(57)【要約】【課題】優れた防湿性を有するプラスチック製光学素子を提供する。【解決手段】温度４０℃、相対湿度２０％の雰囲気に３０日間放置した後、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で更に３０日間放置したときの吸湿による質量増加が０．１質量％以下であることにより、前記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度４０℃、相対湿度２０％の雰囲気に３０日間放置した後、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で更に３０日間放置したときの吸湿による質量増加が０．１質量％以下という特性を有することを特徴とするプラスチック製光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズム等の光学素子の技術分野に属し、詳しくは、吸湿（吸水）による特性変化が極めて少ないプラスチック製の光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カメラのレンズやファインダ、コピー機器、プリンタ、プロジェクタ、光通信等に用いられる各種のレンズやプリズム、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、拡大鏡等の光学素子は、ガラスを材料として製造されることが多かった。しかし、近年のプラスチック成形技術の進歩に伴い、原料が安く、大量生産が可能で、かつ軽量な、プラスチックによってレンズやプリズムが製造されるようになってきた。
【０００３】
ところが、プラスチックは吸湿によって屈折率や形状が変化してしまう。そのため、高級な一眼レフカメラのレンズなど、高い精度を要求される光学素子の材料に使用する場合には、制約が多く、逆に使い難い場合もある。
【０００４】
このような問題点を解決するために、ポリマー構造の設計等により、高い防湿性を有する（すなわち吸湿性の低い）プラスチック素材の開発も行われているが、その種類は少なく、コストを含めて光学素子の設計自由度は限られている。
また、光学部品の反射防止層の表面に、その反射防止層とは異なる材料を厚み０．５ｎｍ〜２０ｎｍで被覆し、これに撥水撥油処理を行うことが知られている（特許文献１）。しかし、この撥水撥油処理はシランカップリング剤による単層皮膜であり、撥水機能はあるものの、吸湿を防止することはできない。また、防湿性を有するプラスチック製の光学素子を得るために、光学素子の成形段階等において疎水性物質を添加したり、光学素子を非透湿性のバリア膜で覆うことが行われている。しかしながら、これらの方法では、十分な防湿性を有するプラスチック製の光学素子を得るには至っていない。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１４８４０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決することにあり、軽量、低コスト、生産性等に優れたプラスチック製の光学素子であって、優れた防湿性を有し、環境に存在する水分の影響を受けても光学特性の変化が極めて少なく、しかも、互いに光学特性の異なる光学素子を容易に実現することができるプラスチック製光学素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した結果、温度４０℃、相対湿度２０％の雰囲気に３０日間放置した後、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で更に３０日間放置したときの吸湿による質量増加が０．１質量％以下という特性を有する光学素子であれば、優れた防湿性を有し、環境に存在する水分の影響を受けても光学特性の変化が極めて少ないことが分かった。このような特性は、例えば、プラスチック製の光学素子の表面を、下層の無機系被膜と上層の有機系被膜とからなる多層膜で被覆したことにより実現できる。
【０００８】
ここで、前記無機系被膜は、酸化珪素を主成分とする被膜であるのが好ましく、さらに、前記有機系被膜は、ポリ塩化ビニリデン、フッ素含有ポリマー、および珪素含有ポリマーから選択される１以上を主成分とする被膜であるのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプラスチック製光学素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に、詳細に説明する。
【００１０】
