JP2010066724A

JP2010066724A - 複合光学素子

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Publication number: JP2010066724A
Application number: JP2008235454A
Authority: JP
Inventors: Keiki Totsune; 敬喜戸恒
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】複合光学素子において、温度変化によるクラック、割れ、剥離等の破損の発生を防止する。
【解決手段】エネルギー硬化型樹脂（３）と、このエネルギー硬化型樹脂（３）を挟むように位置する２枚の基材（２，４）とを備える複合光学素子１において、エネルギー硬化型樹脂（３）の２０℃における温度線膨張係数をＣｂ、２０℃における貯蔵弾性率をＥｂとし、２枚の基材（２，４）の２０℃における温度線膨張係数をそれぞれＣａ，Ｃｃ、２０℃における貯蔵弾性率をそれぞれＥａ，Ｅｃとするとき、０．７≦Ｃｂ／Ｃａ≦１．３、０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ≦１．３、０．８≦Ｃａ／Ｃｃ≦１．２、１≦Ｅｂ／Ｅａ≦２、１≦Ｅｂ／Ｅｃ≦２の各条件式を満たす構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー硬化型樹脂と、これを挟むように位置する２枚の基材とを備え、例えば、カメラ等の撮像光学系、表示デバイス等の投影光学系、画像表示装置等の観察光学系その他の光学系に用いられる複合光学素子に関する。

近年、デジタルカメラをはじめとした撮像デバイス等において小型化・薄型化が求められている。これらを実現するための手段として、光学ガラス基材上にエネルギー硬化型の樹脂を積層することで、ガラスと樹脂とが一体となって収差補正等の光学性能を発揮する複合光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このように作製した複合光学素子は、使用環境の温度変化によっては、基材の変形や割れ、積層された樹脂のクラック、更には基材からの樹脂剥がれ等が発生するという問題が発生していた。

そこで、このような問題を解決するために、ガラス基材上に紫外線硬化型樹脂層を形成する際に、基材上に積層された複数の層の温度線膨張係数を規定することで、温度変化によらず回折効率を維持する複合光学素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、別の方法として、基材上にプライマー層を配し、さらにこのプライマー層と接するように複数の樹脂層を積層することで基材と樹脂との密着性を高めて、温度変化による樹脂剥がれを防止する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６４−５００１３号公報特開２００７−２０６３５４号公報特開２００３−３２０５４０号公報

ところで、上記特許文献２に記載された複合光学素子は、温度線膨張係数を規定した回折光学素子であるが、上記温度線膨張係数を厚みのあるレンズ系に適用する場合には、エネルギー硬化型樹脂と、これを挟むように位置する２枚の基材との貯蔵弾性率の関係に起因して、複合光学素子の破損が発生しやすくなる。

具体的には、図３に示すように、紫外線硬化型樹脂２３と、これを挟むように位置する２枚の基材２２，２４とを備える複合光学素子２１において、例えば、紫外線により紫外線硬化型樹脂２３を硬化させる際に、紫外線硬化型樹脂２３は、図３に示す２点鎖線の位置から実線の位置に収縮する。このとき、変形に対する抵抗力の大きさとして定義される貯蔵弾性率の関係によって、２枚の基材２２，２４が紫外線硬化型樹脂２３に追従して収縮する量が変化すると共に、紫外線硬化型樹脂２３に残留応力が発生しやすくなる。その結果、基材２２，２４及び紫外線硬化型樹脂２３にクラックや割れが生じやすくなると共に紫外線硬化型樹脂２３と基材２２，２４との間に剥離が生じやすくなる。

なお、上記特許文献３に記載されているように、基材上にプライマー層を配する手法では、剥離は発生しにくいものの、樹脂層の残留応力の発生等を抑えることができずに、クラックや割れが発生することがあった。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、エネルギー硬化型樹脂と、これを挟むように位置する２枚の基材とを備える複合光学素子において、構成部材の残留応力の発生を抑えて、クラック、割れ、剥離等の破損の発生を防止することができる複合光学素子を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の複合光学素子は、エネルギー硬化型樹脂と、このエネルギー硬化型樹脂を挟むように位置する２枚の基材とを備える複合光学素子において、上記エネルギー硬化型樹脂の２０℃における温度線膨張係数をＣｂ、２０℃における貯蔵弾性率をＥｂとし、上記２枚の基材の２０℃における温度線膨張係数をそれぞれＣａ，Ｃｃ、２０℃における貯蔵弾性率をそれぞれＥａ，Ｅｃとするとき、
以下の条件式（１）から（５）を満たす構成とする。

