CN102933987A - 柱状透镜的制造方法、柱状透镜、光学元件以及立体显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对于立体显示器、投射屏等中使用的柱状透镜片，不使用模具而能够廉价地制造的方法。一种在支承基板上具有多个柱状透镜的柱状透镜片的制造方法，具有：（1）通过喷墨方式，针对偶数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且在紫外线固化后具有表面防油墨性的透明树脂组成物油墨的工序；（2）通过紫外线，将（1）的透明树脂组成物油墨固化的工序；（3）通过喷墨方式，针对奇数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且通过紫外线固化的透明树脂组成物油墨的工序；以及（4）通过紫外线，使（1）以及（3）的透明树脂组成物油墨固化，而在偶数列以及奇数列的透镜区域中形成柱状透镜的工序。

Description

柱状透镜的制造方法、柱状透镜、光学元件以及立体显示器

技术领域

本发明涉及使用喷墨印刷法来制造柱状透镜片的方法、以及由此得到的柱状透镜，并且涉及使用该柱状透镜而形成的光学元件、以及立体显示器。

背景技术

柱状透镜片是液晶显示器的背光源单元、背投显示器、投射屏、立体显示器等中使用的元件。通常，在玻璃、塑料片等透明基板的表面条状地形成了凹状透镜。

特别地，在作为下一代的显示器系统而被关注的显示器系统之一，有三维显示器，尤其作为无需特殊的眼镜的三维显示器方式，代表性的可以举出柱状透镜（lenticular）方式（参照非专利文献1）。对于该方式，最近，提出了与液晶显示器（LCD）等平板显示器组合的各种三维显示器，认为是最接近实用水平的三维显示器。但是，在以往的柱状透镜方式中，图像分辨率由透镜、栅栏的间距决定，所以为了实现高分辨率显示器，需要相应高精细的透镜，并且，需要使平板显示器与透镜以及栅栏准确地对位。

另一方面，最近，作为新的三维显示方式，提出了使用了时分光方向控制背光源的三维显示器（参照专利文献1）。该方式的原理在于，使显示器的背光源成为能够使从该背光源发出的光的方向LD按照时分方式高速变化的时分光方向控制背光源1，使与该光的方向对应的图像显示于透射型显示器2。利用该显示器，呈现在左右各个眼LE、RE的方向提供了两眼视差的图像，按照使眼睛察觉不到的速度进行该方向的切换，从而能够向观察者提供三维图像。在该方式中，图像分辨率与LCD相同，所以能够原样地利用LCD的高分辨率，制造/高分辨率化变得容易。

一般，柱状透镜的表面形状是球面，作为其加工手段，已知（1）对熔融或者半熔融热可塑性树脂进行注塑成型的方法、（2）在对片进行加热的同时进行压花加工的方法（参照专利文献2）、（3）将紫外线固化树脂放入铸模而进行紫外线固化的方法（参照专利文献3）、（4）对紫外线固化树脂进行网版印刷并进行紫外线固化的方法（参照专利文献4）等。但是，它们都需要具有高的加工精度的模具、或者需要印刷用的版，并且，由于铸型、版和透镜面必然接触，所以是对异物混入透镜或者对模具的损伤敏感的制造方法。

另一方面，作为基于喷墨法的彩色滤色器的制造方法，已知分别仅对所需的像素同时喷射涂覆红、蓝、绿的油墨并使其固化而形成像素的方法，其是预先在光工序中形成隔壁，并向通过该隔壁形成的像素部喷出油墨的方法。在该方法中，为了避免各色区域的渗润、相邻区域之间的混色，例如，在专利文献5中示出了如果油墨与隔壁表面的静态的接触角是30~55°则避免混色的例子。另外，通过喷墨法充填的油墨的高度相对此时的隔壁高度是4倍至6倍左右。

另外，作为提供这样的目的下的隔壁的手段，提出了以下的2个手法。即，是（1）基于含氟等离子体气体的隔壁表面层的处理（参照专利文献6）、（2）混合氟系或者硅系的化合物作为光致抗蚀剂组成物中的赋予防油墨性的成分的方法（参照上述专利文献5）等。

