JPS6232402A - 合成樹脂球レンズの製造方法 - 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−／　　産業上の利用分野 本発明は球の中心から周辺に向けて法線方向に屈折率が
変化する屈折率分布を有する合成樹脂製球レンズを製造
する方法に関する。

３−２　従来技術の説明 屈折率分布を有するレンズとして、半径方向に中心軸か
らの距離の２乗にほぼ比例して減少する屈折率の分布を
有する透明棒状体が知られている。

この透明棒状体は凸レンズ作用を有し、またその屈折率
分布は（１１式で近似される。

ｎ　（ｒ　）　−ｎｏ　（／−／／ｊＡｒ２）　　　　
　（１）式中、ｎ（ｒ）は中心軸からｑ距離ｒの点にお
ける屈折率、ｎＱは中心軸における屈折率、Ａは正の定
数を各々表わす。

このような透明棒状体中を光束は蛇行して伝播し、その
周期りは（２）式で表わされる。

Ｌ、−２π／′Ｖ′ＸＶ（２） また（３）式で近似されるように、中心軸からの距離の
２乗にほぼ比例して増大する屈折率分布を有する場合に
は憑明俸状体は凹レンズ作用を有する光伝送体となる。

ｎ（ｒ　）＝ｎ□　（１＋／／２　Ｂｒ２　）　　　　
　　　　（３１式中ｎ（ｒ）及びｎ□は前記に同じであ
り、Ｂは正の定数である。

このような屈折率分布を有する合成樹脂光伝送体の製造
方法は、特公昭！２−ｊＪｊ７号公報、特開昭５／−／
６３９’１号公報、特開昭！Ｉｔ−／／９９３９号公報
などに記載されている。

３−３　発明が解決しようとする問題点上記のように、
半径方向に屈折率分布を有する円柱状のロンドレンズは
オプトエレクトロニクス分野において集光、結像素子と
して注目されている。しかし、ロンドレンズの光軸が光
学系の光軸とわずかにずれた場合、スキュー光線により
大きな収差を生じ現在、これが問題となっている。

しかし、球レンズではこのようなレンズの光軸が存在し
ないため軸ずれによるスキュー光線は、存在しない。屈
折率が中心点から外周に向けてほぼ二乗分布で減少して
いる球レンズを適当な屈折率を有する媒体中に埋め込ん
だもの、あるいは、このような球レンズの周囲に屈折率
均・−なりラッドをつけたものを集光素子として使用す
ればほぼ無収差の集光を実現できる。

しかし、従来技術では球状に屈折率分布を制御すること
は極めて難しく、このような球レンズは未だ得られてい
ない。屈折率勾配を有する合成樹脂製球レンズを製造す
るには、まず現状の母材を得ることが必要であるが、母
材として重合が完結したものを使用すると後の屈折率の
異なる単量体を拡散する工程において母材の中心まで拡
散させることが非常に困難となる。そこで母材として、
一部重合した球状の透明ゲル粒子を使用する。

完全な球状の透明ゲル粒子を一度に大量に製造する方法
として懸濁重合を使用することが特願昭１．０−Ｉ１１
６２１１に述べられている。

このようにして得られた透明ゲル粒子を、その後に続く
、拡散及び熱処理工程を経過させると、前述のように球
の中心から周辺に向けて法線方向に屈折率が変化する屈
折率分布を有する合成樹脂製球レンズを一度に大量生産
することができる。

しかし、透明ゲル粒子に単量体Ｍｂを拡散させると共に
共重合させる拡散工程においては、重合は未だ完結して
おらず上述の屈折率分布も固定化されていない。そのた
め、従来は拡散後の透明ゲル粒子を前記単量体Ｍｂから
分離する為、吸引濾過した後、最終的に重合を完結する
ために、容器中で所定の温度に加熱されている水中に分
散させ、所定の時間熱処理を行なっていた。

ところが、前述のごとく、拡散後のゲル粒子は重合未完
の状態であるので、上記熱処理工程中に一度拡散工程に
おいて拡散した単量体Ｍｂが逆に水中に扶は出してしま
う。そのために粒子中に形成される屈折率勾配はゆるや
かになり、また周辺部分では、単量体Ｍｂの抜は出しが
大きいため屈折率の逆勾配が目立つようになる。

