CN106716185A - 扩散板及扩散板的设计方法 - Google Patents

扩散板及扩散板的设计方法 Download PDF

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CN106716185A CN201580052717.3A CN201580052717A CN106716185A CN 106716185 A CN106716185 A CN 106716185A CN 201580052717 A CN201580052717 A CN 201580052717A CN 106716185 A CN106716185 A CN 106716185A
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Abstract

本发明提供一种得到亮度不均、颜色不均少的光学特性和投影了图像时的良好的外观品质的简单结构的扩散板及设计方法。本发明的扩散板(1)是在主面(S1)上排列有多个微透镜(2)的扩散板，多个微透镜(2)的与主面(S1)垂直的剖面的形状互不相同且不具有对称轴。本发明的扩散板(1)的设计方法是在主面(S1)上排列有多个微透镜(2)的扩散板(1)的设计方法，决定一个或多个与主面(S1)垂直的剖面具有对称轴的基准微透镜(3)的形状，在主面(S1)上排列多个基准微透镜(3)，生成相对于主面(S1)具有连续地变化的曲面的相位调制形状(4)，通过将排列多个的基准微透镜(3)的形状与相位调制形状(4)相加来决定多个微透镜(2)的形状。

Description

扩散板及扩散板的设计方法
技术领域
本发明涉及扩散板及扩散板的设计方法。
背景技术
作为平视显示器或激光投影机等的屏幕，使用的是利用了微透镜阵列的扩散板。在使用了微透镜阵列的情况下，与使用半透明板、毛玻璃等的扩散板的情况相比，具有能够抑制激光的斑点噪声的优点。
专利文献1记载了一种具有扩散板的图像形成装置，该扩散板使用了以激光为光源并投影由多个像素的排列形成的影像的激光投影机和排列有多个微透镜的微透镜阵列。在使用了微透镜阵列的情况下，能够使入射的光适当地扩散，并且能够自由地设计需要的扩散角。
在专利文献2及3以及非专利文献1中记载了使用了两个的微透镜阵列的屏幕。在仅使用一个的微透镜阵列的情况下，容易产生亮度不均、颜色不均。在专利文献2及3以及非专利文献1中记载了通过使用两个的微透镜阵列，能够抑制这样的亮度不均的发生的情况。
另外，在专利文献3中记载了通过排列具有不同的特性的微透镜的一个的微透镜阵列，能够抑制以因周期构造而产生的衍射光及干涉光为起因的亮度不均的发生的情况。
在专利文献4中记载了如下的方法：在微透镜设置具有垂直的侧面的活塞形状(加高部)，或者使对于微细构造的形状或位置进行定义的参数的至少一个按照预先确定的概率密度函数而随机分布，由此来改善由于以微细构造的周期性为起因的衍射点而产生的亮度不均、颜色不均。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-145745号公报
专利文献2：日本特开2012-226300号公报
专利文献3：日本特表2007-523369号公报
专利文献4：日本特表2004-505306号公报
非专利文献
非专利文献1：H.Urey and K.D.Powell,“用于全色显示器的基于微透镜阵列的出射光瞳扩瞳器”(“Microlens-array-based exit-pupil expander for full-colordisplays”),APPLIED OPTICS Vol.44,No.23,p.4930-4936
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献3中未记载能够抑制亮度不均的发生的微透镜的具体的形状、排列。而且，为了使颜色不均、亮度不均变得均匀，例如向微透镜的曲率和配置位置等多个参数同时赋予随机分布时，在将扩散板使用于屏幕的情况下，容易产生由激光引起的斑点，存在图像质量恶化的问题。
