JP2022104454A - マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】より確実に、より均一な放射照度分布を得ることが可能な技術を提供する。
【解決手段】平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配列されたマイクロレンズアレイであって、各々の前記レンズ要素におけるレンズ面の形状は非球面式により規定され、前記マイクロレンズアレイにおける各々の前記レンズ要素のピッチＤは、２５μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記マイクロレンズアレイを通過した光の強度分布が、所定の画角範囲の両端における光強度が最大で、前記画角範囲の中央における光強度が極小となるバットウィング状の強度分布を有する。
【選択図】図６
【解決手段】平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配列されたマイクロレンズアレイであって、各々の前記レンズ要素におけるレンズ面の形状は非球面式により規定され、前記マイクロレンズアレイにおける各々の前記レンズ要素のピッチＤは、２５μｍ以上１５０μｍ以下であり、前記マイクロレンズアレイを通過した光の強度分布が、所定の画角範囲の両端における光強度が最大で、前記画角範囲の中央における光強度が極小となるバットウィング状の強度分布を有する。
【選択図】図６
Description
本発明は、マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置に関する。
従来より、例えば照明もしくは計測、顔認証、空間認証等のための装置に用いられ、複数のレンズ要素を配置したマイクロレンズアレイが公知である（例えば、特許文献１、２等参照。）。このマイクロレンズアレイは、光源からの光を光学的に均一化する目的で用いられる場合があるが、レンズ要素のピッチが狭すぎると各レンズ要素の透過光の干渉に起因する干渉縞が顕在化し、光源光の均一化の妨げになる場合があった。一方、レンズ要素のピッチが広すぎるとモアレ縞の発生により、この場合にも光源光の均一化の妨げになる場合があった。その結果、マイクロレンズアレイを用いてスクリーン等に光源光を照射した場合に、放射照度分布が不均一になる場合があった。
上述した干渉縞やモアレ縞による放射照度分布の不均一化を抑制するために、各レンズ要素の位置や形状等をランダムに分布させる対策が考えられた（例えば、特許文献３－５参照）。しかしながら、過剰にランダム化を進めてしまうと、所望の配光特性が得られず、特に照射プロファイルのエッジをシャープにするのが困難になる場合があった。また、各レンズ要素の配列が複雑化してしまうために、作製時間や費用がかかるなどの不都合が生じる場合があった。
また、上記の従来技術のいくつかでは、±１０°程度の範囲において均一な放射照度分布が得られれば良かったが、近年は、距離測定装置等に、マイクロレンズアレイが用いられるケースも増加しており、これらのケースでは、測定対象上の広範囲にわたって均一な放射照度分布が要求される場合があった。そして、測定対象上の広範囲にわたって均一な放射照度分布を得ようとすると、広角領域においてより多くの光量を確保する必要があった。なお、マイクロレンズアレイが用いられる距離測定装置の例としてはＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の距離測定装置等を挙げることができる。
本開示の技術は上記の事情に鑑みて発明されたもので、その目的は、マイクロレンズアレイによって、より広い角度範囲でより均一な放射照度分布を得ることが可能な技術を提供することである。
上述した課題を解決するために、本開示に係るマイクロレンズアレイは、平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配列されたマイクロレンズアレイであって、
各々の前記レンズ要素におけるレンズ面の形状は非球面式により規定され、
前記マイクロレンズアレイにおける各々の前記レンズ要素のピッチＤは、２５μｍ以上
１５０μｍ以下であり、
前記マイクロレンズアレイを通過した光の強度分布が、所定の画角範囲の両端における光強度が最大で、前記画角範囲の中央における光強度が極小となるバットウィング状の強度分布を有するように構成した。
各々の前記レンズ要素におけるレンズ面の形状は非球面式により規定され、
前記マイクロレンズアレイにおける各々の前記レンズ要素のピッチＤは、２５μｍ以上
１５０μｍ以下であり、
前記マイクロレンズアレイを通過した光の強度分布が、所定の画角範囲の両端における光強度が最大で、前記画角範囲の中央における光強度が極小となるバットウィング状の強度分布を有するように構成した。
これによれば、マイクロレンズアレイを通過した後の光の放射照度分布を、所定の画角範囲においてより均一にすることができる。また、前記放射照度分布において、干渉縞やモアレ縞の顕在化を抑制することができる。なお、上記において所定の画角範囲とは、マイクロレンズアレイの使用用途に応じて予め設定される画角の範囲である。
