JPH112704A

JPH112704A - 光学素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH112704A
Application number: JP15319197A
Authority: JP
Inventors: Fumitaka Yoshimura; 文孝吉村; Junichi Sakamoto; 淳一坂本; Hiroyuki Suzuki; 博幸鈴木; Nagato Osano; 永人小佐野; Kiyotoshi Iwata; 研逸岩田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】集光機能と分光機能を兼ね備えた光学素子を
高精度に且つ安価に提供する。【解決手段】透明基板１上に、インクジェット法によ
り着色液状透明材料２４〜２６を付与し、基板１に付
着、硬化させることにより任意の場所に任意の大きさ、
形状の着色微小レンズ２〜４を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透明基板表面に多
数の着色微小レンズを配置してなる、カラーフィルタの
機能を有するレンズアレイからなる光学素子と該光学素
子を高精度に製造するための製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マルチメディアの発展に伴い、カ
ラー液晶プロジェクタなどの大画面ディスプレイ装置
や、光通信分野では集積された光ファイバ周辺の各種デ
バイスが注目されている。

【０００３】液晶プロジェクタは一般に図３に示すよう
に、光源３１、集光レンズ３２、液晶パネル３３、投射
レンズ３４、スクリーン３５から構成される。光源３１
から出た光は集光レンズ３２で平行光になり、液晶パネ
ル３３に入る。液晶パネル３３は、画像に対応して各々
の画素の光を透過したり遮光したりして画像を形成す
る。この液晶パネル３３を透過した光を投射レンズ３４
でスクリーン３５上に結像させると、大画面の映像が得
られる。

【０００４】液晶プロジェクタでカラー映像を形成する
場合には、液晶パネル３３の片側に、通常のカラー液晶
ディスプレイ装置に用いられるようなカラーフィルタを
配置する方法がある。また、より明るいカラー表示を実
現する構成として、光源３１の光を赤、青、緑の３原色
に分け、各々の光ごとに液晶パネル３３で像を作り、最
後にスクリーン３５上に合成して、カラー映像を得る方
法も一般的に行なわれている。

【０００５】また、液晶プロジェクタは一般に薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）液晶パネルを採用しているが、ＴＦ
Ｔ液晶パネルは駆動のためのＴＦＴや配線部分のため、
光の透過部分が少なくなっている。そこで、図４に示す
ように、各画素に対応して微小な凸レンズ４２を透明基
板４１上に配置することにより、ＴＦＴや配線による遮
光領域４３を避け、画素の有効（透光）領域４４に光を
集め、明るさを向上させる方法もある。

【０００６】また、光通信の分野では、並列光ファイバ
通信に対する関心が強まり、集積されたアレイ状のデバ
イスが用いられてきている。このようなアレイ状のデバ
イスを結合するために、レンズアレイが有効である。図
５に示すように、レンズアレイ５２を用いると、集積さ
れた各素子を一度にまとめて位置合わせすることができ
る。尚、図５中、５１は半導体レーザアレイ、５３はフ
ァイバアレイである。

【０００７】前述のように、液晶プロジェクタや光ファ
イバ通信の分野では、多数の微小レンズを平面上に配列
させたレンズアレイにおいて高精度で安価なものが要求
されている。

【０００８】従来このような用途に用いられるレンズア
レイの製造方法としては、特公平６−２４９９０号公報
に記載された金型を用いてガラス材料を成形する方法、
特開平８−２０７１５９号公報に記載されたスタンパと
基板の間に樹脂を挟み込み成形する方法、特開平５−１
７３００３号公報に記載されたフォトリソグラフィ法に
よるもの、特開平５−１５７９２４号公報に記載された
マスク開口部を通して屈折率を変化させる方法などが提
案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述の液晶プロジェク
タや光ファイバ通信の集積デバイスの位置合わせに用い
られる微小レンズアレイは、いずれも無色透明材料で形
成されている。従って、光源に白色光を用いてカラー画
像を形成したり、ある特定の波長の光のみを選別して伝
送したりする場合は、微小レンズアレイとは別の部材で
光を分光する必要がある。

【００１０】カラー液晶プロジェクタの場合には、前述
したように、カラー表示をするために、別途カラーフィ
ルタを配置したり、或いは、光源を３原色に分けてスク
リーン上で合成する方法が一般に行なわれており、微小
レンズアレイとは別に分光部材が必要となり、装置の大
型化、コストアップは避けられない。

【００１１】また、光ファイバ通信デバイスの分野で
は、一般に光源として単一波長の半導体レーザやＬＥＤ
を用いるが、安価なシステム形成のために、白色光を光
源として用い、フィルタで光を分光することも可能であ
る。その場合にも、微小レンズアレイの他に分光部材が
必要になるという問題があった。

【００１２】一方、微小レンズアレイの製造方法につい
ても、前述した方法は、いずれも型やマスクを必要と
し、任意の形状で任意の配置のレンズアレイを容易に作
製することが困難であった。また、型やマスクの作製の
ために製造コストも高くなるという問題もあった。

【００１３】本発明の目的は、微小レンズの集光機能と
カラーフィルタの分光機能とを兼ね備えた光学素子を、
高精度に且つ簡素な工程で形成することにあり、具体的
には、カラーフィルタ機能を備え、任意の形状の微小レ
ンズを任意に配置したレンズアレイを安価に提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の第一は、透明基
板上に複数の凸形状の着色微小レンズを配置してなる光
学素子である。

【００１５】また本発明の第二は、透明基板表面に、イ
ンクジェット法により液状着色透明材料を付与し、付
着、硬化させて凸形状の着色微小レンズを形成すること
を特徴とする光学素子の製造方法である。

【００１６】即ち本発明の光学素子は、レンズアレイの
微小レンズを着色することにより、カラーフィルタ機能
を持たせたものであり、また本発明の製造方法は、上記
液状着色透明材料をインクジェット法で透明基板表面に
付与することにより、任意の形状の微小レンズを任意の
場所に容易に形成することを可能にしたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１に本発明の光学素子の一実施
形態の断面模式図を示す。図１において、１は透明基板
であり、２〜４はそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）のみを透過するように着色された着色微小レンズ
である。５は白色光で、６〜８はそれぞれ着色微小レン
ズ２〜４で集光された光の焦点である。

【００１８】白色の入射光５が本発明の光学素子の透明
基板１に入射すると、着色微小レンズ２〜４によって、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光に分けられ、焦点６〜８に集光す
る光になって出射される。このように、本発明の光学素
子は、特定の色のみを透過するように着色された微小レ
ンズで構成されているため、入射した白色の平行光を集
光すると同時に特定の色の光に分光する役割を同じ部品
で達成することができる。

【００１９】次に本発明の光学素子の製造方法について
説明する。

【００２０】本発明においては、多数の着色微小レンズ
を平面上に配列させるため、インクジェット法を用い、
レンズとなる部分に液状着色透明材料を選択的に配置す
る。

【００２１】インクジェット法は、近年プリンタなどで
用いられている技術で、液晶ディスプレイのなどのカラ
ーフィルタの製造など、産業用としても用いられるよう
になってきている。このインクジェット法の有利な点
は、微細なパターンを形成する際に、フォトリソ法や印
刷法、成形法などで必要なマスクや型が不要で、任意の
形状のパターンを素早く形成することができることであ
る。

【００２２】図２に、インクジェット法により着色微小
レンズを形成する様子を模式的に示す。図中、２１〜２
３はインクジェットノズルであり、それぞれのノズルか
らはＲ、Ｇ、Ｂの各色のみを透過するように着色された
液状着色透明材料２４〜２６が透明基板１上に付与され
る。

【００２３】本発明に用いられる透明基板１は、一般に
平面に研磨された光学ガラスが用いられるが、ポリエチ
レンテレフタレートやポリカーボネート等のプラスチッ
クも使用可能であり、所望の光学性能や強度を有するも
のであれば材料は特に限定されない。また、透明基板１
は、表面に形成される微小レンズとの密着強度を上げる
ために、十分に脱脂洗浄を施すことが好ましい。