在专利文献4中，以距基板的主面的高度不同的活塞形状将多个微透镜加高，向多个微透镜分别赋予不同的相位差，由此抑制衍射光及干涉光的产生而作为扩散板整体得到均匀的扩散特性。然而，活塞形状从基板的主面垂直地上升，因此成形性差，在制造时容易产生脱模不良等成形缺陷。因此，在扩散板上的缺陷部分处，光进行散射，因此存在投影图像时容易产生外观不良这样的问题。
本发明为了解决上述的问题而作出，其目的在于提供一种能得到亮度不均、颜色不均少的光学特性和投影了图像时的良好的外观品质的简单的结构的扩散板及其设计方法。
用于解决课题的方案
本发明的扩散板是在主面上排列有多个微透镜的扩散板，其特征在于，
所述多个微透镜的与所述主面垂直的剖面的形状互不相同且不具有对称轴。
在本发明中，其特征在于，
所述多个微透镜的各自的所述剖面的表面形状仅由曲线构成。
在本发明中，其特征在于，
所述多个微透镜的顶点的与所述主面垂直的方向的位置各不相同。
在本发明中，其特征在于，
所述多个微透镜在所述主面上呈格子状地排列。
在本发明中，其特征在于，
该扩散板是透过型的扩散板，
所述多个微透镜是凸透镜，
在将所述多个微透镜的凸面的顶点的距所述主面的最大高度与最小高度之差设为ΔH[μm]、将所述微透镜的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.2≤ΔH×(n-1)×1000/λ的关系。
在本发明中，其特征在于，
该扩散板是透过型的扩散板，
所述多个微透镜是凹透镜，
在将所述多个微透镜的凹面的顶点的距所述主面的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将所述微透镜的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.2≤ΔD×(n-1)×1000/λ的关系。
在本发明中，其特征在于，
该扩散板是反射型的扩散板，
所述多个微透镜是凸透镜，
在将所述多个微透镜的凸面的顶点的距所述主面的最大高度与最小高度之差设为ΔH[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.1≤ΔH×1000/λ的关系。
在本发明中，其特征在于，
该扩散板是反射型的扩散板，
所述多个微透镜是凹透镜，
在将所述多个微透镜的凹面的顶点的距所述主面的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.1≤ΔD×1000/λ的关系。
在本发明中，其特征在于，
所述多个微透镜的形状是将在所述主面上反复排列的一个基准微透镜与相对于所述主面具有连续地变化的曲面的相位调制形状合成而形成的形状。
在本发明中，其特征在于，
由所述多个微透镜构成的微透镜阵列的光轴朝向与所述主面垂直的方向。
本发明的扩散板的设计方法是在主面上排列有多个微透镜的扩散板的设计方法，其中，
决定一个或多个与所述主面垂直的剖面具有对称轴的基准微透镜的形状，
在所述主面上排列多个基准微透镜，
生成相对于所述主面具有连续地变化的曲面的相位调制形状，
通过将排列多个的所述基准微透镜的形状与所述相位调制形状相加来决定所述多个微透镜的形状。
在本发明中，其特征在于，
生成多个加高部，所述加高部配置在排列多个的所述基准微透镜与所述主面之间，
通过对生成多个的所述加高部的高度进行平均化处理来生成所述相位调制形状。
在本发明中，其特征在于，
在所述剖面中，所述相位调制形状是生成多个的所述加高部的高度的移动平均近似曲线。
在本发明中，其特征在于，
所述多个微透镜在所述主面上呈格子状地排列。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可得到亮度不均、颜色不均少的光学特性和投影了图像时的良好的外观品质的简单的结构的扩散板及其设计方法。
附图说明
图1是表示实施方式1的扩散板的与主面垂直的剖面的剖面轮廓的图。
图2是表示实施方式1的扩散板的主面上的形状的图。
图3是表示实施方式1的扩散板的制造方法的工序的流程图。
图4是表示实施方式1的微透镜阵列的设计工序的流程图。
图5是表示实施方式1的多个基准微透镜的剖面轮廓的图。
图6是表示实施方式1的相位调制形状的剖面轮廓的图。
图7是表示实施方式1的扩散板的模具制造工序的流程图。
图8是表示实施例1的扩散板的制造所使用的压模的激光显微镜观察图像的图。
图9A是表示实施例1的扩散板的投影器的透过像观察结果的图。
图9B是表示现有技术的扩散板的投影器的透过像观察结果的图。
图10是表示实施例1的扩散板的扩散角度分布特性的图。
具体实施方式
[实施方式1]
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
(扩散板的形状)
图1是表示本实施方式的扩散板1的与主面S1垂直的剖面的剖面轮廓的图。如图1所示，扩散板1是在基板的主面S1上排列有多个微透镜2的光扩散板。多个微透镜2在主面S1上呈格子状地排列。图1的纵轴将基板的主面S1的高度设为0来表示距透镜形状的主面S1的高度。图1的横轴表示与主面S1平行的方向的位置。需要说明的是，由多个微透镜2构成的微透镜阵列的光轴朝向与主面S1垂直的方向。
如图1所示，多个微透镜2的与主面S1垂直的剖面的形状互不相同，并且不具有对称轴。多个微透镜2的各自的剖面的表面形状仅由曲线构成。多个微透镜2的顶点的与主面S1垂直的方向的位置各不相同。
另外，图2示出约450μm×480μm的单位区域的微透镜阵列。通过将该单位区域铺满在基板的主面S1上来形成扩散板1。图2的纵轴及横轴表示主面S1上的座标，通过颜色的差异来表示距微透镜的主面S1的高度。在图2中，颜色越接近黑色则距主面S1的高度越小，越接近白色则距主面S1的高度越大。如图2所示，优选将多个微透镜2在主面S1上呈格子状地配置。在图2中，多个微透镜2呈矩形格子状地配置，但是格子状的配置没有限定为矩形格子，也可以使用正方格子、正三角格子、斜方格子、平行体格子等。
图3是表示扩散板1的制造方法的次序的流程图。本实施方式的扩散板1的制造方法具备：设计表现出所希望的光扩散特性的微透镜阵列的工序(ST100)；制造该微透镜阵列的模具的工序(ST200)；使用模具向树脂转印微透镜阵列的形状的工序(ST300)。
以下，依次说明各工序。
(微透镜阵列设计工序)
使用图4，说明本实施方式的扩散板1的设计中的微透镜阵列设计工序(ST100)。在本实施方式中，基准微透镜3的形状(图5)与向基准微透镜3赋予相位差的相位调制形状4(图6)分开设计。
首先，决定扩散板1所使用的材料的光学物性(尤其是折射率)及使用波长、以及所需的扩散特性的规格(ST110)。
接下来，进行基准微透镜3的形状设计(ST120)。基准微透镜3的形状可以是球面也可以是非球面，只要是满足要求的扩散特性的规格的形状即可。扩散板1的设计使用的基准微透镜3的种类多少都可以，但是优选在满足所需的特性的范围内以更少的种类进行设定。在此，图5示出排列具有四种类的曲率的球面透镜的微透镜阵列的剖面轮廓作为基准微透镜3的形状例。
在扩散板1中，多个微透镜2最密地填充较好，因此基准微透镜3的底面优选为正方形、长方形或正六角形等的能够最密填充的形状。然而，使扩散板1的光学特性具有各向异性的情况等并不局限于此，也可以任意地设定基准微透镜3的底面的形状及纵横比。
接下来，决定基准微透镜3的配置(ST130)。具体而言，决定主面S1上的单位区域中的基准微透镜3的配置图案、间距。如图5所示，也可以使用多个形状不同的微透镜。而且，如图2所示，优选将基准微透镜3在主面S1上呈格子状地配置。
通过使单位区域周期性地反复而能够填埋所需要的图案区域。通过使单位区域为更大的面积，此外，将多个种类的单位区域随机地配置，由此能够有效地减轻亮度不均、颜色不均。而且，通过使这样的单位区域反复，能够抑制加工所需的数据量，因此也能得到降低数据制成的负荷的效果。当然，如果在加工机侧处理大容量数据没有障碍，则也可以一并地准备微透镜阵列全部的数据。
接下来，进行赋予相位差的相位调制形状4的设计(ST140)。在本实施方式的扩散板1中，将透过了微透镜2的光或者由微透镜2反射的光的光路长度之差以波长进行规格化来表示相位差。为了向多个微透镜2分别赋予相位差，与基准微透镜3的形状另行地定义相位调制形状4。相位调制形状4例如能够基于平均间距、高低差等生成，也可以将若干的正弦波组合来生成。