但是，关于使用了喷墨法的彩色滤色器的制造，此前已经确立了液晶显示装置（LCD）等级下的分辨率、精度，但已有使用喷墨法来形成球面点状的透镜的例子（参照专利文献7），但据本发明人等所知，尚无通过喷墨法制造柱状透镜的尝试。

专利文献

专利文献1：日本特开2004－20684号公报

专利文献2：日本特开平9－114024号公报

专利文献3：日本特开2002－365405号公报

专利文献4：日本特开2000－155380号公报

专利文献5：日本特开平11－281815号公报

专利文献6：日本特开平6－65408号公报

专利文献7：日本特开2005－249882号公报

非专利文献

非专利文献1：大越孝敬“3维图像工学”朝仓书店（大越孝敬「3次元画像工学朝倉書店）（1991）

发明内容

本发明是鉴于柱状透镜的制造中的以往的问题而完成的，其目的在于消除以下问题：在以往的成型法中，未避免使用模具、版而与透镜面接触，起因于异物的混入、模具等的损伤而成品率降低，并且，由于使用昂贵的模具，而不适合于制造廉价并且多品种的柱状透镜。

本发明人等着眼于基于喷墨法的柱状透镜形成是不需要模具、印刷用的版的非接触的印刷方法，能够达到LCD等级的充分的精度，完成了本发明。

即，本发明的要旨如下所述。

一种柱状透镜片的制造方法，是在支承基板上具有多个柱状透镜的柱状透镜片的制造方法，其特征在于，具有：

（1）通过喷墨方式，针对第n列、第（n+2）列、第（n+4）列那样的偶数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且在紫外线固化后具有表面防油墨性的透明树脂组成物油墨的工序；

（2）通过紫外线，使（1）记载的透明树脂组成物油墨固化的工序（参照图1（A））；

（3）通过喷墨方式，针对第（n+1）列、第（n+3）列、第（n+5）列那样的奇数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且通过紫外线固化的透明树脂组成物油墨的工序（参照图1（B））；以及

（4）通过紫外线，使（1）以及（3）记载的透明树脂组成物油墨固化，使柱状透镜形成于偶数列以及奇数列的透镜区域的工序（参照图1（C））。

另外，n表示自然数。

作为在喷墨法中充填的、通过紫外线固化的透明树脂组成物油墨，在（1）工序中使用的油墨、（2）工序中使用的油墨中，都优选使用作为组成物是液状进而以液状的多官能丙烯为主体而包含光开始剂的油墨。为了在喷墨法中能够稳定地喷出，调制成在头温度20~45℃下，粘度成为5~40mP·sec、表面张力成为20~35mN/m。另外，在支承基板上喷附的油墨是液状，所以通过其表面张力以及与基板的界面张力，以静态的接触角θ_L被保持为球面状。进而，为了再现性良好地保持球面形状，含有90重量%以上的紫外线固化性成分（在该情况下，固化性树脂以及光开始剂的总量）。特别地，如果在UV（紫外线）固化前挥发的成分超过10重量%，则不易保持球状形状。另外，通过紫外线固化和其后的热处理，体积收缩，但为了成为作为目标的透镜的高度、透镜形状，优选以使剩余体积率成为70体积%以上、更优选成为75体积%以上的方式照射紫外线。如果低于70体积%，则有时柱状透镜片中的面内偏差变得显著，并且在表面发生褶皱。

如在（1）工序中所需的那样，作为在紫外线固化后实现防油墨性的手段，预先在油墨中混合对上述液状的多官能丙烯可溶的氟系或者硅系的化合物。特别地，优选使用含有含氟（甲基）丙烯酸酯单位的（甲基）丙烯酸共聚物。作为共聚的（甲基）丙烯酸酯，能够使用公知的材料。

混合以上的基本成分，进而混合表面张力调整剂、以低粘度化为目的的反应性稀释剂，调制为适合于连续喷出特性的特性值作为喷墨用油墨。通常使用的喷墨头是基于压电元件的器件。例如，表面张力为20~40N/m，以使得在头温度20~45℃下粘度为5~30mPa·sec。

