WO2016163125A1 - 複合拡散板 - Google Patents

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WO2016163125A1
WO2016163125A1 PCT/JP2016/001943 JP2016001943W WO2016163125A1 WO 2016163125 A1 WO2016163125 A1 WO 2016163125A1 JP 2016001943 W JP2016001943 W JP 2016001943W WO 2016163125 A1 WO2016163125 A1 WO 2016163125A1
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plate
diffusion plate
microlens array
composite
diffusion
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淳史 渡邉
賢 唐井
内田　厚
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株式会社クラレ
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    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface
    • G03B21/62—Translucent screens

Definitions

  • the present invention relates to a composite diffusion plate.
  • Patent Document 1 (a) the shape of a micro structure such as a microlens formed on the substrate surface is defined, (b) the arrangement position of the selected micro structure is specified, and (c) the diffused light An optical design method is described in which the intensity distribution is calculated and (d) the steps (a) to (c) are repeated until a desired diffused light intensity distribution is obtained.
  • a predetermined probability density function by randomly distributing at least one of the parameters defining the shape or position of the fine structure according to a predetermined probability density function, a single unit for improving luminance unevenness due to diffraction spots caused by the periodicity of the fine structure is provided. Diffusers have been proposed.
  • JP-T-2004-505306 JP 2010-250037 A International Publication No. 2012/117495 JP 2012-226300 A Special Table 2007-523369
  • the angular characteristics of diffused light when the lens diameter is 100 ⁇ m, the maximum sag is 10 ⁇ m, and the raised height is ⁇ 2 ⁇ m are shown.
  • the intensity of the luminance fluctuates rapidly, and uneven brightness occurs locally.
  • the present invention has been made in the background of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a composite diffusion plate that can suppress the occurrence of local luminance unevenness.
  • the composite diffuser plate according to the present invention is A composite diffusion plate in which a first diffusion plate (for example, a random microarray) and a second diffusion plate (for example, a mat plate, a uniform microarray) are arranged in this order from the incident side, At least one of the first diffusion plate and the second diffusion plate is composed of a random microlens array having a plurality of microlenses, The plurality of microlenses have a plurality of parameters defining a lens shape, At least one of the plurality of parameters is randomly distributed; The random microlens array generates a phase difference in the transmitted light.
  • a first diffusion plate for example, a random microarray
  • a second diffusion plate for example, a mat plate, a uniform microarray
  • the first diffusion plate may be a random microlens array, and the diffused light intensity of the first diffusion plate is distributed along a top hat-shaped curve, and the diffusion angle of the first diffusion plate is the first diffusion plate. It is good also as being more than the diffusion angle of 2 diffusion plates. Further, in the diffuse light intensity distribution curve, the first inflection point having the largest viewing angle from the viewing angle of 0 ° to the positive value of the absolute value of the viewing angle and the absolute value of the viewing angle. When the width from the negative value of the maximum value to the second inflection point with the smallest viewing angle from the negative value to the viewing angle of 0 ° is the top width, the top width is the diffused light intensity of the first diffusion plate. The top width of the distribution curve may be 1.200 times or less.
  • the diffused light intensity distribution of the composite diffuser can maintain a top hat-shaped curve well.
  • the second diffusion plate may be a mat plate having a fine uneven pattern on the main surface.
  • the second diffusion plate is formed of a uniform microlens array, and the uniform microlens array is formed by arranging a plurality of microlenses having substantially the same shape at substantially the same interval. It may be a feature.
  • the random microlens array includes a plate and the plurality of microlenses on the main surface of the plate, and the microlens includes a lens portion and a raised portion that raises the lens portion from the plate.
  • the plurality of lens portions in the plurality of microlenses have substantially the same length in the convex direction, and the amount of raising of the plurality of raising portions in the plurality of microlenses is predetermined.
  • the microlens has a convex maximum height that is the sum of the height of the lens portion and the raised portion, and the convex maximum height of the plurality of microlenses.
  • the second diffusion plate further includes a reflection portion (for example, a reflection plate), and the reflection portion is installed on a main surface opposite to the incident side in the second diffusion plate. It may be a feature.
  • a reflection portion for example, a reflection plate
  • FIG. 1 is a side view of a composite diffuser plate according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of the composite diffuser plate according to the first embodiment. It is a graph which shows an example of intensity distribution with respect to a viewing angle. It is a graph which shows the distribution which carried out the moving average process of an example of intensity distribution with respect to a viewing angle. It is a graph which shows the distribution which carried out the second-order differentiation of the intensity distribution with respect to the viewing angle which carried out the moving average process. It is a graph which shows the top width change rate with respect to the spreading
  • 4 is a photograph showing an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • 4 is a photograph showing an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • 4 is a graph showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • 6 is a side view of a composite diffuser plate according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a side view of a composite diffuser plate according to a third embodiment.
  • FIG. 4 is a photograph showing an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the first exemplary embodiment.
  • 6 is a photograph showing an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the second exemplary embodiment. 6 is a graph showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of a transmission image of the composite diffuser plate according to the second exemplary embodiment. It is a photograph which shows an example of the transmission image of a single diffusing plate. It is a graph which shows the intensity
  • FIG. 1 is a side view of the composite diffuser plate according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a main part of the composite diffuser plate according to the first embodiment.
  • the composite diffuser plate 100 includes a random microlens array 10 and a mat plate 20.
  • the random microlens array 10 and the mat plate 20 are both diffusion plates that transmit incident light and diffuse the transmitted light outward.
  • the composite diffuser plate 100 can be used as a transmission screen.
  • the random microlens array 10 and the mat plate 20 are arranged at a predetermined distance from the incident side to the emission side in this order.
  • the distance between the random microlens array 10 and the mat plate 20 may be shorter or longer than the focal length of the microlens 12.
  • the maximum distance between the random microlens array 10 and the mat plate 20 maintains the light use efficiency and suppresses the deterioration of characteristics due to stray light.
  • the composite diffusion plate 100 may be formed by arranging two random microlens arrays 10 and the mat plate 20 or may be formed as an integrally molded product.
  • the random microlens array 10 includes a plate 11 and a plurality of microlenses 12 provided on the main surface on the emission side of the plate 11. There is a phase difference between the plurality of microlenses 12, and this phase difference is expressed by standardizing the difference in optical path length of light transmitted through or reflected from the microlens 12 by wavelength. This phase difference can be changed by randomly distributing at least one of the parameters defining the lens. Examples of such parameters include lens height, lens diameter, lens curvature, lens pitch, lens arrangement, and lens refractive index.
  • the random microlens array 10 may be referred to as a raised height random microlens array.
  • the microlens 12a includes a lens portion 12aa and a raised portion 12ab that raises the lens portion 12aa from the reference surface.
  • This reference plane is the main surface on the emission side of the plate 11.
  • the maximum convex portion height of the microlens 12a is the sum of the lens height that is the height of the lens portion 12aa and the raised amount that is the height of the raised portion 12ab.
  • the raising amount of each microlens 12 has a distribution within a certain range.
  • the maximum height of the convex portion of each microlens 12 is distributed within a certain range and causes a phase difference. This phase difference improves luminance unevenness and color unevenness caused by diffraction.
  • the distribution of the raised amount of the microlens 12 is set such that the maximum height difference ⁇ H of the maximum height of the convex portion of each microlens is set, and the height of the raised portion is uniformly random or pseudorandom within the range. What is necessary is just to set to arbitrary distributions, such as.
  • the microlens 12b may have the highest convex maximum height within a certain range, and the microlens 12c may have the lowest convex maximum height within the certain range.
  • the lens portion 12ba of the microlens 12b and the lens portion 12ca of the microlens 12c have substantially the same cross-sectional profile, they have the same length in the convex direction of the lens portion, and the raised portion 12bb.
  • the height difference between the raised portions 12cb is the maximum height difference ⁇ H.
