JP6778179B2 - 光拡散装置 - Google Patents

Description

本発明は複合拡散板に関する。

従来から、表示装置に、マイクロレンズアレイなどの単一拡散板を適用する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、（ａ）基板表面に形成されたマイクロレンズなどの微細構造の形状を定義し、（ｂ）選択された微細構造の配列位置を指定し、（ｃ）拡散光の強度分布を計算し、（ｄ）所望の拡散光強度分布が得られるまで（ａ）〜（ｃ）の工程を繰り返す光学設計方法が記載されている。また、微細構造の形状または位置を定義するパラメータの少なくとも一つを予め定められた確率密度関数に従ってランダム分布させることで、微細構造の周期性により生じる回折スポットによる輝度ムラを改善するための単一拡散板が提案されている。

特表２００４−５０５３０６号公報 特開２０１０−２５００３７号公報 国際公開第２０１２／１１７４９５号 特開２０１２−２２６３００号公報 特表２００７−５２３３６９号公報

H. Urey and K. D. Powell, "Microlens-array-based exit-pupil expander for full-color displays", APPLIED OPTICS Vol.44, No.23, p.4930-4936

特許文献１に開示される単一拡散板では、例えば、レンズ直径１００μｍ、最大サグ１０μｍ、嵩上げ高さを±２μｍとした場合の拡散光の角度特性が示されている。角度４０°付近、つまり、トップハット状の強度分布曲線における、両端部より上方に盛り上がる中央部の両端付近では、輝度の強度が急激に変動しており、局所的に輝度ムラが発生している。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、局所的な輝度ムラの発生を抑制することのできる複合拡散板を提供することを目的とする。

本発明にかかる複合拡散板は、
第１拡散板(例えば、ランダムマイクロアレイ)と、第２拡散板(例えば、マットプレート、均一マイクロアレイ)とを入射側からこの順に配列した複合拡散板であって、
前記第１拡散板及び前記第２拡散板の少なくとも一方は、複数のマイクロレンズを有するランダムマイクロレンズアレイからなり、
前記複数のマイクロレンズは、レンズ形状を定義する複数のパラメータを有し、
前記複数のパラメータのうち少なくとも１つは、ランダムに分布しており、
前記ランダムマイクロレンズアレイは、透過した光に位相差を発生させる。

このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる。

また、前記第１拡散板は、ランダムマイクロレンズアレイからなり、前記第１拡散板の拡散光強度は、トップハット状の曲線に沿って分布し、前記第１拡散板の拡散角度が、前記第２拡散板の拡散角度以上であることを特徴としてもよい。
また、拡散光強度の分布曲線において、視野角０°から視野角の絶対値の最大値のうちの正の値までの、最も視野角の大きい第１変曲点と、視野角の絶対値の最大値のうちの負の値から視野角０°までの、最も視野角の小さい第２変曲点との幅を、トップ幅とすると、トップ幅が、前記第１拡散板の前記拡散光強度の分布曲線のトップ幅に対して、１．２００倍以下である
ことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制しつつ、拡散光の広がりを抑制することができる。これにより、複合拡散板の拡散光強度分布は、トップハット状の曲線を良好に維持することができる。

また、前記第２の拡散板は、微細凹凸パターンを主面に有するマットプレートからなることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生を低コストでより確実に抑制することができる。

また、前記第２の拡散板は、均一マイクロレンズアレイからなり、前記均一マイクロレンズアレイは、実質的に同じ形状のマイクロレンズの複数を、実質的に同じ間隔で配列して形成されることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、局所的な輝度ムラの発生をより確実に抑制することができる。

また、前記ランダムマイクロレンズアレイは、プレートと、前記プレートの主面上に有する前記複数のマイクロレンズとを含み、前記マイクロレンズは、レンズ部と、前記レンズ部を前記プレートから嵩上げする嵩上げ部と、を含み、前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記レンズ部は、それぞれ、凸方向において、実質的に同じ長さを有し、前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記嵩上げ部の嵩上げ量は、所定の範囲以内で分布しており、前記マイクロレンズは、前記レンズ部と前記嵩上げ部との高さの和である凸部最大高さを有し、前記複数のマイクロレンズにおける前記凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]と、前記マイクロレンズを構成する材料の屈折率ｎと、光源の波長λ[ｎｍ]とが、
０．２≦１０００×ΔＨ×（ｎ−１）／λ
を満たすことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、複数のマイクロレンズの間において位相差を与えることにより、回折による輝度ムラの発生を抑制することができる。

