JPS62222203A - 合成樹脂光学素子の製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、屈折率分布型光学素子を製造する方法に関し
、特に平板基材中にレンズアレイ、光導波路等の光学素
子を一体的に埋め込み形成する場合に有用な技術に関す
る。

〔従来の技術〕

屈折率分布型光学素子は周知のように光軸と直交する方
向に中心から周辺に向けて屈折率が次第に変化する分布
をもつ透明体から成り、ロンド状のレンズ；光伝送７ア
イパ等として広く使用されている。

上記の屈折率分布型光学素子は、中心ｉＩＩ上の屈折率
をＮｏ＋Ａを定数として中心軸からＸの距ｒ！ｉｉにお
ける屈折率Ｎが Ｎ−Ｎｏ（／　−／／、２ＡＸ２　　）　　　　・・・
・・（１）の式で表わされる分布をもつ。

そして定数Ａが正のとき上記素子は凸レンズ作用を有し
、Ａが負の場合には凹レンズ作用を有する。また中心近
傍において（１）式のＡ〉０の屈折率分布を有し、それ
よりも外周側において次第に外側に向けて屈折率が増加
しているような分布をもつ屈折率分布型光学素子も提案
されている。

このような屈折率分布型の光学素子を合成樹脂で製造す
る代表的な方法として、重合体屈折率と単量体反応性比
が互いに異なる複数の単量体の混合物を成形型内に充填
し、成形型の外側から光照射または加熱を行なって成形
型中の混合物の外層より徐々に重合反応を進めて単量体
ユニットの共重合体分布すなわち屈折率分布を形成させ
る方法がある。

上記方法について以下さらに詳しく説明する。

まず単量体混合物を光透過性の成形型内に充填する。単
量体混合物中の単量体相互の間の反応性比の関係は次の
様になる。

一般に多元共重合反応において下記生長反応、木　　　
　　　　　　、宋 −Ｍｌ　　十Ｍコ→　−Ｍｌ　　　の速度定数をＫｉｊ
とすれば、任意の単量体Ｍｉの単量体ＭＪに対する反応
性比Ｒ１ｊは Ｒｉｊ　−Ｋｉｉ　／　Ｋｉｊ　　　　　　　　・・・
・・・（２）と足代される。同様に単量体Ｍｉに対する
単量体Ｍｊの反応性比Ｒｊｉは Ｒｊｌ−Ｋｊｊ／Ｋｊ１　　　　　　　　・・・・・・
（３）と定義される。Ｘ光共重合にはＸ（Ｘ−／）　　
個の反応性比がある。また単量体ＭｉとＭｊの混合比を
（Ｍｉ／Ｍｊ　）　ｍとすると、このとき生成する共重
合体の型組体成分組成比（Ｍｉ／Ｍｊ）ｐは下記（４）
式で表わされることが知られている。

とおくと、Ｑ〉／であれば常に下記（６）式が成立する
。

すなわち生成する共重合体中のＭｉ酸成分含有比は単量
体混合物中のＭｉの混合比よりも常に高くなるがＱ≧八
へ　であることが望ましい。重合時間とともに残存して
いる単量体混合物中のＭｌの混合比は次第に減少し、逆
にＭｉの混合比は次第に増加する。したがって重合初期
に生成する共重合体中のＭｉ酸成分含有比は高いが、重
合時間と共にその時点で生成する共重合体のＭｉ酸成分
含有比は減少する。逆に生成する共重合体中のＭｊ酸成
分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体は組成の異なる共重合
体の混合物で−ある。

またＱ〈／（好ましくはＱ≦０．９）であれば常に□− （Ｍｉ／Ｍｊ　）ｐ　＜　（Ｍｉ／Ｍｊ　）ｍ　　　　
　　　　（７１となるから、Ｑ）／の場合とは逆に、共
重合体中のＭｉ酸成分含有比は単量体混合物中のＭｉの
混合比よりも常に小さくなる。

Ｑ−／であれば （Ｍｉ／Ｍｊ）ｐ　−（Ｘｉ／Ｍｊ）ｍ　　　　　　　
　　ｆｓｌとなり、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。

従って前記（５）式におけるＱが／以外の数（好ましく
はＱ≧八へまたはＱ≦Ｏ，ワ）であって、この様な単量
体混合物を透明管内に充填して外側から光を照射すると
き、外側から中心軸方向に向けて重合が進行すれば反応
性比の大きい単量体はど外側へ偏った単量体組成分布が
形成される。

