(57)【要約】  指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能な光源を提供する。  光学部（３）は、発光部から発生した光が入射する入射面（３１）と、その光を出射する出射面（３２）とを有する。入射面（３１）上には、屈折率が光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群（３１Ａ）が形成されている。出射面３２上には、屈折率が第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物（３２Ａ）が形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する発光部と、
前記発光部から発生した光が入射する入射面と、当該光を出射する出射面とを有する光学部とを備え、
前記入射面上には、屈折率が前記光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群が形成され、
前記出射面上には、屈折率が前記第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物が形成されている、光源。
【請求項２】
請求項１に記載の光源において、
前記構造物群は、凹凸が前記第１周期で形成されたモスアイ構造である、光源。
【請求項３】
請求項２に記載の光源において、
前記構造物群の凸部は、円錐形状である、光源。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源において、
前記周期構造物は、凹凸が前記第２周期で形成されたモスアイ構造である、光源。
【請求項５】
請求項４に記載の光源において、
前記周期構造物の凸部は、円錐形状である、光源。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源において、
前記発光部および前記光学部は、前記光を伝播する接合部を介して積層され、
前記接合部の屈折率は、前記光学部の屈折率より小さい、光源。
【請求項７】
請求項６に記載の光源において、
前記接合部は、中空である、光源。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光源において、
前記光学部および前記接合部の壁面の少なくとも一部が前記光を反射する反射部を有する、光源。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源を用いた投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指向性を有する光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いたプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタは、ＬＥＤと、ＬＥＤからの光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。【０００３】
上記のプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、光源からの光を効率良く投射光として利用することが求められている。光源からの光がどれだけ投射光として利用できるかは、光源の発光面積と放射角との積であるエテンデューによって変化する。より具体的には、光源のエテンデューを、変調素子の受光面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にすると、光源からの光を効率良く投射光として利用することができる。このため、プロジェクタの光源としては、エテンデューを小さくするために、指向性の高い光源が望まれている。【０００４】
これに対して特許文献１には、所定の方向に効率良く光を出射する発光素子が記載されている。この発光素子では、光を発生する発光部に、発光部からの光を伝播して出射する光学部が積層されている。光学部における光の出射面には、その出射面に平行な２次元方向に対して、屈折率が周期的に変化する周期構造が形成されている。この周期構造によって光が所定の方向に回折されて出射されるので、所定の方向に効率良く光を出射することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３１０７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の発光素子では、光が光学部に入射する際にフレネル反射が発生し、その反射光が発光部に戻ってしまう。発光部に戻された光は、発光素子から出射されない損失となるため、光の取り出し効率が低いという問題がある。なお、発光部に反射膜を設けて、発光部に戻った光を光学部に再入射させることで、光の損失を少なくすることはできる。しかしながら、反射時に光が減衰するため、光の取り出し効率は十分ではない。【０００７】
