JP5650752B2 - 光取り込みシートおよびロッド、ならびに、それらを用いた受光装置および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折を利用して光の取り込みを行う光取り込みシートおよびロッド、ならびに、それらを用いた受光装置および発光装置に関する。

屈折率の異なる２つの光伝搬媒質の間で光を伝搬させる場合、界面において光の透過や反射が存在するため、高効率で一方の光伝播媒質から他方の光伝搬媒質に光を移し、この状態を保持することは、一般に難しい。空気などの環境媒質から、透明なシートに光を取り込む技術として、例えば、非特許文献１に示される従来のグレーティング結合法が挙げられる。図３２（ａ）および（ｂ）はグレーティング結合法の原理を示す説明図であって、表面にピッチΛの直線グレーティングが設けられた透光層２０の断面図および平面図を示している。図３２（ａ）に示すように、グレーティングに特定の入射角θで波長λの光２３ａを入射させると透光層２０伝搬する導波光２３Ｂに結合させることができる。

オーム社 光集積回路、ｐ９４，ｐ２４３ 西原浩ほか

しかし、非特許文献１に開示された方法によれば、透光層２０には、決められた条件を満たす光のみを取り込むことができ、条件からずれた光は取り込まれない。図３２（ｃ）は、透光層２０に設けられたグレーティングに入射する光のベクトルダイアグラムを示している。図３２（ｃ）において、円２１、２２は点Ｏを中心とし、円２１の半径は透光層２０を取り巻く環境媒質１の屈折率ｎ₀に等しく、円２２の半径は導波光２３Ｂの等価屈折率ｎ_effに等しい。等価屈折率ｎ_effは透光層２０の膜厚に依存し、導波モードに応じて環境媒質１の屈折率ｎ₀から透光層２０の屈折率ｎ₁までの間の特定の値をとる。図３２（ｄ）は、透光層２０をＴＥモードで光が伝搬する場合における実効的な膜厚ｔ_effと等価屈折率ｎ_effとの関係を示す。実効的な膜厚とは、グレーティングがない場合には透光層２０の膜厚そのものであり、グレーティングがある場合には、透光層２０の膜厚にグレーティングの平均高さを加えたものである。励起される導波光には、０次、１次、２次などのモードが存在し、図３２（ｄ）に示すように、それぞれ特性カーブが異なる。図３２（ｃ）において、点Ｐは点Ｏから入射角θに沿って線を引き、円２１と交わる点であり、点Ｐ’は点Ｐのｘ軸への垂線の足、点Ｑ、Ｑ’は円２２とｘ軸との交点である。ｘ軸正方向への光の結合条件はＰ’Ｑの長さがλ／Λの整数倍に等しいこと、負方向への光の結合条件はＰ’Ｑ’の長さがλ／Λの整数倍に等しいことで表される。ただし、λは光の波長、Λはグレーティングのピッチである。すなわち、光の結合条件は式（１）で表される。

ここで、ｑは整数で表わされる回折次数である。式（１）で定まるθ以外の入射角では、光は透光層２０内に結合しない。また同じ入射角θであっても、波長が異なれば、やはり光は結合しない。

なお、図３２（ｂ）に示すように、光２３ａの入射方向から角度φだけシフトした方位角φで透光層２０に入射する光２３ａａに対する、透光層２０のグレーティングの実質的なピッチはΛ/cosφとなる。このため、異なる方位で入射する光２３ａは、式（１）で規定される条件とは異なる入射角θおよび波長でも光の結合条件を満たし得る。つまり、透光層２０に入射する光の方位の変化を許容する場合には、式（１）で示される光の結合条件は、ある程度広くなる。しかし、広い波長範囲および全ての入射角で入射光を導波光２３Ｂに結合させることはできない。

また導波光２３Ｂはグレーティングの領域を伝搬する間に、入射光２３ａに対する反射光と同じ方向に光２３ｂ’を放射する。このため、グレーティングの端部２０ａから遠い位置で入射し、導波光２３Ｂとして透光層２０を伝搬することができても、グレーティングの端部２０ａに至る時には減衰してしまう。したがって、グレーティングの端部２０ａに近い位置で入射する光２３ａのみが放射による減衰を受けることなく、導波光２３Ｂとして透光層２０内を伝搬することができる。つまり、多くの光を結合させるため、グレーティングの面積を大きくしても、グレーティングに入射する光の全てを導波光２３Ｂとして伝搬させることはできない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、広い面積から、広い波長範囲の光を、広い入射角度で取り込むことが可能な光取り込みシート、およびロッドを提供することにある。また、それらを用いた受光装置および発光装置を提供することにある。

本発明の光取り込みシートは、第１および第２の主面を有する透光シートと、前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ第１および第２の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、これらに挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光シートの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記第３の透光層は、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な回折格子を有する。

本発明の光取り込みロッドは、主面、および、円または楕円の断面を有する透光ロッドと、前記透光ロッド内であって、前記主面から第１の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造とを備え、前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と第２の透光層とこれらに挟まれた第３の透光層とを含み、前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、前記第３の透光層は、前記透光ロッドの中心軸と平行な回折格子を有する。

本発明の受光装置は上記光取り込みシートと、前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面に設けられた凹凸構造またはプリズムシートと、前記凹凸構造または前記プリズムシートから出射する光を受光する光電変換部とを備える。

本発明の発光装置は上記光取り込みロッドと、前記透光ロッドの第１の主面に隣接して配設された少なくとも１つの光源とを備える。

本発明の光取り込みシートおよび光取り込みロッドによれば、透光シートおよび透光ロッドに入射した光は内部に配置された光結合構造に入射し、光結合構造内の第３の透光層の回折格子により、第３の透光層に沿った方向に伝搬する光に変換され、光結合構造の端面から放射される。光結合構造は透光シート表面またはロッド中心軸と平行な位置関係にあり、光結合構造の表面は空気などの低屈折率の環境媒質に覆われているので、一度放射された光は透光シートの表面、透光ロッドの表面、および他の光結合構造の表面の間で全反射を繰り返し、透光シート内または透光ロッド内に閉じ込められる。回折格子に様々なピッチ、方位が含まれるので、広い領域、広い波長範囲、例えば可視光全域に渡って、全ての入射角で光を取り込むことが可能になる。

（ａ）は、本発明による光取り込みシートの第１の実施形態を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態における第４の領域の位置を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の光結合構造を示す模式的な断面図および平面図であり、（ｃ）は、光結合構造の端面に入射する光の様子を示す断面図であり、（ｄ）は、透光層３ｃを抜き取った光結合構造に入射する光の様子を示す断面図であり、（ｅ）は、光結合構造の他の構成例を示す断面図である。 第１の実施形態の光取り込みシートの解析に用いた構造を示す断面図である。 図３に示す構造を用いて行った解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、光の入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示す。 （ａ）から（ｅ）は、図４（ａ）から（ｃ）の矢印で示す位置の条件におけるシート断面の光強度分布図を示す。 図３に示す構造において、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シートの屈折率に一致させ、第３の透光層３ｃの屈折率を２．０にした場合における解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示す。 （ａ）から（ｅ）は、第１の実施形態の光取り込みシートの製造手順を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の光取り込みシートの製造に用いる金型の表面パターンを示す模式的な平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による光取り込みシートの第２の実施形態で用いる光結合構造を示す模式的な断面図および平面図である。 第２の実施形態の光取り込みシートの解析に用いた構造を示す断面図である。 図１０に示す構造を用いて行った解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示す。 図３および図１０に示す構造を用い、光源の位置をｘ軸の負の方向に５μｍずらして行った解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、単一の光結合構造の端面への光の入射角と、シート外への透過率との関係を示す。 （ａ）から（ｅ）は、第２の実施形態の光取り込みシートの製造手順を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による光取り込みシートの第３の実施形態で用いる光結合構造を示す模式的な断面図および平面図である。 第３の実施形態の光取り込みシートの解析に用いた構造を示す断面図である。 図１５に示す構造を用いて行った解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、入射角とシート外への透過率との関係を示し、（ｄ）は、回折格子の溝深さとシート外への光取り出し効率との関係を示す。 図３および図１５に示す構造を用い、光源の位置をｘ軸の負の方向に５μｍずらして行った解析結果であって、（ａ）から（ｃ）は、単一の光結合構造の端面への光の入射角と、シート外への透過率との関係を示す。 （ａ）から（ｆ）は、第３の実施形態の光取り込みシートの製造手順を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第３の実施形態の光取り込みシートの製造に用いる金型の表面パターンを示す模式的な平面図である。 本発明による受光装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による受光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による採光板の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明による発光装置の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による光取り込みロッドの実施形態を示す中心軸に平行および垂直な模式的断面図である。 図２７に示す光取り込みロッドの製造手順を示す模式的な図である。 本発明による発光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 図２９に示す発光装置の光取り込みロッドの断面における光の入射の様子を示す断面図である。 本発明による発光装置の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、グレーティング結合法により、光を取り込むための直線グレーティングの断面図および平面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、グレーティング結合法の原理を示す図である。

（第１の実施形態）
本発明による光取り込みシートの第１の実施形態を説明する。図１（ａ）は、光取り込みシート５１の模式的な断面図である。光取り込みシート５１は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑを有する透光シート２と透光シート２内に配設された少なくとも１つの光結合構造３を備える。

透光シート２は、用途に応じた所望の波長、あるいは、所望の波長域内の光を透過する透明な材料によって構成されている。例えば、可視光（波長０．４μｍ以上０．７μｍ以下）を透過する材料によって構成されている。透光シート２の厚さは例えば０．０３ｍｍ〜１ｍｍ程度である。第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑの大きさに特に制限はなく、用途に応じた面積を有している。

図１（ａ）に示すように、透光シート２内において、光結合構造３は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑからそれぞれ第１の距離ｄ１および第２の距離ｄ２以上隔てた内部に配置されている。このため、透光シート２において、第１の主面２ｐと接し、第１の距離ｄ１を厚さに有する第１の領域２ａおよび第２の主面２ｑと接し、第２の距離ｄ２を厚さに有する第２の領域２ｂには光結合構造３は配設されておらず、第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂに挟まれた第３の領域２ｃに光結合構造３は配設されている。

光結合構造３は、透光シート２の第３の領域２ｃにおいて、３次元に配列されている。好ましくは、光結合構造３は、第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに平行な面において、２次元に配列され、かつ、２次元に配列された複数の光結合構造３が透光シート２の厚さ方向に複数積層されている。

光結合構造３はｘ、ｙ軸方向（面内方向）およびｚ軸方向（厚さ方向）に所定の密度で配置されている。例えば、その密度は例えばｘ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個、ｙ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個、ｚ軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個程度である。透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑ全体に照射される光を効率よく取り込むためには、透光シート２のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向における光結合構造３の配置密度はそれぞれ独立して均一であることが好ましい。ただし、用途や、透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに照射する光の分布によっては、透光シート２中の光結合構造３の配置は均一でなくてもよく、所定の分布を有していてもよい。

