JPH0675105A - レンズアレイ板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細レンズの大面積な細密アレイ板もアレイ
精度よく、かつ各レンズの画一性よく容易に製造できて
開口率、量産性に優れる屈折率分布型のレンズアレイ板
及びその製造方法を得ること。 【構成】 透明基材（１）中に外縁が多角形で屈折率分
布を有するレンズ領域（１１）を複数形成してなるレン
ズアレイ板、及び感光性の屈折率調節剤を含有する透明
基材の複数箇所に、光強度分布を有するレーザー光を多
角形な開口部を有する光マスクを介して照射し、前記屈
折率調節剤を透明基材中に定着させて外縁が多角形のレ
ンズ領域を複数形成するレンズアレイ板の製造方法。 【効果】 多角形な外縁と同心円に近い等屈折率分布の
レンズ領域を有して開口率と伝送効率に優れるアレイ板
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外縁が多角形な屈折率
分布型のレンズ領域を有して開口率に優れるレンズアレ
イ板及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、屈折率分布型のレンズアレイ板と
しては、クラッド形成管の内側に組成を変化させながら
レンズ形成材を堆積させる方法、又はロッド状レンズの
外周より屈折率を変化させる物質を含浸させる方法、あ
るいは異屈折率モノマー含有の樹脂母体の外周より異屈
折率モノマーを揮散させたのち残存モノマーを重合処理
する方法で得た母材より所定長のプリフォームを切り出
して加熱延伸処理し、その延伸体を束ねて接着剤で固着
し、両面を研磨したものが知られていた。

【０００３】しかしながら、形成までに複雑でかつ煩雑
な作業を要して量産性に乏しいうえに柔軟性に劣り、ク
ラッド層や接着剤層が介在して開口率に乏しく、延伸体
を束ねる際の加圧で各レンズ断面が種々に変形して不均
一となりやすく集光率等のレンズ効率に乏しくて大面積
板の製造も困難な問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、微細レンズ
の大面積な細密アレイ板もアレイ精度よく、かつ各レン
ズの画一性よく容易に製造できて開口率、量産性に優れ
る屈折率分布型のレンズアレイ板及びその製造方法の開
発を課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明基材中に
外縁が多角形で屈折率分布を有するレンズ領域を複数形
成してなることを特徴とするレンズアレイ板、及び感光
性の屈折率調節剤を含有する透明基材の複数箇所に、光
強度分布を有するレーザー光を多角形な開口部を有する
光マスクを介して照射し、前記屈折率調節剤を透明基材
中に定着させて外縁が多角形のレンズ領域を複数形成す
ることを特徴とするレンズアレイ板の製造方法を提供す
るものである。

【０００６】

【作用】光強度分布を有するレーザー光を照射して透明
基材中の感光性屈折率調節剤を定着処理することによ
り、レーザー光の強度分布に基づいて屈折率調節剤の定
着量に部分的な相違を持たせることができ、これにより
屈折率分布を形成することができる。その場合レーザー
光の強度分布は通例、ガウス分布を示すことからそのガ
ウス分布に基づいて屈折率が連続的に変化するレンズ領
域を形成することができる。

【０００７】前記においてレーザー光を多角形な開口部
を有する光マスクを介して照射することにより、外縁が
多角形なレンズ領域を形成できてレンズ領域が隣接した
最密アレイを有利に達成でき開口率の向上をはかること
ができる。レンズ領域における屈折率の分布状態は、光
強度分布を有するレーザー光の照射量や走査で任意に制
御でき、その照射量は照射時間、レーザー光のビーム位
置、照射スポットの大きさなどにより調節することがで
きる。またレンズの半径方向に屈折率が増大するものと
するか減少するものとするかは、用いる屈折率調節剤の
選択により、すなわち透明基材の屈折率を低下させるも
のを用いるか増大させるものを用いるかにより制御する
ことができる。

【０００８】従って上記によれば、透明基材へのレーザ
ー光の照射でレンズアレイ板を効率的に形成できて量産
性に優れると共に大面積板の製造も容易である。また画
一的なレンズ領域を規則的に形成することが容易でレン
ズ領域を精度よくアレイでき、レンズ領域が隣接した高
密度の配置を達成できて開口率の大きいものを得ること
ができる。さらに透明基材の適宜な選択で柔軟性等の物
性を容易に付与することができる。

【０００９】

【実施例】本発明のレンズアレイ板は、外縁が多角形で
屈折率分布を有するレンズ領域を透明基材中に複数形成
してなるものである。その例を図１に示した。１が透明
基材、１１がレンズ領域である。

