JP4160982B2 - 光伝送体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は各種の光伝送路として利用できるプラスチック光伝送体の製造方法に関する。

屈折率分布型光伝送体は一般的には、その両端面を中心軸に垂直な平行平面に鏡面研磨し、単体で微小レンズとして使用されている。またその多数を密接配列して接着一体化してレンズアレイの形態として複写機、ファクシミリ、スキャナ等のラインセンサ部品として、またＬＥＤプリンタの書き込みデバイス等に広く用いられている。また、特定の用途においては片端面または両端面を若干の曲率の球面にして使用されている。

画像伝送に用いられる屈折率分布型レンズ及びレンズアレイにおいては結像面における光量ムラが問題になる。図１に示すようにレンズ素子が結像面において
Ｅ（Ｘ）=Ｅ_０（１−（Ｘ／Ｘ_０）^２）^１／２ （１）
で示されるような光量分布を持つとき、レンズ素子は当然光量ムラを持つ。一方レンズ素子が多数本配列されたレンズアレイの結像面における光量分布は１本１本のレンズ素子の光量の和となる。そのためレンズアレイにおいてもレンズの配列ピッチによって周期的な光量ムラが生じる。このようにして起こる光量ムラにより、レンズまたはレンズアレイを用いて画像を伝送する場合に問題が生じる。例えばレンズアレイを複写機、ファクシミリ、スキャナ等のラインセンサ部品等に用いる場合に、読みとりムラ等が生じ、このムラを少なくするために電気信号に補正をかけなければならないなどの問題が生じる。

このような問題を解決しようとするものに特許文献１がある。これは光伝送体中に光吸収性物質を濃度分布が連続的に変化するように存在させて光量ムラを小さくするというものである。
特開平４−２５１８０５号公報

しかし、この光伝送体はレンズ中心部に染料を入れるためにレンズの光量が低下するという問題があった。

以上のように従来は光量ムラが小さく、かつ十分な光量値を持つレンズ及びレンズアレイは提供されていない。また、このようなレンズを容易に製造する方法も提供されていない。

本発明の要旨は、硬化させた後に得られる硬化物の屈折率がｎ１、ｎ２、・・・、ｎＮ（Ｎ≧３）であるＮ個の未硬化状物を同心円状に積層して、中心部から外周部に向かって屈折率が順次減少したファイバ状の未硬化状物積層体を形成し、この積層体の各層間の屈折率分布が連続的に変化するように隣接層間の成分の相互拡散処理を行いながら、または前記相互拡散処理を行った後、最外周層から低屈折率成分を相対的に多く揮発させる揮発処理を行い、積層体を硬化処理して、半径ｒ _０ の円形断面であり、中心軸から半径方向に０〜０．８５ｒ _０ の範囲で屈折率がほぼ下記式Ｎ（ｒ）＝Ｎ _０ （１−Ａｒ ^２ ）（ただし、Ｎ _０ ：中心軸上の屈折率、Ａ：屈折率分布定数、Ｎ（ｒ）：中心軸から半径方向の距離がｒの位置での屈折率）で表される屈折率分布を持ち、中心から半径方向の距離が０〜Ｒ（（１−３０／３１５）ｒ _０≦Ｒ≦（１−３５／４６５）ｒ _０）の範囲で中心から半径方向外側に向かって屈折率が連続的に減少し、距離がＲ〜ｒ_０の範囲で中心から半径方向外側に向かって屈折率が連続的に上昇している光伝送体を製造する方法である。

本発明の光伝送体及び光伝送体アレイは光量ムラが小さくかつ十分な光量値を有する。また、本発明の光伝送体の製法によればこのような光伝送体を容易に製造することができる。

以下、本発明の光伝送体（以下適宜レンズという）及びその製造方法について詳細に説明する。
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レンズ体内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のであるが、一般にレンズ体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い。特に外周部付近で理想分布から外れており、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に起因してレンズ周辺にフレア光と呼ばれるぼやけた光が発生する。本発明の光伝送体においては光伝送体の外周部付近で屈折率が上昇しているために、フレア光の量が増加し、その結果光量ムラが小さくなる。

図２は本発明の光伝送体の屈折率分布の一例である。レンズ素材１は、中心軸４上の屈折率をＮ_０、屈折率分布定数をＡとすれば、中心軸から半径方向に０〜０．８５ｒ_０の範囲では屈折率Ｎ（ｒ）が、ほぼ次式の関係で表される屈折率分布を持つ透明な円柱体である。

