WO2018123466A1 - 光学体、拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置 - Google Patents

光学体、拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置 Download PDF

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WO2018123466A1
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optical body
lens group
shape
body according
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有馬　光雄
正之 石渡
勉 長浜
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デクセリアルズ株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/0221—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures the surface having an irregular structure
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    • G03B21/208—Homogenising, shaping of the illumination light
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical body, a diffusion plate, a display device, a projection device, and an illumination device.
  • a diffusion plate that diffuses incident light in a desired direction is often used.
  • Such a diffusion plate has an optical body for realizing a desired diffusion state on the surface thereof.
  • One type of such an optical body has a microlens structure in which a plurality of microlenses having a size of about several tens of ⁇ m are arranged.
  • an optical film including a microlens in which a plurality of microarray regions in which a plurality of microlenses are formed is arranged is disclosed.
  • Such an optical film is characterized in that the surface shapes of a plurality of microlenses formed in the microarray region are different from each other.
  • Patent Document 2 discloses a method of forming a microlens having uniform optical characteristics over the entire surface of a substrate by repeating exposure using a mask having gradation. Such a microlens manufacturing method is characterized in that the dose in exposure is changed.
  • an optical body having an aperiodic microlens array structure as disclosed in Patent Document 1 is manufactured by a manufacturing method that can obtain uniform optical characteristics as disclosed in Patent Document 2. Even when it is manufactured, it has been found that a macro structure larger than the non-periodic structure may be found due to the difference in the dispersibility of a certain region of the non-periodic structure. Specifically, even when various optical characteristics are improved by the non-periodic structure, the macroscopic spot pattern is visually recognized due to the dispersibility of the basic structure in the non-periodic structure, and the optical body It was confirmed that periodicity occurred in the optical characteristics.
  • an object of the present invention is to provide an aperiodic structure in an optical body in which microlens arrays as aperiodic structures are arranged and developed in a wide area.
  • An object of the present invention is to provide an optical body, a diffusion plate, a display device, a projection device, and an illumination device capable of suppressing the expression of periodic optical characteristics in a larger structural unit.
  • an aperiodic structure region formed of a single lens group including a plurality of single lenses is an optical body in which a single or a plurality of non-periodic structure regions are assembled, In the region, the arrangement state of the single lens group is aperiodic as a whole, and the ratio of the size of the non-periodic structure region to the average aperture diameter of the single lens in the non-periodic structure region is 25 times or more.
  • An optical body is provided.
  • At least one of the arrangement pitch of the single lens group or the aperture diameter of the single lens, the radius of curvature of the single lens or the shape of the single lens, or the arrangement pitch of the single lens group is changed.
  • At least one of the arrangement pitch of the single lens group or the aperture diameter of the single lens, the radius of curvature of the single lens or the shape of the single lens, or the arrangement pitch of the single lens group is 5% or more.
  • the surface shape of the single lens in the non-periodic structure region is a spherical shape in which the reference curvature radius R [ ⁇ m] and the reference opening diameter D [ ⁇ m] satisfy the relationship of R ⁇ (D / 2), or an aspheric shape It may be.
  • the reference aperture diameter D of the single lens in the non-periodic structure region is preferably 30 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the optical body may be an optical body in which the same non-periodic structure region is repeatedly arranged.
  • the optical body may be an optical body in which the different aperiodic structure regions are repeatedly arranged.
  • the diffusion half angle of the light transmitted through the optical body may be 20 degrees or more.
  • a diffusion plate provided with the above optical body on the surface.
  • a display device including a diffusion plate having the above optical body is provided.
  • a projection apparatus including a diffusion plate having the optical body is provided.
  • an illuminating device including a diffusion plate having the above optical body.
  • the expression of periodic optical characteristics in a structural unit larger than that of the aperiodic structure is exhibited. It becomes possible to suppress.
  • An optical body according to an embodiment of the present invention described in detail below is a microlens array type optical body having a homogeneous light diffusion function.
  • Such an optical body has a structure in which convex or concave microlenses having a light diffusing function are arranged and developed aperiodically.
  • a macro structure larger than a non-periodic structure is found from the difference in dispersibility. Specifically, even if the non-periodic structure has an improvement effect such as improvement of graininess, bright bokeh, and moire suppression, depending on the dispersibility of the basic structure in the structure, a macro-like spot pattern It became clear that was visible.
  • An optical body according to an embodiment of the present invention described in detail below includes a micro structure region of a non-periodic micro lens array serving as a basic structure, and a macro structure region in which the basic structure is arranged in a wide area with periodicity.
  • a ratio of the size of the micro structure to the macro structure is 25 times or more, a macro structure larger than the non-periodic structure is not visually recognized.
  • the optical body according to the embodiment of the present invention has a high brightness and high gradation image display device such as a liquid crystal backlight, various illumination devices (LED, laser, etc.) and a projector such as a projector due to the above effects.
  • a high brightness and high gradation image display device such as a liquid crystal backlight, various illumination devices (LED, laser, etc.) and a projector such as a projector due to the above effects.
  • a homogeneous display body since it has a function of deforming the light distribution angle distribution, it is possible to provide a small illuminating device, a highly accurate light measurement device, a measurement medical device, or the like that suppresses light spots and is controlled to a predetermined light distribution.
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an optical body according to an embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are explanatory views for explaining the arrangement of unit cells forming the optical body according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a part of the unit cell according to the present embodiment.
  • 4 and 5 are explanatory views for explaining a single lens included in the optical body according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is an electron micrograph of an example of a single lens group provided in the optical body according to the present embodiment as viewed from above.
  • FIG. 7A to 8B are explanatory views for explaining a method of arranging the single lens group provided in the optical body according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a macro pattern visual recognition method.
  • 10A and 10B are explanatory diagrams illustrating an example of the macro pattern visual recognition result.
  • 11 and 12 are explanatory diagrams for explaining the relationship between the aperture diameter of the optical body and the size of the unit cell with respect to visual recognition of the macro pattern.
  • FIG. 13 to FIG. 21 are explanatory diagrams showing examples of confirmation results of the presence / absence of a macro pattern.
  • 22A to 22C are explanatory views for explaining the optical body according to the present embodiment.
  • the optical body 1 is a microlens array type optical body in which a microlens group including a plurality of microlenses (single lenses) is disposed on a substrate.
  • the optical body 1 is composed of a plurality of unit cells 3 as schematically shown in FIG.
  • the layout pattern (arrangement pattern) of the plurality of microlenses provided in the unit cell 3 is the unit cell arrangement direction (in other words, In this case, it is continuous in the array arrangement direction).
  • the shape of the unit cell 3 constituting the optical body 1 is rectangular is taken as an example.
  • the shape of the unit cell 3 is not limited to that shown in FIG. 1.
  • the shape can fill the plane without gaps, such as a regular triangle shape or a regular hexagon shape. Good.
  • the number of unit cells 3 constituting the optical body 1 according to the present embodiment is not particularly limited, and the optical body 1 may be composed of one unit cell 3 or from a plurality of unit cells 3. It may be configured.
  • each unit cell 3 can be regarded as an aperiodic structure region having an aperiodic structure.
  • the unit cell 3 at least one of the arrangement pitch of the single lens group or the aperture diameter of the single lens, the radius of curvature of the single lens or the shape of the single lens, or the arrangement pitch of the single lens group or the aperture diameter of the single lens. And at least one of the radius of curvature of the single lens and the shape of the single lens is changed.
