JPH0233296B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は合成樹脂から成る透明基板中に屈折率
分布型レンズ部分を形成したレンズ体を製造する
方法に関する。

平行平面をもつ透明基板内に、光軸方向に二乗
近似で変化する屈折率分布および．光軸を含む少
なくとも一つの断面内で光軸から遠ざかるにつれ
て二乗近似で次第に変化する屈折率分布をもつ屈
折率分布型レンズ部分を間隔をおいてライン状に
あるいはマトリクス状に多数形成した平面レンズ
が知られている。このような平面レンズにおい
て、レンズ部分は光軸を含む全ての断面内で上記
のような屈折率分布をもつレンズすなわち円形レ
ンズである場合もあれば、１つの断面内で光軸か
ら離れるにしたがい次第に変化する屈折率分布を
もち、これと直交する断面内では光軸からの距離
によらず屈折率が一定であるようなレンズいわゆ
るカマボコ型レンズである場合もある。

上述のような平面レンズは複写機やフアクシミ
リの光学系など種々の用途における画像伝送素子
として、あるいは光源と光フアイバーとの光結合
系、光フアイバーの中間に減衰器またな分岐回路
を挿入するための平行光変換素子など光通信用の
周辺デバイス等に有用である。

上述のような平面レンズを合成樹脂を用いて製
作する場合、第１図に示すように屈折率Naの網
状重合体（共重合体を含む）Paを生成する単量
体（単量体混合物を含む）Maを一部重合して透
明ゲル状の基板１０をつくり、この基板１０の表
面に形成すべきレンズ部分のパターンに合わせた
開口１１を設けたマスク１２を施し、この開口１
１を通して基板中に上記屈折率Naとは異なる屈
折率Nbの重合体（共重合体を含む）Pbを生成す
る単量体（単量体混合物を含む）Mbを拡散及び
重合させてレンズ部分１３を形成する方法が知ら
れている。この場合Na＞Nbであれば基板中に形
成されるレンズ部分１３は凹レンズ作用をもち、
Na＜Nbであれば凸レンズ作用をもつことにな
る。

また、他の方法として第２図に示すように上記
と同様の透明ゲル状基板１４をつくり、この基板
面のレンズ部分に限定してマスク１５を施し、周
辺から基板１４と重合してNaは異なる屈折率Nb
の重合体をつくるような単量体を拡散する方法も
ある。

この場合には、基板中に形成されるレンズ部分
１６はNa＜Nbであれば凸レンズ作用を示し、
Na＞Nbであれば凹レンズ作用を示す。

ところが、上述した様な第１図及び第２図に示
す従来方法では、単量体Mbの拡散を妨げる為に
設けられるマスク１２，１５とゲル基板１０，１
４との密着性が余程良好でない限り、単量体Mb
はマスクとゲル基板との間に侵入し、単量体Mb
がゲル基板の表面全体に拡散してしまうので屈折
率分布をもつたレンズ体を形成することができな
いという問題はしばしば生じていた。

本発明の上記従来の問題点を解決し、屈折率分
布型平面レンズの製造に際しマスクとゲル基板と
の密着性の問題を回避し得る新規な合成樹脂平面
レンズの製造方法を提供することを目的としてい
る。

すなわち、本発明に係る合成樹脂平面レンズの
製造方法は、屈折率がNaの網状重合体Paを生成
する１種または２種以上の単量体Maを不完全に
重合させて透明なゲル状の基板を形成し、この透
明ゲル基板中に、Naとは異なる屈折率Nbを有す
る重合体Pbを生成する１種または２種以上の単
量体Mbを拡散・浸透させ前記透明ゲル基板の表
面領域に部分的硬化処理を施して、形成すべきレ
ンズ部分のパターンに合わせた硬化部および未硬
化部を前記表面領域に形成し、前記透明ゲル基板
の前記硬化処理が施された側の表面を介して、主
として前記未硬化部およびこの未硬化部に対応し
た前記透明ゲル基板の内部の前記単量体Mbを除
去し、これによつて、前記硬化部の近傍における
前記透明ゲル基板内に前記単量体Mbが連続的に
変化する濃度勾配でもつて残留している状態を形
成し、この状態において前記単量体Maおよび
Mbの重合を完結させることからなつている。な
お、本発明でいう重合は共重合も含んでいるもの
とする。

