JPS6128964B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、不均質屈折率レンズの改良に関す
る。

近年光通信、光情報処理、光デイスク大容量メ
モリシステムなどの分野で構造が簡単で量産性に
富み、しかも高性能で目的の機能を満足させ易い
小型レンズが要求されている。

この要求を満たすべく本発明者等は、先に球レ
ンズ（特願昭55−42348号（特開昭56−138704公
報）、同55−118126号（特開昭57−42001号公報）
同55−122666号（特開昭57−46202号公報）とし
て出願中）を提案してきた。そこでは不均質屈折
率球（半球）状コアの光路中にある二周辺部分の
両方共に球殻状媒体を付着しており、対称性がよ
いため多数光源から多数光フアイバへの多重結合
など、優れた機能を有していた。しかし半面、(i)
光源と像点がレンズから離れて位置し他素子との
密着一体化ができない、(ii)厚さ一様なクラツドの
付着面積が多く製作上容易でない、(iii)光ピツクア
ツプに用いるとき、厚さ１mm程度のデイスク透明
板を通して裏側へ集光するので焦点まで距離があ
る程度必要になるが、デイスク側のクラツドの厚
みとその表面の凸レンズ効果のために、球芯半径
２mm程度のレンズでは焦点がデイスク裏側まで届
きにくい、等の欠点があつた。

本発明はこの点に鑑みなされたもので、球面収
差は上記既提案レンズ同様、充分に補正できると
いう前提の下で、上記従来例の(i)、(ii)、(iii)の欠点
を除くための構成上の工夫を施した不均質屈折率
レンズを提供せんとするものである。

本発明を概説すれば、少くとも外面の一部に球
面を持つ不均質屈折率コアの該球面部分の周辺部
であつて、一方から光が入り他方へ出射してい
く、またその逆の関係にある二周辺部分の中、一
方には均質屈折率球殻状媒体を、他方には均質屈
折率ロツド状媒体を、夫々クラツドとして設けた
不均質屈折率レンズである。これにより、後述の
如く、ロツド状媒体から成るクラツド外面に他の
素子を密着できる一方で、このクラツド部分と上
記の球殻上クラツド部分とで協働的に収差保償が
なされるのである。

尚、少なくとも外面の一部に球面を持つコアと
しては、当然、全面が球面である球状コアを含
み、また、一般性はその方が高い。然し、後述の
ように、半球コア等にも本発明は適用できるもの
であり、要は、一方のクラツドを介する光がコア
の球面部分に入射し、他の球面部分から他方のク
ラツドを介して出射していく関係にあるレンズで
あれば、上記第一、第二クラツドに本発明を適用
すれば良いのである。

さて、本発明のレンズの収差補正の原理の理解
のために先に提案した球レンズ（特願昭55−
42348号）の機能を一部引用して説明する。

均質屈折率の単なる球レンズはもとより、第１
図ａに示すイオン交換などの技術で付けられる程
度の屈折率分布をもつた不均質球レンズ１でさえ
も、例えば空気中におき、一点Ｐ_Oから発する光
束をレンズ１の反対側のある一点Ｐ_Fに収差なし
に集光することはできない。このとき生ずる収差
の大きさを、結像点Ｐ_Fにおける集束光が光軸と
なす角θの関数として示したのが第１図ｂであ
る。この図で横軸にとつてある横収差Atはθ〓
０の近軸光線が収束する結像点Ｐ_Fを横切り光軸
に垂直な面内において、それぞれの角度で集束す
る光線が光軸から外れている距離をいう。負の横
収差というのは、近軸光線の集束点よりもレンズ
に近い側で集束する場合を表わすものとする。従
つて第１図ａの拡大した円内ではこの負の横収差
が示されている。

