(57)【要約】【課題】ビーム分割および色分離の両方を行う光学装置を提供する。【解決手段】色分離光学装置は、一体型の両面構造を有し、それぞれがマイクロ／ナノ構造を有する。光学装置は、入射光源上でビーム分割および色分離を行うことができ、複数の異なる波長で構成される。空間において、最初の入射光源は光度に応じてアレイ状の複数の光ビームに均等に分割される。同時に、異なる波長で構成された光ビームは、波長に応じて異なるサブ光線に分割されるため、色分離された色配列を伝播する機能を有する。色波長を変調可能な光学装置は、広帯域の入射光源を色分離（波長分離）およびビーム分割したアレイ状のサブ光線に変換することができる。【選択図】図４
2010156942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面および第２表面を有し、前記第１表面が入射光線を受光する透明基板を主体とする色分離光学装置であって、
前記第１表面上にアレイを形成し、表面が第１グレーティングマイクロ構造を有する複数の第１マイクロ構造領域と、
前記第２表面上に、前記第１マイクロ構造領域に対応して設置され、表面が第２グレーティングマイクロ構造を有する複数の第２マイクロ構造領域と
を含む色分離光学装置。
【請求項２】
前記複数の第１マイクロ構造領域が、前記入射光線をアレイ状の複数の収束光線に分割する複数の第１曲面マイクロ構造であって、前記第１グレーティングマイクロ構造が、前記各収束光線を複数のカラーサブ光線に分割する請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項３】
前記第２マイクロ構造領域が、前記複数の収束光線を複数の集光光線として所定の方向へ導く複数の第２曲面マイクロ構造であって、前記第２グレーティングマイクロ構造が、前記各集光光線の各カラーサブ光線を所定のサブ方向へ導く請求項２記載の色分離光学装置。
【請求項４】
前記所定のサブ方向が、実質的に小さな角度で、または垂直に、前記透明基板に入射する請求項３記載の色分離光学装置。
【請求項５】
前記各第１曲面マイクロ構造は、曲率半径が前記各第２曲面マイクロ構造よりも大きい請求項３記載の色分離光学装置。
【請求項６】
前記各第１曲面マイクロ構造および前記各第２曲面マイクロ構造の２つの中心位置が転位された請求項３記載の色分離光学装置。
【請求項７】
前記各第１マイクロ構造領域および前記各第２マイクロ構造領域の２つの中心位置が転位された請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項８】
前記第１表面および前記第２表面上の前記複数のマイクロ構造領域が、凹凹レンズ構造、凹凸レンズ構造、凸凹レンズ構造、凸凸レンズ構造、平凸レンズ構造、凸平レンズ構造、凹平レンズ構造または平凹レンズ構造、あるいは平面と自由曲面の組合せを形成する請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項９】
複数の出力光線が前記第２表面から出力され、前記各出力光線が複数のカラー光線に分割される請求項８記載の色分離光学装置。
【請求項１０】
前記グレーティングマイクロ構造が前記マイクロ構造領域に設置され、前記出力光線が実質的に平行、収束および拡散して出力される請求項９記載の色分離光学装置。
【請求項１１】
前記複数の第１マイクロ構造領域および前記複数の第２マイクロ構造領域が、それぞれ円柱状ユニットである請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項１２】
前記透明基板が偏極材料を有する請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項１３】
前記第１表面上の前記複数の第１マイクロ構造領域が構成される前記アレイが一次元または二次元に形成する請求項１記載の色分離光学装置。
【請求項１４】
アレイを形成する複数のマイクロレンズ構造領域を有し、前記各マイクロレンズ構造領域が第１表面グレーティングマイクロ構造および第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの表面を有する透明基板を備えた色分離光学装置であって、
前記複数のマイクロレンズ構造領域が入射光を複数の光ビームに分割し、前記第１表面グレーティングマイクロ構造が前記光ビームを複数の色光に分割し、前記第２表面グレーティングマイクロ構造が前記色光を所定の方向へ導く色分離光学装置。
【請求項１５】
