CN116601431A - 扩散板、发光器件以及传感器模块 - Google Patents

Abstract

扩散板具备具有多个单透镜的透镜阵列，单透镜满足包含圆锥常数的非球面透镜的式(1)、规定单透镜的曲率半径r以及间距D的比率r/D与圆锥常数k的关系的式(3)，且与单透镜的光轴平行入射的光线不照到单透镜的缘部。

Description

扩散板、发光器件以及传感器模块

技术领域

本公开涉及扩散板、发光器件以及传感器模块。

背景技术

以前，有通过透镜阵列将入射光扩散的扩散板(例如参考JP特开2017-026662号公报)。

发明内容

用于解决课题的手段

本公开的扩散板的一方式中，具备具有多个单透镜的透镜阵列，

所述单透镜满足后述的式(1)、式(2)、式(3)。

本公开的扩散板另一个方式中，具备具有多个单透镜的透镜阵列，

所述单透镜满足后述的式(1)、式(3)，且与所述单透镜的光轴平行入射的光线不照到该单透镜的缘部。

本公开的发光器件具备：

发光元件；和

位于所述发光元件所出射的光的路径上的上述的扩散板。

本公开的传感器模块具备：

上述的发光器件；和

能接受所述发光器件所出射的光的受光器件。

附图说明

图1A是表示本公开的实施方式所涉及的扩散板的截面图。

图1B是表示本公开的实施方式所涉及的扩散板的俯视图。

图2是实施方式所涉及的扩散板的光路图。

图3是表示划分不需要的反射的产生和非产生的单透镜的参数的边界值的图表。

图4是表示运用于实施方式的单透镜的参数值的一例的图表。

图5是表示实施方式的扩散板的配光的一例的角度分布图表。

图6是表示实施方式的扩散板的配光的一例的照度分布图表。

图7是说明实施方式所涉及的扩散板的制造方法的一例的图。

图8是表示本公开的实施方式所涉及的发光器件以及传感器模块的图。

具体实施方式

以下参考附图来详细说明本公开的实施方式。

图1A是表示本公开的实施方式所涉及的扩散板的截面图。图1B是表示实施方式所涉及的扩散板的俯视图。图1A表示图1B的A-A线处的截面。图2表示实施方式所涉及的扩散板的光路图。在图1A、图1B以及图2中，X-Y方向表示沿着透明基板2的基板面的方向(相互正交的2方向)，Z方向表示与基板面垂直的方向。Z方向相当于光的入射方向。

如图1A所示那样，本实施方式所涉及的扩散板1具备：玻璃基板等的透明基板2；和位于透明基板2的基板面上的透镜阵列3。透镜阵列3从Z方向观察具有在X-Y的二维方向上排列的多个单透镜10。在图1A以及图1B中，示出多个单透镜10以相同间距D在行方向m1以及列方向m2的矩阵状地排列的示例。多个单透镜10将各凸面朝向光的入射侧而排列。多个单透镜10的光轴O1也可以相互平行。多个单透镜10的凸面形状的轮廓连续至与相邻的单透镜10的边界。

<单透镜的凸面形状>

单透镜10是非球面透镜，满足式(1)、式(2)、式(3)。

[数学式1]

其中，z是矢高，h是距光轴O1的距离，r是曲率半径，k是圆锥常数，D是间距，n是折射率。

式(1)表征光轴O1的位置处的曲率半径为r且为非球面的透镜面。通过使圆锥常数k变化而从光轴O1离开的位置的矢高发生变化，曲面的形状接近于椭圆面、抛物面或双曲面。在圆锥常数k为-1以上时，透镜面成为椭圆。由于若圆锥常数k变得比-0.88大，就变得难以维持透镜阵列3中所含的单透镜10的透镜形状，因此，圆锥常数k实质采用-0.88以下的值。

另外，所谓单透镜10满足式(1)，并不限定于单透镜10的凸面形状以严密的水平遵循式(1)，在相对于单透镜10的大小包含标准的公差程度的差异的情况下，也设为满足式(1)。

