WO2020137013A1 - 放射角度変換素子 - Google Patents

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radiation angle
conversion element
angle conversion
curvature
radius
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常友　啓司
哲 日下
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日本板硝子株式会社
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    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G—PHYSICS
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    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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    • 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 a radiation angle conversion element that converts the radiation angle of an incident beam.
  • Radiation angle conversion elements that scatter or convert the angle of incident light in various directions are used in display devices and screens of displays, and are widely used in a wide variety of devices such as lighting devices for the purpose of obtaining more uniform illumination intensity. Has been done. Generally, the emission angle of the light emitted from the light source is often widened.
  • VCSEL Vertical Surface Emitting Laser
  • the radiation angle conversion element using the microlens array has a high transmittance and is easy to control the diffusion angle, and thus is used when a high diffusion performance is required (for example, Patent Document 1). 2).
  • stray light uncontrollable light generated at the edge of the lens or deviation from the design value of each microlens often adversely affects diffused light. For example, when light is projected on a flat screen, unnecessary lines are formed or bright spots are formed.
  • a radiation angle conversion element using a microlens array is a resin injection molding method or a two-piece molding method (embossing method: a method of molding an element on a substrate such as a parallel plate using a material different from the substrate). )
  • embssing method a method of molding an element on a substrate such as a parallel plate using a material different from the substrate.
  • the raw material is poured into a mold and cured (casting method).
  • a rough surface or a sharp ridge line may cause mold release when removing from the mold after molding. , Demolding is likely to occur.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a radiation angle conversion element capable of manufacturing a good light diffusion performance with high uniformity and a high yield.
  • a radiation angle conversion element is a radiation angle conversion element including a plurality of two-dimensionally arrayed microlenses, and a joint between adjacent microlenses has a curved surface shape.
  • the value of r/D may be in the range of 0.002 or more and 0.03 or less.
  • the value of r/D may be in the range of 0.005 or more and 0.018 or less.
  • the radius of curvature of the curved surface of the joint may be the radius of the approximate spherical surface of the curved surface.
  • the microlens may be a rectangular lens, and the outer diameter D of the microlens may be the diameter of the circumscribed circle of the rectangular lens.
  • FIG. 3A to 3C are schematic sectional views of the radiation angle conversion element shown in FIG. It is a schematic expanded sectional view of the junction part in the radiation angle conversion element which concerns on this embodiment. It is a figure which shows the result of having measured the relationship between a curvature radius ratio and in-plane uniformity. It is a figure which shows the result of having measured the relationship between a curvature radius ratio and a transmittance.
  • the radiation angle conversion element according to the embodiment of the present invention will be described below.
  • the same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing will be denoted by the same reference numerals, and duplicative description will be appropriately omitted.
  • the embodiments are merely examples and do not limit the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
  • FIG. 1 is a plan view for explaining an embodiment of the radiation angle conversion element 10 according to the present embodiment.
  • the radiation angle conversion element 10 is a microlens array in which a plurality of microlenses 12 are two-dimensionally arranged on a transparent substrate 11, and expands the radiation angle of light incident from a light source.
  • the type of light source is not particularly limited.
  • VCSEL surface emitting laser
  • LED light emitting diode
  • solid state laser such as YAG
  • a gas laser such as an excimer laser
  • a discharge such as a metal halide lamp Lamps
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a part of the radiation angle conversion element 10 according to this embodiment.
  • a plurality of microlenses 12 are arranged in a square array on one first main surface 11 a of the transparent substrate 11.
  • the other second main surface 11b of the substrate 11 is flat.
  • the first main surface 11a provided with the microlenses 12 serves as a light incident surface
  • the planar second main surface 11b serves as a light emitting surface.
  • each microlens 12 is a lens having a rectangular outer shape, and the microlenses 12 are densely arranged so that the microlenses 12 are in contact with each other.
  • the microlenses 12 having various lens contours such as triangles, parallelograms, and hexagons can be adopted for dense arrangement on the plane.
  • the shape of the microlens 12 (the curvature of the lens surface and the lens outer shape) can be arbitrarily changed according to the purpose and function of the radiation angle conversion element, and the microlens 12 may be, for example, a lens having a circular outer shape.
  • the two-dimensional array method of the microlenses 12 is not limited to the square array as in this embodiment, and may be a hexagonal array, for example. As an extreme example, randomly arranged dense lenses may be used.
