JP4210425B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面状の入射光を入射光光路前方の媒質内で全反射させる平面形状の光学素子に関し、特に媒質内で全反射する光を高効率で導入する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば液晶表示装置においては、バックライトの光を表示画面全体に亘って導光させる導光板が液晶パネルの表示面裏側に設けられている。この種の導光板は、導光板又は光導波路の端面側から入射光を導入し、導光板又は光導波路内で全反射伝播させなることで、面状の全反射光を高効率で得ている。
また、上記高効率な反射を行うことができる反射体としては、金属又は金属面を有した膜がある。また、この他にも、例えば誘電体多層膜ミラー等の多層膜干渉ミラーがある。
【０００３】
図３１に従来の一般的な導光板及び導波路の入射光導入の様子を示した。図３１（ａ）は、導光板の端面から入射光を導入し、入射された光を導光板内部で全反射させながら導光する様子で、図３１（ｂ）は、導光板の端部にプリズムを設け、このプリズムを通じて入射光を導入し、導光板内部で全反射させながら導光する様子を示している。また、図３１（ｃ）は、基板上に形成された導波路内に導波路の端部から入射光を導入し、導波路内で全反射させながら導光する様子を示している。
このような導光板及び導波路は、入射光を全反射臨界角より大きい角度で導入することで導光板及び導波路内における全反射条件を満足させている。また、上記のような導光板及び導波路は、将来的に、全反射を利用する各種光学素子や光学システムへの展開が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の導光板・導波路の入射光の導入方法としては、導光板・導波路の端面側から導入したり、導光板の片面側端部に接続されたプリズムを通じて導入する方式となっている。ところが、薄型平板状の導光板・導波路は、その端面の入射開口面積が狭く、入射光との結合効率が悪くなる傾向がある。また、導光板・導波路は、更なる薄型化・大面積化が望まれており、端面の入射開口面積はますます狭くなる傾向にあり、結合効率の悪化が懸念されている。さらに、入射光（光源）形状、導入位置に制限があり、光源の大きさ・数が限られ、高出力の光を導入することができない。また、入射光形状をビーム状、線状にする必要があり、光源の種類が限られたり、上記形状にするための光学系が必要となる。
【０００５】
また、反射体が金属又は金属面を有した膜の場合、反射時における吸収が存在するため、光の損失を伴うことが必至となる。多層膜干渉ミラーの場合は、入射光の入射角が大きくなると透過光が存在するため、任意の入射角に対して高効率で完全な反射体にはなり得ない。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入し、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができると共に、入射角に依存せず吸収のない反射体により構成された光学素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明に係る請求項１記載の光学素子は、光路を選択する光学要素が配置された平面形状の多層構造体であって、前記光路を選択する光学要素へ前記多層構造体の厚さ方向から面状に入射光を導入した際に、導入された入射光の少なくとも一部が前記光路を選択する光学要素に導入される光学素子において、
前記光路を選択する光学要素は、前記光路を選択する光学要素より入射光光路前方の全反射界面に対して、前記光路を選択する光学要素から出射される透過光の実質的全てが、前記全反射面の全反射臨界角よりも、前記光学素子の面垂直方向からの角度である入射角を大きくするように設定され、前記全反射界面への入射角が全反射臨界角以下になるときに、前記入射光の実質的全てを反射し、全反射界面が前記光学素子の一部を構成する媒質の入射光光路前方又は後方のいずれかの界面であり、前記媒質の平均屈折率をｎｂ、前記媒質の光路後方の層の平均屈折率をｎａ、該光路後方の層内を進む光の角度をθとすると、
ｎａ＞ｎｂのとき、
ｓｉｎ ^-1 （ｎｂ／ｎａ）≦θである場合に前記入射光光路後方となり、
ｓｉｎ ^-1 （１／ｎａ）＜θ＜ｓｉｎ ^-1 （ｎｂ／ｎａ）である場合に前記入射光光路前方となり、
また、ｎａ≦ｎｂのとき、
ｓｉｎ ^-1 （１／ｎａ）≦θである場合に前記入射光光路前方となることを特徴とする。
【０００８】
この光学素子では、光学素子内に入射光の光路を選択する光学要素が配置され、この光路を選択する光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された面状の入射光は、光路を選択する光学要素によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、その実質的全てが光路を選択する光学要素より入射光光路前方の全反射界面で全反射により反射される。このため、入射光の形状、導入位置、並びに光源の種類に制限を受けることなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。また、入射角依存性がなく吸収のない反射体を構成することができる。さらに、光学素子からの透過光が実質的に生じないため、光利用効率を高めることができ、全反射を利用した光学素子、光学システムへの適用範囲を広げることができる。
また、この光学素子では、光路を選択する光学要素は、該光学要素から出射される透過光の実質的全てが、光路を選択する光学要素より入射光光路前方の層の界面又は光路を選択する光学要素の入射光光路前方の界面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は、光路を選択する光学要素により選択的に反射される。従って、光路を選択する光学要素からは、入射光光路前方の界面において全反射する入射角成分の入射光だけが選択的に透過して、全反射されない入射角成分の入射光は透過されないことになる。
【００１３】
請求項２記載の光学素子は、前記光学素子の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とがこの順で配置されたことを特徴とする。
【００１４】
この光学素子では、光学素子の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とがこの順で配置され、光路を変化させる光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、光路を変化させる光学要素によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、さらに光路を選択する光学要素によって特定の方向の入射光のみを透過させることによって、光学素子に導入された光の実質的全てが光学素子の構成する層の界面で全反射により反射される。このため、入射光の形状、導入位置、並びに光源の種類に制限を受けることなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。また、入射角依存性がなく吸収のない反射体を構成することができる。さらに、光学素子からの透過光が実質的に生じないため、光利用効率を高めることができ、全反射を利用した光学素子、光学システムへの適用範囲を広げることができる。
【００１５】
請求項３記載の光学素子は、前記全反射された入射光の実質的全てが前記光学素子の入射光導入側に戻ることを特徴とする。
【００１６】
この光学素子では、全反射された入射光の実質的全てが光学素子の入射光導入側に戻ることにより、全反射面を有する媒質内において、導光、蓄積、閉じ込め等が行われることが実質的にない。
【００１７】
請求項４記載の光学素子は、前記光学素子を構成する層が、前記入射光の波長域に対して吸収が実質的にないことを特徴とする。
【００１８】
この光学素子では、光学素子を構成する層が入射光の波長域に対して実質的に吸収されないため、入射光及び全反射された入射光の損失を抑えて高効率な光学素子とすることができる。
【００１９】
請求項５記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素と、前記光路を選択する光学要素とは光学的に接触していることを特徴とする。
【００２０】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とが光学的に接触していることにより、双方の光のカップリング性を良好にできると共に、光路を変化させる光学要素が方向性を有する場合に、入射光を光路を変化させる光学要素から入射角度成分を保持させたまま光路を選択する光学要素に導入することができる。
【００２１】
請求項６記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素と、前記光路を選択する光学要素は、屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触していることを特徴とする。
【００２２】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素は、屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触することにより、この媒質との界面で全反射を生じさせることなく、光路を変化させる光学要素から光路を選択する光学要素へ入射光を導入できる。
【００２３】
請求項７記載の光学素子は、光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を変化させる光学要素を配置したことを特徴とする。
【００２４】
この光学素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路を変化させる光学要素に導入されて、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００２５】
請求項８記載の光学素子は、光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を選択する光学要素を配置したことを特徴とする。
【００２６】
この光学素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路を選択する光学要素に導入されて、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００２７】
請求項９記載の光学素子は、光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を変化させる光学要素と前記光路を選択する光学要素をこの順で配置したことを特徴とする。
【００２８】
この光学素子では、入射光が透明媒質を透過した後に光路を変化させる光学要素に導入され、入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、さらに、光路を選択する光学要素に導入されて、特定の方向の入射光のみ透過される。
