DE3631660A1

DE3631660A1 - Kollimatorlinse und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3631660A1
Application number: DE19863631660
Authority: DE
Inventors: Paul O Mclaughlin; Akitaka Momokita; Takashi Yamagishi
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1986-09-17
Publication date: 1987-03-19
Anticipated expiration: 2006-09-18
Also published as: DE3631660C2; US4758071A; JP2601802B2; JPS63100413A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kollimatorlinse, welche in einem optischen System zum Lesen von oder Schreiben in bzw. auf einem Aufzeichnungsträger brauchbar ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kollimatorlinse.

Unlängst hat die Informationsverarbeitung unter Verwendung eines Aufzeichnungsträgers hoher Dichte, wie einer Kompaktdisk, einer optischen Disk oder dgl., einen raschen Fortschritt erlebt, gemäß dem ein optisches System generell zum Lesen von oder Schreiben auf bzw. in dem Aufzeichnungsträger verwendet wird.

Bei einem derartigen optischen System wird diffuses Licht von einer Lichtquelle her, wie von einem Halbleiterlaser, mittels einer Kollimatorlinse in parallele Strahlen umgesetzt, die dann auf die Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers mittels einer Objektivlinse konvergieren. Zusätzlich zu einem derartigen optischen Lese- oder Schreibsystem ist eine Kollimatorlinse generell und weit verbreitet für den Zweck verwendet worden, daß diffuses Licht in parallele Strahlen umgesetzt wird. Wenn eine Kollimatorlinse mit verminderter sphärischer Aberration und vermindertem Koma bzw. Abbildungsfehler benötigt wird, ist eine Verbundlinse verwendet worden, die aus einer Vielzahl von sphärischen Linsen besteht. In diesem Falle ist es jedoch schwierig, die Kosten des Systems zu senken.

Um das obige Problem bei einem derartigen Verbundlinsensystem zu lösen, ist ein System unter Verwendung einer nichtsphärischen Linse oder einer Gradientenindexlinse mit einem Brechungsindexgradienten in der radialen Richtung entwickelt worden. Nichtsphärische Linsen sind jedoch ungeeignet für die Produktion, da die asphärische Oberfläche schwierig zu bearbeiten ist oder eine genaue Messung schwierig vorzunehmen ist. Demgegenüber braucht eine Linse mit einem radialen Gradientenindex, die mittels eines Ionenaustauschverfahrens von Glas hergestellt ist, bezüglich des Ionenaustauschverfahrens jedoch eine lange Verarbeitungs- bzw. Bearbeitungszeit, so daß lediglich eine kleine Linse mit einer effektiven Apertur von weniger als 5 mm in der Praxis erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Kollimatorlinse zu schaffen, die geeignet ist für ein optisches Lese- oder Schreibsystem.

Darüber hinaus soll durch die vorliegende Erfindung eine Kollimatorlinse bereitgestellt werden, deren sphärische Aberration und deren Koma ohne nennenswerte Kostensteigerung vermindert werden können.

Schließlich soll durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kollimatorlinse für ein optisches Lese- oder Schreibsystem mit der Möglichkeit bzw. dem Vorteil in einer relativ kurzen Zeit geschaffen werden.

Gelöst wird die vorstehende Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß der Erfindung ist eine Kollimatorlinse geschaffen, die folgende Bedingungen erfüllt:
(i) Zumindest die Austrittsoberfläche ist sphärisch;
(ii) die Linse umfaßt zumindest einen hinsichtlich des Indexes variierenden Bereich, in welchem der Brechungsindex sich zwar in der axialen Richtung ändert, jedoch nicht in der rechtwinklig zur axialen Richtung verlaufenden Richtung, und einen Bereich konstanten Indexes, über den der Brechungsindex festliegt;
(iii) der Punkt mit maximalem Brechungsindex n ₀₀ in dem einen sich ändernden Index aufweisenden Bereich liegt an einer Spitze bzw. an einem Scheitelpunkt des Linsenprofils;
(iv) wenn der Brechungsindex n(Z) auf der optischen Achse in einer Entfernung Z von der Spitze gegeben ist mit n(Z) = n ₀₀+n ₁ Z+n ₂ Z ², dann liegt n ₀₀ im Bereich von 1,50 bis 1,77, n ₁ liegt im Bereich von -0,14 bis -0,02 mm, und n ₂ liegt im Bereich von -0,03 bis +0,03 mm;
(v) der Bereich sich ändernden Indexes ist im Bereich von Z = 0 bis zumindest einer Tief d gebildet, die durch die Gleichung gegeben ist

