(57)【要約】【課題】  液晶表示素子等の光利用素子を使用する場合に、従来存する光学素子と同様に高い光利用効率を確保しつつも、従来の光学素子よりも簡易に製造することができる光学素子、および該光学素子を用いた光学系を提供すること。【解決手段】  光学素子は、光の光路上、光利用素子の前方に配設される光学素子であって、透過性ある材料製の平面基板からなり、平面基板の一方の平面には、所定のパタンを有するように第一の段差によって区切られた第一の平面領域が複数設けられ、第一の段差の寸法をΔ１、入射する光の波長をλ、材料の屈折率をｎとすると、    （ｎ−１）Δ１＝λ／２・・・（１）を満たす構成にした。【選択図】  図３
2006113222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の光路上、無効領域によって区切られた複数の有効領域を持つ光利用素子の前方に配設される光学素子であって、
透過性ある材料製の平面基板からなり、
前記平面基板の一方の平面には、所定の構造を有するように第一の段差によって区切られた第一の平面領域が複数設けられ、
前記第一の段差の寸法をΔ１、入射する光の波長をλ、前記材料の屈折率をｎとすると、
（ｎ−１）Δ１＝λ／２・・・（１）
を満たすことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記第一の平面領域は、前記光利用素子の有効領域の面形状に類似する形状であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光学素子において、
前記所定の構造は、凹部と凸部が連続する二段構造であることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学素子において、
各前記第一の平面領域の略中央部に、第二の段差によって区切られた第二の平面領域を有し、
前記第二の段差の寸法をΔ２とすると、
（ｎ−１）Δ２＝λ／４・・・（２）
を満たすことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項３を引用する請求項４に記載の光学素子において、
前記凹部における前記第一の平面領域に設けられた前記第二の平面領域は、該凹部における前記第一の平面領域よりも凸状であり、
前記凸部における前記第一の平面領域に設けられた前記第二の平面領域は、該凸部における前記第一の平面領域よりも凹状であることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の光学素子において、
前記第二の平面領域は、前記第一の平面領域の略１／４の面積を有することを特徴とする光学素子。
【請求項７】
光源側から順に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子と、光利用素子と、が配設され、
前記光学素子は、第一の平面領域を有する面が前記光利用素子と対向するように配設され、
前記光学素子と光利用素子間の距離は、該光利用素子における無効領域の幅に基づいて決定されることを特徴とする光学系。
【請求項８】
光の光路上、無効領域によって区切られた複数の有効領域を持つ光利用素子の前方に配設される光学素子であって、
透過性ある材料製の平面基板からなり、
前記平面基板の一方の面には、凸状平面部と凹状平面部とが段差を介して交互に複数配列しており、
前記凸状平面部における平面領域と前記凹状平面部における平面領域とは、同一形状であり、
前記段差の寸法をΔ１、入射する光の波長をλ、前記材料の屈折率をｎとすると、
（ｎ−１）Δ１＝λ／２・・・（１）
を満たすことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶表示素子やＣＣＤといった素子の光利用効率を高めるために、光路上、該素子の前方に配設される光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子において、印加電圧の有無に応じて入射した光を透過したり非透過したりする複数の光透過部は、配線領域を挟んでマトリクス状に配設されている。該配線領域に入射した光は利用することができない。従って、高い光利用効率を確保するために、液晶表示素子を使用する場合には、いかに配線領域にではなく光透過部に集中して光を入射させるかが重要な課題となる。上記の課題は、液晶表示素子使用時だけでなく、各受光部（画素）間に配線領域を持つＣＣＤ等の固体撮像素子使用時であっても同様のことが言える。
【０００３】
