JP3976557B2 - 金型マスターの製造方法及び金型の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種マイクロレンズ及びその応用製品にも応用が可能な金型マスターの製造方法並びに金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、比較的大きな画面をコンパクトな装置構成で表示する手段として背面投影型画像表示装置（リアプロジェクションシステム）への関心が高まっている。この背面投影型画像表示装置は実際の画面よりも小さいサイズの液晶などにより形成された画像を光学系により拡大投影することにより大画面のカラー画像を表示する構成となっている。
【０００３】
この際に画像を表示するスクリーンは大画面であるがゆえに単数の鑑賞者となす角度は広く、また複数の鑑賞者からも画像を鑑賞できるように広い範囲での視野角が要求されている。
【０００４】
スクリーンにおいて広い視野角を得るためには、（１）スクリーン内に光散乱効果のある物質を分散させ入射光を幅広く散乱させる事により視野角を確保する方法、（２）縦に長いかまぼこ状のレンズを水平方向に隣接させた構造のストライプ状のレンチキュラレンズアレイを入射面に設け水平方向の視野角を制御し、レンズアレイ内または別に設けた部材内に光散乱効果のある物質を分散させ垂直方向の視野角を確保する方法（特開平１１−１６７１６７号）、が主として実施されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した（１）の構成においては、垂直方向、水平方向のいずれにおいても視野角の拡大はスクリーン内の光散乱物質による散乱によっている。視野角を広げようとするとスクリーン中の光散乱物質の濃度を高くする必要があり、スクリーン内で光が減衰してしまいスクリーンで得られる画像が暗くなってしまうという問題点がある。また（２）の構成においては、水平方向の視野角についてはレンズにより制御されているが垂直方向については（１）と同様の問題点がある。
【０００６】
上記問題点を解消するものとして、粒径の小さなガラスのような光透過性の球体を透明基材上に並べてこれら球体をレンズとして作用させ垂直、水平いずれの方向においても広い視野角を確保できる構成としたスクリーンがある。
【０００７】
しかし、このようなスクリーンは基材上に微小球体を散布して接着剤などにより固定することにより製作している。そのため微小球体の密度は場所によりばらつきがあり密度の低いところの画像は暗く、特に高精細な画像を表示する上では顕著になる。
【０００８】
ところで、レンズアレイの製造法として目的とするレンズアレイの反転形状を有する型を用いその形状を転写する方法が一般的に行われているが、これに用いる型の製造法のうち型を直接形成する方法として、機械加工による方法とエッチングによる方法とがある。
【０００９】
しかし、機械加工による方法では一般的にレンズ要素を一つずつ加工しておりアレイ形状の作製には著しい時間を必要とし、また、加工できるレンズ要素の寸法もあまり小さいものが得られないという問題点がある。エッチングによる方法においては、平滑な表面が得にくいという問題点がある。
そこで、予め別の工程で目的の形状のマスターを作製しそれから凹凸反転した型を複製する方法がとられている。
【００１０】
ここで、マスターの作製法としては基板上のレジストを熱溶融させ表面張力により球面化させる方法や、それを異方性エッチングにより基板を加工して作成する方法、導電性基板上の微小領域から電析させレンズ形状を得る方法がある。
【００１１】
しかし、レジストを熱溶融させる方法においては、溶融時に重力の影響を受けるために径に対して高さの低い扁平な形状になる。このような形状をマスターとして得られるレンズは径に対して曲率半径が大きくなるため入射してくる光の集光力が小さくスクリーンに用いた場合に広い視野角が得られないという問題点がある。
【００１２】
微小領域から電析を行うと析出は等方的に進むために微小領域を中心とした半球状の析出物が得られる。このような形状をマスターとして得られるレンズは径に対して曲率半径が１／２まで小さくすることができる。従ってスクリーンに用いるに際し集光力が大きく十分な視野角を得ることができる。しかしながら、通常の電析により得られる表面形状は数μｍ程度の凹凸を有し、光学的な使用には不十分であるという問題点がある。
【００１３】
以上のようなことから、本発明は、水平、垂直いずれの方向においても広い視野角を確保でき、かつ、表面の平滑性を向上させて表示面内において表示品質に優れたスクリーンを得ることができる、表面の平滑な金型マスターの製造方法、及び、金型の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、表面に多数の微細なレンズ構造を有するレンズシートの製造に用いる金型マスターの製造方法において、