在本实施方式中，在设定了的相位差的范围内，对于多个微透镜2使用均匀随机数而随机地设定相位差。首先，对于多个微透镜2分别设定由一个数值表示的相位差。在此状态下，在各个微透镜2的交界处，相位差为不连续的状态。因此，通过对构成微透镜阵列的多个微透镜2整体的相位差进行平均化处理，生成相位差连续地变化的三维曲面的相位调制形状4。相位调制形状4的形状例如图6所示。
接下来，生成多个微透镜2的形状(ST150)。最终形成的微透镜阵列的多个微透镜2的形状成为将相位调制形状4与多个基准微透镜3的形状合成而得到的形状。即，通过将图6所示那样的相位调制形状4与图5所示那样的多个基准微透镜3的形状加在一起，来生成图1所示那样的微透镜阵列形状。
在此，图5所示的多个基准微透镜3的形状是具有对称轴的微透镜。相对于此，图6的相位调制形状4是不具有对称轴的连续地变化的三维曲面。因而，在图1所示那样的将多个基准微透镜3与相位调制形状4相加而得到的微透镜阵列的与主面S1垂直的剖面中，多个微透镜2的剖面形状分别成为不具有对称轴的非对称的形状。
即，特征在于，多个微透镜2的剖面各不相同，分别由非对称的剖面构成。但是，由于概率性地偶然相同的透镜能够存在，因此无法否定在多个微透镜2中存在相同的微透镜的情况。而且，也无法否定有意地配置相同的透镜的情况。如果相同的微透镜为几个，则不会产生特别大的问题。然而，例如，如果将相同的透镜配置超过了微透镜阵列中的多个微透镜2整体的个数的10％那样的个数，则在亮度不均等特性中会出现影响，因此不优选。
使用了多个微透镜2具有非对称的剖面的微透镜阵列的扩散板1的光学特性可以根据基于标量理论的波动光学计算来求出。由于在最适的相位调制形状4和微透镜阵列的设计中存在庞大的组合，因此优选利用计算机来搜索最适的组合。
(多个微透镜的相位差)
对于使用了微透镜阵列的透过型扩散板进行具体说明。首先，如图6所示，相位调制形状4的特征在于形状连续地变化。相位调制形状4的距主面S1的高低差成为向多个微透镜2分别赋予的相位差。
在本实施方式的扩散板1中，通过使各个微透镜2产生相位差，来实现以衍射为原因而产生的亮度不均、颜色不均的改善。考虑扩散板1为透过型的扩散板，多个微透镜2为凸透镜的情况。多个微透镜2的相位差是将相位调制形状4与基准微透镜3的形状相加而得到的相位差，多个微透镜2的顶点的最大高低差设为ΔH[μm]。在此，在将构成微透镜阵列的材料的折射率设为n、将使用的光源的波长设为λ[nm]时，与最大高低差ΔH对应的相位差表示为1000×ΔH×(n-1)/λ。
为了产生亮度不均、颜色不均的改善效果，需要将多个微透镜2的相位差设定为0.2以上，更优选设为0.5以上。在此，在光源由多个波长构成的情况下，只要在使用的波长中以最长的波长为代表来计算即可。
即，在将多个微透镜2的凸部的顶点的距主面S1的最大高度与最小高度之差(最大高低差)设为ΔH[μm]、将微透镜2的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，优选满足0.2≤ΔH×(n-1)×1000/λ的关系，
更优选设为
0.5≤ΔH×(n-1)×1000/λ。
到此为止以透过型的凸透镜为例进行了说明，但是也可考虑扩散板1为透过型的扩散板且多个微透镜2为凹透镜的情况。在透过型的凹透镜的情况下，只要取代ΔH而置换为多个微透镜2的凹面的距主面S1的最大深度与最小深度之差ΔD[μm]来考虑即可。
即，在将多个微透镜2的凹面的顶点的距主面S1的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将微透镜2的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，优选满足0.2≤ΔD×(n-1)×1000/λ的关系，
更优选设为
0.5≤ΔD×(n-1)×1000/λ。
考虑扩散板1为反射型扩散板且多个微透镜2为凸透镜的情况。需要说明的是，在反射型扩散板的情况下，在表面形成的扩散图案不使光透过，因此严格来说不是透镜，但是关于透镜状的凹凸形状，在本说明书中也称为“微透镜”进行说明。
在多个微透镜2的凸部的顶点的高度具有分布的微透镜阵列的表面处入射光被反射，从而产生往复的光路差，从而在多个微透镜2各自之间产生相位差。此时的多个微透镜2的凸部的顶点的距主面S1的最大高度与最小高度之差ΔH所对应的相位差表示为1000×2ΔH/λ。
