TW202024675A - 放射角度轉換元件 - Google Patents

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Abstract

一種放射角度轉換元件，其係包含：呈二維排列的複數微透鏡。而鄰接此等微透鏡間的接合部係具有曲面形狀。

Description

放射角度轉換元件
本發明係有關於一種轉換入射光束之放射角度的放射角度轉換元件。
使入射光散射(或角度轉換)於各種方向的放射角度轉換元件，被使用於顯示器的顯示裝置或螢幕等，更進一步在獲得均勻照明強度之目的下，廣泛被利用於照明裝置等多種多樣的裝置。一般來說加寬從光源所射出的光的放射角度之情況較多。
近年，針對光放射角度或每個角度的強度分佈、或擴散光投影時的面內強度均勻化等，有要求更高高度性能的趨勢。例如針對從陣列狀面發光型雷射(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，依既定發散角所放射的光，有欲使其擴散於更廣角度範圍，且使其擴散角度具有非等向性的需求。
使光擴散或轉換角度的元件有幾種。已知的例如 ：在平板內部分散微小空間、或分散微粒子者(例如半透明樹脂板)；在基材表面上隨機加上微小凹凸者(例如表面利用蝕刻等使其粗糙的玻璃)；對基材表面施行加工設計而形成凹凸者(例如繞射式元件)；以及在基材表面上排列多個透鏡者(例如微透鏡陣列)等。
此等之中，使用微透鏡陣列的放射角度轉換元件，因為穿透率高、且容易控制擴散角度，所以採用於要求高度擴散性能的情況(例如參照專利文獻1、2)。
[專利文獻1]日本專利特開2009-42772號公報
[專利文獻2]日本專利特開2017-9669號公報
在使用微透鏡陣列的放射角度轉換元件中，各個微透鏡偏離設計值、或在透鏡邊緣生成的雜散光(無法控制的光)經常會對擴散光造成不良影響。例如將光投影於平坦的螢幕時，會出現不必要的線條或亮點。
為解決這種問題，有幾種方法被提出。被提出的方法例如：使透鏡間之面粗糙、使透鏡接合部的稜線尖銳、極力抑制散射等。此等方法雖就抑制雜散光、實現良好擴散性能而言係屬有效，但另一方面，在製造時的難易度提高，會有良率降低的可能性。即，一般使用微透鏡陣列的放射角度轉換元件，係利用樹脂的射出成形或二片式成形(壓模法：在像平行平板一樣的基板上，利用不同於基板的材質成形元件的方法)、或者使原料流入於模具中硬化(澆鑄法)等進行製作，但不管何種方法均係在成形後從模具上剝離的作業時，粗糙的面或尖銳的稜線等會成為脫模的障礙，容易導致脫模不良。
本發明係有鑑於這種狀況而構思，其目的在於提供一種可良率高地製造具有均勻性高之良好光擴散性能的放射角度轉換元件。
為解決上述課題，本發明之一種態樣的放射角度轉換元件，其係一種放射角度轉換元件，其係包含：呈二維排列之複數微透鏡；而鄰接此等微透鏡間的接合部係具有曲面形狀。
將接合部的曲面之曲率半徑設為r、微透鏡的外徑設為D時，r/D的值亦可在0.002以上且0.03以下的範圍。r/D的值進一步地亦可在0.005以上且0.018以下的範圍。
接合部的曲面之曲率半徑，亦可為曲面之近似球面的半徑。
微透鏡係矩形透鏡，且微透鏡的外徑D亦可為矩形透鏡的外接圓直徑。
另外，以上構成要件的任意組合、將本發明的表現在方法、裝置、系統、等之間轉換者，均屬於本發明的有效態樣。
根據本發明可提供一種可良率高地製造具有均勻性高之良好光擴散性能的放射角度轉換元件。
以下，針對本發明之實施形態的一種放射角度轉換元件進行說明。各圖式所示的相同或同等的構成要件、構件、處理，均賦予相同的符號，並適當省略重複說明。又，實施形態並非限定發明而是示例，實施形態所記載的所有特徵或其組合，不一定是發明的本質。
圖1係用來說明本實施形態的一種放射角度轉換元件10的一實施形態的平面圖。放射角度轉換元件10係在透明基板11上由複數微透鏡12呈二維排列的微透鏡陣列，擴大從光源所入射的光的放射角度。光源的種類並無特別的限定，例如除了面發光雷射(VCSEL)之外，尚亦可使用：法布里-派洛(Fabry-Perot)式半導體雷射或發光二極體(LED)、YAG等固態雷射、準分子雷射等氣體雷射、或金屬鹵素燈等放電燈。
