CN103097930B - 取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的取光板，具备如下：具有第一和第二主面的透光板(2)；在透光板内，在从第一和第二主面分别隔开第一和第二距离以上的内部所配置的多个光耦合构造(3)，多个光耦合构造(3)各自包含：第一透光层、第二透光层、它们所夹的第三透光层，第一和第二透光层的折射率比透光板(2)的折射率小，第三透光层的折射率比第一和第二透光层的折射率大，第三透光层具有与所述透光板的所述第一和第二主面平行的衍射光栅。

Description

取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置
技术领域
本发明涉及利用衍射进行光的取引的取光板和棒，以及使用了它们的光接收装置和发光装置。
背景技术
在折射率不同的两个光传播介质之间使光传播时，因为在界面存在光的透射和反射，所以，以高效率使光从一方的光传播介质移动到另一方的光传播介质、且保持这一状态，这通常是困难的。作为从空气等的环境介质向透明板引入光的技术，例如，可列举非专利文献1所示的现有的光栅耦合法。图32(a)和(b)是表示光栅耦合法的原理的说明图，表示在表面设有间距Λ的直线光栅的透光层20的剖面图和俯视图。如图32(a)所示，若以特定的入射角θ使波长λ的光23a入射到光栅，则能够使之与透光层20传播的导波光23B耦合。
先行技术文献
非专利文献
非专利文献1：オ一ム社(欧姆社)光集成电路，p94，p243西原浩等
但是，根据非专利文献1所公开的方法，在透光层20中，能够只引入满足已确立的条件的光，无法引入偏离条件的光。图32(c)表示入射到设于透光层20的光栅的光的矢量图。在图32(c)中，圆21、22以点O为中心，圆21的半径等于包围透光层20的环境介质1的折射率n0，圆22的半径等于导波光23B的有效折射率neff。有效折射率neff依存于透光层20的膜厚，且随着波导模式而取从环境介质1的折射率n0至透光层20的折射率n1之间的特定的值。图32(d)表示光在透光层20以TE模式传播时的实效的膜厚teff与有效折射率neff的关系。所谓实效的膜厚，就是没有光栅时透光层20的膜厚本身，且在有光栅时在透光层20的膜厚上加上了光栅的平均高度。在所激发的导波光中存在0级、1级、2级等的模式，如图32(d)所示，特性曲线各不相同。在图32(c)中，点P是从点O沿着入射角θ引出线、且与圆21交叉的点，点P’是点P到x轴的垂足，点Q、Q’是圆22与x轴的交点。朝向x轴正向的光的耦合条件由P’Q的长度等于λ/Λ的整数倍表示，朝向负向的光的耦合条件由P’Q’的长度等于λ/Λ的整数倍表示。其中，λ是光的波长，Λ是光栅的间距。即，光的耦合条件由式(1)表示。
【算式1】
sin θ = ± n eff + q λ Λ - - - ( 1 )
在此，q是以整数表示的衍射级数。在由式(1)决定的θ以外的入射角下，光无法在透光层20内耦合。另外即使是相同的入射角θ，如果波长不同，则仍然也无法进行光耦合。
还有，如图32(b)所示，以从光23a的入射方向按角度φ移动了的方位角φ入射到透光层20的光23aa所对应的、透光层20的光栅的实质的间距为Λ/cosφ。因此，以不同的方位入射的光23a，即使在与式(1)所规定的条件不同的入射角θ和波长下，也能够满足光的耦合条件。即，允许入射透光层20的光的方位变化时，式(1)所示的光的耦合条件有某种程度的扩展。但是，不能在宽阔的波长范围和全部的入射角下使入射光与导波光23B耦合。
另外，导波光23B在光栅的区域传播期间，在与入射光23a所对应的反射光相同的方向上放射出光23b’。因此，在距光栅的端部20a远的位置入射，即使作为导波光23B能够在透光层20传播，到达光栅的端部20a时有所衰减。因此，只有在靠近光栅的端部20a的位置入射的光23a不会受到因放射造成的衰减，能够作为导波光23B在透光层20内传播。即，为了使大部分的光耦合，即使增大光栅的面积，也不能使入射到光栅的光的全部作为导波光23B而进行传播。
发明内容
本发明为了解决这样的课题而作成，其目的在于提供一种取光板和棒，其可以从宽阔的面积、以大入射角度取引宽波长范围的光。另外，还提供一种使用了它们的光接收装置和发光装置。
本发明的取光板，具备：具有第一和第二主面的透光板；在所述透光板内，在从所述第一和第二主面分别隔开第一和第二距离以上的内部所配置的多个光耦合构造，所述多个光耦合构造各自含有：第一透光层、第二透光层、它们所夹的第三透光层，所述第一和第二透光层的折射率比所述透光板的折射率小，所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，所述第三透光层具有：与所述透光板的所述第一和第二主面平行的衍射光栅。
本发明的取光棒具备如下：具有主面、和圆或椭圆的截面的透光棒；所在述透光棒内、且在从所述主面隔开第一距离以上的内部所配置的多个光耦合构造，所述多个光耦合构造各自含有：第一透光层、第二透光层、它们所夹的第三透光层，所述第一和第二透光层的折射率比所述透光棒的折射率小，所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，所述第三透光层具有与所述透光棒的中心轴平行的衍射光栅。
本发明的光接收装置具备如下：上述取光板；在所述取光板的所述第一主面或所述第二主面所设置的凹凸构造或棱镜板；接收从所述凹凸构造或所述棱镜板出射的光的光电转换部。
本发明的发光装置，具备如下：上述取光棒；与所述透光棒的第一主面邻接地配设的至少一个光源。
根据本发明的取光板和取光棒，入射透光板和透光棒的光入射到内部所配置的光耦合构造，通过光耦合构造内的第三透光层的衍射光栅，被转换成沿着第三透光层的方向传播的光，且从光耦合构造的端面被放射。光耦合构造处于与透光板表面或棒中心轴平行的位置关系，光耦合构造的表面被空气等的低折射率的环境介质覆盖，因此一次所放射的光在透光板的表面、透光棒的表面和别的光耦合构造的表面之间反复进行全反射，并被封闭在透光板内或透光棒内。因为衍射光栅包含各种间距、方位，所以可以跨越宽阔的区域、宽阔的波长范围，例如可以跨越可视光全域，以全部的入射角取引光。
附图说明
图1(a)是表示本发明的取光板的第一实施方式的模式化的剖面图，(b)是表示第一实施方式的第四区域的位置的俯视图。
图2(a)和(b)是表示第一实施方式的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图，(c)是表示入射光耦合构造的端面的光的情况的剖面图，(d)是表示入射到取掉了透光层3c的光耦合构造的光的情况的剖面图，(e)是表示光耦合构造的另一构成例的剖面图。
图3是表示用于第一实施方式的取光板的分析的构造的剖面图。
图4是使用图3所示的构造进行的分析结果，(a)至(c)表示光的入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与向板外的光引出效率的关系。
图5(a)至(e)表示由图4(a)至(c)的箭头表示的位置的条件下的板截面的光强度分布图。
图6是在图3所示的构造中，使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板的折射率一致、且使第三透光层3c的折射率为2.0时的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与向板外的光引出效率的关系。
图7(a)至(e)是表示第一实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图8(a)和(b)是表示用于第一实施方式的取光板的制造的模具的表面图案的模式化的俯视图。
图9(a)和(b)是表示本发明的取光板的第二实施方式中使用的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图。
图10是表示用于第二实施方式的取光板的分析的构造的剖面图。
图11是使用图10所示的构造进行的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与向板外的光引出效率的关系。
图12是表示使用图3和图10所示的构造、且使光源的位置沿x轴的负的方向偏移5μm而进行的分析结果，(a)至(c)表示光朝向单一的光耦合构造的端面的入射角与向板外的透射率的关系。
图13(a)至(e)是表示第二实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图14(a)和(b)是表示在本发明的取光板的第三实施方式中使用的光耦合构造的模式化的剖面图和俯视图。
图15是表示用于第三实施方式的取光板的分析的构造的剖面图。
图16是使用图15所示的构造而进行的分析结果，(a)至(c)表示入射角与向板外的透射率的关系，(d)表示衍射光栅的凹槽深度与向板外的光引出效率的关系。
图17是使用图3和图15所示的构造、且使光源的位置朝向x轴的负的方向偏移5μm而进行的分析结果，(a)至(c)表示光朝向单一的光耦合构造的端面的入射角与向板外的透射率的关系。
图18(a)至(f)是表示第三实施方式的取光板的制造步骤的模式化的剖面图。
图19(a)和(b)是表示用于第三实施方式的取光板的制造的模具的表面图案的模式化的俯视图。
图20是表示本发明的光接收装置的实施方式的模式化的剖面图。
图21是表示本发明的光接收装置的其他的实施方式的模式化的剖面图。
图22是表示本发明的光接收装置的其他的实施方式的模式化的剖面图。
图23是表示本发明的光接收装置的其他的实施方式的模式化的剖面图。
图24是表示本发明的光接收装置的其他实施方式的模式化的剖面图。
图25是表示本发明的采光板的实施方式的模式化的剖面图。
图26是表示本发明的发光装置的实施方式的模式化的剖面图。
图27(a)和(b)是表示本发明的取光棒的实施方式的与中心轴平行和垂直的模式的剖面图。
图28是表示图27所示的取光棒的制造步骤的模式化的图。
图29是表示本发明的发光装置的其他实施方式的模式化的剖面图。
图30是表示图29所示的发光装置的取光棒的截面的光的入射的情况的剖面图。
图31是表示本发明的发光装置的其他实施方式的模式化的剖面图。
图32(a)和(b)是用于通过光栅耦合法而取引光的直线光栅的剖面图和俯视图，(c)和(d)是表示光栅耦合法的原理的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
说明本发明的取光板的第一实施方式。图1(a)是取光板51的模式化的剖面图。取光板51具备：具有第一主面2p和第二主面2q的透光板2；和在透光板2内所配设的至少一个光耦合构造3。
透光板2由透射与用途相应的期望的波长、或期望的波长范围内的光的透明材料构成。例如，由透射可视光(波长0.4μm以上、0.7μm以下)的材料构成。透光板2的厚度例如为0.03mm～1mm左右。第一主面2p和第二主面2q的大小没有特别限制，具有与用途相应的面积。
如图1(a)所示，在透光板2内，将光耦合构造3在从第一主面2p和第二主面2q分别隔开第一距离d1和第二距离d2以上的内部配置。因此，在透光板2中，在与第一主面2p接触且厚度具有第一距离d1的第一区域2a、和与第二主面2q接触且厚度具有第二距离d2的第二区域2b中，未配设光耦合构造3，使光耦合构造3配设在由第一区域2a和第二区域2b所夹的第三区域2c中。
就光耦合构造3而言，其在透光板2的第三区域2c中被三维排列。优选光耦合构造3在与第一主面2p和第二主面2q平行的面中被二维排列，并且，二维排列的多个光耦合构造3在透光板2的厚度方向上被多层层叠。
光耦合构造3在x、y轴方向(面内方向)和z轴方向(厚度方向)上以规定的密度配置。例如，就其密度而言，例如在x轴方向上每1mm为10～103个，在y轴方向上每1mm为10～103个，在z轴方向上每1mm为10～103个左右。为了将照射到透光板2的第一主面2p和第二主面2q全体之上的光进行高效率的取引，优选透光板2的x轴方向、y轴方向和z轴方向上的光耦合构造3的配置密度各自独立而均匀。但是，根据用途和照射到透光板2的第一主面2p和第二主面2q上的光的分布，透光板2中的光耦合构造3的配置也可以不均匀，也可以具有规定的分布。
图2(a)和(b)是沿着光耦合构造3的厚度方向的剖面图和与之正交的俯视图。光耦合构造3包含：第一透光层3a、第二透光层3b、和其间所夹的第三透光层3c。第三透光层3c包含衍射光栅3d，衍射光栅3d具有配设在基准平面上的间距Λ的直线栅格。衍射光栅3d的直线栅格，可以由设于第三透光层3c与第一透光层3a或第二透光层3b的界面的凹凸构成，也可以如图2(e)所示这样，设于第三透光层3c内部。另外，也可以不是由凹凸形成的栅格，而是由折射率差形成的栅格。光耦合构造3按照使第三透光层3c的衍射光栅3d与取光板51的第一主面2p和第二主面2q平行的方式被配置在透光板2内。在此，所谓衍射光栅与第一主面2p和第二主面2q平行，意思是配设有栅格的基准平面与第一主面2p和第二主面2q平行。
第一透光层3a、第二透光层3b和第三透光层3c的厚度分别为a、b、t，第三透光层3c的直线衍射光栅的段差(深度)为d。第三透光层3c的表面与透光板2的第一主面2p、第二主面2q平行，第一透光层3a和第二透光层3b的、位于与第三透光层3c相反侧的表面3p、3q，也与透光板2的第一主面2p、第二主面2q平行。
如以下说明的，以能够取引入射到取光板的不同波长的光的方式，取光板51具备多个光耦合构造3，在多个光耦合构造之中的至少两个中，优选衍射光栅3d的延伸方向互不相同。或者，在多个光耦合构造3之中至少两个中，优选衍射光栅3d的间距Λ互不相同。或者，也可以是它们的组合。
第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小，第三透光层3c的折射率比第一透光层3a和第二透光层3b的折射率大。以下，第一透光层3a和第二透光层3b是空气，折射率为1。另外，第三透光层3c由与透光板2相同的介质构成，折射率彼此相等。
光耦合构造3的第一透光层3a和第二透光层3b的表面3p、3q，例如，是以长度W和L为两条边的矩形，W和L为3μm以上、100μm以下。即，光耦合构造3的第一透光层3a和第二透光层3b的表面具有与3μm以上、100μm以下的直径的圆外接的大小。另外，光耦合构造3的厚度(a+t+d+b)为3μm以下。如图2(b)所示，在本实施方式中，光耦合构造3的表面(平面)具有矩形，但也可能具有其他的形状，例如，多角形、圆和椭圆形。
取光板51在被环境介质包围下使用。例如，取光板51在空气中使用。这种情况下，环境介质的折射率为1。以下，将透光板2的折射率设为ns。来自环境介质的光4从透光板2的第一主面2p和第二主面2q入射到透光板2的内部。为了在第一主面2p和第二主面2q中提高入射的光4的透射率，也可以形成AR涂层和无反射纳米构造。在无反射纳米构造中，包含蛾眼结构等、间距和高度为设计波长的1/3以下的微细的凹凸构造。设计波长是以使取光板51发挥规定的机能的方式设计各要素时所使用的光的波长。还有，在无反射纳米构造中，虽然菲涅耳反射减小，但全反射存在。
以下，在取光板51的内部存在的光之中，将其传播方位与透光板2的法线(与第一主面2p和第二主面2q垂直的线)的夹角θ(以下，称为传播角)满足sinθ＜1/ns的光称为临界角内的光，将满足sinθ≥1/ns的光称为临界角外的光。在图1(a)中，在取光板51的内部有临界角内的光5a时，其一部分经由光耦合构造3而被转换成临界角外的光5b，该光在第一主面2p发生全反射，成为停留在板内部的临界角外的光5c。另外，临界角内的光5a剩余的临界角内的光5a’之中的一部分，经由另外的光耦合构造3而被转换成临界角外的光5b’，该光在第二主面2q发生全反射，成为停留在板内部的临界角外的光5c’。如此，临界角内的光5a的全部，在配置有光耦合构造3的第三区域2c内被转换成临界角外的光5b和5b’。
另一方面，在取光板51内部有临界角外的光6a时，其一部分在光耦合构造3的表面发生全反射而成为临界角外的光6b，该光在第一主面2p发生全反射，成为停留在板内部的临界角外的光6c。另外，光6a剩余的光的一部分，成为透过设有光耦合构造3的第三区域2c的临界角外的光6b’，该光在第二主面2q发生全反射，成为停留在取光板51内部的临界角外的光6c’。另外虽未图示，但一边在不同的光耦合构造3之间和第一主面2p、第二主面2q之间发生全反射，一边停留在板内部的临界角外的光，即，停留在第一区域2a、第二区域2b或第三区域2c中。这种情况下，就有在第一区域2a和第二区域2b传播的光的分布产生偏移的可能性。取光板51的光的分布的偏移成为问题时，如图1(a)所示，优选在透光板2内的第三区域2c中，设置一个以上没有配设光耦合构造3的第四区域2h。即，光耦合构造3只在除了第四区域2h的第三区域2c内配置。在透光板2中，第四区域2h连接第一区域2a和第二区域2b。第四区域2h从第一区域2a向第二区域2b或沿相反方向延伸，贯通第四区域2h的任意的直线的方位，沿着比透光板的折射率和透光板的周围的环境介质的折射率所规定的临界角大的角度。即，如果环境介质的折射率为1、透光板2的折射率设为ne，则贯通第四区域2h的任意的直线的延伸的方向2hx与透光板2的法线的夹角θ’满足sinθ’≥1/ns。在此，所谓直线贯通第四区域2h，是指直线贯通与第四区域2h的第一区域2a接触的面和第四区域2h的第二区域2b。
图1(b)是取光板51的俯视图，表示第四区域2h的配置。如图1(b)所示，第四区域2h，优选在透光板2内设有多个。第四区域2h以比临界角大的角度从第一区域2a向第二区域2b或相反的方向伸长，所以在透光板2的第一区域2a和第二区域2b传播的光之中，只有临界角外的光能够透过第四区域2h，并从第一区域2a向第二区域2b透过或以相反方向透过。因此，能够防止取光板51内的光分布的偏移。
如图2(a)所示，临界角内的光5a，透过第二透光层3b的表面3q，其一部分在衍射光栅3d的作用下，被转换成在第三透光层3c内传播的导波光5B；其余的作为透射光和衍射光，主要成为临界角内的光5a’而透过光耦合构造3，或作为反射光而成为临界角内的光5r，通过光耦合构造3。向第二透光层3b入射时，也有在表面3q反射的临界角外的光6b，但如果在表面3q、3p形成无反射纳米构造，则能够使大部分的光透过。
向导波光5B的耦合，与现有的光栅耦合法的原理相同。就导波光5B而言，直至到达第三透光层3c的端面3S为止，其一部分沿着与临界角内的光5r相同的方向被放射而成为临界角内的光5r’，剩余的作为导波从第三透光层3c的端面3S被放射而成为临界角外的光5c。另一方面，临界角外的光6a，在第二透光层3b的表面3q发生全反射，其全部成为临界角外的光6b。如此，入射到光耦合构造3的表面(第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q)的临界角外的光被作为临界角外的光直接反射，临界角内的光其一部分被转换成临界角外的光。
还有，若第三透光层3c的衍射光栅3d的长度过长，则导波光5B在到达其端面3S之前便全部被放射。另外若过短，则向导波光5B的耦合效率不充分。导波光5B的易放射度由放射损耗系数α表示，在传播距离L下，导波光5B的强度变成exp(-2αL)倍。假如设α的值为10(1/mm)，则在10μm的传播下达到0.8倍的光强度。放射损耗系数α与衍射光栅3d的深度d有关，在d≤dc的范围时单调递增，在d＞dc的范围时饱和。将光的波长设为λ，导波光5B的有效折射率设为neff，透光层3c的折射率设为n1，衍射光栅3d的占空比(デユ一テイ)(凸部的宽度对于间距的比)设为0.5，则dc由以下的式(2)给出。
【算式2】
d c ≈ λ 2 π n eff 2 - ( n 1 - 1 2 ) 2 - - - ( 2 )
例如，若λ＝0.55μm，neff＝1.25，n1＝1.5，则dc＝0.107μm。在单调递增区域，放射损耗系数α与d的平方成正比。因此，衍射光栅3d的长度，即第三透光层3c的长度(尺寸W和L)由放射损耗系数α决定，依存于衍射光栅3d的深度d。假如，调整深度d而将α的值设定在2～100(1/mm)的范围，使阻尼比为0.5，则W和L为3μm至170μm左右。因此，如上述，如果W和L为3μm以上、100μm以下，则通过深度d的调整能够抑制放射损耗，得到高耦合效率。
在使导波光5B的有效折射率neff为1.25时，根据式(1)，对应间距Λ、入射角θ，哪种可视光的波长(λ＝0.4～0.7μm)的光进行耦合示出在(表1)中。虚线的区间为耦合的范围。例如，间距0.4μm的情况下，在θ＝-14度下，波长0.4μm的光进行耦合，在θ＝30度下，波长0.7μm的光进行耦合，从θ＝-14度至θ＝30度为可视光的耦合范围。
【表1】
入射角θ的极性与光的耦合方向相关。因此，若忽视光的耦合方向而只注目于有无耦合，如果入射角的范围覆盖从0到90度，或从-90到0度的任意一个范围，则可进行对于全部的入射角度的耦合。因此，由表1可知，为了对于全部的可视光波长、全部的入射角度而使光耦合，优选组合使用具有0.18μm至0.56μm(0度至90度)、或从0.30μm至2.80μm(-90度至0度)的间距Λ的衍射光栅3d的光耦合构造3。若考虑有效折射率的变化和形成导波层和衍射光栅时所能够产生的制造误差，则衍射光栅3d的间距大概为0.1μm以上、3μm以下即可。
另外，如图2(b)所示，例如，沿着与衍射光栅3d延伸方向垂直的方向入射的临界角内的光5a所对应的衍射光栅3d的间距为Λ，但以方位角φ入射的光5aa所对应的衍射光栅3d的实效的间距为Λ/cosφ。例如，光5aa的入射方位角φ为0～87度时，实效的间距为Λ～19Λ。因此，若设定为Λ＝0.18μm，则即使在相同的衍射光栅3d下，也能够由入射的光的方位实现0.18至2.80μm的实效的间距Λ，若设定为Λ＝0.30μm，则能够实现从0.30到2.80μm的间距Λ。因此可知，除了组合具有不同间距的衍射光栅3d的光耦合构造3以外，使单一的间距的光耦合构造3按照衍射光栅的延伸方向(衍射光栅的方位)从0度至180度改变的方式旋转而配置在透光板2内，也能够以全部的入射角度取引全部的可视光波长的光。此外，在多个光耦合构造3中，也可以使衍射光栅3d的间距和衍射光栅3d的延伸方向这两方不同。
接着，探讨在与光耦合构造3的表面3p、3q垂直的端面3r、3s(沿着透光层3b的法线方向的面)中的光。如图2(c)所示，入射到光耦合构造3的端面3r的光，考虑有如下情况：由端面3r反射的情况；在端面3r发生衍射的情况；透过端面3r而发生折射的情况；经过端面3r而在第三透光层3c导波的情况。例如，入射第一透光层3a和第二透光层3b的端面并透过的临界角外的光6a发生折射，成为临界角内的光6a’。另外，入射到第三透光层3c的端面并透过的光6A的一部分，被转换成在第三透光层3c内传播的导波光6B。