図２（ａ）および（ｂ）は、光結合構造３の厚さ方向に沿った断面図およびそれに直交する平面図である。光結合構造３は、第１の透光層３ａと第２の透光層３ｂとこれらに挟まれた第３の透光層３ｃとを含む。第３の透光層３ｃは、基準平面に配設されたピッチΛの直線格子を有する回折格子３ｄを含む。回折格子３ｄの直線格子は、第３の透光層３ｃと第１の透光層３ａまたは第２の透光層３ｂとの界面に設けられた凹凸によって構成されていてもよいし、図２（ｅ）に示すように、第３の透光層３ｃ内部に設けられていてもよい。また、凹凸による格子ではなく、屈折率差による格子であってもよい。光結合構造３は、第３の透光層３ｃの回折格子３ｄが光取り込みシート５１の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行になるように、透光シート２内に配置されている。ここで、回折格子が第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行であるとは、格子が配設されている基準平面が第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑと平行であることを意味する。

第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃの厚さはそれぞれａ、ｂ、ｔであり、第３の透光層３ｃの直線回折格子の段差（深さ）はｄである。第３の透光層３ｃの表面は透光シート２の第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑと平行であり、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの、第３の透光層３ｃと反対側に位置する表面３ｐ、３ｑも透光シート２の第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑと平行である。

以下において説明するように、光取り込みシートに入射する異なる波長の光を取り込むことができるように、光取り込みシート５１は複数の光結合構造３を備え、複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、回折格子３ｄの伸びる方向が互いに異なっていることが好ましい。あるいは、複数の光結合構造３のうち少なくとも２つにおいて、回折格子３ｄのピッチΛが互いに異なっていることが好ましい。あるいは、これらの組み合わせであっても良い。

第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率は透光シート２の屈折率よりも小さく、第３の透光層３ｃの屈折率は第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも大きい。以下では、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂは空気であり、屈折率が１であるとする。また、第３の透光層３ｃは透光シート２と同じ媒質から構成されており、屈折率は互いに等しいとする。

光結合構造３の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの表面３ｐ、３ｑは、例えば、長さＷおよびＬを２辺とする矩形であり、ＷおよびＬは３μｍ以上１００μｍ以下である。つまり、光結合構造３の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの表面は３μｍ以上、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有している。また、光結合構造３の厚さ（ａ＋ｔ＋ｄ＋ｂ）は３μｍ以下である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態では光結合構造３の表面（平面）は矩形を有しているが、他の形状、例えば、多角形や円や楕円形状を有していてもよい。

光取り込みシート５１は、環境媒質に囲まれて使用される。例えば、光取り込みシート５１は空気中で使用される。この場合環境媒質の屈折率は１である。以下、透光シート２の屈折率をｎ_sとする。環境媒質からの光４は透光シート２の第１の主面２ｐや第２の主面２ｑから透光シート２の内部に入射する。第１の主面２ｐや第２の主面２ｑには入射した光４の透過率を高めるため、ＡＲコートや無反射ナノ構造が形成されていてもよい。無反射ナノ構造には、モスアイ構造等、ピッチおよび高さが設計波長の１／３以下の微細な凹凸構造が含まれる。設計波長は、光取り込みシート５１が所定の機能を発揮するように各要素を設計する際に用いる光の波長である。なお、無反射ナノ構造では、フレネル反射は低減するが、全反射は存在する。

以下、光取り込みシート５１の内部に存在する光のうち、その伝搬方位と透光シート２の法線（第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑに垂直な線）とのなす角θ（以下、伝搬角と呼ぶ）がsinθ＜１／ｎ_sを満たす光を臨界角内の光、sinθ≧１／ｎ_sを満たす光を臨界角外の光と呼ぶ。図１（ａ）において光取り込みシート５１の内部に臨界角内の光５ａがある場合、その一部は光結合構造３により、臨界角外の光５ｂに変換され、この光は第１の主面２ｐを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光５ｃとなる。また、臨界角内の光５ａの残りの臨界角内の光５ａ’のうちの一部は別の光結合構造３により臨界角外の光５ｂ’に変換され、この光は第２の主面２ｑを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光５ｃ’となる。このようにして臨界角内の光５ａの全てが、光結合構造３が配置された第３の領域２ｃ内で臨界角外の光５ｂや５ｂ’に変換される。

一方、光取り込みシート５１内部に臨界角外の光６ａがある場合、その一部は光結合構造３の表面を全反射して臨界角外の光６ｂとなり、この光は第１の主面２ｐを全反射して、シート内部にとどまる臨界角外の光６ｃとなる。また、光６ａの残りの光の一部は光結合構造３が設けられた第３の領域２ｃを透過する臨界角外の光６ｂ’となり、この光は第２の主面２ｑにおいて全反射し、光取り込みシート５１内部にとどまる臨界角外の光６ｃ’となる。また図に示していないが、異なる光結合構造３の間と第１の主面２ｐ、第２の主面２ｑの間を全反射しながらシート内部にとどまる臨界角外の光、つまり、第１の領域２ａ、第２の領域２ｂ、あるいは第３の領域２ｃに止まって伝搬する光も存在する。この場合、第１の領域２ａ、および第２の領域２ｂを伝搬する光の分布に偏りが生じる可能性がある。光取り込みシート５１における光の分布の偏りが問題となる場合には、図１（ａ）に示すように、透光シート２内の第３の領域２ｃにおいて、光結合構造３が配設されていない第４の領域２ｈを１つ以上設けることが好ましい。つまり、光結合構造３は、第４の領域２ｈを除く第３の領域２ｃ内にのみ配置されている。透光シート２において、第４の領域２ｈは第１の領域２ａと第２の領域２ｂとを接続している。第４の領域２ｈは、第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆の方向に沿って伸びており、第４の領域２ｈを貫通する任意の直線の方位は透光シートの屈折率と透光シートの周囲の環境媒質の屈折率とで規定される臨界角よりも大きな角度に沿っている。すなわち、環境媒質の屈折率が１であり、透光シート２の屈折率をｎ_eとすれば、第４の領域２ｈを貫く任意の直線の延びる方向２ｈｘが透光シート２の法線となす角度θ’は、sinθ’≧１／ｎ_sを満たしている。ここで、直線が第４の領域２ｈを貫通するとは、第４の領域２ｈの第１の領域２ａと接する面と、第４の領域２ｈの第２の領域２ｂとを直線が貫くことを言う。

図１（ｂ）は、光取り込みシート５１の平面図であって、第４の領域２ｈの配置を示している。図１（ｂ）に示すように、第４の領域２ｈは、好ましくは、透光シート２内に複数設けられている。第４の領域２ｈは、臨界角よりも大きな角度で第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆の方向に伸びているため、透光シート２の第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂを伝搬する光のうち、臨界角外の光のみが、第４の領域２ｈを透過し、第１の領域２ａから第２の領域２ｂへまたは逆に透過し得る。このため、光取り込みシート５１内での光分布の偏りを防ぐことができる。

図２（ａ）に示すように、臨界角内の光５ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを透過し、その一部は回折格子３ｄの作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光５Ｂに変換される。残りは、透過光や回折光として、主に臨界角内の光５ａ’となって光結合構造３を透過するか、または、反射光として、臨界角内の光５ｒとなり、光結合構造３を通過する。第２の透光層３ｂへの入射の際、表面３ｑを反射する臨界角外の光６ｂもあるが、表面３ｑ、３ｐに無反射ナノ構造を形成しておけば、ほとんどの光を透過させることができる。

導波光５Ｂへの結合は、従来のグレーティング結合法の原理と同じである。導波光５Ｂは第３の透光層３ｃの端面３Ｓに至るまでにその一部が臨界角内の光５ｒと同じ方向に放射されて臨界角内の光５ｒ’となり、残りは導波して第３の透光層３ｃの端面３Ｓから放射され、臨界角外の光５ｃとなる。一方、臨界角外の光６ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑにおいて全反射し、その全てが臨界角外の光６ｂとなる。このように、光結合構造３の表面（第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑ）に入射する臨界角外の光は臨界角外の光としてそのまま反射され、臨界角内の光はその一部が臨界角外の光に変換される。

なお、第３の透光層３ｃの回折格子３ｄの長さが長すぎると、導波光５Ｂはその端面３Ｓに到達する前に全て放射される。また短すぎると導波光５Ｂへの結合効率が十分でない。導波光５Ｂの放射しやすさは放射損失係数αで表され、伝搬距離Ｌで導波光５Ｂの強度はexp（−2αL）倍になる。仮にαの値を１０（１／ｍｍ）とすると、１０μｍの伝搬で０．８倍の光強度となる。放射損失係数αは回折格子３ｄの深さｄに関係し、ｄ≦ｄ_cの範囲では単調増加し、ｄ＞ｄ_cの範囲では飽和する。光の波長をλ、導波光５Ｂの等価屈折率ｎ_eff、透光層３ｃの屈折率をｎ₁、回折格子３ｄのデューティ（凸部の幅のピッチに対する比）を０．５とするとｄ_cは以下の式（２）で与えられる。

例えば、λ=０．５５μｍ、ｎ_eff=１．２５、ｎ₁=１．５とすると、ｄ_c=０．１０７μｍとなる。単調増加領域では放射損失係数αはｄの２乗に比例する。したがって、回折格子３ｄの長さ、すなわち第３の透光層３ｃの長さ（寸法ＷとＬ）は、放射損失係数αにより決まり、回折格子３ｄの深さｄに依存する。仮に、深さｄを調整してαの値を２〜１００（１／ｍｍ）の範囲に設定し、減衰比を０．５とすると、ＷおよびＬは３μｍから１７０μｍ程度となる。このため、上述したようにＷおよびＬが３μｍ以上１００μｍ以下であれば、深さｄの調整で放射損失を抑制し、高い結合効率を得ることができる。

導波光５Ｂの等価屈折率ｎ_effを１．２５とした場合において、式（１）よりピッチΛ、入射角θに対して、どの可視光の波長（λ＝０．４〜０．７μｍ）の光が結合するかを（表１）に示す。点線の区間が結合の範囲である。例えば、ピッチ０．４μｍの場合、θ＝−１４度で波長０．４μｍの光、θ＝３０度で波長０．７μｍの光が結合し、θ＝−１４度からθ＝３０度までが可視光の結合範囲となる。