３−グ　従来の問題点を解決する手段 合成樹脂製屈折率勾配型球レンズの母材である拡散後の
球状透明ゲル粒子を単量体Ｍｂの飽和水溶液中において
加熱などにより重合を完結させる。

、？　−ｊ　　発明の作用効果 拡散後の球状透明ゲル粒子を水中ではなく、単量体Ｍｂ
の飽和水溶液中において加熱などにより重合を完結する
ことによって、熱処理工程中におけるゲル粒子からの単
量体Ｍｂの扶は出しが大幅に抑制されるため、屈折率勾
配型球レンズ中の屈折率勾配を急峻にかつ球レンズの周
辺又は周辺付近までほぼ二乗分布に形成させることが可
能となる。

３−６実施例 以下本発明に係る合成樹脂製球レンズの製造方法を実施
例に基づき説明する。

まず、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を開始剤
と共に、又はこれらを所定の温度Ｔｏ、時間ｔ。

において予備重合したゾルを、一度に又は−滴ずつ滴下
して、溶媒及び分散剤が入っている所定の容器中に仕込
み、所定の温度Ｔ１°Ｃ１時間ｔ１及び回転数ｒｌ（ｒ
ｐｍ）において懸濁重合を行ない、一部重合させて球状
の透明ゲル粒子を一度に大ｊｌＫ製造する。このときゲ
ル粒子が溶剤に不溶な成分（網状重合体）を２０〜９０
重量％含んでいる重合未完の状態としておく。

上記のように製造した球状の透明ゲル粒子は所定の容器
中の重合系に分散しているので、この重合系を吸引濾過
して、透明ゲル粒子を分離する。

次に分離された上記粒子を前記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）Ｐｂを形成する単
量体（単量体混合物を含む）Ｈｂが入っている容器中に
加え、所定の温度ＴｉＣ１時間ｔ２にて、球の表面から
中心に向けて単量体Ｍｂを拡散させると共に重合させ、
屈折率が球の中心から周辺に向かって法線方向に連続的
に変化する屈折率分布を、前記透明ゲル粒子中に形成す
る。

その後、拡散後の透明ゲル粒子を前記単量体Ｍｂから分
離する為、再び吸引濾過する。そして最終的に重合を完
結するために、今度は所定の容器中で、所定の温度Ｔ３
°Ｃに加熱されている単量体Ｍｂの飽和水溶液中に分散
させ、所定の時間ｔ３及び回転Ｗｉｒ３（ｒｌ）ｍ）の
攪拌のもとにおいて熱処理を行なう。

このようにして一度に大量に得られた合成樹脂製球レン
ズにはすべて中心から周辺に向けて法線方向に連続的に
変化する屈折率分布が形成されており、しかも、その屈
折率分布は水中で熱処理した場合と比較すると、急峻に
かつ周辺又は周辺付近まで形成されている。

コルレンズは通常の屈折率一様な球面レンズと比較する
と球面収差のみならず、コマ収差も補正されている。

上述の実施例におけるレンズ母材としての透明ゲル物体
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、イソフタル醸ジアリル、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、アクリル醗アリル等の
不飽和醗アリルエステル。

