JP2015194731A - 光学材料、光学素子及び複合光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】広範囲な光学定数を自由に制御することができ、特に高屈折率で大きな正の異常分散性を有する光学材料、並びに該光学材料からなる光学素子及び複合光学素子を提供する。【解決手段】樹脂材料と、該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、該無機微粒子は、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む光学材料、該光学材料から形成されてなる光学素子、並びに、第１の光学素子と該第１の光学素子の光学面上に積層された第２の光学素子とを備え、該第２の光学素子は前記光学素子である複合光学素子。【選択図】図１
Description
本開示は、光学材料、光学素子及び複合光学素子に関する。
光学特性の幅を広げるために、樹脂等のマトリクス材料中に無機微粒子が分散された光学材料（以下、コンポジット材料ともいう）が知られており、このようなコンポジット材料を用い、異常分散性等の所望の光学特性を実現する技術が知られている。
特許文献１には、Ｓｉを含有する微粒子と、非晶質フッ素樹脂を含有する有機高分子材料及び無機成分からなる有機無機複合材料とを含有する組成物を成形してなる光学素子が開示されている。
本開示は、広範囲な光学定数を自由に制御することができ、特に高屈折率で大きな正の異常分散性を有する光学材料、並びに該光学材料からなる光学素子及び複合光学素子を提供する。
本開示における光学材料は、
樹脂材料と、該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、
前記無機微粒子は、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む
ことを特徴とする。
樹脂材料と、該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、
前記無機微粒子は、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む
ことを特徴とする。
本開示における光学素子は、
樹脂材料と該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、該無機微粒子は少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む光学材料、から形成されてなる
ことを特徴とする。
樹脂材料と該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、該無機微粒子は少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む光学材料、から形成されてなる
ことを特徴とする。
本開示における複合光学素子は、
第１の光学素子と、該第１の光学素子の光学面上に積層された第２の光学素子とを備え、
前記第２の光学素子は、樹脂材料と該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、該無機微粒子は少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む光学材料、から形成されてなる光学素子である
ことを特徴とする。
第１の光学素子と、該第１の光学素子の光学面上に積層された第２の光学素子とを備え、
前記第２の光学素子は、樹脂材料と該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、該無機微粒子は少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む光学材料、から形成されてなる光学素子である
ことを特徴とする。
少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子が樹脂材料に分散されたコンポジット材料である、本開示における光学材料は、広範囲な光学定数を自由に制御することができ、特に高屈折率で大きな正の異常分散性を有する。
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者らは、当業者が本開示を充分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
＜実施の形態１＞
以下、実施の形態１について図面を参照しながら説明する。
以下、実施の形態１について図面を参照しながら説明する。
［１．コンポジット材料］
