(57)【要約】  本発明の拡散素子は、光を透過させる部材で形成された透過部材と、屈折率の異なる２種類以上の媒体が積層された四角柱状の積層体と、を備え、積層体は、透過部材の上面と積層面とが平行になるように、透過部材上に配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過させる部材で形成された透過部材と、
屈折率の異なる２種類以上の媒体が積層された四角柱状の積層体と、
を備え、
前記積層体は、前記透過部材の上面と積層面とが平行になるように、前記透過部材上に配置される、拡散素子。
【請求項２】
前記積層体を複数備え、
前記積層体の長さ方向の長さは、前記透過部材の長さよりも短く、
前記複数の積層体は、前記透過部材上に長さ方向に並列配置される、
請求項１に記載の拡散素子。
【請求項３】
前記並列配置された積層体の対向する側面間に配置された誘電体部材をさらに備える、請求項２に記載の拡散素子。
【請求項４】
前記積層体の長さよりも短い長さを有し、前記積層体の幅方向の端辺と前記透過部材との間に配置される突出部材をさらに備え、
前記突出部材の上方に位置する媒体は、側面に向かって上方傾斜している、
請求項２に記載の拡散素子。
【請求項５】
前記複数の積層体は互いに隣接配置され、
前記突出部材は、隣接した２つの積層体の幅方向の端辺と前記透過部材との間に配置される、
請求項４に記載の拡散素子。
【請求項６】
前記突出部材は三角柱状に形成され、３つの方形面がそれぞれ、前記隣接した２つの積層体の端辺および前記透過部材と接する、請求項５記載の拡散素子。
【請求項７】
前記媒体の積層方向の厚さは、拡散対象の光の波長よりも大きい、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項８】
互いの長さ方向が異なるように積層方向に配置された、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の２つの拡散素子と、
前記２つの拡散素子の一方と対向配置され、特定の入射角度範囲内の光のみを透過させる角度制御フィルタと、
を備える光学素子。
【請求項９】
光を出射する発光素子と、
前記発光素子の上に配置され、前記出射された光に位相差を与える位相差板と、
前記位相差板の上に配置された請求項８に記載の光学素子と、
前記光学素子の上に配置され、特定の偏光を透過させ、それ以外の偏光を反射する反射型偏光子と、
を備える発光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の発光装置と、
前記発光装置から出射された光を映像信号に応じて変調し、画像を投射する投射部と、
を備える投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を拡散させる拡散素子に関し、この拡散素子を用いた光学素子、および、発光装置に関する。さらに、この発光装置を用いた画像や映像を投射する投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された液晶表示装置や特許文献２に記載された反射器には、所定の角度範囲内にある入射光を選択的に散乱し、それ以外の角度の入射光を透過する光制御板（光拡散体）が用いられている。【０００３】
特許文献１には、フィルムの厚さ方向に対して傾斜して層状に分布した構造を有する拡散体が記載されている。この拡散体は、屈折率の異なる部分が、不規則な形状および厚さに形成されている。さらに、特許文献１には、縦長形状の屈折率の異なる部分が層状に傾斜して積層されてなる拡散体が記載されている。【０００４】
また、特許文献２には、屈折率が高い透明層と屈折率が低い透明層とが、厚み方向に対して５〜２０度だけ傾斜する方向に積層された光制御板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２１３０９号公報
【特許文献２】特開平１１−８４１１５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および特許文献２に記載された拡散素子では、９０度未満のある特定の入射角（具体的には、特許文献１では３０〜６０度付近）では十分な光の拡散性を有するが、９０度付近の大きい入射角では十分な拡散性が確保できない。【０００７】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、入射角が小さいときは拡散性が小さく、入射角が大きくなるに従い拡散性が大きくなるという性質を有する拡散素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の拡散素子は、光を透過させる部材で形成された透過部材と、屈折率の異なる２種類以上の媒体が積層された四角柱状の積層体と、を備え、積層体は、透過部材の上面と積層面とが平行になるように、透過部材上に配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射角が小さいときは拡散性が小さく、入射角が大きくなるに従い拡散性が大きくなる性質を有する拡散素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の拡散素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の拡散素子の動作原理を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の拡散素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の拡散素子の動作原理を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の拡散素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態の発光装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１３】偏光保存系における発光装置を説明するための図である。
【図１４】偏光解消系における発光装置を説明するための図である。
