JP2002365675A

JP2002365675A - 光学部材および表示装置

Info

Publication number: JP2002365675A
Application number: JP2001168167A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iwakura; 靖岩倉; Yasuo Toko; 康夫都甲
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-04
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2002-12-18

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】人工光源からの出射光の光学的特性を、単機
能の光学素子を１種のみ用いて所望の特性に変換するこ
とは困難な場合が多く、単機能の光学素子を複数種用い
た場合には、変換のための光学系が複雑化する場合が多
い。【解決手段】１または複数の人工光源１からの出射光
を回折光学素子７に照射し、この回折光学素子によって
所望の光学的特性に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可視領域または非
可視領域の波長の光を出射することができる光学部材、
および、この光学部材を用いた表示装置に関する。

【０００２】本明細書においては、可視領域の波長の電
磁波を「光」と呼ぶ他、非可視領域の波長の電磁波も
「光」と呼ぶものとする。

【０００３】また、本明細書でいう「光学部材」は、
(i) 可視領域または非可視領域の波長の電磁波を出射す
る人工光源と、光束制御用素子とを有する装置、およ
び、(ii)可視光領域の電磁波を出射して、ヒトの視覚認
識を支援するか、または、ヒトに視覚刺激を与える装置
を意味する。

【０００４】

【従来の技術】表示装置の画素、光プリンタヘッド、光
ピックアップ、カメラ用測距センサ、照明装置等の種々
の機器において、発光ダイオード、有機発光ダイオード
（有機エレクトロルミネッセンス素子）、蛍光ランプ、
半導体レーザ等の人工光源が利用されている。

【０００５】人工光源から出射される光の光学的特性、
例えば指向性、偏光特性、波長分布、強度分布等は、そ
の人工光源の種類によって、ほぼ決まっている。

【０００６】その一方で、人工光源を利用した機器に要
求される出射光の光学的特性は、必ずしも、人工光源か
ら出射される光の光学的特性と一致しない。人工光源か
ら出射された光の光学的特性は、必要に応じて、所望の
光学的特性に変換される。

【０００７】光の光学的特性を所望の特性に変換しよう
とする場合には、一般に、光学レンズ、プリズム、ミラ
ー、偏光子、光学フィルタ、波長板等の単機能の光学素
子が１種または複数種用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】例えば、単機能の光学
素子を１個のみ用いて、人工光源から出射された光につ
いての複数の光学的特性を所望の特性に変換すること
は、困難な場合が多い。単機能の光学素子を複数種用い
ることにより、一般に、複数の光学的特性を所望の特性
に変換することが可能である。しかしながら、変換のた
めの光学系が複雑化する場合が多い。

【０００９】本発明の目的は、所望の光学的特性を有す
る出射光を得ることが容易な光学部材を提供することで
ある。

【００１０】本発明の他の目的は、画素からの出射光の
光学的特性を所望の特性に調節し易い表示装置を提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、可視領域または非可視領域の波長の出射光を発する
１または複数の人工光源と、前記人工光源からの出射光
が照射される回折光学素子とを有する光学部材が提供さ
れる。

【００１２】本発明の他の観点によれば、可視領域また
は非可視領域の波長の出射光を発する１または複数の人
工光源と、前記人工光源の１個に１つずつ配置されて、
対応する人工光源からの出射光の照射によって一次回折
光を生成する回折光学素子とを有する光学部材が提供さ
れる。

【００１３】本発明の更に他の観点によれば、マトリッ
クス状に配置された多数個の画素であって、各々が、可
視領域の波長の出射光を発する１または複数の人工光源
と、該人工光源からの出射光が照射される回折光学素子
とを含む多数個の画素と、前記画素の各々へ前記人工光
源の動作を制御する信号を供給する駆動回路と、前記駆
動回路の動作を制御する制御部とを有する表示装置が提
供される。

【００１４】本発明の更に他の観点によれば、マトリッ
クス状に配置された多数個の画素であって、各々が、可
視領域の波長の出射光を発する１または複数の人工光源
と、前記人工光源の１個に１つずつ配置されて、対応す
る人工光源からの出射光の照射によって一次回折光を生
成する回折光学素子とを含む多数個の画素と、前記画素
の各々へ前記人工光源の動作を制御する信号を供給する
駆動回路と、前記駆動回路の動作を制御する制御部とを
有する表示装置が提供される。

【００１５】回折光学素子（以下、「ＤＯＥ」と略記す
る。）は、入射した光の複数の光学的特性、例えば指向
性、偏光特性、波長分布、強度分布等を一度に変換する
ことが可能な素子である。ＤＯＥの機能は、その製作条
件または形状を適宜選定することにより、容易に制御す
ることができる。

【００１６】したがって、人工光源と、この人工光源か
らの出射光の光学的特性を所望の特性に変換するＤＯＥ
とを用いて光学部材を構成することにより、出射光の光
学的特性が所望の特性に制御された光学部材を容易に得
ることができる。

【００１７】また、上記の光学部材を画素として用いる
ことにより、画素からの出射光の光学的特性が所望の特
性に調節された表示装置を容易に得ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１（Ａ）は、第１の実施例によ
る光学部材を概略的に示す。同図に示す光学部材１０
は、発光主波長が５１４±１０ｎｍの発光ダイオード１
と、この発光ダイオード１における樹脂製封入層１ａの
周囲に形成された被覆層５と、被覆層５の一面に固着さ
れたＤＯＥ７とを有する。

【００１９】被覆層５は、例えば樹脂製封入層１ａの屈
折率とほぼ同じ透明材料、例えば透明樹脂によって形成
される。この被覆層５は、発光ダイオード１の前方に、
発光ダイオード１の光軸ＯＡに対して傾いて形成された
１つの平面５ａを有する。

【００２０】ＤＯＥ７は、面内方向および／または厚さ
方向で屈折率、誘電率、光透過率もしくは光反射率が変
化した変調構造、または所定の表面形状を有し、回折素
子としての機能を有する。このＤＯＥ７は例えばフィル
ム状を呈し、図示を省略した接着剤によって平面５ａ上
に固着される。

