JP2010223975A - レンズアレイの製造方法及びレンズアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単にレンズ配置精度が高く個々のレンズの光学的性能が高くかつ揃っている三次元画像用レンズアレイ及びその製法を提供する。
【解決手段】レーザープロッタや電子ビーム露光装置を利用して製作された直径も形状も配置精度も精巧な複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板の該円板状凸部の各々に一定量の液状樹脂を滴下し、該液状樹脂の表面張力でできたドーム形状の状態で該液状樹脂を硬化させることで表面張力による精巧な球面が得られ個々のレンズが光学特性に優れるとともに光学特性が揃いかつ配置精度に優れた三次元画像用レンズアレイを得る。
【選択図】図１０

Description

本発明は、特に、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）やインテグラルビデオグラフィー（ＩＶ）に重要な微小凸レンズアレイを高精度かつ容易に製作する方法に関する。

三次元画像表示方法の一つである「インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）」や、その画像群の表示を電子化し動画にも対応させた「インテグラルビデオグラフィー（ＩＶ）」においては、微小凸レンズを二次元的に並べた凸レンズアレイとその焦点面に配した画像群を組み合わせることにより、１．特殊なメガネを掛けることなく裸眼で三次元像が観察できる。２．複数の観察者が同時に観察できる。３．観察者が上下左右前後に移動しても空間に定位した三次元像が得られ、かつ三次元像に歪が無い、といった優れた特長をもつ三次元画像が得られる。

この方式は約１００年前に提案されていて、理論的に優れた三次元像を記録再生可能な優れた方式であるにもかかわらず、現在でも未だ広く実用に供されるには至っていない。その大きな原因はこのレンズアレイの製造の難しさにある。

個々のレンズが結像レンズであるため、光学的に優れたレンズであることと、焦点距離等がよく揃っていること、レンズの配置精度が優れていること等が要求されるが、例えば樹脂板を直接切削や研削で加工しようとしても、凸面が並んでいる面を製作しなければならないことから、切削工具が隣のレンズ表面と干渉し、加工できない。樹脂板を熱プレス成形する金型であれば、凹面が並んだ形状なのでその加工時に隣のレンズ表面が切削工具と干渉することは避けられるが、高画質の三次元像を得るためのレンズアレイなら、レンズの個数が数万個から数十万個必要で、これだけの個数の精密な窪みを欠陥無く加工することは極めて困難であった。

簡単な製造方法として、光硬化インクをスクリーン印刷する方法が知られている。この製法を簡単に説明すると、円形開口が規則正しく配列された厚みのあるスクリーンと透明な光硬化インクを用いて透明基板に印刷し、透明インクが厚く塗られた円形部分が規則正しく並んだ印刷物が作られる。印刷して数秒から数十秒経つと、透明インクはそれ自身の表面張力で表面が球面に近くなるので、その頃を見計らって光を当て透明インクを硬化させると、透明基板に凸レンズが規則正しく並んだもの（レンズアレイ）ができる。

この製法で製作されたレンズアレイが三次元画像用として用いられることも多いが、印刷時にスキジーの移動に伴うスクリーンの移動により、レンズの配置精度を高精度にすることが難しく、また、厚く印刷された円形状のインクは硬化させるまで徐々に周囲に広がり、出来上がる各レンズの半径を安定させにくい。さらに、個々のレンズの外形が細かい凹凸のある円形で真円ではなく、印刷の僅かな条件の変化で、インクの付着量が変化し、出来上がるレンズの直径が揃わないこともしばしば生じ、レンズアレイ全域に特性の揃った高精度の光学レンズが並んだレンズアレイを得るのが困難な製法であった。

三次元画像の記録再生に使用するレンズアレイは、高性能なものは製作が非常に困難であったし、スクリーン印刷を用いた簡単な製法では高性能なものが製作できなかった。

各レンズの配置や特性が悪いと、ボケの大きい三次元像しか得られなかったり、見る方向により異なる歪みを持つ三次元画像となり、高品質の三次元画像が得られない。

そこで、本発明は、スクリーン印刷を用いた簡単な製法の長所を踏襲しながら、レンズ配置精度を高め、個々のレンズの光学的性能を高める方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、第一の発明は、複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板の該円板状凸部の各々に一定量の液状樹脂を滴下し、該液状樹脂の表面張力でできたドーム形状の状態で該液状樹脂を硬化させたことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

また、第二の発明は、液状樹脂として光硬化樹脂を使用し、ドーム形状の状態で光を当て該液状樹脂を硬化させたことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

第三の発明は、複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、板ガラスの表面に二次元的に配列した円形部を残して周囲をエッチングした基板を使用したことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

第四の発明は、複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、板ガラスあるいは透明樹脂板の表面に感光性樹脂を積層し、該感光性樹脂に二次元的に配列した円形部が硬化するように光を当て、該感光性樹脂板の未露光部分を削除した基板を使用したことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

第五の発明は、複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、感光性樹脂の表面に二次元的に配列した円形部を有する乾板を通して光を当てて硬化させ、該感光性樹脂板の未露光部分を削除したものを使用したことを特徴とする三次元画像用レンズアレイ及びレンズアレイ製造方法である。

第一の発明〜第五の発明によれば、レンズアレイの個々の凸レンズ形状を透明樹脂の表面張力でレンズを製作するという点はスクリーン印刷法と同様で金型が不要だという大きな特長を持ちながら、写真製版等の技術でレンズ配置を決めることで配置精度を上げ、ディスペンサ装置を用いることで個々のレンズに必要な光硬化樹脂の量を安定させると共に、直径も形状も配置精度も精巧な円形の凸部に滴下させることで表面張力による球面を精巧なものにできるので、個々のレンズが光学特性に優れ、また光学特性が揃った凸レンズアレイを簡単に製作することができる。

本発明の一実施例によるレンズアレイを製作するための、レンズ形状・寸法・配列パターンが描かれたガラス乾板を示す図 前記ガラス乾板１の断面を示した図 前記ガラス乾板１のパターンを、レンズアレイの基板に転写する工程を示した図 露光、現像、定着、水洗した後のレンズアレイ基板断面図 エッチングしたレンズアレイ基板断面図 エッチング終了後、フォトレジストを除去した後のレンズアレイ基板断面図 エッチング終了後、フォトレジストを除去した後のレンズアレイ基板斜視図 ディスペンサ４を用いてレンズアレイ基板に光硬化樹脂を滴下させている図 ディスペンサが隣の円形台地の上へ移動し、レンズアレイ基板に光硬化樹脂を滴下させている状態を示す図 ディスペンサがさらに隣の円形台地の上へ移動し、レンズアレイ基板に光硬化樹脂を滴下させている状態を示す図 レンズアレイ基板の全ての円形台地に光硬化樹脂を滴下し、光硬化樹脂が円形台地の平坦な頂上全面に拡がるとともに、表面張力で表面が球面の一部になっている状態を示す図 図１１に示した光硬化樹脂に光を当て、硬化させている状態を示す図 図１２に示したレンズアレイを三次元画像用として使用するために、レンズアレイのレンズ部分以外を遮光する遮光板を組み合わせた状態を示す図 本発明の第二の実施例によるレンズアレイを製作する工程の説明図で、第一実施例の図３の工程に相当する図 図１４の状態に光を当て、円形台地にする部分のみ硬化させている状態を示す図 図１５に示した工程の後、硬化していない樹脂を水洗により除去した状態を示す図 図１６に示した基板の斜視図で、頂部が平坦な円形台地が規則正しく並んだ状態を示す図 本発明の第三の実施例によるレンズアレイを製作する工程の説明図で、第一実施例の図３の工程に相当する図 図１８の状態にある程度の拡散性のある光を当て、円形台地群が繋がった形に形成される様子を示す図 図１９に示した工程の後、硬化していない樹脂を水洗により除去した状態を示す図 図２０に示した基板の斜視図で、頂部が平坦な円形台地が規則正しく並んだ状態を示す図

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

本発明の一実施形態を、図１０に示す。

３はレンズアレイの基板となるガラス板で、片側の表面には円板状の凸部が二次元的に規則正しく並んでいる。５はレンズアレイの個々のレンズになる液状の光硬化樹脂で、４は光硬化樹脂を一定量ずつ滴下させることが可能なディスペンサであり、５’は前記円板状の凸部に既に滴下された光硬化樹脂で、樹脂の表面張力によりその表面はほぼ球面になっている状態を示している。