  • the microlens 12 is a convex lens having at least one convex curved surface, but it may be a concave lens having a concave curved surface, or a mixture of convex lenses and concave lenses. In this embodiment, all the microlenses 12 have the same size, but microlenses of different sizes may be mixed. Further, in the present embodiment, the microlens 12 has a shape having a central symmetry in which the lens curvature does not change depending on the direction, but the lens curvature may differ depending on the direction.
  • the material forming the array of the microlenses 12 is not particularly limited as long as the transmittance is sufficiently high at the wavelength to be used, and for example, an organic material such as a resin, glass, an inorganic material, or a composite of a resin and an inorganic material. It may be a liquefied one.
  • the method of manufacturing the array of the microlenses 12 is exemplified by the 2P molding method, but is not limited to this, and may be a manufacturing method using a mold such as injection molding or casting. Alternatively, a manufacturing method using etching may be used.
  • the 2P (two-piece) molding method means that a plurality of members are integrated to manufacture a functional component.
  • a microlens array or the like is formed on at least one surface of a rigid glass substrate or the like.
  • a layer formed of a functional resin is formed, and it has the advantage that it can have a combination of functions such as rigidity, ease of molding, and the function of performing a specified optical function. is there.
  • FIG. 3A to 3C are schematic sectional views of the radiation angle conversion element 10 shown in FIG.
  • FIG. 3A is a schematic sectional view taken along line AA of the radiation angle conversion element 10 shown in FIG.
  • FIG. 3B is a schematic BB sectional view of the radiation angle conversion element 10 shown in FIG.
  • FIG. 3C is a schematic sectional view taken along line CC of the radiation angle conversion element 10 shown in FIG.
  • the depth from the top to the valley of the microlens 12 is deepest in the CC cross section and shallowest in the BB cross section.
  • the cross section CC has the sharpest valley bottom.
  • the joint portion 14 of the microlens 12 is a portion between the adjacent microlenses 12. The shape in the vicinity of the joint portion 14 is an important part for determining the maximum emission angle in converting the emission angle, and it is necessary to form a lens surface having a predetermined inclination angle, and the inclination of this portion is gentle. In that case, the desired optical performance may not be obtained.
  • the sharp valleys tend to cause defective molding.
  • a microlens array in which convex microlenses 12 are two-dimensionally arranged as in the present embodiment is manufactured by molding by transfer of a die or the like, the portion of the die corresponding to the joint 14 is extremely Since it has a sharp structure, it may be broken when it comes into contact with the substrate 11 due to the pressure applied during transfer.
  • the concave microlens 12 since a valley having a sharp tip is formed in the mold, the molding material may remain in the mold at that portion and the shape may deteriorate, resulting in defective molding. is there.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the joint portion 14 in the radiation angle conversion element according to this embodiment.
  • the joint portion 14 between the adjacent microlenses 12 has a curved shape.
  • “The joint portion 14 has a curved surface shape” means that when the edges of adjacent microlenses 12 are in contact with or close to each other, the adjacent microlenses 12 are cross-sectionally viewed in a plane perpendicular to the contact or close proximity. It means that the part including the edge of is a curve.
  • the radiation angle conversion element 10 according to the present embodiment, good light diffusion performance with high uniformity can be realized.
  • the joint portion 14 of the microlens 12 is a curved surface
  • the joint portion 14 is easier to manufacture than when the joint portion 14 has a pointed structure as described above.
  • a microlens array is manufactured by molding, it is not necessary to make the die portion corresponding to the joint 14 have a pointed structure so that the problem that occurs when the joint is pointed is prevented. it can.
  • the microlens array is formed by etching, for example, it is easier to manufacture than when the junction has a sharp structure. Therefore, the radiation angle conversion element 10 according to the present embodiment can increase the yield.
  • FIG. 4 shows a virtual approximate spherical surface 40 that approximates the curved surface of the joint 14.
  • the radius of this approximate spherical surface 40 is r.
  • This r is the radius of curvature of the curved surface of the joint portion 14.
  • the curved surface of the joining portion 14 has a spherical shape, but the curved surface of the joining portion 14 may have an aspherical shape.
  • the aspherical shape is approximated by a spherical surface, and the radius of curvature of the spherical surface is adopted.
