JPS59220333A - 合成樹脂平面レンズの製造方法 - Google Patents

合成樹脂平面レンズの製造方法

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JPS59220333A
JPS59220333A JP58095398A JP9539883A JPS59220333A JP S59220333 A JPS59220333 A JP S59220333A JP 58095398 A JP58095398 A JP 58095398A JP 9539883 A JP9539883 A JP 9539883A JP S59220333 A JPS59220333 A JP S59220333A
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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】 本発明は合成樹脂から成る透明基板中に屈折率分布型レ
ンズ部分が設けられている合成樹脂平面レンズを製造す
る方法に関する。
平行平面をもつ透明基板内に、光軸方向に二乗近似で変
化する屈折率分布および光軸を含む少なくとも一つの断
面内で光軸から遠さかるくつれて二乗近似で次第に変化
する屈折率分布をもつ屈折率分布型レンズ部分を間隔を
おいてライン状VCあるいはマトリクス状に多数形成し
た平面レンズが知られている。このよう力平面レンズに
おいて、レンズ部分は光軸を含む全ての断面内で上記の
ような屈折率分布をもつレンズすなわち半球状または球
状レンズである場合もあれは、1つの断面内で光軸から
離れるにしたかい次第に変化する屈折率分布をもち、こ
れと直交する断面内では光軸からの距離によらず屈折率
が一定であるようなレンズすなわち半円柱状または円柱
状レンズでおる場合もある。
上述のような平面レンズは複写機やファクシミリの光学
系など種々の用途における画像伝送素子として、あるい
は光源と光ファイバーとの光結合系、光ファイバーの中
間に減衰器ま7’Cは分岐回路を挿入するための平行光
変換素子など光通信用の周辺デバイス等に有用である。
上述のような平面レンズを合成樹脂を用いて製作する場
合、第1図に示すように屈折率Naの網状重合体(共重
合体を含む)Pad−生成する単量体(単量体混合物を
含む)Maを一部重合して透明ゲル状の基板O1をつ<
ル、この基板11の表面に形成すべきレンズ部分のパタ
ーンに合わせた開口α1)を設けたマスクμりそ施し、
この開口(lDy!:通して基板中に上記屈折率Naと
は異なる屈折率Nbの重合体(共重合体を宵む)Pbを
生成する単量体(単量体混合物を含む)Mbを拡散及び
重合させてレンズ部分Q3)を形成する方法か知られて
いる。この場合Na>Nbであれば基板中に形成される
レンズ部分(13)は凹レンズ作用をもち、 Na(N
bであれば凸レンズ作用をもつことになる。
また、他の方法として第2図に示すように上記と同様の
透明なゲル状基板Iをつくり、この基板面のレンズ部分
に限定してマスク(151を施し、周辺から基板a優と
重合してNaとれ異なる屈折率Nbg)′M。
合体をつくるような単量体を拡散する方法もある。
この場合には、基板中に形成されるレンズ部分aeはN
a>歯であれに凸レンズ作用を示し、 Na(歯であれ
は凹レンズ作用を示す。
ところが、上述した様な第1図及び第2図に示す従来方
法では、単量体量の拡散を妨ける為に設けられるマスク
α2)a9とゲル基板(111(14)との密着性が余
程良好でない限夛、単量解扁はマスクとゲル基板との間
に侵入し、単量1mがゲル基板の表面全体に拡散してし
まうので屈折率分布をもったレンズ本を形成することが
できないという問題をしはしは生じていた。
本発明は上記従来の問題点を解決し、屈折率分布型平面
レンズの製造に際し上記従来例におけるマスクとゲル基
板との密着性の問題を回避し得る新規な合成樹脂平面レ
ンズの製造方法を提供することを目的としている。
ところで、一般罠、多元共重合反応において、下記生長
反応ニ ー Mi”+ぬ→−ぬ1     ・・・・・・・・・
