JP6171895B2

JP6171895B2 - レンズアレイ製造方法

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Publication number: JP6171895B2
Application number: JP2013246854A
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: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015105981A

Description

本発明は、レンズアレイ製造方法に関する。

特許文献１には、予め定めた方向に異方性を有するレンズを製造することができる、レンズ製造装置を提供することを課題とし、加工対象物の表面に切り込みを入れて凹凸部を形成する凹凸形成手段と、加工対象物の表面上にレンズ用樹脂を供給する樹脂供給手段と、供給されたレンズ用樹脂を硬化させる樹脂硬化手段と、凹凸形成手段、樹脂供給手段及び樹脂硬化手段の各々を加工対象物に対して相対移動する移動手段と、予め定めた方向に延びる凹凸部を形成し、隣接する凹凸部間にレンズ用樹脂を供給し、供給されたレンズ用樹脂を硬化させるように、凹凸形成手段、樹脂供給手段、樹脂硬化手段及び移動手段を駆動制御する制御手段と、を有することが開示されている。

特許文献２には、深さが一定である溝を容易に加工でき、しかも高精度な鏡面を有する溝付光ディスク用原盤の製造方法を提供することを目的とし、研磨したガラス盤上に、第一層としてＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ−Ｃｒのいずれかの薄膜を形成し、第二層としてＡｕの薄膜を形成し、前記第一層と前記第二層の膜厚の和を加工する溝の溝深さに等しく形成し、ダイヤモンドスタイラスにより溝を加工することが開示されている。

特開２０１３−１２５０４４号公報特開昭６１−１２０３６２号公報

本発明は、レンズアレイにおける隔壁の高さのばらつきを抑制するようにした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、ガラス基板の表面に樹脂溶液を塗布して透明な膜を形成する膜形成ステップと、前記膜形成ステップによって膜が形成された前記ガラス基板の表面に親液性の表面処理を施す表面処理ステップと、
前記表面処理ステップによって表面処理された前記ガラス基板の表面に、刃によって隔壁を形成する隔壁形成ステップと、前記隔壁形成ステップによって形成された隔壁間に、液状の樹脂を吐出又は塗布する吐出塗布ステップと、前記吐出塗布ステップによって吐出又は塗布された液状の樹脂を硬化させることによってレンズを形成するレンズ形成ステップを具備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２の発明は、前記刃の硬度は前記ガラス基板の硬度よりも高く、前記ガラス基板の硬度は前記膜の硬度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ製造方法である。

請求項３の発明は、前記膜の厚さは、０．０５ミクロン以上２０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズアレイ製造方法である。

請求項１のレンズアレイ製造方法によれば、レンズアレイにおける隔壁の高さのばらつきを抑制することができる。また、溝内部にレンズ材の樹脂が入り込んでしまうことを抑制することができる。

請求項２のレンズアレイ製造方法によれば、ガラス基板に傷をつけること無く、膜による隔壁を形成することができる。

請求項３のレンズアレイ製造方法によれば、高開口率のレンズアレイを実現することができる。

レンズアレイの製造方法の例を示す説明図である。刃によって形成された溝、隔壁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。隔壁を形成して、レンズアレイを製造する方法の例を示す説明図である。曲率制御の例を示す説明図である。レンズアレイの製造方法の例を示す説明図である。２次元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。

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一実施の形態の例を説明する。
本実施の形態のレンズアレイは、表面に透明な膜を有したガラス基板に、その基板（膜を有しているガラス基板）の表面を刃によって隔壁を形成し、その隔壁間に液状樹脂によってレンズを形成したものである。隔壁は、膜によって形成される。

レンズアレイとは、正立像を形成する要素レンズ（レンズエレメント）を複数並列的に配列し、像を重ね合わせて全体で１個の連続像を形成する光学系であり、半円柱のレンズを並べたレンチキュラーレンズ等を含む。例えば、３次元画像（３Ｄともいう）を表現すること、視線を換えることによって複数の画像を表示すること（チェンジングともいう）ができる。配列としては、後述する図１の例のように１次元的に配列したもの（例えば、シリンドリカルレンズアレイ等）、図６の例のように２次元的に配列したもの（例えば、正方形レンズアレイ等の２次元レンズアレイ）等のマイクロレンズアレイが含まれる。
ここで、ガラス基板を透明として、レンチキュラ画像を表示する媒体と組み合わせることで、３次元画像を表現することや画像がチェンジングすることを表現することが可能となる。また、ガラス基板に直接レンチキュラ画像を形成し、さらにレンチキュラーレンズを形成してもよい。
ここで、レンチキュラ画像とは、予め複数ｎ種類の画像Ｖ1，Ｖ2，…Ｖｎをそれぞれ予め定めたラインずつ、短冊状の画像部分（各画像Ｖiについて、Ｖi,1，Ｖi,1，…）に切断し、Ｖ１からＶｎの画像から切出した短冊状の画像部分を一組として、この組を繰返して、短冊の長手方向に対する方向（長手方向に直交する方向）に配列したものである。つまり順次、Ｖ1,1，Ｖ2,1，…Ｖn,1，Ｖ1,2，Ｖ2,2…，Ｖn-mというように配列したものである。
このレンズアレイの作成方法として、隔壁ピン止め方法がある。この隔壁ピン止め方法は、樹脂基板を鋭利な刃で引っ掻くことで隔壁を形成し、その隔壁のピン止め効果により流動性樹脂（ＵＶ硬化樹脂など）の流動を抑制する。したがって、作成すべきレンズの形状、サイズに合わせたレンズピッチで隔壁を形成し、その隔壁間に流動性樹脂を吐出することで、その形状のレンズを形成できる。レンズの曲率（焦点距離）は吐出する流動性樹脂の体積で制御する。この隔壁ピン止め方法によるレンズ製造方法は、レンズピッチ、焦点距離、レンズサイズを変更できる。本実施の形態は、この隔壁ピン止め方法を用いるものである。

一方、この隔壁ピン止め方法では、基板表面に傾きやうねりがあると、それに追従して刃を微動させなくてはならず、隔壁の高さのばらつきを抑制することが困難である。
そこで、基板をガラス基板として、そのガラス基板の表面に樹脂溶液を塗布して透明な膜を形成する。このようにすると、ガラス基盤が刃に対してストッパーの役割をするために、隔壁の高さのばらつきを抑制できる。
また、この隔壁ピン止め方法では、刃で樹脂基板面を引っ掻くことで隔壁を形成するために、レンズとして機能しない領域である溝部（刃を用いて引っ掻いた部分）をも形成してしまう。溝部は開口率を低下させるため、溝幅を小さくすることが望ましい。
溝幅を小さくするためには、先端の角度が小さい刃（薄い刃）を用いて、溝深さを小さくする必要がある。また、隔壁高さ（又は溝幅）のばらつきを抑制するためには、溝深さ（切り込み深さ）を一定にする必要がある。これら（溝深さを小さくして、溝深さを一定にすること）を両立させることが、開口率の低下を抑制したマイクロレンズアレイの作製には望ましい。なお、ここで先端の角度が小さい刃とは、予め定められた値よりも刃の先端の角度が小さければよい。
ところが、基板表面に傾きやうねりがあると、それに追従して刃を微動させなくてはならず、上記を両立させることが困難になる。基板をガラス基板として、そのガラス基板の表面に樹脂溶液を塗布して、０．０５ミクロン以上２０ミクロン以下の厚さである透明な膜を形成する。このようにすると、ガラス基盤が刃に対してストッパーの役割をし、溝深さを小さくして、かつ隔壁の高さのばらつきを抑制できる。また、溝深さを小さくすると、隔壁作製時に形成される溝の幅が小さくなり、その分レンズが占める面積を増やすことができるので、高開口率のレンズアレイを実現することが可能となる。

図１、図３を用いて、本実施の形態のレンズアレイの製造方法例を示す。
ステップＳ３０２では、ガラス基板１１０を作成する。図１（ａ）の例に示すように、ガラス基板を予め定められた大きさに切断して、ガラス基板１１０を作成する。なお、ガラス基板１１０は透明である。
ステップＳ３０４では、ガラス基板１１０の表面に樹脂溶液を塗布することによって薄膜を形成する。図１（ｂ）の例に示すように、ガラス基板１１０の表面に薄膜１２０を形成する。以下、ガラス基板１１０という場合は、表面に薄膜１２０が形成されたガラス基板１１０をいう。ここで、薄膜１２０の厚さは、０．０５ミクロン（μｍ）以上２０ミクロン以下である。望ましくは０．２μミクロン以上２０ミクロン以下である。

