JP2004151205A

JP2004151205A - フレネルレンズおよびその製造方法

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Publication number: JP2004151205A
Application number: JP2002314221A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Maejima; 成人前島; Muneaki Mukuda; 宗明椋田; Naoshi Yamada; 直志山田; Shinsuke Shikama; 信介鹿間; Hiroshi Suzuki; 浩志鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】低コストで、かつゴーストの軽減が可能なフレネルレンズを提供する。また、このようなフレネルレンズを容易に製造することが可能な製造方法を提供する。
【解決手段】透明基板の表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させるフレネルレンズ１において、上記凹部に光の出射方向に沿った遮光層２を設けた構成とする。上記遮光層２は凹部に光の出射方向に沿った溝を設け、上記溝に毛細管作用を利用して光吸収材料を充填して作製する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に投射型表示装置のスクリーンに用いるフレネルレンズ、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投射型表示装置のスクリーンに使用されるフレネルレンズは、一面が平坦面で、他面が同心円状の複数の凹凸部よりなり、この凹凸部での屈折を利用したり、凹凸部での全反射を利用することにより、レンズに入射した光を所望の方向に出射させる。
屈折型のものにおいては、凹凸部は有効面と無効面とで構成され、上記無効面を通過する光によりゴーストが発生する。また、全反射型のものにおいては、凹凸部は入射面と全反射面とで構成され、上記全反射面を空振りした空振光により同様にゴーストが発生する。
【０００３】
この解決のため、従来、光透過層と光吸収層を交互に重ね合わせた積層物の断面をスライスして得られる縞模様フィルムを、凹凸部を構成するフレネル面と反対側の面に張り合わせて、上記無効面からの不要な多重反射光を排除する方法があった（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、このような方法では縞模様フィルムの製造がコストアップの要因となり、また張り合わせのため生産性も悪く、さらに画面サイズにも限界があるといった問題があった。また、縞模様フィルムは直線状の縞模様であるため、光軸を中心に同心円状に加工されたフレネルレンズに対しては十分な遮光ができない等の問題点があった。
【０００４】
一方、フィルタ機能を有する上記のような縞模様フィルムをフレネルレンズに張り付けるのではなく、フレネルレンズに直接フィルタ機能を持たせるものとして、凹凸部を構成するフレネル面に感光性樹脂膜を塗布し、露光により無効面のみに膜を残存させて、遮光膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１４２６１３号公報（第３−１３頁、図３、図４）
【特許文献２】
特開平０７−３０６３０７号公報（第３−４頁、図１、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フレネルレンズに直接遮光膜を形成する方法においては、遮光膜を形成する際に、有効面と無効面との露光角度の違いによる受光量の差を応用しているので、マスキング露光並のパターン精度が得られず、フィルタ機能が十分得られないといった問題があった。また、全反射型のものには適用できない等の問題点があった。
【０００７】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、低コストで、かつゴーストの軽減が可能なフレネルレンズを提供することを目的とする。
また、このようなフレネルレンズを容易に製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のフレネルレンズは、透明基板の表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させるフレネルレンズにおいて、上記凹部に光の出射方向に沿った遮光層を設けたものである。