wobei D die Apertur der Linse und R der Krümmungsradius der Linsenoberfläche bedeuten, die den Punkt mit maximalem Brechungsindex n ₀₀ enthält.

Die obige Kollimatorlinse kann nach folgendem Verfahren hergestellt werden: Eine Oxidglasplatte, die zumindest eine Art von einwertigen Kationen enthält, wird mit einem geschmolzenen Salz in Kontakt gebracht, welches einwertige Kationen enthält, die dazu dienen, den Brechungsindex des Glasmaterials zu steigern. Die Kationen des geschmolzenen Salzes werden in die Glasplatte derart diffundiert, daß eine von der Oberfläche zur Innenseite der Glasplatte allmählich abnehmende Indexverteilung bis zu einer bestimmten Tiefe erzielt wird, wobei der tiefere Bereich als der Bereich der betreffenden Tiefe einen festen Brechungsindex beibehält. Anschließend wird die Oberfläche der Glasplatte auf der Seite des Bereiches mit dem sich ändernden Index zu einer sphärischen Oberfläche verarbeitet.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend mit den ihr anhaftenden Merkmalen und Vorteilen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Kollimatorlinse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Kollimatorlinse gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 veranschaulicht in einem Diagramm eine Konzentrationsverteilung von Tl-Ionen in einer Glasplatte.

Fig. 4A bis 4F zeigen Aberrationskurven von Linsen nach Beispielen 1 bis 6 gemäß der Erfindung.

Fig. 5 veranschaulicht in einer Kurvendarstellung eine Konzentration von Tl-Ionen in einer Glasplatte gemäß einer anderen Ausführungsform als der gemäß Fig. 3.

Fig. 6A bis 6E zeigen Aberrationskurven von Indexen nach Beispielen 7 bis 11 gemäß der Erfindung.

Fig. 7A bis 7D zeigen Aberrationskurven von Linsen nach Beispielen 12 bis 15 gemäß der Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht eines optischen Lesesystems für eine optische Platte, bei dem eine Kollimatorlinse gemäß der Erfindung verwendet ist.

Fig. 9A bis 9D veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung einer Kollimatorlinse gemäß der Erfindung.

Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, gemäß der eine Kollimatorlinse 1 eine erste Brechungsoberfläche 2 A aufweist, die in bzw. als eine sphärische Oberfläche mit einem Krümmungsradius R ₁ gebildet ist. Der Brechungsindex n(Z) in der Ebene rechtwinklig zur optischen Achse 3 in einer Entfernung Z von einem Ausgangspunkt 0 aus, der mit dem Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche 2 A zusammenfällt, ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei n ₀₀ der Brechungsindex am Ursprungs- bzw. Ausgangspunkt 0 sowie n ₁ und n ₂ Konstanten sind und wobei sämtliche Größen Werte in bezug auf die Wellenlänge einer Lichtquelle aufweisen, wie eines Halbleiterlasers, der in einem optischen System verwendet wird.

