JP7823327B2 - Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection device - Google Patents
Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection deviceInfo
- Publication number
- JP7823327B2 JP7823327B2 JP2021121012A JP2021121012A JP7823327B2 JP 7823327 B2 JP7823327 B2 JP 7823327B2 JP 2021121012 A JP2021121012 A JP 2021121012A JP 2021121012 A JP2021121012 A JP 2021121012A JP 7823327 B2 JP7823327 B2 JP 7823327B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- microlens array
- variation
- aspherical lenses
- aspherical
- pitch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Projection Apparatus (AREA)
- Lenses (AREA)
Description
本発明は、マイクロレンズアレイ、及び投影装置に関する。 The present invention relates to a microlens array and a projection device.
透明基材の表面に複数の凹面レンズを形成し、光の屈折現象を利用して光を拡散する技術が知られている(たとえば、特許文献1、及び2参照)。図1は、従来のレンズアレイの模式図であり、(A)は上面図、(B)は垂直断面図である。凹面レンズLNSの配列を有する公知の拡散板では、凹面レンズLNSの深さをd1、d2、…、とばらつかせ、かつ、面内方向で凹面レンズLNSの中心座標C位置をばらつかせている。図1の(A)では、基準としてX-Y面内の等間隔位置を点線のサークルで示している。等間隔位置と比較すると、凹面レンズLNSの中心座標Cは、X方向、Y方向ともに等間隔位置の中心からずれており、X-Y面内でピッチがP1、P2、…とばらついている。凹面レンズLNSの深さdとピッチPをばらつかせることで、回折光が特定方向へのみ発生することを抑制している。 A technology is known in which multiple concave lenses are formed on the surface of a transparent substrate and light is diffused using the refraction phenomenon (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Figure 1 is a schematic diagram of a conventional lens array, with (A) a top view and (B) a vertical cross-sectional view. In a known diffuser plate having an array of concave lenses LNS, the depths of the concave lenses LNS vary as d1, d2, ..., and the central coordinate C of the concave lenses LNS varies in the in-plane direction. In (A) of Figure 1, dotted circles indicate equally spaced positions in the X-Y plane as a reference. Compared to the equally spaced positions, the central coordinate C of the concave lenses LNS is offset from the center of the equally spaced positions in both the X and Y directions, and the pitch varies as P1, P2, ... in the X-Y plane. Varying the depth d and pitch P of the concave lenses LNS prevents diffracted light from being generated in only a specific direction.
発明者らは、マイクロレンズアレイで、任意の一次元方向に配列するレンズのピッチにばらつきを設けると、拡散光のプロファイルに良好なカットオフ特性をもたせるのが困難になることを見出した。また、深さばらつきの程度によっては、回折輝点が発生する場合があることを見出した。 The inventors discovered that if the pitch of the lenses arranged in any one-dimensional direction in a microlens array varies, it becomes difficult to impart good cutoff characteristics to the diffused light profile. They also discovered that, depending on the degree of depth variation, diffracted bright spots may occur.
本発明は、良好なカットオフ特性をもち、回折輝点の発生が抑制されたマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。 The objective of the present invention is to provide a microlens array that has good cutoff characteristics and suppresses the occurrence of diffraction bright spots.
本発明の一態様では、マイクロレンズアレイは、
使用波長に対して透明なガラス基板と、
前記ガラス基板の第1の面に形成された複数の非球面レンズと、
を有し、
前記非球面レンズの中心は前記第1の面と直交する方向で2以上の異なる位置にあり、前記第1の面と直交する方向での前記非球面レンズの中心位置が正規分布に従うときの1σの値を平均値μで除算した値σ/μは0.027よりも大きく、0.200未満であり、
前記第1の面の面内で、任意の一次元方向に配列される前記非球面レンズの両端から合計で25%を除いた領域の全ピッチの平均を1としたとき、相対ピッチ比の取り得る最大差分の絶対値σ
p
が0.075未満である。
In one aspect of the present invention, the microlens array comprises:
A glass substrate that is transparent to the wavelength used,
a plurality of aspherical lenses formed on a first surface of the glass substrate ;
and
a center of the aspherical lens is located at two or more different positions in a direction perpendicular to the first surface, and a value σ/μ obtained by dividing 1σ by an average value μ when the center positions of the aspherical lens in the direction perpendicular to the first surface follow a normal distribution is greater than 0.027 and less than 0.200,
When the average of all pitches in an area excluding a total of 25% from both ends of the aspherical lenses arranged in any one-dimensional direction within the plane of the first surface is set to 1, the absolute value σ p of the maximum possible difference in relative pitch ratio is less than 0.075 .
良好なカットオフ特性をもち、回折輝点の発生が抑制されたマイクロレンズアレイが実現される。 A microlens array with good cutoff characteristics and reduced diffraction spot generation is realized.
実施形態では、使用波長に対して透明な基材の第1の面に複数の非球面レンズが形成されているマイクロレンズアレイにおいて、非球面レンズの中心位置を第1の面と直交する方向にばらつかせ、第1の面の面内では、非球面レンズのピッチばらつきを抑制する。具体的には、後述するように、第1の面の面内で任意の一次元方向に配列する非球面レンズの両端25%を除いた領域の全ピッチの平均に対するピッチばらつきを、7.5%未満、より好ましくは5.0%以下に抑制する。非球面レンズの面内でのピッチばらつきを抑制することで、拡散プロファイルのカットオフ特性が向上する。また、非球面レンズの中心ばらつき、すなわちレンズ深さばらつきを、平均値に対して所定割合以上にばらつかせることで、回折輝点を抑制する。 In an embodiment, in a microlens array in which multiple aspherical lenses are formed on a first surface of a substrate transparent to the wavelength being used, the center positions of the aspherical lenses are varied in a direction perpendicular to the first surface, thereby suppressing pitch variation of the aspherical lenses within the first surface. Specifically, as described below, pitch variation relative to the average of all pitches in an area excluding both ends of 25% of the aspherical lenses arranged in any one-dimensional direction within the first surface is suppressed to less than 7.5%, more preferably 5.0% or less. Suppressing pitch variation within the aspherical lenses improves the cutoff characteristics of the diffusion profile. Furthermore, diffraction bright spots are suppressed by varying the center variation of the aspherical lenses, i.e., lens depth variation, by a predetermined percentage or more relative to the average value.
図2は、実施形態のマイクロレンズアレイ10の一例を示す。図2の(A)はマイクロレンズアレイ10の断面模式図、(B)は上面視した画像である。 Figure 2 shows an example of a microlens array 10 according to an embodiment. Figure 2 (A) is a schematic cross-sectional view of the microlens array 10, and (B) is a top view.
図2の(A)に示すように、マイクロレンズアレイ10は、使用波長に対して透明な基材11の第1の面101に、複数の非球面レンズ13が形成されている。この例で、非球面レンズ13は凹面レンズであり、放物面を有する。非球面レンズ13の中心14は、第1の面101と直交する方向、この例では基材11の深さ方向で、2以上の異なる位置にある。すなわち、非球面レンズ13の深さdは、ばらついている。 As shown in Figure 2 (A), the microlens array 10 has multiple aspherical lenses 13 formed on a first surface 101 of a substrate 11 that is transparent to the wavelength being used. In this example, the aspherical lenses 13 are concave lenses with parabolic surfaces. The centers 14 of the aspherical lenses 13 are located at two or more different positions in a direction perpendicular to the first surface 101, which in this example is the depth direction of the substrate 11. In other words, the depth d of the aspherical lenses 13 varies.
