JP3964945B2

JP3964945B2 - 光学素子の接合方法

Info

Publication number: JP3964945B2
Application number: JP325696A
Authority: JP
Inventors: 晃井上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2016-01-11
Also published as: JPH09197105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光学素子を接着剤によって接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックやガラスなどからなる光学素子の接合は、接着剤を使用することによって行われている。この場合、光学素子の外径が接合層に対し、数百〜数千倍を有していることから、接着強度の高い紫外線硬化型接着剤や２液反応型エポキシ接着剤が使用されている。又、これらの接着剤の体積収縮による応力（光学素子を中心部に引っ張る応力）が、光学素子接合部もしくは表面に生じることはよく知られている。紫外線硬化型接着剤の硬化収縮は一般に５〜１０％、２液エポキシ接着剤は４〜５％である。この応力による影響は、一般的な接合では全く問題とならないが、光学素子相互の接合では、接着強度的には僅かな低下しかなくても、接着層の応力が光学素子全体を微妙に変形させ、ニュートンリングを変化させるような光学特性を引き起こし、解像力を大幅に悪化させる。このため光学素子を精度良く製造しても、接合工程に使用する接着剤によって光学特性が低下し易く、これにより光学素子としての価値が低下している。
【０００３】
接着剤の硬化収縮による応力の発生は、接合層が厚くなるほど大きくなると共に、被着体である光学素子から接合層内部に向かうにつれて、相乗的に収縮量が大きくなる。また、接着剤の硬化をミクロ的に見た場合、硬化部と未硬化部とが不均一に存在するため、未硬化の接着剤が硬化部の収縮に伴い極く僅かながら流動する。一方、被着体である光学素子界面は収縮しないため、接着剤が内部への引っ張り応力を発生させる。さらに接着剤の流動による軌跡が接合層内に界面を作り光学特性に影響を与えている。
【０００４】
例えば紫外線硬化型接着剤の硬化収縮を約８％、光学素子間の接合層を５μｍ、接着強度を５０ｋｇｆとした場合の接合層の変化は、
５μｍ×０．０８＝０．４０μｍ（４００ｎｍ）
となり、接合層は０．４０μｍ収縮する。このとき、接着剤と被着体である光学素子との界面には、接着剤自体の最大接着強度５０ｋｇｆが作用する。したがって、５０ｋｇｆで０．４０μｍ移動させる応力が発生し、この応力によって光学素子全体が変形する。
【０００５】
このような応力による影響を考慮し、従来では特開昭５９−１７１９０１号公報に開示されるように、接合に紫外線硬化型接着剤を用い、接合周辺部のみを硬化させ、応力の発生を防いだり、特開平３−２７５５３７号公報に開示されるように、使用温度において流動性を有する液体を接合部に介在させ、接合周辺部をゴム弾性を有する接着剤によりシール接着して応力の発生を防いでいる。これにより高品質の光学素子を作製している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５９−１７１９０１号公報の技術では、接合部に化学的に活性な未硬化の紫外線硬化型接着剤が存在しており、僅かながらも硬化が進んで接合初期の状態を長期間維持することが困難であり、耐久性に不安がある。これに対して、特開平３−２７５５３７号公報の技術は、液洩れの耐久性はあるが、光学素子相互の光学軸を精度良く合わせて接合することが難しいという問題があった。また、これらの技術はいずれも、光学素子がプラスチックである場合、光学素子自体の変形がガラスに比べて生じやすいため、光学素子がプラスチックである場合への適用が困難であった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、光学特性的に高品質な光学素子とすることができる接合方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子の接合方法は、複数の光学素子を紫外線硬化型接着剤または可視光硬化型接着剤を介して接合する方法において、時間経過に伴い紫外線又は可視光の照度を増し前記接着剤に光を照射する光照射工程と、前記接着剤の硬化に伴う接合層の収縮に追従して前記光学素子を押圧する押圧工程と、を有したことを特徴とする。
