CN113330338A - 扩散板 - Google Patents

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Abstract

提供：能够在抑制透射光或反射光的斑点噪音的同时进一步改善亮度偏差、颜色偏差的扩散板。一种扩散板，其特征在于，其为透射型或反射型的扩散板(100)，在平板状的基材(51)具有X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，构成a×b的二维的基本周期结构(10)，各基本周期结构具有将在X轴方向包含N个前述光学元件(53)、在Y轴方向包含M个前述光学元件的N行M列作为基本区块的Na×Mb的二维的周期相位结构，前述基本区块内的n行m列中的相位结构Pnm用Pn1+P1m表示，将前述基本区块内的n行m列中的光学元件的复数透射率或复数反射率的傅里叶变换的绝对值的2次方设为指向特性时，标准偏差相对于该指向特性的平均的比例为0.3以下。

Description

扩散板
技术领域
本发明涉及扩散板。
背景技术
提出一种将利用了微透镜阵列的扩散板作为屏幕应用于平视显示器、激光放映仪等的技术。在利用了微透镜阵列的情况下，与利用乳白色半透明板(日文：乳半板)、磨砂玻璃等的扩散板的情况相比，具有能够抑制斑点噪音的优点。
例如，在专利文献1中提出一种图像形成装置，其具有扩散板，该扩散板使用激光放映仪以及排列有多个微透镜而成的微透镜阵列，该激光放映仪将激光作为光源，对由排列多个像素而形成的影像进行投影。在利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所需的扩散角。
在专利文献2中提出了如下方法：按照预先确定出用于定义微透镜等的细微构造的形状或位置的参数中的至少一个参数的概率密度函数进行随机分布，从而改善由于由细微构造的周期性引起的衍射光所导致的亮度偏差、颜色偏差。
在专利文献3和专利文献4中，提出了如下的用于改善亮度偏差、颜色偏差的方法：通过对微透镜阵列赋予具有使透射各个微透镜的光产生光路长度差的功能的第2周期构造，能够在以往的衍射光的间隙产生新的衍射光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-145745号公报
专利文献2：日本特表2004-505306号公报
专利文献3：国际公开第2016/139769号
专利文献4：日本特开2017-122773号公报
发明内容
发明要解决的问题
使用一般的微透镜阵列的情况下，发生由于其周期性而产生的衍射光斑所导致的亮度偏差。专利文献2中记载了，按照预先确定出用于定义透镜的形状或位置的参数中的至少一个参数的概率密度函数进行随机分布，从而改善该亮度偏差。然而，如专利文献2那样，在对透镜的形状、位置赋予随机性的情况下，容易使透射透镜阵列的光产生随机的相位差，因此容易产生斑点噪音，存在画质变差这样的问题。另外，还存在如下问题：通过随机分布而就微透镜阵列的整体的平均亮度而言改善了亮度偏差，但在局部残留有未改善的部分。
在专利文献3和专利文献4中记载了通过对微透镜阵列赋予具有使透射各个微透镜的光产生光路长度差的功能的第2周期构造，从而改善亮度偏差。然而，在专利文献3和专利文献4中提出的由交错配置、垂直的两轴规定的周期构造中，衍射光的密度只是大成为数倍左右，而且各衍射光产生亮度差，因此有时无法充分地改善亮度偏差。
本发明的目的在于，提供能在抑制透射光或反射光的斑点噪音的同时进一步改善亮度偏差、颜色偏差的扩散板。
用于解决问题的方案
本发明通过以下的构成实现前述目的。
[1]一种扩散板，其特征在于，其为透射型或反射型的扩散板，
在平板状的基材的平面方向取彼此正交的X轴和Y轴，
在前述平板状的基材的一个面具有X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，或
在前述平板状的基材的一个面具有X轴方向的有效直径为a的第1光学元件、在前述基材的另一个面具有Y轴方向的有效直径为b的第2光学元件，由前述第1光学元件与前述第2光学元件的组合构成X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，
多个前述光学元件在X轴方向和Y轴方向分别以基于前述有效直径的间隔配置，从而构成a×b的二维的基本周期结构，
各基本周期结构分别具有产生光路差长度的结构，
产生前述光路差长度的结构具有如下Na×Mb的二维的周期相位结构：将在前述X轴方向包含N个前述光学元件、在前述Y轴方向包含M个前述光学元件的N行M列(N和M中的至少一者为3以上的整数)作为基本区块，
将前述基本区块内的n行m列中的相位结构设为Pnm、将X轴方向的基本周期相位差ΔPX、Y轴方向的基本周期相位差ΔPY设为下述式(1)和式(2)时，前述Pnm用Pnl+P1m表示，
ΔPx＝(P11 P21 ... PN1) 式(1)
ΔPY＝(P11 P12 ... P1M) 式(2)
将前述基本区块内的n行m列中的光学元件的复数透射率或复数反射率设为g(n/λ，m/λ)、将该复数透射率或复数反射率的傅里叶变换G(sinθn，sinθm)的绝对值的2次方设为指向特性时，下述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0.3以下。
Figure BDA0003175048350000031
(式(3)中，Ave为前述基本区块中的各光学元件的|G(sinθn，sinθm)|2的平均值。)
[2]根据[1]所述的扩散板，其中，前述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0.1以下。