Ein Indexänderungsbereich 1 A mit der obigen Indexverteilung ist in dem Dickenbereich des Ausgangspunkts 0 bis zu einer Tiefe Z ₀ gebildet. Der Brechungsindex weist am Ursprungspunkt 0 sein Maximum auf, und er nimmt mit zunehmendem Abstand Z allmählich ab. Die Werte von n ₀₀, n ₁, n ₂ fallen in die Bereiche von 1,50 bis 1,77, -0,14 bis -0,02 mm bzw. -0,03 bis 0,03 mm. Wenn die Dicke der Linse mit t gegeben ist, ist der Brechungsindex über einen Bereich 1 B im Dickenbereich von t minus Z ₀ fest. Der Krümmungsradius R ₂ einer brechenden Oberfläche 2 B auf der Seite des konstanten Indexbereiches B ist derart festgelegt, daß das Koma bzw. der Abbildungsfehler korrigiert ist. Der Radius R ₂ hängt von dem Brechungsindex des einen konstanten Index aufweisenden Bereiches 1 B ab; er weist einen Wert innerhalb eines der Bereiche von 1/R ₂≦λτ0, 1/R ₂=0 und 1/R ₂≦ωτ0 auf.

In der Linse 1 wird der Abstand S ₀ auf der optischen Achse zwischen dem Mittelpunkt 0 der sphärischen Oberfläche 2 A und dem Punkt des äußersten Umfangs der sphärischen Oberfläche 2 A als "Durchhängung" bezeichnet. Wenn die Apertur der Linse mit D gegeben ist, ist die Durchhängung S ₀ durch folgende Gleichung gegeben:

-

Bei dieser Ausführungsform wird der Indexgradient im Bereich des Mittelpunkts 0 bis zu einem von dem Mittelpunkt 0 entfernt liegenden Punkt um eine Länge Z ₀ festgelegt, die größer ist als die betreffende Durchhängung bzw. Durchbiegung S ₀.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Indexänderungsbereich 1 A, der denselben Indexgradienten aufweist wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1, im Bereich des Mittelpunkts 0 einer Brechungsoberfläche 2 A bis in eine Tiefe von Z ₀ gebildet ist; ein weiterer Indexänderungsbereich 1 C mit einemIndexgradienten, der durch die obige Gleichung (1) gegeben ist, ist im Bereich des Mittelpunkts 0′ der anderen Brechungsoberfläche 2 B bis zu einer Tiefe von Z′ ₀ gebildet. Ein Bereich 1 B konstanten Indexes ist zwischen diesen genannten Bereichen gebildet. Außerdem ist in dem Bereich 1 C der Abstand Z′ ₀ größer als die Durchbiegung S′ ₀, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

-

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Kollimatorlinse gemäß der Erfindung in einer optischen Leseanordnung für eine optische Platte verwendet wird. Von einem Halbleiterlaser 4 abgegebenes diffuses Licht 5 wird durch einen Strahlteiler 6 in eine Kollimatorlinse 1 eingeführt. Die durch die Kollimatorlinse 1 kollimierten parallelen Strahlen werden mittels einer Objektivlinse bzw. eines Objektivs 7 auf eine optische Platte 8 konvergiert. Das von der optischen Platte reflektierte Licht wird durch das Objektiv 7, die Kollimatorlinse 1 und den Strahlteiler 6 zu einem (nicht dargestellten) optischen Detektor hin geleitet. Alternativ dazu kann der Strahlteiler 6 zwischen der Kollimatorlinse 1 und der Objektivlinse bzw. dem Objektiv 7 angeordnet sein.

Anschließend wird ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Kollimatorlinse gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 9A bis 9D beschrieben werden.

Eine Oxidglasplatte 10, die zumindest eine Art von einwertigen Kationen enthält, wird als Basismaterial verwendet, welches in ein geschmolzenes Salz 11 bei einer Temperatur nahe der Übergangstemperatur des Glases eingetaucht wird, wie dies in Fig. 9A veranschaulicht ist. Das geschmolzene Salz enthält einwertige Kationen, um den Brechungsindex des Glasmaterials zu erhöhen, beispielsweise zumindest eine Art von Kationen, die aus der Gruppe der Li-Ionen, Cs-Ionen, Tl-Ionen und Ag-Ionen ausgewählt ist.

