CN1463369A

CN1463369A - 光学器件和使用该光学器件的显示装置

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Publication number: CN1463369A
Application number: CN02802084A
Authority: CN
Inventors: 木村宏一
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp; Fujifilm Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: EP1398650A4; DE60236508D1; JP2002372605A; TW594105B; CN1249459C; EP1398650B1; EP1398650A1; WO2002103415A1; KR100805869B1; KR20030046414A

Abstract

本发明的目的是要提供一种能够提供高能量效率并且能够高质量地显示图像的光学器件，和一种利用这种显示器件的显示装置。本发明提供了一种平板形光学器件100，包括：一个在其位于光路前部一侧的另一个表面中包括一个全反射表面22的全反射光学构件2，形成全反射表面22是为了全反射从全反射光学构件2的一个表面引入的平面形入射光的至少一部分，从而实际上防止了入射光被发射到光学器件的光路前部；和根据要显示的图像彼此相邻地设置在全反射光学构件2的全反射表面22的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件的设置方式破坏了全反射表面22中的入射光的全反射条件，从而能够耦合入射光，和从全反射表面22取出入射光。

Description

光学器件和使用该光学器件的显示装置

技术领域

本发明涉及一种引入平面形入射光并且显示希望的图像的平板形光学器件，和使用该光学器件的显示装置，特别是一种在如广告布告板或灯光布告板之类的显示装置中使用的多功能光学器件。

背景技术

作为通常使用的如广告布告板或灯光布告板之类的显示装置，例如，已知有以下的显示装置。

首先，已知有这样一种结构的显示装置，如图25(a)中所示，在一个光源箱73中布置了多个诸如荧光灯之类的发光构件75，在光源箱73的内表面上安装有一种散射反射构件71，来自这些发光构件75的光穿过一个散射板77照射到一个透射图像膜79上，从而显示预先记录在透射图像膜79上的图像。在这种显示装置中，透射图像膜79的图像部分79a具有光透射性，因此，如图25(b)中所示，来自发光构件75的光作为图像输出光输出；另一方面，在透射图像膜79的对应于图像阴影的不透明部分79b，来自发光构件75的光被形成不透明部分79b的吸收剂(例如，颜料或染料)吸收。由于这种原因，可以表现图像的明暗和色调，这使得能够根据透射图像膜79的图像质量显示图像。

在另一种结构的显示装置中，如图26中所示，透射图像膜81仅粘结在显示装置的需要图像显示的部分上，即，在显示装置的图像输出部分上，散射板77散射来自发光构件75的光，并且把图像输出光从显示装置的粘结有透射图像膜81的区域输出，从而显示透射图像膜81的图像。根据这种结构的显示装置，可以在任意位置中显示需要的图像。

但是，在图25所示的显示装置中，由于照射在透射图像膜79的不透明部分79b上的光被形成不透明部分79b的颜料或染料之类的吸收剂吸收，降低了显示装置的光利用率。因此，相对于消耗的总能量，图像显示所消耗的能量很少，这造成了现有显示装置提供了一种低能量效率的显示系统的问题。

此外，在图26所示的显示装置中，来自发光构件75的光透过显示装置的不是图像输出部分的其它部分，这大大降低了要显示的图像的质量。为了显示高质量的图像，必须把不透明吸收构件设置在其它部分中，用作显示装置的不是图像输出部分的阴影，并且也必须利用印刷装置制备一种特殊的透明图像膜。以这种方式，为了获得高质量图像显示，使得现有显示装置的制造过程复杂化。

本发明致力于消除常规显示装置中出现的上述缺陷。因此，本发明的一个目的是要提供一种提高了能量效率并且能够提供高质量图像显示的光学器件，和一种使用这种光学器件的显示装置。

发明内容

(1)为了到达上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种形成为平板形光学器件的光学器件，该光学器件具有：一个全反射光学构件，全反射光学构件包括，在其位于光路前侧部分的另一表面中，形成一个全反射表面，以便将从全反射光学构件的一个表面进入的平面形入射光的至少一部分全部反射，从而实际上防止了入射光发射到光学器件的光路前侧部分；和，以与要显示的图像的相同方式，彼此相邻地布置在全反射光学构件的全反射表面的希望的位置上的光耦合元件，从而它们破坏了全反射光学构件的全反射表面中的入射光的全反射条件，因此能够耦合入射光，和从全反射表面取出入射光。

根据本光学器件，引入的平面形入射光的至少一部分在全反射光学构件的全反射表面上被全部反射，并因而返回到光学器件的入射光进入侧，从而能够实际上防止引入到光学器件的入射光被发射到入射光的光路的前侧部分。另一方面，在和从布置了光耦合元件的希望的位置，由于破坏了全反射光学构件的全反射条件，入射光被光耦合元件连接，并随后从全反射光学构件的全反射表面发射到入射光的光路的前部。由此，可以提供一种只有在光学器件布置了光耦合元件的位置上，入射光才能被发射到入射光的光路前侧部分的光学器件。因此，可以以平面形形式直接引入平面形入射光，这不仅使得光学器件能够以提高的能量效率发射光，而且也使得能够任意地设置光耦合元件的安装位置，从而能够在全反射光学构件的任意位置上高质量地显示希望的图像。

(2)此外，根据本光学器件，上述全反射光学构件包括用于改变上述平面形入射光的光路的光学元件。

在该光学器件中，将用于改变平面形入射光的光路的光学元件设置在光学器件内，并且将入射光以平面形引入到用于改变入射光的光路的光学元件中。改变光路的光学元件在一个特定方向上，或任意的方向上，改变所引入的平面形入射光的光路，从而使改变了光路的全部入射光基本上被构成光学器件的各层的界面完全反射。

(3)此外，根据该光学器件，上述全反射光学构件包括用于选择上述平面形入射光的光路的光学元件。

在本光学器件中，用于选择平面形入射光的光路的光学元件设置在光学器件中，并且将入射光以平面形引入到用于选择入射光的光路的光学元件中。在这样引入平面形入射光的情况下，仅有特定方向上的入射光被用于选择光路的光学元件透射，因而实际上所有如此透射的入射光被构成本光学器件的各层之间的界面全部反射。

(4)此外，根据本光学器件，上述全反射光学构件以从平面形入射光的引入侧开始的顺序包括用于改变平面形入射光的光路的光学元件和用于选择平面形入射光的光路的光学元件。

在本光学器件中，用于改变平面形入射光的光路的光学元件和用于选择平面形入射光的光路的光学元件是在光学器件的厚度方向上以从入射光引入侧开始的顺序设置的；并且将入射光以平面形引入到用于改变光路的光学元件中。在引入入射光的情况下，改变光路的光学元件在特定的方向上或任意方向上改变其光路，并且进一步仅有特定方向上的入射光被选择光路的光学元件透射，从而实际上所有引入到本光学器件中的入射光被构成本光学器件的各层之间的界面全部反射。

(5)根据本光学器件，每个上述光耦合元件包括用于改变本光耦合元件取出的光的光路的光路改变单元。

在本光学器件中，通过改变由光耦合元件取出的光的光路，可以将要从光学器件发射的光在特定方向上会聚或散射。

(6)根据本光学器件，上述光路改变单元通过折射改变取出光的光路。

在本光学器件中，由于通过折射改变了从光耦合元件取出的光的光路，因而可以在保持光量不变的同时，改变光的光路。

(7)根据本光学器件，光路改变单元包括透镜阵列、棱镜阵列、和折射率分布透镜体中的任何一个。

在本光学器件中，通过适当地选择由适合于批量制造的透镜阵列、棱镜阵列、和折射率分布透镜体中的任何一个构成的光学元件，不仅可以降低光学器件的成本，而且光学器件也可以实现优良的特性。

