CN111542769B - 扩散板和光学设备 - Google Patents

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Abstract

以提供具有高透过率并且能够降低斑点噪声的扩散板和光学设备作为目的，是在透明基板(10)的两面排列有多个微型透镜单元(11)的扩散板(1)，具有：第一微型透镜阵列(12A)，其形成于透明基板(10)的一个面，由凹形状或凸形状的多个微型透镜单元(11)构成；以及第二微型透镜阵列(12B)，其形成在与一个面为相反侧的另一个面，由凹形状或凸形状的多个微型透镜单元(11)构成，构成为：从构成第一微型透镜阵列(12A)的微型透镜单元(11)出射的光入射到构成第二微型透镜阵列(12B)的微型透镜单元(11)。

Description

扩散板和光学设备
技术领域
本发明涉及扩散板和光学设备。
背景技术
以往，使入射光向各种方向散射的扩散板被广泛地应用于投影仪等投影装置、平视显示器等显示装置、各种照明装置等光学设备中。该扩散板中的入射光的扩散机构大致分为利用由扩散板的表面形状引起的光的折射的机构、和利用在块体的内部存在的折射率与周围不同的物质导致的散射的机构。
作为利用由表面形状引起的光的折射的扩散板，有在块体的表面配置多个数十μm左右大小的微型透镜而成的微型透镜阵列。对于这些微型透镜阵列的透镜的形状、配置，进行了各种研究。例如，本申请人以抑制高阶衍射成分并得到平坦的扩散特性为目的，提出了在微型透镜的曲面添加了合适的非球面成分的微型透镜阵列(例如，参照专利文献1)，以抑制不需要的衍射成分等为目的，提出了彼此相邻的微型透镜间的棱线彼此不平行、且相对于透明基板不平行的微型透镜阵列(例如，参照专利文献2)。
另外，提出了在基板的两面配置有微型透镜的微型透镜阵列(例如，参照专利文献3和4)。根据这些微型透镜阵列，可得到可变放大倍率、成像性等光学性能高的微型透镜阵列。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-26662号公报；
专利文献2：日本特愿2015-213465号说明书；
专利文献3：日本特开2000-284217号公报；
专利文献4：日本特开2008-152040号公报。
发明内容
发明要解决的问题
然而，仅凭专利文献1和2那样的单个扩散板，有时候根据透镜的形状和配置，在出射光中出现数处强度有强弱的亮点(以下，称为斑点噪声)。例如在周期性的微型透镜阵列的扩散板中，出射光出现依赖于透镜的形状、配置的周期性斑点噪声。这些斑点噪声在投影装置、显示装置等显示图像的光学设备中，成为颜色不均等使画质恶化的原因。
于是，以往作为激光光源投影仪中的斑点噪声对策，作出如下尝试：如图8所示的光学设备100的扩散板101、102那样，使用两片扩散板，通过使激光通过这两片扩散板来使斑点噪声降低。
然而，若使激光通过两片扩散板，则产生透过率降低的问题。关于这点，在专利文献3和4中，虽然在两面具有微型透镜阵列，但是由于周期性地配置了同一形状，因而不能在单个扩散板中使斑点噪声降低。
本发明是鉴于上述问题作出的，其目的在于提供具有高透过率并且能够降低斑点噪声的扩散板和光学设备。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明提供了扩散板，其是在透明基板的两面排列有多个微型透镜单元的扩散板，具有：第一微型透镜阵列，其形成于前述透明基板的一个面，由凹形状或凸形状的多个微型透镜单元构成；以及第二微型透镜阵列，其形成在与前述一个面为相反侧的另一个面，由凹形状或凸形状的多个微型透镜单元构成，构成为：从构成前述第一微型透镜阵列的微型透镜单元出射的光入射到构成前述第二微型透镜阵列的微型透镜单元。
也可以是，前述第一微型透镜阵列和前述第二微型透镜阵列中的至少一者是随机的微型透镜阵列。
也可以是，构成前述第一微型透镜阵列的微型透镜单元的形状为圆形或椭圆形，构成前述第二微型透镜阵列的微型透镜单元的形状为圆形或椭圆形。
也可以是，前述扩散板仅由无机材料构成。
提供了光学设备，其具备上述的任何一种扩散板。
发明效果
