JPS61284702A - 平板マイクロレンズ及びその製造方法 - 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、透明基板内に屈折率勾配レンズを一体形成し
た平板マイクロレンズに関する。

〔従来技術の説明〕

第９図に示すように、平板マイクロレンズｌはガラス・
プラスチック等の表面平担な透明基板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２０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１Ｏｆｆｉに示すように円形の
もの、第１／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Ｓで覆うとともに、このマスクｊＫ、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ｊ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カ形成すレ、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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の平板マイクロレンズでは、第１３図に示すように
基板面上におけるレンズ径を２ａ、レンズ厚みなｄとし
てａ／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。

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
光線ざの焦点ＪＡと周縁近傍入射光線９の焦点りＡとで
位置ずれを生じる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を示し、レンズ断面形
状を一定の範囲内の偏平度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。

本発明は上記知見に基づいて完成したものである０ 〔問題点を解決する手段〕 透明基板内に、この基板面法線方向に光軸なもち、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マ
イクロレンズにおいて、前記光軸上でのレンズ厚みなｄ
とし、基板面上でのレンズ径を２ａとしたとき、ｄ／ａ
をｏ、ｔＡｔないし０．７ｇの範囲内とする。

〔作　用〕

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後述具体例に示すように
レンズの収差が小さくなり、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。

〔実　施　例〕

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。

第１図は本発明に係る平板マイクロレンズ１０勾配レン
ズ／２が一体に形成されている。このレンズ／２は基板
面法線方向に光軸／３をもち、この光軸１３と基板表面
との交点／ＩＩ近傍で屈折率が最大で、基板深部および
側方に向けて放射状に次第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ｌλ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、−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。

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７０ン）　／ＪＡが見られる。この拡
散フロント／２Ａは、ドーパントにより形成されるドー
パントが比較的急峻に変化しているため見られるもので
、ドーパント濃度がガラス基板中の飽和濃度の数％に下
がった部分で観察される。

そ１．てトνの址ＩｔＩＩｒフロント、−鐙的に雷テげ
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／２Ａを以後レンズ／２の基板内側外形
面とする。

上記のようにガラス中のドーパント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、ド
ーパント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ドーパント
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りレンズとして有
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ガラス中のドーパント濃度にほぼ比
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、ドーパントイオンとがほぼ／対ｌ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。

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。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／２の径を２ａ１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ａ／ｄの値
に依存し、このａ／ｄが／、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が上記特定値か
ら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中八〇へに近づくと、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／ｊＢ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れれ、レンズの有効開口数が小
さくなる。

そして、上記ｄ／ａの値が小さくなるにつれて、つまり
レンズの断面形状の偏平度が大きくなるに従い、上記収
差は小さくなるが偏平度が大きくなりすぎると第４図に
示すように、レンズ中央のレンズ外形面が平担に近い部
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ｄ／ａの値でｏ、ｔｔｔないし０．７ｇの範囲内と
なるような偏平度をもった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位置のずれ収
差が小さくなってほぼＯ，１以上の大きな有効開口数を
得ることができ、特にａ／ａがＯｌＳないし０．６９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。

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／乙で被覆し
、このマスクｌ乙に周知のバ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／７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／７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
の偏平度が大きくなっ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なａとしてａ／ｒｍが
／、７ｊないしり、ｊの範囲内に設定することにより、
ｄ／ａの値がｏ、ｔｉｔないし０．７１　の範囲内であ
る収差の小さい有効開口数の大きいレンズが得られ、特
にａ／ｒｍをパフないし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／／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。

−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。イオン拡散処理温度は
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″Ｃ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、基板材質に制限は無く、石英、セラミクス、プラ
スチック等種々のものが使用可能である。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波型し、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／ ％　ル％　テ５ｉ０２６０％、Ｂ２Ｏ３４’　＜　＋　
ｚｎｏ　／　ｊ％。

Ｋ２Ｏｆｆ％、Ｎａ２ｏ　１３％の組成を有するガラス
から成る大きさＩｆ　ｌｆｍｍ×ｔＩｌｆｔｎｔｎ×、
ｉ＋ａｍ　の基板をｔ枚用窓した。

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７μｍのＴ１膜をスパッタリングにより付着させた
後、フォトリングラフィの手法と７ツ酸系のエッチャン
トを用いて、直径を１０μｍ−ｔｏ。

