WO2020149209A1 - 放射角度拡大素子 - Google Patents

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microlens
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常友　啓司
哲 日下
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    • 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
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements

Definitions

  • the present invention relates to a radiation angle expanding element for expanding a radiation angle of an incident beam.
  • a radiation angle expanding element formed by arranging a plurality of microlenses two-dimensionally is known (for example, see Patent Documents 1 and 2). ..
  • the radiation angle expansion element it is necessary to increase the aspect ratio of the microlens in order to widen the radiation angle. Particularly, since the end portions of the microlens contribute to the wide-angle radiation angle component, if the shape of the end portion of the microlens deviates from the designed shape, the diffusion performance deteriorates.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining the diffusion performance of the radiation angle expanding element.
  • FIG. 1A is a partial cross-sectional view schematically showing a radiation angle expanding element 1 having an ideal microlens shape.
  • FIG. 1B is a partial cross-sectional view schematically showing an actual radiation angle enlarging element 2.
  • the end portion 6 of the microlens 5 in the actual radiation angle expansion element 2 is dull than the end portion 4 of the microlens 3 in the ideal radiation angle expansion element 1.
  • the actual curvature of the end 6 of the microlens 5 tends to be smaller than the curvature of the end 4 of the ideal microlens 3.
  • the blunting of the microlens edge is largely due to manufacturing factors.
  • As a method of manufacturing a radiation angle enlarging element it is known in the industry to transfer-mold from a mother mold (master mold) to manufacture a product (mold).
  • Fig. 2 is a diagram comparing the ideal master mold with the actual master mold.
  • a broken line schematically shows a partial cross section of an ideal (that is, designed) master mold 8
  • a solid line schematically shows a partial cross section of an actually manufactured master mold 7.
  • the ridge line portion 9 of the master mold corresponding to the portion between the adjacent microlenses has a very sharp shape.
  • the master mold As a method for producing the master mold, for example, there is a method of cutting the base material using a cutting tool or the like. However, such a very sharp shape is not easy to cut, and the ridge line portion of the actual master mold 7 is not easily cut. The shape of 9 tends to be dull than that of the ideal master mold 8. In other words, the actual curvature of the ridge portion of the master mold 7 tends to be smaller than the ideal curvature of the ridge portion of the master mold 8. The shape of the end portion of the microlens manufactured by using such a master mold 7 necessarily deviates from the designed shape, and there is a possibility that the desired diffusion performance cannot be realized.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to realize a desired diffusion performance in a radiation angle enlarging element having a plurality of two-dimensionally arranged microlens arrays.
  • the radiation angle enlarging element includes a plurality of microlenses arranged two-dimensionally. A predetermined space is provided between adjacent microlenses.
  • the predetermined interval may be an interval at which the closest length of adjacent microlenses is 100 nm or more.
  • the microlenses may be rectangular lenses.
  • the shape of the interval between the adjacent microlenses may be curved.
  • a desired diffusion performance can be realized in a radiation angle expanding element in which a plurality of microlens arrays are two-dimensionally arranged.
  • 1A and 1B are views for explaining the diffusion performance of the radiation angle expanding element. It is the figure which compared the ideal master mold and the actual master mold. It is a fragmentary sectional view showing the radiation angle expansion element concerning this embodiment typically. It is a fragmentary sectional view showing typically a master mold used for manufacturing a radiation angle expansion element concerning this embodiment. It is a top view for explaining one embodiment of a radiation angle expansion element. It is a top view for explaining another embodiment of a radiation angle expansion element. 7A to 7D are views for explaining a method of manufacturing the radiation angle expanding element. It is a top view for explaining the radiation angle expansion element concerning a 1st example. It is a figure which shows the radiation angle performance of the radiation angle expansion element which concerns on 1st Example.
  • FIG. 3 is a partial sectional view schematically showing the radiation angle enlarging element 10 according to the present embodiment.
  • the radiation angle enlarging element 10 is a microlens array in which a plurality of microlenses 12 are two-dimensionally arranged.
  • the microlens 12 is a convex lens.
  • the plurality of microlenses 12 may be, for example, square array or dense array.
  • the outer shape of the microlens 12 may be circular in plan view or rectangular in plan view.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view schematically showing the master mold 20 used for manufacturing the radiation angle enlarging element 10 according to the present embodiment.
  • the master mold 20 includes a lens molding portion 21 for molding the microlens 12.