根据本发明，能够提供具有高透过率并且能够降低斑点噪声的扩散板和光学设备。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的扩散板的俯视图。
图2是上述实施方式所涉及的扩散板的截面图。
图3是说明上述实施方式所涉及的扩散板的入射面的由凹透镜构成的微型透镜单元与出射面的微型透镜单元的关系的示意图。
图4是说明上述实施方式所涉及的扩散板的入射面的由凸透镜构成的微型透镜单元与出射面的微型透镜单元的关系的示意图。
图5是用于说明使扩散板的透镜单元随机配置的方法的一例的说明图。
图6A是说明本发明所涉及的扩散板的制造方法的一例的图。
图6B是说明本发明所涉及的扩散板的制造方法的一例的图。
图7是示意地示出本发明所涉及的光学设备的一个实施方式的图。
图8是示意性地示出现有的光学设备的图。
图9A是示出实施例1中的双面扩散板的扩散角强度分布的图。
图9B是示出实施例1中的双面扩散板的X轴方向的扩散特性的图。
图10A是示出比较例1中的单面扩散板的扩散角强度分布的图。
图10B是示出比较例1中的单面扩散板的X轴方向的扩散特性的图。
图11A是示出实施例2中的入射面的扩散角2°的双面扩散板的扩散角度强度分布的图。
图11B是示出实施例2中的入射面的扩散角2的双面扩散板的扩散特性的图。
图12A是示出实施例2中的入射面的扩散角5°的双面扩散板的扩散角度强度分布的图。
图12B是示出实施例2中的入射面的扩散角5°的双面扩散板的扩散特性的图。
图13A是示出实施例2中的入射面的扩散角10°的双面扩散板的扩散角度强度分布的图。
图13B是示出实施例2中的入射面的扩散角10°的双面扩散板的扩散特性的图。
图14A是示出比较例2中的单面扩散板的扩散角度强度分布的图。
图14B是示出比较例2中的单面扩散板的扩散特性的图。
图15A是示出实施例3中的双面扩散板的扩散角强度分布的图。
图15B是示出实施例3中的双面扩散板的X轴方向的扩散特性的图。
图16A是示出比较例3中的单面扩散板的扩散角强度分布的图。
图16B是示出比较例3中的单面扩散板的X轴方向的扩散特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的一个实施方式。
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的扩散板的俯视图，图2是示意性地示出上述实施方式所涉及的扩散板的截面图。
本实施方式所涉及的扩散板1是在基板两面配置有多个微型透镜单元(以下，透镜单元)11的微型透镜阵列型的双面扩散板。扩散板1具有透明基板10、和由在透明基板10的两面形成的多个透镜单元11构成的第一微型透镜阵列(以下，第一透镜阵列)12A、第二微型透镜阵列(以下，第二透镜阵列)12B。此外，扩散板1一般由多个单位单元(未图示)构成，但在图1中，示意性地示出在该单位单元中以矩形状切出的一部分。
<透明基板10>
透明基板10是由在入射到本实施方式所涉及的扩散板1的光的波段下，能够视为透明的材质构成的基板。关于该基板材料，例如可以是周知的树脂材料，也可以是由石英玻璃、硼硅酸玻璃、白板玻璃等无机材料构成的周知的光学玻璃。但是，基板材料优选的是，包含透镜部分(多个透镜单元11)的整体仅由无机材料构成。扩散板1的基板材料仅由无机材料构成，从而特别是在使用高输出的激光作为入射光的情况下，不会产生有机材料的变质导致的扩散特性的劣化。透明基板10的外形形状没有特别限定，例如根据安装扩散板1的投影装置、显示装置、照明装置等光学设备的形状，能够为任意的形状。
<第一透镜阵列12A、第二透镜阵列12B>
在扩散板1中，在透明基板10的一个面形成有由多个透镜单元11构成的第一透镜阵列12A，在与该一个面为相反侧的面的另一个面形成有由多个透镜单元11构成的第二透镜阵列12B。虽然图1和图2所示的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B中的任意一个透镜单元11都分别由凹形状的透镜构成的凹透镜形成，但不限于此，第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B各自的透镜单元11也可以是由凸形状的透镜构成的凸透镜。另外，在本实施方式所示的扩散板1中，将配置第一透镜阵列12A的一侧的面作为入射面，将配置第二透镜阵列12B的一侧的面作为出射面。