(1)の速度定数1kij  とすれは、任意の単量体
Miの単量体量に対する反応性比rijは rij = kii / kij       ・・−
・・・(2Jと定義される。同様九単量本Miに対する
単量体めの反応性比rjiは rji = kjj / kji      −・・−
・−(3)と定義される。X元系重合にはX(X−1)
個の反応性比かある。を几、単量体MtとMjの混合比
を(Mj /Mj )rnとすると、このとき生成する
共重合体の単量体成分組成比(Mi/Mj)pは、(4
)式で責わされることか知られている。
とおくと、Q>1であれは常に式(6)か成立するOす
なわち生成する共重合体中のMi収分のきM比は単量体
混合物中のMiの混合比よシも常に高いので、重合時間
とともに残存している単量本混合物中のMiの混合比扛
次第に減少し、逆に同の混合比は次第に増加する。しf
cがって重合初期に生成する共重合体中のMi成分の含
有比は高いが、重合時間と共にその時点で生成する共重
合体のMi成分の含有比は減少する。逆に、生成する共
重合体中のめ成分の含有比は重合の進行と共に次第に増
加する。
このようにして得られる共重合本線組成の異なる共重合
体の混合物である。
またQ<1であれに常に Mi    Mi       ・・・曲・・(7)(
−)p<(痛−)m j となるから、Q〉1の場合とは逆に、共重合体中のMt
酸成分含有比は単量体混合物中のMiの混合比よシも常
に小さくなる。
Q=1であれは Mi    Mi (−)p=(可)m    ・・・・・・・・・(8)
園 となシ、単量体混合比と等しい組成を持った共重合体が
生成し、共重合体は組成分布を示さない。
木兄8JJは重合の進行とともに共重合体の組成が変化
することを利用し%         7〜その共重合
体の成分として、 重合したときの屈折率が互いに異なる2種以上の単量体
を選ぶことによって、合成樹脂からなる透明な基板中に
、光軸方向1c次第に変化する屈折率分布と光軸を含む
少くとも1つの断面内で上記光軸から遠ざかるにつれて
次第に変化する屈折率分布とを夫々備えた単一のまたは
複数の屈折率分布型レンズ部分が設けられている合成樹
脂平面レンズを製造する方法を提供するものである。
すなわち、本発明は、その単独重合体の屈折率が互いに
異なる少くとも2種の単量f#−(単量本混合物を含む
)の混合物を所定形状に保持し、その所定形状の混合物
体に対して場所的に不均一な共重合条件を付与すること
によって最初に前記混合物体のうちの所定部分のみか前
記混合比とは異な・る単量体成分比の共重合#−を局部
的に形成し次いでその部分から他の部分罠向かって徐々
に共重合か進行するようにして、共重合体の内部におい
て、前記所定の部分から他の部分に向かって単量体成分
の含有比か次第に変化するような組成分布を持たせるこ
とを特徴とする合成樹脂平面レンズの製造方法に係るも
のである。
本発明においては%まずX種類(Xは少なくとも2)の
単31体M1.M2.・・・・−・・・・・・・1MX
の混合物を所定の形状に保持する。この混合物は通常は
液体であるから、所定の内側形状を有する型容器内にこ
の混合物を流し込むことによって所定形状、例えは板状
に保持される。
次に、所定の形状に保持された単量体の混合物体に対し
て、場所的に不均一な共重合条件を付与する。゛たとえ
は加熱によって共重合させる場合には1部分的に断熱す
る断熱用マスク等を用いて混合物体の内部に不均一な温
度分布を与えることによシ%また紫外i、可視光線、ま
たは放射線の照射によって共重合させる場合には、これ
らの照射線を部分的に遮蔽する遮光マスク等を用いて混
合体内部でこれらの照射’I−を不拘−九分布させるこ
とによフ、不均一な共重合条件は付与される。この不均
一な共重合条件は、前記混合物体中の所定部分のみが単
量体の混合比に比べて特定の単量体成分を多く含有する
共重合体を局部的に形成し。
次いでその部分から他の部分に向かって徐々に共重合か
進行するように選はれる。紫外線や可視光線を照射1゛
る場合には、増感のために透明度をそれt!、ど低下さ
せない程贋に増感剤を前記混合物中に混入させることか
好ましい。
最初に共重合させる部分か平面レンズの光軸か通る部分
