(57)【要約】  発光装置は、第１の透明電極層（１１）と、第２の透明電極層（１３）と、前記第１および第２の透明電極層（１１、１３）に挟まれた発光層（１２）と、前記発光層（１２）から生じ前記第１の透明電極層（１１）を透過した光の光路上に配置された回折素子（１６）であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子（１６）と、を備える。
2015115045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明電極層と、
第２の透明電極層と、
前記第１および第２の透明電極層に挟まれた発光層と、
前記発光層から生じ前記第１の透明電極層を透過した光の光路上に配置された回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、
を備える発光装置。
【請求項２】
前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的に配列された凹凸構造を有し、
前記発光層から生じる光の平均波長をλ、前記複数の凹部を構成する材料の屈折率と前記複数の凸部を構成する材料の屈折率との差をΔｎ、前記凹凸構造の高さをｈとするとき、
【数１】
2015115045.tif 000009
が成立するように前記凹凸構造の高さｈが設定されている、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜λ／（４Δｎ）の範囲内の値、または３λ／（４Δｎ）〜５λ／（４Δｎ）の範囲内の値に設定されている、請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜１３８ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている、請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記凹凸構造の高さｈは、４００ｎｍ／Δｎ〜７００ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている、請求項３に記載の発光装置。
【請求項６】
前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが周期的なパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している、請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している、請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内接する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記凹凸構造における前記パターンの空間周波数成分のうち、１／（２ｗ）よりも小さい成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている、請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記回折素子は、入射角０°で光が入射した場合に、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が５０％以上になるように構成されている、請求項１から８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１０】
前記回折素子は、入射角０°で光が入射した場合に、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が７０％以上になるように構成されている、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記第１の透明電極層に接する第１の面と、前記第１の面の反対側の第２の面とを有する透明基板をさらに備え、
前記回折素子は、前記透明基板の前記第２の面上に形成されている、
請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１２】
透明基板をさらに備え、
前記回折素子は、前記透明基板と前記第１の透明電極層との間に設けられている、
請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１３】
前記回折素子は、前記第１の透明電極層に接する第１の層と、前記第１の層よりも低い屈折率を有し、前記透明基板に接する第２の層とが積層された構造を有し、
前記第１の層と前記第２の層との界面に前記凹凸構造が形成されている、
請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
透明基板と、
前記透明基板の内部に光を入射させる光源と、
前記透明基板の１つの面上に形成され、前記光源から出射されて前記透明基板を透過した光を回折させる回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、を備える発光装置。
【請求項１５】
前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的に配列された凹凸構造を有し、
前記発光層から生じる光の平均波長をλ、前記複数の凹部を構成する材料の屈折率と前記複数の凸部を構成する材料の屈折率との差をΔｎ、前記凹凸構造の高さをｈとするとき、
【数２】
2015115045.tif 000010
が成立するように前記凹凸構造の高さｈが設定されている、請求項１４に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜λ／（４Δｎ）の範囲内の値、または３λ／（４Δｎ）〜５λ／（４Δｎ）の範囲内の値に設定されている、請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜１３８ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている、請求項１５または１６に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記凹凸構造の高さｈは、４００ｎｍ／Δｎ〜７００ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている、請求項１５または１６に記載の発光装置。
【請求項１９】
前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している、請求項１４から１８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２０】
透明基板と、
前記透明基板上に形成された回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように入射光を回折させる回折素子と、
を備える光取り出しシート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関し、特に透明発光パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
透明発光パネルは、発光しながらパネルの向こう側にある物体を視認することができるため、照明用途の他、例えばデジタルサイネージなどの広告用途にも利用することができる。そのような透明発光パネルを実現する構成として、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、「有機ＥＬ素子」と称する。）を用いる方法がある。【０００３】
