JP2006003522A - マイクロレンズアレイおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、マイクロレンズアレイ金型を作製する際の容易性を上げ、かつ、設計どおりのレンズ形状を得ることを目的とするとともに、間隙部分に入射した光が直線的に通過することを防止して光の利用効率を高め、拡散特性と明るさにすぐれたマイクロレンズアレイを提供することを課題とする。
【解決手段】
上記の課題は、個々に独立した複数の凸または凹レンズを備え、それぞれのレンズが二次元的に配列しているレンズアレイにおいて、レンズと該レンズの周囲の少なくとも一つのレンズとの間に一定の間隙を有し、かつ、該間隙部の断面形状が曲面を有するか、または、該間隙部表面が粗面状となっているマイクロレンズアレイにより達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクションテレビなどに用いられるスクリーンおよびプロジェクターなどの投影機の表示パネル等に使用されるマイクロレンズアレイに関するものである。

プロジェクションテレビなどに用いられるスクリーンとして、従来は垂直方向に長手方向をもつシリンドリカルレンズが多数並列に配置されたレンチキュラーレンズシートが用いられてきた。このタイプのスクリーンの場合は、該レンチキュラーレンズにより水平方向へ光が分配され、拡散材等によって垂直方向へ光が分配されていた。ここで、光の分配が拡散材による場合は、光の損失が生じるという問題がある。そこで、垂直水平両方向へ光を分配することができる独立したレンズを多数二次元的に配置したマイクロレンズアレイをスクリーンとして用いることが提案されている（特許文献１参照）。

上記のようなマイクロレンズアレイの製造には、目的とするマイクロレンズアレイの逆の形状を有する金型から転写して得る方法が主に用いられている。そして、該金型を作製するには、金属等の原板を切削などの機械的手法によって彫刻する方法、ガラス等の基板に塗布されたフォトレジストに対してフォトマスクを介して露光またはレーザー光線により描画するなどして得た形状を電鋳法などで転写する方法等が用いられている。

通常、こうして得られたマイクロレンズアレイは、特許文献１にあるように、個々のレンズ間に間隙が設けられず、直接レンズ同士が接触し合って配置されている。そのような場合には、転写時における樹脂やガラスの流路が金型上に確保されておらず、成形速度は一般的には遅い等の問題が生じる。また、金型における各レンズ間の境界部が鋭角な形状となるため、その部分の強度が充分でなく、最終的に得られるレンズの形状に誤差が生じ易くなり、マイクロレンズシートを製造する際の安定性等に問題が生じることがある。

そこで、個々のレンズ間に一定の間隙を有するように各レンズを配置して、境界部の強度を大きくすることが試みられているが、その場合には、レンズの間隙部分に入射した光は、そのまま直線的に通過するため、レンズによる拡散効果が得られないものとなり、マイクロレンズアレイの性能に悪影響を及ぼすことが有る。また、マイクロレンズアレイシートの出射側において、マイクロレンズの非集光部に遮光部が設けられている場合には、前記の間隙部に入射した光は、遮光部に遮られ出射することができず、光の利用効率を低下させることになる。

特願昭６２−１５７０２３号公報 特許請求の範囲、Ｆｉｇ．１など

本発明は、上記の従来技術における問題点に鑑みてなされたもので、マイクロレンズアレイ金型を作製する際の容易性を上げ、かつ、設計どおりのレンズ形状を得ることを目的とするとともに、間隙部分に入射した光が直線的に通過することを防止して光の利用効率を高め、拡散特性と明るさにすぐれたマイクロレンズアレイを提供することを課題とする。

上記の課題を解決する本発明のマイクロレンズアレイは、個々に独立した複数の凸または凹レンズを備え、それぞれのレンズが二次元的に配列しているレンズアレイにおいて、レンズと該レンズの周囲の少なくとも一つのレンズとの間に一定の間隙を有し、かつ、該間隙部の断面形状が曲面を有するマイクロレンズアレイである。

また、上記の課題を解決する本発明の他のマイクロレンズアレイは、個々に独立した複数の凸または凹レンズを備え、それぞれのレンズが二次元的に配列しているレンズアレイにおいて、レンズと該レンズの周囲の少なくとも一つのレンズとの間に一定の間隙を有し、かつ、該間隙部表面が粗面状となっているマイクロレンズアレイである。

そして、上記のマイクロレンズアレイにおいて間隙部の面積とレンズの投影面積との比が、５：９５から５０：５０の範囲内であることが望ましい。

また、本発明のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイのレンズ頂点を通る断面において、変曲点間のマイクロレンズ幅をＡ、変曲点からレンズ頂部までの高さをＣ、変曲点間の間隙の長さをＢ、変曲点から間隙谷部までの高さをＤ、レンズ部の占める面積割合をαとした場合、
（１／４）×（Ｃ／Ａ） ＞ α×（Ｄ／Ｂ）
であることを特徴とする。

