JP2005338293A - 正立変倍レンズ及びそれを用いた立体的二次元画像表示装置並びにリアプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる二枚のレンズアレイを作る必要のない正立変倍レンズ及びそれを用いた立体的二次元画像表示装置並びにリアプロジェクタを得、正立変倍レンズの製作を簡略化させ、製造コストを低減させる。
【解決手段】 正立変倍レンズ１００は、一方の面Ａに第一マイクロ凸レンズ２３ａをアレイ状に配置するとともに、他方の面Ｂに第二マイクロ凸レンズ２３ｂをアレイ状に配置して成る二枚のレンズアレイ半体２１、２１を、一方のレンズアレイ半体２１の第二マイクロ凸レンズ２３ｂと他方のレンズアレイ半体２１の第一マイクロ凸レンズ２３ａとを対面するように重ね合わせた構成である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のレンズアレイ半体を重ね合わせて成る正立変倍レンズ及びそれを用いた立体的二次元画像表示装置並びにリアプロジェクタに関する。

アミューズメント分野のゲーム機器、訓練分野のフライトシュミレータ、医療分野の手術支援システム、建築分野の景観シミュレーション、携帯電話の表示部等種々の分野で開発が試みられている立体的二次元画像表示装置、或いは液晶表示パネルを透過した透過光を透過型投写スクリーン上に投射して大画面サイズに画像を表示するリヤ型液晶プロジェクタ（以下「リアプロジェクタ」と称す。）には、画像を拡大するための正立変倍レンズが設けられている。

例えば下記特許文献１には、この種の正立変倍レンズを備えた液晶表示装置が開示されている。この液晶表示装置１は、図１に示すように、液晶パネル３と、液晶パネル３の裏面側に配置される面光源部５と、第１ないし第２のレンズアレイ９、１１から成るレンズアレイ群（正立変倍レンズ）７と、光路偏向手段１３と、表示スクリーン１５とを備えて構成される。

レンズアレイ群７を構成する第１ないし第２のレンズアレイ９、１１は、それぞれ倒立結像光学系を構成する。第１のレンズアレイ９の各レンズ９ａは、液晶パネル３側に焦点距離が６０ｍｍ、表示スクリーン１５側に焦点距離が４ｍｍ、レンズ径が２ｍｍ、レンズピッチが２．１ｍｍに構成されている。また、第２のレンズアレイ１１の各レンズ１１ａは、液晶パネル３側に焦点距離が４ｍｍ、表示スクリーン１５側に焦点距離が７２ｍｍ、レンズ径が２ｍｍ、レンズピッチが２．１２２ｍｍとなる。

この第１のレンズアレイ９の各レンズ９ａは、第２のレンズアレイ１１の各レンズ１１ａとの間の像面に倒立像を結像させる。また、第２のレンズアレイ１１の対応する各レンズ１１ａは、像面に結像された倒立像を表示スクリーン１５上に正立像として拡大結像する。それぞれのレンズ９ａ、１１ａは画面中央でレンズ中心が一致するように配置されている。これにより、レンズアレイ群７は、表示スクリーン１５上に略１．２倍の拡大正立結像させるよう構成されていた。

特開２０００−２０００５２号公報

しかしながら、上記した従来の正立変倍レンズは、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイのレンズピッチが異なるため、異なる二種類のレンズアレイを作る必要があり、生産効率が悪く、その分製造コストが高くなる不利があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、異なる二種類のレンズアレイを作る必要のない正立変倍レンズ及びそれを用いた立体的二次元画像表示装置並びにリアプロジェクタを提供し、もって、正立変倍レンズの製作を簡略化させ、製造コストの低減を図ることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る正立変倍レンズは、光軸に垂直な面の前面に第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置するとともに、後面に第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置したレンズアレイ半体を、前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを対面するように重ね合わせた正立変倍レンズであって、
隣接する前記第一マイクロ凸レンズの中心間の距離である第一ピッチと、隣接する前記第二マイクロ凸レンズの中心間の距離である第二ピッチが異なっていることを特徴とする。

