JP5228171B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子に関し、詳しくは、基板（例えば１枚のフィルム）からなり、該基板に形成されたレンズアレイ形態によって、入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性を発現する光学素子に関する。

１枚のフィルムからなり、該フィルムの片面のみに形成されたレンズアレイ形状によって、入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性を発揮する光学素子として、発明者らは次のような拡散フィルムを提案した（特許文献１）。
(A1) 入射光を拡散させて出射させる１枚のフィルムであって、前記拡散は表面形状のみによって実現し、入射角によらずほぼ一定のトップハット的拡散特性を有することを特徴とする拡散フィルム。

(A2) 入射角度領域の大きさと出射拡散角度領域の大きさとが互いに独立に制御可能であることを特徴とする(A1)に記載の拡散フィルム。
(A3) 入射角度領域の中心方向の角度と出射拡散角度領域の中心方向の角度とが互いに独立に制御可能であることを特徴とする(A1)又は（A2)に記載の拡散フィルム。
(A4) 入射側と出射側との双方の表面形状を、マイクロレンズアレイ形状又はレンティキュラレンズ形状としたことを特徴とする(A1)〜（A3)のいずれかに記載の拡散フィルム。

(A5) 入射角度領域の大きさと出射拡散角度領域の大きさとは、入射側のマイクロレンズ又はレンティキュラレンズのＮＡと、出射側のマイクロレンズ又はレンティキュラレンズのＮＡとをそれぞれ調整することにより、互いに独立に制御可能であることを特徴とする(A4)に記載の拡散フィルム。
(A6) 入射角度領域の中心方向の角度と出射拡散角度領域の中心方向の角度とは、入射側のマイクロレンズ又はレンティキュラレンズと、出射側のマイクロレンズ又はレンティキュラレンズとの双方で、光軸のずれ量、及び部分形状の選択範囲を調整することにより、互いに独立に制御可能であることを特徴とする(A4)又は(A5)に記載の拡散フィルム。

(A7) 入射側のマイクロレンズアレイ形状又はレンティキュラレンズ形状をなすレンズが全反射型のものであることを特徴とする(A4)〜(A6)のいずれかに記載の拡散フィルム。
(A8) (A4)〜(A6)のいずれかに記載の拡散フィルムの入射側のマイクロレンズアレイ形状又はレンティキュラレンズ形状をなすレンズ表面の一部を反射媒体で被覆してなる拡散フィルム。

(A9) 拡散を実現させる表面形状が、フィルム片面側のみに形成されたことを特徴とする(A1)〜(A3)のいずれかに記載の拡散フィルム。
(A10) フィルム片面側のみに形成された、拡散を実現させる表面形状が、レンズとミラーを組み合わせた光学素子アレイ形状であり、(A4)〜(A6)のいずれかに記載の制御と等価な制御が可能であることを特徴とする(A9)に記載の拡散フィルム。

前記(A1)〜(A10)に記載の拡散フィルムによれば、表面形状のみによって、しかも光学デバイス１枚のみによって、プロジェクションシステム用スクリーンに要求される機能を実現できて、高解像度の画像表示が可能となる。さらに、レンズ内において微粒子等の散乱メカニズムが存在しないので、高コントラストな画像表示が得られる。加えて、入射角度によらない一定のほぼトップハット的拡散特性による、均一で広視野角な特性も可能であり、入射角度領域と出射拡散角度領域とで互いに独立に、角度領域の大きさ及び方向を制御できることにより、超薄型リアプロジェクションディスプレイ等での幅広い応用が可能である。

図11は、(A10)に記載の拡散フィルムを用いて構成されたスクリーンの１例を示す背面図(a)及び断面図(b)である。拡散フィルム３の裏面側に、球面レンズ面分からなる入力側レンズ面21と非軸放物面ミラー22とを有するレンズユニットが２次元的に配列されており、このレンズユニットは、斜め下方の光学エンジンXから種々異なる大角度で入力側レンズ面21へ入射する光線束がフィルム媒体11内を該フィルム媒体11の屈折率に応じた経路に沿って通過中に非軸放物面ミラー22で反射し、スクリーン20の法線方向を主光線方向32とする出射光拡散角度範囲内でトップハット的拡散光強度分布を有する拡散光線束となって出射するように設計されている。なお、23はブラックマスク、24は反射防止膜である。
特開２００７−１８３４９８号公報

しかし、前記(A10)に記載の拡散フィルムにおいて、前記トップハット的拡散光強度分布を有する拡散光線束の３次元出射角度範囲の上下1次元方向成分で表される上下視野角が±25°以上になるものを製造しようとする場合、次のような難点（課題）があることがわかった。なお、特定方向の視野角（または拡散角度領域あるいは拡散特性）は、該特定方向断面内における、フィルム面の法線方向に対する、フィルム面から出射する拡散光線束の主光線方向の角度φ（≧０°、反時計回りの場合＋を付すかまたは無符号とし、時計回りの場合−を付す）と、主光線方向に対する拡散光線束の角度範囲の半分α（≧０°、反時計回り側に＋、時計回り側に−を付す）を用いてφ（または−φ）±αで表す。前記「±25°以上」とは、φ±αにおいて、φ＝０°かつα≧25°であることを意味する。