入射角θの極性は光の結合方向に関係する。したがって、光の結合方向を無視して結合の有無のみに注目すると、入射角の範囲が０から９０度、または、−９０から０度のいずれかをカバーできれば、全ての入射角度に対する結合がなされたことになる。したがって、表１から、全ての可視光波長、全ての入射角度に対し、光が結合するためには、０．１８μｍから０．５６μｍ（０度から９０度）、または、０．３０μｍから２．８０μｍ（−９０度から０度）までのピッチΛの回折格子３ｄを有する光結合構造３を組み合わせて用いることが好ましいことが分かる。等価屈折率の変化や導波層や回折格子を形成する際に生じ得る製造誤差を考慮すると、回折格子３ｄのピッチは概ね０．１μｍ以上３μｍ以下であればよい。

また、図２（ｂ）に示すように、例えば、回折格子３ｄが伸びる方向と垂直な方向に入射する臨界角内の光５ａに対する回折格子３ｄのピッチはΛであるが、方位角φで入射する光５ａａに対する回折格子３ｄの実効的なピッチはΛ／cosφとなる。例えば、光５ａａの入射方位角φが０〜８７度である場合、実効的なピッチはΛ〜１９Λとなる。このため、Λ＝０．１８μｍに設定すると、同一の回折格子３ｄでも入射する光の方位によって０．１８から２．８０μｍまでの実効的なピッチΛが実現でき、Λ＝０．３０μｍに設定すると、０．３０から２．８０μｍまでのピッチΛが実現できる。したがって、異なるピッチの回折格子３ｄを有する光結合構造３を組み合わせる以外に、単一のピッチの光結合構造３を、回折格子の伸びる方向（回折格子の方位）が０度から１８０度まで変わるように回転させて透光シート２内に配置することによっても、全ての可視光波長の光を全ての入射角度で取り込むことできることが分かる。さらに、複数の光結合構造３において、回折格子３ｄのピッチおよび回折格子３ｄの伸びる方向の両方を異ならせてもよい。

次に、光結合構造３の表面３ｐ、３ｑと垂直な端面３ｒ、３ｓ（透光層３ｂの法線方向に沿った面）における光を検討する。図２（ｃ）に示すように、光結合構造３の端面３ｒに入射する光は、端面３ｒで反射する場合、端面３ｒを回折する場合、端面３ｒを透過して屈折する場合、端面３ｒを経て第３の透光層３ｃを導波する場合が考えられる。例えば、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの端面に入射しこれを透過する臨界角外の光６ａは屈折して、臨界角内の光６ａ’となる。また、第３の透光層３ｃの端面に入射しこれを透過する光６Ａの一部は、第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光６Ｂに変換される。

参考として、図２（ｄ）は光結合構造３から第３の透光層３ｃを抜き取り、抜き取った後の空間を第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂと同じ空気で埋めた場合の光路を示している。臨界角内の光５ａが光結合構造３の表面３ｑに入射する場合、その入射位置が端面３ｓに近ければ、屈折の結果、端面３ｓで臨界角外の光５ａ’として出射する。また、臨界角内の光５ａが光結合構造３の端面３ｒに入射する場合、端面３ｒで全反射する。臨界角外の光６ａが光結合構造３の端面３ｒに入射する場合、その入射位置に寄らず、屈折の結果、表面３ｐから臨界角内の光６ａ’として出射する。また、臨界角外の光６ａが光結合構造３の表面３ｑに入射する場合、表面３ｑで全反射する。

このように、光結合構造３の端面３ｒ、３ｓに入射する光の場合は振る舞いが複雑で、臨界角外の光が端面に入射しても臨界角外の光として出射するとは限らない。しかし、表面の大きさ（Ｗ、Ｌ）を端面の大きさ（ａ＋ｔ＋ｄ＋ｂ）よりも十分（例えば４倍以上に）大きくしておけば、端面での影響は十分小さくなり、表面３ｐ、３ｑにおける光の透過あるいは反射が光結合構造３全体における光の透過や反射の振る舞いとみなることができる。具体的には、第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑの大きさが、光結合構造３の厚さの４倍以上であれば、十分に光結合構造３の端面３ｒ、３ｓにおける光の影響を無視することができる。したがって、光結合構造３は臨界角外の光を臨界角外の光として保持する一方、臨界角内の光を非可逆的に臨界角外の光に変換する機能を発揮し、光結合構造３の密度を十分に設定しておけば、光取り込みシート５１に入射した全ての光を臨界角外の光（すなわちシート内に閉じ込められた光）に変換できる。

図３は光取り込みシート５１における光閉じ込めの効果を確認するための解析に用いた光取り込みシートの断面構造を示している。解析には、光結合構造を１つ含む光取り込みシートを用いた。図３に示すように、透光シート２の第２の主面２ｑから１．７μｍの位置に平行に幅５μｍの光源Ｓ（破線で表示）を設定し、その上方に０．５μｍの距離をおいて幅６μｍの第２の透光層３ｂを平行に配置し、この上に同じ幅の第３の透光層３ｃおよび第１の透光層３ａを配置した。透光シート２の第１の主面２ｐは第１の透光層３ａの表面から２．５μｍの位置にある。光源Ｓから、第２の主面２ｑの法線に対しθの角をなす方位に、紙面に対し４５度の角度をなす偏光の平面波が出射し、入射光の中心が第２の透光層３ｂの表面の中心を透過するように、角θに応じて第１の透光層３ａ、第２の透光層３ｂおよび第３の透光層３ｃの位置を横にシフトさせた。また、第１の透光層３ａの厚さａを０．３μｍ、第２の透光層３ｂの厚さｃを０．３μｍ、第３の透光層３ｃの厚さｔを０．４μｍ、回折格子の深さｄを０．１８μｍ、回折格子のピッチΛを０．３６μｍとした。透光シート２および第３の透光層３ｃの屈折率を１．５とし、環境媒質、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を１．０とした。

図４（ａ）から（ｃ）は図３に示す構造の光取り込みシートにおいて、光源Ｓから光結合構造３へ入射した光の入射角θと、光取り込みシート外へ出射した光の透過率との関係を示す解析結果である。解析に用いた構造は上述したとおりである。解析には２次元の時間領域差分法（FDTD）を用いた。したがって、図３に示す断面が紙面垂直方向に無限に続いている構造による解析結果である。透過率は安定時での計測であり、光源を取り巻く閉曲面を通過するPoynting Vectorの積分値に対する、解析領域最下面（ｚ＝０μｍ）、および最上面（ｚ≒８μｍ）を通過するPoynting Vectorの積分値の比で定義した。一部に１００％を超える計算結果があるが、これは光源のPoynting Vectorの計測に若干の誤差があるためである。図４（ａ）は光源の波長λが０．４５μｍの場合、図４（ｂ）は波長λが０．５５μｍの場合、図４（ｃ）は波長λが０．６５μｍの場合の計算結果を示している。それぞれ回折格子の深さｄをパラメータにするとともに、光結合構造３がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。

光結合構造３はあるが回折格子の深さｄ＝０の場合の結果を、光結合構造がない場合の結果（Nothing）と比較すると、前者は後者より臨界角（４１．８度）以内の範囲で透過率が小さくなり、それ以上の角度ではどちらもほぼゼロになる。臨界角以内で前者における透過率が小さくなるのは、図２（ｄ）を参照して説明したように、第２の透光層３ｂの表面３ｑに入射する光が屈折し、その一部が臨界角外の光として端面３ｓから出射するためである。ただし、前者の場合、同じく図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明したように、光結合構造３の端面３ｒから入射する臨界角外の光はこの面を屈折した後、第１の透光層３ａの表面３ｐを屈折して、透光シート２内で臨界角内の光になる。したがって、ｄ＝０の場合の構造には、臨界角外の光への変換がある一方、臨界角内の光への変換もあり、全体として光を閉じ込める効果は小さいといえる。

一方、グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれにほぼ近接しているが、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置で透過率が落ち込んでいる。図４（ｄ）は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、回折格子の深さｄをパラメータにして示している。解析モデルが２次元であるため、この積分値は光閉じ込めシート内の光がシート外に取り出される効率に等しい。いずれの波長でも、ｄの増大に伴い（少なくともｄ＝０、ｄ＝０．１８の比較では）、取り出し効率は低減する。これは、単一の光結合構造による光閉じ込めの効果を現している。この効果は累積でき、光結合構造の数を増やせば、最終的に全ての光を閉じ込めることができる。なお、本解析は２次元のモデルであったが、実際のモデル（３次元モデル）では図２（ａ）の平面図に示した任意の方位角φに対して結合条件である式（１）を満たす入射光が必ず存在するので、図４で示した透過率の曲線は矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ等の局所的な範囲でなく全ての入射角θの範囲に関して落ち込むことになり、光結合構造による光閉じ込めの効果はより大きくなる。

図５は、図４の矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに示す条件における光取り込みシート内での光強度分布図を示している。具体的には、図５（ａ）は波長λ＝０．４５μｍ、θ＝５度における結果、図５（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍ、θ＝０度における結果、図５（ｃ）は波長λ＝０．５５μｍ、θ＝１０度における結果、図５（ｄ）は波長λ＝０．６５μｍ、θ＝１０度における結果、図５（ｅ）は波長λ＝０．６５μｍ、θ＝２０度における結果を示している。

図５（ａ）、（ｂ）に示す条件および入射角の場合、第３の透光層３ｃの屈折率がそれを取り巻く第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも高いため、第３の透光層３ｃは導波層として機能し、入射光が回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光に結合し、この光が第３の透光層３ｃの端面３ｒ、３ｓから透光シート２内に放射されている。この放射光は臨界角外の光であり、透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑで全反射し、透光シート２内に閉じ込められている。図５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す条件および入射角の場合も、入射光が回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光に結合し、この光が第３の透光層３ｃの端面３ｒからシート内に放射されている。この放射光は臨界角外の光であり、透光シート２の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑで全反射し、透光シート２内に閉じ込められている。なお、図５（ａ）、（ｃ）、（ｅ）では、放射光が二股に分かれており、結合した光は導波層断面の上下で位相が反転する１次モードの導波光である。一方、図５（ｂ）、（ｄ）では放射光がひとまとまりの状態にあり、結合した光は０次モードの導波光である。

図６は、図３に示す構造において第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シート２の屈折率と一致させ、第３の透光層３ｃの屈折率を２．０に変更した場合における解析結果を示している。他の条件は図４に示す解析結果が得られた場合の条件と同じである。図６（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図６（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図６（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合の結果を示している。グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれに比べ、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置で落ち込んでいる。これは、図４を参照して説明したのと同じ理由による。しかし臨界角以上の領域において、後者がゼロ近傍になるのに比べ、前者は大きく浮き上がってしまう。これは臨界角以上の入射角の光が光結合構造３の回折格子により回折し、その一部がシート内で臨界角内の光に変換されるためである。図６（ｄ）は、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、溝深さｄをパラメータにして示している。いくつかの条件で、ｄの増大に伴い取り出し効率はかえって増大しており、光閉じ込めの効果が得られない。これは臨界角以上の領域での特性が矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの位置における効果を打ち消していることを示す。