有機ＥＬ素子は、有機材料から構成される発光層を２つの電極で挟持した構成を有する。電極間に電圧を印加することにより、発光層から光を発生させることができる。２つの電極を共に光透過性を有する材料で構成することにより、透明な発光パネルを実現することができる。【０００４】
しかし、このような有機ＥＬ素子の光取り出し効率は、一般に２０〜３０％程度であり、活用できない光が全発光量の７０〜８０％を占める。光取り出し効率がこのように低くなる主な理由は、光が発生する部分およびその周辺部を構成する材料が、高屈折率性および光吸光性などの特性を有するためである。屈折率の異なる界面での光の全反射や材料による光の吸収が生じることにより、発光が観測される外界へ多くの光を取り出すことができない。【０００５】
このような課題に対して、光を回折によって拡散させる光取り出し構造を用いることによって光取り出し効率を高くする技術が知られている。例えば、特許文献１は、異なる２つの層の界面で生じる光の全反射を抑制するために回折格子を設けた有機ＥＬ素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８３７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されているような従来の回折格子を光取り出し構造として用いた場合、発光層からの光が拡散してしまうため、透明性（パネルごしに物を見たときの視認性）が失われ、透明発光パネルを実現することができない。一方、光取り出し構造を設けない場合、光の利用効率が低いという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る発光装置は、第１の透明電極層と、第２の透明電極層と、前記第１および第２の透明電極層に挟まれた発光層と、前記発光層から生じ前記第１の透明電極層を透過した光の光路上に配置された回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、を備える。【０００９】
本発明の他の態様に係る発光装置は、透明基板と、前記透明基板の内部に光を入射させる光源と、前記透明基板の１つの面上に形成され、前記光源から出射されて前記透明基板を透過した光を回折させる回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様に係る発光装置によれば、従来とは異なる回折素子を用いることにより、光の利用効率の高い透明発光パネルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１における発光装置の構造を模式的に示す部分断面図である。
【図２】回折素子１６の凹凸構造の一部を示す平面図である。
【図３】回折格子による光の回折現象を説明するための図である。
【図４】フラットな界面を通過する光の伝播を模式的に示す図である。
【図５】凹凸の高さに対する０次光の強度割合の依存性を示す図である。
【図６】図５に示す計算の計算条件を示す図である。
【図７】凹凸の高さおよび入射角度に対する０次光強度割合の依存性を示す図である。
【図８】図７に示す計算の計算条件を示す図である。
【図９】０次光の強度と視認性との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】凹凸構造の高さに対する光取り出し効率の依存性を示す図である。
【図１１】有機ＥＬ素子内を伝播する光の例を示す図である。
【図１２】変形例１における発光装置の構造を模式的に示す部分断面図である。
【図１３】変形例１における凹凸の高さに対する０次光強度の割合の依存性を示すグラフである。
【図１４】図１３に示す計算の計算条件を示す図である。
【図１５】変形例１において、回折素子の凹凸の高さを変えて光取り出し効率を計算した結果を示すグラフである。
【図１６】変形例２における複数の凹部と複数の凸部とをランダムなパターンで２次元的に配列した凹凸構造を示す図である。
【図１７】変形例２における凹凸構造に垂直に入射したときの光の拡散パターンを示す図である。
【図１８】図１７の拡散パターンをｙ方向に積分することによってｘ方向に関する光強度の依存性を計算した結果を示す図である。
【図１９】ランダムな凹凸構造に光を入射したときの光の拡散の様子を模式的に表した図である。
【図２０】変形例２における凹凸の高さに対する０次光の強度割合の依存性を示すグラフである。
【図２１】複数の凹部と複数の凸部の平面形状を六角形にした凹凸構造の例を示す図である。
【図２２Ａ】配列方向に３個以上同種の構造が連続しないようにランダム性が調整された回折素子の一例を示す図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａに示す凹凸パターンをフーリエ変換し、空間周波数成分の振幅を示した図である。
【図２３Ａ】変形例３において凹凸構造の高さを様々に変えて光取り出し効率を計算した結果を示すグラフである。
【図２３Ｂ】回折素子１６が透明基板１４と透明電極層１１との間に設けられた場合において、図２３Ａと同様の計算を行った結果を示すグラフである。
【図２４】複数の凹部と複数の凸部の平面形状を六角形にした低周波除去構造の例を示す図である。
【図２５】透明発光パネルの製造方法の第１の例を示す図である。
【図２６】透明発光パネルの製造方法の第２の例を示す図である。
【図２７】透明発光パネルの製造方法の第３の例を示す図である。
【図２８】構造の異なる複数の拡散層について、パネルごしに文字を観察した実験結果を示す図である。
【図２９】実施の形態２における発光装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図３０】透明基板１４に回折素子１６を直接設けた構成の一例を示す図である。
【図３１】導光板を用いた発光パネルの一例を示す図である。
【図３２】基板の表面にフラットな部分が残るように回折格子を部分的に設けた光取り出し構造を用いた発光パネルを示す図である。
【図３３】有機ＥＬ素子における界面での全反射を示す図である。
【図３４】従来の回折格子による光取り出し構造を設けた有機ＥＬ素子を示す図である。
【図３５】フラットな面を一部に残しておくことで、透明性を確保した有機ＥＬ素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１３】
透明発光パネルを実現する構成として、上述の有機ＥＬ素子を用いた構成の他、導光板を用いた構成が考えられる。
【００１４】
図３１は、導光板を用いた発光パネルの一例を示す図である。この発光パネルは、透明基板１４と、透明基板１４の表面に形成された回折格子からなる光取り出し構造１５と、透明基板１４の端面（図の左側の側面）から透明基板１４の内部に光を入射させる光源１７とを備える。光源１７から出射した光は、基板１４の表面で全反射を繰り返しながら基板１４内を伝播するとともに、光取り出し構造１５によって一部の光が基板１４の外部に取り出される。これにより、面全体がほぼ均一に光る面発光装置を実現することができる。
【００１５】
しかし、このような発光装置では、光取り出し構造１５によって光が拡散されるため、透明性が失われてしまう。透明性を確保するためには、図３２に示すように、基板１４の表面にフラットな部分が残るように回折格子を部分的に設けた光取り出し構造１５’を用いる構成が考えられる。このような構成にすれば、回折格子が設けられた部分でのみ光が拡散し、回折格子が設けられていない部分では光が拡散することなく透過するため、透明性が確保される。
【００１６】
しかしながら、このような構成では、回折格子があるところと無いところとで明るさが異なるため、パネルの明るさにむらが生じてしまう。したがって、このような導光板では、均一に発光する透明発光パネルを実現することはできない。
【００１７】