为了产生亮度不均、颜色不均的改善效果，与透过型的情况同样，相位差需要设定为0.2以上，更优选设为0.5以上。
即，在将多个微透镜2的凸面的顶点的距主面S1的最大高度与最小高度之差设为ΔH[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，优选满足0.1≤ΔH×1000/λ的关系，
更优选设为
0.25≤ΔH×1000/λ。
可考虑扩散板1为反射型扩散板且多个微透镜2为凹透镜的情况。在使用反射型且凹透镜的情况下，只要取代ΔH而置换为多个微透镜2的凹部的距主面S1的最大深度与最小深度之差ΔD来考虑即可，这一点与使用透过型且凹透镜的情况相同。
在将多个微透镜2的凹面的顶点的距主面S1的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，优选满足0.1≤ΔD×1000/λ的关系，
更优选设为
0.25≤ΔD×1000/λ。
关于微透镜阵列中的最大高低差ΔH的设定方法，也可以在微透镜阵列的图案区域的整个区域进行设定，还可以在某单位区域中确定最大高低差ΔH并使其周期性地或随机地反复。
根据设计数据来加工微透镜阵列的方法可以使用机械加工、利用了掩模的光刻、无掩模光刻、蚀刻、激光烧蚀等较多的加工方法。使用这些技术来制造模具，使用模具来成形树脂，由此制造出由微透镜阵列构成的扩散板1。也可以将模具直接使用作为反射型的扩散板。扩散板1的成形方法只要从卷对卷(roll to roll)成形、热冲压成形、使用了紫外线固化性树脂的成形、注塑成形等多个成形方法之中适当选择即可。在使用作为反射型的扩散板的情况下，只要在微透镜阵列的具有曲率的透镜面上成膜出Al等的反射膜来使用即可。
(模具制造工序及成形工序)
以下，关于通过激光扫描型的无掩模光刻和电铸来制造模具的模具制造工序(ST200)、通过使用了该模具和紫外线固化性树脂的成形来成形扩散板1的树脂成形工序(ST300)，参照图3及图7进行更详细的说明。
无掩模光刻由向基板上涂布光致抗蚀剂的抗蚀剂涂布工序(ST210)、使微细图案曝光于光致抗蚀剂的曝光工序(ST220)、使曝光后的光致抗蚀剂显影而得到具有微细图案的原盘的显影工序(ST230)构成。
首先，在抗蚀剂涂布工序(ST210)中，向基板上涂布正型的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的涂布膜的膜厚只要为要形成的微细图案的高度以上的厚度即可。对于涂布膜优选实施70℃～110℃的烘烤处理。
接下来，在曝光工序(ST220)中，对于利用涂布工序涂布的光致抗蚀剂，将激光束一边扫描一边照射，由此使光致抗蚀剂曝光。激光束的波长只要根据光致抗蚀剂的种类进行选定即可，可以选择例如351nm、364nm、458nm、488nm(Ar+激光的振荡波长)、351nm、406nm、413nm(Kr+激光的振荡波长)、352nm、442nm(He-Cd激光的振荡波长)、355nm、473nm(半导体激励固体激光的脉冲振荡波长)、375nm、405nm、445nm、488nm(半导体激光)等。
在微透镜2的曝光工序(ST220)中，一边将激光功率调制成根据微透镜2形状和抗蚀剂灵敏度而决定的值，一边使激光束向抗蚀剂上扫描。通过利用物镜进行聚光而使激光在抗蚀剂上结成焦点。抗蚀剂上的激光点通常是具有有限的直径的高斯分布。因此，即便使激光功率阶梯状地变化，曝光于抗蚀剂的光量分布也不会成为阶梯状，而成为具有一定的倾斜的光量分布。通过利用激光曝光的这样的性质，能够造形出平滑的斜面形状。
为了增大一个微透镜2和与之相邻的微透镜2之间的相位差(相当于距主面S1的透镜高度之差)，只要增大在曝光工序中向相邻的微透镜2照射的激光功率之差即可。然而，如果激光功率之差过大，则相邻的微透镜2的交界附近的透镜形状从设计值脱离的区域增加。因此，为了得到与光学设计结果相同的扩散角度分布，优选使相邻的微透镜2之间的高度之差收敛于一定的范围内。
在本实施方式中，微透镜阵列的最大高低差ΔH成为将相位调制形状4的最大高低差与多个基准微透镜3各自的以形状差为起因的高低差相加而得到的值。如果将以前述的波长进行规格化后的相位差设定为1，则多个微透镜2之间的相位差的平均成为0.5。由此，扩散板1上的多个微透镜2平均性地具有1/2波长的相位差，因此能抑制衍射光，故而优选。
