JPS6127501A - 屈折率分布を有する合成樹脂光学素子の製造方法 - 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】 Ｊ、−７発明の技術分野 本発明は、軸方向に屈折率分布を有する合成樹脂光学素
子の製造方法に関するものである。

３−２　従来技術 近年、球面レンズの収差補正を光軸方向に屈折率分布を
つけることに依って行なう事が提案されており、たとえ
ば球面と平面の屈折面に依って形成された凸レンズに於
いては、光軸方向の屈折率分布が、次に示す式（１）又
は（２）、ｎ（ｚ）−ｎｏ（／−ｔＺ）　　　　　　（
１）ｎ　（ｚ　）　−ｎ　□　Ｖ７：１７−（２）（式
中ｎ（ｚ）は球面の中心から光軸方向に２の距離にある
点の屈折率、ｎｏは球面の中心の屈折率、ｔは正の定数
、２は球面の中心からの光軸方向の距離）を満たす様で
あれば、レンズの球面収差が飛躍的に減少することが理
論的に示されている。

上記のような軸方向屈折率分布レンズは一般に等屈折率
面がすべて光軸に垂直であるような三次元分布をもつが
、これ以外に等屈折率面が曲面を議すものも考えられる
。

この概念を拡大すれば、球面レンズに等屈折率面が平面
または成る曲率の球面である様な屈折率分布をつける事
に依°って収差を自由に決定する事が出来ると考えられ
、この技術は、単に７個のレンズの収差補正のみならず
、例えば複数のレンズの組み合せから成るレンズシステ
ム中で成るレンズに関して要求される焦点距離と収差の
あらゆる組合せを実現できるものとしても非常に有用で
ある０ ３、−３　　解決しようとする問題点 この様な屈折率分布を形成する為には、素材中に所定の
屈折率分布を示現する組成分布を形成すれば良く、たと
えば無機ガラスを使用する場合にはイオン交換やＯＶＤ
法などの方法によって形成できる。しかしながら無機ガ
ラスを使用する場合、イオン交換にしても０ＶＤＫして
も、莫大な熱や真空の設備を必要とし、余り実用的では
ない。従ツ、　　て、屈折率分布をもった曲面レンズを
製造するには、有機ガラスが有利である。

一方、合成樹脂を使用して光学機器などに使用するレン
ズを製造することは近年盛んになっており、プラスチッ
クレンズを用いたカメラも最近製作されそいる。特に、
球面収差が減少する非球面レンズを精密射出成形によっ
て製造する試みが最近性なわれているが、精密な形状精
度を有する金型を製造することは非常に難しく、更には
射出成形によって生じる歪みを除去することも難しいの
で、所望の性能が得られていないのが現状である。

このような欠陥は、前記のような屈折率分布を形成した
球面レンズを製造することで大幅に改善しうろことがで
きる。前記のような屈折率分布を形成した球面レンズを
製造する方法としては、平板方法が既に知られている。

しかし、このような方法では、切削又は研磨などの後加
工に時間とコストがかかり、更に、形成した屈折率分布
を全て有効に使えないなどと言う欠点がある。

３、−ｑ　　発明の目的 本発明の目的は、この様な屈折率分布を有した球面レン
ズの製造方法において、上記のような欠点を解決し得る
７体成形法を提供することにある。

３−５　発明の概要 上記の目的を達成する本発明方法は、 （ａ）　　屈折率Ｈａの網状重合体（共重合体を含む）
Ｐａを形成する単量体（単量体混合物を含む）Ｍａを一
定の曲率半径±Ｒの球面の成形面を有する円筒状成形容
器内に入れ、一部重合させて、透明ゲル物体を形成する
工程 （ｂ）　　前記Ｈａとは異なる屈折率Ｎｂを有する重合
体（共重合体を含む）ＰＡを形成する単量体（単量体混
合物を含む）Ｍ善を液体、気体又は霧滴状態で前記透明
ゲル物体の平面又は球面から円筒の軸方向に拡散させる
と共に重合させ、屈折率が円筒の軸方向に連続的に変化
する屈折率分布を前記透明ゲル物体中に形成する工程 （ｃ）　　加熱等により重合を完結させて前記屈折率肴
布を固定化する工程を含む屈折率分布を有する合成樹脂
光学素子を一体成形によって製造する方法を要旨として
いる。以下に本発明の詳細な説明する。