扩散板1的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B中的透镜单元11的配置为各透镜单元11的顶点配置成多边形的多边形配置。此外，如图1中示意性地示出的，多个透镜单元11各自以彼此邻接的方式(换言之，以在邻接的透镜单元11、11之间不存在成为非透镜区域的间隙(平坦部分)的方式)配置。通过在透明基板10的两面分别无间隙地配置透镜单元11(换言之，以透镜单元11的填充率为100%的方式配置)，从而能够抑制入射光中不由扩散板1散射而是原样地透过的成分。其结果是，具有以多个透镜单元11无间隙地彼此邻接的方式配置的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B的扩散板1能够使扩散性能进一步提高。
另外，在扩散板1的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B中，邻接的透镜单元11、11的透镜间间距比入射光直径小。具体而言，透镜间间距大致为入射光直径的1/3以下。特别是在将激光作为入射光的扩散板1的使用条件下，认为入射光直径最大为3mm左右。因此，只要透镜间间距为1mm以下，就可得到对于任何激光光源均能够适当使用的扩散板1。
在本实施方式的扩散板1中，分别构成第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B的透镜单元11配设成满足以下所示的三个条件。
(1)单位单元的4边边界为阵列排列，在图案中不产生不连续。
(2)各透镜单元11的顶点的平面位置和高度位置(换言之，凹透镜的深度最低的位置)和相邻的透镜单元11、11的透镜间棱线不规则(随机)化，以便充分地抑制衍射。
(3)为了抑制非扩散透过光，在邻接的透镜单元11、11之间不产生非透镜区域。
在此，“不规则(随机)”意味着在扩散板1中的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B的任意区域中，实质上不存在与透镜单元11的配置相关的规则性(周期性)。因此，即使在任意区域中，在微小区域中某种规则性(周期性)存在于透镜单元11的配置中，但作为任意区域整体在透镜单元11的配置中不存在规则性(周期性)的情形，也被包含在“不规则(随机)”中。另外，第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B除了透镜单元11的配置之外，透镜单元11的曲率半径、透镜单元11的深度(高度)中的至少任一者也可以是“不规则(随机)”的。
在以满足上述三个条件的方式配置了透镜单元11的、本实施方式的扩散板1的第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B中，彼此相邻的透镜单元11、11间的棱线并非全部彼此平行，且相对于透明基板10不平行。这是因为，在透镜单元11、11间存在彼此平行的棱线的情况下，衍射光成分增加。
在此，“棱线”是指在多个透镜单元11邻接的邻接透镜边界部，透镜单元11的曲率半径急剧地变化的线状区域。此种棱线的宽度通常为光的波长程度以下，以在蚀刻等工艺条件下衍射光成为适当大小的方式控制该棱线的宽度。另外，所谓“不平行”，包含判断是否平行的两条线中的至少一条为曲线的情况。具体而言，由邻接的透镜单元11包围的透镜单元的区域若从透镜单元11的光轴方向观察则为多边形，多边形的各边若从透镜单元11的截面观察则为曲线。
<入射面的透镜单元11与出射面的透镜单元11的关系>
本发明所涉及的扩散板1构成为：从构成第一透镜阵列12A的透镜单元11出射的光透过透明基板10的内部，入射到构成第二透镜阵列12B的透镜单元11。即，从构成第一透镜阵列12A的透镜单元11出射的光通过棱线的内侧的透镜区域，该棱线划定构成第二透镜阵列12B的透镜单元11的周围。
从第一透镜阵列12A的任一透镜单元11出射的光所入射的第二透镜阵列12B的透镜单元11只要至少有一个即可。即，从第一透镜阵列12A的一个透镜单元11出射的光入射到第二透镜阵列12B的至少一个透镜单元11，从该第二透镜阵列12B的透镜单元11出射到扩散板1的出射面侧。光在被第一透镜阵列12A的透镜单元11扩散之后，被第二透镜阵列12B的透镜单元11进一步扩散，因而斑点噪声降低。而且，扩散板1在透明基板10的一个面具有第一透镜阵列12A，在另一个面具有第二透镜阵列12B，因而与例如图8所示的光学设备100的扩散板101、102那样，光依次透过隔开而独立地配置的两片扩散板的情况下的透过率(约99%)相比，能够具有高透过率(约99.5%)。
接着，对于该扩散板1中的入射面的透镜单元11与出射面的透镜单元11的关系，使用图3、图4进一步说明。图3、图4是说明本实施方式所涉及的扩散板1的入射面的透镜单元11与出射面的透镜单元11的关系的示意图。图3示出入射面的透镜单元11为凹透镜的情况，图4示出入射面的透镜单元11为凸透镜的情况。
在本实施方式所涉及的透镜单元11分别随机地配置于两面的扩散板1中，若使用透镜单元11的平均间距(透镜单元11的顶点间的平均距离)P1、透明基板10的折射率n、透镜单元11的平均曲率半径R1，则作为出射面的第一透镜阵列12A的扩散角(半值全宽)由以下的数学式1表示。
[数学式1]
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
另外，在出射面(配置第一透镜阵列12A的一侧的面)随机地形成的透镜单元11的焦距f1由以下的数学式2表示。
[数学式2]
Figure 680187DEST_PATH_IMAGE002
在此，在如图3所示，入射面的透镜单元11为凹透镜，出射面的透镜单元11为凸透镜或凹透镜的情况下，若将出射面的透镜单元11的平均间距(透镜单元11的顶点间的平均距离)设为P2、将透明基板10的厚度设为t，则使斑点噪声更适当地降低的条件由以下的数学式3表示。
[数学式3]
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由于入射面的透镜单元2由凹透镜构成，因而焦距为负，因此若将数学式1和数学式2代入数学式3，则成为以下的数学式4。
[数学式4]
Figure 659645DEST_PATH_IMAGE004
另一方面，在如图4所示，入射面的透镜单元11为凸透镜，出射面的透镜单元11为凸透镜或凹透镜的情况下，若将出射面的透镜单元11的平均间距(透镜单元11的顶点间的平均距离)设为P2、将透明基板10的厚度设为t，则关于使斑点噪声更适当地降低的条件，由于入射面的透镜单元2由凸透镜构成因而焦距为正，因此若将数学式1和数学式2代入数学式3，则成为以下的数学式5。
[数学式5]
Figure DEST_PATH_IMAGE005
在扩散板1中，入射面的第一透镜阵列12A的透镜单元11和出射面的第二透镜阵列12B的透镜单元11满足上述数学式4或数学式5的条件，从而从第一透镜阵列12A的透镜单元11出射的扩散光可靠地入射到第二透镜阵列12B的任意一个以上透镜单元11，并由该透镜单元11进一步扩散而出射。所以，扩散板1的光扩散效率高，能够使斑点噪声更适当地降低。
<透镜配置的不规则(随机)化>
使用图5，对使透镜单元11不规则(随机)配置的方法的一例进行说明。
首先，注意成为透镜单元11的不规则(随机)配置的基准的、具有规则性的透镜配置。作为此种具有规则性的透镜配置，配置为透镜单元的顶点位置以正方形状配置的四边形配置、单透镜的顶点位置配置在与正六边形的顶点和正六边形的中心对应的位置的六边形配置等多边形。在图5中，将透镜单元的顶点位置呈六边形配置的情况作为成为基准的透镜配置而用黑圈示出。在此基础上，将规则性的透镜单元的顶点位置作为初始值，在距该初始值的位置为半径Δr的范围内，使透镜单元的顶点位置随机地位移。根据该配置方法，对于透镜单元的顶点位置从成为基准的位置的偏移方向、和透镜单元的顶点位置从成为基准的位置的偏移量，导入两种不规则(随机)性。此时，对于构成作为出射面的第二透镜阵列12B的透镜单元11的间距(P2)，通过满足上述数学式4或数学式5，从而能够使斑点噪声更恰当地降低。
<透镜单元11的形状>
