(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面形状が円柱状もしくは多角柱状であり、円筒面をなす内周部が上記円筒面の軸方向へ段差をなすことにより、内周径：ａの部分と内周径：ｂ（＜ａ）の部分とを有し、内周径：ｂを持つ部分の軸が外周面形状の対称軸と合致するセルに、
直径：ｒがｂ＜ｒ＜ａである球形状の透明な光学材料が挿入され、光学材料の球面を上記内周径：ｂの部分の段差部に位置決めすることにより光学材料の中心と上記対称軸とを合致させた状態で、上記セルに固定されてなるセル付きボールレンズのセル内に固化性の粘性流体を入れ、
セルの対称軸の回りに回転させることによりボールレンズ上に所定の参照面形状を形成した状態で固化させ、
上記参照面形状を出発形状として、物理的エッチングを行い、光学設計から得られた球面形状または非球面形状を形成することを特徴とするセル付きレンズの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のセル付きレンズの製造方法において、
球形状の透明な光学材料とセルを、低融点ガラスで固定することを特徴とするセル付きレンズの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載のセル付きレンズの製造方法において、
セルの表面部に、ボールレンズと熱膨張係数の近い表面層を形成することを特徴とするセル付きレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、セル付きレンズの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信等に関連して知られるセル付きボールレンズやセル付きレンズ、即ちボールレンズやレンズをセルと一体化した光学素子は、ＬＤ等の発光素子から放射された光をコリメートしたり、光ファイバ−端面に集光したりするのに用いられている。
【０００３】
しかし、従来のセル付きボールレンズやセル付きレンズでは、ボールレンズやレンズの光軸とセルの軸とが必ずしも一致していないので、光源や光ファイバーに対してボールレンズやレンズの光軸を合わせる作業が面倒で時間がかかるという問題があった。
【０００４】
また従来のセル付きボールレンズは、金属性の中空シリンダ状セルに球レンズを圧入して製造されていた。この場合、圧入の圧力が高いほどセルに対するレンズの固定は強固に行われるが、十分な固定のためには圧入の圧力として、３〜５ｋｇ／ｃｍ2程度を必要とし、このためボールレンズはこのような圧力に耐え得る物理的強度をもった材料に制限され、上記圧力に耐えることが出来ないガラス材料（たとえば、ＳＦ６０，ＳＦＳ１は圧入するとガラスが割れる）では事実上セルに圧入したボールレンズは製作出来なかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、レンズ材料に対する物理的強度の制限が無く、しかも光軸合わせが容易である新規なセル付きレンズの製造を可能ならしめることを課題とする。
【０００６】
即ち、セル付きレンズの製造方法の提供を課題とする（請求項１〜３）。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の「セル付きボールレンズ」は、ボールレンズ即ち「球形状の透明な光学材料」をセルと一体化したものである。
【０００８】
「ボールレンズ」は正の屈折力を持つレンズとして作用し、光の集光や平行光束化に使用される。
【０００９】
「セル」は、外周面形状が円柱状もしくは多角柱状であり、円筒面をなす内周部が上記円筒面の軸方向へ段差をなすことにより、内周径：ａの部分と内周径：ｂ（＜ａ）の部分とを有し、内周径：ｂを持つ部分の軸が外周面形状の対称軸と合致する。
【００１０】
即ち、セルの内周部は円筒面になっており、内周径がａである部分を軸方向の一方の向きに辿ると、内周面に形成された段差により、内周径がｂである部分に移行する。従って、内周径：ａの側から覗いて上記段差の部分を見ると、この段差の部分は「直径：ｂの円形開口」になっている。
