JP2001242305A

JP2001242305A - マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイを用いた表示装置

Info

Publication number: JP2001242305A
Application number: JP2000053954A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Egawa; 寛江川
Original assignee: Comoc Kk
Current assignee: Comoc Kk
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】二次元表示画像を立体感のある画像として表
示する表示装置および焦点距離の長い微小レンズを複数
配列したマイクロレンズアレイを提供する事が課題であ
る。【解決手段】第１と第２の最外層に挟まれた熱軟化点
の低い内側層とを有する積層材を、凹凸を有するローラ
により加熱、加圧することにより、複数の焦点距離の長
い微小レンズを形成したマイクロレンズアレイである。
この焦点距離の長いマイクロレンズアレイを２次元表示
画像の近くに置くか、あるいは単一のレンズを２次元表
示画像から離れ目の近くに置くことで立体的に表示する
表示装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屋内あるいは屋外
に置かれる看板、案内板、表示塔、および映画、ＴＶな
どの表示装置に関し、特に、２次元画像を遠近感のある
立体的な像として表示せしめる表示装置に関する。ま
た、この表示装置に用いる微小レンズから構成されるマ
イクロレンズアレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】写真、印刷物などの２次元画像を立体的
な画像として見る方法としてすでに幾つかの方法が周知
で、大越孝敬著「三次元画像工学」に整理して提示され
ている。代表的な例としては、対象とする物体を異なる
２方向から撮影した写真( あるいは描画像) をそれぞれ
個別に左眼と右眼でみるもので、両眼視差により立体感
を感じ取るものである。この方法では左右の眼でそれぞ
れ別の画像が見て取れるように作られた装置を覗き込む
か、メガネを用いる等の必要があり、通常の看板、案内
板としては適性に欠けている。

【０００３】また、別の例として、かまぼこ状の縦長の
レンズを横方向に複数配列し、このレンズ曲面の反対側
に当たる裏側面を焦点面とするレンティキュラ板を用い
た三次元画像がある。これは、レンティキュラ板の焦点
面である裏面に複数の異なる方向から見た画像を短冊状
に切って並べて配置した不連続な図柄の表示画面を、レ
ンチキュラ板のレンズにより、右眼と左眼の各々が異な
る方向から見た画像を見えるようにして、三次元の像と
して認識する方法である。

【０００４】この方法ではレンティキュラ板を構成する
円筒レンズの一つの配列間隔の間に複数の位置から見た
表示画像を短冊状に並べる必要があるなど表示画像が複
雑で、しかも焦点位置に正しく配置するなど表示装置が
高価になる等の欠点がある。

【０００５】メガネによる方法、レンチキュラ板による
方法に変わる第三の手段として、通常の手段で撮られた
写真、あるいは通常の方法で描かれた絵などの連続した
図柄からなる二次元表示画像を立体的に表示することの
できる表示装置が日本国特許として特願平１１−２１８
３１３号と特願平１１−３１９１７６号で本出願人によ
り出願されている。

【０００６】上記出願中の特許で提示されている表示装
置は、２次元表示画像に対向して表示有効領域の一辺の
長さより充分小さい配列ピッチで配列された微小なレン
ズからなるマイクロレンズアレイを配置し、表示画像を
拡大も縮小もすることなく、像を表示画像のある位置か
ら離れた位置に形成することにより、目の錯覚によって
奥行き感のある立体的な表示を行う。

【０００７】上記の出願中の特許では、マイクロレンズ
アレイと表示画像あるいは画像支持体とからなる立体的
な表示をする表示装置の提示を始め、この表示装置の適
用に優れたマイクロレンズアレイが提示されている。す
なわち、焦点距離が比較的短く、焦点面が裏面にあるレ
ンチキュラ板をそのまま用いるのは好ましくないことか
ら、比較的焦点距離の長いマイクロレンズアレイを得る
ために、屈折率の小さい空気との境界面をレンズ曲面と
するのではなく、屈折率が比較的近い値を呈する固体と
固体、あるいは固体と液体の境界面をレンズ曲面とする
マイクロレンズアレイを提示している。

【０００８】さらに、遠い位置あるいは近い位置から眺
めるなどの多様な要求に応じて焦点距離を比較的容易に
変えられやすくするために、充分短い配列ピッチで配列
された微小なレンズ曲面の集まりからなる第１種のレン
ズ曲面と、微小なレンズ曲面の曲率半径より充分大きい
曲率半径を有するレンズ曲面からなる第２種のレンズ曲
面とを複合させることでマイクロレンズの等価的な焦点
距離を比較的容易に制御することを提示している。

【０００９】これら出願中の特許で提示しているマイク
ロレンズアレイはいずれも固体と固体の境界面か固体と
液体の境界面をレンズ曲面としている。また、マイクロ
レンズアレイアレイを表示画像の前に置き、立体的に表
示する表示装置では、映画、スライイドなどの大形のも
のを含めて、いずれもマイクロレンズアレイは表示画像
に近い位置に置く事を前提にして提示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は特願平１１−
２１８３１３号と特願平１１−３１９１７６号で出願中
のマイクロレンズアレイの改良とこれらマイクロレンズ
アレイの表示装置への応用に係わる。

【００１１】説明の都合上、以下の説明では特願平１１
−２１８３１３号と特願平１１−３１９１７６号で提示
した内容を先願発明と呼称する。先願発明で提示された
マイクロレンズアレイは固体と固体、あるいは固体と液
体の境界層をレンズ曲面とするために、その構造が複雑
で、特に液体との境界面をレンズ面とするには液体を封
じ込めるために密閉された容器の構造を採用せざるをえ
ないなど製造がより複雑で高価になる。

【００１２】また、マイクロレンズアレイは複数の微小
レンズの集合体であり、個々の微小レンズがそれぞれ固
有の特性を呈すると、表示特性が劣化する課題もある。
また、先願発明で提示された立体表示の表示装置ではマ
イクロレンズアレイが表示装置の近くに置かれることを
前提にしているために大形のマイクロレンズアレイが必
要になる。

【００１３】本発明の第１の目的は、配列ピッチが充分
小さいにもかかわらず、空気の境界面をレンズ曲面とす
る焦点距離の長いマイクロレンズアレイを提供すると共
にその製造方法を提供することにある。

【００１４】本発明の第２の目的は、先願発明でのマイ
クロレンズアレイを構成する微小レンズに新たな条件を
付加することにより、より優れた表示特性を得ることが
できるマイクロレンズアレイを提供することにある。

【００１５】本発明の第３のの目的は、上記目的をもっ
て得られたマイクロレンズアレイを適用した立体的に表
示できる表示装置を提供することにある。本発明の第４
の目的は、レンズを観察者の目に近い位置に置くことに
より、大面積の２次元表示画像を立体的に見る事のでき
る経済的な立体表示システムを提供する事にある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を採用した。請求項１の発明
は、互いに独立した光軸あるいは光軸面を有する複数の
微小レンズが有効表示領域の一辺の長さに対して充分短
い間隔で配列され、かつ微小レンズの焦点距離が微小レ
ンズの配列間隔の５倍以上であることを特徴とするマイ
クロレンズアレイである。

【００１７】請求項１の発明によれば、微小レンズの光
軸または光軸面が独立しているため個々の微小レンズの
像が全体像の画素となり、画素の寸法が微小レンズの寸
法として保証され、さらに有効表示領域に対して充分小
さい画素となることが保証される。また、焦点距離も微
小レンズの配列間隔の５倍以上であることが保証され
る。

【００１８】請求項２の発明は、互いに独立した光軸あ
るいは光軸面を有する複数の微小レンズが有効表示領域
の一辺の長さに対して充分短い間隔で配列され、かつ微
小レンズのレンズ曲面に接する接平面が微小レンズの境
界で連続で、かつ微小レンズの焦点距離が微小レンズの
配列間隔の５倍以上であることを特徴とするマイクロレ
ンズアレイである。

【００１９】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様に、微小レンズの光軸または光軸面が独立してい
るため個々の微小レンズの像が全体像の画素となり、画
素の寸法が微小レンズの寸法として保証され、さらに有
効表示領域に対して充分小さい画素となることが保証さ
れる。また、焦点距離も微小レンズの配列間隔の５倍以
上であることが保証される。さらに請求項２の発明で
は、微小レンズの境界でレンズ曲面が急激に変わること
がない。