ステップＳ３０６では、ステップＳ３０４の処理が施されたガラス基板１１０の表面に、刃（Ｂｌａｄｅ）によって隔壁を形成する。図１（ｃ）の例に示すように、ガラス基板１１０の表面にある薄膜１２０を鋭利な刃１３０でスクラッチして、隔壁（隔壁１３２ａ、隔壁１３２ｂ等）を形成する。ここで、「刃によって隔壁を形成」とは、薄膜１２０に刃１３０を切り込ませて、溝（溝１３２等）を作り、その刃１３０の両側に薄膜１２０を盛り上がらせることによって隔壁（隔壁１３２ａ、隔壁１３２ｂ等）を作成することである。なお、刃１３０に対して、ガラス基板１１０がストッパーとして働き、薄膜１２０の部分だけで隔壁（隔壁１３２ａ、隔壁１３２ｂ等）を作成することになる。
図１（ｃ）の例に示す説明領域１５０の断面図を、図２の例に示す。薄膜１２０があるガラス基板１１０に対して、刃１３０を切り込ませると、薄膜１２０が盛り上がって溝１３２ができ、その両側に隔壁１３２ａ、隔壁１３２ｂができる。なお、隔壁間とは、２回（又は２本）の刃の切り込みによって、形成された隔壁の間のことをいう。つまり、刃の切り込みによって形成される２つの隔壁によって形成された４つの壁面のうち、隔壁の外壁側（溝を構成する壁面ではない側の壁面）によって形成されるレンズ形成用の領域である。図１（ｃ）の例では、隔壁１３２ａと隔壁１３４ｂの間の領域である。

また、刃１３０の硬度をＢ、薄膜１２０の硬度をＦ、ガラス基板１１０の硬度をＳとした場合、Ｓ＞Ｆの関係が成り立つようにしてもよい。さらに、Ｂ＞Ｓ＞Ｆの関係が成り立つようにしてもよい。また、望ましくは、Ｂ≧Ｓ≧１０×Ｆの関係が成り立つようにしてもよい。
なお、硬度として、線形性が成り立つ硬度であり、例えば、ビッカース硬度（ＨＶ）、ロックウェル硬度等がある。例えば、刃１３０として合金工具鋼（ビッカース硬度Ｂ：７００ＨＶ）、薄膜１２０としてポリカーボネート膜（Ｆ：１３ＨＶ）、ガラス基板１１０（Ｓ：５５０ＨＶ）がある。
また、Ｓ＞Ｂ＞Ｆの関係が成り立つようにしてもよい。Ｓ＞Ｂのためガラス基板１１０に引っ掻き傷がつきにくい。例えば、刃１３０としてＳＵＳ３０４（ビッカース硬度Ｂ：５１０ＨＶ）、薄膜１２０としてポリカーボネート膜（Ｆ：１３ＨＶ）、ガラス基板１１０（Ｓ：５５０ＨＶ）がある。
なお、ガラス基板１１０と刃１３０は相対的に移動（ガラス基板１１０、刃１３０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、ガラス基板１１０上で刃１３０をスライドさせてもよいし、ガラス基板１１０に刃１３０を押し当ててガラス基板１１０を移動させてもよい（以下、同様）。

ステップＳ３０８では、生成された隔壁に囲まれた孔にレンズ材の樹脂を滴下等する。図１（ｄ）の例に示すように、ステップＳ３０６によって形成された隔壁間（隔壁１３２ａと隔壁１３４ｂ等の間）に、液状の樹脂（ＵＶ硬化樹脂１６２等）を吐出又は塗布する。液状の樹脂として、例えば、ＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎ）硬化樹脂であるＮＯＡ６５（ＮｏｒｌａｎｄＰｒｏｄｕｃｔｓ社製）等がある。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。また、熱溶融させた高分子（熱可塑性樹脂）であってもよい。