【００１１】
セルの外周面形状は円柱面もしくは多角柱（３角柱、４角柱、６角柱等）であり、回転対称形であり、その対称軸が前記内周面側における「内周径：ｂの部分の軸（上記「直径：ｂの円形開口」の中心を通る軸）と正確に合致しているのである。
【００１２】
セルの材料としては、ガラスや金属等を適宜利用できる。
【００１３】
「ボールレンズ」は、直径：ｒがｂ＜ｒ＜ａである球形状の透明な光学材料であり、セル内に挿入され、ボールレンズの球面をセル内周部の内周径：ｂの部分の段差部に位置決めされることによりボールレンズの中心とセルの対称軸とが合致させる。
【００１４】
ボールレンズは、この状態においてセルに固定される。
【００１５】
上記セル付きボールレンズのボールレンズに対し、光学設計から得られた球面形状または非球面形状を一方または両方の面に加工することもできる。
【００１６】
上記セルにボールレンズを挿入し、ボールレンズの球面をセルの内周径：ｂの部分の段差部に位置決めすることによりボールレンズの中心とセルの対称軸とを合致させてセルに固定する。
【００１７】
請求項１記載の「セル付きレンズの製造方法」は、上記セル付きレンズを製造する方法であって、上記セル付きボールレンズにおけるセル内に「固化性の粘性流体」を入れ、セルの対称軸の回りに回転させることによりボールレンズ上に所定の参照面形状を形成した状態で固化させ、上記参照面形状を出発形状として、物理的エッチングを行い、光学設計から得られた球面形状または非球面形状を形成することを特徴とする。
【００１８】
勿論、光学設計から得られた球面形状または非球面形状を形成することは、ボールレンズの入射面側および／または射出面側に対して行うことができる。
【００１９】
「物理的なドライエッチング」としては、ＥＣＲ，ＲＩＥ，反応性イオンエッチング等を利用することができる。
【００２０】
上記の如く、セル付きレンズおよびセル付きボールレンズは、その製造の途上において（請求項１）、ボールレンズがセルの内周面側に固定される。この固定の方法としては、例えば、固定リングにような物理的な手段を利用することもできるし、接着剤のような化学的な手段を利用することもできる。
【００２１】
上記固定の方法として好適な方法は「球形状の透明な光学材料（ボールレンズ）とセルを、低融点ガラスで固定する」ことである（請求項２）。
【００２２】
「低融点ガラス」は、通常の光学ガラスに比べてその融点が低いガラス材料であり、通常３５０〜４００℃のガラス転移点を有し、４００〜４５０℃温度で溶けて自由形状をとることが可能となる。
【００２３】
なお、請求項１記載の製造方法を実施する場合、ボールレンズがセル内に完全に挿入され、セルの端部（少なくとも、固化性の粘性流体を入れる側の端部）からボールレンズの球面が外に出ないようにすることが好ましい。
【００２４】
【作用】
上記のように、セル付きボールレンズやセル付きレンズでは、セル内に挿入されるボールレンズ（透明な球場の光学材料）の直径：ｒは、セルの内周径：ａよりも小さく、内周径：ｂよりも大きい。
【００２５】
従って、ボールレンズは、内周径：ａを持つ側から挿入すれば、何等の圧力なしに挿入することができる。
【００２６】
セル内周面の内周径：ｂを持つ部分と内周径：ａを持つ部分との段差部分は、上記のように「直径：ｂの円形開口」になっており、セルの外周面形状の回転対称形軸が上記直径：ｂの円形開口の中心を通る軸と正確に位置しているので、挿入したボールレンズの球面形状が上記直径：ｂの円形開口に嵌まり込んだ状態では、自ずからボールレンズの光軸がセル外周面の対称軸と合致することになり、ボールレンズはこの状態でセルに固定される。
【００２７】
このように形成されたセル付きボールレンズに対して請求項１記載の方法によりレンズ面加工を行うことにより、加工されるレンズ面の光軸をセル外周面の対称軸に合致させることができる。
【００２８】
