光学器件的制作方法

专利名称：光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使面状入射光在入射光光程前方的媒质内全反射的平面形状光学器件，特别是在媒体内高效率导入全反射光的技术。
另外，在上述能够进行高效率反射的反射体上，有金属或金属面膜。其它也有如电介质多层膜反光镜等的多膜干涉反光镜的。
图31所表示的是以前一般导光板及波导路的入射光导入的情况。图31(a)是表示从导光板91端面导入入射光92，入射光92在导光板91内部的全反射93的导光11的情况。图31(b)是表示在导光板91的端部设置一棱镜94，通过此棱镜94导入入射光92，在导光板91内部进行全反射93的导光11的情况。图31(c)是表示从波导路96端部导入入射光92，并在基板95上形成的波导路96内部进行全反射93的导光11的情况。
这种导光板及波导路，是在比全反射临界角大的角度导入入射光的，使其满足了在导光板及波导路内的全反射条件。希望上述的导光板及波导路，在将来会向利用全反射的各种光学器件光学系统方向发展。
如上所述，以前导光板、波导路的入射光的导入方法，是从导光板、波导路的端面导入的，或通过接在导光板侧面端部的棱镜导入的。但是，薄型平板状的导光板、波导路其端面的入射口面积狭小，同入射光的接触效率低下。另外，导光板、波导路有望向更薄型化、大面积化发展，端面的入射开口面积将越来越狭小，光接触效率将会越来越低。加之，入射光(光源)形状、导入位置的限制、光源大小强弱的限制、导入高输出功率是不可能的。另外，入射光的形状要限制在波束状或线状、光源的种类也有限制，达到上述形状对光学系统是必要的。
另外，反射体是金属或金属面膜的情况时，存在着反射时的吸收，光的损失是必然的，在多层膜干涉反光镜的情况下，入射光的入射角变大，就会有透过光出现，因此对于任意入射角是得不到高效率完全反射体的。
为达成上述目的，本发明采取以下技术方案(1)本发明的光学器件是平面形状的，其特征是在向上述光学器件导入面状入射光时，该导入的入射光至少有一部分在上述光学器件构成层的界面上进行了全反射，另一方面从入射光导入侧的对面一侧，实质上没有射出上述入射光。
本光学器件是一种平面形状的光学器件，在向上述光学器件导入面状入射光时，该导入的入射光至少有一部分在上述光学器件构成层的界面上进行了全反射，并返回入射光导入一侧，实际上，从入射光导入侧的对面一侧并没有射出导入光学器件的入射光。因此，入射光的形状、导入位置、及光源的种类没有受到限制，成面状的入射光可直接以面状高效率的导入，从而在所希望的界面上，就可高效率地获得面状全反射光。还可构成不依靠入射角及没有吸收的反射体。进而，由于光学器件事实上没有产生透过光，提高了光利用效率，开扩了利用全反射光的光学器件、光学系统的适用范围。
(2)本发明的光学器件是平面形状的，其特征是在上述光学器件内部配置了光程变化光学元件，在上述向光学器件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程变化光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
这种光学器件是在光学器件内部配置了入射光的光程变化光学元件，并向这种光程变化光学元件导入面状入射光。在光程变化光学元件的作用下，能使入射光的光程按特定的方向或任意的方向变化，使全部反射光在光学器件的构成层界面上进行全反射。因此，入射光的形状、导入位置、及光源的种类没有受到限制，成面状的入射光可直接以面状高效率的导入，从而在所希望的界面上，就可高效率地获得面状全反射光。还可构成不依靠入射角及没有吸收的反射体。进而，由于光学器件事实上没有产生透过光，提高了光利用效率，开扩了利用全反射光的光学器件、光学系统的适用范围。
(3)本发明的光学器件是平面形状的，其特征是在上述光学器件内部配置了光程选择光学元件，在上述向光学器件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程选择光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
这种光学器件是在光学器件内部配置了入射光的光程选择光学元件，并向这种光程选择光学元件导入面状入射光。导入的面状入射光，在光程选择光学元件的作用下，能使入射光的光程按特定的方向或任意的方向变化，使全部反射光在光学器件的构成层界面上进行全反射。因此，入射光的形状、导入位置、及光源的种类没有受到限制，成面状的入射光可直接高效率的导入，从而在所希望的界面上，就可高效率地获得面状全反射光。还可构成不依靠入射角及没有吸收的反射体。进而，由于光学器件事实上没有产生透过光，提高了光利用效率，开扩了利用全反射光的光学器件、光学系统的适用范围。
(4)本发明的光学器件是平面形状的，其特征是在上述光学器件上从厚度方向，导入入射光的一侧，依次配置光程变化光学元件和光程选择光学元件，在上述向光程变化光学元件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程选择光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
这种光学器件是在光学器件的厚度方向，导入入射光的一侧，依次配置光程变化光学元件和光程选择光学元件。并向光程变化光学元件导入面状入射光。导入的面状入射光，在光程变化光学元件的作用下，入射光的光程按特定的方向或任意的方向变化，进而，在光程选择光学元件的作用下，由于只有特定方向的入射光能够透过，因此，导入光学器件的光全部在光学器件的构成层的界面上进行全反射。因此，入射光的形状、导入位置、及光源的种类没有受到限制，成面状的入射光可直接高效率的导入，从而在所希望的界面上，就可高效率地获得面状全反射光。还可构成不依靠入射角及没有吸收的反射体。进而，由于光学器件事实上没有产生透过光，提高了光利用效率，开扩了利用全反射光的光学器件、光学系统的适用范围。
(5)本发明的光学器件的另一特征是，上述全反射的入射光实际上全部返回到光学器件的入射光导入一侧。
这种光学器件在有全反射面的媒质内，由于全反射的反射光实际上全部返回到光学器件的入射光导入一侧，因此不会产生导光、积蓄、闭锁等情况。
(6)本发明光学器件的又一特征是，构成上述光学器件的层对上述入射光的波长域实质上不产生吸收。
这种构成光学器件的层实质上不吸收入射光的波长域，控制了入射光及被全反射的入射光的损失而成为高效率的光学器件。
(7)本发明光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件和光程选择光学元件是光学的接触。
由于这种光学器件是光程变化光学元件和光程选择光学元件的光学接触，因此双方的光有良好的匹配性能，同时，在光程变化光学元件具有方向性的场合，入射光可保持入射角度成分不变直接导入光程选择光学元件中。
(8)本发明光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件和光程选择光学元件是通过折射率大于1的媒质进行光学接触的。
由于这种光学器件是光程变化光学元件和光程选择光学元件通过折射率大于1的媒质进行光学接触的，所以不会产生同此媒质在界面的全反射。能够从光程变化光学元件向光程选择光学元件导入入射光。
(9)本发明光学器件的又一特征是，装备有构成光学器件一部分的透明媒质。在该透明媒质的光程前方配置了上述的光程变化光学元件。
在这种光学器件中，入射光透过透明媒质后被导入光程变化光学元件中，只有特定方向的入射光才能透过。
(10)本发明光学器件的又一特征是，装备有构成光学器件一部分的透明媒质。在该透明媒质的光程前方配置了上述的光程选择光学元件。
在这种光学器件中，入射光透过透明媒质后被导入光程选择光学元件中，只有特定方向的入射光才能透过。
(11)本发明光学器件的又一特征是，装备有构成光学器件一部分的透明媒质。在该透明媒质的光程前方依次配置有上述的光程变化光学元件和光程选择光学元件。
在这种光学器件中，入射光透过透明媒质后被导入光程变化光学元件，入射光的光程向特定的方向或任意的方向变化，接着被导入到光程选择光学元件，只透过特定方向的入射光。
(12)本发明的光学器件的又一特征是，在上述光学器件的光程最前方，配置了构成上述光学器件一部分的媒质。把该媒质的入射光光程前方或后方的任意一个界面变成为产生上述全反射的界面。
这种光学器件在它的光程最前方，设置有构成光学器件一部分的媒质，入射光在媒质的入射光光程前方或后方的任意一个界面上被全反射。
(13)本发明的光学器件的又一特征是，我们把上述媒质的平均折射率定为nb，媒质的光程后方层的平均折射率定为na，该光程后方层内的进光角度定为θ，当na＞nb时，在sin-1(nb/na)≤θ的情况下、上述产生全反射的界面在入射光光程后方，在sin-1(1/na)＜θ＜sin-1(nb/na)的情况下，上述产生全反射的界面在入射光光程前方。另外，当na≤nb时，在sin-1(1/na)≤θ的情况下，上述产生全反射的界面在入射光光程前方。