図１は、実施の形態１に係るコンポジット材料の概略図である。コンポジット材料１００は、本開示における光学材料の一例であり、マトリクス材としての樹脂材料１０と、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子２０とで構成されている。無機微粒子２０は、樹脂材料１０中に分散されている。コンポジット材料１００により、後述する、光学素子の一例であるレンズや複合光学素子の一例であるハイブリッドレンズが形成される。
図１は、実施の形態１に係るコンポジット材料の概略図である。コンポジット材料１００は、本開示における光学材料の一例であり、マトリクス材としての樹脂材料１０と、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子２０とで構成されている。無機微粒子２０は、樹脂材料１０中に分散されている。コンポジット材料１００により、後述する、光学素子の一例であるレンズや複合光学素子の一例であるハイブリッドレンズが形成される。
［２．無機微粒子］
無機微粒子２０は、凝集粒子、非凝集粒子のいずれであってもよく、一般に、一次粒子２０ａと、該一次粒子２０ａが複数個凝集してなる二次粒子２０ｂとを含んで構成されている。無機微粒子２０の分散状態は、マトリクス材である樹脂材料１０中に無機微粒子２０が存在する限り、所望の効果を得ることができるという点から特に限定はないが、無機微粒子２０が樹脂材料１０中に均一に分散されていることが有益である。ここで、「無機微粒子２０が樹脂材料１０中に均一に分散されている」とは、無機微粒子２０の一次粒子２０ａ及び二次粒子２０ｂがコンポジット材料１００内の特定の位置に偏在することなく、実質的に均一に分散していることを意味する。光学用材料として透光性を損なわないためには、粒子の分散性が良好であることが有益である。そのためには、無機微粒子２０は一次粒子２０ａのみで構成されていることが有益である。
無機微粒子２０は、凝集粒子、非凝集粒子のいずれであってもよく、一般に、一次粒子２０ａと、該一次粒子２０ａが複数個凝集してなる二次粒子２０ｂとを含んで構成されている。無機微粒子２０の分散状態は、マトリクス材である樹脂材料１０中に無機微粒子２０が存在する限り、所望の効果を得ることができるという点から特に限定はないが、無機微粒子２０が樹脂材料１０中に均一に分散されていることが有益である。ここで、「無機微粒子２０が樹脂材料１０中に均一に分散されている」とは、無機微粒子２０の一次粒子２０ａ及び二次粒子２０ｂがコンポジット材料１００内の特定の位置に偏在することなく、実質的に均一に分散していることを意味する。光学用材料として透光性を損なわないためには、粒子の分散性が良好であることが有益である。そのためには、無機微粒子２０は一次粒子２０ａのみで構成されていることが有益である。
少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子２０を樹脂材料１０中に分散させたコンポジット材料１００の透光性を確保するためには、無機微粒子２０の粒子径が重要である。無機微粒子２０の粒子径が光の波長よりも充分小さい場合は、無機微粒子２０が樹脂材料１０中に分散されているコンポジット材料１００を、屈折率のばらつきがない均質な媒体とみなすことができる。したがって、無機微粒子２０の粒子径は、可視光の波長以下の大きさであることが有益である。可視光は４００〜７００ｎｍの範囲の波長を有するので、無機微粒子２０の最大粒子径は４００ｎｍ以下であることが有益である。なお、無機微粒子２０の最大粒子径は、無機微粒子２０の走査型電子顕微鏡写真を撮影し、最も大きな無機微粒子２０の粒子径（二次粒子の場合は二次粒子径）を測定することにより求めることができる。
無機微粒子２０の粒子径が光の波長の１／４よりも大きい場合は、レイリー散乱によってコンポジット材料１００の透光性が損なわれるおそれがある。そのため、可視光域において高い透光性を実現するためには、無機微粒子２０の実効粒子径は１００ｎｍ以下であることが有益である。ただし、無機微粒子２０の実効粒子径が１ｎｍ未満であると、無機微粒子２０が量子的な効果を発現する材料からなる場合に蛍光を生じることがあり、これがコンポジット材料１００から形成された光学部品の特性に影響を及ぼす場合がある。
以上の観点から、無機微粒子２０の実効粒子径は１〜１００ｎｍの範囲内であることが有益であり、１〜５０ｎｍの範囲内であることがより有益である。特に、無機微粒子２０の実効粒子径を２０ｎｍ以下とすると、レイリー散乱の影響が非常に小さくなり、コンポジット材料１００の透光性が特に高くなるので、さらに有益である。
ここで、無機微粒子の実効粒子径について図２を用いて説明する。図２において、横軸は無機微粒子の粒子径を示し、縦軸は横軸の各粒子径に対する無機微粒子の累積頻度を示す。横軸の粒子径は、無機微粒子が凝集している場合には、凝集した状態での二次粒子径である。実効粒子径とは、図２のような無機微粒子の各粒子径における累積頻度分布図において、累積頻度が５０％となる中心粒子径（メジアン径：ｄ５０）を意味する。実効粒子径の精度を向上させるには、例えば、無機微粒子の走査型電子顕微鏡写真を撮影し、２００個以上の無機微粒子について、その粒子径を測定して求めることが有益である。
