JPH05503898A - 屈折率分布形レンズを製造するための方法及び装置 - 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】 回転成形型によってＧＲＩＮレンズエレメントを製造する方法及ｑ疎眞本発明は 、屈折率の勾配を有するプラスチックレンズを製造するための方法及び装置に関 する。特に、本発明は、各々が異なる屈折率を有する成分を含む第１と第２のモ ノマー含有組成物を制御された比率で遠心力成形型に注入し、屈折率の勾配を有 するレンズエレメントを製造するレンズの製造方法及び装置に関する湾曲した屈 折面のないレンズの概念は今世紀初頭にさかのぼる。Ｒ，Ｗウッド（ＷＯＣＩＤ ）は、中心軸線から半径方向外側に変化する屈折率を有するゼラチンのような円 筒形の媒体が、その媒体の面が平らであるにもかかわらず、光を収斂し、または 拡散することを示した（１９０５年、ニューヨーク、マクミラン社で発行したＲ Ｗ、ウッドによるＰｈｙｓｉｃａｌ　０ｐｔｉｃｓ　８６−９１参照）。さらに 、ウッドは、理想的な屈折率の勾配は放物線状であることを数学的に証明した。

ウッドの仕事は、屈折率分布形（ＧＲＩ　Ｎ）レンズが可能であることを示した が、合理的なコストで注文品のＧＲＩＮレンズを製造する商業的に実行可能な方 法は開発されていない。

商業的に実行可能なＧＲＩＮレンズを開発しようとするとき、３つの基本的なフ ァクタを考慮しなければならない。すなわち、十分に大きな屈折率の変化を作り 、屈折率勾配の形状を制御し：レンズエレメントを作るために必要な時間を低減 することである。ＧＲＩＮレンズを製造する１つの確立された方法は、対イオン を含む溶融した塩浴内で均一なアルカリケイ酸塩ガラスに浸けることである。

この２つの成分の拡散処理において、溶融塩からのイオンがガラス基板に移行し 、ガラスからのアルカリイオンが交換して塩浴内に入る。交換イオンが異なる極 性を有するから成分上の変化は屈折率に変化を与える。濃度勾配が発生し、それ により、屈折率勾配のプロフィールを生じる。上述した方法は、ＧＲＩＮレンズ を作るが、拡散処理は、高い温度でさえ、所望のレンズエレメントの大きさによ って、時間または日数がかかる。したがって、この方法は、非常に大きな容積に おいて商業的に実行可能な処理ではあるが、注文の或いは小容積のＧＲＩＮレン ズを製造するには商業的に現実的ではない。

」二連したガラス拡散処理の欠陥を克服する試みにより、プラスチックＧＲＩＮ レンズを製造するための処理が導かれる。１９７７年５月１０８１こハンブレン （Ｈａｍｂｌｅｎ）に与えられ、参考のためにここに取り入れられた米国特許第 ４．０２２，８５５号は、屈折率の勾配を有するプラスチック光学レンズを作る ための方法を開示している。その方法によれば、異なる屈折率を有するモノマー を含む二つの重合性モノマー組成物が成形型内で結合され、重合反応混合物を形 成する。この重合反応混合物は、回転軸線から半径方向外側に変化する屈折率を 有する。ハンブレンは重合反応混合物を形成するために２つの特定の処理を開示 している。この第１の処理は、高速回転している成形型に第１のモノマー組成物 を注入することを含み、それによって、第２のモノマー組成物を中央の成形空洞 に挿入する前またはその間に第１のモノマー組成物を成形型の空洞の壁に対して 半径方向外側に押し付ける。回転速度は、第２のモノマー組成物を成形型に注入 した後減少し、その回転は、１つのモノマー組成物から他のモノマーの組成物へ の所望の程度の分子拡散を可能にするために所定の時間にわたって連続する。

しかしながら、分子拡散処理は、前に説明したガラスイオン拡散処理と同じよう な時間がかかり、他の拡散処理の場合におけるように、結果として得られる製品 の再生産性は１つの問題である。さらに、拡散処理でレンズにわたる屈折率勾配 の調整を行うことができず、すなわち、屈折率勾配は拡散処理によって固定され る。例えば、収差を補正するために最も望ましい形状である放物線状の屈折率勾 配プロフィールを作ることが望ましい。しかしながら、図１は、濃度勾配のコン プリメンタリエラー関数形状に続（典型的な屈折率形状を示す。拡散曲線の低屈 折率のテイル領域は収差の補正に有益でなく、開口または作動光領域の外側の配 置によってこの領域の外側をマスクで覆わなければならない。勾配形状を放物曲 線にするために種々の方法が試行されたが、これらの方法は成功しなかった。

ハンプレムに開示された第２の方法は２つ望ましいモノマー組成物を同時に成形 型に供給することによって、上述した拡散処理のいくつかの欠点を指摘するが、 充填処理中、異なる比率で供給される。したがって、屈折率の勾配は２つのモノ マーの拡散を待たずに形成される。本発明は、／ＸＸジブムに開示された第２の 方法の改良を提供し、それは、屈折率勾配を所望の形状にすることを可能にし、 それによって、上述した拡散処理のすべての欠点を克服する。