  • a circumscribed circle 42 for the outer shape of the microlens 12 is illustrated.
  • the diameter of this circumscribed circle 42 is D, and this D is the outer diameter of the microlens 12.
  • in-plane uniformity means the ratio of the deviation of the brightness to the average brightness in a certain irradiation region when the screen is irradiated with the light emitted from the radiation angle conversion element 10 under a predetermined condition. Is.
  • a glass substrate (D263T eco (76 mm ⁇ 76 mm ⁇ 0.3 mm) manufactured by SCHOTT) was used as the substrate 11.
  • an epoxy UV curing resin was used as the material of the microlens 12.
  • a plurality of molds having different radii of curvature at the portions corresponding to the joints 14 are prepared, and a resin microlens array is formed on the glass substrate by the 2P molding method using these molds, and the radiation angle conversion element 10 is formed.
  • the curved surface of the joint portion 14 has a circular cross section so that the microlens 12 and the circle are smoothly connected.
  • FIG. 5 shows the result of measuring the relationship between the radius of curvature ratio r/D and the in-plane uniformity.
  • the horizontal axis represents the curvature radius ratio r/D
  • the vertical axis represents the in-plane uniformity.
  • the abscissa is set to r/D in order to normalize the numerical value of the in-plane uniformity depending on the outer diameter of the microlens 12.
  • the radius of curvature r of the joint 14 in the manufactured radiation angle conversion element 10 can be obtained by various methods. For example, the radiation angle conversion element 10 is cut in a predetermined cross section, a cross-sectional photograph is taken with an optical microscope or a scanning electron microscope, the cross-sectional shape is read from the photograph and digitized, and the circle that best matches the shape is minimized.
  • the radius of curvature r of the joint portion 14 can be obtained by finding it by fitting using the square method or the like. At this time, an accurate radius of curvature r cannot be obtained unless the cross section to be observed is one that passes through the tops of the two microlenses 12 (in the case of a concave lens, the deepest part of the valleys of the two microlenses).
  • the joint portion 14 originally has a curved line in a direction parallel to the joint portion 14, so that the cut surface and the tangent line of the joint portion 14 are not perpendicular to each other in a place other than the above. Is. At such a place, the radius of curvature r can be obtained by a method similar to the above by cutting the lens along a plane perpendicular to the tangent line of the joint portion 14 and observing the cross section.
  • a He—Ne laser (wavelength 633 nm, output 1 mW) was used as the light source.
  • the beam diameter (diameter) of the light emitted from the light source is about 1 mm, and this is expanded about 3 times by the beam expander to convert the emission angle substantially perpendicular to the first main surface 11a on which the microlens 12 is formed.
  • Light was made incident on the element 10 and emitted from the second planar main surface 11b on the opposite side.
  • the light emitted from the radiation angle conversion element 10 is separated from the radiation angle conversion element 10 by a predetermined distance, and is irradiated onto a semitransparent screen arranged substantially parallel to the radiation angle conversion element 10.
  • the screen was taken from the back with a digital camera. From the photographed image, the distribution of brightness (brightness) in the screen was obtained by image processing software.
  • In-plane uniformity maximum deviation of brightness within the screen / average value of brightness within the screen
  • the maximum deviation of brightness within the screen is the maximum brightness value to the minimum brightness value in the distribution of brightness values within the screen.
  • the average value of lightness in the screen is an arithmetic mean value in the distribution of lightness in the screen.
  • ⁇ In-plane uniformity means that the smaller the value, the higher the uniformity of the light that illuminates a given range.
  • the allowable radius of curvature r depends on the application using the radiation angle conversion element 10. From FIG. 5, when the curvature radius ratio r/D is 0.03 or less, the in-plane uniformity is 20% or less. Further, from FIG. 5, when r/D is 0.018 or less, the in-plane uniformity is 15% or less. Further, from FIG. 5, in-plane uniformity becomes 10% or less when r/D is 0.012 or less. Further, from FIG. 5, when r/D is 0.005 or less, the in-plane uniformity becomes 5% or less.
  • the transmittance of light transmitted through the radiation angle conversion element 10 is the amount of light emitted from the radiation angle conversion element 10 under a condition such as a predetermined diffusion angle with respect to the amount of light incident on the radiation angle conversion element 10. Is the ratio of
  • FIG. 6 shows the results of measuring the relationship between the curvature radius ratio r/D and the transmittance.