  • the optical body 1 may be an optical body in which unit cells 3 having different non-periodic structures are repeatedly arranged as schematically shown in FIG. 2A, or schematically shown in FIG. 2B. As shown in FIG. 4, the optical body may be an optical body in which unit cells 3 having the same non-periodic structure are repeatedly arranged.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a part of the structure of the unit cell 3 according to the present embodiment.
  • the unit cell 3 according to this embodiment includes a transparent substrate 10 and a single lens group 20 formed on the surface of the transparent substrate 10.
  • the transparent substrate 10 is a substrate made of a material that can be considered transparent in the wavelength band of light incident on the optical body 1 according to the present embodiment.
  • the transparent substrate 10 may be a film or a plate.
  • the material for the base material is not particularly limited. For example, polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (polycarbonate: PC), cyclic olefin copolymer (Cyclo Olefine Polymer: COC), cyclic olefin polymer (CyPol Ole: olefin).
  • the transparent substrate 10 a known resin such as triacetyl cellulose (TAC) can be used as the transparent substrate 10, or a known optical glass such as quartz glass, borosilicate glass, white plate glass, or the like can be used.
  • TAC triacetyl cellulose
  • the transparent base material 10 is illustrated with a rectangular shape as an example.
  • the shape of the transparent base material 10 is not limited to a rectangular shape, for example, a display on which the optical body 1 is mounted. Depending on the shape of the device, projection device, illumination device, etc., it may have any shape.
  • a single lens group 20 including a plurality of single lenses 21 is formed on the surface of the transparent substrate 10.
  • the single lens group 20 includes a plurality of single lenses 21 adjacent to each other as shown schematically in FIG. It is preferably formed so that there is no flat part).
  • the single lenses 21 are not regularly arranged, but are irregularly (randomly) arranged.
  • irregular means that there is substantially no regularity regarding the arrangement of the single lenses 21 in an arbitrary region of the single lens group 20 in the optical body 1. Therefore, even if there is a certain regularity in the arrangement of the single lenses 21 in a minute area in an arbitrary area, those in which the arrangement of the single lenses 21 does not exist in the entire arbitrary area is “irregular”. Shall be included.
  • the irregular arrangement method of the single lenses 21 in the single lens group 20 according to this embodiment will be described in detail below.
  • the single lens 21 constituting the single lens group 20 may be a convex lens or a concave lens as schematically shown in FIG. Further, in the single lens group 20 according to this embodiment, the surface shape of each single lens 21 is not particularly limited, and may include only a spherical component or an aspheric component. May be.
  • the single lens group 20 not only the arrangement of the single lenses 21 as described above, but also the aperture diameter and the radius of curvature of the single lenses 21 vary throughout the single lens group 20. ing.
  • a plurality of single lenses 21 are provided so as to be adjacent to each other, the single lenses 21 are irregularly formed on the transparent substrate 10, and the aperture diameter and the radius of curvature of each single lens 21 have variations (randomness). By doing so, the external shape of each single lens 21 does not become the same shape as each other, but has various shapes as schematically shown in FIG. 3, and many have no symmetry. Become.
  • the boundary between the adjacent single lenses is not composed of only a straight line but includes a curve at least at a part thereof.
  • the outer shape of the single lens 21 projection trajectory of the outer shape when the single lens 21 is looked down
  • the regularity of the arrangement at the boundary between the single lenses is further broken, and the diffraction component can be further reduced.
  • FIG. 6 is an SEM photograph in the case where a part of the single lens group 20 in the optical body 1 according to this embodiment is observed from above with a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the single lens group 20 in which the plurality of single lenses 21 having the above-described characteristics are arranged can be realized mainly by the following two arrangement methods. It is.
  • the first arrangement method is an arrangement method in which single lenses 21 having a reference shape are randomly arranged from the beginning.
  • this arrangement method is also referred to as a “random arrangement method”.
  • single lenses 21 having a reference shape are randomly arranged, and the shapes (that is, the aperture diameter and the radius of curvature) of the single lenses 21 are varied (perturbed). Therefore, as is clear from the SEM photograph showing the actual arrangement of the single lens group 20 shown in FIG. 6, even when the single lens group 20 is looked down to a certain degree of macro, Regularity cannot be found in the arrangement.
  • the second arrangement method sets a reference state (hereinafter, also referred to as “initial arrangement state”) in which the single lenses 21 having a reference shape are regularly arranged, and then sets the initial arrangement state.
  • a reference state hereinafter, also referred to as “initial arrangement state”
  • the shape of the single lens 21 that is, the aperture diameter and the radius of curvature
  • the arrangement position more specifically, the vertex position of the single lens 21
  • this arrangement method is also referred to as “reference arrangement method”.
  • this arrangement method after the regular arrangement of the single lenses 21 is performed, the shape and arrangement of the single lenses 21 are randomized. Therefore, when the single lens group 20 is looked down to a certain degree of macro, the initial arrangement state is determined to some extent.
  • the layout can be estimated.
  • the flow of the random arrangement method will be briefly described with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • the x coordinate and the y coordinate of the lens arrangement position are determined by random numbers.
  • the distance between each single lens 21 already arranged is calculated, and the overlapping width with the single lens 21 already arranged is within a preset allowable range. If so, the target single lens 21 is arranged. Conversely, if the calculated overlap width exceeds the allowable range, the single lens 21 of interest is not arranged. In this way, the initial arrangement in the random arrangement method is determined.
  • This maximum overlapping amount O v shown in FIG. 7B may be regarded as the maximum value of the overlap width between the single lens 21 adjacent to each other.
  • the algorithm of the more specific random arrangement method is not particularly limited, and for example, a known method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-181816 is used. Is possible.
  • the single lens 21 having a random shape is randomized by further perturbing the aperture diameter ⁇ and the curvature radius R of the single lens 21 as shown in FIG. 7B as parameters. It becomes possible to arrange
  • the maximum value of the overlapping width of two adjacent single lenses 21 in the single lens group 20 is O v [ ⁇ m]
  • the aperture diameters of the two adjacent single lenses 21 are When D 1 [ ⁇ m] and D 2 [ ⁇ m], respectively, it is preferable that the relationship represented by the following formula (101) is satisfied.
  • the relationship represented by the following formula (101) is not established, the degree of variation in parameters for realizing random arrangement becomes insufficient, and it may be difficult to realize sufficient randomness.
  • a reference initial arrangement state is first set.
  • the regular arrangement state of the single lenses 21 is not particularly limited.
  • the single lenses 21 are arranged in a square arrangement in which the vertex positions of the single lenses 21 are arranged in a square shape, or in positions corresponding to the regular hexagonal vertex and the regular hexagonal center.
  • a hexagonal arrangement or the like where the apex position of the lens 21 is arranged may be used as appropriate.
  • the regular arrangement state is a close-packed arrangement state such as a hexagonal close-packed lattice so as not to generate a flat portion as much as possible in the single lens group 20 after performing the reference arrangement method. It is preferable.
  • the lattice spacing (reference lattice pitch G in FIG. 8B) is used as a parameter.
  • the lattice spacing as a parameter is decreased from the value corresponding to the most dense pattern.
  • the single lenses come to overlap each other, and the flat portion is eliminated.
  • the lens center (vertex position) of each single lens 21 is moved randomly from the lattice point.
  • the maximum moving distance from the lattice point is used as a parameter (maximum perturbation amount M in FIG. 8B), and the product of a random number between 0 and 1 and the maximum moving distance is used as the moving distance.