さらに、本発明は、上記のマイクロレンズアレイを製造するにあたり、該マイクロレンズアレイの反対形状を有する型を用いて該形状を転写する工程を有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であって、転写する工程は、押し出し成形、連続光重合成形、射出成形またはプレス成形により実現することができるが、これらに限定されるものではない。

本発明によれば、上下、左右方向の視野角を同時に制御するマイクロレンズアレイタイプのスクリーンを容易に、かつ、安価に作製することができる。

図１に本発明における、マイクロレンズアレイの実施の一例を示す。この実施例においては、各レンズ１の全辺の外周部に間隙２を有する。そして、正面輝度の増大を抑制するため、間隙２部分は曲率を有するレンズ形状となっている。その場合、レンズ形状は凸でも凹でもよい。

図４に図１のＳ−Ｓ断面の一例を示す。レンズ断面を見たときの変曲点間のマイクロレンズ幅をＡ、変曲点からレンズ谷部までの高さをＣ、変曲点間の間隙の長さをＢ、変曲点から間隙谷部までの高さをＤ、レンズ部の占める面積をαする。表１に本発明者らがプロジェクションＴＶ用マイクロレンズアレイを光硬化型樹脂によりプロジェクションスクリーンを作製し、その視野角特性と成形性を評価した結果を示す。表１において、視野角特性に関する評価○は、個々のレンズの設計どおりにレンズアレイの特性が得られることを示し、評価△は、間隙の存在に由来する正面輝度の異常な増加が観察されることを示す。また、成形性に関する評価○は、成形が良好に可能であることを示し、評価△は、成形可能であるが良好に成形できる条件範囲が狭いかレンズ形状の変形が発生する場合があることを示し、評価×は、成形が困難でありレンズ形状の変形が生じやすいことをそれぞれ示している。

α＝１の場合、すなわち間隙を設けなかった場合には、成形が困難であるとともに、型のレンズ境界部に変形も見られる。

また、表１の結果から、マイクロレンズアレイにおけるレンズと間隙とが
４ ＜ ｛（Ｃ×Ｂ）／（Ａ×Ｄ）｝／α ＜ ６．３
の関係であること、つまり、成形性の点からは
（１／４）×（Ｃ／Ａ） ＞ α×（Ｄ／Ｂ）
の関係を満たすことが望ましく、視野角特性の点からは
（１／６．３）×（Ｃ／Ａ） ＜ α×（Ｄ／Ｂ）
の関係を満たすことが望ましいことがわかる。

図５は図１におけるＳ−Ｓ断面の他の一例である。図のように間隙部は、凹状であっても本願発明の目的は達成できる。

また、本発明者らは、レンズぶ部の投影面積よりも間隙部面積が大きくなると、集光特性はレンズ部よりも間隙部に依存するようになり、集光不良、ゲイン低下を引き起こすことを見出している。そのため、間隙部面積はレンズ投影面積よりも小さくなければならず、間隙部面積とレンズ投影面積の比は５０：５０以下であることが望ましく、３０：７０以下であることがより好ましい。また、レンズ形状の安定性および成形性の点から、間隙部面積とレンズ投影面積の比は１：９９以上であることが好ましく、５：９５以上であることがより好ましい。

また、間隙２を粗面化することにより、光を散乱正面方向への出射光を低減させて正面輝度への影響を軽減させても上記と同様の効果を得ることができる。粗面化する際には、全方向へ均等に散乱するように粗面化することが望ましい。間隙２を粗面化するには、フォトレジスト塗布後に、ランダムな微細パターンを転写するためのフォトマスクを介してフォトレジスト全面を露光しても良いし、サンドブラストなどの機械的手法によって、フォトレジスト全面を粗面化しても良い。その後、フォトマスクを介した露光法や、レーザー描画法などによってマイクロレンズアレイを形成することによって、間隙部のみが粗面化されたマイクロレンズアレイを得ることができる。また逆に、間隙部が基板にあたるように露光・現像を行う場合には、基板を粗面化することによっても本発明は達成可能である。

図２に本発明における、マイクロレンズアレイの実施の一例を示す。この実施例においては、各レンズの２辺に流路３を有する。そして、流路３部分は曲率を有するレンズもしくは粗面となっている。

図３に六角形のレンズ１の２つの辺がシリンドリカルレンズ４の一部と接している、本発明の実施の一例を示す。正面輝度の増大を抑制するため、シリンドリカルレンズ４部分の面積と六角形レンズ１部分の投影面積の比は、１０：９０以下であることが望ましい。