【００２０】請求項３の発明は、互いに独立した光軸あ
るいは光軸面を有する複数の微小レンズが有効表示領域
の一辺の長さに対して充分短い間隔で配列され、かつ近
傍に位置する微小レンズの光軸あるいは光軸面の相互が
レンズ曲面の近傍において互いに平行であり、かつ微小
レンズの焦点位置がレンズ形成体の外にあって、レンズ
曲面から配列間隔の５倍以上の距離にあることを特徴と
するマイクロレンズアレイである。

【００２１】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
と同様に、微小レンズの光軸または光軸面が独立してい
るため個々の微小レンズの像が全体像の画素となり、画
素の寸法が微小レンズの寸法として保証され、さらに有
効表示領域に対して充分小さい画素となることが保証さ
れる。また、焦点距離も微小レンズの配列間隔の５倍以
上であることが保証される。さらに請求項３の発明で
は、互いに近い位置にある微小レンズの光軸あるいは光
軸面がレンズ曲面の近くでは平行であるため、マイクロ
レンズアレイを曲げて使用する際に、微小レンズ同志で
光軸あるいは光軸面が交わる点までの距離を長くでき
る。また、焦点位置がマイクロレンズアレイの外側にあ
るので、レンズの裏側に表示画面を配置した際、表示画
像を焦点よりレンズ曲面に近い位置に置くことができ
る。

【００２２】請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れ
か１項記載のマイクロレンズアレイであって、前記微小
レンズのレンズ曲面が円筒面とすることを特徴とするマ
イクロレンズアレイである。

【００２３】請求項４の発明によれば、円筒面をレンズ
面とした線状の微小レンズを配列した構造になる。請求
項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１項記載のマイ
クロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイの微小レ
ンズに対面し、微小レンズの焦点あるいは焦点の近傍位
置を避けて配置された連続した図柄からなる２次元表示
画像と、該マイクロレンズアレイの微小レンズに対面
し、微小レンズの焦点あるいは焦点の近傍位置を避けて
配置される連続した図柄からなる２次元表示画像を支持
するための画像支持体のうち、少なくとも一方あるいは
両方と、を具備することを特徴とする表示装置である。

【００２４】請求項５の発明によれば、マイクロレンズ
アレイの作る二次元表示画像の全体像の位置が表示画像
の位置からずれた位置にできる。しかもマイクロレンズ
アレイの微小レンズの作る像が全体像の画素となるた
め、全体像は拡大も縮小もされない。

【００２５】請求項６の発明は、柔軟性を有する第１の
シートと熱軟化性を有する第２のシートとを積層し、該
第２のシートを加熱しながら、凹凸面を有するローラに
よって、該積層した積層材を、該第１のシートの積層面
でない方の面から加圧するマイクロレンズアレイの製造
方法である。

【００２６】請求項６の発明によれば、第２のシートを
加熱しながら、凹凸面を有するローラによって、第１の
シートの積層面でない方の面から積層材を加圧するの
で、熱軟化性を有する第２のシートが溶け、凹凸面を有
するローラ表面の凸面である突起部分により積層材が押
され、第２のシートの溶けた部分がローラの凹面である
溝の中央方向に移動すると共に、ローラの表面に接して
いる第１のシートも、凸部の突起に対応した部分が沈
み、凹部の溝の中央部が浮き上がった形状の曲面に変形
される。この状態で加熱を止めると、温度が低下して溶
けた第２のシートは固まり始める。温度が冷める過程
で、変形してできた曲面は第１のシートの材質が有する
バネ性などにより元の平面の形状に戻ろうとする力が作
用し、曲がりが緩和される。

【００２７】請求項７の発明は、連続した図柄からなる
２次元表示画像と、該２次元表示画像を見るための観客
席を具備し、該２次元表示画像から該観客席までの距離
よりも長い焦点距離のレンズを該観客席に配置すること
を特徴とする表示システム。

【００２８】請求項７の発明によれば、観覧車は席に配
置されたレンズを介して表示画像を見ることになる。す
なわち、表示画像から観客席までの距離よりも長い焦点
距離のレンズを介して見ることになる。

【００２９】請求項８の発明は、請求項７のレンズであ
って、焦点距離が前記２次元表示画像から前記観客席ま
での距離の５倍以上あることを特徴とする表示システム
である。

【００３０】請求項８の発明によれば、レンズを介して
見る表示画像の像が拡大あるいは縮尺される割合は高々
２０％程度に制限される。請求項９の発明は、焦点距離
が８メートルを越えるレンズと、該レンズの有効領域部
分を目に対面した位置に保持する支持具を備える表示装
置である。

【００３１】請求項９の発明によれば、焦点距離が最も
短い８メートルの場合でも、テレビ受像機、ポスターな
どに対峙して最も近づいて見る１．５メートル前後の距
離においても、表示画像の像は概略２０％程度しか縮
小，あるいは拡大されない。焦点距離をさらに大きくす
ればこの拡大、縮小の割合ををさらに小さくできる。ま
た、表示画像までの距離が長くなる場合、それに応じて
焦点距離を長くすれば、像の拡大、縮小の率を概略２０
％程度あるいはそれ以下にする事ができる。

【００３２】請求項９の発明は、表示画像の像の縮小、
あるいは拡大の率を大きくても概略２０％程度に抑える
事ができる。このため表示画像が極端に縮尺あるいは拡
大されないので、比較的違和感の少ない立体感のある像
として見る事ができる。また、支持具によりレンズと目
との位置関係が保持されているので、頭の移動などに追
従して表示画像を見る事ができる。

【００３３】請求項１０の発明は、レンズと、該レンズ
の有効領域部分が使用者の目に対面しかつ該レンズから
３センチメートル以上離れた位置に該使用者の目がくる
ように該レンズを保持する支持具とを備え、該レンズ
は、該使用者の目とレンズとの距離より充分長い焦点距
離を有することを特徴とする表示装置である。

【００３４】請求項１０の発明によれば、表示画像を、
焦点よりも内側で、レンズを表示画像より目に近い位置
に置くことができる。しかも、レンズは目から３センチ
メートル以上離れている。

【００３５】請求項１１の発明は、焦点距離が８メート
ルを越えるレンズと、該レンズの有効領域部分が使用者
の目に対面しかつ該使用者の目から３センチメートル以
上離れた位置に該使用者の目がくるように該レンズを保
持する支持具とを備える表示装置である。

【００３６】請求項１１の発明によれば、焦点距離が最
も短い８メートルの場合でも、テレビ受像機、ポスター
などに対峙して最も近づいて見る１．５メートル前後の
距離においても、表示画像の像は概略２０％程度しか縮
小、あるいは拡大されない。焦点距離をさらに大きくす
ればこの拡大、縮小の割合ををさらに小さくできる。ま
た、表示画像までの距離が長くなる場合、それに応じて
焦点距離を長くすれば、像の拡大、縮小の率を概略２０
％程度あるいはそれ以下にする事ができる。さらにレン
ズが目から３センチメートル以上離れて保持することが
できる。

【００３７】請求項１２の発明は、請求項７及至１１の
いずれか１項記載のレンズであって、隣接する相互が互
いに独立した光軸あるいは光軸面を有する複数の微小レ
ンズがレンズの有効領域に配列されてなることを特徴と
するレンズである。

【００３８】請求項１２の発明によれば、レンズを並べ
た複合レンズで構成でき、レンズの有効面積を容易に広
げられる。請求項１３の発明は、隣接する相互が互いに
独立した光軸あるいは光軸面を有する複数の微小レンズ
をレンズの有効領域に配列してなる複合レンズと、該複
合レンズを使用者の目の前に保持する支持具とを備える
ことを特徴とするレンズである。

【００３９】請求項１３の発明によれば、複数の微小レ
ンズの合成像が全体像となる。請求項１４の発明は、請
求項７及至１１のいずれか１項記載のレンズであって、
表側の曲面と裏側の曲面の距離が一定の凹レンズである
事を特徴とするレンズである。

【００４０】請求項１４の発明によれば、レンズは厚さ
が一定の平らな板を曲げた構造である。請求項１５の発
明は、請求項１４のレンズであって、厚さが一様で柔軟
な薄い平板を曲げてなることを特徴とするレンズであ
る。

