JPWO2005006322A1 - 光ピックアップ装置、光ピックアップ装置に用いられる光学素子、及び光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、プラスチック樹脂に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させた樹脂材料を成型して得られる光ピックアップ装置用光学素子に関するものであり、更に前記光学素子を用いた光ピックアップ装置及び前記光学素子の製造方法に関する。
Description
本発明は、光ピックアップ装置、及び光ピックアップ装置に用いられる光学素子に関するものであり、より詳しくは、使用温度の変化に対して集光スポット形成機能をはじめとした光学機能の変化が極めて小さく、読み取り・書き込み精度の非常に高い光ピックアップ装置、光ピックアップ装置に用いられる光学素子、及び製造方法に関する。
従来から現在にかけて、ＣＤ（コンパクト・ディスク）、ＤＶＤ（ディジタル・ビデオ・ディスク、あるいはディジタル・バーサタイル・ディスク）などの光情報記録媒体（光ディスク、あるいはメディアともいう）に対して情報の再生・記録を行うための光ピックアップ装置（光ヘッド、光ヘッド装置などともいわれる）が開発・製造され、一般に普及している。
また最近では、より高密度の情報記録を可能とした光情報記録媒体の規格についても研究開発が行われている。
そしてこのような光ピックアップ装置は、光源（主にレーザーダイオードが用いられる）から出射された光束を、ビーム整形プリズム、コリメータ、ビームスプリッタ、対物光学素子等の光学素子からなる光学系を介して光ディスクの情報記録面に集光させてスポットを形成し、記録面上の情報記録孔（ピットともいう）からの反射光を、再度光学系を介して今度はセンサー上に集光させ、電気信号に変換することにより情報を再生する。この際、情報記録孔の形状によって反射光の光束も変化するため、これを利用して、「０」「１」の情報を区別する。なお、光ディスクの情報記録面の上には保護基板（プラスチック製の保護層。カバーガラスともいう）が設けられている。
またＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等の記録型メディアに情報の記録を行う場合、記録面上にレーザー光束によるスポットを形成し、記録面上の記録材に熱化学変化を生ぜしめる。これによってたとえばＣＤ−Ｒの場合は熱拡散性色素が不可逆変化することにより、情報記録孔と同様の形状が形成される。ＣＤ−ＲＷの場合は相変化型材料を用いているため、熱化学変化によって結晶状態と非晶質状態との間で可逆変化するので、情報の書き換えが可能である。
そしてＣＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、対物レンズのＮＡが０．４５前後であり、用いられる光源の波長は７８５ｎｍ前後である。また記録用としては、０．５０程度のものが用いられることが多い。なお、ＣＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは１．２ｍｍである。
さて光情報記録媒体としてＣＤが広く普及しているが、ここ数年、ＤＶＤが普及している。これはＣＤに比べて保護基板厚を薄くし、さらに情報記録孔を小さくすることにより、情報記録量を多くしたもので、ＣＤが約６００〜７００ＭＢ（メガバイト）程度であるのに対し、約４．７ＧＢ（ギガバイト）という大容量の記録容量を有し、映画等の動画像を記録した頒布媒体として用いられることが多い。
またＤＶＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、原理的にはＣＤ用のそれと同じであるが、前述のように情報記録孔が小さくなっていること等から、対物レンズのＮＡが０．６０前後であり、用いられる光源の波長は６５５ｎｍ前後のものが用いられている。また記録用としては、０．６５程度のものが用いられることが多い。なお、ＤＶＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは０．６ｍｍである。
またＤＶＤ規格の光ディスクについても記録型のものが既に実用化されており、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ／Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ／Ｒなどの各規格がある。これらに関する技術的原理もまた、ＣＤ規格の場合と同じである。
そして上述の通り、さらに高密度・高容量の光ディスクが提案されつつある。
これは主に光源として波長が４０５ｎｍ前後の、いわゆる青紫光のレーザー光源を用いるものである。
このような「高密度な光ディスク」については、使用される波長が決まったとしても、保護基板厚、記憶容量、ＮＡ等は一律には決まらない。
記録密度を大幅に向上させる方向を選択すると、光ディスクの保護基板厚を薄くし、それにともなってＮＡを大きくすることになる。逆に保護基板厚・ＮＡについて、ＤＶＤなどの従来の光ディスクの規格と同じにすることもできる。この際は物理的な記録密度は大幅には増大しないが、光学系として要求される性能が比較的緩やかになる。
具体的には、保護基板の厚さについて、０．１ｍｍと、さらに薄くしたものや、ＤＶＤと同じ０．６ｍｍにしたものなどが提案されている。
上述してきたような光ピックアップ装置に用いられる光学素子の多くは、プラスチック樹脂によって射出成形されたものか、またはガラス製の押圧成形されたものがほとんどである。
このうち、後者のガラス製光学素子は、一般に温度変化に対する屈折率変化が小さく、熱源となる光源近くに配置されるビーム整形プリズム等に用いられるが、製造コストが比較的高い、という問題がある。このため、コリメータ、カップリングレンズ、対物光学素子などの各光学素子への採用は減少している。これに対して前者のプラスチック樹脂製光学素子は、射出成形によって安価に製造できるというメリットがあるため、最近では非常に多く用いられているが、プラスチック素材は温度変化によって急激に屈折率が低下してしまい、その結果光学性能が大きく変化するという問題がある。この温度変化率は、ガラス素材の約１０倍近い場合がある。
ところで、情報の再生（読み出し）を高速で行なったり、あるいは情報の記録を高速で行うためには、集光スポットを確実に形成するために、光量を向上させる必要がある。
そのためのもっとも簡単な方法は、レーザーダイオードのパワーをあげることによって、ダイオードの発光量を上昇させることであるが、そうすると熱が発生し、使用温度も急激に上昇してしまう。そうすると、先に述べた通り、プラスチック素材の屈折率が低下してしまい、設計通りの光学性能を達成できなくなるという問題が生じる。
また、高速で作動させると、アクチュエータが高速で稼動するために、これによってさらに熱が発生し、光学素子が屈折率変化を生じる問題もある。
そこでプラスチック製光学素子の、温度変化に対する光学性能の変化を抑制するための様々な工夫が提案されている。
特開平１１−３３７８１８号公報には、温度変化による波面収差の変化を小さく抑え、高ＮＡの対物レンズとして利用する場合にも、利用可能な温度範囲を広げることができる光ヘッド用対物レンズについて記載されている。具体的には、対物レンズは、両面が凸の非球面である樹脂製単レンズであり、一方のレンズ面に光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。そして回折構造は、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有している。
しかしながら、回折構造を設けるためには、射出成形金型の加工から実際の射出成形にいたるまで様々な課題があり、コストアップを伴う。
さらにまた、上述してきたような種々の光ディスクの互換を行うにあたり、保護基盤厚や使用波長の差にもとづく球面収差の補正を行うために回折構造を用いる場合があるし、温度変化によって使用波長が変化して生じる色収差を補正するために回折構造を用いる場合もある。
そうすると、温度補正のためにのみ回折構造を用いるわけにはいかず、設計上の各々の自由度が低下する。とくに、温度補正と色収差補正とは、変化によって生じる球面収差を補正する方向が逆であるために、設計がバッティングするという問題もある。
また最近では、より高密度の情報記録を可能とした光情報記録媒体の規格についても研究開発が行われている。
そしてこのような光ピックアップ装置は、光源（主にレーザーダイオードが用いられる）から出射された光束を、ビーム整形プリズム、コリメータ、ビームスプリッタ、対物光学素子等の光学素子からなる光学系を介して光ディスクの情報記録面に集光させてスポットを形成し、記録面上の情報記録孔（ピットともいう）からの反射光を、再度光学系を介して今度はセンサー上に集光させ、電気信号に変換することにより情報を再生する。この際、情報記録孔の形状によって反射光の光束も変化するため、これを利用して、「０」「１」の情報を区別する。なお、光ディスクの情報記録面の上には保護基板（プラスチック製の保護層。カバーガラスともいう）が設けられている。
またＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等の記録型メディアに情報の記録を行う場合、記録面上にレーザー光束によるスポットを形成し、記録面上の記録材に熱化学変化を生ぜしめる。これによってたとえばＣＤ−Ｒの場合は熱拡散性色素が不可逆変化することにより、情報記録孔と同様の形状が形成される。ＣＤ−ＲＷの場合は相変化型材料を用いているため、熱化学変化によって結晶状態と非晶質状態との間で可逆変化するので、情報の書き換えが可能である。
そしてＣＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、対物レンズのＮＡが０．４５前後であり、用いられる光源の波長は７８５ｎｍ前後である。また記録用としては、０．５０程度のものが用いられることが多い。なお、ＣＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは１．２ｍｍである。
さて光情報記録媒体としてＣＤが広く普及しているが、ここ数年、ＤＶＤが普及している。これはＣＤに比べて保護基板厚を薄くし、さらに情報記録孔を小さくすることにより、情報記録量を多くしたもので、ＣＤが約６００〜７００ＭＢ（メガバイト）程度であるのに対し、約４．７ＧＢ（ギガバイト）という大容量の記録容量を有し、映画等の動画像を記録した頒布媒体として用いられることが多い。
またＤＶＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、原理的にはＣＤ用のそれと同じであるが、前述のように情報記録孔が小さくなっていること等から、対物レンズのＮＡが０．６０前後であり、用いられる光源の波長は６５５ｎｍ前後のものが用いられている。また記録用としては、０．６５程度のものが用いられることが多い。なお、ＤＶＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは０．６ｍｍである。
またＤＶＤ規格の光ディスクについても記録型のものが既に実用化されており、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ／Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ／Ｒなどの各規格がある。これらに関する技術的原理もまた、ＣＤ規格の場合と同じである。
そして上述の通り、さらに高密度・高容量の光ディスクが提案されつつある。
これは主に光源として波長が４０５ｎｍ前後の、いわゆる青紫光のレーザー光源を用いるものである。
このような「高密度な光ディスク」については、使用される波長が決まったとしても、保護基板厚、記憶容量、ＮＡ等は一律には決まらない。
記録密度を大幅に向上させる方向を選択すると、光ディスクの保護基板厚を薄くし、それにともなってＮＡを大きくすることになる。逆に保護基板厚・ＮＡについて、ＤＶＤなどの従来の光ディスクの規格と同じにすることもできる。この際は物理的な記録密度は大幅には増大しないが、光学系として要求される性能が比較的緩やかになる。
具体的には、保護基板の厚さについて、０．１ｍｍと、さらに薄くしたものや、ＤＶＤと同じ０．６ｍｍにしたものなどが提案されている。
上述してきたような光ピックアップ装置に用いられる光学素子の多くは、プラスチック樹脂によって射出成形されたものか、またはガラス製の押圧成形されたものがほとんどである。
このうち、後者のガラス製光学素子は、一般に温度変化に対する屈折率変化が小さく、熱源となる光源近くに配置されるビーム整形プリズム等に用いられるが、製造コストが比較的高い、という問題がある。このため、コリメータ、カップリングレンズ、対物光学素子などの各光学素子への採用は減少している。これに対して前者のプラスチック樹脂製光学素子は、射出成形によって安価に製造できるというメリットがあるため、最近では非常に多く用いられているが、プラスチック素材は温度変化によって急激に屈折率が低下してしまい、その結果光学性能が大きく変化するという問題がある。この温度変化率は、ガラス素材の約１０倍近い場合がある。
ところで、情報の再生（読み出し）を高速で行なったり、あるいは情報の記録を高速で行うためには、集光スポットを確実に形成するために、光量を向上させる必要がある。
そのためのもっとも簡単な方法は、レーザーダイオードのパワーをあげることによって、ダイオードの発光量を上昇させることであるが、そうすると熱が発生し、使用温度も急激に上昇してしまう。そうすると、先に述べた通り、プラスチック素材の屈折率が低下してしまい、設計通りの光学性能を達成できなくなるという問題が生じる。
また、高速で作動させると、アクチュエータが高速で稼動するために、これによってさらに熱が発生し、光学素子が屈折率変化を生じる問題もある。
そこでプラスチック製光学素子の、温度変化に対する光学性能の変化を抑制するための様々な工夫が提案されている。
特開平１１−３３７８１８号公報には、温度変化による波面収差の変化を小さく抑え、高ＮＡの対物レンズとして利用する場合にも、利用可能な温度範囲を広げることができる光ヘッド用対物レンズについて記載されている。具体的には、対物レンズは、両面が凸の非球面である樹脂製単レンズであり、一方のレンズ面に光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。そして回折構造は、入射光の波長が長波長側にシフトした際に、球面収差が補正不足となる方向に変化するような球面収差特性を有している。
しかしながら、回折構造を設けるためには、射出成形金型の加工から実際の射出成形にいたるまで様々な課題があり、コストアップを伴う。
さらにまた、上述してきたような種々の光ディスクの互換を行うにあたり、保護基盤厚や使用波長の差にもとづく球面収差の補正を行うために回折構造を用いる場合があるし、温度変化によって使用波長が変化して生じる色収差を補正するために回折構造を用いる場合もある。
そうすると、温度補正のためにのみ回折構造を用いるわけにはいかず、設計上の各々の自由度が低下する。とくに、温度補正と色収差補正とは、変化によって生じる球面収差を補正する方向が逆であるために、設計がバッティングするという問題もある。
本願発明は、このような従来技術の問題点にかんがみ、温度に対する屈折率変化の極めて小さい光学素子を提供するとともに、前記光学素子を用いたピックアップ装置及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の目的は以下の構成により達成することができる。
（１）プラスチック樹脂に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させた樹脂材料を成型して得られる光ピックアップ装置用光学素子。
（２）前記プラスチック樹脂の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ１／ｄｔ１とし、前記無機粒子の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ２／ｄｔ２と表すとき、ｄｎ１／ｄｔ１とｄｎ２／ｄｔ２の符号が互いに異なることを特徴とする前記第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３）前記光学素子の少なくとも１つの光学面が、所定の光学機能をもつ微細構造を有する光学機能面であることを特徴とする前記第１又は第２項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（４）前記光ピックアップ装置は、少なくとも厚さｔ１の第１保護基板を有する第１光情報記録媒体と、厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の第２保護基板を有する第２光情報記録媒体に対して、情報の記録及び又は再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１保護基板と第２保護基板の厚みの差に基づいて生じる球面収差を解消することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（５）前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源及び波長λ２（λ２＜λ１）の第２光束を出射する第２光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、前記第２光束により第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／または再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光束と第２光束の波長差に基づいて生じる収差を解消することを特徴とする第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（６）前記波長λ１と波長λ２の差が５０ｎｍ以上であることを特徴とする前記第５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（７）前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光源の出射する第１光束の波長がλ１から変動することにより生じる収差を解消することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（８）前記第１光源の出射する前記第１光束の波長λ１からの変動量が、５ｎｍ以下であることを特徴とする前記第７項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（９）前記光学機能面が光路差付与構造を有することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１０）前記光路差付与構造が回折構造であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１１）前記回折構造が鋸歯状回折構造であることを特徴とする前記第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１２）前記回折構造が重畳型回折構造であることを特徴とする前記第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１３）前記光路差付与構造が位相差付与構造であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１４）前記光路差付与構造が非周期的位相構造（ｎｏｎ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１５）前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする前記第１〜１４項の少なくとも１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ ８ × １０−５
ただし、Ａは次式で表される値である；
（１６）前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする前記第１５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ ６ × １０−５
（１７）前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする前記第１８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ １０ × １０−４
（１８）前記無機粒子が、無機酸化物であることを特徴とする前記第１〜１７項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１９）前記無機酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする前記第１８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２０）前記光学素子の少なくとも一方は屈折面であることを特徴とする前記第１〜１９項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２１）前記屈折面が非球面であることを特徴とする前記第２０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２２）前記樹脂材料が酸化防止剤を含有することを特徴とする前記第１〜２１項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２３）前記プラスチック樹脂と前記無機粒子との体積比が９：１〜３：２の範囲であることを特徴とする前記第１〜第２２項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２４）前記光学素子全重量に対して前記無機粒子を５〜８０重量％有することを特徴とする前記第１〜２３項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２５）前記光ピックアップ装置用の使用時と不使用時の温度差が５℃以上５０℃以下であることを特徴とする前記第１〜２４項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２６）前記光学素子が対物光学素子であることを特徴とする前記第１〜２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２７）前記光学素子がビームシェイパーであることを特徴とする前記第１〜２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２８）前記光学素子が、ガウシアン分布の入射光束を、入射時と異なる光強度分布の光束として出射させることを特徴とする前記第１〜第２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２９）前記光学素子が、出射光束の光強度分布をほぼ均一にすることを特徴とする前記第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３０）前記光学素子は、前記光学素子最辺縁部からの出射光束の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％とせしめることを特徴とする前記第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３１）前記第１〜第３０項のいずれか１項に記載の光学素子及び少なくとも１つの光源を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
（３２）溶融したプラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
前記樹脂材料が溶融状態を保ったまま金型内に流入させて光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。
（３３）プラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
金属製の芯材上にメッキ層を形成した成形型を用いて前記樹脂材料を射出成形することにより光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。
本発明の目的は以下の構成により達成することができる。
（１）プラスチック樹脂に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させた樹脂材料を成型して得られる光ピックアップ装置用光学素子。
（２）前記プラスチック樹脂の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ１／ｄｔ１とし、前記無機粒子の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ２／ｄｔ２と表すとき、ｄｎ１／ｄｔ１とｄｎ２／ｄｔ２の符号が互いに異なることを特徴とする前記第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３）前記光学素子の少なくとも１つの光学面が、所定の光学機能をもつ微細構造を有する光学機能面であることを特徴とする前記第１又は第２項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（４）前記光ピックアップ装置は、少なくとも厚さｔ１の第１保護基板を有する第１光情報記録媒体と、厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の第２保護基板を有する第２光情報記録媒体に対して、情報の記録及び又は再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１保護基板と第２保護基板の厚みの差に基づいて生じる球面収差を解消することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（５）前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源及び波長λ２（λ２＜λ１）の第２光束を出射する第２光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、前記第２光束により第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／または再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光束と第２光束の波長差に基づいて生じる収差を解消することを特徴とする第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（６）前記波長λ１と波長λ２の差が５０ｎｍ以上であることを特徴とする前記第５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（７）前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光源の出射する第１光束の波長がλ１から変動することにより生じる収差を解消することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（８）前記第１光源の出射する前記第１光束の波長λ１からの変動量が、５ｎｍ以下であることを特徴とする前記第７項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（９）前記光学機能面が光路差付与構造を有することを特徴とする前記第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１０）前記光路差付与構造が回折構造であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１１）前記回折構造が鋸歯状回折構造であることを特徴とする前記第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１２）前記回折構造が重畳型回折構造であることを特徴とする前記第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１３）前記光路差付与構造が位相差付与構造であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１４）前記光路差付与構造が非周期的位相構造（ｎｏｎ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であることを特徴とする前記第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１５）前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする前記第１〜１４項の少なくとも１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ ８ × １０−５
ただし、Ａは次式で表される値である；
｜Ａ｜ ＜ ６ × １０−５
（１７）前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする前記第１８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ １０ × １０−４
（１８）前記無機粒子が、無機酸化物であることを特徴とする前記第１〜１７項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（１９）前記無機酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする前記第１８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２０）前記光学素子の少なくとも一方は屈折面であることを特徴とする前記第１〜１９項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２１）前記屈折面が非球面であることを特徴とする前記第２０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２２）前記樹脂材料が酸化防止剤を含有することを特徴とする前記第１〜２１項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２３）前記プラスチック樹脂と前記無機粒子との体積比が９：１〜３：２の範囲であることを特徴とする前記第１〜第２２項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２４）前記光学素子全重量に対して前記無機粒子を５〜８０重量％有することを特徴とする前記第１〜２３項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２５）前記光ピックアップ装置用の使用時と不使用時の温度差が５℃以上５０℃以下であることを特徴とする前記第１〜２４項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２６）前記光学素子が対物光学素子であることを特徴とする前記第１〜２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２７）前記光学素子がビームシェイパーであることを特徴とする前記第１〜２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２８）前記光学素子が、ガウシアン分布の入射光束を、入射時と異なる光強度分布の光束として出射させることを特徴とする前記第１〜第２５項のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（２９）前記光学素子が、出射光束の光強度分布をほぼ均一にすることを特徴とする前記第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３０）前記光学素子は、前記光学素子最辺縁部からの出射光束の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％とせしめることを特徴とする前記第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
