JP5846148B2

JP5846148B2 - レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法

Info

Publication number: JP5846148B2
Application number: JP2013065572A
Authority: JP
Inventors: 安田　晋; 晋安田; 清水　敬司; 敬司清水
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: US20140293429A1; CN104076416A; CN104076416B; JP2014191139A

Description

本発明は、レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法に関する。

特許文献１には、特に高さが低いようなマイクロレンズも容易かつ高精度に、そして形状バラツキも少なくして作製可能な方法を得ることを課題とし、透明基板の上に、所定形状にパターニングして透明樹脂の層を形成し、この樹脂にそれが溶解する溶剤をこの樹脂の周囲から吸収させ、流動性を持たせることで表面張力により該樹脂の表面を凸面化させ、次いで前記溶剤を乾燥させて、樹脂の凸面化した部分をレンズとすることが開示されている。

特開２００５−２４２１０９号公報

本発明は、１つのレンズアレイで立体表示及びチェンジング画像を表示できるようにしたレンズアレイ及びレンズアレイ製造方法を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
請求項１の発明は、レンズアレイにおける各レンズの周囲の一部を形成する第１の隔壁の高さと、該各レンズの周囲の他の一部を形成する第２の隔壁の高さを異ならせた基板と、前記基板の前記第１の隔壁と前記第２の隔壁によって囲まれた領域に樹脂が充填されることによって形成された各レンズとを有するレンズアレイであって、該レンズアレイを構成する各レンズの第１の方向における曲率と該第１の方向とは異なる第２の方向における曲率が異なることを特徴とするレンズアレイである。

請求項２の発明は、前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに直行する方向であることを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイである。

請求項３の発明は、レンズアレイにおける各レンズの周囲の一部を形成する第１の隔壁の高さと、該各レンズの周囲の他の一部を形成する第２の隔壁の高さを異ならせた基板を製造し、前記基板の前記第１の隔壁と前記第２の隔壁によって囲まれた領域に樹脂を充填することによって、各レンズを形成することを特徴とするレンズアレイ製造方法である。

請求項４の発明は、前記各レンズの形状は多角形、円、又は楕円のいずれか１つであることを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ製造方法である。

請求項１のレンズアレイによれば、１つのレンズアレイで立体表示及びチェンジング画像を表示することができる。

請求項２のレンズアレイによれば、立体表示した角度とは直行する方向でチェンジング画像を表示することができる。

請求項３のレンズアレイ製造方法によれば、１つのレンズアレイで立体表示及びチェンジング画像を表示することができるレンズアレイを製造することができる。

請求項４のレンズアレイ製造方法によれば、１つのレンズアレイで立体表示及びチェンジング画像を表示することができるレンズアレイであって、各レンズの形状が多角形、円、又は楕円のいずれかの１つであるレンズアレイを製造することができる。

垂直方向と水平方向で曲率が異なるレンズの例を示す説明図である。３Ｄとチェンジングの原理を説明する説明図である。レンズアレイの製造方法の例を示す説明図である。レンズアレイの製造方法例を示すフローチャートである。正方形状の要素レンズの例を示す説明図である。長方形状の要素レンズの例を示す説明図である。円状の要素レンズの例を示す説明図である。楕円状の要素レンズの例を示す説明図である。

