JP2007086420A - 光学スクリーンとそれを用いたプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高精度で、厚さの薄い、入射光の光量損失を減少したフレネルレンズとマイクロレンズ機能を合成した光学作用を有するプロジェクションテレビジョン等で使用される光学スクリーンとその光学スクリーン単体からなるプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】光透過性プラスチック基板上に、単位レンズを配列形成したマイクロレンズアレイからなる光学スクリーンにおいて、前記単位レンズが、微小なフレネルレンズ形状であって、光学エンジン（プロジェクター）からの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させて配列形成してなることを特徴とする光学スクリーンとそれを用いたプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、加工精度が高く、厚さの薄い、入射光の光量損失を減少したフレネルレンズとマイクロレンズ機能を合成した光学作用を有するプロジェクションテレビジョン等で使用される光学スクリーンとその光学スクリーン単体からなるプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法に関する。

従来、プロジェクションテレビジョン等のスクリーンは、フレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートとを隣接配置していた。プロジェクションテレビジョンの薄型化を目的として、スクリーンはフレネルレンズシートで画像を集光し、レンチキュラーレンズシートで視野角を拡げるように構成されていることは、周知である。

レンチキュラーレンズは、最初水平方向の視野角を拡げる機能のみを有していた。その後、垂直方向の視野角を拡大させるために、互いに直交したレンチキュラーレンズを配する考案がなされたが、シート枚数が増加するため、増加したレンチキュラーレンズシートによる入射光の表面反射、シート内部での散乱、吸収により透過効率が減少するという問題があった。

１枚のシートで互いに直交する種々のレンチキュラーレンズが提案されたが、最終的には、マイクロレンズアレイとして定着しつつある。

マイクロレンズ形成技法としては、材料の屈折率を半径方向に変化させてレンズとする屈折率分布型と、直径数μｍから数１００μｍの微小な略半球状の凸レンズを複数配置するものに大別される。

屈折率分布型マイクロレンズの製造方法には、レンズ形状に合わせたマスクを形成したガラス基板にイオンを拡散させて段階的な屈折率変化をもたせるイオン交換法、レーザーによる改質法（特許文献１参照）などがあるが、屈折率分布型では、型成形による生産方式が取れないため、コスト高とならざるを得ない。

微小な略半球状の凸レンズを複数配置する方法が、屈折率分布型に比べて一般的であり、種々の製造方法が提案されている。

例えば、フォトリソグラフィーにより円柱状のフォトレジストパターンを作成した後、基板を加熱してレジストを流動させ、表面張力によりレンズ形状を作製するリフロー法、レーザーを材料表面に照射して微小隆起物を作りマイクロレンズとする方法、微細パターンの開口面積比で透過率を制御したグレイスケールマスクを使用してレジストパターンを形成し、ガラス基板にドライエッチングにより形状を転写するグレイスケール法（特許文献２参照）、インクジェットプリンタヘッドを利用して微量の樹脂材料を所定の位置に滴下し、表面張力によりレンズ形状を作製するインクジェット法が提案されている。その他、Ｘ線リソグラフィー、電子線リソグラフィーによる方法がある。

しかしながら、多くの方法は、レンズの曲線を精密に制御し得ないという欠点がある。そうでなければ、複雑で繊細な加工プロセスを必要としている。

成形型の製造方法は、フォトリソグラフィーを用いたものが一般的であり、所定パター
ンの開口を有するマスクをレーザー露光機などを用いて製作し、その後エッチングによりレンズ形状を作製するものであり、その例として、基板上方に電子線描画により階調マスクパターンが形成されたフォトマスクを配設し、そのフォトマスクを介して拡大したレーザービームを照射することでその基板上にマスクパターンに応じた所望の三次元パターンをレーザーアブレーションにて形成する技術がある（特許文献３参照）。しかしながら、表面の面粗度を小さくするためには、照射エネルギーを抑えて、時間を掛けて少しづつアブレーションする必要があり、かつ、段差を小さくするためには階調数を上げなければならない。結果として、加工時間が膨大となり、階調マスク製作コストが増大することになる。