在这种光学器件中，调整对应光程后方层平均折射率的媒质平均折射率，可控制产生全反射的界面，可设定对应光学器件使用状况的全反射面。
(14)本发明的光学器件的又一特征是，上述产生全反射的界面是，构成光学器件一部分的第一折射率的媒质和比第一折射率小的第二折射率的媒质的界面，第二折射率的媒质连接第一折射率的媒质、设置在入射光光程前方。
在这种光学器件中，构成光学器件一部分的第一折射率的媒质和，连接该媒质、设置在入射光光程前方的、比第一折射率小的第二折射率的媒质，在这两种媒质的界面上，由两个不同的折射率决定的入射角度产生了全反射。
(15)本发明的光学器件的又一特征是，上述产生全反射的界面是，光学器件入射光光程最前方的界面。
这种光学器件是在入射光光程的最前方的界面上产生全反射的。在为种场合，最前方的界面也可以是低折射率的薄层。
(16)本发明的光学器件的又一特征是，上述产生全反射界面的入射光光程前方一侧是气体接触界面。
这种光学器件中，由于入射光光程前方一侧连接有空气及非活性气体等气体，因此可以不设置形成全反射面的低折射率层，用简单的结构就可产生全反射。另外，光学器件的入射光光程最前方的面可作为全反射面。
(17)本发明的光学器件的又一特征是，当我们设该光程变化光学元件的平均折射率为nt、光程前方全反射界面的前方一侧媒质的折射率为nw、进入光程变化光学元件媒质内的光的角度为θt时，上述光程变化光学元件至少有满足sinθt＞nw/nt条件的角度θt的光在前方输出。
在这种光学器件中，至少有满足sinθt＞nw/nt条件的角度θt的光，透过光程变化光学元件，使光程变化，再在前方输出。
(18)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件是依靠折射而改变光程的。
在这种光学器件中，光程变化光学元件，能够向光学器件导入是依靠入射光的光程折射和变化，并没有降低入射光的强度。
(19)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件有，透镜组、棱镜组、及具有不同折射率的不同种类的折射率分布体的任意一种。
在这种光学器件中，由于适当地选择了适合大量生产的透镜组、棱镜组、及不同折射率分布体的光学元件，不仅降低了成本同时也发挥了良好的性能。
(20)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件是由于衍射而改变光程的。
这种光学器件中，光程变化光学元件，例如利用透过型衍射光栅的衍射改变入射光光程的，因此可在高精度的入射角向光学器件导入入射光。
(21)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件是体积全息、相位调制型衍射光栅、振幅调制型衍射光栅的任意一种。
这种光学器件，通过例如光聚合法、注射膜塑成形法可大量复制生产，并可降低光学器件自身的成本。
(22)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件利用光扩散改变光程。
由于光程变化光学元件利用光扩散改变光程，因此可以从任意方向向光学器件射入入射光。
(23)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件为具有多孔质体、不同折射率分部体、或分散体、以及表面凹凸不平的扩散体的任意一种。
这种光学器件，由于适当的选择了这些适合于大量生产的多孔质体、不同折射率的分布体或分散体、扩散体等光学元件，因而降低了成本且发挥了良好的性能。
(24)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程变化光学元件利用光反射改变光程的。
由于光程变化光学元件是利用光反射改变光程的，因此，入射光可以从任意方向向光学器件射入。
(25)本发明的光学器件的又一特征是，在上述光程选择光学元件中，从该光学元件射出的全部透过光实质上具有，在上述光程选择光学元件的入射光光程前方层的界面或光程选择光学元件的入射光光程前方界面上，比全反射临界角大的角度成份。具有其它角度成份的入射光不能被有选择的反射透过的性质。
在上述光程选择光学元件中，从该光学元件射出的全部透过光实质上具有，在上述光程选择光学元件的入射光光程前方层的界面或光程选择光学元件的入射光光程前方界面上，比全反射临界角大的角度成份。而其它角度成分的入射光要靠光程选择光学元件有选择地反射。因此，在光程选择光学元件中，只有在入射光光程前方的界面进行全反射的入射角成分的入射光才能选择透过，不能全反射的入射角成分的入射光不能透过。
(26)本发明的光学器件的又一特征是，在上述光程选择光学元件中，设光程选择光学元件的平均折射率为ns，光程前方全反射界面的前方一侧媒质的折射率为nw，光程选择光学元件媒质内进光角度为θs时，满足条件sinθs＞nw/ns的角度θs的光，实质上能全部透过。
在这种光学器件中，满足条件sinθs＞nw/ns的角度θs的光，实质上能全部透过光程选择光学元件，其它的光依据反射，只有特定的光成分才能有选择地透过。
(27)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程选择光学元件具有对入射光波长域进行有选择的反射的功能，随着入射光的入射角对该光程选择光学元件的面变成浅角，有选择反射的入射光的波长移到短波长一侧。
光程选择光学元件具有对入射光波长域进行有选择的反射的功能，并且，随着入射光的入射角对该光程选择光学元件的面变成浅角，有选择反射的入射光的波长移到短波长一侧。利用这种性质，把光程选择光学元件设计为只让所定入射角成分的入射光透过，可以有选择地只抽出产生全反射的入射角度成分的入射光。
(28)本发明的光学器件的又一特征是，向上述光程选择光学元件射入入射光的入射角，向入射光光程前方的全反射界面射入的入射角，在全反射临界角以下时，上述光程选择光学元件实质上全部有选择地反射上述入射光。
向上述光程选择光学元件射入入射光的入射角，此入射角和向依各层折射条件而变化的入射光光程前方的全反射界面射入的入射角，在此全反射界面的全反射临界角以下时，光程选择光学元件实质上全部有选择地反射上述入射光。据此，在全反射界面上，没被全反射的角度成分的入射光，没有被选择反射透过光程前方。
(29)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程选择光学元件是含有电介质多层膜的光干涉滤光片。
由于使用了含有电介质多层膜的光干涉滤光片，并依靠大面积和简单的结构能够形成任意波长选择反射膜。利用其反射波长的入射角依存性，很容易地形成光程选择光学元件。
(30)本发明的光学器件的又一特征是，上述光程选择光学元件为含有胆留醇型液晶、体积全息的布喇格反射滤光片。
由于使用了含有胆留醇型液晶、体积全息的布喇格反射滤光片，可低成本形成光程选择光学元件。
(31)本发明的光学器件的又一特征是一种平面形状的光学器件。在上述光学器件的内部配置了导入入射光的光学元件，在向该光学元件导入面状入射光时，被导入的入射光实质上全部在光学器件的构成层的界面上进行了全反射。
在上述光学器件内，配置了导入在构成层界面上被全反射的入射光的光学元件，并向该导入入射光的光学元件导入面状入射光。被导入的入射光实际上全部在光学器件的构成层界面上进行了全反射。据此，可以不从光学器件的端面，用比全反射临界角大的角度导入入射光，而用简单的结构直接向光学器件高效率地导入面状入射光，使光学器件具有高输出的性能。另外，由于被导入的入射光实际上全部是没有反射损失的全反射，因此把光学器件作为高效率的反射体，体现了它的功能。
(32)本发明的光学器件的又一特征是，上述导入入射光的光学元件为面状排列的棱镜组。
在这种光学器件中，把来自定向的面状入射光通过棱镜组在光学器件内产生全反射，变换产生全反射的角度，可以向光学器件导入被全反射的入射光。
(33)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光是在特定的入射角范围内收集的准直光。
由于入射光是在特定的入射角范围内收集的准直光，所以能供给光学器件具有特定入射角度成分的入射光，可提高光的利用效率。
(34)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光是具有多个入射角的准直光。
由于入射光是具有多个入射角的准直光，所以能一次供给光学器件多个入射角成分的入射光。
(35)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光为具有任意入射角的漫射光。
由于入射光为具有任意入射角的漫射光，能够向光学器件导入各个方向传来的入射光，可提高入射光的均一性。