少なくとも片側表面に導電性を有する基板を用意する工程と、
前記基板上の導電性を有する面上に絶縁性膜を形成する工程と、
前記絶縁性膜に対して形成すべきレンズの配列ピッチに相当する位置に、前記レンズの径より小さな領域を除去して前記導電性を有する面の一部を露出させる工程と、
前記基板の導電性を有する面の露出された領域を電極として、スルファミン酸ニッケル浴中に第１種光沢剤を添加した組成を有する、等方成長性に優れたメッキを行える、第１のメッキ液を用いてメッキ部を形成する工程と、
前記メッキ部を電極として、ワット浴中に第１種光沢剤及び第２種光沢剤を添加した組成を有する、表面光沢性に優れたメッキを行える、第２のメッキ液を用いてメッキ部上にメッキ層を形成する工程と、
を順次有することを特徴とする金型マスターの製造方法である。
【００１５】
また、請求項２の発明は、前記メッキ部を構成する金属母材と前記メッキ層を構成する金属母材とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の金型マスターの製造方法である。
【００１６】
また、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の金型マスターの製造方法により製造された金型マスターを用意する工程と、
該金型マスターの表面を導電処理する工程と、
該導電処理された金型マスターの表面に剥離処理を施す工程と、
該剥離処理を施した金型マスターの表面上に金型用メッキ層を形成する工程と、
前記金型用メッキ層を金型マスターから剥離する工程と、
を順次有することを特徴とする金型の製造方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は背面投影型画像表示装置の概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、この背面投影型画像表示装置は、液晶パネル及び光源からなり、画像を形成する画像形成部１と、画像光を投影光学系３に向けて反射するミラー２と、拡大画像を投影する投影光学系３と、拡大画像光をスクリーン５の背面に向けて反射するミラー４と、スクリーン５の背面に投影された拡大画像を全面に表示するスクリーン５とを備えている。
【００１８】
即ち、液晶パネル及び光源からなる画像形成部１により形成された画像がミラー２、４及び投影光学系３によりスクリーン５の背面から投影され拡大された画像として表示される構造になっている。
【００１９】
前記スクリーン５は入射光側、即ち背面側のフレネルレンズ５２と、フレネルレンズ５２側に向けて多数のレンズ要素が対向して配置されるスクリーンシートであるレンズシート５１とから構成されている。
【００２０】
即ち、スクリーン５は入射光側からフレネルレンズ５２、レンズの設けられたスクリーンシートであるレンズシート５１の順に配されており必要に応じて最後方（鑑賞者側）に反射防止膜を設けてある。
【００２１】
前記スクリーン５上には画像形成部１からの画像を拡大投影するために、スクリーン５の中央から離れるほどスクリーン面に対して斜め方向から光が入射することとなり、これをフレネルレンズ５２によりレンズシート５１に対して垂直な方向の光へと変換している。
【００２２】
続いてレンズシート５１に対して垂直に入射した入射光Ｌ１（図２、図３参照）の進行についての説明を行う。レンズシート５１に垂直に入射した入射光Ｌ１は入射面に設けられたレンズ形状により集光されるように屈折される。さらにレンズシート５１と出射面である空気層との境界においても屈折され進行する。その結果としてレンズシート５１に対して垂直に互いに平行に入射した入射光Ｌ１はレンズシート５１に設けられたレンズ要素の光軸上の一点から出射された光線である出射光Ｌ２（図２、図３参照）へと変換されて鑑賞者の側へと広がりながら進行する。この際にレンズシート５１上のレンズの形状により光の広がり方は異なる。
【００２３】
図２はレンズシートのレンズの曲率半径が小さいときの出射角度を示す図、図３はレンズシートのレンズの曲率半径が大きいときの出射角度を示す図である。
即ち、図２のレンズシートのレンズと図３のレンズシートのレンズとの比較において、図２に示したようにレンズの径Ｄに対してレンズの曲率半径Ｒが小さいほど集光作用が大きいことから、鑑賞者側へと出射する際に広い角度にわたって出射角Ａを形成することができる。つまり、スクリーン５上の画像を鑑賞する際により広い範囲から鑑賞することができるので結果として広い視野角を提供することができる。スクリーン面上にレンズ形状を構成する際に、レンズ径Ｄに対して曲率半径Ｒが１／２となるときに、レンズ形状は半球形状となる。このレンズ形状が半球形状となったとき、出射角Ａは最大である。