  • a ridge line portion 22 is formed between the adjacent lens forming portions 21.
  • the ridge line portion 22 corresponds to a portion between the adjacent microlenses 12 in the radiation angle expanding element 10.
  • the radiation angle enlarging element 10 can be manufactured by filling such a master mold 20 with a transparent resin material and curing it.
  • a predetermined space 14 is provided between the adjacent microlenses 12.
  • the shape of the space 14 is flat.
  • the curvature of the end portion of the microlens 12 molded using the master mold 20 can be set to a value as designed without reduction, and desired diffusion performance can be realized.
  • FIG. 5 is a plan view for explaining an embodiment of the radiation angle expanding element.
  • a plurality of microlenses 12 each having a circular outer shape in plan view are arranged in a square. As described above, the space 14 is provided between the adjacent microlenses 12.
  • the optimum size of the space 14 between the adjacent microlenses 12 will be described.
  • the present inventor has found that it is optimal to set the closest length Lp of the adjacent microlenses 12 to 100 nm or more.
  • the interval 14 between the microlenses 12 so that the closest length Lp is 100 nm or more, it is possible to manufacture the radiation angle enlarging element 10 having the microlenses 12 in which the reduction in the curvature of the end portion is suppressed, and the desired diffusion is achieved. Performance can be realized.
  • the closest length Lp is the minimum distance between the adjacent microlenses 12, and is a value obtained by subtracting the diameter (radius r ⁇ 2) of the microlenses 12 from the center-to-center distance Lc between the adjacent microlenses 12.
  • the center-to-center distance Lc is the distance between the vertices of the adjacent microlenses 12.
  • the apex of the microlens 12 is a point corresponding to the maximum height of the lens in the case of a convex lens, and a point corresponding to the minimum height of the lens in the case of a concave lens.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining another embodiment of the radiation angle expanding element.
  • a plurality of microlenses 12 each having a rectangular outer shape in a plan view are arranged in a square.
  • the microlens 12 is a convex lens.
  • the space 14 is provided between the adjacent microlenses 12.
  • the spacing 14 in the X direction and the spacing 14 in the Y direction may be different from each other. That is, the closest length Lpx in the X direction and the closest length Lpy in the Y direction may be different from each other.
  • the closest length Lpx in the X direction is a value obtained by subtracting the diameter of the microlens 12 in the X direction (radius rx ⁇ 2 in the X direction) from the center-to-center distance Lcx of the microlenses 12 adjacent in the X direction.
  • the closest length Lpy in the Y direction is a value obtained by subtracting the diameter of the microlens 12 in the Y direction (radius ry ⁇ 2 in the Y direction) from the center-to-center distance Lcy of the microlenses 12 adjacent in the Y direction.
  • the closest length can be measured by observing the cross-section SEM after molding the radiation angle enlarging element.
  • the SEM may be any that can be observed at a magnification of 100,000 times or more, and can be observed using, for example, S-3700N manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation.
  • the sample is cut in a direction parallel to the array direction by passing through the apexes of at least one microlens 12 so that the closest length can be observed in section in advance.
  • the cutting is preferably performed by using a slicer or FIB device.
  • FIB Ethos NX5000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation can be used.
  • FIGS. 7A to 7D are views for explaining a method of manufacturing the radiation angle expanding element.
  • the radiation angle enlarging element as a product may be transferred and molded directly from the master mold 20.
  • the radiation angle enlarging element as a product may be transfer-molded after transfer-molding the mold a plurality of times from the master mold. By thus forming a product using the mold, the life of the master mold can be extended.
  • FIG. 8 is a plan view for explaining the radiation angle expanding element 80 according to the first embodiment.
  • a plurality of microlenses 12 whose outer shape is circular in plan view are arranged in a square.
  • the shape of each microlens 12 is represented by the following mathematical expression (1).
  • the values of each parameter in the mathematical expression (1) are shown in the table below.
  • Transfer molding was performed from a master mold 20 as shown in FIG. 4 on a soda lime glass substrate using a resin material having a refractive index of 1.5.
  • the material of the master mold 20 may be any of metal, glass and resin.
  • the microlenses 12 are two-dimensionally arranged so that the closest length is 100 nm.
  • FIG. 9 shows the radiation angle performance of the radiation angle expanding element 80 according to the first embodiment.
  • light having a wavelength of 850 nm was transmitted through the radiation angle expanding element 80, and the radiation angle was measured.