一方、第２図ａは、均質屈折率の球殻状媒体２
を左側から右側に向けて集束光が通過する場合
に、先の場合とは逆に正の横収差Atが生ずるこ
とを示している。破線は、この球殻状媒体２がな
いときに集束光がたどるはずの光路を示してい
る。第２図ｂは、生ずる正の横収差の量を第１図
ｂと同様に集束光が光軸となす角θの関数として
示している。

尚、均質屈折率球殻状媒体２が光の進行方向に
対して第２図ａとは反対の曲面をなしている場
合、一点から発してこの媒体を通過する光線は、
第２図ａを左右逆に見ると想像できるように、外
側のものほどより外側へ屈折させられる。その結
果、この光線束を集束させるときには、外側の光
線ほど媒体２から遠ざかつた所に集束し、同様に
第２図ｂに示すような正の横収差が生ずることと
なるｏ点光源の位置を無限遠にし、平行光を入射
させるようにしても同様の傾向を示す。

以上に鑑みると、第１図に示した不均質屈折率
球レンズ１が集束させようとする光線束に及ぼす
効果と、第２図に示した均質屈折率球殻２がこれ
に及ぼす効果は、収差に関して負と正という逆の
関係にあることがわかる。従つて、これらの二要
素を組合わせれば、正負が打ち消しあつて収差が
補正され、先に提案した球レンズはこの技術思想
に基づいてなされたものである。

本発明の不均質屈折率レンズも、収差補償の原
理自体は同様で、正負の打消効果によつている。
しかし、先に提案したレンズのように、球殻状ク
ラツドにのみよるものでは、先に述べた通りの欠
点があるので、本発明では一方のクラツドをロツ
ド状としてこれを除いたのである。逆に言うと、
ロツド状クラツドとしても正負の打消効果という
従来例の長所は損うことがないということの証明
から説明を始める。

第３図ａにはロツド状媒体３の光線経路図が、
第３図ｂにはその収差特性が示されているが、こ
れから判かるように、このロツド状媒体３も正の
収差を持つのである。即ち、仮に媒体がないとき
に点線のように一点に向かう光束が、媒体３が置
かれると近軸光よりも光軸となす角θの大きい光
線がより遠くで光軸を切り、正の収差を生ずる。
第３図ａはロツド端面に像点がくる場合を示して
いるが逆に像点の処へ光源を置いた場合も第３図
ａを逆に見ると想像できるように、外側のものほ
どより外側に屈折させられ、正の収差として仂く
ことがわかる。また、平行光が入射する場合も同
様である。

さて、以上に分解して説明したロツド状媒体３
と球殻状媒体２とを不均質屈析率球状コア１に組
合わせ収差を著しく低減させた本発明レンズの基
本的実施例の構成と高性能さの一端を示すための
数値例を第４図〜第７図に示している。第４図
ａ，ｂはロツド状クラツド３側から平行光が入射
し、コア１を透過後、球殻状クラツド２を通過し
た位置で結像する光学系とその収差の例、第５図
ａ，ｂ，ｃは球殻状クラツド２側から平行光が入
射しコア１を介してロツド状クラツド３の端面
３′に結像する光学系とその収差の例であり、同
図ｃは多重利用をし易くするためロツド側端面
３′を球面にしたものである。第６図ａ，ｂ，ｃ
はロツド状クラツド３の端面３′の点光源からの
光束が球殻状クラツド２を通過した位置で結像す
る光学系とその収差の例で、同図ｃでは多重利用
をし易くするためロツド側端面３′を球面として
いる。第７図ａ，ｂは第５図ａでロツド状クラツ
ド３を光軸に垂直な面で切り、間隙（空気層）５
を入れた構成の光学系とその収差を示している。
切り離されたロツド部分４を光デイスクと見たて
ると光ピツクアツプレンズの構成となる。なお上
記各光学系で光源と結像点を逆にとつても同様で
ある。