また、前記バットウィング状の強度分布は、前記レンズ要素の光軸方向に対する角度θに対して、ＣＯＳ－ｎθ（ｎ＝０～１０）の曲線に沿った分布特性としてもよい。これによれば、より確実に、マイクロレンズアレイを通過した後の光の放射照度分布を、所定の画角範囲においてより均一にすることができる。なお、ｎの範囲は、より好ましくは、ｎ＝１～７であってもよい。
また、前記レンズ要素の頂点における半径Ｒは、３μｍ以上６０μｍ以下としてもよい。各々のレンズ要素の頂点における半径Ｒを６０μｍ以下とし、例えば、レンズ要素の裾野におけるθを７５°程度にすることで、±５０°を超える広角領域において、マイクロレンズアレイを通過した後の光の放射照度分布を、充分に均一にすることができる。
また、前記レンズ要素の頂点における半径Ｒと、前記レンズ要素のピッチＤと、前記レンズ要素の光軸方向に対する角度θとは、
Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθ＝１．５±２５％
の関係を有することとしてもよい。これによれば、さらに確実に、マイクロレンズアレイを通過した後の光の放射照度分布を、所定の画角範囲においてより均一にすることができる。
Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθ＝１．５±２５％
の関係を有することとしてもよい。これによれば、さらに確実に、マイクロレンズアレイを通過した後の光の放射照度分布を、所定の画角範囲においてより均一にすることができる。
また、前記レンズ要素におけるサグ量Ｚが、
ＣＸ、ＣＹは各レンズ要素１ａの頂点におけるＸ方向、Ｙ方向の曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、ＫＸ、ＫＹはＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ａ２ｎ、Ｂ２ｎは係数、ｎは整数
を満たすようにしてもよい。
ＣＸ、ＣＹは各レンズ要素１ａの頂点におけるＸ方向、Ｙ方向の曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、ＫＸ、ＫＹはＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ａ２ｎ、Ｂ２ｎは係数、ｎは整数
を満たすようにしてもよい。
また、前記複数のレンズ要素のランダム化率を±２０％以下としてもよい。
また、同一の材料で一体的に形成されるようにしてもよい。
また、上記のマイクロレンズアレイを用いて拡散板を構成してもよい。
また、上記のマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイに光を入射する光源と、によって、照明装置を構成してもよい。
また、上記の照明装置は、前記マイクロレンズアレイにおける前記レンズ要素が前記光源側の面に配列されるようにしてもよい。
また、上記の照明装置における前記光源の指向性は、±２０°以下としてもよい。光源として、より指向性の高い光源を用いることで、画角の両端における放射照度分布を、よりエッジの立った形状とすることが可能である。
また、前記光源は、近赤外線光を発光するレーザー光源としてもよい。
また、上記の照明装置は、Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ方式の距離測定装置に用いられてもよい。
なお、本発明においては、可能な限り、上記の課題を解決するための手段を組み合わせて使用することができる。
本開示によれば、マイクロレンズアレイによって、より広い角度範囲でより均一な放射照度分布を得ることができる。
以下に、図面を参照して本開示の実施形態に係るマイクロレンズアレイについて説明する。なお、実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は、一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲内で、適宜、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本開示は、実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
図１には、実施形態におけるマイクロレンズアレイの使用用途の一例としての、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の距離測定装置１００の概略図を示す。ＴＯＦ方式の距離測定装置１００は、照射光の飛行時間を測定することで、測定対象Ｏの表面の各部までの距離を測定する装置であり、光源制御部１０１、照射光源１０２、照射光学系１０３、測定対象Ｏからの反射光を集光する受光光学系１０４、受光素子１０５、信号処理回路１０６を有する。
