JP4880702B2 - レンチキュラーレンズアレイ素子 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ効果を提供することが可能な表面レリーフを備えている表面を有する基板により形成されたレンズ素子に関する。例えば、表面レリーフは、応用分野に応じてレンズアレイの表面に形成されるか、又はフレネルレンズとして形成される。

一応用分野において、レンズ素子は、その中で各短冊画像がインターレースされる複数の印刷画像を有する印刷画像表示装置のレンズアレイを形成することが出来る。他の応用分野においては、レンズ素子は、空間光変調器を利用し、インターレースされた画像の画素アレイを表示する表示装置のレンズアレイを構成することが可能である。これらの応用において、レンズアレイは、使用する際、複数の印刷画像または空間光変調器の上に配置される。このレンズアレイは、各画像からの光線を観察ウインドウへ案内する。これは、例えば、自動立体視画像やフリップ画像を提供するなど、多数の様々な効果を発生させる。

通常の人間の視覚は立体的であり、すなわち、それぞれの眼がわずかに異なる外界の画像を見ている。脳がそれら２つの像を融合させることにより、奥行きの感覚を与える。レンチキュラーアレイは、観察者のそれぞれの眼に分離された画像を提示するために使用されるシリンドリカルレンズアレイを含む既知の装置である。画像の短冊アレイは、各レンズの開口の下方に位置する。上述のレンズは、各画像からの光線をレンズの光軸に対しそれぞれ別の方向へ案内する。それら個別のレンズは、各画像の短冊と位置合わせされ、通常レンズのピッチがドットのコラム群のピッチよりも僅かに小さく設定されて視点補正を提供する。これにより、各画像は、印刷画像の前方にある公称ウインドウ平面中の公称観察ウインドウ中へ案内される。観察者が観察ウインドウに眼を当てると、複数の印刷画像のうちの単一画像の各短冊からの光線を受け取るため、印刷画像表面全体にわたり単一の画像を見ることができる。レンチキュラー印刷の視野角とは、観察者が移動しても、各レンズを通してそれぞれ印刷された画像の短冊画像を維持することができる角度である。

（１次元のシリンドリカルレンズアレイを有する）レンチキュラースクリーンや（２次元のレンズアレイを有する）マイクロレンズスクリーンなどのレンズアレイは、通常、押出成形、鋳造、エンボス、押出またはその他知られたレプリケーション技術によりプラスチック基板の表面に光学的に形成される。レンズアレイの製造に使用する材料は、装置の厚さを最小に抑えるために、例えば、１．５７以上など、高い屈折率を有することが望ましい。

他のタイプの応用分野では、例えば、表示装置または投影画像表示装置に使用するバックライト装置など、様々なタイプの装置に利用するために、レンズ素子をフレネルレンズに形成してもよい。フレネルレンズは、表面レリーフのレンズ素子アレイを含み、それぞれが協働し、フレネルレンズ全体の表面にわたって共通の光学的パワーを発生させる。

本発明の第１態様は、上述のレンズ素子のレリーフ表面からの前側反射の効果を低減させることに関する。残念なことに、レリーフ表面は、フレネル反射の悪影響を受ける。例えば、基板の材料が空気中で屈折率が１．５７の場合、軸上フレネル面の反射率が５％を有する。レリーフ表面からのフレネル反射は、鏡面反射と考えられるが、本出願の目的にとって、この「鏡面反射」という言葉は、平面界面で提供される反射を意味する。この表面反射は、レンズ素子の応用分野に応じ、様々な問題が発生する。

その一例としては、レンズ素子が表示装置のためのレンズアレイ表面を備える場合では、以下で説明するように、この表面反射が特に観察者の注意力を分散させる。

比較として、平面表面は、界面箇所におけるフレネル反射が原因で、光源の鏡面反射画像を生成させる。光源の画像は、表面上にわたる狭い範囲の角度範囲から来るように見える。これは光源、装置または観察者の位置を移動させることにより、これらの反射の可視性を除去することが非常に容易である。

一方、レンズアレイにおいて、レンズアレイの各レンズの曲率は、各個別のレンズにわたるある一定の範囲の表面角度となる。レンズアレイの前方に位置する観察者は、光線をソースから眼へ案内するように配置された傾き角を有するレンズの一部を横切る光源からの鏡面反射を見ることができる。その結果、画像の幅に亘り光源のスミアが発生し、レンズ表面が目立つようになる。光源にスミアが発生すると、これら光源の可視性を除去するために、光源、装置または観察者の位置を移動させることが容易でない。

レンズ表面の可視性は、レンズアレイ画像に有害な結果をもたらす。この有害な結果には、画像コントラストの低下と；表面反射を示すレンズ部分が下地画像が見られるレンズ部分によって分けられたように見えることと；画像にわたり、短冊アーチファクトの強度上の差異を発生させ、注意力を分散させることと；２次元表面が３Ｄ画像に配置されるため、レンズアレイ面の前方で感知される画像奥点がレンズアレイ平面と衝突する深度キューを有し、観察者に視覚的なストレスを与えることと；光源を正確な位置に配置することができないために、表示輝度が低下することと；輝度およびコントラストの低減による画像の色飽和が低減することとを含む。

他の例のように、その他の応用においては、表面反射が光線を散乱させるため、光学システムの光学性能が劣化する。例えば、バックライト装置において、この散乱は好ましくない光損失を発生させる。例えば、投影画像表示装置において、この散乱は明るくライトアップされた環境において光コンポーネントの可視性を増加させると共に、画像のコントラストを低下させ、装置のコントラストおよび均一性を劣化させることになる。

薄膜干渉コーティングは、よく知られ、表面反射を著しく下げることができる。しかし、これらの塗布は一般に真空堆積技術が必要なため、コストが高い。また、大型サイズの印刷物は大きな体積が必要だが、このシステムは拡張が容易でない。更に、上述したようにコーティングは広照射角で操作する必要があり、安価なポリマーレンズ材料上に堆積されると、良好な機械的耐性を有する必要がある。表面劣化を最小に抑えるために、典型的な誘電性コーティングは指紋からの表面グリースにより劣化されるから、レンズは耐指紋性を有することが好ましい。或いは、高価なフッ素化ポリマーを組み合わせる事が必要である。

低屈折率材料は、例えば、屈折率が１．２９であるフッ素化材料またはゾルゲル材料の様な低屈折率材料は、レンズをコンフォーマルに塗布することにより、体積を実質上低減させ、低屈折率材料のコストを低減させる為に使用される。この技術は、屈折率が１．５７％のレンズの曲線表面のフレネル反射を約２．５％まで低減させることができる。しかし、通常このレベルではレンズおよび低屈折率材料の高い表面曲率のため、レンズの可視性は依然として高い。

そのため、従来技術では、レリーフ表面からの前側表面反射のアーチファクトの可視性を安価な方法で克服することができなかった。

本発明の第１態様によると、レンズ素子が提供され、このレンズ素子はそれぞれがレンズ効果を提供することが可能な複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた前側表面を有する後側基板と、後側基板の前方に配置されそれぞれがレンズ効果を提供することが可能な複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた後側表面を有し、後側基板および前側基板の上にある複数の表面レリーフのゾーンは、レンズ素子の領域上で同じ空間構成を有する前側基板と、後側基板の前側表面と、前側基板の後側表面との間に配置され、屈折率が、後側基板および前側基板のそれぞれの屈折率と異なる固体または液体の等方性中間材とを備える。

空気と接触している表面レリーフを有する単一基板を利用する等価レンズ素子に比べて、液体または固体の等方性材料は、レンズアレイの表面からのフレネル反射のレベルを低減させることができる。特に、レンズ表面の反射は大幅に低減させることができる。この理由は、等方性材料の屈折率が空気の屈折率よりも大きいからである。中間材の長所は、その屈折率が空気の屈折率よりも基板の屈折率に近い点である。表面反射が低減されると、上述したように表面反射に関する問題も減るため、レンズ素子の光学性能が向上する。

当然、空気に接触された同一のレリーフ表面と比べ、等方性材料の出現は、レリーフ表面が提供するレンズ効果のパワーを低減させる。しかし、この効果は、レンズ素子が２つのレリーフ表面を有している事実により軽減される。レンズ素子の領域上に同じ空間構成を有する２つの表面レリーフを提供することにより、表面レリーフは光学的に協働する。両方のレリーフ構造は等しいレンズ効果を有し、両方のレリーフ表面から光学的パワーが得られる。等方性材料の実際の屈折率に基づき、各レリーフ表面の設計によって、空気と接触した単一のレリーフ表面を含んだレンズ素子と等しい光学的パワーを有するレンズ素子を提供する事は可能である。

フレネル反射の影響は、外部表面箇所で装置に正常に入射され、各レンズ表面の部分から反射される光線の全内反射を提供するために、後側基板および等方性材料と協働する平面前側表面を有する前側基板により更に低減される。この装置は、全内反射の方法と、レンズ表面箇所でのフレネル反射を低減させる方法とにより、レンズアレイのレンズの非鏡面表面の反射を本質的に低減させることができる。更に、前側基板の前側表面が平面表面である場合、平面プラスチック表面の標準的な技術を使用し、容易に綺麗にしたり修復したりする事が出来る。一方、露出されたレンチキュラー表面は、カスプの上方で埃が捕捉されやすく、修正することができない。

一般に、等方性材料は液体または固体でもよいが、液体を使用した場合、安価で低屈折率の材料を使用することができる。低屈折率の固体材料（例えば、ポリマーまたはゲル）と比べ、低屈折率の液体は、広く利用されている上、安価である。

一般に、レリーフ表面がレンズアレイの表面として形成される場合、レンズ表面は凹面または凸面であるが、凸面レンズ表面の長所は、各後側基板および前側基板の屈折率よりも屈折率が低い中間材を組み込むことが容易であり、正の光学的パワーを提供することができるという点である。

アライメント素子は、有利に中間材中に配置され、表面リレーフと接触されてもよい。レリーフ表面がレンズアレイの表面として形成される場合、アライメント素子は、レンズ表面の間のカスプで接触されてもよい。レリーフ表面がフレネルレンズとして形成される場合、アライメント素子は、フレネルレンズのゾーンのカスプ中に位置することにより表面を位置合わせさせる。２つのアレイのレンズ表面を位置合わせさせることは非常に重要である。アライメント素子の使用は、この目的を達成するのに効果的な方法であり、これは、付加的機械的位置決めを必要とせずに、直感的に実際に製造することができる。アライメント素子は容易に位置決めすることができ、例えば、流体自己組立の方法により自動的に位置決めしてもよい。アライメント素子は、スペーサ素子として、基板を所望の間隔に保持し、２つの基板間を粘着接触させる。

アライメント素子は、例えば、球体または繊維（例えば、ワイヤなど）などの断面円状を有利に有してもよい。例えば、アライメント素子は、ガラス、樹脂またはポリマー球体で提供され、これは、スプレーまたは散布により基板上に提供されるか、繊維などを基板上に貼り付けてもよい。

アライメント素子の外部表面は接着性を有し、これによりアライメント素子はレンズ表面に接着することができる。これは、２つの基板を一緒に接着させることを助ける。アライメント素子が配置されるため、基板の全領域にわたって接着性が提供される。これは、基板が分離されることを防ぎ、特に、表示装置が曲げられたときに分離されることを防ぐ。この接着剤は、例えば、紫外線硬化接着剤、熱硬化接着剤または圧力により硬化する接着剤など、光線硬化接着剤でもよい。

或いは、アライメント素子は、レンズアレイの全領域を湿らせることができるようにし、ファンデルワールス力が第１の基板から第２の基板に対し発生することを防ぐ。これによりアライメント素子は、接着剤が必要ない。