Bei dem Tauchprozeß diffundieren die Kationen des geschmolzenen Salzes in die Glasplatte von deren beiden Oberflächen her durch Ionenaustausch mit den Kationen der Glasplatte hinein. Infolgedessen wird, wie dies in Fig. 9B veranschaulicht ist, eine Indexverteilung 12, die von der Oberfläche zur Innenseite der Glasplatte 10 allmählich und gleichmäßig abnimmt, durch eine bzw. mit einer Ionenkonzentrationsverteilung erzielt.

Anschließend wird, wie dies in Fig. 9C veranschaulicht ist, eine große Anzahl von scheibenartigen Linsenmaterialien 10 A aus der Glasplatte 10 ausgeschnitten. Eine oder jede der beiden flachen Oberflächen des jeweiligen Linsenmaterials 10 A wird zu einer sphärischen Oberfläche verarbeitet, die einen bestimmten Krümmungsradius aufweist, so daß die Linsendicke in bzw. auf einen bestimmten Wert eingestellt ist. In dem Fall, daß eine einzige Linse aus einer einzigen Glasplatte gebildet ist, wird, wenn der oben erwähnte Tauchprozeß ohne Abdeckung bzw. Maskierung des Kantenbereiches einer Glasplatte angewandt wird, eine Indexverteilungsschicht ebenfalls in dem Kantenbereich gebildet. In diesem Falle wird vorzugsweise das Verfahren zur Bildung einer sphärischen Oberfläche ausgeführt, nachdem die Indexverteilungsschicht des Kantenbereiches entfernt ist, da die Verarbeitung bzw. Bearbeitung in Anbetracht der Änderung der Härte der zu bearbeitenden Oberfläche einfach bzw. leicht wird.

Eine dem oben erwähnten Ionenaustauschprozeß ausgesetzte Glasplatte muß zumindest eine Art von einwertigen Kationen und einen hohen Brechungsindex innerhalb des Bereiches von 1,50 bis 1,77 aufweisen.

Zur Herstellung eines Glases mit einem hohen Brechungsindex wird generell ein Oxid, wie TiO₂, BaO, PbO und La₂O₃ als Zusatz zur Steigerung des Brechungsindexes verwendet. Jene Arten von Zusätzen können jedoch eine Änderung in der Qualität des Glases beim Ionenaustauschprozeß hervorrufen oder die Ionenaustauschrate senken. Im Gegensatz dazu wird Tl₂O bevorzugt, da dieses den Brechungsindex um 0,010 bis 0,15 pro Mol-Prozent ohne die obigen Probleme erhöhen kann.

Tl-Ionen werden bevorzugt als Kationen, die in einem geschmolzenen Salz enthalten sind, für einen Ionenaustauschprozeß gemäß der Erfindung verwendet. Als geschmolzenes Salz bzw. als Salzschmelze kann Nitrat, Sulfat, Halogenid, etc. verwendet werden.

Der Ionenaustauschprozeß gemäß der Erfindung wird vorzugsweise bei einer Temperatur ausgeführt, die so hoch wie möglich ist, da die Ionenaustauschrate im allgemeinen mit steigender Temperatur zunimmt. Eine zu hohe Temperatur ruft jedoch eine Deformation des Glases hervor. Aus diesen Gründen wird in der Praxis eine Temperatur nahe der Übergangstemperatur des zu verarbeitenden Glases benutzt. Im allgemeinen wird der Tauchprozeß bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches der Übergangstemperatur plus oder minus 5°C ausgeführt.

Im folgenden werden experimentielle Ergebnisse beschrieben werden.

Beispiel 1

Eine scheibenförmige Glasplatte mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Dicke von 3,2 mm wurde in eine Salzschmelze bei einer Temperatur von 505°C während 444 Stunden eingetaucht. Die Zusammensetzung der Glasplatte ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Die Salzschmelze bestand aus 10 Mol%, Tl₂SO₄, 30 Mol% K₂SO₄ und 60 Mol% ZnSO₄.

Tabelle 1

Tg: Übergangstemperatur

Die Tl-Ionen-Konzentrationsverteilung in Richtung der Dicke der Glasplatte ist mit einem Röntgenstrahlen- Mikroanalysiergerät gemessen und in Fig. 3 veranschaulicht.