以下、本発明に係る正立変倍レンズ及びそれを用いた立体的二次元画像表示装置並びにリアプロジェクタの好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は本発明に係る正立変倍レンズの構成図である。なお、本明細書中において光線は左から右に伝搬するものとし、説明の都合上、レンズの左側を「レンズ前側」、レンズの右側を「レンズ後側」と称する。

本実施の形態による正立変倍レンズ１００は、光軸Ｏ（正立変倍レンズの中心）に垂直な面の前面Ａに第一マイクロ凸レンズ２３ａをアレイ状に配置するとともに、後面Ｂに第二マイクロ凸レンズ２３ｂをアレイ状に配置して成る二枚のレンズアレイ半体２１、２１を、一方のレンズアレイ半体２１の第二マイクロ凸レンズ２３ｂと他方のレンズアレイ半体２１の第一マイクロ凸レンズ２３ａとを対面するように重ね合わせた構成である。
隣接する第一マイクロ凸レンズ２３ａの中心間の距離は第一ピッチＰ１に形成され、隣接する第二マイクロ凸レンズ２３ｂの中心間の距離は第一ピッチＰ１と異なる第二ピッチＰ２に形成されている。

レンズアレイ半体２１の材質としては、例えば、透明なガラスや樹脂を用いることができる。量産性の観点では樹脂が優れており、寿命、信頼性の観点からはガラスが優れている。光学的な観点上、ガラスとしては石英ガラス、溶融シリカ、無アルカリガラス等が好ましく、樹脂としてはアクリル系、エポキシ系、ポリエステル系、ポリカーボネイト系、スチレン系、塩化ビニル系等が好ましい。なお、樹脂としては、光硬化型、熱可塑型などがあり、マイクロレンズの製法に応じて適宜選択することが好ましい。

レンズアレイ半体２１の製法としては、金型によるキャスト成形法、プレス成形法、射出成形法、印刷法、フォトリソグラフィ法などがある。特に、微細で高精度に形成でき、しかも生産性が良い製法としては、樹脂系の材質でマイクロレンズアレイを形成する場合には光（紫外線など）硬化性樹脂による金型成形法や、ポジ型又はネガ型のレジスト材によるフォトリソグラフィ法が好ましく、ガラス系のマイクロレンズアレイを形成する場合にはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によるレジスト転写法、等方性エッチング法、又は、イオン交換法が好ましい。

金型成形法でレンズアレイ半体２１を形成する場合、例えば、熱可塑樹脂をマイクロレンズ形状の金型で加熱プレスする。より微細な成形を行うには、光硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を金型に充填して押圧し、その後、光又は熱によって樹脂を硬化させ、金型から樹脂を剥離させることが好適であり、これにより、微細な成形が可能になる。特に、微細で高い精度が要求される場合には、熱による膨張、収縮が少ない光硬化性樹脂を用いることが好ましい。

樹脂からなるレンズアレイ半体２１をフォトリソグラフィ法で形成する場合、例えば、透明なフォトレジストに代表される光溶解樹脂又は光硬化性樹脂にパターンニングされた遮光マスクを適宜介して紫外線（又は可視光線）で露光し、それぞれ露光部又は未露光部の溶解現像を行うことにより形成される。これにより、樹脂材料と露光量分布とにより所望の形状のマイクロレンズを得ることが可能である。また、樹脂材料によっては、現像後に高湿ベーク処理を行い、熱軟化時の表面張力により所望の形状のマイクロレンズアレイを得ることが可能である（リフロー法）。

レンズアレイ半体２１は、既述したように、前後面Ａ、Ｂにおける第一ピッチＰ１、第二ピッチＰ２が、異なるものとなっている。本実施の形態では、図示するように、第一ピッチＰ１より第二ピッチＰ２が大きく設定されている（Ｐ１＜Ｐ２）。ピッチの大小は、マイクロ凸レンズ２３ａ、２３ｂの例えばレンズ径に差異をもたせることによって実現できる。この他、レンズ径が同一であっても、隣接するレンズとの離間長が異なるように配置することで前後面Ａ、Ｂのレンズピッチを変えてもよい。

また、マイクロ凸レンズ２３ａ、２３ｂは、前後面Ａ、Ｂにおける曲率が同一である必要はなく、それぞれが最適化（所定の曲率半径に設定）されるものであってよい。正立変倍レンズ１００は、このように形成された二枚の同一のレンズアレイ半体２１、２１を、前側のレンズアレイ半体２１の後面Ｂと、後側のレンズアレイ半体２１の前面Ａとが対面するように平行に重ね合わせられている。

レンズアレイ半体２１、２１は、離間配置されてもよいが、接して重ね合わせられる方がスペースや構造上からも望ましい。本実施の形態では、前側レンズアレイ半体２１の後面マイクロ凸レンズ２３ｂと、後側レンズアレイ半体２１の前面マイクロ凸レンズ２３ａとが接するように貼り合わされる。このような貼り合わせ構造とすることで光軸ズレを防止することができる。

レンズアレイ半体２１、２１を貼り合わせるには、貼り合わせ面（例えばレンズ枠部分）に未硬化の紫外線硬化接着剤を塗布する。次いで、レンズアレイ半体２１、２１の一方を固定テーブル、他方をＸＹ移動テーブル等に保持して、双方の相対的な位置合わせを行う。この位置合わせでは、例えばレーザ光源からレーザ光を照射し、正立変倍レンズ１００の集光によって形成したスポットが位置決めマーク上に合焦するように、レンズアレイ半体２１、２１をＸＹ方向に相対移動させる。位置決めが完了したなら、紫外線照射装置から紫外線を照射し、レンズアレイ半体２１、２１間の未硬化の紫外線硬化樹脂を硬化させ、レンズアレイ半体２１、２１を貼り合わせる。このように対応するレンズ同士が正しく位置合わせされ貼り合わされることが望ましい。

したがって、この正立変倍レンズ１００によれば、光軸Ｏ（正立変倍レンズの中心）に垂直な面の前後面Ａ、Ｂでマイクロ凸レンズ２３ａ、２３ｂが一致して配置され、かつ複数のマイクロ凸レンズ２３ａが前面Ａに第一ピッチＰ１でアレイ状に配置されるとともに、複数のマイクロ凸レンズ２３ｂが後面Ｂに第二ピッチＰ２でアレイ状に配置された二枚の同一のレンズアレイ半体２１、２１を、前側のレンズアレイ半体２１の後面Ｂと後側のレンズアレイ半体２１の前面Ａとが対面するように平行に重ね合わせたので、同一のレンズアレイ半体２１、２１を二枚組合わせて製作することができ、一種類しかレンズアレイ半体２１を作る必要がなく、製作を簡略化させて、製造コストを安価にすることができる。

次に、上記の正立変倍レンズ１００を用いた立体的二次元画像表示装置を説明する。
図３は本発明に係る正立変倍レンズを用いた立体的二次元画像表示装置の概略構成図、図４は図３に示した立体的二次元画像表示装置の変形例を表す概略構成図である。
本実施の形態による立体的二次元画像表示装置２００は、二次元画像を表示する画像表示面３１ａを備えた表示部３３と、画像表示面３１ａに離間配置される上記の正立変倍レンズ１００とを備える。立体的二次元画像表示装置２００は、基本動作として、画像表示面３１ａから出射する光を正立変倍レンズ１００によって結像し、立体的二次元画像３５を表示する。

表示部３３は、画像表示面３１ａのフラットな図示しないカラー液晶表示装置（ＬＣＤ）、バックライト照明部及びカラー液晶駆動回路を備える。表示部３３には、ＬＣＤに代えて、例えば陰極線管、プラズマディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイなどが用いられても良い。カラー液晶駆動回路は、入力された映像信号に基づきＬＣＤへ表示駆動信号を出力し、奥行き感を持つ立体的な二次元画像を画像表示面３１ａに表示させる。

本実施の形態において、正立変倍レンズ１００は、少なくとも画像表示面３１ａの面積と同一の有効面積を有している。なお、後述するように、正立変倍レンズ１００は、画像表示面３１ａより大きい有効面積を有することが好ましい。

