CN103261936A - 具备取光板的光接收装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的光接收装置具备取光板及其光学性耦合的光电转换部。取光板具备如下：具有第一主面和第二主面的透光板;在透光板内的、且从第一和第二主面分别隔开了第一和第二距离以上的内部所配置的多个光耦合构造。光耦合构造含有第一透光层、第二透光层和其间所夹设的第三透光层。第一和第二透光层的折射率比透光板的折射率小，第三透光层的折射率比第一和第二透光层的折射率大。第三透光层具有与透光板的第一和第二主面平行的衍射光栅。光电转换部的至少一部分，位于透光板的所述第一和第二主面的至少一方的外缘。

Description

具备取光板的光接收装置
技术领域
本公开涉及一种具备利用衍射进行光的引入的取光板的光接收装置。
背景技术
在折射率不同的两个光传播介质之间使光传播时，因为在界面存在光的透射和反射，所以使光以高效率从一方的光传播介质向另一方的光传播介质进行移动、且这一状态得以保持，这通常是困难的。作为从空气等的环境介质向透明板进行光的引入的技术，例如，可列举非专利文献1所示的现有的光栅耦合法。图23(a)和(b)是表示光栅耦合法的原理的说明图，表示在表面设有间距Λ的直线光栅的透光层20的剖面图和俯视图。如图23(a)所示，若对光栅以特定的入射角θ使波长λ的光23a入射，则能够使之与在透光层20内传播的导波光23B耦合。
先行技术文献
非专利文献
非专利文献1：オ一ム社光集成电路，p94，p243西原浩等
但是，根据非专利文献1所公开的方法，在透光层20中，只能引入满足所确立的条件的光，却无法引入偏离条件的光。
发明内容
本公开的实施方式提供一种具备取光板的光接收装置。
本公开的光接收装置，具备取光板、和与所述取光板光学性耦合的光电转换部，所述取光板具备如下：具有第一和第二主面的透光板;在所述透光板内的、且从所述第一和第二主面分别隔开第一和第二距离以上的内部所配置的至少一个光耦合构造。所述多个光耦合构造各自含有第一透光层、第二透光层、和其间所夹设的第三透光层，所述第一和第二透光层的折射率比所述透光板的折射率小，所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，所述第三透光层具有与所述透光板的所述第一和第二主面平行的衍射光栅。所述光电转换部的至少一部分，位于所述透光板的所述第一和第二主面的至少一方的外缘。
根据本公开的实施方式，可以利用光的全反射，将所引入的光高效率地进行光电转换。
附图说明
图1(a)是表示本公开的取光板的第一实施方式的模式化的剖面图，(b)是表示第一实施方式的第四区域的位置的俯视图。
图2(a)和(b)是表示第一实施方式的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图，(c)是表示入射到光耦合构造的端面的光的情况的剖面图，(d)是表示入射到抽取掉透光层3c的光耦合构造的光的情况的剖面图，(e)是表示光耦合构造的其他构成例的剖面图。
图3是表示用于第一实施方式的取光板的分析之构造的剖面图。
图4是使用图3所示的构造进行的分析结果，(a)至(c)表示光的入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与光向板外的光引出效率的关系。
图5(a)至(e)表示由图4(a)至(c)的箭头表示的位置的条件下的板截面的光强度分布图。
图6是在图3所示的构造中，使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板的折射率一致、使第三透光层3c的折射率为2.0时的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与光向板外的光引出效率的关系。
图7(a)至(e)是表示第一实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图8(a)和(b)是表示用于第一实施方式的取光板的制造的模具的表面图案的模式化的俯视图。
图9(a)和(b)是表示本公开的取光板的第二实施方式中使用的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图。
图10是表示用于第二实施方式的取光板的分析之构造的剖面图。
图11是使用图10所示的构造进行的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与光向板外的光引出效率的关系。
图12是使用图3和图10所示的构造、且使光源的位置沿x轴的负的方向偏移5μm而进行的分析结果，(a)至(c)表示光朝向单一的光耦合构造的端面之入射角与向板外的透射率的关系。
图13(a)至(e)是表示第二实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图14(a)和(b)是表示本公开的取光板的第三实施方式中使用的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图。
图15是表示用于第三实施方式的取光板的分析之构造的剖面图。
图16是使用图15所示的构造进行的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与光向板外的光引出效率的关系。
图17是使用图3和图15所示的构造、且使光源的位置沿x轴的负的方向偏移5μm而进行的分析结果，(a)至(c)表示光朝向单一的光耦合构造的端面之入射角与向板外的透射率的关系。
图18(a)至(f)是表示第三实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图19(a)和(b)是表示用于第三实施方式的取光板的制造之模具的表面图案的模式化的俯视图。
图20(a)是表示本公开的光接收装置的实施方式的模式化的剖面图，(b)、(c)是表示光电转换部的配置的说明图。
图21是表示本公开的光接收装置的其他的实施方式的模式化的剖面图。
图22是表示本公开的光接收装置的其他的实施方式的模式化的剖面图。
图23(a)和(b)是用于通过光栅耦合法进行光的引入的直线光栅的剖面图和俯视图，(c)和(d)是表示光栅耦合法的原理的图。
图24(a)和(b)是表示本公开的取光板的又一其他实施方式的模式化的剖面图。
图25(a)是本实施方式的变形例的剖面图，(b)和(c)是变形例的俯视图。
具体实施方式
首先，说明本发明者关于前述现有技术的课题的考察。
图23(c)表示入射到设于透光层20的光栅的光的矢量图。在图23(c)中，圆21、22以点O为中心，圆21的半径等于包围透光层20的环境介质1的折射率n0，圆22的半径等于导波光23B的等效折射率neff。等效折射率neff依存于透光层20的厚度，根据波导模式而取环境介质1的折射率n0至透光层20的折射率n1之间的特定的值。图23(d)表示光在透光层20以TE模式进行传播时的实效的厚度teff与等效折射率neff的关系。所谓实效的厚度，就是在没有光栅时透光层20的厚度本身，在有光栅时在透光层20的厚度上加上了光栅的平均高度。在所激发的导波光中存在0级、1级、2级等的模式，如图23(d)所示，特性曲线各不相同。在图23(c)中，点P是从点O沿着入射角θ引出线、而与圆21交叉的点，点P'是点P到x轴的垂足，点Q、Q’是圆22与x轴的交点。朝向x轴正向的光的耦合条件由P’Q的长度等于λ/Λ的整数倍表示;朝向负向的光的耦合条件由P’Q’的长度等于λ/Λ的整数倍表示。其中，λ是光的波长，Λ是光栅的间距。即，光的耦合条件由式(1)表示。
【算式1】
sin θ = ± n eff + q λ Λ - - - ( 1 )
在此，q是以整数表示的衍射级数。在由式(1)决定的θ以外的入射角下，光不会在透光层20内耦合。另外，即使是相同的入射角θ，如果波长不同，光仍然无法耦合。
还有，如图23(b)所示，以从光23a的入射方向移动了角度
Figure BDA0000337776790000042
的方位角
Figure BDA0000337776790000043
入射到透光层20的光23aa所对应的、透光层20的光栅的实质的间距为
Figure BDA0000337776790000051
。因此，以不同的方位所入射的光23a，即使是与式(1)所规定的条件不同的入射角θ和波长，也能够满足光的耦合条件。就是说，在入射到透光层20的光的方位变化允许时，式(1)所示的光的耦合条件有一定程度的扩展。但是，不能在宽阔的波长范围和全部的入射角下使入射光与导波光23B耦合。
