(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の拡散角と、均一な拡散光強度を実現でき、かつコヒーレントな光に対しても用い得る拡散板を提供する。【解決手段】２種以上の微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４を多数、２次元的に配置して拡散面とした拡散板において、配置された微小レンズ面Ｌ１〜Ｌ４の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、所望の拡散角：２θに対して、ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）を満足し、且つ、Ｆｎ＝｜ｆ｜／Ｄで定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定されたことを特徴とする。【選択図】図２
2016045415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的に配置して拡散面とし、該拡散面による拡散角：２θを有する拡散板であって、  
２次元的に配置された微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、  
各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、拡散角：２θに対して、
ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）  
を満足し、且つ、  
Ｆｎ＝｜ｆ｜／Ｄ  
で定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定された拡散板。
【請求項２】
請求項１記載の拡散板において、
２次元的に配置されて拡散面をなす２種以上の微小レンズ面が凸面である拡散板。
【請求項３】
請求項１記載の拡散板において、
２次元的に配置されて拡散面をなす２種以上の微小レンズ面が凹面である拡散板。
【請求項４】
請求項１記載の拡散板において、
凸面をなす微小レンズ面と、凹面をなす微小レンズ面とが、混合して拡散面をなす拡散板。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項に記載の拡散板において、
レンズに入射させる拡散光を発生するために用いられ、拡散角：２θに対するｓｉｎθが、前記レンズのＮＡより大きく設定されたことを特徴とする拡散板。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載の拡散板を搭載した光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、拡散板およびこれを用いた光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
片面から入射する光を拡散し、他面から拡散光として射出させる「拡散板」は、１眼レフカメラ等を初めとする各種の光学機器に用いられている。
【０００３】
従来から知られた拡散板は、摺りガラスのようにランダムな構造、あるいは微小レンズ等を規則的に配列した構造等、微細な断面凹凸形状が全面に形成されている。
【０００４】
近来、使用目的に応じた「所望の拡散特性」を持つ拡散板が求められ、提案されている（特許文献１、２）。
【０００５】
また、設計条件として定められた所定の拡散範囲を持ち、拡散範囲内に拡散される光の強度が、均一に成るような拡散板が求められている。
【０００６】
従来、所定の拡散範囲と、拡散光の強度の均一化の実現が困難であった。
【０００７】
図３は、従来から知られた一般的な拡散板を説明するための図である。  
図３の上の図において、符号１０は「従来から知られた一般的な拡散板」を示す。
【０００８】
図３の上の図は、拡散板１０に直交するように、入射光束ＩＬを「細い平行光束」として入射させた場合の拡散の様子を説明図として示している。
【０００９】
拡散板１０は、図３の上の図に示す角：２θを「拡散角」として入射光束ＩＬの拡散を行うように設計され、作製されている。
【００１０】
入射光束ＩＬは、拡散板１０により拡散され、拡散光ＤＬとして射出する。
【００１１】
拡散板１０が「設計通りの機能」を持つならば、拡散光ＤＬの拡散角は２θとなるところであるが、従来から知られた拡散板１０の場合、実際の拡散角は設計上の拡散角：２θとはならず、２θより若干大きくなる。
【００１２】