なお本文において、上記の液晶表示素子や固体撮像素子のように、光透過部や光受光部といった複数の部位が配線領域を挟んで配設されており、該部位に入射した光のみが各素子の機能に応じて利用される光学素子のことを、便宜上、光利用素子という。また、説明の便宜上、該光利用素子において、光透過部や光受光部のことを有効領域、配線領域のように入射した光を利用することができない領域を無効領域という。
【０００４】
上記の課題に対して、従来は特許文献１に例示するように平板型マイクロレンズアレイを使用する構成が提案されている。特許文献１に記載の構成によれば、平板型マイクロレンズアレイは、一面に凸状または凹状の曲面部が複数形成されている。該マイクロレンズアレイを透過した光は集光しつつ液晶表示素子の光透過部に入射する。これにより、液晶表示素子における無効領域への光の入射を防ぎ、光利用効率を高めている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３００９０２号公報
【０００６】
しかし、上記特許文献１のような構成を実現させるためには、平板型マイクロレンズアレイにおける各凸状（凹状）曲面部の曲率を同一に構成する必要がある。そのため、製造の際により一層の高い精度が要求されることとなり、時間的、経済的負担が増してしまい、製造効率の向上が図れないといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の事情に鑑み、本発明は、液晶表示素子等の光利用素子を使用する場合に、従来存する光学素子と同様に高い光利用効率を確保しつつも、従来の光学素子よりも簡易に製造することができる光学素子、および該光学素子を用いた光学系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】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の光学素子は、光の光路上、光利用素子の前方に配設される光学素子であって、透過性ある材料製の平面基板からなり、平面基板の一方の平面には、所定の構造を有するように第一の段差によって区切られた第一の平面領域が複数設けられ、第一の段差の寸法をΔ１、入射する光の波長をλ、材料の屈折率をｎとすると、
（ｎ−１）Δ１＝λ／２・・・（１）
を満たすことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、第一の段差を該光学素子を透過した光の進行方向に沿って延長させた領域全域において暗転現象、つまり段差を挟んで互いに隣接する二つの第一の平面領域から射出された光が互いに弱め合う現象を発生させることができる。従って、光利用素子の無効領域に暗転現象が発生する領域（暗転領域）が位置するように光学素子を構成することにより、無効領域に入射する光を有効に低減して、光利用素子の有効領域に入射する光の強度を高くする（光利用効率を高める）ことが可能になる。しかも、曲率を持たない平面領域のみを使用する構成であるため、従来の光学素子と異なり、非常に簡易に製造することができる。
【００１０】
また、第一の平面領域を、光利用素子における有効領域の面形状に対応する形状にすることにより、光利用素子の光利用効率をより一層高めることができる（請求項２）。
【００１１】
なお、上記所定の構造は、凹部と凸部が連続する二段構造にすることができる（請求項３）。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、各第一の平面領域の略中央部に、第二の段差によって区切られた第二の平面領域を有することができる。該第二の段差の寸法をΔ２とすると、
（ｎ−１）Δ２＝λ／４・・・（２）
を満たすように構成される。これにより、第一の平面領域から射出された光の集光効果を高めることができる。従って、光利用素子の有効領域における光利用効率をより一層高めることができる。
【００１３】
例えば、請求項３に記載の構成においては、凹部における前記第一の平面領域に設けられた前記第二の平面領域は、該凹部における前記第一の平面領域よりも凸状であり、
前記凸部における前記第一の平面領域に設けられた前記第二の平面領域は、該凸部における前記第一の平面領域よりも凹状であるように構成することができる（請求項５）。
【００１４】
第二の平面領域は、小さくしすぎると集光効果が薄れてしまい、大きくしすぎると第二の段差と第一の段差間が狭くなり、第一の段差による光路長差を十分に確保することが困難になってしまう。そこで、第二の平面領域の面積は、前記第一の平面領域の略１／４の程度に抑えることが好ましい（請求項６）。