(8)根据本光学器件，光路改变单元通过折射改变取出光的光路。

在本光学器件中，由于从光耦合元件取出的光的光路是通过折射改变的，因而可以高精度地设置光的光路。

(9)根据本光学器件，光路改变单元包括体积全息照相、调相型衍射光栅、和调幅型衍射光栅中的任何一个。

在本光学器件中，根据，例如，光聚合物法或注射模制法，可以实现大批量生产，因而可以降低光学器件本身的成本。

(10)根据本光学器件，光路改变单元通过光散射或光分散改变取出光的光路。

在本光学器件中，由于从光耦合元件取出的光的光路是通过光散射或光分散改变的，因而可以在任意方向发射该取出光。

(11)根据本光学器件，光路改变单元包括多孔体、不同折射率分散构件或分布体、和其表面具有不平(凸面和凹面)部分的光散射或光分散体中的任何一个。

在本光学器件中，通过适当地选择适合于批量制造的多孔材料构成的片、具有不同折射率的分散或分布材料构成的片、和光散射或光分散片，可以降低光学器件本身的成本。

(12)根据本光学器件，光耦合元件包括能够吸收和发射光耦合元件取出的光的特定波分量的特定波分量吸收单元。

在本光学器件中，由于吸收和发射光耦合元件取出的光的特定波分量，因而即使在相同种类的入射光的情况下，也可以有选择地得到具有多种颜色的发射光。

(13)根据本光学器件，光耦合元件包括通过接收该取出光激发的从而发射光的光发射单元。

在本光学器件中，由于它包括可以由取出光激发从而发射光的光发射单元，因此可以具有根据光发射单元显示的颜色有选择地得到的多种颜色的发射光。

(14)根据本光学器件，一个将全反射光学构件反射的并且返回到光学器件的入射光引入一侧的入射光再引入到光学器件的反射层设置在全反射光学构件的入射光引入侧。

在本光学器件中，由于在一种具有全反射表面的介质中将由全反射光学构件反射的入射光返回到光学器件的入射光引入侧，因而可以实际上消除光引入、光存储、和光限制；此外，由于提供了反射层，反射层将引入到光学器件中并且反射的入射光反射到光路前部，并且因而再次引入到光学器件中，从而使光再循环，因此可以提高光利用率，和因此提高了光学器件的效率。

(15)此外，根据本发明，提供了一种显示装置，包括：本发明上述(1)-(14)方面中的任何一个指出的光学器件；和，一个设置在光学器件的入射光引入侧的平面光源，其特征在于，来自平面光源的光被引入到光学器件，并且发射上述光耦合元件从上述全反射光学构件取出的光，从而显示图像。

根据本显示装置，通过将来自平面光源的平面形光引入到包括光耦合元件的光学器件中，在提高了其能量效率的同时，可以高质量地将希望的图像显示在任意的位置上。

(16)根据本显示装置，每个上述光耦合元件是一个记录了图像的并且也具有透射特性的透明图像膜。

根据本显示装置，通过使用透射图像膜作为光耦合元件，可以根据记录在透射图像膜中的图像来显示图像，从而可以简单地和高质量地显示图像。

(17)根据本显示装置，每个光耦合元件包括荧光物质，并且平面光源发射分别包括一种可以激发荧光物质的波长的光。

根据本显示装置，例如，通过发射UV光的平面光源激发光耦合元件的荧光物质以发射光，由此可以根据荧光物质的排列图形显示图像。

(18)根据本显示装置，在光耦合元件的光路的前部，设置了一个用于吸收具有一种光发射波长的光的滤光器。

根据本显示装置，在光源的光发射波长在可见光波长范围的情况下，通过把吸收可见光的滤光器设置在光耦合元件的光路的前部，即使在明亮的场合，也能得到高对比度，并且可以高质量地显示图像。此外，在每个光耦合元件包括荧光物质的情况下，由于滤光器允许荧光物质发射的光的部分通过，而吸收了包括受激发光在内的其它剩余光分量，可以高对比度地显示图像。

(19)根据本显示装置，在光耦合元件的光路的前部，设置了一个用于屏蔽激发光的滤光器。

根据本显示装置，例如，当使用UV光源时，防止了将UV光源的UV光发射到显示侧(观看者一侧)。

(20)根据本发明的光学器件的第二实施例，在全反射光学构件的全反射表面与光耦合元件之间，设置了一个反射荧光物质的发射波长分量并且允许入射光的波长分量透射的滤光器。

根据本显示装置，入射光透过该滤光器，并且照射在荧光物质上，从而引起荧光物质发射它们的光。在荧光物质发射的光中，滤光器把向其光路后部发射的光反射到光路的前部，因而从显示装置发射。这提高了显示装置的光利用率，从而显示装置能够高以更高的亮度显示图像。

(21)根据本显示装置，滤光器包括一种介质多层膜的光干涉滤光器。

根据本显示装置，由于使用了介质多层膜，因而可以利用具有大面积的简单结构形成一个任意波长选择反射膜，因此，通过利用依赖于波长选择反射膜的反射波长对入射角度，可以容易地形成一个滤光器。

(22)根据本显示装置，滤光器是包括胆甾醇型液晶的布喇格(Bragg)反射滤光器。

根据本显示装置，由于使用了包括胆甾醇型液晶的布喇格反射滤光器，可低成本地形成滤光器。

(23)根据本显示装置，入射光的波长设置在350nm-400nm的范围。

根据本显示装置，由于将入射光的波长设置在350nm-400nm的范围，可以使用低成本的光学构件，并且也可以提高荧光物质的光发射亮度，从而能够显示高亮度的图像。

(24)根据本显示装置，每种荧光物质发射一种可见光。

根据本显示装置，由于荧光物质发射一种可见光，因而，从一个UV光的光源，可以高效率地执行可见光显示。

(25)根据本显示装置，荧光物质包括分别发射可以根据要显示的图像组合在一起的红、绿和蓝光的光发射物质。

根据本显示装置，由于荧光物质分别发射红、绿和蓝光，通过根据显示图像将光发射物质组合在一起，可以显示全色图像。

附图说明

图1是根据本发明的光学器件的示意结构图；

图2是全反射构件的具体结构图；

图3示出了一种透射型的衍射光栅；具体地讲，图3(a)是体积全息照相的示意图，图3(b)是一个凸凹型衍射光栅的示意图，和图3(c)是一个折射率调制型的衍射光栅的示意图；

图4示出了一个光散射片；具体地讲，图4(a)是一个多孔材料的片的示意图，图4(b)是一个其中分布或分散了具有不同折射率的物质的片的示意图，和图4(c)是一个包括不平表面的光散射板或光分散片的示意图；

图5是光干涉滤光器的层结构的示意图；

图6是带有一个结合在其中的光干涉滤光器的光学器件的结构图；

图7是入射光的波长区的曲线图；

图8是在特定入射角度下，光谱透射率相对于波长的变化的曲线图；

图9是在特定波长下，光谱透射率相对于入射角的变化的曲线图；

图10示出了在一个光学器件的各界面中，入射角与光学器件的各介质的平均折射率之间的关系，在这个光学器件中，以这样的顺序设置了一个用于改变光路的光学元件、一个用于选择光路的光学元件、一个透明介质u、一个透明介质v、和一个位于一个全反射表面的前侧的透明介质w；

图11是照射在选择光路的光学元件上的入射光的入射角的示意图；

图12是选择光路的光学元件的光谱透射率相对于入射光的波长变化的曲线图；

图13是选择光路的光学元件的内部和外部光路的示意图；

图14示出了一个通过折射改变入射光的光路的光耦合元件；更具体地讲，图14(a)是一个透镜阵列的示意图，图14(b)是一个棱镜阵列的示意图，和图14(c)是一个显示折射率分布透镜构件的示意图；

图15示出了用于散射或分散其取出的光的光耦合元件；更具体地将，图15(a)是一个多孔材料构成的片的示意图，图15(b)是一个其中分散或分布了具有诸如高折射率颗粒之类的不同折射率的材料的片的示意图，和图15(c)是一个包括一个不平表面的光散射板或光分散片的示意图；

图16是根据本发明的第一实施例的第一改进的结构图，其中用于选择光路的光学元件是由液晶膜构成的；

图17是上述用于选择入射光的光路的光学元件给出的光谱透射率的曲线图；

图18是根据本发明的第一实施例的第二改进的结构图，其中全反射光学构件是由棱镜构成的；

图19是上述全反射光学构件的剖面结构图；

图20是根据本发明的光学器件的第二实施例的结构图；

图21是根据本发明的一个显示装置的结构图；

图22是一种其中用于吸收具有存在在一个光源的光发射区中的一种波长的光的滤光器设置在一个光耦合元件的光路的前部的结构示意图；

图23是一种其中用于屏蔽荧光物质的受激发射光的滤光器设置在光耦合元件的光路的前部的结构示意图；

图24示出了全反射光学构件的结构的其它一些例子，具体地讲，图24(a)至24(e)分别示出了这些例子；

图25示出了诸如普遍使用的广告布告板或灯光布告板之类的常规显示装置的结构，和显示装置的显示状态；和

图26是其中透射图像膜仅粘结到图像输出部分的常规显示装置的结构图。

此外，在附图中，参考号3代表全反射光学构件，4代表光耦合元件，6代表滤光器，10代表用于改变入射光的光路的光学元件，12、13代表用于选择光路的光学元件，14代表一种透明介质，16代表一种透明介质(空气)，20代表一种具有不同折射率的物质，22、52、58代表全反射表面，26代表一个透明电极，28代表一个定向层，30代表一个胆甾型液晶层，36代表一个光连接介质、50代表一个微棱镜阵列，54代表一个棱镜，56代表一种透明介质，60代表一个平面光源，62代表一个散射反射构件，68代表一个滤光器，69代表一个滤光器，100、200代表光学器件，300代表一个显示装置，θ₀、θ₁、θ₂、θ₃代表入射角，θ_c代表全反射临界角，和λ代表波长。