０．７≦Ｃｂ／Ｃａ≦１．３・・・（１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ≦１．３・・・（２）
０．８≦Ｃａ／Ｃｃ≦１．２・・・（３）
１≦Ｅｂ／Ｅａ≦２・・・（４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ≦２・・・（５）
また、上記エネルギー硬化型樹脂は、紫外線硬化型樹脂であり、この紫外線硬化型樹脂の硬化時収縮率をＡ（％）とするとき、０＜Ａ≦１０である構成とする。

また、４００ｎｍ波長における光線透過率をＢ（％）とするとき、上記２枚の基材のうち少なくとも一方が、Ｂ≧７０である構成とする。

本発明では、エネルギー硬化型樹脂と、このエネルギー硬化型樹脂を挟むように位置する２枚の基材とを備える複合光学素子において、クラック、割れ、剥離等の破損の発生を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る複合光学素子について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る複合光学素子１を示す断面図である。

同図に示す複合光学素子１は、エネルギー硬化型樹脂としての紫外線硬化型樹脂３、並びに、この紫外線硬化型樹脂３を挟むように位置する基材としての透明な第１プラスチックレンズ基材２及び第２プラスチックレンズ基材４を備える。

複合光学素子１の製造の際には、所定の形状に成形した第１プラスチックレンズ基材２に対し、紫外線硬化型樹脂３を滴下する。そして、この紫外線硬化型樹脂３を挟み込むように、第２プラスチックレンズ基材４を降下させて、紫外線硬化型樹脂３を所定の形状に押し拡げる。

次いで、第１プラスチックレンズ基材２側から紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂３を硬化させる。このようにすることで、紫外線硬化型樹脂３並びに第１及び第２プラスチックレンズ基材２，４が一体となった複合光学素子１が製造される。

なお、第１及び第２プラスチックレンズ基材２，４の形状は、例えば、曲率一定の球面、平面、部分的に曲率の異なる非球面、或いは回折格子として機能するように周期的構造を有する形状等とすることができる。

また、硬化時の発生熱量の制御の容易さ及び変形量の少なさの点で好ましいことから、本実施の形態では、エネルギー硬化型樹脂として紫外線硬化型樹脂３を用いる例について説明している。しかしながら、エネルギー硬化型樹脂として、紫外線硬化型樹脂に限らず熱硬化型樹脂その他のエネルギー硬化型樹脂を用いることもできる。

本実施の形態における紫外線硬化型樹脂３としては、例えば、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート、フェニル（メタ）アクリレート、ノニルフェニル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ジメチロールトリシクロデカンジ（メタ）アクリレート、イソボルニルメタクリレート、トリメチルプロパン（メタ）アクリレート、ビスフェノールＡジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、２−メタクリロイルオキシエチルイソシアネート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート等の各種アクリレート、９，９−ビス（４−（２−アクリロイルオキシエトキシ）フェニル）フルオレン等のモノマー或いはオリゴマーの一種又は複数種を組み合わせて用いることができる。

また、基材２，４は、射出成形によりプラスチックレンズとして任意の形状に形成することが容易な熱可塑樹脂を用いるのが好ましい。熱可塑樹脂として、例えば、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリオキシメチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスルホン、ポリカーボネートやシクロオレフィン系ポリマー等を、単独で又はこれらから選ばれる成分を含有してなる共重合体として用いることができる。

そして、上記の基材２，４及び紫外線硬化型樹脂３で構成された複合光学素子１は、紫外線硬化型樹脂３の２０℃における温度線膨張係数をＣｂ、プラスチックレンズ基材２，４の２０℃における温度線膨張係数をそれぞれＣａ，Ｃｃとするとき、
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ≦１．３・・・（１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ≦１．３・・・（２）
０．８≦Ｃａ／Ｃｃ≦１．２・・・（３）
の関係を満たすことが望ましい。この条件式（１）〜（３）を満たすことで、複合光学素子１おいて、温度変化が大きくてもクラックや割れや剥離の発生を抑えることができる。

上記条件式（１）〜（３）を満たさない場合には、紫外線硬化型樹脂３と基材２，４との間で収縮差が大きくなる。その結果、温度変化大きいと、紫外線硬化樹脂３や基材２，４にクラックや割れが発生したり、紫外線硬化樹脂３と基材２，４の間で剥離が生じる。