図４および図６に示す解析結果を比較してみると、図４では臨界角以上で、透過率をゼロにできている。グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較しても、臨界角以上での領域で差はなく、どちらもほぼゼロである。これは、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率を透光シート２の屈折率よりも小さくしたため、第２の透光層３ｂと透光シート２との界面である表面３ｑで全反射が発生し、入射角の大きい光が光結合構造３内の回折格子に入射できず、回折格子による回折光が発生しないためである。このように、光結合構造３として、第３の透光層３ｃが導光層となるためにはその屈折率が第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率よりも大きく、臨界角外の光が第３の透光層３ｃに入射しないためには、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率が透光シート２の屈折率より小さいことが好ましいことが分かる。また、透光シート２と光結合構造との間の全反射に対する臨界角を小さくするためには、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率と透光シートの屈折率の差が大きいことが好ましく、例えば、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの屈折率が１であることが好ましいことが分かる。

このように本実施形態の光取り込みシートによれば、透光シートの第１の主面および第２の主面に種々の角度で入射する光は、臨界角内の光となって透光シートの内部に配置された光結合構造に入射し、光結合構造内の回折格子によって、その一部が、第３の透光層内を伝搬する導波光に変換され、光結合構造の端面から放射されて、臨界角外の光となる。光結合構造によってその回折格子のピッチが異なっていたり、回折格子の方位が異なっているため、この変換は全ての方位、広い波長範囲、例えば可視光全域に渡って行われる。また回折格子の長さが短いため、導波光の放射損失を少なくできる。したがって、透光シート内に存在する臨界角内の光は、複数の光結合構造によって全て臨界角外の光に変換される。光結合構造の第１および第２の透過層の屈折率は透光シートの屈折率より小さいため、臨界角外の光は光結合構造の表面を全反射し、この光は他の光結合構造の表面や透光シートの表面の間で全反射を繰り返し、透光シート内に閉じ込められる。このように、光結合構造は臨界角内の光を非可逆的に臨界角外の光に変換する一方、臨界角外の光を臨界角外の状態のまま保持する。したがって、光結合構造の密度を十分に設定しておけば、光取り込みシートに入射した全ての光を臨界角外の光、すなわちシート内に閉じ込められた光に変換できる。

光取り込みシート５１は例えば、以下の方法によって製造することができる。図７（ａ）から（ｅ）は、光取り込みシート５１の製造手順を示す模式的な断面構成図であり、図８（ａ），（ｂ）はシートを作成するための金型表面のパターンを示す模式的な平面図である。

図８（ａ），（ｂ）において、金型２５ａ、２５ｂの表面には、例えば、同じ寸法の矩形の微小構造２５Ａ、２５Ｂが二次元に配列されている。金型２５ａにおける微小構造２５Ａの配置と金型２５ｂにおける微小構造２５Ｂの配置は等しい。微小構造２５Ａ、２５Ｂは本実施形態では、突起である。微小構造２５Ａの高さは、図２（ａ）の寸法ｂであり、微小構造２５Ｂの高さは寸法ａに相当する。微小構造２５Ｂの表面は平面だが、微小構造２５Ａの表面の上には高さｄ、ピッチΛの直線回折格子が形成されており、回折格子の方位（凹部または凸部の伸びる方向）は微小構造２５Ａごとに異なっている。図８では、０度、４５度、９０度、１３５度の４５度刻みの方位のグレーティングを規則的に配列させているが、実際には３０度や１５度刻み等、もっと小さい刻み幅の方位でグレーティングを等頻度に配列させることが好ましい。

図７（ａ）に示すように、金型２５ｂの表面に離間剤を薄く塗布した状態で透明な樹脂シート２４を敷き、このシート上に金型２５ａを配置し、互いの微小構造２５Ｂと微小構造２５Ａの位置を揃えた状態で金型２５ｂと金型２５ｂとに挟まれた樹脂シート２４をプレスする。

図７（ｂ）に示すように、金型２５ａを持ち上げて、樹脂シート２４を金型２５ｂから引き剥がし、図７（ｃ)に示すように、表面に接着剤が薄く塗布された樹脂シート２４ａに押し当て、樹脂シート２４と樹脂シート２４ａを接着する。図７（ｄ）に示すように、接着剤を樹脂シート２４ａの底面に薄く塗布し、これを同様の方法により形成した樹脂シート２４’、２４’ａの上にアライメントを無視して押し当て、これらを接着する。

図７（ｅ）に示すように、樹脂シート２４’ａを固定した状態で、金型２５ａを持ち上げ、樹脂シート２４、２４ａ、２４’、２４’ａの全体を金型２５ａから引き剥がす。

以降、樹脂シート２４、２４ａ、２４’、２４’ａを図７（ｄ）の樹脂シート２４’、２４’ａに置き換え、これらの手順を繰り返すことで、図１（ａ）に示す透光シート２の第３の領域２ｃが作製される。透光シート２の第３の領域２ｃの表面および裏面に、透光シート２の第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂとなる樹脂シートを接着することにより図１（ａ）に示す光取り込みシート５１が完成する。本実施形態では、樹脂シートの接着に接着剤を用いているが、接着剤を用いず、樹脂シートの表面を加熱することによって、樹脂シート同士を融着させてもよい。また、樹脂シート２４ａや第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂとなる樹脂シートの表面には予め無反射ナノ構造が形成されていても良い。

（第２の実施形態）
本発明による光取り込みシートの第２の実施形態を説明する。本実施形態の光取り込みシート５２は、光結合構造の端面における構造が第１の実施形態の光結合構造と異なっている。このため、以下、本実施形態における光結合構造を中心に説明する。

図９（ａ）および（ｂ）は、光取り込みシート５２の厚さ方向に沿った光結合構造３’の断面構造および平面構造を模式的に示している。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、光結合構造３’において、端面３ｒ、３ｓには深さｅの凹部３ｔが設けられている。凹部３ｔの断面は、内部に向かうにつれて幅が狭くなっている。このため、光結合構造３’において、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの厚さが、光結合構造３’の中心から外縁側に向かうにつれて小さくなっている。表面３ｐ、３ｑは第１の実施形態と同様、平坦である。

図１０は光結合構造３’を備えた光取り込みシート５２における光閉じ込めの効果を確認するための解析に用いた光取り込みシートの断面構造を示している。光結合構造や光源は、第１の実施形態の解析に用いた構造（図３）における対応する要素と全く同じ位置に設置されている。

図１１（ａ）から（ｃ）は図１０に示す構造の光取り込みシートにおいて、光源Ｓから光結合構造３’へ入射した光の入射角θと、光取り込みシート外へ出射した光の透過率との関係を示す解析結果である。解析には、第１の実施形態と同じ手法を用いた。図１１（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図１１（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図１１（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合の結果を示している。それぞれにおいて、回折格子の深さｄをパラメータにするとともに、光結合構造がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。

光結合構造３’はあるが回折格子の深さｄ＝０の場合の結果を、光結合構造がない場合の結果（Nothing）と比較すると、前者は後者より臨界角（４１．８度）以内の範囲で小さくなり、それ以上の角度では両者ともゼロになる。臨界角以内で前者が小さくなるのは、図２（ｄ）を参照して説明したように、第２の透光層３ｂの表面３ｑに入射する光が屈折し、その一部が臨界角外の光として右側面（第３の透光層３ｃの右側面）から出射するためである。

一方、グレーティングの深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれにほぼ近接しているが、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置では透過率が落ち込んでいる。これらの位置は光が導波光に結合する条件に相当する。図１１（ｄ）は、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、溝深さｄをパラメータにして示している。この積分値は、解析モデルが２次元なので、シート内の光がシート外に取り出される効率に等しい。いずれの波長でも、ｄの増大に伴い（少なくともｄ＝０、ｄ＝０．１８の比較では）、取り出し効率は低減する。これは、単一の光結合構造による光閉じ込めの効果を表しており、第１の実施形態における解析結果と同様である。この効果は累積でき、光結合構造の数を増やせば、全ての光を閉じ込めることができる。なお、本解析は２次元のモデルであったが、現実の３次元モデルでは図２（ａ）の平面図に示した任意の方位角φに対して結合条件である式（１）を満たす入射光が必ず存在するので、図１１で示した透過率の曲線は矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ等の局所的な範囲でなく全ての入射角θの範囲に関して落ち込むことになり、光結合構造による光閉じ込めの効果はより大きくなる。また、第１の実施形態の解析結果に比べ矢印ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置での落ち込みが小さくなっているのは、グレーティングの長さ（結合長）を本実施例の解析モデルでは小さくしているためである。

図１２は第２の実施形態における、単一の光結合構造の端面への光の入射による、入射角θと光取り込みシート外への透過率との関係を示す解析結果である。解析条件には図１０や図３において光源Ｓの位置だけをｘ軸のマイナス側に５μｍだけシフトさせたものを用いている。図１２（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図１２（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図１２（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合であり、それぞれ本実施例のモデルを第１の実施形態のモデルと比較するとともに、光結合構造がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。

第２の実施形態のモデルの結果を光結合構造がない場合の結果（Nothing）と比較すると、両方とも臨界角内（４１．８度以下）ではほぼ一致するが、臨界角外（４１．８度以上）の範囲では、後者がほぼゼロになるのに対し、前者はゼロから大きく浮き上がる。前者が臨界角外で浮き上がるのは、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明したように、光結合構造の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの端面に入射する光が屈折の後、臨界角内の光となって第１の主面２ｐから出射するためである。これに対し、第２の実施形態のモデルの解析結果は、臨界角外の範囲における浮き上がりが部分的に抑制されている。これは、第２の実施形態における端面において、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂが占める領域がなく、端面での屈折がある程度抑えられるためである。したがって、第２の実施形態は第１の実施形態以上に端面での影響（臨界角外の光が臨界角内の光に変換される現象）を無視できる構成であり、光を閉じ込める効果がより強い構成といえる。なお、図１２では光源の長さを５μｍに設定した。この長さを長くすると、光結合構造の端面からそれて、第１の主面２ｐに直接入射して全反射するか、光結合構造の表面３ｑを全反射するかの成分の比率が増すので、臨界角外での浮き上がりは緩和する。仮に光源の長さを４倍の２０μｍにし、光結合構造を２１μｍ程度に設定すれば、他の特性は維持しつつ、端面入射の特性の臨界角外での浮き上がりだけが１／４程度に低下する。