具体实施方式

以下参考附图说明根据本发明的光学器件和显示装置的优选实施例。

图1示出了了根据本发明的光学器件的第一实施例的结构的示意图。根据本实施例的光学器件100包括一个平板形全反射光学构件2，和设置在全反射光学构件2的与全反射光学构件2的入射光引入侧相反一侧的表面上、并且根据要显示的图像的形式彼此相邻布置的光耦合元件4。全反射光学构件2是这样形成的，当平面形入射光引入到光学器件100时，这样引入的入射光被位于入射光的光路的前部的全反射光学构件2的表面(全反射表面22)完全地反射。并且，在全反射光学构件2的设置了光耦合元件4的区域中，入射光的全反射条件被破坏，从而使入射光连接到光耦合元件4中，然后被发射到其光路的前部。另一方面，在全反射光学构件2的全反射表面的没有设置光耦合元件4的其它区域中，入射光被全部反射，从而实际上防止了入射光透射过全反射光学构件2。

光耦合元件4设置在全反射表面22上，以便使它们在希望的位置上粘结到全反射表面22；但是，也可以这样设置它们，以便使它们足够临近全反射表面22。在把光耦合元件4与全反射表面22之间的距离设置为λ/10(λ代表波长)左右或更小的情况下，可以提供与光耦合元件4粘结到全反射表面22的情况相同的邻域(adjacent-field)光耦合。

在把入射光引入到全反射光学构件2时，可以使用以平面形形式照射的光。入射光可以是平行光或散射光；并且，入射光可以是从全反射光学构件2外部引入的，或可以是从结合在全反射光学构件2内部的光源引入的。在平行光的情况下，可以把分别具有一种特定入射角度分量的入射光提供到全反射光学构件2，这使得能够提高光学器件的光利用率。另一方面，在散射光的情况下，可以把来自不同方向的入射光引入到全反射光学构件2，这使得能够使用任何低价平面形光源。此外，在把光源结合到全反射光学构件2的内部的情况下，由于从光源发射的光被直接引入到全反射光学构件2的内部，可以把光学器件和光源形成为一个完全的结合体，这使得不仅能够减小光学器件的尺寸，而且能够提高光学器件的光引入效率。另一方面，在把光源设置在全反射光学构件2的外部的情况下，可以提高光学器件100的设计自由度，并且也可以使用大尺寸的和任意的外部平面光源，从而可以容易地增大光学器件的输出。

作为上述入射光，可以使用各自具有存在在一个包括覆盖了紫外光、蓝光或绿光之类的可见光、和红外光的波长的特定波长区内的波形的光。

此外，可以使用以下的光源作为各种光源：例如，电子管灯之类的放电灯，即，通常使用的并且可以不加改变地使用的其中包含惰性气体或汞蒸汽的荧光灯或汞弧光灯，霓虹管灯，和克鲁克斯(Crookes)管灯；可以从中容易得到平行光的激光束光源；便宜和具有固定波长区的LED；可以得到平面形光的无机或有机EL；发射用于根据使用滤光从而可以提供任意波长分量的白光的白炽灯；阴极射线灯，即，例如可以直接得到引入到光学器件中的平面形光的CRT之类的阴极射线显示管；和FED(场致发射显示器)，即，如阴极射线灯一样，可以直接得到入射到光学器件中的平面形光的平板形显示管。

以下详细说明光学器件100的各个组成元件。

首先，在下面说明全反射光学构件2。

图2示出了全反射光学构件2的结构的一种具体例子，全反射光学构件2具有一种多层结构，在这个多层结构中一个用于改变入射光的光路的光学元件10，一个用于选择入射光的光路的光学元件12，和一个透明介质14以从全反射光学构件2的入射光引入侧开始的顺序相互叠置。在全反射光学构件2的透明介质14的光路前部，有一种透明介质16；并且适当地设定透明介质14的折射率n1(第一折射率)与透明介质16的折射率n2(第二折射率)之间的关系，以便能够满足作为透明介质14与透明介质16之间的界面的全反射表面22的全反射条件。更具体地讲，例如，将透明介质14形成为一个玻璃基片(n1＝1.5)，而透明介质16是由空气形成的(n2＝1.0)。顺便说明一下，构成全反射构件2的各层实际上不吸收其波长范围中的入射光，从而防止了入射光和全反射表面22全反射的入射光的损失；也就是说，各层可以构成一个高效率的光学构件。

改变入射光的光路的光学元件10是一种利用折射、衍射、光散射和光反射改变入射光的光路的光学元件。例如，可以使用以下各种光学元件作为光学元件10。在利用折射的情况下，使用了其中实际上不会降低入射光的强度的透镜阵列，棱镜阵列，和折射率分散体。在利用衍射的情况下，使用了如图3中所示的透射型衍射光栅。更具体地讲，使用了一种诸如体积全息照相之类的调相型衍射光栅和调幅型衍射光栅(见图3(a))，和一种凸凹型衍射光栅(见图3(b))，和一种折射率调制型衍射光栅；并且，在这些衍射光栅中，可以高精度地设定入射光的光路的角度。各光学元件可以根据，例如，光敏聚合物法或注射成型法批量制造。

另外，在利用光散射的情况下，使用了如图4中所示的光散射片。更具体地讲，使用了由多孔材料形成的片(见图4(a))，其中分布或分散了具有不同折射率的材料20的片(见图4(b))，和包括了一个不平整表面的、由光散射材料或光分散材料形成的片(见图4(c))。此外，在利用光反射的情况下，使用了由一种以任意方向反射光的微反射材料之类的光分散材料形成的片。所有这些光学元件都适合于批量生产，因此可以容易地降低其成本。

构造用于选择入射光的光路的光学元件12，以使这种光学元件12选择并且从其发射的所有透射光具有比位于入射光的光路前部的各层的全反射临界角更大的角度分量，而使具有其它角度分量的入射光被光学元件12有选择地反射，从而不从光学元件12透过。也就是说，只有具有比作为造成在透明介质14与透明介质16之间的界面上全反射的条件的全反射临界角度θ_c更大的角度分量的入射光被允许通过光学元件12，而防止具有其它角度分量的入射光通过光学元件12。顺便说明一下，可以从下面的方程式(1)得到全反射临界角θ_c。

θ_c＝sin^-1(n2/n1) (1)

作为选择入射光的光路的光学元件12的结构的一个具体例子，可以使用一个由介质多层膜构成的光干涉滤光器。图5示出了这种光干涉滤光器的层状结构。

光干涉滤光器是由具有高折射率的材料和具有低折射率的材料彼此重叠构成的介质多层膜形成的。至于下面将详细讨论的光干涉滤光器的光学性质，光干涉滤光器具有根据波长有选择地反射入射光的功能，并且也具有根据入射角造成要被有选择地反射的光的波长向短波侧移动的性质。假设将入射光的波长范围表达为λ_iS-λ_iL(λ_iS＜λ_iL)，在选择的要从光学元件12发射的透射光具有等于或小于全反射临界角θ_c的发射角度的情况下，实际上所有具有存在在波长范围λ_iS-λ_iL中的入射光被选择反射。根据这种结构，可以形成一种大面积的、结构简单的、并且能够选择任意一种波长的反射膜；此外，利用反射波长对入射光的入射角的依赖关系，可以容易地形成一种能够选择入射光的光路的光学元件12。

以下详细说明上述光干涉滤光器的结构的一个例子，以及通过模拟得到的利用光干涉滤光器的这种结构的光学器件的光谱透射率的结果。

图6示出了一个其中结合有一个光干涉滤光器的光学器件的结构的例子。在本例中，光学器件的构造为：从入射光的引入侧，一个用作改变入射光的光路的光学元件的光散射膜(折射率n＝1.5)，一个用作选择光路的光学元件的介质多层膜，和一个玻璃基片(折射率n＝1.5)，以这样的顺序相互叠置。顺便说明一下，在玻璃基片的光路前部，存在空气(折射率n＝1.0)。