まず屈折率ＮａＯ網状重合体（共重合体を含む、）ｐａ
を形成する単量体（単量体混合物を含む）Ｍａを平面成
形面と一定の曲率半径±Ｒの球面成形面とを有する円筒
状容器内に満たし、一部重合させて透明ゲル物体に成形
する。この透明ゲル物体は、溶剤に不溶な成分（網状構
造の重合体）をｊ〜り０重量％含んでいる。

次に、Ｎａとは異なる屈折率ＮＡを有する重合体（共重
合体を含む）を形成する単量体（単量体混合物を含む）
ＭＡを液体・気体及び霧滴のいずれかの状態で前記透明
ゲル物体に接触させ、前記透明ゲル物体の前記平面又は
球面から円筒の軸方向に拡散・重合させて、屈折率が円
筒の軸方向に連続的に変化する屈折率分布を形成させる
。Ｂ（ａが液体、気体及び霧滴状態の３種類の方法は各
々特公昭！；！；−１１１１／％特公昭ｊ４−３７！；
２／及び特願昭５７−’１３３！；’Ｉ　Ｋ述べられて
いる合成樹脂光伝送体の製造方法における拡散、重合方
法に準じて実施本 液などを応用して加熱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。本発明方法で成形できる軸方向
屈折率分布レンズの種々の例を第１図Ａ〜ＦＫ示す。

これらのレンズ１０は一方の屈折面／／Ａが平面で他方
の屈折面／／Ｂが凸または凹の球面で構成され、その内
部にはレンズ軸方向に変化する屈折率分布が与えられて
いる。そして等屈折率面１２は第１図Ａ、Ｂのものは光
軸に垂直であり、Ｃ，Ｄに示したものは球面屈折面／／
Ｂとほぼ陰画率中心を一致させた球面形状を成し、Ｅ、
Ｆに示したレンズは球面屈折面と反対方向に曲率中心を
もつ球面形状を成している。

また第１図Ａ−Ｆの各レンズにおいて屈折率の増減方向
は、球面屈折率面側を最大として平面屈折面／／ＡＫ：
向けて順次減少する分布をもつ場５合と逆に平面屈折面
／／Ａ側を最大として球面屈折面／／Ｂ側に向けて順次
減少する分布をもつ夢合の二通りがある。

そして第１図のＢ、Ｃ，Ｆに示した各レンズは球面側を
低屈折率に、Ａ、Ｄ、Ｈのレンズでは平面側を低屈折率
にすれば球面収差は均一媒質を用いたレンズよりも小さ
くなる。一般には上記のレンズ形状と屈折率分布の組み
合せは単一レンズで低収差とするかあるいは組み合せて
使用する他のレンズの収差を補正し週る正または負の収
差をもつレンズとする等の用途に応じて適宜選択され、
本発明方法はこれらいずれのタイプのレンズも製造が可
能である。

本発明で透明ゲル物体の原料となるべき単量体Ｍａとし
ては、アリル基、アクリル酸基、メタクリル酸基または
ビニル基のうちの２種類以上の基を・有する単量体を用
いることができる。次に単量体Ｍａの具体例を挙げる。

（１）　　アリル化合物 ７タル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、テレフタル
酸ジアリル、ジエチレングリコールビスアリルカーボネ
ート等のジアリルエステル、；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等のトリアリ
ルエステル；メタクリル酸アリル、アクリル酸アリル等
の不飽和酸アリルエステル。

（２）　　Ｒ１，−Ｒ２−Ｒ３で表される化合物Ｒ１及
びＲ３がいずれもビニル基、アクリル基、ビニルエステ
ル基、またはメタクリル基である化合物：Ｒ１及びＲ３
のいずれか一方がビニル基、アクリル基、メタクリル基
及びビニルエステル基のｔつの基のうちのいずれかであ
り、他方が残りの３つの基のうちのいずれかである化合
物。ここでＲ２は以下に示され２価の基のうちから選択
できる。