【００１０】かかるレンズアレイ板の製造は、例えば感
光性の屈折率調節剤を含有する透明基材の複数箇所に、
光強度分布を有するレーザー光を多角形な開口部を有す
る光マスクを介して照射し、前記屈折率調節剤を透明基
材中に定着させて外縁が多角形のレンズ領域を複数形成
することにより行うことができる。

【００１１】用いる感光性の屈折率調節剤を含有する透
明基材は、例えばモノマー、オリゴマー、樹脂、ガラ
ス、その他の無機物などからなる適宜な材料を少なくと
も１種類の光反応性物質を含有する組合せで用いて、レ
ーザー光の照射によりその光反応性物質からなる屈折率
調節剤が定着して、レンズとして使用する場合の波長光
に対して透明性を示すものが形成されるようにしたもの
であればよい。

【００１２】一般に用いられる感光性屈折率調節剤含有
の透明基材としては、ポリマーやガラス、無機結晶、そ
れらの複合物などからなる母材中に、光重合性モノマー
ないし光重合性の異なる２種以上のモノマーや感光性ガ
ラス等からなる屈折率調節剤を含有させたものなどがあ
げられる。屈折率調節剤の含有量は、目的とする屈折率
分布等に応じて適宜に決定してよいが、一般には母材１
００重量部あたり３００重量部以下、就中１５０重量部
以下の屈折率調節剤が含有させられる。なお透明基材に
は必要に応じて光反応開始剤や光増感剤なども含有させ
られる。

【００１３】透明基材としては、レンズとして使用する
場合の波長光に対して透明性を示す適宜なものを用いう
る。柔軟なマイクロレンズ板の形成にはポリマー系の透
明基材が好ましい。そのポリマーとしては、例えばポリ
オレフィン、各種合成ゴム、ポリ塩化ビニル、ポリエス
テル、ポリアミド、セルロース、ポリビニルアルコー
ル、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステ
ル、ポリウレタン、ポリウレタンアクリレート、エポキ
シアクリレートなどがあげられる。透明基材はレーザー
光を照射する段階で固体である必要はなく、レーザー光
照射後の加熱処理や露光処理等の適宜な処理で固体化し
うるものであってもよい。透明基材の厚さは、目的とす
るレンズ効果等に応じて適宜に決定してよく、一般には
１０μm〜１０mmとされる。

【００１４】屈折率調節剤として例示した前記の光重合
性モノマーや感光性ガラスは、レーザー光の照射でモノ
マー同士や母材を介して重合、硬化、付加、化合などし
て定着するものであるが、本発明においてはその定着の
種類については特に限定はなく、基材より容易に分離し
ない状態にあればよい。また必要に応じて現像処理、加
熱処理、前露光処理、後露光処理、溶剤処理などにより
定着状態を補強することもできる。

【００１５】従って感光性の屈折率調節剤としては、レ
ーザー光の照射でその照射強度に応じた例えば重合度や
重合率、硬化度や架橋度、付加率などの変化（分布）に
より異なる屈折率状態を形成する適宜なものを用いう
る。

【００１６】前記の如く本発明の方法においては、形成
レンズ領域における屈折率の変化（分布）は、屈折率調
節剤の定着量を変化させて濃度分布をもたせることによ
り付与するものであるが、その付与は光強度分布を有す
るレーザー光の照射により行うことができる。

【００１７】レーザー光の照射には、屈折率調節剤やそ
の他の例えば光重合開始剤、光増感剤などの光反応性材
料の反応波長に応じ適宜なレーザー発振器を用いうる。
好ましくは、円形状のビーム断面を形成できて、光の強
度分布として０次又は１次のガウス分布を示すものであ
る。好ましいレーザー光の照射波長は、２００〜６５０
nmであり、従って紫外線レーザーなどが好ましく用いう
る。

【００１８】一般に用いられるレーザー発振器の例とし
ては、エキシマレーザー、アルゴンレーザー、ヘリウム
・カドミウムレーザーなどの比較的短波長のレーザー光
を発振するものがあげられる。光重合開始剤や光増感剤
の組合せによっては、ヘリウム・ネオンレーザーなども
用いうる。またＹＡＧレーザーなどの長波長レーザーを
必要に応じて例えば３次高調波等に波長変換して用いる
こともできる。

【００１９】図２にレーザー発振器を配置した製造装置
を例示した。これは、レーザー発振部２と、シャッター
３と、光マスク４と、レンズ、鏡、フィルター等からな
る集光部５と、ミラー等からなる走査用光学系６よりな
る。処理対象の透明基材７へのレーザー光（矢印）の照
射は、レーザー発振部２より発振させたレーザー光を集
光部５を介し集光して照射スポットの大きさを調節し、
それを走査用光学系６を介し透明基材側に反射させるこ
とにより行うことができる。走査用光学系６の制御で照
射位置や走査軌跡が調節される。

