JP2001281417A

JP2001281417A - 屈折率分布レンズ、レンズアレイ、及び光デバイス

Info

Publication number: JP2001281417A
Application number: JP2000092058A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Araki; 康荒木
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】効率良く光を集光することができ、平行光線に
近い光を出射することができる屈折率分布レンズを提供
する。また、光源からの光を高い効率で利用することが
できる光デバイスを提供する。【解決手段】屈折率分布レンズを、半径ｒ方向に屈折率
ｎ（ｒ）が半径の２乗に比例して減少すると共に、光軸
ｚ上の入射位置を基準として入射位置から光の伝播する
方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加するように構
成すると、効率良く光を集光することができ、平行光線
に近い光を出射することができる。この屈折率分布レン
ズは、種々の光デバイスにおいて集光部材として用いる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屈折率分布レン
ズ、レンズアレイ、及び光デバイスに係り、特に、集光
部材として有用な屈折率分布レンズとレンズアレイ、及
びこの屈折率分布レンズまたはレンズアレイを集光部材
として用いた光デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光通信
用光学系や露光ヘッド用光学系には、集光部材としてカ
ップリングレンズやコリメータレンズが用いられてい
る。これらのカップリングレンズやコリメータレンズで
は、発光素子等の光源から出射された光を効率良く集光
し、集光した光を次に入射する媒体内を効率良く伝播で
きる状態で出射することが重要である。

【０００３】光通信用光学系の場合には、光源と光ファ
イバーとの結合効率を高め、且つ伝播路である光ファイ
バー内での伝播効率を高めることが必要とされる。入射
した光線を全反射させて伝播すると伝播時の光量ロスが
減少するので、光ファイバー内での伝播効率を高めるた
めには、できるだけ平行光線に近い光を光ファイバーに
入射させる方がよい。

【０００４】また、露光ヘッド用光学系の場合には、露
光面に所望のビーム径で結像させることができると同時
に、露光面の凹凸により露光性能が変動しないように、
焦点深度が深い露光光であることが必要になる。即ち、
露光ヘッド用光学系の場合も、露光光ができるだけ平行
光線に近い光となる方がよい。

【０００５】例えば、発光素子を点光源と見なし、ＮＡ
（開口数）の大きい光学系の焦点位置に発光素子を配置
することにより、発光素子から出射された光を集光して
平行光線とすることができる。

【０００６】しかしながら、光学系に対して発光素子が
小さいので、利用できる光の絶対量が少なくなり、光学
素子の大きさに対して十分な光量を得ることができず、
露光光源として用いる場合にも単位面積当たりの光量が
不足する、という問題がある。

【０００７】以上述べた事情から、効率良く光を集光す
ることができ、平行光線に近い光を出射することができ
る光学系の開発が望まれていた。

【０００８】従って、本発明の目的は、効率良く光を集
光することができ、平行光線に近い光を出射することが
できる屈折率分布レンズを提供することにある。また、
本発明の他の目的は、本発明の屈折率分布レンズを用い
て、光源からの光を高い効率で利用することができる光
デバイスを提供することができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の屈折率分布レンズは、半径ｒ方向
に屈折率ｎ（ｒ）が半径の２乗に比例して減少すると共
に、光軸ｚ上の入射位置を基準として入射位置から光の
伝播する方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加する
ことを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の屈折率分布レンズは、請
求項１に記載の発明において、下記式（１）で表される
屈折率ｎの光軸ｚ方向の微分係数∂ｎ／∂ｚの係数Ａ
が、０．００１ｍｍ^-1以上であることを特徴とする。

【００１１】

【数２】

【００１２】請求項３に記載の屈折率分布レンズは、請
求項１または２に記載の発明において、前記入射位置に
おける屈折率ｎ₀とレンズの入射側の媒体の屈折率ｎ_xと
の差が０．５以下であることを特徴とする。

【００１３】請求項４に記載の屈折率分布レンズは、請
求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、光の
出射側の面が凹形状であることを特徴とする。

【００１４】請求項５に記載のレンズアレイは、請求項
１〜４のいずれか１項に記載の屈折率分布レンズを、同
一基板上に複数配置したことを特徴とする。

【００１５】請求項６に記載の光デバイスは、請求項１
〜４のいずれか１項に記載の屈折率分布レンズを、光を
集光する集光部材として用いたことを特徴とする。ま
た、請求項７に記載の光デバイスは、請求項５に記載の
レンズアレイを、光を集光する集光部材として用いたこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項８に記載の光デバイスは、請求項６
または７に記載の発明において、拡散光が入射されるこ
とを特徴とする。

【００１７】請求項９に記載の光デバイスは、請求項１
〜４のいずれか１項に記載の屈折率分布レンズと、前記
屈折率分布レンズ上に設けられた透明な第１の電極と、
前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極と、前
記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、電圧
印加により発光する発光層と、を含んで構成したことを
特徴とする。

【００１８】請求項１０に記載の光デバイスは、請求項
５に記載のレンズアレイと、前記レンズアレイ上に設け
られた透明な第１の電極と、前記第１の電極と対向して
設けられた第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の
電極との間に設けられ、電圧印加により発光する発光層
と、を含んで構成したことを特徴とする。