【０００９】
具体的には、接着剤を一方の清浄な光学素子接合面に塗布し、他方の清浄なレンズを気泡及びゴミその他異物の混入がないように注意して重ね合わせ、自重もしくは外力により接合面の接着剤を均一に拡げる。次に、光学素子の接合に用いた接着剤を所定の手法により硬化させ、複数の光学素子を接合し一体化する。接着剤が紫外線又は可視光硬化型接着剤の場合、指定された波長の光を照射する。
【００１０】
本発明は、接着剤を硬化させる際に、接着剤の硬化収縮に伴って接合層を狭めつつ、光学素子を動かすこと、紫外線又は可視光硬化型接着剤では、光照度を変化させながら硬化させ、接着剤の収縮に伴い接合層を狭めつつ光学素子を動かすこと、この光照射工程と接合層を動かす工程とを２回以上繰り返すことにより接着剤の硬化収縮による応力発生を低減する。
【００１１】
光学素子の接合に用いる接着剤は、透明であればいかなる接着剤でもよいが、不飽和ポリエステル、ポリエステル（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、ポリエーテル（メタ）アクリレート、側鎖（メタ）アクリロイル（メタ）アクリレート、ウレタン（メタ）アクリレート、シリコーン（メタ）アクリレートの合成樹脂を基材とする紫外線又は可視光硬化型接着剤を選択することが最も好ましい。
【００１２】
以上のような方法は、使用接着剤の硬化収縮に伴い接合層を狭めるように光学素子を移動させているため、接着剤の硬化収縮に伴い、被着体である光学素子を引っ張る移動量が少なくなり応力が低減される。また、弾性の低い接着剤を使用しても、接着剤が完全に硬化する前の流動性のある段階で硬化収縮量に応じて接合層を決めることが可能であるため、接着剤硬化物の弾性が低く応力が解放せず、光学素子接合用に使用できないような接着剤も接着剤自体の硬化収縮を考慮した接合を行うことによりガラスに限らずプラスチックからなる光学素子の接合にも適用することができる。
【００１３】
接着剤の硬化に伴う熱量の測定による硬化反応は、初期の熱量変化が最も大きく、後期の熱量変化は非常に小さい。このことは初期に接着剤の硬化が集中していることを示唆する。また、これは初期の硬化収縮が大きく、後期ではほとんど硬化収縮していないことを意味している。熱量の測定結果を反映し、硬化後期は接合層を固定し、その後完全硬化させることも可能である。この際、９５％以上硬化反応が進んでいれば硬化収縮による応力発生を無視することができる。
【００１４】
本発明で使用する接着剤は、室温もしくは８０℃までの温度域で硬化するもの、かつ１０分間以内で完全硬化するものが好ましい。特に紫外線硬化型接着剤を用いることにより、この接着剤が１分以内で硬化するため作業効率が格段に向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１〜図４は実施の形態１の工程を示す。この実施の形態では、直径φが３０ｍｍ、曲率半径Ｒが１８ｍｍ２つのガラスレンズを、常温内で５分間で硬化する２液反応型エポキシ系接着剤を用いて接合するものである。まず、一方の清浄なガラスレンズ１の接合面に、十分に攪拌、脱泡した２液反応型エポキシ接着剤２を適量塗布する（図１）。そして、他方の清浄なガラスレンズ３を気泡、ゴミなどの異物が混入しないように張り合わせ、光学軸を合わせる（図２）。この際、接着剤は徐々に硬化しているため、直ちに上側のレンズ３を固定しているとやとい４を、毎分８０ｎｍの速さで３分間、接合層６が狭める方向に移動させ、接着剤を完全に硬化する（図３）。図４は接合が終了した光学素子を示す。
