JP4078832B2 - レンズアレイシートおよび透過型スクリーン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクションテレビ・ディスプレイ等の背面投写型ディスプレイに用いるレンズアレイシート及びこれを用いた透過型スクリーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の透過型スクリーンは、片面に同心円状の凹凸が形成されたフレネルレンズ、シリンドリカルレンズを一方向に揃えて配設したレンチキュラーレンズと、そのどちらか、あるいは片方、もしくは別体の基材に拡散層を設ける構成が一般的である。
【０００３】
これらの透過型スクリーンを構成する部品はプロジェクターから照射された光線をまずフレネルレンズでほぼ平行光が射出される光学配置とし、その射出光をレンチキュラーレンズで画面の水平方向に適度に広げることで水平視野角を、拡散材で画面の垂直視野角を得ている。
さらに、このレンチキュラーレンズを構成する個々のシリンドリカルレンズの集光部分に開口を持つ遮光層を設け、スクリーンのＳ／Ｎ比を向上させる構成も知られている。
また、その透過スクリーンの用途に応じて最外面等にハードコート層や反射防止膜層（ＡＲ層）を設けることもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のレンチキュラーシートおよび透過型スクリーンにおいては、画面の水平方向および垂直方向の視野角の制御を行うためにレンチキュラー層と拡散層とを組み合わせて用いている。しかしながら、本発明により拡散層を完全に省略できる訳でもない為、拡散層は光の吸収によるスクリーンゲインの低下、白色散乱の増加による、Ｓ／Ｎ比の低下を伴うという問題がある。
【０００５】
また、２層のレンチキュラー層を、それぞれのシリンドリカルレンズの長さ方向が直交するように積層して用いたり、ひとつの基材層の両面に、シリンドリカルレンズをそれぞれ複数配列する際に、それぞれのシリンドリカルレンズの長さ方向が直交するように設けることにより、水平方向および垂直方向の視野角の制御を行う方法も考えられるが、シリンドリカルレンズを構成する材料が実質的に２倍となり、また微細なレンズの加工も２回行う必要があるため、材料コスト、加工コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
さらに、例えば特開平９−３１１２０３号公報に開示されているように、同一平面上に２組のレンチキュラーレンズを直交するように配設した構造のスクリーンでは、２組のレンチキュラーレンズが互いにオーバーラップする構造となるため、一方のレンチキュラーレンズの形状を変えると、それにつれて他方のレンチキュラーレンズの光学特性が変化してしまい、完全独立では視野角の制御を行うことができない。このため、その視野角の制御範囲が制限され、実用上好ましくない。
また、マイクロレンズアレイのように、垂直方向と水平方向の両方に配光角度を付与することができる個々の独立した複雑な加工が必要となり、面積の拡大や微細化が困難であり、また生産性が低いことから、やはりコストの上昇は避けられない。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、光の吸収が少なく、利得（スクリーンゲイン）の低下が少なく、白色散乱を制御することができる透過型スクリーンを提供することを目的とする。
さらに、材料コスト、加工コストなどが安価な透過型スクリーンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、複数本のシリンドリカルレンズが基材層上に隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイと、複数本のシリンドリカルレンズが前記第１のレンズアレイの長さ方向と交差する方向に長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイとが同一面上に設けられたレンズアレイ層を備え、前記第２のレンズアレイの複数本のシンドリカルレンズは、前記基材上であって、前記第１のレンズアレイの互いに離隔されたシンドリカルレンズ間の前記隙間に形成され、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとによって、レンズアレイ層を透過する光線について、垂直方向と水平方向の両方の配光特性を、互いに関連することなく独立してコントロールできることを特徴とするレンズアレイシートを提供する。
本発明のレンズアレイシートにおいて、前記第１のレンズアレイの谷部と前記第２のレンズアレイの谷部とを一致させて配置してよい。
また、レンズアレイの結像面側に、光線が透過した部分が遮光された遮光層を備えた構成としてよい。
さらに本発明のレンズアレイシートにおいて、少なくとも前記第１のレンズアレイのシリンドリカルレンズの断面が非球面形状として構成してよい。
また、前記レンズアレイ層が基材層の一方の面側に設けられ、かつ該レンズアレイ層が放射線硬化型樹脂からなる構成としてよい。
