特開 2023-173126 マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置

(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】P2023173126

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20231130BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20231130BHJP

   F21V 5/00 20180101ALI20231130BHJP

   G02B 5/02 20060101ALI20231130BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20231130BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

F21V5/04 200

F21V5/04 350

F21V5/00 320

G02B5/02 C

F21Y115:30

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022085148

(22)【出願日】2022-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000002901

【氏名又は名称】株式会社ダイセル

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安原 良

【テーマコード（参考）】

2H042

【Ｆターム（参考）】

2H042BA04

(57)【要約】

【課題】マイクロレンズアレイによって、受光素子上においてより均一で高効率な放射照度分布を得ることができる技術を提供する。
【解決手段】平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、前記レンズ要素の光軸を原点とした際の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向の座標をＹ、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向の座標をＸ、Ａを所定の係数とした場合に、前記レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは０を除く整数）の項を含む。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
前記レンズ要素の光軸を原点とした際の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向の座標をＹ、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向の座標をＸ、Ａを所定の係数とした場合に、前記レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは０を除く整数）の項を含む、マイクロレンズアレイ。

【請求項2】

レンズ面の曲率をＣ、レンズ面の円錐形数とＫとした場合に、前記レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、

【数1】

で表される、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項3】

前記ｍ及びｎは偶数である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項4】

前記レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘ２ｙ２Ｘ^２Ｙ^２の項を含む、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項5】

平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
前記レンズ要素の光軸を原点とした際の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向をＹ方向、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向をＸ方向、とした場合に、
原点から見てＸ方向とＹ方向の間の所定角度範囲の方向においては、前記光軸からの距離ｒに応じたＳＡＧがＸ方向のＳＡＧとＹ方向のＳＡＧの間の範囲を逸脱する、マイクロレンズアレイ。

【請求項6】

平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
αを、前記六角形の形状における、前記レンズ要素の列における前後のレンズ要素と接していない二辺の頂角とし、ｋを、複数の前記レンズ要素の、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向のピッチである第２ピッチを、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向のピッチである第１ピッチで除したアスペクト比とし、ａを、（α―９０）／ｋの値とした場合に、１５≦ａ≦３５を満たす、マイクロレンズアレイ。

【請求項7】

複数の前記レンズ要素の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向に対するピッチである第１ピッチより、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向のピッチである第２ピッチの方が大きい、請求項１、５または６に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項8】

前記六角形の形状において、前記レンズ要素の列における前後のレンズ要素と接していない二辺の頂角が１２５度以下である、請求項１、５または６に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項9】

前記マイクロレンズアレイを透過した光の強度パターンが、略矩形または、各辺が内側に湾曲した略四辺形の形状となる、請求項１、５または６に記載のマイクロレンズアレイ。

【請求項10】

請求項１、５または６に記載のマイクロレンズアレイを用いた、拡散板。

【請求項11】

請求項１、５または６に記載のマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイに光を入射する光源と、
を備えた照明装置。

【請求項12】

前記マイクロレンズアレイにおける前記レンズ要素が前記光源側の面に配列された、請求項１１に記載の照明装置。

【請求項13】

前記光源の指向性が±２０°以下である、請求項１１に記載の照明装置。

【請求項14】

前記光源は、近赤外線光を発光するレーザー光源である請求項１１に記載の照明装置。

【請求項15】

距離測定装置に用いられる、請求項１１に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロレンズアレイ、拡散板及び照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、例えば照明もしくは計測、顔認証、空間認証等のための装置に用いられ、複数のレンズ要素を配置したマイクロレンズアレイが公知である（例えば、特許文献１等参照。）。このマイクロレンズアレイは、光源からの光を光学的に均一化する目的で用いられる場合があるが、レンズ要素のピッチが狭すぎると各レンズ要素の透過光の干渉に起因する干渉縞が顕在化し、光源光の均一化の妨げになる場合があった。一方、レンズ要素のピッチが広すぎると光源からの照射光がマイクロレンズアレイに偏って入射することによってモアレ縞が発生し、照射分布が不均一になる場合があった。その結果、マイクロレンズアレイを用いてスクリーン等に光源光を照射した場合に、照射パターンにおける照度分布が不均一になる場合があった。図１６（ａ）には干渉縞やモアレ縞が無い場合の照射パターンにおける照度分布、図１６（ｂ）には干渉縞が発生した場合の照射パターンにおける照度分布、図１６（ｃ）にはモアレ縞が発生した場合の照射パターンにおける照度分布の例を示す。

【0003】

上述した干渉縞による照射パターンにおける照度分布の不均一化を抑制するために、各レンズ要素の位置や形状等をランダムに分布させる対策が考えられた（例えば、特許文献２、特許文献３等参照）。しかしながら、過剰にランダム化を進めてしまうと、所望の配光特性が得られず、特に照射プロファイルのエッジをシャープにするのが困難になる場合があった。また、各レンズ要素の配列が複雑化してしまうために、作製時間や費用がかかるなどの不都合が生じる場合があった。

