[发明专利]分级折射率透镜

说明书

                    发明背景

本发明涉及一种折射率分布型透镜(以下称之为分级折射率透镜)，其中对棒形透镜，其折射率是沿着径向改变。尤其是，本发明涉及一种通过用银离子交换处理玻璃原材料而在其径向形成一个折射率分布的分级折射率透镜。

一种折射率分布型光学元件，其中在截面上的折射率是从中心沿着半径以抛物线形改变，甚至当它的两个侧面都是平面时作为球透镜也具有同样的成象特性。由于这种类型的光学元件具有多种优点，例如：具有小直径和短焦距的透镜可易于制得，所以，它广泛地用于复印机、打印机、传真机和类似设备的光学元件头以及其它的光学应用领域中。这种折射率分布型光学元件包括分级折射率透镜和折射率分布型光纤。

在相关技术中，通过拉伸和在熔融盐中浸泡而进行离子交换的后续步骤而制得并用作折射率分布型光学元件(例如透镜)的玻璃包括以下主要的三种：(1)含铊玻璃，(2)含钯玻璃，和(3)含锂玻璃。

由于含铊玻璃具有很高的电极化特性，所以，它能做成具有极大孔径角的分级折射率透镜。然而，这种透镜增加了色差，并因而特别不能用于处理彩色图像的光学系统中。

含铯玻璃与含铊玻璃不同，它降低了色差。然而，由于不可能在玻璃中加入大量的铯，所以，由含铯玻璃制得的透镜限于具有小孔径角的那些透镜。而且，这种玻璃有一个缺点，即它们具有极高的熔融温度。

含锂玻璃降低了色差，而且具有适中的熔融温度，并因此而得到广泛应用。然而，由于含有大量锂离子的玻璃很容易结晶化，所以，不能用它来制作大孔径角的分级折射率透镜。

所以，具有大孔径角的透镜由含铊玻璃制得。然而，由于含铊玻璃是毒性的，所以，从环境污染的观点来看，生产含有大量铊的玻璃和采用含大量铊的熔融盐都是不适宜的。

除了上述离子以外，JP-A-61-261238和JP-A-62-100451中认为采用银离子能够实现折射率大的差异(在此所用的“JP-A”一词是指“未审查而公开的日本专利申请”)。相对于采用铊的情况而言，由于采用银离子可以降低色差，所以，从制作用于彩色图像处理的透镜的观点来看，采用银离子是有利的。因为银离子通常易于成为胶质，所以，为了避免银离子形成胶质，以上所引用的参考文献提出了一种含有大量磷成分的玻璃组分。

但是，这种含有大量磷成分的玻璃组分具有很差的耐候性且不适于实际应用。这种含有大量磷成分的玻璃组分还有这样的问题：在离子交换过程中，它与硝酸盐反应，在该玻璃的表面产生一种反玻璃化物质，而使得该玻璃本身部分地溶解在熔盐中。当采用一种除了硝酸盐以外的熔料例如硫酸盐或卤化物时，也有问题，那就是由于这种熔料对金属和玻璃的高腐蚀性，所以，不容易得到一种用于盛放该熔盐的合适容器。

在JP-A-4-2629中公开了一种玻璃组分，它是对JP-A-62-100451中所提出的玻璃组分的改进。但是，这种玻璃组分仍然在熔盐中没有足够稳定性和耐候性，因而不适于实际的应用。

另一方面，已知硅铝酸盐玻璃是一种不含磷成分的玻璃组分，其中银离子不会形成胶质。通常，在硅酸盐玻璃中加入一种碱，以打开硅酸盐骨架，形成一种非桥接氧(以下称为“NBO”)而与碱离子牢固地键结。当一种其中具有NBO的玻璃进行离子交换以掺入银离子于其中时，则所加入的银离子将因NBO而减少，形成银胶质，因而使该玻璃着色。所以，这种玻璃不能用作透镜。

相反，当把Al₂O₃加入到一种硅酸盐玻璃中时，该Al₂O₃以AlO₄^-的形式掺入并与碱结合。因此，玻璃中NBO量减少，并且银离子以离子形式稳定存在。由于AlO₄与碱离子以1∶1的比例结合，所以，当[M]/[Al]是1时([M]和 [Al]分别表示碱离子和AlO₄^-的摩尔浓度)，玻璃中NBO量很小(在某些玻璃中变为零)。因而，其中含有的银离子大部分稳定的玻璃是其中[M]/[Al]为1的玻璃。