図１に、本発明のプラスチック製光学素子の一例の概念図を示す。
図１のプラスチック製光学素子１０（以下、光学素子１０とする）は、本発明をレンズに利用したものであって、光学素子基板１２（以下、基板１２とする）と、基板１２の上に形成される無機系被膜１４と、無機系被膜１６の上に形成される有機系被膜１６とを有して構成される。
【００１１】
なお、本発明のプラスチック光学素子は、図示例のようなレンズに限定されず、これ以外にも、プリズム、光学フィルタ、光学スクリーン、偏向素子、偏光素子、光反射部材等、カメラ（銀塩カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等）などの撮像装置の撮影光学系やファインダ、複写機やプリンタなどの画像形成装置、プロジェクタ、眼鏡やコンタクトレンズ、望遠鏡や双眼鏡、拡大鏡などの各種の機器に組み込まれ、あるいは単独で用いられ、光学機能を発揮する各種の部材や部品が利用可能である。
【００１２】
前述のように、図示例の光学素子１０は、本発明をレンズに利用したものであり、基板１２は通常のプラスチック製のレンズである。
本発明において、基板１２には特に限定はなく、レンズ以外にも、プラスチック製であれば、前記各種の光学素子となり得る、各種の光学素子基板（すなわち公知の光学素子）が利用可能である。
【００１３】
また、基板１２の形成材料にも限定はなく、通常の光学素子（部品）で利用されている、各種のプラスチック材料（樹脂材料）が利用可能である。一例として、メタクリル樹脂（例えば、ＰＭＭＡ等）、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル・スチレン（ＡＳ）樹脂、トリシクロデカン環を含む樹脂、シクロオレフィンポリマ、ポリメチルペンテン、スチレン・ブタジエンコポリマ、フルオレン基を有するポリエステル、シクロオレフィン系樹脂等が挙げられる。
特に、結像光学系において色消し効果を得るためには、分散特性の異なる少なくとも２種の材料が必要である。その一つは吸湿による屈折率変化が少なく、光学歪も少ないという特性を持つシクロオレフィン系樹脂が候補となり得る素材で、このＡｂｂｅ数は５５程度である。これに組み合わせる素材として、光学設計上Ａｂｂｅ数３０程度のポリカーボネート樹脂や芳香族ポリエステル樹脂が好適である。
【００１４】
さらに、基板１２の形成方法にも、特に限定はなく、使用するプラスチック材料に応じて、射出成形、射出圧縮形成、圧縮成形等、公知のプラスチックの成形方法が全て利用可能である。
【００１５】
図示例の光学素子１０においては、このような基板１２の全面を覆って無機系被膜１４を有し、さらに、この無機系被膜１４の全面を覆って有機系被膜１６を有する。すなわち、基板１２の全面を、下層の無機系被膜１４と上層の有機系被膜１６とからなる多層膜で被覆してなる構成を有する。
【００１６】
無機系被膜１４と有機系被膜１６とからなる多層膜は、非常に優れた防湿膜として作用する。
そのため、このような多層膜で基板１２の全面を被覆してなる本発明の光学素子１０は、非常に優れた防湿性（耐湿性（耐吸湿性））を発現し、高質度環境下に曝されても吸湿することなく、環境に存在する水分に起因する特性変化が極めて少ない。しかも、多層膜で基板１２を被覆してなる構成であるので、成膜さえ可能であれば、光学特性の異なる様々な基板１２の素材（プラスチック材料）に対応して、防湿性に優れた光学素子１０を実現でき、例えば、レンズに利用することにより、光学特性の異なるレンズを組み合わせて、防湿性に優れ、かつ、色収差等の無い高精度な結像光学系を実現できる。
【００１７】
無機系被膜１４と有機系被膜１６とを併用した多層膜を有することにより、優れた防湿性を発現する理由は定かでは無いが、両者は、互いに異なる積層原理や膜構成を有するので、互いの欠陥や欠点を埋め合うあるいは補い合うと共に、それぞれの膜が有する防湿性能を相乗的に得ることができ、その結果、非常に優れた耐湿性を得ることができると考えられる。
また、一般的に、無機系被膜１４は硬質でピンホールやクラック等が多く、逆に、有機系被膜１６はある程度の弾性を有する。そのため、本発明のように、下層に無機系被膜１４、上層に有機系被膜１６を有する多層膜によれば、無機系被膜１４のピンホール等を有機系被膜１６が好適に埋めて、結果的に欠陥の無い被膜を形成でき、無機系被膜１４の防湿性能を完全に生かした非常に高い防湿性能を発現できる。しかも、弾性を有する有機系被膜１６が、外部からのストレスに対する耐性や、熱等による基板１２の膨張／収縮に対して無機系被膜１４を保護する保護膜としても作用するので、強度も十分に確保して、長期にわたって良好な耐湿性を発揮できる。