[3]根据[1]所述的扩散板，其中，前述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0。
[4]根据[1]至[3]中任一项所述的扩散板，其中，前述N和M各自独立地为3、4、5、7或8中的任意者，
入射光的波长为λ时，前述X轴方向的基本周期相位差ΔPX、和前述Y轴方向的基本周期相位差ΔPY各自独立地为下述ΔPA中的任意者。
Figure BDA0003175048350000051
Figure BDA0003175048350000052
Figure BDA0003175048350000053
Figure BDA0003175048350000054
Figure BDA0003175048350000055
Figure BDA0003175048350000056
Figure BDA0003175048350000057
Figure BDA0003175048350000058
Figure BDA0003175048350000059
Figure BDA00031750483500000510
Figure BDA00031750483500000511
Figure BDA00031750483500000512
Figure BDA00031750483500000513
Figure BDA00031750483500000514
Figure BDA00031750483500000515
Figure BDA00031750483500000516
Figure BDA00031750483500000517
Figure BDA00031750483500000518
Figure BDA00031750483500000519
Figure BDA0003175048350000061
Figure BDA0003175048350000062
Figure BDA0003175048350000063
Figure BDA0003175048350000064
Figure BDA0003175048350000065
Figure BDA0003175048350000066
Figure BDA0003175048350000067
Figure BDA0003175048350000068
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Figure BDA00031750483500000611
Figure BDA00031750483500000612
Figure BDA00031750483500000613
Figure BDA00031750483500000614
Figure BDA00031750483500000615
Figure BDA00031750483500000616
Figure BDA00031750483500000617
Figure BDA00031750483500000618
Figure BDA00031750483500000619
[5]根据[4]所述的扩散板，其中，前述λ为630nm。
[6]根据[4]所述的扩散板，其中，前述λ为530nm。
[7]根据[4]所述的扩散板，其中，前述λ为580nm。
发明的效果
根据本发明，可以提供：能够在抑制透射光或反射光的斑点噪音的同时进一步改善亮度偏差、颜色偏差的扩散板。
附图说明
图1为示出第1实施方式的扩散板的示意性主视图。
图2为图1的扩散板中的1A-1A’截面图。
图3为图1的扩散板中的1B-1B’截面图。
图4为示出第2实施方式的扩散板中的基本区块的主视图和侧视图。
图5为图4的基本区块中的4A-4A’截面图。
图6为图4的基本区块中的4B-4B’截面图。
图7为示出图1的扩散板的变形例的截面图。
图8为示出作为光学元件的微透镜的一例的立体图。
图9为示出20μm×20μm间距的微透镜阵列的衍射光模拟结果的图。
图10为示出40μm×40μm间距的微透镜阵列的衍射光实验结果的图。
图11为示出20μm×20μm间距的微透镜阵列的衍射光模拟结果的图。
图12为示出20μm×20μm间距的微透镜阵列的衍射光模拟结果(比较例)的图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的扩散板的实施方式进行说明。但本发明不限定于以下的实施方式。另外，为了使说明清楚，将以下的记载和附图适宜简化，各轴向的比例尺有时分别不同。另外，本说明书中使用的、对形状、几何学的条件以及它们的程度进行特定的例如“平行”、“垂直”、“正交”、“同一”等术语，不受严格的含义的束缚，包含能期待同样的功能的程度的范围在内地进行解释。
[第1实施方式]
参照图1～3，对第1实施方式的扩散板进行说明。图1为示出第1实施方式的扩散板的示意性主视图。另外，图2为图1的扩散板中的1A-1A’截面图，图3为图1的扩散板中的1B-1B’截面图。需要说明的是，图1～3的例中，为N＝M＝4。
第1实施方式的扩散板100为透射型的扩散板，在平板状的基材51的一个面(+Z侧的面)具有多个X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件53。
该多个光学元件53在X轴方向和Y轴方向分别以基于前述有效直径的间隔配置，从而构成各光学元件53成为一单元的a×b的二维的基本周期结构10。
