JP6043229B2

JP6043229B2 - 拡散板およびこれを用いた光学機器

Info

Publication number: JP6043229B2
Application number: JP2013081311A
Authority: JP
Inventors: 高橋　靖; 靖高橋
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: JP2014203032A

Description

この発明は、拡散板に関する。

片面から入射する光を拡散し、他面から拡散光として射出させる「拡散板」は、１眼レフカメラ等を初めとする各種の光学機器に用いられている。

従来から知られた拡散板は、摺りガラスのようにランダムな構造、あるいは微小レンズ等を規則的に配列した構造等、微細な断面凹凸形状が全面に形成されている。

近来、使用目的に応じた「所望の拡散特性」を持つ拡散板が求められ、提案されている（特許文献１、２）。

また、設計条件として定められた所定の拡散範囲を持ち、拡散範囲内に拡散される光の強度が、均一に成るような拡散板が求められている。

従来、所定の拡散範囲と、拡散光の強度の均一化の実現が困難であった。

図２（ｂ）の上図において、符号１０は「求められている拡散特性」を満足する拡散板を示している。
求められている拡散特性は「入射面（図で下方の面）に入射する平行光束ＩＬを、±θの範囲で拡散し、なおかつ、拡散された光の強度が均一である」ような特性である。

図２（ｂ）において、拡散板１０の上方に描かれた拡散光ＤＬの「個々の矢印」は、その矢印の向きにおける光強度を「矢印の長さ」で表したものである。

図２（ｂ）の下図に示すように、拡散光ＤＬは、±θの範囲に限られており、拡散光の光強度は、±θの範囲内で均一で、方向によらない。

拡散光の方向の範囲を定める±θにより定まる角：２θを「拡散角」と呼ぶ。

図２（ａ）は、図２（ｂ）に示すような「求められている拡散特性」を実現するべく実際に作成された拡散板１０Ａを示している。

拡散板１０Ａでは、拡散光ＤＬＡは、図２（ａ）の下図に示されたように、求められている拡散角：２θに収まらず、±θの外側でも拡散光が存在する。

即ち、図２（ａ）上図で、符号ＤＭ０、ＤＭ１、ＤＭ２で示す領域は、設計上「拡散光の強度が０である」ことが求められるが、実際には光強度が０でない。

図２（ａ）の領域ＤＭ０、ＤＭ１、ＤＭ２に、強度：０でない回折光が生じる現象を回折光の「滲み」と呼ぶ。

上述したように「微少レンズ等を規則的に配列した構造」をもつ拡散板も従来から知られている。

近時、各種光学機器に用いられる光源として、レーザ光源を初めとする「コヒーレントな光を放射」するものが多用されるようになってきている。

コヒーレントな光に対して「微少レンズ等を規則的に配列した構造をもつ拡散板」を用いると、規則的な配列構造が回折格子として作用し、拡散光に回折パターンが生じる。

この発明は、上述した事情に鑑み、所望の拡散角と、均一な拡散光強度を実現でき、かつコヒーレントな光に対しても用い得る拡散板の実現を課題とする。

この発明の拡散板は、２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的に配置して拡散面とした拡散板において、配置された微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、所望の拡散角：２θに対して、ｔａｎθ＝Ｄ／（２ｆ）
を満足し、且つ、Ｆｎ＝ｆ／Ｄで定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定されたことを特徴とする。

この発明の拡散板に依れば、所望の拡散角：２θと、均一な拡散光強度を実現できる。

また、この拡散板はコヒーレントな光に対して用いても「回折パターン」の発生を有効に低減もしくは防止できる。

拡散板の実施の１形態を説明するための図である。拡散板とその問題点を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１（ａ）は、拡散板１の使用状態の１例を示している。

半導体レーザ光源３から放射されるコヒーレントな光を、コリメートレンズ５により平行光束化し、この平行光束を入射光束ＩＬとして拡散板１に入射させる。

拡散板１は、入射光束ＩＬを拡散させ、拡散角：２θをもった均一な光強度の拡散光ＤＬに変換する。

図１（ｂ）は、拡散板１の拡散面の一部を微視的に見た状態を説明図的に示している。

符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ「微小レンズ面」を示している。

これら微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４は、互いに「種類として異なって」いる。
即ち、図１（ｂ）には４種の微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４が描かれている。

勿論、このことは「拡散板の拡散面を構成する微小レンズ面が４種に限定される」ことを意味しない。

拡散面を構成する微小レンズ面の種類は２種以上であればよく、３種でも５種以上でもよい。

以下では、説明の具体性のため、４種の微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４の配置により拡散面が形成されているものとする。

勿論、拡散面は、使用光（ＩＬ）に対して透明な材質の表面形状として形成される。透明な材質の形態は「板状」に限らず「フィルム状」であっても良い。

重要なことは、微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４の配置が規則的ではなく、ランダムな配置である点にある。複数種類の微小レンズ面は、その配置により２次元的な拡散面を形成する。

このように、拡散板１は、２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的にランダムに配置して拡散面としている。
換言すると、これら微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、拡散面上でランダムに分布する。すなわち、拡散面の構造が回折格子として作用しない。