Ｎ（ｒ）＝Ｎ_０（１−Ａｒ^２） （２）
本発明はレンズ素材１の中心から半径方向の距離がＲ〜ｒ_０の範囲の部分の屈折率が中心から半径方向外側に向かって連続的に上昇していることを特徴としている。このためその近傍で発生するフレア光の量が多くレンズ素子の光量ムラが減少する。さらにレンズ素子を複数本配列してレンズアレイを形成した場合、フレア光が隣接するレンズとの界面で反射、散乱、透過するためにレンズの配列ピッチによって生じる周期的な光量ムラが小さくなる。

外周部の屈折率は中心からの距離がＲの位置の屈折率に対して、０．００３以上大きいことが好ましく、０．００５以上大きいことがより好ましい。

屈折率が半径方向外側に向かって上昇している部分の厚さは５〜５０μｍであることが好ましい。厚さが薄すぎるとフレア光の増加の効果が小さく、また厚さが厚すぎるとレンズ性能が低下する。

本発明における光伝送体アレイは前記の光伝送体を用いて従来公知の方法で製造することができる。光伝送体が一列または複数列で平行に配置されていれば、アレイの形状、材質等は問わない。

本発明の光伝送体は次のようにして製造できる。硬化後の屈折率ｎがｎ_１＞ｎ_２＞・・・・＞ｎ_Ｎ（Ｎ≧３）なるＮ個の未硬化状物を中心から外周面に向かって順次屈折率が低くなるような配置で、かつ、同心円状に複層積層した未硬化状の積層体（以下適宜「糸状体」と称する）に賦形し、糸状体の各層間の屈折率分布が連続的分布となるように隣接層間の物質の相互拡散処理及びまたは最外周層の成分の揮発処理を行いながら、またはこれらの処理を行った後、積層体を硬化処理して屈折率分布型ファイバを製造する方法において、最外周層から低屈折率成分を相対的に多く揮発させるように最外周層の未硬化状物を調製し、揮発処理を行うことにより製造される。

得られる光伝送体の屈折率分布を理想的な分布に近づけるために、Ｎは４〜６の範囲であることが望ましい。

本発明における光伝送体の製造時の未硬化積層体の各層の厚みはレンズ性能の発現が可能な条件に設定される。

本発明に用いられる未硬化状物質は、粘度が１０^３〜１０^８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体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。

この未硬化状物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よりなる組成物などを用いることができる。
ラジカル重合性ビニル単量体の具体例としては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又はトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールジ、トリ又はテトラ（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（メタ）アクリレートなどが挙げられる。

これら未硬化状物から糸状体を形成する際の未硬化状物の粘度調整を容易にするため、及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、前記の未硬化状物はビニル系単量体と可溶性ポリマーとで構成されていることが好ましい。

ここに用いうるポリマーとしては、前記のラジカル重合性ビニル単量体から生成するポリマーと相溶性が良いことが必要であり、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コポリマー（ｎ＝１．４７〜１．５０）、ポリ４ーメチルペンテンー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）アクリレートポリマー等が挙げられる。

粘度を調整するため、各層に同一の屈折率を有するポリマー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、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ポリマーとしては好適なものである。

最外周層の未硬化状物は揮発処理において、低屈折率成分が揮発しやすいように調製される。例えば最外周層の未硬化状物がビニル系単量体と可溶性ポリマーから構成される場合、単量体として相対的に低屈折率のものを用いることが望ましい。その際、揮発性成分を二種類以上用いる場合は低屈折率成分を高屈折率成分よりも多量に用いることが好ましく、また低屈折率成分として高揮発性のものを用いることが好ましい。

前記未硬化状物より形成した糸状体を相互拡散処理を行いながら、または相互拡散処理を行った後、最外周層の成分の一部を揮発させる。揮発処理は低屈折率成分が相対的に多くかつ外周部の屈折率を上昇させるのに十分な量程度揮発するように行われる。低屈折率成分を多く揮発させればさせるほど、得られる光伝送体の外周部の屈折率は上昇する。この場合、好ましくは高屈折率成分をできるだけ揮発させないように、更に好ましくは全く揮発させないように揮発処理を行う。揮発させる成分の揮発量のコントロールはどのように行われてもよく、例えば揮発処理部に導入される不活性ガスの流量によって制御することができる。