また、本発明は、複数本のシリンドリカルレンズが並列した組が隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイと、複数本のシリンドリカルレンズが前記第１のレンズアレイの長さ方向と交差する方向に長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイとが同一面上に設けられたレンズアレイ層を備えていることを特徴とするレンズアレイシートを提供する。
【０００９】
また本発明は、前記のレンズアレイシートを有していることを特徴とする透過型スクリーンを提供する。
さらに本発明の透過型スクリーンは、前記レンズアレイシートと、フレネルレンズとを有する構造とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
図１ないし図３は、本発明に係るレンズアレイシートの一実施形態を示すものであって、図１はレンズアレイシートの斜視図、図２は断面図、図３は後述する本発明に係る実施例において試作したレンズアレイシートの要部拡大断面図である。
このレンズアレイシート１は、透光性材料からなるシート状の基材層２と、該基材層２の一方の面側に設けられたレンズアレイ層３とから構成されている。本発明の特徴は、このレンズアレイ層３の構造にある。
【００１１】
前記レンズアレイ層３は、複数本のシリンドリカルレンズ４が隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイ５と、複数本のシリンドリカルレンズ６が前記第１のレンズアレイ５の長さ方向と交差する方向に、好ましくは直交する方向に、長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイ７とが基材層２の同一面上に設けられた構成になっている。
【００１２】
このレンズアレイ層３が形成された基材層２の反対側の面、すなわちレンズアレイの結像面側には、遮光層１１が設けられている。この遮光層１１は、入射光１２がレンズアレイ層３を透過し、結像面側から射出する際に、射出光１３を通すための多数の遮光層開口部１０とそれらの周囲に設けられた遮光材料、例えばカーボンブラックの薄膜などからなる遮光層遮光部９とからなっている。
【００１３】
第１のレンズアレイ５及び第２のレンズアレイ７を構成する２種類のシリンドリカルレンズ４，６は断面形状が球面だけではなく、楕円面、放物面や高次項曲面を含むいわゆる非球面形状（図３のシリンドリカルレンズ４参照）のものなども用いることができる。このように非球面形状のレンズを用いると結像時の収差を小さくすることができ、入射する光線を精細化することができる。
【００１４】
レンズアレイ層３の材料としてはガラス、プラスチックなどの透明な材料であって、光学用部材に使用するものを特に制限無く用いることができ、生産効率などを考慮するとプラスチックを用いることが望ましい。
プラスチックとしては、例えばポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系樹脂、ポリカーボネイト、アクリル−スチレン共重合体、スチレン系樹脂、ポリ塩化ビニルなどを例示することができる。
また、ファインピッチな微細な加工を行うことができるため、レンズアレイ層３の材料としては、紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂などの放射線硬化型樹脂を用いることが好ましい。
【００１５】
放射線硬化型樹脂としては、例えばウレタン（メタ）アクリレートおよび／またはエポキシ（メタ）アクリレートオリゴマーに反応希釈液、光重合開始剤、光増感剤などが添加された組成物を用いることができる。ウレタン（メタ）オリゴマーとしては、特に限定するものではないが、例えばエチレングリコール、１，４−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートジオール、ポリテトラメチレングリコールなどのポリオール類と、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、キシレンイソシアネートなどのポリイソシアネート類とを反応させて得ることができる。エポキシ（メタ）アクリレートオリゴマーとしては、特に限定されるものではないが、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラジック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型プロピレンオキサイド付加物の末端グリシジルエーテル、フルオレンエポキシ樹脂などのエポキシ樹脂類と、（メタ）アクリル酸とを反応させて得ることができる。
【００１６】
レンズアレイ層３は、例えば以下のようにして製造することができる。プラスチックからなる基材層２上に、放射線硬化型樹脂を未硬化の状態で塗布し、その表面に成型用スタンパを押しつけて型押しするとともに、所定の放射線を照射して硬化させることにより、レンズアレイ層３を成型する。
