(57)【要約】一定勾配の誘電率を示すレンズおよびこれの製造方法を開示する。本レンズは、ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電損が低い材料［誘電率を高くする必要に応じて］の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る内部コアを含有する。この内部コアは、好適には、約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積［前記硬化または融合した材料の要素の間に捕捉されている空気空間に相当する］を有する。本レンズは、また、中空ガラス球と硬化性もしくは融合性樹脂の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る外側シェル層も含有する。この外側シェル層は、好適には、約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する。加うるに、本レンズは、中間層を最低限で１層、好適には中間層を２層以上含有し、これらの中間層は１と２の間に入る誘電率を示す。これらの中間層をガラス球と樹脂と誘電損が低い材料［誘電率を高くする必要に応じて］の硬化した実質的に均一な混合物で構成させる。前記内部コアおよび外側シェル層の場合と同様に、この中間層１層または２層以上に持たせるすき間空隙体積は約３０％から約５０％である。また、この上に記述した種類のレンズを生じさせる方法も開示する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定勾配の誘電率を示すレンズであって、
ａ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する内部コア、
ｂ）中空ガラス球と硬化性もしくは融合性樹脂の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する外側シェル層、および
ｃ）前記内部コアと前記外側シェル層の間に位置していてガラス球と樹脂と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化した実質的に均一な混合物を含んで成る１．０より大きい誘電率から２．０未満の範囲の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する２層以上の中間層であるが最も内部の中間層が中間層の中で最も高い誘電率を示して各々逐次的に大きい方の中間層の方が隣接する小さい方の中間層よりも低い誘電率を示す２層以上の中間層、
を含んで成る一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項２】
段階ａ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項３】
段階ｃ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項４】
段階ａ）、ｂ）およびｃ）のガラス球の粒子サイズが約２００ミクロン未満である請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項５】
前記硬化性結合剤がポリエステル、エポキシ、ポリウレタンおよびアクリル系樹脂から成る群から選択される請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項６】
前記融合性結合剤がポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンおよびスチレン共重合体および熱可塑性弾性重合体から成る群から選択される請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項７】
前記ポリオレフィンがポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレン共重合体から成る群から選択される請求項６記載のレンズ。
【請求項８】
前記熱可塑性弾性重合体がスチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＢＳ）共重合体およびスチレン−イソプレン−スチレン（ＳＩＳ）共重合体から成る群から選択される請求項６記載のレンズ。
【請求項９】
前記誘電損が低い材料が示す損失タンジェント（ｔａｎデルタ）がマイクロ波周波数で測定して約０．０１未満である請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１０】
前記誘電損が低い材料が二酸化チタン、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、アルミノシリケート、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムから成る群から選択される請求項１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１１】
一定勾配の誘電率を示すレンズであって、
ａ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する内部コア、
ｂ）ガラス球と硬化性もしくは融合性樹脂の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する外側シェル層、および