如图2所示那样，式(2)表征入射到单透镜10的平行光(与光轴O1平行的光)在折射后不会照到夹着光轴O1为相反侧的单透镜10的缘部E1这样的条件。若与图2的单透镜10相比纵向尺寸更大且光的折射量变大，则折射的光照到缘部E1，产生不需要的反射，扰乱扩散光的辐射模式。式(2)表征减少该不需要的反射这样的条件(以下也称作“反射的减少条件”)。

式(3)表征将单透镜10的纵横比(＝最大纵向尺寸Hmax/Wmax、参考图1A)设为1以上的条件。通过纵横比为1以上，能扩大入射光与透镜面的法线所成的角度较大的区域，能实现扩散光的广角的特性。因此，式(3)表征使扩散光为广角的条件(以下也称作“广角特性条件”)。

通过满足式(1)以及式(3)的条件、和式(1)以及式(2)的条件，能实现扩散光的广角的特性，并且减少产生不需要的反射。即，能实现扩散光的广角的特性，且减少扩散光的辐射模式被扰乱。

<反射的减少条件>

接着，通过说明式(2)的导出例来示出式(2)符合反射的减少条件这一情况。图3是表示划分不需要的反射的产生和非产生的单透镜的参数的边界值的图表。

图3的图表是根据仿真求取单透镜10的缘部E1与经由夹着光轴O1为缘部E1的相反侧的透镜面而入射的光束的端的距离L(图2)成为零的单透镜10的参数值的图表。具体地，对折射率n和圆锥常数k适用一定值，在仿真中求取上述的距离L成为零的比率r/D(透镜面的曲率半径r与间距D的比率)，将该比率r/D设为上述一定值的折射率n以及圆锥常数k时的反射的减少条件的边界值。然后，通过对多个折射率n和多个圆锥常数k分别进行这样的计算，来得到图3的图表。因此，例如，若是n＝1.5、k＝-1.0的单透镜10，则若比率r/D比n＝1.5、k＝-1.0的标绘点所示的比率的值(＝0.12)小，就会产生不需要的反射。另一方面，若比率r/D比上述标绘点所示的比率的值(＝0.12)大，就会减少不需要的反射。

在上述仿真中，不是将曲率半径r和间距D作为独立的参数，而是将比率r/D作为1个参数进行处置是出于如下的理由。即，式(1)所表征的透镜面在圆锥常数k一定且曲率半径r与间距D的比率r/D一定时，成为相似的曲面。因而，若折射率n相同，则仅由于在入射到1个透镜的光束的直径以及出射的扩散光的光量中产生差异，不会在将入射光扩散的角度以及配光等的特性中产生。因此，若使光入射到具有任意的曲率半径r、任意的间距D、任意的圆锥常数k、任意的折射率n的单透镜10，透射光照到透镜的缘部E1，在不改变相互的比率地改变间距D和曲率半径r的情况下，透射光也同样地照到单透镜10的缘部E1。反之，在透射光未照到缘部E1的情况下，在不改变相互的比率地改变间距D和曲率半径r的情况下，透射光同样地不会照到单透镜10的缘部E1。出于这样的理由，在上述的仿真中，将曲率半径r与间距D的比率r/D作为1个参数来处置。

在图3的图表中，1个标绘表示(t/D、n、k)这3变量的值，因而，1个标绘解释为表征以3变量表征的三维图表上的1点。为了导出式(2)，接下来，在上述的三维图表中，求取穿过各标绘所表征的各点的曲面、或该曲面的近似曲面的式。如图3的图表所示那样，在根据折射率n和圆锥常数k而标绘的位置平缓地变化这样的情况下，能使用具有比较小的阶数的曲面的式，来求取穿过与上述的各标绘对应的上述的三维图表上的各点的曲面或该曲面的近似曲面。因此，在本实施方式中，采用式(4)的曲面。d1～d3、e1～e3、f1～f3是系数。

[数学式2]

