JPH0743503A - 屈折率分布レンズ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 屈折率分布をもつレンズ機能部とレンズを支
持するためのフランジ部を一体化させることにより、屈
折率分布型レンズの光学中心を得るための光軸調整作業
とフランジを作製する作業が不要であり、かつレンズを
支持する際の作製誤差がない安価で高精度なフランジ付
き屈折率分布型レンズの構造及びその製造方法を提供す
る。 【構成】 レンズ光軸より半径方向のみに屈折率の勾配
を持つ屈折率分布レンズのフランジが、該屈折率分布レ
ンズの屈折率分布を構成する材料の少なくとも１種以上
の材料で構成され、かつ連続的にレンズに接しているフ
ランジ一体型の屈折率分布レンズの構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屈折率分布型プラスチ
ックレンズ成型体及びその製造方法に係り、特にフラン
ジ一体型の屈折率分布レンズ及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、単体とした用いられる屈折率分布
型レンズとしては、素材がガラスから成るセルフォック
レンズ（“SELFOC”は日本板硝子(株)の商標）が、光通
信用集光レンズとして実用化されている。該レンズは、
フランジが存在しなく、レンズ側面とレンズ面の外側の
一部をレンズ系保持治具に直接ハンダなどで接着し固定
する方法が採用されている。

【０００３】素材がプラスチックから成る屈折率分布型
レンズとしては、主にアレイ化した形態で用いられ、例
えば屈折率分布を有したレンズを基板上のスペーサの間
に最密充填で俵積み配列し、その上に基板を重ね両基板
とスペーサの間を接着するとともに、レンズ及びレンズ
と基板、スペーサとの間の空隙部を接着剤を充填して全
体を接合一体化し、両面を平行平面に研磨したレンズア
レイ及びその製造方法が特開平1-105202号公報に開示さ
れている。

【０００４】また、多数の中空部を有するフランジを作
製した後、重合速度の異なる複数種のモノマーを注入す
る工程と該モノマーを重合させる工程によりフリンジ一
体型のレンズアレイを製造する方法が特開昭60-263903
号公報により開示されている。

【０００５】さらに、屈折率分布型レンズとフランジを
同時に作製する例としては網状重合体を形成するモノマ
ーの一部を重合させ基板を作り保護マスクを形成したの
ち基板とは異なるモノマーを拡散重合させることによっ
てプラスチックレンズ平面レンズを製造する方法が特開
昭60-208701号公報により開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、素材が
ガラスから成る屈折率分布型レンズの固定方法をプラス
チックの屈折率分布型レンズに応用した場合、フランジ
が存在しないため、特にレンズ長が短い場合などレンズ
系保持治具に固定する接着剤がレンズ有効面にしみ出す
など取扱いが難しく、歩留りが悪いという問題があっ
た。

【０００７】一方、特開平1-105202号公報により開示さ
れたレンズアレイは、次のような複雑で多数の工数を必
要とする。すなわち、 （１）ロッド状のゲル母材の製造工程 （２）屈折率分布を形成し、ロッドレンズを製造する工
程 （３）ロッドレンズを束ねアレイ化し、フランジに固定
する工程 （４）所定長さに切断し、端面を研摩する工程 より成り、複雑な工程であり、高価であるという問題が
あった。

【０００８】また、特開昭60-263903号公報により開示
されたフリンジ一体型のレンズアレイは、重合を行うと
きに一般にモノマーからポリマーへの変換は体積収縮が
生じるためフリンジとレンズに間隙が生じ、位置精度が
劣化するという問題があった。

【０００９】また、特開昭60-208701号公報により開示
されたプラスチック平面レンズは、屈折率分布がレンズ
の半径方向と光軸方向に分布するため本来得たい像を形
成することができないという問題があった。