接下来，在显影工序(ST230)中，对曝光后的光致抗蚀剂进行显影。光致抗蚀剂的显影可以通过各种公知的方法来实施。可以使用的显影液没有特别限制，可以使用例如四甲基氢氧化铵(TMAH)等的碱性显影液。而且，在显影工序(ST230)中，根据曝光量来除去光致抗蚀剂，形成光致抗蚀剂的微细图案形状。例如，在曝光工序(ST220)中，使用正性抗蚀剂，在以与凹透镜的形状对应的激光功率进行曝光的情况下，能够得到在光致抗蚀剂上形成有凹透镜形状的微透镜2的原盘。
接下来，在电铸工序(ST240)中，对于通过无掩模光刻中的曝光工序及显影工序而形成的具有微细图案的光致抗蚀剂表面，通过镍金属的蒸镀等而形成金属膜，由此来制造模具。
在电铸工序(ST240)中，首先，对于具有微细图案的光致抗蚀剂表面，通过镍金属的蒸镀等来实施导电化处理。接下来，通过电铸，在镍蒸镀膜表面使镍呈板状地堆积至所希望的厚度。
接下来，在剥离工序(ST250)中，如果将通过电铸工序(ST240)形成的镍板从光致抗蚀剂原盘剥离，则能得到如下模具(压模)，所述模具(压模)形成了光致抗蚀剂上的凹透镜形状被反转转印的凸透镜形状。在需要凹透镜形状的情况下只要再一次进行电铸工序即可。
接下来，在树脂成形工序(ST300)中，使用通过模具制造工序(ST200)形成的压模，对树脂进行成形。
更具体而言，首先，向压模的表面适量地涂布例如光固化树脂。接下来，在光固化树脂上覆盖基材。具体而言，一边利用手压辊将基材向光固化树脂压紧并将多余的光固化树脂掏出，一边使基材覆盖于光固化树脂上。接下来，从基材侧照射紫外光，使光固化树脂固化。需要说明的是，基材使用紫外光等的光能够透过的材质。接下来，将基材从压模剥离。在从压模剥离后的基材上形成光固化树脂的层。并且，在光固化树脂的层上反转地转印压模的构造。
在使用微透镜阵列作为反射型的扩散板1的情况下，例如只要使铝反射膜真空蒸镀于形成有微透镜阵列的构件的表面，通过铝面使入射光反射即可。而且，在微透镜阵列仅形成于基板的单面的构件的情况下，也可以设为从基板的平面侧入光并通过成膜出铝反射膜的微透镜阵列面进行反射的结构。
另一方面，光从未形成反射膜的微透镜阵列面入射并使光在形成有反射膜的平面侧反射的结构也可以利用作为扩散板1。此外，在两面上成形有微透镜阵列的基板中，调整入射侧的反射膜的膜厚而作为半反射镜，背面侧的膜厚以使反射率成为大致100％的方式进行了调整，由此也能够形成为基于表背两面的两个微透镜阵列的扩散板。而且，根据需要，为了保护铝反射膜而也可以涂层保护层。
在本发明的扩散板1中，向多个微透镜2分别赋予相位差，使赋予该相位差的相位调制形状4为连续的形状，由此，多个微透镜2在与基板的主面S1垂直的剖面中，不具有一般的透镜那样的旋转对称轴、超环面透镜那样的对称轴，而具有非对称的剖面。
由具有非对称的剖面的多个微透镜2构成的微透镜阵列的相邻的微透镜2之间被平滑地连接。通过减少相邻的微透镜2之间的连接部分的散射光，能够提高扩散板1的外观品质。而且，由于向多个微透镜2分别赋予相位差，因此在微透镜2的间距缩窄为几百μm以下时，能够降低由衍射及干涉引起的亮度不均、颜色不均。由此，能够提供一种同时实现亮度不均、颜色不均少的光学特性和良好的外观品质的扩散板。
实施例
以下，基于本实施方式的扩散板1的实施例，更详细地说明本发明。
在本实施例的扩散板1中，如前所述，将主面S1上的由多个微透镜2构成的微透镜阵列分为相位调制形状4和多个基准微透镜3而进行了设计。
相位调制形状4在微透镜阵列整体进行了设定。在相位调制形状4中，用于赋予相位差的距主面S1的最大高低差设为ΔH＝1.5μm。在主面S1上，产生与多个微透镜2的各自的位置对应的均匀随机数，设定了用于赋予相位差的加高高度(加高部)。然而，仅按照多个微透镜2的每一个来设定不同的加高高度的话，相邻的微透镜2之间的相位差变得不连续。因此，通过对分别设定于多个微透镜2的加高高度进行移动平均处理，而生成了连续的相位调制形状4。图6示出所设计的相位调制形状4的抽出一部分的情况。
