JP2011099972A - 光学部材、及びそれを用いたｅｌ表示装置、ｅｌ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】損失となる素子最表面である基板と空気層との界面で生じる全反射される光を減らすことで、素子外部に取り出される光取出し効率を向上させることができる。
【解決手段】面状発光素子１０の光取出し面側に配置される光学部材は、照明光Ｌ０と光取出し面の法線からなる入射面内にて、照明光Ｌ０の入射方向と、１次回折光Ｌ１の射出方向とが、略逆向きとなる反射型位相ホログラム２とし、基盤６と空気層７との界面で生じる全反射される光を利用することで、面状発光素子１０の光の取出し効率を向上させることを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子やＦＥＤ(Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ／電界放出ディスプレイ)等の自発光型の平面発光素子用の光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置に関するものである。

一般的に、平面発光素子の代表であるＥＬ素子は、蛍光性化合物に電場を加えるか、電流を注入することにより発光する素子であり、使用する材料によって無機ＥＬと有機ＥＬとに分けられる。
蛍光性化合物における電気エネルギー刺激による発光は、無機化合物や有機化合物において観測されるが、それぞれの発光中心の励起機構は異なっている。無機ＥＬ素子の発光機構は蛍光体中に電子が高電界下において加速されて発光中心に衝突し励起する発光素子であり、一方、有機ＥＬでは外部から電子とホール（正孔）を注入し、それらの再結合エネルギーによって発光中心を励起する発光素子である。
そして、無機ＥＬ、有機ＥＬは、ともに発光層を電極で挟んだサンドイッチ構造であり、電極の少なくとも一方の電極を透明にすることによって、面状の発光素子を得ることが可能である。

図９は、有機ＥＬ素子の概略構成の一例を示している。図９の模式図に示す有機ＥＬ素子１００では、背面電極１０１、有機発光層１０２、透明電極１０３、ガラス基板１０４のみが記載されているが、実際の素子にあっては、電子輸送層やホール輸送層などのさまざまな薄膜層が複数積層されて構成されている。また、ガラス基板をプラスチック基板にすることでフレキシブルなＥＬ素子も作製可能である。以下、基板１０４と記す。この有機ＥＬ素子１００は、背面電極１０１と透明電極１０３との間に電圧を印加することによって有機発光層１０２内で発光が起こり、その光を透明電極１０３側から素子外部へ取り出すことが可能となる。

そして、有機発光層１０２で発光した光は、透明電極１０３や基板１０４を通って空気層１０５へ射出されるが、一般に有機発光材料、透明電極１０３、基板１０４に用いられる材料の屈折率は異なるため、異なった屈折率を有する第１の材料（屈折率：ｎ１）と第２の材料（屈折率：ｎ２）が接する界面においてフレネル反射による光取り出しロスが生じる。フレネル反射は材料の屈折率を用いて表現することができ、例えば、垂直入射の場合には（２）式で表現される。

さらに、入射側材料（屈折率：ｎｉ）に対して射出側材料（屈折率：ｎｓ）の屈折率が低い場合、つまり、ｎｉ＞ｎｓの場合には臨界角θｃ以上で入射した光に関して全反射（図１０の矢印）が起こる。全反射が起こる臨界角θｃは（３）式で表現される。

ところが、臨界角θｃよりも大きな角度で入射した光は全反射が起こり、材料の吸収を無視すると１００％反射が起こる。そのため、素子外部へ取り出すことが出来ずに大きな損失となってしまう。実際、屈折率１．５のガラス平板を基板に用いたときに外部に取り出される光取り出し効率は、２０％以下となる。

そこで、素子外部への光取り出し効率を改善する手法として、例えば特許文献１、２に開示されている。
特許文献１には、素子基板上にマイクロレンズを設けて素子外部への光取り出し効率を改善する提案がされている。
特許文献２には、発光層と全反射抑制構造の間には発光面積を実質的に絞る集光構造が設けられ、全反射抑制構造と集光構造を構成する材料のうち少なくとも集光構造の屈折率が、発光層を構成する材料の屈折率以上であるＥＬ素子について記載されている。

特許第２７７３７２０号公報 特開２００３−３１７９３１号公報

しかしながら、上述した従来のＥＬ素子では、以下のような問題があった。
すなわち、空気との界面で生じる全反射を効果的に抑制するためには、発光面積に対して十分大きなレンズ径を有することが必要である。そのため、素子内の発光面積に対して十分に大きな径のレンズを設けることが困難であるため、十分な全反射抑制効果を得ることができなかった。
とくに、上述した特許文献２のようにディスプレイ用途などの高精細な画素サイズの実現を図る素子用途にあっては、画素面積に対して十分に大きなレンズを具備することは画素間でのマイクロレンズ同士の物理的な干渉や画素の高密度化等の点からも不利であるという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、損失となる素子最表面である基板と空気層との界面で生じる全反射される光を減らすことで、素子外部に取り出される光取出し効率の向上を図ることができる光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学部材では、面状発光素子の光取出し面側に配置される光学部材であって、照明光と光取出し面の法線からなる入射面内にて、照明光の入射方向と、１次回折光あるいは入射面に射影した１次回折光の射出方向とが、略逆向きとなる反射型位相ホログラムであることを特徴としている。

本発明では、照明光が反射型位相ホログラムによって略逆向きに変換されることから、外部に取り出せない光が空気層と反射型位相ホログラムとの界面での反射と、面状発光素子での反射、散乱を繰り返す回数とを、反射型位相ホログラムの無い場合に比べて多くすることが可能となり、光の取出し効率が向上する。
また、本光学部材では、マイクロレンズや、プリズムのように凹凸構造を用いないことで、耐久性、対応性の向上、他の光学部材との組み合わせが容易となる利点がある。

また、本発明に係る光学部材では、反射型位相ホログラムと拡散部材とを組み合わせることが好ましい。
本発明では、面状発光素子による反射、拡散する拡散光を大きくすることができ、より多くの光を取出し可能な角度に変換することができる。

また、本発明に係る光学部材では、反射型位相ホログラムは、その光取出し面側の材料の屈折率をｎ_ｏｕｔ、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎとした場合、照明光の入射角度、および１次回折光の回折角度が、ｎ_ｏｕｔ、ｎ_ｉｎにより（１）式で算出される臨界角θｃ以上となることが好ましい。

本発明では、利用できない臨界角θｃ以上の光に作用させることができ、また光取出し面から取り出すことが可能な正面方向とホログラムの最適角度とが異なるため、正面方向の光がホログラムに作用は働かず、面状発光素子に戻る現象を抑えることができる。

また、本発明に係る光学部材では、ホログラムの多重記録により、作製時の照明光の入射角度、作製時の１次回折光の回折角度、および露光波長のうち少なくとも一つが異なる特性を複数有することが好ましい。
本発明では、露光波長、照明光の入射角度、１次回折光の射出角度を複数設定することができ、一組の露光波長、照明光の入射角度、１次回折光の射出角度以外の作用しない波長や角度の光にも、別組の露光波長、照明光の入射角度、１次回折光の射出角度により作用することが可能となり、利用できる光量が増加するため、更なる輝度向上を図ることが可能となる。

また、本発明に係るＥＬ表示装置では、上述した光学部材を光取出し面側に配することを特徴としている。

また、本発明に係るＥＬ表示装置では、上述した光学部材を光取出し面側に配し、表示画素ごとに照明光の入射角度、１次回折光の回折角度、および露光波長のうち少なくとも１つが異なることを特徴としている。

また、本発明に係るＥＬ照明装置では、上述した光学部材を光取出し面側に配することを特徴としている。

本発明の光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置によれば、照明光が反射型位相ホログラムによって略逆向きに変換されることから、損失となる素子最表面である基板と空気層との界面で生じる全反射される光を減らすことができ、素子外部に取り出される光取出し効率の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による有機ＥＬ素子の概略構成を示す模式的な断面図であって、Ｘ−Ｚ平面の図である。 同じく有機ＥＬ素子の概略構成を示す模式的な断面図であって、Ｘ−Ｚ平面の図である。 同じく有機ＥＬ素子の概略構成を示す模式的な断面図であって、Ｘ−Ｙ平面の図である。 本発明の第２の実施の形態による有機ＥＬ素子の概略構成を示す模式的な断面図であって、図１に対応する図である。 第１変形例による多重記録した反射型位相ホログラムを示す断面図である。 第２変形例による多重記録した反射型位相ホログラムを示す断面図である。 第１実施例による有機ＥＬ素子の概略構成を示す模式的な断面図。 第２実施例によるＥＬ表示装置を示すＸ−Ｙ断面図である。 従来のプリズムシートの斜視図である。 従来のプリズムシートの輝度分布を示す図である。

