屈折率分布型レンズおよびその製造方法、屈折率分布型レンズアレイおよびその製造方法
【課題】 フレア光の発生を抑制し、解像度の高い屈折率分布型レンズおよび屈折率型分布レンズアレイを提供することにある。
【解決手段】 マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズ。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。
【解決手段】 マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズ。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズの製造方法、屈折率分布型レンズアレイ、および屈折率分布型レンズアレイの製造方法に関し、詳細には、ファクシミリ、スキャナ、複写機等に搭載されるイメージセンサに用いられる屈折率分布型レンズおよび屈折率型レンズアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中心軸から外周面に向けて半径方向に２次曲線で近似される屈折率分布を有する柱状構造体は、レンズ作用を有することから、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の読み取りレンズやＬＥＤプリンタの書き込みレンズとして広く用いられている。この屈折率分布を有する柱状構造体（以下、屈折率分布型レンズという。）は、ガラス製や合成樹脂製のものがよく知られているが、一般的には、その両端面を伝送体中心軸に垂直な平行平面となるように鏡面研磨して、単体で微小レンズとして使用されたり、あるいはその多数を互いに平行となるようにしてアレイ状に配列し接着一体化してレンズアレイの形態として使用されたりしている。
【０００３】
特に、画像伝送に用いられる屈折率分布型レンズおよびレンズアレイにおいては、高い解像力と良好な画像コントラストを有する光学特性に優れたレンズが求められていることから、いわゆるフレア光が問題となる。
【０００４】
フレア光とは、レンズ周辺に発生する結像に寄与しない光のことであり、屈折率分布型レンズの外周部付近での屈折率分布の歪みに起因するものである。屈折率分布型レンズでは、一方の端面から入射した光線は柱状構造体であるレンズの内部をサインカーブを描いて進行し他端面から出射して結像するが、一般にレンズ内部の屈折率分布は必ずしも理想的な分布に一致しているわけではない。特に柱状構造体の外周部付近では、２次曲線で近似される理想的な屈折率分布から外れる傾向にあり、この外周部付近での屈折率分布の歪みとレンズ外周面を通してレンズ内に入る外光とに起因して、レンズ周辺にフレア光が発生する。
【０００５】
また、この屈折率分布型レンズ端面の中心から入射する光が、レンズの光軸に対してある角度θよりも大きい角度で入射した場合、その光はレンズの外周面に衝突する。そのときの角度θを開口角といい、θより小さい角度で入射した光は結像に寄与するが、θよりも大きな角で入射した光はレンズの外周面とマトリックス樹脂の界面で全反射して、結像に寄与しないフレア光となる。これらのフレア光がレンズの解像力および画像のコントラストに悪影響を及ぼす。
【０００６】
この問題を解決するため、特許文献１では、レンズ素子が互いに平行となるように配列し接着一体化してレンズアレイとする際に、レンズ外周面の屈折率と等しい屈折率の接着剤またはレンズ外周面の屈折率よりも大きい屈折率の接着剤を用いてマトリックス樹脂を形成することにより、フレア光をカットする技術が提案されている。この方法においては、開口角θよりも大きな入射角でレンズ端面に入射した光がレンズ内部においてその外周部に到達した場合に、レンズ外周面よりもマトリックス樹脂の屈折率が大きいため、界面において全反射することがなく、全反射に起因するフレア光の発生を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２２６６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１にも記載されているように、レンズ外周面と厳密に同じ屈折率を有する接着剤を選定することは技術的に極めて困難である。また、レンズ外周面よりも屈折率の高い接着剤を用いたとしても、屈折率が不連続に変化する界面に光が入射するとフレネル反射が起きるため、フレネル反射に起因するフレア光の発生を抑制することはできない。本発明の目的は、フレア光の発生を抑制し、解像度の高い屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズまたは屈折率分布型レンズアレイの発明に関するものであり、それらの製造方法に関するものである。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フレア光の抑制により光学性能（解像度）が向上するため、材料設計が容易な屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の屈折率分布型レンズの斜視図である。
【図２】透明柱状構造体の断面図である。
【図３】本発明の屈折率分布型レンズの屈折率分布を示すグラフである。
【図４】従来の屈折率分布型レンズの屈折率分布を示すグラフである。
【図５】本発明の屈折率分布型レンズ内での光の進み方を示す概略図である。
【図６】従来の屈折率分布型レンズ内での光の進み方を示す概略図である。
【図７】フレア光をあらわした模式図である。
【図８】屈折率分布を有する透明柱状構造体の製造装置の概略図である。
【図９】本発明の屈折率分布型レンズアレイ（１次元配列）の斜視図である。
【図１０】本発明の屈折率分布型レンズアレイ（２次元配列）の斜視図である。
【図１１】レンズ光学性能の測定方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズアレイおよびそれらの製造方法について説明する。
まず本発明の屈折率分布型レンズ１の斜視図を図１に示す。屈折率分布型レンズ１は、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２から構成されている。
【００１３】
透明柱状構造体２の寸法は、特に制限されないが、直径が０．１〜１ｍｍ程度である円筒形状をしている。
また、透明柱状構造体２の材質は、特に制限されず、プラスチックの他、ガラス等の他の材料であってもよい。透明柱状構造体２がプラスチックである場合には、マトリックス樹脂３は、透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間の屈折率の連続的変化の面から、透明柱状構造体２の外周部を構成する樹脂と相溶する樹脂であることが好ましい。
【００１４】
図２は透明柱状構造体２の縦断面図（透明柱状構造体２の中心軸４に沿って切断した断面図）および横断面図（透明柱状構造体２の中心軸４に垂直な面で切断した断面図）である。
透明柱状構造体２は、中心軸４上の屈折率をｎ0、屈折率分布定数をｇとした場合に、０≦Ｌ≦０．８ｒの範囲で中心軸から半径方向に距離Ｌ離れた点での屈折率ｎ（Ｌ）が、近似的に下記式（１）で表される屈折率分布を持つ屈折率分布型レンズである。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
【００１５】
本発明の屈折率分布型レンズ１は、マトリックス樹脂３の屈折率が透明柱状構造体２の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間で屈折率が連続的に変化している。図３は屈折率分布型レンズ１の横断面図と屈折率分布を示すグラフである。
【００１６】
本発明の屈折率分布型レンズ１においては、透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間で屈折率が連続的に変化している。屈折率の変化のしかたについては、特に制限されないが、連続的且つ滑らかに変化することが好ましい。ここで屈折率が連続的且つ滑らかに変化するとは、図３のマトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間での屈折率変化を表すグラフにおいて、屈折率変化の傾きである微分係数が不連続となるような特異点が存在しないということである。
【００１７】
このように透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間で屈折率が連続的に変化する場合に、後述するようにフレネル反射の発生を抑制することができ、フレネル反射に起因するフレア光の発生を抑制することが可能となる。
