JPS63301901A - 屈折率分布型光学素子およびその製造方法 - 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） 本発明は透明誘電体を屈折率分布に寄与するイオンを含
む溶融塩に浸漬または接触させ、透明誘電体中のイオン
と溶融塩中のイオンとを交換させ、透明誘電体中に屈折
率分布を形成するイオン交換性屈折率分布型光学素子お
よびその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

透明誘電体を屈折率分布に寄与するイオンを含む溶融塩
に浸漬または接触させ、透明誘電体中のイオンと溶融塩
中のイオンとを交換させ、透明誘電体中に屈折率分布を
形成させるイオン交換性屈折率分布型光学素子の製造法
は知られている。例えば第１５図に示すように、Ｌｉ”
　、ＴＩ”　。

Ｃｓ＋などの陽イオン（図中ではＡ”）を含むガラスロ
ッド１を硝酸ナトリウムや硝酸カリウムなどの溶融塩２
中に浸漬し、ガラス中のイオン（Ａ＋）と溶融塩中の陽
イオン（図中ではＢ”）を交換させることにより第１６
図に示されるような屈折率分布を有するロッドレンズを
得ることがてきる。またこのロッドレンズの光学特性を
高めるため、ロッドレンズの外周表面を凹凸にあらしロ
ッドレンズより屈折率の高い光吸収体を塗布して、レン
ズのフレアー現象を低減させることも知られている（特
公昭５０−３７５５０．特開昭５Ｏ−４４８４４）。

さらに上記イオン交換法によるロッドレンズにおいて、
例えばＬｉ＋を含むガラスロッドを硝酸ナトリウム溶融
塩中てイオン交換したような場合、第１７図に示すよう
にレンズ周辺で熱膨張係数が大きくなるという欠点があ
った。このような熱膨張係数分布をもつロッドは応力的
にもろい性質をもつので、使用中にクラックが発生した
り割れたりすることがしばしば起こった。またフレアー
防止のためロッドレンズ周囲にロッドレンズよりも屈折
率の高い光吸収体を塗布すると、屈折率分布が第１８図
に示されているようになり、ロッドレンズと光吸収体と
の界面でフレネル反射が大きくなると云う問題も生じて
いた。

一般にロッドレンズの周囲に光吸収体を塗布する工程で
、塗布後のロッド外径精度を一定に維持することはかな
り困難であった。ロッドレンズを複数本束ねて製造する
レンズアレイでは、各ロッドレンズの光学特性ならびに
外径が揃っていることが要求されるため、ロッドレンズ
周囲に光吸収体を塗布する工程で外径精度が低下するこ
とは望ましくなくその改善策が求められていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、着
色成分を含む光吸収体部分と透明誘電体部分を溶着一体
化した後にイオン交換することにより、内部と外周部と
の間の熱膨張係数の差に起因するもろさを解消し、寸法
精度を高め、上記界面での光反射を低減することもに、
着色成分を含む光吸収体部分の形状が三次元的に異なる
屈折率分布型光学素子とその製造法を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち、本発明はイオン交換法により製造される屈折
率分布型光学素子において、交換可能なイオンと着色成
分とを有する光吸収体部分が、屈折率分布を有する透明
誘電体部分の表面の少なくとも一部に存在することを特
徴とする屈折率分布型光学素子である。

また、他の発明はイオン交換法による屈折率分布型光学
素子の製造方法において、交換可能なイオンを有する透
明誘電体の表面の少なくとも一部に、交換可能なイオン
と着色成分とを有する光吸収体部を設け、ついで屈折率
分布に寄与するイオンを含む溶融塩に浸漬または接触さ
せてイオン交換させることを特徴とする屈折率分布型光
学素子の製造方法である。

本発明において、透明誘電体とは交換可能なイオンを持
つ透明誘電体であり、その材料としては光学ガラス、Ｌ
ｉＮｂｏ３．ＬｉＴａＯ３などの結晶などが用いられる
が一般に種々のガラスが好適に用いられる。この透明誘
電体の表面に接触して存在する光吸収体は交換可能なイ
オンと着色成分とを有し、イオン交換反応はこの部分を
通して行なわれ、透明誘電体に屈折率分布が形成される
。交換可能なイオンとしてはＬｉ”　、Ｎａ”　。