【００２４】
ところが上記従来技術に記載したように、一般的なレンズ形状の製作方法であるレジストの熱溶融を利用した方法においては、溶融時の重力の影響を受けレンズ径に対して曲率半径が大きくなってしまい半球形状を得ることができない。
【００２５】
レンズ形状として上記においては回転対称体である球体の一部であるときの説明を行ったがスクリーン５としての機能を考えた場合には必ずしも水平方向と垂直方向との視野角が同等である必要はない。スクリーン５の多くは横に長い形状であることから、縦方向の視野角は横方向ほど必要ではない。従って上述した理由からレンズ要素の横方向の曲率半径Ｒに対して縦方向の曲率半径Ｒを大きくすることで縦方向の視野角は横方向に対して小さくなる。
【００２６】
図４は本発明に係る金型マスターの製造方法の一例を示す図である。
続いて図４を参照して、本発明におけるレンズ金型マスターの製造方法の一例の説明を行う。図４に一連のプロセスを示す。
【００２７】
図４（Ａ）に示すように、基板としてガラス基板６を用意し、その表面に導電性被膜である無電解ニッケルメッキ被膜７を形成する。無電解ニッケルメッキ被膜７の厚さとしては０．１〜１μｍ程度が望ましく、この範囲の下限より薄いと膜に欠陥が生じ、上限より厚いとガラス基板６との密着性に問題が生じる。また、基板としてはガラス基板６のほかに金属基板の表面を平滑に機械加工などで仕上げたものを用いることができる。これら基板の表面粗さとしてこの後の工程で形成する絶縁性被膜（レジスト）の厚さ以下であることが望ましい。
【００２８】
次に図４（Ｂ）に示すように、無電解ニッケルメッキ被膜７の表面に絶縁性被膜であるフォトレジスト被膜８を形成する。次に図４（Ｃ）に示すように、レンズを形成すべき位置に微小な開口８ａを形成する。この開口８ａとして、ピッチ４０μｍの稠密配置にφ４μｍで形成した。開口８ａの配置は必ずしも稠密である必要はなく正方配列などでもよい。開口８ａの寸法は形成すべきレンズ径の１／５以下が望ましく、さらには１／１０以下であることがより望ましい。開口８ａのピッチ、即ちレンズのピッチはスクリーン５上に投影される画像の画素サイズに関連して画素サイズの１／４より小さいことが望ましい。画素サイズの１／４、以上の大きさで特に画素サイズの正数分の一、即ち１／１、１／２、１／３近傍ではモアレが顕著に観察されるためにその近傍はさけることが望ましい。
【００２９】
次に図４（Ｄ）に示すように、開口８ａの形成されたガラス基板６の無電解ニッケルメッキ被膜７が露出された部分を陰極として第１のメッキ浴中で析出径が３０μｍまで電析を行ってメッキ部９を形成する。第１のメッキ液の組成としてはスルファミン酸ニッケル４５０ｇ／ｌ、硼酸３０ｇ／ｌ、界面活性剤２ｇ／ｌのスルファミン酸ニッケル浴中に第１種光沢剤としてナフタレン−１．３．６−トリスルフォン酸三ナトリウムを添加した浴を用いた。
第１種光沢剤としてはこのほかにナフタレン−１．５−ジスルフォン酸二ナトリウムなどを用いることができる。
【００３０】
続いて、図４（Ｅ）に示すように、このガラス基板６のメッキ部９を陽極として第２のメッキ浴中でさらに電析を行い各レンズ要素が密着するまでメッキを行って、メッキ層１０を形成した。第２のメッキ浴の組成としては硫酸ニッケル３００ｇ／ｌ、塩化ニッケル５０ｇ／ｌ、硼酸４５ｇ／ｌのワット浴中に第１種光沢剤としてナフタレン−１．３．６−トリスルフォン酸三ナトリウムを第２種光沢剤としてクマリンを添加した浴を用いた。このようにして得られた金型マスター１１は直径約４６μｍ、曲率半径約２０μｍとほぼ半球に近く、表面粗さＲａが６０ｎｍ程度と十分に平滑な形状が得られた。なお、第１のメッキ液中に第１種光沢剤を添加せずに得られた金型マスターはその表面粗さＲａが１５０ｎｍ程度でありやや粗いものであった。
【００３１】
また、メッキ部９とメッキ層１０との厚さの割合を変えることにより金型マスター１１の曲率半径を変えることができる。即ち、メッキ部９が厚いほど半球に近く、メッキ層１０が厚いほど扁平な形状となる。また、表面粗さに関してはメッキ層１０が厚いほど滑らかな表面が得られた。
【００３２】
また、フォトレジスト被膜８に開口８ａを形成する工程において、開口８ａの形状を縦に長い長方形もしくは楕円形とすることにより、垂直方向の曲率半径が水平方向の曲率半径より大きいレンズ形状を作製することができ、単一のレンズ要素の形状の水平方向の曲率半径ＲＨと垂直方向の曲率半径ＲＶとの関係がＲＶ＞ＲＨ＞０であるレンズシートを作製することができる金型マスター１１を作製することができる。これにより、水平方向の方が垂直方向よりも広い視野角を独立して制御して得ることができる。