【図１５】本発明に望まれる拡散素子の動作を模式的に示す図である。
【図１６】本発明の第９の実施形態の投射装置の構成を模式的に示す配置図である。
【図１７】本発明の第１０の実施形態の投射装置の構成を模式的に示す配置図である。
【図１８】本発明の実施例の発光装置の光強度角度分布の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施形態である拡散素子及びその製造方法について説明する。なお、実際の拡散素子では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００１２】
図１は、本実施形態の拡散素子を模式的に示す斜視図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の拡散素子３Ａは、基板３１と、その基板３１の上に配置された凸部（すなわち、積層体）３４とを備える。凸部３４は、高屈折率媒体３２と低屈折率媒体３３とを交互に積層することによって形成されている。
【００１３】
また、図１（ｂ）に示すように、拡散素子３Ａの基板３１の下方には発光素子１が配置され、基板３１の凸部３４が配置された面（上面）と反対の面（下面）に、発光素子１から出射された光が入射する。以下では、基板３１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
【００１４】
基板３１は、発光素子１から出射される光の波長帯域において実質的に透明な材料、すなわち、入射した光をそのまま透過させる材料により形成される。基板３１の材料としては、例えば、石英ガラスやホウケイ酸クラウン等の光学ガラス、サファイアや水晶等の無機物結晶、ポリエーテルイミド樹脂やポリスチレン樹脂等の透明プラスチックが挙げられる。基板３１が請求項の透過部材に相当する。
【００１５】
なお、基板３１は必ずしも必要ではなく、発光素子１の上に凸部３４を配置することもできる。この場合、発光素子１が請求項の透過部材の機能も有する。また、基板３１の上面側に発光素子１を配置し、発光素子１から出射された光を、基板３１を介さずに凸部３４に直接入射させることもできる。
【００１６】
凸部３４は、基板３１の上面に配置され、Ｙ方向に延伸された直方体形状を有する。凸部３４のＸ方向の長さは１０〜５０μｍ程度、Ｙ方向の長さは１００μｍ以上が好ましい。
【００１７】
高屈折率媒体３２は、低屈折率媒体３３の屈折率より大きい屈折率を有する。高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３の材料は特に限定されないが、例えば、酸化シリコンや酸化チタンや酸化アルミニウム等の酸化物、窒化シリコン等の窒化物、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウム等のフッ化物、または、ポリエーテルイミド樹脂やポリスチレン樹脂等のプラスチック、等から成る誘電体材料を用いることができる。
【００１８】
なお、同じ凸部３４内で、高屈折率媒体として異なる材料が使用されていてもよいし、低屈折率媒体として異なる材料が使用されていてもよい。また、高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３の積層の順番は制限されない。さらには、高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３と異なる屈折率を有する第３の屈折率媒体が高屈折率媒体３２および低屈折率媒体３３と同様に積層されていてもよい。例えば、基板３１の界面や、凸部３４の上部または下部にＡＲ膜（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｃｏａｔ）等を積層することができる。
【００１９】
次に、拡散素子３Ａの製造方法について説明する。図２は、図１（ａ）に示す拡散素子３Ａを製造する方法を説明するための図である。以下で説明する製造方法は単なる一例であって、これに限定されるものではない。
【００２０】
先ず、図２（ａ）に示すように、基板３１の上面に高屈折率媒体３２および低屈折率媒体３３を交互に積層する。積層方法としては、例えば、ゾルゲル法や、スピンコート法と硬化処理とを繰り返す方法、を適用することができる。
【００２１】
その後、図２（ｂ）に示すように、レーザーマーカによる描画、レジストの形成およびエッチング処理等を行い、積層媒体の凸部３４を得る。なお、インプリント法を利用した多層膜形成を適用することもできる。
【００２２】
次に、拡散素子３Ａの動作について説明する。発光素子１から出射された光の入射角度がＹＺ面に対して小さい場合の動作を図３（ａ）に模式的に示す。図３（ａ）において、基板３１の下面から入射して基板３１を透過した光は、空気中を通過するか、凸部３４の下面から凸部３４内に入射する。凸部３４の下面から入射した光は、凸部３４内で屈折してＺ方向に透過する。従って、光の拡散は生じない。
【００２３】
一方、発光素子１から出射された光の入射角度がＹＺ面に対して大きい場合の動作を、図３（ｂ）に模式的に示す。このとき、基板３１を透過してきた光の一部は、凸部３４の側面から凸部３４内に入射する。凸部３４の側面から入射した光は、凸部３４内において屈折率の異なる複数の媒体３２、３３によって回折され、拡散した透過光および反射光が生じる。
【００２４】
このとき、回折の原理に基づき、光の入射角度がＹＺ面に対して大きくなるに従って、出射光の拡散性が大きくなる。また、拡散素子３ＡはＹ方向に延伸された直方体形状に形成されているため、光はＸＺ面内に二次元的に拡散する。ここで、本実施形態において、少なくとも高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３のどちらか一方の媒体の厚みは、回折が生じるように入射光の波長よりも厚く形成されている。また、入射光としては可視光が想定されるが、可視光以外の光も適応可能であり、所望の光に応じて適宜設計変更が可能である。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る拡散素子３Ａは、光の入射角が小さいときは拡散性が小さく、入射角が大きくなるに従い拡散性が大きくなる。従って、９０度付近の大きな入射角でも十分な拡散性を有する拡散素子を提供することができる。さらに、本実施形態に係る拡散素子３Ａは、光を回折することによって拡散を生じさせることから、出射光の偏光状態を維持することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図４〜図６を参照して、第２の実施形態である拡散素子及びその製造方法について説明する。なお、実際の拡散素子では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００２７】