一方、非球面レンズ13の中心14間のピッチPは、ほぼ一定である。「ほぼ一定」というのは、ピッチばらつきが、所定のばらつきよりも小さく抑制されていることを意味する。本明細書におけるピッチばらつきとは、任意の一次元方向の全ピッチのうち、両端25%を除いた領域の平均ピッチを1としたとき、この一次元方向のレンズの前記領域における全ピッチにおいて、ランダム分布する相対ピッチ比の取りうる最大差分の絶対値を示し、これをσpと表記する。マイクロレンズアレイ10では、任意の一次元方向へのレンズ配列に着目したときに、両端25%を除いた領域の非球面レンズ13のピッチばらつきσpは0.075未満、すなわち平均ピッチに対するばらつきが7.5%未満に抑制されている。 On the other hand, the pitch P between the centers 14 of the aspherical lenses 13 is substantially constant. "Substantially constant" means that the pitch variation is suppressed to be smaller than a predetermined variation. In this specification, the pitch variation refers to the absolute value of the maximum possible difference in the randomly distributed relative pitch ratios over the entire pitch in a region of the lenses in any one-dimensional direction, where the average pitch in the region excluding both end 25% of the entire pitch in that one-dimensional direction is set to 1, and this is represented as σp . In the microlens array 10, when focusing on the lens arrangement in any one-dimensional direction, the pitch variation σp of the aspherical lenses 13 in the region excluding both end 25% is suppressed to less than 0.075, i.e., the variation from the average pitch is suppressed to less than 7.5%.
図2の(B)で、各非球面レンズ13の中央部の白点はレンズ中心を示している。マイクロレンズアレイ10は、非球面レンズ13の四角格子配列を含み、X方向(紙面の水平方向)とY方向(紙面の垂直方向)のそれぞれで、ほぼ一定のピッチを有している。ピッチの絶対値は、その方向の拡散角度と相関がある。図2の(B)の例では、X方向とY方向のピッチのアスペクト比を1より大きく設定してあるが、正方形の投影像を形成する場合は、非球面レンズ13のピッチをX方向とY方向で同じ値に設計してもよい。いずれの場合も、X方向、Y方向などの一次元方向で、非球面レンズ13のピッチばらつきは7.5%未満、より好ましくは5.0%以下に抑制され、面内方向でほぼ規則的なレンズ配置となっている。 In Figure 2(B), the white dots in the center of each aspherical lens 13 indicate the lens center. The microlens array 10 includes a square lattice arrangement of aspherical lenses 13, with a nearly constant pitch in both the X direction (horizontal direction on the paper) and the Y direction (vertical direction on the paper). The absolute value of the pitch correlates with the diffusion angle in that direction. In the example of Figure 2(B), the aspect ratio of the pitch in the X and Y directions is set to greater than 1, but when forming a square projected image, the pitch of the aspherical lenses 13 may be designed to be the same in both the X and Y directions. In either case, the pitch variation of the aspherical lenses 13 in one-dimensional directions such as the X and Y directions is kept to less than 7.5%, and more preferably to 5.0% or less, resulting in a nearly regular lens arrangement in the in-plane direction.
X-Y面内で、非球面レンズ13を規則的な配置にすることで、マイクロレンズアレイ10の拡散プロファイルのカットオフ特性を向上することができる。X-Y面(すなわち第1の面101)と直交する方向では、マイクロレンズアレイ10の非球面レンズ13の中心14の深さ位置を、一定程度以上ばらつかせることで、回折輝点の発生を抑制することができる。以下では、非球面レンズ13の、(1)第1の面101と直交する方向でのばらつきと、(2)第1の面101の面内配置の規則性、のそれぞれについて、詳細に説明する。 By regularly arranging the aspherical lenses 13 in the XY plane, the cutoff characteristics of the diffusion profile of the microlens array 10 can be improved. In the direction perpendicular to the XY plane (i.e., the first surface 101), by varying the depth positions of the centers 14 of the aspherical lenses 13 of the microlens array 10 by a certain degree or more, the occurrence of diffracted bright spots can be suppressed. Below, we will explain in detail (1) the variation of the aspherical lenses 13 in the direction perpendicular to the first surface 101, and (2) the regularity of the in-plane arrangement of the first surface 101.
<第1の面と直交する方向へのばらつき>
図3は、実施形態のマイクロレンズアレイ10のサンプルの上面視画像、図4は、図3のX-X'断面の模式図である。図3に示すように、複数の非球面レンズ13がX-Y面内で規則的に配置されている。X-Y面と直交するZ方向では、非球面レンズ13の中心14は2以上の異なる位置にあるため、各非球面レンズ13のコーニック係数、曲率半径などが異なっている。
<Variation in a direction perpendicular to the first surface>
Fig. 3 is a top view image of a sample of the microlens array 10 according to the embodiment, and Fig. 4 is a schematic diagram of the X-X' cross section of Fig. 3. As shown in Fig. 3, a plurality of aspherical lenses 13 are regularly arranged in the XY plane. In the Z direction orthogonal to the XY plane, the centers 14 of the aspherical lenses 13 are located at two or more different positions, and therefore the conic coefficients, radii of curvature, etc. of the aspherical lenses 13 are different.
図4の断面プロファイルに示すように、非球面レンズ13の中心14間のピッチPはほぼ一定であるが、深さはd1、d2、d3、...のようにばらついている。深さd1とd2の差Δdは、図3のサンプルでは、約8μmである。 As shown in the cross-sectional profile of Figure 4, the pitch P between the centers 14 of the aspherical lenses 13 is almost constant, but the depth varies as d1, d2, d3, ... The difference Δd between the depths d1 and d2 is approximately 8 μm in the sample of Figure 3.
第1の面101の面内のピッチがほぼ均等で、かつ、第1の面101と直交する方向ではレンズの深さ、または高さにばらつきをもつ非球面レンズ13は、前処理が施されたガラス基板にウェットエッチングを施すことで形成される。前処理は、パルスレーザ光をガラス基板のある位置に照射してガラス基板内部の一部領域を改質し、少なくともパルスレーザ光を照射した位置において厚さ方向に密度分布をもたせる、または、化学的もしくは物理的な工法を利用してガラス基板の表面に所定の楔形状の凹みを形成してもよい(たとえば、WO2019/189225参照)。ウェットエッチングでは、図4に示すように、隣接する非球面レンズ13の間に平坦面が残らないようにエッチングする。平坦面が残ると、光が回折されずに直進して0次光が発生し、輝点となるからである。 Aspherical lenses 13, which have a substantially uniform in-plane pitch on the first surface 101 but which vary in lens depth or height in a direction perpendicular to the first surface 101, are formed by wet etching a pre-treated glass substrate. Pre-treatment can involve irradiating a certain position on the glass substrate with pulsed laser light to modify a partial region within the glass substrate, creating a density distribution in the thickness direction at least at the position irradiated with pulsed laser light, or by forming a predetermined wedge-shaped depression in the surface of the glass substrate using a chemical or physical technique (see, for example, WO 2019/189225). Wet etching is performed so that no flat surfaces remain between adjacent aspherical lenses 13, as shown in Figure 4. If flat surfaces remain, light will travel straight without being diffracted, generating zero-order light and resulting in bright spots.
非球面レンズ13を凸レンズとするときは、上述した手法で、基板にピッチが一定、かつ深さがばらつく複数の凹面を形成したあとに、この基板を金型として凸レンズアレイを形成してもよい。 When the aspherical lens 13 is a convex lens, multiple concave surfaces with a uniform pitch and varying depths can be formed on the substrate using the method described above, and then the convex lens array can be formed using this substrate as a mold.
図3のマイクロレンズアレイ10の非球面レンズ13は、深さまたは高さ方向に十分なばらつきを有するが、非球面レンズ13の深さまたは高さのばらつきの程度が、回折輝点にどのような影響を与えるかは明らかにされていない。そこで、第1の面101と直交する方向へのレンズ中心位置のばらつきが、回折輝点にどのように影響するかを検討する。 The aspherical lenses 13 of the microlens array 10 in Figure 3 have sufficient variation in the depth or height direction, but it has not been clarified how the degree of variation in the depth or height of the aspherical lenses 13 affects the diffraction bright spots. Therefore, we will examine how variation in the lens center position in a direction perpendicular to the first surface 101 affects the diffraction bright spots.
図5は、図3のマイクロレンズアレイ10のY方向の拡散プロファイルである。横軸は拡散角度(°)、縦軸は相対強度である。マイクロレンズアレイ10の拡散プロファイルは、矩形パルス形状を有する。一般的なフロストガラスを拡散板に用いると、レーザ光はファーフィールドでガウス分布形状の拡散プロファイルとなる。これに対し、図3のマイクロレンズアレイ10は、光を矩形の視野に拡散するように設計されている。この例でY方向の視野角(FOV:Field of View)は45°である。 Figure 5 shows the diffusion profile in the Y direction of the microlens array 10 in Figure 3. The horizontal axis represents the diffusion angle (°), and the vertical axis represents the relative intensity. The diffusion profile of the microlens array 10 has a rectangular pulse shape. If typical frosted glass is used as a diffuser, the laser light will have a Gaussian diffusion profile in the far field. In contrast, the microlens array 10 in Figure 3 is designed to diffuse light into a rectangular field of view. In this example, the field of view (FOV) in the Y direction is 45°.
実施形態において、マイクロレンズアレイ10の「FOV」というときは、拡散プロファイルの相対強度が0.5以上となる角度範囲というものとする。相対強度は、拡散角度が-10°から+10°の範囲の平均強度を1に正規化したときの強度である。この定義に基づいて測定されたマイクロレンズアレイ10のX方向の拡散プロファイルのFOVは60°、Y方向のFOVは、上述のように45°である。拡散プロファイルの立ち上がりの急峻さはカットオフ特性を示すが、カットオフ特性については後述することとし、ここでは回折輝点の抑制について検討する。 In the embodiment, the "FOV" of the microlens array 10 refers to the angular range in which the relative intensity of the diffusion profile is 0.5 or greater. The relative intensity is the intensity when the average intensity in the diffusion angle range of -10° to +10° is normalized to 1. The FOV of the diffusion profile of the microlens array 10 in the X direction measured based on this definition is 60°, and the FOV in the Y direction is 45° as described above. The steepness of the rise of the diffusion profile indicates the cutoff characteristics, but cutoff characteristics will be discussed later; here, we will consider the suppression of diffracted bright spots.
光を矩形に視野に拡散するマイクロレンズアレイ10では、拡散プロファイルのトップの強度分布はフラット(平坦)であるほうが望ましい。回折光の強度が局所的に強いと回折輝点が発生し、投影像に明るさのムラが生じるからである。拡散プロファイルのトップがフラットに近づく適切な深さばらつきの範囲があるはずである。そこで、非球面レンズ13の深さばらつきの程度に応じて回折輝点にどのような影響ができるかを、シミュレーションで調査する。 For a microlens array 10 that diffuses light into a rectangular field of view, it is desirable for the intensity distribution at the top of the diffusion profile to be flat. This is because if the intensity of the diffracted light is locally strong, diffracted bright spots will occur, causing uneven brightness in the projected image. There should be an appropriate range of depth variation where the top of the diffusion profile approaches flatness. Therefore, we conducted a simulation to investigate how the degree of depth variation of the aspherical lens 13 affects diffracted bright spots.
図6は、非球面レンズアレイのシミュレーション結果を示す図である。可視光に対して透明な基材11として、D線に対する屈折率が1.5230の「D263 T eco」ガラス(SCHOTT社製)を用いる。光学測定において得られる拡散パターンを103mm離れたスクリーンで観察するものとし、測定最小分解能を0.5μm、測定光の波長を940nm、ビーム直径を3mmとする。次に、基材11に複数の非球面レンズ13を配置する。非球面レンズ13のコーニック係数を-1、X方向のピッチを100μm、Y方向のピッチを83μm、X方向とY方向のピッチばらつきを0、に設定する。また、非球面レンズ13の深さばらつきを、2.00μmとする。深さばらつきは、マイクロレンズアレイ10の非球面レンズ13の深さが正規分布に従うときの1σであり、中央値または平均値からのばらつき(標準偏差)である。 Figure 6 shows the simulation results for an aspherical lens array. The substrate 11 is transparent to visible light and is made of "D263 T eco" glass (manufactured by SCHOTT) with a refractive index of 1.5230 for the D-line. The diffusion pattern obtained in the optical measurement is observed on a screen 103 mm away, with a minimum measurement resolution of 0.5 μm, a wavelength of the measurement light of 940 nm, and a beam diameter of 3 mm. Next, multiple aspherical lenses 13 are placed on the substrate 11. The conic coefficient of the aspherical lenses 13 is set to -1, the pitch in the X direction to 100 μm, the pitch in the Y direction to 83 μm, and the pitch variation in the X and Y directions to 0. The depth variation of the aspherical lenses 13 is set to 2.00 μm. The depth variation is 1σ when the depth of the aspherical lenses 13 of the microlens array 10 follows a normal distribution, and is the variation (standard deviation) from the median or mean value.
シミュレーションによるマイクロレンズアレイ10のX方向のFOVは52.9°、Y方向のFOVは43.2°である。非球面レンズ13の深さばらつきを2.0μmに設定した場合、X方向とY方向の拡散プロファイルのトップの両端で相対強度が若干高くなっているが、トップの両端のピークの間に大きなリップル(変動)はなく、ほぼフラットである。拡散プロファイルのトップが「フラット」であるというときは、強度分布で回折輝点が抑制されていること、または、拡散プロファイルのトップのリップルのほぼ全体が相対強度0.8から1.2の間に収まっていることをいう。 The simulated FOV of the microlens array 10 in the X direction is 52.9°, and the FOV in the Y direction is 43.2°. When the depth variation of the aspherical lens 13 is set to 2.0 μm, the relative intensity is slightly higher at both ends of the top of the diffusion profile in the X and Y directions, but there is no large ripple (fluctuation) between the peaks at both ends of the top, and it is almost flat. When we say that the top of the diffusion profile is "flat," we mean that diffraction bright spots are suppressed in the intensity distribution, or that almost all of the ripples at the top of the diffusion profile fall within a relative intensity range of 0.8 to 1.2.
次に、上述した条件で、非球面レンズ13の深さばらつきのみを変化させて、拡散プロファイルを取得する。図7は、非球面レンズ13の深さばらつき(1σ)を、0.00μm、0.40μm、0.80μm、1.20μm、1.60μm、2.00μm、2.40μmと、7通りに変化させたシミュレーション結果である。 Next, under the above conditions, the diffusion profile is obtained by varying only the depth variation of the aspherical lens 13. Figure 7 shows the simulation results when the depth variation (1σ) of the aspherical lens 13 is varied in seven ways: 0.00 μm, 0.40 μm, 0.80 μm, 1.20 μm, 1.60 μm, 2.00 μm, and 2.40 μm.
