JPH02308203A - 屈折率分布型合成樹脂ロツドレンズアレーの製造方法 - 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〕 本発明はファクシミリの作像用光学系、または、光ファ
イバと半導体レーザ・発光ダイオードとの光結合等の光
情報処理や光通信分野に用いる屈折率分布型の合成樹脂
ロッドレンズアレーの勝運方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、電子複写機の小型化に伴い、第８図に示すような
、多数のロンド状屈折率分布型集光レンズ１１のアレー
化によるロンドレンズアレー１２が作像用光学系として
使用されている。また、光フアイバ通信分野においても
半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）と多
数本の光ファイバとの光結合を効率良く結合させるため
、第９図に示すようなロッドレンズアレーが検討される
ようになってきた。

これらの屈折率分布型ロッドレンズアレーにはガラスを
基材とするものと、合成樹脂を基材とするものがあるが
、特開昭６１−２６００２号公報に記載されているよう
なガラスを基材とするレンズアレーは一般に製造工程が
煩雑であり、屈折率分布形成にも長時間を要する。一方
、合成樹脂では主に。

特開昭５６−３７５２１号公報等の方法によって、まず
、−個の屈折率分布型ロンドを作製した後、それを多数
個寄せ集めて、新たにロッドレンズアレーを作製するこ
とが行なわれている。また、別の製造方法として、透明
なプラスチック基板にレンズ径とは、はぼ、同等の孔を
多数個形成した後、重合速度と共重合比の異なる多元系
の単量体を注入し、加熱等によって屈折率分布を形成す
る界面ゲル不均一共重合法が提案されている〔アプライ
ド・オプティクス、２７　　（１９８８年）第４８６頁
から第４９１頁（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　２
７　（１９８８）ｐｐ４８６−４９１）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はロッドレンズをアレー化するための複雑
な工程が必要となるため、多大な労力と費用とを要する
。また、多元系単量体の不均一ゲル共重合法では、反応
および屈折率分布制御を安定して行うことが極めて困難
であった。さらに。

合成樹脂では、一般に、ＩＩ！！＋１以下の径をもつロ
ッドレンズを作製することは加工精度の点で難しくなる
ため、その利用範囲が限定されるという問題があった。

本発明の目的は、安価で、光学特性のばらつきが小さく
、しかも、小さなレンズ径を容易に形成することが可能
な屈折率分布型の合成樹脂ロッドレンズアレーの製造方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、高屈折率の透明ゲル基板に、複数の平行な
直線パターンをもつフォトマスクを通して光照射を行う
ことによって、！！択的に重合を進めた複数の直線部分
を形成した後、ゲル基板よりも低屈折率の重合体を形成
する単量体を液体、気体、又は、＃１滴状態でゲル基板
中に拡散させ、加熱、または、光照射等によって重合を
完結させ、選択的に重合を進めた複数の直線部分に屈折
率分布を形成、固定化してレンズアレー化することによ
り達成される。

〔作用〕

本発明は、透明ゲル基板にフォトマスクを通して光照射
することによって、光照射部分が未照射部分と比べて、
選択的に重合の進行した箇所となる。これらの重合進行
度の違いは、ゲル基板を形成しているそれぞれの部分の
密度の違いを生むために、低屈折率の単量体をゲル基板
へ内部拡散させる時に１両者の部分で拡散速度が異なっ
てくる。

すなわち、光照射部分では未照射部分よりも相対的に拡
散速度が遅くなるため、この差違を含浸。

拡散、屈折率分布の固定化の条件で調整することによっ
て、ゲル基板中の光照射部分に屈折率分布を形成するこ
とができる。ここで、ゲル基板中に一本の直線のみの光
照射部を形成すれば、この部分に均一の屈折率分布型ロ
ッドレンズを形成できる。本発明は、ゲル基板中に複数
の直線からなる光照射部を形成した後、低屈折率単量体
の内部拡散、屈折率分布形状の固定化処理を行うことに
よって、屈折率分布型のロッドレンズアレーを作製する
ことを特徴とする。また、本発明では光照射によってレ
ンズ径を規定できるため、径が１何以下の微小ロッドレ
ンズアレーを形成することが容易となる。