将介质多层膜形成为一种具有由TiO₂/SiO₂/.../SiO₂/TiO₂构成的29层结构的多层膜；并且，将各层的光学厚度设置为1/4λ(其中，波长λ＝440[nm])。此外，使用了具有波长λ＝350-400[nm]的UV光源作为发射入射光的光源。并且，在这种情况下，全反射临界角θ_c实际上为40[度]。

当在上述条件下发现光学器件(介质多层膜)的光谱透射率时，得到了图8和9中所示的结果。更具体地讲，图8是在入射角θ时，光谱透射率T相对于波长λ的变化的曲线图；图9是在波长为λ时，光谱透射率相对于入射角θ的变化的曲线图。

如图8(a)中所示，当入射角θ是0[度]时，在UV光源的波长范围中的光谱透射率T实际上是0[％]，因而不允许入射光通过光学器件。如图8(b)中所示，当入射角θ是刚好在全反射临界角度θ_c之前的40[度]时，不允许入射光通过光学器件。在如图8(c)所示的入射角θ为70[度]的情况下，对于P波，光谱透射率T实际上为100[％]，对于S波，光谱透射率T实际上为0[％]；因此，P和S波的平均光谱透射率T实际上是50[％]。

此外，如图9(a)中所示，在UV光源的波长范围的短波长一侧的波长λ等于350[nm]的情况下，对于P波，当入射角θ等于或大于50[度]时，光谱透射率T增大。在如图9(b)所示的中心波长λ等于375[nm]的情况下，当入射角θ等于或大于46[度]时，光谱透射率T增大。此外，在如图9(c)所示的中心波长λ等于400[nm]的情况下，当入射角θ等于或大于42[度]时，光谱透射率T增大。

因此，在入射光被利用P波的光学器件全反射或改变了光学器件的条件以便适当地设计S波的光谱性质从而使其接近P波的性质的情况下，当入射光的入射角θ等于或小于全反射临界角θ_c时，可以选择性地反射UV光源波长范围中的入射光，而当入射角θ大于全反射临界角θ_c时，允许入射光通过光学器件。由于这种原因，可以使光学器件的介质多层膜在实践中充分地起到作为选择入射光的光路的光学元件的功能。

顺便说明一下，在上述说明中，使用了由TiO₂/SiO₂构成的多层膜作为介质多层膜的例子；但是，这不是限制性的，而是可以选择一种适合于要使用的光的波长的材料。例如，适合于可见光线或红外线的。

可以优选使用TiO₂，CeO₂，Ta₂O₅，ZrO₂，Sb₂O₃，HfO₂，La₂O₃，NdO₃，Y₂O₃，ZnO和Nb₂O₅作为具有高折射率的材料(具有1.8或更大折射率的材料)；

可以优选使用MgO，Al₂O₃，CeF₃，LaF₃和NdF₃作为具有比较高的折射率的材料(具有1.6-1.8的折射率的材料)；

可以优选使用SiO₂，AlF₃，MgF₂，Na₃AlF₆，NaF，LiF，CaF₂和BaF₂作为具有低折射率的材料(具有1.5或更低折射率的材料)。

对于紫外线，

可以优选使用ZrO₂，HfO₂，La₂O₃，NdO₃和Y₂O₃，或，TiO₂，Ta₂O₅，和ZrO₂作为具有高折射率的材料(具有1.8或更高折射率的材料)(在这里，光的波长是360nm-400nm)；

可以优选使用MgO，Al₂O₃，LaF₃，和NdF₃作为具有比较高的折射率的材料(具有1.6-1.8的折射率的材料)；和，

可以优选使用SiO₂，AlF₃，MgF₂，Na₃AlF₆，NaF，LiF，和CaF₂作为具有低折射率的材料(具有1.5或更小的折射率的材料)。

顺便说明一下，上述光干涉滤光器可以是金属/介质多层膜，其中将一个金属膜加到介质多层膜的层状结构上。此外，可以通过用EB真空蒸发法(电子束真空蒸发法)或溅射法在透明支撑基片上形成多个薄膜材料制造由介质多层膜构成的光干涉滤光器。此外，薄膜材料也可以是具有不同折射率的有机多层膜，或包含无机物质的有机多层膜。在这种情况下，由于可以通过将它们施加或叠加到透明支撑基片上形成它们，因而可以用更低的成本制造它们。

以下详细说明用于改变入射光的光路的光学元件10和用于选择光路的光学元件12的光学性质。

首先，让我们假设改变光路的光学元件10通过，例如，折射来改变光路。如图10中所示，在其中一个改变光路的光学元件(平均折射率nt)，一个选择光路的光学元件(平均折射率ns)，一个透明介质u(平均折射率nu)，一个透明介质v(平均折射率nv)，和一个位于一个全反射表面的前侧的透明介质w(平均折射率nw)以这种顺序排列的光学器件的情况下，假设透明介质v与透明介质w之间的界面是一个全反射表面，那么可以用下面的方程式(2)表示各界面的入射角与各介质的平均折射率之间的关系：

即，

nv·sinθv＝nw

nu·sinθu＝nv·sinθv＝nw (2)

ns·sinθs＝nu·sinθu＝nw

nt·sinθt＝ns·sinθs＝nw

在这个方程式中，θt，θs，θu和θv分别是各介质的光路角度。

因此，改变光路的光学元件10必须至少将包含具有了便能够满足条件

“sinθt＞nw/nt”的角度θt的光的光输出到光路的前部。光学元件10最好能够以使输出光能够尽可能多地包含具有满足条件“sinθt＞nw/nt”的角度θt的光这样的一种方式将光输出到光路的前部。顺便说明一下，在透明介质w是空气的情况下，nw＝1，因此上述条件提供了

sinθt＞1/nt。

另一方面，这样地设定选择光路的光学元件12的条件，使得只有满足条件

“sinθs＞nw/ns”的光能够透过光学元件12。顺便说明，在透明介质w是空气的情况下，nw＝1，因此上述条件提供了

sinθs＞1/ns。

接下来，参考图11-13，详细说明选择光路的光学元件12的性质。

图11示出了照射在光学元件12上的入射光的入射角，图12是在一定入射角度下，光学元件12的光谱透射率相对于入射光的波长的曲线图，图13示出了排列在光学元件12的内部和外部的光路。

首先，如图11中所示，在入射光以它们各自的入射角θ₀，θ₁，θ₂和θ₃照射到光学元件12上的情况下，如图12中所示，光学元件12的光谱透射率以图12所示的方式变化。即，当入射角θ₀(0度)等于或小于全反射临界角θ_c时，相对于入射光的波长范围λ_iS-λ_iL的光谱透射率实际上为0％，从而提供了一种光屏蔽状态(入射光不透射过光学元件12而是被光学元件12反射的状态)。另一方面，在入射角大于全反射临界角θ_c的情况下，随入射角如θ₁，θ₂和θ₃一样地增大，光谱透射率的透射特性移向短波长一侧，从而使透射的光量增大。也就是说，随着进入到光学元件12的入射光相对于本光学元件12的表面的入射角减小，被选择反射的入射光的波长移向短波长一侧。由于这种原因，不允许具有θ₀的入射角分量的入射光的光通过光学元件12，但是分别具有大于一个特定角度的入射角分量θ₁，θ₂和θ₃的光透过光学元件12，同时光量也以上述的顺序递增。考虑到这种原因，在适当地设计光学元件12的光谱特性，从而使仅有入射角大于全反射临界角θ_c的入射光能够透过元件12的情况下，防止了不能满足全反射条件的入射光分量透过光学元件12，而是仅有被全反射的入射光分量可以被选择从光学元件12发射。

以下参考图13说明当利用设计为仅有具有大于全反射临界角θ_c的入射角的入射光分量可以透射过元件12的光学元件12构造全反射光学构件2时的入射光光路。

图13(a)示出了被光学元件12反射的引入到选择入射光的光路的光学元件12中的光的光路A，和透过光学元件12并且被用作分别位于光路前部的透明介质14和透明介质16之间的界面的全反射表面22全反射的引入到选择光路的光学元件12的光的光路B。

光路A提供了入射光的入射角θ_i等于或小于全反射临界角θ_c的情况；并且，在光路A中，光学元件12不允许具有这种入射角分量的光通过，而是通过其表面有选择地反射这种光。因此，通过光学元件12防止了具有这种等于或小于全反射临界角θ_c的入射角分量的光透射到光路的前部。

光路B提供了入射光入射角θ_i大于全反射临界角θ_c的情况；并且，在光路B中，光学元件12允许具有这种入射角分量的光通过。因此，使具有这种大于全反射临界角θ_c的入射角分量的光透过光学元件12，进入到透明介质14，并且被全反射表面22全部反射。