【0004】

また、各レンズ要素の配列を規則的にしつつ、干渉縞による照射パターンにおける照度分布の不均一化を抑制する方策として、六角形状のレンズ要素をハニカム状に配列する対策が考えられる。六角形状のレンズ要素をハニカム状に配列する技術自体は公知である（例えば、特許文献４）。

【0005】

しかしながら、六角形状のレンズ要素をハニカム状に配列した場合には、マイクロレンズアレイによる照射光の照射パターンの外形も六角形状となってしまい、通常の受光素子で受光した場合に、効率の低下や周辺部減光を助長する場合があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２００５／１０３７９５号

【特許文献2】国際公開第２００４／０２７４９５号

【特許文献3】国際公開第２０１６／５２３５１３号

【特許文献4】特開２０１４－１３９６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示の技術は上記の事情に鑑みて発明されたもので、その目的は、マイクロレンズアレイによって、より均一で高効率な照度分布を得ることができる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決するために、本開示に係るマイクロレンズアレイは、平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
前記レンズ要素の光軸を原点とした際の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向の座標をＹ、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向の座標をＸ、Ａを所定の係数とした場合に、前記レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは０を除く整数）の項を含む、マイクロレンズアレイである。

【0009】

このように、上記のレンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは０を除く整数）の項を含むようにし、係数Ａ_ｘｍｙｎを適切に決めることで、レンズ要素における（Ｘ、Ｙ）座標毎にＳＡＧを制御することができる。そうすると、各レンズ形状における、レンズ要素の列におけるレンズ要素の並び方向に対して角度を有する斜め方向の非球面形状を制御することが可能である。これにより、マイクロレンズアレイを通過した照射光の照射パターンの外形を制御することができる。その結果、照射パターンの外形を、受光素子の受光面形状に合わせて調整することが可能となり、光学系の効率を高めることができ、あるいは、受光面における周辺部減光を抑制することが可能である。なお、本開示における照射パターンの外形は、換言すると照射パターンにおける照度分布とも言える。

【0010】

また、本開示においては、前記レンズ要素の光軸を原点とした場合の、該レンズ要素における、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向の座標をＹ、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向の座標をＸ、レンズ面の曲率をＣ、レンズ面の円錐形数とＫとした場合に、前記レンズ要素のＳＡＧを示す式が、

【数1】

で表されてもよい。

【0011】

これによれは、係数Ａxmymを適切に決めることで、各レンズ要素の列におけるレンズ要素の並び方向や、各レンズ要素の列の配列方向のＳＡＧを独立して定めることができ、光軸に対する非回転体形状としてのレンズ形状を、より容易に定義することができる。

【0012】

上記において、ｍ及びｎは偶数としてもよい。これによれば、各レンズ要素において光軸を中心とした点対称のレンズ形状を構成し易くなる。また、レンズ要素のＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘ２ｙ２Ｘ^２Ｙ^２の項を含むこととしてもよい。これによれば、係数Ａ_ｘｍｙｎを変化させることで、光軸の付近のレンズ形状をより大きく変化させることが可能となり、より効率よくレンズ形状を制御することが可能となる。

【0013】

また、本開示は、平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
前記レンズ要素の光軸を原点とした際の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の
並び方向をＹ方向、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向をＸ方向、とした場合に、
原点から見てＸ方向とＹ方向の間の所定角度範囲の方向においては、前記光軸からの距離ｒに応じたＳＡＧがＸ方向のＳＡＧとＹ方向のＳＡＧの間の範囲を逸脱する、マイクロレンズアレイであってもよい。

【0014】

これによれば、各レンズ形状における、原点から見てＸ方向とＹ方向の間の所定角度範囲の方向においては、レンズ面におけるＳＡＧを、Ｘ方向及びＹ方向のＳＡＧに比較して大きく、あるいは小さくなるように設定することができる。このことで、各レンズ要素のレンズ形状について、Ｘ方向及びＹ方向に対して斜め方向の非球面形状を適切に制御することが可能である。

【0015】

また、本開示に係るマイクロレンズアレイは、平面部材の少なくとも片面に複数のレンズ要素が配置されたマイクロレンズアレイであって、
平面視で六角形の形状を有する前記レンズ要素が、該六角形における所定方向の辺同士が接するように直線状に並べられた該レンズ要素の列が、互い違いに配列されたハニカム構造を有し、
αを、前記六角形の形状における、前記レンズ要素の列における前後のレンズ要素と接していない二辺の頂角とし、ｋを、複数の前記レンズ要素の、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向のピッチである第２ピッチを、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向のピッチである第１ピッチで除したアスペクト比とし、ａを、（α―９０）／ｋの値とした場合に、１５≦ａ≦３５を満たす、マイクロレンズアレイであってもよい。

