JP2010223976A - レンズアレイの製造方法及びレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単にレンズ配置精度が高く個々のレンズの光学的性能が高くかつ揃っている三次元画像用レンズアレイ及びその製法を提供する。
【解決手段】透明基板のある箇所に、内側が円形で液状光硬化樹脂に濡れにくい表面を持ったリングを密着させ、該リングの中に一定量の前記液状光硬化樹脂を滴下し、該液状樹脂がリングの内側全体に拡がるとともに表面張力でドーム形状になったところで、光を照射し光硬化樹脂をドーム状に硬化させて一つのレンズを形成し、該透明基板上で位置を変えて前記リングの位置決めから光硬化性樹脂の硬化までの一連の操作を繰り返すことにより、光硬化樹脂のドームにより形成されたレンズを該透明基板上に二次元的に配列することで高性能な三次元画像用レンズアレイを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）やインテグラルビデオグラフィー（ＩＶ）に重要な微小凸レンズアレイを高精度かつ容易に製作する方法に関する。

三次元画像表示方法の一つである「インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）」や、その画像群の表示を電子化し動画にも対応させた「インテグラルビデオグラフィー（ＩＶ）」においては、微小凸レンズを二次元的に並べた凸レンズアレイとその焦点面に配した画像群を組み合わせることにより、１．特殊なメガネを掛けることなく裸眼で三次元像が観察できる。２．複数の観察者が同時に観察できる。３．観察者が上下左右前後に移動しても空間に定位した三次元像が得られ、かつ三次元像に歪が無い、といった優れた特長をもつ三次元画像が得られる。

この方式は約１００年前に提案されていて、理論的に優れた三次元像を記録再生可能な優れた方式であるにもかかわらず、現在でも未だ広く実用に供されるには至っていない。その大きな原因はこのレンズアレイの製造の難しさにある。

個々のレンズが結像レンズであるため、光学的に優れたレンズであることと、焦点距離等がよく揃っていること、レンズの配置精度が優れていること等が要求されるが、例えば樹脂板を直接切削や研削で加工しようとしても、凸面が並んでいる面を製作しなければならないことから、切削工具が隣のレンズ表面と干渉し、加工できない。樹脂板を熱プレス成形する金型であれば、凹面が並んだ形状なのでその加工時に隣のレンズ表面が切削工具と干渉することは避けられるが、高画質の三次元像を得るためのレンズアレイなら、レンズの個数が数万個から数十万個必要で、これだけの個数の精密な窪みを欠陥無く加工することは極めて困難であった。

簡単な製造方法として、光硬化インクをスクリーン印刷する方法が知られている。この製法を簡単に説明すると、円形開口が規則正しく配列された厚みのあるスクリーンと透明な光硬化インクを用いて透明基板に印刷し、透明インクが厚く塗られた円形部分が規則正しく並んだ印刷物が作られる。印刷して数秒から数十秒経つと、透明インクはそれ自身の表面張力で表面が球面に近くなるので、その頃を見計らって光を当て透明インクを硬化させると、透明基板に凸レンズが規則正しく並んだもの（レンズアレイ）ができる。

この製法で製作されたレンズアレイが三次元画像用として用いられることも多いが、印刷時にスキジーの移動に伴うスクリーンの移動により、レンズの配置精度を高精度にすることが難しく、また、厚く印刷された円形状のインクは硬化させるまで徐々に周囲に広がり、出来上がる各レンズの半径を安定させにくい。さらに、個々のレンズの外形が細かい凹凸のある円形で真円ではなく、印刷の僅かな条件の変化で、インクの付着量が変化し、出来上がるレンズの直径が揃わないこともしばしば生じ、レンズアレイ全域に特性の揃った高精度の光学レンズが並んだレンズアレイを得るのが困難な製法であった。

三次元画像の記録再生に使用するレンズアレイは、高性能なものは製作が非常に困難であったし、スクリーン印刷を用いた簡単な製法では高性能なものが製作できなかった。

各レンズの配置や特性が悪いと、ボケの大きい三次元像しか得られなかったり、見る方向により異なる歪みを持つ三次元画像となり、高品質の三次元画像が得られない。

そこで、本発明は、スクリーン印刷を用いた簡単な製法の長所を踏襲しながら、レンズ配置精度を高め、個々のレンズの光学的性能を高める方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、透明基板のある箇所に、内側が円形で液状光硬化樹脂に濡れにくい表面を持ったリングを密着させ、該リングの中に一定量の前記液状光硬化樹脂を滴下し、該液状樹脂がリングの内側全体に拡がるとともに表面張力でドーム形状になったところで、光を照射し光硬化樹脂をドーム状に硬化させて一つのレンズを形成し、該透明基板上で位置を変えて前記リングの位置決めから光硬化性樹脂の硬化までの一連の操作を繰り返すことにより、光硬化樹脂のドームにより形成されたレンズを該透明基板上に二次元的に配列したことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

