JP2016513284A - 光学素子、及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、拡散法で放射線を拡散させる電磁光学素子に関する。そのような光学素子は、正面投影方式や背面投影方式を採用する表示アプリケーションや（映画の）スクリーン等のほとんどすべての投影型アプリケーションに用いられることができる。主張された光学素子の表面において、表面形状は、繰り返しではなく不規則な表面構造が提示される。隆起物は、使用最大波長の２．５倍よりも大きな位相変動Δφの高さを持つように形成され、その隆起物は、全軸方向におけるそれぞれの面において使用最大波長の５倍より大きな横方向の広がりを持つ。個々の隆起物は、３つの空間軸方向において連続的な形状を持ち、隆起物は縁、突起、亀裂を持たない。【選択図】図２

Description

本発明は、電磁放射線を広範囲に拡散させる光学素子に関する。

そのような光学素子は、正面投影方式や背面投影方式を採用する表示アプリケーションや（映画の）スクリーン等のほとんどすべての投影型アプリケーションに用いられることができる。記載された構造は、さらに、光源の均質化及び配向のために用いられることができる。また、この構造は、そのような拡散装置により制御されることが可能な輝度分布を用いて、一般的な照明のアプリケーションの分野も切り開く。さらに、これらの光学素子は、例えば、模様、記号、文字又はロゴを生成するための静的投影や構造化照明の分野におけるアプリケーションに用いられることができる。

拡散装置及び拡散パネルは、多くの超小型表示装置及び投影型アプリケーションに用いられる。ここで、画像は、ビューアーによって直接観察可能な拡散スクリーン上、又は、光学システムの中間像面に映し出される。拡散装置の目的は、例えばビューアーが配置される空間領域にできるだけ均一に像面からの光を拡散させることである。ほとんどのアプリケーションでは、この空間領域、所謂Ｅｙｅｂｏｘを、大幅に制限してしまう可能性がある。この点において、理想状態では、全ての光が拡散装置によってＥｙｅｂｏｘに拡散されるべきである。外部の最小限の明度とともにＥｙｅｂｏｘにおける輝度の均一な分布により、プロジェクタの効率は最適になり、かつ、投影スクリーンに対するビューアーの配置や視野角が変化した場合でも明度の変動が起きない。

これらの拡散装置にとってさらに重要な要求は、これらの広帯域な側面である。なぜならば、全ての可視スペクトル範囲の波長が実質的に全てのプロジェクションアプリケーションにおいて重要であるからである。それ故、拡散はできるだけ波長と無関係であるべきである。

さらに、拡散装置は、照明アプリケーションにおいて重要であるように、特定の指向性を実現するように使用されることができる。光源の特定の角度分布の生成が可能である。例えば、視準の合った光源から遠く離れた場所において所望の明度の分布を生成することが可能である。レーザー等の非常に高い視準の光源は、画像を生成するために用いられることができ、静的画像生成（文字、ロゴ、図形の投影）の分野において用いられることができる。拡散素子を空間分解能で規定することもできる。つまり、横方向に異なる拡散機能を使用することもでる。これは、例えば、レンズ機能に応じた拡散分布の角度を実現したり、光源の視準を合わせたり、又は、拡大した拡散スクリーンでの視差エラーを補償したりするのに使用されることができる。

電磁放射の拡散分布の特徴を正確に規定するために、回折光学素子を使用することができる。これに関し、回折光学素子の表面形状は、反復フーリエ変換法（ＩＦＴＡ）によって算出される。これに関し、拡散分布は、明度及び角度分布に関してほぼ望み通りに現れることができる。しかしながら、実際には、回折拡散装置は、ほとんど意味を持たない。なぜならば、それらは、高い波長依存性を有するとともに、ある拡散方法における一部の限られた光だけが拡散装置を通過するからである。無視されない一部の光は、妨げられることなく素子を通過し、ビューアーにおいてそれぞれの光源が直接視界に入るように表された０次回折の干渉を生じさせる。加えて、そのような素子の製造は、実際には実現することができないか、又は、特に高い放射角が要求された場合に現在の技術を用いて相当の努力をしなければ実現することができない。