【００４１】請求項１５の発明によれば、柔軟な曲がり
のできる平板が材料であり、曲げるのが容易で、しかも
レンズの曲げの度合いを変えるのも容易である。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明
の第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレイの断
面図である。１は第１の最外層で、２は第２の最外層、
３は第１および第２の最外層で挟まれた内側層で、内側
層は第１および第２の最外層の熱軟化点が低い材質であ
る。この第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレ
イは第１の最外層の空気に接する最外面１ａがレンズ曲
面で円筒面をした細い縦型のかまぼこ形の微小レンズを
狭い間隔で敷き詰めた構造をしている。すなわち、図１
は各微小レンズのレンズ曲面である円筒面の中心軸に直
交する面で切断した断面図である。各微小レンズの最突
出点である頂点とレンズ曲面を形成する面の中心０を結
んだ直線が微小レンズの光軸であり、この光軸を図中点
線で示している。この第１の実施の形態では微小レンズ
のレンズ面は円筒面で、微小レンズは紙面に対して垂直
方向に長い形状をしている。したがって、光軸が連なっ
た光軸面が定義でき、この光軸面は図中点線で示す光軸
を通って紙面に垂直な面で、各微小レンズの光軸面は互
いに平行である。

【００４３】この第１の実施の形態のマイクロレンズア
レイは微小レンズ相互の境界部に特徴があり、この説明
のために図１に接合部を拡大した図が付けられている。
この境界部の特徴は、後に説明する製造方法により容易
に得ることができ。詳しくは後に製造方法の説明に合せ
て詳しく説明する。

【００４４】図１に示す第１の実施の形態のマイクロレ
ンズアレイを、連続した図柄からなる二次元表示画像の
前に置いて、マイクロレンズアレイを通してこの二次元
表示画像を見ると、立体的に見える。このことは先願発
明の明細書の中に説明してあるので詳細な説明は省略す
るが、簡単に要点を説明する。微小レンズは有効表示領
域の一辺の長さに対して充分短い間隔で配列されてお
り、個々の微小レンズの作る像が表示画像の全体像の画
素となる。個々の微小レンズの作る像は表示画像とマイ
クロレンズの位置関係で決まる大きさに拡大あるいは縮
小される。また、その像のできる位置も表示画像から離
れた位置にできる。微小レンズの大きさが全体像の画素
の大きさであるから、表示画像のマイクロレンズアレイ
を通して見える像は拡大も縮小もされないが、その全体
像の位置だけは変わる。この全体像の位置は微小レンズ
の焦点距離よって決まる周知のレンズの法則に従う位置
にできる。全体像の位置が表示画像の位置から離れた位
置にできることで、一種の錯覚によって立体的に見える
のである。

【００４５】この立体的に見る事のできる表示装置で、
マイクロレンズアレイの焦点距離が微小レンズの配列間
隔に対して十分長いことと、微小レンズの光軸面が互い
に独立であること、微小レンズの光軸面が互いに平行す
ることは表示装置として重要な特性である。以下、各々
について説明する。

【００４６】微小レンズの焦点距離が短くなると、表示
画像をマイクロレンズアレイの前に予め定められた間隔
で置くことが難しくなる。少しの間隔のずれで像の位置
が大きくずれるためである。また、焦点距離を大きくし
て表示画像をレンズ曲面からより離して見た方が立体感
を得やすい。この事は見る位置が遠くから近くまでの広
い範囲で当てはまり、特に遠くから見る場合はこの条件
がより強く要求される。なお、パーソナルコンピュータ
のモニターのようにごく近い位置から見る場合は焦点距
離が短くて表示画面のごく近いところにマイクロレンズ
アレイのレンズ曲面を置く事で立体感は得られるが、そ
れでも焦点距離をある程度長くする方がより良質の立体
感を得やすい。このように焦点距離を長くすることが有
利であるが、表示装置としてはその実現がいかに難しい
かを数値を挙げて説明する。

【００４７】壁などにかける大形の絵、あるいは大きな
ポスターなどを数メートルの離れた位置から良質の立体
像として見るためには、微小レンズの配列間隔は全体像
の画素の寸法であることから、微小レンズの配列間隔を
１ｍｍ程度は確保したい。また、絵あるいはポスターな
どの表示画像とレンズ曲面までの距離として３ｃｍ程度
は確保したい。表示画像を焦点の位置のごく近傍に置く
とその位置が少し動くだけで大きく変動するので適切で
はない。ここで微小レンズを凸レンズとして説明する
と、焦点を越えた位置に置くと倒立像となり画素像の間
の連続性が損なわれ、表示品質が悪くなる。ここでは焦
点距離の２／３の位置に置くものとすると、焦点距離の
要求値は４．５ｃｍとなる。マイクロレンズアレイの厚
さが充分薄く、片面のみにレンズ曲面があるとすると、
レンズの曲面半径ｒと焦点距離ｆの関係は（Ａ）式で与
えられる。ｆ＝ｒ／（ｎ−１）（Ａ）ここで、ｎは屈折率である。

【００４８】マイクロレンズアレイを構成する全ての材
質の屈折率が１．５の場合では、微小レンズの曲面半径
ｒは９ｃｍとなる。微小レンズの配列間隔１ｍｍを一杯
に使って微小レンズを構成する場合では、微小レンズの
レンズ曲面で最も低くなる両側の点を結ぶ直線にレンズ
曲面の最も突出した点から下した垂線の長さで表される
レンズ高さｈは、曲面半径９ｃｍの曲面では僅か１．４
μｍとなる。この値からも明らかなように空気と接する
境界面をレンズ曲面として本発明に係わるマイクロレン
ズアレイを形成しようとすると、加工条件がいかに厳し
いかが解る。

【００４９】もう少し加工条件の緩和される例で、パー
ソナルコンピュータのモニターの場合で見てみる。この
場合、５０ｃｍ程度の近い距離から見るので、表示画像
とレンズ曲面までの距離を２ｍｍ程度に設定し、表示画
像は先の例と同様に、焦点距離の２／３の位置に置くも
のとすると、所望の焦点距離ｆは３ｍｍとなる。全ての
レンズ材質の屈折率を１．５とすると、曲面半径ｒが６
ｍｍのレンズ曲面が要求される。この場合、見る位置が
近いために微小レンズの配列間隔を狭めて分解能を高め
る必要があり、配列間隔を２５０μｍとすると、レンズ
高さｈは１．７μｍとなる。先の例と比較してこの加工
条件は、高さｈが同程度で配列間隔が短いだけ加工条件
としては緩和されてはいるがなお厳しいものがある。屈
折率が１．５より小さい材料を適用するにしても、固体
である必要から限界があり、高さ寸法にしてここに示し
た値より高々１０％から２０％程度だけ緩和されるのが
限界である。上記２例で、表示画像を焦点距離の２／３
の位置に置くとしたが、さらにレンズ曲面に近い位置に
置いても、またある程度遠い位置、例えば焦点を越える
位置に置いても立体感のある表示になる。このような表
示画像を置く位置の許容範囲は広いため、所望の焦点距
離ｆはここで例とした値の数分の一であっても良い場合
もある。しかし、その場合でも要求される焦点距離、レ
ンズの曲面半径は配列ピッチに対してあまりにも大き
い。

【００５０】例えば、いま微小レンズのレンズ曲面は円
筒面として、同じ円筒面をレンズ曲面とする微小レンズ
を一定のピッチで配列した周知のレンチキュラ板の焦点
距離と比較してみる。レンチキュラ板の焦点の位置はレ
ンズ曲面の裏側に当たる面にある。レンズの焦点が裏側
の面に完全に一致しないまでも、裏側の面のごく近い位
置にある。このため、円筒状のレンズの曲率半径をレン
ズの配列ピッチの概略１／２程度にして、焦点が裏側の
面の位置になるように設計されている。すなわち、材料
の屈折率はプラスチックあるいはガラスなどの透明な材
料では概略１．５前後で、焦点距離ｆは曲面半径ｒの２
倍となるから板の厚さは２ｒとなって、板の厚さがレン
ズの配列ピッチとほぼ一致して、レンズ曲面の断面は半
円に近い形状となっている。これがレンチキュラ板のご
く概念的な構造で、レンズに所望される配列ピッチ、基
材の屈折率、板厚などの条件により曲面半径が上記設定
値から変わる事はあるが、基本的な要素である焦点の位
置は、レンズ曲面の裏側にあたる面かそのごく近傍であ
る。この理由は、立体的な表示、あるいは効率の良いス
クリーンとして利用するなどの従来周知の利用形態にお
いて焦点位置に表示画像を配することを条件にするため
で、レンチキュラ板の裏側の面をその表示画像の位置を
とするのが位置精度を確保するうえで都合が良いからで
ある。