  • the movement angle is also determined using random numbers.
  • the single lenses 21 having a random shape can be randomly arranged.
  • the change rate from the reference of the single lens aperture diameter and the single lens curvature radius or the single lens shape is preferably 5% or more.
  • the rate of change from the reference that is, the amount of perturbation
  • the surface shape of the single lens 21 in the unit cell 3 is a spherical shape in which the reference curvature radius R [ ⁇ m] and the reference opening diameter D [ ⁇ m] satisfy the relationship of R ⁇ (D / 2), or An aspherical shape is preferred. Since the surface shape of the single lens 21 constituting the unit cell 3 has the above surface shape, a so-called top-hat type diffusion characteristic can be more reliably realized.
  • the top-hat type diffusion characteristic means that the energy distribution of the collimated light in the visible region and the telecentric light having a collimated principal ray and a certain aperture within the angular component in the certain region. This is an optical function that has very high homogeneity and whose energy can be drastically reduced when a certain region of this angular component is exceeded.
  • the luminance distribution of the diffused light of the light incident on the single lens group 20 becomes substantially uniform within a predetermined diffusion angle range, and the luminance value of the diffused light is within the predetermined diffusion angle range. A state of being within a range of ⁇ 10% around the peak value is realized.
  • the reference opening diameter D is preferably 30 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the macro pattern that the present inventors have focused on is from an LED light source to an optical body formed by periodically arranging unit cells having an aperiodic structure.
  • the emitted illumination light is collimated by a collimator lens and irradiated with a light beam of a Kohler illumination system, and the state of the surface of the single lens group 20 is condensed on an image pickup device such as a CCD or CMOS by an image pickup lens. As can be confirmed.
  • FIG. 10A shows an example of the visual recognition result of the macro pattern in which the macro pattern focused by the present inventors has been confirmed.
  • a spot pattern that is, a macro pattern
  • FIG. 10A shows an example of the visual recognition result of the macro pattern in which the macro pattern focused by the present inventors has been confirmed.
  • FIG. 10B shows an example of the visual recognition result of the macro pattern in which the macro pattern focused on by the present inventors was not confirmed.
  • the luminance value finely vibrates in the luminance profile of the cross section shown in the lower part of FIG. 10B.
  • the present inventors have shown that the average aperture diameter D AVE (single lens 21) of the single lenses 21 constituting the unit cell 3, as schematically shown in FIG. And the length along the arrangement direction of the unit cell 3 (that is, the length of one side of the unit cell 3) L, and earnestly studied.
  • the resolution generated in such drawing is referred to as “minimum dot size”.
  • the simulation result of the diffused light state of the optical body is also shown.
  • the surface shape of the unit cell 3, the captured image when 5 ⁇ 5 25 such unit cells 3 are arranged, and the optical body.
  • the simulation result of the diffused light state is also shown.
  • the simulation result of the diffused light state is also shown.
  • the surface shape of the unit cell 3, the captured image when 12 ⁇ 12 144 such unit cells 3 are arranged, and the optical body.
  • the simulation result of the diffused light state is also shown.
  • the simulation result of the diffused light state is also shown.
  • the surface shape of the unit cell 3, the captured image when 40 ⁇ 40 1600 such unit cells 3 are arranged, and the optical body.
  • the simulation result of the diffused light state is also shown.
  • the size of the single lens 21 occupying the unit cell 3 is relatively increased as the value of the number of pixels P on one side decreases. .
  • a regular pattern is not generated, but when the value of the pixel number P on one side is 750 pixels or less, It can be seen that a regular pattern is generated.
  • the value of the number of pixels P on one side is 250 pixels or less, it can be confirmed that diffracted light having a macro period is generated in the simulation result of the diffused light state.
  • the inventors have come to the knowledge that the occurrence of macro patterns can be suppressed by setting the dimensional ratio to 25 times or more.
  • the obtained results are shown in FIG.
  • the reference aperture diameter D is changed, the generation of the macro pattern is suppressed by setting the dimensional ratio to 25 times or more. You can see that it is made.
  • the present inventors produce an optical body in which the ratio of the size of the unit cell 3 that is an aperiodic structure region to the average aperture diameter D AVE of the single lens 21 in the unit cell 3 is 25 times or more.
  • the upper limit value of the dimensional ratio is not particularly specified, and the larger the better, the better.
  • ⁇ Diffusion characteristics of optical body> Diffusion of the optical body 1 having a dimensional ratio of 25 times or more between the size of the unit cell 3 that is an aperiodic structure region and the average aperture diameter D AVE of the single lens 21 in the unit cell 3 as described above. The characteristics will be described with reference to FIGS. 22A to 22C.
  • the optical body 1 according to the present embodiment appropriately controls the reference aperture diameter D, the reference curvature radius R, the perturbation amount ⁇ , etc. of the single lens group 20 constituting the unit cell 3, or introduces an aspherical shape.
  • desired diffusion characteristics can be realized.
  • the optical body 1 according to the present embodiment can be manufactured as an optical body having a diffusion half angle (diffusion half-value width) of 20 degrees or more by performing appropriate adjustment as described above. It is also possible to manufacture an optical body having a diffusion half angle (diffusion half width) of 10 degrees or less.
  • An optical body having a diffusion half-angle (diffusion half-value width) of 20 degrees or more can be suitably used for a region of diffused light that is easily visible to humans.
  • Various illuminations used for spot illumination, base illumination, and the like It can be used for devices, various special lighting, and various screens such as an intermediate screen and a final screen.
  • an optical body having a diffusion half angle (diffusion half-value width) of 10 degrees or less can be suitably used for a region such as diffusion control of light source light in an optical device. It can be used for light distribution control of a light source device, incident light distribution control to various light valve systems, and the like.
  • optical body according to this embodiment has been described in detail above with reference to FIGS. 1 to 22C.
  • FIG. 13 is a flowchart showing an example of the flow of the optical body manufacturing method according to the present embodiment.
  • the substrate is cleaned (step S101).
  • a substrate may be, for example, a roll like a glass roll or a flat plate like a glass wafer.
  • a resist for example, a resist using a metal oxide or a resist using an organic substance
  • a resist forming process is realized by a coating process or dipping for a roll-shaped substrate, and is realized by various coating processes for a flat substrate.
  • an exposure process is performed on the substrate on which the resist is formed (step S105).
  • this exposure process includes exposure using a gray scale mask or the like (including multiple exposure by overlapping a plurality of gray scale masks), gray scale exposure on a flat plate or a roll plate, a picosecond pulse laser, a femtosecond pulse laser, or the like.
  • Various known exposure methods such as the laser exposure used can be appropriately applied.
  • step S107 the substrate after exposure is alkali-developed (step S107), and is subjected to a known sputtering process (step S109) such as Ni sputtering, whereby a master master (for example, when manufacturing the optical body 1 according to the present embodiment) A glass master, a metal master, etc.) are completed (step S111). Thereafter, a mold such as a soft mold is created using the completed master master (step S113).
  • step S115 transfer processing is performed on the substrate glass, the substrate film, and the like using the manufactured mold (step S115), and a protective film and the like are formed as necessary (step S117).
  • the optical body 1 according to the above is manufactured.
  • step S121 the optical body 1 according to this embodiment is manufactured.
  • the flow of the manufacturing method shown in FIG. 23 is merely an example, and the manufacturing method of the optical body according to the present embodiment is not limited to the example shown in FIG.
  • optical body 1 (Application example of optical body) Next, an application example of the optical body 1 according to the present embodiment will be briefly described.