発明の要約 半径方向の屈折率勾配を作るためのイオンまたは分子の拡散方法に関連する困難 を回避するため、本発明は、ＧＲＩＮレンズエレメントを製造するために以降［ ディファレンシャル・モノマー充填（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｍｏｎｏｍｅ ｒ　ｆｉｌｌｉｎｇ）Ｊと称する改良された回転成形装置及び方法を使用する。

さらに詳しく説明するならば、本発明は、各々が異なる屈折率を有する第１と第 ２のモノマー含有組成物を遠心力成形型に注入することによって屈折率勾配を有 するプラスチックレンズエレメントを製造するための方法及び装置を提供する。

屈折率勾配の正確な制御は、充填処理中に所定の数のステップにわたって２つの モノマーの比を変えることによって達成される。

好ましい実施例によれば、容積アレイは各モノマー組成物の屈折率及び所定の数 の注入ステップに基づいて各モノマー組成物毎にコンピュータ制御ユニットで製 作され、各注入ステップ中必要な量のモノマー組成物を配分するのに必要なステ ップポンプ速度は容積アレイに基づいてコンピュータ制御ユニットによって計算 され、モノマー組成物に対応するポンプの全体のストローク及び端部点はボリュ ームアレイに基づいてコンピュータ制御ユニットによって計算され、回転成形型 に結合されるモータは所定の全速度で回転成形型を回転させるために作動され、 ポンプはコンピュータ制御ユニットによって初期化された位置からそれらの各端 部にステップポンプ速度で移動するように制御され、それによって、勾配屈折率 を作るために回転成形型内のキャビティをモノマー組成物で充填する。

充填プロセスのコンピユータ化した制御によって屈折率勾配を高い精度でつくる ことができる。また、コンピュータによって制御された充填は、迅速な充填を可 能とし、所望の屈折率勾配を作るために容易に変化させることができる。

図面の簡単な説明 上述した背景に関して、好ましい実施例の詳細な説明及び添付図面を参照する図 １は、従来のイオン拡散処理から製造されるレンズの屈折率勾配のプロフイ−ル を示す図である。

図２は、本発明によって使用される回転成形型の斜視図である。

図３は、本発明による回転成形型の概略的なブロック図である。

図４は、図３に示した装置の動作のフローチャートである。

図５は、湾曲面ＧＲＩＮレンズを作るために本発明によって使用される回転成形 の例を示す図である。

図６は、本発明によって製造されたＧＲＩＮロット用の屈折率勾配プロフィール の例を示す図である。

図７は、横断方向の照射によって決定される屈折率勾配プロフィールを示すグラ フである。

図８は、偏光関数を示すグラフである。

図９は、ＧＲＩＮロットの線像分布関数プロフィールを示すグラフである。

紅ましい実施例ド唄９町通は唱 本発明はＧＲＩＮレンズの製造に関して説明する。しかしながら、本発明はＧＲ ＩＮロー／　トレンズの製造に制限されず湾曲面を有するレンズを含む所望のタ イプのＧＲＩＮレンズを製造するために適用することもできる。

本発明によって使用される回転成形型１０の基本的な構成を図２に示す。この回 転成形型１０は製造するレンズ、すなわちＧＲＩＮロッドの形状の中央キャビテ ィ１６を画定する上方及び下方成形型インサー）１２．１４を有する。回転成形 型１０の円筒形軸線は、完成したレンズの対称の中心、すなわち光学軸線になる 。あらかじめ混合したモノマーは回転成形型１０が回転しているときに上方成形 型インサート１２内の湯口開口部を通って軸線上に注入される。モノマーの流れ は、回転成形型１０の中央キャビティ１６が充填されるにつれて所定の濃度変化 が生ずるように、その相対比を変化させるように正確に制御される。遠心力が中 央キャビティ１６内に挿入された液体をキャビティの外側に向けて保持するから 、モノマーの混合は中央キャビティ１６の外側縁部から回転軸線に向かって生じ る。図示した例によれば、正のＧＲＴＮレンズは、高い屈折率が軸線上に生じて 勾配が半径方向外側に向かって減少するように、中央キャビティ１６を充填する ことによって製造される。中央キャビティ１６を充填後、回転成形型１０を紫外 線（ＵＶ）で照射して光重合を誘導し、堅いレンズを形成する。

上述した方法は、い（つかの利点すなわち、１）レンズの軸線に対する勾配軸線 の自動心だし、２）拡散処理にかかる製造時間の減少、３）（もし湯口開口部か らレンズ表面上に残ったアーチファクトが存在しなければ）後の研磨及び研削操 作がなくなる、４）再使用可能な成形型を提供する。成形型インサート１２゜１ ４は、所望のレンズ曲線に形成し得るガラス予備成形品に対して鋳造されるシリ コンゴムによって形成される。回転成形型１０内にある間に仕上がったレンズを 焼き固めることが、固く堅固な、傷つきに（い光学エレメントを製造するために 行われる。