【００１８】
なお、図４に従来の屈折率分型レンズの屈折率分布を示す。従来の屈折率分布型レンズは、透明柱状構造体の屈折率よりもマトリックス樹脂の屈折率が高く、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の間で屈折率が不連続となっているため、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の界面でフレネル反射が発生する。
【００１９】
本発明において、透明柱状構造体２の中心屈折率ｎ0は、特に制限されないが、透明柱状構造体２を構成する材料の選択肢が広くなり、良好な屈折率分布を形成しやすくなる等の観点から、１．４≦ｎ0 ≦１．６であることが好ましい。
また、透明柱状構造体２の外周部の屈折率ｎ1は、レンズの用途によってｎ0＞ｎ1≧ｎ0−０．２の範囲をとることができる。
【００２０】
マトリックス樹脂３の屈折率ｎ2は、特に制限されないが、フレア光抑制の面および透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間の連続的な屈折率分布を形成しやすいという観点から、ｎ1≦ｎ2≦ｎ1＋０．１の範囲にあることが好ましく、ｎ1≦ｎ2≦ｎ1＋０．０５の範囲にあることがより好ましい。
【００２１】
一般に、透明柱状構造体２内の屈折率分布は必ずしも理想的な分布に一致しているわけではなく、特に０．８ｒ≦Ｌ≦ｒとなる外周部付近で理想的分布から外れていることが多い。そこで、透明柱状構造体２はこの外周部付近での屈折率分布の歪みに起因するフレア光を吸収するために、０．８ｒ≦Ｌ≦ｒである外周部に光吸収層５を含有することが好ましい。
【００２２】
次に、本発明の屈折率分布型レンズ１における光の進み方について図５を用いて説明する。透明柱状構造体２の入射端面に開口角θ以下の角度で入射した光１０は、光吸収層５、および透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の界面６に触れることなく透明柱状構造体２内部を通過して、結像に寄与する光として他方の端面より出射する。
【００２３】
一方、開口角θ以上の角度で入射した結像に寄与しない光１１は、一部は光吸収層５で吸収されるが、吸収されずに残った光はマトリックッス樹脂３に到達する。そして、マトリックス樹脂３に到達した光は、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間で屈折率が連続的に変化しているため、全反射を起こさず、またフレネル反射を起こさない。すなわち、開口角θ以上の角度で入射した光は、全てマトリックス樹脂内へと進行するため、フレア光が発生せず、レンズの性能低下が抑制される。
【００２４】
マトリックス樹脂３は、光吸収剤を含むことが好ましい。マトリックス樹脂が光吸収剤を含む場合に、マトリックス樹脂内に進入した光が光吸収剤によって吸収され減衰するため、隣接する他の透明柱状構造体へ進入するクロストーク光がカットされ、レンズの性能低下が抑制される傾向にある。
【００２５】
光吸収剤としては、特に制限されず、屈折率分布型レンズ１が用いられる光学系で使用される波長の光を吸収し得る種々の染料、顔料、色素が使用できる。中でも、屈折率分布型レンズ１での使用波長光を吸収する染料を組み合わせて用いることが特に有効である。屈折率分布型レンズ１を、カラースキャナー等の用途に用いる場合には、ＲＧＢ各波長の光を吸収する染料を組み合わせて用いることが好ましい。可視光領域のすべての光を吸収することを目的とする場合には、多種の染料、顔料、色素を混合した黒色のものを選択できる。また、カーボンブラック、グラファイトカーボン等の光吸収剤も用いることができる。その他光を吸収する物質であれば特に限定されることはない。
【００２６】
次に、本発明の屈折率分布型アレイについて説明する。本発明の屈折率分布型アレイは、上述した屈折率分布型レンズを１次元または２次元に規則的に複数配列させたものである。図９に１次元に配列させたアレイ５０を、図１０に２次元に配列させたアレイ６０を示す。
【００２７】
最後に、本発明の屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイの製造方法について説明する。
屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイは、基本的には、公知のプラスチックロッドレンズ製造方法により透明柱状構造体を製造し、さらにこの透明柱状構造体を１次元または２次元に配列することにより製造することができる。
【００２８】
先ず、モノマー相互拡散法により透明柱状構造体２を製造する方法について図８に沿って説明する。
硬化後の屈折率ｎがｎ1 ＞ｎ2 ＞・・・・＞ｎN （Ｎ≧３）となるＮ種類の未硬化の樹脂材料を、Ｎ基の混練装置２０で別個に混練し、紡糸装置２２へと送る。
【００２９】
未硬化の樹脂材料は、粘度が１０3〜１０8ポイズで硬化性のものであることが好ましい。粘度が小さすぎると賦形に際し糸切れが生じるようになり糸状物の形成が困難である。また粘度が大きすぎると賦形時に操作性が不良となり各層の同心円性が損なわれたり、太さ斑の大きな糸状体となりやすいので好ましくない。
この未硬化の樹脂材料を構成する物質としてはラジカル重合性ビニル単量体または該単量体と該単量体に可溶な重合体とからなる組成物等を用いることができる。
【００３０】
ラジカル重合性ビニル単量体としては、特に制限されないが、例えば、メチルメタクリレート（ｎ＝１．４９）、スチレン（ｎ＝１．５９）、クロルスチレン（ｎ＝１．６１）、酢酸ビニル（ｎ＝１．４７）、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル（メタ）アクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチル（メタ）アクリレート、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチル（メタ）アクリレート、2,2,2-トリフルオロエチル（メタ）アクリレート等のフッ素化アルキル（メタ）アクリレート（ｎ＝１．３７〜１．４４）、屈折率１．４３〜１．６２の（メタ）アクリレート類たとえばエチル（メタ）アクリレート、フェニル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート、ヒドロキシアルキル（メタ）アクリレート、アルキレングリコール（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパンジまたはトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールジ、トリまたはテトラ（メタ）アクリレート、ジグリセリンテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、フッ素化アルキレングリコールポリ（メタ）アクリレートなどが挙げられる。
【００３１】
これら未硬化の樹脂材料から糸状体を形成する際の未硬化の樹脂材料の粘度調整を容易にするため、および糸状体の中心から外周へ向かい連続的な屈折率分布を持たせるため、前記の未硬化の樹脂材料はビニル単量体とそれに可溶な重合体とで構成されていることが好ましい。
【００３２】
未硬化の樹脂原料に可溶な重合体としては、特に制限されないが、前記のラジカル重合性ビニル単量体から生成する重合体と相溶性が良いことが好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート（ｎ＝１．４９）、ポリメチルメタクリレート系共重合体（ｎ＝１．４７〜１．５０）、ポリ４−メチルペンテン−１（ｎ＝１．４６）、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ｎ＝１．４６〜１．５０）、ポリカーボネート（ｎ＝１．５０〜１．５７）、ポリフッ化ビニリデン（ｎ＝１．４２）、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体（ｎ＝１．４２〜１．４６）、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン共重合体（ｎ＝１．４０〜１．４６）、ポリフッ化アルキル（メタ）アクリレート等が挙げられる。
【００３３】
粘度を調整するため、各層に同一の屈折率を有する重合体を用いた場合には、中心から外周に向かって連続的な屈折率分布を有するプラスチック光伝送体が得られるので好ましい。特に、ポリメチルメタクリレートは、透明性に優れるとともにそれ自体の屈折率も高いので、本発明の屈折率分布型光伝送体を作成するに際して用いる重合体としては好適なものである。