  • OP-TR/RF-GONIO-MIN manufactured by Ocean Photonics Co., Ltd. was used.
  • a plurality of microlenses are arranged in a square.
  • the microlenses are two-dimensionally arranged so that the closest length is 1000 nm.
  • a wide-angle (110°) diffusion performance was obtained.
  • a comparative example will be explained. Also in the comparative example, a plurality of microlenses are arranged in a square. In the comparative example, no space was provided between the adjacent microlenses. That is, the closest contact length was set to 0 nm. Also in the comparative example, the radiation angle was measured in the same manner as in the first example, and the result was that the diffusion angle was 96°, and the diffusion performance was lower than in the first and second examples. From the comparison between the comparative example and the first and second examples, the effectiveness of setting the closest length of the adjacent microlenses to 100 nm or more was confirmed.
  • FIG. 10 is a plan view for explaining the radiation angle enlarging element 100 according to the third embodiment.
  • a plurality of microlenses 12 whose outer shape is circular in plan view are densely arranged.
  • the microlenses 12 are two-dimensionally arranged so that the closest length is 100 nm or more.
  • FIG. 11 is a plan view for explaining the radiation angle enlarging element 110 according to the fourth embodiment.
  • a plurality of microlenses 12 each having a rectangular outer shape in plan view are randomly arranged.
  • the microlenses 12 are two-dimensionally arranged so that the closest length is 100 nm or more.
  • FIG. 12 is a bird's-eye view for explaining a radiation angle enlarging element 120 according to still another embodiment of the present invention.
  • the radiation angle enlarging element 120 is a microlens array in which a plurality of rectangular microlenses 12 are two-dimensionally arranged in a plan view.
  • the microlens 12 is a convex lens.
  • a space is provided between the adjacent microlenses 12.
  • the shape of the interval between the adjacent microlenses 12 is a curved surface.
  • the two-dimensional array of the microlenses 12 may be a rectangular array (an array in which the microlenses 12 are aligned along the X axis and the Y axis orthogonal to each other in a plan view) or a square array (a rectangular array and X
  • the pitch between the lens vertices arranged along the axis and the pitch between the lens vertices arranged along the Y axis may be substantially equal).
  • the radiation angle expanding element 120 in the cross-sectional view when the radiation angle expanding element 120 is cut along a plane parallel to the XZ plane, it corresponds to the interval between the microlenses 12 arranged along the X axis.
  • the broken portion 14a is a line segment parallel to the X axis.
  • the portion 14a corresponding to the interval between the microlenses 12 arranged along the X axis is a curved line having an upward convex shape. Has become.
  • the radiation angle expanding element 120 in the cross-sectional view when the radiation angle expanding element 120 is cut in a plane parallel to the YZ plane, the space between the microlenses 12 arranged along the Y axis is shown.
  • the corresponding portion 14b is a line segment parallel to the Y axis.
  • a portion 14b corresponding to the interval between the microlenses 12 arranged along the Y axis is a curved line having an upward convex shape. Has become.
  • FIG. 13 is a bird's-eye view for explaining a radiation angle enlarging element 130 according to still another embodiment of the present invention.
  • the radiation angle enlarging element 130 is a microlens array in which a plurality of rectangular microlenses 12 are two-dimensionally arranged in a plan view.
  • the microlens 12 is a concave lens.
  • a space is provided between the adjacent microlenses 12.
  • the shape of the interval between the adjacent microlenses 12 is a curved surface.
  • the two-dimensional array of the microlenses 12 may be a rectangular array or a square array.
  • the emission angle expansion element 130 in the cross-sectional view when the emission angle expansion element 130 is cut along a plane parallel to the XZ plane, it corresponds to the interval between the microlenses 12 arranged along the X axis.
  • the broken portion 14a is a line segment parallel to the X axis.
  • a portion 14a corresponding to the interval between the microlenses 12 arranged along the X axis is a downward convex curve. Has become.
  • the emission angle expanding element 130 in the cross-sectional view when the emission angle expanding element 130 is cut in a plane parallel to the YZ plane, the space between the microlenses 12 arranged along the Y axis is shown.
  • the corresponding portion 14b is a line segment parallel to the Y axis.
  • a portion 14b corresponding to the interval between the microlenses 12 arranged along the Y axis is a downward convex curve. Has become.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the structure of the radiation angle expanding element 120 shown in FIG.
  • the sizes of the microlenses 12 and the intervals 14 of the radiation angle expanding element 120 are defined as shown in FIG.
