JP2002311212A - 光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法、同方法で作製した光軸方向屈折率分布型レンズ、及び同レンズを用いたコリメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学性能特に球面収差のばらつきの少ない光
軸方向屈折率分布型レンズの加工方法と、レンズ間距離
を広い範囲で変更しても挿入損失が少なく、良好な光学
性能を得られるコリメータを提供すること。 【解決手段】 一端面１１ａからの光軸方向の深さ位置
により屈折率が異なる屈折率分布を有する基板１１（図
１（ａ））から、一端面側を曲率半径ｒの球面にした光
軸方向屈折率分布型レンズを作製する同レンズの加工方
法であって、基板１１から作製した試料１８₁〜１８₅の
一端面１１ａ側を、一端面１１ａからの削り量ΔＺ₁〜
ΔＺ₅が段階的に異なるように研削或いは研磨する（図
１（ｃ））。削られてできる各試料の端面の表面屈折率
を測定する。この測定結果に基づき、基板１１の屈折率
分布が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野等でコ
リメータ用レンズとして使用される光軸方向屈折率分布
型レンズの加工方法及び同方法で作製したレンズを用い
たコリメータに関する。

【０００２】 〔発明の詳細な説明〕

【０００３】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野等でコ
リメータ用レンズとして使用される光軸方向屈折率分布
型レンズの加工方法及び同方法で作製したレンズを用い
たコリメータに関する。

【０００４】

【従来の技術】光通信分野等で使用される従来のコリメ
ータとして、例えば、入射側の単一モード光ファイバか
ら出射した光をコリメータレンズにより平行光にし、こ
の平行光を別のコリメータレンズにより集光して受光側
の単一モード光ファイバ等に結合させる構成のものが知
られている。このようなコリメータでは、両コリメータ
レンズ間に光機能素子（例えば、光学フィルタ、光アイ
ソレータ、光スイッチ、光変調器等）を挿入することに
より、入射側の単一モード光ファイバを伝搬してきた光
に所定の作用を及ぼしたのち、再度受光側の単一モード
光ファイバに結合して伝搬させる機能を有する。

【０００５】このようなコリメータ用レンズ（コリメー
タレンズ）として、屈折率がそれぞれ均一な均質球面レ
ンズや均質非球面レンズ、光軸に垂直な半径方向の位置
により屈折率の異なる屈折率分布を持つ半径方向屈折率
分布型ロッドレンズ、及び光軸方向の位置により屈折率
の異なる屈折率分布を持つ光軸方向屈折率分布型レンズ
が使用可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、光通信分野
等で使用されるコリメータレンズは、球面収差等が小さ
いことが要求される。このため、上記各レンズを、光通
信分野等でコリメータレンズとして使用する場合、以下
の問題点がある。

【０００７】（１）上記均質球面レンズでは、球面収差
を補正するのに、複数の均質球面レンズからなる組合せ
レンズを使用する必要がある。この場合、その組合せレ
ンズの設計及び組立てが複雑になってしまう。

【０００８】（２）上記均質非球面レンズでは、単レン
ズで球面収差を最小化する設計が可能である。しかし、
一般に均質非球面レンズはプレス成形で製作されるた
め、同レンズの形状を変更するには金型の変更が必要に
なり、製造コストが増大してしまう。

【０００９】（３）上記半径方向屈折率分布型ロッドレ
ンズでは、屈折率分布形状の変更により、球面収差をあ
る程度補正することができる。また、同ロッドレンズ
は、光軸を中心とする円柱状であるので、光ファイバ等
との整合性は良い。しかし、同ロッドレンズの端面が光
軸に垂直な平面である場合、光ファイバ等に対する反射
戻り光が発生し易い。この反射戻り光を低減するため
に、端面を斜めに加工すると、収差が増大し性能が低下
してしまい、製造コストも増大する。

【００１０】（４）上記光軸方向屈折率分布型レンズ
は、少なくとも一端面側に球面を有する。同レンズで
は、屈折率分布形状の変更により、単レンズでも球面収
差を補正することができる。同レンズでは、イオン交換
等により形成される屈折率分布と、球面の加工状態との
両方により特性が決まる。しかし、同レンズは、一端面
側に上記屈折率分布を持つ基板から作られるが、基板を
その一端面側からどの位削れば波面収差が最小になるの
かが分からない。そのため、図９に示すように光学性能
特に球面収差のばらつきが大きくなってしまう。