【００３４】
未硬化の樹脂材料より形成した糸状物を硬化するためには、未硬化物中に熱硬化触媒あるいは光硬化触媒を添加しておくことが好ましく、熱硬化触媒としては、特に制限されないが、パーオキサイド系またはアゾ系の触媒を用いることができる。光硬化触媒としては、特に制限されないが、ベンゾフェノン、ベンゾインアルキルエーテル、4'ーイソプロピルー2ーヒドロキシー2ーメチルプロピオフェノン、1ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンジルメチルケタール、2,2-ジエトキシアセトフェノン、クロロチオキサントン、チオキサントン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、4-ジメチルアミノ安息香酸エチル、4-ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、Ｎ−メチルジエタノールアミン、トリエチルアミンなどが挙げられる。
【００３５】
紡糸装置２２は、紡糸ヘッド２４と、相互拡散部２６と、硬化処理部２８とを備えている。未硬化の樹脂材料は、紡糸ヘッド２４内の複合紡糸ノズル３０から吐出され、複合紡糸されて糸状体３２とされる。
未硬化の樹脂材料は、吐出される際、中心から外周部に向かって順次屈折率が低くなるような配置で、同心円状に積層され、糸状体３２を形成する。複合紡糸ノズル２１から吐出された糸状体３２は、ニップローラ３４によって引き上げられ、紡糸装置２２の相互拡散部２６および硬化処理部２８を順次に通過する。
【００３６】
複合紡糸ノズル３０から吐出された直後の糸状体３２の屈折率分布は、層間に屈折率の段差があるため、階段状となっている。この糸状体３２の各層間の屈折率分布が連続的になるように隣接層間の物質の相互拡散処理を行い、相互拡散処理と同時に、または相互拡散処理を行った後、糸状体３２を硬化処理し、透明円柱構造体原糸を得る。なお、相互拡散処理とは、糸状体に窒素雰囲気下、１０〜６０℃、より好ましくは２０〜５０℃で数秒〜数分間の熱履歴を与えることをいう。
得られた透明円柱構造体原糸は、必要に応じて、加熱延伸した後、緩和処理を行ってもよい。このようにして作製した透明円柱構造体原糸は、適宜、所定のサイズに切断して透明円柱構造体とする。
【００３７】
次に、得られた透明柱状構造体を用いて、屈折率分布型レンズを製造する。
本発明の屈折率分布型レンズは、上記のようにして得られた透明柱状構造体をマトリックス樹脂原料中に包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる浸透性成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることによって製造することができる。
【００３８】
透明柱状構造体とマトリックス樹脂原料の間には屈折率の段差があるが、マトリックス樹脂原料に含まれる成分が透明柱状構造体内部に浸透・拡散するように処理を行うことにより、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の間の屈折率の差が消失し、次いでマトリックス樹脂原料を硬化させマトリックス樹脂とすることで、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間で屈折率が連続的に変化するような屈折率分布型レンズを製造することができる。
マトリックス樹脂原料に含まれる浸透成分を拡散させる処理としては、特に制限されないが、マトリックス樹脂原料と透明柱状構造体が接触した状態で数秒〜数時間保持する方法が挙げられる。この際、より短時間で浸透・拡散処理を完了させるため、室温〜１００℃の温度で加温してもよい。
【００３９】
マトリックス樹脂としては、特に制限されないが、透明柱状構造体の外周部を構成する樹脂との相溶性が高いことが好ましい。この相溶性が高い場合に、マトリックス樹脂の原料が透明柱状構造体の内部に浸透・拡散しやすい傾向にある。マトリックス樹脂の原料としては、特に制限されないが、例えば、ラジカル重合性ビニル単量体を用いることができる。特に、透明柱状構造体の原料として用いられる樹脂原料と同種の単量体である場合には、透明柱状構造体に対する相溶性が高く、容易に硬化物内部へと浸透・拡散することができるため、好ましい。
【００４０】
マトリックス樹脂原料の硬化方法としては、特に制限されないが、熱硬化触媒による熱硬化反応、あるいは光硬化触媒による光硬化反応、吸湿反応等の各種硬化方法を用いることができる。
【００４１】
屈折率分布型レンズが１次元または２次元に配列された屈折率分布型レンズアレイは、以下の製造方法により製造することができる。
【００４２】
まず、プレス上盤の表面に複数の透明円柱構造体を並列配置して仮留めする。そして、一方の面にマトリックス樹脂原料が所定の間隔をあけて塗布された基板をマトリックス樹脂原料が塗布された面が上方に向くようにしてプレス上盤の下方に配置し、当該基板をプレス上盤に仮留めされた透明円柱構造体に押圧して固定し、該マトリックス樹脂原料に含まれる浸透成分を前記透明柱状構造体の外周部に浸透せしめる。ついで、該浸透性成分および未硬化のマトリックス樹脂原料を硬化させて、屈折率分布型レンズアレイを製造する。
【００４３】
マトリックス樹脂原料の塗布方法としては、マトリックス樹脂原料の粘度、種類に応じて、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法等の公知のコーティング法を用いることができる。
【００４４】
前記基板は平板でもよいし、透明柱状構造体を一定の間隔で配置収納するＵ字状あるいはＶ字状等の溝を設けた板であってもよい。基板の材質は、特に限定されないが、レンズアレイを作製する工程での加工が容易な材料であることが好ましい。基板の材料としては、各種熱可塑性樹脂、各種熱硬化性樹脂などが好ましく、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリイミド系樹脂、液晶ポリマー、エポキシ系樹脂などが特に好ましい。また、基板の基材、補強材として、繊維や紙を用いてもよいし、基板に離型剤、染料、顔料等を添加してもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
なお、実施例、比較例において、レンズ性能（ＭＴＦ）の測定は下記の方法により行った。
【００４６】
＜レンズ性能（ＭＴＦ）の測定＞
レンズの解像度を示すＭＴＦは、図１２に示すように、光源４０、フィルター４１、拡散板４２、空間周波数１２［Ｌｐ／ｍｍ］を有する格子４３、中心軸に垂直な両端面を研磨した屈折率分布型レンズを複数本並べたアレイ４４、およびＣＣＤラインセンサー４５を配置し、格子４３を屈折率分布型レンズアレイ４４の結像面に設置したＣＣＤラインセンサー４５に結像させて格子画像４７を読みとり、その測定光量の最大値（ｉMAX ）と最小値（ｉMIN ）とを測定し、次式
ＭＴＦ［％］＝｛（ｉMAX −ｉMIN ）／（ｉMAX ＋ｉMIN ）｝×１００（％）
により求めた。なお、空間周波数とは、図１２の４６に示すごとく、白ラインと黒ラインとの組み合わせを１ラインとし、このラインの組み合わせが１ｍｍの幅の中に何組設けてあるかを示すものである。
【００４７】
実施例１
ポリメチルメタクリレート（〔η〕＝０．４０，ＭＥＫ中，２５℃にて測定：以下、ポリメチルメタクリレートの〔η〕は全て同じ）４６質量部、メチルメタクリレート２４質量部、ジシクロペンタニルアクリレート３０質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部およびハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第１層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４５質量部、ベンジルメタクリレート５質量部、メチルメタクリレート２８．６質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート５質量部、ジシクロペンタニルアクリレート１６．４質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第２層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４８質量部、ベンジルメタクリレート６．８質量部、メチルメタクリレート３５．