TW201636646A - 擴散板 - Google Patents

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Abstract

本發明的擴散板(1)乃係在主面(S1)排列有兩種以上具有透鏡功能的複數個微細構造體(微透鏡(2))而成之所期望擴散角度範圍內的擴散光之強度大致均一的擴散板；該擴散板之特徵為：當令複數個微細構造體的平均間距為P、令複數個微細構造體各者的正面方向的相對亮度的標準偏差為Sk時，P≦200[μm]且Sk≧0.005，且滿足P×P×Sk≦400[μm2]。藉此，能夠提供可獲得亮度不均和色不均少的光學特性及投影出圖像時的良好外觀品質之簡潔構成的擴散板。

Description

擴散板
本發明係有關擴散板。
就抬頭顯示器(head up display)和雷射投影機(laser projector)等的投影幕(screen)而言，係使用以微透鏡陣列(microlens array)構成的擴散板。相較於以半透明板或磨砂玻璃等構成的擴散板，以微透鏡陣列構成係擁有能夠抑制雷射光的散斑雜訊(speckle noise)之優點。
下述之專利文獻1係記載一種圖像形成裝置，具有：雷射投影機，係以雷射光為光源，投影以複數個像素排列形成的影像；及擴散板，係使用由複數個微透鏡排列而成的微透鏡陣列。使用微透鏡陣列時，能夠使入射的光適當地擴散，並且能夠自由地設計所需的擴散角。
下述之專利文獻2、3及非專利文獻1係記載使用兩片微透鏡陣列構成的投影幕。當僅使用一片微透鏡陣列時，容易產生亮度不均和色不均。在專利文獻2、3及非專利文獻1係記載藉由使用兩片微透鏡陣列而能夠抑制該亮度不均之產生。
此外，在專利文獻3係記載藉由排列具不同特性的微透鏡而成的一片微透鏡陣列，而能夠抑制週期性構造致生的繞射光及干涉光所造成的亮度不均之產生。
下述之專利文獻4係記載一種方法，係在微透鏡設置具垂直側面的活塞(piston)形狀(加高部)、或依照預設的機率密度函數令定義微細構造之形狀或位置的參數(parameter)其中至少一個隨機(random)分布，藉此改善微細構造的週期性致生的繞射斑點(spot)所造成的亮度不均和色不均。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本國特開2010-145745號公報
專利文獻2 日本國特開2012-226300號公報
專利文獻3 日本國特表2007-523369號公報
專利文獻4 日本國特表2004-505306號公報
非專利文獻
非專利文獻1 H. Urey and K. D. Powell, “Microlens-array-based exit-pupil expander for full-color displays”, APPLIED OPTICS Vol.44, No.23, p.4930-4936
在專利文獻3並未記載能夠抑制亮度不均之產生的具體的微透鏡的形狀和排列。此外，當為了使色不均和亮度不均變得均一而例如同時對微透鏡的曲率與配置位置等複數個參數給予隨機分布，在將擴散板用於投影幕時，便有例如投影出圖像時顆粒感變得明顯等畫質劣化的問題。
在專利文獻4中，係利用自基板主面起的高度相異的活塞形狀來加高複數個微透鏡，而對複數個微透鏡分別賦予不同的相位差，藉此抑制繞射光及干涉光之產生。此外，藉由使用具有複數種曲率半徑的微透鏡，以期獲得擴散板全體均一的擴散特性。然而，當將該擴散板用於投影幕，則便有例如投影出圖像時所謂的顆粒感變得明顯等圖像的外觀品質劣化的問題。
本發明係為了解決上述問題而研創，目的在於提供能夠獲得亮度不均和色不均少的光學特性及投影出圖像時的良好外觀品質之簡潔構成的擴散板。
本發明的擴散板乃係在主面排列有兩種以上具有透鏡功能的複數個微細構造體而成之所期望擴散角度範圍內的擴散光之強度大致均一的擴散板；其特徵為：當令前述複數個微細構造體的平均間距(pitch)為P、令前述複數個微細構造體各者的正面方向的相對亮度的標準偏差為Sk時，P≦200[μm]且Sk≧0.005，且滿足P×P×Sk≦400[μm2]。
在本發明中，較佳為：在前述所期望擴散角度範圍內的擴散光之強度相對於以正面方向的亮度值進行正規化而得的擴散特性之角度的擴散特性變化曲線(profile)中，觀看成為最大值的一半強度之半值角度的內側時，在前述擴散特性的斜率的絕對值首次成為0.02[a.u./deg]以下之角度和前述擴散特性的斜率的絕對值首次成為極小點之角度其中任一較寬之角度的內側之角度範圍中，前述擴散特性的斜率的絕對值的最大值為0.08[a.u./deg]以下且前述擴散特性的斜率的絕對值的平均值為0.04[a.u./deg]以下。
在本發明中，較佳為：前述複數個微細構造體為微透鏡，前述微透鏡的底面形狀為多邊形。
在本發明中，較佳為：前述複數個微細構造體為微透鏡，前述微透鏡的底面形狀為四邊形或六邊形，前述微透鏡係週期性排列。
在本發明中，較佳為：該擴散板為穿透型的擴散板；前述複數個微細構造體為凸形狀；當令前述複數個微細構造體的凸面的頂點的自前述主面起的最大高度與最小高度之差為ΔH[μm]、令前述微細構造體的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.2≦ΔH×(n-1)×1000/λ