【００１７】
前記成型用のスタンパは、例えば以下のようにしてレンズ層を形成することができる。すなわち、従来のレンチキュラー用の成型用スタンパの製造においては、例えば表面が銅などからなる円筒状のシリンダの表面に、刃先の形状が円形となっている切削バイトを用いて、このシリンダの円周方向に沿って切り込みを形成する。この切り込みを平行に複数形成すると、レンチキュラー用のスタンパを得ることができる。さらに、この円周方向の切り込みと交差する方向に、好ましくは直交方向に、同様にして切り込みを複数平行に形成すると、本発明の特徴部分であるレンズアレイ層３の製造に使用し得る成型用スタンパを得ることができる。
【００１８】
従って、本発明の特徴部分であるレンズアレイ層３製造用の成型用スタンパは、従来の技術を利用して容易に製造することができ、生産性が良好なものである。このように、このレンズアレイシート１は、従来レンチキュラーレンズシートの製造などに用いられている方法と同様の方法によって製造することができる。
【００１９】
レンズアレイ層３となる感光性樹脂層と、遮光層１１は、以下のようにして製造することができる。実際に透過型スクリーンとして使用する状態と同様にしてフレネルレンズを平行に配置し、このフレネルレンズを介してレンズアレイシートのレンズ層側から光線を照射すると、レンズアレイ層３を透過して露光された部分の感光性樹脂層が変成し、粘着性が消失する。そして、この感光性樹脂層にブラックカーボンなどを含む黒色の転写層を備えた転写フィルムを押しつけると、粘着性がある未露光の部分に選択的に転写層が転移し、遮光層１１が形成される。
【００２０】
この場合、シリンドリカルレンズによって光線が集光することによるストライプ状の第１の結像パターンと、この第１の結像パターンと直交するストライプ状の第２の結像パターンとから梯子状の結像パターンが形成される。すなわち、レンズ層側から照射された光線は、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイによって、垂直方向と水平方向の両方の視野角が一度に制御される。
【００２１】
遮光層１１は光線が透過しない部分を遮光するために設けられているものである。よって、この結像パターンに従って複数の遮光部が規則性を持って垂直、および水平方向にそれぞれ配列した形状となる。
そして、この遮光層上に、必要に応じて粘着剤層、拡散層、およびハードコート層などを設けることにより、レンズアレイシートとすることができる。
【００２２】
このように、このレンズアレイシート１においては、第１のレンズアレイ５と第２のレンズアレイ７によって、レンズアレイ層３を透過する光線について、垂直方向と水平方向の両方の配光特性（視野角）を制御することができる。
従って、二層のレンズアレイ層を用いたり、基材層の両面にレンズ層を形成する場合と比較して、材料コスト、加工コストを低く抑えることができる。
【００２３】
また、拡散層を簡略化して、拡散層における光の吸収や利得の低下を少なくすることができる。その結果、拡散層によって引き起こされる白色散乱現象を制御し、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
なお、本発明のレンズアレイシート１の各層の厚さ、レンズアレイ層３のピッチなどは特に限定されず、用途などに応じて適宜変更可能である。
【００２４】
図４は、本発明に係るレンズアレイシートの別の実施形態を示す図である。本実施形態のレンズアレイシートは、複数本のシリンドリカルレンズ４が並列した組が隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイと、複数本のシリンドリカルレンズ７が前記第１のレンズアレイの長さ方向と交差する方向に長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイとが同一面上に設けられたレンズアレイ層を備えている。本実施形態によるレンズアレイシートは、上述した一実施形態によるレンズアレイシートと同様の効果を得ることができる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果を述べる。
本実施例において、図３に示すレンズアレイシート１のａ〜ｇの各設計パラメータを以下のように決定し、その効果の検証実験を行った。
【００２６】
［設計パラメータ］
レンズアレイ層３の基材層において、その材料はポリエチレンテレフタレートとし、その厚さｄは０．１２５ｍｍとした。
レンズアレイ層３のシリンドリカルレンズ４において、その材料はＵＶ感光性樹脂とし、レンズ間隔ａは０．２５２ｍｍ、突出高さｂは０．０８ｍｍ、レンズの幅ｃは０．１６８ｍｍで楕円面を基準とし、高次項を加えた非球面形状とした。第２のレンズアレイのシリンドリカルレンズ６は、レンズ間隔ｅが０．０４０７９ｍｍ、突出高さｇが０．００８ｍｍ、曲率半径ｆが０．０３ｍｍの断面半球面状とした。
感光性樹脂層には、厚さ２０ミクロンのクロマリンフィルム（商品名：デュポン社製）を用いた。