本発明において、この光照射部はロッドレンズ部に対応
するため、レンズ径に応じて数μｍ〜数田に及ぶ幅と厚
さが必要となる。そのため、大口径のレンズアレーを作
製する場合には光照射によ　　　　′つて選択的に重合
を進めた部分をゲル基板の表面のみならず、その内部ま
で一様に形成することを行う。

以下、本発明を第１図以下の図面を参照して具体的に説
明する。

まず、第１図の断面図で示すように、屈折率Ｎｌの重合
体を形成する単量体（単量体混合物を含む）を室温〜１
００℃の条件で一部重合させてゲル基板１を作製した（
ａ）後、同じ幅とパターン間距離をもつ直線パターンを
平行に複数個もつフォトマスク２をゲル基板に付着させ
て光照射、特に、取り扱い易さや経済性を考慮して好ま
しくは紫外線照射を行い、ゲル基板中の上面から底面に
至るまで選択的に重合を進めた部分３を形成する（ｂ）
。この重合進行部分は紫外線照射部分に対応する。この
場合、フォトマスク２とゲル基板との粘着、または、接
着を防止するために、両者の間に非粘着、または、非接
着性の透明フィルムを介在しても良い。

次に、透明ゲル基板をＮ１よりも低屈折率Ｎｚをもつ重
合体を形成する単量体中４に室温〜１００°Ｃの条件で
一定時間浸漬させ、低屈折率単量体の拡散処理を行う（
Ｃ）。その後、加熱、または、光照射によって屈折率分
布形状を固定化させる（ｄ）。この時、低屈折率単量体
の揮散を防止するため、基板両面に他のプラスチックフ
ィルム、または、プラスチック板を密着させて加熱、ま
たは、光照射しても差し支えない。低屈折率単量体の拡
散は紫外線照射部で遅く、未照射部では速くなるため、
照射部、すなわち、選択的に重合の進んだ部分に第２図
に示すような放物線形の屈折率分布形状６をもつレンズ
体５をアレー状に形成し、屈折率分布型のプラスチック
ロッドレンズアレー７を得ることができる。

このロッドレンズアレーの径は、ゲル基板の厚さとフォ
トマスク２の各直線パターンの幅とパターン間距離に大
きく依存するが、一般に、形成されるレンズ径はパター
ン幅よりも若干大きくなる傾向にある。そのため、例え
ば、１ｍ前後の径のレンズを作製する場合には、ゲル基
板の厚さを１〜２ＩＩＩ１１、直線パターン幅０　、３
〜１　、　Ｏｒｒｎ、パターン間距離０．３〜１．０ｍ
にすれば、はぼ円形で１ｍ径のレンズアレーが得られる
。その他、屈折率分布型アナモルフィックレンズとなり
うる楕円レンズを得るためには、ゲル基板を薄くシ、パ
ターン幅とパターン間距離の同じものを用いれば容易に
作製できる。

また、屈折率分布形状６は、含浸、拡散、屈折率分布固
定化処理条件によって決まるが、レンズ性能は放物線曲
線をもつ分布形状が最も優れている。

以上のようにして得られた屈折率分布型のロッドレンズ
アレー７を作像用光学や光結合系に用いる時には、レン
ズアレーを所定のピッチに切削後、端面を光学研磨して
使用できる。

第３図と第４図は本発明による別の製造方法の断面図で
ある６第３図は紫外線照射によって形成される選択的に
重合の進んだ部分３が、ゲル基板の表面から内部に向け
て一定距離の部分だけ形成されるレンズアレーの製造方
法である。また、本方法によれば、第４図に示すように
、基板の両面から紫外線を同時に照射することによって
、屈折率分布形のレンズアレーを二列平行に形成するこ
とができる。レンズアレーの配列方法は、フォトマスク
の位置を変えることによって、各レンズ体の中心軸が二
列とも一致したもの８と異なるもの９を作製することが
できる。また、第４図に示す作製方法において、ゲル基
板のほぼ中央部に遮光用のプラスチック、金属、セラミ
ックのフィルム。

