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TWI764897B - 擴散板及投影式投影裝置 - Google Patents

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TWI764897B
TWI764897B TW106113941A TW106113941A TWI764897B TW I764897 B TWI764897 B TW I764897B TW 106113941 A TW106113941 A TW 106113941A TW 106113941 A TW106113941 A TW 106113941A TW I764897 B TWI764897 B TW I764897B
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diffuser plate
microlens
microlenses
angle modulation
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內田厚
唐井賢
石田浩司
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日商可樂麗股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種在圖像投影之際可獲得優良外觀品級的擴散板，其為具備設於光射入面及光射出面之至少一方的微透鏡角度調變分布群的透射型擴散板(10)。微透鏡角度調變分布群(2)具備：複數片微透鏡(3)；及角度調變部(4)，具有使分別從複數片微透鏡(3)射出的主要光之方向作微小角度調變的角度調變分布。主要光的波長λ[μm]和微透鏡(3)的平均排列周期P[μm]的比λ/P設為θ[rad]，分別從複數片微透鏡(3)射出的主要光的方向以調變角度α[rad]進行調變時，調變角度α和θ的比α/θ符合0.1<α/θ<10.0的條件。

Description

擴散板及投影式投影裝置
本發明係關於擴散板及投影式投影裝置
使用微透鏡陣列的擴散板係作為抬頭顯示器(head up display)或雷射投影機等的螢幕(screen)來運用。使用微透鏡陣列的情況中，相較於使用半乳白板或毛玻璃等擴散板的情況，有可抑制雷射光的光譜雜訊的優點。
專利文獻1中揭露有一種圖像形成裝置，其具有：以雷射光為光源，藉以將複數個畫素排列形成的影像進行投影的雷射投影機；及使用排列有複數片微透鏡的微透鏡陣列的擴散板。使用微透鏡陣列時，可使射入光作適當擴散，並且所需的擴散角可自由設計。
專利文獻2及3以及非專利文獻1中則揭載有使用2片微透鏡陣列的螢幕。只使用1片微透鏡陣列的情形中，容易發生亮度不均或顏色不均。專利文獻2及3以及非專利文獻1中記載藉由使用2片微透鏡陣列，即可抑制這種亮度不均的發生。
此外，專利文獻3中則記載藉由具不同特性的 微透鏡排列所成的1片微透鏡陣列，即可抑制因周期構造所產生的繞射光及肇因於干渉光而發生的亮度不均。
專利文獻4則記載藉由在微透鏡設置具有垂直側面的活塞形(隆起部)，或依照預定的機率密度函數使定義微細構造之形狀或位置的參數之至少一者實施無規分布，以改善導因於微細構造周期性的繞射點所產生的亮度不均或顏色不均的方法。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2010-145745號公報
[專利文獻2]日本特開2012-226300號公報
[專利文獻3]日本特表2007-523369號公報
[專利文獻4]日本特表2004-505306號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]H. Urey and K. D. Powell, “Microlens-array-based exit-pupil expander for full-color displays”, APPLIED OPTICS Vol.44, No.23, p.4930-4936
專利文獻3未記載可抑制發生亮度不均的微透鏡具體形狀或排列。而且，為了使顏色不均或亮度不均得以均一化，而對例如微透鏡的曲率及配置位置等複數個參數同時加入無規分布時，則在擴散板使用作螢幕 時，會有例如在圖像投影之際產生的粒狀感增強等畫質劣化的問題。
專利文獻4中，係藉由將複數片微透鏡以自基板主面起算高度不同的活塞形狀隆起，對複數片微透鏡賦予各自不同的相位差，以抑制繞射光及干渉光的發生。然後，藉由使用帶有複數個曲率半徑的微透鏡，在擴散板整體上可獲得均勻的擴散特性。但，將其使用作螢幕時，例如，在圖像投影之際，會有所謂粒狀感增強等圖像外觀品級劣化的問題。
