JP6743372B2 - 光広角照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、計測用の光を広角度で照射するための光広角照射装置に関する。

近年、半導体レーザ等のコヒーレント性を有する光を出射する光源を使用した種々の計測装置、監視装置が開発されている。例えば、静脈認証や、自動車の前方監視、位置検出用として、赤外レーザ光を所望の角度に拡散させて前方、あるいは、周囲に照射することが行われている。
コヒーレント性を有するレーザ光を広角度に拡散させる方法としては、例えば、回折光学素子（ＤＯＥ（Diffractive Optical Element））としてホログラフィック拡散板を使用して拡散する方法（特許文献１等）、レーザ光源の操作と反射光学系を組み合わせて拡散する方法（特許文献２等）が提案されている。

特開２０１０−３９１３７号公報 特開２０１０−１５１９５８号公報

しかし、回折光学素子では、回折角が約３０°において回折効率の落ち込みが存在し、±３０°を超える広角度の拡散では、高効率で均一な拡散光が得られないという問題があった。
また、反射光学系を使用して拡散する方法では、光軸合わせが必要であり、機構が複雑となって装置コストが高いものとなり、また、小型化に限界があるという問題があった。
本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、光源から照射された光を均一に広角度で照射可能であり、かつ、光の利用効率が高く、構造が簡易である光広角照射装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源から出射された光を受光するマイクロレンズアレイとを備え、前記マイクロレンズアレイは、一平面に配列している複数の凸形状のシリンドリカルレンズを有し、前記複数のシリンドリカルレンズは、当該シリンドリカルレンズの軸方向を同一とし並行して配列されており、前記シリンドリカルレンズの前記軸方向に垂直な断面の外郭線は、二次曲線であり、前記マイクロレンズアレイは、焦点距離が異なる２種以上の前記シリンドリカルレンズで構成され、前記シリンドリカルレンズの軸方向に沿って並ぶ複数の区画を有し、隣接する区画では、２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列が異なるような構成とした。

本発明の他の態様として、２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列には規則性が存在するような構成とした。
本発明の他の態様として、２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列には規則性が存在しないような構成とした。

本発明の他の態様として、前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間に回折光学素子が位置するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間にランダム位相板が位置するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記回折光学素子と前記マイクロレンズアレイとの間にランダム位相板が位置するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記マイクロレンズアレイを介して前記光源と反対側に拡散シートが位置するような構成とした。

本発明は、光源から照射された光を均一に広角度で、例えば、±７０°の角度範囲で照射可能であり、また、光源から照射された光の利用効率が高く、更に、構造が簡易であるため、小型化が可能であるとともに、製造コストの点でも有利である。

図１は、本発明の光広角照射装置の一実施形態を示す構成図である。 図２は、本発明の光広角照射装置を構成するマイクロレンズアレイの一例を示す平面図である。 図３は、図２に示されるマイクロレンズアレイの部分拡大斜視図である。 図４は、図２におけるＩ−Ｉ線でのレンズ要素の断面図である。 図５は、マイクロレンズアレイの他の例を示す平面図である。 図６は、図５におけるII−II線でのレンズ要素の断面図である。 図７は、マイクロレンズアレイの他の例を示す図６相当のレンズ要素の断面図である 図８は、マイクロレンズアレイの他の例を示す平面図である。 図９は、マイクロレンズアレイの他の例を示す平面図である。 図１０は、マイクロレンズアレイの他の例を示す平面図である。 図１１は、図１０におけるIII−III線での断面図である。 図１２は、本発明の光広角照射装置の他の実施形態を示す構成図である。 図１３は、本発明の光広角照射装置の他の実施形態を示す構成図である。 図１４は、本発明の光広角照射装置の他の実施形態を示す構成図である。 図１５は、実施例における試料３−１のマイクロレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの断面の外郭線を示す図である。 図１６は、実施例における試料４−１のマイクロレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの断面の外郭線を示す図である。 図１７は、実施例における試料５−１のマイクロレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの断面の外郭線を示す図である。 図１８は、実施例における試料６−１のマイクロレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの断面の外郭線を示す図である。 図１９は、実施例における光広角照射装置と、光強度分布の測定位置を説明するための図である。 図２０は、実施例における試料１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２１は、実施例における試料２のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２２は、実施例における試料３−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２３は、実施例における試料３−２のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２４は、実施例における試料４−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２５は、実施例における試料４−２のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２６は、実施例における試料５−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２７は、実施例における試料５−２のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２８は、実施例における試料６−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図２９は、実施例における試料６−２のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図３０は、実施例における比較試料の単レンズを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を示す図である。 図３１は、マイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置における光の利用効率の算出を説明するための図である。 図３２は、実施例における試料３−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を平面で示す図である。 図３３は、実施例における試料５−１のマイクロレンズアレイを備える光広角照射装置において、シミュレーションにより求めた光強度分布を平面で示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、図面は模式的または概念的なものであり、各部材の寸法、部材間の大きさの比等は、必ずしも現実のものと同一とは限らず、また、同じ部材等を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
図１は、本発明の光広角照射装置の一実施形態を示す構成図である。図１において、本発明の光広角照射装置１１は、光源１２と、この光源から出射された光を受光するマイクロレンズアレイ１４とを備えている。
光源１２は、半導体レーザ等のコヒーレント性を有する光を出射する光源、例えば、赤外レーザ光や可視領域のレーザ光を発生する半導体レーザ等であってよく、光広角照射装置の使用目的に応じて適宜決定することができる。
また、マイクロレンズアレイ１４は、光の屈折現象を利用して光の進行方向を変える光学素子であり、光源１２から出射された光との光軸合わせが不要であり、入射した光を広角に拡散させることができる。例えば、図１に示されるθを７０°程度とすることができる。