ｃ）前記内部コアと前記外側シェル層の間に位置していてガラス球と樹脂と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化した実質的に均一な混合物を含んで成る１．３から１．７の範囲の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する中間層、
を含んで成る一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１２】
段階ａ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１３】
段階ｃ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１４】
前記ガラス球の粒子サイズが約２００ミクロン未満である請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１５】
前記硬化性結合剤がポリエステル、エポキシ、ポリウレタンおよびアクリル系樹脂から成る群から選択される請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１６】
前記融合性結合剤がポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンおよびスチレン共重合体および熱可塑性弾性重合体から成る群から選択される請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項１７】
前記ポリオレフィンがポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレン共重合体から成る群から選択される請求項１６記載のレンズ。
【請求項１８】
前記熱可塑性弾性重合体がスチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＢＳ）共重合体およびスチレン−イソプレン−スチレン（ＳＩＳ）共重合体から成る群から選択される請求項１６記載のレンズ。
【請求項１９】
前記誘電損が低い材料が示す損失タンジェント（ｔａｎデルタ）がマイクロ波周波数で測定して約０．０１未満である請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項２０】
前記誘電損が低い材料が二酸化チタン、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、アルミノシリケート、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムから成る群から選択される請求項１１記載の一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【請求項２１】
一定勾配の誘電率を示すレンズを製造する方法であって、
ａ）内部コア用鋳型と外側シェル用鋳型と２つ以上の中間層用鋳型を含んで成る振動する同心鋳型セットを準備し、
ｂ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記内部コア用鋳型を振動させながら前記内部コア用鋳型をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、
ｃ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた内部コアが約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにし、
ｄ）段階ｃ）で生じさせたコアを最も内部の中間層用の鋳型の中の中心に位置させ、
ｅ）ガラス球と樹脂と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記最も内部の中間層用鋳型を振動させながらこれの空の部分をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、
ｆ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた最も内部の中間層が２．０未満の誘電率であるが以下に記述するより外側の層が示す誘電率よりも大きな誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにし、
ｇ）段階ｆ）の生成物を次のより大きな中間層用の鋳型の中の中心に位置させ、
ｈ）ガラス球と樹脂と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記次のより大きな中間層用の鋳型を振動させながらこれの空の部分をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、
ｉ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた中間層が段階ｆ）で生じさせた層が示す誘電率より小さいが以下に記述するより外側の層が示す誘電率よりも大きな誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにし、
ｊ）場合により、この上に記述した鋳型の設置および満たす段階を繰り返して逐次的に大きくなる同心中間層を生じさせてもよく、
ｋ）最も大きな中間層用の鋳型を用いて生じさせた生成物を外側シェル用鋳型の中の中心に位置させ、
ｌ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記外側シェル用鋳型を振動させながらこれの空の部分をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、そして