Nach dem Schleifen der jeweiligen flachen Oberfläche der Glasplatte in einer Dicke von 0,1 mm wurde die Indexverteilung in der Dickenrichtung gemessen. Das Ergebnis zeigte eine Indexverteilung, die gleichmäßig und gleichförmig von der jeweiligen flachen Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,8 mm abnahm. Der Brechungsindex an der jeweiligen flachen Oberfläche betrug 1,641. Der Brechungsindex von der jeweiligen flachen Oberfläche zur Innenseite der Glasplatte im Bereich von 0Z0,8 mm war gegeben durch die Beziehung n(Z)=1,641-0,0514Z.

Der Brechungsindex im mittleren Bereich zwischen den beiden Indexänderungsbereichen im Dickenbereich von 1,4 mm wurde durch den Ionenaustauschprozeß nicht verändert; er wies einen konstanten Wert von 1,600 auf, bei dem es sich um denselben Wert handelt, den das ursprüngliche Glasmaterial aufweist.

Anschließend wurden die beiden flachen Oberflächen der Glasplatte zu sphärischen Oberflächen mit Krümmungsradien von R ₁=7,90 mm bzw. R ₂=249,8 mm geschliffen, so daß eine Apertur der Linse auf 7,2 mm eingestellt war.

Die Brennweite und die numerische Apertur (NA) betrugen 12.0 mm bzw. 0,3 mm. Ein Meßergebnis bezüglich der sphärischen Aberration (auf der Achse) dieses optischen Systems ist in Fig. 4A veranschaulicht. Die maximale sphärische Aberration und das Koma dieses Systems betrugen 2 µm bzw. weniger als 5 µm.

Beispiele 2 bis 6

Es wurden Glasmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bereitgestellt. Jedes dieser Materialien wurde einem Ionenaustauschprozeß ausgesetzt, der grundsätzlich ähnlich bzw. gleich dem gemäß dem Beispiel 1 1 ist. Infolgedessen wurden Linsenmaterialien mit verschiedenen Indexverteilungen in den Dickenrichtungen erzielt. Jedes Linsenmaterial wurde dann verarbeitet bzw. bearbeitet, um sphärische Oberflächen zu bilden. Die gemessenen Indexverteilungen sowie die Zustände der schließlich erhaltenen Linsen sind in den nachfolgenden Tabellen 2A bzw. 2B veranschaulicht.

Tabelle 2A

Tabelle 2B

Die sphärischen Aberrationen der Linsen sind in Fig. 4B bis 4F veranschaulicht; weitere Charakteristiken sind in der folgenden Tabelle 3 veranschaulicht.

Tabelle 3

Beispiel 7

Eine scheibenförmige Glasplatte mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 1,6 mm wurde in ein geschmolzenes Salz bzw. in eine Salzschmelze bei einer Temperatur von 472°C während 500 Stunden eingetaucht. Die Zusammensetzung der Glasplatte ist in der folgenden Tabelle 4 angegeben. Die Salzschmelze bestand aus 5 Mol% Tl₂SO₄, 40 Mol% K₂SO₄ und 55 Mol% ZnSO₄. Die Übergangstemperatur (Tg) des Glases betrug 490°C.

Tabelle 4

Die Tl-Ionen-Konzentrationsverteilung in Richtung der Dicke der Glasplatte ist, mit einem Röntgenstrahlen- Mikroanalysiergerät gemessen, in Fig. 5 veranschaulicht.

Nach dem Schleifen der jeweiligen flachen Oberfläche der Glasplatte mit bzw. um eine Dicke von 100 µm wurde die Indexverteilung in Richtung der Dicke gemessen. Das Ergebnis zeigte eine Indexverteilung, gemäß der der Brechungsindex n(Z) auf der optischen Achse in einer Entfernung Z von einer flachen Oberfläche gegegeben war mit n(Z)=1,638-0,034Z im Bereich von Z=0 bis 500 µm, mit n(Z)=1,621 (konstant) im Bereich von Z=500 bis 900 µm und mit n(Z)=1,621+0,034Z im Bereich von Z=900 bis 1400 µm.