  • the horizontal axis represents the radius of curvature ratio r/D
  • the vertical axis represents the transmittance.
  • the horizontal axis is r/D for standardization.
  • the total light transmittance of the radiation angle conversion element 10 was measured with a spectrophotometer (U-4000, manufactured by Hitachi High Technology Co., Ltd.).
  • a spectrophotometer (U-4000, manufactured by Hitachi High Technology Co., Ltd.).
  • the light emitted from the radiation angle conversion element 10 is arranged to be incident on an integrating sphere of ⁇ 60 mm.
  • the transmittance a transmittance at a wavelength of 550 nm, which is a typical wavelength in the visible light range, was adopted.
  • the transmittance decreases as the radius of curvature r decreases. From FIG. 6, when the curvature radius ratio r/D is 0.00035 or more, the transmittance is 75% or more. Further, from FIG. 6, when r/D is 0.002 or more, the transmittance is 78% or more. Further, from FIG. 6, when r/D is 0.003 or more, the transmittance is 80% or more. Further, from FIG. 6, when r/D is 0.005 or more, the transmittance is 82% or more. Further, from FIG. 6, when r/D is 0.013 or more, the light transmittance is 85% or more.
  • the radiation angle conversion element 10 having good in-plane uniformity and transmittance can be configured.
  • the upper and lower limits of the radius of curvature ratio r/D can be arbitrarily combined depending on the desired in-plane uniformity and transmittance. For example, by setting the value of the radius of curvature ratio r/D in the range of 0.002 or more and 0.03 or less, the radiation angle conversion element 10 having in-plane uniformity of 20% or less and transmittance of 78% or more. Can be configured.
  • the conversion element 10 can be configured.
  • the present invention can be used for a radiation angle conversion element that converts the radiation angle of an incident beam.

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Abstract

放射角度変換素子１０は、２次元配列された複数のマイクロレンズ１２を備える。隣接するマイクロレンズ１２間の接合部１４は、曲面形状を有する。

Description

放射角度変換素子
　本発明は、入射ビームの放射角度を変換する放射角度変換素子に関する。
　入射光を様々な方向に散乱または角度変換させる放射角度変換素子は、ディスプレイの表示装置やスクリーンなどに使用され、さらに均一な照明強度を得る目的で、照明装置などの多種多様な装置に広く利用されている。一般的には、光源から出た光の放射角度を広くする場合が多い。