図１３は本実施形態の光取り込みシート５２の作製手順の一例を示す模式的な断面である。金型２５ａ，２５ｂの微小構造２５Ａ、２５Ｂの外縁部に傾斜２５Ａ’、２５Ｂ’を設け、第１の実施形態と同様の手順を用いれば、光取り込みシート５２を製造することができる。金型２５ａ、２５ｂの形状が異なる点を除けば、第１の実施形態の光取り込みシート５１と同様にして本実施形態の光取り込みシート５２を製造することができるため、具体的な製造手順の説明を省略する。

（第３の実施形態）
本発明による光取り込みシートの第３の実施形態を説明する。本実施形態の光取り込みシート５３は、光結合構造の端面における構造が第２の実施形態の光結合構造と異なっている。このため、以下、本実施形態における光結合構造を中心に説明する。

図１４（ａ）および（ｂ）は、光取り込みシート５３の厚さ方向に沿った光結合構造３’’の断面構造および平面構造を模式的に示している。図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、光結合構造３’’の表面３ｐ、３ｑにおいて、端面３ｒ、３ｓに隣接する幅ｅの領域にテーパ３ｕ、３ｖが設けられている。このため、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂは、第３の透光層３ｃとの界面の平坦性を維持したまま、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの厚さが、光結合構造３’’の中心から外縁側に向かうにつれて小さくなっている。

図１５は光結合構造３’’を備えた光取り込みシート５３における光閉じ込めの効果を確認するための解析に用いた光取り込みシートの断面構造を示している。光結合構造や光源は、第１の実施形態の解析に用いた構造（図３）と全く同じ位置に設置されている。

図１６（ａ）から（ｃ）は図１５に示す構造の光取り込みシートにおいて、光源Ｓから光結合構造３’側へ入射した光の入射角θと、光取り込みシート外へ出射した光の透過率との関係を示す解析結果である。解析には、第１の実施形態と同じ手法を用いた。図１６（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図１６（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図１６（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合であり、それぞれ回折格子の深さｄをパラメータにするとともに、光結合構造がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。

光結合構造はあるがグレーティングの深さｄ＝０の場合の結果を、光結合構造がない場合の結果（Nothing）と比較すると、前者は後者より臨界角（４１．８度）以内の範囲で小さくなり、それ以上の角度では後者がゼロになるのに対し、前者は５５度までの範囲で浮き上がりが残る。臨界角以内で前者が小さくなるのは、図２（ｄ）を参照して説明したように、第２の透光層３ｂの表面３ｑに入射する光が屈折し、その一部が臨界角外の光として右側面（第３の透光層３ｃの右側面）から出射するためである。臨界角以上で前者が浮き上がる理由は２つ考えられる。１つ目は、第２の透光層３ｂの表面３ｑが外縁部に向かって傾斜していることで、臨界角を超えた光の一部が第２の透光層３ｂの表面３ｑに臨界角以内で入射でき、この光が光結合構造内部のグレーティングを回折して臨界角内の光になるためである。２つ目は、第２の透光層３ｂの膜厚が外縁部で薄くなりすぎて、臨界角を超えた光の一部がエバネッセント光の状態で光結合構造内部まで透過し、この光がグレーティングを回折して臨界角内の光になるためである。

一方、回折格子の深さｄ＝０．１８μｍの場合の結果をｄ＝０の場合の結果と比較すると、前者の透過率は後者のそれにほぼ近接しているが、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置では透過率が落ち込んでいる。これらの位置は光が導波光に結合する条件に相当し、導波した後、第３の透光層３ｃの端面から放射されて、臨界角外の光となる。この放射光は、伝搬角９０度（ｘ軸方向）を中心に±３５度程度の範囲に収まる（図５参照）。

図１６において、透過光の浮き上がりは入射角５５度以上では収まり、ほぼゼロとなるので、一度、導波光となって放射される光は全反射を繰り返してシート内部にとどまる臨界角外の光（伝搬角５５度以上の光）となることが分かる。なお、第１の透光層３ａの表面３ｐ、および第２の透光層３ｂの表面３ｑが外縁部に向かって傾斜することで、これらの面を全反射する光の伝搬角は傾斜方向に応じて大きくなったり、小さくなったりするが、これらの発生確率は同じであるので、全体としてはほとんど同じ伝搬角を維持できる。

図１６（ｄ）は、図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の曲線を入射角θに関して積分した値の規格値（９０で割った値）を、溝深さｄをパラメータにして示している。この積分値は、解析モデルが２次元なので、シート内の光がシート外に取り出される効率に等しい。いずれの波長でも、ｄの増大に伴い（少なくともｄ＝０、ｄ＝０．１８の比較では）、取り出し効率は低減する。これは、単一の光結合構造による光閉じ込めの効果を現しており、第１実施形態における解析結果と同様である。この効果は累積でき、光結合構造の数を増やせば、全ての光を閉じ込めることができる。なお、本解析は２次元のモデルであったが、現実の３次元モデルでは図２（ａ）の平面図に示した任意の方位角φに対して結合条件である式（１）を満たす入射光が必ず存在するので、図１６で示した透過率の曲線は矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ等の局所的な範囲でなく全ての入射角θの範囲に関して落ち込むことになり、光結合構造による光閉じ込めの効果はより大きくなる。

図１７は第３の実施形態のシートに於ける、単一の光結合構造の端面への入射による、入射角θとシート外への透過率の関係を示す解析結果である。解析条件は図１５や図３において光源Ｓの位置だけをｘ軸のマイナス側に５μｍだけシフトさせたものを用いている。図１７（ａ）は光源の波長λ＝０．４５μｍの場合、図１７（ｂ）は波長λ＝０．５５μｍの場合、図１７（ｃ）は波長λ＝０．６５μｍの場合であり、それぞれ本実施例のモデルを実施例１のモデルと比較するとともに、光結合構造がない条件（透光シート２と光源Ｓだけの構成）での結果もプロットしている。実施例１のモデルの結果を光結合構造がない場合の結果（Nothing）と比較すると、両方とも臨界角内（４１．８度以下）ではほぼ一致するが、臨界角外（４１．８度以上）の範囲では、後者がほぼゼロになるのに対し、前者は大きく浮き上がる。前者が臨界角外で浮き上がるのは、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明したように、光結合構造の第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂの端面に入射する光が屈折の後、臨界角内の光となって上面から出射するためである。これに対し、第３の実施形態のモデルの結果は、入射角５５度以上の範囲で浮き上がりが大きく抑制され、ほとんどゼロになっている。これは、第３の実施形態における端面において、第１の透光層３ａおよび第２の透光層３ｂが占める領域がなく、本来端面を屈折する成分が、第２の透光層３ｂの傾斜した表面３ｑを全反射するためである。したがって、第３の実施形態は第１の実施形態や第２の実施形態以上に、端面での影響（臨界角外の光が臨界角内の光に変換される現象）を抑制できる構成であり、光を閉じ込める効果がより強い構成といえる。

光取り込みシート５３は例えば、以下の方法によって製造することができる。図１８（ａ）から（ｆ）は、光取り込みシート５３の製造手順を示す模式的な断面構成図であり、図１９（ａ），（ｂ）はシートを作成するための金型表面のパターンを示す模式的な平面図である。図１９（ａ）において、金型２５ａの表面は平面であり、金型２５ａの表面には、例えば、同じ寸法の矩形の微小構造２５Ａが二次元に配列されている。矩形の微小構造２５Ａは、高さｄ、ピッチΛの回折格子である。回折格子の方位は微小構造２５Ａごとに異なっている。図１９（ａ）では、０度、４５度、９０度、１３５度の４５度刻みの方位の回折格子を規則的に配列させているが、実際には３０度や１５度刻み等、もっと小さい刻み幅の方位でグレーティングを等頻度に配列させることが好ましい。図１９（ｂ）の金型２５ｂ、２５ｂ’の表面にも、矩形の微小構造２５Ｂ、２５Ｂ’が二次元に配列されている。微小構造２５Ｂ、２５Ｂ’の配置のピッチは、微小構造２５Ａの配置のピッチと等しい。微小構造２５Ｂ、２５Ｂ’は、凹部であり、その底は平面である。凹部の深さは図１４の寸法ａまたはｂに相当する。金型２５ａの微小構造２５Ａはその方形がほとんど接するほどの大きさだが（接していても良い）、金型２５ｂ，２５ｂ’の微小構造２５Ｂ、２５Ｂ’の方形は小さい。

図１８（ａ）に示すように、平坦な表面を持つ金型２５ｃの上に透明な樹脂シート２４を敷き、この上に離間剤を薄く塗布した状態で、金型２５ａでプレスする。図１８（ｂ）に示すように、金型２５ａを持ち上げて、金型２５ａを樹脂シートから引き剥がし、回折格子の転写された樹脂シート２４の上に平坦な樹脂シート２４ａを敷く。

図１８（ｃ）に示すように、樹脂シート２４、樹脂シート２４ａを加熱しながら金型２５ｂでプレスし、金型２５ｂの凹み２５Ｂの領域で樹脂シート２４ａを浮き上がらせ、それ以外の領域で樹脂シート２４、樹脂シート２４ａを接合する。この時、回折格子は接合部では全て埋滅し、樹脂シート２４ａが浮き上がった領域にだけ残る。樹脂シート２４ａの浮き上がりが、樹脂シート２４との間に空気層（または真空層）を形成する。図１８（ｄ）に示すように、金型２５ｃを持ち下げて樹脂シート２４から引き剥がし、樹脂シート２４の下に樹脂シート２４ａ’を敷く。図１８（ｅ）に示すように、樹脂シート２４、樹脂シート２４ａ’を加熱しながら金型２５ｂ’でプレスし、金型２５ｂ’の凹み２５Ｂ‘の領域で樹脂シート２４ａ’を浮き上がらせ、それ以外の領域で樹脂シート２４、樹脂シート２４ａ’を接合する。樹脂シート２４ａ’の浮き上がりが、樹脂シート２４との間に空気層（または真空層）を形成する。図１８（ｆ）に示すように、金型２５ｂ、２５ｂ’を引き剥がし、樹脂シート２４ａ、樹脂シート２４、樹脂シート２４ａ’の接合シートが完成する。以降、これらの接合シートを、接着層を介して貼り合わせ、これを繰り返すことで図１（ａ）に示す透光シート２の第３の領域２ｃが作製される。透光シート２の第３の領域２ｃの表面および裏面に、透光シート２の第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂとなる樹脂シートを接着することにより光取り込みシート５３が完成する。なお、樹脂シート２４ａ、２４ａ‘や第１の領域２ａおよび第２の領域２ｂとなる樹脂シートの表面には予め無反射ナノ構造が形成されていても良い。

（第４の実施形態）
本発明による受光装置の実施形態を説明する。図２０は、本実施形態の受光装置５４の断面構造を模式的に示している。受光装置５４は、第１の実施系形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。