(36)本发明的光学器件的又一特征是，在上述光学器件的内部备有光源，上述入射光可以是从光源中射出的光。
由于光学器件的内部备有光源，从光源中射出的光可直接导入光学器件的内部，可大幅减低导入入射光时的损失。
(37)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光可以是从光学器件外部射入的。
由于是从光学器件外部导入入射光的，开扩了设计光学器件的思路，也可利用大型光源，易高输出。
(38)本发明的光学器件的又一特征是，在上述光学器件入射光导入一侧相对峙设计了，射入光学器件的入射光经光学器件的反射再一次射入光学器件的反射体。
由于设计了光学器件入射光导入一侧相对峙的反射体，射入光学器件的入射光经光学器件的反射射入反射体，这样，从反射体中射出和反射光再一次射入光学器件一侧，形成了光的再循环，提高了光利用率实现了高效率化，(39)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光为UV光、可视光、红外光的任意一种。
由于在UV光、可视光、红外光的任意一种特定波段的波长域中设定了入射光，在光学器件内确实可以有选择地透过或反射。
(40)本发明的光学器件的又一特征是，上述入射光可以是放电灯、激光、LED(发光二极管)、无机或有机EL(电致发光)、白炽灯、阴极射线灯、FED(场效应二极管)中的任意一种。
入射光为弧光灯时，一般使用的可直接利用。激光很容易得到准直光。LED价格便宜且发光波长域可事先设定。无机或有机EL可获得面状发光。白炽灯可根据目的不同经滤波可取得任意波长成分。阴极射线灯、FED可直接得到面状光。
图2、为透过型衍射光栅示意图，(a)体积全息，(b)起伏型衍射光栅，(c)折射率调制型衍射光栅。
图3、光扩散、利用光扩散的光扩散板示意图，(a)多孔质体，(b)具有不同折射率的、不同种类的分散体，分布体，(c)表面形成凹凸不平的光扩散体。
图4、光干涉滤光片构成层示意图。
图5、光学器件的光学性质说明图。
图6、各种入射光形态示意图。
图7、射入光程选择光学元件的入射光入射角度示意图。
图8、对于入射光波长，按入射角显示光程选择光学元件的分光透过率的曲线图。
图9、光程选择光学元件内的光程示意图。


图10、由液晶膜构成的光程选择光学元件示例图。
图11、对于入射光波长，按入射角显示图10的光程选择光学元件的分光透过率的曲线图。
图12、第1实施形态变形例的光学器件构成示意图。
图13、第2实施形态光学器件构成示意图。
图14、第3实施形态光学器件构成示意图。
图15、透明媒质折射率比光程选择折射率n3小的情况下，对于入射角度的不同光程示意图。
图16、透明媒质折射率比光程选择折射率大的情况下，对于入射角度的不同光程的示意图。
图17、第4实施形态光学器件构成示意图。
图18、第5实施形态光学器件构成示意图。
图19、第6实施形态光学器件构成示意图。
图20、第7实施形态光学器件构成示意图。
图21、第7实施形态变形例的光学器件构成示意图。
图22、第8实施形态光学器件构成示意图。
图23、第9实施形态光学器件构成示意图。
图24、第10实施形态光学器件构成示意图。
图25、图24的光学器件概念的全体结构示意图。
图26、第11实施形态光学器件构成示意图。
图27、本发明光学器件的一构成例示意图。
图28、入射光波长带显示曲线图。
图29、每个入射角，对于波长的分光透过率的变化曲线图。
图30、每个波长，对于入射角分光透过率的变化曲线图。
图31、以前一般的导光板及波导路的入射光导入情况示意图。
另，图中的符号。10是光程变化光学元件，12是光程选择光学元件，14是透明媒质，16是透明媒质(空气等)，20是具有不同折射率的物质，22是界面，26是透明电极，28是配向层，30是胆留醇型液晶层，32是中间透明媒质，34，35是透明媒质，36是光学连接媒质，38是媒质，40是反射体，42是光源，44是透明基材，46是透过型衍射光栅，48是媒质，50是微型棱镜组，52是全反射面，54是棱镜，56是透明媒质，58是全反射面，60是透明基材，62是透过型衍射光栅，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000，1100，1200，1300是光学器件，A，B是光程，n是折射率(平均折射率)，n1是透明媒质14的折射率，n2是透明媒质16的折射率，n3是光学元件12的折射率，n4是透明媒质34的折射率，n5是媒质38的折射率，n7是微型棱镜组50的折射率，n8是透明媒质56的折射率，ne是异常光折射率，no是正常光折射率，P是螺距，T是分光透过率，α是顶角，Δn是复折射率，Δλ是反射波长幅，θ，θ0，θ1，θ2，θ3，是入射角，θc是全反射临界角，λ是波长。
图1表示与本发明相关的光学器件的第1实施状态的概略构成。本实施状态的光学器件100是从导入入射光的一侧开始，依变化光程的光学元件10、选择光程的光学元件12、透明媒质14的顺序层压而成的多层结构体。在这个光学元件100的透明媒质14的光程前方有透明媒质16，透明媒质14的折射率n1(第1折射率)与透明媒质16的折射率n2(第2折射率)的关系是在透明媒质14和透明媒质16的界面22设定成满足全反射条件。具体地说例如可以由透明媒质14是玻璃基板(n1＝1.5)，透明媒质16是空气(n2＝1.0)构成。而且，构成光学器件100的各层可以由对入射光的波长域实质上不吸收，能抑制入射光及界面22全反射的入射光的损失的，高效率光学元件构成。
变化光程的光学元件10是利用折射、漫射、光衍射、光反射等变化光程的光学元件。例如可使用以下种类的光学元件。利用折射时，有透镜组、棱镜组、折射率分散体等，入射光的强度实质上并不降低。利用衍射时，使用图2所示的衍射光栅，有体积全息(参照图2(a))、起伏型衍射光栅(参照图2(b))及折射率调制型衍射光栅(参照图2(c))等位相调制型衍射光栅、振幅调制型衍射光栅等，可以高精度设定入射光光程的角度。各种光学元件用光聚合物法等注射模塑成形法可以大量复制生产。
另外，利用光漫射时，采用图3所示的光漫射板，有多孔质体(参照图3(a))、有分散分布着物质20的有不同折射率的异种折射率分布体、分散体(参照图3(b))、表面形成凹凸的光漫射体或散射体(参照图3(c))等。利用光反射时，可以采用向任意方向反射的微小反射体的分散体。任何一种光学元件都适合批量生产，容易降低成本。
从光程选择光学元件12射出的选择透过光实质上全部具有比入射光光程前面的层的全反射临界角大的角度成分。光程选择光学元件12是从其它角度成分入射光不能被选择反射透过的。也就是说，在透明媒质14和透明媒质16的界面只有比产生全反射条件的全反射临界角θc大的角度成分的入射光透过选择光程的光学元件12，其它角度成分的入射光被遮住了。全反射临界角θc可由(1)式求出。
θc＝sin-1(n2/n1)(1)作为选择光程的光学元件12的具体例子，可以举由电介质多层膜构成的光干涉滤光片为例。这个光干涉滤光片的层结构如图4所示。
光干涉滤光片是由TiO2、SiO2的顺序层压构成的电介质多层膜，它的光学特性将在后面叙述。它有根据波长有选择性地反射入射光的功能，它有把按入射角选择反射的波长移向短波长一侧的特性。当入射光的波长域为λiS～λiL(λiS＜λiL)时，从光学元件12射出的选择透过光的射出角对于全反射临界角θc以下的角度成分的光实质上全部选择性地反射波长域λiS～λiL的入射光。由这个结构，能以大面积而且简单的结构形成任意波长选择反射膜，利用其对反射波长入射角的依赖性，可以很容易形成光程选择光学元件12。上述光干涉滤光片，也可以在电介质多层膜的层结构中加上附加金属膜的金属/电介质多层膜。电介质多层膜等构成的光干涉滤光片经EB蒸镀(电子束共蒸镀)、溅射等在透明支持基板上可以使多层薄膜材料成膜。另外，前述薄膜材料也可以是有不同折射率的有机多层膜或含有无机物的有机多层膜，这种情况下通过涂敷、层压等能以更低的成本形成。
在此就光程变化光学元件和光程选择光学元件的光学性质进行详细叙述。
首先来看光程变化光学元件，比如通过折射使光程变化的情形。如图5所示，在按光程变化光学元件(平均折射率nt)81、光程选择光学元件(平均折射率ns)82、透明媒质u(平均折射率nu)83、透明媒质v(平均折射率nv)84、全反射面前方的透明媒质w(平均折射率nw)85的顺序配置的光学元件的情况下，透明媒质v和透明媒质w的界面作为全反射面时，各个界面的入射角和各媒质的平均折射率的关系可按如下表示nv.sinθv＝nwnu.sinθu＝nv.sinθv＝nwns.sinθs＝nu.sinθu＝nwnt.sinθt＝ns.sinθs＝nw这里，θt、θs、θu、θv分别是各媒质内的光程角度。
因此，作为光程变化光学元件的条件sinθt＞nw/nt有必要至少要使含有满足其条件的角度θt的光向前方输出。最好使满足这个条件的角度θt的光尽可能多含一些，向前方输出。还有，当透明媒质w是空气的时候，nw＝1，上述条件就变成sinθt＞1/nt另一方面，作为光程选择光学元件的条件sinθs＞nw/ns把它设定为只让满足条件的光透过。透明媒质w是空气的时候，nw＝1，上述条件就变成sinθs＞1/ns然而，向光学器件100的入射光，是采用面状照射光，无论是准直光还是漫射光都可以使用。而且，入射光从光学器件的外部入射也行，有内部光源使它入射也行。若是准直光，可以供给光学器件100特定入射角成分的入射光能提高光利用效率，另一方面，漫射光可以把各个方向来的入射光导入光学器件100，可以使用任意的低成本平面光源。内部有光源的情形，光源射出的光被直接导入光学器件100内部，可以使光学器件和光源形成一体，可以实现小型薄型化，使光的导入效率提高。有外部光源时，能提高光学器件100的设计自由度，可以任意利用大型的外部平面光源，容易实现高输出。
把这些入射光的形态归纳为图6表示出来。如图6所示，入射光采用集中在特定的入射角范围的有1个或多个入射角的准直光或成为任意方向的入射光的漫射光。而且，准直光及漫射光可以分别采用光学器件和光源分开的从光学器件外部向光学器件光程前方面状入射的，或者在光学器件光程前方配置了光源的状态下使其成为一体，入射面状的入射光的。
上述入射光可使用波长为UV光、兰色光及绿色光等可视光、红外光等特定光带的光，其中红外线的场合，因为还可以获得热线断开的效果，在实用方面有防止过热等便利性。
光源的种类可以使用封入非活性气体或水银蒸气的电子管的荧光灯、水银灯、氖管灯、克鲁克斯放电管等普通用的，而且可以直接使用的放电灯或容易得到准直光的激光光源、廉价的波长域固定的LED、能获得面状光的无机或有机EL、发白色光，按不同目的，通过滤光能选择任意波长成分的白炽灯、CRT等的阴极射线显示管，能直接得到向光学器件导入的面状光的阴极射线灯、同样，平面状的显示管，可以直接得到面状光的FED(场致发射显示器)等。
下面，用图7～图9详细说明光程选择光学元件12的特性。
图7表示向光学元件12的入射光的入射角；图8是以各个入射角表示的，对于入射光的波长，光学元件12的分光透过率。图9是光学元件12内外光程的示意图。
首先，如图7所示，探讨向光学元件12的入射光以各个入射角θ0，θ1，θ2，θ3，入射时的情形，如图8所示，光学元件12的分光透过率有变化。也就是说入射角为全反射临界角度θc以下的θ0(0度)的场合，分光透过率对于入射光的波长域λiS～λiL可以忽略为0％，看作遮光状态(没有透过，被反射的状态)。另一方面，当入射角比全反射临界角度θc大的场合，由于随着θ1，θ2，θ3的变大，分光透过率的透过特性移向短波长一侧，透过光量则增加。也就是说，随着向光程选择光学元件12的入射光的入射角对于该光学元件12的面，成为浅角度，被选择性反射的入射光的波长就移向短波长一侧。因此，入射光的入射角度成分透不过θ0的光，而入射角度成分比特定的角度大的θ1，θ2，θ3的光按此顺序透过量就增加起来。因此，由于把光学元件12设计成其分光特性是只透过在所定的界面比全反射临界角θc大的入射光成分，所以能把不满足全反射条件的入射光成分遮住，只把全反射的入射光成分从光学元件12选择射出。
用图9说明上述那样由设计为只透过在界面22比全反射临界角θc大的入射光成分的光学元件12构成的光学器件100时的入射光光程。
图9(a)表示入射到光程选择光学元件12的光，由光学元件12反射的光程A和入射到光程选择光学元件12的光，透过光学元件12，在光程前方的透明媒质14与透明媒质16的界面22全反射的光程B。
光程A当入射光的入射角θi在界面22小于全反射临界角θc时，光学元件12不透过这样的入射角成分的光，而在其表面选择反射。因此，小于全反射临界角θc的入射角度成分的光，被光学元件12遮挡在光程前方。
光程B当入射光的入射角θi在界面22大于全反射临界角θc时，光学元件12让这样的入射角成分的光透过，因此，大于全反射临界角θc的入射角度成分的光，透过光学元件12被导入透明媒质14，在界面22被全反射。
而且，图9(a)还表示入射光入射一方的折射率na和透明媒质14的折射率nb相等；对于光学元件12的入射角θi和在界面22的入射角θs相等。
另一方面，图9(b)表示入射光入射一方的折射率na和透明媒质14的折射率nb不等；对于光学元件12的入射角θi和在界面22的入射角θs不等的情形。这种情况下光学元件12设计为界面22的入射角θs比全反射临界角θc大。
由于采用上述设计的光程选择光学元件12构成的光学器件100，如图1的箭头所示的光程，由光学器件100的内部或外部导入的准直光或漫射光构成的面状的入射光，一入射到光程变化光学元件10，就从光的照射位置扩散等，使光程发生变化。接着，改变了光程的光，一到达光程选择光学元件12，在透明媒质14和透明媒质16的界面22，只有比全反射临界角θc大的角度成分的入射光透过光学元件12，其它角度成分的入射光在光学元件12表面被反射到光入射的一面。
因此，入射到光学器件100的光中，只有在透明媒质14和透明媒质16的界面22全反射的光被导入光程前方，被导入的光在光学器件100的入射光光程最前方的面—界面22全反射。也就是说，在光程选择光学元件12，从光学选择元件12被射出透过光的实质上全部，在从光程选择光学元件12入射光光程前方层的界面的入射光光程前方的界面有比全反射临界角大的角度成分，其它角度成分的入射光，被有选择地反射，没有透过。而且，在有全反射面的媒质内，实质上没有进行导光、积蓄、封闭等。
另外，在光程选择元件12的表面，在光入射一面被反射的一部分光在光程变化光学元件10的光入射一面被反射，再度投入光程选择元件12。再投入的光入射角度变大，比全反射临界角θc大了，透过光学元件12，被导入透明媒质14。
这样，用本实施形态的光学器件100，而不使用光导板及光波导，就能把从面状光源来的入射光直接以面状，高效导入光学器件100，所以与从端面入射的情形比较，可以特别广泛采用入射光的导入口，提高与入射光结合的效率，也不影响光学器件100的薄型化，可以高效得到面状的全反射光。而且，容易实现光学器件100的高输出。还有，因为不依赖入射角，通过没有吸收的反射体，至少导入光学器件的入射光的一部分没有反射损失，被全反射，所以能使光学器件具有高效率反射体的功能。而且，由于在光学器件内的各个界面被反射的入射光的一部分又投入到光程前方，从光学器件透过的光实质上也并没有产生，可以提高光利用效率。因而，可以把利用这种光学器件全反射的光学器件、光学系统的应用范围扩大。再者，由于把光学器件100与空气(非活性气体也可以)接触的气体接触界面作为全反射面，产生全反射的折射率的层可以无需经过其它途径，以单纯的结构就能产生全反射。
在本实施形态中，因为光程变化光学元件和光程选择光学元件光学性的接触，双方的光匹配性良好，同时在光程变化光学元件有方向性的场合，可以把入射光从光程变化光学元件，保持入射角度成分的状态下，直接导入光程选择光学元件。
下面，说明光程选择光学元件12，代替前述的光干涉滤光片，采用布喇格反射滤光片的其它构成例。
图10是光程选择光学元件12由液晶膜构成的示例。这种场合的光学元件12是由ITO等结构的一对透明电极26、在其内侧形成的配向层28和被配向层28包着的胆留醇型液晶层30构成。
以下说明用这个结构的胆留醇型液晶层30的滤光效果。胆留醇型液晶分子与层平行取向，与层的垂直方向呈螺旋结构。
胆留醇型液晶层30常光折射率为no、异常光折射率为ne、双折射率为Δn、平均折射率为n时，双折射率Δn可以用(2)式表示。
Δn＝ne-no(2)平均折射率n可以用(3)式近似表示。
n＝(ne+no)/2 (3)还有，胆留醇型液晶层30的螺旋螺距为P[nm]时，胆留醇型液晶层30根据胆留醇型布喇格反射的原理，表现选择性反射的特性。即在入射角θ[deg]向液晶层30入射的光被选择反射时的入射光的中心波长λ(θ)[nm]可用(4)式表示。
λ(θ)＝λ(0)·cos[sin-1(sinθ/n)] (4)
但是，入射光规定为从空气(折射率＝1)入射。这里，λ(0)[nm]可以用入射角θ0，即向层垂直入射时的中心波长(5)式表示。
λ(0)＝n·P (5)反射波长幅Δλ[nm]可以用(6)式表示。
Δλ＝Δn·P (6)因此，通过控制胆留醇型液晶层30的物理参数常光折射率no、异常光折射率ne、螺旋螺距P，而形成层，可以形成按入射角θ变化的任意反射中心波长λ(θ)和有所希望的反射波长幅Δλ的光学滤光片。如果要调整螺旋螺距P，可以采取把螺旋螺距不同的2种以上的材料混合调整等制法。
当作为对象的入射光的波长域宽的时候，胆留醇型液晶层的选择反射波长域也有必要扩展。这种情况下，在螺旋螺距厚度的方向连续把不同的液晶定向可以扩展反射波长域。另外，把不同的选择反射波长域的胆留醇型液晶层层迭，也可以扩展反射波长域，可以使用本发明的光程选择光学元件。
这种胆留醇型液晶层30，可以按如下方法制造。