本発明によれば、レンズアレイの個々の凸レンズ形状を透明樹脂の表面張力でレンズを製作するという点はスクリーン印刷法と同様で金型が不要だという大きな特長を持ちながら、内側が円形で光硬化樹脂に濡れにくいリングを用いて光硬化樹脂の拡がる寸法及び形状を規制することで、個々のレンズの円形の外形及び直径を正確に揃え、また、ディスペンサ装置を用いることで個々のレンズに必要な光硬化樹脂の量を安定させると共に、位置決め精度に優れた３軸リニアステージで該円形リングを移動することにより、直径も形状も配置精度も精巧な凸レンズアレイを簡単に製作することができる。

個々のレンズのレンズ面形状は、光硬化樹脂の表面張力により生じる球面を利用して製作するので、同一の円形リングで全てのレンズを製作することと、正確に一定量滴下できるディスペンサを組み合わせることで光学特性の揃ったレンズ群が製作されるし、該光硬化樹脂の表面張力で得られる正確な球面をそのまま光で硬化させるため、光学特性の優れた球面レンズが得られる。

本発明の一実施例によるレンズアレイを製作するための、最初の工程を示す図 滴下した光硬化樹脂が円形ドーム状になった状態を示す図 円形ドーム状の光硬化樹脂を硬化させる工程を示した図 最初の凸レンズが完成し、リングを基板から離した状態を示す図 ２番目のレンズ製作の最初の工程を示す図 ２番目に滴下した光硬化樹脂が円形ドーム状になった状態を示す図 ２番目の円形ドーム状光硬化樹脂を硬化させる工程を示した図 ２個の凸レンズが完成し、リングを基板から離した状態を示す図 ３番目のレンズ製作の最初の工程を示す図 レンズ群が１列完成した状態を示す図 レンズ群を二次元的に配列したレンズアレイの斜視図（完成図）

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

本発明による三次元画像用レンズアレイの製造装置を、図１に示す。１は本発明のレンズアレイ製造装置のベースであり、１ｂは柱、１ｃは上部梁である。

柱１ｂはベース１上に固着され、梁１ｃは２本の柱１ｂ上に固着されている。

２は前後動用リニアステージで、ベース１に固着されている。２ｂは該リニアステージ２の可動ステージで紙面に直交する方向（前後）に移動可能である。

２ｃは加工物を乗せる可動テーブルでステージ２ｂの上に固着されていて、加工物を乗せる面はほぼ水平に設置されている。３は左右動用リニアステージで、該梁１ｃに固着されている。

３ｂは該リニアステージの可動ステージで、紙面の左右方向に移動可能である。

４及び５は上下動用のリニアステージで、金具３ｃを介して左右動可動ステージ３ｂに固着されている。

４ｂはリニアステージ４の可動ステージ、５ｂはリニアステージ５の可動ステージで、共に上下方向に移動可能である。

６はディスペンサで、中には光硬化樹脂が充填されていて、コンピュータ（図には記載されていない）からの信号に従って先端の細いノズルから一定量の光硬化樹脂を吐出する。

７は本発明の要である支持アーム付きリングで、リングの内側は円形で光硬化樹脂に濡れにくいフッ素樹脂加工が施されていて可動ステージ５ｂに固着されている。この図では、可動ステージ５ｂを駆動しリング７の全面が基板９に密着している状態を示している。また、この図ではリング７は断面図として表示している。

８は点灯するとリング７内の基板９をほぼ一様に照明できる光硬化樹脂の硬化用光源で、リング７に固着されている。

９は製作するレンズアレイの透明ガラス基板である。

１０はディスペンサ６の中の光硬化樹脂がコンピュータからの信号に従って所定量が先端の細いノズルから吐出した光硬化樹脂である。

１０ｃは既に硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズであり、該基板９に固着している。

図には記載していないが、リニアステージ２、リニアステージ３、リニアステージ４、リニアステージ５、ディスペンサ６、光源８は、それぞれのドライバを介して１台のコンピュータから制御されている。

