特開 2019-128493 拡散板及び光学機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-128493(P2019-128493A)

(43)【公開日】2019年8月1日

(54)【発明の名称】拡散板及び光学機器

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/02 20060101AFI20190708BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20190708BHJP

   G02B 27/48 20060101ALI20190708BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20190708BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/02 C

   G02B3/00 A

   G02B27/48

   G03B21/14 A

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2018-10755(P2018-10755)

(22)【出願日】2018年1月25日

(11)【特許番号】特許第6430048号(P6430048)

(45)【特許公報発行日】2018年11月28日

(71)【出願人】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 和幸

(72)【発明者】

【氏名】神道 勝寛

(72)【発明者】

【氏名】花島 直樹

(72)【発明者】

【氏名】松野 雄介

【テーマコード（参考）】

2H042

2K203

【Ｆターム（参考）】

2H042BA04

2H042BA12

2H042BA20

2K203FA07

2K203FA44

2K203FA45

2K203GA25

2K203HA93

2K203MA08

(57)【要約】

【課題】高い透過率を有するとともにスペックルノイズを低減できる拡散板及び光学機器を提供すること。
【解決手段】透明基板１０の両面に複数のマイクロレンズセル１１が配列された拡散板１であって、透明基板１０の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセル１１からなる第１マイクロレンズアレイ１２Ａと、一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセル１１からなる第２マイクロレンズアレイ１２Ｂと、を有し、第１マイクロレンズアレイ１２Ａを構成するマイクロレンズセル１１から出射した光が、第２マイクロレンズアレイ１２Ｂを構成するマイクロレンズセル１１に入射するように構成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明基板の両面に複数のマイクロレンズセルが配列された拡散板であって、
前記透明基板の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第１マイクロレンズアレイと、
前記一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第２マイクロレンズアレイと、を有し、
前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルから出射した光が、前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルに入射するように構成される拡散板。

【請求項2】

前記第１マイクロレンズアレイ及び前記第２マイクロレンズアレイのうち少なくとも一方は、ランダムなマイクロレンズアレイである請求項１に記載の拡散板。

【請求項3】

前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、
前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形である請求項１又は２に記載の拡散板。

【請求項4】

前記拡散板は、無機材料のみで構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の拡散板。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の拡散板を備える光学機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、拡散板及び光学機器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、入射光を様々な方向へと散乱させる拡散板は、プロジェクタ等の投影装置、ヘッドアップディスプレイ等の表示装置、各種照明装置等の光学機器に広く利用されている。この拡散板における入射光の拡散機構は、拡散板の表面形状に起因する光の屈折を利用するものと、バルク体の内部に存在する周囲とは屈折率の異なる物質による散乱を利用するものとに大別される。

【0003】

表面形状に起因する光の屈折を利用した拡散板として、数十μｍ程度の大きさのマイクロレンズをバルク体の表面に複数配置してなるマイクロレンズアレイがある。これらマイクロレンズアレイのレンズの形状や配置について、種々の検討がなされている。例えば、本出願人は、高次回折成分を抑制しつつ平坦な拡散特性を得ることを目的として、マイクロレンズの曲面に適切な非球面成分を加えたマイクロレンズアレイや（例えば、特許文献１参照）、不要な回折成分等を抑制することを目的として、互いに隣り合うマイクロレンズ間の稜線が、互いに平行ではなく、かつ、透明基板に対して平行ではないマイクロレンズアレイを提案している（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

また、基板の両面にマイクロレンズを配置したマイクロレンズアレイが提案されている（例えば、特許文献３及び４参照）。これらのマイクロレンズアレイによれば、変倍率や結像性等の光学的性能が高いマイクロレンズアレイが得られるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７−２６６６２号公報

【特許文献2】特願２０１５−２１３４６５号明細書

【特許文献3】特開２０００−２８４２１７号公報

【特許文献4】特開２００８−１５２０４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１及び２のような単一の拡散板だけでは、レンズの形状と配置によって、出射光には強度に強弱のある輝点（以下、スペックルノイズ）が数箇所に出現することがある。例えば周期的なマイクロレンズアレイの拡散板では、出射光はレンズの形状や配置に依存した周期的なスペックルノイズが出現する。これらスペックルノイズは、投影装置や表示装置等の画像を表示する光学機器において、色ムラ等の画質を悪化させる原因となる。

【0007】

そこで、従来では、レーザ光源プロジェクタでのスペックルノイズ対策として、図８に示す光学機器１００の拡散板１０１、１０２のように、拡散板を２枚使用し、これら２枚の拡散板にレーザ光を通過させることでスペックルノイズを低減させる試みがなされている。

【0008】

しかしながら、２枚の拡散板にレーザ光を通過させると、透過率が低下するという問題が生じる。この点、特許文献３及び４では、両面にマイクロレンズアレイを有するものの、同一形状を周期的に配置したものであるため、単一の拡散板ではスペックルノイズを低減させることができない。

【0009】

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い透過率を有するとともにスペックルノイズを低減できる拡散板及び光学機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため本発明は、透明基板の両面に複数のマイクロレンズセルが配列された拡散板であって、前記透明基板の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第１マイクロレンズアレイと、前記一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルからなる第２マイクロレンズアレイと、を有し、前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルから出射した光が、前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルに入射するように構成される拡散板を提供する。