図４は、本実施形態の拡散素子を模式的に示す斜視図である。第１の実施形態で説明した核酸素子３Ａと同様の部分には同じ符号を付した。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、本実施形態の拡散素子３Ｂは、基板３１と、その基板３１の上に周期的に配置された複数の凸部３４とを備える。複数の凸部３４はそれぞれ、高屈折率媒体３２と低屈折率媒体３３とを交互に積層することによって形成されている。
【００２９】
また、図４（ｂ）に示すように、拡散素子３Ｂの基板３１の下方には発光素子１が配置され、基板３１の凸部３４が配置された面（上面）と反対の面（下面）に、発光素子１から出射された光が入射する。以下では、基板３１の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
【００３０】
基板３１は、発光素子１から出射される光の波長帯域において実質的に透明な材料、すなわち、入射した光をそのまま透過させる材料により形成される。基板３１の材料としては、例えば、石英ガラスやホウケイ酸クラウン等の光学ガラス、サファイアや水晶等の無機物結晶、ポリエーテルイミド樹脂やポリスチレン樹脂等の透明プラスチックが挙げられる。
【００３１】
なお、基板３１は必ずしも必要ではなく、発光素子１の上に凸部３４を配置することもできる。また、基板３１の上面側に発光素子１を配置し、発光素子１から出射された光を、基板３１を介さずに凸部３４に直接入射させることもできる。
【００３２】
複数の凸部３４はそれぞれ、基板３１の上面に配置され、Ｙ方向に延伸された直方体形状を有する。凸３４部のＸ方向の長さは、発光素子１の光の波長に応じて設計される。具体的には、各凸部３４のＸ方向の長さは１０〜５０μｍ程度、Ｙ方向の長さは１００μｍ以上が好ましい。
【００３３】
また、複数の凸部３４は、Ｙ方向と直交するＸ方向に並列に間隔（ギャップ）を置いて配置されている。凸部３４間の距離、すなわちギャップの長さは、発光素子１の光の波長に応じて設計される。具体的には、ギャップの長さは１μｍ以上に設定され、１０〜５０μｍ程度がより好ましい。複数の凸部３４は図４においては周期的に配置したが、非周期的に配置することもできる。
【００３４】
高屈折率媒体３２は、低屈折率媒体３３の屈折率より大きい屈折率を有する。高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３の材料は特に限定されないが、例えば、酸化シリコンや酸化チタンや酸化アルミニウム等の酸化物、窒化シリコン等の窒化物、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウム等のフッ化物、または、ポリエーテルイミド樹脂やポリスチレン樹脂等のプラスチック、等から成る誘電体材料を用いることができる。
【００３５】
なお、同じ凸部３４内で、高屈折率媒体として異なる材料が使用されていてもよいし、低屈折率媒体として異なる材料が使用されていてもよい。また、高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３の積層の順番は制限されない。さらには、高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３と異なる屈折率を有する第３の屈折率媒体が高屈折率媒体３２および低屈折率媒体３３と同様に積層されていてもよい。例えば、基板３１の界面や、凸部３４の上部または下部にＡＲ膜等を積層することができる。
【００３６】
次に、拡散素子３Ｂの製造方法について説明する。図５は、図４（ａ）に示す拡散素子３Ｂを製造する方法を説明するための図である。以下で説明する製造方法は単なる一例であって、これに限定されるものではない。
【００３７】
先ず、図５（ａ）に示すように、基板３１の上面に高屈折率媒体３２および低屈折率媒体３３を交互に積層する。積層方法としては、例えば、ゾルゲル法や、スピンコート法と硬化処理とを繰り返す方法、を適用することができる。
【００３８】
その後、図５（ｂ）に示すように、ギャップを形成して積層媒体である複数の凸部３４を形成する。ギャップの形成方法として、レーザーマーカによる描画や、レジストを形成させてエッチング処理を行う方法等を用いることができる。上記の方法以外にも、インプリント法を利用した多層膜形成等を用いることもできる。
【００３９】
次に、拡散素子３Ｂの動作について説明する。発光素子１から出射された光の入射角度がＹＺ面に対して小さい場合の動作を図６（ａ）に模式的に示す。図６（ａ）において、上述のように、発光素子１の光の波長に応じて凸３４部の長さおよびギャップの長さが適切に設計されていることから、基板３１の下面から入射して基板３１を透過した光は、凸部３４間のギャップ中を通過するか、凸部３４を屈折しながらＺ方向に透過する。このばあい、複数の凸部３４によって生じるわずかな回折は無視することができ、従って、光の拡散は生じない。
【００４０】
一方、発光素子１から出射された光の入射角度がＹＺ面に対して大きい場合の動作を、図６（ｂ）に模式的に示す。このとき、基板３１を透過してきた光の一部は、複数の凸部３４の側面から凸部３４内に入射する。凸部３４の側面から入射した光は、凸部３４内において屈折率の異なる複数の媒体３２、３３によって回折され、拡散した透過光および反射光が生じる。
【００４１】