また、前記第２の拡散板は、反射部（例えば、反射プレート）をさらに有し、前記反射部は、前記第２の拡散板において、入射側の反対側の主面に設置される
ことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、局所的に輝度ムラの発生を抑制しつつ、光を反射することができる。

本発明によれば、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる複合拡散板を提供することができる。

実施の形態１にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の要部の模式図である。 視野角に対する強度分布の一例を示すグラフである。 視野角に対する強度分布の一例を移動平均化処理した分布を示すグラフである。 移動平均化処理した視野角に対する強度分布を２階微分した分布を示すグラフである。 出射側マットプレートの拡散角度に対するトップ幅変化率を示すグラフである。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態２にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態３にかかる複合拡散板の側面図である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 実施の形態２にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 実施の形態２にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。 単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。 単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。 複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。 複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。

実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１にかかる複合拡散板について説明する。図１は、実施の形態１にかかる複合拡散板の側面図である。図２は、実施の形態１にかかる複合拡散板の要部の模式図である。

図１に示すように、複合拡散板１００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とを含む。ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とは、いずれも、入射した光を透過させて、透過した光を外方へ拡散させる拡散板である。複合拡散板１００は、透過型スクリーンとして、用いることができる。また、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０とは、この順に入射側から出射側に向かって、所定の距離を空けて配列されている。ランダムマイクロレンズアレイ１０とマットプレート２０との距離は、マイクロレンズ１２の焦点距離よりも短くてもよく、長くてもよい。また、ランダムマイクロレンズアレイ１０とマットプレート２０との最大距離は、光の利用効率を維持したり、迷光による特性悪化を抑制したりするため、ランダムマイクロレンズアレイ１０を透過した光の全てがマットプレート２０に入射するような距離であると好ましい。複合拡散板１００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、マットプレート２０との２枚を並べても形成してもよいし、一体成形品として形成してもよい。

ランダムマイクロレンズアレイ１０は、プレート１１と、プレート１１の出射側の主面に設けられた複数のマイクロレンズ１２とを含む。複数のマイクロレンズ１２間には、位相差があり、この位相差は、マイクロレンズ１２を、透過した、又は、反射した光の光路長の差を波長で規格することで、表される。この位相差は、レンズを定義するパラメータのうち少なくとも１つをランダムに分布させることで、変化させることができる。このようなパラメータとしては、例えば、レンズ高さ、レンズ直径、レンズ曲率、レンズピッチ、レンズ配置、レンズ屈折率等が挙げられる。

例えば、複数のマイクロレンズ１２が、実質的に同一の断面プロファイルをそれぞれ有するとともに、互いに異なる嵩上げ量をそれぞれ有することによって、複数のマイクロレンズ１２の間に位相差がある場合がある。このような場合、ランダムマイクロレンズアレイ１０は、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイと称してもよい。

ランダムマイクロレンズアレイ１０が嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイである場合、図２に示すように、マイクロレンズ１２の具体例として、マイクロレンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃがある。マイクロレンズ１２ａは、レンズ部１２ａａと、基準面からレンズ部１２ａａを嵩上げする嵩上げ部１２ａｂとを含む。なお、この基準面はプレート１１の出射側の主面である。マイクロレンズ１２ａの凸部最大高さは、レンズ部１２ａａの高さであるレンズ高さと、嵩上げ部１２ａｂの高さである嵩上げ量との和である。それぞれのマイクロレンズ１２の嵩上げ量は、一定の範囲内で分布を有する。

それぞれのマイクロレンズ１２の凸部最大高さは、一定の範囲内で分布して、位相差を生じさせる。この位相差によって、回折により発生する輝度ムラや色むらを改善する。マイクロレンズ１２の嵩上げ量の分布は、具体的には、各マイクロレンズの凸部最大高さの最大高低差ΔＨを設定して、その範囲内で嵩上げ部の高さを一様ランダムや疑似ランダムなどの任意の分布に設定すればよい。

例えば、マイクロレンズ１２ｂが一定の範囲内で最も高い凸部最大高さを有し、マイクロレンズ１２ｃが一定の範囲内で最も低い凸部最大高さを有する、とした場合がある。この場合、マイクロレンズ１２ｂのレンズ部１２ｂａと、マイクロレンズ１２ｃのレンズ部１２ｃａとは、実質的に同一の断面プロファイルを有するため、前記レンズ部の凸方向において同じ長さを有し、嵩上げ部１２ｂｂと嵩上げ部１２ｃｂとの高さの差が、最大高低差ΔＨとなる。