を含む場合、初期に生成する共重合体#1と、その単独
重合体の屈折率が大きい単、!#−成分を多く含有する
ような単量体の組合せを選ぶと、得られる平面レンズは
凸レンズになる。葦た逆に、初期に生成する共重合体t
Xど、その単独重合(*の屈折率か小さい単量体成分を
多くき有するような単量体の組合せを選ぶと、得られる
平面レンズは凹レンズになる。すなわち、任意の2種の
単片体Miおよび間についてそれぞれの単独息&体の屈
折率をNi%Njとするとき、前記(5)式においてQ
> 1.1 。
1 T iz> ′ゞ”>Nj・またuQ<工T1か9ゞ1
くゞjならば凸レンズが形成される。また、Q>1.1
でかつである場合には生成する共重合体は全く組成分布
を示さないかあるいは組成分布を示してもそれは十分で
ない。ま7h、NiとNjQ差は0.005以上である
のが好ましく、これはこの屈折率の差が0.005未満
の場合にはレンズとして作用するに十分な屈折率勾配が
得にくいからである。
また、最後に共重合させる部分が平面レンズの光軸か通
る部分を含む場合には、上述したのとは逆VC,重合初
期に生成する共重合体はど、その単独重合体の屈折率が
小さい単Ji:体成分を多くき有するように単量体の組
合せを選ぶと得られる平面レンズは凸レンズになる。こ
れとは反対に、重合初期に生成する共重合体はと、その
単独重合体の屈折率が大きい単量体成分を多く庁有する
ように単量体の組合せを選ぶと、得られる平面レンズは
凹レンズになる。すなわち、Q>1.1かつrtit<
Nj。
成され、Q>1.1かつNi >Nj、またはQ〈1 
が7f つNi<Njであれば凹レンズか形成される。
次に、2種の単量体M1およびN2からなる単量体混合
物を用いて共重合を行わせる二元共重合の場合について
具体的に説明する。
この場合、次の4種類の生長反応が競合して起こる。
* −M1−1−M1→−M1(速度定数411)−Ml 
+M2→−M2(〃   ム12)−N2 +M1→−
M1(tt   A21)+v″Mz+M2−+   
N2   (”22)単量体反応比r12および121
は式(9)によって定義される。
′またQは式(11″1?表わされる。
IMI Qミ(r12c、、 )m +11 / ((z)m 
+r2t l −・・(1(eここで(M1/M2 )
m 14単量体M1と単量体M2の混合モル比である。
このとき、Q > 1.1またはQ<T丁であれは、共
重合体に所望の組成分布が形成される。そこで、平面レ
ンズの光軸が通る部分を含む場所から共重合を行わせる
場合には、Q>1.1かつN1>N2 (N1、N2は
それぞれ単量体M、 1M2の単独重合体の屈折率)、
またはQ<T王かつN1<N2であるような単量体の組
合せを用いると凸レンズが形成され、Q>1.1かつN
i<N2%″thたはQく沓かつN1>N2であれは凹
レンズが形成される。また、光軸を含む部分以外のとこ
ろから共重合を行わせる場合には、Q>1.1かつN1
<N2 %またはQ〈  かつN、>N2であれば・ 
TV 凸レンズが形成され、Q>1.1かつN1>N2 %ま
たしい。
3種の単量体M、 、 N2およびN5からなる単量体
混合物を用いて共重合を行わせる三元共重合では次09
種類の生長反応が競合して起こる。
* Mt +M1→−M1(速度定数411)−Ml ” 
+ N2→−N2*(速度定数412)−Ml  +M
5→〜〜M3(”1s)N2 +M1→−M1  (”
21) −N2  +M2→−M2  (1422)〜M2  
+M5→〜M!!”(”25)−N5−1−M、→〜M
1(”s、) 〜油 十M2→〜M2  (”52) −M!l  +M5→−M5  (1’s3)単量本反
応性比は式Iによって定義される。
r12= ’+1/ ’12 rz1=’22/ ’21 rs1= ’5s/ ’51 r2s= A22/’25 rB2E 458/ ’32 またQは次の6通ルの式で我わされる。
Q1ミ(r 12 tMVM2 )m十月/ ((MV
Mz)m +r211Q2F (r2s (M2/M5
 )m+1 )/ ((Mv’Ms)m + rs21
 −α4Qs = l rls (Ml/M!l )m
十月/ ((MvMs)m +rs 11ここで(M1