図１０は、このレンズアレイ製造工程の中間段階の一工程を示す図で、詳しく述べると、図１から図１３に示した前後の工程がある。

図１は、該ガラス基板３の円板状の凸部を正確な寸法と配列で製作するためのガラス乾板１で、ガラス乾板にレーザープロッタや電子ビーム露光装置を使用して正確な描画をした後、現像、定着、水洗し、図１に示したように二次元状に規則正しく配列された円形部１ａが光透過部で、残りの斜線部１ｂは遮光部である。

図２は、前記ガラス乾板１の断面を示した図で、ガラス基板１ｃの片面に遮光物が付いた遮光部１ｂと、遮光部がない光透過部１ａからなっている。

図３は、前記ガラス乾板１のパターンを、レンズアレイの基板に転写する工程を示したもので、ガラス基板２ｃの片面にフォトレジスト２ｂを塗布した第２のガラス乾板２のフォトレジスト側に乾板１の遮光層が密着するように重ね、ガラス乾板１側から光を当て、フォトレジスト２ｂを露光する。

図４は、図３で露光した第２の乾板２を現像、定着、水洗した後の断面図である。図に示すように、二次元的に規則正しく配列された円形にフォトレジストが残った部分２ｂ’と、その他のガラス基板の表面が剥き出しになっている部分２ｃ’からなる。

図５は、図４のガラス乾板をエッチングしたもので、フォトレジスト２ｂ’で覆われた部分のガラスはエッチングされず、その他の部分が一様にエッチングされる。

図６は、図５のガラス乾板のエッチング終了後、フォトレジスト２ｂ’を除去した後の断面図である。表面にフォトレジスト２ｂ’の固着していた部分はエッチングされず、表面が平面の円形の台地（メサ台地）状の３ｍになる。

図７は、図６の形状になったガラス基板３の斜視図で、平らな円形の台地３ｍが規則正しく並んでいる。

図１〜図７はガラス基板のエッチングという製法で説明したが、ガラス基板を樹脂基板に置き換えてもよい。

図８は、図６及び図７に示したガラス基板３に光硬化樹脂５をディスペンサ４を用いて滴下させている図である。図には記載していないが、円形台地３ｍの各々の位置で光硬化樹脂を滴下できるように、ガラス基板３とディスペンサ４は相対的に２次元に移動する機構がついている。さらに、意図通り滴下するためにディスペンサ４を上下動させる機構もついている。

図９は、円形台地３ｍのうち一番左のものに滴下し終え、ディスペンサが一つ右の円形台地の上へ移動した状態を示す図で、滴下された光硬化樹脂５’は円形台地３ｍの円形の頂上全体に拡がるが、円系形の頂上周辺は鋭い稜なので光硬化樹脂はこの稜を越えることができず、光硬化樹脂の拡がる範囲はきれいな円形になるとともに、空気に触れている側の表面は表面張力でほぼ球面になり、光硬化樹脂５’は全体としてドーム状になる。

図１０は、図９に示した位置での滴下を終了し、さらに一つ右の円形台地の上に移動した状態を示す図で、次々と光硬化樹脂のドーム５’が形成される様子を説明している。

図１１は、図８〜１０の動作を繰り返し、ガラス基板３の全ての円形台３ｍに光硬化樹脂のドーム５’が形成された状態を示す図である。ここに、各円形台地３ｍの寸法や形状は、レーザープロッタや電子ビーム露光装置を使用して正確な描画をしているために極めてよく揃うし、円形台地３ｍに滴下される光硬化樹脂５の量もコンピュータ制御の精密なディスペンサを用いることで、よく揃えることができ、全ての光硬化樹脂のドーム５’の形状はよく揃ったものになる。

図１２は、全ての光硬化樹脂のドーム５’の形状がよく揃った後、全体に光を当て、光硬化樹脂のドーム５’をほぼそのままの形で硬化させている図である。

ここでは、全ての滴下が終了してから光を当てる方法で説明したが、ディスペンサ４で１個の円形台地３ｍに滴下し、滴下された１個の光硬化樹脂のドーム５’が形成された直後に、その１個の光硬化樹脂のドーム５’のみを硬化させるように光を当てることを、全ての円形台地３ｍに繰り返していく方法もある。