在本發明中，較佳為：該擴散板為穿透型的擴散板； 前述複數個微細構造體為凹形狀；當令前述複數個微細構造體的凹面的頂點的自前述主面起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令前述微細構造體的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.2≦ΔD×(n-1)×1000/λ
在本發明中，較佳為：該擴散板為反射型的擴散板；前述複數個微細構造體為凸形狀；當令前述複數個微細構造體的凸面的頂點的自前述主面起的的最大高度與最小高度之差為ΔH[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.1≦ΔH×1000/λ
在本發明中，較佳為：該擴散板為反射型的擴散板；前述複數個微細構造體為凹形狀；當令前述複數個微細構造體的凹面的頂點的自前述主面起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.1≦ΔD×1000/λ
在本發明中，較佳為：在前述擴散板的主面排列有複數個微透鏡；前述複數個微透鏡的垂直於前述主面之剖面的形狀係彼此不同，並且不具有對稱軸； 當令前述複數個微透鏡的平均間距為P、令各微透鏡的正面方向的相對亮度的標準偏差為Sk時，P≦200[μm]且Sk≧0.005，且滿足P×P×Sk≦400[μm2]。
依據本發明，能夠提供可獲得亮度不均和色不均少的光學特性及投影出圖像時的良好外觀品質之簡潔構成的擴散板。
1‧‧‧擴散板
2‧‧‧微透鏡
3‧‧‧基準微透鏡
4‧‧‧相位調變形狀
第1圖係顯示實施形態1的擴散板的垂直於主面之剖面的剖面輪廓(profile)之圖。
第2圖係顯示實施形態1的擴散板的主面上的形狀之圖。
第3圖係顯示實施形態1的擴散板的製造方法的步驟之流程圖(flow chart)。
第4圖係顯示實施形態1的微透鏡陣列的設計步驟之流程圖。
第5圖係顯示實施形態1的複數個基準微透鏡的剖面輪廓之圖。
第6圖係顯示實施形態1的相位調變形狀的剖面輪廓之圖。
第7圖係顯示實施形態1的擴散板的模具製造步驟之流程圖。
第8圖係顯示實施例1的擴散板之製造所使用的壓模(stamper)的雷射顯微鏡觀察影像之圖。
第9A圖係顯示使用實施例1的擴散板的投影機的透射影像觀察結果之圖。
第9B圖係顯示使用實施例1的擴散板的投影機的透射影像觀察結果之圖。
第9C圖係顯示使用實施例1的擴散板的投影機的透射影像觀察結果之圖。
第10圖係顯示實施例1的擴散板的擴散角度分布特性之圖。
第11圖係顯示實施例1的擴散板的擴散角度分布及其斜率的絕對值之圖。
第12圖係顯示比較例1的擴散板的擴散角度分布及其斜率的絕對值之圖。
第13圖係顯示比較例2的擴散板的擴散角度分布及其斜率的絕對值之圖。
[實施形態1]
以下，參照圖式，針對本發明的實施形態進行說明。
擴散板的形狀
第1圖係顯示本實施形態的擴散板1的垂直於主面S1之剖面的剖面輪廓之圖。如第1圖所示，擴散板1乃係在基板的主面S1排列複數個微透鏡2而成的光擴散板。複數個微透鏡2係在主面S1上排列成格子狀。第1圖的縱軸係代表以基板的主面S1的高度為0時，透鏡形狀的自主面S1起的高度。第1圖的橫軸係代 表平行於主面S1之方向的位置。另外，由複數個微透鏡2構成的微透鏡陣列的光軸係朝向垂直於主面S1之方向。
如第1圖所示，複數個微透鏡2的垂直於主面S1之剖面的形狀係彼此不同，並且不具有對稱軸。複數個微透鏡2各者的剖面的表面形狀係僅由曲線構成。關於複數個微透鏡2的頂點，分別位在垂直於主面S1之方向的不同位置。
此外，在第2圖顯示大小約450μm×480μm的單位區域的微透鏡陣列。藉由在基板的主面S1上鋪滿該單位區域而形成擴散板1。第2圖的縱軸及橫軸係代表主面S1上的座標，且以顏色的差別來表現自主面S1起的高度。在第2圖中，顏色愈接近黑色代表愈靠近主面S1，愈接近白色代表自主面S1起的高度愈高。如第2圖所示，較佳為將複數個微透鏡2以格子狀配置在主面S1上。
在第2圖中係將複數個微透鏡2配置成矩形格子狀，但格子狀之配置並不限於矩形格子，亦可採用正方形格子、正三角形格子、菱形格子、平行四邊形格子等。複數個微透鏡2的底面形狀並不限為正方形或長方形之類的矩形，亦可採用四邊形、六邊形等多邊形。複數個微透鏡2係較佳為週期性排列在主面S1上。
第3圖係顯示擴散板1的製造方法的步驟順序之流程圖。本實施形態的擴散板1的製造方法係具備：設計展現所期望光擴散特性的微透鏡陣列之步驟 (ST100)；製作該微透鏡陣列的模具之步驟(ST200)；及使用模具將微透鏡陣列的形狀轉印於樹脂之步驟(ST300)。
以下，依序說明各步驟。
微透鏡陣列設計步驟
使用第4圖，針對本實施形態的擴散板1之設計中的微透鏡陣列設計步驟(ST100)進行說明。在本實施形態中，係分成基準微透鏡3的形狀(第5圖)與賦予基準微透鏡3相位差的相位調變形狀4(第6圖)進行設計。
首先，決定擴散板1所使用的材料的光學物性(具體而言為折射率)及使用波長以及所需的擴散特性之規格(ST110)。