前記相互拡散処理および外周面からの揮発処理を行った糸状体を硬化するには未硬化状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普通パーオキサイド系又はアゾ系の触媒が用いられる。光硬化触媒としてはベンゾフェノン、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。

次いで未硬化状物を硬化させるには、硬化部において好ましくは紫外線を周囲から作用させ、熱硬化触媒及び／又は光硬化触媒を含有する糸状体を熱処理ないし光硬化処理を行う。

本発明の光伝送体は例えば図３の糸状体成形装置を用いて製造することができる。図３は糸状体成形装置を図式的に示す工程図であり、相互拡散処理部２及び硬化処理部３の部分だけを縦断面図で示してある。図中の記号９は同心円状複合ノズル、１は押し出された未硬化の糸状体、２は糸状体の各層の単量体を相互に拡散させて屈折率分布を与えるための相互拡散処理部、３は未硬化状物を硬化させるための硬化処理部、４は引き取りローラー、５は製造された光伝送体、６は巻き取り部、７は不活性ガス導入口、８は不活性ガス排出口である。相互拡散処理部２及び硬化処理部３において糸状体１から遊離する揮発性物質を除去するため、不活性ガス導入口７から不活性ガス例えば窒素ガスが導入される。

光重合に用いる光源としては１５０〜６００ｎｍの波長の光を発生する炭素アーク灯、高圧水銀灯、中圧水銀灯、低圧水銀灯、超高圧水銀灯、ケミカルランプ、キセノンランプ、レーザー光等が挙げられる。

以下実施例により本発明を具体的に説明する。
尚、実施例及び比較例において屈折率分布及び光量分布の測定は下記の方法により行った。
Ｉ．屈折率分布の測定
カールツアイス社製インターファコ干渉顕微鏡を用いて公知の方法により測定した。
ＩＩ．レンズアレイの光量ムラの測定
レンズアレイの光量ムラは白色光源に５７０ｎｍの干渉フィルターを組み合わせてＣＣＤを用いて測定した。光量ムラの値は、
△Ｉ=（Ｉmax.−Ｉmin.）／Ｉmin.×１００ （％）
で計算して求めた。

比較例１
第１〜５層形成用原液を、以下の成分をそれぞれ７０℃に加熱混練して調製した。
（第１層形成用原液）
ポリメチルメタクリレート（〔η〕＝０．４０，ＭＥＫ中，２５℃にて測定、以下実施例、比較例中において同様のものを用いる。）５２重量部、ベンジルメタクリレート３５重量部、メチルメタクリレート１３重量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．２５重量部及びハイドロキノン０．１重量部。
（第２層形成用原液）
ポリメチルメタクリレート４８重量部、ベンジルメタクリレート１０重量部、メチルメタクリレート３５重量部、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７重量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．２５重量部、ハイドロキノン０．１重量部。
（第３層形成用原液）
ポリメチルメタクリレート４７重量部、メチルメタクリレート３０重量部、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２３重量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．２５重量部、ハイドロキノン０．１重量部。
（第４層形成用原液）
ポリメチルメタクリレート４０重量部、メチルメタクリレート１８重量部、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４２重量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．２５重量部ハイドロキノン０．１重量部。
（第５層形成用原液）
ポリメチルメタクリレート３７重量部、メチルメタクリレート４重量部、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５９重量部、１ーヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン０．２５重量部、ハイドロキノン０．１重量部。
これらの５種類の原液を同心円状５層複合ノズルを用い中心から順次未硬化状物の屈折率が低くなるように配列し同時に押し出した。
複合紡糸ノズルの温度は４８℃であった。各層の吐出比は半径の比で１層目から順に３４．７／３８．７／１９．５／６．３／０．８であった。

ついで長さ３０ｃｍの相互拡散処理部を通しその後長さ１２０ｃｍ、４０Ｗのケミカルランプ１２本を円状に等間隔に配設された硬化処理部の中心にストランドファイバを通過させて１２０ｃｍ／ｍｉｎの速度でニップローラーで引き取った。相互拡散処理部における窒素流量は５０Ｌ／ｍｉｎであった。