すなわち、図10に示すように、通常用いられる屈折率ｎ＝1.5のフィルム媒体11を用いて上下視野角が±25°となるようにレンズユニット10を形成するには、入力側レンズ面21に逆テーパ（オーバーハング）31の部分を設ける必要が生じ、かかる逆テーパ31の存在により、金型を用いた、レンズユニット10の２次元配列からなるレンズアレイの成形加工が極めて困難となる。

なお、フィルム媒体11として屈折率ｎ＝1.6以上の材料を用いると、逆テーパ31の量を少なくすることが可能であるが、逆テーパ31をなくすことは困難である。またｎ＝1.6以上の材料はｎ＝1.5の材料に比べて格段に高価であり、また加工が難しいという短所があって、コスト高を招く。また、左右視野角の拡大も容易ではない。

前記課題を解決するためになされた本発明は、以下のとおりである。
（１）基板の主面にレンズユニットの配列を有する光学素子であって、
前記レンズユニットは、外部からの入射光を屈折させる屈折型レンズ面と、前記屈折された入射光を全反射させる非軸全反射型レンズ面とを有し、
前記非軸全反射型レンズ面は、前記屈折型レンズ面のレンズ表面中心付近に焦点を有する非軸全反射型レンズのレンズ面であり、
前記レンズユニットの配列は、前記入射光の入射角度がほぼ同一の領域において前記非軸全反射型レンズ面で全反射して拡散する拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットが混在する配列であることを特徴とする光学素子。

（２）前記複数の種類のレンズユニットは、下記ａ類からなることを特徴とする前項（１）に記載の光学素子。
記
（ａ類）レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。

（３）前記複数の種類のレンズユニットは、下記ｂ類、または、下記ａ類およびｂ類からなることを特徴とする前項（１）に記載の光学素子。
記
（ａ類）レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。
（ｂ類）非軸全反射型レンズ面の焦点周りの回転および軸上焦点距離（PFL：Parent Focal Length）の変更およびレンズユニット全体の平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。

（４）前記複数の種類のレンズユニットを混在させる比率が前記基板の主面内位置によって異なることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか一項に記載の光学素子。
（５）前記配列中のレンズユニットの少なくともいずれか１つが他と異なる屈折率を有する前項（１）〜（４）のいずれか一項に記載の光学素子。
（６）前項（１）〜（５）のいずれか一項に記載された光学素子にブラックマスクを付加してなることを特徴とする光学素子。

（７）前記ブラックマスクは、凸部に囲まれた領域、もしくは凹部領域に形成されていることを特徴とする前項（６）に記載の光学素子。
（８）前項（１）〜（７）のいずれか一項において、さらに前記基板の前記レンズユニットを配列した主面とは反対側の主面に、光吸収層、反射層、拡散層のうち少なくとも一つが付設されてなることを特徴とする光学素子。
（９）基板の主面にレンズユニットの配列を有する光学素子であって、
前記レンズユニットは、外部からの入射光を屈折させる屈折型レンズ面と、前記屈折された入射光を全反射させる非軸全反射型レンズ面とを有し、
前記非軸全反射型レンズ面は、前記屈折型レンズ面のレンズ表面中心付近に焦点を有する非軸全反射型レンズのレンズ面であり、
前記レンズユニットの配列は、前記非軸全反射型レンズ面で全反射して拡散する拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットが混在する配列であり、
前記複数の種類のレンズユニットを混在させる比率が前記基板の主面内位置によって異なること、および/または、前記配列中のレンズユニットの少なくともいずれか１つが他と異なる屈折率を有することを特徴とする光学素子。
（１０）前項（１）〜（９）のいずれか一項に記載された光学素子を２次元に配列してなることを特徴とする光学素子。

本発明の光学素子を用いてリアプロジェクションスクリーンを構成することにより、大から小までの広い入射角度に対して、レンズユニットのオーバーハングを回避して、視野中心方向をほぼ一定に保ちながら、スクリーン上下方向の視野角を拡大できるのみならず、スクリーン左右方向の視野角も拡大できる。
さらに、本発明の光学素子によれば、リアプロジェクションスクリーンのみならず、液晶表示装置、あるいは他の方式の表示装置、太陽電池の導光板、建築用導光板、照明用拡散板などへの応用展開も可能である。

図１は、本発明に用いるレンズユニットの１例を示す断面模式図であり、図２は同例の立体模式図である。図１、図２に示されるように、レンズユニット10は基板（以下、フィルムで代表させる）２の二つの主面のうちの一方の主面に形成されており、外部からの入射光６を屈折させる屈折型レンズ面４と、前記屈折された入射光を全反射させる非軸全反射型レンズ面５とを有する。