【００１８】
本発明の光学素子１０において、無機系被膜１４には特に限定はなく、十分な透明性を有し、かつ、透湿性を有さないものであれば、無機材料を主成分とする各種の薄膜が利用可能である。
好適な一例として、ＳｉＯ２  、ＳｉＯ、ＺｒＯ２  、ＴｉＯ２  、ＴｉＯ、Ｔｉ２  Ｏ３  、Ａｌ２  Ｏ３  、Ｔａ２  Ｏ５  、ＣｅＯ２  、ＭｇＯ、Ｙ２  Ｏ３  、ＳｎＯ２  、ＭｇＦ２  、ＷＯ３  、ＩｎとＳｎの混合酸化物からなる混合物が挙げられる。
何れの被膜であっても、無機系被膜１４は、できるだけ緻密な構造を有し、かつ目的とする波長の光線の吸収が少ない被膜であるのが好ましい。
【００１９】
また、無機系被膜１４の膜厚には特に限定はなく、被膜の組成や有機系被膜１６との組み合わせに応じて、必要な透明性が確保でき、かつ、目的とする防湿性能を発揮できる膜厚を、適宜、設定すればよい。
本発明者の検討によれば、一般的に、無機系被膜１４の膜厚は、好ましくは、５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。係る範囲であれば、防湿性能に影響を与えるピンホールの数が少ないからである。また、１０００ｎｍより厚くしても、防湿性という観点からは、その寄与は最早少ないからである。
【００２０】
このような無機系被膜１４の形成方法には、特に限定は無く、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）  などの各種の乾式成膜法や、ゾル−ゲル法などの各種の湿式成膜法が利用可能であり、形成する被膜の組成や膜厚等に応じて、適宜、選択すればよい。
さらに、ゾル−ゲル法などの湿式の成膜法を利用する際における、溶液の塗布方法にも、特に限定は無く、ディップコート、スプレーコート、スピンコート等各種の塗布方法が利用可能であるが、容易に基板１２の全面に溶液を塗布すなわち無機系被膜１４を成膜できる等の点で、ディップコート（浸漬塗布）が好ましく例示される。
ゾルーゲル法による場合、無機系被膜は、例えば、アルコキシシラン化合物を加水分解することにより得られるが、市販品では日本ダクロシャムロック社製のソルガード（ＳｏｌＧａｒｄ）ＴＭ等を用いることができる。
【００２１】
本発明の光学素子１０において、有機系被膜１６にも、特に限定はなく、十分な透明性を有し、かつ、透湿性を有さないものであれば、有機材料を主成分とする各種の薄膜が利用可能である。
好適な一例として、ポリ塩化ビニリデンや塩化ビニリデン−塩化ビニル共重合体などを主成分とする被膜、日本ゼオン社製のゼオネックス（ＺＥＯＮＥＸ）ＴＭなどのシクロオレフィン系樹脂を主成分とする被膜、旭硝子社製のサイトップ（ＣＹＴＯＰ）ＴＭやデュポン社製のテフロンＴＭＡＦ（ＴｅｆｌｏｎＴＭＡＦ）などの非晶フッ素樹脂（アモルファスフルオロポリマー）を主成分とする被膜、住友３Ｍ社製のノベック（Ｎｏｖｅｃ）ＴＭなどのフッ素系樹脂を主成分とする被膜、信越化学工業の信越シリコーンＫＲ２５１、ＫＲ４００、ＫＲ１１４Ａ等のシリコーン系樹脂を主成分とする被膜等が例示される。
【００２２】
また、有機系被膜１６の膜厚には特に限定はなく、被膜の組成や無機系被膜１４との組み合わせに応じて、必要な透明性が確保でき、かつ、目的とする防湿性能を発揮できる膜厚を、適宜、設定すればよい。
本発明者の検討によれば、一般的に、有機系被膜１６の膜厚は、好ましくは、２００ｎｍ〜１０００ｎｍである。係る範囲であると、防湿性に影響を与えるピンホールの数が少なく、また１０００ｎｍより厚くしても、防湿性という観点からは、その寄与は最早少ないからである。
【００２３】
さらに、有機系被膜１６の光学特性としては、光線透過性が良好で、屈折率が低いことが好ましい。屈折率が低いと入射光の表面反射によるロスが少なく、結果として光線透過率が向上するからである。光学的な設計を適切に行い、本発明になる防湿膜に、機能反射防止、ハードコート等の機能を併せ持たせることも可能である。
【００２４】
このような有機系被膜１６の形成方法には、特に限定は無く、被膜となる樹脂成分を溶解あるいは分散してなる塗料を調整して塗布／乾燥する成膜法などの各種の湿式成膜法や、プラズマ重合やＣＶＤなどの各種の乾式成膜法が利用可能であり、形成する被膜の組成や膜厚等に応じて、適宜、選択すればよい。
また、塗料を用いる湿式の成膜法において、塗料の塗布方法には、特に限定はなく、スプレー塗布、刷毛による塗布、ディップコートなど、各種の方法が利用可能であるが、先と同様、容易に基板１２の全面に溶液を塗布すなわち有機系被膜を成膜できる等の点で、ディップコートが好ましく例示される。