【００２１】発光ダイオード１中の発光素子（図示せ
ず。）から出射された光Ｌ₁ は、樹脂製封入層１ａおよ
び被覆層５を透過し、ＤＯＥ７に入射する。ＤＯＥ７に
入射した光Ｌ₁ のうち、所定波長域の光の多くは、ＤＯ
Ｅ７が有する変調構造または表面形状によって回折し、
一次回折光ＤＬ₁ となってＤＯＥ７から出射する。

【００２２】一次回折光ＤＬ₁ の指向性、波長分布およ
び強度分布は、発光ダイオード１から出射された光Ｌ₁
の指向性、波長分布または強度分布と異なる。ＤＯＥ７
は、発光ダイオード１から出射した光Ｌ₁ の照射を受け
て、所望の光学的特性を有する一次回折光ＤＬ₁ を生成
する。図示の例では、光Ｌ₁ は発散光線束であり、一次
回折光ＤＬ₁ はほぼ平行な光線束である。

【００２３】ＤＯＥ７が面内方向および／または厚さ方
向で屈折率、誘電率、光透過率、もしくは光反射率が変
化した変調構造を有する場合、このようなＤＯＥは、例
えば二光束干渉法によって製作することができる。この
とき、ＤＯＥの材料としては、フォトリフラクティブ材
料を用いることができる。

【００２４】フォトリフラクティブ材料の具体例として
は、例えば、ＢａＴｉＯ₃ やＬｉＮｂＯ₃ 等の強誘電
体、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀およびＢｉ₁₂Ｔｉ
Ｏ₂₀等の常誘電体、ＧａＡｓ、ＩｎＰおよびＧａＰ等の
化合物半導体、ポリビニルカルバゾール等の有機高分子
が挙げられる。

【００２５】ＤＯＥ７が面内方向および／または厚さ方
向で光透過率や光反射率が変化した変調構造を有する場
合、このようなＤＯＥは、例えば、所望の光波の複素振
幅分布を電子計算機で計算し、その結果をコード化して
印刷したものを写真撮影することによっても製作するこ
とができる。

【００２６】ＤＯＥ７が、回折作用を発現させる所定の
表面形状を有する場合、このようなＤＯＥは、例えば二
光束干渉と現像処理とを組み合わせた方法や、金型圧
着、射出成形、切削（例えばダイヤモンドヘッド、レー
ザ、電子ビーム）等の方法によって得ることができる。
また、所定の微細パターンに成形されたマスクを用いて
所望材料をエッチングすることによっても得ることがで
きる。前記のマスクは、例えば、電磁波（ミリ波、マイ
クロ波、可視光、紫外線、Ｘ線等）、電子線、もしくは
原子線とマスキングとを用いたリソグラフィによって、
例えば紫外線とレクチルとを用いたリソグラフィによっ
て、レジスト材料を露光し、その後にレジスト材料を現
像することによって作製することができる。

【００２７】回折作用を発現させる所定の表面形状を有
するＤＯＥを、二光束干渉と現像処理とを組み合わせた
方法によって製作する場合、ＤＯＥの材料としては、互
いに干渉させる二つの光束の波長等に応じて、フォトポ
リマー、銀塩乳剤、サーモプラスチック等を用いること
ができる。

【００２８】回折作用を発現させる所定の表面形状を有
するＤＯＥを、金型圧着、射出成形、切削、あるいはエ
ッチングによって製作する場合、このＤＯＥの材料とし
ては、有機もしくは無機高分子、ゲル、ガラス、有機も
しくは無機結晶体、または金属等のバルクもしくは薄膜
（複数の薄膜の積層体を含む。）を用いることができ
る。また、有機材料と無機材料とを組み合わせたハイブ
リッド材料を用いることもできる。

【００２９】図１（Ｂ）は、回折作用を発現させる所定
の表面形状を有するＤＯＥの一例を概略的に示す。図示
のＤＯＥ７ａは、二光束干渉と現像処理とを組み合わせ
た方法によって製作されたものであり、その一表面は、
二つの光束の干渉に起因する所定の幾何学形状（波形）
を呈する。

【００３０】図１（Ｃ）は、回折作用を発現させる所定
の表面形状を有するＤＯＥの他の例を概略的に示す。図
示のＤＯＥ７ｂは、金型圧着、射出成形、切削、あるい
はエッチングによって製作することができ、その一表面
は、所定の幾何学形状（段差形状）を呈する。

【００３１】ＤＯＥの製作条件または表面形状を適宜選
定することにより、得られるＤＯＥの機能を容易に制御
することができる。

【００３２】図２は、図１に示したＤＯＥ７を二光束干
渉法によって製作する際の光学系の一例を概略的に示
す。

【００３３】同図に示す光学系１００では、レーザ発振
器１０２から発振されたレーザ光ＬＢがビームスプリッ
ター（ハーフミラー）１０４によって２つの光線束ＬＢ
１、ＬＢ２に分割される。レーザ光ＬＢは、図１（Ａ）
に示した発光ダイオード１の発光主波長と同一の波長、
または発光ダイオード１の発光主波長近傍（例えば±１
０ｎｍ以内の波長差）の波長を有し、その値は例えば５
１４ｎｍである。

【００３４】光線束ＬＢ１は、反射鏡１０６によって反
射された後に、遮光部材１０８に形成されている直径１
０μｍのピンホール（図示せず。）を通過して発散光線
束ＬＢ１ａとなり、感光性材料１１５の１つの主面１１
５ａに入射する。

【００３５】一方、光線束ＬＢ２は発散レンズ１１０に
よって発散光線束ＬＢ２ａに変換された後、凹面鏡１１
２で反射されてほぼ平行な光線束ＬＢ２ｂとなって、感
光性材料１１５の１つの主面１１５ａに入射する。発散
レンズ１１０と凹面鏡１１２とは、ビームエキスパンダ
を構成する。

【００３６】感光性材料１１５は、例えばＯｍｎｉｄｅ
ｘ（デュポン社製のフォトポリマー材料の商品名）によ
って形成された膜厚５〜２０μｍ程度のフィルムであ
る。

【００３７】感光材料１１５としてＯｍｎｉｄｅｘを用
いる場合、レーザ発振器１０２から発振されるレーザ光
ＬＢの波長は、目的とする光学部材で使用する人工光源
の発光主波長もしくは発振波長、または人工光源から出
射される輝線の波長の例えば±１０ｎｍの範囲内とする
ことが好ましい。