【００１１】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、その目的は、光学性能特に球面収
差のばらつきの少ない光軸方向屈折率分布型レンズの加
工方法を提供することにある。また、本発明の別の目的
は、光学性能特に球面収差のばらつきの少ない光軸方向
屈折率分布型レンズを提供することにある。さらに、本
発明の別の目的は、レンズ間距離を広い範囲で変更して
も挿入損失が少なく、良好な光学性能が得られるコリメ
ータを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、一端面からの光軸方向の深
さ位置により屈折率が異なる屈折率分布を有する透明な
基板から、少なくとも前記一端面側を曲率半径ｒの球面
にした１個以上の光軸方向屈折率分布型レンズを作製す
る光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法であって、前
記屈折率分布の実測値に基づき前記レンズを加工するこ
とを要旨とする。

【００１３】この構成によれば、屈折率分布の実測値に
基づき前記レンズを加工するので、同実測値から、基板
をその一端面側からどの位削れば波面収差が最小になる
のかが分かる。このため、波面収差が最小となる削り量
を狙いとして基板の一端面側を研削することができ、光
学性能特に球面収差のばらつきの少ない光軸方向屈折率
分布型レンズが作製可能となる。

【００１４】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法において、前記
屈折率分布の実測値に基づき、波面収差が最小となる前
記一端面からの最適削り量ΔＺｍと、同最適削り量ΔＺ
ｍだけ削ったときの表面屈折率ｎ_tとを求め、この表面
屈折率ｎ_tと、予め設定される開口数ＮＡと、予め設定
されるレンズの有効径Ｄｅ又は前記曲率半径ｒとに基づ
き、曲率半径ｒ又は有効径Ｄｅを求めることを要旨とす
る。

【００１５】この構成によれば、屈折率分布の実測値に
基づき波面収差が最小となる一端面からの最適削り量Δ
Ｚｍを求めるので、同削り量ΔＺｍを狙いとして基板の
一端面側を研削することができる。これにより、波面収
差のばらつきの少ない光軸方向屈折率分布型レンズが基
板から作製可能となる。

【００１６】また、最適削り量ΔＺｍだけ削ったときの
表面屈折率ｎ_tと、予め設定される開口数ＮＡと、予め
設定されるレンズの有効径Ｄｅ又は前記曲率半径ｒとに
基づき、曲率半径ｒ又は有効径Ｄｅを求めることができ
る。このため、設計パラメータとして開口数ＮＡと、レ
ンズの有効径Ｄｅ又は曲率半径ｒとを与えることによ
り、加工パラメータとして、最適削り量ΔＺｍの他に、
有効径Ｄｅ又は曲率半径ｒが得られる。これにより、少
なくとも一端面側を球面にした光軸方向屈折率分布型レ
ンズが、基板から容易に作製可能となる。

【００１７】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
記載の光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法におい
て、前記波面収差が最小となる前記最適削り量ΔＺｍ
は、前記実測値を、前記削り量ΔＺの異なる前記光軸方
向の各深さ位置Ｚにおける屈折率ｎ（Ｚ）を表す下記の
多項式 ｎ（Ｚ）＝ｎ₀＋ｎ₁Ｚ＋ｎ₂Ｚ²＋・・・（ここで、ｎ₀
はΔＺ＝０の位置での屈折率、ｎ₁は１次項の分布定
数、ｎ₂は２次項の分布定数である。）に当てはめて前
記屈折率分布を得るとともに、同屈折率分布に基づき波
面収差を前記一端面からの削り量ΔＺの関数として求め
ことにより得ることを要旨とする。

【００１８】この構成によれば、前記実測値を、上記多
項式に当てはめることにより、前記基板の屈折率分布を
正確に知ることができる。このとき、その基板の屈折率
分布は、理想的には直線分布（１次項まで）で表される
が、実際にイオン交換法により形成された屈折率分布は
直線分布からずれるため、このずれを高次項で補正する
ことができる。

【００１９】また、こうして得られる屈折率分布に基づ
き、波面収差を前記一端面からの削り量ΔＺの関数とし
て求めることができる。この計算は、光学シュミレーシ
ョンソフトを使って行う。また、その関数から、波面収
差が最小となる削り量ΔＺｍを求めることができる。

【００２０】請求項４に係る発明は、請求項１〜３のい
ずれか一項に記載の光軸方向屈折率分布型レンズの加工
方法において、前記基板の一端面側を、該一端面からの
光軸方向の削り量ΔＺを段階的に変えて研削或いは研磨
し、前記深さ位置がそれぞれ異なる各端面の表面屈折率
をそれぞれ測定することにより、前記屈折率分布の実測
値を得ることを要旨とする。