/M2 )m −(Mv’Ms )mおよび(M1/M
s)mはそれぞれ混合モル比である。
式(121で表わされるQ+ 、Q2 、Qsがいずれ
も1,1よシも太きけれは、重合初期はどM11次の含
有比が大きく・順次M2・M33次の含有比di増大す
るよう有比が大きく、順欠M2.M、成分の含有比か増
大するような組成分布が形成される。平面レンズの光軸
が通る部分から共重合を行わせる場合にはb Ql、Q
2− Q5 > 1.1かつN、 ) N2 > N、
 (N1、N2、N、はそれぞれ単量体M、、M2、N
ムの単独重合体の屈折率ン、またはQl、Q2 bQs
<青かりN1< N2 < Nsであるような単量体の
組合せを用いると凸レンズが形成され、成される。また
、最初に共重合を行わせる場所が光軸の通る部分を詮ま
ない場合にはs Q1*Q2hQsQ1. Q2、Q5
> 1.1かつNl > N2 > Nll kまfC
はQl、 Q2、成される。ここでlNlN21%lN
2N51  はともに0、005以上であるのが好まし
い。
四元以上の共重合についても同様の条件が成立する。
本発明に使用可能な単量体としては、透明な重合体を生
成する単量体であれは如何なるものでもよく、線状重&
体を生成する単量体はかりでなく網状M合体を生成する
単量体でも前述した条件を満たし得るものならは何れで
もよい。例えは、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル
、アクリル酸ベンジルなどのアクリル酸エステル、メタ
クリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ト
リフルオロエチル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル
@ −1,1,3−)リヒドロバーフルオロプロビルな
どのメタクリル酸エステル;無水メタクリル酸;ジメタ
クリル酸エチレン;安息香酸ビニル、0−り両口安息香
酸ビニル、p−クロロ安息香酸ビニル、フタル酸ジビニ
ル、イソフタル酸ジビニル、テレフタル酸ジビニル、α
−ナフトエ酸ビニル、β−ナフトエ酸ビニル、酢酸ビニ
ル、酢酸ビニルフェニルなどのカルボン酸ビニル;フタ
ル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、テレフタル酸ジ
アリル、ジエチレンクリコールビスアリルカーボネート
など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などのトリアリル
エステル、メタクリル酸アリル、アクリル酸アリルなど
の不飽和酸アリルエステル;アクリロニトリル、メタク
リル酸アリル、スチレン、α−メチルスチレン、塩化ビ
ニル、ブタジェンなどやこれらの混合物が挙げられる。
これらの単量体を適宜組合せることによって前述した条
件を満たすようにすれはよい0 次に本発明を図面を参照してさらに詳細に説明する。
まず、所定量の単量IM1、N2、・・・・・・・・・
MXを混合し、これに所定量の光重合開始剤(例えは過
酸化ベンゾイル、ベンゾインメチルエーテルなど)を溶
解する。得られた単量体混合物の溶液を例えは第6A図
に示すような平板型の透明セル端内に封入する。次にフ
ォトマスク(211を通してセル(2Gに紫外線を照射
する。フォトマスク(211には後に詳述するように紫
外線を透過させる透明部分(社)と紫外線8遮蔽する無
光部分(ハ)とによって所定のパターンが形成されてい
る。
フォトマスク(21)を通して紫外IIJヲ照射された
セル(至)内の単量体混合物04)はフォトマスクQD
の透明部分に対応する露光部(ハ)から重合していく。
このとき、単量体の共重合のしやすさがMl> Wb 
>・・・・・・・・・・・・〉Mxで前記式(5)で聚
されるQの値が1.1よりも大きい場合には、まず単量
体M1が主として重合し、これによって単量体混合物中
のMlの含有率が低下する。さらに重8−か進行すると
露光部ρωからセル四の深部および非露光部(4)へ向
かって放射状に共重合体が生成していく。同時に、生成
する共重合体にはj献次単量tIFM1 、N2、・・
