完
結させる方法をとることができる。
次に本発明の具体例について説明する。
具体例１ モル％でSiO2 60％，B2O3 4％，ZnO 15％，K2O 8％，Na
2O 13％の組成を有するガラスから成る大きさ48mm×48m
m×2mm の基板を４枚用意した。
2O 13％の組成を有するガラスから成る大きさ48mm×48m
m×2mm の基板を４枚用意した。
これら基板ガラス表面に、イオン透過防止マスクとして
厚さ１μｍのTi膜をスパッタリングにより付着させた
後、フォトリソグラフィの手法とフッ酸系のエッチャン
トを用いて、直径を10μｍ〜100μｍの範囲で10μｍ間
隔で段階的に変えた１０種類の円形開口をそれぞれ設
け、これらガラス基板のマスク面を、Tl2SO4 60モル
％，ZnSO4 40モル％の混塩を490℃に加熱溶解した溶融
塩中に浸漬して、イオン交換処理を２時間、４時間、８
時間、12.5 時間、17時間の５種類行なった。
厚さ１μｍのTi膜をスパッタリングにより付着させた
後、フォトリソグラフィの手法とフッ酸系のエッチャン
トを用いて、直径を10μｍ〜100μｍの範囲で10μｍ間
隔で段階的に変えた１０種類の円形開口をそれぞれ設
け、これらガラス基板のマスク面を、Tl2SO4 60モル
％，ZnSO4 40モル％の混塩を490℃に加熱溶解した溶融
塩中に浸漬して、イオン交換処理を２時間、４時間、８
時間、12.5 時間、17時間の５種類行なった。
イオン交換後、基板表面を研磨してTi膜を除去するとと
もに表面を平滑にして、基板中に形成された屈折率勾配
レンズの特性を測定した。
もに表面を平滑にして、基板中に形成された屈折率勾配
レンズの特性を測定した。
その結果を、イオン交換処理時間別に第１表ないし第５
表に示す。
表に示す。
第１〜５表において、レンズの焦点距離ｆは、波長633n
mのHe-Neレーザ光を拡散面の反対側から入射した時、光
が集光して基板表面から輝度が最大となる位置までの距
離を測定した。
mのHe-Neレーザ光を拡散面の反対側から入射した時、光
が集光して基板表面から輝度が最大となる位置までの距
離を測定した。
NAfはレンズの半径を焦点距離で割った値で開口数を表
わす。しかしこの開口数はレンズに収差があるときは全
域で有効に使うことはできない。
わす。しかしこの開口数はレンズに収差があるときは全
域で有効に使うことはできない。
そこで第６図に示すように平板マイクロレンズ１０の前
方６０mmの所に間隔２mmの格子縞状のパターン１８を配
置し、上記レンズによる結像パダーンを2.5×5倍の顕微
鏡１９で観察した。
方６０mmの所に間隔２mmの格子縞状のパターン１８を配
置し、上記レンズによる結像パダーンを2.5×5倍の顕微
鏡１９で観察した。
この観察によるとレンズに収差がある場合には、収差の
あるレンズの領域は結像に寄与しないため画角が小さく
なる。この画角の半角の正弦（Sin）を有効開口数NAPと
して第１〜５表中に示した。また第７図にレンズの偏平
率d／aの有効開口数NAPとの関係をグラフで示す。同グ
ラフから、平板マイクロレンズの有効開口数はレンズの
偏平率d／aが約0.58 付近で極大となることがわかる。
これは上記点付近でレンズの球面収差が負から正に変化
するためで、収差が極小となる。また偏平率d／aが0.5
ないし0.69の範囲内で0.16以上の有効開口数が得られ、
0.46ないし0.78 の範囲内でおよそ0.1以上の有効開口数
が得られることがわかる。
あるレンズの領域は結像に寄与しないため画角が小さく
なる。この画角の半角の正弦（Sin）を有効開口数NAPと
して第１〜５表中に示した。また第７図にレンズの偏平
率d／aの有効開口数NAPとの関係をグラフで示す。同グ
ラフから、平板マイクロレンズの有効開口数はレンズの
偏平率d／aが約0.58 付近で極大となることがわかる。
これは上記点付近でレンズの球面収差が負から正に変化
するためで、収差が極小となる。また偏平率d／aが0.5
ないし0.69の範囲内で0.16以上の有効開口数が得られ、
0.46ないし0.78 の範囲内でおよそ0.1以上の有効開口数
が得られることがわかる。
また第８図に、マスク開口比とレンズの有効開口数NAP
との関係をグラフで示した。同図グラフの横軸は、レン
ズ径2aとマスク開口径2rmとの比をとっている。
との関係をグラフで示した。同図グラフの横軸は、レン
ズ径2aとマスク開口径2rmとの比をとっている。
同図から、a／rmが1.75ないし4.5の範囲内で約0.1以上
の有効開口数が得られ、特にa／rmが1.9ないし3.3の範
囲内では約0.16以上の大きい有効開口数が得られること
がわかる。
の有効開口数が得られ、特にa／rmが1.9ないし3.3の範
囲内では約0.16以上の大きい有効開口数が得られること
がわかる。
具体例２ 具体例１と同一の組成のガラス基板３枚を用意し、イオ
ン拡散防止マスクとしてT膜をこれら基板表面に付着し
た後、マスク膜に直径400μｍφの開口を設け、これら
マスク付き基板を490℃の溶融塩にそれぞれ１６時間、
１４４時間、５７６時間浸漬して平板マイクロレンズを
製作した。
ン拡散防止マスクとしてT膜をこれら基板表面に付着し