圖2係本實施形態的一種放射角度轉換元件10的局部的立體示意圖。如圖2所示，在透明基板11其一面之第1主面11a上，由複數微透鏡12呈正方排列。基板11另一面之第2主面11b則呈平面狀。將放射角度轉換元件10使用為光擴散元件時，設有微透鏡12的第1主面11a便成為光入射面，而平面上的第2主面11b則成為光出射面。
本實施形態中，各個微透鏡12係外形呈矩形狀的透鏡，各微透鏡12係以鄰接方式呈稠密配置。除此之外，為了稠密配置於平面上，亦可採用具有三角形、平行四邊形、六角形等各種透鏡外形的微透鏡12。微透鏡12的形狀(透鏡面的曲率或透鏡外形)係可配合放射角度轉換元件之目的或功能再行任意變更，微透鏡12例如亦可為外形呈圓形狀的透鏡。又，微透鏡12的二維排列方法並不僅侷限於像本實施形態一樣的正方排列，例如亦可為六方排列。極端例亦可為呈隨機配置的稠密透鏡。
本實施形態的微透鏡12係包含至少一個凸形狀曲面的凸透鏡，亦可為包含凹形狀曲面的凹透鏡，更亦可由凸透鏡與凹透鏡混雜。本實施形態中，微透鏡12的尺寸係全部相同，但亦可由不同尺寸的微透鏡混雜。又，本實施形態中，微透鏡12係具有透鏡曲率不會隨方向變化之中心對稱性的形狀，但透鏡曲率亦可隨方向而變化。
形成微透鏡12陣列的材料，係在預定使用的波長中具有充分高穿透率之前提下，其餘並無特別的限定，例如亦可為樹脂等有機材料、玻璃、無機材料、或由樹脂與無機材料所複合化者等。
微透鏡12陣列的製造方法係以2P成形法為示例，惟並不僅侷限於此，例如亦可為射出成形或澆鑄法等使用模具的製造方法。或者，亦可為利用蝕刻的製造方法。此處所謂「2P(two-piece)成形法」，係指使複數構件呈一體化而製作功能性零件，例如在剛性玻璃製基板等的至少單側之面上，形成由具有像微透鏡陣列等功能性的樹脂等所構成的層，複合擁有的優點是：剛性等功能、成形容易性等功能、發揮既定光學作用之功能。
圖3(a)~(c)係圖1所示的放射角度轉換元件10的斷面示意圖。圖3(a)係圖1所示的放射角度轉換元件10的A-A線斷面示意圖。圖3(b)係圖1所示的放射角度轉換元件10的B-B線斷面示意圖。圖3(c)係圖1所示的放射角度轉換元件10的C-C線斷面示意圖。
如圖3(a)~(c)所示，從微透鏡12頂部至谷部的深度，在C-C線斷面為最深，在B-B線斷面為最淺。任一斷面均在微透鏡12的接合部14具有尖銳谷部，特別是在C-C線斷面為最尖銳的谷底。所謂「微透鏡12之接合部14」係指鄰接微透鏡12間的部分。接合部14附近的形狀係在轉換放射角度時成為決定最大放射角度的重要部分，必需是具有既定傾斜角的透鏡面，若此部分的傾斜緩和，會有無法獲得目的光學性能的可能性。
另一方面，在製造放射角度轉換元件10時，尖銳的谷部容易成為成形不良的原因。例如像本實施形態一樣由凸形狀微透鏡12呈二維排列的微透鏡陣列，利用金屬模具等的轉印進行成形製造時，金屬模具對應接合部14的部分將成為非常尖銳的構造，在轉印時因加壓會與基板11接觸而有遭破壞的可能性。反之，凹形狀微透鏡12的情況，因為金屬模具形成有前端尖銳的谷，因而在此部分會有成形材料殘存於金屬模具導致形狀劣化，造成成形不良的可能性。為解決此項課題，雖可考慮在透鏡間設置平坦部，並消除尖銳的部分，但若僅依賴施行平坦化，通過此平坦部的光會直進前進，因而經轉換放射角後的光之中，會有出現非設計內的輝線(光強度比周圍更強的光線)或亮點(光強度比周圍更強的光點)之可能性。
圖4係本實施形態的一種放射角度轉換元件的接合部14之放大斷面示意圖。本實施形態的一種放射角度轉換元件10中，鄰接微透鏡12間的接合部14係具有曲面形狀。所謂「接合部14具有曲面形狀」係指鄰接微透鏡12的邊緣所接觸或靠近的部分，在此接觸或靠近的部分在垂直平面觀察斷面時，包含鄰接微透鏡12邊緣的部分呈曲線。
像這樣，藉由將微透鏡12的接合部14形狀設為曲面，通過接合部14的光便會折射射出，因而相較於如上述將接合部設為平坦的情況下，可抑制輝線或亮點的產生。所以，根據本實施形態的一種放射角度轉換元件10，可實現均勻性高的良好光擴散性能。
