JP2004110069A

JP2004110069A - 樹脂レンズアレイ

Info

Publication number: JP2004110069A
Application number: JP2003383252A
Authority: JP
Inventors: Hisami Nishi; 西　壽巳
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】　高価な成形型を必要とせず、組立調整が容易で安価な樹脂製レンズアレイを提供する。
【解決手段】　低温プロセスで用いられる樹脂材料を用い、穴付き板の貫通穴に樹脂を押し出してレンズを成形固化し、レンズアレイシートを形成し、さらにレンズアレイシートと穴付き板とを接着固定した樹脂製レンズアレイを製作する。透明平面基板と穴付き板とを接着する樹脂層が、穴付き板にあいた貫通穴の開口部に押し出されることで、各レンズが成形されレンズアレイシートとなる。したがって、各レンズと各貫通穴の光軸は完全に一致し、調整の必要がない。
【選択図】　　　図３

Description

　本発明は、固体撮像素子などの複数素子からなる光検出器などに効率よく光を集光するマイクロレンズや、ファクシミリおよびイメージスキャナなどのイメージ読みとり用センサーの等倍結像レンズ、およびＬＥＤプリンタなどの光学式プリンタの結像用レンズとして用いられる樹脂製レンズアレイに関するものである。

　例えば、特許文献１の第２４図（図８）に開示されるようなレンズアレイ３では、ガラスや樹脂を目的とする形状の雌型内に、射出成形または加熱軟化させてレンズアレイシート３０を成形した後、別途用意した絞り４４と貼り合わせる方法で製作されていた。

　また、同公報の第２１図（図９）のような、絞り４４をはさんで両方から同時にレンズアレイ３を一体成形する方法が開示されている。さらにレンズ成形のプロセス後に、遮光膜を印刷、蒸着やスパッタ法などで、目的とする部分に付与する方法などは以前から行われていた。

　また、ガラス基板内に屈折率の異なるイオンをイオン拡散法などで選択的に分布させ、その濃度差による屈折率の分布を利用してレンズ作用を得た平面基板状のレンズアレイ（例えば、特許文献２参照）が実用化されている。
特開昭５５−９０９２３号公報特開昭５７−５３７０２号公報

　レンズ媒質としてガラスを用いるレンズアレイでは、耐候性、熱膨張率、吸湿性などの点で良好であり、高い光学性能と良好な安定性が得られている。その製造方法として、モールド成形方法では、ガラス材料を高温で加熱成形するため、極めて高価な成形型を必要とする。さらに、加熱後の徐冷時間も必要になるため、低コストな製造方法ではない。また、レンズ径や焦点距離の変更には、成形型の変更も必須になる。

　また、ガラスのイオン交換法による製造方法では、高価な成形型を必要としないものの、大規模な高温イオン交換槽と長時間のイオン交換時間を必要とするため、低コスト化に限界がある。以上の点から、レンズ媒質をガラスにした場合、低価格のレンズアレイを提供することは困難である。

　一方、材質に樹脂を用いると低温プロセスのため低価格なレンズアレイが提供できるが、上記特許文献１の第２４図に開示された実施例の発明では（図８参照）、レンズアレイシート３０と不要な光を遮蔽する絞り４４を別途制作し、後で精密なアライメントを行ってレンズアレイ３を組立てていた。なお、この絞り４４の貫通穴４２の内部には、樹脂が充填されている。

　長尺や大面積のレンズアレイではシート状の形状になり、耐湿性に難がある樹脂材料では、水分を吸いレンズアレイ面内で不均等に膨張、収縮をおこし、反りやねじれ、たわみを起こしやすく、レンズの配列寸法の経時変化が極めて大きくなる。したがって、絞りの中心と各レンズの光軸を全レンズで一致させるのは極めて困難となる。

　特に、正立等倍像を得るのに最低２枚のレンズが必要なレンズアレイの場合、２枚のレンズアレイと穴付き板は、別途製作し高精度で光軸を合わせて組み立てることになるので、組み立てに多大なコストを要することになる。上記特許文献１の第２１図に開示された実施例（図９参照）では、両面の成形型８の位置調整で２群のレンズの軸を合わせやすい特徴がある。しかしながら、高価な成形型や射出成形などの装置が必要であり、また絞り部分に相当する貫通穴を有する円筒形を樹脂に注入するために、別途コストがかかることになり、低価格化には向かない。

　一方、高分子樹脂の重合などの原理を用いた樹脂製屈折率分布型レンズアレイでは、図１０のように絞りを形成する遮光膜３２を選択的に重合を阻止するマスクと兼用することができ、上記欠点を解決できかつ両面に屈折率分布型レンズ３３を形成（２群２枚）できるが、媒質内に絞りとなる円筒４５を形成する必要があり原理的に実現困難である。

　また、特開平２−１９６２０１号には、レンズ成形型８とレンズ成形基板１の間に感光性樹脂２を狭持し、紫外線源６によって前記樹脂を硬化させ、前記成形型を前記基板より剥離することを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法が開示されている。この方法では、高価な成形型を必要とし、さらに別の工程で遮光機能を有するような穴付き板と、その光軸を調整して組み立てる必要がある。（図１１参照）