接下来，说明基准微透镜3的形状。基准微透镜3的透镜形状也可以使用一般的旋转对称形状，这种情况下，基准微透镜3的剖面由下述的式(1)表示。在此，C是曲率[1/μm]，K是圆锥系数，r是从中心轴起的距离，z是以中心轴与透镜面的交点为基准的下垂量。曲率C使用曲率半径R，表示为C＝1/R。
[数学式1]
本实施例的扩散板1使用的基准微透镜3的剖面形状由下述的式(2)表示。在此，基准微透镜3是具有长方形的底面的超环面透镜，在X方向及Y方向上分别定义曲率。在此，以透镜的中心轴为原点，rx是从中心轴起的X方向的距离，ry是从中心轴起的Y方向的距离，Cx是X方向(XZ平面)的曲率[1/μm]，Cy是Y方向的曲率[1/μm]，(XZ平面)的Kx是X方向(XZ平面)的圆锥系数，Ky是Y方向(YZ平面)的圆锥系数。
[数学式2]
在本实施例的扩散板1中，多个微透镜2的间距固定为Px＝30μm，Py＝32μm。多个基准微透镜3在X方向上具有4个种类的曲率半径，在Y方向上具有3个种类的曲率半径。在本实施例的扩散板1中，将X方向及Y方向的曲率半径组合而成的总计12个种类的基准微透镜3使用均匀随机数而随机地选择并配置在主面S1上。在基准微透镜3中，X方向作为球面透镜(Kx＝0)而曲率半径Rx[μm]设为52.9、58.5、69.8、77.4，Y方向作为非球面透镜(Ky＝-0.45)而曲率半径Ry[μm]设为28.2、31.2、34.6。而且，全部的基准微透镜3将最低的部分的高度作为基准高度。
微透镜阵列的多个微透镜2的形状成为将相位调制形状4与多个基准微透镜3的形状相加而成的形状。图2示出在约450μm×480μm的区域设计时的多个微透镜2的形状例。在此，构成微透镜阵列的多个微透镜2的形状是使具有多个对称轴的基准微透镜3与不具有对称轴或对称点的相位调制形状4重合而成的形状。因此，构成微透镜阵列的多个微透镜2分别具有非对称的剖面。
基于上述的内容而设计了扩散板1表面的约60mm×80mm的微透镜阵列区域的整体(ST100)。使用该设计数据，经由前述的模具制造工序(ST200)，得到形成了具有多个凸透镜的微透镜阵列形状的压模。图8示出该压模的透镜形状的共焦点激光显微镜的观察图像。在图8中，能够确认到形成设有相位差的多个凸透镜形状的情况。
接下来，使用图8所示的压模，进行了使用光固化树脂的成形。使用厚度为0.3mm的聚碳酸酯膜作为基材，使折射率1.52的丙烯酸系光固化树脂流入到压模与基材之间来进行成形，由此制造了扩散板1。
图9A、9B是通过投影器(奥图码(Optoma)公司制PK301)向由成形得到的本实施例的扩散板1投影图像，并通过数码相机对扩散板1的透过像进行了拍摄的结果。扩散板1与投影器的距离分离10cm，以使投影器的焦点在扩散板1的位置对合的方式进行了调整。数码相机从由正面向水平方向偏移40度的方向，使焦点聚焦于扩散板1上进行了拍摄。
图9A是向本实施例的扩散板1投影了图像的结果，图9B是作为现有技术，在由将相位调制形状4作为按照各基准微透镜3的单纯的加高形状的微透镜阵列构成的扩散板1投影了图像的结果。进行比较可知，在现有技术的结构(图9B)中，图像的颗粒感强，在本实施例的扩散板1(图9A)中，颗粒感改善，投影了的图像的外观品质提高。
图10是使用亮度计(拓普康(TOPCON)公司制BM-7)和测角台，计测了扩散板1的透过光强度的扩散角度分布的结果。在图10中，H表示水平方向的扩散角度分布，V表示垂直方向的扩散角度分布。光源使用白色LED的校准光，使光垂直地向扩散板1入射。在本实施例的扩散板1中，亮度不均也减小，亮度不均被抑制成现有技术的同等以上，且投影了的图像的外观品质也提高。而且，扩散板1的扩散特性成为接近于顶帽的特性且以正面方向(0度)为中心的扩散特性，入射光与出射光的光轴大体一致。
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内能够适当变更。例如，在扩散板1上排列的微透镜2并不局限于透过型的透镜。在反射型的扩散板1的主面S1上具有与微透镜2同样的凹凸形状的光扩散图案也可以与微透镜2同样地形成为格子状。
本申请主张以2014年9月30日提出申请的日本申请特愿2014-201606为基础的优先权，并将其公开的全部援引于此。
标号说明
1 扩散板
2 微透镜
3 基准微透镜