【００２９】
請求項１０記載の光学素子は、前記光学素子の光路最前方に、前記光学素子の一部を構成する媒質を配置して、該媒質の入射光光路前方又は後方のいずれかの界面を前記全反射の生じる界面にすることを特徴とする。
【００３０】
この光学素子では、光学素子の光路最前方に、光学素子の一部を構成する媒質が設けられ、入射光がこの媒質の入射光光路前方又は後方のいずれかの界面で全反射される。
【００３２】
この光学素子では、光路後方の層の平均屈折率に対する媒質の平均屈折率を調整することにより、全反射の生じる界面を制御することができ、光学素子の使用状況に応じた全反射面の設定が可能となる。
【００３３】
請求項１１記載の光学素子は、前記全反射の生じる界面は、光学素子の一部を構成する第１の屈折率の媒質と、該媒質に接して入射光光路前方に設けられ前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率の媒質との界面であることを特徴とする。
【００３４】
この光学素子では、光学素子の一部を構成する第１の屈折率の媒質と、該媒質に接して入射光光路前方に設けられ第１の屈折率より小さい第２の屈折率の媒質との界面で、屈折率の相違により所定の入射角度で全反射を生じる。
【００３５】
請求項１２記載の光学素子は、前記全反射の生じる界面が、前記光学素子の入射光光路の最前方の面であることを特徴とする。
【００３６】
この光学素子では、光学素子の入射光光路の最前方の面で全反射が生じる。この場合は、最前方の面が低屈折率の薄い層であってもよい。
【００３７】
請求項１３記載の光学素子は、前記全反射の生じる界面の、入射光光路前方側が気体接触界面であることを特徴とする。
【００３８】
この光学素子では、入射光光路前方側が空気や不活性ガス等の気体に接していることにより、全反射面を形成させる低屈折率の層を設けることなく単純な構造で全反射を生じさせることができる。また、光学素子の入射光光路最前方の面を全反射面とすることができる。
【００３９】
請求項１４記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、屈折により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００４０】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素が、入射光の光路を屈折により変化させることにより、入射光の強度を実質的に低下させることなく光学素子へ導入できる。
【００４１】
請求項１５記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、該光路を変化させる光学要素の平均屈折率をｎｔ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路を変化させる光学要素の媒質内を進む光の角度をθｔとしたときに、少なくとも、ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔの条件を満たす角度θｔの光を含んで前方に出力することを特徴とする。
【００４２】
この光学素子では、少なくとも、ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔの条件を満たす角度θｔの光が光路を変化させる光学要素を透過して、光路を変化させて前方に出力される。
【００４３】
請求項１６記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、レンズアレイ、プリズムアレイ、異なる屈折率が分布した異種屈折率分布体のいずれかであることを特徴とする。
【００４４】
この光学素子では、量産に適したレンズアレイ、プリズムアレイ、異種屈折率分布体による光学要素を適宜選定することにより、コストダウンを図りつつ良好な性能を発揮することができる。
【００４５】
請求項１７記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、回折により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００４６】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素が、入射光の光路を例えば透過型回折格子による回折によって変化させることにより、高精度な入射角度で入射光を光学素子へ導入できる。
【００４７】
請求項１８記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素は、体積ホログラム、位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子のいずれかであることを特徴とする。
【００４８】
この光学素子では、例えばフォトポリマー法や射出成形法によって大量転写生産が可能となり、光学素子自体のコストダウンが図れる。
【００４９】
請求項１９記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、光拡散により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００５０】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素が、光拡散により光路を変化させることで、入射光を任意の方向から光学素子へ入射させることができる。
【００５１】
請求項２０記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素が、多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、表面に凹凸を有する拡散体のいずれかであることを特徴とする。
【００５２】
この光学素子では、量産に適した多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、拡散体による光学要素を適宜選定することにより、コストダウンを図りつつ良好な性能を発揮することができる。
【００５３】
請求項２１記載の光学素子は、前記光路を変化させる光学要素は、光反射により光路を変化させるものであることを特徴とする。
【００５４】
この光学素子では、光路を変化させる光学要素が、光反射によって光路を変化させることで、入射光を任意の方向から光学素子へ入射させることができる。
【００５７】
請求項２２記載の光学素子は、前記光路を選択する光学要素が、該光路を選択する光学要素の平均屈折率をｎｓ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路を選択する光学要素の媒質内を進む光の角度をθｓとしたときに、ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓの条件を満たす角度θｓの光を実質的全て透過させることを特徴とする。
【００５８】
この光学素子では、ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓの条件を満たす角度θｓの光が光路を選択する光学要素を実質的全て透過して、他の光は反射されることにより、特定の光成分のみ選択的に透過される。
【００５９】
請求項２３記載の光学素子は、前記光路を選択する光学要素は、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、前記光路を選択する光学要素への入射光の入射角が該光学要素の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトすることを特徴とする。
【００６０】
この光学素子では、光路を選択する光学要素が、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、この光学要素への入射光の入射角が該光学要素の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトする。この性質を利用して、所定の入射角成分の入射光だけが透過するように光路を選択する光学要素を設計し、全反射の生じる入射角度成分の入射光だけを選択的に抽出することを可能にできる。
【００６２】
この光学素子では、光路を選択する光学要素への入射光の入射角が、この入射角と各層の屈折条件により変化する入射光光路前方の全反射界面への入射角が、この全反射界面における全反射臨界角以下になるときに、光路を選択する光学要素が入射光の実質的全てを選択的に反射する。これにより、全反射界面において全反射されない角度成分の入射光が選択的に反射されて光路前方に透過されなくなる。
【００６３】
請求項２４記載の光学素子は、前記光路を選択する光学要素は、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタであることを特徴とする。
【００６４】
この光学素子では、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタを用いることにより、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択反射膜が形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路を選択する光学要素を形成することができる。
【００６５】
請求項２５記載の光学素子は、前記光路を選択する光学要素がコレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタであることを特徴とする。
【００６６】
この光学素子では、コレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタを用いることにより、低コストで光路を選択する光学要素を形成できる。
【００７１】
請求項２６記載の光学素子は、前記入射光は、特定の入射角範囲に収められたコリメート光であることを特徴とする。
【００７２】
この光学素子では、入射光が特定の入射角範囲に収められたコリメート光であることにより、特定の入射角度成分の入射光を光学素子に供給でき、光利用効率を向上できる。
【００７３】
請求項３４記載の光学素子は、前記入射光は、複数の入射角を有するコリメート光であることを特徴とする。
【００７４】
この光学素子では、入射光が複数の入射角を有するコリメート光であることにより、複数の入射角成分の入射光を光学素子へ一度に供給できる。
【００７５】
請求項２７記載の光学素子は、前記入射光は、任意の入射角を有する拡散光であることを特徴とする。
【００７６】
この光学素子では、入射光が任意の入射角を有する拡散光であることにより、種々の方向からの入射光を光学素子に導入でき、入射光の均一性を向上できる。
【００７７】
請求項２８記載の光学素子は、前記光学素子の内部に光源を備え、前記入射光が前記光源から出射される光であることを特徴とする。
【００７８】
この光学素子では、光源を光学素子の内部に備えることにより、光源から出射された光が光学素子内部に直接的に導入され、入射光導入の際の損失が大幅に低減される。
【００７９】