光源制御部１０１からのドライブ信号に基づいて照射光源１０２がパルス状の光を発光すると、そのパルス状の光が照射光学系１０３を通過して測定対象Ｏに照射される。そして、測定対象Ｏの表面で反射した反射光は受光光学系１０４を通過して受光素子１０５で受光され、信号処理回路１０６で適切な電気信号に変換される。そして、演算部（不図示）において、照射光源１０２が照射光を発光してから受光素子１０５で反射光が受光されるまでの時間、つまり光の飛行時間を測定することにより、測定対象Ｏにおける各場所までの距離を測定する。
このＴＯＦ方式の距離測定装置１００における照射光学系１０３、または受光光学系１０４として、マイクロレンズアレイが使用される場合がある。マイクロレンズアレイとは、直径が１０μｍ～数ｍｍ程度の微小なレンズ要素の群からなるレンズアレイである。マイクロレンズアレイは、レンズアレイを構成する各々のレンズ要素の形状（球面、非球面、シリンドリカル、六方等）、レンズ要素の大きさ、レンズ要素の配置、レンズ要素間のピッチ等によって、その機能や精度が変化する。
そして、マイクロレンズアレイが、上述のＴＯＦ方式の距離測定装置１００に使用されるような場合には、測定対象Ｏに均一な強度分布の光を照射することが求められる。すなわち、マイクロレンズアレイを通過後の光の使用可能な広がり角である画角θＦＯＩ（ＦＯＩ：Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）は、測定対象Ｏの大きさや測定距離に応じて決定されるが、この画角θＦＯＩの範囲においては、マイクロレンズアレイを通過後の光の放射照度分布の均一性が求められる。
次に、図２を示すような、光源２から発光された光にマイクロレンズアレイ１を通過させ、スクリーン３上に照射する評価系について考える。ここで、光源２は、例えば、ＶＣＳＥＬレーザ光源（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ：垂直共振器面発光レーザ）であり、光源２の志向性としては、±５度、±１０度、±２０度程度のものを選択することが可能である。そして、マイクロレンズアレイ１は、平面部材である基材１ｂの片側または両側の表面に、レンズ要素１ａを２次元的に配列させたアレイが構成されたものであり、このマイクロレンズアレイ１を通過した光は、光軸に対して拡散する拡散光となり、測定対象Ｏに模したスクリーン３上に照射される。
図３には、マイクロレンズアレイ１の断面の拡大図を示す。図３に示すように、マイクロレンズアレイ１は、基本的に各レンズ要素１ａの頂点における径Ｒと、各レンズ要素の幅（ピッチ）Ｄによって特徴づけられる。なお、マイクロレンズアレイ１の素材としては樹脂材料やガラス材料が用いられるが、特に限定されない。
図４には、図２に示したような評価系において取得した、スクリーン３上における放射照度分布のプロファイルの例について示す。図４において、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、この順番で、マイクロレンズアレイ１の各レンズ要素１ａのピッチＤを大きくした場合の放射照度分布を示す。より具体的には、例えば、図４（ａ）はピッチＤが２５μｍ未満、図４（ｂ）はピッチＤが２５μｍ以上１５０μｍ以下、図４（ｃ）はピッチＤが１５０μｍより大きい場合の各場合を示している。
図から分かるように、図４（ａ）の場合には、縞模様が表れ放射照度分布の均一性が低下している。これは、マイクロレンズアレイ１のレンズ要素１ａのピッチＤが小さ過ぎて、各レンズ要素１ａを通過した光による干渉縞の間隔が大きくなることで、干渉縞が顕在化することによる。また、図４（ｃ）の場合にも、縞模様が表れ放射照度分布の均一性が低下している。これは、マイクロレンズアレイ１のレンズ要素１ａのピッチＤが大き過ぎてモアレ縞が顕在化することによる。
このように、マイクロレンズアレイ１におけるレンズ要素１ａのピッチＤが大き過ぎても、小さ過ぎても放射照度分布の均一性が低下する。従来より、このような干渉縞やモアレ縞の顕在化を抑制するために、マイクロレンズアレイ１の各レンズ要素１ａの形状や位置を所定の範囲で意図的にランダムにバラつかせるランダム化（非周期化）が行われていた。すなわち、レンズ要素１ａが周期的に配列された場合には、レンズ要素１ａの配列の周期性により、ピッチ、方向が揃った周期的な干渉縞が生じ易くなるので、例えば、各レンズ要素１ａの光軸をランダムにずらせてピッチを不規則とすることでレンズ要素１ａの配列の周期性をなくし、干渉縞の発生を抑制するのである。
図５は、このようなランダム化の有無によるマイクロレンズアレイ１の放射照度分布の相違を示した図である。図５（ａ）はランダム化無しの場合、図５（ｂ）はランダム化率５％の場合に相当する。図５（ａ）と比較して図５（ｂ）はプロファイルがぼやけていることが分かる。このように、ランダム化を行うことで、干渉縞やモアレ縞の顕在化を抑制することができるが、一方で、放射照度分布のプロファイルがぼやけてしまう場合があった。ここで、ランダム化率とは、例えば、設計上のピッチＤを不規則にΔＤの範囲でバラつかせた場合のΔＤ／Ｄに相当する値である。
これらの不都合を解消するため、本実施形態では、マイクロレンズアレイ１におけるレンズ要素１ａの仕様に以下に示す要件を織り込むこととした。