フォトマスクを介した露光法によって、転写に用いる型の原盤を作製するときには、リフロー（現像後に過熱してレジスト形状を整える工程をいう）時にレンズが接しない間隙をあらかじめ設定して、フォトマスクに描画するレンズ間に一定の間隙を設けることによって、レンズ間に間隙を有する金型を作製することができる。

レーザー描画法による金型原盤作製時には、フォトマスクを介した露光法と同様に、レンズ間に一定の間隙を有して描画することによって、レンズ間に間隙を有する金型を作製することが出来る。また、レンズ高さ方向にレーザー強度を変調させることが出来るレーザー描画装置を用いる場合にはリフロー工程は不要となり、レンズ間に上記と同様な間隙を与えることによって、レンズ間に間隙を有する金型を容易に作製することができる。

上記手法により作製された金型を使用して作製される成形品においては、樹脂、およびガラスの流路が確保されるため、成形が容易となり、特に、押し出し成形や連続光重合成形などの連続成形プロセスにおいて、成形速度を上げることが可能となる。

また、間隙部分を粗面化させて正面輝度を低下させても良い。粗面化する際には、全方向へ均等に散乱するように粗面化することが望ましい。

本発明のマイクロレンズアレイの配列を持った金型原盤を作製する際には、機械切削や、フォトマスクを介した露光法、レーザー描画法などのフォトリソグラフを使用した方法を用いることができる。なかでもレーザー描画法のうち、レンズの高さ方向にレーザー強度を変調できるレーザー描画装置が好適に用いられる。

上記マイクロレンズアレイ金型から転写して得られるマイクロレンズアレイは、原型の作製が安価で済む、もしくは耐久性に優れるため、低コストで生産することが可能である。

本発明のマイクロレンズアレイの配列を持った成形品を作製する成形方法としては、押し出し成形、連続光重合成形、射出成形、プレス成形などを用いることができる。なかでも、押し出し成形および連続光重合成形は、レンズ間の間隙が樹脂やガラスの流路となり、成形速度を上げることができることから、好適に用いることができる。

本発明のマイクロレンズアレイの配列を持った成形には、透明性に優れたアクリル樹脂やＭＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、紫外線硬化型樹脂、ガラスなどを用いることができる。なかでも比較的低温で成形できるアクリル樹脂やＭＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、紫外線硬化型樹脂などが好適に用いられる。また、これらの成形品は板状であっても良く、フィルム状であっても良い。

上記のとおり説明した成形品は、プロジェクションテレビなどのスクリーンやプロジェクターなどの投影機に使用することができる。

全辺の外周部に間隙を有する、本発明のマイクロレンズアレイの一実施例である。 一方向に樹脂の流路を設けた、本発明のマイクロレンズアレイの一実施例である。 六角形レンズの２つの辺がシリンドリカルレンズの一部と接している本発明のマイクロレンズアレイの一実施例である。 図１におけるＳ−Ｓ断面の一例である。 図１におけるＳ−Ｓ断面の他の一例である。

符号の説明

１：レンズ ２：間隙 ３：流路 ４：シリンドリカルレンズ

Claims (8)

1. 個々に独立した複数の凸または凹レンズを備え、それぞれのレンズが二次元的に配列しているレンズアレイにおいて、レンズと該レンズの周囲の少なくとも一つのレンズとの間に一定の間隙を有し、かつ、該間隙部の断面形状が曲面を有するマイクロレンズアレイ。
2. 個々に独立した複数の凸または凹レンズを備え、それぞれのレンズが二次元的に配列しているレンズアレイにおいて、レンズと該レンズの周囲の少なくとも一つのレンズとの間に一定の間隙を有し、かつ、該間隙部表面が粗面状となっているマイクロレンズアレイ。
3. 該間隙部の面積とレンズの投影面積との比が、５：９５から５０：５０の範囲内である請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイ。
4. マイクロレンズアレイのレンズ頂点を通る断面において、変曲点間のマイクロレンズ幅をＡ、変曲点からレンズ頂部までの高さをＣ、変曲点間の間隙の長さをＢ、変曲点から間隙谷部までの高さをＤ、レンズ部の占める面積割合をαとした場合、
   （１／４）×（Ｃ／Ａ） ＞ α×（Ｄ／Ｂ）
   であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
5. マイクロレンズアレイの反対形状を有する型を用いて該形状を転写する工程を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
6. 転写が押し出し成形により実現されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
7. 転写が連続光重合成形により実現されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
8. 転写がプレス成形により実現されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。

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