  • “a” represents the thickness of the radiation angle expanding element 120
  • “b” represents the base thickness
  • “c” represents the Sag of the microlens 12
  • “d” represents the distance between the microlenses 12.
  • “P” represents the pitch of the microlenses 12.
  • b a ⁇ c.
  • a and b may include the thickness of the substrate.
  • the thickness a of the radiation angle enlarging element 120 will be described. If the thickness a is too large, the thickness of the element becomes too large, which hinders downsizing, thinning, and height reduction of the element. On the other hand, if the thickness a is too small, the mechanical strength required for the element itself is insufficient, and it becomes difficult to obtain the required effect of enlarging the radiation angle when a force is applied. There is a risk of doing it.
  • the thickness a may be in the range of 10 ⁇ m ⁇ a ⁇ 6000 ⁇ m, depending on the degree of the required radiation angle expansion effect, the refractive index of the material of the lens, and the like. Desirably, 50 ⁇ m ⁇ a ⁇ 3000 ⁇ m, More preferably, 100 ⁇ m ⁇ a ⁇ 1000 ⁇ m, More preferably, 250 ⁇ m ⁇ a ⁇ 750 ⁇ m.
  • the pitch P of the microlenses 12 will be described. If the pitch P is too small, the microlens becomes too small, making it difficult to manufacture the master mold. On the other hand, if the pitch P is too large, the thickness (Sag:c) of the microlens becomes large in order to obtain the necessary radiation angle, and the moldability becomes poor.
  • the value of the pitch P may be 3 ⁇ m ⁇ P ⁇ 500 ⁇ m, Desirably, 5 ⁇ m ⁇ P ⁇ 300 ⁇ m, More preferably, 10 ⁇ m ⁇ P ⁇ 200 ⁇ m, More preferably, it may be 20 ⁇ m ⁇ P ⁇ 150 ⁇ m.
  • the relationship between the interval d and the pitch P will be described. If the interval d is too small with respect to the pitch P, it becomes difficult to obtain the effect of making the shape of the ridgeline portion 22 of the master mold the curvature as designed. On the contrary, if the distance d is too large with respect to the pitch P, the intensity of the transmitted light passing through the gap increases, and the uniformity of the emitted beam deteriorates.
  • the value of the interval d may be 0.1 ⁇ m ⁇ d ⁇ 0.1 ⁇ P ⁇ m, depending on the degree of the required radiation angle expansion effect, the refractive index of the lens material, and the like.
  • the value of the interval d may be 1/300 ⁇ c ⁇ m ⁇ d ⁇ 3/20 ⁇ c ⁇ m, depending on the degree of the required radiation angle expansion effect, the refractive index of the material of the lens, and the like. Desirably, 1/200 ⁇ c ⁇ m ⁇ d ⁇ 2/20 ⁇ c ⁇ m, More preferably, 1/100 ⁇ c ⁇ m ⁇ d ⁇ 1/20 ⁇ c ⁇ m, More preferably, 1/75 ⁇ c ⁇ m ⁇ d ⁇ 1/15 ⁇ c ⁇ m.
  • the present invention can be used for a radiation angle expanding element for expanding the radiation angle of an incident beam.