た後、マスク膜に直径400μｍφの開口を設け、これら
マスク付き基板を490℃の溶融塩にそれぞれ１６時間、
１４４時間、５７６時間浸漬して平板マイクロレンズを
製作した。
基板中に形成されたレンズの直径2aは、上記各処理時間
に対してそれぞれ0.6mm,0.9mm,1.6mm，レンズの厚みｄ
は0.1mm,0.25mm,0.6mm,焦点距離は2.5mm,2.25mm,6.7mm
であり、格子縞パターンから観察された有効開口数NAP
は0.12,0.2,0.12であった。
に対してそれぞれ0.6mm,0.9mm,1.6mm，レンズの厚みｄ
は0.1mm,0.25mm,0.6mm,焦点距離は2.5mm,2.25mm,6.7mm
であり、格子縞パターンから観察された有効開口数NAP
は0.12,0.2,0.12であった。
またそれぞれのレンズの偏平率d／aは、0.33，0.56，0.
75，レンズ半径ａとマスク開口半径rmとの比、すなわち
マスク開口比ａ／ｒｍは1.5,2.25,4.0 であった。
75，レンズ半径ａとマスク開口半径rmとの比、すなわち
マスク開口比ａ／ｒｍは1.5,2.25,4.0 であった。
以上の結果から、0.9mm径程度の大きさのレンズに対し
ても偏平率を0.56 付近にすることにより、レンズの収
差を極小化、NAを極大化できることが確認できた。
ても偏平率を0.56 付近にすることにより、レンズの収
差を極小化、NAを極大化できることが確認できた。
本発明によれば、収差が小さく有効開口数の大きい平板
マイクロレンズを得ることができる。
マイクロレンズを得ることができる。
本発明に係る平板マイクロレンズは、一般の画像伝送
用、光ビーム集光・コリメート用光学系など広範な用途
で有用である。
用、光ビーム集光・コリメート用光学系など広範な用途
で有用である。
第１図は本発明の平板マイクロレンズの実施例を示す断
面図、第２図は第１図のレンズの集光機能を示す断面
図、第３図はレンズ断面の偏平度が小さすぎる場合の集
光状態を示す断面図、第４図はレンズの偏平度が大きす
ぎる場合の集光状態を示す断面図、第５図は本発明に係
るレンズを製作する場合のマスク開口とレンズ径との関
係を説明する断面図、第６図はレンズの有効開口数の測
定方法を模式的に示す斜視図、第７図はレンズ偏平率d
／aとレンズの有効開口数NAPとの関係を示すグラフ、第
８図はイオン拡散処理時に基板面に設けたマスクの開口
の径と得られるレンズ径との比に対するレンズ有効開口
数の関係を示すグラフ、第９図は従来の平板マイクロレ
ンズの断面図、第１０図および第１１図は平板マイクロ
レンズのレンズ形状例を示す平面図、第１２図はイオン
拡散処理の方法例を示す断面図、第１３図は従来の平板
マイクロレンズにおけるレンズ径とレンズ厚みとの関係
を説明する断面図である。 1,10……平板マイクロレンズ、2,11……基板 3,12……屈折率勾配レンズ 5,16……イオン透過防止マスク 6,17……マスク開口、７……溶融塩 13……光軸、15,15A,15B……焦点 18……パターン、19……顕微鏡
面図、第２図は第１図のレンズの集光機能を示す断面
図、第３図はレンズ断面の偏平度が小さすぎる場合の集
光状態を示す断面図、第４図はレンズの偏平度が大きす
ぎる場合の集光状態を示す断面図、第５図は本発明に係
るレンズを製作する場合のマスク開口とレンズ径との関
係を説明する断面図、第６図はレンズの有効開口数の測
定方法を模式的に示す斜視図、第７図はレンズ偏平率d
／aとレンズの有効開口数NAPとの関係を示すグラフ、第
８図はイオン拡散処理時に基板面に設けたマスクの開口
の径と得られるレンズ径との比に対するレンズ有効開口
数の関係を示すグラフ、第９図は従来の平板マイクロレ
ンズの断面図、第１０図および第１１図は平板マイクロ
レンズのレンズ形状例を示す平面図、第１２図はイオン
拡散処理の方法例を示す断面図、第１３図は従来の平板
マイクロレンズにおけるレンズ径とレンズ厚みとの関係
を説明する断面図である。 1,10……平板マイクロレンズ、2,11……基板 3,12……屈折率勾配レンズ 5,16……イオン透過防止マスク 6,17……マスク開口、７……溶融塩 13……光軸、15,15A,15B……焦点 18……パターン、19……顕微鏡
Claims (2)
- 【請求項１】ほぼ平行なガラス基板内に、この基板面法
線方向に光軸をもち、且つ光軸方向および光軸に直交す
る方向に向けて、屈折率増大に寄与する物質をイオン拡
散させることによって、なだらかに変化する屈折率勾配
を持ちレンズとして作用する領域を一体に形成した平板
状レンズにおいて、前記光軸上での前記物質の拡散領域
をレンズ厚みｄとし、基板面上での前記物質の拡散領域
をレンズ径２ａとしたとき、ｄ／ａを０．４６ないし
０．７８の範囲内としたことを特徴とする平板状レン
ズ。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記ｄと
ａとの比が、０．５≦ｄ／ａ≦０．６９の範囲内である
平板状レンズ。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60125896A JPH0644082B2 (ja) | 1985-06-10 | 1985-06-10 | 平板状レンズ |