接著，進行基準微透鏡3的形狀設計(ST120)。基準微透鏡3的形狀係無論球面或非球面皆可，只要為滿足所要求的擴散特性之規格的形狀即可。擴散板1之設計所使用的基準微透鏡3的種類係可為無數種，但較佳為在滿足所需特性的範圍內以較少的種類進行設定。此處，就基準微透鏡3的形狀例而言，在第5圖顯示排列具有四種曲率的球面透鏡而成的微透鏡陣列的剖面輪廓。
在擴散板1中，較佳為複數個微透鏡2為最密充填，因此基準微透鏡3的底面較佳為正方形、長方形或正六邊形等能夠做到最密充填的形狀。但在欲令擴散板1的光學特性具有異方性的情形等時並不以此為限，可任意設定基準微透鏡3的底面形狀及縱橫比。
接著，決定基準微透鏡3的配置(ST130)。具體而言，係決定主面S1上的單位區域中的基準微透鏡3的配置圖案(pattern)和間距。如第5圖所示，可使用複數種相異形狀的微透鏡。此外，如第2圖所示，較佳為將基準微透鏡3以格子狀配置在主面S1上。
藉由週期性地重複單位區域，便能夠填滿所需的圖案區域。藉由將單位區域改為更大的面積並隨機配置複數種單位區域，便能夠有效地改善亮度不均和色不均。此外，藉由重複如上述的單位區域，便能夠抑制加工所需要的資料(data)量，因此亦能夠獲得減輕資料建立的負荷之效果。當然，若加工機側可無礙地處理大量資料，亦可總括地準備整個微透鏡陣列面的資料。
此處，在本實施形態的擴散板1中，微透鏡2的間距及就微透鏡2而設定的透鏡特性的差異程度非常重要。因此，較佳為以滿足下述條件之方式進行透鏡形狀與間距的設計。當間距超過大約200μm時，作為擴散板使用時會看得出圖案。因此，間距P係較佳為以P≦200μm設定。
此外，作為表示具有複數種曲率的微透鏡2的特性之參數，定義各微透鏡2的正面方向的相對亮度的標準偏差Sk。擴散板1的正面方向的相對正面亮度的差異(標準偏差)係較佳為採用0.005≦Sk。此外，較佳為間距P的平方與微透鏡2的相對正面亮度的標準偏差Sk相乘之結果在P×P×Sk≦400[μm2]的範圍內。此外，從擴散板1的外觀不良(顆粒感)的觀點出發的話，該 P×P×Sk之值愈小愈好。較佳為在可接受亮度不均等其他光學特性的範圍內令該P×P×Sk之值降低。
此處，在算出微透鏡2的相對正面亮度的標準偏差Sk時，用於算出的微細構造體群的面積非常重要，採用人眼解析度下限附近的值較適當。因此，就微細構造體群的面積而言，較佳為從0.01mm2(100μm見方)至0.36mm2(600μm見方)的範圍內選擇，更佳為從0.04mm2(200μm見方)至0.25mm2(500μm見方)的範圍內選擇。
藉由以將間距P與正面方向的相對正面亮度的標準偏差Sk抑制在一定範圍內之方式設計微透鏡2的形狀，便能夠獲得外觀品質良好的擴散板。
此處就微透鏡陣列的特性雖係舉相對正面亮度的標準偏差為參數例，但並非一定僅限正面方向的亮度，只要為相當於所需視野角範圍內之角度即可。
此外，雖係從亮度的觀點出發來定義特性，但依據光線追蹤法的概念，其係與微透鏡2各者的特定斜面角度的面積的標準偏差同義。例如可設對正面方向的相對亮度有作用的微透鏡2的斜面角度為0度至0.5度，針對微透鏡2各者算出該面積，選擇方便使用者即可。該面積係除了從設計值算出，亦可從擴散板1使用雷射顯微鏡等而以面積算出。
[與習知技術比較]
作為擴散板1使用的微透鏡陣列有各種可想到的形態。
例如，在由重複配置均一之微透鏡而成的微透鏡陣列所構成的擴散板中，當照射雷射光源或LED(Light-Emitting Diode；發光二極體)光源並觀察透射光，會觀察到相應於間距的繞射斑點產生，故並無法將光均一地擴散，難謂其作為擴散板有充分發揮功能。
此外，例如，在交替排列兩種不同曲率半徑的微透鏡而成的微透鏡陣列中，相較於由均一之微透鏡構成的微透鏡陣列，繞射斑點雖然獲得改善，但因還是有繞射斑點產生，難謂其作為擴散板有充分發揮功能。
有鑒於此，在前述專利文獻4中，係為了減少因繞射造成的繞射斑點和擴散不均，而構成為設有加高部的透鏡、或將具有複數種曲率半徑的透鏡隨機地配置。藉由為了消除繞射斑點而導入的上述設計，使透射光具有廣義而言均一的擴散特性，但目視該擴散光便會明顯感覺到所謂的顆粒感。
例如，使用前述專利文獻4的第40圖記載的微透鏡陣列的設計資料(曲率半徑)進行比較之計算。依據專利文獻4的第40圖，構成微透鏡陣列的微透鏡乃係底面直徑100μm的球面微透鏡，球面的曲率半徑係均勻分布在約100μm至250μm的範圍。
於計算正面亮度差異時，假設有31個透鏡(曲率半徑100μm、105μm、110μm、...、245μm、250μm)。接著，計算相對正面亮度的標準偏差Sk，得到Sk=0.26。依此，得到P×P×Sk=100×100×0.26=2600[μm2]。可知專利文獻4的第40圖記載的微透鏡陣列的設計資料超出了本實施形態的較佳設計範圍。
為了減輕亮度不均和繞射造成的影響，便需要排列具有複數種曲率半徑的微透鏡、或隨機配置微透鏡等將微透鏡陣列的均一性破壞掉的設計。在作為擴散板和投影幕使用時，為了既在微透鏡陣列加入不均一性且亦形成良好的外觀品質，便必須將該不均一性抑制在一個範圍內。
回到第4圖，繼續進行針對擴散板1的設計中的微透鏡陣列設計步驟(ST100)之說明。在ST130後，進行賦予相位差的相位調變形狀4之設計(ST140)。在本實施形態的擴散板1中，關於相位差，係將從微透鏡2透射出的光或被微透鏡2反射的光的光路長之差以波長加以正規化來表示。為了對複數個微透鏡2分別賦予相位差，係在基準微透鏡3的形狀之外另定義相位調變形狀4。相位調變形狀4係例如能夠根據平均間距、高低差等來產生，亦可組合數個正弦波來產生。
在本實施形態中，係在所設定的相位差的範圍內，對複數個微透鏡2利用均勻亂數隨機地設定相位差。首先，針對複數個微透鏡2各者設定以一個數值表示的相位差。於此時的狀態下，在各微透鏡2的邊界乃係相位差不連續的狀態。因此，藉由對構成微透鏡陣列的複數個微透鏡2全體的相位差進行平均化處理，產生相位差連續性變化的三維曲面的相位調變形狀4。在第6圖顯示相位調變形狀4的形狀例。
接著，產生複數個微透鏡2的形狀(ST150)。最終所形成的微透鏡陣列的複數個微透鏡2的 形狀係為相位調變形狀4與複數個基準微透鏡3的形狀合成而成的形狀。亦即，係藉由將如第6圖所示的相位調變形狀4與如第5圖所示的複數個基準微透鏡3的形狀加起來，產生如第1圖所示的微透鏡陣列形狀。
此處，第5圖所示的複數個基準微透鏡3的形狀乃係具有對稱軸的微透鏡。相對於此，第6圖的相位調變形狀4則係不具有對稱軸的連續性變化的三維曲面。故而，在如第1圖所示之將複數個基準微透鏡3與相位調變形狀4加起來而得的微透鏡陣列的垂直於主面S1之剖面中，複數個微透鏡2的剖面形狀係分別形成為不具有對稱軸的非對稱的形狀。
亦即，複數個微透鏡2的剖面之特徵在於分別不同且分別由非對稱的剖面構成。然而，就機率上來說係有可能偶然存在相同的透鏡，故並無否定複數個微透鏡2之中存在相同的微透鏡。此外，亦無否定刻意配置相同的透鏡。相同的微透鏡係若為數個便不會發生什麼嚴重的問題。然而，例如，當將相同的透鏡配置達到超過微透鏡陣列中複數個微透鏡2全體個數的10%之個數，便會對亮度不均等特性產生影響，故不宜。
使用複數個微透鏡2具有非對稱剖面的微透鏡陣列構成的擴散板1的光學特性係能夠從以純量(scalar)理論為基礎的波動光學計算來求出。由於最佳之相位調變形狀4與微透鏡陣列之設計存在大量的組合，故較佳為以電腦(computer)來探索最佳的組合。
複數個微透鏡的相位差
針對使用微透鏡陣列構成的穿透型擴散板具體地進行說明。首先，如第6圖所示，相位調變形狀4的特徵為形狀連續性地變化。自相位調變形狀4的主面S1起的高低差為分別賦予給複數個微透鏡2的相位差。
在本實施形態的擴散板1中，係藉由令各微透鏡2形成相位差來謀求因繞射致生的亮度不均和色不均之改善。針對擴散板1為穿透型的擴散板、複數個微透鏡2為凸透鏡的情形進行思考。複數個微透鏡2的相位差乃係將相位調變形狀4與基準微透鏡3的形狀加起來而得，令複數個微透鏡2的頂點的最大高低差為ΔH[μm]。此處，當令構成微透鏡陣列的材料的折射率為n、令所使用的光源的波長為λ[nm]，則與最大高低差ΔH對應的相位差係表示為1000×ΔH×(n-1)/λ。
要產生亮度不均和色不均的改善效果，複數個微透鏡2的相位差係必須設定為0.2以上，更佳為設定為0.5以上。此處，當光源是由複數種波長構成時，係只要以所使用的波長之中最長之波長為代表進行計算即可。
亦即，當令複數個微透鏡2的凸部的頂點的自主面S1起的最大高度與最小高度之差(最大高低差)為ΔH[μm]、令微透鏡2的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，較佳為滿足下述關係：0.2≦ΔH×(n-1)×1000/λ
更佳為滿足下述關係：0.5≦ΔH×(n-1)×1000/λ
至此係以穿透型的凸透鏡為例進行說明，但針對擴散板1為穿透型的擴散板、複數個微透鏡2為凹透鏡的情形進行思考。當為穿透型的凹透鏡時，係只要將ΔH替換成複數個微透鏡2的凹面的自主面S1起的最大深度與最小深度之差ΔD[μm]來進行思考即可。
亦即，當令複數個微透鏡2的凹面的頂點的自主面S1起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令微透鏡2的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，較佳為滿足下述關係：0.2≦ΔD×(n-1)×1000/λ
更佳為滿足下述關係：0.5≦ΔD×(n-1)×1000/λ
針對擴散板1為反射型擴散板、複數個微透鏡2為凸透鏡的情形進行思考。另外，當為反射型擴散板時，形成在表面的擴散圖案並不透光，因此嚴格來說並非透鏡，但在本說明書中係針對透鏡狀的凹凸形狀皆稱為「微透鏡」來進行說明。
入射光係被複數個微透鏡2的凸部的頂點的高度擁有分布的微透鏡陣列的表面反射，藉此使光路差產生，而使複數個微透鏡2各者間產生相位差。此時與複數個微透鏡2的凸部的頂點的自主面S1起的最大高度與最小高度之差ΔH對應的相位差係表示為1000×2ΔH/λ。
要產生亮度不均和色不均的改善效果，係同穿透型的情形，相位差係必須設定為0.2以上，更佳為設定為0.5以上。
亦即，當令複數個微透鏡2的凸面的頂點的自主面S1起的最大高度與最小高度之差為ΔH[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，較佳為滿足下述關係：0.1≦ΔH×1000/λ
更佳為滿足下述關係：0.25≦ΔH×1000/λ
針對擴散板1為反射型擴散板、複數個微透鏡2為凹透鏡的情形進行思考。當為反射型且使用凹透鏡時，只要將ΔH替換成複數個微透鏡2的凹部的自主面S1起的最大深度與最小深度之差ΔD來進行思考即可，此點係亦與穿透型且使用凹透鏡的情形相同。