　近年、光放射角度や角度毎の強度分布、あるいは拡散光を投影した際の面内強度の均一化など、さらに高度な性能が求められるようになってきた。例えば、アレイ状の面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）から、所定の発散角で放射された光を、より広い角度範囲に拡散させ、かつ拡散角度に異方性を持たせたい、といったニーズがある。
　光を拡散させたり、角度を変換させる素子には、いくつかの種類がある。例えば平板の内部に、微小空間を分散させたり、微粒子を分散させたりしたようなもの（例えば、半透明樹脂板）、基材の表面に微小な凹凸をランダムにつけたもの（例えば、表面をエッチング等で荒らしたガラス）、基材の表面を加工して設計された凹凸を形成したもの（例えば、回折型素子）、基材の表面にレンズを多数並べたもの（例えば、マイクロレンズアレイ）などが知られている。
　これらの中で、マイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子は、透過率が高く、拡散角度の制御が容易なため、高度な拡散性能を要求される場合に採用される（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００９－４２７７２号公報 特開２０１７－９６６９号公報
　マイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子では、個々のマイクロレンズの設計値からのずれやレンズのエッジで発生する迷光（制御できない光）がしばしば拡散光に悪影響を与える。例えば、光を平坦なスクリーンに投影した際に、不必要なラインができたり、輝点が出来たりする。
　この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。例えば、レンズ間の面を荒らす、レンズ接合部の稜線を鋭くして、散乱を極力抑える、などの方法が提案されている。これらの方法は、迷光を抑え、良好な拡散性能を実現するには有効であるが、一方で、製造する際の難易度が高くなり、歩留まりが低下するおそれがある。つまり、一般的にマイクロレンズアレイを使った放射角度変換素子は、樹脂の射出成形や２ピース成形（型押し法：平行平板のような基板上に、基板とは異なる材質で素子を成形する方法）あるいは型へ原料を流し込んで硬化させる（キャスティング法）などで作製されるが、いずれの方法においても、成形後に型から外す作業の際に、荒らした面や鋭い稜線などが離形の障害となり、離型不良が起きやすくなる。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、均一性が高い良好な光拡散性能を、歩留高く製造することが可能な放射角度変換素子を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様の放射角度変換素子は、２次元配列された複数のマイクロレンズを備える放射角度変換素子であって、隣接するマイクロレンズ間の接合部が曲面形状を有する。
　接合部の曲面の曲率半径をｒ、マイクロレンズの外径をＤとしたとき、ｒ／Ｄの値が、０．００２以上、０．０３以下の範囲であってもよい。ｒ／Ｄの値が、さらに、０．００５以上、０．０１８以下の範囲であってもよい。
　接合部の曲面の曲率半径は、該曲面の近似球面の半径であってもよい。
　マイクロレンズは、矩形レンズであり、マイクロレンズの外径Ｄは、矩形レンズの外接円の直径であってもよい。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、均一性が高い良好な光拡散性能を、歩留高く製造することが可能な放射角度変換素子を提供できる。
本実施形態に係る放射角度変換素子の一実施形態を説明するための平面図である。 本実施形態に係る放射角度変換素子の一部の概略斜視図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子の概略断面図である。 本実施形態に係る放射角度変換素子における接合部の概略拡大断面図である。 曲率半径比と面内均一性との関係を測定した結果を示す図である。 曲率半径比と透過率との関係を測定した結果を示す図である。
　以下、本発明の実施形態に係る放射角度変換素子について説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　図１は、本実施形態に係る放射角度変換素子１０の一実施形態を説明するための平面図である。放射角度変換素子１０は、透明な基板１１上に、複数のマイクロレンズ１２が２次元配列されたマイクロレンズアレイであり、光源から入射した光の放射角度を拡大する。光源の種類は特に限定されず、例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のほか、ファブリペロー型の半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＹＡＧ等の固体レーザ、エキシマレーザ等のガスレーザ、あるいはメタルハライドランプ等の放電ランプも使用することができる。