上述のように、本実施の形態１に係るコンポジット材料１００は、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子２０を樹脂材料１０中に分散させることにより構成されている。このように構成されたコンポジット材料１００は、広範囲な光学定数を自由に制御することができ、特に高屈折率で大きな正の異常分散性を有する。
図３は、リン酸ガリウム及びアクリル樹脂（光硬化性アクリレートモノマーの重合体）の、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）における屈折率ｎｄと、波長分散性を示すアッベ数νｄとの関係を示したプロットである。なお、アッベ数νｄは、以下の式（１）により定義される値である。
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ） ・・・（１）
ここで、
ｎｄ：ｄ線における材料の屈折率、
ｎＦ：Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）における材料の屈折率、
ｎＣ：Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）における材料の屈折率
である。
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ） ・・・（１）
ここで、
ｎｄ：ｄ線における材料の屈折率、
ｎＦ：Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）における材料の屈折率、
ｎＣ：Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）における材料の屈折率
である。
図４は、リン酸ガリウム及び前記アクリル樹脂の、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）及びＦ線の分散性を示す部分分散比ＰｇＦと、波長分散性を示すアッベ数νｄとの関係を示したプロット、並びに正常分散線である。なお、部分分散比ＰｇＦは、以下の式（２）により定義される値である。
ＰｇＦ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ） ・・・（２）
ここで、
ｎｇ：ｇ線における材料の屈折率、
ｎＦ：Ｆ線における材料の屈折率、
ｎＣ：Ｃ線における材料の屈折率
である。
ＰｇＦ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ） ・・・（２）
ここで、
ｎｇ：ｇ線における材料の屈折率、
ｎＦ：Ｆ線における材料の屈折率、
ｎＣ：Ｃ線における材料の屈折率
である。
異常分散性ΔＰｇＦは、材料のνｄに対応する正常部分分散ガラスの標準線上の点と、その材料のＰｇＦとの偏差である。本開示においては、ＨＯＹＡ（株）の基準に基づく、正常部分分散ガラスの標準線として硝種Ｃ７（ｎｄ：１．５１、νｄ：６０．５、ＰｇＦ：０．５４）と硝種Ｆ２（ｎｄ：１．６２、νｄ：３６．３、ＰｇＦ：０．５８）との座標を通る直線（図４における正常分散線）を用いてΔＰｇＦを算出している。
図３及び４に示すとおり、リン酸ガリウムは、屈折率ｎｄ：１．５９、アッベ数νｄ：５２．８、部分分散比ＰｇＦ：０．６６という光学特性を有する。また、リン酸ガリウムの異常分散性ΔＰｇＦは０．１１と大きな正の値である。これは異常分散材料として知られているフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の異常分散性ΔＰｇＦ：０．０６よりも大きい。このことから、リン酸ガリウムは、正の異常分散性が極めて大きい特性を有する材料であることが分かった。
このように、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子を用いたコンポジット材料は、アッベ数、屈折率、部分分散比等の光学特性を広範囲に制御することができ、結果として、特に高屈折率で正の異常分散性が極めて大きいという特性が付与される。したがって、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む無機微粒子を用いたコンポジット材料は、光学部品設計の自由度を従来よりも拡大することができる。
［３．樹脂材料］
