CN104237980A - 具有微透镜阵列的漫射板 - Google Patents

Abstract

一种漫射板，包括微透镜阵列，多个微透镜布置在该微透镜阵列中，其中，微透镜具有这样的形状，使得包括微透镜中心线的截面形状的曲率根据中心线的方向而变化，以及在截面形状的曲率最大处的中心线的方向不同的微透镜被进行布置。

Description

具有微透镜阵列的漫射板

技术领域

本发明涉及一种具有微透镜阵列的漫射板。更特别是，本发明涉及一种用于单镜头反射照相机等的取景器系统的聚焦的漫射板。

背景技术

迄今已知一种漫射板，多个微透镜布置在该漫射板上。不过，在用于单镜头反射(SLR)照相机等的取景器系统的聚焦的漫射板(多个微透镜布置在该漫射板上)中，衍射光的方向被限制为特定方向，模糊质量可能变得不自然。当与菲涅耳透镜一起使用时，这样的漫射板引起与菲涅耳透镜的带状结构的干涉，并可能产生叠栅条纹。因此，已经提出了一种漫射板，其中，在微透镜之间的距离变化，如在日本专利申请公开No.63-221329中公开，还提出了一种漫射板，其中，微透镜的顶点高度变化，如在日本专利申请公开No.03-192232中公开。

不过，为了使得模糊质量的不自然性和叠栅条纹更不明显，需要破坏由于在微透镜之间的距离变化(在日本专利申请公开No.63-221329中介绍)或者微透镜的顶点高度变化(在日本专利申请公开No.03-192232中介绍)而引起的周期性。不过，周期性的破坏有以下问题。当在微透镜之间的距离产生变化时，整个漫射板分成微透镜致密布置的部分(致密部分)和微透镜稀疏布置的部分(稀疏部分)。光在并不漫射的情况下通过该稀疏部分。因此，当稀疏部分增加时，聚焦变得困难。当微透镜的顶点的高度产生变化时，出来的光的漫射角度在顶点较高的微透镜和顶点较低的微透镜之间变大，光束到达取景器的光瞳外部，因此取景器图像将变暗。

本发明提供了一种具有微透镜阵列的漫射板，其中，模糊质量的不自然性和叠栅条纹更不明显，且聚焦能够很容易进行。这样，获得明亮的取景器。

发明内容

在本发明的一个方面，一种漫射板包括微透镜阵列，多个微透镜布置在该微透镜阵列中，其中，微透镜具有这样的形状，使得包括微透镜中心线的截面形状的曲率根据中心线的方向而变化，且曲率最大处的中心线的方向不同的多个微透镜被进行布置。

通过下面参考附图对示例实施例的说明，将清楚本发明的其它特征。

附图说明

图1A至1E表示了根据第一实施例的漫射板。

图2A至2C表示了在根据第一实施例的漫射板的一侧形成微透镜阵列的制造方法。

图3A和3B表示了处理机器。

图4A和4B表示了在根据第一实施例的漫射板的一侧形成微透镜阵列的处理。

图5表示了根据第二实施例的漫射板。

图6A和6B表示了根据第三实施例的漫射板。

图7A和7B表示了根据第四实施例的漫射板。

图8A至8B表示了根据第一实施例的漫射板。

图9A和9B表示了根据现有技术的漫射板。

具体实施方式

第一实施例

图1A至1D表示了第一实施例的漫射板的示意图。图1A是放大剖视图，图1B是微透镜阵列形成表面的示意俯视图。图1C是单个微透镜11的放大图。图1D是单个微透镜12的放大图。

该实施例的漫射板具有在其一侧上形成的大量微透镜的阵列1以及在其另一侧上形成的菲涅耳透镜2。各微透镜具有与球形形状或环形形状(它们是普通微透镜的形状)不同的形状。球形形状是指相对于两个垂直轴线中的各轴线对称的形状，其中，在一个轴线上的曲率等于在另一轴线上的曲率。环形形状是指相对于两个垂直轴线中的各轴线对称的形状，其中，在一个轴线上的曲率与在另一轴线上的曲率不同。