【0011】

前記第１マイクロレンズアレイ及び前記第２マイクロレンズアレイのうち少なくとも一方は、ランダムなマイクロレンズアレイであってもよい。

【0012】

前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であってもよい。

【0013】

前記拡散板は、無機材料のみで構成されていてもよい。

【0014】

上述のいずれかの拡散板を備える光学機器を提供する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、高い透過率を有するとともにスペックルノイズを低減できる拡散板及び光学機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る拡散板の平面図である。

【図2】上記実施形態に係る拡散板の断面図である。

【図3】上記実施形態に係る拡散板の入射面の凹レンズからなるマイクロレンズセルと出射面のマイクロレンズセルとの関係性を説明する模式図である。

【図4】上記実施形態に係る拡散板の入射面の凸レンズからなるマイクロレンズセルと出射面のマイクロレンズセルとの関係性を説明する模式図である。

【図5】拡散板のレンズセルをランダム配置させる方法の一例を説明するための説明図である。

【図6A】本発明に係る拡散板の製造方法の一例を説明する図である。

【図6B】本発明に係る拡散板の製造方法の一例を説明する図である。

【図7】本発明に係る光学機器の一実施形態を模式的に示す図である。

【図8】従来の光学機器を模式的に示す図である。

【図9A】実施例１における両面拡散板の拡散角強度分布を示す図である。

【図9B】実施例１における両面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示す図である。

【図10A】比較例１における片面拡散板の拡散角強度分布を示す図である。

【図10B】比較例１における片面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示す図である。

【図11A】実施例２における入射面の拡散角２°の両面拡散板の拡散角度強度分布を示す図である。

【図11B】実施例２における入射面の拡散角２°の両面拡散板の拡散特性を示す図である。

【図12A】実施例２における入射面の拡散角５°の両面拡散板の拡散角度強度分布を示す図である。

【図12B】実施例２における入射面の拡散角５°の両面拡散板の拡散特性を示す図である。

【図13A】実施例２における入射面の拡散角１０°の両面拡散板の拡散角度強度分布を示す図である。

【図13B】実施例２における入射面の拡散角１０°の両面拡散板の拡散特性を示す図である。

【図14A】比較例２における片面拡散板の拡散角度強度分布を示す図である。

【図14B】比較例２における片面拡散板の拡散特性を示す図である。

【図15A】実施例３における両面拡散板の拡散角強度分布を示す図である。

【図15B】実施例３における両面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示す図である。

【図16A】比較例３における片面拡散板の拡散角強度分布を示す図である。

【図16B】比較例３における片面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る拡散板を模式的に示した平面図であり、図２は、上記実施形態に係る拡散板を模式的に示した断面図である。
本実施形態に係る拡散板１は、基板両面に複数のマイクロレンズセル（以下、レンズセル）１１が配置されたマイクロレンズアレイ型の両面拡散板である。拡散板１は、透明基板１０と、透明基板１０の両面に形成された複数のレンズセル１１からなる第１マイクロレンズアレイ（以下、第１レンズアレイ）１２Ａと、第２マイクロレンズアレイ（以下、第２レンズアレイ）１２Ｂを有している。なお、一般に拡散板１は、複数の単位セル（図示せず）から構成されるが、図１では、その単位セルにおいて矩形状に切り出した一部を模式的に示している。

【0018】

＜透明基板１０＞
透明基板１０は、本実施形態に係る拡散板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板である。この基板材料については、例えば、公知の樹脂材料であってもよいし、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、白板ガラス等の無機材料からなる公知の光学ガラスであってもよい。しかし、基板材料は、レンズ部分（複数のレンズセル１１）を含む全体が、無機材料のみからなることが好ましい。拡散板１の基板材料が無機材料のみからなることにより、特に入射光として高出力のレーザ光を用いる場合に、有機材料の変質による拡散特性の劣化を生じることがない。透明基板１０の外形形状は特に限定されず、例えば拡散板１が実装される投影装置、表示装置、照明装置等の光学機器の形状に応じて、任意の形状とすることができる。

【0019】

＜第１レンズアレイ１２Ａ、第２レンズアレイ１２Ｂ＞
拡散板１において、透明基板１０の一方の面に、複数のレンズセル１１からなる第１レンズアレイ１２Ａが形成され、この一方の面とは反対側の面である他方の面に、複数のレンズセル１１からなる第２レンズアレイ１２Ｂが形成されている。図１及び図２に示す第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂのいずれのレンズセル１１も、それぞれ凹形状のレンズからなる凹レンズによって形成されているが、これに限定されず、第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂのそれぞれのレンズセル１１は、凸形状のレンズからなる凸レンズであってもよい。なお、本実施形態に示す拡散板１において、第１レンズアレイ１２Ａが配置される側の面が入射面、第２レンズアレイ１２Ｂが配置される側の面が出射面とする。

【0020】

拡散板１の第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂにおけるレンズセル１１の配置は、各レンズセル１１の頂点が多角形に配置される多角配置とされる。また、図１に模式的に示したように、それぞれ複数のレンズセル１１は、互いに隣接するように（換言すれば、隣接するレンズセル１１、１１間に非レンズ領域となる隙間（平坦部）が存在しないように）配置される。透明基板１０の両面にそれぞれレンズセル１１を隙間なく配置させる（換言すれば、レンズセル１１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１で散乱せずにそのまま透過してしまう成分を抑制することが可能となる。その結果、複数のレンズセル１１が隙間なく互いに隣接するように配置された第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂを有する拡散板１は、拡散性能を更に向上させることが可能となる。

【0021】

また、拡散板１の第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂにおいて、隣接するレンズセル１１、１１のレンズ間ピッチは、入射光径よりも小さい。具体的には、レンズ間ピッチは、概ね入射光径の１／３以下とする。特にレーザ光を入射光とする拡散板１の使用条件では、入射光径は最大でも３ｍｍ程度と考えられる。従って、レンズ間ピッチが１ｍｍ以下であれば、どのようなレーザ光源に対しても好適に使用可能な拡散板１が得られる。

【0022】

本実施形態における拡散板１では、第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂをそれぞれ構成するレンズセル１１は、以下に示す３つの条件を満足するように配設されている。
（１）単位セルの４辺の境界は、アレイ配列でパターンに不連続が生じないこと。
（２）各レンズセル１１の頂点の平面位置及び高さ位置（換言すれば、凹レンズの深さの最も低い位置）と、隣接するレンズセル１１、１１のレンズ間稜線とは、回折が十分抑圧されるように不規則（ランダム）化されていること。
（３）非拡散透過光を抑圧するため、隣接するレンズセル１１、１１間に非レンズ領域が生じないようにすること。

【0023】

ここで、「不規則（ランダム）」とは、拡散板１における第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂの任意の領域において、レンズセル１１の配置に関する規則性（周期性）が実質的に存在しないことを意味する。従って、任意の領域でも微小領域においてレンズセル１１の配置にある種の規則性（周期性）が存在したとしても、任意の領域全体としてレンズセル１１の配置に規則性（周期性）が存在しないものは、「不規則（ランダム）」に含まれるものとする。また、第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂは、レンズセル１１の配置に加えて、レンズセル１１の曲率半径、レンズセル１１の深さ（高さ）の少なくともいずれか一方が「不規則（ランダム）」であってもよい。

【0024】

上記の３つの条件を満たすようにレンズセル１１が配置された、本実施形態における拡散板１の第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂにおいて、互いに隣り合うレンズセル１１、１１間の稜線は、全て互いに平行ではなく、かつ、透明基板１０に対して平行ではないようになっている。レンズセル１１、１１間で互いに平行な稜線が存在する場合、回折光成分が増加してしまうからである。

【0025】

ここで、「稜線」とは、複数のレンズセル１１が隣接している隣接レンズ境界部にあって、レンズセル１１の曲率半径が急激に変化している線状の領域を指すものとする。このような稜線の幅は、通常光の波長程度以下であるが、この稜線の幅は、エッチング等のプロセス条件で回折光が適切な大きさとなるよう制御される。また、「平行ではない」とは、平行か否かを判断する２つの線のうちの少なくとも一方が、曲線である場合を含むものとする。具体的には、隣接するレンズセル１１によって囲まれるレンズセルの領域は、レンズセル１１の光軸方向から見ると多角形となり、多角形の各辺は、レンズセル１１の断面から見ると曲線となる。

【0026】

＜入射面のレンズセル１１と出射面のレンズセル１１との関係性＞
本発明に係る拡散板１は、第１レンズアレイ１２Ａを構成するレンズセル１１から出射した光が、透明基板１０の内部を透過して、第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１に入射するように構成される。即ち、第１レンズアレイ１２Ａを構成するレンズセル１１から出射した光は、第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１の周囲を画成する稜線の内側のレンズ領域を通過する。

【0027】

第１レンズアレイ１２Ａのいずれか１つのレンズセル１１から出射した光が入射する第２レンズアレイ１２Ｂのレンズセル１１は、少なくとも１つあればよい。即ち、第１レンズアレイ１２Ａの１つのレンズセル１１から出射した光は、第２レンズアレイ１２Ｂの少なくとも１つのレンズセル１１に入射し、その第２レンズアレイ１２Ｂのレンズセル１１から拡散板１の出射面側に出射する。光は、第１レンズアレイ１２Ａのレンズセル１１によって拡散された後、第２レンズアレイ１２Ｂのレンズセル１１によって更に拡散されることになるため、スペックルノイズは低減される。しかも、拡散板１は、透明基板１０の一方の面に第１レンズアレイ１２Ａを有し、他方の面に第２レンズアレイ１２Ｂを有するので、例えば図８に示す光学機器１００の拡散板１０１、１０２のように、離間して独立に配置される２枚の拡散板を光が順次透過する場合の透過率（約９９％）に比較して、高い透過率（約９９．５％）を有することができる。