前記各マイクロ構造領域が、凹凹レンズ構造、凹凸レンズ構造、凸凹レンズ構造、凸凸レンズ構造、平凸レンズ構造、凸平レンズ構造、凹平レンズ構造または平凹レンズ構造、あるいは平面と自由曲面の組合せである請求項１４記載の色分離光学装置。
【請求項１６】
前記色光が、実質的に平行出射または収束出射された請求項１４記載の色分離光学装置。
【請求項１７】
前記第１表面グレーティングマイクロ構造および前記第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの中心位置が距離を置いて転位された請求項１４記載の色分離光学装置。
【請求項１８】
前記透明基板が偏極材料を有する請求項１４記載の色分離光学装置。
【請求項１９】
画素アレイとして形成された複数の画素を有し、前記各画素がそれぞれ複数の原色光に応じた複数のサブ画素から成る画像パネルと、
入射光を受光して前記原色光を生成する色分離光学装置パネルとを含み、
前記色分離光学装置パネルは、
前記画素アレイに応じてアレイを形成する複数のマイクロレンズ構造領域を有し、前記各マイクロレンズ構造領域が第１表面グレーティングマイクロ構造および第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの表面を有する透明基板を備え、
前記マイクロレンズ構造領域は入射光を複数の光ビームに分割し、前記第１表面グレーティングマイクロ構造は前記光ビームを複数の色光に分割し、前記第２表面グレーティングマイクロ構造は前記色光を所定の方向へ導く画像パネル装置。
【請求項２０】
前記各マイクロ構造領域が、凹凹レンズ構造、凹凸レンズ構造、凸凹レンズ構造、凸凸レンズ構造、平凸レンズ構造、凸平レンズ構造、凹平レンズ構造または平凹レンズ構造、あるいは平面と自由曲面の組合せである請求項１９記載の画像パネル装置。
【請求項２１】
前記色光が、実質的に平行出射または収束出射された請求項１９記載の画像パネル装置。
【請求項２２】
前記各マイクロレンズ構造領域における前記第１表面グレーティングマイクロ構造および前記第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの中心位置が距離を置いて転位された請求項１９記載の画像パネル装置。
【請求項２３】
前記透明基板が偏極材料を有する請求項１９記載の画像パネル装置。
【請求項２４】
第１表面および第２表面を有し、前記第１表面が入射光線を受光する透明基板を主体とする色分離光学装置であって、
前記第１表面にアレイを形成する複数の第１マイクロ構造領域と、
前記第１マイクロ構造に応じて第２グレーティングマイクロ構造が設置された前記第２表面上の平板構造と、
を含む色分離光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色分離光学装置に関する。特に、本発明は、ビーム分割および色分離の両方を行う光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル画像は、アレイ状の画素で形成され、画像を表示する。さらに、カラー画像については、各画素が、例えば、三原色赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３つのサブ画素で構成され、色の濃淡を表示する。通常、赤、緑、青のサブ画素を生成するために、各サブ画素は、希望の色に対応するカラーフィルターを設置する必要がある。このように、白色の入射光源の効果的な部分が３分の１に減り、その他の対象でない色の部分が３分の2に吸収される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
平面ディスプレイ装置の応用として、画像の色の濃淡を表示するためには、ＴＦＴ−ＬＣＤ（thin film transistor liquid crystal display）のバックライトと液晶のグレーレベルの変調およびカラーフィルターを連結させる必要がある。ＣＣＤ（charge coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）デバイスのようなデジタルカメラの画像センサも、物体のフルカラー画像を表示するためには、染料型（dye-type）カラーフィルターを必要とする。その他の応用には、例えば、プロジェクター、カラービデオ、背面投写型テレビ（back-projection TV）等が含まれる。プリズムが単板式、三板式（TFT-LCD, LCOS）、あるいは二板式かどうかに関わらず、フルカラー画像を表示するためには全て染料型カラーフィルターを使用する必要がある。従来の染料型カラーフィルターを使用した場合、カラーフィルターの各画素は、三原色赤、緑、青のうちの単色しか表示できない。基本的に、入射白色光の約３分の２が吸収され、光の利用効率が低下する。その上、ポータブル電子機器のバッテリーの使用持続期間も減少する。さらに、染料型カラーフィルターの製造プロセスはむしろ複雑で、材料の消費量、製品および製造工場のコストは依然として高いままである。