在扩散板1中，构成第一透镜阵列12A的透镜单元11的形状可以是圆形或椭圆形，另外，构成第二透镜阵列12B的透镜单元11的形状也可以是圆形或椭圆形。即，在扩散板1的各个面配置的透镜单元11的形状不限于一般的圆形状，也可以是椭圆形状。此外，透镜单元11的形状为圆形或椭圆形，意味着透过透镜单元11的光轴的光的强度分布为圆形或椭圆形。
在透镜单元11为椭圆形的情况下，以使配置在扩散板1的同一面的所有透镜单元11的长轴方向和短轴方向分别一致的方式定向各透镜单元11。另外，在构成扩散板1的第一透镜阵列12A的透镜单元11的形状、和构成第二透镜阵列12B的透镜单元11的形状均为椭圆形的情况下，构成第一透镜阵列12A的透镜单元11的长轴方向和短轴方向、和构成第二透镜阵列12B的透镜单元11的长轴方向和短轴方向以分别错开90°的方式定向。由此，即使在透镜单元11为椭圆形的情况下，从扩散板1出射的扩散光的扩散角的分布也与透镜单元11为圆形的情况相同，在XY方向上为均匀的，可得到良好的扩散性。
<防反射膜>
在扩散板1中如图2所示，在其两面出于透过率的增加、反射杂散光的防止等方面，能够形成被称为AR涂层(Anti-Reflection Coating：防反射涂层)的防反射膜13。作为防反射膜13，例如能够使用SiO2、Al2O3、MgF2、CeO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Y2O3、Tb2O3、ZnS、ZrO2等一般的电介质透明膜。特别是在入射光为高输出激光等导致的成为高光密度的情况下，优选地使用例如Ta2O5、SiO2等耐光性高的材料。另外，在防反射膜13相对于扩散板1的成膜中，由于在表面存在透镜单元11导致的凹凸，因而有时候膜厚在透镜单元11的中心部与周缘部是不同的。另外，由于在透镜单元11的中心部和周缘部，入射光的入射角不同，因而使设计中假定的角度范围比通常更广等的措施是必要的。
<扩散板1的制造方法>
接着，对于以上说明的本实施方式所示的扩散板1的制造方法的一例，使用图6A、图6B简单地说明。
本实施方式所示的扩散板1主要经过基板清洗工序、抗蚀剂涂布工序、曝光工序、显影工序、蚀刻工序来制造。即，本实施方式所示的扩散板1是通过以下制造的：在透明基板上形成抗蚀剂之后，将抗蚀剂曝光、显影从而形成成为透镜单元11的图案，并通过蚀刻将该图案转印到基板上。
首先，在图6A中，在基板清洗工序中，通过清洗剂清洗成为基板材料的玻璃基板等透明基板10。在使清洗后的透明基板10干燥之后，在抗蚀剂涂布工序中，在透明基板10的一个面涂布抗蚀剂。在抗蚀剂涂布工序中，由有机材料构成的例如光致抗蚀剂等抗蚀剂14被涂布在透明基板10的一个面。
曝光显影后的抗蚀剂14在后述的蚀刻工序中由蚀刻气体进行干蚀刻。作为蚀刻气体，一般使用CF4、SF6、CHF3等氟系蚀刻气体，因而作为透明基板10，优选地使用不含有与如上所述的氟系蚀刻气体反应而成为不挥发性物质的Al2O3、碱金属等碱成分(或者碱成分的含量为20质量%以下，更优选为10质量%以下)的石英玻璃、TEMPAX玻璃等。例如，如果使用如上所述的氟系蚀刻气体对含有27%的Al2O3、完全不含碱金属的玻璃基板(例如康宁公司的产品名：Eagle-XG等)进行干蚀刻，那么有时候产生在表面未被蚀刻的Al2O3的微小突起，透过率降低。
接着，使用灰度掩模对涂布在透明基板10的一个面的抗蚀剂14实施期望图案的曝光。使用灰度掩模的曝光是通过掩模部分的浓淡来控制光的透过量的曝光。即，光的透过量大的部分被曝光直到抗蚀剂14的深处，光的透过量小的部分仅被曝光直到抗蚀剂14的浅处。在使用灰度掩模的曝光中，这样地对于抗蚀剂14进行随机的三维曝光。在抗蚀剂14中通过曝光而感光的抗蚀剂部分15通过接下来的显影工序容易被除去。
在显影工序中，在透明基板10上的抗蚀剂14中，显影并除去在曝光工序中通过曝光而感光的不需要的抗蚀剂部分15。由此，在透明基板10的一个面，形成随机配置了与透镜单元对应的凹部的期望的透镜单元图案16。
接着，在蚀刻工序中，对于显影结束而在一个面形成有透镜单元图案16的透明基板10，使用如上所述的氟系蚀刻气体实施干蚀刻。由此，通过抗蚀剂40形成的透镜单元图案16被转印到透明基板10，可得到在一个面具有随机配置了多个透镜单元11的第一透镜阵列12A的透明基板10。