另外导波光23B在光栅的区域传播期间，在与相对于入射光23a的反射光相同的方向上放射出光23b’。因此，在距光栅的端部20a远的位置入射，作为导波光23B即使能够在透光层20传播，也会在到达光栅的端部20a时有所衰减。因此，只有在靠近光栅的端部20a的位置入射的光23a不会受到因放射造成的衰减，能够作为导波光23B在透光层20内传播。就是说，为了使大部分的光耦合，即使增大光栅的面积，也不能使入射光栅的光的全部作为导波光23B而进行传播。
相对于上述的现来技术，根据本公开的实施方式的光接收装置，入射到透光板的光，入射其内部所配置的光耦合构造，通过光耦合构造内的第三透光层的衍射光栅，被转换成沿着第三透光层的方向上传播的光，从光耦合构造的端面放射。光耦合构造处于与透光板表面平行的位置关系，从光耦合构造放射的光在透光板的表面和其他的光耦合构造的表面之间反复发生全反射，被封闭在透光板内。光电转换部的至少一部分，位于透光板的第一和第二主面的至少一方的外缘，因此可以就所引入的光进行高效率的光电转换。
本公开的光接收装置，具备取光板和与取光板光学性耦合的光电转换部。以下，在详细地说明光接收装置的实施方式之前，首先，详细地说明取光板。
(第一实施方式)
说明本公开的取光板的第一实施方式。图1(a)是取光板51的模式化的剖面图。取光板51具备：具有第一主面2p和第二主面2q的透光板2，和在透光板2内所配置的多个光耦合构造3。
透光板2由透射与用途相应的希望的波长的光的、或透射希望的波长域内的光的透明的材料构成。例如，由透过可视光(波长0.4μm以上、0.7μm以下)的材料的构成。透光板2的厚度例如为0.03mm～1mm左右。第一主面2p和第二主面2q的大小没有特别限制，具有与用途相应的面积。
在该透光板2之上以夹隔垫片2d的方式粘接有盖板2e。因此，透光板2的第一主面2p的大部分与缓冲层2f相接。垫片2d由气凝胶这样的折射率比透光板低的材料构成。还有，盖板2e也可以形成于透光板2的第二主面2q，也可以形成于两面。盖板2e的厚度例如为0.lmm～l.0mm左右。
如图1(a)所示，在透光板2内，光耦合构造3被配置在距第一主面2p和第二主面2q分别隔开第一距离dl和第二距离d2以上的内部。因此，在透光板2中，在与第一主面2p接触且厚度具有第一距离dl为的第一区域2a、和与第二主面2q接触且厚度具有第二距离d2的第二区域2b中，末配设光耦合构造3，而在夹于第一区域2a和第二区域2b间的第三区域2c中配设有光耦合构造3。
就光耦合构造3而言，在透光板2的第三区域2c中，被三维排列。优选光耦合构造3在与第一主面2p和第二主面2q平行的面被二维排列，并且，所二维排列的多个光耦合构造3在透光板2的厚度方向上多层层叠。在此，所谓“平行”，不需要是数学上严格意义上的平行。本说明书中的“平行”的用语，包括相对于严格平行的方向在10度以下的范围内倾斜的情况。
光耦合构造3在x、y轴方向(面内方向)和z轴方向(厚度方向)上以规定的密度配置。例如，就其密度而言，在x轴方向上每lmm为l0～103个，在y轴方向上每lmm为l0～103个，在z轴方向上每lmm为l0～103个左右。为了使对透光板2的第一主面2p和第二主面2q全体所照射的光得以高效率地引入，透光板2的x轴方向、y轴方向和z轴方向的光耦合构造3的配置密度要分别独立而均匀。但是，根据用途和照射到透光板2的第一主面2p和第二主面2q上的光的分布，透光板2中的光耦合构造3的配置也可以不均匀，也可以具有规定的分布。
图2(a)和(b)是沿着光耦合构造3的厚度方向的剖面图和与之正交的俯视图。光耦合构造3含有：第一透光层3a、第二透光层3b和夹于其间的第三透光层3c。即，第一透光层3a、第二透光层3b和夹于其间的第三透光层3c，在与第一和第二主面(2p、2q)垂直的方向上并排配置。在此，所谓“垂直”，不需要是数学上严格意义上的垂直。本说明书中的“垂直”的用语，包括相对于严密地垂直的方向而在10度以下的范围内倾斜的情况。第三透光层3c包含配设在基准平面上的具有间距Λ的直线栅格的衍射光栅3d。衍射光栅3d的直线栅格，可以由在第三透光层3c与第一透光层3a或第二透光层3b的界面所设置的凹凸构成，也可以如图2(e)所示这样，设于第三透光层3c内部。另外，也可以不是由凹凸形成的栅格，而是由折射率差形成的栅格。光耦合构造3按照使第三透光层3c的衍射光栅3d与取光板51的第一主面2p和第二主面2q平行的方式配置在透光板2内。在此，所谓衍射光栅与第一主面2p和第二主面2q平行，意思是配设有栅格的基准平面与第一主面2p和第二主面2q平行。
在有的实施方式中，在与第一主面2p和第二主面2q平行的面上多个排列光耦合构造3时，至少以第一透光层3a和第二透光层3b彼此隔离的方式排列。即，在多个耦合构造3含有在与第一和第二主面(2p、2q)平行的面中被二维并排配置的、第一光耦合构造和第二光耦合构造时，第一光耦合构造具有的第一和/或第二透光层(3a、3b)、和第二光耦合构造具有的第一和/或第二透光层(3a、3b)彼此隔离。在此，所谓第一光耦合构造具有的第一和/或第二透光层(3a、3b)、和第二光耦合构造具有的第一和/或第二透光层(3a、3b)彼此隔离，包括以下任意一种情况。即，第一光耦合构造具有的第一透光层3a、和第二光耦合构造具有的第一透光层3a彼此隔离的情况;第一光耦合构造具有的第二透光层3b、和第二光耦合构造具有的第二透光层3b彼此隔离的情况;以及第一光耦合构造具有的第一和第二透光层(3a、3b)与第二光耦合构造具有的第一和第二透光层(3a、3b)分别彼此隔离的情况。第三透光层3c可以通过彼此隔离的方式排列，也可以通过彼此连续的方式排列。若从制造工艺容易这一点出发，则第三透光层3c能够以彼此连续的方式排列。就是说，第一光耦合构造具有的第三透光层，和第二光耦合构造具有的第三透光层能够彼此连续。
使光耦合构造3沿透光板2的厚度方向多个排列时，以彼此隔离的方式排列。例如，在第一光耦合构造具有的第一透光层的上方、有第二光耦合构造具有的第二透光层时，第一光耦合构造具有的第一透光层、与第二光耦合构造具有的第二透光层以彼此隔离的方式排列。
第一透光层3a、第二透光层3b和第三透光层3c的厚度分别是a、b、t，第三透光层3c的直线衍射光栅的段差(深度)为d。第三透光层3c的表面与透光板2的第一主面2p、第二主面2q平行，第一透光层3a和第二透光层3b的、位于第三透光层3c相反侧的表面3p、3q也与透光板2的第一主面2p、第二主面2q平行。
如以下说明的，取光板51具备多个光耦合构造3，以使之能够将入射到取光板的不同波长的光引入，并且，在多个光耦合构造之中的至少两个中，衍射光栅3d的延伸方向可以互不相同。或者，在多个光耦合构造3之中至少两个中，衍射光栅3d的间距Λ可以互不相同。或者，也可以使以上情况加以组合。
第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小，第三透光层3c的折射率比第一透光层3a和第二透光层3b的折射率大。以下，第一透光层3a和第二透光层3b是空气，折射率为1。另外，第三透光层3c由与透光板2相同的介质构成，折射率彼此相等。
光耦合构造3的第一透光层3a和第二透光层3b的表面3p、3q，例如，是以长度W和L为两条边的矩形，W和L为3μm以上、100μm以下。即，光耦合构造3的第一透光层3a和第二透光层3b的表面具有与3μm以上、100μm以下的直径的圆外切(外接)的大小。另外，光耦合构造3的厚度(a+t+d+b)为3μm以下。如图2(b)所示，在本实施方式中，光耦合构造3的表面(平面)具有矩形，但也可能具有其他的形状，例如，多角形、圆和椭圆形。
就取光板51而言，在被环境介质包围下使用。例如，取光板51在空气中使用。这种情况下，环境介质的折射率为1。以下，将透光板2的折射率设为ns。来自环境介质的光4透过盖板2e和缓冲层2f，从透光板2的第一主面2p和第二主面2q入射到透光板2的内部。缓冲层2f由与环境介质相同的介质构成，其折射率为1。另外，垫片2d的折射率也大体上等于1。为了提高在盖板2e的两面和第一主面2p和第二主面2q入射的光4的透射率，也可以形成AR涂层和无反射纳米构造。在无反射纳米构造中，包含蝇眼结构等、使间距和高度为设计波长的1/3以下的微细的凹凸构造。设计波长是使得取光板51发挥规定的机能来对各要素进行设计时所使用的光的波长。还有，在无反射纳米构造中，虽然菲涅耳反射减小，但全反射存在。
