JP2000284217A - 正立変倍アレイレンズ装置 - Google Patents

正立変倍アレイレンズ装置

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JP2000284217A
JP2000284217A JP11090741A JP9074199A JP2000284217A JP 2000284217 A JP2000284217 A JP 2000284217A JP 11090741 A JP11090741 A JP 11090741A JP 9074199 A JP9074199 A JP 9074199A JP 2000284217 A JP2000284217 A JP 2000284217A
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Hiroyuki Nemoto
浩之 根本
Takashi Kishimoto
隆 岸本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い変倍率が得られる正立変倍アレイレンズ
装置を提供する。 【解決手段】 正立変倍アレイレンズ装置は、２枚のマ
イクロレンズアレイ２０ａ，２０ｂを重ね合わせて構成
された正立変倍アレイレンズ２０と、液晶表示素子より
なる表示素子２２と、この表示素子に接して設けられ、
表示素子からほぼ平行に出射した光を屈折させて光の方
向を変える凹面フレネルレンズ２４と、正立の拡大像を
結ぶ結像面２６とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、正立変倍アレイ
レンズ装置、特に、マイクロレンズアレイを用いた正立
変倍アレイレンズ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、画像を拡大する目的で提案されて
いる正立変倍アレイレンズ装置には、多数の屈折率分布
型ロッドレンズを１次元に配列したものがある。この正
立変倍アレイレンズ装置では、ロッドレンズを倍率に相
当する光軸角度に並べ、同時に個々のロッドレンズの作
動距離が調整され、同一面に結像される。
【０００３】正立変倍アレイレンズ装置の他の例として
は、多数の屈折率分布型ロッドレンズを平行に２次元に
配列した正立等倍アレイレンズと、フレネルレンズとの
組み合わせよりなるものがある。図１は、このような正
立変倍アレイレンズ装置８を示す。この正立変倍アレイ
レンズ装置８は、多数の屈折率分布型ロッドレンズを平
行に２次元に配列した正立等倍アレイレンズ１０と、ロ
ッドレンズの作動距離内に配置された凹面フレネルレン
ズ１２と、表示素子１４と、結像面１６とから構成され
ている。
【０００４】このような正立変倍アレイレンズ装置によ
れば、表示素子１４より出た光は、正立等倍アレイレン
ズ１０のロッドレンズ内を進み、凹面フレネルレンズ１
２で屈折されて結像面１６に至り、拡大画像が得られ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】屈折率分布型ロッドレ
ンズを１次元に配列した従来の正立変換アレイレンズ装
置は、変倍率に対する光軸角度，作動距離の調整が困難
であるので、２次元化ができない。
【０００６】また、正立等倍アレイレンズと凹面フレネ
ルレンズとの組み合わせよりなる従来の正立変倍アレイ
レンズ装置は、正立等倍アレイレンズの像側作動距離内
の光を凹面フレネルレンズによって屈折させるため、
１．１〜１．２倍程度の倍率しか得られず、高い変倍率
を得ることが困難である。変倍率が小さいと、複数の正
立変倍アレイレンズ装置が２次元に配列され、大画面の
画像表示装置を構成する場合に、表示素子を小さくする
ことができず、コストが高くなる。また、変倍率を大き
くしようとして、凹面フレネルレンズによって光線を大
きく屈折させると、結像面での周辺表示画像が不鮮明に
なるという問題がある。
【０００７】さらに、従来の２つの正立変倍アレイレン
ズ装置は、いずれもロッドレンズアレイを用いた構造で
あるが、ロッドレンズアレイは加工が難しいという問題
もある。
【０００８】この発明の目的は、高い変倍率が得られる
正立変倍アレイレンズ装置を提供することにある。