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Abstract

放射角度拡大素子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間に所定の間隔１４が設けられる。

Description

放射角度拡大素子
　本発明は、入射ビームの放射角度を拡大する放射角度拡大素子に関する。
　従来より、入射ビームの放射角度をより大きな放射角度に拡大する光学素子として、複数のマイクロレンズを２次元配列して成る放射角度拡大素子が知られている（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
　放射角度拡大素子において、放射角を広くするためには、マイクロレンズのアスペクト比を高くする必要がある。特にマイクロレンズの端部は広角の放射角度成分に寄与しているため、マイクロレンズの端部の形状が設計形状から離れてしまうと拡散性能が低下する。
　図１（Ａ）および（Ｂ）は、放射角度拡大素子の拡散性能を説明するための図である。図１（Ａ）は、理想的なマイクロレンズ形状を有する放射角度拡大素子１を模式的に示す部分断面図である。図１（Ｂ）は、実際の放射角度拡大素子２を模式的に示す部分断面図である。図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、実際の放射角度拡大素子２におけるマイクロレンズ５の端部６は、理想的な放射角度拡大素子１のマイクロレンズ３の端部４よりも鈍る傾向がある。換言すると、実際のマイクロレンズ５における端部６の曲率は、理想的なマイクロレンズ３における端部４の曲率よりも小さくなりがちである。
　このようなマイクロレンズ端部の鈍りは、製造上の要因によるところが大きい。放射角度拡大素子を製造する方法としては、例えば母型（マスターモールド）から転写成形して製品（モールド）を製造することが工業的に知られている。
　図２は、理想的なマスターモールドと実際のマスターモールドを比較した図である。図２において、破線は理想的な（すなわち設計上の）マスターモールド８の部分断面を模式的に示し、実線は実際に作製されたマスターモールド７の部分断面を模式的に示す。図２に示すように、隣接するマイクロレンズ間の部分に対応するマスターモールドの稜線部分９は非常に尖った形状となる。
　マスターモールドを作製する方法としては、例えばバイトなどを用いて母材を切削加工する方法があるが、このような非常に尖った形状は切削加工が容易ではなく、実際のマスターモールド７の稜線部分９の形状は、理想的なマスターモールド８のそれよりも鈍ったものとなりがちである。言い換えると、実際のマスターモールド７における稜線部分の曲率は、理想的なマスターモールド８の稜線部分の曲率よりも小さくなりがちである。このようなマスターモールド７を用いて製造されたマイクロレンズ端部の形状は必然的に設計形状から離れたものとなり、所望の拡散性能を実現できない可能性がある。
　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、複数のマイクロレンズアレイを２次元配置した放射角度拡大素子において、所望の拡散性能を実現することにある。
　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拡大素子は、２次元配列された複数のマイクロレンズを備える。隣接するマイクロレンズ間に所定の間隔が設けられる。
　所定の間隔は、隣接するマイクロレンズの最近接長が１００ｎｍ以上となる間隔であってもよい。マイクロレンズは、矩形レンズであってもよい。隣接するマイクロレンズ間の間隔の形状が曲面になっていてもよい。
　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、複数のマイクロレンズアレイを２次元配置した放射角度拡大素子において、所望の拡散性能を実現できる。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、放射角度拡大素子の拡散性能を説明するための図である。 理想的なマスターモールドと実際のマスターモールドを比較した図である。 本実施形態に係る放射角度拡大素子を模式的に示す部分断面図である。 本実施形態に係る放射角度拡大素子を製造するために用いられるマスターモールドを模式的に示す部分断面図である。 放射角度拡大素子の一実施形態を説明するための平面図である。 放射角度拡大素子の別の実施形態を説明するための平面図である。 図７（Ａ）～（Ｄ）は、放射角度拡大素子の製造方法を説明するための図である。 第１実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 第１実施例に係る放射角度拡大素子の放射角度性能を示す図である。 第３実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 第４実施例に係る放射角度拡大素子を説明するための平面図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子を説明するための鳥瞰図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子を説明するための鳥瞰図である。 図１２に示す放射角度拡大素子の構造について説明するための図である。
　以下、本発明の実施形態に係る放射角度拡大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３は、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０を模式的に示す部分断面図である。放射角度拡大素子１０は、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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。複数のマイクロレンズ１２は、例えば正方配列されてもよいし、稠密配列されてもよい。マイクロレンズ１２の外形は、例えば平面視で円形であってもよいし、平面視で矩形であってもよい。
