TWI468282B - Method and apparatus for preparing refractive index distributed plastic optical element - Google Patents

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折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法及裝置
本發明係關於一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法及裝置，尤其係指一種利用光照控制聚合反應以避免光學元件產生氣泡，並可用以製造小口徑光纖光學元件之折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法及裝置。
光學元件在現今許多電子產品、通訊產業或數據傳輸方面扮演著極為重要的角色。在所有光學元件中，其折射率分佈以棒體中心向外圍折射率遞減並以拋物線形分佈者稱之為折射率分佈型光學元件(Gradient Index Optics,GRIN)，如集束性光纖棒(Light Focusing Rod,LFR)。
該折射率分佈型光學元件(又稱為GRIN光學元件)一般分為三種，即GI光型纖、GRIN Rod及Wood Lens。本案發明人針對此種光學元件在製造上已有多篇專利技術揭露於前，如日本特許第2670240號「集束性塑膠光學元件之製造方法」、本國發明專利第070291號「集束性塑膠光學元件之製作」、本國發明專利第095613號「折射率分佈型GI光學元件之製法」、本國發明專利第240094號「折射率分佈型塑膠光纖棒及其製造方法」、美國發明專利第5846456號「折射率GI光學元件之製造方法」等等，其均揭露出如何製作出折射率分佈型塑膠光學元件。
另外，美國專利2002/0041043A1中亦揭露出使用共壓出法製備GRIN塑膠光纖之技術，該技術係使用共壓出設備，使得兩成份膠體或多成份膠體相互滲透並進行聚合反應，進而製備出GRIN塑膠光纖。
又，美國專利2003/0091306A1中揭露出使用旋轉式管狀反應器以改變組成份來進行多次聚合，進而製備出GRIN光纖之方法。相關專利並不僅止於上述者，但其中所揭露之相關製法所製造出之塑膠光學元件在製造過程中會有氣泡發生之虞，其原因在聚合反應進行時，多係一體化發生聚合反應，在聚合反應進行時所伴隨而生的氣泡無法有效的被加以排除而殘存在光學元件之中，如此一來將會影將光學元件在使用上的傳輸效率。
另外，上述製法在製造小口徑光纖棒時多必須經由抽絲加工的手續進行，故在製程上十分的複雜繁瑣，因此也有進一步改進的需要。
本發明人有鑒於上述折射率分佈型塑膠光學元件在製造時所產生的問題，乃積極的著手從事研發，以期能解決上述既有的問題，經過不斷的試驗及努力，終於研發出本發明。
本發明之主要目的在於提供一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法及裝置，其係利用控制光照能量來掌控聚合以避免材料聚合後產生氣泡，並簡化折射率分佈型塑膠光學元件之製程，不需經由抽絲加工便可以製得小口徑光纖元件。
為了達到上述的發明目的，本發明係採取下述的技術手段予以達成，其中本發明方法係使用兩種以上的單體及光起始劑組成物注入透明模具管，並使該模具管依一軸心旋轉，於模具管一側設置一具有能量分佈之紫外光發射裝置，利用該紫外光發射裝置之能量分佈特性使得透明模具管內的單體聚合反應具有方向性的進行。
本發明裝置係包括有：一模具管，係一反應器以供GRIN光學元件之反應單體容置，其可依一軸心旋轉；一紫外光發射裝置，係對應設置於該模具管之一側，其具有能量分布之特性以對該模具管進行階段性的能量照射來使得該模具管內的單體聚合反應具有方向性。
藉由上述之方法及裝置，本發明能以紫外光能量分佈的方式來控制GRIN光學元件製備時聚合反應具有方向性的進行，故能有效的避免聚合反應進行時的氣泡生成，並能大幅簡化製程以製備小口徑光纖棒，若配合將無機奈米微粒導入光纖中更可提升其折射率差來提升光纖之NA值及受光角等光學特性值。