以下に特許文献を記す。
特開２００４−１８４９３３号公報 特開２００３−１０７２０９号公報 特開２００５−１３１９４０号公報

プロジェクションスクリーンに要求される品質は、広視野と高輝度、そして画面全体の明るさの一様性であるが、これまで広視野化が中心のレンズが大部分を占めていた。高輝度化のための要求は、レンズの開口数（ＮＡ）を大きくすることと、レンズシートの損失を減らし、透過効率を増加させることである。

レンズの開口数（ＮＡ）を大きくしつつ、透過効率を増加させるためには、レンズの厚さを減じるとともに曲率を高くすることであるので、結果として、レンズ形状の制御が不可欠となる。

本発明は、上記の従来の技術が持つ問題点に着目してなされたものであって、高精度の、厚さの薄い、入射光の光量損失を減少したフレネルレンズとマイクロレンズ機能を合成した光学作用を有するプロジェクションテレビジョン等で使用される光学スクリーンとその光学スクリーン単体からなるプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、すなわち、請求項１に係る発明は、光透過性プラスチック基板上に、単位レンズを配列形成したマイクロレンズアレイからなる光学スクリーンにおいて、
前記単位レンズが、微小なフレネルレンズ形状であって、光学エンジン（プロジェクター）からの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させて配列形成し、フレネルレンズとマイクロレンズの機能を合成した光学作用を有することを特徴とする光学スクリーンである。

これによって、透過効率のよい非球面レンズを正確に再現でき、媒質厚さの減少により、入射光の損失を減らせるので、より高輝度のプロジェクションテレビ用のスクリーンを得ることが出来る。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の光学スクリーン単体からなることを特徴とするプロジェクションスクリーンである。

これによって、画面の周辺部の輝度低下を防止できるとともに、１枚の基板の片側にレンズパターンを形成したスクリーンでプロジェクションテレビ用のスクリーンとすることが出来る。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の光学スクリーンの製造方法であって、
前記光透過性プラスチック基板上に、直接、レーザー光を照射することにより、プロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする光学スクリーンの製造方法である。

直接レーザー光を照射することにより、微小なフレネルレンズ群からなるプロジェクションスクリーンを製作することを特徴とする。これによって、複雑で高コストの生産ラインを必要としないので、少量多品種の製造コストを低減できる。

また、請求項４に係る発明は、前記レーザーが、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーであって、レーザーパワーおよび焦点位置を３次元的に制御して照射することにより、プロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする請求項３記載の光学スクリーンの製造方法である。

これによって、ナノメートルオーダーの加工精度が得られ、且つ、熱影響が殆どないので、安定してスクリーンを製造することができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１または２記載の光学スクリーンの製造方法であって、
金属材料からなる基板上に、直接、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーを、レーザーパワーおよび焦点位置を３次元的に制御して照射することにより作製された成形型を用いて、光透過性プラスチック基板上に型を転写してプロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする光学スクリーンの製造方法である。

これによって、型製作設備にエッチング工程を不要とするので環境汚染に影響を与えることの少ないドライな環境で成形型を製造することができる。

本発明の光学スクリーンと、その光学スクリーン単体からなるプロジェクションスクリーンおよびその光学スクリーンの製造方法によれば、以下のような効果が得られる。

第１に、レンズ形状を制御して加工することにより加工精度の高く、厚みの薄い透過効率の良いレンズを形成することができ、個々の微小なレンズをフレネルレンズとすることで、入射光の光量損失を減少することができ、より高輝度のプロジェクションテレビ用のスクリーンを得ることが出来る。

第２に、光学エンジンからの出射光の広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させてプロジェクションスクリーンを製作することで、通常、フレネルレンズシートとマイクロレンズアレイシート または、レンチキュラーレンズシートの２枚構成でプロジェクションスクリーンが構成されるところ、フレネルレンズシートが不
要となり、１枚のシートの片側表面にレンズパターンを設けることでプロジェクションテレビ用のスクリーンを得ることが出来る。

第３に、レーザー装置のみでスクリーンを完成できるので、複雑で高コストの生産ラインを必要としないので、少量多品種の製造コストを低減できる。

第４に、エッチング工程を不要とするので環境に悪影響を与えることが少ない。また、ドライな環境で転写型を製造することができる。

第５に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーを使用することで、従来行われてきた材料の光吸収特性に合わせたレーザー光源の選択が不要となり、１つのレーザー加工システムで製品の製造、型の製造のどちらの加工も行うことができる。