【００３８】感光性材料１１５に入射した光線束ＬＢ１
ａとＬＢ２ｂとは互いに干渉し、その干渉縞が感光性材
料１１５に記録される。

【００３９】感光性材料１１５の主面１１５ａへの発散
光線束ＬＢ１ａの入射条件は、媒質の屈折率を除き、図
１（Ａ）に示した光学部材１０での光Ｌ₁ のＤＯＥ７へ
の入射条件と同じにするか、近似させることが好まし
い。主面１１５ａへの光線束ＬＢ２ｂの入射角θが、実
質的に、図１（Ａ）に示したＤＯＥ７からの一次回折光
ＤＬ₁ の出射角となる。主面１１５ａ上での光線束ＬＢ
１ａおよびＬＢ２ｂの単位面積当たりの光強度比は、概
ね（前者）：（後者）＝２：１〜１０：１の範囲内とす
ることが好ましい。

【００４０】この後、感光性材料１１５に現像処理を施
し、さらに上記の干渉縞を定着させることにより、ＤＯ
Ｅ７を得ることができる。必要に応じて、ＤＯＥ７から
の一次回折光の出射方向がＤＯＥ７を目視しただけで判
るように、あるいは、光学的に検知できるように、所望
の位置にマークを付すことができる。

【００４１】このようにして得られたＤＯＥ７では、光
線束ＬＢ１ａと同じ波長を有する光が、感光材料１１５
への光線束ＬＢ１ａの入射条件と同じ入射条件で入射し
たとき、最も強い回折作用が発現する。この回折作用に
より、ＤＯＥ７製作時の光線束ＬＢ２ｂと同じか、また
は同様の光学的特性を有する一次回折光ＤＬ₁ が生成さ
れる。

【００４２】上記の回折作用は、光線束ＬＢ１ａの波長
近傍の波長域の光に対しても発現して、一次回折光ＤＬ
₁ を生成させる。一次回折光ＤＬ₁ のピーク強度の半値
幅は、光線束ＬＢ１ａの波長をピーク波長として、概ね
２０ｎｍである。ただし、ＤＯＥ７の回折作用によって
一次回折光ＤＬ₁ を得るためには、ＤＯＥ７への光の入
射条件を、ＤＯＥ７製作時における主面１１５ａへの光
線束ＬＢ１ａの入射条件と同じにするか、この入射条件
に近い条件とすることが好ましい。

【００４３】次に、第２の実施例による光学部材につい
て説明する。

【００４４】図３は、第２の実施例による光学部材２０
を概略的に示す。同図に示す光学部材２０は、複数の発
光主波長を有する超小型蛍光ランプ１１と、反射器１２
と、遮光部材１３と、被覆層１５と、ＤＯＥ１７とを有
する。

【００４５】反射器１２はＵ字状の断面形状を有し、そ
の全体形状は例えばパラボラ状である。この反射器１２
は、超小型蛍光ランプ１１の背面側から前方に突出し
て、超小型蛍光ランプ１１からの発光を前方へ反射す
る。

【００４６】遮光部材１３は、その中央部に直径１００
μｍのピンホール１３ａを有し、超小型蛍光ランプ１１
の前方において反射器１２に固着される。

【００４７】被覆層１５は、超小型蛍光ランプ１１の光
軸にほぼ垂直な１つの側面を有し、この側面に遮光部材
１３が固着される。被覆層１５は、さらに、遮光部材１
３の反対側に超小型蛍光ランプ１１の光軸に対して傾い
て形成された１つの側面を有し、ここにＤＯＥ１７が固
着される。この被覆層１５は、例えば図１に示した被覆
層５と同様の透明材料によって形成される。

【００４８】ＤＯＥ１７は、図１に示したＤＯＥ７と同
様にフィルム状を呈し、ＤＯＥ７と同様の機能を有す
る。

【００４９】超小型蛍光ランプ１１から出射して直接、
または反射器１２で反射した後にピンホール１３ａを透
過した光Ｌ₁₁は、点光源からの光同様となり、被覆層１
５を透過してＤＯＥ１７に入射する。反射器１２は、ピ
ンホール１３ａを透過する光量、換言すれば、ＤＯＥ１
７に入射する光量を増大させる。

【００５０】ＤＯＥ１７に入射した光Ｌ₁₁のうち、所定
波長域の光の多くは、ＤＯＥ１７が有する変調構造また
は表面形状によって回折し、一次回折光ＤＬ₁₁となって
ＤＯＥ１７から出射する。

【００５１】次に、第２の実施例による光学部材２０の
変形例について説明する。

【００５２】図４は、光学部材２０の変形例を概略的に
示す。同図に示す光学部材３０は、図３に示した光学部
材２０における配置と同様に配置された超小型蛍光ラン
プ１１、反射器１２、ピンホール１３ａを有する遮光部
材１３、一側面に遮光部材１３が固着された被覆層、お
よびＤＯＥ１７を備える。

【００５３】ただし、光学部材２０において遮光部材１
３が固着されている被覆層の形状は、図３に示した光学
部材２０における被覆層１５の形状と若干異なる。以
下、遮光部材１３が固着されている被覆層を「第１被覆
層１５ａ」という。第１被覆層１５ａは、直方体状に成
形されている。

【００５４】光学部材３０は、さらに、遮光部材１３と
互いに対向するようにして第１被覆層１５ａの一面に固
着されたバンドパスフィルタ２１と、バンドパスフィル
タ２１の外側面に固着された第２被覆層２２と、ＤＯＥ
１７の前面に固着された光シャッタ２３とを備える。

【００５５】バンドパスフィルタ２１は例えば液晶素子
によって構成され、ピンホール１３ａを透過した光Ｌ₁₁
のうちの緑色の輝線を選択的に透過させる。

【００５６】第２被覆層２２は、超小型蛍光ランプ１１
の光軸にほぼ垂直な１つの側面を有し、この側面にバン
ドパスフィルタ２１が固着される。第２被覆層２２は、
さらに、バンドパスフィルタ２１の反対側に超小型蛍光
ランプ１１の光軸に対して傾いて形成された１つの側面
を有し、ここにＤＯＥ１７が固着される。この第２被覆
層２２は、例えば第１被覆層１５と同様の透明材料によ
って形成される。