  • phase difference ⁇ P corresponding to the maximum height difference ⁇ H [ ⁇ m] of the maximum height of the convex portion of each microlens is expressed by Equation 1 below.
  • ⁇ P 1000 ⁇ ⁇ H ⁇ (n ⁇ 1) / ⁇ (Formula 1)
  • n Refractive index of the material constituting the microlens 12
  • ⁇ [nm] Wavelength of the light source
  • the mat plate 20 includes a plate main body 21 and a fine uneven pattern 22 provided on the main surface on the incident side of the plate main body 21.
  • the incident-side main surface of the plate body 21 provided with the fine concavo-convex pattern 22 functions as a mat surface in the mat plate 20.
  • each diffusing plate has a top width (described later) defined in the distribution curve of diffused light intensity.
  • the diffused light intensity is, for example, the intensity with respect to the viewing angle of the transmission image by the light transmitted through the diffusion plate.
  • the top width of the mat plate 20 is preferably selected so that the top width of the composite diffusion plate 100 is within 1.200 times the top width of the random microlens array 10. In other words, when the composite diffuser plate 100 is formed by arranging the mat plate 20 on the emission side of the random microlens array 10, the top width of the composite diffuser plate 100 is 1.200 times the top width of the random microlens array 10. It is preferable that it is within.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of the intensity distribution with respect to the viewing angle.
  • FIG. 4 is a graph showing a distribution obtained by moving average processing of an example of the intensity distribution with respect to the viewing angle.
  • FIG. 5 is a graph showing a distribution obtained by second-order differentiation of the intensity distribution with respect to the viewing angle subjected to the moving average processing.
  • the He—Ne laser light is irradiated onto the diffusion plate, and a transmission image by the He—Ne laser light is projected onto the ground glass.
  • the transmission image is captured using a CCD (Charge-Coupled Device) camera, and luminance information is generated from the transmission image.
  • the intensity distribution with respect to the viewing angle is obtained from the generated luminance information.
  • a moving average process is performed on the intensity distribution with respect to the obtained viewing angle, and the distribution curve is smoothed.
  • the second-order differentiation process is performed on the smoothed distribution curve. An inflection point in the distribution curve subjected to the second-order differentiation process is obtained.
  • the top width corresponds to the width of the top hat-shaped portion in the distribution curve in the intensity with respect to the viewing angle shown in FIG. 4, and when the angle goes from 0 to the maximum value of the absolute value of the viewing angle, the top width is the first. It is the width in the angle between the existing inflection points.
  • a top hat-shaped part is formed such that, for example, one end, an ascending part, a central part, a descending part, and the other end are formed in order in the increasing direction of the viewing angle.
  • the central portion is higher than the one end portion and the other end portion, and the rising portion is inclined to rise in the increasing direction of the viewing angle.
  • the descending portion is inclined so as to be processed in the increasing direction of the viewing angle.
  • the ascending portion and the descending portion each have an inflection point.
  • the top width may be the width between the inflection points.
  • the top width corresponds to the width from the first inflection point P1 to the second inflection point P2.
  • the first inflection point P1 here is an angle that becomes the first inflection point from the maximum value of the absolute value of the viewing angle from about 20 °, which is a positive value, to 0 °, that is, about 11 °.
  • the second inflection point P2 here is an angle that becomes the first inflection point from the negative value of about ⁇ 20 ° to 0 ° out of the maximum absolute value of the viewing angle, that is, , About -9 °. That is, in the example shown in FIG. 5, the top width is a width from about ⁇ 9 ° to about ⁇ 11 °, that is, about 20 °.
  • FIG. 6 is a graph showing the top width change rate with respect to the viewing angle of the exit side mat plate.
  • 7 and 9 are photographs showing examples of transmission images of the composite diffuser plate according to the first embodiment.
  • 8 and 10 are graphs showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of the transmission image of the composite diffuser plate according to the first embodiment.
  • FIG. 17 is a photograph showing an example of a transmission image of a single diffusion plate.
  • FIG. 18 is a graph showing the intensity with respect to the viewing angle of an example of a transmission image of a single diffusion plate.
  • Examples 1 to 8 are composite diffusion plates having the same configuration as the composite diffusion plate 100 (see FIG. 1).
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are single diffusion plates made of one microlens array having the same configuration as the random microlens array 10 (see FIG. 1).
  • the change rate of the top width of the composite diffuser with respect to a single diffuser having the same incident side microlens array diffusion angle was calculated, and the result is shown in FIG.
  • the diffusion angle of the diffuser plate is a full-width display of the half value of the central illuminance in the diffused light diffused by irradiating the diffuser with light. Specifically, when the diffusion angle of the incident side microlens array is 10 °, that is, the top width change rate of Examples 1 to 4 is the same as that of Comparative Example 1 for each top width of Examples 1 to 4. The value divided by the top width.
  • the top width change rate of Examples 5 to 8 is obtained by dividing the top width of each of Examples 5 to 8 by the top width of Comparative Example 2.
  • Value. 7 and 8 show the transmission image of Example 3 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • 9 and 10 show the transmission image of Example 4 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • 17 and 18 show the transmission image of Comparative Example 1 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • the top width increases as the diffusion angle of the output-side mat plate increases.
  • the top width change rate is slightly lower than 1.200 times.
  • the transmission image of Example 3 is slightly larger and the luminance unevenness is smaller than the transmission image of Comparative Example 1 (see FIGS. 17 and 18).
  • the spread of the transmission image was not so large.
  • the top width change rate exceeds 1.30.
  • the transmission image of Example 1 is larger and the luminance unevenness is smaller than the transmission image of Comparative Example 1 (see FIGS. 17 and 18). That is, the spread of the transmitted image was large. It was also confirmed that the luminance unevenness was reduced. Specifically, the intensity fluctuation in the central portion of the top hat distribution curve was not confirmed.
  • the top width change rate does not change much from about 1.00 to about 1.02, but the luminance It was confirmed that the unevenness was reduced.
  • the diffusion angle of the mat plate was 10 °, that is, in Example 8, the top hat characteristic disappeared and the top width could not be measured. Therefore, the top width change rate could not be calculated.
  • the spread of the transmission image was not so large when the diffusion angle of the mat plate was 5 ° or less.
  • the top width change rate was 1.006 times or more, and it was confirmed that local luminance unevenness was reduced. Therefore, even if the diffusion angle of the mat plate on the emission side is selected so that the top width change rate is 1.006 times or more, local luminance unevenness can be more reliably suppressed.
  • the composite diffuser plate according to the first embodiment by arranging the random microarray and the mat plate, it is possible to suppress the intensity variation in the center of the top hat shape and to suppress local luminance unevenness. .
  • the composite diffuser plate according to the first embodiment it is possible to suppress the top width change rate and suppress the spread of diffused light. Therefore, the intensity distribution curve of the diffused light can maintain the top hat shape well.
  • a diffuser that diffuses light so as to have a top-hat-like intensity distribution curve is applied. It is preferable to do. Therefore, when the composite diffuser plate according to the first embodiment is applied to such a use, it is very suitable for diffusing light so as to have a top hat-like intensity distribution curve and correcting luminance unevenness. .
  • a composite diffusion plate including a uniform microlens array having a uniform lens height and a raised amount and a mat plate 20.
  • a composite diffuser plate even if the uniform microlens array is optically designed to have a desired diffusion characteristic, uneven brightness is strongly generated due to diffraction and interference by the microlens included in the uniform microlens array, and the mat plate 20 It cannot be corrected enough.
  • a method of increasing the diffusion angle of the mat surface of the mat plate 20 can be considered.
  • the diffusion characteristics as a composite diffusion plate change, and desired diffusion characteristics can be obtained. Absent.
  • the composite diffuser plate 100 can obtain desired diffusion characteristics while suppressing uneven brightness due to diffraction and interference, and can correct the remaining uneven brightness using the mat plate 20. it can.
  • ⁇ Design is performed prior to the production of the raised height random microlens array.