【００１６】
この実施の形態では、接着剤が硬化する前に、硬化収縮を考慮して接合層を狭めているため、接着剤の硬化収縮に伴う応力発生が低減する。本実施の形態に使用した接着剤の硬化収縮は約５％であり、接合層を５μｍとした場合の収縮量は、約２５０ｎｍとなる。したがって、光学素子接合時の接合層の収縮量も約２５０ｎｍとしたことにより、接着剤の硬化収縮による応力を大幅に低減できる。
【００１７】
このようにガラスレンズ接合用接着剤の５％の硬化収縮を考慮して、レンズ接合層を約２５０ｎｍ収縮させることにより、接着剤内部の応力がほとんどなくなる。そのため、レンズが変形せず、光学歪みの発生のない光学特性が接合前のレンズ単体と変化のない光学素子を作製することができる。
【００１８】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２によって作製された光学素子であり、２つのガラスレンズ１１及び１２が接合層１３によって接合されている。この実施の形態は、レンズ接合用接着剤として、紫外線硬化型接着剤を使用した以外は、実施の形態１と同様である。接着剤は接合したレンズの下から紫外線を照射することにより硬化させる。接着剤として３６５ｎｍ付近の紫外線により硬化反応が開始するものを使用するため、紫外線波長は３６５ｎｍ付近の強度が高いランプを使用した。
【００１９】
また、接合層が収縮する方向にレンズを移動させる工程は、接着剤の硬化反応が紫外線照射と同時に開始するため、紫外線照射と同時に、毎分１．２μｍの速さで２０秒間レンズを移動させ、接着剤を硬化させた。
【００２０】
この実施の形態では、接着剤が硬化する際に、硬化収縮を考慮して接合層１３を狭めているため、接着剤の硬化収縮に伴う応力が低減する。本実施の形態に使用した接着剤の硬化収縮は約８％であり、接合層１３を５μｍとした場合の収縮量は、約４００ｎｍとなる。従ってレンズ接合時の接合層の収縮量も約４００ｎｍとしたことにより、接着剤の硬化収縮による応力が大幅に低減できる。
【００２１】
このようにガラスレンズ接合用接着剤の８％の硬化収縮を考慮して、レンズ接合層１３を約４００ｎｍ収縮させることにより、接着剤内部の応力がほとんどなくなる。このため、レンズが変形せず、光学歪みの発生のない光学特性が接合前のレンズ単体と変化のない光学素子を作製することができる。さらに、紫外線硬化型接着剤を使用するため、接合に要する時間が短くなり、生産性が向上する。
【００２２】
（実施の形態３）
図６及び図７は実施の形態３の製造工程を示す。この実施の形態では、φが２８ｍｍ、Ｒが１２．８ｍｍの２つのプラスチックレンズ３１、３２を、３６５ｎｍ付近の紫外線を吸収する紫外線開始剤を添加したウレタンアクリレート系接着剤によって接合するものである。
【００２３】
まず、一方の清浄なプラスチックレンズ３１を下側レンズ接合用治具３４に設置し、レンズ３１の接合面に紫外線硬化型接着剤３３を適量塗布する。そして、他方の清浄なガラスレンズ３２を気泡、ゴミどの異物が混入しないように張り合わせる。このとき、上側レンズ接合用治具３５をレンズ３２に合わせ、接合用治具３５のレンズ設置部３６を密閉する。その後、接合するレンズの光学軸を合わせる。
【００２４】
接着剤の硬化は、レンズ３１の下側から５ｍｗ／ｃｍ²の照度で１秒、１０ｍｗ／ｃｍ²の照度で５秒、４０ｍｗ／ｃｍ²の照度で１４秒間紫外線を照射して行う。この際、紫外線照度に関係なく下側のレンズ３１を毎分１．２μｍの速さで移動させる。なお、レンズ接合用治具の鏡筒部には、圧縮ガラスが充填または排気ができるようになっており、上側の治具３５は紫外線照射するため、透明なアクリル製樹脂からできている。
【００２５】
この実施の形態では、接着剤が硬化する際に、硬化収縮を考慮して接合層を狭めているため、接着剤の硬化収縮に伴う応力が低減する。本実施の形態に使用した接着剤の硬化収縮は約７％であり、接合層を５μｍとした場合の収縮量は、約３５０ｎｍとなる。したがって、レンズ接合時の接合層の収縮量も約３５０ｎｍとしたことにより、接着剤の硬化収縮による応力を大幅に低減できる。なお、プラスチックレンズの接合においては、ガラスレンズに比べ接着剤の硬化収縮によりレンズがはるかに変形しやすいが、本実施の形態を用いて接合することによりプラスチックレンズでも、接合によるレンズの変形がなくなる。