本發明係使用兩種以上的單體及光起始劑組成物注入透明模具管，並使該模具管依一軸心旋轉，於模具管一側設置一具有能量分佈之紫外光發射裝置，利用該紫外光發射裝置之能量分佈特性使得透明模具管內的單體聚合反應具有方向性的進行。該組合物中含有可聚合界面活性劑穩定化之奈米微粒及可形成聚合物之單體配方，且該奈米微粒為無機或有機奈米微粒。
請參看第一圖所示，其為利用本發明方法之裝備示意圖。其中符號1為紫外光燈管；符號2為透明模具管，該透明模具管(2)可依一軸心(3)旋轉以使得該透明模具管(2)徑向上之聚合物單體及光起始劑能均勻的受到光照以進行聚合反應，由於本實施例之紫外光燈管(1)係呈傾斜狀設置，使得紫外光燈管(1)下端與透明模具管(2)的距離較近，而上端與透明模具管(2)的距離較遠，亦即位於透明模具管(2)下端之聚合物單體能照射到強度較高的紫外光，因此透明模具管(2)內聚合物單體的聚合反應會由下而上進行，即透明模具管(2)內下端的聚合反應速率大於上端，而透明模具管(2)之管壁區域所受到的紫外光能量又大於其他區域，故聚合反應會由透明模具管(2)下端管壁開始朝透明模具管(2)的軸心方向進行，而未照射到紫外光的區域則不會進行聚合反應。由於透明模具管(2)之下端聚合反應速率大於上端，故能補充液態的單體組成物來避免聚合反應進行時的氣泡發生；當上述所使用的單體為具不同反應性之單體時，如使用一反應性及另一不具反應性之組成物時則可達成GRIN塑膠光纖之生產而不需要抽絲加工的手續。
請參看第二圖所示，其為利用本發明方法之另一裝備示意圖。同樣的符號1為為紫外光燈管；符號2為透明模具管，紫外光燈管(1)與透明模具管(2)係相互平行設置，且紫外光燈管(1)與透明模具管(2)之間設置有能量分佈型過濾板(4)，該能量分佈型過濾板(4)具有灰階式遮光效應，使得紫外光燈管(1)之能量可在透明模具管(2)區域形成能量分佈，在本實施例中，該能量分佈型過濾板(4)能使得透明模具管(2)之能量分佈為由下而上由強趨弱，故能達到與上述實施例相同之效果。
請參看第三圖所示，此圖為第二圖實施例之能量分佈示意圖。其中透明模具管(2)之能量分佈經能量分佈型過濾板(4)過濾紫外光燈管(1)之能量後分為a~g等7個不同的區域，每一個區域具有不同之能量分佈，聚合反應時，係由a朝g區域向上階段反應，亦可以將反應區域設計成較長的反應設計，而各區域之間亦可應需要設置緩衝區來補充因聚合收縮時所需要的單體量。
再請參看第四及五圖所示，其為利用本發明方法之又一裝備示意圖。同樣的符號1為為紫外光燈管；符號2為透明模具管，紫外光燈管(1)與透明模具管(2)係相互平行設置，且紫外光燈管(1)與透明模具管(2)之間設置有能量分佈型過濾板(4)，本實施例之紫外光燈管(1)係設置於中央軸處，而外圍則依序設置有能量分佈型過濾板(4)及透明模具管(2)，如此同樣可達成與上述實施例相同之階段性聚合效果。
為了製得GRIN光纖棒，需使用兩種以上具不同反應性之單體，該單體可為例如MMA、BzMA、St、DS等具有高透明性之單體及高折射率之添加劑，如日本發明專利第2670240號、台灣發明專利第070291、095613、I240094號、美國發明專利第5405556、5846456、6136234號中所揭露之組成物，利用控制聚合速度的方式，即可輕易的製得GRIN光纖棒。
集束性塑膠光纖棒之製作 以紫外光能量控制聚合反應 實施例
將80wt%之甲基丙烯酸甲酯(MMA)、20wt%之二苯硫醚(diphenyl sulfide,DS)與佔該等MMA、DS總重量之3wt%的紫外光起始劑(benzoyl peroxide,BPO)掺混，注入口徑為2mm之透明模具管(玻璃管)，使用第一圖所示之裝置，於室溫下照射2小時，再將透明模具管移至70℃之烘箱中加熱10小時，使單體聚合完全，由透明模具管取出聚合完全後之塑膠棒，並將端面拋光進行測試。由影像縮小、影像倒立傳送之現象可判斷所得之塑膠棒具有光纖透鏡之功效，具備GRIN之特性。
改變透明模具管口徑，進行0.5mm至5cm之測試，以上述相同方式可得具透鏡功效之光纖棒或纖維，即如第六圖所述之GRIN光纖棒。另外，為了提升折射率及光纖開口率(NA值)，在單體中亦可摻混界面活性劑(sodium bis(2-ethyl-hexyl)sulfosuccinate,AOT)及/或銀奈米微粒。