當令複數個微透鏡2的凹面的頂點的自主面S1起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，較佳為滿足下述關係：0.1≦ΔD×1000/λ
更佳為滿足下述關係：0.25≦ΔD×1000/λ
關於微透鏡陣列的最大高低差ΔH的設定方法，係可採以微透鏡陣列的整個圖案區域進行設定，亦可採在某單位區域中訂定最大高低差ΔH而週期性或隨機地重複。
關於從設計資料對微透鏡陣列進行加工的方法，係能夠使用機械加工、使用遮罩(mask)的光微影法(photolithography)、無遮罩微影法(maskless lithography)、蝕刻(etching)、雷射剝蝕(laser ablation)等諸多加工方法。使用上述技術製造模具，再使用模具成形樹脂，藉此製造由微透鏡陣列構成的擴散板1。亦可直接將模具作為反射型的擴散板使用。擴散板1的成形方法係只要從滾壓(Roll to Roll)成形、熱壓成形、使用紫外線硬化性樹脂之成形、射出成形等眾多成形方法之中適當選擇即可。當作為反射型的擴散板使用時，係只要在微透鏡陣列的具有曲率的透鏡面成膜Al反射膜等反射膜來使用即可。
模具製造步驟及成形步驟
以下，針對藉由雷射掃描式無遮罩微影法與電鑄來製作模具的模具製作步驟(ST200)、及藉由該模具與使用紫外線硬化性樹脂之成形來成形擴散板1的樹脂成形步驟(ST300)，參照第3圖及第7圖進一步詳細說明。
無遮罩微影法係由下述步驟組成：阻劑(resist)塗布步驟(ST210)，係在基板上塗布光阻(photo resist)；曝光步驟(ST220)，係對光阻曝光微細圖案；及顯影步驟(ST230)，係對曝光後的光阻進行顯影而獲得具有微細圖案的母模。
首先，在阻劑塗布步驟(ST210)中，係在基板上塗布正型光阻。光阻的塗布膜的膜厚係只要為所 欲形成的微細圖案的高度以上之厚度即可。較佳為對塗布膜施行70℃至110℃的烘烤(baking)處理。
接著，在曝光步驟(ST220)中，係對塗布步驟所塗布的光阻掃描照射雷射光束(laser beam)，藉此對光阻進行曝光。雷射光束的波長係只要相應於光阻的種類來選定即可，例如能夠選擇351nm、364nm、458nm、488nm(Ar+雷射的振盪波長)、351nm、406nm、413nm(Kr+雷射的振盪波長)、352nm、442nm(He-Cd雷射的振盪波長)、355nm、473nm(半導體激發固體雷射的脈衝(pulse)振盪波長)、375nm、405nm、445nm、488nm(半導體雷射)等。
在微透鏡2的曝光步驟(ST220)中，係一邊令雷射功率(laser power)調變成從微透鏡2形狀與阻劑感度決定的值，一邊令雷射光束在阻劑上掃描。藉由以接物透鏡聚光，使雷射光聚焦在阻劑上。一般而言，阻劑上的雷射光點(laser spot)乃係具有有限之直徑的高斯分布(Gaussian distribution)。因此，就算令雷射功率呈階梯狀變化，曝光在阻劑的光量分布也不會形成階梯狀，而是形成具一定之斜率的光量分布。藉由利用雷射曝光的上述性質，便能夠建立平滑的斜面形狀。
為了擴大一微透鏡2與相鄰接的微透鏡2之相位差(相當於自主面S1起的透鏡高度之差)，係只要在擴大曝光步驟中照射至相鄰接的微透鏡2的雷射功率之差即可。但若是過度擴大雷射功率之差，則相鄰接的微透鏡2的邊界附近的透鏡形狀，偏離設計值的區域便 會增加。因此，為了獲得與光學設計結果相同的擴散角度分布，係較佳為將相鄰接的微透鏡2之間的高度之差限縮在一定範圍內。
在本實施形態中，微透鏡陣列的最大高低差ΔH乃係將相位調變形狀4的最大高低差與因複數個基準微透鏡3各者的形狀差所形成的高低差加起來而得。只要將前述以波長進行正規化而得的相位差設定為1，複數個微透鏡2之間的相位差的平均便成為0.5。藉此，成為擴散板1上的複數個微透鏡2平均具有1/2波長的相位差，而能夠抑制繞射光，故較佳。
接著，在顯影步驟(ST230)中，係對曝光後的光阻進行顯影。光阻之顯影係能夠藉由各種公知方法實施。並無特別限制能使用的顯影液，例如，能夠使用四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide；TMAH)等鹼性(alkaline)顯影液。此外，在顯影步驟(ST230)中，光阻係相應於曝光量被去除，形成光阻的微細圖案形狀。例如，在曝光步驟(ST220)中，當係使用正型阻劑、以與凹透鏡之形狀相應的雷射功率進行曝光時，係獲得在光阻形成有凹透鏡形狀而成之微透鏡2的母模。
接著，在電鑄步驟(ST240)中，係在藉由無遮罩微影法的曝光步驟及顯影步驟而形成的具有微細圖案之光阻表面，藉由鎳金屬的蒸鍍等而形成金屬膜，藉此製作模具。
在電鑄步驟(ST240)中，首先，係藉由鎳金屬的蒸鍍等而對具有微細圖案的光阻表面施行導電化處理。接著，藉由電鑄，在鎳蒸鍍膜表面令鎳堆積成所期望厚度之板狀。
接著，在剝離步驟(ST250)中，將以電鑄步驟(ST240)形成的鎳板從光阻母模剝離，便獲得形成有反轉印有光阻上的凹透鏡形狀而成之凸透鏡形狀的模具(壓模)。需要凹透鏡形狀時係只要再進行一次電鑄步驟即可。
接著，在樹脂成形步驟(ST300)中，係使用藉由模具製造步驟(ST200)形成的壓模來成形樹脂。