本發明旨在提供圖像投影之際可獲得良好外觀品級的擴散板。
本發明的透射型擴散板係為具備基板的透射型擴散板，該基板具有供光線射入的光射入面、及供射入的前述光穿透後射出的光射出面，且具備設於前述光射入面及前述光射出面之至少一方的微透鏡角度調變分布群，前述微透鏡角度調變分布群具備：複數片微透鏡；及角度調變部，具有將分別自前述複數片微透鏡射出的主要光之方向施以微小角度調變的角度調變分布，前述主要光的波長λ[μm]與前述微透鏡的平均排列周期P[μm]之比λ/P設為θ[rad]，前述複數片微透鏡所分別射出的主要光之方向以調變角度α[rad]進行調變時，前述調變角度α與前述θ之比α/θ符合 0.1<α/θ<10.0的條件。
再者，前述微透鏡角度調變分布群也可以周期性反復的預定型態設於前述基板。
此外，前述微透鏡的底面形狀為四角形，前述微透鏡角度調變分布群中，前述複數片前述微透鏡也可配置成行數n1、列數n2的行列，而行數n1及列數n2為2至9的自然數。
而且，2種以上前述微透鏡角度調變分布群也可以周期性反復的預定型態設在前述基板。
又，2種以上前述微透鏡角度調變分布群也可無規分布、或依據密度函數分布。
又，前述比α/θ也可無規分布、或依據密度函數分布。
此外，前述微透鏡角度調變分布群也可具備2種以上微透鏡。
此外，自擴散板觀看的投影側瞳孔徑設為θi[rad]時，前述θ也可符合0.1×θi≦θ≦4×θi的條件。
而且，本發明的投影式投影裝置係使用這種擴散板。
再者，本發明的反射型擴散板係為具備基板的反射型擴散板， 具備設於前述基板主面之至少一方的微鏡角度調變分布群， 前述微鏡角度調變分布群具備：複數個微鏡；及角度調變部，具有使分別反射自前述複數個微鏡的主要光 的方向作微小角度調變的角度調變分布，前述微鏡具有和凸透鏡或凹透鏡相同的形狀，前述主要光的波長λ[μm]與前述微鏡的平均排列周期P[μm]之比λ/P設為θ[rad]，前述複數個微鏡分別射出的主要光的方向以調變角度α[rad]進行調變時，前述調變角度α與前述θ之比α/θ符合0.025<α/θ<2.5的條件。
若依本發明，可提供在圖像投影之際能夠獲得良好外觀品級的擴散板。
1‧‧‧基板
2‧‧‧(微透鏡)角度調變分布群
3‧‧‧微透鏡
4‧‧‧角度調變部
10‧‧‧擴散板
31‧‧‧微透鏡底面
L‧‧‧光
P‧‧‧預定節距
S0‧‧‧基板主面
S1‧‧‧基板主面
圖1A為實施形態1之擴散板的俯視圖。
圖1B為實施形態1之擴散板的剖面圖。
圖2為和實施形態1之擴散板的主面垂直之剖面的剖面輪廓具體例圖。
圖3為實施形態1之擴散板的具體例的微透鏡陣列高度分布圖。
圖4為實施形態1之擴散板的製造方法流程圖。
圖5為實施形態1之微透鏡陣列的設計步驟流程圖。
圖6為實施形態1之複數片基準微透鏡的剖面輪廓圖。
圖7為實施形態1之擴散板的角度調變部具體例的高度分布圖。
圖8為實施形態1之擴散板的模具製造步驟流程圖。
圖9為實施例1之擴散板的製造用壓模的雷射顯微鏡觀察像圖。
圖10為實施例1之擴散板的製造用壓模之微透鏡陣列形狀部中心的橫切剖面輪廓。
圖11為實施形態1之擴散板的角度調變部的其他具體例高度分布圖。
圖12為投影在實施例1之擴散板的圖像。
圖13為圖12所示實施例1之擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
圖14為投影在實施例2之擴散板的圖像。
圖15為圖14所示擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
圖16為投影在比較例1之擴散板的圖像。
圖17為圖16所示比較例1之擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
圖18為投影在比較例2之擴散板的圖像。
圖19為圖18所示比較例2之擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
[實施發明之形態] [實施形態1]
茲參照圖式就實施形態1之擴散板加以說明。
(擴散板的形狀)
圖1A為實施形態1之擴散板的俯視圖。圖1B為實施形態1之擴散板的剖面圖。圖1B中，為了容易觀看起見， 剖面線已予省略。如圖1A及圖1B所示，擴散板10包含：具有主面S0、S1的基板1；及角度調變分布群2(亦稱為微透鏡角度調變分布群)。角度調變分布群2具備：複數片微透鏡3，分別供依據角度調變分布而具有不同光軸的主要光發射；及角度調變部4。基板1的主面S1以格子狀排列有角度調變分布群2，意即，複數片微透鏡3與角度調變部4係形成一組作為微透鏡陣列。角度調變部4為例如四角錐體或四角錐台，複數片微透鏡3係分別由角度調變部4的複數個角錐面所支持。此處，例如，光L係朝擴散板10之基板1的主面S0射入。接著，光L會穿過基板1，並到達角度調變分布群2。然後，光L會穿過角度調變分布群2的角度調變部4及微透鏡3，從微透鏡3射出。相對於朝擴散板10的基板1之主面S0射入的光L之方向，該射出的主要光的方向係經調變角度α進行調變。換言，來自射出光L的主要光的光軸、和朝擴散板10的基板1之主面S0射入的光L之光軸係呈交叉，其角度即為調變角度α。此處，主面S0係為光射入面之一例，微透鏡3的表面則為光射出面之一例。