図２は、光広角照射装置１１を構成するマイクロレンズアレイ１４の一例を示す平面図であり、図３は、図２に示されるマイクロレンズアレイ１４の部分拡大斜視図である。マイクロレンズアレイ１４は一平面を構成している基部１５上に複数のレンズ要素１６が配列している。図示例では、レンズ要素１６は、凸形状のシリンドリカルレンズであり、このようなレンズ要素１６がシリンドリカルレンズの軸方向Ｙを同一とし並行して基部１５上に配列している。ここで、凸形状のシリンドリカルレンズとは、一方向（Ｘ軸方向）に屈折力をもって入射光を発散させ、この方向に直交する他の方向（Ｙ軸方向）では屈折力をもたないレンズである。したがって、一方向（Ｘ軸方向）に沿ったレンズ断面の外郭線は後述するように曲率をもって変化するが、この方向と直交する他の方向（Ｙ軸方向）に沿ったレンズ断面の外郭線は直線となっている。

図４は、レンズ要素１６の軸方向Ｙに垂直な断面（図２におけるＩ−Ｉ線断面であり、Ｘ軸方向に沿った断面）を示しており、レンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａは、二次曲線であり、この例では外郭線１６ａは放物線である。レンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａがとりえる放物線以外の二次曲線としては、楕円の一部、半円、円弧等の円の一部等を挙げることができる。このレンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａとしては二次曲線以外の曲線でもよく、例えば、円弧の周辺部分を円に接する直線で置き換えた形状を挙げることができる。図４に示される例では、レンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａは、放物線 Ｚ＝ - 0.3Ｘ² ＋ 7.5 を０．５倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）した放物線である。このようなレンズ要素１６の断面形状におけるＺ軸方向の高さＨは０．９〜７．５μｍの範囲で、Ｘ軸方向の幅Ｗは１．２〜１０．０μｍの範囲で、所望の焦点距離ｆとなるように適宜設定することができる。
このようなマイクロレンズアレイ１４を構成する基部１５、複数のレンズ要素１６の材質は、ガラス、樹脂等であってよく、屈折率は、例えば、１．４〜１．８の範囲で適宜設定することができる。

上記の図２〜図４に示される例では、マイクロレンズアレイ１４を構成する複数のレンズ要素１６であるシリンドリカルレンズの焦点距離ｆが同一であるが、本発明では、マイクロレンズアレイ１４は、焦点距離ｆが異なる２種以上のレンズ要素１６で構成されるものであってもよい。図５は、このようなマイクロレンズアレイ１４の例を示す平面図であり、図６は、図５に示されるマイクロレンズアレイ１４のレンズ要素１６の軸方向Ｙに垂直な断面（図５におけるII−II線断面であり、Ｘ軸方向に沿った断面）を示している。図５、図６に示される例では、レンズ要素１６は、断面形状の外郭線１６ａが基本となる放物線の縮小倍率を変えた３種の放物線である３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを有している。そして、図５に示す例では、３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの配列は、Ｘ軸方向に沿って１６Ａ→１６Ｂ→１６Ｃの繰り返し単位からなっている。

この例では、基本となる放物線がＺ＝ - 0.3Ｘ² ＋ 7.5 であり、レンズ要素１６Ａの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線を０．５倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）したものであり、レンズ要素１６Ｂの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線を０．４倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）したものであり、レンズ要素１６Ｃの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線を０．３倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）したものである。したがって、３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの断面形状は相似形となっている。図６では、便宜的にレンズ要素１６Ａの断面形状の外郭線１６ａを示す放物線をＸＺ座標軸で示している。
図６に示される例では、３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃにおける断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線をＸ軸方向、Ｚ軸方向で等倍に縮小したものとなっているが、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で縮小拡大の倍率が異なるものであってもよい。図７は、このような例を示す図６相当のレンズ要素１６の軸方向Ｙに垂直な断面図である。図７に示される例では、レンズ要素１６Ａの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線（Ｚ＝ - 0.3Ｘ² ＋ 7.5）をＸ軸方向、Ｚ軸方向で０．５倍したものであり、レンズ要素１６Ｂの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線をＸ軸方向で０．５倍、Ｚ軸方向で０．４倍したものであり、レンズ要素１６Ｃの断面形状の外郭線１６ａは、基本となる放物線をＸ軸方向で０．５倍、Ｚ軸方向で０．３倍したものである。図７では、便宜的にレンズ要素１６Ａの断面形状の外郭線１６ａを示す放物線をＸＺ座標軸で示している。