【0016】

ここで、上記のａの数値を変化させることで、ハニカム構造を有するマイクロレンズアレイにおける照射パターンを変化させることが可能であることが分かっている。パラメータａの値が比較的大きければ、照射パターンがより六角形に近い外形を有するようになり、パラメータａの値がより小さくなれば、照射パターンが、矩形状の形状から、各辺が内側に湾曲した四辺形に変化することが実験的またはシミュレーションによって分かっている。照射パターンの外形が六角形に近ければ照射パターンが受光素子の受光面からはみ出し、あるいは、周辺部減光を助長する。

【0017】

一方、照射パターンが、矩形または、各辺が内側に湾曲した四辺形であれば、照射パターンが受光素子の受光面に収まりはみ出す光量を減らすことができ、受光素子の四隅に照射する光量を相対的に増加させることができる。これによれば、一つのパラメータの値が目標とする範囲に入るようにレンズ形状を制御することで、ハニカム構造を有するマイクロレンズアレイの照射パターンの形状を制御することができ、受光素子の受光面における受光効率や、受光面における周辺部減光を制御することが可能となる。なお、より詳細には、照射パターンを矩形に近づけた場合には、受光素子の受光面における受光効率を向上させ、且つ、受光面における周辺部減光を抑制することが可能となる。また、照射パターンを、各辺が内側に湾曲した四辺形に近づけた場合には、特に受光面における周辺部減光を顕著に抑制することが可能となる。

【0018】

また、本開示においては、複数の前記レンズ要素の、前記レンズ要素の列における該レンズ要素の並び方向に対するピッチである第１ピッチより、前記レンズ要素の列が互い違いに配列される配列方向のピッチである第２ピッチの方が大きくなるようにしてもよい。これによれば、レンズ要素の形状をより横長とすることができ、アスペクト比ｋを大きくすることができる。その結果、相対的にパラメータａの値を小さくすることができ、マイクロレンズアレイの照射パターンの形状を矩形または、各辺が内側に湾曲した四辺形とし易くなり、受光素子の受光面における受光効率や、受光面における周辺部減光を制御する
ことが容易となる。

【0019】

また、本開示においては、前記六角形の形状において、前記レンズ要素の列における前後のレンズ要素と接していない二辺の頂角が１２５度以下としてもよい。これによれば、相対的に頂角αの値を小さくすることができる。その結果、相対的にパラメータａの値を小さくすることができ、マイクロレンズアレイの照射パターンの形状を矩形から、各辺が内側に湾曲した四辺形とし、受光素子の受光面における受光効率や、受光面における周辺部減光を制御することが可能となる。

【0020】

また、本開示においては、前記マイクロレンズアレイを透過した光の強度パターンが、略矩形または、各辺が内側に湾曲した略四辺形の形状となるようにしてもよい。これによれば、上述の理由により、受光素子の受光面における受光効率や、受光面における周辺部減光を制御することが可能となる。

【0021】

また、本開示は、上記のマイクロレンズアレイを用いた、拡散板であってもよい。

【0022】

また、本開示は、上記のマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイに光を入射する光源と、を備えた照明装置であってもよい。また、その際、前記マイクロレンズアレイにおける前記レンズ要素が前記光源側の面に配列されるようにしてもよい。また、前記光源の指向性が±２０°以下としてもよい。また、前記光源は、近赤外線光を発光するレーザー光源としてもよい。

【0023】

また、上記の照明装置は、距離測定装置に用いられてもよい。さらに、Ｔｉｍｅ Ｏｆ
Ｆｌｉｇｈｔ方式の距離測定装置に用いられてもよい。

【0024】

なお、本発明においては、可能な限り、上記の課題を解決するための手段を組み合わせて使用することができる。

【発明の効果】

【0025】

本開示によれば、マイクロレンズアレイによって、より均一で高効率な照度分布を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ方式の距離測定装置の概略構成を示す図である。

【図2】図２は、光源から発光された光にマイクロレンズアレイを通過させ、スクリーン上に照射する系の概略図と、照射パターンを示す図である。

【図3】図３は、マイクロレンズアレイのレンズ要素の形状と、得られる照射パターンとの関係を示す図である。

【図4】図４は、マイクロレンズアレイのレンズ要素におけるＸ方向の曲率と、Ｙ方向の曲率と、Ｘ方向とＹ方向の間のθ方向における曲率とを比較した図である。

【図5】図５は、マイクロレンズアレイにおけるハニカム構造の概略を示す図である。

【図6】図６は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のアスペクト比と、レンズ要素の頂角αと、パラメータａの関係を示すグラフである。

【図7】図７は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のパラメータａ、アスペクト比ｋと、照射パターンの外形との関係を示す図である。

【図8】図８は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のパラメータａ、アスペクト比ｋと、照射パターンの外形との関係を示す第２の図である。

【図9】図９は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のパラメータａ、アスペクト比ｋと、照射パターンの外形との関係を示す第３の図である。

【図10】図１０は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のパラメータａ、アスペクト比ｋと、照射パターンの外形との関係を示す第４の図である。

【図11】図１１は、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素のアスペクト比ｋと、照射パターンの外形との関係を示す第５の図である。