　図２は、本実施形態に係る放射角度変換素子１０の一部の概略斜視図である。図２に示すように、透明な基板１１の一方の第１主面１１ａ上に複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。基板１１の他方の第２主面１１ｂは、平面状とされている。放射角度変換素子１０を光拡散素子として用いる場合、マイクロレンズ１２が設けられた第１主面１１ａが光入射面とされ、平面上の第２主面１１ｂが光出射面とされる。
　本実施形態において、個々のマイクロレンズ１２は外形が矩形状のレンズであり、各マイクロレンズ１２が接するように稠密に配置されている。これ以外にも、平面に稠密配置ために、三角形、平行四辺形、六角形など、さまざまなレンズ外形を持つマイクロレンズ１２を採用できる。マイクロレンズ１２の形状（レンズ面の曲率やレンズ外形）は放射角度変換素子の目的や機能に応じて任意に変更可能であり、マイクロレンズ１２は例えば外形が円形状のレンズであってもよい。また、マイクロレンズ１２の２次元配列方法は、本実施形態のように正方配列に限定されず、例えば六方配列であってもよい。極端な例としては、ランダムに配置された稠密レンズでもよい。
　本実施形態ではマイクロレンズ１２は少なくとも一つの凸形状の曲面を備える凸レンズであるが、凹形状の曲面を備える凹レンズであってもよく、さらに凸レンズと凹レンズとが混在していてもよい。本実施形態では、マイクロレンズ１２のサイズは全て同じであるが、異なるサイズのマイクロレンズが混在していてもよい。また、本実施形態では、マイクロレンズ１２は、レンズ曲率が方向により変化しない中心対称性を持つ形状を有しているが、レンズ曲率が方向により異なっていてもよい。
　マイクロレンズ１２のアレイを形成する材料は、使用を予定する波長において、透過率が十分高ければ特に限定されるものではなく、例えば樹脂などの有機材料、ガラス、無機材料または樹脂と無機材料を複合化したものなどであってよい。
　マイクロレンズ１２のアレイの製造方法は、２Ｐ成形法を例示するが、これに限定されず、例えば射出成形やキャスティング法など型を使用する製造方法であってよい。あるいは、エッチングを利用した製造方法であってもよい。ここで、２Ｐ（ツーピース）成形法とは、複数の部材を一体化させて機能性部品を作製することをいい、例えばリジッドなガラス製の基板などの少なくとも片側の面に、マイクロレンズアレイなどの機能性を有する樹脂などで構成される層を形成したものであり、リジッド性などの機能と、成形容易性などの機能、所定の光学作用を発揮する機能とを複合して持たせられるメリットがある。
　図３（ａ）～（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子１０の概略断面図である。図３（ａ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＡ－Ａ概略断面図である。図３（ｂ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＢ－Ｂ概略断面図である。図３（ｃ）は、図１に示す放射角度変換素子１０のＣ－Ｃ概略断面図である。
　図３（ａ）～（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１２の頂部から谷部までの深さは、Ｃ－Ｃ断面で最も深く、Ｂ－Ｂ断面で最も浅くなっている。いずれの断面でもマイクロレンズ１２の接合部１４に尖った谷部があり、とくにＣ－Ｃ断面では、最も尖った谷底になっている。マイクロレンズ１２の接合部１４とは、隣接するマイクロレンズ１２間の部分である。この接合部１４近傍の形状は、放射角度を変換する上では、最大放射角度を決める重要な部分となっており、所定の傾斜角を有するレンズ面にしなければならず、この部分の傾斜が緩やかになると、目的とする光学性能が得られないおそれがある。
　一方、放射角度変換素子１０を製造する上で、この尖った谷部は、成形不良の原因となりやすい。例えば、本実施形態のように凸形状のマイクロレンズ１２を２次元配列したマイクロレンズアレイを、金型等の転写による成形で製造する場合、接合部１４に対応する金型の部分は、非常に尖った構造となるため、転写時の加圧によって基板１１と接触すると壊れるおそれがある。逆に凹形状のマイクロレンズ１２の場合は、金型に先端の尖った谷が形成されるため、その部分に成形材料が金型に残存して形状が劣化し、成形不良が発生するおそれがある。この課題を解決するために、レンズ間に平坦部を設け、尖った部分をなくすことが考えられるが、単に平坦化するだけでは、その平坦部を通った光は、直進して進むため、放射角を変換された後の光の中に、設計外の輝線（周囲より光強度の強い線）や、輝点（周囲より光強度の強い点）ができるおそれがある。
　図４は、本実施形態に係る放射角度変換素子における接合部１４の概略拡大断面図である。本実施形態に係る放射角度変換素子１０においては、隣接するマイクロレンズ１２間の接合部１４が曲面形状を有している。「接合部１４が曲面形状を有する」とは、隣接するマイクロレンズ１２のエッジが接触または近接する部分を、その接触または近接する部分に垂直な平面で断面視したときに、隣接するマイクロレンズ１２のエッジを含む部分が曲線になっている、という意味である。