【００１０】このように従来の技術は、レンズ精度上，
レンズ機能上，レンズ性能上，レンズコスト上いろいろ
解決すべき課題があった。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものである。すなわち、本発明はレンズ光軸より半
径方向のみに屈折率の勾配を持つ屈折率分布をもつレン
ズ機能部とレンズを支持するためのフランジ部を一体化
させることにより、屈折率分布型レンズの光学中心を得
るための光軸調整作業とフランジを作製する作業が不要
であり、かつレンズを支持する際の作製誤差がない安価
で高精度なフランジ付き屈折率分布型レンズの構造及び
その製造方法を提供することを目的としたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、レンズ光軸
より半径方向のみに屈折率の勾配を持つ屈折率分布レン
ズのフランジが、該屈折率分布レンズの屈折率分布を構
成する材料の少なくとも１種以上の材料で構成され、か
つ連続的にレンズに接していることを特徴とするフラン
ジ一体型の屈折率分布レンズによって達成される。

【００１３】また上記目的は、レンズ光軸より半径方向
のみに屈折率の勾配を持つ屈折率分布レンズのフランジ
が、該屈折率分布レンズの屈折率分布を構成する材料の
少なくとも１種以上の材料と光吸収体とで構成され、か
つ連続的にレンズに接していることを特徴とするフラン
ジ一体型の屈折率分布レンズによって達成される。

【００１４】また上記目的は、網状重合体モノマーの一
部を重合させゲル化し屈折率の異なる重合体モノマーを
拡散・重合させるレンズ光軸より半径方向のみに屈折率
の勾配を持つ屈折率分布レンズの製造方法において、拡
散する前記重合体モノマーが液相状態であり、かつ拡散
材料の外周部を所望の形状に規定し拡散する工程と重合
し硬化させる工程とを含むフランジ一体型の屈折率分布
レンズの製造方法によって達成される。

【００１５】また上記目的は、網状重合体モノマーの一
部を重合させゲル化し屈折率の異なる重合体モノマーを
拡散・重合させるレンズ光軸より半径方向のみに屈折率
の勾配を持つ屈折率分布レンズの製造方法において、前
記網状重合体のモノマーを所望のフランジ付きレンズの
形状にゲル化形成し、さらに拡散する前記重合体モノマ
ーを気相または液相状態で拡散させ、重合し硬化させる
工程を含むフランジ一体型の屈折率分布レンズの製造方
法によって達成される。

【００１６】また上記目的は、網状重合体モノマーの一
部を重合させゲル化し屈折率の異なる重合体モノマーを
拡散・重合させるレンズ光軸より半径方向のみに屈折率
の勾配を持つ屈折率分布レンズの製造方法において、拡
散する前記重合体モノマーが液相状態であり、該重合体
モノマーに固体の光吸収体を分散させる工程と、拡散材
料の外周部を所望の形状に規定し拡散する工程と、重合
し硬化させる工程を含む光吸収性フランジ一体型の屈折
率分布レンズの製造方法によって達成されるものであ
る。

【００１７】

【作用】光軸に垂直な半径方向に屈折率分布を持つレン
ズ（以後r-GRINレンズと呼ぶ）のフランジが屈折率分布
レンズの屈折率分布を構成する材料の少なくとも１種類
以上の材料で構成され、かつ連続的にレンズに接してい
ることを特徴とするフランジ一体型屈折率分布レンズで
あり、連続一体型であるためにフランジに対する位置精
度を高度に制御できる。

【００１８】またフランジがあるので、レンズ系保持治
具に固定する際、接着剤等がレンズ有効面にしみ出すこ
とがなく、歩留りが良く、さらにレンズ系保持治具に合
わせたフランジ形状を形成することができるので取扱い
がしやすい。

【００１９】フランジ一体型屈折率分布レンズとの例と
しては、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように単玉
のr-GRINレンズが挙げられる。この場合、フランジ部
（拡散材料）１とr-GRINレンズ２の部分の界面は光軸に
対して平行が良い。図１（ｂ）はr-GRINレンズのレンズ
長が短く、取扱いが難しい場合にフランジ部を大きくし
たもので、レンズ取扱いを容易にしたものである。図１
（ｃ）はr-GRINレンズ部分に曲面を有した場合で収差補
正を兼ねたものである。この場合、図１（ａ），（ｂ）
と異なりr-GRINレンズ部分の厚み変化のために拡散が乱
れ屈折率分布が乱れる。この場合は温度や圧力などによ
り屈折率分布を制御して本構造を達成する。