【０００４】
本技術分野において、これらの問題を解決しようとした技術もあったが、長所と短所の両方が存在する。そのため、更なる技術が依然として開発中である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、従来の染料型カラーフィルターに代わる色分離光学装置を提供することを目的とする。光の利用効率が高い状況で、画像装置の画素アレイに応じてアレイ状のカラーサブ光線を生成することができる。その上、サブ光線を、小さな入射角で、または垂直にパネルに入射することができる。
【０００６】
本発明は、第１表面および第２表面を有し、第１表面が入射光線を受光する透明基板を主体とする色分離光学装置を提供する。色分離光学装置は、第１表面上にアレイを形成する複数の第１マイクロ構造領域（micro-structure region）を有し、各第１マイクロ構造領域の表面は、第１グレーティングマイクロ構造（grating micro-structure）を有する。第１マイクロ構造領域に対応して、第２表面上に複数の第２マイクロ構造領域が設置され、各第２マイクロ構造領域の表面は、第２グレーティングマイクロ構造を有する。
【０００７】
本発明は、また、透明基板を備え、アレイを形成する複数のマイクロレンズ構造領域（micro-lens structure region）を有する色分離光学装置を提供する。各マイクロレンズ構造領域は、第１表面グレーティングマイクロ構造（surface grating micro-structure）と、第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの表面を有する。マイクロレンズ構造領域は、入射光を複数の光ビームに分離する。第１表面グレーティングマイクロ構造は、光ビームを複数の色光に分け、第２表面グレーティングマイクロ構造は、色光を所定の方向へ導く。
【０００８】
本発明は、また、画像パネルの装置を提供する。装置は、画像パネルを備え、画素アレイとして形成された複数の画素を有し、各画素は、複数の原色光（例えば、赤、緑、青またはそれ以上）にそれぞれ対応して、複数のサブ画素を構成する。色分離光学装置パネル（またはプレート）は入射光を受光して、原色光（例えば、赤、緑、青またはそれ以上）を生成する。色分離光学装置パネル（またはプレート）は、透明基板を備え、画素アレイに応じてアレイを形成する複数のマイクロレンズ構造領域を有する。各マイクロレンズ構造領域は、第１表面グレーティングマイクロ構造と、第２表面グレーティングマイクロ構造の２つの表面を有する。マイクロレンズ構造領域は、入射光を複数の光ビームに分割し、第１表面グレーティングマイクロ構造は、光ビームを複数の色光に分け、第２表面グレーティングマイクロ構造は、色光を所定の方向へ導く。
【０００９】
本発明は、また、第１表面および第２表面を有し、第１表面が入射光線を受光する透明基板を主体とする色分離光学装置を提供する。色分離光学装置は、第１表面上にアレイを形成する複数の第１マイクロ構造領域を有する。第２表面上に平板構造（planar structure）が設置され、その上に第２グレーティングマイクロ構造領域（grating micro-structure region）が第１グレーティングマイクロ構造領域に対応して設置される。
【発明の効果】
【００１０】
光学装置の光学現象について、本発明は周期性光学マイクロ／ナノ構造（periodic optical micro/nano structure）を考慮する。入射光と周期性マイクロ／ナノ斜面の間の相対角度を調整することによって、回折光の方向が溝（groove）のファセット（facet）を屈折面とする屈折方向と同じ時に、回折方向（またはファセットの屈折方向）における回折効率が最大になる。本発明は、屈折と回折を統合して機能を最適化し、いくつかの波長域を有する入射光源に対してビーム分割および色分離、つまり波長分離機能を同時に行う一体形成型装置を設計することができる。波長分離機能は、例として、均等な光度で空間における最初の入射光源をサブ光線に分割し、同時に、異なる波長域に基づいて光ビームを分割することである。