【実施例】
図１は、セル付きボールレンズの１例を示している。
【００２９】
セル１０１は外周面形状が円柱状であって、図示の如き縦断面形状（外周面形状をなす円柱面の対称軸を含む平面による断面形状）を有する。円筒面をなす内周部は円筒面の軸方向（図の上下方向）へ段差をなすことにより、内周径：ａの部分と内周径：ｂ（＜ａ）の部分とを有しており、内周径：ｂを持つ部分の軸が外周面形状の対称軸（円柱面の中心軸）と合致する。
【００３０】
ボールレンズ１００は直径：ｒがｂ＜ｒ＜ａである球形状の透明な光学材料であり、セル１０１の、図出上方の開口端部から落し込まれて挿入され、その球面が内周径：ｂの部分の段差部に嵌まり込んで位置決めされ、この状態でセル１０１に固定手段である低融点ガラス１０２で固定される。
【００３１】
内周径：ｂの部分の段差部はその中心が、セル外周の円柱面の軸位置に合致しているから、ボールレンズ１００の光軸は自ずと、セル外周面の中心軸と合致することになる。
【００３２】
従って、セル１０１の外周の円柱面形状を基準としてボールレンズ１００の光軸合わせを行う（セル１０１の外周面の中心軸を光軸のあるべき位置に一致させる）ことができる。
【００３３】
なお、セル１０１の図の上側の端部は、ボールレンズ１００の図の上側の頂点よりも距離ｄだけ高くなっている。
図２は、セル付きレンズの１例を示す。煩雑を避けるため混同の慮がないと思われるものについては、図１におけると同一の符号を用いた。ボールレンズ１００の両面に「光学設計から得られた球面形状１０４と非球面形状１０５が加工されている。
【００３４】
これら加工面は、その中心がボールレンズ１００の光軸と合致するように加工されるので、レンズとしての光軸はセル１０１外周面の中心軸と合致し、セル１０１の外周の円柱面形状を基準としてレンズの光軸合わせを行うことができる。
【００３５】
図３は、図１のセル付きボールレンズを製造する例を示す図である。
【００３６】
図３（ａ）は、セル１０１にボールレンズ１００を落し込みにより挿入し、位置決めした状態を示している。この図に於いて符号３０２はド−ナツ形状（この例で断面は円形であるが、一般には長方形形状等、円形状以外の形状が多い）に形成された低融点ガラス（フリットガラス：ＰｂＯ・Ｂ2Ｏ3系低融点粉末ガラスの成形品で、ガラス転移温度＝２７０〜５３０℃，軟化温度＝３３０〜７００℃，封着温度＝４１５〜８００℃の物性を有する）を示している。このフリットガラスは、成形品であるので「バラツキ」少なく製作出来る。
【００３７】
図３（ｂ）には、上記ドーナツ状の低融点ガラス３０２をボールレンズ１００上に乗せた状態を示している。この状態で、４５０℃の加熱炉で加熱すると、低融点ガラス３０２は溶解し、流動してセル１０１とボールレンズ１００の間に入り込んで図３（ｃ）の状態になる。
【００３８】
その後、常温まで冷却すると図３（ｃ）の状態が物理的に固定され、セル１０１とボールレンズ１００が固定されて、所望の「セル付きボールレンズ」が得られる。なお、低融点ガラス３０２の表面は、表面張力と重力によって凹形状に固化している。低融点ガラス３０２の表面は滑らかで、重量のバラツキが少ないため再現性良く形状が出来上がる。
【００３９】
図４は請求項１記載の発明の製造方法の１実施例を説明するための図である。
【００４０】
この実施例は、図２のセル付きボールレンズを製造する例である。
【００４１】
図３（ｃ）のように製造されたセル付きボールレンズにおけるボールレンズ１００の、図で上側に向いた面に固化性の粘性流体を塗布（セル内に入れ）する。
【００４２】
この状態で、スピナ−により「セルの対称軸の回り」に回転させると、ボールレンズ１００上に所定の参照面形状が形成される。図４（ａ）は、この状態で粘性流体３０４を固化した状態を示している。
【００４３】
この状態から物理的エッチング（例えば、ＥＣＲエッチングやＲＩＥエッチング）を行うと、図４（ｂ）に示すように所望の非球面形状３０５が形成される。同様にして、他方の面に球面３０６を形成した状態を図４（ｃ）に示す。