（３１）前記第１〜第３０項のいずれか１項に記載の光学素子及び少なくとも１つの光源を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
（３２）溶融したプラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
前記樹脂材料が溶融状態を保ったまま金型内に流入させて光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。
（３３）プラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
金属製の芯材上にメッキ層を形成した成形型を用いて前記樹脂材料を射出成形することにより光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。
第１図は本発明に関わる光ピックアップ装置の図である。
第２（ａ）図は鋸歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第２（ｂ）図は鋸歯状回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第３（ａ）図は階段状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第３（ｂ）図は階段状回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第４（ａ）図は非周期的位相構造（ＮＰＳ）を有する光学素子の断面図の一例である。
第４（ｂ）図は非周期的位相構造（ＮＰＳ）を有する光学素子の断面図の別の例である。
第５（ａ）図は重畳型回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第５（ｂ）図は重畳型回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第６（ａ）図は櫛歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第６（ｂ）図は櫛歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第２（ａ）図は鋸歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第２（ｂ）図は鋸歯状回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第３（ａ）図は階段状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第３（ｂ）図は階段状回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第４（ａ）図は非周期的位相構造（ＮＰＳ）を有する光学素子の断面図の一例である。
第４（ｂ）図は非周期的位相構造（ＮＰＳ）を有する光学素子の断面図の別の例である。
第５（ａ）図は重畳型回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第５（ｂ）図は重畳型回折構造を有する光学素子の断面図の別の例である。
第６（ａ）図は櫛歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
第６（ｂ）図は櫛歯状回折構造を有する光学素子の断面図の一例である。
一般に、透明な樹脂材料に微粉末を混合させると、光の散乱が生じ、透過率が低下するため、光学材料として使用することは困難であったが、微粉末を透過光束の波長より小さい大きさにすることにより、散乱が事実上発生しないようにできることがわかってきた。
さてプラスチック樹脂は、温度が上昇することにより、屈折率が低下してしまうが、大部分の無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこでこれらの性質をあわせて打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化が生じないようにすることができる。本発明の光学素子は、母材となるプラスチック樹脂に３０ナノメートル以下、好ましくは２０ナノメートル以下、さらに好ましくは１０〜１５ナノメートルの無機粒子を分散させた樹脂材料で形成されている。このため、屈折率の温度依存性が無いか、あるいはきわめて低い光学素子を提供できる。
本発明におけるプラスチック材料への無機粒子の添加量は必要とする性能を鑑みて適宜調整することができ、特に限定はないが、無機粒子の添加量が全重量に対し５重量％以上、８０重量％以下であることが好ましい。
本発明においては、ナノレベルの無機粒子をプラスチック樹脂に添加した後、射出成形することで光学素子を得ることができるが、無機粒子の添加量が上述の範囲を下回ると、性能の改善（アサーマル性の向上）が充分に得られない場合がある。
また、逆に添加量が上述の範囲を超える場合、成形性が悪化したり、光学素子としての重量が増加したりして、樹脂材料（成形材料）としての性能が低下する場合がある。更に、成形にあたり粒子の周りに焼けなどの問題が生じる場合がある。
本発明者らは、さまざまな樹脂の屈折率、屈折率の温度変化率、更に無機粒子の性質、及び混合した樹脂の成形性等を鑑みて、上述の好ましい範囲を特定することができた。
無機粒子が有するｄｎ／ｄｔの値によってアサーマル性の効果は異なるが、無機粒子を５重量％以上添加することでアサーマル性の改善効果が得られる。ＰＬＺＴやＬｉＮｂＯ３等の無機粒子を用いる場合は、５重量％以上添加することで、樹脂のｄｎ／ｄｔを約１０％以上軽減させることができる為、これにより温度変化による収差変化を補正する必要性が低下する。このため、光学設計の自由度を増加させることができる。
一方、無機粒子の添加量を８０重量％以下とすることにより、比重の増加を抑えることができる。特に光学素子が、光ピックアップ装置内で駆動させる光学素子である場合、重量の増加による駆動部材（アクチュエータ）の消費電力増大を抑えることができ、消費電力増大による高温の発生を抑えることができる。
本発明の光学素子においては、無機粒子の添加量を調整することにより、樹脂のｄｎ／ｄｔを逆転させることも可能である。つまり、光学素子の温度が上昇するに従って、屈折率が増加するようにせしめることも可能である。例えばＬｉＮｂＯ３からなる無機粒子をアクリル樹脂中に分散させる場合、無機粒子の添加量を４０重量％以上とすることによりアクリル樹脂のｄｎ／ｄｔの符号を逆転させることができる。このような構成を有する光学素子は温度変化に対して過剰補正となる為、通常の樹脂からなる光学素子と組み合わせることにより、お互いの温度変化による屈折率変化を相殺することも可能である。このように、一部の光学素子を過剰補正とすることにより、光学系において、全ての光学素子をアサーマル化しなくても、全系において温度変化による屈折率変化を相殺することができる。
本発明の光学素子の母材となる樹脂材料は、たとえば、アクリル樹脂に、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の微粒子を分散させることで得られる。
前記の母材となるプラスチック樹脂は体積比で８０、酸化ニオブは２０程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる等の技術により、必要な分散状態を生じさせることが出来る。
後述するように、樹脂と粒子との混合・分散は、光学素子の射出成形時にインラインで行うことが好ましい。いいかえると、混合・分散した後は、光学素子に成形される迄、冷却・固化されないことが好ましい。
なお、この体積比率は、屈折率の温度に対する変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子をブレンドして分散させることも可能である。
体積比率は、上記の例では８０：２０、すなわち４：１であるが、９０：１０（９：１）から６０：４０（３：２）までの間で適宜調整可能である。９：１よりも少ないと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に３：２を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。
無機粒子
上述のように本発明においては無機粒子が用いられるが、さらに酸化物であることが好ましい。そして酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。
本発明において用いる無機粒子は、平均粒子直径が３０ｎｍ以下の無機粒子であるが、１ｎｍ以上であることが好ましい。１ｎｍ未満だと粒子の分散が困難である為、所望の性能が得られない恐れがあり、また平均粒子直径が３０ｎｍを超えると、得られる熱可塑性材料組成物が濁るなどして透明性が低下し、光線透過率が７０％未満となる恐れがある。ここでいう平均粒子直径は粒子と同体積の球に換算したときの直径を言う。
本発明において用いる無機粒子の形状は、特に限定されるものではないが、球状の粒子が好ましく用いられる。また、粒子径の分布に関しても特に制限されるものではないが、本発明の効果をより効率よく発現させるためには、広範な分布を有するものよりも、比較的狭い分布を持つものが好適に用いられる。
本発明において用いる無機粒子としては、例えば、無機酸化物粒子が挙げられる。より具体的には、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化錫、酸化鉛、これら酸化物より構成される複酸化物であるニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸リチウム等、これらの酸化物との組合せで形成されるリン酸塩、硫酸塩等、が好ましく挙げられ、特に酸化ニオブ及びニオブ酸リチウムが好ましく用いられる。
また、本発明の無機粒子としては半導体結晶組成の微粒子も好ましく利用できる。該半導体結晶組成には特に制限はないが、光学素子として使用する波長領域において、吸収、発光、蛍光等が生じないものが望ましい。具体的な組成例としては、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫等の周期表第１４族元素の単体、リン（黒リン）等の周期表第１５族元素の単体、セレン、テルル等の周期表第１６族元素の単体、炭化珪素（ＳｉＣ）等の複数の周期表第１４族元素からなる化合物、酸化錫（ＩＶ）（ＳｉＯ２）、硫化錫（ＩＩ，ＩＶ）（Ｓｎ（ＩＩ）Ｓｎ（ＩＶ）Ｓ３）、硫化錫（ＩＶ）（ＳｎＳ２）、硫化錫（ＩＩ）（ＳｎＳ）、セレン化錫（ＩＩ）（ＳｎＳｅ）、テルル化錫（ＩＩ）（ＳｎＴｅ）、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳｅ）、テルル化鉛（ＩＩ）（ＰｂＴｅ）等の周期表第１４族元素と周期表第１６族元素との化合物、窒化ホウ素（ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、砒化ホウ素（ＢＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）等の周期表第１３族元素と周期表第１５族元素との化合物（あるいはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）、硫化アルミニウム（Ａｌ２Ｓ３）、セレン化アルミニウム（Ａｌ２Ｓｅ３）、硫化ガリウム（Ｇａ２Ｓ３）、セレン化ガリウム（Ｇａ２Ｓｅ３）、テルル化ガリウム（Ｇａ２Ｔｅ３）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、硫化インジウム（Ｉｎ２Ｓ３）、セレン化インジウム（Ｉｎ２Ｓｅ３）、テルル化インジウム（Ｉｎ２Ｔｅ３）等の周期表第１３族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化水銀（ＨｇＳ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）等の周期表第１２族元素と周期表第１６族元素との化合物（あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体）、硫化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｓ３）、セレン化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｓｅ３）、テルル化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｔｅ３）、硫化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｓ３）、セレン化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｓｅ３）、テルル化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｔｅ３）、硫化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｓ３）、セレン化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｔｅ３）等の周期表第１５族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ２Ｏ）、セレン化銅（Ｉ）（Ｃｕ２Ｓｅ）、等の周期表第１１族元素と周期表第１６族元素との化合物、塩化銅（Ｉ）（ＣｕＣｌ）、臭化銅（Ｉ）（ＣｕＢｒ）、ヨウ化銅（Ｉ）（ＣｕＩ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）等の周期表第１１族元素と周期表第１７族元素との化合物、酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）等の周期表第１０族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＯ）、硫化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＳ）等の周期表第９族元素と周期表第１６族元素との化合物、四塩化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）、硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）等の周期表第８族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化マンガン（ＩＩ）（ＭｎＯ）等の周期表第７族元素と周期表第１６族元素との化合物、硫化モリブデン（ＩＶ）（ＭｏＳ２）、酸化タングステン（ＩＶ）（Ｗｏ２）等の周期表第６族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化バナジウム（ＩＩ）（ＶＯ）、酸化バナジウム（ＩＶ）（ＶＯ２）、酸化タンタル（Ｖ）（Ｔａ２Ｏ５）等の周期表第５族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化チタン（Ｔｉｏ２、Ｔｉ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ５Ｏ９等）等の周期表第４族元素と周期表第１６族元素との化合物、硫化マグネシウム（ＭｇＳ）、セレン化マグネシウム（ＭｇＳｅ）等の周期表第２族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ２Ｏ４）、セレン化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ２Ｓｅ４）、硫化銅（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｕＣｒ２Ｓ４）、セレン化水銀（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＨｇＣｒ２Ｓｅ４）等のカルコゲンスピネル類、バリウムチタネート（ＢａＴｉＯ３）等が挙げられる。尚、Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄら；Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，４巻、４９４頁（１９９１）に報告されているＣｕ１４６Ｓｅ７３（トリエチルホスフィン）２２のように構造の確定されている半導体クラスターも同様に例示される。
これらの微粒子は、１種類の無機粒子を用いてもよく、また、複数種類の無機粒子を併用してもよい。
無機粒子の製造方法、表面修飾
本発明において用いる無機粒子の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知のいずれの方法も用いることができる。例えば、ハロゲン化金属やアルコキシ金属を原料に用い、水を含有する反応系において加水分解することにより、所望の酸化物粒子を得ることができる。この際、粒子の安定化のために有機酸や有機アミンなどを併用する方法も用いられる。より具体的には、例えば二酸化チタン粒子の場合、ジャーナル・オブ・ケミカルエンジニアリング・オブ・ジャパン第１巻１号２１−２８頁（１９９８年）に記載された公知の方法を用いることができ、硫化亜鉛の場合は、ジャーナル・オブ・フィジカルケミストリー第１００巻４６８−４７１頁（１９９６年）に記載された公知の方法を用いることができる。これらの方法に従えば、例えば、平均粒子直径５ｎｍの酸化チタンはチタニウムテトライソプロポキサイドや四塩化チタンを原料として、適当な溶媒中で加水分解させる際に適当な添加剤を共存させることにより容易に製造することができる。更に、本発明の無機粒子は、表面修飾を施されることが好ましい。表面修飾する方法は、特に限定されるものではなく、公知のいずれの方法も用いることができる。例えば、水が存在する条件下で、加水分解により、無機粒子の表面に修飾する方法が挙げられる。この方法では、酸またはアルカリなどの触媒が好適に用いられ、粒子表面の水酸基と、表面修飾剤が加水分解して生じる水酸基とが、脱水して結合を形成することが一般に考えられている。本発明において用いられる好ましい表面修飾剤としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラフェノキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、エチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、３−メチルフェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジフェノキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリエチルエトキシシラン、トリフェニルメトキシシラン、トリフェニルフェノキシシランなどが挙げられる。これらの化合物は、反応速度などの特性が異なり、表面修飾の条件などに適した化合物を用いることができる。また、１種類のみを用いても、複数種類を併用してもよい。さらに、用いる化合物によって得られる無機粒子の性状は異なることがあり、材料組成物を得るにあたって用いる熱可塑性樹脂との親和性を、表面修飾する際に用いる化合物を選ぶことによって図ることも可能である。表面修飾の割合は特に限定されるものではないが、表面修飾後の微粒子に対して、表面修飾剤の割合が１０〜９９重量％であることが好ましく、３０〜９８重量％であることがより好ましい。
無機物であることは、高分子有機化合物であるプラスチック樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また酸化物であることによって、使用に伴う劣化を防ぐことが出来る。特に高温化や、レーザー光を照射されるという過酷な条件において、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことが出来る。
また、その他の要因による樹脂の酸化を防止するために、酸化防止剤を添加することも好ましい。
プラスチック樹脂
本発明の光学素子に用いられるプラスチック樹脂としては光学材料として一般的に用いられる透明樹脂材料であればよい。例えば、特願２００２−３０８９３３号、特願２００２−３０９０４０号、特願２００２−３０８９６４号等に記載されているような樹脂を適宜好ましく採用することができる。 具体的にはアクリル樹脂、環状オレフェン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。
本発明の光学素子に用いられるプラスチック樹脂としては、特に脂環式構造を有する重合体が好ましく用いられる。
特に、アクリル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリカーボネート樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリエステル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリエーテル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリアミド樹脂、または環状脂肪族鎖を有するポリイミド樹脂等好ましくが挙げられる。より具体的には、例えば、下記第１表（表１）記載の化学式（１）〜（１４）で示される構造骨格を有する樹脂を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
脂環式構造を有する重合体としては、重合体全繰り返し単位中に、下記一般式（１）で表される脂環式構造を有する繰り返し単位（ａ）と、下記一般式（２）及び／又は下記一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位（ｂ）とを、合計含有量が９０重量％以上になるように含有し、さらに繰り返し単位（ｂ）の含有量が１重量％以上１０重量％未満である脂環式炭化水素系共重合体が更に好ましい。
式（１）中、Ｘは脂環式炭化水素基であり、式（１）、式（２）、及び式（３）中、Ｒ１〜Ｒ１３は、それぞれ独立に水素原子、鎖状炭化水素基、ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、シリル基、及び極性基（ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、又はシリル基）で置換された鎖状炭化水素基である。その中でも水素原子又は炭素原子数１〜６個の鎖状炭化水素基の場合が、耐熱性、低吸水性に優れるので好ましい。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、及びヨウ素原子を挙げることができる。極性基で置換された鎖状炭化水素基としては、例えば炭素原子数１〜２０、好ましくは１〜１０、より好ましくは１〜６のハロゲン化アルキル基が挙げられる。鎖状炭化水素基としては、例えば炭素原子数１〜２０、好ましくは１〜１０、より好ましくは１〜６のアルキル基；炭素原子数２〜２０、好ましくは２〜１０、より好ましくは２〜６のアルケニル基が挙げられる。
一般式（１）中のＸは脂環式炭化水素基を表し、それを構成する炭素数は、通常４個〜２０個、好ましくは４個〜１０個、より好ましくは５個〜７個である。脂環式構造を構成する炭素数をこの範囲にすることで複屈折を低減することができる。また脂環式構造は単環構造に限らず、例えばノルボルナン環やジシクロヘキサン環などの多環構造のものでもよい。
脂環式炭化水素基は、炭素−炭素不飽和結合を有してもよいが、その含有量は、全炭素−炭素結合の１０％以下、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下である。脂環式炭化水素基の炭素−炭素不飽和結合をこの範囲とすることで、透明性、耐熱性が向上する。また、脂環式炭化水素基を構成する炭素には、水素原子、炭化水素基、ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、シリル基、及び極性基（ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、又はシリル基）で置換された鎖状炭化水素基等が結合していてもよく、中でも水素原子又は炭素原子数１〜６個の鎖状炭化水素基が耐熱性、低吸水性の点で好ましい。
また、一般式（３）中の……は、主鎖中の炭素−炭素飽和、又は炭素−炭素不飽和結合を示すが、透明性、耐熱性を強く要求される場合、不飽和結合の含有率は、主鎖を構成する全炭素−炭素間結合の、通常１０％以下、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下である。
一般式（１）で表される繰り返し単位の中でも、下記一般式（４）で表される繰り返し単位が、耐熱性、低吸水性の点で優れている。
一般式（２）で表される繰り返し単位の中でも、下記―般式（５）で表される繰り返し単位が、耐熱性、低吸水性の点で優れている。
一般式（３）で表される繰り返し単位の中でも、下記一般式（６）で表される繰り返し単位が、耐熱性、低吸水性の点で優れている。
一般式（４）、一般式（５）、及び一般式（６）中の、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅ、Ｒｆ、Ｒｇ、Ｒｈ、Ｒｉ、Ｒｊ、Ｒｋ、Ｒｌ、Ｒｍ、Ｒｎはそれぞれ独立に水素原子または低級鎖状炭化水素基を示し、水素原子または炭素数１〜６の低級アルキル基が、耐熱性、低吸水性の点で優れている。
一般式（２）及び一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位の中では、一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位の方が、得られる炭化水素系重合体の強度特性に優れている。
本発明においては、炭化水素共重合体中の、一般式（１）で表される脂環式構造を有する繰り返し単位（ａ）と、一般式（２）及び／又は一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位（ｂ）との合計含有量は、重量基準で、通常９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９７％以上である。合計含有量を上記範囲にすることで、低複屈折性、耐熱性、低吸水性、機械強度が高度にバランスされる。
脂環式炭化水素系共重合体における鎖状構造の繰り返し単位（ｂ）の含有量は使用目的に応じて適宜選択されるが、通常、重量基準で１％以上１０％未満、好ましくは１％以上８％以下、より好ましくは２％以上６％以下の範囲である。繰り返し単位（ｂ）の含有量が上記範囲にあると、低複屈折性、耐熱性、低吸水性が高度にバランスされる。
また、繰り返し単位（ａ）の連鎖長は、脂環式炭化水素系共重合体の分子鎖長に対して十分に短く、具体的には、Ａ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｂ＝（脂環式炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）×（脂環式構造を有する繰り返し単位数／脂環式炭化水素系共重合体を構成する全繰り返し単位数））とした時、ＡがＢの３０％以下であり、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下、特に好ましくは１０％以下の範囲である。Ａがこの範囲外では、低複屈折性に劣る。
さらに、繰り返し単位（ａ）の連鎖長が特定の分布を有しているもの好ましい。具体的には、Ａ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｃ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の数平均分子量）としたとき、Ａ／Ｃが、好ましくは１．３以上、より好ましくは１．３〜８、最も好ましくは１．７〜６の範囲である。Ａ／Ｃが過度に小さいとブロック程度が増加し、過度に大きいとランダムの程度が増加して、いずれの場合にも低複屈折性に劣る。
本発明の脂環式炭化水素系共重合体の分子量は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー（以下、ＧＰＣ）により測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（Ｍｗ）で、１，０００〜１，０００，０００、好ましくは５，０００〜５００，０００、より好ましくは１０，０００〜３００，０００、最も好ましくは５０，０００〜２５０，０００の範囲である。脂環式炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）が過度に小さいと成形物の強度特性に劣り、逆に過度に大きいと成形物の複屈折が大きくなる。
かかる共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算の重量平均分子量（Ｍｗ）と数平均分子量（Ｍｎ）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、通常２．５以下、好ましくは２．３以下、より好ましくは２以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、機械強度と耐熱性が高度にバランスされる。
共重合体のガラス転移温度（Ｔｇ）は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常５０℃〜２５０℃、好ましくは７０℃〜２００℃、より好ましくは９０℃〜１８０℃である。
脂環式炭化水素系共重合体の製造方法
本発明の脂環式炭化水素系共重合体の製造方法は、（１）芳香族ビニル系化合物と共重合可能なその他のモノマーとを共重合し、主鎖及び芳香環の炭素−炭素不飽和結合を水素化する方法、（２）脂環式ビニル系化合物と共重合可能なその他のモノマーとを共重合し、必要に応じて水素化する方法等が挙げられる。
上記の方法で本発明の脂環式炭化水素系共重合体を製造する場合には、芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物（ａ’）と共重合可能なその他のモノマー（ｂ’）との共重合体で、共重合体中の化合物（ａ’）由来の繰り返し単位が、Ｄ＝（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｅ＝（炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）×（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位数／炭化水素系共重合体を構成する全繰り返し単位数））、とした時、ＤがＥの３０％以下、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下、最も好ましくは１０％以下である連鎖構造を有する共重合体の、主鎖、及び芳香環やシクロアルケン環等の不飽和環の炭素−炭素不飽和結合を水素化する方法により効率的に得ることができる。 Ｄが上記範囲外では、得られる脂環式炭化水素系共重合体の低複屈折性が劣る。
本発明では（１）の方法がより効率的に脂環式炭化水素系共重合体を得ることができるので好ましい。