【図12】図１２は、パラメータａ、アスペクト比ｋと、効率との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、パラメータａ、アスペクト比ｋと、照射パターンにおける周辺部／中心強度比との関係を示すグラフである。

【図14】図１４は、可撓性シートの表面にマイクロレンズアレイを形成した拡散板の斜視図である。

【図15】図１５は、照明装置の概略構成を示す図である。

【図16】図１６は、マイクロレンズアレイを通過した光についてスクリーン上で干渉縞、モアレ縞が発生しない場合と、発生した場合の放射照度分布の例である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下に、図面を参照して本開示の実施形態に係るマイクロレンズアレイについて説明する。なお、実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は、一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲内で、適宜、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本開示は、実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

【0028】

＜実施形態１＞
図１には、実施形態におけるマイクロレンズアレイの使用用途の一例としての、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の距離測定装置１００の概略図を示す。ＴＯＦ方式の距離測定装置１００は、照射光の飛行時間を測定することで、測定対象Ｏの表面の各部までの距離を測定する装置であり、光源制御部１０１、照射光源１０２、照射光学系１０３、測定対象Ｏからの反射光を集光する受光光学系１０４、受光素子１０５、信号処理回路１０６を有する。

【0029】

光源制御部１０１からのドライブ信号に基づいて照射光源１０２がパルス状の光を発光すると、そのパルス状の光が照射光学系１０３を通過して測定対象Ｏに照射される。そして、測定対象Ｏの表面で反射した反射光は受光光学系１０４を通過して受光素子１０５で受光され、信号処理回路１０６で適切な電気信号に変換される。そして、演算部（不図示）において、照射光源１０２が照射光を発光してから受光素子１０５で反射光が受光されるまでの時間、つまり光の飛行時間を測定することにより、測定対象Ｏにおける各場所までの距離を測定する。

【0030】

このＴＯＦ方式の距離測定装置１００における照射光学系１０３、または受光光学系１０４として、マイクロレンズアレイが使用される場合がある。マイクロレンズアレイとは、直径が１０μｍ～数ｍｍ程度の微小なレンズ要素の群からなるレンズアレイである。一般的に、マイクロレンズアレイは、レンズアレイを構成する各々のレンズ要素の形状（球面、非球面、シリンドリカル、六方等）、レンズ要素の大きさ、レンズ要素の配置、レンズ要素間のピッチ等の特性によって、その機能や精度が変化する。

【0031】

そして、マイクロレンズアレイが、上述のＴＯＦ方式の距離測定装置１００に使用されるような場合には、測定対象Ｏに均一な強度分布の光を照射することが求められる。すなわち、マイクロレンズアレイを通過後の光の使用可能な広がり角である画角θ_ＦＯＩ（ＦＯＩ：Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）は、測定対象Ｏの大きさや測定距離に応じて決定されるが、この画角θ_ＦＯＩの範囲においては、マイクロレンズアレイを
通過後の光の放射照度分布の均一性が求められる場合がある。このように、マイクロレンズアレイは、使用目的に応じた特性が求められる。

【0032】

次に、図２に示すような、光源２から発光された光にマイクロレンズアレイ１を通過させ、スクリーン３上に照射する系について考える。ここで、光源２は、例えば、ＶＣＳＥＬレーザー光源（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ
ＬＡＳＥＲ：垂直共振器面発光レーザー）であり、光源２の指向性としては、±５度、±１０度、±２０度程度のものを選択することが可能であるが特に制限はない。そして、マイクロレンズアレイ１は、平面部材である基材の片側または両側の表面に、レンズ要素１ａを２次元的に配列させたアレイが構成されたものであり、このマイクロレンズアレイ１を通過した光は、光軸に対して拡散する拡散光となり、測定対象Ｏに模したスクリーン３上に照射される。そして、スクリーン３上には、マイクロレンズアレイ１の特性に応じた照射パターンが形成される。

【0033】

ここで、図３（ａ）に示すように、例えば、長方形の外形を有するレンズ要素を単純に縦横に整列させたマイクロレンズアレイにおいては、スクリーン３上で略矩形の外形を有する照射パターンが得られる。一方、レンズ要素１ａのピッチ等の条件によっては照射パターンにおいて、図１６に例示したような干渉縞が生じてしまう場合がある。この干渉縞の発生を抑制するためには、マイクロレンズアレイにおけるレンズ要素１ａの配置の画一性を低下させることが望ましく、図３（ｂ）に示すように、レンズ要素１ａの外形を六角形とし、この六角形のレンズ要素が直線状に並んだ列を互い違いに配置したハニカム構造を採用する場合があった。しかしながら、この場合には、干渉縞の発生は抑制できるものの、図３（ｂ）の下段に示すように、マイクロレンズアレイの照射パターンも六角形となる場合があった。そうすると、受光素子の受光面は長方形であることが多いため、照射パターンの外形と受光素子の受光面の形状との整合性が低下することで、受光効率が低下したり、受光面における周辺部減光を助長したりする場合があった。