Anschließend wurde eine flache Oberfläche der Glasplatte zu einer sphärischen Oberfläche mit einem Krümmungsradius von R ₁=10,84 mm verarbeitet bzw. bearbeitet, wobei die Apertur der Linse auf 4,76 mm eingestellt wurde. Die Brennweite der erhaltenen Linse, die eine sphärische Oberfläche auf einer Seite und eine flache Oberfläche auf der anderen Seite aufwies, betrug 17,0 mm, und ihre numerische Apertur NA betrug 0,14.

Die Linse wurde so angeordnet, daß parallele Strahlen von der sphärischen Oberfläche her in die Linse eintreten. Ein aus einem optischen Glas BK7 hergestellter Strahlteiler, der eine Dicke von 5 mm aufwies, wurde auf der Rückseite der Linse angeordnet. Wenn der Arbeitsabstand WD definiert ist durch den Abstand zwischen der Austrittsoberfläche und dem Brennpunkt abzüglich der Dicke des Strahlteilers, beträgt WD 12,77 mm.

Das Meßergebnis bezüglich der sphärischen Aberration (axiale Aberration LSA) dieses optischen Systems ist in Fig. 6A veranschaulicht. Die maximale Bildhöhe betrug 0,6 mm, und das Koma der dritten Ordnung zuzüglich der fünften Ordnung betrug weniger als 4 µm.

Beispiele 8 bis 11

Es wurden Glasmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bereitgestellt. Jedes dieser Glasmaterialien wurde einem ähnlichen Ionenaustauschprozeß ausgesetzt wie beim Beispiel 7. Als Ergebnis wurden Linsenmaterialien mit verschiedenen Indexverteilungen in Richtung der Dicke erzielt. Sodann wurden Linsen aus den Linsenmaterialien hergestellt. Die gemessenen Indexverteilungen in den Linsen und die Zustände der betreffenden Linsen sind in den folgenden Tabellen 5A bzw. 5B veranschaulicht. Jede Linse wies eine sphärische Oberfläche mit einem Krümmungsradius R auf der Seite des höheren Brechungsindex und eine flache Oberfläche auf der anderen Seite auf. Gemäß dem Beispiel 8 wurde eine hinreichend dicke Glasplatte einem Ionenaustauschprozeß ausgesetzt, und dann wurde der Oberflächenbereich für eine Probenlinse aus der Glasplatte ausgeschnitten. Gemäß dem Beispiel 10 wurde eine Glasplatte mit einer Dicke von 2 mm einem Ionenaustauschprozeß während einer langen Zeitspanne ausgesetzt, so daß beide durch Ionendiffusion gebildete Bereiche mit sich änderndem Index sich einander kreuzen konnten.

Tabelle 5A

Tabelle 5B

Jede erhaltene Linse wurde mittels eines optischen Systems bewertet, wie dies in der folgenden Tabelle 6 veranschaulicht ist. Die sphärischen Aberrationen der Linsen sind in Fig. 6B bis 6E veranschaulicht, und weitere Charakteristiken sind in der Tabelle 6 veranschaulicht. In der Tabelle 6 ist mit "BS" ein Strahlteiler bezeichnet, der aus BK7-Glas hergestellt ist und der eine Dicke von 5 mm aufweist.

Tabelle 6

Beispiel 12

Eine scheibenförmige Glasplatte mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Dicke von 10,5 mm wurde in eine Salzschmelze bei einer Temperatur von 525°C während 45 Tage eingetaucht. Die Zusammensetzung der Glasplatte ist in der folgenden Tabelle 7 angegeben. Die Salzschmelze bestand aus 22 Mol% TlNO₃ und 78 Mol% KNO₃.