【０００９】この発明の他の目的は、周辺の画質が低下
することのない高い結像性能が得られる正立変倍アレイ
レンズ装置を提供することにある。
【００１０】この発明のさらに他の目的は、成型加工に
より容易に加工できるマイクロレンズアレイを用いて、
正立変倍アレイレンズ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明は、平行な光を
出射する表示素子と、前記表示素子上に設けられ、表示
素子からの光を拡大する方向に屈折する凹面フレネルレ
ンズと、前記凹面フレネルレンズに対向するように配置
され、重ね合わされた２枚のマイクロレンズアレイより
なる正立変倍アレイレンズと、前記正立変倍アレイレン
ズに対向して配置され、前記表示素子からの像を結ぶ結
像面とを備えることを特徴とする正立変倍アレイレンズ
装置である。
【００１２】前記マイクロレンズアレイは、少なくとも
片面に多数の微小な球面レンズがＸ−Ｙマトリックス状
に配列されている。少なくとも３個の球面レンズが、前
記正立変倍アレイレンズを通る光軸上に配列されてい
る。
【００１３】マイクロレンズアレイの各面の球面レンズ
のピッチは、前記凹面フレネルレンズから出る光の光軸
が交わる点を交軸点とした場合、前記正立変倍アレイレ
ンズを通る光軸が前記交軸点を通るように、選ばれる。
【００１４】前記凹面フレネルレンズから出る光が、迷
光となることなしに、前記マイクロレンズの球面レンズ
に入射する角度を入射角とした場合に、この入射角は、
球面レンズのディメンジョンにより定まり、前記正立変
倍アレイレンズを通る光軸が前記主軸線となす角度を、
光軸角度とした場合に、個々の光軸角度で、各光軸角度
に対する前記入射角に整合した入射光が、前記凹面フレ
ネルレンズから出るようにする。
【００１５】
【発明の実施の形態】図２は、この発明の正立変倍アレ
イレンズ装置の一実施例を示す図である。
【００１６】この正立変倍アレイレンズ装置は、２枚の
マイクロレンズアレイ２０ａ，２０ｂを重ね合わせて構
成された正立変倍アレイレンズ２０と、液晶表示素子よ
りなる表示素子２２と、この表示素子に接して設けら
れ、表示素子からほぼ平行に出射した光を屈折させて光
の方向を変える凹面フレネルレンズ２４と、正立の拡大
像を結ぶ結像面２６とを備えている。
【００１７】マイクロレンズアレイ２０ａ，２０ｂは、
アクリル系樹脂などの樹脂材料を成型加工（例えば、樹
脂成型，２Ｐ成型，射出成型など）することにより作製
できるものであり、この実施例では、両面に微小な球面
レンズがＸ−Ｙマトリックス状に多数個配列されたマイ
クロレンズアレイである。図３は、１枚のマイクロレン
ズアレイの平面図（ａ）およびＹ方向の断面図（ｂ）で
ある。矩形状のアクリル樹脂板の一方の面に球面レンズ
２８が所定のピッチでＸ−Ｙマトリックス状に配列さ
れ、他方の面に球面レンズ２９が球面レンズ２８のピッ
チとは異なる所定のピッチでＸ−Ｙマトリックス状に配
列されている。このようなマイクロレンズアレイの両面
の球面レンズの頂点間の距離（アクリル樹脂板に対し垂
直方向の）をＬとする。
【００１８】このような樹脂マイクロレンズアレイを２
枚重ねることによって正立変倍アレイレンズを構成でき
るが、この例では、１つの光軸上に４個の球面レンズが
配列されている。しかし、正立変倍像を形成するために
は、少なくとも３個の球面レンズが１つの光軸上にあれ
ばよく、３個の球面レンズの場合には、入射側の球面レ
ンズと、中間の球面レンズと、出射側の球面レンズとか
ら構成される。
【００１９】図４は、この実施例の説明において使用さ
れる技術用語を説明するための図である。この図は、Ｙ
軸方向の断面を示している。
【００２０】凹面フレネルレンズ２４は、表示素子２２
からの平行光を拡大する方向に屈折するが、フレネルレ
ンズの後側焦点を交軸点と言うものとする。
【００２１】また、正立変倍アレイレンズ２０では、３
個以上の球面レンズで形成される光軸が同一点で結ばれ
るように、球面レンズの配列ピッチを合わせる。この同
一点を、交軸点と言うものとする。
【００２２】フレネルレンズ２４から出た光が正立変倍
アレイレンズ２０により結像面２６上に明瞭な正立像を
形成するためには、フレネルレンズの交軸点と、正立変
倍アレイレンズ２０の交軸点とは一致するように配置さ