以下，将在透光板2的内部存在的光之中的、其传播方位与透光板2的法线(与第一主面2p和第二主面2q垂直的线)的夹角θ(以下，称为传播角)满足sinθ＜1/ns的光称为临界角内的光，将满足sinθ≥1/ns的光称为临界角外的光。在图1(a)中，透光板2的内部有临界角内的光5a时，其一部分经由光耦合构造3被转换成临界角外的光5b，该光在第一主面2p发生全反射，成为在板内部滞留的临界角外的光5c。另外，临界角内的光5a剩余的临界角内的光5a’之中的一部分经由别的光耦合构造3被转换成临界角外的光5b’，该光在第二主面2q发生全反射，成为在板内部滞留的临界角外的光5c’。如此，临界角内的光5a的全部，在配置有光耦合构造3的第三区域2c内被转换成临界角外的光5b和5b’。
另一方面，在透光板2中有临界角外的光6a时，其一部分在光耦合构造3的表面发生全反射而成为临界角外的光6b，该光在第一主面2p发生全反射，成为在板内部滞留的临界角外的光6c。另外，光6a的剩余的光的一部分成为透过设有光耦合构造3的第三区域2c的临界角外的光6b’，该光在第二主面2q发生全反射，成为在透光板2内部滞留的临界角外的光6c’。另外虽末图示，但一边在不同的光耦合构造3之间和第一主面2p、第二主面2q之间发生全反射，一边在板内部滞留的临界角外的光，即，在第一区域2a、第二区域2b或第三区域2c中滞留而传播的光也存在。这种情况下，在第一区域2a和第二区域2b传播的光的分布产生偏移之虞存在。透光板2的光的分布的偏移成为问题时，如图1(a)所示，在透光板2内的第三区域2c中，能够设置一个以上没有配设光耦合构造3的第四区域2h。就是说，光耦合构造3只在除去第四区域2h的第三区域2c内配置。在透光板2中，第四区域2h连接第一区域2a和第二区域2b。第四区域2h从第一区域2a向第二区域2b或沿相反方向延伸，贯通第四区域2h的任意的直线的方位，沿着比透光板的折射率和透光板的周围的环境介质的折射率所规定的临界角大的角度。即，如果环境介质的折射率为1，透光板2的折射率设为ne，则贯通第四区域2h的任意的直线的延伸的方向2hx与透光板2的法线的形成角度θ’满足sinθ’≥1/ns。在此，所谓直线贯通第四区域2h，是指直线贯通第四区域2h的与第一区域2a相接的面和第四区域2h的第二区域2b。
图1(b)是取光板51的俯视图，表示第四区域2h的配置。如图1(b)所示，第四区域2h，优选在透光板2内设有多个。第四区域2h，因为以比临界角大的角度从第一区域2a向第二区域2b或相反的方向伸长，所以只有在透光板2的第一区域2a和第二区域2b传播的光之中的、临界角外的光能够透过第四区域2h，并从第一区域2a向第二区域2b透过或以反方向透过。因此，能够防止取光板51内的光分布的偏移。
如图2(a)所示，临界角内的光5a，透过第二透光层3b的表面3q，其一部分在衍射光栅3d的作用下被转换成在第三透光层3c内传播的导波光5B。其余作为透射光和衍射光，主要成为临界角内的光5a’而透过光耦合构造3、或作为反射光而成为临界角内的光5r，穿过光耦合构造3。向第二透光层3b入射时，虽然也有在表面3q反射的临界角外的光6b，但如果在表面3q、3p形成无反射纳米构造，则能够使大部分的光透过。
向导波光5B的耦合，与现有的光栅耦合法的原理相同。就导波光5B而言，在到达第三透光层3c的端面3S以前，其一部分沿着与临界角内的光5r相同的方向被放射，成为临界角内的光5r’;剩余的作为导波从第三透光层3c的端面3S被放射，成为临界角外的光5c。另一方面，临界角外的光6a，在第二透光层3b的表面3q发生全反射，其全部成为临界角外的光6b。如此，入射到光耦合构造3的表面(第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q)的临界角外的光作为临界角外的光直接被反射，临界角内的光其一部分被转换成临界角外的光。
还有，若第三透光层3c的衍射光栅3d的长度过长，则导波光5B在到达其端面3S之前便全部被放射。另外若过短，则向导波光5B的耦合效率不充分。导波光5B的易放射度由放射损耗系数α表示，在传播距离L下，导波光5B的强度变成exp(-2αL)倍。假如α的值设为10(1/mm)，则在10μm的传播下达到0.8倍的光强度。放射损耗系数α与衍射光栅3d的深度d有关，在d≤dc的范围内单调递增，在d＞dc的范围内饱和。若设光的波长为λ，导波光5B的等效折射率为neff，透光层3c的折射率为n1，衍射光栅3d的占空比(デユ一ティ)(凸部的宽度对于间距的比)为0.5，则dc由以下的式(2)给出。
【算式2】
d c ≈ λ 2 π n eff 2 - ( n 1 - 1 2 ) 2 - - - ( 2 )
例如，若λ＝0.55μm，neff＝1.25，n1＝1.5，则dc＝0.107μm。在单调递增区域，放射损耗系数α与d的平方成正比。因此，衍射光栅3d的长度，即第三透光层3c的长度(尺寸W和L)由放射损耗系数α决定，依存于衍射光栅3d的深度d。假如，调整深度d而将α的值设定在2～100(1/mm)的范围，使衰减比为0.5，则W和L为3μm至170μm左右。因此，如上述，如果W和L为3μm以上、100μm以下，则通过深度d的调整能够抑制放射损耗，得到高耦合效率。
在使导波光5B的等效折射率neff为1.25时，根据式(1)，对应间距Λ、入射角θ，哪种可视光的波长(λ＝0.4～0.7μm)的光发生耦合被示出在(表1)中。虚线的区间为耦合的范围。例如，间距0.4μm的情况下，在θ＝-14度下，波长0.4μm的光耦合;在θ＝30度下，波长0.7μm的光耦合，从θ＝-14度至θ＝30度为可视光的耦合范围。
【表1】
Figure BDA0000337776790000112
入射角θ的极性与光的耦合方向相关。因此，若无视光的耦合方向而仅仅注目于有无耦合，如果入射角的范围覆盖从0到90度、或从-90到0度的任意一个范围，则全部的入射角度所对应的耦合可进行。因此，由表1可知，为了对于全部的可视光波长、全部的入射角度而使光耦合，能够组合使用具有0.18μm至0.56μm(0度至90度)、或0.30μm至2.80μm(-90度至0度)的间距Λ的衍射光栅3d的光耦合构造3。若考虑等效折射率的变化和形成导波层和衍射光栅时所能够产生的制造误差，则衍射光栅3d的间距大概为0.1μm以上、3μm以下即可。
另外，如图2(b)所示，例如，在与衍射光栅3d延伸方向垂直的方向所入射的临界角内的光5a所对应的衍射光栅3d的间距为Λ，但以方位角φ入射的光5aa所对应的衍射光栅3d的实效的间距为
Figure BDA0000337776790000121
。例如，光5aa的入射方位角
Figure BDA0000337776790000122
为0～87度时，实效的间距为Λ～19Λ。因此，若设定为Λ＝0.18μm，则即使以相同的衍射光栅3d，也能够由入射的光的方位实现0.18至2.80μm的实效的间距Λ，若设定为Λ＝0.30μm，则能够实现从0.30到2.80μm的间距Λ。因此，除了组合具有不同间距的衍射光栅3d的光耦合构造3以外，通过将单一的间距的光耦合构造3按照衍射光栅的延伸方向(衍射光栅的方位)从0度至180度改变的方式旋转地配置在透光板2内，也能够使全部的可视光波长的光以全部的入射角度引入。此外，在多个光耦合构造3中，也可以使衍射光栅3d的间距和衍射光栅3d延伸的方向这两方不同。
接着，研究与光耦合构造3的表面3p、3q垂直的端面3r、3s(沿着透光层3b的法线方向的面)中的光。如图2(c)所示，入射到光耦合构造3的端面3r的光，考虑有如下情况：在端面3r反射的情况;在端面3r发生衍射的情况;透过端面3r而发生折射的情况;经过端面3r而在第三透光层3c导波的情况。例如，在第一透光层3a和第二透光层3b的端面入射且透过的临界角外的光6a，发生折射，且成为临界角内的光6a’。另外，在第三透光层3c的端面入射并透过的光6A的一部分，被转换成在第三透光层3c内传播的导波光6B。
作为参考，图2(d)表示从光耦合构造3抽取掉第三透光层3c、且在所抽取后的空间用与第一透光层3a和第二透光层3b相同的空气填充时的光路。临界角内的光5a在光耦合构造3的表面3q入射时，如果其入射位置接近端面3s，则折射的结果是，在端面3s作为临界角外的光5a’出射。另外，临界角内的光5a在光耦合构造3的端面3r入射时，在端面3r发生全反射。临界角外的光6a在光耦合构造3的端面3r入射时，在此入射位置不聚集，折射的结果，从表面3p作为临界角内的光6a’出射。另外，临界角外的光6a入射到光耦合构造3的表面3q时，在表面3q发生全反射。
如此，光耦合构造3的端面3r、3s所入射的光的情况，其举动复杂，即使临界角外的光入射端面，也未必作为临界角外的光出射。但是，如果使表面的大小(W、L)比端面的大小(a+t+d+b)大得多(例如4倍以上)，则端面的影响十分小，表面3p、3q的光的透射或反射能够视为光耦合构造3整体的光的透射和反射的举动。具体来说，第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q的大小，如果是光耦合构造3的厚度的4倍以上，则能够足以无视光耦合构造3的端面3r、3s中的光的影响。因此，如果光耦合构造3将临界角外的光保持为临界角外的光，另一方面，发挥将临界角内的光不可逆地转换为临界角外的光的机能，充分设定光耦合构造3的密度，则能够将入射到取光板51的全部的光转换成临界角外的光(即在板内封闭的光)。
图3表示用于确认取光板51的光封闭效果的分析所使用的取光板的截面构造。分析中，使用含有一个光耦合构造的取光板。如图3所示，在与从透光板2的第二主面2q距1.7μm的位置平行地设定宽5μm的光源S(由虚线表示)，在其上方空出0.5μm的距离而平行配置宽6μm的第二透光层3b，在其上配置相同宽度的第三透光层3c和第一透光层3a。透光板2的第一主面2p处于从第一透光层3a的表面距2.5μm的位置。从光源S，在相对于第二主面2q的法线而构成θ的角的方位，出射相对于纸面成45度的角度的偏振光的平面波，按照使入射光的中心透过第二透光层3b的表面的中心的方式，根据角θ而使第一透光层3a、第二透光层3b和第三透光层3c的位置横向移动。另外，使第一透光层3a的厚度a为0.3μm，第二透光层3b的厚度c为0.3μm，第三透光层3c的厚度t为0.4μm，衍射光栅的深度d为0.18μm，衍射光栅的间距Λ为0.36μm。使透光板2和第三透光层3c的折射率为1.5，环境介质、第一透光层3a和第二透光层3b的折射率为1.0。
图4(a)至(c)是表示在图3所示的构造的取光板中，从光源S向光耦合构造3入射的光的入射角θ、与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。用于分析的构造如上述。分析中使用二维的时域有限差分法(FDTD)。因此，是图3所示的截面在纸面垂直方向上无限延续的构造的分析结果。就透射率而言，其是稳定时的计测，以通过分析区域最下面(z＝0μm)和最上面的坡印廷矢量(Poynting Vector)的积分值、对通过包围光源的闭曲面的坡印廷矢量的积分值之比定义。虽然有一部分超过100％的计算结果，但这是由于光源的坡印廷矢量的计测有一些误差。图4(a)表示光源的波长λ为0.45μm时的计算结果，图4(b)表示波长λ为0.55μm时的计算结果，图4(c)表示波长λ为0.65μm时的计算结果。分别将衍射光栅的深度d作为参数、并且在没有光耦合构造3的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果也加以绘制。
将有光耦合构造3但衍射光栅的深度d＝0时的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围，透射率变小，在此以上的角度时均大体变成零。之所以在临界角以内前者的透射率变小，如参照图2(d)而说明的，是由于入射到第二透光层3b的表面3q的光发生折射，其一部分作为临界角外的光从端面3s出射。但是，在前者的情况下，相同地如参照图2(c)、(d)而说明的，从光耦合构造3的端面3r入射的临界角外的光，在该面发生折射后，又在第一透光层3a的表面3p折射，在透光板2内变成临界角内的光。因此，在d＝0时的构造中，有向临界角外的光的转换，另一方面，也有向临界角内的光的转换，可以说整体上封闭光的效果小。
另一方面，若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果进行比较，则前者的透射率与后者的大体上接近，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。图4(d)中将图4(a)、(b)、(c)的曲线就入射角θ进行积分后的值的标准值(除以90的值)、在以衍射光栅的深度d作为参数下加以表示。因为分析模型为二维，所以该积分值等于光封闭板内的光被引出到板外的效率。任何波长下，随着d的增大(至少在d＝0，d＝0.18的比较中)，引出效率均降低。这呈现出由单一的光耦合构造带来的光封闭的效果。如果这一效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则最终能够封闭全部的光。还有，虽然本分析是二维的模型，但在实际的模型(三维模型)中，因为相对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角φ而满足作为耦合条件的式(1)的入射光必然存在，所以图4所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等局部性的范围、而在全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。
图5表示在图4的箭头a、b、c、d、e所示的条件下、取光板内的光强度分布图。具体来说，图5(a)表示波长λ＝0.45μm、θ＝5度的结果，图5(b)表示波长λ＝0.55μm、θ＝0度的结果，图5(c)表示波长λ＝0.55μm、θ＝10度的结果，图5(d)的波长λ＝0.65μm、θ＝10度的结果，图5(e)表示波长λ＝0.65μm、θ＝20度的结果。
在图5(a)、(b)所示的条件和入射角的情况下，因为第三透光层3c的折射率比包围它的第一透光层3a和第二透光层3b的折射率高，所以第三透光层3c作为导波层发挥机能，入射光在衍射光栅的作用下，与在第三透光层3c内传播的导波光耦合，该光从第三透光层3c的端面3r、3s放射到透光板2内。该放射光是临界角外的光，在透光板2的第一主面2p和第二主面2q发生全反射，被封闭在透光板2内。图5(c)、(d)、(e)所示的条件和入射角的情况下，入射光也在衍射光栅的作用下与在第三透光层3c内传播的导波光耦合，该光从第三透光层3c的端面3r被放射到板内。该放射光是临界角外的光，在透光板2的第一主面2p和第二主面2q发生全反射，被封闭在透光板2内。还有，在图5(a)、(c)、(e)中，放射光被分为两股，耦合的光在导波层截面的上下是相位反转的一级模式的导波光。另一方面，在图5(b)、(d)中，放射光处于聚合的状态，耦合的光为0级模式的导波光。
图6表示:在图3所示的构造中使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板2的折射率一致、且使第三透光层3c的折射率变更成2.0时的分析结果。其他条件均与能够得到图4所示的分析结果时的条件相同。图6(a)表示光源的波长λ＝0.45μm时的结果，图6(b)表示波长λ＝0.55μm时的结果，图6(c)表示波长λ＝0.65μm时的结果。若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率与后者的相比，在箭头a、b、c、d、e、f的位置下降。这基于参照图4说明的相同理由。但是在临界角以上的区域，相比后者处于零的邻域，前者则大幅上升。这是因为，临界角以上的入射角的光由光耦合构造3的衍射光栅衍射，其一部分在板内被转换成临界角内的光。图6(d)中将图6(a)、(b)、(c)的曲线就入射角θ进行积分后的值的标准值(除以90的值)、在以凹槽深度d作为参数下加以表示。在几个条件下，随着d的增大，引出效率反而增大，得不到光封闭的效果。这表示在临界角以上的区域的特性抵消了箭头a、b、c、d、e、f的位置的效果。
若比较图4和图6所示的分析结果，则在图4中，在临界角以上，能够使透射率达到零。将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，在临界角以上的区域也没有差异，均大体为零。这是由于，因为使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小，所以在第二透光层3b和透光板2的界面、即表面3q发生全反射，入射角大的光不能入射到光耦合构造3内的衍射光栅，没有由衍射光栅形成的衍射光发生。如此可知，作为光耦合构造3，为了第三透光层3c成为导光层，使其折射率比第一透光层3a和第二透光层3b的折射率大，为了临界角外的光不入射第三透光层3c，使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小即可。另外可知，为了使透光板2和光耦合构造之间的全反射所对应的临界角减小，优选第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板的折射率的差要大，例如，第一透光层3a和第二透光层3b的折射率能够为1。