先ず、本実施形態においては、各レンズ要素１ａのレンズ面の形状を非球面形状とした。その場合の、各レンズ要素１ａのレンズ面の高さを示すサグ量Ｚは以下の非球面式（１）で規定される。
ここで、ＣＸ、ＣＹは各レンズ要素１ａの頂点におけるＸ方向、Ｙ方向の曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、ＫＸ、ＫＹはＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ａ２ｎ、Ｂ２ｎは係数、ｎは整数である。
ここで、ＣＸ、ＣＹは各レンズ要素１ａの頂点におけるＸ方向、Ｙ方向の曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、ＫＸ、ＫＹはＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ａ２ｎ、Ｂ２ｎは係数、ｎは整数である。
なお、上記の非球面式（１）で規定される各レンズ要素１ａの形状は、各レンズ要素１ａの光軸に対して点対称形であってよいし、Ｘ方向とＹ方向で非対称形であってもよい。各レンズ要素１ａの光軸に対して点対称形の場合は、（１）式において、ＣＸ＝ＣＹは、ＫＸ＝ＫＹとなる。また、この場合（１）式は、変数Ｘ、Ｙの代わりに変数ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）で記述することも可能である。
各レンズ要素１ａの形状がＸ方向とＹ方向で非対称形である場合には、各レンズ要素１ａの頂点における半径Ｒ、ピッチＤもＸ方向とＹ方向で異なり、ＲＸ、ＲＹ及びＤＸ、ＤＹが規定されることとなる。仮に、ＲＸまたはＲＹが∞（ＣＸまたはＣＹ＝０）である場合には、各レンズ要素１ａの形状は円筒状（シリンドリカル）になる。
そして、数式（１）における各パラメータを調整することで、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を、画角θＦＯＩの両端における光強度が最大となり、画角θＦＯＩの中央における光強度が極小となる、所謂バットウィング状の強度分布を有するようにした。マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布をバットウィング状の強度分布とすることにより、マイクロレンズアレイ１を通過した光のスクリーン３上での画角θＦＯＩ範囲における放射照度分布をより均一にすることが可能となる。
図６には、バットウィング状の強度分布の例を示す。図６の例では、画角θＦＯＩは１２０°（±６０°）となっている。なお、バットウィング状の強度分布を得るには、各レンズ要素１ａの正面方向に通過する光の量を抑えて、光軸からの角度θが大きい広角領域に通過する光量を増やすように、数式（１）における各パラメータを調整する必要がある。例えば、スクリーン上を画角θＦＯＩ＝１２０°の範囲で均一に照射するには、θ＝０°の正面に通過する光の強度に対して、±６０°の方向に通過する光の強度を約８倍となるようにしてもよい。
また、本実施形態においては、各レンズ要素１ａのピッチＤを２５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とした。これにより、図３（ａ）に示す干渉縞や、図３（ｃ）に示したモアレ縞の顕在化を抑制することとした。このことにより、ランダム化率を３％以下とした場合でも、スクリーン３上で充分に均一でシャープな放射照度分布のプロファイルを得ることが可能である。
＜バットウィングの曲線＞
なお、上記において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を所謂バットウィング状の強度分布を有することで、放射照度分布の均一化することとしたが、その際の画角θＦＯＩ内において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を、
Ｉ＝αＣＯＳ－ｎθ＋β・・・・・（２）
に沿った強度分布としてもよい。ここでαは比例定数、βは切片の値である。また、ｎは１から１０の範囲の数値である。このように、画角θＦＯＩ内において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を（２）式に沿う形とすることで、スクリーン３上での画角θＦＯＩに相当する範囲内における放射照度分布を、より確実に均一にすることが可能となる。図７には、画角θＦＯＩが１２０°の場合に、画角θＦＯＩ内におけるマイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を、（２）式に沿わせた場合の、スクリーン３上における放射照度分布を示す。画角θＦＯＩ内において、放射照度分布が良好な均一性を示していることが分かる。
なお、上記において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を所謂バットウィング状の強度分布を有することで、放射照度分布の均一化することとしたが、その際の画角θＦＯＩ内において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を、