このように、マイクロレンズアレイ１４が、焦点距離ｆの異なる２種以上のレンズ要素１６で構成される場合、レンズ要素１６の種類の数は特に制限がない。また、２種以上のレンズ要素の配列は、規則性が存在するもの、規則性が存在しないもの、いずれであってもよい。複数種のレンズ要素１６の設計では、光源１２から照射される光の波長域を考慮してレンズ要素１６の幅Ｗの変化の程度を決定することができる。
例えば、レンズ要素の幅Ｗは、レンズとして機能するためには、使用する光源の波長λ以上の幅が必要であり、光源の波長が１μｍであればレンズ要素の幅Ｗは１μｍ以上となる。一方、マイクロレンズアレイとして機能するには光源の幅（例えば半導体レーザのビーム径）に対しレンズ要素が少なくとも１０個以上含まれる必要があり、ビーム径が１ｍｍであればレンズ要素の幅Ｗは１００μｍ以下となる。すなわちレンズ要素の幅Ｗの値は１μｍ〜１００μｍの範囲であれば使用可能ある。一方、１つのマイクロレンズアレイに含まれるレンズ要素の焦点距離ｆの変化の程度は、光の強度分布を均一にするために焦点距離ｆに変化を与えるという目的を考慮すると、１０倍以内が適当である。

上記の光広角照射装置１１では、マイクロレンズアレイ１４の基部１５側が光源１２側に位置しているが、レンズ要素１６が光源１２方向を向くようにマイクロレンズアレイ１４が配設されたものであってもよい。
上記のように、マイクロレンズアレイ１４が焦点距離ｆの異なる２種以上のレンズ要素１６で構成される場合、マイクロレンズアレイ１４の透過光における干渉縞の発生が抑制さ、照射光の強度の均一性がより優れたものとなるとともに、広角拡散、例えば、±７０°の広角拡散が可能となる。
尚、レンズ要素の焦点距離ｆは、レンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａのレンズの中心部での曲率半径をｒとし、レンズの材質の屈折率をｎとすれば、ｆ＝ｒ／（ｎ−１）で求まる。たとえばレンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａを０．５倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）とすると、曲率半径ｒも０．５倍となり、レンズ要素１６の焦点距離ｆも０．５倍となる。すなわち、レンズの形状を変更したレンズ要素１６を並べることは、焦点距離ｆの異なる複数のレンズ要素１６を並べてマイクロレンズアレイ１４を構成することと言える。
上述の例において、レンズ要素１６の断面形状の外郭線１６ａを放物線として説明したが、例えば、外郭線１６ａを円の一部、楕円の一部、円弧の周辺部分（すなわちレンズの周辺部分）を円に接する直線で置き換えた形状としても同様の効果が得られる。

ここで、レンズ要素の２次曲線以外の形状の可能性について補足する。本発明のレンズ要素は集光を目的としており、結像を目的としたレンズ要素のように収差を考慮する必要がなく、このため種々の異なる設計が可能となる。例えば、断面形状の外郭線が放物線のレンズ要素と同等の集光性能を有する形状として、レンズ要素の中心付近は、放物線と同じ焦点距離を有する円形の一部を用い、レンズ要素の周辺部は、放物線のレンズ周辺部における傾きと平均的に同等の傾きを有する直線を、上記の放物線と同じ焦点距離を有する円形の接線方向となるように配置した断面形状を有するレンズ要素が設計可能である。このような円形と直線を組み合わせた断面形状を有するレンズ要素は、半円形のみで断面形状を構成したレンズ要素より断面の外郭線が放物線のレンズ要素に近い集光特性を示し、広角照射特性を向上できると考えられる。

また、マイクロレンズアレイ１４が焦点距離の異なる２種以上のレンズ要素１６で構成される場合、マイクロレンズアレイ１４は、レンズ要素１６の軸方向Ｙに沿って複数の区画を有し、隣接する区画では、２種以上のレンズ要素１６の配列が異なるものであってもよい。図８および図９に示す例では、マイクロレンズアレイ１４がレンズ要素１６の軸方向Ｙに沿って隣接するレンズ要素の配列が異なる２つの区画１４Ａ、１４Ｂを有している。図示例では、隣接する区画１４Ａと区画１４Ｂの境界を鎖線で示している。図８に示す例では、上記の図６に示される３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６ＣのＸ軸方向の配列が、区画１４Ａと区画１４Ｂで逆になっている。つまり、区画１４Ｂにおける３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの繰り返し配列は、区画１４Ａにおける３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの繰り返し配列を１８０°回転させたものとなっている。また、図９に示す例では、区画１４Ａにおける３種のレンズ要素１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃが、Ｘ軸方向に沿って１６Ａ→１６Ｂ→１６Ｃの繰り返しとなっており、区画１４Ｂにおいては、Ｘ軸方向に沿って１６Ａ→１６Ｂ→１６Ｃ→１６Ｃ→１６Ｂ→１６Ａの繰り返しとなっている。このように、マイクロレンズアレイ１４がレンズ要素１６の軸方向Ｙに沿って複数の区画を有し、隣接する区画では、２種以上のレンズ要素１６の配列が異なることにより、各区画で広角拡散された光の平均化が進み、マイクロレンズアレイ１４で広角拡散された光の均一性がより優れたものとなる。