式(4)的各系数d1～d3、e1～e3、f1～f3如下那样求取。即，从图3的图表首先提取k＝-1.1的多个标绘值。在图3的图表例中，由于k＝-1.1的标绘有11个，将第1个到第11个的各标绘的值记作(r/D，n)₁～(r/D，n)₁₁。然后，式(4)的第1式(从上起第1个式)通过最小二乘法等来求取第1式的系数(a、b、c)，以使得近似于穿过上述11个标绘值的曲线。将求得的系数(a、b、c)记作关于k＝-1.1的系数(a、b、c)_k＝-1.1。通过对k＝-1.1～-0.88的全部进行这样的计算，来求取关于各k值的系数(a、b、c)的集合Set＝{(a、b、c)_k＝-1.1～(a、b、c)_k＝-0.88}。接着，提取上述集合Set当中的关于a的系数的集合Set_a＝{ak＝_-1.1～a_k＝_-0.88}。通过系数a的集合Set_a，能在例如纵轴为a、横轴为k的图表中描绘(k＝-1.1、a＝a_k＝-1.1)～(k＝-0.88、a＝a_k＝-0.88)的多个(例如12个)标绘。然后，式(4)的第2式(从上起第2个式)通过最小二乘法等来求取第2式的系数(d1、d2、d3)，以使得近似于穿过上述的个(12个)标绘的曲线。同样地，通过使用上述的系数集合Set＝{(a、b、c)_k＝-1.1～(a、b、c)_k＝-0.88}当中的关于b的系数的集合Set_b进行同样的计算，能求取式(4)的第3式(从上起第3个式)的系数(e1、e2、e3)。此外，通过使用上述的系数集合Set＝{(a、b、c)_k＝-1.1～(a、b、c)_k＝-0.88}当中的关于c的系数的集合Set_c进行同样的计算，能求取式(4)的第4式(从上起第4个式)的系数(f1、f2、f3)。通过系数d1～d3、e1～e3、f1～f3决定，式(4)成为以3变量(r/D、n、k)为3轴变量的三维图表上的曲面的式。式(2)的第2行～第4行的系数值相当于上述那样计算的系数d1～d3、e1～e3、f1～f3的值。

式(4)表示是否产生不需要的反射的边界，另一方面，前述的式(2)的条件相当于部产生不需要的反射这样的条件。因此，通过将式(4)的第1式(从上起第1个式)的等号变更为表征不产生反射的条件的不等号，来导出式(2)。

式(2)由于如上述那样导出，因此表征入射到单透镜10的平行光(与光轴O1平行的光)在折射后不照到夹着光轴O1为相反侧的透镜面的缘部E1这样的条件。

<广角特性条件>

接下来，通过说明式(3)的导出例来示出式(3)符合上述的广角特性条件这一情况。如图1A的截面所示那样，单透镜10具有最大纵向尺寸Hmax和最大宽度Wmax。在说到单透镜10的纵向尺寸以及宽度时，是指单透镜10的凸面部的纵向尺寸以及宽度。

单透镜10的纵向尺寸以及宽度根据从沿着X-Y平面的方向当中的哪个方向观察单透镜10而不同。单透镜10的透镜面(凸面)由于连续至与相邻的单透镜10的边界，因此，Z方向上最深的点P1位于在相对于行方向m1以及列方向m2斜向方向(X方向或Y方向)上相邻的2个单透镜10的边界。因此，单透镜10的最大纵向尺寸Hmax是从由矩阵的斜向方向(X方向或Y方向)观察时的点P1到透镜面的顶点的高度距离。

进而，单透镜10的最大宽度Wmax是从相对于行方向m1以及列方向m2斜向方向(X方向或Y方向)观察时的宽度，若使用间距D表征，则能得到次式(5)。

[数学式3]

进而，由于单透镜10的最大纵向尺寸Hmax相当于距光轴O1的距离h为最大宽度Wmax/2的位置处的矢高z，因此，在表征透镜面的矢高z的式(1)中代入h＝{√(2)·D}/2，得到式(6)。

[数学式4]

广角特性条件通过使单透镜10的纵横比为1以上，能充分得到。纵横比为1以上这样的条件即意味着单透镜10的最大纵向尺寸与最大宽度的比率Hmax/Wmax≥1，即Hmax≥Wmax。因此，根据式(5)和式(6)，导出次式(7)。

[数学式5]