上記水素化前の共重合体は、さらに、Ｆ＝（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位の連鎖の数平均分子量）、としたときの、Ｄ／Ｆが一定の範囲であるのが好ましい。具体的には、Ｄ／Ｆが、好ましくは１．３以上、より好ましくは１．３以上、８以下、最も好ましくは１．７以上、６以下の範囲である。Ｄ／Ｆがこの範囲外では、得られる脂環式炭化水素系共重合体の低複屈折性が劣る。
上記化合物（ａ’）由来の繰り返し単位の連鎖の重量平均分子量および数平均分子量は、例えば、文献Ｍａｃｒｏｍｏｒｅｃｕｌｅｓ １９８３，１６，１９２５−１９２８記載の、芳香族ビニル系共重合体の主鎖中不飽和二重結合をオゾン付加した後還元分解し、取り出した芳香族ビニル連鎖の分子量を測定する方法等により確認できる。
水素化前の共重合体の分子量は、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（Ｍｗ）で、１，０００〜１，０００，０００、好ましくは５，０００〜５００，０００、より好ましくは１０，０００〜３００，０００の範囲である。共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）が過度に小さいと、それから得られる脂環式炭化水素系共重合体の成形物の強度特性に劣り、逆に過度に大きいと水素化反応性に劣る。
上記（１）の方法において使用する芳香族ビニル系化合物の具体例としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−プロピルスチレン、α−イソプロピルスチレン、α−ｔ−ブチルスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン、２，４−ジイソプロピルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、４−ｔ−ブチルスチレン、５−ｔ−ブチル−２−メチルスチレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、モノフルオロスチレン、４−フェニルスチレン等が挙げられ、スチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン等が好ましい。
上記（２）の方法において使用する脂環式ビニル系化合物の具体例としては、例えば、シクロブチルエチレン、シクロペンチルエチレン、シクロヘキシルエチレン、シクロヘプチルエチレン、シクロオクチルエチレン、ノルボルニルエチレン、ジシクロヘキシルエチレン、α−メチルシクロヘキシルエチレン、α−ｔ−ブチルシクロヘキシルエチレン、シクロペンテニルエチレン、シクロヘキセニルエチレン、シクロヘプテニルエチレン、シクロオクテニルエチレン、シクロデケニルエチレン、ノルボルネニルエチレン、α−メチルシクロヘキセニルエチレン、及びα−ｔ−ブチルシクロヘキセニルエチレン等が挙げられ、これらの中でも、シクロヘキシルエチレン、α−メチルシクロヘキシルエチレンが好ましい。
これらの芳香族ビニル系化合物及び脂環式ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
共重合可能なその他のモノマーとしては、格別な限定はないが、鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエン化合物等が用いられ、鎖状共役ジエンを用いた場合、製造過程における操作性に優れ、また得られる脂環式炭化水素系共重合体の強度特性に優れる。
鎖状ビニル化合物の具体例としては、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン等の鎖状オレフィンモノマー；１−シアノエチレン（アクリロニトリル）、１−シアノ−１−メチルエチレン（メタアクリロニトリル）、１−シアノ−１−クロロエチレン（α−クロロアクリロニトリル）等のニトリル系モノマー；１−（メトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸メチルエステル）、１−（エトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸エチルエステル）、１−（プロポキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸プロピルエステル）、１−（ブトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸ブチルエステル）、１−メトキシカルボニルエチレン（アクリル酸メチルエステル）、１−エトキシカルボニルエチレン（アクリル酸エチルエステル）、１−プロポキシカルボニルエチレン（アクリル酸プロピルエステル）、１−ブトキシカルボニルエチレン（アクリル酸ブチルエステル）などの（メタ）アクリル酸エステル系モノマー、１−カルボキシエチレン（アクリル酸）、１−カルボキシ−１−メチルエチレン（メタクリル酸）、無水マレイン酸などの不飽和脂肪酸系モノマー等が挙げられ、中でも、鎖状オレフィンモノマーが好ましく、エチレン、プロピレン、１−ブテンが最も好ましい。
鎖状共役ジエンは、例えば、１，３−ブタジエン、イソプレン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、及び１，３−ヘキサジエン等が挙げられる。これら鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエンの中でも鎖状共役ジエンが好ましく、ブタジエン、イソプレンが特に好ましい。これらの鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエンは、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの鎖状ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
化合物（ａ’）を重合する方法は、格別制限はないが、一括重合法（バッチ法）、モノマー逐次添加法（モノマー全使用量の内の一部を用いて重合を開始した後、残りのモノマーを逐次添加して重合を進めていく方法）等が挙げられ、特にモノマー逐次添加法を用いると、好ましい連鎖構造を有する炭化水素系共重合体が得られる。水素化前の共重合体は、前述のＤの値がより小さい程、及び／又は、Ｄ／Ｆが大きな値を示す程、よりランダムな連鎖構造を有する。共重合体がどの程度のランダム性を有しているかは、芳香族ビニル系化合物の重合速度と共重合可能なその他のモノマーの重合速度との速度比で決まり、この速度比が小さい程、よりランダムな連鎖構造を有していることになる。
前記モノマー逐次添加法によれば、均一に混合された混合モノマーが重合系内に逐次的に添加されるため、バッチ法とは異なり、ポリマーの重合による成長過程においてモノマーの重合選択性をより下げることができるので、得られる共重合体がよりランダムな連鎖構造になる。また、重合系内での重合反応熱の蓄積が小さくてすむので重合温度を低く安定に保つことがでる。
モノマー逐次添加法の場合、まずモノマーの全使用量のうち、通常０．０１重量％〜６０重量％、好ましくは０．０２重量％〜２０重量％、より好ましくは０．０５重量％〜１０重量％のモノマーを初期モノマーとして予め重合反応器内に存在させた状態で開始剤を添加して重合を開始する。初期モノマー量をこのような範囲にすると、重合開始後の初期反応において発生する反応熱除去を容易にすることができ、得られる共重合体をよりランダムな連鎖構造にすることができる。
上記初期モノマーの重合転化率を７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上になるまで反応を継続すると、得られる共重合体の連鎖構造がよりランダムになる。その後、前記モノマーの残部を継続的に添加するが、添加の速度は重合系内のモノマーの消費速度を考慮して決定される。
通常は、初期モノマーの重合添加率が９０％に達するまでの所要時間をＴ、初期モノマーの全使用モノマーに対する比率（％）をＩとしたとき、関係式［（１００−Ｉ）×Ｔ／Ｉ］で与えられる時間の０．５〜３倍、好ましくは０．８〜２倍、より好ましくは１〜１．５倍となる範囲内で残部モノマーの添加が終了するように決定される。具体的には通常０．１〜３０時間、好ましくは０．５時間〜５時間、より好ましくは１時間〜３時間の範囲となるように、初期モノマー量と残りモノマーの添加速度を決定する。また、モノマー添加終了直後の全モノマー重合転化率は、通常８０％以上、好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上である。モノマー添加終了直後の全モノマー重合転化率を上記の範囲とすると、得られる共重合体の連鎖構造がよりランダムになる。
重合反応は、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等、特別な制約はないが、重合操作、後工程での水素化反応の容易さ、及び最終的に得られる炭化水素系共重合体の機械的強度を考えると、アニオン重合法が好ましい。
ラジカル重合の場合は、開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１５０℃で、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の方法を用いることができるが、特に樹脂中への不純物等の混入等を防止する必要のある場合は、塊状重合、懸濁重合が望ましい。ラジカル開始剤としては、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、ｔ−ブチル−パーオキシ−２−エチルヘキサノエート等の有機過酸化物、アゾイソブチロニトリル、４，４−アゾビス−４−シアノペンタン酸、アゾジベンゾイル等のアゾ化合物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウムに代表される水溶性触媒やレドックス開始剤などが使用可能である。
アニオン重合の場合には、開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１００℃、特に好ましくは２０℃〜８０℃の温度範囲において、塊状重合、溶液重合、スラリー重合等の方法を用いることができるが、反応熱の除去を考慮すると、溶液重合が好ましい。この場合、重合体及びその水素化物を溶解できる不活性溶媒を用いる。溶液反応で用いる不活性溶媒は、例えばｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、ｉｓｏ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｉｓｏ−オクタン等の脂肪族炭化水素類；シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、デカリン等の脂環式炭化水素類；ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類等が挙げられ、中でも脂肪族炭化水素類や脂環式炭化水素類を用いると、水素化反応にも不活性な溶媒としてそのまま使用することができる。これらの溶媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用でき、通常、全使用モノマー１００重量部に対して２００〜１０，０００重量部となるような割合で用いられる。
上記アニオン重合の開始剤としては、例えば、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔ−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウムなどのモノ有機リチウム、ジリチオメタン、１，４−ジオブタン、１，４−ジリチオ−２−エチルシクロヘキサン等の多官能性有機リチウム化合物などが使用可能である。
重合反応においては、また、重合促進剤や、ランダマイザー（或る１成分の連鎖が長くなるのを防止する機能を有する添加剤）などを使用できる。アニオン重合の場合には、例えばルイス塩基化合物をランダマイザーとして使用できる。ルイス塩基化合物の具体例としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジフェニルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルフェニルエーテル等のエーテル化合物；テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン等の第３級アミン化合物；カリウム−ｔ−アミルオキシド、カリウム−ｔ−ブチルオキシド等のアルカリ金属アルコキシド化合物；トリフェニルホスフィン等のホスフィン化合物が挙げられる。これらのルイス塩基化合物は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用できる。
上記のラジカル重合やアニオン重合により得られた重合体は、例えばスチームストリッピング法、直接脱溶媒法、アルコール凝固法等の公知の方法で回収できる。また、重合時に、水素化反応で不活性な溶媒を用いた場合には、重合溶液から重合体を回収せず、そのまま水素添加工程に使用することができる。
不飽和結合の水素化方法
水素化前の共重合体の芳香環やシクロアルケン環などの不飽和環の炭素−炭素二重結合や主鎖の不飽和結合等の水素化反応を行う場合は、反応方法、反応形態に特別な制限はなく、公知の方法にしたがって行えばよいが、水素化率を高くでき、且つ水素化反応と同時に起こる重合体鎖切断反応の少ない水素化方法が好ましく、例えば、有機溶媒中、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、及びレニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む触媒を用いて行う方法が挙げられる。水素化触媒は、不均一触媒、均一触媒のいずれも使用可能である。
不均一系触媒は、金属または金属化合物のままで、又は適当な担体に担持して用いることができる。担体としては、例えば、活性炭、シリカ、アルミナ、炭化カルシウム、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ケイソウ土、炭化珪素等が挙げられ、触媒の担持量は、通常０．０１〜８０重量％、好ましくは０．０５〜６０重量％の範囲である。均一系触媒は、ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物と有機金属化合物（例えば、有機アルミニウム化合物、有機リチウム化合物）とを組み合わせた触媒、またはロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等の有機金属錯体触媒を用いることができる。ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物としては、例えば、各種金属のアセチルアセトン塩、ナフテン塩、シクロペンタジエニル化合物、シクロペンタジエニルジクロロ化合物等が用いられる。有機アルミニウム化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム等のアルキルアルミニウム、ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリド等のハロゲン化アルミニウム、ジイソブチルアルミニウムハイドライド等の水素化アルキルアルミニウム等が好適に用いられる。
有機金属錯体触媒の例としては、上記各金属のγ−ジクロロ−π−ベンゼン錯体、ジクロロ−トリス（トリフェニルホスフィン）錯体、ヒドリド−クロロ−トリフェニルホスフィン）錯体等の金属錯体が使用される。これらの水素化触媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上組み合わせて使用することができ、その使用量は、重合体に対して、重量基準にて、通常、０．０１〜１００部、好ましくは０．０５〜５０部、より好ましくは０．１〜３０部である。
水素化反応は、通常１０℃〜２５０℃であるが、水素化率を高くでき、且つ、水素化反応と同時に起こる重合体鎖切断反応を小さくできるという理由から、好ましくは５０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃である。また水素圧力は、通常０．１ＭＰａ〜３０ＭＰａであるが、上記理由に加え、操作性の観点から、好ましくは１ＭＰａ〜２０ＭＰａ、より好ましくは２ＭＰａ〜１０ＭＰａである。
このようにして得られた、水素化物の水素化率は、１Ｈ−ＮＭＲによる測定において、主鎖の炭素−炭素不飽和結合、芳香環の炭素−炭素二重結合、不飽和環の炭素−炭素二重結合のいずれも、通常９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９７％以上である。水素化率が低いと、得られる共重合体の低複屈折性、熱安定性等が低下する。
水素化反応終了後に水素化物を回収する方法は特に限定されていない。通常、濾過、遠心分離等の方法により水素化触媒残渣を除去した後、水素化物の溶液から溶媒を直接乾燥により除去する方法、水素化物の溶液を水素化物にとっての貧溶媒中に注ぎ、水素化物を凝固させる方法を用いることができる。
脂環式構造を有する重合体としては、重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有するブロック共重合体が更に好ましい。重合体ブロック〔Ａ〕は、下記式（１）で表される繰り返し単位〔１〕を含有する。重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量は、好ましくは５０モル％以上、より好ましくは７０モル％以上、特に好ましくは９０モル％以上である。
（式中、Ｒ１ は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表し、Ｒ２−Ｒ１２はそれぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ヒドロキシル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基、またはハロゲン基である。尚、前記Ｒ２−Ｒ１２は、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１およびＲ１２である。以降同様。）
上記式（１）で表される繰り返し単位〔１〕の好ましい構造は、Ｒ１が水素またはメチル基で、Ｒ２−Ｒ１２がすべて水素のものである。重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。重合体ブロック〔Ａ〕における、前記繰り返し単位〔１〕以外の残部は、鎖状共役ジエンや鎖状ビニル化合物由来の繰り返し単位を水素化したものである。
重合体ブロック〔Ｂ〕は、前記繰り返し単位〔１〕ならびに下記式（２）で表される繰り返し単位〔２〕または／および下記式（３）で表される繰り返し単位〔３〕を含有する。重合体ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量は、好ましくは４０〜９５モル％、より好ましくは５０〜９０モル％である。繰り返し単位〔１〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔２〕のモル分率をｍ２（モル％）および、繰り返し単位〔３〕のモル分率をｍ３（モル％）としたときに、２×ｍ２＋ｍ３が、好ましくは２モル％以上、より好ましくは５〜６０モル％、最も好ましくは１０〜５０モル％である。
（式中、Ｒ１３は、水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表す。）
上記式（２）で表される繰り返し単位〔２〕の好ましい構造は、Ｒ１３が水素またはメチル基のものである。
（式中、Ｒ１４およびＲ１５はそれぞれ独立に、水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表す。）
上記式（３）で表される繰り返し単位〔３〕の好ましい構造は、Ｒ１４が水素で、Ｒ１５がメチル基またはエチル基のものである。
重合体ブロック〔Ｂ〕中の、前記繰り返し単位〔２〕または繰り返し単位〔３〕の含有量が少なすぎると、機械的強度が低下する。したがって、繰り返し単位〔２〕および繰り返し単位〔３〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。重合体ブロック〔Ｂ〕は、さらに、下記式（Ｘ）で表される繰り返し単位〔Ｘ〕を含有していてもよい。繰り返し単位〔Ｘ〕の含有量は、本発明のブロック共重合体の特性を損なわない範囲の量であり、好ましくはブロック共重合体全体に対し、３０モル％以下、より好ましくは２０モル％以下である。
（式中、Ｒ２５は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表し、Ｒ２６はニトリル基、アルコキシカルボニル基、ホルミル基、ヒドロキシカルボニル基、もしくはハロゲン基を表し、Ｒ２７は水素原子を表す。または、Ｒ２６とＲ２７とは相互に結合して、酸無水物基、もしくはイミド基を形成してもよい。）
また、本発明に用いるブロック共重合体は、重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕のモル分率をａ、重合体ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔１〕のモル分率をｂとした場合に、ａ＞ｂの関係があることが好ましい。これにより、透明性、および機械的強度に優れる。
さらに、本発明に用いるブロック共重合体は、ブロック〔Ａ〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍａ、ブロック〔Ｂ〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍｂとした場合に、その比（ｍａ ：ｍｂ）が、好ましくは５：９５〜９５：５、より好ましくは３０：７０〜９５：５、特に好ましくは４０：６０〜９０：１０である。（ｍａ ：ｍｂ）が上記範囲にある場合に、機械的強度および耐熱性に優れる。
本発明に用いるブロック共重合体の分子量は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を溶媒とするゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー（以下、ＧＰＣと記す。）により測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（以下、Ｍｗと記す。）で、好ましくは１０，０００〜３００，０００、より好ましくは１５，０００〜２５０，０００、特に好ましくは２０，０００〜２００，０００の範囲である。ブロック共重合体のＭｗが上記範囲にあると、機械的強度、耐熱性、成形性のバランスに優れる。
ブロック共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算のＭｗと数平均分子量（以下、Ｍｎと記す。）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、好ましくは５以下、より好ましくは４以下、特に好ましくは３以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、機械的強度や耐熱性に優れる。
ブロック共重合体のガラス転移温度（以下、Ｔｇと記す。）は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、示差走査型熱量計（以下、ＤＳＣと記す。）による、高温側の測定値で、好ましくは７０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃、特に好ましくは９０℃〜１６０℃である。
本発明に用いる上記ブロック共重合体は、重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有し、（〔Ａ〕−〔Ｂ〕）型のジブロック共重合体であっても、（〔Ａ〕−〔Ｂ〕−〔Ａ〕）型や（〔Ｂ〕−〔Ａ〕−〔Ｂ〕）型のトリブロック共重合体であっても、重合体ブロック〔Ａ〕と重合体ブロック〔Ｂ〕とが、交互に合計４個以上つながったブロック共重合体であってもよい。また、これらのブロックがラジアル型に結合したブロック共重合体であってもよい。
本発明に用いるブロック共重合体は、以下の方法により得ることができる。その方法としては、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物を含有するモノマー混合物、および、ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を含有するモノマー混合物を重合して、芳香族ビニル化合物または／および脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック、および、ビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロックを有するブロック共重合体を得る。そして該ブロック共重合体の芳香環または／および脂肪族環を水素化する方法や、飽和脂環族ビニル化合物を含有するモノマー混合物、および、ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を含有するモノマー混合物を重合して、脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック、および、ビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロックを有するブロック共重合体を得る方法などが挙げられる。中でも、本発明に用いるブロック共重合体としてより好ましいものは、例えば、以下の方法により得ることができる。
（１）第一の方法としては、まず、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物を５０モル％以上含有するモノマー混合物〔ａ’〕を重合して、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ａ’〕を得る。ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を２モル％以上含有し、且つ、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物をモノマー混合物〔ａ’〕中の割合よりも少ない割合の量で含有するモノマー混合物〔ｂ’〕を重合して、芳香族ビニル化合物または／および前記脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位とビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る。これらの工程を少なくとも経て、前記重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有するブロック共重合体を得た後、該ブロック共重合体の芳香環または／および脂肪族環を水素化する。
（２）第二の方法としては、まず、飽和脂環族ビニル化合物を５０モル％以上含有するモノマー混合物〔ａ〕を重合して、飽和脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ａ〕を得る。ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を２モル％以上含有し、且つ、飽和脂環族ビニル化合物をモノマー混合物〔ａ〕中の割合よりも少ない割合の量で含有するモノマー混合物〔ｂ〕を重合して、飽和脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位とビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ｂ〕を得る。これらの工程を少なくとも経て、前記重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有するブロック共重合体を得る。
上記方法の中で、モノマーの入手容易性、重合収率、重合体ブロック〔Ｂ’〕への繰り返し単位〔１〕の導入のし易さ等の観点から、上記（１）の方法がより好ましい。
上記（１）の方法における芳香族ビニル化合物の具体例としては、スチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−プロピルスチレン、α−イソプロピルスチレン、α−ｔ−ブチルスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン、２，４−ジイソプロピルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、４−ｔ−ブチルスチレン、５−ｔ−ブチル−２−メチルスチレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、モノフルオロスチレン、４−フェニルスチレン等や、これらにヒドロキシル基、アルコキシ基などの置換基を有するもの等が挙げられる。中でもスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン等が好ましい。
上記（１）方法における不飽和脂環族ビニル系化合物の具体例としては、シクロヘキセニルエチレン、α−メチルシクロヘキセニルエチレン、およびα−ｔ−ブチルシクロヘキセニルエチレン等や、これらにハロゲン基、アルコキシ基、またはヒドロキシル基等の置換基を有するもの等が挙げられる。
これらの芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることもできるが、本発明においては、モノマー混合物〔ａ’〕および〔ｂ’〕のいずれにも、芳香族ビニル化合物を用いるのが好ましく、中でも、スチレンまたはα−メチルスチレンを用いるのがより好ましい。
上記方法で使用するビニル系モノマーには、鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエン化合物が含まれる。
鎖状ビニル化合物の具体例としては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン等の鎖状オレフィンモノマー等が挙げられ、中でも、鎖状オレフィンモノマーが好ましく、エチレン、プロピレン、１−ブテンが最も好ましい。
鎖状共役ジエンは、例えば、１，３−ブタジエン、イソプレン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、および１，３−ヘキサジエン等が挙げられる。これら鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエンの中でも鎖状共役ジエンが好ましく、ブタジエン、イソプレンが特に好ましい。これらの鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエンは、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
上記のモノマーを含有するモノマー混合物を重合する場合、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等のいずれの方法で重合反応を行ってもよいが、アニオン重合によるのが好ましく、不活性溶媒の存在下にリビングアニオン重合を行うのが最も好ましい。
アニオン重合は、重合開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１００℃、特に好ましくは２０℃〜８０℃の温度範囲において行う。開始剤としては、例えば、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔ−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウムなどのモノ有機リチウム、ジリチオメタン、１，４−ジオブタン、１，４−ジリチオ−２−エチルシクロヘキサン等の多官能性有機リチウム化合物などが使用可能である。