れなければならない。一致した交軸点を、図では３０で
示している。
【００２３】この交軸点３０から正立変倍アレイレンズ
２０に垂線３２を引き（この垂線を主軸線と言うものと
する）、この垂線が結像面２６と交わる点を倍率中心と
言うものとする。
【００２４】液晶表示素子２２の表示エリアの中心から
Ｙ方向のサイズを表示素子サイズＤというものとする。
また、図４において、ＷＤは、正立変倍アレイレンズ２
０の作動距離を示している。
【００２５】この実施例の正立変倍アレイレンズ装置の
倍率ｍは、作動距離ＷＤ，１枚のマイクロレンズアレイ
のレンズ頂点間の距離をＬ、および表示素子サイズＤに
よって決まる。図５は、倍率を説明するための図であ
る。
【００２６】図５に示すように、正立等倍アレイレンズ
２０の入射側球面レンズのピッチをａ、中間の球面レン
ズのピッチをｂ、出射側の球面レンズのピッチをｃとす
る。マイクロレンズアレイ２０ａ，２０ｂの対向する球
面レンズのピッチは共にｂである。
【００２７】交軸点３０を通る或る光軸３４を考えた場
合、光軸３４が主軸線３２となす角をθ（光軸角度）と
し、交軸３４が、正立変倍アレイレンズ２０の入射側球
面レンズと交わる点を３４ａ、中間球面レンズと交わる
点を３４ｂ、出力側球面レンズと交わる点を３４ｃとす
る。主軸線３からこれら交点３４ａ，３４ｂ，３４ｃま
での距離をＡ，Ｂ，Ｃとすると、Ａ＝ａ×ｎ，Ｂ＝ｂ×
ｎ，Ｃ＝ｃ×ｎである。但し、ｎは主軸線３２からの実
質的なレンズ個数である。
【００２８】球面レンズのレンズピッチ比率を、Ｘとす
ると、ピッチａ，ｃは、ｂとＸとにより、 ａ＝ｂ×（１−Ｘ），ｃ＝ｂ×（１＋Ｘ） と表され、光軸角度θは、 θ＝ｔａｎ-1（Ｂ×Ｘ／Ｌ） と表される。
【００２９】そして、正立変倍アレイレンズ２０の作動
距離（ＷＤ）、および表示素子サイズＤが決まると、正
立変倍アレイレンズ２０の変倍率ｍは、 ｍ＝（Ｂ×Ｘ×２×（ＷＤ＋Ｌ）／Ｌ＋Ｄ）／Ｄ で与えられる。
【００３０】以上のような構成の正立変倍アレイレンズ
装置においては、正立変倍アレイレンズ２０の光軸は、
マイクロレンズアレイの領域や、倍率によって、主軸線
３２となす角度が変わる。また図５に示すように、マイ
クロレンズアレイの球面レンズへの入射角δは、球面レ
ンズの曲率半径、球面レンズの厚み等のディメンジョン
で決まり、それよりも大きな角度の入射光は迷光にな
り、転送画像のＳ／Ｎを劣化させる。
【００３１】したがって、正立変倍レンズアレイ２０に
よる結像を考慮した場合、結像面の光量分布，解像度分
布，およびＳ／Ｎを向上するためには、個々の光軸角度
で、しかも、各光軸角度に対する入射角に整合した入射
光が必要である。
【００３２】図６は、この発明の正立変倍アレイレンズ
装置の他の実施例を示す図である。
【００３３】この正立変倍アレイレンズ装置は、図２の
正立変倍アレイレンズ装置の構成に、正立変倍アレイレ
ンズ２０の結像面側に凹面フレネルレンズ４０をさらに
設け、この凹面フレネルレンズにより、正立変倍アレイ
レンズ２０からの出射光をさらに屈折して拡大できるよ
うにしたものである。この正立変倍アレイレンズ装置に
よれば、図２の実施例に比べて変倍率をさらに大きくす
ることができる。
【００３４】以上の実施例では、表示素子として、液晶
表示装置の場合について説明したが、ＥＰ，ＰＤＰ，Ｃ
ＲＴなどを用いることができる。
【００３５】
【発明の効果】この発明の正立変倍アレイレンズ装置に
よれば、光軸角度は、実験により２７．５゜以下が可能
となり、また、正立変倍アレイレンズの特性で定まる作
動距離ＷＤは、約１００ｍｍ以下が可能であることが実
験により確かめられた。この発明の構造の正立変倍アレ
イレンズ装置によれば、約１．５倍の変倍率が得られ
た。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の正立変倍アレイレンズ装置を示す図であ
る。
【図２】この発明の正立変倍アレイレンズ装置の一実施
例を示す図である。
【図３】ｌ枚のマイクロレンズアレイの平面図および断
面図である。
【図４】この実施例の説明において使用される技術用語
を説明するための図である。
【図５】実施例の正立変倍アレイレンズ装置の倍率ｍを
説明するための図である。
【図６】この発明の正立変倍アレイレンズ装置の他の実
施例を示す図である。