| FR868603088A FR2578658B1 (fr) | 1985-03-05 | 1986-03-05 | Plaque a microlentilles et son procede de fabrication |
| DE19863607259 DE3607259A1 (de) | 1985-03-05 | 1986-03-05 | Mikrolinsenplatte und verfahren zu ihrer herstellung |
| GB8605371A GB2173915B (en) | 1985-03-05 | 1986-03-05 | Plate microlens having gradient index lenses and manufacture thereof |
| US07/317,079 US4952037A (en) | 1985-03-05 | 1989-02-28 | Plate microlens and method for manufacturing the same |
| US07/616,734 US5104435A (en) | 1985-03-05 | 1990-11-21 | Method of making a plate microlens |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60125896A JPH0644082B2 (ja) | 1985-06-10 | 1985-06-10 | 平板状レンズ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61284702A JPS61284702A (ja) | 1986-12-15 |
| JPH0644082B2 true JPH0644082B2 (ja) | 1994-06-08 |
Family
ID=14921589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60125896A Expired - Lifetime JPH0644082B2 (ja) | 1985-03-05 | 1985-06-10 | 平板状レンズ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0644082B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006332347A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Sharp Corp | 層内レンズ、固体撮像素子、電子情報装置、層内レンズの形成方法および固体撮像素子の製造方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63169601A (ja) * | 1987-01-07 | 1988-07-13 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 屈折率分布型光学素子 |
| US5359440A (en) * | 1989-10-23 | 1994-10-25 | Sharp Kabushiki Kaisha | Image display apparatus with microlens plate having mutually fused together lenses resulting in hexagonal shaped microlenses |
| JPH04151461A (ja) * | 1990-10-16 | 1992-05-25 | Agency Of Ind Science & Technol | 平面レンズによる集光装置とこれを用いた集熱装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5753702A (en) * | 1980-09-16 | 1982-03-30 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Lens body |
| JPS6059615B2 (ja) * | 1982-09-01 | 1985-12-26 | 株式会社明電舎 | 入出力装置 |
-
1985
- 1985-06-10 JP JP60125896A patent/JPH0644082B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006332347A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Sharp Corp | 層内レンズ、固体撮像素子、電子情報装置、層内レンズの形成方法および固体撮像素子の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61284702A (ja) | 1986-12-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |