JP2022049712A - 放射角度拡大素子 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のマイクロレンズアレイを２次元配置した放射角度拡大素子において、所望の拡散性能を実現する。【解決手段】放射角度拡大素子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間に所定の間隔１４が設けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、入射ビームの放射角度を拡大する放射角度拡大素子に関する。

従来より、入射ビームの放射角度をより大きな放射角度に拡大する光学素子として、複数のマイクロレンズを２次元配列して成る放射角度拡大素子が知られている（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

放射角度拡大素子において、放射角を広くするためには、マイクロレンズのアスペクト比を高くする必要がある。特にマイクロレンズの端部は広角の放射角度成分に寄与しているため、マイクロレンズの端部の形状が設計形状から離れてしまうと拡散性能が低下する。

図１（Ａ）および（Ｂ）は、放射角度拡大素子の拡散性能を説明するための図である。図１（Ａ）は、理想的なマイクロレンズ形状を有する放射角度拡大素子１を模式的に示す部分断面図である。図１（Ｂ）は、実際の放射角度拡大素子２を模式的に示す部分断面図である。図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、実際の放射角度拡大素子２におけるマイクロレンズ５の端部６は、理想的な放射角度拡大素子１のマイクロレンズ３の端部４よりも鈍る傾向がある。換言すると、実際のマイクロレンズ５における端部６の曲率は、理想的なマイクロレンズ３における端部４の曲率よりも小さくなりがちである。

このようなマイクロレンズ端部の鈍りは、製造上の要因によるところが大きい。放射角度拡大素子を製造する方法としては、例えば母型（マスターモールド）から転写成形して製品（モールド）を製造することが工業的に知られている。

図２は、理想的なマスターモールドと実際のマスターモールドを比較した図である。図２において、破線は理想的な（すなわち設計上の）マスターモールド８の部分断面を模式的に示し、実線は実際に作製されたマスターモールド７の部分断面を模式的に示す。図２に示すように、隣接するマイクロレンズ間の部分に対応するマスターモールドの稜線部分９は非常に尖った形状となる。

マスターモールドを作製する方法としては、例えばバイトなどを用いて母材を切削加工する方法があるが、このような非常に尖った形状は切削加工が容易ではなく、実際のマスターモールド７の稜線部分９の形状は、理想的なマスターモールド８のそれよりも鈍ったものとなりがちである。言い換えると、実際のマスターモールド７における稜線部分の曲率は、理想的なマスターモールド８の稜線部分の曲率よりも小さくなりがちである。このようなマスターモールド７を用いて製造されたマイクロレンズ端部の形状は必然的に設計形状から離れたものとなり、所望の拡散性能を実現できない可能性がある。

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、複数のマイクロレンズアレイを２次元配置した放射角度拡大素子において、所望の拡散性能を実現することにある。

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拡大素子は、２次元配列された複数のマイクロレンズを備える。隣接するマイクロレンズ間に所定の間隔が設けられる。

所定の間隔は、隣接するマイクロレンズの最近接長が１００ｎｍ以上となる間隔であってもよい。マイクロレンズは、矩形レンズであってもよい。隣接するマイクロレンズ間の間隔の形状が曲面になっていてもよい。

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、複数のマイクロレンズアレイを２次元配置した放射角度拡大素子において、所望の拡散性能を実現できる。

図１（Ａ）および（Ｂ）は、放射角度拡大素子の拡散性能を説明するための図である。 理想的なマスターモールドと実際のマスターモールドを比較した図である。 本実施形態に係る放射角度拡大素子を模式的に示す部分断面図である。 本実施形態に係る放射角度拡大素子を製造するために用いられるマスターモールドを模式的に示す部分断面図である。 放射角度拡大素子の一実施形態を説明するための平面図である。 放射角度拡大素子の別の実施形態を説明するための平面図である。 図７（Ａ）～（Ｄ）は、放射角度拡大素子の製造方法を説明するための図である。 第１実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 第１実施例に係る放射角度拡大素子の放射角度性能を示す図である。 第３実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 第４実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子を説明するための鳥瞰図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子を説明するための鳥瞰図である。

以下、本発明の実施形態に係る放射角度拡大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３は、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０を模式的に示す部分断面図である。放射角度拡大素子１０は、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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。複数のマイクロレンズ１２は、例えば正方配列されてもよいし、稠密配列されてもよい。マイクロレンズ１２の外形は、例えば平面視で円形であってもよいし、平面視で矩形であってもよい。