２質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート１０質量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第３層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４４．８質量部、ベンジルメタクリレート１３．１質量部、メチルメタクリレート１２．９質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート２９．２質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．００６質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．００３質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．０１４質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０１４質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．００６質量部を７０℃に加熱混練して第４層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４０．３質量部、ベンジルメタクリレート１６．９質量部、メチルメタクリレート２．４質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート４０．４質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．１４質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．１４質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．５７質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０１１質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．０１１質量部を７０℃に加熱混練して第５層形成用原液とした、この５種類の原液を同心円状５層複合ノズルを用いて、中心から外側に向けて第１層から第５層となるように配列して同時に押し出した。
【００４８】
複合紡糸ノズル３０の温度は５４℃、各層の吐出比を半径方向寸法の比で、第１層／第２層／第３層／第４層／第５層＝２４／３１．１／４０．２／２．２／２．５として、糸状に押し出した。ついで４０Ｗのケミカルランプ３６本を円状等間隔に上下２段に配設した第一光照射硬化処理部２６、および高圧水銀ランプを２つ配設した第二光照射硬化処理部２８の中心に糸状物を通過させて硬化させ、２００ｃｍ／ｍｉｎの速度でニップローラー３４で引き取り、透明柱状構造体を得た。
【００４９】
得られた透明柱状構造体は、半径ｒ＝０．６０ｍｍであり、中心部の屈折率ｎ0＝１．４９７、外周部の屈折率ｎ1＝１．４８７であり、中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）における屈折率分布は下記式（１）で表される２次曲線で近似され、屈折率分布定数はｇ＝０．４９であった。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
【００５０】
この透明柱状構造体を複数本を用い、基板としてアクリル樹脂板（厚さ１．０ｍｍ）２枚を用い、マトリックス樹脂原料としてポリメチルメタクリレート４６質量部、フェニルメタクリレート２２．５質量部、メチルメタクリレート１０質量部、2,2,3,3-テトラフルオロプロピルメタクリレート２１．５質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．１４９質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．１４６質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．５８４質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０２５質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．０１７質量部からなる原料を用いて、アクリル樹脂板の間に透明柱状構造体を１列に平行に密着させて配列し、マトリックス樹脂原料を充填し、３０分間６０℃の雰囲気化でマトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させる処理を行った後、高圧水銀ランプを用いて、基板の両面から４０００ｍＪ/ｃｍ２（合計８０００ｍＪ/ｃｍ２）のＵＶを照射することにより、マトリックス樹脂原料を硬化させてマトリックス樹脂とし、両端面を切断して研磨して、レンズ長８ｍｍの屈折率分布型レンズアレイを製作した。
【００５１】
マトリックス樹脂の屈折率は１．４９４で、透明柱状構造体の外周部の屈折率（ｎ1＝１．４８７）との屈折率差は０．００７であった。
この屈折率分布型レンズアレイの端面を、光学顕微鏡で観察したところ、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間に明確な界面がないことが観察された。つまり、マトリクス樹脂と透明柱状構造体との間において、屈折率が連続的に変化していた。
【００５２】
この屈折率分布型レンズアレイは５２５ｎｍにおけるフレア光、クロストーク光が少なく、１２Ｌｐ／ｍｍの格子４３を用いてこのレンズアレイの特性を測定したところ、５２５ｎｍの波長の光に対する共役長は１５．５ｍｍであり共役長におけるＭＴＦは７５．５％であった。
【００５３】
この屈折率分布型アレイを用いて５２５ｎｍの発光波長を有するＬＥＤを光源とし、ＣＣＤを受光センサーとしたイメージスキャナを組み立てた。このイメージスキャナはフレア光、クロストーク光による影響が非常に少なく解像度が高く、屈折率分布型アレイは画像をクリアに伝送することができた。
【００５４】
比較例１
実施例１で得られた透明柱状構造体を用い、基盤としてベークライト樹脂板２枚を用い、マトリックス樹脂原料としてハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製エポキシ接着剤アラルダイトを用いて、ベークライト樹脂板の間に透明柱状構造体を１列に平行に密着させて配列しマトリックス樹脂原料を充填し、６０℃で３０分間加熱処理を施してマトリックス樹脂原料を硬化させて、両端面を切断して研磨して、レンズ長８ｍｍの屈折率分布型レンズアレイを作成した。
【００５５】
マトリックス樹脂の屈折率は１．６１であり、透明柱状構造体の外周部の屈折率（ｎ1＝１．４８７）との屈折率差は０．００７であった。
この屈折率分布型レンズアレイの端面を、光学顕微鏡で観察したところ、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間に明確な界面があることが観察された。
【００５６】
実施例１と同様にこのレンズアレイの特性を測定したところ、実施例のものと比べてフレア光が増加したためにＭＴＦが若干減少し、５２５ｎｍの波長の光に対する共役長は１５．９ｍｍであり共役長におけるＭＴＦは６８．３％であった。
【００５７】
また、実施例１と同様にして組み立てたイメージスキャナはクロストーク光による影響で解像度が若干低く、伝送した画像は実施例のものよりもクリアではなかった。
【符号の説明】
【００５８】
１ 屈折率分布型レンズ
２ 透明柱状構造体
３ マトリックス樹脂
４ 中心軸
５ 光吸収層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズの製造方法、屈折率分布型レンズアレイ、および屈折率分布型レンズアレイの製造方法に関し、詳細には、ファクシミリ、スキャナ、複写機等に搭載されるイメージセンサに用いられる屈折率分布型レンズおよび屈折率型レンズアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中心軸から外周面に向けて半径方向に２次曲線で近似される屈折率分布を有する柱状構造体は、レンズ作用を有することから、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の読み取りレンズやＬＥＤプリンタの書き込みレンズとして広く用いられている。この屈折率分布を有する柱状構造体（以下、屈折率分布型レンズという。）は、ガラス製や合成樹脂製のものがよく知られているが、一般的には、その両端面を伝送体中心軸に垂直な平行平面となるように鏡面研磨して、単体で微小レンズとして使用されたり、あるいはその多数を互いに平行となるようにしてアレイ状に配列し接着一体化してレンズアレイの形態として使用されたりしている。