【0028】

次に、この拡散板１における入射面のレンズセル１１と出射面のレンズセル１１との関係性について、更に図３、図４を用いて説明する。図３、図４は、本実施形態に係る拡散板１の入射面のレンズセル１１と出射面のレンズセル１１との関係性を説明する模式図である。図３は、入射面のレンズセル１１が凹レンズである場合を示し、図４は、入射面のレンズセル１１が凸レンズである場合を示す。
本実施形態に係る両面にレンズセル１１がそれぞれランダムに配置された拡散板１において、出射面である第１レンズアレイ１２Ａの拡散角（半値全幅）は、レンズセル１１の平均ピッチ（レンズセル１１の頂点間の平均距離）Ｐ_１、透明基板１０の屈折率ｎ、レンズセル１１の平均曲率半径Ｒ_１を用いると、以下の式１で表される。

【0029】

【数1】

【0030】

また、出射面（第１レンズアレイ１２Ａが配置される側の面）にランダムに形成されたレンズセル１１の焦点距離ｆ_１は、以下の式２で表される。

【0031】

【数2】

【0032】

ここで、図３に示すように、入射面のレンズセル１１が凹レンズであり、出射面のレンズセル１１が凸レンズ又は凹レンズである場合、出射面のレンズセル１１の平均ピッチ（レンズセル１１の頂点間の平均距離）をＰ_２、透明基板１０の厚みをｔとすると、スペックルノイズをより好適に低減させる条件は、以下の式３で表される。

【0033】

【数3】

【0034】

入射面のレンズセル２は凹レンズからなるため焦点距離は負となるので、式３に式１及び式２を代入すると、以下の式４となる。

【0035】

【数4】

【0036】

一方、図４に示すように、入射面のレンズセル１１が凸レンズであり、出射面のレンズセル１１が凸レンズ又は凹レンズである場合、出射面のレンズセル１１の平均ピッチ（レンズセル１１の頂点間の平均距離）をＰ_２、透明基板１０の厚みをｔとすると、スペックルノイズをより好適に低減させる条件は、入射面のレンズセル２が凸レンズからなるため焦点距離は正となるので、式３に式１及び式２を代入すると、以下の式５となる。

【0037】

【数5】

【0038】

拡散板１において、入射面の第１レンズアレイ１２Ａのレンズセル１１と出射面の第２レンズアレイ１２Ｂのレンズセル１１とが、上記の式４又は式５の条件を満たすことにより、第１レンズアレイ１２Ａのレンズセル１１から出射した拡散光は、確実に第２レンズアレイ１２Ｂのいずれか１つ以上のレンズセル１１に入射し、そのレンズセル１１で更に拡散されて出射することになる。従って、拡散板１は、光の拡散効率が高く、スペックルノイズをより好適に低減させることができる。

【0039】

＜レンズ配置の不規則（ランダム）化＞
図５を用いて、レンズセル１１を不規則（ランダム）配置させる方法の一例について説明する。
先ず、レンズセル１１の不規則（ランダム）配置の基準となる、規則性を有するレンズ配置に着目する。このような規則性を有するレンズ配置としては、レンズセル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の頂点位置が配置される六角配置等の多角形に配置される。図５では、レンズセルの頂点位置が六角配置される場合を、基準となるレンズ配置として黒丸で示している。その上で、規則的なレンズセルの頂点位置を初期値として、この初期値の位置から半径Δｒの範囲内で、レンズセルの頂点位置をランダムに変位させる。この配置方法によれば、基準となる位置からのレンズセルの頂点位置のズレ方向と、基準となる位置からのレンズセルの頂点位置のズレ量と、に対して、２つの不規則（ランダム）性が導入されることとなる。このとき、出射面である第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１のピッチ（Ｐ_２）について、上記の式４又は式５を満足させることにより、スペックルノイズをより好適に低減させることができる。

【0040】

＜レンズセル１１の形状＞
拡散板１において、第１レンズアレイ１２Ａを構成するレンズセル１１の形状は、円形又は楕円形であってよく、また、第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１の形状も、円形又は楕円形であってよい。即ち、拡散板１の各面に配置されるレンズセル１１の形状は、一般的な円形状に限定されず、楕円形状であってもよい。なお、レンズセル１１の形状が円形又は楕円形であるとは、レンズセル１１の光軸を透過した光の強度分布が円形又は楕円形となることを意味する。

【0041】

レンズセル１１が楕円形である場合は、拡散板１の同一面に配置される全てのレンズセル１１の長軸方向と短軸方向がそれぞれ揃うように各レンズセル１１が配向される。また、拡散板１の第１レンズアレイ１２Ａを構成するレンズセル１１の形状と第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１の形状がいずれも楕円形である場合は、第１レンズアレイ１２Ａを構成するレンズセル１１の長軸方向及び短軸方向と、第２レンズアレイ１２Ｂを構成するレンズセル１１の長軸方向及び短軸方向とは、それぞれ９０°ずれるように配向される。これにより、レンズセル１１が楕円形の場合でも、拡散板１から出射される拡散光の拡散角の分布は、レンズセル１１が円形の場合と同等に、ＸＹ方向で均一となり、良好な拡散性が得られる。