図４は、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０を製造するために用いられるマスターモールド２０を模式的に示す部分断面図である。マスターモールド２０は、マイクロレンズ１２を成形するためのレンズ形成用部分２１を備える。隣接するレンズ成形用部分２１の間には稜線部分２２が形成されている。稜線部分２２は、放射角度拡大素子１０における隣接するマイクロレンズ１２間の部分に対応する。このようなマスターモールド２０に透明な樹脂材料を充填して硬化させることにより、放射角度拡大素子１０を製造することができる。

ここで、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０においては、図３に示すように隣接するマイクロレンズ１２の間に所定の間隔１４が設けられている。この間隔１４の部分の形状は、平面となっている。このような間隔１４を設けたことにより、マスターモールド２０の稜線部分２２をそれほど（すなわち図２で説明した従来技術ほど）尖った形状とする必要がなくなるので、稜線部分２２の形状を設計通りの曲率に加工することが容易となる。その結果、マスターモールド２０を用いて成形されるマイクロレンズ１２の端部の曲率を低減なく設計通りの値とすることができ、所望の拡散性能を実現することができる。

図５は、放射角度拡大素子の一実施形態を説明するための平面図である。図５に示す放射角度拡大素子５０においては、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。上述したように、隣接するマイクロレンズ１２の間には間隔１４が設けられている。

ここで、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔１４の最適な大きさについて説明する。本発明者は、間隔１４の最適値について鋭意検討した結果、隣接するマイクロレンズ１２の最近接長Ｌｐを１００ｎｍ以上とすることが最適であることを見いだした。最近接長Ｌｐが１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２間に間隔１４を設けることにより、端部の曲率の低減が抑制されたマイクロレンズ１２を有する放射角度拡大素子１０を製造でき、所望の拡散性能を実現することができる。なお、最近接長Ｌｐとは、隣接するマイクロレンズ１２間の最小距離であり、隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃからマイクロレンズ１２の直径（半径ｒ×２）を引いた値となる。中心間距離Ｌｃとは、隣接するマイクロレンズ１２の頂点間の距離である。マイクロレンズ１２の頂点とは、凸レンズの場合はレンズの最大高さに対応する点であり、凹レンズの場合はレンズの最小高さに対応する点である。

図６は、放射角度拡大素子の別の実施形態を説明するための平面図である。図６に示す放射角度拡大素子６０においては、外形が平面視で矩形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。上述したように、隣接するマイクロレンズ１２の間には間隔１４が設けられている。

図６に示す放射角度拡大素子６０では、Ｘ方向における間隔１４とＹ方向における間隔１４が互いに異なっていてもよい。すなわち、Ｘ方向の最近接長ＬｐｘとＹ方向の最近接長Ｌｐｙとが互いに異なっていてもよい。Ｘ方向の最近接長Ｌｐｘは、Ｘ方向に隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃｘからマイクロレンズ１２のＸ方向の直径（Ｘ方向の半径ｒｘ×２）を引いた値となる。Ｙ方向の最近接長Ｌｐｙは、Ｙ方向に隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃｙからマイクロレンズ１２のＹ方向の直径（Ｙ方向の半径ｒｙ×２）を引いた値となる。

最近接長は、放射角度拡大素子を成形後に断面ＳＥＭ観察等を行うことによって計測することができる。ＳＥＭは１０万倍以上の倍率で観察できるものであれよく、例えば株式会社日立ハイテクノロジーズのＳ－３７００Ｎを使って観察することができる。事前に最近接長が断面観察できるようにサンプルを、少なくとも１個のマイクロレンズ１２の頂点を通過し、配列方向に平行な方向で切断する。切断はスライサーやＦＩＢ装置を用いて行うのがよい。例えばＦＩＢは株式会社日立ハイテクノロジーズのＥｔｈｏｓ ＮＸ５０００を用いることができる。

図７（Ａ）～（Ｄ）は、放射角度拡大素子の製造方法を説明するための図である。図７（Ａ）に示すように、マスターモールド２０から直接に製品としての放射角度拡大素子を転写成形してもよい。あるいは、図７（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、マスターモールドから複数回モールドを転写成形してから、製品としての放射角度拡大素子を転写成形してもよい。このようにモールドを用いて製品を形成することにより、マスターモールドの寿命を延ばすことができる。

次に、放射角度拡大素子の実施例について説明する。図８は、第１実施例に係る放射角度拡大素子８０を説明するための平面図である。第１実施例に係る放射角度拡大素子８０では、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。個々のマイクロレンズ１２の形状は、以下の数式（１）で表される。