【００５１】一方、本発明に係わる立体表示に用いるマ
イクロレンズアレイでは焦点距離が長いのが特徴であ
る。またマイクロレンズアレイの焦点はレンチキュラ板
のように裏側の面の位置である必要は無い。レンズ曲面
の裏側の面を表示画像の配置面とするのが便利な場合が
あり、この場合はむしろ裏側の面を焦点の位置、あるい
は焦点のごく近傍の位置とするのは避ける事が望まし
い。これは、焦点位置に表示画像を配置すると、微小レ
ンズの像は原理上無限大の位置に無限大の大きさとなる
ために、焦点位置を含めて焦点近傍で表示画像が少しで
も位置が変動すると全体像が不安定になり、ぎらぎら感
などが現れるからである。

【００５２】パーソナルコンピュータのモニターの場合
では、ピクセルの配列ピッチは２５０μｍから２００μ
ｍ程度のものがあり、これに適用するマイクロレンズア
レイの微小レンズの配列間隔は同程度である必要があ
る。焦点の内側に表示画像を配置して安定な全体像を得
る事ができる限界は、焦点距離が配列間隔の５倍程度で
ある１ｍｍ程度までである。これより小さい焦点距離で
あれば立体感も得がたく、表示画像を置くにも難しくな
る。微小レンズの配列間隔が２００μｍ以上の場合は同
じ５倍でも焦点距離はさらに大きくなり、表示画像を焦
点の内側の置ける範囲が拡大して有利になる。微小レン
ズの配列間隔が小さくても、５倍以上にして焦点距離を
大きくすれば表示画像の置く位置にもっと自由度が得ら
れる。

【００５３】次に、微小レンズの光軸あるいは光軸面が
互いに独立であることと、微小レンズの光軸あるいは光
軸面が互いに平行することが重要な意味を持つことにつ
いてついて説明する。

【００５４】表示装置にとって、予め歪ませる意図のあ
る場合を除き、ひずみ無く表示する事は重要である。微
小レンズの光軸が互いに独立でなく、複数の微小レンズ
が同一の光軸を共有する場合、これらの微小レンズの集
まりは一つのレンズの部分である。光軸を共有する微小
レンズがある程度離れて分散されている場合は、それほ
どの違和感は無いまでも、お互いに境界を接して連続し
ている場合は、その集団が一つのレンズになって、この
集団を全体像の一つの画素と見なさざるを得なくなる。
すなわちその部分だけが画素寸法が拡大して、劣化した
表示像となってしまう。また、光軸を共有する微小レン
ズが分散していても、このような集団の数が増すにした
がって、表示像の品質の劣化が顕著になる。このような
品質の劣化を微小レンズの光軸を互いに独立にする事で
防止できる。図１の第１の実施の形態で、各微小レンズ
の光軸は点線で示されており、微小レンズのそれぞれで
独立している。なお、この第１の実施の形態では微小レ
ンズのレンズ曲面は円筒面であり、光軸が紙面に対して
垂直方向に並び連なって面状となった光軸面を形成して
いる。この場合には上記説明の光軸を光軸面に置きかえ
れば良い。

【００５５】二つの微小レンズの光軸あるいは光軸面が
レンズ曲面と表示画像との中間で交わると、微小レンズ
の像と表示画像の対応する部分の位置関係が、上下で、
あるいは左右で反転する。例えば、表示画像で右位置に
ある図柄ａと左位置にある図柄ｂが、目に見えた像では
反転して図柄ａは左位置に、図柄ｂは右位置に来てしま
う。例えば、マイクロレンズアレイを曲げて使用したい
場合などで、微小レンズの光軸あるいは光軸面がレンズ
曲面と表示画像との間で交わらないように設定する事に
より、図柄の配置順序関係が保たれ、判読し易い表示が
できる。

【００５６】一方マイクロレンズアレイ自体では、同一
平面上に位置する微小レンズの光軸あるいは光軸面がレ
ンズ曲面上で平行であれば、マイクロレンズを曲げて使
用する際に、光軸あるいは光軸面が交わるまでのレンズ
面からの距離を最大にすることができ、曲げなどに強い
マイクロレンズアレイになる。

【００５７】以上、マイクロレンズアレイの微小レンズ
について、焦点距離が配列間隔に対して十分長いこと、
微小レンズの光軸面が互いに独立であること、および微
小レンズの光軸面が互いに平行することについて説明し
たが、微小レンズがこれらの全てを満たしている必要は
必ずしもなく、それぞれの役割働きでそれぞれの効果が
得られる。また、マイクロレンズアレイの構造として図
１に示す第１の実施の形態のように層構造をなすもの、
空気に接する面をレンズ曲面とするものに限られるもの
ではなく、先願発明に提示の固体と固体の境界面、ある
いは固体と液体の境界面をレンズ曲面とするもの、単一
の素材から形成されるものなどに広く当てはまる。

【００５８】次に、第１の実施の形態であるマイクロレ
ンズアレイの製造方法について説明する。第１の最外層
と第２の最外層となるシートの間に内側層となるシート
を挟んだ積層材を、二つのローラで構成されるレンズ面
形成装置を通過させることにより微小レンズが形成され
る。

【００５９】図２はレンズ面形成装置の構成を説明する
ための概念図である。レンズ面形成装置は二つのローラ
から構成され、上記レンズ面形成装置と上記積層材とが
相対的に移動することにより、上記積層材は二つのロー
ラの間に形成される間隙を通過する。１０は表面に溝の
付いた溝付きローラで、図中ローラ表面部にハッチで溝
のあることを示している。１１は溝の無い平滑ローラで
あり、平滑ローラは軸受けを介してフレームに固定さ
れ、自由に回転する事ができる。溝付きローラは上下方
向に動く事のできる軸受けによりフレームに取りつけら
れ、自由に回転されると共に上下方向にも動く事ができ
る。この溝付きローラはローラの芯部分にロッド状のヒ
ータを内蔵しており、外部から供給される電力量を制御
する事でローラ表面の温度を制御する事ができる。ま
た、溝付きローラは平滑ローラの方向に、すなわち図中
上から下にバネなどで加圧され、その加圧量も変える事
ができる構造になっている。なお、フレーム、軸受け、
ヒータは図では省略している。

【００６０】図３は溝付きローラの中心軸を通る面で切
断した溝付きローラの一部を示す断面図である。各溝の
断面は半径ｒの凹面で、この凹面がピッチｐでリング状
に並んでローラの表面が形成されている。

【００６１】図２では、積層材は始め分かれていて、ロ
ーラのごく近くで全ての層が積み重ねられてローラの間
隙に入る例で示してあるが、積層材は予め全ての層が積
み重ねられた状態であってもよい。

【００６２】ローラの間隙を通過中に、溝付きローラに
より加熱・加圧され、熱軟化点の低い内側層が溶け、凹
凸面を有するローラ表面の凸面である突起部分により積
層材が押され、内側層の溶けた部分がローラの凹面であ
る溝の中央方向に移動すると共に、ローラの表面に接し
ている第１の最外層シートも、凸部の突起に対応した部
分が沈み、凹部の溝の中央部が浮き上がった形状の曲面
に変形される。この状態でローラの部分を通過して抜け
ると、温度が低下して溶けた内側層は固まり始める。温
度が冷める過程で、変形してできた曲面は第１の最外層
の材質が有するバネ性などにより元の平面の形状に戻ろ
うとする力が作用し、曲がりが緩和される。この曲がり
の緩和が曲面半径の長いレンズ曲面を得る大きな働きの
一つになる。なお、平滑ローラに接する第２の最外層に
は曲面は形成されない。

【００６３】積層材を走行させる必要があるが、溝付き
ローラか平滑ローラのいずれかの一方を回転駆動させる
方法、あるいはもう一組のローラ対を上記溝付きローラ
と平滑ローラの後側に配置してこのローラを回転させ、
積層材挟み込んで引っ張り走行させる等の方法がある。

【００６４】なお、内側層を加熱するヒータは、溝付き
ローラの芯部分に内蔵されているとしたが、別に独立し
た単体であっても良い。また、積層材は、上記第１の最
外層と内側層との２層により構成されていても良い。こ
の場合、上記平滑ローラの代わりに平滑版を用いても良
い。すなわち、平滑版の上に、柔軟性を有する第１のシ
ート（上記第１の最外層に相当）と熱軟化性を有する第
２のシート（上記内側層に相当）とを積層し、第２のシ
ートを加熱しながら、凹凸面を有するローラを転がすこ
とによって、積層した積層材を、第１のシートの積層面
でない方の面から加圧しても良い。