Ｉ＝αＣＯＳ－ｎθ＋β・・・・・（２）
に沿った強度分布としてもよい。ここでαは比例定数、βは切片の値である。また、ｎは１から１０の範囲の数値である。このように、画角θＦＯＩ内において、マイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を（２）式に沿う形とすることで、スクリーン３上での画角θＦＯＩに相当する範囲内における放射照度分布を、より確実に均一にすることが可能となる。図７には、画角θＦＯＩが１２０°の場合に、画角θＦＯＩ内におけるマイクロレンズアレイ１を通過した光の強度分布を、（２）式に沿わせた場合の、スクリーン３上における放射照度分布を示す。画角θＦＯＩ内において、放射照度分布が良好な均一性を示していることが分かる。
＜バットウィングの曲線と、Ｒ、Ｄの関係＞
本実施形態において、マイクロレンズアレイ１を通過した照射光の強度分布をバットウィング状の強度分布とするには、各レンズ要素１ａにおける頂点付近を通過する光の量を相対的に少なくして、各レンズ要素１ａの裾野に相当する部分を通過する光の量を相対的に多くすればよいことは上述のとおりである。各レンズ要素１ａの形状において、頂点におけるＲが維持される領域を相対的に小さくして、裾野に相当する領域を相対的に多くするためには、ピッチＤと、頂点におけるＲとの関係を適切に設定する必要がある。
本実施形態において、マイクロレンズアレイ１を通過した照射光の強度分布をバットウィング状の強度分布とするには、各レンズ要素１ａにおける頂点付近を通過する光の量を相対的に少なくして、各レンズ要素１ａの裾野に相当する部分を通過する光の量を相対的に多くすればよいことは上述のとおりである。各レンズ要素１ａの形状において、頂点におけるＲが維持される領域を相対的に小さくして、裾野に相当する領域を相対的に多くするためには、ピッチＤと、頂点におけるＲとの関係を適切に設定する必要がある。
また、画角θＦＯＩをより大きくした場合に、放射照度分布の均一性を維持するためには、図８に示すように、画角θＦＯＩが相対的に大きくなるにつれて、Ｄ／Ｒの値を大きくする必要がある。以上より、本実施形態では、図９に示すように、画角θＦＯＩの値に関わらず、Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθの値を、
Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθ＝１．５±２５％・・・・・（３）
の範囲に入るように、各レンズ要素１ａにおけるピッチＤと、頂点における径Ｒとを設定するようにしてもよい。このことで、より確実に、画角θＦＯＩを大きく設定した場合であっても、マイクロレンズアレイ１を通過した光の、スクリーン３における放射照度分布の均一性を担保することが可能である。なお、この場合にもｎの範囲としては、ｎ＝０～１０、より好ましくはｎ＝１～７としてもよい。
Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθ＝１．５±２５％・・・・・（３）
の範囲に入るように、各レンズ要素１ａにおけるピッチＤと、頂点における径Ｒとを設定するようにしてもよい。このことで、より確実に、画角θＦＯＩを大きく設定した場合であっても、マイクロレンズアレイ１を通過した光の、スクリーン３における放射照度分布の均一性を担保することが可能である。なお、この場合にもｎの範囲としては、ｎ＝０～１０、より好ましくはｎ＝１～７としてもよい。
上記のとおり、本実施形態においては、マイクロレンズアレイ１の各レンズ要素１ａを通過した光の、スクリーン３における放射照度分布の均一性を向上させるための要件として、
１．レンズ要素１ａのレンズ面形状を、例えば式（１）で示されるような非球面形状にする。
２．レンズ要素１ａのピッチＤをＤ＝２５μｍ以上１５０μｍ以下とする。
３．マイクロレンズアレイ１を通過する照射光の強度分布を、式（２）に沿うバットウィング形状とする。
４．Ｄ／Ｒの値を、式（３）を満たすように決定する。
という点を挙げた。
１．レンズ要素１ａのレンズ面形状を、例えば式（１）で示されるような非球面形状にする。
２．レンズ要素１ａのピッチＤをＤ＝２５μｍ以上１５０μｍ以下とする。
３．マイクロレンズアレイ１を通過する照射光の強度分布を、式（２）に沿うバットウィング形状とする。
４．Ｄ／Ｒの値を、式（３）を満たすように決定する。
という点を挙げた。
しかしながら、バットウィングの形状は必ずしも式（２）に従う曲線である必要はない。画角θＦＯＩの端部における光強度が最大となり、画角θＦＯＩの中央部（マイクロレンズアレイ１の光軸方向）における光強度が極小となるような曲線とすれば、スクリーン３における放射照度分布の均一性を充分に高くすることができる。
また、バットウィングの曲線と、Ｒ、Ｄの関係は必ずしも式（３）を満たす必要はない。ＲとＤの関係が、画角θＦＯＩが相対的に大きくなるにつれて、Ｄ／Ｒの値を大きくなるような関係とすることで、スクリーン３における放射照度分布の均一性を充分に高くすることが可能である。