【００５７】光シャッタ２３は、例えば液晶素子によっ
て構成される。この光シャッタ２３が開のとき、ＤＯＥ
１７から出射した光は光シャッタ２３を透過する。光シ
ャッタ２３が閉のとき、ＤＯＥ１７から出射した光は、
この光シャッタ２３によって遮断される。

【００５８】超小型蛍光ランプ１１から出射して直接、
または反射器１２で反射した後にピンホール１３ａを透
過した光Ｌ₁₁は、第１被覆層１５を透過してバンドパス
フィルタ２１に入射する。バンドパスフィルタ２１に入
射した光Ｌ₁₁のうち、緑色の輝線はバンドパスフィルタ
２１を透過し、さらに第２被覆層２２を透過して、ＤＯ
Ｅ１７に入射する。緑色の輝線以外の光は、バンドパス
フィルタ２１によって反射または吸収される。

【００５９】ＤＯＥ１７に入射した緑色光は、ＤＯＥ１
７が有する変調構造または表面形状によって一次回折光
ＤＬ_11a となり、ＤＯＥ１７から出射して光シャッタ２
３に入射する。

【００６０】光シャッタ２３が開のとき、一次回折光Ｄ
Ｌ_11a は光シャッタ２３を透過し、光シャッタ２３が閉
のときにはこの光シャッタ２３によって遮断される。バ
ンドパスフィルタ２１および光シャッタ２３を共に液晶
素子で構成した場合には、バンドパスフィルタ２１の動
作と光シャッタ２３の動作とを時間的に同期させて制御
することにより、所望の時期に光学部材３０から一次回
折光ＤＬ_11a を出射させることができる。

【００６１】次に、第３の実施例による光学部材につい
て説明する。

【００６２】図５は、第３の実施例による光学部材４０
を概略的に示す。同図に示す光学部材４０は、発光主波
長が５１４±１０ｎｍの第１発光ダイオード３１と、発
光主波長が４８８±１０ｎｍの第２発光ダイオード３２
と、これら第１〜第２発光ダイオード３１、３２におけ
る樹脂製封入層３１ａ、３２ａの周囲に形成された被覆
層３５と、被覆層３５の一面に固着された第１ＤＯＥ３
７と、第１ＤＯＥ３７上に固着された第２ＤＯＥ３８と
を有する。

【００６３】第１発光ダイオード３１と第２発光ダイオ
ード３２とは、互いの光軸が交わるようにして、被覆層
３５によって一体化される。

【００６４】被覆層３５は、図１に示した被覆層５と同
様の透明材料によって形成され、第１〜第２発光ダイオ
ード３１、３２の前方に１つの平面３５ａを有する。

【００６５】第１ＤＯＥ３７は、図１に示したＤＯＥ７
と同様にフィルム状を呈し、ＤＯＥ７と同様の機能を有
する。この第１ＤＯＥ３７は、被覆層３５の１つの側面
３５ａに固着され、第１発光ダイオード３１から出射さ
れた光Ｌ₃₁の照射を受けて一次回折光ＤＬ₃₁を生成す
る。

【００６６】第２ＤＯＥ３８は、図１に示したＤＯＥ７
と同様にフィルム状を呈し、第１ＤＯＥ３８と同様に発
散光線束をほぼ平行な光線束に変換する機能を有する。
ただし、第２ＤＯＥ３８の回折作用が最も強く発現する
波長は４８８ｎｍである。この第２ＤＯＥ３８は、第２
発光ダイオード３２から出射された光Ｌ₃₂の照射を受け
て、一次回折光ＤＬ₃₂を生成する。

【００６７】第２ＤＯＥ３８は、例えば、発振波長が４
８８ｎｍのレーザ発振器を用いる以外は図２に示した光
学系１００と同様の構成の光学系を用いて製作すること
ができる。

【００６８】第１ＤＯＥ３７と第２ＤＯＥ３８とは、光
学部材４０での第１〜第２発光ダイオード３１、３２の
配置を勘案して、光Ｌ₃₁または光Ｌ₃₂の入射条件が所望
の条件となるように、所定の向きで配置される。例え
ば、図２に示した光学系１００と同様の構成の光学系を
用いて第１ＤＯＥ３７と第２ＤＯＥ３８とを製作した場
合には、第１ＤＯＥ３７および第２ＤＯＥ３８のいずれ
か一方の向きが、製作時の向きから１８０°回転させた
向きとなる。ＤＯＥ３７、３７からの一次回折光Ｄ
Ｌ₃₁、ＤＬ₃₂の出射方向がＤＯＥ３７、３８を目視した
だけで判るように、あるいは機器を用いて光学的に検知
できるように所望の位置にマークを付しておくと、光学
部材４０の製造が容易になる。

【００６９】第１発光ダイオード３１から出射した光Ｌ
₃₁は、被覆層３５を透過して第１ＤＯＥ３７に入射す
る。光Ｌ₃₁が照射された第１ＤＯＥ３７は、一次回折光
ＤＬ₃₁を生成する。この一次回折光ＤＬ₃₁は、第２ＤＯ
Ｅ３８を透過して光学部材４０から出射する。

【００７０】第２発光ダイオード３２から出射した光Ｌ
₃₂は、被覆層３５を透過し、さらに第１ＤＯＥ３７も透
過した後に、第２ＤＯＥ３８に入射する。光Ｌ₃₂が照射
された第２ＤＯＥ３８は、一次回折光ＤＬ₃₂を生成す
る。この一次回折光ＤＬ₃₂が光学部材４０から出射す
る。

【００７１】一次回折光ＤＬ₃₁と一次回折光ＤＬ₃₂と
は、それぞれ所望の空間強度分布特性を有する。例え
ば、一次回折光ＤＬ₃₁と一次回折光ＤＬ₃₂とは、互いに
異なる方向に出射する。同じ方向に同じ空間強度分布で
出射させることもできる。

【００７２】次に、第４の実施例による光学部材につい
て説明する。

【００７３】図６は、第４の実施例による光学部材５０
を概略的に示す。同図に示す光学部材５０は、発光主波
長が５１４±１０ｎｍの第１発光ダイオード４１と、発
光主波長が４８８±１０ｎｍの第２発光ダイオード４２
と、これら第１〜第２発光ダイオード４１、４２の前方
に配置されたプリズム（三角プリズム）４４と、第１Ｄ
ＯＥ４７と、第１ＤＯＥ４７の一面に固着された第２Ｄ
ＯＥ４８とを有する。

【００７４】第１発光ダイオード４１と第２発光ダイオ
ード４２とは、互いの光軸が平行となるように一体化さ
れている。

【００７５】プリズム４４は、第１発光ダイオード４１
から出射した光Ｌ₄₁および第２発光ダイオード４２から
出射した光Ｌ₄₂が１つの斜面４４ａに入射し、これらの
光Ｌ ₄₁、Ｌ₄₂が底面４４ｂから出射するように配置され
る。

【００７６】第１ＤＯＥ４７は、プリズム４４の底面４
４ｂにほぼ平行となるように配置され、第２ＤＯＥ４８
は第１ＤＯＥ４７の外側表面に固着される。

【００７７】第１発光ダイオード４１から出射した光Ｌ
₄₁は、プリズム４４への入射時およびプリズム４４から
の出射時に屈折して、第１ＤＯＥ４７に所定の入射条件
の下に入射する。光Ｌ₄₁の照射を受けた第１ＤＯＥ４７
は、一次回折光ＤＬ₄₁を生成する。この一次回折光ＤＬ
₄₁は第２ＤＯＥ４８を透過して、光学部材５０から出射
する。

【００７８】第２発光ダイオード４２から出射した光Ｌ
₄₂は、プリズム４４への入射時およびプリズム４４から
の出射時に屈折して、第１ＤＯＥ４７に所定の入射条件
の下に入射する。第１ＤＯＥ４７に入射した光Ｌ₄₂は、
第１ＤＯＥ４７を透過して第２ＤＯＥ４８に入射する。
光Ｌ₄₂の照射を受けた第２ＤＯＥ４８は、一次回折光Ｄ
Ｌ₄₂を生成する。この一次回折光ＤＬ₄₂が、光学部材５
０から出射する。

【００７９】光Ｌ₄₁に対する媒質の屈折率は、光Ｌ₄₁よ
りも短波長の光Ｌ₄₂に対する屈折率よりも小さい。この
ため、たとえ第１発光ダイオード４１と第２発光ダイオ
ード４２とを互いの光軸が平行となるように配置したと
しても、プリズム出射後の光の進行方向を異ならせ、必
要に応じて光束分離を行うことができる。第１ＤＯＥ４
７への光Ｌ₄₁の入射条件（入射角）と第２ＤＯＥ４８へ
の光Ｌ₄₂の入射条件（入射角）とを別々に制御すること
が可能である。

【００８０】次に、第５の実施例による光学部材６０に
ついて説明する。

【００８１】図７は、第５の実施例による光学部材６０
を概略的に示す。同図に示す光学部材６０は、図６に示
したプリズム４４に代えて２本の光ファイバ５４、５６
を用い、第１〜第２ＤＯＥ４７、４８とは異なる特性を
有する第１〜第２ＤＯＥ５７、５８を用いた光学部材で
ある。図７に示した構成部材のうち、図６に示した構成
部材と共通するものについては図６で用いた参照符号と
同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

【００８２】光ファイバ５４、５５は形状の自由度が比
較的高い。このため、たとえ第１発光ダイオード４１と
第２発光ダイオード４２とを互いの光軸が平行となるよ
うに配置したとしても、第１ＤＯＥ５７への光Ｌ₄₁の入
射条件（入射角）と第２ＤＯＥ５８への光Ｌ₄₂の入射条
件（入射角）とを別々に制御することが可能である。

【００８３】第１発光ダイオード４１から出射した光Ｌ
₄₁は、光ファイバ５４によって導かれて、発散しながら
第１ＤＯＥ５７へ所定の入射条件の下に入射する。第２
発光ダイオード４２から出射した光Ｌ₄₂は、光ファイバ
５５によって導かれて、発散しながら第１ＤＯＥ５７へ
所定の入射条件の下に入射する。

【００８４】次に、第６の実施例による光学部材につい
て説明する。

【００８５】図８は、第６の実施例による光学部材７０
を概略的に示す。同図に示す光学部材７０は、超小型蛍
光ランプ６１と、超小型蛍光ランプ６１のガラス管６１
ａを覆う被覆層６５と、被覆層６５の一端に固着された
ＤＯＥ６７とを有する。

【００８６】被覆層６５は、図１に示した被覆層５と同
様の透明材料によって形成され、超小型蛍光ランプ６１
の前方に１つの平面６５ａを有する。この平面６５ａは
１．５ｍｍ角の矩形を呈する。

【００８７】所望の光波の複素振幅分布を電子計算機で
計算し、その結果をコード化して印刷したものを写真撮
影することによって製作されたＤＯＥ６７が、被覆層６
５の平面６５ａ上に固着される。

【００８８】超小型蛍光ランプ６１から出射された光Ｌ
₆₁の一部は、被覆層６５を透過してＤＯＥ６７に入射す
る。ＤＯＥ７に入射した光Ｌ₆₁のうち、所定波長域の光
の多くは、ＤＯＥ６７が有する変調構造によって回折
し、一次回折光ＤＬ₆₁となってＤＯＥ６７から出射す
る。この一次回折光ＤＬ₆₁は、５０×５０のマトリック
ス状に分離された平行光線束群によって構成される。

【００８９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、ＤＯＥ６７を
製作する際の手順の一例を示す。

【００９０】まず、図９（Ａ）に示す画像７１のデータ
を電子計算機を用いて得る。画像７１は、所定の大きさ
の矩形を２００×２００個に碁盤目状に区画し、そのう
ち、５０×５０個の区画を白抜きにして均等に配置し、
他の区画を黒塗りにした二次元画像である。ただし、図
９（Ａ）は、白抜きにした区画の数および黒塗りした区
画の数を、便宜上、実際の数よりも減らして描いてい
る。また、同図においては、黒塗りした区画にハッチン
グを付してある。