为了制造均匀的柱状透镜片，进行透明的支承基板上的表面处理，在（1）工序中使用的油墨、（2）工序中使用的油墨中，都优选使透明树脂组成物油墨相对支承基板的接触角均匀。其原因为，在支承基板上喷附的油墨是液状，通过其表面张力，保持对透镜形状而言最佳的球面状，从而确定其宽度、接触角。在设为宽度w₀（μm）、高度h₀（μm）、与支承基板的接触角θ₀（°）而作为在固化后得到的期望的柱状透镜形状的情况下，首先，优选透明树脂组成物油墨与透明支承基板的接触角θ_L为θ₀以上30度以下，进而更优选为θ₀以上25度以下（图2（a））。如果θ_L是θ₀以下，则由于之后的固化收缩，达不到期望的透镜接触角。另外，如果θ_L超过30度，则在喷墨描绘时易于发生膨胀，对直线性不利。另外，θ_L优选为3度以上，此时，适合于抑制喷附后的润湿扩展所致的高度偏差。此处，θ₀是柱状透镜的表面与支承基板所成的角，是指如图2（b）所示，固化的透镜相对支承基板的翘起（rise）角度。

作为支承基板的表面处理法，还依赖于支承基板的种类，但能够利用公知的手段。例如，可以举出大气压等离子体法、电晕放电、紫外线处理、预先涂覆氟系防油墨剂、或者使用了硅烷偶联剂的处理等。

在（1）工序中使用的油墨、（3）工序中使用的油墨中，都依据下述（式1），设定透明树脂组成物油墨的涂敷量。即，通过1液滴量和针对每单位长度涂敷的液滴数、液滴打点间距等来调整，以使得为了得到柱状透镜所需的、长度方向上的每单位长度的油墨的涂敷量V（pl/μm）在考虑了之后的固化收缩后大于柱状透镜的长度方向上的每单位长度的体积量V₀（pl/μm）。此处，r表示透镜剖面的曲率半径。

${\mathrm{\θ}}_0=2\×{\tan }^{-1}\left[\frac{h_0}{(w_0/2)}\right]$

$h_0\left(r\right)=\sqrt{\frac{{\left(\frac{w_0}{2}\right)}^2}{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0}-r^2}-\frac{\frac{w_0}{2}}{\tan {\mathrm{\θ}}_0}$

$V_0={\∫}_{\frac{w0}{2}}^{\frac{w0}{2}}{h}_0\left(r\right)\mathrm{dr}$ (p1/μm)…(式1)

此时，接着喷墨涂敷，在同一涂敷载置台上对透明树脂组成物油墨进行紫外线照射，从而固定油墨与支承基板的接触线，并且更易于控制柱状透镜宽，对柱状透镜的直线性有利。此时的紫外线曝光量还依赖于油墨灵敏度，可以为20~500mJ/cm²，优选为30~200mJ/cm²。具体而言，以下叙述制作柱状透镜间距w₀、透镜高度h₀、偶数列和奇数列的透镜宽都是与w₀相同的、呈现连续形状的柱状透镜片的步骤。将在偶数列的描绘之后固定了基于紫外线照射的印刷接触线时的宽度设定为透镜间距w₀，并且，调整从喷墨喷嘴喷出的1液滴量、喷出周期、打点间距、喷嘴间隔等公知的喷墨涂敷条件，以使透镜区域的偶数列中的第n列与第（n+2）列的柱状透镜之间的印刷间距成为作为目的的柱状透镜间距w₀的2倍。此时，进行调整，以使得为了得到柱状透镜所需的每单位长度的油墨的涂敷量V（pl/μm）在考虑了之后的固化收缩后大于式（1）所示的柱状透镜的每单位长度的体积量V₀（pl/μm）。