まず、本実施の形態を説明する前に、その前提となる技術について説明する。なお、この説明は、本実施の形態の理解を容易にすることを目的とするものである。
レンズアレイを用いた表示方法において、従来は、一枚の表示メディアで立体表示（以下、３Ｄともいう）とチェンジング（Ｃｈａｎｇｉｎｇ）とを混在することができなかった。
なお、３Ｄもチェンジングも、複数の画像から構成した合成画像をレンズアレイ面に配置した表示メディアである。両メディアの差異は、合成画像を構成する個々の画像を観察者へ提示する条件にある。図２は、３Ｄとチェンジングの原理を説明する説明図である。図２（ａ）に例示するように、３Ｄでは、視差のある２つの画像（図では視差画像２２０ａ、視差画像２３０ａ）を左右の眼にそれぞれ認識させることで立体感（奥行き感）を表現する。観察角度を変えると、左右の眼にさらに異なる組の視差画像が認識され、運動視差や立体感を表現する。一方、チェンジングでは、図２（ｂ）に例示するように、左右の眼に同一の画像（図では画像２２０ｂ）を認識させるため立体感は表現できない。しかし、観察角度を変えることで、認識する画像全体を変化させることができる。３Ｄとチェンジングの、このような差異の主な要因はレンズの焦点距離の差異にある。一般に、３Ｄでは長焦点距離（レンズ曲率小）、チェンジングでは短焦点距離（レンズ曲率大）のレンズを使用する。焦点距離が長いほど、小さい観察角度で画像が変化することになる。なお、曲率は曲率半径の逆数であり、また、焦点距離は曲率半径に比例する。
レンチキュラー方式では、画像が変化する方向が水平方向あるいは垂直方向の一方向のみのため、チェンジングあるいは３Ｄの一方しか実現できない。
インテグラルフォトグラフィ方式（ＩＰ方式）では、２次元レンズアレイを用いる。各々の要素レンズは１つの焦点距離をもつ。この方式では、水平及び垂直方向の画像を変化させられるが、焦点距離は１つであるため、いずれの方向においても画像が変化する角度が同じである。チェンジングと３Ｄとでは、画像が変化する角度が異なる必要があるため、ＩＰ方式においても、従来は、チェンジングと３Ｄのうちどちらか一方しか実現できない。

以下、図面に基づき本発明を実現するにあたっての好適な各種の実施の形態の例を説明する。
１つのレンズアレイで立体表示及びチェンジング画像の表示を可能にしたレンズアレイとして、レンズアレイを構成する各レンズの第１の方向における曲率とその第１の方向とは異なる第２の方向における曲率が異なるレンズアレイを説明する。ここでの第１の方向と第２の方向は、例えば、互いに直行する方向であり、例えば、レンズを上方向（正面方向）から見た場合において、一方が水平方向であり、他方が垂直方向である。直交の他に４５度等の角度を有するものであってもよい。
図１は、垂直方向と水平方向で曲率が異なるレンズの例を示す説明図である。図１（ａ１）の例は、レンズアレイの切断面（水平方向）を示している。図１（ｂ１）の例は、レンズアレイの切断面（垂直方向）を示している。つまり、１つのレンズアレイの切断面であるが、列（行）に並ぶ要素レンズの中心を通る水平方向と垂直方向とで切断したものを示している。また、図１（ａ２）の例は、図１（ａ１）で例示したレンズアレイのうちの１つのレンズ（要素レンズともいう）の切断面（水平方向）を示している。図１（ｂ２）の例は、図１（ｂ１）で例示したレンズアレイのうちの１つの要素レンズの切断面（垂直方向）を示している。このように、要素レンズを水平方向から見た場合の切断面の要素レンズ１００ａの端の隔壁１１０ａの高さ（ｈａ）と垂直方向から見た場合の切断面の要素レンズ１００ｂの端の隔壁１１０ｂの高さ（ｈｂ）とは異なっている。これによって、互いに直交する方向において１つのレンズの曲率が異なることとなり、即ち焦点距離が異なる要素レンズとなっている。なお、同じ要素レンズの中心を通っているので、要素レンズの高さｈは同じである。この例では、図１（ａ２）の曲率はチェンジング用（曲率大）、図１（ｂ２）の曲率は３Ｄ用（曲率小）である。つまり、少なくとも互いに直交する２つの方向の焦点距離が異なる要素レンズで構成されたレンズアレイとなっている。１枚の表示媒体で、３Ｄ及びチェンジング画像を表示することができる。例えば、要素レンズの形状として、矩形レンズ（正方形レンズ）アレイ、楕円レンズアレイ等がある。もちろんのことながら、レンズアレイ内の各要素レンズは同じ形状をしている。

次にこのようなレンズアレイの製造方法について説明する。主に、次の２つがある。
（１）型による製造
例えば、射出成型などの既存技術によって、型を用いた製造を行う。
その型は、例えば、前述した曲率が異なる要素レンズが格子状に配列されたレンズアレイの型である。

（２）隔壁ピン止め方式による製造
隔壁構造を格子状に形成するものである。主に正方形レンズの製造方法について、図３、図４を用いて説明する。図３は、レンズアレイの製造方法の例を示す説明図である。図４は、レンズアレイの製造方法例を示すフローチャートである。
ステップＳ４０２では、図３（ａ）の例に示すような一方向（垂直方向）の隔壁形成を行う。つまり、透明樹脂の基板３００に対して、刃（Ｂｌａｄｅ）３１０によって垂直方向の溝（溝３２０、３３０、３４０等）をつけることによって隔壁（隔壁３２２、３２４、３３２、３３４、３４２、３４４等）を生成する。
なお、基板３００と刃（Ｂｌａｄｅ）３１０は相対的に移動（基板３００、刃（Ｂｌａｄｅ）３１０のいずれか一方、又は両方が移動）すればよい。つまり、隔壁の形成は、基板３００上で刃（Ｂｌａｄｅ）３１０をスライドさせてもよいし、基板３００に刃（Ｂｌａｄｅ）３１０を押し当ててもよい（以下、同様）。

ステップＳ４０４では、図３（ｂ）の例に示すような正方形開口の形成を行う。つまり、ステップＳ４０２とは異なる方向での隔壁形成を行う。基板３００に対して、刃（Ｂｌａｄｅ）３１０によって水平方向の溝（溝３７０、３８０等）をつけることによって隔壁（隔壁３７２、３７４、３８２、３８４等）を生成する。例えば、隔壁３４４、３５２、３７４、３８２によって１つの正方形開口が形成される。
また、水平方向と垂直方向で隔壁の高さは異なるように制御する。つまり、レンズアレイにおける各レンズの周囲の一部を形成する第１の隔壁（ここでは、垂直方向の隔壁）の高さと、その各レンズの周囲の他の一部を形成する第２の隔壁（ここでは、水平方向の隔壁）の高さを異ならせた基板３００を製造する。具体的には、隔壁の高さは、基板３００への刃（Ｂｌａｄｅ）３１０の切り込み深さ（刃（Ｂｌａｄｅ）３１０の圧力）で制御する。

なお、このステップＳ４０４では、刃（Ｂｌａｄｅ）３１０を基板３００に対して、相対的に移動することで隔壁を形成しているが、正方形開口の形状をした刃（金型）を基板に押し当てて隔壁を形成してもよい。この場合、隔壁の高さが異なるように、全体の刃を形成している４枚の刃の長さは水平方向と垂直方向とで異なる。
また、もちろんのことながら、この場合、刃の形状として、正方形開口以外に、多角形開口（例えば、長方形（縦と横の長さが異なる四角形）、六角形等）、円開口、楕円開口等を含んでいてもよい。なお、レンズの形状（開口）とは、第１の隔壁と第２の隔壁によって囲まれた領域の形状のことをいう。長方形の場合、隔壁の高さが異なるように、全体の刃を形成している４枚の刃の長さは水平方向と垂直方向とで異なる。六角形の場合も、全体の刃を形成している６枚の刃の長さは、連続する３辺の刃とその他の３辺の刃の高さが異なる。これによって、連続する３辺の隔壁とその他の３辺の隔壁の高さが異なる。円、楕円の場合、図７、８を用いて後述するように、互いに直交する位置での隔壁の高さが異なるようになる刃を用いる。
また、特に、各要素レンズの形状が長方形又は楕円の場合は、図６、８を用いて後述するように、隔壁の高さは同じであってもよいので、それぞれの辺（周囲）に対応する刃の高さは同じであってもよい。

ステップＳ４０６では、図３（ｃ）の例に示すような樹脂滴下装置３９６による液状高分子樹脂の吐出を行う。基板３００の第１の隔壁（隔壁３２２、３２４、３３２、３３４、３４２、３４４等）と第２の隔壁（隔壁３７２、３７４、３８２、３８４等）によって囲まれた領域（ここでは、正方形）に液状高分子樹脂（樹脂３２６、３３６、３４６、３５６等）を充填する。つまり、基板３００に生成された隔壁に囲まれた孔にレンズ材の樹脂３３６等を滴下する。液状高分子樹脂の表面張力によりレンズ形状の樹脂３２６、３３６、３４６、３５６等によって、アレイを形成する。ここで、液状高分子樹脂は、ＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）硬化樹脂であってもよいし、熱溶融させた高分子樹脂であってもよい。なお、ＵＶ硬化樹脂とは、紫外線の光エネルギーに反応して液体から固体に化学的に変化する合成樹脂である。
ステップＳ４０８では、図３（ｄ）の例に示すようなＵＶ光源３９８のＵＶ照射による硬化処理を行う。つまり、樹脂の硬化処理を行って、各レンズを形成する。もちろんのことながら、液状高分子樹脂は硬化させた状態で透明である。
なお、同じレンズアレイを量産する場合は、型による製造が適しており、ユーザからの提示条件にあったレンズアレイをオンデマンドで製造する場合は、隔壁ピン止め方式を用いるのが適している。

図５は、正方形状の要素レンズの例を示す説明図である。正方形レンズにおいて、隔壁の高さが垂直方向と水平方向とで異なることを示している。つまり、図５（ａ）はレンズ上方向（正面方向）から見た形状を示しており、切断面５１０、切断面５２０における形状をそれぞれ図５（ｂ）（ｃ）は示している。隔壁の高さが異なるため、切断面５１０と切断面５２０における曲率が異なっている。
図６は、長方形状の要素レンズの例を示す説明図である。長方形レンズにおいて、隔壁の高さが垂直方向と水平方向とで異なること、又は、隔壁の高さが垂直方向と水平方向とで同じことを示している。つまり、図６（ａ）はレンズ上方向（正面方向）から見た形状を示しており、切断面６１０、切断面６２０における形状をそれぞれ図６（ｂ）（ｃ）は示している。縦軸、横軸の長さが異なること、そして隔壁の高さが異なるため、切断面６１０と切断面６２０における曲率が異なっている。図６（ｂ）（ｄ）は、隔壁の高さが垂直方向と水平方向とで同じものを示しているが、縦軸、横軸の長さが異なるため、切断面６１０と切断面６２０における曲率が異なっている。このように、各要素レンズの形状が長方形の場合、隔壁の高さが一定でも垂直方向の曲率と水平方向の曲率は異なる。しかし、その曲率はレンズの縦横比に依存するため、設計の自由度は小さい。そのため、積極的に両曲率を制御するには、隔壁高さを異ならせて、制御することが望ましい。

図７は、円状の要素レンズの例を示す説明図である。円形レンズにおいて、円周の隔壁高さを不均一にする。つまり、図７（ａ）はレンズ上方向（正面方向）から見た形状を示しており、切断面７１０、切断面７２０における形状をそれぞれ図７（ｂ）（ｃ）は示している。隔壁の高さが異なるため、切断面７１０と切断面７２０における曲率が異なっている。
ここでの隔壁の高さは連続的に異なるようにしてもよい。例えば、切断面７１０（水平方向）で最も高く、切断面７２０（垂直方向）で最も低くなるように連続的に変化させればよい。また、円周を４等分して（切断面７１０を中心にして上下４５度に分けて）、隔壁の高さを異ならせてもよい。具体的には、対面する隔壁の高さを同じにして、隣り合う隔壁の高さを異ならせるようにしてもよい。レンズ形状が楕円の場合についても同様である。

図８は、楕円状の要素レンズの例を示す説明図である。楕円レンズにおいて、長軸方向と短軸方向の隔壁高さが異なること、又は、全隔壁高さが同じことを示している。つまり、図８（ａ）はレンズ上方向（正面方向）から見た形状を示しており、切断面８１０、切断面８２０における形状をそれぞれ図８（ｂ）（ｃ）は示している。長軸、短軸の長さが異なること、そして隔壁の高さが異なるため、切断面８１０と切断面８２０における曲率が異なっている。図８（ｂ）（ｄ）は、隔壁の高さが長軸方向と短軸方向とで同じものを示しているが、長軸、短軸の長さが異なるため、切断面８１０と切断面８２０における曲率が異なっている。この例では、図８（ｂ）が曲率小、図８（ｄ）が曲率大の例である。このように、各要素レンズの形状が楕円の場合、隔壁の高さが一定でも長軸方向の曲率と短軸方向の曲率は異なる。しかし、その曲率はレンズの長軸長、短軸長の比に依存するため、設計の自由度は小さい。そのため、積極的に両曲率を制御するには、隔壁高さを異ならせて、制御することが望ましい。

レンズのデフォーカス量の規定について説明する。
チェンジング用のレンズは、短焦点距離（ｆ_Ｓ）であり、３Ｄ用のレンズは、長焦点距離（ｆ_Ｌ）である。
焦点距離ｆ、曲率半径Ｒ、及び屈折率ｎの関係式は以下のようになる。
ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）
ここで、３Ｄ用のレンズの焦点距離（ｆ_Ｌ）のデフォーカス量は、（ｆ_Ｌの）１５％以下、及びチェンジング用のレンズの焦点距離（ｆ_Ｓ）のデフォーカス量は、（ｆ_Ｓの）２０％以下が望ましい。
さらに望ましくは、３Ｄ用のレンズの焦点距離（ｆ_Ｌ）のデフォーカス量は、（ｆ_Ｌの）５％以下、及びチェンジング用のレンズの焦点距離（ｆ_Ｓ）のデフォーカス量は、（ｆ_Ｓの）１０％以下が望ましい。
したがって、このようなデフォーカス量になるように、各要素レンズの曲率を決定する。つまり、このようなデフォーカス量になるように、第１の隔壁の高さ、第２の隔壁の高さ、又は各要素レンズの縦と横の長さを決定する。

前述の型による製造では、基板とレンズを一体的に製造したが、基板を製造した後に、前述の図３、４と同等の処理を行ってレンズアレイを製造するようにしてもよい。
上述した実施の形態は、本発明の実施の形態の一部である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

３００…基板
３１０…刃（Ｂｌａｄｅ）
３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０…溝
３２２、３２４、３３２、３３４、３４２、３４４、３５２、３５４、３６２、３６４、３７２、３７４、３８２、３８４…隔壁
３２６、３３６、３４６、３５６、…樹脂
３９６…樹脂滴下装置
３９８…ＵＶ光源

Claims

レンズアレイにおける各レンズの周囲の一部を形成する第１の隔壁の高さと、該各レンズの周囲の他の一部を形成する第２の隔壁の高さを異ならせた基板と、
前記基板の前記第１の隔壁と前記第２の隔壁によって囲まれた領域に樹脂が充填されることによって形成された各レンズと
を有するレンズアレイであって、
該レンズアレイを構成する各レンズの第１の方向における曲率と該第１の方向とは異なる第２の方向における曲率が異なる
ことを特徴とするレンズアレイ。
前記第１の方向と前記第２の方向は、互いに直行する方向である
ことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
レンズアレイにおける各レンズの周囲の一部を形成する第１の隔壁の高さと、該各レンズの周囲の他の一部を形成する第２の隔壁の高さを異ならせた基板を製造し、
前記基板の前記第１の隔壁と前記第２の隔壁によって囲まれた領域に樹脂を充填することによって、各レンズを形成する
ことを特徴とするレンズアレイ製造方法。
前記各レンズの形状は多角形、円、又は楕円のいずれか１つである
ことを特徴とする請求項３に記載のレンズアレイ製造方法。