微透镜阵列、扩散板以及照明装置

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列、扩散板以及照明装置。

背景技术

以往，在例如用于照明或测量、面部识别、空间识别等的装置中使用并且配置有多个透镜元件的微透镜阵列是公知的(例如，参照专利文献1、2等)。有时以使来自光源的光在光学上均匀化为目的而使用该微透镜阵列，但若透镜元件的间距过窄，则因各透镜元件的透射光的干涉引起的干涉条纹变得明显，有时会妨碍光源光的均匀化。另一方面，若透镜元件的间距过宽，则由于莫尔条纹的产生，在该情况下有时也妨碍光源光的均匀化。其结果是，在使用微透镜阵列将光源光照射至屏幕等的情况下，有时会使辐照度分布变得不均匀。

为了抑制由上述干涉条纹、莫尔条纹引起的辐照度分布的不均匀化，使各透镜元件的位置、形状等随机分布的对策被考虑(例如，参照专利文献3-5)。但是，若过度随机化，则有时无法得到所期望的配光特性，特别是不易使照射轮廓的边缘锐化。此外，各透镜元件的排列复杂化，因此有时会产生耗费制作时间、成本等的不良情况。

此外，上述现有技术的一些中，只要在±10°左右的范围内得到均匀的辐照度分布即可，但近年来，在距离测定装置等中使用微透镜阵列的实例也增加了，在这些实例中，有时要求遍及测定对象上的宽范围且均匀的辐照度分布。并且，若欲得到遍及测定对象上的宽范围且均匀的辐照度分布，则需要在广角区域中确保更多的光量。需要说明的是，作为使用微透镜阵列的距离测定装置的例子，可以列举TOF(Time Of Flight：飞行时间)方式的距离测定装置等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2005/103795号

专利文献2：国际公开第2015/182619号

专利文献3：美国专利申请公开第2004/0130790号说明书

专利文献4：日本特开2020-067664号公报

专利文献5：国际公开第2016/143350号

发明内容

发明所要解决的问题

本公开的技术是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能利用微透镜阵列在更宽的角度范围得到更均匀的辐照度分布的技术。

技术方案

为了解决上述问题，本公开的微透镜阵列为在平面构件的至少单面排列多个透镜元件而成的微透镜阵列，其中，

各个所述透镜元件中的透镜面的形状由非球面表达式规定，

所述微透镜阵列中的各个所述透镜元件的间距D为25μm以上且150μm以下，

通过所述微透镜阵列后的光的强度分布构成为具有规定的视场角范围的两端处的光强度最大且所述视场角范围的中央处的光强度极小的蝙蝠翼状的强度分布。

由此，能使通过微透镜阵列后的光的辐照度分布在规定的视场角范围内更均匀。此外，在所述辐照度分布中，能抑制干涉条纹、莫尔条纹的明显化。需要说明的是，在上述中规定的视场角范围是指根据微透镜阵列的使用用途而预设的视场角的范围。

此外，也可以是，所述蝙蝠翼状的强度分布是针对相对于所述透镜元件的光轴方向的角度θ而沿着COS

此外，也可以是，所述透镜元件的顶点处的半径R设为3μm以上且60μm以下。将各个透镜元件的顶点处的半径R设为60μm以下，例如，将透镜元件的底部处的θ设为75°左右，由此能在超过±50°的广角区域中使通过微透镜阵列后的光的辐照度分布充分均匀。

此外，也可以是，所述透镜元件的顶点处的半径R、所述透镜元件的间距D、相对于所述透镜元件的光轴方向的角度θ具有

D/R/COS

此外，也可以是，所述透镜元件的垂度Z满足以下数式1：

[数式1]