または、薄板を介在させることによって、ゲル基板の両
面における光照射をお互いに干渉しないようにすること
もできる。

第５図は、低屈折率単量体をゲル基板に含浸後、透明、
又は、不透明のプラスチック薄板１０をゲル基板両面に
密着させ、加熱時における低屈折率単量体の揮散を防い
で屈折率分布形状を固定させるといつロッドレンズアレ
ーの別の製造方法による断面図である。プラスチック薄
板はゲル基板にそのまま接着すれば、レンズ切削、研磨
加工時の補強板、ならびに、レンズそのものの保護材と
しても使用することができる。

第６図は、第１図に示す方法で得られるロッドレンズア
レーを二枚重ねたレンズアレーの断面図である。これは
、第１図の（ｄ）の工程で得られるレンズアレーを接着
剤等によって二枚貼り合せて作製することができる。ま
た、（ｃ）で得られる含浸後のゲル基板を二枚重ね合わ
せた後、加熱、又は、光照射によって屈折率分布形状を
固定化することによっても作製できる。第７図は、第５
図の（ｃ）で得られた含浸後のゲル基板を二枚重ね合す
せた後、それらの上面と下面に透明、又は、不透明のプ
ラスチック薄板を密着させて、加熱、又は、光照射によ
って屈折率分布形状を固定化して得られるロッドアレー
の断面図である。このように、本発明による方法はａラ
ドレンズアレーの複数個を、順次、重ね合わせていけば
、二次元的な屈折率分布型ロッドレンズアレーを製造す
ることが可能である。

本発明において、ゲル基板を形成する単量体は、透明な
重合体を形成する単量体、および、単量体混合物であれ
ば良いが、低屈折率単量体のゲル基板内への含浸がスム
ーズに行われるようなものが好ましい。そのために、ゲ
ル基板が部分的に架橋構造を形成するような単量体を用
いることが、ゲル基板の溶解や変形を小さくできること
、含浸後。

低屈折率単量体と共重合しても透明性が損われないこと
などの利点があるため、好適である。これらの単量体は
、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、アリル基など
の重合性二重結合やエポキシ基、水酸基、カルボキシル
基、イソシアナート基などの反応性基を複数種もった化
合物が用いられる。また、これらの共有結合によるもの
だけでなく１例えば、金属イオン結合による架橋構造を
形成する単量体を用いることもできる３例を挙げれば、
アクリル酸ビニル、メタクリル酸ビニル、フタル酸ビニ
ル、フタル酸ジビニル、イソフタル酸ジビニル、ジビニ
ルベンゼン、ジビニルナフタレン、エチレングリコール
ジビニルエーテル、α−ナフトエ酸ビニル、β−ナフト
エ酸ビニル、フタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル
、アクリル酸アリル、メタクリル酸アリル、メタクリル
酸β−メタリル、ジエチレングリコールビスアリルエー
テル、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、
テ１−ラエチレングリコールジメタクリレ一ト、ビスフ
ェノールＡジメタクリレート、トリメリット酸アリル、
リン酸トリアリル、亜リン酸トリアリル、ジフェニルジ
アリルシラン、ジフェニルジビニルシラン、トリアリル
イソシアネート。

トリアリルシアネート、グリシジルメタクリレート、ヒ
ドロキシエチルメタクリレ―ト、ヒドロキシエチルアク
リレート、特開昭６０−１８１１０７号公報による重金
属と芳香環を含む単量体組成物などである。これらの単
量体は、単独、もしくは複数種で用いる。また、スチレ
ンおよびその誘導体、メタクリル酸エステル、アクリル
酸エステルなどの通常の単官能単量体と併用することも
可能である。