非軸全反射型レンズ面５は、屈折型レンズ面４のレンズ表面中心付近８（図２参照）に焦点Ｆを有する非軸全反射型レンズのレンズ面である。ここで、あるレンズ面のレンズ表面中心付近とは、同レンズ面のレンズ表面中心からの距離が、同レンズ面のレンズ表面全体と同じ面積をもつ円の半径の５０％以下である位置をいう。
なお、図１の例では、非軸全反射型レンズ面５として非軸放物面を用いている。この非軸放物面は図示のような点Ｏを原点、点Ｆのｘｙ座標を（0,f）としたＯｘｙ座標系において標準形式ｙ＝(1/(4f))ｘ²で表される放物線をｙ軸の周りに回転してなる図形（回転放物面）の一部である。放物線の焦点距離ｆ（線分ＯＦの長さ）が非軸全反射型レンズ面５の軸上焦点距離(PFL: Parent Focal Length)になり、焦点Ｆから非軸全反射型レンズ面５の中心Ｃまでの距離（線分ＣＦの長さ）が非軸全反射型レンズ面５の軸外焦点距離(REFL：Reflected Effective Focal Length)になる。

非軸全反射型レンズ面５は、非軸放物面に限定されず、焦点（非軸全反射レンズ面の軸（回転中心軸）に平行な入射光が全反射して集光する点）を有し、かつ全反射条件を満たすものであればいかなる曲面であってもよい。
とはいえ、設計および製造容易性の観点から、非軸全反射型レンズ面を上記回転放物面形状とした形態が最良の形態であるといえるから、以下ではこの形態を例にとって説明する。

屈折型レンズ面４は、所定の屈折率条件下で、焦点Ｆの近傍からレンズユニット10に入射する入射光線束６が非軸全反射型レンズ面５内のほぼ１点に集光するように設計される。この集光光は非軸全反射型レンズ面５で全反射され、ｙ軸に平行な主光線方向32を有する拡散光線束７となる。
このようなレンズユニット10自体は、図11のスクリーンで用いるものと同じであり、屈折型レンズ面４への光の入射角が変化してもフィルム２からほぼ同じトップハット的拡散光強度分布をなして出射する拡散光線束７の主光線方向32が変化しないという光学特性を有する。しかし、図11のスクリーンでは、上下視野角をある程度以上広げようとすると前述のようなオーバーハング31（図10）が生じる難点があった。

本発明では、図10のように拡散光線束の主光線方向32が相同である単一種類のレンズユニットを配列するのではなく、拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットを混在させて配列することにより、前記難点を克服した。
図３は本発明の１例を示す断面模式図である。フィルム２の片面に相異なる３つの種類（typeＡ,Ｂ,Ｃ）レンズユニット10A、10B、10Cが配列されている。いずれも屈折型レンズ面4A、4B、4Cと、該屈折型レンズ面4A、4B、4Cの各レンズ表面中心付近にそれぞれ焦点を有する非軸全反射型レンズ面5A、5B、5Cを有するものであるが、入射光６の入射角度がほぼ同一の領域において、フィルム２からほぼ同じトップハット的拡散光強度分布をなして出射する拡散光線束の主光線方向32A,32B,32Cが相異する。これにより、各種類のレンズユニットによる上下視野角をオーバーハングの生じない小角度範囲に保ちつつ、３つの種類の全部によるトータルの上下視野角を、各種類の小角度範囲のほぼ３倍に拡大可能である。

例えば図３のように、typeＡを上下視野角≒−30°±15°となる種類とし、typeＢを上下視野角≒（０°）±15°となる種類とし、typeＣを上下視野角≒30°±15°となる種類とすることで、これら３つの種類の全部によるトータルの上下視野角≒±45°とすることができる。
なお、図３に示すように、複数の種類のレンズユニットは、個々への入射条件が均等になるように、フィルム面からの最大高さを相同とし、かつ最大高さ部から入射光進路の下流側にかけての界面が、該下流側のレンズユニットへ所定の入射角度（フィルム面法線に対する入射光線の角度）で向かわせようとする入射光線束より低い位置にくるようにすることが好ましい。それには、必要に応じてレンズユニットの頂部に、前記所定の入射角度以下の傾斜角度（フィルム面法線に対する傾斜角度）の傾斜平面（頂部傾斜平面）を形成してもよい。図１、図２のレンズユニット10はかかる頂部傾斜平面30を有する例である。頂部傾斜平面はレンズ面には該当しない。

フィルム片面への配列に用いる複数の種類のレンズユニットの種類数は、図３の例では３つとしたがこれに限らず、２つまたは４つ以上としてもよい。
拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットは、レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士（ａ類とする）で構成することができる。

本発明において、「互いのレンズ面が一致する」というときの、「レンズ面」は、屈折型レンズ面および非軸全反射型レンズ面の双方を指し、「一致する」とは、一型のレンズ面と他型のレンズ面とが隙間なく重なり合うという意味であり、この重なり合った状態において一種類のレンズ面の境界と他種類のレンズ面の境界との間にずれがあってもよい。また、レンズ面でない部分は必ずしも一致しなくてもよい。

ａ類におけるレンズユニット全体の回転中心軸には、上下視野角の拡大のためには、図６に示すように上下方向とフィルム面法線方向とに直交する軸を拡散特性上下シフト用回転軸40として用いるのが好ましい。
ａ類の１例（種類数＝２の場合）を図４に示す。図４は、ａ類のレンズユニットの形成要領の１例を示す説明図であり、（ａ）は比較例の光学素子に用いるレンズユニット、（ｂ）、（ｃ）は本発明例の光学素子に用いるａ類第1型（略してａ１型、以下同様の記法を用いる）、ａ２型のレンズユニットである。比較例用のレンズユニット１は、拡散角度領域が±θとなるように設計されたが、オーバーハング31が生じ、また入射光線束６のオーバーハング部経由部分（斜線部；オーバーハング領域という）は非軸全反射型レンズ面５で全反射条件を満足させることが難しく、そのため拡散光線束７のオーバーハング領域（拡散角度領域＝−θ/2±θ/2）部分は実現困難である。