第６に、熱緩和時間より短いレーザーパルスで加工をおこなうので、熱影響の極めて少ない加工が可能であり、かつ、多光子吸収など非線形現象による反応であるため照射波長の回折限界以下の分解能での加工が可能であり、大気中にて、他の付加的なプロセスを用いることなく１／１０μｍオーダーの仕上げ加工ができる。

以下、本発明の一実施例としての実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

プロジェクションテレビジョンのスクリーンにあたるレンズシート群は、基本的に画面の広視野角化を目的としている。プロジェクションスクリーンの機能としては、光学エンジンから投射された画像の周辺部の輝度劣化を抑制することと視野角を拡大することにある。そして、光学エンジンからの投射画像を入力として、観測される画像に光学的に変換する関数を実現するものがプロジェクションスクリーンである。

一般的に、実用化されているプロジェクションスクリーンは、個別のフレネルレンズシート２とレンチキュラーレンズシート３からなり、フレネルレンズシート２のフレネルレンズ４の形成面とレンチキュラーレンズシート３のレンチキュラーレンズ５の形成面を向き合わせて配置される（図３参照）。

垂直方向の視野角を拡大するために、レンチキュラーレンズ５は、マイクロレンズに変更された。プロジェクションスクリーン向けのマイクロレンズの正面形状と配置は、基本的に図４に示す直交形マイクロレンズ１１と図５に示すハニカム形マイクロレンズ１２が代表的なものである。

これに対し本発明のプロジェクションスクリーンは、個々のマイクロレンズをフレネルレンズとする光学素子を提供するものであって、光学設計、並びに形成されるレンズ形状は複雑になるが、素子の厚さを低減できる特徴を持つ。また、光学エンジンからの出射光の広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させてプロジェクションスクリーンを製作することで１枚の片面レンズで実現できる特徴を持つ。

まず、プロジェクションスクリーンに要求されるレンズ特性をスクリーンの全画面に亘って光学設計する。この光学設計仕様をスクリーンの微細な領域に分割して加工情報に変換する。最後に、この加工情報に基づき、レーザー加工を施すものである。

本発明では、基板の片側表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーを、パワー及び焦点位置を３次元的に制御して照射することで、基板材料の不要な部分を除去し、フレネルレンズ機能とマイクロレンズ機能を合成した均等でない微小なフレネ
ルレンズ群を形成してプロジェクションスクリーンを製作する。尚、直行フレネルレンズを形成することでレンチキュラーレンズ機能も作製可能である。

本発明に関わるパルス幅が１ピコ秒以下の超短パルスレーザーを有機化合物の深さの精密加工や微小な３次元造形などに用いることが近年になって提唱されるようになった。特に、多光子吸収や熱緩和時間よりも短時間で光と物質の相互作用が終了してしまう現象であることなどにより熱影響のきわめて少ない加工が可能であること、また、非線形応答のため加工分解能は照射するレーザー波長の回折限界以下であり、従来の多種のレーザー装置に比較して高い精度の加工が可能である。

上記の超短パルスレーザーによる最小加工寸法は、我々のこれまでの実験の結果によれば、レーザーの発振波長８００ｎｍ近傍のもので約１５０ｎｍ、加工深さは、数十ナノメートルが可能である。レーザーの発振波長を短くすることで、更に微細な加工が行えることは、自明である。

成形型を製作するためには、光学設計情報から加工情報に変換する際に直接完成品を加工する場合に対して反転情報を得ることで達成される。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明について説明する

図１は、本発明にかかる超短パルスレーザーによるプロジェクションスクリーンの製造方法の実施例であり、超短パルスレーザーにより、微小なフレネルレンズ群の形成方法を示す概略図である。

加工には、発振波長７７５ｎｍ、ピークパワー８００ｍＷ、パルスエネルギー８００μＪ／パルス、パルス幅２００フェムト秒、パルス繰り返し周波数１ｋＨｚ、ビームスポット８の光学的直径１０μｍのフェムト秒レーザー装置を用いた。