回折拡散装置に加えて、光学素子を製造するのに角度分布又は指向性を望みどおりに設定できなかったり、空間分解能を用いて設定できなかったりする可能性がある。機械的に粗面化された表面、あるいは、周囲材料の光学屈折率や干渉リソグラフィによって製造された素子の光学屈折率と大きく異なる屈折率を有する小さな球体が埋め込まれたレーザー加工によって粗面化された表面が、ここで指定されることができる。これらの方法や形態における不利な点は、拡散分布が予め所定の制限の範囲内にしか設定できず、Ｅｙｅｂｏｘにおいて所望の明度の分布を生成することができないことである。

特に非干渉性の照明を用いた拡散パネル及び拡散装置の実現のために広く知られた可能性は、レンズアレイによって表される。不必要な回折パターンは、レンズアレイにおいて生じる周期的な又は規則的な構造により、高い視準又はスペクトル的に狭帯域の照明という結果をもたらす。その技術により、一般的にレンズアレイの曲線因子は所望のレベルを実現することができない。所謂レンズ間のデッドゾーンは、光が拡散することなく（回折素子を用いた０次回折と同様）拡散装置を通過する結果をもたらす。加えて、マイクロレンズアレイを用いて実現される拡散分布は、それらの形状及び明度分布について大きく制限される。これらは、一般的に矩形や円形のように幾何学的にシンプルな形状の照明に限定される。

体積ホログラム又はいわゆる有効媒質のＣＧＨは、さらなる可能性を示す。ここで、それらの製造は非常に複雑及び／又は高額であり、それらは、注入及び離型の加工により、又は、プレス加工により、表面構造光学のように再現又は複製されることができ、さらに、狭い波長領域でのみ所望の働きをする。

それ故、発明の対象は、表面の輝度を均一にすること、又は、光学素子によって方向づけられた電磁放射の拡散動作に直接局所的に影響を与えること、及び、０次回折の放射源による局所的に制限された画像を回避し、又は、少なくともその明度を減少させることを提供する。

この目的は、請求項１の特徴が組み込まれた本発明の光学素子によって達成される。本発明の有利な実施形態及び更なる発展は、従属項で指定された特徴を用いることで達成される。

隆起部分を等高線を用いて表し、かつ、５５０ｎｍの波長における２πの高さを破線で表した、本発明に係る素子の例を上から見た概略図である。 より小さなスケールで表した概略平面図である。 光学拡散素子の位相遅延が示された図である。 本発明に係る広範囲に拡散させる素子を用いた実現例を示す図である。

本発明に係る広範囲に電磁放射を拡散させる光学素子は、電磁放射を通す材料により形成され、かつ、光の波長スペクトルからの電磁放射にふさわしい。

表面は、繰り返しの規則的な表面構造を形成しない表面形状である。
これに関し、隆起部分は、ピーク偏差Δφが使用最大波長の２．５倍よりおおきな高さを持つ表面構造の構造素子として形成されている。

隆起部分は、全ての軸方向におけるそれぞれの面において、使用最大波長の５倍以上の横方向の広がりを持つ。
個々の隆起部分は、３つの空間方向において連続的に形成され、及び、これに関して、隆起部分には、縁、段差、亀裂、及び、輪郭は形成されない。
例えばレンズの湾曲面又はプリズム平面の場合のように一定に繰り返し変化する等高線領域は、隆起部分には示されない。また、隆起部分は二次曲面の形状で存在すべきでなく、表面形状の一次導関数は連続的であるべきではない。

隆起部分の高さは、隆起部分に隣接して形成された凹部の最も低い位置と、そこから最も離れた高さの位置と、の間の距離として理解されるべきである。
この点に関し、全ての軸方向における横方向の広がりは、非常に大きくあるべきである。具体的には、隆起部分の最大横断面の領域の略中心から３６０度の範囲において、横方向の広がりが、素子が照射されることで使用される最大波長の５倍となるべきである。