在胆留醇型液晶成膜支持体上涂敷聚酰亚胺定向膜、干燥、用摩擦的方法进行表面处理。这样就形成了聚酰亚胺定向膜。在它上面再涂敷上低分子胆留醇型液晶或向列型液晶和能发现螺旋的カイラル(凯拉路)剂的混合物、高分子单体、用有机溶剂混合的光聚合引发剂调整液后，在适当的温度下使它定向。然后，对必要的部分进行紫外线曝光使光聚合，通过显影除去不要的部分。最后进行高温烘烤使它稳定。
为了控制螺旋方向及反射入射角度可以适当变更胆留醇型液晶、カイラル(凯拉路)剂及每种浓度。
也可以用高分子胆留醇型液晶成膜。这种场合，和上述同样在聚酰亚胺定向膜上涂敷高分子胆留醇型液晶和用有有机溶剂混合的光聚合引发剂调整液后，在适当的温度下使它定向。然后，对必要的部分进行紫外线曝光使光聚合，反射入射角度可以用适当选择定向温度来控制，利用光聚合使它稳定。
这里，用图11表示采用这个结构的光程选择光学元件12的分光透过率。这个胆留醇型液晶层是左螺旋胆留醇型液晶层和右螺旋胆留醇型液晶层重迭的例子，在反射波长域反射全偏光成分。入射角为全反射角临界角度θc以下的θ0(参照图7)时，分光透过率对于入射光的波长域λiS～λiL忽略为0％，是遮光状态；入射角比全反射临界角θc角度大，而θ1，θ2，θ3随着增大，分光透过率的透过特性向短波长方面移动所以透过光量增加。因此，入射光的入射角度成分不透过θ0的光，而入射角度成分依次透过许多比特定角度大的θ1，θ2，θ3，的光。所以，把光学元件12的分光特性设定为在所定的界面只透过比全反射临界角θc大的入射光成分，把不满足全反射条件的入射光成分选择除去，就可以只让全反射的入射光成分从光学元件12射出。
采用这个结构，可以得到和前述的用光干涉滤光片同样的效果，同时可以以低成本实现光程选择光学元件12。
另外，关于胆留醇型液晶层30，其螺旋结构为右螺旋时，反射右圆偏光成分的光，使沿着螺旋的左圆偏光成分的光透过。另一方面，其螺旋结构为左螺旋时，反射左圆偏光成分的光，使沿着螺旋的右圆偏光成分的光透过。因此，反射全偏光成分的光，即不透过的时候，左螺旋(或右螺旋)胆留醇型液晶层和右螺旋(左螺旋)胆留醇型液晶层按次序重迭结构，可以使全偏光被反射。
除上述胆留醇型液晶以外，作为有布喇格反射功能的光学元件，体积全息是有效的。体积全息是靠在薄膜内形成的格子状的折射率分布具有布喇格反射功能，而反射特定的波长。而且，入射角变大时，反射波长移向短波方面，有光程选择膜的功能。体积全息，通过对全息用摄影感材、相分离型光聚合物、HPDLC(全息高分子分散液晶)、照相平版印刷材料等感光材料进行多光束干涉曝光可以形成。
下面说明本实施形态的光学器件100的变形例子。图12是作为本实施形态的变形例的光学器件200的结构示意图，入射光存在于光学器件200的内部。即把光源配置于光学器件200的内部的结构。具体有用树脂等把光源封闭在光学器件200内部的结构、使光程变化的光学元件10本身就是发光元件的结构等。这种场合的入射角不论是所定的角度，还是任意的角度都可以。
采用本变形例，入射光被光程变化光学元件10扩散后，被光程选择元件12从各个入射方向照射。而且，光程选择元件12只把入射光中在界面22全反射的角度成分的入射光选择透过，其它角度成分的入射光被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
另外，在上述第1实施形态的光器件100及变形例光学器件200的结构中也可以把透明媒质14设置在光程变化光学元件10的光程后方。这种场合，产生全反射的界面就变成光程选择光学元件12光程前方的界面。这样，光学器件，可以按从光程后方向前方的顺序层迭光程变化光学元件10和光程选择光学元件12，各迭层间可以插装透明媒质等任意的媒质。
下面，说明与本发明相关的光学器件的第2实施形态。
本实施形态的光学器件300的结构如图13所示。本实施形态的光学器件300的结构是从入射光导入的一方开始，按照光程变化元件10、玻璃基板等折射率大于1的中间透明媒质32、光程选择光学元件12的顺序层迭的多层结构体。在这个光学器件300的光程选择光学元件12的光程前方有透明媒质16，这个光学元件12的折射率n3和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足光学元件12和透明媒质16的界面的全反射条件。入射光存在于光学器件300的外部或内部都可以，准直光或漫射光都可以。
采取光学器件300，入射光被光程变化光学元件10扩散后，被光程选择光学元件12通过中间透明媒质32从各个入射方向照射。在与中间透明媒质32的界面，把角媒质的折射率调整为实质上不产生全反射为宜。或者在各界面进行防止反射的处理。然后，入射光被光程选择光学元件12在其内部只透过全反射入射角度成分的光，透过的光在光程选择光学元件12和透明媒质16的界面24被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
下面，说明与本发明相关的光学器件的第3实施形态。
本实施形态的光学器件400的结构如图14所示。本实施形态的光学器件400的结构是从入射光导入的一方开始，按照光程变化元件10、玻璃基板等折射率大于1的中间透明媒质32、选择平均折射率为n3的光程选择光学元件12、折射率为n4的透明媒质34的顺序层迭的多层结构体，是在第2实施形态的光学器件300的基础上，在入射光光程前方设置了例如透明薄膜等的透明媒质34构成的。在这个光学器件400的透明媒质34的光程前方有透明媒质16，透明媒质34的折射率n4和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足透明媒质34和透明媒质16的界面的全反射条件。入射光存在于光学器件400的外部或内部都可以，准直光或漫射光都可以。
采取光学器件400，入射光被光程变化光学元件10扩散后，被光程选择光学元件12通过中间透明媒质32从各个入射方向照射。然后，被光程选择光学元件12在透明媒质34和透明媒质16的界面25只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在透明媒质34和透明媒质16的界面25被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
还可以通过调整透明媒质34的折射率，使产生全反射的面改变到透明媒质34光程前方，成为选择光程光学元件12和透明媒质34的界面。
下面说明透明媒质34的反射条件。图15表示透明媒质34的折射率n4小于光程选择光学元件12的折射率n3时，对于入射角度θ光程的区别。依(a)～(c)的顺序入射角度变大。在入射角度小的(a)光程选择光学元件12和透明媒质34的界面被反射；在(b)透过上述界面，在透明媒质34的光程前方被全反射；在入射角度θ大的(c)在上述界面被全反射。这时各状态的入射角条件是(a)的场合θ≤sin-1(1/n3)(b)的场合sin-1(1/n3)＜θ＜sin-1(n4/n3)(c)的场合sin-1(n4/n3)≤θ另外，透明媒质34的折射率n4在光程选择光学元件的折射率n3以上时，对于入射角θ光程的区别如图16所示。这种场合，在光程选择光学元件12和透明媒质34的界面没有全反射。同样各状态的入射角条件是(a)的场合θ≤sin-1(1/n3)(b)的场合sin-1(1/n3)＜θ因此，把透明媒质34的折射率按照光学器件的使用状况适当调整，把产生全反射的界面改变到透明媒质34的光程前方，可以使其成为光程选择光学元件12和透明媒质34的界面，可以任意设定产生全反射的界面。
在本实施形态，也可以设置为了防止透明媒质34、光程选择光学元件12的外部损伤、劣化用的保护膜，也可以有具其它功能的膜，如具有光学的、电的功能的膜都可以。而且，透明媒质34也可以由多层膜构成。
把上述多用途的透明媒质34设置在图1所示的第1实施形态的光学器件100的透明媒质16的光程前方也可以，这种场合，也可以获得上述同样的效果。
下面，说明与本发明相关的光学器件的第4实施形态。
本实施形态的光学器件500的结构如图17所示。本实施形态的光学器件500的结构是从入射光导入的一方开始按光程变化光学元件10、粘接层等光学连接媒质36、光程选择光学元件12、玻璃基板等透明媒质14的顺序层迭的多层结构体，是在第1实施形态的光学器件100的光程变化元件10和光程选择元件12之间插装了光学连接媒质36构成的。在这个光学器件500的透明媒质14的光程前方有透明媒质16，透明媒质14的折射率n4和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足透明媒质14和透明媒质16的界面22的全反射条件。入射光存在于光学器件500的外部或内部都可以，准直光或漫射光都可以。
采取光学器件500，入射光被光程变化光学元件10扩散后，被光程选择光学元件12通过光学连接媒质36从各个入射方向照射。然后，被光程选择光学元件12在透明媒质14和透明媒质16的界面只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在透明媒质14和透明媒质16的界面22被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