顺便说明一下，图13(a)示出了入射光引入一侧的折射率na等于透明介质14的折射率nb，并且入射到光学元件12的入射光的入射角θ_i等于入射到全反射表面22的入射角θ_s的情况。

另一方面，图13(b)示出了入射光引入侧的折射率na与透明介质14的折射率nb不同，并且入射到光学元件12的光的入射角θ_i与入射到全反射表面22的入射角θ_s不同的情况。在这种情况下，要适当地设计光学元件12，以使入射到全反射表面22的光的入射角θ_s能够大于全反射临界角θ_c。

通过利用上述结构的选择光路的光学元件12构造全反射光学构件2，如图2中箭头标记所示，在把由从全反射光学构件2的内部或外部引入的平行光或散射表组成的平面形入射光引入到改变入射光的光路的光学元件10的情况下，通过散射致使光路从光的照射位置移开。并且，在改变了光路的光到达选择光路的光学元件12的情况下，只有具有大于作为透明介质14与透明介质16之间的界面的全反射表面22的全反射临界角θ_c的入射角分量的入射光才被允许通过光学元件12，而具有其它入射角分量的入射光被光学元件12的表面有选择地向入射光引入侧反射。

因此，在照射到全反射光学构件2的光中，仅有要被全反射表面22全反射的光引入到它们各自光路的前部，并且全反射表面22将如此引入的光完全反射。也就是说，在选择光路的光学元件12中，实际上所有要从光学元件12发射的透射光具有比位于比选择光路的光学元件12更靠入射光光路的前方的全反射表面的全反射临界角更大的入射角分量，而具有其它入射角分量的光被光学元件12有选择地反射，因而不能透射过光学元件12。顺便说明一下，在具有全反射表面的介质的内部，实际上不会发生光引入、光存储、或光限制。

改变光路的光学元件10的光入射侧界面(反射层)将选择光路的光学元件12的表面向入射光引入侧反射的那部分光反射，并且再照射到选择光路的光学元件12。在再照射光的情况下，其入射角增大到超过全反射临界角θ_c；因此，这部分光可以透射过光学元件12，从而能够被引入到透明介质14中。

接下来，在下面说明光耦合元件4。

光耦合元件4是一种能够破坏全反射表面上入射光的全反射条件，能够耦合入射光和取出如此光耦合的光，并且能够将耦合的光发射到入射光的光路的前部的元件。光耦合元件4包括用于改变取出光的光路的光路改变装置，用于吸收特定波长分量的特定波长分量吸收装置，和用于激发和发射光的光发射装置。更具体地讲，例如，可以使用下文(1)-(4)中所示的装置。

即：

(1)用于通过折射来改变光的光路的装置，或具有这种功能的装置。

与全反射表面22相邻设置并且用于通过折射来改变取出的输出光的光路的装置；例如，图14(a)中所示的透镜阵列，图14(b)中所示的棱镜阵列，和图14(c)中所示的折射率分布透镜构件。根据这些透镜阵列、棱镜阵列和透镜构件，可以会聚或散射从全反射光学构件2的全反射表面22取出的输出光，并且能够随后以不同的方向发射，从而能够通过一种简单的结构使输出光具有或失去光发射定向性，而不降低输出光的强度。

(2)透射型的衍射光栅或具有相同功能的装置。

作为一种允许取出光通过并且也能通过衍射改变取出光的发射方向的衍射光栅，与前面说明的情况相同，可以使用图3(a)中所示的体积全息照相，图3(b)中所示的凸凹型衍射光栅，图3(c)中所示的折射率调制型的衍射光栅，和调幅型衍射光栅。根据这些透射型衍射光栅，可以精确地设定输出光的发射角度。此外，它们也可以根据，例如，光敏聚合物法或注射成型法批量制造，这使得能够降低光学器件本身的成本。

(3)光散射构件或光分散构件，或具有相同功能的装置。

作为一种散射或分散取出光的光散射构件或光分散构件，可以使用图15(a)中所示的由多孔材料构成的片，其中分散或分布了具有不同折射率的材料20，例如，具有高折射率的微小颗粒的片，图15(c)中所示的包括不平整(波纹形的、或凸起和凹陷形的)表面的光散射片或光分散片。根据这种光散射片或光分散片，可以通过散射或分散在任意方向上分散输出光，这使得输出能够失去其光发射定向性。

(4)用于吸收一种入射光的装置，或具有相同功能的装置。

作为吸收一种入射光的装置，可以使用一个其中记录了图像数据的透射图像膜。在通过透射图像膜吸收了从全反射光学构件2的全反射表面22取出的输出光的特定波长分量，并且随后从透射图像膜发射的情况下，可以显示出输出光的阴影，并且可以展现出特定的颜色。也就是说，可以以记录在透射图像膜上的图像的相同方式显示光。由于这种原因，即使在相同类型的入射光中，也可以有选择地获得具有不同颜色的多种发射光。

(5)用于激发发射光的装置，或具有相同功能的装置。

作为由入射光激发从而发射光的装置，可以使用荧光物质或光致发光物质。在这种情况下，本荧光物质或光致发光物质可以由从全反射光学构件2的全反射表面22取出的输出光激发，以发射具有特定颜色的光。此外，在把特定颜色设置为，例如，红、绿和蓝色的情况下，可以根据要显示的图像把这些光发射物质组合在一起，从而能够显示出全色图像。

如上所述，根据上述结构的光学器件100，由于来自平面形光源的入射光，不使用光引入片或光波导通道、高效地直接将它们不加改变地引入到全反射光学构件2，因而，例如，当与从端面侧引入入射光的情况相比时，可以把入射光的引入端口做得相当地宽，从而能够提高与入射光的耦合效率；并且因此，即使在把光学器件100本身设计为簿结构的情况下，也可以高效率地获得平面形全反射光，而不受光学器件100的簿结构的影响。由于这种原因，可以从设置了光耦合元件4的区域，高效地将从全反射光学构件2取出的输出光发射到其光路的前部。因此，在位于光路前侧的光学器件100的表面中，只有设置了光耦合元件4的区域被允许闪光，并且使光能够以要显示的图像的相同方式从光学器件100发射。也就是说，可以仅在需要的位置上显示图像。此外，根据本结构，可以防止当使用光引入片或光波导通道时可能发生的串光造成的显示屏局部中的光量降低，因而可以在显示屏的整个表面上以均匀的亮度显示图像。

此外，由于光学元件100中存在的各界面反射的那部分入射光被界面反射再照射到其光路的前部，因而可以容易地提高光学器件100的输出。此外，由于全反射光学构件2本身实际上并不产生透射光，因而可以提高光学器件100的光利用率。顺便说明一下，在把光学器件100的要与空气(也可以是惰性气体)接触的气体接触界面形成为全反射表面的情况下，可以不必单独地提供一个具有引起全反射的折射率的层，而简化光学器件100的结构。

顺便说明一下，在不仅根据本实施例的光耦合元件4是由，例如，其中记录着图像并且也切割成给定的尺寸的荧光物质膜形成的，而且光源使用了UV光激发荧光物质的情况下，在需要图像显示的时间，简单地通过将荧光物质膜放置在全反射光学元件2的全反射表面的希望的位置上，就可以在放置的位置上显示图像。此外，由于没有光从没有设置光耦合元件4的区域发射，因而显示的图像的亮度与其周围的亮度之间的差很大，从而能够生动地凸现出显示的图像；也就是说，能够提供更好的视觉效果。此外，由于可以仅在需要图像显示时放置荧光物质膜，因而可以在需要时进行图像显示；并且，由于为了图像显示可以在多种荧光物质膜之间相互切换，因此可以容易地轮换显示不同的图像。此外，通过动态地控制图像显示，可以构造出一种能够吸引人注意的广告布告板或灯光布告板。

上述光学器件不仅可以用于图像显示，而且可以用作一种显示诸如字符信息或图形信息之类的各种信息的媒介。

接下来，在下面说明本发明的第一实施例的第一改进，在这种改进中使用了]布喇格(Bragg)反射滤光器来取代上述的光干涉滤光器作为选择入射光的光路的光学元件。

图16示出了一个例子，其中选择光路的光学元件13是由液晶膜构成的。在这个例子中，选择光路的光学元件13包括一对由ITO制造的透明电极26，一对分别形成在两个透明电极26内侧的定向层28，和一个被定向层28封闭的胆甾醇型液晶层30。