【００１５】
請求項７に記載の光学系は、光源側から順に、請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子と、光利用素子と、が配設され、光学素子は、第一の平面領域を有する面が光利用素子と対向するように配設され、光学素子と光利用素子間の距離は、該光利用素子における無効領域の幅に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１６】
上述した暗転領域は、発散、収束が連続するような状態で光の進行方向に沿って展開していく。従って、光学素子と光利用素子を上記のように位置決めすることにより、無効領域に入射する光の成分を十分に弱めると共に、有効領域の略全域に光の成分を集中させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、複数の平面領域間に形成した段差の延長上に暗転領域を生成可能な構成にしたことにより、従来の光学素子と同様に高い光利用効率を確保しつつも、製造時において、複数箇所に同一の曲率を持つ曲面を形成する等の複雑かつ高い精度が要求されず、簡易に製造可能な光学素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、本発明に係る光学素子の原理について説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る光学素子の原理を説明するための図である。本発明の原理を説明するにあたって、透過性ある材料製例えばガラス製の透明基板１０を使用する。透明基板１０の光束入射側の面は、平面１として構成される。また透明基板１０の光束射出側の面は、平面領域２ａと、段差Ｓを介して平面領域２ａに対して凸となる平面領域２ｂから構成される。段差Ｓの寸法Δ１は、二つの平面領域２ａ、２ｂを透過した光の光路長差が該光の波長の略１／２となるように設定されている。つまり、寸法Δ１は、透明基板１０に入射する光の波長λ、透明基板１０の屈折率ｎとの関係において、以下の式（１）を満たす。
（ｎ−１）Δ１＝λ／２・・・（１）
【００１９】
段差Ｓが形成される位置を基準として同一距離だけ離れた点から射出され、段差Ｓの延長上にある点Ｐに入射する二つの光線Ｌ１、Ｌ２に着目する。図１（Ａ）に示すように、透明基板１０から射出された各光線Ｌ１、Ｌ２の射出角をθ１、θ２、透明基板１０における各光線Ｌ１、Ｌ２の射出位置から点Ｐまでの距離をｒ１、ｒ２とすると、寸法Δ１が非常に微細であるため、θ１≒θ２、ｒ１≒ｒ２となる。また、寸法Δ１が上記の値に設定されているため、光線Ｌ１と光線Ｌ２はちょうど位相が反転した状態にある。従って、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光線Ｌ１と光線Ｌ２は、点Ｐにおいて互いの成分を打ち消し合う、つまり暗転現象を発生させる。該暗転現象は、段差Ｓの光の進行方向に沿った延長上全域で起こる。結果として、段差Ｓの光の進行方向に沿った延長上には帯状の暗転領域Ｂが生成される。ここで、暗転領域Ｂ以外の領域では各光線Ｌ１、Ｌ２が互いに打ち消し合う現象は起きない。つまり、暗転領域Ｂ以外の領域では、光の強度が高く維持される。
【００２０】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示す暗転領域Ｂは、説明の便宜上、模式的に厚みを持たない面として示している。実際には、暗転領域Ｂは、図２に示すように、発散、収束が連続するような状態で光の進行方向に沿って展開していく。図２に示すように、暗転領域Ｂの最大幅は二つの平面領域２ａ、２ｂの幅ｈの半分に相当する。
【００２１】
以上が本発明に係る光学素子の原理についての説明である。次に上述した原理を用いて光利用素子における光利用効率を高めることができる本発明の実施形態の光学素子について詳述する。図３は、実施形態の光学素子１００を有する光学系５００を示す。
【００２２】
図３に示すように、光学系５００は、図示しない光源側から順に、光学素子１００と光利用素子２００を有する。光学素子１００は、ガラス製の透明基板から構成されており、光源側に面する第一面１と、光利用素子２００の受光面に面する第二面２を有する。第一面１は、平面として構成される。
【００２３】