図１０は、光広角照射装置１１を構成するマイクロレンズアレイ１４の他の例を示す平面図であり、図１１は、図１０に示されるマイクロレンズアレイ１４のIII−III線における断面図である。図１０、図１１に示されるマイクロレンズアレイ１４は、一平面を構成している基部１５上に複数のレンズ要素１６′が配列している。このマイクロレンズアレイ１４を構成するレンズ要素１６′は、平面視形状が矩形であり、この平面視形状の中央部あるいは中央部近傍において厚みが最も大きい凸レンズである。図示例では、このような複数のレンズ要素１６′が隙間なくマトリックス状に配列している。このようなマイクロレンズアレイ１４を構成する基部１５、レンズ要素１６′の材質は、ガラス、樹脂等であってよく、屈折率は、例えば、１．４〜１．８の範囲で適宜設定することができる。レンズ要素１６′は、光源１２から照射される光の波長域を考慮して凸レンズの表面形状、高さｈ、幅ｗ、凸レンズの最大厚みの位置、焦点距離等を決定するができる。例えば、レンズ要素１６′の高さｈは０．９〜７．５μｍの範囲で、幅ｗは１．２〜１０．０μｍの範囲で、所望の焦点距離となるように適宜設定することができる。また、広角拡散された光の均一性がより優れたものとなるように、マイクロレンズアレイ１４におけるレンズ要素１６′の配設位置に応じて、凸レンズの最大厚みの位置を、レンズ要素１６′の平面視形状の中央部から外れて周縁部に近い箇所に設定することができる。

上記のようなマイクロレンズアレイ１４は、例えば、特開２００７−１５５９２７号公報に例示された回折光学素子の製造方法を適用して製造することができる。この回折光学素子の製造方法によれば、石英ガラス基板（加工用基板）の一面上に感光性レジスト層を設け、露光する際の透過光量を露光装置の解像度より微細なドットパターンの分布状態（密度）により制御するマスクを用いて、感光性レジストを露光現像する。このようなマスクを用いて露光現像することで、感光性レジストはマスクの微細なドットパターンの分布状態に対応した凹凸パターンの膜厚を有するレジスト層となる。このように形成したレジスト層の凹凸パターンは、異方性のドライエッチングにより石英ガラス基板の表面に凹凸パターンとして転写される。すなわち、微細なドットパターンの分布状態に対応した凹凸パターンの膜厚を有するレジスト層が積層された石英ガラス基板を、レジスト層の表面から異方性のドライエッチング（例えば反応性イオンエッチング）で加工することにより、レジスト層の膜厚の薄い部分の石英ガラス基板は深くエッチングされ、レジスト層の膜厚が厚い部分の石英ガラス基板は浅くエッチングされる。これにより、レジスト層の凹凸パターンが石英ガラス基板の表面の凹凸パターンとして転写され、所望の形状を有するマイクロレンズアレイが得られる。

本発明の光広角照射装置１１は、図１２に示すように、光源１２とマイクロレンズアレイ１４との間に回折光学素子１７を備えるものであってもよい。回折光学素子１７は、光の回折現象を利用して光の進行方向を変える光学素子であり、光源１２から出射された光との光軸合わせが不要であり、光源１２から出射された光がコヒーレント性を有するレーザ光である場合、レーザ光のスペックル（分布）を弱め、より均一な光とすることができる。この回折光学素子１７の出射光による照射面は点集合であるが、この回折光学素子１７の出射光はマイクロレンズアレイ１４により拡散されるため、均一な分布となる。
このような回折光学素子１７としては、例えば、溝の形状を三角形状にして、特定の次数の光の回折効率をあげたブレーズド型の回折光学素子、計算ホログラムにより作製される位相型の体積ホログラム素子等を挙げることができる。回折光学素子１７は、回折効率が高い範囲で使用することが好適であり、例えば、拡散角２０°以下、好ましくは１０°以下で使用することが好適である。尚、回折光学素子１７は、図１３に示すように、マイクロレンズアレイ１４と一体となっていてもよい。