【０００３】
特に、画像伝送に用いられる屈折率分布型レンズおよびレンズアレイにおいては、高い解像力と良好な画像コントラストを有する光学特性に優れたレンズが求められていることから、いわゆるフレア光が問題となる。
【０００４】
フレア光とは、レンズ周辺に発生する結像に寄与しない光のことであり、屈折率分布型レンズの外周部付近での屈折率分布の歪みに起因するものである。屈折率分布型レンズでは、一方の端面から入射した光線は柱状構造体であるレンズの内部をサインカーブを描いて進行し他端面から出射して結像するが、一般にレンズ内部の屈折率分布は必ずしも理想的な分布に一致しているわけではない。特に柱状構造体の外周部付近では、２次曲線で近似される理想的な屈折率分布から外れる傾向にあり、この外周部付近での屈折率分布の歪みとレンズ外周面を通してレンズ内に入る外光とに起因して、レンズ周辺にフレア光が発生する。
【０００５】
また、この屈折率分布型レンズ端面の中心から入射する光が、レンズの光軸に対してある角度θよりも大きい角度で入射した場合、その光はレンズの外周面に衝突する。そのときの角度θを開口角といい、θより小さい角度で入射した光は結像に寄与するが、θよりも大きな角で入射した光はレンズの外周面とマトリックス樹脂の界面で全反射して、結像に寄与しないフレア光となる。これらのフレア光がレンズの解像力および画像のコントラストに悪影響を及ぼす。
【０００６】
この問題を解決するため、特許文献１では、レンズ素子が互いに平行となるように配列し接着一体化してレンズアレイとする際に、レンズ外周面の屈折率と等しい屈折率の接着剤またはレンズ外周面の屈折率よりも大きい屈折率の接着剤を用いてマトリックス樹脂を形成することにより、フレア光をカットする技術が提案されている。この方法においては、開口角θよりも大きな入射角でレンズ端面に入射した光がレンズ内部においてその外周部に到達した場合に、レンズ外周面よりもマトリックス樹脂の屈折率が大きいため、界面において全反射することがなく、全反射に起因するフレア光の発生を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２２６６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１にも記載されているように、レンズ外周面と厳密に同じ屈折率を有する接着剤を選定することは技術的に極めて困難である。また、レンズ外周面よりも屈折率の高い接着剤を用いたとしても、屈折率が不連続に変化する界面に光が入射するとフレネル反射が起きるため、フレネル反射に起因するフレア光の発生を抑制することはできない。本発明の目的は、フレア光の発生を抑制し、解像度の高い屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズまたは屈折率分布型レンズアレイの発明に関するものであり、それらの製造方法に関するものである。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フレア光の抑制により光学性能（解像度）が向上するため、材料設計が容易な屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の屈折率分布型レンズの斜視図である。
【図２】透明柱状構造体の断面図である。
【図３】本発明の屈折率分布型レンズの屈折率分布を示すグラフである。
【図４】従来の屈折率分布型レンズの屈折率分布を示すグラフである。
【図５】本発明の屈折率分布型レンズ内での光の進み方を示す概略図である。
【図６】従来の屈折率分布型レンズ内での光の進み方を示す概略図である。
【図７】フレア光をあらわした模式図である。
【図８】屈折率分布を有する透明柱状構造体の製造装置の概略図である。
【図９】本発明の屈折率分布型レンズアレイ（１次元配列）の斜視図である。
【図１０】本発明の屈折率分布型レンズアレイ（２次元配列）の斜視図である。
【図１１】レンズ光学性能の測定方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズアレイおよびそれらの製造方法について説明する。
まず本発明の屈折率分布型レンズ１の斜視図を図１に示す。屈折率分布型レンズ１は、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２から構成されている。
【００１３】
透明柱状構造体２の寸法は、特に制限されないが、直径が０．１〜１ｍｍ程度である円筒形状をしている。
また、透明柱状構造体２の材質は、特に制限されず、プラスチックの他、ガラス等の他の材料であってもよい。透明柱状構造体２がプラスチックである場合には、マトリックス樹脂３は、透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間の屈折率の連続的変化の面から、透明柱状構造体２の外周部を構成する樹脂と相溶する樹脂であることが好ましい。
【００１４】
図２は透明柱状構造体２の縦断面図（透明柱状構造体２の中心軸４に沿って切断した断面図）および横断面図（透明柱状構造体２の中心軸４に垂直な面で切断した断面図）である。
透明柱状構造体２は、中心軸４上の屈折率をｎ0、屈折率分布定数をｇとした場合に、０≦Ｌ≦０．８ｒの範囲で中心軸から半径方向に距離Ｌ離れた点での屈折率ｎ（Ｌ）が、近似的に下記式（１）で表される屈折率分布を持つ屈折率分布型レンズである。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
【００１５】
本発明の屈折率分布型レンズ１は、マトリックス樹脂３の屈折率が透明柱状構造体２の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間で屈折率が連続的に変化している。図３は屈折率分布型レンズ１の横断面図と屈折率分布を示すグラフである。
【００１６】
本発明の屈折率分布型レンズ１においては、透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間で屈折率が連続的に変化している。屈折率の変化のしかたについては、特に制限されないが、連続的且つ滑らかに変化することが好ましい。ここで屈折率が連続的且つ滑らかに変化するとは、図３のマトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間での屈折率変化を表すグラフにおいて、屈折率変化の傾きである微分係数が不連続となるような特異点が存在しないということである。
【００１７】
このように透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間で屈折率が連続的に変化する場合に、後述するようにフレネル反射の発生を抑制することができ、フレネル反射に起因するフレア光の発生を抑制することが可能となる。
【００１８】
なお、図４に従来の屈折率分型レンズの屈折率分布を示す。従来の屈折率分布型レンズは、透明柱状構造体の屈折率よりもマトリックス樹脂の屈折率が高く、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の間で屈折率が不連続となっているため、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の界面でフレネル反射が発生する。
【００１９】
本発明において、透明柱状構造体２の中心屈折率ｎ0は、特に制限されないが、透明柱状構造体２を構成する材料の選択肢が広くなり、良好な屈折率分布を形成しやすくなる等の観点から、１．４≦ｎ0 ≦１．６であることが好ましい。
また、透明柱状構造体２の外周部の屈折率ｎ1は、レンズの用途によってｎ0＞ｎ1≧ｎ0−０．２の範囲をとることができる。
【００２０】
マトリックス樹脂３の屈折率ｎ2は、特に制限されないが、フレア光抑制の面および透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の間の連続的な屈折率分布を形成しやすいという観点から、ｎ1≦ｎ2≦ｎ1＋０．１の範囲にあることが好ましく、ｎ1≦ｎ2≦ｎ1＋０．０５の範囲にあることがより好ましい。
【００２１】
一般に、透明柱状構造体２内の屈折率分布は必ずしも理想的な分布に一致しているわけではなく、特に０．８ｒ≦Ｌ≦ｒとなる外周部付近で理想的分布から外れていることが多い。そこで、透明柱状構造体２はこの外周部付近での屈折率分布の歪みに起因するフレア光を吸収するために、０．８ｒ≦Ｌ≦ｒである外周部に光吸収層５を含有することが好ましい。
