JP6917810B2 - 拡散ユニット - Google Patents

Description

この発明は、拡散ユニットに関する。

一方から入射する光を拡散し、他方から拡散光として射出させる拡散板あるいは拡散板を備えた拡散ユニットが、一眼レフカメラを初めとする各種の光学機器に用いられている。

このような拡散板の一つとして、微小レンズを平面状に多数並べたマイクロレンズアレイを用いたものが知られている。
このように微小レンズを用いた拡散板は、微小レンズの光学特性を変更することで、発散角を制御することが比較的容易である。

しかしながら、微小レンズの特性上、摺りガラスのようなランダムな表面をもつ拡散板に比べて出射光の回折や干渉が生じやすく、拡散範囲内に拡散される光強度の均一化と、発散角の制御とを同時に満たすことは困難であった。

本発明は、かかる問題を解決すべく、光強度の均一化と発散角の制御とを両立する新規な拡散ユニットの実現を課題とする。

この発明の拡散ユニットは、複数の微小レンズ面が配列された拡散面を光束の入射方向に沿って少なくとも２つ有し、前記拡散面は、前記入射方向側からみたとき、互いに前記微小レンズ面を構成する一辺が重複しないように、かつ互いに非平行になるように配置され、前記微小レンズ面の中心位置が互いにずれて配置され、前記微小レンズ面を前記入射方向側からみたとき、当該微小レンズ面を構成する前記開口形状が正三角形である。

この発明によれば、光強度の均一化と発散角の制御とを両立する新規な拡散ユニットを実現できる。

拡散ユニットの実施形態の一例を説明するための図である。 拡散ユニットを構成する拡散板の構成の一例を示す図である。 図２に示した拡散板の断面形状の一例を示す図である。 図２に示した拡散板のレンズ形状の異なる変形例を示す図である。 図２に示した拡散板のレンズ形状の異なる変形例を示す図である。 拡散板を用いたときの像面に投射される画像の従来例を示す図である。 本発明の拡散ユニットを用いたときの像面に投射される画像の例を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 図８に示した実施形態における拡散板の構成の一例を示す図である。 図８に示した実施形態における拡散板の他の構成例を示す図である。 本発明における拡散板の他の構成例を示す図である。 本発明における拡散板の他の構成例を示す図である。 本発明における拡散板のレンズ形状の異なる変形例を示す図である。 図１３に示すレンズ形状の異なる変形例を示す図である。

図１に、本発明の実施形態の一例として、拡散面を備える光拡散手段たる拡散ユニット１０を用いた光学装置１００について説明する。
光学装置１００は、光源２０と、光源２０から出射された投射光Ｌを平行光束とするためのコリメートレンズ５と、平行光となった投射光Ｌを拡散して所定の拡散角２θで拡散させるための拡散ユニット１０と、を有している。

光源２０は、本実施形態では半導体レーザ光源である。
光源２０は、かかる構成に限定されるものではなく、その他のレーザ光源や、白色光源等であっても良い。
ただし、拡散ユニット１０は、レーザー光源等のコヒーレンスの高い光源を用いたとき、結像時に生じる干渉縞やスペックルの低減を図るものであるので、コヒーレンスが高い光源であることが望ましい。

拡散ユニット１０は、図２に示すように、微小レンズ１１が複数、平面状に並べられたＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）である拡散板１２ａ、１２ｂを有している。
本実施形態では、図１に示したように２枚１組のＭＬＡを投射光Ｌの入射方向であるＡ方向に沿って配置している。
図２においては、かかる拡散ユニット１０をＡ方向側から見たときの模式図を、光源２０側にあるＭＬＡを特に第１拡散板１２ａとして実線で、出射側にあるＭＬＡを特に第２拡散板１２ｂとして一点鎖線で記載し説明する。

第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとは何れも同一形状の板状部材であり、表面に正六角形の開口形状を持つ微小レンズ１１が六方最密構造の配列パターンを構成するように並べられている。
それぞれの微小レンズ１１は、図３に示すように、断面が片側に突出した凸面形状を有する拡散面である微小レンズ面１４を形成する。
かかる構成により、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとは、それぞれが図３に示すように、入射した投射光Ｌを発散角２θで発散する拡散板としての機能を有している。
本実施形態においては、微小レンズ１１を投射光Ｌの入射方向側から見たときの形状すなわち微小レンズ面１４を構成する曲線と底面とが形成する辺で囲まれる領域の形状を開口形状と表現している。