【0034】

それに対し、本実施形態においては、六角形の各レンズ要素におけるレンズ面の非球面形状を制御することにより、照射パターンを図３（ｃ）に示すような矩形状に制御可能とすることとした。これにより、干渉縞の発生を抑制できるとともに、照射パターンの外形と受光素子の受光面の形状との整合性を向上させ、受光効率を高め周辺部減光を抑制することが可能となる。ここで、受光効率とは、例えば、マイクロレンズアレイによる照射パターンの全体の強度に対する、受光素子の受光面上に照射される強度の比であってもよい。

【0035】

より具体的には、レンズ要素のレンズ面におけるＳＡＧを示す式として、図３（ｃ）の中段に示すような非球面式（１）を採用する。

【数2】

ここで、Ｙは、レンズ要素１ａの光軸を原点とした場合の、図３（ｃ）における上下方向の座標、Ｘは、図３（ｃ）における左右方向の座標、Ｃは、レンズ面の曲率、Ｋ（大文字）は、レンズ面の円錐形数である。図３（ｃ）においては、係数Ａ_ｘｍｙｎを適切に決定することで、Ｘ方向及びＹ方向に対して斜め方向のＳＡＧを制御し、これにより、照射パターンを六角形から矩形に近づける。

【0036】

ここで、レンズ要素１ａのレンズ面におけるＳＡＧを示す数式は上記の（１）には限られない。例えば、ＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは0を除く整数）の
項を含むこととしてもよい。このように、レンズ要素１ａのＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎ（ｍ、ｎは０を除く整数）の項を含むようにし、係数Ａ_ｘｍｙｎを適切に決めることで、レンズ要素１ａにおける、（Ｘ、Ｙ）座標毎にＳＡＧを制御することができる。そうすると、各レンズ形状における、レンズ要素の列におけるレンズ要素の並び方向に対して角度を有する斜め方向の非球面形状を制御することができる。そのことで、照射パターンを図３（ｃ）に示すような矩形状に制御することができる。

【0037】

なお、Ａ_ｘｍｙｎＸ^ｍＹ^ｎの項において、ｍ及びｎは偶数としてもよい。これによれば、各レンズ要素において光軸を中心とした点対称のレンズ形状を構成し易くなる。また、レンズ要素１ａのＳＡＧを示す数式が、Ａ_ｘ２ｙ２Ｘ^２Ｙ^２の項を含むようにしてもよい。これによれば、係数Ａ_ｘ２ｙ２を変化させることで、光軸の付近のレンズ形状をより大きく変化させることが可能となる。このことで、より効率よくレンズ形状を制御することが可能となり、より効率よく、照射パターンの形状を制御することが可能となる。

【0038】

なお、上記のように、レンズ要素１ａのレンズ形状において、Ｘ方向とＹ方向に対して斜め方向のＳＡＧを制御した結果として、図４（ａ）に示すとおり、レンズ要素１ａの原点から見てＸ方向とＹ方向の間の所定角度範囲の方向、例えば、図中ハッチングが施された角度範囲におけるθ方向において、図４（ｂ）に示すように、レンズ面におけるＳＡＧが、光軸からの距離ｒが同じＸ方向のＳＡＧとＹ方向のＳＡＧの間の範囲を逸脱するようにしてもよい。すなわち、従来の非球面形状を有するレンズ要素１ａにおいては、仮に、レンズ要素１ａの原点から見て、光軸からの距離ｒが同じＸ方向とＹ方向のＳＡＧが異なる場合は、Ｘ方向とＹ方向の間の斜め方向については、レンズ面におけるＳＡＧが光軸からの距離ｒが同じＸ方向のＳＡＧとＹ方向のＳＡＧの間の値を有することが多い。これは、レンズ要素１ａの周方向について、例えばＸ方向からＹ方向に向けてＳＡＧが緩やかに変化するようなレンズ形状となっている場合が多いからである。

【0039】

それに対して、本開示では、レンズ要素１ａの原点から見てＸ方向とＹ方向の間の所定角度範囲の方向において、レンズ面におけるＳＡＧが光軸からの距離ｒが同じＸ方向のＳＡＧとＹ方向のＳＡＧの間の範囲を逸脱する。これにより、例えば図４（ａ）中のθ方向について、図４（ｂ）に示すように、レンズ面におけるＳＡＧを大幅に変化させることができ、照射パターンの形状をより大幅に変化させることが可能である。例えば、Ｘ方向とＹ方向の間のθ方向において、レンズ面におけるＳＡＧが光軸からの距離ｒが同じＸ方向のＳＡＧ及び、Ｙ方向のＳＡＧの両方よりも大きくなるようにしてもよい。あるいは、Ｘ方向とＹ方向の間のθ方向において、レンズ面におけるＳＡＧが光軸からの距離ｒが同じＸ方向のＳＡＧ及び、Ｙ方向のＳＡＧの両方よりも小さくなるようにしてもよい。