　図４は、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０を製造するために用いられるマスターモールド２０を模式的に示す部分断面図である。マスターモールド２０は、マイクロレンズ１２を成形するためのレンズ成形用部分２１を備える。隣接するレンズ成形用部分２１の間には稜線部分２２が形成されている。稜線部分２２は、放射角度拡大素子１０における隣接するマイクロレンズ１２間の部分に対応する。このようなマスターモールド２０に透明な樹脂材料を充填して硬化させることにより、放射角度拡大素子１０を製造することができる。
　ここで、本実施形態に係る放射角度拡大素子１０においては、図３に示すように隣接するマイクロレンズ１２の間に所定の間隔１４が設けられている。この間隔１４の部分の形状は、平面となっている。このような間隔１４を設けたことにより、マスターモールド２０の稜線部分２２をそれほど（すなわち図２で説明した従来技術ほど）尖った形状とする必要がなくなるので、稜線部分２２の形状を設計通りの曲率に加工することが容易となる。その結果、マスターモールド２０を用いて成形されるマイクロレンズ１２の端部の曲率を低減なく設計通りの値とすることができ、所望の拡散性能を実現することができる。
　図５は、放射角度拡大素子の一実施形態を説明するための平面図である。図５に示す放射角度拡大素子５０においては、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。上述したように、隣接するマイクロレンズ１２の間には間隔１４が設けられている。
　ここで、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔１４の最適な大きさについて説明する。本発明者は、間隔１４の最適値について鋭意検討した結果、隣接するマイクロレンズ１２の最近接長Ｌｐを１００ｎｍ以上とすることが最適であることを見いだした。最近接長Ｌｐが１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２間に間隔１４を設けることにより、端部の曲率の低減が抑制されたマイクロレンズ１２を有する放射角度拡大素子１０を製造でき、所望の拡散性能を実現することができる。なお、最近接長Ｌｐとは、隣接するマイクロレンズ１２間の最小距離であり、隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃからマイクロレンズ１２の直径（半径ｒ×２）を引いた値となる。中心間距離Ｌｃとは、隣接するマイクロレンズ１２の頂点間の距離である。マイクロレンズ１２の頂点とは、凸レンズの場合はレンズの最大高さに対応する点であり、凹レンズの場合はレンズの最小高さに対応する点である。
　図６は、放射角度拡大素子の別の実施形態を説明するための平面図である。図６に示す放射角度拡大素子６０においては、外形が平面視で矩形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。上述したように、隣接するマイクロレンズ１２の間には間隔１４が設けられている。
　図６に示す放射角度拡大素子６０では、Ｘ方向における間隔１４とＹ方向における間隔１４が互いに異なっていてもよい。すなわち、Ｘ方向の最近接長ＬｐｘとＹ方向の最近接長Ｌｐｙとが互いに異なっていてもよい。Ｘ方向の最近接長Ｌｐｘは、Ｘ方向に隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃｘからマイクロレンズ１２のＸ方向の直径（Ｘ方向の半径ｒｘ×２）を引いた値となる。Ｙ方向の最近接長Ｌｐｙは、Ｙ方向に隣接するマイクロレンズ１２の中心間距離Ｌｃｙからマイクロレンズ１２のＹ方向の直径（Ｙ方向の半径ｒｙ×２）を引いた値となる。
　最近接長は、放射角度拡大素子を成形後に断面ＳＥＭ観察等を行うことによって計測することができる。ＳＥＭは１０万倍以上の倍率で観察できるものであれよく、例えば株式会社日立ハイテクノロジーズのＳ－３７００Ｎを使って観察することができる。事前に最近接長が断面観察できるようにサンプルを、少なくとも１個のマイクロレンズ１２の頂点を通過し、配列方向に平行な方向で切断する。切断はスライサーやＦＩＢ装置を用いて行うのがよい。例えばＦＩＢは株式会社日立ハイテクノロジーズのＥｔｈｏｓ　ＮＸ５０００を用いることができる。
　図７（Ａ）～（Ｄ）は、放射角度拡大素子の製造方法を説明するための図である。図７（Ａ）に示すように、マスターモールド２０から直接に製品としての放射角度拡大素子を転写成形してもよい。あるいは、図７（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、マスターモールドから複数回モールドを転写成形してから、製品としての放射角度拡大素子を転写成形してもよい。このようにモールドを用いて製品を形成することにより、マスターモールドの寿命を延ばすことができる。
　次に、放射角度拡大素子の実施例について説明する。図８は、第１実施例に係る放射角度拡大素子８０を説明するための平面図である。第１実施例に係る放射角度拡大素子８０では、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が正方配列されている。個々のマイクロレンズ１２の形状は、以下の数式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　数式（１）における各パラメータの値を以下の表に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　ソーダライムガラス基板に対して、屈折率１．５の樹脂材料を使用して図４に示すようなマスターモールド２０から転写成形を行った。マスターモールド２０の材質は、金属、ガラス、樹脂のいずれの材料であってもよい。第１実施例では、最近接長が１００ｎｍとなるようにマイクロレンズ１２を２次元配列した。