また、本発明の光広角照射装置１１は、光源１２とマイクロレンズアレイ１４との間にランダム位相板１８を備えるものであってもよい。ランダム位相板１８とともに、回折光学素子１７を備える場合には、図１４に示すように、ランダム位相板１８は、回折光学素子１７とマイクロレンズアレイ１４との間に配設する。ランダム位相板１８は、光源１２から出射された光との光軸合わせが不要であり、ランダムに位相を変調することにより強度分布を均一にすることができる。
上述の光広角照射装置の実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、本発明の光広角照射装置は、マイクロレンズアレイを介して光源と反対側に拡散シートを備えるものであってもよい。

次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
光源とマイクロレンズアレイを備えた光広角照射装置において拡散して照射される光の強度分布をシミュレーションにより求めた。シミュレーションは、波動光学に基づく波動解析によるシミュレーションであり、例えば、「導波光学」（共立出版、左貝潤一著）に記載のビーム伝播法(Beam Probagation Method)に基づいて行った。使用した光の波長は１０６４ｎｍとした。
ここで、マイクロレンズアレイは、構成するレンズ要素が凸形状のシリンドリカルレンズであり、複数のレンズ要素が軸方向を同一とし並行して配列しているものとした。そして、レンズ要素であるシリンドリカルレンズの軸方向に垂直な断面の外郭線を半円、あるいは、放物線とし、下記のような試料１〜試料６−２の１０種のマイクロレンズアレイを設定した。

＜試料１＞
断面の外郭線が半径５μｍの半円形であり、同じ断面形状のシリンドリカルレンズ１１個を配列してマイクロレンズアレイを構成した。
＜試料２＞
図４に示されるように、断面の外郭線が、放物線（Ｚ＝ - 0.4325Ｘ² ＋ 5.0）であり、このシリンドリカルレンズの高さを５．０μｍ、幅を６．８μｍとし、断面形状の外郭線が同じ放物線であるシリンドリカルレンズ１１個を配列してマイクロレンズアレイを構成した。

＜試料３−１＞
断面の外郭線を、半径１μｍ〜６μｍの範囲で１μｍステップで相違する６種の半円形とし、この焦点位置が異なる６種のシリンドリカルレンズを、図１５に示すように、５μｍ→６μｍ→５μｍ→４μｍ→３μｍ→２μｍ→１μｍ→２μｍ→３μｍ→４μｍとなる繰り返しで配列してマイクロレンズアレイを構成した。尚、図１５では、Ｚ軸に対してＸ軸を８０％縮尺しているため、外郭線は見かけ上、半円形となっていない。

＜試料３−２＞
マイクロレンズアレイを、図８に示すように、レンズ要素であるシリンドリカルレンズの軸方向に沿って等分の区画に分割し、一方の区画では、試料３−１と同様に、断面形状の外郭線が相違する６種の半円であるシリンドリカルレンズの配列とし、他方の区画では、隣接する区画における高さ６μｍのシリンドリカルレンズの位置に、高さ１μｍのシリンドリカルレンズが位置するように、繰り返し単位を半分ずらしてシリンドリカルレンズを配列した。

＜試料４−１＞
断面の外郭線が放物線であり、この放物線は、基本の放物線 Ｚ＝ - 0.3Ｘ² ＋ 7.5を、１．２倍、１．０倍、０．８倍、０．６倍、０．４倍、０．２倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）した６種の放物線とし、この６種のシリンドリカルレンズの高さを、９μｍ、７．５μｍ、６μｍ、４．５μｍ、３μｍ、１．５μｍとして、焦点位置が異なるものとした。そして、図１６に示すように、シリンドリカルレンズの高さが７．５μｍ→９μｍ→７．５μｍ→６μｍ→４．５μｍ→３μｍ→１．５μｍ→３μｍ→４．５μｍ→６μｍとなる繰り返しでシリンドリカルレンズを配列してマイクロレンズアレイを構成した。尚、図１６では、Ｚ軸に対してＸ軸を６２％縮尺しているため、外郭線は見かけ上、実際の放物線とは異なっている。

＜試料４−２＞
マイクロレンズアレイを、図８に示すように、レンズ要素であるシリンドリカルレンズの軸方向に沿って等分の区画に分割し、一方の区画では、試料４−１と同様に、断面形状の外郭線が異なる６種の放物線であるシリンドリカルレンズの配列とし、他方の区画では、隣接する区画における高さ９μｍのシリンドリカルレンズの位置に、高さ１．５μｍのシリンドリカルレンズが位置するように、繰り返し単位を半分ずらしてシリンドリカルレンズを配列した。