Ｃ− ＯＨ３ −（ｃ；Ｈ２０Ｈ２０）ｍ−ＯＨ２０Ｈ２−（ｍ−０−
２０）（ｃＨ２）Ｐ−（Ｐ＝３〜１Ｓ） （ＯＨ２）ｉ ’ＯＨ２００ＨＱ　　　　、　　　　（１ｌ−ｙｌ−’
〜３）（ＯＨ２）コ （３）上記（１）と（２）の単量体の混合物、またはモ
ノビニル化合物、ビニルエステル類、アクリル酸エステ
ル類及ヒメタクリル酸エステル類の５種のうちの少なく
とも１種と上記（１）または（２）の単量体（またはそ
の混合物）との混合物。

また単量体Ｍｂとしては、次のようなものが挙げらハる
。

（４）　　０Ｉ（２＝Ｏ−０００Ｙで表わされる化合物
ただし、式中Ｘは水素原子あるいはアルキル基またはフ
ェニル基、 （ＯＨ２）７４　Ｈ（Ｊ−ｉ−ざ）、ｉ−、プロピル基
、１−ブチル基、Ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基、（ｈ−
ｏ〜２） 及び−（ＯＨ２０Ｈ２０）ｐ−ＯＨ２０Ｈ３（７’＝／
〜６）から成る群から選ばれた基、または−（ＯＦ２）
ａ−Ｆ（ａ−ｔ−＋）、−（Ｊ２（（３Ｆ２）ｂ　Ｈ（
ｂ−／−ざ）、−ｃｎ２ｃａ２ｏ−ｃｕ２ｃｒ３、 −（ｃＨ２ＣＨ２０）ｃ　ＯＦ２（３Ｆ２Ｈ（ｃ−／〜
４’）、−ＣＨ２ＣＨ２０・ＣＨ２（ＯＦ２）ａＦ（ａ
−／−４）、−ＣＨ２（ＯＦ２）ｄｏ（ＧＦｚ）ｚＦ（
（１−ｔ　〜ｘ、１＝ｔ−４）及び−３ｉ（００２Ｈ５
）ａから成る群より選ばれた基を表す。

（５）　　０Ｈ２−ａＨｏａ−Ｒｄで表される化合物．
０ ただし、式中Ｒｄは−（ＯＨ２）ｆ−ＯＨ３（ｆ−０−
２＞、−（ｃＨ２）ｇＨＣｇ冑ｌ〜３）、 （ｈ−ｏ〜２）から成る群より選ばれた基を表す。

（６）　　（４１及び（５）の単量体の混合物。

単量体Ｈａとして上記（１）〜（３）、単量体Ｈｂとし
て（４）〜（６）のいずれも組み合わせることができる
。

また上記透明ゲル物体のゲル化状態を調節するには、（
３）項に挙げたように架橋性単量体Ｍａ　ｒ不飽和基を
一つ有する単量体を添加する方法及びＧＢｒ４　、　Ｃ
０１＋＊メルカプ′タン類等の連鎖移動剤を添加する方
法、または両者を併用する方法が有効である。

３−乙　発明の効果 本発明方法によれば、球面収差の小さい球面レンズのみ
ならず、要求される焦点距離と球面収差を有するレンズ
を一体成形することができ、後加工などの工程が不要な
ので、現在製造されている一プラスチック成形レンズと
殆ど同等のコストで精密な屈折率分布を有した球面レン
ズを製造することができる。

３−７　発明の実施例 以下に実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。

例えば、前記透明ゲル物体中Ｋ　Ｍｂを液体状態で拡散
・重合させる場合について述べると、第２図に示すよう
にまず開始剤を添加した単量体Ｍａを所定量、一定の曲
率半径Ｒの凸面から成る底面を有する円筒型の成形容器
２に注入管３を通じて注入し、容器λ内の液上空間を排
気管ｔで排気しつつ窒素導入管Ｓで窒素ガスを送給して
窒素置換した後コックを閉じて密閉する。

