JP2020106604A - 放射角度変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】均一性が高い良好な光拡散性能を、歩留高く製造することが可能な放射角度変換素子を提供する。【解決手段】放射角度変換素子１０は、２次元配列された複数のマイクロレンズ１２を備える。隣接するマイクロレンズ１２間の接合部１４は、曲面形状を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、入射ビームの放射角度を変換する放射角度変換素子に関する。

入射光を様々な方向に散乱または角度変換させる放射角度変換素子は、ディスプレイの表示装置やスクリーンなどに使用され、さらに均一な照明強度を得る目的で、照明装置などの多種多様な装置に広く利用されている。一般的には、光源から出た光の放射角度を広くする場合が多い。

近年、光放射角度や角度毎の強度分布、あるいは拡散光を投影した際の面内強度の均一化など、さらに高度な性能が求められるようになってきた。例えば、アレイ状の面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）から、所定の発散角で放射された光を、より広い角度範囲に拡散させ、かつ拡散角度に異方性を持たせたい、といったニーズがある。

光を拡散させたり、角度を変換させる素子には、いくつかの種類がある。例えば平板の内部に、微小空間を分散させたり、微粒子を分散させたりしたようなもの（例えば、半透明樹脂板）、基材の表面に微小な凹凸をランダムにつけたもの（例えば、表面をエッチング等で荒らしたガラス）、基材の表面を加工して設計された凹凸を形成したもの（例えば、回折型素子）、基材の表面にレンズを多数並べたもの（例えば、マイクロレンズアレイ）などが知られている。

これらの中で、マイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子は、透過率が高く、拡散角度の制御が容易なため、高度な拡散性能を要求される場合に採用される（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００９−４２７７２号公報 特開２０１７−９６６９号公報

マイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子では、個々のマイクロレンズの設計値からのずれやレンズのエッジで発生する迷光（制御できない光）がしばしば拡散光に悪影響を与える。例えば、光を平坦なスクリーンに投影した際に、不必要なラインができたり、輝点が出来たりする。

この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。例えば、レンズ間の面を荒らす、レンズ接合部の稜線を鋭くして、散乱を極力抑える、などの方法が提案されている。これらの方法は、迷光を抑え、良好な拡散性能を実現するには有効であるが、一方で、製造する際の難易度が高くなり、歩留まりが低下するおそれがある。つまり、一般的にマイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子は、樹脂の射出成形や２ピース成形（型押し法：平行平板のような基板上に、基板とは異なる材質で素子を成形する方法）あるいは型へ原料を流し込んで硬化させる（キャスティング法）などで作製されるが、いずれの方法においても、成形後に型から外す作業の際に、荒らした面や鋭い稜線などが離形の障害となり、離型不良が起きやすくなる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、均一性が高い良好な光拡散性能を、歩留高く製造することが可能な放射角度変換素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の放射角度変換素子は、２次元配列された複数のマイクロレンズを備える放射角度変換素子であって、隣接するマイクロレンズ間の接合部が曲面形状を有する。

接合部の曲面の曲率半径をｒ、マイクロレンズの外径をＤとしたとき、ｒ／Ｄの値が、０．００２以上、０．０３以下の範囲であってもよい。ｒ／Ｄの値が、さらに、０．００５以上、０．０１８以下の範囲であってもよい。

接合部の曲面の曲率半径は、該曲面の近似球面の半径であってもよい。

マイクロレンズは、矩形レンズであり、マイクロレンズの外径Ｄは、矩形レンズの外接円の直径であってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、均一性が高い良好な光拡散性能を、歩留高く製造することが可能な放射角度変換素子を提供できる。

本実施形態に係る放射角度変換素子の一実施形態を説明するための平面図である。 本実施形態に係る放射角度変換素子の一部の概略斜視図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子の概略断面図である。 本実施形態に係る放射角度変換素子における接合部の概略拡大断面図である。 曲率半径比と面内均一性との関係を測定した結果を示す図である。 曲率半径比と透過率との関係を測定した結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る放射角度変換素子について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る放射角度変換素子１０の一実施形態を説明するための平面図である。放射角度変換素子１０は、透明な基板１１上に、複数のマイクロレンズ１２が２次元配列されたマイクロレンズアレイであり、光源から入射した光の放射角度を拡大する。光源の種類は特に限定されず、例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のほか、ファブリペロー型の半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＹＡＧ等の固体レーザ、エキシマレーザ等のガスレーザ、あるいはメタルハライドランプ等の放電ランプも使用することができる。

図２は、本実施形態に係る放射角度変換素子１０の一部の概略斜視図である。図２に示すように、透明な基板１１の一方の第１主面１１ａ上に複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。基板１１の他方の第２主面１１ｂは、平面状とされている。放射角度変換素子１０を光拡散素子として用いる場合、マイクロレンズ１２が設けられた第１主面１１ａが光入射面とされ、平面上の第２主面１１ｂが光出射面とされる。