以上の各構成のレンズで、不均質球芯（球状コ
ア）の屈折率分布は、先に提案した球レンズと同
様に、 n²（ｒ） ＝n²（０）〔１＋G₂（ｒ／r₀）²＋G₄（ｒ／r₀）⁴〕 とおいている。ここで、r₀は球芯半径、ｎ（０）
は中心の屈折率、G₂、G₄は夫々２次係数、４次
係数と呼び、屈折率が中心ｒ＝０から周辺ｒ＝r₀
までどのように変化しているかを表わしている。
球対称であり、また２乗分布に近いことを前提と
し、６次以上と奇数字は０としている。

なお、屈折率は中心から周辺に向つて減少する
場合（G₂＜０）が実際上問題となる。またその
屈折率差はイオン交換技術で可能な５％前後
（G₂−0.1）のものを考えている。

クラツドは均質な屈折率ndのものを考え、そ
の値は球芯の中心の屈折率ｎ（０）（数値例では
1.6とした）に対して大小いずれであつてもよい
が加工性や熱加塑性のよいプラスチツクの使用を
想定してnd＝1.5とした数値例を採用した。

さて、第４図〜第７図はG₂＝−0.08、G₄＝−
0.005の不均質球芯の場合の例を示しているが、
一般にはイオン交換によつて作成した後に測定に
よつてG₂、G₄を知ることになる。そこで任意に
与えられたG₂、G₄に応じて収差補正に必要なク
ラツドの厚さを求める関係数を第８図〜第１１図
に示した。各々第４図〜第７図の各ａ図示の光学
系に対応している。これらの図で実線は収差保償
に必要な球殻状クラツドの厚さ、一点鎖線はその
時の残留横収差、点線は焦点位置を示している。

第８図に示すロツド状クラツド側から平行光を
入射させる場合と第９図に示す球殻状クラツド側
から平行光を入射させる場合を比較すると与えら
れたG₂、G₄に対して収差補償に必要な球殻状ク
ラツドの厚さは等しいことがわかる。また開口数
を後者（NA＝0.45）が前者（NA＝0.3）より大
きくとつているにもかかわらず収差を小さくでき
るG₂、G₄の領域が広いことがわかる。従つて大
きい開口数が要求される用途には後者が適してい
る。しかしロツド状クラツド側を平行光にしてそ
の端面に他素子、例えば第１９図に即して後述の
ように、干渉膜、回折格子などを密着一体化させ
る応用例には前者が適する。

具体的な数値を例えば第９図であたつてみる
と、球芯半径１mm、G₂＝−0.1で−0.02G₄
0.02の範囲内の不均質球芯ならば開口数NA＝
0.45で使つても横収差１μｍ以内にできる。従つ
て第１９図の各応用例に示すように、本レンズか
らの光を受けるのにフアイバ７を用いる際、この
フアイバがシングルモードフアイバであつても、
充分な高効率が期待できる。

第１０図は一個のレンズで光源からの発散光束
を集束し光フアイバなどに結合させる例で、ロツ
ド状クラツド側の開口数を0.3、反対側を0.12と
している。第８，９図の場合に比べて残留収差は
一桁大きい。しかしそれでも例えば球芯半径１mm
のレンズでシングルモードフアイバのコア径内
（約６μｍ）に収差を収めることは難しくない。

第１１図は第７図の光ピツアツプに用いること
を想定した光学系の収差補正の条件を示してい
る。第５図の光学系の補正条件を示す第９図と比
較してみると、同じ屈折率分布の球芯に対し前者
が厚い球殻状クラツドを必要としている。これは
前者ではロツド状クラツドに間隙（空気層）５が
あるためその分負の収差がおこり（空気中に平板
屈折媒体があるときには正の収差）、それを補償
するために球殻状クラツドをその分だけ厚くして
いることになる。第１２図はr₀を単位とする作動
間隙Ｗ／r₀と必要な球殻状クラツド厚さｄ／r₀の
関係を示している。パラメータは２次係数G₂で
ある。あわせて（ｓ＋ｔ）／r₀を示している。い
ま、デイスクの厚さｓ＝１mm、球芯半径２mmとす
ると、（ｓ＋ｔ）／r₀0.5、第１２図からこの範
囲は図中、左半分の所に位置し、例えばG₂＝−
0.08として、間隙Ｗは1.2mmは取れる。