一方、有機ＥＬを用いた透明パネルでは、有機ＥＬが自発光であるため、均一に発光させることができる。しかしながら、上述のように、有機ＥＬ素子の光取り出し効率は、一般に２０〜３０％程度であり、光の利用効率は高くない。光取り出し効率がこのように低くなる理由として、光が発生する部分およびその周辺部を構成する材料が、高屈折率性および光吸光性などの特性を有することが挙げられる。図３３に示すように、２つの電極１１、１３に挟まれた発光層１２から発生した光は、屈折率の異なる２つの層の界面２０で全反射したり、材料によって光が吸収されたりすることにより、透明基板１４を透過して外界へ有効に伝播することができない。その結果、有機ＥＬ素子では、活用できない光が全発光量の７０〜８０％を占めることになる。
【００１８】
このような全反射による光の閉じ込めによるロスを低減するために、様々な構成の光取り出し構造を設けることが検討されている。しかし、図３４に示すように、従来の回折格子による光取り出し構造１５を設けた場合、光がそのまま通りぬけずに拡散するため、パネルの透明性が失われてしまう。そこで、図３２に示す導光板と同様、フラットな面を一部に残しておくことで、透明性を確保する構成が考えられる（図３５）。しかし、このような構成では、光取り出し効率の改善効果が低下するだけでなく、回折格子があるところと無いところとで明るさが異なるために、パネルの明るさにむらが生じてしまう。
【００１９】
本発明者らは、従来使用されることのなかった特殊な回折素子を光取り出し構造として用いることにより、上記の問題を解決することができることを見出した。以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明の実施の形態の概要は以下の通りである。
【００２１】
（１）本開示の一態様に係る発光装置は、第１の透明電極層と、第２の透明電極層と、前記第１および第２の透明電極層に挟まれた発光層と、前記発光層から生じ前記第１の透明電極層を透過した光の光路上に配置された回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、を備える。
【００２２】
（２）ある実施形態において、前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的に配列された凹凸構造を有し、前記発光層から生じる光の平均波長をλ、前記複数の凹部を構成する材料の屈折率と前記複数の凸部を構成する材料の屈折率との差をΔｎ、前記凹凸構造の高さをｈとするとき、      
【数１】
2015115045.tif 000003
が成立するように前記凹凸構造の高さｈが設定されている。
【００２３】
（３）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜λ／（４Δｎ）の範囲内の値、または３λ／（４Δｎ）〜５λ／（４Δｎ）の範囲内の値に設定されている。
【００２４】
（４）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜１３８ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている。
【００２５】
（５）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、４００ｎｍ／Δｎ〜７００ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている。
【００２６】
（６）ある実施形態において、前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが周期的なパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している。
【００２７】
（７）ある実施形態において、前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している。
【００２８】
（８）ある実施形態において、前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々に内接する楕円の短辺の長さの最小値をｗとするとき、前記凹凸構造における前記パターンの空間周波数成分のうち、１／（２ｗ）よりも小さい成分が、前記複数の凹部および前記複数の凸部をランダムに並べた場合と比較して抑制されている。
【００２９】
（９）ある実施形態において、前記回折素子は、入射角０°で光が入射した場合に、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が５０％以上になるように構成されている。
【００３０】
（１０）ある実施形態において、前記回折素子は、入射角０°で光が入射した場合に、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が７０％以上になるように構成されている。
【００３１】
（１１）ある実施形態において、前記第１の透明電極層に接する第１の面と、前記第１の面の反対側の第２の面とを有する透明基板をさらに備え、前記回折素子は、前記透明基板の前記第２の面上に形成されている。
【００３２】
（１２）ある実施形態において、透明基板をさらに備え、前記回折素子は、前記透明基板と前記第１の透明電極層との間に設けられている。
【００３３】
（１３）ある実施形態において、前記回折素子は、前記第１の透明電極層に接する第１の層と、前記第１の層よりも低い屈折率を有し、前記透明基板に接する第２の層とが積層された構造を有し、前記第１の層と前記第２の層との界面に前記凹凸構造が形成されている。
【００３４】
（１４）本開示の他の態様に係る発光装置は、透明基板と、前記透明基板の内部に光を入射させる光源と、前記透明基板の１つの面上に形成され、前記光源から出射されて前記透明基板を透過した光を回折させる回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように前記光を回折させる回折素子と、を備える。
【００３５】
（１５）ある実施形態において、前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とが２次元的に配列された凹凸構造を有し、前記発光層から生じる光の平均波長をλ、前記複数の凹部を構成する材料の屈折率と前記複数の凸部を構成する材料の屈折率との差をΔｎ、前記凹凸構造の高さをｈとするとき、
【数２】
2015115045.tif 000004
が成立するように前記凹凸構造の高さｈが設定されている。
【００３６】
（１６）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜λ／（４Δｎ）の範囲内の値、または３λ／（４Δｎ）〜５λ／（４Δｎ）の範囲内の値に設定されている。
【００３７】
（１７）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜１３８ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている。
【００３８】
（１８）ある実施形態において、前記凹凸構造の高さｈは、４００ｎｍ／Δｎ〜７００ｎｍ／Δｎの範囲内の値に設定されている。
【００３９】
（１９）ある実施形態において、前記回折素子は、複数の凹部と複数の凸部とがランダム性を有するパターンで２次元的に配列された凹凸構造を有している。
【００４０】
（２０）本開示の他の態様に係る光取り出しシートは、透明基板と、前記透明基板上に形成された回折素子であって、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように入射光を回折させる回折素子と、を備える。
【００４１】
以下、本開示のより具体的な実施の形態を説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