使用する不活性溶媒としては、例えば、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素類；シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、デカリン等の脂環式炭化水素類；ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類等が挙げられ、中でも脂肪族炭化水素類や脂環式炭化水素類を用いると、水素化反応にも不活性な溶媒としてそのまま使用することができる。これらの溶媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用でき、通常、全使用モノマー１００重量部に対して２００〜１０，０００重量部となるような割合で用いられる。
それぞれの重合体ブロックを重合する際には、各ブロック内で、或る１成分の連鎖が長くなるのを防止するために、重合促進剤やランダマイザーなどを使用することができる。特に重合反応をアニオン重合により行う場合には、ルイス塩基化合物などをランダマイザーとして使用できる。ルイス塩基化合物の具体例としては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジフェニルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルフェニルエーテル等のエーテル化合物；テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン等の第３級アミン化合物；カリウム−ｔ−アミルオキシド、カリウム−ｔ−ブチルオキシド等のアルカリ金属アルコキシド化合物；トリフェニルホスフィン等のホスフィン化合物が挙げられる。これらのルイス塩基化合物は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用することができる。
リビングアニオン重合によりブロック共重合体を得る方法は、従来公知の、逐次付加重合反応法およびカップリング法などが挙げられるが、本発明においては、逐次付加重合反応法を用いるのが好ましい。
逐次付加重合反応法により、重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有する上記ブロック共重合体を得る場合には、重合体ブロック〔Ａ’〕を得る工程と、重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る工程は、順次連続して行われる。具体的には、不活性溶媒中で、上記リビングアニオン重合触媒存在下、モノマー混合物〔ａ’〕を重合して重合体ブロック〔Ａ’〕を得、引き続きその反応系にモノマー混合物〔ｂ’〕を添加して重合を続け、重合体ブロック〔Ａ’〕とつながった重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る。さらに所望に応じて、再びモノマー混合物〔ａ’〕を添加して重合し、重合体ブロック〔Ａ’〕をつなげてトリブロック体とし、さらには再びモノマー混合物〔ｂ’〕を添加して重合し、重合体ブロック〔Ｂ’〕をつなげたテトラブロック体を得る。
得られたブロック共重合体は、例えばスチームストリッピング法、直接脱溶媒法、アルコール凝固法等の公知の方法によって回収する。重合反応において、水素化反応で不活性な溶媒を用いた場合には、重合溶液そのままを水素化反応工程にも使用することができるので、重合溶液からブロック共重合体を回収しなくてもよい。
上記（１）の方法において得られる、重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有するブロック共重合体（以下、水素化前ブロック共重合体という。）のうち下記の構造の繰り返し単位を有するものが好ましい。
好ましい水素化前ブロック共重合体を構成する重合体ブロック〔Ａ’〕は、下記式（４）で表される繰り返し単位〔４〕を５０モル％以上含有する重合体ブロックである。
（式中、Ｒ１６は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表し、Ｒ１７−Ｒ２１は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基、ヒドロキシル基、炭素数１〜２０のアルコキシ基またはハロゲン基である。尚、上記〔Ｒ１７−Ｒ２１〕は、Ｒ１７、Ｒ１８、・・およびＲ２１を表す。）
また、好ましい重合体ブロック〔Ｂ’〕は、前記繰り返し単位〔４〕を必ず含み、下記式（５）で表される繰り返し単位〔５〕および下記式（６）で表される繰り返し単位〔６〕のいずれかを少なくとも１つ含む重合体ブロックである。また、重合体ブロック〔Ａ’〕中の繰り返し単位〔４〕のモル分率をａ’、ブロック〔Ｂ’〕中の繰り返し単位〔４〕のモル分率をｂ’とした場合、ａ’＞ｂ’である。
（式中、Ｒ２２は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表す。）
（式中、Ｒ２３は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表し、Ｒ２４は水素原子、炭素数１〜２０のアルキル基またはアルケニル基を表す。）
さらに、ブロック〔Ｂ’〕中には、下記式（Ｙ）で示される繰り返し単位〔Ｙ〕を含有していてもよい。
（式中、Ｒ２８は水素原子、または炭素数１〜２０のアルキル基を表し、Ｒ２９はニトリル基、アルコキシカルボニル基、ホルミル基、ヒドロキシカルボニル基、またはハロゲン基を表し、Ｒ３０は水素原子を表す。または、Ｒ２９とＲ３０とは相互に結合して、酸無水物基、またはイミド基を形成してもよい。）
さらに、好ましい水素化前ブロック共重合体は、ブロック〔Ａ’〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍａ ’、ブロック〔Ｂ’〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍｂ ’とした場合に、その比（ｍａ’：ｍｂ’）が、５：９５〜９５：５、より好ましくは３０：７０〜９５：５、特に好ましくは４０：６０〜９０：１０である。（ｍａ’：ｍｂ’）が上記範囲にある場合に、機械的強度や耐熱性に優れる。
好ましい水素化前ブロック共重合体の分子量は、ＴＨＦを溶媒としてＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算Ｍｗで、１２，０００〜４００，０００、より好ましくは１９，０００〜３５０，０００、特に好ましくは２５，０００〜３００，０００の範囲である。ブロック共重合体のＭｗが過度に小さいと、機械的強度が低下し、過度に大きいと、水素添加率が低下する。
好ましい水素化前のブロック共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算のＭｗとＭｎとの比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、５以下、より好ましくは４以下、特に好ましくは３以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、水素添加率が向上する。
好ましい水素化前のブロック共重合体のＴｇは、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、ＤＳＣによる高温側の測定値で、７０℃〜１５０℃、より好ましくは８０℃〜１４０℃、特に好ましくは９０℃〜１３０℃である。
上記の、水素化前のブロック共重合体の、芳香環やシクロアルケン環などの不飽和環の炭素−炭素不飽和結合、および主鎖や側鎖の不飽和結合等を水素化する方法および反応形態に特別な制限はなく、公知の方法にしたがって行えばよいが、水素化率を高くでき、重合体鎖切断反応の少ない水素化方法が好ましく、例えば、有機溶媒中、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、およびレニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む触媒を用いて行う方法が挙げられる。水素化触媒は、不均一系触媒、均一系触媒のいずれも使用可能である。
不均一系触媒は、金属または金属化合物のままで、または適当な担体に担持して用いることができる。担体としては、例えば、活性炭、シリカ、アルミナ、炭化カルシウム、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ケイソウ土、炭化珪素等が挙げられ、触媒の担持量は、好ましくは０．０１〜８０重量％、より好ましくは０．０５〜６０重量％の範囲である。均一系触媒は、ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物と有機金属化合物（例えば、有機アルミニウム化合物、有機リチウム化合物）とを組み合わせた触媒、またはロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等の有機金属錯体触媒を用いることができる。ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物としては、例えば、各種金属のアセチルアセトン塩、ナフテン酸塩、シクロペンタジエニル化合物、シクロペンタジエニルジクロロ化合物等が用いられる。有機アルミニウム化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム等のアルキルアルミニウム、ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリド等のハロゲン化アルミニウム、ジイソブチルアルミニウムハイドライド等の水素化アルキルアルミニウム等が好適に用いられる。
有機金属錯体触媒の例としては、上記各金属のγ−ジクロロ−π−ベンゼン錯体、ジクロロ−トリス（トリフェニルホスフィン）錯体、ヒドリド−クロロ−トリフェニルホスフィン錯体等の金属錯体が使用される。これらの水素化触媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上組み合わせて使用することができ、その使用量は、重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜１００重量部、より好ましくは０．０５〜５０重量部、特に好ましくは０．１〜３０重量部である。
水素化反応は、通常１０℃〜２５０℃であるが、水素化率を高くでき、且つ、重合体鎖切断反応を小さくできるという理由から、好ましくは５０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃である。また水素圧力は、好ましくは０．１ＭＰａ〜３０ＭＰａであるが、上記理由に加え、操作性の観点から、より好ましくは１ＭＰａ〜２０ＭＰａ、特に好ましくは２ＭＰａ〜１０ＭＰａである。
このようにして得られた、ブロック共重合体の水素化率は、１Ｈ−ＮＭＲによる測定において、主鎖および側鎖の炭素−炭素不飽和結合、芳香環やシクロアルケン環の炭素−炭素不飽和結合のいずれも、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは９７％以上である。水素化率が低いと、得られる共重合体の低複屈折性、熱安定性等が低下する。
水素化反応終了後、ブロック共重合体は、例えば濾過、遠心分離等の方法により反応溶液から水素化触媒を除去した後、溶媒を直接乾燥により除去する方法、反応溶液を、ブロック共重合体にとっての貧溶媒中に注ぎ、凝固させる方法等によって回収できる。
上記の本発明に係る重合体には、必要に応じて各種配合剤を配合することができる。ブロック共重合体に配合することができる配合剤は格別限定はないが、酸化防止剤、熱安定剤、耐光安定剤、耐候安定剤、紫外線吸収剤、近赤外線吸収剤などの安定剤；滑剤、可塑剤などの樹脂改質剤；染料や顔料などの着色剤；帯電防止剤、難燃剤、フィラーなどが挙げられる。これらの配合剤は、単独で、あるいは２種以上を組み合せて用いることができ、その配合量は本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択される。
本発明においては、重合体に、上記配合剤の中でも、酸化防止剤、紫外線吸収剤、および耐光安定剤を配合するのが好ましい。酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、イオウ系酸化防止剤などが挙げられ、これらの中でもフェノール系酸化防止剤、特にアルキル置換フェノール系酸化防止剤が好ましい。これらの酸化防止剤を配合することにより、透明性、耐熱性等を低下させることなく、成形時の酸化劣化等によるレンズの着色や強度低下を防止できる。これらの酸化防止剤は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができ、その配合量は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜選択されるが、本発明に係る重合体１００重量部に対して好ましくは０．００１〜５重量部、より好ましくは０．０１〜１重量部である。
紫外線吸収剤としては、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４，４’−ジメトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−２’−ベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−５−スルホベンゾフェノントリヒドレート、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクトキシベンゾフェノン、２，２’，４，４’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、４−ドデシロキシ−２−ヒドロキシベンゾフェノン、ビス（５−ベンゾイル−４−ヒドロキシ−２−メトキシフェニル）メタンなどのベンゾフェノン系紫外線吸収剤；２−（２’−ヒドロキシ−５’−メチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−メチル−６−（３，４，５，６−テトラヒドロフタルイミディルメチル）フェノール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−６−ビス（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノール、２−（２’−ヒドロキシ−３’，５’−ジ−第三−ブチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−３’−第三−ブチル−５’−メチル−フェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−５’−第三オクチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−３’，５’−ジ−第三−アミルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−〔２’−ヒドロキシ−３’−（３’’，４’’，５’’，６’’−テトラヒドロフタルイミドメチル）−５’−メチルフェニル〕ベンゾトリアゾール、２，２’−メチレンビス〔４−（１，１，３，３−テトラメチルブチル）−６−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）フェノール〕などのベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤などが挙げられる。これらの中でも、２−（２’−ヒドロキシ−５’−メチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−メチル−６−（３，４，５，６−テトラヒドロフタルイミディルメチル）フェノール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−６−ビス（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノールなどが耐熱性、低揮発性などの観点から好ましい。
耐光安定剤としては、ベンゾフェノン系耐光安定剤、ベンゾトリアゾール系耐光安定剤、ヒンダードアミン系耐光安定剤などが挙げられるが、本発明においては、レンズの透明性、耐着色性等の観点から、ヒンダードアミン系耐光安定剤を用いるのが好ましい。ヒンダードアミン系耐光安定剤（以下、ＨＡＬＳと記す。）の中でも、ＴＨＦを溶媒として用いたＧＰＣにより測定したポリスチレン換算のＭｎが１０００〜１００００であるものが好ましく、２０００〜５０００であるものがより好ましく、２８００〜３８００であるものが特に好ましい。Ｍｎが小さすぎると、該ＨＡＬＳを重合体に加熱溶融混練して配合する際に、揮発のため所定量を配合できなかったり、射出成形等の加熱溶融成形時に発泡やシルバーストリークが生じるなど加工安定性が低下する。また、ランプを点灯させた状態でレンズを長時間使用する場合に、レンズから揮発性成分がガスとなって発生する。逆にＭｎが大き過ぎると、ブロック共重合体への分散性が低下して、レンズの透明性が低下し、耐光性改良の効果が低減する。したがって、本発明においては、ＨＡＬＳのＭｎを上記範囲とすることにより加工安定性、低ガス発生性、透明性に優れたレンズが得られる。
このようなＨＡＬＳの具体例としては、Ｎ，Ｎ’，Ｎ’’，Ｎ’’’−テトラキス−〔４，６−ビス−｛ブチル−（Ｎ−メチル−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−４−イル）アミノ｝−トリアジン−２−イル〕−４，７−ジアザデカン−１，１０−ジアミン、ジブチルアミンと１，３，５−トリアジンとＮ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）ブチルアミンとの重縮合物、ポリ〔｛（１，１，３，３−テトラメチルブチル）アミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジイル｝｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝ヘキサメチレン｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝〕、１，６−ヘキサンジアミン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）とモルフォリン−２，４，６−トリクロロ−１，３，５−トリアジンとの重縮合物、
ポリ〔（６−モルフォリノ−ｓ−トリアジン−２，４−ジイル）（２，２，６，６，−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ〕−ヘキサメチレン〔（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ〕〕などの、ピペリジン環がトリアジン骨格を介して複数結合した高分子量ＨＡＬＳ；コハク酸ジメチルと４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジンエタノールとの重合物、１，２，３，４−ブタンテトラカルボン酸と１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジノールと３，９−ビス（２−ヒドロキシ−１，１−ジメチルエチル）−２，４，８，１０−テトラオキサスピロ［５，５］ウンデカンとの混合エステル化物などの、ピペリジン環がエステル結合を介して結合した高分子量ＨＡＬＳなどが挙げられる。
これらの中でも、ジブチルアミンと１，３，５−トリアジンとＮ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）ブチルアミンとの重縮合物、ポリ〔｛（１，１，３，３−テトラメチルブチル）アミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジイル｝｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝ヘキサメチレン｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝〕、コハク酸ジメチルと４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジンエタノールとの重合物などのＭｎが２，０００〜５，０００のものが好ましい。
本発明に係るブロック共重合体に対する上記紫外線吸収剤およびＨＡＬＳの配合量は、重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜２０重量部、より好ましくは０．０２〜１５重量部、特に好ましくは０．０５〜１０重量部である。添加量が少なすぎると耐光性の改良効果が十分に得られず、屋外で長時間使用する場合等に着色が生じる。一方、ＨＡＬＳの配合量が多すぎると、その一部がガスとなって発生したり、重合体への分散性が低下して、レンズの透明性が低下する。
また、本発明に係る重合体に、最も低いガラス転移温度が３０℃以下である軟質重合体を配合することにより、透明性、耐熱性、機械的強度などの諸特性を低下させることなく、長時間の高温高湿度環境下での白濁を防止できる。
上記軟質重合体の具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）などのオレフィン系軟質重合体；ポリイソブチレン、イソブチレン−イソプレンゴム、イソブチレン−スチレン共重合体などのイソブチレン系軟質重合体；ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン−スチレンランダム共重合体、イソプレン−スチレンランダム共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ブタジエン−スチレン・ブロック共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレン・ブロック共重合体、イソプレン−スチレン・ブロック共重合体、スチレン−イソプレン−スチレン・ブロック共重合体などのジエン系軟質重合体；
ジメチルポリシロキサン、ジフェニルポリシロキサンなどのケイ素含有軟質重合体；ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレートなどのアクリル系軟質重合体；ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エピクロルヒドリンゴムなどのエポキシ系軟質重合体；フッ化ビニリデン系ゴム、四フッ化エチレン−プロピレンゴムなどのフッ素系軟質重合体；天然ゴム、ポリペプチド、蛋白質、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどのその他の軟質重合体などが挙げられる。これらの軟質重合体は、架橋構造を有したものであってもよく、また、変性反応により官能基を導入したものでもよい。
上記軟質重合体の中でもジエン系軟質重合体が好ましく、特に該軟質重合体の炭素−炭素不飽和結合を水素化した水素化物が、ゴム弾性、機械的強度、柔軟性、および分散性の点で優れる。軟質重合体の配合量は、化合物の種類に応じて異なるが、一般に、配合量が多すぎれば、重合体のガラス転移温度や透明性が大きく低下し、レンズとして使用することができない。また配合量が少なすぎれば、高温高湿下において成形物の白濁を生じる場合がある。配合量は、ブロック共重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜１０重量部、より好ましくは０．０２〜５重量部、特に好ましくは０．０５〜２重量部である。
本発明における光ピックアップ装置用光学素子は、少なくとも１つの光学面に所定の光学機能をもつ微細構造を有する光学機能面を有することが好ましい。本発明の光学素子においては、温度変化による屈折率変化を樹脂材料自体で軽減することができる為、光学機能面に形成される微細構造により温度変化による屈折率変化を補正する必要がなく、他の要因により発生する収差補正の為に光学機能面を設計することができる。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、少なくとも厚さｔ１の第１保護基板を有する第１光情報記録媒体と、厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の第２保護基板を有する第２光情報記録媒体に対して、情報の記録及び又は再生を行うことができる光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１保護基板と第２保護基板の厚みの差に基づいて生じる球面収差を解消するように設計することが本発明の好ましい態様の１つである。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源及び波長λ２（λ２＜λ１）の第２光束を出射する第２光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、前記第２光束により第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／または再生を行うことができる光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１光束と第２光束の波長差に基づいて生じる収差を解消するように設計することも本発明の好ましい態様の１つである。この場合、波長λ１と波長λ２の差が５０ｎｍ以上であることが更に好ましい。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１光源の出射する第１光束の波長がλ１から変動することにより生じる収差を解消するよう設計することも本発明の好ましい態様の１つである。
本発明の光学素子は、光学機能面に光路差付与構造を有することが好ましい。本発明の光路差付与構造とは、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、隣り合う輪帯間で入射光に対して光路差を付与する構造を表す。光路差付与構造を用いて、光学素子に上述のような所望の光学機能を付与することができる。
光路差付与構造としては、回折構造が好ましい。本発明における回折構造は、光の回折を発生させる構造を表し、特に限定はないが、代表的な構造として、第２（ａ）図や第２（ｂ）図のように断面形状が鋸歯状の回折構造が好ましく挙げられる。
また、回折構造の構造としては、第３（ａ）図や第３（ｂ）図のように断面形状が階段状の回折構造も好ましく用いられる。このような階段状の構造をマルチレベル構造とも呼ぶ。
更に、第５（ａ）図や第５（ｂ）図のように鋸歯状もしくは階段状回折構造の各輪帯が更に複数の光軸方向の段差により階段状に分割された構造を有する重畳型回折構造も好ましく用いられる。かかる重畳型回折構造の、段差量及び、段差数を適切に設定することにより、複数の波長が異なる光源を用いるピックアップ装置において、特定の波長の光束だけを選択的に回折させ、且つ他の波長は回折せずにそのまま透過させたり、３つの波長の回折次数を異ならせたり、或いは特定の波長に対し、回折効率を極端に小さくしたりする作用を、波長の異なる複数の入射光束に対して与えることが可能となる。
回折構造の別の例としては、第６（ａ）図や第６（ｂ）図のように断面形状が櫛歯状の回折構造も好ましく用いられる。
もちろん回折構造の形状はこれらの構造に限定されず、必要とされる光学機能を達成するための設計に応じて適宜調整することが可能であり、上述の構造を適宜組み合わせて用いることもできる。
また、本発明の光路差付与構造は、好ましくは位相差付与構造である。位相差付与構造とは、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、隣り合う輪帯間で入射光に対して位相差を付与する構造を表し、特に構造上の限定はないが、上述の回折構造と同様の構造が好ましく用いられる。
また、光路差付与構造として、第５（ａ）図や第５（ｂ）図のような、非周期的位相構造（Ｎｏｎ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）も好ましく用いられる。
非周期的位相構造の好ましい構造としては、中心領域の外側に隣接する輪帯は、中心領域に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、最大有効径位置における輪帯は、その外側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、所定の有効径位置における輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されている構造である。ここで、「中心領域」とは、光軸を含み、光軸から最も近い位置にある段差で囲まれた光学機能領域を指す。
また、第２（ａ）図〜第６（ｂ）図においては、全て平板状の光学素子上に光学機能面が形成された構造を例示しているが、本発明の光学素子はこのような平板状の光学素子に限定されるものではなく、正レンズであっても負レンズであってもよい。また、同様に上記光学機能面も必ずしも平面上に形成される必要はなく、所望屈折面及び非球面形状を有する光学面上に適宜形成することができる。
以下図面に基づいて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。（第１の実施の形態）
第１図を用いて、第１の実施の形態について説明する。
第１の実施形態では、使用波長が４０５ｎｍのいわゆる青紫色レーザー光源を用いた「高密度な光ディスク」、ＤＶＤ、ＣＤの３フォーマット互換の光ピックアップ装置をターゲットとしており、第１光情報記録媒体として保護基板厚ｔ１が０．６ｍｍの「高密度な光ディスク」、第２光情報記録媒体として保護基板厚ｔ２が０．６ｍｍのＤＶＤ、第３光情報記録媒体として保護基板厚ｔ３が１．２ｍｍのＣＤを想定している。第１図のＤ０は記録媒体の保護基板面が載置される面であって、光源との位置関係は記録媒体の種類によって変化することはない。ここで、それぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３とＤ０との厚さが基盤厚を示している。
第１図は、第１の実施形態に関わる光ピックアップ装置を示す模式図である。
レーザーダイオードＬＤ１は、第１光源であり、波長λ１が４０５ｎｍの青紫色レーザーが用いられるが、波長が３９０ｎｍ〜４２０ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。ＬＤ２は、第２光源であり、波長λ２が６５５ｎｍの赤色レーザーが用いられるが、波長が６３０ｎｍ〜６８０ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。ＬＤ３は、第３光源であり、波長λ３が７８０ｎｍの赤外レーザーが用いられるが、波長が７５０ｎｍ〜８００ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。
レーザーダイオードＬＤ２は、第２の光源（ＤＶＤ用の光源）、第３の光源（ＣＤ用の光源）の、２つの発光点を同一のパッケージに収めた、いわゆる２レーザー１パッケージの光源ユニットである。
このパッケージのうち、第２の光源を光軸上に位置するように調整するので、第３の光源については光軸上からやや離れた処に位置するため、像高が生じてしまうが、この特性を改善するための技術も既に知られており、それらの技術を必要に応じて適用できる。ここでは補正板ＤＰを用いることによりその補正を行っている。補正板ＤＰにはグレーティングが形成されており、それによって光軸からのズレを補正すると共に、センサーＳ２への集光にも寄与する。