μｍ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、’ｒＩ！２ｓｏ、、　６０モル％＋　ＺｎＳＯ４’
ｌ　Ｏ％ｉし％の混塩をｔｉｑｏ″Ｃ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、グ時間、
ｇ時間、／２．３時間、７７時間のｊ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。

その結果を、イオン交換処理時間別に第１表ないし第３
表に示す。

第　　ｌ　　表 第　　２　　表 第　　３　　表 第　　グ　　衷 第　　ｊ　　表 第ｉ−ｒ表において、レンズの焦点距ｌｌｌ１ｆは、波
長４ＪＪｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を拡散面の反対側か
ら入射した時の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。

そこで第６図に示すように平板マイクロレンズ／／ｌＩ
ｎ飴すｔｎ劉１ハａ；　Ｗ　Ｆｌｌｌ筺り銅１ハ歓ヱ槽
祐バーターンｌざを配置し、上記レンズによる結像パタ
ーンを、！、ｊＸｊ倍の顕微鏡ｌりで観察した。

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Ｎ
ＡＩ）として第１−ｊ表中に示した。

また第７図にレンズの偏平率ｄ／ａと有効開口数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０１３
ｇ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Ｏ
，Ｓないし０．６９の範囲内で０６７６以上の有効開口
数が得られ、０．を乙ないし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。

また第ざ図に、マスク開口比とレンズの有効開口数ＮＡ
ｐ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ｊｒｍとの比をとっている。

同図から、ａ／ｒｍが八７Ｓないし≠、ｊ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、
りないし３．３の範囲内では約０．／６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Ｔｉ膜をこれら基板表面に付着
した後、マスク膜に直径ｔｔｏｏμｍφの開口を設け、
これらマスク付き基板を１Ｉｑｏ℃の溶融塩にそれぞれ
７６時間、７４１時間、３７６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Ｑ、４ｍｔｎ、Ｑ、ワ闘、１．乙順
。

レンズの厚みｄは０．／ＩＬＪ　Ｏ，２！ｍ、　０．≦
闘、焦点距離はコ、ｊ羽、２．２釦−６．７詣であり、
格子縞パターンから観察された有効開口数ＮＡｐは０．
／２　、０．２　。

０．１２であった。

またそれぞれのレンズの偏平率ｃｌ／ａは、ＯＪ３゜Ｏ
０！≦、０．７５、レンズ半径ａとマスク開口半径ｒｍ
との比ａ／ｒｍは八ｊ　、　２．２！；　、　ｌＡ、０
であった。

以上の結果から、０　、９　ｍｍ径程度の大きさのレン
ズに対しても偏平率をＯ，Ｓ　を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。

〔発明の効果〕

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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、第に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ｇ図はイオン拡散処理時に基板面に設ケタマスクの開
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４図は従来の平板マイクロ
レンズの断面図、第１Ｏ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７３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。 ／、１０・・・・・・平板マイクロレンズ　２．／／・
目・・基板３．１２・・・・・・屈折率勾配レンズ！；
、／１・・・・・・イオン透過防止マスクｔ、／７・・
・・・・マスク開口　７・・曲溶融塩／３・・・・・・
光軸　／！、／！；Ａ、／ｊＢ・・面焦点ｌざ・・・・
・・パターン　１９・・・・・・顕微鏡第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 イオン傾取処貫麟間 レン及扇平辛　　ｄ／ａ 第８図 １、ソ 関口’ｄｃ、　　ａ／ｒｍ 第９図 第１０図　　第１１図 第１２図 第１３図 手続補正書 昭和６０年６月２９日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）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
   平板マイクロレンズにおいて、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
   特徴とする平板マイクロレンズ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、基板がガラスで
   あり、前記屈折率勾配レンズがイオン拡散で形成されて
   いる平板マイクロレンズ。
3. （３）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マ
   イクロレンズ。
4. （４）透明基板の面に、所定の開口を残して拡散防止マ
   スクを施し、前記開口を通して基板の屈折率増大に寄与
   する物質を基板内に拡散させることにより、前記物質の
   濃度勾配に基づく屈折率勾配をもつレンズを基板内に一
   体形成する方法において、マスクの前記開口の大きさを
   、該開口の半径をｒｍ、得ようとするレンズ径をａとし
   て１．７５≦ａ／ｒｍ≦４．５の範囲内に選ぶことを特
   徴とする平板マイクロレンズの製造方法。