以下、図１から図１１を用いてレンズアレイの製造工程を詳細に説明する。

図１は、本発明による凸レンズアレイ製作の最初の工程を示している。

まず、リニアステージ５を駆動し透明ガラス基板９に円形リング７を密着させた後、ディスペンサ６のノズル先端が光硬化樹脂を基板９に滴下するのに適した高さになるようにリニアステージ４を駆動し、最後にディスペンサ６を駆動し光硬化樹脂１０をガラス基板上に密着させたリング７のほぼ中央に滴下させている状態を示している。

図２は、図１の次の工程を示す図で、滴下した光硬化樹脂１０ｂが円形リング７内全面に拡がるとともに、リング７の内側はフッ素樹脂加工してあり光硬化樹脂１０ｂで濡れにくいので、光硬化樹脂１０ｂのガラス基板９に触れていない側の表面は光硬化樹脂１０ｂの表面張力できれいな球面になる（滴下中の光硬化樹脂を１０で表したのに対し、片面がガラス基板に密着し、表面が球面になった液状の光硬化樹脂を１０ｂで表している。）。

図３は、光硬化樹脂１０ｂを硬化させている工程を示す図である。

まず、ディスペンサ６のノズル先端の光硬化樹脂を硬化させないために、ステージ４を駆動しディスペンサ６を光源８から遠ざける。

次に、液状光硬化樹脂１０ｂの表面がきれいな球面になるのを待って、光源８を一定時間点灯し、液状光硬化樹脂１０ｂを硬化させ、平凸レンズ形状の固体の光硬化樹脂１０ｃになる。

図４は、図３の次の工程を示す図で、液状光硬化樹脂１０ｂが硬化し、個体の光硬化樹脂による平凸レンズ１０ｃになった後に、コンピュータからの信号によりリニアステージ６を駆動し、リング７をガラス基板９から離した状態を示している。

図５は、図４の次の工程を示す図で、完成した第１の凸レンズ１０ｃの隣に第２の凸レンズを製作する工程に移った最初の状態を示している。

図３の状態から、リニアステージ３に信号を送り、製作するレンズアレイのレンズピッチだけ可動ステージ３ｂを右に移動させる。

可動ステージ３ｃには金具３ｃを介してリニアステージ４、同可動ステージ４ｂ、ディスペンサ６，リニアステージ５、同可動ステージ５ｂ、リング７、光源８が搭載されているので、それらも全てレンズピッチ分右に移動する。

リニアステージ３が所定位置に移動した後、リニアステージ５を駆動しリング７をガラス基板９へ密着させる。

その後、ディスペンサ６のノズル先端が光硬化樹脂を基板９に滴下するのに適した高さになるようにリニアステージ４を駆動し、最後にディスペンサ６を駆動し光硬化樹脂１０をガラス基板上に密着させたリング７のほぼ中央に滴下させる。

この状態は、ガラス基板には既に硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズ１０ｃが１個固着していることと、レンズ可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分右に移動している以外は図１と全く同じである。

図６は、図５の次の工程を示す図で、滴下した光硬化樹脂１０ｂが円形リング７内全面に拡がり、表面が球面になった液状の光硬化樹脂１０ｂを生じる。

この工程は、ガラス基板には既に硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズ１０ｃが１個固着していることと、レンズ可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分右に移動している以外は図２と全く同じである。

図７は、図６の次の工程を示す図で、光硬化樹脂１０ｂを硬化させる図３と同様の工程を示す図である。

この工程も、ガラス基板には既に硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズ１０ｃが１個固着していることと、レンズ可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分右に移動している以外は図３と全く同じなので、動作の説明は省略する。

図８は、図７の次の工程を示す図で、液状光硬化樹脂１０ｂが硬化し、個体の光硬化樹脂による平凸レンズ１０ｃになった後に、コンピュータからの信号によりリニアステージ６を駆動し、リング７をガラス基板９から離した状態を示している。

この工程も、ガラス基板に固着している硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズ１０ｃが２個になったことと、可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分右に移動している以外は図４と全く同じである。

図９は、図８の次の工程を示す図で、完成した２個の凸レンズ１０ｃの隣に第３の凸レンズを製作する工程に移った最初の状態を示している。

この工程も、ガラス基板には既に硬化した光硬化樹脂により形成された凸レンズ１０ｃが１個固着していることと、レンズ可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分右に移動している以外は図１や図５と全く同じなので動作の説明は省略する。