【０００９】
また、本発明のフレネルレンズの製造方法は、表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、かつ上記凹部に深さ方向が光の出射方向に沿った溝が形成されたフレネルレンズ本体を形成する工程、および上記溝に毛細管作用を利用して光吸収材料を充填する工程を施したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１による遮光層一体型フレネルレンズの断面図であり、図中に光の経路を付記している。図１に示すように、屈折型のフレネルレンズ１には、透明基板の表面に無効面１ａと有効面１ｂとで構成された複数の凹凸部が同心円状に設けられており、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させる。また、本実施の形態のフレネルレンズ１の凹部には光の出射方向に沿って遮光層２が設けられている。この遮光層２は深さ方向が光の出射方向に沿った同心円状の溝に光吸収材料を充填して構成したものである。本実施の形態１のフレネルレンズ材料としては紫外線硬化型のアクリル系樹脂を用い、光吸収材料としては油溶性染料（ＶＡＬＩＦＡＳＴＢＬＡＣＫ３８１０、アジン系含金染料、オリエント化学工業製）をエタノールに溶解した後、ポリビニルアルコール樹脂に溶解したもの（染料濃度５重量部）を用いた。また、遮光層２は、凹部に溝が形成されたフレネルレンズ本体の端部を、前述した光吸収材料中に浸漬し、毛細管作用により溝内に光吸収材料を充填した後、乾燥・硬化して作製した。
【００１１】
次にこのような構成のフレネルレンズにおける光の経路について説明する。図１において、光源（点光源）から放射された光はフレネルレンズ１の凹凸部が設けられたフレネル面に所定の角度で入射する。入射する光はレンズ材料特有の屈折率により屈折されるが、入射する光の内、有効面１ｂより入射する光はフレネルレンズのフレネル面に対し法線方向に屈折し、フレネル面と反対側のレンズ面（スクリーン前面）より出射する。一方、無効面１ａより入射する光は法線方向とは異なった角度に屈折されるが、遮光層２により吸収される。仮に遮光層２が無いと、図１において点線で示すような経路をとり、迷光となってゴーストとしてスクリーンに投影される。
【００１２】
本実施の形態の遮光層一体型フレネルレンズでは、フレネル面で屈折する光の内、法線方向とは異なる迷光を、フレネルレンズの凹部に設けられた溝に充填された光吸収材料で吸収するので、上記迷光を吸収・抑制することができ、その結果、スクリーンに投影されるゴーストを低減させることが可能となる。
また、本実施の形態の遮光層一体型フレネルレンズでは、フィルタ機能をフレネルレンズ自体が保持するため、構造が簡単になるばかりでなく、フレネルレンズの凹凸のピッチと遮光層のピッチが同一に保たれることから、光学的な色ズレもなく、スクリーン表面でのモアレ発生等も防止できる。
また、投射型表示装置の光源が点光源であり、スクリーンに放射状に光が照射される場合、縞模様フィルム等の直線状の遮光層を有するフィルタを用いたのではスクリーンの部位によって遮光層への迷光入射角が異なり、遮光層本来の特性を発揮できないという問題があったが、本実施の形態のものではフレネルレンズの凹部に直接遮光層を設ける構造となっていることから、遮光層も同心円状となるため、フレネルレンズで発生した迷光の遮光層への入射角度は一定となり、常に安定した遮光性を保持できるという効果がある。
【００１３】
なお、上記実施の形態ではフレネルレンズのフレネル面に光源からの光を入射し、フレネル面と反対側のレンズ面から光を出射させるようにしたが、入射方向と出射方向が逆の場合も同様の構成とすることにより、同様の効果がある。
【００１４】
また、遮光層を構成する溝の寸法は光吸収材料が充填できる範囲であれば何ら問題はないが、フレネルレンズを映像表示装置に用いることを考慮した場合には光透過率が重要な性能となることから、遮光層の幅はレンズピッチの２０％以下にすることが望ましい。また、溝に充填される光吸収材料による遮光性、および光吸収材料を溝内部に均一に充填することを考慮すると、溝幅は１μｍ以上あることが望ましい。本実施の形態のフレネルレンズにおいては、レンズピッチが１１０μｍのものを用いており、光吸収材料の均一な充填、遮光性、光透過率、成形性等を考慮し、遮光層を構成する溝幅を１０μｍとした。