請求項２９記載の光学素子は、前記入射光は、前記光学素子の外部から入射されることを特徴とする。
【００８０】
この光学素子では、光学素子の外部から入射光を導入することにより、光学素子の設計自由度が向上し、大型の光源であっても利用することができ、高出力化が容易に行える。
【００８１】
請求項３０記載の光学素子は、前記光学素子に一旦入射され該光学素子により反射された入射光を前記光学素子側へ再投入する反射体を、前記光学素子の入射光導入側に対峙して設けたことを特徴とする。
【００８２】
この光学素子では、光学素子の入射光導入側に対峙して反射体を設けることにより、光学素子に一旦入射され該光学素子により反射された入射光が反射体に照射され、さらにこの反射体からの反射光が光学素子側へ再投入されるため、光のリサイクルが行われ、光利用効率が向上して高効率化が図られる。
【００８３】
請求項３１記載の光学素子は、前記入射光は、ＵＶ光、可視光、赤外光のいずれかであることを特徴とする。
【００８４】
この光学素子では、入射光をＵＶ光、可視光、赤外光のいずれかの特定バンドの波長域に設定することにより、光学素子内で選択的に透過又は反射させることが確実に行えるようになる。
【００８５】
請求項３２記載の光学素子は、前記入射光は、放電ランプ、レーザ光源、ＬＥＤ、無機又は有機ＥＬ、白熱ランプ、陰極線ランプ、ＦＥＤのいずれかからの光であることを特徴とする。
【００８６】
この光学素子では、入射光を放電ランプとすることで一般的に用いられている光源をそのまま利用でき、レーザ光源とすることでコリメート光が容易に得られ、ＬＥＤとすることで安価で且つ発光波長域を予め設定でき、無機又は有機ＥＬとすることで面状発光が得られ、白熱ランプとすることで目的に応じてフィルタリングすることにより任意の波長成分が取り出せ、陰極線ランプやＦＥＤとすることで面状光が直接的に得られる。
【００８７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学素子の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１に本発明に係る光学素子の第１実施形態における概略的な構成を示した。本実施形態の光学素子１００は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素１０、光路を選択する光学要素１２、透明媒質１４の順で積層された多層構造体である。この光学素子１００の透明媒質１４の光路前方には透明媒質１６が存在し、透明媒質１４の屈折率ｎ１（第１の屈折率）と透明媒質１６の屈折率ｎ２（第２の屈折率）との関係は、透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２における全反射条件を満足するように設定している。具体的には、例えば透明媒質１４はガラス基板（ｎ１＝１．５）で透明媒質１６は空気（ｎ２＝１．０）として構成できる。なお、光学素子１００を構成する各層は、入射光の波長域に対して実質的に吸収されることがなく、入射光及び界面２２で全反射された入射光の損失を抑止して高効率な光学素子を構成している。
【００８８】
光路を変化させる光学要素１０は、屈折、回折、光拡散、光反射等を利用して光路を変化させる光学要素であり、一例として次の種類の光学要素を使用できる。屈折を利用する場合は、レンズアレイ、プリズムアレイ、屈折率分散体等が挙げられ、入射光の強度が実質的に低下しない。回折を利用する場合は、図２に示す透過型の回折格子が用いられ、体積ホログラム（図２（ａ）参照）、レリーフ型回折格子（図２（ｂ）参照）や屈折率変調型回折格子（図２（ｃ）参照）等の位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子等が挙げられ、高精度に入射光光路の角度を設定できる。各光学要素は、例えばフォトポリマー法や射出成形法によって大量転写生産が可能である。
【００８９】
また、光拡散を利用する場合は、図３に示す光拡散板が用いられ、多孔質体（図３（ａ）参照）、異なる屈折率を有する物質２０が分布・分散した異種屈折率分布体・分散体（図３（ｂ）参照）、表面が凹凸に形成された光拡散体又は散乱体（図３（ｃ）参照）等が挙げられる。光反射を利用する場合は、任意の方向に反射する微小反射体の分散体等が用いられる。いずれの光学要素も量産に適しており、容易にコストダウンが図れる。
【００９０】
光路を選択する光学要素１２は、この光学要素１２から出射される選択透過光の実質的全てが、入射光光路前方の層における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されないものである。即ち、透明媒質１４と透明媒質１６との界面で全反射を生じさせる条件である全反射臨界角θ_Cより大きい角度成分の入射光だけが光路を選択する光学要素１２を透過し、他の角度成分の入射光に対しては遮光される。なお、全反射臨界角θ_Cは（１）式により求められる。
θ_C＝sin^-1（ｎ２／ｎ１） （１）
【００９１】
具体的な光路を選択する光学要素１２の一例としては、誘電体多層膜からなる光干渉フィルタが挙げられる。この光干渉フィルタの層構成を図４に示した。
光干渉フィルタは、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂を順次積層して構成された誘電体多層膜であって、その光学特性としては、詳細は後述するが、入射光をその波長によって選択的に反射する機能を有し、入射角に応じて選択反射する波長が短波長側にシフトする特性を有する。いま、入射光の波長域をλ_iS〜λ_iL（λ_iS＜λ_iL）としたとき、光学要素１２から出射される選択透過光の出射角が全反射臨界角θ_C以下の角度成分の光に対しては、波長域λ_iS〜λ_iLの入射光の実質的全てを選択的に反射する。この構成によれば、大面積かつ簡単な構成で任意の波長選択反射膜が形成でき、その反射波長の入射角依存性を利用して容易に光路を選択する光学要素１２を形成することができる。なお、上記光干渉フィルタは、誘電体多層膜の層構成に金属膜を追加した金属／誘電体多層膜としてもよい。なお、誘電体多層膜等からなる光干渉フィルタは、ＥＢ蒸着（電子ビーム共蒸着）、スパッタ等で透明支持基板上に複数の薄膜材料を成膜することで形成可能である。また、前記薄膜材料は、異なる屈折率を有する有機多層膜、又は無機物を含有する有機多層膜でもよく、この場合は塗布、ラミネート等により、より低コストで形成可能である。
【００９２】
ここで、光路を変化させる光学要素と光路を選択する光学要素の光学的性質について詳述する。
まず、光路を変化させる光学要素が、例えば屈折により光路を変化させる場合を考える。図５に示すように、光路を変化させる光学要素（平均屈折率ｎｔ）、光路を選択する光学要素（平均屈折率ｎｓ）、透明媒質ｕ（平均屈折率ｎｕ）、透明媒質ｖ（平均屈折率ｎｖ）、全反射面の前方側の透明媒質ｗ（平均屈折率ｎｗ）がこの順で配置された光学素子の場合、透明媒質ｖと透明媒質ｗとの界面が全反射面とすると、各々の界面での入射角と各媒質の平均屈折率の関係は次のように表せる。
ｎｖ・ｓｉｎθｖ＝ｎｗ
ｎｕ・ｓｉｎθｕ＝ｎｖ・ｓｉｎθｖ＝ｎｗ
ｎｓ・ｓｉｎθｓ＝ｎｕ・ｓｉｎθｕ＝ｎｗ
ｎｔ・ｓｉｎθｔ＝ｎｓ・ｓｉｎθｓ＝ｎｗ
ここで、θｔ、θｓ、θｕ、θｖは、それぞれの媒質内での光路角度である。
【００９３】
従って、光路を変化させる光学要素の条件としては、
ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔ
の条件を満たす角度θｔの光を少なくとも含んで前方に出力する必要がある。好ましくは、この条件を満たす角度θｔの光を出来る限り多く含んで前方に出力する。なお、透明媒質ｗが空気の場合はｎｗ＝１となり、上記条件は、
ｓｉｎθｔ＞１／ｎｔ
となる。
【００９４】
一方、光路を選択する光学要素の条件としては、
ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓ
の条件を満たす光のみを透過させるように設定される。なお、透明媒質ｗが空気の場合はｎｗ＝１となり、上記条件は、
ｓｉｎθｓ＞１／ｎｓ
となる。
【００９５】
ところで、光学素子１００への入射光は、面状に照射される光が用いられ、コリメート光又は拡散光のいずれでも使用できる。また、入射光は、光学素子の外部から入射してもよく、内部に光源を有して入射させるものであってもよい。コリメート光の場合は、特定の入射角度成分の入射光を光学素子１００に供給でき、光利用効率を向上できる一方、拡散光の場合は、種々の方向からの入射光を光学素子１００に導入でき、任意の低コストな平面光源が使用できる。また、内部に光源を有する場合は、光源から出射された光が光学素子１００内部に直接的に導入され、光学素子と光源が一体に形成でき小型薄型化が可能であり、光の導入効率が向上する一方、外部に光源を有する場合は、光学素子１００の設計自由度が向上し、大型で任意の外部平面光源も利用することができ、高出力化が容易に行える。
【００９６】
これら入射光の形態を図６にまとめて示した。図６に示すように、入射光は、特定の入射角範囲に収まっているか一つ或いは複数の入射角を有するコリメート光、又は、任意の方向の入射光となる拡散光を用いることができる。また、コリメート光及び拡散光のそれぞれは、光学素子と光源とを別体として光学素子の光路前方に光学素子外部から面状に入射するもの、又は、光学素子の光路前方に光源を配置した状態で一体化させて面状の入射光を入射するものを用いることができる。
【００９７】
上記入射光としては、その波長がＵＶ光、青色光や緑色光等の可視光、赤外光等の特定バンドの光が使用でき、中でも赤外光とした場合は、熱線カット効果も得られることから実用面における過熱防止等の利便性が得られる。
また、光源の種類としては、例えば、不活性ガスや水銀蒸気を封入した電子管である蛍光灯、水銀灯、ネオン管灯、クルックス管等の一般的に用いられ且つそのまま利用できる放電ランプや、コリメート光が容易に得られるレーザ光源や、安価で波長域の定まったＬＥＤや、面状光が得られる無機又は有機ＥＬや、白色光を発して目的に応じてフィルタリングすることで任意の波長成分が取り出せる白熱ランプや、ＣＲＴ等の陰極線表示管であって光学素子へ導入する面状光が直接的に得られる陰極線ランプや、同じく平面状の表示管であって面状光が直接的に得られるＦＥＤ（フィールド・エミッション・ディスプレイ）等が使用できる。
【００９８】
次に、光路を選択する光学要素１２の特性を、図７〜図９を用いて詳細に説明する。
図７は光学要素１２への入射光の入射角を示しており、図８は入射光の波長に対する光学要素１２の分光透過率を入射角毎に示したグラフで、図９は光学要素１２内外の光路を示す図である。
【００９９】
まず、図７に示すように、光学要素１２へ入射光を各入射角θ₀，θ₁，θ₂，θ₃で入射させた場合を考えると、図８に示すように光学要素１２の分光透過率が変化する。即ち、入射角が全反射臨界角度θ_c以下のθ₀（０度）の場合は、分光透過率が入射光の波長域λ_iS〜λ_iLに対して略０％となって遮光状態（透過せずに反射される状態）となる。一方、入射角が全反射臨界角度θ_cより大きい場合は、入射角がθ₁，θ₂，θ₃と大きくなるに従って、分光透過率の透過特性が短波長側にシフトするため透過光量が増加する。即ち、光路を選択する光学要素１２への入射光の入射角が該光学要素１２の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトする。これにより、入射光の入射角度成分がθ₀の光は透過せず、入射角度成分が特定の角度より大きいθ₁，θ₂，θ₃の光がこの順に多く透過するようになる。そこで、光学要素１２を、その分光特性が、所定の界面における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計することにより、全反射条件を満足しない入射光成分を遮光して、全反射する入射光成分だけを光学要素１２から選択的に出射させることが可能となる。
【０１００】
上記のように、界面２２における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計された光学要素１２を用いて光学素子１００を構成した場合の入射光光路を、図９を用いて説明する。
図９（ａ）は、光路を選択する光学要素１２に入射された光が光学要素１２で反射する光路Ａと、光路を選択する光学要素１２に入射された光が、光学要素１２を透過して光路前方の透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射する光路Ｂとを示している。
【０１０１】
光路Ａは、入射光の入射角θ_iが界面２２における全反射臨界角θ_C以下の場合で、光学要素１２は、このような入射角成分の光を透過させずにその表面で選択的に反射させる。このため、全反射臨界角θ_C以下の入射角度成分の光は光学要素１２により光路前方に対して遮光される。
光路Ｂは、入射光の入射角θ_iが界面２２における全反射臨界角θ_Cより大きい場合で、光学要素１２は、このような入射角成分の光を透過させる。このため、全反射臨界角θ_Cより大きい入射角度成分の光は光学要素１２を透過して透明媒質１４に導入され、界面２２で全反射される。
なお、図９（ａ）は、入射光が入射される側の屈折率ｎａと透明媒質１４の屈折率ｎｂが等しく、光学要素１２に対する入射角θ_iと界面２２における入射角θ_Sとが等しい場合を示している。
【０１０２】
一方、図９（ｂ）は、入射光が入射される側の屈折率ｎａと透明媒質１４の屈折率ｎｂが異なり、光学要素１２に対する入射角θ_iと界面２２における入射角θ_Sとが異なる場合を示している。この場合の光学要素１２は、界面２２における入射角θ_Sが全反射臨界角θ_Cより大きくなるように設計される。
【０１０３】
上記のように設計された光路を選択する光学要素１２を用いて光学素子１００を構成することにより、図１に矢印で光路を示すように、光学素子１００の内部又は外部より導入されたコリメート光又は拡散光からなる面状の入射光が光路を変化させる光学要素１０に入射されると、光の照射位置から拡散等により光路が変化する。そして、光路の変化した光が光路を選択する光学要素１２に到達すると、透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２における全反射臨界角θ_Cより大きい角度成分の入射光だけが光学要素１２を透過し、他の角度成分の入射光は光学要素１２の表面で光入射側に反射される。
【０１０４】
従って、光学素子１００に入射される光のうち、透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射する光だけが光路前方に導入され、この導入された光が光学素子１００の入射光光路最前方の面である界面２２で全反射する。即ち、光路を選択する光学要素１２においては、光学要素１２から出射される透過光の実質的全てが、光路を選択する光学要素１２より入射光光路前方の層の界面の入射光光路前方の界面における全反射臨界角より大きい角度成分を有し、その他の角度成分の入射光は選択的に反射されて透過されない。なお、全反射面を有する媒質内において、導光、蓄積、閉じ込め等が行われることは実質的にない。
【０１０５】
また、光路を選択する光学要素１２の表面で光入射側に反射された光の一部は、光路を変化させる光学要素１０の光入射側で反射され、再度、光路を選択する光学要素１２に投入される。この再投入された光は入射角度が大きくなり、全反射臨界角θ_Cより大きくなって、光学要素１２を透過して透明媒質１４に導入される。
【０１０６】
このように、本実施形態の光学素子１００によれば、導光板や光導波路を使用することなく、面状の光源からの入射光を面状のまま直接的に高効率で光学素子１００に導入するため、端面側から入射させる場合と比較して入射光の導入口を格段に広く採ることが可能となり、入射光との結合効率が向上し、光学素子１００自体の薄型化に影響されることなく、高効率に面状の全反射光を得ることができる。また、光学素子１００の高出力化も容易に達成できる。さらに、入射角に依存せず吸収のない反射体により光学素子に導入される入射光の少なくとも一部が反射損失のない全反射により反射されるため、光学素子を高効率の反射体として機能させることができる。そして、光学素子内の各界面で反射される入射光の一部は光路前方に再投入されるため、また、光学素子からの透過光が実質的に生じないため、光利用効率を向上できる。以て、この光学素子の全反射を利用した光学素子、光学システムへの適用範囲を広げることができる。なお、光学素子１００が空気（不活性ガスであってもよい）と接触する気体接触界面を全反射面とすることにより、全反射を生じさせる屈折率の層を別途設けることなく単純な構造で全反射を生じさせることができる。
【０１０７】
また、本実施形態においては、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とが光学的に接触しているため、双方の光のカップリング性を良好にできると共に、光路を変化させる光学要素が方向性を有する場合に、入射光を光路を変化させる光学要素から入射角度成分を保持させたまま光路を選択する光学要素に導入することができる。
【０１０８】
次に、光路を選択する光学要素１２として、前述の光干渉フィルタに代えてブラッグ反射フィルタを用いた他の構成例を説明する。
図１０に光路を選択する光学要素１２を液晶膜により構成した例を示した。この場合の光学要素１２は、ＩＴＯ等からなる一対の透明電極２６と、その内側に形成された配向層２８と、配向層２８に囲まれたコレステリック液晶層３０とからなる。
この構成のコレステリック液晶層３０によるフィルタリング効果を以下に説明する。コレステリック液晶層３０は、コレステリック液晶分子が層に対して平行に配向され、層の垂直方向に対して螺旋構造を呈している。
コレステリック液晶層３０の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、複屈折率をΔｎ、平均屈折率をｎとすると、複屈折率Δｎは（２）式で表せる。
【０１０９】
Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ （２）
また、平均屈折率ｎは、近似的に（３）式により表せる。
ｎ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２ （３）
【０１１０】
さらに、コレステリック液晶層３０の螺旋ピッチをＰ［nm］とした場合、コレステリック液晶層３０はブラッグ反射の原理で選択的に反射する特性を示す。即ち、入射角θ［deg］でコレステリック液晶層３０に入射した光が選択的に反射された場合の入射光の中心波長λ（θ）［nm］は（４）式で表せる。
λ（θ）＝λ（０）・cos［sin^-1（sinθ／ｎ）］ （４）
【０１１１】
ただし、入射光は空気（屈折率＝１）から入射させるものとする。ここで、λ（０）［nm］は入射角がθ₀、即ち、層に対して垂直入射したときの中心波長であり、（５）式で表せる。
λ（０）＝ｎ・Ｐ （５）
また、反射波長幅Δλ［nm］は（６）式で表せる。
Δλ＝Δｎ・Ｐ （６）
【０１１２】
従って、コレステリック液晶層３０の物性値である常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、螺旋ピッチＰを制御して層を形成することにより、入射角θに応じて変化する任意の反射中心波長λ（θ）と、所望の反射波長幅Δλを有した光学フィルタを形成できる。例えば、螺旋ピッチＰの調整は、螺旋ピッチの異なる２種以上の材料を混合して調整する等の製法により可能である。
さらに、対象とする入射光の波長域が広い場合は、コレステリック液晶層の選択反射波長域も広げる必要がある。この場合は、螺旋ピッチが厚み方向で連続的に異なるように液晶を配向させることで反射波長域を広げることができる。また、異なる選択反射波長域のコレステリック液晶層を積層することによっても反射波長域を広げることができ、本発明の光路を選択する光学要素として使用可能である。
【０１１３】
なお、このコレステリック液晶層３０は、次のようにして製造できる。
コレステリック液晶を成膜する支持体上にポリイミド配向膜を塗布、乾燥し、ラビングによる表面処理を行う。これにより、ポリイミド配向膜が形成される。この上に、低分子コレステリック液晶、又はネマチック液晶とねじれを発現させるカイラル剤の混合物、高分子モノマー、光重合開始剤を有機溶剤で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させる。その後、必要な部分に紫外線を露光して光重合させ、現像により不要部分を除去する。最後に高温ベークを行って安定させる。
ねじれ方向及び反射入射角度を制御するためには、コレステリック液晶、カイラル剤、及び各々の濃度を適宜変更すればよい。
【０１１４】
また、高分子コレステリック液晶を用いて成膜することも可能である。この場合は、上記同様にポリイミド配向膜の上に高分子コレステリック液晶と光重合開始剤を有機溶媒で混合させた調整液により塗布した後、適当な温度で配向させ、必要な部分に紫外線を露光して光重合させる。反射入射角度は、配向温度を適宜選択することで制御でき、光重合により安定化する。
【０１１５】
ここで、この構成の光路を選択する光学要素１２による分光透過率を図１１に示した。このコレステリック液晶層は、左ねじれコレステリック液晶層と右ねじれ液晶層を重ねた例で、反射波長域では全偏光成分を反射する。入射角が全反射臨界角度θ_c以下のθ₀（図７参照）の場合では分光透過率が入射光の波長域λ_iS〜λ_iLに対して略０％となって遮光状態となるが、入射角が全反射臨界角θ_cより大きい角度で、θ₁，θ₂，θ₃と大きくなるに従って、分光透過率の透過特性が短波長側にシフトするため透過光量が増加する。これにより、入射光の入射角度成分がθ₀の光は透過せず、入射角度成分が特定の角度より大きいθ₁，θ₂，θ₃の光がこの順に多く透過するようになる。そこで、光学要素１２の分光特性を所定の界面における全反射臨界角θ_Cより大きい入射光成分だけが透過するように設計することにより、全反射条件を満足しない入射光成分を選択的に除去して、全反射する入射光成分だけを光学要素１２から出射させることが可能となる。
【０１１６】
この構成によれば、前述の光干渉フィルタを用いた場合と同様な作用効果が得られると共に、低コストで光路を選択する光学要素１２を実現することができる。
【０１１７】
また、コレステリック液晶層３０については、その螺旋構造が右ねじれの場合、右円偏光成分の光を反射し、螺旋に沿った左円偏光成分の光を透過させる。一方、螺旋構造が左ねじれの場合、左円偏光成分の光を反射し、右円偏光成分の光を透過させる。従って、全偏光成分の光を反射、即ち、透過させない場合は、左ねじれ（又は右ねじれ）コレステリック層と逆の右ねじれ（左ねじれ）コレステリック層を順次重ねる構造にすることにより、全偏光を反射させることができる。
【０１１８】
上記コレステリック液晶以外で、ブラッグ反射の機能を有する光学要素としては体積ホログラムが有効である。体積ホログラムはフィルム内に形成された格子状の屈折率分布によりブラッグ反射機能を有し、特定の波長を反射する。また、入射角が大きくなると反射波長は短波側にシフトし、光路選択膜として機能する。体積ホログラムは、ホログラム用写真感材、相分離型フォトポリマー、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）、フォトリソグラフィ材料等を感光材料とし、これに多光束干渉露光を行うことにより形成可能である。
【０１１９】
次に、本実施形態の光学素子１００の変形例を説明する。図１２は本実施形態の変形例としての光学素子２００の構成を示す図であって、入射光が光学素子２００の内部に存在している。即ち、光源を光学素子２００の内部に配置した構成であり、具体的には、光学素子２００内に光源を樹脂等で封止する構成や、光路を変化させる光学要素１０自体が発光素子である構成等が挙げられる。この場合の入射角は、所定の角度であっても任意の角度であってもよい。
本変形例によれば、入射光は、光路を変化させる光学要素１０によって拡散された後、種々の入射方向から光路を選択する光学要素１２に照射される。そして、光路を選択する光学要素１２は、入射された光の中から界面２２で全反射する角度成分の入射光だけを選択的に透過させ、他の角度成分の入射光を反射させる。これにより、前記同様の作用効果を奏することができる。
【０１２０】
なお、上記第１実施形態の光学素子１００、及び変形例の光学素子２００の構成において、透明媒質１４を、光路を変化させる光学要素１０の光路後方に設けた構成としてもよい。この場合は、全反射の生じる界面が光路を選択する光学要素１２の光路前方の界面となる。このように、光学素子は、光路を変化させる光学要素１０と光路を選択する光学要素１２が、光路後方から前方に向けてこの順で積層されていればよく、各積層間に透明媒質等の任意の媒質が介装されていてもよい。
【０１２１】
次に、本発明に係る光学素子の第２実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子３００の構成を図１３に示した。本実施形態の光学素子３００は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素１０、ガラス基板等の屈折率が１より大きい中間透明媒質３２、光路を選択する光学要素１２の順で積層された多層構造体である。この光学素子３００の光路を選択する光学要素１２の光路前方には透明媒質１６が存在し、この光学要素１２の屈折率ｎ３と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、光学要素１２と透明媒質１６との界面における全反射条件を満足するように設定している。また、入射光は光学素子３００の外部に存在しても内部に存在してもよく、コリメート光であっても拡散光であってもよい。
【０１２２】
この光学素子３００によれば、入射光は、光路を変化させる光学要素１０によって拡散された後、種々の入射方向から光路を選択する光学要素１２に中間透明媒質３２を通じて照射される。この中間透明媒質３２との界面では全反射を実質的に生じさせないように適宜、角媒質の屈折率を調整するか、各界面で反射防止処理を行う。そして、入射光は、光路を選択する光学要素１２によってこの光学要素１２内で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が光路を選択する光学要素１２と透明媒質１６との界面２４で全反射される一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
【０１２３】
次に、本発明に係る光学素子の第３実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子４００の構成を図１４に示した。本実施形態の光学素子４００は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素１０、ガラス基板等の屈折率が１より大きい中間透明媒質３２、平均屈折率がｎ３である光路を選択する光学要素１２、屈折率がｎ４である透明媒質３４の順で積層された多層構造体であり、第２実施形態の光学素子３００に、入射光光路前方で例えば透明薄膜等の透明媒質３４を設けた構成となっている。この光学素子４００の透明媒質３４の光路前方には透明媒質１６が存在し、透明媒質３４の屈折率ｎ４と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、透明媒質３４と透明媒質１６との界面における全反射条件を満足するように設定している。また、入射光は光学素子４００の外部に存在しても内部に存在してもよく、コリメート光であっても拡散光であってもよい。
【０１２４】
本実施形態の光学素子４００によれば、入射光は、光路を変化させる光学要素１０によって拡散された後、種々の入射方向から中間透明媒質３２を通じて光路を選択する光学要素１２に照射される。そして、光路を選択する光学要素１２によって、透明媒質３４と透明媒質１６との界面２５で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が透明媒質３４と透明媒質１６との界面２５で全反射される一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
【０１２５】
なお、透明媒質３４の屈折率を調整することにより、全反射の生じる界面を透明媒質３４の光路前方としたり、光路を選択する光学要素１２と透明媒質３４との界面にすることができる。
ここで、この透明媒質３４による反射条件を以下に説明する。図１５は、透明媒質３４の屈折率ｎ４が光路を選択する光学要素１２の屈折率ｎ３より小さい場合における入射角度θに対する光路の違いを示す図で、（ａ）〜（ｃ）の順で入射角度θが大きくなっている。入射角度θの小さい（ａ）では光路を選択する光学要素１２と透明媒質３４との界面で反射され、（ｂ）では前記界面を透過して透明媒質３４の光路前方で全反射され、入射角度θの大きい（ｃ）では前記界面で全反射される。このときの各状態における入射角条件は、
（ａ）の場合：θ≦ｓｉｎ^-1（１／ｎ３）
（ｂ）の場合：ｓｉｎ^-1（１／ｎ３）＜θ＜ｓｉｎ^-1（ｎ４／ｎ３）
（ｃ）の場合：ｓｉｎ^-1（ｎ４／ｎ３）≦θ
となる。
【０１２６】
また、透明媒質３４の屈折率ｎ４が光路を選択する光学要素１２の屈折率ｎ３以上である場合の入射角度θに対する光路の違いを図１６に示した。この場合は、光路を選択する光学要素１２と透明媒質３４との界面で全反射することはない。同様に各状態における入射角条件は、
（ａ）の場合：θ≦ｓｉｎ^-1（１／ｎ３）
（ｂ）の場合：ｓｉｎ^-1（１／ｎ３）＜θ
となる。
従って、透明媒質３４の屈折率を光学素子の使用状況に応じて適宜調整することにより、全反射の生じる界面を透明媒質３４の光路前方としたり、光路を選択する光学要素１２と透明媒質３４との界面にすることができ、任意に全反射の生じる界面を設定することができる。
【０１２７】
なお、本実施形態における透明媒質３４は、光路を選択する光学要素１２の外傷、劣化防止用の保護膜として設けたものであってもよく、その他の機能を有した膜、例えば光学的、電気的機能等を有する膜でも良い。また、透明媒質３４は複数の膜から構成されても良い。
上記多目的の透明媒質３４は、図１に示す第１実施形態の光学素子１００の透明媒質１６の光路前方に設けてもよく、この場合でも上記同様の効果を奏することができる。
【０１２８】
次に、本発明に係る光学素子の第４実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子５００の構成を図１７に示した。本実施形態の光学素子５００は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素１０、接着層等の光学的接続媒質３６、光路を選択する光学要素１２、ガラス基板等の透明媒質１４の順で積層された多層構造体であり、第１実施形態の光学素子１００の光路を変化させる光学要素１０と光路を選択する光学要素１２との間に光学的接続媒質３６を介装した構成となっている。この光学素子５００の透明媒質１４の光路前方には透明媒質１６が存在し、透明媒質１４の屈折率ｎ４と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２における全反射条件を満足するように設定している。また、入射光は光学素子５００の外部に存在しても内部に存在してもよく、コリメート光であっても拡散光であってもよい。
【０１２９】
本実施形態の光学素子５００によれば、入射光は、光路を変化させる光学要素１０によって拡散された後、種々の入射方向から光路を選択する光学要素１２に光学的接続媒質３６を通じて導入される。そして、光路を選択する光学要素１２によって光路前方の透明媒質１４と透明媒質１６との界面で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射される一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
なお、第３実施形態における多目的の透明媒質３４を、本実施形態の透明媒質１４の光路前方に設けてもよい。この場合でも前述と同様な効果を奏することができ、透明媒質３４と透明媒質１４の屈折率を調整することにより、全反射面を透明媒質３４の光路前方としたり、透明媒質１４と透明媒質３４との界面にすることができる。
【０１３０】
次に、本発明に係る光学素子の第５実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子６００の構成を図１８に示した。本実施形態の光学素子６００は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素１０、接着層等の光学的接続媒質３６、光路を選択する光学要素１２、ガラス基板等の透明媒質１４、透明媒質１４の屈折率ｎ１より小さな屈折率ｎ５を有する媒質３８の順で積層された多層構造体であり、第４実施形態の光学素子５００に、入射光光路前方で低屈折率の媒質３８を設けた構成となっている。この光学素子６００の透明媒質１４の屈折率ｎ１と媒質３８の屈折率ｎ５との関係は、透明媒質１４と媒質３８との界面３９における全反射条件が満足されるように設定している。また、入射光は光学素子５００の外部に存在しても内部に存在してもよく、コリメート光であっても拡散光であってもよい。
【０１３１】
本実施形態の光学素子６００によれば、入射光は、光路を変化させる光学要素１０によって拡散された後、種々の入射方向から光路を選択する光学要素１２に光学的接続媒質３６を通じて導入される。そして、光路を選択する光学要素１２によって光路前方の透明媒質１４と媒質３８との界面３９で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が透明媒質１４と媒質３８との界面３９で全反射される。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
なお、本実施形態における媒質３８は、光路を選択する光学要素１２の外傷、劣化防止用の保護膜として設けたものであってもよい。
【０１３２】
次に、本発明に係る光学素子の第６実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子７００の構成を図１９に示した。本実施形態の光学素子７００は、第１実施形態の光学素子１００の入射光導入側に対峙して光を反射する例えば拡散反射体、鏡面ミラー等の反射体４０が設けられ、この反射体４０と光学素子１００との間には光源４２が備えられている。従って、光源４２からの光は光学素子１００の外部から照射される。この光はコリメート光であっても拡散光であってもよい。
【０１３３】
本実施形態の光学素子７００によれば、光源４２からの入射光は、光路を変化させる光学要素１０に照射され拡散された後、種々の入射方向から光路を選択する光学要素１２に導入される。そして、光路を選択する光学要素１２によって光路前方の透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射される。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２で反射される。この反射光は、反射体４０によって光路を変化させる光学要素１２側に再投入されてリサイクルされる。また、光源４２が拡散光を発するものである場合、光路を変化させる光学要素１２側の反対側に出射された光が反射体４０によって反射されて再利用される。これにより、光源４２及び光学素子７００の光利用効率が向上し、光学素子７００の光出力強度を増大させることができる。
なお、上記の他、光路を変化させる光学要素、光路を選択する光学要素、透明媒質等の組み合わせは種々存在し、また、全反射界面も様々に考えられるが、本発明の主旨に添うものであれば如何なる組み合わせでも良い。
【０１３４】
次に、上述した光路を変更する光学要素と光路を選択する光学要素のうち、光路を選択する要素のみ用いて光学素子を構成した本発明に係る第７実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子８００の構成を図２０に示した。本実施形態の光学素子８００は、入射光の導入側から、ガラス基板や透明樹脂等の透明基材４４、光路を選択する光学要素１２、全反射面を有する透明媒質１４の順で積層された多層構造体である。この光学素子８００の透明媒質１４の光路前方には透明媒質１６が存在し、透明媒質１４の屈折率ｎ４と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、透明媒質３４と透明媒質１６との界面における全反射条件が満足されるように設定している。また、この場合の入射光は、透明基材４４内に既に導入されて存在するものである。これは例えば、他の光学経路から透明基材４４内に光を導入する構成としたり、発光源が透明基材４４内に存在する構成とすることで実現できる。
【０１３５】
本実施形態の光学素子８００によれば、透明基材４４内に導入された入射光は、種々の方向から光路を選択する光学要素１２に照射される。そして、光路を選択する光学要素１２によって、透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が透明媒質１４と透明媒質１６との界面２２で全反射される。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
なお、透明媒質１４の入射光光路前方に透明媒質１４の屈折率ｎ１より低い低屈折率の媒質を設けた構成としてもよい。この場合も往路を選択する光学要素１２に導入された入射光は、透明媒質１４の光路前方の界面２２で全反射により反射される。
【０１３６】
次に本実施形態の光学素子８００の変形例を説明する。
本変形例の光学素子９００の構成を図２１に示した。本変形例の光学素子９００は、ガラス基板や透明樹脂等の透明媒質３５上に光路を選択する光学要素１２を積層した構造体である。この光学素子９００の光路を選択する光学要素１２の光路前方には透明媒質１６が存在し、光学要素１２の屈折率ｎ３と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、光学要素１２と透明媒質１６との界面２４における全反射条件が満足されるように設定している。
【０１３７】
本実施形態の光学素子９００によれば、透明媒質３５内に導入された入射光は、種々の方向から光路を選択する光学要素１２に照射される。そして、光路を選択する光学要素１２によって、界面２４で全反射する入射角度成分の光だけが透過され、この透過光が界面２４で全反射される。一方、全反射条件を満足しない入射光成分は、光路を選択する光学要素１２の光路前方で反射される。これにより前記同様の作用効果を奏することができる。
【０１３８】
次に、上述した第１〜第７実施形態の光学素子に用いた光路を選択する光学要素を、誘電体多層膜やコレステリック液晶膜を用いることなく単純で且つ安価な構成で実現した実施形態を以下に説明する。
まず、透過型回折格子を用いて光学素子を構成した本発明に係る光学素子の第８実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子１０００の構成を図２２に示した。本実施形態の光学素子１０００は、入射光の導入側から、ガラス基板や透明樹脂等の透明基材４４、透過型回折格子４６、全反射面を有する媒質４８の順で積層された多層構造体である。そして、入射光は特定の入射角度範囲に収まった面状の光である。なお、透過型回折格子４６が多重ホログラム干渉露光により得たものである場合は任意の入射角であってよい。
【０１３９】
透過型回折格子４６は、好ましくは図２（ａ）に示す体積ホログラムを使用できるが、図２（ｂ）に示すレリーフ型回折格子や図２（ｃ）に示す屈折率分布型回折格子若しくは振幅変調型回折格子であってもよい。
【０１４０】
本実施形態の光学素子１０００によれば、コリメート光である面状の入射光が光学素子１０００に照射されると、入射光は透明基材４４を透過して、透過型回折格子４６により媒質４８内で全反射が生ずる角度に光路が変換される。換言すると、入射光が媒質４８内で全反射が生じるような角度となるように、透過型回折格子４６が設計されている。このように、透過型回折格子４６により、入射光を全反射の生じる角度に変換させ、媒質４８の入射光光路前方の界面で全反射を生じさせることができる。
【０１４１】
次に、プリズムを用いて光学素子を構成した本発明に係る光学素子の第９実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子１１００の構成を図２３に示した。本実施形態の光学素子１１００は、マイクロプリズムアレイ５０からなり、図２３（ａ）にマイクロプリズムアレイ５０を光の入射面側から見た平面図を、図２３（ｂ）に（ａ）のＰ−Ｐ断面における断面図を示した。
マイクロプリズムアレイ５０は、平板状であって、その上面を平滑な全反射面５２とする一方、下面を断面山型の凹凸からなるプリズム５４を平行に複数配列した形状となっている。
【０１４２】
このマイクロプリズムアレイ５０の材料としては、ガラス、樹脂等が挙げられ、特に量産性からは樹脂が好ましい。樹脂としては、アクリル系、エポキシ系、ポリエステル系、ポリカーボネート系、スチレン系、塩化ビニル系等が光学的に好ましく、さらに、樹脂材料には、光硬化型、光溶解型、熱硬化型、熱可塑型等があり、適宜選択可能である。
【０１４３】
マイクロプリズムアレイ５０の製法としては、金型によるキャスト法や加熱プレス成形、射出成形、印刷法又はフォトリソグラフィ法が生産性から好ましい。具体的には、熱可塑性樹脂をマイクロプリズム形状の金型でプレスすることにより成形可能である。また、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂を金型に充填し、その後、光又は熱によって樹脂を硬化させ、金型から取り外すことで成形可能である。
【０１４４】
フォトリソグラフィ法としては、光溶解樹脂又は光硬化性樹脂に適宜パターニングされた遮光マスクを介して紫外線（又は可視光線）を露光し、それぞれ露光部の溶解現像又は未露光部の溶解現像を行うことにより形成される。樹脂材料と露光量分布により所望の形状のマイクロプリズムを得ることが可能である。また、樹脂材料によっては、現像後に高温ベーク処理を行い、熱軟化時の表面張力により所望の形状のマイクロプリズムアレイ５０を得ることが可能である。
【０１４５】
また、入射光は特定の入射角度範囲に収まった面状の光であり、図２３（ｂ）に示すように、入射角θ_iで光学素子１１００に入射させている。
【０１４６】
本実施形態の光学素子１１００によれば、マイクロプリズムアレイ５０周囲の媒質が空気（屈折率ｎ２＝１）で、マイクロプリズムアレイ５０が透明樹脂（屈折率ｎ７＝１．５）からなる場合、全反射面５２における全反射臨界角θ_Cは、前述の（１）式と同様にして求められ、４２［deg］となる。
このため、全反射面５２に対する入射角θをθ≧θ_Cとするための例として、プリズムの頂角αは９０［deg］前後で、左右開き角が４５［deg］前後に設定している。この場合、入射光がプリズム外部から入射されるとき、その入射光の入射角θ_iは４５［deg］前後となる。この条件下では、光学的ケラレも実質的になく、高効率で入射光を全反射面５２で全反射させることができる。なお、プリズムの頂角αはこれに限定されることはない。
【０１４７】
このように、容易に且つ安価に量産可能なマイクロプリズムアレイ５０を用いて、面状に照射される入射光を導入し、導入された入射光の実質的全てを全反射させることができる。
【０１４８】
次に、第９実施形態のマイクロプリズムアレイを用いて光学素子を構成した本発明に係る光学素子の第１０実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子１２００の断面構成を図２４に、光学素子１２００の概念的な全体構成を図２５に示した。本実施形態の光学素子１２００は、入射光の導入側から、マイクロプリズムアレイ５０、ガラスや樹脂等の透明媒質５６からなる積層構造体である。
この光学素子１２００の透明媒質５６の光路前方には透明媒質１６が存在し、透明媒質５６の屈折率ｎ８と透明媒質１６の屈折率ｎ２との関係は、透明媒質５６と透明媒質１６との界面における全反射条件を満足するように設定している。また、入射光は特定の入射角度範囲に収まった面状の光である。
【０１４９】
本実施形態の光学素子１２００によれば、面状の入射光がマイクロプリズムアレイ５０に照射され、マイクロプリズムアレイ５０によりプリズムの頂角α等により設定される所定の入射角度成分の入射光が透明媒質５６内に導入される。そして、導入された入射光が高効率で透明媒質５６の全反射面５８で全反射される。
このように、容易に且つ安価に量産可能なマイクロプリズムアレイ５０を用いて、面状に照射される入射光を導入することで、導入された入射光の実質的全てを透明媒質５６の界面５８で全反射させることができる。
【０１５０】
次に、第１０実施形態の光学素子１２００の光路前方にマイクロプリズムアレイ５０の光入射角に応じた角度に光路を変化させる光学要素を設けて光学素子を構成した本発明に係る光学素子の第１１実施形態を説明する。
本実施形態の光学素子１３００の断面構成を図２６に示した。本実施形態の光学素子１３００は、入射光の導入側から、ガラス基板や透明樹脂等の透明基材６０、透過型回折格子６２の順で積層された光学要素と、第１０実施形態の光学素子１２００とからなる。そして、入射光は特定の入射角度範囲に収まった面状の光である。
透過型回折格子６２は、第７実施形態の透過型回折格子４６同様に、好ましくは体積ホログラムを使用できるが、レリーフ型回折格子や屈折率分布型回折格子若しくは振幅変調型回折格子であってもよい。
【０１５１】
本実施形態の光学素子１３００によれば、コリメート光である面状の入射光が光学素子１３００に照射されると、入射光は透明基材６０を透過して、透過型回折格子６２によりマイクロプリズムアレイ５０の頂角α等により設定される所定の入射角度成分の光に光路が変換される。即ち、透明媒質５６の界面５８で全反射が生ずる角度に光路が変換される。換言すると、この透過型回折格子６２は、入射光が透明媒質５６の界面５８で全反射が生じるような角度となるように設計されている。このように、透過型回折格子６２によって入射光をマイクロプリズムアレイ５０内へ導入する所定の入射角に変換させることで、導入された入射光を透明媒質５６の界面５８で全反射させることが可能となる。
【０１５２】
以上説明した本発明に係る光学素子は、例えば、赤外光を反射する可視透明フィルム、高効率反射フィルム、波長選択性を有する高効率反射フィルム、高効率な光源の反射体又はフィルム等の反射体、及び面状の全反射光を利用する電飾広告表示等の表示体、光変調素子、平面ディスプレイ等に適用できる。
【０１５３】
ここで、本発明に係る光学素子の具体的な一構成例と、その構成例における光学素子の分光透過率をシミュレーションにより求めた結果を説明する。
【０１５４】
図２７に本発明に係る光学素子の一構成例を示した。この場合の光学素子は、入射光の導入側から、光路を変化させる光学要素としての光拡散フィルム（屈折率ｎ＝１．５）、光路を選択する光学要素としての誘電体多層膜、ガラス基板（屈折率ｎ＝１．５）の順に積層されている。なお、ガラス基板の光路前方には、空気（屈折率ｎ＝１．０）が存在する。
誘電体多層膜は、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／…／ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂なる２９層構造の多層膜とし、各層の光学厚は１／４λ（ただし、波長λ＝４４０［nm］）に設定した。また、入射光は、図２８に示す波長λ＝３５０〜４００［nm］のＵＶ光源を用いた。そして、この場合の全反射臨界角θ_Cは約４０［deg］となる。
【０１５５】
上記条件の下で光学素子（誘電体多層膜）の分光透過率を求めたところ、図２９、図３０に示す結果を得た。図２９は波長λに対する分光透過率Ｔの変化を入射角θ毎に示したグラフで、図３０は入射角θに対する分光透過率Ｔを波長λ毎に示したグラフである。
図２９（ａ）に示すように、入射角θが０［deg］の場合は、ＵＶ光源の波長域における分光透過率Ｔが略０［％］となっており、光学素子から透過されることはない。また、図２９（ｂ）に示す入射角θが全反射臨界角θ_Cの直前となる４０［deg］の場合も光学素子から透過されることはない。図２９（ｃ）に示す入射角θが７０［deg］の場合は、Ｐ波に対しては略１００［％］の分光透過率で、Ｓ波に対しては略０［％］となり、Ｐ波とＳ波の平均は約５０［％］となっている。
【０１５６】
また、図３０（ａ）に示すように、ＵＶ光源の波長域における短波長側の波長λ＝３５０［deg］の場合は、Ｐ波に対しては入射角θが約５０［deg］以上から分光透過率が向上しており、図３０（ｂ）に示す中心波長λ＝３７５［nm］の場合は、入射角θが約４６［deg］以上から分光透過率が向上し、さらに、図３０（ｃ）に示す長波長側の波長λ＝４００［nm］の場合は、入射角θが約４２［deg］以上から分光透過率が向上している。
従って、Ｐ波を用いて光学素子で全反射させたり、光学素子の諸条件を変更してＳ波の分光特性をＰ波に近い特性に適宜設計することにより、ＵＶ光源の波長域の入射光を、その入射角θが全反射臨界角θ_C以下の角度では選択的に反射させ、且つ、全反射臨界角θ_Cより大きい角度では透過させることができる。これにより、光学素子の誘電体多層膜を光路を選択する光学要素として実用上十分に機能させることができる。
【０１５７】
【発明の効果】
本発明に係る光学素子によれば、平面形状の光学素子であって、光学素子内へ面状に入射光を導入した際に、該導入された入射光の少なくとも一部が光学素子の構成する層の界面で全反射されて、入射光導入側へ戻され、入射光導入側の反対側からは光学素子に導入された入射光が実質的に出射されない。このため、光学素子の端面から全反射臨界角より大きい角度で入射光を導入する等の入射光の導入位置の制限や、入射光形状をビーム状、線状にする等の光源の種類の制限がなくなり、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入でき、所望の界面で面状の全反射光を高効率で得ることができる。また、光学素子に導入された入射光の少なくとも一部は全反射により反射されるため、光学素子を入射角依存性及び吸収のない高効率の反射体として機能させることができる。
【０１５８】
また、本発明に係る光学素子は、光学素子内に光路を変化させる光学要素が配置され、この光路を変化させる光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、光路を変化させる光学要素によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、その実質的全てが光学素子の構成する層の界面で全反射により反射される。この構成によれば、入射光の導入位置の制限や光源の種類の制限がなくなり、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入できる。また、光学素子を入射角依存性及び吸収のない高効率の反射体として機能させることができる。
【０１５９】
また、本発明に係る光学素子は、光学素子内に光路を選択する光学要素が配置され、この光路を選択する光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、光路を選択する光学要素によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、その実質的全てが光学素子の構成する層の界面で全反射により反射される。この構成によれば、入射光の導入位置の制限や光源の種類の制限がなくなり、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入できる。また、光学素子を入射角依存性及び吸収のない高効率の反射体として機能させることができる。
【０１６０】
また、本発明に係る光学素子は、光学素子の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とがこの順で配置され、光路を変化させる光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、光路を変化させる光学要素によって入射光の光路が特定の方向或いは任意の方向に変化させられ、さらに光路を選択する光学要素によって特定の方向の入射光のみを透過させることによって、光学素子に導入された光の実質的全てが光学素子の構成する層の界面で全反射により反射される。この構成によっても、入射光の導入位置の制限や光源の種類の制限がなくなり、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入できる。また、光学素子を入射角依存性及び吸収のない高効率の反射体として機能させることができる。
【０１６１】
また、本発明に係る光学素子は、光学素子内に、光学素子の構成する層の界面で全反射される入射光を導入する光学要素が配置され、この入射光を導入する光学要素へ面状に入射光を導入する。導入された入射光は、その実質的全てが光学素子の構成する層の界面で全反射により反射される。これにより、簡単な構成でありながら、入射光の導入位置の制限や光源の種類の制限がなくなり、導光板や光導波路を使用することなく、面状の入射光を面状のまま直接的に高効率で導入できる。また、光学素子を入射角依存性及び吸収のない高効率の反射体として機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学素子の第１実施形態における概略的な構成を示す図である。
【図２】透過型の回折格子を示す図であって、（ａ）は体積ホログラム、（ｂ）はレリーフ型回折格子、（ｃ）は屈折率変調型回折格子である。
【図３】光拡散・光拡散を利用した光拡散板を示す図であって、（ａ）は多孔質体、（ｂ）は異なる屈折率を有する物質が分布・分散した異種屈折率分散体・分布体、（ｃ）は表面が凹凸に形成された光拡散体である。
【図４】光干渉フィルタの層構成を示す図である。
【図５】光学素子の光学的性質を説明する図である。
【図６】入射光の形態をまとめて示す図である。
【図７】光を選択する光学要素への入射光の入射角度を示す図である。
【図８】入射光の波長に対する、光路を選択する光学要素の分光透過率を入射角毎に示したグラフである。
【図９】光路を選択する光学要素内の光路を示す図である。
【図１０】光路を選択する光学要素を液晶膜により構成した例を示す図である。
【図１１】入射光の波長に対する、図９の光路を選択する光学要素による分光透過率を入射角毎に示したグラフである。
【図１２】第１実施形態の変形例としての光学素子の構成を示す図である。
【図１３】第２実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図１４】第３実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図１５】透明媒質の屈折率が光路を選択する光学要素の屈折率ｎ３より小さい場合における入射角度に対する光路の違いを示す図である。
【図１６】透明媒質の屈折率が光路を選択する光学要素の屈折率以上である場合の入射角度に対する光路の違いを示す図である。
【図１７】第４実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図１８】第５実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図１９】第６実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２０】第７実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２１】第７実施形態の変形例としての光学素子の構成を示す図である。
【図２２】第８実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２３】第９実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２４】第１０実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２５】図２４の光学素子の概念的な全体構成を示す図である。
【図２６】第１１実施形態の光学素子の構成を示す図である。
【図２７】本発明に係る光学素子の一構成例を示す図である。
【図２８】入射光の波長帯を示すグラフである。
【図２９】波長に対する分光透過率の変化を入射角毎に示したグラフである。
【図３０】入射角に対する分光透過率を波長毎に示したグラフである。
【図３１】従来の一般的な導光板及び導波路の入射光導入の様子を示す図である。
【符号の説明】
１０ 光路を変化させる光学要素
１２ 光路を選択する光学要素
１４ 透明媒質
１６ 透明媒質（空気等）
２０ 異なる屈折率を有する物質
２２ 界面
２６ 透明電極
２８ 配向層
３０ コレステリック液晶層
３２ 中間透明媒質
３４，３５ 透明媒質
３６ 光学的接続媒質
３８ 媒質
４０ 反射体
４２ 光源
４４ 透明基材
４６ 透過型回折格子
４８ 媒質
５０ マイクロプリズムアレイ
５２ 全反射面
５４ プリズム
５６ 透明媒質
５８ 全反射面
６０ 透明基材
６２ 透過型回折格子
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００，１２００，１３００ 光学素子
Ａ、Ｂ 光路
ｎ 屈折率（平均屈折率）
ｎ１ 透明媒質１４の屈折率
ｎ２ 透明媒質１６の屈折率
ｎ３ 光学要素１２の屈折率
ｎ４ 透明媒質３４の屈折率
ｎ５ 媒質３８の屈折率
ｎ７ マイクロプリズムアレイ５０の屈折率
ｎ８ 透明媒質５６の屈折率
ｎｅ 異常光屈折率
ｎｏ 常光屈折率
Ｐ 螺旋ピッチ
Ｔ 分光透過率
α 頂角
Δｎ 複屈折率
Δλ 反射波長幅
θ，θ₀，θ₁，θ₂，θ₃ 入射角
θ_C 全反射臨界角
λ 波長

Claims (32)

1. 光路を選択する光学要素が配置された平面形状の多層構造体であって、前記光路を選択する光学要素へ前記多層構造体の厚さ方向から面状に入射光を導入した際に、導入された入射光の少なくとも一部が前記光路を選択する光学要素に導入される光学素子において、
   前記光路を選択する光学要素は、前記光路を選択する光学要素より入射光光路前方の全反射界面に対して、前記光路を選択する光学要素から出射される透過光の実質的全てが、前記全反射面の全反射臨界角よりも、前記光学素子の面垂直方向からの角度である入射角を大きくするように設定され、前記全反射界面への入射角が全反射臨界角以下になるときに、前記入射光の実質的全てを反射し、全反射界面が前記光学素子の一部を構成する媒質の入射光光路前方又は後方のいずれかの界面であり、前記媒質の平均屈折率をｎｂ、前記媒質の光路後方の層の平均屈折率をｎａ、該光路後方の層内を進む光の角度をθとすると、
   ｎａ＞ｎｂのとき、
   ｓｉｎ ^-1 （ｎｂ／ｎａ）≦θである場合に前記入射光光路後方となり、
   ｓｉｎ ^-1 （１／ｎａ）＜θ＜ｓｉｎ ^-1 （ｎｂ／ｎａ）である場合に前記入射光光路前方となり、
   また、ｎａ≦ｎｂのとき、
   ｓｉｎ ^-1 （１／ｎａ）≦θである場合に前記入射光光路前方となることを特徴とする光学素子。
2. 前記光学素子の厚さ方向の入射光導入側から、光路を変化させる光学要素と、光路を選択する光学要素とがこの順で配置されたことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記全反射された入射光の実質的全てが前記光学素子の入射光導入側に戻ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学素子。
4. 前記光学素子を構成する層は、前記入射光の波長域に対して吸収が実質的にないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項項記載の光学素子。
5. 前記光路を変化させる光学要素と、前記光路を選択する光学要素とは光学的に接触していることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項記載の光学素子。
6. 前記光路を変化させる光学要素と、前記光路を選択する光学要素は、屈折率が１より大きい媒質を介して光学的に接触していることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項記載の光学素子。
7. 光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を変化させる光学要素を配置したことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１項記載の光学素子。
8. 光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を選択する光学要素を配置したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の光学素子。
9. 光学素子の一部を構成する透明媒質を備え、該透明媒質の光路前方に前記光路を変化させる光学要素と前記光路を選択する光学要素をこの順で配置したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の光学素子。
10. 前記光学素子の光路最前方に、前記光学素子の一部を構成する媒質を配置して、該媒質の入射光光路前方又は後方のいずれかの界面を前記全反射の生じる界面にすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の光学素子。
11. 前記全反射の生じる界面は、光学素子の一部を構成する第１の屈折率の媒質と、該媒質に接して入射光光路前方に設けられ前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率の媒質との界面であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載の光学素子。
12. 前記全反射の生じる界面は、前記光学素子の入射光光路の最前方の面であることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項記載の光学素子。
13. 前記全反射の生じる界面は、入射光光路前方側が気体接触界面であることを特徴とする請求項１２記載の光学素子。
14. 前記光路を変化させる光学要素は、屈折により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜請求項１３のいずれか１項記載の光学素子。
15. 前記光路を変化させる光学要素は、該光路を変化させる光学要素の平均屈折率をｎｔ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路を変化させる光学要素の媒質内を進む光の角度をθｔとしたときに、少なくとも、ｓｉｎθｔ＞ｎｗ／ｎｔの条件を満たす角度θｔの光を含んで前方に出力することを特徴とする請求項１４記載の光学素子。
16. 前記光路を変化させる光学要素は、レンズアレイ、プリズムアレイ、異なる屈折率が分布した異種屈折率分布体のいずれかであることを特徴とする請求項１４又は請求項１５記載の光学素子。
17. 前記光路を変化させる光学要素は、回折により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜請求項１３のいずれか１項記載の光学素子。
18. 前記光路を変化させる光学要素は、体積ホログラム、位相変調型回折格子、振幅変調型回折格子のいずれかであることを特徴とする請求項１７記載の光学素子。
19. 前記光路を変化させる光学要素は、光拡散により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜請求項１３のいずれか１項記載の光学素子。
20. 前記光路を変化させる光学要素は、多孔質体、異種屈折率分布体又は分散体、表面に凹凸を有する拡散体又は散乱体のいずれかであることを特徴とする請求項１９記載の光学素子。
21. 前記光路を変化させる光学要素は、光反射により光路を変化させるものであることを特徴とする請求項２〜請求項１３のいずれか１項記載の光学素子。
22. 前記光路を選択する光学要素は、該光路を選択する光学要素の平均屈折率をｎｓ、光路前方の全反射界面の前方側媒質の屈折率をｎｗ、光路を選択する光学要素の媒質内を進む光の角度をθｓとしたときに、ｓｉｎθｓ＞ｎｗ／ｎｓの条件を満たす角度θｓの光を実質的全て透過させることを特徴とする請求項１〜請求項２１のいずれか１項記載の光学素子。
23. 前記光路を選択する光学要素は、入射光の波長域に対して選択的に反射する機能を有し、前記光路を選択する光学要素への入射光の入射角が該光学要素の面に対して浅い角度となるに従って、選択的に反射される入射光の波長が短波長側にシフトすることを特徴とする請求項１〜請求項２２のいずれか１項記載の光学素子。
24. 前記光路を選択する光学要素は、誘電体多層膜を含む光干渉フィルタであることを特徴とする請求項１〜請求項２３のいずか１項記載の光学素子。
25. 前記光路を選択する光学要素は、コレステリック液晶、体積ホログラムを含むブラッグ反射フィルタであることを特徴とする請求項１〜請求項２４のいずれか１項記載の光学素子。
26. 前記入射光は、特定の入射角範囲に収められたコリメート光であることを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか１項記載の光学素子。
27. 前記入射光は、任意の入射角を有する拡散光であることを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか１項記載の光学素子。
28. 前記光学素子の内部に光源を備え、前記入射光が前記光源から出射される光であることを特徴とする請求項１〜請求項２７のいずれか１項記載の光学素子。
29. 前記入射光は、前記光学素子の外部から入射されることを特徴とする請求項１〜請求項２７のいずれか１項記載の光学素子。
30. 前記光学素子に一旦入射され該光学素子により反射された入射光を前記光学素子側へ再投入する反射体を、前記光学素子の入射光導入側に対峙して設けたことを特徴とする請求項１〜請求項２９のいずれか１項記載の光学素子。
31. 前記入射光は、ＵＶ光、可視光、赤外光のいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項３０のいずれか１項記載の光学素子。
32. 前記入射光は、放電ランプ、レーザ光源、ＬＥＤ、無機又は有機ＥＬ、白熱ランプ、陰極線ランプ、ＦＥＤのいずれかからの光であることを特徴とする請求項２９または請求項３０記載の光学素子。

Images