なおＬＤ２から実線で描かれているのがＤＶＤ用の光源光束であり、点線で描かれているのがＣＤ用の光源光束である。
ビームスプリッタＢＳ１はＬＤ１およびＬＤ２から入射する光源光束を対物光学素子であるＯＢＬの方向へ透過させる。
ＬＤ１から投光された光束は、ビーム品位向上のため、ビームシェイパーＢＳＬに入射してから上述のＢＳ１を経て、コリメータＣＬに入射し、これによって無限平行光にコリメートされたのち、ＢＳ３、さらに凹レンズと凸レンズとから構成されるビームエキスパンダーＢＥを経て対物光学素子（光ディスクに最も近い光学素子）である対物レンズＯＢＬに入射する。そして第１光情報記録媒体の保護基板を介して情報記録面上に集光スポットを形成する。そして情報記録面上で反射したのち、同じ経路をたどって、コリメータＣＬ１を通過してから、ＢＳ３によってセンサーレンズＳＬ１を経てセンサーＳ１に集光する。このセンサーによって光電変換され、電気的な信号となる。
なおビームエキスパンダーＢＥと対物レンズＯＢＬとの間には図示しないλ／４（四分の一波長）板が配置されており、行きと帰りとで丁度半波長分位相がずれて偏光方向が変わる。このため復路の光束はＢＳ３によって進行方向が変わる。
さてビームシェイパーＢＳＬは、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ異なった曲率を有している（光軸について、回転非対象な曲率を有している）。
光源から出射された光束は、半導体光源の構造上、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ発散角が異なっており、光軸方向から見て楕円状のビームとなっているが、このままでは光ディスク用の光源光束として好ましくないため、ビームシェイパーＢＳＬによって各々の方向に異なった屈折作用を与えることにより、出射光束が略円形断面のビームとなるようにしている。
またここではＬＤ１の光路中にビームシェイパーＢＳＬを配置しているが、ＬＤ２の光路に配置することも当然可能である。
ＬＤ２から投光された光束も、ＬＤ１の場合と同様に、光ディスク（第２光情報記録媒体、第３光情報記録媒体）に集光スポットを形成し、反射して最終的にセンサーＳ２に集光する。ＢＳ２によって光路が一致するようにせしめられているだけであって、ＬＤ１の場合と変わりはない。
なお対物光学素子ＯＢＬは、この図では単一のレンズであるが、必要に応じて複数の光学素子から構成されるようにしてもよい。また材質は後述の、本願発明に関わる、粒子を分散したプラスチック樹脂である。
また各ＬＤから投光された光束が光ディスクの保護基板を介して情報記録面に集光する状態が描かれているが、再生／記録する記録媒体の規格ごとに、光源と保護基板表面との距離は変わらないが、対物光学素子の基本的な位置（基準位置）がアクチュエータによって切り替わり、その基準位置からピント合わせ（フォーカシング）を行う。
そして各々の光情報記録媒体の保護基板厚、さらにピットの大きさにより、対物光学素子ＯＢＬに要求される開口数も異なる。ここでは、ＣＤ用の開口数は０．４５、ＤＶＤおよび「高密度な光ディスク」の開口数は０．６５としている。ただし、ＣＤについては０．４３〜０．５０、ＤＶＤについては０．５８〜０．６８の範囲で適宜選択可能である。
なおＩＲは不要光をカットするための絞りである。
また対物レンズＯＢＬには平行光が入射しているが、コリメートせずに、有限発散光が入射するような構成であってもよい。
第１の実施態様に関わる光学素子は、後述の、本願発明に関わるプラスチック樹脂からなり、光学的作用を有する素子であって、上記の補正板、ビームスプリッタ、ビームシェイパー、コリメータ、ビームエキスパンダー、対物光学素子（対物レンズ）、センサーレンズ、λ／４板などである。これらの光学素子に、屈折率変化の温度依存性が極めて低い材料を採用することにより、従来技術の問題点を解決している。
さて第１の実施態様では、第１光源、前記第２光源及び前記第３光源の共通光路に配置され、回折構造を有する対物光学素子ＯＢＬにも、上述してきた材料を採用している。そして、対物光学素子に鋸歯状の回折構造を設けている。
これは光軸を中心として、同心円状に細かい段差を設けたものであり、隣り合う輪帯を通過した光束は、所定の光路差を与えられる。
そしてこの鋸歯のピッチ（回折パワー）や深さ（ブレイズド化波長）を設定することにより、「高密度な光ディスク」に対しては、特定のＮＡ内の第１光源からの光束が２次回折光による集光スポットとして形成され、ＤＶＤに対しては、同じＮＡ内の第２光源からの光束が１次回折光による集光スポットとして形成されるようになっている。
このように、回折次数が異なる光を利用することにより、各々の場合における回折効率を高くすることができ、光量を確保することができる。
まだＣＤに対しては、同じＮＡ内の第３光源からの光束を、ＤＶＤと同じ次数（１次）の回折光にすることが好ましいが、これは適宜異なった次数になるようにしても良い。この例では、ＤＶＤと同じ１次の回折光として集光スポットを形成するようにしている。
ここで、第３光源からの特定のＮＡ以上の光束は、ＣＤの情報記録面には集光しない、フレアーになっている。
かりに、「高密度な光ディスク」とＤＶＤの保護基板厚が異なるような規格の場合は、ＤＶＤに設定されたＮＡよりも大きい範囲のＮＡを通過する第２光源からの光束がＤＶＤの情報記録面には集光しない、フレアーとなるようになされる。つまり、この場合の対物光学素子は、特性の異なった３つの領域を有している。
このような回折構造は、光路差付与構造の一例であるが、他にも上述の光路差付与構造を適宜用いることができる。
またここでは、光ディスクフォーマットの基盤厚差にもとづく球面収差を補正する目的で光路差付与構造が採用されているが、それだけでなく、使用波長の波長差や、使用波長の変動（モードホップ）に基づいて生じる収差の補正にももちろん使用可能である。前者の場合は５０ナノメートル以上の波長差に基づいて生じる球面色収差の補正であり、後者の場合は５ｎｍ以内の微小な波長変動を補正する。
通常は、特開平１１−３３７８１８号公報にも開示されているように、対物レンズの集光性能を重視して、温度による焦点位置変動を防ぐようにするものであるが、本願発明によれば、そのような工夫は不要であり、その他の目的のために設計の自由度を振り分ける事が可能である。
この例では、回折構造を対物光学素子に設けた例を説明したが、コリメータやカップリングレンズなどの他の素子に設けることはもちろん可能である。
また屈折面、非球面を有する光学素子に、このような素材を用いることが、もっとも好ましい。
さらに、屈折率の温度変化をきわめて小さくした光学素子を、光ピックアップ装置中において、高温を生じる箇所、あるいはアクチュエータで保持され、作動位置が変化する光学素子にこの素材を用いた光学素子を採用することが好ましい。
具体的には、不使用時（アクチュエータへの通電がなく、ほぼ室温の状態）と、使用状態（アクチュエータに通電され、常に熱が発生している状態）との温度差が、５℃以上あるような光ピックアップ装置中の光学素子として用いるのが好ましい。逆に、この温度差が５０℃以上あるような状況では、ディスクのゆがみが生じるなど、他の性能に悪影響が出るので好ましくない。
さらに、上述の例ではビームシェイパーＢＳＬの素材を工夫する例を示しているが、入射光束の強度分布を変化させる光強度分布変換素子にも採用することができる。
ビームシェイパーや光強度分布変換素子は、ともに比較的光源に近い位置に配置されることが多いので、これらのような素子を、本願発明に関わる光学素子とすることは非常に好ましい。
さて光強度分布変換素子は、おもにガウシアン分布の入射光束を、異なった光強度分布の光束として出射する光学素子である。
これは目的に応じて、出射光束の光強度分布が略均一となるようにせしめたり、出射光束の最辺縁部の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％となるようにせしめることが可能である。
次に、屈折率の温度変化について説明する。
屈折率の温度変化は、ローレンツ・ローレンツの式に基づいて、屈折率ｎを温度ｔで微分することにより、次の式Ａで表される。
プラスチック素材の場合は一般に第１項に比べて第２項の寄与が小さく、ほぼ無視できる。たとえばＰＭＭＡ樹脂の場合、線膨張係数αは７×１０−５であり、上記式に代入すると、−１．２×１０−４となり、実測値とおおむね一致する。
ここで、本願発明では、微粒子、好ましくは無機微粒子を樹脂中に分散させることにより、実質的に上記式の第２項の寄与を大きくし、第１項の線膨張による変化と打ち消しあうようにさせている。
具体的には、従来は−１．２×１０−４程度であった変化を、絶対値で８×１０−５未満に抑えることが好ましい。更に好ましくは６×１０−５未満であり、１０×１０−４未満にすることが、光学設計、あるいは光学素子としてより好ましい。
また第２項の寄与をさらに大きくして、当初のプラスチック材料とは逆の温度特性を持たせることも可能である。つまり、温度が上昇することによって、屈折率が低下するのではなく、逆に屈折率が増加するような素材を得ることもできる。
第１図で説明したように、光ピックアップ装置では、光源から光情報記録媒体に至る光学系（光路）に、多くの光学素子が用いられる。これらの温度に対する屈折率の変化特性を適宜組み合わせることで、光ピックアップ装置全体を小型にするなどの新たな効果を創出できる。
また、異なった応用として、温度変化によって、形状も微小に変形するので、それによって屈折性能が変化するが、それをさらにキャンセルすることができれば、光学素子として非常に好ましい。つまり、従来、本来は凸レンズと凸レンズとを組み合わせた光学系にしたかったところ、凸レンズと凹レンズとを組み合わせて温度補正を行っていたような場合に、所望のとおり、凸レンズと凸レンズとの組合せにする、といったことが可能になる。
このような光学素子を得る場合には、上記式の値を、次のようにすることが好ましい。
０＜Ａ＜８×１０−４
なお、このような構成は、光ピックアップ装置のみならず、撮影光学系に好ましく適用することができる。
次に、本願発明の光学素子を成形する方法について説明する。
先に述べたとおり、プラスチック樹脂中に粒子を分散させる技術については、粒子に電荷を持たせるといった方法が知られている。
たとえば、ペレット状のプラスチック樹脂をチャンバーに充填しておき、このチャンバー内に粒子を注入・分散させ、このチャンバー内を加熱して、プラスチック樹脂を溶融させる。こうすると、分散しておいた粒子が溶融したプラスチック樹脂中に分散される。この際、沈殿を防止するために攪拌したり、電界・磁界をかけたり、超音波を付与することも可能である。
また、溶融させたプラスチック樹脂を射出成形する際に、インラインミキサーなどを用いて粒子を添加するといった方法も考えられる。この場合はライン上で螺旋状に混合されるので、分散状態を好ましく作り出すことが可能である。
ここで、微粒子を分散させたプラスチック樹脂を、一端冷却・固化させたのち、再度溶融させて射出成形すると、再加熱・再溶融によって、分散状態が変化したり、粒子周辺の樹脂に微小な焼けが発生する可能性があるので、好ましくない。特に焼けが生じた場合、焼けの部位によって光線透過率が低下してしまい、光学素子として使用できなくなる。
したがって、一度プラスチック樹脂を溶融させ、かつ粒子を分散させたら、溶融かつ分散した状態を保持したまま、成形品を得ることが好ましい。
すなわち、溶融した状態のプラスチック樹脂中に、直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させた後、溶融状態を保ったまま金型内に流入させて、成形品を得ることが好ましい。
本発明における光学素子は、母材となるプラスチック樹脂と微粒子とから成るが、その混合方法は特に限定されるものではない。すなわち、プラスチック樹脂と微粒子をそれぞれ独立して作成し、その後に両者を混合させる方法、予め作成した微粒子が存在する条件でプラスチック樹脂を作成する方法、予め作成したプラスチック樹脂が存在する条件で微粒子を作成する方法、プラスチック樹脂と微粒子の両者を同時に作成させる方法など、いずれの方法をも採用できる。具体的には、例えば、プラスチック樹脂が溶解した溶液と、微粒子が均一に分散した分散液の二液を均一に混合し、プラスチック樹脂に対して溶解性が乏しい溶液中に打ち合わせることにより、目的とする材料組成物を得る方法好適に挙げることができるが、これに限定されるものではない。
本発明の光学素子において、プラスチック樹脂と微粒子の混合の程度は特に限定されるものではないが、本発明の効果をより効率よく発現させるためには、均一に混合していることが望ましい。混合の程度が不十分の場合には、特に屈折率やアッベ数、光線透過率などの光学特性に影響を及ぼすことが懸念され、又熱可塑性や溶融成形性などの樹脂加工性にも影響を及ぼすことが懸念される。混合の程度は、その作成方法に影響されることが考えられ、用いるプラスチック樹脂及び微粒子の特性を十分に勘案して、方法を選択することが重要である。プラスチック樹脂と微粒子の両者が均一の混合するために、プラスチック樹脂と微粒子を直接結合させる方法等も、本発明において好適に用いることができる。
次に本願発明の光学素子を成形するのに好ましい金型について説明する。
金型の形状は、上述の光路差付与構造を始めとした微細な形状を転写するものをはじめ、非球面形状、あるいはビームシェイパー等の光軸非回転対象の形状を転写するもの、さらにそれらの組合せがありうる。
また、成形・転写する際、金型内における樹脂の流動性や、型から成形品を取り出す際の剥離性（離型性）なども、金型に要求される点である。
そこで、金型は、金属製の芯材（鋼材やステンレス材）に、基本的な形状を形成しておき、その表面に金属メッキを施したものを採用することが好ましい。金属メッキ層は、１０〜１００μｍの間で、適宜厚さを決定できる。また、光路差付与構造を設ける場合は、このメッキ層を切削加工して設けることが好ましい。
また、離型性向上や、型保護のために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などによる保護コートを行なってもよい。
すなわち、直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させたプラスチック樹脂を、金属製の芯材に、メッキ層を形成した成形型を用いて射出成形することが好ましい。
さてプラスチック樹脂は、温度が上昇することにより、屈折率が低下してしまうが、大部分の無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこでこれらの性質をあわせて打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化が生じないようにすることができる。本発明の光学素子は、母材となるプラスチック樹脂に３０ナノメートル以下、好ましくは２０ナノメートル以下、さらに好ましくは１０〜１５ナノメートルの無機粒子を分散させた樹脂材料で形成されている。このため、屈折率の温度依存性が無いか、あるいはきわめて低い光学素子を提供できる。
本発明におけるプラスチック材料への無機粒子の添加量は必要とする性能を鑑みて適宜調整することができ、特に限定はないが、無機粒子の添加量が全重量に対し５重量％以上、８０重量％以下であることが好ましい。
本発明においては、ナノレベルの無機粒子をプラスチック樹脂に添加した後、射出成形することで光学素子を得ることができるが、無機粒子の添加量が上述の範囲を下回ると、性能の改善（アサーマル性の向上）が充分に得られない場合がある。
また、逆に添加量が上述の範囲を超える場合、成形性が悪化したり、光学素子としての重量が増加したりして、樹脂材料（成形材料）としての性能が低下する場合がある。更に、成形にあたり粒子の周りに焼けなどの問題が生じる場合がある。
本発明者らは、さまざまな樹脂の屈折率、屈折率の温度変化率、更に無機粒子の性質、及び混合した樹脂の成形性等を鑑みて、上述の好ましい範囲を特定することができた。
無機粒子が有するｄｎ／ｄｔの値によってアサーマル性の効果は異なるが、無機粒子を５重量％以上添加することでアサーマル性の改善効果が得られる。ＰＬＺＴやＬｉＮｂＯ３等の無機粒子を用いる場合は、５重量％以上添加することで、樹脂のｄｎ／ｄｔを約１０％以上軽減させることができる為、これにより温度変化による収差変化を補正する必要性が低下する。このため、光学設計の自由度を増加させることができる。
一方、無機粒子の添加量を８０重量％以下とすることにより、比重の増加を抑えることができる。特に光学素子が、光ピックアップ装置内で駆動させる光学素子である場合、重量の増加による駆動部材（アクチュエータ）の消費電力増大を抑えることができ、消費電力増大による高温の発生を抑えることができる。
本発明の光学素子においては、無機粒子の添加量を調整することにより、樹脂のｄｎ／ｄｔを逆転させることも可能である。つまり、光学素子の温度が上昇するに従って、屈折率が増加するようにせしめることも可能である。例えばＬｉＮｂＯ３からなる無機粒子をアクリル樹脂中に分散させる場合、無機粒子の添加量を４０重量％以上とすることによりアクリル樹脂のｄｎ／ｄｔの符号を逆転させることができる。このような構成を有する光学素子は温度変化に対して過剰補正となる為、通常の樹脂からなる光学素子と組み合わせることにより、お互いの温度変化による屈折率変化を相殺することも可能である。このように、一部の光学素子を過剰補正とすることにより、光学系において、全ての光学素子をアサーマル化しなくても、全系において温度変化による屈折率変化を相殺することができる。
本発明の光学素子の母材となる樹脂材料は、たとえば、アクリル樹脂に、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の微粒子を分散させることで得られる。
前記の母材となるプラスチック樹脂は体積比で８０、酸化ニオブは２０程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる等の技術により、必要な分散状態を生じさせることが出来る。
後述するように、樹脂と粒子との混合・分散は、光学素子の射出成形時にインラインで行うことが好ましい。いいかえると、混合・分散した後は、光学素子に成形される迄、冷却・固化されないことが好ましい。
なお、この体積比率は、屈折率の温度に対する変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子をブレンドして分散させることも可能である。
体積比率は、上記の例では８０：２０、すなわち４：１であるが、９０：１０（９：１）から６０：４０（３：２）までの間で適宜調整可能である。９：１よりも少ないと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に３：２を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。
無機粒子
上述のように本発明においては無機粒子が用いられるが、さらに酸化物であることが好ましい。そして酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。
本発明において用いる無機粒子は、平均粒子直径が３０ｎｍ以下の無機粒子であるが、１ｎｍ以上であることが好ましい。１ｎｍ未満だと粒子の分散が困難である為、所望の性能が得られない恐れがあり、また平均粒子直径が３０ｎｍを超えると、得られる熱可塑性材料組成物が濁るなどして透明性が低下し、光線透過率が７０％未満となる恐れがある。ここでいう平均粒子直径は粒子と同体積の球に換算したときの直径を言う。
本発明において用いる無機粒子の形状は、特に限定されるものではないが、球状の粒子が好ましく用いられる。また、粒子径の分布に関しても特に制限されるものではないが、本発明の効果をより効率よく発現させるためには、広範な分布を有するものよりも、比較的狭い分布を持つものが好適に用いられる。
本発明において用いる無機粒子としては、例えば、無機酸化物粒子が挙げられる。より具体的には、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化錫、酸化鉛、これら酸化物より構成される複酸化物であるニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸リチウム等、これらの酸化物との組合せで形成されるリン酸塩、硫酸塩等、が好ましく挙げられ、特に酸化ニオブ及びニオブ酸リチウムが好ましく用いられる。
また、本発明の無機粒子としては半導体結晶組成の微粒子も好ましく利用できる。該半導体結晶組成には特に制限はないが、光学素子として使用する波長領域において、吸収、発光、蛍光等が生じないものが望ましい。具体的な組成例としては、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫等の周期表第１４族元素の単体、リン（黒リン）等の周期表第１５族元素の単体、セレン、テルル等の周期表第１６族元素の単体、炭化珪素（ＳｉＣ）等の複数の周期表第１４族元素からなる化合物、酸化錫（ＩＶ）（ＳｉＯ２）、硫化錫（ＩＩ，ＩＶ）（Ｓｎ（ＩＩ）Ｓｎ（ＩＶ）Ｓ３）、硫化錫（ＩＶ）（ＳｎＳ２）、硫化錫（ＩＩ）（ＳｎＳ）、セレン化錫（ＩＩ）（ＳｎＳｅ）、テルル化錫（ＩＩ）（ＳｎＴｅ）、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳｅ）、テルル化鉛（ＩＩ）（ＰｂＴｅ）等の周期表第１４族元素と周期表第１６族元素との化合物、窒化ホウ素（ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、砒化ホウ素（ＢＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）等の周期表第１３族元素と周期表第１５族元素との化合物（あるいはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）、硫化アルミニウム（Ａｌ２Ｓ３）、セレン化アルミニウム（Ａｌ２Ｓｅ３）、硫化ガリウム（Ｇａ２Ｓ３）、セレン化ガリウム（Ｇａ２Ｓｅ３）、テルル化ガリウム（Ｇａ２Ｔｅ３）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、硫化インジウム（Ｉｎ２Ｓ３）、セレン化インジウム（Ｉｎ２Ｓｅ３）、テルル化インジウム（Ｉｎ２Ｔｅ３）等の周期表第１３族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化水銀（ＨｇＳ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）等の周期表第１２族元素と周期表第１６族元素との化合物（あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体）、硫化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｓ３）、セレン化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｓｅ３）、テルル化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ２Ｔｅ３）、硫化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｓ３）、セレン化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｓｅ３）、テルル化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ２Ｔｅ３）、硫化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｓ３）、セレン化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｓｅ３）、テルル化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ２Ｔｅ３）等の周期表第１５族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ２Ｏ）、セレン化銅（Ｉ）（Ｃｕ２Ｓｅ）、等の周期表第１１族元素と周期表第１６族元素との化合物、塩化銅（Ｉ）（ＣｕＣｌ）、臭化銅（Ｉ）（ＣｕＢｒ）、ヨウ化銅（Ｉ）（ＣｕＩ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）等の周期表第１１族元素と周期表第１７族元素との化合物、酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）等の周期表第１０族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＯ）、硫化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＳ）等の周期表第９族元素と周期表第１６族元素との化合物、四塩化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）、硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）等の周期表第８族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化マンガン（ＩＩ）（ＭｎＯ）等の周期表第７族元素と周期表第１６族元素との化合物、硫化モリブデン（ＩＶ）（ＭｏＳ２）、酸化タングステン（ＩＶ）（Ｗｏ２）等の周期表第６族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化バナジウム（ＩＩ）（ＶＯ）、酸化バナジウム（ＩＶ）（ＶＯ２）、酸化タンタル（Ｖ）（Ｔａ２Ｏ５）等の周期表第５族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化チタン（Ｔｉｏ２、Ｔｉ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔｉ５Ｏ９等）等の周期表第４族元素と周期表第１６族元素との化合物、硫化マグネシウム（ＭｇＳ）、セレン化マグネシウム（ＭｇＳｅ）等の周期表第２族元素と周期表第１６族元素との化合物、酸化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ２Ｏ４）、セレン化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ２Ｓｅ４）、硫化銅（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｕＣｒ２Ｓ４）、セレン化水銀（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＨｇＣｒ２Ｓｅ４）等のカルコゲンスピネル類、バリウムチタネート（ＢａＴｉＯ３）等が挙げられる。尚、Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄら；Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，４巻、４９４頁（１９９１）に報告されているＣｕ１４６Ｓｅ７３（トリエチルホスフィン）２２のように構造の確定されている半導体クラスターも同様に例示される。
これらの微粒子は、１種類の無機粒子を用いてもよく、また、複数種類の無機粒子を併用してもよい。
無機粒子の製造方法、表面修飾
本発明において用いる無機粒子の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知のいずれの方法も用いることができる。例えば、ハロゲン化金属やアルコキシ金属を原料に用い、水を含有する反応系において加水分解することにより、所望の酸化物粒子を得ることができる。この際、粒子の安定化のために有機酸や有機アミンなどを併用する方法も用いられる。より具体的には、例えば二酸化チタン粒子の場合、ジャーナル・オブ・ケミカルエンジニアリング・オブ・ジャパン第１巻１号２１−２８頁（１９９８年）に記載された公知の方法を用いることができ、硫化亜鉛の場合は、ジャーナル・オブ・フィジカルケミストリー第１００巻４６８−４７１頁（１９９６年）に記載された公知の方法を用いることができる。これらの方法に従えば、例えば、平均粒子直径５ｎｍの酸化チタンはチタニウムテトライソプロポキサイドや四塩化チタンを原料として、適当な溶媒中で加水分解させる際に適当な添加剤を共存させることにより容易に製造することができる。更に、本発明の無機粒子は、表面修飾を施されることが好ましい。表面修飾する方法は、特に限定されるものではなく、公知のいずれの方法も用いることができる。例えば、水が存在する条件下で、加水分解により、無機粒子の表面に修飾する方法が挙げられる。この方法では、酸またはアルカリなどの触媒が好適に用いられ、粒子表面の水酸基と、表面修飾剤が加水分解して生じる水酸基とが、脱水して結合を形成することが一般に考えられている。本発明において用いられる好ましい表面修飾剤としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラフェノキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、エチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、３−メチルフェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジフェノキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリエチルエトキシシラン、トリフェニルメトキシシラン、トリフェニルフェノキシシランなどが挙げられる。これらの化合物は、反応速度などの特性が異なり、表面修飾の条件などに適した化合物を用いることができる。また、１種類のみを用いても、複数種類を併用してもよい。さらに、用いる化合物によって得られる無機粒子の性状は異なることがあり、材料組成物を得るにあたって用いる熱可塑性樹脂との親和性を、表面修飾する際に用いる化合物を選ぶことによって図ることも可能である。表面修飾の割合は特に限定されるものではないが、表面修飾後の微粒子に対して、表面修飾剤の割合が１０〜９９重量％であることが好ましく、３０〜９８重量％であることがより好ましい。
無機物であることは、高分子有機化合物であるプラスチック樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また酸化物であることによって、使用に伴う劣化を防ぐことが出来る。特に高温化や、レーザー光を照射されるという過酷な条件において、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことが出来る。
また、その他の要因による樹脂の酸化を防止するために、酸化防止剤を添加することも好ましい。
プラスチック樹脂
本発明の光学素子に用いられるプラスチック樹脂としては光学材料として一般的に用いられる透明樹脂材料であればよい。例えば、特願２００２−３０８９３３号、特願２００２−３０９０４０号、特願２００２−３０８９６４号等に記載されているような樹脂を適宜好ましく採用することができる。 具体的にはアクリル樹脂、環状オレフェン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。
本発明の光学素子に用いられるプラスチック樹脂としては、特に脂環式構造を有する重合体が好ましく用いられる。
特に、アクリル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリカーボネート樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリエステル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリエーテル樹脂、環状脂肪族鎖を有するポリアミド樹脂、または環状脂肪族鎖を有するポリイミド樹脂等好ましくが挙げられる。より具体的には、例えば、下記第１表（表１）記載の化学式（１）〜（１４）で示される構造骨格を有する樹脂を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