若整理式(7)，则成为前述的式(3)。但式(3)表征将单透镜10的纵横比设为1以上、使扩散光广角这样的条件。

<单透镜的参数范围>

图4是表示运用于实施方式的单透镜的参数值的一例的图表。接着，示出存在均满足前述的式(1)以及式(2)的条件和式(1)以及式(3)的条件的参数。

如图4所示那样，满足前述的式(1)以及式(2)的条件的参数值的范围和满足式(1)以及式(3)的条件的参数值的范围具有相互重叠的区域。例如，若圆锥常数k＝-0.88，则满足表征纵横比1以上的式(3)的比率r/D相当于0.262以下的范围(线条u1以下的范围)。另一方面，符合相当于反射的减少条件的式(2)的比率r/D相当于线条u2(沿着k＝-0.88的标绘的线条)以上的范围。因此，若圆锥常数k＝-0.88，则通过运用两方的范围重叠的区域Q1的折射率n和间距与曲率半径的比率r/D，能实现满足式(1)、式(2)、式(3)的单透镜10。

此外，若圆锥常数k＝-1.1，则满足表征纵横比1以上的式(3)的比率r/D相当于0.106以下的范围(线条u3以下的范围)。另一方面，符合表征减少不需要的反射的条件的式(2)的比率r/D相当于线条u4(沿着k＝-1.1的标绘的线条)以上的范围。因此，若圆锥常数k＝-1.00，则通过运用两方的范围重叠的区域Q2的折射率n、和间距与曲率半径的比率r/D，能实现满足式(1)、式(2)、式(3)的单透镜10。

在其他圆锥常数k＝-1.08～-0.9时，也同样地存在满足式(1)、式(2)、式(3)的参数，通过采用该参数，能实现满足式(1)、式(2)、式(3)的单透镜10。

<圆锥常数>

本实施方式的扩散板1以及单透镜10还能根据圆锥常数来调整配光(照射光的强度分布)。本实施方式的第1方式的扩散板1将各单透镜10的圆锥常数k设定为式(8a)或式(8b)的值。为了维持透镜形状而设置式(8b)的上限值k＝-0.88。若k值比该上限值大，就变得难以维持透镜形状。

k≥-0.96…(8a)

-0.88≥k≥-096…(8b)

本实施方式的第2方式的扩散板1将多个单透镜10的圆锥常数k设定为式(9)的值。

-0.96＞k≥-1.02…(9)

图5是表示实施方式的扩散板的配光的一例的角度分布图表。图6是表示实施方式的扩散板的配光的一例的照度分布图表。图5的横轴表示以扩散板1为中心的角度。图6表示使光经由扩散板照射到从扩散板1在光轴O1方向上离开10mm的测定平面时的照度分布，图6的横轴表示以扩散板1的光轴O1和测定平面重叠的位置为原点的测定平面上的位置。单透镜10的间距D例如是10μm～100μm等。

如图5所示那样，通过圆锥常数k为-0.96以上，在-45°～45°的宽的角度范围内，每个角度的配光变得大致一样。因此，根据本实施方式的上述第1方式的扩散板1，能在较宽的范围内得到扩散光的角度分布一样的配光特性。

此外，如图6所示那样，通过圆锥常数k为-0.96≥k≥-1的条件，将扩散光照射到平面(与光轴O1垂直的平面)的情况的照度分布变得一样。因此，根据本实施方式的上述第2方式的扩散板1，能得到扩散光的平面方向的照度分布一样的配光特性。在圆锥常数k为-0.98≥k≥-1.0时，能得到平面方向的照度分布更加一样的配光特性。

<透镜阵列的折射率和扩散板的应力耐性>

透镜阵列3由树脂材料构成，通过面接触而与透明基板2结合。因此，若透镜阵列3和透明基板2热膨胀，则由于相互的热膨胀率的差而在透镜阵列3与透明基板2的边界面产生应力。

本实施方式的透镜阵列3可以由1.4≤折射率n≤1.6的树脂材料构成。在该情况下，单透镜10的各参数运用图4的与区域Q3重叠的范围的值。对透镜阵列3运用几种树脂材料、进行扩散板1的应力耐性试验的结果，在运用1.4≤折射率n≤1.6的树脂的情况下，得到能获得显著高的应力耐性这样的结果。若将一部分例外的树脂材质除外，则树脂的折射率n与树脂的热膨胀率以及强度有相关，在大量的情况下，通过将上述折射率的树脂材料运用到透镜阵列3中，能得到扩散板1的高的应力耐性。