接下来，针对这样制作出的第n列、第（n+2）列那样的偶数列的柱状透镜之间、即与第（n+1）列那样的奇数列相当的区域，以喷墨的方式涂敷至少反应性成分与上述透明树脂组成物油墨相同的油墨、优选相同的树脂组成物油墨，但此时，进一步提供不会对事先形成的第n列、第（n+2）列的柱状透镜侵入相当于第（n+1）列的油墨的紫外线曝光量。

另外，第n列、第（n+2）列那样的偶数列的柱状透镜至少在（2）工序后被赋予表面防油墨性，所以不会重叠形成第（n+1）列那样的奇数列的透明树脂组成物油墨。对于用于避免该重叠的第n列、第（n+2）列的柱状透镜表面，可以使在（3）工程中使用的透明树脂组成物油墨的静态的接触角为35°以上，优选为40°以上。作为确认该静态的接触角的方法，使在以下那样的事先试验中设定的θ_k为35°以上、优选为40°以上即可。对于紫外线曝光方式，从喷墨涂敷装置接着使用公知的紫外线曝光机即可，并且，为了在喷墨载置台上接着固化，使用曝光照度高的LED－UV灯即可。为此所需的紫外线曝光量优选为1000mJ/cm²以上。此处，事先试验中的θ_k是指，另外在玻璃基板上以2~5μm的膜厚涂敷了在（1）工序中使用的透明树脂组成物油墨之后，在与（2）工序同样的条件下固化，制作半固化涂膜基板，在该半固化涂膜上，滴下0.5μl的在（3）工序中使用的透明树脂组成物油墨，并在1秒后测定的接触角（图3）。

也可以针对这样在偶数列、奇数列中都形成的柱状透镜片，进而照射充分的紫外线。近年来，在市面上销售（例如欧姆龙、日亚化学工业）使用了UV－LED灯的小型的高照度曝光机，能够使用这些。作为所需曝光量，优选为1000mJ/cm²以上，但还依赖于透明固化树脂组成物油墨的种类、曝光机照度/输出波长，所以一般优选为曝光量的剩余体积率依赖性少的曝光量以上。另外，如果在紫外线固化之后施加80℃~140℃的热处理，则其结果，作为柱状透镜片，耐久性优良。对于紫外线固化树脂组成物，仅在光自由基聚合下，双键的反应几乎不会完结，而未反应的丙烯单体残留的情况较多。另外，在基于光固化的收缩中残留应力残留，而出现透镜特性、粘合性经时变化的现象。通过热处理来降低残留单体、残留应力，从而透镜性能的耐久性提高。

作为在得到柱状透镜片时使用的支承基板，能够使用柱状透镜中使用的一般的透明基板。液晶显示器用的玻璃本来使用丙烯、PET、PC、聚烯烃等透射率90%以上的透明的塑料片或者膜。

在本发明中，通过喷墨法，在不同的工序中形成偶数列的透镜区域和奇数列的透镜区域，从而即使不像以往方法那样使用模具、版，也得到柱状透镜片，所以不会起因于异物的混入、模具的损伤等而使成品率降低。另外，不使用模具、版，所以适合于得到任意尺寸且多品种的柱状透镜片。进而，所得到的柱状透镜片能够适用于与液晶元件、放映机元件、摄像元件一起组合而用于作为三维图像取入或者显示的光学元件为首的、立体显示器、背投显示器、投射屏等。

附图说明

图1是示出基于本发明的柱状透镜片的制造工序的示意图。

图2是示出透明树脂组成物油墨相对支承基板的接触角θ_L、和柱状透镜表面相对支承基板所成的角θ₀的示意图。

图3是说明用于求出在（3）工序中使用的透明树脂组成物油墨相对（2）工序中的紫外线固化后的涂膜表面的静态的接触角的事先试验的示意图。

图4是在实施例中得到的柱状透镜片的剖面SEM照片。

图5是说明柱状透镜的示意图。

（符号说明）

1：支承基板；2：柱状透镜。

具体实施方式

以下，通过实施例具体说明本发明。另外，以下的“份”都表示质量份。

实施例

[紫外线固化树脂油墨（A1）的调制]

