JP6884518B2 - 拡散板、拡散板の設計方法、拡散板の製造方法、表示装置、投影装置及び照明装置 - Google Patents
拡散板、拡散板の設計方法、拡散板の製造方法、表示装置、投影装置及び照明装置 Download PDFInfo
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Description
透明基板の表面に位置するマイクロレンズ群からなるマイクロレンズアレイ型の拡散板であって、
アレイ配列に対して連続である2つ以上の単位セルから構成されており、
前記単位セルは、前記透明基板の表面に位置する複数のマイクロレンズからなり、
互いに隣り合う前記マイクロレンズ間の稜線は、互いに平行ではなく、かつ、前記透明基板に対して平行ではなく、
前記各マイクロレンズを取り囲む複数辺の前記稜線のうち一部の辺の前記稜線に、凸凹形状または半レンズ部が設けられており、
前記半レンズ部は、曲率半径の変化が前記稜線よりも緩やかな領域である、拡散板が提供される。
前記稜線は光の波長以下の幅を有する線状であり、
前記半レンズ部は、10μm以上の幅を有する非平坦領域であるようにしてもよい。
(拡散板について)
以下では、図1〜図7Bを参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る拡散板1について詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る拡散板を模式的に示した説明図である。図2は、本実施形態に係る拡散板を構成する単位セルの一部を模式的に示した説明図である。図3A〜図4Bは、本実施形態に係る単位セルにおける隣り合うマイクロレンズ間の境界の状態の一例を示した説明図である。図5は、本実施形態に係る拡散板を模式的に示した説明図である。図6〜図7Bは、本実施形態に係る拡散板における単位セルの配置について説明するための説明図である。
透明基板10は、本実施形態に係る拡散板1に入射する光の波長帯域において、透明とみなすことが可能な材質からなる基板である。かかる基板は、耐光性の高い無機材料を用いて形成されることが好ましい。耐光性の高い無機材料の例として、例えば、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、白板ガラス等といった公知の光学ガラスを挙げることができるが、アルカリ成分含有量が20質量%以下のケイ素を主成分とするガラスを用いることが好ましい。このような無機材料を用いることで、特に入射光として高出力のレーザ光を用いる場合であっても、材料の変質による拡散板の拡散特性の劣化を無くすことが可能となる。図2では、透明基板10が矩形である場合を例に挙げて図示を行っているが、透明基板10の形状は矩形に限定されるものではなく、例えば拡散板1が実装される表示装置、投影装置、照明装置等の形状に応じて、任意の形状を有していても良い。
透明基板10の表面には、複数のマイクロレンズ21からなるマイクロレンズ群20が形成されている。拡散板では、光を拡散させることが本来の使用方法であるため、単位セル3を構成するマイクロレンズ21としては、図2下段に模式的に示したように、出射面が全て凹レンズからなることが好ましい。拡散板の出射面が凸レンズからなる場合、焦点位置に集光部が生じることから、設置上の制約や安全性に問題が生じるからである。また、本実施形態に係るマイクロレンズ群20では、各マイクロレンズ21は、曲率半径や頂点間ピッチが同一ではなく、一定の範囲でばらつきを有しているために、焦点距離もまた一定の分布を有している。凹レンズの場合、焦点位置は仮想点となるが、焦点位置では光強度密度が大きくなるため、各マイクロレンズ21の焦点位置は、拡散板1を構成する透明基板10に隣接した領域にあることが好ましい。各マイクロレンズ21の焦点位置が透明基板10から離れた場所にある場合には、焦点位置に各種部品を配置することができないなど、光学系上の制約が生じる場合があるためである。
(2)各マイクロレンズ21の頂点の平面位置及び高さ位置(換言すれば、凹レンズの深さの最も低い位置)と、マイクロレンズ21間の稜線とは、回折が十分抑圧されるように不規則化されていること。
(3)非拡散透過光を抑圧するため、隣接するマイクロレンズ21間に非レンズ領域が存在しないこと。
本実施形態に係る拡散板1には、その表面及び裏面(換言すれば、マイクロレンズ21の表面、及び、透明基板10のマイクロレンズ群20が配設されていない側の表面)に対して、図5に模式的に示したように、透過率の増加や反射迷光などの防止を目的として、反射防止層30を形成してもよい。
従来知られているように、周期的な繰り返し構造に対して光が入射すると、回折光が発生する。回折角度θは、繰り返し構造のピッチ(繰り返し周期)をpとし、回折次数(整数)をmとし、入射する光の波長をλとすると、以下の式101で与えられる。
以下では、図8〜図10を参照しながら、本実施形態に係る拡散板1の製造方法の一例について、簡単に説明する。図8は、同実施形態に係る拡散板の製造方法の流れの一例を示した流れ図である。図9及び図10は、本実施形態に係る拡散板の製造方法について説明するための説明図である。
以下では、図11を参照しながら、本実施形態に係る拡散板1の設計方法の一例について、簡単に説明する。図11は、本実施形態に係る拡散板の設計方法の流れの一例を示した流れ図である。