正立変倍レンズ１００は、表示部３３の画像表示面３１ａに対して所定距離（正立変倍レンズ１００の作動距離）だけ離れた位置に配置されている。正立変倍レンズ１００は、表示部３３の画像表示面３１ａから出射した画像に対応する光を画像表示面３１ａと反対側の所定距離だけ離れた立体画像表示面３７上に結像させることにより、画像表示面３１ａに表示された画像を空間上の二次元平面上に表示する。この結像された画像は二次元画像であるが、その画像が奥行き感を持つものである場合やディスプレイ上の背景画像が黒くコントラストが強調されているような場合には、空間上に浮いて表示されることから、正面の観察者３９からは、あたかも立体画像が映し出されているように見える。つまり、立体画像表示面３７に表示される二次元画像は、立体的二次元画像３５として観察者３９に認識される。

この立体的二次元画像３５は、空間上に仮想的に設定される平面であって実体物ではなく、正立変倍レンズ１００の作動距離に応じて定義される空間上の１平面である。立体的二次元画像表示装置２００では、図示しない筐体の前面に、その立体画像表示面３７に表示される画像を正面から見ることができるように開口が設けられている。

正立変倍レンズ１００は、表示部３３から入射された画像に対応する光を前側のレンズアレイ半体２１から入射させ、内部で一回反転させた後、後側のレンズアレイ半体２１から出射させる。これにより、正立変倍レンズ１００は、表示部３３に表示された二次元画像を立体画像表示面３７上に正立の立体的二次元画像３５として表示することができる。

したがって、この立体的二次元画像表示装置２００によれば、表示部３３と立体的二次元画像３５との間に、正立変倍レンズ１００を配設したので、安価な正立変倍レンズ１００を用いて表示部３３に表示させた二次元画像を浮き出させることができ、表現力を高め、臨場感を向上させることが、安価な装置コストによって実現できる。

また、立体的二次元画像表示装置２００は、図４に示すように、光線を集束させるようにレンズアレイ半体４１、４１の前後面Ａ、Ｂにおけるマイクロ凸レンズ４３ａ、４３ｂのピッチＰ３、Ｐ４が、第一ピッチＰ３より第二ピッチＰ４が小さく設定された正立変倍レンズ３００を用いてもよい。このような正立変倍レンズ３００を用いた立体的二次元画像表示装置によれば、大面積の画像表示面３１ｂに表示させた二次元画像を縮小させた立体的二次元画像３５ｂとして結像させることができる。この変形例によれば、立体的二次元画像３５ｂを高精細に表示することができる。また、正立変倍レンズ３００と立体画像表示面３７ｂとの距離を短縮することができ、装置の薄型化が可能となる。さらに、正立変倍レンズ３００によって集束される光線４５によって立体的二次元画像３５ｂが形成されるので、集束されない光線によって立体的二次元画像が形成される場合に比べ、画像周辺部の視野角が改善されて、画像周辺部がはっきり見えるようになる。

次に、上記の正立変倍レンズ１００を用いたリアプロジェクタを説明する。
図５は本発明に係る正立変倍レンズを用いたリアプロジェクタの概略構成図である。
この実施の形態によるリアプロジェクタ４００は、上記した立体的二次元画像表示装置２００の立体画像表示面３７に相当する面に、透過型投写スクリーン５１を配設して、二次元画像５５を結像して表示させる他は、上記の立体的二次元画像表示装置２００と略同一に構成される。

リアプロジェクタ４００では、表示部３３から出射された光が正立変倍レンズ１００に入射することで、入射光が正立変倍レンズ１００からある角度をもった光で出射される。正立変倍レンズ１００から出射された光は、透過型投写スクリーン５１を通ることで、ある一定の視野角を持った光が映像となって観察者３９の目に映し出される。

したがって、上記のリアプロジェクタ４００によれば、表示部３３と透過型投写スクリーン５１との間に、正立変倍レンズ１００を配設したので、表示部３３に表示させた二次元画像を安価な正立変倍レンズ１００を用いて透過型投写スクリーン５１に投写透過させることができ、迫力ある拡大投影画像の表示を、安価な装置コストによって実現できる。

図６は周辺の見えを改善する付加レンズを備えた変形例の説明図である。
なお、上記した実施の形態による立体的二次元画像表示装置２００、リアプロジェクタ４００において、図６（ａ）に示すように、立体的二次元画像３５、二次元画像５５を拡大表示させる構成のものでは、図６（ｂ）に示すように、正立変倍レンズ１００と立体的二次元画像３５、二次元画像５５との間にさらに凹レンズ６１を設けてもよい。このような構成とすることで、周辺に広がる光を正面へ屈折させ、画像周辺部での見えを良好にすることができる。立体的二次元画像３５の場合は、浮き出し感が多少低下する可能性がある。