図7のシミュレーション結果によると、深さばらつき(1σ)が0.00μm、0.40μm、及び0.80μmのときに、トップの両端で相対強度の上下変動が大きくなるが、深さばらつきが1.20μm以上のときは、相対強度がほぼ0.8から1.2の間におさまっている。ここから、深さばらつきは0.80μmよりも大きく、好ましくは1.20μm以上、より好ましくは1.60μm、さらに好ましくは2.00μm以上、さらに好ましくは2.40μm以上である。これにより、FOVの範囲内の相対強度を1.2以下に抑え、強度分布を一様に近づけることができる。 According to the simulation results in Figure 7, when the depth variation (1σ) is 0.00 μm, 0.40 μm, and 0.80 μm, the relative intensity fluctuates significantly at both ends of the top. However, when the depth variation is 1.20 μm or greater, the relative intensity remains between approximately 0.8 and 1.2. From this, the depth variation should be greater than 0.80 μm, preferably 1.20 μm or greater, more preferably 1.60 μm, even more preferably 2.00 μm or greater, and even more preferably 2.40 μm or greater. This keeps the relative intensity within the FOV at 1.2 or less, making the intensity distribution closer to uniform.
図8は、非球面レンズ13の深さばらつき(1σ)が0.00μm、0.80μm、1.60μm、及び2.40μmのときの3次元強度分布(上段)とX-Y面内の2次元強度分布(下段)を示す。深さばらつきが0.00μm、0.80μmのときは、拡散領域のエッジに沿ってピークが多くたち、拡散領域の内部にストライプ状の強度差が現れる。エッジに沿ったピークや拡散領域内のストライプは、回折輝点の発生によるものである。これに対し、深さばらつきが1.60μmのときは、拡散領域内の、特に中央部での強度分布が一様になる。深さばらつきが2.00μmで、エッジ領域も含めて全体的に強度分布が一様になる。 Figure 8 shows the three-dimensional intensity distribution (top row) and the two-dimensional intensity distribution in the X-Y plane (bottom row) when the depth variation (1σ) of the aspherical lens 13 is 0.00 μm, 0.80 μm, 1.60 μm, and 2.40 μm. When the depth variation is 0.00 μm or 0.80 μm, many peaks appear along the edge of the diffusion region, and stripe-shaped intensity differences appear within the diffusion region. The peaks along the edge and the stripes within the diffusion region are due to the occurrence of diffraction bright spots. In contrast, when the depth variation is 1.60 μm, the intensity distribution within the diffusion region, particularly in the center, is uniform. When the depth variation is 2.00 μm, the intensity distribution is uniform overall, including the edge region.
図7と図8のシミュレーション結果から、非球面レンズ13の深さばらつき(1σ)を0.80μmよりも大きくすることで、回折輝点の影響を抑制できることがわかる。非球面レンズ13の深さばらつきは、好ましくは1.20μm以上、より好ましくは1.60μm以上、さらに好ましくは2.00μm以上、さらに好ましくは2.40μm以上である。一方で、深さばらつきが大きすぎると、拡散プロファイルがフラットトップではなく、ガウシアン分布形状に近くなる。非球面レンズ13が四角格子に配置されたマイクロレンズアレイ10で矩形の拡散領域を実現する場合、拡散プロファイルの形状は、ガウシアンよりもフラットトップが望ましい。図9Dを参照して後述するように、深さばらつき(1σ)は6.00μm未満が好ましく、より好ましくは、4.00μm以下である。 The simulation results in Figures 7 and 8 show that the effect of diffraction bright spots can be suppressed by increasing the depth variation (1σ) of the aspherical lenses 13 to more than 0.80 μm. The depth variation of the aspherical lenses 13 is preferably 1.20 μm or more, more preferably 1.60 μm or more, even more preferably 2.00 μm or more, and even more preferably 2.40 μm or more. On the other hand, if the depth variation is too large, the diffusion profile will not be flat-topped but will be closer to a Gaussian distribution shape. When realizing a rectangular diffusion area using a microlens array 10 in which the aspherical lenses 13 are arranged in a square lattice, it is preferable that the diffusion profile shape be flat-topped rather than Gaussian. As will be described below with reference to Figure 9D, the depth variation (1σ) is preferably less than 6.00 μm, and more preferably 4.00 μm or less.
図9Aは実際に作製したマイクロレンズアレイ10Aの上面視画像、図9Bは図9AのI-I'ラインに沿った深さばらつきの実測値、図9Cは深さばらつきの実測値のヒストグラムである。図9AのI-I'ラインに沿って、63個の非球面レンズ13の深さを測定した結果、図9Bのように、面内ピッチはほぼ一定であり、非球面レンズ13の深さのみが、ばらついている。 Figure 9A is a top view image of an actually fabricated microlens array 10A, Figure 9B is the actual measured values of depth variation along line II' in Figure 9A, and Figure 9C is a histogram of the actual measured values of depth variation. The depth of 63 aspherical lenses 13 was measured along line II' in Figure 9A, and as shown in Figure 9B, the in-plane pitch was almost constant, and only the depth of the aspherical lenses 13 varied.
マイクロレンズアレイ10Aの非球面レンズ13の深さの中央値は29.275μm、平均値は29.486μm、最大値は37.634μm、最小値は25.139μm、深さばらつき(標準偏差)は2.643μmである。回折輝点の影響を抑制可能な深さばらつきは、絶対値ではなく平均値との相対関係に依存するため、平均値をμとし、標準偏差σを平均値で除算した値(σ/μ)を新たな指標として導入する。上記マイクロレンズアレイにおけるσ/μの値は、0.090(2.643/29.486)となる。 The median depth of the aspherical lenses 13 in microlens array 10A is 29.275 μm, the average is 29.486 μm, the maximum is 37.634 μm, the minimum is 25.139 μm, and the depth variation (standard deviation) is 2.643 μm. The depth variation that can suppress the effects of diffracted bright spots depends on its relative relationship to the average value, not on the absolute value. Therefore, the average value is μ, and the value obtained by dividing the standard deviation σ by the average value (σ/μ) is introduced as a new index. The value of σ/μ for the above microlens array is 0.090 (2.643/29.486).
図9Dは、レンズ深さばらつきの上限を示す図である。深さばらつきが6.00μm以上になると、拡散プロファイルのトップのフラット性が不十分になる。このときの新たな指標の値は、0.203である。すなわち、新たな指標の値が0.203未満であれば、拡散プロファイルのトップのフラット性が維持される。深さばらつきが4.0μm以下(新たな指標σ/μの値が0.136以下)のときは、拡散プロファイルのトップがよりフラットになる。 Figure 9D shows the upper limit of lens depth variation. When the depth variation is 6.00 μm or more, the flatness of the top of the diffusion profile becomes insufficient. The new index value in this case is 0.203. In other words, if the new index value is less than 0.203, the flatness of the top of the diffusion profile is maintained. When the depth variation is 4.0 μm or less (the new index σ/μ value is 0.136 or less), the top of the diffusion profile becomes flatter.
図10は、図9Aのマイクロレンズアレイ10AのY方向の拡散プロファイルである。新指標σ/μの値が0.090のとき、拡散プロファイルのトップの相対強度は、0.8から1.2の間に収まり、輝点抑制のために十分な深さばらつきを有している。このことは、マイクロレンズアレイ10Aが凸レンズアレイである場合にも当てはまり、凸型の非球面レンズに適切な高さばらつきをあたえることで、拡散プロファイルのトップの相対強度の変動を0.8から1.2の間に保つことができる。 Figure 10 shows the diffusion profile in the Y direction of the microlens array 10A in Figure 9A. When the value of the new index σ/μ is 0.090, the relative intensity of the top of the diffusion profile falls between 0.8 and 1.2, and has sufficient depth variation to suppress bright spots. This also applies when the microlens array 10A is a convex lens array; by providing appropriate height variation to the convex aspherical lenses, the variation in the relative intensity of the top of the diffusion profile can be kept between 0.8 and 1.2.