数式（１）における各パラメータの値を以下の表に示す。

ソーダライムガラス基板に対して、屈折率１．５の樹脂材料を使用して図４に示すようなマスターモールド２０から転写成形を行った。マスターモールド２０の材質は、金属、ガラス、樹脂のいずれの材料であってもよい。第１実施例では、最近接長が１００ｎｍとなるようにマイクロレンズ１２を２次元配列した。

図９は、第１実施例に係る放射角度拡大素子８０の放射角度性能を示す。ここでは、放射角度拡大素子８０に波長８５０ｎｍの光を透過させ、放射角度を測定した。放射角度の測定は、オーシャンフォトニクス株式会社のＯＰ－ＴＲ／ＲＦ－ＧＯＮＩＯ－ＭＩＮを使用した。隣接するマイクロレンズ１２の最近接長が１００ｎｍとなるように放射角度拡大素子８０を形成したことにより、図９に示すように広角（１１０°）の拡散性能が得られた。

次に第２実施例について説明する。第２実施例においても、複数のマイクロレンズを正方配列した。第２実施例では、最近接長が１０００ｎｍとなるようにマイクロレンズを２次元配列した。第２実施例に関しても、第１実施例と同様に放射角度を測定した結果、広角（１１０°）の拡散性能が得られた。

次に比較例について説明する。比較例においても、複数のマイクロレンズを正方配列した。比較例では、隣接するマイクロレンズ間に間隔を設けなかった。すなわち、最近接長を０ｎｍとした。比較例に関しても、第１実施例と同様に放射角度を測定した結果、拡散角は９６°となり、第１および第２実施例と比較して拡散性能が低下した。比較例と第１および第２実施例の比較から、隣接するマイクロレンズの最近接長を１００ｎｍ以上とすることの有効性が確認された。

図１０は、第３実施例に係る放射角度拡大素子１００を説明するための平面図である。第３実施例に係る放射角度拡大素子１００では、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が稠密配列されている。第３実施例でも、最近接長が１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２が２次元配列される。

図１１は、第４実施例に係る放射角度拡大素子１１０を説明するための平面図である。第４実施例に係る放射角度拡大素子１１０では、外形が平面視で矩形の複数のマイクロレンズ１２がランダム配列されている。第４実施例でも、最近接長が１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２を２次元配列される。

図１２は、本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子１２０を説明するための鳥瞰図である。放射角度拡大素子１２０は、外形が平面視で矩形の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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。図１２に示すように、隣接するマイクロレンズ１２間に間隔が設けられている。本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０においては、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔の形状が曲面になっている。

マイクロレンズ１２の２次元配列は、長方配列（平面視で直交するＸ軸およびＹ軸に沿ってマイクロレンズ１２が整列する配列）であってもよいし、正方配列（長方配列でありＸ軸に沿って配列するレンズ頂点間のピッチと、Ｙ軸に沿って配列するレンズ頂点間のピッチとが略等しい配列）であってもよい。

本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０では、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａはＸ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔１４ａに対応した部分は、上に凸の曲線となっている。

さらに本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０では、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂはＹ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂは、上に凸の曲線となっている。

図１３は、本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子１３０を説明するための鳥瞰図である。放射角度拡大素子１３０は、外形が平面視で矩形の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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凹レンズである。図１３に示すように、隣接するマイクロレンズ１２間に間隔が設けられている。本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０においても、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔の形状が曲面になっている。マイクロレンズ１２の２次元配列は、長方配列であってもよいし、正方配列であってもよい。

本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０では、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａはＸ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔１４ａに対応した部分は、下に凸の曲線となっている。

さらに本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０では、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂはＹ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂは、下に凸の曲線となっている。

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。

１０，５０，６０，８０，１００，１１０，１２０，１３０ 放射角度拡大素子、 １２ マイクロレンズ、 １４ 間隔、 ２０ マスターモールド。

Claims (4)

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拡大素子であって、
   隣接する前記マイクロレンズ間に所定の間隔が設けられることを特徴とする放射角度拡大素子。
2. 前記所定の間隔は、隣接する前記マイクロレンズの最近接長が１００ｎｍ以上となる間隔であることを特徴とする請求項１に記載の放射角度拡大素子。
3. 前記マイクロレンズは、矩形レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の放射角度拡大素子。
4. 隣接する前記マイクロレンズ間の間隔の形状が曲面になっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放射角度拡大素子。

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