【００９１】次いで、図９（Ｂ）に示すように、画像７
１のデータをフーリエ変換して新たな画像７３を得、こ
の画像７３を印刷する。図９（Ｂ）は、画像７３を正確
に描画したものではなく、模式的に示したものである。

【００９２】次に、画像７３を高分解能の１３５版ポジ
型フィルムを用いて写真撮影し、このフィルムを現像し
て、ポジ型フィルム７５に写し込まれたＤＯＥ６７を得
る。画像７３の撮影に際しては、画像７３の大きさがフ
ィルム上で１．５ｍｍ角となるように撮影倍率を選択す
る。

【００９３】次に、第６の実施例による光学部材７０の
変形例について説明する。

【００９４】図１０は、第６の実施例による光学部材７
０の変形例を概略的に示す。同図に示す光学部材９０で
は、平面視上の形状を円形に変えた以外は図８に示した
ＤＯＥ６７と同様にして得たＤＯＥ６７ａが、多数の光
ファイバ素線によって構成されたイメージファイバ８２
の一端に固着される。

【００９５】超小型蛍光ランプ６１のガラス管６１ａを
覆う被覆層８５は、超小型蛍光ランプ６１の前方に１つ
の円形平面を有し、その上に、イメージファイバ８２の
他端が固着される。

【００９６】イメージファイバ８２の具体例としては、
エドモントサイエンティフィック社製の「イメージコン
ジット（像導伝管）」や「ファイバーテーパマグニファ
イアー」等が挙げられる。

【００９７】この光学部材９０においても、図８に示し
た光学部材７０と同様に、５０×５０のマトリックス状
に分離された平行光線束群によって構成される一次回折
光ＤＬ₆₁がＤＯＥ６７ａから出射する。

【００９８】次に、実施例による表示装置について説明
する。

【００９９】図１１は、実施例による表示装置２００を
概略的に示す。同図に示す表示装置２００は、マトリッ
クス状に配置された多数個の画素２０５を有する表示パ
ネル２１０と、個々の画素２０５へ、その動作を制御す
る信号を供給する第１〜第２駆動回路２２０、２２５
と、第１〜第２駆動回路２２０、２２５の動作を制御す
る制御部２３０とを有する。

【０１００】画素２０５の各々は可視領域の波長の電磁
波を出射し、例えば図１に示した光学部材１０と同様の
構成を有する。画素２０５を構成する人工光源の点灯お
よび消灯が、第１〜第２駆動回路２２０、２２５からの
信号により、制御される。

【０１０１】表示装置２００に表示させようとする文字
や図形等のパターンデータ、あるいは、動画または静止
画のデータは、例えばメモリ２４０に一旦記憶される。

【０１０２】制御部２３０は、メモリ２４０に記憶され
ているデータに基づいて第１〜第２駆動回路２２０、２
２５の動作を制御する。

【０１０３】第１〜第２駆動回路２２０、２２５は、制
御部２３０による制御に従って所定の制御信号を生成
し、各画素２０５に制御信号を供給する。これにより、
所定の画素が点灯し、所望の文字や図形等のパターン、
または映像（静止画または動画）等が表示される。

【０１０４】表示装置２００を用いれば、例えば屋内ま
たは屋外で案内表示等に使用する１種類の固定されたパ
ターンの文字もしくは図形を表示することができる。ま
た、複数種の文字パターンまたは複数種の図形パターン
を時分割で表示することができる。さらには、任意パタ
ーンの文字もしくは図形、または、動画もしくは静止画
を表示することができる。

【０１０５】画素２０５を構成するＤＯＥの特性を、表
示装置２００の用途や設置場所等に応じて適宜選定する
ことにより、表示装置２００の表示内容がこの表示装置
２００の利用者あるいは通行人や観衆に見やすくなるよ
うに、各画素２０５からの出射光（一次回折光）の光学
的特性を調節することができる。

【０１０６】以上、実施例による光学部材および表示装
置について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。

【０１０７】例えば、光学部材を構成する人工光源は、
可視領域の波長の電磁波を出射するものに限定されるも
のではなく、Ｘ線、紫外線、近赤外線、ミリ波、マイク
ロ波等、非可視領域の波長の電磁波を出射するものであ
ってもよい。どのような人工光源を用いるかは、目的と
する光学部材の用途等に応じて適宜選択可能である。

【０１０８】人工光源の具体例としては、発光ダイオー
ドや超小型蛍光ランプの他に、有機発光ダイオード（有
機エレクトロルミネッセンス素子）、半導体レーザ（面
発光レーザを含む。）、超小型蛍光ランプ以外の熱陰極
もしくは冷陰極蛍光ランプ、ミリ波領域もしくはマイク
ロ波領域の電磁波を発振可能なダイオード（例えばガン
ダイオードやインパットダイオード）、Ｘ線レーザ等が
挙げられる。さらには、電界放出型電子源と、この電子
源から放出された電子が照射される蛍光体層とを真空容
器内に配置して人工光源を構成することも可能である。
レーザ以外の人工光源を用いる場合、この人工光源は、
発光波長帯域が狭いか、輝線スペクトル幅の狭い光源で
あることが好ましい。

【０１０９】上述した人工光源と前述した回折光学素子
とを備えた光学部材は、表示装置の画素以外に、光プリ
ンタヘッド、光ピックアップ、カメラ用測距センサ等に
機器における光源等として使用することができる。ま
た、そのまま、または反射器と組み合わせて、照明装置
として使用することも可能である。

【０１１０】ＤＯＥは、可視光以外の電磁波、例えばミ
リ波、マイクロ波、赤外線、紫外線、Ｘ線等を用いた二
光束干渉法によっても製作することができる。二光束干
渉法で互いに干渉させる二つの光束（電磁波）はコヒー
レント性を有していればよい。どのような波長の電磁波
を用いてＤＯＥを製作するかは、目的とする光学部材の
用途等に応じて適宜選択可能である。