进而，透镜阵列3可以由拉伸强度6.0MPa以下、破坏时伸长率50％以上的树脂材料构成。通过运用这样的树脂材料，能得到扩散板1的高的应力耐性。进而，透镜阵列3也可以由硅酮树脂构成。上述的折射率以及上述的应力耐性例如能通过硅酮树脂来容易地实现。

<制造方法>

图7是说明实施方式所涉及的扩散板的制造方法的一例的图。扩散板1的制造工序包含：制作透镜阵列3的主模的主模制作工序(J1～J3)、制作电铸模的电铸模制作工序(J4～J6)、制作二次模的二次模制作工序(J7、J8)、和将玻璃基板上的树脂成形的压印工序(J9～J11)。

在主模制作工序中，对转印基板80涂布抗蚀剂树脂81并进行前处理(烘烤等)(工序J1)，之后，通过激光光刻对抗蚀剂树脂进行灰度曝光(工序J2)。然后又，通过在曝光后进行显影处理(工序J3)，来制作主模82。通过这样的工序，来得到具有上述的单透镜10的透镜面排列多个的模形状的主模82。

在电铸模制作工序中，通过溅射等在主模82的表面形成导电膜83(工序J4)，通过电镀形成转印了主模82的Ni(镍)等导体84(工序J5)，通过对该导体84进行脱模以及研磨(工序J6)，来制作电铸模85。

在二次模制作工序中，通过电铸模85对具有热塑性的树脂薄膜86进行热压印(工序J7)，通过从电铸模85将树脂薄膜86剥离(工序J8)，来制作包含树脂材料的二次模87。

在压印工序中，在玻璃基板88例如涂布紫外线固化型的透明树脂89(工序J9)，使二次模87碰到玻璃基板88上的透明树脂89，且通过紫外线照射等使透明树脂89固化(工序J10)。然后，通过将固化的透明树脂89脱模(工序J11)，来得到扩散板1的中间产品90。之后，经过中间产品90的特性评价、划片、外观检查等而得到扩散板1。

通过上述的制造方法，例如能以高的成形精度制造间距100μm以下、曲率20μm以下这样的微细的透镜阵列3。

如以上那样，根据本实施方式的扩散板1，具备具有多个单透镜10的透镜阵列3，多个单透镜10的各透镜面满足上述的式(1)～(3)。因此，能提供辐射模式的扰乱少且能广角地扩散光的扩散板1。

另外，通过仿真求取图2的距离L成为零的参数值，将该参数值适用于某函数模型来导出式(2)。因此，即使稍微偏离式(2)的条件，与光轴O1平行入射的光也不会照到单透镜10的缘部E1，也存在不产生辐射模式的扰乱的参数值。因此，作为本实施方式的扩散板1的条件，也可以取代式(2)的条件，运用与光轴O1平行入射的光线不会照到单透镜10的缘部这样的条件。通过满足本条件，能实现辐射模式的扰乱少且能广角地扩散光的扩散板1。

进而，根据本实施方式的扩散板1，通过运用前述的式(8a)或(8b)的圆锥常数k，能在照射扩散光的范围内将扩散光的角度分布均等化。通过该配光，在要求将照射到距扩散板1等距离的位置的光的强度均等化的用途中，能良好地运用扩散板1。

进而，根据本实施方式的扩散板1，通过运用前述的式(9)的圆锥常数k，能将照射到与光轴垂直的平面的扩散光的照度分布均等化。通过该配光的特性，能在要求这样的配光的用途中良好地运用扩散板1。

进而，根据本实施方式的扩散板1，具备将透镜阵列3接合的透明基板2，单透镜10的折射率n为1.4≤n≤1.6，由此，实现透明基板2与透镜阵列3的边界面处的较高的应力耐性。通过该应力耐性，能得到针对多样的热环境下的使用的扩散板1的较高的可靠性。进而，通过作为透镜阵列3的材质而运用硅酮树脂，能更加提升上述的应力耐性，能更加提升针对多样的热环境下的使用的可靠性。