また、遮光層を構成する溝の深さは映像品質に大きく影響する。遮光層の深さが小さいとフレネルレンズで発生する迷光を十分除去できず、迷光により発生する２重像やゴーストを抑制できない。このため、フレネルレンズのピッチ、光入射角に応じて最適な深さは変わる。本実施の形態のフレネルレンズにおいては、これらのことを考慮して溝の深さを２０μｍ以上とした。
【００１５】
また、本実施の形態では遮光層を構成する溝の方向は、光の出射方向と一致する方向、即ちフレネルレンズのフレネル面に対し法線方向と一致する方向に形成されるものを示したが、概ね法線方向と一致する方向に沿って設ければよい。例えば、溝ピッチを１１０μｍ、溝の幅を５μｍ、溝の深さを２０μｍとしたとき、溝角度の法線方向とのずれを１５度未満とすることにより光透過面積の減少を１０％未満とすることが可能となる。
【００１６】
また、本実施の形態ではフレネルレンズの形成材料として紫外線硬化型のアクリル樹脂を用いたが、フレネルレンズを形成できる材料であれば、公知のいかなる樹脂を用いても構わない。さらに、光吸収材料として本実施の形態では着色剤として油溶性のアジン系染料、バインダーとしてポリビニルアルコールの組合せを実施したが、この点についても遮光層として要求される光学特性を有する組合せであれば、公知のいずれの材料を用いても差し支えない。
【００１７】
次に本実施の形態の遮光層一体型フレネルレンズの製造方法を図２に基いて詳細に説明する。図２（ａ）はフレネルレンズ本体１ｃの正面、及び断面の一部を示す図であり、フレネルレンズ本体１ｃの表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、かつ上記凹部に深さ方向が光の出射方向に沿った溝２ａが形成されている。図２（ｂ）は上記フレネルレンズ本体１ｃの溝２ａに毛細管作用を利用して光吸収材料２ｂを充填する工程を示したものである。
本実施の形態のフレネルレンズは同心円状に形成された凹凸部の凹部に、光の出射方向に沿った遮光層が設けられており、このような構成の遮光層を従来のような紫外線照射により行うことは不可能である。また、フレネルレンズの凹部に溝を設け、この溝にスキージにより光吸収材料を充填することは極めて困難であり、仮に溝内部への充填が可能であっても、レンズ面に光吸収材料が残り、結果的に光学特性の低下を起こす。そこで、本実施の形態においては、金型等によって、図２（ａ）に示すようなフレネルレンズ本体１ｃ、即ちフレネル面の凹部に沿って同心円状に溝２ａが設けられたフレネルレンズ本体１ｃを作製し、このフレネルレンズ本体１ｃの端面を、図２（ｂ）に示すように、光吸収材料２ｂを含む液中に浸漬し、液体の毛細管作用を利用して上記溝２ａに選択的に光吸収材料２ｂを充填する。光吸収材料２ｂの溶剤はフレネルレンズ材料を溶解せず、沸点の比較的低いものがよく、実施の形態ではエタノールを用いた。ただし、揮発性が高いことから、大面積のスクリーンでは溝全部に充填するためには多量の溶剤が必要である。この解決には光吸収材料の充填設備を密閉容器中に入れ、容器内を溶剤蒸気雰囲気にすることにより該溶剤の揮発が抑制できるので、比較的少量の溶剤により大面積スクリーンの溝に均一に光吸収材料が充填できるようになる。
【００１８】
なお、本実施の形態では溶剤にエタノールを用いたが、光吸収材料を溶解し、フレネルレンズ材料を溶解しないものであれば公知のいずれの溶剤を用いても全く差し支えない。
【００１９】
実施の形態２．
次に全反射型のフレネルレンズに対する実施の形態について説明する。図３は本発明の実施の形態２による遮光層一体型フレネルレンズの断面図であり、図中に光の経路を付記している。図３に示すように、全反射型のフレネルレンズ１には、透明基板の表面に入射面１ｄと全反射面１ｅとで構成された複数の凹凸部が同心円状に設けられており、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させる。また、本実施の形態のフレネルレンズ１の凹部には光の出射方向に沿って遮光層２が設けられている。この遮光層２は深さ方向が光の出射方向に沿った同心円状の溝に光吸収材料を充填して構成したものである。
本実施の形態２のフレネルレンズ材料および光吸収材料としては、実施の形態１と同様のものが使用され、実施の形態１と同様にして本実施の形態２のフレネルレンズが作製される。
【００２０】