具体地说，下面将以微透镜11作为实例来介绍。微透镜11的形状为这样，即包括微透镜11的中心线T的截面形状的曲率根据中心线的方向而变化。该中心为顶点，并表示微透镜11的最高位置。这时的轮廓并不总是真正的圆形的一部分(圆弧)，它的实例包括稍微变形的形状。在这种情况下，轮廓的曲率是近似曲率。近似曲率由已知方法而获取。该实施例的微透镜具有这样的形状，即曲率根据中心线的方向而变化。具体地说，当不同曲率的平均值(平均曲率)与包括微透镜11的中心线的截面形状的曲率比较时，微透镜具有曲率比平均曲率更小的部分以及曲率比平均曲率更大的部分。例如，平均曲率这样获取，即通过改变中心线的方向、测量多个截面形状以及计算它们的曲率的平均值。图1C使用轮廓线来表示了微透镜11的形状，与具有平均曲率的球形形状不同。图1D使用轮廓线来表示了微透镜12的形状，与具有平均曲率的球形形状不同。在本说明书中，球形形状是指具有平均曲率的球形形状。如上所述，该实施例的微透镜具有非常独特的形状。具体地说，它们有这样的鞍形形状，即两个较高部分和两个较低部分形成于轴对称位置。图1E表示了沿图1D的中心线T和H获取的截面形状。由图1E可见，在较高部分中，包括微透镜中心线的截面形状的曲率小于平均曲率。在较低部分中，包括微透镜中心线的截面形状的曲率大于平均曲率。该实施例有多排微透镜。当微透镜阵列从上面看时，包括微透镜中心线的截面形状的曲率大于平均曲率的部分的位置在一排与另一排之间不同。也就是，在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线的方向在一排与另一排之间不同。

通过将这些独特的微透镜布置成使得在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线的方向在一排与另一排之间不同，由普通微透镜阵列中的周期性引起的问题被克服。因此，能够获得具有较低方向性的均匀漫射特性，并能够提供自然和不模糊的视界。当与菲涅耳透镜一起使用时，能够获得没有叠栅条纹的漫射板。因为在微透镜之间的距离无变化，且微透镜的顶点高度无变化，因此能够获得这样的漫射板，该漫射板能够很容易地进行聚焦，并且很明亮。

在该实施例中，当布置大量的微透镜时，参考图1C介绍的微透镜11的排和参考图1D介绍的微透镜12的排交替地布置。微透镜12与微透镜11的区别在于包括微透镜中心线的截面形状的曲率大于平均曲率的部分的位置。在图1D中，在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线由T表示。包括微透镜中心线的截面形状的曲率大于平均曲率的部分的位置不同意味着例如当从上面看微透镜阵列时该中心线T的方向不同。

下面将介绍根据该实施例的漫射板的制造方法。

图2A至2C是表示根据该实施例的漫射板的制造方法的示意图。根据该实施例的漫射板的制造方法包括：在模具中形成微透镜转印形状，该微透镜转印形状要被转印以形成微透镜；以及将形成的微透镜转印形状转印至树脂，以便制造具有微透镜阵列的漫射板。

在图2A至2C中，附图标记21表示微透镜转印形状，附图标记22表示工件(模具)，附图标记23表示工具，附图标记24表示圆形运动，而附图标记25表示线性运动(处理进给)。

在该实施例中，具有弓形切割刃231的工具的切割刃沿与工具切割面232交叉的方向进行圆形运动24。同时，工具的切割刃沿与圆形运动的方向交叉的方向进行线性运动(处理进给)25。因此，微透镜转印形状连续地形成于工件中。

图3A和3B表示了处理机器的示意图。能够进行亚微米级切割的已知高精度处理机器用作处理机器。在图3A和3B中，相同附图标记将用于表示与图2A至2C中相同的部件，并省略它们的说明。处理机器有Z轴线运动台板313和XY轴线运动台板314。高速圆形运动装置312用作用于使得工具23的切割刃进行圆形运动的装置。在该实施例中，磁致伸缩振动器用作用于圆形运动的驱动源。