ゲル基板は、これらの単量体に過酸化ベンゾイル、過酸
化ラウロイル、ジシリスチルパーオキシジカーボネート
、アゾビスし一ブタン、アゾビスイソブチロニトリルな
どの熱重合開始剤とベンゾインエチルエーテル、ベンゾ
インメチルエーテルなどの光重合開始剤を加えた後、ガ
ラス板、又は、樹脂板二枚の間にガスケットを介在させ
た鋳型に注入し、室温〜１００℃の条件で一部重合させ
て得る。熱重合開始剤又は光重合開始剤の配合量は単量
体の反応性に応じて、０．０１〜５重量部の範囲で選ぶ
ことができるが、反応が速い場合は加えなくてもよい。

また、重合速度の速い単量体には溶媒やメルカプタン類
の連鎖移動剤を加えて重合速度を調整することもできる
。

本発明で、ロンドレンズの屈折率分布は、ゲル基板が重
合体となった時の屈折率Ｎｌだけではなく、それよりも
低屈折率Ｎ２をもつ重合体を形成する含浸用単量体の種
類によっても影響される。

すなわち、ＮｚとＮ２の差が大きくなる程、屈折率の差
の大きな分布を形成することが容易となる。

そのため、本発明で使用できる拡散用単量体はビジル基
、アクリル基、メタクリル基、アリル基などの重合性二
重結合、又は、エポキシ基、カルボキシル基、水酸基な
どの反応性基を一種又は二種以上もち、しかも低屈折率
である化合物が好適である。これらの例を挙げれば、メ
タクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸
トリフロロエチル、メタクリル酸トリヒドロパークロロ
プロピル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル。

アクリル酸トリクロロエチル、メタクリル酸グリシジル
、メタクリル酸ヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキ
シエチル、メタクリル酸、アクリル酸、アリルグリシジ
ルエーテルなどであり、これらの単量体は単独、もしく
は、二種以上を用いることができる。これらの単量体に
は含浸工程前に、あらかじめ熱重合開始剤、又は、光重
合開始剤を加える。また、本発明において、作像用光学
系のロッドレンズアレーを製造する場合は、レンズの色
収差が小さいことが要求される。そのため、ゲル基板作
製用の単量体、および、拡散用の単量体は、それぞれの
重合体のアツベ数（屈折率の波長依存性を示す）の近い
ものの組み合せを選択する方がより好適である。

本発明において、低屈折率を有する単量体をゲル基板に
拡散する方法としては、ゲル基板を前記単量体中に浸漬
させて、液体状態で拡散させる方法と、拡散用単量体を
加温して蒸気とした後、その蒸気雰囲気下にゲル基板を
設置して、気体状態。

又は、霧滴状態で拡散させる方法がある。両者の方法の
中で、前者は拡散処置設置を簡便化することができ、拡
散用単量体の損失を後者と比べて小さくできるため好適
である。

〔実施例〕

以下、実施例を用いて本発明を、更に、詳細に説明する
。

〈実施例１〉 本実施例は第１図に示すように、まずジエチレングリコ
ールビスアリルカーボネート９０重量部（以下、部と略
す）、アクリル酸メチル１０部、及び、過酸化ベンゾイ
ル２部、ベンゾインエチルエーテル０．５　部からなる
混合液をシリコーン離型処理した１２０Ｘ１２０ｍｍの
ガラス板、及び、約２１１ｎ外径のフッ化ビニリデンと
３フツ化工チレン共重合体のチューブガスケットからな
る鋳型に流入し、７０℃二時間加熱硬化し、厚さ１．７
ｍ１００Ｘ１００ａｎの透明のゲル基板を得た（ａ）。