作为参考，图2(d)表示从光耦合构造3取掉第三透光层3c，用与第一透光层3a和第二透光层3b相同的空气填充所取掉后的空间时的光路。临界角内的光5a入射到光耦合构造3的表面3q时，如果其入射位置接近端面3s，则折射的结果是，在端面3s作为临界角外的光5a’出射。另外，临界角内的光5a入射到光耦合构造3的端面3r时，在端面3r发生全反射。临界角外的光6a入射到光耦合构造3的端面3r时，不靠近此入射位置，所折射的结果是，从表面3p作为临界角内的光6a’出射。另外，临界角外的光6a入射到光耦合构造3的表面3q时，在表面3q发生全反射。
如此，就入射到光耦合构造3的端面3r、3s的光的情况而言，其举动复杂，即使临界角外的光入射到端面，也未必作为临界角外的光出射。但是，如果使表面的大小(W、L)比端面的大小(a+t+d+b)大得多(例如4倍以上)，则端面的影响十分小，表面3p、3q的光的透射或反射就能够视为光耦合构造3整体的光的透射和反射的举动。具体来说，第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q的大小，如果是光耦合构造3的厚度的4倍以上，则能够充分地忽视光耦合构造3的端面3r、3s中光的影响。因此，如果光耦合构造3发挥将临界角外的光保持作为临界角外的光、另将临界角内的光不可逆地转换为临界角外的光的机能，且充分设定光耦合构造3的密度，则能够将入射到取光板51的全部的光转换成临界角外的光(即封闭在板内的光)。
图3表示用于确认取光板51中的光封闭效果的分析所使用的取光板的截面构造。分析中，使用含有一个光耦合构造的取光板。如图3所示，与从透光板2的第二主面2q距1.7μm的位置平行地设定宽5μm的光源S(由虚线表示)，在其上方空出0.5μm的距离而平行配置宽6μm的第二透光层3b，在其上配置相同宽度的第三透光层3c和第一透光层3a。透光板2的第一主面2p处于距第一透光层3a的表面2.5μm的位置。从光源S，在对于第二主面2q的法线构成θ的角的方位，使对于纸面成45度的角度的偏振光的平面波出射，使入射光的中心透过第二透光层3b的表面的中心，如此按照角θ而使第一透光层3a、第二透光层3b和第三透光层3c的位置横向移动。另外，使第一透光层3a的厚度a为0.3μm，第二透光层3b的厚度c为0.3μm，第三透光层3c的厚度t为0.4μm，衍射光栅的深度d为0.18μm，衍射光栅的间距Λ为0.36μm。使透光板2和第三透光层3c的折射率为1.5，环境介质、第一透光层3a和第二透光层3b的折射率为1.0。
图4(a)至(c)是表示在图3所示的构造的取光板中，从光源S向光耦合构造3入射的光的入射角θ，与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。用于分析的构造如上述。分析中使用二维的时域有限差分法(FDTD)。因此，是图3所示的截面在纸面垂直方向上无限延续的构造的分析结果。透射率是稳定时的计测，以通过分析区域最下面(z＝0μm)和最上面的坡印廷矢量(PoyntingVector)的积分值、对于通过包围光源的闭曲面的坡印廷向量的积分值之比定义。虽然有一部分超过100％的计算结果，但这是由于光源的坡印廷向量的计测有一些误差。图4(a)表示光源的波长λ为0.45μm时的计算结果，图4(b)表示波长λ为0.55μm时的计算结果，图4(c)表示波长λ为0.65μm时的计算结果。分别将衍射光栅的深度d作为参数，并且还绘制没有光耦合构造3的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果。
在将有光耦合构造3但衍射光栅的深度d＝0时的结果、与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围，透射率变小，在此以上的角度时均大体变成零。之所以在临界角以内前者的透射率变小，如参照图2(d)而说明的，是由于入射到第二透光层3b的表面3q的光发生折射，其一部分作为临界角外的光从端面3s出射。但是，在前者的情况下，如参照相同的图2(c)、(d)而说明的，从光耦合构造3的端面3r入射的临界角外的光在该面发生折射后，又在第一透光层3a的表面3p折射，在透光板2内变成临界角内的光。因此，在d＝0时的构造中，有向临界角外的光的转换，另一方面，也有向临界角内的光的转换，可以说整体上使光封闭的效果小。
另一方面，若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果进行比较，则前者的透射率与后者的大体上接近，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。图4(d)表示将图4(a)、(b)、(c)的曲线对入射角θ进行积分的值的规格值(除以90的值)、以衍射光栅的深度d作为参数的情形。因为分析模型是二维，所以该积分值等于光封闭板内的光被引出到板外的效率。任何波长下，随着d的增大(至少在d＝0，d＝0.18的比较中)，引出效率均减小。这显现出由单一的光耦合构造带来的光封闭的效果。如果这一效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则最终能够使全部的光封闭。还有，虽然本分析是二维的模型，但在实际的模型(三维模型)中，因为相对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角φ而满足作为耦合条件的式(1)的入射光必然存在，所以图4所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等局部性的范围而是在涉及全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。
图5表示在图4的箭头a、b、c、d、e所示的条件下，取光板内的光强度分布图。具体来说，图5(a)表示波长λ＝0.45μm、θ＝5度的结果，图5(b)表示波长λ＝0.55μm、θ＝0度的结果，图5(c)表示波长λ＝0.55μm、θ＝10度的结果，图5(d)的波长λ＝0.65μm、θ＝10度的结果，图5(e)表示波长λ＝0.65μm、θ＝20度的结果。
在图5(a)、(b)所示的条件和入射角的情况下，因为第三透光层3c的折射率比包围它的第一透光层3a和第二透光层3b的折射率高，所以第三透光层3c作为导波层发挥机能，入射光在衍射光栅的作用下，与在第三透光层3c内传播的导波光耦合，该光从第三透光层3c的端面3r、3s放射到透光板2内。该放射光是临界角外的光，在透光板2的第一主面2p和第二主面2q发生全反射，被封闭在透光板2内。图5(c)、(d)、(e)所示的条件和入射角的情况下，入射光也在衍射光栅的作用下与在第三透光层3c内传播的导波光耦合，该光从第三透光层3c的端面3r被放射到板内。该放射光是临界角外的光，在透光板2的第一主面2p和第二主面2q发生全反射，被封闭在透光板2内。还有，在图5(a)、(c)、(e)中，放射光被分为两股，耦合的光在导波层截面的上下是相位反转的1级模式的导波光。另一方面，在图5(b)、(d)中，放射光处于聚合的状态，耦合的光为0级模式的导波光。
图6表示在图3所示的构造中，使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板2的折射率一致，且将第三透光层3c的折射率变更成2.0时的分析结果。其他条件均与能够得到图4所示的分析结果时的条件相同。图6(a)表示光源的波长λ＝0.45μm时的结果，图6(b)表示波长λ＝0.55μm时的结果，图6(c)表示波长λ＝0.65μm时的结果。若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率与后者的相比，在箭头a、b、c、d、e、f的位置下降。这基于参照图4说明的同一理由。但是在临界角以上的区域，相比后者处于零邻域，前者大幅上升。这是因为，临界角以上的入射角的光由光耦合构造3的衍射光栅衍射，其一部分在板内被转换成临界角内的光。图6(d)表示将图6(a)、(b)、(c)的曲线对入射角θ进行积分的值的规格值(除以90的值)、以凹槽深度d作为参数的情形。在各种条件下，随着d的增大，引出效率反而增大，得不到光封闭的效果。这表示在临界角以上的区域的特性抵消了箭头a、b、c、d、e、f的位置的效果。
若比较图4和图6所示的分析结果，则在图4中，在临界角以上，能够使透射率达到零。将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，在临界角以上的区域也没有差异，均大体为零。这是由于，因为使第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小，所以在第二透光层3b和透光板2的界面、即表面3q发生全反射，入射角大的光不能入射到光耦合构造3内的衍射光栅，没有发生衍射光栅形成的衍射光。如此可知，作为光耦合构造3，优选为了第三透光层3c成为导光层，其折射率比第一透光层3a和第二透光层3b的折射率大，优选为了临界角外的光不入射第三透光层3c，第一透光层3a和第二透光层3b的折射率比透光板2的折射率小。另外可知，为了透光板2和光耦合构造之间的全反射所对应的临界角减小，优选第一透光层3a和第二透光层3b的折射率与透光板的折射率的差大，例如，优选第一透光层3a和第二透光层3b的折射率为1。
如此根据本实施方式的取光板，以各种角度入射到透光板的第一主面和第二主面的光，成为临界角内的光而入射到透光板的内部所配置的光耦合构造，经由光耦合构造内的衍射光栅，其一部分被转换成在第三透光层内传播的导波光，从光耦合构造的端面放射，成为临界角外的光。根据光耦合构造，其衍射光栅的间距不同、或衍射光栅的方位不同，因此这一转换可跨越全部的方位、宽阔的波长范围，例如可跨越可视光全域进行。另外，因为衍射光栅的长度短，所以能够减少导波光的放射损耗。因此，在透光板内存在的临界角内的光，通过多个光耦合构造而被全部转换成临界角外的光。因为光耦合构造的第一和第二透过层的折射率比透光板的折射率小，所以临界角外的光在光耦合构造的表面发生全反射，该光在其他的光耦合构造的表面和透光板的表面之间反复发生全反射，被封闭在透光板内。如此，光耦合构造将临界角内的光不可逆地转换成临界角外的光，另一方面，又将临界角外的光保持在临界角外的状态。因此，如果充分设定光耦合构造的密度，则能够将入射到取光板的全部的光转换成临界角外的光，即转换成被封闭在板内的光。
就取光板51而言，例如，能够通过以下的方法制造。图7(a)至(e)是表示取光板51的制造步骤的模式化的剖面结构图，图8(a)、(b)是表示用于制成板的模具表面的图案的模式化的俯视图。
在图8(a)、(b)中，在模具25a、25b的表面，例如将相同尺寸的矩形微小构造25A、25B二维排列。模具25a的微小构造25A的配置与模具25b的微小构造25B的配置等同。微小构造25A、25B在本实施方式中是突起。微小构造25A的高度相当于图2(a)的尺寸b，微小构造25B的高度相当于尺寸a。微小构造25B的表面是平面，但在微小构造25A的表面之上，形成有高度d、间距Λ的直线衍射光栅，衍射光栅的方位(凹部或凸部的延伸方向)在每个微小构造25A都不同。在图8中，使0度、45度、90度、135度的按45度刻度的方位的光栅规则地排列，但实际上，优选以30度和15度刻度等、更小的刻度幅度的方位而使光栅等频度地排列。
如图7(a)所示，以在模具25b的表面薄涂布分离剂的状态铺设透明的树脂板24，在该板上配置模具25a，在使彼此的微小构造25B与微小构造25A的位置对齐状态，对由模具25b和模具25b所夹的树脂板24进行挤压。
如图7(b)所示，抬起模具25a，将树脂板24从模具25b上剥落，如图7(c)所示，压在表面薄涂布有粘接剂的树脂板24a上，粘接树脂板24和树脂板24a。如图7(d)所示，将粘接剂薄涂布在树脂板24a的底面，将其在忽视校准下压在通过同样的方法形成的树脂板24’、24’a之上，且将其粘接。
如图7(e)所示，以固定树脂板24’a的状态，抬起模具25a，从模具25a上剥落树脂板24、24a、24’、24’a的全体。
之后，将树脂板24、24a、24’、24’a置换成图7(d)的树脂板24’、24’a，重复这些步骤，制作图1(a)所示的透光板2的第三区域2c。在透光板2的第三区域2c的表面和背面，粘接构成透光板2的第一区域2a和第二区域2b的树脂板，由此图1(a)所示的取光板51完成。在本实施方式中，树脂板的粘接中使用的是粘接剂，但也可以不使用粘接剂，而是通过对树脂板的表面加热，使树脂板之间熔接。另外，也可以在树脂板24a和构成第一区域2a和第二区域2b的树脂板的表面预先形成无反射纳米构造。
(第二实施方式)
说明本发明的取光板的第二实施方式。本实施方式的取光板52，光耦合构造的端面的构造与第一实施方式的光耦合构造不同。因此，以下，以本实施方式的光耦合构造为中心进行说明。
图9(a)和(b)模式化地表示沿着取光板52的厚度方向的光耦合构造3’的截面构造和平面构造。如图9(a)和(b)所示，在光耦合构造3’中，在端面3r、3s设有深度e的凹部3t。就凹部3t的截面而言，随着朝向内部而宽度变窄。因此，在光耦合构造3’中，第一透光层3a和第二透光层3b的厚度，随着从光耦合构造3’的中心向外缘侧而变小。表面3p、3q与第一实施方式同样是平坦的。
图10表示为了确认具备光耦合构造3’的取光板52的光封闭的效果而用于分析的取光板的截面构造。光耦合构造和光源，设置在与用于第一实施方式的分析的构造(图3)对应的要素完全相同的位置上。
图11(a)至(c)是表示在图10所示的构造的取光板中，从光源S向光耦合构造3’入射的光的入射角θ，与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。分析中使用与第一实施方式相同的方法。图11(a)表示光源的波长λ＝0.45μm时的结果，图11(b)表示波长λ＝0.55μm时的结果，图11(c)表示波长λ＝0.65μm时的结果。其中，分别将衍射光栅的深度d作为参数，并且也绘制没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果。
在将有光耦合构造3’但衍射光栅的深度d＝0时的结果、与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围而变小，在其以上的角度下两者均为零。之所以在临界角以内前者变小，如参照图2(d)说明的，是由于入射到第二透光层3b的表面3q的光产生折射，其一部分作为临界角外的光从右侧面(第三透光层3c的右侧面)出射。
另一方面，若将光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率大体上接近后者的，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。这些位置相当于光与导波光耦合的条件。图11(d)表示将图11(a)、(b)、(c)的曲线对入射角θ进行积分的值的规格值(除以90的值)、以凹槽深度d作为参数的情形。因为分析模型是二维的，所以该积分值等于板内的光引出到板外的效率。无论哪种波长，伴随d的增大(至少在d＝0、d＝0.18的比较中)，引出效率均降低。这表示由单一的光耦合构造带来的光封闭的效果，与第一实施方式的分析结果相同。如果这一效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则能够封闭全部的光。还有，虽然本分析是二维的模型，但在现实的三维模型中，因为相对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角φ而满足作为耦合条件的式(1)的入射光必定存在，所以图11所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等的局部性的范围而是在涉及全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。另外，与第一实施方式的分析结果相比，箭头b、c、d、e的位置的下降之所以变小，是因为在本实施例的分析模型中缩小了光栅的长度(耦合长度)。
图12是表示第二实施方式中，基于光向单一的光耦合构造的端面的入射，入射角θ和向取光板外的透射率的关系的分析结果。在分析条件中采用的是，在图10和图3中，只使光源S的位置向x轴的负侧移动5μm的。图12(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图12(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图12(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将本实施例的模型与第一实施方式的模型进行比较，并且还绘制没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果。
若将第二实施方式的模型的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则两方均是在临界角内(41.8度以下)大体一致，但在临界角外(41.8度以上)的范围，后者大体上为零，相对于此，前者从零大幅上升。之所以前者在临界角外上升，如参照图2(c)、(d)说明的，是由于入射到光耦合构造的第一透光层3a和第二透光层3b的端面的光在折射之后，成为临界角内的光而从第一主面2p出射。相对于此，第二实施方式的模型的分析结果是，临界角外的范围的上升得到部分地抑制。这是由于，在第二实施方式的端面，没有第一透光层3a和第二透光层3b占据的区域，端面的折射得到一定程度的抑制。因此，第二实施方式是能够在第一实施方式以上忽视端面的影响(临界角外的光被转换成临界角内的光的现象)的结构，可以说是封闭光的效果更强的结构。还有，在图12中将光源的长度设定为5μm。若增长其长度，则从光耦合构造的端面偏离、直接入射到第一主面2p而发生全反射，或在光耦合构造的表面3q发生全反射的成分的比率增加，因此临界角外的上升缓和。假如使光源的长度达到4倍的20μm，使光耦合构造为21μm左右，则一边维持其他的特性，端面入射的特性在临界角外的上升降低至1/4左右。
图13是表示本实施方式的取光板52的作制步骤的一例的模式化的剖面。在模具25a、25b的微小构造25A、25B的外缘部设置倾斜25A’、25B’，如果使用与第一实施方式同样的步骤，则能够制造取光板52。如果除去模具25a、25b的形状不同这一点，则能够与第一实施方式的取光板51同样地制造本实施方式的取光板52，因此省略具体的制造步骤的说明。
(第三实施方式)
说明本发明的取光板的第三实施方式。本实施方式的取光板53，光耦合构造的端面的构造与第二实施方式的光耦合构造不同。因此，以下，以本实施方式的光耦合构造为中心进行说明。
图14(a)和(b)模式化地表示沿着取光板53的厚度方向的光耦合构造3”的截面构造和平面构造。如图14(a)和(b)所示，在光耦合构造3”的表面3p、3q，在与端面3r、3s邻接的宽度e的区域设有锥度3u、3v。因此，第一透光层3a和第二透光层3b，在维持与第三透光层3c的界面的平坦性的状态下，第一透光层3a和第二透光层3b的厚度随着从光耦合构造3”的中心向外缘侧而变小。
图15表示在具备光耦合构造3”的取光板53中，为了确认光封闭的效果的分析所使用的取光板的截面构造。光耦合构造和光源，设置在与用于第一实施方式的分析的构造(图3)完全相同的位置。
图16(a)至(c)是表示在图15所示的构造的取光板中，从光源S向光耦合构造3’侧入射的光的入射角θ，与向取光板外出射的光的透射率的关系的分析结果。分析中使用与第一实施方式相同的方法。图16(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图16(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图16(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将衍射光栅的深度d作为参数，并且也绘制没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果。
在将有光耦合构造但光栅的深度d＝0时的结果、与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则前者与后者相比，在临界角(41.8度)以内的范围而变小，在此以上的角度，后者变为零，相对于此，前者在直至55度的范围为止剩下的是上升。之所以在临界角以内前者变小，如参照图2(d)说明的，入射到第二透光层3b的表面3q的光发生折射，其一部作为临界角外的光从右侧面(第三透光层3c的右侧面)出射。在临界角以上，前者上升的理由被认为有两个。第一个是由于，第二透光层3b的表面3q朝向外缘部倾斜，超过临界角的光的一部分能够在临界角以内入射到第二透光层3b的表面3q，该光在光耦合构造内部的光栅发生衍射而变成临界角内的光。第二个是由于，第二透光层3b的膜厚在外缘部变得过薄，超过临界角的光的一部分以迅衰光的状态透过直至光耦合构造内部，该光在光栅发生衍射而变成临界角内的光。
另一方面，若将衍射光栅的深度d＝0.18μm时的结果与d＝0时的结果比较，则前者的透射率与后者大体上接近，但在箭头a、b、c、d、e的位置，透射率下降。这些位置相当于光与导波光耦合的条件，导波后，从第三透光层3c的端面放射，成为临界角外的光。该放射光以传播角90度(x轴方向)为中心而纳入±35度左右的范围(参照图5)。
在图16中，透射光的上升在入射角55度以上时终结，大体为零，因此可知，一次而成为导波光所放射的光反复发生全反射而成为停留在板内部的临界角外的光(传播角55度以上的光)。还有，第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q向外缘部倾斜，在这些面发生全反射的光的传播角对应倾斜方向而变大或变小，但因为其发生概率相同，所以整体上能够维持大体相同的传播角。
图16(d)表示将图16(a)、(b)、(c)的曲线对入射角θ进行积分的值的规格值(除以90的值)，将凹槽深度d作为参数。因为分析模型是二维的，所以该积分值等于板内的光被引出到板外的效率。任何波长下，随着d的增大(至少在d＝0、d＝0.18的比较中)，引出效率均减小。这体现出单一的光耦合构造带来的光封闭的效果，与第一实施方式的分析结果同样。如果该效果能够累积，使光耦合构造的数量增加，则能够封闭全部的光。还有，本分析虽然是二维的模型，但在现实的三维模型中，对于图2(a)的俯视图所示的任意的方位角φ，满足作为耦合条件的式(1)的入射光必定存在，因此图16所示的透射率的曲线并非在箭头a、b、c、d、e等的局部性的范围而是在涉及全部的入射角θ的范围下降，光耦合构造带来的光封闭的效果变得更大。
图17是表示在第三实施方式的板中，基于向单一的光耦合构造的端面的入射，入射角θ与向板外的透射率的关系的分析结果。分析条件采用的是，在图15和图3中，只使光源S的位置向x轴的负侧移动5μm的。图17(a)是光源的波长λ＝0.45μm的情况，图17(b)是波长λ＝0.55μm的情况，图17(c)是波长λ＝0.65μm的情况，分别将本实施例的模型与实施例1的模型比较，并且也绘制没有光耦合构造的条件(只有透光板2和光源S的结构)下的结果。若将实施例1的模型的结果与没有光耦合构造时的结果(Nothing)比较，则两方均在临界角内(41.8度以下)大体一致，但在临界角外(41.8度以上)的范围时，后者变得大体为零，相对于此，前者大幅上升。之所以前者在临界角外上升，如参照图2(c)、(d)说明的，是由于入射到光耦合构造的第一透光层3a和第二透光层3b的端面的光在折射之后，成为临界角内的光而从上表面出射。相对于此，第三实施方式的模型的结果是，在入射角55度以上的范围，上升显著得到抑制，几乎变成零。这是由于在，第三实施方式的端面，没有第一透光层3a和第二透光层3b占据的区域，本来在端面发生折射的成分，在第二透光层3b的倾斜的表面3q发生全反射。因此，第三实施方式是在第一实施方式和第二实施方式以上，能够抑制端面的影响(临界角外的光被转换成临界角内的光的现象)的结构，可以说是封闭光的效果更强的结构。
取光板53例如，能够通过以下的方法制造。图18(a)至(f)，是表示取光板53的制造步骤的模式化的剖面结构图，图19(a)、(b)是表示用于制成板的模具表面的图案的模式化的俯视图。在图19(a)中，模具25a的表面为平面，在模具25a的表面，例如，二维排列有相同尺寸的矩形的微小构造25A。矩形的微小构造25A是高度d、间距Λ的衍射光栅。衍射光栅的方位在每个微小构造25A是都不同。在图19(a)中，使0度、45度、90度、135度的按45度刻度的方位的衍射光栅规则地排列，但实际上优选以30度和15度刻度等、更小的刻度幅度的方位而使光栅等频度地排列。在图19(b)的模具25b、25b’的表面，也二维排列有矩形的微小构造25B、25B’。微小构造25B、25B’的配置的间距，与微小构造25A的配置的间距相等。微小构造25B、25B’为凹部，其底为平面。凹部的深度相当于图14的尺寸a或b。模具25a的微小构造25A，其方形是几乎连接程度的大小(也可以连接)，但模具25b、25b’的微小构造25B、25B’的方形小。
如图18(a)所示，在拥有平坦的表面的模具25c之上铺设透明的树脂板24，在其上薄涂布分离剂，以此状态，用模具25a挤压。如图18(b)所示，抬起模具25a，从树脂板上剥落模具25a，在有衍射光栅转印的树脂板24之上铺设平坦的树脂板24a。
如图18(c)所示，一边加热树脂板24、树脂板24a，一边以模具25b进行挤压，在模具25b的凹陷25B的区域使树脂板24a升起，在此以外的区域接合树脂板24、树脂板24a。这时，衍射光栅在接合部完全消灭，只剩树脂板24a升起的区域。树脂板24a的升起在与树脂板24之间形成空气层(或真空层)。如图18(d)所示，卸下模具25c而从树脂板24上剥落，在树脂板24之下铺设树脂板24a’。如图18(e)所示，一边加热树脂板24、树脂板24a’，一边用模具25b’进行挤压，在模具25b’的凹陷25B‘的区域使树脂板24a’升起，在此以外的区域接合树脂板24、树脂板24a’。树脂板24a’的升起，在与树脂板24之间形成空气层(或真空层)。如图18(f)所示，剥离模具25b，25b’，树脂板24a、树脂板24、树脂板24a’的接合板完成。之后，经由粘接层使这些接合板贴合，将其重复而制作图1(a)所示的透光板2的第三区域2c。在透光板2的第三区域2c的表面和背面，粘接构成透光板2的第一区域2a和第二区域2b的树脂板，由此取光板53完成。还有，也可以在树脂板24a、24a‘和构成第一区域2a和第二区域2b的树脂板的表面，预先形成无反射纳米构造。
(第四实施方式)
说明本发明的光接收装置的实施方式。图20模式化地表示本实施方式的光接收装置54的截面构造。光接收装置54，具备第一实施方式的取光板51和光电转换部7。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53替代取光板51。
在取光板51的端面2s、2r，优选设置反射膜11。与取光板51的第二主面2q邻接地设置光电转换部7。在透光板2有多个端面时，优选在全部的端面设置反射膜11。在本实施方式中，第二主面2q的一部分和光电转换部7的光接收部接合。光电转换部7也可以设置在取光板51的第一主面2p的一部分。
通过反射膜11覆盖取光板51的端面2r、2s，使得引入取光板51内而被密封的光在取光板51内循环。
光电转换部7，是由硅构成的太阳能电池。也可以在一片取光板51上安装多个光电转换部7。因为硅的折射率为5左右，所以通常，即使使光与太阳能电池的光接收面垂直地入射时，入射的光之中，也会有40％左右的光无法引入光电转换部7，而是因反射而被丧失。光倾斜入射时，这一反射损耗进一步增大。为了减小其反射量，会在市场销售的太阳能电池的表面形成AR涂层和无反射纳米构造，但并不能获得充分的性能。此外，在太阳能电池内部还存在金属层，由其反射的光的相当部分被放出到外部。若有AR涂层和无反射纳米构造，则反射光以高效率被放出到外部。
相对于此，本发明的取光板，将全部的可视光波长的光以全部的入射角度取引并密封在取光板内。因此，在光接收装置54中，从取光板51的第一主面2p入射的光被取光板51取引，在取光板51内循环。因为硅的折射率比透光板2的折射率大，所以入射到第二主面2q的临界角外的光5b’、6b’不会全反射，其一部分作为折射光5d’、6d’而向光电转换部7透射，在光电转换部被转换成电流。若反射的临界角外的光5c’、6c’在板内传播，则再度入射到光电转换部7而被利用于光电转换，直至全部的的密封光消失。若使透过板2的折射率为1.5，则垂直入射到第一主面2p的光的反射率为4％左右，但如果在该面形成AR涂层和无反射纳米构造，则包含波长依存性和角度依存性，能够将反射率抑制在1～2％以下。其以外的光入射取光板51而被封闭，被利用于光电转换。
根据本实施方式的光接收装置，能够将入射光的大部分封闭在板内，将其大部分利用于光电转换。因此，能够大幅改善光电转换部的能量转换效率。另外，光接收面积由第一主面p的面积决定，由该面接收的光全部向光电转换部7入射。因此，能够减小光电转换部7的面积，或减少光电转换部7的数量，能够实现光接收装置的大幅低成本化。
(第五实施方式)
说明本发明的光接收装置的其他的实施方式。图21模式化地表示本实施方式的光接收装置55的截面构造。光接收装置55具备第一实施方式的取光板51和光电转换部7。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53代替取光板51。
就光接收装置55而言，在第二主面2q设有凹凸构造8，在与光电转换部7之间设有间隙这一点上，与第四实施方式的光接收装置54不同。设于第二主面2q的凹凸构造8，其凹部和凸部的宽度为0.1μm以上，可以是周期图案，也可以是随机图案。在该凹凸构造8作用下，向第二主面2q入射的临界角外的光5b’、6b’不发生全反射，其一部分作为出射光5d’、6d’成为朝向光电转换部7的光，被进行光电转换。在光电转换部7的表面反射的光，从取光板51的第二主面2q被引入到内部，在取光板51内传播后，再度作为出射光5d’、6d’而成为朝向光电转换部7的光。因此，在本实施方式的光接收装置中，能够将入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。另外，与第四实施例同样，能够减小光电转换部7的面积，或者减少光电转换部7的数量。因此，能够实现能量转换效率大幅改善，低成本化的光接收装置。
(第六实施方式)
说明本发明的光接收装置的其他的实施方式。图22模式化地表示本实施方式的光接收装置56的截面构造。光接收装置56具备第一实施方式的取光板51、光电转换部7和棱镜板9。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53替代取光板51。
就光接收装置56而言，在第二主面2q和光电转换部7之间设有棱镜板9，这一点与第四实施方式的光接收装置54不同。在棱镜板9的内部，四面体状的棱镜10彼此邻接地配置。也可以将两片三角柱棱镜列的板正交层叠，构成棱镜板9。因为棱镜10的折射率设定得比棱镜板9的折射率大，所以入射到棱镜板9的表面的临界角外光5b’、6b’在棱镜表面发生折射而成为5d’、6d’，朝向光电转换部7。向光电转换部7的光的入射角接近垂直，因此能够减小在光电转换部7的光接收面的反射，与第四实施方式相比，能够减少取光板51内的光的循环数。
在本实施方式的光接收装置中，也能够使入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。另外，与第四实施例同样，能够减小光电转换部7的面积，或能够减少光电转换部7的数量。因此，能够实现能量转换效率得到大幅改善的、低成本化的光接收装置。另外，与第四实施方式相比，因为板内的光的循环数少，所以难以受到取光板的光密封性能的影响。
(第七实施方式)
说明本发明的光接收装置的其他的实施方式。图23模式化地表示本实施方式的光接收装置57的截面构造。光接收装置57具备第一实施方式的取光板51和光电转换部7。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53替代取光板51。
就光接收装置57而言，替代反射膜11而以光电转换部7覆盖端面2s、2r，这一点与第四实施方式的光接收装置54不同。透光板2的端面为多个时，优选在全部的端面设置光电转换部7。在本实施方式的情况下，也可以在取光板51上设置第四区域2h。
在端面2s、2r设置光电转换部7时，与第四实施方式不同，临界角外的光5c、6c、5c’、6c’沿着光电转换部7的光接收面的法线而入射到光电转换部7。因此光电转换部7的表面的反射小，能够减少取光板51内的光的循环数。
在本实施方式的光接收装置中，也能够将入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。因此，能够实现能量转换效率大幅改善的光接收装置。另外，与第四实施方式相比，因为能够减小光电转换部7的面积，所以能够实现大幅的低成本化。另外，与第四实施方式相比，因为板内的光的循环数少，所以难以受到取光板的光密封性能的影响。
(第八实施方式)
说明本发明的光接收装置的其他的实施方式。图24模式化地表示本实施方式的光接收装置58的截面构造。光接收装置58具备取光板51、51’和光电转换部7。也可以分别独立地使用第一取光板51、第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53来替代取光板51、51’。本实施方式的情况下，也可以在取光板51’上设置第四区域2h。
光接收装置58其接合方式为，在第四实施方式的光接收装置54的第一主面2p上接合取光板51的端面2s，这一点与第四实施方式不同。优选取光板51’与取光板51正交接合。另外，在取光板51’中，优选在端面2r设有反射膜11，在与取光板51接合的端面2s邻域的第一主面2p’和第二主面2q’设有反射膜11’。反射膜11’具有的作用是，以使来自取光板51的临界角外的光6b不会泄漏到取光板51’外的方式将光6b进行反射。
入射到取光板51的第一主面2p的光4被引入取光板51内。另一方面，入射到取光板51’的第一主面2p’和第二主面2q’的光4’被引入取光板51’内。因为端面2r被反射膜11覆盖，所以引入到取光板51’内的光成为在端面2s侧传播的导波光12，与取光板51内的光汇合。取光板51内的第二主面2q的一部分与光电转换部7的表面接触，因为硅的折射率比透光板2的折射率大，所以入射到第二主面2q的临界角外的光5b’、6b’不发生全反射，其一部分作为折射光5d’、6d’向光电转换部7入射，并在光电转换部7被转换成电流。反射的临界角外的光5c’、6c’在取光板51内传播，再度入射到光电转换部7的光接收面，被继续利用于光电转换，直至大部分的密封光消失。
本实施方式的光接收装置具备相对于光电转换部7的光接收面垂直的取光板51’，因此，即使是对于取光板51的第一主面2p倾斜入射的光，也会以接近垂直的角度入射到取光板51’的第一主面2p’和第二主面2q’。因此，更容易取引全部的方位的光。
在本实施方式的光接收装置中，也能够将入射光的大部分封闭在取光板内，将其大部分利用于光电转换。另外，与第四实施例同样，能够减小光电转换部7的面积，或能够减少光电转换部7的数量。因此，能够实现能量转换效率大幅改善的、低成本化的光接收装置。
(第九实施方式)
说明本发明的采光板的实施方式。图25模式化地表示本实施方式的采光板59的截面构造。采光板59具备：第一实施方式的取光板51、和在取光板51的第一主面2p和第二主面2q的一部分所设置的凹凸构造8。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53代替取光板51。在取光板51中，在端面2r、2s设有反射膜11。
就凹凸构造8而言，其形成于第一主面2p的一部分，且构成使该凹部和凸部的宽度为0.1μm以上的随机图案。被取光板51取引的光在取光板51的内部传播，在该凹凸构造8的作用下，传播光的一部分作为出射光5d’、6d’被放射到外部。
采光板59设于住宅等的建筑物的采光用窗上，其设置得使设有凹凸构造8的第一主面2p位于室内侧。白天，采光板59从第二主面2q取引太阳13a的光，将该光从凹凸构造8放射到室内。由此能够作为从凹凸构造8放射光的室内照明使用。另外，夜间，采光板59从第一主面2p取引室内照明13b的光，将该光从凹凸构造8放射。由此，能够将采光板59作为室内照明的辅助。如此根据本实施方式的采光板，能够将入射光的大部分封闭在板内，将其作为照明进行再利用，能够实现能源的有效利用。
(第十实施方式)
说明本发明的发光装置的实施方式。图26模式化地表示本实施方式的发光装置60的截面构造。发光装置60具备取光板51、光源14、棱镜板9。也可以使用第二实施方式的取光板52或第三实施方式的取光板53代替取光板51。
LED等的光源14，与取光板51的第一主面2p或第二主面2q的一方邻接地设置，在另一方设有凹凸构造8。在本实施方式中，光源14与第一主面2p邻接地配置，在第二主面2q设有凹凸构造8。另外，在取光板51的端面2s、2r设有反射膜11。就凹凸构造8而言，其凹部和凸部的宽度为0.1μm以上，可以是周期图案，也可以是随机图案。
就棱镜板9而言，在第二主面2q以与凹凸构造8对置的方式隔开间隙地配置。在棱镜板9的内部，四面体状的棱镜10彼此邻接地配置。也可以正交层叠两片三角柱棱镜列的板，构成棱镜板9。
从光源14出射的光4从取光板51的第一主面2p被引入，成为在取光板51内传播的光12。该光在凹凸构造8的作用下，其一部分作为出射光5d’、6d’被放射到外部。放射的光被棱镜板9内的棱镜10会聚，成为大体平行的波阵面的光4a。
根据本实施方式的发光元件，以简单且薄的结构，就能够将从点光源出射的光封闭在取光板内，将该光作为面光源引出。
(第十一实施方式)
说明本发明的取光棒的实施方式。图27(a)和(b)模式化地表示与本实施方式的取光棒61的中心轴平行的截面构造和与中心轴垂直的截面构造。取光棒61具备：透光棒2’、在透光棒2’的内部所配置的至少一个光耦合构造3。
透光棒2’在与中心轴C垂直的面具有圆或椭圆的截面形状。透光棒2’与第一实施方式同样，由透射对应用途的期望的波长或期望的波长域内的光的透明材料构成。
透光棒2’的截面为圆形时，在与透光棒2’的中心轴C垂直的截面的直径D例如为0.05mm～2mm左右。从作为透光棒2’的主面的表面2u，朝向中心轴C的方向上距离d3以上间隔开地设有一个以上的光耦合构造3。优选取光棒61具备多个耦合构造3。透光棒2’具有圆或椭圆的截面形状，光耦合构造3在与透光棒2’的中心轴C垂直的面，具有以中心轴C为中心的直径d＝D-2×d3的圆形，且配置在沿中心轴C方向而延伸的中心区域2A内。
就光耦合构造3而言，在中心区域2A内分别在轴向、径向和周向以规定的密度配置。例如，光耦合构造3的配置的密度，轴向每1mm有10～103个，径向每1mm有10～103个，在周向每1mm有10～103个左右。中心区域的截面形状为圆形或椭圆，也可以是两个以上的轮带形状。
光耦合构造3具备与第一实施方式的光耦合构造3相同的构造。另外，取光棒61也可以具备第二实施方式的光耦合构造3’或第三实施方式的光耦合构造3”而取代光耦合构造3。
光耦合构造3按照使第三透光层3c的衍射光栅与透光棒2’的中心轴C平行的方式被配置在中心区域2A内。光耦合构造3的中心轴C方向的长度L为3μm～100μm，与之正交的方向的长度W是L的1/3～1/10左右。
在图27(a)和(b)中，使包围取光棒61的环境介质的折射率为1.0，透光棒2’的折射率为ns。来自环境介质的光4透过表面2u而进入透光棒2’的内部。为了提高在表面2u入射的光4的透射率，也可以形成AR涂层和无反射纳米构造(蛾眼结构等)。在此，透光棒2’内部的光之中，将其传播方位和棒表面的法线的夹角θ(传播角)满足sinθ＜1/ns的光称为临界角内的光，将满足sinθ≥1/ns的光称为临界角外的光。
首先，尝试观看与透光棒2’的中心轴C平行的截面的光的矢量。在该截面，透光棒2’内部的临界角内的光5a的一部分被光耦合构造3转换成临界角外的光5b，该光在表面2u发生全反射，成为停留在透光棒2’内部的临界角外的光5c。另外，临界角内光5a的剩余的临界角内的光5a’之内的一部分被别的光耦合构造3转换成临界角外的光5b’，该光在表面2u发生全反射，成为停留在棒内部的临界角外的光5c’。如此临界角内的光5a的全部，在设有光耦合构造3的中心区域2A内被转换成临界角外的光5b和5b’。另一方面，透光棒2’内部的临界角外的光6a，其一部分在光耦合构造3的表面发生全反射而成为临界角外的光6b，该光在表面2u发生全反射，成为停留在棒内部的临界角外的光6c。另外，临界角外的光6a的剩余的光的一部分透过设有光耦合构造3的中心区域2A，该临界角外的光6b’在表面2u发生全反射，成为停留在透光棒2’内部的临界角外的光6c’。另外，虽未图示，但一边在不同的光耦合构造3之间和表面2u之间发生全反射，一边停留在板内部的临界角外的光也存在。
如参照图2(a)说明的，临界角内的光5a，透过第二透光层3b的表面3q，其一部分在衍射光栅的作用下，被转换成在第三透光层3c内传播的导波光5B。其余成为透射光和衍射光，主要成为临界角内的光5a’而透过光耦合构造3、或作为反射光成为临界角内的光5r，通过光耦合构造3。导波光5B直至达到第三透光层3c的端面3S，其一部分在与临界角内的5r相同的方向上被放射而成为临界角内的光5r’，剩余作为导波从第三透光层3c的端面3S放射，成为临界角外的光5c。另一方面，临界角外的光6a，在第二透光层3b的表面3q发生全反射，其全部成为临界角外的光6b。如此，入射到光耦合构造3的表面(第一透光层3a的表面3p和第二透光层3b的表面3q)的临界角外的光为临界角外的状态，临界角内的光其一部分被转换成临界角外的光。
接着，观看与棒的中心轴正交的截面中光的矢量。在该截面，进入棒内部光被分为三种。通过中心区域2A的光15a，通过中心区域2A的外缘的光15b，然后通过中心区域2A之外的光15c。就光15a而言，如前述，在沿着棒的中心轴的截面内被转换成停留在棒内部的临界角外的光。另一方面，光15b是以角度ψ入射到棒的表面2u的光，ψ满足式(3)。
【算式3】 sin ψ = d D - - - ( 3 )
当然，光15c向表面2u的入射角比ψ大。因此，如果式(4)成立，则光15b在棒的第一主面2p发生全反射，光15b、15c在与中心轴正交的截面内变成停留在透光棒2’内部的临界角外的光。
【算式4】
d D ≥ 1 n 0 - - - ( 4 )
因此，符合与平行于透光棒2’的中心轴C的截面正交的截面，满足式(4)，成为透光棒2’内部的全部的光用于停留在透光棒2’内部的条件。
图28是表示取光棒61的制作步骤的模式化的剖面结构图。在图28中，以与第一至第三的实施方式相同的方法，制作图7、13、18的树脂板24、24a(和24′、24a′)。在树脂板24、24a(和24a′)上形成光耦合构造3的衍射光栅的栅格矢量，按照沿着z轴测量的间距为0.30μm至2.80μm的方式使各种各样的间距的衍射光栅组合，或者将单一的间距的衍射光栅以取相对于z轴为各种各样的方向(例如按30度和15度刻度的角度)的方式设置，或者也可以是其组合。就光耦合构造3的大小而言，按照能够使耦合的导波光尽可能沿着棒的中心轴放射的方式，将z轴方向的长度L设定为3μm～100μm，与之正交的方向的长度W设定为L的1/2～1/10左右。在该板没有衍射光栅一侧的表面薄涂布粘接剂，一边在z轴的周围旋转一边卷绕，由此能够提作取光棒61的中心区域2A。再在其周围由形成有无反射纳米构造的透明的保护层包裹，取光棒61完成。
(第十二实施方式)
说明本发明的发光装置的实施方式。图29模式化地表示本实施方式的发光装置62的截面构造。发光装置62具备取光棒61、光源14R、14G、14B。取光棒61具备如第十一实施方式中所说明的构造。
在取光棒61的端面2r设有反射膜11。优选在取光棒61的端面2s侧的表面2u设置锥度2v，连接比透光棒2’直径小的波导28。
光源14R、14G、14B由LD和LED等构成，例如，分别发出红、绿、蓝的光。这些光源出射的光由透镜会聚，向透光棒2’的表面2u照射光4R、4G、4B。这些光通过中心区域2A内的光耦合构造3而被封闭在透光棒2’内部，由于一方的端面2r被反射膜11覆盖，所以整体上成为在棒内部沿一个方向传播的导波光12。该导波光12由棒2’的直径慢慢变小的锥度2v在无损耗下聚集，成为在拥有细径的波导18内部传播的导波光。由此，从波导18的端面以近似点光源的方式将光19出射。光源为激光时，光4R、4G、4B是相干光，但因为来自各个光耦合构造3的光放射在离散的相位进行，所以其合成的导波光12成为非相干光。因此，出射光19也为非相干光。如果调整光4R、4G、4B的光量，则能够使出射光19成为白色光。现在，红、蓝的半导体激光器得以实现，如果使用SHG，则也能够利用绿色的激光。由这些光源合成白色光时，一般来说需要复杂的光学构成，而且由于激光特有的可干涉性还会成为闪耀的光。但是，根据本实施方式的发光装置62，以极其简单的构成，就能够提供不闪耀的更自然的白色光的点光源。
本实施方式的情况下，需要调整的地方，是入射的光4R、4G、4B形成的会聚光和棒2’的位置调整。图30是表示光向取光棒61入射的情况的剖面说明图，点O是棒的中心。若使透光棒2’的折射率为1.5，则与直线AOB平行的光16a发生折射，成为大致会聚到点A的光16b。若中心区域2A的直径比透光棒2’的直径的1/1.5大，则根据式(4)，光16b确实地通过中心区域2A，被封闭在透光棒2’内。相反，描绘没有通过中心区域2A的光线有困难。例如，若考虑入射到点B而没有通过中心区域的光17b，则为此入射光线17a对于入射面成为狭小的角度的光(高数值孔径造成会聚的最外缘的光)。换言之，如果是一般的入射角的光线，即一般的数值孔径下的会聚的光，则其全部通过中心区域2A，被封闭在透光棒2’内。这表示入射的光4R、4G、4B与透光棒2’的位置调整可以非常粗略，显示出调整的容易性。
(第十三实施方式)
说明本发明的发光装置其他的实施方式。图31模式化地表示本实施方式的发光装置63的截面构造。发光装置63具备取光棒61、光源14和棱镜板9。取光棒61具备如第十一实施方式中所说明的构造。
在取光棒61的端面2r设有反射膜11。另外，取光棒61没有设置光耦合构造3的部分作为波导18发挥机能。在波导18的表面2u设有棱镜板9。
光源14由LD和LED等构成，发出可视光。该光源出射的光由透镜会聚，成为在透光棒2’内透过的光4。这些光通过中心区域2A内的光耦合构造3，被封闭在透光棒2’内部，因为一方的端面由反射膜11覆盖，所以整体上成为在透光棒2’内部沿一个方向传播的光12，成为在波导18内部传播的导波光。在波导18上接触配置有棱镜板9。在棱镜板9的内部，四面体状的棱镜10彼此邻接配置。也可以将三角柱棱镜列的板正交贴合。因为该棱镜10的折射率比棱镜板9的折射率大，所以从波导18漏出而入射到棱镜板9的光发生折射，从棱镜板9出射，成为平行的出射光19。还有，也可以使棱镜板9从波导18分离，这种情况下，在波导18的表面的面向棱镜板9的一侧，形成凹凸构造而使光出射。
光源为激光时，光4为相干光，但因为来自各个光耦合构造3的光放射在离散的相位进行，所以其合成的导波光12成为非相干光。因此，出射光19也为非相干光。现在，红、蓝的半导体激光得以实现，如果使用SHG，也能够利用绿色的激光。若使用这些光源，则能够得到红、绿、蓝的线光源。例如，聚汇这些线光源，能够以极其简单的结构提供液晶显示器用的彩色背光。
【产业上的可利用性】
本发明的板和棒可以跨越宽阔区域、宽阔波长范围(例如可视光全域)，以全部的入射角进行光的取引，使用了它们的光接收装置对于高转换效率太阳能电池等有用，另一方面，使用了它们的光接收和发光装置，提供新的照明和光源的形态，作为利用太阳光和照明光的循环照明、高效率的背光、非相干的白色光源有用。
【符号说明】
2透光板
2’透光棒
2p第一主面
2q第二主面
2u表面
3，3’，3”光耦合构造
3a第一透光层
3b第二透光层
3c第三透光层
3d衍射光栅
4入射光
5a，5a’临界角内的光
5b，5c，5b’，5c’临界角外的光
6a，6b，6c，6b’，6c’临界角外的光
9棱镜板
10棱镜
11反射膜
14光源

Claims (26)

1.一种取光板，其中，具备：
具有第一和第二主面的透光板；
在所述透光板内，在从所述第一和第二主面分别隔开第一和第二距离以上的内部所配置的多个光耦合构造，
所述多个光耦合构造各自含有：第一透光层、第二透光层、它们所夹的第三透光层，
所述第一透光层、所述第二透光层、及所述第三透光层在与所述第一和第二主面垂直的方向层叠，
所述第一和第二透光层的折射率比所述透光板的折射率小，
所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，
所述第三透光层具有：与所述透光板的所述第一和第二主面平行的衍射光栅，
在所述多个光耦合构造中的、在与所述第一和第二主面平行的面接近的任意的两个所述光耦合构造中，一个所述光耦合构造所包括的所述第一透光层及所述第二透光层，与另一个所述光耦合构造的所述第一透光层及所述第二透光层经由所述透光板隔离。
2.根据权利要求1所述的取光板，其中，
所述多个光耦合构造，在所述透光板内、且在从所述第一和第二主面分别隔开所述第一和第二距离以上的内部，被三维配置。
3.根据权利要求2所述的取光板，其中，
所述衍射光栅的间距为0.1μm以上、3μm以下。
4.根据权利要求3所述的取光板，其中，
所述第一和第二透光层的表面具有：与100μm以下的直径的圆外接的大小，
所述多个光耦合构造各自的厚度为3μm以下。
5.根据权利要求4所述的取光板，其中，
在所述多个光耦合构造之中的至少两个，所述衍射光栅的延伸的方向互不相同。
6.根据权利要求4所述的取光板，其中，
在所述多个光耦合构造之中的至少两个，所述衍射光栅的间距互不相同。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的取光板，其中，
所述透光板包括如下区域：
与所述第一主面接触、且厚度具有所述第一距离的第一区域；
与所述第二主面接触、且厚度具有所述第二距离的第二区域；
由所述第一和第二区域所夹的第三区域；
在所述第三区域内所设置的、且连接所述第一区域和所述第二区域的至少一个第四区域，
所述多个光耦合构造仅被配置在所述至少一个第四区域以外的所述第三区域内，
贯通所述第四区域的任意的直线，相对于所述透光板的厚度方向，沿着比由所述透光板的折射率和所述透光板的周围的环境介质的折射率所规定的临界角大的角度而延伸。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的取光板，其中，
在所述多个光耦合构造中的至少一个，所述第一和第二透光层的膜厚，随着从所述光耦合构造的中心朝向外缘侧而变小。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的取光板，其中，
在所述多个光耦合构造中的至少一个、且在所述第一和第二透光层的与所述透光板接触的面以及所述第一主面、所述第二主面的任意之一上，形成有使间距和高度为设计波长的1/3以下的凹凸构造。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的取光板，其中，
所述取光板在被环境介质包围下使用，所述第一和第二透光层的折射率，与所述环境介质的折射率相等。
11.一种取光棒，其中，具备：
具有主面、和圆或椭圆的截面的透光棒；
在所述透光棒内、且在从所述主面隔开第一距离以上的内部所配置的多个光耦合构造，
所述多个光耦合构造各自含有：第一透光层、第二透光层、它们所夹的第三透光层，
所述第一透光层、所述第二透光层、及所述第三透光层在与所述主面垂直的方向层叠，
所述第一和第二透光层的折射率比所述透光棒的折射率小，
所述第三透光层的折射率比所述第一和第二透光层的折射率大，
所述第三透光层具有：与所述透光棒的中心轴平行的衍射光栅，
在所述多个光耦合构造中的、在与所述主面平行的面接近的任意的两个所述光耦合构造中，一个所述光耦合构造所包括的所述第一透光层及所述第二透光层，与另一个所述光耦合构造的所述第一透光层及所述第二透光层经由所述透光棒隔离。
12.根据权利要求11所述的取光棒，其中，
所述多个光耦合构造，在所述透光棒内、且在从所述主面隔开所述第一距离以上的内部，被分别三维配置。
13.根据权利要求12所述的取光棒，其中，
所述衍射光栅的间距为0.1μm以上、3μm以下。
14.根据权利要求13所述的取光棒，其中，
所述第一和第二透光层的表面，具有与100μm以下的直径的圆外接的大小，
所述光耦合构造各自的厚度为3μm以下。
15.根据权利要求14所述的取光棒，其中，
在所述多个光耦合构造之中的至少两个，所述衍射光栅的延伸的方向互不相同。
16.根据权利要求14所述的取光棒，其中，
在所述多个光耦合构造之中的至少两个，所述衍射光栅的间距互不相同。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的取光棒，其中，
在所述多个光耦合构造中的至少一个、且在所述第一和第二透光层的与所述透光棒接触的面，和所述主面的任意之一上，形成有使间距和高度为设计波长的1/3以下的凹凸构造。
18.根据权利要求11至16中任一项所述的取光棒，其中，
所述第一和第二透光层的折射率与所述透光棒的周围的环境介质的折射率相等。
19.一种光接收装置，其中，具备：
权利要求1至10中任一项所述的取光板；
在所述取光板的所述第一主面、所述第二主面以及与所述第一主面和所述第二主面邻接的端面的任意之一上所设置的光电转换部。
20.根据权利要求19所述的光接收装置，其中，
还具备其他的权利要求1至10中任一项所述的取光板，
在所述取光板的所述第一主面设有所述光电转换部，
在所述取光板的所述第二主面连接有所述其他的取光板的端面。
21.一种光接收装置，其中，具备：
权利要求1至10中任一项所述的取光板；
在所述取光板的所述第一主面或所述第二主面所设置的凹凸构造或棱镜板；
接收从所述凹凸构造或所述棱镜板出射的光的光电转换部。
22.一种光接收装置，其中，具备：
权利要求1至10中任一项所述的取光板；
在所述取光板的所述第一主面或所述第二主面的一部分所设置的凹凸构造。
23.一种发光装置，其中，具备：
权利要求1至10中任一项所述的取光板；
与所述取光板的所述第一主面或所述第二主面的一方接近地设置的光源；
在所述取光板的所述第一主面或所述第二主面的另一方所设置的凹凸构造；
按照使从所述凹凸构造出射的光入射的方式配置的棱镜板。
24.一种发光装置，其中，具备：
权利要求11至18中任一项所述的取光棒；
与所述透光棒的主面接近地配设的至少一个光源。
25.根据权利要求24所述的发光装置，其中，
具备三个所述光源，
所述三个光源分别出射红色、蓝色和绿色的光。
26.根据权利要求24所述的发光装置，其中，
还具备：在所述透光棒的主面的一部分所设置的棱镜板或凹凸构造。
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Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11726332B2 (en) 2009-04-27 2023-08-15 Digilens Inc. Diffractive projection apparatus
WO2016020630A2 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Milan Momcilo Popovich Waveguide laser illuminator incorporating a despeckler
JP6132241B2 (ja) * 2011-11-08 2017-05-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートを備える受光装置
CN103270442B (zh) * 2011-11-08 2015-12-23 松下电器产业株式会社 取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置
JP5649725B2 (ja) * 2011-11-08 2015-01-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシート、ならびに、それを用いた受光装置および発光装置
WO2013080522A1 (ja) * 2011-11-29 2013-06-06 パナソニック株式会社 光取り込みシートおよびロッド、ならびに、それらを用いた受光装置および発光装置
JP5820845B2 (ja) * 2012-09-07 2015-11-24 キヤノン・コンポーネンツ株式会社 照明装置、イメージセンサユニットおよび紙葉類識別装置
US9933684B2 (en) * 2012-11-16 2018-04-03 Rockwell Collins, Inc. Transparent waveguide display providing upper and lower fields of view having a specific light output aperture configuration
WO2014199572A1 (ja) 2013-06-13 2014-12-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器
WO2016042283A1 (en) 2014-09-19 2016-03-24 Milan Momcilo Popovich Method and apparatus for generating input images for holographic waveguide displays
CN104503129B (zh) * 2014-12-30 2018-02-13 京东方科技集团股份有限公司 一种光学模组和反射型显示装置
CN107873086B (zh) 2015-01-12 2020-03-20 迪吉伦斯公司 环境隔离的波导显示器
US9632226B2 (en) 2015-02-12 2017-04-25 Digilens Inc. Waveguide grating device
WO2017060665A1 (en) 2015-10-05 2017-04-13 Milan Momcilo Popovich Waveguide display
US11231544B2 (en) 2015-11-06 2022-01-25 Magic Leap, Inc. Metasurfaces for redirecting light and methods for fabricating
CN107179575B (zh) * 2016-03-09 2022-05-24 松下知识产权经营株式会社 光检测装置及光检测***
JP6646830B2 (ja) 2016-03-30 2020-02-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光検出装置および光検出システム
US10340844B2 (en) * 2016-05-05 2019-07-02 Washington State University High-performance planar solar concentrators based on nanoparticle doping
KR20210032022A (ko) 2016-05-06 2021-03-23 매직 립, 인코포레이티드 광을 재지향시키기 위한 비대칭 격자들을 가진 메타표면들 및 제조를 위한 방법들
US10371873B2 (en) * 2016-12-07 2019-08-06 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. High fidelity optical beam dump
CN110073259A (zh) 2016-12-15 2019-07-30 松下知识产权经营株式会社 波导片以及光电变换装置
US10545346B2 (en) 2017-01-05 2020-01-28 Digilens Inc. Wearable heads up displays
CN110520763B (zh) * 2017-01-27 2021-10-26 奇跃公司 由具有不同取向的纳米梁的超表面形成的衍射光栅
EP3574350A4 (en) 2017-01-27 2020-12-09 Magic Leap, Inc. ANTIREFLEX COATING FOR META SURFACES
US10359557B2 (en) * 2017-05-03 2019-07-23 Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. Light guide plate having periodic microstructure configured on light emission surface and a light waveguide layer configured within transmission layer and backlight module having a collimation structure configured with a plurality of collimation-layer units and a plurality of collimation-optical-lens units to collimate light beams emitted from the light emission surface of the light guide plate
WO2019078081A1 (ja) 2017-10-20 2019-04-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 導波シート及び光電変換装置
JP2022520472A (ja) 2019-02-15 2022-03-30 ディジレンズ インコーポレイテッド 統合された格子を使用してホログラフィック導波管ディスプレイを提供するための方法および装置
KR20220016990A (ko) 2019-06-07 2022-02-10 디지렌즈 인코포레이티드. 투과 및 반사 격자를 통합하는 도파관 및 관련 제조 방법
WO2021041949A1 (en) 2019-08-29 2021-03-04 Digilens Inc. Evacuating bragg gratings and methods of manufacturing

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1774661A (zh) * 2004-03-29 2006-05-17 索尼株式会社 光学装置以及虚像显示装置

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02245709A (ja) * 1989-03-20 1990-10-01 Hitachi Ltd 光集積回路への光の入射方法および装置
JP2659595B2 (ja) 1989-10-18 1997-09-30 株式会社テック 端面発光型ｅｌ素子
JPH05224018A (ja) 1991-07-30 1993-09-03 Nippondenso Co Ltd 導光装置
US5877874A (en) 1995-08-24 1999-03-02 Terrasun L.L.C. Device for concentrating optical radiation
KR20010024923A (ko) 1998-12-17 2001-03-26 야스카와 히데아키 발광 장치
US6603901B1 (en) * 2000-03-03 2003-08-05 Lucent Technologies Inc. Optical fiber gratings with index matched polymer coating for cladding mode suppression
US6985656B2 (en) * 2000-03-16 2006-01-10 Lightsmyth Technologies Inc Temperature-compensated planar waveguide optical apparatus
US7194164B2 (en) * 2000-03-16 2007-03-20 Lightsmyth Technologies Inc Distributed optical structures with improved diffraction efficiency and/or improved optical coupling
JP2002056989A (ja) 2000-08-11 2002-02-22 Seiko Epson Corp 発光装置
JP2003066203A (ja) * 2001-08-28 2003-03-05 Hitachi Maxell Ltd 微細凹凸構造の形成方法及び当該凹凸を有する部材
JP2003248128A (ja) * 2002-02-25 2003-09-05 Matsushita Electric Works Ltd 光結合器およびその製造方法、光電気混載配線板およびその製造方法
JP2005037872A (ja) 2003-01-28 2005-02-10 Nippon Sheet Glass Co Ltd 光学素子およびそれを備えた光回路並びに光分波器
US7349612B2 (en) 2003-01-28 2008-03-25 Nippon Sheet Glass Company, Limited Optical element, optical circuit provided with the optical element, and method for producing the optical element
JP2005173116A (ja) 2003-12-10 2005-06-30 Dainippon Printing Co Ltd 光回路部材とその製造方法
US20080298740A1 (en) * 2004-05-18 2008-12-04 Ciphergen Biosystems, Inc. Integrated Optical Waveguide Sensors With Reduced Signal Modulation
JP4064378B2 (ja) 2004-07-26 2008-03-19 日本電信電話株式会社 導波路ホログラムにおける外部光の結合方法及び結合装置
JP2010210235A (ja) * 2007-07-03 2010-09-24 Asahi Glass Co Ltd 雨滴検出システム
ES2368043B1 (es) * 2008-04-29 2012-10-15 Consejo Superior De Investigaciones Científicas Acoplador de red de difracción y sistema y procedimiento para la caracterización de un especimen mediante su acoplamiento lumínico a éste.
WO2010067116A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Bae Systems Plc Improvements in or relating to waveguides
JP6132241B2 (ja) * 2011-11-08 2017-05-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートを備える受光装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1774661A (zh) * 2004-03-29 2006-05-17 索尼株式会社 光学装置以及虚像显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20130264470A1 (en) 2013-10-10
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