まず、第１の実施の形態による発光装置を説明する。本実施形態における発光装置は、有機ＥＬを用いた透明発光パネルである。
【００４３】
図１は、本実施形態における発光装置の構成を模式的に示す部分断面図である。発光装置は、第１の透明電極層１１と、第２の透明電極層１３と、これらに挟まれた発光層１２と、透明電極層１１、１３および発光層１２を支持する透明基板１４と、透明基板１４の表面（第１の透明電極層１１と接する面の反対側の面）に形成された回折素子（回折格子）１６とを備えている。回折素子１６は、複数の凹部および複数の凸部が２次元的に配列された凹凸構造を有している。
【００４４】
図２は、回折素子１６の凹凸構造の一部を示す平面図である。図２において、黒い部分が凸部、白い部分が凹部を示している。この回折素子１６は、横方向および縦方向の各々について、凸部と凹部とが交互に配列された周期構造を有している。
【００４５】
本実施形態における回折素子１６は、従来の回折格子とは異なり、全透過光の強度に対する０次光の強度の割合が他の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように設計されている。従来の回折格子では、通常、回折による光の拡散効果を高くするため、０次光の発生を抑え、０次以外の回折光が相対的に多く生じるように凹凸構造の高さ（凹部と凸部の平坦部の高低差）が設計される。これに対して、本実施形態における回折素子は、０次光を相対的に多く取り出すように凹凸構造の高さが調整されており、これによって光の利用効率の高い透明発光パネルを実現することができる。以下、この原理を具体的に説明する。
【００４６】
回折格子に光が入射したとき、光は回折現象により曲げられる。例えば、図３に示すように、屈折率ｎinの媒質と屈折率ｎoutの媒質との界面に周期ｐの回折構造があるとき、屈折率ｎinの媒質から波長λの光が入射角θｉｎで入射した場合、ｍ次の回折次数の光の出射角θｏｕｔは、次の式（１）によって決定される。
【数３】
2015115045.tif 000005
【００４７】
０次光（ｍ＝０）については、次の式（２）が成立する。
【数４】
2015115045.tif 000006
【００４８】
この式（２）はスネルの法則に他ならない。０次光が存在しない、即ち入射光が全反射する条件は、以下の式（３）で表される。
【数５】
2015115045.tif 000007
【００４９】
式（３）が成立するとき、式（２）のθｏｕｔは解をもたないので、光は透過することなく全反射する。一方、−１次（ｍ＝−１）の回折光については、式（３）の条件を満たす場合でも式（１）におけるθｏｕｔが解をもつ場合がある。すなわち、回折により光の進行方向が変化し、全反射することなく光が透過することになる。
【００５０】
一方、０次光の出射角度は、式（２）のとおりスネルの法則に従って決まる。即ち、図４に示すフラットな界面を通過する光と全く同じ角度で光は伝播する。よって、回折格子を通過した後に、０次光が少しでも残っていれば、フラットな界面を設けた場合と同じ角度で進行する光の成分が存在することになるので、フラットなパネルを通して物体を見た時と同様に、パネルとしての透明性（パネルごしにものを見た時の視認性）が確保できる。
【００５１】
回折格子を透過する０次光の強度は、回折格子が入射光に与える位相差で決まる。回折格子の回折光強度を予測する理論として、スカラー回折理論がある。スカラー回折理論は、回折格子の周期が光の波長に対して十分大きい場合に成立する。スカラー回折理論によれば、回折格子の凸部および凹部の断面形状が矩形である場合の０次光強度Ｉ0は、以下の式（４）で与えられる。
【数６】
2015115045.tif 000008
ここで、Δｎは回折格子の周期的な凹凸構造を形成する２種類の媒質の屈折率の差であり、ｈは凹凸構造の高さであり、λは光の波長である。
【００５２】
式（４）を用いて、屈折率が１．５の媒質から屈折率が１．０の媒質の界面に回折格子がある場合に、視感度の高い波長である５５０ｎｍの光を回折格子に垂直に入射した場合の０次光の強度を計算した結果を図５に点線で示す。図５において、横軸は凹凸構造の高さｈを、縦軸は全透過光の強度に対する０次光の強度の割合を示している。なお、スカラー回折理論によれば、式（４）に示すように、０次光の回折強度は回折格子の周期に依存しない。
【００５３】
式（４）から、０次光の回折強度がピークとなる高さｈは、１つ目のピークＰ１についてはｈ＝０、２つ目のピークＰ２についてはｈ＝λ／Δｎであり、一般化すれば、ｈ＝ｋλ／Δｎ（ｋは０以上の整数）である。
【００５４】
一方、周期ｐが波長と同程度またはそれよりも小さい場合や、回折格子の凹凸構造の高さがある程度大きい場合には、スカラー回折理論は成り立たないことが知られている。そこで、本発明者らは、周期構造の回折現象を比較的精度よく計算することができるＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いて計算を行った。計算は、ＣＹＢＥＲＮＥＴ社のＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いて行った。本計算では、図６に示すように、回折格子の入射側の媒質の屈折率を１．５、透過側の媒質の屈折率を１．０、回折格子の周期ｐを１μｍとし、回折格子に垂直に５５０ｎｍの波長の光が入射するものとして、回折格子の凹凸構造の高さ（厚さ）ｈを様々に変えて、出射する０次光の強度割合を計算した。図５における実線は、本計算の結果を示している。この結果によれば、高さに応じて０次光の強度が変化しており、その振る舞いはスカラー回折理論と定性的には一致している。高さｈが小さいほどスカラー回折理論の予測に近づくことが確認された。また、周期ｐを１μｍよりも大きくした場合、周期ｐが大きくなるに従って計算結果がスカラー回折理論の予測に近づいていくことも確認された。
【００５５】
次に、本発明者らは、パネルへの入射角度を様々に変えて０次光強度を計算した。回折格子によって生じる光の位相差は光の入射角度によって異なるため、出射する０次光の強度は光の入射角度に応じて変化する。回折格子の法線方向に対して角度θの方向から光が入射した場合、光路長は垂直入射の場合の１／ｃｏｓθ倍（１より大きい）となるため、正面から入射する光に比べて斜めに入射する光の方が位相差が大きくなる。よって、光が斜めに入射する場合に生じる０次光の強度割合は、正面から入射する場合に比べて変化する。
【００５６】
図７は、本計算の結果を示す図である。図７において、横軸は光の入射角度、縦軸は回折格子の凹凸構造の高さを表し、０次光の強度割合が低いほど黒く、高いほど白くなるように結果を表示している。この計算の条件は、図８に示すように、屈折率１．５のパネルの表面に周期１μｍの凹凸構造が形成されているものとし、外界の媒質の屈折率を１．０とした。図７の結果が示すように、凹凸の高さｈが５００ｎｍ近傍に設定されている場合、正面から入射する光（入射角０°）によって生じる０次光強度はほぼ０である。これに対して、高さｈが４００ｎｍ以下、あるいは高さｈが０．６〜１．４μｍの範囲内では、０次光強度の割合が高くなっている。前者は、図５における１つ目のピークＰ１に対応し、後者は、図５における２つ目のピークＰ２に対応している。高さが４００ｎｍ以下の場合には、０°〜６０°前後の入射角度の範囲にわたって０次光強度の割合がある程度大きくなっている。一方、高さが０．６〜１．４μｍの場合には、０°〜３０°前後の入射角の範囲にわたって０次光強度の割合がある程度大きくなっている。すなわち、これらの視野角の範囲内で透明性が得られる。なお、高さが１．５μｍよりも大きい３つ目のピーク付近においても透明性を得ることができるが、例えば半導体プロセスや切削等で加工することを考えると、高さが大きいものを作るのは一般に困難である。したがって、その場合には、凹凸構造の高さｈを、１つ目か２つ目のピーク付近に対応する高さに設定すればよい。
【００５７】