【００２０】図２はフランジがレンズ系保持治具を兼ね
備えた場合で図中１はフランジ部でかつレンズ系保持治
具を兼ね備えた部分であり、２はr-GRINレンズ部分であ
り、３は他のレンズで後方に装着される。この図は他の
レンズが１枚の場合を示したが数枚でも良く、前方に装
着されてもよい。またr-GRINレンズのみでも良い。これ
によりカメラや望遠鏡などの光軸合わせが必要なものに
対してレンズ系保持治具を兼ね備えたので調整が不要と
なる。

【００２１】さらに、フランジ部分の材料に光吸収体か
らなる固体の物質を組み合わせることにより、フランジ
部分に到達した光がレンズに入ることがなくなるためレ
ンズを通した後の像の乱れがなくなる。

【００２２】本発明の製造方法の１つははじめに金型に
網状重合体モノマーを注入し、熱，紫外線あるいは電子
線などでゲル化を行う。網状重合体モノマーとしては、
重合性官能基を１分子あたり２個以上有する公知の反応
性モノマーを使用することができる。例えばジアリルエ
ステルとしてジアリルオルトフタレート、ジアリルイソ
フタレート、ジアリルテレフタレート、もしくはそれら
の混合体ジエチレングリコールビスアリルカーボネート
などがあり、また、不飽和酸アリルエステルとしてメタ
クリル酸アリル、アクリル酸アリル、ビニルエステルと
してフタル酸ジビニル、イソフタル酸ジビニル、テレフ
タル酸ジビニルなどが上げられるがこれらに限定される
ことなく、網状重合体を生成するものであればいかなる
ものも使用可能である。

【００２３】また網状重合体モノマー注入時において、
注入するモノマーをあらかじめある程度重合させておけ
ば粘度が高くなり金型側面への漏れがなくなりバリなど
の発生が妨げる。この場合の注入モノマーのゲル化率は
25wt％以下が良い。

【００２４】注入後に行うゲル化工程でのゲル化率は40
wt％以下が後の拡散工程上より望ましく、特に25wt％以
上35wt％以下が望ましい。

【００２５】なお、ここで言うゲル化率とは、重合転化
率のことであり、網状高分子の重量をＣ_n、直鎖状高分
子の重量をＣ_L、モノマーの重量をＣ_Mとした場合、

【００２６】

【数１】

【００２７】と定義した。

【００２８】次に上記金型の側面を除去し外周が所望の
フランジ形状を有した金型に屈折率の異なる拡散モノマ
ーを注入し、加熱する。

【００２９】最終工程として所望の拡散が行われた後更
に高温に加熱するかまたは紫外線，電子線で重合を完了
させる。本工程によりフランジ部を屈折率分布形成時に
同時に作製することができるため大幅なコストダウンが
可能となる。

【００３０】本発明の製造方法の２つ目は、網状重合体
モノマーを所望のフランジの形状を有した金型に注入す
る。この場合も先に示した通りゲル化率は40wt％以下が
後の拡散工程より望ましく、特に25wt％以上35wt％以下
が望ましい。次にフランジ部の一部もしくは全体より拡
散モノマーを接触させ、加熱して拡散を行う。

【００３１】所望の拡散が終了した後、金型から拡散材
料を除去する。次に高温に加熱するかまたは紫外線，電
子線で重合を完了させ、金型から取り出す。

【００３２】この方法は拡散材料とr-GRINレンズ部の強
度，耐熱性，耐湿性あるいは熱膨張係数が非常に異なる
場合に有効で、フランジ付きr-GRINレンズが外部環境に
よりフランジ部とr-GRINレンズ部の境界に物理的欠陥が
生じることを防ぐ。さらに拡散工程で生じる場合がある
母材の外周部の屈折率分布異常部はフランジとなるので
歩留まりが向上し生産性が向上する。