光取り込みシート５１の端面２ｓ、２ｒには、好ましくは、反射膜１１が設けられている。光取り込みシート５１の第２の主面２ｑに隣接して光電変換部７が設けられている。透光シート２に端面が複数ある場合には、全ての端面に反射膜１１が設けられていることが好ましい。本実施形態では、第２の主面２ｑの一部と光電変換部７の受光部とが接している。光電変換部７は光取り込みシート５１の第１の主面２ｐの一部に設けられてもよい。

光取り込みシート５１の端面２ｒ、２ｓを反射膜１１で覆うことで、光取り込みシート５１内に取り込まれ、封止された光は光取り込みシート５１内を循環することになる。

光電変換部７は、シリコンによって構成される太陽電池である。１枚の光取り込みシート５１に複数の光電変換部７を取り付けても良い。シリコンの屈折率は５程度であるため、通常、太陽電池の受光面に垂直に光を入射させた場合でも、入射の光のうち、４０％前後の光が光電変換部７に取り込まれずに反射で失われる。斜めに光が入射する場合、さらにこの反射損失は増大する。この反射量を小さくするために、市販の太陽電池の表面にはＡＲコートや無反射ナノ構造が形成されているが、十分な性能が得られていない。さらに、太陽電池内部には金属層が存在し、これを反射する光のかなりの部分が、外部に放出される。ＡＲコートや無反射ナノ構造があると、反射光は高効率で外部に放出される。

これに対し、本発明の光取り込みシートは全ての可視光波長の光を、全ての入射角度で光取り込みシート内に取り込み、封止する。このため、受光装置５４において、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐから入射する光は、光取り込みシート５１に取り込まれ、光取り込みシート５１内を循環する。シリコンの屈折率は透光シート２の屈折率より大きいので、第２の主面２ｑに入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が屈折光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７へ透過し、光電変換部において電流に変換される。反射した臨界角外の光５ｃ’、６ｃ’はシート内を伝搬したあと、再び光電変換部７に入射し、全ての封止光がなくなるまで、光電変換に利用される。透過シート２の屈折率を１．５とすると、第１の主面２ｐに垂直に入射する光の反射率は４％程度であるが、この面にはＡＲコートや無反射ナノ構造が形成されていれば、波長依存性や角度依存性を含めて、反射率を１〜２％以下に抑制できる。これ以外の光は光取り込みシート５１に入射して閉じ込められ、光電変換に利用される。

本実施形態の受光装置によれば、入射光のほとんどをシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。したがって、光電変換部のエネルギー変換効率を大幅に改善できる。また、受光面積は第１の主面ｐの面積で決まり、この面で受光された光は全て光電変換部７へ入射する。このため、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくでき、受光装置の大幅な低コスト化が実現できる。

（第５の実施形態）
本発明による受光装置の他の実施形態を説明する。図２１は、本実施形態の受光装置５５の断面構造を模式的に示している。受光装置５５は、第１の実施系形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。

受光装置５５は、第２の主面２ｑに凹凸構造を８が設けられ、光電変換部７との間に隙間が設けられている点で第４の実施形態の受光装置５４と異なる。第２の主面２ｑに設けられた凹凸構造８は凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あり、周期パターンであってもランダムパターンであってもよい。この凹凸構造８により、第２の主面２ｑへ入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７に向かう光となり、光電変換される。光電変換部７の表面を反射する光は、光取り込みシート５１の第２の主面２ｑから内部に取り込まれ、光取り込みシート５１内を伝搬したあと、再び再び出射光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７に向かう光となる。したがって、本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第４実施例と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。

（第６の実施形態）
本発明による受光装置の他の実施形態を説明する。図２２は、本実施形態の受光装置５６の断面構造を模式的に示している。受光装置５６は、第１の実施系形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とプリズムシート９とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。

受光装置５６は、第２の主面２ｑと光電変換部７との間にプリズムシート９が設けられている点で第４の実施形態の受光装置５４と異なる。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。２枚の３角柱プリズム列のシートを直交して積層することで、プリズムシート９を構成してもよい。プリズム１０の屈折率はプリズムシート９の屈折率より大きく設定されているため、プリズムシート９の表面に入射する臨界角外光５ｂ’、６ｂ’はプリズム表面で屈折して５ｄ’、６ｄ’となり、光電変換部７に向かう。光電変換部７への光の入射角が垂直に近くなるので、光電変換部７の受光面での反射を小さくでき、第４の実施形態に比べ光取り込みシート５１内における光の循環数を少なくできる。

本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第４実施例と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。また、第４の実施形態に比べ、シート内の光の循環数が少ないので、光取り込みシートの光封止性能の影響を受けにくい。

（第７の実施形態）
本発明による受光装置の他の実施形態を説明する。図２３は、本実施形態の受光装置５７の断面構造を模式的に示している。受光装置５７は、第１の実施系形態の光取り込みシート５１と光電変換部７とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。

受光装置５７は、反射膜１１に替えて光電変換部７が端面２ｓ、２ｒを覆っている点で第４の実施形態の受光装置５４と異なる。透光シート２の端面が複数ある場合には、全ての端面に光電変換部７を設けることが好ましい。本実施形態の場合、光取り込みシート５１には第４の領域２ｈを設けなくてもよい。

端面２ｓ、２ｒに光電変換部７を設ける場合、第４の実施形態とは異なり、臨界角外の光５ｃ、６ｃ、５ｃ’、６ｃ’は光電変換部７の受光面の法線に沿って光電変換部７に入射する。このため光電変換部７の表面での反射が小さく、光取り込みシート５１内における光の循環数を少なくできる。

本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された受光装置を実現できる。また、第４の実施形態に比べ、光電変換部７の面積を小さくできるため大幅な低コスト化が実現できる。また、第４の実施形態に比べ、シート内の光の循環数が少ないので、光取り込みシートの光封止性能の影響を受けにくい。

（第８の実施形態）
本発明による受光装置の他の実施形態を説明する。図２４は、本実施形態の受光装置５８の断面構造を模式的に示している。受光装置５８は、光取り込みシート５１、５１’と光電変換部７とを備える。光取り込みシート５１、５１’に替えて、それぞれ独立に、第１の光取り込みシート５１、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。本実施形態の場合、光取り込みシート５１’には第４の領域２ｈを設けなくてもよい。

受光装置５８は、第４の実施形態の受光装置５４の第１の主面２ｐに光取り込みシート５１の端面２ｓが接するように接合されている点で、第４の実施形態と異なる。光取り込みシート５１’は光取り込みシート５１と直交に接合されていることが好ましい。また、光取り込みシート５１’において、端面２ｒには反射膜１１が設けられ、光取り込みシート５１と接合された端面２ｓ近傍の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’には反射膜１１’が設けられていることが好ましい。反射膜１１’は、光取り込みシート５１からの臨界角外の光６ｂが光取り込みシート５１’外に漏れ出さないよう光６ｂを反射する働きがある。

光取り込みシート５１の第１の主面２ｐに入射する光４は光取り込みシート５１内に取り込まれる。一方、光取り込みシート５１’の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’に入射する光４’は光取り込みシート５１’内に取り込まれる。光取り込みシート５１’内に取り込まれた光は、端面２ｒが反射膜１１で覆われているため、端面２ｓ側に伝搬する導波光１２となり、光取り込みシート５１内の光に合流する。光取り込みシート５１内の第２の主面２ｑの一部は光電変換部７の表面と接触しており、シリコンの屈折率が透光シート２の屈折率より大きいため、第２の主面２ｑに入射する臨界角外の光５ｂ’、６ｂ’は全反射せず、その一部が屈折光５ｄ’、６ｄ’として光電変換部７へ入射し、光電変換部７において電流に変換される。反射した臨界角外の光５ｃ’、６ｃ’は光取り込みシート５１内を伝搬し、再び光電変換部７の受光面に入射し、ほとんどの封止光がなくなるまで、光電変換に利用され続ける。

本実施形態の受光装置は光電変換部７の受光面に対して垂直な光取り込みシート５１’を備えているため、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐに対し斜めに入射する光であっても、光取り込みシート５１’の第１の主面２ｐ’および第２の主面２ｑ’には、垂直に近い角度で入射する。このため、全ての方位の光をより取り込みやすくなっている。

本実施形態の受光装置においても、入射光のほとんどを光取り込みシート内に閉じ込め、そのほとんどを光電変換に利用することができる。また、第４実施例と同様に、光電変換部７の面積を小さくしたり、光電変換部７の数を少なくできる。したがって、エネルギー変換効率が大幅に改善された、低コスト化の受光装置を実現できる。

（第９の実施形態）
本発明による採光板の実施形態を説明する。図２５は、本実施形態の採光板５９の断面構造を模式的に示している。採光板５９は、第１の実施形態の光取り込みシート５１と、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐおよび第２の主面２ｑの一部に設けられた凹凸構造８とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。光取り込みシート５１において、端面２ｒ、２ｓには反射膜１１が設けられている。

凹凸構造８は第１の主面２ｐの一部に形成され、その凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あるランダムパターンをなす。光取り込みシート５１に取り込まれた光は光取り込みシート５１の内部を伝搬し、この凹凸構造８により、伝搬光の一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として、外部に放射される。

採光板５９は、住宅などの建物の採光用窓に、凹凸構造８が設けられた第１の主面２ｐが室内側に位置するように設けられる。昼間、採光板５９は、太陽１３ａの光を第２の主面２ｑから取り込み、この光を凹凸構造８から室内に放射する。これにより凹凸構造８から光が放射する室内照明として用いることができる。また、夜間、採光板５９は、室内照明１３ｂの光を第１の主面２ｐから取り込み、この光を凹凸構造８から放射する。これにより、採光板５９を室内照明の補助にすることができる。このように本実施形態による採光板によれば、入射光のほとんどをシート内に閉じ込め、これを照明として再利用でき、エネルギーの有効利用を実現できる。

（第１０の実施形態）
本発明による発光装置の実施形態を説明する。図２６は、本実施形態の発光装置６０の断面構造を模式的に示している。発光装置６０は、光取り込みシート５１と、光源１４と、プリズムシート９とを備える。光取り込みシート５１に替えて、第２の実施形態の光取り込みシート５２または第３の実施形態の光取り込みシート５３を用いてもよい。

ＬＥＤなどの光源１４は、光取り込みシート５１の第１の主面２ｐまたは第２の主面２ｑの一方に隣接して設けられ、他方には凹凸構造８が設けられている。本実施形態では、光源１４が第１の主面２ｐに隣接して配置されて、第２の主面２ｑに凹凸構造８が設けられている。また、光取り込みシート５１の端面２ｓ、２ｒには反射膜１１が設けられている。凹凸構造８は凹部および凸部の幅が０．１μｍ以上あり、周期パターンであってもランダムパターンであってもよい。