上記の結果から、広い視野角領域で透明性を得たい場合には１つ目のピーク付近に対応する高さの凹凸構造を採用すればよく、狭い視野角領域で透明性を得られれば十分な場合には２つ目のピーク付近に対応する高さの凹凸構造も利用することができる。逆に、２つ目のピーク付近に対応する高さの凹凸構造を用いれば正面から見た時には透明性が得られ、斜めから見た時には透明性が得られないという特殊なパネルを実現することができる。
【００５８】
図９は、０次光の強度と視認性との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。図９におけるグラフは０次光の強度の割合と白黒の像を観察したときのコントラストとの関係を計算した結果を示している。コントラストは、ＪＩＳ  Ｘ８３４１−３：２０１０における文字コントラストの基準に従って計算した。この規格は、ウェブアクセシビリティに関する文字の視認性についてのものであるが、透明パネルごしに文字や物体を見た時にも同様の視認性の評価ができると考え、これに基づいて分析を行った。なお、コントラストは、白い部分の輝度と黒い部分の輝度との比を計算することにより算出した。０次光強度が減少し、拡散の効率が高くなるほどコントラストは低下する傾向にある。図９によれば、０次光の強度が１０％の場合は文字を識別するのが困難である。ＪＩＳ規格によれば、小さい文字の場合はコントラストが４．５以上で、大きな文字の場合はコントラストが３以上で十分な見やすさが得られるとされている。図９の結果から、コントラストを４．５あるいは３．０以上にするためには、０次光強度割合をそれぞれ７０％あるいは５０％にする必要がある。よって、正面方向から光が通過する場合の全透過光強度に対する０次光の強度の割合が５０％以上であることが好ましく、７０％以上であればより好ましい。
【００５９】
図５に示す計算結果（実線）によれば、０次光強度の割合が５０％以上になるのは、高さが２７５ｎｍ以下または８００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲にある場合である。０次光強度の割合が７０％以上になるのは、高さが２００ｎｍ以下または９００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲にある場合である。したがって、上記の計算条件では、これらの範囲内の高さに設定すれば、コントラストを十分大きくすることができる。
【００６０】
次に、本発明者らは、凹凸構造の高さに対する光取り出し効率の依存性を検討した。結果を図１０に示す。有機ＥＬを用いた透明発光パネルでは、上述のように、光の利用効率を高めることが重要である。そこで、本発明者らは、光取り出し効率を高くするための凹凸の高さの条件を計算によって求めた。光取り出し効率の計算は、光線追跡法とＲＣＷＡ法とを組み合わせて行った。回折格子に入射した光の反射光および透過光をＲＣＷＡ法で計算し、その結果を光線追跡法に取り込むことにより、図１１に示すように有機ＥＬ内を多重反射しながら伝播する光も考慮して、光取り出し効率を計算した。本計算において、回折格子の周期を１μｍ、断面形状を矩形とし、回折格子１６および透明基板１４の屈折率を１．５、透明電極１１、１３および発光層１２の屈折率を１．８として計算した。
【００６１】
図１０に示す結果によれば、凹凸構造の高さｈが１００ｎｍ以上で光取り出し効率がほぼ一定となっていることが分かる。よって、この条件では、高さｈは１００ｎｍ以上に設定することが好ましい。
【００６２】
この範囲と図５の計算結果から得られた好ましい範囲とを総合すると、高さｈは、１００ｎｍ〜２７５ｎｍもしくは８００ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲に設定されることが好ましく、１００ｎｍ〜２００ｎｍもしくは９００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲に設定されることがより好ましい。
【００６３】
図５に示す計算結果は、屈折率差をΔｎ＝０．５としたときの結果である。式（４）より、光の位相差は高さｈと屈折率差Δｎの積に比例する。よって、上記の好ましい高さｈの範囲は、屈折率差Δｎに反比例して変化する。すなわち、高さｈは、５０ｎｍ／Δｎ〜１３８ｎｍ／Δｎもしくは４００ｎｍ／Δｎ〜７００ｎｍ／Δｎの範囲に設定されることが好ましく、５０ｎｍ／Δｎ〜１００ｎｍ／Δｎもしくは４５０ｎｍ／Δｎ〜６５０ｎｍ／Δｎの範囲に設定されることがより好ましい。
【００６４】
以上のように、適切な範囲に高さｈが設定された回折素子１６を用いることにより、光取り出し効率が高く、かつ均一に発光する透明発光パネルを実現することができる。凹凸構造の高さｈは上記の範囲に限定されず、０次光の強度の割合が０次以外の次数の回折光の強度の割合よりも高くなるように設定されていればよい。例えば、式（４）においてＩ0≧０．５を満たす範囲、すなわち、５０ｎｍ／Δｎ〜λ／（４Δｎ）、３λ／（４Δｎ）〜５λ／（４Δｎ）、７λ／（４Δｎ）〜９λ／（４Δｎ）などの範囲内の値にｈが設定されていてもよい。なお、発光層１２から生じる光が単色光ではなく、白色光のように様々な波長の光の集合体である場合、それらの光の平均波長をλとして上記のいずれかの条件を満たすように高さｈを設定すればよい。ここで「平均波長」とは、発光スペクトルにおいて、その波長よりも長い波長の光の強度和と、その波長よりも短い波長の光の強度和とが等しくなる波長を意味する。
【００６５】
＜各構成要素の詳細＞
以下、本実施形態における各構成要素の詳細を説明する。
【００６６】
透明電極層１１、１３の一方は、発光層１２にホールを注入するための電極（陽極）であり、他方は、発光層１２に電子を注入するための電極（陰極）である。透明電極層１１、１３は、仕事関数の比較的大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物などの材料から構成され得る。透明電極層１１、１３の材料としては、例えばＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ヨウ化銅などの無機化合物、ＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子、任意のアクセプタなどでドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料を挙げることができる。
【００６７】
透明電極層１１、１３は、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによって薄膜として形成することができる。なお、透明電極層１１、１３のシート抵抗は、例えば数百Ω／□以下に設定され、ある例では１００Ω／□以下に設定され得る。透明電極層１１、１３の膜厚は、例えば５００ｎｍ以下であり、ある例では１０−２００ｎｍの範囲で設定され得る。透明電極層１１、１３を薄くするほど光の透過率が向上するが、シート抵抗が膜厚に反比例して増加するため、シート抵抗が増加する。その結果、有機ＥＬの大面積化の際に、高電圧化の問題や、電圧降下による電流密度の不均一化に伴う輝度の不均一化の問題が発生し得る。このトレードオフを回避するため、メタルなどの補助配線（グリッド）を透明電極層１１、１３上に形成してもよい。補助配線の材料としては導電性に優れたものが使用され得る。例えば、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｐｄやこれらの合金（ＭｏＡｌＭｏ、ＡｌＭｏ、ＡｇＰｄＣｕなど）を用いることができる。この際、メタルグリッドが遮光材料として働かないように、グリッド部に電流が流れるのを防ぐ絶縁処理を施してもよい。また、拡散した光がグリッドに吸収されることを防ぐため、反射率の高い金属をグリッドに用いてもよい。
【００６８】