また、複合光学素子１は、紫外線硬化型樹脂３の２０℃における貯蔵弾性率をＥｂとし、プラスチックレンズ基材２，４の２０℃における貯蔵弾性率をそれぞれＥａ，Ｅｃとするとき、
１≦Ｅｂ／Ｅａ≦２・・・（４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ≦２・・・（５）
の関係をさらに満たすことが好ましい。この条件式（４）、（５）を満たすことで、より効果的に、紫外線硬化樹脂３や基材２，４にクラックや割れが発生することや、紫外線硬化樹脂３と基材２，４の間で剥離が生じることを抑えることができる。

これに対して、条件式（４）、（５）の下限値１を下回る場合、基材２，４における収縮速度が紫外線硬化型樹脂３の収縮速度よりも遅くなる。そのため、紫外線硬化型樹脂３の硬化時において、基材２，４にクラックや割れ、或いは紫外線硬化型樹脂３と基材２，４との間に剥離が発生する。なお、条件式（４）、（５）を満足しない場合としては、例えば、紫外線硬化型樹脂３の貯蔵弾性率Ｅｂが基材２，４の貯蔵弾性率Ｅａ，Ｅｃよりも低い場合がある。

また、条件式（４）、（５）の上限値２を超える場合、基材２，４における収縮速度が紫外線硬化型樹脂３の収縮速度よりも速くなる。そのため、外線硬化型樹脂３の硬化時において、基材２，４にクラックや割れ、或いは紫外線硬化型樹脂３と基材２，４との間に剥離が発生する。また、紫外線硬化型樹脂３に残留応力が溜まりやすくなることから、複合光学素子の形成後の使用環境の温度変化が大きいと、紫外線硬化型樹脂３や基材２，４にクラックや割れ、或いは紫外線硬化型樹脂３と基材２，４との間に剥離等が発生してしまう。

また、後述する硬化時収縮率が１０％を超える紫外線硬化型樹脂３を用いると、複合光学素子の形成時に残留応力が溜まりやすくなる。その結果、複合光学素子の形成後の使用環境の温度変化が大きいと、紫外線硬化樹脂３にクラックや割れが発生したり、紫外線硬化樹脂３と基材２，４との間に剥離が発生しやすくなる。

また、熱可塑樹脂としての基材２、４の光線透過率が、４００ｎｍの波長域において７０％に満たない場合、紫外線硬化型樹脂３を十分に硬化させるためには、照射する紫外線の出力を上げる必要がある。そのため、紫外線硬化樹脂３が発熱して硬化時の冷却過程で残留応力が溜まりやすくなる。その結果、複合光学素子の形成後の使用環境の温度変化が大きいと、クラックや割れ、或いは剥離などの破損が発生する。

このような問題は、光線透過率が５０％に満たない場合には、特に顕著に発生する。
そのため、基材２，４のうち少なくとも一方（少なくとも紫外線照射側の基材）は、４００ｎｍの波長域において５０％以上、好ましくは７０％以上の光線透過率を有する熱可塑樹脂とするのが好ましい。

このように本発明では、複合光学素子の構成部材が、上述した条件式（１）〜（５）を満足することにより、複合光学素子の形成時に、エネルギー硬化型樹脂と２枚の基材との収縮差に起因して発生する残留応力の発生自体を抑えることができる。その結果、形成後の複合光学素子における使用環境の温度変化によって、クラックや割れ、或いは剥離などの破損が発生することを抑えることができる。

上述した複合光学素子の各特性の測定方法、試験方法、及び評価方法については、以下に詳しく述べる。
（貯蔵弾性率の測定）
貯蔵弾性率Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃは、紫外線硬化型樹脂３及び基材２，４の各材料からなる１×１×５ｍｍの各角柱試料について、ＴＡインスツルメント社製ＤＭＡＱ−８００を用いて測定する。測定モードは、３点曲げにて、周波数１Ｈｚ、２０℃で測定する。
（硬化時弾性率の測定）
１ｍｍの器壁及び内径を有する透明なポリカーボネート製の円筒状容器に、紫外線硬化型樹脂３を所定量導入して、その高さＨ（ｃｍ）を測定する。次に、メタルハライドランプを用いて波長４００ｎｍの光を１００ｍＷ／ｃｍ^２で５分間、紫外線硬化型樹脂３全体に照射する。そして、光を照射した後の樹脂の高さｈ（ｃｍ）を測定し、ｈ／Ｈが０．９以上であれば、当該紫外線硬化型樹脂の硬化時収縮率が、１０％以下であるとする。
（光線透過率の測定）
日立製分光光度計Ｕ−４１００を用いて測定することができる。具体的には、基材２，４と各々、同材質で、その最大厚さと同じ厚さの平板を用意してその透過率を測定する。
（ヒートサイクル試験）
サンプルを２０℃６０％ＲＨの環境下で１時間保持した後、３時間かけて８０℃４０％ＲＨに変化させる。そして、８０℃４０％ＲＨの状態で３時間保持した後、５時間かけて−５０℃に変化させる。また、−５０℃で３時間保持した後、３時間かけて２０℃６０％ＲＨに変化させる。そして、このサイクルを４サイクル繰り返し、計７２時間のヒートサイクル試験を行う。
（評価方法）
サンプルの良否の評価は、試験後にクラック、割れ、剥離の有無を目視により観察し、例えば、１０サンプルあたり１サンプル以上に欠陥が発生したものを不良と評価することにする。