プリズムシート９は、第２の主面２ｑに凹凸構造８に対向するように間隙を隔てて配置されている。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。２枚の３角柱プリズム列のシートを直交して積層することで、プリズムシート９を構成してもよい。

光源１４から出射する光４は光取り込みシート５１の第１の主面２ｐから取り込まれ、光取り込みシート５１内を伝搬する光１２となる。この光は凹凸構造８により、その一部が出射光５ｄ’、６ｄ’として、外部に放射される。放射された光はプリズムシート９内のプリズム１０により集光され、ほぼ平行な波面の光４ａとなる。

本実施形態の発光素子によれば、簡単で薄い構成で、点光源から出射する光を光取り込みシート内に閉じ込め、その光を面光源として取り出すことができる。

（第１１の実施形態）
本発明による光取り込みロッドの実施形態を説明する。図２７（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の光取り込みロッド６１の中心軸に平行な断面構造および中心軸に垂直な断面構造を模式的に示している。光取り込みロッド６１は、透光ロッド２’と透光ロッド２’の内部に配置された少なくとも１つの光結合構造３を備える。

透光ロッド２’は、中心軸Ｃに垂直な面において円または楕円の断面形状を有している。透光ロッド２’は第１の実施形態と同様、用途に応じた所望の波長、あるいは、所望の波長域内の光を透過する透明な材料によって構成されている。

透光ロッド２’の断面が円形状である場合、透光ロッド２’の中心軸Ｃに垂直な断面における直径Ｄは例えば０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度である。透光ロッド２’の主面である表面２ｕから、中心軸Ｃに向かう方向に距離ｄ３以上隔てて１つ以上の光結合構造３が設けられている。好ましくは、光取り込みロッド６１は、複数の結合構造３を備える。透光ロッド２’は円または楕円の断面形状を有しており、光結合構造３は、透光ロッド２’の中心軸Ｃに垂直な面において、中心軸Ｃを中心とした直径ｄ＝Ｄ−２×ｄ３の円形状を有し、中心軸Ｃ方向に添って伸びるコア領域２Ａ内に配置される。

光結合構造３は、コア領域２Ａ内において、軸方向、径方向、および周方向のそれぞれに所定の密度で配置されている。例えば、光結合構造３の配置の密度は、軸方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個、径方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個、周方向に１ｍｍ当たり１０〜１０³個程度である。コア領域の断面形状は円形または楕円であり、２つ以上の輪帯形状であってもよい。

光結合構造３は、第１の実施形態の光結合構造３と同じ構造を備える。また、光取り込みロッド６１は、光結合構造３に替えて、第２の実施形態の光結合構造３’または第３の実施形態の光結合構造３’’を備えていてもよい。

光結合構造３は、第３の透光層３ｃの回折格子が、透光ロッド２’の中心軸Ｃに平行になるようにコア領域２Ａ内配置されている。光結合構造３の中心軸Ｃ方向の長さＬは３μｍ〜１００μｍであり、それに直交する方向の長さＷはＬの１／３〜１／１０程度である。

図２７（ａ）および（ｂ）において、光取り込みロッド６１を囲む環境媒質の屈折率を１．０とし、透光ロッド２’の屈折率をｎ_sとする。環境媒質からの光４は表面２ｕを透過して透光ロッド２’の内部に入る。表面２ｕには入射した光４の透過率を高めるため、ＡＲコートや無反射ナノ構造（モスアイ構造等）が形成されていてもよい。ここで透光ロッド２’内部の光のうち、その伝搬方位とロッド表面の法線とのなす角θ（伝搬角）がsinθ＜１／ｎ_sを満たす光を臨界角内の光、sinθ≧１／ｎ_sを満たす光を臨界角外の光と呼ぶことにする。

まず、透光ロッド２’の中心軸Ｃに平行な断面での、光のベクトルを見てみる。この断面で、透光ロッド２’内部の臨界角内の光５ａの一部は光結合構造３により臨界角外の光５ｂに変換され、この光は表面２ｕで全反射して、透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光５ｃとなる。また、臨界角内光５ａの残りの臨界角内の光５ａ’の内の一部は別の光結合構造３により臨界角外の光５ｂ’に変換され、この光は表面２ｕで全反射して、ロッド内部にとどまる臨界角外の光５ｃ’となる。このようにして臨界角内の光５ａの全てが、光結合構造３が設けられたコア領域２Ａ内で臨界角外の光５ｂや５ｂ’に変換される。一方、透光ロッド２’内部の臨界角外の光６ａは、その一部は光結合構造３の表面で全反射して臨界角外の光６ｂとなり、この光は表面２ｕで全反射して、ロッド内部にとどまる臨界角外の光６ｃとなる。また、臨界角外の光６ａの残りの光の一部は光結合構造３が設けられたコア領域２Ａを透過し、この臨界角外の光６ｂ’は表面２ｕを全反射して、透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光６ｃ’となる。また、図には示していないが、異なる光結合構造３の間と表面２ｕの間を全反射しながらシート内部にとどまる臨界角外の光も存在する。

図２（ａ）を参照して説明したように、臨界角内の光５ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを透過し、その一部は回折格子の作用で第３の透光層３ｃ内を伝搬する導波光５Ｂに変換される。残りは透過光や回折光となって、主に臨界角内の光５ａ’となって光結合構造３を透過するか、または、反射光として臨界角内の光５ｒとなり、光結合構造３を通過する。導波光５Ｂは第３の透光層３ｃの端面３Ｓに至るまでにその一部が臨界角内の５ｒと同じ方向に放射されて臨界角内の光５ｒ’となり、残りは導波して第３の透光層３ｃの端面３Ｓから放射され、臨界角外の光５ｃとなる。一方、臨界角外の光６ａは、第２の透光層３ｂの表面３ｑを全反射し、その全てが臨界角外の光６ｂとなる。このように、光結合構造３の表面（第１の透光層３ａの表面３ｐおよび第２の透光層３ｂの表面３ｑ）に入射する臨界角外の光は臨界角外のままであり、臨界角内の光はその一部が臨界角外の光に変換される。

次に、ロッドの中心軸と直交する断面での、光のベクトルを見てみる。この断面ではロッド内部に入った光が３種類に分類される。コア領域２Ａを通過する光１５ａ、コア領域２Ａの外縁を通過する光１５ｂ、そしてコア領域２Ａの外を通過する光１５ｃである。光１５ａは、前述したようにロッドの中心軸に沿った断面内でロッド内部にとどまる臨界角外の光に変換される。一方、光１５ｂは、ロッドの表面２ｕに角度ψ入射する光であり、ψは式（３）を満たす。

当然、光１５ｃの表面２ｕへの入射角はψよりも大きくなる。したがって、式（４）が成り立てば、光１５ｂはロッドの第１の主面２ｐで全反射し、光１５ｂ、１５ｃは中心軸と直交する断面内で透光ロッド２’内部にとどまる臨界角外の光になる。

したがって、透光ロッド２’の中心軸Ｃと平行な断面と直交する断面を合わせて、式（４）を満足することが透光ロッド２’内部の全ての光が透光ロッド２’内部にとどまるための条件となる。

図２８は光取り込みロッド６１の作製手順を示す模式的な断面構成図である。図２８において、第１から３の実施形態と同じ方法で、図７、１３、１８に於ける樹脂シート２４、２４ａ（および２４'、２４ａ'）を作製する。樹脂シート２４、２４ａ（および２４ａ'）上で光結合構造３を形成する回折格子の格子ベクトルは、ｚ軸に沿って測ったピッチが０．３０μｍから２．８０μｍとなるように、様々なピッチの回折格子を組み合わせるか、単一のピッチの回折格子をｚ軸に対し様々な方向（例えば３０度や１５度刻みの角度）をとるように設置するか、あるいは、これらの組み合わせであっても良い。光結合構造３の大きさは、結合した導波光をできるだけロッドの中心軸にそって放射できるよう、ｚ軸方向の長さＬが３μｍ〜１００μｍ、それに直交する方向の長さＷがＬの１／２〜１／１０程度に設定する。このシートを回折格子のない側の表面に接着剤を薄く塗布して、ｚ軸の周りに回転しながら巻き込んでいくことにより、光取り込みロッド６１のコア領域２Ａが作製できる。その周りをさらに、無反射ナノ構造の形成された透明な保護層で包むことで、光取り込みロッド６１が完成する。

（第１２の実施形態）
本発明による発光装置の実施形態を説明する。図２９は、本実施形態の発光装置６２の断面構造を模式的に示している。発光装置６２は、光取り込みロッド６１と、光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂとを備える。光取り込みロッド６１は第１１の実施形態で説明した通りの構造を備える。

光取り込みロッド６１の端面２ｒには、反射膜１１が設けられている。好ましくは、光取り込みロッド６１の端面２ｓ側の表面２ｕには、テーパ２ｖが設けられ、透光ロッド２’よりも小さい直径の導波路２８が接続されている。

光源１４Ｒ、１４Ｇ、１４ＢはＬＤやＬＥＤなどによって構成されており、例えば、それぞれ赤、緑、青の光を発光する。これらの光源を出射する光をレンズにより集光し、透光ロッド２’の表面２ｕへ向けて光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを照射する。これらの光はコア領域２Ａ内の光結合構造３により、透光ロッド２’内部に閉じ込められ、一方の端面２ｒが反射膜１１で覆われていることから、全体としてロッド内部を一方向に伝搬する導波光１２となる。この導波光１２は、ロッド２’の径が徐々に小さくなっているテーパ２ｖにより損失なく絞られ、細い径を持つ導波路１８内部を伝搬する導波光となる。これより、導波路１８の端面から点光源に近い光１９が出射する。光源がレーザーの場合、光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂはコヒーレントな光であるが、個々の光結合構造３からの光放射がばらばらな位相で行われるので、それらが合成された導波光１２はインコヒーレントな光となる。したがって、出射光１９もインコヒーレントな光である。光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの光量を調整すれば、出射光１９を白色光とすることができる。現在、赤、青の半導体レーザーは実現されており、ＳＨＧを使えば、緑のレーザーも利用できる。これらの光源から白色光を合成する場合、一般には複雑な光学構成が必要なうえ、レーザー光特有の可干渉性によりぎらついた光となる。しかし、本実施形態の発光装置６２によれば、極めて簡単な構成で、ぎらつきのない、より自然な白色光の点光源を提供できる。