  • the optical body 1 as described above can be preferably applied to a diffusion plate used for diffusing light. That is, a diffusion plate having desired diffusion characteristics can be realized by providing the optical body as described above on at least one of the front surface and the back surface of a predetermined optical substrate.
  • the diffusing plate having the optical body 1 according to the present embodiment as described above can be appropriately mounted on a device that needs to diffuse light in order to realize its function.
  • the device that needs to diffuse light in order to realize the function include a display device such as various displays and a projection device such as a projector.
  • the diffusion plate having the optical body 1 according to the present embodiment can be applied to the backlight of a liquid crystal display device, and can also be used for light shaping applications. Furthermore, the diffusion plate having the optical body 1 according to the present embodiment can be applied to various illumination devices.
  • the device that needs to diffuse light in order to realize the function is not limited to the above example, and the device that uses light diffusion is not limited to this well-known device. It is possible to apply a diffusion plate having the optical body 1 according to the embodiment.

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Abstract

【課題】非周期性構造としてのマイクロレンズアレイが広域に配列展開された光学体において、非周期性構造よりも大きな構造単位での周期的な光学特性の発現を抑制すること。 【解決手段】本発明に係る光学体は、複数の単レンズからなる単レンズ群で構成された非周期構造領域が単独又は複数集合したものであり、前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置状態が全体として非周期的であり、前記非周期構造領域の大きさと、当該非周期構造領域における前記単レンズの平均開口径と、の比が２５倍以上である。

Description

光学体、拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置
　本発明は、光学体、拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置に関する。
　光の拡散特性を変化させるために、入射した光を所望の方向に拡散させる拡散板が用いられることが多い。かかる拡散板は、その表面に所望の拡散状態を実現させるための光学体を有している。かかる光学体の一種として、数十μｍ程度の大きさのマイクロレンズが複数配置されたマイクロレンズ構造を有するものがある。
　例えば以下の特許文献１では、複数のマイクロレンズが形成されたマイクロアレイ領域を複数個配置したマイクロレンズを備える光学フィルムが開示されている。かかる光学フィルムは、マイクロアレイ領域内に形成された複数のマイクロレンズの表面形状が互いに異なることを特徴としている。
　このようなマイクロレンズを製造する方法の一つに、例えば以下の特許文献２に示したような、投影露光方によるマイクロレンズの製造方法がある。かかる特許文献２では、階調を持つマスクを使用し、露光を繰り返すことで、基板全面に光学特性が均一化されたマイクロレンズを形成する方法が開示されている。かかるマイクロレンズの製造方法は、露光におけるドーズ量を変えることを特徴としている。
特開２０１２－　１３７４８号公報 特開２００５－２７５０００号公報
　しかしながら、本発明者らが複数のマイクロレンズを有する光学体について鋭意検討を行った結果、以下のような結果を得ることができた。すなわち、上記特許文献１に開示されているような非周期性のマイクロレンズアレイ構造を有する光学体を、上記特許文献２に開示されているような均一な光学特性が得られるような製造方法で製造した場合であっても、非周期性構造の一定領域の分散性の差異から、非周期性の構造よりも大きなマクロ構造が見出されてしまう場合があることを見出した。具体的には、非周期性構造により様々な光学特性に改善がみられる場合であっても、非周期性構造における基本構造の分散性によって、マクロ的な斑模様が視認されてしまい、光学体の光学特性に周期性が生じてしまうことを確認した。
　そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、非周期性構造としてのマイクロレンズアレイが広域に配列展開された光学体において、非周期性構造よりも大きな構造単位での周期的な光学特性の発現を抑制することが可能な、光学体、拡散板、表示装置、投影装置及び照明装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数の単レンズからなる単レンズ群で構成された非周期構造領域が単独又は複数集合した光学体であって、前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置状態が全体として非周期的であり、前記非周期構造領域の大きさと、当該非周期構造領域における前記単レンズの平均開口径と、の比が２５倍以上である、光学体が提供される。
　前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径、又は、前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径及び前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、が変化していることが好ましい。
　前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径、又は、前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径及び前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、の基準からの変化率が、５％以上であることが好ましい。
　前記非周期構造領域における前記単レンズの表面形状は、基準曲率半径Ｒ［μｍ］及び基準開口径Ｄ［μｍ］がＲ≧（Ｄ／２）の関係を満足する球面形状、又は、非球面形状であってもよい。
　前記非周期構造領域における前記単レンズの基準開口径Ｄは、３０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。
　前記光学体は、互いに同一の前記非周期構造領域が繰り返し配置された光学体であってもよい。
　前記光学体は、互いに異なる前記非周期構造領域が繰り返し配置された光学体であってもよい。
　前記光学体を透過した光の拡散半角が２０度以上であってもよい。
　また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の光学体を表面に備える拡散板が提供される。
　また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の光学体を有する拡散板を備える表示装置が提供される。
　また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の光学体を有する拡散板を備える投影装置が提供される。
　また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の光学体を有する拡散板を備える照明装置が提供される。
　以上説明したように本発明によれば、非周期性構造としてのマイクロレンズアレイが広域に配列展開された光学体において、非周期性構造よりも大きな構造単位での周期的な光学特性の発現を抑制することが可能となる。