＜試料５−１＞
断面の外郭線が放物線であり、この放物線は、基本の放物線 Ｚ＝ - 0.25Ｘ² ＋ 6.25を、１．２倍、１．０倍、０．８倍、０．６倍、０．４倍、０．２倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）した６種の放物線とし、この６種のシリンドリカルレンズの高さを、７．５μｍ、６．２５μｍ、５μｍ、３．７５μｍ、２．５μｍ、１．２５μｍとして、焦点位置が異なるものとした。そして、図１７に示すように、シリンドリカルレンズの高さが６．２５μｍ→７．５μｍ→６．２５μｍ→５μｍ→３．７５μｍ→２．５μｍ→１．２５μｍ→２．５μｍ→３．７５μｍ→５μｍとなる繰り返しでシリンドリカルレンズを配列してマイクロレンズアレイを構成した。尚、図１７では、Ｚ軸に対してＸ軸を４５％縮尺しているため、外郭線は見かけ上、実際の放物線とは異なっている。

＜試料５−２＞
マイクロレンズアレイを、図８に示すように、レンズ要素であるシリンドリカルレンズの軸方向に沿って等分の区画に分割し、一方の区画では、試料５−１と同様に、断面形状の外郭線が異なる６種の放物線であるシリンドリカルレンズの配列とし、他方の区画では、隣接する区画における高さ７．５μｍのシリンドリカルレンズの位置に、高さ１．２５μｍのシリンドリカルレンズが位置するように、繰り返し単位を半分ずらしてシリンドリカルレンズを配列した。

＜試料６−１＞
断面の外郭線が放物線であり、この放物線は、基本の放物線 Ｚ＝ - 0.35Ｘ² ＋ 8.75を、１．２倍、１．０倍、０．８倍、０．６倍、０．４倍、０．２倍（Ｘ軸方向、Ｚ軸方向で等倍）した６種の放物線とし、この６種のシリンドリカルレンズの高さを、１０．５μｍ、８．７５μｍ、７μｍ、５．２５μｍ、３．５μｍ、１．７５μｍとして、焦点位置が異なるものとした。そして、図１８に示すように、シリンドリカルレンズの高さが８．７５μｍ→１０．５μｍ→８．７５μｍ→７μｍ→５．２５μｍ→３．５μｍ→１．７５μｍ→３．５μｍ→５．２５μｍ→７μｍとなる繰り返しでシリンドリカルレンズを配列してマイクロレンズアレイを構成した。尚、図１８では、Ｚ軸に対してＸ軸を９０％縮尺しているため、外郭線は見かけ上、実際の放物線とは異なっている。

＜試料６−２＞
マイクロレンズアレイを、図８に示すように、レンズ要素であるシリンドリカルレンズの軸方向に沿って等分の区画に分割し、一方の区画では、試料６−１と同様に、断面形状の外郭線が異なる６種の放物線であるシリンドリカルレンズの配列とし、他方の区画では、隣接する区画における高さ１０．５μｍのシリンドリカルレンズの位置に、高さ１．７５μｍのシリンドリカルレンズが位置するように、繰り返し単位を半分ずらしてシリンドリカルレンズを配列した。

上記のような試料１〜試料６−２のマイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置における拡散照射光の強度分布を求めるシミュレーションでは、図１９に示されるように、光源（図示せず）とマイクロレンズアレイ１４との間に回折光学素子１７を備え、この回折光学素子１７における拡散角が±１０°、回折光学素子１７の回折効率が７０％、マイクロレンズアレイ１４における拡散角が±７０°であるとの条件設定を行った。したがって、光源から出射された光の強度を１としたときに、拡散角±１０°でマイクロレンズアレイ１４に入射する光の強度は０．７となる。

そして、上記のような試料１、試料２の２種のマイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置において、図１９（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイからＸ軸方向に±５００μｍ、Ｚ軸方向に５００μｍ離間した長方形状の領域（図１９（Ａ）に鎖線で囲み示している領域）におけるマイクロレンズアレイから照射された光の強度分布をシミュレーションにより求め、図２０（Ａ）、図２１（Ａ）に平面分布をリニアスケール値で示した。この図２０（Ａ）、図２１（Ａ）では、白く見える部位が光強度の高い部位となっている。また、図１９（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイからＸ軸方向に±５００μｍの範囲において、Ｚ軸方向に３５０μｍ離間した位置（図１９（Ａ）に一点鎖線で示す位置）で、マイクロレンズアレイから照射された光の照射角度に対する光強度分布をシミュレーションにより求め、図２０（Ｂ）、図２１（Ｂ）にリニアスケール値で示した。図２０（Ｂ）、図２１（Ｂ）において、横軸はマイクロレンズアレイからの距離、縦軸は光強度を示している。

また、上記のような試料３−１〜試料６−２の８種のマイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置において、図１９（Ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイからＺ軸方向に５０μｍ離間した位置、２００μｍ離間した位置、４５０μｍ離間した位置で、マイクロレンズアレイから照射された光の照射角度に対する光強度分布をシミュレーションにより求め、図２２〜図２９に対数スケール値（ｌｏｇ（光強度））で示した。図２２〜図２９において、横軸は照射角度（度）、縦軸は光強度分布（ｌｏｇ（光強度））を示している。
尚、Ｘ軸方向において光強度分布を求める範囲は、図１９（Ｂ）に二点鎖線で示される範囲であり、したがって、マイクロレンズアレイから４５０μｍ離間した位置では、照射角度が約±５０°の範囲における光強度分布が求められた。また、図２０〜図２９において、Ｚ＝５０μｍ、Ｚ＝２００μｍ、Ｚ＝４５０μｍは、それぞれマイクロレンズアレイからＺ軸方向に５０μｍ離間した位置、２００μｍ離間した位置、４５０μｍ離間した位置での光強度分布であることを示している。