两个磁致伸缩振动器沿相互垂直的方向布置在高速圆形运动装置312中，各磁致伸缩振动器的往复运动的幅值、周期、相位等由任意波形发生器315来控制，且工具的切割刃进行圆形运动24。通过使得XY轴线运动台板314沿Y轴线方向运动，工具的切割刃进行线性运动。

通过执行上述圆形运动和线性运动，工具的运动轨迹被明确确定，并画出螺旋线。

图2B和2C表示了在圆形运动的轨迹24和工具之间的关系。图2B表示了工具23保持沿固定方向并且圆形运动时的情况的示意图。当使得工具23保持沿固定方向时，工具23可以在切割面垂直于工件的处理表面221的情况下进行圆形运动，如图2B中所示，或者工具23可以在切割面沿方向A以1°至20°的角度倾斜的情况下进行圆形运动。工具23可以进行圆形运动，如图2C中所示，这样，工具23的切割面朝向与圆形运动的圆垂直的方向(这样，圆形运动的圆的中心处在切割面的延伸线上)。

通过将线性运动加在圆形运动上，工具的切割刃的轨迹画出螺旋线，并能够处理该实施例的独特微透镜转印形状。多个微透镜能够在工件中连续形成。

下面将参考图4A和4B介绍线性运动的方向。相同附图标记将用于表示与图2A至2C和图3A和3B中相同的部件，并将省略它们的说明。图4A和4B是处理表面221的俯视图，并示意表示了在处理过程中工具23的切割刃的运动轨迹418。通过使得XY-轴线运动台板314沿Y方向运动，将执行线性运动。图4A表示了当线性运动的方向416为在纸平面中从左向右时工具23的切割刃的运动轨迹418。图4B表示了当线性运动的方向417为在纸平面中从右向左时工具23的切割刃的运动轨迹418。在图4A中，工具的切割刃画出螺旋线，如由418所示，并在纸平面中从左向右连续处理微透镜转印形状。这时，微透镜转印形状具有这样的形状，即包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率根据中心线的方向而变化。这时，轮廓并不总是真正圆的一部分(圆弧)，它的实例包括稍微变形的形状。在这种情况下，轮廓的曲率为近似曲率。近似曲率通过已知方法来找到。当不同曲率的平均值(平均曲率)与包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率进行比较时，微透镜转印形状具有曲率比平均曲率更小的部分以及曲率比平均曲率更大的部分。也就是，在切割更深的部分中，包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率比平均曲率更小。这些部分由O表示。在切割更浅的部分中，包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率比平均曲率更大。这些部分由X表示。在图4B中，工具的切割刃画出螺旋线，如由418表示，并在纸平面中从右向左连续处理微透镜转印形状。这时，形成与球形形状不同的微透镜转印形状。切割更深的部分由O表示。当转印时，这些部分成为这样的微透镜部分，其中，包括微透镜转印形状中心线的截面的曲率小于平均曲率。在包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率最大处的中心线由K表示。比球形形状切割更浅的部分由X表示。当转印时，这些部分成为这样的微透镜部分，其中，包括微透镜转印形状中心线的截面的曲率大于平均曲率。在包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率最大处的中心线由K表示。因此形成这样的微透镜转印形状，它在较深切割部分和较浅切割部分的位置上与图4A的微透镜转印形状不同。也就是，微透镜转印形状与图4A的微透镜转印形状的区别在于这些部分的位置，在该部分中，包括微透镜转印形状中心线的截面的曲率大于平均曲率。例如，如图4A和4B中所示，当从上面看用于转印微透镜阵列的模具时，在包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率最大处的中心线K的方向在一排与另一排之间不同。

如上所述，通过改变线性运动的方向，能够形成这样的微透镜转印形状，使得在包括微透镜转印形状中心线的截面形状的曲率最大处的中心线K的方向在一排与另一排之间不同，且能够打破周期性。

