JPH0485501A - レンズならびにレンズの製造方法 - 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］ 本発明は光通信用または各種センサなどに使用されるレ
ンズに係り、特に球面収差を少なくし、あるいは実質的
な焦点深度を深くでき、しかも安価にて量産が可能なレ
ンズならびにこのレンズの製造方法に関する。

［従来の技術１ 光通信において光ファイバの端面にレーザ光を集光する
ためなどに使用されるレンズとしては、設置後の相互位
置ずれの心配のある組み合わせレンズよりも単レンズを
使用することが好ましい。

そこで例えば第８図に示すような球面の凸レンズ１を使
用した場合、実線で示す内径側を通過した光束と破線で
示す外周側を通過した光束とで結像の位置がＦｌとＦ２
で示すように相違し、第９図に示すように球面収差が大
きいものとなる。このような球面収差の大きいレンズを
光通信装置に使用とすると、例えば光フアイバ内に集光
させる光量が減少し、光の利用効率が悪くなってＳ／Ｎ
比が悪化する問題が生じる。そこで現在の光通信装置で
は球面収差の少ないセルフォックレンズが使用されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、セルフォックレンズは外周方向に徐々に
屈折率が変化する特殊な構造であるため、量産性が悪く
その価格は非常に高いものとなっている。今後の光通信
装置はさらに普及が予測されているが、低価格化を目指
す上でセルフォックレンズの量産性と価格が問題になる
。

現在のところセルフォックレンズに代わるものとしてガ
ラスプレス工程により製作が可能な非球面レンズが着目
されている。この非球面レンズはセルフォックレンズよ
りも安価であり、第８図に示した球面の凸レンズに生じ
る球面収差の補正が可能で、光の利用効率を高めること
ができる。しかしながら、この非球面レンズもその光学
面の成形に高度な技術が必要であり、またプレス用の型
自体も高価であって、低価格化に限界がある。

しかも、非球面レンズはセルフォックレンズよりもさら
に収差が少なく非常に感度の良いものとなっているため
、焦点距離の位置調整の精度を高める必要があり、かえ
って調整作業がやりづらい欠点を有している。この場合
のレンズと光ファイバの端面などとの距離の設定許容度
はレンズの焦点深度に関係している。第１０図はレンズ
の焦点深度を説明しているものであるが、焦点深度が大
きければ大きい程レンズと光ファイバの端面との位置決
めの許容度が大きくなる０通常、焦点深度とは焦点の近
傍でスポット径の変化が１２５倍以下となる光軸方向の
長さを云うが、この焦点深度はレンズの開口数ＮＡのみ
ならず収差によっても変化する。ところが非球面レンズ
では収差がきわめて小さくなるため、焦点深度は主にＮ
Ａにより決まり、 ｄ＝±λ／　（２（ＮＡ）　２）　　　　　　・・・（
１）によって求められる。よって非球面レンズにおいて
焦点深度を深くするためには開口数ＮＡを小さくすれば
良いことになる６レンズの開口数はＮＡ＝ｓｉｎθ＃ａ
／ｆ であるため、第１０図において開口径ａを小さくするか
あるいは焦点距離ｆを長くすれば焦点深度を深くできる
ことになる。ところが開口径ａを小さくすると、半導体
レーザなどの発光源がらの光の補足量が減少し、光通信
における光の利用率が低下してＳ／Ｎの悪化を生じ、ま
た焦点距離ｆを長くすると、光学系の光軸方向の長さが
大きくなり装置が大型化しまた外乱光の問題も生じてく
る。

よって光通信装置において非球面レンズを使用する場合
、収差をある程度残すような光学面の設計を行なえば、
開口径ａをある程度大きくできてしかも焦点深度を深く
することが可能である。しかしながら実際に収差をある
程度残し、しかも焦点深度を深くするような設計は非常
に困難であり、実現性の低いものとなる。

本発明の第１の目的は、セルフォックレンズや非球面レ
ンズよりもさらに安価でしがも収差が少なく、安価な光
通信装置や各種センサなどを構成できるようにしたレン
ズを提供することにある。

本発明の第２の目的は、非球面レンズと同等に収差を少
なくして光の利用効率を高めるとともに、実質的な焦点
深度を深（できるレンズを提供することにある。

さらに本発明の第３の目的は、収差の少ないまた焦点深
度の深いレンズを簡単な工程で低コストにて製造するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によるレンズは、屈折率の異なる材料が光軸を囲
む境界面にて接合されていることを特徴とするものであ
る。