ステップＳ３１０では、樹脂の硬化処理を行う。つまり、ステップＳ３０８によって吐出又は塗布された液状の樹脂を硬化させることによってレンズを形成する。具体的には、ＵＶ硬化樹脂であれば、ＵＶ光源１９０のＵＶ光照射により硬化させる。熱溶融させた熱可塑性樹脂を用いる場合は、冷却することにより硬化させる。もちろんのことながら、液状の樹脂は硬化させた状態で透明である。
この製造方法によって、ガラス基板と、前記ガラス基板に積層され、複数の隔壁が形成された透明な膜と、前記複数の隔壁間に設けられ、樹脂によって形成された凸型のレンズとを有するレンズアレイができあがる。

次に、図４、図５の例を用いて、隔壁ピン止め方法によるレンズ幅、曲率制御について説明する。
図４は、隔壁を形成して、レンズアレイを製造する方法（隔壁ピン止め方法の原理）の一例を示す説明図である。ここでは、説明を簡単にするために、１つの刃１３０で隔壁を形成し、１つの樹脂滴下装置４４０で樹脂を滴下している。もちろんのことながら、ここでのガラス基板１１０には薄膜１２０がある。
図４（ａ１）に例示するように、刃１３０で切削させる走査を行って溝１３２を形成し（ガラス基板１１０の表面（薄膜１２０）に溝１３２の切り込みを入れ）、溝１３２の両端に隔壁１３２ａ、隔壁１３２ｂを形成する。図４（ａ２）の例は、刃１３０がガラス基板１１０に切り込みを入れた場面の断面を示したものである。
次に、図４（ｂ）に例示するように、刃１３０をピッチ４３０の距離だけ移動させ、切り込みを入れ（溝１３４、溝１３６）、隔壁１３４ａ、１３４ｂ、１３６ａ、１３６ｂ等を形成する。ピッチ４３０は、隔壁間の距離であり、レンズ幅となる。つまり、ピッチ４３０を制御することによって、レンズ幅を制御する。
図４（ｃ）に例示するように、隔壁間（例えば、隔壁１３２ｂと隔壁１３４ａの間）に、樹脂滴下装置４４０によってＵＶ硬化樹脂（ＵＶ硬化樹脂１６２等）を吐出する。樹脂の吐出量により曲率制御をする。

図５は、曲率制御（屈曲面によるピン止め効果）の例を示す説明図である。図５（ａ）の例に示すように、板状の平らな表面（薄膜１２０のあるガラス基板１１０）にある液体（ＵＶ硬化樹脂１６２等）の液体界面の接触角をθとする。図５（ｂ）の例に示すように、板状の角（平面となす角の角度α）に液体がある場合は、ピッチ制御によって「接触角＞θ＋α」を満たすまで移動できない。したがって、薄膜１２０のあるガラス基板１１０の隔壁頂点部の役割として、接触角はθからθ＋αまでの任意の角度をとれることとなり、液滴の量により曲率制御を行うことができる（例えば、「Ｊ．Ｆ．Ｏｌｉｖｅｒｅｔａｌ，Ｊ．ＣｏｌｌｏｉｄｓａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅＳｃｉ，５９，５６８（１９７７）」を参照）。

次に、図６、図７を用いて、隔壁ピン止め方法による２次元レンズアレイの製造方法について説明する。もちろんのことながら、ここでのガラス基板１１０にも薄膜１２０が形成されている。
この製造方法は、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６、図７を用いて説明する。図６は、レンズアレイの製造方法の例を示す説明図である。図７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Ｓ７０２では、図６（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、薄膜１２０が形成されたガラス基板１１０に対して、刃（Ｂｌａｄｅ）６１０によって垂直方向の溝（溝６２０、６３０、６４０等）をつけることによって隔壁（隔壁６２２、６２４、６３２、６３４、６４２、６４４等）を生成する。