各マイクロレンズの凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]に対応する位相差ΔＰは、下記の数式１により表現される。
ΔＰ＝１０００×ΔＨ×（ｎ−１）／λ …（数式１）
ｎ：マイクロレンズ１２を構成する材料の屈折率
λ［ｎｍ］：光源の波長
位相差ΔＰは、０．２以上であると、輝度ムラや色ムラが小さくなって好ましく、さらに好ましくは、０．５以上である。

再び図１を参照して、マットプレート２０は、プレート本体２１と、プレート本体２１の入射側の主面に設けられた微細凹凸パターン２２とを含む。微細凹凸パターン２２を設けられたプレート本体２１の入射側主面は、マットプレート２０において、マット面として機能する。

ところで、拡散板は、拡散光強度の分布曲線において定義されるトップ幅（後述）をそれぞれ固有に有する。拡散光強度は、例えば、拡散板を透過した光による透過像の視野角に対する強度である。複合拡散板１００のトップ幅がランダムマイクロレンズアレイ１０のトップ幅の１．２００倍以内となるように、マットプレート２０のトップ幅は選択されると好ましい。言い換えると、マットプレート２０をランダムマイクロレンズアレイ１０の出射側に配列することにより複合拡散板１００を形成する場合、複合拡散板１００のトップ幅がランダムマイクロレンズアレイ１０のトップ幅の１．２００倍以内であると好ましい。

（トップ幅の定義）
次に、図３〜図５を参照して、本出願明細書におけるトップ幅の測定方法について説明する。図３は、視野角に対する強度分布の一例を示すグラフである。図４は、視野角に対する強度分布の一例を移動平均化処理した分布を示すグラフである。図５は、移動平均化処理した視野角に対する強度分布を２階微分した分布を示すグラフである。

まず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を拡散板に照射して、そのＨｅ−Ｎｅレーザ光による透過像をすりガラス上に投影する。ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラを用いてこの透過像を撮影し、透過像から輝度情報を生成する。図３に示すように、生成した輝度情報から、視野角に対する強度分布を求める。図４に示すように、得られた視野角に対する強度分布について移動平均化処理を行い、その分布曲線を平滑化させる。図５に示すように、平滑化した分布曲線について２階微分処理を行う。この２階微分処理した分布曲線における変曲点を求める。ここで、トップ幅は、図４に示す視野角に対する強度における分布曲線におけるトップハット状部分の幅に相当するものであり、視野角の絶対値の最大値から０°に向かっていくと最初に存在する変曲点同士の角度における幅である。トップハット状部分とは、トップハット状部分とは、例えば、一端部と、上昇部と、中央部と、下降部と、他端部とを、視野角の増加方向に向かって順につらなるように含み、中央部は、一端部と他端部とよりも高く、上昇部は、視野角の増加方向に向かって、上昇するように傾斜する。下降部は、視野角の増加方向に向かって、下降するように傾斜する。上昇部と下降部とは、それぞれ変曲点を有する。トップ幅は、この変曲点同士の幅でもよい。

具体的には、図５では、トップ幅は、第１変曲点Ｐ１から第２変曲点Ｐ２までの幅に相当する。ここでの第１変曲点Ｐ１は、視野角の絶対値の最大値のうち、正の値である約２０°から０°に向かって、初めての変曲点となる角度、つまり、約１１°である。また、ここでの第２変曲点Ｐ２は、視野角の絶対値の最大値のうち、負の値である約−２０°から０°に向かって、初めての変曲点となる角度、つまり、約−９°である。つまり、図５に示す一例では、トップ幅は、約−９°から約−１１°までの幅、つまり、約２０°である。

（トップ幅測定実験）
次に、図６〜図１０、図１７及び図１８を参照して、上記したトップ幅の測定方法を用いて、複合拡散板及び単一拡散板のトップ幅を計測した実験について説明する。図６は、出射側マットプレートの視野角に対するトップ幅変化率を示すグラフである。図７及び図９は、実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例を示す写真である。図８及び図１０は、実施の形態１にかかる複合拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。図１７は、単一拡散板の透過像の一例を示す写真である。図１８は、単一拡散板の透過像の一例の視野角に対する強度を示すグラフである。

下記の表１に示す条件を有する複合拡散板及び単一拡散板のトップ幅を計測した。実施例１〜８は、複合拡散板１００（図１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。比較例１及び比較例２は、ランダムマイクロレンズアレイ１０（図１参照）と同じ構成を有するマイクロレンズアレイの一枚からなる単一拡散板である。