【００３３】上記の方法の何れもフランジ部を屈折率分
布形成時に同時に作製することができるため大幅なコス
トダウンが可能となる。さらにフランジを別途に取付け
る必要がないので高精度にレンズを位置することができ
る。

【００３４】本発明の製造方法の３つ目は、金型に網状
重合体モノマーを注入し、熱，紫外線あるいは電子線な
どでゲル化を行う。この場合のゲル化率は40wt％以下が
後の拡散工程より望ましく、特に25wt％以上35wt％以下
が望ましい。また、注入するモノマーをさきにある程度
重合させておけば粘度が高くなり金型側面への漏れがな
くなりバリなどの発生が妨げる。次に上記金型の側面を
除去し外周がフランジ形状を有した金型に屈折率の異な
る拡散用モノマーと光吸収効果のある材料からなる球状
ポリマーや発泡体を注入あるいは含浸させ、拡散を行わ
せるため加熱する。所望の拡散が行われた後更に高温に
加熱するかまたは紫外線，電子線などで重合を完了させ
る。本工程によりコストダウンや精度の向上の他にさら
に光吸収体により遮光できるためアパーチャーの働きも
兼ね備え収差を低減でき性能を高めることができる。

【００３５】

【実施例】次に本発明を実施例に基づき添付した図面、
図３ないし図５により詳細に説明する。

【００３６】実施例１ 図３（ａ）のごとく金型21に網状重合体モノマー11を注
入する。網状重合体モノマーとしては、ジエチレングリ
コールビスアリルカーボネート（例えば商品名CR-39，P
PG インダストリー社製）を使用し、重合開始剤ＩＰＰ
を２wt％を添加したものを使用した。つぎに図３（ｂ）
に示すようにレンズ形状を制御するレンズ形状金型23を
設置し、さらに重合による体積収縮による形状変化を制
御する加圧可能な体積収縮制御用金型22を設置し、加圧
1.5ｇ／cm²とし、50℃，２時間加熱し、レンズ部金型24
を除去し、ゲル母材12を得た。つぎに図３（ｃ）に示す
ようにイソフタル酸ジアリル（ＤＡＩ）にＩＰＰを２wt
％を添加した拡散材13をゲル母材12の周辺部に注入し、
25℃，７時間加熱し、レンズ母材中にＤＡＩを拡散させ
た。さらにこの状態で50℃で約20時間加熱し、その後85
℃で５時間加熱し全体を硬化させ、平板型のｒフランジ
付きr-GRINレンズを得た。

【００３７】実施例２ レンズ母材をＤＡＩに、拡散モノマーをメチルメタクリ
レートに変えた以外は実施例１と同じようにしてレンズ
を作製し、凸型のフランジ付きr-GRINレンズを得た。

【００３８】実施例３ 金型を非球面に変えた以外は実施例１と同じようにして
レンズを作製し、非球面型のフランジ付きr-GRINレンズ
を得た。

【００３９】実施例４ 図４（ａ）のごとく金型21にゲル化率20％の網状重合体
モノマー11を注入する。網状重合体モノマーとしては、
ジエチレングリコールビスアリルカーボネート（例えば
商品名CR-39，PPG インダストリー社製）を使用し、重
合開始剤ＩＰＰを２wt％を添加したものを使用した。つ
ぎに図４（ｂ）に示すようにレンズ形状を制御するレン
ズ形状金型23を設置し、さらに重合による体積収縮によ
る形状変化を制御する加圧可能な体積収縮制御用金型22
を設置し、加圧1.5ｇ／cm²とし、50℃，２時間加熱し、
レンズ部金型24を除去し、ゲル母材12を得た。つぎに図
４（ｃ）に示すようにイソフタル酸ジアリル（ＤＡＩ）
にＩＰＰを２wt％を添加した拡散材を減圧下で気化し、
気化した気化拡散材13Ｇをゲル母材12の周辺部に注入
し、25℃，７時間加熱し、レンズ母材中にＤＡＩを拡散
させた。50℃で約20時間加熱し、その後85℃で５時間加
熱し全体を硬化させ、外部環境によりフランジ部とレン
ズ部の物理的欠陥が生じることが少ないフランジ付きr-
GRINレンズを得た。