【0040】

ここで、受光素子の受光面が四角形であり、マイクロレンズアレイ１による照射パターンが六角形である場合について、より具体的に説明すると、照射パターンの全部が受光面に照射されるようにした場合には、受光面の四隅には光が照射されず、周辺部減光が助長される。一方、受光面の四隅に充分な光を照射した場合には、受光面の外部に照射される照射光の割合が増加し、効率が低下するのである。これに対し、照射パターンの外形を矩形に近づけることで、効率を向上させるとともに、周辺部減光も抑制することが可能となる。

【0041】

次に、ハニカム構造を有するマイクロレンズアレイの照射パターン形状を特徴づける、上記の非球面式（１）の他の指標について説明する。図５には、マイクロレンズアレイ５におけるハニカム構造の模式図を示す。図中の各六角形はレンズ要素５ａを示す。ハニカム構造は、レンズ要素５ａを示す六角形の対向する平行な辺同士が接するように並べられ
たレンズ要素５ａの列５ｂが互い違いに配置される形状を有する。このレンズ要素５ａの列５ｂにおける、レンズ要素５ａの並び方向は、図３（ｃ）における上下方向すなわち、Ｙ方向に相当する（以下、単純にＹ方向ともいう。）。また、このレンズ要素５ａの列５ｂが互い違いに配列される配列方向（図５における矢印５ｃの方向）は、図３（ｃ）における左右方向すなわち、Ｘ方向に相当する（以下、単純にＸ方向ともいう）。

【0042】

レンズ要素５ａの列５ｂにおいてレンズ要素５ａどうしが接しない二辺間の頂角をα（以下、単純にＸ方向の頂角αともいう。）、Ｙ方向に対するレンズ要素５ａのピッチをＰｙ、Ｘ方向のレンズ要素５ａのピッチをＰｘとした場合に、アスペクト比ｋ＝Ｐｙ／ＰｘとＸ方向の頂角αの間に、

α＝ａ・ｋ＋９０（ｄｅｇ）・・・・・（２）

なる関係が成り立つとする（ａは本実施形態において定義するパラメータ）。本実施形態では、このパラメータａを指標として、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性を評価する。図６には、パラメータａの値を変化させた場合の、アスペクト比ｋと、Ｘ方向の頂角αの関係のグラフを示す。この関係は式（２）に基づいて算出されたものである。なお、（２）式を変形させることで、パラメータａを以下の（３）式のように定義することも可能である。

ａ＝（α―９０）／ｋ・・・・・（３）

なお、図５において、Ｐｙは本開示における第１ピッチに相当し、Ｐｘは本開示における第２ピッチに相当する。

【0043】

図７には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性との関係を示す。図７（ａ）は、パラメータａ≒３５、アスペクト比ｋ＝１．０７の場合、図７（ｂ）は、パラメータａ≒３５、アスペクト比ｋ＝１．３０の場合、図７（ｃ）は、パラメータａ≒３５、アスペクト比ｋ＝１．６７の場合について示す。図７に示すとおり、パラメータａが同じ場合、アスペクト比ｋが増加すると、ハニカム構造におけるレンズ要素５ａが横長になっていくことが分かる。また、Ｘ方向の頂角αの値が大きくなることが分かる。そして、照射パターンの形状は、いずれの場合も六角形となっており、効率及び、周辺部減光の点で不利であることが分かる。なお、図７（ａ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１２７．５（ｄｅｇ）、図７（ｂ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１３５．５（ｄｅｇ）、図７（ｃ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１４８．５（ｄｅｇ）と、いずれの場合にも、Ｘ方向の頂角αが１２５（ｄｅｇ）より大きくなっている。

【0044】

次に、図８には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性との関係の第２の例を示す。図８（ａ）は、パラメータａ≒２０、アスペクト比ｋ＝１．０７の場合、図８（ｂ）は、パラメータａ≒２０、アスペクト比ｋ＝１．３０の場合、図８（ｃ）は、パラメータａ≒２０、アスペクト比ｋ＝１．６７の場合について示す。図８に示すとおり、照射パターンの形状は、ａ≒３０の場合と比較して、矩形に近いまたは、各辺が内側に湾曲した四辺形形状となっている。このことは、効率及び、周辺部減光の点でより有利であることを示している。なお、図８（ａ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１１１．４（ｄｅｇ）、図８（ｂ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１１６（ｄｅｇ）、図８（ｃ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１２３．４（ｄｅｇ）と、いずれの場合にも、Ｘ方向の頂角αが１２５（ｄｅｇ）より小さくなっている。図７におけるＸ方向の頂角αと、図８におけるＸ方向の頂角αを比較すると、Ｘ方向の頂角αと、照射パターンの特性との間にも相関があり、Ｘ方向の頂角αの値が１２５（ｄｅｇ）以下
であれば、効率及び、周辺部減光の点でより有利であるとも言える。