更具體而言，首先，在壓模的表面，例如適量塗布光硬化樹脂。接著，在光硬化樹脂上覆蓋基材。具體而言，係一邊以手動滾輪(hand roller)將基材壓貼於光硬化樹脂，一邊將多餘的光硬化樹脂推出，一邊令基材覆蓋在光硬化樹脂上。接著，從基材側照射紫外線，使光硬化樹脂硬化。另外，基材係使用能夠讓紫外線等光穿透的材質。接著，將基材從壓模剝離。從壓模剝離下來的基材上係形成有光硬化樹脂的層。此外，在光硬化樹脂的層係反轉印有壓模的構造。
在將微透鏡陣列作為反射型的擴散板1的情形中，係例如只要令鋁反射膜真空蒸鍍在形成有微透鏡陣列的構件的表面，藉由鋁面使入射光反射即可。此外，在僅基板的單面形成有微透鏡陣列的構件的情形中，係亦可構成為令光從基板的平面側入光、以成膜有鋁反射膜的微透鏡陣列面反射光。
另一方面，光從未形成有反射膜的微透鏡陣列面入射、以形成有反射膜的平面側使光反射之構成亦能夠作為擴散板1利用。此外，構成為兩面皆成形有微透鏡陣列的基板、調整入射側的反射膜的膜厚成為半鏡(half mirror)、背面側的膜厚係以使反射率成為幾乎100%之方式調整，藉此，便亦能夠構成為由表背兩面的兩個微透鏡陣列構成的擴散板。此外，視需要，亦可為了保護鋁反射膜而塗覆(coat)保護層。
在本發明的擴散板1中，係對複數個微透鏡2分別賦予相位差，且將賦予該相位差的相位調變形狀4形成為連續性的形狀，藉此，複數個微透鏡2係在垂直於基板的主面S1之剖面中不具有如一般透鏡的旋轉對稱軸和如環形透鏡(toroidal lens)的對稱軸，而是具有非對稱剖面。
由具有非對稱剖面的複數個微透鏡2構成的微透鏡陣列，其相鄰接的微透鏡2間係平滑地連接著。藉由減少相鄰接的微透鏡2間的連接部分的散射光，便能夠使擴散板1的外觀品質提升。此外，由於對複數個微透鏡2分別賦予相位差，因此當微透鏡2的間距縮窄至數百μm以下時，能夠使繞射及干涉所造成的亮度不均和色不均減少。藉此，能夠提供亮度不均和色不均少的光學特性及良好外觀品質同時兼顧到的擴散板。
[實施例]
以下，根據本實施形態的擴散板1的實施例，進一步詳細說明本發明。
本實施例的擴散板1係如同前述，將主面S1上的由複數個微透鏡2構成的微透鏡陣列分成相位調變形狀4與複數個基準微透鏡3進行設計。
相位調變形狀4係以整個微透鏡陣列進行設定。在相位調變形狀4中，賦予相位差之用的自主面S1起的最大高低差係設為ΔH=1.5μm。在主面S1上，設定與複數個微透鏡2各者位置對應之令均勻亂數產生而賦予相位差之用的加高高度(加高部)。然而，只是就複數個微透鏡2的每一個設定不同的加高高度會使相鄰接的微透鏡2間的相位差變得不連續。因此，將對複數個微透鏡2分別設定的加高高度進行移動平均處理，藉此產生連續的相位調變形狀4。第6圖顯示擷取出的所設計的相位調變形狀4的一部分。
接著，針對基準微透鏡3的形狀進行說明。基準微透鏡3的透鏡形狀係亦可使用一般的旋轉對稱形狀，此時，基準微透鏡3的剖面係以下述式(1)表示。式中，C為曲率[1/μm]，K為圓錐常數，r為自中心軸起的距離，z為以中心軸與透鏡面之交點為基準的弛垂(sag)量。曲率C係使用曲率半徑R而表示為C=1/R。
本實施例的擴散板1所使用的基準微透鏡3的剖面形狀係以下述式(2)表示。此處，基準微透鏡3乃係具有長方形底面的複曲面透鏡，在X方向及Y方向 分別定義有曲率。式中，以透鏡的中心軸為原點，rx為自中心軸起的X方向的距離，ry為自中心軸起的Y方向的距離，Cx為X方向(XZ平面)的曲率[1/μm]，Cy為Y方向的曲率[1/μm]，(XZ平面)的Kx為X方向(XZ平面)的圓錐常數，Ky為Y方向(YZ平面)的圓錐常數。
在本實施例的擴散板1中，複數個微透鏡2的間距係固定為Px=30μm、Py=32μm。複數個基準微透鏡3係在X方向具有4種曲率半徑、在Y方向具有3種曲率半徑。在本實施例的擴散板1中，係利用均勻亂數，將由X方向及Y方向的曲率半徑組合出的合計12種基準微透鏡3隨機選擇配置至主面S1上。
在基準微透鏡3中，關於X方向的曲率半徑Rx[μm]，係採用球面透鏡(Kx=0)，設定曲率半徑Rx[μm]=62.8、64.0、61.9、63.9。關於Y方向的曲率半徑Ry[μm]，係採用非球面透鏡(Ky=-0.45)，設定曲率半徑Ry[μm]=29.0、31.5、28.0。此外，全部的基準微透鏡3係將最低部分的高度採用基準高度。
作為本實施例的擴散板1的微透鏡陣列的特性，利用光線追蹤法的概念而簡易地將複數個微透鏡2的相對正面亮度的標準偏差(Sk)定義如下。
透鏡形狀Z係為X、Y方向各者的剖面形狀之和，因此同數式(2)，表示如下述數式(3)。
Z(rx,ry)=Zx(rx)+Zy(ry)...(3)
此處，鎖定某一微透鏡2，X方向的剖面形狀Zx與斜面斜率dZx/dx係表示為下述數式(4)及(5)。
Zx(rx)=-Cx×rx^2/(1+sqrt(1-(Kx+1)×Cx^2×rx^2)...(4)
dZx(rx)/dx=-Cx×rx/sqrt(1-(Kx+1)×Cx^2×rx^2)...(5)
此處，定義對正面方向有作用的斜面角度θ[deg]的值，令其斜率為Ax，則斜率Ax便能夠表示如下。
Ax=tanθ=dZx(rx)/dx...(6)
接著，依數式(5)及(6)，令rx=Rx，在X方向剖面且斜面角度θdeg的位置Rx係以下述數式(7)表示。