此外，在本实施形态的透明媒质14的光程前方，还可以设置第3实施形态的多目的透明媒质34。这种场合也可以获得和前述同样的效果，通过调整透明媒质34和透明媒质14的折射率，可以把全反射面改变到透明媒质34的光程前方，成为透明媒质14和透明媒质34的界面。
下面，说明与本发明相关的光学器件的第5实施形态。
本实施形态的光学器件600的结构如图18所示。本实施形态的光学器件600的结构是从入射光导入的一方开始按光程变化光学元件10、粘接层等光学连接媒质36、光程选择光学元件12、玻璃基板等透明媒质14、有比透明媒质14的折射率n1小的折射率为n5的媒质38的顺序层迭的多层结构体，是在第4实施形态的光学器件500的入射光光程前方设置了低折射率的媒质38而构成的。这个光学器件600的透明媒质14的折射率n1和媒质38的折射率n5的关系是要设定为满足在透明媒质14和媒质38的界面39的全反射条件。入射光存在于光学器件600的外部或内部都可以，准直光或漫射光都可以。
采取光学器件600，入射光被光程变化光学元件10扩散后，被光程选择光学元件12通过光学连接媒质36从各个入射方向照射。然后，被光程选择光学元件12在透明媒质14和媒质38的界面39只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在透明媒质14和媒质38的界面39被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
此外，本实施形态中的媒质38也可以设置为防止光程选择元件12外部损伤、劣化用的保护膜。
下面，说明与本发明相关的光学器件的第6实施形态。
本实施形态的光学器件700的结构如图19所示。本实施形态的光学器件700，是与第1实施形态的光学器件100的入射光导入一方相对峙，设置光反射体，例如漫射反射体、镜面反射镜等反射体40，在反射体40和光学器件100之间装有光源42。因此光源42的光是从光学器件100的外部照射的。这种光是准直光或漫射光都可以。
采取光学器件700，光源42来的入射光被光程变化光学元件10扩散后，被从各个入射方向导入光程选择光学元件12。然后，被光程选择光学元件12在光程前方的透明媒质14和透明媒质16的界面22只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在透明媒质14和透明媒质16的界面22被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的被反射。这个反射光由反射体40再投入光程变化光学元件12被再利用。而且当光源42发漫射光时，向光程变化光学元件12的相反一方射出的光被反射体40反射，再利用。由此，可以提高光源42及光学器件700的光利用效率，增大光学器件700的光输出强度。
除上述以外，还有种种光程变化元件、光程选择元件、透明媒质等的组合，而且对全反射界面也有各种研究，要在本发明的主旨上添加，怎么组合都可以。
下面说明第7实施形态本实施形态是在上述的光程变化光学元件和光程选择光学元件中，只采用光程选择元件的结构。
本实施形态的光学器件800的结构如图20所示。本实施形态的光学器件800的结构是从入射光导入的一方开始按玻璃基板或透明树脂等的透明基材44、光程选择光学元件12、有全反射面的透明媒质14的顺序层迭的多层结构体。在这个光学器件800的透明媒质14的光程前方有透明媒质16，透明媒质14的折射率n4和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足在透明媒质14和透明媒质16的界面的全反射条件。而且，这时的入射光已经被导入透明基材44内，存在其中。这还可以实现另外的结构，例如作为从其它光学路径把光导入透明基材44内的结构、发光源存在透明基材44内的结构。
采用本实施形态的光学器件800，被导入透明基材44内的入射光从各个方向照射到光程选择光学元件12。然后，由光程选择光学元件12在透明媒质14和透明媒质16的界面22只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在透明媒质14和透明媒质16的界面22被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
另外，在透明媒质14的入射光光程前方，还可以设置比透明媒质14的折射率n1低的低折射率的媒质的结构。这种场合，光程选择光学元件12中被导入的入射光在透明媒质14的光程前方的界面22被全反射。
下面说明本实施形态的光学器件800的变形例。
本变形例的光学器件900的结构如图21所示。本变形例的光学器件900是在玻璃基板或透明树脂等透明媒质35上加上光程选择光学元件12的层迭结构体。这个光学器件900的光程选择光学元件12的光程前方有透明媒质16，光学元件12的折射率n3和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足在光学元件12和透明媒质16的界面24的全反射条件。
采用本实施形态的光学器件900，被导入透明媒质35内的入射光从各个方向照射到光程选择光学元件12。然后，由光程选择光学元件12在界面24只透过全反射的入射角度成分的光，其透过光在界面24被全反射。另一方面，不满足全反射条件的入射光成分在光程选择光学元件12的光程前方被反射。这样可以收到和前述同样的效果。
下面说明，上述第1～7实施形态的光学器件中不采用选择光程光学元件、电介质多层膜或胆留醇型液晶膜的，单纯而廉价的结构实施形态。
首先，说明与本发明相关的由透过型衍射光栅构成的光学器件，第8实施形态。
本实施形态的光学器件1000的结构如图22所示。本实施形态的光学器件1000的结构是从入射光导入的一方开始按玻璃基板或透明树脂等的透明基材44、透过型衍射光栅46、有全反射面的媒质48的顺序层迭的多层结构体。而且入射光是被收集在特定的入射角度范围内的面状光。透过型衍射光栅46是由多重全息干涉曝光获得的时候，任意的入射角都可以。
透过型衍射光栅46可以使用图2(a)所示的体积全息，也可以使用图2(b)所示的起伏型衍射光栅或图2(c)所示的折射率分布型衍射光栅或振幅调制型衍射光栅。
面状的准直光的入射光一照到光学器件1000，入射光就透过透明基材44被透过型衍射光栅46在媒质48内光程变换到产生全反射的角度内。换言之，透过型衍射光栅46被设计为入射光在媒质48内能产生全反射。这样采用本实施形态的光学器件1000，由透过型衍射光栅46，把入射光变换为产生全反射的角度，可以在媒质48的入射光光程前方的界面产生全反射光。
下面说明与本发明相关的用棱镜构成光学器件的第9实施形态。
本实施形态的光学器件1100的结构如图23所示。本实施形态的光学器件1100由微棱镜组50构成，图23(a)所示是从光入射面一方看微棱镜组50的平面图，其中，57为凸部，59为凹部。图23(b)所示是(a)的P--P截面的截面图。
微棱镜组50是平板状的，其上面是平滑的全反射面52，而下面是与由断面山型凹凸构成的棱镜54平行的多个排列。
微棱镜组50的材料有玻璃、树脂等，尤其是树脂能批量生产。树脂有丙烯类、环氧类、聚酯类、聚碳酸酯类、苯乙烯类、聚氯乙烯类等光学性能较好的，而且，树脂材料有光硬化型、光溶解型、热硬化型、热可塑型等可以适当选用。
微棱镜组50的制造方法有用金属模浇注法、或加热挤压成形、注射模塑成形、印刷法或照相平版印刷法生产率较高。
具体来说把热可塑性树脂在微棱镜形状的金属模中挤压可以成形。还可以把光硬化性树脂或热硬化性树脂填充到金属模中，然后，用光或热使树脂硬化从金属模中取出就可成形。
照相平版印刷法是通过被光溶解树脂或光硬化性树脂适当形成图案的遮光罩用紫外线(或可视光)曝光，分别由曝光部分的溶解显影或非曝光部分的溶解显影而形成。依照树脂材料和曝光量的分布可以获得所希望形状的微棱镜。还可以根据树脂材料，显影后进行高温烘烤处理、根据热软化时的表面张力获得所希望形状的微棱镜组50。
入射光51是收集在特定入射角度范围内的面状光，如图23(b)所示，在入射角θi入射到光学器件1100。
采用本实施形态的光学器件1100，微棱镜组50周围的媒质为空气(折射率n2＝1)，微棱镜组50由透明树脂(折射率n7＝1.5)构成时，全反射面52的全反射临界角θc和前述的(1)式同样求出，为42[deg]。
因此，作为使对于全反射面52的入射角θ为θ≥θc的一例，把棱镜的顶角α设定为90[deg]前后，左右开口角设定为45[deg]前后。这种场合，入射光从棱镜外部入射时，其入射光的入射角θi为45[deg]前后。这种条件下，实质上没有光学上的遮光，可以高效率地把入射光在全反射面52全反射。棱镜的顶角α不限定于此。
这样，采用简单且能廉价批量生产的微棱镜组50可以导入面状的入射光，导入的入射光实质上被全反射。