现在，在下面说明胆甾醇型液晶层30可以提供的滤光效果。在这个胆甾醇型液晶层30中，胆甾醇型液晶颗粒与胆甾醇型液晶层30平行定向，并且提供了一种相对于层30的垂直方向的螺旋形结构。

假设将胆甾醇型液晶层30的正常光折射率表示为no，将其异常光折射率表示为ne，其双折射率表示为Δn，并且将平均折射率表示为n，那么可以用以下的方程式(3)表达双折射率Δn。

Δn＝ne-no (3)

也可以用以下的方程式(4)近似地表达平均折射率n。

n＝(ne+no)/2 (4)

此外，在把胆甾醇型液晶层30的螺距表示为P[nm]的情况下，胆甾醇型液晶层30显示出根据布喇格定律有选择地反射入射光的特性。即，在以入射角θ[度]引入到胆甾醇型液晶层30的入射光被胆甾醇型液晶层30有选择地反射的情况下，入射光的中心波长λ(θ)[nm]可以用下面的方程式(5)表示。

在这种情况下，假设入射光是从空气(折射率＝1)引入的。在这里，λ(0)[nm]是在入射角是θ₀时，也就是说，在把入射光垂直地引入到胆甾醇型液晶层30时的中心波长，并且可以用下面的方程式(6)表示它。

λ(0)＝n·P (6)

也可以用下面的方程式(7)表示反射波长宽度Δλ[nm]。

λ＝Δn·P (7)

因此，在通过控制胆甾醇型液晶层30的物理特性值，也就是说，通过控制胆甾醇型液晶层30的正常光折射率no，异常光折射率ne，和螺距P，而形成胆甾醇型液晶层30的情况下，可以形成一种具有根据入射角θ可变的任意的反射中心波长λ(θ)和希望的反射波长宽度Δλ的滤光器。例如，可以根据一种通过将具有不同螺距的两种或多种材料混合在一起从而调节螺距P的方法来调节螺距P。

此外，在引入的入射光的波长范围很宽的情况下，也需要加宽胆甾醇型液晶层的选择反射波长范围。在这种情况下，通过在厚度方向上使螺距以连续地不同的方式定向液晶，可以加宽反射波长范围。此外，通过将具有不同的选择反射波长范围的胆甾醇型液晶层相互叠加，也可以加宽胆甾醇型液晶层的反射波长范围。可以把如此形成的胆甾醇型液晶层用作根据本发明的选择光路的光学元件的一个组成部分。

此外，胆甾醇型液晶层30可以用以下的方式制造。

即，在用于形成胆甾醇型液晶膜的支撑材料上施加一个聚酰亚胺定向膜并且干燥，通过摩擦对聚酰亚胺定向膜进行表面处理，从而形成一个聚酰亚胺定向膜。利用一种与有机溶剂混合的调节溶液，将一种由低分子胆甾醇型液晶或向列型液晶与一种用于产生扭转的手性试剂混合构成的混合物，一种高分子单体，和一种光聚合始发剂施加到聚酰亚胺定向膜上；然后，在适当的温度下定向聚酰亚胺定向膜。接下来，用紫外线给聚酰亚胺定向膜的需要的部分曝光，从而在曝光部分引起光聚合，而通过显影将聚酰亚胺定向膜的不需要的部分去除。最后，在高温下烘烤聚酰亚胺定向膜，从而稳定化。

为了控制扭转方向和反射/入射角度，可以适当地改变胆甾醇型液晶或手性试剂的各自的密度。

也可以用一种高分子胆甾醇型液晶形成胆甾醇型液晶膜。在这种情况下，与上述情况相同，利用与一种有机溶剂混合的调节溶液，将高分子胆甾醇型液晶和光聚合始发剂施加到聚酰亚胺定向膜上；然后，在适当的温度下定向聚酰亚胺定向膜。接下来，用紫外线给聚酰亚胺定向膜的需要的部分曝光，从而引起曝光部分的光聚合。可以通过选择适当的定向温度控制反射/入射角度，并且可以通过光聚合稳定化。

在这里，图17示出了这样构造的选择光路的光学元件13提供的光谱透射率。在这种情况下，胆甾醇型液晶层是由一个左旋胆甾醇型液晶层和一个右旋胆甾醇型液晶层的组合构成的，在这个层中一个全偏振光分量在其反射波长范围中被反射。在入射角是等于或小于全反射临界角θ_C的θ₀(见图7)的情况下，相对于波长范围λ_iS-λ_iL的光谱透射率实际上为0％，因此，不允许入射光通过胆甾醇型液晶层。另一方面，在入射角大于全反射临界角θ_c的情况下，随着入射角以θ₁，θ₂和θ₃的顺序增大，光谱透射率的透射特性向短波长侧移动，从而使透射光量增加。也就是说，不允许具有θ₀的入射角分量的入射光的光通过胆甾醇型液晶层，而允许分别具有入射角分量θ₁，θ₂和θ₃的光以各自的透光量以θ₁，θ₂和θ₃的顺序增大的方式通过胆甾醇型液晶层。考虑到这种情况，在适当地设计光学元件12的光谱特性，从而仅有在给定的界面上具有大有全反射临界角θ_c的入射角的入射光分量被允许通过胆甾醇型液晶层的情况下，可以有选择地将那些不满足全反射条件的入射光分量除去，并且只有被全反射的入射光分量可以从光学元件12发射。

根据本结构，可以获得与利用光干涉滤光器的上述结构相同的操作效果，并且，与此同时，可以用更低的价格生产选择入射光的光路的光学元件13。

此外，在胆甾醇型液晶层30的螺旋结构向右扭转的情况下，反射右旋偏振分量光，而允许沿螺旋左旋偏振分量光通过胆甾醇型液晶层30。另一方面，在胆甾醇型液晶层30的螺旋结构向左扭转的情况下，左旋偏振分量光被反射，而允许右旋偏振分量光通过胆甾醇型液晶层30。因此，为了通过胆甾醇型液晶层30反射光的全部偏振光分量，即，为了防止光的所有偏振光分量通过胆甾醇型液晶层30，可以用把左旋(或右旋)胆甾醇型液晶层和右旋(或左旋)胆甾醇型液晶层顺序地相互叠加的方式构造胆甾醇型液晶层30：即，根据这种结构，通过胆甾醇型液晶层30可以反射全部偏振光。

除了上述胆甾醇型液晶之外，也可以有效地使用体积全息照相作为具有布喇格反射功能的光学元件。由于形成在一个膜内的光栅形折射率分布，并且反射具有特定波长的光，体积全息照相具有布喇格反射功能。此外，在入射角增大的情况下，体积全息照相的反射波长向短波长一侧移动，从而体积全息照相可以发挥光路选择膜的功能。为了形成体积全息照相，可以使用全息照相的照相材料，析相型光敏聚合物，HPDLC(全息照相聚合物分散液晶)，或光刻材料作为光敏材料，并且通过多光通量干涉光曝光处理光敏材料。

接下来，在下面说明本实施例的第二改进，在第二改进中，可以不使用上述光干涉滤光器或布喇格反射滤光器，通过更简化的便宜的结构实现全反射光学构件2。

在本改进中，全反射光学构件3是利用一个棱镜形成的。图18示出了根据本改进的全反射光学构件3的结构的例子。根据本改进的全反射光学构件3是由包括一个在入射光引入侧的不平整表面的微棱镜阵列50构成的。图18(a)是从入射光的进入表面一侧观看时的微棱镜阵列50的平面图，图18(b)是沿图18(a)中的间断线P-P的剖面图。

微棱镜阵列50形成为一个平板。微棱镜阵列50的上表面形成为一个平滑的全反射表面52，另一方面，微棱镜阵列50的下表面是由多个相互平行排列的棱镜54构成的，而每个棱镜54的剖面具有不平的或角状的形状。

可以使用玻璃或树脂作为微棱镜阵列50的材料。从批量生产的观点看，可以优选使用树脂。作为此目的的树脂，优选的是丙烯酸树脂，环氧树脂，聚酯树脂，聚碳酸酯树脂，苯乙烯树脂，和氯乙烯树脂。此外，树脂材料包括光固化型材料，光熔化型材料，热固型材料，和热塑型材料；并且，可以根据情况适当地选择它们。

作为制造微棱镜阵列50的方法，从生产率的角度考虑，可以优选使用利用模具的铸造法，热压模制法，注射成型法，印刷法，和照相法。更具体地讲，可以通过利用具有微棱镜形状的模具压制热塑性树脂模制微棱镜阵列50。也可以用以下的方法模制微棱镜阵列50：即，可以把光固化树脂或热固性树脂装载到模型中，然后，通过光或热硬化树脂，最后，从模型中取出这样硬化的树脂。