  • a reference lens shape is designed according to the optical properties of the material forming the composite diffusion plate and the desired diffusion angle distribution.
  • the shape of the main surface of the microlens may be spherical or aspherical.
  • the optical design can be performed using a ray tracing method or the like.
  • microlenses having a regular hexagonal bottom surface are arranged in a triangular lattice pattern on the plate, the microlenses can be spread on the plate most closely, which is preferable.
  • the aspect ratio of the microlens may be arbitrarily set in order to impart anisotropy to the diffusion angle characteristic.
  • the bottom shape of the microlens in addition to the hexagon, a quadrangle and the like can be cited.
  • the microlenses may be arranged in a square lattice pattern on the plate.
  • the phase difference ⁇ P between the microlenses is set. Specifically, the phase difference ⁇ P is obtained by using the above-described formula 1, and the maximum height difference between the refractive index n of the material forming the microlens 12, the wavelength ⁇ of the light source, and the maximum height of the convex portion of the microlens 12. It is set from ⁇ H. In this way, exposure data for a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a desired area is generated. Such a plurality of microlenses have substantially the same lens curvature, but have different raised amounts.
  • a photoresist is applied to a substrate, the applied photoresist is irradiated while scanning with a laser beam, and the irradiated photoresist is exposed based on exposure data (exposure step S1).
  • the wavelength of the laser beam to be used is not particularly limited, and is selected according to the type of the photoresist to be used.
  • the wavelength of the laser beam is, for example, 351 nm, 364 nm, 458 nm, 488 nm (Ar + laser oscillation wavelength), 351 nm, 406 nm, 413 nm (Kr + laser oscillation wavelength), 352 nm, 442 nm (He—Cd laser oscillation wavelength), 355 nm 473 nm (pulse oscillation wavelength of a semiconductor excitation solid-state laser), 375 nm, 405 nm, 445 nm, 488 nm (semiconductor laser), and the like can be selected.
  • the exposed photoresist is developed to form a photoresist master (development step S2).
  • the developing method include a method of immersing an exposed photoresist in an alkaline developer.
  • the alkali developer include tetramethylammonium hydroxide (TMAH).
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • a plate-shaped stamper made of nickel is formed on the surface of the photoresist of the photoresist master (electroforming step S3).
  • the uneven shape of the photoresist is transferred onto the surface of the stamper.
  • the stamper is peeled off from the photoresist master and used.
  • hot press molding is performed in which the acrylic sheet is pressed by a stamper while heating the acrylic sheet (molding step S4).
  • injection molding, imprint molding using an ultraviolet curable resin, or the like may be used as a molding method instead of hot press molding.
  • FIG. 11 is a side view of the composite diffuser plate according to the second embodiment.
  • the composite diffuser plate according to the second embodiment has a common configuration as compared with the composite diffuser plate according to the first embodiment except that a uniform microrandom array is used instead of the mat plate 20. Only different configurations except for the common configuration will be described.
  • the composite diffuser plate 200 includes a uniform microlens array 30 disposed on the output side of the random microlens array 10.
  • the uniform microlens array 30 has a plurality of microlenses 32 provided on the main surface on the incident side of the plate 31.
  • the plurality of microlenses 32 are optically designed so that there is almost no phase difference and is substantially 0 (zero).
  • the random microlens array 10 of the composite diffusion plate 200 when incident light is incident on the random microlens array 10 of the composite diffusion plate 200, the light is transmitted through the random microlens array 10 and the uniform microlens array 220 in this order.
  • the composite diffusion plate 200 can be used as a transmission screen.
  • the diffusion effect of the random microlens array 10 and the diffusion effect of the uniform microlens array 220 are overlapped, and luminance unevenness caused by diffraction and interference can be suppressed.
  • the composite diffuser plate according to the second embodiment According to the composite diffuser plate according to the second embodiment, local luminance unevenness can be more reliably suppressed. Moreover, it is not necessary to position the diffusion plates with high accuracy.
  • FIG. 12 is a side view of the composite diffuser plate according to the third embodiment.
  • the composite diffuser plate according to the third embodiment has a common configuration except that it includes a reflection plate and the orientation of the microlens array.
  • the composite diffusion plate 300 includes a random microlens array 10 and a reflection plate 320.
  • the random microlens array 10 and the reflection plate 320 are arranged in this order from the incident side.
  • the composite diffuser plate 300 can be used as a reflective screen.
  • the random microlens array 10 includes a plate 11 and microlenses 12 arranged on the main surface of the plate 11.
  • the random microlens array 10 is installed so that the microlens 12 faces the incident side.
  • the reflection plate 320 includes a plate body 21, a fine concavo-convex pattern 22 disposed on the main surface of the plate main body 21, and a mirror 323 disposed on the main surface opposite to the main surface on which the fine concavo-convex pattern 22 is disposed. Have.
  • the reflection plate 320 is installed so that the fine concavo-convex pattern 22 faces the incident side.
  • the light when light is irradiated onto the random microlens array 10 of the composite diffusion plate 300, the light is transmitted through the random microlens array 10, the fine concavo-convex pattern 22, and the plate body 21 and reflected by the mirror 323. Subsequently, the reflected light passes through the plate body 21, the fine concavo-convex pattern 22 and the random microlens array 10 and travels toward the incident side. The luminance unevenness that has not completely disappeared in the random microlens array 10 is reflected by the mirror 323 and further diffused and reduced.
  • the third embodiment it is possible to reflect diffused light while suppressing local luminance unevenness.
  • Example 2-1 is a composite diffusion plate having the same configuration as the composite diffusion plate 100 (see FIG. 1).
  • Example 2-2 is a composite diffusion plate having the same configuration as the composite diffusion plate 200 (see FIG. 11).
  • the random microlens array of Examples 2-1 and 2-2 a random microlens array including a bottom-side square-shaped microlens was used. In this random microlens array, a plurality of microlenses were arranged with a pitch Px of 20 ⁇ m in the X direction and a pitch Py of 37 ⁇ m in the Y direction, and the lens curvature radius was 58.5 ⁇ m.
  • the refractive index n of the material constituting the microlens 12 is set to 1.5, the wavelength ⁇ is set to 750 ⁇ m, the phase difference ⁇ P is set to one wavelength, and the maximum height difference of the maximum height of the convex portion of the lens is calculated using Equation 1 above. (Heating height) ⁇ H was set to 1.5 ⁇ m.
  • microlens array region about 30 mm square on the plate of the random microlens array was designed as a microlens array region. Furthermore, about 400 ⁇ m square in the microlens array region was designed as a unit region. The unit areas are arranged in a lattice shape in the microlens array area.
  • the exposure step S1, the development step S2, the first electroforming step S3, and the second electroforming step S3 were performed to obtain a stamper.
  • the stamper is formed with a microlens array of concave lenses. Further, using this stamper, a molding step S4 was performed to obtain a random microlens array.
  • Example 2-1 the distance between the random microlens array and the mat plate is 1 mm. This mat plate has a diffusion angle of 5 °.
  • Example 2-2 the distance between the random microlens array and the uniform microlens array is 1 mm.
  • the uniform microlens array includes a plurality of microlenses having a rectangular bottom surface, and the plurality of microlenses are arranged with a pitch Px of 20 ⁇ m in the X direction and a pitch Py of 37 ⁇ m in the Y direction, and the lens curvature radius is It was 58.5 ⁇ m.
  • Comparative Example 2-1 is a single diffuser plate composed of a random microlens array having the same configuration as the random microlens array used in Example 2-1 and Example 2-2.
  • Comparative Example 2-2 is a composite diffusion plate formed by arranging two uniform microlens arrays having the same configuration as the uniform microlens array 30 (see FIG. 11). Note that, unlike the composite diffuser disclosed in Patent Document 3, the two uniform microlens arrays are arranged without matching the angles with respect to the apex of the microlenses.
