JPS614001A - 光学素子の作成方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は光学素子の作成方法に関し、特に屈折率の不均
一分布を有する光学素′子の作成方法に関する。

〔従来技術〕

一般に、光学系において用いられている光学素子たとえ
ばレンズ、プリズムまたは反射鏡等においては、光が透
過または反射する面（以下「機能面」という場合がある
）が平面または球面に形成−されている。そして、この
様な光学素子を構成する光学材料としては実質上均一な
屈折率を有するものが用いられている。従って、光学素
子に所望の光学性能を付与するためには、光学材料の屈
折率、機能面の曲率半径及び各機能面間の位置関係を適
宜設定することが行なわれる。しかるに、これらの光学
素子は各種の光学的収差を有し、光学系において所望の
光学性能を得ることが困難な場合がある。

そこで、最近では特定の光学的収差の除去された光学素
子を得るため、機能面を非平面且つ非球面形状に形成す
ることが行なわれる様になっている。ところが、この種
の光学素子の作成は平面または球面の機能面のみを有す
る光学素子の作成に比べ著しく困難である。即ち、平面
または球面の光学面を形成する技術に関しては長い歴史
において、ウハウが確立されておシ光の波長以下のオー
ダーの精度を実現することができる一方で、非球面の光
学面を形成する技術に関しては最終的に光字面とする工
程の前工程である光学材料の研削やダイレクトプレス等
においてはある程度の精度で非球面を形成し得るものの
最終的に光学面とする工程において所望の形状にコント
ロールするとと即ち光の波長以下のオーダーの精度を実
現することは現状では確立されているとはいえない。

従って、現在のところ非平面且つ非球面の機能面を有す
る光学素子は厳しい精度を要求されないものや極く限ら
れた形状のものが作成されているにすぎない。この様な
光学素子の具体例としてシュミットプレートが例示でき
る。第５図（、）〜（Ｃ）は従来性なわれているシュミ
ットプレートの作成工程を説明するだめの概略断面図で
ある。先ず、第５図（、）に示される如く、上部に開口
を有する円筒形容器２０の該開口上に円板状平板ガラス
２２を置き該開口を気密に閉塞せしめ、容器２０内の空
、　　ｆｆｃｆ！ｆｉ０２４″−ｂ＊ｉ″１Ｌａｉ＞〜
・１−１”り平板がラス２２の中央部が下方へと押され
る。

この状態で、第５図（ｂ）に示される如く、ガラス２２
の上面を平面に研削及び研摩して、光学面を形成せしめ
る。次に、第５図（Ｃ）に示される如く、容器２０内に
通気口２４がら空気を導入すると、平板ガラスの下面は
平面へと復元し一方上面は非球面形状となシ、シュミッ
トプレートが得られる。

しかしながら、この方法は平板ガラスを外力によシ弾性
変形させて加工し、その後外力の除去によシ復元せしめ
るものであるから、非球面の平面からの変位量はガラス
の弾性領域内の変形量によシ制限される。このため、口
径が小さく且つ平面からの変位量の大きい非球面を有す
るものや、厚みが厚く且つ平面からの変位蓋が太きいも
のについてれ作成が困難となるのである。

一方、光学材料に屈折率分布を与え、これによシ光学的
効果を得ている光学素子として、いわゆるセル７オツク
レンズがおる。これは光の進行する方向と垂直な方向に
屈折率分布を与えて光の集束効果を実現するものである
。そして、この様なセルフォックレンズの光透過面を球
面に形成した光学素子も既に提案されている（　Ｍｉｃ
ｒｏ　０ｐｔｉｃａＮ＠ｗｓ　、　Ｖｏｌ　、　１　、
　ＮＯ，３、Ｏｃｔ　、　１９８３．　ｐ１２６→。

これら光学素子によれば、光透過面が平面または球面で
あっても、屈折率分布が一様な光学材料を用いて非平面
且つ非球面の光学素子を形成したと同等の光学性能が発
揮できる。