【００６５】ここに示したレンズ面形成装置の基本構造
は、一部のローラに溝が彫られていることを除き、印刷
された紙が雨に濡れるのを防止するために紙の両面をラ
ミネート・シートと呼ばれるプラスチックシートで被う
ための機材であるラミネータと呼称される機器と類似し
ており、この周知の構造で実現できるので、レンズ面形
成装置のこれ以上の詳細な説明は省略する。

【００６６】また、この紙を被うためのラミネート・シ
ートを用いてマイクロレンズアレイを作ることができ
る。このラミネート・シートは２層構造になっており、
数十ミクロンから百数十ミクロンの厚さのプラスッチク
シートの表面に熱軟化点の比較的低い接着材の薄い層が
塗布された２層の構造をしている。プラスチックの層は
ＰＥＴと称されるポリエチレンテレフタレート等が用い
られている。接着剤の層は各社固有の材料を独自に用
い、その内容は開示していない場合が多い。

【００６７】このシート２枚を接着剤の層を内側にして
向かい合う状態で重ね、前記レンズ面形成装置を通過さ
せることによりマイクロレンズアレイを形成する。この
場合、レンズ面形成装置を通過させる前は、内側層は２
層であるが、通過後は二つの層は一体となり一つの層の
ようになる。

【００６８】また、紙を被うためのラミネート・シート
とポリエチレンテレフタレート等の比較的熱軟化点の高
いプラスチック・シートの組み合わせでも同様にマイク
ロレンズアレイを形成することができる。この場合はレ
ンズ面形成装置を通過する前後で内側層は共に１層の構
造となってしまう。

【００６９】このように、最外層、内側層が分離された
素材を組み合わせて積み重ねシートとする必要は必ずし
も無く、今後益々薄い層を積層した複合シートは各社か
ら多様なものが出てくる情勢にあり、素材のいかんを問
うまでも無く、適切な材料を選ぶ事により所望のマイク
ロレンズアレイを得ることができる。

【００７０】内側層としては、加熱によって変形をする
層、層間の接着の働きをする層などを複合させても良
く、必ずしも一層である必要は無く、多くの層から形成
されても良い。また最外層と内側層を予め接着し、一体
とした積層シート材を積層材としても良い。

【００７１】ここでは、第１の最外層と第２の最外層も
共にシート状の薄い素材を用いる例で説明したが、レン
ズ曲面を形成するために変形をする必要のある第１の最
外層は内側層の変形にある程度追従する柔軟性が必要な
シート状の比較的薄い素材とする必要があるが、第２の
最外層は板状の厚くて硬いものであっても良い。

【００７２】レンズ面形成装置を通過してできたマイク
ロレンズアレイが薄いシート状の場合など、レンズ面形
成過程の熱によりシートにうねりが生じる事がある。こ
のうねりを吸収するために第２の最外層、あるいは第１
の最外層に厚い板をあてがい平坦性を確保する場合もあ
る。この際、周縁部だけを張り付ける場合では光学特性
は特段の変化はないが、全面に接着剤あるいは粘着材を
配して張り付ける場合は、空気の入ったボイド等光学的
なむら部分が生じることのないようにする必要がある。
なお、レンズ曲面でもある第１の最外層の全面に接着剤
あるいは粘着材を配して張り付ける場合は、レンズ曲面
が空気より大きな屈折率値の材料との境界面に変り、さ
らに大きな焦点距離のマイクロレンズアレイを得たい手
段としても効果的である。特に、後に第２の実施の形態
で説明する、大きな焦点距離の必要な表示システムに用
いるレンズなどにこの方法が効果的である。

【００７３】レンズ面形成装置を通過してできたレンズ
曲面の曲面半径は、内側層の厚さ、溝付きローラに接す
る第１の最外層の素材としてのバネ特性、厚みなどの素
材の特性に影響され、これらが焦点距離の大きな微小レ
ンズを容易に形成できるできる特徴を作り出す大きな要
因である。また、まったく同じ積層材を適用しても、ロ
ーラ温度、積層材の走行速度、積層材にローラから加わ
る圧力を変える事によって微小レンズの曲面半径が変え
られ、焦点距離を容易に制御できる。

【００７４】以上の説明では、溝付きローラの溝は、断
面形状は半径ｒの凹面で、この凹面がピッチｐでリング
状に並べ、微小レンズを円筒状の細長い凸レンズとする
例であったが、凹面をした半径ｒの球面の溝をローラ表
面上の一面に敷き詰めたローラであれば、微小レンズは
球状の凸レンズとして、これらを複数配列したマイクロ
レンズアレイを得ることができる。またローラ表面の凹
面を凸面に変えれば、微小レンズは凹面レンズとする事
もできる。このように溝付きローラの表面は必ずしも細
長い溝を持つ必要は無く、類似の形状および大きさの窪
みまたは突起をもつ凹凸面とすることで多様なレンズ曲
面のマイクロレンズアレイを作ることができる。

【００７５】最外層より熱軟化点の低い内側層を挟んだ
少なくとも３層以上の層からなる積層材を、加熱および
加圧状態で、凹凸面を有するローラによって形成される
間隙を通過させる製造方法によって作られたマイクロレ
ンズアレイはレンズ曲面の曲面半径を大きくする事が容
易で、焦点距離の大きな微小レンズを作り込む事がで
き、立体表示のできる表示装置に適用の容易なマイクロ
レンズアレイを容易に得ることができる。また、焦点距
離が大きいこと、比較的薄いフイルム状にする事もでき
ることから焦点位置をレンズ形成体の外におくこともで
きる。しかもその位置はレンズ形成体の面から大きく離
すことができる。さらに次のような大きな特徴をもつ。

【００７６】以下、しばらくは微小レンズが凸レンズの
場合を例に説明する。凹凸面を有するローラの凸の部分
で押された部分が窪み、ローラの凹の部分が突き出るこ
とにより微小レンズが形成される。ローラの凸の部分が
当たって作られる窪み部分は微小レンズの境界に当たる
部分である。曲面半径が大ききレンズ曲面を得たいので
あり、ローラの凸の部分で変形される微小レンズの境界
部での第１の最外層の変形は軽微で、折れ曲がるような
変形を受けたり、傷になるようなこともない。溝付きロ
ーラとして素の表面にシリコンゴム等を巻き、その表面
に凹凸面を形成したローラを使用する場合があるが、こ
の場合はなおさら折れ曲がるなり、傷を受けるなりする
ようなことは無い。

【００７７】上記説明から明らかなように、微小レンズ
の隣り合う境界部はローラの凸の部分で押されて作られ
た窪みは凹面となる。この様子を図１の中に拡大図で示
している。この凹面は折れ曲がること、傷も無いので、
微小レンズの境界部ではその表面の接平面が不連続的に
変化する事は無く、連続する滑らかな曲面で、しかも凹
面である。また、微小レンズの境界領域の凹面と本来所
望の微小レンズである凸レンズ部分との境界においても
接平面が連続で滑らかになる。

【００７８】一般に凹面と凸面が混在するレンズは必ず
しも好ましくないが、本発明に関る立体表示では、凸面
の微小レンズ相互が接して、接平面が不連続となって、
見える像に急激な変化を感じる違和感よりは、凹面と凸
面が混在しても一方が他方に比較して狭い範囲に限定さ
れるならば、接平面が連続して見える像の急激な変化の
無いマイクロレンズアレイの方が望ましい。なお、微小
レンズの所望の曲面である真のレンズ曲面部と反対の曲
面となる境界部があまりにも狭い場合は反対の曲面が存
在しないのと等価になる。当然の事ながらあまりにも広
すぎるのも立体表示に適したマイクロレンズアレイとは
言えなくなる。

【００７９】ローラの凸の部分を凹凸の配列間隔に対し
て充分狭くすることにより、図１の中に拡大図に示すよ
うに微小レンズの領域の大部分は凸面で、凹面となる部
分は微小レンズ相互の境界部の限られた狭い部分に限定
する事ができる。

【００８０】以上、説明を微小レンズが凸の場合に限定
して説明したが、微小レンズが凹の場合については、微
小レンズの領域の大部分は凹面で、凸面となる部分は微
小レンズ相互の境界部の限られた狭い部分に限定できる
ことを、上記説明で凹凸を変える事で、容易に理解でき
る。