C

此外，也可以是，将所述多个透镜元件的随机化率设为±20％以下。

此外，也可以是，微透镜阵列由同一材料一体地形成。

此外，也可以是，使用上述微透镜阵列来构成扩散板。

此外，也可以是，由上述微透镜阵列和向所述微透镜阵列射入光的光源构成照明装置。

此外，也可以是，上述照明装置的所述微透镜阵列中的所述透镜元件排列在所述光源侧的表面。

此外，也可以是，上述照明装置中的所述光源的方向性设为±20°以下。作为光源，通过使用方向性更高的光源，能使视场角的两端处的辐照度分布成为边缘更锐利的形状。

此外，也可以是，所述光源设为发出近红外线光的激光光源。

此外，也可以是，上述照明装置用于Time Of Flight(飞行时间)方式的距离测定装置。

需要说明的是，在本发明中，可以尽可能地组合使用用于解决上述问题的方案。

发明效果

根据本公开，能利用微透镜阵列在更宽的角度范围得到更均匀的辐照度分布。

附图说明

图1是表示Time Of Flight方式的距离测定装置的概略构成的图。

图2是表示使从光源发出的光通过微透镜阵列并照射至屏幕上的评价系统的图。

图3是微透镜阵列的剖面的放大图。

图4是在评价系统中获取到的屏幕上的辐照度分布的例子。

图5是表示因有无随机化导致的微透镜阵列的辐照度分布的不同的图。

图6是通过微透镜阵列的光的蝙蝠翼状的强度分布的例子。

图7是通过微透镜阵列后的光在屏幕上的辐照度分布的例子。

图8是表示视场角θ

图9是表示间距D、半径R以及COS

图10是在挠性片材的表面形成有微透镜阵列的扩散板的立体图。

图11是表示照明装置的概略构成的图。

具体实施方式

以下参照附图对本公开的实施方式的微透镜阵列进行说明。需要说明的是，实施方式中的各构成和它们的组合等为一个例子，可以在不脱离本公开的主旨的范围内适当地进行构成的附加、省略、替换以及其他变更。本公开仅由权利要求书限定而不由实施方式限定。

在图1中示出了作为实施方式中的微透镜阵列的使用用途的一个例子的TOF(TimeOf Flight)方式的距离测定装置100的概略图。TOF方式的距离测定装置100是通过测定照射光的飞行时间来测定到测定对象O的表面的各部的距离的装置，距离测定装置100具有光源控制部101、照射光源102、照射光学系统103、聚集来自测定对象O的反射光的受光光学系统104、受光元件105以及信号处理电路106。

当照射光源102基于来自光源控制部101的驱动信号发出脉冲状的光时，该脉冲状的光通过照射光学系统103并照射至测定对象O。然后，在测定对象O的表面反射的反射光通过受光光学系统104而由受光元件105接受，并且在信号处理电路106中被转换成适当的电信号。然后，在运算部(未图示)中，测定从照射光源102发出照射光之后直至由受光元件105接受反射光为止的时间，即光的飞行时间，由此，测定到测定对象O中的各位置的距离。

有时将微透镜阵列用作该TOF方式的距离测定装置100中的照射光学系统103或受光光学系统104。微透镜阵列是指由直径为10μm～数mm左右的微小的透镜元件的组构成的透镜阵列。微透镜阵列的功能、精度根据构成透镜阵列的各个透镜元件的形状(球面、非球面、圆柱形、六边形等)、透镜元件的大小、透镜元件的配置、透镜元件间的间距等而发生变化。

并且，在如微透镜阵列被用于上述TOF方式的距离测定装置100那样的情况下，要求向测定对象O照射强度分布均匀的光。即，通过微透镜阵列后的光的可用的发散角即视场角θ

接着，对如图2所示那样的使从光源2发出的光通过微透镜阵列1并照射至屏幕3上的评价系统进行研究。在此，光源2例如为VCSEL激光光源(Vertical Cavity SurfaceEmitting LASER：垂直共振器面发光激光)，作为光源2的意愿性，可以选择±5度、±10度、±20度左右。并且，微透镜阵列1是由在作为平面构件的基材1b的单侧或两侧的表面以二维方式排列透镜元件1a而成的阵列构成的微透镜阵列，通过该微透镜阵列1的光成为相对于光轴扩散的扩散光，并被照射至模拟成测定对象O的屏幕3上。

在图3中示出了微透镜阵列1的剖面的放大图。如图3所示，微透镜阵列1基本上是由各透镜元件1a的顶点处的半径R和各透镜元件的宽度(间距)D来进行表征。需要说明的是，作为微透镜阵列1的原材料，使用树脂材料、玻璃材料，但并不特别限定。