樹脂材料１０としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エネルギー線硬化性樹脂等の樹脂の中から、透光性が高い樹脂を用いることができる。例えば、アクリル樹脂；ポリメタクリル酸メチル等のメタクリル樹脂；エポキシ樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂；ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミド、ポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂；シリコーン樹脂；非晶性フッ素樹脂等を用いることができる。また、ポリカーボネート、液晶ポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、非晶性ポリオレフィン等のエンジニアリングプラスチックを用いてもよい。さらに、これらの混合体や共重合体、及びこれらの変性樹脂を用いることもできる。
樹脂材料１０としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エネルギー線硬化性樹脂等の樹脂の中から、透光性が高い樹脂を用いることができる。例えば、アクリル樹脂；ポリメタクリル酸メチル等のメタクリル樹脂；エポキシ樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂；ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミド、ポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂；シリコーン樹脂；非晶性フッ素樹脂等を用いることができる。また、ポリカーボネート、液晶ポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、非晶性ポリオレフィン等のエンジニアリングプラスチックを用いてもよい。さらに、これらの混合体や共重合体、及びこれらの変性樹脂を用いることもできる。
これらの中でも、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ブチラール樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂及びポリカーボネートは、透明性が高く、成形性も良好であるので有益である。これらの樹脂は、所定の分子骨格を選択することによって、屈折率ｎｄを１．４〜１．７の範囲とすることができる。
樹脂材料１０のｄ線におけるアッベ数νｄｍには特に限定はないが、マトリクス材となる樹脂材料１０のアッベ数νｄｍが高いほど、無機微粒子２０を分散して得られるコンポジット材料１００のｄ線におけるアッベ数νｄＣＯＭも向上することは言うまでもない。特に、樹脂材料１０としてアッベ数νｄｍが４５以上の樹脂を使用することにより、アッベ数νｄＣＯＭが４０以上の、レンズ等の光学部品への応用に充分な光学特性を有するコンポジット材料を得ることが可能となるので、有益である。アッベ数νｄｍが４５以上の樹脂としては、例えば、脂環式炭化水素基を骨格に有する脂環式ポリオレフィン樹脂、シロキサン構造を有するシリコーン樹脂、主鎖にフッ素原子を有する非晶性フッ素樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
［４．コンポジット材料の光学特性］
コンポジット材料１００の屈折率は、無機微粒子２０の屈折率及び樹脂材料１０の屈折率から、例えば以下の式（３）で表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定することができる。式（３）より、ｄ線、Ｆ線及びＣ線におけるコンポジット材料１００の屈折率をそれぞれ推定し、さらに前記式（１）より、コンポジット材料１００のアッベ数νｄを推定することも可能である。逆にこの理論に基づく推定から、樹脂材料１０と無機微粒子２０との重量比を決定してもよい。
ここで、
ｎλＣＯＭ：特定波長λにおけるコンポジット材料１００の平均屈折率、
ｎλｐ：特定波長λにおける無機微粒子２０の屈折率、
ｎλｍ：特定波長λにおける樹脂材料１０の屈折率、
Ｐ：コンポジット材料１００全体に対する無機微粒子２０の体積比
である。
コンポジット材料１００の屈折率は、無機微粒子２０の屈折率及び樹脂材料１０の屈折率から、例えば以下の式（３）で表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定することができる。式（３）より、ｄ線、Ｆ線及びＣ線におけるコンポジット材料１００の屈折率をそれぞれ推定し、さらに前記式（１）より、コンポジット材料１００のアッベ数νｄを推定することも可能である。逆にこの理論に基づく推定から、樹脂材料１０と無機微粒子２０との重量比を決定してもよい。
ｎλＣＯＭ：特定波長λにおけるコンポジット材料１００の平均屈折率、
ｎλｐ：特定波長λにおける無機微粒子２０の屈折率、
ｎλｍ：特定波長λにおける樹脂材料１０の屈折率、
Ｐ：コンポジット材料１００全体に対する無機微粒子２０の体積比
である。