多个各基本周期结构10具有产生光路差长度的结构。本实施方式中，作为产生光路差长度的结构的一例，在平板状的基材51与光学元件53之间设置规定的加高部52。该加高部52在X轴方向具有光学元件N个量(即，Na)的周期相位结构，在Y轴方向具有光学元件M个量(即，Mb)的周期相位结构。
本实施方式中，通过该X轴方向的周期移相结构与Y轴方向的周期移相结构的组合，形成将N行M列作为基本区块50的Na×Mb的二维的周期相位结构。
具体而言，将前述基本区块50内的n行m列中的相位结构设为Pnm、将X轴方向的周期相位差ΔPX、Y轴方向的周期相位差ΔPY以下述式(1)和式(2)的形式表示时，前述Pnm用Pnl+P1m表示。
ΔPX＝(P11 P21 ... PN1) 式(1)
ΔPY＝(P11 P12 ... P1M) 式(2)
对于周期相位结构的详细情况如后述，本实施方式的扩散板通过对透射各光学元件53的各光赋予周期性的规定的相位差，从而抑制斑点噪音。而且本实施方式的扩散板通过使N和M中的至少一者为3以上的整数，从而进一步改善亮度偏差、颜色偏差。
图2为示出沿X轴通过基本周期结构11、21、31和41的截面的例子的截面图。如图2的例所示，扩散板100中，X轴方向的有效直径为a的光学元件53以基于该有效直径的间隔配置，构成X轴方向的基本周期结构11～41。各基本结构具有用于产生各光路差长度的加高部52。加高部52以包含N个光学元件的Na为周期形成重复的周期相位结构。此处，平板状的基材51的厚度T记作可以视为平坦的最大的厚度。具体而言，成为从不具有光学元件53的面至在基本区块50内高度成为最小的光学元件53(图2的例中为基本周期结构11中的光学元件53)的根部为止的厚度。光路差71、72将该高度成为最小的光学元件作为基准。
图3为示出沿Y轴通过基本周期结构14、13、12和11的截面的例子的截面图。如图3的例所示，扩散板100中，Y轴方向的有效直径为b的光学元件53以基于该有效直径的间隔配置，构成基本周期结构14～11。各基本结构具有用于产生各光路差长度的加高部52。加高部52以包含M个光学元件的Mb为周期形成重复的相位结构。
光学元件53的形状没有特别限定，通过用于扩散板100的材料的光学物性(特别是折射率)和期望的扩散角度分布来设计作为基准的透镜形状。透镜形状可以是球面也可以是非球面，使用光线跟踪法等以往技术来进行光学设计。另外，在期望扩散特性具有各向异性的情况下不限于此，能够任意地设定透镜的纵横比。作为典型例，可以举出图8所示的四边形型的微透镜。另外，可以为作为该微透镜的倒置形状的凹透镜(参照图7)。
接着，对周期相位结构的详细情况，与原理一起进行说明。
(在光学元件间设定的光路差长度的原理)
在平行光(波长λ)向以周期L配置有效直径为L的四边形透镜而成的微透镜阵列入射时，在各透镜中不存在产生光路长度差的构造的情况下，通过公知的衍射光栅作用，从而出射光的亮度分布以正弦间隔λ/L在纵横方向上离散化(称作衍射光)。在入射光不是平行光，而是视直径ω的圆锥状的情况下，在离散化的各方向上成为视直径ω的圆锥状。在ω大于2λ/L值的情况下，离散化状态被实际上消除。但是，在ω小于2λ/L的情况下，作为离散化的残留，在亮度分布中残留正弦间隔λ/L的周期性，这成为明暗的亮度偏差。
图9的(a)中示出透射了不具有产生光路长度差的结构的20μm×20μm周期的微透镜阵列后的衍射光的模拟结果。如前述那样，在各透镜中不存在产生光路长度差的结构的情况下，产生以正弦间隔λ/L在纵横方向上离散化的衍射光。
另外，图10的(a)中，示出实际对不具有产生光路长度差的结构的40μm×40μm周期的微透镜阵列入射激光、使出射光投影于垂直平面的图像。如图10的(a)所示，实际出射的激光被离散化，与图9的(a)的模拟结果充分一致。
为了克服该亮度偏差，必须减小衍射光的间隔。作为该解决方案，存在具有使入射至各透镜的光产生光路长度差的结构的方法。本实施方式中，考虑了具有产生在X轴方向为透镜N个、Y轴方向为透镜M个(N、M中的至少一者为3以上的整数)的周期的光路长度差的结构，对入射的光施加X轴方向的周期相位结构所具有的光路长度差与Y轴方向的周期相位结构所具有的光路长度差之和。使实际的微透镜产生光路长度差时，例如如图2等那样，能够通过设置加高部52，从而通过将微透镜配置于在Z轴方向上不同的位置来实现。
此处，将基本区块50内的n行m列中的光学元件53的复数透射率设为g(n/λ，m/λ)时，出射光的指向特性与其傅里叶变换G(sinθn，sinθm)的绝对值的2次方符合。该匹配关系对于周期性排列的光学元件整体也成立。
进而，对于将在X轴方向透镜N个、在Y轴方向透镜M个一并包含的基本区块20单位gN，M(n/λ，m/λ)的二维的周期排列，同样的情况也成立。因此，目标的指向特性|GN，M(sinθn，sinθm)|2在将角度周期在X轴方向上设为λ/(Na)、在Y轴方向上设为λ/(Mb)的离散的结构中，其包络线变得与单一透镜的指向特性|G(sinθn，sinθm)|2成比例。
因此，通过应用Na×Mb的二维的周期相位结构，从而可以使衍射光的角度周期在X轴方向上仅减小1/N、在Y轴方向上仅减小1/M。另外，在全部衍射光的强度变均匀的条件下，亮度偏差最大程度得到改善。亦即，作为出射光的指向特性的|GN，M(sinθn，sinθm)|2的各要素的标准偏差成为0的条件变成最良好。因此，将|GN，M(sinθn，sinθm)|2的各要素的平均值设为Ave时，以下的式(4)越小越适合，最优选0。
Figure BDA0003175048350000111
上述式(4)成为0的条件是全部衍射光的强度变得均匀的理想的条件，但实际上也有时允许些许亮度偏差。本实施方式中，作为出射光的指向特性的GN，M(sinθn，sinθm)的各要素的标准偏差如果为平均值的30％以下，则判断为亮度偏差被抑制。即，本实施方式的扩散板的特征在于，下述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0.3以下，优选0.1以下、更优选0。
Figure BDA0003175048350000112
(式(3)中，Ave为前述基本区块中的各光学元件的|G(sinθn，sinθm)|2的平均值。)
以往，已知仅对于N＝M＝2，式(3)成为0.3以下的例子(专利文献4)。根据本实施方式，可以提供对于N、M≥3以上，式(3)也成为0.3以下的微透镜阵列。为了使微透镜阵列的衍射光所导致的亮度偏差不明显，N＝M＝2的情况下，需要使入射光的视直径ω大于2λ/(2L)。N＝M＝3的情况下，需要使入射光的视直径ω大于2λ/(3L)。因此，N＝M＝3的情况下，与N＝M＝2的情况相比，允许将入射光的视直径ω减小至2/3倍。或者，减小L值本身，可以改善微透镜阵列的分辨率限度至1.5倍。因此，如果利用本发明，则可以得到比现有技术效率还优异的扩散板。
作为一例，对图1～3的例所示的N＝M＝4的情况详细进行说明。将前述基本区块内的n行m列中的相位结构设为Pnm。考虑各透镜中不存在产生光路长度差的结构的情况。此时，将周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔP时，ΔP如以下表示。
Figure BDA0003175048350000121
此时，复数透射率g(n/λ，m/λ)成为以下。
Figure BDA0003175048350000122
上述g(n/λ，m/λ)的傅里叶变换G(sinθn，sinθm)的绝对值的2次方成为以下。
Figure BDA0003175048350000123
由该|G|2如以下那样求出标准偏差相对于平均的比例。
Figure BDA0003175048350000124
由此，不具有加高部52的情况下，式(3)不满足0.3以下的条件。
接着，考虑在N＝M＝4下透镜中存在产生光路长度差的加高部52的情况。此处作为一例，将前述基本区块内的n行m列中的相位结构设为Pnm，如以下那样设定X轴方向的基本周期相位差ΔPX、Y轴方向的基本周期相位差ΔPY。
Figure BDA0003175048350000125
Figure BDA0003175048350000126
此处，将Pnm设为Pn1+P1m时，基本区块的周期相位结构ΔP如以下表示。
Figure BDA0003175048350000131
此时，g(n/λ，m/λ)的傅里叶变换G(sinθn，sinθm)成为以下。
Figure BDA0003175048350000132
将该g(n/λ，m/λ)经傅里叶变换而得到的G(sinθn，sinθm)的绝对值的2次方成为以下。
Figure BDA0003175048350000133
这表示衍射光的出射角度均等地被分割成16份、即衍射光密度成为16倍。由该|G|2如以下那样求出标准偏差相对于平均的比例。
Figure BDA0003175048350000134
由此，确认了满足式(3)为0.3以下的条件。需要说明的是，在N＝M＝4时满足式(3)的相位差不限定于式(5)，只要为式(3)成为0.3以下的条件就可以设定任意相位差。另外，N和M为4以外的情况下，也只要设定式(3)满足0.3以下的相位差即可。进一步，N和M无需为相同的值，可以以N＝3、M＝4等不同的值设定。
作为具体例，前述N和M各自独立地为3、4、5、7或8中的任意者，
入射光的波长为λ时，只要前述X轴方向的基本周期相位差ΔPX、和前述Y轴方向的基本周期相位差ΔPY各自独立地为下述ΔPA中的任意者，则式(3)的值成为0。需要说明的是，也可以使N和M为9以上，但由于有许多，因此省略这些示例。
Figure BDA0003175048350000141
Figure BDA0003175048350000142
Figure BDA0003175048350000143
Figure BDA0003175048350000144
Figure BDA0003175048350000145
Figure BDA0003175048350000146
Figure BDA0003175048350000147
Figure BDA0003175048350000148
Figure BDA0003175048350000149
Figure BDA00031750483500001410
Figure BDA00031750483500001411
Figure BDA00031750483500001412
Figure BDA00031750483500001413
Figure BDA00031750483500001414
Figure BDA00031750483500001415
Figure BDA00031750483500001416
Figure BDA00031750483500001417
Figure BDA00031750483500001418
Figure BDA00031750483500001419
Figure BDA0003175048350000151
Figure BDA0003175048350000152
Figure BDA0003175048350000153
Figure BDA0003175048350000154
Figure BDA0003175048350000155
Figure BDA0003175048350000156
Figure BDA0003175048350000157
Figure BDA0003175048350000158
Figure BDA0003175048350000159
Figure BDA00031750483500001510
Figure BDA00031750483500001511
Figure BDA00031750483500001512
Figure BDA00031750483500001513
Figure BDA00031750483500001514
Figure BDA00031750483500001515
Figure BDA00031750483500001516
Figure BDA00031750483500001517
Figure BDA00031750483500001518
Figure BDA00031750483500001519
图9的(b)中示出透射了具有以20μm×20μm周期产生式(5)的光路长度差的结构的微透镜阵列的衍射光的模拟结果。如上述的计算结果，与图9的(a)相比，衍射光的密度成为16倍，可以确认亮度偏差降低。另外，图10的(b)中示出将实际上入射至具有以40μm×40μm周期产生式(5)的光路长度差的结构的微透镜阵列的激光的出射光投影于垂直平面而得到的图像。为了使该微透镜阵列产生对应于式(5)的光路长度差，对透镜高度赋予高度差ΔH。在透射型的扩散板中，构成微透镜阵列的材料的折射率为1.5、使用的光源的波长λ为可见光中波长最长的630nm的红色光的情况下，ΔH成为以下。
Figure BDA0003175048350000161
如图10的(b)所示，出射的激光的密度成为16倍，与模拟结果充分一致。
使用的光源的波长λ即使为可见光中视觉识别性最高的530nm的绿色光的情况下、或可见光中波长最长的红色光与视觉识别性最高的绿色光的中间的波长即580nm的黄色光也同样，可以确定赋予的ΔH。
光向微透镜阵列整体入射的情况下，对应于周期相位结构的1周期的透镜数即N、M越大，衍射光的密度越变大。因此，通常N、M越大，亮度偏差降低效果越大，是适合的。另一方面，光入射的透镜区域受到限定的情况下使周期相位结构的1周期的大小与其透镜区域符合是适合的。例如，使不扫描的激光束光扩散的情况下，可以以激光束直径的大小程度设定周期相位结构的1周期的大小。但是，向微透镜阵列整体扫描激光束光的情况下，如前述，N、M越大越适合。
接着，对相位差的设定方法进行叙述。在本发明中，相位差是利用波长对透射了微透镜的光或者由微透镜反射的光的光路长度差进行标准化来表示的。为了使相位差变化，能够选择透镜高度、曲率、间距、配置、折射率等各种因素。在本实施方式中，其特征在于，为了对各个透镜赋予相位差，仅使透镜的加高部52的高度变化，各个透镜的曲率大致相同。
本实施方式中，如图2～3所示，各个透镜的剖面轮廓设为相同，通过控制加高部52的高度，从而对微透镜的凸部最大高度赋予变化。也就是说，微透镜的凸部最大高度是由通过光学设计决定的光学元件53的透镜高度和加高部52的高度的和来决定的。在本发明中，透镜高度是固定值，通过在各个透镜使加高部52的高度变化，从而使各微透镜产生相位差，谋求改善因衍射因素而产生的亮度偏差、颜色偏差。当将各微透镜的凸部最大高度之间的高度差设为ΔH时，若将构成微透镜阵列的材料的折射率设为n，将所使用的光源的波长设为λ[nm]，则与ΔH相对应的相位差表示为
{1000×ΔH×(n-1)}/λ。
此处，在光源由多个波长组成的情况下，只要以所使用的波长中最长的波长或者视觉识别性最好的波长为代表进行计算即可。
作为上述第1实施方式的变形例，图7中示出凹透镜时的1A-1A’截面图的例。光学元件53的形状不同于上述第1实施方式。1B-1B’截面图未作图示，但同样地光学元件53是有效直径为b的凹透镜形状。
凹透镜时的光路差只要将前述ΔH替换为各微透镜的凹部最大深度的高度差ΔD来考虑即可。
而且，作为上述第1实施方式的变形例，可以形成反射型的扩散板(不图示)。反射型的扩散板可以通过在前述第1实施方式的扩散板的光学元件侧或其相反侧的面成膜为铝蒸镀膜等反射膜而制造。
反射型的扩散板中，光学元件为凸透镜形状的情况下，入射光会在凸部最大高度方面具有分布的微透镜的表面被反射而产生通过空气中的光路差，从而产生各微透镜之间的相位差。与此时的各微透镜之间的凸部最大高度的最大高度差ΔH相对应的相位差表示为
{1000×2ΔH}/λ。
此处，在光源由多个波长组成的情况下，只要与透射型的情况同样地以所使用的波长中最长的波长或者视觉识别性最好的波长为代表进行计算即可。
另外，反射型的扩散板的情况下，设定于前述光学元件间的光路差长度的原理中，记作“复数透射率”的部分替换为“复数反射率”，从而可以同样地考虑，可以设计产生光路长度差的结构。
另外，反射型的扩散板中，光学元件为凹透镜形状的情况下，只要将ΔH替换为各微透镜的凹部最大深度的最大高度差ΔD来考虑即可，这一点与透射型的情况相同。
根据设计数据来加工微透镜阵列的方法能够利用机械加工、利用了掩膜的光刻法、无掩膜光刻法、蚀刻法、激光切除法等多种加工方法。利用这些技术来制造模具，并对树脂进行成型，从而制造具有微透镜阵列的扩散板构件。也可以将所述模具直接作为反射型的扩散板来使用。成型方法从卷对卷成型、热压成型、利用了紫外线固化性树脂的成型、注塑成型等大量的成型方法中适当选择即可。在用作反射型的扩散构件的情况下，在表面或背面上形成铝蒸镀膜等的反射膜后再进行利用即可。
以下，作为一例，对通过激光扫描型的无掩膜光刻法和电铸来制作模具并通过利用该模具的热压成型来成型出扩散板的方法进行更详细说明。