将15份的苯基乙基甲基丙烯酸酯末端PDV（聚二乙烯基苯）（新日铁化学制）、5份的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、10份的2－羟基乙基丙烯酸酯、50份的1，4－丁二醇二丙烯酸酯、20份的1，9－壬二醇二丙烯酸酯、30份的艳佳固184（汽巴精化制）、0.05份的ADKSTABAO－60（ADEKA制）、以及1.1份的界面活性剂BYK378（毕克化学（BYK－Chemie）公司制）10%二乙二醇乙醚醋酸酯溶液混合，进而，混合0.5份的含氟丙烯低聚物（大金化学工业制）而得到均匀溶液，通过0.2μm微型过滤器过滤，而调制出紫外线固化树脂油墨A1。粘度是33mPa·sec（23℃）、表面张力是25.1mN/m（23℃）、密度是1060kg/m³。

[实施例1]

使用5英寸尺寸的无碱玻璃AN－100（旭硝子制），事先进行1分钟的深度紫外线（DeepUV）处理（基板I－1），用上述得到的油墨A1来测定基板表面的润湿性，此时，接触角是θ_L=9.1°。此处，对于接触角的测定条件，使用迪飞公司（Dataphysics）制OCH200，对上述无碱玻璃AN－100，滴下0.5μl的油墨A1并测定了1秒后的接触角（测定温度23℃）。

[柱状透镜片的制造]

使用柯尼卡美能达制喷墨头（KM512L、42pl式样），在驱动频率4.8kHz、施加电压17.84V下，在头温度35℃下，进行在上述中得到的紫外线固化树脂油墨（A1）的10分钟连续喷出试验。完全无喷嘴堵塞而呈现良好的喷出特性。

接着，作为目标柱状透镜片，设为透镜间距w₀=135μm、透镜高度h₀=4.82μm、透镜接触角θ₀=8.2°，使用基板I－1，进行柱状透镜片的制作。首先，作为喷墨头，使用KM512L，进而在喷墨头后方50mm，装填上述UV－LED串列式曝光头。使用KM512L1喷嘴，按照载置台速度125mm/秒、打点间距75μm/滴（drop）进行描绘，在刚刚描绘之后，在载置台上进行UV－LED串列式曝光。此时的累积曝光量为40mJ/cm²。在用光学显微镜测定刚刚串列式曝光之后的状态、并且使用光学干涉式表面形状测定器WYCONT1100（日本Veeco公司制）测定了形状时，确认形成了宽度w=135μm、高度h=5.4μm、接触角9.1°的直线性良好的线条。进而，针对所得到的柱状透镜直线，隔开270μm的间隔同样地进行描绘，制作总计10个柱状透镜（反复间距是270μm）。

接着，以批量曝光机（大日本科研制、照度50mW/cm²）进行3000mJ/cm²曝光。接下来，针对所得到的10个线条之间，与上述同样地，使用KM512L通过1个喷嘴描绘紫外线固化树脂油墨A1，接着进行UV－LED串列式曝光。紧接着进行了显微镜观察，其结果，确认了第n列和第（n+1）列的边界面不重叠而呈现良好的直线性。进而，以批量曝光机（照度50mJ/cm²）进行7000mJ曝光，进而在80℃下进行15分钟的热处理。通过SEM观察确认了在7000mJ曝光后以及热处理后表面形状也是光滑的球面，并且具有不相互重叠而连续的柱状透镜形状（参照图4）。另外，确认了宽度w=135μm在曝光后、热处理后也不变化，在曝光后、热处理后，仍为h=4.83μm±0.1、接触角8.2°，而呈现目标的形状。

另外，以θk（参照图3）测定为目的，在5英寸玻璃基板上旋涂油墨A1，以批量曝光机（照度50mJ/cm²）进行3000mJ曝光，制作出透明涂膜基板。确认了在该基板上滴下0.5μl的油墨A1而测定了静态的接触角（23℃）时，呈现50°。

[实施例2]