如此根据本实施方式的取光板，在透光板的第一主面和第二主面以各种角度入射的光，成为临界角内的光而入射到在透光板的内部所配置的光耦合构造，经由光耦合构造内的衍射光栅，其一部分被转换成在第三透光层内传播的导波光，从光耦合构造的端面被放射，成为临界角外的光。根据光耦合构造，其衍射光栅的间距不同、或衍射光栅的方位不同，因此该转换可跨越全部的方位、宽阔的波长范围，例如可跨越可视光全域进行。另外，因为衍射光栅的长度短，所以能够减少导波光的放射损耗。因此，透光板内存在的临界角内的光，通过多个光耦合构造而全部被转换成临界角外的光。因为光耦合构造的第一和第二透过层的折射率比透光板的折射率小，所以临界角外的光在光耦合构造的表面发生全反射，该光在其他的光耦合构造的表面和透光板的表面之间反复发生全反射，被封闭在透光板内。如此，光耦合构造将临界角内的光不可逆地转换成临界角外的光，另一方面，又将临界角外的光保持在临界角外的状态。因此，如果充分设定光耦合构造的密度，则能够将入射到取光板的全部的光转换成临界角外的光，即转换成封闭在板内的光。
还有，在图1(a)中，透光板2的第一主面2p经由缓冲层2f而被盖板2e覆盖。因此，水滴等的异物2g附着在盖板2e的表面，与第一主面2p接触得以防止。如果异物2g与第一主面2p接触，则在此接触面，全反射的关系破坏，在透光板2内所封闭的临界角外的光会经由异物2g而泄漏到外部。垫片2d也与第一主面2p相接，但其折射率与环境介质的折射率几乎不变，因此在此接触面全反射的关系得到维持，临界角外的光不会经由垫片2d泄漏到外部。另外，透光板的表面积小时，也可以不夹持垫片2d而在盖板2e与第一主面2p之间形成缓冲层2f。
图24(a)和(b)是表示盖板2e的配置例的剖面图。在图24(a)的例子中，其构成为，在透光板2的第一主面2p和第二主面2q的两方经由“间隙”使盖板2e对置地构成。在该例中，第一主面2p和第二主面2q的全体由盖板2e覆盖。在图24(b)的例子中，透光板2的第一主面2p的一部分没有与盖板2e对置。另外，在该例中，垫片2d设于第二主面2q的端部以外的位置。还有，上述的“间隙”，也可以由折射率十分小的流体或固体填埋。
取光板51，例如，能够通过以下的方法制造。图7(a)至(e)是表示取光板51的制造步骤的模式化的剖面结构图，图8(a)、(b)是表示用于制成板的模具表面的图案模式化的俯视图。
在图8(a)、(b)中，在模具25a、25b的表面，例如，相同尺寸的矩形微小构造25A、25B被二维排列。模具25a的微小构造25A的配置与模具25b的微小构造25B的配置等同。微小构造25A、25B在本实施方式中是突起。微小构造25A的高度相当于图2(a)的尺寸b，微小构造25B的高度相当于尺寸a。微小构造25B的表面是平面，但在微小构造25A的表面之上，形成有高度d、间距Λ的直线衍射光栅，衍射光栅的方位(凹部或凸部的延伸方向)在每个微小构造25A有所不同。在图8中，使0度、45度、90度、135度的按45度刻度的方位的光栅规则地排列，但实际上，能够以30度和15度刻度等更小的刻度幅度的方位而使光栅等频度地排列。
如图7(a)所示，以在模具25b的表面薄薄地涂布分离剂的状态铺设透明的树脂板24，在该板上配置模具25a，在使彼此的微小构造25B与微小构造25A的位置对齐状态下，对夹在模具25b和模具25b中的树脂板24进行挤压。
如图7(b)所示，抬起模具25a，将树脂板24从模具25b上剥落，如图7(c)所示，压在表面薄薄地涂布有粘接剂的树脂板24a上，粘接树脂板24和树脂板24a。如图7(d)所示，将粘接剂薄薄地涂布在树脂板24a的底面，将其在无视校准下压在通过同样的方法形成的树脂板24’、24’a之上，而将其粘接。
如图7(e)所示，以固定树脂板24’a的状态，抬起模具25a，从模具25a上剥落树脂板24、24a、24’、24’a的全体。
之后，将树脂板24、24a、24’、24’a置换成图7(d)的树脂板24’、24’a，重复这些步骤，制作图1(a)所示的透光板2的第三区域2c。在透光板2的第三区域2c的表面和背面，粘接构成透光板2的第一区域2a和第二区域2b的树脂板，由此图1(a)所示的取光板51完成。在本实施方式中，树脂板的粘接中使用的是粘接剂，但也可以不使用粘接剂，而是通过对树脂板的表面加热，使树脂板之间熔接。另外，也可以在树脂板24a和构成第一区域2a和第二区域2b的树脂板的表面预先形成无反射纳米构造。
(第二实施方式)
说明本公开的取光板的第二实施方式。本实施方式的取光板52，光耦合构造的端面的构造与第一实施方式的光耦合构造不同。因此，以下，以本实施方式的光耦合构造为中心进行说明。
图9(a)和(b)模式化地表示沿着取光板52的厚度方向的光耦合构造3’的截面构造和平面构造。如图9(a)和(b)所示，在光耦合构造3’中，在端面3r、3s设有深度e的凹部3t。凹部3t的截面，随着朝向内部而宽度变窄。因此，在光耦合构造3’中，第一透光层3a和第二透光层3b的厚度，随着从光耦合构造3’的中心向外缘侧而变小。表面3p、3q与第一实施方式同样是平坦的。
图10表示用于确认具备光耦合构造3’的取光板52的光封闭的效果的分析所使用的取光板的截面构造。光耦合构造和光源，设置在与用于第一实施方式的分析的构造(图3)对应的要素完全相同的位置上。
图11(a)至(c)是表示在图10所示的构造的取光板中，从光源S向光耦合构造3’入射的光的入射角θ、与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。分析中使用与第一实施方式相同的方法。图11(a)表示光源的波长λ＝0.45μm时的结果，图11(b)表示波长λ＝0.55μm时的结果，图11(c)表示波长λ＝0.65μm时的结果。其中，分别将衍射光栅的深度d作为参数、并且在没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果也加以绘制。
将有光耦合构造3’但衍射光栅的深度d＝0时的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围变小，在其以上的角度下两者均为零。之所以在临界角以内前者变小，如参照图2(d)说明的，是由于入射第二透光层3b的表面3q的光发生折射，其一部分作为临界角外的光从右侧面(第三透光层3c的右侧面)出射。
另一方面，若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率大体上接近后者的，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。这些位置相当于光与导波光耦合的条件。图11(d)中将图11(a)、(b)、(c)的曲线就入射角θ进行积分后的值的标准值(除以90的值)、在以凹槽深度d作为参数下加以表示。因为分析模型是二维的，所以该积分值等于板内的光引出到板外的效率。无论哪种波长，伴随d的增大(至少在d＝0、d＝0.18的比较中)，引出效率均降低。这表示由单一的光耦合构造带来的光封闭的效果，与第一实施方式的分析结果相同。如果这一效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则能够封闭全部的光。还有，虽然本分析是二维的模型，但在现实的三维模型中，因为相对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角
Figure BDA0000337776790000191
而满足作为耦合条件的式(1)的入射光必然存在，所以图11所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等的局部性的范围、而在全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。另外，与第一实施方式的分析结果相比，箭头b、c、d、e的位置的下降之所以变小，是因为在本实施例的分析模型中缩小了光栅的长度(耦合长度)。