・・・・・・・・・・Mxが主成分であるような組成分
布が形成される。
単li本の共重合のしやすさがMt < N2 <・・
・・・・・・・・・・<Mx″′cQ<TT″t′ある
場合には、上述したのとは逆の関係となる。
フォトマスクは、例えは基板中に多数の半球状のレンズ
部分が配列している平面レンズを製造する場合には、第
4A図に示すような円形の透明部分(22を有するフォ
トマスクon、tた扛第4B図に示すような円形の遮光
部分(21を有するフォトマスク(211を用いること
ができる。
第4A図に示すようなフォトマスクを用いる場合には、
最初に共重合体か生成される露光部分の中心w5を光軸
が通る半球状のレンズ部分が形成される。そこで共重合
しやすい単量体はどその単独重合体の屈折率が大きく、
共重合しにくい単量体itとその単独重合体の屈折率が
小さいような単量体の組合せを選ぶと凸レンズが形成さ
れ、逆の場合には凹レンズか形成される。この場合、形
成されるレンズ部分の直径は露光部(ハ)すなわちフォ
トマスクの透明部分c!4の直径Rよりも広がるから、
直径孔の大きさは形成しようとするレンズ部分の直径よ
りも小さくする。
第4B図に示すフォトマスクを用いる場合には、非露光
部(ホ)の中心を光軸が通るはソ半球状のレンズ部分が
形成される。この場合には共重合しゃすい単を体はどそ
の単独型&体の屈折率が/JSきく。
共重合しにくい単量体はどその単独重合体の屈折率か大
きいような単量体の組合せを選ふと凸レンズが形成され
、逆の場合にね、凹レンズか形成される。得られるレン
ズ部分の直径は非り元部C2Ili1′1−なわちフォ
トマスクの遮光部分(ハ)の直径Rとはソ等しくなる。
また、半円柱状のレンズを作る場合には第5図に示すよ
うなスリット状の透明部分?=肩したフォトマスクを用
いると良い。
以上の様にして単量体混合物の共重合を行なって、中心
から周囲へと屈折率が変化するような屈折率分布を有す
るレンズ部分を形成させた後、必要に応じて重合を完結
させるために熱処理を加えてもよい。
以下、本発明の実施例を述べる。
実施例 ジエチレングリコールビス(アリルカーボネート)(C
几−69)とベンジルメタクリレート(BzMA)%重
量で9:1の比率になる様に混合し、その混合物に対し
て6重量%のベンゾイルパーオキサイド及び4重量%の
ベンyフ:r−ノyye添加した後、これをセル内に封
入した。フォトマスクには第4A図に示すものを用い、
その透明部分の直径R社1.0 amとした。これにフ
ォトマスクを通して超高圧水銀ランプからの紫外線を2
4時間照射し、その後80Cで15時間放置した。重合
の完結しfc OR−39/ BzMA共重合体より成
るブロックをセルよル取多田した後、表面を研磨した。
このブロックには直径が約4111の凸レンズが5x5
のマトリクス状に並んでいた。
実施例2 ジアリルイソフタレート(DAI P )と1.1.6
−ドリヒドロパーフルオロブロビルメタクリレート(J
FMA)を重量で9:1の比率になる様に混合し、その
混合物に対して3重量%のベンゾイルパーオキサイド及
び4重量−のベンゾフェノンを添加した後、これをセル
内に封入した。フォト寸スクには第4B図に示すよりな
りが、4.0mlのものを用いた。これにフォトマスク
を通して超高圧水銀ランプからの紫外線を29時間照射
し、その後80Cで15時間放置した。重合の完結した
1)AIP/4FMA共重合体より成るブロックをセル
より取り肖した後、表面をω+mした。このブロックに
は直径が約4mの凸レンズか5x5のマトリクス状に並
んでいた。
実施例6 メタクリル酸メチル(MMA ) 、アクリロニトリル
LAN)、及びビニルベンゾニー)(VB)の6種類の
モノマーを重量で6:1 :3の比率になる様に混合し
、その混合物に対して6重量%のベンゾイルパーオキサ
イドを添加した後、これをセル内に封入した。フォトマ
スクには第4B図に示すような几が2.0間のものを用
いた。これにフォトマスクを通して超高圧水銀ランプか
らの紫外線を60時間照射し、その後8UCで15時間
放置した。重合の完結したMMA/AN/VB3元共重
合体より成るブロックをセルより取り出した後。