另外，也可使光L朝擴散板10的基板1之主面S1側射入，穿透後，再從主面S0射出。再者，擴散板10亦可為供光穿透的透射型擴散板，也可為會反射光線的反射型擴散板。
如圖1B所示，和基板1之主面S1垂直的剖面中，複數片微透鏡3的底面31係對主面S1稍微傾斜。底面31彼此互相傾斜的相鄰微透鏡3彼此間係以周期性反復 的方式配置在基板1的主面S1上。具體而言，這種相鄰的微透鏡3彼此間係以預定節距P(也稱為平均排列周期P)排列在主面S1上。預定節距P可使用相鄰微透鏡3彼此間的各中心間距離。依此方式，各個微透鏡3的透鏡參數，除了基本的微透鏡形狀具有的成分外，還具有角度調變成分。
另外，擴散板10也可組裝於投影式投影裝置。投影式投影裝置(圖示略)具備：擴散板10、及將投影光投射到擴散板10的投影裝置。
(擴散板的具體例)
圖2係顯示和實施形態1之擴散板具體例的主面垂直之剖面的剖面輪廓。圖2中，顯示了擴散板10的角度調變分布群2、及相當於各個主面S1的位置、高度。圖2的縱軸係顯示該擴散板具體例的基板中，自和擴散板10之基板1的預定部位相當的部位起算的高度。具體而言，相當於主面S1的主面高度設為大約0.7[μm]。
圖3係顯示實施形態1之擴散板具體例的微透鏡陣列的高度分布圖。該微透鏡陣列為正方形板，其一邊長度為44μm。該微透鏡陣列為包含角度調變成分的微透鏡可周期性反復的基本單位具體例。此處，角度調變係以和微透鏡相同的節距P來設定，在X方向及Y方向中各自具有傾斜，此處為2×2，意即，以縱2行橫2列合計4種微小傾斜構成的組合作為角度調變分布群。微透鏡陣列中，其係依周期性反復的方式以預定型態排列在基板上。擴散板10之基板1的主面S1上，填滿了具角度調變成 分的微透鏡。圖3的縱軸及橫軸係表示主面S1上的座標，自主面S1起算的高度則以濃淡差異來顯現。圖3中，顏色越濃越接近主面S1，顏色越薄則距主面S1的高度越大。如圖3所示，複數片微透鏡以格子狀配置在主面S1上為佳。
圖3所示的剖面輪廓具體例的擴散板中，角度調變分布群係為按照1個角度調變分布配置的微透鏡反復單位，具體而言，係為2個×2個，換言之，縱2行橫2列的組合。另外，角度調變分布群並非限定於此一組合。例如，也可為3個×3個，換言之，縱3行橫3列的組合。此外，只要是(2至9)個×(2至9)個，換言之，縱2至9行、橫2至9列的組合皆可。亦即，複數片微透鏡係以行數n1、列數n2的行列配置於基板上，而行數n1、及列數n2只要是2至9的自然數即可。此外，也可為10個以上×10個以上的組合。此外，圖3中，係將微透鏡配置成格子狀，但格子狀配置並非限定於矩形格子，也可用正方格子、正三角格子、斜方格子、平行體格子等。而且，複數片微透鏡的底面形狀也不限定於正方形或長方形之類的矩形，也可為四角形、六角形、其他多角形。在此情況中，關於角度調變分布的組合，只要是令單位構造作周期性反復，使其配置填滿即可。此外，複數片微透鏡以周期性排列於主面S1上為佳。
(製造方法)
接著，參照圖4，就實施形態1之擴散板的製造方法加以說明。圖4為實施形態1之擴散板的製造方法流程圖。擴散板10的製造方法具備：能展現所期望之光擴散特 性的微透鏡陣列的設計步驟(ST100)；製作其微透鏡陣列之模具的步驟(ST200)；及使用模具將微透鏡陣列的形狀轉印在樹脂上的步驟(ST300)。
(透射型擴散板的製造方法)
此處，係以擴散板10為透射型擴散板的情形為例依序說明各步驟。
(微透鏡陣列設計步驟S100)
如圖4及圖5所示，微透鏡陣列設計步驟S100中，係將作為基準的基準微透鏡30的形狀(參照圖6)、及角度調變分布(參照圖7)分開來設計。圖5為實施形態1之微透鏡陣列設計步驟的流程圖。
首先，決定擴散板10所用材料的光學物性(特別是折射率)、使用波長、及所需的擴散特性樣式(ST110)。
接著，進行基準微透鏡30的形狀設計(ST120)。基準微透鏡30的形狀可為球面或是非球面，只要能符合所要求的擴散特性樣式的形狀即可。使用於擴散板10之設計的基準微透鏡30之種類雖不拘，但在符合所需特性的範圍內，以較少種類設定為佳。此處，圖6為實施形態1之複數片基準微透鏡的X方向剖面輪廓圖。具體而言，圖6係顯示具單一曲率的球面透鏡排列所成的微透鏡陣列在X方向的剖面輪廓作為基準微透鏡30的形狀例。圖6中顯示了和基準微透鏡30之支持基板1(圖示略)的主面S1相當的位置。