【0042】

＜反射防止膜＞
拡散板１には、図２に示すように、その両面に透過率の増加や反射迷光の防止等の点で、ＡＲコート（Anti-Reflection Coating）と呼ばれる反射防止膜１３を形成することができる。反射防止膜１３としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、ＺｒＯ_２等の一般的な誘電体透明膜が使用可能である。特に入射光が高出力レーザ等による高い光密度となる場合では、例えばＴａ_２Ｏ_５やＳｉＯ_２等の耐光性の高い材料を用いることが好ましい。また、拡散板１に対する反射防止膜１３の成膜では、表面にレンズセル１１による凹凸があるため、膜厚がレンズセル１１の中心部と周縁部とで異なってしまう場合がある。また、レンズセル１１の中心部と周縁部では入射光の入射角は異なっているために、設計で想定する角度範囲を通常よりも広くとる等の工夫が必要となる。

【0043】

＜拡散板１の製造方法＞
次に、以上説明した本実施形態に示す拡散板１の製造方法の一例について、図６Ａ、図６Ｂを用いて簡単に説明する。
本実施形態に示す拡散板１は、主として、基板洗浄工程、レジスト塗布工程、露光工程、現像工程、エッチング工程を経て製造される。即ち、本実施形態に示す拡散板１は、透明基板上にレジストを形成した後、レジストを露光、現像することによってレンズセル１１となるパターンを形成し、そのパターンをエッチングによって基板上に転写することで製造される。

【0044】

先ず、図６Ａにおいて、基板洗浄工程では、基板材料となるガラス基板等の透明基板１０が、洗浄剤によって洗浄される。洗浄後の透明基板１０を乾燥させた後、レジスト塗布工程において、透明基板１０の一方の面にレジストが塗布される。レジスト塗布工程では、有機材料によって構成される例えばフォトレジスト等のレジスト１４が、透明基板１０の一方の面に塗布される。

【0045】

露光現像後のレジスト１４は、後述するエッチング工程においてエッチングガスによってドライエッチングされる。エッチングガスとして一般的にはＣＦ_４、ＳＦ_６、ＣＨＦ_３等のフッ素系エッチングガスが用いられるため、透明基板１０としては、上記のようなフッ素系エッチングガスと反応して不揮発性物質となるＡｌ_２Ｏ_３やアルカリ金属等のアルカリ成分を含有しない（または、アルカリ成分の含有量が２０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下である）石英ガラスやテンパックスガラス等を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を２７％含有し、アルカリ金属を全く含まないガラス基板（例えば、コーニング社の製品名：イーグルＸＧ等）を上記のようなフッ素系エッチングガスを用いてドライエッチングすると、表面にエッチングされないＡｌ_２Ｏ_３の微小突起が発生して、透過率が低下する場合がある。

【0046】

次いで、透明基板１０の一方の面に塗布されたレジスト１４に対して、グレースケールマスクを用いて所望パターンの露光を実施する。グレースケールマスクを用いた露光は、マスク部分の濃淡によって光の透過量を制御するものである。即ち、光の透過量の大きい部分はレジスト１４の深くまで露光され、光の透過量の小さい部分はレジスト１４の浅いところまでしか露光されない。グレースケールマスクを用いた露光では、このようにしてレジスト１４に対してランダムな３次元の露光を行う。レジスト１４において露光により感光したレジスト部分１５は、次の現像工程によって容易に除去される。

【0047】

現像工程では、透明基板１０上のレジスト１４において、露光工程で露光により感光した不要なレジスト部分１５を現像して除去する。これにより、透明基板１０の一方の面に、レンズセルに対応する凹部がランダム配置された所望のレンズセルパターン１６が形成される。

【0048】

次いで、エッチング工程では、現像が終了して一方の面にレンズセルパターン１６が形成された透明基板１０に対して、上記のようなフッ素系エッチングガスを用いてドライエッチングを実施する。これにより、レジスト４０によって形成されたレンズセルパターン１６が透明基板１０に転写され、一方の面に、複数のレンズセル１１がランダム配置された第１レンズアレイ１２Ａを有する透明基板１０が得られる。

【0049】

ここで、透明基板１０に転写されるレンズセルパターン１６の形状は、グレースケールマスク露光の条件だけではなく、ドライエッチングの条件も加味して決定される。ドライエッチングにおけるレジスト１４のエッチング速度と透明基板１０（例えばガラス等）のエッチング速度との比（＝透明基板のエッチング速度／レジストのエッチング速度）を、「エッチング選択比」とすると、エッチング工程における各エッチングガスの流量比率を調節することで、このエッチング選択比を変化させることが可能である。これにより、転写するレンズ形状（例えば、レンズセル１１の曲率半径）の微調整を行うことが可能である。

【0050】

具体的には、エッチングガスとしてＣＦ_４、Ａｒ、Ｏ_２を用いる場合、流量比（＝「ＣＦ_４ガスの流量／Ａｒガスの流量」）を０．２５〜４の範囲で変化させると、上記のようなエッチング選択比は、１．０〜１．７まで変化する。更に、この状態でＯ_２ガスを３％〜１０％添加すると、上記のようなエッチング選択比を０．７〜１．０まで低減することができる。このように、エッチングガスの条件によって、上記のようなエッチング選択比を０．７〜１．７まで変化させることが可能である。このような現象は、グレースケール露光で得られたレンズセルパターン１６の曲率半径を、エッチングによって７０％〜１７０％の範囲で調整可能であることを意味している。

