JP3687836B2 - フレネルレンズ - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本願の発明は、テレビ受像機の画面スクリーンなどに使用されるフレネルレンズに関する。
【従来の技術】
フレネルレンズは、シート状のレンズの総称であり、例えばテレビ受像機における画面スクリーン等に使用されている。図１２は、従来のフレネルレンズの一例の平面図、図１３は、図１２に示すフレネルレンズの断面概略図である。図１２及び図１３に示すフレネルレンズは、通常の平凸レンズのレンズ面を複数の同心円に沿って分割して複数の同心円環状のレンズセグメント１とし、各レンズセグメント１がほぼ同じ高さに位置するよう構成したものである。尚、一つのレンズセグメント１の平坦面１１とは反対側の面（以下、非平坦面と総称する）は、レンズ作用のある面であるセグメントレンズ面１２と、セグメントレンズ面１２と隣接する一方のレンズセグメント１との間に位置したレンズ作用の無い面（以下、セグメント非レンズ面）１３とから成っている。
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のフレネルレンズは、内部反射光等の正常光以外の光が出射されるため、像が不鮮明化したり色ムラが発生したりする問題があった。この点について、図１４を使用して説明する。図１４は、図１２及び図１３に示す従来のフレネルレンズの問題点について示す断面部分図である。
図１４において、光は平坦面１１から入射し、各セグメントレンズ面１２から出射するものとする。この際、各セグメントレンズ面１２に達した光は、一部がセグメントレンズ面１２に反射して戻り内部反射光となる。この内部反射光は、平坦面１１等に反射した後、セグメントレンズ１のセグメント非レンズ面１３等から出射することがある。セグメント非レンズ面１３から内部反射光が出射すると、像が正しく投影されず、像が不鮮明になったり、色ムラが発生したりする問題がある。
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、内部反射光のセグメント非レンズ面からの出射を抑制して、像の不鮮明化や色ムラ等の無い優れたフレネルレンズを提供する技術的意義がある。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、複数のレンズセグメントを同一平面上に並べてシート状のレンズを構成したフレネルレンズにおいて、
各レンズセグメントは、レンズ作用のあるセグメントレンズ面と、レンズ作用の無いセグメント非レンズ面とを有しており、
各レンズセグメントのセグメント非レンズ面は、当該セグメント非レンズ面からの内部反射光の出射を抑制するよう複数の凹凸を詰めて形成した凹凸面になっており、
前記凹凸面である前記セグメント非レンズ面は、鋸波状の断面形状であって、
前記鋸波状の断面形状における鋸波の山の角度は、８０〜１００度であり、
各山において、前記セグメントレンズ面と前記セグメント非レンズ面とが交差する頂角からみて遠い側の面が、レンズセグメントを並べた前記同一平面と平行な面に対して成す角度のうち、当該レンズセグメントのセグメントレンズ面側の角度は９０度より大きくなっているという構成を有する。
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。尚、図１は、フレネルレンズの中心軸よりも左側の部分を抜粋して示している。図１に示すフレネルレンズは、図１２及び図１３と同様に、通常の平凸レンズのレンズ面を複数の同心円に沿って分割して複数の同心円環状のレンズセグメント１とし、各レンズセグメント１がほぼ同じ高さに位置するよう各レンズセグメント１の平坦面１１を同一平面上に配置した構成である。
本実施形態のフレネルレンズのユニークな点は、図１に示すように各レンズセグメント１のセグメント非レンズ面１３が、細かい凹凸を詰めて設けた凹凸面であるという点である。より具体的には、この実施形態では、セグメント非レンズ面１３は、断面鋸波状となっている。鋸波の各山の頂点の角度θ１は、８０〜１００度、鋸波の各谷の角度θ２も同様に８０〜９０度である。また、各頂点間の距離ｄ１は２μｍ〜３００μｍ、山の高さ（又は谷の深さ）ｄ２は、１μｍ〜１５０μｍ程度である。
尚、平坦面１１に対するセグメントレンズ面１２の角度θ３は、０〜８５度、セグメント非レンズ面１３の各頂点を結んだ線の平坦面１１に対する角度θ４は、４０〜９０度である。但し、図１３から解るように、平坦面１１に対するセグメントレンズ面の角度θ３及び平坦面１１に対するセグメント非レンズ面１３の角度θ４は、各レンズセグメント１で同じになるとは限らず、所望のレンズ作用が全体として得られるよう、異なった角度にされることが多い。