Ｋ＋、Ｒｈ”　、Ｃｓ”　、ＴＩ＋、Ａｇ＋などの１価
の陽イオンが好ましく、溶融塩中の交換可能なイオンを
含めて少なくとも１種の交換可能なイオンが存在する。

光吸収体部分に含まれる交換可能なイオンと透明誘電体
の交換可能なイオンとは同一であっても異なってもかま
わない。

光吸収体は光吸収作用をもちフレア光を減少させる作用
をなすが、着色成分としてＭｎ、Ｃｒ。

Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｂ。

Ｒｕ、Ｃｄ、Ｖ、Ｍｏなどの金属イオンを含んでいるガ
ラスの１種または複数種が用いられる。

本発明方法によれば、光吸収体部分の形状が三次元的に
変化した各種の屈折率分布型光学素子が容易に得られる
。

次に本発明を図を参照しながら説明する。第１．３図は
本発明の実施の１例を示すものであるが、第３図は光吸
収層を有するロッドレンズ、第１図はその製造方法の１
例を示す。

第１図において、ロッド状コアガラス３の外周に交換可
能なイオンと着色成分を有する円筒状光吸収体ガラス４
を配置し、電気炉５で加熱し引張りローラー６で引くこ
とによりコアガラス３と光吸収体ガラス４とを接触融着
一体化させて、２重ガラスロッド７が得られる。この２
種ガラスロッドを適当な長さに切断して交換可能なイオ
ンを含む溶融塩に浸漬し、この２重ガラスロッド中の交
換可能なイオンと溶融塩中の交換可能なイオンとの交換
を行なう。イオン交換後の２重ロッドは、第３図に示す
ように屈折率分布を有する透明コア部８とその周囲に光
吸収体層９を有するロッドレンズとなる。

本発明方法による透明誘電体と光吸収体とを融着一体化
させる工程を経てイオン交換を行ない、製造される屈折
率分布型ロッドレンズは、その屈折率分布と熱膨張係数
の分布がそれぞれ第４図および第５図に示されるような
パターンとなる。

このとき透明誘電体および光吸収体中の交換可能なイオ
ンを含む物質の量あるいは着色成分の量を調節すること
によって、従来ゐ光吸収体塗布方法によって得られる第
１８図のような屈折率分布とは異なり、第４図のように
透明コアの中心から外周に向ってほぼ連続して低下し、
透明コアと光吸収体の界面でほぼ等しくなるような屈折
率分布を有するロッドレンズが得られる。また同時に外
周部光吸収体の熱膨張係数を第５図にみられるように透
明コアと光吸収体との界面のそれより小さくすることが
できる。屈折率と熱膨張係数についてこのような分布パ
ターンを有するロッドレンズは、光学的特性ならびに強
度において従来法によるロッドレンズにくらぺて極めて
すぐれている。

従ってフレアー防止のためのイオン交換後の表面あらし
や吸収体塗布などの工程が不要となる。ざらにロッドレ
ンズの外径は、本発明による透明コアと光吸収体の融着
一体化の工程で一定の精度が保たれるため、レンズアレ
イの製作に際して得に必要とされるロッドレンズの外径
精度が容易に得られる。

本発明方法による透明誘電体と光吸収体とを加熱融着さ
せる工程では、第２図に示すようにそれぞれを二重坩堝
１８で加熱溶融して内側坩堝より透明誘電体８°を、外
側坩堝より交換可能なイオンと着色成分を有する光吸収
体９°を下部ノズルから引き出し、引張りローラー６に
より引いて両者を融着一体化することも可能である。

また透明誘電体ならびに光吸収体の形状によっては、例
えば着色成分を含むガラス粉末をコア部分に吹きさけて
加熱融着させたり、母材ガラスにＡｇ＋イオンあるいは
Ｐｂ＋＋イオンなどを含む誘電体を使用し、表面を水素
還元処理してＡｇあるいはｐｂを析出させて一体となっ
た光吸収層とすることもできる。

第１１．１３．１４図は、本発明方法による交換可能な
イオンと着色成分とを有する光吸収体部分の形状が特殊
な屈折率分布型レンズを示す。

〔実施例〕

以下実施例によりさらに説明する。

（実施例１〕 第１図に示すようにＬｉ２０を２０モル％含む硼珪酸ガ
ラスの直径３０ｍｍのコアガラス３の周囲にＬｉ２０を
２０そル％、着色成分であるＭｎＯを５モル％含む硼珪
酸ガラスの０．７ｍｍ厚さの環状光吸収体ガラス４を配
列固定し、電気炉５中で６５０℃に加熱し、引張ローラ
ー６で延伸することにより、コアガラスと光吸収体ガラ
スが融着一体化し、直径１ｍｍの２重ガラスロッド７が
得られた。このガラスロッドを１ｍの長さに切断し硝酸
ナトリウムの溶融塩に浸漬し、ガラスロット中のＬｉ＋
イオンと溶融塩中のＮａ＋イオンとの交換を行なった。