在使用光刻法的情况下，将紫外线(或可见光线)通过一个图样化的光屏蔽掩模适当地施加到光熔性树脂或光固化树脂，从而熔化和显影树脂的曝光部分或未曝光部分。通过选择树脂材料和调节树脂曝光量的分布，可以得到具有希望形状的微棱镜。此外，根据树脂材料，在显影后，可以在高温下烘烤树脂；也就是说，由于树脂在其热软化时的表面张力，可以获得具有希望形状的微棱镜50。

另外，入射光是一种具有存在在一个特定入射角范围内的入射角的平面形光，如图18(b)中所示，将入射光以入射角θ_i引入到全反射光学构件3中。

根据本实施例的全反射光学构件3，在微棱镜阵列50的周围介质是空气(折射率是n2＝1)并且微棱镜阵列50是由透明树脂(折射率是n3＝1.5)的情况下，可以同样地根据上述方程式(1)发现全反射表面52的全反射临界角θ_c，更具体地讲，是42[度]。

因此，作为设置相对于全反射表面52的入射角θ，以使θ≥θ_c的一个例子，将棱镜的顶角α设置为90[度]，并将其右和左开度角设置为45[度]。在本例中，在入射光是从棱镜外部引入的情况下，入射光的入射角θ_i实际上是45[度]。在这种条件下，实际上避免了光学的渐晕现象，因此全反射表面52可以高效率地全反射入射光。顺便说明，棱镜的顶角α不限于这个值。

如上所述，利用可以容易地低价生产的微棱镜阵列50，可以引入以平面形照射的入射光，并且可以全反射实际上全部如此引入的入射光。

顺便说明，也可以使用将一种由玻璃或树脂形成的透明介质56设置在微棱镜阵列50的光路前部的结构。图19示出了利用本结构的一个全反射光学构件5的剖面结构。

根据这种结构，将平面形入射光照射到微棱镜阵列50上，并且将具有根据棱镜的顶角α设定的给定入射角分量的入射光引入到透明介质56中。如此引入的入射光被透明介质56的全反射表面58高效率地全部反射。

以这种方式，通过利用可以容易地低价批量生产的微棱镜阵列50引入平面形照射的入射光，透明介质56的界面58可以全反射实际上全部如此引入的入射光。

接下来，在下面说明根据本发明的一个光学器件的第二实施例。

在这里，图20示出了根据本发明的光学器件的第二实施例的结构。根据第二实施例的光学器件200是一个多层结构器件，其中，从用作入射光的UV光的引入侧，一个全反射光学构件2，一个用于反射可见光并且从其透射UV光的滤光器6，和一个有选择地设置并且包括荧光物质的光耦合元件4，以这样的顺序相互叠加。

根据这种结构，在把平面形入射光从发射UV光的光源(黑光)照射到全反射光学构件2上的情况下，入射光被引入到全反射光学构件2中。在光学器件200的设置了光耦合元件4的区域中，在破坏了全反射表面的全反射条件的同时，透射过滤光器6的入射光被从滤光器6取出，以激发光耦合元件4的荧光物质，因而造成它们发射它们各自的光。在这种情况下，从荧光物质发射并且被导向入射光的引入侧的光被滤光器6反射到其光路的前侧。另一方面，在光学器件200的没有设置光耦合元件4的区域中，滤光器6的光路前侧上的全反射表面将引入到全反射光学构件2的入射光全部反射。结果，由于受激发射光的利用率提高，可以把受激发射光用于显示图像，这使得能够以提高的亮度显示图像。

在这里，可以使用350-400nm范围中的波长作为从光源照射的光的波长，可以使用能够发出诸如R(红)、G(绿)和B(蓝)之类的可见光的荧光物质作为荧光物质，以便能够以全色显示图像。作为选择，从光源照射出的光也可以是具有显示出蓝色的波长的光，作为荧光物质，也可以使用能够通过光源的蓝光激发从而发射出它们各自颜色的光的G(绿)和R(红)色的荧光物质。也就是说，上述的例子不限于这些组分的组合。此外，滤光器6也可以使用上述的膜，即，诸如介质多层膜之类的多层干涉膜，和利用胆甾醇型液晶的胆甾醇型液晶膜。

接下来，在下面说明根据本发明的一个显示装置的实施例。

图21示出了根据本发明的显示装置的结构。根据本实施例的显示装置300的结构是，一个平面光源60设置在上述光学器件100(也可以是使用UV光源的光学器件200)的入射光引入侧。

平面光源60的结构为，将诸如荧光灯之类的光发射构件64以两行或更多行排列在一个其内表面上设置有一个散射反射元件62的光源箱的内部，散射片66设置在光发射构件64的光路前部。从多个光发射构件64发射出的光照射在散射片66上，并且，在另一方面，照射在背表面一侧的发射光被散射反射元件反射，然后照射在散射片66上。光学器件100设置在散射片66的光路前部，并且将发射的平面形光引入到光学器件100。由于这种结构，平面形光，由于它们是平面形的，通过散射片66引入到光学器件66中。

以这种方式，将从平面光源60发射的平面形光引入到光学器件100中，并且将光从光学器件100的设置了光耦合元件4的区域发射。另一方面，在光学器件100的没有设置光耦合元件4的区域中，引入到光学器件100中的入射光被全反射光学构件2的全反射表面全部反射，因而防止被发射到光路前部。

根据显示装置300的这种结构，在把光耦合元件4仅设置在图像显示所需部分，即，仅设置在图像输出部分的情况下，可以防止来自平面光源60的光从不是显示装置300的图像输出部分的部分发射。因此，可以在不降低显示的图像质量的情况下，高效率地在任意位置上显示需要的图像。此外，在光耦合元件4是由透射图像膜构成的情况下，通过把带有记录的希望的图像的透射图像膜粘贴到全反射光学构件2的任意位置上，可以容易地仅在粘贴膜的位置上显示图像。

此外，如图22中所示，也可以使用把用于吸收具有光源的光发射波长范围中的波长的光的滤光器68设置在显示装置300的光耦合元件4的光路前部的结构。根据这种结构，在光源60的光发射波长对应于可见光范围的情况下，通过在显示一侧(观众一侧)设置一个用于吸收可见光的ND滤光器(透射率为20-70％)，即使在光亮的场合也能获得高对比度，从而能够进行高质量的图像显示。此外，在光耦合元件4中，可以设置能够由具有光源60的光发射波长的光激发的荧光物质；并且，在这种情况下，与前面相同，由于滤光器68使一部分荧光透射，而将包括受激发射光在内的其它光分量吸收，因而可以进行高对比度的图像显示。

此外，如图23中所示，也可以使用把由光源的光发射波长的光激发的荧光物质设置在光耦合元件4中，并且在光耦合元件4的光路前部，设置一个用于屏蔽荧光物质的受激发射光的滤光器69的结构。根据这种结构，当使用UV光源时，可以防止UV光发射到显示侧(观众侧)。

以下参考图24简单地说明上述各实施例中使用的全反射光学构件2的其它例子。

首先，图24(a)中所示的全反射光学构件具有一种结构，在这种结构中，从入射光的引入侧，一个用于改变入射光的光路的光学元件10，和包括一个全反射表面的透明介质14以这样的顺序相互叠置。在本全反射光学构件中，改变光路的光学元件10是如此设计的，使得入射光被透明介质14的光路前部中的全反射表面22全部反射。

根据本全反射光学构件，在照射入射光的情况下，具有要被透明介质14的全反射表面全反射的入射角分量的光的光路被改变。全反射表面22将改变了光路的透射光全部反射。

接下来，图24(b)中所示的全反射光学构件具有一种结构，在这种结构中，从入射光的引入侧，一个用于改变入射光的光路的光学元件10，一个透明介质14，和一个包括一个全反射表面的用于选择光路的光学元件12以这样的顺序相互叠置。在本全反射光学构件中，如此设计改变光路的光学元件10，使得入射光能够被选择光路的光学元件12的光路前部中的全反射表面全部反射。

根据本全反射光学构件，在照射入射光的情况下，改变光路的光学元件10使光的光路改变。因此，此时具有要被全反射表面全反射的入射角分量的光引入到选择光路的光学元件12中，然后被全反射表面全部反射。另一方面，具有其它入射角分量的光不被引入到选择光路的光学元件12，而是被有选择地反射，因此返回到入射光引入侧。

