JP2019128493A - 拡散板及び光学機器 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る拡散板を模式的に示した平面図であり、図2は、上記実施形態に係る拡散板を模式的に示した断面図である。
本実施形態に係る拡散板1は、基板両面に複数のマイクロレンズセル(以下、レンズセル)11が配置されたマイクロレンズアレイ型の両面拡散板である。拡散板1は、透明基板10と、透明基板10の両面に形成された複数のレンズセル11からなる第1マイクロレンズアレイ(以下、第1レンズアレイ)12Aと、第2マイクロレンズアレイ(以下、第2レンズアレイ)12Bを有している。なお、一般に拡散板1は、複数の単位セル(図示せず)から構成されるが、図1では、その単位セルにおいて矩形状に切り出した一部を模式的に示している。
透明基板10は、本実施形態に係る拡散板1に入射する光の波長帯域において、透明とみなすことが可能な材質からなる基板である。この基板材料については、例えば、公知の樹脂材料であってもよいし、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、白板ガラス等の無機材料からなる公知の光学ガラスであってもよい。しかし、基板材料は、レンズ部分(複数のレンズセル11)を含む全体が、無機材料のみからなることが好ましい。拡散板1の基板材料が無機材料のみからなることにより、特に入射光として高出力のレーザ光を用いる場合に、有機材料の変質による拡散特性の劣化を生じることがない。透明基板10の外形形状は特に限定されず、例えば拡散板1が実装される投影装置、表示装置、照明装置等の光学機器の形状に応じて、任意の形状とすることができる。
拡散板1において、透明基板10の一方の面に、複数のレンズセル11からなる第1レンズアレイ12Aが形成され、この一方の面とは反対側の面である他方の面に、複数のレンズセル11からなる第2レンズアレイ12Bが形成されている。図1及び図2に示す第1レンズアレイ12A及び第2レンズアレイ12Bのいずれのレンズセル11も、それぞれ凹形状のレンズからなる凹レンズによって形成されているが、これに限定されず、第1レンズアレイ12A及び第2レンズアレイ12Bのそれぞれのレンズセル11は、凸形状のレンズからなる凸レンズであってもよい。なお、本実施形態に示す拡散板1において、第1レンズアレイ12Aが配置される側の面が入射面、第2レンズアレイ12Bが配置される側の面が出射面とする。
(1)単位セルの4辺の境界は、アレイ配列でパターンに不連続が生じないこと。
(2)各レンズセル11の頂点の平面位置及び高さ位置(換言すれば、凹レンズの深さの最も低い位置)と、隣接するレンズセル11、11のレンズ間稜線とは、回折が十分抑圧されるように不規則(ランダム)化されていること。
(3)非拡散透過光を抑圧するため、隣接するレンズセル11、11間に非レンズ領域が生じないようにすること。
本発明に係る拡散板1は、第1レンズアレイ12Aを構成するレンズセル11から出射した光が、透明基板10の内部を透過して、第2レンズアレイ12Bを構成するレンズセル11に入射するように構成される。即ち、第1レンズアレイ12Aを構成するレンズセル11から出射した光は、第2レンズアレイ12Bを構成するレンズセル11の周囲を画成する稜線の内側のレンズ領域を通過する。
本実施形態に係る両面にレンズセル11がそれぞれランダムに配置された拡散板1において、出射面である第1レンズアレイ12Aの拡散角(半値全幅)は、レンズセル11の平均ピッチ(レンズセル11の頂点間の平均距離)P1、透明基板10の屈折率n、レンズセル11の平均曲率半径R1を用いると、以下の式1で表される。
図5を用いて、レンズセル11を不規則(ランダム)配置させる方法の一例について説明する。
先ず、レンズセル11の不規則(ランダム)配置の基準となる、規則性を有するレンズ配置に着目する。このような規則性を有するレンズ配置としては、レンズセルの頂点位置が正方形状に配置される四角配置や、正六角形の頂点及び正六角形の中心に対応する位置に単レンズの頂点位置が配置される六角配置等の多角形に配置される。図5では、レンズセルの頂点位置が六角配置される場合を、基準となるレンズ配置として黒丸で示している。その上で、規則的なレンズセルの頂点位置を初期値として、この初期値の位置から半径Δrの範囲内で、レンズセルの頂点位置をランダムに変位させる。この配置方法によれば、基準となる位置からのレンズセルの頂点位置のズレ方向と、基準となる位置からのレンズセルの頂点位置のズレ量と、に対して、2つの不規則(ランダム)性が導入されることとなる。このとき、出射面である第2レンズアレイ12Bを構成するレンズセル11のピッチ(P2)について、上記の式4又は式5を満足させることにより、スペックルノイズをより好適に低減させることができる。