さらに、詳しくは、外周側の材料の屈折率が内周側の材
料の屈折率よりも小さく且つ少なくとも１つの光学面が
凸状の球面または非球面となったレンズである。

さらに本発明は、外周部と内周部とが異なる屈折率の層
となっている材料を加熱しその軸方向に引き伸ばして異
なる屈折率の層が径方向に重ねられた棒材を形成する工
程と、この棒材を所定の長さに切断する工程と、切断さ
れた短棒に光学面を加工する工程とを備えたことを特徴
とするレンズの製造方法である。

［作用］ 上記手段では、光軸を囲む境界にて異なる屈折率の層が
接合されているレンズであるため、この屈折率の相違に
より内周を通過した光束と外周を通過した光束の焦点位
置を調整して従来と異なる光学特性のレンズを得ること
ができるようになる０例えば外周の層の屈折率が内周の
層の屈折率よりも小さい構成にすることにより、球面の
凸レンズであっても球面収差を小さくでき、従来の非球
面レンズに近い光の利用効率のレンズを安価に構成でき
るようになる。また内周と外周の層の屈折率を近いもの
にし非球面を形成することにより収差がなく光の利用効
率が高く、しかも実質的な焦点深度の深いレンズを構成
できるようになる。

さらに第３の手段では、丸棒材を引き伸ばし、切断して
研磨あるいはプレスすることにより前記のような異なる
層が接合されたレンズを容易に安価に製造でき、また量
産も可能になる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を第１図から第７図の図面により説
明する。

第１図は本発明の第１実施例によるレンズの縦断面図、
第２図はその右側から見た正面図である。

第１図に示すレンズ１０は、光軸０を中心とする円筒面
の境界面Ａの内側と外側とが異なる材料（硝材）１０ａ
とｌｏｂとにより構成されている。内側の材料１０ａの
屈折率はｎ、で外側の材料１０ｂの屈折率はｎｌであり
、且つｎ　ｍ　＞　ｎ　ｂの関係である。このレンズ１
０は、入射面Ｂと出射面Ｃが共に球面の両凸レンズであ
る。前記両屈折率ｎ、とｎ５を選択することにより、内
側の材料１０ａ内を透過した光束（実線）の結像位置と
外側の材料１０ｂ内を透過した光束（破線）の結像位置
との差を可能な限り少なくすれば、第４図に示すように
、球面収差の小さい球面レンズを構成できる。ただしこ
の構成では境界面Ａを境にして内側の層と外側の層とで
屈折率が相違しているため、レンズ１０内にてこの境界
面Ａに入射する光が反射され、レンズ内にて乱反射する
光成分が生じる問題がある。しかしながら、入射面Ｂと
出射面Ｃの球面形状ならびに境界面Ａの直径などを適宜
に選択した設計を行なうことにより、第３図に示すよう
に、境界面Ａを通過する光Ｌ０を境界面Ａに沿う方向に
でき、またその上下の光り、とＬ２がなるべく境界面Ａ
に入射しないようにすることが可能である。

この構成のレンズｌＯは球面収差が小さいため、光通信
装置に使用した場合に、光の利用効率がよくほぼ非球面
レンズと同等の性能を発揮できる。しかも入射面Ｂと出
射面Ｃが球面であるため、非球面レンズよりも安価に製
造できる。

第５図は本発明の第２実施例を示している。

この実施例のレンズ２０では、内側の材料２０ａの屈折
率ｎＡと外側の材料２０ｂの屈折率ＤＩ＋とがきわめて
近い値であり且つｎ　ａ　＞　ｎ　ｍの関係になってい
る。この屈折率の近い材料としては１例えば内側の材料
２０ａが硝材ＢＫ７で外側の材料２０ｂが硝材に５の組
み合わせである。そして入射面りと出射面Ｅは共に非球
面となっている。ここで前述の（１１式から内側の材料
２Ｏａ内を透過する光束は開口数ＮＡが小さいために焦
点深度２ｄ、は深く、外側の材料２Ｏｂ内を透過する光
束は開口数ＮＡが大きいため焦点深度２ｄ２は浅くなる
。ここで開口数と焦点に集光されたスポットの径Φとの
関係は、 Φ＝１．２２ｘん／ＮＡ である。よって内側の材料２０ａを透過した光束のスポ
ット径Φ、は大きく、外側の材料２０ｂを透過した光束
のスポット径Φ２は小さくなる。