【０１１１】ＤＯＥが生成する一次回折光は、当該ＤＯ
Ｅの製作条件または表面形状を適宜選定することによ
り、平行光線束、発散光線束または収束光線束に制御す
ることができる。所望の偏光性を付与された一次回折光
を生成することや、波長分離された一次回折光を生成す
ることも可能である。

【０１１２】二光束干渉法によって、または、リソグラ
フィ技術で形成されたマスクを用いたエッチングによっ
てＤＯＥを作製する場合には、人工光源用の支持基板ま
たは人工光源自体にＤＯＥの材料をコーティングし、こ
のコーティング膜をＤＯＥに加工することもできる。Ｄ
ＯＥの材料のコーティングは、例えば、スピンコート、
ロールコート、ダイコート、スリットコート、印刷等の
方法によって行うことができる。

【０１１３】ＤＯＥの製造方法は上述した方法に限定さ
れるものではなく、種々の方法を適用することが可能で
ある。例えば、回折性を発現させる像データに基づいて
高精細な液晶光変調素子を制御することによってもＤＯ
Ｅを得ることが可能である。

【０１１４】１つの光学部材を構成する人工光源の数
は、１または２個に限定されるものではなく、３個以上
の人口光源を用いて１つの光学部材を構成することも可
能である。

【０１１５】複数個の人工光源を用いて１つの光学部材
を構成する場合、個々の人工光源の発光主波長もしくは
発振波長は同じでも異なっていてもよい。

【０１１６】１つの光学部材を構成するＤＯＥの数も、
１または２個に限定されるものではない。１つの光学部
材を構成する人工光源の数や種類に応じて、３個以上の
ＤＯＥを用いて１つの光学部材を構成することも可能で
ある。

【０１１７】複数個のＤＯＥを用いて１つの光学部材を
構成する場合、個々のＤＯＥが最も強い回折作用を示す
電磁波の波長は、互いに異なっていることが好ましい。
この場合、１つのＤＯＥに対して、当該ＤＯＥが最も強
い回折作用を示す波長の電磁波またはその近傍の波長の
電磁波を発する１個の人工光源を対応させることが好ま
しい。必要に応じて、１つのＤＯＥに対して複数個の人
工光源を対応させることも可能である。

【０１１８】互いに異なる回折特性を有する複数のＤＯ
Ｅを１つのＤＯＥ材料中に形成することも可能である。
この場合、個々のＤＯＥは、共通のＤＯＥ材料中に二次
元的に配置される。例えば、図６に示した光学部材５０
では、発光主波長が異なる複数個の人工光源（発光ダイ
オード４１、４２）それぞれからの出射光が、１つのＤ
ＯＥ４７における別々の領域に入射する。したがって、
図６に示したＤＯＥ４７とＤＯＥ４８とは、共通のＤＯ
Ｅ材料中に二次元的に配置することができる。互いに異
なる回折特性を有する複数の領域を１つのＤＯＥに形成
することにより、使用するＤＯＥの数を低減させること
ができる。

【０１１９】複数個の人工光源を用いて構成された１つ
の光学部材に、図３または図４に示したような反射器１
２を設ける場合には、１個の人工光源に１個もしくは複
数個ずつ反射器を配置してもよいし、複数個の人工光源
に１個もしくは複数個ずつ反射器を配置してもよい。図
３または図４に示したようなピンホール１３ａ、図４に
示したようなバンドパスフィルタ２１、図４に示したよ
うな光シャッタ２３、図６に示したようなプリズム４
４、図７に示したような光ファイバ５４、５５、あるい
は図１０に示したイメージファイバ８２についても同様
である。

【０１２０】バンドパスフィルタに代えて他の光学フィ
ルタ、例えばシャープカットフィルタを使用することも
可能である。また、必要に応じて、ＤＯＥ前方の光路に
色フィルタアレイを配置することもできる。

【０１２１】図３または図４に示したように遮光部材を
用いて光学部材を構成する場合、この遮光部材として
は、オフアキシス回折光学素子において０次回折光、高
次回折光または散乱光の遮蔽に使用されるマスクを用い
ることもできる。ピンホールに代えてスリットを遮光部
材に形成することも可能である。

【０１２２】人工光源から出射した光は、図６に示した
プリズム４４、図７に示した光ファイバ５４、５５、あ
るいは図１０に示したイメージファイバ８２以外の光学
素子、例えばライトパイプを用いてＤＯＥに導くことも
できる。

【０１２３】複数の波長の輝線を出射する人工光源、ま
たは、発光主波長もしくは発振波長が異なる複数の人工
光源を用いる場合でも、液晶素子によって構成されたバ
ンドパスフィルタと光シャッタとを併用して光学部材を
構成することにより、所望の時期に所望波長もしくは所
望波長域の一次回折光を得ることができる。

【０１２４】この場合、最も強い回折作用を示す波長が
互いに異なる複数のＤＯＥを二次元配置または三次元は
位置することが好ましい。各々が独立に制御可能な複数
の微小光シャッタを同一平面上に例えば格子状に配置す
ることによって光シャッタを構成すれば、所望の時期に
所望の微小光シャッタから、所望波長もしくは所望波長
域の一次回折光を得ることができる。個々の微小光シャ
ッタ毎に、時間的および空間的に分離された一次回折光
を出射させることが可能である。

【０１２５】なお、光シャッタは光の透過−遮断を制御
することができればよく、その構成は液晶素子に限定さ
れるものではない。また、ＤＯＥの背面側に光シャッタ
を配置することも可能である。発光主波長もしくは発振
波長が異なる複数の人工光源と光シャッタとを組み合わ
せる場合でも、個々の人工光源の点灯−消灯を別個に制
御することが可能であれば、バンドパスフィルタまたは
その代替物を省略することができる。同様に、輝線を１
つのみ含む光を出射する１個の人工光源と光シャッタと
を組み合わせる場合にも、バンドパスフィルタまたはそ
の代替物を省略することができる。

【０１２６】表示装置を構成する個々の画素の発光波長
（ＤＯＥで生成される一次回折光の波長）は、目的とす
る表示装置がモノカラー表示であるか、マルチカラー表
示であるか、またはフルカラー表示であるかに応じて、
適宜選定される。