以上の考察から、マイクロレンズアレイ10、10Aの非球面レンズ13が形成される面と直交する方向で、非球面レンズ13の中心位置を2以上の異なる位置にばらつかせることで、回折輝点を抑制できる。レンズ形成面と直交する方向への位置ばらつき、すなわち深さばらつき(1σ)を平均値(μ)で除算した値(σ/μ)が0.027より大きく、好ましくは、0.041以上、より好ましくは0.054以上、さらに好ましくは0.068以上、さらに好ましくは0.081以上、0.200未満とすることで、拡散プロファイルのトップをフラットにすることができる。 Based on the above considerations, diffraction bright spots can be suppressed by varying the center positions of the aspherical lenses 13 of the microlens arrays 10 and 10A to two or more different positions in a direction perpendicular to the surface on which the aspherical lenses 13 are formed. The top of the diffusion profile can be made flat by ensuring that the positional variation in the direction perpendicular to the lens formation surface, i.e., the value (σ/μ) obtained by dividing the depth variation (1σ) by the average value (μ), is greater than 0.027, preferably 0.041 or greater, more preferably 0.054 or greater, even more preferably 0.068 or greater, and even more preferably 0.081 or greater, but less than 0.200.
<非球面レンズの面内配置の規則性>
次に、基材11の第1の面101におけるレンズ配置の規則性について検討する。非球面レンズ13が配置される二次元面内で規則的な配置をとることは、後述するように、カットオフ特性に有利である。マイクロレンズアレイ10のカットオフ特性とは、光が所定の方向に拡散されるか遮断されるかの変化の急峻性をいう。
<Regularity of in-plane arrangement of aspherical lenses>
Next, we will consider the regularity of the lens arrangement on the first surface 101 of the substrate 11. A regular arrangement of the aspherical lenses 13 within the two-dimensional plane is advantageous for cutoff characteristics, as will be described later. The cutoff characteristics of the microlens array 10 refer to the abruptness of the change in whether light is diffused or blocked in a predetermined direction.
図11は、非球面レンズ13のピッチばらつきを変えたときの拡散プロファイルのシミュレーション図である。上述したように、ピッチばらつきは、X方向とY方向のそれぞれの平均ピッチを1としたとき、第1の面101の面内の所定の領域(両端25%を除いた領域)の全ピッチにおいて、ランダム分布する相対ピッチ比の取りうる最大差分の絶対値を示し、これをσP(図2参照)と表記する。シミュレーションでは、Y方向のFOVを45°に設定し、Y方向のピッチばらつきを、0.0%、5.0%、7.5%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%と変化させて拡散特性を計算する。 11 is a simulation diagram of the diffusion profile when the pitch variation of the aspherical lens 13 is changed. As described above, when the average pitch in each of the X and Y directions is set to 1, the pitch variation indicates the absolute value of the maximum possible difference in the randomly distributed relative pitch ratios over the entire pitch in a predetermined region (region excluding 25% at both ends) of the first surface 101, and this is denoted as σ P (see FIG. 2 ). In the simulation, the FOV in the Y direction is set to 45°, and the pitch variation in the Y direction is changed to 0.0%, 5.0%, 7.5%, 10.0%, 15.0%, 20.0%, and 25.0% to calculate the diffusion characteristics.
拡散プロファイルのプラス側の一部領域を拡大して示す。面内のピッチばらつきが大きくなるほど、拡散プロファイルの立ち上がり、または立下りが緩やかになり、カットオフ特性が悪化する。特に、面内のピッチばらつきが10.0%を超えると、拡散プロファイルのすそ野で急峻さが失われる。 A partial area on the positive side of the diffusion profile is shown enlarged. The greater the in-plane pitch variation, the more gradual the rise or fall of the diffusion profile becomes, and the worse the cutoff characteristics become. In particular, when the in-plane pitch variation exceeds 10.0%, the steepness of the base of the diffusion profile is lost.
図12は、図11のシミュレーション結果から、ピッチばらつきの関数としてカットオフ帯域をプロットした図である。実施形態におけるカットオフ帯域とは、拡散プロファイルの強度が所定のレベルまで変化するのに要する角度幅である。より正確なカットオフ帯域の定義を、図13を参照して説明する。 Figure 12 is a plot of the cutoff band as a function of pitch variation from the simulation results of Figure 11. In this embodiment, the cutoff band is the angular width required for the intensity of the diffusion profile to change to a predetermined level. A more precise definition of the cutoff band will be explained with reference to Figure 13.
図13は、カットオフ帯域の決め方を説明する図である。実施形態の「カットオフ帯域」は、相対強度が0.2と0.8の間で変化するのに要する角度幅とする。拡散プロファイルの相対強度は、非球面レンズ13の深さばらつきの検討で定義したのと同様に、拡散角度が-10°から+10°の範囲の強度(光量)の平均を1に正規化したときの強度である。拡散プロファイルのマイナス側とプラス側のそれぞれで、相対強度が0.2から0.8へ、または0.8から0.2へ変化するときの角度幅を求め、2つの角度幅のうち、大きい方をカットオフ帯域とする。 Figure 13 is a diagram explaining how to determine the cutoff band. In this embodiment, the "cutoff band" is the angular width required for the relative intensity to change between 0.2 and 0.8. As defined in the study of depth variation in the aspherical lens 13, the relative intensity of the diffusion profile is the intensity when the average intensity (light amount) in the diffusion angle range of -10° to +10° is normalized to 1. The angular widths at which the relative intensity changes from 0.2 to 0.8 or from 0.8 to 0.2 are found on both the negative and positive sides of the diffusion profile, and the larger of the two angular widths is taken as the cutoff band.
カットオフ帯域が小さいほど、拡散プロファイルの立ち上がり、立下りが急峻であり、カットオフ特性が良い。カットオフ帯域が大きいほど、拡散プロファイルの立ち上がりと立下りが緩やかになり、カットオフ特性が悪化する。 The smaller the cutoff band, the steeper the rise and fall of the diffusion profile and the better the cutoff characteristics. The larger the cutoff band, the gentler the rise and fall of the diffusion profile and the worse the cutoff characteristics.
図12に戻って、非球面レンズのピッチばらつきが大きくなるほど、カットオフ帯域(°)が大きくなるので、ピッチばらつきを小さく抑えて、カットオフ帯域を小さく維持するのが望ましい。図12のシミュレーション例では、非球面レンズ13のピッチばらつきは、カットオフ帯域が急激に増大し始める0.075(または7.5%)よりも小さいことが望ましく、0.050(または5.0%)以下であることが、より好ましい。 Returning to Figure 12, the greater the pitch variation of the aspherical lens, the larger the cutoff band (°), so it is desirable to keep the pitch variation small and maintain a small cutoff band. In the simulation example of Figure 12, the pitch variation of the aspherical lens 13 is desirably less than 0.075 (or 7.5%), at which point the cutoff band begins to increase sharply, and more desirably 0.050 (or 5.0%) or less.
図14は、マイクロレンズアレイ10の非球面レンズ13のピッチばらつきを、Y方向にのみ変えたときの二次元電磁界シミュレーション結果である。Y方向のピッチばらつきが0.0%のとき、及び5.0%のときは、紙面の縦方向、すなわちY方向の滲みが少ない。Y方向のピッチばらつきが10%になると、Y方向に滲みが現れる。ピッチばらつきが大きくなるほど、Y方向の滲み方が顕著になる。滲み方が顕著であるということは、拡散プロファイルのすそ野がだれていることを意味する。X方向とY方向の軸の定め方は任意であるため、同じことが、X方向のピッチばらつきにも当てはまる。 Figure 14 shows the results of a two-dimensional electromagnetic field simulation when the pitch variation of the aspherical lenses 13 of the microlens array 10 is changed only in the Y direction. When the pitch variation in the Y direction is 0.0% and 5.0%, there is little bleeding in the vertical direction of the paper, i.e., the Y direction. When the pitch variation in the Y direction is 10%, bleeding appears in the Y direction. The greater the pitch variation, the more pronounced the bleeding in the Y direction. Prominent bleeding means that the base of the diffusion profile is sagging. Because the axes of the X and Y directions can be defined arbitrarily, the same applies to pitch variation in the X direction.