在此，转印到透明基板10的透镜单元图案16的形状不仅考虑灰度掩模曝光的条件，还考虑干蚀刻的条件来决定。如果将干蚀刻中的抗蚀剂14的蚀刻速度与透明基板10(例如玻璃等)的蚀刻速度之比(=透明基板的蚀刻速度/抗蚀剂的蚀刻速度)设为“蚀刻选择比”，则通过调节蚀刻工序中的各蚀刻气体的流量比例，能够使该蚀刻选择比变化。由此，能够进行转印的透镜形状(例如，透镜单元11的曲率半径)的微调。
具体而言，在使用CF4、Ar、O2作为蚀刻气体的情况下，如果使流量比(=“CF4气体的流量/Ar气体的流量”)在0.25-4的范围内变化，则如上所述的蚀刻选择比变化到1.0-1.7。进而，若在该状态下添加3%-10%的O2气体，则能够使如上所述的蚀刻选择比降低到0.7-1.0。如此，根据蚀刻气体的条件，能够使如上所述的蚀刻选择比变化到0.7-1.7。此种现象意味着能够通过蚀刻，在70%-170%的范围内调整通过灰度曝光得到的透镜单元图案16的曲率半径。
接着，在透明基板10的另一个面也形成随机配置的多个透镜单元11。本实施方式所示的扩散板1是在透明基板10的两面分别随机配置有透镜单元11的双面扩散板，因而在经过上述工序得到的透明基板10的另一面，也通过与上述同样的工序使透镜单元11随机配置。即，如图6B所示，在透明基板10的另一面，也与图6A完全同样地实施基板清洗工序、抗蚀剂涂布工序、曝光工序、显影工序、蚀刻工序。由此，可得到在透明基板10的另一个面也形成有随机配置了多个透镜单元11的第二透镜阵列12B的本实施方式所示的扩散板1。
然后，实施AR涂布工序。在AR涂布工序中，对于形成有第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B的扩散板1的两面，使用如上所述的电介质，通过蒸镀或溅射来形成防反射膜13。
此外，在以上的制造方法中，通过在一片透明基板10的两面分别实施抗蚀剂涂布工序、曝光工序、显影工序、蚀刻工序，从而制造在一片透明基板10的两面随机配置了透镜单元11的扩散板1，但不限于此。例如，也可以准备两片通过图6A所示的制造工序得到的仅在单面具有透镜单元11的透明基板10，使形成有透镜单元11的面朝向外侧而将两片透明基板10、10彼此接合一体化，从而制造在一体化成为一片的透明基板10的两面随机配置有透镜单元11的扩散板1。
另外，在以上的说明中，例示了随机配置有第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B双方的透镜单元11的扩散板1，但不限定于此。扩散板1只要随机配置有第一透镜阵列12A和第二透镜阵列12B中的至少一者的透镜单元11即可。
<光学设备>
本发明所涉及的扩散板1安装于需要使来自光源的光扩散的光学设备。作为此种需要使来自光源的光扩散的光学设备，能够列举例如投影仪等投影装置、平视显示器等显示装置、各种照明装置等。特别地，本发明所涉及的扩散板1能够适当地用于将产生颜色不均视作问题的用途的光学设备。
图7是示意地示出安装了扩散板1的光学设备的一个实施方式的图。
该光学设备例示了使用多个蓝色LD(激光二极管)31、41作为光源3、4而构成为射出扩散的白色光的投影仪2，在图7中示意性地示出了该投影仪2的光照射部的构成。
在投影仪2中，从一个光源3的各蓝色LD 31出射的蓝色光L1透过仅在出射面配置了具有扩散角5°的扩散特性的多个透镜单元的一片扩散板21并扩散，入射到第一分色镜23。第一分色镜23具有使蓝色光反射而使黄色光透过的特性。因此，入射到第一分色镜23的蓝色光L1被第一分色镜23反射，入射到荧光体轮22。
荧光体轮22在入射面具有荧光体层，通过对该荧光体层照射蓝色光L1而被激发，发出由黄色荧光构成的黄色光L2。从荧光体轮22发出的黄色光L2透过第一分色镜23，入射到第二分色镜24。第二分色镜24具有使蓝色光透过而使黄色光反射的特性。因此，入射到第二分色镜24的黄色光L2被第二分色镜24反射。
另外，从另一个光源4的各蓝色LD 41出射的蓝色光L3透过本实施方式所涉及的一片扩散板1而扩散。在图7所示的扩散板1中，入射面(第一透镜阵列12A)的透镜单元11具有5°的扩散角，出射面(第二透镜阵列12B)的透镜单元11具有10°的扩散角。透过扩散板1而扩散的蓝色光L3透过第二分色镜24，与被该第二分色镜24反射的来自荧光体轮22的黄色光L2混合。由此，投影仪2照射视觉上为白色的光。