【００４４】
物理的エッチングの際、選択比を時間的に制御すると、参照面形状に応じた所望の非球面形状３０５を加工できる。
【００４５】
物理的エッチングの際に、固化した粘性流体とボールレンズに対するエッチングの選択比を１としてエッチングすると、固化した粘性流体表面の参照面形状がそのまま転写されるので、参照面形状を球面３０６と同形状に形成すれば、ボールレンズ１００の最初の球形状とは異なる曲率の球面３０５が得られる。
なお、スピナーによる粘性流体３０４の塗布の際、接着剤の塗布量が多い場合は、スピナ−で回転させるとセル１０１の上側端部から余分な粘性流体がオ−バ−フロ−（飛散）するが、参照面形状を形成するために必要な粘性流体は表面張力でボールレンズ１００の表面に残る。
【００４６】
この実施例では、図４（ａ）に示すように、ボールレンズ１００の頂部はセル１０１の上側端部よりもセル内に入り込んでおり、また、セル１０１の内周径：ａの内周面とボールレンズ１００の間に隙間があるため、粘性流体３０４の飛散量のバラツキが少なくなり、重力と表面張力の物理力によって十分な再現性の取れる参照面形状が得られる。
【００４７】
ところで、図３（ｂ）に示す状態から、ボールレンズ１００とセル１０１と低融点ガラス３０２とを加熱炉で加熱後、常温まで冷却すると、セル１０１とボールレンズ１００の熱膨張係数の違いによって、ボールレンズ１００或いは低融点ガラス３０２に「クラック」が生じることがある。
【００４８】
これを防ぐには、ボールレンズ１００とセル１０１として熱膨張係数の近い材料を選択することが重要である（通常、低融点ガラスを用いて金属材料とガラスを固定する場合には低融点ガラスが溶解する温度から常温の範囲の熱膨張を考慮して、線膨張係数の近い材料を選択する）。
【００４９】
セル１０１として、ボールレンズ１００と熱膨張係数の近いものを選択できない場合には、図５に示すように、セル１０１の表面部に、ボールレンズ１００と熱膨張係数の近い表面層１１０を形成するのが良い（請求項３）。
【００５０】
この表面層１１０の形成は、例えば、セル１０１の表面部に異種イオンを物理的に打ち込む「イオン注入法」や、セル１０１の表面に金属膜を蒸着する「金属膜蒸着法」が有効である。
【００５１】
以下、具体例を説明する。
【００５２】
以下に説明する具体例１，２は何れも、セル付きレンズの具体例であり、光通信用のカプラーレンズ（ＬＤ光源からの光束を光ファイバーの入射端面のコア部に集光させるレンズ）として使用される。
【００５３】
具体例１，２に共通のセルは図１に即して説明した「外周面が円柱面形状のもの」であって、図１に示す寸法は、ａ：２．８５ｍｍφ，ｂ：１．６０ｍｍφであり、セル１０１の軸方向（図１の上下方向）において、内周径：ａの部分の長さ：１．７４ｍｍ、内周径：ｂの部分の長さ：０．６５ｍｍである。
【００５４】
このようなセルをＳＵＳ３１６材料（熱膨張係数：１６７×１０~7／℃）を用いて製作し、その表面の熱膨張係数を調整するため前述の「イオン注入法」によりセル表面を解質した（図５参照）。
【００５５】
具体例１
セルに保持させる「光通信用カプラ−レンズ」として、以下の如きものを設計した。
【００５６】
結合効率：５８％、第１面（光源側）：球面（曲率半径：１．０ｍｍ，光線有効径：０．４８ｍｍφ）、第２面（光ファイバー側）：非球面（光線有効径：１．１０ｍｍφ）、材料：ＳＦ６０（波長：１．３μｍの光に対する屈折率：１．７６８１７，熱膨張係数：１０８×１０~7／Ｋ）。
【００５７】
上記第２面の非球面形状は、周知の非球面式：
0003699739.tif 000002
Ｒ：曲率半径
Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ：非球面定数（Ａは４次、Ｂは６次、Ｃは８次の項）
Ｚ：レンズ頂点からの距離
において、
Ｒ＝−１．００ｍｍ
Ｋ＝−０．１０７１１６６×１０1
Ａ＝  ０．４８１８６８  ×１０~2
Ｂ＝−０．３０８７５９４×１０~1