　このように、マイクロレンズ１２の接合部１４の形状を曲面とすることにより、接合部１４を通る光は屈折して出射されるので、上記のように接合部を平坦とした場合と比較して、輝線や輝点が生じるのを抑制することができる。したがって、本実施形態に係る放射角度変換素子１０によれば、均一性が高い良好な光拡散性能を実現できる。
　また、マイクロレンズ１２の接合部１４の形状を曲面とした場合、上記のように接合部を尖った構造とした場合と比較して、接合部１４の製造が容易となる。例えばマイクロレンズアレイを成形で製造する場合、接合部１４に対応する金型の部分をそれほど尖った構造する必要が無くなるので、接合部を尖った構造とした場合のような不具合が生じる事態を防止できる。また、例えばマイクロレンズアレイをエッチングで形成する場合も、接合部を尖った構造とした場合よりも製造が容易となる。したがって、本実施形態に係る放射角度変換素子１０によれば、歩留まりを高めることができる。
　図４には、接合部１４の曲面を近似した仮想的な近似球面４０が図示されている。この近似球面４０の半径をｒとする。このｒは、接合部１４の曲面の曲率半径である。なお、本実施形態では、接合部１４の曲面を球面形状としたが、接合部１４の曲面は非球面形状であってもよい。この場合、非球面形状を球面で近似し、その球面の曲率半径を採用する。
　また、図１には、マイクロレンズ１２の外形に対する外接円４２が図示されている。この外接円４２の直径をＤとし、このＤをマイクロレンズ１２の外径とする。接合部１４の曲面の曲率半径ｒと、マイクロレンズ１２の外径Ｄとの比（以下「曲率半径比」と称する）ｒ／Ｄの値を好適な範囲に設定することにより、良好な光拡散性能（面内均一性）と透過率を有する放射角度変換素子１０を実現できる。以下、好適な曲率半径比ｒ／Ｄの範囲について説明する。
　まず、曲率半径比ｒ／Ｄと面内均一性との関係について説明する。接合部１４の曲率半径ｒが異なる複数の放射角度変換素子１０を製造し、曲率半径比ｒ／Ｄと面内均一性との関係を測定した。本明細書において、「面内均一性」とは、所定の条件で放射角度変換素子１０から出射した光によってスクリーンを照射したときの、一定の照射領域における平均の明度に対する、明度の偏差の比である。
　基板１１としては、ガラス基板（ＳＣＨＯＴＴ社製Ｄ２６３Ｔ　ｅｃｏ（７６ｍｍ×７６ｍｍ×０．３ｍｍ））を使用した。マイクロレンズ１２の材料としては、エポキシ系ＵＶ硬化樹脂を使用した。
　接合部１４に対応する部分の曲率半径が異なる複数の金型を準備し、それらの金型を用いて２Ｐ成形法によりガラス基板上に樹脂のマイクロレンズアレイを形成し、放射角度変換素子１０を製造した。このとき、接合部１４の曲面の断面は円とし、マイクロレンズ１２とその円が滑らかにつながるようにした。設計した金型における接合部１４に対応する部分の曲率半径と、該金型を用いて成形した放射角度変換素子１０の接合部１４の曲率半径ｒ（断面ＳＥＭにより測定した）には、良い相関がある。
　図５は、曲率半径比ｒ／Ｄと、面内均一性との関係を測定した結果を示す。図５において、横軸は曲率半径比ｒ／Ｄを表し、縦軸は面内均一性を表す。横軸をｒ／Ｄとしているのは、マイクロレンズ１２の外径によって、面内均一性の数値が変わってくるので、それを規格化するためである。
　製造した放射角度変換素子１０における接合部１４の曲率半径ｒは、種々の方法によって求めることができる。例えば、放射角度変換素子１０を所定の断面で切断し、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡により、断面写真を撮影し、その写真から断面形状を読み取って数値化し、その形状と最も一致する円を最小二乗法等を用いてフィッテイングによって求めることにより、接合部１４の曲率半径ｒを求めることができる。このとき、観察する断面が、２つのマイクロレンズ１２の頂部（凹レンズの場合は、２つのマイクロレンズの谷のもっとも深いところ）を通る断面でないと、正確な曲率半径ｒを求めることができない。つまり、接合部１４は、図２から明らかなように、もともと接合部１４と平行な方向では曲線となっているため、上記以外の場所では、切断面と接合部１４の接線が垂直にならないからである。そのような場所では、接合部１４の接線と垂直な面でレンズを切断し、その断面を観察すれば、上記と同様な方法で曲率半径ｒを求めることができる。
　次に、面内均一性の測定方法について説明する。ここでは、光源として、Ｈｅ－Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ、出力１ｍＷ）を使用した。光源から出た光のビーム径（直径）は、約φ１ｍｍで、これをビームエキスパンダにより約３倍に広げて、マイクロレンズ１２が形成された第１主面１１ａに略垂直に、放射角度変換素子１０に光を入射させて、反対側の平面状の第２主面１１ｂから光を出射させた。放射角度変換素子１０から出た光を、放射角度変換素子１０から所定距離だけ離れて、放射角度変換素子１０と略平行に配置された半透明のスクリーン上に照射されるようにし、その照射されたスクリーンを裏面からデジタルカメラで撮影した。撮影した画像から、画像処理ソフトにより、スクリーン内明るさ（明度）の分布を求めた。