【００２５】
なお、有機系被膜１６の成膜に先立ち、必要に応じて、無機系被膜１４と有機系被膜１６との密着性を向上するために、無機系被膜１４の表面にアンカーコート等の密着性向上処理を施してもよい。
【００２６】
本発明の光学素子１０において、無機系被膜１４および／または有機系被膜１６の膜厚は、全面にわたって均一である必要はなく、目的とする防湿性が得られれば、基本的に、光学的に作用する領域のみが、光学特性に対応する所定の膜厚となっていればよく、例えば、光線透過に関与しない縁や端部領域の膜厚が他の領域に比して厚いもしくは薄い等の構成であってもよい。
また、光学的に作用する領域も、必ずしも均一な膜厚である必要はなく、要求される光学特性に対応できれば、ある程度の膜厚分布を有してもよい。
【００２７】
前述のように、本発明の光学素子１０は、優れた防湿性を有し、高湿度環境下に放置した場合であっても、吸湿に起因する特性変化は極めて小さい。
好適な一例として、本発明を図示例のようなレンズに利用した際には、前述のような無機系被膜１４と有機系被膜１６とからなる多層膜で基板１２の全面を被覆することにより、温度４０℃、相対湿度２０％の雰囲気に３０日間放置した後、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で更に３０日間放置したときの吸湿による質量増加が０．１質量％以下という特性を有し、その結果、優れた防湿性を有し、環境に存在する水分の影響を受けても焦点位置等の光学特性の変化が極めて少ないレンズが実現できる。
【００２８】
以上、本発明のプラスチック製光学素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
【００２９】
例えば、以上の例は、基板１２の上に、直接無機系被膜１４と有機系被膜１６とからなる多層膜を形成しているが、本発明は、これに限定はされず、基板１２と多層膜との間に、屈折率調整用の被膜、反射防止膜、密着性向上のための被膜等を有してもよい。また、多層膜を覆って、反射防止膜、屈折率調整用の被膜、密着性向上のための被膜、損傷防止用のバリア膜等を有してもよい。すなわち、本発明のプラスチック製光学素子においては、基板１２の全面を前記多層膜で被覆していれば、各種の被膜を形成してなる層構成が利用可能である。
また、以上の例では、無機系被膜１４および有機系被膜１６は、共に、１層であったが、本発明はこれに限定はされず、無機系被膜１４および／または有機系被膜１６は、必要に応じて、多層の薄膜から構成されてもよい。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００３１】
［実施例１］
（光学素子）基板１２として、レンズ径が１５ｍｍ、１面および２面の半径が共に２０ｍｍ、中心厚みが２．５ｍｍである、射出成形によって作製されたポリカーボネート製の凸レンズを用意した。
この凸レンズの全面に、スパッタリングによって、ＳｉとＯとからなる厚さ約１００ｎｍの無機系被膜１４を成膜した。なお、スパッタリングは、ターゲットとしてシリコーンプレートを用い、導入ガスＡｒ／Ｏ２  ＝４５／５５［ｓｃｃｍ］、成膜圧力０．７Ｐａ、放電電力２ｋＷの条件で行った。
次いで、無機系被膜１４の表面にウレタン系アンカーコート（三井武田ケミカル製、主剤：タケラックＡ−３１０、硬化剤：タケネートＡ−３）を施し乾燥させた後、旭化成製のサランラテックスを用いて厚さ約８００ｎｍの塩化ビニリデン膜を有機系被膜１６として成膜した。なお、アンカーコートおよび塩化ビニリデンの被膜は、ディップコート法で塗布し、これを７０℃で乾燥することで成膜した。
得られた凸レンズを３５℃で相対湿度２０％の雰囲気下に３日間エージングして、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
【００３２】
［実施例２］
前記実施例１と同じ基板１２の全面に、日本ダクロシャムロック社製のソルガードプライマーをディップコート法で塗布し、９０℃で２０分乾燥後、更にソルガードＮＰ７３０をディップコート法で塗布した。これを１２０℃で１時間硬化処理することにより、ＳｉとＯとからなる厚さ約３００ｎｍの無機系被膜１４をゾル−ゲル法によって成膜した。
この無機系被膜１４の表面に、前記実施例１と全く同様にして塩化ビニリデン膜を成膜して有機系被膜１６とし、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
【００３３】
［実施例３］