一方、ａ１型のレンズユニット10₁は、比較例用のレンズユニット１からオーバーハング領域を取り除いた形状とされており、オーバーハング領域を除いた拡散角度領域＝＋θ/2±θ/2を分担しうる。
また、ａ２型のレンズユニット10₂は、ａ１型のレンズユニット10₁全体を、拡散特性上下シフト用回転軸40（図６参照）の周りに−θだけ回転して形成されたものである。この回転方向はオーバーハングの生じない回転方向である。なお、ａ類では拡散特性上下シフト用回転軸40は必ずしも焦点Ｆを通らなくてもよい。

このように、配列中に混在させたａ１型とａ２型とは、レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士であり、拡散光の主光線方向が相異している。
ａ１型からａ２型への前記回転に伴い、拡散光線束７も同様に−θだけ回転するので、ａ２型のレンズユニット10₂は、拡散角度領域＝−θ/2±θ/2を分担しうる。ａ１型の分担分（拡散角度領域＝＋θ/2±θ/2）と合わせて、比較例では実現できなかった拡散角度領域＝±θが、本発明では実現できる。種類数が３以上の場合でも同様である。

また、拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットは、非軸全反射型レンズ面の焦点周りの回転および軸上焦点距離PFLの変更およびレンズユニット全体の平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士（ｂ類とする）でも構成することができる。
ｂ類ではａ類（レンズユニット全体を回転）と違って非軸全反射型レンズ面のみを回転させるから、そのレンズの焦点が屈折型レンズ面のレンズ表面中心付近から外れないように、その回転は焦点周りの回転とすべきである。焦点周りの回転の回転中心軸には、拡散特性を上下方向にシフトさせるために、拡散特性上下シフト用回転軸40（図６参照）を用いるのが好ましい。

ｂ類の１例（種類数＝３の場合）を図５に示す。図５は、本発明例の光学素子に用いるｂ類のレンズユニットの形成要領の１例を示す説明図であり、（ａ）はｂ０型、（ｂ）はｂ１型、（ｃ）はｂ２型のレンズユニットである。ｂ０〜ｂ２型において屈折型レンズ面４は相同であり、オーバーハングはない。ｂ０型では拡散光７の主光線方向32がフィルム面法線方向（０°方向）になり、所与の屈折率条件（ｎ＝1.5）下で入射光線束６に対する非軸全反射型レンズ面５の全反射条件がかろうじて成立しているものとする。

ｂ０型の非軸全反射型レンズ面５を、焦点Ｆ(0,f)を通る拡散特性上下シフト用回転軸40（図６参照）の周りに−θ回転させて、拡散角度領域を時計回りにシフトさせようとすると、非軸全反射型レンズ面５が集光点Ｐより光進路上流側に移り、非軸全反射型レンズ面５への入射角が臨界角を下回り、回転前にかろうじて成立していた全反射条件が不成立となって、上下視野角の拡大が図れない。そこで、軸上焦点距離PFLをfからf₁（＞f）に変更する。これにより、非軸全反射型レンズ面５が集光点Ｐ近傍を通る形状に変化（ｙ＝(1/(4f))ｘ²⇒(1/(4f₁))ｘ²）し、全反射条件の成立下で拡散光７の主光線方向32が０°方向から−θ回転したｂ１型が得られる。

また、ｂ０型の非軸全反射型レンズ面５を、焦点Ｆ(0,f)を通る拡散特性上下シフト用回転軸40（図６参照）の周りに＋θ回転させて、拡散角度領域を反時計回りにシフトさせようとすると、非軸全反射型レンズ面５が集光点Ｐより光進路下流側に移り、拡散光を凹面鏡で反射するに等しい状態となるため拡散角が小さくなって、上下視野角の拡大が図れない。そこで、軸上焦点距離PFLをfからf₂（＜f）に変更する。これにより、非軸全反射型レンズ面５が集光点Ｐ近傍を通る形状に変化（ｙ＝(1/(4f))ｘ²⇒(1/(4f₂))ｘ²）し、全反射条件の成立下で拡散光７の主光線方向32が０°方向から＋θ回転したｂ２型が得られる。

このように、配列中に混在させたｂ０型、ｂ１型、ｂ２型は、非軸全反射型レンズ面の焦点周りの回転および軸上焦点距離PFLの変更およびレンズユニット全体の平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士であり、拡散光の主光線方向が相異しており、トータルとして拡散角度領域を拡大させることができる。
また、本発明では、上下視野角の拡大に加え、左右視野角も種類の異なるレンズユニット同士に分担させ、トータルとして広げることができる。というのは、例えば図６に示すような、左右方向とフィルム面法線方向とに直交する軸を拡散特性左右シフト用回転軸50として用い、ａ類、ｂ類における回転として、拡散特性上下シフト用回転軸40の周りの回転および拡散特性左右シフト用回転軸50の周りの回転（上下左右直交２軸回転という）を採用すると、拡散特性左右シフト用回転軸50の周りの回転により相異させた種類間では、左右方向で相異なる拡散角度領域を分担でき、トータルとして左右視野角を拡大できるからである。