上述したディファレンシャル・モノマー充填処理を実行するための装置に関する さらに詳細な説明は、図３を参照して行うが、図３は上述したタイプの回転成形 型１０に結合されたモータ２０［ヘッドウェイ・リサーチ（ＨｅａｄｗａＹＲｅ ｓｅａｃｈ）Ｉｎｃ、のスピナモータ（ｓｐｉｎｎｅｒ　ｍｏｔｅｒ）２０００ −１０．ＯＯＯＲＰＭ］と、回転成形型１０に伸びる皮下（ｈｙｐｏｄａｍｉｃ ）針状注入器２２［ハミルトン（Ｈａｍｉ　ｌ　ｔｏｎ）社、２２ゲージ　ハイ ポダミツク針コと、皮下針状注入器２２に結合されたモノマーマイクロ混合室２ ４［ロー（Ｌｅｅ）社、マイクロミキサ２１０マイクロリツターの容量コと、マ イクロ混合室２４に接続された両シリンジポンプ（ｄｕａｌ　ｓｙｒｉｎｇｅｐ ｕｍｐ）２６及び２８［カブローサイエンティフィック（Ｃａｖｒｏ　５ｃｉｅ ｎｔｉｆｉｃ）社、１３，３３３ステップリートスクリ、＋１−（ｓｔｅｐ　Ｉ ｅａｄ　ｓｃｒｅｗ）］と、モータ２０及び両シリンジポンプ２６及び２８に接 続されたコンピュータ制御ユニット３０［ヒューレットパッカードＨＰ’−８６ Ｂコンピュータｊとを有する回転成形装置の概略的なブロック図を示す。上述し たように、回転成形型１０は、各々が中央キャビティ１６の１／２を形成する上 方及び下方成形型インサート１２．１４を含む。この成形型インサート１２．１ ４はレクサンシｌ／ンダ（Ｌｅｘａｎ　ｃｙｌ　１ｎｄｅｒ）の内側に注入ゴム によって作られる［ゼネラルエレクトリンク社、シリコンラバー・ＲＴＶ−６１ ５（ソフト）及びＲＴＶ−６７０（ハード）］。上方成形型インサート１２はハ イポダミツク針注入器２２がモノマーを中央キャビティ１６に注入することがで きるように湯口開口部３２を有する。中央キャビティ１６と湯口開口部３２の双 方は、仕上りレンズの軸線に対応する回転成形型１０の回転軸線の周囲に心出し されている。従って、この半径方向の勾配の光軸は仕上ったレンズの曲面の中心 に自動的に心出しされる。

中央キャビティに注入されるモノマーは、皮下針状注入器２２に入れる前にマイ クロ−ミキサ室２４内で予め混合される。モノマーの所定の比率は、以下に詳細 に述べるように、コンピュータ制御ユニット３０の制御の下に、両ンリンシポ〉 ７２６文び２８から供給される。１方のシリンジポンプは高屈折率モノマーを、 かつ他方の注入器ポンプは低屈折率モノマーを含む。選択されたモノマーを表１ に記載するが、他のモノマーも使用できることは容易に理解できよう。

表 モノマー　屈折率 屈折率 ＣＲ−３９［シアリル　ジグリコール　カーボネート、　ＰＰＧコ　１．５０１ ８）１１ＲＩ−１１，［商標付きの鋳造樹脂ＰＰＧＩ　１．５６５０ＤＩＰ　［ ジアリル　イソフタレート　ポリサイエンス］　１．５７００表−■の成分への 光活性剤及び熱触媒体の付加するとＵＶ光重合化及びポストベーキングによって 硬化レンズを形成できる。例えば、ダロキュア（Ｄａｒｏｃｕｒｅ）１１７３． 安息香メチルエーテル、またはイルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）１．８４のい ずれかを１−４ｗｔ、、％を含むＵＶ増感剤が加えられ、またポストベーキング 硬化用に過酸化ヘンゾイールまたはヘンシフエノンのような熱触媒体が加えられ る。

ＵＶ（紫外線）源、例えばオリニル社の１００ＯＷのランプが中央キャビティへ の注入後にモノマーの光重合化のために設けられている。ゲル化が勾配プロフィ ールを変更するモノマーの拡散を防止するから、ポリマーに対する完全なＵＶ硬 化は必要ではない。ポストベーキングによる次の硬化が１１５°に上昇したオー ブン中で２時間以上行われ、さらに追加の２時間にわたって熱浸漬（Ｓ　Ｏａ　 ｋ　）が行われる。２時間の熱浸漬の後にオーブンの温度を周囲温度まで冷却す ることができる。冷却プロセスは、約１時間行われる。