ｍ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた外側シェル層が約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにする、
ことを含んで成る方法。
【請求項２２】
段階ｂ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
段階ｅ）およびｈ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記ガラス球の粒子サイズを約２００ミクロン未満にする請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記硬化性結合剤をポリエステル、エポキシ、ポリウレタンおよびアクリル系樹脂から成る群から選択する請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
前記融合性結合剤をポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンおよびスチレン共重合体および熱可塑性弾性重合体から成る群から選択する請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
前記ポリオレフィンをポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレン共重合体から成る群から選択する請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記熱可塑性弾性重合体をスチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＢＳ）共重合体およびスチレン−イソプレン−スチレン（ＳＩＳ）共重合体から成る群から選択する請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
前記誘電損が低い材料が示す損失タンジェント（ｔａｎデルタ）がマイクロ波周波数で測定して約０．０１未満である請求項２１記載の方法。
【請求項３０】
前記誘電損が低い材料を二酸化チタン、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、アルミノシリケート、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムから成る群から選択する請求項２１記載の方法。
【請求項３１】
一定勾配の誘電率を示すレンズを製造する方法であって、
ａ）内部コア用鋳型と外側シェル用鋳型と中間層用鋳型を含んで成る振動する同心鋳型セットを準備し、
ｂ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記内部コア用鋳型を振動させながら前記内部コア用鋳型をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、
ｃ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた内部コアが約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにし、
ｄ）段階ｃ）で生じさせたコアを中間層用鋳型の中の中心に位置させ、
ｅ）ガラス球と樹脂と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記中間層用鋳型を振動させながらこれの空の部分をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、
ｆ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた中間層が２．０未満の誘電率であるが１．０より大きい誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにし、
ｇ）段階ｆ）の生成物を外側シェル用鋳型の中の中心に位置させ、
ｈ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤の実質的に均一な乾燥混合物を準備し、そして前記外側シェル用鋳型を振動させながらこれの空の部分をこの段階の実質的に均一な乾燥混合物で満たし、そして
ｉ）前記硬化性もしくは融合性結合剤を硬化または融合させるが、この段階で生じた外側シェル層が約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有するようにする、
ことを含んで成る方法。
【請求項３２】
段階ｂ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
段階ｅ）のガラス球が中空、固体、または中空と固体の混合物である請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記ガラス球の粒子サイズを約２００ミクロン未満にする請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記硬化性結合剤をポリエステル、エポキシ、ポリウレタンおよびアクリル系樹脂から成る群から選択する請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
前記融合性結合剤をポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンおよびスチレン共重合体および熱可塑性弾性重合体から成る群から選択する請求項３１記載の方法。