このとき、回折の原理に基づき、光の入射角度がＹＺ面に対して大きくなるに従って、出射光の拡散性が大きくなる。また、拡散素子３ＢはＹ方向に延伸された直方体形状に形成されているため、光はＸＺ面内に二次元的に拡散する。ここで、本実施形態において、少なくとも高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３のどちらか一方の媒体の厚みは、回折が生じるように入射光の波長よりも厚く形成されている。また、入射光としては可視光が想定されるが、可視光以外の光も適応可能であり、所望の光に応じて適宜設計変更が可能である。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係る拡散素子３Ｂは、光の入射角が小さいときは拡散性が小さく、入射角が大きくなるに従い拡散性が大きくなる。従って、９０度付近の大きな入射角でも十分な拡散性を有する拡散素子を提供することができる。本実施形態に係る拡散素子３Ｂは、光を回折することによって拡散を生じさせることから、出射光の偏光状態を維持することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態に係る拡散素子３Ｂにおいては、凸部３４を複数配置したことから、発光素子１から出射された光を効率よく散乱させることができる。複数の凸部３４から出射された散乱光は合成されて合成光として拡散素子３Ｂから出射されることから、発光素子１から出射された強度の強い光を有効に利用することができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図７を参照して、第３の実施形態である拡散素子及びその製造方法について説明する。なお、第２の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００４５】
図７は、本実施形態の拡散素子を模式的に示す斜視図である。図７（ａ）に示すように、拡散素子３Ｃは、第２の実施形態で示した拡散素子３Ｂのギャップ位置に誘電体３５を挿入することによって構成される。なお、図７（ｂ）に示すように、必ずしも基板３１は必要ない。
【００４６】
誘電体３５の材料は特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、酸化チタンまたは酸化アルミニウム等の酸化物、窒化シリコン等の窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等のフッ化物、および、ポリエーテルイミド樹脂またはポリスチレン樹脂のようなプラスチック、等の誘電体材料が挙げられる。それぞれの誘電体３５は異なる材料の誘電体材料が挿入されていてもよい。誘電体３５と基板３１の屈折率の関係は、特に限定されないが、ほぼ等しいことが好ましい。また、誘電体３５と凸部３４の各媒体との屈折率の関係は特に限定されないが、高屈折率媒体と低屈折率媒体のいずれかの屈折率とほぼ等しいことがより好ましい。また、誘電体３５の上部または下部にＡＲ膜を積層することができる。
【００４７】
次に拡散素子３Ｃの製造方法について説明する。本実施形態の拡散素子３Ｃは、凸部３４を形成する工程までは第２の実施形態と同様である。第２の実施形態の拡散素子３Ｂを得たあと、誘電体３５をギャップに流し込み硬化させることによって本実施形態の拡散素子３Ｃが形成される。
【００４８】
そして、本実施形態の拡散素子３Ｃは、第２の実施形態の拡散素子３Ｂと同様の原理により機能する。凸部３４間に誘電体３５を挿入することにより、誘電体３５に入射した光の屈折角が変化し、進行方向が変化する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の拡散素子３Ｃによれば、第２の実施形態と同様の効果に加えて、誘電体３５が挿入されていることにより、拡散性の制御をより容易に行うことができる。
【００５０】
（第４の実施形態）
図８を参照して、第４の実施形態である拡散素子及びその製造方法について説明する。なお、第２の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００５１】
図８は、本実施形態の拡散素子を模式的に示す斜視図である。図８に示すように、拡散素子３Ｄは、第２の実施形態で示した拡散素子３Ｂの基板３１の上面に突出部３６が配置されている。突出部３６は、基板３１の上面において凸部３４の両端辺に沿って配置され、突出部３６が配置されることによって凸部３４の各媒体の両端が上方に傾斜する。
【００５２】
具体的には、突出部３６は凸部３４の長手方向である第１方向（Ｙ方向）に延びるように配置される。突出部３６は、ひとつの凸部３４の下方に一つ配置されることでもよいし、複数配置されることでもよい。また、突出部３６は、図面に示すように、凸部３４の端辺に沿って配置されることでもよいし、端辺でない領域に第１方向に沿って延在して配置されてもよい。さらに、突出部３６の形状は、図面に示すような三角形の凸状のような形状でもよいし、例えば四角形の凸状のような形状や半球状でもよい。突出部の高さは１０ｎｍ〜３μｍ程度が好ましい。なお、基板３１は必ずしも必要なく、発光素子の上に複数の凸部３４を配置することもできる。
【００５３】
次に拡散素子３Ｄの製造方法について説明する。本実施形態の拡散素子３Ｄは、まず、基板３１上の凸部３４を形成する位置にＹ方向に伸びる突出部３６を配置する。その状態で、第２の実施形態と同様の方法によって基板３１の上面に高屈折率媒体３２および低屈折率媒体３３を交互に積層し、突出部３６が配置された位置を基準にギャップを形成し、本実施形態の拡散素子３Ｄを得る。
【００５４】
そして、本実施形態の拡散素子３Ｄは、第２の実施形態の拡散素子３Ｂと同様の原理により機能する。突出部３６を配置したことにより、凸部３４の各媒体の両端は上方に傾斜し、突出部３６および傾斜部において回折が生じる。突出部３６および傾斜部において回折した光は隣接する凸部３４によってさらに回折する。従って、本実施形態の拡散素子３Ｄは、第２の実施形態の拡散素子３Ｂよりも、透過する光の拡散性を大きくすることができる。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の拡散素子によれば、第２の実施形態と同様の効果に加えて、突出部３６を配置することにより、より拡散性を大きくすることができる。
【００５６】