図12と図14のシミュレーション結果を参照すると、マイクロレンズアレイ10の面内でのピッチばらつきは7.5%よりも小さい方が望ましく、5.0%以下がより好ましいことがわかる。 Referring to the simulation results in Figures 12 and 14, it can be seen that it is desirable for the in-plane pitch variation of the microlens array 10 to be less than 7.5%, and more preferably 5.0% or less.
ここまでは、シミュレーションに基づき、カットオフ特性としてカットオフ帯域を検討した。次に、実際に作製したサンプルに基づいて、カットオフ特性を検討する。 Up to this point, we have examined the cutoff band as a cutoff characteristic based on simulations. Next, we will examine the cutoff characteristics based on an actually fabricated sample.
Y方向の基準ピッチを84μmに設定し、ピッチばらつきのみを変えて、5種類のサンプルを作製する。Y方向のピッチばらつきが0.0%のサンプルaは、Y方向で非球面レンズ13の中心がすべて等間隔になるように設計されている。Y方向のピッチばらつきが5.0%のサンプルbは、Y方向の最大ばらつきが0.05となるように、最小ピッチ79.8μmと最大ピッチ88.2μmの間で、Y方向にピッチがランダム分布するように設計されている。 Five types of samples were created by setting the reference pitch in the Y direction to 84 μm and varying only the pitch variation. Sample a, with a pitch variation in the Y direction of 0.0%, was designed so that the centers of the aspherical lenses 13 were all equally spaced in the Y direction. Sample b, with a pitch variation in the Y direction of 5.0%, was designed so that the pitch was randomly distributed in the Y direction between a minimum pitch of 79.8 μm and a maximum pitch of 88.2 μm, with a maximum variation in the Y direction of 0.05.
以下同様に、Y方向のピッチばらつきが7.5%のサンプルc、Y方向のピッチばらつきが15.0%のサンプルe、及び、Y方向のピッチばらつきが25.0%のサンプルgを作製する。サンプルa、b、c、e、gは、図11のシミュレーションでのピッチばらつきa、b、c、e、gに対応する。 Similarly, sample c with a pitch variation in the Y direction of 7.5%, sample e with a pitch variation in the Y direction of 15.0%, and sample g with a pitch variation in the Y direction of 25.0% were fabricated. Samples a, b, c, e, and g correspond to the pitch variations a, b, c, e, and g in the simulation of Figure 11.
図15は、作製した5種類のサンプルの約40行(Y方向に並ぶ約40個の非球面レンズ)における相対ピッチ比をプロットした図である。すべてのサンプルで、意図したY方向のピッチばらつきが実現されている。これらのサンプルを用いて拡散特性を測定する。 Figure 15 plots the relative pitch ratios of approximately 40 rows (approximately 40 aspherical lenses lined up in the Y direction) of the five types of samples fabricated. The intended pitch variation in the Y direction was achieved in all samples. Diffusion characteristics were measured using these samples.
図16Aは、5種類のサンプルの拡散特性の実測結果を示す。図16Bは、図11のシミュレーション結果から図16Aに対応するピッチばらつきa、b、c、e、gを取り出した図である。図16Aの実測結果を、図16Bのシミュレーション結果と比較すると、全体の拡散プロファイルの傾向は同じである。図16Aでは、測定分解能の観点から図16Bと比較して、カットオフ帯域を正確に算出できないため、ピッチばらつきによるカットオフ特性の有意差が上記の不確定さに埋もれる可能性が懸念される。そこで、新たにカットオフ特性の指標として、所定の相対強度および拡散角度の最近似値を用いて、公平に比較可能な傾き(スロープ)[deg/a.u.]を導入する。 Figure 16A shows the measured diffusion characteristics of five samples. Figure 16B shows the pitch variations a, b, c, e, and g corresponding to Figure 16A extracted from the simulation results of Figure 11. When comparing the measured results of Figure 16A with the simulation results of Figure 16B, the overall diffusion profile trends are the same. In Figure 16A, the cutoff band cannot be calculated as accurately as in Figure 16B due to measurement resolution, and there is a concern that significant differences in cutoff characteristics due to pitch variations may be hidden by the above-mentioned uncertainty. Therefore, a new index of cutoff characteristics, a slope [deg/a.u.] that allows for fair comparisons, is introduced using the closest approximation of a specified relative intensity and diffusion angle.
図17は、図16Aの拡散特性の拡散角度-28°から-17°までの領域を拡大した図である。5つのサンプルの実測結果のそれぞれについて、スロープを決定する。 Figure 17 is an enlarged view of the diffusion characteristics in Figure 16A, covering the diffusion angle range from -28° to -17°. The slope is determined for each of the measured results for the five samples.
図18は、スロープの決め方を説明する図である。拡散角度-10°から+10°の角度範囲での強度(光量)の平均を1に正規化する。拡散プロファイルのマイナス側とプラス側で、相対強度が0.2と0.8の最近似値の点を結び、その直線の傾きを求める。求めた2つの傾きの絶対値のうち、小さい方をスロープとする。 Figure 18 is a diagram explaining how to determine the slope. The average intensity (light amount) within the diffusion angle range of -10° to +10° is normalized to 1. On the negative and positive sides of the diffusion profile, the points with the closest relative intensity values of 0.2 and 0.8 are connected, and the slope of the line is found. The smaller of the absolute values of the two found slopes is taken as the slope.
図19は、図17のサンプルa、b、c、e、gの拡散特性の解析結果を示す。各サンプルについて、拡散特性の実測値から、
相対強度0.2の最近似値(1)、
最近似値(1)での拡散角度、
相対強度0.8の最近似値(2)、
最近似値(2)での拡散角度、
を特定する。スロープは、相対強度0.2と0.8の最近似値の差を、それぞれの最近似値での拡散角度の差で除算した値である。
FIG. 19 shows the analysis results of the diffusion characteristics of samples a, b, c, e, and g in FIG. 17. From the measured values of the diffusion characteristics of each sample,
The closest relative intensity of 0.2 (1),
The diffusion angle at the closest value (1),
The closest relative intensity of 0.8 (2),
The diffusion angle at the closest value (2),
The slope is the difference between the closest relative intensities of 0.2 and 0.8 divided by the difference in the diffusion angle at each closest value.
面内のピッチばらつきが0.0%のときと、5.0%のときで、有意な差異はない。ピッチばらつきが7.5%を超えると、カットオフ帯域が増大し、スロープが小さくなり、カットオフ特性が明らかに悪化する。ここから、拡散プロフィールのスロープを0.139よりも大きく(たとえば、0.14以上に)するためには、面内のピッチばらつきを7.5%未満に抑えることが望ましい。 There is no significant difference between when the in-plane pitch variation is 0.0% and when it is 5.0%. When the pitch variation exceeds 7.5%, the cutoff band increases, the slope decreases, and the cutoff characteristics clearly deteriorate. Therefore, in order to make the slope of the diffusion profile greater than 0.139 (for example, 0.14 or greater), it is desirable to keep the in-plane pitch variation below 7.5%.