イオン交換後のガラス口・ンドは、第３図に示すように
屈折率分布を有する透明コア８と光吸収体層９を有する
。イオン交換後のガラスロッドの屈折率分布と熱膨張係
数の分布をそれぞれ第４図および第５図に示す。屈折率
は透明コアと光吸収体の界面で等しく、はぼ連続的に下
り熱膨張係数は透明コア部にくらべ光吸収体部でより小
さくなった。

得られたロッドレンズはフレアーの除去が良好であり、
光吸収体によるかしめ作用により強度が向」ニジた。

〔実施例２〕 第６図に示すように実施例１の方法でつくられた透明コ
ア８と光吸収体層９からなるロッドレンズの外側に、第
１の吸収体ガラスに少量の軟化点を下げる成分を追加し
た組成のガラスである第２の光吸収体層１０を配列して
３重ロッドレンズ１１を実施例１と同様の方法で作成し
た。この３重ロッドレンズを第７図に示すように複数本
配列し第２光吸収体の軟化点附近の温度に加熱と同時に
圧力を加えた。

より軟化点の低い第２光吸収体層１０が軟化し、透明コ
ア８と光吸収体層９からなる２重ガラス間の空隙を充填
し、間隙充填光吸収体１２となり第８図に示すように全
体は一体レンズアレイとなった。このレンズアレイは全
体がガラス質のレンズ集合体として得られ耐久性が著し
く向上した。また車位置ツドレンズの外径精度が揃って
し）るため、得られたレンズアレイの光学特性が良好で
あった。

〔実施例３〕 交換イオンとしてＬｉを有する直径１ｍｍの細い棒状の
光吸収体ガラスを交換イオンとしてＬｉを有する直径３
０ｍｍの透明コアがらすの外周部を６等分する部分に配
置し、実施例１の方法に従って第９図に示されるような
透明コア８の外周部の一部に部分光吸収体１３を有する
ロッドレンズを作製した。このロッドレンズを互いに光
吸収体部で接触するように多数本配列し、接着剤によっ
て固定して第１０図に示されるようなレンズアレイが得
られた。このレンズアレイは、フレアー除去のために特
に有効なロッドレンズ間の接触部分の吸収効果が充填的
に高められ、画像伝送用に好適に用いられる。

〔実施例４〕 第１１図に示すように交換イオンとしてＬｉを有する円
錐状の透明コアガラス部８と交換イオンとしてＬｉを着
色成分としてＣＯおよびＭｎを有する光吸収体１４を、
研削加工により両者を加工し、はめ合せた後、熱融着に
より一体化し、次いでこの光吸収体を通してＮａＮｏ３
溶融塩中でイオン交換を行なって、レンズ部が特殊な円
錐状で外径は取扱いの容易な円柱状ロッドレンズを得た
。このレンズは第４．５図に示されるような屈折率分布
と熱膨張係数分布を有し、光結合用に好適に用いられる
。

〔実施例５〕 第１２図に示すように、実施例１のコアガラスと同様の
組成を持つ平板状の透明ガラス部１５と交換イオンとし
てＬｉ１着色着色上してＣｏを含有するくさび形光吸収
体１６を研削加工して両者を熱融着により一体化し、次
いで光吸収体１６を通してＮａＮｏ３溶融塩中でイオン
交換を行なつた。イオン交換後、第１３図に示すように
透明部の球面を研磨して透過率が部分的に変化するアキ
シアルレンズ１７が得られた。また上記のくさび形光吸
収体１６の変りに第１４図に示すように薄板の扇形光吸
収体１９を透明ガラス部１５に熱融着によって貼付け、
同様にして部分的に透過率の異なるアキシアルレンズを
容易に得ることができた。これらのアキシアルレンズは
光スイツチ用に好適に用いられる。