しかしながら、実効的屈折率分布付与は一般に光学材料
の表面から比較的浅い（１〜２霞程度）部分迄しか行な
うことができないので、口径が小さい光学素子の場合に
は有効であるが大口径の光学素子の場合にはその効果は
著しく小さいものとなる。従って、上記のセルフォック
レンズは比較的小さい口径にて使用されているにすぎな
い。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の如き従来技術に鑑み、屈折率分布が一
様な材料を用いて作成される任意の大きさの非平面且つ
非球面の機能面を有する光学素子と同等の光学性能を有
する光学素子を簡便且つ高精度に作成することを目的と
する。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、以上の如き目的は、光学素子の光透過
面または光反射面を形成すべき光学材料の対応部分のう
ちの少なくとも１つの部分を非平面且つ非球面に形成し
、次いで該光学材料の上記非平面且つ非球面に深さに応
じた屈折率値を有する屈折率分布を与え、次いで上記非
平面且つ非球面を平面または球面研摩して光学面とする
ことによル達成される。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明作成方法の実施例を説
明する。

第１図（、）及び（ｂ）は本発明の光学素子作成方法の
第１の実施例を示す概略断面図である。

先ず、第１図（、）に示される如く、下面が平面の光学
材料の上面を非平面且つ非球面に形成する。

この上面及び下面の部分に光学素子の機能面が形成され
る。光学材料としてはガラスが用いられ、非平面且つ非
球面の形成は例えばダイヤモンドバイト等による研削に
よシ行なうことができる。この工程においては非平面且
つ非球面の上面は未だ光学面には形成されていないが、
その面精度は１μｍ程度となし得る。この工程の終了後
、上面には０．５〜１．０μｍ程度の表面粗さ及びマイ
クロクラックが存在する。

次に、光学材料の表面層のイオン交換を行なう。

このイオン交換はたとえば第２図に示される様に行なわ
れる。即ち、イオン交換槽１０中に硝酸カリウム等の塩
類１２を収容して該イオン交換槽１０を周囲からヒータ
ー１４で加熱して塩類１２を溶融せしめる。該イオン交
換槽１０内の溶融塩１２中に光学材料１６を浸漬する。

この際、光学材料１６は支持体１８上に載置せしめられ
る。かくして適宜の時間保持することによ）、光学材料
１６の表面層に含まれるイオンと溶融塩１２中のイオン
とがイオン交換せしめられ、これによシ光学材料１６の
表面層の屈折率が変化する。

光学材料であるガラスにはＮａ”　、Ｋ”　、Ｃｍ”、
Ｌｉ”、Ｔｔ＋等のイオンが含まれておシ、これらに対
しイオン交換のために使用される塩類としては４　　　
　　ＫＮＯ，、ＡｇＮ０．、ＴｔＮＯ，、Ｋ２ＳＯ４、
Ｔ／１．２８０４が例示でき、溶融に′よシイオンを生
ずる。これらのイオンが光学材料中に含まれた場合には
屈折率の大きさけ一般にＮａ＋＜Ｋ＋〈Ｃ８＋〈Ａｇ＋
〈Ｔｔ＋となる。従って、Ｎａ＋を含む光学材料のＮａ
　をＴｔ　とイオン交換せしめた場合には光学材料の屈
折率は大きくなり、Ａｇ＋を含む光学材料のＡｇ＋をに
＋とイオン交換せしめた場合には光学材料の屈折率は小
さくなる。

第１図（、）における点線は以上の如きイオン交換によ
シ屈折率が変化した表面層の屈折率分布を示す等屈折率
線である。図にも示される通り、屈折率は表面からの深
さに応じた値となる。尚、かくして屈折率の変化せしめ
られる深さは表面から１〜２■程度まで十分に可能であ
る。

次に、第１図（１）における光学材料の上下両面を平面
に研削及び研摩して光学面とし機能面を形成し、第１図
（ｂ）に示される如き光学素子を得る。図に示される様
に、得られた光学素子の上面の表面層には場所により異
なるイオン交換層が形成されている。従って、この光学
素子は全体的に均一な光学材料からなる非球面レンズ即
ち第３図に示される如きレンズ（実質上シュミットプレ
ートと同等な光学素子）と同等の光学性能を有する。

かくして得られる光学素子の非球面効果について具体的
に説明する。

第１図（ａ）において、８１は屈折率分布を付与する前
の上面であシ、この面の形状をＩ軸回転対称として、 ｘ＝Ａｙ２＋Ｂｙ’ とする。これをいくつかの点について数値表示すると、
次の様になる。