【００８１】ここでマイクロレンズアレイを構成する微
小レンズのレンズ曲面の形状と凹凸面を有するローラの
表面の形状との関係について付記しておく。ローラ表面
の凹凸構造がそのままの形状でマイクロレンズアレイの
形状として転写されないことは製造方法の説明で理解さ
れたであろう。この事は、ローラに付ける凹凸の形状は
必ずしも微小レンズのレンズ曲面に合せた曲面である必
要は無く、例えば矩形の狭い突起と、矩形の広い窪みか
らなる凹凸でもよい。すなわち、突起が積層材を押し付
けると、積層材の第１の最外層は層のバネ性によって曲
がり、近似的な球面あるいは近似的な円筒面などの曲面
になる、この飛び出してきた部分がローラの窪んだ部分
に接触する必要は必ずしも無い。このため凹凸面を有す
るローラの加工に複雑な曲面を形成する必要が無く、そ
の作成が容易である。なお、ローラの窪みの部分での曲
がりを抑えて、より曲面半径を大きくしたい場合などで
は、溝を浅くするなり、所望の曲面にして溝に積層材が
当たるようにすれば良い事は明らかである。

【００８２】なお、本発明に係わるレンズ曲面は厳密な
球面、円筒面である必要はなく、概略で球面、円筒面の
ようになっていれば良い。曲率半径が場所によりある程
度変化していても良い。焦点距離を規定してあるとして
も主要な部分での平均値、最大値、最小値等を当てはめ
れば良い。その程度の規定である。

【００８３】次に、マイクロレンズアレイ等のレンズを
表示画面から離れ、観察者の目の近くに配置する表示シ
ステムについて説明する。大面積の映画などで表示画面
の近くにレンズを配置して立体的に表示するには、マイ
クロレンズアレイが大形になり、その実現は必ずしも容
易ではない。これに代わる方法として、焦点距離の充分
大きいレンズを、表示画面から離し、眼の近くに置く立
体表示について説明する。

【００８４】図４は第２の実施の形態である表示システ
ムの観察者の視線を含む平面で切断した断面図で、連続
した図柄からなる２次元表示画像２０から距離ｄの位置
に観察者の目２１があり、その目から距離ｋの位置にレ
ンズ２２がある。レンズの焦点距離がレンズと表示画像
までの距離より充分大きい。これにより、連続した図柄
からなる２次元表示画像２０を立体的に見ることができ
る。

【００８５】レンズの厚さを無視し、表示画像の距離と
その像の距離をレンズから測って、それぞれｐ、ｓとす
ると、この両者の関係は次式（Ｂ）で表される。１／ｓ−１／ｐ＝１／ｆ（Ｂ）ここでｆはレンズの焦点距離で、凸レンズは正値、凹レ
ンズは負値である。また、ｓとｐはレンズの表示画像側
を負量、その反対側を正量にとるとする。

【００８６】表示画像が焦点距離ｆの１／ｎ（ｎは正）
の距離におかれると、そのレンズの作る像のレンズから
の距離は、凹レンズの場合レンズから焦点距離の−１／
（ｎ＋１）倍の距離で、表示画像側に正立の像ができ
る。凸レンズでは焦点距離の１／（１−ｎ）倍の距離
で、表示画像側に正立の像ができる。このように像の位
置が表示画像の位置からずれることにより、一種の錯覚
で立体的に見えることになる。

【００８７】なお、式（Ｂ）に関連して焦点距離、及び
表示画像と像のレンズからの距離を正負の符号の付いた
数値で表現したが、これはあくまでもこの式（Ｂ）およ
び後述の式（Ｃ）と式（Ｄ）に関してであり、これ以外
は特に断らない限り、全て正の数値で表現する。

【００８８】レンズを表示画面から大きく離し、観察者
の目の近くに置けば置くほどより小さなレンズで大きな
表示画像を見ることができる。レンズが目に充分近い位
置であれば、レンズの直径は数センチメートルもあれば
充分で、この場合は単一のレンズでも充分実現できる。

【００８９】なお、レンズを目から離すにしたがって、
より大きな有効領域のレンズが必要になる。この場合、
複数のより微小なレンズを有効領域に並べた複合レンズ
にするのが良い場合もある。たとえば、すでに説明をし
た第１の実施の形態であるマイクロレンズアレイの製造
方法を用いれば、比較的容易に焦点距離の長いレンズを
作る事ができ、安価なレンズとして複合レンズの方が好
ましい場合もある。また、単一レンズの場合は全体像が
拡大あるいは縮尺するが、複合レンズだと全体像が各複
合レンズの像の合成像が全体像となって拡大も縮尺も無
くなる利点もある。

【００９０】この複合レンズの場合は全体像が各レンズ
の像の合成で、像に不連続性の問題が生じる。また単一
レンズの場合は全体像が拡大あるいは縮尺される問題が
ある。したがって、複合レンズ、あるいは単一のレンズ
にしろ、像は正立の像でなければならず、増幅率あるい
は縮小率もあまり大きくできない。その限界は用途によ
り変り、一義的ではない。たとえば、複合レンズの個々
のレンズが充分小さく複数の微小レンズが有効領域に配
列されている場合は増幅率あるいは縮小率による影響を
受ける度合いが非常に少なくなる。ここにも複合レンズ
の優位性がある。単一のレンズ、あるいは個々のレンズ
の数が少ない複合レンズの両方を考慮して、一応の目安
としては、概略２０％以下の拡大、縮尺であれば、違和
感も許容できる範囲である。それには表示画像からレン
ズまでの距離は焦点距離の概略１／５以下の条件で使用
するのに相当する。

【００９１】例えば、レンズまでの距離を焦点距離の１
／５にすると、凸レンズの場合で、表示画像の像は１．
２５に拡大される。また、凹レンズの場合で、像は０．
８３３に縮小される。

【００９２】レンズの焦点距離がレンズと表示画像まで
の距離より充分大きい条件のこの場合、像のレンズから
の距離は、表示画像のレンズからの距離に上記拡大率あ
るいは縮小率を掛けた値になる。像が表示画像の位置か
らずれることで立体感が得られるので、この表示画像と
像の距離は重要である。表示画像のレンズからの距離の
２０％程度も像が離れていると十分立体感が得られる。
この立体感はさらに少ない距離差でも充分感じる事がで
き、劇場など表示画像の距離が比較的大きい場合などで
は１％程度の差でも立体的にみることができるのではと
思える程で、立体感を感じ取る事ができる限界は、確認
するために必要な焦点距離の長いレンズが簡単には得ら
れないような範囲まで及ぶ。しかし、立体感は得られる
とは言え、それ相当の立体感を得るにはある程度の表示
画像と像の差は必要で、例えば５％も見れば充分であろ
う。しかしこの値も絶対的なものではなく、用途などで
必要とする立体感などを基に決めれば良い問題である。

【００９３】ここで、表示画像が比較的近い位置にある
テレビ受像機あるいはポスター等について述べる。テレ
ビ受像機の場合では、表示画面の縦の長さの３倍から７
倍以上離し、走査線のちらつきが目立たない状態で見る
事が推奨されている。

【００９４】従来からある４：３形の受像機では７倍と
されており，小形の１４型（インチ）の場合で概略１．
５ｍ以上の距離で見るのが良いとされている。また、ポ
スターなども大きさが多様であるが、一部分を詳細に見
る場合などを除いて、１．５メートル程度を限度に離し
て見るのが一般的である。この距離の５倍に概略相当す
る８メートルの焦点距離のレンズを用いると、前に述べ
た増幅率あるいは減少率が概略２０％で、表示画像のレ
ンズからの距離の概略２０％が表示画像と像との距離差
になる。この条件は、比較的小さい方の限界ともいえる
表示画像に関して、像の拡大、縮小をある程度に抑えて
像の違和感を和らげ、像のずれもある程度確保して充分
の立体感を得るための条件とみてもよく、この意味で焦
点距離が８メートルを越えるレンズは意味をもつ。

【００９５】より大きな表示画像で、距離をもっと大き
く置いて見るような場合は対しては８メートルより大き
い焦点距離のレンズを用いればよい。また、表示画像と
レンズの距離が１．５メートルよりさらに短くなるよう
な場合は、増幅率あるいは減少率が小さくなるが、極端
に短くならない限り立体感はある程度確保される。