第１１図から、例えばr₀＝２mm、G₂＝−0.1程
度の球芯で−0.01G₄0.01の範囲のものがあれ
ばNA＝0.45で横収差１μｍ内のレンズができ
る。これは光の回折限界Ｄ〓λ／NA（λ＝0.8μ
ｍとして約２μｍ、半径にして１μｍ）と同程度
であり高性能レンズと云える。しかしG₄の範囲
がイオン交換などで制御できるものかどうかが問
題になるので、現実に制作されている円筒対称の
分布をもつ集束性ロツドレンズの屈折率分布の表
式n²（ｒ）＝n²（０）〔１−（gr）²＋h₄（gr）⁴〕に置
き換え、４次係数h₄に換算してみる。G₂＝−
（gr₀）²、G₄＝h₄（gr₀）⁴、よりh₄＝G₄／Ｇ^２ _２、G₂＝
−0.1を代入してh₄＝100・G₄、従つてG₄は小さな
値でもh₄は二桁大きく−0.01G₄0.01は−１＜
h₄＜１に相当する。しかし、従来のイオン交換に
関する経験からこの範囲は決して狭いものではな
い。若し、これに匹敵するレンズを円筒対称屈折
率分布のロツドレンズで実現しようとおそらくh₄
は或る値に±0.01の精度で制御しなければならな
いだろう。このことからも本発明レンズは優れた
集光レンズと云える。

さて、以上ではｎ（０）＝1.6、ｎ_d＝1.5の数値
例を示してきた。それはガラス材の球芯にプラス
チツクのクラツドをも使用できるよう配慮したか
らである。しかしレンズの使用条件によつてはク
ラツド材の熱膨張係数を球芯に一致させねばなら
ずガラス材を用いることも必要であり、また最も
有効なｎ_dを探すことも重要である。そこでクラ
ツドの屈折率ｎ_dを変えて収差保償の条件を求め
たのが第１３図、第１４図である。各々第４図、
第５図の各ａ図の光学系に対応している。

第１３，１４図で横軸のクラツド屈折率ｎ_dが
増えると、縦軸に示す収差補償に必要なクラツド
の厚さが減少する。ここで、パラメータは２次係
数G₂である。４次係数G₄は簡単のため０として
いる。一点鎖線で示す残留収差はｎ_dの小さい処
と大きい処で、また｜G₂｜の小さい処で増加し
ている。しかし詳しく見るとｎ_dのｎ（０）＝1.6
の値を中心とするその両側に特徴的な角状の領域
があり、これは分布が弱い（｜G₂｜小）球芯で
もクラツドの屈折率を選べば少ない収差にできる
ことを意味している。この二つの領域の内、ｎ_d
の小さい方では不均質球芯の周辺からクラツドに
屈折率がほぼ段差なしにつながつていることが確
められる。これはトラルド及びモルガンが解析的
に求めた均質球殻のある無収差ルネプルク型レン
ズと似ている。しかし解析解の球芯の屈折率分布
は複雑で現実に制作することは出来そうにない。
そこでイオン光換などで出来上つたものにその分
布に応じたクラツドを付けるというのが設計上の
手法となる。さて、ｎ_dの大きい方は｜G₂｜が小
さくても球芯とクラツドの間の屈折率段差が大き
くなつている。G₂→０の極限、すなわち球芯に
分布がない場合でも屈折率の大きいクラツドを付
けて収差を小さくできることを意味し、これに相
当するレンズは同じくトラルドにより見い出され
ている。第１３，１４図は上記の特異なレンズを
含み、設計のための全貌を示している。