【００２４】本発明において用いられる液状着色透明材
料２４〜２６は、インクジェット法によって透明基板１
上に付与され、且つ付与後に硬化可能な材料であり、具
体的には、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂなど特定の色のみを透過
するための着色剤として染料或いは顔料と、該着色剤を
固定し且つ凸レンズを形成するための硬化型樹脂素材、
該樹脂素材を溶かす溶剤、曲率を設定すると共にインク
ジェットの吐出性能を上げるための水及び場合によって
は添加剤等により構成される。

【００２５】上記染料としては、例えば、アントラキノ
ン染料、アゾ染料、トリフェニルメタン染料、ポリメチ
ン染料などから適宜選択される。

【００２６】上記硬化型樹脂素材としては、架橋により
硬化する樹脂やモノマー剤であり、例えば熱硬化型樹脂
やエネルギー硬化型樹脂などが用いられる。具体的には
ポリメチルメタクリレート、ポリシクロヘキシルメタク
リレートなどアクリル系樹脂、ジエチレングリコールビ
スアリルカーボネート、ポリカーボネートなどアリル系
樹脂、メタクリル樹脂などが用いられる。

【００２７】また溶剤としては、例えば、イソプロピル
アルコール、エチレングリコール、Ｎ−メチル−２−ピ
ロリドンなどである。

【００２８】また、添加剤として、表面張力を調整する
目的で、アセチレノールなどを添加しても良い。

【００２９】着色微小レンズの曲率半径は、液状着色透
明材料２４〜２６の粘度、及び透明基板１の液状着色透
明材料２４〜２６に対する濡れ性によって決まる。例え
ば、透明基板１が濡れ易いと、インクジェットノズル２
１〜２３から吐出された材料２４〜２６は透明基板１の
表面に広がり、曲率半径の大きいなだらかな凸形状とな
る。逆に、透明基板１が濡れにくいと、液状着色透明材
料２４〜２６は基板表面ではじき易くなり、曲率半径の
小さい凸形状になる。従って、所望の曲率半径を得るよ
うに、透明基板に洗浄或いは表面改質処理を施したり、
撥水性を有する材料を表面にコーティングすることによ
り濡れ性を制御することができる。

【００３０】また、同じ場所に付与する液状着色透明材
料の量を変えることで、着色微小レンズ２〜４の大きさ
を変えることができる。例えば、口径の大きなノズルを
用いたり、同じ場所に繰り返し付与すれば、直径の大き
なレンズを形成することができる。

【００３１】透明基板１上に付与された液状着色透明材
料は、粘性と表面エネルギーのために、凸形状を呈して
いる。その後、熱、または紫外線等などにより、該材料
を硬化させる。硬化過程においては、材料中に含まれる
溶剤等が蒸発し、形状が変化するため、その変化分を予
め見込んで表面エネルギーや付与量を設定しておくこと
が望ましい。

【００３２】尚、インクジェット方式としては、エネル
ギー発生素子として電気熱変換体を用いたバブルジェッ
トタイプ、或いは、圧電素子を用いたピエゾジェットタ
イプ等が使用可能であり、着色微小レンズの大きさ及び
位置は任意に設定することができる。

【００３３】また、図２においては、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色
の液状着色透明材料を同時に付与する形態を示している
が、各色毎に付与、硬化工程を繰り返しても良い。

【００３４】本発明の光学素子は、図３に示した液晶プ
ロジェクタや図５に示した光ファイバ通信の接続デバイ
スに、分光機能を備えた微小レンズアレイとして好適に
用いられる。

【００３５】

【実施例】

［実施例１］透明基板として、平面に研磨された光学ガ
ラスＢＫ７を用い、着色微小レンズとの密着強度を上げ
るために、アルカリ洗浄及びＵＶ処理を施した。

【００３６】上記基板に、インクジェット装置（商品
名：ＢＪ１０Ｅ、キヤノン社製）を用いて、所望の位置
に赤色インクを付与した。該赤色インクは、赤色の染料
をアクリルシリコーングラフトポリマーを主成分とする
自己架橋熱硬化型樹脂に分散させ、エチレングリコール
に溶解したものである。