本実施形態において、個々のマイクロレンズ１２は外形が矩形状のレンズであり、各マイクロレンズ１２が接するように稠密に配置されている。これ以外にも、平面に稠密配置ために、三角形、平行四辺形、六角形など、さまざまなレンズ外形を持つマイクロレンズ１２を採用できる。マイクロレンズ１２の形状（レンズ面の曲率やレンズ外形）は放射角度変換素子の目的や機能に応じて任意に変更可能であり、マイクロレンズ１２は例えば外形が円形状のレンズであってもよい。また、マイクロレンズ１２の２次元配列方法は、本実施形態のように正方配列に限定されず、例えば六方配列であってもよい。極端な例としては、ランダムに配置された稠密レンズでもよい。

本実施形態ではマイクロレンズ１２は少なくとも一つの凸形状の曲面を備える凸レンズであるが、凹形状の曲面を備える凹レンズであってもよく、さらに凸レンズと凹レンズとが混在していてもよい。本実施形態では、マイクロレンズ１２のサイズは全て同じであるが、異なるサイズのマイクロレンズが混在していてもよい。また、本実施形態では、マイクロレンズ１２は、レンズ曲率が方向により変化しない中心対称性を持つ形状を有しているが、レンズ曲率が方向により異なっていてもよい。

マイクロレンズ１２のアレイを形成する材料は、使用を予定する波長において、透過率が十分高ければ特に限定されるものではなく、例えば樹脂などの有機材料、ガラス、無機材料または樹脂と無機材料を複合化したものなどであってよい。

マイクロレンズ１２のアレイの製造方法は、２Ｐ成形法を例示するが、これに限定されず、例えば射出成形やキャスティング法など型を使用する製造方法であってよい。あるいは、エッチングを利用した製造方法であってもよい。ここで、２Ｐ（ツーピース）成形法とは、複数の部材を一体化させて機能性部品を作製することをいい、例えばリジッドなガラス製の基板などの少なくとも片側の面に、マイクロレンズアレイなどの機能性を有する樹脂などで構成される層を形成したものであり、リジッド性などの機能と、成形容易性などの機能、所定の光学作用を発揮する機能とを複合して持たせられるメリットがある。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子１０の概略断面図である。図３（ａ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＡ−Ａ概略断面図である。図３（ｂ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＢ−Ｂ概略断面図である。図３（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＣ−Ｃ概略断面図である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１２の頂部から谷部までの深さは、Ｃ−Ｃ断面で最も深く、Ｂ−Ｂ断面で最も浅くなっている。いずれの断面でもマイクロレンズ１２の接合部１４に尖った谷部があり、とくにＣ−Ｃ断面では、最も尖った谷底になっている。マイクロレンズ１２の接合部１４とは、隣接するマイクロレンズ１２間の部分である。この接合部１４近傍の形状は、放射角度を変換する上では、最大放射角度を決める重要な部分となっており、所定の傾斜角を有するレンズ面にしなければならず、この部分の傾斜が緩やかになると、目的とする光学性能が得られないおそれがある。

一方、放射角度変換素子１０を製造する上で、この尖った谷部は、成形不良の原因となりやすい。例えば、本実施形態のように凸形状のマイクロレンズ１２を２次元配列したマイクロレンズアレイを、金型等の転写による成形で製造する場合、接合部１４に対応する金型の部分は、非常に尖った構造となるため、転写時の加圧によって基板１１と接触すると壊れるおそれがある。逆に凹形状のマイクロレンズ１２の場合は、金型に先端の尖った谷が形成されるため、その部分に成形材料が金型に残存して形状が劣化し、成形不良が発生するおそれがある。この課題を解決するために、レンズ間に平坦部を設け、尖った部分をなくすことが考えられるが、単に平坦化するだけでは、その平坦部を通った光は、直進して進むため、放射角を変換された後の光の中に、設計外の輝線（周囲より光強度の強い線）や、輝点（周囲より光強度の強い点）ができるおそれがある。

図４は、本実施形態に係る放射角度変換素子における接合部１４の概略拡大断面図である。本実施形態に係る放射角度変換素子１０においては、隣接するマイクロレンズ１２間の接合部１４が曲面形状を有している。「接合部１４が曲面形状を有する」とは、隣接するマイクロレンズ１２のエッジが接触または近接する部分を、その接触または近接する部分に垂直な平面で断面視したときに、隣接するマイクロレンズ１２のエッジを含む部分が曲線になっている、という意味である。