【0051】

次いで、透明基板１０の他方の面にもランダム配置された複数のレンズセル１１を形成する。本実施形態に示す拡散板１は、透明基板１０の両面にそれぞれレンズセル１１がランダム配置される両面拡散板であるため、上記の工程を経て得られた透明基板１０の他方の面にも、上記と同様の工程によってレンズセル１１をランダム配置させる。即ち、図６Ｂに示すように、透明基板１０の他方の面にも、図６Ａと全く同様にして基板洗浄工程、レジスト塗布工程、露光工程、現像工程、エッチング工程を実施する。これにより、透明基板１０の他方の面にも、複数のレンズセル１１がランダム配置された第２レンズアレイ１２Ｂが形成された本実施形態に示す拡散板１が得られる。

【0052】

その後、ＡＲコート工程が実施される。ＡＲコート工程では、第１レンズアレイ１２Ａ及び第２レンズアレイ１２Ｂが形成された拡散板１の両面に対して、上記のような誘電体を用いて蒸着又はスパッタリングにより反射防止膜１３を形成する。

【0053】

なお、以上の製造方法では、１枚の透明基板１０の両面にそれぞれレジスト塗布工程、露光工程、現像工程、エッチング工程を実施することによって、１枚の透明基板１０の両面にレンズセル１１がランダム配置された拡散板１を製造するようにしたが、これに限定されない。例えば、図６Ａに示す製造工程によって得られた片面のみにレンズセル１１を有する透明基板１０を２枚用意し、レンズセル１１が形成された面を外側に向けて２枚の透明基板１０、１０同士を接合一体化することにより、一体化されて１枚となった透明基板１０の両面にレンズセル１１がランダム配置された拡散板１を製造するようにしてもよい。

【0054】

また、以上の説明では、第１レンズアレイ１２Ａと第２レンズアレイ１２Ｂの両方のレンズセル１１がランダム配置される拡散板１を例示したが、これに限定されない。拡散板１は、第１レンズアレイ１２Ａと第２レンズアレイ１２Ｂのうちの少なくとも一方のレンズセル１１がランダム配置されるものであればよい。

【0055】

＜光学機器＞
本発明に係る拡散板１は、光源からの光を拡散させる必要がある光学機器に実装される。このように光源からの光を拡散させる必要がある光学機器としては、例えば、プロジェクタ等の投影装置、ヘッドアップディスプレイ等の表示装置、各種照明装置等を挙げることができる。特に、本発明に係る拡散板１は、色ムラの発生が問題視される用途の光学機器に好適に使用することができる。

【0056】

図７は、拡散板１が実装された光学機器の一実施形態を模式的に示す図である。
この光学機器は、光源３、４として複数の青色ＬＤ（レーザダイオード）３１、４１を用いて、拡散された白色光を出射するように構成されるプロジェクタ２を例示しており、図７では、そのプロジェクタ２の光照射部の構成を模式的に示している。

【0057】

プロジェクタ２において、一方の光源３の各青色ＬＤ３１から出射された青色光Ｌ１は、出射面のみに拡散角５°の拡散特性を有する複数のレンズセルが配置された１枚の拡散板２１を透過して拡散し、第１ダイクロイックミラー２３に入射する。第１ダイクロイックミラー２３は、青色光を反射させて黄色光を透過させる特性を有する。このため、第１ダイクロイックミラー２３に入射した青色光Ｌ１は、第１ダイクロイックミラー２３で反射され、蛍光体ホイール２２に入射する。

【0058】

蛍光体ホイール２２は、入射面に蛍光体層を有し、その蛍光体層に青色光Ｌ１が照射されることで励起され、黄色の蛍光からなる黄色光Ｌ２を発する。蛍光体ホイール２２から発せられた黄色光Ｌ２は、第１ダイクロイックミラー２３を透過し、第２ダイクロイックミラー２４に入射する。第２ダイクロイックミラー２４は、青色光を透過させて黄色光を反射させる特性を有する。このため、第２ダイクロイックミラー２４に入射した黄色光Ｌ２は、第２ダイクロイックミラー２４で反射される。

【0059】

また、他方の光源４の各青色ＬＤ４１から出射された青色光Ｌ３は、本実施形態に係る１枚の拡散板１を透過して拡散される。図７に示す拡散板１において、入射面（第１レンズアレイ１２Ａ）のレンズセル１１は５°の拡散角を有し、出射面（第２レンズアレイ１２Ｂ）のレンズセル１１は１０°の拡散角を有している。拡散板１を透過して拡散された青色光Ｌ３は、第２ダイクロイックミラー２４を透過し、この第２ダイクロイックミラー２４で反射された蛍光体ホイール２２からの黄色光Ｌ２と混ざり合う。これにより、プロジェクタ２は白色に視覚される光を照射する。

【0060】

このような光照射部の構成を有するプロジェクタ２によれば、光源４の各青色ＬＤ４１から出射した青色光Ｌ３が、本発明に係る拡散板１を透過することによって拡散されるので、スペックルノイズは低減される。このため、スペックルノイズに起因する色ムラの発生は抑制される。しかも、拡散板１は１枚の透明基板１０の両面にレンズセル１１が配置されているため、図８に示す従来の光学機器１００のように、それぞれ片面のみにレンズセルが配置された２枚の独立した拡散板１０１、１０２を離間させて設ける場合に比較して、高い透過率を有することができる。このため、このプロジェクタ２は、従来に比較して明るい光を照射可能となる。