【００２１】この構成によれば、基板の一端面側を、光
軸方向の削り量ΔＺを段階的に変えて研削或いは研磨
し、前記深さ位置がそれぞれ異なる各端面の表面屈折率
をそれぞれ測定するので、この測定結果に基づき基板の
正確な屈折率分布が得られる。これにより、光学性能特
に球面収差のばらつきの少ない光軸方向屈折率分布型レ
ンズが作製可能となる。

【００２２】請求項５に係る発明は、請求項４に記載の
光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法において、前記
各端面の表面屈折率を測定する際に、前記基板をその光
軸方向に沿って切断した複数個の試料の各一端面側を、
同一端面からの前記削り量ΔＺがそれぞれ異なるように
研削或いは研磨するとともに、削られてできる各試料の
端面の表面屈折率を測定することを要旨とする。

【００２３】この構成によれば、基板から複数個の試料
を作り、各試料の一端面側を前記削り量ΔＺがそれぞれ
異なるように研削或いは研磨し、削られてできる各試料
の端面の表面屈折率を測定するので、この測定結果に基
づき基板の正確な屈折率分布が得られる。このため、同
一のイオン交換ロットで所望の屈折率分布がそれぞれ形
成された複数個の基板の一つのみを使って、基板の屈折
率分布を知ることができる。

【００２４】請求項６に係る発明は、請求項５に記載の
光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法において、前記
複数個の試料の各一端面側を削り量ΔＺがそれぞれ異な
るように研削或いは研磨する際に、各試料を、その一端
面側を上にして、各試料の削り量ΔＺに応じて高さの異
なる複数の載置面にそれぞれ載せ、この状態で複数個の
試料の各一端面側を同じ高さ位置で研削或いは研磨する
ことを要旨とする。

【００２５】この構成によれば、各試料の削り量ΔＺに
応じて高さの異なる複数の載置面を有する治具を作製し
ておき、これらの載置面のうち、高さの低い載置面には
削り量ΔＺの小さい試料が載るように、複数の載置面に
複数個の試料を順に載せる。この状態で、複数個の試料
の各一端面側を同じ高さ位置で研削或いは研磨すること
により、複数個の試料に対して、一端面からの削り量Δ
Ｚが異なるように１回の加工で簡単に削ることができ
る。これにより、複数個の試料を所望の長さに研削或い
は研磨する作業を効率良く行うことができる。

【００２６】請求項７に係る発明は、上記請求項１〜６
のいずれか一項に記載の光軸方向屈折率分布型レンズの
加工方法で作製される光軸方向屈折率分布型レンズであ
る。この構成によれば、上記加工方法で作製されるの
で、光学性能特に球面収差のばらつきが低減される。ま
た、少なくとも一端側に球面を有するので、反射戻り光
が低減される。

【００２７】請求項８に係る発明は、上記請求項１〜６
のいずれか一項に記載の光軸方向屈折率分布型レンズの
加工方法で作製したレンズを用いたコリメータであっ
て、前記光軸方向屈折率分布型レンズを２個用い、これ
ら２つのレンズを、前記一端面側に形成した各々の曲面
を対向させるとともに、互いの光軸を一致させて配置し
てなることを要旨とする。

【００２８】この構成によれば、上記加工方法で作製さ
れる光学性能特に球面収差のばらつきの少ない光軸方向
屈折率分布型レンズレンズを２個用いてコリメータが構
成されている。このため、コリメータのレンズ間距離Ｌ
と挿入損失の関係を示す図８から明らかなように、例え
ば、レンズ間距離ＬがＬ＝０からＬ＝１０００ｍｍ付近
までの広い範囲にわたって、挿入損失が小さくなり、良
好な光学性能が得られる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した光軸方
向屈折率分布型レンズの加工方法、同方法で作製した光
軸方向屈折率分布型レンズ、及び同レンズを用いたコリ
メータの各実施形態について、図面を参照して説明す
る。なお、各実施形態の説明において、同様の部位には
同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【００３０】[ 加工方法の一実施形態]図１（ａ）〜
（ｆ）は一実施形態に係る光軸方向屈折率分布型レンズ
の加工方法を示しており、図２（ａ）は同加工方法で作
製される光軸方向屈折率分布型レンズを示している。