結果として、サブ光線が波長に応じて分割され、分割されたビームが伝播されてからサブ光線の色配列を形成する。これが色分離機能である。波長に応じて色の制御が可能な装置は、色分離（波長分離）およびビーム分割によって広帯域の入射光源をサブ光線のアレイに変換することができ、従来の染料型カラーフィルターに取って代わることができる。装置は、ＰＥＮ（polyethylene naphthalate）、ＰＤＬＣ（polymer dispersed liquid crystal）のような偏極材料、またはコレステリック液晶（cholesteric liquid crystal）あるいは様々な屈折型偏光板（reflection-type polarization plate）にも形成されることができる。結果として、伝播の際に偏光された色配列を発展させることができる。これを画像検出器、画像表示パネルまたは画像プロジェクターに応用すると、従来の染料型カラーフィルターに比べて光の利用効率をはるかに向上させることができる。
【００１１】
本発明の上記及び他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】平板グレーティング構造について本発明における動機の１つを図示した断面図である。
【図２】曲面グレーティング構造を図示した断面図である。
【図３】分割および収束された光ビームを生成するために使用する光学装置を図示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るシミュレーションによる色分離のメカニズムを示した図である。
【図１４】本発明の実施形態に係るシミュレーションによる色分離のメカニズムを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、いくつかの実施形態を提供して説明するが、本発明は、提供した実施形態のみに限定されるものではない。また、これらの実施形態は、他の各実施形態と適切に組み合わせることが可能である。
【００１４】
まず、平板グレーティング（planar grating）について検討する。図１は、平板グレーティング構造について本発明における動機の１つを図示した断面図である。図１において、平板グレーティング１００は、例えば、周期性三角形グレーティング構造（periodic triangular grating structure）を有する。波長を有する入射光１０２が平板グレーティング１００に入ると、格子の周期および形状に応じて、透過光は、例えば、回折次数０、＋１および−１で回折光０Ｔ、＋１Ｔおよび−１Ｔを有する。反射光は、例えば、回折次数０、＋１および−１で回折光０Ｒ、＋１Ｒおよび−１Ｒを有する。三原色赤、緑、青の波長が異なることによって、色が分離される。
【００１５】
続いて、曲面グレーティング（curving-surface grating）の光学現象について検討する。図２は、曲面グレーティング構造を図示した断面図である。図２において、曲面グレーティング構造１０４の曲面１０６は、微細なグレーティング構造を有する（特に図示せず）。ローランド円（Rowland's circle）の現象に基づくと、広帯域の入射光が一体型曲面で点Ｐから周期または非周期性の多角形グレーティングマイクロ構造の入射点Ａに入ると、複数の波長（または色）を有する分割光スポットが点Ｑで出力される。曲面構造の半径Ｒは、点Ｃから点Ａまでの距離である。曲面１０６における格子の周期がｐの場合、赤、緑、青の入射光の波長は、それぞれλｒ、λｇおよびλｂである。Ａ点付近の格子は、平板グレーティングとみなされる。ＣＡは、平板グレーティングの法線である。入射角および回折角は、それぞれαおよびβである。グレーティング方程式によると、原色光が回折光に対してｍ次の時、回折角は以下の通りである：
【数１】
2010156942.tif 000003
【００１６】
さらに、曲面グレーティングによると、以下の通りである：
【数２】
2010156942.tif 000004
【００１７】
これが所謂ローランド円であり、入射点Ｐおよび回折点Ｑはローランド円上にある。
【００１８】
数値分析の後、一体型曲面マイクロ構造に対する第１組の周期または非周期性多角形構造が得られ、それから、偏向角で、または垂直にパネルに入る。光が収束、平行または拡散され、目標としてパネルに入る。数値分析の計算を続けると、一体型曲面マイクロ構造に対する第２組の周期または非周期性多角形構造が得られる。
【００１９】