无掩膜光刻法包括：向基板上涂敷光致抗蚀剂的抗蚀剂涂敷工序、向光致抗蚀剂曝光细微图案的曝光工序、以及对曝光之后的光致抗蚀剂进行显影而得到具有细微图案的母板的显影工序。在抗蚀剂涂敷工序中，向基板上涂敷正类型的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的涂敷膜的膜厚为细微图案的高度以上的厚度即可。优选的是，针对涂敷膜实施70℃～110℃的烘焙处理。在曝光工序中，针对所述涂敷工序中涂敷的光致抗蚀剂，通过在扫描激光束的同时照射该激光束，从而对光致抗蚀剂进行曝光。激光束的波长与光致抗蚀剂的种类相对应地选定即可，能够选择例如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。
在带有加高部的微透镜的曝光工序中，将激光功率调制为由透镜形状和抗蚀剂感光度确定出的值，并且使激光在抗蚀剂上扫描。使用于激光曝光的激光利用物镜聚光，从而焦点汇聚在抗蚀剂上。为了增大某微透镜和与其相邻的微透镜之间的加高高度的差异，只要将相邻的微透镜之间的激光功率的差设定得较大即可。但是，激光光斑是通常具有有限直径的高斯分布，因此，若将激光功率的差设定得过大，则与相邻的透镜边界接近的部分的透镜形状偏离由光学设计设定的形状的区域会增加，在扩散角度分布上与其它透镜相同的透镜部的比率降低。因而，为了获得与光学设计尽量相同的扩散角度分布，优选的是，将相邻的微透镜之间的加高部的高度的差异控制在一定的范围内。在本发明中，由于各微透镜的透镜部的高度为一定，因此，各微透镜的凸部最大高度的最大高度差ΔH与加高高度的最大高度差一致。因此，优选的是，以将利用上述波长进行标准化了的相位差控制在0～1之间的方式对加高高度进行设定。
在显影工序中，对曝光之后的光致抗蚀剂进行显影。光致抗蚀剂的显影能够通过各种公知的方法进行实施。显影液没有特别的限制，例如，能够利用四甲基氢氧化铵(TMAH)等的碱性显影液。在显影工序中，与曝光量相对应地使光致抗蚀剂去除，从而形成光致抗蚀剂的细微图案形状。在曝光工序中，在利用正类型抗蚀剂以与由凹透镜形成微透镜的形状相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形成有凹透镜的微透镜母板。
接着，在电铸工序中，利用镍金属的蒸镀等的方法对具有通过曝光、显影形成的所述细微图案的光致抗蚀剂表面实施导电化处理。并且，通过电铸在所述蒸镀膜表面呈板状堆积镍直到成为期望的厚度，当将该镍板自光致抗蚀剂母板剥离时，得到形成有由凸透镜形成的微透镜阵列的模具(压模)，该凸透镜是反转转印光致抗蚀剂的凹透镜形状而成的。
在成型工序中，通过对丙烯酸片一边加热一边使用所述压模进行压制的热压法，从而凸透镜形状的细微图案被转印到丙烯酸片。其结果，能够制造由凹透镜形成的微透镜阵列构件。若采用在两面配置有压模的两面成型，则也能够成型出在两面形成有微透镜阵列的构件。成型中使用的树脂不限于丙烯酸，只要根据成型条件而相应地选定能够用于扩散板的树脂即可。为了得到由凸透镜形成的微透镜阵列构件，只要进行如下操作即可：将在所述电铸工序中得到的压模(凸透镜)作为模具进行复制电铸(日文：複製電鋳)，制作形成有由凹透镜形成的微透镜阵列的压模，使用该压模进行热压成型。在无掩膜光刻法的曝光工序中，当然也能够采用与凸透镜相对应的曝光功率的调制来对抗蚀剂进行曝光的方法，但在电铸工序中对压模进行复制电铸的上述方法更简便。
在要用作反射型的扩散板的情况下，只要通过在例如形成有微透镜阵列的构件的表面上真空蒸镀铝反射膜，并使入射光在铝面反射即可。另外，在微透镜阵列仅形成于基板的单面的构件的情况下，也可以设为自基板的镜面侧入射光，在形成有铝反射膜的微透镜阵列面处使光反射的结构。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镜面侧反射的结构也可以作为扩散板使用。而且，还能够是，在两个面成型有微透镜阵列的基板上，通过调整入射侧的反射膜的膜厚而形成半透半反镜，并使背面侧为反射率大致100％的结构，从而制成包括表背两面的两个微透镜阵列的扩散板。此外，根据需要，也可以涂敷保护层以保护铝反射膜。
[第2实施方式]
参照图4～图6，对第2实施方式的扩散板进行说明。图4表示示出第2实施方式的扩散板中的基本区块60的主视图60a、从Y轴方向观察到的侧视图60b和从X轴方向观察到的侧视图60c。另外，图5为图4的扩散板中的4A-4A’截面图，图6为图4的扩散板中的4B-4B’截面图。需要说明的是，图4～6的例中，为N＝M＝4。
第2实施方式的扩散板为透射型的扩散板，且在平板状的基材61的一个面(+Z侧的面)具有X轴方向的有效直径为a的第1光学元件63a、在前述基材的另一个面(-Z侧的面)具有Y轴方向的有效直径为b的第2光学元件63b。这一点，不同于第1实施方式的扩散板，但认为通过前述第1光学元件63a与前述第2光学元件63b的组合，从而构成X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，由此，对于产生将N行M列作为基本区块的Na×Mb的二维的光路差长度的周期相位结构，可以设为与前述第1实施方式同样。
图5为示出沿X轴通过基本周期结构13、23、33和43的截面的例子的截面图。如图5的例所示，第2实施方式的扩散板中，X轴方向的有效直径为a的第1光学元件63a以基于该有效直径的间隔配置，构成X轴方向的基本周期结构13～43。
另外，图6为示出沿Y轴通过基本周期结构34、33、32和31的截面的例子的截面图。如图6的例所示，第2实施方式的扩散板中，Y轴方向的有效直径为b的第2光学元件63b以基于该有效直径的间隔配置，构成基本周期结构34～31。