このように、マイクロレンズ１２の接合部１４の形状を曲面とすることにより、接合部１４を通る光は屈折して出射されるので、上記のように接合部を平坦とした場合と比較して、輝線や輝点が生じるのを抑制することができる。したがって、本実施形態に係る放射角度変換素子１０によれば、均一性が高い良好な光拡散性能を実現できる。

また、マイクロレンズ１２の接合部１４の形状を曲面とした場合、上記のように接合部を尖った構造とした場合と比較して、接合部１４の製造が容易となる。例えばマイクロレンズアレイを成形で製造する場合、接合部１４に対応する金型の部分をそれほど尖った構造する必要が無くなるので、接合部を尖った構造とした場合のような不具合が生じる事態を防止できる。また、例えばマイクロレンズアレイをエッチングで形成する場合も、接合部を尖った構造とした場合よりも製造が容易となる。したがって、本実施形態に係る放射角度変換素子１０によれば、歩留まりを高めることができる。

図４には、接合部１４の曲面を近似した仮想的な近似球面４０が図示されている。この近似球面４０の半径をｒとする。このｒは、接合部１４の曲面の曲率半径である。なお、本実施形態では、接合部１４の曲面を球面形状としたが、接合部１４の曲面は非球面形状であってもよい。この場合、非球面形状を球面で近似し、その球面の曲率半径を採用する。

また、図１には、マイクロレンズ１２の外形に対する外接円４２が図示されている。この外接円４２の直径をＤとし、このＤをマイクロレンズ１２の外径とする。接合部１４の曲面の曲率半径ｒと、マイクロレンズ１２の外径Ｄとの比（以下「曲率半径比」と称する）ｒ／Ｄの値を好適な範囲に設定することにより、良好な光拡散性能（面内均一性）と透過率を有する放射角度変換素子１０を実現できる。以下、好適な曲率半径比ｒ／Ｄの範囲について説明する。

まず、曲率半径比ｒ／Ｄと面内均一性との関係について説明する。接合部１４の曲率半径ｒが異なる複数の放射角度変換素子１０を製造し、曲率半径比ｒ／Ｄと面内均一性との関係を測定した。本明細書において、「面内均一性」とは、所定の条件で放射角度変換素子１０から出射した光によってスクリーンを照射したときの、一定の照射領域における平均の明度に対する、明度の偏差の比である。

基板１１としては、ガラス基板（ＳＣＨＯＴＴ社製Ｄ２６３Ｔ ｅｃｏ（７６ｍｍ×７６ｍｍ×０．３ｍｍ））を使用した。マイクロレンズ１２の材料としては、エポキシ系ＵＶ硬化樹脂を使用した。

接合部１４に対応する部分の曲率半径が異なる複数の金型を準備し、それらの金型を用いて２Ｐ成形法によりガラス基板上に樹脂のマイクロレンズアレイを形成し、放射角度変換素子１０を製造した。このとき、接合部１４の曲面の断面は円とし、マイクロレンズ１２とその円が滑らかにつながるようにした。設計した金型における接合部１４に対応する部分の曲率半径と、該金型を用いて成形した放射角度変換素子１０の接合部１４の曲率半径ｒ（断面ＳＥＭにより測定した）には、良い相関がある。

図５は、曲率半径比ｒ／Ｄと、面内均一性との関係を測定した結果を示す。図５において、横軸は曲率半径比ｒ／Ｄを表し、縦軸は面内均一性を表す。横軸をｒ／Ｄとしているのは、マイクロレンズ１２の外径によって、面内均一性の数値が変わってくるので、それを規格化するためである。

製造した放射角度変換素子１０における接合部１４の曲率半径ｒは、種々の方法によって求めることができる。例えば、放射角度変換素子１０を所定の断面で切断し、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡により、断面写真を撮影し、その写真から断面形状を読み取って数値化し、その形状と最も一致する円を最小二乗法等を用いてフィッテイングによって求めることにより、接合部１４の曲率半径ｒを求めることができる。このとき、観察する断面が、２つのマイクロレンズ１２の頂部（凹レンズの場合は、２つのマイクロレンズの谷のもっとも深いところ）を通る断面でないと、正確な曲率半径ｒを求めることができない。つまり、接合部１４は、図２から明らかなように、もともと接合部１４と平行な方向では曲線となっているため、上記以外の場所では、切断面と接合部１４の接線が垂直にならないからである。そのような場所では、接合部１４の接線と垂直な面でレンズを切断し、その断面を観察すれば、上記と同様な方法で曲率半径ｒを求めることができる。