此外，图24(c)中所示的全反射光学构件具有一种结构，在这种结构中，一个具有低于透明介质14的折射率的折射率的介质24设置在图24(b)中所示的全反射光学构件的光路前部。在这种情况下，如此地设计选择光路的光学元件12，使得入射光能够被介质24的光路前部中的全反射表面全部反射。

根据本全反射光学构件，在通过改变光路的光学元件10和透明介质14引入入射光的情况下，引入到选择光路的光学元件12的入射光被透明介质24的光路前部的全反射表面全部反射。另一方面，具有其它入射角分量的光不被引入选择光路的光学元件12，而是被有选择地反射，因此，返回到入射光引入侧。

接下来，图24(d)中所示全反射光学构件具有一种结构，在这种结构中，从入射光的引入侧，一个用于选择入射光的光路的光学元件12，和包括一个全反射表面的透明介质14以这种顺序相互叠置。在本全反射光学构件中，如此设计选择光路的光学元件12，使得入射光能够被透明介质14的光路前部中的全反射表面全部反射。

根据本全反射光学构件，在引入入射光的情况下，仅有具有要被透明介质14的全反射表面完全反射的入射角分量的光透过光学元件12。即，全反射表面将如此透射的光全部反射。另一方面，选择光路的光学元件12将不满足全反射条件的入射光分量有选择地反射，因此，实际上防止了它们通过全反射光学构件。

接下来，图24(e)中所示全反射光学构件具有一种结构，在这种结构中，从入射光的引入侧，一个改变入射光的光路的光学元件10，一个用作光粘结层的光连接介质18，一个选择入射光的光路的光学元件12，和一个透明介质14以这样的顺序相互叠置。根据本全反射光学构件，在照射入射光的情况下，改变光路的光学元件10将一些入射光的光路改变到具有要被透明介质14的全反射表面全反射的入射角分量的入射光分量。因此，改变了光路的入射光分量被全反射表面全部反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光分量被选择光路的光学元件12有选择地反射，因而实际上防止了它们通过全反射光学构件。

即使具有上述结构的全反射光学构件也能够用于根据本发明的上述实施例的全反射光学构件，并且它们能够提供相同的操作效果。此外，全反射光学构件的层结构不限于一种特定的层结构，只要它具有满足本发明的上述要旨的功能。

尽管至此已经参考特定的实施例详细地说明了本发明，但是，熟悉本领域的人员应当清楚，也可以有其它各种不同的改造和改进，而不脱离本发明的精神和范围。

本申请基于2001年6月15日申请的日本专利申请(专利申请2001-182210)，并且将该申请的内容结合在本申请中。

工业可用性

根据本发明，提供了一种平板形的光学器件，包括：一个全反射光学构件，全反射光学构件在其位于光路前部一侧的另一个表面中包括一个全反射表面，形成这个全反射表面以便全反射从全反射光学构件的一个表面引入的平面形入射光的至少一部分，从而防止了入射光发射到光路前部；和，根据要显示的图像彼此相邻地设置在全反射光学构件的全反射表面的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件的设置方式使得它们能够破坏全反射光学构件的全反射表面中的入射光的全反射条件，从而能够耦合入射光，并且能够从全反射表面取出入射光。由于这种结构，引入的平面形入射光的至少一部分被全反射光学构件的全反射表面全部反射，因而返回到光学器件的入射光引入侧，因此防止了引入到光学器件的入射光发射到入射光的光路前部。另一方面，在光学器件的设置了光耦合元件的区域中，由于破坏了全反射光学的全反射条件，使入射光耦合到光耦合元件，并且从全反射表面发射到光学器件的光路前部。这使得能够构造一种能够仅从光学器件的设置了光耦合元件的区域将入射光发射到光路前部的光学器件。因此，可以提供一种不仅能够直接地以不变的形状引入平面形入射光，从而能够高能量效率地发射光，而且也能够在任意的位置上设定光耦合元件的安装位置，从而可以高质量地在全反射光学构件的任意位置上显示希望的图像的光学器件。

此外，根据本发明，提供了一种显示装置，包括：上述光学器件；和，一个设置在光学器件的入射光引入侧的平面光源，其中将来自平面光源的光引入到光学器件，并且将光耦合元件从全反射光学构件取出的光从光学器件发射，以显示图像，从而可以利用设置在其中的光耦合元件将来自平面光源的平面形光直接引入到光学器件，并且，在提高了显示装置的能量效率的同时，可以高质量地将希望的图像显示在任意位置。

Claims

1.一种平板形光学器件，包括：

在其位于光路前部一侧的另一个表面中包括全反射表面的全反射光学构件，形成全反射表面以便全反射从所述全反射光学构件的一个表面引入的平面形入射光的至少一部分，从而实际上防止了所述入射光被发射到所述光学器件的光路前部；和

根据要显示的图像彼此相邻地设置在所述全反射光学构件的所述全反射表面的希望的位置上的光耦合元件，光耦合元件破坏了所述全反射光学构件的所述全反射表面中的所述入射光的全反射条件，以便耦合所述入射光，和从所述全反射表面取出所述入射光。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述全反射光学构件包括用于改变所述平面形入射光的光路的光学元件。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述全反射光学构件包括用于选择所述平面形入射光的光路的光学元件。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中所述全反射光学构件，以从所述平面形入射光的引入侧开始的顺序，包括用于改变所述平面形入射光的光路的光学元件，和用于选择所述平面形入射光的光路的光学元件。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学器件，其中每个所述光耦合元件包括用于改变由所述光耦合元件取出的光的光路的光路改变单元。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其中所述光路改变单元通过折射改变所述取出光的光路。

7.根据权利要求6所述的光学器件，其中所述光路改变单元包括透镜阵列、棱镜阵列、和折射率分布透镜构件中的任意一个。

8.根据权利要求5所述的光学器件，其中所述光路改变单元通过衍射改变所述取出光的光路。

9.根据权利要求8所述的光学器件，其中所述光路改变单元包括体积全息照相、调相型衍射光栅、和调幅型衍射光栅中的任意一个。

10.根据权利要求5所述的光学器件，其中所述光路改变单元通过光散射或通过光分散改变所述取出光的光路。

11.根据权利要求10所述的光学器件，其中所述光路改变单元包括多孔构件、不同折射率分散构件或分布构件、和包括形成为不平整形状的表面的光散射或分散构件中的任意一个。

12.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学器件，其中每个所述光耦合元件包括用于吸收和发射所述取出光的特定波长光分量的特定波长分量吸收单元。

13.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光学器件，其中每个所述光耦合元件包括通过接收所述取出光激发的从而发光的光发射单元。

14.根据权利要求1至13中的任何一项所述的光学器件，其中在所述全反射光学构件的入射光引入侧设置一个用于将由所述全反射光学构件反射的并且再返回到所述光学器件的入射光引入侧的所述入射光引入到所述光学器件的反射层。

15.一种显示装置，包括：

根据权利要求1至14中的任何一项所述的光学器件；和

设置在所述光学器件的入射光引入侧上的平面光源，

其中将来自所述平面光源的光引入到所述光学器件中，并且发射由所述光耦合元件从所述全反射光学构件取出的光，从而显示图像。

16.根据权利要求15所述的显示装置，其中所述光耦合元件是其中记录了图像的透射图像膜。

17.根据权利要求15所述的显示装置，其中每个所述光耦合元件包括荧光物质，并且所述平面光源发射每个都包含一种能够激发所述荧光物质的波长的光。

18.根据权利要求15至17中的任何一项所述的显示装置，其中在所述光耦合元件的光路前部，设置了用于吸收具有一种光发射波长范围的光的滤光器。

19.根据权利要求17所述的显示装置，其中在所述光耦合元件的光路前部，设置了用于屏蔽激发光的滤光器。

20.根据权利要求17所述的显示装置，其中在所述全反射光学构件的全反射表面与所述光耦合元件之间，设置了用于反射所述荧光物质的发射波长分量并且也允许所述入射光的波长分量透射的滤光器。

21.根据权利要求20所述的显示装置，其中所述滤光器是包括一个介质多层膜的光干涉滤光器。

22.根据权利要求20所述的显示装置，其中所述滤光器是包括一个胆甾醇型液晶膜的布喇格反射滤光器。

23.根据权利要求17至22中的任何一项所述的显示装置，其中所述入射光的所述波长在350nm-400nm的范围。

24.根据权利要求17至23中的任何一项所述的显示装置，其中所述荧光物质发射可见光。

25.根据权利要求24所述的显示装置，其中所述荧光物质包括用于发射根据要显示的图像组合在一起的红、绿和蓝光的光发射物质。