アライメント素子が表示装置中に残る場合、アライメント素子は、有利に中間材の屈折率に類似した屈折率を有してもよい。例えば、アライメント要素は、フッ素化ポリマー材料から形成されてもよい。

アライメント素子が繊維である場合、アライメント工程において繊維が基板を超えて延伸され、２つの基板を接合した後に繊維を引き抜くことにより除去してもよい。この場合、最終生成物中にはアライメント素子が出現しない。

前側基板は、有利に平面前側表面を有する。これは、上述したように全内反射の提供を助け、平坦プラスチック表面に利用する標準的な技術を利用して、装置の外部表面をきれいにしたり修復したりする。一方、露出されたレンチキュラー面は、カスプの上方で埃を捕捉する傾向があり、修理出来ない。前側表面は、好ましくは、積層の方法により他の基板に接着されてもよい。これは、システム中のフレネル損失全体を低減させることができる。従来技術の装置は、光学的機能を失わずに、他の装置へ装着させることができない。

レリーフ表面は、レンズ素子の応用分野に応じて形成される。

ある応用分野において、後側基板の前側表面は、レンズアレイの表面として形成された表面レリーフが提供され、前側基板の後側表面は、後側基板のレンズアレイの表面と同軸上に並んだシリンドリカルレンズアレイの表面として形成された表面レリーフが提供される。指向性印刷画像表示装置において、この型のレンズ素子は、各画像の連続した短冊が順番に互いにインターレースされる複数の印刷画像の前に配置される。或いは、この型のレンズ素子は、順番に互いにインターレースされた複数の各画像の連続した短冊を表示することが可能な画素アレイを有する空間光変調器を含む表示装置中に配置される。表示装置において、複数のインターレースされた画像からの光線をそれぞれの公称観察ウインドウへ案内するために、後側基板および前側基板のレンズアレイ表面が協働する。

印刷画像表示装置の場合、多くの応用において、２Ｄ領域および３Ｄ領域の両方を表示できることが望ましい。複数の印刷画像が互いにインターレースされるため、レンズアレイは印刷画像の解析度を低減させる。そのため、例えばテキストなど、高解析度の物体をきれいに表示することが困難である。更に、レンチキュラー画像の範囲を生成することが望ましく、これによりレンチキュラー光学的機能が除去され、素子の後方にあるアイテムが見られるようになる。例えば、パッケージの応用において、レンチキュラーラベルを通してパッケージ内容が見られることが望ましい。これらの問題を解決するため、本発明の第１態様または第２態様による表示装置は、以下の特徴を含む。

第１の選択肢として、表示装置の少なくとも１つの領域において、前側基板の前側表面は、表示装置の少なくとも１つの領域全体にわたって延伸された単一の印刷画像が印刷される。前側表面の画像は、レンズ表面をカバーし、これによりレンズ表面が案内する光線が印刷画像で遮られる。これにより、前側表面の画像はレンズ表面の結果としての解像度損失を受けない２次元画像である。

平面前側表面を有する前側基板の独特な長所は、印刷を直接に行うことができる点である。斯様な表面には、高画像解析度および高品質の画像を容易に印刷することができる。特に、複数のインターレースされた画像を印刷するために使用されるのと同じ印刷工程を使用することが可能である。特に、問題が発生する可能性のある表面レリーフレンズを処理する必要がない。一方、従来技術の表示装置の外表面は、表面レリーフを有するため、前側表面上に高解析度の画像を印刷することが困難である。更に、装置を組み立てる前に、便利に前側表面および後側表面を印刷してもよい。更に、２Ｄおよび３Ｄ領域が組み合わされるため、高解析度２Ｄ画像を介して指向性画像を見ることができる。

第２の選択肢として、表示装置の少なくとも１つの領域において、後側基板の前側表面と前側基板の後側表面とが個別の基板の屈折率と合致する屈折率を持った材料により被覆され、複数の印刷画像が表示装置の少なくとも１つの領域全体にわたって延伸される単一印刷画像により代替される事がある。

等しい屈折率を有する材料により表示装置のある領域内のレンズ表面の効果を除去すると、これによりレンズ表面の結果としての解像度損失を受けない２次元画像が表示される。

上述の等しい屈折率を有する材料は、スクリーン印刷、フレキソグラフィー、リソグラフィーまたはその他既知の印刷技術により印刷されるクリヤーニスまたは接着剤である。表面に塗布された接着剤量は、有利に制御され、レンズのカスプを実質上充填する一方、レンズのピークには実質上塗布されない。接着剤は、適当な厚さおよび幅で糊トラックに印刷され、それは調整されて２Ｄ領域中に最適な表面を提供する。

第３の選択肢として、表示装置の少なくとも１つの領域中において、後側基板の前側表面および前側基板の後側表面のそれぞれは平面状に修正され、印刷画像が単一の印刷画像で代替され、この単一の印刷画像は、表示装置の上述の少なくとも１つの領域全体にわたって延伸される。

表示装置のある領域内のレンズ表面の効果は、修正して除去することにより、レンズ表面の結果としての解像度損失を受けない２次元画像が表示される。

表面の修正は、加熱および／または加圧で行ってもよい。加熱および／または加圧を利用して表面を修正する長所は、隣接したレンズの修正を最小に抑えることができる点である。そのため、このシステムは、製造工程中に糊の制御を注意深く行う必要がなく、表面修正の位置を注意深く制御することができる。

他の長所は、表面の修正を完全に行う必要がないという点である。不完全な表面に発生する可視性のアーチファクトは、表面の光学的パワーの変動によるものでなく、主に表面反射および表面の欠陥による散乱による。そのため、液体または他の中間材により反射率を低減させると、不完全に修正されたフィーチャの可視性を実質上低減させることができる。

更に、エッジシール領域を修正するか、実質上光学的パワーがない平坦な領域を提供するか、微細フィーチャを有する「キー（ｋｅｙｅｄ）」領域を提供することにより、前側および後側の基板に対するエッジシール材料の接着性を強化する。シールの屈折率は、レンズ材料の屈折率と完全に合致させる必要がなく、レンズ効果を除去することができる。エッジ領域が修正されるため、これによりシーリング工程の際に、レンズ領域上のエッジシーラントのフローを防止するため、均一性の高いシールを提供する。

事実、如何なるタイプの指向性印刷画像表示装置に第２および第３の選択肢を用いても、レンズアレイの表面の効果を除去することができるため、本発明だけに限定されるわけではない。

本発明の第２態様は、印刷画像表示装置中のレンズアレイの光学的性能に関する。

多くの応用分野において、例えば、ラベルおよびパッケージなどの自動立体視３Ｄ印刷画像の提供は、レンチキュラー装置の厚さを低減させることが望ましい。レンズの後側表面への印刷の許容度を可能な限り高くするためには、レンズアレイのピッチは最大にすることが望ましい。

しかし、厚さが低減されると、レンズの開口数が増大されるため、レンズの印刷性能を維持するためにはレンズのサグを増大させねばならない。しかし現在使用している数を超えるようにサグを増大させることは一般に理想的でない。その理由は、収差を増大させ、表面を確実に製造することが困難となるからである。開口数が高い軸上装置の性能を向上させるため、従来技術では非球体表面を利用することがよく知られている。しかし、レンズの軸外性能が劣化し、非球形表面のレンズアレイを製造が困難である。そのため、既知のレンズ設計では、通常レンズアレイの開口数を増大させることはできない。

薄膜レンズアレイのさらなる欠点は、レンズのカスプの線に沿って破れる傾向があるということである。レンズアレイは安定していることが望ましい。

本発明の第２態様によると、ここで提供される指向性印刷画像表示装置は、各画像の連続した短冊が互いに順番にインターレースされた複数の印刷画像と、複数の印刷画像の前方に配置され、レンズアレイの表面を備えるべく形成された前側表面を有する後側基板と、後側基板の前方に配置され、後側基板のレンズアレイの表面と同軸に整列された後側表面を有する前側基板と、後側基板のレンズアレイの表面と、前側基板のレンズアレイの表面との間に配置され、後側基板および前側基板の屈折率と異なる屈折率を有する中間材とを備え、後側基板および前側基板のレンズアレイの表面が協働し、各画像からの光線をそれぞれの公称観察ウインドウへ案内する。

後側基板のレンズアレイ表面および前側基板のレンズアレイ表面が協働すると、両方が一緒に単一のレンズアレイ表面よりも高い光学的パワーを提供することができる。増大して得られたパワーは、多数の長所を提供する。

増大した光学的パワーを使用すると、レンズ表面と印刷画像との間にショートバックワーキング距離（ｓｈｏｒｔ ｂａｃｋ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を提供する。これは、単一基板上に形成されたレンズアレイよりも薄いレンズアレイを提供することができる。これは、印刷画像と、後側基板のレンズアレイとの間の距離が、両者のレンズアレイを組み合わせた焦点距離を基に決められるからである。

例えば、単一の１４０ｌｐｉレンズアレイの設備を採用する装置は、ＰＥＴＧで形成するとき３２０μｍの厚さを有するが、本発明の実施例の装置が、２つのレンズ表面を採用し、１４０ｌｐｉレンズアレイと同じパワーを得るとき、空気を含む中間材にとって、第２の基板の厚さを５０μｍとすることにより、全体の厚さは僅か２１０μｍしかない。それ自身の厚さが低減する利点以外に、装置の重量を低減させることもできる。

前側基板を後側基板よりも薄くした場合、低減される厚さは最大となる。しかしそれは絶対不可欠なものではない。それに代替するものは、それら２つの基板を同一にすることである。これは単一ソースとして使用されるため、レンズの２つのアレイのピッチが合致し、サイズが安定する。

増大された光学的パワーは、指向性画像の視野角を増大させる。大きな視野角は、例えば、自動立体視画像が見られる映像の角度範囲を増大させ、レンズ軸に関する画像のアライメント許容度を緩めるため、中央視点は正像である。

さらなる長所としては、装置が２つの基板を重ねて挟むため、処置および操作の最中に破れにくい傾向がある。

一般に、レンズアレイの表面は、凹面または凸面でもよいが、凸面レンズの表面は、各後側基板および前側基板の屈折率よりも低い屈折率を有する中間材が組み入れやすく、正の光学的パワーを提供する。

凸面レンズのもう一つの長所は、中間材中に配置され、レンズ表面間のカスプの上で、後側基板のアレイレンズ表面および前側基板のアレイレンズ表面に接触するアライメント素子を使用できることである。２つのアレイのレンズ表面のアライメントは非常に重要である。レンズ表面間のカスプの上方に位置するアライメント素子は、これを達成するために効果的な方法であるが、これは直感的に実際に製造し、付加的な機械的位置合わせを行う必要がない。アライメント素子は、容易にカスプの上方に位置させることができ、例えば、流体自己組立の方法により、自動的に位置決めを行うように構成してもよい。アライメント素子は、スペーサ素子として基板を所望の間隔箇所に保持し、上述したアーチファクトを有する２つの基板間に接着接触を提供するために使用できる。更に、従来技術のレンズの前側表面上には、高解析度２Ｄ画像を表示させることはできない。更に、装置が透明にされる光学的に清澄な材料でオーバーコーティングしても、光学的に均一な領域を得ることは困難である。

