JPH0442641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は透明基板内に形成された好ましくは多
数の屈折率分布型レンズ部分を具備するレンズに
関するものである。

立体写真の撮影や複写機用レンズあるいは光メ
モリ用レンズとしてレンズ集合体が使用されてお
り、最近では、マトリツクス状あるいはアレイ状
に配置された微小光源が発するビームを集束する
手段としてもレンズ集合体が使用されている。

このようなレンズ集合体の一例として、中心軸
に対して垂直な断面に於いてその中心軸からの距
離の２乗に比例して減少する屈折率分布を有する
集束性光伝送体を単位レンズ系として束ねる構造
のものがある（特公昭47−12820号「集束性光伝
送体を含む複眼レンズ」）。

しかしながら、この構造のものは、個々のレン
ズ素子の形成に球面加工の工程を要しないという
点ではすぐれているが、必要な精度で以つて多数
のレンズをその軸心をそろえて束ねかつこの束ね
た状態を保持するのに、多数の工程を必要とする
ことなどの問題点がある。

又、半導体レーザアレイ等を光源に用いるとき
には、半導体から放射されるビームの放射角が劈
開面に垂直な方向と平行な方向とでは異なり、普
通は楕円状の放射角を有する。このようなビーム
を集束する光学レンズ系としては、点対称な屈折
率分布を有するものが必ずしも最適とは言えな
い。

本発明は上述の如き問題点を解決するために発
明されたものであつて、IC製作工程などで用い
られるフオトリソグラフイーの技術を用いること
ができ、このため多数の屈折率分布型レンズ部分
を備えたレンズ体を必要とする場合でも、既述の
特公昭47−12820号公報に開示れている従来技術
のように個々のレンズを束ねる工程を必要とせ
ず、更にビームの中心軸に垂直な面において楕円
状の放射角を有する光源系にも使用可能な屈折率
分布型レンズ体を提供するものである。

以下本発明の実施例を図面に付き説明する。

まず本発明による屈折率分布型レンズ体及びそ
の製造方法の原理を第１図及び第２図に付き説明
すると、第１図に於いて、ガラスあるいは合成樹
脂等の誘電体からなる透明基板１上には、拡散源
の透過を阻止するマスク層２が形成されており、
マスク層２にはスリツト状の開口部３が透明基板
１の全巾に亘つて延びるように形成されている。
このスリツト状開口部３を通して、拡散源を透明
基板１中に拡散させると、第２Ａ図に示すよう
に、所定の屈折率分布を有する埋め込み型の長細
い半円柱状レンズ部分４を透明基板１中に具備し
たレンズ体５が作成される。第２Ｂ図は、上記レ
ンズ部分４の中心線６を含むzy面での屈折率分
布を示している。第２Ｂ図から明らかなように、
この屈折率分布は透明基板表面１ａから基板の厚
み方向に向かつて連続的に減少又は増加し、透明
基板表面１ａからｈの深さのところで元も透明基
板１と同一の屈折率となる。このｈは上記半円柱
形状の半径と一致し、上述の屈折率分布は、レン
ズ４の中心線６を含む総ての面についても成り立
つている。なおｙ軸方向には屈折率は変化するこ
とはない。

透明基板１中に拡散源を拡散させて所定の屈折
率分布を得るための方法としては次の２通りが考
えられる。その一つの方法は、ガラス修飾酸化物
を構成する第１のイオンを含むガラス板にて構成
された透明基板１中に、このガラス板の屈折率の
変化（即ち、増加又は減少）に寄与する度合が上
記第１のイオンの場合よりも大きいガラス修飾酸
化物を構成し得る第２のイオンを交換拡散させる
ことにより、この第２のイオンを上記第１のイオ
ンと置換させるか、或は電界をかけながらイオン
拡散させる方法である。もう一つの方法は、透明
な重合体からなる合成樹脂にて構成された透明基
板１中に、こん重合体と共重合することによりそ
の屈折率を変化（即ち、増加又は減少）させるモ
ノマーを拡散移動させ、次いで上述の共重合を行
わせる方法である。

以上の２つの方法は拡散源を透明基板中に拡散
させる方法であるが、透明基板１中に所定の屈折
率分布を得るための別のもう一つの方法は、CO₂
レーザなどを用いることにより、円柱体をその中
心線を含む平面で二分割した半円柱形状を有する
凹部をガラス板などから構成された透明基板の表
面に形成し、石英系の光フアイバ等の場合に利用
されている非等温プラズマCVD法により、屈折
率を連続的に変化（即ち、増加又は減少）させる
ようにドーパントの量を変化させながらガラス質
層を前記透明基板に沈着させて前記凹部を埋める
ようにこの透明基板を被覆し、その後この被覆さ
れた透明基板が元の厚さ又はそれより小さい厚さ
まで減少するようにこの透明基板を上記被覆層側
からカツトする方法である。