３つの空間方向における連続する形状は、ある位置から隣接する別の位置まで表面が連続的に変化している非対称の模様又は幾何学的な模様として理解されるべきである。それ故、縁、段差、亀裂、又は、輪郭は存在しない。しかしながら、可能であれば、傾斜角又は放射状に続く表面輪郭は、表面に沿って絶え間なく連結された等高線に関わらず、３つの空間方向（ｘ、ｙ、ｚ軸方向）において、一定に維持さるべきではない。傾斜角又は表面に沿った湾曲角は、同じであるべきではない、又は、均一に変化するべきではない、しかし、急に変化するべきではない。これは、隣接する超小型レンズ間の境界において伸び率が急に変化する既知の超小型レンズとは異なる。

本発明では、個々の隆起部分の幾何学模様及びサイズが決定性計算アルゴリズムの手法により計算されるべきであり、隆起部分のランダム形成は行うべきではない。

視準の合った電磁放射が用いられる場合、本発明に係る素子は有利な効果を有する。視準の合ったレーザビームは、例えば、表面形状が形成された表面に向けられる。拡散効果により、レーザビームのビーム断面に期待されるよりもかなり大きな表面が照射され、又は、照らされているように見える。点状レーザビーム源は、目に見えない、又は、非常に不明瞭にしか見えない、又は、０次回折の回避又は抑制の可能性によりそのように結像される。

また、表面構造の隆起部分は、素子の表面構造におけるさらなる隆起部分と同一の幾何学的な模様及び／又は高さ及び／又は体積でないことが好ましい。即ち、一つ一つの隆起部分は、独立した幾何学的な形状及びサイズを持つことができる。この点に関し、それぞれの電磁放射の入射角、それぞれの所望の放射の偏角α、その位置、Ｅｙｅｂｏｘのサイズ又は空間、使用波長スペクトル、又は、本発明に係る素子材料の光学屈折率を考慮して選択された電磁放射の波長は、全ての隆起部分が形成される表面構造の模様において考慮されることができる。完全な非対称性は、独立した模様及びサイズの隆起部分を用いて達成される。

しかしながら、照射表面上又は照射表面の特定領域において均一に分布する同様の模様又は類似する模様の隆起部分が配置される可能性もある。例えば、特定の色彩の印象に関連する領域のように、局所的に直接決定される光学的な効果は、最後に指名された配置によって利用されることができる。

個々にデザイン及びサイズ調整された隆起部分を用いることで、隣接する隆起部分のそれぞれの最高地点間の距離が互いに異なる結果となる。なぜならば、隆起部分に対して形成された凹部の最低地点によって規定される隆起部分のベース面は、考え得る軸方向において、それぞれ異なるようにデザインされ、かつ、横方向に異なる広がり／長さを持つからである。

本発明に係る素子は、２００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の波長スペクトルとなるように設計されることができる。

本発明に係る素子は、使用波長スペクトルの中心波長の±３％より大きな波長範囲内で事前に定義可能な拡散分布を持つ。これは、回折素子を用いることで、大きな０次又は高次の回折が、それらが生成された波長から非常に小さい偏差で既に形成されることになるため、有利である。

使用される電磁放射の拡散分布は、素子の放射源からの電磁放射（光）の入射位置、例えば、拡散分布の重心の傾き、に依存して変化し得る。

製造は、局所的にターゲット材料の除去を行うという、それ自体良く知られた方法により行われるが、離型、（射出）成形、（射出）型押し成形によっても行われる。

発明は既に記載された回折拡散装置から始まる。０次回折、及び、これらの素子の波長依存性の存在は、光学関数の位相関数における２πジャンプの結果として起こる表面形状の途切れの存在に基づく。しかしながら、これらのジャンプ量は、１つの波長、かつ、一定の光学屈折率を持つ光学素子の材料の場合にのみ、正確に調整可能である。

これに関し、位相φは、構造要素（隆起部分）の厚さ又は高さｈと、素子の材料及び周囲の光学屈折率の差Δｎとの積を、それぞれの波長λで割ったときの商として近似的に決定される。それ故、厚さ又は高さｈは、達成可能な位相ジャンプφに影響を与える。位相関数のジャンプは光学回折格子と同様の効果をもたらす。