同じ入射側マイクロレンズアレイの拡散角度を有する単一拡散板に対する複合拡散板のトップ幅の変化率を算出し、図６にその結果を示した。拡散板の拡散角度とは、光を拡散板に照射して拡散させた拡散光における中心照度の半値を全角表示したものである。具体的には、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、つまり、実施例１〜４のトップ幅変化率は、実施例１〜４のそれぞれのトップ幅を、比較例１のトップ幅で割った値である。入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、つまり、実施例５〜８のトップ幅変化率は、実施例５〜８のそれぞれのトップ幅を、比較例２のトップ幅で割った値である。図７及び図８に、実施例３の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図９及び図１０に、実施例４の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１７及び図１８に、比較例１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。

図６に示すように、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が１０°である場合、出射側のマットプレートの拡散角度が大きくなると、トップ幅が大きくなる。

例えば、マットプレートの拡散角度が５°であるとき、つまり、実施例３では、トップ幅変化率は１．２００倍を若干下回る。図７及び図８に示すように、実施例３の透過像は、比較例１の透過像（図１７及び図１８参照）と比較して、若干大きく、輝度ムラが小さい。つまり、透過像の広がり具合はあまり大きくなかった。また、輝度ムラは抑制されることが確認された。具体的には、トップハット状の分布曲線の中央部における強度変動が確認されなかった。

また、出射側マットプレートの拡散角度が１０°であるとき、つまり、実施例４では、トップ幅変化率は１．３０を超える。図９及び図１０に示すように、実施例１の透過像は、比較例１の透過像（図１７及び図１８参照）と比較して、大きく、輝度ムラが小さい。つまり、透過像の広がり具合は大きかった。また、輝度ムラは小さくなることが確認された。具体的には、トップハット状の分布曲線の中央部における強度変動が確認されなかった。

一方、入射側マイクロレンズアレイの拡散角度が２２°である場合、出射側のマットプレートの拡散角度が大きくなると、トップ幅変化率は約１．００〜約１．０２とあまり変化しないものの、輝度ムラは小さくなることが確認された。しかし、マットプレートの拡散角度が１０°であるとき、つまり、実施例８では、トップハット特性が消滅し、トップ幅が測定できなかった。そのため、トップ幅変化率は算出できなかった。

上記したトップ幅変化率の算出結果と、透過像を目視した結果とから、マットプレートの拡散角度が５°以下であると、透過像の広がりはあまり大きくなかった。透過像の広がりを抑制することが要求される場合、トップ幅変化率が１．２００倍以下となるように、出射側のマットプレートの拡散角度を選択すると好ましい。一方、実施例１〜８のいずれにおいても、トップ幅変化率は１．００６倍以上であり、局所的な輝度ムラが小さくなることが確認された。従って、トップ幅変化率が１．００６倍以上となるように、出射側のマットプレートの拡散角度を選択しても、局所的な輝度ムラをより確実に抑制することができる。

以上、実施の形態１にかかる複合拡散板によれば、ランダムマイクロアレイとマットプレートを配列することで、トップハット状の中央における強度変動を抑制して、局所的な輝度ムラを抑制することができる。

また、実施の形態１にかかる複合拡散板によれば、トップ幅変化率を抑制して、拡散光の広がりを抑制することができる。したがって、拡散光の強度分布曲線は、トップハット形状を良好に維持することできる。限定した範囲だけを明るくすればよい用途、例えば、ヘッドアップディスプレイなどの、運転者の視界を明るくすればよい用途では、トップハット状の強度分布曲線を有するように光を拡散させる拡散板を適用することが好ましい。したがって、実施の形態１にかかる複合拡散板を、このような用途に適用すると、トップハット状の強度分布曲線を有するように光を拡散させるとともに、輝度ムラを補正して、非常に好適である。

ところで、レンズ高さ及び嵩上げ量が均一な均一マイクロレンズアレイと、マットプレート２０とを含む複合拡散板がある。このような複合拡散板では、均一マイクロレンズアレイを所望の拡散特性を有するように光学設計しても、均一マイクロレンズアレイに含まれるマイクロレンズによる回折及び干渉によって輝度ムラが強く生じ、マットプレート２０だけでは、十分に補正できない。この輝度ムラを補正するために、マットプレート２０のマット面の拡散角度を高める方法が考えられるものの、この方法を適用すると、複合拡散板としての拡散特性が変化し、所望の拡散特性が得られない。複合拡散板１００は、このような複合拡散板と比較して、回折及び干渉による輝度ムラを抑制しつつ所望の拡散特性が得られ、残存する輝度ムラをマットプレート２０を用いて補正することができる。

（嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造方法）
次に、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造方法について説明する。

嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイの製造に先立って、設計が行なわれる。まず、複合拡散板を形成する材料の光学物性と、所望の拡散角度分布とに応じて、基準となるレンズ形状を設計する。マイクロレンズの主面の形状は球面でも非球面でもよい。光学設計は、光線追跡法などを用いて行うことができる。正六角形状の底面を有するマイクロレンズをプレート上に三角格子状に配置すると、マイクロレンズをプレート上に最密に敷き詰めることができて、好ましい。なお、拡散角度特性に異方性を持たせるために、マイクロレンズの縦横比を任意に設定してもよい。マイクロレンズの底面形状として、六角形の他に、四角形などが挙げられる。マイクロレンズの底面形状が四角形である場合、マイクロレンズをプレート上に正方格子状に配置してもよい。

また、マイクロレンズ間の位相差ΔＰについて設定する。具体的には、位相差ΔＰは、上記した数式１を用いて、マイクロレンズ１２を形成する材料の屈折率ｎと、光源の波長λと、マイクロレンズ１２の凸部最大高さの最大高低差ΔＨとから設定される。このようにして、複数のマイクロレンズを所望の面積に配列するマイクロレンズアレイの露光用データが生成される。このような複数のマイクロレンズは、略同一のレンズ曲率をそれぞれ有しつつ、異なる嵩上げ量をそれぞれ有する。

まず、フォトレジストを基板に塗布し、塗布したフォトレジストにレーザビームを走査しながら照射し、照射したフォトレジストを露光用データに基づいて露光する（露光工程Ｓ１）。ここで、用いるレーザビームの波長は特に制限なく、用いるフォトレジストの種類に応じて選定される。レーザビームの波長は、例えば、３５１ｎｍ、３６４ｎｍ、４５８ｎｍ、４８８ｎｍ（Ａｒ＋レーザの発振波長）、３５１ｎｍ、４０６ｎｍ、４１３ｎｍ（Ｋｒ＋レーザの発振波長）、３５２ｎｍ、４４２ｎｍ（Ｈｅ−Ｃｄレーザの発振波長）、３５５ｎｍ、４７３ｎｍ（半導体励起固体レーザのパルス発振波長）、３７５ｎｍ、４０５ｎｍ、４４５ｎｍ、４８８ｎｍ（半導体レーザ）などを選択することができる。

次いで、露光したフォトレジストを現像し、フォトレジスト原盤を形成する（現像工程Ｓ２）。現像方法として、露光したフォトレジストをアルカリ現像液に浸漬させる方法が挙げられる。アルカリ現像液としては、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）などが挙げられる。現像工程では、露光量に応じて、フォトレジストの一部が基板から除去されて、基板に残存したフォトレジストが、設計したマイクロレンズアレイに基づいた凹凸形状を有する。

さらに、電鋳を行うことによって、フォトレジスト原盤のフォトレジストの表面上に、ニッケルからなる板状のスタンパを形成する（電鋳工程Ｓ３）。スタンパの表面には、フォトレジストの凹凸形状が転写されている。スタンパは、フォトレジスト原盤から剥離されて、用いられる。

最後に、アクリルシートを加熱しながら、スタンパによりプレスする熱プレス成形を行う（成形工程Ｓ４）。成形工程Ｓ４では、成形方法として、熱プレス成形の代わりに、射出成形、紫外線硬化樹脂によるインプリント成形などを用いてもよい。

以上の露光工程Ｓ１〜成形工程Ｓ４を経ると、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイを製造することができる。

実施の形態２．
次に、図１１を参照して、実施の形態２にかかる複合拡散板について説明する。図１１は、実施の形態２にかかる複合拡散板の側面図である。実施の形態２にかかる複合拡散板は、実施の形態１にかかる複合拡散板と比較して、マットプレート２０の代わりに均一マイクロランダムアレイを用いたところを除いて、共通する構成を有する。共通する構成を除いて異なる構成についてのみ説明する。

図１１に示すように、複合拡散板２００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０の出射側に配置した均一マイクロレンズアレイ３０を含む。均一マイクロレンズアレイ３０は、プレート３１の入射側の主面に設けられた複数のマイクロレンズ３２を有する。複数のマイクロレンズ３２には、位相差が殆どなく、実質的に０（ゼロ）となるように光学設計される。