例えば単量体混合物が単量体Ｍｌ、Ｍ２・・・・・・Ｍ
ｘのＸ種の単量体より成っており、ｌ≦ｉ≦ｊ≦Ｘであ
るようなｉお゛よびｊを選んだ時に前記（５）式におけ
るＱがｌよりも大きい数であれば共重合体中におけるＭ
ｉ酸成分皿が最大または極大である部分は、Ｍｊ酸成分
量が最大または極大である部分よりも先に重合した部分
にある。すなわちこの場合に共重合体の組成分布を外側
から中心方向に向けて調べた場合には、Ｍ１成分がまず
最大または極大値に達し、次にＭ２成分、Ｍ３成分・・
・・・・と、順に極大値が見られて中心においてＭｘ成
分が極大値をとることになる。

従って単量体Ｍ１．Ｍ２・・・・・・Ｍｘの重合体Ｐ　
１＋　Ｐ　２・・・・・・Ｐ工の屈折率Ｎ１１Ｎ２・・
・・・・ｌＪｘが異なっていれば半径方向に何らかの屈
折率分布が得られる。

〔発明の解決しようとする問題点〕

上記従来の方法で製造した合成樹脂光学素子の用途とし
ては光ファイバとレンズの２通りに大別される。レンズ
としては、光７アイパ用結合レンズ、光センサ用コリメ
ータレンズ、光情報処理機器の読取り、書込み用レンズ
等として単体で使用される以外に、上記レンズの多数を
光軸な平行にしてライン状あるいはマトリックス状に配
列して保持材で一体結合したレンズアレイが複写機、７
アクシミ’Ｊ機器等に大量に使用されている。

しかしながら上記のようなレンズアレイを従来方法で製
造する場合、ロッド状に成形した個々のレンズ体を成形
型から取り出し、精密に配列、接着する必要があり、こ
れに加えて上記用途のレンズは微小であるため取り扱い
にくく上記の配列、接合の作業は繁雑となって多大の工
数を要するという問題がある。

また今後光情報処理の分野で重要となる二次元あるいは
三次元光回路素子を製造することが従来方法では困難で
ある。

〔従来の問題点を解決するための手段〕重合体屈折率の
異なる複数種の単量体において任意の単量体Ｍ１の他の
単量体ＭＪに対する反応性比をＲｉｊ　、単量体Ｍｊの
単量体Ｍｉに対する反応性比をＲｊｉとし、単量体Ｍ１
とＭＪの混合モル比を（Ｍｉ／Ｍｊ）ｍとすれば の値が／、′１以上であるか又は／／／、／以下になる
ような複数種の単量体混合物を、この混合物中の少なく
とも／成分の単量体と親和性の良い材質から成る基材に
設けた空孔に充填し、該基材全体を光、照射又は加熱し
、前記基材の空孔内壁と充填単量体混合物との界面から
生じる不均一重合により、前記基材中に屈折率勾配をも
つ光学素子を一体形成する。

本発明で使用する基材は、単量体混合物と親和性の良い
ものであれば熱可塑性でも熱硬化性でもよいが、単量体
混合物中で含有比率の最も高い単量体がつくる重合体と
同一の重合体から成る基材を用いるのが望ましい。

本発明で使用可能な基材の代表的な例としては、熱可塑
性ではポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチ
ル、ポリメタクリル酸フルオロエチル、熱硬化性ではポ
リ（エチレングリコールジメタクリレート）、ポリ（ト
リエチレングリコールジメタクリレート）、ポリジアリ
ルフタレート。

ポリジエチレングリコールビスアリルカーボネート等が
挙げられる。

本発明で使用する単量体としては、本発明者らが先に出
願した特願昭！；０−／／７２３　、特願昭ｊｊ−３；
３９２０．特願昭ｊｌｒ−／　／９！；’！　、特願昭
ｓｓ’−／／９タ乙に列挙した単量体群を使用すること
ができる。

一例として、二成分系単量体混合物を用いて本発明を実
施する場合の好適な単量体Ｍ１＋Ｍ２の例を以下に列記
する。

Ｍｌとしてメタクリル酸メチル・メタクリル酸メチル・
メタクリル酸トリフ０ロエチルなどのメタクリルｓ脂肪
族エステル、無水メタクリル酸、ジメタクリル酸エチレ
ン又はこれらの混合物。

Ｍ２として安息香酸ビニル・Ｃ−クロル安息香酸ビニル
・Ｐ−クロル安息香酸ビニル・α−す７トエ酸ビニル・
β−す７トエ酸ビニルなどの芳香族カルボン酸ビニル・
アクリロニトリル・ペンタクロルスチレン又はこれらの
混合物。