また、屈折率分布が次式で表わされる様に付与されると
する。

Δｎ（ρ）＝　０１　ｅｘｐ　（−６９０８・ρ）（こ
こで、−は表面からの深さをあられし、Δｎは均一な屈
折率部分との屈折率差をあられす）第１図伽）に示され
る様に、研削及び研摩によりｙ軸を含む平面Ｓ、を機能
面として形成したとすると、ｙの位置での光路長変化Ｏ
ＰＤは次の様になる。

これをいくつかの点について数値表示すると、次の様に
なる。

１．１ かくして、光学素子の機能面Ｓ、が平面であるにもかか
わらず屈折率の均一な材料で非平面且つ非球面を形成し
たと同様な効果が得られる。そして、この様な光学素子
を均一な屈折率（ｎ＝１５）分布の光学材料で作成した
場合には、第３図に示される様に、ｙ軸を含む平面から
のずれ即ち非平面量δは次の様に表わせる。

ＯＰＤ　ＷδＸ（ｎ−１）＝０．５Ｘ８、′、δに：２
　Ｘ　ＯＰＤ これをｙのいくつかの点について数値表示すると次の様
になる。

以上の如き光学素子の作成工程において、第１図（、）
の形状から第１図（ｂ）の形状へと加工する際には研削
工程におけるマイクロクラックが除去され、また上記の
如く研削工程終了時における表面粗さが１μｍ程度あっ
てもイオン交換層の深さは１〜２瓢程度であシ上記表面
粗さ１μｍに比べ十分大きいので、得られた光学素子の
光路長への影響は殆んどなく、光学性能上問題はない。

第４図（ＩＬ）及び（ｂ）は本発明の光学素子作成方法
の第２の実施例を示す概略断面図である。本実施例にお
いては上記第１の実施例と光学素子の形状のみ異なる。

即ち、先ず光学材料を研削等によシ、第４図（ＩＬ）に
示される如く、−面を非平面且つ非球面に形成し且つ他
面を凸球面に形成し、これをイオン交換処理し、第４図
（ｂ）に示される如き両方の機能面が凸球面の光学素子
を得ている。

以上の実施例においては光学材料としてガラスを用いた
が、本発明においてはその他プラスチックまたは結晶等
の材料を使用し得る。

また、以上の実施例においてはイオン交換処理前の非平
面且つ非球面形成工程において研削が行なわれているが
、本発明においてはダイレクトプレスによる表面をその
まま用いてもよい。

また、以上の実施例においては光学材料の屈折率を変化
させる手段としてイオン交換法を用いたが、本発明にお
いてはその他電界移入法、分子スタッフィング法、相分
離法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、■Ｄ法、拡散共重
合法、フォトケミカル法等の他の屈折率変化手段を用い
ることができる。

また、以上の実施例において１光学素子としてレンズを
例示したが、本発明によシ作成される光学素子としては
その他プリズムまたはマンジンミラー等が例示できる。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明方法によれば、光学素子の非平面且つ
非球面の表面形状加工において比較的容易であるところ
の光学面形成前の工程と光学材料の表面層の屈折率を変
化せしめる工程とを組合わせることによって、均一な屈
折率分布を有する光学材料で作成された非球面の機能面
を有する光学素子と同等の高精度の光学性能をもつ任意
の太き４　　″″″９Ｘ′７″１９１〜２”１６・

【図面の簡単な説明】

第１図（、）及び（ｂ）は本発明方法の工程を示す断面
図であシ、第２図はイオン交換工程の断面図であシ、第
３図は本発明方法によシ得られる光学素子と同等の光学
性能をもつ非球面レンズの断面図である。第４図（、）
及び（ｂ）は本発明方法の工程を示す断面図である。第
５図（、）〜（Ｃ）は従来のシュミットプレート作成方
法の工程を示す断面図である。 第２図 第３図 第４図（Ｇ） 第４図（ｂ） −６＝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学素子の光透過面または光反射面を形成すべき
   光学材料の対応部分のうちの少なくとも１つの部分を非
   平面且つ非球面に形成し、次いで該光学材料の上記非平
   面且つ非球面に深さに応じた屈折率値を有する屈折率分
   布を与え、次いで上記非平面且つ非球面を平面または球
   面研摩して光学面とすることを特徴とする、光学素子の
   作成方法。