【００９６】たとえば、目とレンズの距離よりも充分長
い焦点距離のレンズを目から少し離れた位置に保持する
ようにすると、表示画像を、焦点よりも内側で、レンズ
を表示画像より目に近い位置に置くことができる。これ
により表示画像の像は正立し、縮尺あるいは拡大はされ
るが、像の位置が表示画像の位置からずれて立体感のあ
る像として表示画像を見る事ができる。

【００９７】上記説明でレンズを少し離れた位置に置く
としたが、これには重要な意味がある。このレンズと目
の位置の関係について説明する。レンズは表示画像から
離し、目の近くに置くことはすでに説明した。このレン
ズをメガネのように目のごく近くに置くよりは、目から
少し離すと立体感の感じる度合いが強くなる。この効果
は目から３ｃｍの位置から現れ、さらに離すにしたがっ
て立体感は顕著になる。映画など遠く離れて観る場合に
は手を伸ばして手に持ったレンズをかざして見るような
距離までの範囲で、距離が長くなればなるほど立体感が
強くなる。

【００９８】このことは観察者と表示画像の距離が、テ
レビ受像機をみる１メートル程度から劇場映画を見る数
十メートル程度の範囲で確かめられている。その理由は
定かではないが、目でレンズの働きをする水晶体と置か
れるレンズとの複合的な作用で発現しているものと推定
される。目の生理的な働きが関与しているのかもしれな
い。

【００９９】次に、上記表示システムに適合する焦点距
離の長いレンズについて図５で詳細に説明する。図５は
レンズの斜視図で、厚さｄの平板を円筒状に湾曲させた
構造で、内側の半径がｒ、外側の半径が（ｒ＋ｄ）の円
筒の筒から一部を切り出したものと類似の構造をしてい
る。すなわち、このレンズは外側の曲面が凸レンズで内
側の曲面が凹レンズである。

【０１００】このレンズは曲率半径ｒの凹ののレンズ曲
面と曲率半径（ｒ＋ｄ）の凸のレンズ曲面との複合面で
構成されるレンズで、曲率半径の大きな凸面よりは曲率
半径の小さな凹面の方がレンズ特性で勝り、凹レンズの
特性を呈する。このレンズの焦点距離ｆはレンズ厚さ厚
さｄが充分小さいとして近似的に（Ｃ）式で与えられ
る。

【０１０１】１／ｆ＝（ｎ−１）・｛１／（ｒ＋ｄ）−１／ｒ｝（Ｃ）ここでｎはレンズ材質の屈折率である。レンズの厚さｄ
が内面の半径ｒに比較して充分小さい場合、式（Ｄ）は
次式で近似できる。ｆ＝−ｒ・ｒ／（ｎ−１）・ｄ（Ｄ）レンズは凹レンズで、厚さｄに反比例して、また内側の
半径がｒの二乗に比例して焦点距離が長くなる。

【０１０２】このレンズは外側の曲面と内側の曲面の距
離が一定の凹レンズで、厚さの一様な平板を曲げる事で
容易に作ることができる。凹面と凸面のレンズ特性の差
分で総合的な特性が決まるので、焦点距離の長いレンズ
を極めて容易に得ることができる。しかも、柔軟な薄い
平板を材料とすると、曲げが容易で、焦点距離の調整も
容易である。また、板の厚さｄを変える事でも焦点距離
を変えることができる。

【０１０３】図５で示したレンズは円筒状の曲面である
ので、曲げの方向は１次元で、レンズを通して見る２次
元の像は一つの方向にのみ縮小され、これと直交する方
向は拡大も縮小もされず、歪んだ像となる。このレンズ
の曲げを球面状に曲げることもでき、この場合の曲げの
方向は２次元となり、互いに直交する２つの方向に拡大
縮小され、見る像としての違和感が少なくなる。この場
合の直交する２方向のそれぞれの方向について、焦点距
離を表す（Ｄ）式が成立する。

【０１０４】なお、直交する２方向に同じ程度に曲げる
必要は必ずしもなく、使用条件に応じて適宜２方向の曲
げの度合いを決めれば良い。また、図５に示す円筒状曲
面のレンズを、円筒面の中心軸が水平面と垂直面に対し
て斜め４５度の方向に向くように置くと、水平方向と垂
直方向の像の倍率が等しくなり、一方向だけが圧縮ある
いは膨張するような変形を避ける事ができる。

【０１０５】柔軟な薄い平板を筒状に丸めても凹レンズ
となる。この場合、筒の手前側の壁からなるレンズと向
こう側の壁からなるレンズとが複合したレンズとなる。
図４の第２の実施の形態で説明をした表示画像から大き
く離れて目の近くにレンズを置く表示システムを映画館
などで実現すると、スクリーンなどに写された表示画像
を観る観察者の座る観客席に、表示画像から観客席まで
の距離よりも長い焦点距離のレンズを各観客席に配置の
が一つの実現方法である。観察者は配置されているレン
ズを用いて、表示画像を見ることになる。この際、レン
ズは観客席に設けられたレンズ収納ボックスにいれてお
くなり、鎖で観客席に繋いでおくなりする。

【０１０６】ここでレンズが表示画像から観客席までの
５倍以上あれば、前に説明した様に像が縮小あるいは増
大する度合いは概略２０％程度で、表示画像と像の距離
差も表示画像とレンズの距離の概略２０％程度になっ
て、比較的良質の立体感を伴った像として表示画像を見
る事ができる。

【０１０７】また、焦点距離が８メートルを越えるレン
ズと、このレンズの有効領域部分を目に対面した位置に
保持する支持具とで構成される表示装置を用いて２次元
表示画面を見れば、拡大あるいは縮小の度合いを一定の
範囲に抑える事ができ、違和感の少ない立体的な像とし
て表示画像を見る事ができる。

【０１０８】さらに、支持具によってレンズが目から３
センチメートル以上はなれた位置に保持されると、立体
感がより一層強まる。支持具の例は、たとえばメガネの
フレーム、あるいは自動二輪車の運転者が装着するヘル
メットなどの首から上の頭部に装着する様態のものであ
る。また、水中を覗く、木枠でできた箱メガネの木枠も
支持具の様態の一つである。なお、蛇足ではあるが、ヘ
ルメットはフードがレンズに、その他の部分が支持具に
相当する事を付け加えておく。

【０１０９】

【発明の効果】以上説明してきたように，本発明には、
以下のような効果がある。請求項１の発明は、画素の寸
法の保証により表示像の精細さが保証され、部分的な画
素寸法の乱れなどによる表示像の劣化がなくなる。ま
た、微小レンズの配列間隔に対して焦点距離の大きさが
保証される結果、立体的な表示の程度が保証され、立体
表示としての品質が高まる。また、焦点距離を充分大き
くして、表示画像をマイクロレンズアレイから離し、表
示画像とマイクロレンズアレイの間から照明をすること
ができる。

【０１１０】請求項２の発明は、請求項１の発明と同様
に、画素の寸法の保証により表示像の精細さが保証さ
れ、部分的な画素寸法の乱れなどによる表示像の劣化が
なくなる。また、微小レンズの配列間隔に対して焦点距
離の大きさが保証される結果、立体的な表示の程度が保
証され、立体表示としての品質が高まる。また、焦点距
離を充分大きくして、表示画像をマイクロレンズアレイ
から離し、表示画像とマイクロレンズアレイの間から照
明をすることができる。さらに加えて請求項２の発明で
は、微小レンズの境界で像の急激な変化がなくなり、安
定したきれいな表示像となる。

【０１１１】請求項３の発明は、請求項１の発明と同様
に、画素の寸法の保証により表示像の精細さが保証さ
れ、部分的な画素寸法の乱れなどによる表示像の劣化が
なくなる。また、微小レンズの配列間隔に対して焦点距
離の大きさが保証される結果、立体的な表示の程度が保
証され、立体表示としての品質が高まる。さらに加えて
請求項３の発明では、焦点距離を充分大きくして、表示
画像を焦点の内側に置いた状態で、マイクロレンズアレ
イから離す事もできるので、全体像の画素に相当する微
小レンズの像の隣同士が、焦点の外に表示画像を置く場
合より、より連続性の高い状態となるので表示像の品質
が向上する。これと併せて表示画像とマイクロレンズア
レイの間から表示画像を照明することもできる。

【０１１２】請求項４の発明は、円筒面をレンズ面とし
た線状の微小レンズを配列した構造になるので、微小レ
ンズをリング状の溝を一定のピッチで並べたロール等を
用いて比較的容易に作ることができる。面から線状に１
次元になって製作が容易になる。