  • Example 2-1, Example 2-2, Comparative Example 2-1 and Comparative Example 2-2 were irradiated with a He—Ne laser, a transmission image thereof was taken, and the intensity with respect to the viewing angle was measured.
  • 13 and 14 show the transmission image of Example 2-1 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • 15 and 16 show the transmission image of Example 2-2 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • 19 and 20 show the transmission image of Comparative Example 2-1 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • 21 and 22 show the transmission image of Comparative Example 2-2 and its intensity with respect to the viewing angle.
  • the luminance greatly fluctuates from the central portion, specifically, from the viewing angle of ⁇ 5 ° to 5 °. happens. This luminance unevenness is caused by a diffraction phenomenon and an interference phenomenon, and it is presumed that it was not sufficiently corrected only by the raised height random microlens array.
  • the transmission image of Example 2-1 has less luminance unevenness in the central portion than the transmission image of Comparative Example 2-1 (see FIGS. 19 and 20). Since the mat plate has an effect of diffusing light, it is presumed that the occurrence of local luminance unevenness is suppressed.
  • the transmission image of Example 2-2 has less luminance unevenness in the central portion than the transmission image of Comparative Example 2-1 (see FIGS. 19 and 20). Since the uniform microlens array has an effect of diffusing light, it is assumed that the occurrence of local luminance unevenness is suppressed.
  • the transmission image of Comparative Example 2-2 has a large luminance unevenness as a whole compared with the transmission image of Comparative Example 2-1 (see FIGS. 19 and 20). Occurred.
  • Comparative Example 2-2 the two uniform microlens arrays are arranged without matching the angle with respect to the microlens apex, so it is assumed that the luminance unevenness is large.
  • Patent Document 2 discloses a single diffuser plate in which a rough surface having a fine uneven structure is provided on the back side of a microlens array, and the rough surface is disposed on the light source side of a liquid crystal display.
  • the composite diffuser plate according to the above-described embodiment can suppress the occurrence of luminance unevenness due to diffraction as compared with the single diffuser plate.
  • Patent Document 3 discloses a composite diffusion plate that improves luminance unevenness by shifting the angle of the apex of the microlens of the other microlens array by a certain angle with respect to the apex of the microlens of one microlens array.
  • Patent Document 4 discloses a composite diffusion plate that improves luminance unevenness by reducing the lens interval of the incident side microlens array to an integral multiple of the emission side microlens array.
  • Patent Document 5 and Non-Patent Document 1 disclose a composite diffuser that improves luminance unevenness by disposing two microlens arrays at the focal length.
  • the composite diffuser plate according to the above-described embodiment suppresses the occurrence of local luminance unevenness even if the arrangement method of the plurality of diffuser plates is not particularly limited as compared with these composite diffuser plates. can do.
  • the tolerance of the distance between two microlens arrays is defined as ⁇ 0.5 ⁇ m
  • the deviation tolerance of the angle between the microlens vertices of each of the two microlens arrays is defined as very narrow as ⁇ 3 mdeg. Therefore, positioning when mounted on a product such as a head-up display is very difficult.
  • the deformation of the member or the change of the mounting position occurs due to a change in the operating temperature and humidity environment of the head-up display, and the luminance unevenness is generated outside the tolerance.
  • the mat plate is disposed on the exit side while the random micro lens array is disposed on the entrance side, but the mat plate is disposed on the entrance side and the random micro lens array is disposed on the exit side. You may arrange in. Further, although the random microlens array has the microlens on the main surface on the emission side, it may have the microlens on the main surface on the incident side.
  • the uniform microlens array is disposed on the exit side while the random microlens array is disposed on the entrance side, but the random microlens is disposed on the entrance side.
  • the array may be arranged on the emission side.
  • the random microlens array is less likely to diffract compared to the uniform microlens array, thus reducing brightness unevenness. It is preferable.