上述したように本発明においては、透明ゲル基
板の表面に形成された硬化部分を単量体Mbを除
去する際におけるいわばマスクとして用いること
によつて、単量体Mbが上述したような状態で基
板内に残留することになる。この硬化部分は透明
ゲル基板と一体のものであるから、第１図及び第
２図に示すような従来例におけるマスクと透明ゲ
ル基板との密着性は問題にならない。したがつて
所望の屈折率をもつたレンズ部分が基板内に形成
できる。

本発明に係る本発明において単量体Maとして
は、重合したときに透明な網状重合体となるもの
であればいずれも使用可能であり、１分子内に開
裂して架橋を形成しうる二重結合を２個以上有す
る１種または２種以上の化合物が用いられてよ
い。この好適例としては、ジアリルフタレート、
ジアリルイソフタレート、ジアリルテレフタレー
ト、ジエチレングリコールビスアリルカーボネー
トの如きジアリルエステル；トリメリド酸トリア
リル、リン酸トリアリル、亜リン酸トリアリルの
如きトリアリルエステル；メタクリル酸アリル、
アクリル酸アリルの如き不飽和酸アリルエステ
ル；フタル酸ジビニル、イソフタル酸ジビニル、
テレフタル酸ジビルの如きビニルエステルを挙げ
ることができる。なお本発明でいう網状重合体
Paは、上述した如き単量体の１種を重合して得
られるホモポリマー及びこれらの単量体の二種以
上から得られる共重合体、並びにこれら単量体
Maとスチレン、メタクリル酸エステル、安息香
酸ビニルなどの如き単量体との共重合体を含んで
いる。また、この網状重合体PaはNaの屈折率を
有しているものとする。

本発明ではまず、上述した単量体Maを重合さ
せて透明なゲル状の基板を作製する。単量体の重
合は、重合体が流動性を失つた透明なゲルとなつ
たところで、すなわち重合未完の状態で一旦中止
される。この重合を所定の形状を有する型や枠中
で行えばゲル基板の成形が同時に行える。次いで
得られたゲル基板に、Naとは異なる屈折率Nbを
有する重合体を生成する単量体Mbを拡散・浸透
させる。

この過程で使用する単量体Mbとしては、重合
したときに、線形重合体となるものであつても網
状重合体となるものであつてもよいが、前述した
単量体Maと共重合して透明な共重合体を生成し
うるものが好ましい。このような単量体Mbとし
て、スチレン、メタクリル酸エステル、アクリル
酸エステル、酢酸ビニル、塩化ビニル、アクリロ
ニトリル、ブタジエンまたはこれらのうちの２種
以上からなる混合物が好適に使用できる。

次に、単量体Mbを拡散させた前記透明ゲル基
板の表面に於いて、場所的に不均一な重合条件を
与えて表面領域のみを選択的に硬化させる。場所
的に不均一な重合条件としては、局部加熱、光照
射、電子線照射などが用いられ得るが、これらの
内で、可視光線および／または紫外線の照射が方
法と簡便さと云う点では最適であろう。なお、必
要であれば、単量体Maおよび／または単量体
Mbに、熱重合開始剤、光重合開始剤、光増感剤
などを添加しておくこともできる。このように場
所的に不均一な重合条件を与えて表面領域を硬化
することによつて、硬化部と未硬化部とによつて
形成すべきレンズ部分に対応するパターンを形成
するようにする。

すなわち硬化部と未硬部とによるパターンは、
形成すべき屈折率分布型レンズの形状、大きさ、
NaとNbとの大小関係などに依つて決定される。
また、複数個のレンズを設ける場合には、それら
の位置関係も前記硬化パターンに影響を与える。
例えば円形レンズを形成する場合には、中央の光
軸部を中心とした円形部に対応する部分を残して
それ以外の部分を硬化させるか、レンズ部に対応
する部分を円盤状に硬化させる。Na＞Nbであれ
ば前者は凸レンズ、後者は凹レンズになる。Na
＜Nbであれば前者は凹レンズに、後者は凸レン
ズになる。カマボコ型レンズを形成する場合は、
線状にレンズ部を残してそれ以外の部分を硬化さ
せるか、レンズ部に対応する部分を線状に硬化さ
せる。