这样，制成用于转印微透镜阵列的模具，其中形成大量的微透镜转印形状。

然后，通过已知方法在模具中形成用于转印菲涅耳透镜的形状，并制成用于转印菲涅耳透镜的模具。用于转印微透镜阵列的模具和用于转印菲涅耳透镜的模具布置成彼此相对，在它们之间形成有空间，且树脂灌注至该空间中。这样，制造了图1A中所示的漫射板，该漫射板有形成于其一侧的大量微透镜的阵列1以及形成于其另一侧的菲涅耳透镜。

也可选择地，当使用利用电铸的转印方法，并使用模具来转印微透镜阵列时，这种形状转印至要被转印的物体(要被转印的第一物体)，并制成凸形复制模具，这种凸形微透镜转印形状转印至该凸形复制模具。通过将获得的复制模具和用于转印菲涅耳透镜的模具布置成彼此相对(在它们之间形成有空间)，并将树脂灌注至该空间中，就可以制造漫射板，凹形微透镜形成于该漫射板中。

第一实例

下面将介绍第一实例。制造第一实施例的漫射板的实例将介绍为第一实例。

金刚石钻头用作工具23，该金刚石钻头有尖锐边缘，能够高精度地处理转印，并有弓形切割刃，该弓形切割刃具有15μm的半径。基于铜的材料(该材料能够通过金刚石钻头来进行优良地机械加工)被选择为工件22的处理层的材料。能够进行亚微米级切割的高精度处理机器用作处理机器。处理机器有Z轴线运动台板313和XY轴线运动台板314。高速圆形运动装置312用作用于使得工具进行圆形运动的装置。在该实施例中，磁致伸缩振动器用作用于圆形运动的驱动源。两个磁致伸缩振动器沿垂直方向布置在高速圆形运动装置中，线性运动的幅值、周期、相位等由任意波形发生器315来控制，从而画出具有15μm半径的圆。具有30μm的幅值和880Hz的频率的两个正弦波以1/4波长的相位差同步的条件选择为波形条件。线性运动的速度为6.6mm/s。

通过确定圆形运动和线性运动的上述条件，工具的切割刃的运动轨迹明确确定，并画出螺旋线。工件被处理为具有1至5μm的切割深度，微透镜转印形状被处理，并制造用于转印微透镜阵列的模具。

然后，制造用于转印菲涅耳透镜的模具。用于转印微透镜阵列的模具和用于转印菲涅耳透镜的模具布置成彼此相对，在它们之间形成有空间。聚甲基丙烯酸甲酯树脂(该聚甲基丙烯酸甲酯树脂通常用作用于光学元件的材料)灌注至该空间中，以便获得漫射板。

图8A是获得的漫射板的示意俯视图，图8B表示了图8A中所示的漫射板的漫射特性的模拟结果。图9A是用于比较的普通漫射板的示意俯视图，图9B表示了图9A中所示的漫射板的漫射特性的模拟结果。已经发现，与普通漫射板比较，在该实施例的漫射板中，在漫射分布的光点之间的间隔较窄，因此观察到的光点的数目较大，且各光点的亮度与光点的数目成比例地减小。因此，光点更不明显，并能够提供自然的模糊质量。当与菲涅耳透镜一起使用时，能够获得没有叠栅条纹的漫射板。

第二实施例

图5是第二实施例的漫射板的微透镜阵列形成表面的示意俯视图。相同附图标记将用于表示与图1A至1D中相同的部件，并将省略它们的说明。在图5所示的微透镜中，比具有平均曲率的球形更高的部分由O表示，比具有平均曲率的球形更低的部分由X表示，且在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线由T表示。如图5中所示，布置成排的微透镜的、在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线T的方向彼此稍微不同。相邻微透镜的、比具有平均曲率的球形更高和更低的部分的角度位置彼此相差预定角度。换句话说，相邻微透镜的、在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线的方向彼此相差预定角度。该预定角度能够任意确定。该确定角度可以是恒定角度，或者可以变化。