（第５の実施形態）
図９を参照して、第５の実施形態である拡散素子及びその製造方法について説明する。なお、第２の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００５７】
図９は、本実施形態の拡散素子３Ｅを模式的に示す斜視図である。図９（ａ）に示すように、拡散素子３Ｅは、第４の実施形態で示した拡散素子３Ｄの複数の凸部３４が、第２方向（Ｘ方向）にギャップをおかずに互いに当接した構造を有する。また、図９（ｂ）に示すように、必ずしも基板３１は必要ない。
【００５８】
突出部３６は、ひとつの凸部３４に一つ配置されていてもよいし、複数配置されていてもよい。突出部３６の形状は、図９に示すような三角形の凸状のような形状でもよいし、四角形の凸状や半球状でもよい。突出部３６の高さは１０ｎｍ〜３μｍ程度が好ましい。
【００５９】
次に拡散素子３Ｅの製造方法について説明する。本実施形態の拡散素子３Ｅは、基板３１の上面に突出部３６を配置し、基板３１の突出部３６を配置した上に、高屈折率媒体３２、低屈折率媒体３３を交互に積層することにより、本実施形態の拡散素子３Ｅを得る。
【００６０】
そして、本実施形態の拡散素子３Ｅは、第４の実施形態の拡散素子３Ｄと同様の原理により機能する。各凸部３４の間に突出部３６が配置されていることから、凸部３４の各媒体の両端は上方に傾斜する。従って、凸部３４間にギャップがなくても拡散素子として機能することができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の拡散素子３Ｅによれば、第４の実施形態と同様の効果に加えて、ギャップを形成する必要がないので製造が容易である。
【００６２】
（第６の実施形態）
図１０を参照して第６の実施形態である拡散素子について説明する。なお、第２の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
【００６３】
図１０は、第６の実施形態の拡散素子３を模式的に示す斜視図である。図１０では、各素子は互いに密着していないが、密着していてもよい。図１０（ａ）に示すように、本実施形態の拡散素子３は、第２の実施形態で示した拡散素子３Ｂおよび拡散素子３Ｂ'が、各拡散素子の凸部の延伸方向を直交させるように積層された構造を有する。
【００６４】
また、図１０（ｂ）に示すように、下側の拡散素子３Ｂの基板の下方には発光素子１が配置され、発光素子１から出射された光は、拡散素子３の下方から拡散素子３に入射する。なお、図１０では拡散素子３Ｂ、３Ｂ'として第２の実施形態のものを示したが、その他の実施形態の拡散素子でもよく、また拡散素子３Ｂ、３Ｂ'がそれぞれ異なった実施形態の拡散素子でもよい。また、拡散素子３の上方に発光素子１を配置し、発光素子１から出射された光を、基板を介さずに凸部３４に直接入射させることもできる。さらに、図１０（ｃ）（ｄ）に示すように、基板は必ずしも必要ではなく、発光素子１の上に凸部３４'、凸部３４を直交状態で配置することもできる。
【００６５】
次に、本実施形態の拡散素子３の動作を説明する。まず、下側の拡散素子３Ｂでは、発光素子１から拡散素子３に入射した光のＹＺ面に対する入射角度が小さいとき、入射光は空気中を通過するか、凸部を屈折しながらＺ方向に透過するので拡散は生じない。一方、発光素子１からの光のＹＺ面に対する入射角度が大きいとき、拡散素子３Ｂで、回折を拡散の原理としてＸＺ面内に二次元的に拡散する。
【００６６】
拡散素子３Ｂから出射した光は拡散素子３Ｂ'に入射し、ＸＺ面に対する入射角度が小さいとき、光は拡散しない。一方、ＸＺ面に対する入射角度が大きいとき、光が拡散される。このときの拡散の方向は、ＹＺ面内の二次元方向である。すなわち、最終的に拡散素子３を出射した光は、３次元方向に拡散されている。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態に係る拡散素子３は、光の入射角が小さいときは拡散性が小さく、入射角が大きくなるに従い拡散性が大きくなる。従って、９０度付近の大きな入射角でも十分な拡散性を有する拡散素子を提供することができる。また、本実施形態の拡散素子３は、光を回折することによって拡散を生じさせることから、出射光の偏光状態を維持することができる。さらに、本実施形態の拡散素子３は、拡散素子３Ｂと延伸方向を直交させた拡散素子３Ｂ'を組み合わせることで、三次元方向の拡散性を有する拡散素子３を提供できる。
【００６８】
なお、本実施形態では、各拡散素子の凸部の延伸方向を直交させるように積層したが、直交（９０度）に限られるものではない。直交（９０度）から多少ずれていたとしても３次元方向の拡散性を有する拡散素子を提供することができる。また、望ましくは直交ではあるものの、拡散素子の延伸方向を交差させることにより、３次元方向の拡散性を得ることができる。また、実施形態１から６の拡散素子の構成に発光素子１を組み合わせることにより、発光装置を構成することができる。
【００６９】
（第７の実施形態）
図１１を参照して、第７の実施形態である光学素子について説明する。第６の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。なお、図１１では、各素子は密着していないが、密着していてもよい。
【００７０】
図１１は、本実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。図１１（ａ）に示すように、光学素子５は、第６の実施形態の拡散素子３の上に、角度制御フィルタ４を配置した構造を有する。また、図１１（ｂ）に示すように、下側の拡散素子３Ｂの基板の下方には発光素子１が配置され、発光素子１から出射された光は、拡散素子３の下方から拡散素子３に入射する。
【００７１】
角度制御フィルタ４は、特定の入射角内の光を透過させ、それ以外の入射角の光を反射する。角度制御フィルタ４として、例えば、異なる屈折率を有する複数の光学薄膜の積層体である誘電体多層膜を適用することができる。なお、拡散素子３の代わりに、第１から第６の実施形態の拡散素子を使用することもできる。また、上記構成に発光素子１を組み合わせて発光装置として使用することもできる。
【００７２】