图4中示出了关于在如图2所示那样的评价系统中获取到的屏幕3上的辐照度分布的轮廓的例子。在图4中，图4的(a)、图4的(b)、图4的(c)按该顺序示出了使微透镜阵列1的各透镜元件1a的间距D增大的情况下的辐照度分布。更具体而言，例如，示出了以下各情况：图4的(a)示出了间距D小于25μm的情况，图4的(b)示出了间距D为25μm以上且150μm以下的情况，图4的(c)示出了间距D大于150μm的情况。

由图4可知，在图4的(a)的情况下，显现条纹图案并且辐照度分布的均匀性降低。这是因为微透镜阵列1的透镜元件1a的间距D过小，由通过各透镜元件1a的光产生的干涉条纹的间隔变大，由此干涉条纹变得明显。此外，在图4的(c)的情况下，也显现条纹图案并且辐照度分布的均匀性降低。这是因为微透镜阵列1的透镜元件1a的间距D过大而莫尔条纹变得明显。

像这样，无论微透镜阵列1中的透镜元件1a的间距D过大还是过小，辐照度分布的均匀性都会降低。以往，为了抑制这种干涉条纹、莫尔条纹的明显化，进行了有意使微透镜阵列1的各透镜元件1a的形状、位置在规定的范围内随机散乱的随机化(非周期化)。即，在透镜元件1a被周期性排列的情况下，由于透镜元件1a的排列的周期性而变得容易产生间距、方向一致的周期性的干涉条纹，因此，例如，通过使各透镜元件1a的光轴随机错开而使间距不规则来消除透镜元件1a的排列的周期性，抑制干涉条纹的产生。

图5是示出了因有无这种随机化导致的微透镜阵列1的辐照度分布的不同的图。图5的(a)相当于无随机化的情况，图5的(b)相当于随机化率5％的情况。与图5的(a)比较可知，图5的(b)的轮廓模糊。像这样，通过进行随机化，能抑制干涉条纹、莫尔条纹变得明显，但另一方面，有时辐照度分布的轮廓会模糊。在此，随机化率是指例如相当于使设计上的间距D在ΔD的范围不规则地散乱的情况下的ΔD/D的值。

为了消除这些不良情况，在本实施方式中，使得对微透镜阵列1中的透镜元件1a的规格编入以下所示的必要条件。

首先，在本实施方式中，将各透镜元件1a的透镜面的形状设为非球面形状。该情况下的表示各透镜元件1a的透镜面的高度的垂度Z由以下的非球面表达式(1)规定。

[数式2]

其中，C

需要说明的是，由上述非球面表达式(1)规定的各透镜元件1a的形状可以是相对于各透镜元件1a的光轴点对称的形状，也可以是在X方向和Y方向上非对称的形状。在相对于各透镜元件1a的光轴点对称的形状的情况下，(1)式中，C

在各透镜元件1a的形状是在X方向和Y方向上非对称的形状的情况下，各透镜元件1a的顶点处的半径R、间距D也在X方向和Y方向上不同，R

并且，通过调整数式(1)中的各参数，将通过微透镜阵列1的光的强度分布设为具有视场角θ

在图6中示出了蝙蝠翼状的强度分布的例子。在图6的例子中，视场角θ

此外，在本实施方式中，将各透镜元件1a的间距D设为25μm以上且150μm以下的范围。由此，抑制图3的(a)所示的干涉条纹、图3的(c)所示的莫尔条纹变得明显。由此，即使在将随机化率设为3％以下的情况下，也能在屏幕3上得到充分均匀且锐化的辐照度分布的轮廓。

<蝙蝠翼的曲线>

需要说明的是，在上述中，将通过微透镜阵列1的光的强度分布设为了具有所谓的蝙蝠翼状的强度分布，由此使辐照度分布均匀化，但在此时的视场角θ

I＝αCOS

的强度分布。其中，α为比例常数，β为切片的值。此外，n为1至10的范围内的数值。像这样，在视场角θ

<蝙蝠翼的曲线与R、D的关系>

在本实施方式中，如上所述，为了将通过微透镜阵列1的照射光的强度分布设为蝙蝠翼状的强度分布，只要相对减少通过各透镜元件1a的顶点附近的光的量并相对增多通过相当于各透镜元件1a的底部的部分的光的量即可。为了在各透镜元件1a的形状中，相对减小顶点处的R被维持的区域并相对增大相当于底部的区域，需要适当地设定间距D与顶点处的R的关系。