次いで未硬化部及び基板内部に拡散している未
重合の単量体Mbを前記透明ゲル基板のパターン
を形成した表面を介して除去する。除去する方法
としては、単量体Mbの溶解能をもつ溶剤に浸漬
する方法、減圧して気化させる方法、前者の後に
後者を行なう方法など、種々採用しうる。この様
な方法で前記透明ゲル基板から単量体Mbを取り
除く操作を行つた場合、この工程の前段階に於い
て硬化させた部分を通つて内部の単量体Mbが抜
けて行くことは困難であり、主として非硬化部及
びその内部の単量体Mbが未硬化部を通つて抜け
出て行く。この現象に依つて単量体Mbの濃度分
布が硬化部の近傍の透明ゲル基板内に生じること
になる。この様にして単量体Mbの濃度分布を透
明ゲル基板内に形成した後に、単量体Ma及び残
留している単量体Mbの重合を完結させ、単量体
Mbの分布を固定化することにより、上記した様
な屈折率分布型レンズ部分をプラスチツク基板内
に形成することができる。

次に本発明を図面に示した実施例に基づいて詳
細に説明する。

まず第３図イに示す様に型枠１８，１９中で屈
折率Naの網状重合体Paを形成する単量体Maを
重合させて透明ゲル基板１７をつくる。次に、こ
の透明ゲル基板１７の表面に屈折率Nbの重合体
Pbを生成する単量体Mbを液相または気相で接触
させ、第３図イに示す様に、透明ゲル基板１７の
表面全体から単量体Mbを拡散させる。単量体
Mbを拡散させる際の温度が高いほど単量体Mb
の拡散速度は大きいが単量体Mbが単独で重合し
たり、単量体Maと共重合したりするほど高くな
らないようにする。次に、第３図ロに示す様に、
単量体Mbを拡散させた透明ゲル基板１７の表面
に光を遮蔽する為の円形の遮光マスク２０を乗せ
て光を照射する。マスク２０の直径R1は、第３
図ハに示した様な硬化部にあいた円形の穴（未硬
化部）２１の直径R2に等しくなるが、これは第
３図ニに示したレンズ部２２の直径R3よりもか
なり小さくしておいた方が好ましい。照射する光
は、通常の光硬化性樹脂に用いられる紫外線が好
ましい。光照射に依つて第３図ハに示す様に、硬
化部２３が形成される。硬化部２３の厚みは、単
量体Mbが容易に透過しない程度に厚くなければ
ならないが、その条件を満たす限りにおいて薄い
方が好ましい。硬化部分２３にある直径R2の穴
２１から次の工程で単量体Mbを除去するが、形
成しようとしているレンズの径R3よりもR2が充
分小さくなれば、単量体Mbの等濃度曲線は穴２
１の部分で透明ゲル基板１７の表面と平行にな
り、断面が同心円の球面状にならない。単量体
Mbを除去する方法としては、単量体Mbが単量
体Maよりもはるかに揮発し易いものである場合
には減圧するだけで良く、揮発性が似かよつてい
る場合には、溶解性の異なる溶剤に浸漬する方法
が採られてよい。どうしても単量体Maと単量体
Mbがほぼ等量で抜けてしまう場合には、単量体
Mbの濃度分布は既に基板内に形成されているの
で、重合を完結させる際に透明ゲル基板１７を単
量体Maと接触させておけば抜けたことによる単
量体Maの不足が補われ、重合時の収縮を緩和す
ることができる。単量体Mbを穴２１を介して除
去する事に依つて形成された単量体Mbの濃度分
布を固定する為に重合を完結させ、次いで表面を
研磨すれば、第３図ニに示す様な、断面を有する
球状のレンズ部分２２の形成された合成樹脂平面
レンズ２４が完成する。レンズ部分２２の直径の
直径R3は、硬化部２３の穴の直径R2（＝遮光マ
スクの直径R1）、透明ゲル基板１７の架橋密度、
単量体Mb除去条件などに影響される。レンズ部
分２２は、Na＞Nbの場合凸レンズ、Na＜Nbの
場合凹レンズとなる。