Tabelle 7

Die Tl-Ionen-Konzentrationsverteilung in Richtung der Dicke der Glasplatte ist, mit einem Röntgenstrahlen- Mikroanalysiergerät gemessen, die gleiche, wie sie in Verbindung mit Fig. 3 angegeben ist.

Nach den Schleifen der jeweiligen flachen Oberfläche der Glasplatte in einer Dicke von 0,1 mm wurde die Indexverteilung in Richtung der Dicke gemessen. Das Ergebnis zeigte eine Indexverteilung, die gleichmäßig und gleichförmig von der jeweiligen flachen Oberfläche bis zu einer Tiefe von 2,1 mm abnimmt. Der Brechungsindex an der jeweiligen flachen Oberfläche betrug 1,724. Die Indexverteilung von der jeweiligen flachen Oberfläche zur Innenseite der Glasplatte im Bereich von 0Z2,1 mm war gegeben durch n(Z)=1,724-0,0600Z.

Der Brechungsindex in dem mittleren Bereich bzw. Zwischenbereich zwischen den beiden Bereichen mit sich änderndem Index im Dickenbereich von 6,1 mm war durch den Ionenaustauschprozess nicht verändert; er wies einen konstanten Wert von 1,600 auf, bei dem es sich um denselben Wert handelt, den das ursprüngliche Glasmaterial aufweist.

Anschließend wurde die Glasplatte geschnitten und in der Mitte der Dicke parallel mit beiden flachen Oberflächen aufgetrennt, so daß zwei Glasplatten erhalten wurden, die dieselbe Indexverteilung aufwiesen. Sodann wurde die Oberfläche auf der Seite des Bereiches mit sich änderndem Index der jeweiligen Glasplatte zu einer sphärischen Oberfläche mit einem Krümmungsradius von R ₁=7,24 mm verarbeitet, während die andere Oberfläche flach blieb. Die Dicke und die Apertur der jeweiligen Linse wurden mit 4,5 mm bzw. 10,0 mm eingestellt. Die Brennweite und die numerische Apertur (NA) der jeweiligen erhaltenen Linse betrugen 10,0 mm bzw. 0,5.

Ein Meßergebnis der sphärischen Aberration (axiale Aberration) dieses optischen Systems ist in Fig. 7A veranschaulicht. Die maximale sphärische Aberration und das Koma dieses Systems betrugen 4 µm bzw. weniger als 15 µm.

Beispiele 13 bis 15

Es wurden Glasmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bereitgestellt. Jedes dieser Glasmaterialien wurde einem Ionenaustauschprozeß ausgesetzt, der grundsätzlich dem gemäß dem Beispiel 12 entspricht, bzw. jenem ähnlich ist. Infolgedessen wurden Linsenmaterialien mit verschiedenen Indexverteilungen in Richtung der Dicke erhalten. Bei den Beispielen 13 und 14 wurde die jeweilige scheibenförmige Glasplatte nach einem Ionenaustauschprozeß in der Mitte der Dicke ähnlich dem Beispiel 12 geschnitten. Anschließend wurde die Oberfläche auf der Seite des Bereiches mit sich änderndem Index zu einer sphärischen Oberfläche verarbeitet, und die Oberfläche auf der Seite des Bereiches konstanten Indexes wurde poliert, um als flache Oberfläche zu verbleiben. Beim Beispiel 15 wurden die beiden Oberflächen einer scheibenförmigen Glasplatte nach Anwendung eines Ionenaustauschprozesses zu sphärischen Oberflächen verarbeitet.

Die in den Linsen gemessenen Indexverteilungen sowie die Zustände der Linsen sind in den folgenden Tabellen 8A bzw. 8B veranschaulicht. In der Tabelle 8A ist mit Z der Abstand von dem Ursprungspunkt, bei dem es sich um den Schnittpunkt zwischen der Austrittsoberfläche und der optischen Achse handelt, zu der Innenseite der Linse bezeichnet.

Tabelle 8A

Tabelle 8B

Die sphärischen Aberrationen der erhaltenen Linsen sind in Fig. 7B bis 7D veranschaulicht; weitere Charakteristiken sind in der folgenden Tabelle 9 veranschaulicht.