再者，將微透鏡12的接合部14形狀設為曲面時，相較於如上述將接合部設為尖銳構造的情況，接合部14的製造變得容易。例如微透鏡陣列係利用成形進行製造時，因為不需將金屬模具對應接合部14的部分形成太尖銳的構造，因而可防止發生將接合部設為尖銳構造時的不良情況。又，例如微透鏡陣列係利用蝕刻進行形成時，相較於將接合部設為尖銳構造的情況，製造變得容易。所以，根據本實施形態的一種放射角度轉換元件10可提高良率。
圖4所示係近似接合部14曲面的假想近似球面40。將近似球面40的半徑設為r。此r係接合部14的曲面之曲率半徑。另外，本實施形態中，將接合部14的曲面設為球面形狀，但接合部14的曲面亦可為非球面形狀。這種情況時，使非球面形狀近似於球面，並採用此球面的曲率半徑。
再者，圖1所示係相對於微透鏡12外形的外接圓42。將外接圓42的直徑設為D，將此D設為微透鏡12的外徑。藉由將接合部14的曲面之曲率半徑r與微透鏡12的外徑D之比(以下稱「曲率半徑比」)，即r/D的值設在適當範圍內，便可實現具有良好光擴散性能(面內均勻性)與穿透率的放射角度轉換元件10。以下，針對適當的曲率半徑比r/D的範圍進行說明。
首先，針對曲率半徑比r/D與面內均勻性的關係進行說明。製造接合部14的曲率半徑r不同之複數放射角度轉換元件10，測定曲率半徑比r/D與面內均勻性的關係。在本說明書中，所謂「面內均勻性」係指依既定條件將從放射角度轉換元件10射出的光照射於螢幕時，相對於一定照射區域之平均亮度的亮度偏差比。
基板11係使用玻璃基板(SCHOTT公司製D263T eco(76mm×76mm×0.3mm))。微透鏡12的材料係使用環氧系UV硬化樹脂。
準備對應接合部14之部分的曲率半徑不同之複數金屬模具，使用此等金屬模具利用2P成形法，在玻璃基板上形成樹脂的微透鏡陣列，而製造放射角度轉換元件10。此時，將接合部14的曲面斷面設為圓，設計成微透鏡12與此圓平滑地連接。所設計的金屬模具中對應接合部14之部分的曲率半徑、與使用此金屬模具所成形放射角度轉換元件10的接合部14之曲率半徑r(利用斷面SEM測定)，係具有良好相關性。
圖5所示係曲率半徑比r/D與面內均勻性的關係之測定結果。圖5中，橫軸係表示曲率半徑比r/D，縱軸係表示面內均勻性。將橫軸設為r/D的理由係因微透鏡12的外徑，面內均勻性的數值隨之變化，為將其規格化的緣故。
所製造的放射角度轉換元件10中接合部14之曲率半徑r，係可依照各種方法求得。例如以既定斷面切斷放射角度轉換元件10，利用光學顯微鏡或掃描式電子顯微鏡拍攝斷面照片，再從照片讀取斷面形狀並數值化，使用最小平方法等利用擬合求得與此形狀最一致的圓，便可求得接合部14的曲率半徑r。此時，若所觀察的斷面不是通過2個微透鏡12之頂部(凹透鏡的情況，便為2個微透鏡的谷的最深處)的斷面，便無法求得正確的曲率半徑r。換言之，由圖2得知，因為接合部14係原本在與接合部14的平行方向呈曲線，因此在上述以外的地方，切斷面與接合部14的切線不是垂直的。也就是說，在上述以外的地方，若以與接合部14的切線垂直的面切斷透鏡，並觀察其斷面，依照上述同樣方法便可求得曲率半徑r。
其次，針對面內均勻性的測定方法進行說明。在這裡，光源係使用He-Ne雷射(波長633nm、輸出1mW)。從光源所射出的光的光束徑(直徑)係約φ1mm，將其利用光束擴徑器擴大約3倍，使光從形成有微透鏡12的第1主面11a略垂直地入射於放射角度轉換元件10，再使光從相反側的平面狀第2主面11b射出。從放射角度轉換元件10所射出的光，照射於與放射角度轉換元件10距離既定距離、且與放射角度轉換元件10呈略平行配置的半透明螢幕上，從背面利用數位相機拍攝被照射的螢幕。從所拍攝到的影像利用影像處理軟體，求得螢幕內光亮(亮度)分佈。
再者，面內均勻性係使用以下數學式計算求得。面內均勻性=螢幕內的亮度最大偏差/螢幕內的亮度平均值。但是，「螢幕內的亮度最大偏差」係指螢幕內的亮度分佈中，最大亮度值減掉最小亮度值的數值；「螢幕內的亮度平均值」係指螢幕內的亮度分佈之算術平均值。
面內均勻性係其值越小，則意味著照射既定範圍的光之均勻性越高。若曲率半徑r變大，則中央部會出現輝線，導致面內均勻性惡化。可容許至何種程度的曲率半徑r，係依照使用放射角度轉換元件10的應用程式而有所不同。由圖5得知，當曲率半徑比r/D在0.03以下時，面內均勻性則在20%以下。又，從圖5得知，若r/D在0.018以下時，面內均勻性則在15%以下。又，由圖5得知，若r/D在0.012以下時，面內均勻性則在10%以下。又，由圖5得知，若r/D在0.005以下時，面內均勻性則在5%以下。