【００３３】
また、前記単一のレンズ要素の水平方向の曲率半径ＲＨとレンズ径Ｄとが（１／３）×Ｄ≦ＲＨ≦（１／２）×Ｄの関係であるレンズシートを作製することができる金型マスター１１を作製することができる。これにより、一般的に横長であるスクリーンに対して重要な水平方向の視野角を十分に得ることができる。
【００３４】
次に本発明における金型の製造方法の説明を行う。図５は本発明に係る金型の製造方法の一例を示す図である。
【００３５】
図５に一連のプロセスを示す。図５（Ａ）に示すように、上述した方法により作製した金型マスター１１を用意し、図５（Ｂ）に示すように、金型マスター１１の表面にスパッタリングによりニッケル膜１２を形成する。
【００３６】
次にニッケル膜が形成されたマスターの表面に剥離処理を行う。剥離処理は酸素濃度が２１％以上の雰囲気中で、図５（Ｃ）に示すように紫外線ＵＶを照射する。紫外線ＵＶの照射は３０分以上さらに好ましくは６０分以上の照射を行う。
【００３７】
この処理により雰囲気中の酸素の一部が紫外線の光子エネルギーにより分解しオゾンとなり金型マスター１１の表面にごく薄い酸化層１２ａを形成する。この層が金型マスター１１とこの後行う電析で形成される金型１３との剥離界面となり金型マスター１１と金型１３との剥離が容易となる。
【００３８】
他の剥離処理法としては極薄膜で機能する弗素系の離型剤を塗布し１８０℃程度の高温で３０分加熱した後に弗素系の溶媒で余分な離型剤を除去することにより剥離層を形成する。形成された離型層は数分子層程度の厚さであり導電性を損なうことなく剥離機能を有する。
【００３９】
次に図５（Ｄ）に示すように、これら処理を施した金型マスター１１を陽極としてスルファミン酸ニッケル浴中で厚さ１００μｍ以上のニッケル電析を行う。続いて、図５（Ｅ）に示すように、金型マスター１１と電析されたニッケル膜とを剥離することで金型１３となるニッケルを得ることができる。
【００４０】
金型マスター１１において、レンズ形状をなす半球状の部分とガラス基板６とはフォトレジスト被膜８の開口８ａを介して接続しているのみであり、前述したようにその開口８ａはレンズ径に対して高々１／５程度しかない。従って上述したような剥離処理を確実に行わないとレンズ形状部は金型マスター１１側ではなく金型１３となるべきニッケル膜側に取り込まれてしまい欠陥となる。また、この欠陥の発生は金型マスター１１の表面粗さにも関係しており表面粗さＲａが２００ｎｍ以上では欠陥の発生が多くこの点からもマスター表面が表面粗さＲａが２００ｎｍ未満の滑らかさであることが必要とされる。
【００４１】
図６はレンズシートの製造方法の一例を示す図である。
図６に示すように、次に得られた金型１３を用いて透光性基板１４との間にエネルギー硬化樹脂である紫外線硬化樹脂１５を充填し透光性基板１４側から紫外線ＵＶを照射することにより金型１３と凹凸反転したレンズ形状を基板表面に設けたレンズシートを作製することができる。また、エネルギー硬化樹脂として、紫外線硬化樹脂の代わりに熱硬化樹脂を用い、紫外線の代わりに加熱して硬化するようにしてもよい。また、エネルギー硬化樹脂として、紫外線硬化樹脂の代わりに電子線硬化樹脂を用い、紫外線の代わりに電子線で硬化するようにしてもよい。
【００４２】
図７はレンズシートの製造方法の他の例を示す図である。
先ず、図７（Ａ）に示すように、金型１３と、熱可塑性の透光性材料からなる透光性基板であるシート１７と、成形面が平面のプレス金型１８とを用意する。
【００４３】
次に、図７（Ｂ）に示すように、金型１３とシート１７の両方もしくはいずれか一方をシート１７の軟化温度以上まで加熱し、金型１３とシート１７とを加圧プレスする。さらに、金型１３を押し当て加圧した状態で全体を軟化温度以下になるまで保持する。
【００４４】
次に図７（Ｃ）に示すように、金型１３及びプレス金型１８とシート１７とを剥離して、金型１３と凹凸反転したレンズ形状を有するレンズシート５１を得ることができる。
熱可塑性の透光性材料として、例えば、ポリカーボネート樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、アクリル等を使用することができる。
【００４５】