【００２０】シャッター３は、レーザー発振部２より発
振させたレーザー光の集光部５への通過を制御するため
のものであり、かかるシャッターは集光部や走査用光学
系と連動して制御できることが好ましい。その制御は、
パーソナルコンピューター程度の装置で容易に行うこと
ができる。

【００２１】光マスク４は、レーザー光の照射形状を制
御するためのもので本発明においては多角形な開口部を
有するものが用いられる。これにより外縁が多角形のレ
ンズ領域が形成される。図３〜図６に多角形な開口部４
１を有する光マスク４を例示した。開口部を形成する多
角形については特に限定はないが、レンズ領域が隣接し
た最密配置による開口率の向上の点よりは正三角形を含
む二等辺三角形、正方形、長方形、六角形などが好まし
く、特に図５に例示の如き正六角形が好ましい。なお光
マスクにおける開口部は、空隙である必要はなく光透過
性を有していればよい。また開口部の光透過性は一様で
ある必要はなく、部分的に異なるものであってもよい。

【００２２】光マスク４は、レーザー発振部２と処理対
象の透明基材７との間の適宜な位置に配置することがで
きる。レンズ領域を隙間なく隣接配置する点よりはレー
ザー発振部２と走査用光学系６との間が好ましく、形成
するレンズ領域の形状等の制御も勘案した場合には図２
の如く、レーザー発振部２と集光部５との間が好まし
い。なお光マスク４は、その開口部の中心がレーザー光
の中心と可及的に一致するように配置することが形成レ
ンズ領域の制御等の点より好ましい。

【００２３】形成するレンズ領域の制御は、前記の光マ
スクのほか例えばレーザー光の照射時間や強度、レーザ
ー光のビーム位置、照射スポットの大きさ、フィルター
や透過率分布型光マスクによる減光等の強度制御、走査
の経路や速度などにより行うことができる。本発明にお
いては、非走査で所定時間照射することによりガウス分
布等に基づく滑らかなカーブを有して屈折率が連続的に
変化する領域を形成することもできるし、レーザー光を
走査させて任意なレンズ領域を形成することもできる。
その場合、照射スポットの大きさは通例０．０１〜２０
０mm程度とされる。

【００２４】形成するレンズ領域の径、厚さ、焦点距離
等は任意で、レンズ領域の表面形状も例えば平面状、凸
状、凹状、それらの組合せなど任意である。レンズ領域
のアレイ数や配置状態も任意である。開口率の点よりは
上記したようにレンズ領域が隣接した最密配置とするこ
とが有利であり、特に図７に例示の如く隣接する各レン
ズ領域の外縁の一部が重畳した外縁共有状態が好まし
い。かかる配置状態の形成は、例えばレーザー光の照射
位置をその照射スポットの大きさにあわせて制御するこ
とにより行うことができる。

【００２５】レンズ領域における屈折率の分布状態は使
用目的や表面形状などに応じて適宜に決定できる。伝送
効率の点よりはその等屈折率線の形状が図７に例示の如
く、外縁の内部において円形に近いほど、また正多角形
に近いほど好ましく、さらに同心状の等屈折率線を示す
分布状態が好ましい。特に平面レンズの場合には、レン
ズ領域の中心を頂点とする二次曲線分布が好ましい。そ
の場合、当該頂点を極大とすることにより凸レンズ的
に、極小とすることにより凹レンズ的に作用するレンズ
領域とすることができる。また屈折率分布を調節するこ
とで非球面レンズ的に作用するレンズ領域とすることも
できる。なおレンズ領域における屈折率の大きさや、そ
の分布における屈折率差の大きさは、レンズ領域の径や
厚さ、性能、最寄りのレンズ領域間距離などにより適宜
に決定してよい。

【００２６】レーザー光の照射による屈折率調節剤の定
着処理を終えると、上記した必要に応じての例えば現像
処理、加熱処理、露光処理、溶剤処理などの一つとし
て、透明基材中に残存する未定着の屈折率調節剤の除去
処理が施される。かかる除去処理は、溶剤による抽出処
理や加熱による揮発化処理など、含有の屈折率調節剤に
応じた適宜な方式で行うことができる。