微小レンズ１１は、本実施形態では、投射光Ｌの入射方向から見たときに正六角形の形状をしているが、かかる構成に限定されるものではなく、図４に変形例として示すように、正方形であっても良いし、その他正多角形であっても良い。
また、本実施形態では、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとを同一の微小レンズ１１を備え、配列パターンも同一であるとしているが、かかる構成に限定されるものではない。
具体的には、図５に変形例として示すように、第１拡散板１２ａに配列される微小レンズ１１ａの開口形状が正方形、第２拡散板１２ｂに配列される微小レンズ１１ｂの開口形状が正六角形、等の構成でも良い。

微小レンズ１１は、正六角形を構成する１辺（例えば図２における辺１３ａ、１３ｂ）が、互いに非平行、すなわち平行にならないようにずらして配置されている。
このとき、『非平行』とは２面のパターンの一辺が平行でないことを示している。また『ずらして』とは投射光Ｌの入射方向からみたときに重複しないように形成された態様を示している。最も好ましくは、互いに平行な状態から次に平行になる回転角βの半分の角度だけ辺１３ａと辺１３ｂとが傾斜して配置される。
言い換えると、微小レンズ面１４が構成する配列パターンの最も基準となるような位置に引いた線を基準線としたときに、第１拡散板１２ａの基準線Ｂａと、第２拡散板１２ｂの基準線Ｂｂとは所定の角度αだけ回転した態様で配置される。

例えば、本実施形態のように正六角形であれば、１辺の中心角が６０度なので、３０度（または９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度でも同じ）互いに傾斜された状態が最も望ましい。
また、図４に示したような正方形の場合には、中心角は９０度なので、４５度互いに傾斜された状態が最も望ましい。
かかる構成により、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとを透過した投射光Ｌが、回折光を薄くすることができる。

なお、回転角βと、基準線同士のなす角αとは、既に述べたように、α＝β／２が最も望ましいが、数式（１）の範囲内であれば良い。
かかる構成により、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとを透過した投射光Ｌは、それぞれの拡散面において拡散され方が異なり、光強度を均一にすることができる。

さらに、第１拡散板１２ａに形成された微小レンズ１１と、第２拡散板１２ｂに形成された微小レンズ１１とでは、その中心位置が所定距離ｚだけ互いにずれるように配置される。
かかる構成により、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとを透過した投射光Ｌの回折光を薄くするとともに、輝度ムラを低減することができる。
なお、ここで所定距離ｚは、微小レンズ１１の形状に合わせて適宜設定されてよいが、対角線あるいは直径よりも小さい値であることが望ましい。

なお、図１１に変形例として示すように、かかる所定距離ｚ＝０として、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとの中心位置が揃った状態で、基準線同士のなす角α≠０であるように配列パターンを回転させた構成であっても良い。

本実施形態では、かかる拡散ユニット１０を用いて、投射光Ｌの拡散を行う。
拡散ユニット１０を投射光Ｌが透過することで、微小レンズ１１により所定の拡散角で拡散され、図７に示すように、照射される面内における光強度が単に微小レンズを用いた拡散板を単数用いた従来例である図６よりも均一化される。
かかる構成により、光強度の均一化と発散角の制御とを両立する。

また、本実施形態では、拡散ユニット１０は、複数の微小レンズ面１４が配列された第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとを有している。
第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとは、それぞれ投射光Ｌの入射方向Ａ側からみたとき、互いに微小レンズ面を構成する一辺である辺１３ａ、１３ｂが重複しないように、かつ互いに非平行になるように配置される。
かかる構成により、光強度の均一化と発散角の制御とを両立する。

また、本実施形態では、微小レンズ面１４の中心位置が互いにずれて配置される。
かかる構成により、図８に示すように、光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

本実施形態では、微小レンズ面を構成する一辺１３ａ、１３ｂのなす角αが、互いに平行になる位置から次に平行になるまでの回転角βとしたとき、以下の計算式（１）β／４≦α≦３β／４を満たす。かかる構成により、光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

本実施形態では、微小レンズ面を構成する一辺１３ａ、１３ｂのなす角αが、互いに平行になる位置から次に平行になるまでの回転角βの半分となる。
かかる構成により、単に数式（１）を満たすよりもさらに光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

本発明の他の実施形態として、図８に示すような拡散ユニット３０について説明する。なお、簡便のため、既に述べた実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

拡散ユニット３０は、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとを有し、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとを相対的に移動させるための駆動部３１を有している。
駆動部３１は、図９に示すように、投射光Ｌの入射方向から見たときに、第２拡散板１２ｂを揺動、本実施形態においては特にＣで示した方向に回転運動させるように駆動する。