本発明の実施形態に係る光学体を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学体を形成す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。 同実施形態に係る光学体を形成す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。 同実施形態に係る単位セルの一部を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学体が有する単レンズについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体が有する単レンズについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の一例を上方から見た電子顕微鏡写真である。 同実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の配置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の配置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の配置方法について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の配置方法について説明するための説明図である。 マクロパターンの視認方法について説明するための説明図である。 マクロパターンの視認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの視認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの視認に関する光学体の開口径と単位セルの大きさとの関係を説明するための説明図である。 マクロパターンの視認に関する光学体の開口径と単位セルの大きさとの関係を説明するための説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。 同実施形態に係る光学体について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学体の製造方法の流れの一例を示した流れ図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（本発明の実施形態に係る光学体の概要）
　本発明の実施形態に係る光学体について詳細に説明するに先立ち、本発明の実施形態に係る光学体の概要について、以下で簡単に言及しておく。
　以下で詳述する本発明の実施形態に係る光学体は、光の均質拡散機能を備えたマイクロレンズアレイ型の光学体である。かかる光学体は、光拡散機能を有する凸面又は凹面のマイクロレンズが、非周期的に配列展開された構造体を有している。
　以下で詳述するように、従来の非周期性マイクロレンズアレイ構造の領域内、又は、非周期性の構造領域が周期性をもって広域に配列展開した領域内において、非周期性構造の一定領域の分散性の差異から、非周期性の構造よりも大きなマクロ構造が見出されてしまうことが、本発明者らによって明らかとなった。具体的には、非周期構造体により粒状性の改善や明るいボケ味、及びモアレ抑制などの改善効果がある場合であっても、構造体内の基本構造の分散性によっては、マクロ状の斑模様が視認されることが明らかとなった。
　以下で詳述する本発明の実施形態に係る光学体は、基本構造となる非周期性のマイクロレンズアレイのミクロ構造領域内、及び、かかる基本構造が周期性をもって広域に配列展開したマクロ構造領域においても、ミクロ構造とマクロ構造との大きさの比率を２５倍以上とすることで、非周期構造よりも大きなマクロ構造が視認されない。
　また、本発明の実施形態に係る光学体は、以上の効果により、液晶バックライト、各種照明装置（ＬＥＤ、レーザーなど）、プロジェクタなどの投光装置といった、高明度で高諧調な画像表示装置などにおいて、均質な表示体を提供することが可能となる。また、配光角度分布の変形機能をもつことから、光斑を抑制し、所定の配光分布に制御した小型の照明装置や、高精度な光計測装置、計測医療装置などを提供できる。
　以下では、以上のような特徴を有する本発明の実施形態に係る光学体について、詳細に説明する。
（光学体について）
　以下では、図１～図２２Ｃを参照しながら、本発明の実施形態に係る光学体について詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る光学体を模式的に示した説明図である。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る光学体を形成す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。図３は、本実施形態に係る単位セルの一部を模式的に示した説明図である。図４及び図５は、本実施形態に係る光学体が有する単レンズについて説明するための説明図である。図６は、本実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の一例を上方から見た電子顕微鏡写真である。図７Ａ～図８Ｂは、本実施形態に係る光学体が備える単レンズ群の配置方法について説明するための説明図である。図９は、マクロパターンの視認方法について説明するための説明図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、マクロパターンの視認結果の一例を示した説明図である。図１１及び図１２は、マクロパターンの視認に関する光学体の開口径と単位セルの大きさとの関係を説明するための説明図である。図１３～図２１は、マクロパターンの有無の確認結果の一例を示した説明図である。図２２Ａ～図２２Ｃは、本実施形態に係る光学体について説明するための説明図である。
　本実施形態に係る光学体１は、基板上に複数のマイクロレンズ（単レンズ）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光学体である。かかる光学体１は、図１に模式的に示したように、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、図１右側の図に模式的に示したように、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。
　ここで、図１では、光学体１を構成する単位セル３の形状が矩形である場合を例に挙げて図示を行っている。しかしながら、単位セル３の形状は、図１に示したものに限定されるものではなく、例えば、正三角形状や正六角形状などのように、平面を隙間なく埋めることが可能な形状であればよい。
　本実施形態に係る光学体１を構成する単位セル３の個数は、特に限定するものではなく、光学体１が一つの単位セル３から構成されていてもよいし、複数個の単位セル３から構成されていてもよい。
　ここで、各単位セル３は、以下で詳述するように、非周期的な構造からなる非周期構造領域として捉えることが可能である。かかる単位セル３では、単レンズ群の配置ピッチもしくは単レンズの開口径、又は、単レンズの曲率半径もしくは単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、単レンズ群の配置ピッチもしくは単レンズの開口径及び単レンズの曲率半径もしくは単レンズの形状の少なくとも何れか、が変化している。
　本実施形態に係る光学体１は、図２Ａに模式的に示したように、互いに異なる非周期構造を有する単位セル３が繰り返し配置された光学体であってもよいし、図２Ｂに模式的に示したように、互いに同一の非周期構造を有する単位セル３が繰り返し配置された光学体であってもよい。
　図３は、本実施形態に係る単位セル３の一部の構造を模式的に示した説明図である。図３に模式的に示したように、本実施形態に係る単位セル３は、透明基板１０と、透明基板１０の表面に形成された単レンズ群２０と、を有している。
＜透明基材１０について＞
　透明基材１０は、本実施形態に係る光学体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材である。かかる透明基材１０は、フィルム状のものであってもよいし、板状のものであってもよい。かかる基材の材質については、特に限定するものではない。例えば、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｎｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ：ＰＣ）、環状オレフィン・コポリマー（Ｃｙｃｌｏ　Ｏｌｅｆｉｎ　Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ：ＣＯＣ）、環状オレフィンポリマー（Ｃｙｃｌｏ　Ｏｌｅｆｉｎ　Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＣＯＰ）、トリアセチルセルロース（Ｔｒｉａｃｅｔｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ：ＴＡＣ）等といった公知の樹脂を透明基材１０として用いることも可能であるし、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用いることも可能である。図３では、透明基材１０が矩形である場合を例に挙げて図示を行っているが、透明基材１０の形状は矩形に限定されるものではなく、例えば光学体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よい。