【００３１】本実施形態の加工方法は、図１（ａ）に示
す透明な基板１１から、図２（ａ）に示す光軸方向屈折
率分布型レンズ１２を１個以上作製するための方法であ
る。図１（ａ）に示す基板１１はガラス基板であり、同
基板１１には、一端面１１ａから光軸方向（幅方向）の
所定の深さ位置Ａまで、同方向の深さ位置に応じて屈折
率が異なる屈折率分布がイオン交換により形成されてい
る。すなわち、基板１１は、前記屈折率分布を持つ一端
面１１ａから所定の深さ位置Ａまでの屈折率分布領域１
３と、屈折率が均一である前記位置Ａから他端面１１ｂ
までの屈折率均質領域１４とを備える。また、屈折率分
布領域１３では、屈折率が、一端面１１ａからの光軸方
向における深さ位置に応じてほぼ直線的に小さくなって
いる（図１（ｂ）参照）。なお、同図（ｂ）は、基板１
１を、光軸方向に沿って円柱状に切り出した一つの試料
の断面を示している。

【００３２】また、光軸方向屈折率分布型レンズ１２
は、図２（ａ）に示すように、前記一端面１１ａ側、す
なわち屈折率分布領域１３側に曲率半径ｒの球面１５を
有し、他端面１１ｂ側にレンズ光軸１６に垂直な平面１
７を有している。すなわち、光軸方向屈折率分布型レン
ズ（以下、単にレンズという。）１２では、前記深さ位
置に応じて屈折率がｎ₀からΔｎだけほぼ直線的に小さ
くなる屈折率分布領域１３に、球面１５が形成されてい
る（図２（ｂ）参照）。

【００３３】本実施形態の加工方法は、以下の工程
（１）〜工程（７）を備える。 （工程１）図１（ａ）に示す基板１１を、光軸方向に沿
って切断し或いは切り出して図１（ｂ）に示す試料１８
を複数個作製する。本例では、基板１１を光軸方向に沿
って円柱状に切り出した５個の試料１８₁〜１８₅（図１
（ｂ），（ｃ）参照）を作製する。

【００３４】（工程２）各試料１８₁〜１８₅の一端面１
１ａ側を、図１（ｃ）に示すように、その一端面１１ａ
からの削り量（球面側削り量）ΔＺ（ΔＺ₁〜ΔＺ₅）が
段階的に異なるように研削或いは研磨する。ここで、各
削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅は、ΔＺ ₁＜ΔＺ₂＜ΔＺ₃＜ΔＺ₄＜
ΔＺ₅の関係になっている。

【００３５】このように、各試料１８₁〜１８₅の一端面
１１ａ側を、削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅がそれぞれ異なるよう
に研削或いは研磨するために、本例では、底面１９ａか
らの高さの異なる５つの載置面１９₁〜１９₅を有する研
削加工用の治具１９を用いる。５つの載置面１９₁〜１
９₅は、載置面１９₁側から載置面１９₅側に向かって高
さが次第に高くなっている。

【００３６】各載置面１９₁〜１９₅に、各試料１８₁〜
１８₅をその一端面１１ａ側が上になる姿勢で載せる。
このとき、これらの載置面のうち、高さの低い載置面に
は削り量ΔＺの小さい試料が載るように、複数の載置面
に複数個の試料を順に載せる。この状態で、５個の試料
１８₁〜１８₅の各一端面１１ａ側を、治具１９の底面１
９ａから同じ高さＨの位置で一度に研削或いは切断す
る。これにより、各試料１８₁〜１８₅の一端面１１ａ側
が、削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅だけそれぞれ削られる（図１
（ｃ）参照）。

【００３７】（工程３）上記工程（２）で削られてでき
る各試料１８₁〜１８₅の端面の表面屈折率を、例えばア
ッベの屈折率計でそれぞれ測定する。この測定により、
各削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅と、削られてできる各試料１８₁
〜１８₅の端面の屈折率（表面屈折率）ｎΔＺ₁〜ｎΔＺ
₅との関係を示す図３に示すような測定結果が得られ
る。

【００３８】（工程４）上記工程（３）で得られる測定
結果に基づき、基板１１の屈折率分布領域１３の屈折率
分布を得る。この屈折率分布は、図３に示す上記測定結
果を、削り量ΔＺのそれぞれ異なる光軸方向の各深さ位
置Ｚにおける屈折率ｎ（Ｚ）を表す下記の多項式（１） ｎ（Ｚ）＝ｎ₀＋ｎ₁Ｚ＋ｎ₂Ｚ²＋ｎ₃Ｚ³・・・（１） に当てはめて得られる。

【００３９】ここで、ｎ₀はΔＺ＝０の位置、つまり基
板１１の一端面１１ａでの屈折率、ｎ₁は１次項の分布
定数、ｎ₂は２次項の分布定数、ｎ₃は３次項の分布定数
である。

【００４０】また、屈折率分布領域１３の屈折率分布を
求める際に、必要に応じて上記多項式（１）の高次の項
を加える。つまり、その屈折率分布は、理想的には直線
分布（１次まで）であるが、実際にイオン交換法により
形成される屈折率分布は直線分布からずれるために、こ
のずれを高次の項で補正する。