第４図に本発明の他の実施例を示す。

本例でも、前述した方法と同様にまず型枠２
６，２７内で屈折率Naの網状重合体Paを生成す
る単量体Maを一部重合させて透明ゲル基板２５
をつくり、屈折率Nbの重合体Pbを生成する単量
体Mbを接触させ、第４図イに示す様に、その表
面全体から拡散させる。このときの温度はMbが
重合するより低い温度にする。次に、第４図ロに
示す様に、単量体Mbを拡散させた透明ゲル基板
２５に、形成すべきレンズ部分に対応した円型の
穴のあいた遮光マスク２８を乗せ、紫外線を照射
する。遮光マスク２８の穴の直径R4は、第４図
ハに示した硬化部２９の直径R5に等しくなり、
これは大体第４図ニに示したレンズ部３１の直径
R6に等しくなる。紫外線照射に依つて第４図ハ
に示す様に、円盤状の硬化部２９が形成される。
この厚みは、単量体Mbが透過しない限りに於い
て、出来るだけ薄いことが望ましい。次に、透明
ゲル基板２５から、単量体Mbを除去する。透明
ゲル基板２５の表面の未硬化部３０から単量体
Mbが抜けると、濃度勾配が生じ、硬化部２９の
下や、透明ゲル基板２５の深部より単量体Mbが
そこへ移動してきて、更に新たな濃度勾配が生じ
る。この様にして断面同心円状の単量体Mbの濃
度分布を形成させたあとで、それを固定する為に
重合を完結させ、次いで表面を研磨すれば、第４
図ニに示す様な断面を有する球形レンズ部分３１
の形成された合成樹脂平面レンズ３２が完成す
る。レンズ部分３１の直径R6は、ほぼ硬化部分
２９の直径R5（＝遮光マスクの穴の直径R4）に
依つて決まる。レンズ部分３１は、Na＞Nbのと
き凹レンズに、Na＜Nbのとき凸レンズになる。

以上の様にして基板表面を多数の未硬化の円形
部分を残して硬化させたり、または多数の島状の
円形硬化部分を表面に基板表面に形成したりする
ことにより、屈折率分布型球レンズが配列して構
成される合成樹脂平面レンズが得られる。また遮
光マスクをライン状パターンのものにすれば、光
線がライン状に集束するカマボコ型レンズあるい
はレンチキユラレンズ相当の屈折率分布型平面レ
ンズを製造することもできる。

具体例 １ この具体例１は第３図に示す方法に従つたもの
であつて、まず、ジエチレングリコールビスアリ
ルカーボネート（CR−39）に過酸化ベンゾイル
及びベンゾフエノンを３重量％ずつ溶解させ、型
に注入して80℃で90分間保持し、20mm×20mm×５
mmの透明ゲル基板を作製した。これを２，２，２
−トリフロロエチルメタクリレート（3FMA）中
に浸漬して表面からゲル物体中に拡散させた。次
に、中央に直径２mmの真鍮円板を乗せ、超高圧水
銀ランプからの紫外線を照射して真鍮円板に対応
する部分の周囲を硬化させた。次にこれをデシケ
ータ中に入れ、真空ポンプをつないで減圧し、直
径２mmの未硬化部より3FMAを気化させて取り除
いた。これを80℃で15時間保持して重合を完結さ
せ、表面を研磨した。このCR−39／3FMA共重
合体ブロツクの中央部は焦点距離30mmの凸レンズ
になつていた。

具体例 ２ この具体例２は第３図に示す方法に従つたもの
であつて、まず、ジアリルイソフタレート
（DAIP）に過酸化ベンゾイル及びベンゾフエノ
ンを３重量％ずつ溶解させ、型に注入して80℃で
180分間加熱し、20mm×20mm×５mmの透明ゲル基
板を作製した。これをメチルメタクリレート
（MMA）中に浸漬して表面からゲル基板中に拡
散させた。次に、中央に直径２mmの真鍮円板を乗
せ、超高圧水銀ランプからの紫外線を照射して真
鍮円板に対応する部分の周囲を硬化させた。次に
これをデシケータ中に入れ、真空ポンプをつない
で減圧し、直径２mmの未硬化部よりMMAを抜い
た。これを80℃で15時間保持して重合を完結さ
せ、表面を研磨した。このDAIP／MMA共重合
体ブロツクの中央部は焦点距離30mmの凸レンズに
なつていた。