　図９は、第１実施例に係る放射角度拡大素子８０の放射角度性能を示す。ここでは、放射角度拡大素子８０に波長８５０ｎｍの光を透過させ、放射角度を測定した。放射角度の測定は、オーシャンフォトニクス株式会社のＯＰ－ＴＲ／ＲＦ－ＧＯＮＩＯ－ＭＩＮを使用した。隣接するマイクロレンズ１２の最近接長が１００ｎｍとなるように放射角度拡大素子８０を形成したことにより、図９に示すように広角（１１０°）の拡散性能が得られた。
　次に第２実施例について説明する。第２実施例においても、複数のマイクロレンズを正方配列した。第２実施例では、最近接長が１０００ｎｍとなるようにマイクロレンズを２次元配列した。第２実施例に関しても、第１実施例と同様に放射角度を測定した結果、広角（１１０°）の拡散性能が得られた。
　次に比較例について説明する。比較例においても、複数のマイクロレンズを正方配列した。比較例では、隣接するマイクロレンズ間に間隔を設けなかった。すなわち、最近接長を０ｎｍとした。比較例に関しても、第１実施例と同様に放射角度を測定した結果、拡散角は９６°となり、第１および第２実施例と比較して拡散性能が低下した。比較例と第１および第２実施例の比較から、隣接するマイクロレンズの最近接長を１００ｎｍ以上とすることの有効性が確認された。
　図１０は、第３実施例に係る放射角度拡大素子１００を説明するための平面図である。第３実施例に係る放射角度拡大素子１００では、外形が平面視で円形の複数のマイクロレンズ１２が稠密配列されている。第３実施例でも、最近接長が１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２が２次元配列される。
　図１１は、第４実施例に係る放射角度拡大素子１１０を説明するための平面図である。第４実施例に係る放射角度拡大素子１１０では、外形が平面視で矩形の複数のマイクロレンズ１２がランダム配列されている。第４実施例でも、最近接長が１００ｎｍ以上となるようにマイクロレンズ１２を２次元配列される。
　図１２は、本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子１２０を説明するための鳥瞰図である。放射角度拡大素子１２０は、外形が平面視で矩形の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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凸レンズである。図１２に示すように、隣接するマイクロレンズ１２間に間隔が設けられている。本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０においては、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔の形状が曲面になっている。
　マイクロレンズ１２の２次元配列は、長方配列（平面視で直交するＸ軸およびＹ軸に沿ってマイクロレンズ１２が整列する配列）であってもよいし、正方配列（長方配列でありＸ軸に沿って配列するレンズ頂点間のピッチと、Ｙ軸に沿って配列するレンズ頂点間のピッチとが略等しい配列）であってもよい。
　本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０では、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａはＸ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａは、上に凸の曲線となっている。
　さらに本実施形態に係る放射角度拡大素子１２０では、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂはＹ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１２０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂは、上に凸の曲線となっている。
　図１３は、本発明のさらに別の実施形態に係る放射角度拡大素子１３０を説明するための鳥瞰図である。放射角度拡大素子１３０は、外形が平面視で矩形の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る。本実施形態において、マイクロレンズ１２は凹レンズである。図１３に示すように、隣接するマイクロレンズ１２間に間隔が設けられている。本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０においても、隣接するマイクロレンズ１２間の間隔の形状が曲面になっている。マイクロレンズ１２の２次元配列は、長方配列であってもよいし、正方配列であってもよい。
　本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０では、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａはＸ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｘ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ａは、下に凸の曲線となっている。