〔発明の効果〕

本発明により、交換可能なイオンと着色成分とを含む光
吸収体部分と透明誘電体部分とを接触一体化してイオン
交換を行なうことによって、光学特性にすぐれ、強度が
大きく、さらに光吸収体部分の形状が三次元的に異なる
各種の屈折率分布型光学素子を容易に得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の加熱延伸の工程を示す構成図、第２
図は実施例１の変形の２重坩堝断面図、第３図は実施例
１の２重ロッドレンズの断面図、第４図は実施例１のロ
ッドレンズの屈折率分布を示すグラフ、第５図は実施例
１のロッドレンズの熱膨張係数の分布を示すグラフ、第
６図は実施例２の３重ロッドレンズの断面図、第７図は
実施例２の３重ロッドレンズの配列を示す断面図、第８
図は実施例２の一体レンズ集合体の断面図、第９図は実
施例３の光吸収体を有するロッドレンズの断面図、第１
０図は実施例３のロッドレンズの配列を示す断面図、第
１１図は実施例４の円錐状コアロッドレンズの構成図、
第１２図は実施例５のくさび形吸収体を有するガラス体
の構成図、第１３図は実施例５の透過率が部分的に変化
したアキシアルレンズの断面図、第１４図は実施例５の
変形の扇形光吸収体部を有するアキシアルレンズの構成
図、第１５図はイオン交換の原理を示す構成図、第１６
図は従来技術によるロッドレンズの屈折率分布を示すグ
ラフ、第１７図は従来技術によるロッドレンズの熱膨張
係数の分布を示すグラフ、第１８図は従来技術による光
吸収体を塗布したロッドレンズの屈折率分布を示すグラ
フである。 １・・・・・・ガラスロッド、２・・・・・・溶融塩、
３・・・・・・コアガラス、　４・・・・・・光吸収体
ガラス、５−−−−−・電気炉、　　　　６・・・・・
・引張ローラー、７・・・・・・２重ガラスロッド、 ８・・・・・・透明コア、　　９・・・・・・光吸収体
層、１０−・・・・・第２光吸収体層、 １１・・・・・・３重ロッドレンズ、 １２・・・・・・間隙充填光吸収体、 １３・・・・・・部分光吸収体、　　１４・・・・・・
光吸収体、１５−−−−・・透明ガラス部、 １６・・・・・・くさび形光吸収体、 ＋７−−−−−・アキシアルレンズ、１８・・・・・・
２重坩堝、１９・・・・・・扇形光吸収体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン交換法により製造される屈折率分布型光学素
   子において、交換可能なイオンと着色成分とを有する光
   吸収体部分が、屈折率分布を有する透明誘電体部分の表
   面の少なくとも一部に存在することを特徴とする屈折率
   分布型光学素子。 ２、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体部
   分の熱膨張係数が屈折率分布を有する透明誘電体部分の
   境界付近の熱膨張係数と等しいか、より小である特許請
   求の範囲第１項記載の屈折率分布型光学素子。 ３、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体部
   分の屈折率が屈折率分布を有する透明誘電体部分の境界
   付近の屈折率と等しいか、より小である特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の屈折率分布型光学素子。 ４、交換可能なイオンがＬｉ＾＋、Ｎａ＾＋、Ｋ＾＋、
   Ｒｂ＾＋、Ｃｓ＾＋、Ｔｌ＾＋、Ａｇ＾＋などの１価の
   陽イオンのうち少なくとも１つである特許請求の範囲第
   １項ないし第３項記載の屈折率分布型光学素子。 ５、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体部
   分の交換可能なイオンと屈折率分布を有する透明部分の
   交換可能なイオンとが同一である特許請求の範囲第１項
   ないし第４項記載の屈折率分布型光学素子。 ６、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体部
   分の交換可能なイオンと屈折率分布を有する透明部分の
   交換可能なイオンとが異なる特許請求の範囲第１項ない
   し第４項記載の屈折率分布型光学素子。 ７、着色成分がＭｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、 Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｃｄ、Ｖ、Ｍｏ
   のうち少なくとも１種である特許請求の範囲第１項ない
   し第６項記載の屈折率分布型光学素子。 ８、イオン交換法による屈折率分布型光学素子の製造方
   法において、交換可能なイオンを有する透明誘電体の表
   面の少なくとも一部に、交換可能なイオンと着色成分と
   を有する光吸収体部を設け、ついで屈折率分布に寄与す
   るイオンを含む溶融塩に浸漬または接触させてイオン交
   換させることを特徴とする屈折率分布型光学素子の製造
   方法。 ９、交換可能なイオンがＬｉ＾＋、Ｎａ＾＋、Ｋ＾＋、
   Ｒｂ＾＋、Ｃｓ＾＋、Ｔｉ＾＋、Ａｇ＾＋などの１価の
   陽イオンのうち少なくとも１つである特許請求の範囲第
   ８項記載の屈折率分布型光学素子の製造方法。 １０、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体
   部分の交換可能なイオンと屈折率分布を有する透明誘電
   体部分の交換可能なイオンとが同一である特許請求の範
   囲第８項または第９項記載の屈折率分布型光学素子の製
   造方法。 １１、交換可能なイオンと着色成分とを有する光吸収体
   部分の交換可能なイオンと屈折率分布を有する透明誘電
   体部分の交換可能なイオンとが異なる特許請求の範囲第
   ８項または第９項記載の屈折率分布型光学素子の製造方
   法。 １２、着色成分がＭｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ
   、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｃｄ、Ｖ、Ｍｏのうち少な
   くとも１種である特許請求の範囲第８項ないし第１１項
   記載の屈折率分布型光学素子の製造方法。