各基本结构具有用于产生各光路差长度的加高部。图5和图6的例中，分别在第1光学元件63a侧形成有第1加高部62a，在第2光学元件63b侧形成有第2加高部62b。该情况下，第1加高部62a设为基于前述X轴方向的基本周期相位差ΔPX的高度，第2加高部62b设为基于前述Y轴方向的基本周期相位差ΔPY的高度，从而通过该组合，可以形成产生规定的光路差长度的周期相位结构。产生光路差长度的结构的设计方法与前述第1实施方式同样，因此，省略此处的说明。
第1光学元件和第2光学元件的形状的典型例为柱状透镜。该柱状透镜的形状没有特别限定，根据用于扩散板的材料的光学物性(特别是折射率)和期望的扩散角度分布设计成为基准的形状。另外，也可以为作为该柱状透镜的倒置形状的凹透镜。
而且，在第1光学元件和第2光学元件中的一者，成膜为铝蒸镀膜等反射膜，从而可以形成反射型的扩散板。
第1实施方式的扩散板和第2实施方式的扩散板共通地通过对透射或反射各光学元件的各光赋予周期性的规定的相位差，从而抑制斑点噪音。而且，第1实施方式的扩散板和第2实施方式的扩散板通过使N和M中的至少一者为3以上的整数，从而可以进一步改善亮度偏差、颜色偏差。
实施例
以下，用实施例详细地进行说明。需要说明的是，本发明不限定于下述实施例。
需要说明的是，以下的实施例中，示出涉及在平板状的基材的一个面形成有微透镜阵列的透射型的扩散板的例。
＜实施例1＞N＝M＝3
考虑了在N＝M＝3时式(3)满足0.3以下的微透镜阵列。此处作为一例，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX，ΔPY。
Figure BDA0003175048350000221
Figure BDA0003175048350000222
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000223
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000224
由此，式(3)满足0.3以下的条件。另外，将此时的衍射光模拟结果示于图11的(a)。与图9的(a)相比，衍射光的密度成为9倍，可以确认亮度偏差降低。需要说明的是，在N＝M＝3时式(3)满足0.3以下的相位差不限定于式(6)，只要为式(3)满足0.3以下的条件就可以设定任意相位差。
＜实施例2＞N＝M＝5
考虑了在N＝M＝5时式(3)满足0.3以下的微透镜阵列。此处作为一例，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX、ΔPY。
Figure BDA0003175048350000231
Figure BDA0003175048350000232
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000233
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000234
由此，式(3)满足0.3以下的条件。另外，将此时的衍射光模拟结果示于图11的(b)。与图9的(a)相比，衍射光的密度成为25倍，可以确认亮度偏差降低。需要说明的是，在N＝M＝5时式(3)满足0.3以下的相位差不限定于式(7)，只要为式(3)满足0.3以下的条件就可以设定任意相位差。
＜实施例3＞N＝M＝7
考虑了在N＝M＝7时式(3)满足0.3以下的微透镜阵列。此处作为一例，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX、ΔPY。
Figure BDA0003175048350000241
Figure BDA0003175048350000242
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000243
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000244
由此，式(3)满足0.3以下的条件。另外，将此时的衍射光模拟结果示于图11的(c)。与图9的(a)相比，衍射光的密度成为49倍，可以确认亮度偏差降低。需要说明的是，在N＝M＝7时式(3)满足0.3以下的相位差不限定于式(8)，只要为式(3)满足0.3以下的条件就可以设定任意相位差。
＜实施例4＞N＝3、M＝4
N和M不同的情况下，考虑了例如在N＝3、M＝4时式(3)满足0.3以下的微透镜阵列。此处作为一例，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX、ΔPY。
Figure BDA0003175048350000251
Figure BDA0003175048350000252
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000253
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000254
由此，式(3)满足0.3以下的条件。另外，将此时的衍射光模拟结果示于图11的(d)。与图9的(a)相比，衍射光的密度成为12倍，可以确认亮度偏差降低。需要说明的是，不仅在N＝3、M＝4时，在任意值的N、M时，只要为式(3)满足0.3以下的条件就可以设定任意相位差。
＜比较例1＞2×2排列
考虑专利文献4所示的2×2排列。在该例中，将由x方向的周期相位结构所产生的光路长度差和y方向的周期相位结构所产生的光路长度差的和规定的2×2排列作为基本区块，适合的是将光路长度差设定为波长的1/4。亦即，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX、ΔPY。
Figure BDA0003175048350000261
Figure BDA0003175048350000262
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000263
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000264
由此，该2×2排列满足0.3以下的条件。另外，将应用该2×2排列的微透镜阵列的衍射光模拟结果示于图12的(a)。与图9的(a)相比，衍射光的密度变大，亮度偏差降低。然而，与实施例1相比，设置的相位差的水平虽然相同，但是与图11的(a)相比，衍射光的密度小，因此，亮度偏差降低效果比本发明差。
＜比较例2＞4×4排列(专利文献4)
考虑了专利文献4所示的4×4排列。该例中，将由x方向的周期相位结构所产生的光路长度差和y方向的周期相位结构所产生的光路长度差的和规定的4×4排列作为基本区块，适合的是将光路长度差设定为波长的1/2。亦即，将X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差设为ΔPX、ΔPY，如以下那样设定ΔPX、ΔPY。
Figure BDA0003175048350000265
Figure BDA0003175048350000266
合并了X轴方向和Y轴方向的周期相位结构的1个周期量的相位差ΔP以X轴方向的相位差ΔPX与Y轴方向的相位差ΔPY之和设定，因此，如以下那样表示。
Figure BDA0003175048350000271
基于该相位差ΔP，如以下那样求出标准偏差相对于出射光的指向特性|G|2的平均的比例。
Figure BDA0003175048350000272
由此，该2×2排列不满足式(3)为0.3以下的条件。将应用该2×2排列的微透镜阵列的衍射光模拟结果示于图12的(b)。与图9的(a)相比，衍射光的密度变大，亮度偏差降低。然而，与图11的(a)的实施例1相比，衍射光的密度小，因此，亮度偏差降低效果比本发明差。
本申请要求基于2019年1月25日申请的日本申请特愿2019-011212号的优先权，将其公开的全部引入至此。
附图标记说明
10基本周期结构；11～44基本区块内的n行m列中的基本周期结构；50基本区块；51基材；52加高部；53光学元件；60a～60c基本区块；61基材；62a～62b加高部；63a第1光学元件；63b第2光学元件；71、72光路差长度；100扩散板

Claims (7)

1.一种扩散板，其特征在于，其为透射型或反射型的扩散板，
在平板状的基材的平面方向取彼此正交的X轴和Y轴，
在所述平板状的基材的一个面具有X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，或
在所述平板状的基材的一个面具有X轴方向的有效直径为a的第1光学元件、在所述基材的另一个面具有Y轴方向的有效直径为b的第2光学元件，由所述第1光学元件与所述第2光学元件的组合构成X轴方向的有效直径为a、Y轴方向的有效直径为b的光学元件，
多个所述光学元件在X轴方向和Y轴方向分别以基于所述有效直径的间隔配置，从而构成a×b的二维的基本周期结构，
各基本周期结构分别具有产生光路差长度的结构，
产生所述光路差长度的结构具有如下Na×Mb的二维的周期相位结构：将在所述X轴方向包含N个所述光学元件、在所述Y轴方向包含M个所述光学元件的N行M列作为基本区块，其中，N和M中的至少一者为3以上的整数，
将所述基本区块内的n行m列中的相位结构设为Pnm、将X轴方向的基本周期相位差ΔPX、Y轴方向的基本周期相位差ΔPY设为下述式(1)和式(2)时，所述Pnm用Pn1+P1m表示，
ΔPX＝(P11 P21...PN1) 式(1)
ΔPY＝(P11 P12...P1M) 式(2)
将所述基本区块内的n行m列中的光学元件的复数透射率或复数反射率设为g(n/λ，m/λ)、将该复数透射率或复数反射率的傅里叶变换G(sinθn，sinθm)的绝对值的2次方设为指向特性时，下述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0.3以下，
Figure FDA0003175048340000011
式(3)中，Ave为所述基本区块中的各光学元件的|G(sinθn，sinθm)|2的平均值。
2.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0.1以下。
3.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述式(3)所示的标准偏差相对于平均指向特性的比例为0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的扩散板，其中，所述N和M各自独立地为3、4、5、7或8中的任意者，
入射光的波长为λ时，所述X轴方向的基本周期相位差ΔPX、和所述Y轴方向的基本周期相位差ΔPY各自独立地为下述ΔPA中的任意者，
Figure FDA0003175048340000031
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5.根据权利要求4所述的扩散板，其中，所述λ为630nm。
6.根据权利要求4所述的扩散板，其中，所述λ为530nm。
7.根据权利要求4所述的扩散板，其中，所述λ为580nm。
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