本実施の形態の場合、調整の必要な個所は、入射した光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂによる収束光とロッド２’との位置調整である。図３０は光取り込みロッド６１への光の入射の様子を示す断面説明図であり、点Ｏはロッドの中心である。透光ロッド２’の屈折率を１．５とすると、直線ＡＯＢと平行な光１６ａは、屈折して近似的に点Ａに集光する光１６ｂとなる。コア領域２Ａの直径が透光ロッド２’の直径の１／１．５よりも大きいとすると、式（４）より光１６ｂは確実にコア領域２Ａを通過し、透光ロッド２’内に閉じ込められる。反対に、コア領域２Ａを通過しない光線を描くのは困難である。例えば、点Ｂに入射してコア領域を通過しない光１７ｂを考えると、そのための入射光線１７ａは入射面に対してすれすれの角度の光（高い開口数による集光の最外縁の光）となってしまう。いいかえると、一般的な入射角の光線、即ち一般的な開口数での集光による光であれば、それらは全てコア領域２Ａを通過し、透光ロッド２’内に閉じ込められる。このことは、入射した光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと透光ロッド２’との位置調整は非常にラフでよく、調整の容易性を示している。

（第１３の実施形態）
本発明による発光装置の他の実施形態を説明する。図３１は、本実施形態の発光装置６３の断面構造を模式的に示している。発光装置６３は、光取り込みロッド６１と、光源１４と、プリズムシート９とを備える。光取り込みロッド６１は第１１の実施形態で説明した通りの構造を備える。

光取り込みロッド６１の端面２ｒには、反射膜１１が設けられている。また、光取り込みロッド６１は光結合構造３が設けられていない部分が導波路１８として機能する。導波路１８の表面２ｕにはプリズムシート９が設けられている。

光源１４はＬＤやＬＥＤなどからできており、可視光を発光する。この光源を出射する光をレンズにより集光し、透光ロッド２’内を透過する光４とする。これらの光はコア領域２Ａ内の光結合構造３により、透光ロッド２’内部に閉じ込められ、一方の端面が反射膜１１で覆われていることから、全体として透光ロッド２’内部を一方向に伝搬する光１２となり、導波路１８内部を伝搬する導波光となる。導波路１８にはプリズムシート９が接触して配置されている。プリズムシート９の内部には４面体状のプリズム１０が互いに隣接して配置されている。３角柱プリズム列のシートを直交して貼り合わせても良い。このプリズム１０の屈折率はプリズムシート９の屈折率より大きいので、導波路１８から漏れ出てプリズムシート９に入射する光は屈折してプリズムシート９から出射し、平行な出射光１９となる。なお、プリズムシート９を導波路１８から離してもよく、この場合には導波路１８の表面のプリズムシート９に面している側に凹凸構造を形成して光を出射させる。

光源がレーザーの場合、光４はコヒーレントな光であるが、個々の光結合構造３からの光放射がばらばらな位相で行われるので、それらが合成された導波光１２はインコヒーレントな光となる。したがって、出射光１９もインコヒーレントな光である。現在、赤、青の半導体レーザーは実現されており、ＳＨＧを使えば、緑のレーザーも利用できる。これらの光源を用いると、赤、緑、青の線光源が得られる。例えば、これらの線光源を束ねることで、液晶ディスプレイ用のカラーバックライトを極めて簡単な構成で提供できる。

本発明のシートおよびロッドは広い領域、広い波長範囲（例えば可視光全域）に渡って、全ての入射角で光の取り込むことが可能であり、それらを用いた受光装置は高変換効率太陽電池等に有用である一方、それらを用いた受光および発光装置は、新たな照明や光源の形態を提供し、太陽光や照明光を利用したリサイクル照明、高効率のバックライト、インコヒーレントな白色光源として有用である。

２ 透光シート
２’ 透光ロッド
２ｐ 第１の主面
２ｑ 第２の主面
２ｕ 表面
３、３’、３’’ 光結合構造
３ａ 第１の透光層
３ｂ 第２の透光層
３ｃ 第３の透光層
３ｄ 回折格子
４ 入射光
５ａ、５ａ’ 臨界角内の光
５ｂ、５ｃ、５ｂ’、 ５ｃ’ 臨界角外の光
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｂ’、６ｃ’ 臨界角外の光
９ プリズムシート
１０ プリズム
１１ 反射膜
１４ 光源

Claims (28)

1. 第１および第２の主面を有する透光シートと、
   前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ第１および第２の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造と
   を備え、
   前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と、第２の透光層と、これらに挟まれた第３の透光層とを含み、
   前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光シートの屈折率よりも小さく、
   前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、
   前記第３の透光層は、前記透光シートの前記第１および第２の主面と平行な回折格子を有し、
   前記複数の光結合構造の内、任意の光結合構造に含まれる第１の透光層および第２の透光層は、それぞれ、第１および第２の主面に平行な面においてこれに近接する他の光結合構造に含まれる第１の透光層および第２の透光層と、前記透光シートを介して互いに離間している光取り込みシート。
2. 前記複数の光結合構造の内、任意の光結合構造に含まれる第３の透光層は、第１および第２の主面に平行な面においてこれに近接する他の光結合構造に含まれる第３の透光層と、互いに連続している、請求項１に記載の光取り込みシート。
3. 前記複数の光結合構造は、前記透光シート内であって、前記第１および第２の主面からそれぞれ前記第１および第２の距離以上隔てた内部において、三次元に配置されている請求項１または２に記載の光取り込みシート。
4. 前記回折格子のピッチが０．１μｍ以上３μｍ以下である請求項３に記載の光取り込みシート。
5. 前記第１および第２の透光層の表面は、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有し、
   前記複数の光結合構造のそれぞれの厚さは３μｍ以下である請求項４に記載の光取り込みシート。
6. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっている請求項５に記載の光取り込みシート。
7. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子のピッチは互いに異なっている請求項５に記載の光取り込みシート。
8. 前記透光シートは、
   前記第１の主面と接し、前記第１の距離を厚さに有する第１の領域と、
   前記第２の主面と接し、前記第２の距離を厚さに有する第２の領域と、
   前記第１および第２の領域に挟まれた第３の領域と、
   前記第３の領域内に設けられており、前記第１の領域および前記第２の領域を接続する少なくとも１つの第４の領域と
   を含み、
   前記複数の光結合構造は、前記少なくとも１つの第４の領域以外の前記第３の領域内にのみ配置されており、
   前記第４の領域を貫通する任意の直線は、前記透光シートの厚さ方向に対して、前記透光シートの屈折率と前記透光シートの周囲の環境媒質の屈折率とで規定される臨界角よりも大きな角度に沿って伸びている請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシート。
9. 前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおいて、前記第１および第２の透光層の膜厚は、前記光結合構造の中心から外縁側に向かうにつれて小さくなっている請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシート。
10. 前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおいて、前記第１および第２の透光層の、前記透光シートと接する面、及び前記第１の主面、前記第２の主面のいずれかには、ピッチ及び高さが設計波長の１／３以下の凹凸構造が形成されている請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシート。
11. 前記第１および第２の透光層の屈折率は、前記環境媒質の屈折率と等しい請求項１から７のいずれかに記載の光取り込みシート。
12. 主面、および、円または楕円の断面を有する透光ロッドと、
    前記透光ロッド内であって、前記主面から第１の距離以上隔てた内部に配置された複数の光結合構造と
    を備え、
    前記複数の光結合構造のそれぞれは、第１の透光層と第２の透光層とこれらに挟まれた第３の透光層とを含み、
    前記第１および第２の透光層の屈折率は前記透光ロッドの屈折率よりも小さく、
    前記第３の透光層の屈折率は前記第１および第２の透光層の屈折率よりも大きく、
    前記第３の透光層は、前記透光ロッドの中心軸と平行な回折格子を有し、
    前記複数の光結合構造の内、任意の光結合構造に含まれる第１の透光層および第２の透光層は、それぞれ、前記透光ロッドの中心軸と平行な面においてこれに近接する他の光結合構造に含まれる第１の透光層および第２の透光層と、前記透光ロッドを介して互いに離間している光取り込みロッド。
13. 前記複数の光結合構造の内、任意の光結合構造に含まれる第３の透光層は、前記透光ロッドの中心軸と平行な面においてこれに近接する他の光結合構造に含まれる第３の透光層と、互いに連続している、請求項１２に記載の光取り込みロッド。
14. 前記複数の光結合構造は、前記透光ロッド内であって、前記主面から前記第１の距離以上隔てた内部において、それぞれ三次元に配置されている請求項１２または１３に記載の光取り込みロッド。
15. 前記回折格子のピッチが０．１μｍ以上３μｍ以下である請求項１４に記載の光取り込みロッド。
16. 前記第１および第２の透光層の表面は、１００μｍ以下の直径の円に外接する大きさを有し、
    前記光結合構造のそれぞれの厚さは３μｍ以下である請求項１５に記載の光取り込みロッド。
17. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子の伸びる方向は互いに異なっている請求項１６に記載の光取り込みロッド。
18. 前記複数の光結合構造のうち少なくとも２つにおいて、前記回折格子のピッチは互いに異なっている請求項１６に記載の光取り込みロッド。
19. 前記複数の光結合構造の少なくとも１つにおいて、前記第１および第２の透光層の、前記透光ロッドと接する面、および、前記主面のいずれかには、ピッチおよび高さが設計波長の１／３以下の凹凸構造が形成されている請求項１２から１８のいずれかに記載の光取り込みロッド。
20. 前記第１および第２の透光層の屈折率は、前記透光ロッドの周囲の環境媒質の屈折率と等しい請求項１２から１８のいずれかに記載の光取り込みロッド。
21. 請求項１から１１のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面、前記第２の主面および前記第１の主面と前記第２の主面に隣接する端面のいずれかに設けられた光電変換部と、
    を備える受光装置。
22. 請求項１から１１のいずれかに記載の他の光取り込みシートをさらに備え、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面に前記光電変換部が設けられ、
    前記光取り込みシートの前記第２の主面に前記他の光取り込みシートの端面が接続された請求項２１に記載の受光装置。
23. 請求項１から１１のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面に設けられた凹凸構造またはプリズムシート、
    前記凹凸構造または前記プリズムシートから出射する光を受光する光電変換部と
    を備えた受光装置。
24. 請求項１から１１のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の一部に設けられた凹凸構造と
    を備える受光装置。
25. 請求項１から１１のいずれかに記載の光取り込みシートと、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の一方に近接して設けられた光源と、
    前記光取り込みシートの前記第１の主面または前記第２の主面の他方に設けられた凹凸構造と、
    前記凹凸構造から出射する光が入射するように配置されたプリズムシートと
    を備える発光装置。
26. 請求項１２から２０のいずれかに記載の光取り込みロッドと、
    前記透光ロッドの第１の主面に近接して配設された少なくとも１つの光源と
    を備えた発光装置。
27. 前記光源を３つ備え、
    前記３つの光源はそれぞれ赤色、青色および緑色の光を出射する請求項２６に記載の発光装置。
28. 前記透光ロッドの第１の主面の一部に設けられたプリズムシート、または凹凸構造をさらに備える請求項２６に記載の発光装置。

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