【００４１】例えば、上記多項式（１）で２次の項まで
加えることにより、下記に示す分布式（２）が一例とし
て得られる。 ｎ（Ｚ）＝1.620 ＋（-0.060）Ｚ＋（0.049 ）Ｚ²・・・（２） すなわち、分布式（２）では、ｎ₀=1.620 、ｎ₁=-0.06
0、ｎ₂=0.049 となっている。

【００４２】（工程５）上記工程（４）で得られる分布
式、例えば上記分布式（２）で表される屈折率分布に基
づき、ＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差（λ）を一
端面１１ａからの削り量ΔＺの関数として求める。

【００４３】ここでの波面収差の計算は、光学シュミレ
ーションソフト（例えば、米国Sinclair Optics 社のOs
lo Six等）により行う。こうした計算により求めたＲＭ
Ｓ波面収差（λ）と削り量ΔＺ（ｍｍ）の関係を図４で
示してある。同図から、ＲＭＳ波面収差が最小となる一
端面１１ａからの最適削り量ΔＺｍｍが、ΔＺｍ＝０．
０８ｍｍであることがわかる。

【００４４】（工程６）上記工程（５）で得られた最適
削り量ΔＺｍだけ基板１１を削ったときにできる端面の
表面屈折率ｎ_t（図１（ｄ）参照）を求める。求めた表
面屈折率ｎ_tと、それぞれ予め設定されるレンズ１２の
開口数ＮＡ及び有効径Ｄｅ（図２（ａ）参照）とに基づ
き、レンズ１２の焦点距離ｆ及び曲率半径ｒが求まる。

【００４５】すなわち、製品仕様からの要請により、開
口数ＮＡとレンズの有効径Ｄｅとが予め設定されて与え
られることにより、下記の式（３）によりレンズ１２の
焦点距離ｆが求まる。

【００４６】 ＮＡ＝Ｄｅ／２ｆ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３） また、上式（３）で求めた焦点距離ｆと、前記表面屈折
率ｎ_tとにより、下記の式（４）によりレンズ１２の曲
率半径ｒが求まる。

【００４７】 ｆ＝ｒ／（ｎ_t−１）・・・・・・・・・・・・・・・・・（４） さらに、レンズ１２のレンズ厚ｓが、下記の式（５）に
より求まる。 ｓ＝ｒ−（ｒ²−Ｄｅ²／４）^1/2・・・・・・・・・・・（５） こうして、レンズ１２を基板１１から作製するための加
工パラメータ（本例では、最適削り量ΔＺｍ、曲率半径
ｒ及びレンズ厚ｓ）が求まる。これらの加工パラメータ
は、同一のイオン交換ロットの基板に対して適用可能で
ある。

【００４８】（工程７）図１（ａ）に示す基板１１を、
一端面１１ａから最適削り量ΔＺｍだけ（図１（ｄ）の
斜線部を）研削或いは研磨し、同基板１１から有効径Ｄ
ｅの円柱形状のレンズ母材２０（図１（ｅ）参照）を１
個以上切り出す。また、切り出されたレンズ母材２０の
一端面側を、図１（ｆ）に示すように、曲率半径ｒの球
面に加工する。そして、最後に、レンズ母材２０を、球
面の頂部から距離ｓの位置で、レンズ軸１６に垂直な平
面に切断或いは研削する。

【００４９】これにより、一端面側に球面１５を有する
図２（ａ）に示すレンズ１２が完成する。以上のように
構成された一実施形態に係る加工方法によれば、以下の
作用効果を奏する。

【００５０】（イ）図１（ｃ）に示す５個の試料１８₁
〜１８₅の一端面１１ａ側を、削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅がそ
れぞれ異なるように研削或いは研磨する、一端面１１ａ
からの光軸方向の深さ位置がそれぞれ異なる各試料の端
面の表面屈折率をそれぞれ測定する。このため、各削り
量ΔＺ₁〜ΔＺ₅だけ一端面からの光軸方向の深さがそれ
ぞれ異なる各深さ位置での屈折率が得られる。この測定
結果に基づき基板１１の屈折率分布領域１３の正確な屈
折率分布（上記分布式（２）で表される屈折率分布）を
得ることができる。これにより、光学性能特にＲＭＳ球
面収差のばらつきの少ないレンズ１２を作製することが
できる。

【００５１】（ロ）光学性能特にＲＭＳ球面収差のばら
つきの少ないレンズ１２を作製できるので、同レンズを
２個使ってコリメータを構成した場合に、挿入損失を低
減することができる。