根据具有此种光照射部的构成的投影仪2，从光源4的各蓝色LD 41出射的蓝色光L3透过本发明所涉及的扩散板1从而被扩散，因而斑点噪声降低。因此，可抑制由斑点噪声引起的颜色不均的发生。而且，由于扩散板1在一片透明基板10的两面配置有透镜单元11，因而与如图8所示的现有光学设备100那样，将分别仅在单面配置有透镜单元的两片独立的扩散板101、102隔开设置的情况相比，能够具有高透过率。因此，该投影仪2与以往相比，能够照射明亮的光。
此外，在图8所示的现有光学设备100中，与图7所示的本发明所涉及的投影仪2相同符号的部位示出相同构成的部位。图8所示的扩散板101仅在出射面配置了具有扩散角5°的扩散特性的多个透镜单元，扩散板102仅在出射面配置了具有扩散角10°的扩散特性的多个透镜单元。图7所示的投影仪2能够通过一片扩散板1实现与这两片扩散板101、102同等的功能，因而投影仪2能够简化光照射部的构成，能够实现小型化、低成本化。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，但本发明并不由这些实施例限定。
(实施例1)
在由玻璃基板构成的透明基板的两面，通过对分别由有机材料构成的抗蚀剂进行灰度掩模曝光和显影，从而形成与期望的透镜单元的排列图案对应的透镜单元图案，通过对该透镜单元图案进行干蚀刻从而向透明基板转印，制作了双面扩散板，该双面扩散板在入射面和出射面这两面具有分别随机配置有由凹透镜构成的透镜单元的透镜阵列。
入射面与出射面的距离，即透明基板的厚度t为14mm，折射率n为1.48(波长λ：455nm)。入射面和出射面的透镜单元的平均间距P1、P2均为82μm，入射面的透镜单元的平均曲率半径R1为1253μm。另外，入射面透镜单元的焦距f1为-1305.2μm。用滨松光子(浜松ホトニクス)公司制造的扩散角测定机：半导体激光轮廓仪FFP测定系统测定该双面扩散板的入射面和出射面的扩散角，均为1.8°。另外，入射光使用激光二极管(波长：450nm)。入射光的半径φ为1-1.5mm，透明基板与测定机的距离为2.8mm。
在该双面扩散板中，为了透过入射面的透镜单元的光入射到出射面的至少一个以上透镜单元，根据上述数学式，出射面的透镜单元的平均间距P2需要为85μm以下。由于得到的双面扩散板的出射面的透镜单元的平均间距P2为82μm，因而从入射面出射的光入射到出射面的至少一个以上透镜单元而被扩散。
在图9A中示出该双面扩散板的扩散角强度分布，在图9B中示出其X轴方向的扩散特性。
(比较例1)
制作了单面扩散板，其仅在由与实施例1同样的玻璃基板构成的透明基板的一个面，与实施例1同样地具有随机配置了由凹透镜构成的透镜单元的透镜阵列。与实施例1同样地测定该单面扩散板的扩散角，为1.8°。
在图10A中示出该单面扩散板的扩散角强度分布，在图10B中示出其X轴方向的扩散特性。
<实施例1与比较例1的比较>
若比较图9所示的实施例1和图10所示的比较例1，可知在比较例1中，与实施例1相比，亮点明显较多，产生许多斑点噪声。所以得知，以从入射面的透镜单元出射的光入射到出射面的透镜单元的方式构成的双面扩散板与单面扩散板相比，斑点噪声的降低效果是优异的。
(实施例2)
制作了三种双面扩散板，其在由与实施例1同样的玻璃基板构成的透明基板的两面，与实施例1同样地，分别具有随机配置了由凹透镜构成的透镜单元的透镜阵列。与实施例1同样地测定这三种双面扩散板的扩散角，入射面分别为2°、5°、10°，出射面均为10°。
双面扩散板的规格(透明基板的厚度t、折射率n、透镜单元的平均间距P1、P2、入射面的透镜单元的平均曲率半径R1、入射面的透镜单元的焦距f1)与实施例1相同。在入射面和出射面的透镜单元的平均间距P1、P2为82μm的情况下，根据上述数学式，如果入射面的扩散角为1.68°以上，那么出射面的透镜单元的平均间距P2为82μm以上，从入射面出来的光入射到出射面的至少一个以上透镜单元而被扩散。
在图11A中示出入射面的扩散角为2°的双面扩散板的扩散角度强度分布，在图11B中示出其X轴方向的扩散特性。另外，在图12A中示出入射面的扩散角为5°的双面扩散板的扩散角度强度分布，在图12B中示出其X轴方向的扩散特性。进而，在图13A中示出入射面的扩散角为10°的双面扩散板的扩散角度强度分布，在图13B中示出其X轴方向的扩散特性。