一般式（１）中のＸは脂環式炭化水素基を表し、それを構成する炭素数は、通常４個〜２０個、好ましくは４個〜１０個、より好ましくは５個〜７個である。脂環式構造を構成する炭素数をこの範囲にすることで複屈折を低減することができる。また脂環式構造は単環構造に限らず、例えばノルボルナン環やジシクロヘキサン環などの多環構造のものでもよい。
脂環式炭化水素基は、炭素−炭素不飽和結合を有してもよいが、その含有量は、全炭素−炭素結合の１０％以下、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下である。脂環式炭化水素基の炭素−炭素不飽和結合をこの範囲とすることで、透明性、耐熱性が向上する。また、脂環式炭化水素基を構成する炭素には、水素原子、炭化水素基、ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、シリル基、及び極性基（ハロゲン原子、アルコキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、シアノ基、アミド基、イミド基、又はシリル基）で置換された鎖状炭化水素基等が結合していてもよく、中でも水素原子又は炭素原子数１〜６個の鎖状炭化水素基が耐熱性、低吸水性の点で好ましい。
また、一般式（３）中の……は、主鎖中の炭素−炭素飽和、又は炭素−炭素不飽和結合を示すが、透明性、耐熱性を強く要求される場合、不飽和結合の含有率は、主鎖を構成する全炭素−炭素間結合の、通常１０％以下、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下である。
一般式（１）で表される繰り返し単位の中でも、下記一般式（４）で表される繰り返し単位が、耐熱性、低吸水性の点で優れている。
一般式（２）及び一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位の中では、一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位の方が、得られる炭化水素系重合体の強度特性に優れている。
本発明においては、炭化水素共重合体中の、一般式（１）で表される脂環式構造を有する繰り返し単位（ａ）と、一般式（２）及び／又は一般式（３）で表される鎖状構造の繰り返し単位（ｂ）との合計含有量は、重量基準で、通常９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９７％以上である。合計含有量を上記範囲にすることで、低複屈折性、耐熱性、低吸水性、機械強度が高度にバランスされる。
脂環式炭化水素系共重合体における鎖状構造の繰り返し単位（ｂ）の含有量は使用目的に応じて適宜選択されるが、通常、重量基準で１％以上１０％未満、好ましくは１％以上８％以下、より好ましくは２％以上６％以下の範囲である。繰り返し単位（ｂ）の含有量が上記範囲にあると、低複屈折性、耐熱性、低吸水性が高度にバランスされる。
また、繰り返し単位（ａ）の連鎖長は、脂環式炭化水素系共重合体の分子鎖長に対して十分に短く、具体的には、Ａ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｂ＝（脂環式炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）×（脂環式構造を有する繰り返し単位数／脂環式炭化水素系共重合体を構成する全繰り返し単位数））とした時、ＡがＢの３０％以下であり、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下、特に好ましくは１０％以下の範囲である。Ａがこの範囲外では、低複屈折性に劣る。
さらに、繰り返し単位（ａ）の連鎖長が特定の分布を有しているもの好ましい。具体的には、Ａ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｃ＝（脂環式構造を有する繰り返し単位連鎖の数平均分子量）としたとき、Ａ／Ｃが、好ましくは１．３以上、より好ましくは１．３〜８、最も好ましくは１．７〜６の範囲である。Ａ／Ｃが過度に小さいとブロック程度が増加し、過度に大きいとランダムの程度が増加して、いずれの場合にも低複屈折性に劣る。
本発明の脂環式炭化水素系共重合体の分子量は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー（以下、ＧＰＣ）により測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（Ｍｗ）で、１，０００〜１，０００，０００、好ましくは５，０００〜５００，０００、より好ましくは１０，０００〜３００，０００、最も好ましくは５０，０００〜２５０，０００の範囲である。脂環式炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）が過度に小さいと成形物の強度特性に劣り、逆に過度に大きいと成形物の複屈折が大きくなる。
かかる共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算の重量平均分子量（Ｍｗ）と数平均分子量（Ｍｎ）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、通常２．５以下、好ましくは２．３以下、より好ましくは２以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、機械強度と耐熱性が高度にバランスされる。
共重合体のガラス転移温度（Ｔｇ）は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、通常５０℃〜２５０℃、好ましくは７０℃〜２００℃、より好ましくは９０℃〜１８０℃である。
脂環式炭化水素系共重合体の製造方法
本発明の脂環式炭化水素系共重合体の製造方法は、（１）芳香族ビニル系化合物と共重合可能なその他のモノマーとを共重合し、主鎖及び芳香環の炭素−炭素不飽和結合を水素化する方法、（２）脂環式ビニル系化合物と共重合可能なその他のモノマーとを共重合し、必要に応じて水素化する方法等が挙げられる。
上記の方法で本発明の脂環式炭化水素系共重合体を製造する場合には、芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物（ａ’）と共重合可能なその他のモノマー（ｂ’）との共重合体で、共重合体中の化合物（ａ’）由来の繰り返し単位が、Ｄ＝（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位連鎖の重量平均分子量）、Ｅ＝（炭化水素系共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）×（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位数／炭化水素系共重合体を構成する全繰り返し単位数））、とした時、ＤがＥの３０％以下、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下、最も好ましくは１０％以下である連鎖構造を有する共重合体の、主鎖、及び芳香環やシクロアルケン環等の不飽和環の炭素−炭素不飽和結合を水素化する方法により効率的に得ることができる。 Ｄが上記範囲外では、得られる脂環式炭化水素系共重合体の低複屈折性が劣る。
本発明では（１）の方法がより効率的に脂環式炭化水素系共重合体を得ることができるので好ましい。
上記水素化前の共重合体は、さらに、Ｆ＝（芳香族ビニル系化合物及び／又は脂環式ビニル系化合物由来の繰り返し単位の連鎖の数平均分子量）、としたときの、Ｄ／Ｆが一定の範囲であるのが好ましい。具体的には、Ｄ／Ｆが、好ましくは１．３以上、より好ましくは１．３以上、８以下、最も好ましくは１．７以上、６以下の範囲である。Ｄ／Ｆがこの範囲外では、得られる脂環式炭化水素系共重合体の低複屈折性が劣る。
上記化合物（ａ’）由来の繰り返し単位の連鎖の重量平均分子量および数平均分子量は、例えば、文献Ｍａｃｒｏｍｏｒｅｃｕｌｅｓ １９８３，１６，１９２５−１９２８記載の、芳香族ビニル系共重合体の主鎖中不飽和二重結合をオゾン付加した後還元分解し、取り出した芳香族ビニル連鎖の分子量を測定する方法等により確認できる。
水素化前の共重合体の分子量は、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（Ｍｗ）で、１，０００〜１，０００，０００、好ましくは５，０００〜５００，０００、より好ましくは１０，０００〜３００，０００の範囲である。共重合体の重量平均分子量（Ｍｗ）が過度に小さいと、それから得られる脂環式炭化水素系共重合体の成形物の強度特性に劣り、逆に過度に大きいと水素化反応性に劣る。
上記（１）の方法において使用する芳香族ビニル系化合物の具体例としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−プロピルスチレン、α−イソプロピルスチレン、α−ｔ−ブチルスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン、２，４−ジイソプロピルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、４−ｔ−ブチルスチレン、５−ｔ−ブチル−２−メチルスチレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、モノフルオロスチレン、４−フェニルスチレン等が挙げられ、スチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン等が好ましい。
上記（２）の方法において使用する脂環式ビニル系化合物の具体例としては、例えば、シクロブチルエチレン、シクロペンチルエチレン、シクロヘキシルエチレン、シクロヘプチルエチレン、シクロオクチルエチレン、ノルボルニルエチレン、ジシクロヘキシルエチレン、α−メチルシクロヘキシルエチレン、α−ｔ−ブチルシクロヘキシルエチレン、シクロペンテニルエチレン、シクロヘキセニルエチレン、シクロヘプテニルエチレン、シクロオクテニルエチレン、シクロデケニルエチレン、ノルボルネニルエチレン、α−メチルシクロヘキセニルエチレン、及びα−ｔ−ブチルシクロヘキセニルエチレン等が挙げられ、これらの中でも、シクロヘキシルエチレン、α−メチルシクロヘキシルエチレンが好ましい。
これらの芳香族ビニル系化合物及び脂環式ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
共重合可能なその他のモノマーとしては、格別な限定はないが、鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエン化合物等が用いられ、鎖状共役ジエンを用いた場合、製造過程における操作性に優れ、また得られる脂環式炭化水素系共重合体の強度特性に優れる。
鎖状ビニル化合物の具体例としては、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン等の鎖状オレフィンモノマー；１−シアノエチレン（アクリロニトリル）、１−シアノ−１−メチルエチレン（メタアクリロニトリル）、１−シアノ−１−クロロエチレン（α−クロロアクリロニトリル）等のニトリル系モノマー；１−（メトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸メチルエステル）、１−（エトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸エチルエステル）、１−（プロポキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸プロピルエステル）、１−（ブトキシカルボニル）−１−メチルエチレン（メタアクリル酸ブチルエステル）、１−メトキシカルボニルエチレン（アクリル酸メチルエステル）、１−エトキシカルボニルエチレン（アクリル酸エチルエステル）、１−プロポキシカルボニルエチレン（アクリル酸プロピルエステル）、１−ブトキシカルボニルエチレン（アクリル酸ブチルエステル）などの（メタ）アクリル酸エステル系モノマー、１−カルボキシエチレン（アクリル酸）、１−カルボキシ−１−メチルエチレン（メタクリル酸）、無水マレイン酸などの不飽和脂肪酸系モノマー等が挙げられ、中でも、鎖状オレフィンモノマーが好ましく、エチレン、プロピレン、１−ブテンが最も好ましい。
鎖状共役ジエンは、例えば、１，３−ブタジエン、イソプレン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、及び１，３−ヘキサジエン等が挙げられる。これら鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエンの中でも鎖状共役ジエンが好ましく、ブタジエン、イソプレンが特に好ましい。これらの鎖状ビニル化合物及び鎖状共役ジエンは、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの鎖状ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
化合物（ａ’）を重合する方法は、格別制限はないが、一括重合法（バッチ法）、モノマー逐次添加法（モノマー全使用量の内の一部を用いて重合を開始した後、残りのモノマーを逐次添加して重合を進めていく方法）等が挙げられ、特にモノマー逐次添加法を用いると、好ましい連鎖構造を有する炭化水素系共重合体が得られる。水素化前の共重合体は、前述のＤの値がより小さい程、及び／又は、Ｄ／Ｆが大きな値を示す程、よりランダムな連鎖構造を有する。共重合体がどの程度のランダム性を有しているかは、芳香族ビニル系化合物の重合速度と共重合可能なその他のモノマーの重合速度との速度比で決まり、この速度比が小さい程、よりランダムな連鎖構造を有していることになる。
前記モノマー逐次添加法によれば、均一に混合された混合モノマーが重合系内に逐次的に添加されるため、バッチ法とは異なり、ポリマーの重合による成長過程においてモノマーの重合選択性をより下げることができるので、得られる共重合体がよりランダムな連鎖構造になる。また、重合系内での重合反応熱の蓄積が小さくてすむので重合温度を低く安定に保つことがでる。
モノマー逐次添加法の場合、まずモノマーの全使用量のうち、通常０．０１重量％〜６０重量％、好ましくは０．０２重量％〜２０重量％、より好ましくは０．０５重量％〜１０重量％のモノマーを初期モノマーとして予め重合反応器内に存在させた状態で開始剤を添加して重合を開始する。初期モノマー量をこのような範囲にすると、重合開始後の初期反応において発生する反応熱除去を容易にすることができ、得られる共重合体をよりランダムな連鎖構造にすることができる。
上記初期モノマーの重合転化率を７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上になるまで反応を継続すると、得られる共重合体の連鎖構造がよりランダムになる。その後、前記モノマーの残部を継続的に添加するが、添加の速度は重合系内のモノマーの消費速度を考慮して決定される。
通常は、初期モノマーの重合添加率が９０％に達するまでの所要時間をＴ、初期モノマーの全使用モノマーに対する比率（％）をＩとしたとき、関係式［（１００−Ｉ）×Ｔ／Ｉ］で与えられる時間の０．５〜３倍、好ましくは０．８〜２倍、より好ましくは１〜１．５倍となる範囲内で残部モノマーの添加が終了するように決定される。具体的には通常０．１〜３０時間、好ましくは０．５時間〜５時間、より好ましくは１時間〜３時間の範囲となるように、初期モノマー量と残りモノマーの添加速度を決定する。また、モノマー添加終了直後の全モノマー重合転化率は、通常８０％以上、好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上である。モノマー添加終了直後の全モノマー重合転化率を上記の範囲とすると、得られる共重合体の連鎖構造がよりランダムになる。
重合反応は、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等、特別な制約はないが、重合操作、後工程での水素化反応の容易さ、及び最終的に得られる炭化水素系共重合体の機械的強度を考えると、アニオン重合法が好ましい。
ラジカル重合の場合は、開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１５０℃で、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の方法を用いることができるが、特に樹脂中への不純物等の混入等を防止する必要のある場合は、塊状重合、懸濁重合が望ましい。ラジカル開始剤としては、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、ｔ−ブチル−パーオキシ−２−エチルヘキサノエート等の有機過酸化物、アゾイソブチロニトリル、４，４−アゾビス−４−シアノペンタン酸、アゾジベンゾイル等のアゾ化合物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウムに代表される水溶性触媒やレドックス開始剤などが使用可能である。
アニオン重合の場合には、開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１００℃、特に好ましくは２０℃〜８０℃の温度範囲において、塊状重合、溶液重合、スラリー重合等の方法を用いることができるが、反応熱の除去を考慮すると、溶液重合が好ましい。この場合、重合体及びその水素化物を溶解できる不活性溶媒を用いる。溶液反応で用いる不活性溶媒は、例えばｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、ｉｓｏ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｉｓｏ−オクタン等の脂肪族炭化水素類；シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、デカリン等の脂環式炭化水素類；ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類等が挙げられ、中でも脂肪族炭化水素類や脂環式炭化水素類を用いると、水素化反応にも不活性な溶媒としてそのまま使用することができる。これらの溶媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用でき、通常、全使用モノマー１００重量部に対して２００〜１０，０００重量部となるような割合で用いられる。
上記アニオン重合の開始剤としては、例えば、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔ−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウムなどのモノ有機リチウム、ジリチオメタン、１，４−ジオブタン、１，４−ジリチオ−２−エチルシクロヘキサン等の多官能性有機リチウム化合物などが使用可能である。
重合反応においては、また、重合促進剤や、ランダマイザー（或る１成分の連鎖が長くなるのを防止する機能を有する添加剤）などを使用できる。アニオン重合の場合には、例えばルイス塩基化合物をランダマイザーとして使用できる。ルイス塩基化合物の具体例としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジフェニルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルフェニルエーテル等のエーテル化合物；テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン等の第３級アミン化合物；カリウム−ｔ−アミルオキシド、カリウム−ｔ−ブチルオキシド等のアルカリ金属アルコキシド化合物；トリフェニルホスフィン等のホスフィン化合物が挙げられる。これらのルイス塩基化合物は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用できる。
上記のラジカル重合やアニオン重合により得られた重合体は、例えばスチームストリッピング法、直接脱溶媒法、アルコール凝固法等の公知の方法で回収できる。また、重合時に、水素化反応で不活性な溶媒を用いた場合には、重合溶液から重合体を回収せず、そのまま水素添加工程に使用することができる。
不飽和結合の水素化方法
水素化前の共重合体の芳香環やシクロアルケン環などの不飽和環の炭素−炭素二重結合や主鎖の不飽和結合等の水素化反応を行う場合は、反応方法、反応形態に特別な制限はなく、公知の方法にしたがって行えばよいが、水素化率を高くでき、且つ水素化反応と同時に起こる重合体鎖切断反応の少ない水素化方法が好ましく、例えば、有機溶媒中、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、及びレニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む触媒を用いて行う方法が挙げられる。水素化触媒は、不均一触媒、均一触媒のいずれも使用可能である。
不均一系触媒は、金属または金属化合物のままで、又は適当な担体に担持して用いることができる。担体としては、例えば、活性炭、シリカ、アルミナ、炭化カルシウム、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ケイソウ土、炭化珪素等が挙げられ、触媒の担持量は、通常０．０１〜８０重量％、好ましくは０．０５〜６０重量％の範囲である。均一系触媒は、ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物と有機金属化合物（例えば、有機アルミニウム化合物、有機リチウム化合物）とを組み合わせた触媒、またはロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等の有機金属錯体触媒を用いることができる。ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物としては、例えば、各種金属のアセチルアセトン塩、ナフテン塩、シクロペンタジエニル化合物、シクロペンタジエニルジクロロ化合物等が用いられる。有機アルミニウム化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム等のアルキルアルミニウム、ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリド等のハロゲン化アルミニウム、ジイソブチルアルミニウムハイドライド等の水素化アルキルアルミニウム等が好適に用いられる。
有機金属錯体触媒の例としては、上記各金属のγ−ジクロロ−π−ベンゼン錯体、ジクロロ−トリス（トリフェニルホスフィン）錯体、ヒドリド−クロロ−トリフェニルホスフィン）錯体等の金属錯体が使用される。これらの水素化触媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上組み合わせて使用することができ、その使用量は、重合体に対して、重量基準にて、通常、０．０１〜１００部、好ましくは０．０５〜５０部、より好ましくは０．１〜３０部である。
水素化反応は、通常１０℃〜２５０℃であるが、水素化率を高くでき、且つ、水素化反応と同時に起こる重合体鎖切断反応を小さくできるという理由から、好ましくは５０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃である。また水素圧力は、通常０．１ＭＰａ〜３０ＭＰａであるが、上記理由に加え、操作性の観点から、好ましくは１ＭＰａ〜２０ＭＰａ、より好ましくは２ＭＰａ〜１０ＭＰａである。
このようにして得られた、水素化物の水素化率は、１Ｈ−ＮＭＲによる測定において、主鎖の炭素−炭素不飽和結合、芳香環の炭素−炭素二重結合、不飽和環の炭素−炭素二重結合のいずれも、通常９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９７％以上である。水素化率が低いと、得られる共重合体の低複屈折性、熱安定性等が低下する。
水素化反応終了後に水素化物を回収する方法は特に限定されていない。通常、濾過、遠心分離等の方法により水素化触媒残渣を除去した後、水素化物の溶液から溶媒を直接乾燥により除去する方法、水素化物の溶液を水素化物にとっての貧溶媒中に注ぎ、水素化物を凝固させる方法を用いることができる。
脂環式構造を有する重合体としては、重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有するブロック共重合体が更に好ましい。重合体ブロック〔Ａ〕は、下記式（１）で表される繰り返し単位〔１〕を含有する。重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量は、好ましくは５０モル％以上、より好ましくは７０モル％以上、特に好ましくは９０モル％以上である。
上記式（１）で表される繰り返し単位〔１〕の好ましい構造は、Ｒ１が水素またはメチル基で、Ｒ２−Ｒ１２がすべて水素のものである。重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。重合体ブロック〔Ａ〕における、前記繰り返し単位〔１〕以外の残部は、鎖状共役ジエンや鎖状ビニル化合物由来の繰り返し単位を水素化したものである。
重合体ブロック〔Ｂ〕は、前記繰り返し単位〔１〕ならびに下記式（２）で表される繰り返し単位〔２〕または／および下記式（３）で表される繰り返し単位〔３〕を含有する。重合体ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔１〕の含有量は、好ましくは４０〜９５モル％、より好ましくは５０〜９０モル％である。繰り返し単位〔１〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔２〕のモル分率をｍ２（モル％）および、繰り返し単位〔３〕のモル分率をｍ３（モル％）としたときに、２×ｍ２＋ｍ３が、好ましくは２モル％以上、より好ましくは５〜６０モル％、最も好ましくは１０〜５０モル％である。
上記式（２）で表される繰り返し単位〔２〕の好ましい構造は、Ｒ１３が水素またはメチル基のものである。
上記式（３）で表される繰り返し単位〔３〕の好ましい構造は、Ｒ１４が水素で、Ｒ１５がメチル基またはエチル基のものである。
重合体ブロック〔Ｂ〕中の、前記繰り返し単位〔２〕または繰り返し単位〔３〕の含有量が少なすぎると、機械的強度が低下する。したがって、繰り返し単位〔２〕および繰り返し単位〔３〕の含有量が上記範囲にあると、透明性および機械的強度に優れる。重合体ブロック〔Ｂ〕は、さらに、下記式（Ｘ）で表される繰り返し単位〔Ｘ〕を含有していてもよい。繰り返し単位〔Ｘ〕の含有量は、本発明のブロック共重合体の特性を損なわない範囲の量であり、好ましくはブロック共重合体全体に対し、３０モル％以下、より好ましくは２０モル％以下である。
また、本発明に用いるブロック共重合体は、重合体ブロック〔Ａ〕中の繰り返し単位〔１〕のモル分率をａ、重合体ブロック〔Ｂ〕中の繰り返し単位〔１〕のモル分率をｂとした場合に、ａ＞ｂの関係があることが好ましい。これにより、透明性、および機械的強度に優れる。
さらに、本発明に用いるブロック共重合体は、ブロック〔Ａ〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍａ、ブロック〔Ｂ〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍｂとした場合に、その比（ｍａ ：ｍｂ）が、好ましくは５：９５〜９５：５、より好ましくは３０：７０〜９５：５、特に好ましくは４０：６０〜９０：１０である。（ｍａ ：ｍｂ）が上記範囲にある場合に、機械的強度および耐熱性に優れる。
本発明に用いるブロック共重合体の分子量は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を溶媒とするゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー（以下、ＧＰＣと記す。）により測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算重量平均分子量（以下、Ｍｗと記す。）で、好ましくは１０，０００〜３００，０００、より好ましくは１５，０００〜２５０，０００、特に好ましくは２０，０００〜２００，０００の範囲である。ブロック共重合体のＭｗが上記範囲にあると、機械的強度、耐熱性、成形性のバランスに優れる。
ブロック共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算のＭｗと数平均分子量（以下、Ｍｎと記す。）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、好ましくは５以下、より好ましくは４以下、特に好ましくは３以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、機械的強度や耐熱性に優れる。
ブロック共重合体のガラス転移温度（以下、Ｔｇと記す。）は、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、示差走査型熱量計（以下、ＤＳＣと記す。）による、高温側の測定値で、好ましくは７０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃、特に好ましくは９０℃〜１６０℃である。
本発明に用いる上記ブロック共重合体は、重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有し、（〔Ａ〕−〔Ｂ〕）型のジブロック共重合体であっても、（〔Ａ〕−〔Ｂ〕−〔Ａ〕）型や（〔Ｂ〕−〔Ａ〕−〔Ｂ〕）型のトリブロック共重合体であっても、重合体ブロック〔Ａ〕と重合体ブロック〔Ｂ〕とが、交互に合計４個以上つながったブロック共重合体であってもよい。また、これらのブロックがラジアル型に結合したブロック共重合体であってもよい。
本発明に用いるブロック共重合体は、以下の方法により得ることができる。その方法としては、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物を含有するモノマー混合物、および、ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を含有するモノマー混合物を重合して、芳香族ビニル化合物または／および脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック、および、ビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロックを有するブロック共重合体を得る。そして該ブロック共重合体の芳香環または／および脂肪族環を水素化する方法や、飽和脂環族ビニル化合物を含有するモノマー混合物、および、ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を含有するモノマー混合物を重合して、脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック、および、ビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロックを有するブロック共重合体を得る方法などが挙げられる。中でも、本発明に用いるブロック共重合体としてより好ましいものは、例えば、以下の方法により得ることができる。