よってこの２種の透過光の組み合わせにより、ある程度
の光量を確保できるスポットが形成される深さ２ｄ０を
大きくできる。よって第５図に示すレンズの全体が同じ
材料により構成されている場合の非球面レンズの焦点深
度２ｄｚよりも実質的に焦点深度の深いレンズ、すなわ
ち光通信装置用などにおいて光ファイバの端面に対する
位置合せの許容度の大きいレンズを構成できるようにな
る。また２つの材料ｎＡとｎ、の差を小さくしておくこ
とにより、従来の非球面レンズの設計ブロダラムあるい
はプレス型をそのまま使用して球面収差の小さい、光の
利用効率のよいレンズを構成できるようになる。

第６図は本発明の第３実施例を示している。

この実施例は凹レンズである。この凹レンズ３０におい
ても内側の材料３０ａと外側の材料３０ｂの屈折率が相
違している。この凹レンズにおいても材料３０ａと３０
ｂとで屈折率を変えてお（ことにより収差を少なくでき
る。この収差を少なくした凹レンズは、例えば光ピツク
アップの受光部に使用することが可能である。

第７図（Ａｌ　、　（Ｂｌ　、　（Ｃ）は上記レンズの
製造方法を示している。

まず第７図（Ａｌ　に示すように、屈折率ｎ、とｎ、の
相違する材料を組み合わゼたベレット状の硝材４０を使
用し、これを加熱してその端部から引き伸ばして所定の
太さの丸棒４０ａを作成するにの引き伸ばし作業では硝
材４０から上方へ引き出すよりも下方へ引き出す方が、
径の大きい丸棒を安定して引き出すことができる１次に
第７図＋８＋に示すように、丸棒４０ａに所定のピッチ
で傷４１を付け、この傷４１の下側を支えて上方から油
圧などにより圧力をかけ、短寸法の材料４２を切り出す
。次にこの材料４２を研磨しあるいは加熱プレスするこ
となどにより第７図（Ｃ）に示すレンズの成形を完了す
る。

なお図の実施例では、屈折率の相違する材料が半径方向
に２層の構造になっているが、３層またはそれ以上にし
て徐々に屈折率が異なるような組み合わせにすることも
可能である。

［効果］ 以上のように本発明によれば、球面収差の少ない球面レ
ンズあるいは実質的な焦点深度の深い非球面レンズなど
を簡単に且つ低コストにて製作できるようになる。また
本発明の製造方法によりこのレンズを量産することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による球面凸レンズを示す
断面図、第２図はこれを右方向から見た正面図、第３図
は光の透過状態を示す断面図、第４図は第１実施例によ
るレンズの球面収差を示す線図、第５図は本発明の第２
実施例による非球面凸レンズを示す断面図、第６図は本
発明の第３実施例による凹レンズを示す断面図、第７図
（Ａ）。 （Ｂｌ　、　（Ｃ）は本発明によるレンズ製造方法の工
程説明図、第８図は従来の球面凸レンズを示す側面図、
第９図はその球面収差を示す線図、第１Ｏ図は従来の凸
レンズにおける焦点深度を示す側面図である。 １０．２０．３０・・・レンズ、１０ａ、２０ａ。 ３０　ａ−内側の材料、１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ・・・
外側の材料、Ａ・・・境界面。 第１図 第２図 第３ 図 第４ 図 第７図 （Ｂ） 第６図 第９ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、屈折率の異なる材料が光軸を囲む境界面にて接合さ
   れていることを特徴とするレンズ ２、外周側の材料の屈折率が内周側の材料の屈折率より
   も小さく且つ少なくとも１つの光学面が凸状の球面また
   は非球面である請求項１記載のレンズ ３、外周部と内周部とが異なる屈折率の層となっている
   材料を加熱しその軸方向に引き伸ばして異なる屈折率の
   層が径方向に重ねられた棒材を形成する工程と、この棒
   材を所定の長さに切断する工程と、切断された短棒に光
   学面を加工する工程とからなることを特徴とするレンズ
   の製造方法