そのため、更に本発明の第２態様によると、ここで提供される指向性印刷画像表示装置の製造方法は、凸面レンズアレイの表面を備える表面をそれぞれ有する２つの基板を提供する工程と、互いに対向して同軸に整列されたレンズアレイの表面が備えられた表面を有し、それらの間に２つの基板それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する中間材が配置され、レンズ表面の間のカスプの上方にある各２つの基板のアレイのレンズ表面に接触され、２つの基板を一緒に接合する中間材の中にアライメント素子を配置する状態で、２つの基板を位置合わせする工程と、互いに順番に２つの基板のそれぞれのレンズと位置合わせされた各画像の短冊とがインターレースされた各画像の連続した短冊を有する複数の印刷画像を２つの基板の後方に提供する工程とを含む。

本発明の第３の実施態様は、印刷画像表示装置のレンズアレイのレンズ表面からの前側反射が観察者に与える影響に関する。残念なことに、レンズアレイは、レンズ表面のフレネル反射の悪影響が与えられる。例えば、レンズアレイの材料が空気中で１．５７の屈折率を有する場合、５％の軸上フレネル表面反射を有する。レンズ表面からのフレネル反射は鏡面反射と考えられるが、本出願の目的にとって、この「鏡面反射」とは平面状界面で提供された反射をいう。

レンズアレイにとって、表面反射は、以下で述べるように、特に観察者の注意力を分散させる。

比較の方式により、平面表面は、界面におけるフレネル反射により、光源の鏡面画像を生成する。光源の画像は、表面にわたって狭い範囲の角度から来るように見える。光源、装置または観察者の位置を容易に移動し、これらの反射の可視性が除去される。

対照的に、レンズアレイにおいて、レンズアレイの各レンズの曲率がそれぞれのレンズにわたってある範囲の表面角度に結果する。レンズアレイの前方箇所に位置する観察者は、光線をソースから眼に案内するように構成された傾き角度を有する一部のレンズを横切ってくる光源からの鏡面反射を見ることができる。これは画像の幅にわたる光源が外観にスミアを発生させるため、レンズ表面を容易に見ることができる。光源にスミアが発生すると、これらの光源の可視性を除去するために、光源、装置または観察者の位置を移動することは容易ではない。

レンズ表面の可視性は、レンズアレイ画像に有害な結果を発生させる。この重大な結果には、画像コントラストの低下と、表面反射を示すレンズ部分がレンズ中で見られる下地画像の部分が分けられたように見えることと；画像にわたり、短冊アーチファクトの強度上の差異を発生させ、画像を乱すことと；２次元表面が３Ｄ画像に配置されるため、レンズアレイ面の前で感知される画像奥点がレンズアレイ平面と衝突する深度キューを有し、観察者に視覚的なストレスを与えることと；光源を正確に配置することができないために、表示輝度が低下することと；輝度およびコントラストの低減による画像の色飽和が低減することと、を含む。

薄膜干渉コーティングは、表面反射を著しく下げることが知られている。しかし、これらの塗布は一般に真空堆積技術が必要なため、コストが高かった。また、大型サイズの印刷物は大きな体積が必要なため、このシステムは拡張が容易でなかった。更に、上述したようにコーティングは広照射角で操作する必要があり、安価なポリマーレンズ材料上に堆積されると、良好な機械的耐性を有する必要がある。レンズは、耐指紋性を有することが好ましいが、典型的な誘電性コーティングは指紋からの表面グリースにより劣化されるか、或いは、表面劣化を最小に抑えるために、高価なフッ素化ポリマーを組み合わせる必要がある。

低屈折率材料は、例えば、屈折率が１．２９であるフッ素化材料であるかゾルゲル材料であり、これをレンズに塗布すると、実質上体積が低減し、低屈折率材料のコストを低減させることができる。この技術は、屈折率１．５７％の曲面レンズのフレネル反射を約２．５％まで低減させることができる。しかし、通常このレベルでは、両方のレンズの高い表面曲率および低屈折率コーティングのため、レンズは依然として可視性が高い。

これにより、従来技術では、既知の材料により安価な方式でレンズアレイ曲率表面の前側反射アーチファクトの可視性の問題を解決することはできなかった。

本発明の第３態様によると、ここで提供される指向性印刷画像表示装置は、各画像の連続した短冊が互いに順番にインターレースされた複数の印刷画像と、複数の印刷画像の前方に配置された後側基板と、後側基板の前方に配置され、表面が前側基板または後側基板の一方に面し、アレイが各画像からの光線をそれぞれの公称観察ウインドウへ案内するレンズアレイの表面を形成する、前側基板または後側基板のうちの１つの平面前側表面を有する前側基板と、後側基板と前側基板との間に配置し、屈折率が前側基板または後側基板のうちの１つとの屈折率と異なり、かつ、空気の屈折率よりも大きな液体または固体の等方性材料とを含む。

単一基板を使用し、そのレンズ表面と空気が接触される装置と比べ、上述の液体または固体の等方性材料の屈折率が空気の屈折率よりも大きいとき、レンズアレイ表面のフレネル反射のレベルを低減させることができる。特に、レンズ表面における反射を大幅に低減させることができる。平面前側表面を有する前側基板は、更にフレネル反射の影響を低減させる。その表面は、後側基板と等向性材料と協働し、これにより外部表面の箇所に、装置に正常に入射され、各レンズ表面の一部から反射された光線の全内反射を提供する。この装置は、全内反射と、レンズ表面箇所のフレネルレンズを低減することにより、レンズアレイのレンズの非鏡面表面の反射を実質的に低減させることができる。

また、平面プラスチック表面の標準技術を適用し、前側基板の前側表面をきれいにしたり修復したりすることが出来る。一方、露出されたレンチキュラー表面は、カスプの上方で埃を捕捉し、修復することができない。前側表面は高解析度の２Ｄ画像を提供するために印刷されることが出来る。レンズ領域がオーバーコートされると、レンズの非均一コーティングからのアーチファクトの残視が低減された透明なレンズ領域を提供することができる。

また、等方性材料としての液体を使用すると、安価、低屈折率の材料を使用することができる。屈折率が低い固体または接着剤と比べ、低屈折率の液体は広く普及しており安価である。

本発明の第４態様によると、ここで提供される指向性印刷画像表示装置は、各画像の連続した短冊が互いに順番にインターレースされた複数の印刷画像と、印刷画像の前方に配置され、平面後側表面および各画像からの光線をそれぞれの公称観察ウインドウ中へ案内するレンズアレイの表面を備える前側表面を有する基板とを備え、表示装置の少なくとも１つの領域において、基板の前側表面は基板の屈折率と合致する屈折率を有する材料により被覆され、印刷画像が表示装置の少なくとも１つの領域全体にわたって延伸された単一の印刷画像により代替される。

本発明の全ての態様において、レンズアレイ表面を利用する場合、レンズ表面の表面プロフィールは円柱形または曲率を有する２次元であり、かつ、球体または非球体の表面を有する。

以下で述べる種々な配置は、若干の共通要素を含む。共通要素には、同じ参照符号が用いられている。簡潔にするために、共通要素の説明は繰り返さないが、要素に関する説明は、其れが存在する全ての実施例に適用される。

まず、本発明によるレンズ素子を用いた指向性印刷画像表示装置を説明する。

図１は、既知のレンズアレイを用いた指向性印刷画像表示装置を示す。レンズ素子は、基板１００を含み、その前側表面１０２は、シリンドリカルレンズアレイの表面に形成された表面レリーフを有する。前側表面１０２は、基板１００と空気１０４との間の界面を構成する。これにより、各レンズ表面は、表面レリーフのゾーンと見なし、これがレンズ効果を提供し、レンズ素子がレンズアレイを構成する。

ここで使用される「シリンドリカル」という言葉は、本技術分野における一般の意味を有し、厳密な球体レンズ形状だけでなく、非球体レンズ形状も含む。レンズの曲率は、実質的にウインドウ平面に画像が生成されるように設定される。レンズが光線をコーン状態に集中させてウインドウに分布させると、レンチキュラー表示は、ベースパネルの完全な輝度を有する。

表面１０６は、その上に形成された印刷情報を有し、基板１００の後側表面に位置する。

指向性分布修正装置としてのレンズアレイの操作はよく知られており、図６に示されている。 外部光源から入射した光線は、表面１０２を通過して表面１０６に達し、ポイント１１０上に焦点が結像され、装置の画像平面を照射する。光線は、表面１０６において印刷画像で散乱され、表面１０２を介して観察者（図示せず）に返される。レンズアレイ印刷は、反射光線に頼るが、このような場合、前側照明のアレイが有利であり、後側照明されるレンズアレイ透明性に対抗する。

アレイからの前側反射は、画像品質に大きな影響を与える。アレイ前方に直接位置する観察者にとっては、通常、レンズアレイの平面上に照射される白色光の平行ビーム１０８の反射方向を調べると、レンズアレイの反射機能を知ることができる。イーストマン・ケミカルのＰＥＴＧなどの様な基板１００の典型的なプラスチックは、１．５７の屈折率を有する。レンズ開口１０３の中央箇所では、フレネル反射が５％の入射光を反射させて観察者へ返す。しかし、レンズ開口１０３を横切るように光線ビームの位置が移動した場合、フレネル反射の反射角が大きくなるが、その原因は表面傾斜が増大してフレネル反射の振幅も増大するためである。そのため、レンズ開口を横切る異なる箇所における反射で光線１１２，１１４，１１６，１１８が生成され、それらは表面傾斜に応じて異なる振幅を有する。

表面の可視性を考慮すると、光線１１２に沿って配置された光源は、位置１１１にあるレンズから反射されて、レンズアレイに対して法線に位置する観察者へ到達する。観察者は、どのレンズを介しても、広角度範囲に位置する光源を見ることができ、レンズの開口を横切る異なる箇所において各光源を見ることができる。これにより、レンズアレイの前側を横切る光源からの光線反射がスミアされ、前側表面の可視性が高まる。レンズ表面の可視性は、上述したように望ましくない。

基板１００は、典型的な多くのポリマーフィルムのように、微量な残留複屈折を有する。本発明の目的のため、この基板は、単一の等方性屈折率を有し、全ての極性状態の光線に対して略同じ方向の分布を生成させると仮定する。

本発明の第１態様による指向性印刷画像表示装置は、図５に示され、レンズ素子を含む。このレンズ素子は、後側基板１００と、後側基板１００の前方に配置された前側基板１２２と、後側基板１００と前側基板１２２との間に配置された中間材１２０と、を含む。

後側基板１００は、図１に示した上述の装置と同じ構造を有する。後側基板１００の前側表面１０２はシリンドリカルレンズアレイの表面に形成された表面レリーフを有する。後側基板１００の後側表面は平坦である。前側表面１０２は、エンボス、鋳造、押出、押出成形またはその他既知のマイクロオプティック製造またはレプリケーション技術により形成されてもよい。

基板１００は、固体の等方性材料から形成される。基板１００の材料は、例えば、熱可塑性材料のプラスチックなどの単一体の材料を含むか、或いは、例えば平面基板上に光硬化ポリマーで形成されたものなど、第２の材料でレンズ構造が形成された第１の平面基板を含む事が出来る。基板１００の材料は、１．４６〜１．６の範囲内（通常、１．５０〜１．５８の範囲内）の屈折率を有するポリマーでもよい。

表面１０６は、その上に印刷された印刷情報を有し、後側基板１００の後側表面に位置する。表面１０６は、レンズアレイの後側表面を含み、インクが基板１００の平面表面上に直接形成されている。或いは、表面１０６がその上に印刷情報が印刷された分離像担持体基板を含み、それは、後側基板１００の後側表面と接触している。

印刷表面１０６は、例えば、バッキング層または白色インク層を更に含み、インク表面から光線を反射させることが可能な反射画像でもよい。或いは、印刷表面１０６は、例えば、バックライトの照射により使用する透明画像でもよい。