　本発明は上述したような問題点を解決し、安価な樹脂製レンズアレイを提供することを目的とする。

　上記問題点を解決するために本発明では、低温プロセスで用いられる樹脂材料を用い、穴付き板の貫通穴に樹脂を押し出してレンズを成形固化し、レンズアレイシートを形成し、さらにレンズアレイシートと穴付き板とを接着固定した樹脂製レンズアレイを製作する。

　［作用］透明平面基板と穴付き板とを接着する樹脂層が、穴付き板にあいた貫通穴の開口部に押し出されることで、各レンズが成形されレンズアレイシートとなる。したがって、各レンズと各貫通穴の光軸は完全に一致し、調整の必要がない。また、穴付き板の両面にレンズアレイシートを形成すると、対向するレンズどおしの光軸も自ずから一致することになり、やはり調整の必要がない。

　本発明によれば、射出成形やモールドのような高温プロセスや高価な型を必要とせず、極めて安価な製造装置と材料でレンズアレイを生産できる。また、焦点距離の調整は平面基板と穴付き板の間隔で行えるため、その都度、型などの変更を必要としない。

　さらに、レンズと遮光部に相当する穴付き板の貫通穴との軸合わせを特に行わなくても、自動的に軸合わせが行われる。さらに、両面にレンズを成形する場合にも、穴付き板両面のレンズの軸と絞りに相当する貫通穴の軸が自動的に一致し、これら３者が接着固定されているため、経時変化を起こすことがない。

　また、透明平面基板としてガラス板などを、または穴付き板にＦＲＰ，金属などの材質を用い、厚みと大きさを適当に選べば、樹脂材料だけではねじれなどの経時変化に弱い点も克服することができる。

　さらに、透明平面にガラス基板を用いると、樹脂のレンズ層だけの場合に比べて、表面の硬度が著しく向上し、スリキズ等にきわめて強くなる。汚れた場合には、その汚れを拭き取り清掃することもできる。

　以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（実施例１）図１は本発明の一実施例を示している。図１では光硬化性樹脂を用いた場合の製造方法の実施例である。

　まず、（ａ）透明平面基板１の片面に未露光の光硬化性樹脂２を均一厚みに塗布する。
（ｂ）遮光性媒質からなりレンズを成形する部分に、例えば円筒状の貫通穴４１が複数個並行に配置された穴付き板４を用意し、前記光硬化性樹脂層を穴付き板側にして密着させる。
（ｃ）透明平面基板１と穴付き板４との位置関係を平行に保ったまま、両者の間隔を微動装置５で調整する。具体的には、徐々に間隔を狭め穴付き板４の貫通穴４１の内部に、光硬化性樹脂２を押し出し球面状に盛り上がらせレンズ部分３１を成形し、所望のレンズ形状になった時点で両者の間隔を固定する。
（ｄ）透明平面基板側より光硬化性樹脂を硬化させるために、高圧水銀ランプなどの装置６を用いて紫外線を照射しレンズ形状を固定化するとともに、穴付き板４とレンズ部を構成する硬化した樹脂製レンズアレイシート３０および透明平面基板１を接着固定する。
以上の作業で樹脂製レンズアレイ３が完成する。

　なお、図２のように（ａ’）透明平面基板１に光硬化性樹脂２を塗布する前に、フッ素系などの離形剤７を塗布しておき、（ｄ’）光硬化性樹脂２が硬化後に（ｅ）透明平面基板１を剥がしてもかまわない。

　図３に本発明による樹脂製レンズアレイの斜視図を示す。なおこの図では、各レンズを２次元に四方配列した例であるが、もちろんこの例だけではなく、レンズを１次元に配列したものや２次元に六方配列したものも、本発明の方法によって作製可能なことはいうまでもない。

　また、光硬化性樹脂の代わりに熱硬化性樹脂を用い、透明平面基板１と穴付き板４との間隔を固定後に、電気炉などで熱を加えて硬化させることも可能である。また、Ｘ線を照射することで硬化する樹脂を用いることも可能である。これらの場合、この平面基板は特に透明である必要はない。

　（実施例２）図４に示したのは、両面にレンズアレイシートを形成したレンズアレイの例である。この場合、片面ずつレンズアレイシートを形成してもよいし、両面同時に形成することも可能であり、そのほうが生産性があがる。

　具体的な例では、穴付き板４の厚みｄ、レンズを成形する樹脂層の屈折率ｎ、貫通穴４１の直径Ｄ、レンズ部分３１の曲率半径ｒを調整することにより、所望の画角２θ、共役長ＴＣをもつ等倍レンズアレイが実現できる。

　例えば、ｎ＝１．５２，Ｄ＝１．０ｍｍ，ｄ＝９．５７ｍｍでは、ｒ＝１．６６ｍｍ，ｆ＝３．１９ｍｍ，ＴＣ＝２８．７ｍｍ，θ＝９度である。同じく、ｄ＝４．３８ｍｍでは、ｒ＝０．７６ｍｍ，ｆ＝１．４６ｍｍ，ＴＣ＝１３．２ｍｍ，θ＝２０度である。また、レンズを成形する樹脂層２は、凸面を形成しやすいように、その粘性を高めに調整しておくと、球面のレンズ面が容易に得られる。