（２１ＲＩＲ２−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
ルエステル基のダ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は以下に示されるコ価の基のうちから選択できる
Ｏａ− ＣＨ３ −（（Ｈ２ＣＨ２０）ｍ　−ＣＨ２ＣＨ２−（ｍ−ｏ−
、ｚｃ＋）−（ＣＨ２）　ｐ　　　　　　　　　　　　
（ｐ　ｓｗ　３〜／ｊ）（ＧＨｚ）ｉＨ −ＣＨ２−ＣＣＨ２（ｉ、ｊ−／〜３）（ＧＨｚ）ｊＨ （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
ル類及びメタクリル酸エステル類の５種のうちの少なく
とも７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れる
。Ｘ ■ （４）　　ＣＨ２−Ｃ−Ｃ００Ｙで表される化合物ただ
し、式中Ｘは水素原子またはメチル基、−ＣＣＨ２）ｊ
ＨＣ１−／〜ｌ）、ｉ−プロピル基、ｉ＼ブチル基、Ｓ
−ブチル基、ｔ−ブチル基、（ｈ−０〜２）及び−（Ｃ
Ｈ２ＣＨ２０）ｐ　　ＣＨ２ＣＨ３（ｐ−／〜６）から
成る群から選ばれた基、または−（ＣＦ２）ａ−Ｆ　（
ａ−／　〜６　）　、−０Ｈ２（ＣＦ２）ｂＨ（ｂ−／
−ｆ）、−０Ｈ２ＣＨ２０・（Ｊ［２０Ｆ：ｓ　、−（
（Ｊ２ＣＨ２０）ｃＣＦ２０Ｆ２Ｈ（Ｃ−／　〜Ｉｆ　
）　、−ＣＨ２ＣＨ２０・ＣＨ２（ＣＦ２　）ａＦ（ａ
−／〜６）、−ＣＨ２（ＣＦｇ）ｄ　Ｏ（ＣＦ２ＭＦ　
（ｄ　−／　〜、２．１−／−４）及び−３ｉ（ＯＣ２
Ｈ５）３から成る群より選ばれた基を表す。

（５）　　ＣＨ２−ＣＨｏＣ−Ｒ４テ表さレル化合物墓 ただし式中Ｒ４は−（ＣＨ２）ｆ　−ＣＨ５（ｆ−０−
２）、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Ｍ
ａとして上記（１）〜（３）、単量体Ｍｂ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■体Ｍａに不飽和基を７
つ有する単量体を添加する方法及びｇＢｒ４　、　ＣＧ
１４　ｔ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。

次に本発明の試験例について説明する。

試験例／ まず、単量体ＭａとしてＤＡＩ（イソフタル酸ジアリル
）（重合体屈折率Ｎａ−／、ｊ４り）ｊ９に開始剤とし
てＢＰＯ（過醸化ベンシイｙｂ）ｏ、ｏｓり、ＤＢＰ０
（ジターシャリ−ブチルパーオキサイド）Ｏ，ＯＳり　
を加えた後、温度’ｒｏ−９０°Ｃ１時間ｔｏ−５６分
子備重合してゲル化以前の流動性を有しているゾルを製
造した。このゾルはメタノールに不溶な成分（線形重合
体）１０重ｆｆｉ％から成っていた。

次に・このゾルと共に溶媒として水２００ｇ及び分散剤
としてＰＶＡ　（ポリビニルアルコール）／、ｊ９を使
用し、攪拌装置付きのフラスコ中に加え、温度Ｔｌ−９
０°Ｃ１回転数１４−ｊ　夕０　（ｒｐｍ）にて時間ｔ
１ｍ４ｉ時間懸濁重合を行ない、一部重合した球状の透
明ゲル粒子を一度に大屋に製造した。この透明ゲル粒子
は、メタノールに不溶な成分（網状重合体部分及び線形
重合体部分）７５重景％、メタノールに可溶な成分（単
量体及び低分子量プレポリマ一部分）２５重１％から成
っていた。

次に、上記により製造した透明ゲル粒子を重合系から分
離するために吸引濾過し、その後、分離された前記粒子
を温度Ｔ２−７０”Ｃに加温さねた容器中にあるＪＦＭ
Ａ（メタクリル酸−２，２，２−トリフルオロエチル）
（重合体屈折率Ｎｂ　−／、１１２ＩＯ）２０り中に加
え、ｔ２−／時間保持し、ＪＦＭＡを前記粒子−゛に拡
散させ同時に重合させる。

その後拡散後の前記粒子なＪＦＭＡから分離する為再び
吸引濾過する。そして最終的に温度Ｔ３−ｑＯ″Ｃに加
熱されている容器中にあるＪＦＭＡの飽和水溶液２００
ｑ中に加え、回転′ｆ＆ｒ３−３３Ｏｒｐｍ、時間ｔ３
−、−＃時間にて重合を完結させ、球の中心から周辺に
向けて法線方向に連続的に屈折率が変化±Ｏ，ＯＳ朋の
球レンズは全体の３０％であった。