所望の屈折率勾配プロフィールを作るための上述したシステム全体の制御は、適 当な時間での回転成形型内へのモノマーの微小量の調整に依存する。コンピュー タ制御ユニットに搭載されたポンプ制御プログラムモジュールは、所望の屈折率 勾配プロフィール及び使用するモノマーの屈折率に基づいてシリンジポンプの操 作を特定する。中央キャビティ１６の実際の充填は、充填プロセス中モノマーの 比率を２００回またはそれ以上の回数で調整することによって、すなわち好まし い実施例において、中央キャビティ１６の充填を２００の等しい容積ステップに 分割することによって達成される。これは２００の同心シリンダを有効に作り、 その厚さは充填が中央キャビティ１６の外縁から回転軸に向かって始まるときに 増加する。第１にコンピュータ制御ユニットが所定の勾配等式に従って２００の 同心シリンダの各々毎に屈折率（すなわち、モノマーの濃度）を計算する。勾配 等式は生産されるレンズエレメントのタイプに基づいている。これは、システム のオペレータがレンズの曲率及び表面の曲率のような種々の等式パラメータを入 力することを必要とする。次にコンピュータユニットはステップに対する計算さ れた屈折率に基づいて２００ステツプの各々に必要な各モノマーの容積を計算す る。次に、連続した容積を全体の充填時間の１／２００の時間供給し、与えられ たステップで加えられる別々のモノマーの量に無関係な一定の充填速度を維持す るように、各ポンプの速度設定を計算する。上記計算の終了後、シリンジポンプ が運動して設定し、それらの速度は各ステップで前に計算された速度設定を実行 するためにコンピュータ制御ユニットによって全体の充填時間の１／２００毎に 変化される。要するに、コンピュータ制御ユニットは、充填プロセス中にモノマ ーの比が２００回変化するように、全体の充填時間内でポンプの操作速度を２０ ０回変化させる。

コンピュータ制御ユニットによって制御される全体のシステムの動作のフローチ ャートを図４に示す。ステップＳｌにおいて、ポンプを初期化するために初期化 ルーチンを実施する。すべての気泡を取り除き、空き容積をモノマーで充填する ことを保証するためにステップＳ２でポンプを清浄にする。ステップ３で、オペ レータは、選ばれたモノマーに対する屈折率及びコンピュータ制御ユニット３０ に予め入力された所望のレンズの公式のために必要とされるレンズの半径または レンズの曲率のようなパラメータを入力することを要求される。図示した例にお いて、多項式を屈折率曲線を半径の関数として説明するために使用し、オペレー タは係数Ｎｏ、ＮＲ１，ＮＲ２，ＮＲ３を入力する。モーター速度プロフィール はステップＳ４で入力され、これは充填処理及び光重合化処理の間、モーターの ための所望の速度及び保持時間を決める。オペレータはステップＳ５で注入ステ ップの所望の数（ｒ＞を入力する。代替案として注入ステップ数は一定のものと して予め装填してもよい。説明した実施例は２００の注入ステップを使用したが 、注入ステップの数は所望の屈折率勾配を作るために、変化することができる。

コンピュータ制御ユニット３０は、ステップＳ６で各モノマー［Ｂ（Ｉ）及びＣ （ｒ）］毎に容積配列を形成する。容積配列は所望の屈折率を作るために各注入 ステップで必要とされる各七ツマ−の容積を指示する。次にコンピュータ制御ユ ニッ［・３０は、ステップＳ７で各注入ステップの間に必要なモノマーの容積を 分配するために必要なポンプ速度を計算する。図示した例において、ポンプ速度 は、ｒＢＪモノマーに対して２バイトの変数ＳＢＨ（１）とＳＢＬ　（１）及び 「Ｃ」モノマーに対して２バイトの変数ＳＣＨ（ｒ）及びＳＣＬ　（ｆ）として 決定される。ステップＳ８で各ポンプ毎の端部点を決定するために各ポンプの全 体の容積またはストロークが計算され使用される。この点で、この装置は初期化 され、回転成形型３１０の充填が始まる。コンピュータ制御ユニット３０はステ ップＳ４で特定された充填速度で回転成形型１０を回転させるためにステップＳ ９でモーターを作動させる。次にコンピュータ制御ユニット３０は、ステップＳ ＩＯで命令をシリンジポンプ１２．１４に送り、シリンジポンプを初期位置から ステップＳ４で計算された端部点まで移動させる。最初に、コンピュータ制御ユ ニット３０は、ポンプが基本的にはゼロの速度で移動すべきであることを示すが 、次に、コンピュータ制御ユニット３０は、全体の充填時間の特定された各増加 毎にステップＳ８で計算された速度で動くようにポンプに命令する。一旦充填が 完了すると、コンピュータ制御ユニット３０は、光重合化ステップのためのステ ップＳ４で指示した速度でモータが回転するように命令しかつステップ１１でＵ Ｖ源を作動させる。