【００１９】本発明の屈折率分布レンズは、半径ｒ方向
に屈折率ｎ（ｒ）が半径の２乗に比例して減少すると共
に、光軸ｚ上の入射位置を基準として入射位置から光の
伝播する方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加する
構造を有している。このように屈折率ｎ（ｒ）が半径ｒ
方向に半径の２乗に比例して減少するレンズ中を光が通
過する場合、光は光軸ｚを中心とする正弦波で伝播す
る。また、同時に光軸ｚ上の入射位置を基準として入射
位置から光の伝播する方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ
（ｚ）が増加するレンズでは、光は光軸ｚを中心とする
減衰正弦波として伝播するに従い、光軸ｚ近辺に収束し
た平行光線に変換される。例えば、光源に有機発光素
子、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンス素子等
の拡散光源を用いる場合であっても、その光源の光取り
出し側に、上記構造の屈折率分布レンズを配置すること
で、光が伝播方向に収束し、平行光線として出射され
る。

【００２０】上記の通り、本発明の屈折率分布レンズよ
り出射された光は、光軸近辺に収束した平行光線となる
ので、この屈折率分布レンズを集光部材として用いた光
デバイスでは、素子間の結合効率を高めることができ、
光伝播路中での伝播効率を向上させることができ等、光
源からの光を高い効率で利用することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、具体的な実施の形態に基づ
き、本発明の屈折率分布レンズ、レンズアレイ、及び光
デバイスについて詳細に説明する。（第１の実施の形態）第１の実施の形態は、本発明の実
施の形態に係る屈折率分布レンズを基板として備えた、
本発明の光デバイスである有機発光素子の例である。第
１の実施の形態の有機発光素子は、図１に示すように、
板状の屈折率分布レンズ１上に、少なくとも、第１の電
極としての透明電極２（通常、陽極として使用され
る）、発光層を含む有機化合物層３、及び第２の電極と
しての背面電極４（通常、陰極として使用される）をこ
の順に積層して構成されている。なお、この発光素子５
では、屈折率分布レンズ１の側から光が出射される。以
下、各構成要素について詳細に説明する。

【００２２】屈折率分布レンズは、図２に示す通り、半
径ｒ方向に屈折率ｎ（ｒ）が半径の２乗に比例して減少
すると共に、光軸ｚ上の入射位置を基準として入射位置
から光の伝播する方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が
増加する構造を有している。ここで、光軸ｚ方向とは、
発光素子の中心と屈折率分布レンズの中心とを結ぶ直線
方向であり、半径ｒ方向とは光軸ｚに垂直な任意の方向
であり、半径ｒとは光軸ｚに垂直な平面πにおける、π
と光軸ｚとの交点からの距離である。

【００２３】屈折率ｎ（ｒ）が半径ｒ方向に半径の２乗
に比例して減少するレンズ中を光が通過する場合、光は
光軸ｚを中心とする正弦波で伝播する。同時に光軸ｚ上
の入射位置を基準として入射位置から光の伝播する方向
に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加するレンズの場合
には、光は光軸ｚを中心とする減衰正弦波として伝播す
るに従い、光軸ｚ近辺に収束した平行光線に変換され
る。即ち、有機発光素子自体は完全拡散面光源である
が、有機発光素子の光取り出し側に、上記構造の屈折率
分布レンズを配置することで、光が伝播方向に収束し、
平行光線として出射される。

【００２４】半径ｒ方向の屈折率ｎ（ｒ）の分布は、入
射位置の屈折率をｎ₀とすると、屈折率ｎの半径ｒ方向
の微分係数∂ｎ／∂ｒを下記式（２）で定義することに
より、下記式（３）で表すことができる。即ち、下記式
（３）に示される通り、半径ｒ方向の屈折率ｎ（ｒ）
は、半径の２乗に比例して減少する。なお、Ａ₀及びＡ
は、比例定数である。

【００２５】

【数３】

【００２６】透明基板の光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）の
分布は、屈折率ｎのｚ軸方向の微分係数∂ｎ／∂ｚを多
項式展開して得られる下記式（Ａ）により表すことがで
きる。

【００２７】

【数４】

【００２８】屈折率が連続して変化する媒体中の光の軌
跡は、下記の光線方程式により決定される。

【００２９】

【数５】

【００３０】しかしながら、ここでは光の伝播方向につ
いての屈折率の変化だけを考慮すればよいので、上記の
通り屈折率ｎのｚ軸方向の微分係数∂ｎ／∂ｚにより屈
折率分布を定義している。屈折率ｎはｚ軸方向に単調増
加するため、∂ｎ／∂ｚ＞０であり、上記式（Ａ）のＡ
〜Ｄ等の係数は、∂ｎ／∂ｚ＞０の条件を満たす範囲で
任意に選択することができる。∂ｎ／∂ｚは、例えば、
Ａ、Ｂｚ、Ｃｚ²、Ａ＋Ｂｚ、Ｂｚ＋Ｃｚ²、Ａ＋Ｃ
ｚ²、Ａ＋Ｂｚ＋Ｃｚ²等、種々の式で表すことができ
る。∂ｎ／∂ｚがＡで表されるとき、屈折率ｎはｚ軸方
向の変位に対し直線的に変化し、∂ｎ／∂ｚがｚの１次
関数で表されるとき、屈折率ｎはｚ軸方向の変位の２乗
に比例して変化し、∂ｎ／∂ｚがｚの２次関数で表され
るとき、屈折率ｎはｚ軸方向の変位の３乗に比例して変
化する。