容器を液面が容器中心軸と垂直になるように静置した上
で所定温度で所定時間加熱し、表面が平滑な前記透明ゲ
ル物体ｌを形成する。

次にＮ”ａとは異なる屈折率を有する重合体（共重合体
を含む）Ｐｂを形成、する単量体（単量体混合物を含む
）Ｈｂを、注入管ｔを通じて容器中の透明ゲル物体ｌの
表面上に所定量注入す怠。その後、再び容器内を窒素置
換して密閉し、容器−を恒温槽に入れて所定温度で所定
時間、上記容器を加熱して、単量体Ｍｂを透明ゲル物体
ｌ中に表面からその表面に対して垂直方向に拡散・重合
させて屈折率が一方向（図示例で円筒状容器中心軸方向
）に連続的に変化する屈折率分布を形成させる。

その後、更に所定温度で所定時間加熱処理して重合を完
結させることにより、第１図ＡＫ示すように一方の平面
から他方の凸面まで屈折率が厚み方向に連続的に変化す
る一定の曲率半径Ｒの凸面と平面から成るレンズを製造
することができる。

次に前記透明ゲル物体中にＭｂを一方向から気体又は霧
滴状態で拡散・重合させて第１図Ａに示すレンズをつく
る場合について述べる。

まず、前記透明ゲル物体は前述と同様な方法で容器中に
形成させる。

その後、単量体Ｈｂを外部にて所定温度で加熱して気化
させるか（気体状態）又は超音波、スプレーノズルなど
で霧化させた（霧滴状態）上で、所定量窒素をキャリヤ
ーガスとして、容器中の透明ゲル物体の表面上に送り込
む。所定温度で所定時間上記容器を加温して単量体Ｍｂ
を透明ゲル物体中に表面からそ”の表面に対し垂直方向
に拡散・重合させて屈折率が一方向に連続的に変化する
屈折率分布を形成させる。その後容器内に窒素ガスを再
び送り込み、窒素置換した後所定温度で所定時間加熱処
理して重合を完結させて厚み方向に屈折率分布をもった
一定の曲率半径Ｒの凸面と平面から成るレンズを製造す
る。

気体状態で拡散・重合させる場合は、単量体Ｍｂの蒸気
を含む雰囲気中のＭｂの蒸気の圧力があまりに低いとゲ
ル物体内のＭｂ拡散量が小となって希望の屈折率分布が
得られないので、この圧力は絶対圧で／　ｍｍＨｇ以上
であることが好ましく、より好ましい圧力範囲はｊｍｍ
１ｇ以上である。

以上の製造方法において、単量体ＭａとＭｂの各々が重
合体になった時の屈折率Ｎａ、、Ｎｂはどちらか高くて
もかまわないが１．屈折率差の絶対値はｏ、ｏｏｓ　又
は、それ以上が好ましい。

屈折率ＮａがＮｂより大きい場合には、以上９方法によ
り、光軸方向に前述（１）式又は（２）式で表わされる
屈折率分布を持ち、光軸に垂直な面内では、屈折率が一
様であるような合成樹脂凸レンズが一体成形で得られ、
従来の屈折率が一定であるレンズに比べて著しく球面収
差が減少したレンズを製造することができる。また、Ｎ
ｂがＮａより大きい場合は、球面収差は増大するが、絶
対値が等しく、符号が逆の球面収差ができるレンズシス
テムにおいて、球面収差を補正することに使用される。

以上は、球面収差を補正するために平凸レンズにおいて
平面から他方の曲率半径Ｒの凸面まで軸方向に屈折率が
変化する屈折率分布を有する合成樹脂光学素子（第１図
Ａ）の製造例であるが、本発明によれば、その他第１図
Ｂ−Ｆ！ｉ種類の屈折率分布を有した合成樹脂光学素子
も簡単に製造することができる。

例えば、第１図Ｂに示した様なレンズを製造するには第
２図の一定の曲率半径Ｒの凸面を有する円筒型容器２０
代わりに第３図に示すような一定の曲率半径−Ｒの凹面
を有する円筒型容器−を使用すればよく、その後の製造
方法は、上記第１図Ａのレンズの製造方法と同様である
。Ｎａ＜Ｎｂの時は低球面収差凹レンズとなる。

