JPH07306301A - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 樹脂加工分野で広く知られている加工方法を
適用できるケイ素系重合体から得られる光学素子を提供
する。 【構成】 ＲＳｉＯ_3/2 （ここにＲは有機置換基）を主
な構成単位とし、ケイ素原子に結合した置換基の内１０
〜９９．９９モル％が芳香族基であり、４００nm〜８５
０nmの波長領域において８８％以上の透過率を有し、且
つ曲げ弾性率が５０MPa 以上であり、熱変形温度が２０
０℃以上であるケイ素系樹脂からなる光学素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はオプテイクス、エレクト
ロオプテイクス用の光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、非球面光学素子やミクロレンズと
いった従来の研磨方法では作成困難な形状の光学素子が
求められるようになり、成形性に富んだ高分子材料が注
目されている。ポリメチルメタアクリレート、ポリカー
ボネート等の熱可塑性樹脂が光学部品作成に供され、近
年は、ポリオレフィンを主体成分とする光学用途向け樹
脂が新たに開発されている。その多くは軽量、加工性と
いった高分子材料の本来的特性がガラスに対して優れて
いるというものであり、光学的にガラスに勝るというも
のではなく、ポリオレフィン系樹脂も旧来の樹脂の耐熱
性、吸水性、複屈折性といった欠点を改良することに主
眼が置かれている。

【０００３】しかし、光学用に用いられる非晶性ポリマ
ーの示す複屈折の多くは、分子構造に由来する本質的な
ものよりは成形加工の際に生じる流動複屈折に起因する
ため、熱可塑性ポリマーでは流動性を向上しようとする
と、分子量を低下し且つ分子量分布を広げなければなら
ない。

【０００４】光学的に優れた性質を有しているといわれ
るシリコーン系樹脂は、酸素透過性を有するコンタクト
レンズ、透明弾性体を用いる可変焦点レンズ等特殊な用
途にゴム状ポリジメチルシロキサンが応用されている
が、機械的強度が求められるレンズ、プリズム等の一般
的な幾何光学素子への応用は知られていない。他のシリ
コーン系材料としては、テトラクロルシラン、テトラア
ルコキシシラン等が加水分解縮合させたゾルゲル反応生
成物がハードコートを始めとする種々のコーテイング剤
として用いられているほか、溶媒を徐々に除去し乾燥さ
せた後得られた多孔性物を焼成する工程を経て石英ガラ
スが製造されているのみで、通常の樹脂加工方法によっ
て光学素子を成形できるシリコーン系の光学材料は知ら
れていないのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、外部
応力に抗しうる十分な機械的強度及び耐熱性を有し、か
つ複屈折を示さない光学素子及びその製造方法を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＲＳｉＯ_3/2
（ここにＲは有機置換基である）を主な構成単位とし、
ケイ素原子に結合した有機置換基の内１０〜９９．９９
モル％が芳香族基であり、４００nm〜８５０nmの波長領
域において８８％以上の透過率を有し、且つ曲げ弾性率
が５０MPa 以上で熱変形温度が２００℃以上であるケイ
素系樹脂からなる光学素子である。

【０００７】この光学素子は、Ｒ¹ ＳｉＯ_3/2 （ここに
Ｒ¹ は有機置換基、水素原子、水酸基又はアミノ基であ
る）を主な構成単位とし、ケイ素原子に結合した有機置
換基の内１０〜９９．９９モル％、好ましくは５０〜９
９．９９モル％が芳香族基であり、残りの有機置換基の
内少なくとも一部が架橋可能な官能基である架橋可能な
ケイ素系重合体を、この架橋可能な官能基を介して架橋
させ形成することにより作ることができる。この架橋の
手段としては電磁波照射等の物理的手段や化学的手段を
用いることができる。

【０００８】上述のケイ素系樹脂及びケイ素系重合体に
おいて、ＲＳｉＯ_3/2 を主な構成単位とするとは、これ
ら樹脂及び重合体を構成するＳｉ原子の内、約５０％以
上がＲＳｉＯ_3/2 の形をしているという意味である。

【０００９】本発明製造方法に用いられる３官能性構成
単位を主成分とする縮重合体は、シリコーンレジンと通
常呼ばれる樹脂であり、籠型或いは梯子型構造を含むと
一般に言われている。芳香族置換基としてはフェニル
基、ナフチル基及びこれらにアルキル置換基が結合した
ものが光学的に優れ且つ機械的強度もあわせ持つため好
適に用いられる。

【００１０】本発明に用いられる重合体の合成方法とし
ては、有機溶媒中或いは無溶媒で３置換加水分解性基を
有する及び／又はモノ置換シラン並びに必要に応じて
１、又は２官能性加水分解性シランに適量の水を加えて
加水分解しつつ、縮合することによって合成される。こ
の際、置換基として架橋反応性基を有するシランを、こ
の架橋反応性基が重合体中の置換基のうち０．０１〜４
０モル％の濃度で含まれるように、架橋反応性基置換シ
ランの反応性を考慮して混合量を調節して共重合するの
が好ましい。