Rx=Ax/(Cx×sqrt(1+Ax^2×(1+Kx))...(7)
同樣計算Ry，能夠以下述數式(8)計算從斜面角度0deg至θdeg為止的面積S。
S=Rx×Ry...(8)
此處，依據光線追蹤法的概念，面積S係與亮度呈比例關係，故透鏡的正面亮度I係為I=αS(α為任意係數)。
此處，若令微透鏡陣列設計中所處理的1至n個各透鏡的正面亮度為I1至In，使用In的平均值Avg(I1至In)，便能夠以下述數式(9)計算各透鏡中相對於平均正面亮度的相對正面亮度in[%]。
in=In/Avg(I1至In)...(9)
從各透鏡的相對正面亮度in，以下述數式(10)定義微透鏡陣列的相對正面亮度的標準偏差Sk。
Sk=stdev(i1至in)...(10)
在本實施例中，就對正面方向亮度有助益的透鏡斜面角度而言係設θ=0.5[度]。在計算區域約0.23μm2(480μm見方；透鏡數：16×15=240個；Px=30μm、Py=32μm)的前述光學設計中，Sk=0.051。依此，P×P×Sk=30×32×0.051≒49[μm2]。
微透鏡陣列的複數個微透鏡2的形狀係為將相位調變形狀4與複數個基準微透鏡3的形狀加起來而得。此處，構成微透鏡陣列的複數個微透鏡2的形狀乃係將複數個具有對稱軸的基準微透鏡3與不具有對稱軸和對稱點的相位調變形狀4疊加而成之形狀。因此，構成微透鏡陣列的複數個微透鏡2係成為分別具有非對稱剖面。
根據上述內容設計了擴散板1表面的約60mm×80mm的微透鏡陣列區域全體(ST100)。使用該設計資料，經前述的模具製作步驟(ST200)，製得形成有具有複數個凸透鏡的微透鏡陣列形狀之壓模。第8圖顯示以共軛焦雷射顯微鏡觀察該壓模的透鏡形狀之觀察影像。在第8圖係能夠確認形成有配設相位差的複數個凸透鏡形狀。
接著，使用第8圖所示的壓模，進行使用光硬化樹脂之成形。使用厚度0.3mm的聚碳酸酯膜(polycarbonate flim)作為基材，將折射率1.52的丙烯酸 (acrylic)系光硬化樹脂注入壓模與基材之間進行成形，藉此而製得擴散板1。
第9A圖至第9C圖乃係對藉由成形而製得的本實施例的擴散板1，以使用LED光源的投影機投影白圖像，將以凹面鏡反射透射光而成之像以玻璃(glass)面再次反射，以數位相機(digital camera)拍攝得的結果。第9A圖乃係對本實施例的擴散板1投影圖像的結果。
第9B圖乃係對比較例1的擴散板投影圖像的結果。比較例1的擴散板係使用與本實施例相同的設計手法設計。關於比較例1的擴散板，係X方向間距30μm，採用球面透鏡(Kx=0)而曲率半徑Rx[μm]設為52.9、58.5、69.8、77.4；Y方向間距32μm，採用非球面透鏡(Ky=-0.45)而曲率半徑Ry[μm]設為28.2、31.2、34.6。微透鏡陣列的相對正面亮度的標準偏差為Sk=0.178，P×P×Sk≒171[μm2]。
第9C圖乃係對比較例2的擴散板投影圖像的結果。比較例2的擴散板係使用與本實施例相同的設計手法設計。關於比較例2的擴散板，係X方向間距60μm，採用球面透鏡(Kx=0)而曲率半徑Rx[μm]設為135.3、170.8、162.5、136.2；Y方向間距60μm，採用非球面透鏡(Ky=-0.45)而曲率半徑Ry[μm]設為58.5、57.9、65.8。微透鏡陣列的相對正面亮度的標準偏差為Sk=0.131，P×P×Sk≒472[μm2](總透鏡個數64個時的計算值)。
依上述結果，P×P×Sk小者，其圖像的顆粒感較輕微，有良好的畫質。另一方面，當超過400[μm2]時，顆粒感明顯，無法使用在要求高外觀品質的擴散板和投影幕。
[加上擴散特性均一的條件]
擴散特性的測量係使用亮度計(TOPCON TECHNOHOUSE公司製的BM-7)、測角平台(gonio stage)、及白色LED平行光源(Opto Engineering公司製的LTCL23)進行。
首先，將光源設置在測角平台上，令亮度計在離光源500mm的位置相對向。接著，將擴散板設置在離光源10mm的位置，測量擴散特性(各角度的亮度值)。光源的光係相對於擴散板的圖案面垂直入射。此外，設亮度計的測定角為0.2度，將測角平台以1度的單位移動，在所需的角度範圍內進行量測。本次量測係在±30度的範圍內量測。
第10圖顯示本實施例的擴散板1的擴散特性的量測結果。在第10圖中，H方向代表擴散板1的水平方向，V方向代表擴散板1的垂直方向。此處，選擇半值全角相對較寬的H方向的特性變化曲線，使用正面亮度的值進行正規化，據之計算進行正規化而得的H方向的特性變化曲線的斜率的絕對值，第11圖顯示計算結果。
接著，在第11圖所示之以正面方向的亮度值進行正規化而得的擴散特性中，分別從特性變化曲 線的兩側觀看，對為擴散特性的斜率的絕對值成為最大時之角度的內側之角度且首次擴散特性的斜率的絕對值首次成為0.02[a.u./deg]以下之角度或擴散特性的斜率的絕對值成為接近0的極小點之角度的內側之範圍，計算擴散特性的斜率的絕對值的最大值及平均值。在本實施例中，擴散特性的斜率的絕對值的最大值為0.026[a.u./deg]，擴散特性的斜率的絕對值的該範圍內的平均值為0.0010[a.u./deg]。依此可知，擴散特性夠均一，且就外觀品質而言，顆粒感亦獲得了改善。
[習知技術的比較例]