発光層１２は、透明電極層１１および透明電極層１３から注入される電子およびホールの再結合によって光を発生する材料から形成される。発光層１２は、例えば、低分子または高分子の発光材料や、金属錯体などの一般に知られる任意の発光材料によって形成され得る。図１には示されていないが、発光層１２の両側には、電子輸送層及びホール輸送層が設けられていてもよい。電子輸送層は陰極側に配置され、ホール輸送層は陽極側に配置される。電子輸送層は、電子輸送性を有する化合物の群から適宜選定することができる。この種の化合物としては、例えば、電子輸送性材料として知られるＡｌｑ３のような金属錯体や、フェナントロリン誘導体、ピリジン誘導体、テトラジン誘導体、又は、オキサジアゾール誘導体等のヘテロ環を有する化合物などが挙げられる。但し、これらの材料に限定されるものではなく、一般に知られる任意の電子輸送性材料を用いることが可能である。ホール輸送層は、正孔輸送性を有する化合物の群から適宜選定することができる。この種の化合物としては、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）、２−ＴＮＡＴＡ、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）、スピロ−ＮＰＤ、スピロ−ＴＰＤ、スピロ−ＴＡＤ、又は、ＴＮＢなどを代表例とするトリアリールアミン系化合物、カルバゾール基を含むアミン化合物、フルオレン誘導体を含むアミン化合物などを挙げることができる。但し、これらの材料に限定されるものではなく、一般に知られる任意の正孔輸送性材料を用いることが可能である。このように、透明電極層１３と透明電極層１１との間には、発光層１２以外にも、電子輸送層やホール輸送層等の他の層が設けられ得る。本明細書では、透明電極層１３と透明電極層１１との間の層全体をまとめて「有機ＥＬ層」と呼ぶことがある。
【００６９】
有機ＥＬ層の構造は、上述の例に限らず、種々の構造を採用することができる。例えば、ホール輸送層と発光層１２との積層構造や、発光層１２と電子輸送層との積層構造を採用してもよい。また、陽極とホール輸送層との間にホール注入層を介在させてもよいし、陰極と電子輸送層との間に電子注入層を介在させてもよい。また、発光層１２は、単層構造に限らず、多層構造を有していてもよい。例えば、所望の発光色が白色である場合には、発光層１２中に赤色、緑色、青色の３種類のドーパント色素をドーピングするようにしてもよい。また、青色正孔輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよいし、青色電子輸送性発光層と緑色電子輸送性発光層と赤色電子輸送性発光層との積層構造を採用してもよい。さらに、陽極と陰極とで挟んで電圧を印加すれば発光する素子からなる層を１つの発光ユニットとして、複数の発光ユニットを光透過性および導電性を有する中間層を介して積層した構造（電気的に直列接続されたマルチユニット構造）を採用してもよい。
【００７０】
透明基板１４は、透明電極層１１、発光層１２、透明電極層１３を支持するための部材である。透明基板１４の材料としては、例えばガラスや樹脂等の透明材料を用いることができる。透明基板１４の屈折率は、例えば１．４５〜１．６５程度であるが、屈折率が１．６５以上の高屈折率基板を用いてもよいし、屈折率が１．４５よりも小さい低屈折率基板を用いてもよい。
【００７１】
回折素子１６は、透明基板１４の表面に形成される回折格子である。回折素子１６の材料は、例えば透明基板１４と同程度の屈折率を有するガラスや樹脂等の透明材料であり得る。透明基板１４の表面を加工することによって回折素子１６を形成してもよい。
【００７２】
＜変形例１＞
本実施形態における回折素子１６は、透明基板１４の表面に限らず、発光層１２から発生して第１の透明電極層１１を透過した光の光路上に配置されていればよい。例えば、第１の透明電極層１１と透明基板１４との間に設けられていてもよい。以下、そのような発光装置の例を説明する。
【００７３】
図１２は、本変形例の構造を模式的に示す部分断面図である。この例では、回折素子１６が有機ＥＬ素子の内部に設けられている。内部に光取り出し構造を設けることにより、基板１４の表面に光取り出し構造を設けなくても光を取り出すことができる。この構成の利点は、基板表面がフラットであるため、汚れがついた場合でも拭き取ることができることである。基板表面に凹凸構造がある構成では、基板表面に汚れがついた場合、凹凸を欠損させずに洗浄することが困難な場合がある。また、液体が付着し、凹凸の隙間に侵入してしまうと、屈折率段差がなくなり、回折格子として機能しなくなるおそれがある。図１２に示すような構造を採用すれば、そのような問題を回避できる。
【００７４】
この構成例では、回折素子１６は、相対的に屈折率の低い第１の層（低屈折率層）１６ａと、相対的に屈折率の高い第２の層（高屈折率層）１６ｂとの積層構造を有する。低屈折率層１６ａと高屈折率層１６ｂとの界面の形状は凹凸形状である。この凹凸構造の平面パターンは、図２に示すものと同じであってもよいし、後述するように異なるパターンであってもよい。
【００７５】
高屈折率層１６ｂの屈折率は、例えば１．７３以上に設定され得る。高屈折率層１６ｂに用いる材料として、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）などの比較的高い屈折率の無機材料または高屈折率樹脂などを使用することができる。
【００７６】
透明基板１４としては、ガラスや樹脂などを用いるのが一般的であり、それらの屈折率は１．５〜１．６５程度である。よって、低屈折率層１６ａに用いる材料として、例えばガラス、ＳｉＯ2（石英）などの無機材料や、樹脂などを用いることができる。
【００７７】
回折素子１６の形成方法としては、例えば透明基板１４の上に、表面を凹凸形状にした低屈折率層１６ａを形成し、その上から高屈折率材料で凹凸構造を埋め込み、その上に透明電極層１１、発光層１２、透明電極層１３を形成する方法がある。あるいは、基板の上に透明電極層１３を形成し、その上に発光層１２、透明電極層１１、表面を凹凸形状にした高屈折率層１６ｂを形成し、その上から低屈折率材料で凹凸構造を埋め込み、その上に透明基板１４を形成する方法もある。
【００７８】
低屈折率層１６ａや高屈折率層１６ｂの材料として無機材料を用いると、一般的には切削や半導体プロセスといった比較的コストの高い工法が必要となる。一方、低屈折率層１６ａや高屈折率層１６ｂの材料として上記のような樹脂材料を用いれば、塗布、ナノインプリント、スピンコートといった比較的コストの低い工法で内部光取り出し層１６を形成することができる。
【００７９】
図１３は、本構成例における凹凸の高さに対する０次光強度の割合の依存性を計算した結果を示すグラフである。本計算では、図１４に示すように、屈折率が１．８の媒質（高屈折率層１６ｂ）と屈折率が１．５の媒質（低屈折率層１６ａ）との界面に回折格子がある場合に、波長５００ｎｍの光を回折格子に垂直に入射したときの０次光の強度の割合を計算した。式４に基づいて計算した結果を図１３に点線で示している。また、回折格子の周期を１μｍとし、回折格子の高さ（厚さ）を様々に変えて０次光の強度の割合をＲＣＷＡ法を用いて計算した結果を図１３に実線で示している。本構成例でも、基板表面に凹凸構造を設けた場合とほぼ同じような傾向が確認できた。
【００８０】
図１５は、回折素子の凹凸の高さを変えて光取り出し効率を計算した結果を示すグラフである。本計算では、透明基板１４および低屈折率層１６ａの屈折率を１．５、高屈折率層１６ｂ、透明電極１１、１３、発光層１２の屈折率を１．８とした。本構成例でも高さが１００ｎｍ以上であれば十分高い光取り出し効率が得られることが確認できた。
【００８１】
＜変形例２：ランダム構造＞