また、図１に示すように、セグメント非レンズ面１３の各山において、セグメントレンズ面１２とセグメント非レンズ面１３とが交差する頂角１０からみて遠い側の面１００が、レンズセグメント１を並べた同一平面と平行な面（この実施形態では平坦面１１）に対して成す角度のうち、当該レンズセグメント１のセグメントレンズ面１２側の角度（図１にθ５で示す）は、９０度より大きくなっている。つまり、セグメント非レンズ面１３の各山において、いわゆるアンダーカットの構造になっている。
図２は、実施形態のフレネルレンズの作用について説明する断面部分図である。図２においては、図１４と同様に、平坦面１１から光が入射してセグメントレンズ面１２から出射するものとする。
図２に示すように、各セグメントレンズで反射した内部反射光となった光は、従来と同様に平坦面１１等に反射してセグメント非レンズ面１３に達するものの、セグメント非レンズ面１３は断面鋸波状の凹凸面になっているため、このセグメント非レンズ面１３からは出射しづらい。つまり、断面鋸波状のセグメント非レンズ面１３は、小さなコーナーキューブを詰めて並べた構成に相当しており、内部反射光を外に出射させない働きを有している。このため、内部反射光がセグメント非レンズ面１３から出射することによる像の不鮮明化や色ムラ等が防止される。尚、前述したθ１及びθ２が８０〜１００度である構成は、これらの角度を９０度に近い角度にすることによって、上記コーナーキューブとしての作用を充分に得る技術的意義である。
尚、図１に示すθ５が９０度より大きいこと、即ちアンダーカットであることは、上記コーナーキューブとしての作用を充分に発揮させて内部反射光を出射させない働きを高める技術的意義がある。θ５が９０度より大きくてアンダーカットである場合、射出成形時に型からの剥離が困難になる欠点があるとの指摘が特開平４−１２７１０１号公報ではされているが、アンダーカットにしないと、上述したようなコーナーキューブとしての作用を充分に発揮させて内部反射光を出射させないようにすることは難しい。本実施形態の構成は、積極的にアンダーカットの構造を採用し、内部反射光の出射抑制を優先する趣旨である。
図３は、本願発明の第一の参考例のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。尚、図３は、フレネルレンズの中心軸よりも右側の部分を抜粋して示している。図３に示す第一の参考例では、セグメント非レンズ面１３の形状が図１に示す実施形態とは異なっている。即ち、第一の参考例では、セグメント非レンズ面１３は、断面鋸波状ではあるものの、完全な三角波状ではなく、一つの山の片側が直線、もう片側は凹んだ曲線である断面形状となっている。この第一の参考例についても、実施形態と同様に、内部反射光がセグメント非レンズ面１３から出射しづらく、像の不鮮明化や色ムラ等が防止される。
また、図３に示すように、セグメント非レンズ面１３の各山において、凹んだ曲面となっているのは、セグメントレンズ面１２とセグメント非レンズ面１３とが交差する頂角１０からみて遠い側の面である。そして、図３中に拡大して示すように、この面に接する接線１０１が、レンズセグメント１を並べた同一平面と平行な面（この参考例では平坦面１１）に対して成す角度のうち、当該レンズセグメント１のセグメントレンズ面１２側の角度（図３にθ６で示す）は、９０度より大きくなっている。つまり、セグメント非レンズ面１３の各山において、いわゆるアンダーカットの構造になっている。この点も、上記実施形態と同様の趣旨であり、アンダーカットの構造を積極的に採用し、内部反射光の出射抑制を優先する趣旨である。
図４は、第二の参考例のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。図４も、フレネルレンズの中心軸よりも右側の部分を抜粋して示している。図４に示す第二の参考例も、セグメント非レンズ面１３の形状が図１及び図２に示す実施形態とは異なっている。即ち、第二の参考例では、セグメント非レンズ面１３は、小さな半円を多数詰めて並べたような断面形状となっている。半円の半径は、２μｍ〜５００μｍ程度である。
このような断面形状が同心円周状に連なっているから、この第二の参考例におけるセグメント非レンズ面１３の構成は、リング状のシリンドリカルレンズを軸方向に複数並べた構成と等価となっている。また、細長いシリンドリカルレンズを平行に詰めて複数並べた構成は、レンチキュラーレンズと呼ばれるから、この第二の参考例におけるセグメント非レンズ面１３の構成は、「レンチキュラーレンズを円筒面状又は部分円錐面状に丸めた構成」と表現することができる。尚、部分円錘面状とは、円錘面を軸に垂直に切断した下側の部分に相当する面の形状を意味している。
いずれにしても、この第二の参考例においても、セグメント非レンズ面１３からの内部反射光の出射が抑制されている。この点を、図５を用いて説明する。図５は、図４に示す第二の参考例の作用について説明する断面部分拡大図である。