塩化ビニリデン膜に変えて、フッ素系樹脂を主成分とする厚さ約１μｍの被膜を有機系被膜１６として形成した以外は、前記実施例２と全く同様にして、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
なお、フッ素系樹脂を主成分とする被膜は、無機系被膜１４の全面に、ディップコート法によって住友３Ｍ社製のノベックＥＧＣ−１７００を塗布し、５０℃で乾燥することによって成膜した。
【００３４】
［実施例４］
塩化ビニリデン膜に変えて、フッ素系樹脂を主成分とする厚さ約１μｍの被膜を有機系被膜１６として成膜した以外は、前記実施例１と全く同様にして、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
なお、フッ素系樹脂を主成分とする被膜は、無機系被膜１４の全面に、ディップコート法によって旭硝子社製のサイトップＣＴＬ−１０７Ｍを塗布し、１２０℃で２分間乾燥することによって成膜した。
【００３５】
［実施例５］
基板１２の形成材料がカネボウ社製のＯ−ＰＥＴである以外は、前記実施例１と全く同様にして、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
【００３６】
［実施例６］
基板１２の形成材料が三菱レイヨン社製のＶＨ−００１（ＰＭＭＡ）である以外は、前記実施例１と全く同様にして、基板１２の全面を無機系被膜１４と有機系被膜１６との多層膜で被覆してなる、本発明の光学素子にかかる凸レンズを作製した。
【００３７】
［比較例１］
有機系被膜１６（塩化ビニリデン膜）を成膜しない以外は、前記実施例１と全く同様にして凸レンズを作製した。
【００３８】
［比較例２］
無機系被膜１４（ＳｉとＯとからなる被膜）を成膜しない以外は、前記実施例１と全く同様にして凸レンズを作製した。
【００３９】
［比較例３］
前記実施例１と同じ基板１２の表面にウレタン系アンカーコート（三井武田ケミカル社製、主剤：タケラックＡ−３１０、硬化剤：タケネートＡ−３）を施し乾燥させた後、旭化成製のサランラテックスを用いて厚さ約８００ｎｍの塩化ビニリデン膜を有機系被膜１６として形成した。なお、アンカーコートおよび塩化ビニリデンの被膜は、ディップコートによって塗布し、７０℃で乾燥することで、成膜した。
次いで、この有機系被膜１６  の全面に、実施例１と同様にして、無機系被膜１４を成膜して、下層の有機系被膜１６と上層の無機系被膜１４とからなる多層膜を有する凸レンズを作製した。
【００４０】
［比較例４］
サランラテックスを２０倍に希釈して用いた以外は、前記実施例１と全く同様にして多層膜を有する凸レンズを作製した。
【００４１】
［比較例５］
スパッタ時間を短縮して無機系被膜１４の膜厚を約４０ｎｍにした以外は、前記実施例１と全く同様にして多層膜を有する凸レンズを作製した。
【００４２】
［防湿性試験］
・防湿性能
作製した凸レンズを温度４０℃、相対湿度２０％の雰囲気に３０日間放置した後（防湿性能評価前）、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気で更に３０日間放置したときの質量増加（防湿性能評価後）を持って吸湿の代替評価とする。結果を下記表１に示す。
・光学性能
作製した凸レンズについて、上記の防湿性能評価前後の焦点位置を、光軸近傍付近の平行入射光（Ｄ線）を用いて求めた。防湿性能評価前および評価後の各凸レンズの焦点位置［ｍｍ］、および、焦点位置の変化率［％］を、下記表１に併記する。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１に示される結果より明らかなように、基板１２（凸レンズ）の表面全面を下層の無機系被膜１４と上層の有機系被膜１６とからなる多層膜で被覆した本発明の凸レンズは、各比較例のような従来の凸レンズに比して給湿後の焦点位置の変化率が極めて少なく、すなわち、非常に優れた防湿性を有する、環境水分による特性変化が極めて少ない光学素子であることが分かる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、軽量、低コスト、生産性等に優れたプラスチック製の光学素子であって、優れた防湿性を有し、環境に存在する水分による光学特性の変化が極めて少なく、しかも、互いに光学特性の異なる光学素子を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラスチック製光学素子の一例の概念図である。
【符号の説明】
１０  （プラスチック製）光学素子
１２  （光学素子）基板
１４  無機系被膜
１６  有機系被膜
【図１】
2004361732.tif 000004