以上のように構成された光学素子５において、発光素子１から出射された光は、まず、下方に配置された拡散素子３に入射する。ＹＺ面に対する入射角度が小さい光は拡散せず、ＹＺ面に対する入射角度が大きい光は拡散する。
【００７３】
ＹＺ面に対する入射角度が大きい光は、拡散素子３で拡散された後、角度制御フィルタ４に入射する。角度制御フィルタ４では、拡散素子３からの拡散光のうち、特定の入射角度範囲内の角度で入射した光のみが透過し、それ以外の角度で入射した光は、発光素子側の方向に反射される。角度制御フィルタ４で反射された光は、拡散素子３において再度拡散された後、発光素子１に入射する。
【００７４】
発光素子１では、拡散素子３から戻ってきた拡散光を反射するが、その反射時に、拡散光の一部は発光素子１に吸収される。発光素子１からの反射光は、再度、拡散素子３で拡散された後、角度制御フィルタに入射する。
【００７５】
上述の反射過程が繰り返されることで、角度制御フィルタ４の透過角度範囲外の光が角度範囲内の光に変換され、入射した光に指向性をもたせることができる。実施形態７の光学素子の構成に発光素子１を組み合わせて発光装置として使用することもできる。
【００７６】
（第８の実施形態）
図１２を参照して、第８の実施形態である発光装置について説明する。第７の実施形態と同様のものには同じ符号を付す。また、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。なお、図１２では、各素子は密着されていないが、密着されていてもよい。
【００７７】
図１２に示すように、本実施形態の発光装置１０は、発光素子１、発光素子１の上に設けられた位相差板２、位相差板２の上に設けられた光学素子５、および、光学素子５の角度制御フィルタ４の上に設けられた反射型偏光子６を有する。
【００７８】
発光素子１は、例えば、ＬＥＤであり、光を位相差板２に出射する。本実施形態においては、発光素子１から出射される光は非偏光であり、可視光である。
【００７９】
位相差板２は、光の偏光状態を変化させる偏光状態変換素子である。より具体的には、位相差板２は、波長λで振動する偏光について、直交する電場成分に１／４波長の位相差を生じさせることで、直線偏光を円偏光に、または、円偏光を直線偏光に変換する、λ／４板である。位相差板２は、位相差がゼロ次のλ／４板であることが好ましい。位相差板２としては、サファイアや水晶等の無機の異方性結晶、ポリカーボネート等の異方性フィルム、または、微細な誘電体多層膜で構成されるフォトニック結晶素子等が挙げられる。
【００８０】
反射型偏光子６は、特定の偏光を透過させ、それ以外の偏光を反射させる。反射型偏光子６としては、例えば、金属が格子状に配置されたワイヤグリッド偏光子、微細な誘電体多層膜で構成されるフォトニック結晶偏光子、または、多層の等方性フィルムと異方性フィルムで構成される有機多層膜偏光子等が挙げられる。
【００８１】
光学素子５は発光素子１からの光の配光分布を狭い角度の光に変換して出射する。より具体的には、光学素子５は第７の実施形態に示したものに対応し、２つの拡散素子３Ｂ、３Ｂ'（すなわち第６の実施形態の拡散素子３に対応）と、角度制御フィルタ４とを有する。なお、拡散素子は１つでもよいし、第１から第６の実施形態のいずれの拡散素子でもよい。角度制御フィルタ４は、特定の入射角内の光を透過させ、それ以外の入射角の光を反射させる。角度制御フィルタ４として、例えば、誘電体多層膜が挙げられる。なお、各構成要素の順番は、上記に限定されない。例えば、角度制御素子５と反射型偏光子６を入れ替えてもよい。
【００８２】
以上のように構成された発光装置１０において、発光素子１から出射された非偏光は、位相差板２を介して最初の拡散素子３Ｂに入射する。Ｚ方向から入射する光は拡散されず、ＹＺ面に対する入射角度が大きい光が拡散される。次の拡散素子３Ｂ'では、ＸＺ面に対する入射角度が大きい光が拡散される。
【００８３】
角度制御フィルタ４では、所定範囲内の入射角度の光のみ透過し、それ以外の光は反射される。角度制御フィルタ４を透過した光は、反射型偏光子６において特定の偏光のみ透過し、それ以外の光は反射される。
【００８４】
反射型偏光子６で反射された光は、偏光状態を保ったまま、角度制御フィルタ４を透過し、拡散素子３Ｂ、３Ｂ'で拡散されて位相差板２で円偏光となり、発光素子１で反射される。
【００８５】
一方、角度制御フィルタ４で反射された光は、非偏光のまま拡散素子３Ｂ、３Ｂ'によって拡散され、発光素子１において反射される。発光素子１で反射された光のうち、円偏光成分は位相差板２で直線偏光となる。位相差板２を透過した光は、拡散素子３Ｂ、３Ｂ'によって拡散され、角度制御フィルタ４において所定範囲内の入射角度の光が透過し、それ以外の光は反射される。透過した光は、反射型偏光子６において特定の偏光のみ透過し、それ以外の光は反射される。
【００８６】
これらが繰り返されることで、最終的に、特定の偏光で所定角度範囲内の透過光を得ることができる。
【００８７】
以上のように、本実施形態に係る発光装置１０は、所定の角度範囲内の特定の偏光のみを効率よく透過させ、指向性が高い特定偏光を得ることができる。
【００８８】
なお、偏光子、角度制御フィルタおよび拡散素子を組み合わせた発光装置としては、図１３に示す偏光保存系の発光装置と、図１４に示す偏光解消系の発光装置とがある。
【００８９】
偏光保存系の発光装置では、発光素子２０１、位相差板２０２、偏光状態が保存される拡散素子２０３、角度制御フィルタ２０４、反射型偏光子２０６を用いることで、効率的に特定の偏光を取り出すことができる。
【００９０】
一方、偏光解消系の発光装置では、発光素子２０１、位相差板２０２、偏光状態が解消される拡散素子２０３Ａ、角度制御フィルタ２０４、反射型偏光子２０６が用いられる。偏光解消系の発光装置では繰り返し反射の回数が多いことから、特定の偏光の取り出し効率が低い。したがって、発光装置は偏光保存系であることが望ましい。
【００９１】
また、発光装置の指向性の向上効果を高めるために、図１５（ａ）に示すように入射角度（Ｚ方向に対する傾き角）が小さいときは拡散性が小さく、図１５（ｂ）に示すように入射角度が大きいときは拡散性が大きい拡散素子を用いることが望ましい。
【００９２】
（第９の実施形態）