当業者は説明した例のために使用した特定の等式は多（のタイプのレンズを作る ために変化させることができることは理解できよう。前に述べたように、本発明 は、ＧＲＴＮロットエレメントの生産に制限されず、曲面を有するレンズエレメ ントを製造するために使用することもできる。例えば、図５は、曲面レンズを製 造するための回転成形型を示す。このような場合に、レンズの内面及び外面の曲 率半径及びレンズの中央の所望の厚さまたは高さは、所望の開口でレンズの容積 を計算するために使用される。

試験方法 上述したプロセスによって生産されるレンズの屈折率の勾配を測定するために、 ２つの方法、すなわち、単色光干渉及び横断照射技術（横断空間フィルタリング ）が使用される。最初の破壊試験において、ＧＲＩＮｏッドから切り取られた薄 いサンプルがマツハツエンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計の１つの光線 通路内に配置される。第２の非破壊試験において、焦点が合わせられたレーザー ビームからの光の反射が、ヨーク社（Ｙｏｒｋ）のＰ１０２プロフィールアナラ イザを使用してその光学軸線に直角にＧＲＩＮロッドを通して走査されたときに 検出される。内部の屈折率の差異によって起こる光線の曲がりは、数学的な変換 （アベリアン（Ａｂｅｌｉａｎ）微分変換）によって計算し、測定したビーム偏 光関数の原因となる勾配プロフィールを再形成する。

ワイヤソーで勾配の付けられたロッドを薄く切り両面を粗く研磨することによっ て干渉計の分析用にディスクサンプルを準備する。サンプルが光学的に勾配のあ る平行窓を有する浅いキュベツト内に配置され、低屈折率のオイルに浸けられた ときに、研磨されないサンプル面は隠されず、明るい干渉縞ど暗い干渉縞との間 の区別する。λ＝０．６３２８μ／ｍで照射された時の屈折率勾配の変化により １５０−２５０μｍの厚さのＧＲＩＮロッドの横断面は同心のリングパターンを 示した。各干渉リングは、増加する屈折率の変化ΔＮ＝λ／（Ｄ）から生じ、こ の場合λは入射するレーザー照射光の波長であり、Ｄはディスクの厚さである。

幅間の距離を測定すること及び蓄積された屈折率の変化対分離をプロットするこ とは、勾配プロフィールを再形成するために使用される。

干渉計によって解像された干渉縞のパターンは、モニターを有するビデオカメラ によって陳が形成され、コンパツク（Ｃｏｍｐａｑ）３８６／２０Ｐ（：内に取 り付けられたフレーム・グラツバ／ディジタイザ・ポート（ｆｒａｍｅ　ｇｒａ ｂｂｅｒ、／ｄｉｓｉｔｉｚｅｒ　ｂｏａｒｄ）［タルガＭＢ、Ａｔ＆Ｔ　ツル ービジタンアドバンスト　ラスターグラフィック　アダプテド（Ｔａｒｇａ　Ｍ ＢＡｔ＆Ｔ　Ｔｒｕｅ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｒａ５ｔｅｒＧｒａ ｐｈｉｃ　Ａｄａｐｔｅｄ：ｌによって捕えられる。濃度計及び線測定分析はジ ャンデル科学コーポレーション（Ｊａｎｄｅｌ　５ｃｉｅｎｔｉｆｊｃ　Ｃｏｒ ｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なＪ、ＡＶＡと呼ばれるラインスキャンプロフ ィールソフトウェアによって表される。このデータから、４次多項式が半径距離 の関数として勾配プロフィールを表す Ｎ　（ｒ）＝ＮＯ＋Ｎｌ　−ｒ２＋Ｎ２　＋　ｒ’、　ｒ２＝ｘ２＋ｙ２　（１ ，）ここで、Ｎ１及びＮ２は係数であり、ＮＯは、軸線上の基礎屈折率である。

勾配係数は、マスソフト（ＭａｔｈＳｏｆｔ）社からのマス（Ｍａ　ｔｈ）ＣＡ Ｄと呼ばれるプログラムを使用してＪＡＶＡデータの回帰分析（ｒｅｇｒｅｓｓ 　ｔ。

ｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ）から決定される。

ヨークプロフィールアナライザ（Ｙｏｒｋ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　Ａｎａｌｙｚｅｒ ）によって提供される勾配プロフィールは、始めは光フアイバ産業用に設計され た。髪のように細いファイバを引くガラスロフト予備成型品はＧＲＩＮレンズに 比較して弱い屈折勾配を有する。従って、光の屈折はヨークアナライザの検出器 によって示された立体角の外側になる。小さい密封されたキュベツト容器は、主 サンプル室内に使用されるより高い屈折率のオイルでサンプルを包囲するように 作られる。これは、基準ヘースラインをＮ＝１．４５８８から＞Ｎ＝１．　５０ までに上昇させ、検出器に対する許容できる収集角を狭（する。表面の曲率によ る丸い縁部のエラーを除いて、代表的な屈折率勾配プロフィールを、レーザービ ーム偏向関数から計算する。