図７は、ａ類において上下左右直交２軸回転により分けた２つの異なる種類のレンズユニット10₁、10₂の例を示す。レンズユニット10₁とレンズユニット10₂とは、拡散特性上下シフト用回転軸40周りの回転が相同方向回転、拡散特性左右シフト用回転軸50周りの回転が相反方向回転であり、不要部分を切除して合成されている。
なお、左右視野角のみを拡大したい場合には、ａ類、ｂ類における回転として、拡散特性左右シフト用回転軸50の周りのみの回転を採用すればよいことはいうまでもない。

さらに、必要に応じて、拡散特性上下シフト用回転軸40周りの回転あるいは上下左右直交２軸回転に加えて、拡散特性上下シフト用回転軸40と拡散特性左右シフト用回転軸50とに直交する軸（フィルム面法線方向に平行な軸）の周りの回転を採用し、拡散光の主光線方向を回転させるようにしてもよい。
また、本発明では、ａ類の複数の種類とｂ類の複数の種類を混在させて配列してもよい。

次に、複数の種類のレンズユニットの配列について述べる。図８は、例としてａ類で拡散特性を上下方向にシフトさせた相異なる４つの種類のレンズユニット（typeA,B,C,D）の配列形態を示しており、（ａ）は複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によらず一定である配列形態、（ｂ）は複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によって異なる配列形態である。

複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によらず一定である配列形態では、図８（ａ）のように上下左右いずれの方向の列も隣に同じ種類（同じtype）が並ばない。このような配列形態は、拡散光主光線方向のランダム性、均一性を重視するものであるが、隣接異種類間（例えばtypeA、D間やtypeB,C間）の継目でレンズ形状がなだらかにつながらないため迷光が生じやすい。

一方、複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によって異なる配列形態では、図８（ｂ）のように上下左右いずれかの方向の列に同じ型が並んでもよい。よって隣接方向に同じ種類を並べることで隣接種類間のレンズ形状をなだらかにつなげて、迷光の発生を回避できる。
本発明の光学素子でリアプロジェクションスクリーンを構成する場合、例えば50μm×50μmの微小光学系（本発明にいうレンズユニットに相当する）が1mm×1mmの画素エリアに20×10＝200個存在する。その場合、図８（ｂ）のような配列形態でも４×４の小配列内ではフィルム面内位置によらずtypeA,B,C,Dが４つずつ均等に存在するから、ランダム性、均一性は問題になるほど悪化することはない。よって、本発明では、迷光の回避を重視して、複数の種類のレンズユニットの混在比率をフィルム面内位置により異なるようにすることが好ましい。

なお、図９には、図８（ｂ）にさらに上下左右直交２軸回転により相異させた種類のレンズユニットを加えた配列形態の例を示した。同図において、例えばtypeA⁺とtypeA^-とは、typeAを拡散特性左右シフト用回転軸50（図６参照）の周りに相反方向回転してなる種類である（B,C,Dについても同様）。
本発明では、前述のように屈折率ｎ≦1.5の同一材料条件下で、拡散光の主光線方向の相異する複数の種類のレンズユニットを配列することで、オーバーハングを回避しつつ光学素子の上下視野角（あるいはさらに左右視野角）を広げることが可能である。

しかしながら、本発明は、フィルム面内のいずこかの局所においてさらに広い上下視野角が必要となったとき、その局所に配置するレンズユニットの材料として屈折率ｎ＞1.5の材料を用いることを妨げるものではない。かかる高屈折率材料であっても局所的使用であれば、その難加工性や高価格といった製造面での不利はさほど問題にならないからである。また、屈折率ｎ≦1.5の範囲内でもレンズユニットの屈折率を個々に全て同じとする必要もない。

したがって、前項（１）〜（４），（９）のいずれかに記載の本発明において、配列中のレンズユニットの少なくともいずれか１つが他と異なる屈折率を有するものも本発明範囲に含まれるのである〔本発明項（５），（９）に対応〕。
また、上述の屈折率を異ならせるという手段〔本発明項（５）〕によれば、とくに大型のスクリーンにおいてレンズ能力の点で、中央部と角部とで、視野角に影響する拡散特性差が大きすぎる場合に、部分的に、屈折率の異なる材料をレンズユニットや基板に使い、光線の方向を均一化することにより、前記拡散特性差をなくす方向への性能改善が可能となる。

次に、本発明項（１）〜（５），（９）のいずれかに記載の光学素子を製造するための製造プロセスについて、これを高精細のリアプロジェクションスクリーン用とした場合を例に挙げて述べる。この製造プロセス例を図12に示す。この例では、基板主面上に図９に示したレンズユニット配列パターンをもつレンズシートを作成した。
この例ではまず、高精細のリアプロジェクションスクリーンを製造するために100ｍｍ角のガラス基板12上にレジスト13（この例ではポジレジスト）を約60μｍの厚さでスピンナーにより塗布し、ホットプレート上で乾燥させた（図12(a)）。この乾燥後の基板に対して目標とするレンズ形状が得られるように連続的な階調をもつ露光を与え、レジスト13を露光した後、現像を行い、高さ約50μｍのマイクロレンズ14のレジスト母型を得た（図12(b)）。