　なお、両面にレンズを形成する場合は、レンズ成形工程で貫通穴内の内部気圧が上がりレンズが凸状に膨らむのを阻害したり、その形状が球面からずれる場合があるので、図５のように貫通穴４１相互と外気とを結ぶ空気抜き穴４３を穴付き板４に開けておくことが望ましい。さらに、この空気抜き穴４３を通して貫通穴４１内部を減圧し、積極的にレンズ成形を補助促進することも可能である。

　また、図６のように片面にレンズアレイシート３０を形成後、穴付き板４を剥がし遮光部なしのレンズアレイを構成したり、穴付き板表面に遮光部に相当する光遮蔽膜３２と離形剤７を塗布しておき、レンズ成形後に光遮光層をレンズ部に転写することも可能である。
　さらに図７では、レンズアレイシートを３層スタックした構造のものである。この場合、レンズ軸は各穴付き板４の貫通穴４１の位置合わせ精度に依存する。

　以上の説明では、平面基板と平面の穴付き基板を用いてレンズアレイを作製する例についてであったが、同一の曲率をもつ曲面基板と曲面の穴付き基板を用いてレンズアレイを作製することも可能である。

　また以上の説明では、凸状レンズを作製する例についてであったが、凹状レンズアレイを作製することも可能である。
（ａ）透明平面基板１の片面に光硬化性樹脂２を均一厚みに塗布する。
（ｂ）遮光性媒質からなりレンズを成形する部分に、例えば円形の貫通穴４１があいた穴付き板４を用意し、前記硬化性樹脂層を穴付き板側にして密着させる。
（ｃ）透明平面基板１と穴付き板４との位置関係を平行に保ったまま、両者の間隔を微動装置５で、徐々に広げていく。このとき、光硬化性樹脂２の粘性を適当に高めに調整すると、表面張力により樹脂層表面に凹レンズが成形される。

本発明による実施例１に示した光硬化性樹脂を用い片面に樹脂製レンズアレイを形成する方法を説明する図。本発明による実施例１に示した別の方法で、樹脂製レンズアレイを形成した後透明基板を剥離する方法を説明する図。本発明による樹脂製レンズアレイを説明する図。本発明による両面にレンズアレイを形成する方法を説明する図。穴付き板に空気抜き穴を設けた例を説明する図。穴付き板を樹脂製レンズアレイを形成した後で剥離する方法を説明する図。レンズアレイ層を４層積層した例を説明する図。特開昭５５−９０９２３号の第２４図に示された従来例を説明する図。特開昭５５−９０９２３号の第２１図に示された従来例を説明する図。重合により作製した樹脂製屈折率分布型レンズアレイの従来例を説明する図。特開平２−１９６２０１の第１図に示された従来例を説明する図。

符号の説明

１　透明平面基板
２　光硬化性樹脂
３　（樹脂製）レンズアレイ
４　穴付き板
５　微動装置
６　紫外線照射装置
７　離形剤
８　成形型
３０　レンズアレイシート
３１　レンズ部分
３２　遮光膜
３３　屈折率分布型レンズ部分
４１　貫通穴
４２　（樹脂が充填された）貫通穴
４３　空気抜き穴
４４　絞り
４５　（絞りとして機能する）円筒

Claims

　遮光性材質からなり複数の貫通穴を有する穴付き板と、前記貫通穴側の面に前記貫通穴に対応する複数の樹脂製凸型レンズを有し、他方の面が平面である樹脂製レンズアレイシートからなり、かつ前記穴付き板とレンズアレイシートが、各レンズと各貫通穴の光軸を一致させて固着されたことを特徴とする樹脂製レンズアレイ。
　基板の片面に透明樹脂を均一な厚みに塗布した樹脂層を形成し、当該面を遮光性材料からなり複数の貫通穴を持つ穴付き板に圧着し、前記樹脂の一部を前記穴付き板の貫通穴に押し出してレンズ部分を成形し、その後前記樹脂を硬化させレンズアレイシートを形成するとともに、前記樹脂層により前記基板と前記穴付き板とを接着固定したことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製レンズアレイ。
　前記レンズアレイシートは透光性平面基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂製レンズアレイ。
　前記穴付き板の貫通穴を有する両方の面に、前記レンズアレイシートを有することを特徴とする請求項１、２または３に記載の樹脂製レンズアレイ。
　前記両方のレンズアレイシートにおけるそれぞれのレンズ素子の焦点距離は同一であり、レンズアレイ外部に正立等倍像を形成する主点位置を有することを特徴とする請求項４に記載の樹脂製レンズアレイ。
　前記レンズアレイシートと、前記穴付き板をそれぞれ交互に多段積み構成としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の樹脂製レンズアレイ。
　前記レンズアレイシートおよび前記穴付き板が曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂製レンズアレイ。