この点において、放射状の角度分布は、波長λ、発生周期ｐ、回折次数ｍを持つ回折格子の式に基づいて、スケーリングされる。

凹部のフランクの影響により回折素子の製造時には実質的に実現できない非常に大きな空間周波数が、表面形状において発生する。これは、エッジの丸み、及び、位相関数の形状偏差を引き起こし、均一性及び効率性の観点で不都合なほどに拡散分布を弱める。製造時に引き起こされる表面形状のこれら及び他の誤差は、このような効果を及ぼす。

加えて、従来素子の設計で用いられる従来の反復フーリエ変換法（ＩＦＴＡ）における光学関数のいくつかの点で、位相φの定義されていない点が発生する。これらのいわゆる位相転位は、生産誘発と同様に、０次回折の方向への望まない散光及び伝達を導く。それは、広波長域からの電磁放射を持つ広帯域照明によって増幅される。さらに、位相転位の存在により、従来のＩＦＴＡにより計算された光学関数を、何れの２π位相ジャンプも含まない一連の表面形状に移行させることができない。

本発明では、位相転位が発生しないＩＦＴＡの改良版が利用された。このため、それは、発達した設計アルゴリズムに最適化された位相関数ではないが、後に製造される光学素子の隆起部分のサイズ及び高さを直接的に持つ表面形状の位相関数である。反復中、位相関数において発生する差が決定され、また、それらは、中間ステップにおいて平滑化されるとともに任意にスケーリングされる。この位相差は複数の反復を通じて局所的に追加され、高さの差に変換される。この点で、表面変調の絶対高度は、位相差の結果が実質的に２πよりも大きくなるように設定することも可能である。表面構造の波長依存性は確実に維持され、これは同じ格子周期で波長λが増加したときに電磁放射の大きな偏差をもたらす。しかしながら、表面形状によって引き起こされるピーク偏差Δφの高さは、波長λに反比例してスケーリングされる。

の式が当てはまる。
ｐは周期数、αは電磁放射の偏差角である。

隆起部分の高さが大きくなると、長い波長の２π格子周期の明らかな成長、及び、補償の増加、の両方の効果を得ることができる。この効果は、図３の２つの波長に示される。緑色光の短い波長（上部曲線）により、表面構造を通過したときに、より大きな位相遅延Δφが起きる。光波の位相関数の周期性に表面形状のフランクが考慮される場合、短い波長の場合に短い周期になることがわかった。この場合、その構造は、偏差角αが両波長を同じに維持するように最適化されることができる。それ故、アクロマートの拡散分布は、いくらかの制限で実現されることができる。下部曲線は赤色光の領域を示している。

使用されるＩＦＴＡは、広範囲に拡散させる素子の表面形状が所望のターゲット分布（角度分布、又は、投影面／スクリーン上または特定距離における明度分布）となるように計算されることが可能な設計アルゴリズムである。ここで、表面形状は、使用される電磁放射の特性を考慮に入れたうえで所望の分布になるような表面形状である。この場合、ターゲット分布は、特定の角度範囲、又は、投影面／スクリーン上の特定の位置において所望の明度の電磁放射が予め定義されるように、規定されることができる。

このことは、図４に示されている。例として、特定の角度分布、及び、例えば文字「ＨＣＥ」がコリメート光源用に生成される、２つの状況が説明されている。追加のレンズは、例えば、この角度分布を投影面／スクリーン上の空間分布に変換するために使用されることもできる。しかし、このレンズ機能は、投影面／スクリーン上に直接的に鮮明な映像を映すことができるように、本発明に係る広範囲に拡散させる素子に組み込まれることもできる。本発明に係る素子が遠距離場における角度分布のために計算される場合、映像はいわば非常に遠く離れたスクリーン上に現れる。この点において、本発明に係る素子は図４の「拡散装置」によって示される。