【0061】

なお、図８に示す従来の光学機器１００において、図７に示す本発明に係るプロジェクタ２と同一符号の部位は、同一構成の部位を示している。図８に示す拡散板１０１は、出射面のみに拡散角５°の拡散特性を有する複数のレンズセルが配置されたものであり、拡散板１０２は、出射面のみに拡散角１０°の拡散特性を有する複数のレンズセルが配置されたものである。図７に示すプロジェクタ２は、これら２枚の拡散板１０１、１０２と同等の機能を１枚の拡散板１によって果たすことが可能であるため、プロジェクタ２は、光照射部の構成を簡素にすることができ、小型化、低コスト化を実現可能である。

【実施例】

【0062】

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
（実施例１）
ガラス基板からなる透明基板の両面に、それぞれ有機材料からなるレジストをグレースケールマスク露光及び現像することによって、所望のレンズセルの配列パターンに対応するレンズセルパターンを形成し、そのレンズセルパターンをドライエッチングすることによって透明基板へ転写し、入射面と出射面の両面にそれぞれ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する両面拡散板を作製した。

【0063】

入射面と出射面の距離、即ち透明基板の厚みｔは１４ｍｍであり、屈折率ｎは１．４８(波長λ：４５５ｎｍ)である。入射面と出射面のレンズセルの平均ピッチＰ_１、Ｐ_２はいずれも８２μｍであり、入射面のレンズセルの平均曲率半径Ｒ_１は１２５３μｍである。また、入射面のレンズセルの焦点距離ｆ_１は−１３０５．２μｍである。この両面拡散板の入射面と出射面の拡散角を、浜松ホトニクス社製の拡散角測定機：半導体レーザプロファイラＦＦＰ測定システムで測定したところ、いずれも１．８°であった。なお、入射光はレーザダイオード（波長：４５０ｎｍ）を使用した。入射光の半径はφ１〜１．５ｍｍであり、透明基板と測定機との距離は２．８ｍｍである。

【0064】

この両面拡散板において、入射面のレンズセルを透過した光が、出射面の少なくとも１つ以上のレンズセルに入射するためには、上記式から、出射面のレンズセルの平均ピッチＰ_２は８５μｍ以下である必要がある。得られた両面拡散板の出射面のレンズセルの平均ピッチＰ_２は８２μｍであるから、入射面から出た光は出射面の少なくとも１つ以上のレンズセルに入射して拡散されるものである。
この両面拡散板の拡散角強度分布を図９Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図９Ｂに示す。

【0065】

（比較例１）
実施例１と同様のガラス基板からなる透明基板の一方の面のみに、実施例１と同様にして、凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する片面拡散板を作製した。この片面拡散板の拡散角を実施例１と同様に測定したところ、１．８°であった。
この片面拡散板の拡散角強度分布を図１０Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図１０Ｂに示す。

【0066】

＜実施例１と比較例１の比較＞
図９に示す実施例１と図１０に示す比較例１とを比較すると、比較例１では、実施例１に比べて明らかに輝点が多く、スペックルノイズが多く発生していることがわかる。従って、入射面のレンズセルから出射した光が出射面のレンズセルに入射するように構成される両面拡散板は、片面拡散板に比べて、スペックルノイズの低減効果に優れていることがわかる。

【0067】

（実施例２）
実施例１と同様のガラス基板からなる透明基板の両面に、実施例１と同様にして、それぞれ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する３種類の両面拡散板を作製した。この３種類の両面拡散板の拡散角を実施例１と同様に測定したところ、入射面がそれぞれ２°、５°、１０°であり、出射面がいずれも１０°であった。

【0068】

両面拡散板の仕様（透明基板の厚みｔ、屈折率ｎ、レンズセルの平均ピッチＰ_１、Ｐ_２入射面のレンズセルの平均曲率半径Ｒ_１、入射面のレンズセルの焦点距離ｆ_１）は実施例１と同一である。入射面と出射面のレンズセルの平均ピッチＰ_１、Ｐ_２が８２μｍである場合、上記式から、入射面の拡散角が１．６８°以上であれば、出射面のレンズセルの平均ピッチＰ_２は８２μｍ以上となり、入射面から出た光は、出射面の少なくとも１つ以上のレンズセルに入射して拡散されるものである。
入射面の拡散角が２°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図１１Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図１１Ｂに示す。また、入射面の拡散角が５°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図１２Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図１２Ｂに示す。更に、入射面の拡散角が１０°の両面拡散板の拡散角度強度分布を図１３Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図１３Ｂに示す。

【0069】

（比較例２）
実施例２と同様のガラス基板からなる透明基板の一方の面のみに、実施例２と同様にして、凹レンズからなるレンズセルがランダム配置されたレンズアレイを有する片面拡散板を作製した。この片面拡散板の拡散角を実施例２と同様に測定したところ、入射面は無であり、出射面が１０°であった。
この片面拡散板の拡散角度強度分布を図１４Ａに示し、そのＸ軸方向の拡散特性を図１４Ｂに示す。