また、比較として、マイクロレンズアレイに替えて単レンズ（比較試料）を配設した光広角照射装置において、単レンズからＸ軸方向に±５０μｍ、Ｚ軸方向に１００μｍ離間した正方形状の領域における単レンズから照射された光の光強度分布をシミュレーションにより求め、図３０（Ａ）に平面分布をリニアスケール値で示した。この図３０（Ａ）では、白く見える部位が光強度の高い部位となっている。また、単レンズからＸ軸方向に±５０μｍの範囲において、Ｚ軸方向に２５μｍ離間した位置で、単レンズから照射された光の照射角度に対する光強度分布をシミュレーションにより求め、図３０（Ｂ）にリニアスケール値で示した。この場合、単レンズは、一方が平面で他方が凸のレンズであり、凸形状は幅１０μｍ、高さ５μｍであり、断面形状は半円であった。

さらに、上記の試料３−１、試料５−１の２種のマイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置において、図１９（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイからＸ軸方向に±５００μｍ、Ｚ軸方向に５００μｍ離間した長方形状の領域（図１９（Ａ）に鎖線で囲み示している領域）における、マイクロレンズアレイから照射された光の強度分布をシミュレーションにより求め、図３２（Ａ）、図３３（Ａ）に平面分布をリニアスケール値で示した。また、光強度の詳細が分かるように、マイクロレンズアレイから照射された光の強度分布について、図３２（Ｂ）、図３３（Ｂ）に平面分布を対数スケール値（ｌｏｇ（光強度））で示した。この図３２、図３３では、白く見える部位が光強度の高い部位となっている。

ここで、図２０〜図３３と、試料１〜試料６−２の１０種のマイクロレンズアレイ、比較試料の単レンズとの対応は下記の通りとした。
図２０ ： 試料１
図２１ ： 試料２
図２２、図３２ ： 試料３−１
図２３ ： 試料３−２
図２４ ： 試料４−１
図２５ ： 試料４−２
図２６、図３３ ： 試料５−１
図２７ ： 試料５−２
図２８ ： 試料６−１
図２９ ： 試料６−２
図３０ ： 比較試料

図２０（Ｂ）に示した、各レンズ要素の断面形状の外郭線が半円形であるマイクロレンズアレイの拡散照射光の強度分布を見ると、光強度の積算値が６３％を超える光拡散範囲は約±３２°であり、図３０の半円形の単レンズの光拡散範囲（約±２２°）より広い角度であり、広角照射特性が改善されていることがわかる。
一方、図２１（Ｂ）に示した各レンズ要素の断面形状の外郭線が放物線であるマイクロレンズアレイの拡散照射光の強度分布を見ると、光強度の積算値が６３％を超える光拡散範囲は約±３９°であり、図２０の半円形の断面形状を有するマイクロレンズアレイの光拡散範囲（約±３２°）より広い角度であり、広角照射特性がさらに改善されていることがわかる。この光拡散範囲の改善はレンズ要素の断面形状の輪郭線形状を半円形から放物線としたことにより得られた特性である。すなわち、断面形状の外郭線が半円形の場合、レンズ要素の外周付近はレンズの面と光軸の成す角度がほぼ平行となりレンズとして機能しないのに対し、断面形状の外郭線が放物線の場合、レンズ要素の外周付近のレンズの面と光軸の成す角度は比較的自由に選択できるため、レンズ要素の外周付近を光拡散に寄与するように設計できるためと考えられる。

ただし、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）を見ると、拡散照射光の光拡散範囲は広くなったが、干渉縞のような線状の明暗を持った光強度分布のバラツキが顕著に認められる。
また、図２２〜図２９に示されるように、試料３−１〜試料６−２のマイクロレンズアレイを備える場合、マイクロレンズアレイから照射される光は±７０°まで拡散することが確認された。これに対して、図３０に示されるように、比較試料の断面形状が半円形である単レンズを用いた場合、０°近傍の光強度が強く、光強度の積算値が６３％を超える光拡散範囲は約±２２°までで、広角照射にはならないことが確認された。