【００５２】（ハ）レンズ１２は少なくとも一端側に球
面１５を形成した平凸レンズであるので、反射戻り光を
低減することができる。 （ニ）レンズ１２を作製する基板１１から、その屈折率
分布を測定するための試料を５個作り、これら５個の試
料１８₁〜１８₅を使って、基板１１の一端面１１ａから
それぞれ異なる深さ位置にある５つの位置での屈折率を
知ることができる。このため、同一のイオン交換ロット
でそれぞれ所望の屈折率分布が形成された複数個の基板
１１の一つのみを使って、基板１１の正確な屈折率分布
を得ることができる。

【００５３】（ホ）各削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅と、削られて
できる各試料１８₁〜１８₅の端面の屈折率（表面屈折
率）ｎΔＺ₁〜ｎΔＺ₅との関係を示す図３に示すような
測定結果に基づき、ＲＭＳ波面収差が最小となる一端面
からの最適削り量ΔＺｍを求めることができる。このた
め、この最適削り量ΔＺｍを狙いとして基板１１の一端
面１１ａ側を研削することができる。これにより、ＲＭ
Ｓ波面収差のばらつきの小さい１個以上のレンズ１２を
基板１１から作製することができる。

【００５４】例えば、最適削り量ΔＺｍをほぼ０．１ｍ
ｍとした場合、その最適削り量ΔＺｍを狙いとして基板
１１の一端面１１ａ側を研削することができるので、図
６に示すように、加工公差範囲内での波面収差のばらつ
きを、±０．０１λ程度の範囲内に抑えることができ
る。

【００５５】（ヘ）製品仕様からの要請により、開口数
ＮＡとレンズの有効径Ｄｅとが予め設定されて与えられ
ることにより、上式（３）によりレンズ１２の焦点距離
ｆが求まる。また、上式（３）で求めた焦点距離ｆと、
最適削り量ΔＺｍだけ削ったときの表面屈折率ｎ_tとに
より、上式（４）により曲率半径ｒを求めることができ
る。

【００５６】このため、基板１１を一端面１１ａから最
適削り量ΔＺｍだけ研削或いは研磨し、同基板１１から
有効径Ｄｅの円柱形状のレンズ母材２０を１個以上切り
出し、同母材２０の一端面側を曲率半径ｒの球面に加工
することにより、ＲＭＳ波面収差の小さいレンズ１２を
容易に作製することができる。

【００５７】（ト）図３に示すような測定結果を、上記
多項式（１）に当てはめることにより、基板１１の屈折
率分布を正確に知ることができる。 （チ）こうして得られる屈折率分布に基づき、ＲＭＳ波
面収差を、光学シュミレーションソフトを使って、一端
面１１ａからの削り量ΔＺの関数として求めることがで
きる。こうして求めた関数から、ＲＭＳ波面収差が最小
となる削り量ΔＺｍを求めることができる。

【００５８】（リ）各試料１８₁〜１８₅の一端面１１ａ
側を、削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅がそれぞれ異なるように研削
或いは研磨するために、底面１９ａからの高さの異なる
５つの載置面１９₁〜１９₅を有する研削加工用の治具１
９を用いている。これにより、５個の試料１８₁〜１８₅
の各一端面１１ａ側を、治具１９の底面１９ａから同じ
高さＨの位置で研削或いは切断することにより、５個の
試料１８₁〜１８₅の一端面１１ａ側を、１回の研削或い
は研磨加工で削り量ΔＺ₁〜ΔＺ₅だけそれぞれ削ること
ができる。その結果、複数個の試料１８₁〜１８₅を所望
の長さに研削或いは研磨する作業を効率良く行うことが
できる。

【００５９】[ コリメータの一実施形態]次に、上記一
実施形態に係る加工方法で作製したレンズ１２を用いた
コリメータの一実施形態について、図７及び図８を参照
して説明する。

【００６０】図７に示すコリメータ３０は、上記レンズ
１２を２個用い、これら２つのレンズ１２，１２を、前
記一端面側に形成した各々の曲面１５，１５を対向させ
るとともに、互いのレンズ光軸１６，１６を一致させて
配置してなる。

【００６１】このように構成された一実施形態に係るコ
リメータによれば、以下の作用効果を奏する。 （ヌ）光学性能特にＲＭＳ球面収差のばらつきの少ない
レンズ１２を２個用いてコリメータ３０が構成されてい
る。このため、コリメータ３０のレンズ間距離Ｌと挿入
損失（ｄＢ）の関係を示す図８から明らかなように、レ
ンズ間距離ＬがＬ＝０からＬ＝１０００ｍｍ付近までの
広い範囲にわたって、挿入損失を小さくすることがで
き、良好な光学性能が得られる。したがって、レンズ間
距離Ｌを広い範囲で変更しても、挿入損失が少なく、良
好な光学性能を有する高性能コリメータが得られる。