そして、設計上の拡散角：２θの外側の領域ＤＭ１、ＤＭ２の部分にも拡散光が存在する。また、拡散光の強度（図中に「矢印の長さ」で表す。）も均一にならない。
【００１３】
即ち、領域ＤＭ０の部分では、拡散光の強度が不均一である。
【００１４】
図３（ｂ）には、横軸に拡散光の角度をとり、縦軸に光強度をとって、拡散光の強度の角度依存性を表している。
【００１５】
このような、設計上の拡散角：２θの外側の領域ＤＭ１、ＤＭ２の部分にも拡散光が存在し、領域ＤＭ０の部分で拡散光の強度が不均一となるのは、入射光束ＩＬが、拡散板１０により回折することによる。
【００１６】
図３（ａ）の領域ＤＭ０、ＤＭ１、ＤＭ２に、強度：０でない回折光が生じる現象を回折光の「滲み」と呼ぶ。
【００１７】
従来から知られた拡散板には「微少レンズ等を規則的に配列した構造」のものもある。
【００１８】
近時、各種光学機器に用いられる光源として、レーザ光源を初めとする「コヒーレントな光を放射」するものが多用されるようになってきている。
【００１９】
コヒーレントな光に対して「微少レンズ等を規則的に配列した構造をもつ拡散板」を用いると、規則的な配列構造が回折格子として作用し、拡散光に回折パターンが生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
この発明は、上述した事情に鑑み、所望の拡散角と、均一な拡散光強度を実現でき、かつコヒーレントな光に対しても用い得る拡散板の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明の拡散板は、２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的に配置して拡散面とし、該拡散面による拡散角：２θを有する拡散板であって、２次元的に配置された微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、  
各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、拡散角：２θに対して、
ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）  
を満足し、且つ、  
Ｆｎ＝｜ｆ｜／Ｄ  
で定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定されている。
【発明の効果】
【００２２】
この発明の拡散板に依れば、所望の拡散角：２θと、均一な拡散光強度を実現できる。
【００２３】
また、この拡散板はコヒーレントな光に対して用いても「回折パターン」の発生を有効に低減もしくは防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】拡散板の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】拡散面の代表的な３例を説明するための図である。
【図３】拡散板とその問題点を説明するための図である。
【図４】微小レンズ面の配列の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施の形態を説明する。
【００２６】
図１（ａ）は、拡散板１の使用状態の１例を示している。
【００２７】
半導体レーザ光源３から放射されるコヒーレントな光を、コリメートレンズ５により平行光束化し、この平行光束を入射光束ＩＬとして拡散板１に入射させる。
【００２８】
拡散板１は、入射光束ＩＬを拡散させ、拡散角：２θをもった均一な光強度の拡散光ＤＬに変換する。
【００２９】
拡散板１に形成される拡散面は、上記の如く「２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的に配置した面」であり、「拡散角：２θ」を実現するように構成される。
【００３０】
拡散面を構成する２種以上の微小レンズ面の形状は、「凸面（正の焦点距離：ｆ（＞０）を持つ）」、「凹面（不の焦点距離：ｆ＜０）を持つ。」の何れであることもできる。
【００３１】
また、拡散面は「凸面の微小レンズ面のみの２次元配列」で形成することも「凹面の微小レンズ面のみの２次元配列」で形成することもできる。
【００３２】
さらには、同一の拡散面に「凸面の微小レンズ面と凹面の微小レンズ面が共存」することもできる。
【００３３】
各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、前記拡散面上でランダムに異なるが、各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、拡散角：２θに対して、
ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）  
を満足する。
【００３４】
従って、微小レンズ面に入射する平行光束は、全ての微小レンズ面により開き角：２θをもつ発散光束に変換される。
【００３５】
また、微小レンズ面は、種類ごとに、有効径が異なるが、有効径：Ｄと焦点距離：ｆ
の比：｜ｆ｜／Ｄは、全ての微小レンズ面に共通である。
【００３６】
「｜ｆ｜／Ｄ」はＦナンバ：Ｆｎの定義であり、微小レンズ面の「明るさ」を意味するから、Ｆｎを共通とする全ての微小レンズ面は、明るさが同一である。
【００３７】
即ち、拡散面を形成する２種以上の微小レンズ面の全て、入射平行光束ＩＬを、開き角：２θの発散光束に変換し、変換された発散光束は等しい明るさを有する。
【００３８】
従って、図１（ｂ）に示すように、拡散角：２θ（−θないし＋θ）を持ち、拡散角の範囲内で均一の光強度をもつ拡散光ＤＬが得られることになる。
【００３９】
図２に、拡散面が異なる３種の拡散板１Ａ、１Ｂ、１Ｃを示す。  
図２（ａ）に示す拡散板１Ａは、拡散面が４種の微小レンズ面Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の２次元的な配列により形成されたものである。
【００４０】
４種の微小レンズ面Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、何れも凸面であり、従ってその焦点距離：ｆは正である。
【００４１】
従って、平行光束である入射光束ＩＬが入射すると、各微小レンズ面により集光光束化され、集光したのちに発散性の光束となる。
【００４２】
これら微小レンズ面Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、有効径：Ｄと焦点距離：ｆ（＞０）は互いに異なっているが、有効径：Ｄと焦点距離：ｆは、関係：
ｔａｎ２θ＝Ｄ／ｆ
を満足するので、各微小レンズ面により発散光束化された各光束は、共通の開き角：２θを持つ。また、全ての種類の微小レンズ面につき、ｆ／Ｄが共通であるから、発散光束は何れも等しい明るさを持つ。
【００４３】
従って、拡散板１Ａにより、拡散角：２θで、均一な光強度を持った拡散光ＤＬが得られる。
【００４４】
図２（ｂ）に示す拡散板１Ｂは、拡散面が４種の微小レンズ面Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４の２次元的な配列により形成されたものである。
【００４５】
４種の微小レンズ面Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４は、何れも凹面であり、従ってその焦点距離：ｆは負である。
【００４６】
従って、平行光束である入射光束ＩＬが入射すると、各微小レンズ面により発散光束化される。
【００４７】
これら微小レンズ面Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４は、有効径：Ｄと焦点距離：ｆ（＜０）は互いに異なっているが、有効径：Ｄと焦点距離：ｆは、関係：
ｔａｎ２θ＝Ｄ／｜ｆ｜
を満足するので、各微小レンズ面により発散光束化された各光束は、共通の開き角：２θを持つ。また、全ての種類の微小レンズ面につき、｜ｆ｜／Ｄが共通であるから、発散光束は何れも等しい明るさを持つ。
【００４８】
従って、拡散板１Ｂにより、拡散角：２θで、均一な光強度を持った拡散光ＤＬが得られる。
【００４９】
図２（ｃ）に示す拡散板１Ｃは、拡散面が４種の微小レンズ面Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４の２次元的な配列により形成されたものである。
【００５０】
４種の微小レンズ面のうち、微小レンズ面Ｌ３１、Ｌ３３は凸面で、正の焦点距離：ｆ（＞０）を持ち、微小レンズ面Ｌ３２、Ｌ３４は凹面で、負の焦点距離：ｆ（＜０）を持つ。
【００５１】
平行光束である入射光束ＩＬが入射すると、微小レンズ面Ｌ３１、Ｌ３３に入射した光束は、一旦、集光光束に変換され、集光したのち発散光束となる。
【００５２】
微小レンズ面Ｌ３２、Ｌ３４に入射した光束は、発散光束に変換される。
【００５３】
これら微小レンズ面Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４は、有効径：Ｄと焦点距離：ｆは互いに異なっているが、有効径：Ｄと焦点距離：ｆは、関係：
ｔａｎ２θ＝Ｄ／｜ｆ｜
を満足するので、各微小レンズ面により発散光束化された各光束は、共通の開き角：２θを持つ。また、全ての種類の微小レンズ面につき、｜ｆ｜／Ｄが共通であるから、発散光束は何れも等しい明るさを持つ。
【００５４】
従って、拡散板１Ｃにより、拡散角：２θで、均一な光強度を持った拡散光ＤＬが得られる。
【００５５】
図２に例示した拡散板１Ａ、１Ｂ、１Ｃは何れも、４種の微小レンズ面の２次元的な配列で拡散面が形成されているが、勿論、このことは「拡散板の拡散面を構成する微小レンズ面が４種に限定される」ことを意味しない。
【００５６】
拡散面を構成する微小レンズ面の種類は「２種以上であればよく、３種でも５種以上」でもよい。
【００５７】
拡散面は、使用光（ＩＬ）に対して透明な材質の表面形状として形成される。透明な材質の形態は「板状」に限らず「フィルム状」であっても良い。
【００５８】
重要なことは、微小レンズ面の配置が規則的でなく、ランダムな配置である点にある。複数種類の微小レンズ面は、その配置により２次元的な拡散面を形成する。
【００５９】
このように、拡散板は「２種以上の微小レンズ面を多数、２次元的にランダムに配置」して拡散面としている。  
換言すると、これら複数種類の微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、拡散面上でランダムに分布する。すなわち、拡散面の構造が回折格子として作用しない。
【００６０】
従って、拡散板を、レーザ光のようなコヒーレント光に対して用いても、回折光や回折パターンの発生は、有効に低減もしくは防止される。
【００６１】
個々の微小レンズ面は、種類に応じ、有効径：Ｄ、焦点距離：ｆが異なるが、これらＤとｆは、所望の拡散角：２θに対し「ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）」を満足する。
【００６２】
従って、図１（ｂ）に示すように、個々の微小レンズ面により拡散される拡散光ＤＬの拡散角：２θは、微小レンズ面の種類に依らず一定である。
【００６３】
また、微小レンズ面のＦナンバ：Ｆｎ（＝｜ｆ｜／Ｄ）が、微小レンズ面の種類に拘らず略一定であるので、どの微小レンズ面も「同じ明るさ」を有している。
【００６４】
そして、微小レンズ面の配置がランダムであるので、拡散光の光量は、拡散光全体に平均化される。
【００６５】
即ち、異種類の微小レンズ面は、有効径：Ｄも焦点距離：ｆも区々であるが、これらは全く独立ではない。
【００６６】
拡散角：２θに応じて、ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）が満足され、且つ、｜ｆ｜／Ｄが、微小レンズ面の種類によらず略一定となるように、Ｄ、ｆが定められている。
【００６７】
従って、拡散光ＤＬは、拡散の範囲を拡散角：２θに制限され、且つ、拡散角内に拡散される拡散光の強度も一定となる。
【００６８】
従って、所望の拡散角：２θを持ち、図１（ｂ）に即して説明した如き特性をもつ拡散板を実現できる。
【００６９】
上に説明したような、複数種類の微小レンズ面を２次元的にランダムに配置して拡散面とした拡散板は「レンズ拡散板」として知られており、その製造方法も確立している。
【００７０】
従って、拡散角：２θと、微小レンズ面の種類、有効径：Ｄ、焦点距離：ｆを指定すれば、これを仕様として、この発明の拡散板を製造することができる。
【００７１】
この拡散板は、同一波長の光に対しては、コヒーレンスの有無を問わず、同様に機能するので、複数光束を合成した光束に対しての拡散板として使用できる。
【００７２】
その場合「各光束に対するホモジナイザ」としての機能も果たし、拡散角内での拡散光強度が均一化される。
【００７３】
図４に、微小レンズ面の２次元配列の具体的な１例を示す。  
この例では、有効径：Ｄが異なる大小４種の微小レンズ面を２次元配列した例である。
【００７４】
有効径の最も小さい微小レンズ面は、レンズ径：０．１ｍｍのものであり、図の横方向に０．１ｍｍピッチ、縦方向に０．０８６６ｍｍで配置されている。
【００７５】
これら４種の微小レンズ面は「いずれも凸面」であることも、「いずれも凹面」であることも、「凸面と凹面の混合」であることもできる。
【００７６】
以下、拡散板の仕様につき説明する。
【００７７】
この発明の拡散板を構成する材料としては、各種の光学材料を利用できる。例えば、通常の光学ガラスや、石英等の光学結晶は材料として好適である。
【００７８】
また、プラスチックモールドを材料とすることもできる。拡散させる光（電磁波）が遠赤外線である場合には、Ｇｅ等の金属結晶を用いることもできる。
【００７９】
拡散板の形態は「平板状」が最も一般的であるが、これに限らず「レンズ面に複合して形成」した形態でも良い。平板状のみならずフィルム状でも良い。
【００８０】
また、上には「光透過性」のものを説明したが、反射面の形態としてもよい。
【００８１】
「微小レンズ面」の形態も、凹凸を問わず、球面、軸対称非球面、アナモフィック面（シリンダ面、トロイダル面等）、フレネル面、ＤＯＥ面等、種々の形態が許容される。
【００８２】
微小レンズ面の配列形態は、矩形配列、六方稠密配列、円形配列等が可能である。勿論、この容易な配列において、各種の微小レンズ面はランダムに配置される。
【００８３】
また、微小レンズ面の配合は、最低で２種類の微小レンズ面を、５０：５０をベースに配列し、回折光の影響が強い方の配合量を少なくする。
【００８４】
２種の微小レンズ面の径も、最小公倍数が大きくなるように設定するのが良い。微小レンズ面の種類は、３種以上が好ましい。
【００８５】
微小レンズ面の有効径は「数μｍ〜数ｍｍ程度」に設定可能である。焦点距離は「数μｍ〜数１０ｍｍ程度」、Ｆナンバは「０近傍から数１００程度」に設定可能である。
【００８６】
この発明の拡散板は、種々の目的に使用できる。例えば「光源像を拡散して使用したり、均一な照明を行ったりする光学素子」として使用できる。
【００８７】
あるいは、レーザ光を用いるプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等において、表示画像のスペックルノイズの低減に用いることができる。
【００８８】
なお、拡散板を「レンズに入射させる拡散光」の発生に用いる場合は、拡散角：２θに対するｓｉｎθを、前記レンズのＮＡより大きく設定し、影響を低減するのが好ましい。
【００８９】
このように、この発明の拡散板を搭載してプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等、種々の光学機器を実施できる。
【００９０】
以上のように、この初目によれば、以下の如き拡散板を実現できる。
【００９１】
［１］
２種以上の微小レンズ面（Ｌ１、Ｌ２を等）を多数、２次元的に配置して拡散面とし、該拡散面による拡散角：２θを有する拡散板（１、１Ａ等）であって、２次元的に配置された微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆが、前記拡散面上でランダムに異なり、
各微小レンズ面の有効径：Ｄおよび焦点距離：ｆは、拡散角：２θに対して、
ｔａｎθ＝Ｄ／（２｜ｆ｜）  
を満足し、且つ、  
Ｆｎ＝｜ｆ｜／Ｄ  
で定義されるＦナンバが、微小レンズ面ごとに略同一となるように設定された拡散板。
【００９２】
［２］
［１］記載の拡散板において、２次元的に配置されて拡散面をなす２種以上の微小レンズ面が凸面である拡散板（１Ａ）。
【００９３】
［３］
［１］記載の拡散板において、２次元的に配置されて拡散面をなす２種以上の微小レンズ面が凹面である拡散板（１Ｂ）。
【００９４】
［４］
［１］記載の拡散板において、凸面をなす微小レンズ面と、凹面をなす微小レンズ面とが、混合して拡散面をなす拡散板（１Ｃ）。
【００９５】
［５］
［１］ないし［４］の何れか１に記載の拡散板において、レンズに入射させる拡散光を発生するために用いられ、拡散角：２θに対するｓｉｎθが、前記レンズのＮＡより大きく設定された拡散板。
【００９６】
［６］
［１］ないし［５］の何れか１に記載の拡散板を搭載した光学機器。
【符号の説明】
【００９７】
１      拡散板
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ｌ４      凸面として形成された微小レンズ面  
Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４      凹面として形成された微小レンズ面  
Ｌ３１、Ｌ３３      凸面として形成された微小レンズ面  
Ｌ３２、Ｌ３４      凹面として形成された微小レンズ面  
ＩＬ      入射光束  
ＤＬ      拡散光  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９８】
【特許文献１】特開平８−１２９２０５号公報
【特許文献２】特開平６−１６７６０２号公報
【図１】
2016045415.tif 000003
【図２】
2016045415.tif 000004
【図３】
2016045415.tif 000005
【図４】
2016045415.tif 000006