また、本実施形態では、各レンズ要素１ａのピッチＤを２５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とすることで、各レンズ要素１ａのランダム化率を３％以下とできる点を説明したが、マイクロレンズアレイ１の用途に応じて、ランダム化率をより高くすることが可能である。例えば、各レンズ要素１ａのランダム化率を２０％以下としても構わない。また、より好ましくは、各レンズ要素１ａのピッチＤを３５μｍ以上１２５μｍ以下、さらに好ましくは、５０μｍ以上１００μｍ以下の範囲とすることで、さらに確実に、干渉縞やモアレ縞の顕在化を抑制し、放射照度分布の均一性を高くすることが可能である。
また、本実施形態におけるマイクロレンズアレイ１のレンズ要素１ａの頂点における半径Ｒの具体的な値としては、３μｍ以上６０μｍ以下としてもよい。より好ましくは、３μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。この場合、さらにレンズ要素１ａの裾野部分のθを７５°程度にすることで、各レンズ要素１ａのピッチＤが２５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲では、画角θＦＯＩが１００°（±５０°）を超える範囲で、放射照度分布の充分な均一性を得ることが可能である。
また、本実施形態では、光源２から発光された光に、マイクロレンズアレイ１を通過さ
せて、通過後の光の放射照射分布を高める点について説明したが、マイクロレンズアレイ１は、光源２から発光された光を、マイクロレンズアレイ１上で反射させて、スクリーン３上に投影するような用い方をすることも可能である。
せて、通過後の光の放射照射分布を高める点について説明したが、マイクロレンズアレイ１は、光源２から発光された光を、マイクロレンズアレイ１上で反射させて、スクリーン３上に投影するような用い方をすることも可能である。
また、本実施形態ではマイクロレンズアレイ１における各レンズ要素１ａが、光源２側の片面に配列された例について説明したが、各レンズ要素１ａが、光源２と反対側の片面に配列されるようにしても構わない。さらに、両面に配列されるようにしても構わない。
また、各レンズ要素１ａの断面は、非球面形状が非連続的に並ぶ形状としたが、非球面形状を滑らかな曲線で連続的に繋げるような形状とすることも可能である。
また、本実施形態におけるマイクロレンズアレイ１の材質については、基材と各レンズ要素１ａとを別材料で形成してもよいし、同じ材料で一体的に形成してもよい。基材とレンズ要素１ａとを別材料で形成する場合には、基材またはレンズ要素１ａの一方を樹脂材料、他方をガラス材料で形成しても構わない。基材とレンズ要素１ａとを同じ材料で一体的に形成する場合には、屈折率界面を有さないため、透過効率を高めることが可能となる。また、基材と各レンズ要素１ａとの剥離が生じることもなく信頼性を向上させることが可能である。この場合には、マイクロレンズアレイ１は樹脂単体で形成されてもよいし、ガラス単体で形成されてもよい。
また、図１０に示すように、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ１と同等の機能を有するマイクロレンズアレイ１１を、可撓性のシート１２上に形成することによって、入射する光を拡散して均一化する拡散板１０を構成することとしてもよい。マイクロレンズアレイ１１を強固な平板上に形成して拡散板としてもよいことは当然である。
また、図１１に示すように、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ１と同等の機能を有するマイクロレンズアレイ２１と、光源２２と、光源制御部２３とを組み合わせて、照明装置２０を構成することとしてもよい。この照明装置２０は、単体で照明用に使用されてもよいし、ＴＯＦ方式の距離測定装置等の計測装置や他の装置に組み込まれて使用されてもよい。また、照明装置２０において、マイクロレンズアレイ２１のレンズ要素は、光源２２側にの片面に配置してもよいし、光源２２の反対側の片面に配置してもよい。両面に配置してもよい。さらに、光源２２として、指向性が±２０°以下のものを用いてもよい。より好ましくは、指向性が±１０°以下のものを用いてもよい。光源２２として、より指向性の高い光源を用いることで、画角θＦＯＩの両端における放射照度分布を、よりエッジの立った形状とすることが可能である。
また、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ１と同等の機能を有するマイクロレンズアレイを、画像撮影用、セキュリティ機器における顔認証用、車両やロボットにおける空間認証用の光学系として使用しても構わない。
＜他の非球面形状＞
上記の実施例においては、マイクロレンズアレイ１のレンズ要素１ａのサグ量Ｚが通常の非球面式（１）で規定される例について説明した。しかしながら、レンズ要素１ａの形状は上記例に限られない。例えば、サグ量Ｚが以下のゼルニケ多項式（４）に従う形状であって良い。