このように、実測データに基づいても、面内のピッチばらつきは7.5%未満が好ましく、5.0%以下がより好ましいことが確認される。この結果は図12のシミュレーション結果と一致している。 As such, based on actual measurement data, it is confirmed that in-plane pitch variation of less than 7.5% is preferable, and 5.0% or less is even more preferable. This result is consistent with the simulation results in Figure 12.
図11から図19では、マイクロレンズアレイ10のY方向に着目して検討したが、X方向についても同じ結果が得られ、Y方向と同様のカットオフ特性が得られる。マイクロレンズアレイ10では、X方向、Y方向ともに、両端25%を除いた領域の全ピッチの平均に対するピッチばらつき(σP)を7.5%未満とすることで、適切なカットオフ特性が得られる。光を矩形領域に拡散する場合に、滲みの少ない投影像が得られる。 11 to 19, the microlens array 10 is examined in the Y direction, but the same results are obtained in the X direction, and cutoff characteristics similar to those in the Y direction are obtained. In the microlens array 10, appropriate cutoff characteristics can be obtained by setting the pitch variation (σ P ) relative to the average of the entire pitch in the area excluding 25% at both ends to less than 7.5% in both the X and Y directions. When light is diffused over a rectangular area, a projected image with little blur is obtained.
先に述べたように、マイクロレンズアレイ10では、非球面レンズ13の深さまたは高さ位置を十分にばらつかせている。深さまたは高さ方向のばらつきに加えて、面内で非球面レンズ13の所定の領域(両端25%を除いた領域)の全ピッチの平均に対するピッチばらつきを7.5%未満に抑えることで、回折輝点を抑制し、かつ良好なカットオフ特性を有するマイクロレンズアレイ10が実現される。 As mentioned above, the microlens array 10 has sufficient variation in the depth or height of the aspherical lenses 13. In addition to the variation in the depth or height direction, the pitch variation relative to the average pitch of a specified area of the aspherical lenses 13 within the plane (area excluding 25% at both ends) is kept to less than 7.5%, thereby suppressing diffraction bright spots and achieving a microlens array 10 with good cutoff characteristics.
<マイクロレンズアレイの適用例>
図20は、実施形態のマイクロレンズアレイ10を適用した投影装置20の模式図である。投影装置20は、光源21、レンズ22、及び、マイクロレンズアレイ10を含む。光源21は、たとえば発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)である。光源21から出射された光は、レンズ22で平行光にコリメートされて、マイクロレンズアレイ10に入射する。マイクロレンズアレイ10は、凹面の非球面レンズ13の配列が形成された第1の面101が光入射側となるように配置されている。この例では、マイクロレンズアレイ10は拡散板として用いられる。
<Application examples of microlens arrays>
20 is a schematic diagram of a projection device 20 to which the microlens array 10 of the embodiment is applied. The projection device 20 includes a light source 21, a lens 22, and a microlens array 10. The light source 21 is, for example, a light-emitting diode (LED). Light emitted from the light source 21 is collimated by the lens 22 to parallel light and then enters the microlens array 10. The microlens array 10 is arranged so that a first surface 101 on which an array of concave aspherical lenses 13 is formed faces the light incident side. In this example, the microlens array 10 is used as a diffuser.
マイクロレンズアレイ10は、入射した平行光をX方向とY方向に所定のFOVで拡散して、スクリーン25上に投影する。光源としてLEDに替えてレーザ光源を用いる場合は、コリメート用のレンズ22を省略してもよい。カラー投影像を得る場合は、赤色光源、緑色光源、青色光源のそれぞれにマイクロレンズアレイ10を配置し、各マイクロレンズアレイ10からの出射光をプリズム等で合成して、スクリーン25に投影してもよい。 The microlens array 10 diffuses the incident parallel light in the X and Y directions over a predetermined FOV and projects it onto the screen 25. If a laser light source is used instead of an LED as the light source, the collimating lens 22 may be omitted. To obtain a color projection image, a microlens array 10 may be arranged for each of the red, green, and blue light sources, and the light emitted from each microlens array 10 may be combined using a prism or the like and projected onto the screen 25.
マイクロレンズアレイ10では、第1の面101に形成された複数の非球面レンズ13(図2参照)の中心位置が、第1の面101と直交する方向(Z方向)でばらつき、第1の面101の面内(X-Y面)では、ほぼ規則的に配置されている。非球面レンズ13の第1の面101の面内の両端25%を除く領域で、ピッチばらつきは7.5%未満、より好ましくは5.0%以下に抑制されているので、拡散プロファイルが急峻で、滲みの少ない投影像が得られる。また、非球面レンズ13のZ方向のばらつきにより、回折輝点が抑制されて、均一な強度分布が得られる。 In the microlens array 10, the center positions of the multiple aspherical lenses 13 (see Figure 2) formed on the first surface 101 vary in the direction perpendicular to the first surface 101 (Z direction), but are arranged in a generally regular pattern within the plane of the first surface 101 (X-Y plane). In the area excluding the two 25% of the aspherical lenses 13 on the first surface 101, pitch variation is suppressed to less than 7.5%, and more preferably 5.0% or less, resulting in a projected image with a steep diffusion profile and minimal blurring. Furthermore, the variation in the Z direction of the aspherical lenses 13 suppresses diffracted bright spots, resulting in a uniform intensity distribution.
以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。マイクロレンズアレイ10の各非球面レンズ13を、放物面を有する凸レンズとして形成してもよい。この場合、凸レンズの頂点位置をばらつかせ、面内のピッチばらつきを7.5%未満に抑制する。凸状の非球面レンズ13の配列を含むマイクロレンズアレイは、実施形態で作製したマイクロレンズアレイ10を金型として用いて、樹脂等で作製されてもよい。 The present invention has been described above based on specific configuration examples, but the present invention is not limited to the above configuration examples. Each aspherical lens 13 of the microlens array 10 may be formed as a convex lens with a parabolic surface. In this case, the apex positions of the convex lenses are varied to suppress in-plane pitch variation to less than 7.5%. A microlens array including an arrangement of convex aspherical lenses 13 may be made of resin or the like using the microlens array 10 produced in the embodiment as a mold.
実施形態のマイクロレンズアレイ10は、投影装置だけではなく、照明装置、撮像システム等にも適用可能である。面内での非球面レンズのピッチばらつきを抑制したまま、ピッチ自体をチューニングすることで波長選択性をもたせてもよい。この場合、特定波長の光を拡散することができるので、カラー投影装置への応用に適している。 The microlens array 10 of this embodiment can be applied not only to projection devices, but also to lighting devices, imaging systems, etc. Wavelength selectivity can be achieved by tuning the pitch itself while suppressing pitch variation of the aspherical lenses within the plane. In this case, light of a specific wavelength can be diffused, making it suitable for application to color projection devices.