下面将介绍用于制造第二实施例的漫射板的方法。将介绍与第一实施例的区别，且与第一实施例相同的部分的说明将省略。在第一实施例中，介绍了用于形成用于转印微透镜阵列的模具的方法，它包括通过使得工具的切割刃的圆形运动与线性运动(该线性运动通过使得XY轴线运动台板314沿Y轴线方向运动而引起)组合而使得工具的切割刃螺旋运动。在本实施例中，θ台板安装在XY台板上，且不仅相对于工件进行线性运动，还相对于工件执行圆形运动。因此，在执行处理的同时稍微改变比具有平均曲率的球形形状更深和更浅地处理的部分的位置。当旋转方向反向时，脊线也能够沿反向方向旋转。在使用这样获得的微透镜阵列转印模具来制造的漫射板中，微透镜的漫射特性彼此稍微不同，因此进一步打破了周期性，且漫射板具有均匀的漫射特性，有较低的方向性。

第二实例

下面将介绍第二实例。制造第二实施例的漫射板的实例将表示为第二实例。

在第二实例中，工件是矩形形状，在一侧测量为20mm，旋转轴的角速度调节成不管离旋转中心的距离如何都使得在处理点处相对于工具的速度(该速度为线性运动)恒定，且执行控制以使得相对速度为每秒2mm。高速圆形运动装置的驱动频率为100Hz，工具的圆形运动的半径为20μm，从而以20μm的间隔连续地形成大约1000个平均半径为20μm的微透镜。

这样，处理了一排。当工具在经过工件后处理下一排时，该下一排将通过使得旋转轴的旋转方向反向来处理，只要在处理点处的工件相对速度和圆形运动的频率恒定。通过调节象限(一排的处理从该象限开始)，也就是从工件的旋转中心至工具的切割刃的方向，能够一排排地选择切割方向。

因为工具和工件能够彼此相对旋转，因此微透镜能够连续地形成，同时在线性运动过程中改变圆形运动的方向。因此，微透镜形状的方向(比具有平均曲率的球形形状更高和更低的部分的位置)能够自由地变化。在微透镜阵列转印形状的整个区域中，微透镜形状能够沿多个方向转向。因此，在漫射板的整个区域中，能够布置具有不同漫射特性的微透镜。在普通的微透镜阵列中成为问题的周期性被打破，并能够提供自然的模糊质量。当与菲涅耳透镜一起使用时，能够获得没有叠栅条纹的漫射板。

第三实施例

在该实施例中，将介绍微透镜阵列形成于螺旋形二维曲线上的漫射板。

图6A和6B是表示微透镜阵列的表面形状的解释俯视图，该微透镜阵列根据上述条件而形成于螺旋形二维曲线上。相同附图标记将用于表示与图1A至1D中相同的部件，并将省略它们的说明。图6A表示了具有多种形状的微透镜阵列的实例。比具有平均曲率的球形更高的部分由O表示，比具有平均曲率的球形更低的部分由X表示。在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线由T表示。微透镜的、在包括微透镜中心线的截面形状的曲率最大处的中心线的方向彼此稍微不同。

图6A表示了微透镜阵列的表面形状，其中，微透镜以一定间隔地连续布置在从XY中心延伸的螺旋形二维曲线上，使得曲线长度恒定。由直线界定的多个多边形所界定的区域是微透镜，且直线是脊线。在微透镜区域中的点表示各微透镜的顶点。在凹形表面的情况下，顶点是最低位置。在凸形表面的情况下，顶点是最高位置。

图6A表示了当微透镜的顶点沿由R＝aθ表示的极坐标曲线(阿基米德螺旋线)的轨迹布置时的实例。阿基米德螺旋线是从原点O至点P的距离r与相位角θ成正比的曲线。

在阿基米德螺旋线中，R表示在任意角度离中心点(原点)的径向距离，θ表示极坐标角度(弧度)，a是数值系数。通常，离中心(R)的距离随着角度增加而增加，因此距离R与角度θ成正比。系数a确定了螺旋线多紧地包绕原点；对于较小值的a，螺旋线变得更紧，对于较大的值，螺旋线变得更宽。该实施例的漫射板的形状特征是微透镜逆时针方向对齐，且微透镜的顶点沿由极坐标曲线确定的轨迹。沿阿基米德螺旋线的周向方向相邻的微透镜大致离中心相同径向距离。因此，分开相邻微透镜的中心的脊线近似等分线。因此，脊线Q基本面对中心。这也是独特的。