ここで、入射光を複合拡散板２００のランダムマイクロレンズアレイ１０に入射させると、ランダムマイクロレンズアレイ１０、均一マイクロレンズアレイ２２０をこの順に透過する。複合拡散板２００は、透過型スクリーンとして、用いることができる。ランダムマイクロレンズアレイ１０の拡散効果と、均一マイクロレンズアレイ２２０の拡散効果とが重なり合い、回折と干渉により生じる輝度ムラを抑制することができる。

実施の形態２にかかる複合拡散板によれば、局所的な輝度ムラをより確実に抑制することができる。しかも、拡散板同士を高い精度で位置決めを行う必要がない。

実施の形態３．
次に、図１２を参照して、実施の形態３にかかる複合拡散板について説明する。図１２は、実施の形態３にかかる複合拡散板の側面図である。実施の形態３にかかる複合拡散板は、実施の形態１にかかる複合拡散板と比較して、反射プレートを含むことと、マイクロレンズアレイの向きとを除いて共通する構成を有する。

図１２に示すように、複合拡散板３００は、ランダムマイクロレンズアレイ１０と、反射プレート３２０とを含む。ランダムマイクロレンズアレイ１０と、反射プレート３２０とは、この順に入射側から配列されている。複合拡散板３００は、反射型スクリーンとして、用いることができる。

ランダムマイクロレンズアレイ１０は、プレート１１と、プレート１１の主面に配置されたマイクロレンズ１２とを有する。ランダムマイクロレンズアレイ１０は、マイクロレンズ１２が入射側に向くように、設置されている。

反射プレート３２０は、プレート本体２１と、プレート本体２１の主面に配置された微細凹凸パターン２２と、微細凹凸パターン２２の配置された主面と反対側の主面に配置されたミラー３２３とを有する。反射プレート３２０は、微細凹凸パターン２２が入射側に向くように、設置されている。

ここで、光を複合拡散板３００のランダムマイクロレンズアレイ１０に照射すると、光がランダムマイクロレンズアレイ１０、微細凹凸パターン２２及びプレート本体２１を透過し、ミラー３２３で反射される。続いて、反射した光は、プレート本体２１、微細凹凸パターン２２及びランダムマイクロレンズアレイ１０を透過し、入射側に向かう。ランダムマイクロレンズアレイ１０において消滅しきれずに残存した輝度ムラは、ミラー３２３により反射されて、さらに拡散され合せて、低減する。

以上、実施の形態３によれば、局所的な輝度ムラを抑制しつつ、拡散光を反射することができる。

（レーザ照射実験）
次に、図１３〜図１６、図１９〜図２２を参照して、複合拡散板及び単一拡散板にレーザを照射した実験について説明する。

実施例２−１は、複合拡散板１００（図１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。実施例２−２は、複合拡散板２００（図１１参照）と同じ構成を有する複合拡散板である。実施例２―１及び２−２のランダムマイクロレンズアレイとして、底面四角形状のマイクロレンズを含むランダムマイクロレンズアレイを用いた。このランダムマイクロレンズアレイでは、複数のマイクロレンズが、Ｘ方向におけるピッチＰｘ２０μｍ、Ｙ方向におけるピッチＰｙ３７μｍで配列しており、レンズ曲率半径が５８．５μｍであった。

マイクロレンズ１２を構成する材料の屈折率ｎを１．５、波長λを７５０μｍ、位相差ΔＰを１波長と設定して、上記数式１を用いて、レンズの凸部最大高さの最大高低差（嵩上げ高さ）ΔＨを１．５μｍと設定した。

さらに、ランダムマイクロレンズアレイのプレート上の約３０ｍｍ四方を、マイクロレンズアレイ領域として設計した。さらに、マイクロレンズアレイ領域中の約４００μｍ四方を単位領域として設計した。単位領域は、マイクロレンズアレイ領域において、格子状に配列される。

上記した設定及び設計に基づく露光用データを用いて、露光工程Ｓ１、現像工程Ｓ２、１回目の電鋳工程Ｓ３、２回目の電鋳工程Ｓ３を行ない、スタンパを得た。このスタンパには、凹レンズによるマイクロレンズアレイが形成されている。さらに、このスタンパを用いて、成形工程Ｓ４を行ない、ランダムマイクロレンズアレイを得た。

実施例２−１では、ランダムマイクロレンズアレイとマットプレートと間の距離は１ｍｍである。このマットプレートは、拡散角度５°を有する。

実施例２−２では、ランダムマイクロレンズアレイと均一マイクロレンズアレイとの間の距離は１ｍｍである。この均一マイクロレンズアレイは、四角形状の底面を有する複数のマイクロレンズを含み、この複数のマイクロレンズは、Ｘ方向におけるピッチＰｘ２０μｍ、Ｙ方向におけるピッチＰｙ３７μｍ、で配列されており、そのレンズ曲率半径は５８．５μｍであった。