【請求項３７】
前記ポリオレフィンをポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレン共重合体から成る群から選択する請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記熱可塑性弾性重合体をスチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＢＳ）共重合体およびスチレン−イソプレン−スチレン（ＳＩＳ）共重合体から成る群から選択する請求項３６記載の方法。
【請求項３９】
前記誘電損が低い材料が示す損失タンジェント（ｔａｎデルタ）がマイクロ波周波数で測定して約０．０１未満である請求項３１記載の方法。
【請求項４０】
前記誘電損が低い材料を二酸化チタン、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、アルミノシリケート、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムから成る群から選択する請求項３１記載の方法。
【請求項４１】
一定勾配の誘電率を示すレンズであって、
ａ）ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約１．６から約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する内部コア、および
ｂ）ガラス球と硬化性もしくは融合性樹脂の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る約１．２から約１．６の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する外側シェル層、
を含んで成る一定勾配の誘電率を示すレンズ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
レンズは、電磁波がレンズを通る時にそれが進む方向を変えるデバイス（ｄｅｖｉｃｅ）である。そのように方向が変わるのは、波が隣接する媒体からレンズの中に入ってそこを通る時に誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）の変化、従って屈折率の変化を受ける結果である。光の周波数で用いられるレンズには、矯正用眼鏡、カメラ、双眼鏡などに用いられるレンズが含まれる。レンズは、また、高周波数の電磁波、例えばマイクロ波周波数の電磁波などに関連する用途が見出される。
【０００２】
重要なサブクラス（ｓｕｂｃｌａｓｓ）のレンズはグラジエントレンズ（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｌｅｎｓ）である。電磁波がグラジエントレンズを通る時にいろいろな誘電率に遭遇する。ルーネベルグ（Ｌｕｎｅｂｅｒｇ）レンズは、限定された誘電率勾配を有する球形のグラジエントレンズであり、特に、非常に幅広い視界を有するアンテナを生じさせようとする時に用いられる。特に、低地球軌道（ｌｏｗ  ｅａｒｔｈ  ｏｒｂｉｔ）（ＬＥＯ）衛星［これは静止（ＧＥＯ）衛星よりも地球にずっと近い所を移動し、従って、高いデータ伝送速度およびインターネットアクセスにより適合している］が基になった通信プロジェクトがそれらに現在興味を持っている。しかしながら、ＬＥＯ衛星が空を横切って移動する時にそれを追跡するのは困難であり、標準的な皿型アンテナ（ｄｉｓｈ  ａｎｔｅｎｎａ）を用いる場合、それが前記衛星と交信を持続するためには、それを動かす必要があるであろう。ルーネベルグアンテナは固定式でも視界全体を横切る衛星を「見る」ことができる。理想的なルーネベルグレンズは、これの外側表面の誘電率が約１．０で中心コア（ｃｏｒｅ）の誘電率が約２．０のレンズである。焦点が球形レンズの表面から離れた所に位置する場合には、本分野の技術者に良く知られた修飾を行う必要がある。
【０００３】
ルーネベルグレンズの物理的加工は非常に難題であることが認められており、いろいろな加工方法が開発されてきた。ルーネベルグの教示によれば、屈折率をレンズの半径座標の関数として連続的に変えるべきである。しかしながら、誘電率が連続的に変わるレンズを加工する実用的な技術は全く示唆されていない。従って、現在実施されているレンズ加工は、理論的な屈折率勾配に段階的に近づくようにいろいろな誘電率を示すレンズ構成要素の層を組み立てることによって行われている。現在の製造方法に関連した欠陥には、とりわけ、層と層の間に空気間隙が存在すると勾配の不連続さが悪化しかつレンズ内で波の散乱が起こることが含まれる。重合体マトリックス（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｍａｔｒｉｘ）を気体で膨張させることによって加工された層にはいろいろな誘電率を有する不均一な領域を示すからレンズ性能が劣る。その上、膨張剤（ｅｘｐａｎｄｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）、通常は揮発性炭化水素を用いると、レンズ製造中に燃焼しかつ毒物を発生すると言った問題が生じる。固体状樹脂マトリックスの中に固定したガラス微細球の中に空気を封じ込めることで加工された発泡体［一般にシンタクティック  フォーム（ｓｙｎｔａｃｔｉｃ  ｆｏａｍｓ）と呼ばれる］は誘電率が約１．４未満の材料を与えず、その誘電率は、レンズの外側表面に望まれる１．０の誘電率から大きく逸脱しており、従って、レンズ性能が劣る。その上、そのようなレンズは重くかつ比較的高い誘電損を示すと特徴づけられる傾向がある。