【００２７】本発明のレンズアレイ板は、光学装置やオ
プトエレクトロニクス装置などに種々の目的で用いるこ
とができる。特に微細レンズのアレイ板は、液晶表示装
置の視認性の向上、ないし表示の良好化などに好ましく
用いうる。すなわち、液晶表示装置の液晶パネルを透過
した種々の方向に進む画像形成光からレンズアレイ板を
介して液晶層を垂直、ないしそれに近い角度で透過した
光線のみを取出すことにより、視角によるコントラスト
の低下や表示の反転、あるいは色相の変化などが抑制さ
れて良好な表示を得ることができる。

【００２８】実施例１ 溶液重合して得たポリメチルアクリレート１０部（重量
部、以下同じ）とトリブロモフェノキシエチルアクリレ
ート（屈折率１．５６）１０部を酢酸エチル２０部を用
いて光重合開始剤（イルガキュア６５１、チバガイギー
社製、以下同じ）０．１部と共に混合し、その溶液を暗
所における通常のキャスト方式にて展開して厚さ１００
μmのフィルムを形成し、それにヘリウム・カドミウム
レーザーを走査させながら光マスクを介して１．２mmの
スポット径で１スポットあたり２秒間の照射条件で形成
領域が隣接した最密配置となるように照射したのち、メ
タノール中に浸漬して未反応のトリブロモフェノキシエ
チルアクリレートを抽出除去し、屈折率分布型の柔軟な
レンズアレイ板を得た。なお前記の光マスクは、正六角
形の開口部を有するものでこれをシャッターと集光部の
間にレーザー光中心と開口部中心が同心状になるように
配置した（図２）。

【００２９】比較例１ 光マスクを用いないほかは実施例１に準じてレンズアレ
イ板を得た。

【００３０】比較例２ ポリスチレンからなるロッドに浸漬含浸させたメタクリ
ル酸メチル１００部とベンゾフェノン１部の混合溶液を
重合処理して得た屈折率分布型ロッドを加熱延伸し、得
られたファイバーを切断後それを束ねて加圧下にエポキ
シ樹脂で接着し、その両面を切断除去して切断面を光学
研磨し、レンズアレイ板を得た。

【００３１】評価試験 実施例、比較例で得たレンズアレイ板におけるレンズ領
域単位についてその屈折率分布を微分干渉顕微鏡（カー
ルツァイス・イエナ社製）にて測定した。その結果を中
心部の屈折率を基準とする差として図７〜図９に示し
た。図７が実施例１の場合であり、図８が比較例１、図
９が比較例２の場合である。なおいずれの場合も屈折率
差が−０．０３の等屈折率線間における中心部を通る水
平距離がほぼ１mmであった。

【００３２】図７より、実施例１では屈折率がほぼ連続
的に変化していることがわかり、開口率はほぼ９５％で
あった。この開口率は、円形のレンズ領域を最密配置し
た場の開口率（７８．５％）を大幅に上回るものであっ
た。また形成レンズ領域はその外縁がほぼ正六角形で隣
接領域間で共有された状態にあり、内部における屈折率
分布は円形に近い同心状の等屈折率線を示すものであっ
た。一方、比較例１では屈折率分布を示さない部分が多
く占めて開口率は約７０％％であった。また比較例２で
は約９０％の開口率を示したものの六角形の等屈折率線
からなる屈折率分布を示し、伝送効率に劣るものであっ
た。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、多角形な外縁と同心円
に近い等屈折率分布のレンズ領域を有して開口率と伝送
効率に優れるアレイ板を得ることができる。またレーザ
ー光方式により屈折率分布型の微細なレンズ領域も形状
の画一性よく高精度にアレイでき、柔軟な大面積板も容
易に量産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の部分断面斜視説明図。

【図２】製造装置の説明図。

【図３】光マスクの平面図。

【図４】他の光マスクの平面図。

【図５】他の光マスクの平面図。

【図６】他の光マスクの平面図。

【図７】屈折率の分布状態を示した図。

【図８】他の屈折率の分布状態を示した図。

【図９】他の屈折率の分布状態を示した図。

【符号の説明】

１：透明基材 １１：レンズ領域 ２：レーザー発振器 ３：シャッター ４：光マスク ４１：開口部 ５：集光部 ６：走査用光学系 ７：照射対象の透明基材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 英 大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号 日東 電工株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基材中に外縁が多角形で屈折率分布
   を有するレンズ領域を複数形成してなることを特徴とす
   るレンズアレイ板。
2. 【請求項２】 感光性の屈折率調節剤を含有する透明基
   材の複数箇所に、光強度分布を有するレーザー光を多角
   形な開口部を有する光マスクを介して照射し、前記屈折
   率調節剤を透明基材中に定着させて外縁が多角形のレン
   ズ領域を複数形成することを特徴とするレンズアレイ板
   の製造方法。