【００４０】実施例５ 図２の（１＋２）に示す形状を成形する金型の２の金型
に網状重合体を、１の金型に拡散材をそれぞれ実施例１
と同様な方法で拡散重合し、レンズ保持治具一体型のr-
GRINレンズ（１＋２）を作製する。次にレンズ３を装着
してレンズ止め具４を装着後光学接着剤にて固定する。
これにて、光軸調整不要なr-GRINレンズを含む組レンズ
が完成した。

【００４１】実施例６ 図３（ａ）の金型21に網状重合体モノマー11を注入す
る。網状重合体モノマーとしては、ジエチレングリコー
ルビスアリルカーボネート（例えば商品名CR-39，PPG
インダストリー社製）を使用し、重合開始剤ＩＰＰを２
wt％を添加したものを使用した。つぎに図３（ｂ）に示
すようにレンズ形状を制御するレンズ形状金型23を設置
し、さらに重合による体積収縮による形状変化を制御す
る加圧可能な体積収縮制御用金型22を設置し、加圧1.5
ｇ／cm²とし、50℃，２時間加熱し、レンズ部金型24を
除去し、ゲル母材12を得た。つぎに図３（ｃ）に示すよ
うにイソフタル酸ジアリル（ＤＡＩ）にＩＰＰを２wt％
を添加した拡散材13に光吸収体を分散させゲル母材12の
周辺部に注入し、25℃，７時間加熱し、レンズ母材中に
ＤＡＩを拡散させた。この時の光吸収体として粒径１μ
mのカーボンを使用した。さらに50℃で約20時間加熱
し、その後85℃で５時間加熱し全体を硬化させ、光吸収
の平板型のフランジ付きr-GRINレンズを得た。

【００４２】比較例 図５（ａ）において、内径12mm，外径14mm，長さ70mmの
底部にシリコンゴム栓を取付けたテフロンチューブ31に
ＰＰＧインダストリー社製のジエチレングリコールビス
アリルカーボネート（CR-39）に日本油脂製ラジカル重
合開始剤パーロイルIPP-27をCR-39に対してラジカル重
合開始剤（IPP）が２wt％となるように添加し、よく混
合した溶液を注入する。母材モノマーを注入したテフロ
ンチューブ31を50℃で約２時間予備重合しゲル状となっ
たゲル母材ロッド14を図５（ｂ）のようにテフロンチュ
ーブ31より抜き出し、図５（ｃ）のように拡散モノマー
として上記ラジカル重合開始剤を２wt％含有したダイソ
ー社製のジアリルイソフタレート（DAI）を入れた口径3
0mmの試験管32に室温で約20時間浸漬させ、ゲル母材ロ
ッドの周辺部から中心部までDAIの含有量が異なるゲル
ロッド15を得た。

【００４３】次にゲルロッド15を50℃で約20時間加熱し
その後85℃で５時間加熱し重合させ、r-GRINロッドレン
ズを得た。ロッドを所定のレンズ厚さに切断し（33）、
両面を研摩してr-GRINレンズ34を得た。つぎにカメラ用
レンズホルダーに設置できるようにＰＭＭＡを材料とし
て射出成形によりフランジを作製した。凹型r-GRINレン
ズをフランジに設置し接着剤にて固定し、フランジ付き
r-GRINレンズを作製した。

【００４４】次に本発明による実施例と比較例を表１〜
４に示す。

【００４５】本発明によりフランジ一体型の屈折率分布
レンズと比較例の屈折率分布レンズの製造コスト，組レ
ンズ製造コスト，レンズ性能，経時変化の比較を表１〜
４に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４】