比較例２−１は、実施例２−１と実施例２−２とで用いたランダムマイクロレンズアレイと同じ構成を有するランダムマイクロレンズアレイからなる単一拡散板である。比較例２−２は、均一マイクロレンズアレイ３０（図１１参照）と同じ構成の均一マイクロレンズアレイを２枚配列して形成される複合拡散板である。なお、特許文献３に開示される複合拡散板と異なり、この２枚配列した均一マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ頂点に対する角度を合せることなく、配置されている。

実施例２−１、実施例２−２、比較例２−１及び比較例２−２に、Ｈｅ−Ｎｅレーザを照射し、その透過像を撮影し、視野角に対する強度を計測した。図１３及び図１４に、実施例２−１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１５及び図１６に、実施例２−２の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図１９及び図２０に、比較例２−１の透過像及びその視野角に対する強度を示した。図２１及び図２２に、比較例２−２の透過像及びその視野角に対する強度を示した。

図１９及び図２０に示すように、比較例２−１の透過像には、輝度が中央部、具体的には、視野角−５°から５°にかけて大きく変動しており、輝度ムラが局所的に生じた。この輝度ムラは、回折現象及び干渉現象により生じ、嵩上げ高さランダムマイクロレンズアレイだけでは十分に補正されなかったと推察される。

図１３及び図１４に示すように、実施例２―１の透過像は、比較例２−１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較して、輝度ムラが中央部において小さい。マットプレートが光を拡散する効果を有するため、局所的な輝度ムラの発生が抑制されたと推察される。

図１３及び図１４に示すように、実施例２−２の透過像は、比較例２−１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較して、輝度ムラが中央部において小さい。均一マイクロレンズアレイが光を拡散する効果を有するため、局所的な輝度ムラの発生が抑制されたと推察される。

図２１及び図２２に示すように、比較例２−２の透過像には、比較例２−１の透過像（図１９及び図２０参照。）と比較しても、大きな輝度ムラが全体的に生じた。比較例２−２において、２枚の均一マイクロレンズアレイが、マイクロレンズ頂点に対する角度を合せることなく、配置されているため、輝度ムラが大きかったと推察される。

ところで、特許文献２では、マイクロレンズアレイの裏側に微細凹凸構造からなる粗面を設け、粗面が液晶ディスプレイの光源側になるように配置した単一拡散板を開示している。しかし、上記した実施の形態にかかる複合拡散板は、この単一拡散板と比較して、回折による輝度ムラの発生を抑制することができる。

また、特許文献３では、一方のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの頂点に対して、もう一方のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの頂点の角度を一定角度ずらすことで輝度ムラ改善する複合拡散板を開示している。また、特許文献４では、出射側のマイクロレンズアレイに対して入射側のマイクロレンズアレイのレンズ間隔を整数倍に小さくすることで輝度ムラを改善する複合拡散板を開示している。また、特許文献５および非特許文献１では、２枚のマイクロレンズアレイを焦点距離の位置に配置することで輝度ムラを改善する複合拡散板を開示している。また、しかし、上記した実施の形態にかかる複合拡散板は、これらの複合拡散板と比較して、複数枚の拡散板の配置方法を特に限定しなくとも、局所的な輝度ムラの発生を抑制することができる。特に、非特許文献１では、２枚のマイクロレンズアレイの距離の公差を±０．５μｍ、各々２枚のマイクロレンズアレイのマイクロレンズ頂点同士の角度のずれ公差を±３ｍｄｅｇと非常に狭く規定しているため、ヘッドアップディスプレイ等の製品に実装する際の位置決めが非常に難しい。また、ヘッドアップディスプレイの使用温湿度環境の変化による部材変形や取り付け位置の変動が生じ、前記公差から外れて輝度むらが生じる可能性がある。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、実施の形態１にかかる複合拡散板では、ランダムマイクロレンズアレイを入射側に配置しつつマットプレートを出射側に配置したが、マットプレートを入射側に配置するとともにランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置してもよい。また、ランダムマイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。

例えば、実施の形態２にかかる複合拡散板では、ランダムマイクロレンズアレイを入射側に配置しつつ均一マイクロレンズアレイを出射側に配置したが、均一マイクロレンズアレイを入射側に配置しつつランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置してもよい。また、均一マイクロレンズアレイを入射側に配置しつつランダムマイクロレンズアレイを出射側に配置した場合、ランダムマイクロレンズアレイが均一マイクロレンズアレイと比較して回折が発生しにくいため、輝度ムラをより抑制して好ましい。
また、ランダムマイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。また、均一マイクロレンズアレイはマイクロレンズを出射側の主面上に有したが、マイクロレンズを入射側の主面上に有してもよい。