無機微粒子２０が光を吸収する場合や無機微粒子２０が金属を含む場合には、式（３）の屈折率を複素屈折率として計算する。なお、式（３）は、ｎλｐ≧ｎλｍの場合に成立するので、ｎλｐ＜ｎλｍの場合は、以下の式（４）を用いてコンポジット材料１００の屈折率を推定する。
ここで、ｎλＣＯＭ、ｎλｐ、ｎλｍ及びＰは、各々式（３）と同じである。
コンポジット材料１００の実際の屈折率の評価は、調製したコンポジット材料１００を各測定法に適した形状に成膜又は成型し、エリプソメトリ法、アベレス法、光導波路法、分光反射率法等の分光測定法や、プリズムカプラ法等で実測することによって行うことができる。
前記マックスウェル−ガーネット理論を用いて推定したコンポジット材料１００の光学特性について説明する。ここでは、無機微粒子２０としてリン酸ガリウム微粒子を用い、樹脂材料１０としてアクリル樹脂（光硬化性アクリレートモノマーの重合体）を用いた場合を例に挙げる。
図３及び４は、前記のとおり、リン酸ガリウム及びアクリル樹脂の光学特性を示すプロットであり、さらに図３及び４には、これら２つのプロットを結んだ破線が示されている。コンポジット材料１００に含まれるリン酸ガリウムとアクリル樹脂との割合を調整することで、コンポジット材料１００は、図３及び４に示す破線上の光学特性を実現することができる。リン酸ガリウムの割合が多い場合は、コンポジット材料１００の光学特性はリン酸ガリウムの光学特性に近い値となる。逆にアクリル樹脂の割合が多い場合は、コンポジット材料１００の光学特性はアクリル樹脂の光学特性に近い値となる。すなわち、リン酸ガリウムとアクリル樹脂との割合を調整することで、所望の光学特性を有するコンポジット材料１００を形成することができる。
実際のところ、コンポジット材料１００中の無機微粒子２０の含有量が少なすぎると、無機微粒子２０による光学特性の調整効果が充分に得られないおそれがあるので、無機微粒子２０の含有量は、コンポジット材料（光学材料）１００全体の１重量％以上、さらには５重量％以上、特に１０重量％以上であることが有益である。一方、コンポジット材料１００中の無機微粒子２０の含有量が多すぎると、コンポジット材料１００の流動性が低下して光学素子への成形が困難になる場合や、無機微粒子２０の樹脂材料１０への充填自体が困難になる場合があるので、無機微粒子２０の含有量は、コンポジット材料（光学材料）１００全体の８０重量％以下、さらには６０重量％以下、特に４０重量％以下であることが有益である。
［５．コンポジット材料の製造方法］
まず、無機微粒子２０の形成方法について説明する。無機微粒子２０は、共沈法、ゾルゲル法、金属錯体分解法等の液相法又は気相法により形成することができる。また、ボールミルあるいはビーズミルによる粉砕法により、バルク体を微粒子化することで無機微粒子２０を形成してもよい。なお、無機微粒子２０に少なくとも含まれるリン酸ガリウムは、例えば、硝酸ガリウム（III）水和物とリン酸との水熱反応によって得ることができる。
まず、無機微粒子２０の形成方法について説明する。無機微粒子２０は、共沈法、ゾルゲル法、金属錯体分解法等の液相法又は気相法により形成することができる。また、ボールミルあるいはビーズミルによる粉砕法により、バルク体を微粒子化することで無機微粒子２０を形成してもよい。なお、無機微粒子２０に少なくとも含まれるリン酸ガリウムは、例えば、硝酸ガリウム（III）水和物とリン酸との水熱反応によって得ることができる。
次に、コンポジット材料１００の調製方法について説明する。例えば前記方法にて形成された無機微粒子２０を、マトリクス材としての樹脂材料１０に分散させてコンポジット材料１００を調製する方法には特に限定はなく、物理的な方法を採用してもよいし、化学的な方法を採用してもよい。例えば、以下の（１）〜（４）いずれかの方法でコンポジット材料１００を調製することができる。
（１）樹脂又は樹脂を溶解した溶液と無機微粒子とを、機械的、物理的に混合する方法。
（２）樹脂の原料である単量体やオリゴマー等と無機微粒子とを、機械的、物理的に混合して混合物を得た後、樹脂の原料である単量体やオリゴマー等を重合する方法。
（３）樹脂又は樹脂を溶解した溶液と無機微粒子の原料とを混合した後、無機微粒子の原料を反応させ、樹脂中で無機微粒子を形成する方法。
（４）樹脂の原料である単量体やオリゴマー等と無機微粒子の原料とを混合した後、無機微粒子の原料を反応させて無機微粒子を形成する工程と、樹脂の原料である単量体やオリゴマー等を重合して樹脂を合成する工程とを行う方法。
（２）樹脂の原料である単量体やオリゴマー等と無機微粒子とを、機械的、物理的に混合して混合物を得た後、樹脂の原料である単量体やオリゴマー等を重合する方法。
（３）樹脂又は樹脂を溶解した溶液と無機微粒子の原料とを混合した後、無機微粒子の原料を反応させ、樹脂中で無機微粒子を形成する方法。
（４）樹脂の原料である単量体やオリゴマー等と無機微粒子の原料とを混合した後、無機微粒子の原料を反応させて無機微粒子を形成する工程と、樹脂の原料である単量体やオリゴマー等を重合して樹脂を合成する工程とを行う方法。