なお、このようなレンズシート５１の成型に金型１３を用いるに先立って金型表面に弗素系の膜を形成しておくことにより転写体であるレンズシート５１と金型１３との分離が容易になり金型１３の長寿命化をはかることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の金型マスターの製造方法によれば、（イ）等方成長性 に優れた第１のメッキ液を用いてメッキ部を形成して、さらに、その表面に光沢性に優れた第２のメッキ液を用いてメッキ層を形成しているので、水平、垂直いずれの方向においても広い視野角を確保でき、かつ、表面の平滑性を向上させて表示面内において表示品質に優れたスクリーンを得ることができ、しかも、（ロ）スルファミン酸ニッケル浴中に第１種光沢剤を添加して第１のメッキ液としているので、等方成長性を損なうことなく比較的凹凸の少ないメッキ部を得ることができ、さらに、ワット浴中に第１種光沢剤を添加して第２のメッキ浴としているので、十分に滑らかな表面の金型マスターを得ることができる。
【００４７】
請求項２の金型マスターの製造方法によれば、メッキ部とメッキ層とをそれぞれ構成する母材金属が同一であるので、メッキ部とメッキ層との界面において機械特性の違いがなく密着性に優れた金型マスターを得ることができる。
【００４８】
請求項３の金型の製造方法によれば、表面の滑らかな金型マスターを用い、その表面に導電処理を施し、その表面に剥離処理を施した後に金型用メッキ層を形成し、剥離を行うことにより、金型マスター表面の全面を確実に転写しかつ、確実に金型マスターと金型とを剥離することができるので、レンズ要素を多数有する金型を確実に反転形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 背面投影型画像表示装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２】 レンズシートのレンズの曲率半径が小さいときの出射角度を示す図である。
【図３】 レンズシートのレンズの曲率半径が大きいときの出射角度を示す図である。
【図４】 本発明に係わる金型マスターの製造方法の一例を示す図である。
【図５】 本発明に係わる金型の製造方法の一例を示す図である。
【図６】 レンズシートの製造方法の一例を示す図である。
【図７】 レンズシートの製造方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 画像形成部
２ ミラー
３ 投影光学系
４ ミラー
５ スクリーン
６ ガラス基板
７ 無電解ニッケルメッキ被膜（導電性被膜）
８ フォトレジスト被膜（絶縁性皮膜）
８ａ 開口
９ メッキ部
１０ メッキ層
１１ 金型マスター
１２ ニッケル膜（導電処理層）
１２ａ 酸化層
１３ 金型
１４ 透光性基板
１５ 紫外線硬化樹脂
５１ レンズシート
５２ フレネルレンズ
Ａ 出射角
Ｄ レンズ径
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 出射光
Ｒ 曲率半径
ＵＶ 紫外線

Claims (3)

1. 表面に多数の微細なレンズ構造を有するレンズシートの製造に用いる金型マスターの製造方法において、
   少なくとも片側表面に導電性を有する基板を用意する工程と、
   前記基板上の導電性を有する面上に絶縁性膜を形成する工程と、
   前記絶縁性膜に対して形成すべきレンズの配列ピッチに相当する位置に、前記レンズの径より小さな領域を除去して前記導電性を有する面の一部を露出させる工程と、
   前記基板の導電性を有する面の露出された領域を電極として、スルファミン酸ニッケル浴中に第１種光沢剤を添加した組成を有する、等方成長性に優れたメッキを行える、第１のメッキ液を用いてメッキ部を形成する工程と、
   前記メッキ部を電極として、ワット浴中に第１種光沢剤及び第２種光沢剤を添加した組成を有する、表面光沢性に優れたメッキを行える、第２のメッキ液を用いてメッキ部上にメッキ層を形成する工程と、
   を順次有することを特徴とする金型マスターの製造方法。
2. 前記メッキ部を構成する金属母材と前記メッキ層を構成する金属母材とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の金型マスターの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の金型マスターの製造方法により製造された金型マスターを用意する工程と、
   該金型マスターの表面を導電処理する工程と、
   該導電処理された金型マスターの表面に剥離処理を施す工程と、
   該剥離処理を施した金型マスターの表面上に金型用メッキ層を形成する工程と、
   前記金型用メッキ層を金型マスターから剥離する工程と、
   を順次有することを特徴とする金型の製造方法。

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