下面说明与本发明相关的光学器件的第10实施形态。此实施形态是由第9实施形态的微棱镜组构成的光学器件。
本实施形态的光学器件1200的断面结构如图24，光学器件1200的概念上的全体结构如图25所示。本实施形态的光学器件1200是从入射光导入的一方开始，由微棱镜组50、玻璃或树脂等的透明媒质56构成的迭层结构。
这个光学元件1200的透明媒质56的光程前方有透明媒质16，透明媒质56的折射率n8和透明媒质16的折射率n2的关系是要设定为满足在透明媒质56和透明媒质16的界面的全反射条件。入射光是收集在特定的入射角度范围内的面状光。
采用本实施形态的光学器件1200，面状的入射光51照射到微棱镜组50，由微棱组50把依棱镜顶角α等设定的所定入射角度成分的入射光导入透明媒质56内。然后导入的入射光以高效率在透明媒质56的全反射面58被全反射。
这样，采用简单且能廉价批量生产的微棱镜组50，因导入的是面状的入射光，导入的入射光实质上可以在透明媒质56的界面58被全反射。
下面说明与本发明相关的第11实施形态。此实施形态是在第10实施形态的光学器件1200的光程前方，在适应微棱镜组50的光入射角的角度设置光程变化元件。
本实施形态的光学器件1300的断面结构如图26所示。本实施形态的光学器件1300是从入射光导入的一方开始，按玻璃基板或透明树脂等的透明基材60、透过型衍射光栅62的顺序构成的迭层光学元件和第10实施形态的光学器件1200构成的。而且，入射光是收集在特定的入射角度范围内的面状光。
透过型衍射光栅62和第7实施形态的透过型衍射光栅46同样，可以使用体积全息，起伏型衍射光栅或折射率分布型衍射光栅或者振幅调制型衍射光栅。
采用本实施状态的光学器件1300，准直光的面状入射光1301一照射到光学器件1300，入射光就透过透明基材60，由透过型衍射光栅62使依微棱镜组50的顶角α等设定的所定入射角度成分的光变换光程。即在透明媒质56的界面58产生全反射的角度，变换光程。换言之，这个透过型衍射光栅62设计为入射光在透明媒质56的界面58产生全反射的角度。这样，由透过型衍射光栅62变换把入射光导入微棱镜组50的所定入射角，被导入的入射光就能在透明媒质56的界面58被全反射。
以上说明的与本发明有关的光学器件，可以应用于反射红外光的可视透明薄膜、高效率反射薄膜、有波长选择性的高效率反射薄膜、高效率光源的反射体或薄膜等的反射体以及利用面状全反射光的电饰广告显示的显示体、光调制器件、平面显示器等。
这里，说明与本发明相关的光学器件的一个具体构成例和通过模拟求其构成例的光学器件的分光透过率的结果。
图27表示与本发明有关的光学器件的一个构成例。这个光学器件是从入射光的导入一方开始，按使光程变化的光学元件光漫射膜(折射率n＝1.5)1302、光程选择光学元件电介质多层膜1303、玻璃基板(折射率n＝1.5)(全反射临界角θc40deg)1304的顺序层迭而成的。而且，在玻璃基板的光程前方存在着空气(折射率n＝1.0)。
电介质多层膜是TiO2/SiO2/.../SiO2/TiO2构成的29层结构的多层膜。各层的光学厚度设定为1/4λ(但波长λ＝440[nm])而且，入射光采用图28所示的波长λ＝350～400[nm]的UV光源。此时的全反射临界角θc约为40[deg]。
在上述条件下求光学器件(电介质多层膜)的分光透过率时，得出图29、图30所示的结果。图29是每个入射角所示的对于波长λ分光透过率T的变化曲线图，图30是每个波长λ对于入射角θ的分光透过率T所示的曲线图。
如图29(a)所示，入射角θ为0[deg]时，UV光源的波长域的分光透过率T为略0[％]，没有从光学器件透过。而且，如图29(b)所示的入射角θ在全反射临界角θc的正前方40[deg]时也没有从光学器件透过。在图29(c)所示的入射角θ为70[deg]时，对于P波的分光透过率为略100[％]；对于S波为略0[％]；P波和S波的平均约为50[％]。
另外，如图30(a)所示，当UV光源的波长域短波一方的波长λ＝350[deg]时，对于P波入射角约从50[deg]开始分光透过率上升；如图30(b)所示中心波长λ＝375[nm]时，入射角θ约从46[deg]开始分光透过率上升；进而，如图30(c)所示的长波一方的波长λ＝400[nm]时，入射角θ约从42[deg]开始分光透过率上升。
因此，按照适当的设计，采用P波使光学器件全反射、变更光学器件的诸条件、使S波的分光特性接近P波，可以使UV光源的波长域的入射光在其入射角θ小于全反射临界角θc的角度被选择反射，且在大于全反射临界角θc的角度被透过。由此，把光学器件的电介质多层膜作为光程选择光学元件，在实用上可以充分发挥功能。
参照特定的实施形态对本发明进行了详细说明，本行业的专业人员都清楚不脱离本发明的宗旨和范围可以作各种变更或修正。
本申请依据并参照2000年12月8日申请的日本专利申请书(特愿2000-374527)的内容。
<工业上应用的可能性>
采用与本发明相关的光学器件，因为是平面形状的光学器件，向光学器件内导入平面状入射光时，被导入的入射光至少有一部分在构成光学器件的层的界面被全反射，返回入射光导入一方，实际上被导入光学器件的入射光并没有从相反的一方射出。所以不受从光学器件的端面，在比全反射临界角大的角度导入入射光等的入射光的导入位置的限制，不受入射光形状为束状、线状等光源种类的限制，不必使用导光板或光波导路，可以把面状的入射光以面状直接高效导入，在所希望的界面得到高效的面状全反射光。而且，因为导入光学器件的入射光至少一部分被全反射，能使光学器件具有不依赖入射角及没有吸收的高效反射体的机能。
与本发明有关的光学器件，在光学器件内配置了光程变化光学元件，可以向这个光程变化光学元件导入面状入射光。被导入的入射光通过光程变化光学元件，入射光的光程可以被变化为特定的方向或任意的方向，实质上全部在光学器件结构层的界面被全反射。由于采取这种结构不受入射光导入位置的限制、不受光源种类的限制，不必使用导光板或光波导路，可以把面状的入射光直接以面状高效导入。能使光学器件具有不依赖入射角及没有吸收的高效反射体的机能。
与本发明有关的光学器件，在光学器件内配置了光程选择光学元件，可以向这个光程选择元件导入面状入射光。被导入的入射光通过光程选择元件，入射光的光程可以被变化为特定的方向或任意的方向，实质上全部在光学器件结构层的界面被全反射。由于采取这种结构不受入射光导入位置的限制不受光源种类的限制、不必使用导光板或光波导路，可以把面状的入射光直接以面状高效导入。能使光学器件具有不依赖入射角及没有吸收的高效反射体的机能。
与本发明有关的光学器件是从光学器件的厚度方向的入射光导入一方开始，按光程变化光学元件、光程选择光学元件的顺序配置的，向光程变化光学器件导入面状入射光。被导入的入射光，由于光程变化光学元件，入射光的光程被变化为特定的方向或任意的方向，再由光程选择光学元件只让特定方向的入射光透过，使导入光学器件的光实质上全部在光学器件的结构层的界面被全反射。由于这种结构，不受入射光导入位置的限制不受光源的限制、不必使用导光板或光波导路，可以把面状的入射光直接以面状高效导入。能使光学器件具有不依赖入射角及没有吸收的高效反射体的机能。
而且，与本发明有关的光学器件，在光学器件内部配置了在光学器件结构层的界面导入全反射入射光的光学元件，向导入入射光的光学元件导入面状光。被导入的入射光实质上全部在光学器件的结构层的界面被全反射。因此，虽然结构简单，但不受入射光导入位置的限制，不受光源的限制、不必使用导光板或光波导路，可以把面状的入射光直接以面状高效导入。能使光学器件具有不依赖入射角及没有吸收的高效反射体的机能。
权利要求
1.一种平面形状的光学器件，其特征在于在向上述光学器件导入面状入射光时，该导入的入射光至少有一部分在上述光学器件构成层的界面上进行了全反射，另一方面从入射光导入侧的对面一侧，实质上没有射出上述入射光。
2.一种平面形状的光学器件，其特征在于在上述光学器件内部配置了光程变化光学元件，在上述向光学器件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程变化光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
3.一种平面形状的光学器件，其特征在于在上述光学器件内部配置了光程选择光学元件，在上述向光学器件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程选择光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
4.一种平面形状的光学器件，其特征在于在上述光学器件上从厚度方向，导入入射光的一侧，依次配置光程变化光学元件和光程选择光学元件，在上述向光程变化光学元件导入的面状入射光中，至少有一部分导入到光程选择光学元件中，实际上这种被导入的入射光全部在上述光学器件的构成层界面上进行全反射。