  • the random microlens array has the microlens on the main surface on the emission side, it may have the microlens on the main surface on the incident side.
  • the uniform microlens array has microlenses on the main surface on the emission side, but may have microlenses on the main surface on the incident side.

Landscapes

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Abstract

　本発明は、局所的な輝度ムラの発生を抑制することのできる複合拡散板を提供する。第１拡散板（１０）と、第２拡散板（２０、３０）とを入射側からこの順に配列した複合拡散板（１００、２００、３００）である。第１拡散板（１０）及び第２拡散板（２０、３０）の少なくとも一方は、複数のマイクロレンズ（１２）を有するランダムマイクロレンズアレイ（１０）からなる。複数のマイクロレンズ（１２）は、レンズの性質を特徴づける複数のパラメータを有する。複数のパラメータのうち少なくとも１つは、ランダムに分布しており。ランダムマイクロレンズアレイ（１０）は、透過した光に位相差を発生させる。

Description

複合拡散板
　本発明は複合拡散板に関する。
　従来から、表示装置に、マイクロレンズアレイなどの単一拡散板を適用する技術が提案されている。
　例えば、特許文献１には、（ａ）基板表面に形成されたマイクロレンズなどの微細構造の形状を定義し、（ｂ）選択された微細構造の配列位置を指定し、（ｃ）拡散光の強度分布を計算し、（ｄ）所望の拡散光強度分布が得られるまで（ａ）～（ｃ）の工程を繰り返す光学設計方法が記載されている。また、微細構造の形状または位置を定義するパラメータの少なくとも一つを予め定められた確率密度関数に従ってランダム分布させることで、微細構造の周期性により生じる回折スポットによる輝度ムラを改善するための単一拡散板が提案されている。
特表２００４－５０５３０６号公報 特開２０１０－２５００３７号公報 国際公開第２０１２／１１７４９５号 特開２０１２－２２６３００号公報 特表２００７－５２３３６９号公報
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
　特許文献１に開示される単一拡散板では、例えば、レンズ直径１００μｍ、最大サグ１０μｍ、嵩上げ高さを±２μｍとした場合の拡散光の角度特性が示されている。角度４０°付近、つまり、トップハット状の強度分布曲線における、両端部より上方に盛り上がる中央部の両端付近では、輝度の強度が急激に変動しており、局所的に輝度ムラが発生している。
　本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、局所的な輝度ムラの発生を抑制することのできる複合拡散板を提供することを目的とする。
　本発明にかかる複合拡散板は、
　第１拡散板(例えば、ランダムマイクロアレイ)と、第２拡散板(例えば、マットプレート、均一マイクロアレイ)とを入射側からこの順に配列した複合拡散板であって、
　前記第１拡散板及び前記第２拡散板の少なくとも一方は、複数のマイクロレンズを有するランダムマイクロレンズアレイからなり、
　前記複数のマイクロレンズは、レンズ形状を定義する複数のパラメータを有し、
　前記複数のパラメータのうち少なくとも１つは、ランダムに分布しており、
　前記ランダムマイクロレンズアレイは、透過した光に位相差を発生させる。
　このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる。
　また、前記第１拡散板は、ランダムマイクロレンズアレイからなり、前記第１拡散板の拡散光強度は、トップハット状の曲線に沿って分布し、前記第１拡散板の拡散角度が、前記第２拡散板の拡散角度以上であることを特徴としてもよい。
　また、拡散光強度の分布曲線において、視野角０°から視野角の絶対値の最大値のうちの正の値までの、最も視野角の大きい第１変曲点と、視野角の絶対値の最大値のうちの負の値から視野角０°までの、最も視野角の小さい第２変曲点との幅を、トップ幅とすると、トップ幅が、前記第１拡散板の前記拡散光強度の分布曲線のトップ幅に対して、１．２００倍以下である
ことを特徴としてもよい。
　このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制しつつ、拡散光の広がりを抑制することができる。これにより、複合拡散板の拡散光強度分布は、トップハット状の曲線を良好に維持することができる。
　また、前記第２の拡散板は、微細凹凸パターンを主面に有するマットプレートからなることを特徴としてもよい。
　このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を低コストでより確実に抑制することができる。
　また、前記第２の拡散板は、均一マイクロレンズアレイからなり、前記均一マイクロレンズアレイは、実質的に同じ形状のマイクロレンズの複数を、実質的に同じ間隔で配列して形成されることを特徴としてもよい。
　このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生をより確実に抑制することができる。
　また、前記ランダムマイクロレンズアレイは、プレートと、前記プレートの主面上に有する前記複数のマイクロレンズとを含み、前記マイクロレンズは、レンズ部と、前記レンズ部を前記プレートから嵩上げする嵩上げ部と、を含み、前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記レンズ部は、それぞれ、凸方向において、実質的に同じ長さを有し、前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記嵩上げ部の嵩上げ量は、所定の範囲以内で分布しており、前記マイクロレンズは、前記レンズ部と前記嵩上げ部との高さの和である凸部最大高さを有し、前記複数のマイクロレンズにおける前記凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]と、前記マイクロレンズを構成する材料の屈折率ｎと、光源の波長λ[ｎｍ]とが、
０．２≦１０００×ΔＨ×（ｎ－１）／λ
を満たすことを特徴としてもよい。
　このような構成によれば、複数のマイクロレンズの間において位相差を与えることにより、回折による輝度ムラの発生を抑制することができる。
　また、前記第２の拡散板は、反射部（例えば、反射プレート）をさらに有し、前記反射部は、前記第２の拡散板において、入射側の反対側の主面に設置される
ことを特徴としてもよい。
　このような構成によれば、局所的に輝度ムラの発生を抑制しつつ、光を反射することができる。
　本発明によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる複合拡散板を提供することができる。
実施の形態１にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の要部の模式図である。 視野角に対する強度分布の一例を示すグラフである。 視野角に対する強度分布の一例を移動平均化処理した分布を示すグラフである。 移動平均化処理した視野角に対する強度分布を２階微分した分布を示すグラフである。 出射側マットプレートの拡散角度に対するトップ幅変化率を示すグラフである。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態２にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態３にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態２にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態２にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。 単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。 単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。
　実施の形態１．
　図１及び図２を参照して、実施の形態１にかかる複合拡散板について説明する。図１は、実施の形態１にかかる複合拡散板の側面図である。図２は、実施の形態１にかかる複合拡散板の要部の模式図である。
　図１に示すように、複合拡散板１００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とを含む。ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とは、いずれも、入射した光を透過させて、透過した光を外方へ拡散させる拡散板である。複合拡散板１００は、透過型スクリーンとして、用いることができる。また、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とは、この順に入射側から出射側に向かって、所定の距離を空けて配列されている。ランダムマイクロレンズアレイ１０とマットプレート２０との距離は、マイクロレンズ１２の焦点距離よりも短くてもよく、長くてもよい。また、ランダムマイクロレンズアレイ１０とマットプレート２０との最大距離は、光の利用効率を維持したり、迷光による特性悪化を抑制したりするため、ランダムマイクロレンズアレイ１０を透過した光の全てがマットプレート２０に入射するような距離であると好ましい。複合拡散板１００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０との２枚を並べても形成してもよいし、一体成形品として形成してもよい。
　ランダムマイクロレンズアレイ１０は、プレート１１と、プレート１１の出射側の主面に設けられた複数のマイクロレンズ１２とを含む。複数のマイクロレンズ１２間には、位相差があり、この位相差は、マイクロレンズ１２を、透過した、又は、反射した光の光路長の差を波長で規格することで、表される。この位相差は、レンズを定義するパラメータのうち少なくとも１つをランダムに分布させることで、変化させることができる。このようなパラメータとしては、例えば、レンズ高さ、レンズ直径、レンズ曲率、レンズピッチ、レンズ配置、レンズ屈折率等が挙げられる。