图12是表示第二实施方式中的、基于光向单一的光耦合构造的端面的入射之入射角θ和向取光板外的透射率的关系的分析结果。在分析条件中采用的是，仅将图10和图3中光源S的位置向x轴的负侧移动5μm的。图12(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图12(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图12(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将本实施例的模型与第一实施方式的模型进行比较、且在没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果也加以绘制。
若将第二实施方式的模型的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则两方均是在临界角内(41.8度以下)大体一致，但在临界角外(41.8度以上)的范围，后者大体上为零，相对于此，前者从零大幅上升。前者之所以在临界角外上升，如参照图2(c)、(d)说明的，是由于入射到光耦合构造的第一透光层3a和第二透光层3b的端面的光在折射之后，成为临界角内的光而从第一主面2p出射。相对于此，第二实施方式的模型的分析结果是，临界角外的范围的上升得到部分地抑制。这是由于，在第二实施方式的端面，没有第一透光层3a和第二透光层3b占据的区域，端面的折射得到一定程度的抑制。因此，第二实施方式是能够在第一实施方式以上无视端面的影响(临界角外的光被转换成临界角内的光的现象)的结构，可以说是封闭光的效果更强的结构。还有，在图12中将光源的长度设定为5μm。若增长其长度，则从光耦合构造的端面偏离，直接入射到第一主面2p而发生全反射、或在光耦合构造的表面3q发生全反射之成分的比率增加，因此临界角外的上升缓和。假如使光源的长度达到4倍的20μm，使光耦合构造为21μm左右，则在维持其他的特性的同时，端面入射的特性在临界角外的上升降低至1/4左右。
图13是表示本实施方式的取光板52的作制步骤的一例的模式化的截面。在模具25a、25b的微小构造25A、25B的外缘部设置倾斜25A’、25B’，如果使用与第一实施方式同样的步骤，则能够制造取光板52。如果除去模具25a、25b的形状不同这一点，则能够与第一实施方式的取光板51同样地制造本实施方式的取光板52，因此省略具体的制造步骤的说明。
(第三实施方式)
说明本公开的取光板的第三实施方式。本实施方式的取光板53，光耦合构造的端面的构造与第二实施方式的光耦合构造不同。因此，以下以本实施方式的光耦合构造为中心进行说明。
图14(a)和(b)模式化地表示沿着取光板53的厚度方向的光耦合构造3”的截面构造和平面构造。如图14(a)和(b)所示，在光耦合构造3”的表面3p、3q，在与端面3r、3s邻接的宽度e的区域设有锥度3u、3v。因此，第一透光层3a和第二透光层3b，在维持与第三透光层3c的界面的平坦性的状态下，第一透光层3a和第二透光层3b的厚度随着从光耦合构造3”的中心向外缘侧而变小。
图15表示为了确认在具备光耦合构造3”的取光板53中的光封闭的效果的分析所使用的取光板的截面构造。光耦合构造和光源，设置在与用于第一实施方式的分析的构造(图3)完全相同的位置。
图16(a)至(c)是表示在图15所示的构造的取光板中从光源S向光耦合构造3’侧入射的光的入射角θ、与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。分析中使用与第一实施方式相同的方法。图16(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图16(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图16(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将衍射光栅的深度d作为参数、并且在没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果也加以绘制。
将有光耦合构造但光栅的深度d＝0时的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围变小，在此以上的角度，后者变为零，相对于此，前者在直至55度的范围为止而上升残留。之所以在临界角以内前者变小，如参照图2(d)说明的，入射到第二透光层3b的表面3q的光发生折射，其一部作为临界角外的光从右侧面(第三透光层3c的右侧面)出射。在临界角以上，前者上升的理由被认为有两个。第一个是由于，第二透光层3b的表面3q朝向外缘部倾斜，超过临界角的光的一部分能够在临界角以内入射第二透光层3b的表面3q，该光在光耦合构造内部的光栅发生衍射而变成临界角内的光。第二个是由于，第二透光层3b的膜厚在外缘部变得过薄，超过临界角的光的一部分以瞬逝光的状态透过直至光耦合构造内部，该光在光栅发生衍射而变成临界角内的光。
另一方面，若将衍射光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率与后者大体上接近，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。这些位置相当于光与导波光耦合的条件，导波后，从第三透光层3c的端面放射，成为临界角外的光。该放射光以传播角90度(x轴方向)为中心而收敛在±35度左右的范围(参照图5)。
在图16中，透射光的上升在入射角55度以上时终结，大体为零，因此可知，一度成为导波光而放射的光，反复发生全反射而成为滞留在板内部的临界角外的光(传播角55度以上的光)。还有，第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q向外缘部倾斜，在这些面发生全反射的光的传播角，对应倾斜方向而变大或变小，但因为其发生概率相同，所以整体上能够维持大体相同的传播角。
图16(d)中将图16(a)、(b)、(c)的曲线就入射角θ进行积分后的值的标准值(除以90的值)、在以凹槽深度d作为参数下加以表示。因为分析模型是二维的，所以该积分值等于板内的光被引出到板外的效率。任何波长下，随着d的增大(至少在d＝0、d＝0.18的比较中)，引出效率均降低。这呈现出由单一的光耦合构造带来的光封闭的效果，与第一实施方式的分析结果同样。如果该效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则能够封闭全部的光。还有，本分析虽然是二维的模型，但在现实的三维模型中，对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角
Figure BDA0000337776790000221
而满足作为耦合条件的式(1)的入射光必然存在，因此图16所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等的局部性的范围、而在涉及全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。
图17是表示在第三实施方式的板中的、基于向单一的光耦合构造的端面的入射之入射角θ与向板外的透射率的关系的分析结果。分析条件采用的是，仅将图15和图3中光源S的位置向x轴的负侧移动5μm的。图17(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图17(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图17(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将本实施例的模型与实施例1的模型比较、并且在没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果也加以绘制。若将实施例1的模型的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则两方均在临界角内(41.8度以下)大体一致，但在临界角外(41.8度以上)的范围时，后者变得大体为零，相对于此，前者大幅上升。之所以前者在临界角外上升，如参照图2(c)、(d)说明的，是由于入射到光耦合构造的第一透光层3a和第二透光层3b的端面的光在折射之后，成为临界角内的光而从上表面出射。相对于此，第三实施方式的模型的结果是，在入射角55度以上的范围，上升明显受到抑制，几乎变成零。这是由于，在第三实施方式的端面，没有第一透光层3a和第二透光层3b占据的区域，本来在端面折射的成分，在第二透光层3b的倾斜的表面3q发生全反射。因此，第三实施方式是在第一实施方式和第二实施方式以上，能够抑制端面的影响(临界角外的光被转换成临界角内的光的现象)的结构，可以说是封闭光的效果更强的结构。