4 相位调制形状

Claims (14)

1.一种扩散板，所述扩散板在主面上排列有多个微透镜，所述扩散板的特征在于，
所述多个微透镜的与所述主面垂直的剖面的形状互不相同且不具有对称轴。
2.根据权利要求1所述的扩散板，其特征在于，
所述多个微透镜的各自的所述剖面的表面形状仅由曲线构成。
3.根据权利要求1或2所述的扩散板，其特征在于，
所述多个微透镜的顶点的与所述主面垂直的方向的位置各不相同。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的扩散板，其特征在于，
所述多个微透镜在所述主面上呈格子状地排列。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的扩散板，其特征在于，
该扩散板是透过型的扩散板，
所述多个微透镜是凸透镜，
在将所述多个微透镜的凸面的顶点的距所述主面的最大高度与最小高度之差设为ΔH[μm]、将所述微透镜的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.2≤ΔH×(n-1)×1000/λ的关系。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的扩散板，其特征在于，
该扩散板是透过型的扩散板，
所述多个微透镜是凹透镜，
在将所述多个微透镜的凹面的顶点的距所述主面的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将所述微透镜的折射率设为n、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.2≤ΔD×(n-1)×1000/λ的关系。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的扩散板，其特征在于，
该扩散板是反射型的扩散板，
所述多个微透镜是凸透镜，
在将所述多个微透镜的凸面的顶点的距所述主面的最大高度与最小高度之差设为ΔH[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.1≤ΔH×1000/λ的关系。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的扩散板，其特征在于，
该扩散板是反射型的扩散板，
所述多个微透镜是凹透镜，
在将所述多个微透镜的凹面的顶点的距所述主面的最大深度与最小深度之差设为ΔD[μm]、将入射光的波长设为λ[nm]时，满足0.1≤ΔD×1000/λ的关系。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的扩散板，其特征在于，
所述多个微透镜的形状是将在所述主面上反复排列的一个基准微透镜与相对于所述主面具有连续地变化的曲面的相位调制形状合成而形成的形状。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的扩散板，其特征在于，
由所述多个微透镜构成的微透镜阵列的光轴朝向与所述主面垂直的方向。
11.一种扩散板的设计方法，是在主面上排列有多个微透镜的扩散板的设计方法，其中，
决定一个或多个与所述主面垂直的剖面具有对称轴的基准微透镜的形状，
在所述主面上排列多个基准微透镜，
生成相对于所述主面具有连续地变化的曲面的相位调制形状，
通过将排列多个的所述基准微透镜的形状与所述相位调制形状相加来决定所述多个微透镜的形状。
12.根据权利要求11所述的扩散板的设计方法，其特征在于，
生成多个加高部，所述加高部配置在排列多个的所述基准微透镜与所述主面之间，
通过对生成多个的所述加高部的高度进行平均化处理来生成所述相位调制形状。
13.根据权利要求12所述的扩散板的设计方法，其特征在于，
在所述剖面中，所述相位调制形状是生成多个的所述加高部的高度的移动平均近似曲线。
14.根据权利要求11～13中任一项所述的扩散板的设计方法，其特征在于，
所述多个微透镜在所述主面上呈格子状地排列。
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