満足される結果をもたらす代替方法は存在するが、非常に高価であることが認められている。現在の製造方法に関連した問題も欠点も克服するルーネベルグレンズの製造方法は本技術分野の有意な進展に相当するであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、一定勾配の誘電率を示すレンズ（ｌｅｎｓ  ｏｆ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）およびこれの製造方法に関する。本レンズは、ガラス球と硬化性もしくは融合性結合剤（ｆｕｓｉｂｌｅ  ｂｉｎｄｅｒ）と誘電損が低い材料（ｌｏｗ−ｌｏｓｓ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）［誘電率を高くする必要に応じて］の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る内部コア（ｉｎｎｅｒ  ｃｏｒｅ）を含有する。この内部コアは、好適には、約２．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  ｖｏｉｄ  ｖｏｌｕｍｅ）［前記硬化もしくは融合した材料の要素（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）の間に捕捉されている空気空間（ａｉｒ  ｓｐａｃｅ）を示す］を有する。
【０００５】
本レンズは、また、中空ガラス球と硬化性もしくは融合性樹脂の硬化もしくは融合した実質的に均一な混合物を含んで成る外側シェル層（ｏｕｔｅｒ  ｓｈｅｌｌ  ｌａｙｅｒ）も含有する。この外側シェル層は、好適には、約１．０の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する。加うるに、本レンズは、中間層を最低限で１層、好適には中間層を２層以上含有し、これらの中間層は１と２の間に入る誘電率を示す。これらの中間層をガラス球と樹脂と誘電損が低い材料［誘電率を高くする必要に応じて］の硬化した実質的に均一な混合物で構成させる。前記内部コアおよび外側シェル層の場合と同様に、この中間層１層または２層以上に持たせるすき間空隙体積は約３０％から約５０％である。
（発明の詳細な説明）
本発明は、１つの面において、一定勾配の誘電率を示すレンズを製造する方法に関する。本製造方法では、充填を行いながら振動させるに適した鋳型セット（ｍｏｌｄ  ｓｅｔ）を用いる。通常の技術および材料を用いてそのような鋳型セットを作成し、このセットに、本質的に中空の球である内部コア用鋳型を含める。この内部コア用鋳型を典型的には２つの半球シェルから組み立てる。これらを組み立てた時、充填用穴（ｆｉｌｌｅｒ  ｈｏｌｅ）は、この鋳型の中に硬化性もしくは融合性材料を注ぎ込むことができる状態である。１層以上の中間層および外側シェル層を流し込むに適した大きなサイズの同様な半球形シェル対を準備する。適切な直径の選択は、マイクロ波源の放射パターン、レンズの所望指向性、レンズ表面に対する焦点の具体的な位置、および選択する層の数の影響を受ける。層の数は製造の容易さに対するレンズ性能の均衡である。ルーネベルグレンズデザイン分野の当業者は所定レンズ性能が達成されるように層の数、レンズの各層の直径および各層の誘電率を理論的に決定し得るであろう。
【０００６】
本発明の方法では、ガラス球、結合剤、そして必要に応じて、誘電損が低い材料を実質的に均一な乾燥混合物の状態になるように一緒にした後、融合または硬化させることで、鋳込まれた固体材料を生じさせる。硬化または融合した時に所望の誘電率を示す組成物になるであろう混合物に到達する目的で用いる理論的計算および仮定を考察するに先立って、最初に、いろいろな材料が示す特性のいくらかそしてそれらが製造工程中にどのように相互作用するかを考察するのが有用である。
【０００７】
本発明に関連して用いるガラス球の大きさの範囲は典型的に約１５ミクロンの粒子サイズから約２００ミクロンの粒子サイズに及ぶ範囲であり、平均粒子サイズは４０−６０ミクロンである。それらは固体状ガラスとしてか或は前以て決めておいた壁厚を持たせた中空ガラス球として入手可能である。そのような球はいろいろな製造業者から入手可能であり、そのような製造業者には３Ｍ  ＣｏｍｐａｎｙおよびＥｍｅｒｓｏｎ  ＆  Ｃｕｍｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．が含まれる。薄壁ガラス球、より厚い壁のガラス球または固体状ガラス球の選択は以下に詳細に考察するように本レンズの物性に影響を与える。当業者は、本開示を充分に知ることで、所望のレンズ性能が達成されるように、入手可能な任意選択の中から球を選択することができかつ場合によりいろいろな球を混合することができるであろう。
【０００８】