　例えば、複数のマイクロレンズ１２が、実質的に同一の断面プロファイルをそれぞれ有するとともに、互いに異なる嵩上げ量をそれぞれ有することによって、複数のマイクロレンズ１２の間に位相差がある場合がある。このような場合、ランダムマイクロレンズアレイ１０は、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイと称してもよい。
　ランダムマイクロレンズアレイ１０が嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイである場合、図２に示すように、マイクロレンズ１２の具体例として、マイクロレンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃがある。マイクロレンズ１２ａは、レンズ部１２ａａと、基準面からレンズ部１２ａａを嵩上げする嵩上げ部１２ａｂとを含む。なお、この基準面はプレート１１の出射側の主面である。マイクロレンズ１２ａの凸部最大高さは、レンズ部１２ａａの高さであるレンズ高さと、嵩上げ部１２ａｂの高さである嵩上げ量との和である。それぞれのマイクロレンズ１２の嵩上げ量は、一定の範囲内で分布を有する。
　それぞれのマイクロレンズ１２の凸部最大高さは、一定の範囲内で分布して、位相差を生じさせる。この位相差によって、回折により発生する輝度ムラや色むらを改善する。マイクロレンズ１２の嵩上げ量の分布は、具体的には、各マイクロレンズの凸部最大高さの最大高低差ΔＨを設定して、その範囲内で嵩上げ部の高さを一様ランダムや疑似ランダムなどの任意の分布に設定すればよい。
　例えば、マイクロレンズ１２ｂが一定の範囲内で最も高い凸部最大高さを有し、マイクロレンズ１２ｃが一定の範囲内で最も低い凸部最大高さを有する、とした場合がある。この場合、マイクロレンズ１２ｂのレンズ部１２ｂａと、マイクロレンズ１２ｃのレンズ部１２ｃａとは、実質的に同一の断面プロファイルを有するため、前記レンズ部の凸方向において同じ長さを有し、嵩上げ部１２ｂｂと嵩上げ部１２ｃｂとの高さの差が、最大高低差ΔＨとなる。
　各マイクロレンズの凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]に対応する位相差ΔＰは、下記の数式１により表現される。
ΔＰ＝１０００×ΔＨ×（ｎ－１）／λ　…（数式１）
　ｎ：マイクロレンズ１２を構成する材料の屈折率
　λ［ｎｍ］：光源の波長
　位相差ΔＰは、０．２以上であると、輝度ムラや色ムラが小さくなって好ましく、さらに好ましくは、０．５以上である。
　再び図１を参照して、マットプレート２０は、プレート本体２１と、プレート本体２１の入射側の主面に設けられた微細凹凸パターン２２とを含む。微細凹凸パターン２２を設けられたプレート本体２１の入射側主面は、マットプレート２０において、マット面として機能する。
　ところで、拡散板は、拡散光強度の分布曲線において定義されるトップ幅（後述）をそれぞれ固有に有する。拡散光強度は、例えば、拡散板を透過した光による透過像の視野角に対する強度である。複合拡散板１００のトップ幅がランダムマイクロレンズアレイ１０のトップ幅の１．２００倍以内となるように、マットプレート２０のトップ幅は選択されると好ましい。言い換えると、マットプレート２０をランダムマイクロレンズアレイ１０の出射側に配列することにより複合拡散板１００を形成する場合、複合拡散板１００のトップ幅がランダムマイクロレンズアレイ１０のトップ幅の１．２００倍以内であると好ましい。
　（トップ幅の定義）
　次に、図３～図５を参照して、本出願明細書におけるトップ幅の測定方法について説明する。図３は、視野角に対する強度分布の一例を示すグラフである。図４は、視野角に対する強度分布の一例を移動平均化処理した分布を示すグラフである。図５は、移動平均化処理した視野角に対する強度分布を２階微分した分布を示すグラフである。
　まず、Ｈｅ－Ｎｅレーザ光を拡散板に照射して、そのＨｅ－Ｎｅレーザ光による透過像をすりガラス上に投影する。ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラを用いてこの透過像を撮影し、透過像から輝度情報を生成する。図３に示すように、生成した輝度情報から、視野角に対する強度分布を求める。図４に示すように、得られた視野角に対する強度分布について移動平均化処理を行い、その分布曲線を平滑化させる。図５に示すように、平滑化した分布曲線について２階微分処理を行う。この２階微分処理した分布曲線における変曲点を求める。ここで、トップ幅は、図４に示す視野角に対する強度における分布曲線におけるトップハット状部分の幅に相当するものであり、視野角の絶対値の最大値から０°に向かっていくと最初に存在する変曲点同士の角度における幅である。トップハット状部分とは、トップハット状部分とは、例えば、一端部と、上昇部と、中央部と、下降部と、他端部とを、視野角の増加方向に向かって順につらなるように含み、中央部は、一端部と他端部とよりも高く、上昇部は、視野角の増加方向に向かって、上昇するように傾斜する。下降部は、視野角の増加方向に向かって、加工するように傾斜する。上昇部と下降部とは、それぞれ変曲点を有する。トップ幅は、この変曲点同士の幅でもよい。
　具体的には、図５では、トップ幅は、第１変曲点Ｐ１から第２変曲点Ｐ２までの幅に相当する。ここでの第１変曲点Ｐ１は、視野角の絶対値の最大値のうち、正の値である約２０°から０°に向かって、初めての変曲点となる角度、つまり、約１１°である。また、ここでの第２変曲点Ｐ２は、視野角の絶対値の最大値のうち、負の値である約－２０°から０°に向かって、初めての変曲点となる角度、つまり、約－９°である。つまり、図５に示す一例では、トップ幅は、約－９°から約－１１°までの幅、つまり、約２０°である。
　（トップ幅測定実験）
　次に、図６～図１０、図１７及び図１８を参照して、上記したトップ幅の測定方法を用いて、複合拡散板及び単一拡散板のトップ幅を計測した実験について説明する。図６は、出射側マットプレートの視野角に対するトップ幅変化率を示すグラフである。図７及び図９は、実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。図８及び図１０は、実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。図１７は、単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。図１８は、単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。
　下記の表１に示す条件を有する複合拡散板及び単一拡散板のトップ幅を計測した。実施例１～８は、複合拡散板１００（図１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。比較例１及び比較例２は、ランダムマイクロレンズアレイ１０（図１参照）と同じ構成を有するマイクロレンズアレイの一枚からなる単一拡散板である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　同じ入射側マイクロレンズアレイの拡散角度を有する単一拡散板に対する複合拡散板のトップ幅の変化率を算出し、図６にその結果を示した。拡散板の拡散角度とは、光を拡散板に照射して拡散させた拡散光における中心照度の半値を全角表示したものである。具体的には、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、つまり、実施例１～４のトップ幅変化率は、実施例１～４のそれぞれのトップ幅を、比較例１のトップ幅で割った値である。入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、つまり、実施例５～８のトップ幅変化率は、実施例５～８のそれぞれのトップ幅を、比較例２のトップ幅で割った値である。図７及び図８に、実施例３の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図９及び図１０に、実施例４の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１７及び図１８に、比較例１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。
　図６に示すように、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、出射側のマットプレートの拡散角度が大きくなると、トップ幅が大きくなる。
　例えば、マットプレートの拡散角度が５°であるとき、つまり、実施例３では、トップ幅変化率は１．２００倍を若干下回る。図７及び図８に示すように、実施例３の透過像は、比較例１の透過像（図１７及び図１８参照）と比較して、若干大きく、輝度ムラが小さい。つまり、透過像の広がり具合はあまり大きくなかった。また、輝度ムラは抑制されることが確認された。具体的には、トップハット状の分布曲線の中央部における強度変動が確認されなかった。
　また、出射側マットプレートの拡散角度が１０°であるとき、つまり、実施例４では、トップ幅変化率は１．３０を超える。図９及び図１０に示すように、実施例１の透過像は、比較例１の透過像（図１７及び図１８参照）と比較して、大きく、輝度ムラが小さい。つまり、透過像の広がり具合は大きかった。また、輝度ムラは小さくなることが確認された。具体的には、トップハット状の分布曲線の中央部における強度変動が確認されなかった。
　一方、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が２２°である場合、出射側のマットプレートの拡散角度が大きくなると、トップ幅変化率は約１．００～約１．０２とあまり変化しないものの、輝度ムラは小さくなることが確認された。しかし、マットプレートの拡散角度が１０°であるとき、つまり、実施例８では、トップハット特性が消滅し、トップ幅が測定できなかった。そのため、トップ幅変化率は算出できなかった。
　上記したトップ幅変化率の算出結果と、透過像を目視した結果とから、マットプレートの拡散角度が５°以下であると、透過像の広がりはあまり大きくなかった。透過像の広がりを抑制することが要求される場合、トップ幅変化率が１．２００倍以下となるように、出射側のマットプレートの拡散角度を選択すると好ましい。一方、実施例１～８のいずれにおいても、トップ幅変化率は１．００６倍以上であり、局所的な輝度ムラが小さくなることが確認された。従って、トップ幅変化率が１．００６倍以上となるように、出射側のマットプレートの拡散角度を選択しても、局所的な輝度ムラをより確実に抑制することができる。
　以上、実施の形態１にかかる複合拡散板によれば、ランダムマイクロアレイとマットプレートを配列することで、トップハット状の中央における強度変動を抑制して、局所的な輝度ムラを抑制することができる。