図７は本発明による縁無しマルチ画面の作用説明図である。
また、本発明に係る立体的二次元画像表示装置２００、リアプロジェクタ４００では、図７（ａ）に示すように、周辺に広がる光によって立体的二次元画像３５、二次元画像５５を表示できるので、表示部３３、正立変倍レンズ１００等を接触させることなく配置することで、複数の立体的二次元画像３５、二次元画像５５を連続させることができ、特に図７（ｂ）に示すようなマルチ画面６３の場合には画面境界における縁６３ａ、６３ｂを目立たなくし、滑らかに隣接した画像を繋げることができる。

図８は表示部と正立変倍レンズとの大小関係を表した説明図である。
さらに、本発明による立体的二次元画像表示装置２００、リアプロジェクタ４００は、図８（ａ）に示すように表示部３３と正立変倍レンズ１００との面積を同一とすると、光の取り込めない領域（図中、Ｘ印）が生じるため、図８（ｂ）に示すように、正立変倍レンズ１００を表示部３３より大きく形成し、光取り込み領域（図中、白丸印）を増大させることが好ましい。これにより、立体的二次元画像３５、二次元画像５５の画像周辺部の明るさ低下を防止することができる。

従来の正立変倍レンズを用いた表示装置の概略構成図である。 本発明に係る正立変倍レンズの構成図である。 本発明に係る正立変倍レンズを用いた立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。 図３に示した立体的二次元画像表示装置の変形例を表す概略構成図である。 本発明に係る正立変倍レンズを用いたリアプロジェクタの概略構成図である。 画像周辺部の見えを改善する付加レンズを備えた変形例の説明図である。 本発明による縁無しマルチ画面の作用説明図である。 表示部と正立変倍レンズとの大小関係を表した説明図である。

符号の説明

２１、４１ レンズアレイ半体
２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂ マイクロ凸レンズ
３１ａ 画像表示面
３３ 表示部
５１ 透過型投写スクリーン
１００、３００ 正立変倍レンズ
２００ 立体的二次元画像表示装置
４００ リアプロジェクタ
Ａ 前面
Ｂ 後面
Ｏ 光軸
Ｐ１ 第一ピッチ
Ｐ２ 第二ピッチ

Claims (5)

1. 光軸に垂直な面の前面に第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置するとともに、後面に第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置したレンズアレイ半体を、前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを対面するように重ね合わせた正立変倍レンズであって、
   隣接する前記第一マイクロ凸レンズの中心間の距離である第一ピッチと、隣接する前記第二マイクロ凸レンズの中心間の距離である第二ピッチが異なっていることを特徴とする正立変倍レンズ。
2. 対面する前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとが接していることを特徴とする請求項１記載の正立変倍レンズ。
3. 前記第一マイクロ凸レンズの曲率半径と、前記第二マイクロ凸レンズの曲率半径が異なっていることを特徴とする請求項１記載の正立変倍レンズ。
4. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光を結像させて、立体的二次元画像を空間に表示する正立変倍レンズとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、
   前記正立変倍レンズは、光軸に垂直な面の前面に第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置するとともに、後面に第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置したレンズアレイ半体を、前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを対面するように重ね合わせ、隣接する前記第一マイクロ凸レンズの中心間の距離である第一ピッチと、隣接する前記第二マイクロ凸レンズの中心間の距離である第二ピッチが異なっていることを特徴とする立体的二次元画像表示装置。
5. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光を結像させて、二次元画像を透過型投写スクリーンに表示する正立変倍レンズとを備えたリアプロジェクタであって、
   前記正立変倍レンズは、光軸に垂直な面の前面に第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置するとともに、後面に第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置したレンズアレイ半体を、前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを対面するように重ね合わせ、隣接する前記第一マイクロ凸レンズの中心間の距離である第一ピッチと、隣接する前記第二マイクロ凸レンズの中心間の距離である第二ピッチが異なっていることを特徴とするリアプロジェクタ。
   

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