得られた合成樹脂屈折率勾配型球レンズ中に形成された
屈折率分布を干渉顕微鏡により測定すると第１図のよう
であった。第１図で横軸は、球の半径Ｒｐに対する距離
ｒの比を表わし、縦軸は同点での屈折率である。その屈
折率差は水中において熱処理した場合と比べて約３倍大
きく、かつ周辺付近までほぼ二乗分布が形成されていた
。

試験例λ まず単量体ＭａとしてＤＡＩ　ｊり、開始剤としてＢＰ
ＯＯ，０３り及びジクミルパーオキサイド０．０５９を
加えた後、温度’ｒｏ−９０°Ｃ時間ｔ（、−５７分分
子型合してゾルを得た。このゾルはメタノールに不溶な
成分（線形重合体）／２重景％から成っていた。

次に溶媒として水２００り及び分散剤としてＰＶＡ（ポ
リビニルアルコール）／、ｊりが入っている攪拌装置付
きフラスコ中において温度’ｒ１−９０°Ｃ１回転数ｒ
ｌ−ｔｏｒｐｍにて時間ｔｌｓＪ時間懸時間懸濁打合い
、一部重合した球状の透明ゲル粒子を一度に大１ｉ［製
造した。この透明ゲル粒子はメタノールに不溶な成分（
網状重合体部分及び線形重合体部分）７５重量％、そし
てメタノールに可溶な成分（単１体及び低分子量プレホ
゛リマ一部分）２５重景％から成っていた。

次に上記により製造した透明ゲル粒子を重合系から分離
するために吸引濾過し、その後分離された前記粒子を温
度Ｔ２−７０″Ｃに加温された容器中にあるＪＦＭＡ中
に加えｔ２−９０分間保持し、３ＦＭＡを前記粒子中に
拡散させ、同時に重合させる。

その後、拡散後の前記粒子をＪＦＭＡから分離する為に
再び吸引濾過する。そして最終的に温度Ｔ３−りＱ″Ｃ
に加熱されている容器中にあるＰｖＡＩＯ９を含むｊＦ
ＭＡの飽和水溶液２００９中に加え、回転数ｒ３−Ｊｊ
Ｏｒｐｍ時間ｔ３−ｉｓ待時間て重合を完結させ、球の
中心から周辺に向けて法線方向に連続的に屈折率が変化
する合成樹脂球レンズを得た。

得られた球レンズは、すべて所望の直径へ５ｏ朋に対し
て±０．０２ｍｍの範囲内に入っており、粒径は一定と
みなしてよい。

得られた合成樹脂屈折率勾配型球レンズ中に形成された
屈折率分布を干渉顕微鏡により測定すると第２図のよう
であった。第２図で縦軸は中心からｒ／Ｒ１）の距離に
おける屈折率ｎと中心点の屈折率ｎｏとの差を示す。そ
の屈折率差は、水中において熱処理した場合と比べて約
１倍大きく、かつ周辺付近までほぼ二乗分布が形成され
ていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法で得られる球レンズの断面円屈折率
分布の一例を示すグラフ、第２図は他の屈折率分布例を
示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）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又は単量
   体Ｍａを予備重合して得たゾルを懸濁重合によって一部
   重合させて、球状の透明ゲル粒子を形成する工程
2. （２）前記Ｎａとは異なる屈折率Ｎｂ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）Ｍｂ中に前記球状透明ゲル粒子を加え、球の表
   面から中心に向けて単量体Ｍｂを拡散させると共に重合
   させ、屈折率が球の中心から周辺に向かって連続的に変
   化する屈折率分布を前記透明ゲル粒子中に形成する工程
3. （３）前記単量体Ｍｂの飽和水溶液に前記透明ゲル粒子
   を加えて、加熱など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合成樹脂屈折率勾配球レン
   ズを製造する方法。