【００１１】架橋反応性基の濃度は、目的とする樹脂の
重合度及び流動特性、硬化樹脂の力学特性よって決めら
れるが、一般に低架橋度では樹脂強度が低下し、高架橋
度では樹脂のタフネスが低下する。従って、前述の濃度
を特定するのは困難であるが、加工性、機械的強度と光
学特性を両立させた光学素子を形成する。分子量は、軟
化点以上分解点以下の温度範囲で１０，０００cP以下、
好ましくは５０００cP以下の粘度を与える分子量が好適
である。１０，０００cPを越えると成形時に樹脂の流動
に伴う複屈折が生じ、好ましい成形条件のなかで流動に
伴う歪みを緩和するのは困難になる。

【００１２】本発明における架橋反応に預かることので
きる官能基としては、有機硅素化学で通常用いられる反
応に関与する官能基は言うに及ばず、有機高分子系樹脂
で熱硬化性樹脂の製造に用いられている官能基であって
も差しつかえない。架橋反応の種類は、光学素子の形
状、光学素子の使用環境、光学素子の成形条件によって
適宜選択されるが、成形時に反応系から反応に伴う揮発
性低分子化合物が生成しない付加型の反応形式が一般に
は好ましい。そのような官能基を例示するならば、−Ｓ
ｉＨとビニル基、水酸基とイソシアナート、エポキシと
アミン或いは酸無水物等、ビニル基の過酸化物あるいは
光等による反応などが好ましい例として挙げられる。こ
の際、反応を触媒する或いは遅延する物質を添加して実
用に供することは公知であり、これらの使用を妨げるも
のではない。

【００１３】架橋反応において、必ずしもそれぞれの置
換基を有する重合体同志を反応させる必要はない。２官
能性或いは多官能性低分子を介して架橋することを妨げ
るものではない。例えば、カルビノール残基を有する重
合体をキシリデンジイソシアナート或いはシクロヘキサ
ンジイソシアナート等と混合し、これらを介して架橋す
ることができる。

【００１４】本発明の光学素子は、上記重合体を混合
後、圧縮、射出等公知の成形法で成形することができ
る。その際、１０，０００cP以下の粘度であるのが好ま
しいが、成形方法によって最適粘度が異なることは周知
の事実であり、上記範囲で適宜選択される。高粘度樹脂
を成形すると、成形時に発生する樹脂のながれ、フロー
マークが素子中に緩和されずに残り複屈折を与え、光学
素子としては好ましくない。

【００１５】本発明に供しうる樹脂の光学特性として、
先ず分光特性として４００〜８５０nmの波長範囲におい
て８８％以上の透過率を有していることが必要である。
本発明でいうところの複屈折、屈折率の均一性は、ｄ線
（５８７．６nm）の波長を用い、既知の光学ガラス（Ｂ
Ｋ−７）を参照して測定したものである。屈折率分布の
幅（最大値の半分のときのピークの幅）については、Ｂ
Ｋ−７では４×１０^-6であったが、本発明の光学樹脂
は、４×１０^-4であり２桁程大きいが、フェニル基を含
む樹脂でありながら光学用アクリル樹脂と同程度であ
る。

【００１６】本樹脂は硬化方法にも依存するが、曲げ弾
性率が２５℃で約５０MPa 以上のものであり、かつまた
耐熱性にも優れていることが求められる。光学素子は目
的とする光学系に固定するときに位置固定されねばなら
ず、固定の際生じる応力に対して、歪みが素子内に発生
しない程度、光学面が変形しない程度には機械的強度が
必要となる。これは人体装着のためのコンタクトレンズ
とは求められる性質の大きく異なる点であり、光学系に
用いられる光学素子ではカメラレンズでは１ミクロン以
下、ＣＤプレーヤでは０．１ミクロン以下の面精度が求
められている。光学面の乱れは画像品質に直接影響を与
えるが、コンタクトレンズの場合は人間の脳が画像情報
を処理するため、面精度が１０ミクロン程度とラフであ
っても一向に支障無いと言われている。更に、本発明で
いうところの熱変形温度は、樹脂の熱変形に伴う光学面
の変形を抑止するためには強く望まれる。本樹脂は熱硬
化性であるため、一般的な実用温度領域である−５０℃
から２００℃の温度範囲には面精度に影響を及ぼすよう
な明瞭な転移点を示さないこと、高温域での樹脂流動変
形が存在しないことも特徴として挙げられる。

【００１７】

【発明の効果】本発明の素子はシリコーン系の且つ架橋
型の樹脂であることから、次のような特徴を有するもの
である。可視光領域に光吸収を有さないこと、吸水、吸
湿性に基本的に乏しいことが挙げられ、耐環境特性に優
れていることが理解される。また、架橋型であるため、
温度変化による屈折率変化の少ない光学的に好ましい性
質を有し、また熱可塑性樹脂よりも分子量の低い重合体
を使用するため成形に伴って生じる複屈折が低減した素
子である。