(比较例2)
制作了单面扩散板，其仅在由与实施例2同样的玻璃基板构成的透明基板的一个面，与实施例2同样地具有随机配置了由凹透镜构成的透镜单元的透镜阵列。与实施例2同样地测定该单面扩散板的扩散角，入射面无，出射面为10°。
在图14A中示出该单面扩散板的扩散角度强度分布，在图14B中示出其X轴方向的扩散特性。
<实施例2与比较例2的比较>
若比较图11至图13所示的实施例2和图14所示的比较例2，可知比较例2的扩散特性产生了多个强度上下大幅振动的亮点，产生许多斑点噪声。所以得知，以从入射面的透镜单元出射的光入射到出射面的透镜单元的方式构成的双面扩散板与单面扩散板相比，斑点噪声的降低效果是优异的。另外，从图11至图13可知，入射面的扩散角越接近出射面的扩散角，扩散特性就越从TOPHAT型变为高斯型。
(实施例3)
对具有椭圆形的透镜单元的扩散板的扩散特性进行了模拟(使用ZEMAX公司的产品名：Optic Studio)。
在图15A、图15B中示出双面扩散板的扩散特性，其中由拥有X轴方向的扩散角6°、Y轴方向的扩散角2.8°的凹透镜构成的透镜单元随机配置于入射面，由通过相对于入射面的透镜单元的长轴方向和短轴方向错开90°从而拥有X轴方向的扩散角2.8度、Y轴方向的扩散角6°的凹透镜构成的透镜单元随机配置于出射面。图15A示出该双面扩散板的扩散角强度分布，图15B示出该双面扩散板的X轴方向的扩散特性。
如此，通过使具有相同的椭圆形扩散特性的各透镜单元的长轴方向和短轴方向错开90°而在两面定向，从而扩散角在单面扩散板和双面扩散板中采取大致相同的值(约10°)，其扩散特性成为高斯型的圆形。即，得知光的扩散角的分布在XY方向上变得均匀，可得到良好的扩散性。
(比较例3)
在图15A、图15B中示出单面扩散板的扩散特性，其中由拥有X轴方向的扩散角6°、Y轴方向的扩散角2.8°的凹透镜构成的透镜单元随机配置于入射面。图16A示出该单面扩散板的扩散角强度分布，图16B示出该单面扩散板的X轴方向的扩散特性。
如此，在单面扩散板中，在透镜单元为椭圆形状的情况下，自由该透镜单元构成的透镜阵列出射的光的扩散角的分布也成为椭圆形状，光的扩散角的分布在XY方向上变得不均匀。
符号说明
1 扩散板
10 透明基板
11 微型透镜单元
12A 第一微型透镜阵列
12B 第二微型透镜阵列
2 光学设备。

Claims (5)

1.一种扩散板，是在透明基板的两面排列有多个微型透镜单元的扩散板，具有：
第一微型透镜阵列，其形成于所述透明基板的一个面，以无间隙地彼此邻接的方式配置有凹形状或凸形状的多个微型透镜单元；以及
第二微型透镜阵列，其形成在与所述一个面为相反侧的另一个面，以无间隙地彼此邻接的方式配置有凹形状或凸形状的多个微型透镜单元，
构成为：从构成所述第一微型透镜阵列的微型透镜单元出射的光入射到构成所述第二微型透镜阵列的微型透镜单元，
设所述第一微型透镜阵列的所述微型透镜单元的平均间距为P1、其平均曲率半径为R1、所述第二微型透镜阵列的所述微型透镜单元的平均间距为P2、所述透明基板的厚度为t、所述透明基板的折射率为n时，
所述第一微型透镜阵列的所述微型透镜单元为凹形状的情况下，满足以下式A，
所述第一微型透镜阵列的所述微型透镜单元为凸形状的情况下，满足以下式B，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
2.根据权利要求1所述的扩散板，其中，
所述第一微型透镜阵列和所述第二微型透镜阵列中的至少一者是随机的微型透镜阵列。
3.根据权利要求1或2所述的扩散板，其中，
构成所述第一微型透镜阵列的微型透镜单元的形状为圆形或椭圆形，
构成所述第二微型透镜阵列的微型透镜单元的形状为圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1或2所述的扩散板，其中，
所述扩散板仅由无机材料构成。
5.一种光学设备，具备根据权利要求1至4中的任一项所述的扩散板。
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