取光板53例如，能够通过以下的方法制造。图18(a)至(f)，是表示取光板53的制造步骤的模式化的剖面结构图，图19(a)、(b)是表示用于制成板的模具表面的图案的模式化的俯视图。在图19(a)中，模具25a的表面为平面，在模具25a的表面，例如，二维排列有相同尺寸的矩形的微小构造25A。矩形的微小构造25A是高度d、间距Λ的衍射光栅。衍射光栅的方位在每个微小构造25A上都有所不同。在图19(a)中，使0度、45度、90度、135度的按45度刻度的方位的衍射光栅规则地排列，但实际上能够以30度和15度刻度等更小的刻度幅度的方位使光栅等频度地排列。在图19(b)的模具25b、25b’的表面，也二维排列有矩形的微小构造25B、25B’。微小构造25B、25B’的配置的间距，与微小构造25A的配置的间距相等。微小构造25B、25B’为凹部，其底为平面。凹部的深度相当于图14的尺寸a或b。模具25a的微小构造25A，其方形是几乎相接程度的大小(也可以相接)，但模具25b、25b’的微小构造25B、25B’的方形小。
如图18(a)所示，在拥有平坦的表面的模具25c之上铺设透明的树脂板24，在其上薄薄地涂布分离剂，以此状态，用模具25a挤压。如图18(b)所示，抬起模具25a，从树脂板上剥落模具25a，在有衍射光栅转印的树脂板24之上铺设平坦的树脂板24a。
如图18(c)所示，一边加热树脂板24、树脂板24a，一边以模具25b进行挤压，在模具25b的凹陷25B的区域使树脂板24a升起，在此以外的区域接合树脂板24、树脂板24a。这时，衍射光栅在接合部完全消除，仅在树脂板24a升起的区域残留。树脂板24a的升起在与树脂板24之间形成空气层(或真空层)。如图18(d)所示，卸下模具25c而从树脂板24上剥落，在树脂板24之下铺设树脂板24a’。如图18(e)所示，一边加热树脂板24、树脂板24a’，一边用模具25b’进行挤压，在模具25b’的凹陷25B’的区域使树脂板24a’升起，在此以外的区域接合树脂板24、树脂板24a’。树脂板24a’的升起在与树脂板24之间形成空气层(或真空层)。如图18(f)所示，将模具25b，25b’剥离，而树脂板24a、树脂板24、树脂板24a’的接合板完成。之后，经由粘接层使这些接合板贴合，将其重复而制作图1(a)所示的透光板2的第三区域2c。在透光板2的第三区域2c的表面和背面，粘接构成透光板2的第一区域2a和第二区域2b的树脂板，由此取光板53完成。还有，也可以在树脂板24a、24a’和构成第一区域2a和第二区域2b的树脂板的表面预先形成无反射纳米构造。
在之后的实施方式中，关于盖板2e的说明与第一实施方式相同，省略重复的说明。
(第四实施方式)
说明本公开的光接收装置的实施方式。图20(a)模式化地表示本实施方式的光接收装置54的截面构造。光接收装置54，具备第一实施方式的取光板51和光电转换部7。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53替代取光板51。
在取光板51的端面2s、2r，优选设置反射膜11。按照与取光板51的第二主面2q邻接的方式设置光电转换部7。在透光板2有多个端面时，能够在全部的端面设置反射膜11。在本实施方式中，第二主面2q的一部分和光电转换部7的光接收部相接。光电转换部7也可以设于取光板51的第一主面2p的一部分。
通过由反射膜11覆盖取光板51的端面2r、2s，而使引入取光板51内而被密封的光在取光板51内循环。
就光电转换部7而言，是由硅构成的太阳能电池。也可以在一片取光板51上安装多个光电转换部7。因为硅的折射率为5左右，所以通常，即使与太阳能电池的光接收面垂直地使光入射时，所入射的光之中的、40％左右的光无法引入光电转换部7，而因反射而被丧失。光倾斜入射时，进一步使该反射损耗增大。为了减小其反射量，会在市场销售的太阳能电池的表面形成AR涂层和无反射纳米构造，但并不能获得充分的性能。此外，在太阳能电池内部还存在金属层，由其反射的光的相当部分被放出到外部。若有AR涂层和无反射纳米构造，则反射光以高效率被放出到外部。
相对于此，本公开的取光板，将全部的可视光波长的光以全部的入射角度引入并密封在取光板内。因此，在光接收装置54中，从取光板51的第一主面2p入射的光被引入取光板51，且在取光板51内循环。因为硅的折射率比透光板2的折射率大，所以入射到第二主面2q的临界角外的光5b’、6b’不会全反射，其一部分作为折射光5d’、6d’而向光电转换部7透射，在光电转换部被转换成电流。若反射的临界角外的光5c’、6c’在板内传播，则再度入射光电转换部7而被利用于光电转换，直至全部的密封光消失。若使透过板2的折射率为1.5，则垂直入射第一主面2p的光的反射率为4％左右，但如果在该面形成AR涂层和无反射纳米构造，则包含波长依存性和角度依存性，能够将反射率抑制在1～2％以下。其以外的光入射取光板51而被封闭，被利用于光电转换。
图20(b)、(c)分别表示光电转换部7的安装位置的剖面图及俯视图。图20(b)是配置在透光板2的中心的例子，图20(c)是配置在透光板2的外缘的例子。在图20(b)的例子中，被引入透光板2、且在内部传播的光12a，由端面2s(或2r)的反射膜11反射，成为在内部传播的光12b。根据传播的位置，为了到达光电转换部7的位置而需要相当一定的距离，即使端面2s、2r间的多次往返反复，仍有不能到达光电转换部7的位置的光存在。相对于此，在图20(c)的例子中，因为全部的外缘部由光电转换部7覆盖，所以在内部传播的全部的光12经一次去路就能够确实地到达光电转换部7的位置。因此，在透光板2的吸收损耗和反射膜11的反射损耗的量上，图20(c)的方法能够将封闭的光有效地利用于光电转换。
根据本实施方式的光接收装置，能够将入射光的大部分封闭在板内，将其大部分利用于光电转换。因此，能够大幅改善光电转换部的能量转换效率。另外，光接收面积由第一主面p的面积决定，由该面接收的光全部向光电转换部7入射。因此，能够减小光电转换部7的面积、或减少光电转换部7的数量，能够实现光接收装置的大幅低成本化。
图25(a)～(c)均是表示本实施方式的变形例的截面和平面构成的图。
图25(a)的例子，具有使多个透光板2横向排列的构成。在该例中，在各透光板的端部配置有光电转换部7。在图25(a)的例子中，4张透光板2以2行2列排列，但也可以排列更多的透光板2。
图25(b)的例子，是在一个透光板2上设有多个光电转换部7。图中，示出2个光电转换部2，但一张透光板2上所分配的光电转换部7的个数也可以是3个以上。另外，如图25(b)所示，光电转换部7的一部分，也可以位于透光板2的主面的外缘。
图25(c)的例子，具备有着轮廓形状具有长方形以外的形状(例如梯形)的透光板2。透光板2的平面形状不限定为长方形或正方形，也可以是梯形，也可以是平行四边形和其他的多角形。单独使用透光板2时，该透光板2的形状任意。但是，如图25(a)所示这样，二维排列有多个透光板2时，则不使邻接的透光板2之间形成很大的间隙，以提高光利用效率。因此，各透光板2也可以具有使多个透光板2无间隙地排列的形状。但是，所排列的多个透光板2不需要全部具有相同形状。还有，图25(c)的例子，具有位于透光板2的主面的外缘的光电转换部7、和位于透光板2的主面的外缘以外的部分的光电转换部7。
(第五实施方式)
说明本公开的光接收装置的其他的实施方式。图21是模式化地表示本实施方式的光接收装置55的截面构造。光接收装置55，具备第一实施方式的取光板51和光电转换部7。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53替代取光板51。还有，光电转换部7的配置与图20(c)相同。
就光接收装置55而言，在第二主面2q设有凹凸构造8，在与光电转换部7之间设有间隙，在这一点上，与第四实施方式的光接收装置54不同。设于第二主面2q的凹凸构造8，其凹部和凸部的宽度为0.1μm以上，可以是周期图案，也可以是随机图案。在该凹凸构造8作用下，向第二主面2q入射的临界角外的光5b’、6b’不发生全反射，其一部分作为出射光5d’、6d’成为朝向光电转换部7的光，被进行光电转换。在光电转换部7的表面反射的光，从取光板51的第二主面2q被引入到内部，在取光板51内传播后，再度作为出射光5d’、6d’而成为朝向光电转换部7的光。因此，在本实施方式的光接收装置中，能够将入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。另外，与第四实施例同样，能够减小光电转换部7的面积、或者减少光电转换部7的数量。因此，能够实现能量转换效率大幅改善、且低成本化的光接收装置。