第六圖顯示者為GRIN光纖棒之折射率分佈圖，其中Y軸所示者為光纖棒中任一位置離軸心的位置與半徑的比值(r/Rp)，X軸為該任一位置之折射率與光纖棒最外為之折射率的差值(n(r)-np)，由圖可知其折射率分佈係由軸心最高值朝週邊遞減。
綜上所述，本發明以紫外光能量來控制聚合反應的進行所製造之GRIN折射率分佈型光纖棒與習知技術相比能大幅簡化製程，亦可直接製備小口徑光纖棒而不須使用到抽絲加工技術，若配合將無機奈米微粒導入光纖中更可提升其折射率差來提升光纖之NA值及受光角等光學特性值。
(1)‧‧‧紫外光燈管
(2)‧‧‧透明模具管
(3)‧‧‧軸心
(4)‧‧‧能量分佈型過濾板
第一圖係本發明第一實施例之裝置示意圖。
第二圖係本發明第二實施例之裝置示意圖。
第三圖係第二圖實施例之能量分佈示意圖。
第四圖係本發明第三實施例之裝置示意圖。
第五圖係第四圖之上視示意圖。
第六圖為GRIN光纖棒之折射率分佈圖。
(1)．．．紫外光燈管
(2)．．．透明模具管
(3)．．．軸心

Claims (7)

  1. 一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法，係使用兩種以上的單體及光起始劑之組成物注入透明模具管，並使該模具管具有一軸心，且該模具管依該軸心旋轉，於模具管一側設置一紫外光發射裝置，且該模具管係呈垂直設置，而該紫外光發射裝置係呈傾斜狀設置的紫外光燈管，該紫外光燈管下端與透明模具管的距離較近，而上端與透明模具管的距離較遠，使得紫外光燈管之能量在透明模具管區域形成能量分佈，並使得透明模具管內的單體聚合反應具有方向性的由下而上進行。
  2. 一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備方法，係使用兩種以上的單體及光起始劑之組成物注入透明模具管，並使該模具管具有一軸心，且該模具管依該軸心旋轉，於模具管一側設置一紫外光發射裝置，且該模具管係呈垂直設置，而該紫外光發射裝置係與透明模具管係相互平行設置之紫外光燈管，該紫外光燈管與透明模具管之間設置有能量分佈型過濾板，該能量分佈型過濾板具有灰階式遮光效應，使得紫外光燈管之能量在透明模具管區域形成能量分佈，利用該能量分佈使得透明模具管內的單體聚合反應具有方向性的由下而上進行。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之製備方法，其中該透明模具管內的單體聚合反應後係再置於高溫下以使殘存單體進行完全聚合。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之製備方法，其中該組合物中含有可聚合界面活性劑穩定化之奈米微粒及可 形成聚合物之單體配方。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製備方法，其中該奈米微粒為無機或有機奈米微粒。
  6. 一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備裝置，係包括有：一透明模具管，具有一軸心，係一反應器以供GRIN光學元件之反應單體容置，該透明模具管可依該軸心旋轉；以及一紫外光發射裝置，係對應設置於該模具管之一側，且該模具管係呈垂直設置，而該紫外光發射裝置係呈傾斜狀設置的紫外光燈管，該紫外光燈管下端與透明模具管的距離較近，而上端與透明模具管的距離較遠，其具有能量分布之特性以對該模具管進行階段性的能量照射來使得該模具管內的單體聚合反應具有方向性的由下而上進行。
  7. 一種折射率分佈型塑膠光學元件之製備裝置，係包括有：一透明模具管，具有一軸心，係一反應器以供GRIN光學元件之反應單體容置，該透明模具管可依該軸心旋轉；以及一紫外光發射裝置，係對應設置於該模具管之一側，且該模具管係呈垂直設置，而該紫外光發射裝置係與透明模具管係相互平行設置之紫外光燈管，該紫外光燈管與透明模具管之間設置有能量分佈型過濾板，該能量分佈型過濾板具有灰階式遮光效應，使得紫外光燈管之能量在透明模具管區域形成能量分佈，以對該模具管進行階段性的能量照射來使得該模具管內的單體 聚合反應具有方向性的由下而上進行。
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