図１６を参照して、第９の実施形態である投射装置について説明する。図１６は、本実施形態にかかる投射装置の構成図である。図１６に示す投射装置は、図１２に示した発光装置１０を有し、光をスクリーンに投射してスクリーン上に画像を形成するプロジェクタである。
【００９３】
図１６において、プロジェクタ５００は、発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂと、照明光学系５０２Ｒ、５０２Ｇおよび５０２Ｂと、液晶パネル（空間光変調素子）５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５０４と、投射光学系５０５とを備える。
【００９４】
発光装置から出射された光は、照明光学系、液晶パネル、クロスダイクロイックプリズム、投射光学系の順に入射する。例えば、照明光学系はロッドインテグレータとリレーレンズ等の複数のレンズから成り、投射光学系はフォーカスレンズとズームレンズ等の複数のレンズから成る。
【００９５】
発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂはそれぞれ、図１２に示した発光装置１０と同じ構造を有する。発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂのそれぞれの発光素子１は、波長がそれぞれ異なる光を発生する。なお、図１６では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、空間光変調素子は液晶パネルに限らず、例えば、磁気光学式空間光変調器やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などに適宜変更可能である。
【００９６】
以下、発光装置５０１Ｒから赤色（Ｒ）光が出射され、発光装置５０１Ｇから緑色（Ｇ）光が出射され、発光装置５０１Ｂから青色（Ｂ）光が出射されるものとする。
【００９７】
照明光学系５０２Ｒ、５０２Ｇおよび５０２Ｂのそれぞれは、発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂから出射された各色光を、液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂのそれぞれに一様の照度分布で出射する。
【００９８】
液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂは空間光変調素子であり、入射した各色光を映像信号に応じて変調して出射する。
【００９９】
クロスダイクロイックプリズム５０４は、液晶パネル５０３Ｒ、５０３Ｇおよび５０３Ｂのそれぞれから出射された変調光を合成して出射する。
【０１００】
投射光学系５０５が、クロスダイクロイックプリズム５０４から出射された合成光をスクリーン６００に投射することにより、スクリーン６００上に映像信号に応じた映像が表示される。
【０１０１】
以上説明したように、本実施形態によれば、入射した光を、偏光状態を保存させたまま、入射角度が大きくなるほど大きく拡散させる拡散素子を用いることで、発光装置の指向性を高めることができる。従って、投射装置として光の利用効率が高まり、輝度が高くなるという効果を奏する。
【０１０２】
（第１０の実施形態）
図１７を参照して、第１０の実施形態であるプロジェクタについて説明する。図１７は、本実施形態のプロジェクタの構成図である。図１７において、プロジェクタ５００Ａは、発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂと、照明光学系５０６と、液晶パネル（空間光変調素子）５０７と、投射光学系５０８とを有する。
【０１０３】
発光装置から出射された光は、照明光学系、液晶パネル、投射光学系の順に入射する。例えば、照明光学系はロッドインテグレータやリレーレンズ等の複数のレンズから成り、投射光学系はフォーカスレンズやズームレンズ等の複数のレンズから成る。
【０１０４】
照明光学系５０６は、発光装置５０１Ｒ、５０１Ｇおよび５０１Ｂから出力された各色光を液晶パネル５０７に照度分布を一様にしながら出射する。
【０１０５】
液晶パネル５０７は、入射した光を、映像信号に応じて色ごとに変調して出射する。液晶パネル５０７から出射された光は、投射光学系５０８に入射する。投射光学系５０８は、液晶パネル５０７から出射された変調光をスクリーン６００に投射して、スクリーン６００上に、映像信号に応じた映像を表示する。各色光は時分割方式もしくは空間分割方式で合成される。
【０１０６】
なお、図１７では、空間光変調素子として液晶パネルを用いたが、空間光変調素子は液晶パネルに限らず、例えば、磁気光学式空間光変調器やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などに適宜変更可能である。
【０１０７】
以上説明したように、本実施形態によれば、入射した光を、偏光状態を保存させたまま、入射角度が大きくなるほど大きく拡散させる拡散素子を用いることにより、発光装置の指向性を高くすることができる。従って、投射装置として光の利用効率が高まり、輝度が高くなる。また、第９の実施形態のプロジェクタと比較して、プロジェクタのサイズを小さくすることができる。
【０１０８】
（実施例）
図１８は、図１２に示した第８の実施形態の発光装置１０における放射角−光強度分布の評価結果を示す図である。発光装置１０は、発光素子１、発光素子１の上に設けられた位相差板２、位相差板２の上に設けられた２つの拡散素子３Ｂ、３Ｂ'、拡散素子３Ｂ'の上に設けられた角度制御フィルタ４、および、角度制御フィルタ４の上に設けられた反射型偏光子６を有する。２つの拡散素子３Ｂ、３Ｂ'は、積層部３４の延伸方向が互いに直交するように積層されている。
【０１０９】
基板３１を屈折率１．５のガラス、高屈折率媒体を屈折率１．８の誘電体、低屈折率媒体を屈折率１．５の誘電体で形成した。また、凸部の高屈折率媒体、低屈折率媒体をそれぞれ、厚さ３μｍ、３組積層、凸部の長さを２０μｍ、凸部間のギャップを２０μｍとし、凸部を周期的に配置した。
【０１１０】