使上述喷墨头KM512L相对载置台行进方向倾斜，进行调制以使喷墨喷嘴之间的打点间距成为67.75μm。进而，在喷墨头后方50mm，装填了上述UV－LED串列式曝光头。将基板I－1固定到载置台，使喷嘴开口每隔3个（间距270μm）打开6个喷嘴，在载置台速度125mm/秒下，以使1个喷嘴的喷出打点间距为75μm的方式，描绘6个线条，同时进行曝光。在用光学显微镜观察了刚刚描绘之后的状态时，确认了形成了6根直线性良好的线条。

进而，在上述6线条之间的区域中同样地描绘油墨A1，同时进行了曝光。进而，以批量曝光机（照度50mJ/cm²），进行7000mJ曝光，进而在80℃下进行15分钟的热处理。确认了在热处理后，表面形状也是光滑的球面，且不相互重，且宽度w=135μm、高度h=4.81μm、接触角8.2°，而成为目标的形状的柱状透镜。

[实施例3]

与实施例1相比除使最终曝光量成为2000mJ/cm²以外相同，并制作出柱状透镜片。通过SEM观察确认了在曝光后以及热处理后，表面形状仍呈现光滑的球面。另外，确认了宽度w=135μm在曝光后、热处理后也不变，在曝光后、热处理后仍为h=4.83μm±0.1、接触角8.2°，而呈现目标的形状。

[比较例1]

使用从油墨A1去除含氟丙烯低聚物而得到的材料，尝试与实施例2同样地制作出柱状透镜片。但是，后面充填了的第（n+1）列与第n列和第（n+2）列合并而作为透镜形状是不适合的。

另外，与实施例1同样地制作透明涂膜基板，并测定了其上的油墨A1的静态的接触角θk，此时为19°。

[比较例2]

使用油墨A1以及基板I－1，按照270μm的间隔，与实施例1同样地，描绘总计10个柱状透镜（宽135μm），以批量曝光机（大日本科研制、照度50mW/cm²）进行了300mJ/cm²曝光。接着，在上述透镜之间，与实施例1同样地充填油墨A1，并用偏光显微镜观察了边界面。在边界面的一部分，观察到膨胀的直线性的紊乱。

Claims (7)

1.一种柱状透镜片的制造方法，是在支承基板上具有多个柱状透镜的柱状透镜片的制造方法，其特征在于，具有：

（1）通过喷墨方式，针对第n列、第（n+2）列、第（n+4）列那样的偶数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且在紫外线固化后具有表面防油墨性的透明树脂组成物油墨的工序；

（2）通过紫外线，将（1）记载的透明树脂组成物油墨固化的工序；

（3）通过喷墨方式，针对第（n+1）列、第（n+3）列、第（n+5）列那样的奇数列的透镜区域，赋予含有90重量%以上的紫外线固化成分并且通过紫外线固化的透明树脂组成物油墨的工序；以及

（4）通过紫外线，使（1）以及（3）记载的透明树脂组成物油墨固化，使偶数列以及奇数列的透镜区域形成柱状透镜的工序。

2.根据权利要求1所述的柱状透镜片的制造方法，其特征在于，

（3）记载的透明树脂组成物油墨相对所述（2）记载的紫外线固化后的涂膜表面的静态的接触角是35°以上。

3.根据权利要求1所述的柱状透镜片的制造方法，其特征在于，

在涂覆所述（1）以及（2）记载的透明树脂组成物油墨之前，至少进行支承基板的洗净或者表面处理，使透明树脂组成物油墨和支承基板所成的接触角θ_L成为以下，

θ₀≤θ_L≤30°，

其中，θ₀表示柱状透镜的表面与支承基板所成的角。

4.根据权利要求1所述的柱状透镜片的制造方法，其特征在于，

接着所述（1）记载的喷墨涂敷，在同一涂敷载置台上紧接着进行（2）记载的紫外线曝光。

5.一种柱状透镜片，其特征在于，

使用权利要求1~4中的任意一项所记载的方法而得到。

6.一种光学元件，其特征在于，

使用了权利要求5所记载的柱状透镜片。

7.一种立体显示器，其特征在于，

使用了权利要求5所记载的柱状透镜片。

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