【０１１３】請求項５の発明は、全体像が表示画像の位
置からずれるために、２次元画像であるにもかかわら
ず、立体的に見える。またその全体像は拡大も縮尺もさ
れない優れた表示となる。

【０１１４】請求項６の発明は、第１のシートは、ロー
ラの凸部で凹み、ローラの凹部で飛出すような曲面が複
数形成される。この曲面は積層材を構成する素材の性
質、厚さなどの寸法により曲面半径を変えることがで
き、また加熱温度、ローラを介して加えられる加圧力の
強弱、積層材とローラとの相対的移動速度などでも変え
ることができ、所望の焦点距離の微小レンズを容易に形
成できる。特に第１シートのシート厚さを厚くすること
で焦点距離の大きな微小レンズを容易に作ることができ
る。

【０１１５】請求項７の発明は、表示画像から該観客席
までの距離よりも長い焦点距離のレンズを介して表示画
像を見る結果、２次元画像を立体感のある画像として見
ることができる。

【０１１６】請求項８の発明は、表示画像が極端に縮尺
あるいは拡大されないので、比較的違和感のない立体感
のある像として見る事ができる。請求項９の発明は、表
示画像の像の縮小、あるいは拡大の率を大きくても概略
２０％程度に抑える事ができる。このため表示画像が極
端に縮尺あるいは拡大されないので、比較的違和感のな
い立体感のある像として見る事ができる。また、支持具
によりレンズと目との位置関係が保持されているので、
頭の移動などに追従して表示画像を見る事ができる。

【０１１７】請求項１０の発明は、表示画像の像は正立
し、像の位置が表示画像の位置からずれるので、立体感
のある像として表示画像を見る事ができる。また、レン
ズの位置が目から３センチメートル以上離れているので
立体感もより鮮明に現れる。

【０１１８】請求項１１の発明は、表示画像の像の縮
小、あるいは拡大の率を大きくても概略２０％程度に抑
える事ができ、表示画像が極端に縮尺あるいは拡大され
ることがないので、比較的違和感のない立体感のある像
として見る事ができる。また、支持具によりレンズと目
との位置関係が保持されているので、頭の移動などに追
従して表示画像を見る事ができる。さらに、レンズが目
から３センチメートル以上離れているために、より強い
立体感が得られる。

【０１１９】請求項１２の発明は、大きなレンズを無理
して作る必要がなく、小さなレンズで等価的に大きな有
効面積のレンズが得られて、レンズの置く位置範囲を容
易に増やす事ができる。

【０１２０】請求項１３の発明は、複数の微小レンズの
合成像が全体像となるので、単一のレンズの場合の様
に、全体像が拡大あるいは縮小される事がない。また、
支持具で保持されるので、頭の移動などに追従してレン
ズも動き、違和感無くレンズを通して表示画像などを見
る事ができる。

【０１２１】請求項１４の発明は、焦点距離の長いレン
ズを作るのが極めて容易で、安価なレンズを得る事がで
きる。また厚さと曲げの度合いを変える事で、焦点距離
を容易に変えることができる。

【０１２２】請求項１５の発明は、柔軟な平板を曲げる
だけでレンズになり経済的であり、焦点距離も容易に変
えることができ、調整もできるので、見る位置に応じて
より良い条件で立体的な像を見る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態であるマイクロレンズアレイ
の断面図である。マイクロレンズアレイを構成する微小
レンズの境界部を拡大した図が付いている。

【図２】図１に示す第１の実施の形態であるマイクロレ
ンズアレイの製造方法を説明する図で、マイクロレンズ
アレイの微小レンズを形成するレンズ面形成装置の構成
を説明するための概念図である。

【図３】図２に示すレンズ面形成装置を構成する凹凸面
を有するローラの中心軸を通る面で切断した断面図であ
る。

【図４】第２の実施の形態である表示システムの表示画
像とレンズの位置関係を説明する図で、観察者の視線を
含む平面で切断した断面図である。

【図５】図４に示す表示システムに適合する厚さが一様
な平板を円筒状に湾曲させた構造を有するレンズの斜視
図である。

【符号の説明】

１第１の最外層２第２の最外層３内側層１０凹凸面を有するローラ１１平滑ローラ２０２次元表示画像２１観察者の目２２レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２９Ｌ 11:00 Ｂ２９Ｌ 11:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに独立した光軸あるいは光軸面を有
する複数の微小レンズが有効表示領域の一辺の長さに対
して充分短い間隔で配列され、かつ微小レンズの焦点距
離が微小レンズの配列間隔の５倍以上であることを特徴
とするマイクロレンズアレイ。
【請求項２】互いに独立した光軸あるいは光軸面を有
する複数の微小レンズが有効表示領域の一辺の長さに対
して充分短い間隔で配列され、かつ微小レンズのレンズ
曲面に接する接平面が微小レンズの境界で連続で、かつ
微小レンズの焦点距離が微小レンズの配列間隔の５倍以
上であることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項３】互いに独立した光軸あるいは光軸面を有
する複数の微小レンズが有効表示領域の一辺の長さに対
して充分短い間隔で配列され、かつ近傍に位置する微小
レンズの光軸あるいは光軸面の相互がレンズ曲面の近傍
において互いに平行であり、かつ微小レンズの焦点位置
がレンズ形成体の外にあって、レンズ曲面から配列間隔
の５倍以上の距離にあることを特徴とするマイクロレン
ズアレイ。
【請求項４】請求項１乃至３の何れか１項記載のマイ
クロレンズアレイであって、前記微小レンズのレンズ曲
面を円筒面とすることを特徴とするマイクロレンズアレ
イ。
【請求項５】請求項１乃至４の何れか１項記載のマイ
クロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイの微小レンズに対面し、微小レ
ンズの焦点あるいは焦点の近傍位置を避けて配置された
連続した図柄からなる２次元表示画像と、該マイクロレ
ンズアレイの微小レンズに対面し、微小レンズの焦点あ
るいは焦点の近傍位置を避けて配置される連続した図柄
からなる２次元表示画像を支持するための画像支持体の
うち、少なくとも一方あるいは両方と、を具備することを特徴とする表示装置。
【請求項６】柔軟性を有する第１のシートと熱軟化性
を有する第２のシートとを積層し、該第２のシートを加熱しながら、凹凸面を有するローラ
によって、該積層した積層材を、該第１のシートの積層
面でない方の面から加圧するマイクロレンズアレイの製
造方法。
【請求項７】連続した図柄からなる２次元表示画像
と、該２次元表示画像を見るための観客席を具備し、該
２次元表示画像から該観客席までの距離よりも長い焦点
距離のレンズを該観客席に配置することを特徴とする表
示システム。
【請求項８】請求項７のレンズであって、焦点距離が
前記２次元表示画像から前記観客席までの距離の５倍以
上あることを特徴とする表示システム。
【請求項９】焦点距離が８メートルを越えるレンズ
と、該レンズの有効領域部分を目に対面した位置に保持
する支持具を備える表示装置。
【請求項１０】レンズと、該レンズの有効領域部分が使用者の目に対面しかつ該レ
ンズから３センチメートル以上離れた位置に該使用者の
目がくるように該レンズを保持する支持具とを備え、該レンズは、該使用者の目とレンズとの距離より充分長
い焦点距離を有することを特徴とする表示装置。
【請求項１１】焦点距離が８メートルを越えるレンズ
と、該レンズの有効領域部分が使用者の目に対面しかつ該使
用者の目から３センチメートル以上離れた位置に該使用
者の目がくるように該レンズを保持する支持具とを備え
る表示装置。
【請求項１２】請求項７及至１１のいずれか１項記載
のレンズであって、隣接する相互が互いに独立した光軸
あるいは光軸面を有する複数の微小レンズがレンズの有
効領域に配列されてなることを特徴とするレンズ。
【請求項１３】隣接する相互が互いに独立した光軸あ
るいは光軸面を有する複数の微小レンズをレンズの有効
領域に配列されてなる複合レンズと、該複合レンズを使用者の目の前に保持する支持具とを備
えることを特徴とするレンズ。
【請求項１４】請求項７及至１１のいずれか１項記載
のレンズであって、表側の曲面と裏側の曲面の距離が一
定の凹レンズである事を特徴とするレンズ。
【請求項１５】請求項１４のレンズであって、厚さが一
様で柔軟な薄い平板を曲げてなることを特徴とするレン
ズ。