【0045】

図９には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性との関係の第３の例を示す。図９（ａ）は、パラメータａ≒３０、アスペクト比ｋ＝１．４９の場合、図９（ｂ）は、パラメータａ≒１０、アスペクト比ｋ＝１．４９の場合について示す。図９に示すとおり、アスペクト比ｋが同じ場合、照射パターンの形状は、ａ≒３０の場合と比較して、ａ≒１０の場合には、四辺形の各辺の内側への湾曲度合いが強くなっていることが分かる。なお、図９（ａ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１３４．７（ｄｅｇ）、図９（ｂ）におけるＸ方向の頂角αの値は、１０４．９（ｄｅｇ）であり、Ｘ方向の頂角αが１２５（ｄｅｇ）より小さい図９（ｂ）の場合には、照射パターンの外形の各辺の外側への湾曲が見られず、効率及び、周辺部減光の点でより有利であることが分かる。

【0046】

図１０には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性との関係の第４の例を示す。図１０（ａ）は、パラメータａ≒３０、アスペクト比ｋ＝１．４９の場合について示す。図１０（ｂ）は、パラメータａ≒３０、アスペクト比ｋ＝１．４９の場合であって、ピッチＰｙを１／２から１／３に変更した場合について示す。図１０（ｃ）は、さらに、レンズ要素５ａの列５ｂにおいてレンズ要素５ａ同士が接する辺を傾斜させた場合について示す。図１０（ｂ）に示すとおり、ピッチＰｙのずれを１／２から１／３に変更することで、照射パターンの形状を平行四辺形の形状とすることができる。そして、図１０（ｃ）に示すとおり、さらに、レンズ要素５ａの列５ｂにおいてレンズ要素５ａ同士が接する辺を傾斜させることで、照射パターンの外形を長方形型に補正することが可能であることが分かる。

【0047】

図１１には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、マイクロレンズアレイ５の照射パターンの特性との関係の第５の例を示す。図１１（ａ）は、アスペクト比ｋにおいて、Ｐｘ＜Ｐｙの場合、図１１（ｂ）は、アスペクト比ｋにおいて、Ｐｘ＞Ｐｙの場合について示す。このように、所望の照射パターンに応じて、ＰｘとＰｙの大小関係は選択可能である。これにより、照射パターン自体のアスペクト比も制御可能である。ここで、多くの装置においては、横長の長方形状の受光面を有する受光素子が用いられることが多く、図１１（ｂ）のように、マイクロレンズアレイ５のアスペクト比として、Ｐｘ＞Ｐｙのアスペクト比を設定しておけば、より容易に、より多くの装置にそのまま適用が可能である。

【0048】

図１２には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、照射パターンの全体の強度と、受光素子を想定した所望範囲における照射光の強度との比として定義した効率（％）との関係を示す。図１２における横軸はパラメータａ、縦軸は効率を示す。図１２から分かるように、全てのアスペクト比ｋにおいて、パラメータａの値が大きい方が、効率が高くなることが分かる。

【0049】

次に、図１３には、パラメータａ及び、アスペクト比ｋと、受光素子における受光面の周辺部／中心の照射光の強度比との関係を示す。図１３における横軸はパラメータａ、縦軸は強度比（％）を示す。図１３から分かるように、全てのアスペクト比ｋにおいて、パラメータａの値が小さい方が、受光面の周辺部／中心の照射光の強度比が高くなることが分かる。

【0050】

図１２及び図１３の結果より、パラメータａの値が、１５≦ａ≦３５の範囲であれば、充分に使用に耐え得る照射パターンを得ることが可能であり、２０≦ａ≦３０の範囲であれば、効率と周辺部減光の良好なバランスを取ることができ、より良好な照射パターンの特性を得ることが可能であることが分かる。

【0051】

ここで、上記の実施形態では、光源２から発光された光に、マイクロレンズアレイ５を通過させて、スクリーン３上に投影する用い方を前提とした場合について説明した。これ以外に、マイクロレンズアレイ５は、光源２から発光された光を、マイクロレンズアレイ１上で反射させて、スクリーン３上に投影するような用い方をすることも可能である。

【0052】

また、本実施形態ではマイクロレンズアレイ５における各レンズ要素５ａが、光源２側の片面に配列された例について説明したが、各レンズ要素５ａが、光源２と反対側の片面に配列されるようにしても構わない。さらに、両面に配列されるようにしても構わない。

【0053】

また、各レンズ要素５ａの断面は、曲面形状が非連続的に並ぶ形状としたが、曲面形状を滑らかな曲線で連続的に繋げるような形状とすることも可能である。

【0054】

また、本実施形態におけるマイクロレンズアレイ５の材質については、基材と各レンズ要素５ａとを別材料で形成してもよいし、同じ材料で一体的に形成してもよい。基材とレンズ要素５ａとを別材料で形成する場合には、基材またはレンズ要素５ａの一方を樹脂材料、他方をガラス材料で形成しても構わない。基材とレンズ要素５ａとを同じ材料で一体的に形成する場合には、屈折率界面を有さないため、透過効率を高めることが可能となる。また、基材と各レンズ要素５ａとの剥離が生じることもなく信頼性を向上させることが可能である。この場合は、マイクロレンズアレイ５は樹脂単体で形成されてもよいし、ガラス単体で形成されてもよい。