【００１８】

【実施例】

（参考例）シリコーンレジンの合成例を示す。例中Ｐｈ
はフェニル基、Ｖｉはビニル基、Ｍｅはメチル基を示
す。フラスコにトルエン７０ml、水１６０mlを仕込み、
良く攪拌しながらフェニルトリクロロシラン６３ｇとジ
メチルビニルクロロシラン９ｇとの混合物をゆっくり滴
下した。滴下終了後約１時間加熱還流した後、有機相を
分離、水洗した。共沸により水を取り除いた後、水酸化
カリウム０．２ｇを添加し、さらに共沸により水を取り
除きながら２時間加熱還流した。ジメチルビニルクロロ
シランを系が中性になるまで加え、濾過により固形分を
取り除いた。得られた溶液からトルエンを蒸留により除
去すると、透明な固体状のケイ素系重合体が得られた。
この重合体は分析によりＰｈＳｉＯ_3/2 単位とＶｉＭｅ
₂ ＳｉＯ _1/2 単位との比が４／１であり、重量平均分子
量が１２００であることがわかった。

【００１９】（実施例１）参考例で得たケイ素系重合体
に、この重合体のビニル基とシランのＳｉＨ基とが１／
１のモル比になるようにフェニルトリス（ジメチルシロ
キシ）シランを混合し、更にトリス（テトラメチルジビ
ニルジシロキサン）二白金（０）を触媒量加え、得られ
た未硬化樹脂混合物の粘度をＥ型粘度計（東京計器
（株）製）を用い５０℃で測定したところ４，０００cP
であった。この混合物をＶブロックプリズムの型に流し
て８０℃で硬化させて一辺が１cmのプリズムを作製し
た。このプリズムを構成する樹脂において、ケイ素原子
に結合した置換基の内６６モル％がフェニル基であっ
た。

【００２０】プリズムはＫＰＲ−２型精密屈折計（カル
ニュー光学工業（株））を用い、ポリフェニルメチルシ
ロキサン（ｎ_d ＝１．５３０５）で光学接触をとり５８
７．６nmの波長における屈折率を２３℃で測定した。中
心屈折率が１．５３７８、アッベ数は３４．５であり、
屈折率分布の幅（最大値の半分の時のピークの幅）は４
×１０^-4 であった。

【００２１】（比較例）参考例に従って、合成した重合
体を実施例１と同様にフェニルトリス（ジメチルシロキ
シ）シランを混合し、トリス（テトラメチルジビニルジ
シロキサン）二白金（０）を実施例１の１／３の触媒量
を加え粘度が１１，０００cPになるまで室温で放置し
た。このものを実施例１と同様に作製したプリズムを用
い屈折率分布の幅を測定したところ０．０５であった。

【００２２】（実施例２）実施例１で用いた未硬化樹脂
混合物で１cm×４cm厚さ０．５cmの硬化樹脂平板を射出
成形（成形温度８０℃）により作製した。この樹脂にお
いてケイ素原子に結合した置換基の内６６モル％がフェ
ニル基であった。この硬化樹脂平板について、４００nm
から８５０nmの領域の光透過率を可視紫外分光光度計
（日立自記分光光度計）で測定した。その結果４００nm
から８５０nmの領域には全く吸収帯を有さず、透過率
は、インデックスマッチングする事なしに９１％であっ
た。一方この樹脂板の曲げ弾性率をＡＳＴＭ Ｄ７９０
に従って測定したところ、５１GPa であった。また、Ｊ
ＩＳ Ｋ７２０２にもとずいて熱変形温度を測定したと
ころ、２００℃以下での熱変形は観測されなかった。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＲＳｉＯ_3/2 （ここにＲは有機置換基で
   ある）を主な構成単位とし、ケイ素原子に結合した置換
   基の内１０〜９９．９９モル％が芳香族基であり、４０
   ０nm〜８５０nmの波長領域において８８％以上の透過率
   を有し、且つ曲げ弾性率が５０MPa 以上であり、熱変形
   温度が２００℃以上であるケイ素系樹脂からなる光学素
   子。
2. 【請求項２】 Ｒ¹ ＳｉＯ_3/2 （ここにＲ¹ は有機置換
   基、水素原子、水酸基又はアミノ基である）を主な構成
   単位とし、ケイ素原子に結合した置換基の内１０〜９
   ９．９９モル％が芳香族基であり、残りの置換基の内少
   なくとも一部が架橋可能な官能基である架橋可能なケイ
   素系重合体を、この架橋可能な官能基を介して架橋させ
   て形成させる請求項１の光学素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記架橋可能な重合体がそれぞれ異なる
   官能基を有する２種以上のものである請求項２に記載の
   光学素子の製造方法。
4. 【請求項４】 前記架橋可能な重合体が融点以上分解点
   以下の温度範囲において１０，０００cP以下の粘度を有
   する請求項２又は３に記載の光学素子の製造方法。