光を当てて、光硬化樹脂のドーム５’をほぼその形状で硬化させた後は、ガラス基板３と硬化した光硬化樹脂のドーム５’が一体化するとともに形状が安定する。その結果、光硬化樹脂のドーム５’による平凸レンズが二次元的に正確に配列されたレンズアレイ６が得られる。ここに、図１〜図７示の工程を樹脂基板に置き換えた場合は、樹脂基板３と硬化した光硬化樹脂のドーム５’が一体化したレンズアレイ６が得られる。

図１３は、このレンズアレイ６を三次元画像用として使用する一例を示したもので、光硬化樹脂で作られたレンズ部分以外はレンズ作用が無いので、この部分を通る光は三次元画像としては不要なので、レンズアレイ６のレンズ配列と同じ配列で。各レンズより若干直径の小さい透明穴が並んだ遮光板７を重ねたものである。このような構造にすることでレンズアレイ６のレンズ作用の無い部分を通る光は無くなり、明瞭な三次元画像の記録再生用として使用することができる。

その他、レンズアレイ６のレンズ作用の無い部分を遮光性の材料で塗りつぶす方法もある。

図１〜図１３に示した実施形態では、光硬化樹脂のドームを形成する基礎となる円形台地群をガラスのエッチングで製作する製法であったが、エッチングを用いないで円形台地群を形成する他の製法を図１４〜図１７に示す。

図１４は、ガラス基板９の片側に、非常に粘度の高い光硬化樹脂８を一定の厚さに塗布したもので、図１〜図２に示したと同様の二次元状に規則正しく配列された円形の光透過部群と、その他の部分が遮光部からなるガラス乾板１を、前記光硬化樹脂８と密着させ、ガラス乾板側から光を当てている状態を示す図である。

図１５は、光硬化樹脂８の光が当たった部分８ａ’（白く図示）は硬化し、光の当たらない部分８ｂ’（斜線部）は未硬化のまま残ることを示している。

図１６は、図１５ように光を当てた後、この光硬化樹脂８’を水洗したものを示していて、未硬化の部分８ｂ’は水洗により除去され、結果として、頂部が平坦な円形の台地９ｍが並んだ基板９’が得られる。

図１７は、図１６の基板９’の斜視図で、平らな円形の台地９ｍが規則正しく並んでいる。図から分かるようにこれは図６〜図７に示した基板とほぼ同様の形状であり、この後図８〜図１３と同じ工程を経て三次元画像用レンズアレイが完成する。

ここに基板はガラス基板の場合で説明したが、勿論、ガラス基板９の代わりに透明樹脂の基板を用いることもできる。

図１８〜図２１に示した実施形態では、図１４〜図１７図示のガラス基板９を不要にする製法である。

図１８は、厚い光硬化樹脂１０に、図１〜図２に示したと同様の二次元状に規則正しく配列された円形の光透過部群とその他の部分が遮光部からなるガラス乾板１を、前記光硬化樹脂１０と密着させ、ガラス乾板側からある程度の拡散性を持つ光を当てている状態を示す図である。

図１９は、図１５は、光硬化樹脂１０の光が当たった部分１０ａ’（白く図示）は硬化し、光の当たらない部分１０ｂ’（斜線部）は未硬化のまま残ることを示している。ある程度の拡散光を当てたので、ガラス乾板近傍は乾板の遮光・透過パターン通りに硬化するが、乾板から遠く（深部）は乾板の透過部より広い範囲に光が届き、結果として硬化部が繋がるので、前述の二つの実施例のガラス基板に相当するものまでこの工程で作られることになる。

図２０は、図１９ように光を当てた後、この光硬化樹脂１０’を水洗したものを示していて、未硬化の部分１０ｂ’は水洗により除去され、結果として、頂部が平坦な円形の台地１０ｍが並んだ基板１０’が得られる。