(第六实施方式)
说明本公开的光接收装置的其他的实施方式。图22模式化地表示本实施方式的光接收装置58的截面构造。光接收装置58具备取光板51，51’和光电转换部7。也可以分别独立地使用第一取光板51、第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53来替代取光板51、51’。本实施方式的情况下，也可以在取光板51’上设置第四区域2h。另外，光电转换部7的配置，例如与图20(c)所示的配置例相同。
光接收装置58其接合方式为，在第四实施方式的光接收装置54的第一主面2p上接合取光板51的端面2s，这一点与第四实施方式不同。取光板51’也可以与取光板51正交接合。另外，在取光板51’中，也可以在端面2r设置反射膜11，在与取光板51接合的端面2s邻域的第一主面2p’和第二主面2q’设置反射膜11’。反射膜11’具有的作用是，按照使来自取光板51的临界角外的光6b不会泄漏到取光板51’外的方式使光6b反射。
入射到取光板51的第一主面2p的光4被引入取光板51内。另一方面，入射到取光板51’的第一主面2p’和第二主面2q’的光4’被引入取光板51’内。因为端面2r被反射膜11覆盖，所以引入取光板51’内的光成为在端面2s侧传播的导波光12，与取光板51内的光汇合。取光板51内的第二主面2q的一部分与光电转换部7的表面接触，因为硅的折射率比透光板2的折射率大，所以入射第二主面2q的临界角外的光5b’、6b’不发生全反射，其一部分作为折射光5d’、6d’向光电转换部7入射，并在光电转换部7被转换成电流。所反射的临界角外的光5c’、6c’在取光板51内传播，再度入射光电转换部7的光接收面，被继续利用于光电转换，直至大部分的密封光消失。
本实施方式的光接收装置具备相对于光电转换部7的光接收面垂直的取光板51’，因此，即使是对于取光板51的第一主面2p倾斜入射的光，也会以接近垂直的角度入射到取光板51’的第一主面2p’和第二主面2q’。因此，更容易引入全部的方位的光。
在本实施方式的光接收装置中，也能够将入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。另外，与第四实施例同样，能够减小光电转换部7的面积，或能够减少光电转换部7的数量。因此，能够实现能量转换效率大幅改善的、低成本化的光接收装置。
【产业上的可利用性】
本公开的板可以跨越宽阔区域、宽阔波长范围(例如可视光全域)，以全部的入射角进行光的引入，使用了它们的光接收装置对于高转换效率太阳能电池等有用。
【符号说明】
2                      透光板
2p                     第一主面
2q                     第二主面
3、3’、3”            光耦合构造
3a                     第一透光层
3b                     第二透光层
3c                     第三透光层
3d                     衍射光栅
4                      入射光
5a、5a’               临界角内的光
5b、5c、5b’、5c'      临界角外的光
6a、6b、6c、6b’、6c’ 临界角外的光
11                     反射膜
14                     光源
51                     取光板

Claims (15)

1.一种光接收装置，其中，
所述光接收装置具备取光板、和与所述取光板光学性耦合的光电转换部，
所述取光板具备如下：
具有第一和第二主面的透光板;
在所述透光板内的、且从所述第一和第二主面分别隔开第一和第二距离以上的内部所配置的多个光耦合构造，
所述多个光耦合构造各自含有第一透光层、第二透光层、和其间所夹设的第三透光层，
所述第一和第二透光层的折射率比所述透光板的折射率小，所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，所述第三透光层具有与所述透光板的所述第一和第二主面平行的衍射光栅，
所述光电转换部的至少一部分，位于所述透光板的所述第一和第二主面的至少一方的外缘。
2.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述第一和第二透光层的、位于与所述第三透光层相反侧的表面，是与所述透光板的所述第一和第二主面平行的面。
3.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述多个光耦合构造含有在与所述第一和第二主面平行的面被二维并排配置的、第一光耦合构造和第二光耦合构造，所述第一光耦合构造具有的所述第一和/或第二透光层、与所述第二光耦合构造具有的所述第一和/或第二透光层彼此隔离。
4.根据权利要求3所述的光接收装置，其中，
所述第一光耦合构造具有的所述第三透光层、和所述第二光耦合构造具有的所述第三透光层相互连接。
5.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
所述多个光耦合构造，在所述透光板内的、且从所述第一和第二主面分别隔开了所述第一和第二距离以上的内部被三维配置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光接收装置，其中，
还具备：在所述透光板的所述第一和第二主面的至少一方经由间隙对置的透明盖板。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光接收装置，其中，
所述衍射光栅的间距为0.1μm以上、3μm以下。
8.根据权利要求7所述的光接收装置，其中，
所述第一和第二透光层的表面具有与100μm以下的直径的圆外切的大小，
所述多个光耦合构造各自的厚度为3μm以下。
9.根据权利要求8所述的光接收装置，其中，
在所述多个光耦合构造之中至少两个中，所述衍射光栅延伸的方向互不相同。
10.根据权利要求8所述的光接收装置，其中，
在所述多个光耦合构造之中至少两个中，所述衍射光栅的间距互不相同。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光接收装置，其中，
所述透光板包含如下区域：
与所述第一主面接触且厚度具有所述第一距离的第一区域;
与所述第二主面接触且厚度具有所述第二距离的第二区域;
在所述第一和第二区域间所夹设的第三区域;
在所述第三区域内所设置的、且使所述第一区域和所述第二区域得以连接的至少一个第四区域，
所述多个光耦合构造仅在所述至少一个第四区域以外的所述第三区域内配置，并且，贯通所述第四区域的任意的直线，相对于所述透光板的厚度方向，沿着比由所述透光板的折射率和所述透光板的周围的环境介质的折射率所规定的临界角大的角度延伸。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的光接收装置，其中，
在所述多个光耦合构造的至少一个中，所述第一和第二透光层的厚度，随着从所述光耦合构造的中心朝向外缘侧而变小。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的光接收装置，其中，
在所述多个光耦合构造的至少一个中在所述第一和第二透光层的与所述透光板相接的面以及所述第一主面、所述第二主面的任意一面上，形成有间距及高度为设计波长的1/3以下的凹凸构造。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的光接收装置，其中，
所述第一和第二透光层的折射率与所述环境介质的折射率相等。
15.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，
还具备其他的取光板，
在所述取光板的所述第一主面设有所述光电转换部，在所述取光板的所述第二主面连接有所述其他的取光板的端面。
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