本発明の目的は、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能な光源およびそれを用いた投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による光源は、光を発生する発光部と、前記発光部から発生した光が入射する入射面と、当該光を出射する出射面とを有する光学部とを備え、前記入射面上には、屈折率が前記光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する構造物群が形成され、前記出射面上には、屈折率が前記第１の間隔より長い第２の間隔で変化する周期構造物が形成されている。【０００９】
また、本発明による投射型表示装置は、上記の光源を用いる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図２】光学部の一例を示す斜視図である。
【図３】光学部の一例を示す縦断面図である。
【図４Ａ】第１周期構造の横断面図である。
【図４Ｂ】第２周期構造の横断面図である。
【図４Ｃ】第１周期構造の屈折率について説明するための図である。
【図５】光学部の他の例を示す斜視図である。
【図６】光学部内の光の伝播を説明するための図である。
【図７】光源の指向性を評価するためのシミュレーションを説明するための図である。
【図８】特定の条件でのシミュレーション結果の一例を説明するための図である。
【図９】シミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の光源を用いたプロジェクタの構成の一例を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態の光源を用いたプロジェクタの構成の他の例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の光源を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態の光源を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態の光源を示す斜視図である。図１に示すように、光源１０は、発光部１、接合部２、光学部３の順番に積層されている。
【００１４】
なお、実際の光源における各層の厚さは非常に薄く、また、各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確な比率で図示することが困難である。このため、図１では、各層は実際の比率通りには描かれておらず、模式的に示している。また、図１に示すように、発光部１の下面に平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
【００１５】
発光部１は、光を発生する。より具体的には、発光部１は、ｐ型半導体で形成されたｐ型層１１、活性層１２、ｎ型半導体で形成されたｎ型層１３の順番に積層され、ｐ型層１１とｎ型層１３との間に外部電源（不図示）によって電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、活性層１２で光が発生する。
【００１６】
接合部２は、透明誘電体などで形成され、発光部１から発生した光を内部で伝播させて光学部３まで導く。接合部２の屈折率は、光学部３の屈折率より小さいものとする。なお、光源１０は、接合部２を設ける代わりに、発光部１および光学部３の間に間隙を設けたものでもよい。
【００１７】
図２は、光学部３を示す斜視図であり、図３は、光学部３をＸＺ平面で切った縦断面図である。
【００１８】
図２および図３に示すように、光学部３は、発光部１から発生した光が入射する入射面３１と、入射面３１に入射した光を出射する出射面３２とを有する。
【００１９】
入射面３１は、入射面３１と平行な２次元方向（ＸＹ方向）において、屈折率が第１周期で変化する構造物群である第１周期構造３１Ａを有し、出射面３２は、出射面３２と平行な２次元方向（ＸＹ方向）において、屈折率が第２周期で変化する周期構造物である第２周期構造３２Ａを有する。第１周期は、発光部１から発生する光の波長より短く、第２周期は、第１周期よりも長い。第２周期は、発光部１から発生する光の波長より短くてもよいし、同じでもよいし、長くてもよい。より好ましくは、発光部１から発生する光の波長をλとすると、第１周期Γ１は、λ／４程度であり、第２周期Γ２は、５λ程度である。
【００２０】
なお、第１周期構造３１Ａは、入射面３１に接するように形成されてもよいし、入射面３１に接しないように形成されてもよい。また、第一周期構造３１Ａは、屈折率が入射面３１と平行な一次元方向に第一周期で変化するものでもよい。
【００２１】
また、第２周期構造３２Ａは、出射面３２に接するように形成されてもよいし、出射面３２に接しないように形成されてもよい。また、第一周期構造３２Ａは、屈折率が出射面３２と平行な一次元方向に第一周期で変化するものでもよい。
【００２２】
また、第１周期構造３１Ａの代わりに、入射面３１と平行な１次元方向または２次元方向に、屈折率が発光部１から発生する光の波長より短い第１の間隔以下の間隔で変化する、周期構造を有していない構造物群が設けられてもよい。
【００２３】
図２および図３では、第１周期構造３１Ａは、凹凸がＸＹ方向に第１周期で形成されたモスアイ構造であり、第２周期構造３２Ａは、凹凸がＸＹ方向に第２周期で形成されたフォトニック結晶のような周期構造であるとしている。また、第１周期構造３１Ａの凸部３１Ｂと、第１周期構造３２Ａの凸部３２Ｂは、円錐形状であるとする。
【００２４】
図４Ａは、第１周期構造３１Ａの一部を入射面３１で切った横断面図であり、図４Ｂは、第２周期構造３２Ａの一部を出射面３２で切った横断面図である。
【００２５】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのそれぞれは、三角格子状に配置されており、入射面３１および出射面３２上では、隣り合う凸部が隙間なく配置されている。ここで、第１周期構造３１Ａの周期は、図４Ａに示すように、凸部３１Ｂの底面の中心から隣の凸部３１Ｂ底面の中心までの距離と一致し、第１周期構造３２Ａ周期は、図４Ｂで示すように、凸部３２Ｂの底面の中心から隣の凸部３２Ｂ底面の中心までの距離と一致している。
【００２６】
なお、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのそれぞれは、正方格子状などの他の配置構造や、ＸＹ平面内で異方性を有する他の配置構造で配置されてもよい。また、入射面３１および出射面３２上において、隣り合う凸部に隙間があってもよい。
【００２７】
図４Ｃは、第１周期構造３１Ａの一部を凸部３１Ａの頂点から底面の間のＸＹ平面で切り取った図である。図４Ｃで示されたように、ＸＹ平面内において、凸部３１Ｂと接合部２とが第１周期で配置されている。したがって、凸部３１Ｂと接合部２の屈折率は互いに異なるため、第１周期構造３１Ａは、ＸＹ平面内において、屈折率が第１周期で変化していることになる。つまり、入射面３１に上記のモスアイ構造を形成することで、入射面３１と平行な２次元方向に対して、屈折率を第１周期で変化させることができる。同様に、出射面３２に上記の周期構造を形成することで、出射面３２と平行な２次元方向に対して、屈折率を第２周期で変化させることができる。
【００２８】
また、凸部３１Ｂは円錐形状であるため、凸部３１Ｂの先端の方では、凸部３１Ｂに比べて接合部２が占める体積が大きく、凸部３１Ｂの底面の方では、接合部２に比べて凸部３１Ｂが占める体積が大きくなる。このため、第１周期構造３１ＡのＸＹ平面内における平均的な屈折率である有効屈折率は、凸部３１Ｂの先端から底面に向かって連続的に変化していることになる。ここで、互いに異なる屈折率を有する物質間の界面で発生するフレネル反射は、その物質間の屈折率の差が小さいほど発生しづらくなるので、上記のように有効屈折率が凸部３１Ｂの先端から底面に向かって連続的に変化していると、フレネル反射を防止することができる。
【００２９】
また、第２周期構造３２Ａは光を回折して所定の方向に導く回折格子として機能するので、光源１０の指向性を高くすることができる。
【００３０】
なお、凸部３１Ｂおよび３２Ｂは、円錐形状などのテーパー形状が望ましいが、円柱形状や角柱形状などの他の形状でもよい。例えば、光学部３は、図５に示すように、凸部３１Ａが円錐形状であり、凸部３２Ｂが円柱形状でもよい。
【００３１】
上記の構成を有する光学部３では、発光部１から発生した光は、接合部２を介して光学部３の入射面３１に入射する。入射面３１に入射した光は、第１周期構造３１Ａによってほとんど反射することなく、光学部３を透過する。接合部２の屈折率ｎ１が光学部３の屈折率ｎ２より小さいので、図６に示すように、光は、入射面３１を透過した際にスネルの法則に従って出射角が小さくなり、出射面３２まで伝播する。そして、出射面３２に伝播された光は、第２周期構造３２Ａによって放射角が変換されて出射される。
【００３２】
上記の構成を有する光学部３は、ガラス基板、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）および紫外線硬化樹脂などを材料に用いて、干渉露光法、電子線リソグラフィーまたはナノインプリントなどによって加工することで作製することが出来る。
【００３３】
また、１つの光学部３の入射面および出射面の両面に微細構造を加工せず、２つの光学部３のそれぞれの片面に微細構造を設け、２つの光学部３の微細構造を設けていない面同士で貼り合せた構成にしても良い。
【００３４】
次に光源１０の指向性を評価する。
【００３５】
図７は、光源１０の指向性を評価するためのＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーションを説明するための図である。また、各構造物のサイズの違いが大きく、各構造物を正確な比率で表すことが困難であるため、模式的に示している。図７に示すように、本シミュレーションは、点光源４１から同心円状に出射されたＴＥ偏光およびＴＭ偏光の光の計算領域端４２に到達した強度分布をフーリエ変換することで、遠方界(Ｆａｒ  ｆｉｅｌｄ)の光強度の角度分布のＴＥ偏光成分およびＴＭ偏光成分の平均を評価したものである。なお、点光源４１からは、波長５３２ｎｍの光が出射されている。
【００３６】
また、凸部３１Ｂの底面の直径を０．１μｍに固定し、凸部３１Ｂの高さを０．５μｍに固定する。また、凸部３２Ｂの底面の直径をｖ[μｍ]とし、その凸部３２Ｂの高さを５ｖとし、凸部３２Ｂの底面の直径ｖを変化させながら光の光強度を計算した。
【００３７】
図８は、一例として、ｖ＝４［μｍ］のときの計算結果を示す図である。横軸は遠方界における放射角を示し、縦軸は遠方界における、規格化をしていない光強度を示す。点線は光源からＴＥ偏光を出射した場合の遠方界での光強度を示し、直線は光源からＴＭ偏光を出射した場合の遠方界での光強度を示している。ここで、リファレンスのために、計算領域内に光学部３がない、つまり自由空間の場合でのＴＥ偏光の遠方界の光強度を鎖線で示している。また自由空間においてはＴＭ偏光の結果はＴＥ偏光の結果と等しいので省略する。
【００３８】
図８に示すグラフから光学部３の出射面の周期構造による回折によって、放射角に応じた遠方界の光強度が変調されていることが判る。ここで、例えば、４５度内（−４５度〜＋４５度）における自由空間の場合でのＴＥ偏光の遠方界の光強度の積分値に対するＴＥ偏光およびＴＭ偏光の遠方界の光強度の積分値の平均値の割合を計算すると、１．１６であり、指向性が向上している。
【００３９】
図９は、凸部３２Ｂの底面の直径ｖと、計算領域端４２における光強度のゲイン（Ｇａｉｎ  ｏｆ  Ｆａｒ  ｆｉｅｌｄ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）との関係を示す図である。ここで、光強度のゲインとは、光学部３が存在しないときの計算領域端４２における遠方界の光強度に対する、光学部３が存在するときの計算領域端４２における遠方界の光強度の割合である。また、図９は、放射角が１５度内（−１５度〜１５度）、３０度内（−３０度〜３０度）、４５度内（−４５度〜４５度）、６０度内（−６０度〜６０度）、７５度内（−７５度〜７５度）、９０度内（−９０度〜９０度）、１８０度内（−１８０度〜１８０度）のそれぞれにおける光強度のゲインを示している。
【００４０】
図９に示すように、凸部３２Ｂの底面の直径が凸部３１Ｂの底面の直径より大きい場合、放射角が１５度内〜７５度内における光強度は略１より大きくなっており、光源１０の指向性が高くなっていることが分かる。したがって、第１周期構造３１Ａおよび第２周期構造３２Ａにおける屈折率の周期は、凸部の底面の中心から隣の凸部の底面の中心までの距離であるので、第２周期構造３２Ａにおける屈折率の周期である第２周期が、第１周期構造３１Ａにおける屈折率の周期よりより長ければ、光源１０の指向性を高くなることが分かる。
【００４１】
図８および図９においては、凸部３１Ｂおよび３２Ｂのアスペクト比（底面の直径と高さの比）は５として計算した。アスペクト比が高いほど、モスアイ構造のフレネル反射低減効果やフォトニック結晶の回折効果は高くなり、図８の遠方界での光強度および図９の光強度のゲインが上がるものの、同時に構造物の作製の難易度が上がるので、両者のトレードオフでアスペクト比を決定する必要がある。例えば、作製難易度を下げるために、アスペクト比を下げても良い。
【００４２】
次に光源１０を用いた投射型表示装置（プロジェクタ）について説明する。
【００４３】
図１０は、本実施形態のプロジェクタの構成の一例を示す配置図である。図１０において、プロジェクタ１００は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂと、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１０４と、投射光学系１０５とを備える。
【００４４】
光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれは、図１に示した光源１０と同じ構造を有する。光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれの発光部１は、波長がそれぞれ異なる光を発生するものとする。以下、光源１０１Ｒから赤色（Ｒ）光が出射され、光源１０１Ｇから緑色（Ｇ）光が出射され、光源１０１Ｂから青色（Ｂ）光が出射されるものとする。
【００４５】
光学素子１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂのそれぞれは、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂから発生した各色光を、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれに導いて入射する。
【００４６】
液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
【００４７】
クロスダイクロイックプリズム１０４は、液晶パネル１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂのそれぞれから出射された各変調光を合成して出射する。
【００４８】
投射光学系１０５は、クロスダイクロイックプリズム１０４から出射された合成光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
【００４９】
図１１は、本実施形態のプロジェクタの構成の別の例を示す配置図である。図１１において、プロジェクタ１００’は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、導光体１０６と、液晶パネル１０７と、投射光学系１０８とを有する。
【００５０】
導光体１０６は、光源１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂから発生した各色光を合成して液晶パネル１０７に出射する。
【００５１】
液晶パネル１０７は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。
【００５２】
投射光学系１０８は、液晶パネル１０７から出射された変調光をスクリーン２００に投射して、スクリーン２００上に映像信号に応じた映像を表示する。
【００５３】
なお、図１０および図１１では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、変調素子は液晶パネルに限らず適宜変更可能である。例えば、図１１で示したプロジェクタでは、液晶パネル１０７の代わりに、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。
【００５４】
以上説明したように本実施形態によれば、光学部３は、発光部１から発生した光が入射する入射面３１と、入射面３１に入射した光を出射する出射面３２とを備える。入射面３１には、その入射面３１と平行な２次元方向に対して、屈折率が光の波長より短い第１周期で変化する第１周期構造３１Ａが形成されている。出射面３２には、その出射面３２と平行な２次元方向に対して、屈折率が第１周期より長い第２周期で変化する第２周期構造３２Ａが形成されている。
【００５５】
このため、第１周期構造３１Ａによって入射面３１で生じるフレネル反射を防止することができ、第２周期構造３２Ａによって出射面３２から出射される光の放射角を変換することができるので、指向性を高くしつつ、光の取り出し効率を高くすることが可能になる。
【００５６】
また、本実施形態では、凸部３１Ｂおよび３２Ｂは円錐状であるので、入射面３１および出射面３２と垂直なＺ方向に有効屈折率を連続的に変化させることが可能になり、フレネル反射の防止効果を高くすることができる。
【００５７】
次に第２の実施形態について説明する。
【００５８】
図１２は、本実施形態の光源を示す斜視図であり、図１３は、本実施形態の光源をＸＺ平面で切った縦断面図である。
【００５９】
図１２および図１３に示す光源１０’は、図１で示した光源１０と比べて、接合部２および光学部３の壁面が光を反射する反射部材５１で形成されている点が異なる。なお、接合部２は、中空になっており、空気で満たされている。
【００６０】
本実施形態では、発光部１から発生した光のうち光学部３の壁面に入射した光も反射部材５１によって反射して光学部３に入射されるので、発光部１から出射された光をより多く光学部３に導くことが可能になるため、光の取り出し効率をより高くすることが可能になる。また、光学部３の内部を伝播する光のうち、光学部３の壁面に入射される光も反射部材５１によって反射して出射面３２に導くことが可能になるため、光の取り出し効率をより高くすることが可能になる。
【００６１】
なお、本実施形態では、接合部２および光学部３の壁面の全てが反射部材５１で形成されていたが、接合部２および光学部３の壁面の一部のみでも、光を反射する反射部が備わった構成であれば、第１の実施形態と比べて、光の取り出し効率を高くすることができる。
【００６２】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【００６３】
例えば、発光部１の下面や上面などに光を反射する反射膜を設けてもよい。
【００６４】
この出願は、２０１１年３月９日に出願された日本出願特願２０１１−０５１３８６号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2012120738.tif 000018
2012120738.tif 000019