図５（１）に示すように、セグメント非レンズ面１３が平面である場合（従来の構成）、セグメント非レンズ面１３に到達する内部反射光の入射角は小さく、セグメント非レンズ面１３を通過する割合が多い。即ち、反射する割合は少ない。一方、図５（２）に示すように、セグメント非レンズ面１３は半円形等の凸面である場合、内部反射光の入射角は相対的に大きくなり、反射して戻る割合が多くなる。このため、前述したように像の不鮮明化防止や色ムラの防止の効果が得られる。尚、内部反射光の入射角を大きくする作用は、図３に示す第一の参考例における山の片側の膨らんだ部分でも同様に発生している。
また、図４に拡大して示すように、各半円においてセグメントレンズ面１２とセグメント非レンズ面１３とが交差する頂角１０からみて遠い側で接する接線１０２が、レンズセグメント１を並べた同一平面と平行な面（この参考例では平坦面１１）に対して成す角度のうち、当該レンズセグメント１のセグメントレンズ面１２側の角度（図４にθ７で示す）は９０度より大きくなっている。つまり、この参考例でも、セグメント非レンズ面１３の凹凸において、アンダーカットになっている。この点も、実施形態と同様の趣旨であり、アンダーカットの構造を積極的に採用し、内部反射光の出射抑制を優先する趣旨である。
図６は、本願発明の第三の参考例のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。図６も、フレネルレンズの中心軸よりも右側の部分を抜粋して示している。この第三の参考 例では、図６に示すように、セグメント非レンズ面１３だけでなく、セグメントレンズ面１２も、小さな半円を多数詰めて並べた断面形状となっている。つまり、セグメントレンズ面１２も「レンチキュラーレンズを部分円錐面状に丸めたのと同様の構成」とされている。
この図６に示す第三の参考例では、セグメント非レンズ面１３のみならず、セグメントレンズ面１２においても内部反射光の出射を抑制した構成となっている。以下、この点について図７を使用して説明する。図７は、図６に示す第三の参考例の作用について説明する断面部分拡大図である。尚、図７は、図１及び図２と同様、フレネルレンズの中心軸よりも左側の部分を抜粋して示している。
図２から理解されるように、内部反射光は、セグメント非レンズ面１３のみならず、セグメントレンズ面１２にも達する。この際、正常光（平坦面１１から入射してそのまま反射せずにセグメントレンズ面１２から出射する光）のセグメントレンズ面１２への入射角に比べて内部反射光のセグメントレンズ面１２への入射角は相対的に小さいので、正常光に比べると内部反射光の出射は少ない。
図６に示す第三の参考例の構成は、この効果をさらに増進させる技術思想である。即ち、正常光はセグメントレンズ面１２の各山の頂部のところから主に出射する一方、内部反射光は図２に示す場合に比べてさらに大きな入射角でセグメントレンズ面１２に達することになる。従って、より多くの内部反射光がセグメントレンズ面１２で反射して戻る。つまり、セグメントレンズ面１２からの内部反射光の出射がさらに抑制されている。
尚、第二の参考例及び第三の参考例において、セグメント非レンズ面１３又はセグメントレンズ面１２は、完全な半円を詰めて並べた断面形状でなくともよい。円弧の角度は、１８０度より小さかったり、大きかったりしてもよい。また、円弧でなくとも、楕円や放物線状であってもよい。
次に、上記構成及び作用に係る実施形態及び各参考例のフレネルレンズの製造方法について説明する。図８乃至図１１は、実施形態及び各参考例のフレネルレンズの製造方法について説明する図である。
実施形態及び各参考例のフレネルレンズは、透光性の樹脂又はガラス製である。成形のし易さから、熱可塑性等の光学樹脂が多く用いられる。成形は、熱プレス成形、ＵＶ成形、射出成型の手法が多く用いられる。
図８は、図１に示す実施形態のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型及びこの金型を製作する際の切削加工について説明する断面部分図である。熱プレス成型を行う場合、通常は一対の金型が用いられる。このうち、図８には、非平坦面（セグメントレンズ面１２及びセグメント非レンズ面１３）の成形を行う一方の金型３が示されている。他方の金型は、平坦面１１の成形を行うものであり、図示は省略されている。この一対の金型を所定の距離に接近させた後、基材であるシート樹脂を挟み込み、加熱及び加圧、その後冷却する。
金型３は金属製のインゴットを切削加工することにより製作されるが、図８には、このうち、セグメント非レンズ面１３の形状を得るための切削について示している。即ち、図１に示す実施形態のセグメント非レンズ面１３の鋸波の山と谷に形状に適合する先端形状の切削バイト２を用いて切削加工を行う。この際、切削バイト２を固定し、インゴットを中心軸の回りに回転させながら切削を行う。