ＧＲＩＮｏｙドのレンズ卓上性能分析（ｂｅｎｃｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａ ｎａｒｉｓｉｓ）はスポットサイズに関して無限の共役で焦点の質を決定する。

最も良好な焦点におけるビーム走査は、フォトン技術ビーム走査モデル（Ｐｈｏ ｔｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｒｏｇｙ　Ｂｅａｍ　５ｃａｎ　Ｍｏｄｅｌ）１０８０を 使用してＦＷＨＭ　（全幅、最大値の１／２）でかつ１／ｅ２でスポット直径直 径が７．５８ｍｍの長さ９．５ｍｍの大きなＧＲＩＮロットは上述した回転成形 型によって作られる。最初の成形キャビティは大きい（９，９８ｍｍＸ直径８． ０ｍｍ）が、重合化の後の５％の収縮は完成したＧＲＩＮロッドの全体の寸法を 減少する。ＧＲＩＮロッド面の光学的な勾配面の品質はシリコンゴム成形型から ロッドへの表面の転写に起因する。いくつかのＧＲＩＮロットは、通常小さい突 出部からなる湯口ポートの入り口の隣に配ｌされたアーチファクトを有する。こ れらのアーチファクトは、繰り返しの充填の後に、ハイポダミツク針注入器が成 形キャビティへの入り口でシリコンゴム内の大きな湯口開口を摩耗するにつれて 現れ、それによってモノマーが湯ロ聞ロ部に入るのを許容し、硬化する。アーチ ファクトは研磨によって容易に除去される。

ＧＲＩＮロットの焦点距離は意図した設計に対応し、２５から３０ｍｍの範囲で ある。長手方向の球面収差は３ｍｍであり、最適化された屈折率勾配プロフィー ルからの偏差を示す。ウッドレンズ（Ｗｏｏｄ−１ｅｎｓ）は、完全な像形成体 でないから、予測されるように、たる形球面収差が大きい。焦点における理論上 のスポットサイズは２．８μｍである。しかしながら、測定による最小のスポッ トサイズは、１２−２０μｍＦＷＨＭ（５０％のピーク高さ）を与え、かなりの 量のビームパワーがプロフィールヘース上で消失する。ピーク強さのこのロスは ＧＲＩＮｏットの不正確な収差に影響を与える。

勾配の付けられた一対のレンズは改良された焦点を示す。スポットサイズの測定 は、６．７４μｍＦＷＨＭ　（全体の幅、最大値の１／２）を与え、１／ｅ２で １５．７μｍの直径を与える。均質の小型イーリングレンズ（Ｅａｌｉｎｇ　１ ｅ　ｎ、　ｓ　）は、ＧＲＩＮｏットの追加（ａｄｄｅｎｄｕｍ）なしに２８． ２μｍＦＷＨＭスポットサイズを示す。最適化され勾配が付けられた二重のレン ズ用に対する焦点の合ったレーザー光線プロフィールはコンピュータによる光線 追跡計算によれば１ミクロンより小さい（３ｕｂｍｉｃｒｏｎ）。しかしながら 、正確には１ミクロンに近いかまたはそれ以下の解像プロフィールは、使用する ７オトン測定器具の範囲外である。

干渉計によって細分化され、かつ分析されたレンズは、実験上の勾配プロフィー ルと所望のプロフィールとの間の緊密な対応を示す。１つの例を図６に示す。

勾配プロフィールを測定する際の正確性は改良を必要とするが、干渉縞データに 適応される少なくとも２次多項式は設計プロフィールに非常に類似する点を与え る。

ヨーク・プロフィール・アナライザ（Ｙｏｒｋ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　Ａｎａｌｙｚ ｅｒ）によって取られた勾配プロフィールは、図７に示す例と同様な形状を形成 する。焦点を合わせられたレーザ光線によってＧＲＩＮサンプルの直径を横切る 横断照射から結果として得られるビーム偏向関数、ｄΦ／ｄｙ（ラジアン）は、 図８に示される。最大屈折率の変化ΔＮは偏向関数の傾きから測定される。

ΔＮ＝　［ｄΦ（ｙ）／２］　［ｎ　（コア）／ｎ（クラット）］　（２）ここ で、ｎ（コア）は、勾配の付けられたサンプルを取り囲む高屈折率のオイルであ り、ｎ（クラフト）は外側セル屈折率のオイルである。偏向関数の形状から、数 学的な変換が角度的な光線の屈折を勾配プロフィールに変換する。

大きなＧＲ，ＩＮロッドの焦点における７オトン・テクノロジー・アナライザ（ Ｐｈｏｔｏｎ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎａｌｙｚｅｒ）によって得られた走 査プロフィールの例が、図９に示されている。いくつかのプロフィールは、勾配 が円滑でないことを示すリングパターンのような内側勾配構造を示す。