従って、拡散板１を、レーザ光のようなコヒーレント光に対して用いても、回折光や回折パターンの発生は、有効に低減もしくは防止される。

個々の微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４は、種類に応じ、有効径：Ｄ、焦点距離：ｆが異なる。

これらＤとｆは、所望の拡散角：２θに対し「ｔａｎθ＝Ｄ／（２ｆ）」を満足する。

従って、図１（ｂ）に示すように、個々の微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４により拡散される拡散光の拡散角：２θは、微小レンズ面の種類に依らず一定である。

また、微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４のＦナンバ：Ｆｎ（＝ｆ／Ｄ）が、微小レンズ面ごとに略一定であるので、どの微小レンズ面も「同じ明るさ」を有している。

そして、微小レンズ面の配置がランダムであるので、拡散光の光量は、拡散光全体に平均化される。

即ち、異なる種類の微小レンズ面は、有効径：Ｄも焦点距離：ｆも区々であるが、これらは全く独立ではない。

回折角：２θに応じて、ｔａｎθ＝Ｄ／（２ｆ）が満足され、且つ、ｆ／Ｄが、微小レンズ面の種類によらず略一定となるように、Ｄ、ｆが定められているのである。

従って、拡散光ＤＬは、拡散の範囲を拡散角：２θに制限され、且つ、拡散角内に拡散される拡散光の強度も一定となる。

従って、所望の拡散角：２θを持ち、図２（ｂ）に即して説明した如き特性をもつ拡散板を実現できる。

上に説明したような、複数種類の微小レンズ面を２次元的にランダムに配置して拡散面とした拡散板は「レンズ拡散板」として知られており、その製造方法も確立している。

従って、拡散角：２θと、微小レンズ面の種類、有効径：Ｄ、焦点距離：ｆを指定すれば、これを仕様として、この発明の拡散板を製造することができる。

この拡散板は、同一波長の光に対しては、コヒーレンスの有無を問わず、同様に機能するので、複数光束を合成した光束に対しての拡散板として使用できる。

その場合「各光束に対するホモジナイザ」としての機能も果たし、拡散角内での拡散光強度が均一化される。

以下、拡散板の仕様につき説明する。

この発明の拡散板を構成する材料としては、各種の光学材料を利用できる。例えば、通常の光学ガラスや、石英等の光学結晶は材料として好適である。

また、プラスチックモールドを材料とすることもできる。拡散させる光（電磁波）が遠赤外線である場合には、Ｇｅ等の金属結晶を用いることもできる。

拡散板の形態は「平板状」が最も一般的であるが、これに限らず「レンズ面に複合して形成」した形態でも良い。平板状のみならずフィルム状でも良い。

また、上には「光透過性」のものを説明したが、反射面の形態としてもよい。

「微小レンズ面」の形態も、凹凸を問わず、球面、軸対称非球面、アナモフィック面（シリンダ面、トロイダル面等）、フレネル面、ＤＯＥ面等、種々の形態が許容される。

微小レンズ面の配列形態は、矩形配列、六方稠密配列、円形配列等が可能である。勿論、この容易な配列において、各種の微小レンズ面はランダムに配置される。

また、微小レンズ面の配合は、最低で２種類の微小レンズ面を、５０：５０をベースに配列し、回折光の影響が強い方の配合量を少なくする。

２種の微小レンズ面の径も、最小公倍数が大きくなるように設定するのが良い。微小レンズ面の種類は、３種以上が好ましい。

微小レンズ面の有効径は「数μｍ〜数ｍｍ程度」に設定可能である。焦点距離は「数μｍ〜数１０ｍｍ程度」、Ｆナンバは「０近傍から数１００程度」に設定可能である。

この発明の拡散板は、種々の目的に使用できる。例えば「光源像を拡散して使用したり、均一な照明を行ったりする光学素子」として使用できる。

あるいは、レーザ光を用いるプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等において、表示画像のスペックルノイズの低減に用いることができる。

なお、拡散板を「レンズに入射させる拡散光」の発生に用いる場合は、拡散角：２θに対するｓｉｎθを、前記レンズのＮＡより大きく設定し、影響を低減するのが好ましい。

このように、この発明の拡散板を搭載してプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等、種々の光学機器を実施できる。

１拡散板
Ｌ１微小レンズ面
Ｌ２微小レンズ面
Ｌ３微小レンズ面
Ｌ４微小レンズ面
ＩＬ入射光束
ＤＬ拡散光

特開平８−１２９２０５号公報特開平６−１６７６０２号公報

Claims

２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的に配置して拡散面とした拡散板において、配置された微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、
各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、所望の拡散角：２θに対して、
ｔａｎθ＝Ｄ／（２ｆ）
を満足し、且つ、
Ｆｎ＝ｆ／Ｄ
で定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定されたことを特徴とする拡散板。
請求項１記載の拡散板において、
レンズに入射させる拡散光を発生するために用いられ、拡散角：２θに対するｓｉｎθが、前記レンズのＮＡより大きく設定されたことを特徴とする拡散板。
請求項１または２記載の拡散板を搭載した光学機器。