本発明は、異なる波長帯を有する入射光に対してビーム分割および色（波長）分離を行う色分離光学装置を提供する。例えば、空間における最初の入射光が均等な光度で複数のサブ光線に分割され、その後異なる波長構成の光ビームが伝播されると色配列に分割される。より好適な実施形態では、入射光が三原色のサブ光線に分割される。色配列における各色のサブ光線は、入射光に実質的に平行な方向に出射される。出力光線は、例えば平行、収束または拡散などの光学行為で伝播される。その上、システムおよび光源に基づいて、入射光は複数の原色光源を使用することができる。色の波長を制御する装置は、従来の染料型カラーフィルターに取って代わることができる。入射光の利用効率が高いままの状況で、ＴＦＴ−ＬＣＤ、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon），ＣＣＤ（charge coupled devices），ＣＩＳ（contact image sensor）等のような画像装置の画素アレイに応じたカラーサブ光線を生成することができる。カラーサブ光線は小さな入射角で、または垂直にパネルに入る。
【００２０】
本発明は、また、平板構造の上下表面にそれぞれ屈折／回折を有する曲面および／または平面の組合せにおいて１対の表面を備えた一体型マイクロ構造を提供する。平面ディスプレイ装置の応用を例にすると、装置は、光ビームの直径を縮小することのできる１対のマイクロ曲面アレイ構造を基礎とする。その上、周期または非周期性の構造が曲面にさらに形成され、屈折／回折表面を形成し、同時に、波長を制御可能な色装置として光分割および色分離の機能を果たす。
【００２１】
図３は、分割および収束された光ビームを生成するために使用する光学装置を図示した断面図である。図３において、光学装置１５４は、透明基板１２０を有する。光を収束させるレンズマイクロ構造１２２は、透明基板１２０の表面に形成され、入射光を受光する。結果として、各レンズマイクロ構造１２２をそれぞれ通過する入射光１２６は、収束されたサブ光線を形成する。透明基板１２０の別の表面には、レンズマイクロ構造１２４をさらに有し、それに応じて、収束された光ビームを入射光１２６の方向とほぼ同じ方向に伝播する集光光１２８に変換する。集光光１２８は、例えば、画像パネル１３０の画素１３２と連結して光源を提供する。一体型構造については、透明基板１２０とレンズマイクロ構造１２２および１２４が単体で光学装置として統合される。レンズマイクロ構造１２２および１２４の曲面は実際の必要に応じて設計することができる。
【００２２】
画像パネル１３０の画素１３２については、色彩効果が表示される場合、画素１３２は赤、緑、青の三原色によって形成される。これを考慮すると、光学装置１５４はさらに色分離の機能を必要とする。図４は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図４では、図３の構造を基礎として、表示パネルの画素の位置に応じて、入射光から複数のサブ光線を提供する。それから、細密な色分離のメカニズムで、本発明は格子の回折現象を用いて色分離を行う。グレーティング構造１４０は、さらに、レンズマイクロ構造１２２の表面に形成される。つまり、入射光１２６は、例えば三原色赤、緑、青が異なる波長を有するように、原色に対していくつかの周波帯を有し、グレーティング構造１４０によって色分離された回折光１４４を生成する。レンズマイクロ構造１２２は、例えば、円柱状の曲面である。グレーティング構造１４０の切削溝は円柱の縦方向、つまり、平行拡張された図面に垂直に沿っている。図４は、グレーティング構造の概略図である。波長に対する色分離の効果および光の回折方向は、グレーティング構造の設計条件によって決まり、実際の必要に応じて調整することができる。
【００２３】
分割された各光ビームが透明基板１２０の空間を通過して伝播されると、原色光を分離するのに十分なレベルに達し、レンズマイクロ構造１２４に入る。もう一組のグレーティング構造１４２も、画像パネル１３０のサブ画素に応じて、分離された原色光を原色光１４６と同じ方向に偏向する効果を有するレンズマイクロ構造１２４に形成される。より好適な設計は、原色光１４６を小さな入射角で、または実質的に垂直に画像パネル１３０に入る方向へ出射させるため、システム全体の位置合わせおよび色の純化に少なくとも有効である。小さな入射角の範囲は、例えば、垂直方向からの傾斜が５度以内、または２度以内である。しかしながら、これは絶対的な必要条件ではない。
【００２４】
さらに、偏極効果を必要とする場合、透明基板１２０は偏光光を作り出すための偏極材料１３４を含むことができ、偏光を有するカラー光線を同時に生成することができる。
【００２５】
図４は、本発明の色分離光学装置のメカニズムを描写したものである。同じメカニズムを使って、本発明は、設計を多様に変化させることができる。図５は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図５は、図４と類似しているが、透明基板１２０'に差異がある。透明基板１２０'と図４の差異は、レンズマイクロ構造１２４'の中心位置１５０がレンズマイクロ構造１２２'の中心位置１５２から転位していることである。レンズマイクロ構造１２２'によって分割された原色光は、一定の角度で偏向される。画像パネル１３０の位置は、偏向角と関連する位置である。さらに、透明基板１２０'も偏極材料１３４を有し、同時に、希望の偏光状態に光を偏光させることができる。
【００２６】
図６は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図６において、本実施形態中の透明基板２００上のレンズマイクロ構造２０２、２０４は凸凹構造でもよく、光学現象によって決まり、構造上特殊な制限がなくても、画像パネル１３０の距離および画像の位置と一致する。
【００２７】
図５および図６の実施形態に基づき、分離された色光は、例えば、画像パネル１３０の表面に収束される。しかしながら、画像パネル１３０の性能により、原色光は必ずしも画像パネル１３０の表面に収束する必要はない。画像パネルの視角の要求に応じて、サブカラー光線は画像パネルの上下表面、あるいはパネル内部に入ることができる。
【００２８】
図７は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図７は、図５の設計と類似しているが、光学装置１５４と画像パネル１３０の間の距離が縮小されているため、サブ画素に入る原色光は入射領域１５６である。しかしながら、レンズマイクロ構造１２２'および１２４'のグレーティング構造１４０'、１４２'の曲率を変えることができる。
【００２９】
図８は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図８は、図６と類似しているが、光学装置１５４の透明基板２００上のレンズマイクロ構造２０２および２０４は、光ビーム分割および光収束の効果を生じさせる。表面上のグレーティング構造は、光を正しい方向に導く効果をもたらすことができる。
【００３０】
注意すべきことは、上述のレンズマイクロ構造の曲面は、中心線に対して左右対称の円柱状の曲面を例としていることである。しかしながら、光学偏向現象および回折色分離現象に基づき、レンズマイクロ構造の曲面は、円柱構造に限らず、非対称な曲面でもよい。しかしながら、円柱構造は、後方で画素の位置を調整するのに有効である。
【００３１】
続いて、光ビーム分割の効果を考慮した時、レンズマイクロ構造は平凸または平凹の構造でもよい。図９は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図９において、光学装置の透明基板２２０上の構造を入射面として使用すると、例えば、凸平に基づく設計でもよいが、平凸でもよい。凸平の設計を例とすると、透明基板２２０の光入射面は、凸レンズマイクロ構造を有する。レンズマイクロ構造の表面は、グレーティング構造２２４を有してもよい。入射光は、レンズマイクロ構造およびその表面上のグレーティング構造２２４の効果を有し、光ビーム分割および必要な収束効果を生じさせる。それから、光ビームは、さらに透明基板２２０の空間を通過して、別の表面に到達する。この表面は平面で、グレーティング構造２２２は偏向した原色光を平行に戻るよう導く表面のため、画素１３２の複数のサブ画素に応じて、平行原色光２２６を得ることができる。平行原色光２２６は、画像パネルの要求に応じて、収束または拡散することができる。
【００３２】
図９は、凸平による設計である。しかしながら、平凸の設計の場合は、凸型のレンズマイクロ構造が光出力面に設けられる。平凹および凹平型による別の設計も、光分割および色分離の効果を得ることができる。
【００３３】
図１０は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図１０の光学装置は、凹平構造に基づいて設計されたものである。しかしながら、画像パネル２２８の画素１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄに対応するレンズマイクロ構造の曲面は、全て同じである必要はない。例えば、凹レンズマイクロ構造２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄを本実施形態に示す。その上、曲面は、非球面またはさらに自由な一般的曲面の設計でもよく、本発明では「自由曲面（free curving surface）」と呼ぶ。つまり、本実施形態の構造は、平面を自由曲面と組合せたもの、あるいは自由曲面を平面と組合せたものでもよい。
【００３４】
さらには、例えば、凸平構造でもよい。しかしながら、格子は光ビームを分割するために平面に設けられているだけであって、凸曲面が光ビームを収束および偏向させる。つまり、本発明は、本実施形態のみに限定されない。
【００３５】
図１１は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図１１では、レンズマイクロ構造は提供した実施形態のみに限定されない。レンズマイクロ構造は、さらに、例えば、凹凸、凹凹、凸凹でもよい。例えば、２つの表面の２つのレンズマイクロ構造の中心位置は、表面上の格子効果に応じて転位（dislocation）することができる。
【００３６】
図１２は、本発明の実施形態に係る色分離光学装置を図示した断面図である。図１２において、本発明の色分離光学装置は画像パネルに適用される。画像パネルは、例えば、画像表示パネルまたは画像を取り込む検出パネルでもよい。本実施形態において、画像表示用のＬＣＤ装置を例にすると、白色光を生成する光源３０４を有する。反射板３０２は光源からの入射光を反射し返して再使用することができる。光源３０４は白色光を生成し、サブ画素に応じて、本発明の色分離光学装置３０６に入り、原色光を生成する。色分離光学装置３０６の後方に設けられた光学素子には、例えば、偏光子３０８、液晶セル層３１０および分析器（analyzer）３１２が含まれる。
【００３７】
色分離光学装置３０６を拡大構造に示すと、例えば上記で説明した色分離光学装置３０６のように、画素に応じて光源をビームに分割し、サブ画素に応じてビームを赤、緑、青の三原色のような原色光に分離する。結果として、例えば、開口率、偏光効率および光の利用効率が向上する。図１３−１４は、本発明の実施形態に係るシミュレーションによる色分離のメカニズムを示した図である。図１３−１４において、大きさの比率を概略的に示す。本発明は、図１３に示したように、２つのマイクロレンズ曲面４００および４０２を有する単一ユニットを有する色分離光学装置の効率を検証する。周期性グレーティングは、例えば、周期が４０００ｎｍの曲面に形成される。２つの曲面の曲率半径は、Ｒ１＝１ｍｍまたはＲ２＝０．１６６７ｍｍである。２つの円柱面は２．５０４ｍｍのピッチを有する。円柱面の長さは、１０ｍｍである。受信点と第２円柱面の端との間の距離は、０．５ｍｍである。さらに、各組の第２円柱面の中心位置は、第１円柱面の中心位置から０．２２８６ｍｍ転位している。白色光は赤・緑・青の三原色に分離され、三原色赤・緑・青は画素に応じて光ビームユニットを形成する。光ビームユニットは、収束効果を有する。緑色光の波長は５４４ｎｍ、赤色光の波長は６１１ｎｍ、青色光の波長は４３６ｎｍである。
【００３８】
第２円柱面が、参考波長５４４ｎｍを基礎として０．２２８６ｍｍの転位を有するため、図１３の光追跡は、回折挙動が波長５４４ｎｍの緑色光を中心としていることを示す。その他の６１１ｎｍの赤色光および４３５ｎｍの青色光は、左右に分離して画素を形成する。
【００３９】
図１４において、アレイ状の７つの上記画素ユニットを例とすると、設計のパラメーターを設定することで、画素は互いに干渉せず、表示効果を達成することができる。
【００４０】
つまり、本発明は色分離装置を制御することができる。例えば、１対の曲面または平面、あるいはその組合せは、平板基板の上下表面に形成され、回折および屈折を行う一体型マイクロ構造を形成する。
【００４１】
例えば、アレイ状の１対のマイクロ曲面を有するマイクロ構造は、光ビームの直径を縮小するため、基板を有することができる。基板の上下表面は、それぞれ同じ形状の複数のマイクロ構造を有する。上下表面上のマイクロ構造は個々の曲率を有するため、ビームサイズが縮小されたビームに光源を分割および集光して画素に入れる。各光ビームは波長内で分離して画素に垂直に入る。集光された光ビームの光学行為は平行、収束または拡散され、ビーム分割の機能を果たす。
【００４２】
例えば、１対の周期性マイクロ構造は、アレイ状のマイクロ曲面を有するマイクロ構造の表面に形成される。ここで、基板は、さらに、アレイ状の上下マイクロ曲面上に、より小さな周期性マイクロ構造を有するため、表面はアレイ状の曲面を有し、回折および屈折を行う。第１表面の周期性マイクロ構造は、波長内で入射光を分割する、つまり、基板内で偏向および収束効果を有する色を分離する。これが色分離である。分割された光ビームが継続的に伝播して、第２表面で周期性マイクロ構造を通過すると、分離された波長（または分離された色）の光ビームが画像表示パネルに実質的に垂直な方向へ屈折され、集光される。例えば、平行または拡散的にパネルに到達する。この時、光源はビームに分割され、サブ画素に対して赤、緑、青の色に分離され、それからパネルに入る。異なる波長のビームは、それぞれ異なる位置に出射する。しかしながら、出射方向はなお入射光の方向に対して平行である。
【００４３】
例えば、回折／屈折一体型マイクロ構造における２つの上下表面のマイクロ曲面は、同じ曲面または異なる曲面であってもよい。曲率は、プラス、ゼロまたはマイナスであってもよい。
【００４４】
さらに、例えば、回折／屈折一体型マイクロ構造における２つの上下表面のマイクロ曲面は、周期または非周期性の多角形構造を有することができる。多角形構造は、ブレーズ型グレーティング（blazed grating）、マルチステージ型グレーティング（multiple-stage grating）またはサブ波長グレーティング（sub-wavelength grating）であってもよい。格子の周期は、０．２λと３０λの間になることができる。
【００４５】
さらに、例えば、回折／屈折一体型マイクロ構造における２つの上下表面のマイクロ曲面は、周期または非周期性の多角形構造を有することができる。曲面マイクロ構造の中心位置は、位置合わせ、または転位され、色分離の効果を有する。
【００４６】
さらに、例えば、周期／非周期性の多角形構造を有する回折／屈折一体型マイクロ構造の上下表面に入ると、入射光は非偏光光または偏光光になることができる。
【００４７】
さらに、例えば、周期／非周期性の多角形構造を有する回折／屈折一体型マイクロ構造の光学板の基板材料は、多角形構造の材料と異なってもよい。
【００４８】
さらに、例えば、周期／非周期性の多角形構造を有する回折／屈折一体型マイクロ構造の光学板の基板材料および多角形構造の材料は、いずれも偏極材料であってもよい。
【００４９】
さらに、例えば、周期／非周期性の多角形構造を有する回折／屈折一体型マイクロ構造の光学板の基板材料は、偏極材料層とともに挿入されることができる。
【００５０】
さらに、例えば、本発明は、ＴＦＴ−ＬＣＤ、ＯＬＥＤ（organic light-emitting diode）およびＬＣＯＳの画像表示パネル、あるいは画像プロジェクター、あるいはＣＣＤ、ＣＩＳおよびＣＭＯＳの画像検出装置、あるいはＬＥＤ照明、あるいは室内灯案内装置、あるいはバイオ検出装置、あるいは太陽光収集装置に応用することができる。
【００５１】
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【符号の説明】
【００５２】
１００  平板グレーティング
１０２  入射光
１０４  曲面グレーティング構造
１０６  曲面
１２０、１２０'、２００、２２０  透明基板
１２２、１２２'、１２４、１２４'、２０２、２０４  レンズマイクロ構造
１２６  入射光
１２８  集光光
１３０、２２８  画像パネル
１３２、１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ  画素
１３４  偏極材料
１４０、１４０'、１４２、１４２'、２２２、２２４  グレーティング構造
１４４  回折光
１４６  原色光
１５０、１５２  中心位置
１５４  光学装置
１５６  入射領域
２２６  平行原色光
２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ  凹レンズマイクロ構造
３０２  反射板
３０４  光源
３０６  色分離光学装置
３０８  偏光子
３１０  液晶セル層
３１２  分析器
４００、４０２  マイクロレンズ曲面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図１４】
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【外国語明細書】
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