ここで、本願で用いられるレンズアレイと、光源から射出された光との光軸合わせについて簡単に説明する。まず、比較試料のような単レンズに対し、単レンズと同じ幅の平行光を光源として光軸合わせをする場合について考える。この場合において、単レンズの光軸と光源の光軸の位置が一致した位置から、光源の光軸がレンズの幅に相当する距離だけ位置がズレしたとすると、光源からの光は単レンズに照射されなくなり、光の拡散効果は全てなくなる。次に、試料１に示した１１個のレンズ要素からなるレンズアレイに対し、レンズアレイと同じ幅の平行光を光源として光軸合わせをする場合について考える。この場合において、レンズアレイと光軸が一致した位置から光源の光軸が、レンズ要素１つ分の幅に相当する距離だけ位置がズレたとすると、光源からの光はレンズ要素１個に照射されなくなる。しかし、残りの１０個のレンズ要素には照射されるので、光の拡散効果は１１分の１０に低減するが、光源の光軸が位置ズレすることによる影響は、比較試料の単レンズの場合より大幅に軽減される。

次に、図２０（Ｂ）、図２１（Ｂ）と、図２２〜図２９とを対比すると、焦点位置の異なる複数種のシリンドリカルレンズ（レンズ要素）でマイクロレンズアレイが構成されている場合（図２２〜図２９）、干渉縞のような光強度分布のバラツキが低減することが確認された。また、図３２は、試料３−１の拡散照射光の強度分布をシミュレーションにより得た結果を図示しており、図３３は試料５−１の拡散照射光の強度分布をシミュレーションにより得た結果を図示している。図３２（Ｂ）、図３３（Ｂ）は光強度の詳細が分かるよう光強度を対数で示しているが、光の拡散範囲が±７０まで達し、干渉縞のような線状の明暗を持った光強度分布のバラツキが軽減されているのが認められる。この図３２、図３３と上記の図２０（Ａ）、図２１（Ａ）との対比からも、焦点位置の異なる複数種のシリンドリカルレンズ（レンズ要素）でマイクロレンズアレイが構成されている場合（図３２、図３３）、干渉縞のような光強度分布のバラツキが低減されているのが認められた。
さらに、図２２、図２４、図２６、図２８と、図２３、図２５、図２７、図２９とを対比すると、マイクロレンズアレイを２つの区画に分割し、隣接する区画間で、シリンドリカルレンズの繰り返し単位を半分ずらした場合（図２３、図２５、図２７、図２９）、干渉縞のような光強度分布のバラツキが更に低減することが確認された。

次に、上記のような試料３−１〜試料６−２の８種のマイクロレンズアレイを用いた光広角照射装置において、光の利用効率を求めた。すなわち、まず、マイクロレンズアレイからＺ軸方向に１５０μｍ離間した位置で、マイクロレンズアレイから照射された光の照射角度に対する光強度分布をシミュレーションにより求めた。そして、例えば、図３１に示すような光強度分布曲線が得られると、この光強度分布曲線から角度積分での平均値（図３１に鎖線で示す）を求め、この平均値より光強度が小さい領域の積分値の割合を利用効率として求め、下記の表１に結果を示した。この利用効率は、光強度分布曲線の上記の平均値を基準とした振幅（即ちバラツキ）の幅が小さいほど大きな値となる指標である。

この表１に示される結果からも、焦点位置の異なる複数種のシリンドリカルレンズ（レンズ要素）でマイクロレンズアレイが構成されている場合（試料３−１〜試料６−２）は、干渉縞のような光強度分布のバラツキが低減すること、マイクロレンズアレイを２つの区画に分割し、隣接する区画間で、シリンドリカルレンズの繰り返し単位を半分ずらした場合（試料４−２、試料５−２、試料６−２）、干渉縞のような光強度分布のバラツキが更に低減することが確認された。

光源からの光を拡散して照射することにより利用する種々の用途において有用である。

１１…光広角照射装置
１２…光源
１４…マイクロレンズアレイ
１５…基部
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…レンズ要素
１６′…レンズ要素

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を受光するマイクロレンズアレイと
   を備え、
   前記マイクロレンズアレイは、一平面に配列している複数の凸形状のシリンドリカルレンズを有し、
   前記複数のシリンドリカルレンズは、当該シリンドリカルレンズの軸方向を同一とし並行して配列されており、
   前記シリンドリカルレンズの前記軸方向に垂直な断面の外郭線は、二次曲線であり、
   前記マイクロレンズアレイは、焦点距離が異なる２種以上の前記シリンドリカルレンズで構成され、前記シリンドリカルレンズの軸方向に沿って並ぶ複数の区画を有し、隣接する区画では、２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列が異なることを特徴とする光広角照射装置。
2. ２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列には規則性が存在することを特徴とする請求項１に記載の光広角照射装置。
3. ２種以上の前記シリンドリカルレンズの配列には規則性が存在しないことを特徴とする請求項１に記載の光広角照射装置。
4. 前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間に回折光学素子が位置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光広角照射装置。
5. 前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間にランダム位相板が位置することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光広角照射装置。
6. 前記回折光学素子と前記マイクロレンズアレイとの間にランダム位相板が位置することを特徴とする請求項４に記載の光広角照射装置。
7. 前記マイクロレンズアレイを介して前記光源と反対側に拡散シートが位置することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光広角照射装置。

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