このレンズアレイシート１のレンズ形成面に対して、１から５°程度にコリメートされた平行光を照射して感光層のパターニングを行い、厚さ２ミクロンの墨箔（カーボンブラックの転写箔）を転写して遮光層１１としたところ、レンズアレイを構成するシリンドリカルレンズに対応した開口を持つ遮光層１１を得ることができた。
【００２７】
このようにして得たレンズアレイシート１を、第１のレンズアレイ５を水平方向の光拡散に用い、第２のレンズアレイ７に応じた視野角を個別に得られることが確認できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレンズアレイシートは、レンズアレイ層を透過する光線について、垂直方向と水平方向の両方の配光特性（視野角）を、第１および第２レンズそれぞれのレンズ形状を適宜変えることにより、互いに関連することなく、完全に独立してコントロールすることができる。このことはスクリーンの光学特性を能動的に制御可能であることを示しており、開発期間の短縮、費用削減に大きな効果を有する。
また、一枚のレンズシートで垂直方向と水平方向に独立した視野角を自在に設定することができるため、１）加工に係るコストを著しく低減させつつ、２）拡散材の量
（効果）を、既存の手持ちの材料に合わせて設定できるため、材料の開発／調合が不要であり、３）光線の吸収（光量ロス）を最低限度に押さえることができるため、容易に明るいスクリーンを得ることができる、などの効果がある。
また、拡散材を従来のスクリーンと比べて減ずることが可能なため、外光の反射散乱を抑え、透明度が上がるため遮光層の光吸収作用を増加させることとなり、従来にないＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るレンズアレイシートの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】 レンズアレイシートの概略断面図である。
【図３】 レンズアレイシートの要部拡大断面図である。
【図４】 本発明に係るレンズアレイシートの別の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ レンズアレイシート
２ 基材層
３ レンズアレイ層
４，６ シリンドリカルレンズ
５ 第１のレンズアレイ
７ 第２のレンズアレイ
１１ 遮光層

Claims (8)

1. 複数本のシリンドリカルレンズが基材層上に隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイと、複数本のシリンドリカルレンズが前記第１のレンズアレイの長さ方向と交差する方向に長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイとが同一面上に設けられたレンズアレイ層を備え、前記第２のレンズアレイの複数本のシンドリカルレンズは、前記基材上であって、前記第１のレンズアレイの互いに離隔されたシンドリカルレンズ間の前記隙間に形成され、
   第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとによって、レンズアレイ層を透過する光線について、垂直方向と水平方向の両方の配光特性を、互いに関連することなく独立してコントロールできることを特徴とするレンズアレイシート。
2. 前記第１のレンズアレイの谷部と前記第２のレンズアレイの谷部とを一致させて配置したことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイシート。
3. レンズアレイの結像面側に、光線が透過した部分が遮光された遮光層を備えてい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シート。
4. 少なくとも前記第１のレンズアレイのシリンドリカルレンズの断面が非球面形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレンズアレイシート。
5. 前記レンズアレイ層が基材の一方の面側に設けられ、かつ該レンズアレイ層が放射線硬化型樹脂からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレンズアレイシート。
6. 複数本のシリンドリカルレンズが並列した組が隙間をおいて平行に配列されてなる第１のレンズアレイと、複数本のシリンドリカルレンズが前記第１のレンズアレイの長さ方向と交差する方向に長さ方向を揃えて前記隙間に配列されてなる第２のレンズアレイとが同一面上に設けられたレンズアレイ層を備えていることを特徴とするレンズアレイシート。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズアレイシートを有していることを特徴とする透過型スクリーン。
8. 前記レンズアレイシートと、フレネルレンズとを有することを特徴とする請求項７に記載の透過型スクリーン。

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