次に、ガラス基板に幅Ｉｎｎ、長さ１００ｍ＋ｎで、１
ｍの等間隔で４０本の空白を残して残りがすべてクロム
蒸着されたフォトマスクをゲル基板の上に密着させ、照
射強度が６　ｍ　Ｗ　／　ａｌの高圧水銀灯を用いて５
分間紫外線露光を行った（ｂ）。その後、０．５　部の
過酸化ベンゾイルを含むメタクリル酸２．２．２−トリ
フロロエチル中に露光後のゲル基板を４０℃で二時間浸
漬させた後（Ｃ）、この基板を厚さ２ＩＩＭ！ｌのシリ
コーン樹脂ガスケットを介在したシリコーン離型済みの
二枚のガラス板ではさみ込み、全体をポリエチレンテレ
フタレートフィルムで覆った状態で７０℃５時間、９０
℃５時間後硬化を行った。得られた透明基板をガラス板
から離型した後、基板断面を厚さ約１ｎｎに切削。

研磨し、この断面をマツチングオイル中に浸漬して、干
渉顕微鏡で干渉縞を観測した。その結果、得られたロッ
ドレンズアレーは第１図の（ｄ）に示すような形状で配
置されていた。各−個のロッドレンズ体は、半径が約０
．７画のほぼ円形の断面をもち、最大屈折率差は０．０
３８　であった。

また、ロッドレンズ間の中心からの距離は約２ｍであっ
た。屈折率分布形状は第２図の６に示すような放物曲線
を示しており、理想状態に近いものであった。

〈実施例２〉 アクリル酸３３部、ケイ皮酸３７部をベンゼンに溶解し
、室温で水酸化バリウム１水和塩（Ｂａ（○Ｈ）Ｚ・Ｈ
ｚ○）３０部を徐々に加えて反応を行わせた。この溶液
に含まれる水とベンゼンを減圧下で除いて単量体組成物
を得た。この単量体組成物５０部、クロルスチレン５０
部及びシミリスチルパーオキシジカーボネート０．２部
、ベンゾインエチルエーテル０．５部からなる混合液を
実施例１と同様の鋳型に注入し、６０℃、一時間加熱硬
化し、第５図の（ａ）に示すような厚さ１．７ｍｍ、１
００　Ｘ　１００ｍｍの透明ゲル基板を得た。

次に、実施例１と同様のフォトマスクと条件を用いて、
高圧水銀灯によって５分間紫外線露光を行った（ｂ）。

その後、０．３部のシミリスチルパーオキシジカーボネ
ートを含むメタクリル酸２０部。

アリルグリシジルエーテル４４部、メタクリル酸グリシ
ジル３６部の浸漬液中に露光後のゲル基板を２５℃で二
時間浸漬させた後（Ｃ）、この基板を厚さ２Ｉｆｆｉ＋
のガスケットを介在した二枚の透明エポキシ樹脂板（１
，５ｔ）ではさみ込み、４０℃。

一時間、７０℃十時間で後硬化を行った。得られた透明
基板は第５図の（ｄ）に示すようなサンドイッチ構造の
ロッドレンズアレーをもっていた。

この基板を厚さ約１＋＋ｎに切削、研磨し、断面をマツ
チングオイル中に浸漬して、干渉顕微鏡で干渉縞を観測
した。その結果、各−個のロッドレンズ体は、半径が約
０．８ｍｍのほぼ円形の断面をもっており、最大屈折率
差は、０．０３４　　、屈折率分布形状は放物曲線を示
していた。

〈実施例３〉 アクリル酸２６部、ケイ皮酸４５部をベンゼンに溶解し
、室温で水酸化バリウム１水和塩２９部を徐々に加えて
反応を行わせた。この溶液に含まれる水とベンゼンを減
圧下で除いて単量体組成物を得た。この単量体組成物４
０部、クロルスチレン４０部、メタクリル酸鉛１０部、
及び、シミリスチルパーオキシジカーボネート０．２部
、ベンゾインエチルエーテル０．５部からなる混合液を
実施例１と同様の鋳型に注入し、６０℃３０分間硬化し
、厚さ１．７ｍｍ、１００　Ｘ　１００ｍｍの透明ゲル
基板を得た。次に、実施例１と同様のフォトマスク条件
を用いて、高圧水銀灯によって５分間紫外線露光を行っ
た。その後、０．３部のシミリスチルパーオキシジカー
ボネートを含むメタクリル酸２０部、アリルグリシジル
エーテル４４部、メタクリル酸２，２．２トリフロロ工
チル３６部からなる浸漬液中に露光後のゲル基板を２５
０℃二時間浸漬させた。浸漬後のゲル基板を二枚重ね合
わせ、厚さ４１ｍのガスケットを介在した二枚の透明エ
ポキシ樹脂板（１，５ｔ）ではさみ込み、４０℃、一時
間、７０℃、十時間で後硬化を行った。