此外，在进一步增大视场角θ

D/R/COS

的范围的方式设定各透镜元件1a的间距D和顶点处的半径R。由此，更可靠的是，即使在较大地设定视场角θ

如上所述，在本实施方式中，作为用于提高通过微透镜阵列1的各透镜元件1a的光在屏幕3上的辐照度分布的均匀性的必要条件，可以列举以下点。

1.将透镜元件1a的透镜面形状例如设为如由式(1)所示那样的非球面形状。

2.将透镜元件1a的间距D设为D＝25μm以上且150μm以下。

3.将通过微透镜阵列1的照射光的强度分布设为沿着式(2)的蝙蝠翼状。

4.以满足式(3)的方式确定D/R的值。

但是，蝙蝠翼的形状未必需要是依照式(2)的曲线。如果设为如视场角θ

此外，蝙蝠翼的曲线与R、D的关系未必需要满足式(3)。R与D的关系设为如随着视场角θ

此外，在本实施方式中，对通过将各透镜元件1a的间距D设为25μm以上且150μm以下的范围而能将各透镜元件1a的随机化率设为3％以下的点进行了说明，但能根据微透镜阵列1的用途，进一步提高随机化率。例如，也可以将各透镜元件1a的随机化率设为20％以下。此外，更优选的是，将各透镜元件1a的间距D设为35μm以上且125μm以下的范围，进一步优选的是，设为50μm以上且100μm以下的范围，由此，能更可靠地抑制干涉条纹、莫尔条纹变得明显，提高辐照度分布的均匀性。

此外，作为本实施方式中的微透镜阵列1的透镜元件1a的顶点处的半径R的具体值，可以设为3μm以上且60μm以下。更优选的是，也可以设为3μm以上且10μm以下。在该情况下，通过进一步将透镜元件1a的底部部分的θ设为75°左右而能在各透镜元件1a的间距D为25μm以上且150μm以下的范围内，在视场角θ

此外，在本实施方式中，对使从光源2发出的光通过微透镜阵列1来提高通过后的光的放射照射分布的点进行了说明，但微透镜阵列1也可以采用如使从光源2发出的光在微透镜阵列1上反射并投影至屏幕3上那样的使用方法。

此外，在本实施方式中，对微透镜阵列1中的各透镜元件1a排列在光源2侧的单面的例子进行了说明，但也可以设为各透镜元件1a排列在光源2的相反侧的单面。而且，也可以设为排列在两面。

此外，各透镜元件1a的剖面设为非球面形状非连续地排列的形状，但也可以设为如以平滑的曲线连续地连接非球面形状那样的形状。

此外，关于本实施方式中的微透镜阵列1的材质，可以由不同材料形成基材和各透镜元件1a，也可以由相同材料一体地形成基材和各透镜元件1a。在由不同材料形成基材和透镜元件1a的情况下，可以由树脂材料形成基材或透镜元件1a中的一方，由玻璃材料形成另一方。在由相同材料一体地形成基材和透镜元件1a的情况下，不具有折射率界面，因此能提高透射效率。此外，也能在不产生基材与各透镜元件1a的剥离的情况下提高可靠性。在该情况下，微透镜阵列1可以由树脂单体形成，也可以由玻璃单体形成。

此外，如图10所示，也可以是，在挠性的片材12上形成具有与在本实施方式中说明的微透镜阵列1同等的功能的微透镜阵列11，由此构成将入射的光扩散并均匀化的扩散板10。当然，也可以将微透镜阵列11形成在坚固的平板上来作为扩散板。