次にこのような構成のフレネルレンズにおける光の経路について説明する。図３において、光源（点光源）から放射された光はフレネルレンズ１の凹凸部が設けられたフレネル面に所定の角度で入射する。入射面１ｄより入射した光は屈折して全反射面１ｅで全反射し、フレネルレンズのフレネル面に対し法線方向に反射され、フレネル面と反対側のレンズ面（スクリーン前面）より出射する。一方、入射面１ｄより入射した光の内、全反射面１ｅに到達せず、全反射面１ｅを空振りした空振光は遮光層２により吸収される。仮に遮光層２が無いと、上記空振光は図３において点線で示すような経路をとり、迷光となってゴーストとしてスクリーンに投影される。
【００２１】
本実施の形態の遮光層一体型フレネルレンズでは、フレネル面で屈折する光の内、全反射面で全反射されずに法線方向とは異なる方向に進む迷光を、フレネルレンズの凹部に設けられた溝に充填された光吸収材料で吸収するので、上記迷光を吸収・抑制することができ、その結果、スクリーンに投影されるゴーストを低減させることが可能となる。
また、実施の形態１と同様、フィルタ機能をフレネルレンズ自体が保持するため、構造が簡単になるばかりでなく、フレネルレンズの凹凸のピッチと遮光層のピッチが同一に保たれることから、光学的な色ズレもなく、スクリーン表面でのモアレ発生等も防止できる。
また、投射型表示装置の光源が点光源であり、スクリーンに放射状に光が照射される場合、遮光層も同心円状となるため、フレネルレンズで発生した迷光の遮光層への入射角度は一定となり、常に安定した遮光性を保持できるという効果がある。
【００２２】
また、本実施の形態において溝の寸法については、実施の形態１と同様のことを考慮して設定すればよい。
製造方法についても実施の形態１と同様に作製すればよい。
【００２３】
なお、上記各実施の形態においては、同心円状の複数の凹凸部が設けられたフレネルレンズを投射型表示装置のスクリーンに用いる場合に有効となる構成について示したが、直線状の複数の凹凸部が設けられたレンズに対して、同様に凹部に光の出射方向に沿った遮光層を設け、このレンズをスクリーンとして用いてもよく、特に光源からの光が平行光である場合において、ゴーストの発生が、安価に、かつ容易に抑制できるようになる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、透明基板の表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させるフレネルレンズにおいて、上記凹部に光の出射方向に沿った遮光層を設けたので、ゴーストの発生を安価で、かつ容易に抑制することが可能となる。
【００２５】
また、この発明によれば、表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、かつ上記凹部に深さ方向が光の出射方向に沿った溝が形成されたフレネルレンズ本体を形成する工程、および上記溝に毛細管作用を利用して光吸収材料を充填する工程を施すことにより、フレネルレンズを製造するので、ゴーストの発生が抑制できるフレネルレンズを安価で、かつ容易に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による屈折型フレネルレンズを示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による屈折型フレネルレンズの製造方法を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２による全反射型フレネルレンズを示す断面図である。
【符号の説明】
１フレネルレンズ、１ａ無効面、１ｂ有効面、１ｃフレネルレンズ本体、１ｄ入射面、１ｅ全反射面、２遮光層、２ａ溝、２ｂ光吸収材料。

Claims

透明基板の表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、上記凹凸部によって入射光を所望の方向に出射させるフレネルレンズにおいて、上記凹部に光の出射方向に沿った遮光層を設けたことを特徴とするフレネルレンズ。
遮光層は凹部に沿って同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
表面に同心円状の複数の凹凸部が設けられ、かつ上記凹部に深さ方向が光の出射方向に沿った溝が形成されたフレネルレンズ本体を形成する工程、および上記溝に毛細管作用を利用して光吸収材料を充填する工程を施したことを特徴とするフレネルレンズの製造方法。
光吸収材料を毛細管作用により充填する工程において、フレネルレンズ本体の一部を光吸収材料を含む液中に浸漬するとともに、雰囲気を上記光吸収材料の溶剤蒸気雰囲気にすることを特徴とする請求項３記載のフレネルレンズの製造方法。