<发光器件以及传感器模块>

图8是表示本公开的实施方式所涉及的发光器件以及传感器模块的图。本实施方式的发光器件50具备：发光元件51；和位于发光元件51所照射的光的路径上的扩散板1。扩散板1的透镜面(透镜阵列3)可以朝向发光元件51侧。发光元件51输出激光，但也可以是照射非激光的结构。也可以，发光元件51收容于具有腔室构造的封装52，扩散板1与封装52接合。扩散板1可以兼作封装52的盖。

在图8中，实施方式的发光器件50表示运用于传感器模块100的示例，但本实施方式的发光器件50也可以是在感测以外的用途中输出扩散光的结构。

本实施方式的发光器件50通过具有实施方式的扩散板1，能输出广角的扩散光。进而，根据发光器件50，在扩散板1的热应力耐性高的情况下，能得到能耐受多样的热环境下的使用的较高的可靠性。

如图8所示那样，本实施方式的传感器模块100具备：输出扩散光的发光器件50；和能接受发光器件50所出射的光的受光器件60。受光器件60直接接受发光器件50所出射的光，或接受将该光反射而得到的光即可。传感器模块100可以是LiDAR(light detectionand ranging，光探测和测距)、或检测在光的路径上是否有物体的光电传感器等进行任何检测的结构。发光器件50和受光器件60可以搭载于1个模块用基板70，也可以搭载于分开的模块用基板。

受光器件60具备光电二极管等受光元件61。受光器件60也可以具有将入射光向受光元件61汇集的透镜62、和将入射光的波长缩小范围的滤波元件63。也可以，受光元件61收容于封装64，透镜62以及滤波元件63被封装64支承。

本实施方式的传感器模块100通过具有实施方式的扩散板1，能进行利用了广角的扩散光的广角的感测。进而，根据传感器模块100，在扩散板1的应力耐性高的情况下，能得到耐受多样的热环境下的使用的高的可靠性。

以上说明了本公开的实施方式。但本公开的扩散板、发光器件以及传感器模块并不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，示出多个单透镜10为相同的高度以及相同的形状的示例，但也可以不同高度或不同形状的单透镜混合存在。此外，也可以为了从多个单透镜扩散的光难以干涉，在扩散板高度随机地排列不同的多个单透镜。此外，也可以为了从多个单透镜扩散的光难以干涉，作为排列多个单透镜的间距D，在一定值D1中加进随机的偏移量ε，将多个单透镜随机以不同的间距D＝D1+ε排列。此外，实施方式中示出的细节部分能在不脱离发明的主旨的范围内适宜变更。

产业上的可利用性

本公开能利用在扩散板、发光器件以及传感器模块中。

符号说明

1 扩散板

2 透明基板

3 透镜阵列

10 单透镜

D 间距

O1 光轴

Hmax 最大纵向尺寸

Wmax 最大宽度

E1 缘部

50 发光器件

51 发光元件

52 封装

60受光器件

61受光元件

70模块用基板

100传感器模块。

Claims (8)

1.一种扩散板，具备具有多个单透镜的透镜阵列，

所述单透镜满足式(1)、式(2)、式(3)，

[数学式1]

其中，z是矢高，h是距所述单透镜的光轴的距离，r是曲率半径，k是圆锥常数，D是间距，n是折射率。

2.一种扩散板，具备具有多个单透镜的透镜阵列，

所述单透镜满足式(1)、式(3)，且与所述单透镜的光轴平行入射的光线不照到该单透镜的缘部，

[数学式2]

其中，z是矢高，h是距所述单透镜的光轴的距离，r是曲率半径，k是圆锥常数，D是间距。

3.根据权利要求1或2所述的扩散板，其中，

k≥-0.96。

4.根据权利要求1或2所述的扩散板，其中，

-0.96≥k≥-1。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的扩散板，其中，

所述扩散板还具备将所述透镜阵列接合的透明基板，

所述单透镜的折射率n为1.4≤n≤1.6。

6.根据权利要求5所述的扩散板，其中，

所述透镜阵列由硅酮树脂构成。

7.一种发光器件，具备：

发光元件；和

位于所述发光元件所出射的光的路径上的权利要求1～6中任一项所述的扩散板。

8.一种传感器模块，具备：

权利要求7所述的发光器件；和

能接受所述发光器件出射的光的受光器件。