以下、実施例１及び２並びに比較例１及び２を挙げて、本発明についてより具体的に説明する。また、各実施例及び各比較例における複合光学素子の各特性及びその評価結果を図２に示した。

＜実施例１＞
モノマーとしてジメチロールトリシクロデカンジアクリレートを９９．５重量部、光重合開始剤としてベンゾフェノンを０．５重量部配合した紫外線硬化型樹脂を、曲率半径２００ｍｍの凸面を有するＨ４０００（三菱ガス化学社製樹脂：光線透過率８８％）に０．０５ｇ滴下した。そして、その上方にカップリング剤による表面処理を施した曲率半径８０ｍｍの凹面を有する直径２０ｍｍのゼオネックスＥ４８Ｒ（日本ゼオン社製樹脂：光線透過率９０％）を上記凹面が上記凸面に対向するように被せることで、２枚の熱可塑樹脂面（基材面）と、紫外線重合性組成物面（紫外線硬化型樹脂面）とが界面を形成するようにした。

次いで、ＵＶ照射装置（住田光学製ＬＳ−１６５ＵＶ）を用いて、照度が５０ｍＷ／ｃｍ^２となるようにした波長４０５ｎｍの光を、基材であるＨ４０００を介して紫外線硬化型樹脂に２分間照射し、紫外線硬化型樹脂が硬化後、２枚の基材と紫外線硬化型樹脂とが一体となった複合光学素子を得た。

ジメチロールトリシクロデカンジアクリレートの上述の硬化時収縮率は、６％であった。
そして、紫外線照射側のレンズ基材２に使用したＨ４０００の４００ｎｍにおける光線透過率は、上記のように８８％であった。

これら複合光学素子の構成部材について、上述の温度線膨張係数を評価したところ、
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ＝１．２≦１．３・・・（Ａ１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ＝１．２≦１．３・・・（Ａ２）
０．８≦Ｃａ／Ｃｃ＝１．２≦１．２・・・（Ａ３）
であり、また、これら構成部材について、上述の貯蔵弾性率を評価したところ、
１≦Ｅｂ／Ｅａ＝１．５≦２・・・（Ａ４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ＝１．５≦２・・・（Ａ５）
であった。

本実施例の複合光学素子に対して、上述したヒートサイクル試験を行ったところ、樹脂にクラックや剥離は発生せず、良好なヒートサイクル特性を示した。
＜実施例２＞
２枚の透明基材をそれぞれゼオネックス３３０Ｒ（日本ゼオン社製樹脂：光線透過率９０％）およびパンライトＡＤ−５５０３（帝人化成社製樹脂：光線透過率８５％）としたほかは上記実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

紫外線照射側のレンズ基材２には、上記のように光線透過率が９０％のゼオネックス３３０Ｒを使用した。
本実施例の複合光学素子の構成部材について、上述の温度線膨張係数を評価したところ、
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ＝０．９≦１．３・・・（Ｂ１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ＝０．８≦１．３・・・（Ｂ２）
０．８≦Ｃａ／Ｃｃ＝０．９≦１．２・・・（Ｂ３）
であり、また、これら構成部材について、上述の貯蔵弾性率を評価したところ、
１≦Ｅｂ／Ｅａ＝１．５≦２・・・（Ｂ４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ＝１．５≦２・・・（Ｂ５）
であった。

本実施例の複合光学素子に対して、上述したヒートサイクル試験したところ、樹脂にクラックや剥離等は発生せず、良好なヒートサイクル特性を示した。
＜比較例１＞
２枚の熱可塑樹脂基材をそれぞれＨ４０００（三菱ガス化学社製樹脂：光線透過率８９％）およびパンライトＳＰ−１５１６（帝人化成社製樹脂：光線透過率６６％）としたほかは、上記実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