【００３１】本実施の形態においては、また、この微分
係数∂ｎ／∂ｚの値が大きくなるほど、光がｚ軸方向に
急速に収束し平行光線となり光の取り出し効率を向上さ
せることができるので、∂ｎ／∂ｚの値が大きい方が好
ましい。例えば、∂ｎ／∂ｚ＝Ａで表される場合には、
係数Ａは０．００１ｍｍ^-1以上が好ましく、０．０１ｍ
ｍ^-1以上がより好ましく、０．１ｍｍ^-1以上がさらに好
ましい。また、∂ｎ／∂ｚ＝Ｂｚで表される場合には、
係数Ｂは０．００１ｍｍ^-2以上が好ましく、０．０１ｍ
ｍ^-2以上がより好ましく、０．１ｍｍ^-2以上がさらに好
ましい。特に、高次の係数が大きいと、屈折率ｎの増加
の割合が大きくなるので、より屈折率勾配が大きい構造
の透明基板を得ることができる。なお、Ａ〜Ｄ等の係数
は、レンズ径とレンズ厚さとに応じて∂ｎ／∂ｚが所定
値以下となるように、上限を定めることができる。

【００３２】また、屈折率分布レンズと透明電極（陽
極）との間の伝播効率を向上するためには、界面での反
射率ができるだけ小さいことが好ましい。具体的には、
屈折率分布レンズの屈折率と透明電極（陽極）の屈折率
との差が１以下が好ましく、０．５以下がより好まし
く、０．２以下がさらに好ましく、０．０５以下が最も
好ましい。

【００３３】屈折率分布レンズの半径は、作製したい有
機発光素子の大きさに応じて決定することができる。な
お、例えば、実際の半径が１ｍｍのレンズでも有効半径
は０．３ｍｍであるというように、実際にレンズを作製
すると、レンズ周辺部の屈折率は設計値から大きく外れ
ることが多く、周辺部はレンズとして作用しないので、
本実施の形態における屈折率分布レンズの半径とは、レ
ンズとして有効に作用する部分の半径を意味し、屈折率
は同心円状に変化する。また、屈折率分布レンズの外形
は円盤状には限られず、光軸に垂直な面での断面形状
は、円、楕円、正方形、長方形、多角形等とすることが
できる。

【００３４】屈折率分布レンズとしては、通常のガラス
レンズの他にプラスチックレンズを使用することができ
る。プラスチックレンズとしては、耐熱性、寸法安定
性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、低吸湿
性に優れていることが必要である。このようなレンズを
作製するためのプラスチック材料としては、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ
エチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネー
ト、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジ
グリコールカーボネート、ポリイミド等が挙げられる。

【００３５】これらのレンズの表面、あるいは電極とは
反対側の面（裏面とする）には、透湿防止層（ガスバリ
ア層）を設置するのが好ましい。透湿防止層（ガスバリ
ア層）には、窒化珪素や酸化珪素などの無機物を用いる
ことが好ましく、例えば高周波スパッタリング法などに
より成膜できる。さらに、必要に応じて、ハードコート
層やアンダーコート層を設けてもよい。

【００３６】屈折率分布レンズ上に設けられる透明電極
（陽極）は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光の波長領
域において、少なくとも５０％以上、好ましくは７０％
以上の光透過率を有するものが好ましい。透明電極を構
成するための材料としては、酸化錫、酸化錫インジウム
（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウムなどの透明電極材料と
して公知の化合物の他、金や白金など仕事関数が大きい
金属の薄膜を用いてもよい。また、ポリアニリン、ポリ
チオフェン、ポリピロールまたはこれらの誘導体などの
有機化合物でもよい。透明導電膜については、沢田豊監
修「透明導電膜の新展開」シーエムシー刊（１９９９
年）に詳細に記載されており、本発明に適用することが
できる。また、透明電極（陽極）は、真空蒸着法、スパ
ッタリング法、イオンプレーティング法などにより、目
的等に応じて、屈折率分布レンズ上の全面又は一面に形
成することができる。

【００３７】有機化合物層は、発光層のみからなる単層
構造であってもよいし、発光層を２層以上有する、ある
いは、発光層の外に、正孔注入層、正孔輸送層、電子注
入層、電子輸送層等のその他の層を適宜有する積層構造
であってもよい。有機化合物層の具体的な構成（電極を
含めて表示する）としては、陽極／ホール注入層／ホー
ル輸送層／発光層／電子輸送層／陰極、陽極／発光層／
電子輸送層／陰極、陽極／ホール輸送層／発光層／電子
輸送層／陰極、などが挙げられる。また、発光層、ホー
ル輸送層、ホール注入層、電子注入層を複数層設けても
よい。

【００３８】発光層の発光材料としては、発光可能な化
合物（蛍光を発する化合物）であれば特に制限はなく、
目的に応じて適宜選択することができ、例えば、オキシ
ノイド化合物、ペリレン化合物、クマリン化合物、アザ
クマリン化合物、オキサゾール化合物、オキサジアゾー
ル化合物、ペリノン化合物、ピロロピロール化合物、ナ
フタレン化合物、アントラセン化合物、フルオレン化合
物、フルオランテン化合物、テトラセン化合物、ピレン
化合物、コロネン化合物、キノロン化合物及びアザキノ
ロン化合物、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、
ローダミン化合物、クリセン化合物、フェナントレン化
合物、シクロペンタジエン化合物、スチルベン化合物、
ジフェニルキノン化合物、スチリル化合物、ジスチリル
ベンゼン化合物、ブタジエン化合物、ジシアノメチレン
ピラン化合物、ジシアノメチレンチオピラン化合物、フ
ルオレセイン化合物、ピリリウム化合物、チアピリリウ
ム化合物、セレナピリリウム化合物、テルロピリリウム
化合物、芳香族アルダジエン化合物、オリゴフェニレン
化合物、キサンテン化合物及びチオキサンテン化合物、
シアニン化合物、アクリジン化合物、アクリドン化合
物、キノリン化合物、８−ヒドロキシキノリン化合物の
金属錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、２，
２’−ビピリジン化合物の金属錯体、シッフ塩とIII族
金属との錯体、オキサジアゾール化合物の金属錯体、希
土類錯体等が用いられる。

【００３９】また、発光効率を向上させるために、発光
層にはオルトメタル化錯体を含有させることが好まし
い。オルトメタル化錯体とは、例えば山本明夫著「有機
金属化学−基礎と応用−」１５０頁、２３２頁、裳華房
社（１９８２年発行）や、H.Yersin著「Photochemistry
and Photophysics of Coordination Compounds」７１
〜７７頁、１３５〜１４６頁、Springer-Verlag社（１
９８７年発行）等に記載されている化合物群の総称であ
る。オルトメタル化錯体を形成する配位子としては種々
のものがあり、上記文献中にも記載されている。好まし
い配位子としては、２−フェニルピリジン誘導体、７，
８−ベンゾキノリン誘導体、２−（２−チエニル）ピリ
ジン誘導体、２−（１−ナフチル）ピリジン誘導体、２
−フェニルキノリン誘導体等が挙げられる。これらの誘
導体は必要に応じて置換基を有していてもよい。オルト
メタル化錯体を形成する金属としては、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐ
ｔ等が挙げられるが、イリジウム（Ｉｒ）錯体が特に好
ましい。また、上記オルトメタル化錯体は、オルトメタ
ル化錯体を形成するのに必要な配位子以外に、他の配位
子を有していてもよい。なお、ここでいうオルトメタル
化錯体には、３重項励起子から発光する化合物も含まれ
ており、発光効率を向上させるために、これら３重項励
起子から発光する化合物を発光層に含有させることが特
に好ましい。

【００４０】上記に例示した発光材料は、単独で用いて
も、複数併用してもよい。また、高分子発光材料を用い
ることもできる。高分子発光材料の例としては、ポリ−
ｐ−フェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導
体、ポリチオフェン誘導体等のπ共役系の他、低分子色
素とテトラフェニルジアミンやトリフェニルアミンを主
鎖や側鎖に導入したポリマー等が挙げられる。高分子発
光材料に低分子発光材料を混合して使用することもでき
る。

【００４１】電子注入層は、絶縁性材料により形成され
る。電子輸送層の厚みが所定の範囲内では、ホールが電
子輸送層を通り抜ける確率が高くなり、結果として発光
効率が低下する。従って、ホールの通り抜けを防止する
ために、有機化合物層に絶縁性薄膜からなる電子注入層
を設けるのが好ましい。絶縁性材料としては、酸化アル
ミニウムやフッ化リチウムが挙げられ、これらの材料を
用いて０．０１〜１０ｎｍの厚さの薄膜を形成する。ま
た、同様の理由から、絶縁性薄膜からなるホール注入層
を形成することが好ましい。

【００４２】電子輸送層に用いられる電子輸送性化合物
としては、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導
体、トリアジン誘導体、ニトロ置換フルオレノン誘導
体、チオピランジオキサイド誘導体、ジフェニルキノン
誘導体、ペリレンテトラカルボキシル誘導体、アントラ
キノジメタン誘導体、フレオレニリデンメタン誘導体、
アントロン誘導体、ペリノン誘導体、オキシン誘導体、
キノリン錯体誘導体などの化合物が挙げられる。

【００４３】ホール輸送層に用いられるホール輸送性化
合物としては、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾールやポリフ
ェニレンビニレン誘導体、ポリフェニレン、ポリチオフ
ェン、ポリメチルフェニルシラン、ポリアニリンなどの
高分子やトリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導
体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導
体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレ
ンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換
カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、カルバゾール誘
導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導
体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、フタロシア
ニン等のポリフィリン誘導体、芳香族第三級アミン化合
物及びスチリルアミン化合物、ブタジエン化合物、ベン
ジジン誘導体、ポリスチレン誘導体、トリフェニルメタ
ン誘導体、テトラフェニルベンジン誘導体、スターバー
ストポリアミン誘導体などを使用することができる。