【符号の説明】
２０ 正立変倍アレイレンズ ２０ａ，２０ｂ マイクロレンズアレイ ２２ 表示素子 ２４，４０ 凹面フレネルレンズ ２６ 結像面 ２８，２９ 球面レンズ ３０ 交軸点 ３２ 主軸線

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光を出射する表示素子と、 前記表示素子上に設けられ、表示素子からの光を拡大す
    る方向に屈折する第１の凹面フレネルレンズと、 前記凹面フレネルレンズに対向するように配置され、重
    ね合わされた２枚のマイクロレンズアレイよりなる正立
    変倍アレイレンズと、 前記正立変倍アレイレンズに対向して配置され、前記表
    示素子からの像を結ぶ結像面と、を備えることを特徴と
    する正立変倍アレイレンズ装置。
  2. 【請求項２】光を出射する表示素子と、 前記表示素子上に設けられ、表示素子からの光を拡大す
    る方向に屈折する第１の凹面フレネルレンズと、 前記第１の凹面フレネルレンズに対向するように配置さ
    れ、重ね合わされた２枚のマイクロレンズアレイよりな
    る正立変倍アレイレンズと、 前記正立変倍アレイレンズ上に設けられ、正立変倍アレ
    イレンズからの光を拡大する方向に屈折する第２の凹面
    フレネルレンズと、 前記第２の凹面フレネルレンズに対向して配置され、前
    記表示素子からの像を結ぶ結像面と、を備えることを特
    徴とする正立変倍アレイレンズ装置。
  3. 【請求項３】前記表示素子および前記結像面は、前記正
    立変倍アレイレンズの作動距離内に配置されることを特
    徴とする請求項１または２記載の正立変倍アレイレンズ
    装置。
  4. 【請求項４】前記マイクロレンズアレイは、少なくとも
    片面に多数の微小な球面レンズがＸ−Ｙマトリックス状
    に配列されていることを特徴とする請求項１，２または
    ３記載の正立変倍アレイレンズ装置。
  5. 【請求項５】前記正立変倍アレイレンズの個々の球面レ
    ンズを通る光軸上には、少なくとも３個の球面レンズが
    配列されていることを特徴とする請求項４記載の正立変
    倍アレイレンズ装置。
  6. 【請求項６】前記第１の凹面フレネルレンズの後側焦点
    を交軸点とした場合、前記正立変倍アレイレンズの個々
    の球面レンズを通る光軸は、前記交軸点を通るように、
    前記マイクロレンズアレイの各面の球面レンズのピッチ
    を選ぶことを特徴とする請求項５記載の正立変倍アレイ
    レンズ装置。
  7. 【請求項７】前記交軸点から、前記正立変倍アレイレン
    ズに垂線を引き、これを主軸線とした場合に、前記正立
    変倍アレイレンズの個々の球面レンズを通る光軸が球面
    レンズと交わる点から、前記主軸線に至るまでの球面レ
    ンズの個数が、マイクロレンズアレイの各面において同
    じであることを特徴とする請求項５記載の正立変倍アレ
    イレンズ装置。
  8. 【請求項８】前記マイクロレンズアレイの個々の球面レ
    ンズに入射する角度を入射角とした場合に、この入射角
    は、前記第１の凹面フレネルレンズより出る出射光の拡
    がり角度以上であることを特徴とする請求項４〜７のい
    ずれかに記載の正立変倍アレイレンズ装置。
  9. 【請求項９】前記正立変倍アレイレンズを通る光軸が前
    記主軸線となす角度を、光軸角度とした場合に、個々の
    光軸角度で、各光軸角度に対する前記入射角に整合した
    入射光が、前記第１の凹面フレネルレンズから出ること
    を特徴とする請求項７または８記載の正立変倍アレイレ
    ンズ装置。
  10. 【請求項１０】前記マイクロレンズアレイは、成型加工
    により作製されることを特徴とする請求項１〜９のいず
    れかに記載の正立変倍アレイレンズ装置。
  11. 【請求項１１】前記表示素子は、液晶表示装置であるこ
    とを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の正立
    変倍アレイレンズ装置。
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