次いで、このレジスト母型をメッキ槽に浸漬し、無電解ニッケルメッキを行いシード層を形成した後、電解メッキにより厚さ約300μｍの金型基板（メッキ金型）15を得た（図12(c)）。
得られた金型基板15のレンズ部にあたる凹型部分に紫外線硬化性のある屈折率1.5の透明なアクリル樹脂（紫外線硬化樹脂(PMMA)16）を流し込み、レンズの基板になるベースフィルム（この例ではPETフィルム）2Aで挟み、真空容器に入れ、樹脂中に残存した気泡を除いた。その後、基板側から紫外線ランプ17で紫外線を照射し、アクリル樹脂を硬化させた（図12(d)）。

その後、メッキ金型15から剥離させると、基板としたPETフィルムに数十μｍのレンズ（レンズユニット10）の配列が接着した一体のレンズシート〔本発明項（１）〜（５），（９）のいずれかに記載された光学素子に相当する〕を得ることができた（図12(e)）。
なお、図12の例では、基板として樹脂製のPETフィルムを使用したが、これに限らず、基板としては、光を透過しかつ目的の光学特性が得られる他の樹脂フィルムやガラス板等を用いてもよい。もちろん、レンズ用樹脂により、レンズユニットと基板とを一体成形してもよい。

また、本発明では、本発明項（１）〜（５）のいずれかに記載された光学素子をスクリーンとして用いる場合、外光の悪影響を低減するために該光学素子にブラックマスク（以下、ＢＭと記す）を付加したものとすることが好ましい〔本発明項（６）に対応する〕。
もっとも、ＢＭは、基板に設定されるＢＭ領域を過不足なく覆うものであることが望ましく、そのためには、ＢＭを、基板に設けた凸部に囲まれた領域、もしくは凹部領域に形成することが好ましい〔本発明項（７）に対応する〕。

図13は、ＢＭ形成工程の一例を示す断面模式図であり、図14は、図13のＡ−Ａ矢示平面図である。この例では、レンズユニット10を形成した基板２上の所定の領域（ＢＭを形成すべき領域）を、凸部として設けたＢＭ用堰18で囲み（図13(a)、図14）、該囲まれた領域内に紫外線硬化型のＢＭ用インク19をインクジェット装置により注入し（図13(b)）、静置して平坦化（レベリング）させる（図13(c)）。その後、紫外線をＢＭ用インク19に照射してＢＭ用インクを硬化させる。ＢＭ用堰18によりインク注入時の位置決め精度が向上し、堰高さによりレベリング精度も向上し、よって、ＢＭの形成精度（位置、厚みの精度）が向上する。さらに、高精度注入制御機能が不要となってインクジェット装置の低価格化にも寄与しうる。また、ＢＭ用堰18のような凸部で囲んだ領域に代えて、凹部領域としても同様の効果が得られる。

なお、図13の例では、ＢＭを基板のレンズユニットと同側の主面に設けたが、これに限らず、基板のレンズユニットと反対側の主面や、レンズユニットと基板との間（図18参照）にＢＭを設けてもよい。
さらに、目的によっては反射特性を有する基板も使用することができる。この場合、前記樹脂やガラス板以外に金属や金属（例えばアルミ、銀等）を蒸着した樹脂フィルム、ガラス基板、シリコン、反射層を形成したセラミック等の基板も使用可能である。

反射型にすることにより、リアプロジェクションのような背面投射型ではなく、前面投影型のスクリーンが実現でき、ロール状に巻いて、天井に収納するタイプのスクリーンにも応用できる。さらに、光を全て反射する必要はなく、部分的に反射するもの、拡散、屈折、回折するもの、波長によって選択的に反射する特性をもつもの、基板やレンズ部分に作成したストライプや網点パターン等により遮光、減光する機能を有するもの（光吸収層や拡散層）も使用可能である〔本発明項（８）に記載された光学素子に相当する〕。

図17は、本発明項（８）に記載された光学素子の一例を示すものである。この例は、図12および図13に例示した製造工程を用いて作成した光学素子（レンズユニット10およびＢＭ23を有する）に加えてさらに、基板２の反レンズユニット側の主面に反射層27およびＢＭ23を設けて反射型の光学素子としたものである。なお、反射層27の基板２対向面が反射面27Aとなるように構成されている。

また、前述の減光、減光機能によれば、リアプロジェクションスクリーンに本発明の光学素子を適用する場合、ＢＭ等によりスクリーンから出てくる光の量をスクリーン面内の場所により変化させることで、同一形状のレンズユニットを用いた形態のスクリーンで発生する可能性のある中央部と角部との間の光量ムラを改善することが可能である。これにより、大型になると従来はスクリーンの中央部と角部との間の光量差を低減させるために異なるレンズ形状が必要となる場合があったのに対し、レンズ形状を相異させる以外の方法（基板に減光パターンを付加する方法、あるいは基板にこれとは別の減光パターンをもつシートを重ねる方法など）により前記光量ムラの改善を実現できる。