＜単レンズ群２０について＞
　透明基材１０の表面には、複数の単レンズ２１からなる単レンズ群２０が形成されている。本実施形態に係る光学体１において、単レンズ群２０は、図３に模式的に示したように、複数の単レンズ２１が互いに隣接するように（換言すれば、単レンズ２１間に隙間（平坦部）が存在しないように）形成されることが好ましい。透明基材１０上に単レンズ２１を隙間なく配置させる（換言すれば、単レンズの充填率が１００％となるように配置させる）ことで、入射光のうち拡散板表面で散乱せずにそのまま透過してしまう成分（以下、「０次透過光成分」ともいう。）を抑制することが可能となる。その結果、複数の単レンズ２１が互いに隣接するように配置された単レンズ群２０では、拡散性能を更に向上させることが可能となる。
　また、本実施形態に係る単レンズ群２０では、図３に模式的に示したように、各単レンズ２１は、規則的に配置されているのではなく、不規則に（ランダムに）配置されている。ここで、「不規則」とは、光学体１における単レンズ群２０の任意の領域において、単レンズ２１の配置に関する規則性が実質的に存在しないことを意味する。従って、任意の領域での微小領域において単レンズ２１の配置にある種の規則性が存在したとしても、任意の領域全体として単レンズ２１の配置に規則性が存在しないものは、「不規則」に含まれるものとする。なお、本実施形態に係る単レンズ群２０における単レンズ２１の不規則な配置方法については、以下で改めて詳述する。
　本実施形態において、単レンズ群２０を構成する単レンズ２１は、図３に模式的に示したように凸レンズとなっていてもよいし、凹レンズとなっていてもよい。また、本実施形態に係る単レンズ群２０では、各単レンズ２１の表面形状は、特に限定されるものではなく、球面成分のみを含むものであってもよいし、非球面成分が含まれていてもよい。
　また、本実施形態に係る単レンズ群２０では、上記のような各単レンズ２１の配置のみならず、各単レンズ２１の開口径及び曲率半径についても、単レンズ群２０全体でばらつきを有している。
　複数の単レンズ２１が互いに隣接するように設けられ、単レンズ２１が透明基材１０上に不規則に形成され、かつ、各単レンズ２１の開口径及び曲率半径にばらつき（ランダム性）を持たせることで、それぞれの単レンズ２１の外形は、互いに同一の形状とはならず、図３に模式的に示したように様々な形状を有するようになり、対称性を有しなくなるものが多くなる。
　このような場合、図４に模式的に示したように、単レンズＡでは曲率半径がｒＡであるのに対し、単レンズＢでは曲率半径がｒＢ（≠ｒＡ）となるという状況も多く生じるようになる。隣接する単レンズの曲率半径が異なる場合、隣接する単レンズ間の境界は直線のみで構成されるのではなく、その少なくとも一部に曲線を含むようになる。その結果、例えば図５に模式的に示したように、単レンズ２１の外形（単レンズ２１を俯瞰した場合の外形の投影軌跡）は、互いに異なる複数の湾曲及び曲面の境界で構成されるようになる。単レンズ間の境界の少なくとも一部に曲線が含まれることで、単レンズ間の境界での配置の規則性が更に崩れることとなり、回折成分を更に低減することが可能となる。
　図６は、本実施形態に係る光学体１における単レンズ群２０の一部を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）により上方から観察した場合のＳＥＭ写真である。図６から明らかなように、単レンズ群２０を構成する単レンズ２１の外形（俯瞰投影軌跡）は、様々な形状を有しており、単レンズ２１の開口径も互いに相違していることがわかる。
＜単レンズ２１の配置方法について＞
　以下では、以上説明したような単レンズ２１の配置方法について、具体的に説明する。
　本実施形態に係る光学体１の単位セル３において、上記のような特徴を有する複数の単レンズ２１が配置された単レンズ群２０は、主に以下の２つの配置方法により実現することが可能である。
　第一の配置方法は、基準となる形状を有する単レンズ２１を、初めからランダムに配置していく配置方法である。以下、この配置方法を、「ランダム配置方法」ともいう。この配置方法では、基準となる形状を有する単レンズ２１をランダムに配置した上で、単レンズ２１の形状（すなわち、開口径及び曲率半径）をばらつかせる（摂動させる）。そのため、図６に示した、実際の単レンズ群２０の配置の様子を示したＳＥＭ写真から明らかなように、ある程度マクロ的に単レンズ群２０を俯瞰した場合であっても、単レンズ２１の配置に規則性を見出すことはできない。
　第二の配列方法は、基準となる形状を有する単レンズ２１を規則的に配列させた基準となる状態（以下、「初期配列状態」ともいう。）をひとまず設定した上で、かかる初期配列状態から、単レンズ２１の形状（すなわち、開口径及び曲率半径）と、配置位置（より詳細には、単レンズ２１の頂点位置）と、をばらつかせる（摂動させる）方式である。以下、この配置方法を、「基準配置方法」ともいう。この配置方法では、規則的な単レンズ２１の配列を経たうえで、単レンズ２１の形状及び配置にランダム性を持たせるため、ある程度マクロ的に単レンズ群２０を俯瞰すると、初期配列状態をある程度推定できるような配置となっている。
［ランダム配置方法について］
　まず、図７Ａ及び図７Ｂを参照しながら、ランダム配置方法の流れについて、簡単に説明する。
　ランダム配置方法では、図７Ａに示したように、レンズ配置位置をｘｙ座標系で考えた場合に、レンズ配置位置のｘ座標及びｙ座標を、乱数で決定していく。この際、着目している単レンズ２１について、既に配置されている各単レンズ２１との距離を計算し、既に配置されている単レンズ２１との重なり幅が、予め設定されている許容範囲内であれば、着目している単レンズ２１を配置していくようにする。逆に、計算した重なり幅が許容範囲を超える場合には、着目している単レンズ２１は配置しないようにする。このようにして、ランダム配置方法における初期配列が決定される。
　上記のような配置方法における許容範囲が、図７Ｂに示した最大重ね合わせ量Ｏｖである。この最大重ね合わせ量Ｏｖは、互いに隣接する単レンズ２１との重なり幅の最大値として捉えることが可能である。
　以上がランダム配置方法の概略であるが、より具体的なランダム配置方法のアルゴリズムは特に限定されるものではなく、例えば、特開２０１２－１８１８１６号公報に開示されているような公知の方法を利用することが可能である。
　以上のようにして初期配列を決定した後、図７Ｂに示したような単レンズ２１の開口径φや曲率半径Ｒをパラメータとして更に摂動させることにより、ランダムな形状を有する単レンズ２１を、ランダムに配置させることが可能となり、平坦部の発生を抑制することが可能となる。
　以上のようなランダム配置方法において、単レンズ群２０における、互いに隣接する２つの単レンズ２１の重なり幅の最大値をＯｖ［μｍ］とし、互いに隣接する２つの単レンズ２１の開口径を、それぞれＤ１［μｍ］、Ｄ２［μｍ］としたときに、以下の式（１０１）で表される関係が成立することが好ましい。下記式（１０１）で表される関係が成立しない場合には、ランダム配置を実現するためのパラメータのばらつき度合いが不十分となり、十分なランダム性を実現することが困難となる可能性がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
［基準配置方法について］
　続いて、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、基準配置方法の流れについて、簡単に説明する。
　図８Ａに示したように、基準配置方法では、まず、基準となる初期配列状態をまず設定する。単レンズ２１の規則的な配列状態は、特に限定するものではなく、単レンズ２１の頂点位置が正方形状に配置される四角配置や、正六角形の頂点及び正六角形の中心に対応する位置に単レンズ２１の頂点位置が配置される六角配置等を適宜利用すればよい。この際、基準配置方法を実施した後の単レンズ群２０に、なるべく平坦部を生じさせないようにするために、規則的な配列状態は、六方最密格子等のような最密配列状態にすることが好ましい。
　かかる基準配置方法では、図８Ａ左側中段の図に示したように、格子間隔（図８Ｂにおける基準格子ピッチＧ）をパラメータとする。その上で、図８Ａ左側下段の図に示したように、パラメータである格子間隔を、最密パターンに対応する値から小さくしていく。これにより、図８Ａ右側上段の図に示したように、各単レンズが重なりあうようになり、平坦部が無くなる。
　その後、図８Ａ右側中段の図に示したように、各単レンズ２１のレンズ中心（頂点位置）を、格子点からランダムに動かしていく。具体的には、格子点からの最大移動距離をパラメータとし（図８Ｂにおける最大摂動量Ｍ）、０～１の乱数と最大移動距離との積を移動距離として、個々に決定していく。また、移動角度についても、乱数を用いて決定していく。これにより、図８Ａ右側下段の図に示したように、最終的な単レンズ２１の配置パターンが決定することとなる。