ステップＳ７０４では、図６（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Ｓ７０２とは異なる方向（例えば、ステップＳ７０２の方向と垂直である方向）での隔壁形成を行う。ガラス基板１１０に対して、刃６１０によって水平方向の溝（溝６７０、６８０等）をつけることによって隔壁（隔壁６７２、６７４、６８２、６８４等）を生成する。例えば、隔壁６４４、６５２、６７４、６８２によって１つの正方形開口が形成される。
なお、このステップＳ７０４では、刃６１０をガラス基板１１０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。レーザー光によるアブレーションにより溝構造を形成してもよい。また、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、隔壁によって囲まれた領域の形状のことをいう。
ステップＳ７０２、ステップＳ７０４の処理によって、図２の例に示すように、薄膜１２０による開口が形成される。

ステップＳ７０６では、図６（ｃ）の例に示すような樹脂滴下装置６９６による液状樹脂の吐出を行う。薄膜１２０の第１の隔壁（隔壁６２２、６２４、６３２、６３４、６４２、６４４等）と第２の隔壁（隔壁６７２、６７４、６８２、６８４等）によって囲まれた領域（ここでは、正方形）に液状樹脂（樹脂６２６、６３６、６４６、６５６等）を充填する。つまり、ガラス基板１１０に生成された隔壁に囲まれた孔にレンズ材の樹脂６３６等を滴下する。液状樹脂の表面張力によりレンズ形状の樹脂６２６、６３６、６４６、６５６等によって、アレイを形成する。ここで、液状樹脂は、ＵＶ硬化樹脂であってもよいし、熱溶融させた熱可塑性樹脂であってもよい。

ステップＳ７０８では、図６（ｄ）の例に示すようなＵＶ光源６９８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。

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。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。
例えば、ステップＳ３０４とステップＳ３０６との間に薄膜１２０の表面に対して親液性を高める表面処理を施してもよい。「親液性の表面処理」とは、薄膜１２０の表面を、レンズの材料となる液状樹脂に対して親液性（接着性が大）があるようにすることである。ここで、「親液性」の定義として、液状樹脂の液滴とその表面とのなす角度である接触角が９０度以下となることである。ここでの表面処理として、種々の物理的・化学的処理が適用可能である。例えば、薄膜１２０よりも親液性の高い液体を塗布すること、コロナ放電、プラズマ処理（Ａｒなど）、ＵＶ（オゾン）処理（なお、フッ素系は効果が小さい）、シランカップリング剤等によって、薄膜１２０の表面を親液性とする。この表面処理の後に、刃によって隔壁を形成（ステップＳ３０６）すると、薄膜１２０の表面より溝内部（親液性の表面処理が施されていない薄膜１２０の内部が露出している部分）の親液性が低くなることから、溝内部にレンズ材の樹脂が入り込んでしまうことを抑制することができる。

１１０…ガラス基板
１２０…薄膜
１３０…刃
１３２…溝
１３２ａ、１３２ｂ…隔壁
１３４…溝
１３４ａ、１３４ｂ…隔壁
１３６…溝
１３６ａ、１３６ｂ…隔壁
１３８…溝
１３８ａ、１３８ｂ…隔壁
１４０…溝
１４０ａ、１４０ｂ…隔壁
１６２…ＵＶ硬化樹脂
１９０…ＵＶ光源
４４０…樹脂滴下装置

Claims

ガラス基板の表面に樹脂溶液を塗布して透明な膜を形成する膜形成ステップと、
前記膜形成ステップによって膜が形成された前記ガラス基板の表面に親液性の表面処理を施す表面処理ステップと、
前記表面処理ステップによって表面処理された前記ガラス基板の表面に、刃によって隔壁を形成する隔壁形成ステップと、
前記隔壁形成ステップによって形成された隔壁間に、液状の樹脂を吐出又は塗布する吐出塗布ステップと、
前記吐出塗布ステップによって吐出又は塗布された液状の樹脂を硬化させることによってレンズを形成するレンズ形成ステップ
を具備することを特徴とするレンズアレイ製造方法。
前記刃の硬度は前記ガラス基板の硬度よりも高く、前記ガラス基板の硬度は前記膜の硬度よりも高い
ことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ製造方法。
前記膜の厚さは、０．０５ミクロン以上２０ミクロン以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズアレイ製造方法。