次に、面内均一性の測定方法について説明する。ここでは、光源として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ、出力１ｍＷ）を使用した。光源から出た光のビーム径（直径）は、約φ１ｍｍで、これをビームエキスパンダにより約３倍に広げて、マイクロレンズ１２が形成された第１主面１１ａに略垂直に、放射角度変換素子１０に光を入射させて、反対側の平面状の第２主面１１ｂから光を出射させた。放射角度変換素子１０から出た光を、放射角度変換素子１０から所定距離だけ離れて、放射角度変換素子１０と略平行に配置された半透明のスクリーン上に照射されるようにし、その照射されたスクリーンを裏面からデジタルカメラで撮影した。撮影した画像から、画像処理ソフトにより、スクリーン内明るさ（明度）の分布を求めた。

さらに、面内均一性を、以下の数式を用いて計算して求めた。
面内均一性 ＝ スクリーン内における明度の最大偏差／スクリーン内における明度の平均値
ただし、スクリーン内における明度の最大偏差とは、スクリーン内における明度の分布において、最大の明度の値から最小の明度の値を引いた値であり、スクリーン内における明度の平均値とは、スクリーン内の明度の分布における算術平均値である。

面内均一性は、その値が小さいほど所定範囲を照射する光の均一性が高いことを意味する。曲率半径ｒが大きくなると、中央部に輝線が現れて、面内均一性が悪化する。どの程度の曲率半径ｒまで許容されるかは、放射角度変換素子１０を使用するアプリケーションにより異なる。図５から、曲率半径比ｒ／Ｄが０．０３以下であるとき、面内均一性が２０％以下となる。さらに、図５から、ｒ／Ｄが０．０１８以下であるとき面内均一性が１５％以下となる。さらに、図５から、ｒ／Ｄが０．０１２以下であるとき面内均一性が１０％以下となる。さらに、図５からｒ／Ｄが０．００５以下であるとき面内均一性が５％以下となる。

次に、曲率半径比ｒ／Ｄと透過率との関係について説明する。上記と同様に、接合部１４の曲率半径ｒが異なる複数の放射角度変換素子１０を製造し、曲率半径比ｒ／Ｄと、放射角度変換素子１０を透過した光の透過率との関係を測定した。ここで、放射角度変換素子１０を透過した光の透過率とは、放射角度変換素子１０に入射する光の光量に対して、放射角度変換素子１０から所定の拡散角度などの条件で出射した光量の比である。

図６は、曲率半径比ｒ／Ｄと、透過率との関係を測定した結果を示す。図６において、横軸は曲率半径比ｒ／Ｄを表し、縦軸は透過率を表す。ここでも規格化のために横軸をｒ／Ｄとしている。

放射角度変換素子１０の全光線透過率を分光光度計（日立ハイテクノロジー社製、Ｕ−４０００）で測定した。分光光度計では、放射角度変換素子１０から出射した光をφ６０ｍｍの積分球に入射させるような配置にした。透過率は可視光域の波長の中で代表的な波長５５０ｎｍにおける透過率を採用した。

図６から、曲率半径ｒが小さくなると、透過率が低下することがわかる。図６から、曲率半径比ｒ／Ｄが０．０００３５以上であるとき、透過率が７５％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００２以上であるとき、透過率が７８％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００３以上であるとき、透過率が８０％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００５以上であるとき、透過率が８２％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．０１３以上であるとき、光の透過率が８５％以上となる。

以上述べたように、曲率半径比ｒ／Ｄの範囲を適切に設定することにより、良好な面内均一性および透過率を有する放射角度変換素子１０を構成することができる。曲率半径比ｒ／Ｄの上限と下限の値は、所望の面内均一性および透過率に応じて、任意に組み合わせることができる。例えば、曲率半径比ｒ／Ｄの値を、０．００２以上、０．０３以下の範囲にすることにより、２０％以下の面内均一性と７８％以上の透過率を有する放射角度変換素子１０を構成できる。さらに好適には、曲率半径比ｒ／Ｄの値を、０．００５以上、０．０１８以下の範囲にすることにより、１５％以下の面内均一性と８２％以上の透過率を有する放射角度変換素子１０を構成できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０ 放射角度変換素子、 １１ 基板、 １２ マイクロレンズ、 １４ 接合部、 ４０ 近似球面。

Claims (5)

1. ２次元配列された複数のマイクロレンズを備える放射角度変換素子であって、
   隣接する前記マイクロレンズ間の接合部が曲面形状を有することを特徴とする放射角度変換素子。
2. 前記接合部の曲面の曲率半径をｒ、前記マイクロレンズの外径をＤとしたとき、ｒ／Ｄの値が、０．００２以上、０．０３以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の放射角度変換素子。
3. ｒ／Ｄの値が、さらに、０．００５以上、０．０１８以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の放射角度変換素子。
4. 前記接合部の曲面の曲率半径は、該曲面の近似球面の半径であることを特徴とする請求項２または３に記載の放射角度変換素子。
5. 前記マイクロレンズは、矩形レンズであり、
   前記マイクロレンズの外径Ｄは、前記矩形レンズの外接円の直径であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の放射角度変換素子。

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