前側基板１２２は、表面レリーフが配置される後側表面１４２を有し、この表面レリーフは、シリンドリカルレンズアレイの表面に形成され、後側基板１００の前側表面１０２のレンズ表面と同じピッチが繰り返され、同一軸心上に位置する。このように、２つの基板１００，１２２の表面レリーフのゾーンは、レンズ素子の領域上の同じ空間に配列されている。２つの基板１００，１２２の表面レリーフの曲率は異なっても良い。前側基板１２２は、固体の等方性材料から形成され、上述した後側基板１００の可能な材料および構造は、前側基板１２２にも同様に適用させることができる。

前側基板１２２は、実質上平面である前側表面１２３を有する。本発明において「平面」とは、表面１０２，１４２のレンズ表面のピッチのスケールにおいて実質上平坦である表面を指す。この平面表面には、防眩表面構造を付加的に組み込み、周囲光源の平面表面から反射される可視性を低減させてもよい。この構造は、例えば、粗面、回析面または微細ピッチレンチキュラー表面でもよい。

中間材１２０は、後側基板１００および前側基板１２２と異なる屈折率を有する固体または液体の等方性材料である。これにより、後側基板１００の各レンズ表面および前側基板１２２の各レンズ表面は、等しいレンズ効果を提供することができる。

表面１０６上の印刷情報は、複数の画像であり、これらの画像の短冊は順番にインターレースされる。これら複数の画像は、自動立体視画像でもよい。つまり、各組の画像が観察者のそれぞれの眼に案内され、三次元画像またはフリップ画像が知覚される。つまり、これらの画像は、見る方向の違いにより異なった画像が見られる指向性画像である。フリップ画像は、画像が立体視画像シークエンスから形成されないということ以外、自動立体視画像の性質に類似する。自動立体視画像がレンズを縦に並べるのと異なり、フリップ画像のレンズ軸は、通常横に並べられている。或いは、これらの画像は、それぞれの観察ウインドウへ案内するのに適当な他の形態でもよい。

一般に、画像は、通常少なくとも８つであるが、複数であれば如何なる数でもよい。後側基板１００の前側表面１０２のレンズ表面および前側基板１２２の後側表面１４２のレンズ表面の両方は、短冊１０１のグループ１０３のピッチと実質上等しい所定のピッチで繰り返される。つまり、表面１０６上の印刷画像の単一画像の短冊１０１のピッチである（しかし、事実上、視点補正の提供に効果的な量よりも僅かに小さい）。そのため、後側基板１００の各レンズ表面と前側基板１２２の各レンズ表面とは、互いに同軸上に並ぶ。同軸上に並んだレンズ表面は、実質上平行な軸線と、並んだ光学的開口を有するように画定される。実際には、これはレンズ表面のカスプの位置合わせを意味する。更に、基板１００，１２２のレンズ表面が各印刷画像の短冊１０１のグループ１０３と位置合わせされる。その結果、後側基板１００および前側基板１２２のレンズ表面が協働し、表面１０６上の各印刷画像からの光線を公称観察平面１１７中のそれぞれの公称観察ウインドウ１１９へ案内する。

図６は、印刷画像表示装置の光出力を示す平面図である。印刷表面１０６は、ドットの短冊１０１のグループ１０３から形成され、各短冊は、１ラインのドットまたは複数ラインのドットを含む。好ましくは、各短冊１０１間にはギャップがある。各グループ１０３は、通常６〜１２の短冊を含む。ドットの各短冊１０１は、複数の印刷画像のうちの単一画像の短冊１０１からのデータを含む。レンズアレイ（ここでは説明の都合上、単一のレンズアレイ基板１００および表面１０２とする）は、各短冊１０１を異なる方向でそれぞれ別の観察ウインドウへ案内する。視野角１０５は、短冊のグループ１０３からの光線の角度を延伸した範囲により決定される。実際には、視野角１０５は、レンズ１００，１０２の光学特性により低減される。短冊のグループ１０３のピッチは、レンズ表面１０２のレンズのピッチよりも僅かに大きく設定されているため、視点補正を行うことができる。その結果、観察ウインドウ１１９がウインドウ平面１１７に形成される。観察者１１５の片方の眼がウィンドウ平面内の単一のウィンドウに置かれると、印刷画像表示全体にわたる複数の画像のうちの単一画像を見ることができる。

自動立体視画像において、短冊１０１および表面１０２のレンズ表面は縦に並べ、フリップ画像中では横または縦に並べてもよい。

単一のレンズ表面だけが提供されたときと比べ、後側基板１００および前側基板１２２のレンズ表面を協働させると、光学的パワーを増大させることができる。正常な状況下において、平面表面に入射する光線１０８は、表面１４２，１０２で屈折し、画像表面１０６の位置１１０で焦点が結像する。フレネル反射が各表面１４２，１０２で発生する。表面１４２では、光線１４８に示すように全内反射が発生してもよい。これは、外部表面１２３で全内反射が発生するか、外部表面を透過するため、レンズ表面からの光源により観察者の眼に結像する。レンズ表面１４２，１０２のフレネル反射は、全内反射により光線１５０，１５２に沿って伝播されるか、光線１５４が表面１２３を介して光源を反射させることができるため、観察者がレンズ表面から反射される光源を見ることができる。本発明の装置は、短冊の第１のグループ１０３の画像により形成された中央のビューイングローブ（ｖｉｅｗｉｎｇ ｌｏｂｅ）中で作動する。隣接したビューイングローブにおいて（ここで、隣接したグループの短冊からのレンズ画像光は）、画像表面１０６から反射された光線が表面１０２の第１のレンズおよび表面１４２の２つのレンズを通過し、出力ウィンドウに誤差が発生する。しかし、典型的な印刷画像表示装置の大きな視野角において、レンズ収差が著しくなるため、劣化の可視性が限定される。

増大されたパワーは、表示装置全体の厚さを低減させることができ、それはそれ自体有益であり、視野角１０５を増大させることができる。低反射率レンズの視野角１０５を増大させるため、光学的パワーを向上させるのに十分な曲率半径に増大させることができず、その原因は、空気中のレンズが通常光学的パワーと収差との間で最良の妥協点を提供することができるためである。レンズを増やして画像を分離させると、印刷装置の視野角１０５を低減させ、不利となる。例えば、これはレンズアレイに関し、印刷画像の横アライメント許容度を狭くすることとなる。

この表示装置において、前側基板１２２および後側基板１００を同じにすることにより、共通の供給ストック材料を使用させ、表面１０２，１４２のレンズ表面のピッチ中の必要な類似性を提供し、高い許容性を与えてもよい。ここで「同じ」とは、表面１０２，１４２のレンズ表面が実質上同じである曲率半径およびピッチを有することを意味し、基板１２２，１００は、実質上同じ屈折率および厚さを有する。基板１２２，１００のサイズは異なり、例えば、適当に接合させてもよい。その理由は、光学性能に悪影響を与えないからである。

図５の表面１０２，１４２のレンズ表面は、一般に同じピッチを有する。しかし、２つのレンズ表面の主平面の間に微小な分離がある場合、ピッチ中の微小な差異が組み込まれると、表面分離の視点補正を行うことができる。

通常、中間材１２０は、基板１００，１２２よりも低い屈折率を備えている。これにより、中間材１２０および基板１００，１２２の適当な材料を選択することが容易となる。この場合、表面１０２，１４２のレンズ表面は凸面である。

中間材１２０は空気でもよいが、これは本発明の第１の特徴ではなく第２の特徴である。これは製造を簡単に行うことができるが、後側基板１００および前側基板１２２のそれぞれのレンズ表面にフレネル反射が発生するという欠点が発生する。しかし、レンズ表面が露出されない場合、損壊されやすい性質を有するために通常考慮されない反射防止手段を用いることが可能であり、これは、例えば、フッ素化ポリマー塗布またはモスアイ塗布または表面加工処理である。また、空気ギャップまたは中間屈折率を有する材料と組み合わせることにより、さらなる表面反射率の低減結果を利用してもよい。そのため、本発明は、表面反射の可視性を最適化させることができる。

中間材１２０は、窒素などの他の気体でもよく、これは、再び本発明の第１の特徴ではなく第２の特徴である。組み立て封止を行う前に、この気体を乾燥させてもよい。

好ましくは、中間材１２０は、後側基板１００および前側基板１２２と異なり、空気よりも高い屈折率を有する固体または液体である。この場合、中間材１２０は、後側基板１００および前側基板１２２のそれぞれのレンズ表面においてフレネル反射を低減させることができる。例えば、液体の中間材１２０の屈折率は１．２９〜１．４２の範囲内にあり、後側基板１００および前側基板１２２のそれぞれの屈折率は１．４６〜１．６の範囲内である。空気の屈折率に対するよりも、後側基板１００および前側基板１２２に近い屈折率を有する中間材１２０を選択することにより反射率を最小に抑えることができる。

中間材１２０が固体である場合、通常これはフッ素化ポリマーの様な低屈折率ポリマーである。或いは、中間材１２０はゲルである。

しかし、中間材１２０が液体である場合、特定の長所を得ることができる。中間材１２０として液体を使用した場合、低コスト、低屈折率の材料を使用することができる。

中間材１２０は、水を含んでもよい。水は、高光伝達率、低屈折率および安価であるため、特に有利な材料である。水の公称屈折率は１．３３である。

好ましくは、中間材１２０は、シリコーンオイルなどの低屈折率オイルでもよい。前側基板１２２および後側基板１００の典型的な材料よりも低い屈折率（例えば、１．４よりも低い）を有するシリコーンオイルを利用することができる。この適当なオイルの例としては、５〜１０００センチストークスの粘度を有するダウコーニング２００がある。

ＰＥＴＧなどのポリマー材料により製造される典型的なレンズ基板１００，１２２は、酸素や窒素などの気体および水が浸透しやすい。そのような装置は、気泡を発生させやすく、最終的には空になる傾向がある。しかし、オイルが充填された装置は、空気を排出させる傾向がある。つまり、充填工程からの残留気泡を含むオイルが充填された装置が製造される可能性がある。例えば、貯蔵や輸送を行う際、数日間のうちにレンズからこれらの気泡が無くなる。そのため、充填工程の収率が著しく向上し、素子コストを低減させることができる。或いは、この装置を真空チャンバ中に短時間置いて脱ガスを行ってもよい。

シリコーンオイルと接触されたレンズの光学的パワーは、通常空気中の同じレンズの光学的パワーの半分である。これは、曲率半径の小さな表面を使用するか、基板１００，１２２の厚さを増大させて補償することにより修正することができる。

中間材１２０は、液体の場合、既知の如く装置の寿命を延ばすために界面活性剤、防黴剤およびその他の添加剤を含んでもよい。。基板１００，１２２は、バリア層および／または酸素捕捉層を含み、これによりセル中に酸素が浸入することを防いでもよい。図５および図２（ａ）の装置の平面図である図２（ｂ）に示されるように、中間材１２０は、接着剤を含む周縁シール１２９により空洞中に密封してもよい。ギャップ１２５が周縁シール１２９中に形成され、ギャップを真空引きした後、基板１００，１２２間のギャップに液体を充填させる。充填を行った後、ホールシール１２７を使用してギャップ１２５を密封する。或いは、ハニカム構造またはその他のポリマー材料マトリックスにより中間材１２０を密封し、中間材１２０をポケット中に保持する。