【００３７】１回の付与量は５０ｎｇで、同一箇所に１
０回付与した。付与されたインクは基板表面で表面張力
により凸形状になった。

【００３８】次に、上記基板をホットプレートに載せ、
１００℃で２０分間乾燥硬化させた。

【００３９】上記工程を青色の染料を用いた青色イン
ク、緑色の染料を用いた緑色インクについて繰り返し、
Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の着色微小レンズを備えたレンズアレ
イを得た。

【００４０】上記レンズアレイを液晶プロジェクタのＴ
ＦＴ液晶パネルの前に配置し、スクリーンに画像を形成
したところ、十分な明るさを備えた画像を得ることがで
きた。

【００４１】［実施例２］透明基板として、ポリカーボ
ネート基板を用い、十分な洗浄とＵＶオゾン処理を施し
た。また、液状着色透明材料としては、ポリカーボネー
ト樹脂のモノマーー剤に染料を分散させたものを用い
た。実施例１と同じインクジェット装置を用い、１回に
５０ｎｇのインクを同一箇所に１０回付与した。付与さ
れたインクは基板表面で表面張力により凸形状になっ
た。

【００４２】次に、上記基板をホットプレートに載せ、
１２０℃で２０分間乾燥硬化させた。

【００４３】上記工程を青色インク、緑色インクについ
て繰り返し、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の着色微小レンズを備え
たレンズアレイを得た。

【００４４】このようにして作製したレンズアレイを液
晶プロジェクタに使用したところ、所望の性能が得られ
た。

【００４５】［実施例３］透明基板としてガラス基板を
用い、十分な洗浄とＵＶオゾン処理を施した後、実施例
１と同様にしてインクジェット装置を用い、着色微小レ
ンズを形成した。用いたインクは、赤インクが顔料とし
てピグメントレッド１７７をスチレン−アクリル酸共重
合体のアンモニウム塩に分散させ、イソプロピルアルコ
ールで溶かしたものであり、青、緑はそれぞれの色の顔
料を用いた。また、各インクを付与する毎に１２０℃で
２０分間乾燥硬化させた。

【００４６】このようにして作製したレンズアレイを液
晶プロジェクタに使用したところ、所望の性能が得られ
た。

【００４７】［実施例４］実施例３と同様にして、ガラ
ス基板の両側に光軸を合わせて着色微小レンズを形成
し、両面にレンズを有するレンズアレイを作製した。

【００４８】このレンズアレイを図５に示すような光源
を白色の平行光にした光ファイバ通信デバイスの接続部
分に使用したところ、良好な分光性能が得られ、且つ効
率良く光ファイバに導入することができた。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
分光性能を有し任意の大きさのレンズを任意の場所に有
するレンズアレイを、簡素な工程で精度良く形成するこ
とができる。従って、分光機能と集光機能を兼ね備えた
光学素子が安価に提供され、液晶プロジェクタなどの光
学機器や、光ファイバ通信デバイスの小型化、低価格化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の断面模式図である。

【図２】本発明の光学素子の製造の様子を示す模式図で
ある。

【図３】本発明の光学素子の一用途である液晶プロジェ
クタを示す模式図である。

【図４】図３に示した液晶プロジェクタの部分拡大図で
ある。

【図５】本発明の光学素子の別の用途である並列光ファ
イバを示す模式図である。

【符号の説明】

１透明基板２〜４着色微小レンズ５白色光６〜８焦点２１〜２３インクジェットノズル２４〜２６液状着色透明材料３１光源３２集光レンズ３３液晶パネル３４投射レンズ３５スクリーン４１透明基板４２微小レンズ４３遮光領域４４有効（透光）領域５１半導体レーザアレイ５２レンズアレイ５３ファイバアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小佐野永人東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者岩田研逸東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に複数の凸形状の着色微小レ
ンズを配置してなる光学素子。
【請求項２】透明基板表面に、インクジェット法によ
り液状着色透明材料を付与し、付着、硬化させて凸形状
の着色微小レンズを形成することを特徴とする光学素子
の製造方法。