【００５０】表１〜４で明らかなように、本発明による
実施例のr-GRINレンズは、比較例のフランジを別に成形
してr-GRINレンズに接着剤で固定するものに比べていず
れもレンズ特性として良好なレンズであることを示し
た。

【００５１】

【発明の効果】本発明により、屈折率分布をもつレンズ
機能部とレンズを支持するためのフランジ部を一体化さ
せ、屈折率分布型レンズの光学中心を得るための光軸調
整作業とフランジを作製する作業を不要とし、かつレン
ズを支持する際の作製誤差がない安価で高精度なフラン
ジ付き屈折率分布型レンズ及びその製造方法が提供され
ることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】フランジ一体型の屈折率分布レンズの例を示す
図。

【図２】フランジがレンズ系保持治具を兼ねた場合の
図。

【図３】平板型のフランジ付きr-GRINレンズの製造方法
を説明する図。

【図４】平板型のフランジ付きr-GRINレンズの別の製造
方法を説明する図。

【図５】ゲル母材ロッドより平板型のr-GRINレンズを作
る説明図。

【符号の説明】

１ フランジ部 ２，34 r-GRINレンズ ３ 他のレンズ 11 網状重合体モノマー 12 ゲル母材 13 拡散材 13Ｇ 気化拡散材 14 ゲル母材ロッド 15 ゲルロッド 21 金型 22 体積収縮制御用金型 23 レンズ形状金型 24 レンズ部金型 31 テフロンチューブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島田 文生 東京都日野市さくら町１番地コニカ株式会 社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズ光軸より半径方向のみに屈折率の
   勾配を持つ屈折率分布レンズのフランジが、該屈折率分
   布レンズの屈折率分布を構成する材料の少なくとも１種
   以上の材料で構成され、かつ連続的にレンズに接してい
   ることを特徴とするフランジ一体型の屈折率分布レン
   ズ。
2. 【請求項２】 レンズ光軸より半径方向のみに屈折率の
   勾配を持つ屈折率分布レンズのフランジが、該屈折率分
   布レンズの屈折率分布を構成する材料の少なくとも１種
   以上の材料と光吸収体とで構成され、かつ連続的にレン
   ズに接していることを特徴とするフランジ一体型の屈折
   率分布レンズ。
3. 【請求項３】 網状重合体モノマーの一部を重合させゲ
   ル化し屈折率の異なる重合体モノマーを拡散・重合させ
   るレンズ光軸より半径方向のみに屈折率の勾配を持つ屈
   折率分布レンズの製造方法において、拡散する前記重合
   体モノマーが液相状態であり、かつ拡散材料の外周部を
   所望の形状に規定し拡散する工程と重合し硬化させる工
   程とを含むフランジ一体型の屈折率分布レンズの製造方
   法。
4. 【請求項４】 網状重合体モノマーの一部を重合させゲ
   ル化し屈折率の異なる重合体モノマーを拡散・重合させ
   るレンズ光軸より半径方向のみに屈折率の勾配を持つ屈
   折率分布レンズの製造方法において、前記網状重合体の
   モノマーを所望のフランジ付きレンズの形状にゲル化形
   成し、さらに拡散する前記重合体モノマーを気相または
   液相状態で拡散させ、重合し硬化させる工程を含むフラ
   ンジ一体型の屈折率分布レンズの製造方法。
5. 【請求項５】 網状重合体モノマーの一部を重合させゲ
   ル化し屈折率の異なる重合体モノマーを拡散・重合させ
   るレンズ光軸より半径方向のみに屈折率の勾配を持つ屈
   折率分布レンズの製造方法において、拡散する前記重合
   体モノマーが液相状態であり、該重合体モノマーに固体
   の光吸収体を分散させる工程と、拡散材料の外周部を所
   望の形状に規定し拡散する工程と、重合し硬化させる工
   程を含む光吸収性フランジ一体型の屈折率分布レンズの
   製造方法。