拡散板1において、第1レンズアレイ12Aを構成するレンズセル11の形状は、円形又は楕円形であってよく、また、第2レンズアレイ12Bを構成するレンズセル11の形状も、円形又は楕円形であってよい。即ち、拡散板1の各面に配置されるレンズセル11の形状は、一般的な円形状に限定されず、楕円形状であってもよい。なお、レンズセル11の形状が円形又は楕円形であるとは、レンズセル11の光軸を透過した光の強度分布が円形又は楕円形となることを意味する。
拡散板1には、図2に示すように、その両面に透過率の増加や反射迷光の防止等の点で、ARコート(Anti-Reflection Coating)と呼ばれる反射防止膜13を形成することができる。反射防止膜13としては、例えば、SiO2、Al2O3、MgF2、CeO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Y2O3、Tb2O3、ZnS、ZrO2等の一般的な誘電体透明膜が使用可能である。特に入射光が高出力レーザ等による高い光密度となる場合では、例えばTa2O5やSiO2等の耐光性の高い材料を用いることが好ましい。また、拡散板1に対する反射防止膜13の成膜では、表面にレンズセル11による凹凸があるため、膜厚がレンズセル11の中心部と周縁部とで異なってしまう場合がある。また、レンズセル11の中心部と周縁部では入射光の入射角は異なっているために、設計で想定する角度範囲を通常よりも広くとる等の工夫が必要となる。
次に、以上説明した本実施形態に示す拡散板1の製造方法の一例について、図6A、図6Bを用いて簡単に説明する。
本実施形態に示す拡散板1は、主として、基板洗浄工程、レジスト塗布工程、露光工程、現像工程、エッチング工程を経て製造される。即ち、本実施形態に示す拡散板1は、透明基板上にレジストを形成した後、レジストを露光、現像することによってレンズセル11となるパターンを形成し、そのパターンをエッチングによって基板上に転写することで製造される。
本発明に係る拡散板1は、光源からの光を拡散させる必要がある光学機器に実装される。このように光源からの光を拡散させる必要がある光学機器としては、例えば、プロジェクタ等の投影装置、ヘッドアップディスプレイ等の表示装置、各種照明装置等を挙げることができる。特に、本発明に係る拡散板1は、色ムラの発生が問題視される用途の光学機器に好適に使用することができる。
この光学機器は、光源3、4として複数の青色LD(レーザダイオード)31、41を用いて、拡散された白色光を出射するように構成されるプロジェクタ2を例示しており、図7では、そのプロジェクタ2の光照射部の構成を模式的に示している。
(実施例1)
ガラス基板からなる透明基板の両面に、それぞれ有機材料からなるレジストをグレースケールマスク露光及び現像することによって、所望のレンズセルの配列パターンに対応するレンズセルパターンを形成し、そのレンズセルパターンをドライエッチングすることによって透明基板へ転写し、入射面と出射面の両面にそれぞれ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する両面拡散板を作製した。
この両面拡散板の拡散角強度分布を図9Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図9Bに示す。
実施例1と同様のガラス基板からなる透明基板の一方の面のみに、実施例1と同様にして、凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する片面拡散板を作製した。この片面拡散板の拡散角を実施例1と同様に測定したところ、1.8°であった。
この片面拡散板の拡散角強度分布を図10Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図10Bに示す。
図9に示す実施例1と図10に示す比較例1とを比較すると、比較例1では、実施例1に比べて明らかに輝点が多く、スペックルノイズが多く発生していることがわかる。従って、入射面のレンズセルから出射した光が出射面のレンズセルに入射するように構成される両面拡散板は、片面拡散板に比べて、スペックルノイズの低減効果に優れていることがわかる。
実施例1と同様のガラス基板からなる透明基板の両面に、実施例1と同様にして、それぞれ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する3種類の両面拡散板を作製した。この3種類の両面拡散板の拡散角を実施例1と同様に測定したところ、入射面がそれぞれ2°、5°、10°であり、出射面がいずれも10°であった。