Tabelle 9

Gemäß der Erfindung kann ein Linsenmaterial in einer einfachen Weise dadurch erhalten werden, daß eine Glasplatte einem Ionenaustauschprozeß in einer Salzschmelze ausgesetzt wird, so daß eine Kollimatorlinse hohen Wirkungsgrades mit geringer sphärischer Aberration und geringem Koma dadurch erhalten werden kann, daß das betreffende Linsenmaterial lediglich so verarbeitet wird, daß es eine sphärische Oberfläche oder sphärische Oberflächen aufweist.

Claims

1. Kollimatorlinse, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
(i) zumindest die ausgangsseitige Oberfläche ist eine sphärische Oberfläche,
(ii) zumindest ein Indexänderungsbereich ist vorgesehen, in welchem der Brechungsindex sich in axialer Richtung ändert, nicht jedoch rechtwinklig dazu, wobei ein Bereich konstanten Indexes vorgesehen ist, in welchem der Brechungsindex festliegt,
(iii) der Punkt maximalen Brechungsindexes n ₀₀ in dem Indexänderungsbereich liegt an einem Scheitelpunkt des Linsenprofils,
(iv) bei einem Brechungsindex n(Z) auf der optischen Achse in einer Entfernung Z von dem Scheitelpunkt mit n(Z) = n ₀₀ + n ₁ Z + n ₂ Z ², liegen n ₀₀ im Bereich von 1,50 bis 1,77, n ₁ innerhalb des Bereiches von -0,14 bis -0,02 mm und n ₂ innerhalb des Bereiches von -0,03 0,03 bis +0,03 mm,
(v) der Indexänderungsbereich ist im Bereich von Z=0 bis zumindest einer Tiefe von d gebildet, die der Beziehung genügt, wobei D die Apertur der betreffenden Linse und R der Krümmungsradius der Linsenoberfläche bedeuten, die den Punkt mit maximalem Brechungsindex n ₀₀ enthält.

2. Kollimatorlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite und die numerische Apertur 5 bis 20 mm bzw. 0,35 bis 0,5 betragen.

3. Kollimatorlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite und die numerische Apertur 5 bis 20 mm bzw. 0,1 bis 0,35 betragen.

4. Kollimatorlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß n ₀₀ = 1,63 bis 1,70 und n ₁ = -0,025 bis -0,050 mm betragen.

5. Kollimatorlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite 15 bis 20 mm und die numerische Apertur 0,1 bis 0,2 betragen.

6. Kollimatorlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Indexänderungsbereich auf der Einfallseite oder Austrittsseite gebildet ist.

7. Kollimatorlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Indexänderungsbereiche zu beiden Seiten der Einfallsseite und der Austrittsseite gebildet sind und daß ein Bereich konstanten Indexes zwischen diesen Indexänderungsbereichen gebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen von Kollimatorlinsen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zumindest eine Art von einwertigen Kationen enthaltende Oxidglasplatte mit einer Salzschmelze in Kontakt gebracht wird, die einwertige Kationen enthält, welche dazu dienen, den Brechungsindex des Glasmaterials zu steigern,
daß die Kationen der Salzschmelze in die Glasplatte derart eindiffundiert werden, daß eine Indexverteilung erhalten wird, die von der Oberfläche zur Innenseite der Glasplatte bis zu einer bestimmten Tiefe allmählich abnimmt, wobei der unterhalb der betreffenden bestimmten Tiefe liegende tiefere Teil der Glasplatte einen festliegenden Brechungsindex beibehält,
und daß anschließend zumindest die Oberfläche der Glasplatte auf der Seite, auf der der Indexänderungsbereich gebildet ist, zu einer sphärischen Oberfläche gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl von Scheiben aus der Glasplatte ausgeschnitten wird, die dem Ionenaustauschprozeß ausgesetzt worden ist, und daß dann jede dieser Scheiben zur Bildung einer Linse verarbeitet wird.