Ｍｌとしてメタクリル酸メチル・メタクリル酸トＩＪ　
ル。Ｍ２としてα−メチルスチレン。

上記のｍ、−Ｍ２の組み合せの例は低屈折率ポリマーと
なる単量体をＭｌ、高屈折率となる単量体をＭ２としで
ある。これらの組合せの中から選んだ２種の単量体の組
合せについて、その単量体反応性比、重合体の屈折率、
前述のｑの値がハ１以上または／／／　、／　　以下に
なるような混合比の範囲を例示すると第１表の通りであ
る。

〔発明の作用効果〕

本発明によれば、取り扱いおよび他部材との組み立てが
容易な任意の形状及び大きさをもつ基材中に、レンズア
レイ、光導波路等の屈折率分布型光学素子を一括形成す
ることが可能であり、従来方法のように成形後の合成樹
脂光学素子を成形型から取り出し、精密に配列、接着す
るなどの繁雑な後加工は一切不要になる。

また光学素子の寸法及び基材中での位置決めは、最初に
基材に空孔又は四部を加工又は成形する時に決定される
が、かかる加工及び成形は周知技術を用いて簡単に高精
度で行なうことができ、従来方法でしばしば生じていた
配列ムラ等が起こるおそれもほとんどなく、且つ安定し
た高品質のものが得られる。

さらに使用する基材の材質が単量体混合物中の少なくと
も一成分と親和性の良いものであるので、試料中に形成
された光学素子と基材との界面での密着性が良好であり
、切断、研磨工程においても全く支障がない。

また従来の方法では二次元又は三次元光回路素子を製造
することは容易ではないが、本発明方法では単量体混合
物と基材との界面から生じる不均一重合により、その界
面の法線方向に屈折率分布を自由に形成することができ
るので、所望の形状を有する基材の空孔内に前述の単量
体混合物を充填した後、光源側又は加熱を行なって重合
させることにより、二次元あるいは三次元の光回路素子
を一括形成することも可能である。

次に本発明の実施例について説明する。

〔実　施　例〕

第１図、第２ｒＡにおいてｌはレンズアレイの保持体と
なる平板状の合成樹脂製試料であり、この基材／に断面
円形の貫通している空孔２を、一定間隔をおいてたて横
に配列形成する。

一方、所定量の単量体Ｍｌ　２Ｍ２　＋Ｍ３・・・・・
・　を混合し、これに所定量の開始剤例えば過酸化ベン
ゾイル（ＢＰ○）、ベンゾインメチルエーテル（ＢＭＥ
　）などを溶解し、この単量体混合物３を基材／に設け
られた各円形空孔２・・・・・・内に充填する。

ここで基材ｌの材質として、単量体混合物３を構成する
単量体Ｍ１．Ｍ２　＋Ｍ３・・・・・・のうち少なくと
も７種の単量体と親和性のよいもの、望ましくは単量体
混合物３中で最も含有比率の高い単量体の形成する重合
体を用いる。

次に孔２の上下開口の基材面に単量体揮散防止フィルム
弘を貼着し、全体に光照射するか又は加熱して重合を完
結させる。

上記操作により、断面内で中心軸から径方向に向けて屈
折率が変化する屈折率分布型レンズの多数を平板試料内
にマトリクス状に配列形成したレンズアレイ素子が得ら
れる。

第３図、第グ図に本発明方法によって光導波回路を製作
する方法を示す。

前述例と同様の基材／に、単一の主導波路乙Ａと、この
導波路６劫１ら三次元空間内で同一角度を成して三方に
分岐する分岐導波路６Ｂを成す断面円形の連通空孔２を
成形し、この空孔２内に前述例と同様の単量体混合物３
を充填し、光照射又は加熱して重合を完結させることに
より、断面内で光軸から径方向に向けて屈折率が連続的
に変化する屈折率分布をもった断面円形の光導波路を基
材／中に一体的に形成することができる。

実施例／ まず単量体混合物３としてメタクリル酸メチル（ＨＭＡ
）と安息香酸ビニルｆｆＢ）を重量比でｌ対／に混合し
、これに重合開始剤として過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）
をＯ，グ重量％溶解し、この混合物を第１図に示すよう
に、縦、横、高さがそれぞれ夕Ｏ馴の立方体状のメタク
リル酸メチル重合体（ＰＭＭＡ）から成る基材ｌに予め
設けた内径ｊ；ｍ＋の９個の孔２に注射器を用いて充填
した。

基材ｌの上下面、すなわち孔２の両開口のある面は、重
合時の単量体の蒸発揮散を防止するためにＰＥＴ　フィ
ルムな接着剤で接合して被覆した。

次に上記の試料を恒温槽中に保持し、７０″Ｃで２７時
間、１０″Ｃで２≠時間加熱して各孔部に屈折率分布を
形成させるとともに重合を完結させた。

その後、恒温槽中から上記試料を取り出し、ＰＥＴ　フ
ィルムを接着しである上下面を研磨すると、間隔をおい
てワつの屈折率分布型レンズが基材中に一体形成された
平板状のレンズアレイ素子が得られた。