【００２６】
このようにプラスチックレンズの接合用接着剤の７％の硬化収縮を考慮して、レンズ接合層を約３５０ｎｍ収縮させることにより、接着剤内部の応力がほとんどなくなる。このため、レンズが変形せず、光学歪みの発生のない光学特性が接合前のレンズ単体と変化のない光学素子を作製することができる。
【００２７】
（実施の形態４）
図８は実施の形態４によって作製される光学素子を示す。この実施の形態では、φが２８ｍｍ、Ｒが１２．８ｍｍの２つのプラスチックレンズ４１、４２を、３６５ｎｍ付近の紫外線を吸収する紫外線開始剤を添加したウレタンアクリレート系接着剤４３によって接合するものである。
【００２８】
まず、一方の清浄なプラスチックレンズ４１を下側レンズ接合用治具に設置し、レンズ４１の接合面に紫外線硬化型接着剤を適量塗布する。そして、他方の清浄なガラスレンズ４２を気泡、ゴミなどの異物が混入しないように張り合わせ、上側レンズ接合用治具をレンズに合わせて、接合用治具のレンズ設置部を密閉する。その後、接合するレンズの光学軸を合わせる。
【００２９】
接着剤の硬化は、下側のレンズ４１の下方から５ｍｗ／ｃｍ²の照度で１秒、１０ｍｗ／ｃｍ²の照度で１４秒間紫外線を照射して行う。その際、紫外線照度に関係なく下側のレンズ４１を毎分１．２μｍの速さで移動させる。なお、レンズ接合用治具の鏡筒部には、圧縮ガスが充填または排気ができるようになっており、上側の治具は紫外線照射するため、透明なアクリル製樹脂が使用されている。
【００３０】
この実施の形態では、接着剤が硬化する際に、硬化収縮を考慮して接合層を狭めているため、接着剤の硬化収縮に伴う応力が低減する。本実施の形態に使用した接着剤の硬化収縮は約７％であり、接合層を５μｍとした場合の収縮量は、約３５０ｎｍとなる。したがって、レンズ接合時の接合層の収縮量も約３５０ｎｍとしたことにより、接着剤の硬化収縮による応力を大幅に低減できる。なお、プラスチックレンズの接合においては、ガラスレンズに比べ接着剤の硬化収縮によりレンズがはるかに変形しやすいが、本実施の形態を用いて接合することによりプラスチックレンズでも、接合によるレンズの変形がなくなる。
【００３１】
このようにプラスチックレンズの接合用接着剤の７％の硬化収縮を考慮して、レンズ接合層を約３５０ｎｍ収縮させることにより、接着剤内部の応力がほとんどなくなる。このため、レンズが変形せず、光学歪みの発生のない光学特性が接合前のレンズ単体と変化のない光学素子を作製することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光学素子を接合する接着剤の硬化収縮を考慮して、接合層を収縮させることにより、光学歪みの発生のない光学特性が接合前の単体と変化のない光学素子を製造することができる。また、従来は光学歪みの発生により接合光学素子として適用が困難であったプラスチックも、光学特性品質の高い状態で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の第１工程の断面図である。
【図２】実施の形態１の第２工程の断面図である。
【図３】実施の形態１の第３工程の断面図である。
【図４】実施の形態１の第４工程の断面図である。
【図５】実施の形態２の光学素子の断面図である。
【図６】実施の形態３の光学素子の断面図である。
【図７】実施の形態３の製造工程の断面図である。
【図８】実施の形態４の光学素子の断面図である。

Claims

複数の光学素子を紫外線硬化型接着剤または可視光硬化型接着剤を介して接合する方法において、
時間経過に伴い紫外線又は可視光の照度を増し前記接着剤に光を照射する光照射工程と
前記接着剤の硬化に伴う接合層の収縮に追従して前記光学素子を押圧する押圧工程と、
を有したことを特徴とする光学素子の接合方法。