ここで、Ｃは各レンズ要素１ａの頂点における曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、Ｋは円錐係数、ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ｃｎ＋１はＺｎの係数、Ｚｎはｎ次のゼルニケ多項式（ｎ＝１~６６）で
ある。
上記の実施例においては、マイクロレンズアレイ１のレンズ要素１ａのサグ量Ｚが通常の非球面式（１）で規定される例について説明した。しかしながら、レンズ要素１ａの形状は上記例に限られない。例えば、サグ量Ｚが以下のゼルニケ多項式（４）に従う形状であって良い。
ある。
あるいは、レンズ要素１ａの形状は、サグ量Ｚが以下のＸＹ多項式（５）に従う形状であって良い。
ここで、Ｃは各レンズ要素１ａの頂点における曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、Ｋは円錐係数、ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ｃｊは多項式ＸｍＹｎの係数、また、ｊ＝[（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ]／２＋１である。
ここで、Ｃは各レンズ要素１ａの頂点における曲率（Ｃ＝１／Ｒ）、Ｋは円錐係数、ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）（Ｘ、Ｙは、各レンズ要素１ａの光軸を原点とした直交座標におけるＸ、Ｙ座標）、Ｃｊは多項式ＸｍＹｎの係数、また、ｊ＝[（ｍ＋ｎ）２＋ｍ＋３ｎ]／２＋１である。
＜導電性物質の配線について＞
なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ１の表面または内部には、導電性物質を含む配線を施し、当該配線の通電状態をモニターすることにより、各レンズ要素１ａの損傷を検出できるようにしてもよい。そうすることで、各レンズ要素１ａのクラック、剥離などの損傷を簡便に検出することができるので、マイクロレンズアレイ１の損傷に起因する照明装置や距離測定装置の不具合、誤作動による被害を未然に防止することができる。例えば、各レンズ要素１ａのクラックの発生を、導電性物質の断線により検出し、光源の発光を禁止することで、当該クラックを介して光源からの０次光が直接マイクロレンズアレイ１を透過し、外部に照射されることを回避できる。その結果、装置のアイセーフティー性能を向上させることが可能である。
なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ１の表面または内部には、導電性物質を含む配線を施し、当該配線の通電状態をモニターすることにより、各レンズ要素１ａの損傷を検出できるようにしてもよい。そうすることで、各レンズ要素１ａのクラック、剥離などの損傷を簡便に検出することができるので、マイクロレンズアレイ１の損傷に起因する照明装置や距離測定装置の不具合、誤作動による被害を未然に防止することができる。例えば、各レンズ要素１ａのクラックの発生を、導電性物質の断線により検出し、光源の発光を禁止することで、当該クラックを介して光源からの０次光が直接マイクロレンズアレイ１を透過し、外部に照射されることを回避できる。その結果、装置のアイセーフティー性能を向上させることが可能である。
上記の導電性物質の配線は、マイクロレンズアレイ１の周囲や、各レンズ要素１ａ上に施しても良い。また、レンズ要素１ａが形成された方の面、反対側の面、両側の何れの面に施してもよい。導電性物質としては、導電性を有するものである限り特に限定されず、例えば、金属、金属酸化物、導電性ポリマー、導電性炭素系物質などを使用することができる。
より具体的には、金属としては、金、銀、銅、クロム、ニッケル、パラジウム、アルミニウム、鉄、白金、モリブデン、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、チタン、ジルコニウム、インジウム、ロジウム、ルテニウム、及びこれらの合金等が挙げられる。金属酸化物としては、酸化クロム、酸化ニッケル、酸化銅、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化スズ、又は、これらの複合酸化物、例えば、酸化インジウムと酸化スズとの複合酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズと酸化リンとの複合酸化物子（ＰＴＯ）等が挙げられる。導電性ポリマーとしては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等が挙げられる。導電性炭素系物質としては、カーボンブラック、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＨＡＦ、ＦＥＦ、ＧＰＦ、ＳＲＦ、ＦＴ、ＭＴ、熱分解カーボン、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。これら導電性物質は、単独または２種以上組み合わせて使用することができる。