本発明によるレンズ体においては、多数の屈折
率分布型レンズ部分をアレイ状に配置するのが好
適であり、第３図はその例を示している。第３図
に於いて、個々の半円柱状レンズ部分４は、第２
Ａ図に示す半円柱状レンズ部分と実質的に同一の
構成であり、これらの半円柱状レンズ部分４が互
いに平行になるように共通の透明基板１内に形成
されている。第３図に示す上述のようなレンズ集
合体５の場合には、半円柱状レンズ部分４の間隔
を任意に設定可能であり、かつ高精度に選定可能
である。

第４図に示すように、第３図に示したレンズ集
合体の一対を互いに光軸を直交させて重ね合わせ
ると、一対のレンズ集合体５，５′の半円柱状レ
ンズ部分４，４′の交点にそれぞれ通常の凸レン
ズが存在しているのと実質的に同様な機能を有す
ることになるので、例えば平行光を多数の微小ス
ポツトに絞ることが可能となる。又、上記交点に
対応したマトリツクス状の微小光源を配置した場
合にも、上述の場合と同様に、マトリツクス状の
微小スポツトを得ることができる。更に、第４図
に示す半円柱状レンズ部分４，４′の開口数NA
を別々の値に設定しておけば、前述した半導体レ
ーザのように楕円状の放射角を有する光源からの
光線をほぼ円形の平行光に集束可能であるなど、
既述の特公昭47−12820号の場合のように単位レ
ンズ系を束ねる構造のものに較べて、優れた特徴
を有している。

第４図に示した例は、２枚の透明基板１，１′
に別別に半円柱状レンズ部分４，４′を作成して
重ね合わせた場合であるが、第５図に示すよう
に、一枚の透明基板１の上面及び下面に半円柱状
レンズ部分４，４′をそれぞれ形成し、これらの
レンズ部分４，４′が互いに直交するように構成
することも可能である。

次に本発明による屈折率分布型レンズ体及びそ
の製造方法の具体例を説明する。

具体例 １ BK7と通称されている光学ガラス（SiO₂68.9重
量％、B₂O₃10.1重量％、Na₂Ｏ 8.8重量％、K₂
O8.4重量％、BaO2.8重量％）から成りかつ50mm
×50mm×５mmの大きさを有する両面を研磨したガ
ラス平板を透明基板として準備した。

次に第６図に示すように、このガラス基板１の
片面全面に厚さ1μmのTi膜をスパツタリングで
形成した後、フオトリソグラフイーの技術を用い
て、巾100μm長さ45mmのスリツト状の開口部３を
ピツチ1.5mm間隔で形成した。その後、Tl₂SO₄30
モル％、ZnSO₄40％モル％。K₂SO₄30モル％の混
塩を600℃に加熱溶解して溶融塩中に上記透明基
板を浸漬し、上記開口部を通して上記溶融塩中の
イオンとガラス中のイオンとを交換させる処理を
40時間行つた。次いでこの透明基板を溶融塩中か
ら取り出して徐冷しながら常温迄戻し、次いでそ
の表面を研磨してマスク２を除去することによつ
て、第３図に示すような屈折率分布型レンズ集合
体を得た。第６図に於いて、w1は開口部の巾を
示すが、これは上記の通り100μmである。w₂及
びｈはTlイオンの浸入により形成された半円柱
状レンズの巾及び深さを示し、w2は約500μm、
ｈは約450μmという結果を得た。

上記のようにして製作したレンズ集合体に、そ
の前面からヘリウム・ネオンレーザ光をビームエ
キスパンダーで30mmφの平行光線として入射させ
た処、焦点（焦点距離約10mm）に於いて上記入射
光を間隔1.5mm、巾10μmのスリツト状に集束させ
ることができた。

具体例 ２ SiO₂64重量％、B₂O₃９重量％、Na₂011.4重量
％、K₂O4.2重量％、Al₂O₃4.2重量％、MgO7.1重
量％から成りかつ50mm×50mm×５mmの大きさを有
するガラス平板を透明基板として準備した。

既述の具体例１と同様なマスキング処理を施
し、550℃に加熱した同じ溶融塩を用い、Ti膜側
を陽極、Ti膜と反対の面を陰極にして直流電界
をかけながら６時間のイオン拡散処理を行い、徐
冷処理を施した後、Ti膜を除去した。

このようにして製作した半円柱状レンズ集合体
の基板２枚を光軸を直交させて第４図のように重
ね合わせた。その前面かヘリウム・ネオンレーザ
光をビームエキスパンダーで30mmφの平行光線と
して入射させた処、焦点位置に於いて上記入射光
を間隔1.5mm、直径10μmのスポツト状に集束させ
ることができた。