図４は、第二面２の一部分の拡大図である。図４に示すように、第二面２は、第一の段差Ｓ１と第一の段差Ｓ１によって区切られた複数の第一の平面領域２１からなる。第一の段差Ｓ１は、第二面２において凹部と凸部が連続した二段構造として表れるように、格子状に形成されている。なお、平面状の凹部と凸部が連続する二段構造にすることにより、従来の曲率を持つ部位が複数形成される従来のマイクロレンズアレイに比べて、光学素子１００を簡易に加工することができ、また製造効率の向上を図ることができる。従って、第一の平面領域２１は矩形状を有している。より詳しくは、実施形態の第一の平面領域２１は、全て０．１ｎｍ四方の正方形状を有している。なお、凹部に位置する第一の平面領域２１が上記原理における平面領域２ａ、凸部に位置する第一の平面領域２１が上記原理における平面領域２ｂに相当する。
【００２４】
第一の段差Ｓ１は、上記式（１）を満たすように構成される。つまり、光学素子１００は、上述した原理における透明基板１０が連続した形状になっている。従って、互いに隣接する第一の平面領域２１から射出された光によって、第一の段差Ｓ１を延長した領域上に暗転領域が発生する。
【００２５】
なお、第二面２を上記のように加工する方法としては、透明レジストを塗布してエッチングする方法や、所定の型を用いて成型する方法等が例示される。
【００２６】
図５から図８は、実施形態の光学素子１００を使用した場合に、光学素子１００から所定距離離れた位置で得られる光強度分布を表している。より具体的には、図５から図８は、屈折率ｎ＝１．５、段差Δ１＝５５０ｎｍの光学素子１００に波長λ＝５５０ｎｍの光束を入射した場合に得られる光強度分布を表す。図５は、光学素子１００から０．２ｎｍ離れた位置での光強度分布、図６は、光学素子１００から０．５ｎｍ離れた位置での光強度分布、図７は、光学素子１００から１ｎｍ離れた位置での光強度分布、図８は、光学素子１００から２ｎｍ離れた位置での光強度分布、をそれぞれ表す。なお、説明の便宜上、図５から図８に示す光強度分布は、光学素子１００から所定距離離れた位置における光強度分布のうち、図４に示す第二面の一部分に対応する分布のみ示している。但し、光学素子１００の第二面２はいずれの部分であっても図４に示す形状と同一である。そのため、光学素子１００から所定距離離れた位置で得られる光強度分布は、図５から図８に示す分布の繰り返しとして表れる。
【００２７】
図５から図８に示すように、光強度分布は、光学素子１００から離れるにつれて、暗転領域Ｂの幅が広くなっていくのが分かる。また、暗転領域Ｂの幅が広がるにつれて、暗転領域以外の領域での光強度が上昇していることも分かる。
【００２８】
従って、光学素子１００を、各第一の平面領域２１が光利用素子２００における一画素に対応したサイズとなるように設計し、暗転領域Ｂが光利用素子２００における無効領域の幅と略同一の幅となるような距離を置いて光学素子１００と光利用素子２００とを位置決めすることにより、無効領域に入射する光の強度を十分に弱めると共に、有効領域の略全域に光の強度を高く維持することが可能になる。
【００２９】
例えば、光利用素子２００として、現在デジタルカメラ等において多用されている、一画素が３μｍ四方の正方形状であるＣＣＤを想定する。そこで、第一の平面領域２１が上記一画素と同一サイズに設計された光学素子１００を、ＣＣＤ２００から７．３６μｍ離して配設する。このときのＣＣＤ２００の受光面２１０の一部と、受光面２１０の該一部での光強度分布を図９に示す。なお、受光面２１０中、ハッチング領域は、無効領域２０１であり、無効領域２０１によって囲まれた正方形状の領域が有効領域（つまり画素）２０２である。
【００３０】
図９に示すように、ＣＣＤ２００上での光強度分布は、各画素２０２が設けられた位置では高い強度を示しており、かつ各画素２０２間に存在する無効領域２０１に対応する分布は殆ど強度を有していない。つまり、ＣＣＤ２００の画素に対応する形状に形成された第一の平面領域２１を持つ光学素子１００を、ＣＣＤ２００との関係において、適切な距離をおいて配設することにより、光学素子１００によって形成された暗転領域ＢがＣＣＤ２００の無効領域２０１と略一致させて、ＣＣＤ２００において高い光利用効率を実現している。
【００３１】
以上が本発明の実施形態である。なお、本発明の光学素子は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば以下のような変形を行っても同様の効果を奏することができる。
【００３２】