紫外線照射側のレンズ基材２には、上記のように光線透過率が８９％のＨ４０００を使用した。
本比較例の複合光学素子の構成部材について、上述の温度線膨張係数を評価したところ、
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ＝０．７≦１．３・・・（Ｃ１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ＝０．８≦１．３・・・（Ｃ２）
Ｃａ／Ｃｃ＝１．３＞１．２・・・（Ｃ３）
であり、また、これら構成部材について、上述の貯蔵弾性率を評価したところ、
１≦Ｅｂ／Ｅａ＝１．５≦２・・・（Ｃ４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ＝１．６≦２・・・（Ｃ５）
であった。

本比較例の複合光学素子に対して、上述したヒートサイクル試験を行ったところ、Ｃａ／Ｃｃ（式Ｃ３）が許容範囲の１．２を超える１．３であったことに起因して、１０サンプル中２サンプルに樹脂クラックが発生した。

＜比較例２＞
紫外線硬化型樹脂としてＤＣＰ−Ａにシリカナノ粒子を２０ｗｔ％分散させたものを用いたほかは上記実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

２枚の熱可塑樹脂基材は、それぞれＨ４０００（三菱ガス化学社製樹脂：光線透過率８９％）およびゼオネックスＥ４８Ｒ（日本ゼオン社製樹脂：光線透過率９１％）とした。
紫外線照射側のレンズ基材２には、上記のように光線透過率が８９％のＨ４０００を使用した。

ＤＣＰ−Ａにシリカナノ粒子を２０ｗｔ％分散させた場合の硬化時収縮率は、５％であった。
本比較例の複合光学素子の構成部材について、上述の温度線膨張係数を評価したところ、
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ＝０．７≦１．３・・・（Ｄ１）
Ｃｂ／Ｃｃ＝０．６＜０．７・・・（Ｄ２）
Ｃａ／Ｃｃ＝０．７＜０．８・・・（Ｄ３）
であり、また、これら構成部材について、上述の貯蔵弾性率を評価したところ、
Ｅｂ／Ｅａ＝２．１＞２・・・（Ｄ４）
Ｅｂ／Ｅｃ＝２．１＞２・・・（Ｄ５）
であった。

本比較例の複合光学素子に対して、上述したヒートサイクル試験をしたところ、Ｃｂ／Ｃｃ（式Ｄ２）、Ｃａ／Ｃｃ（式Ｄ３）、Ｅｂ／Ｅａ（式Ｄ４）、及び、Ｅｂ／Ｅｃ（式Ｄ５）の４つが許容範囲になかったことに起因して、１０サンプル中３サンプルに樹脂クラックが発生した。

本発明の実施の形態に係る複合光学素子を示す断面図である。本発明の各実施例及び各比較例に係る複合光学素子の特性及びその評価結果を示す図表である。従来の複合光学素子を説明するための説明図である。

符号の説明

１複合光学素子
２第１プラスチックレンズ基材
３紫外線硬化型樹脂
４第２プラスチックレンズ基材

Claims

エネルギー硬化型樹脂と、該エネルギー硬化型樹脂を挟むように位置する２枚の基材とを備える複合光学素子において、
前記エネルギー硬化型樹脂の２０℃における温度線膨張係数をＣｂ、２０℃における貯蔵弾性率をＥｂとし、前記２枚の基材の２０℃における温度線膨張係数をそれぞれＣａ，Ｃｃ、２０℃における貯蔵弾性率をそれぞれＥａ，Ｅｃとするとき、
以下の条件式（１）から（５）を満たすことを特徴とする複合光学素子。
０．７≦Ｃｂ／Ｃａ≦１．３・・・（１）
０．７≦Ｃｂ／Ｃｃ≦１．３・・・（２）
０．８≦Ｃａ／Ｃｃ≦１．２・・・（３）
１≦Ｅｂ／Ｅａ≦２・・・（４）
１≦Ｅｂ／Ｅｃ≦２・・・（５）
前記エネルギー硬化型樹脂は、紫外線硬化型樹脂であり、
該紫外線硬化型樹脂の硬化時収縮率Ａ（％）は、０＜Ａ≦１０である
ことを特徴とする請求項１記載の複合光学素子。
４００ｎｍ波長における光線透過率をＢ（％）とするとき、前記２枚の基材のうち少なくとも一方が、Ｂ≧７０であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合光学素子。