周期構造を有する回折格子では、式１から分かるように、回折角度が波長に依存する。そのため、光取り出し効率は波長に依存する。また、回折素子を見たときに角度によって色がついて見えてしまう場合があり、透明なパネルとしてのデザイン性が損なわれる。そこで、図１６に示すように、複数の凹部と複数の凸部とをランダムなパターンで２次元的に配列した凹凸構造を採用することができる。このような凹凸構造により、色むらを抑制することができる。
【００８２】
図１７は、屈折率が１．４７の媒質から屈折率が１．０の媒質の界面に図１６に示す凹凸構造がある場合に、波長６３３ｎｍの光を凹凸構造に垂直に入射したときの光の拡散パターンを示す図である。ここでは、凸部および凹部の最小単位（単位ブロック）の配列方向（図１６におけるｘ方向およびｙ方向）の大きさｗが１μｍ、高さが５２０ｎｍのものを用いた。図１７の結果によれば、光が拡散しているとともに、０次光（原点の黒い点に対応）も存在していることが分かる。より詳しく分析するために、図１７の拡散パターンをｙ方向に積分することによってｘ方向に関する光強度の依存性を計算した結果を図１８に示す。角度が０°（正面）の方向に鋭いピークが現れていることがわかる。
【００８３】
図１９は、このようなランダムな凹凸構造（「ランダム構造」と呼ぶ。）に光を入射したときの光の拡散の様子を模式的に表した図である。回折素子１６として、ランダムに凹部および凸部を配列した構成を採用した場合でも、０次光が存在すれば、パネルの透明性が確保できる。
【００８４】
０次光の強度のふるまいを詳しく調べるために、さらに詳しく分析を行った。屈折率が１．４７の媒質と屈折率が１．０の媒質との界面にランダム構造がある場合に、波長６３３ｎｍの光をランダム構造に垂直に入射した場合の０次光の強度を測定した結果を図２０に示す。高さが３００ｎｍ、４００ｎｍ、５２０ｎｍ、６００ｎｍのランダム構造をそれぞれ試作し、実験した結果を図２０に点で示す。また、同様の条件で計算した結果を図２０に実線で示す。高さに依存して０次光強度が変化していることが分かる。スカラー回折理論に基づく式４を用いて０次光の強度を計算した結果を図２０に点線で示す。ランダム構造においても、周期構造を有する回折格子の場合と同様に、スカラー回折理論で定性的に理解できるような０次光の強度変化が得られていることが実験と計算により確認することができた。
【００８５】
ランダム構造でも０次光強度が高さで制御できるのは、凹凸の高さを光の波長オーダーで一定にしているためである。これにより、入射した光に対して、面内で一定の位相差を与えることができる。面内で一定の位相差が与えられると、特定の０次光強度が定まる。つまり、このようなランダム構造においても、周期構造の場合と同様に、０次光強度を凹凸構造の高さによって制御することができる。したがって、本変形例でも、凹凸構造の高さｈの好ましい範囲に変わりはない。
【００８６】
以上の例では、界面に平行な平面で凹部および凸部の空間を仮想的に切断したときの断面形状が正方形であることを前提としたが、断面形状は六角形などの他の形状であってもよい。本願発明者らの検討によれば、正方形ではなく正六角形の断面形状を有する構造を並べた方が光取り出し効率が高くなる。これは、正方形の対角の長さが辺の長さの√２倍であるのに対し、正六角形の対角の長さは辺の長さの√３／２倍であるため、正六角形の断面形状を有する構造を並べた方が方位依存性が小さいためである。つまり、正方形の構造を並べた場合は、辺の方向または対角の方向のいずれかの取り出し効率が低くなってしまうが、正六角形の構造を並べた場合は、方位によらず高い取り出し効率が得られる。よって、図２１に示すように、複数の凹部と複数の凸部の平面形状を六角形としてもよい。
【００８７】
＜変形例３：低周波除去構造＞
色むらを抑制するためには、複数の凹部と複数の凸部とをランダム性を有するパターンで２次元的に配列すればよく、必ずしも両者を完全にランダムに配列する必要はない。ここで、「ランダム性を有するパターン」とは、周期的ではない任意の配列パターンを意味する。例えば、凹部と凸部とをランダムに同数ずつ配列した完全にランダムなパターンのみならず、同種の構造（凹部または凸部）が配列方向に所定回数以上連続しないように調整されたパターンも「ランダム性を有するパターン」に含まれる。複数の凹部および複数の凸部は、必ずしも同数である必要はなく、両者の数が異なっていてもよい。複数の凹部および複数の凸部の各々は、典型的には同一のｘ方向サイズおよびｙ方向サイズを有するが、そのような構成に限らず、これらのサイズに偏りがあってもよい。以下の説明では、「ランダム性を有するパターン」を、省略して「ランダムパターン」と称することがある。
【００８８】
図２２Ａは、配列方向に３個以上同種の構造が連続しないようにランダム性が調整された回折素子の一例を示す図である。図２２Ｂは、図２２Ａに示す凹凸パターンをフーリエ変換し、空間周波数成分の振幅を示した図である。ここで、「パターンをフーリエ変換する」とは、凹部および凸部によって生じる光の位相のずれを回折素子１６の面上の座標ｘ、ｙについての二次元関数として表したときのフーリエ変換を意味する。パターンのフーリエ変換は、回折素子１６上の平坦部の高さの二次元分布をフーリエ変換したものともいえる。なお、図２２Ｂでは、周波数空間における座標を実空間における座標と同様、ｘおよびｙで表している。図２２Ｂの中心は、空間周波数が０の成分（直流成分）を表している。図２２Ｂにおいて中心から外側に向かうに従い、空間周波数が高くなるように表示している。図２２Ｂから理解されるように、図２２Ａに示すパターンの空間周波数は、図１６に示すパターンと比較して、低周波成分が抑制されている。特に、空間周波数成分のうち、１／（２ｗ）よりも小さい成分が抑制されていることがわかる。
【００８９】
光が回折素子１６に入射した場合の拡散光の分布は、フーリエ変換の結果と同じになる。これは、光が回折素子１６に入射したときの光のフラウンホーファ回折像は、回折面で与えられる位相差をフーリエ変換した結果と一致するためである。したがって、図２２Ａに示す構造のように低い空間周波数成分を抑制したランダム構造を採用することにより、０次光である非拡散光の出射方向とは異なる方向を中心に拡散させることができる。これにより、全反射を生じさせる臨界角を超える角度で回折素子１６に入射する光を効率よく外部に取り出すことができる。このため、図２２Ａに示すような低周波成分を除去した構造の方が、図１６に示すようなランダム構造よりも光取り出し効率を高くすることができる。
【００９０】
このような低周波除去構造においても、図１６に示すランダム構造や図２に示す周期構造と同様、０次光の強度を高さ（位相差）で制御することができる。本変形例でも、凹凸構造の好ましい高さの範囲は、上記の範囲と同じである。
【００９１】
図２３Ａは、本変形例において凹凸構造の高さを様々に変えて光取り出し効率を計算した結果を示すグラフである。本計算でも断面形状は矩形とし、単位ブロックの大きさは２μｍとした。他の計算条件は図１０に示す計算における条件と同じである。図２３Ａに示す結果から、高さ１００ｎｍ以上であれば光取り出し効率がほぼ一定となっていることが分かる。よって、本変形例でも凹凸構造の高さｈが１００ｎｍ以上に設定されていれば光取り出し効率を十分高くすることができる。
【００９２】
図２３Ｂは、図１２に示す例のように回折素子１６が透明基板１４と透明電極層１１との間に設けられた場合において、図２３Ａと同様の計算を行った結果を示すグラフである。計算条件は、図１５における計算条件と同じである。この例でも、凹凸構造の高さｈが１００ｎｍ以上に設定されていれば光取り出し効率を十分高くすることができる。
【００９３】
本変形例においても、図２４に示すように、複数の凹部と複数の凸部の平面形状を六角形とした構造を採用してもよい。このような構造を採用することにより、光取り出し効率をさらに高くすることができる。
【００９４】
＜透明発光パネルの製造方法＞
次に、図２５〜図２７を参照しながら、本実施形態における透明発光パネルの製造方法の例を説明する。
【００９５】