図９は、図３に示す第一の参考例のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型及びこの金型を製作する際の切削加工について説明する断面部分図である。第一の参考例用の金型３は、切削バイト２の形状を図９に示すようなものに変えるだけで容易に製作できる。
また、図１０は、図４に示す第二の参考例のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型を製作するのに使用される切削バイト２の先端形状を示したものである。図４に示す第二の参考例のフレネルレンズ用の金型は、図１０に示す切削バイト２を用い、図８又は図９に示すのと同様に切削加工を行えば製作できる。
さらに、図６に示す第三の参考例のフレネルレンズ用の金型については、図１０に示すような切削バイト２を用い、セグメント非レンズ面１３のみならず、セグメントレンズ面１２用についても同様に加工することにより製作できる。尚、切削バイト２の先端の曲面の曲率は、適宜変更される。
図１１は、他の実施形態又は参考例のフレネルレンズ用の金型を製作する際の切削バイト２について示した図である。図１１の（１）〜（５）に示すような様々な種類の切削バイト２を用いて、セグメント非レンズ面１３の凹凸を得ることができる。尚、本願発明のフレネルレンズは、前述した平凸レンズの作用を得るように構成したものの他、両凸レンズを始めとする各種のレンズの作用を得るように構成したものを対象とすることができる。
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、セグメント非レンズ面からの内部反射光の出射が抑制されているので、像の不鮮明化や色ムラ等の発生の無い優れたフレネルレンズが提供される。また、セグメント非レンズ面において積極的にアンダーカットの構造とするとので、内部反射光の出射がさらに抑制され、効果がさらに高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施形態のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。
【図２】 実施形態のフレネルレンズの作用について説明する断面部分図である。
【図３】 本願発明の第一の参考例のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。
【図４】 本願発明の第二の参考例のフレネルレンズの構成を示す断面部分図である。
【図５】 図４に示す第二の参考例の作用について説明する断面部分拡大図である。
【図６】 本願発明の第三の参考例の構成を示す断面部分図である。
【図７】 図６に示す第三の参考例の作用について説明する断面部分拡大図である。
【図８】 図１に示す実施形態のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型及びこの金型を製作する際の切削加工について説明する断面部分図である。
【図９】 図３に示す第一の参考例のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型及びこの金型を製作する際の切削加工について説明する断面部分図である。
【図１０】 図４に示す第二の参考例のフレネルレンズを製造する際に用いられる金型を製作するのに使用される切削バイト２の先端形状を示したものである。
【図１１】 他の実施形態又は参考例のフレネルレンズ用の金型を製作する際の切削バイト２について示した図である。
【図１２】 従来のフレネルレンズの一例の平面図である。
【図１３】 図１２に示すフレネルレンズの断面概略図である。
【図１４】 図１２及び図１３に示す従来のフレネルレンズの問題点について示す断面部分図である。
【符号の説明】
１ レンズセグメント
１１ 平坦面
１２ セグメントレンズ面
１３ セグメント非レンズ面
２ 切削バイト
３ 金型

Claims (1)

1. 複数のレンズセグメントを同一平面上に並べてシート状のレンズを構成したフレネルレンズにおいて、
   各レンズセグメントは、レンズ作用のあるセグメントレンズ面と、レンズ作用の無いセグメント非レンズ面とを有しており、
   各レンズセグメントのセグメント非レンズ面は、当該セグメント非レンズ面からの内部反射光の出射を抑制するよう複数の凹凸を詰めて形成した凹凸面になっており、
   前記凹凸面である前記セグメント非レンズ面は、鋸波状の断面形状であって、
   前記鋸波状の断面形状における鋸波の山の角度は８０〜１００度であり、
   各山において、前記セグメントレンズ面と前記セグメント非レンズ面とが交差する頂角からみて遠い側の面が、レンズセグメントを並べた前記同一平面と平行な面に対して成す角度のうち、当該レンズセグメントのセグメントレンズ面側の角度は９０度より大きくなっていることを特徴とするフレネルレンズ。

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