10、10A マイクロレンズアレイ
11 基材
13 非球面レンズ
14 中心
20 投影装置
21 光源
22 レンズ
25 スクリーン
101 第1の面
10, 10A Microlens array 11 Substrate 13 Aspherical lens 14 Center 20 Projection device 21 Light source 22 Lens 25 Screen 101 First surface
Claims (9)
前記ガラス基板の第1の面に形成された複数の非球面レンズとを有するマイクロレンズアレイであって、
前記非球面レンズの中心は前記第1の面と直交する方向で2以上の異なる位置にあり、
前記複数の非球面レンズは、コーニック係数及び/又は曲率半径が異なる複数の非球面レンズを含み、
前記第1の面と直交する方向での前記非球面レンズの中心位置が正規分布に従うときの深さばらつきσの値を平均値μで除算した値σ/μは0.068以上、0.200未満であり、
前記第1の面の面内で、任意の一次元方向に配列される前記非球面レンズの両端から合計で25%を除いた領域の全ピッチの平均を1としたとき、相対ピッチ比の取り得る最大差分の絶対値σpが0.075未満であり、
光学測定において得られる拡散パターンを103mm離れたスクリーンで観察するものとし、測定最小分解能を0.5μm、測定光を波長940nmの平行光とし、ビーム直径を3mmとしたとき、前記マイクロレンズアレイの拡散光の拡散角度が-10度から+10度の範囲の平均光量を1に正規化し、拡散角度の関数として相対強度をプロットしたときに、前記相対強度の値が0.5以上となる角度範囲での最大相対強度が1.0以上1.2以下である、
マイクロレンズアレイ。 A glass substrate that is transparent to the wavelength used,
a microlens array having a plurality of aspherical lenses formed on the first surface of the glass substrate,
the center of the aspherical lens is at two or more different positions in a direction perpendicular to the first surface,
the plurality of aspherical lenses include a plurality of aspherical lenses having different conic coefficients and/or different radii of curvature;
a value σ/μ obtained by dividing the value of the depth variation σ by an average value μ when the center positions of the aspherical lens in a direction orthogonal to the first surface follow a normal distribution is 0.068 or more and less than 0.200,
an absolute value σp of the maximum possible difference in relative pitch ratio is less than 0.075 when the average of all pitches in a region excluding a total of 25% from both ends of the aspherical lenses arranged in an arbitrary one-dimensional direction within the first surface is set to 1;
The diffusion pattern obtained in the optical measurement is observed on a screen 103 mm away, the minimum measurement resolution is 0.5 μm, the measurement light is parallel light with a wavelength of 940 nm, and the beam diameter is 3 mm. When the average light amount in the diffusion angle range of −10 degrees to +10 degrees of the diffused light of the microlens array is normalized to 1 and the relative intensity is plotted as a function of the diffusion angle, the maximum relative intensity in the angle range where the value of the relative intensity is 0.5 or more is 1.0 or more and 1.2 or less.
Microlens array.
前記絶対値σpは、前記第1の面の面内で互いに直交する第1方向と第2方向のそれぞれで0.075未満である、
請求項1に記載のマイクロレンズアレイ。 the aspherical lenses are arranged in a square lattice;
the absolute value σp is less than 0.075 in each of a first direction and a second direction that are orthogonal to each other within the plane of the first surface;
The microlens array of claim 1 .
請求項1または2に記載のマイクロレンズアレイ。 The absolute value σp is 0.05 or less.
The microlens array according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ。 The depth variation σ is equal to or greater than 2.40 μm and less than 6.00 μm.
The microlens array according to claim 1 .
請求項1から4のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ。 the slope between the relative intensity values of 0.2 and 0.8 is 0.14 or greater;
The microlens array according to claim 1 .
請求項1から5のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイ。 the aspherical lenses provided on the first surface are continuous with each other without any flat surface between adjacent aspherical lenses;
The microlens array according to claim 1 .
前記光源の出射側に設けられる請求項1から6のいずれか1項に記載のマイクロレンズアレイと、を有し、
前記マイクロレンズアレイは前記光源の出射光を拡散して投影する投影装置。 A light source and
the microlens array according to claim 1 provided on the output side of the light source;
The microlens array is a projection device that diffuses and projects the light emitted from the light source.
請求項8に記載の投影装置。 The aspherical lens is a concave lens, and the microlens array is disposed with the first surface facing the light source.
9. The projection device according to claim 8 .
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021121012A JP7823327B2 (en) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection device |
| CN202210819691.2A CN115685413A (en) | 2021-07-21 | 2022-07-13 | Microlens array and projection device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021121012A JP7823327B2 (en) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection device |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023016588A JP2023016588A (en) | 2023-02-02 |
| JP2023016588A5 JP2023016588A5 (en) | 2023-12-18 |
| JP7823327B2 true JP7823327B2 (en) | 2026-03-04 |
Family
ID=85060641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021121012A Active JP7823327B2 (en) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection device |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7823327B2 (en) |
| CN (1) | CN115685413A (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014104106A1 (en) | 2012-12-28 | 2014-07-03 | 旭硝子株式会社 | Optical element, projection device, and manufacturing method for optical element |
| WO2016051766A1 (en) | 2014-09-30 | 2016-04-07 | 株式会社クラレ | Diffusing plate and method for producing diffusing plate |
| WO2016143350A1 (en) | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
| JP2017009669A (en) | 2015-06-17 | 2017-01-12 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
| WO2020153319A1 (en) | 2019-01-25 | 2020-07-30 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
| JP2020149032A (en) | 2018-10-05 | 2020-09-17 | 株式会社リコー | Optics, display devices, display systems and moving objects |
-
2021
- 2021-07-21 JP JP2021121012A patent/JP7823327B2/en active Active
-
2022
- 2022-07-13 CN CN202210819691.2A patent/CN115685413A/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014104106A1 (en) | 2012-12-28 | 2014-07-03 | 旭硝子株式会社 | Optical element, projection device, and manufacturing method for optical element |
| WO2016051766A1 (en) | 2014-09-30 | 2016-04-07 | 株式会社クラレ | Diffusing plate and method for producing diffusing plate |
| WO2016143350A1 (en) | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
| JP2017009669A (en) | 2015-06-17 | 2017-01-12 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
| JP2020149032A (en) | 2018-10-05 | 2020-09-17 | 株式会社リコー | Optics, display devices, display systems and moving objects |
| WO2020153319A1 (en) | 2019-01-25 | 2020-07-30 | 株式会社クラレ | Diffusion plate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023016588A (en) | 2023-02-02 |
| CN115685413A (en) | 2023-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102439748B1 (en) | Optical elements and optical systems | |
| US10684404B2 (en) | Diffraction grating-based backlighting having controlled diffractive coupling efficiency | |
| JP6424418B2 (en) | Optical element, projection device, measurement device, and manufacturing method | |
| KR100997608B1 (en) | Manufacturing method of structural screen for controlling light emission | |
| KR101945661B1 (en) | Diffusion plate | |
| JP6922067B2 (en) | Multi-beam element-based backlight with microlens and display using it | |
| CN106461815A (en) | Microlens array and optics containing microlens array | |
| CN110418986B (en) | Diffractive optical element | |
| KR102702491B1 (en) | Multi-view backlight, display and method having multi-beam elements inside a light guide body | |
| JP2019139163A (en) | Diffusion plate, method for designing diffusion plate, display device, projection device, and illumination device | |
| KR20150122169A (en) | Electromagnetic radiation-scattering element | |
| JP7476933B2 (en) | Diffractive Optical Element | |
| WO2019146545A1 (en) | Diffusion plate and optical device | |
| JP2021536588A (en) | Multi-view display, system, and method with user tracking | |
| KR20210118868A (en) | diffuser plate | |
| JP7823327B2 (en) | Microlens array, diffuser plate for projection device, and projection device | |
| JP5210709B2 (en) | Light source unit | |
| US10393927B2 (en) | Diffuser and method for manufacturing the same | |
| KR102159203B1 (en) | Microlenses Array For Beam Shaping And Homogenization | |
| WO2024128049A1 (en) | Micro lens array and projecting device | |
| JP6946632B2 (en) | Diffractive optical element, set member of diffractive optical element and holder, light irradiation device | |
| HK1241984A1 (en) | Diffraction grating-based backlighting having controlled diffractive coupling efficiency |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231208 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240209 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20241125 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20241203 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20241216 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250116 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250408 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250521 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20250428 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250902 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20251003 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20260120 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20260202 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7823327 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |