JP6763614B2 - 光導波装置、光電変換装置、建築物、電子機器および発光装置 - Google Patents
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Description
面状光導波路を有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播する光導波装置である。
上記面状光導波路と、
上記面状光導波路の上記主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する。
透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する。
・含フッ素ポリイミド(非特許文献3参照。)。BPDA/PDA Δn=0.51、PMDA/TFDB Δn=0.33、PMDA/ODA Δn=0.33
である。屈折率異方性を有する層を構成する媒質としては、例えば、互いに異なる方向の屈折率が異なる有機分子が同一方向を向いて平面内に配列した配向膜や、有機・無機誘電体、無機半導体などからなるナノ構造体、特に棒状・針状微結晶或いは円盤状微結晶を或る一定方向に向けて平面内に配列した配向膜などを用いることもできる。この場合も、当該構造体の配向方向は、入射光に対し誘電率が大きく、面状光導波路の裏面で反射してくる光に対しては、誘電率が小さくなるように設定して層に屈折率異方性を付与する。無機の棒状・針状微結晶は、例えばII−VI族化合物半導体などにより実現することができる。
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置である。
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置である建築物である。
外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に向かって立体角2πの範囲内の複数の方向から入射してくる3次元空間伝播光を上記面状光導波路に入射する前に立体角π以下に絞り込んでから上記面状光導波路に入射させ、当該絞り込みが行われる方向からその反対の方向に向けて、上記面状光導波路に入射した光が、上記面状光導波路内を2次元空間伝播光として伝播して上記半導体層に入射する光電変換装置である電子機器である。
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する光導波装置である。
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光源とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する発光装置である。
[光導波装置]
図2は第1の実施の形態による光導波装置を示す。図2に示すように、この光導波装置は、面状光導波路10と、この面状光導波路10の主面上に設けられた、透明な屈折率異方性を有する層(以下「屈折率異方性媒質層」と言う)20と、この屈折率異方性媒質層20上に設けられた反射鏡アレイ30とを有する。
この光導波装置は従来公知の技術を使って製造することができる。即ち、例えば、面状光導波路10を用意し、その主面に屈折率異方性媒質層20を形成する。次に、この屈折率異方性媒質層20上に反射鏡アレイ30を形成する。例えば、予め形成した反射鏡アレイ30を屈折率異方性媒質層20上に貼り付ける。こうして、図2に示す光導波装置が製造される。基板40を用いる場合には、基板40を用意し、その一方の主面に面状光導波路10を形成し、さらにその上に屈折率異方性媒質層20および反射鏡アレイ30を順次形成する。こうして、図3に示す光導波装置が製造される。
反射鏡アレイ30は、例えば、次のような方法により容易に製造することができる。即ち、まず、図5に示すように、反射鏡31が直線状に真っ直ぐに延在している反射鏡アレイ30を製造する場合について説明する。図8Aおよび図8Bは真空蒸着装置の真空チェンバー50の正面図および側面図、図8Cは図8Bの破線で囲んだ部分の拡大図である。図8Aおよび図8Bに示すように、角が丸まった正方形の断面形状を有する偏平なローラ51に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の透明樹脂製のベースフィルム52を巻き付けておき、このベースフィルム52の一方の面に蒸着源53の金属54を蒸発させて薄く金属膜55を形成した後、この金属膜55付きベースフィルム52を巻き取りローラ56で巻き取っていく。図8Bおよび図8Cに示すように、巻き取りローラ56の巻き取り面は、反射鏡アレイ30の反射鏡31と同じ断面形状、例えば放物線の形状を有する。ローラ51の外周面の断面形状も巻き取りローラ56の巻き取り面の断面形状と同様にしてもよい。
光導波装置の動作について説明する。図10に示すように、外部から光導波装置の反射鏡アレイ30に対してほぼ垂直方向から入射光が入射する場合を考える。入射光は反射鏡アレイ30の各反射鏡31で反射された後、屈折率異方性媒質層20を透過して面状光導波路10の内部に入る。面状光導波路10の内部に入った光は、面状光導波路10と屈折率異方性媒質層20との界面および面状光導波路10と空気層または基板40との界面で全反射を繰り返し、面状光導波路10の内部を矢印方向に導波され、面状光導波路10の端面から出射される。例えば、面状光導波路10および反射鏡アレイ30が図5に示すような長方形である場合、面状光導波路10の右側の短辺の端面から外部に出射される。このときの光導波装置を反射鏡アレイ30側から見た図を図11に示す。
コンピュータシミュレーションにより、光導波装置の性能の検証実験を行った。図12は、基板40、面状光導波路10、屈折率異方性媒質層20および反射鏡アレイ30の4層構造を仮定して行った光波の追跡実験をコンピュータシミュレーションにより行った結果を示す。これらの基板40、面状光導波路10、屈折率異方性媒質層20および反射鏡アレイ30の厚さ方向をz軸、これらの基板40、面状光導波路10、屈折率異方性媒質層20および反射鏡アレイ30に平行な方向をx軸、これらのx軸およびz軸に垂直な方向をy軸とした。図12は、光波の電場のy軸方向の振幅Ey の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したものである(このxyz3次元座標系のとり方は、図1Cの議論の際想定された座標系と整合させている。また図1Cのところで議論した位相角φは、xy平面上で定義され、左記のzと相俟って円筒座標系を形成する)。シミュレーションの諸条件は下記の通りである。基板40の屈折率はn=1.45、面状光導波路10の屈折率はn=2.10(面状光導波路10の素材としては高屈折率ガラスを想定)とした。屈折率異方性媒質層20はΔn=0.46とした。反射鏡アレイ30を構成する反射鏡31の材料はAgとし、透明層32の屈折率はn=1.85とした。面状光導波路10の厚さは5μm、屈折率異方性媒質層20の厚さは1μm、反射鏡アレイ30の厚さ(高さ)は30μmである。z軸の負の方向から反射鏡アレイ30に太陽光が入射すると仮定した。図12より、図10に示すような光路で入射光が反射鏡アレイ30の反射鏡31で反射され、屈折率異方性媒質層20を透過して面状光導波路10の内部に入り、外部に漏れることなく効率的にこの面状光導波路10の内部をx軸方向に導波されている様子が良く分かる。図12の結果を図1Cに即して説明すると、θmin 〜7°、θmax 〜39°であり、Δ=θmax −θmin 〜32°より、ラジアン単位ではΔ〜π/6<π/4を満たしている。
[光導波装置]
図17は第2の実施の形態による光導波装置を示す。図17に示すように、この光導波装置は、反射鏡アレイ30上に光波進行方向変換層60が設けられていることを除いて、第1の実施の形態の形態による光導波装置と同様な構成を有する。
[光電変換装置]
図23は第3の実施の形態による光電変換装置を示す。図23に示すように、この光電変換装置は、第1の実施の形態による光導波装置、特に基板40を有する図3に示す光導波装置を用いたものである。
この光電変換装置の動作について説明する。半導体層70はpn接合とする。図23に示すように、この光電変換装置の光導波装置部の光入射面に3次元空間伝播黒体輻射光、例えば太陽光が入射する。半導体層70の主面には光は直接入射しない。光導波装置部の光入射面に入射した3次元空間伝播光は、反射鏡アレイ30に入射して反射され、屈折率異方性媒質層20を透過して面状光導波路10の内部に入り、2次元空間伝播光に変換される。この2次元空間伝播光は面状光導波路10の内部をその上面および下面で反射を繰り返したりしながら効率的に導波され、面状光導波路10の端面から出て半導体層70の側面(端面)に入射した後に半導体層70内を進み、その過程で半導体層70中に電子−正孔対が生成される。そして、こうして生成された電子および正孔は半導体層70内をドリフトまたは拡散により移動し、第1の電極80および第2の電極90のうちの一方および他方に収集される。こうして半導体層70内で光電変換が行われ、第1の電極80と第2の電極90とから外部に電流(光電流)が取り出される。
(1)半空間の全方位(立体角2π)から入射しうる広範な波長帯の3次元空間伝播光を絞り込み、最終的に2次元空間伝播光に変換して収率ならびに効率良く半導体層70に入射させることができる。
(2)フォトンの進行方向とフォトキャリアの移動方向との直交性により、光吸収とキャリア捕集効率を独立に、同時最適化できる。
(3)傾斜組成による多段のマルチストライプ性が可能となり、太陽光スペクトルの全幅光電変換が可能となる。
(4)集光系であることにより、非集光系に比べ、約20%の効率上昇が見込まれる。
(5)多段のマルチギャップ半導体による光電変換を行うことができることから、熱として散逸してしまうエネルギーを極小化できるため、集光太陽光発電系の弱点であった温度上昇を抑制することができる。
(6)光波進行方向変換層60により面状光導波路10の片側の半空間の全方位(立体角2π)から来る光子に、対応可能で、かつ、反射鏡アレイ30を用いた面状光導波路10による集光比1000以上も容易に可能な集光系であるため、曇天時などの拡散光に対する集光特性の劣化が抑制される。
(7)物質の化学結合に害を与える高エネルギーフォトンをマルチストライプの最初の層で、光電変換することで(エネルギーを無駄にすることなく)、それに続く中間ギャップ半導体層、ナローギャップ半導体層を形成する物質の劣化を未然に防ぐことができ、結果として高い信頼性が得られる。特に、従来は戸外で使えなかったような材料もこの光電変換装置中に用いれば、高い信頼性を以て戸外でも使うことができる。
[建築物]
図29は第4の実施の形態による建築物、特に外壁の一部を示す。図29に示すように、この建築物においては、外壁の少なくとも一部、例えば側壁100に例えば第3の実施の形態による光電変換装置200が太陽電池として、反射鏡アレイ30が外を向くようにしてアレイ状に複数設置されている。図30に光電変換装置200の一例を示す。
[スマートフォン]
図31は第5の実施の形態によるスマートフォンを示す。図31に示すように、このスマートフォン300においては、ディスプレイ部の少なくとも一部に例えば第3の実施の形態による光電変換装置200が太陽電池として、反射鏡アレイ30が外を向くようにして設置されている。
[光電変換装置]
図32は第6の実施の形態による光電変換装置を示す。図32に示すように、この光電変換装置は、光導波装置部の反射鏡アレイ30上に光波進行方向変換層60が設けられていることを除いて、第3の実施の形態の形態による光電変換装置と同様な構成を有する。
[発光装置]
図33は第7の実施の形態による発光装置を示す。この発光装置は、半導体層70、第1の電極80および第2の電極90の代わりに光源400が設けられていることが、第3の実施の形態による光電変換装置と異なる。即ち、この発光装置は、光導波装置部および発光部を有する。また、この場合、屈折率異方性媒質層20は、面状光導波路10の内部からこの屈折率異方性媒質層20に入射する光の透過を許容するだけで足りる点も第3の実施の形態と異なる。光源400としては、単一の光源を用いてもよいし、互いに発光波長が異なる複数の光源を用いてもよい。光源400からの光の出射方向は面状光導波路10の端面に向いている。光源400としては、例えば、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子が用いられる。
光源400に電源を投入して光を出射させると、この出射光は面状光導波路10の端面に入射してこの面状光導波路10の内部に入る。この面状光導波路10の内部に入った光は、この面状光導波路10の上下の面で反射されながら導波されて2次元空間伝播光となる。この2次元空間伝播光は、屈折率異方性媒質層20を透過した後に反射鏡アレイ30に入り、反射鏡31で反射されて外部に出射される。こうして発光装置から発光が行われる。この様子を図34に示す。
[照明システム]
図35は第8の実施の形態による照明システムを示す。図35に示すように、この照明システムは、光導波装置500、光導波路600および照明装置700を有する。光導波装置500の光出射面は光導波路600の光入射面と結合し、光導波路600の光出射面は照明装置700の光入射面と結合している。そして、光導波装置500の光出射面から出射した光は、光導波路600の光入射面に入射し、この光導波路600を通って照明装置700の光入射面に伝送され、照明装置700から外部に照明光が取り出されるようになっている。光導波装置500としては、例えば、第1の実施の形態または第2の実施の形態による光導波装置が用いられる。光導波路600は、フレキシブルに構成され、面状光導波路(2次元光導波路)や複数の光ファイバーからなる集積ファイバーなどが用いられる。この光導波路600は、光の導波中に光の漏れがないように構成される。照明装置700としては、例えば、第7の実施の形態による発光装置の光導波装置部と同様な構成を有し、反射鏡アレイ30から出射される3次元空間伝播光を照明光として用いることができるものや、集積ファイバーからなり、各光ファイバーを導波中に光が外部に漏れやすいように構成し、漏れた光を照明光として用いることができるものなどが用いられる。
図36は照明システムの応用例を示す。図36に示すように、この例では、ビルなどの建築物800の外壁に照明システムが設置される。具体的には、この照明システムは、建築物800の南面の外壁に光導波装置500が設置され、北面の外壁に照明装置700が設置され、光導波装置500と照明装置700とを接続する光導波路600が側壁から南面の外壁および北面の外壁にかけて設置されている。この照明システムは、光導波装置500の反射鏡アレイ30および照明装置700の前面の光出射面(照明光取り出し面)がそれぞれ表側となるようにする。
[光導波装置]
図39は第9の実施の形態による光導波装置を示す。この光導波装置は、面状光導波路が二段設けられたものである。即ち、図39に示すように、この光導波装置においては、透明な屈折率異方性媒質層20a、一段目の面状光導波路10a、透明な屈折率異方性媒質層20b、偏光方向変換層900、透明な屈折率異方性媒質層20cおよび二段目の面状光導波路10bがこの順序で積層されている。屈折率異方性媒質層20aの面状光導波路10aと反対側の主面上に反射鏡アレイ30が設けられている。また、二段目の面状光導波路10bの、屈折率異方性媒質層20cと反対側の裏面は基板40と接触している。ここで、屈折率異方性媒質層20aは、3次元空間伝播光が反射鏡アレイ30で反射されて、屈折率異方性媒質層20aを斜めに横断して面状光導波路10aの主面を経て面状光導波路10aの内部に入ることは許容するが、面状光導波路10aの内部に入った光が、面状光導波路10aを斜めに横断して面状光導波路10aの裏面で全反射されて戻ってきた後に屈折率異方性媒質層20aに再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する。また、屈折率異方性媒質層20bは、面状光導波路10aを透過した光がこの屈折率異方性媒質層20bを斜めに横断して偏光方向変換層900の内部に入ることを許容する屈折率異方性を有する。屈折率異方性媒質層20cは、偏光方向変換層900を透過した光がこの屈折率異方性媒質層20cを斜めに横断して面状光導波路10bの主面を経てこの面状光導波路10bの内部に入ることは許容するが、この面状光導波路10bの内部に入った光が、この面状光導波路10bを斜めに横断してこの面状光導波路10bの裏面で全反射されて戻ってきた後に屈折率異方性媒質層20cに再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する。屈折率異方性媒質層20a、20b、20cとしては、第1の実施の形態の屈折率異方性媒質層20と同様なものが用いられる。面状光導波路10a、10bとしても、第1の実施の形態の面状光導波路10と同様なものが用いられる。偏光方向変換層900は、この偏光方向変換層900の一方の主面から入射する光の偏光方向を90°回転させてこの偏光方向変換層900の他方の主面から出射する。この偏光方向変換層900としては、例えば、液晶ディスプレイなどに用いられている従来公知の各種の液晶を用いることができ、必要に応じて選ばれる。この光導波装置の上記以外の構成は第1の実施の形態と同様である。
この光導波装置は、第1の実施の形態による光導波装置の製造方法と同様に製造することができる。
光導波装置の動作について説明する。図40Aはこの光導波装置の一部を拡大して示したものである。外部からこの光導波装置の反射鏡アレイ30に対してほぼ垂直方向から入射光が入射する場合を考える。入射光として自然光である太陽光を考える。自然光は、光の電場の振動方向が入射方向の周りの360°の範囲に亘る直線偏光が合成されたものである。入射光は反射鏡アレイ30の各反射鏡31で反射された後、図40A、図40Bおよび図40Cに示すように、屈折率異方性媒質層20aに入射する。図40Aに示すようにxyz3次元座標系を取り、入射方向をz軸方向とする。自然光を構成する全ての偏光は、光の電場の振動方向がx軸方向の成分と、電場の振動方向がy軸方向の成分とに分解することができる。従って、入射光は、光の電場の振動方向がx軸方向の成分、即ち電場の振動方向が入射面内にある偏光(面内偏光:p偏光、図中、左右両矢印で示す)と、光の電場の振動方向がy軸方向の成分、即ち電場の振動方向が入射面と垂直な面内にある偏光(面直偏光:s偏光、図中、丸に×矢印で示す)とからなると考えることができる。屈折率異方性媒質層20aの屈折率異方性を適切に設定すれば、この屈折率異方性媒質層20aに入射した光は、この屈折率異方性媒質層20aを透過して一段目の面状光導波路10aの内部に入る。屈折率異方性媒質層20bの屈折率異方性を適切に設定すれば、図40Aおよび図40Bに示すように、面状光導波路10aの内部に入った光のうち、電場の振動方向がy軸方向である成分(面直偏光)は、面状光導波路10aと屈折率異方性媒質層20bとの界面で反射することなく、この屈折率異方性媒質層20bの内部に入る。この屈折率異方性媒質層20bの内部に入った光は、この屈折率異方性媒質層20bを透過して偏光方向変換層900(図40Bにおいては図示せず)に入射する。一方、屈折率異方性媒質層20a、20bの屈折率異方性を適切に設定すれば、面状光導波路10aの内部に入った光のうち、電場の振動方向がx軸方向である成分(面内偏光)は、図40Aおよび図40Cに示すように、面状光導波路10aと屈折率異方性媒質層20bとの界面で全反射された後、面状光導波路10aと屈折率異方性媒質層20aとの界面および面状光導波路10aと屈折率異方性媒質層20bとの界面との間で全反射を繰り返し、面状光導波路10aの内部を矢印方向に導波され、この面状光導波路10aの右端面から出射される。偏光方向変換層900に入射した電場の振動方向がy軸方向である偏光(面直偏光)は、この偏光方向変換層900により偏光方向が90°回転させられて、つまり電場の振動方向がx軸方向に変換されてこの偏光方向変換層900から出射される。この偏光方向変換層900から出射される光は、電場の振動方向がx軸方向(面内偏光)であるため、上記の一段目の過程を踏襲する。即ち、偏光方向変換層900から出射される光は屈折率異方性媒質層20cを透過した後、二段目の面状光導波路10bの内部に入る。この面状光導波路10bの内部に入った電場の振動方向がx軸方向である偏光(面内偏光)は、面状光導波路10bと基板40との界面で全反射された後、面状光導波路10bと屈折率異方性媒質層20cとの界面と面状光導波路10bと基板40との界面との間で全反射を繰り返し、面状光導波路10bの内部を矢印方向に導波され、面状光導波路10bの右端面から出射される。以上のようにして、入射光を構成する面内偏光および面直偏光の両方を面状光導波路10a、10bの内部を導波させることができる。
上述のコンピュータシミュレーションにより、光導波装置の偏光方向変換層900の性能の検証実験を行った。偏光方向変換層900として、偏光方向をそれぞれ30°回転させることができる層を三段積層した構造のものを用いた。ここでは、偏光方向変換層900の一方の主面にz軸方向から、電場の振動方向がy軸に平行な偏光(Ex =0、Ey =大)を入射させ、偏光方向変換層900の他方の主面から出射させる場合を考える。図41は、入射光の波長を500nmと設定して偏光方向変換層900を透過する光の様子をシミュレーションにより求めた結果を示す。ここで、図41の左の図は光波の電場のy軸方向の振幅Ey の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したもの、図41の右の図は光波の電場のx軸方向の振幅Ex の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したものである。図41に示すように、波長500nmの入射光では、偏光方向変換層900を透過した光は、電場の振動方向がx軸に平行な偏光(Ex =大、Ey =0)に変換されていること、即ち偏光方向が90°回転していることが分かる。図42および図43は、入射光の波長をそれぞれ、410nm、670nmと変えて偏光方向変換層900を透過する光の様子をシミュレーションにより求めた結果を示す。ただし、偏光方向変換層900として、偏光方向を段階的に回転させて合計90°回転させることができる四層構造のものを用いた。ここでは、偏光方向変換層900の一方の主面にz軸方向から、電場の振動方向がx軸に平行な偏光(Ex =大、Ey =0)を入射させ、偏光方向変換層900の他方の主面から出射させる場合を考える。ここで、図42の左の図は光波の電場のx軸方向の振幅Ex の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したもの、図42の右の図は光波の電場のy軸方向の振幅Ey の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したものである。また、図43の左の図は光波の電場のx軸方向の振幅Ex の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したもの、図43の右の図は光波の電場のy軸方向の振幅Ey の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したものである。図42および図43に示すように、波長410nmおよび670nmの入射光では、偏光方向変換層900を透過した光は、電場の振動方向がy軸に平行な偏光(Ex =0、Ey =大)に変換されていること、即ち偏光方向が90°回転していることが分かる。なお、偏光方向変換層900の一方の主面にz軸方向から、電場の振動方向がy軸に平行な偏光(Ex =0、Ey =大)を入射させ、偏光方向変換層900の他方の主面から出射させる場合には、電場の振動方向がx軸に平行な偏光(Ex =大、Ey =0)に変換することができる。
[光電変換装置]
図44は第10の実施の形態による光電変換装置を示す。図44に示すように、この光電変換装置は、第9の実施の形態による光導波装置を用いたものである。
Claims (24)
- 面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光導波装置。 - 透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光導波装置。 - 上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率が、上記屈折率異方性を有する層を透過して上記面状光導波路内に入射し、上記面状光導波路の上記主面で全反射された後に上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率より大きい請求項7記載の光導波装置。
- 上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて上記屈折率異方性を有する層に入射する光に対する実効屈折率は上記面状光導波路の屈折率と同等である請求項9記載の光導波装置。
- 上記面状光導波路の、上記屈折率異方性を有する層と反対側の裏面が面する空間は上記面状光導波路より屈折率が小さい媒質からなる請求項7記載の光導波装置。
- 上記反射鏡の断面が上記屈折率異方性を有する層の側に頂点を有する放物線状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。
- 上記屈折率異方性を有する層上にさらに光波進行方向変換層が設けられ、上記放物線の軸は、上記光波進行方向変換層による進行方向変換後の方向に平行である請求項12記載の光導波装置。
- 上記放物線の軸は上記屈折率異方性を有する層にほぼ垂直である請求項12記載の光導波装置。
- 上記反射鏡と上記面状光導波路との幾何学的交点は直線状または円弧状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。
- 上記反射鏡と上記面状光導波路との幾何学的交点は複数の直線状または同心円弧状の形状を有する請求項7記載の光導波装置。
- 上記屈折率異方性を有する層上に上記反射鏡が上記屈折率異方性を有する層に平行な一方向に周期的に複数設けられて反射鏡アレイが形成されている請求項7記載の光導波装置。
- 上記屈折率異方性を有する層上に上記反射鏡と透明層とが上記面状光導波路の上記主面に沿って交互に複数設けられている請求項17記載の光導波装置。
- 面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置。 - 上記半導体層の上下の互いに対向する第1の面および第2の面にそれぞれ第1の電極および第2の電極が設けられていることを特徴とする請求項19記載の光電変換装置。
- 上記半導体層はp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であり、そのpn接合面は上記面状光導波路の上記主面に平行または垂直である請求項19記載の光電変換装置。
- 上記半導体層のバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的および/または連続的に減少するように構成されている請求項19記載の光電変換装置。
- 上記半導体層はバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられている請求項20記載の光電変換装置。
- 少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置である建築物。 - 外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記屈折率異方性を有する層に入射させるように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記屈折率異方性を有する層を斜めに横断して上記面状光導波路の上記主面を経て上記面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記面状光導波路の内部に入った光が、上記面状光導波路を斜めに横断して上記面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記屈折率異方性を有する層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置である電子機器。 - 面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する光導波装置。 - 面状光導波路と、
上記面状光導波路の主面上の、透明な屈折率異方性を有する層と、
上記屈折率異方性を有する層上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光源とを有し、
上記反射鏡は、上記面状光導波路に端部から光を入射させることにより上記面状光導波路の内部を導波される2次元空間伝播光が上記屈折率異方性を有する層に入射し、上記屈折率異方性を有する層を透過する光を反射して外部に出射するように構成され、
上記屈折率異方性を有する層は、上記面状光導波路の内部から上記屈折率異方性を有する層に入射する上記2次元空間伝播光の透過を許容する屈折率異方性を有する発光装置。 - 透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記第1の面状光導波路および上記第2の面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置。 - 少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記第1の面状光導波路および上記第2の面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置である建築物。 - 外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
透明な屈折率異方性を有する第1の層と、
上記第1の層上の第1の面状光導波路と、
上記第1の面状光導波路上の、透明な屈折率異方性を有する第2の層と、
上記第2の層上の透明な偏光方向変換層と、
上記偏光方向変換層上の、透明な屈折率異方性を有する第3の層と、
上記第3の層上の第2の面状光導波路と、
上記第1の層の上記第1の面状光導波路と反対側の主面上の少なくとも一つの反射鏡と、
上記第1の面状光導波路および上記第2の面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記反射鏡は、外部から入射する3次元空間伝播光を反射して上記第1の層に入射させるように構成され、
上記第1の層は、上記3次元空間伝播光が上記反射鏡で反射されて、上記第1の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の主面を経て上記第1の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が、上記第1の面状光導波路を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第1の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有し、
上記第2の層は、上記第1の面状光導波路の内部に入った光が上記第2の層を斜めに横断して上記第1の面状光導波路の裏面を経て上記偏光方向変換層の内部に入ることが許容されるような屈折率異方性を有し、
上記第3の層は、上記偏光方向変換層の内部に入った光が上記第3の層を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の主面を経て上記第2の面状光導波路の内部に入ることは許容するが、上記第2の面状光導波路の内部に入った光が、上記第2の面状光導波路を斜めに横断して上記第2の面状光導波路の裏面で全反射されて戻ってきた後に上記第3の層に再び入射する際は全反射されるような屈折率異方性を有する光電変換装置である電子機器。
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