　さらに本実施形態に係る放射角度拡大素子１３０では、Ｙ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂはＹ軸に平行な線分となっている。さらに、Ｘ－Ｚ平面に平行な平面で放射角度拡大素子１３０を切断したときの断面図において、Ｙ軸に沿って配列したマイクロレンズ１２間の間隔に対応した部分１４ｂは、下に凸の曲線となっている。
　図１４は、図１２に示す放射角度拡大素子１２０の構造について説明するための図である。放射角度拡大素子１２０のマイクロレンズ１２、間隔１４のサイズを図１４に示すように定義する。図１４において、「ａ」は放射角度拡大素子１２０の厚みを表し、「ｂ」は下地厚みを表し、「ｃ」はマイクロレンズ１２のＳａｇを表し、「ｄ」はマイクロレンズ１２の間隔を表し、「Ｐ」はマイクロレンズ１２のピッチを表す。ここで、ｂ＝a－ｃである。ただし、ａ、ｂは、基板の厚みを含んでもよい。
　まず、放射角度拡大素子１２０の厚みａの望ましい範囲について説明する。厚みａが大きすぎると、素子の厚みが大きくなりすぎるため、素子の小型化、薄型化、低背化に支障がある。一方、厚みａが小さすぎると、素子自体に必要な機械的強度が不足し、力が加わった場合に変形して必要な放射角の拡大効果が得られにくくなったり、極端な場合は、破損してしまうおそれがある。
　したがって、必要な放射角度拡大効果の程度、レンズの材料の屈折率等に依存するが、厚みａの範囲は、１０μｍ＜ａ＜６０００μｍ、であってよく、
望ましくは、５０μｍ＜ａ＜３０００μｍ、であってよく、
より望ましくは、１００μｍ＜ａ＜１０００μｍ、であってよく、
さらに望ましくは、２５０μｍ＜ａ＜７５０μｍ、であってよい。
　次に、マイクロレンズ１２のピッチＰの望ましい範囲について説明する。ピッチＰが小さすぎると、マイクロレンズが小さくなりすぎ、マスターモールドの作製が難しくなる。一方、ピッチＰが大きすぎると、必要な放射角度を得るために、マイクロレンズの厚み（Ｓａｇ：ｃ）が大きくなり、成型性が悪くなる。
　したがって、ピッチＰの値は、３μｍ＜Ｐ＜５００μｍ、であってよく、
望ましくは、５μｍ＜Ｐ＜３００μｍ、であってよく、
より望ましくは、１０μｍ＜Ｐ＜２００μｍ、であってよく、
さらに望ましくは、２０μｍ＜Ｐ＜１５０μｍ、であってよい。
　次に、間隔ｄとピッチＰの関係について説明する。ピッチＰに対して、間隔ｄが小さすぎると、マスターモールドの稜線部分２２の形状を設計通りの曲率にする効果が得られにくくなる。逆に、ピッチＰに対して間隔ｄが大きすぎると、隙間部分を通過する透過光の強度が増し、出射ビームの均一性が悪くなる。
　したがって、必要な放射角度拡大効果の程度、レンズの材料の屈折率等に依存するが、間隔ｄの値は、０．１μｍ＜ｄ＜０．１×Ｐμｍ、であってよい。
　次に、Ｓａｇ（ｃ）と間隔ｄの関係について説明する。Ｓａｇ（ｃ）に対して間隔ｄが小さすぎると、マスターモールドの稜線部分２２の形状を設計通りの曲率にできにくくなる。逆に、Ｓａｇ（ｃ）に対して間隔ｄが大きすぎると、隙間部分を通過する透過光の強度が増し、出射ビームの均一性が悪くなる。
　したがって、必要な放射角度拡大効果の程度、レンズの材料の屈折率等に依存するが、間隔ｄの値は、１／３００×ｃμｍ＜ｄ＜３／２０×ｃμｍ、であってよく、
望ましくは、１／２００×ｃμｍ＜ｄ＜２／２０×ｃμｍ、であってよく、
より望ましくは、１／１００×ｃμｍ＜ｄ＜１／２０×ｃμｍ、であってよく、
さらに望ましくは、１／７５×ｃμｍ＜ｄ＜１／１５×ｃμｍ、であってよい。
　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拡大する放射角度拡大素子に利用できる。
　１０，５０，６０，８０，１００，１１０，１２０，１３０　放射角度拡大素子、　１２　マイクロレンズ、　１４　間隔、　２０　マスターモールド。

Claims (8)

  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拡大素子であって、
    　隣接する前記マイクロレンズ間に所定の間隔が設けられることを特徴とする放射角度拡大素子。
  2. 　前記所定の間隔は、隣接する前記マイクロレンズの最近接長が１００ｎｍ以上となる間隔であることを特徴とする請求項１に記載の放射角度拡大素子。
  3. 　前記マイクロレンズは、矩形レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の放射角度拡大素子。
  4. 　隣接する前記マイクロレンズ間の間隔の形状が曲面になっていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放射角度拡大素子。
  5. 　当該放射角度拡大素子の厚みをａとしたとき、１０μｍ＜ａ＜６０００μｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の放射角度拡大素子。
  6. 　前記マイクロレンズのピッチをＰとしたとき、３μｍ＜Ｐ＜５００μｍであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の放射角度拡大素子。
  7. 　前記マイクロレンズのピッチをＰとし、前記所定の間隔をｄとしたとき、０．１μｍ＜ｄ＜０．１×Ｐμｍであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の放射角度拡大素子。
  8. 　前記マイクロレンズのＳａｇをｃとし、前記所定の間隔をｄとしたとき、１／３００×ｃμｍ＜ｄ＜３／２０×ｃμｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の放射角度拡大素子。
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