プラスチックシートに、以下の手順でレーザー加工を施し、プロジェクションスクリーンを製作した。

まず、プロジェクションスクリーン１に要求されるレンズ特性をスクリーンの全画面に亘って光学設計する。この光学設計仕様を微小なフレネルレンズ１３の直径が０．１ｍｍ、個々のフレネル面の高さ４μｍで、偏心した円形の微小なフレネルレンズ１３の集合となるようにスクリーンの微細な領域に分割してレンズ設計情報に変換する。微小なフレネルレンズの形状は、縦横の視野角要求によって、楕円形状としてもよく、円形に限定されるものではない。

次に、レンズ設計情報に基づき製作された加工情報に従って加工プログラムを作成する。

その後、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸精密ステージを駆動させ、順次、ステップ移動して、すべての微小なフレネルレンズ１３が等間隔に配列するように基板の片側表面に、フェムト秒レーザーを、パワー及び焦点位置を３次元的に制御して照射することで、基板材料の不要な部分を除去し、図２に示すような配置のフレネルレンズ機能とマイクロレンズ機能を合成した均等でない微小なフレネルレンズ群を形成した。結果として、光学エンジンからの出射光の広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた単一シートで片面レンズのプロジェクションスクリーンを得た。尚、個々の微小なフレネルレンズ１３の配列は、直交形でもよく、その配列状態に限定するものではない。

最後に、レーザーアブレーション閾値近傍で、加工面全面にレーザー照射を行い、微小な加工痕を除去した結果表面粗さとして０．２μｍ以下を達成した。

以上に記載した簡略化した生産プロセスでプロジェクションテレビ用のスクリーンを製作することができた。

本発明に係る光学スクリーンにおける光透過性プラスチック基板の平面上に、微小なレネルレンズ形状の単位レンズを配列形成する一例を示すもので、レーザー加工により微小なフレネルレンズ形状の単位レンズを配列形成した一部を示す模式断面図である。 微小なフレネルレンズ形状の単位レンズを光学エンジン（プロジェクター）からの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させて配列形成したフレネルレンズとマイクロレンズの機能を合成した光学作用を有することを光学スクリーンの上端、中央、下端の各々３個所の位置における微小なフレネルレンズ形状の単位レンズを模式的に示したものである。 従来の一般的なフレネルレンズシートとレンチキュラーレンズシートの配置を示す縦方向模式断面図である。 従来のマイクロレンズの形状の一例として直交形マイクロレンズアレイを示す模式平面図とその模式断面図である。 従来のマイクロレンズの形状の他の例としてハニカム形マイクロレンズアレイを示す模式平面図とその模式断面図である。

符号の説明

１・・・・プロジェクションスクリーン
２・・・・フレネルレンズシート
３・・・・レンチキュラーレンズシート
４・・・・フレネルレンズ
５・・・・レンチキュラーレンズ
６・・・・レーザービーム
７・・・・対物レンズ
８・・・・ビームスポット
９・・・・レンズパターン
１０・・・・マイクロレンズ
１１・・・・直交形マイクロレンズ
１２・・・・ハニカム形マイクロレンズ
１３・・・・微小なフレネルレンズ

Claims (5)

1. 光透過性プラスチック基板上に、単位レンズを配列形成したマイクロレンズアレイからなる光学スクリーンにおいて、
   前記単位レンズが、微小なフレネルレンズ形状であって、光学エンジン（プロジェクター）からの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させて配列形成してなることを特徴とする光学スクリーン。
2. 請求項１記載の光学スクリーン単体からなることを特徴とするプロジェクションスクリーン。
3. 請求項１または２記載の光学スクリーンの製造方法であって、
   前記光透過性プラスチック基板上に、直接、レーザー光を照射することにより、プロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする光学スクリーンの製造方法。
4. 前記レーザーが、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーであって、レーザーパワーおよび焦点位置を３次元的に制御して照射することにより、プロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする請求項３記載の光学スクリーンの製造方法。
5. 請求項１または２記載の光学スクリーンの製造方法であって、
   金属材料からなる基板上に、直接、発振パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザーを、レーザーパワーおよび焦点位置を３次元的に制御して照射することにより作製された成形型を用いて、光透過性プラスチック基板上に型を転写してプロジェクターからの広がり角に応じて光学スクリーン上の位置によってレンズ曲率を変化させた微小なフレネルレンズ形状の単位レンズ群を配列形成することを特徴とする光学スクリーンの製造方法。