得られた透明基板は第７図に示すような構造のロッドレ
ンズアレーをもっていた。この基板の断面の干渉縞を実
施例１と同様の方法で観測した。その結果、各−個のロ
ッドレンズ体は、半径が約０．８部ｍの、はぼ、円形の
断面をもっており、最大屈折率差は、０，０３９．屈折
率分布形状は放物曲線を示していた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、屈折率分布型合成樹脂ロッドレンズア
レーを一体化して製造することができるため、ロッドレ
ンズをアレー化する工程が不要となり、安価で、光学特
性のバラツキの小さなレンズアレーが得られる。さらに
、各ロッドレンズ径は、フォトマスクを通して光照射に
よって精度良く規定できるため１合成樹脂では困難であ
った小さなレンズ径の形成が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の屈折率分布型合成樹脂ロッ
ドレンズアレーの製造方法を示す工程図。 第２図は本発明によって得られるロッドレンズアレーの
斜視図と屈折率分布形状図、第３図は本発明による屈折
率分布型合成樹脂ロッドレンズアレーの製造方法の他の
例を示す断面図、第４図は本発明によって基板の両面に
形成される屈折率分布型合成樹脂ロッドレンズアレーの
製造方法の一例を示す断面図、第５図は本発明によって
両面に基板が設けられた屈折率分布型合成樹脂ロッドレ
ンズアレーの製造方法の断面図、第６図と第７図は本発
明によって得られる二層重ね合せの屈折率分布型合成樹
脂ロッドレンズアレーの断面図、第８図は従来の屈折率
分布型ロッドレンズアレーの斜視図、第９図は半導体レ
ーザー、又は、発光ダイオード、および、光ファイバと
屈折率分布型ロッドレンズアレーの光結合方法の一例を
示す斜視図である。 １・・・ゲル基板、２・・・フォトマスク、３・・・選
択的に重合を進めた部分、４・・・低屈折率単量体、５
・・・レンズ体、６・・・屈折率分布、７，８．９・・
・ロッドレンズアレー、１０・・・プラスチック薄板、
１１・・・屈折率分布型集光レンズ、１２・・・ロッド
レンズアレー、１３・・・半導体レーザ又は発光ダイオ
ード、計１　　　　名６図 （ｂ）口■Ｉ■■　　　　来１図 高９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）屈折率Ｎ＿１の重合体を形成する単量体を一
   部重合させて、透明ゲル基板を形成する工程、 （ｂ）複数の直線パターンを平行にもつフォトマスクを
   通して、前記透明ゲル基板に光照射を行い、前記透明ゲ
   ル基板中に選択的に重合を進めた複数の直線部分を形成
   する工程、 （ｃ）前記屈折率Ｎ＿１よりも低い屈折率Ｎ＿２の重合
   体を形成する単量体を液体、気体又は霧滴状態で前記透
   明ゲル基板に拡散させ、前記透明ゲル基板中の選択的に
   重合を進めた部分に屈折率分布を形成する工程、 （ｄ）加熱、または、光照射等により重合を完結させて
   前記屈折率分布を固定化する工程を含むことを特徴とす
   る屈折率分布型合成樹脂ロッドレンズアレーの製造方法
   。 ２、フォトマスクを通して前記透明ゲル基板に光照射を
   行い、前記透明ゲル基板中に選択的に重合を進めた複数
   の直線部分を形成する工程において、前記選択的に重合
   する部分が前記透明ゲル基板の表面から内部まで一様に
   形成されることを特徴とする請求項１に記載の屈折率分
   布型合成樹脂ロッドレンズアレーの製造方法。