導電性物質としては、導電性に優れ、配線を形成しやすい、金属又は金属酸化物が好ましく、金属がより好ましく、金、銀、銅、インジウム等が好ましく、１００℃程度の温度で相互に融着し、樹脂製のマイクロレンズアレイ１上でも導電性に優れた配線を形成する
ことができる点で銀が好ましい。また、導電性物質による配線のパターン形状については特に限定されない。マイクロレンズアレイ１の周囲を囲うパターンでも良いし、よりクラック等の検出性を高めるためにパターンを複雑な形状としてもよい。さらに、透過性の導電性物質によってマイクロレンズアレイ１の少なくとも一部を覆うパターンでも良い。
ことができる点で銀が好ましい。また、導電性物質による配線のパターン形状については特に限定されない。マイクロレンズアレイ１の周囲を囲うパターンでも良いし、よりクラック等の検出性を高めるためにパターンを複雑な形状としてもよい。さらに、透過性の導電性物質によってマイクロレンズアレイ１の少なくとも一部を覆うパターンでも良い。
１、１１、２１・・・マイクロレンズアレイ
１ａ・・・レンズ要素
１ｂ・・・基材
２・・・光源
３・・・スクリーン
１０・・・拡散板
１２・・・可撓性のシート
２０・・・照明装置
２２・・・光源
２３・・・光源制御部
１００・・・ＴＯＦ距離測定装置
１０１・・・光源制御部
１０２・・・光源
１０３・・・照射光学系
１０４・・・反射光学系
１０５・・・受光素子
１０６・・・信号処理回路
１ａ・・・レンズ要素
１ｂ・・・基材
２・・・光源
３・・・スクリーン
１０・・・拡散板
１２・・・可撓性のシート
２０・・・照明装置
２２・・・光源
２３・・・光源制御部
１００・・・ＴＯＦ距離測定装置
１０１・・・光源制御部
１０２・・・光源
１０３・・・照射光学系
１０４・・・反射光学系
１０５・・・受光素子
１０６・・・信号処理回路
Claims (15)
- 平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配列されたマイクロレンズアレイであって、
各々の前記レンズ要素におけるレンズ面の形状は非球面式により規定され、
前記マイクロレンズアレイにおける各々の前記レンズ要素のピッチＤは、２５μｍ以上１５０μｍ以下であり、
前記マイクロレンズアレイを通過した光の強度分布が、所定の画角範囲の両端における光強度が最大で、前記画角範囲の中央における光強度が極小となるバットウィング状の強度分布を有する、マイクロレンズアレイ。 - 前記バットウィング状の強度分布は、前記レンズ要素の光軸方向に対する角度θに対して、ＣＯＳ－ｎθ（ｎ＝０～１０）の曲線に沿った分布特性である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記レンズ要素の頂点における半径Ｒは、３μｍ以上６０μｍ以下である、請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記レンズ要素の頂点における半径Ｒと、前記レンズ要素のピッチＤと、前記レンズ要素の光軸方向に対する角度θとが、
Ｄ／Ｒ／ＣＯＳ－ｎθ＝１．５±２５％
の関係を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ。 - 前記レンズ要素におけるサグ量Ｚが、
を満たす、請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ。 - 前記複数のレンズ要素おけるランダム化率を±２０％以下とした、請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ。
- 同一の材料で一体的に形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ。
- 導電性物質を含む配線を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記配線は、前記レンズ要素の表面または前記レンズ要素の周囲に形成された、請求項８に記載のマイクロレンズアレイ。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイを用いた、拡散板。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイに光を入射する光源と、
を備えた照明装置。 - 前記マイクロレンズアレイにおける前記レンズ要素が前記光源側の面に配列された、請求項１１に記載の照明装置。
- 前記光源の指向性が±２０°以下である、請求項１１または１２に記載の照明装置。
- 前記光源は、近赤外線光を発光するレーザー光源である請求項１１から１３のいずれか一項に記載の照明装置。
- 距離測定装置に用いられる、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の照明装置。
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