Ｃ＝  ０．３８２１５７５
とした形状である。
【００５８】
この非球面は、円錐定数：Ｋが−１より小さいから「双曲面」を基本とし、形状のタイプとしては「光軸近傍で曲率が大きく（曲率半径が小さく）、光軸を離れるに従い曲率が小さく（曲率半径が大きく）なる」形状である。
【００５９】
このようなセルの内周径の大きい側の端部から、ＳＦ６０による直径：２ｍｍφのボールレンズを落とし込みにより挿入し（図３（ａ）の状態）、図３（ｂ）に示すようにドーナツ状の低融点ガラスを被らせ、加熱炉中で約４５０℃に加熱して低融点ガラスを溶解させてセル（表面を改質したＳＵＳ３１６）とボールレンズを接合して図３（ｃ）の如き状態を得た。
【００６０】
図３（ｃ）に示すように、ボールレンズの、第２面を形成すべき側を上方に向け、まずボールレンズの表面にプライマ−を塗布しプライマ−処理し、ポストベ−クを行った。
【００６１】
次に、図４（ａ）に示す固化性の粘性流体３０４として「紫外線硬化型樹脂」を０．３ｃｃ、セルとボールレンズとの間に、精密容積軽量ポンプを用いて定量的に塗布（塗布精度：±０．５％）した。
【００６２】
セルを治具として、スピナーに（セルの中心軸をスピナーの回転軸と合致させて）セットし、ボールレンズの中心を通る鉛直線を軸として回転させ、回転速度を３０００ＲＰＭまで段階的に上昇させた。回転による遠心力の作用により、余分な粘性流体はセルの外側へ逃げる。
【００６３】
その後、紫外線を３分間照射して「紫外線硬化樹脂」を硬化させた。固化した粘性流体３０４の表面形状即ち「参照面形状」は、上記レンズ有効径範囲内で曲率半径：１．１１ｍｍの球面となった。即ち、固化した紫外線硬化樹脂の表面形状は、ボールレンズ表面の曲率半径（１．０ｍｍ）よりも大きな曲率半径を有する。
【００６４】
続いて、図４（ａ）の状態の「セル付きボールレンズ」を専用治具を用いて、ＥＣＲプラズマエッチング装置にセットし、Ａｒ，ＣＨＦ3，Ｏ2ガスを導入し、２〜４×１０~4Ｔｏｏｒの条件下で異方性エッチングを、エッチング条件を経時的に変化させながら行った。
【００６５】
即ち、上記参照面形状をスタート形状として上述の非球面形状を得るためのエッチング条件をコンピュータシミュレーションで決定し、その結果に基づき、エッチング開始時から終了時まで、上記導入ガスの中でＯ2ガス導入量を僅かに減少させつつ選択比を、０．０５〜２．０の範囲で当初は小さく、時間の経過とともに次第に大きくするようにコンピュータ制御しつつ４２０分間エッチングを行った。
【００６６】
このようにして得られたカプラーレンズ（ボールレンズ１００に形成された非球面である第２面とボールレンズ１００当初の曲率を持つ第１面との面間隔：１．９８３ｍｍ）を、図６に示す如く、ＬＤ光源１（半値全角３２度）とレンズ第１面（球面）との間隔：０．３８５ｍｍ、レンズ第２面（非球面）と光ファイバ−２の入射端面との間隔：５．９２７ｍｍとなるように配備（セル１０１ごと、鏡胴に固定した）した状態で光結合効率測定装置で結合効率を測定したところ、５７％の結合効率が得られた。
【００６７】
具体例２
上記具体例１におけると同じセルに保持させる「光通信用カプラ−レンズ」として、以下の如き物を設計した。
【００６８】
結合効率：５８％、第１面（光源側）：球面（曲率半径：１．０ｍｍ，光線有効径：０．３ｍｍφ）、第２面（光ファイバー側）：非球面（光線有効径：１．１２ｍｍφ）、材料：ＳＦＳ１（波長：１．３μｍの光に対する屈折率：１．８７３６７，熱膨張係数：１０１×１０~7／Ｋ）。
【００６９】
第２面の非球面形状は、前記非球面の式において、
Ｒ＝−１．００ｍｍ
Ｋ＝−０．９７００８３８
Ａ＝−０．３０６６４２８×１０~2
Ｂ＝  ０．１１１８１１７×１０~2
Ｃ＝  ０．２６４５５９７
とした形状で、光軸近傍で曲率が大きく（曲率半径が小さく）、光軸を離れるに従い曲率が小さく（曲率半径が大きく）なる形状である。
【００７０】
具体例１で用いたのと同じセルに、ＳＦＳ１による直径：２ｍｍφのボールレンズを挿入後、具体例１と同様にして低融点ガラスで固定した。