　さらに、面内均一性を、以下の数式を用いて計算して求めた。
　面内均一性　＝　スクリーン内における明度の最大偏差／スクリーン内における明度の平均値
　ただし、スクリーン内における明度の最大偏差とは、スクリーン内における明度の分布において、最大の明度の値から最小の明度の値を引いた値であり、スクリーン内における明度の平均値とは、スクリーン内の明度の分布における算術平均値である。
　面内均一性は、その値が小さいほど所定範囲を照射する光の均一性が高いことを意味する。曲率半径ｒが大きくなると、中央部に輝線が現れて、面内均一性が悪化する。どの程度の曲率半径ｒまで許容されるかは、放射角度変換素子１０を使用するアプリケーションにより異なる。図５から、曲率半径比ｒ／Ｄが０．０３以下であるとき、面内均一性が２０％以下となる。さらに、図５から、ｒ／Ｄが０．０１８以下であるとき面内均一性が１５％以下となる。さらに、図５から、ｒ／Ｄが０．０１２以下であるとき面内均一性が１０％以下となる。さらに、図５からｒ／Ｄが０．００５以下であるとき面内均一性が５％以下となる。
　次に、曲率半径比ｒ／Ｄと透過率との関係について説明する。上記と同様に、接合部１４の曲率半径ｒが異なる複数の放射角度変換素子１０を製造し、曲率半径比ｒ／Ｄと、放射角度変換素子１０を透過した光の透過率との関係を測定した。ここで、放射角度変換素子１０を透過した光の透過率とは、放射角度変換素子１０に入射する光の光量に対して、放射角度変換素子１０から所定の拡散角度などの条件で出射した光量の比である。
　図６は、曲率半径比ｒ／Ｄと、透過率との関係を測定した結果を示す。図６において、横軸は曲率半径比ｒ／Ｄを表し、縦軸は透過率を表す。ここでも規格化のために横軸をｒ／Ｄとしている。
　放射角度変換素子１０の全光線透過率を分光光度計（日立ハイテクノロジー社製、Ｕ－４０００）で測定した。分光光度計では、放射角度変換素子１０から出射した光をφ６０ｍｍの積分球に入射させるような配置にした。透過率は可視光域の波長の中で代表的な波長５５０ｎｍにおける透過率を採用した。
　図６から、曲率半径ｒが小さくなると、透過率が低下することがわかる。図６から、曲率半径比ｒ／Ｄが０．０００３５以上であるとき、透過率が７５％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００２以上であるとき、透過率が７８％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００３以上であるとき、透過率が８０％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．００５以上であるとき、透過率が８２％以上となる。さらに、図６から、ｒ／Ｄが０．０１３以上であるとき、光の透過率が８５％以上となる。
　以上述べたように、曲率半径比ｒ／Ｄの範囲を適切に設定することにより、良好な面内均一性および透過率を有する放射角度変換素子１０を構成することができる。曲率半径比ｒ／Ｄの上限と下限の値は、所望の面内均一性および透過率に応じて、任意に組み合わせることができる。例えば、曲率半径比ｒ／Ｄの値を、０．００２以上、０．０３以下の範囲にすることにより、２０％以下の面内均一性と７８％以上の透過率を有する放射角度変換素子１０を構成できる。さらに好適には、曲率半径比ｒ／Ｄの値を、０．００５以上、０．０１８以下の範囲にすることにより、１５％以下の面内均一性と８２％以上の透過率を有する放射角度変換素子１０を構成できる。
　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　本発明は、入射ビームの放射角度を変換する放射角度変換素子に利用できる。
　１０　放射角度変換素子、　１１　基板、　１２　マイクロレンズ、　１４　接合部、　４０　近似球面。

Claims (5)

  1. 　２次元配列された複数のマイクロレンズを備える放射角度変換素子であって、
    　隣接する前記マイクロレンズ間の接合部が曲面形状を有することを特徴とする放射角度変換素子。
  2. 　前記接合部の曲面の曲率半径をｒ、前記マイクロレンズの外径をＤとしたとき、ｒ／Ｄの値が、０．００２以上、０．０３以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の放射角度変換素子。
  3. 　ｒ／Ｄの値が、さらに、０．００５以上、０．０１８以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の放射角度変換素子。
  4. 　前記接合部の曲面の曲率半径は、該曲面の近似球面の半径であることを特徴とする請求項２または３に記載の放射角度変換素子。
  5. 　前記マイクロレンズは、矩形レンズであり、
    　前記マイクロレンズの外径Ｄは、前記矩形レンズの外接円の直径であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の放射角度変換素子。
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