【００２２】
次に、本発明の屈折率分布型レンズ１における光の進み方について図５を用いて説明する。透明柱状構造体２の入射端面に開口角θ以下の角度で入射した光１０は、光吸収層５、および透明柱状構造体２とマトリックス樹脂３の界面６に触れることなく透明柱状構造体２内部を通過して、結像に寄与する光として他方の端面より出射する。
【００２３】
一方、開口角θ以上の角度で入射した結像に寄与しない光１１は、一部は光吸収層５で吸収されるが、吸収されずに残った光はマトリックッス樹脂３に到達する。そして、マトリックス樹脂３に到達した光は、マトリックス樹脂３と透明柱状構造体２の間で屈折率が連続的に変化しているため、全反射を起こさず、またフレネル反射を起こさない。すなわち、開口角θ以上の角度で入射した光は、全てマトリックス樹脂内へと進行するため、フレア光が発生せず、レンズの性能低下が抑制される。
【００２４】
マトリックス樹脂３は、光吸収剤を含むことが好ましい。マトリックス樹脂が光吸収剤を含む場合に、マトリックス樹脂内に進入した光が光吸収剤によって吸収され減衰するため、隣接する他の透明柱状構造体へ進入するクロストーク光がカットされ、レンズの性能低下が抑制される傾向にある。
【００２５】
光吸収剤としては、特に制限されず、屈折率分布型レンズ１が用いられる光学系で使用される波長の光を吸収し得る種々の染料、顔料、色素が使用できる。中でも、屈折率分布型レンズ１での使用波長光を吸収する染料を組み合わせて用いることが特に有効である。屈折率分布型レンズ１を、カラースキャナー等の用途に用いる場合には、ＲＧＢ各波長の光を吸収する染料を組み合わせて用いることが好ましい。可視光領域のすべての光を吸収することを目的とする場合には、多種の染料、顔料、色素を混合した黒色のものを選択できる。また、カーボンブラック、グラファイトカーボン等の光吸収剤も用いることができる。その他光を吸収する物質であれば特に限定されることはない。
【００２６】
次に、本発明の屈折率分布型アレイについて説明する。本発明の屈折率分布型アレイは、上述した屈折率分布型レンズを１次元または２次元に規則的に複数配列させたものである。図９に１次元に配列させたアレイ５０を、図１０に２次元に配列させたアレイ６０を示す。
【００２７】
最後に、本発明の屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイの製造方法について説明する。
屈折率分布型レンズおよび屈折率分布型レンズアレイは、基本的には、公知のプラスチックロッドレンズ製造方法により透明柱状構造体を製造し、さらにこの透明柱状構造体を１次元または２次元に配列することにより製造することができる。
【００２８】
先ず、モノマー相互拡散法により透明柱状構造体２を製造する方法について図８に沿って説明する。
硬化後の屈折率ｎがｎ1 ＞ｎ2 ＞・・・・＞ｎN （Ｎ≧３）となるＮ種類の未硬化の樹脂材料を、Ｎ基の混練装置２０で別個に混練し、紡糸装置２２へと送る。
【００２９】
未硬化の樹脂材料は、粘度が１０3〜１０8ポイズで硬化性のものであることが好ましい。粘度が小さすぎると賦形に際し糸切れが生じるようになり糸状物の形成が困難である。また粘度が大きすぎると賦形時に操作性が不良となり各層の同心円性が損なわれたり、太さ斑の大きな糸状体となりやすいので好ましくない。
この未硬化の樹脂材料を構成する物質としてはラジカル重合性ビニル単量体または該単量体と該単量体に可溶な重合体とからなる組成物等を用いることができる。
【００３０】
ラジカル重合性ビニル単量体としては、特に制限されないが、例えば、メチルメタクリレート（ｎ＝１．４９）、スチレン（ｎ＝１．５９）、クロルスチレン（ｎ＝１．６１）、酢酸ビニル（ｎ＝１．４７）、2,2,3,3-テトラフルオロプロピル（メタ）アクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチル（メタ）アクリレート、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチル（メタ）アクリレート、2,2,2-トリフルオロエチル（メタ）アクリレート等のフッ素化アルキル（メタ）アクリレート（ｎ＝１．３７〜１．４４）、屈折率１．４３〜１．６２の（メタ）アクリレート類たとえばエチル（メタ）アクリレート、フェニル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート、ヒドロキシアルキル（メタ）アクリレート、アルキレングリコール（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパンジまたはトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールジ、トリまたはテトラ（メタ）アクリレート、ジグリセリンテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、フッ素化アルキレングリコールポリ（メタ）アクリレートなどが挙げられる。
【００３１】
これら未硬化の樹脂材料から糸状体を形成する際の未硬化の樹脂材料の粘度調整を容易にするため、および糸状体の中心から外周へ向かい連続的な屈折率分布を持たせるため、前記の未硬化の樹脂材料はビニル単量体とそれに可溶な重合体とで構成されていることが好ましい。
【００３２】
未硬化の樹脂原料に可溶な重合体としては、特に制限されないが、前記のラジカル重合性ビニル単量体から生成する重合体と相溶性が良いことが好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート（ｎ＝１．４９）、ポリメチルメタクリレート系共重合体（ｎ＝１．４７〜１．５０）、ポリ４−メチルペンテン−１（ｎ＝１．４６）、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ｎ＝１．４６〜１．５０）、ポリカーボネート（ｎ＝１．５０〜１．５７）、ポリフッ化ビニリデン（ｎ＝１．４２）、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体（ｎ＝１．４２〜１．４６）、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロペン共重合体（ｎ＝１．４０〜１．４６）、ポリフッ化アルキル（メタ）アクリレート等が挙げられる。
【００３３】
粘度を調整するため、各層に同一の屈折率を有する重合体を用いた場合には、中心から外周に向かって連続的な屈折率分布を有するプラスチック光伝送体が得られるので好ましい。特に、ポリメチルメタクリレートは、透明性に優れるとともにそれ自体の屈折率も高いので、本発明の屈折率分布型光伝送体を作成するに際して用いる重合体としては好適なものである。
【００３４】
未硬化の樹脂材料より形成した糸状物を硬化するためには、未硬化物中に熱硬化触媒あるいは光硬化触媒を添加しておくことが好ましく、熱硬化触媒としては、特に制限されないが、パーオキサイド系またはアゾ系の触媒を用いることができる。光硬化触媒としては、特に制限されないが、ベンゾフェノン、ベンゾインアルキルエーテル、4'ーイソプロピルー2ーヒドロキシー2ーメチルプロピオフェノン、1ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンジルメチルケタール、2,2-ジエトキシアセトフェノン、クロロチオキサントン、チオキサントン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、4-ジメチルアミノ安息香酸エチル、4-ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、Ｎ−メチルジエタノールアミン、トリエチルアミンなどが挙げられる。
【００３５】
紡糸装置２２は、紡糸ヘッド２４と、相互拡散部２６と、硬化処理部２８とを備えている。未硬化の樹脂材料は、紡糸ヘッド２４内の複合紡糸ノズル３０から吐出され、複合紡糸されて糸状体３２とされる。
未硬化の樹脂材料は、吐出される際、中心から外周部に向かって順次屈折率が低くなるような配置で、同心円状に積層され、糸状体３２を形成する。複合紡糸ノズル２１から吐出された糸状体３２は、ニップローラ３４によって引き上げられ、紡糸装置２２の相互拡散部２６および硬化処理部２８を順次に通過する。
【００３６】