【0055】

また、図１４に示すように、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ５と同等の機能を有するマイクロレンズアレイ１１を、可撓性のシート１２上に形成することによって、入射する光を拡散して均一化する拡散板１０を構成することとしてもよい。マイクロレンズアレイ１１を強固な平板上に形成して拡散板としてもよいことは当然である。

【0056】

また、図１５に示すように、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ５と同等の機能を有するマイクロレンズアレイ２１と、光源２２と、光源制御部２３とを組み合わせて、照明装置２０を構成することとしてもよい。この照明装置２０は、単体で照明用に使用されてもよいし、ＴＯＦ方式の距離測定装置等の計測装置や他の装置に組み込まれて使用されてもよい。また、照明装置２０において、マイクロレンズアレイ２１のレンズ要素は、光源２２側の片面に配置してもよいし、光源２２の反対側の片面に配置してもよい。両面に配置してもよい。さらに、光源２２として、指向性について特に制限はないが、例えば指向性が±２０°以下のものを用いてもよい。より好ましくは、指向性が±１０°以下のものを用いてもよい。光源２２として、より指向性の高い光源を用いることで、画角θ_ＦＯＩの両端における放射照度分布を、よりエッジの立った形状とすることが可能である。

【0057】

また、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ５と同等の機能を有するマイクロレンズアレイを、画像撮影用、セキュリティ機器における顔認証用、車両やロボットにおける空間認証用の光学系として使用しても構わない。また、本実施形態において説明したマイクロレンズアレイ１を、回折光学素子や屈折光学素子を含む、他の光学素子と組み合わせて使用しても構わない。また、マイクロレンズアレイ１の表面には如何なるコーティングを施しても構わない。

【0058】

＜導電性物質の配線について＞
なお、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ５の表面または内部には、導電性物質を含む配線を施し、当該配線の通電状態をモニターすることにより、各レンズ要素５ａの損傷を検出できるようにしてもよい。そうすることで、各レンズ要素５ａのクラック、剥離などの損傷を簡便に検出することができるので、マイクロレンズアレイ５の損傷に起因す
る照明装置や距離測定装置の不具合、誤作動による被害を未然に防止することができる。例えば、各レンズ要素５ａのクラックの発生を、導電性物質の断線により検出し、光源の発光を禁止することで、当該クラックを介して光源からの０次光が直接マイクロレンズアレイ５を透過し、外部に照射されることを回避できる。その結果、装置のアイセーフティー性能を向上させることが可能である。

【0059】

上記の導電性物質の配線は、マイクロレンズアレイ５の周囲や、各レンズ要素５ａ上に施しても良い。また、レンズ要素５ａが形成された方の面、反対側の面、両側の何れの面に施してもよい。導電性物質としては、導電性を有するものである限り特に限定されず、例えば、金属、金属酸化物、導電性ポリマー、導電性炭素系物質などを使用することができる。

【0060】

より具体的には、金属としては、金、銀、銅、クロム、ニッケル、パラジウム、アルミニウム、鉄、白金、モリブデン、タングステン、亜鉛、鉛、コバルト、チタン、ジルコニウム、インジウム、ロジウム、ルテニウム、及びこれらの合金等が挙げられる。金属酸化物としては、酸化クロム、酸化ニッケル、酸化銅、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化スズ、又は、これらの複合酸化物、例えば、酸化インジウムと酸化スズとの複合酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズと酸化リンとの複合酸化物子（ＰＴＯ）等が挙げられる。導電性ポリマーとしては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等が挙げられる。導電性炭素系物質としては、カーボンブラック、ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、ＨＡＦ、ＦＥＦ、ＧＰＦ、ＳＲＦ、ＦＴ、ＭＴ、熱分解カーボン、天然グラファイト、人造グラファイト等が挙げられる。これら導電性物質は、単独または２種以上組み合わせて使用することができる。

【0061】

導電性物質としては、導電性に優れ、配線を形成しやすい、金属又は金属酸化物が好ましく、金属がより好ましく、金、銀、銅、インジウム等が好ましく、１００℃程度の温度で相互に融着し、樹脂製のマイクロレンズアレイ５上でも導電性に優れた配線を形成することができる点で銀が好ましい。また、導電性物質による配線のパターン形状については特に限定されない。マイクロレンズアレイ１の周囲を囲うパターンでも良いし、よりクラック等の検出性を高めるためにパターンを複雑な形状としてもよい。さらに、透過性の導電性物質によってマイクロレンズアレイ５の少なくとも一部を覆うパターンでも良い。

【符号の説明】

【0062】

１、５、１１、２１・・・マイクロレンズアレイ
１ａ、５ａ・・・レンズ要素
２・・・光源
３・・・スクリーン
１０・・・拡散板
１２・・・可撓性のシート
２０・・・照明装置
２２・・・光源
２３・・・光源制御部
１００・・・ＴＯＦ距離測定装置
１０１・・・光源制御部
１０２・・・光源
１０３・・・照射光学系
１０４・・・反射光学系
１０５・・・受光素子
１０６・・・信号処理回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】