　その後、図８Ｂに示したような単レンズ２１の開口径φや曲率半径Ｒをパラメータとして更に摂動させることにより、ランダムな形状を有する単レンズ２１を、ランダムに配置させることが可能となる。
　以上、図７Ａ～図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る単レンズ２１の配置方法について、具体的に説明した。
　以上のような単位セル３の配置方法において、単レンズ群の配置ピッチもしくは単レンズの開口径、又は、単レンズの曲率半径もしくは単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、単レンズ群の配置ピッチもしくは単レンズの開口径及び単レンズの曲率半径もしくは単レンズの形状の少なくとも何れか、の基準からの変化率（すなわち、上記の各配置方法における摂動量）は、５％以上であることが好ましい。基準からの変化率（すなわち、摂動量）が５％以上となることで、単位セル３を構成する単レンズ群２０に確実に非周期性を導入することが可能となる。
　また、単位セル３における単レンズ２１の表面形状は、基準曲率半径Ｒ［μｍ］及び基準開口径Ｄ［μｍ］がＲ≧（Ｄ／２）の関係を満足する球面形状であるか、又は、非球面形状であることが好ましい。単位セル３を構成する単レンズ２１の表面形状が、上記のような表面形状を有することで、いわゆるトップハット型の拡散特性をより確実に実現させることが可能となる。
　なお、トップハット型の拡散特性とは、可視光領域のコリメート光や、コリメート性のある主光線を有して一定の開口を持つテレセントリック光に対して、一定領域における角度成分内でエネルギー分布の均質性が非常に高く、この角度成分の一定領域を超過するとエネルギーが急激に減少し得る光学機能をいう。かかる拡散特性が実現されることで、単レンズ群２０に入射した光の拡散光の輝度分布が、所定の拡散角度範囲で略均一となり、所定の拡散角度範囲内で、拡散光の輝度値がピーク値を中心として±１０％の範囲内に収まっている状態が実現される。
　また、上記のような単位セル３において、基準開口径Ｄは、３０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。
＜光学体で視認されうるマクロパターンについて＞
　先だって言及したように、本発明者らは、非周期構造を有する単位セル３を周期的に配置して光学体１を形成した際に、単位セル３内の基本構造の分散性によっては、マクロ状の斑模様が視認されることを確認した。以下、本発明者らが確認した光学体で視認されうるマクロパターンについて、詳細に説明する。
　本発明者らが着目しているマクロパターンは、図９に模式的に示したように、非周期構造を有する単位セルを周期的に配置することで形成した光学体に対して、ＬＥＤ光源から出射された照明光をコリメートレンズによりコリメート光とした、ケーラー照明系の光束を照射し、単レンズ群２０面の状態を撮像レンズによりＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子上に集光させることで、画像として確認することができる。
　図１０Ａは、本発明者らが着目しているマクロパターンが確認されたマクロパターンの視認結果の一例を示したものである。図１０Ａ上段の撮像画像から明らかなように、画像中には、単位セル３の大きさよりも大きな単位での規則性を有する斑模様（すなわち、マクロパターン）が存在しており、図１０Ａ下段に示した断面の輝度プロファイルにおいても、周期的に輝度ピークが存在していることが確認できる。
　一方、図１０Ｂは、本発明者らが着目しているマクロパターンが確認されなかったマクロパターンの視認結果の一例を示したものである。図１０Ｂ上段の撮像画像において明らかなように、画像中には、規則性を有する斑模様は確認されず、図１０Ｂ下段に示した断面の輝度プロファイルにおいても、輝度値は細かに振動しているものの、図１０Ａに示したような周期的な輝度ピークは、存在しないことがわかる。
　このようなマクロパターンを与える基本構造の分散性について、本発明者らは、図１１に模式的に示したように、単位セル３を構成する単レンズ２１の平均開口径ＤＡＶＥ（単レンズ２１の基準開口径Ｄでもある。）と、単位セル３の配置方向に沿った長さ（すなわち、単位セル３の一辺の長さ）Ｌと、の関係に着目して、鋭意検討を行った。
　ここで、実際に単レンズ群２０を製造するに際して、いかなる製造方法を用いる場合であっても、「これ以上は精細に描画を行うことができない」という分解能が存在する。以下では、かかる描画上生じる分解能を、「最小ドットサイズ」と称することとする。最小ドットサイズが製造上の制約等に起因して決まると、単位セル３の一辺の長さＬは、最小ドットサイズに、単位セル３を構成する画素数を乗じたものとなる。すなわち、最小ドットサイズが１画素あたりΔ［μｍ］であり、単位セル３をＰ画素×Ｐ画素の大きさで製造する場合には、単位セル３の一辺の長さＬ＝Δ×Ｐで表される。
　本発明者らは、単位セル３における単レンズ２１の開口径の平均値ＤＡＶＥ（＝単レンズ２１の基準開口径Ｄ）を３０μｍに固定した上で、最小ドットサイズΔ＝０．８μｍ（これは、現時点で光学体を製造する際に一般的に用いられる製造方法において、最小のドットサイズである。）として、１辺のドット数Ｐを変えながら、光学体を上記のランダム配置方法に則してそれぞれ製造し、マクロパターンが確認されるかを検証した。なお、光学体の製造に際して、基準曲率半径Ｒの値は２０μｍに固定しており、基準開口径Ｄ及び基準曲率半径Ｒの摂動量δは、それぞれ５％とした。マクロパターンの確認は、図９に模式的に示した方法を利用した。また、一部の光学体については、市販の光線追跡シミュレーション用アプリケーションを利用して、拡散光の状態をシミュレートした。
　得られた結果を図１２に示し、各光学体のマクロパターンの確認結果については、図１３～２０にそれぞれ示した。
　なお、図１３は、ドット数Ｐ＝５０００画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を３×３＝９枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。図１４は、ドット数Ｐ＝２０００画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を２×２＝４枚配置した場合の撮像画像と、をあわせて示している。図１５は、ドット数Ｐ＝１０００画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を５×５＝２５枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。図１６は、ドット数Ｐ＝７５０画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を６×６＝３６枚配置した場合の撮像画像と、をあわせて示している。図１７は、ドット数Ｐ＝４００画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を１２×１２＝１４４枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。図１８は、ドット数Ｐ＝２５０画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を１２×１２＝１４４枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。図１９は、ドット数Ｐ＝２００画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を２５×２５＝６２５枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。図２０は、ドット数Ｐ＝１２５画素の結果であり、図中に、かかる単位セル３の表面形状と、かかる単位セル３を４０×４０＝１６００枚配置した場合の撮像画像と、かかる光学体の拡散光状態のシミュレーション結果と、をあわせて示している。
　図１３～図２０を互いに比較すると明らかなように、１辺の画素数Ｐの値が小さくなるにつれて、単位セル３内に占める単レンズ２１の大きさは相対的に大きくなっていくことがわかる。また、１辺の画素数Ｐの値が５０００画素～１０００画素の撮像画像では、規則的な模様は発生していないが、１辺の画素数Ｐの値が７５０画素以下となると、撮像画像中に、規則的な模様が生じていることがわかる。更には、１辺の画素数Ｐの値が２５０画素以下となると、拡散光状態のシミュレーション結果内に、マクロ周期の回折光が生じていることが確認できる。
　かかる検証結果について、単位セル３の一辺の大きさＬと開口径ＤＡＶＥとの寸法比を算出すると、図１２中に示したようになる。寸法比２０倍に対応するＰ＝７５０画素の結果では、マクロパターンが確認され、寸法比２６．６７倍に対応するＰ＝１０００画素の結果では、マクロパターンが確認されなかったことから、本発明者らは、寸法比を２５倍以上とすることで、マクロパターンの発生を抑制できるとの知見を得るに至った。
　かかる知見を検証すべく、基準開口径Ｄ＝２５０μｍ、基準曲率半径Ｒ＝２００μｍ、摂動量δ＝±５％、最小ドットサイズΔ＝０．８μｍ、寸法比２５倍として、単位セル３を製造し、製造した単位セル３を５×５＝２５枚配置した場合の撮像画像を確認した。得られた結果を、図２１に示した。図２１に示した２５枚配置した場合の撮像画像からも明らかなように、基準開口径Ｄを変えた場合であっても、寸法比を２５倍以上とすることで、マクロパターンの発生を抑制できていることがわかる。