図２５、２６は、基板１４上に有機ＥＬ素子を形成し、基板１４の側から出てくる光を利用するボトムエミッション方式の透明発光パネルの製造方法の例を示している。
【００９６】
図２５は、基板１４の表面に回折素子１６を形成する方法を示している。まず、図２５（ａ）に示すように、公知の蒸着や塗布などの方法によって透明基板１４上に透明電極層１１、発光層１２、透明電極層１３をこの順に形成し、続いて図２５（ｂ）に示すように凹凸構造を有する回折素子１６を透明基板１４の表面に形成する。回折素子１６の形成方法として、例えば、半導体プロセスや切削を用いる方法、または半導体プロセスや切削等を用いて作られた金型をナノインプリント技術により転写する方法がある。
【００９７】
半導体プロセスや切削を用いることにより、材料を直接加工して凹凸形状を形成する場合、回折素子１６は、透明基板１４上に加工された凹凸形状によって構成される。基板１４および回折素子１６の凸部は、同じ材料で構成されていてもよい。ミクロンオーダーでパターンが制御された微細な加工をする場合には、半導体プロセスが有効である。半導体プロセスを用いる場合、平坦な面を有する（高さのレベルが離散的である）段差構造が加工しやすい。例えば、高さのレベルが２段の構造の場合、一度のエッチングで加工が可能である。また、二度のエッチングプロセスを行うことにより、高さのレベルが３段や４段の構造を加工することが可能である。
【００９８】
ナノインプリント技術を用いて回折素子１６を含む光取り出し構造を製造する際には、まず、液状の樹脂に対して金型を押し付ける工程が行われ、その後に、樹脂を硬化させる工程が行われる。液状の樹脂に金型の凹凸部が転写されることにより、凹部および凸部が形成される。このとき、図２５（ｂ）に示すように、樹脂には金型の凹凸部が転写されない残膜部が残る。
【００９９】
半導体プロセスや切削を用いることにより、透明基板１４の表面に凹凸構造を直接形成してもよい。その場合、透明基板１４上に凹凸形状を形成した後、透明基板１４の屈折率とは異なる屈折率の材料で凹凸形状を埋め込んでもよい。
【０１００】
図２６は、透明基板１４と有機ＥＬ層との間に回折素子１６を形成する方法を示している。この方法では、まず、図２６（ａ）に示すように、透明基板１４上に半導体プロセス、切削、ナノインプリントなどの方法で凹凸構造を有する低屈折率層１６ａを形成する。次に、図２６（ｂ）に示すように、高屈折率層１６ｂを構成する材料で凹凸を埋め込む。最後に、図２６（ｃ）に示すように、蒸着や塗布などの方法によって透明電極層１１、発光層１２、透明電極層１３を形成する。これにより、上記変形例１のような内部に回折素子１６を有する発光パネルを製造できる。
【０１０１】
図２７は、基板１４上に有機ＥＬ素子を形成し、基板１４と逆の方向から光を取り出すトップエミッション方式の透明発光パネルの製造方法の一例を示している。まず、図２７（ａ）に示すように、透明基板１４上に透明電極層１３、発光層１２、透明電極層１１をこの順に形成する。次に図２７（ｂ）に示すように、透明電極層１１上に上記のいずれかの方法によって凹凸を有する高屈折率層１６ｂを形成する。続いて、図２７（ｃ）に示すように、低屈折率層１６ａを構成する材料で凹凸を埋め込む。これにより、トップエミッション方式の透明発光パネルが完成する。
【０１０２】
なお、透明基板１４は必須の構成要素ではない。また、透明基板１４に到達した光は、例えば、そのまま透明基板１４の表面から発光装置の外部に取り出してもよいし、透明基板１４の表面にマイクロレンズアレイや複数の拡散粒子からなる層などの光取り出しフィルムを用いて発光装置の外部に光を取り出してもよい。発光装置の製造方法は上記の方法に限定されず、どのような方法を用いてもよい。
【０１０３】
＜実験の例＞
図２８は、高さの異なる複数の回折素子を試作し、実際にパネルごしに文字を観察した実験結果を示している。回折素子として、図２２Ａに示すような低周波除去構造を有し、単位ブロックのサイズが１．２μｍ、高さがそれぞれ６００ｎｍ、１０００ｎｍのものを用いて実験を行った。それぞれの０次光の強度の割合は２％および５０％であった。また、比較のため、ヘーズ値がそれぞれ５０％、９０％の２種類の拡散シートでも実験を行った。図２８では、各構成において、拡散層（回折素子または拡散シート）と対象物との距離を約１ｃｍにした場合、およびこの距離を約５ｃｍにした場合のそれぞれにおける観察結果を図示している。
【０１０４】
０次光の割合が比較的大きい高さ１０００ｎｍの回折素子では、対象物から回折素子までの距離によらず文字の視認性が得られていることが分かる。一方、０次光の割合が小さい高さ６００ｎｍの回折素子や拡散シートでは、文字の視認性を得ることは困難である。ヘーズ値が５０％の拡散シートにおいても文字の視認性を得ることが困難であったことは特筆すべき結果である。ヘーズ値の定義は、透過光のうち、入射光から２．５°以上それた透過光の割合である。つまり、ヘーズ値が５０％の拡散シートでは、透過光のうち入射光から２．５°以内しか逸れない光が５０％も存在していることになる。しかしながら、２．５°というわずかな光の角度の変化が生じるだけで、パネルとしての透明性が失われるという結果となっている。よって、回折素子を用いて厳密に光の角度が変化しない０次光を用いる方式によってのみしか、パネルの透明性は得られない。
【０１０５】
回折素子として図２に示すような周期構造を用いると、式１で表される光の回折角度が光の波長によって異なるため、色によって光が分離してしまう。このため、透明なパネルとして用いるときには問題となる。ランダム性を有する回折素子を用いれば、複数の周期成分（空間周波数成分）を有しているため、波長依存性が抑えられていることが分かる。
【０１０６】
（実施の形態２）
次に、第２の実施形態を説明する。本実施形態は、導光板に回折素子を設けることによって実現される透明な発光装置に関する。
【０１０７】
図２９は、本実施形態における発光装置の構造を模式的に示す断面図である。この発光装置は、透明基板１４と、その表面に形成された回折素子１６と、透明基板１４の端面から透明基板１４の内部に光を入射させる光源１７とを備えている。回折素子１６は、実施の形態１におけるいずれかの回折素子１６と同じものである。なお、本実施形態でも、図３０に示すように、透明基板１４に回折素子１６を直接設けてもよい。
【０１０８】
このような構成により、光源１７から出射して透明基板１４の内部に入射した光は、全反射を繰り返しながら導波するように伝播する。光が全反射する際に、回折素子１６に光が当たり、少しずつ光を回折しながら光を取り出すことで、面発光しているように見せることができる。回折素子１６に光が当たったときに、多くの光を取り出してしまうと、光を長い距離導光させることができない。よって、この構成では、光取り出し効率が高くなり過ぎないように、回折素子１６の凹凸構造の高さが調整される。高さを低くすることで、光取り出し効率を低くすることができる。透明性を得るための好ましい高さの範囲は、実施の形態１と同じである。例えば、高さは１３８ｎｍ／Δｎ以下または７００ｎｍ／Δｎ以下に設定され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本開示の発光装置は、発光しながらパネルの向こう側にある物体を視認することができるため、照明用途の他、例えばデジタルサイネージなどの広告用途にも利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１１  第１の透明電極
１２  発光層
１３  第２の透明電極
１４  透明基板
１５、１５’  光取り出し構造
１６  回折素子
１６ａ  低屈折率層
１６ｂ  高屈折率層
１７  光源
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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