擴散板10中，因可以儘量高的密度充填複數 片微透鏡3，故基準微透鏡30之底面形狀以可實施正方形、長方形或正六角形之最密充填者為佳。但，擴散板10的光學特性希望具有各向異性的情況中則不受此限，基準微透鏡30的底面形狀及高寬比也可任意設定。
接著，決定基準微透鏡30的配置(ST130)。具體而言，係決定主面S1上之單位區域的基準微透鏡30之配置型態或節距P。此處，應用於投影式投影裝置的擴散板中，節距P為重要的設計要素，以自擴散板觀看的投影側瞳孔徑來設定節距P為佳。具體而言，投影側為投影式投影裝置所具備的投影裝置側。
擴散板的微透鏡節距設為P、波長設為λ時，穿過擴散板之光線中，屬於繞射光之間隔的繞射光間隔△d為近似λ/P的值。擴散板之繞射光間隔△d不在自擴散板觀看的投影側瞳孔徑θi的相同程度之下，意即，大幅超過自擴散板觀看的投影側瞳孔徑θi時，因繞射光會更明顯地被辨識出來，故影像品級會顯著降低。因此，擴散板的繞射光間隔△d較佳為4×θi以下0.1×θi以上。意即，擴散板的繞射光間隔△d、波長λ、擴散板的微透鏡節距P、自擴散板觀看的投影側瞳孔徑θi的關係可用以下的關係式1及2來表示。
△d≒θ=λ/P (關係式1)
0.1×θi≦θ≦4×θi (關係式2)
例如，使用θi=3.3[deg]的投影式投影裝置的情況中，若設定λ=630nm、P=22μm，透過使用關係式1，繞射光間隔△d大約近似於1.6[deg]，約為0.5×θi，因其符合關係 式2，故甚理想。而且，如圖3所示，基準微透鏡30以格子狀配置於主面S1上為佳。
再返回圖5，繼續就擴散板10之設計程序的微透鏡陣列設計步驟(ST100)進行說明。ST130實施後，進行使基準微透鏡30對基板1之主面S1以微小角度傾斜的角度調變部4之設計(ST140)。擴散板10中，使微透鏡的每個節距P具有微小的傾斜，該傾斜則藉透鏡節距P或投影側瞳孔徑θi來決定。微小傾斜量係使用上述關係式1，從微透鏡陣列之節距P算出的繞射光間隔△d來決定。若假設λ=630nm、P=22μm，繞射光間隔△d大約為1.6[deg]。
此處，若針對角度調變分布群內具有不同微小傾斜量的部位數所產生的影響來說，在如圖7所示的微透鏡3(參照圖1B)以2×2、橫2行縱2列配置在角度調變部4(參照圖1B)所成的四角錐型角度調變分布群(亦稱為角錐式角度調變分布群)中，可將各個繞射點分離成4個。圖7即為實施形態1之擴散板的一個角度調變部具體例的高度分布圖。
再者，如圖11所示，將微透鏡3(參照圖1B)以3×3、橫3行縱3列配置在角度調變部4(參照圖1B)，即可在四角錐台型角度調變分布群中將繞射點分離成9個。圖11為實施形態1之擴散板的一個其他角度調變部具體例的高度分布圖。雖可按照角度調變分布群內具有不同微小傾斜量的部位增加數將繞射點分離，但因若比擴散板上的投影裝置之畫素規格還大，則效果會減小，故通常基本的角度調變分布群大小以畫素規格的2倍以下為 佳。此外，假設畫素規格為100μm左右，微透鏡的節距在11μm左右，則9×9、橫9行縱9列程度的角度調變分布群即相當於畫素規格，故在此一具體例中，將微透鏡3以9×9、橫9行縱9列配置在角度調變部4，角度調變分布群2就達最大程度，故以在此之下為佳。
此處，角度調變分布群2若是由相同單元反復排列在基板1上所形成，雖設計上很容易，可加以採用，但在擴散板的外觀上會呈顯影具有周期性型態的幾何學圖樣或類此圖案，而有引起外觀不良的可能性。因此，藉由將2種以上複數個角度調變分布群2以周期性反復方式配置、或者由2種以上角度調變分布群2呈無規分布、按照某種規則或密度函數排列，設計上雖較複雜，但可減輕周期性幾何學圖樣。
此外，容易產生周期性幾何學圖樣的投影裝置投影系統中，則不用角度調變分布群2，而是使該投影裝置投影系統所裝設的微透鏡具有微小傾斜，而該微透鏡射出的主要光方向則以預定的微透鏡調變角度α進行調變(參照圖1B)。換言之，微透鏡調變角度α係為主要光藉角度調變分布而彎曲的角度，用以決定要分離的繞射光間隔。微透鏡各自具有不同的微透鏡調變角度α。主要波長λ[μm]與微透鏡節距P[μm]之比為θ。這種透射型擴散板中，藉由將微透鏡調變角度α、主要波長λ、微透鏡節距P等各因子進行調整，使前述之比θ與微透鏡調變角度α之關係符合0.1<α/θ<10.0 (關係式3) ，即可使周期性幾何學圖樣減輕。
另外，擴散板10為反射型擴散板的情況中，藉由將微透鏡調變角度α、主要波長λ、微透鏡的節距P等各因子加以調整，使比值θ與微透鏡調變角度α之關係符合0.025<α/θ<2.5 (關係式4)
周期性幾何學圖樣即可減輕。