以上説明したような、本実施形態に係る拡散板の製造方法の具体例を、以下に簡単に記載する。なお、以下に示す具体例は、本発明に係る拡散板の製造方法の一具体例にすぎず、本発明に係る拡散板の製造方法が下記の具体例に限定されるものではない。
次に、本実施形態に係る拡散板1の適用例について、簡単に説明する。
レーザ光のような可干渉性の大きな光に対して用いられる拡散板としては、拡散全角が1度〜30度程度までのような、様々な拡散全角の拡散板が使用される。例えば、入射レーザ光を蛍光体面で均一に広げるという用途では、拡散全角が10度未満である拡散板が用いられ、青色光を利用して蛍光体フィルムと同様の拡散特性を得るための用途や、スペックルを低減するための用途では、拡散全角が10度〜30度程度の拡散板が用いられる。拡散全角が10度〜30度となるような比較的大きな拡散全角を有する拡散板を、マイクロレンズ型の拡散板で実現しようとする場合には、拡散光強度が減衰する角度領域において、拡散光の減衰が急峻ではなくなってしまうという問題があった。
本発明の第2の実施形態に係る拡散板1は、第1の実施形態に係る拡散板1と同様に、基板上に複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズ群が配置された、マイクロレンズアレイ型の拡散板である。かかる拡散板1は、図1に示した第1の実施形態に係る拡散板1と同じく、複数の単位セル3から構成されている。また、単位セル3間では、単位セル3内に設けられた複数のマイクロレンズのレイアウトパターン(配置パターン)が単位セルの配列方向(換言すれば、アレイ配列方向)に連続となっている。
図12は、本実施形態に係る拡散板を構成する単位セルの一部を模式的に示した説明図である。図13Aは、本実施形態に係るマイクロレンズ群における頂点間距離のばらつきを説明するための説明図であり、図13Bは、本実施形態に係るマイクロレンズ群における曲率半径のばらつきを説明するための説明図である。図14は、本実施形態に係る拡散板における減衰幅を説明するための説明図であり、図15A及び図15Bは、頂点間距離及び曲率半径のばらつきと減衰率との関係を示したグラフ図である。図16は、拡散板における拡散全角と減衰率との関係を説明するための説明図である。
ここで、本実施形態に係る単位セル3の透明基板10は、第1の実施形態に係る単位セル3の透明基板10と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものであるため、以下では詳細な説明は省略する。
透明基板10の表面には、第1の実施形態と同様に、複数のマイクロレンズ21からなるマイクロレンズ群20が形成されている。拡散板は、光を拡散させることが本来の使用方法であるため、単位セル3を構成するマイクロレンズ21としては、出射面が全て凹レンズからなることが好ましい。また、本実施形態に係るマイクロレンズ群20においても、各マイクロレンズ21は、曲率半径や頂点間ピッチが同一ではなく、一定の範囲でばらつきを有しているために、焦点距離もまた一定の分布を有している。凹レンズの場合、焦点位置は仮想点となるが、焦点位置では光強度密度が大きくなるため、各マイクロレンズ21の焦点位置は、拡散板1を構成する透明基板10に隣接した領域にあることが好ましい。
(2)各マイクロレンズ21の頂点の平面位置及び高さ位置(換言すれば、凹レンズの深さの最も低い位置)と、マイクロレンズ21間の稜線とは、回折が十分抑圧されるように不規則化されていること。
(3)非拡散透過光を抑圧するため、隣接するマイクロレンズ21間に非レンズ領域が存在しないこと。
(5)マイクロレンズ21の曲率半径が、平均値の±20%の範囲内に含まれること。
(6)頂点間距離の平均値からのばらつき度合いをσpとし、曲率半径の平均値からのばらつき度合いをσRとしたときに、上記式217の関係が成立すること。
本実施形態に係る拡散板1には、その表面及び裏面(換言すれば、マイクロレンズ21の表面、及び、透明基板10のマイクロレンズ群20が配設されていない側の表面)に対して、透過率の増加や反射迷光などの防止を目的として、反射防止層30を形成してもよい。かかる反射防止層30として、第1の実施形態に係る拡散板1における反射防止層30と同様のものを設けることが可能であるため、以下では詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る拡散板において、マイクロレンズ21を配置する手順については、特に限定されるものではなく、例えば、初期的に六角形の各頂点に対応する位置に各マイクロレンズ21の頂点を配置した後、上記(1)〜(5)の条件、より好ましくは上記(1)〜(6)の条件を満たす範囲で、頂点位置をずらすようにしてもよい。また、第1の実施形態で説明した方法と同様にして、初期位置を設けずに、上記(1)〜(5)の条件、より好ましくは上記(1)〜(6)の条件を満たす位置関係を、各種コンピュータを用いて逐次的に求めてもよい。
本実施形態に係る拡散板1は、第1の実施形態に係る拡散板1の製造方法と同様にして製造することが可能である。
次に、本実施形態に係る拡散板1の適用例について、簡単に説明する。