【００４４】また、有機化合物層には、これらの構成に
加えて、陽極とホール輸送層（ホール輸送層を設けない
ときは発光層）との間に、陽極に接する導電性高分子層
を設けてもよい。この導電性高分子層を設けることによ
り、駆動電圧がほとんど上昇することなく、有機化合物
層の膜厚を大きくすることができ、輝度ムラやショート
が改善される。導電性高分子としては、ＷＯ−９８／０
５１８７等に記載のポリアニリン誘導体、ポリチオフェ
ン誘導体およびポリピロール誘導体が好ましい。これら
の誘導体はプロトン酸（例えば、樟脳スルホン酸、ｐ−
トルエンスルホン酸、スチレンスルホン酸、ポリスチレ
ンスルホン酸等）と混合した状態で使用することができ
る。これらの誘導体は、必要に応じて他の高分子（例え
ば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリ−Ｎ
−ビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ）等）と混合して使用
することもできる。導電性高分子層の表面抵抗は，１０
０００Ω／□以下が好ましい。導電性高分子層の膜厚
は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、２０ｎｍ〜２
００ｎｍがより好ましい。

【００４５】ホール輸送層、電子輸送層、発光層および
導電性高分子層などの各有機化合物層は、真空蒸着法、
スパッタ法、ディッピング法、スピンコーティング法、
キャスティング法、バーコート法、ロールコート法等、
公知の方法を用いて形成することができる。また溶媒を
使い分けることにより多層塗布も可能である。また、本
実施の形態の有機化合物層は、発光素子の用途、目的等
に応じて、透明電極（陽極）上の全面又は一面に形成さ
れる。

【００４６】ホール輸送層、電子輸送層、発光層および
導電性高分子層などの各有機化合物層は、真空蒸着法、
スパッタ法、ディッピング法、スピンコーティング法、
キャスティング法、バーコート法、ロールコート法等、
公知の方法を用いて形成することができる。また溶媒を
使い分けることにより多層塗布も可能である。

【００４７】有機化合物層上に設けられる背面電極（陰
極）は、仕事関数の低いＬｉ、Ｋなどのアルカリ金属、
Ｍｇ、Ｃａなどのアルカリ土類金属およびこれらの金属
とＡｇやＡｌなどとの合金・混合物等の陰極材料から形
成されるのが好ましい。陰極における保存安定性と電子
注入性とを両立させるために、上記材料で形成した電極
を、仕事関数が大きく導電性の高いＡｇ、Ａｌ、Ａｕな
どで被覆してもよい。なお、背面電極（陰極）について
も透明電極（陽極）と同様に、真空蒸着法、スパッタ
法、イオンプレーティング法などの公知の方法で形成す
ることができる。

【００４８】また、本実施の形態の有機発光素子には、
大気中の水分や酸素の有機発光素子への侵入を防止する
ための封止層を設けることができる。封止層に用いる封
止材料としては、テトラフルオロエチレンと少なくとも
１種のコモノマーとを含む共重合体、共重合主鎖に環状
構造を有する含フッ素共重合体、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポ
リユリア、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロト
リフルオロエチレン、ポリジクロロジフルオロエチレ
ン、クロロトリフルオロエチレン、およびジクロロジフ
ルオロエチレンから選択される２種以上の共重合体、吸
水率１％以上の吸水性物質および吸水率０．１％以下の
防湿性物質、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａ
ｌ、Ｔｉ、Ｎｉ等の金属、ＭｇＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂、
Ａｌ₂Ｏ₃、ＧｅＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｆｅ
₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等の金属酸化物、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、Ａｌ
Ｆ₃、ＣａＦ₂等の金属フッ化物、パーフルオロアルカ
ン、パーフルオロアミン、パーフルオロエーテル等の液
状フッ素化炭素およびこれら液状フッ素化炭素に水分や
酸素を吸着する吸着剤を分散させたもの等が用いられ
る。また、陰極の表面（有機化合物層とは反対側の面）
には湿気や空気を遮断するための保護層を形成してもよ
い。

【００４９】第１の実施の形態に係る有機発光素子で
は、陽極と陰極との間に所定の電圧が印加されると、発
光層から光が放出される。この光が、屈折率分布レンズ
によりレンズ内を伝播方向に収束しながら伝播し、平行
光線とされて出射されるので、発光効率が向上する。

【００５０】また、第１の実施の形態では、屈折率分布
レンズ上に有機発光素子を形成しているため、屈折率分
布レンズが有機発光素子の一部を構成し、外部に集光用
光学系を設ける必要がないため、露光装置等の光デバイ
スに光源として使用する場合に、デバイスをコンパクト
化することができる。

【００５１】なお、陽極と陰極との間に直流（必要に応
じて交流成分を含んでもよい）電圧（通常２ボルト〜３
０ボルトの範囲のパルス電圧）、またはパルス電流を印
加すれば、発光を得ることができる。有機発光素子の駆
動については、特開平２−１４８６８７号公報、同６−
３０１３５５号公報、同５−２９０８０号公報、同７−
１３４５５８号公報、同８−２３４６８５号公報、同８
−２４１０４７号公報等に記載の方法も利用できる。（第２の実施の形態）第２の実施の形態は、本発明の実
施の形態に係る屈折率分布レンズを用い、有機発光素子
からの光を収束させる本発明の光デバイスである露光光
源の例であり、第２の実施の形態の露光光源は、図３に
示すように、屈折率分布レンズ１０と、屈折率分布レン
ズ１０の焦点位置に配置された有機発光素子５Ａとを備
えている。

【００５２】有機発光素子５Ａは、図４に示すように、
透明基板１Ａ上に、少なくとも、第１の電極としての透
明電極２（通常、陽極として使用される）、発光層を含
む有機化合物層３、及び第２の電極としての背面電極４
（通常、陰極として使用される）をこの順に積層して構
成されている。なお、この発光素子５Ａでは、透明基板
１Ａの側から光が出射される。この有機発光素子５Ａ
は、屈折率分布レンズ１に代えて透明基板１Ａを用いた
以外は、第１の実施の形態の有機発光素子５と同様の構
成であるため、同様の部分については説明を省略する。

【００５３】透明基板１Ａは、屈折率が一定の基板でよ
く、通常のガラス基板の他にプラスチック基板を使用す
ることができる。プラスチック基板としては、耐熱性、
寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気
性、低吸湿性に優れていることが必要である。このよう
な基板を作製するためのプラスチック材料としては、ポ
リエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレー
ト、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、
アリルジグリコールカーボネート、ポリイミド等が挙げ
られる。また、これらの基板の表面、あるいは電極とは
反対側の面（裏面とする）には、透湿防止層（ガスバリ
ア層）を設置するのが好ましい。透湿防止層（ガスバリ
ア層）には、窒化珪素や酸化珪素などの無機物を用いる
ことが好ましく、例えば高周波スパッタリング法などに
より成膜できる。さらに、必要に応じて、ハードコート
層やアンダーコート層を設けてもよい。

【００５４】屈折率分布レンズ１０には、第１の実施の
形態と同様の屈折率分布レンズを使用するため、屈折率
分布レンズ１０についての説明は省略する。

【００５５】第２の実施の形態に係る露光光源では、陽
極と陰極との間に所定の電圧が印加されると、発光層か
ら光が放出され有機発光素子が発光する。この発光光
が、屈折率分布レンズによりレンズ内を伝播方向に収束
しながら伝播し、平行光線とされて出射される。（第３の実施の形態）第３の実施の形態は、本発明の実
施の形態に係る屈折率分布レンズを同一基板上に複数配
置したレンズアレイを用い、複数の有機発光素子からの
光をそれぞれ収束させる本発明の光デバイスである露光
光源の例であり、第３の実施の形態の露光光源は、図６
に示すように、複数の有機発光素子５Ａと、各有機発光
素子５Ａに対応して設けられた複数の屈折率分布レンズ
１０からなるレンズアレイ１４とから構成されており、
各有機発光素子５Ａは、基板１１上の対応する屈折率分
布レンズ１０の焦点位置に配置されている。

【００５６】本実施の形態の露光光源では、複数の有機
発光素子５Ａが、発光色別に複数列配列されてドットア
レイを構成している。各発光色は１ラインでも、複数の
ラインになっていてもよい。１画素のサイズは１０〜５
００μｍ、より好ましくは５０〜３００μｍである。複
数のラインからなる場合、ライン間は１μｍ〜１ｍｍ、
さらには５μｍ〜３００μｍの非発光部で構成されるこ
とが好ましい。上記ライン間は、電気絶縁性の遮光材料
を用いて素子表面を平坦化することにより、迷光が抑制
され望ましい。このように配列した有機発光素子は、１
ライン毎に順次駆動して発光させる。１回の発光時間は
１００ミリ秒〜１０ナノ秒、好ましくは１０ミリ秒〜１
マイクロ秒である。

【００５７】有機発光素子５Ａは、第２の実施の形態の
有機発光素子と同様の構成であるため、同じ符号を付し
て説明を省略する。

【００５８】レンズアレイ１４には、各有機発光素子５
Ａに対応して、複数の屈折率分布レンズ１０が同一基板
１２上に配置されており、複数の有機発光素子５Ａがラ
イン状に配置されている場合は、屈折率分布レンズ１０
もライン状に配置され、複数の有機発光素子５Ａがマト
リックス状に配置されている場合は、屈折率分布レンズ
１０もマトリックス状に配置される。また、複数の素子
をライン状に配置する場合、素子の配列方向と直交する
方向を長くした長方形の素子を用いて出射面積を拡大
し、出射光量を増加させることができるが、この場合に
は、屈折率分布レンズ１０の断面を、素子形状と同様
に、素子の配列方向と直交する方向を長くした形状とす
ることができる。

【００５９】レンズアレイ１４を構成する各屈折率分布
レンズ１０には、第１の実施の形態と同様の屈折率分布
レンズを使用するため、屈折率分布レンズ１０について
の説明は省略する。

【００６０】第３の実施の形態に係る露光光源では、陽
極と陰極との間に所定の電圧が印加されると、発光層か
ら光が放出され各有機発光素子が発光する。この発光光
が、それぞれの有機発光素子に対応して設けられた屈折
率分布レンズに入射し、レンズ内を伝播方向に収束しな
がら伝播し、平行光線とされて出射される。

【００６１】上記第１〜第３の実施の形態では、両レン
ズ面が共に平面である板状の屈折率分布レンズを用いた
例について説明したが、一方のレンズ面を平面とし他方
のレンズ面を凸状の球面としてもよく、両レンズ面を共
に凸状の球面としてもよい。少なくとも一方のレンズ面
を球面とすることによりレンズの屈折力が増加し、ＮＡ
を大きくすることができる。また、光の出射面は凸状の
球面とすることにより、回折による光の広がりを抑える
ことができる。

【００６２】上記第１〜第３の実施の形態では、屈折率
分布レンズまたは透明基板上に、陽極、発光層を含む有
機化合物層、及び陰極をこの順に積層した有機発光素子
の例について説明したが、このような構成の有機発光素
子の他に、微小光共振器構造（マイクロキャビティ）を
有する有機発光素子についても本発明を適用することが
できる。微小光共振器構造を有する有機発光素子は、発
光スペクトルの半値幅が小さく、かつ指向性に優れてい
る。

【００６３】例えば、屈折率分布レンズ上に形成された
有機発光素子の場合、図６に示すように、屈折率分布レ
ンズ１上に、順次、屈折率の異なる２種類の層が交互に
積層された多層膜ミラー６、透明電極２（通常、陽極と
して作用する）、発光層を含む有機化合物層３、および
金属ミラーの役割を有する背面電極（通常、陰極として
作用する。）４を有し、多層膜ミラー６と背面電極４と
の間で微小光共振器を形成している。多層膜ミラー６に
は、通常、屈折率の異なる２種類の誘電体（例えば、Ｔ
ｉＯ₂とＳｉＯ₂）を、各層の光学長が目的の発光波長の
１／４となるように交互に積層した誘電体ミラーが用い
られる。また、透明電極（ＩＴＯなど）と多層膜ミラー
との間にＳｉＯ₂スペーサーを導入して膜厚を調整して
もよい。なお、微小光共振器構造を有する有機発光素子
については、例えば「月刊ディスプレイ ’９８１０
月号別冊の『有機ＥＬディスプレイ』（テクノタイムズ
社発行）」の１０５頁、特開平９−１８０８８３号公報
等に記載されている。

【００６４】上記第２及び第３の実施の形態では、有機
発光素子を屈折率分布レンズの焦点位置に配置する例に
ついて説明したが、屈折率分布レンズの焦点位置に配置
されていない場合であっても、半径ｒ方向の屈折率ｎ
（ｒ）の勾配を大きくすることにより平行光線化するこ
とが可能であるため、レンズの配置位置は目的に応じて
適宜変更することができる。

【００６５】上記第２及び第３の実施の形態では、発光
素子として有機発光素子を用いる例について説明した
が、発光素子として、無機材料で構成された半導体レー
ザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光表示管、
気体レーザ、色素レーザ等を使用してもよい。

【００６６】上記第１の実施の形態では、本発明の屈折
率分布レンズを基板として備えた有機発光素子の例につ
いて説明したが、本発明の屈折率分布レンズは、カップ
リングレンズやコリメータレンズとして種々の光デバイ
スの光学系に使用することができる。また、上記第２及
び第３の実施の形態では、本発明の光デバイスを露光光
源に適用した例について説明したが、本発明の光デバイ
スは、光通信用の電気光変換素子等、他の光デバイスに
適用できることは言うまでもない。

【００６７】

【実施例】（実施例１〜８）面積Ｓの正方形状の出射面
を有する発光素子と、種々の屈折率分布レンズとを想定
し、発光素子の面積を３０×３０点に分割し、それぞれ
の点から出る光線を発光素子平面内の２つの垂直な軸に
対してなす角度により３０個に分割し、合計８１０００
０本の光線追跡（光線シュミレーション）を行った。

【００６８】この光線シュミレーションにおいて、発光
素子を倒立等倍になるように屈折率分布レンズと離間し
て配置したと想定し、その時の面積Ｓの像面を貫く光線
数を求めて（面積Ｓの像面を貫く光線数／８１０００
０）を計算したものが集光率であり、また（面積Ｓの像
面を光軸方向にΔｘ動かしたときに、光線数を貫く光線
数が変化する割合が５％を越えるΔｘが焦点深度であ
る。

【００６９】半径ｒ方向に屈折率ｎ（ｒ）が半径の２乗
に比例して減少すると共に、入射位置における屈折率ｎ
₀、及び下記式（４）で表される屈折率ｎのｚ軸方向の
微分係数∂ｎ／∂ｚの係数Ａ及びＢが、表１に示す値で
ある屈折率分布レンズを想定し、上記の光線シュミレー
ションを行った。

【００７０】

【数６】

【００７１】（比較例１〜３）レンズ定数Ａ。が約０．
１５であり、開口角が３．９、６．０、８．６２［ｄｅ
ｇ］の屈折率分布レンズをそれぞれ比較例１〜３として
想定し、実施例１〜８と同様にして、光線シュミレーシ
ョンを行った。

【００７２】光線シュミレーションの結果、実施例と比
較例とを同じ集光率で比較すると、半径ｒ方向に屈折率
ｎ（ｒ）が半径の２乗に比例して減少すると共に、光軸
ｚ上の入射位置を基準として入射位置から光の伝播する
方向に光軸ｚ方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加する構造を有
する屈折率分布レンズを用いた場合（実施例１〜８）に
は、所定のレンズ定数Ａ。と所定の開口角を有する屈折
率分布レンズを用いた場合（比較例１〜３）に比べて、
深い焦点深度が得られることが分かった。従って、この
ような光学系を露光光源に適用した場合には、露光面の
凹凸により露光性能が変動し難く、安定した露光性能を
得ることができる。

【００７３】

【表１】（実施例９〜１６）発光素子を屈折率分布レンズとを密
着させて配置した以外は、実施例１〜８と同様にして、
光線シュミレーションを行った。（比較例４〜６）レンズ定数Ａ。が約０．１５であり、
開口角が３．９、６．０、８．６２［ｄｅｇ］の屈折率
分布レンズをそれぞれ比較例４〜６として想定し、実施
例９〜１６と同様にして、光線シュミレーションを行っ
た。

【００７４】

【表２】光線シュミレーションの結果、実施例と比較例とを同じ
集光率で比較すると、半径ｒ方向に屈折率ｎ（ｒ）が半
径の２乗に比例して減少すると共に、光軸ｚ上の入射位
置を基準として入射位置から光の伝播する方向に光軸ｚ
方向の屈折率ｎ（ｚ）が増加する構造を有する屈折率分
布レンズを用いた場合（実施例９〜１６）には、所定の
レンズ定数Ａ。と所定の開口角を有する屈折率分布レン
ズを用いた場合（比較例４〜６）に比べて、深い焦点深
度が得られることが分かった。従って、このような光学
系を露光光源に適用した場合には、露光面の凹凸により
露光性能が変動し難く、安定した露光性能を得ることが
できる。

【００７５】

【発明の効果】本発明の屈折率分布レンズは、効率良く
光を集光することができ、平行光線に近い光を出射する
ことができる、という効果を奏する。

【００７６】また、本発明の光デバイスは、本発明の屈
折率分布レンズを用いることにより、光源からの光を高
い効率で利用することができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の有機発光素子の層構成を示
す概略断面図である。

【図２】第１の実施の形態の有機発光素子の屈折率分布
レンズの屈折率分布を説明するための説明図である。

【図３】第２の実施の形態の露光光源の構成を示す概略
図である。

【図４】第２の実施の形態の露光光源に用いる有機発光
素子の層構成を示す概略断面図である。

【図５】第３の実施の形態の露光光源の構成を示す概略
図である。

【図６】有機発光素子の他の層構成を示す概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１、１０屈折率分布レンズ１Ａ透明基板２透明電極（陽極）３有機化合物層４背面電極（陰極）５、５Ａ有機発光素子６多層膜ミラー１２基板１４レンズアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｂ 33/14 Ｈ０５Ｂ 33/14 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半径ｒ方向に屈折率ｎ（ｒ）が半径の２乗
に比例して減少すると共に、光軸ｚ上の入射位置を基準
として入射位置から光の伝播する方向に光軸ｚ方向の屈
折率ｎ（ｚ）が増加する屈折率分布レンズ。
【請求項２】下記式（１）で表される屈折率ｎの光軸ｚ
方向の微分係数∂ｎ／∂ｚの係数Ａが、０．００１ｍｍ
^-1以上である請求項１に記載の屈折率分布レンズ。【数１】
【請求項３】前記入射位置における屈折率ｎ₀とレンズ
の入射側の媒体の屈折率ｎ_xとの差が０．５以下である
請求項１または２に記載の屈折率分布レンズ。
【請求項４】光の出射側の面が凹形状である請求項１〜
３のいずれか１項に記載の屈折率分布レンズ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の屈折
率分布レンズを、同一基板上に複数配置したレンズアレ
イ。
【請求項６】請求項１〜４のいずれか１項に記載の屈折
率分布レンズを、光を集光する集光部材として用いた光
デバイス。
【請求項７】請求項５に記載のレンズアレイを、光を集
光する集光部材として用いた光デバイス。
【請求項８】拡散光が入射される請求項６または７に記
載の光デバイス。
【請求項９】請求項１〜４のいずれか１項に記載の屈折
率分布レンズと、前記屈折率分布レンズ上に設けられた透明な第１の電極
と、前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、電
圧印加により発光する発光層と、を含む光デバイス。
【請求項１０】請求項５に記載のレンズアレイと、前記レンズアレイ上に設けられた透明な第１の電極と、前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、電
圧印加により発光する発光層と、を含む光デバイス。