（１）第一の方法としては、まず、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物を５０モル％以上含有するモノマー混合物〔ａ’〕を重合して、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ａ’〕を得る。ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を２モル％以上含有し、且つ、芳香族ビニル化合物または／および環に不飽和結合を有する脂環族ビニル化合物をモノマー混合物〔ａ’〕中の割合よりも少ない割合の量で含有するモノマー混合物〔ｂ’〕を重合して、芳香族ビニル化合物または／および前記脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位とビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る。これらの工程を少なくとも経て、前記重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有するブロック共重合体を得た後、該ブロック共重合体の芳香環または／および脂肪族環を水素化する。
（２）第二の方法としては、まず、飽和脂環族ビニル化合物を５０モル％以上含有するモノマー混合物〔ａ〕を重合して、飽和脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ａ〕を得る。ビニル系モノマー（芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル化合物を除く）を２モル％以上含有し、且つ、飽和脂環族ビニル化合物をモノマー混合物〔ａ〕中の割合よりも少ない割合の量で含有するモノマー混合物〔ｂ〕を重合して、飽和脂環族ビニル化合物由来の繰り返し単位とビニル系モノマー由来の繰り返し単位を含有する重合体ブロック〔Ｂ〕を得る。これらの工程を少なくとも経て、前記重合体ブロック〔Ａ〕および重合体ブロック〔Ｂ〕を有するブロック共重合体を得る。
上記方法の中で、モノマーの入手容易性、重合収率、重合体ブロック〔Ｂ’〕への繰り返し単位〔１〕の導入のし易さ等の観点から、上記（１）の方法がより好ましい。
上記（１）の方法における芳香族ビニル化合物の具体例としては、スチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−プロピルスチレン、α−イソプロピルスチレン、α−ｔ−ブチルスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン、２，４−ジイソプロピルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、４−ｔ−ブチルスチレン、５−ｔ−ブチル−２−メチルスチレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、モノフルオロスチレン、４−フェニルスチレン等や、これらにヒドロキシル基、アルコキシ基などの置換基を有するもの等が挙げられる。中でもスチレン、２−メチルスチレン、３−メチルスチレン、４−メチルスチレン等が好ましい。
上記（１）方法における不飽和脂環族ビニル系化合物の具体例としては、シクロヘキセニルエチレン、α−メチルシクロヘキセニルエチレン、およびα−ｔ−ブチルシクロヘキセニルエチレン等や、これらにハロゲン基、アルコキシ基、またはヒドロキシル基等の置換基を有するもの等が挙げられる。
これらの芳香族ビニル化合物および脂環族ビニル系化合物は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることもできるが、本発明においては、モノマー混合物〔ａ’〕および〔ｂ’〕のいずれにも、芳香族ビニル化合物を用いるのが好ましく、中でも、スチレンまたはα−メチルスチレンを用いるのがより好ましい。
上記方法で使用するビニル系モノマーには、鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエン化合物が含まれる。
鎖状ビニル化合物の具体例としては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン等の鎖状オレフィンモノマー等が挙げられ、中でも、鎖状オレフィンモノマーが好ましく、エチレン、プロピレン、１−ブテンが最も好ましい。
鎖状共役ジエンは、例えば、１，３−ブタジエン、イソプレン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、１，３−ペンタジエン、および１，３−ヘキサジエン等が挙げられる。これら鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエンの中でも鎖状共役ジエンが好ましく、ブタジエン、イソプレンが特に好ましい。これらの鎖状ビニル化合物および鎖状共役ジエンは、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。
上記のモノマーを含有するモノマー混合物を重合する場合、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等のいずれの方法で重合反応を行ってもよいが、アニオン重合によるのが好ましく、不活性溶媒の存在下にリビングアニオン重合を行うのが最も好ましい。
アニオン重合は、重合開始剤の存在下、通常０℃〜２００℃、好ましくは２０℃〜１００℃、特に好ましくは２０℃〜８０℃の温度範囲において行う。開始剤としては、例えば、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔ−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウムなどのモノ有機リチウム、ジリチオメタン、１，４−ジオブタン、１，４−ジリチオ−２−エチルシクロヘキサン等の多官能性有機リチウム化合物などが使用可能である。
使用する不活性溶媒としては、例えば、ｎ−ブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素類；シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、デカリン等の脂環式炭化水素類；ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類等が挙げられ、中でも脂肪族炭化水素類や脂環式炭化水素類を用いると、水素化反応にも不活性な溶媒としてそのまま使用することができる。これらの溶媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用でき、通常、全使用モノマー１００重量部に対して２００〜１０，０００重量部となるような割合で用いられる。
それぞれの重合体ブロックを重合する際には、各ブロック内で、或る１成分の連鎖が長くなるのを防止するために、重合促進剤やランダマイザーなどを使用することができる。特に重合反応をアニオン重合により行う場合には、ルイス塩基化合物などをランダマイザーとして使用できる。ルイス塩基化合物の具体例としては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジフェニルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールメチルフェニルエーテル等のエーテル化合物；テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ピリジン等の第３級アミン化合物；カリウム−ｔ−アミルオキシド、カリウム−ｔ−ブチルオキシド等のアルカリ金属アルコキシド化合物；トリフェニルホスフィン等のホスフィン化合物が挙げられる。これらのルイス塩基化合物は、それぞれ単独で、或いは２種類以上を組み合わせて使用することができる。
リビングアニオン重合によりブロック共重合体を得る方法は、従来公知の、逐次付加重合反応法およびカップリング法などが挙げられるが、本発明においては、逐次付加重合反応法を用いるのが好ましい。
逐次付加重合反応法により、重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有する上記ブロック共重合体を得る場合には、重合体ブロック〔Ａ’〕を得る工程と、重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る工程は、順次連続して行われる。具体的には、不活性溶媒中で、上記リビングアニオン重合触媒存在下、モノマー混合物〔ａ’〕を重合して重合体ブロック〔Ａ’〕を得、引き続きその反応系にモノマー混合物〔ｂ’〕を添加して重合を続け、重合体ブロック〔Ａ’〕とつながった重合体ブロック〔Ｂ’〕を得る。さらに所望に応じて、再びモノマー混合物〔ａ’〕を添加して重合し、重合体ブロック〔Ａ’〕をつなげてトリブロック体とし、さらには再びモノマー混合物〔ｂ’〕を添加して重合し、重合体ブロック〔Ｂ’〕をつなげたテトラブロック体を得る。
得られたブロック共重合体は、例えばスチームストリッピング法、直接脱溶媒法、アルコール凝固法等の公知の方法によって回収する。重合反応において、水素化反応で不活性な溶媒を用いた場合には、重合溶液そのままを水素化反応工程にも使用することができるので、重合溶液からブロック共重合体を回収しなくてもよい。
上記（１）の方法において得られる、重合体ブロック〔Ａ’〕および重合体ブロック〔Ｂ’〕を有するブロック共重合体（以下、水素化前ブロック共重合体という。）のうち下記の構造の繰り返し単位を有するものが好ましい。
好ましい水素化前ブロック共重合体を構成する重合体ブロック〔Ａ’〕は、下記式（４）で表される繰り返し単位〔４〕を５０モル％以上含有する重合体ブロックである。
また、好ましい重合体ブロック〔Ｂ’〕は、前記繰り返し単位〔４〕を必ず含み、下記式（５）で表される繰り返し単位〔５〕および下記式（６）で表される繰り返し単位〔６〕のいずれかを少なくとも１つ含む重合体ブロックである。また、重合体ブロック〔Ａ’〕中の繰り返し単位〔４〕のモル分率をａ’、ブロック〔Ｂ’〕中の繰り返し単位〔４〕のモル分率をｂ’とした場合、ａ’＞ｂ’である。
さらに、ブロック〔Ｂ’〕中には、下記式（Ｙ）で示される繰り返し単位〔Ｙ〕を含有していてもよい。
さらに、好ましい水素化前ブロック共重合体は、ブロック〔Ａ’〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍａ ’、ブロック〔Ｂ’〕を構成する全繰り返し単位のモル数をｍｂ ’とした場合に、その比（ｍａ’：ｍｂ’）が、５：９５〜９５：５、より好ましくは３０：７０〜９５：５、特に好ましくは４０：６０〜９０：１０である。（ｍａ’：ｍｂ’）が上記範囲にある場合に、機械的強度や耐熱性に優れる。
好ましい水素化前ブロック共重合体の分子量は、ＴＨＦを溶媒としてＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算Ｍｗで、１２，０００〜４００，０００、より好ましくは１９，０００〜３５０，０００、特に好ましくは２５，０００〜３００，０００の範囲である。ブロック共重合体のＭｗが過度に小さいと、機械的強度が低下し、過度に大きいと、水素添加率が低下する。
好ましい水素化前のブロック共重合体の分子量分布は、使用目的に応じて適宜選択できるが、ＧＰＣにより測定されるポリスチレン（またはポリイソプレン）換算のＭｗとＭｎとの比（Ｍｗ／Ｍｎ）で、５以下、より好ましくは４以下、特に好ましくは３以下の範囲である。Ｍｗ／Ｍｎがこの範囲にあると、水素添加率が向上する。
好ましい水素化前のブロック共重合体のＴｇは、使用目的に応じて適宜選択されればよいが、ＤＳＣによる高温側の測定値で、７０℃〜１５０℃、より好ましくは８０℃〜１４０℃、特に好ましくは９０℃〜１３０℃である。
上記の、水素化前のブロック共重合体の、芳香環やシクロアルケン環などの不飽和環の炭素−炭素不飽和結合、および主鎖や側鎖の不飽和結合等を水素化する方法および反応形態に特別な制限はなく、公知の方法にしたがって行えばよいが、水素化率を高くでき、重合体鎖切断反応の少ない水素化方法が好ましく、例えば、有機溶媒中、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、およびレニウムから選ばれる少なくとも１つの金属を含む触媒を用いて行う方法が挙げられる。水素化触媒は、不均一系触媒、均一系触媒のいずれも使用可能である。
不均一系触媒は、金属または金属化合物のままで、または適当な担体に担持して用いることができる。担体としては、例えば、活性炭、シリカ、アルミナ、炭化カルシウム、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ケイソウ土、炭化珪素等が挙げられ、触媒の担持量は、好ましくは０．０１〜８０重量％、より好ましくは０．０５〜６０重量％の範囲である。均一系触媒は、ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物と有機金属化合物（例えば、有機アルミニウム化合物、有機リチウム化合物）とを組み合わせた触媒、またはロジウム、パラジウム、白金、ルテニウム、レニウム等の有機金属錯体触媒を用いることができる。ニッケル、コバルト、チタンまたは鉄化合物としては、例えば、各種金属のアセチルアセトン塩、ナフテン酸塩、シクロペンタジエニル化合物、シクロペンタジエニルジクロロ化合物等が用いられる。有機アルミニウム化合物としては、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム等のアルキルアルミニウム、ジエチルアルミニウムクロリド、エチルアルミニウムジクロリド等のハロゲン化アルミニウム、ジイソブチルアルミニウムハイドライド等の水素化アルキルアルミニウム等が好適に用いられる。
有機金属錯体触媒の例としては、上記各金属のγ−ジクロロ−π−ベンゼン錯体、ジクロロ−トリス（トリフェニルホスフィン）錯体、ヒドリド−クロロ−トリフェニルホスフィン錯体等の金属錯体が使用される。これらの水素化触媒は、それぞれ単独で、或いは２種類以上組み合わせて使用することができ、その使用量は、重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜１００重量部、より好ましくは０．０５〜５０重量部、特に好ましくは０．１〜３０重量部である。
水素化反応は、通常１０℃〜２５０℃であるが、水素化率を高くでき、且つ、重合体鎖切断反応を小さくできるという理由から、好ましくは５０℃〜２００℃、より好ましくは８０℃〜１８０℃である。また水素圧力は、好ましくは０．１ＭＰａ〜３０ＭＰａであるが、上記理由に加え、操作性の観点から、より好ましくは１ＭＰａ〜２０ＭＰａ、特に好ましくは２ＭＰａ〜１０ＭＰａである。
このようにして得られた、ブロック共重合体の水素化率は、１Ｈ−ＮＭＲによる測定において、主鎖および側鎖の炭素−炭素不飽和結合、芳香環やシクロアルケン環の炭素−炭素不飽和結合のいずれも、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは９７％以上である。水素化率が低いと、得られる共重合体の低複屈折性、熱安定性等が低下する。
水素化反応終了後、ブロック共重合体は、例えば濾過、遠心分離等の方法により反応溶液から水素化触媒を除去した後、溶媒を直接乾燥により除去する方法、反応溶液を、ブロック共重合体にとっての貧溶媒中に注ぎ、凝固させる方法等によって回収できる。
上記の本発明に係る重合体には、必要に応じて各種配合剤を配合することができる。ブロック共重合体に配合することができる配合剤は格別限定はないが、酸化防止剤、熱安定剤、耐光安定剤、耐候安定剤、紫外線吸収剤、近赤外線吸収剤などの安定剤；滑剤、可塑剤などの樹脂改質剤；染料や顔料などの着色剤；帯電防止剤、難燃剤、フィラーなどが挙げられる。これらの配合剤は、単独で、あるいは２種以上を組み合せて用いることができ、その配合量は本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択される。
本発明においては、重合体に、上記配合剤の中でも、酸化防止剤、紫外線吸収剤、および耐光安定剤を配合するのが好ましい。酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、イオウ系酸化防止剤などが挙げられ、これらの中でもフェノール系酸化防止剤、特にアルキル置換フェノール系酸化防止剤が好ましい。これらの酸化防止剤を配合することにより、透明性、耐熱性等を低下させることなく、成形時の酸化劣化等によるレンズの着色や強度低下を防止できる。これらの酸化防止剤は、それぞれ単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができ、その配合量は、本発明の目的を損なわない範囲で適宜選択されるが、本発明に係る重合体１００重量部に対して好ましくは０．００１〜５重量部、より好ましくは０．０１〜１重量部である。
紫外線吸収剤としては、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４，４’−ジメトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−２’−ベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシ−５−スルホベンゾフェノントリヒドレート、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクトキシベンゾフェノン、２，２’，４，４’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、４−ドデシロキシ−２−ヒドロキシベンゾフェノン、ビス（５−ベンゾイル−４−ヒドロキシ−２−メトキシフェニル）メタンなどのベンゾフェノン系紫外線吸収剤；２−（２’−ヒドロキシ−５’−メチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−メチル−６−（３，４，５，６−テトラヒドロフタルイミディルメチル）フェノール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−６−ビス（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノール、２−（２’−ヒドロキシ−３’，５’−ジ−第三−ブチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−３’−第三−ブチル−５’−メチル−フェニル）−５−クロロベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−５’−第三オクチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２’−ヒドロキシ−３’，５’−ジ−第三−アミルフェニル）ベンゾトリアゾール、２−〔２’−ヒドロキシ−３’−（３’’，４’’，５’’，６’’−テトラヒドロフタルイミドメチル）−５’−メチルフェニル〕ベンゾトリアゾール、２，２’−メチレンビス〔４−（１，１，３，３−テトラメチルブチル）−６−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）フェノール〕などのベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤などが挙げられる。これらの中でも、２−（２’−ヒドロキシ−５’−メチル−フェニル）ベンゾトリアゾール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−メチル−６−（３，４，５，６−テトラヒドロフタルイミディルメチル）フェノール、２−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イル）−４−６−ビス（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノールなどが耐熱性、低揮発性などの観点から好ましい。
耐光安定剤としては、ベンゾフェノン系耐光安定剤、ベンゾトリアゾール系耐光安定剤、ヒンダードアミン系耐光安定剤などが挙げられるが、本発明においては、レンズの透明性、耐着色性等の観点から、ヒンダードアミン系耐光安定剤を用いるのが好ましい。ヒンダードアミン系耐光安定剤（以下、ＨＡＬＳと記す。）の中でも、ＴＨＦを溶媒として用いたＧＰＣにより測定したポリスチレン換算のＭｎが１０００〜１００００であるものが好ましく、２０００〜５０００であるものがより好ましく、２８００〜３８００であるものが特に好ましい。Ｍｎが小さすぎると、該ＨＡＬＳを重合体に加熱溶融混練して配合する際に、揮発のため所定量を配合できなかったり、射出成形等の加熱溶融成形時に発泡やシルバーストリークが生じるなど加工安定性が低下する。また、ランプを点灯させた状態でレンズを長時間使用する場合に、レンズから揮発性成分がガスとなって発生する。逆にＭｎが大き過ぎると、ブロック共重合体への分散性が低下して、レンズの透明性が低下し、耐光性改良の効果が低減する。したがって、本発明においては、ＨＡＬＳのＭｎを上記範囲とすることにより加工安定性、低ガス発生性、透明性に優れたレンズが得られる。
このようなＨＡＬＳの具体例としては、Ｎ，Ｎ’，Ｎ’’，Ｎ’’’−テトラキス−〔４，６−ビス−｛ブチル−（Ｎ−メチル−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−４−イル）アミノ｝−トリアジン−２−イル〕−４，７−ジアザデカン−１，１０−ジアミン、ジブチルアミンと１，３，５−トリアジンとＮ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）ブチルアミンとの重縮合物、ポリ〔｛（１，１，３，３−テトラメチルブチル）アミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジイル｝｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝ヘキサメチレン｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝〕、１，６−ヘキサンジアミン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）とモルフォリン−２，４，６−トリクロロ−１，３，５−トリアジンとの重縮合物、
ポリ〔（６−モルフォリノ−ｓ−トリアジン−２，４−ジイル）（２，２，６，６，−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ〕−ヘキサメチレン〔（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ〕〕などの、ピペリジン環がトリアジン骨格を介して複数結合した高分子量ＨＡＬＳ；コハク酸ジメチルと４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジンエタノールとの重合物、１，２，３，４−ブタンテトラカルボン酸と１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジノールと３，９−ビス（２−ヒドロキシ−１，１−ジメチルエチル）−２，４，８，１０−テトラオキサスピロ［５，５］ウンデカンとの混合エステル化物などの、ピペリジン環がエステル結合を介して結合した高分子量ＨＡＬＳなどが挙げられる。
これらの中でも、ジブチルアミンと１，３，５−トリアジンとＮ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）ブチルアミンとの重縮合物、ポリ〔｛（１，１，３，３−テトラメチルブチル）アミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジイル｝｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝ヘキサメチレン｛（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ｝〕、コハク酸ジメチルと４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジンエタノールとの重合物などのＭｎが２，０００〜５，０００のものが好ましい。
本発明に係るブロック共重合体に対する上記紫外線吸収剤およびＨＡＬＳの配合量は、重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜２０重量部、より好ましくは０．０２〜１５重量部、特に好ましくは０．０５〜１０重量部である。添加量が少なすぎると耐光性の改良効果が十分に得られず、屋外で長時間使用する場合等に着色が生じる。一方、ＨＡＬＳの配合量が多すぎると、その一部がガスとなって発生したり、重合体への分散性が低下して、レンズの透明性が低下する。
また、本発明に係る重合体に、最も低いガラス転移温度が３０℃以下である軟質重合体を配合することにより、透明性、耐熱性、機械的強度などの諸特性を低下させることなく、長時間の高温高湿度環境下での白濁を防止できる。
上記軟質重合体の具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）などのオレフィン系軟質重合体；ポリイソブチレン、イソブチレン−イソプレンゴム、イソブチレン−スチレン共重合体などのイソブチレン系軟質重合体；ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン−スチレンランダム共重合体、イソプレン−スチレンランダム共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ブタジエン−スチレン・ブロック共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレン・ブロック共重合体、イソプレン−スチレン・ブロック共重合体、スチレン−イソプレン−スチレン・ブロック共重合体などのジエン系軟質重合体；
ジメチルポリシロキサン、ジフェニルポリシロキサンなどのケイ素含有軟質重合体；ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレートなどのアクリル系軟質重合体；ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エピクロルヒドリンゴムなどのエポキシ系軟質重合体；フッ化ビニリデン系ゴム、四フッ化エチレン−プロピレンゴムなどのフッ素系軟質重合体；天然ゴム、ポリペプチド、蛋白質、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどのその他の軟質重合体などが挙げられる。これらの軟質重合体は、架橋構造を有したものであってもよく、また、変性反応により官能基を導入したものでもよい。
上記軟質重合体の中でもジエン系軟質重合体が好ましく、特に該軟質重合体の炭素−炭素不飽和結合を水素化した水素化物が、ゴム弾性、機械的強度、柔軟性、および分散性の点で優れる。軟質重合体の配合量は、化合物の種類に応じて異なるが、一般に、配合量が多すぎれば、重合体のガラス転移温度や透明性が大きく低下し、レンズとして使用することができない。また配合量が少なすぎれば、高温高湿下において成形物の白濁を生じる場合がある。配合量は、ブロック共重合体１００重量部に対して、好ましくは０．０１〜１０重量部、より好ましくは０．０２〜５重量部、特に好ましくは０．０５〜２重量部である。
本発明における光ピックアップ装置用光学素子は、少なくとも１つの光学面に所定の光学機能をもつ微細構造を有する光学機能面を有することが好ましい。本発明の光学素子においては、温度変化による屈折率変化を樹脂材料自体で軽減することができる為、光学機能面に形成される微細構造により温度変化による屈折率変化を補正する必要がなく、他の要因により発生する収差補正の為に光学機能面を設計することができる。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、少なくとも厚さｔ１の第１保護基板を有する第１光情報記録媒体と、厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の第２保護基板を有する第２光情報記録媒体に対して、情報の記録及び又は再生を行うことができる光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１保護基板と第２保護基板の厚みの差に基づいて生じる球面収差を解消するように設計することが本発明の好ましい態様の１つである。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源及び波長λ２（λ２＜λ１）の第２光束を出射する第２光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、前記第２光束により第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／または再生を行うことができる光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１光束と第２光束の波長差に基づいて生じる収差を解消するように設計することも本発明の好ましい態様の１つである。この場合、波長λ１と波長λ２の差が５０ｎｍ以上であることが更に好ましい。
本発明の光学素子が用いられる光ピックアップ装置が、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置である場合、前記光学素子の光学機能面は、前記第１光源の出射する第１光束の波長がλ１から変動することにより生じる収差を解消するよう設計することも本発明の好ましい態様の１つである。
本発明の光学素子は、光学機能面に光路差付与構造を有することが好ましい。本発明の光路差付与構造とは、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、隣り合う輪帯間で入射光に対して光路差を付与する構造を表す。光路差付与構造を用いて、光学素子に上述のような所望の光学機能を付与することができる。
光路差付与構造としては、回折構造が好ましい。本発明における回折構造は、光の回折を発生させる構造を表し、特に限定はないが、代表的な構造として、第２（ａ）図や第２（ｂ）図のように断面形状が鋸歯状の回折構造が好ましく挙げられる。
また、回折構造の構造としては、第３（ａ）図や第３（ｂ）図のように断面形状が階段状の回折構造も好ましく用いられる。このような階段状の構造をマルチレベル構造とも呼ぶ。
更に、第５（ａ）図や第５（ｂ）図のように鋸歯状もしくは階段状回折構造の各輪帯が更に複数の光軸方向の段差により階段状に分割された構造を有する重畳型回折構造も好ましく用いられる。かかる重畳型回折構造の、段差量及び、段差数を適切に設定することにより、複数の波長が異なる光源を用いるピックアップ装置において、特定の波長の光束だけを選択的に回折させ、且つ他の波長は回折せずにそのまま透過させたり、３つの波長の回折次数を異ならせたり、或いは特定の波長に対し、回折効率を極端に小さくしたりする作用を、波長の異なる複数の入射光束に対して与えることが可能となる。
回折構造の別の例としては、第６（ａ）図や第６（ｂ）図のように断面形状が櫛歯状の回折構造も好ましく用いられる。
もちろん回折構造の形状はこれらの構造に限定されず、必要とされる光学機能を達成するための設計に応じて適宜調整することが可能であり、上述の構造を適宜組み合わせて用いることもできる。
また、本発明の光路差付与構造は、好ましくは位相差付与構造である。位相差付与構造とは、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、隣り合う輪帯間で入射光に対して位相差を付与する構造を表し、特に構造上の限定はないが、上述の回折構造と同様の構造が好ましく用いられる。