其次，針對曲率半徑比r/D與穿透率的關係進行說明。同上述，製造接合部14之曲率半徑r不同的複數放射角度轉換元件10，測定曲率半徑比r/D與穿透過放射角度轉換元件10的光的穿透率之關係。在這裡，所謂「穿透過放射角度轉換元件10的光的穿透率」，係相對於入射於放射角度轉換元件10的光之光量，依既定擴散角度等條件從放射角度轉換元件10所射出的光量的比。
圖6所示係曲率半徑比r/D與穿透率的關係之測定結果。圖6中，橫軸係表示曲率半徑比r/D，縱軸係表示穿透率。在這裡也為求規格化而將橫軸設為r/D。
利用分光光度計(日立高科技公司製、U-4000)測定放射角度轉換元件10的全光線穿透率。分光光度計係配置成讓從放射角度轉換元件10射出的光，入射於φ60mm的積分球。穿透率係採用在可見光域波長中之代表性波長550nm的穿透率。
由圖6得知，若曲率半徑r變小，則穿透率會降低。由圖6得知，當曲率半徑比r/D在0.00035以上時，穿透率則在75%以上。又，從圖6得知，當r/D在0.002以上時，穿透率則在78%以上。又，從圖6得知，當r/D在0.003以上時，穿透率則在80%以上。又，從圖6得知，當r/D在0.005以上時，穿透率則在82%以上。又，從圖6得知，當r/D在0.013以上時，光的穿透率則在85%以上。
如上所述，藉由適當設定曲率半徑比r/D的範圍，便可構成具有良好面內均勻性與穿透率的放射角度轉換元件10。曲率半徑比r/D的上限與下限的值，係可配合所需的面內均勻性與穿透率再行任意組合。例如藉由將曲率半徑比r/的D值設為在0.002以上且0.03以下的範圍，便可構成具有20%以下面內均勻性與78%以上穿透率的放射角度轉換元件10。更佳係藉由將曲率半徑比r/D的值設為在0.005以上且0.018以下的範圍，便可構成具有15%以下面內均勻性與82%以上穿透率的放射角度轉換元件10。
以上，針對本發明根據實施形態進行說明。其實施形態僅為示例，此等各構成要件或各處理程序的組合可以有各種變化例，且這種變化例亦涵蓋於本發明範圍內，此係本領域的技術人員可輕易思及。
本發明可利用於轉換入射光束之放射角度的放射角度轉換元件。
10:放射角度轉換元件 11:基板 11a:第1主面 11b:第2主面 12:微透鏡 14:接合部 40:近似球面 42:外接圓
圖1為用來說明本實施形態的一種放射角度轉換元件之一實施形態的平面圖。 圖2為本實施形態的一種放射角度轉換元件的局部之立體示意圖。 圖3中，圖3(a)~(c)為圖1所示之放射角度轉換元件的斷面示意圖。 圖4為本實施形態的一種放射角度轉換元件的接合部之放大斷面示意圖。 圖5為表示曲率半徑比與面內均勻性的關係之測定結果圖。 圖6為表示曲率半徑比與穿透率的關係之測定結果圖。
10:放射角度轉換元件
12:微透鏡
14:接合部
40:近似球面

Claims (5)

  1. 一種放射角度轉換元件，其係包含： 呈二維排列之複數微透鏡；而鄰接該等微透鏡間的接合部係具有曲面形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的放射角度轉換元件，其中，將該接合部的曲面之曲率半徑設為r、該微透鏡的外徑設為D時，r/D的值係在0.002以上且0.03以下的範圍。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的放射角度轉換元件，其中，r/D的值進一步地在0.005以上且0.018以下的範圍。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述的放射角度轉換元件，其中，該接合部的曲面之曲率半徑，係該曲面之近似球面的半徑。
  5. 如申請專利範圍第2至4項之任一項所述的放射角度轉換元件，其中，該微透鏡係矩形透鏡，且該微透鏡的外徑D係矩形透鏡的外接圓直徑。
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