具体例 ３ 過酸化ベンゾイルを３％加えたアリルジグライ
トコールカーボネート（通称：CR−39）を80℃
にて35分間加熱して半重合させることにより、50
mm×50mm×３mmの大きさの透明基板を得た。上記
CR−30の屈折率は1.504であつた。

上記透明基板の表面に、厚さ１mm、巾１mm、長
さ50mmのポリエチレンのマスクを３mmの間隔で平
行に付着した後、屈折率1.5775で80℃の安息香酸
ビニル（VB）のモノマー中に上記透明基板を浸
漬して、上記マスク以外の表面から上記モノマー
をこの透明基板内に60分間拡散移動させて共重合
させた。次いでこの透明基板を80℃で数時間熱処
理してからその表面を研磨することによつて、第
３図に示すようなレンズ集合体を得た。

なお上述の具体例１〜３において、交換拡散又
は拡散移動の処理に先立つて、透明基板の側縁全
体及び裏面全体に、必要に応じて上述のマスクと
同様のマスクが形成されてよい。

具体例 ４ 30mm×30mm×１mmの石英ガラス基板を準備し、
CO₂レーザを用いて、上記ガラス基板表面に断面
形状が半円（半径50μm）で長さ30mmの凹部を
150μm間隔に平行に形成した。

次いで上記基板を電気炉内に設置された反応管
中に置いた。前記電気炉は、その内部でマイクロ
波共振子が反応管に沿つて往復運動できる構造を
有するものであつた。前記反応管中にSiH₄を
10sccm（スタンダード・キユービツク・センチメ
ートル・パーミニツト）の割合で流し、NH₃を
０から30sccmまで漸時増加させ、又NO₂を
50sccmから０に漸次減少させて、前記基板上に
ガラス質層を凹部が埋まるように沈着させた。な
お、この期間中、前記基板を約300℃に保ち、マ
イクロ波共振子に2.45GH_Zの周波数を送り、反応
管中でプラズマを発生させた。このようにして前
記石英基板上にSi₃N₄とSiO₂のガラス質層を形成
させたものを反応容器から取り出し、元の石英元
板の厚さまで沈着ガラス質層を研磨することによ
り、第３図に示すようなレンズ集合体を得た。

以上本発明を実施例及び具体例に付き説明した
が、本発明はこれらの実施例及び具体例に限定さ
れるものではなく、本発明の技術的思想に基いて
各種の変更が可能である。

例えば、マスク２上に形成されるスリツト状の
開口部３は、第１図に示すように、透明基板１の
一方の縁端から他方の縁端までその全巾に亘つて
続いている形状の外に、第７図に示すようにその
全周をマスク層２で囲まれた窓のような形状を有
していてもよい。この場合でも、窓状の開口部３
に対応して、屈折率分布型レンズ集合体が作成さ
れる。

本発明は上述のような構成であるから、比較的
簡単な製造工程によつて大量生産し得るにもかゝ
わらず、用途に応じてスリツト状に光を集束させ
たり、マトリツクス状に光を集束させたり、或は
その逆にしたりすることが可能であり、またビー
ムの中心軸に垂直な面において楕円状の放射角を
有する光源系に使用するのにも好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による屈折率分布型レンズ体の
製造方法を説明するための製造途中のレンズ体の
斜視図、第２Ａ図は第１図に示す方法によつて製
造されたレンズ体の斜視図、第２Ｂ図は第２Ａ図
に示すレンズ体の屈折率分布を示すグラフ、第３
図は本発明による屈折率分布型レンズ体の別の例
を示す斜視図、第４図は第３図に示す屈折率分布
型レンズ体を２枚組み合せた使用例を示すレンズ
体の斜視図、第５図は屈折率分布型レンズ体の更
に別の例を示す斜視図、第６図は第３図に示す屈
折率分布型レンズ体の製造工程を示す製造途中の
レンズ体の断面図、第７図は本発明によるレンズ
体の製造方法に於けるマスキングの他の例を示す
レンズ体の斜視図である。 なお図面に用いられている符号に於いて、１，
１′……透明基板、２……マスク層、３……開口
部、４，４′……半円柱状レンズ部分、５，５′…
…レンズ体、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 透明基板の厚み方向とほぼ直交して延びてい
   るほぼ半円柱形状の屈折率分布型レンズ部分を上
   記透明基板内に具備し、上記半円柱形状部分の長
   方形状平坦面が上記透明基板の表面に臨むように
   構成され、上記屈折率分布型レンズ部分が上記半
   円柱形状部分をその一半とする仮想円柱体の軸心
   からこの軸心とは直交する方向に遠ざかるにつれ
   て次第に変化しかつ上記軸心に平行な方向におい
   ては実質的に変化しない屈折率分布を備えている
   ことを特徴とする屈折率分布型レンズ体。