このように、可動ステージ３ｂとそれに搭載された機器の位置をレンズピッチ分右に移動させては図１〜図４に示した工程を繰り返すことによりレンズアレイの１列分のレンズ群が完成する。これを図１０に示す。

レンズアレイの１列分のレンズ群が完成した後は、リニアステージ２を駆動し、レンズ１ピッチ分可動ステージ２ｂとそれに搭載されたテーブル２ｃ、ガラス基板９を奥に移動させるとともに、可動ステージ３ｂを図１の位置に移動し、次の列のレンズ群の製作に取り掛かる。

次の列のレンズ群製作工程は、ガラス基板には既に硬化した光硬化樹脂により形成された複数の凸レンズ１０ｃが１列固着していることと、レンズ可動ステージ２ｂとそれに搭載されたテーブル２ｃ、ガラス基板９の位置が製作するレンズアレイのレンズピッチ分奥に移動している以外は図１〜図９の工程と全く同じなので動作の説明は省略する。

２列目のレンズ群が完成すれば、ガラス基板９をレンズ１ピッチ分奥に移動させるとともに、図１〜図９の工程を繰り返す。

さらに、製作するレンズアレイのレンズ列数だけ図１〜図９の工程を繰り返すことで、二次元にレンズが並んだレンズアレイが完成する。

図１１は、このようにして完成したレンズアレイの斜視図である。

この図ではレンズアレイの配列が縦横等距離の碁盤の目状のものを示したが、縦横のピッチが異なるものや、蜂の巣状配列等、他の配列も本発明の方法で製作することができる。

説明した実施例では、レンズアレイの基板として透明板ガラスを用いたもので説明したが、目的によっては透明樹脂板を基板にすることもある。

本発明により、レンズアレイの個々の凸レンズ形状を透明樹脂の表面張力でレンズを製作するという点はスクリーン印刷法と同様で金型が不要だという大きな特長を持ちながら、リニアステージを用いてレンズ配置を決めることで配置精度を上げ、ディスペンサ装置を用いることで個々のレンズに必要な光硬化樹脂の量を安定させると共に、内側が円形で光硬化樹脂に濡れにくい表面を持つリングをガイドにして滴下させることで表面張力による球面を精巧なものにできるので、個々のレンズが光学特性に優れ、また光学特性が揃った凸レンズアレイを簡単に製作することができる。

従って、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）やインテグラルビデオグラフィー（ＩＶ）に重要な微小凸レンズアレイを高精度かつ容易に製作することができ、鮮明な三次画像が得られる静止画や動画表示機器が簡単に安価に製作できることになり、医用画像表示、機械設計、流れの可視化、等に利用できる他、娯楽、展示会、屋外表示など種々の分野での使用が期待される。

１ レンズアレイ製造装置のベース
１ｂ レンズアレイ製造装置の柱
１ｃ 本発明のレンズアレイ製造装置の上部梁
２ 前後動用リニアステージ
２ｂ 前後動リニアステージ２の可動ステージ
２ｃ 可動ステージ２ｂに固着した可動テーブル
３ 左右動用リニアステージ
３ｂ 左右動リニアステージ３の可動ステージ
３ｃ 可動ステージ３ｂに上下動ステージ４，５を固着する金具
４ ディスペンサ６用上下動リニアステージ
４ｂ 上下動リニアステージ４の可動ステージ
５ リング７用上下動リニアステージ
５ｂ 上下動リニアステージ５の可動ステージ
６ ディスペンサ
７ 可動ステージ５ｂに固着するアーム付き円形リング
８ 光硬化樹脂硬化用光源
９ 透明ガラス基板
１０ ディスペンサから滴下される液状光硬化樹脂
１０ｂ 円形ドーム状になった液状光硬化樹脂
１０ｃ 円形ドーム状に硬化した光硬化樹脂

Claims (2)

1. 透明基板のある箇所に、内側が円形で、液状光硬化樹脂に濡れにくい表面を持ったリングを密着させ、該リングの中に一定量の前記液状光硬化樹脂を滴下し、該液状樹脂がリングの内側全体に拡がるとともに表面張力でドーム形状になったところで、光を照射し光硬化樹脂をドーム状に硬化させて一つのレンズを形成し、該透明基板上で位置を変えて前記リングの位置決めから光硬化性樹脂の硬化までの一連の操作繰り返すことにより、光硬化樹脂のドームにより形成されたレンズを該透明基板上に二次元的に配列したことを特徴とする三次元画像用レンズアレイの製造方法。
2. 請求項１に記載の方法を用いて製造した三次元画像用レンズアレイ。

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