此外，如图11所示，也可以是，通过组合具有与在本实施方式中说明的微透镜阵列1同等的功能的微透镜阵列21、光源22、光源控制部23来构成照明装置20。该照明装置20可以单独用于照明，也可以组装于TOF方式的距离测定装置等计测装置或其他装置来使用。此外，在照明装置20中，微透镜阵列21的透镜元件可以配置在光源22侧的单面，也可以配置在光源22的相反侧的单面。还可以配置在两面。而且，作为光源22，可以使用方向性为±20°以下的光源。更优选的是，也可以使用方向性为±10°以下的光源。通过使用方向性更高的光源作为光源22，能使视场角θ

此外，也可以将具有与在本实施方式中说明的微透镜阵列1同等的功能的微透镜阵列用作图像拍摄、安全设备中的面部识别、车辆和机器人中的空间识别用的光学系统。

<其他非球面形状>

在上述实施例中，对微透镜阵列1的透镜元件1a的垂度Z由通常的非球面表达式(1)规定的例子进行了说明。但是，透镜元件1a的形状并不限于上述例子。例如，也可以是垂度Z依照以下的泽尼克(Zernike)多项式(4)的形状。

[数式3]

其中，C为各透镜元件1a的顶点处的曲率(C＝1/R)，K为圆锥系数，r＝√(X

或者，透镜元件1a的形状也可以是垂度Z依照以下的XY多项式(5)的形状。

[数式4]

其中，C为各透镜元件1a的顶点处的曲率(C＝1/R)，K为圆锥系数，r＝√(X

<关于导电性物质的布线>

需要说明的是，也可以是，在本实施方式的微透镜阵列1的表面或内部敷设包含导电性物质的布线，并监视该布线的通电状态，由此能检测各透镜元件1a的损伤。如此一来，能易于检测各透镜元件1a的裂纹、剥离等损伤，因此能提前预防因微透镜阵列1的损伤导致的照明装置、距离测定装置的故障和由误动作造成的损害。例如，通过根据导电性物质的断线检测各透镜元件1a的裂纹的产生，并禁止光源的发光，能避免来自光源的0级光经由该裂纹直接透过微透镜阵列1而被照射至外部。其结果是，能提高装置的护眼性能。

上述导电性物质的布线也可以敷设在微透镜阵列1周围、各透镜元件1a上。此外，也可以敷设在形成有透镜元件1a一侧的表面、相反侧的表面，即两侧的任一表面。作为导电性物质，只要是具有导电性的导电性物质，就没有特别限定，例如，可以使用金属、金属氧化物、导电聚合物、碳系导电性物质等。

更具体而言，作为金属，可以列举金、银、铜、铬、镍、钯、铝、铁、铂、钼、钨、锌、铅、钴、钛、锆、铟、铑、钌以及这些金属的合金等。作为金属氧化物，可以列举氧化铬、氧化镍、氧化铜、氧化钛、氧化锆、氧化铟、氧化铝、氧化锌、氧化锡或这些氧化物的复合氧化物，例如，氧化铟和氧化锡的复合氧化物(ITO)、氧化锡和氧化磷的复合氧化物子(PTO)等。作为导电性聚合物，可以列举聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。作为碳系导电性物质，可以列举炭黑、SAF、ISAF、HAF、FEF、GPF、SRF、FT、MT、热解碳、天然石墨、人造石墨等。这些导电性物质可以单独使用或组合两种以上使用。

作为导电性物质，优选导电性优异且易于形成布线的金属或金属氧化物，更优选为金属，优选金、银、铜、铟等，从能在100℃左右的温度下相互熔融并且在树脂制的微透镜阵列1上也能形成导电性优异的布线的点上优选银。此外，对于由导电性物质制成的布线的图案形状并没有特别限定。可以是包围微透镜阵列1周围的图案，也可以将图案设为复杂的形状以提高裂纹等的检测性。而且，也可以是利用透射性的导电性物质覆盖微透镜阵列1的至少一部分的图案。

附图标记说明

1、11、21：微透镜阵列

1a：透镜元件

1b：基材

2：光源

3：屏幕

10：扩散板

12：挠性的片材

20：照明装置

22：光源

23：光源控制部

100：TOF距离测定装置

101：光源控制部

102：光源

103：照射光学系统

104：反射光学系统

105：受光元件

106：信号处理电路