接著亦針對習知技術的擴散特性的均一性進行了測量。首先，製作出具有將如下規格的微透鏡最密充填(透鏡間無空間(space))而成的微透鏡陣列之壓模：透鏡底面為正六邊形、透鏡寬度20μm(最長對角為23μm)、透鏡剖面具有球面形狀、曲率半徑約20μm。
第12圖顯示使用上述壓模所成形的擴散板的擴散特性的測量結果。在均一之微透鏡陣列的情形中，前述的相對正面亮度的標準偏差Sk為0。然而，已知在重複相同微透鏡而成的微透鏡陣列的情形中，係因繞射斑點使擴散特性產生嚴重的不均。因此，在由相同微透鏡構成的微透鏡陣列的情形中，係因亮度不均而難以作為擴散板。
接著製作出具有前述專利文獻4所示之具有在微透鏡設有加高部而成的微透鏡陣列之壓模。微透鏡形狀和排列係構成為與第12圖所示相同。由於為藉由 加高部而加高的微透鏡陣列，故此微透鏡陣列同樣是各微透鏡的標準偏差Sk為0。
第13圖顯示從本壓模製作出的擴散板的擴散特性。相較於第12圖的由相同微透鏡構成的微透鏡陣列，因繞射斑點產生的亮度不均獲得了抑制。然而，關於擴散特性的均一性，擴散特性的斜率的絕對值的平均值為0.042[a.u./deg]、擴散特性的斜率的最大值為0.084[a.u./deg]，並不均一且亮度不均嚴重，無法作為擴散板使用。
另外，本發明並不受上述實施形態所限定，在不脫離本發明主旨的範圍內，當能夠適當進行變更。例如，排列在擴散板1上的微透鏡2並不限於穿透型的透鏡。在反射型的擴散板1的主面S1上係亦可由具有與微透鏡2相同凹凸形狀的光擴散圖案，與微透鏡2相同地形成為格子狀。
此外，在擴散板1上係亦可改配置具有透鏡功能的複數個微細構造體來取代複數個微透鏡2。所謂的具有透鏡功能的微細構造體，係例如可為藉由次波長的微細構造形成折射率分布而使光折射者。
本專利申請案係主張以2015年3月12日向日本國特許廳提出的特願2015-049208申請案為基礎的優先權，並將其所有揭示內容納入本說明書中。
1‧‧‧擴散板
2‧‧‧微透鏡
S1‧‧‧主面

Claims (9)

  1. 一種擴散板，係在主面排列有兩種以上具有透鏡功能的複數個微細構造體而成之所期望擴散角度範圍內的擴散光之強度大致均一的擴散板；該擴散板之特徵為：當令前述複數個微細構造體的平均間距為P、令前述複數個微細構造體各者的正面方向的相對亮度的標準偏差為Sk時，P≦200[μm]且Sk≧0.005，且滿足P×P×Sk≦400[μm2]。
  2. 如請求項1之擴散板，其中在前述所期望擴散角度範圍內的擴散光之強度相對於以正面方向的亮度值進行正規化而得的擴散特性之角度的擴散特性變化曲線中，觀看成為最大值的一半強度之半值角度的內側時，在前述擴散特性的斜率的絕對值首次成為0.02[a.u./deg]以下之角度和前述擴散特性的斜率的絕對值首次成為極小點之角度其中任一較寬之角度的內側之角度範圍中，前述擴散特性的斜率的絕對值的最大值為0.08[a.u./deg]以下且前述擴散特性的斜率的絕對值的平均值為0.04[a.u./deg]以下。
  3. 如請求項1或2之擴散板，其中前述複數個微細構造體為微透鏡，前述微透鏡的底面形狀為多邊形。
  4. 如請求項1或2之擴散板，其中前述複數個微細構造體為微透鏡，前述微透鏡的底面形狀為四邊形或六邊形，前述微透鏡係週期性排列。
  5. 如請求項1或2之擴散板，其中該擴散板為穿透型的擴散板； 前述複數個微細構造體為凸形狀；當令前述複數個微細構造體的凸面的頂點的自前述主面起的最大高度與最小高度之差為ΔH[μm]、令前述微細構造體的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.2≦ΔH×(n-1)×1000/λ。
  6. 如請求項1或2之擴散板，其中該擴散板為穿透型的擴散板；前述複數個微細構造體為凹形狀；當令前述複數個微細構造體的凹面的頂點的自前述主面起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令前述微細構造體的折射率為n、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.2≦ΔD×(n-1)×1000/λ。
  7. 如請求項1或2之擴散板，其中該擴散板為反射型的擴散板；前述複數個微細構造體為凸形狀；當令前述複數個微細構造體的凸面的頂點的自前述主面起的的最大高度與最小高度之差為ΔH[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.1≦ΔH×1000/λ。
  8. 如請求項1或2之擴散板，其中該擴散板為反射型的擴散板；前述複數個微細構造體為凹形狀； 當令前述複數個微細構造體的凹面的頂點的自前述主面起的最大深度與最小深度之差為ΔD[μm]、令入射光的波長為λ[nm]時，滿足下述關係：0.1≦ΔD×1000/λ。
  9. 如請求項5之擴散板，其中在前述擴散板的主面排列有複數個微透鏡；前述複數個微透鏡的垂直於前述主面之剖面的形狀係彼此不同，並且不具有對稱軸；當令前述複數個微透鏡的平均間距為P、令各微透鏡的正面方向的相對亮度的標準偏差為Sk時，P≦200[μm]且Sk≧0.005，且滿足P×P×Sk≦400[μm2]。
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