また、このスクリーンを安全標識や液晶のバックライトの反射板として使用する場合、同様に大きな面内での反射特性を局所的に変化させることで、均一な照射面を得ることができる。これは、レンズ形状を変化させる、材料を場所により変化させる、レンズ形状を相同として基板の性能を変化させる、などの方法により実現可能である。
前記反射層は、例えば図12のようなレンズシート作成工程の中に反射層形成工程を付加することで形成できるが、そうする代わりに使用時にレンズシートと重ね合わせて圧接、圧着や接着等により一体化してもよい。また、一体化させずとも重ね合わせただけの構造としてもよい。これらの点は反射層のみならず、光吸収層や拡散層についても同様である。これらの層はさらに光源の色成分を補正する光学特性をもつものであってもよい。

また、局所的に反射、吸収、拡散の各光学特性を変える面内パターンとしては、島状の孤立パターン、孤立パターンが部分的につながったもの、孤立パターンが無いもの、連続パターンや一筆書きなどでもよい。また、場合により、透過、反射特性を混合したものでもよい。
また、図12の例では、レンズ素材と異なる基板上にレンズユニットを形成したが、基板を使わずにレンズユニットを硬化させて作るときにレンズと同じ樹脂や異なった樹脂を金型に流し込んで基板部分を作ってもよい。この場合、金型への樹脂充填には複数のノズルにより１枚の金型に複数の樹脂を充填する方法、複数の金型を使用し、それぞれの金型で形成するレンズがお互いにじゃまにならないように凹部を持った金型に１種類の樹脂を充填し、金型同士の位置合わせを正確におこなうことにより、１枚のシート状のマイクロレンズにしたときに目標とした構造のレンズが複数の樹脂によって形成されるという方法でもよい。

また、基板に求められる反射や透過に伴う光学機能を実現させるために、それらの機能を持つ基板部分、レンズ部分とは異なった材料を硬化前の樹脂に付加（混入したり重ねたり）しレンズシートを作ってもよい。
もちろん、レンズシートの光学特性の有効利用可能範囲を拡大させるためにシートの一部の範囲（レンズユニット内の一部の形状を持つレンズに選択的、シート全体周辺部などの一部の範囲に、形状と範囲の組み合わせた部分等）のレンズに屈折率、反射率、波長選択等、光学特性の異なる材料を付加し、硬化させて光学特性等の物理特性の向上させても良い。色の異なった樹脂を上記範囲で部分的に使うことも可能である。

また、いったん成形されたレンズシートのレンズ部分、基板部分に、部分的に、透過・反射するもの、選択的な範囲で透過・反射特性を持つもの、波長によって選択的に透過・反射特性を持つもの、ストライプや網点パターン等によりパターンにより遮蔽された特性を持ったものを付加することも可能である。
また、図12の例ではレンズユニットとして100μｍ以下の樹脂マイクロレンズを作成したが、光をコントロールできるものであればレンズ材質はガラスや他の材質等であってもよい。さらに、同じ光学特性が得られる構造であれば、レンズユニットのサイズはより大きくしてもよく、例えば数ミリから数十センチまでであってもよい。

また、例えば図15に示すように、本発明項（１）〜（９）のいずれか一項に係る光学素子（この例では図９に示したレンズユニット配列形態をもつ光学素子を用いた）からなるレンズシート25は異なる角度からの光線でも一定の方向に拡散できる特徴を持つため、同じレンズシートを複数枚タイル状に接合（２次元に配列）し、大きなサイズのシート（レンズシートのタイル状接合体26）にすることも可能である〔本発明項（１０）に対応〕。これにより同じレンズシートを使用することが可能になり、低コストで多岐のサイズに対応することが可能になる。

なお、前記タイル状接合パターンは、つなぎ目やムラを目立たなくさせるために、図15に例示した通常の格子パターン以外にも、例えば図16に示すような千鳥パターンや、Ｘ，Ｙ方向（横方向、縦方向）にずらしたパターンとしてもよく、また、接合面が目立たないようにこれを曲線状にしてもよい。ＢＭを作成する部分を利用し、つなぎ目を目立たなくさせることもできる。

なお、本発明項（８）に係る光学素子は、前述のように本発明項（１）〜（７）のいずれかに係る光学素子（個々のレンズシート）の基板の反レンズユニット側の主面に光吸収層、反射層、拡散層のうち少なくとも一つを付設することによって作成されてもよいが、製造能率の観点からすれば、本発明項（１０）に係る光学素子（例えば図15や図16に示したようなレンズシートのタイル状接合体26）の基板の反レンズユニット側の主面に光吸収層、反射層、拡散層のうち少なくとも一つを付設することによって作成されることが、より好ましい。

図12に例示し記述した製造工程の例と同じ工程によって試作したレンズシートについて、実際にコノスコープにより光の拡散特性を測定したところ、設計値どおりのレンズ面形状に仕上がった部分は目標どおりの光学特性を示した。
さらに、このレンズシートに対し、図13に例示し記述したＢＭ形成工程の例に準じた工程によって基板の反レンズユニット側の主面にストライプ状のＢＭを形成し、このＢＭ付きレンズシートにこれのレンズユニット側から画像を投影し、この画像をＢＭ側の面から目視観察した結果、ＢＭ無しのレンズシートに比べ、コントラストに優れる画像を視認することができた。