また、光路差付与構造として、第５（ａ）図や第５（ｂ）図のような、非周期的位相構造（Ｎｏｎ−ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）も好ましく用いられる。
非周期的位相構造の好ましい構造としては、中心領域の外側に隣接する輪帯は、中心領域に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、最大有効径位置における輪帯は、その外側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、所定の有効径位置における輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されている構造である。ここで、「中心領域」とは、光軸を含み、光軸から最も近い位置にある段差で囲まれた光学機能領域を指す。
また、第２（ａ）図〜第６（ｂ）図においては、全て平板状の光学素子上に光学機能面が形成された構造を例示しているが、本発明の光学素子はこのような平板状の光学素子に限定されるものではなく、正レンズであっても負レンズであってもよい。また、同様に上記光学機能面も必ずしも平面上に形成される必要はなく、所望屈折面及び非球面形状を有する光学面上に適宜形成することができる。
以下図面に基づいて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。（第１の実施の形態）
第１図を用いて、第１の実施の形態について説明する。
第１の実施形態では、使用波長が４０５ｎｍのいわゆる青紫色レーザー光源を用いた「高密度な光ディスク」、ＤＶＤ、ＣＤの３フォーマット互換の光ピックアップ装置をターゲットとしており、第１光情報記録媒体として保護基板厚ｔ１が０．６ｍｍの「高密度な光ディスク」、第２光情報記録媒体として保護基板厚ｔ２が０．６ｍｍのＤＶＤ、第３光情報記録媒体として保護基板厚ｔ３が１．２ｍｍのＣＤを想定している。第１図のＤ０は記録媒体の保護基板面が載置される面であって、光源との位置関係は記録媒体の種類によって変化することはない。ここで、それぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３とＤ０との厚さが基盤厚を示している。
第１図は、第１の実施形態に関わる光ピックアップ装置を示す模式図である。
レーザーダイオードＬＤ１は、第１光源であり、波長λ１が４０５ｎｍの青紫色レーザーが用いられるが、波長が３９０ｎｍ〜４２０ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。ＬＤ２は、第２光源であり、波長λ２が６５５ｎｍの赤色レーザーが用いられるが、波長が６３０ｎｍ〜６８０ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。ＬＤ３は、第３光源であり、波長λ３が７８０ｎｍの赤外レーザーが用いられるが、波長が７５０ｎｍ〜８００ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。
レーザーダイオードＬＤ２は、第２の光源（ＤＶＤ用の光源）、第３の光源（ＣＤ用の光源）の、２つの発光点を同一のパッケージに収めた、いわゆる２レーザー１パッケージの光源ユニットである。
このパッケージのうち、第２の光源を光軸上に位置するように調整するので、第３の光源については光軸上からやや離れた処に位置するため、像高が生じてしまうが、この特性を改善するための技術も既に知られており、それらの技術を必要に応じて適用できる。ここでは補正板ＤＰを用いることによりその補正を行っている。補正板ＤＰにはグレーティングが形成されており、それによって光軸からのズレを補正すると共に、センサーＳ２への集光にも寄与する。
なおＬＤ２から実線で描かれているのがＤＶＤ用の光源光束であり、点線で描かれているのがＣＤ用の光源光束である。
ビームスプリッタＢＳ１はＬＤ１およびＬＤ２から入射する光源光束を対物光学素子であるＯＢＬの方向へ透過させる。
ＬＤ１から投光された光束は、ビーム品位向上のため、ビームシェイパーＢＳＬに入射してから上述のＢＳ１を経て、コリメータＣＬに入射し、これによって無限平行光にコリメートされたのち、ＢＳ３、さらに凹レンズと凸レンズとから構成されるビームエキスパンダーＢＥを経て対物光学素子（光ディスクに最も近い光学素子）である対物レンズＯＢＬに入射する。そして第１光情報記録媒体の保護基板を介して情報記録面上に集光スポットを形成する。そして情報記録面上で反射したのち、同じ経路をたどって、コリメータＣＬ１を通過してから、ＢＳ３によってセンサーレンズＳＬ１を経てセンサーＳ１に集光する。このセンサーによって光電変換され、電気的な信号となる。
なおビームエキスパンダーＢＥと対物レンズＯＢＬとの間には図示しないλ／４（四分の一波長）板が配置されており、行きと帰りとで丁度半波長分位相がずれて偏光方向が変わる。このため復路の光束はＢＳ３によって進行方向が変わる。
さてビームシェイパーＢＳＬは、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ異なった曲率を有している（光軸について、回転非対象な曲率を有している）。
光源から出射された光束は、半導体光源の構造上、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ発散角が異なっており、光軸方向から見て楕円状のビームとなっているが、このままでは光ディスク用の光源光束として好ましくないため、ビームシェイパーＢＳＬによって各々の方向に異なった屈折作用を与えることにより、出射光束が略円形断面のビームとなるようにしている。
またここではＬＤ１の光路中にビームシェイパーＢＳＬを配置しているが、ＬＤ２の光路に配置することも当然可能である。
ＬＤ２から投光された光束も、ＬＤ１の場合と同様に、光ディスク（第２光情報記録媒体、第３光情報記録媒体）に集光スポットを形成し、反射して最終的にセンサーＳ２に集光する。ＢＳ２によって光路が一致するようにせしめられているだけであって、ＬＤ１の場合と変わりはない。
なお対物光学素子ＯＢＬは、この図では単一のレンズであるが、必要に応じて複数の光学素子から構成されるようにしてもよい。また材質は後述の、本願発明に関わる、粒子を分散したプラスチック樹脂である。
また各ＬＤから投光された光束が光ディスクの保護基板を介して情報記録面に集光する状態が描かれているが、再生／記録する記録媒体の規格ごとに、光源と保護基板表面との距離は変わらないが、対物光学素子の基本的な位置（基準位置）がアクチュエータによって切り替わり、その基準位置からピント合わせ（フォーカシング）を行う。
そして各々の光情報記録媒体の保護基板厚、さらにピットの大きさにより、対物光学素子ＯＢＬに要求される開口数も異なる。ここでは、ＣＤ用の開口数は０．４５、ＤＶＤおよび「高密度な光ディスク」の開口数は０．６５としている。ただし、ＣＤについては０．４３〜０．５０、ＤＶＤについては０．５８〜０．６８の範囲で適宜選択可能である。
なおＩＲは不要光をカットするための絞りである。
また対物レンズＯＢＬには平行光が入射しているが、コリメートせずに、有限発散光が入射するような構成であってもよい。
第１の実施態様に関わる光学素子は、後述の、本願発明に関わるプラスチック樹脂からなり、光学的作用を有する素子であって、上記の補正板、ビームスプリッタ、ビームシェイパー、コリメータ、ビームエキスパンダー、対物光学素子（対物レンズ）、センサーレンズ、λ／４板などである。これらの光学素子に、屈折率変化の温度依存性が極めて低い材料を採用することにより、従来技術の問題点を解決している。
さて第１の実施態様では、第１光源、前記第２光源及び前記第３光源の共通光路に配置され、回折構造を有する対物光学素子ＯＢＬにも、上述してきた材料を採用している。そして、対物光学素子に鋸歯状の回折構造を設けている。
これは光軸を中心として、同心円状に細かい段差を設けたものであり、隣り合う輪帯を通過した光束は、所定の光路差を与えられる。
そしてこの鋸歯のピッチ（回折パワー）や深さ（ブレイズド化波長）を設定することにより、「高密度な光ディスク」に対しては、特定のＮＡ内の第１光源からの光束が２次回折光による集光スポットとして形成され、ＤＶＤに対しては、同じＮＡ内の第２光源からの光束が１次回折光による集光スポットとして形成されるようになっている。
このように、回折次数が異なる光を利用することにより、各々の場合における回折効率を高くすることができ、光量を確保することができる。
まだＣＤに対しては、同じＮＡ内の第３光源からの光束を、ＤＶＤと同じ次数（１次）の回折光にすることが好ましいが、これは適宜異なった次数になるようにしても良い。この例では、ＤＶＤと同じ１次の回折光として集光スポットを形成するようにしている。
ここで、第３光源からの特定のＮＡ以上の光束は、ＣＤの情報記録面には集光しない、フレアーになっている。
かりに、「高密度な光ディスク」とＤＶＤの保護基板厚が異なるような規格の場合は、ＤＶＤに設定されたＮＡよりも大きい範囲のＮＡを通過する第２光源からの光束がＤＶＤの情報記録面には集光しない、フレアーとなるようになされる。つまり、この場合の対物光学素子は、特性の異なった３つの領域を有している。
このような回折構造は、光路差付与構造の一例であるが、他にも上述の光路差付与構造を適宜用いることができる。
またここでは、光ディスクフォーマットの基盤厚差にもとづく球面収差を補正する目的で光路差付与構造が採用されているが、それだけでなく、使用波長の波長差や、使用波長の変動（モードホップ）に基づいて生じる収差の補正にももちろん使用可能である。前者の場合は５０ナノメートル以上の波長差に基づいて生じる球面色収差の補正であり、後者の場合は５ｎｍ以内の微小な波長変動を補正する。
通常は、特開平１１−３３７８１８号公報にも開示されているように、対物レンズの集光性能を重視して、温度による焦点位置変動を防ぐようにするものであるが、本願発明によれば、そのような工夫は不要であり、その他の目的のために設計の自由度を振り分ける事が可能である。
この例では、回折構造を対物光学素子に設けた例を説明したが、コリメータやカップリングレンズなどの他の素子に設けることはもちろん可能である。
また屈折面、非球面を有する光学素子に、このような素材を用いることが、もっとも好ましい。
さらに、屈折率の温度変化をきわめて小さくした光学素子を、光ピックアップ装置中において、高温を生じる箇所、あるいはアクチュエータで保持され、作動位置が変化する光学素子にこの素材を用いた光学素子を採用することが好ましい。
具体的には、不使用時（アクチュエータへの通電がなく、ほぼ室温の状態）と、使用状態（アクチュエータに通電され、常に熱が発生している状態）との温度差が、５℃以上あるような光ピックアップ装置中の光学素子として用いるのが好ましい。逆に、この温度差が５０℃以上あるような状況では、ディスクのゆがみが生じるなど、他の性能に悪影響が出るので好ましくない。
さらに、上述の例ではビームシェイパーＢＳＬの素材を工夫する例を示しているが、入射光束の強度分布を変化させる光強度分布変換素子にも採用することができる。
ビームシェイパーや光強度分布変換素子は、ともに比較的光源に近い位置に配置されることが多いので、これらのような素子を、本願発明に関わる光学素子とすることは非常に好ましい。
さて光強度分布変換素子は、おもにガウシアン分布の入射光束を、異なった光強度分布の光束として出射する光学素子である。
これは目的に応じて、出射光束の光強度分布が略均一となるようにせしめたり、出射光束の最辺縁部の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％となるようにせしめることが可能である。
次に、屈折率の温度変化について説明する。
屈折率の温度変化は、ローレンツ・ローレンツの式に基づいて、屈折率ｎを温度ｔで微分することにより、次の式Ａで表される。
ここで、本願発明では、微粒子、好ましくは無機微粒子を樹脂中に分散させることにより、実質的に上記式の第２項の寄与を大きくし、第１項の線膨張による変化と打ち消しあうようにさせている。
具体的には、従来は−１．２×１０−４程度であった変化を、絶対値で８×１０−５未満に抑えることが好ましい。更に好ましくは６×１０−５未満であり、１０×１０−４未満にすることが、光学設計、あるいは光学素子としてより好ましい。
また第２項の寄与をさらに大きくして、当初のプラスチック材料とは逆の温度特性を持たせることも可能である。つまり、温度が上昇することによって、屈折率が低下するのではなく、逆に屈折率が増加するような素材を得ることもできる。
第１図で説明したように、光ピックアップ装置では、光源から光情報記録媒体に至る光学系（光路）に、多くの光学素子が用いられる。これらの温度に対する屈折率の変化特性を適宜組み合わせることで、光ピックアップ装置全体を小型にするなどの新たな効果を創出できる。
また、異なった応用として、温度変化によって、形状も微小に変形するので、それによって屈折性能が変化するが、それをさらにキャンセルすることができれば、光学素子として非常に好ましい。つまり、従来、本来は凸レンズと凸レンズとを組み合わせた光学系にしたかったところ、凸レンズと凹レンズとを組み合わせて温度補正を行っていたような場合に、所望のとおり、凸レンズと凸レンズとの組合せにする、といったことが可能になる。
このような光学素子を得る場合には、上記式の値を、次のようにすることが好ましい。
０＜Ａ＜８×１０−４
なお、このような構成は、光ピックアップ装置のみならず、撮影光学系に好ましく適用することができる。
次に、本願発明の光学素子を成形する方法について説明する。
先に述べたとおり、プラスチック樹脂中に粒子を分散させる技術については、粒子に電荷を持たせるといった方法が知られている。
たとえば、ペレット状のプラスチック樹脂をチャンバーに充填しておき、このチャンバー内に粒子を注入・分散させ、このチャンバー内を加熱して、プラスチック樹脂を溶融させる。こうすると、分散しておいた粒子が溶融したプラスチック樹脂中に分散される。この際、沈殿を防止するために攪拌したり、電界・磁界をかけたり、超音波を付与することも可能である。
また、溶融させたプラスチック樹脂を射出成形する際に、インラインミキサーなどを用いて粒子を添加するといった方法も考えられる。この場合はライン上で螺旋状に混合されるので、分散状態を好ましく作り出すことが可能である。
ここで、微粒子を分散させたプラスチック樹脂を、一端冷却・固化させたのち、再度溶融させて射出成形すると、再加熱・再溶融によって、分散状態が変化したり、粒子周辺の樹脂に微小な焼けが発生する可能性があるので、好ましくない。特に焼けが生じた場合、焼けの部位によって光線透過率が低下してしまい、光学素子として使用できなくなる。
したがって、一度プラスチック樹脂を溶融させ、かつ粒子を分散させたら、溶融かつ分散した状態を保持したまま、成形品を得ることが好ましい。
すなわち、溶融した状態のプラスチック樹脂中に、直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させた後、溶融状態を保ったまま金型内に流入させて、成形品を得ることが好ましい。
本発明における光学素子は、母材となるプラスチック樹脂と微粒子とから成るが、その混合方法は特に限定されるものではない。すなわち、プラスチック樹脂と微粒子をそれぞれ独立して作成し、その後に両者を混合させる方法、予め作成した微粒子が存在する条件でプラスチック樹脂を作成する方法、予め作成したプラスチック樹脂が存在する条件で微粒子を作成する方法、プラスチック樹脂と微粒子の両者を同時に作成させる方法など、いずれの方法をも採用できる。具体的には、例えば、プラスチック樹脂が溶解した溶液と、微粒子が均一に分散した分散液の二液を均一に混合し、プラスチック樹脂に対して溶解性が乏しい溶液中に打ち合わせることにより、目的とする材料組成物を得る方法好適に挙げることができるが、これに限定されるものではない。
本発明の光学素子において、プラスチック樹脂と微粒子の混合の程度は特に限定されるものではないが、本発明の効果をより効率よく発現させるためには、均一に混合していることが望ましい。混合の程度が不十分の場合には、特に屈折率やアッベ数、光線透過率などの光学特性に影響を及ぼすことが懸念され、又熱可塑性や溶融成形性などの樹脂加工性にも影響を及ぼすことが懸念される。混合の程度は、その作成方法に影響されることが考えられ、用いるプラスチック樹脂及び微粒子の特性を十分に勘案して、方法を選択することが重要である。プラスチック樹脂と微粒子の両者が均一の混合するために、プラスチック樹脂と微粒子を直接結合させる方法等も、本発明において好適に用いることができる。
次に本願発明の光学素子を成形するのに好ましい金型について説明する。
金型の形状は、上述の光路差付与構造を始めとした微細な形状を転写するものをはじめ、非球面形状、あるいはビームシェイパー等の光軸非回転対象の形状を転写するもの、さらにそれらの組合せがありうる。
また、成形・転写する際、金型内における樹脂の流動性や、型から成形品を取り出す際の剥離性（離型性）なども、金型に要求される点である。
そこで、金型は、金属製の芯材（鋼材やステンレス材）に、基本的な形状を形成しておき、その表面に金属メッキを施したものを採用することが好ましい。金属メッキ層は、１０〜１００μｍの間で、適宜厚さを決定できる。また、光路差付与構造を設ける場合は、このメッキ層を切削加工して設けることが好ましい。
また、離型性向上や、型保護のために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などによる保護コートを行なってもよい。
すなわち、直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させたプラスチック樹脂を、金属製の芯材に、メッキ層を形成した成形型を用いて射出成形することが好ましい。
以下、実施例を上げて、本発明の光学素子に用いられる樹脂組成物について具体的に説明するが、本発明の態様はこれに限定されない。
［実施例１］
〈無機微粒子１の調整〉
窒素雰囲気下で、ペンタエトキシニオブ２．５ｇを２−メトキシエタノール３２．３１ｇに加えた溶液を作製した。この溶液に水０．３５ｇと２−メトキシエタノール３４．４５ｇの混合溶液を攪拌しながら滴下した。室温で１６時間攪拌した後、酸化物濃度が５重量％となるように濃縮し、Ｎｂ２Ｏ５分散液を得た。得られたＮｂ２Ｏ５分散液の粒径分布を動的錯乱法で測定したところ、平均粒径６ｎｍであり、これを無機微粒子１とした。
〈無機微粒子２の調整〉
窒素雰囲気下でペンタエトキシニオブ２．０ｇを２−メトキシエタノール１６．５９ｇに加えた溶液を作製した。この溶液に、水酸化リチウム一水和物０．２６ｇと２−メトキシエタノール１８．３２ｇの混合溶液を攪拌しながら滴下した。室温で１６時間攪拌した後、酸化物濃度が５重量％となるように濃縮し、ＬｉＮｂＯ３分散液を得た。得られたＬｉＮｂＯ３分散液の粒径分布を動的錯乱法で測定したところ、平均粒径５ｎｍであった。
この分散液１００ｇにメタノール３００ｇと１モル％の硝酸水溶液を添加し５０℃で攪拌しながら、さらにメタノール１００ｇとシクロペンチルトリメトキシシラン６ｇの混合液を６０分かけて添加し、その後２時間攪拌した。得られた透明な分散液を酢酸エチルに懸濁させ、遠心分離を行い白色の微粒粉末を得た。ＴＥＭ観察によればこの粉末は平均粒径約６ｎｍであり、これを無機微粒子２とした。
《樹脂組成物の作製》
〈樹脂組成物１の作製〉
無機微粒子１の分散物６ｇを前記表１に記載の樹脂（３）を１０重量％溶解したクロロホルム溶液１０ｇに、攪拌しながら常温で滴下した。得られた無色透明な液を、ホモジナイザーを用いてメタノールと水の等容量混合液中に析出させ、無機微粒子が樹脂（３）に対し、２５％分散された樹脂組成物を得た。
〈樹脂組成物２の作製〉
無機微粒子２の粉体と、樹脂（２）を１０重量％溶解したシクロヘキサン溶液を用い、樹脂組成物１と同様な方法により無機微粒子が樹脂（２）に対し１５重量％分散された樹脂組成物２を得た。
〈屈折率の評価〉
樹脂組成物１及び２を加熱成型することにより厚さ０．５ｍｍの試験用プレートをそれぞれ作製し、アッベ屈折計（アタゴ社製ＤＲ−Ｍ２）を用い、波長５００ｎｍで測定温度を１０℃から３０℃に変化させてそれぞれの場合の屈折率を測定し、屈折率の温度変化率ｄｎ／ｄｔを求めた。また、比較として、無機微粒子を混合していない樹脂（３）及び樹脂（２）のｄｎ／ｄｔも同様に求めた。得られた結果を表３に示す。
〈透過率の評価〉
樹脂組成物１及び２を溶融し、加熱成型することにより厚さ３ｍｍの試験用プレートをそれぞれ作製した。各試料についてＡＳＴＭ Ｄ１００３に準拠した方法で東京電色（株）製ＴＵＲＢＩＤＩＴＹ ＭＥＴＥＲ Ｔ−２６００ＤＡを用いて光線透過率を測定した。得られた結果を表３に示す。
［実施例１］
〈無機微粒子１の調整〉
窒素雰囲気下で、ペンタエトキシニオブ２．５ｇを２−メトキシエタノール３２．３１ｇに加えた溶液を作製した。この溶液に水０．３５ｇと２−メトキシエタノール３４．４５ｇの混合溶液を攪拌しながら滴下した。室温で１６時間攪拌した後、酸化物濃度が５重量％となるように濃縮し、Ｎｂ２Ｏ５分散液を得た。得られたＮｂ２Ｏ５分散液の粒径分布を動的錯乱法で測定したところ、平均粒径６ｎｍであり、これを無機微粒子１とした。
〈無機微粒子２の調整〉
窒素雰囲気下でペンタエトキシニオブ２．０ｇを２−メトキシエタノール１６．５９ｇに加えた溶液を作製した。この溶液に、水酸化リチウム一水和物０．２６ｇと２−メトキシエタノール１８．３２ｇの混合溶液を攪拌しながら滴下した。室温で１６時間攪拌した後、酸化物濃度が５重量％となるように濃縮し、ＬｉＮｂＯ３分散液を得た。得られたＬｉＮｂＯ３分散液の粒径分布を動的錯乱法で測定したところ、平均粒径５ｎｍであった。
この分散液１００ｇにメタノール３００ｇと１モル％の硝酸水溶液を添加し５０℃で攪拌しながら、さらにメタノール１００ｇとシクロペンチルトリメトキシシラン６ｇの混合液を６０分かけて添加し、その後２時間攪拌した。得られた透明な分散液を酢酸エチルに懸濁させ、遠心分離を行い白色の微粒粉末を得た。ＴＥＭ観察によればこの粉末は平均粒径約６ｎｍであり、これを無機微粒子２とした。
《樹脂組成物の作製》
〈樹脂組成物１の作製〉
無機微粒子１の分散物６ｇを前記表１に記載の樹脂（３）を１０重量％溶解したクロロホルム溶液１０ｇに、攪拌しながら常温で滴下した。得られた無色透明な液を、ホモジナイザーを用いてメタノールと水の等容量混合液中に析出させ、無機微粒子が樹脂（３）に対し、２５％分散された樹脂組成物を得た。
〈樹脂組成物２の作製〉
無機微粒子２の粉体と、樹脂（２）を１０重量％溶解したシクロヘキサン溶液を用い、樹脂組成物１と同様な方法により無機微粒子が樹脂（２）に対し１５重量％分散された樹脂組成物２を得た。
樹脂組成物１及び２を加熱成型することにより厚さ０．５ｍｍの試験用プレートをそれぞれ作製し、アッベ屈折計（アタゴ社製ＤＲ−Ｍ２）を用い、波長５００ｎｍで測定温度を１０℃から３０℃に変化させてそれぞれの場合の屈折率を測定し、屈折率の温度変化率ｄｎ／ｄｔを求めた。また、比較として、無機微粒子を混合していない樹脂（３）及び樹脂（２）のｄｎ／ｄｔも同様に求めた。得られた結果を表３に示す。
〈透過率の評価〉
樹脂組成物１及び２を溶融し、加熱成型することにより厚さ３ｍｍの試験用プレートをそれぞれ作製した。各試料についてＡＳＴＭ Ｄ１００３に準拠した方法で東京電色（株）製ＴＵＲＢＩＤＩＴＹ ＭＥＴＥＲ Ｔ−２６００ＤＡを用いて光線透過率を測定した。得られた結果を表３に示す。
上述のように、プラスチック樹脂に無機粒子を分散させた本発明における樹脂材料は、屈折率の温度依存性が小さく、かつ、透明度が高く、光学的に優れた材料である。更には熱可塑性及びまたは射出成形性を有するために、成形加工性に非常に優れた材料である。この優れた光学特性と成形加工性を併せ持った材料は、従来の材料では達成することができなかった特性である。
上述のプラスチック材料を用いた、本発明に関わる光ピックアップ装置用の光学素子によれば、温度変化に対して屈折率の変化が小さく、集光スポット形成性能などに変化がない光ピックアップ装置を実現することができる。また温度補正のためにふりわけていた設計の自由度を、他の目的に活用できるので、光学素子の設計可能性が広がる。
上述のプラスチック材料を用いた、本発明に関わる光ピックアップ装置用の光学素子によれば、温度変化に対して屈折率の変化が小さく、集光スポット形成性能などに変化がない光ピックアップ装置を実現することができる。また温度補正のためにふりわけていた設計の自由度を、他の目的に活用できるので、光学素子の設計可能性が広がる。
Claims (33)
- プラスチック樹脂に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させた樹脂材料を成型して得られる光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記プラスチック樹脂の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ１／ｄｔ１とし、前記無機粒子の温度変化に伴う屈折率変化をｄｎ２／ｄｔ２と表すとき、ｄｎ１／ｄｔ１とｄｎ２／ｄｔ２の符号が互いに異なることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子の少なくとも１つの光学面が、所定の光学機能をもつ微細構造を有する光学機能面であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光ピックアップ装置は、少なくとも厚さｔ１の第１保護基板を有する第１光情報記録媒体と、厚さｔ２（ｔ２＜ｔ１）の第２保護基板を有する第２光情報記録媒体に対して、情報の記録及び又は再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１保護基板と第２保護基板の厚みの差に基づいて生じる球面収差を解消することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。 - 前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源及び波長λ２（λ２＜λ１）の第２光束を出射する第２光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、前記第２光束により第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／または再生を行うことができ、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光束と第２光束の波長差に基づいて生じる収差を解消することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。 - 前記波長λ１と波長λ２の差が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光ピックアップ装置は、前記光学素子とともに、少なくとも波長λ１の第１光束を出射する第１光源を有し、前記第１光束により第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うとともに、
前記光学素子の光学機能面は、前記第１光源の出射する第１光束の波長がλ１から変動することにより生じる収差を解消することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。 - 前記第１光源の出射する前記第１光束の波長λ１からの変動量が、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学機能面が光路差付与構造を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光路差付与構造が回折構造であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記回折構造が鋸歯状回折構造であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記回折構造が重畳型回折構造であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光路差付与構造が位相差付与構造であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光路差付与構造が非周期的位相構造であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ ８ × １０−５
ただし、Ａは次式で表される値である；
- 前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ ６ × １０−５ - 前記光学素子が、以下の条件を満たすことを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
｜Ａ｜ ＜ １０ × １０−４ - 前記無機粒子が、無機酸化物であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記無機酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子の少なくとも一方は屈折面であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記屈折面が非球面であることを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記樹脂材料が酸化防止剤を含有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記プラスチック樹脂と前記無機粒子との体積比が９：１〜３：２の範囲であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子全重量に対して前記無機粒子を５〜８０重量％有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光ピックアップ装置用の使用時と不使用時の温度差が５℃以上５０℃以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子が対物光学素子であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子がビームシェイパーであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子が、ガウシアン分布の入射光束を、入射時と異なる光強度分布の光束として出射させることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子が、出射光束の光強度分布をほぼ均一にすることを特徴とする請求の範囲第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 前記光学素子は、前記光学素子最辺縁部からの出射光束の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％とせしめることを特徴とする請求の範囲第２８項に記載の光ピックアップ装置用光学素子。
- 請求の範囲第１項に記載の光学素子及び少なくとも１つの光源を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
- 溶融したプラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
前記樹脂材料が溶融状態を保ったまま金型内に流入させて光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。 - プラスチック樹脂中に、直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させて樹脂材料を得る工程；
金属製の芯材上にメッキ層を形成した成形型を用いて前記樹脂材料を射出成形することにより光学素子を得る工程、とを有することを特徴とする光学素子の成型方法。
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