図２１は、図２０の基板１０’の斜視図で、平らな円形の台地１０ｍが規則正しく並んでいる。図から分かるようにこれは図６〜図７や、図１４〜図１７に示した基板とほぼ同様の形状であり、この後図８〜図１３と同じ工程を経て三次元画像用レンズアレイが完成する。

第１〜３の実施例では、表面張力で凸レンズを製作する方法として、光硬化樹脂で説明したが、滴下する時は液状で表面張力で球面が形成された後に硬化する透明材料であれば何を用いてもよく、滴下する直前に硬化剤と混合することで時間が経つと硬化する樹脂、熱で硬化する樹脂、常温でも時間が経てば硬化する樹脂等が利用できる。

本発明により、レンズアレイの個々の凸レンズ形状を透明樹脂の表面張力でレンズを製作するという点はスクリーン印刷法と同様で金型が不要だという大きな特長を持ちながら、写真製版等の技術でレンズ配置を決めることで配置精度を上げ、ディスペンサ装置を用いることで個々のレンズに必要な光硬化樹脂の量を安定させると共に、直径も形状も配置精度も精巧な円形の凸部に滴下させることで表面張力による球面を精巧なものにできるので、個々のレンズが光学特性に優れ、また光学特性が揃った凸レンズアレイを簡単に製作することができる。

従って、鮮明な三次画像が得られる静止画や動画表示機器が簡単に安価に製作でき、医用画像表示、機械設計、流れの可視化、等に利用できる他、娯楽、展示会、屋外表示など種々の分野での使用が期待される。

１ ガラス乾板
１ａ ガラス乾板１の透明円形部
１ｂ ガラス乾板１の遮光部
１ｃ ガラス乾板１のガラス部
２ フォトレジスト付きガラス基板
２ｂ ガラス基板２のフォトレジスト
２ｃ ガラス基板２のガラス部
２’ フォトレジスト付きガラス基板
２ｂ 露光、現像、定着、水洗後に残ったフォトレジスト
２’’ ガラスエッチング後のフォトレジスト付きガラス基板
２ｃ’ エッチング後のガラス部
３ エッチング後にフォトレジストを除去したガラス基板（２ｃ’と同じ）
３ｍ ガラス基板３上のメサ台地形状部
４ ディスペンサ
５ 光硬化樹脂
５’ 基板のメサ台地頂部で表面が球面になった光硬化樹脂
６ 光硬化樹脂が球面レンズアレイになったガラス基板
７ レンズアレイのレンズ作用の無い部分を遮光するマスク
８ ガラス基板と積層した光硬化樹脂層
８’ 光硬化樹脂層
８ａ’ 光硬化樹脂層８’の硬化した部分
８ｂ’ 光硬化樹脂層８’の未硬化部分
９ ガラス基板
９’ メサ台地形状群付きガラス基板
９ｍ ガラス基板９’上のメサ台地形状部

Claims (6)

1. 複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板の該円板状凸部の各々に一定量の液状樹脂を滴下し、該液状樹脂の表面張力でできたドーム形状の状態で該液状樹脂を硬化させたことを特徴とする三次元画像用レンズアレイの製造方法。
2. 液状樹脂として光硬化樹脂を使用し、ドーム形状の状態で光を当て該液状樹脂を硬化させたことを特徴とする請求項１記載の三次元画像用レンズアレイの製造方法。
3. 複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、板ガラスの表面に二次元的に配列した円形部を残して周囲をエッチングした基板を使用したことを特徴とする請求項１記載の三次元画像用レンズアレイの製造方法。
4. 複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、板ガラスあるいは透明樹脂板の表面に感光性樹脂を積層し、該感光性樹脂に二次元的に配列した円形部が硬化するように光を当て、該感光性樹脂板の未露光部分を削除した基板を使用したことを特徴とする請求項１記載の三次元画像用レンズアレイの製造方法。
5. 複数の円板状凸部を二次元的に配列した表面を持つ透明基板として、感光性樹脂の表面に二次元的に配列した円形部を有する乾板を通して光を当てて硬化させ、該感光性樹脂板の未露光部分を削除したものを使用したことを特徴とする請求項１記載の三次元画像用レンズアレイの製造方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の方法を用いて製造した三次元画像用レンズアレイ。

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