本発明に用いるレンズユニットの１例を示す断面模式図である。 本発明に用いるレンズユニットの1例を示す立体模式図である。 本発明の１例を示す断面模式図である。 ａ類のレンズユニットの形成要領の１例を示す説明図である。 ｂ類のレンズユニットの形成要領の１例を示す説明図である。 レンズユニットを異なる複数の種類に分ける回転の回転軸のとり方の例を示す立体模式図である。 上下左右直交２軸回転により相異させた種類のレンズユニットの例を示す立体模式図である。 相異なる複数の種類のレンズユニットの配列形態の例を示す模式図であり、（ａ）は複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によらず一定である配列形態、（ｂ）は複数の種類の混在比率がフィルム面内位置によって異なる配列形態である。 図８（ｂ）にさらに上下左右直交２軸回転により相異させた種類のレンズユニットを加えた配列形態の例を示す模式図である。 背景技術における難点を示す説明図である。 (A10)に記載の拡散フィルムを用いて構成されたスクリーンの１例を示す背面図(a)及び断面図(b)である。 本発明に係る光学素子の製造に適した製造工程の一例を示す断面模式図である。 ＢＭ形成工程の一例を示す断面模式図である。 図13のＡ−Ａ矢示平面図である。 本発明項（１０）に係る光学素子の一例を示す平面模式図である。 本発明項（１０）に係る光学素子のもう一つの例を示す平面模式図である。 本発明項（８）に係る光学素子の一例を示す断面模式図である。 本発明項（８）に係る光学素子のもう一つの例を示す断面模式図である。

符号の説明

２ 基板（例えばフィルム）
2A ベースフィルム
３ 拡散フィルム
４ 屈折型レンズ面
５ 非軸全反射型レンズ面
６ 入射光（入射光線束）
７ 拡散光（拡散光線束）
８ レンズ表面中心付近
10 レンズユニット
11 フィルム媒体
12 ガラス基板
13 レジスト
14 マイクロレンズ
15 金型基板（メッキ金型）
16 紫外線硬化樹脂（PMMA）
17 ベースフィルム（PETなど）
18 ＢＭ用堰
19 ＢＭ用インク
20 スクリーン
21 入力側レンズ面
22 非軸放物面ミラーの反射面
23 ＢＭ
24 反射防止膜
25 レンズシート
26 レンズシートのタイル状接合体
27 反射層
27A 反射面
30 頂部傾斜平面
31 逆テーパ（オーバーハング）
32 主光線方向
40 拡散特性上下シフト用回転軸
50 拡散特性左右シフト用回転軸

Claims (10)

1. 基板の主面にレンズユニットの配列を有する光学素子であって、
   前記レンズユニットは、外部からの入射光を屈折させる屈折型レンズ面と、前記屈折された入射光を全反射させる非軸全反射型レンズ面とを有し、
   前記非軸全反射型レンズ面は、前記屈折型レンズ面のレンズ表面中心付近に焦点を有する非軸全反射型レンズのレンズ面であり、
   前記レンズユニットの配列は、前記入射光の入射角度がほぼ同一の領域において前記非軸全反射型レンズ面で全反射して拡散する拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットが混在する配列であることを特徴とする光学素子。
2. 前記複数の種類のレンズユニットは、下記ａ類からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
   記
   （ａ類）レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。
3. 前記複数の種類のレンズユニットは、下記ｂ類、または、下記ａ類およびｂ類からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
   記
   （ａ類）レンズユニット全体の回転および平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。
   （ｂ類）非軸全反射型レンズ面の焦点周りの回転および軸上焦点距離（PFL：Parent Focal Length）の変更およびレンズユニット全体の平行移動により互いのレンズ面が一致するもの同士。
4. 前記複数の種類のレンズユニットを混在させる比率が前記基板の主面内位置によって異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子。
5. 前記配列中のレンズユニットの少なくともいずれか１つが他と異なる屈折率を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載された光学素子にブラックマスクを付加してなることを特徴とする光学素子。
7. 前記ブラックマスクは、凸部に囲まれた領域、もしくは凹部領域に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、さらに前記基板の前記レンズユニットを配列した主面とは反対側の主面に、光吸収層、反射層、拡散層のうち少なくとも一つが付設されてなることを特徴とする光学素子。
9. 基板の主面にレンズユニットの配列を有する光学素子であって、
   前記レンズユニットは、外部からの入射光を屈折させる屈折型レンズ面と、前記屈折された入射光を全反射させる非軸全反射型レンズ面とを有し、
   前記非軸全反射型レンズ面は、前記屈折型レンズ面のレンズ表面中心付近に焦点を有する非軸全反射型レンズのレンズ面であり、
   前記レンズユニットの配列は、前記非軸全反射型レンズ面で全反射して拡散する拡散光線束の主光線方向が相異なる複数の種類のレンズユニットが混在する配列であり、
   前記複数の種類のレンズユニットを混在させる比率が前記基板の主面内位置によって異なること、および/または、前記配列中のレンズユニットの少なくともいずれか１つが他と異なる屈折率を有することを特徴とする光学素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載された光学素子を２次元に配列してなることを特徴とする光学素子。
    

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