前記（１）及び（２）の方法では、予め形成された種々の無機微粒子を用いることができ、また、汎用の分散装置によってコンポジット材料を調製することができるという利点がある。一方、前記（３）及び（４）の方法では、化学的な反応を行う必要があるため、使用する材料にある程度の制限が生じる。しかし、これらの方法は、原料を分子レベルで混合するので、無機微粒子の分散性を高めることができるという利点を有する。
なお、前記方法において、無機微粒子又は無機微粒子の原料と、樹脂又は樹脂の原料である単量体やオリゴマー等とを混合する順序に特に限定はなく、場合に応じて適宜順序を決定すればよい。例えば、一次粒子径が実質１〜１００ｎｍの範囲内にある無機微粒子を分散した溶液に、樹脂、樹脂の原料又はこれらを溶解した溶液を加えて機械的、物理的に混合してもよい。コンポジット材料１００の製造方法は、本開示における効果が得られる限り、特に限定はない。
また、コンポジット材料１００は、本開示における効果が得られる限り、無機微粒子２０及びマトリクス材である樹脂材料１０以外の成分を含んでもよい。例えば、図示していないが、樹脂材料１０における無機微粒子２０の分散性を向上させる分散剤や界面活性剤、特定範囲の波長の電磁波を吸収する染料や顔料等がコンポジット材料１００中に共存していてもよい。
＜実施の形態２＞
以下、実施の形態２について図面を参照しながら説明する。実施の形態２は、実施の形態１に係るコンポジット材料１００を用いて形成される光学素子に係る実施の形態である。
以下、実施の形態２について図面を参照しながら説明する。実施の形態２は、実施の形態１に係るコンポジット材料１００を用いて形成される光学素子に係る実施の形態である。
光学素子としては、例えば、レンズ、プリズム、光学フィルター、回折光学素子等が挙げられ、これらの中ではレンズ及び回折光学素子が有益である。以下、本実施の形態２に係る光学素子がレンズである場合について具体的に説明する。
本実施の形態２に係る光学素子の一例として、図５の概略構成図に示すレンズが挙げられる。図５に示すレンズ２００は、実施の形態１に係るコンポジット材料１００を用い、公知の方法に従って製造することができる。例えば、コンポジット材料１００を公知の方法に従って成型する方法、コンポジット材料１００のバルクを研磨する方法、無機微粒子２０を混合した樹脂材料１０の原料（単量体やオリゴマー等）を型に入れて重合させる方法等を採用して製造することができる。
なお、図５に示すレンズ２００は、両面が凸形状であるが、例えば少なくとも一方の面が凹形状であってもよく、その形状に特に限定はない。レンズ２００は、所望の光学特性に応じて適宜設計される。
本実施の形態２に係る光学素子の別の一例として、図６の概略構成図に示すハイブリッドレンズが挙げられる。ハイブリッドレンズ３００は、基材となる第１レンズ３１０と、該第１レンズ３１０の光学面上に積層された第２レンズ３２０とで構成されている。ハイブリッドレンズ３００は、光学素子の中でも複合光学素子の一例である。
第１レンズ３１０は、第１の光学素子で、ガラスレンズの一例である。第１レンズ３１０は、ガラス材料から形成されており、両凸形状のレンズである。
第２レンズ３２０は、第２の光学素子で、樹脂レンズの一例である。第２レンズ３２０は、コンポジット材料から形成されており、該コンポジット材料として、実施の形態１に係るコンポジット材料１００が用いられる。
なお、図６に示すハイブリッドレンズ３００は、両面が凸形状であるが、例えば少なくとも一方の面が凹形状であってもよく、その形状に特に限定はない。ハイブリッドレンズ３００は、所望の光学特性に応じて適宜設計される。また、図６に示すハイブリッドレンズ３００では、第２レンズ３２０は、第１レンズ３１０の一方の光学面上に積層されているが、第１レンズ３１０の両光学面上に積層されていてもよい。
ハイブリッドレンズ３００の製造方法には特に限定がなく、公知の方法にて製造すればよいが、例えば、以下の図７に示す方法を採用することができる。なお、ここでは、コンポジット材料１００を構成する樹脂材料１０をアクリル樹脂（光硬化性アクリレートモノマーの重合体）とする。
図７は、実施の形態２に係るハイブリッドレンズ３００の製造工程の一例を示す概略説明図である。まず、第１レンズ３１０を成形する。ガラスレンズの一例である第１レンズ３１０には特に限定がなく、第１レンズ３１０は、レンズ研磨、射出成形、プレス成形等の公知の製造方法を用いて成形される。
図７（ａ）に示すように、ディスペンサー４０を用い、成形型４１の成形面にコンポジット材料１００を吐出する。
次に、図７（ｂ）に示すように、コンポジット材料１００の上方から第１レンズ３１０を載せ、コンポジット材料１００が所定の厚みになるまで押し広げる。