入射面の拡散角が2°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図11Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図11Bに示す。また、入射面の拡散角が5°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図12Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図12Bに示す。更に、入射面の拡散角が10°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図13Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図13Bに示す。
実施例2と同様のガラス基板からなる透明基板の一方の面のみに、実施例2と同様にして、凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する片面拡散板を作製した。この片面拡散板の拡散角を実施例2と同様に測定したところ、入射面は無であり、出射面が10°であった。
この片面拡散板の拡散角度強度分布を図14Aに示し、そのX軸方向の拡散特性を図14Bに示す。
図11〜図13に示す実施例2と図14に示す比較例2とを比較すると、比較例2の拡散特性の方が、強度が上下に大きく振れる輝点が複数生じており、スペックルノイズが多く発生していることがわかる。従って、入射面のレンズセルから出射した光が出射面のレンズセルに入射するように構成される両面拡散板は、片面拡散板に比べて、スペックルノイズの低減効果に優れていることがわかる。また、図11〜図13から、入射面の拡散角が出射面の拡散角に近づくほど、拡散特性はTOPHAT型からガウシアン型になることがわかる。
楕円形のレンズセルを有する拡散板の拡散特性についてシミュレーション(ZEMAX社の製品名:OpticStudioを使用)した。
X軸方向の拡散角6°、Y軸方向の拡散角2.8°を持つ凹レンズからなるレンズセルが入射面にランダム配置され、出射面には、入射面のレンズセルの長軸方向及び短軸方向に対して90°ずらすことにより、X軸方向の拡散角2.8°、Y軸方向の拡散角6°を持つ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置された両面拡散板の拡散特性を図15A、図15Bに示す。図15Aは、その両面拡散板の拡散角強度分布を示し、図15Bは、その両面拡散板のX軸方向の拡散特性を示している。
このように、同じ楕円形の拡散特性を有する各レンズセルの長軸方向及び短軸方向を90°ずらして両面に配向させることにより、拡散角は、片面拡散板と両面拡散板とでほぼ同じ値(約10°)を採り、その拡散特性はガウシアン型の円形となる。即ち、光の拡散角の分布はXY方向で均一となり、良好な拡散性が得られることがわかる。
X軸方向の拡散角6°、Y軸方向の拡散角2.8°を持つ凹レンズからなるレンズセルが入射面にランダム配置された片面拡散板の拡散特性を図16A、図16Bに示す。図16Aは、その片面拡散板の拡散角強度分布を示し、図16Bは、その片面拡散板のX軸方向の拡散特性を示している。
このように、片面拡散板では、レンズセルが楕円形状である場合、そのレンズセルにより構成されるレンズアレイを出射した光の拡散角の分布も楕円形状となり、光の拡散角の分布はXY方向で不均一となった。
10 透明基板
11 マイクロレンズセル
12A 第1マイクロレンズアレイ
12B 第2マイクロレンズアレイ
2 光学機器
Claims (5)
- 透明基板の両面に複数のマイクロレンズセルが配列された拡散板であって、
前記透明基板の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第1マイクロレンズアレイと、
前記一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第2マイクロレンズアレイと、を有し、
前記第1マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルから出射した光が、前記第2マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルに入射するように構成される拡散板。 - 前記第1マイクロレンズアレイ及び前記第2マイクロレンズアレイのうち少なくとも一方は、ランダムなマイクロレンズアレイである請求項1に記載の拡散板。
- 前記第1マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、
前記第2マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形である請求項1又は2に記載の拡散板。 - 前記拡散板は、無機材料のみで構成される請求項1〜3のいずれか1項に記載の拡散板。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の拡散板を備える光学機器。
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