マツハーツエンダー干渉計からの干渉パターンが、実質的に円形のリングを示す 。サンプルディスクがＧＲＩＮロッド軸線に直角なワイヤソーによって切断され 、２００μｍの厚さに磨かれ、平坦に取り付けられ、つぎにキュへ−／　ト内で 屈折率オイルに浸けられる。

試験結果の要約 本発明は、半径方向の屈折率勾配を有する勾配付き（ｇ　ｒ　ａ　ｄ　ｅ　ｄ） レンズを作るための改良された方法及び装置を提供する。正確な制御の下に２つ のモノマーを異なる比率で混合することによって、成形型のレンズ容積、すなわ ち、中央キャビティを充填することによって、所望の放物線状の勾配に相応する 成分の変化を可能とする。硬化したレンズは元のシリコンゴム成形型の表面を模 写する面を有するから、たまに研磨が必要であるだけである。１３ｍｍに達する 直径を有するレンズは成形されるが、本発明によって作られる最大の直径のレン ズはこの範囲に制限されない。注入されたモノマーの光重合化のために使用され る必要なＵＶの浸透によって、レンズに対する厚さの制限が課されるが、この状 態は新しいマイクロ波重合化技術の使用によって補償することができる。しかし ながら、８、Ｑｍｍの厚さのＧＲＩＮレンズは、ΔＮ≦０．０６の屈折率で製造 される。

両シリンジポンプのコンピユータ化された操作は、回転する成形型へのモノマー の注入の制御に著しい改良を与える１７図示した実施例において、勾配プロフィ ールは操作者がレンズの半径を横切る濃度プロフィールを形成することができる ４次多項式によって説明される。所望であれば、高次多項式を等しく取り扱うこ とができる。従って、勾配分布は、光学的な光線追跡設計から必要とされる可能 性分布に合致させるために変更することができる。さらに、ガラス中への２進イ オン拡散によって製造されるエラー作用形状よりも、真の放物線状の勾配を形成 する。

本発明は正確で精密な充填によって成形型充填時間を１００秒またはそれ以下に 減少させる。さらに、ＵＶ露光を含む全体の製造時間は約１０分に減少され、そ の時間は従来の拡散処理に対してかなり優れている。もちろん、１０分の製造時 間は、後の熱硬化のために必要な時間（上述したように典型的には５時間を必要 とする）を含まない。

長さが９．５ｍｍで直径が７．８５ｍｍのＧＲＩＮロッドの光学的な性能は、焦 点距離３０ｍｍの焦点が合ったときに１２−２０μｍＦＷＨＭの焦点スポットの サイズを与える。５ｍｍの直径の勾配付きのレンズは、平凸レンズ以上の改良さ れたフォーカシングを示す。焦点スポットのサイズは２つの組み合わせを有する ６、７μｍに比較して単一レンズで２８μｍから減少される。干渉計及び横断空 間フィルタリングの双方によるサンプルの勾配プロフィールの測定は所望の勾配 形状に対する実験上の勾配の間の緊密な関係を示す。もし屈折率勾配が正確に再 現できるならば、光学的な設計上の性能は、ＧＲＩＮレンズを有する１０００サ イクルの拡散制限に近い値を達成することができる。ＧＲＩＦレンズを勾配のな いレンズに取り付けることによって、単一エレメントのレンズに固有の収差を修 正する可能性が生じる。

本発明を好ましい実施例を参照して説明した。しかしながら、添付したクレーム の範囲において変更及び変形力可能であることは理解できよう。例えば、説明し た実施例は、操作者が操作する種々の処理パラメータを有するために相互に作用 する方法を利用する。しかしながら、操作者によって入力されるすべての／ぐラ メータは、システムの操作が完全に自動的になるようにコンピュータ制御ユニッ トに予め負荷することができる。