次にレンズ製作にあたつてのクラツドの厚さ
や、クラツドの中での球芯の位置ずれなどの製作
精度をどの程度に抑えるべきかを知るために、第
１５図、第１６図にはクラツドの厚さに対する収
差の増加を、第１７図、第１８図にはクラツドの
中での球芯の光軸方向の位置ずれに対する収差の
増加を示している。光通信用レンズを想定してシ
ングルモードフアイバのコア径約６μｍ内に収差
を収めるためには横収差をその半分の３μｍ以内
にすればよく、例えば第１６図でr₀＝１mmの球芯
を用いるとして、クラツド厚さは±80μｍの精度
が必要である。また第１８図の球芯の位置ずれは
±100μｍに抑えればよい。また、光ピツクアツ
プ用レンズを想定すると横収差を回折限界内に抑
えることが必要になり、ほぼ１μｍ以内にした
い、r₀＝２mmとして第１６図からクラツド厚さは
約±50μｍ、第１８図から球芯の位置ずれは±70
μｍに抑えることが必要となる。が、これ等の製
作公差は、高性能レンズを目指している割には比
較的大きく採れ、レンズ製作上、好都合である
（光ピツクアツプレンズはロツド状クラツドに間
隙のある第７図ａの光学系についてデータが必要
であるが間隙無しの場合で代用した）。

以上では、本発明レンズが構造が比較的簡単
で、量産性に富み、開口数が大きい割に収差を小
さくできることを証した。これに加えて、従来の
球殻状クラツドのみから成るレンズに比し、他素
子との密着一体化がし易い、多重利用がし易いな
ど機能性に富むことを第１９図示の応用例にて示
しておく。

もつとも、本発明はこうしたレンズそのものに
係るので、これをどのように利用するかは夫々当
業者の選択に任されるため、第１９図各図では各
応用例の概略構成を示すに留める。

第１９図ａ，ｂ，ｃは、光フアイバ７，７間又
はこのフアイバ７，７に代えて一方を光源とし、
これとフアイバ間とか受光器間等に、反射体、回
折体、干渉手段、変調素子、光スイツチ、アイソ
レータ等々の他の素子を挿入するために空間８を
必要とする場合に有効な挿入デイスバイスへの応
用例で、本発明レンズを一対用いている。

第１９図ｄ，ｅの応用例は方向性結合器で、本
発明レンズを一対用い、間にビーム・スプリツタ
９を挾み込んでいる。この場合、一対のレンズの
衝き合せ端面とビーム・スプリツタ９との物理的
な固定のためには、公知の接着剤から適当なもの
を選ぶことができる。

第１９図ｆ，ｇ，ｈは分波器乃至その逆機能と
しての合波器とする応用例で、同図ｆでは球殻状
クラツド２，２間にプリズム１０を挿入して成つ
ており、同図ｇでは回折格子１１を球殻状クラツ
ド２に臨ませている。また、ロツド状クラツドの
端面３′は先に述べた球面にし、フアイバ７の群
をこの球面に対し放射状に配している。同図ｈで
は、ロツド状クラツド端面３′そのものを、適且
な溝形成技術を利用する等して回折格子１１とし
ている。

第１９図ｉの光スイツチでは、本発明レンズを
二つ、そのロツド状クラツド部分で直交的に一体
成形し、端面３′を一括に斜断して、通常はこの
斜断面を全反斜面としてこれ等二つのレンズ部分
間に光の入出射関係を持たせているが、この斜断
面に相補的な面を持つ透過部材１２を選択的に挿
入することにより、もう一つの本発明レンズを介
して他の光フアイバへ光路を切替えるようになし
ている。

第１９図ｊは、先に述べた光ピツクアツプとし
て本発明レンズを応用する場合、積層されたデイ
スク間等の狭空間に横から挿入するのに適当なよ
うに、高さを低くするために、本レンズを介して
の光路間に直交関係を持たせるべく、コア１とし
て半球状のものを用い、その直径を含む平面６を
反射面として用いたもので、空隙５を介しての光
デイスク４は同じくロツド状クラツド３の一部と
看做することができる。