本発明に関連して用いるに有用な硬化性結合剤にはポリエステル、エポキシ、ポリウレタンおよびアクリル系樹脂（ａｃｒｙｌｉｃ  ｒｅｓｉｎｓ）が含まれる。本発明に関連して用いるに有用な融合性結合剤にはポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレンおよびスチレン共重合体および熱可塑性弾性重合体が含まれる。この挙げた具体的な結合剤は単に例であり、当業者は、代替の硬化性または融合性結合剤材料を置換することができることを認識するであろう。この結合剤材料を構成する分子要素（ｍｏｌｅｃｕｌａ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）の大きさは前記ガラス球の粒子サイズに匹敵するか或はそれよりも小さい。この結合剤の目的は、前記ガラス球を互いにこれらの接触地点でガラス球とガラス球の間のすき間空隙部を満たすことなく接着させることで寸法的に安定な多孔質構造を作り出すことにある。これを本主題開示の教示に従って実施すると、約３０％から約５０％のすき間空隙体積が生じる。捕捉されたすき間空隙体積を含めることが本方法の新規な面であると考えている。新規なさらなる面は、そのような多孔質構造が寸法的に安定である点にあり、そのような多孔質構造物は前記結合剤を硬化または融合させている時に収縮を示さず、それによって、亀裂も他の内部構造損傷も起こさせることなく同心シェル（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ  ｓｈｅｌｌｓ）を互いの上に鋳込むことが可能になる。そのように捕捉された空気を存在させると、これは、生じた材料が示す誘電率を低くするに役立つ。驚くべきことに、そのようなすき間空隙体積の性質（即ち体積および分布）は注目すべきほど一定でありかつ再現性があることを確かめた。
【０００９】
特に、高い（外側シェル層に比較して）誘電率が要求されるルーネベルグレンズ層で用いるに有用な別の特定成分は、誘電損が低い材料である。好適な態様において、そのように誘電損が低い材料が示す損失タンジェント（ｌｏｓｓ  ｔａｎｇｅｎｔ）（ｔａｎデルタ）はマイクロ波周波数で測定して約０．０１未満である。誘電損が低い好適な材料には、二酸化チタン、窒化ホウ素、二酸化ケイ素、アルミノシリケート（ａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｓ）、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムが含まれる。このような好適な群の中で二酸化チタンが特に良好に適した材料である。このような誘電損が低い材料を誘電率が高い方の層に含有させることで、その層の密度（従って誘電率）を高くする。このような材料を含めることですき間空隙体積の体積および分布が受ける影響は無視出来るほどである。
【００１０】
融合または硬化させた材料の誘電率と密度の間の関係の概算を行う目的で下記のアルゴリズムが適用されることを確認した：
ｌｎ  ｋ’＝（定数）（実際の層密度）
このアルゴリズムにおいて、誘電率（ｋ’）の自然対数（ｌｎ）は、生じた融合または硬化材料が示す実際の層密度とある定数の積に等しい。この定数の値は、当該融合または硬化材料を構成する材料に依存する。例えば、３Ｍ  ＣｏｍｐａｎｙのＫ１  Ｓｃｏｔｃｈｌｉｔｅ  Ｇｌａｓｓ  ＢｕｂｂｌｅｓとデュポンのＰｏｗｄｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｃｌｅａｒ  Ｒｅｓｉｎと二酸化チタンの組み合わせを用いた時の定数の値は約１．２８ｇ／ｃｃである。この組成においてＫ１  Ｇｌａｓｓ  ＢｕｂｂｌｅｓをＫ４６  Ｓｃｏｔｃｈｌｉｔｅ  Ｇｌａｓｓ  Ｂｕｂｂｌｅｓに変えると結果として定数が約１．１８ｇ／ｃｃになる。この定数の値は、試験サンプルの実際の測定層密度と誘電率値の統計的回帰によって決まる。
【００１１】
融合または硬化した層の実際の密度は、真の粒子密度（ＴＰＤ）に「充填率（ｐａｃｋｉｎｇ  ｆａｃｔｏｒ）」［これは、すき間空隙の中に捕捉されている空気の存在を説明するものである］を掛けた値に等しい。前記充填率は１からすき間空隙体積を引いた値に等しい。本主題開示の教示に従って加工を実施した時の充填率は約０．７から約０．５の範囲であろう。この充填率は、層材料を構成する材料そして鋳型を振動させる条件の影響を受け、平均値は約０．６５である。
【００１２】
ＴＰＤの計算、「充填率」の導入そしてこの上にｋ’に関して説明したアルゴリズムの解を示す例を考慮することは有益である。下記の材料を指定比率（体積による）で混合する例を考慮する。
【００１３】
ガラス球（密度０．４６ｇ／ｃｍ３）を８３．７％
樹脂（密度１．３ｇ／ｃｍ３）を１４．８％
二酸化チタン（密度４．３ｇ／ｃｍ３）を１．５％
ＴＰＤを下記の如く部分密度（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）の合計として計算する：
（０．８３７）（０．４６ｇ／ｃｍ３）＋（０．１４８）（１．３ｇ／ｃｍ３）＋
（０．０１５（４．３ｇ／ｃｍ３）＝０．６４２ｃｍ３
次に、それに「充填率」を掛けることでＴＰＤを調整する。
（０．６４２ｇ／ｃｍ３）（０．６５）＝０．４１７ｇ／ｃｍ３
その積である０．４１７ｇ／ｃｍ３が実際の材料密度（これは実験で実証可能である）に非常に近い近似値を示す。次に、この値を用いてこの上に示したアルゴリズムを解くことができるが、その解にはｋ’変数が含まれる。
ｌｎ  ｋ’＝（１．１８）（０．４１７）
ｌｎ  ｋ’＝０．４９２
ｋ’＝１．６４
本発明の方法の最初の段階は中心コアを生じさせる段階である。「背景技術」項で考察したように、球形ルーネベルグレンズの中心部に持たせる誘電率は約２．０である。このレンズの内部コアを生じさせるには、密度を必要な誘電率を達成するに充分な度合にまで高める目的で内部コアに誘電損が低い材料、例えば二酸化チタンなどを含める必要があり得る。
【００１４】
ガラス球に対する結合剤の体積比を有効範囲の下限の約５−１０％から有効範囲の上限の約３０％の範囲にする。結合剤の使用量があまりにも少ないと、そのような組成物はこなごなになる傾向がある。結合剤の使用量があまりにも多いと、そのような材料を融合または硬化させている間に捕捉されるすき間空隙の量が少なくなり、それによって、そのような材料は収縮を起こす。そのように収縮が起こると結果として同心層の互いの鋳込みが劣りかつ内部に応力が発生する可能性があり、それによって、層の亀裂が起こりかつレンズの性能が劣る可能性がある。