此處，提出微透鏡3以2×2、橫2行縱2列配置在角度調變部4的一個角度調變分布具體例，並針對角度調變分布的角度設計詳細說明。
微透鏡3的節距P為22μm，射入擴散板10之光的主要波長λ為630nm時，因繞射光間隔△d為約1.6deg，故繞射光分離一般在其以下即可，但更佳為其一半以下。
不過，在擴散板10的基準面(具體而言，為主面S0)有垂直射入的光。此時，角度調變分布的角度調變部4中，對基板1之主面S1傾斜的斜面角度若設為K(參照圖1B)、微透鏡3的折射率設為n時，通過角度調變部4的光會呈大致近似(n-1)×K[deg]的彎曲。意即，可和α≒(n-1)×K大致近似。因此，微透鏡3以2×2、橫2行縱2列配置在角度調變部4的角度調變分布中，一個繞射點係以±(n-1)×K[deg]的間隔分離。例如，若假設K=1.6[deg]，則可藉角度調變部4彎曲約0.8[deg]。
接著，產生角度調變分布群2的形狀資訊(ST150)。具體而言，藉由將圖7所示角度調變部4在XY平面上各位置的高度(Z方向的位置)、和圖6所示基準微透鏡30在XY平面上各位置的高度(Z方向的位置)加總，即 可算出圖1A、圖1B、及圖2所示角度調變分布群2的各位置高度。意即，ST150結束後，微透鏡陣列的複數片微透鏡3在高度方向(Z方向)的位置即為XY平面上各位置的角度調變部4之高度與基準微透鏡30之高度的合計位置。
擴散板10的光學特性可使用根據無向量理論(scalar theory)的波動光學計算方法來求得。包含具有最佳角度調變分布的角度調變部4及複數片微透鏡3的微透鏡陣列設計，會產生龐大的光學特性組合，故以使用電腦找出最佳組合為宜。
(具備微透鏡形狀之微鏡的反射型擴散板之製造方法的微透鏡陣列設計步驟S100)
接著，針對擴散板10為反射型擴散板，複數片微透鏡3具有凸透鏡形狀的情況進行考量。另外，反射型擴散板中，形成於表面的擴散型態因不穿透光線，嚴格來說並非透鏡，而是相當於鏡子，例如，稱作「微鏡」雖屬適當，但針對該具有透鏡狀凹凸形狀的鏡子，本說明書中係稱作「微透鏡」。反射型擴散板的情況中，相較於透射型，因有較能強烈展現微小角度調變分布效應的特徵，故在角度調變分布的設計上必須注意。此外，此處雖係考量有關複數片微透鏡3具有凸透鏡形狀的情況，但複數片微透鏡3也可具有凹透鏡形狀。
相對於上述的透射型擴散板製造方法中所揭示的透射型擴散板的設計例，在反射型中，則將角度調變部4中對基板1之主面S1傾斜的斜面角度設為K，藉該斜面角度，射入光可彎曲2×K[deg]。意即，因α≒2×K， 故可大致近似。至於繞射光間隔，因非依據透過或反射，故例如微透鏡陣列的繞射光間隔△d如為1.6[deg]，則斜面角度K只要設定在大約0.4[deg]，即可產生和上述透射型擴散板之製造方法中的設計例同等的效果。因而，反射型擴散板中，比θ和微透鏡調變角度α的關係只要符合0.025<α/θ<2.5的條件即可。
從設計數據來加工微透鏡陣列的方法可用機械加工、使用遮罩的光微影法、無遮罩微影法、蝕刻、雷射剝蝕等多種加工方法。藉由使用這些技術製造模具，並使用模具成形樹脂，即可獲得由微透鏡陣列構成的擴散板10。模具也可直接使用作為反射型擴散板。擴散板10的成形方法可自卷對卷(roll to roll)成形、熱壓成形、使用紫外線硬化性樹脂的成形、射出成形等為數眾多的成形方法中適當選用。使用作為反射型擴散板時，只要在微透鏡陣列中具曲率的透鏡面形成Al(鋁)等反射膜來使用即可。
(模具製造步驟ST200及樹脂成形步驟ST300)
其次，參照圖4及圖8，針對藉由雷射掃描型的無遮罩微影法及電鑄製作模具的模具製作步驟(ST200)、及藉由使用該模具及紫外線硬化性樹脂成形以形成擴散板10的樹脂成形步驟(ST300)作更詳細說明。圖8為實施形態1之擴散板的模具製造步驟流程圖。
無遮罩微影法的實施步驟包括：在基板上塗布光阻劑的阻劑塗布步驟(ST210)；在光阻劑實施微細圖案曝光的曝光步驟(ST220)；使曝光後的光阻劑顯影，以 獲得具有微細圖案之原版模的顯影步驟(ST230)。
首先，阻劑塗布步驟(ST210)中，係在基板上塗布正型光阻劑。光阻劑塗布膜的膜厚只要是想要形成的微細圖案高度以上的厚度即可。塗布膜以實施70℃至110℃的烘烤處理為佳。
接著，曝光步驟(ST220)中，係藉由對塗布步驟所塗布的光阻劑一面實施雷射光束掃描一面照射，使光阻劑曝光。雷射光束的波長只要按照光阻劑的種類來選定即可。例如，可選擇351nm、364nm、458nm、488nm(Ar+雷射振盪波長)、351nm、406nm、413nm(Kr+雷射振盪波長)、352nm、442nm(He-Cd雷射振盪波長)、355nm、473nm(半導體激發固體雷射的脈衝振盪波長)、375nm、405nm、445nm、488nm(半導體雷射)等。
微透鏡3的曝光步驟(ST220)中，係將雷射功率調變成自微透鏡3的形狀及阻劑敏感度決定的值，再使雷射光束在阻劑上掃描。藉由以物鏡施行聚光，使雷射光焦點凝聚在阻劑上。阻劑上的雷射光點，一般而言係為具有有限直徑的高斯分布。因此，即便雷射功率作階梯狀變化，曝光在阻劑上的光量分布也不會呈階梯狀，而是呈具一定傾斜的光量分布。藉由利用雷射曝光的這種性質，即可形塑成滑順的斜面形狀。
接著，顯影步驟(ST230)中，係使曝光後的光阻劑顯影。光阻劑的顯影可藉各種公知方法來實施。可使用的顯影液並無特別限制，可使用例如四甲基氫氧化銨(TMAH)等鹼性顯影液。再者，顯影步驟(ST230)中， 係依照曝光量而除去光阻劑，使光阻劑得以形成微細圖案形狀。例如，在曝光步驟(ST220)中，使用正型阻劑以對應凹透鏡形狀的雷射功率曝光時，即可獲得光阻劑上形成有凹透鏡形狀之微透鏡3的原版模。
其次，在電鑄步驟(ST240)中，係在在光阻劑表面上利用無遮罩微影法之曝光步驟及顯影步驟形成微細圖案，並藉鎳金屬蒸鍍等在光阻劑表面上形成金屬膜而製得模具。
然後，在電鑄步驟(ST240)中，首先，係在具有微細圖案的光阻劑表面藉鎳金屬蒸鍍等施以導電化處理。而且，藉電鑄使鎳呈板狀堆積在鎳蒸鍍膜表面直至所期望的厚度。
接下來，在剝離步驟(ST250)中，以電鑄步驟(ST240)形成的鎳板若從光阻劑原版模剝離時，即可獲得自光阻劑上的凹透鏡形狀翻印成凸透鏡形狀的模具(壓模)。若需要凹透鏡形狀時，只要再進行一次電鑄步驟即可。
繼之，樹脂成形步驟(ST300)中，係使用模具製造步驟(ST200)所形成的壓模進行樹脂的成形。
更具體而言，首先，在壓模表面塗布適量的例如光硬化樹脂。接著，將基材蓋在光硬化樹脂上。具體而言，係用手動輥(hand roller)將基材向光硬化樹脂推壓，同時一邊將多餘的光硬化樹脂刮掉，一邊將基材蓋在光硬化樹脂上。其次，從基材側照射紫外光，令光硬化樹脂硬化。另外，基材可使用可穿透紫外光等的材質 。然後，將基材從壓模剝離。從壓模剝離的基材上即已形成有光硬化樹脂層。然後，使壓模構造翻印在光硬化樹脂層以形成微透鏡陣列。藉以上步驟即可製得擴散板10。
(具備微透鏡形狀之微鏡的反射型擴散板的製造方法)
使用擴散板10作為反射型擴散板的情況中，係例如在形成有微透鏡陣列的構件表面上藉由真空蒸鍍鋁反射膜而形成微鏡。而且，只要光可射入微鏡的鋁面並使其反射即可。此外，微透鏡陣列只形成在基板單面之構件的情形中，也可設成光線從基板的平面側射入，且使光線在成膜有鋁反射膜的微透鏡陣列面進行反射的構成。該成膜有鋁反射膜的微透鏡陣列面也可稱為微鏡。
另一方面，擴散板10也有未形成反射膜的微透鏡陣列面、及形成有反射膜之平面的情形。在這種情況中，也可使光線射入未形成反射膜的微透鏡陣列面，再於形成有反射膜的平面側進行光反射。再者，擴散板10也有具備兩面均成形有微透鏡陣列之基板的情況。在此類情況中，其構成可採取在供光線射入的射入面側，將反射膜的膜厚調整而形成為半鏡(half mirror)，而在射入面的背面側，反射膜的膜厚則調整至使反射率近乎100%。藉此結構，擴散板10即具有設在表背兩面的二種微透鏡陣列。此外，也可依保護鋁反射膜之需要而塗布保護層。
綜上所述，本發明的擴散板10中，複數片微 透鏡3均由各個角度調變部4予以支持，而複數片微透鏡3均施以角度調變的角度調變分布群2係以周期性反復的方式按預定型態配置。藉此構成，繞射所造成光點會分離成複數個，不會對粒狀感造成影響，可減少亮度不均或顏色不均的情形。藉此特點，可提供亮度不均或顏色不均甚少的光學特性及良好外觀品級得以兩全的擴散板。
[實施例]
接著，就本實施形態之擴散板10的實施例進行說明。
實施例1中，係使用前述實施形態1之擴散板的製造方法，將主面S1上的微透鏡陣列與角度調變部4分開進行設計。
在設計實施例1的擴散板時，係假定要投影到擴散板的投影裝置光源的瞳孔寬大，投影側瞳孔徑的θi則為3.3deg(0.0576rad)，主要光的波長λ為630nm。藉此條件，微透鏡的節距P[μm]，根據關係式1及2，只要在λ/(4θi)<P<λ/(0.1θi)之間即可，故採取P=22[μm]。由此可算出波長λ[μm]和微透鏡節距P[μm]之比θ[rad]為θ=0.0286[rad]，故各微透鏡調變角度α[rad]只要在0.1<α/θ<10.0的範圍即可，因此，α=0.0269(=1.54[deg])，α/θ≒0.94。本實施例的角度調變分布，在X方向、Y方向皆具有1.54[deg]的微小傾斜，而且各個傾斜角度方面，係以形成四角錐狀、或角錐台狀傾斜分布的方式決定傾斜方向。此外，角度調變分布群2係以2×2、橫2行縱2列為一單位，以周期性反復方式配置在基板主面上。設 列為一單位，以周期性反復方式配置在基板主面上。設計後的角度調變部4係顯示於圖7。
接著，針對微透鏡3的形狀進行說明。微透鏡3的透鏡形狀也可使用一般的旋轉對稱形狀。在此情況下，微透鏡3的剖面係以下述關係式5來表示。此處，C為曲率[1/μm]，KE為圓錐係數，r為自中心軸起算的距離，z表示以中心軸和透鏡面之交點為基準的下垂(sag)量。曲率C係用曲率半徑R表示成C=1/R。
Figure 106113941-A0202-12-0021-1
本實施例的擴散板所用的基準微透鏡30的剖面形狀係以下述關係式6來表示。此處，基準微透鏡30係為具有長方形底面的環形透鏡(toroidal lens)，X方向及Y方向的曲率均分別加以定義。此處，透鏡的中心軸係為原點，rx為自中心軸起算的X方向距離，ry為自中心軸起算的Y方向距離，Cx為X方向(XZ平面)的曲率[1/μm]，Cy為Y方向的曲率[1/μm]，(XZ平面)的Kx表示X方向(XZ平面)的圓錐係數，Ky表示Y方向(YZ平面)的圓錐係數。
Figure 106113941-A0202-12-0021-3
本實施例的擴散板中，微透鏡3的節距係設為Px=22μm、Py=22μm，X方向的曲率半徑Rx[μm]係設為球面透鏡(Kx=0)、曲率半徑Rx[μm]=40。Y方向的曲率半徑Ry[μm]則設為球面透鏡(Ky=0)，曲率半徑Ry[μm]= 22。再者，所有的基準微透鏡30均以最低部分之高度作為基準高度。
藉由將角度調變部4在XY平面上各位置的高度(Z方向的位置)和基準微透鏡30在XY平面上各位置的高度(Z方向的位置)加總，即可算出角度調變分布群2在XY平面上各位置的高度。藉此方式，就可求得角度調變分布群2的形狀。
根據上述內容，設計擴散板10表面約30mm×60mm的微透鏡陣列區域(ST100)。使用該設計資料，經由前述的模具製作步驟(ST200)，即獲得形成有具備複數個凸透鏡形狀之微透鏡陣列形狀部的壓模。圖9係顯示該壓模的透鏡形狀的共焦點雷射顯微鏡觀察影像，圖10則顯示微透鏡陣列形狀部中心的橫切剖面輪廓。意即，圖9為製造實施例1之擴散板所用的壓模的雷射顯微鏡觀察像圖。圖10則為製造實施例1之擴散板所用的壓模的微透鏡陣列形狀部中心的橫切剖面輪廓。如圖9及圖10所示，壓模10a具有：和擴散板10之角度調變分布群2(參照圖2)對應的角度調變分布群對應部2a、及和擴散板10之微透鏡3對應的微透鏡對應部3a。微透鏡對應部3a的一邊長度為22μm。而且，壓模10a包含：和擴散板10之基板1(參照圖1B)對應的基板對應部1a、及和角度調變部4對應的角度調變部對應部4a。另外，圖10中，為了易於瞭解起見，屬於角度調變部對應部4a之一個部位的角度調變對應部要素41a已被放大描繪。角度調變對應部要素41a具有向上方突出成三角形狀的形狀，其斜面則隨著 其位置的增長而傾斜至更高高度的形態。如圖10所示，微透鏡對應部3a具有外突的凸透鏡形狀。此外，位於位置62至84μm的微透鏡對應部3a係和角度調變對應部要素41a同樣隨著位置的拉長而傾斜至更高高度。意即，圖9及圖10中，可確認形成有具備微小傾斜的複數個凸透鏡形狀。
其次，使用圖9所示的壓模，以光硬化樹脂進行成形。基材是用厚度0.3mm的聚碳酸酯薄膜，且使折射率1.52的丙烯酸系光硬化樹脂流入壓模與基材之間進行成形，而製得實施例1的擴散板。
藉使用LED光源的投影裝置在透過成形所得的本實施例擴散板上投影白圖像，使穿透光在凹面鏡反射所得的像再次以玻璃面反射，並將藉數位相機拍攝所得的圖像顯示於圖12。意即，圖12為實施例1的擴散板的投影圖像。圖13為圖12所示的實施例1擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
圖14為投影在實施例2之擴散板的圖像。實施例2的擴散板中，除了角度調變部的設計外，其餘的設計係使用和本實施例同樣的手法。實施例2的擴散板中，角度調變部係呈四角錐台狀，換言之，呈截頭四角錐狀，角度調變部的角度調變分布由3×3、橫3行縱3列的角度調變分布群組成，基本斜面角度設定為1.04[deg]。圖15為圖14所示擴散板面向紙面之左上部的放大圖像。
圖11係顯示相對於實施例2之各位置的高度。此處，4角隅的微透鏡係在X方向及Y方向上設定為 1.04[deg]，其表面則以其高度朝向位在3×3的角度調變分布群之中心的微透鏡增高的方式傾斜。此外，與此3×3的角度調變分布群之中心的微透鏡鄰接的4片微透鏡中，係以其高度只在X方向或Y方向以1.04[deg]向中心增高的方式傾斜。配置於該3×3的角度調變分布群之中心的微透鏡則無傾斜，具體而言，設定有對基板實質上平行的平面。以該3×3的角度調變分布群作為基本單位，周期性反復地或以填滿的方式配置在基板1的主面S1。
[和相關技術之比較例的比較結果1]