【０１２７】フルカラー表示を行うことができる表示装
置を得ようとする場合には、例えば赤色光を発する画
素、青色光を発する画素、および緑色光を発する画素を
所定のパターンで配置する。個々の画素が赤色光、青色
光および緑色光を発するように構成することも可能であ
る。

【０１２８】表示装置は、Ｘ−Ｙマトリックス駆動方式
の装置であってもよいし、アクティブマトリックス駆動
方式の装置であってもよい。アクティブマトリックス駆
動方式の表示装置では、トランジスタまたはダイオード
によって構成されるスイッチング素子が、個々の画素に
１つずつ、もしくは、複数個ずつ配置されて、対応する
画素の動作を制御する。

【０１２９】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能なことは当業者に自明であろう。

【０１３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所望の光学的特性を有する光を出射する光学部材を提供
することが容易になる。画素からの出射光の光学的特性
が所望の特性に調節された表示装置を提供することが容
易になる。表示装置の画素、光プリンタヘッド、光ピッ
クアップ、カメラ用測距センサ、照明装置等、人工光源
を使用する種々の機器の特性の制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は第１の実施例による光学部材を示
す概略図であり、図１（Ｂ）は回折光学素子の表面に形
成されている回折構造の一例を模式的に示す断面図であ
り、図１（Ｃ）は回折光学素子の表面に形成されている
回折構造の他の一例を模式的に示す断面図である。

【図２】回折光学素子を二光束干渉法によって製作する
際の光学系の一例を示す概略図である。

【図３】第２の実施例による光学部材を示す概略図であ
る。

【図４】第２の実施例による光学部材の変形例を示す概
略図である。

【図５】第３の実施例による光学部材を示す概略図であ
る。

【図６】第４の実施例による光学部材を示す概略図であ
る。

【図７】第５の実施例による光学部材を示す概略図であ
る。

【図８】第６の実施例による光学部材を示す概略図であ
る。

【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、図８に示したＤＯ
Ｅを製作する際の手順の一例を示す概略図である。

【図１０】第６の実施例による光学部材の変形例を示す
概略図である。

【図１１】実施例による表示装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１、３１、３２、４１、４２…発光ダイオード、７、
７ａ、７ｂ、１７、３７、３８、４７、４８、５７、５
８、６７、６７ａ…ＤＯＥ（回折光学素子）、１０、２
０、２５、４０、５０、６０、７０、９０…光学部材、
１１、６１…超小型蛍光ランプ、１２…反射器、
１３…遮光部材、１３ａ…スリット、２１…バンド
パスフィルタ、２３…光シャッタ、８２…イメージ
ファイバ、２００…表示装置、２０５…画素、２
２０…第１駆動回路、２２５…第２駆動回路、２３
０…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H049 AA02 AA33 AA34 AA37 AA39 AA43 AA55 AA60 5F041 AA06 AA11 EE22 EE25 FF06 5F073 AB25 BA09 EA18 EA19 FA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可視領域または非可視領域の波長の出射
光を発する１または複数の人工光源と、前記人工光源からの出射光が照射される回折光学素子と
を有する光学部材。
【請求項２】さらに、(i) 前記人工光源からの出射光
を前記回折光学素子側へ反射する反射器、(ii)前記回折
光学素子の一部の領域への前記出射光の照射を制限する
遮光部材、(iii) 前記人工光源と前記回折光学素子との
間に配置されたバンドパスフィルタ、または(iv)前記回
折光学素子の前面側もしくは背面側に配置され、光の透
過−遮断を選択的に制御可能な光シャッタ、を有する請
求項１に記載の光学部材。
【請求項３】さらに、前記人工光源と前記回折光学素
子との間に配置されて前記出射光を前記回折光学素子へ
導くプリズム、光ファイバ、イメージファイバ、または
ライトパイプを有する請求項１または請求項２に記載の
光学部材。
【請求項４】さらに、前記人工光源を被覆する被覆層
を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光
学部材。
【請求項５】前記人工光源が発光ダイオード、半導体
レーザ、電界放出素子、または蛍光ランプである請求項
１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項６】前記人工光源がレンズまたは反射板を備
える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光学部
材。
【請求項７】前記回折光学素子が、該回折光学素子に
入射した光の指向性、偏光特性、波長分布、または強度
分布を変化させる請求項１〜請求項６のいずれか１項に
記載の光学部材。
【請求項８】前記回折光学素子が、面内方向および／
または厚さ方向での屈折率変化、誘電率変化、光透過率
変化、もしくは光反射率変化によって、または、表面形
状によって回折性を発現する請求項１〜請求項７のいず
れか１項に記載の光学部材。
【請求項９】可視領域または非可視領域の波長の出射
光を発する１または複数の人工光源と、前記人工光源の１個に１つずつ配置されて、対応する人
工光源からの出射光の照射によって一次回折光を生成す
る回折光学素子とを有する光学部材。
【請求項１０】マトリックス状に配置された多数個の
画素であって、各々が、可視領域の波長の出射光を発す
る１または複数の人工光源と、該人工光源からの出射光
が照射される回折光学素子とを含む多数個の画素と、前記画素の各々へ前記人工光源の動作を制御する信号を
供給する駆動回路と、前記駆動回路の動作を制御する制御部とを有する表示装
置。
【請求項１１】前記制御部が、１つの固定されたパタ
ーンデータに基づいて、または複数のパターンデータの
中から選択された１つのパターンデータに基づいて前記
駆動回路の動作を制御して、前記多数個の画素によって
所定のパターンを表示することができる請求項１０に記
載の表示装置。
【請求項１２】前記制御部が、動画データまたは静止
画データに基づいて前記駆動回路の動作を制御して、前
記多数個の画素によって所定の動画または静止画を表示
することができる請求項１０または請求項１１に記載の
表示装置。
【請求項１３】マトリックス状に配置された多数個の
画素であって、各々が、可視領域の波長の出射光を発す
る１または複数の人工光源と、前記人工光源の１個に１
つずつ配置されて、対応する人工光源からの出射光の照
射によって一次回折光を生成する回折光学素子とを含む
多数個の画素と、前記画素の各々へ前記人工光源の動作を制御する信号を
供給する駆動回路と、前記駆動回路の動作を制御する制御部とを有する表示装
置。