表面を研磨した。このブロックには直径が約2II属の
凸レンズが5x5のマトリクス状に並んでいた。
実施例4 メチルメタクリレート(MMA)、ビニルベンゾエート
(VB)、ビニルフェニルアセテート(VPA)の3種
類のモノマーを重量で6:2:2の比率罠なる様に混合
し、その混合物に対して3i!t%のベンゾイルパーオ
キサイドを添加した。
これをセル内に封入し、第5図に示した様なフォトマス
クを被せた。このフォトマスクの透明部分の幅は200
μm、遮光部分の幅は1順である。
これにフォトマスクを通して超高圧水銀ランプからの紫
外線を65時間照射し、その後80Cで16時間放置し
友。重合の完結したMMA/VB/VPA  3元共重
合木よシ成るブロックをセルよりンティキュラレンズ板
となっていた。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はそれぞれ合成樹脂光回路の製造方
法の従来例を示す断面図であシ、第6A図からび第6C
図は本発明による合成樹脂光回路・・の製造方法を示す
一連の断面図であり、第4A図。 第4B図および第5図はそれぞれ本発明に使用可能なフ
ォトマスクの平面図である。 なお図面に用いた符号罠おいて、 (イ)・・・・・・・・・・・・透明セル′Qυ・・・
・・・・・・・・・フォトマスク(ハ)・・・・・・・
・・・・・透明部分(ハ)・・・・・・・・・・・・遮
光部分(2)・・・・・・・・・・・・単量体混合物で
ある。 ′代理人 土星 勝 〃  常包芳男 〃  杉浦俊貴 第1図 第2図 6

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、合成樹脂からなる透明な基板中に、光軸方向に
    次第に変化する屈折率分布と光軸を含む少くとも1つの
    断面内で上記光軸から遠ざかるにつれて次第に変化する
    屈折率分布とを夫々備えた単一のまたは複数の屈折率分
    布型レンズ部分が設けられている合成樹脂平面レンズを
    製造する方法において、その単独重合体の屈折率か互い
    に異なる少くとも2種の単量体(単量本混合物を富む)
    の混合物を所定形状に保1持し、その所定形状の混合物
    体に対して場所的に不均一な共重合条件を付与すること
    によって最初に前記混合物体のうちの所定部分のみが前
    記混合比とは異なる単量体成分比の共重合#−を局部的
    に形成し次いでその部分から他の部分に向かって徐々に
    共重合が進行するようにして、共重合体の内部において
    、前記所定の部分から他の部分に向かって単量本成分の
    含有比が次第に変化するような組成分布を持たせること
    を特徴とする合成樹脂平面レンズの製造方法。
  2. (2)、2種以上の単量体の混合物がX橿の単量体から
    なるものとし、この混合9Jを構成する任意の2種の単
    量体Miとぬの共重合反応における単量体反応比をそれ
    ぞれrijおよびrji と表わし、単量体M+と闇と
    の混合モル比;lj:(Mi/M」)m  と表わすと
    き、式; %式% ) の値が1.1より大きいかまたは告よシ小さいことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項5記載の合成樹脂平面レ
    ンズの製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0728572A2 (fr) * 1995-02-27 1996-08-28 Essilor International Compagnie Generale D'optique Procédé d'obtention d'un article transparent à gradient d'indice de réfraction
US8383328B2 (en) 2009-04-22 2013-02-26 Canon Kabushiki Kaisha Method for producing optical part

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