図17(a)に示したように、入射光径が650μmである場合にのみ、他の入射光径(図17(b)、(c)、(d))の場合には見られないような、拡散角(中心角度±1度)の範囲での急激な強度変化が生じていることがわかる。これは、入射光径650μmでは、単位セルサイズ内にほとんどの入射光成分が存在するために、単位セル3によるサブ回折が十分に生じず、メイン回折光がサブ回折光によって分離されることなく出射しているためと考えられる。一方、図17(c)及び図17(d)では、単位セルサイズが入射光径以下となることで、先だって説明したようなサブ回折光が発生し、図17(a)で顕著に観測されたような急激な強度変化が緩和されていることがわかる。
3 単位セル
10 透明基板
20 マイクロレンズ群
21 マイクロレンズ
Claims (23)
- 透明基板の表面に位置するマイクロレンズ群からなるマイクロレンズアレイ型の拡散板であって、
アレイ配列に対して連続である2つ以上の単位セルから構成されており、
前記単位セルは、前記透明基板の表面に位置する複数のマイクロレンズからなり、
互いに隣り合う前記マイクロレンズ間の稜線は、互いに平行ではなく、かつ、前記透明基板に対して平行ではなく、
前記各マイクロレンズを取り囲む複数辺の前記稜線のうち一部の辺の前記稜線に、凸凹形状または半レンズ部が設けられており、
前記半レンズ部は、曲率半径の変化が前記稜線よりも緩やかな領域である、拡散板。 - 前記稜線は光の波長以下の幅を有する線状であり、
前記半レンズ部は、10μm以上の幅を有する非平坦領域である、請求項1に記載の拡散板。 - 前記単位セルを構成する互いに隣り合う前記マイクロレンズの頂点間距離が、平均値の±60%の範囲内に含まれており、かつ、
前記単位セルを構成するそれぞれの前記マイクロレンズの曲率半径が、平均値の±20%の範囲内に含まれている、請求項1又は2に記載の拡散板。 - 前記単位セルの対角線の長さは、3mm以下である、請求項1〜4の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記単位セルの少なくとも一つの辺の長さは、当該単位セルに含まれる前記マイクロレンズの平均ピッチの整数倍である、請求項1〜5の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記単位セルに含まれる前記マイクロレンズは、少なくとも9個以上である、請求項1〜6の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記単位セル内において、互いに隣り合う前記マイクロレンズ間の境界部分は、平坦ではない、請求項1〜7の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記半レンズ部は鞍型である、請求項1〜8の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記マイクロレンズの形状は、多角形である、請求項1〜9の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記マイクロレンズは、凹レンズである、請求項1〜10の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記透明基板は、無機材料からなる、請求項1〜11の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記無機材料は、アルカリ成分含有量が20%以下のケイ素を主成分とするガラスである、請求項12に記載の拡散板。
- 前記マイクロレンズの表面、及び、前記透明基板の前記マイクロレンズ群が配設されていない側の表面に、反射防止層を備える、請求項1〜13の何れか1項に記載の拡散板。
- 前記反射防止層は、Nb2O5とSiO2とからなる多層構造体である、請求項14に記載の拡散板。
- 前記マイクロレンズの表面に設けられる前記反射防止層は、前記マイクロレンズ群の表面に形成された、光の波長以下の大きさの凹凸からなる反射防止構造である、請求項14に記載の拡散板。
- 前記反射防止構造は、前記マイクロレンズの表面内において非等方的に設けられた、凹凸のピッチが300nm以下の構造である、請求項16に記載の拡散板。
- 請求項1〜請求項17の何れか1項に記載の拡散板の設計方法であって、
前記マイクロレンズ群を構成する各マイクロレンズの曲率半径を、前記透明基板とレジストのエッチング選択比の逆数と、レジスト上に現像された曲率半径と、の積に基づき決定する、拡散板の設計方法。 - 請求項1〜請求項17の何れか1項に記載の拡散板の製造方法であって、
透明基板上にレジストを積層する工程と、
透過率分布を有するグレースケールマスクにより、前記レジストを露光する工程と、
現像された前記透明基板を所望のレンズ形状が得られるようにフッ素系ガスを用いてドライエッチングする工程と、
を含む、拡散板の製造方法。 - 前記ドライエッチングする工程では、マイクロレンズ群を構成する各マイクロレンズの曲率半径が、前記透明基板とレジストのエッチング選択比の逆数と、レジスト上に現像された曲率半径と、の積で決まる、請求項19に記載の拡散板の製造方法。
- 請求項1〜17の何れか1項に記載の拡散板を備える、表示装置。
- 請求項1〜17の何れか1項に記載の拡散板を備える、投影装置。
- 請求項1〜17の何れか1項に記載の拡散板を備える、照明装置。
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