具体例 ３ この具体例３は第４図に示す方法に従つたもの
であつて、まず、ジエチレングリコールビスアリ
ルカーボネート（CR−39）に過酸化ベンゾイル
及びベンゾフエノンを３重量％ずつ溶解させ、型
に注入して80℃で90分間加熱し、50mm×50mm×５
mmの透明ゲル基板を作製した。これを、過酸化ベ
ンゾイル及びベンゾフエノンをそれれ３重量％ず
つ溶解させ安息香酸ビニル（VB）に浸漬し、表
面からゲル基板中に拡散させた。次に、直径３mm
の円形の透光部が５×５のマトリクス状に25個つ
いた黒色遮光マスクをこのゲル基板上に乗せ、超
高圧水銀ランプからの紫外線を照射し、ゲル基板
表面に直径３mmの円板状硬化部を島状に25個形成
した。これをアセトン中に浸漬して未硬化部より
単量体に溶出させ、減圧してアセトンを除去し
た。次に、この表面にCR−39を接触させて80℃
で15時間保持し、重合を完結させ、表面のCR−
39単独重合体を研磨してとり除き、平滑にした。
このCR−39／VB共重合体ブロツクの表面には、
焦点距離約30mmのレンズが５×５のマトリクス状
に形成されていた。

具体例 ４ この具体例４は第３図に示す方法において遮光
マスクにライン状パターンのものを用いたもので
あつて、まず、ジエチレングリコールビスアリル
カーボネート（CR−39）に過酸化ベンゾイル及
びベンゾフエノンを３重量％ずつ溶解させ、型に
注入して80℃で90分間加熱し、50mm×50mm×５mm
の透明ゲル基板を作製した。これを、１，１，３
−トリヒドロパーフロロプロピルメタクリレート
（4FMA）に浸漬して表面から拡散させた。この
上に、幅200μｍの黒線が１mm間隔で40本並んだ
ガラス板を乗せ、超高圧水銀ランプからの紫外線
を照射した後、ガラス板を取り除いて減圧し、
4FMAを未硬化表面から揮散させた。これを80℃
で15時間保持し、重合を完結させ、表面を研磨し
た。平行光線を透過させると、このCR−39／
4FMA共重合体ブロツクより30mmの距離に置いた
板上に40本の輝線が認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ合成樹脂平面レン
ズの製造方法の従来例を示す断面図であり、第３
図及び第４図はそれぞれ本発明による合成樹脂平
面レンズ製造方法の実施例を示す断面図である。 なお、図面に用いた符号において、１７，２５
……透明ゲル基板、２０，２８……遮光マスク、
２１，３０……未硬化部、２３，２９……硬化
部、２２，３１……レンズ部分、２４，３２……
合成樹脂平面レンズである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 合成樹脂からなる透明な基板中に、光軸方向
   に次第に変化する屈折率分布と光軸を含む少なく
   とも一つの断面内で上記光軸から遠ざかるにつれ
   て次第に変化する屈折率分布とを夫々備えた単一
   のまたは複数の屈折率分布型レンズ部分を形成す
   るようにした合成樹脂平面レンズの製造方法にお
   いて、 (a) 屈折率がNaの網状重合体Paを生成する１種
   または２種以上の単量体Maを不完全に重合さ
   せて透明なゲル状の基板を形成する工程、 (b) この透明ゲル基板中に、Naとは異なる屈折
   率Nbを有する重合体Pbを生成する１種または
   ２種以上の単量体Mbを拡散・浸透させる工
   程、 (c) 前記基板の表面領域に部分的硬化処理を施し
   て、形成すべきレンズ部分のパターンに合わせ
   た硬化部および未硬化部を前記表面領域に形成
   する工程、 (d) 前記透明ゲル基板の前記硬化処理が施された
   側の表面を介して、主として前記未硬化部およ
   びその内部の前記単量体Mbを除去し、これに
   よつて、前記硬化部の近傍における前記透明ゲ
   ル基板内に前記単量体Mbが連続的に変化する
   濃度勾配でもつて残留している状態を形成する
   工程、 (e) 前記単量体Mbの前記残留状態において、前
   記単量体MaおよびMbの重合を完結させる工
   程、 を有することを特徴とする合成樹脂平面レンズの
   製造方法。