【００７１】
固化性の粘性流体として「レジスト材料」を具体例１と同様にしてスピナーにより塗布・固化させて曲率半径１．１１ｍｍの球面を「参照面形状」として形成し、具体例１と同様ＥＣＲプラズマエッチング装置により、コンピュータシミュレーションの結果に基づき、上記非球面形状を得られるように、選択比が、０．０５〜２．０の範囲内で当初小さく、時間の経過と共に次第に大きくなるようにコンピュータ制御して２３０分間エッチングを行い、上記非球面を形成した。
【００７２】
このようにして得られたカプラーレンズ（ボールレンズ１００に形成された非球面である第２面とボールレンズ１００当初の曲率を持つ第１面との面間隔：１．９９０ｍｍ）を、図６に示す如く、ＬＤ光源１（半値全角３２度）とレンズ第１面（球面）との間隔：０．２９ｍｍ、レンズ第２面（非球面）と光ファイバ−２の入射端面との間隔：５．４２７ｍｍとなるように配備（セル１０１ごと、鏡胴に固定した）した状態で光結合効率測定装置で結合効率を測定したところ、５７％の結合効率が得られた。
【００７３】
この具体例２では、レンズ材料のＳＦＳ１の屈折率が具体例１で用いた材料：ＳＦ６０の屈折率より高いため、非球面加工しろが少なくてすみ、エッチング時間が２３０分で足り、具体例１におけるエッチング時間：４２０分よりも１９０分短縮された。即ち、所望のレンズを効率良く製造することが可能となり、レンズの製造コストの低減化が可能である。
【００７４】
なお、具体例１，２とも、参照面形状を形成したあとは、レンズ保持体に保持されたレンズ材料を、１００個単位で同時に物理的エッチングできる。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、新規なセル付きレンズの製造方法を提供できる。
【００７６】
「セル付きボールレンズ」は上記の如き構成となっているから、セルへのボールレンズ圧入の圧力が不要であり、ボールレンズに対する物理的強度の制限がなく、広範なレンズ材料を使用できる。
【００７７】
また、セルの外周形状の対称軸とボールレンズの光軸が一致しているので、セルの外周面を基準としてボールレンズの光軸合わせを容易且つ確実に行うことができる。
【００７８】
「セル付きレンズ」は、セル付きボールレンズのボールレンズに所望のレンズ面を加工するが、その際、セルの外周面を位置決めし、セル外周面の対称軸と形成されるレンズ面の中心が合致するように加工を行うことができるので、セルの外周形状の対称軸とレンズの光軸を一致させることができ、セルの外周面を基準としてレンズの光軸合わせを容易且つ確実に行うことができる。
【００７９】
請求項１〜３記載の発明の製造方法は、上記の如き構成となっているので、光学設計から得られた面形状を持つセル付きレンズを容易且つ確実に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  セル付きボールレンズの１例を説明するための図である。
【図２】  セル付きレンズの１例を説明するための図である。
【図３】  セル付きボールレンズの製造の１例を説明するための図である。
【図４】  請求項１記載のセル付きレンズの製造方法の１実施例を説明するための図である。
【図５】  請求項３記載の発明において、低融点ガラスやボールレンズにおけるクラック発生をさけるための、セル表面の処理を説明するための図である。
【図６】  具体例１，２によるセル付きレンズの使用状態を説明するための図である。
【符号の説明】
１００      ボールレンズ
１０１      セル
１０２      低融点ガラス
【図１】
0003699739.tif 000003
【図２】
0003699739.tif 000004
【図３】
0003699739.tif 000005
【図４】
0003699739.tif 000006
【図５】
0003699739.tif 000007
【図６】
0003699739.tif 000008