【００１５】
材料を混合する装置を用いて混合すべき材料の量を正確に選択することを可能にする１つの方法は、この上に示した誘電率と実際の層密度の間の関係を用いて前以て決めておいた誘電率を示すルーネベルグレンズ層を生じさせる方法である。例えば、誘電率が１．２の中間層を生じさせることを考慮する。Ｋ１  Ｓｃｏｔｃｈｌｉｔｅ  Ｇｌａｓｓ  ＢｕｂｂｌｅｓとＣｒｙｓｔａｌ  Ｃｌｅａｒ樹脂と二酸化チタンを用いた時の誘電率と実際の層密度の間の関係：
ｌｎ  ｋ’＝１．２８（実際の層密度）
実際の層密度＝ｌｎ  ｋ’／１．２８
＝ｌｎ（１．２）／１．２８
＝０．１８／１．２８
＝０．１４ｇ／ｃｃ
を用い、充填率を０．６５として採用すると
ＴＰＤ＝実際の層密度／充填率
＝０．１４／０．６５
＝０．２２ｇ／ｃｃ
になる。ガラス球と樹脂と二酸化チタンのいろいろな組み合わせが０．２２ｇ／ｃｃのＴＰＤを満足させ得るが、実験研究により、ルーネベルグレンズの外側層に望まれる誘電率の達成には必ずしも誘電損が低い材料、例えば二酸化チタンなどを含める必要はないことが分かった。従って、選択した例では、ガラス球（密度０．１２５ｇ／ｃｃ）が５２ｇで樹脂（密度１．３ｇ／ｃｃ）が４８ｇの混合物を用いて所望のＴＰＤを達成することができる：
ＴＰＤ＝成分の重量の合計／成分の体積の合計
成分の重量の合計＝５２ｇ＋４８ｇ
＝１００ｇ
成分の体積の合計＝５２ｇ／０．１２５ｇ／ｃｃ＋４８ｇ／１．３ｇ／ｃｃ
＝４１６ｃｃ＋３６．９ｃｃ
＝４５２．９ｃｃ
ＴＰＤ＝１００ｇ／４５２．９ｃｃ
＝０．２２ｇ／ｃｃ
この材料の組み合わせは、また、ガラス球に対する結合剤の好適な体積比が５−１０％から約３０％の範囲であると言った制限も満足させる：
結合剤の体積／ガラス球の体積＝３６．９ｃｃ／４１６ｃｃ
＝９％
このような配合を作成して、誘電率を測定した。所望誘電率から若干逸脱している場合には、そのような配合を少し調整して補正する。
【００１６】
レンズに与える層の数およびそれらの誘電率は性能要求に大きく依存する。例えば、中間層が１層のみの比較的粗雑なレンズを製造することも可能である。より精巧な用途には理論的上限はない。しかしながら、実際面から言うと層の数を５０−１００層にするとルーネベルグレンズの性能は高くなるであろうが高価になりかつ製造が困難になるであろう。
【００１７】
レンズの性能要求が低くてコストの考慮が優先する用途では、本発明の教示を取り入れた２層レンズを構築することができる。そのような２層レンズでは、これにガラス球と硬化性または融合性結合剤と誘電率を高くする必要に応じて誘電損が低い材料の硬化または融合した実質的に均一な混合物の内部コアを含めることになるであろう。好適には、この内部コアに持たせる誘電率を約１．６から約２．０にしそしてすき間空隙体積を約３０％から約５０％にすることになるであろう。このような２層レンズでは、これに、また、ガラス球と硬化性または融合性樹脂の硬化または融合した実質的に均一な混合物を含んで成っていて約１．２から約１．６の誘電率および約３０％から約５０％のすき間空隙体積を有する外側シェル層も含めることになるであろう。
【００１８】
実際、そのような内部コアで選択した混合物を用いて、この材料が内部コア用鋳型を充分に満たすことを確保する目的で前記鋳型を振動させながらこれを前記材料で満たす。次に、この材料に処理をこの材料が融合または硬化するような様式で受けさせる。この硬化または融合過程は、当業者に良く知られているように、選択した結合剤に依存する。次に、その内部コア用鋳型を外し、その生じた内部コアを鋳型セットの中の次に大きい鋳型の中に入れて中心に固定する。次に、前以て決めておいた誘電率を示す材料が生じるように計算しておいた混合物で前記鋳型を満たした後にその材料を融合または硬化させることで、前記内部コアの回りに１番目の中間層を生じさせる。前記内部コア用鋳型を満たす様式と同じ様式で、この鋳型充填段階および次の鋳型充填段階の全部を鋳型セットを振動させながら実施する。この過程を最後の外側層（ｋ’が約１．０）が生じるまで繰り返す。
【００１９】
当業者は、本出願の教示は球形レンズばかりでなく一定勾配の誘電率を示す半球形レンズを製造しようとする時にも有用であることを認識するであろう。半球形レンズはいろいろな情況で使用可能である（例えば米国特許第５，７８１，１６３号を参照）。
【００２０】
本発明は、この上で考察した製造方法に加えて、また、組成物にも関する。より具体的には、ガラス球と硬化性または融合性結合剤と誘電損が低い材料の硬化または融合した実質的に均一な混合物を含んで成る内部コアを有する一定勾配の誘電率を示すレンズを開示する。この上で考察したように、その内部コアに持たせる誘電率は約２．０である。本明細書に開示した層の全部と同様に、その内部コア層に持たせるすき間空隙体積は約３０％から約５０％である。
【００２１】
本発明の一定勾配誘電レンズ（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｌｅｎｓ）は、更に、中空ガラス球と硬化性または融合性樹脂の硬化または融合した実質的に均一な混合物を含んで成っていて約１．０の誘電率を示す外側シェル層も含んで成る。
【００２２】
前記外側シェル層と内部コアの間に、前記外側シェル層が示す誘電率と前記内部コアが示す誘電率の間の誘電率を示す中間層を１層以上存在させる。好適な態様では、中間層を２層以上生じさせる。
【実施例】
【００２３】