この出願は、２０１５年４月８日に出願された日本出願特願２０１５−０７８９９５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、３００ 複合拡散板
１０ ランダムマイクロレンズアレイ
１１ プレート １２ マイクロレンズ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ マイクロレンズ
１２ａａ、１２ｂａ、１２ｃａ レンズ部
１２ａｂ、１２ｂｂ、１２ｃｂ 嵩上げ部
２０ マットプレート
２１ プレート本体 ２２ 微細凹凸パターン
３０ 均一マイクロレンズアレイ
３１ プレート ３２ マイクロレンズ
２２０ 均一マイクロレンズアレイ
３２０ 反射プレート ３２３ ミラー
Ｐ１、Ｐ２ 変曲点

Claims (4)

1. 第１拡散板と第２拡散板とを含む複合拡散板と、光源とを備え、
   前記第１拡散板は、前記光源から光を入射され、
   前記第１拡散板と、前記第２拡散板とを前記光の入射側からこの順に配列した光拡散装置であって、
   前記第１拡散板は、複数のマイクロレンズを有するランダムマイクロレンズアレイからなり、
   前記複数のマイクロレンズは、レンズ形状を定義する複数のパラメータを有し、
   前記複数のパラメータのうち少なくとも１つは、ランダムに分布しており、
   前記ランダムマイクロレンズアレイは、前記複数のマイクロレンズのうち個々のマイクロレンズを透過した光同士間での光路長の差による位相差を発生させ、
   前記第１拡散板の拡散光強度、及び前記複合拡散板の拡散光強度は、トップハット状の曲線に沿って分布し、
   前記トップハット状の曲線は、一端部と、上昇部と、中央部と、下降部と、他端部とを、視野角の増加方向に向かって順につらなるように含み、
   前記中央部は、前記一端部と前記他端部とよりも高く、
   前記上昇部は、視野角の増加方向に向かって、上昇するように傾斜し、
   前記下降部は、視野角の増加方向に向かって、下降するように傾斜し、
   前記上昇部と前記下降部とは、それぞれ変曲点を有し、
   前記第１拡散板の拡散角度が、前記第２拡散板の拡散角度以上であり、
   移動平均化処理された拡散光強度の分布曲線において、視野角０°から視野角の絶対値の最大値のうちの正の値までの、最も視野角の大きい第１変曲点と、視野角の絶対値の最大値のうちの負の値から視野角０°までの、最も視野角の小さい第２変曲点との幅を、トップ幅とすると、
   前記複合拡散板の前記拡散光強度の分布曲線のトップ幅が、前記第１拡散板の前記拡散光強度の分布曲線のトップ幅に対して、１．２００倍以下であり、
   前記ランダムマイクロレンズアレイは、プレートと、前記プレートの主面上に有する前記複数のマイクロレンズとを含み、
   前記マイクロレンズは、レンズ部と、前記レンズ部を前記プレートから嵩上げする嵩上げ部と、を含み、
   前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記レンズ部は、それぞれ、凸方向において、実質的に同じ長さを有し、
   前記複数のマイクロレンズにおける複数の前記嵩上げ部の嵩上げ量は、所定の範囲以内で分布しており、
   前記マイクロレンズは、前記レンズ部と前記嵩上げ部との高さの和である凸部最大高さを有し、
   前記複数のマイクロレンズにおける前記凸部最大高さの最大高低差ΔＨ[μｍ]と、前記マイクロレンズを構成する材料の屈折率ｎと前記光源から出射された光の波長λ［ｎｍ］とが、
   ０．２≦１０００×ΔＨ×（ｎ−１）／λ
   を満たす
   光拡散装置。
2. 前記第２拡散板は、微細凹凸パターンを主面に有するマットプレートからなることを特徴とする請求項１に記載の光拡散装置。
3. 前記第２拡散板は、均一マイクロレンズアレイからなり、
   前記均一マイクロレンズアレイは、実質的に同じ形状のマイクロレンズの複数を、実質的に同じ間隔で配列して形成される
   ことを特徴とする請求項１、又は２に記載の光拡散装置。
4. 前記第２拡散板は、反射部をさらに有し、
   前記反射部は、前記第２拡散板において、入射側の反対側の主面に設置される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光拡散装置。

Images