　また、実施の形態１にかかる複合拡散板によれば、トップ幅変化率を抑制して、拡散光の広がりを抑制することができる。したがって、拡散光の強度分布曲線は、トップハット形状を良好に維持することできる。限定した範囲だけを明るくすればよい用途、例えば、ヘッドアップディスプレイなどの、運転者の視界を明るくすればよい用途では、トップハット状の強度分布曲線を有するように光を拡散させる拡散板を適用することが好ましい。したがって、実施の形態１にかかる複合拡散板を、このような用途に適用すると、トップハット状の強度分布曲線を有するように光を拡散させるとともに、輝度ムラを補正して、非常に好適である。
　ところで、レンズ高さ及び嵩上げ量が均一な均一マイクロレンズアレイと、マットプレート２０とを含む複合拡散板がある。このような複合拡散板では、均一マイクロレンズアレイを所望の拡散特性を有するように光学設計しても、均一マイクロレンズアレイに含まれるマイクロレンズによる回折及び干渉によって輝度ムラが強く生じ、マットプレート２０だけでは、十分に補正できない。この輝度ムラを補正するために、マットプレート２０のマット面の拡散角度を高める方法が考えられるものの、この方法を適用すると、複合拡散板としての拡散特性が変化し、所望の拡散特性が得られない。複合拡散板１００は、このような複合拡散板と比較して、回折及び干渉による輝度ムラを抑制しつつ所望の拡散特性が得られ、残存する輝度ムラをマットプレート２０を用いて補正することができる。
　（嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造方法）
　次に、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造方法について説明する。
　嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造に先立って、設計が行なわれる。まず、複合拡散板を形成する材料の光学物性と、所望の拡散角度分布とに応じて、基準となるレンズ形状を設計する。マイクロレンズの主面の形状は球面でも非球面でもよい。光学設計は、光線追跡法などを用いて行うことができる。正六角形状の底面を有するマイクロレンズをプレート上に三角格子状に配置すると、マイクロレンズをプレート上に最密に敷き詰めることができて、好ましい。なお、拡散角度特性に異方性を持たせるために、マイクロレンズの縦横比を任意に設定してもよい。マイクロレンズの底面形状として、六角形の他に、四角形などが挙げられる。マイクロレンズの底面形状が四角形である場合、マイクロレンズをプレート上に正方格子状に配置してもよい。
　また、マイクロレンズ間の位相差ΔＰについて設定する。具体的には、位相差ΔＰは、上記した数式１を用いて、マイクロレンズ１２を形成する材料の屈折率ｎと、光源の波長λと、マイクロレンズ１２の凸部最大高さの最大高低差ΔＨとから設定される。このようにして、複数のマイクロレンズを所望の面積に配列するマイクロレンズアレイの露光用データが生成される。このような複数のマイクロレンズは、略同一のレンズ曲率をそれぞれ有しつつ、異なる嵩上げ量をそれぞれ有する。
　まず、フォトレジストを基板に塗布し、塗布したフォトレジストにレーザビームを走査しながら照射し、照射したフォトレジストを露光用データに基づいて露光する（露光工程Ｓ１）。ここで、用いるレーザビームの波長は特に制限なく、用いるフォトレジストの種類に応じて選定される。レーザビームの波長は、例えば、３５１ｎｍ、３６４ｎｍ、４５８ｎｍ、４８８ｎｍ（Ａｒ＋レーザの発振波長）、３５１ｎｍ、４０６ｎｍ、４１３ｎｍ（Ｋｒ＋レーザの発振波長）、３５２ｎｍ、４４２ｎｍ（Ｈｅ－Ｃｄレーザの発振波長）、３５５ｎｍ、４７３ｎｍ（半導体励起固体レーザのパルス発振波長）、３７５ｎｍ、４０５ｎｍ、４４５ｎｍ、４８８ｎｍ（半導体レーザ）などを選択することができる。
　次いで、露光したフォトレジストを現像し、フォトレジスト原盤を形成する（現像工程Ｓ２）。現像方法として、露光したフォトレジストをアルカリ現像液に浸漬させる方法が挙げられる。アルカリ現像液としては、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）などが挙げられる。現像工程では、露光量に応じて、フォトレジストの一部が基板から除去されて、基板に残存したフォトレジストが、設計したマイクロレンズアレイに基づいた凹凸形状を有する。
　さらに、電鋳を行うことによって、フォトレジスト原盤のフォトレジストの表面上に、ニッケルからなる板状のスタンパを形成する（電鋳工程Ｓ３）。スタンパの表面には、フォトレジストの凹凸形状が転写されている。スタンパは、フォトレジスト原盤から剥離されて、用いられる。
　最後に、アクリルシートを加熱しながら、スタンパによりプレスする熱プレス成形を行う（成形工程Ｓ４）。成形工程Ｓ４では、成形方法として、熱プレス成形の代わりに、射出成形、紫外線硬化樹脂によるインプリント成形などを用いてもよい。
　以上の露光工程Ｓ１～成形工程Ｓ４を経ると、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイを製造することができる。
　実施の形態２．
　次に、図１１を参照して、実施の形態２にかかる複合拡散板について説明する。図１１は、実施の形態２にかかる複合拡散板の側面図である。実施の形態２にかかる複合拡散板は、実施の形態１にかかる複合拡散板と比較して、マットプレート２０の代わりに均一マイクロランダムアレイを用いたところを除いて、共通する構成を有する。共通する構成を除いて異なる構成についてのみ説明する。
　図１１に示すように、複合拡散板２００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０の出射側に配置した均一マイクロレンズアレイ３０を含む。均一マイクロレンズアレイ３０は、プレート３１の入射側の主面に設けられた複数のマイクロレンズ３２を有する。複数のマイクロレンズ３２には、位相差が殆どなく、実質的に０（ゼロ）となるように光学設計される。
　ここで、入射光を複合拡散板２００のランダムマイクロレンズアレイ１０に入射させると、ランダムマイクロレンズアレイ１０、均一マイクロレンズアレイ２２０をこの順に透過する。複合拡散板２００は、透過型スクリーンとして、用いることができる。ランダムマイクロレンズアレイ１０の拡散効果と、均一マイクロレンズアレイ２２０の拡散効果とが重なり合い、回折と干渉により生じる輝度ムラを抑制することができる。
　実施の形態２にかかる複合拡散板によれば、局所的な輝度ムラをより確実に抑制することができる。しかも、拡散板同士を高い精度で位置決めを行う必要がない。
　実施の形態３．
　次に、図１２を参照して、実施の形態３にかかる複合拡散板について説明する。図１２は、実施の形態３にかかる複合拡散板の側面図である。実施の形態３にかかる複合拡散板は、実施の形態１にかかる複合拡散板と比較して、反射プレートを含むことと、マイクロレンズアレイの向きとを除いて共通する構成を有する。
　図１２に示すように、複合拡散板３００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、反射プレート３２０とを含む。ランダムマイクロレンズアレイ１０と、反射プレート３２０とは、この順に入射側から配列されている。複合拡散板３００は、反射型スクリーンとして、用いることができる。
　ランダムマイクロレンズアレイ１０は、プレート１１と、プレート１１の主面に配置されたマイクロレンズ１２とを有する。ランダムマイクロレンズアレイ１０は、マイクロレンズ１２が入射側に向くように、設置されている。
　反射プレート３２０は、プレート本体２１と、プレート本体２１の主面に配置された微細凹凸パターン２２と、微細凹凸パターン２２の配置された主面と反対側の主面に配置されたミラー３２３とを有する。反射プレート３２０は、微細凹凸パターン２２が入射側に向くように、設置されている。
　ここで、光を複合拡散板３００のランダムマイクロレンズアレイ１０に照射すると、光がランダムマイクロレンズアレイ１０、微細凹凸パターン２２及びプレート本体２１を透過し、ミラー３２３で反射される。続いて、反射した光は、プレート本体２１、微細凹凸パターン２２及びランダムマイクロレンズアレイ１０を透過し、入射側に向かう。ランダムマイクロレンズアレイ１０において消滅しきれずに残存した輝度ムラは、ミラー３２３により反射されて、さらに拡散され合せて、低減する。
　以上、実施の形態３によれば、局所的な輝度ムラを抑制しつつ、拡散光を反射することができる。
　（レーザ照射実験）
　次に、図１３～図１６、図１９～図２２を参照して、複合拡散板及び単一拡散板にレーザを照射した実験について説明する。
　実施例２－１は、複合拡散板１００（図１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。実施例２－２は、複合拡散板２００（図１１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。実施例２―１及び２－２のランダムマイクロレンズアレイとして、底面四角形状のマイクロレンズを含むランダムマイクロレンズアレイを用いた。このランダムマイクロレンズアレイでは、複数のマイクロレンズが、Ｘ方向におけるピッチＰｘ２０μｍ、Ｙ方向におけるピッチＰｙ３７μｍで配列しており、レンズ曲率半径が５８．５μｍであった。
　マイクロレンズ１２を構成する材料の屈折率ｎを１．５、波長λを７５０μｍ、位相差ΔＰを１波長と設定して、上記数式１を用いて、レンズの凸部最大高さの最大高低差（嵩上げ高さ）ΔＨを１．５μｍと設定した。
　さらに、ランダムマイクロレンズアレイのプレート上の約３０ｍｍ四方を、マイクロレンズアレイ領域として設計した。さらに、マイクロレンズアレイ領域中の約４００μｍ四方を単位領域として設計した。単位領域は、マイクロレンズアレイ領域において、格子状に配列される。
　上記した設定及び設計に基づく露光用データを用いて、露光工程Ｓ１、現像工程Ｓ２、１回目の電鋳工程Ｓ３、２回目の電鋳工程Ｓ３を行ない、スタンパを得た。このスタンパには、凹レンズによるマイクロレンズアレイが形成されている。さらに、このスタンパを用いて、成形工程Ｓ４を行ない、ランダムマイクロレンズアレイを得た。
　実施例２－１では、ランダムマイクロレンズアレイとマットプレートと間の距離は１ｍｍである。このマットプレートは、拡散角度５°を有する。
　実施例２－２では、ランダムマイクロレンズアレイと均一マイクロレンズアレイとの間の距離は１ｍｍである。この均一マイクロレンズアレイは、四角形状の底面を有する複数のマイクロレンズを含み、この複数のマイクロレンズは、Ｘ方向におけるピッチＰｘ２０μｍ、Ｙ方向におけるピッチＰｙ３７μｍ、で配列されており、そのレンズ曲率半径は５８．５μｍであった。