また、第１図０．Ｄに示した様なレンズを製造するには
各々第を図（ａ）第５図（（転）に示されているような
平面の成形面２Ａと球面の成形面２Ｂを有する円筒型成
形容器λ中においてまず前記透明ゲルは凹面から成る型
の上部を注意深く取り去り、次に第を図、第５図の（旬
に示されているように第２図７と同様な円筒状容器上部
７を設置する。その後は上記第１図Ａのレンズの製造方
法と同様に行なえば単量体Ｍ／Ｌはゲル体の球面の方か
ら拡散・重合して行き、等屈折率面がレンズの球面に対
して同心であるような屈折率分布を形成することができ
る。

更に、第１図ＥＫ示したようなレンズを製造するには、
第１図Ｃのレン、ズあ製造法と同様の方法を使用すれば
良い。ただし、第４４１ｉＵ（４１において、Ｈ４を前
記透明ゲル物体の凸面から拡、散させる場合が異なる。

この場合は、中心に微小な円形の穴が開いたマスクを前
記透明ゲル物体の中心に合わせて、凸面上に設置した後
、単量体Ｍ４を第を図（Ａ）のように容器中に入れ、凸
面の方から拡散させる。

すると、ＭＡは前記透明ゲル物体中を放射状に拡散・重
合して行き、第１図Ｅに示したようなレンズが製造され
る。

最後に第１図ＦＫ示したようなレンズを製造するには、
第３図（ａ）に示されているような円筒型容器中におい
て、まず前記透明ゲル物体を形成させる。その後、平面
から成る型の上部を注意深く取り去り、第１図Ｅのレン
ズの製造法と同様に、中心に微小な円形の穴ｌｒＡが開
いたマスクざを前記透明ゲル物体の中心に合わせて平面
上に設置した後、単量体ＭＡを第６図（旬のように容器
中に入れ、平面の方から拡散させる。するとＭＡは前記
透明ゲル物体中を放射状に拡散・重合して行き、第１図
ＦＫ示したようなレンズが製造される。第１図Ａ〜Ｆに
おいて、球面収差の大きを制御するには、前記透明ゲル
物体の転化率及び拡散時の温度・時間等を調節すれば良
い。

以上に述べたように本発明によれば、球面収差を自由に
決定してレンズを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＡないしＦは本発明方法で製造できる種々のレン
ズ形状と屈折率等分布面形状との組み合せ例を示す断面
図、第２図は本発明方法で凸球面レンズを成形する方法
の一例を示す断面図、第３図は凹球面レンズを成形する
方法の一例を示す断面図、第１図（ａ）　、　（ｂ）は
母材成型と単量体Ｍｂ　拡散を別容器中で行なって凸レ
ンズを成形する実施例を示す断面図、第５図は同上方法
で凹レンズを成形する実施例を示す断面図、第３図（ａ
）　、　（ｂ）はレンズの屈折率等分布面の曲率中心が
レンズ屈折面の曲率中心に対して反対側にあるような分
布形状をもつレンズを成形する方法の一例を示す断面図
である。 ｌ・・・透明ゲル物体、２・・・成形容器Ｊ　ＩＩ　６
１１単量体Ｍの注入管 ｌ・・・単量体Ｍｂ注入管　１０・・・レンズ／／Ａ、
／／Ｂ−−・屈折面　１２・・・等屈折率面第１図 第６図 ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）屈折率Ｎａの網状重合体（共重合体を含む）Ｐａ
   を形成する単量体（単量体混合物を含む）Ｍａを一定の
   曲率半径±Ｒの球面の成形面を有する円筒状容器内に入
   れ、一部重合させて、透明ゲル物体を形成する工程。 （ｂ）前記Ｎａとは異なる屈折率Ｎ＾ｂを有する重合体
   （共重合体を含む）Ｐ＾ｂを形成する単量体（単量体混
   合物を含む）Ｍ＾ｂを液体、気体又は霧滴状態で前記透
   明ゲル物体の平面又は球面から円筒の軸方向に拡散させ
   ると共に重合させ、屈折率が円筒の軸方向に連続的に変
   化する屈折率分布を前記透明ゲル物体中に形成する工程 （ｃ）加熱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屈折率分布を有する合成樹脂光学
   素子を１体成形によって製造する方法。