複合紡糸ノズル３０から吐出された直後の糸状体３２の屈折率分布は、層間に屈折率の段差があるため、階段状となっている。この糸状体３２の各層間の屈折率分布が連続的になるように隣接層間の物質の相互拡散処理を行い、相互拡散処理と同時に、または相互拡散処理を行った後、糸状体３２を硬化処理し、透明円柱構造体原糸を得る。なお、相互拡散処理とは、糸状体に窒素雰囲気下、１０〜６０℃、より好ましくは２０〜５０℃で数秒〜数分間の熱履歴を与えることをいう。
得られた透明円柱構造体原糸は、必要に応じて、加熱延伸した後、緩和処理を行ってもよい。このようにして作製した透明円柱構造体原糸は、適宜、所定のサイズに切断して透明円柱構造体とする。
【００３７】
次に、得られた透明柱状構造体を用いて、屈折率分布型レンズを製造する。
本発明の屈折率分布型レンズは、上記のようにして得られた透明柱状構造体をマトリックス樹脂原料中に包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる浸透性成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることによって製造することができる。
【００３８】
透明柱状構造体とマトリックス樹脂原料の間には屈折率の段差があるが、マトリックス樹脂原料に含まれる成分が透明柱状構造体内部に浸透・拡散するように処理を行うことにより、透明柱状構造体とマトリックス樹脂の間の屈折率の差が消失し、次いでマトリックス樹脂原料を硬化させマトリックス樹脂とすることで、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間で屈折率が連続的に変化するような屈折率分布型レンズを製造することができる。
マトリックス樹脂原料に含まれる浸透成分を拡散させる処理としては、特に制限されないが、マトリックス樹脂原料と透明柱状構造体が接触した状態で数秒〜数時間保持する方法が挙げられる。この際、より短時間で浸透・拡散処理を完了させるため、室温〜１００℃の温度で加温してもよい。
【００３９】
マトリックス樹脂としては、特に制限されないが、透明柱状構造体の外周部を構成する樹脂との相溶性が高いことが好ましい。この相溶性が高い場合に、マトリックス樹脂の原料が透明柱状構造体の内部に浸透・拡散しやすい傾向にある。マトリックス樹脂の原料としては、特に制限されないが、例えば、ラジカル重合性ビニル単量体を用いることができる。特に、透明柱状構造体の原料として用いられる樹脂原料と同種の単量体である場合には、透明柱状構造体に対する相溶性が高く、容易に硬化物内部へと浸透・拡散することができるため、好ましい。
【００４０】
マトリックス樹脂原料の硬化方法としては、特に制限されないが、熱硬化触媒による熱硬化反応、あるいは光硬化触媒による光硬化反応、吸湿反応等の各種硬化方法を用いることができる。
【００４１】
屈折率分布型レンズが１次元または２次元に配列された屈折率分布型レンズアレイは、以下の製造方法により製造することができる。
【００４２】
まず、プレス上盤の表面に複数の透明円柱構造体を並列配置して仮留めする。そして、一方の面にマトリックス樹脂原料が所定の間隔をあけて塗布された基板をマトリックス樹脂原料が塗布された面が上方に向くようにしてプレス上盤の下方に配置し、当該基板をプレス上盤に仮留めされた透明円柱構造体に押圧して固定し、該マトリックス樹脂原料に含まれる浸透成分を前記透明柱状構造体の外周部に浸透せしめる。ついで、該浸透性成分および未硬化のマトリックス樹脂原料を硬化させて、屈折率分布型レンズアレイを製造する。
【００４３】
マトリックス樹脂原料の塗布方法としては、マトリックス樹脂原料の粘度、種類に応じて、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法等の公知のコーティング法を用いることができる。
【００４４】
前記基板は平板でもよいし、透明柱状構造体を一定の間隔で配置収納するＵ字状あるいはＶ字状等の溝を設けた板であってもよい。基板の材質は、特に限定されないが、レンズアレイを作製する工程での加工が容易な材料であることが好ましい。基板の材料としては、各種熱可塑性樹脂、各種熱硬化性樹脂などが好ましく、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリイミド系樹脂、液晶ポリマー、エポキシ系樹脂などが特に好ましい。また、基板の基材、補強材として、繊維や紙を用いてもよいし、基板に離型剤、染料、顔料等を添加してもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
なお、実施例、比較例において、レンズ性能（ＭＴＦ）の測定は下記の方法により行った。
【００４６】
＜レンズ性能（ＭＴＦ）の測定＞
レンズの解像度を示すＭＴＦは、図１２に示すように、光源４０、フィルター４１、拡散板４２、空間周波数１２［Ｌｐ／ｍｍ］を有する格子４３、中心軸に垂直な両端面を研磨した屈折率分布型レンズを複数本並べたアレイ４４、およびＣＣＤラインセンサー４５を配置し、格子４３を屈折率分布型レンズアレイ４４の結像面に設置したＣＣＤラインセンサー４５に結像させて格子画像４７を読みとり、その測定光量の最大値（ｉMAX ）と最小値（ｉMIN ）とを測定し、次式
ＭＴＦ［％］＝｛（ｉMAX −ｉMIN ）／（ｉMAX ＋ｉMIN ）｝×１００（％）
により求めた。なお、空間周波数とは、図１２の４６に示すごとく、白ラインと黒ラインとの組み合わせを１ラインとし、このラインの組み合わせが１ｍｍの幅の中に何組設けてあるかを示すものである。
【００４７】
実施例１
ポリメチルメタクリレート（〔η〕＝０．４０，ＭＥＫ中，２５℃にて測定：以下、ポリメチルメタクリレートの〔η〕は全て同じ）４６質量部、メチルメタクリレート２４質量部、ジシクロペンタニルアクリレート３０質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部およびハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第１層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４５質量部、ベンジルメタクリレート５質量部、メチルメタクリレート２８．６質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート５質量部、ジシクロペンタニルアクリレート１６．４質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第２層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４８質量部、ベンジルメタクリレート６．８質量部、メチルメタクリレート３５．２質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート１０質量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部を７０℃に加熱混練して第３層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４４．８質量部、ベンジルメタクリレート１３．１質量部、メチルメタクリレート１２．９質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート２９．２質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．００６質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．００３質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．０１４質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０１４質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．００６質量部を７０℃に加熱混練して第４層形成用原液とした。ポリメチルメタクリレート４０．３質量部、ベンジルメタクリレート１６．９質量部、メチルメタクリレート２．４質量部、2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロペンチルメタクリレート４０．４質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．１４質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．１４質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．５７質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０１１質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．０１１質量部を７０℃に加熱混練して第５層形成用原液とした、この５種類の原液を同心円状５層複合ノズルを用いて、中心から外側に向けて第１層から第５層となるように配列して同時に押し出した。