ＦＩＧ　／ ＦＩＧ、　２ σ引ひｆ半２重（ｍｍ） ＦＩＧ７ ＦＩＧ、９ 要約書 各々が異なる屈折率を有する成分を含む第１と第２のモノマーを遠心力成形型に 注入する屈折率勾配を有するプラスチックレンズエレメントを製造するための方 法及び装置が開示される。屈折率勾配の正確な制御は、充填処理中に所定の数の ステップにわたって２つのモノマーの比を変化させることによって達成される国 際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．回転成形型内で少なくとも２つのモノマー成分を組み合わせることによって 屈折率分布形レンズエレメントを製造する方法であって、各モノマー成分の屈折 率及び所定の数の注入ステップに基づいて、各モノマー成分に対しコンピュータ 制御ユニットで容積アレイを作るステップと、容積アレイに基づいてコンピュー タ制御ユニットで各注入ステップ中にモノマー成分の必要な容積を配分するため に必要なステップポンプの速度を計算するステップと、 容積アレイに基づいてコンピュータ制御ユニットでモノマー成分に対応するポン プの全体のストローク及び端部点を計算するステップと、回転成形型に結合され たモーターを作動させて、回転成形型を所定の充填速度で回転させるステップと 、 コンピュータ制御ユニットによってポンプを制御してポンプを初期位置から各端 部点までステップポンプ速度で移動させるように制御し、それによって回転成形 型内に設けられたキャビティをモノマー成分で充填して屈折率勾配を作るステッ プとを含む方法。
2. ２．モーターが所定の光重合化速度で回転するように命令するステップと、回転 成形型のキャビティ内でモノマー成分を光重合化するために紫外線ユニットを作 動させるステップとを含む請求の範囲１に記載の屈折率分布形レンズを製造する 方法。
3. ３．光重合化の後にモノマー成分を熱処理するステップを有する請求の範囲２に 記載の屈折率分布形レンズを製造する方法。
4. ４．コンピュータ制御ユニットに少なくとも２つの選択されたモノマー成分の屈 折率を示すデータを入力するステップと、コンピュータ制御ユニットに読み込ま せたレンズの等式に関するパラメータを入力するステップと、 コンピュータ制御ユニットに充填モーター速度及び光重合モーター速度を含むモ ーター速度プロフィールを入力するステップと、コンピュータ制御ユニットに所 望の数の注入ステップを入力するステップと、各モクマーの屈折率及び注入ステ ップの数に基づいて各選択されたモノマー成分のためにコンピュータ制御ユニッ トで容積アレイを作るステップと、容積アレイに基づいて各注入ステップ中にモ ノマー成分の必要な容積を配分するために必要なステップポンプの速度を計算す るステップと、容積アレイに基づいて選択されたモノマー成分に対応するポンプ の全体のストローク及び端部点を計算するステップと、回転成形型に接続された モーターを作動させて回転成形型を充填速度で回転させるステップと、 コンピュータ制御ユニットでポンプを制御してポンプをステップポンプの速度で 初期位置から各端部点まで移動させ、それによって回転成形型内に設けられたキ ャビティをモノマー成分で充填して屈折率勾配を作るステップと、モーターが所 定の光重合化速度で回転するように命令し、回転成形型のキャビティ内でモノマ ー成分を光重合化するために紫外線ユニットを作動させるステップとを含む屈折 率分布形レンズを製造する方法。
5. ５．光重合化の後にモノマー成分を熱処理するステップを有する請求の範囲４に 記載の屈折率分布形レンズを製造する方法。
6. ６．中央キャビティを形成する上部成形型インサート及び下部成形型インサート を有していて駆動モーターに結合された回転成形型であって、上部成形型インサ ートが湯口開口部を有する回転成形型と、上部成形型インサート内の湯口開口部 を通って回転成形型の中央キャビティ内に伸びるハイポダミック針注入器と、 ハイポダミック針注入器と少なくとも２つのモノマーポンプとに接続されたマイ クロミキサー室と、 モノマーポンプと駆動モータとに結合されたコンピュータ制御ユニットとを有し 、前記コンピュータ制御ユニットは屈折率勾配を形成するための充填操作中に所 定の数の増加ステップと比とにわたって少なくとも第１及び第２のモノマー成分 をマイクロミキサー室に配分するためにモノマーポンプを制御する屈折率分布形 レンズエレメントを製造するための装置。
7. ７．コンピュータ制御ユニットは、回転成形型を充填操作中所定の充填速度で回 転するように駆動モーターに命令するようになっている請求の範囲６に記載の装 置。
8. ８．コンピュータ制御ユニットは、充填操作の完了後に、回転成形型を所定の光 重合速度で回転させるように駆動モーターに命令する請求の範囲７に記載の装置 。
9. ９．コンピュータ制御ユニットは、所定の光重合化速度で回転成形型を回転させ るように駆動モーターに命令した後に、ＵＶユニットを作動させる請求の範囲８ に記載の装置。
10. １０．回転成形型内に少なくとも２つのモノマー成分を組み合わせることによっ て屈折率分布形レンズエレメントを製造するための装置であって、各モノマー成 分の屈折率及び所定の数の注入ステップに基づいてモノマー成分毎の容積アレイ を作るための手段と、 容積アレイに基づいた注入ステップ中必要な容積のモノマー成分を分配するため に必要なステップポンプの速度を計算するための手段と、容積アレイに基づいて モノマー成分に対応するポンプの全体のストローク及び端部点を計算するための 手段と、 所定の充填速度で回転成形型を回転させるために回転成形型に接続されたモータ ーを作動するための手段と、 ステップポンプ速度で初期位置から各端部点までポンプを移動するように制御す るための手段とを備え、それによって、屈折率勾配を作るために回転成形型内に 設けられたキャビティをモノマー成分で充填する装置。
11. １１．所定の光重合化速度でモーターを回転させるように制御するための手段と 、回転成形型のキャビティ内のモノマー成分を光重合化するために紫外線ユニッ トを作動するための手段とを有する請求の範囲１０に記載の屈折率分布形レンズ を製造するための装置。