在图6A中，可以看见，随着离旋转中心的距离减小，在微透镜的顶点之间的直线段的长度之间的差异以及在微透镜的顶点之间的阿基米德螺旋线的曲线长度增加，且在微透镜的顶点之间的间隔的变化沿周向方向和径向方向都增加。因此，在中心附近的微透镜的位置并不确定于阿基米德螺旋线上，微透镜从周边向中心均匀地重新布置。图6B表示了形成的微透镜阵列的表面形状。在阴影部分中的微透镜的数目从两个(图6A)增加至四个(图6B)。微透镜的顶点(黑点)布置成使得顶点离其周边侧的距离相等。

图7A和7B是表示微透镜阵列的表面形状的视图，该微透镜阵列以与图6A和6B中所示不同的图形而形成于螺旋形二维曲线上。

图7A表示了微透镜阵列的表面形状，其中，微透镜以规则角度间隔连续地布置在螺旋形二维极坐标曲线上。由直线界定的多个多边形所界定的区域是微透镜的实例，且直线是脊线。在微透镜区域中的点表示各微透镜的顶点。

图7A的微透镜的顶点布置成使得这些顶点形成沿由R＝aθ^0.5表示的二维曲线(抛物螺旋线)的轨迹。

类似的，R表示在任意角度离中心点(原点)的距离，θ表示极坐标角度(弧度)，a是螺旋形多紧地包绕原点的数值系数。对于较小值的a，螺旋线变得更紧，对于较大的值，螺旋线变得更宽。

离中心的距离随着角度增加而增加。不过，在图7A的实例中，距离R与角度的平方根成正比。在该实例中，a＝6，且微透镜以一定角度间隔(通过以1:(1+α)/2的比率分开2π(弧度)而获得的两个角度中的更小一个，α是无理数，该更小角度在80°至180°的范围内)布置在抛物螺旋线上。在该实例中，α是，微透镜以大约137.5°的间隔来布置。

由图7A可见，在位于XY中心中的微透镜的顶点和周围微透镜的顶点之间的距离特别小，因此在中心的微透镜的位置并不确定于抛物螺旋线上，且微透镜从周边向中心均匀地重新布置。图7B表示了形成的微透镜阵列的表面形状。微透镜布置成使得在中心微透镜(在图7A中有阴影线)的顶点和周围微透镜的顶点之间的距离相等。

具有这种形状的漫射板能够高效率地制造，因为在用于制造用于转印微透镜阵列的模具的方法中，台(stage)的运动较小，并能够连续处理。

能够提供具有微透镜阵列的漫射板，其中，模糊质量的不自然性和叠栅条纹并不明显，聚焦能够很容易进行，且很亮。

尽管已经参考示例实施例介绍了本发明，但是应当知道，本发明并不局限于所述的示例实施例。下面的权利要求的范围将根据最广义的解释，以便包含所有这些变化以及等效结构和功能。

Claims (7)

1.一种漫射板，包括：

微透镜阵列，多个微透镜布置在该微透镜阵列中，

其中，微透镜具有这样的形状，使得包括微透镜中心线的截面形状的曲率根据中心线的方向而变化，以及

在截面形状的曲率最大处的中心线的方向不同的微透镜被布置。

2.根据权利要求1所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：微透镜有鞍形形状，使得在轴对称位置处形成比球形形状更高的两个部分和比球形形状更低的两个部分。

3.根据权利要求2所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：微透镜阵列有多排微透镜，在截面形状的曲率最大处的中心线的方向在一排与另一排之间不同。

4.根据权利要求2所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：微透镜阵列有多排微透镜，在各排中布置的微透镜的、在轮廓曲率最大处的中心线的方向在一排与另一排之间不同。

5.根据权利要求2所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：微透镜的顶点成螺旋形布置。

6.根据权利要求2所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：微透镜的顶点布置在由R＝aθ^0.5限定的曲线上，该曲线是抛物螺旋线。

7.根据权利要求1所述的具有微透镜阵列的漫射板，其中：在与形成微透镜阵列的一侧不同的一侧形成菲涅耳透镜。