【００４８】
複合紡糸ノズル３０の温度は５４℃、各層の吐出比を半径方向寸法の比で、第１層／第２層／第３層／第４層／第５層＝２４／３１．１／４０．２／２．２／２．５として、糸状に押し出した。ついで４０Ｗのケミカルランプ３６本を円状等間隔に上下２段に配設した第一光照射硬化処理部２６、および高圧水銀ランプを２つ配設した第二光照射硬化処理部２８の中心に糸状物を通過させて硬化させ、２００ｃｍ／ｍｉｎの速度でニップローラー３４で引き取り、透明柱状構造体を得た。
【００４９】
得られた透明柱状構造体は、半径ｒ＝０．６０ｍｍであり、中心部の屈折率ｎ0＝１．４９７、外周部の屈折率ｎ1＝１．４８７であり、中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）における屈折率分布は下記式（１）で表される２次曲線で近似され、屈折率分布定数はｇ＝０．４９であった。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
【００５０】
この透明柱状構造体を複数本を用い、基板としてアクリル樹脂板（厚さ１．０ｍｍ）２枚を用い、マトリックス樹脂原料としてポリメチルメタクリレート４６質量部、フェニルメタクリレート２２．５質量部、メチルメタクリレート１０質量部、2,2,3,3-テトラフルオロプロピルメタクリレート２１．５質量部、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．５質量部、ハイドロキノン０．１質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｙｅｌｌｏｗ ＨＤ−１８０ ０．１４９質量部、三井東圧染料（株）製染料ＭＳ Ｍａｇｅｎｔａ ＨＭ−１４５０ ０．１４６質量部、日本化薬（株）製染料Ｂｌｕｅ ＡＣＲ ０．５８４質量部、三菱化学（株）製染料Ｄｉａｒｅｉｎ Ｂｌｕｅ ４Ｇ ０．０２５質量部、および日本化薬（株）製染料ＫＡＹＡＳＯＲＢ ＣＹ−１０ ０．０１７質量部からなる原料を用いて、アクリル樹脂板の間に透明柱状構造体を１列に平行に密着させて配列し、マトリックス樹脂原料を充填し、３０分間６０℃の雰囲気化でマトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させる処理を行った後、高圧水銀ランプを用いて、基板の両面から４０００ｍＪ/ｃｍ２（合計８０００ｍＪ/ｃｍ２）のＵＶを照射することにより、マトリックス樹脂原料を硬化させてマトリックス樹脂とし、両端面を切断して研磨して、レンズ長８ｍｍの屈折率分布型レンズアレイを製作した。
【００５１】
マトリックス樹脂の屈折率は１．４９４で、透明柱状構造体の外周部の屈折率（ｎ1＝１．４８７）との屈折率差は０．００７であった。
この屈折率分布型レンズアレイの端面を、光学顕微鏡で観察したところ、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間に明確な界面がないことが観察された。つまり、マトリクス樹脂と透明柱状構造体との間において、屈折率が連続的に変化していた。
【００５２】
この屈折率分布型レンズアレイは５２５ｎｍにおけるフレア光、クロストーク光が少なく、１２Ｌｐ／ｍｍの格子４３を用いてこのレンズアレイの特性を測定したところ、５２５ｎｍの波長の光に対する共役長は１５．５ｍｍであり共役長におけるＭＴＦは７５．５％であった。
【００５３】
この屈折率分布型アレイを用いて５２５ｎｍの発光波長を有するＬＥＤを光源とし、ＣＣＤを受光センサーとしたイメージスキャナを組み立てた。このイメージスキャナはフレア光、クロストーク光による影響が非常に少なく解像度が高く、屈折率分布型アレイは画像をクリアに伝送することができた。
【００５４】
比較例１
実施例１で得られた透明柱状構造体を用い、基盤としてベークライト樹脂板２枚を用い、マトリックス樹脂原料としてハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製エポキシ接着剤アラルダイトを用いて、ベークライト樹脂板の間に透明柱状構造体を１列に平行に密着させて配列しマトリックス樹脂原料を充填し、６０℃で３０分間加熱処理を施してマトリックス樹脂原料を硬化させて、両端面を切断して研磨して、レンズ長８ｍｍの屈折率分布型レンズアレイを作成した。
【００５５】
マトリックス樹脂の屈折率は１．６１であり、透明柱状構造体の外周部の屈折率（ｎ1＝１．４８７）との屈折率差は０．００７であった。
この屈折率分布型レンズアレイの端面を、光学顕微鏡で観察したところ、透明柱状構造体とマトリックス樹脂との間に明確な界面があることが観察された。
【００５６】
実施例１と同様にこのレンズアレイの特性を測定したところ、実施例のものと比べてフレア光が増加したためにＭＴＦが若干減少し、５２５ｎｍの波長の光に対する共役長は１５．９ｍｍであり共役長におけるＭＴＦは６８．３％であった。
【００５７】
また、実施例１と同様にして組み立てたイメージスキャナはクロストーク光による影響で解像度が若干低く、伝送した画像は実施例のものよりもクリアではなかった。
【符号の説明】
【００５８】
１ 屈折率分布型レンズ
２ 透明柱状構造体
３ マトリックス樹脂
４ 中心軸
５ 光吸収層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズ。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
（ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。）
【請求項２】
マトリックス樹脂が光吸収剤を含むことを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型レンズ。
【請求項３】
請求項１記載の屈折率分布型レンズを１次元または２次元に規則的に複数配列させた屈折率分布型レンズアレイ。
【請求項４】
マトリックス樹脂原料中に透明柱状構造体を包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型レンズを製造する方法。
【請求項５】
マトリックス樹脂原料中に透明柱状構造体を包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることを特徴とする請求項３記載の屈折率分布型レンズアレイを製造する方法。
【請求項１】
マトリックス樹脂と下記式（１）で表される屈折率分布を有する透明柱状構造体とから構成される屈折率分布型レンズであって、マトリックス樹脂の屈折率が透明柱状構造体の外周部の屈折率よりも高く、マトリックス樹脂と透明柱状構造体の間で屈折率が連続的に変化している屈折率分布型レンズ。
ｎ（Ｌ）＝ｎ0｛１−（ｇ2／2）Ｌ2｝ …（１）
（ただし、ｎ（Ｌ）は中心軸からの距離Ｌの位置における屈折率、Ｌは中心軸からの距離（０≦Ｌ≦０．８ｒ）、ｒは透明柱状構造体の半径、ｎ0 は中心軸における屈折率、ｇは屈折率分布定数である。）
【請求項２】
マトリックス樹脂が光吸収剤を含むことを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型レンズ。
【請求項３】
請求項１記載の屈折率分布型レンズを１次元または２次元に規則的に複数配列させた屈折率分布型レンズアレイ。
【請求項４】
マトリックス樹脂原料中に透明柱状構造体を包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型レンズを製造する方法。
【請求項５】
マトリックス樹脂原料中に透明柱状構造体を包埋させて、マトリックス樹脂原料に含まれる成分を透明柱状構造体に浸透させた後に、マトリックス樹脂原料を硬化させることを特徴とする請求項３記載の屈折率分布型レンズアレイを製造する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１０１２３３（Ｐ２０１３−１０１２３３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５１６６（Ｐ２０１１−２４５１６６）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]