上記素子におけるレンズ部分と基材との界面の密着性も
良好であった。得られたレンズアレイにおける７つのレ
ンズ部分の屈折率分布を干渉顕微鏡により測定した結果
を第５図に示す。

実施例コ まず単量体混合物としてＭＭＡ、アクリル酸ベンジル（
ＢＺＡ）、フェニル酢酸ビニル（ＶＰＡＣ）を重量比で
６対／対／に混合し、これに重合開始剤として／、／−
ビス（ターシャリ−ブチルパーオキシ）３．３．！；−
）リメチルシクロヘキサンを０．！ｒ重貴％溶解し、こ
の混合物を実施例／と同様のＰλｆＭＡ製基材に設けた
９つの孔に充填し、基材の上下面にＰＥＴ　フィルムを
貼着した。

上記の試料を恒温槽中にて７０°Ｃ″ｃ９時間、９０″
Ｃで２≠時間加熱し、基材にヲつの同様な屈折率分布領
域を形成させるとともに重合を完結させた。

その後実施例１と同様に基材の上下面を研磨すると、り
つの同様な屈折率分布型レンズが一体的に埋め込み形成
された平板状のレンズアレイ素子が得られた。

上記のレンズアレイにおける１つのレンズ部分の屈折率
分布を第３図に示す。

実施例３ まず単量体混合物としてＭＭＡとＶＰＡＣを重ｎ比つな
縦、横、高さが各ｊＯｍｍの立方体状のＰＭＭＡ製基材
／中に形成した三分岐導波回路を成す内径５闘の空孔２
に充填し、空孔コの両端開口がある基材面にＰＥＴ　フ
ィルムを接着した。

以上のｋうに用意した試料を恒温槽中にて７ｏ°Ｃで２
／時間、ｔｏ”ｃで２≠時間加熱し、基材内に屈折率分
布を形成させるとともに重合を完結させた。

その後、実施例／、２と同様に基材上下面を研、磨して
ＰＥＴ　フィルムを除去すると、断面が円形で光軸から
径方向に変化する屈折率分布をもち、単−の導波路から
三次元の空間配置で三分岐する分岐光導波路が基材中に
埋め込み形成されていた。

またこの導波路部分と基材との界面の密着性は良好であ
った。

上記の単一導波路の入口端側からレーザ光を入射させる
と三方向に光が立体的に分岐し出射確認できた。得られ
た導波路部分の断面内での屈折率分布を第７図に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２図は同断
面図、第３図は本発明の他の実施例を示す平面図、第≠
図は同断面図、第３図は本発明方法で製作したレンズア
レイにおけるレンズ部分の径方向屈折率分布の一例を示
すグラフ、第６図は本発明方法で条件を変えて製作した
レンズアレイにおけるレンズ部分の径方向屈折率分布を
示すグラフ、第７図は本発明方法で製作した三次元分岐
光導波路における導波路内の屈折率分布を示すグラフで
ある。 ／　・・・基材　２・・・・・・空孔　３・・・・・・
単量体混合物ｌ・・・・・・単量体揮散防止フィルム４
Ａ、４Ｂ・・・・・・光導波路 特許出廟人　日本板硝子株式会社 第１図 第３図 第５図 規格化半径（ｒ／Ｒｐ）２ 第６図 規格化半径（ｒ／Ｒｐ）２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量体屈折率の異なる複数種の単量体において、
   任意の単量体Ｍｉの他の単量体Ｍｊに対する反応性比を
   Ｒｉｊ、単量体Ｍｊの単量体Ｍｉに対する反応性比をＲ
   ｊｉとし、単量体ＭｉとＭｊの混合モル比を（Ｍｉ／Ｍ
   ｊ）ｍとすれば ［Ｒｉｊ（Ｍｉ／Ｍｊ）ｍ＋１］／［（Ｍｉ／Ｍｊ）ｍ
   ＋Ｒｊｉ］の値が１．１以上であるか又は１／１．１以
   下になるような複数種の単量体混合物を、この混合物中
   の少なくとも１成分の単量体と親和性の良い材質から成
   る基材に設けた空孔に充填し、該基材全体を光照射又は
   加熱し、前記基材の空孔内壁と充填単量体混合物との界
   面から生じる不均一重合により、前記基材中に屈折率勾
   配をもつ光学素子を一体形成することを特徴とする合成
   樹脂光学素子の製造方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記基材を前記
   単量体混合物中で最も含有比率の高い単量体の重合体で
   形成する合成樹脂光学素子の製造方法。