【００６２】[ 変形例]なお、この発明は以下のように
変更して具体化することもできる。 ・上記一実施形態の加工方法では、１つの基板１１から
作製した５個の試料１８₁〜１８₅を使って、基板１１の
屈折率分布を得るようにしているが、試料の数は５個以
外の複数個であってもよい。

【００６３】・上記一実施形態の加工方法では、複数個
の試料１８₁〜１８₅を使って基板１１の屈折率分布を得
るようにしているが、本発明はこれに限定されない。例
えば、基板１１自体の一端面１１ａ側を、同端面からの
削り量ΔＺを段階的に変えて研削或いは研磨する、削ら
れてできる各端面の表面屈折率をその都度測定するよう
にしてもよい。

【００６４】・上記一実施形態の加工方法では、基板１
１の一端面１１ａからの光軸方向の深さ位置がそれぞれ
異なる位置での表面屈折率をそれぞれ測定して、同基板
１１の屈折率分布の実測値を得ているが、同屈折率分布
の測定方法はこれに限定されない。

【００６５】・上記一実施形態の加工方法では、治具１
９を用いて複数個（５個）の試料１８₁〜１８₅の一端面
側を１回の加工で一度に研削或いは研磨するようにして
いるが、各試料の一端面側を個別に研削或いは研磨する
ようにしてもよいことは言うまでもない。

【００６６】・上記一実施形態の加工方法では、レンズ
１２の一端面側にのみ球面１５を形成するようにしてい
るが、レンズ１２の両端面に球面を形成する場合にも本
発明は適用可能である。

【００６７】・上記一実施形態の加工方法において、上
記分布式（２）で表される屈折率分布のとき、レンズの
有効径Ｄｅと曲率半径ｒを一定にして、削り量ΔＺを
０．０２ｍｍから０．２０ｍｍまで０．０２ｍｍ間隔で
変えた場合、各削り量ΔＺに対応する焦点距離ｆと開口
数ＮＡを計算すると、ＮＡはほとんど一定になる。この
場合の焦点距離ｆと削り量ΔＺの関係を図５に示してあ
る。ここで、Ｄｅ＝３．４ｍｍ、ｒ＝７．３ｍｍ、ｓ＝
０．２ｍｍとして計算している。図５から明らかなよう
に、焦点距離ｆはΔＺが大きくなるのに従って増加する
が、ＮＡはΔＺの変化に対してほぼ一定である。

【００６８】このことから、設計パラメータとして開口
数ＮＡと、有効径Ｄｅ又は曲率半径ｒのいずれかを与え
れば、最適削り量ΔＺｍは上記分布式（２）で表される
屈折率分布に基づいて求まるとともに、曲率半径ｒ又は
有効径Ｄｅが求まる。これにより、波面収差のばらつき
の小さい特性の揃った光軸方向屈折率分布型レンズを作
製できることが分かる。

【００６９】したがって、上記一実施形態の加工方法で
は、設計パラメータとして、レンズ１２の開口数ＮＡ
と、レンズの有効径Ｄｅとを与えることにより、加工パ
ラメータとして、最適削り量ΔＺｍと曲率半径ｒを求め
るようにしているが、本発明はこのような構成に限定さ
れない。設計パラメータとして、開口数ＮＡと曲率半径
ｒを与えることにより、加工パラメータとして、最適削
り量ΔＺｍと有効径Ｄｅを求めるようにしてもよい。

【００７０】・上記一実施形態の加工方法では、基板１
１としてガラス基板を用いたが、基板１１はガラスに限
らず、光軸方向に屈折率分布を形成できる材質であれば
よい。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、光学性能特に球面収差のばらつきの少ない
光軸方向屈折率分布型レンズを作製することができる。

【００７２】請求項７に係る発明によれば、光学性能特
に球面収差のばらつきの少ない光軸方向屈折率分布型レ
ンズが得られる。請求項８に係る発明によれば、レンズ
間距離を広い範囲で変更しても挿入損失が少なく、良好
な光学性能を有する高性能コリメータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）〜（ｆ）は一実施形態に係る光軸方向
屈折率分布型レンズの加工方法を示す説明図。