【0070】

＜実施例２と比較例２の比較＞
図１１〜図１３に示す実施例２と図１４に示す比較例２とを比較すると、比較例２の拡散特性の方が、強度が上下に大きく振れる輝点が複数生じており、スペックルノイズが多く発生していることがわかる。従って、入射面のレンズセルから出射した光が出射面のレンズセルに入射するように構成される両面拡散板は、片面拡散板に比べて、スペックルノイズの低減効果に優れていることがわかる。また、図１１〜図１３から、入射面の拡散角が出射面の拡散角に近づくほど、拡散特性はＴＯＰＨＡＴ型からガウシアン型になることがわかる。

【0071】

（実施例３）
楕円形のレンズセルを有する拡散板の拡散特性についてシミュレーション（ZEMAX社の製品名：OpticStudioを使用）した。
Ｘ軸方向の拡散角６°、Ｙ軸方向の拡散角２．８°を持つ凹レンズからなるレンズセルが入射面にランダム配置され、出射面には、入射面のレンズセルの長軸方向及び短軸方向に対して９０°ずらすことにより、Ｘ軸方向の拡散角２．８°、Ｙ軸方向の拡散角６°を持つ凹レンズからなるレンズセルがランダム配置された両面拡散板の拡散特性を図１５Ａ、図１５Ｂに示す。図１５Ａは、その両面拡散板の拡散角強度分布を示し、図１５Ｂは、その両面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示している。
このように、同じ楕円形の拡散特性を有する各レンズセルの長軸方向及び短軸方向を９０°ずらして両面に配向させることにより、拡散角は、片面拡散板と両面拡散板とでほぼ同じ値（約１０°）を採り、その拡散特性はガウシアン型の円形となる。即ち、光の拡散角の分布はＸＹ方向で均一となり、良好な拡散性が得られることがわかる。

【0072】

（比較例３）
Ｘ軸方向の拡散角６°、Ｙ軸方向の拡散角２．８°を持つ凹レンズからなるレンズセルが入射面にランダム配置された片面拡散板の拡散特性を図１６Ａ、図１６Ｂに示す。図１６Ａは、その片面拡散板の拡散角強度分布を示し、図１６Ｂは、その片面拡散板のＸ軸方向の拡散特性を示している。
このように、片面拡散板では、レンズセルが楕円形状である場合、そのレンズセルにより構成されるレンズアレイを出射した光の拡散角の分布も楕円形状となり、光の拡散角の分布はＸＹ方向で不均一となった。

【符号の説明】

【0073】

１ 拡散板
１０ 透明基板
１１ マイクロレンズセル
１２Ａ 第１マイクロレンズアレイ
１２Ｂ 第２マイクロレンズアレイ
２ 光学機器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【手続補正書】

【提出日】2018年6月15日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明基板の両面に複数のマイクロレンズセルが配列された拡散板であって、
前記透明基板の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルが隙間なく互いに隣接するように配置された第１マイクロレンズアレイと、
前記一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルが隙間なく互いに隣接するように配置された第２マイクロレンズアレイと、を有し、
前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルから出射した光が、前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルに入射するように構成されると共に、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルの平均ピッチをＰ_１、その平均曲率半径をＲ_１、前記第２マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルの平均ピッチをＰ_２、前記透明基板の厚みをｔ、前記透明基板の屈折率をｎ、としたとき、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルが凸形状である場合、下記（式Ａ）を満たし、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルが凹形状である場合、下記（式Ｂ）を満たす、拡散板。

【数6】

【請求項2】

前記第１マイクロレンズアレイ及び前記第２マイクロレンズアレイのうち少なくとも一方は、ランダムなマイクロレンズアレイである請求項１に記載の拡散板。

【請求項3】

前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、
前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形である請求項１又は２に記載の拡散板。

【請求項4】

前記拡散板は、無機材料のみで構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の拡散板。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の拡散板を備える光学機器。

【手続補正書】

【提出日】2018年8月24日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明基板の両面に複数のマイクロレンズセルが配列された拡散板であって、
前記透明基板の一方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルが隙間なく互いに隣接するように配置された第１マイクロレンズアレイと、
前記一方の面とは反対側の他方の面に形成され、凹形状又は凸形状の複数のマイクロレンズセルが隙間なく互いに隣接するように配置された第２マイクロレンズアレイと、を有し、
前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、
前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルの形状は、円形又は楕円形であり、
前記第１マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルから出射した光が、前記第２マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズセルに入射するように構成されると共に、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルの平均ピッチをＰ_１、その平均曲率半径をＲ_１、前記第２マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルの平均ピッチをＰ_２、前記透明基板の厚みをｔ、前記透明基板の屈折率をｎ、としたとき、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルが凸形状である場合、下記（式Ａ）を満たし、
前記第１マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズセルが凹形状である場合、下記（式Ｂ）を満たす、拡散板。

【数6】

【請求項2】

前記第１マイクロレンズアレイ及び前記第２マイクロレンズアレイのうち少なくとも一方は、ランダムなマイクロレンズアレイである請求項１に記載の拡散板。

【請求項3】

前記拡散板は、無機材料のみで構成される請求項１又は２に記載の拡散板。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の拡散板を備える光学機器。