空気よりも大きな屈折率を有する中間材１２０を利用した場合、多くの利点がある。中間材１２０とそれぞれの基板１００，１２２との界面における屈折率ステップは、空気の界面屈折率ステップよりも実質上小さい。中間材１２０が水である上述の実施例では、空気からポリマーに対する正常（垂直）屈折率が５％から、水からポリマーに対する正常なフレネル反射率である０．７％へ低減される。そのため、レンズ表面の可視性が実質上低減される。光線１４８，１５０，１５２に示すように、表面１０２，１４２から反射された光線は、前側基板１２２の平面前側表面１２３における全内反射により、フレネル反射の影響を更に低減させることができる。そのため、この装置は、表面１０２，１４２の反射の影響を低減させる２つの連動機構を有する。

好ましくは、表面１０２，１４２の低反射率は、画像表面から観察者へ向かって反射される光線によりレンズ界面箇所における光線反射を低減させ、それぞれのレンズ表面のクロストークを低減させることができる。

好ましくは、液体の中間材１２０および前側基板１２２のコストは、既知の代替性反射低減技術よりも実質上少なくすることができる。

空気よりも大きな屈折率を有する中間材１２０は、基板１００，１２２の表面１０２，１４２のレンズ表面の光学的パワーを低減させることができる。光学的パワーの低減は、表面１０２，１４２のレンズ表面の曲率半径を小さくすることによるか、印刷画像表面１０６からの表面１０２，１４２のレンズ表面の分離を増大させることにより補償することができる。付加的基板が組み込まれて装置の厚さを増大させると、好ましくは、水の排出またはセル中の液体中への酸素の浸入を最小に抑えることができる。

前側基板１２２の前側表面１２３は、外部光源の鏡面反射を最小に抑える反射防止層を有するか、またはハードコート材およびバリア層を有してもよい。

スペーサ素子１４４は、基板１００，１２２間の中間材１２０中に位置している。スペーサ素子１４４は、表面１０２，１４２に接触し、特に、表面１０２，１４２のレンズ表面間のカスプ１３８の上にある。カスプ１３８は、表面１０２，１４２の隣接したレンズ表面間の界面に形成され、名目上、レンズ表面の光学的中央箇所で半分に分離する箇所に形成される。カスプ１３８は、レンズ表面の製造方法に応じ、シャープな輪郭を有するか、平坦部を有する。これにより、スペーサ素子１４４は、表面１０２及び１０４の隣接したレンズ表面の両方に接触する。

この接触の結果、スペーサ素子１４４は、基板１００，１２２の間隔を隔てるだけでなく、表面１０２，１４２のレンズ表面の同軸である横光軸アライメントを提供することもできる。。後側表面１０２の上方で前側基板１２２をスライドさせることにより、スペーサ素子１４４は、組立て過程にカスプ１３８と機械的に位置合わせさせてもよい。そのため、スペーサ素子１４４は、アライメント素子としても働く。スペーサ素子１４４は、流体自己組立により位置合わせされてもよい。

スペーサ素子１４４は、シリンドリカルまたは球体の繊維でよく、どちらの場合も円形断面を有する。

スペーサ素子１４４のサイズは、レンズ表面のカスプ１３８を充填させることが可能な最小サイズに設定されている。スペーサ素子１４４の直径は、両方の表面を接触させてその表面を隔てるのに必要な距離よりも大きく設定してもよい。好ましくは、これは２つの基板１００，１２２間で僅かな曲りがある表面の位置合わせの正確性を向上させる。、その結果、スペーサ素子１４４は、基板１００，１２２の全体領域にわたり接触されることがない。スペーサ素子１４４は、断面径を有する繊維（ワイヤなど）または球体でもよく、スペーサ素子１４４は、各基板１００，１２２上の２つのレンズと接触される。スペーサ素子１４４が球体である場合、例えば、圧縮空気を利用してノズルを介してスプレーしてもよい。

正常な使用状況において、装置が曲げられた場合、中間材１２０と基板１００，１２２との密封に顕著な力が発生し、表示装置の領域にわたって力が加わり、基板１００，１２２間のギャップが変化しやすくなる。これは、中間材１２０が基板１００、１２２間のギャップに正確に充填されることを防ぎ、気泡が残るとともに、レンズ表面の光学的パワーが変化することになる。損壊（特に、中間材１２０が液体であるとき、その液体が密封を破って漏れる）が発生することを防ぐためには、基板１００，１２２を実質上、一定の機械的分離に維持することが望ましい。しかし、このスペーサ素子１４４を基板１００，１２２に接着させると、この問題を少なくすることができる。

一つの可能性としては、スペーサ素子１４４に接着材料１４６を塗布し、これが後側基板１００および前側基板１２２に接着されることである。これは、適用する前に、スペーサ素子１４４を接着剤および溶剤の中に置いて達成してもよい。或いは、スペーサ素子１４４を感圧接着剤の接着層か、周縁シール１２９中に埋設させるように設計してもよい。スペーサ素子１４４は、更に接着剤から形成されてもよい。

他の可能性としては、ファンデルワールス力がスペーサ素子１４４と、基板１００，１２２との間に一部の接着力を提供することに役立つ。

図５のレンズ素子は、更に安全フィーチャを含んでもよい。軸上で、レンズは装置の後側にフィーチャが結像されるレンズなどとして操作してもよい。軸外で、環境光反射は、レンズ表面１４２を鏡などとして作用させるため、印刷フィーチャが見られない。そのような素子は、周囲環境よりも厚さが小さい上に、安全フィーチャとして使用する長所がある。表面１２３上の印刷フィーチャは、環境反射光線と組み合わされているため、ある一定方向からの照射が高い可視性を有する一方、フィーチャ１０４が異なる照射方向からの可視性を有する。

表面１４２の曲率半径は最適化され、環境光線の全内反射を調整する一方、表面１０２が最適化されて印刷表面１０６に必要な焦点結像条件を発生させる。

図２（ａ）は、本発明の第３の特徴による指向性印刷画像表示装置である。この装置は、中間材１２０が液体であり、前側基板１２２が平面後側表面１４２を有している以外、図５の表示装置と同じ構造を有する。前側基板１２２が中間材１２０だけを含んでいるため、後側基板１００のレンズ表面だけが、光線を画像表面１０６から公称観察ウインドウへ案内させる。すなわち、代替としては、レンズ表面が、前側基板１２２の後側表面１４２上だけに設置され、後側基板１００の前側表面１０２は平面である。

液体を中間材１２０として利用した場合、上述と同様の効果を有する。

中間材１２０の後側基板１００の界面における屈折率ステップは、空気の界面ステップよりも実質上小さい。中間材１２０が水である上述の実施例では、空気がポリマーに対する正常（垂直）反射率が５％から、水がポリマーに対する正常なフレネル反射率である０．７％へ低減される。そのため、レンズ表面の可視性が実質上低減される。

更に、光線１０８によりレンズアレイを正常に見る場合、光線が空気中へ光線１２４に沿って位置１１１から反射される。空気中に直接位置するレンズにとって、この光線は、同じ光線と比べ、法線方向に対して比較的高い角度の位置にあるため、反射を発生させる光源から来る様には見えない。レンズ軸線から更に離れた位置にとって、光線１２６，１２８が生成される。これらの光線は、基板１２２の外部表面において全内反射を行うため、外部光源からの反射を表示することができない。そのため、レンズ表面１０２上のそれぞれの入射位置から観察者へ案内される光線がない。表面反射は、全内反射により低減される。材料１２０の屈折率が低減されると、表面１０２におけるフレネル反射が増大し、媒体から空気への臨界角が増大されるため、レンズ表面で反射された外部光源からの光量が増大する。そのため、材料１２０の屈折率が低減すると、不利なことに、光源の可視性が増大する。材料１２０の屈折率が１．０よりも基板１００の屈折率に近いため、これにより表面外観を最適化させることができる。本発明は、２つの方法を組み合わせてレンズ基板表面の反射率を低減させることができる。

空気中にあるレンズの光学的パワーと比べ、液体を中間材１２０として使用すると、その光学的パワーを低減させることができる。レンズ表面の画像表面１０６上に実質上焦点を結像させるために、スペーサ基板１２１を後側基板１００と表面１０６との間に配置させることができ、これにより基板１００を空気中で使用できるように好ましくは設計することができる。スペーサ基板１２１は、セル中にある液体の水の流出または酸素の浸入を最小に抑えることができる性質を有するように設計してもよい。スペーサ基板１２１は、基板１００の厚さを増大させるように形成してもよい。或いは、表面１０２上のレンズの曲率半径を低減させるか、レンズ表面と画像表面との間隔を増大させることにより、減少した光学的パワーを補償してもよい。

基板１２２の内部表面は、図３に示す（直交断面）ディフューザ素子１３０を更に含んでもよい。拡散は、優先的に垂直拡散（即ち、レンズ基板１００が提供する拡散に直交する拡散）を提供する、尚レンズ基板１００では表面１０２のレンズ表面は水平拡散を提供する。垂直拡散の性質が作動すると、レンズアレイにわたって光源からの光線が発生させるスミアの可視性を更に低減させる。ディフューザ素子１３０からの光線のフレネル反射が最小に抑えられるのは、中間材１２０と接触されるためである。ディフューザ素子１３０は、印刷画像中のドットスクリーン構造の可視性を更に低減させることができる。入射光線１３１からの拡散角度１３２は、印刷画像表面１０６上のドットサイズに等しく設定してもよい。ディフューザ素子１３０は、レンズアレイ、プリズムアレイ、回析構造またはその他の長形拡散構造などの表面レリーフ構造を含んでもよい。好ましくは、素子の横方向拡散の性質（即ち、レンズ軸に対して直交である光線の広がり）を最小に抑えることが望ましい。

随意に、垂直拡散体は、後側基板１００の前側表面１０２に適用させてもよい。しかし、そのような構造は、レンズ表面が前側表面１０２上に構成されるため、製造が困難であり、レンズ性能を劣化させる可能性がある。また、空気および中間材１２０の屈折率が１よりも大きい状況において、それぞれが共通の素子を利用することは好ましくないが、その理由は、空気中で高い散乱が観察される可能性があるからである。

図４に示すように、スペーサ素子１３６は、レンズ表面１０２のカスプ１３８の上方に配置してもよい。スペーサ素子１３６は、スペーサ素子１４４よりも小さな直径を有する以外、上述のスペーサ素子１４４と同じである。そのため、スペーサ素子１３６の説明は繰り返さない。

図７に示すように、スペーサ素子１３６またはスペーサ素子１４４は、画像領域全体に配置されたスペーサ球体１５６でもよい。これは、例えば圧縮空気をスプレーする方法により達成することができる。或いは、スペーサー要素は、好ましくは表示装置の画像領域の外部に配置される繊維１５８か、表示装置の縁に配置される繊維１６０でもよい。スペーサ球体１５６および表面１０２，１４２のレンズ表面は、流体自動組立ができるように形成されてよい。この流体自動組立では、スペーサ自身はレンズの中に位置するか又は洗い流されてもよい。

上述の如何なる組み合わせも、必要なアライメント性能を提供することができる。好ましくは、画像領域中のスペーサ素子１３６，１４４には、接着機能が組み込まれてもよい。スペーサ要素を応用した後、レンズの位置合わせを行うことができる。

図８に示すように、更にコストを低減させるために、素子１３４または素子１３６は、母型を作る際に基板１００または基板１２２のいずれか１つの上に表面レリーフフィーチャ１８０として形成されても良い。それらが表面１０２または表面１０４上に複製される。ツールブロック１６２は、その中に表面レリーフ１６６をカットするダイアモンドツール１６４を有する。得られた構造体１６８は、例えば、電鋳により形成された反転ツール１７０を有する。スペーサ素子１７４は、上述のツール１７０の表面に接触され、第２の電鋳ステップを使用してレプリカツール１７６を形成する。この様にして、レプリカ素子１７８は、組み合わされたスペーサ素子１８０を持って形成される。位置合わせのため、フィーチャの一部を丸くすることは好ましいが、フィーチャの頂面は保留される。