【図２】 （ａ）は同加工方法で作製した光軸方向屈折
率分布型レンズを示す側面図、（ｂ）は同レンズの屈折
率分布を示す説明図。

【図３】 削り量と屈折率の関係を示すグラフ。

【図４】 削り量とＲＭＳ波面収差の関係を示すグラ
フ。

【図５】 一実施形態の変形例を説明するための削り量
と焦点距離の関係を示すグラフ。

【図６】 一実施形態に係る加工方法により、最適削り
量ΔＺｍをほぼ０．１ｍｍとした場合における、削り量
ΔＺと波面収差の関係を示すグラフ。

【図７】 一実施形態に係るコリメータを示す概略構成
図。

【図８】 同コリメータにおけるレンズ間距離と挿入損
失の関係を示すグラフ。

【図９】 従来の光軸方向屈折率分布型レンズの削り量
と波面収差の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１１…基板、１１ａ…一端面、１２…光軸方向屈折率分
布型レンズ、１５…球面、１６…レンズ軸（光軸）、１
８（１８₁〜１８₅）…試料、１９…治具、１９₁〜１９₅
…載置面、２０…レンズ母材、３０…コリメータ。

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Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端面からの光軸方向の深さ位置により
   屈折率が異なる屈折率分布を有する透明な基板から、少
   なくとも前記一端面側を曲率半径ｒの球面にした１個以
   上の光軸方向屈折率分布型レンズを作製する光軸方向屈
   折率分布型レンズの加工方法であって、 前記屈折率分布の実測値に基づき前記レンズを加工する
   ことを特徴とする光軸方向屈折率分布型レンズの加工方
   法。
2. 【請求項２】 前記屈折率分布の実測値に基づき、波面
   収差が最小となる前記一端面からの最適削り量ΔＺｍ
   と、同最適削り量ΔＺｍだけ削ったときの表面屈折率ｎ
   _tとを求め、この表面屈折率ｎ_tと、予め設定される開口
   数ＮＡと、予め設定されるレンズの有効径Ｄｅ又は前記
   曲率半径ｒとに基づき、曲率半径ｒ又は有効径Ｄｅを求
   めることを特徴とする請求項１に記載の光軸方向屈折率
   分布型レンズの加工方法。
3. 【請求項３】 前記波面収差が最小となる前記最適削り
   量ΔＺｍは、前記実測値を、前記削り量ΔＺの異なる前
   記光軸方向の各深さ位置Ｚにおける屈折率ｎ（Ｚ）を表
   す下記の多項式 ｎ（Ｚ）＝ｎ₀＋ｎ₁Ｚ＋ｎ₂Ｚ²＋・・・（ここで、ｎ₀
   はΔＺ＝０の位置での屈折率、ｎ₁は１次項の分布定
   数、ｎ₂は２次項の分布定数である。）に当てはめて前
   記屈折率分布を得るとともに、同屈折率分布に基づき波
   面収差を前記一端面からの削り量ΔＺの関数として求め
   ことにより得ることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法。
4. 【請求項４】 前記基板の一端面側を、該一端面からの
   光軸方向の削り量ΔＺを段階的に変えて研削或いは研磨
   し、前記深さ位置がそれぞれ異なる各端面の表面屈折率
   をそれぞれ測定することにより、前記屈折率分布の実測
   値を得ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項
   に記載の光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法。
5. 【請求項５】 前記各端面の表面屈折率を測定する際
   に、前記基板をその光軸方向に沿って切断した複数個の
   試料の各一端面側を、同一端面からの前記削り量ΔＺが
   それぞれ異なるように研削或いは研磨するとともに、削
   られてできる各試料の端面の表面屈折率を測定すること
   を特徴とする請求項４に記載の光軸方向屈折率分布型レ
   ンズの加工方法。
6. 【請求項６】 前記複数個の試料の各一端面側を削り量
   ΔＺがそれぞれ異なるように研削或いは研磨する際に、
   各試料を、その一端面側を上にして、各試料の削り量Δ
   Ｚに応じて高さの異なる複数の載置面にそれぞれ載せ、
   この状態で複数個の試料の各一端面側を同じ高さ位置で
   研削或いは研磨することを特徴とする請求項５に記載の
   光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法。
7. 【請求項７】 上記請求項１〜６のいずれか一項に記載
   の光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法で作製される
   光軸方向屈折率分布型レンズ。
8. 【請求項８】 上記請求項１〜６のいずれか一項に記載
   の光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法で作製したレ
   ンズを用いたコリメータであって、 前記光軸方向屈折率分布型レンズを２個用い、これら２
   つのレンズを、前記一端面側に形成した各々の曲面を対
   向させるとともに、互いの光軸を一致させて配置してな
   ることを特徴とするコリメータ。