かかる構成により、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとにそれぞれ形成された配列パターンの相対位置が時間により変化するため、投射光Ｌの拡散具合が変動することになるため、コヒーレンスの高い光であっても光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

なお、本実施形態では、駆動部３１は、回転運動させるように揺動させるとしたが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば往復運動させても良いし、図１０に示すように、２つの第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとを独立して動かしても良い。
なお、図１０においては、移動している様をわかりやすく表示するために、移動距離については誇張して記載しているが、微小レンズ１１のサイズ程度、例えば数μｍの距離を移動させれば十分であり、かかる構成に限定されるものではない。

かかる構成により、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとにそれぞれ形成された配列パターンの相対位置が時間により変化するため、さらに光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

また、上述の実施形態においては、何れも１枚の拡散板が１つの拡散面である微小レンズ面を有する場合についてのみ述べたが、例えば図１２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、単一のレンズ拡散板１２’が複数の拡散面を備える構成を用いても良い。
図１２（ａ）、（ｂ）から明らかなように、レンズ拡散板１２’は、互いに配列パターンの異なる複数の拡散面として、第１拡散面１４ａと第２拡散面１４ｂを有している。

複数の拡散面１４ａ、１４ｂはそれぞれ、入射方向側からみたとき、互いに微小レンズ面を構成する一辺が重複しないように、かつ互いに非平行になるように配置される。

このとき、図１２（ａ）に示すように、第１拡散面１４ａと第２拡散面１４ｂとは、互いに同一の方向に凸の形状として形成されるとしても良い。
また図１２（ｂ）に示すように、第１拡散面１４ａと第２拡散面１４ｂとが互いに逆向きに凸の形状として形成されても良い。

かかる構成により、投射光Ｌが第１拡散面１４ａと第２拡散面１４ｂとで拡散されるから、光強度の均一化と発散角の制御とが両立される。

また、他の実施形態として、図１３に示すように、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとに配列される微小レンズ１１ａの開口形状が正三角形である構成としても良い。
この場合には、第１拡散板１２ａの基準線Ｂａと、第２拡散板１２ｂの基準線Ｂｂとは所定の角度αだけ回転した態様で配置され、角度αは、０°≦α≦３０°を満たすことが望ましく、図１３においては特にα＝３０°である。
このように、第１拡散板１２ａと第２拡散板１２ｂとの形状を正三角形とすることにより、単位面積当たりの拡散に寄与する微小レンズの数量が最大化されて、拡散効果が増大する。

また、図１４に示すように、第１拡散板１２ａと、第２拡散板１２ｂとに配列される微小レンズ１１ａの開口形状が任意の角度をもった三角形であっても良い。かかる開口形状が三角形の微小レンズ１１ａを稠密配置するときには、平行四辺形のような四辺形を構成するとしても良い。かかる場合には、第１拡散面１４ａと第２拡散面１４ｂとは入射方向側から見たとき互いに微小レンズ１１ａを構成する一辺が重複しないように、かつ互いに非平行になるように配置されることが望ましい。

この発明によれば、新規な拡散ユニットと、これを用いる光学装置を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、この発明は上述した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において種々の構成をとることが可能である。

この発明の実施形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は、「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１０ 拡散ユニット
１１ 微小レンズ
１２ａ 拡散板（第１拡散板）
１２ｂ 拡散板（第２拡散板）
１３ａ 辺（開口形状を構成する一辺）
１３ｂ 辺（開口形状を構成する一辺）
１４ 微小レンズ面（拡散面）
１４ａ、１４ｂ 拡散面
２０ 光源
３０ 拡散ユニット
３１ 駆動部

特開２０１６−０４５４１５号公報

Claims (3)

1. 複数の微小レンズ面が配列された拡散面を光束の入射方向に沿って少なくとも２つ有し、
   前記拡散面は、前記入射方向側からみたとき、互いに前記微小レンズ面の開口形状を構成する一辺が重複しないように、かつ互いに非平行になるように配置され、
   前記微小レンズ面の中心位置が互いにずれて配置され、
   前記微小レンズ面を前記入射方向側からみたとき、当該微小レンズ面を構成する前記開口形状が正三角形であることを特徴とする拡散ユニット。
2. 請求項１に記載の拡散ユニットであって、
   前記微小レンズ面の開口形状を構成する一辺同士のなす角αが、互いに平行になる位置から次に平行になるまでの回転角βとしたとき、以下の計算式
   （１）β／４≦α≦３β／４
   を満たすことを特徴とする拡散ユニット。
3. 請求項１または２に記載の拡散ユニットであって、
   前記拡散面を相対的に移動させる駆動部を有することを特徴とする拡散ユニット。

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