図９に示すように、中間材１２０は、レンズ基板１００，１２２よりも高い屈折率を有しても良い。この場合、前側基板１２２の後側表面１４２および後側基板１００の前側表面１０２は凹面のレンズアレイ表面に形成される。その後、スペーサ素子１８４は、カスプでなくレンズ開口１９０，１９２の中心で位置合わせされてもよい。中間材１２０は、例えば、高屈折率を有するオイルでもよい。表面１４２，１０２からの一部のフレネル反射は、外部表面１２３により再び全内反射され、これは入射光線１８６の光線１８２により示される。

図１０は本発明の第３の特徴による表示装置を示しており、この表示装置は収差を最適化させるために、前側基板１２２の後側表面１４２上に形成されたレンズ表面と、後側基板１００の平らな前側表面１０２を有している。前側基板１２２の一部として形成されるスペーサピラー１９４は、レンズ表面のカスプ領域内に位置し、これにより基板１００，１２２間の接着接触を提供することができる。

多数の印刷応用分野において、２次元および３次元の画像データが提示されることが好ましい。ワイドビュー自由度画像（ｗｉｄｅ ｖｉｅｗｉｎｇ ｆｒｅｅｄｏｍ ｉｍａｇｅ）において、３Ｄ画像の解像度は、例えば、８分の１など、２Ｄ画像よりも著しく低い。これは１次元中で解析度を損失させ、その後に高解析度フューチャを感知することが困難となる。更に、レンズの非鏡面反射度が上述のような画像中にアーチファクトを生成する。同時に、レンズが拡散機能を有しているため、レンズの後方にある物体が不鮮明となり、解析することができない。そのため、画像内で２Ｄ画像データまたは透明ウインドウが表示される範囲内でレンズ効果を除去することが望ましい。

本発明による上述の表示装置の特別な長所は、２次元画像を表示したい領域中に前側基板１２２の前側表面１２３上に単一の画像を印刷するだけで達成できる点である。前側表面１２３上の画像は、画像表面１６０から来て、基板１００，１２２のレンズ表面により案内される光線を遮る。この印刷は、前側表面１２３が平面であるために容易に行うことができるが、図１に示すような従来の表示装置では、通常前側表面１０２の表面リリーフのために、印刷を行うことができない。また、接着剤により、印刷基板を従来の表示装置に接着させるには、表面レリーフの表面接着が不良なため行うことが困難であった。

図２１は、前側表面１２３上に画像を有する表示装置の例を示す。表示装置は、図５に示すものと同じ形式であるが、以下の画像が基板１００，１２２上に印刷される。

後側基板１００の後側表面上には、画像表面１０６と同じ方式で複数のインターレースされた印刷画像を含む。反射させるために、バッキング層２７２，２７６が画像層２７０，２７４の後方に配置される。バッキング層２７２，２７６は、例えば、紙または白インクから形成されてもよい。それぞれのバックライトユニットが使用された光伝達を行うため、バッキング層２７２，２７６を省略することができる。

領域２７８中では、前側基板１２２の前側表面上に２次元印刷画像が形成される。例えば、紙または白インクであるバッキング層２８０は、基板１２２と画像層２７８との間に形成されてもよい。そのため、印刷画像層２７０，２７４の複数のインターレースされた印刷画像よりも解析度が高い２次元画像を表示する領域２８０を有する印刷指向性画像を形成することが可能である。２次元画像の領域および位置は、好ましくは、領域２７８，２８０のパターンを画定することにより形成され、表面レリーフ構造の修正が必要ない。

そのような装置は、それらの光学的パワーを除去するために、表面レリーフのレンズ表面を処理する必要がなく、印刷装置をわずかに換えるだけでミックスされた２Ｄおよび３Ｄ画像得ることができるため、コストを低減させることができる。基板１００，１２２は、組み合わせレンズ装置を組み立てる前に、個別に印刷してもよい。そのため、印刷処理は両方の基板にとって共通となるため、装置のコストを低減させることができる。

本発明のさらなる実施形態において、基板１００の後側表面上にバッキング層２８４が形成され、これにより前側印刷画像２７８に付加的散乱機能を提供する。そのような層は、領域２８０を省略することができるため、印刷コストが低減される。更に層２８２に指向性画像データが組み込まれている場合、領域２７８中の高解析２次元画像は、指向性情報上に重畳されていることが見られる。領域２７８，２８０は、例えば、透明背景上のパターン化されたテキストでもよい。或いは、層２８２，２８４を省略して、インクのコストを節約してもよい。

図１１（ａ）の断面図に示すように、オーバーコート材２００を堆積し、例えば、インク、ニス、または放射線硬化ポリマーまたは熱硬化性ポリマーなどの放射性硬化性ポリマーにより、基板１００の表面１０２のレンズ表面を平面化する事が出来る。好ましくは、オーバーコート材２００は、光学的に透明で、基板１００の材料と同じ屈折率を実質上有しているため、レンズ表面１０２は、オーバーコート材２００の領域に影響を与えない。

このような構成は、上述した如何なる表示装置にも適用することができるが、多数の欠点を有する。まず、オーバーコート材２００が使用中に剥離しないようにするために、材料２００と基板１００との間の接着を十分にする必要がある。また、図１１（ｂ）の平面図に示すように、コーティングを行う際、オーバーコート材２００は、レンズの長さに沿って流れるだろう。所望のオーバーコート領域２０２において、レンズ型に流し込み、平坦な出力表面が得られるように、材料は粘度が十分に低いことが好ましい。しかし、一般に毛細管力は、粘度が低い材料に横向きの充填力が形成されるため、レンズ軸に沿って流れ、レンズ劣化領域２０４が形成される傾向があった。そのため、表示装置の所望の領域内に保持されながら、十分に均一な鏡面反射を提供する高い平坦部を有するオーバーコート材２００を提供することが困難である。処理する際にストレスの下では粘度が低くなるが、処理が終わってストレスが除かれると粘度が高くなるチキソトロピー性材料が使用される。

図１１（ｃ）は、図１の単一基板１００を用いた表示装置を示す。この表示装置は、本発明の他の特徴による。オーバーコート材２００は、白インク２８０および高解析度の２次元印刷画像２７８が更に塗布される。この場合、好ましくは、被覆材料のオーバーコート材２００の屈折率は、レンズの屈折率と合致させる必要はない。しかし、このような構成は、指向性画像上に高解析度テキストを重畳させることができず、両方の前側画像２７８，２８０および後側画像１０６の両方を印刷する必要があり、コストが増大する。

図１２は、代替方式を示す。図１２（ａ）は、２Ｄ操作のために表面１０２中に平坦領域を提供する工程を示す。基板１００は、表面１０２を有し、これはレンズアレイなどに形成され、限られた領域が加熱されたブロック２０６により変形される。更に圧力を加えて表面構造を変形させてもよい。この変形は、ＰＥＴＧレンズに高圧および通常７０℃以上の温度を加えると達成することができる。表面１０２の単独変形を確実に行うために、レンズの後方にヒートシンク表面２０８が配置され、基板１００の残りの部分が加熱される事を制限し、これにより加熱されないレンズ表面の変形を最小に抑えることができる。また、図１２（ｃ）に示すように、加熱されたブロック２０６は、その上に形成された構造２０７を有するため、最終の表示装置中に構造２１２が更に製造される。

或いは、図１２（ｂ）に示すように、基板１００は、染料などの赤外線吸収材２１０を用い、フレキソグラフィー、スクリーン印刷、リソグラフィーまたはインクジェットなどの既知の方法により印刷される。赤外線光源２１４は、領域ソースまたは走査線赤外線光源でもよく、この光源でレンズを照射し、それらに堆積された赤外線吸収剤を有するレンズを溶かす。或いは、十分な赤外線吸収材２１０が印刷されると、赤外線吸収材２１０自体が溶けてカスプを充填する。或いは、レーザ源などの走査線赤外線光源を使用してレンズ領域を走査する。更に、レンズ材料自体に赤外線吸収剤を組み込み、画像方式に応じて調整した走査レーザ源により、吸収剤印刷ステップが必要なく、必要な２Ｄ領域を生成させることができる。

図１４は、画像領域中に平面領域２１６，２１８が形成された組み立てられた表示装置を示す。好ましくは、表示装置が中間材１２０で充填されているため、表面２１６，２１８は、空気中の同じ表面と比べ、実質上低減されたフレネル反射を有する。そのため、この表示装置は、平面２１６，２１８の製造工程で必要な表面品質が実質上低減される。

図１５は、レンズ素子にシール領域２２０，２２４が提供された印刷画像表示装置を示す断面図である。シール領域２２０は、平面シール領域２２２で示され、シール領域２２４に「キー」表面が提供され、これによりシールの表面間の接着力を向上させる。領域中の基板１００，１２２の表面が密封されると、シーラントは、基板１００，１２２と同じ屈折率を有することになる。更に、基板１００，１２２の表面中に平面領域２２８が提供されるため、これにより透明操作モードが提供される。領域２３２において、印刷層２３０は、除去されるか印刷されずに残る。この透明領域により、ユーザは印刷されたレンチキュラー画像を通し、その表面を超えてパッケージ内容を見ることができる。これは有利に、パッケージ物品の提示を強化することができる。

図１３は、図２１および図１５の印刷レンズ素子を示す平面図であり、これはシール領域２３４、レンズアレイ領域２３６、フル解像度２Ｄ領域２３８および透過領域２４０を含む。例えば、テキストやロゴなどの２Ｄ領域２３７は、レンズおよび透明領域の両方に重ねることができ、重ねられた画像に高画像品質を提供することができる。更に、この重ねられた印刷データ２３７，２３８は、レンチキュラー領域２３６からの指向画像が表示する視野角に対し、同じ輝度の変化を有さない。各領域のレイアウトは、接着およびレンズ改善ステージで得られた構造により画定される。

図１１から図１５および図２１に示す全ての表示装置は、レンズ表面の効果が除去された領域において、画像表面１０６上の印刷画像は、それらの領域全体にわたって単一の画像で代替されるか省略される。

図１６は、印刷画像表示装置の製造方法を示す。図１６（ａ）に示すように、後側基板１００は、印刷画像表面１０６を有し、その後側表面上に非画像領域２３２が形成される。図１６（ｂ）は、その上面に形成された非レンズ領域２２２，２２８およびピット２４２を示す。ピット２４２は、上述の技術を使用するか、、或いはシール領域のエッジ周囲を回っている熱線体を使用する。図１６（ｃ）に示すように、例えば、スクリーン印刷により接着剤２４４が基板１００の表面に塗布される。

図１６（ｄ）に示すように、基板１２２は、アライメントスペーサ１４４を使用し、基板１００の上面に配置される。材料１２０のフィレットが２つの基板１００，１２２の間のセルギャップに導入され、ローラ２４６を使用して２つの基板１００，１２２を一つに圧合する。ピット２４２を使用し、シールのエッジ箇所で過剰な接着剤２４４を捕捉するため、表面１０２，１４２上に流れ出ることがない。材料１２０は、接着剤２４４に溶けないことが望ましい。

２つの基板１００，１２２を組み立てた後、例えば、熱硬化または紫外線硬化により接着剤を硬化させてもよい。カット線２４８に沿って完成された基板をダイシングするために、カットツール２５０を使用してもよい。斯くして、印刷出力寸法の必要に応じるために、サイの目に切られた基板を製造することができる。

オーバーコート材２００を含む表示装置を図１８に示す。オーバーコート材２００は、例えば印刷などの方法により、基板１００の表面１０２に施される。スペーサ素子１４４は、オーバーコート材２００中に埋設されてもよい。オーバーコート材２００は、レンズ表面の少なくとも一部を平面化し、実質上基板１００の屈折率に合致する屈折率を有する。しかし、レンズ表面を完全に平面化させることは困難であるため、領域１３８中の表面高さは領域２５８の高さと異なる。そのため、空気中でこの表面は、特別な照明では、著しいレンズ可視性を提供することができる。しかし、中間材１２０によりレンズ可視性を実質上低減することができるため、明瞭な２Ｄ画像を生成させることができる。レンズピーク領域２５８の残厚を補償するために、スペーサ素子１４４の直径が増大される。

図１９は、平面化接着剤を用いた印刷方法を示す。図１９（ａ）に示すように、印刷板２６０は、その上にピラー領域２６２およびギャップ領域２６４が形成された接着剤層２００を有する。印刷板は、印刷工程の一部でもよい。接着剤２６２は、紫外線硬化接着剤でもよい。図１９（ｂ）に示すように、領域２６２のピッチは、レンズカスプ１３８のピッチと同じに設定し、領域２６２はカスプ１３８上の中央箇所に位置合わせされてもよい。材料２００の厚さを設定することにより、材料２００がレンズ上で硬化されるときに、平面化の程度を制御することができる。従来、平面化作業の微調整は、ギャップ領域２６４の幅を制御することにより達成していた。斯くして、２Ｄ平面化領域を形成するために、現在プリンタが使用している同じか類似の装置を使用しても良い。。図２０に示すように、硬化されていない材料２６２が、レンズ基板上のレンズに沿って這い上がることを防ぐために、平面化材料を印刷する前に、レンズ表面にカットマーク２６６を形成してもよい。

この方法は、好ましくは既知のプリンタを使用することにより平面化領域を形成することができる範囲を任意に画定することができる。この平面化の正確性は、慎重に制御することができる。一般に、平面化層２００の表面変形を生成することができる。本発明の中間材１２０は、好ましくは平面化表面からの反射可視性を実質上除去することができる。

この技術は、気体中または一部の真空中のレンズに用い、この状況下では前側基板１２２および中間材１２０は現れない。

材料２００は、例えば、紫外線硬化インクを使用することにより、インクジェット分注の方法で用いてもよい。インク分配パターンは、図１９に示すものと類似し、システムを調整することにより最適な平面化制御を行う。

図１７は、図５に示す表示装置に類似するが、その中の前側基板１２２は後側基板１００よりも厚さが小さく、さもなければ、図５（ａ）の表示装置の前側基板１２２と同じである。後側基板１００の前側表面１０２および前側基板２５４の後側表面１４２は、実質上同じであるか、曲率半径、屈折率またはコニック定数を含み、組み合わせたレンズアレイの収差性能を最適化するように設計することができる。

この表示装置をレンズピッチおよびサグの両方を低減させる必要がある薄型レンズ方式に用いると、多数の長所を有する。光学的パワーは上述したように向上させることができる。これは、レンズの開口数を大きくし、図１に示すタイプの比較可能な表示装置の対応するレンズピッチおよびサグと比べて薄い装置を提供することができる。表示装置全体の厚さを実質上低減させることができる。例えば、１４０ｌｐｉのＰＥＴＧレンズは、画素平面が３２０ミクロンから２１０ミクロンへ低減された厚さを有してもよい。この表示装置は、ラベルなどの薄物やパッケージに対して、特に有利である。更に、表示装置のラミネート構造およびスペーサ素子１４４が提供する接着剤により防破性を低減させることができる。この装置は、図１に示すタイプの比較可能な表示装置よりも薄くて頑丈である。更に同じピッチが低減されたレンズと比べ、図１７のレンズの印刷許容範囲は緩和されている。この装置は、簡便かつ安価に印刷することができるため、高い収率を提供することができる。

この場合、印刷画像表面１０６は、空間光変調器の画素平面により代替され、それは透過型表示、放射型表示および半透過型表示を含む。この場合、短冊ドットは、電気的にアドレスされた画素により代替される。この装置は、指向性モードのみで操作される表示装置のために低屈折率レンズ表面を提供する。レンズアレイは、外部偏光子の内部か、外部偏光子の外部に設けられてもよい。この装置は、液晶が充填されたレンズコンポーネントよりも安く製造することができる。

図２（ａ）および図５で採用されているような本発明の低屈折率レンズ素子は、電子表示装置に応用してもよい。このような状況の場合、印刷画像表面１０６は、画素アレイを有する空間光変調器（ＳＬＭ）により代替されてもよい。この場合、短冊ドットは、電気的にアドレスされた画素により代替される。複数のインターレース画像は、空間光変調器の操作により表示される。組画素は、後側基板１００および前側基板１２２の各レンズ表面に位置合わせされる。各画像の連続した短冊画像は、各組の画素により表示される。一般に、空間光変調器は、透過型、放射型および半透過型を含む、如何なるタイプでもよい。

実施例によると、３Ｄモードの液晶表示装置は図２４に示され空間光変調器を含む。この空間光変調器は、後側偏光子３１６、ＴＦＴ基板３１８、液晶材料の画素平面３２０、カウンター基板３２２および出力偏光子３２４を含む。空間光変調器の前方にはレンズ素子が配置され、このレンズ素子は、後側基板１００、中間材１２０および前側基板１２２を含み、上述の印刷画像表示装置中で用いられるレンズ素子と同じである。

この表示装置は、好ましくは、指向性モードだけで操作される低屈折率レンズ素子を提供することができる。このレンズ素子は、外部偏光子の内部に設置されるか、外部偏光子の外部に設置されてもよい。この装置は、液晶が充填されたレンズコンポーネントと比べ、安く製造することができる。また、反射防止膜を表示装置の前側表面に施し、ライトアップされた環境における画像品質を向上させることができる。

上述のレンズ素子は、レンズアレイの表面に形成された表面レリーフを備えた表面をそれぞれ有する２つの基板１００，１２２を採用している。しかし、本発明は、どんな方法でもレンズ効果が提供できるように表面レリーフが形成されたレンズ素子に応用することができる。その代替例としては、表面レリーフがフレネルレンズに形成されたものがあり、以下、そのようなレンズ素子が採用された装置について説明する。

表示のバックライト装置は、ウェーブガイド、リフレクタ、ディフューザおよび輝度向上フィルムを含む多数のコンポーネントを一般に使用する。これらのコンポーネントは、一般にプラスチックと空気との間の界面により各界面箇所においてフレネル反射損失と、フィーチャ不均一による散乱損失とが発生する。このようなフィルムは、便利に一緒に貼り付けることができない。散乱損失およびフレネル反射損失の量を減らし、バックライトの効率を向上させることが望ましい。

そのため、本発明のレンズ素子は、バックライト装置に応用してもよい。このバックライト装置の実施例は図２２に示されている。このバックライト装置は、ＬＥＤ光源３０７を含む。ＬＥＤ光源３０７の前方には、導光板の一部として使用するレンズ素子が配置されている。レンズ素子は、フレネルレンズに形成された表面レリーフ構造２８６を有する第１の基板２８５と、フレネルレンズとして形成された表面レリーフ構造３００を有する第２の基板２９８と、から形成されている。各基板２８５，２９８のフレネルレンズ表面レリーフは、レンズ素子の領域上において同じ空間配列のゾーンを有する。これにより、２つの基板が光学的に組み込まれ、両方が光学的パワーを提供する。しかし、２つの基板２８５，２９８の表面レリーフの曲率は異なってもよい。

２つの基板２８５，２９８のフレネルレンズの表面レリーフは、上述と同じタイプのスペーサ球体または繊維などのアライメント素子３０２により同軸に整列されるため、基板２８５，２９８がそれらの間に低レベルのモアレビートを有する。レンズ素子は、シリコーンオイルなどの固体または液体の等方性材料である中間材３０４で充填されており、シーリング素子３０６により密封されてもよい。基板２８５，２９８は、気体に対して透過性を有するため、素子は充填ステージの後に脱ガスを行う。このレンズ素子は、好ましくは構造２８６，３００の箇所で表面反射を低減させる一方、装置の光学的パワーを保持することができる。

このレンズ素子は、好ましくはレンズ素子のカスプ３０３において、これらの素子が空気中に配置されたときに発生する光損失を著しく低減させる。これにより、望ましくない光損失が最小に抑えられ、バックライトがより効率的になる。更にレンズ素子の表面が不均一に製造されると、可視性が低下するため、安価なレンズの母型および複製の製造技術を使用出来る。

ディフューザまたはその他の光管理フィルム３０５などの素子が、表面が平坦な素子の前側表面および後面に接着されてもよい。これは、有利にバックライトスタックの空気との界面の数を低減させ、バックライトフィルム中の層の空気−プラスチック界面の箇所において損失が発生する。更に、これら構造２８６，３００は、拡散や全内反射などの様な光線管理性質を有してもよい。

本発明のレンズ素子は、投影表示装置に応用してもよい。この投影表示装置の実施例を図２３に示す。画像表示装置２８１からの光線を、投影レンズ２８３を介し、以下で述べる本発明によるレンズ素子を含む投影スクリーン上に案内する。

第１のレンズ素子は、フレネルレンズで形成され、図２２のバックライト装置中のレンズ素子と同じ構造を有する。この第１のレンズ素子は、従来技術でよく知られるように、投影レンズ２８３からの光線のフィールドレンズの機能を有し、投影レンズ２８３の画像を観察者に対し実質上平行な光線に変換できるように配置する。従来のフレネルレンズは、材料と空気との界面でフレネル反射を発生させるため、空気中のレンズ表面で散乱して損失が発生する。この損失は、レンズ表面のカスプ近くで高く、レンズ表面にわたる強度変化を招き、投影画像の画素構造によりビートが発生し、レンズ構造と画素との間のモアレビートを発生させる。フレネルレンズ素子は、好ましくは元のレンズと実質上同じ光学的パワーを有する一方、レンズ表面の散乱レベルが著しく低減され、モアレパターンビートが低減される。このレンズは、安価かつ低屈折率の材料を使用することができる。また、フレネルレンズの表面の品質は、空気中で使用するレンズほど高くないため、安価なツールおよびレプリカ技術を使用し、構造２８６，３００の表面を製造してもよい。

第２のレンズ素子は、上述の表示装置のレンズアレイと類似した方法により、レンズアレイの表面により形成される。特に、第２のレンズ素子は、基板２９１と、表面レリーフ構造２８９と、レンズアレイ表面に形成されるレリーフ構造を有する前側表面と、低屈折率材料２９５と、前側表面がレンズアレイ表面に形成されたレリーフ構造を有し、これらのレンズ表面がアライメントフィーチャ２９３により構造２８９に位置合わせされた第２のレンチキュラーアレイ構造２８８と、第２の基板２９０とを含む。これらのアレイ構造２８９，２８８は協働し、基板２９０を介して、投影レンズ２８３により形成された光源をマスクアレイ２９２の開口中へ投影させる。その後、光線が基板２９４を通過してディフューザ２９６に入る。この方法では、投影スクリーンからの前側反射を低減させることができる。レンズ素子２９１，２８９，２９５，２８８，２９０は、空気中の単一のレンズと同じ光学的パワーを有するが、従来技術の単一レンチキュラー型投影スクリーンと比べ、散乱レベルが低く、これにより標準のレンチキュラー型スクリーンよりもモアレビートおよび表面可視性のレベルが低い。レンズ表面が目立たないため、マスク層２９２を除去することが可能であり、装置コストを低減させることができる。更に、装置中のフレネル反射を低減させ、光学的処理量を向上させるために、基板２９８，２９１を一緒に接合することが可能である。。

本発明の実施形態では、両方のレンズ素子は、低屈折率タイプであるが、実際にはこれらの特性を有する素子を１つだけ使用してもよい。

図２５（ａ）に示すように、レンズ素子は、大型シートの方式で製造してから、ポリマーが熱可塑性の場合、ワイヤまたはブレードの加熱されたカット素子２７０によって切断されても良い。図２５（ｂ）に示すように、熱ワイヤは、領域２７２，２７４中のプラスチックを溶かし、比較的弱いシール接合２７６を形成する。このシールは、図２５（ｃ）に示すように、機械的応力により容易に破られて２つの分離部分が製造される。更に、接合部分が破られた後、接着剤を用いてその部分の機械的耐性を向上させてもよい。この装置は、有利に形成されるため、完成された素子は、スペーサ素子１４４を有さない。このレンズ素子は、如何なる位置合わせ特徴の可視性も示さないが、装置の位置合わせ特徴を維持する。レンズ素子をシリコーンオイルで充填すると、切断の最中にセルに入る残留空気の全てを貯蔵または脱ガスの最中に装置から逃がすことができる。

従来技術のレンズ印刷を示す。 （ａ）は低屈折率レンズアレイの断面を示し、（ｂ）は（ａ）および図５のレンズアレイの密封配置の平面を示す。 低屈折率レンズアレイの垂直ディフューザを示す。 低屈折率レンズアレイの間隔機構を示す。 低屈折率二層レンズアレイを示す。 観察ウインドウの生成を示す。 二層レンズアレイ中のスペーサ素子の配列を示す。 統合されたスペーサ素子の製造方法を示す。 低屈折率二層レンズアレイ中の凹面レンズを示す。 統合されたスペーサ素子を示す。 （ａ）はオーバーコートレンズの断面を示し、（ｂ）はオーバーコートレンズの平面を示す。 （ａ）はレンズ基板上に平坦領域を提供する第１の方法を示し、（ｂ）レンズ基板の平坦領域を提供する第２の方法を示し、（ｃ）は平坦領域を有するレンズを示す。 ２Ｄ、３Ｄおよび透明領域を有するレンズの平面を示す。 レンズ領域および非レンズ領域を有する二層レンズ装置を示す。 エッジシーリング、２Ｄ、３Ｄおよび透明領域を有する二層レンズ装置を示す。 本発明の印刷画像表示装置の製造方法を示す。 厚さが低減されたレンズアレイを示す。 レンズアレイのオーバーコート構造を示す。 オーバーコート構造の印刷方法を示す。 糊限定フィーチャを含む装置を示す。 前側および後側レンズ表面上に位置する画像を有する装置を示す。 バックライト光学装置を示す。 投影光学装置を示す。 指向性表示装置を示す。 本発明のレンズアレイをカットする方法を示す。

Claims (32)

1. レンズ効果をそれぞれ提供することが可能な凸面レンズ表面からなる複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた前側表面と平面の後側表面とを有する後側基板と、
   前記後側基板の前方に配置され、前記レンズ効果と等しいレンズ効果を提供することが可能な凸面レンズ表面からなる複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた後側表面と平面の前側表面とを有する前側基板と、
   前記後側基板の前記前側表面および前記前側基板の前記後側表面が、前記後側基板および前記前側基板のそれぞれの屈折率よりも小となる屈折率を有する固体または液体の等方性中間材を介して互いに対向して配置されたレンズ素子であって、
   前記等方性中間材中に配置されて、前記前側基板の前記後側表面または前記後側基板の前記前側表面のいずれかの同一表面内における隣接する２つの前記凸面レンズ表面間に形成された境界部において当該隣接する２つの前記凸面レンズ表面に接触するとともに、対向する基板の表面内における対応する凸面レンズ表面間の境界部において前記対応する凸面レンズ表面に接触して、互いに対向する前記前側基板及び前記後側基板の凸面レンズ表面の位置合わせを成すアライメント素子を備えたことを特徴とするレンズ素子。
2. 前記アライメント素子は球体である請求項１に記載のレンズ素子。
3. 前記アライメント素子は繊維である請求項１に記載のレンズ素子。
4. 前記アライメント素子は接着性を有するか、または接着剤を塗布されており、前記アライメント素子は、前記凸面レンズ表面に接着することが可能な請求項１乃至３の何れか１項に記載のレンズ素子。
5. 前記前側基板の厚さは、前記後側基板の厚さよりも小さい請求項１乃至４の何れか１項に記載のレンズ素子。
6. 前記等方性中間材は水である請求項１乃至５の何れか１項に記載のレンズ素子。
7. 前記等方性中間材はオイルである請求項１乃至５の何れか１項に記載のレンズ素子。
8. 前記オイルはシリコーンオイルである請求項７に記載のレンズ素子。
9. 前記等方性中間材はポリマーである請求項１乃至５の何れか１項に記載のレンズ素子。
10. 前記後側基板の前記前側表面は、シリンドリカルレンズアレイの表面として形成された表面レリーフを有し、前記前側基板の前記後側表面は、シリンドリカルレンズアレイの表面として形成され、前記後側基板のレンズアレイの表面と同軸に整列された表面レリーフを有する請求項１乃至９の何れか１項に記載のレンズ素子。
11. 各画像の連続した短冊が互いに順番にインターレースされた複数の印刷画像と、
    前記複数の印刷画像の前方に配置され、前記後側基板および前記前側基板の前記レンズアレイの表面と協働し、複数のインターレース画像をそれぞれの公称観察ウインドウへ案内する請求項１０によるレンズ素子と、を備える指向性印刷画像表示装置。
12. 前記表示装置において、前記前側基板の前記前側表面上の少なくとも１つの領域に単一の印刷画像が形成された請求項１１に記載の指向性印刷画像表示装置。
13. 前記後側基板の前記前側表面および前記前側基板の前記後側表面の少なくとも一つの領域において、それぞれが平面になるように調整された請求項１１に記載の指向性印刷画像表示装置。
14. 前記複数の印刷画像が、前記後側基板の前記後側表面に印刷された請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の指向性印刷画像表示装置。
15. 前記後側基板の後方に配置された像担持体基板を更に備え、
    前記複数の印刷画像が前記像担持体基板上に印刷される請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の指向性印刷画像表示装置。
16. 前記印刷画像は反射画像または透明画像である請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の指向性印刷画像表示装置。
17. 互いに順番にインターレースされた各画像の連続した短冊で複数の画像を表示することが可能な画素アレイを有する空間光変調器と、
    前記空間光変調器の前方に配置され、前記後側基板および前記前側基板の両前記レンズアレイの表面が協働し、前記空間光変調器上に表示された前記複数のインターレース画像をそれぞれの公称観察ウインドウへ案内する請求項１１によるレンズ素子と、
    を備える表示装置。
18. 前記後側基板の前記前側表面および前記前側基板の前記後側表面の両方は、前記表面レリーフを有し、前記表面レリーフがフレネルレンズに形成される請求項１乃至９の何れか１項に記載のレンズ素子。
19. 表示装置のバックライト装置であって、前記バックライト装置は、
    光源と、
    前記光源の前方に配置された請求項１８に記載の前記レンズ素子と、を備える表示装置のバックライト装置。
20. 画像表示装置と、
    投影スクリーンと、
    前記投影スクリーン上に光線を案内するように配置された投影レンズと、を備え、
    前記投影スクリーンは、請求項１８に記載の前記レンズ素子を含み、前記投影レンズの画像を実質上平行光線に変換するように配置された投影表示装置。
21. レンズ効果をそれぞれ提供することが可能な凸面レンズ表面からなる複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた前側表面と平面の後側表面とを有する後側基板と、前記後側基板の前方に配置され、前記レンズ効果と等しいレンズ効果を提供することが可能な凸面レンズ表面からなる複数のゾーンを有する表面レリーフを備えた後側表面と平面の前側表面とを有する前側基板と、の２つの基板を提供する工程と、
    前記表面レリーフを有する表面が互いに対向して同軸に整列され、屈折率が前記２つの基板のそれぞれの屈折率よりも小さい固体または液体の等方性中間材がそれらの間に配置され、アライメント素子が前記等方性中間材中に配置され、前記前側基板の前記後側表面または前記後側基板の前記前側表面のいずれかの同一表面内における隣接する２つの前記凸面レンズ表面間に形成された境界部において当該隣接する２つの前記凸面レンズ表面に接触するとともに、対向する基板の表面内における対応する凸面レンズ表面間の境界部において前記対応する凸面レンズ表面に接触する状態で、前記２つの基板を位置合わせし、前記２つの基板を一緒に接合する工程と、を含むレンズ素子の製造方法。
22. 前記アライメント素子は球体である請求項２１に記載のレンズ素子の製造方法。
23. 前記アライメント素子は繊維である請求項２１に記載のレンズ素子の製造方法。
24. 前記２つの基板のアライメントステップの最中に、アライメント繊維が前記基板を超えるように延伸され、
    前記方法は、
    前記２つの基板を一緒に接合させた後に、前記アライメント繊維を抜き取り、前記基板間から前記アライメント繊維を除去することを更に含む請求項２３に記載のレンズ素子の製造方法。
25. 前記アライメント素子は接着性を有するか、または接着剤を塗布され、前記アライメント素子は、前記接着剤によりレンズ表面に接着させることが可能な請求項２１乃至２４の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
26. 前記等方性中間材は水である請求項２１乃至２５の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
27. 前記等方性中間材はオイルである請求項２１乃至２５の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
28. 前記オイルはシリコーンオイルである請求項２７に記載のレンズ素子の製造方法。
29. 前記等方性中間材はポリマーである請求項２１乃至２５の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
30. 後側基板の前側表面はシリンドリカルレンズアレイの表面として形成された前記表面レリーフを有し、前側基板の後側表面はシリンドリカルレンズアレイの表面に形成された前記表面レリーフを有し、前記アライメント素子が前記等方性中間材中に配置され、同一基板内における隣接する２つのシリンドリカルレンズの表面間に形成された境界部において当該隣接する２つの前記シリンドリカルレンズの表面に接触している請求項２１乃至２９の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
31. 前記後側基板の前記前側表面および前記前側基板の前記後側表面のそれぞれはフレネルレンズに形成された前記表面レリーフを有する請求項２１乃至３０の何れか１項に記載のレンズ素子の製造方法。
32. それぞれが、凸面レンズアレイの表面と、当該凸面レンズアレイの表面に対向する面に形成された平面とを有する２つの基板を提供する工程と、
    前記凸面レンズアレイが形成された表面を互いに対向させて同軸に整列させ、屈折率が前記２つの基板の屈折率よりも低い等方性中間材をその間に配置し、アライメント素子を前記等方性中間材の中に配置し、同一基板内における隣接する２つの凸面レンズ表面の間に形成された境界部において前記２つの基板のそれぞれの凸面レンズアレイの表面に接触させた状態で前記２つの基板を位置合わせし、前記２つの基板を一つに接合する工程と、
    前記２つの基板の後方に互いに順番にインターレースされた連続した短冊と、前記２つの基板のそれぞれのレンズで配列された各画像の短冊とを持った複数の印刷画像を提供する工程と、を含む指向性印刷画像表示装置の製造方法。

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