以下、本発明の第１の実施の形態による光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置について、図１乃至図３に基づいて説明する。

図１および図２に示す有機ＥＬ素子１において、２は反射型位相ホログラム（光学部材）、３は背面電極、４は有機発光層、５は透明電極、６は基板、７は空気層である。背面電極３、有機発光層４、透明電極５、および基板６は、本発明の面状発光素子に相当する。ここで、図１において紙面上側を光取り出し側として、以下説明する。

本第１の実施の形態による有機ＥＬ素子１は、面状発光素子１０の光取出し面側に反射型位相ホログラム２を配する構成をなしている。
反射型位相ホログラム２は、ホログラムの元となる干渉縞を屈折率変化により保持しているため、光の吸収が無い、或いは少ない特徴を有している。また、反射型であるため波長選択性を有するため、近い波長、近い方向のみに作用し、大きく異なる波長や、大きく異なる方向の光に対する作用はほとんどないものである。

有機ＥＬ素子１では、図１のように、照明光の向きがホログラム作製時の照明光の向きと近い場合において、基板６内の光はそのまま、照明光Ｌ０として反射型位相ホログラム２に入射する。そして、照明光Ｌ０の一部は反射型位相ホログラム２によって、略逆向きの１次回折光Ｌ１として、また残りは透過光Ｌ２として直進する。１次回折光Ｌ１は、再び面状発光素子１０に入射し、面状発光素子１０によって反射、散乱することで、一部が取出し可能な角度に変換され、再利用することが可能となる構成となっている。

ここで、前記「略逆向き」とは、２つの光線を光取出し面に射影した光線の向きが逆になることである。よって、照明光Ｌ０と回折光の進行方向は完全に逆でなくても良いことになる。
つまり、図１において、入射面内で照明光Ｌ０と１次回折光Ｌ１とを取り扱っているが、図３に示すように１次回折光Ｌ１を入射面に射影した光Ｌ１´と照明光Ｌ０が略逆向きであれば良い。
そして、以下の説明では、照明光Ｌ０と、１次回折光Ｌ１が同一面（図３に示す入射面Ｒ）内にあるものとする。

次に、図２のように、照明光Ｌ０´の向きがホログラム作製時の照明光の向きと逆の場合、基板６内の光は反射型位相ホログラム２内を直進し、空気層７と反射型位相ホログラム２の界面２ａで反射する。さらに、反射した光は再び反射型位相ホログラム２内を直進するが、反射型位相ホログラム２の最適角度に近くなるため、一部が１次回折光Ｌ１として、再び空気層７と反射型位相ホログラム２の界面２ａで反射して面状発光素子１０に戻り、反射、散乱することで、一部が取出し可能な角度に変換され、再利用することが可能となる構成となっている。また、照明光Ｌ０´の残りは、透過光Ｌ２として直進する。

また、有機ＥＬ素子１によれば、反射型位相ホログラム２の照明光Ｌ０、１次回折光Ｌ１の角度を光取出し面側の材料の屈折率をｎ_ｏｕｔ、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎとした場合、照明光Ｌ０の入射角度、１次回折光Ｌ１の回折角度が、ｎ_ｏｕｔ、ｎ_ｉｎで決定される（１）式の臨界角θｃ以上で反射型位相ホログラム２を作製することで、利用できない臨界角以上の光に作用することができる。
また、取り出すことの可能な正面方向と、反射型位相ホログラム２の最適角度とが大きく異なるため、正面方向の光が反射型位相ホログラム２に作用は働かず、面状発光素子に戻る現象を抑えることが可能となる。

また、画像表示装置の多くは画素ごとに赤、緑、青のように異なる色の画素の組み合わせにより画像を表示するため、それぞれの画素に対し、露光波長、照明光の入射角度、１次回折光の射出角度を設定することにより、輝度の向上と共に、反射型位相ホログラムの波長選択性により、色補正効果を付加することも可能となる。

なお、本有機ＥＬ素子１は、ＥＬ表示装置、またＥＬ照明装置どちらでも、輝度向上効果を得ることが可能である。

このように、光学部材では、図１および図３に示すいずれの方向に進む照明光Ｌ０、Ｌ０´も反射型位相ホログラム２によって略逆向きに変換されることから、外部に取り出せない光が空気層７と反射型位相ホログラム２との界面２ａでの反射と、面状発光素子１０での反射、散乱を繰り返す回数とを、反射型位相ホログラムの無い場合に比べて多くすることが可能となり、光の取出し効率が向上する。
また、光学部材では、マイクロレンズや、プリズムのように凹凸構造を用いないことで、耐久性、対応性の向上、他の光学部材との組み合わせが容易となる利点がある。

上述のように本第１の実施の形態による光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置では、照明光Ｌ０が反射型位相ホログラム２によって略逆向きに変換されることから、損失となる素子最表面である基板６と空気層７との界面で生じる全反射される光を減らすことができ、素子外部に取り出される光取出し効率の向上を図ることができる。

次に、本発明による光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置の他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

図４に示す本発明の第２の実施の形態による有機ＥＬ素子１Ａは、反射型位相ホログラム２に拡散部材８を組み合わせた光学部材とすることで、上述した第１の実施の形態における面状発光素子１０による反射、拡散する拡散光Ｌ３を大きくすることができ、より多くの光を取出し可能な角度に変換することが可能な構成となっている。
なお、拡散部材８は、反射型位相ホログラム２に対して光の取出し面側、或いは面状発光素子１０側どちらでも良い。

次に、上記実施の形態によれば、反射型位相ホログラム２の多重記録により、露光波長、照明光の入射角度、１次回折光Ｌ１の射出角度を複数設定することができ、一組の露光波長、照明光の入射角度、１次回折光Ｌ１の射出角度以外の作用しない波長や角度の光にも、別組の露光波長、照明光Ｌ０の入射角度、１次回折光Ｌ１の射出角度により作用することが可能となり、利用できる光量が増加するため、更なる輝度向上を図ることが可能となる。

ここで、別組の露光波長、照明光Ｌ０の入射角度、１次回折光Ｌ１の射出角度として、図５に第１変形例、図６に第２変形例を示す。
図５に示す第１変形例による反射型位相ホログラム２Ａ（光学部材）は、法線に対し同方向での多重記録によるものである。
図６に示す第２変形例による反射型位相ホログラム２Ｂ（光学部材）は、逆方向での多重記録によるものである。
なお、同一入射面でなくでも良い。

次に、上述した第２の実施の形態による光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置の効果を裏付けるための実施例につい図７乃至図８を参照して以下説明する。
なお、各図において、同一又は同様な部材、部分又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の符号を用いて説明を省略する。

（第１実施例）
図７に示すように、第１実施例である有機ＥＬ素子１Ａは、背面電極３、緑色有機発光層４（屈折率１．７）、透明電極５（屈折率２．０）、ガラス基板６（屈折率１．５）で構成された面状発光素子１０の光取出し側に、拡散部材８、反射型位相ホログラム２の順に配している。前記緑色有機発光層４は波長５３０ｎｍ付近の光を発光する。この場合、基板６（屈折率１．５）と空気層７（屈折率１．０）の臨界角θｃは４１．８度となる。
反射型位相ホログラム２は、屈折率１．５内で、レーザー波長５３２ｎｍ、前記臨界角θｃ以上の参照光角度５０度、１次回折光角度５０度に設定、記録されている。

先ず、図７のように有機発光層４から基板正面（０度）付近に出る光Ｌ４はそのまま、各界面で若干の屈折が起こり、拡散部材８まで到達する。そして、拡散部材８を通過後、反射型位相ホログラム２まで到達するが、位相ホログラムであるため、吸収も少なく、また、ホログラムの最適角度５０度から、大きく異なる角度で入射するため、回折も起こらず、空気層７へ射出することが可能である。

次に、有機発光層４で４０度付近の光Ｌ５の振る舞いを観察する。
有機発光層４（屈折率１．７）と透明電極５（屈折率２．０）の界面により屈折が起こり、透明電極５内で３３．１度になる。
次に、透明電極５（屈折率２．０）と基板６（屈折率１．５）との界面による屈折により４６．８度に曲がる。そして、拡散部材８を通過し、反射型位相ホログラム２に入射する。最適照明光角度が５０度に近い角度で入射するため、略逆向きに回折され光線は逆の光路をたどり、拡散部材８へ到達する。ここで、光は拡散光Ｌ３として拡散され、一部は空気層７へ取出し可能な角度に変換されるため、取り出し効率が向上する。また、一部は臨界角以上のまま、有機発光層４を通過して、背面電極３にて反射し、反射型位相ホログラム２まで、再び戻り、同じ工程を繰り返す。

次に、有機発光層４で６２度以上の光Ｌ６の振る舞いを観察する。
有機発光層４（屈折率１．７）と透明電極５（屈折率２．０）との界面により屈折が起こり、透明電極５内で４８．６度以上になる。そのため、透明電極５（屈折率２．０）と、基板６（屈折率１．５）の界面により全反射がおこり、基板６へ取り出せず、損失となる。
以上により、有機発光層４内で４０〜５０度付近の光を有効に取り出すことが可能となり、光の取出し効率の向上が可能となる。

（第２実施例）
図８は、第２実施例によるＥＬ表示装置３０のＸ−Ｙ断面図である。
ＥＬ表示装置３０は、画素ごとに、赤表示画素３１、緑表示画素３３、青表示画素３２の領域に分かれている。ＥＬ素子の構成は、図７に示す第１実施例と同様に、光学部材が反射型位相ホログラムと拡散部材で構成されている。また、各画素の発光波長のピークは赤表示画素が６５０ｎｍ、緑表示画素が５５０ｎｍ、青表示画素が４５０ｎｍに設定されている。
以上により、各画素の位置と色に対応するように光学部材の波長、入射角度、回折角度の少なくとも一つを変えた反射型位相ホログラムを空間分割して作製することにより、各画素に最適な構成を得ることが可能である。

以上、本発明による光学部材、及びそれを用いたＥＬ表示装置、ＥＬ照明装置の第１および第２の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１、１Ａ 有機ＥＬ素子
２ 反射型位相ホログラム（光学部材）
３ 背面電極
４ 有機発光層
５ 透明電極
６ 基板
７ 空気層
８ 拡散部材（光学部材）
Ｌ０、Ｌ０´ 照明光、入射光
Ｌ１ １次回折光
Ｌ１´ 入射面に射影した１次回折光
Ｌ２ 透過光
Ｌ３ 拡散光
Ｌ４ ０度付近の光
Ｌ５ ４０度付近の光
Ｌ６ ６２度以上の光
Ｒ 入射面
３０ ＥＬ表示装置
３１ 赤表示画素
３２ 青表示画素
３３ 緑表示画素

Claims (7)

1. 面状発光素子の光取出し面側に配置される光学部材であって、
   照明光と前記光取出し面の法線からなる入射面内にて、前記照明光の入射方向と、１次回折光あるいは入射面に射影した１次回折光の射出方向とが、略逆向きとなる反射型位相ホログラムであることを特徴とする光学部材。
2. 前記反射型位相ホログラムと拡散部材とを組み合わせたことを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
3. 前記反射型位相ホログラムは、その光取出し面側の材料の屈折率をｎ_ｏｕｔ、面状発光素子側の材料の屈折率をｎ_ｉｎとした場合、前記照明光の入射角度、および前記１次回折光の回折角度が、ｎ_ｏｕｔ、ｎ_ｉｎにより（１）式で算出される臨界角θｃ以上となることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部材。
   

   
4. ホログラムの多重記録により、作製時の前記照明光の入射角度、作製時の前記１次回折光の回折角度、および露光波長のうち少なくとも一つが異なる特性を複数有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学部材。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光学部材を光取出し面側に配することを特徴とするＥＬ表示装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光学部材を光取出し面側に配し、表示画素ごとに前記照明光の入射角度、前記１次回折光の回折角度、および露光波長のうち少なくとも１つが異なることを特徴とするＥＬ表示装置。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光学部材を光取出し面側に配することを特徴とするＥＬ照明装置。
   

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