　かかる結果から、本発明者らは、非周期構造領域である単位セル３の大きさと、単位セル３における単レンズ２１の平均開口径ＤＡＶＥと、の比が２５倍以上である光学体を製造すれば、マクロパターンの発生を抑制可能であるとの知見を確信するに至った。なお、寸法比の上限値は、特に規定するものではなく、大きければ大きいほど良い。
＜光学体の拡散特性について＞
　以上説明したような、非周期構造領域である単位セル３の大きさと、単位セル３における単レンズ２１の平均開口径ＤＡＶＥと、の寸法比が２５倍以上となっている光学体１の拡散特性について、図２２Ａ～図２２Ｃを参照しながら説明する。
　本実施形態に係る光学体１は、単位セル３を構成する単レンズ群２０の基準開口径Ｄ、基準曲率半径Ｒ、摂動量δ等を適切に制御したり、非球面形状を導入したりすることによって、所望の拡散特性を実現することができる。より詳細には、本実施形態に係る光学体１は、上記のような適切な調整を行うことで、拡散半角（拡散半値幅）が２０度以上となる光学体を製造することも可能であるし、拡散半角（拡散半値幅）が１０度以下となる光学体を製造することも可能である。
　ここで、図２２Ａに示したような極めて狭帯域の入射光を、本実施形態に係る光学体１に入射させることで、図２２Ｂに示したように、２０度以上の拡散半角となる拡散特性を実現することも可能であり、図２２Ｃに示したように、１０度以下の拡散半角となる拡散特性を実現することも可能である。なお、図２２Ｂに示した光学体１は、基準開口径Ｄ＝３０μｍ、基準曲率半径Ｒ＝２０μｍ、摂動量δ＝５％、寸法比＝２６．７として製造した単位セル３からなる光学体である。図２２Ｃに示した光学体１は、基準開口径Ｄ＝８０μｍ、基準曲率半径Ｒ＝２００μｍ、摂動量δ＝１０％、寸法比＝５０として製造した単位セル３からなる光学体である。
　拡散半角（拡散半値幅）が２０度以上である光学体は、人間の視認しやすい拡散光の領域に好適に利用することが可能であり、スポット照明やベース照明等に利用される各種の照明装置や、各種の特殊ライティングや、中間スクリーンや最終スクリーン等の各種のスクリーン等に利用することができる。
　一方、拡散半角（拡散半値幅）が１０度以下である光学体は、光学装置における光源光の拡散制御などの領域に好適に利用することが可能であり、ＬＥＤ光源装置の配光制御、レーザ光源装置の配光制御、各種ライトバルブ系への入射配光制御等に利用することができる。
　以上、図１～図２２Ｃを参照しながら、本実施形態に係る光学体について、詳細に説明した。
（光学体の製造方法の一例について）
　以下では、図２３を参照しながら、本発明の実施形態に係る光学体１の製造方法の一例について、簡単に説明する。図１３は、本実施形態に係る光学体の製造方法の流れの一例を示した流れ図である。
　本実施形態に係る光学体の製造方法では、まず、基盤の洗浄が実施される（ステップＳ１０１）。かかる基盤は、例えば、ガラスロールのようなロール状のものであってもよく、ガラスウェハのような平板状のものであってもよい。
　次に、洗浄後の基盤に対して、レジスト（例えば、金属酸化物を用いたレジストや、有機物を用いたレジスト等）が形成される（ステップＳ１０３）。かかるレジストの形成処理は、ロール状の基盤に対しては、塗布処理又はディッピングにより実現され、平板状の基盤に対しては、各種のコーティング処理により実現される。
　その後、レジストの形成された基盤に対して、露光処理が実施される（ステップＳ１０５）。かかる露光処理に際して、先だって説明したように、寸法比が２５倍以上となるように、単位セル３を設計することが重要である。かかる露光処理は、グレースケールマスク等を利用した露光（複数のグレースケールマスクの重ね合わせによる多重露光を含む。）、平板又はロール板に対するグレースケール露光、ピコ秒パルスレーザやフェムト秒パルスレーザ等を用いたレーザ露光など、公知の様々な露光方法を適宜適用することが可能である。
　その後、露光後の基盤をアルカリ現像し（ステップＳ１０７）、Ｎｉスパッタ等の公知のスパッタ処理（ステップＳ１０９）を施すことにより、本実施形態に係る光学体１を製造する際のマスター原盤（例えば、ガラスマスターやメタルマスター等）が完成する（ステップＳ１１１）。その後、完成したマスター原盤を用いて、ソフトモールド等といったモールドが作成される（ステップＳ１１３）。
　次に、製造されたモールドを利用して、基板ガラスや基板フィルム等に転写処理を実施し（ステップＳ１１５）、必要に応じて保護膜等を成膜する（ステップＳ１１７）ことで、本実施形態に係る光学体１が製造される。
　一方、ガラス基板に対して直接加工を施す場合には、ステップＳ１０７におけるアルカリ現像処理に引き続き、ＣＦ４等の公知の化合物を用いたドライエッチング処理を実施し（ステップＳ１１９）、その後、必要に応じて保護膜等を成膜する（ステップＳ１２１）ことで、本実施形態に係る光学体１が製造される。
　なお、図２３に示した製造方法の流れは、あくまでも一例であって、本実施形態に係る光学体の製造方法が図２３に示した例に限定されるものではない。
（光学体の適用例）
　次に、本実施形態に係る光学体１の適用例について、簡単に説明する。
　以上説明したような光学体１は、光を拡散させるために用いられる拡散板に好適に適用することが可能である。すなわち、上記のような光学体を、所定の光学基材の表面及び裏面の少なくとも何れか一方に設けることで、所望の拡散特性を有する拡散板を実現することが可能である。
　また、以上説明したような本実施形態に係る光学体１を有する拡散板は、その機能を実現するために光を拡散させる必要がある装置に対して、適宜実装することが可能である。機能を実現するために光を拡散させる必要がある装置としては、例えば、各種のディスプレイ等の表示装置や、プロジェクタ等の投影装置を挙げることができる。
　また、本実施形態に係る光学体１を有する拡散板は、液晶表示装置のバックライトに対して適用することも可能であり、光整形の用途にも用いることが可能である。更に、本実施形態に係る光学体１を有する拡散板は、各種の照明装置に対しても適用することが可能となる。
　なお、機能を実現するために光を拡散させる必要がある装置は、上記の例に限定されるものではなく、光の拡散を利用する装置であればその他の公知の装置に対しても、本実施形態に係る光学体１を有する拡散板を適用することが可能である。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　　１　　光学体
　１０　　透明基材
　２０　　単レンズ群
　２１　　単レンズ
 

Claims (12)

  1. 　複数の単レンズからなる単レンズ群で構成された非周期構造領域が単独又は複数集合した光学体であって、
    　前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置状態が全体として非周期的であり、
    　前記非周期構造領域の大きさと、当該非周期構造領域における前記単レンズの平均開口径と、の比が２５倍以上である、光学体。
  2. 　前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径、又は、前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径及び前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、が変化している、請求項１に記載の光学体。
  3. 　前記非周期構造領域では、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径、又は、前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、又は、前記単レンズ群の配置ピッチもしくは前記単レンズの開口径及び前記単レンズの曲率半径もしくは前記単レンズの形状の少なくとも何れか、の基準からの変化率が、５％以上である、請求項１又は２に記載の光学体。
  4. 　前記非周期構造領域における前記単レンズの表面形状は、基準曲率半径Ｒ［μｍ］及び基準開口径Ｄ［μｍ］がＲ≧（Ｄ／２）の関係を満足する球面形状、又は、非球面形状である、請求項１～３の何れか１項に記載の光学体。
  5. 　前記非周期構造領域における前記単レンズの基準開口径Ｄは、３０μｍ以上３００μｍ以下である、請求項１～４の何れか１項に記載の光学体。
  6. 　前記光学体は、互いに同一の前記非周期構造領域が繰り返し配置された光学体である、請求項１～５の何れか１項に記載の光学体。
  7. 　前記光学体は、互いに異なる前記非周期構造領域が繰り返し配置された光学体である、請求項１～５の何れか１項に記載の光学体。
  8. 　前記光学体を透過した光の拡散半角が２０度以上である、請求項１～７の何れか１項に記載の光学体。
  9. 　請求項１～８の何れか１項に記載の光学体を表面に備える、拡散板。
  10. 　請求項１～８の何れか１項に記載の光学体を有する拡散板を備える、表示装置。
  11. 　請求項１～８の何れか１項に記載の光学体を有する拡散板を備える、投影装置。
  12. 　請求項１～８の何れか１項に記載の光学体を有する拡散板を備える、照明装置。
     
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