得られた光伝送体は半径ｒ_０が０．４６５ｍｍであり、屈折率分布は中心部が１．５１２、外周部が１．４６９であった。外周部での屈折率の上昇は見られなかった。この光伝送体複数本を用い、側板にはフェノール樹脂（厚さ１．２ｍｍ）２枚を用い、接着剤にはカーボンブラックを２ｗｔ％添加したエピフォーム（ソマール社製）を用い、側板の間に光伝送体を１列に配列し接着剤を充填し、接着剤を硬化し、その後両端面を切断して研磨し、レンズ長６．６ｍｍのレンズアレイを製造した。レンズアレイの光量を測定したところ通常のレンズアレイで見られるようなレンズ配列ピッチに対応した周期的な光量ムラが顕著に見られ、光量ムラは１９％であった。

実施例１
第１層目〜第５層目の原液を比較例１と同様とし、相互拡散処理部における窒素流量８０Ｌ／ｍｉｎとし、複合紡糸ノズルから出た糸状体の単量体の揮発を盛んにした以外は比較例１と同様にして光伝送体を製造した。揮発した単量体は主として硬化後の屈折率が低い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であった。

この光伝送体の半径は０．４６５ｍｍであり、屈折率分布は中心部が１．５１２、外周部が１．４７３であった。光伝送体の外周部から約３５μｍの部分でレンズの中心部から外周部に向かって連続的に屈折率が約０．００４上昇していた。

比較例１と同様にしてレンズアレイを製造して光量を測定した結果、レンズ配列ピッチに対応した周期的な光量ムラは見られたものの光量ムラの値は１０％であり比較例１のレンズアレイの場合に比較して小かった。

実施例２
複合紡糸ノズル温度を４０℃、各層の吐出比を半径の比で１層目から順に３４．３／３８．５／２０．１／６．１／１．０とし、紡糸速度を１５０ｃｍ／ｍｉｎ、窒素流量を７２Ｌ／ｍｉｎとした以外は実施例１と同様にして光伝送体を得た。得られた光伝送体の半径は０．３１５ｍｍであった。

この光伝送体の屈折率分布は中心部が１．５１２、外周部が１．４７７であった。光伝送体の外周部から約３０μｍの部分でレンズの中心部から外周部に向かって屈折率が約０．００６上昇していた。

比較例１と同様にしてレンズアレイを製造して光量を測定した結果、レンズ配列ピッチに対応した周期的な光量ムラは見られたものの光量ムラの値は１２％で比較例１のレンズアレイの場合に比較して小さかった。

従来の光伝送体の光量分布を示す図である。 本発明の光伝送体の屈折率分布を示す図である。 本発明の光伝送体を製造するための製造装置の概略図である。

符号の説明

１ 未硬化の糸状体
２ 相互拡散処理部
３ 硬化処理部
４ 引き取りローラー
５ 光伝送体
６ 巻き取り部
７ 不活性ガス導入口
８ 不活性ガス排出口
９ 同心円状複合ノズル

Claims (1)

1. 硬化させた後に得られる硬化物の屈折率がｎ１、ｎ２、・・・、ｎＮ（Ｎ≧３）であるＮ個の未硬化状物を同心円状に積層して、中心部から外周部に向かって屈折率が順次減少したファイバ状の未硬化状物積層体を形成し、この積層体の各層間の屈折率分布が連続的に変化するように隣接層間の成分の相互拡散処理を行いながら、または前記相互拡散処理を行った後、最外周層から低屈折率成分を相対的に多く揮発させる揮発処理を行い、積層体を硬化処理して、半径ｒ _０ の円形断面であり、中心軸から半径方向に０〜０．８５ｒ _０ の範囲で屈折率がほぼ下記式Ｎ（ｒ）＝Ｎ _０ （１−Ａｒ ^２ ）（ただし、Ｎ _０ ：中心軸上の屈折率、Ａ：屈折率分布定数、Ｎ（ｒ）：中心軸から半径方向の距離がｒの位置での屈折率）で表される屈折率分布を持ち、中心から半径方向の距離が０〜Ｒ（（１−３０／３１５）ｒ _０≦Ｒ≦（１−３５／４６５）ｒ_０）の範囲で中心から半径方向外側に向かって屈折率が連続的に減少し、距離がＲ〜ｒ_０の範囲で中心から半径方向外側に向かって屈折率が連続的に上昇している光伝送体を製造する方法。

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