以下に記述する実施例は、１．６の誘電率を示す中間層を生じさせることに関する。この上で考察したように、この上に示した誘電率と実際の層密度の間の関係を用いて前以て決めておいた誘電率を有するルーネベルグレンズ層が生じるように混合すべき材料の量を正確に選択することができる。この実施例では、Ｋ４６  Ｓｃｏｔｃｈｌｉｔｅ  Ｇｌａｓｓ  ＢｕｂｂｌｅｓとＣｒｙｓｔａｌ  Ｃｌｅａｒ樹脂と二酸化チタンを用いた。
ｌｎ  ｋ’＝１．１８（実際の層密度）
実際の層密度＝ｌｎ  ｋ’／１．１８
＝ｌｎ（１．６）／１．１８
＝０．４７／１．１８
＝０．４０ｇ／ｃｃ
充填率は０．６５であると仮定すると、
真の粒子密度（ＴＰＤ）＝実際の層密度／充填率
＝０．４０／０．６５
＝０．６２ｇ／ｃｃ
になる。ガラス球と樹脂と二酸化チタンのいろいろな組み合わせが０．６２ｇ／ｃｃのＴＰＤを満足させ得るが、ガラス球と樹脂のみを含有させた混合物がより簡単な製造状態に相当する。従って、この場合には、以下に示すように、ガラス球（密度０．４６ｇ／ｃｃ）が６０ｇで樹脂（密度１．３ｇ／ｃｃ）が４０ｇの混合物を用いて所望のＴＰＤを達成した：
ＴＰＤ＝成分の重量の合計／成分の体積の合計
成分の重量の合計＝６０ｇ＋４０ｇ
＝１００ｇ
成分の体積の合計＝６０ｇ／０．４６ｇ／ｃｃ＋４０ｇ／１．３ｇ／ｃｃ
＝１３０．４ｃｃ＋３０．８ｃｃ
＝１６１．２ｃｃ
ＴＰＤ＝１００ｇ／１６１．２ｃｃ
＝０．６２ｇ／ｃｃ
この材料の組み合わせは、また、以下に示すように、ガラス球に対する樹脂結合剤の好適な体積比が５−１０％から約３０％の範囲であると言った制限も満足させる：
樹脂結合剤の体積／ガラス球の体積＝３０．８ｃｃ／１３０．４ｃｃ
＝２３．６％
このような配合を作成して、試験を行った結果、下記の結果を得た：
バッチ番号：９０１４９０
測定誘電率＝１．５４
目標誘電率＝１．６０
実際に測定した層密度＝０．３８ｇ／ｃｃ
実際の目標層密度＝０．４０ｇ／ｃｃ
実際の充填率＝０．６１３
目標充填率＝０．６５
バッチ９０１４９０が示した誘電率は目標のそれよりも若干低かったことから、下記の若干の調整を行った。バッチ９０１４９０の充填率は目標値よりも若干低かった。以下に示すように、より低い充填率を採用して、目標の真の粒子密度を再び計算した。
真の粒子密度（ＴＰＤ）＝実際の層密度／充填率
＝０．４０／０．６２
＝０．６５ｇ／ｃｃ。
以下に示すように、Ｋ４６  Ｇｌａｓｓ  Ｂｕｂｂｌｅｓが５４ｇでＣｒｙｓｔａｌ  Ｃｌｅａｒ樹脂が４６ｇの混合物を用いるとそのような目標のＴＰＤを達成することができる。
ＴＰＤ＝成分の重量の合計／成分の体積の合計
成分の重量の合計＝５４ｇ＋４６ｇ
＝１００ｇ
成分の体積の合計＝５４ｇ／０．４６ｇ／ｃｃ＋４６ｇ／１．３ｇ／ｃｃ
＝１１７．４ｃｃ＋３５．４ｃｃ
＝１５２．８ｃｃ
ＴＰＤ＝１００ｇ／１５２．８ｃｃ
＝０．６５ｇ／ｃｃ
このような配合を作成して、試験を行った結果、下記の結果を得た：
バッチ番号：９０１５５０
測定誘電率＝１．５８
目標誘電率＝１．６０
このバッチの誘電率は目標の誘電率に非常に近いが、このような材料の組み合わせは、以下に示すように、ガラス球に対する樹脂結合剤の好適な体積比が５−１０％から約３０％の範囲であると言った制限の上限に近い：
樹脂結合剤の体積／ガラス球の体積＝３５．４ｃｃ／１１７．４ｃｃ
＝３０．２％
前記２成分の配合を更にいくらか調整するのではなく二酸化チタンを前記配合に添加して目標の誘電率を達成した。この上に示した実施例と同様に目標の真の粒子密度は約０．６５であることから、下記の材料組み合わせを用いてもよい：Ｋ４６  Ｇｌａｓｓ  Ｂｕｂｂｌｅｓが６０ｇでＣｒｙｓｔａｌ  Ｃｌｅａｒ樹脂が３０ｇで二酸化チタン（密度４．３）が１０ｇ。
ＴＰＤ＝成分の重量の合計／成分の体積の合計
成分の重量の合計＝６０ｇ＋３０ｇ＋１０ｇ
＝１００ｇ
成分の体積の合計＝６０ｇ／０．４６ｇ／ｃｃ＋３０ｇ／１．３ｇ／ｃｃ＋１０ｇ／４．３ｇ／ｃｃ
＝１３０．４ｃｃ＋２３．１ｃｃ＋２．３ｃｃ
＝１５５．８ｃｃ
ＴＰＤ＝１００ｇ／１５５．８ｃｃ
＝０．６４ｇ／ｃｃ
このような材料の組み合わせは、以下に示すように、ガラス球に対する樹脂結合剤の好適な体積比が５−１０％から約３０％の範囲であると言った制限をより良好に満足させた。
樹脂結合剤の体積／ガラス球の体積＝２３．１ｃｃ／１３０．４ｃｃ
＝１７．７％
このような配合を作成して、試験を行った結果、下記の結果を得た：
バッチ番号：９０１５８０
測定誘電率＝１．６０
目標誘電率＝１．６０
【国際公開パンフレット】
2005500562.tif 000002
2005500562.tif 000003
2005500562.tif 000004
2005500562.tif 000005
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2005500562.tif 000007
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2005500562.tif 000009
2005500562.tif 000010
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2005500562.tif 000012
2005500562.tif 000013
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2005500562.tif 000024
2005500562.tif 000025
2005500562.tif 000026
2005500562.tif 000027
【国際調査報告】
2005500562.tif 000028
2005500562.tif 000029
2005500562.tif 000030