発散する放射源が使用される場合、レンズ機能は、放射線をコリメートするため、又は、素子上に入射される放射線の局所的に異なる角度が横方向に異なる構成の素子により相殺されるように、所望の拡散分布を生成するため、本発明に係る広範囲に拡散させる素子に組み込まれることができる。

本発明に係る光学素子は、それぞれ電磁放射を通過させるように用いられることができる。また、それらは、電磁放射を反射することもできる。このために、そのような表面形状を持つ表面、又は、この表面と異なる表面には、反射コーティングが設けられることができる。

最初に記載されているように、０次回折のエネルギーは、回折光学素子を用いることによる一連の影響によって引き起こされる。この点において、もっとも大きな影響は、高い波長が必要とされる２πのピーク偏差Δφを含まず、かつ、未定義のジャンプが低い波長での位相関数において発生することである。さらに、表面形状の隆起部分の表面におけるフランクの急峻さの技術的な生産制限により、凹部及び位相転位位置において誤差が発生する。形状偏差により、散乱光、及び、０次回折の増幅も同様に発生する。本発明ではジャンプが発生しないため、記載した影響は避けられる。したがって、０次回折のエネルギーは、ほとんど完全に広帯域に亘って抑制されることができる。放射源それ自体は、もはや点状様式において可視ではない。また一方、その結像は、少なくともビューアーではほとんど見えないほどに非常に希釈化される。

その構成において発生する空間周波数の大きさは、隆起部分が起点よりも大きな高さを持つ深層構造の実現によって減少する。それにより、構成される表面変調の最小サイズ化が増加する。従来の拡散素子と比較して、大きな角度範囲への放射は同等な生産技術を用いて実現される。加えて、製造工程においてターゲット形状の表面形状を変化させる影響は考慮され、かつ、設計において補償される。これは、電磁放射の拡散分布の正確な定義を可能にする。

散乱係数の広帯域の影響は、増大した素子の全体の深さ、又は、隆起部分の高さに亘って設定されることができる。この点において、記載した素子は、電磁放射の可視スペクトルの全領域に、さらに必要に応じてＮＩＲあるいはＩＲ放射にまで、用いられることができる。

本発明に従って形成された表面構造を用いることで、周期的繰り返しは発生しない。それ故、レンズアレイとは異なり、望まない回折パターンの発生はほとんど完全に避けることができる。これは、パターン又はモアレ効果が発生しないデジタルプロジェクタの場合に、さらに有利な点を提供する。それらは、スクリーンの周期的な基礎構造が同様の周期を重ね合わせたもの、例えば映像の標準ピクセルパターンであるときに引き起こされる。

また、非対称の拡散分布は、隆起部分にてフランクの表面形状への直接導入によって実現されることができる。導入されるフランクの向きが素子上の０度から３６０度にわたって出来る限り統計的に様々である点で、及び、フランクによって区切られた表面が、隣接しており、同様のサイズであり、かつ、多角形又は曲線状の境界を有している点で、慎重さが必要である。フランクによって発生する拡散は、フランクの位置及び向きが計算され又は考慮されることで、ターゲットの散乱関数に組み込まれることができる。

光学素子の利用可能な表面上において非対称性が空間的に変化する場合には、光の流れる向きの局所的な角度変更（局所的にターゲットにされた偏向放射の変化）のために所望の光学関数を用いることができる。そのため、レンズ機能及び同様のものは本発明に係る素子に組み込まれることができる。

それ故、分布範囲は、電磁放射の局所的なターゲット偏差を達成することが可能な表面構造において形成されることができる。

それ故、ヘッドアップディスプレイ用のアプリケーションは、例えば、素子に組み込まれたレンズ機能と一緒になることが可能である。また一方で、電磁放射のコリメートも可能であり、又は、図４に示すように、近距離で均一画像が可能である。

それ故、さらに、素子上の異なる領域が同じＥｙｅＢｏｘ内に電磁放射を拡散させることができる。これは、ビューアーの素子への近接により、又は、素子の大きな平面的な広がりにより、素子の横方向の広がりがビューアーの利得と比較して重要である場合に特に関係する。素子が光学素子の中間像面で使用されるアプリケーションにおいて、主光線の傾斜の空間的な変化は、対応する偏角を用いて設定されることができる。それ故、例えば、視野レンズが実現可能である。