そして、図７（ｃ）に示すように、第１レンズ３１０の上方から光源４２にて紫外線を照射し、コンポジット材料１００を硬化させることにより、第１レンズ３１０の光学面上に、第２レンズ３２０が積層された、複合光学素子であるハイブリッドレンズ３００が得られる。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。
以下、実施例及び比較例を挙げて本開示をより詳細に説明するが、本開示はこれら実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
硝酸ガリウムｎ水和物を純水に溶解させて、濃度０．０５Ｍの硝酸ガリウム水溶液を調製した。これにリン酸を、純水１００重量部に対して２１重量部の割合で添加した。さらに、これにヘキサン酸を、硝酸ガリウム１モルに対して３０モルの割合で添加した。このようにして調製した混合物をリアクターに移し、撹拌しながら３００℃に加熱して１０分間反応させた後、急冷して反応を停止させた。なお、加熱時の圧力は約３０ＭＰａに達した。
硝酸ガリウムｎ水和物を純水に溶解させて、濃度０．０５Ｍの硝酸ガリウム水溶液を調製した。これにリン酸を、純水１００重量部に対して２１重量部の割合で添加した。さらに、これにヘキサン酸を、硝酸ガリウム１モルに対して３０モルの割合で添加した。このようにして調製した混合物をリアクターに移し、撹拌しながら３００℃に加熱して１０分間反応させた後、急冷して反応を停止させた。なお、加熱時の圧力は約３０ＭＰａに達した。
得られた液体から遠心分離により微粒子を沈降させ、微粒子をエタノールで洗浄したものを乾燥させた。これを焼成炉にて３５０℃で６０分間焼成させ、ＧａＰＯ４による結晶性を含有するリン酸ガリウム微粒子を得た。なお、リン酸ガリウム微粒子の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮影して求めた、最大粒子径は１００ｎｍ、最小粒子径は２５ｎｍ、実効粒子径は５５ｎｍであった。
溶媒である酢酸エチル中で、分散剤（ビックケミー・ジャパン（株）製、商品名「ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ−２１５５」）とリン酸ガリウム微粒子とを、重量比で３：１となるように混合し、リン酸ガリウム微粒子を分散させて、リン酸ガリウム微粒子の酢酸エチルスラリーを得た。
得られたリン酸ガリウム微粒子の酢酸エチルスラリーを、光硬化性アクリレートモノマー（東亞合成（株）製、商品名「Ｍ−８０６０」）及び重合開始剤（ＢＡＳＦ社製、商品名「イルガキュア７５４」）と混合し、真空下で脱溶媒した。これに紫外線を照射して硬化させ、コンポジット材料を得た。コンポジット材料中のリン酸ガリウム微粒子の含有量は、８．０重量％であった。
〔比較例１〕
実施例１で用いたものと同じ光硬化性アクリレートモノマー及び重合開始剤の混合物に紫外線を照射し、得られた硬化物を比較材料とした。
実施例１で用いたものと同じ光硬化性アクリレートモノマー及び重合開始剤の混合物に紫外線を照射し、得られた硬化物を比較材料とした。
実施例及び比較例の材料について、プリズムカップラ屈折計（メトリコン社製）を用いて、ｇ線、Ｆ線、ｄ線及びＣ線における屈折率（ｎｇ、ｎＦ、ｎｄ及びｎＣ）を測定し、前記式（１）よりアッベ数νｄを算出し、前記式（２）より部分分散比ＰｇＦを算出した。また、算出したＰｇＦより異常分散性ΔＰｇＦを求めた。これらの結果を表１、並びに図８及び９に示す。
表１、並びに図８及び９に示す結果から、実施例のコンポジット材料では、その光学特性がリン酸ガリウムの光学特性の影響を受けて、樹脂材料単独とした比較例の材料よりも、アッベ数が高く、正の異常分散性が大きくなっていることがわかる。したがって、無機微粒子としてリン酸ガリウム微粒子を使用することにより、低分散で、かつ大きな正の異常分散性という光学特性を有する光学材料を得ることが可能であることがわかる。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、レンズ、プリズム、光学フィルター、回折光学素子等の光学素子に好適に使用することができる。
１０ 樹脂材料
２０ 無機微粒子
２０ａ 一次粒子
２０ｂ 二次粒子
１００ コンポジット材料
２００ レンズ
３００ ハイブリッドレンズ
３１０ 第１レンズ
３２０ 第２レンズ
２０ 無機微粒子
２０ａ 一次粒子
２０ｂ 二次粒子
１００ コンポジット材料
２００ レンズ
３００ ハイブリッドレンズ
３１０ 第１レンズ
３２０ 第２レンズ
Claims (3)
- 樹脂材料と、該樹脂材料中に分散された無機微粒子とで構成されており、
前記無機微粒子は、少なくともリン酸ガリウム微粒子を含む、光学材料。 - 請求項１に記載の光学材料から形成されてなる、光学素子。
- 第１の光学素子と、該第１の光学素子の光学面上に積層された第２の光学素子とを備え、
前記第２の光学素子は、請求項２に記載の光学素子である、複合光学素子。
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