5.根据权利要求1-4中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述全反射的入射光实际上全部返回到光学器件的入射光导入一侧。
6.根据权利要求1-5中任意1项所述的光学器件，其特征在于构成上述光学器件的层对上述入射光的波长域实质上不产生吸收。
7.根据权利要求4-6中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件和光程选择光学元件是光学的接触。
8.根据权利要求4-6中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件和光程选择光学元件是通过折射率大于1的媒质进行光学接触的。
9.根据权利要求2或4-8中任意1项所述的光学器件，其特征在于装备有构成光学器件一部分的透明媒质，在该透明媒质的光程前方配置了上述的光程变化光学元件。
10.根据权利要求3-8中任意1项所述的光学器件，其特征在于装备有构成光学器件一部分的透明媒质，在该透明媒质的光程前方配置了上述的光程选择光学元件。
11.根据权利要求4-8中任意1项所述的光学器件，其特征在于装备有构成光学器件一部分的透明媒质，在该透明媒质的光程前方依次配置有上述的光程变化光学元件和上述光程选择光学元件。
12.根据权利要求1-11中任意1项所述的光学器件，其特征在于在上述光学器件的光程最前方，配置了构成上述光学器件一部分的媒质，把该媒质的入射光光程前方或后方的任意一个界面变成为产生上述全反射的界面。
13.根据权利要求12项所述的光学器件，其特征在于把上述媒质的平均折射率定为nb，上述媒质的光程后方层的平均折射率定为na，该光程后方层内的进光角度定为θ，当na＞nb时，在sin-1(nb/na)≤θ的情况下，上述产生全反射的界面在入射光光程后方，在sin-1(1/na)＜θ＜sin-1(nb/na)的情况下，上述产生全反射的界面在入射光光程前方，另外，当na≤nb时，在sin-1(1/na)≤θ的情况下，上述产生全反射的界面在入射光光程前方。
14.根据权利要求1-13中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述产生全反射的界面是，构成光学器件一部分的第一折射率的媒质的界面和，连接该媒质、设置在入射光光程前方的、比第1折射率小的第2折射率的媒质的界面。
15.根据权利要求1-11中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述产生全反射的界面是，上述光学器件入射光光程最前方的面。
16.根据权利要求15项所述的光学器件，其特征在于上述产生全反射界面的入射光光程前方一侧有气体接触界面。
17.根据权利要求2或4-16中任意1项所述的光学器件，其特征在于当设该光程变化光学元件的平均折射率为nt、光程前方全反射界面的前方一侧媒质的折射率为nw、进入光程变化光学元件媒质内的光的角度为θt时，上述光程变化光学元件至少有满足sinθt＞nw/nt条件的角度θt的光在前方输出。
18.根据权利要求2或4-17中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件是依靠折射改变光程的。
19.根据权利要求17或18中所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件有，透镜组、棱镜组、及具有不同折射率的不同种类的折射率分布体的任意一种。
20.根据权利要求2或4-17中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件是依靠衍射而改变光程的。
21.根据权利要求20中所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件是体积全息、相位调制型衍射光栅、振幅调制型衍射光栅的任意一种。
22.根据权利要求2-17中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件是利用光扩散改变光程的。
23.根据权利要求22中所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件为具有多孔质体、不同折射率的分布体、或分散体、以及表面凹凸不平的扩散体或散射体的任意一种。
24.根据权利要求2-17中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程变化光学元件利用光反射改变光程的。
25.根据权利要求3-24中任意1项所述的光学器件，其特征在于在上述光程选择光学元件中，从该光学元件射出的全部透过光实质上具有，在上述光程选择光学元件的入射光光程前方层的界面或光程选择光学元件的入射光光程前方界面上，比全反射临界角大的角度成分，其它角度成分的入射光不具有有选择的被反射透过的性质。
26.根据权利要求3-25中任意1项所述的光学器件，其特征在于在上述光程选择光学元件中，设光程选择光学元件的平均折射率为ns，光程前方全反射界面的前方一侧媒质的折射率为nw，光程选择光学元件媒质内进光角度为θs时，满足条件sinθ·s＞nw/ns的角度θs的光，实质上能全部透过。
27.根据权利要求3-26中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程选择光学元件具有对入射光波长域进行有选择的反射的功能，随着入射光的入射角对该光程选择光学元件的面成为浅角时，被选择反射的入射光的波长就移向短波长一侧。
28.根据权利要求3-27中任意1项所述的光学器件，其特征在于向上述光程选择光学元件射入入射光的入射角，向入射光光程前方的全反射界面射入的入射角，在全反射临界角以下时，上述光程选择光学元件实质上全部有选择地反射上述入射光。
29.根据权利要求3-28中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程选择光学元件是含有电介质多层膜的光干涉滤光片。
30.根据权利要求3-28中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述光程选择光学元件为含有胆留醇型液晶、体积全息的布喇格反射滤光片。
31.一种平面形状的光学器件，其特征在于在上述光学器件的内部配置了导入入射光的光学元件，在向该光学元件导入面状入射光时，被导入的入射光实质上全部在光学器件的构成层的界面上进行了全反射。
32.根据权利要求31中所述的光学器件，其特征在于上述导入入射光的光学元件为面状排列的棱镜组。
33.根据权利要求1-32中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述入射光是在特定的入射角范围内收集的准直光。
34.根据权利要求32中所述的光学器件，其特征在于上述入射光是具有多个入射角的准直光。
35.根据权利要求1或3-34中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述入射光为具有任意入射角的漫射光。
36.根据权利要求1-35中任意1项所述的光学器件，其特征在于在上述光学器件的内部备有光源，上述入射光可以是从光源中射出的光。
37.根据权利要求1-35中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述入射光可以是从光学器件外部射入的。
38.根据权利要求1-37中任意1项所述的光学器件，其特征在于在上述光学器件入射光导入一侧相对峙设计了，射入光学器件的入射光经光学器件的反射再一次射入光学器件的反射体。
39.根据权利要求1-38中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述入射光为UV光、可视光、红外光的任意一种。
40.根据权利要求1-38中任意1项所述的光学器件，其特征在于上述入射光可以是放电灯、激光、LED即发光二极管、无机或有机EL即电致发光、白炽灯、阴极射线灯、FED即场效应二极管中的任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种光学器件。这种光学器件不使用导光板及光波导路等，直接地原封不动地高效率地导入面状入射光，并在所希望的界面上高效获得面状全反射光。同时，由不依靠入射角和不吸收的反射体构成了光学器件。本发明是一种平面形状的光学器件，向光学器件导入面状入射光时，该导入的入射光至少有一部分在光学器件构成层界面上被全反射，而另一方面，入射光其实并没有从入射光导入一侧的对面射出。
文档编号G02B5/32GK1398354SQ01804643
公开日2003年2月19日 申请日期2001年12月7日 优先权日2000年12月8日
发明者木村宏一 申请人:富士胶片株式会社