従来の回折素子の場合、照射表面は、傾いた照射／放射となる凹部によって影になるため、通常、これらの素子は、ほぼ垂直方向に照射されなければならない。本発明に係る素子は、影に覆われる影響は、表面構造の構造素子のアスペクト比に依存してはるかに低いので、傾いた照射／放射のもとで用いられることができる。

大幅な２π以上のピーク偏差は、本発明に係る素子を用いることによって達成することができる。そして、その拡散分布は、大いに定義されているが、非対称であって、かつ、高変調又は縁によって特徴づけられる。加えて、波長の機能独立は０次が存在せずに達成される。完全に抑制されていない０次回折の放射の割合は少なくとも５％以下に保持されることができる。

発明は次の例によってより詳細に説明される。
図１は、隆起部分を等高線を用いて表し、かつ、５５０ｎｍの波長における２πの高さを破線で表した、本発明に係る素子の例を上から見た概略図である。図２は、より小さなスケールで表した概略平面図である。図３は、光学拡散素子の位相遅延が示された図である。

図１及び図２の２つの図により、隆起部分が個々にデザインされ、サイズ化されていることが明らかである。鋭角な縁、段差、又はステップ、又は、切り立った上方のジャンプが隆起部分に存在しないことが等高線からわかる。等高線は、閉曲線状の広がりを形成し、５度未満の角度を含む方向の変化が発生しない。隆起部分の曲線状／アーチ状の表面にて一定の変化の増加が維持されるべきである。

図４は、本発明に係る広範囲に拡散させる素子を用いた実現例を示す図である。
これに関して、ソースの電磁放射の特性を考慮しながら、遠距離場での所定の角度分布／明度分布、あるいは、素子から所定距離における投影面／スクリーン上の明度分布が実現される。表面形状は、ＩＦＴＡの設計アルゴリズムの手法により所望の角度分布から算出される。これに関し、所望の角度分布は、正確には到達しないが、良い近似かつ高効率で到達することができる。

Claims (12)

1. 表面形状が繰り返しの規則的な表面構造を形成しない、電磁放射を広範囲に拡散させる光学素子であって、
   これに関し、隆起部分が、使用最大波長の２．５倍よりも大きなピーク偏差Δφの高さを持つように形成され、かつ、前記隆起部分が全ての軸方向におけるそれぞれの面において横方向に使用最大波長の５倍より大きく、個々の前記隆起部分は３つの空間方向において連続的に形成され、これに関し、前記隆起部分には、縁、段差、及び、ジャンプは形成されない、光学素子。
2. 前記表面形状を持つ前記表面、又は、前記表面と異なる表面は、反射コーティングで覆われている、請求項１に記載の素子。
3. 前記表面は、視準の合った電磁放射で照射される前記表面形状を持つ、請求項１又は２に記載の素子。
4. 前記表面形状の隆起部分は、前記素子の表面構造のさらなる隆起部分と同じ幾何学的な模様及び／又は高さ及び／又は同じ体積でない、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
5. ２００ｎｍから１２００ｎｍの範囲の波長スペクトルが採用されている、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
6. 前記素子は、使用波長スペクトルの中心波長の±３％より大きな波長範囲内で事前に定義可能な拡散分布を持つ、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
7. 一定に繰り返し変化する等高線領域は、隆起部分には示されない、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
8. 隆起部分では二次曲面は現れず、かつ、一次導関数において不変性を持たない、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
9. 可視光の波長スペクトルから電磁放射を拡散させる、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
10. 使用波長スペクトルの電磁放射を通す材料を有する、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
11. 分布範囲は、電磁放射の局所的なターゲット偏差を達成することが可能な表面構造に形成される、上記請求項の何れか一項に記載の素子。
12. 一つ一つの隆起部分における幾何学的な模様及びサイズは、決定性計算アルゴリズムの手法により計算される、上記請求項の何れか一項に記載の素子。