其次，就實施例1及實施例2和相關技術的比較例1進行比較的結果進行以說明。圖16為對比較例1之擴散板投影的圖像。圖17為圖16所示的比較例1之擴散板朝向紙面將左上部放大的圖像。
比較例1為使用相關技術製作的微透鏡陣列。除了沒有角度調變部外，比較例1的微透鏡陣列具有和實施例1之微透鏡陣列相同的構成。意即，比較例1的微透鏡陣列係僅由具有和實施例1之微透鏡陣列相同形狀的基準微透鏡所構成。
如圖12至圖17所示，實施例1及實施例2中，顏色不均較比較例1少，粒狀感和比較例1相等，甚為良好。
[和相關技術之比較例的比較結果2]
接著，就實施例1及實施例2和相關技術之比較例2的比較結果加以說明。圖18為對比較例2之擴散板投影的圖像。圖19為圖18所示的比較例2之擴散板朝向紙面將左 上部放大的圖像。
比較例2為用壓成形造具有如專利文獻4所述之無規性微透鏡陣列者。具體而言，比較例2的微透鏡陣列係依據預先決定有定義微細構造之形狀或位置的至少一個參數的機率密度函數而呈無規分布。比較例2的擴散板係作成和本實施例同樣的環形透鏡形狀，各微透鏡陣列係X方向設為節距60μm、球面透鏡(Kx=0)，曲率半徑Rx[μm]為135.3、170.8、162.5、136.2，Y方向則設為節距60μm、非球面透鏡(Ky=-0.45)，曲率半徑Ry[μm]為58.5、57.9、65.8。各個微透鏡在X方向、或Y方向為以無規方式設定這些透鏡形狀。
比較例2中，雖不能確認有顏色不均的情形，但整體上其表面呈粗澀感，粒狀感較高。如圖12至圖15、圖18及圖19所示，實施例1及實施例2中，粒狀感較比較例2為低，甚為良好。
另外，本發明並不限於上述實施形態，在不逸離本發明旨趣的範圍內，仍可作適當變更。例如，排列在擴散板10上的微透鏡3並不限於透射型透鏡。反射型擴散板10的主面S1上具有和微透鏡3同樣凹凸形狀的光擴散型態(亦稱為微鏡)也可和微透鏡3同樣形成格子狀。
此外，擴散板10上也可配置具有透鏡功能的複數個微細構造體，以替代複數片微透鏡3。所謂具有透鏡功能的微細構造體，也可為藉由例如次波長的微細構造形成折射率分布，使光線折射者。
本申請案係主張基於2016年4月27日申請的 日本特願2016-088904案的優先權，且其全部揭露內容均藉由參照的方式併入本說明書中。
1‧‧‧基板
2‧‧‧角度調變分布群
3‧‧‧微透鏡
4‧‧‧角度調變部
10‧‧‧擴散板
31‧‧‧微透鏡底面

Claims (9)

  1. 一種透射型擴散板，具備：基板，其具有供光射入的光射入面、及供射入的前述光穿透後射出的光射出面，該透射型擴散板具備微透鏡角度調變分布群，其設於前述光射入面及前述光射出面的至少一者，前述微透鏡角度調變分布群具備：複數片微透鏡；及角度調變部，具有使分別自前述複數片微透鏡射出的主要光的方向作微小角度調變的角度調變分布，前述主要光之波長λ[μm]與前述微透鏡之平均排列周期P[μm]的比λ/P設為θ[rad]，前述複數片微透鏡各自射出的主要光之方向以調變角度α[rad]施以調變時，前述調變角度α與前述θ之比α/θ滿足0.1<α/θ<10.0。
  2. 如請求項1之擴散板，其中，前述微透鏡角度調變分布群係以周期性反復的預定型態設於前述基板。
  3. 如請求項2之擴散板，其中，前述微透鏡之底面形狀為四角形，前述微透鏡角度調變分布群中，前述複數片前述微透鏡係配置成行數n1、列數n2的行列，行數n1、及列數n2為2至9的自然數。
  4. 如請求項2或3之擴散板，其中，2種以上的前述微透鏡角度調變分布群係以周期性反復的預定型態設在前述基板。
  5. 如請求項2或3之擴散板，其中，2種以上的前述微透鏡角度調變分布群為無規分布、或依照密度函數分布。
  6. 如請求項1至3項中任一項之擴散板，其中，前述比α/θ為無規分布、或依照密度函數分布。
  7. 如請求項1至3項中任一項之擴散板，其中，前述微透鏡角度調變分布群具備2種以上的微透鏡。
  8. 一種投影式投影裝置，係為具備如請求項1至3項中任一項之擴散板，其特徵為：從該擴散板觀看的投影側瞳孔徑設為θi[rad]時，前述θ滿足0.1×θi≦θ≦4×θi。
  9. 一種反射型擴散板，係具備基板，該反射型擴散板具備設於前述基板之主面的至少一者的微鏡角度調變分布群，前述微鏡角度調變分布群具備：複數個微鏡；及角度調變部，具有使分別從前述複數個微鏡反射的主要光之方向作微小角度調變的角度調變分布，前述微鏡具有和凸透鏡或凹透鏡相同的形狀，前述主要光之波長λ[μm]與前述微鏡之平均排列周期P[μm]的比λ/P設為θ[rad]，前述複數個微鏡各自射出的主要光的方向以調變角度α[rad]施以調變時，前述調變角度α與前述θ之比α/θ滿足0.025<α/θ<2.5。
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