さらに、発光素子１は、ランバーシアンの配光分布を有し反射率１の発光素子、波長板２は、水晶製位相差ゼロ次のλ／４板、角度制御フィルタ３は入射角４０°内の光を透過させる角度制御フィルタ、反射型偏光子６は、透過偏光の透過率９０％、反射偏光の反射率８０％の反射型偏光子とした。
【０１１１】
図１８において、１０１は発光素子１の配光特性、１０２は比較のための偏光解消系における放射角−光強度分布の評価結果、１０３は本実施例における放射角-光強度分布の評価結果である。図１８に示されたように、本実施例の発光装置１０は指向性が向上されている。また、偏光解消系の結果に比べて、およそ１１％、光強度が高くなった。
【０１１２】
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。例えば、上記実施の形態における数値、材質などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。
（付記１）屈折率の異なる２種類以上の媒体が積層されて成る組が、１組以上積層された積層体を備え、前記積層体は、該積層体が搭載される基板と該積層体の積層界面とが対向するように配置される拡散素子。
（付記２）前記積層体を複数備え、該複数の積層体は、互いに並列に配置されている付記１に記載の拡散素子。
（付記３）前記積層体の各層は、該積層体が搭載される基板面の第１の方向に延びるように設けられた突出部を有している付記１もしくは２に記載の拡散素子。
（付記４）前記複数の積層体が互いに当接して前記第１の方向に交差する第２の方向に並んで配置されている付記３に記載の拡散素子。
（付記５）前記複数の積層体の間に、誘電体材料を有している付記２もしくは３に記載の拡散素子。
（付記６）前記積層体の少なくとも一種の前記媒体の厚みが、入射光の波長よりも厚く形成されている付記１から５のいずれかに記載の拡散素子。
（付記７）前記積層体の少なくとも一種の前記媒体の厚みが、可視光の波長よりも厚く形成されている付記１から５のいずれかに記載の拡散素子。
（付記８）前記複数の積層体は、該積層体が搭載される基板面の第１の方向に延在して設けられ、前記第１の方向とは交差する第２の方向に間隔を置いて配置されている付記２から７のいずれかに記載の拡散素子。
（付記９）前記複数の積層体は、前記第２の方向に周期的な間隔を置いて配置されている付記８に記載の拡散素子。
（付記１０）付記８に記載の拡散素子を２つ備え、第１の拡散素子の積層体の延在方向は、第２の拡散素子の積層体の延在方向と異なる方向となるように積み重ねて配置されている拡散素子。
（付記１１）付記１から１０のいずれかに記載の拡散素子と、特定の入射角度範囲内の光のみを透過させる角度制御フィルタと、を有する光学素子。
（付記１２）光を出射する発光素子と、前記発光素子の上に設けられた請求項１から１０のいずれかに記載の拡散素子と、を備える発光装置。
（付記１３）付記１１に記載の光学素子と、前記拡散素子の下に設けられ、光を出射する発光素子と、を有する発光装置。
（付記１４）光を出射する発光素子と、前記発光素子の上に設けられ、入射光に位相差を与えて偏光状態を制御する位相差板と、前記位相差板の上に設けられた付記１１に記載の光学素子と、前記光学素子の上に設けられ、特定の偏光を透過させ、それ以外の偏光を反射させる反射型偏光子と、を備える発光装置。
（付記１５）付記１２から１４のいずれかに記載の発光装置と、前記発光装置から出射された光を映像信号に応じて変調して、画像を投射する投射部と、を有する投射装置。
【０１１３】
本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。また、本願発明は、２０１２年４月１７日に出願された日本出願特願２０１２−０９３５１５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。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
画像や映像を投射する投射装置に広く適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１    発光素子
２    位相差板
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ    拡散素子
４    角度制御フィルタ
５    光学素子
６    反射型偏光子
３１    基板
３２    高屈折率媒体
３３    低屈折率媒体
３４    凸部
３５    誘電体
３６    突出部
１０１    発光素子１の配光特性
１０２    偏光解消系における放射角‐光強度分布の評価結果
１０３    本発明における放射角-光強度分布の評価結果
２０１    発光素子
２０２    位相差板
２０３、２０３Ａ    拡散素子
２０４    角度制御フィルタ
２０６    反射型偏光子
５００、５００Ａ    プロジェクタ
５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂ    発光装置
５０２Ｒ、５０２Ｇ、５０２Ｂ    照明光学系
５０３Ｒ、５０３Ｇ、５０３Ｂ    液晶パネル
５０４    クロスダイクロイックプリズム
５０５    投射光学系
５０６    照明光学系
５０７    液晶パネル
５０８    投射光学系
６００    スクリーン
【図１】
2013157210.tif 000003
【図２】
2013157210.tif 000004
【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】
2013157210.tif 000009
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2013157210.tif 000019
【図１８】
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【国際調査報告】
2013157210.tif 000021
2013157210.tif 000022
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