第１９図ｊはフレキシブル光エネルギガイド装
置を構成した例であつて、筒状の各ハウジング１
３………を隣接する端部相互で球自在継手１４…
……で連結し、各ハウジング内に、本発明レンズ
を二つ、背中合せにしてそのロツド状クラツド部
分３，３を一体成形した要素１５を配して成つて
いる。この装置はフレキシブルなガイド機能のみ
ならず、ガイドした先で集光する機能を持つてい
るので、例えばレーザメス等に応用すれば他の集
光系が要らず、合理的である。

以上のように、本発明に依れば、その本来の光
学的特性の優秀さに加えて、他素子との組み合せ
の自由度が高く、一体化も図れる多機能な小型レ
ンズが提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はクラツドのない、弱い球対称な屈折率
分布をもつた球レンズの収差を示す説明図、第２
図は球殻状屈折媒体の収差を示す説明図、第３図
は球面でえぐられたロツド状媒体の収差を示す説
明図、第４図ａ，ｂは本発明の不均質レンズの一
実施例の概略構成及びロツド側から平行光を入射
させ、球殻の外へ集光させた時の収差の一例の説
明図、第５図ａ，ｂ，ｃは本発明レンズの他の実
施例の概略構成及び球殻側から平行光を入射しロ
ツド側の端面に集光させた時の収差の一例の説明
図、第６図ａ，ｂ，ｃは本発明レンズの更に他の
実施例の概略構成及びロツド側端面に点光源をお
き球殻の外に集光させた時の光学系の収差の説明
図、第７図ａ，ｂは第５図ａのレンズを光ピツク
アツプ用に変形した実施例の概略構成及びその収
差の一例の説明図、第８，９，１０，１１図は
各々第４，５，６，７図光学系について球芯の２
次係数G₂、４次係数G₄の値に応じての収差補償
に必要な球殻状クラツドの厚さ及びそのときの残
留横収差、焦点までの距離の関係曲線図、第１２
図はピツクアツプ光学系第５図ａの間隔Ｗとクラ
ツドの厚さ、使用できるデイスクの厚さの関係曲
線図、第１３，１４図は各々第４，５図の光学系
で２次係数G₂をパラメータにクラツドの屈折率
を変えて収差補償に必要な球殻状クラツドの厚さ
を求め、あわせて残留横収差を示した関係曲線
図、第１５，１６図は各々第４，５図のレンズで
球殻状クラツドの厚さの製作精度と収差の関係を
例示した関係曲線図、第１７，１８図は各々第
４，５図のレンズでクラツドの中での球芯の光軸
方向の位置ずれと収差との関係曲線図、第１９図
は本発明レンズの各応用例の概略構成図である。 図中、１は球芯（コア）、２は球殻状クラツ
ド、３はロツド状クラツド、４はロツド状クラツ
ドの一部としてのデイスク、５は空隙、６は反射
面（膜）である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも外面の一部に球面を持つ不均質屈折
   率コアを有し、該球面部分の周辺部であつて光路
   中にある二周辺部分の中、一方には均質屈析率球
   殻状クラツドを、他方には均質屈折率ロツド状ク
   ラツドを有して成ることを特徴とする不均質屈析
   率レンズ。 ２ コアは全周が球面部分である球形コアである
   ことを特徴とする特許請求の範囲１に記載のレン
   ズ。 ３ コアは半球コアであることを特徴とする特許
   請求の範囲１に記載のレンズ。 ４ ロツド状クラツドの端面は球面となつている
   ことを特徴とする特許請求の範囲１乃至３のいづ
   れか一つに記載のレンズ。 ５ ロツド状クラツドは空隙を介して分かれた二
   部分から成り、分離した部分は光デイスクとなつ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲１乃至３
   のいづれか一つに記載のレンズ。