図１０は、上記実施形態の光学素子１００における第二面２の変形例（第二面２α）を示す一部拡大図である。図１０に示すように、変形例の第二面２αは、上記実施形態の第二面２における第一の平面領域２１の略中央部に、さらに、所定寸法の第二の段差Ｓ２によって区切られた第二の平面領域２２が形成されている。本変形例においては、凹部に位置する第一の平面領域２１において、第二の段差Ｓ２は、第二の平面領域２２が該第一の平面領域２１に対して凸となるように形成されている。また、凸部に位置する第一の平面領域２１において、第二の段差Ｓ２は、第二の平面領域２２が該第一の平面領域２１に対して凹となるように形成されている。但し、第一の平面領域２１と第二の平面領域２２の凹凸関係は上記の関係に限定されるものではない。
【００３３】
また第二の段差Ｓ２の寸法Δ２は、互いに隣接する第一の平面領域２１と第二の平面領域２２から射出される各光が、ちょうど１／４波長分のずれをもつように構成される。つまり、寸法Δ２は、光学素子に入射する光の波長λ、該光学素子の屈折率ｎとの関係において、以下の式（２）を満たす。
（ｎ−１）Δ２＝λ／４・・・（２）
【００３４】
上記のように構成された第二面２αを持つ変形例の光学素子を用いた場合の、該素子から４．９μｍ離れた位置での光強度分布を図１１に示す。なお、第一の平面領域２１は一辺が３μｍの正方形状に設計されているものとする。図１１に示すように、変形例の光学素子を使用した場合、暗転領域以外の領域、つまり光利用素子の有効領域に対応する領域での光強度が非常に集中し、かつ高くなっていることがわかる。
【００３５】
なお、第二の平面領域２２は、小さくしすぎると上記のような光強度分布が得難くなり、大きくしすぎると第二の段差と第一の段差間が狭くなり第一の段差による光路長差を十分に確保することが困難になってしまう。以上の事情を勘案して、第二の平面領域２２の面積は、前記第一の平面領域の略１／４に設定されている。また、図１０に示す第二の平面領域２２は、第一の平面領域２１の略相似形状として設計されているが、必ずしも該形状に限定されるものではなく、円形状等にすることも可能である。
【００３６】
また、本発明に係る光学素子は、第一の段差の寸法Δ１が上記式（１）を満たすように構成されていれば、第二面を必ずしも上記実施形態のように凹部と凸部が連続した二段構造として形成する必要はない。例えば、光学素子の第二面を図１２に示すような三段構造もしくはそれ以上の多段構造にしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、上記実施形態では、光学素子１００の後段に配設される光利用素子２００は、ＣＣＤであるとして説明をしたが、本発明において、光利用素子はＣＣＤ以外の素子、例えば液晶素子であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る光学素子の原理を説明するための図である。
【図２】本発明に係る光学素子により生成される暗転領域を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態の光学素子を有する光学系を示す。
【図４】実施形態の光学素子の第二面の一部拡大図である。
【図５】実施形態の光学素子を使用した場合における光強度分布を表す。
【図６】実施形態の光学素子を使用した場合における光強度分布を表す。
【図７】実施形態の光学素子を使用した場合における光強度分布を表す。
【図８】実施形態の光学素子を使用した場合における光強度分布を表す。
【図９】ＣＣＤの受光面と該受光面での光強度分布を表す図である。
【図１０】実施形態の光学素子における第二面の変形例を示す一部拡大図である。
【図１１】変形例の光学素子を使用した場合における光強度分布を表す。
【図１２】本発明に係る光学素子の他の実施形態における第二面の一部拡大図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００    光学素子
２１    第一の平面領域
２２    第二の平面領域
Ｓ１    第一の段差
Ｓ２    第二の段差
２００    光利用素子（ＣＣＤ）
５００    光学系
【図１】
2006113222.tif 000003
【図２】
2006113222.tif 000004
【図３】
2006113222.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006113222.tif 000007
【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】
2006113222.tif 000012
【図１１】
2006113222.tif 000013
【図１２】
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