　比較例２－１は、実施例２－１と実施例２－２とで用いたランダムマイクロレンズアレイと同じ構成を有するランダムマイクロレンズアレイからなる単一拡散板である。比較例２－２は、均一マイクロレンズアレイ３０（図１１参照）と同じ構成の均一マイクロレンズアレイを２枚配列して形成される複合拡散板である。なお、特許文献３に開示される複合拡散板と異なり、この２枚配列した均一マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ頂点に対する角度を合せることなく、配置されている。
　実施例２－１、実施例２－２、比較例２－１及び比較例２－２に、Ｈｅ－Ｎｅレーザを照射し、その透過像を撮影し、視野角に対する強度を計測した。図１３及び図１４に、実施例２－１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１５及び図１６に、実施例２－２の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１９及び図２０に、比較例２－１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図２１及び図２２に、比較例２－２の透過像及びその視野角に対する強度を示した。
　図１９及び図２０に示すように、比較例２－１の透過像には、輝度が中央部、具体的には、視野角－５°から５°にかけて大きく変動しており、輝度ムラが局所的に生じた。この輝度ムラは、回折現象及び干渉現象により生じ、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイだけでは十分に補正されなかったと推察される。
　図１３及び図１４に示すように、実施例２―１の透過像は、比較例２－１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較して、輝度ムラが中央部において小さい。マットプレートが光を拡散する効果を有するため、局所的な輝度ムラの発生が抑制されたと推察される。
　図１３及び図１４に示すように、実施例２－２の透過像は、比較例２－１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較して、輝度ムラが中央部において小さい。均一マイクロレンズアレイが光を拡散する効果を有するため、局所的な輝度ムラの発生が抑制されたと推察される。
　図２１及び図２２に示すように、比較例２－２の透過像には、比較例２－１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較しても、大きな輝度ムラが全体的に生じた。比較例２－２において、２枚の均一マイクロレンズアレイが、マイクロレンズ頂点に対する角度を合せることなく、配置されているため、輝度ムラが大きかったと推察される。
　ところで、特許文献２では、マイクロレンズアレイの裏側に微細凹凸構造からなる粗面を設け、粗面が液晶ディスプレイの光源側になるように配置した単一拡散板を開示している。しかし、上記した実施の形態にかかる複合拡散板は、この単一拡散板と比較して、回折による輝度ムラの発生を抑制することができる。
　また、特許文献３では、一方のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの頂点に対して、もう一方のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの頂点の角度を一定角度ずらすことで輝度ムラ改善する複合拡散板を開示している。また、特許文献４では、出射側のマイクロレンズアレイに対して入射側のマイクロレンズアレイのレンズ間隔を整数倍に小さくすることで輝度ムラを改善する複合拡散板を開示している。また、特許文献５および非特許文献１では、２枚のマイクロレンズアレイを焦点距離の位置に配置することで輝度ムラを改善する複合拡散板を開示している。また、しかし、上記した実施の形態にかかる複合拡散板は、これらの複合拡散板と比較して、複数枚の拡散板の配置方法を特に限定しなくとも、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる。特に、非特許文献１では、２枚のマイクロレンズアレイの距離の公差を±０．５μｍ、各々２枚のマイクロレンズアレイのマイクロレンズ頂点同士の角度のずれ公差を±３ｍｄｅｇと非常に狭く規定しているため、ヘッドアップディスプレイ等の製品に実装する際の位置決めが非常に難しい。また、ヘッドアップディスプレイの使用温湿度環境の変化による部材変形や取り付け位置の変動が生じ、前記公差から外れて輝度むらが生じる可能性がある。
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　例えば、実施の形態１にかかる複合拡散板では、ランダムマイクロレンズアレイを入射側に配置しつつマットプレートを出射側に配置したが、マットプレートを入射側に配置するとともにランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置してもよい。また、ランダムマイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。
　例えば、実施の形態２にかかる複合拡散板では、ランダムマイクロレンズアレイを入射側に配置しつつ均一マイクロレンズアレイを出射側に配置したが、均一マイクロレンズアレイを入射側に配置しつつランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置してもよい。また、均一マイクロレンズアレイを入射側に配置しつつランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置した場合、ランダムマイクロレンズアレイが均一マイクロレンズアレイと比較して回折が発生しにくいため、輝度ムラをより抑制して好ましい。
　また、ランダムマイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。また、均一マイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。
　この出願は、２０１５年４月８日に出願された日本出願特願２０１５－０７８９９５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００、２００、３００　複合拡散板
１０　ランダムマイクロレンズアレイ
１１　プレート　　　　　　　　　　　　１２　マイクロレンズ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　マイクロレンズ
１２ａａ、１２ｂａ、１２ｃａ　レンズ部
１２ａｂ、１２ｂｂ、１２ｃｂ　嵩上げ部
２０　マットプレート
２１　プレート本体　　　　　　　　　　２２　微細凹凸パターン
３０　均一マイクロレンズアレイ
３１　プレート　　　　　　　　　　　　３２　マイクロレンズ
２２０　均一マイクロレンズアレイ
３２０　反射プレート　　　　　　　　　３２３　ミラー
Ｐ１、Ｐ２　変曲点

Claims (7)

  1. 　第１拡散板と、第２拡散板とを入射側からこの順に配列した複合拡散板であって、
    　前記第１拡散板及び前記第２拡散板の少なくとも一方は、複数のマイクロレンズを有するランダムマイクロレンズアレイからなり、
    　前記複数のマイクロレンズは、レンズ形状を定義する複数のパラメータを有し、
    　前記複数のパラメータのうち少なくとも１つは、ランダムに分布しており、
    　前記ランダムマイクロレンズアレイは、透過した光に位相差を発生させる複合拡散板。
  2. 　前記第１拡散板は、ランダムマイクロレンズアレイからなり、
    　前記第１拡散板の拡散光強度は、トップハット状の曲線に沿って分布し、
    　前記第１拡散板の拡散角度が、前記第２拡散板の拡散角度以上であることを特徴とする請求項１に記載の複合拡散板。
  3. 　拡散光強度の分布曲線において、視野角０°から視野角の絶対値の最大値のうちの正の値までの、最も視野角の大きい第１変曲点と、視野角の絶対値の最大値のうちの負の値から視野角０°までの、最も視野角の小さい第２変曲点との幅を、トップ幅とすると、
    　トップ幅が、前記第１拡散板の前記拡散光強度の分布曲線のトップ幅に対して、１．２００倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の複合拡散板。
  4. 　前記第２拡散板は、微細凹凸パターンを主面に有するマットプレートからなることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合拡散板。
  5. 　前記第２拡散板は、均一マイクロレンズアレイからなり、
    　前記均一マイクロレンズアレイは、実質的に同じ形状のマイクロレンズの複数を、実質的に同じ間隔で配列して形成される
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合拡散板。
  6. 　前記ランダムマイクロレンズアレイは、プレートと、前記プレートの主面上に有する前記複数のマイクロレンズとを含み、
    　前記マイクロレンズは、レンズ部と、前記レンズ部を前記プレートから嵩上げする嵩上げ部と、を含み、
    　前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記レンズ部は、それぞれ、凸方向において、実質的に同じ長さを有し、
    　前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記嵩上げ部の嵩上げ量は、所定の範囲以内で分布しており、
    　前記マイクロレンズは、前記レンズ部と前記嵩上げ部との高さの和である凸部最大高さを有し、
    　前記複数のマイクロレンズにおける前記凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]と、前記マイクロレンズを構成する材料の屈折率ｎと、光源の波長λ[ｎｍ]とが、
    ０．２≦１０００×ΔＨ×（ｎ－１）／λ
    を満たすことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の複合拡散板。
  7. 　反射部をさらに有し、
    　前記反射部は、前記第２拡散板において、入射側の反対側の主面に設置される
    ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の複合拡散板。
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